JP7114805B2 - 鋳型拘束緩和膨張によるポリマー光学デバイスの形成 - Google Patents

Description

本開示は、ポリマーイメージングテーパーなどの光学デバイス、および固有の特性を備えた独特の形状を製造するための方法に関する。開示された技術は、イメージングテーパーで特に使用され、それを参照して説明されているが、開示された技術は、他のタイプの光学デバイスと関連して使用することもできる。

ポリマーテーパーを使用して、画像転送の方向に応じて画像のサイズを拡大または縮小して、二次元画像を転送することができる。テーパーは、導波ファイバでできていてもよい。ファイバはポリマーコアファイバであり得、各コアは、コアとは異なる屈折率を有するクラッディングによって囲まれている。ファイバは製造中にグループ化され、テーパー材料が作成される。他の種類のファイバを使用することもできる。

ヒートアンドプル技術を利用してポリマーテーパーを作成することが知られている。これには通常、均一なビレット（シリンダーなど）から始め、両端をクランプし、中央などの箇所を加熱してから、両端を互いに引っ張ったり伸ばしたりする。これにより、引き伸ばされた、または鼓形が作成される。鼓形を中央でカットすることで、２つのテーパーを作ることができる。通常、ビレット及び最終のテーパーは断面が円形または楕円形だが、他の形状も可能である。ビレットは、別の先行プロセスでファイバまたはケーンの集まりから形成される。

図１に、上記の方法で作成したテーパーの例を示す。

＜従来技術の欠点＞
上記の「ヒートアンドストレッチ」技術は、一般に、それらの長さに沿ってそれらの断面の比較的緩やかなトランジションを伴うテーパーをもたらす。テーパーを短距離（軸方向）に大きく拡大する（放射状に）ことは、一般に、ヒートアンドストレッチ法では不可能である。この特性は、テーパー領域の軸方向の長さが一般にテーパーの直径よりも大きい、図１の例に示されている。また、一般に、高角度で引っ張って、個々のファイバの端を短いテーパー距離で入力面と出力面とに垂直にすることもできない。この手法もサイズに制限がある。

さらに、上記の方法でビレットを加熱すると、個々のファイバが先行する線引きプロセスから持つ「記憶」または残留応力を解放する可能性がある。テーパーは端から保持され、張力がかかった状態で引っ張られるが、ファイバの応力は、加熱された部分で解放される可能性がある。これは、テーパーの軸方向の歪み、およびテーパーが中心から端まで完全な熱平衡下にない結果としての半径方向の歪みを引き起こす可能性がある。この歪みは、テーパーの最終的な撮像能力に悪影響を与える可能性がある。

ポリマーテーパーの別の一般的な特性は、テーパーが比較的長い距離に引っ張られた場合、ファイバがテーパーの両端でテーパーの軸に平行またはほぼ平行になることである。テーパーの端は平らまたは曲線であり得るが、ファイバの端は通常、設計上平行またはほぼ平行になる。ファイバが角度を付けられている場合、それらは通常、テーパーの軸に向かって角度が付けられ、これは、ファイバが鼓形の大きい方の端から中心まで引き伸ばされた結果である。

本開示の一態様は、ほぼ任意の所望の倍率を提供しながら、従来のヒートアンドプルテーパーよりも軸方向の長さを短くすることができるテーパー製品に関する。ヒートアンドプル法はその軸に沿ってポリマーを伸ばす必要があるが、開示された応力解放法は延伸を利用せず、より短い軸方向距離にわたって所与の画像倍率を作り出すことができる。この方法では、固有の応力の解放を利用して最終的な形状を作成する。

本開示の追加の態様は、テーパーの軸に平行ではない、テーパーの一端または両端、外縁または外縁の一部の周りにファイバを有するテーパー製品に関する。これにより、テーパーの縁または周囲に関する画像の視野角を大きくすることができる。この方法でも、固有の応力の解放を利用して最終的な形状を作成する。

一般に、本開示は、ポリマーに固有の製造残留応力を利用してエンドテーパー形状を作成するポリマーテーパーなどのポリマー光学デバイスを作成するためのプロセスに関する。高温下で材料に応力が解放され、ポリマーを新しい制御された形状に収縮させることができる。この制御された形状は、事前に形成された鋳型を使用することで容易になる。これは、従来のヒートアンドプル法とは異なり、中心から端までの歪みに関して、歪みが少なく、テーパーを通して画像が鮮明になる可能性がある。

１つの特定の態様では、以下を含む導波光学部品を製造する方法が開示されている：
光透過軸と残留応力とがビレットの横方向の広がりを維持しているビレットを形成するためにポリマー光学材料を処理し、
ビレットを鋳型に配置し、鋳型は、導波光学部品の所望の形状に従ってビレットの横方向の膨張を拘束するように構成され、および、
鋳型内のビレットを加熱して残留応力の緩和とビレットの膨張を誘発し、それによってビレットを所望の形状の導波光学部品に形成する。

上記の方法では、緩和ビレットが横方向に膨張して鋳型を充填し、結果として得られる部品に所望の形状を与える。鋳型のトランジションの長さが非常に短い場合があり、膨張するビレットがそれに準拠する。ビレットは、残留応力の量を制御しながら、最初に希望のサイズのケーンを引くことを含む別のプロセスで事前に形成することができる。ケーンは積み重ねられ、加熱されてビレットに融合されるが、残留応力を制御し続けて、ビレットの上記の処理が望ましい結果をもたらすことを可能にする。

別の特定の態様では、以下を含む導波光学部品を製造する方法が開示されている：
複数の整列したポリマー光学ケーンを鋳型に配置し、ケーンはその横方向の広がりを維持する残留応力を有し、鋳型は導波光学部品の所望の形状に従ってケーンの横方向の膨張を拘束するように構成され；および、
鋳型内のケーンを加熱して残留応力の緩和とケーンの膨張を誘発し、それによって（ａ）ケーンを融合し、（ｂ）融合されたケーンを所望の形状の導波光学部品に形成する。

上記の２番目の方法は、最初の方法と似ているが、基本的にビレット（ブロック）の作成と最終部品を統合する。

加熱には、従来のオーブン、または、鋳型が複雑な場合にガスの閉じ込めを回避するのに役立つ、真空を維持するために密閉されたオーブンを使用できる。さらに、ケーンおよび／またはビレットの処理において、プロセスを改善する為に、圧縮力を軸方向または半径方向に加えることができる（例えば、より速くする、および／またはより低い温度を必要とする、など）。

このプロセスでは、出発原料としてケーンではなく光ファイバを使用する場合がある。

いくつかの実施形態では、鋳型は一般に円柱状であり、テーパー領域によって結合された異なる断面サイズの２つの領域を有する内部を有する。例えば、は円筒形であり得、そして２つの領域はそれぞれ異なる半径を有する。あるいは、鋳型は長方形の断面を有し得、そして２つの領域はそれぞれ異なる長さおよび幅を有する。テーパー領域は、領域の断面サイズの半分未満の長さを有し得る。

いくつかの実施形態では、鋳型は、ビレットまたはケーンの部分的な拘束のみのために構成され、横方向の膨張中、ビレット／ケーンは、拘束部分および非拘束部分を有し、拘束部分は鋳型によって拘束され、加熱中にその形状をとり、非拘束部分は鋳型によって拘束されず、加熱中に鋳型の外被を超えて膨張し、導波光学部品のフレア部分を形成する。鋳型は一般に円筒状であり、ビレット／ケーンの軸方向の長さよりも短い長さを有し得、ビレット／ケーンは、一端が鋳型の対応する端を超えて延在するように鋳型に配置され、一端は拘束されていないビレット／ケーンの部分である。非拘束部分は、加熱中に傘型の形状をとることができ、導波光学部品の追加の処理を使用して、傘型の形状の非拘束部分の中央部分を平らにすることができる。

一般に、この方法は、導波光学部品を追加処理して最終光学部品を作成することをさらに含み、これは、導波光学部品を横方向にトリミングして、対応する軸方向の長さを有する最終光学部品を製造することを含み得る。一実施形態では、導波光学部品は、各テーパーによって結合されたより広い部分とより狭い部分の繰り返しパターンを有し、トリミングは、それぞれが各テーパーを含む複数の単一テーパー最終光学部品に導波光学部品をスライスすることを含む。

従来の方法で作成したテーパーの例を示す。 図２は、いくつかの実施形態による光学部品を形成するプロセスを示している。 図３は、ある温度範囲での収縮の観点から、残留応力の存在と影響とを示すプロットである。 図４は、図３に示すように、さまざまな程度の収縮が発生した実際のビレットまたはブロック３０の例を示している。 図５は、図２のプロセスから得られた開始ビレット４０、鋳型４２、および光学部品４４の例を示す。 図６は、代替の膨張鋳型のいくつかのプロファイル例（軸方向断面）を示す。 図７は、内部が先細りの外面形状と一致する鋳型から作られた、例示的な長方形のテーパー部品６０の図である。 図８は、複数の拡張領域を有する鋳型壁７０を示している。 図９は、複数の拡張領域を有する鋳型壁７０を示している。 図１０は、ビレット８０の一部（「導波路」として示されている）が鋳型８２の外側にあり、フレアタイプの膨張をする方法を示している。 図１１は、テーパー９０の面（この図では面が上下にある）での構成ファイバの垂直性を示している。 図１２は、上記の図２の方法に代わる処理方法を示す。

＜実施形態の説明＞
一般に、開示された技術は、ポリマー導波路にテーパーを作成するための残留応力によって誘発される方向性のある収縮および膨張に向けられている。

このプロセスは、以下に説明するように、形成され得る残留応力を有する既製のブロックまたはビレットから開始することができる。このブロックは、鋳型の内部形状に機械加工されている。機械加工されたブロックは鋳型に入れられ、オーブンに入れられて特定の温度に加熱され、これにより、残留応力が緩和され、ブロックが横方向に膨張して鋳型に充填される。次に、ブロックは冷却され鋳型から取り外され、次に切断され研磨され所望の最終形状にされる。

導波路は、標準的な溶融ポリマーファイバまたは他の光誘導ファイバタイプを使用することができる。一例では、導波路は、いわゆる横方向アンダーソン局在またはＴＡＬを提供するように構成されたファイバを使用する。

鋳型はほとんどどんな形でもよい。たとえば、円形、長方形、または正方形であり得る。導波路材料は、光の進行方向に垂直な一方向、または光の進行方向に垂直な複数の方向にのみ膨張することが許され得る。長方形または正方形のテーパーは、たとえば、ディスプレイを拡張して１つまたは複数の側面のベゼルをなくす適用で役立つ。

テーパー領域の長さは、鋳型と材料に残っている残留応力の量とによって制御できる。パラメータを処理することにより、溶融ブロックの残留応力の量を制御することができる。鋳型は、１つの拡張領域または複数の拡張領域を有し得る。

膨張プロセスに使用される温度と時間とは、溶融ブロックに意図的に残された残留応力の量に関連し、これは、最初にケーンを引くために使用される時間および温度、並びにケーンをブロックに融合するために使用される時間および温度に起因する。

図２は、いくつかの実施形態による光学部品を形成するプロセスを示している。

２０で、「ビレット」と呼ばれる中間作業成果物が、ビレットの横方向の広がりを維持するように作用する残留応力を残すように形成される。一般に、ビレットは、以前に形成された個々の導波路の配列から形成され、「ケーン」（比較的太くて硬い）または「ファイバ」（比較的細くてより柔軟）の形をとることができる。ケーンまたはファイバ自体は、それらの製造からの残留応力を組み込んでおり、これは、当技術分野で一般に知られているように、正確な加熱でインゴットまたはブロックから材料の細い流れを引き出すことを含む。ビレットは、そのようなケーンまたはファイバセグメントの集合を一緒に配置し、すべて同じ光軸に沿って配向し、熱を加えることによってそれらを横方向に融合することによって形成される。ビレットには、構成するケーンまたはファイバセグメントの残留応力による全体的な残留応力がある。

２２で、ビレットは、上記のようなテーパーなどの光学部品の所望の形状を有する鋳型に配置される。例を以下に示す。ビレットは、一般に、以下に説明するように利用される緩和および膨張の量に応じて、鋳型のかなりの部分、例えば８０％以上を満たす。特に、鋳型は、光学部品の所望の形状に従ってビレットの横方向の膨張を拘束するように構成される。

２４で、ビレットは、鋳型内にある間、残留応力の所望の量の緩和および対応するビレットの横方向の膨張を誘発する温度および持続時間まで加熱される。ビレットは膨張して鋳型を満たし、その形状に一致し、以下に説明するようなさらなる処理の対象となる所望の光学部品になる。

２６で、部品は冷却されて鋳型から取り出され、必要な追加処理が実行される。これは、当技術分野で一般に知られているように、トリミング、研磨、コーティングなどを含み得る。

上記の方法では、緩和ビレットが横方向に膨張して鋳型を充填し、結果として得られる部品に所望の形状を与える。鋳型のトランジションの長さが非常に短い場合があり、膨張するビレットがそれに準拠する。ビレットは、残留応力の量を制御しながら、最初に希望のサイズのケーンを引くことを含む別のプロセスで事前に形成することができる。ケーンは積み重ねられ、加熱されてビレットに融合されるが、残留応力を制御し続けて、ビレットの上記の処理が望ましい結果をもたらすことを可能にする。

図３は、ある温度範囲での収縮の観点から、残留応力の存在と影響とを示すプロットである。ここで、「収縮」とは、温度によって引き起こされる残留応力の緩和によって発生する軸方向の収縮を指す。特定の図示の例では、０％から約３０％の範囲の収縮が、約９０℃から約１３０℃の温度範囲にわたって発生し、２時間の「滞留」期間を想定している（つまり、ブロックを特定の温度に２時間さらす）。図３は、個々のケーンと融合ブロックの別々のプロットを示すが、ブロックの特性が個々のケーンの特性を厳密になぞっていることがわかる。

図４は、図３に示すように、さまざまな程度の収縮が発生した実際のビレットまたはブロック３０の例を示している。６つのブロック３０－１、３０－２、…、３０－６が示され、すべて同じサイズで開始されており（例：左のブロック３０－１）、それぞれの温度で２時間加熱された。軸方向の収縮とともに、対応する横方向の膨張が生じることが観察され、これは、本明細書で説明するように、鋳型拘束成形に依存する効果である。これらの例は、以下の表に要約される：

図５は、図２のプロセスから得られた開始ビレット４０、鋳型４２、および光学部品４４の例を示す。この例では、鋳型４２は円筒形であり、その内部は、短いテーパー領域によって結合された２つの異なる半径の円柱状領域を有する。ビレット４０は、鋳型４２の小半径部分よりもわずかに小さい半径を有する。ビレット４０が処理中に弛緩すると、横方向に膨張して鋳型４２の内部を満たし、結果として得られる部品４４に示されるような形状をとる。

図６は、代替の膨張鋳型のいくつかのプロファイル例（軸方向断面）を示す。５０は、急激なトランジション、つまり、ある半径から別の半径への即時ステップがある例だが、残りの例では、より緩やかなトランジションである。図６の中央の例５２はシングルエンド、つまりトランジションが1つしかないのに対し、右側の例５４はダブルエンド、つまり幅広から幅狭へ、そして幅広へのトランジションがある。例５４は、狭い部分で分離を行うことによって２つのテーパーを作ることを提供する限り、ヒートアンドドロー法に類似していると見なすことができる。以下に説明するように、鋳型は実際にはそのような対のトランジションの複数のサイクルを含み得、結果として生じる中間ワークピースを横方向にスライスすることによっていくつかの部品を作ることができる。

図５および６は、開示された技術が、テーパー領域の軸方向長さが領域の断面サイズの半分未満であるテーパーを生成できることを示している。極端な例は５０で、テーパーは基本的に長さゼロのステップである。図５の例では、テーパーの長さと断面の直径の比率は約１：４である。

図７は、内部が先細りの外面形状と一致する鋳型から作られた、例示的な長方形のテーパー部品６０の図である。平面図と２つの端面図との両方が、寸法例とともに示されている。広い／ワイドな部分は１３７．５ ｘ ７７．５ｍｍで、狭い部分は１１４．５ ｘ ６４．５ｍｍである。示されているように、トランジションは６．５ｍｍと１１．５ｍｍとである。

図８～９は、上記のように複数の拡張領域を有する鋳型壁７０を示している。このような鋳型壁を他の壁と並べて、溝に平行な方向にスライスすることで、複数のテーパーを作成するための全体的な鋳型を作成できる。壁７０と同様の４つの壁が使用される場合、結果として得られる光学デバイスは、図７の例と同様に、四辺すべてにテーパーが付いた正方形の形状を有する。あるいは、壁の１つまたは複数は、用途によって指示され得るように、平坦であるか、または他の何らかのエッジ形状を有し得る。

図１０は、ビレット８０の一部（「導波路」として示されている）が鋳型８２の外側にあり、フレアタイプの膨張をする方法を示している。この例では、鋳型８２は真っ直ぐな円柱状であり、ビレット８２は鋳型よりも長く、したがって、８４に示されるように、一端を超えて延伸する。８６で処理の結果が示され、８８で拡大である。ビレット８０の上部は、傘型と同様の形状に膨張しており、個々の導波路（上記の前駆体のケーンまたはファイバに対応する）は、示されているように外側にフレアしている。

図１０の部品８６／８８は、上部が平らになり、端の近くで傾斜または丸くなるように機械加工できる。光は側面に示されているように出、これは角丸長方形などでもよい。図１０の描写は、いくらか簡略化されている可能性がある。実際には、結果として得られる部品８６／８８は、特に大きな部品の場合、中央が平坦になる傾向がある。図１０のような部品は、一部の消費者向けデバイスに使用できる場合がある。

図１１は、テーパー９０の面（この図では面が上下にある）での構成ファイバの垂直性を示している。テーパーのほとんどの適用では、ファイバが入力面と出力面とに垂直であることが望ましい。ファイバが垂直でない場合、光は正常に向けられず、代わりに望ましくない角度に向けられる。図１１は、ここに開示されている技術に従って作られたテーパーがそのような垂直性を提供できることを示している。この例では、テーパー９０には３つのセクション―上面に垂直、次に傾斜、次に下面に垂直―がある。

図１２に、上記の図２の方法に代わる処理方法を示す。加熱ステップ１０２および冷却／除去ステップ１０４は、図２のプロセスの対応するステップ２４、２６と同様である。主な違いは、事前にケーンまたはファイバから作られたビレットから始めるのではなく、ケーンまたはファイバが鋳型に配置される単一のステップ１００の使用である。この技術により、１０２での加熱は、望ましい緩和と膨張とを提供するだけでなく、図２のプロセスで別々に実行された個々のケーンまたはファイバの融合も提供する。

本発明の様々な実施形態が特に示され、説明されてきたが、本発明の範囲から逸脱することなく、その中で形態および詳細の様々な変更を行うことができることが当業者によって理解されるであろう。

Claims (20)

1. 導波光学部品を製造する方法であって、
   光透過軸を有し、ビレットの横方向の広がりを維持する残留応力を有するビレットを形成するためにポリマー光学材料を処理し、
   前記ビレットを鋳型に配置し、前記鋳型は、前記導波光学部品の所望の形状に従って前記ビレットの横方向の膨張を拘束するように構成され、および、
   前記鋳型内の前記ビレットを加熱して、前記残留応力の緩和と、それに対応する前記ビレットの軸方向の収縮および横方向の膨張とを誘発し、それによって前記ビレットを所望の形状の前記導波光学部品に形成する、を含む方法。
2. 前記鋳型が概して円柱状であり、テーパー領域によって接合された異なる断面サイズの２つの領域を有する内部を有する、請求項１に記載の方法。
3. 前記鋳型が円筒形であり、前記２つの領域がそれぞれ異なる半径を有する、請求項２に記載の方法。
4. 前記テーパー領域は、前記領域の断面サイズの半分未満の長さを有する、請求項２に記載の方法。
5. 前記鋳型が長方形の断面を有し、前記２つの領域がそれぞれ異なる長さおよび幅を有する、請求項２に記載の方法。
6. 前記鋳型が前記ビレットの部分的な拘束のみのために構成され、横方向の膨張中前記ビレットは拘束部分と非拘束部分とを有し、
   前記拘束部分は前記鋳型によって拘束され、加熱中にその形状をとり、前記非拘束部分は、前記鋳型によって拘束されておらず、加熱中に前記鋳型のエンベロープを超えて膨張し、前記導波光学部品のフレア部分を形成する、請求項１に記載の方法。
7. 前記鋳型が概して円柱状であり、前記ビレットの軸方向の長さよりも短い長さを有し、
   前記ビレットは、一端が前記鋳型の対応する端を超えて延びるように前記鋳型に配置され、
   前記一端は前記ビレットの前記非拘束部分である、請求項６に記載の方法。
8. 前記非拘束部分が、加熱中に傘型の形状をとる、請求項７に記載の方法。
9. 前記傘型の非拘束部分の上部中央を平坦化するための前記導波光学部品の追加の処理をさらに含む、請求項８に記載の方法。
10. 最終光学部品を作成するための前記導波光学部品の追加の処理をさらに含む、請求項１に記載の方法。
11. 前記追加の処理は、前記導波光学部品を横方向にトリミングして、対応する軸方向長さを有する前記最終光学部品を製造することを含む、請求項１０に記載の方法。
12. 前記導波光学部品は、各テーパーによって結合されたより広い部分とより狭い部分との繰り返しパターンを有し、
    前記トリミングは、前記導波光学部品を、それぞれが各テーパーを含む複数の単一テーパー最終光学部品にスライスすることを含む、請求項１１に記載の方法。
13. 導波光学部品を製造する方法であって、
    複数の整列したポリマー光学ケーンを鋳型に配置し、前記ケーンはその横方向の広がりを維持する残留応力を有し、前記鋳型は前記導波光学部品の所望の形状に従って前記ケーンの横方向の膨張を拘束するように構成され、および、
    前記鋳型内の前記ケーンを加熱して、残留応力の緩和と、それに対応する前記ケーンの軸方向の収縮および横方向の膨張とを誘発し、それにより（ａ）前記ケーンを融合し、（ｂ）融合した前記ケーンを所望の形状の前記導波光学部品に形成すること、を含む方法。
14. 前記鋳型が概して円柱状であり、テーパー領域によって接合された異なる断面サイズの２つの領域を有する内部を有する、請求項１３に記載の方法。
15. 前記鋳型が円筒形であり、前記２つの領域がそれぞれ異なる半径を有する、請求項１４に記載の方法。
16. 前記テーパー領域は、前記領域の断面サイズの半分未満の長さを有する、請求項１４に記載の方法。
17. 前記鋳型が、前記ケーンの部分的な拘束のみのために構成され、横方向の膨張中前記ケーンは拘束部分と非拘束部分とを有し、
    前記拘束部分は前記鋳型によって拘束され、加熱中にその形状をとり、
    前記非拘束部分は、前記鋳型によって拘束されておらず、加熱中に前記鋳型のエンベロープを超えて膨張し、前記導波光学部品のフレア部分を形成する、請求項１３に記載の方法。
18. 前記鋳型が概して円柱状であり、前記ケーンの軸方向の長さよりも短い長さを有し、
    前記ケーンは、一端が前記鋳型の対応する端を超えて延びるように前記鋳型に配置され、
    前記一端は前記ケーンの前記非拘束部分である、請求項１７に記載の方法。
19. 最終光学部品を作成するための前記導波光学部品の追加の処理をさらに含む、請求項１３に記載の方法。
20. 前記追加の処理は、前記導波光学部品を横方向にトリミングして、対応する軸方向長さを有する前記最終光学部品を製造することを含む、請求項１９に記載の方法。
    

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