JP2010508554A - 複雑な三次元形状をもつ光学製品の製造方法および製造機構 - Google Patents

Abstract

複雑で可変性の三次元形状をもつ微細光学表面設計を製造するための方法および機構。本方法は、対象基板の表面をパターニングすることができる、ステップエンボス加工装置、ステップインプリント装置、チップボンディング装置、または対応装置を得る工程（３０２）と、微細光学構造をパターニングする対象基板を得る工程（３０４）と、前記装置で動作可能な複数の異なるスタンピングツール、各スタンピングツールが１つ以上の微細光学構造を画定する１つ以上の表面レリーフ形状を含む、を得る工程（３０６）と、前記装置によって、前記複数のスタンピングツールからスタンピングツールを選択する工程（３１０）と、前記装置により制御され、エンボス加工中またはエンボス加工後に対象基板を形成および／または硬化するようにＵＶ（紫外線）光源によって必要により加熱または支援される前記選択されたスタンピングツールにより対象基板をエンボス加工する工程（３１２）と、微細光学表面設計が基板上に完成されるまで前記選択工程および前記エンボス加工工程を繰り返す工程（３１４）とを含む。制御目的用の関連コンピュータソフトウェア製品についても開示する。

Description

本発明は、広義には、光学およびオプトエレクトロニクスに関する。特に本発明は、光学微細構造の製造方法に関する。

多くの照明用途において光管理や発光効率の改善に対する需要がますます増えている。この仮説は、ＬＥＤ（発光ダイオード）照明に特に適用可能である。必要な照明性能を達成するために、ＬＥＤなどの点光源をもつ効率的な光学を利用する必要がある。回折光学素子または他の精密微細光学構造を利用する解決策により、寸法上の利点および経済的な一体化を含む、高機能照明に対する様々な新しい可能性をもたらす。

一般に、回折（ＤＯ）構造または他の微細光学構造の作製は、マスクリソグラフィ、直接レーザビーム、またはｅ−ビーム書き込みなどのリソグラフィプロセスにより完了する。これらの方法は、特定の欠点があり、好適な構造の作製を大きく制限するものである。最も重大な問題は、複雑な三次元形状（ブレーズド回折格子等）の作製、フレキシブルな配向／変調能力、さらに大型の表面パターニングに関する。リソグラフィ法は、ブレーズド／傾斜または複合プロファイルではうまく機能しない。一方、ウェーハは、極めて限定された大きさ（例：６または８インチサイズ）で一般に提供され、これは、微細構造をもつ大表面の製造にさらなる負担をもたらす。

また、従来のリソグラフィ法は、レジスト層を主として利用し、これは、エッチング、現像などのいくつかのプロセス工程の採用を要する。従って、全体の処理速度は制限され、光学測定を同時に行うことができない。インプリントでは、パターニングは、通常、熱またはＵＶ（紫外線）硬化により軟質レジスト層上で完了する。従って、縦の位置決めは、巧く制御することができず、深さ制御に対してより長いプロセス時間を必要とする。ほとんどの熱可塑性レジストは軟かく、エッチングを要する。

最近では、高品質のダイアモンドツールで微細光学構造を刻むことができ、微細加工はより正確になってきている。しかしながら、かかる解決策の実現性に関し、構造的な配向／変調の柔軟性、より大きな構造を作製する困難さ、大きな機械加工ばらつきなど、重大な制限が依然として存在する。

全般的に様々な微細構造の複製およびそれらを含む種型の製造後を考慮すると、用いられる方法としては、例えば、ＵＶまたは熱鋳造、加熱エンボス加工、および射出成形が挙げられる。

ＵＶおよび熱鋳造では、紫外線または熱硬化性ポリマー樹脂を母材、例えば、ＰＭＭＡの上に広げる。その後、マスター、例えば、ＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）シリコーンスタンパを、接着剤と接触するように配置し、ＵＶランプまたはオーブンで直ちに硬化させる。硬化後、シムとレプリカを分離することができる。

加熱エンボス加工リソグラフィ、例えば、平床式およびロールツーロールエンボス加工は、これも種型を用いて基板上に微細構造を形成するインプリント法である。複製材料は、プラスチック箔のシート形状であっても、基板上にスピンコーティングされる薄膜形状のいずれであってもよい。エンボス加工中に、マスター、例えば、Ｎｉ−シムを、プラスチックフィルムと接触するように配置し、ガラス転移点Ｔｇを超えて加熱されているフィルムに圧力をかける。圧力を除いた後、フィルムを冷却し、Ｎｉシムを除去すると、微細構造の高品質レプリカが残る。

射出成形は、ブラスチック部品、例えば、コンパクトディスクの高速大量生産用に確立された技術である。複製される微細構造を含むＮｉ−シムなどのマスターを金型の片面に取り付け、予熱したプラスチックを金型に注入する。その後、数ＭＰａの圧力をかける。急冷後、成形部品を取り出す。

白色反射スポットを担体表面上にプリントするスクリーン印刷（シルクスクリーニング）技術もまた、微細構造を実施するために行われている。生成されたスポットの光学性能は、一般に、かなり制限される。

担体表面上に異なる微細構造を製造するための様々な既存の方法があるにもかからわず、上記の問題は、高精度の微細光学製品という状況において、少なくとも部分的に未解決のままである。

本発明の目的は、可変性でかつ複雑な、例えば、ブレーズドおよび／または湾曲型形状をもつ光学微細構造の製造に関して、上記問題のいくつかを少なくとも軽減することである。本目的は、新規のステップエンボス加工／インプリント法を適用する本発明の解決策を介して達成される。本方法は、マスターまたは試作品の製造に特に適しているが、製造目的にも適用可能である。

すなわち、本発明の一態様では、複雑で可変性の三次元形状をもつ微細光学表面設計の製造方法は、
対象基板の表面をパターニングすることができる、ステップエンボス加工装置、ステップインプリント装置、チップボンディング装置、または対応装置を得る工程と、
微細光学構造をパターニングする対象基板を得る工程と、
装置で動作可能な複数の異なるスタンピングツール、各スタンピングツールが１つ以上の微細光学構造を画定する１つ以上の表面レリーフ形状を含む、を得る工程と、
装置によって前記複数のスタンピングツールからスタンピングツールを選択する工程と、
前記装置により制御され、エンボス加工中またはエンボス加工後に対象基板を形成および／または硬化するようにＵＶ（紫外線）光源によって必要に応じて加熱または支援される選択されたスタンピングツールにより対象基板をエンボス加工する工程と、
微細光学表面設計が基板上に完成されるまで前記選択工程および前記エンボス加工工程を繰り返す工程とを含む。

上記では、別のツールを選択する前に同一のスタンピングツールにより基板上の１つ以上の位置をエンボス加工することができる。基板は、エンボス加工する前に回折格子などの所定の表面レリーフ形状を含んでもよく、あるいは、そのような形状を予め含んでいなくてもよい。

スタンピングツールの表面レリーフ形状は、通常、鏡像、または表面に導入される構造の鏡面構造を実際に含み、すなわち、スタンピングツールの先端のブレーズド突起は、エンボス加工等の際に表面上にブレーズド溝を導入する。表面レリーフ形状は、スタンピングツール（スタンピング表面）上の位置の関数として位置決めすることができる。選択工程は、必要に応じて、現在選択されたスタンピングツールを最初に装着する工程と、ツールトレーからパターニング装置のマニピュレータアーム／スタンピングヘッドにより新たなスタンピングツールを取り出す工程とを含んでもよい。あるいはまた、選択動作は、所望のものをエンボス加工目的に用いることができるように、突起として形成された複数のツールを有するプレートを回転させるなどして、動作するスタンピングツールを変える別の種類の手順のことを言う。

本発明の別の態様では、それぞれ情報を処理し格納するためのプロセッサおよびメモリと、スタンピングツールまたは対象基板を受けるための可動部材と、前記装置で動作可能であり、かつ、対象基板を関連微細光学表面レリーフ形状によりエンボス加工可能な多くのスタンピングツールとを含む、複雑で可変性の三次元形状をもつ微細光学表面設計を製造する機構は、
１つ以上のエンボス加工パラメータまたは対象基板に対する光学設計目標を画定する情報を得て、
情報に従って前記多くのスタンピングツールからスタンピングツールを選択し、
前記スタンピングツールにより対象基板の複数の所定領域をエンボス加工するように前記基板に対して前記スタンピングツールを動かし、
光学設計目標が完了するまで、前記多くのスタンピングツールから別のスタンピングツールを選択し、前記選択された別のスタンピングツールにより対象基板の１つ以上の所定領域をエンボス加工するように、情報に従って前記選択された別のスタンピングツールを動かす手順を繰り返すように構成されている。

機構は、単一装置としてまたは複数の接続された装置のシステムとして実装できる。

別の態様では、パターニング装置で動作可能な複数の異なるスタンピングツール、各スタンピングツールは１つ以上の微細光学構造を画定する１つ以上の表面レリーフ形状を含む、により対象基板の表面をパターニングすることができるステップエンボス加工装置、ステップインプリント装置、チップボンディング装置、または対応装置によって複雑で可変性の三次元表面設計による微細光学表面の製造を制御するためのコンピュータプログラムを提供し、コンピュータプログラム製品は、コンピュータ上で実行する際に、
１つ以上のエンボス加工パラメータまたは対象基板に対する光学設計目標を画定する情報を得る動作と、
情報に従って前記複数のスタンピングツールからスタンピングツールを選択する動作と、
前記スタンピングツールにより対象基板の複数の所定領域をエンボス加工するように対象基板に対する前記スタンピングツールの動きを制御する動作と、
光学設計目標が完了するまで、前記多くのスタンピングツールから別のスタンピングツールを選択し、前記選択された別のスタンピングツールにより対象基板の１つ以上の所定領域をエンボス加工するように、情報に従って前記選択された別のスタンピングツールの動きを制御する手順を繰り返す動作と、
を行うようになっているコード手段を含む。

本発明の有用性は、実施形態に依る複数の問題から生じる。まず、本発明の高機能ステップエンボス加工（ＡＳＥ）パターニング法は、大きなパターニング領域においても用途が広くかつ可変性の多次元表面レリーフパターンによる光変調をもたらすことができる。パターンの密度も容易に調整することができる。第２に、設計された構成は、管理し易く、修正し易い。さらに、即時調整を行い、実時間計測で完了することができるため、設計反復が無くなる；例えば、目標となる光ガイド設計の一様性を固定し、後に、段階的に所望の層表面上にさらに微細光学パターンを加えることで達成することができる。ポリマー層／プラスチックシートなどのパターニングされた対象基板は、完全に機能的な微細光学サンプルまたは実際の最終製品を提供する。さらに、このサンプルは、電気めっきによりツール作製用に利用することができる。さらなるマスタリング処理を必要としない。同一の基本スタンピングツールは、多くの光学設計およびパターンに適用することができる。

本解決策の実施形態は、極めて小さな光学要素（例：ＤＯレンズ）の製造を可能にでき、製造における光集積（例：集積ＬＥＤ光学）を支援する。プロセス工程数も低減し、プロセス全体の時間を削減し、コストを削減することができる。エンボス加工機能は、多くの既存のステップエンボス加工装置、インプリント装置、または例えばチップボンディング装置に部品の修正、追加、および／またはソフトウェア変更をほとんど施すことなく調整することができる。ＡＳＥパターニング法は、例えば、回折光学素子の作製に新しい機会を提供する。特殊なＤＯパターンを必要とするＬＥＤ照明の数多くの用途に適している。さらに２つの基本的な解決策は、例えば、微細光学、例：屈折および／またはＤＯ、の光ガイド要素や、対応する伝送要素である。これらの解決策は、例えば、移動端末、テレビ、携帯情報端末、リストコンピュータなどの消費者製品のみならず、自動車産業、広告、交通、または街路照明に適用される。別の実施形態では、本発明の方法または機構は、微細光学構造に加えてまたはその代わりに、光電子表面設計の製造に用いることができる。

一実施形態では、本発明の原理は、基板材料上の微細光学構造の製造に適用される。基本解決策の変形例についても開示する。

別の実施形態では、例えば、ＬＥＤと組み合わせて使用するのに適した微細光学レンズを本発明により製造し、実質的なリアルタイム入力およびエンボス加工調整方法／機器について検討する。

図１は、本発明の機構により得られる湾曲型バイナリ回折格子とリニア型ブレーズド回折格子を示す。 本発明の方法を実行可能な装置の一例を示す。 本発明の一実施形態によるＡＳＥパターニング法の位相を開示する。 本発明によるＡＳＥ法の一実施形態の流れ図である。 本発明の一実施形態による装置のブロック図である。 微細光学構造の複製を行うことができる様々な方法を示す。 ステップエンボス加工における圧力および深さ制御の１つの選択肢を示す。 一実施形態によるスタンピングツールの製造におけるレーザアブレーションの利用を示す。 異なる単一構造のスタンピングツールを示す。 複数構造のスタンピングツールを示す。 異なる深さおよび／または加熱制御の解決策を示す。 入れ子複合構造を作成することができる本発明によるオーバーエンボス加工の一実施形態を開示する。 本発明によりパターニングされた光ガイドの一実施形態を開示する。 本発明の二つの実施形態による微細光学レンズの複製を示す。 一実施形態によるレンズ作成用のスタンピングツールを示す。 光コリメーション特性に対する、先行技術レンズと本発明の実施形態の利用を介して得られたレンズとの間の違いを示す。 基板上に光学構造の段階的リアル入力製造用のカメラを備えたステップエンボス加工システムの一実施形態を開示する。 図１０の段階的リアル入力構成中に変えられる光学設計を示す。

本発明による高機能ステップエンボス加工方法は、通常、例えば、バイナリおよび／またはブレーズド回折格子のプロファイルを有する可変性の微細光学、例：ＤＯ、パターンを生成するため複数の異なるスタンピングツールを利用する。かかるプロファイルは、基板上の表面レリーフパターン形状である。ここでいう基板とは、微細光学パターンが実際に形成され、異なるキャリア媒体の上部に、例えば、最上層として基板自体を設けることができる材料である。スタンピングツールは、必要な微細光学構造に応じて、高精度微細加工またはリソグラフィプロセスにより製造できる。また、新規のスタンピングツール製造方法を以下に示す。微細加工は、４５°ブレーズド回折格子などの傾斜構造に対してリソグラフィ法よりもより適しているが、リソグラフィは、例えば、バイナリ溝に実行可能である。微細加工の状況において、通常、簡単かつ小型形状パターンである高品質構造に焦点を絞るのに有利である。より大きなパターンは、ツール摩耗により微細加工では特に困難である。スタンピングツール利用を介して得ることができる２つの利用回折格子プロファイルを図１に示す。参照符号１０２は、湾曲型バイナリ回折格子を示し、参照符号１０４は、ブレーズド回折格子を示す。真の物理的回折格子からはもともと欠如している、ブレーズド溝のプロファイルを図の輪郭線によりさらに強調している。参照符号１０６は、複数の複合ユニット、すなわち、異なるまたはさまざまに整列した表面レリーフパターンをもつ多くのサブ領域を有するユニットを含む基板表面を示す。本発明の方法は、かかる複合ユニットおよびそれらを含むより大きな表面の製造に適している。

マイクロマシン加工されたかまたは別途に得られたスタンピングツールは、例えば大きさが５×５ミクロン、２０×２０ミクロン、５０×５０ミクロン、および１００×１００ミクロンの小さな回折格子または他の微細光学パターンを形成する、回折格子溝などの単一または複数の表面レリーフ形状を含む。ツールは、例えば、ニッケルまたは銅などの金属材料から作ってもよい。光学的に透明な材料を使用することもできる。ツールは、例えば、加熱エンボス加工、熱エンボス加工、またはＵＶエンボス加工であってもよいステップエンボス加工で利用することができ、それにより、スタンピングツールはシリコン系材料でも複製することができ、紫外光を透過し、基礎材料を硬化できるＰＤＭＳスタンピングツールを形成する。各ツールは、対象基板の好ましい位置、例えば、プラスチック板上に対応するパターンを複製する一様に設計された微細光学、例えば、ＤＯ構造（大きさおよび／またはプロファイル）を有するのが好ましい。必要なツールの量、微細光学パターン、およびパターニング工程は、各光学的用途、すなわち、所望の光学対象設計によって予め定められる。本発明の一実施形態では、ポジ型（例：突起）表面レリーフ形状を含むマスター構造は、所定領域の構造を平坦にするために少なくとも部分的に平坦なスタンピングツールにより調整することができる。

本発明の高機能ステップエンボス加工は、広義には、ポリマーなどの材料の上にプレスすることで異なる種類の構造を複製する技術である。プレス成形は、正確な圧力、温度、および／または時間のパラメータ値を用いて機械的に行われる。かかる複製パラメータは、ステップ加熱エンボス加工が成功するために重要な役割を果たす。従来の平床式エンボス加工またはロールツーロール式エンボス加工法と異なり、構造は、次々にステッピングすることで個別にエンボス加工される。

高機能ステップエンボス加工は、用いられるパターニング装置のソフトウェアによって制御されるプロセス中にツールを別のものに自動的に変更できるため、同じエンボス加工プロセス中に異なる種類の微細光学構造を用いる可能性をもたらす。従って、最終製品は、不均質な量の構造を含むことができ、これは既存のエンボス加工法を明らかに上回る利点である。なおかつ、基本的ツールキットにより、特定用途向けの新たなツールをあまりないが、全体的な選択に追加する必要があるというかかる汎用性を提供することができる。さらに、ステップエンボス加工により、肉眼レベルでも高品質を維持しながら、大表面領域を微細構造で満たすことができる。大面積を全体として基板に複製することができ、これをさらに大面積を複製するプロセス用のマスターとして使用する。製造装置に応じて、この技術を大量生産に利用することもできる。

フリップチップボンダ、例えば、Ｔｏｒａｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｉｎｃ．から入手可能なものは、エレクトロニクス産業用の大量生産用機械であり、本発明の状況において１つの実現可能な機器オプションを表す。相互に関連して動くことができる工作台２０６とスタンピングヘッド２０２（ボンダ）を備える対応装置を図２に示す。スタンピングツールなどの異なる種類のツールをヘッドの上に取り付けることができる。ツールの取り付けは、例えば、ツールトレー領域２０４から真空アダプタにより行うことができる。装置は、工作台２０６に関連して、あるいは互いに関連して、スタンピングヘッド２０２および／または取り付けられたスタンピングツールの位置合わせを確認し、調整する手段を含むのが好ましい。さらに、スタンピングヘッド２０２および／またはスタンピングツールの温度を監視し、調整する手段を加熱エンボス加工用に含んでもよい。すなわち、元々意図した用途では、回路基板は、基板を保持する吸引孔があるテーブル上に置かれる。ヘッド２０２は、特定のトレーからそのツール先端の上にチップを吸引によりつかみ、その後、チップを基板上にボンドする。吸引による取り付けは、スタンピングツールの状況においても利用することができる。自動モードでは、機械はツールをつかみ、所定のエンボス加工位置に迅速に移動し、所望のパターンを作成する。

一実施形態では、テーブル２０６は、テーブル２０６の平面に関して、垂直の「ｘ」および「ｙ」方向に動き、ヘッド２０２は、水平の「ｚ」方向に動く。テーブル２０６に対するチルト角度の調整もある。チルト角度は、例えば、平坦でない表面の状況において変更できることが有利である。別の実施形態では、テーブル２０６を固定的に保持し、ヘッド２０２のみを動かし、必要に応じて回転させる装置を用いることができる。別の実施形態では、テーブル２０６を所定の方向に動かし、必要に応じて回転させ、ヘッド２０２を固定的に保持する装置を利用することができる。さらに別の実施形態では、テーブル２０６とヘッド２０２の可動性の任意の所望組み合わせを適用することができる。

用いられる装置は、高精度であること、すなわち、例えば、ｘおよびｙの動作精度は実質的に０．５μｍであり、ｚの動作精度は実質的に５μｍ以下であるのが好ましい。これらの精度は、動作範囲全体にわたっても保持されるのが好ましく、動作範囲は、各方向において数センチとすることができる。加熱エンボス加工の場合、ヘッド温度は、所定の示度、例えば、４００℃まで制御可能であるのが好ましく、加熱は、例えば、誘導加熱器の使用による即時的なものが好ましい。ヘッドのピッチをｘおよびｙ方向に調整し、直角度を保証することも可能である。圧力に関して、１つ以上の範囲、例えば、低圧用のものと、高圧用のものとがあってもよい。低圧は約１６Ｎ力までとすることができるが、高圧は約１６Ｎ〜１５０Ｎ力の範囲である。精度、温度、および圧力に関する他の数値も、用途に応じて用いることができる。また、エンボス加工速度／時間は調整可能であるのが好ましい。

図３ａは、３２０で基板にパターニングするのに第１の表面レリーフパターンをもつ第１のスタンピングツールを用いるステップエンボス加工方法を示す。次いで、スタンピングツールを変え、別のパターン、例えば、より小さなパターンを３２２でエンボス加工する。３２４で、第３のスタンピングツールを利用して、異なる微細光学パターンをさらに作製する。矢印はヘッドの動きを示しており、すなわち、垂直（実際のエンボス加工）および水平（エンボス加工位置間の動き）の両方の動きを必要とする。また、ヘッドと、基板／基板を配置する工作台との間の回転は、垂直軸または水平軸に関連してヘッドおよび／またはテーブルを回転させる（傾斜調節）ことで達成可能である。

光学目標設計に対してエンボス加工を開始させるデータ、すなわち、必要なスタンピングツールの少なくとも予備定義を一般に含むデータが得られると、ソース設計に関連して主パターニングを作動させることができる。各設計は、通常、いくつかのスタンピングツールを使う必要があり、これらはいずれも、基板上に設計パターンを生成するため対応するエンボス加工座標（ビットマップ）を有する。ステップエンボス加工は、第１のスタンピングツールにより微細光学パターニング位相を開始し、それにリンクさせたプログラムされた全座標を横切ることができ、これにより、エンボス加工ツールによる不必要な回転（ｔｗｉｄｄｌｉｎｇ）を回避できる。別の実施形態では、プロセス中にツールを別のものに変え、後に前のものに戻すことができる。これは、例えば、複合パターンの製造に関連して行うことができる。第１のスタンピングツールによるエンボス加工が終了した後、第２のスタンピングツール等で作業を繰り返す。所望のパターンを作製するため、任意の組み合わせのツールを任意の順序で利用することができる。

用いられるエンボス加工装置は、ユーザが決定したように作用するよう構成できることが好ましい。ヘッド／マニピュレータアーム、テーブル、加熱などを制御するための基本的なルーチンは、装置に組み込むことが有利であるが、微細光学構造を作成するためのプログラムは、装置のキーボード／キーパッド／ボタンを介したユーザ入力を介して、あるいは、装置のデータインターフェースに転送されたコンピュータファイルなどの他の通信手段を介して完全に制御することができる。

プログラムされた座標は、通常、少なくともｘ値およびｙ値を含むが、角度（回転、傾斜等）および深さ値（ｚ値）も、時として考慮される。さらに、パターニングを制御するためのプログラム全体は、保存されているデフォルト値を適用しなければ、圧力および／または加熱制御データを含んでもよい。必要に応じて、他の制御データ、例えば、カメラの視覚制御データを装置に設けることもできる。

図３ｂは、本発明による方法の一実施形態のより詳細な流れ図である。

３０２で、対象基板の表面をパターニングすることができるステップエンボス加工装置、ステップインプリント装置、チップボンディング装置、または対応装置などのパターニング装置を得て構成する。例えば、装置の制御ロジックは、対象基板の表面を微細光学パターニングできるように調整することができる。座標情報、または、温度、速度、スタンピングツール、圧力、または別の制御データなどの他のエンボス加工パラメータを得ることができる。光学設計固有の調整情報または一般的な（例えば、デフォルトのパラメータ値）調整情報を、例えば、ユーザまたはデータインターフェースを介して装置に入力することができる。

３０４で、微細光学構造をパターニングする対象基板を得る。基板は、材料の部片であっても、例えば、別の材料の上部の層であってもよい。基板は、例えば、熱硬化性、熱成形性、または室温で成形可能な材料を含んでもよく、あるいは、いくつかの他の所定温度域で成形可能な材料、ワックスタイプ材料、熱可塑性または紫外線硬化性材料を含んでもよい。

３０６で、前記装置で動作可能な複数の異なるスタンピングツールを得る。各スタンピングツールは、微細光学構造を画定する１つ以上の表面レリーフ形状を含む。すなわち、各スタンピングツールは単一構造スタンプまたは複数構造スタンプのいずれかである。所望の表面レリーフ形状をもつ新たなスタンピングツールを特定の光学設計用に製造しなくてはならないこともある。以下に示すレーザアブレーション技術を製造に利用してもよいし、あるいは、従来のリソグラフィ、微細加工、またはその組み合わせを用いてスタンピングツールを設けてもよい。スタンピングツールまたはツールの少なくともスタンピング表面は、ニッケルまたは銅などの金属材料を含んでもよい。ＵＶエンボス加工では、シリコーンスタンピングツールを用いてもよい。

参照符号３０８は、本方法の実行時に行ってもよい任意のアクティビティに関する。例えば、本発明の一実施形態では、段階的なプロセシング中に、例えば、カメラによって現在の設計を解析し、スタンピングツール選択および／またはエンボス加工位置などのエンボス加工手順に応じて調整するパターニング装置に、所望の光学目標設計の１つ以上のパラメータが提供される。

３１０で、前記装置によって前記複数のスタンピングツールからスタンピングツールを選択する。所定のプログラムに従って、あるいは、リアルタイム入力に基づいて、次に用いるツールを選択する。選択工程とは、解析および／または意思決定に加えて、必要な物理的動作のことも言い；マニピュレータアームは、ツールをピックアップし、アームに連結されたスタンピングヘッドに取り付けるように構成することができ、あるいは、複数のスタンピングツールを含むヘッド／アームの回転可能プレートは、所望のツールを使用位置等に配置するように回転させることができる。

また、異なる位置合わせ、較正、および他の準備動作をこの段階で実行してもよい。スタンピングヘッドの温度を確認し、必要に応じて、例えば加熱エンボス加工用に加熱により温度を上げてもよい。一実施形態では、スタンピングヘッドの温度は、能動的冷却または単にスタンピングヘッドを冷ますことで低くなるよう調整してもよい。テーブルおよび基板に対するスタンピングヘッドの位置合わせおよび位置を確認し、調整してもよい。圧力較正を行うこともできる。当業者であれば、パターニング手順中でもかかる動作を実行する可能性があることが理解されるであろう。

３１２で、エンボス加工装置により制御された選択スタンピングツールにより対象基板をエンボス加工する。用いられる材料に応じて、基板は、エンボス加工中にすでに硬化させてもよく（熱硬化性材料）、加熱後に作用を支持することなく放置して硬化させてもよい。これは、例えば、熱可塑性ポリマー、ＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル）などの熱可塑性材料の場合である。あるいは、紫外線硬化性エポキシ樹脂などの基板を紫外線硬化させる場合、エンボス加工後に硬化用の紫外光を用いることができる。二重硬化性の基板材料を利用することもできる。

エンボス加工中に、用いられるパターニングプログラムおよび起こり得るリアル入力によって提供された指示に従って、マニピュレータアームおよびそのヘッド、工作台、もしくはその両方を動かすことができる。動かすことで、基板上のエンボス加工位置、スタンプ付きヘッドの昇降、および関連角度（テーブルの表面法線に対する回転、傾斜調節）を調整する。

項目３１４は、所望の、変調された微細光学表面の準備が基板上に整っているかどうか、あるいは、手順を継続し、異なるスタンピングツールを用いるかどうかに関する意思決定のことを言う。意思決定は、所定のプログラムおよび／または項目３０８のリアルタイム解析に基づいていてもよい。選択基準に従ってパターニングが完了すると、方法の実行が終了する。

図３ｃは、本発明の一実施形態によるエンボス加工装置の内部の機能ブロック図である。装置は、マイクロプロセッサ、ＤＳＰ（デジタルシグナルプロセッサ）、マイクロコントローラ、プログラマブルロジック、または複数の上記エンティティなどのプロセシングユニット３３２を備える。プロセシングユニット（単数または複数）３３２は、１つ以上の揮発性および／または不揮発性メモリチップ、メモリカード、ハードディスクドライブなどを含むメモリ３３６に保存することができる指示に従って、装置により行われる動作を制御する。指示、例えば、エンボス加工装置制御プログラム、または所望の光学設計作製用の複数の指示パラメータデータを含むパターニングプログラムを、無線または有線のネットワークアダプタなどのデータインターフェース３３４を通じて、あるいは、メモリカード、光学ディスク、フロッピー（登録商標）ディスクなどの物理的キャリア上に提供してもよい。ＵＩ（ユーザインターフェース）３３０は、ローカルおよび／またはリモート制御できるように、あるいは、装置の機能性を監視できるように配置してもよい。ＵＩ３３０は、例えば、ボタン（単数または複数）、マウス、キーパッド、キーボード、ディスプレイ、プロジェクタ、タッチスクリーン、音声認識インターフェース、触覚インターフェースなどを含んでいてもよい。リモート機能の場合、かかるものをデータインターフェース３３４上に提供することができる。制御手段３３８は、装置に応じて、例えば、マニピュレータアームおよびスタンピングヘッド、工作台、加熱器、明かり（単数または複数）、ディスペンサ、カメラ、および、圧力、距離、および温度センサーなどの種々の他のセンサーを含む場合がある。装置は、図中の点状の矢印で表されるように、例えば、データインターフェース３３４を介して外部要素を制御することができる。

図４ａは、本発明の一実施形態によるシナリオを示し、ここでは、例えば、ＰＭＭＡシートなどの透明基板材料を用いることができる。いくつかの他の熱可塑性材料または熱成形可能な材料も適している。ＰＭＭＡシートはエンボス加工し易く、最適なプロセスパラメータにより微細光学パターンの忠実な複製を達成することができる。ステップ加熱エンボス加工の有利な一面は、エンボス加工する深さの制御である。従来の方法では非常に正確な縦の位置決め制御（いわゆる、ｚ軸制御）を必要とする場合、プロセスを減速させる。新規の解決策では、表面レリーフ構造の密度、すなわち、「充填率」が比較的低いスタンピングツールを用いることができる。これはサブ図４０２を参照されたい。ツール表面上のこのパターニングされた領域は、パターニングされていない平面領域よりも約１０００倍小さくすることができる（例：１／１０００）。小さなパターンをＰＭＭＡ表面上にエンボス加工する場合、スタンピングツールの平面は、関連する接触圧力およびその変化の監視および制御によって上下移動を停止する。これはサブ図４０４を参照されたい。これが、ステップエンボス加工プロセスを著しく加速させ、かつ、容易化させるのに有利な制御方法である。さらに、エンボス加工されたパターンを互いに近接させると、その大きな接触面、正確な圧力制御、および／またはプログラムされたパターニング順により、パターニングされていないスタンピングツール表面は、前にパターニングされた領域を損傷したり、変形させることがない。これはサブ図４０６を参照されたい。ここで、前にエンボス加工された形状は、実質的に無傷のままである。

例えば、熱可塑性基板材料を用いた加熱エンボス加工工程の代わりに、光学的に透明な紫外線硬化性樹脂とともにＵＶエンボス加工工程を適用してもよい。紫外光援助エンボス加工により、単一微細光学パターンの非常に忠実な複製がもたらされる。従って、好適な一解決策は、プラスチックシートまたはＬＥＤパッケージなどの硬質基板上に紫外線硬化性樹脂を分注する場合、例えば、本願明細書で以下に詳述するレンズ一体化およびレンズマトリックスにおける離散型パターニングである。この実施形態では、例えば、シリコン系のＰＤＭＳスタンピングツールを利用してもよい。

スタンピングツールでＵＶ被覆基板を用いることもできるが、この場合、深さ制御が重要になる。別の解決策としては、ＰＭＭＡレジストなどのＵＶ被覆平坦基板を利用することである。深さ制御は、正確な縦の位置決め制御により達成される。

図４ｂは、同一に複製された微細光学構造の３つの例を開示しており、各々は、単一のスタンピングツール作業により設けられる。例Ａでは、エンボス加工深さが浅すぎであり、例Ｂでは、例Ｃで示す目標の深さを超えてしまっているのが、図から分かる。エンボス加工された構造の全体の深さは、浅すぎであってはならず、材料に押圧して深すぎてもいけない。必要に応じて直接的なエンボス加工深さ制御と、圧力および熱／温度制御との実現可能な組み合わせを利用することで、意図した高品質の表面レリーフ形状が得られる確率が増す。

図５ａは、微細光学レリーフ形状、例えば、回折格子を含む基板表面を彫るのにレーザアブレーションを用いる一実施形態を示し；参照符号５００の隣の断面図と、参照符号５０６の隣の真の３次元シナリオの視覚化とを参照されたい。レーザ装置５０４からのレーザビームを所定領域５０２を彫刻するよう配置することで、刻まれた溝と凹部の間に残された残存構造５０８から多くのスタンピングツール微細光学構造が形成される。また、より大きな基板構造から、１つ以上の個々の単一構造または複数構造のスタンピングツールを、例えば、レーザにより刻むことができる。基板は、例えば、ニッケルシムであってもよい。かかるニッケルシムは、実質的に厚さ０．３ｍｍであってもよく、レーザあるいは切断用スタンパーは、実質的に４×４ｍｍの外形寸法を有していてもよい。別の実施形態では、シリコーン表面上にレーザアブレーションを適用し、ＰＤＭＳスタンピングツールを得る。スタンピングツール中央の微細光学構造は、例えば：ａ）２０×２９μｍ、ｂ）１００×２９μｍ、またはｃ）５００×２９μｍであってもよい。用途に応じて、これらの要素に対する他の寸法も可能である。レーザは、かなり粗い表面を生成する傾向があるが、原則として実際の微細光学構造もそれとともに生成される。通常、視覚化したシナリオ５００、５０６では、最小の彫刻深さは例えば５０μｍであるため、微細光学構造をエンボス加工するのに残存構造５０８を１つ以上のスタンピングツールの先端（単数または複数）として用いる場合、生じた粗パターンは基板にアーチファクトを生じることがない。構造の表面領域は、被覆により保護することができ、これは、その後、溶かすことができる。スタンピングツール製造に加えて、レーザアブレーションは、より大きく変調された（微細）光学面の構造にも適用可能である。

図５ｂは、単一構造スタンプ５０８の断面図を示す。ここで、構造５１２は、平面図５１０から分かるように、一例として、スタンピング表面上の中心にある。別の実施形態では、項目５１４および５１６による例のように異なる構造を、あるいは用いることができ；構造の形状、大きさ、または位置合わせは異なっていてもよい。

図５ｃは、本実施形態において、スタンピング表面（スタンピングツールの先端）上に物理的に別々の３つの同様の構造を含む複数構造スタンプ５１８を示す。同様に、複数構造スタンプ内の構造は、形状、大きさ、および位置合わせが変わってもよく；物理的な距離を設けることなく互いに隣合うように配置されていてもよく；および／または、オーバーエンボス加工により入れ子にし、複合構造等を形成してもよい。

図５ｄは、本発明によるステップエンボス加工の解決策における深さおよび／または加熱制御に対する種々の任意の実施形態を開示する。

参照符号５２０で表示される実施形態では、例えば、吸引によりスタンピングヘッド／マニピュレータアーム５３０に、微細光学構造５４０を含むスタンピングツール５３４を取り付ける（２本の垂直線は、空気吸引機能を行うための吸引チャネルを表すことに留意されたい）。加熱エンボス加工の場合、熱源から熱伝導性材料５３２を介してスタンピングツール５３４に加熱を行い、可能な限り正確であるのが好ましい。さらに、絶縁材、および／またはストッパー、および／または位置合わせ部材５３６は、スタンピングヘッド５３０および／またはスタンピングツール５３４に連結され；視覚化した場合では、ヘッド５３４と部材５３６の間には僅かな距離が存在する。ストッパーおよび／または位置合わせ動作では、構造５４０が基板５３８の表面領域を所定の深さにのみ変形させ、構造５４０がより深く進行しないように、部材（単数または複数）５３６がエンボス加工を案内する。断熱材として、部材５３６は、構造５４０によるエンボス加工において、スタンピングツール５３４および／またはヘッド５３０から領域に隣接する基板５３８の表面領域まで熱が伝導することを防ぐ。すなわち、かかる領域は、誘発された熱により変形し得る微細光学構造をすでに含んでいる場合がある。平面図５４０は、異なる角度からの同一シナリオを示す。スタンピングツール５３４は、部材５３６によって囲まれた中心にある。ツール材料の例として、ニッケルがあり、基板材料の例として、ＰＭＭＡがある。
部材５３６の材料選択の例として、テフロン（登録商標）、ポリイミド、フルオロポリマーなどの高温耐熱テクニカルポリマー、およびセラミック材料がある。

参照符号５２２で表示される実施形態では、部材（単数または複数）５３６は、例えば表面マスクとして、基板５３８上に配置される。

参照符号５２４で表示される実施形態では、ヘッド５３０全体が加熱されるため、一体化または基板に基づいた絶縁体、および必要に応じて深さ制御シート／層を用いるのが好ましい。

参照符号５２６で表示される実施形態では、スタンピングツール５３４は、基板５３８に向けてツール５３４を押圧する際に、ツール５３４またはヘッド５３０の残部と基板５３８とが接触する前に所望の深さに到達するように、ツール表面から十分に細長い突起として配置された構造５４０を備える。残りの空間は、空冷に利用することができ、これは、図中に曲線状矢印により示される追加の送風機能を利用することで空冷を高めることができる。別の、代替あるいは補足的な実施形態では、エンボス加工下および／またはそれに隣接する領域全体は、スタンピングツール５３４を基板５３８の表面から引き上げた後に空冷することができる。

参照符号５２８で表示される実施形態では、上記の原理が複数構造スタンピングツールにも適用可能であることを示す。

図６は、オーバーエンボス加工の原理を本発明の状況においてどのように適用できるかを２つの例によって開示する。図の左側には、垂直の点線により分離されているように、ブレーズド表面レリーフ構造をもつスタンピングツール６１０を用いて、基板６１４上の既存の溝、この場合はバイナリ溝の隣に対応する鏡像をエンボス加工する。右側の例では、より大きな微細光学パターンをもつスタンピングツール６１２を既存の表面レリーフ、この場合はバイナリ表面に適用する。初期状況を６０２に示す。次いで、６０４で、ツールが既存の表面レリーフ構造を貫通し、関連するより大きなパターンを所定の深さまで形成する。微細な圧力、加熱、および／または深さ制御により、著しいアーチファクトを生じることなく、複合構造６１６などの隣接し、かつ、入れ子になった構造を６０８で作製することができる。例えば、かかるエンボス加工は、加熱エンボス加工を利用してもよく、ここで、基板は熱成形材料を含み、近接の基板構造は、図５ｄの部材によって、および／または、追加の空冷効果により基板に特定の局所的な熱伝導が可能となるようにスタンピングツール／ヘッドの他の部分から実質的に突出しているスタンピング構造を構成することによって保護することができる。

図７は、本発明の教示に従ってエンボス加工した光ガイドの一実施形態を示す。光ガイド、すなわち、所望の光出射面を通じた光ガイドからの効率的な出力光カップリングは、表面全体が可変、かつ、複雑な微細光学設計を包含するように、多くの微細光学表面レリーフ構造を用いて指示する。視覚化したパターンは、可能な表面レリーフ形状の例である。ＬＥＤなどの光源を光ガイドの側面に設けてもよい。本発明による特定の１つの設計を用いることにより得られた光放射パターンおよび指向曲線から、提案されたエンボス加工の解決策により、高指向性、すなわち、所望の方向、例えば、出口表面の表面法線であってもよい、に対して出力光を効率的にコリメートすること、をもつ光学設計を作製することができることが分かる。

光指向性の制御を高めることは、通常、ＬＥＤなどの点状光源を用いる際の設計目標の１つである。コリメーションは、小型であってもよいが、ＬＥＤの表面のような発光面全体からの光を集光し、コリメートする、例えば、回折光学素子、レンズなどの微細光学により達成することができる。例えば、ＤＯレンズを用いることによる従来のレンズを上回る利点は、レンズをＬＥＤの上に真っ直ぐに取り付けることができ、集成部品全体を非常に小型化できる点である。さらに、ＤＯレンズは複製に適しているため、レンズ１個当たりのコストを低くする。次に、微細光学レンズをＬＥＤに組み合わせるための２つの刷新的な解決策を紹介し、これらの方法が工業生産にも適していることを示す。

通常、効率的な微細光学レンズを２つの方法でＬＥＤに複製することができる。レンズを個別にするか、あるいはＬＥＤの封入材料の上にレンズを直接複製するかのいずれかである。図８ａは、上記のＬＥＤなどの発光素子に対する微細光学レンズのこれらの複製手法を示す。

第１の手法８００では、個別のマイクロレンズ素子８１０をＬＥＤチップ８０４またはパッケージ８０２の上部に積層する。参照符号８０６は、ＬＥＤチップ８０４の上部にすでに直接存在していてもよい光学的に透明な材料のことを言う。関連ＬＥＤは、マイクロレンズマトリックス（複数の「レンズ」サークルを含む長方形として図中に示す）によって覆われるマルチチップＬＥＤであってもよい。一実施形態では、レンズは、例えば、ＵＶ型または熱硬化性型のいずれかであってよいポリマー樹脂（参照符号８０８を参照）上に複製される。最初に、ポリマーフィルム、例えば、ＰＭＭＡの上に樹脂を薄く供給し、樹脂と接触するようにレンズマスターを配置する。解決策では、例えば、シリコーンベースのＰＤＭＳスタンピングツールを活用することができる。次に、例えば、ＵＶランプまたはオーブンを必要に応じて利用することで樹脂を硬化させ、複製レンズ１個を生成する。その後、微細光学レンズを支持する上記ポリマーフィルムなどの基板を所定の大きさに切断することができ；目標のＬＥＤケースに得られたレンズ８１２を最終的に取り付ける。

第２の手法８１４では、レンズは、チップ上のＬＥＤ樹脂材料の上に直接複製される。従って、この手法では、その間にフィルムなどの任意の基板無しで硬化性材料８１８を直接利用することができる。封入なしで購入できるＬＥＤが入手可能である。ＬＥＤチップまたは「型（ダイ）」は、所望の樹脂を充填することができる小型のＬＥＤケース内にあり、樹脂上にマスター８１６を置き、それを硬化させる際に、レンズ８２０は、封入されて一体形成される。

８２２で、ＬＥＤ用の微細光学レンズを提供するための多くの異なるオプションを示す。
番号８２４に示す一実施形態では、レンズは、ＬＥＤから離れる方向に面している表面上に表面レリーフ構造を備える。別の実施形態では、代わりにＬＥＤに面する表面にレンズの表面レリーフ構造を設けている。また、レリーフ構造を含むレンズとＬＥＤケーシングとの間に付加層（図中では薄い長方形）を設けてもよい。別の実施形態８２８では、レンズの両面上に表面レリーフ形状がある。すなわち、両面レンズの問題であり、繰り返すが、付加層を開示する。表面レリーフ形状は、異なる微細光学形状を有していてもよく、ブレーズドおよびバイナリ回折格子は、説明のためだけに示したことは、当業者であれば分かるであろう。

８３０で、有用なレンズを定義しなければならない可変かつかなり複雑なパターン（ブレーズド形状、湾曲形状）の性質を強調するため、多くの場合に有利な１つのレンズ形状、いわゆるフレネルレンズを示す。かかる形状を製造するには極めて高精度を要することは明らかであるが、本発明の解決策により可能になる。

上述した通り、微細光学、特に、回折光学素子レンズの複製に適したＵＶおよび熱硬化性材料の２つが市場に出回っている。しかし、材料に関して好適な特性はほとんどないが、複製を行う際に理解すべき重要な点である。微細構造を効率的に複製するために、材料は、非常に低い表面張力、低い流動特性を有するのが好ましく、モールド収縮値も低くなければならない。これらの特性により、小さな空洞等が全て充填され、硬化後に、形成された構造は同一形状を維持し、不変のままであることを保証することができる。硬化された材料は、耐高温でなければならない。これは、レンズ複製をＬＥＤ製造の初期プロセス工程中に行うと、遅くともリフロー工程でこの要件がその価値を問われるからである。他の好適な特性としては、耐摩耗性および耐加水分解性が挙げられる。種々の溶媒に対する耐薬品性も望ましい。さらに、他の材料への粘着性は、実際の状況において必要である。市場に出回っているほとんどの材料は、これらの要件を満たす。これら材料間の違いは光学的特性である。

材料は、光学的に透明であるのが好ましい。これは、可視光透過率が約９０％を上回るのが好ましいことを意味している。さらに、硬化中に黄変を示してはならない。材料は光を吸収しなくとも、黄色に変色する場合がある。これは、例えば、白色光を用いる場合の透過光学素子には望ましくない。これは、材料間の最初の識別要因が明らかになる点である。ＬＥＤの状況において極めて重要な光学的特性は、材料の屈折率（ＲＩ）である。ＬＥＤは、通常、ＩｎＧａＡｓまたは同様の技術に基づいており、屈折率は、通常、約２〜３．５である。ＬＥＤが、例えば、ＲＩが１で、空気中に光を直接生成する場合、ＲＩ値間の差が大きいことにより、かなりの量の光の内面全反射がＬＥＤダイで発生する。これにより、ほんの一部の光しか放出されない。ＲＩが１．５以上の状態でダイが光学材料で封入されていれば、当然のことながら、より多くの光が放出される。理論的には、光学材料がＬＥＤダイと同一のＲＩ値をもっていれば、ダイ中で再結合されない光は全て出て行く。

光学ＵＶ材料は、ポリマー鎖の架橋を開始するのに紫外線を必要とする一成分のポリマー樹脂であることが多く、アクリル技術に基づいていてもよい。必要な紫外線線量は、通常、約１〜５Ｊ／ｃｍ^２であり、これは、例えば、約１００ｍＷ／ｃｍ^２を超える紫外光を生成するランプで達成される。通常のＵＶランプは４０Ｗ／ｃｍ^２を上回るため、これは容易に達成される。光の波長は、通常、約２５０〜４００ｎｍの範囲でなければならない。材料を硬化させるのにかかる時間は、樹脂層の厚さ、用いるＵＶランプ、および光源の距離に応じて、数秒から２〜３分まで変化する。紫外線硬化性樹脂は、使用時の使い易さや速硬化性のため普及している。市場に出回っているいくつかのＵＶ材料は、光学接着剤に対する要件を全て満たす。

熱硬化性材料は、通常、エポキシ樹脂に基づく。一成分および二成分のエポキシ樹脂が複製に適している。硬化させるのに必要な温度域は、通常、実質的に８０℃〜２００℃である。アクリル材料を上回るエポキシベース樹脂の利点は、１．７を上回ることができるより高いＲＩ値や、より高い耐熱性、さらに材料への粘着性が優れている点である。一般的な欠点は、温度や二成分を特定の比に混合することに応じて、硬化時間が数分から数時間へと変わり長時間になることである。

両方の種類のレンズは、例えば、適当な（フリップ）チップボンディング装置で作製できる。ＵＶ硬化の場合、一つの可能な配置オプションとしては、外科手術で用いられるような薄い光学ファイバを用いて、それをチップ真空チャネルに配置することである。これにより、ＵＶ樹脂を上から硬化することができる。

一体型レンズは、必要に応じて、本願明細書で説明したように製造されたシリコーンスタンピングツールをまず初めにスタンピングヘッドの上に取り付けることで作製することができる。その後、ＬＥＤをプラスチック基板に取り付け、工作台上に配置してもよい。ボンダが、フリップチップボンディングのプロセス中に小さなペースト滴を生成するディスペンサユニットを有していれば、レンズ複製プロセスに用いることができる。必要となる変更点は、ペーストシリンジをＵＶ樹脂シリンジに変更して交換し、分注量を調整するだけである。よって、樹脂をＬＥＤケースに注入することができる。

ＬＥＤ上へのレンズの位置合わせは、プロセスの１つのフェーズであり、ボンダがカメラを備えており、本発明の一実施形態では位置決め目的にカメラを使用することができることを前提としている。位置合わせ後、ツールがＬＥＤケースと接触するまで、ヘッドを下降させる。最後に、紫外光を用いて、樹脂を硬化させる。

特に、個別レンズを作製するための一実施形態を次に考えると、例えば、約０．２５ｍｍ厚のＰＭＭＡシートを工作台に配置し、樹脂の微細な滴をその上に供給してもよい。その後、樹脂が所望に応じてツールとシート間で圧迫されるまで、スタンピングヘッドを下降させてもよい。形成されたレンズを切断し、ＬＥＤの上部に動かしてもよい。個別レンズの製造は、ほとんど変更することのないフリップチップボンダで行うこともできる。通常、基板からレンズを取り出すため、適切な切断ツールを加える必要があり；あるいは、ボンダがピックアンドプレース状況用に設計されていると、適用の準備が整う。

図８ｂは、一例として、微細光学レンズ作成用のスタンピングツールの概略図を示す。スタンピングツール８３２は突起を有し、この８３４の表面パターン、すなわち、ツールの「先端」には、対象基板上にエンボス加工される可変性の溝および凹部などの微細光学形状の鏡面レプリカを含む。

図９は、従来技術のレンズと、本発明により作製された微細光学ＤＯレンズとのそれぞれの放射パターン例、９０２と９０４を開示する。これらは、ＬＥＤからの光出力をコリメートするのに用いる。パターンから分かるように、本発明のレンズ経由で外部結合される光は、コリメートされている光、すなわち、その指向性が増しており、従来技術のレンズよりもはるかに効率が良い（パターンがより狭いことに留意されたい）。一般に、試験シナリオでは、本発明のレンズを用いたことにより、強度値は増大し、コリメート角度は、より狭まり、所望の値になった。東レボンダ（Ｔｏｒａｙ ｂｏｎｄｅｒ）により行った試験では、この種のレンズ複製は自動プロセスでも効果を発揮することを示した。従って、回折光学素子レンズなどの微細光学を備えたＬＥＤの大量生産が可能になる。

得られたレンズを傷から保護するため、例えば、より多くの材料は光束の損失を増し、強度も低下し得ることが多い点に留意しながら、１つ以上の封入層を加えることができる。レンズを上下逆に配置すると、すなわち、表面レリーフパターンが本発明の一実施形態によりＬＥＤに面すると、レンズ構造用のカバーが同時に得られる。

図１０は、３次元の、例えば、（半）球形状の画像形成が可能なコノスコープカメラ構成または標準の２次元カメラのいずれかであるカメラ１００２を本発明のシステムで利用する一実施形態を示す。後述するプロセス全体を自動化できるように、用いられるエンボス加工機械と関連してカメラ、例えば、ＣＭＯＳまたはＣＣＤカメラを取り付けてもよい。コノスコピーの場合、目標要素１００６に対してカメラを動かし、回転させる手段を設ける。

一実施形態では、それぞれの表面レリーフ構造またはそのミラーを含む、参照符号１００６で示す各スタンピングツールまたはある種のレプリカ要素を所定の表面上、例えば、エンボス加工装置の工作台１００８上に配置することで、例えば、角度分布情報に対する照明効率情報を含む２次元（例：要素１００６の所定の光出力面の上方から直接取った）または３次元の放射パターンをカメラ１００２が捕捉できるように光を要素１００６に適切に内部結合するため、所望数のＬＥＤ１００４などの光源を配置することができる。放射パターンから他のパラメータも測定および／または導出することができる。

捕捉された放射パターンおよび／または他の測定または導出された情報を用いて、ツールライブラリ１０１０を形成する。ここで、情報は照合されるか、あるいは要素１００６ベースで構成される。得られた情報は、例えば、各スタンピングツールに関して提供することができる。ツールライブラリは、エンボス加工装置で動作しているコンピュータアプリケーションとして実装してもよい。ツールライブラリ１０１０は、特定の表面レリーフ構造または特定群のパラメータ値および／または特定の放射パターンによる設計とリンクさせていてもよい。さらに、あるいはまた、例えば、所定の学習アルゴリズム（例：バックプロパゲーション）を用いてニューラルネットワークまたはある他のインテリジェントマッピングツールを設定し、入力として提供されたある種の放射パターンに対する特定のスタンピングツール（例：そのｉｄ）および／または他のパラメータ値を出力するようにすることができる。ライブラリ１０１０は、ライブラリまたは少なくともライブラリからの情報をプロセス制御目的用に例えば通信接続を介して転送したり、あるいは、遠隔からアクセスできる別のコンピュータによってホスティングされていてもよい。

かかるプロセス制御の一実施形態を図１１に示す。ここでは、未完成、例えば、０〜８０％完成した光学設計１１０２を光源により照射し、２次元（通常、より速く、多くの用途では、十分な測定）または３次元の放射パターンを１１０４で捕捉する。設計に関する目標１１００、例えば、所望の所定放射パターンおよび／または他の照明関連パラメータを、カメラ装置をさらに備えたエンボス加工装置などの実行システムに提供することもできる。リアル入力解析１１０８では、結像１１０４経由で（および／または他のパラメータとともに）捕捉した放射パターン１１０６と目標を比較し、所望の設計目標が達成されたかどうか、達成されていなければ、さらなるプロセシングにより最終成果物をさらに高めることができるかどうかを評価することができる。１１１０で、放射パターンおよび／またはツールライブラリに保存されたパラメータ（値）は、１つ以上のスタンピング構造および／または他のプロセスパラメータ１１１２、例えば、関連エンボス加工座標を見つけるため、ニューラルネットワークまたはある好適なパターン認識技術を介して知的に横断させるのが好ましい。これは、それと所望の設計目標との差を有利に縮めるように、現在の未完成設計の現在の放射パターンにプラス効果をもたらす。かかるスタンピングツールを選択し、新たなエンボス加工ラウンド１１１４を開始させ、その間に所定の光学設計部分をエンボス加工する。得られた設計１１１６を１１１８で再結像し、得られた放射パターン１１２０を設計目標と比較する。所望の光学精度レベルが達成され、設計ができあがるまで、かかる手順を継続することができる。

本発明の範囲は、以下の請求項に記載されている。特許請求の範囲およびその関連等価物により定義される全体の発明的概念から逸脱することなく明示的に開示した解決策に対してさまざまな修正を行うことができることは当業者には自明である。

Claims (26)

1. 複雑で可変性の三次元形状をもつ微細光学表面設計の製造方法であって、
   対象基板の表面をパターニングすることができる、ステップエンボス加工装置、ステップインプリント装置、チップボンディング装置、または対応装置を得る工程と、
   微細光学構造をパターニングする前記対象基板を得る工程と、
   前記装置で動作可能な複数の異なるスタンピングツール、各スタンピングツールが１つ以上の微細光学構造を画定する１つ以上の表面レリーフ形状を含む、を得る工程と、
   前記装置によって前記複数のスタンピングツールからスタンピングツールを選択する工程と、
   前記装置により制御され、エンボス加工中またはエンボス加工後に前記対象基板を形成および／または硬化するようにＵＶ（紫外線）光源によって必要により加熱または支援される前記選択されたスタンピングツールにより前記対象基板をエンボス加工する工程と、
   前記微細光学表面設計が前記基板上に完成されるまで前記選択工程および前記エンボス加工工程を繰り返す工程と、
   を含む製造方法。
2. 前記得る工程が、微細加工、リソグラフィ、およびレーザアブレーションからなる群から選択される少なくとも１つの技術によって、前記複数のスタンピングツールに属する少なくとも１つのスタンピングツールを製造する工程を含む請求項１に記載の方法。
3. 前記選択工程が、スタンピングヘッドおよび／またはマニピュレータアームによって所定の位置からスタンピングツールを取り出す工程、および前記所望のスタンピングツールが選択されるように複数のスタンピングツールを含む要素を回転させる工程からなる群から選択される少なくとも１つの動作を含む請求項１に記載の方法。
4. 前記対象基板の現在の光学的特性に対する光学設計目標を解析する工程を含み、それにより、前記対象基板の光学的特性を光学設計目標に近づけるスタンピングツールが選択され、前記解析工程が、コノスコープ、およびカメラからなる群から選択される少なくとも１つの要素の利用を任意に含む請求項１に記載の方法。
5. 解析およびその後のスタンピングツール選択のために、輝度、明度、一様性、または放射パターンなどの前記対象基板に対する照射性能指標を得る請求項４に記載の方法。
6. 前記対象基板に対する前記性能指標と、前記１つ以上のスタンピングツールの照射性能指標とに関する比較測定によりスタンピングツールを選択できるように、前記複数の異なるスタンピングツールの１つ以上のスタンピングツールに対する輝度、明度、一様性、または放射パターンなどの照射性能指標を得る請求項５に記載の方法。
7. 前記対象基板の現在の光学的特性に対する光学設計目標を解析する工程を含み、それにより、前記対象基板の光学的特性を光学設計目標に近づけるためにエンボス加工を行う前記基板上に１つ以上のエンボス加工位置を選択する請求項１に記載の方法。
8. 前記対象基板が、所定の微細光学表面レリーフ形状を含み、前記エンボス加工が、少なくともいくつかの前記所定の微細光学表面レリーフ形状に隣接するかまたはその上部に新たな微細光学表面レリーフ形状をエンボス加工することを含む請求項１に記載の方法。
9. 前記基板上に配置された部材によって、または前記スタンピングツールと関連して、あるい前記装置の別の要素と関連して、前記選択されたスタンピングツールの前記１つ以上の微細光学構造が、所定の深さを超えて前記基板を貫通しないよう停止する工程を含む請求項１に記載の方法。
10. 前記基板上に配置された部材によって、または前記スタンピングツールと関連して、あるい前記装置の別の要素と関連して、前記装置から現在のエンボス加工領域に隣接する前記基板領域への熱伝導を減らす工程を含む請求項１に記載の方法。
11. 圧力、熱、およびエンボス加工時間からなる群から選択される少なくとも１つの要素によってエンボス加工深さを制御する請求項１に記載の方法。
12. 前記対象基板を用いて、発光ダイオードなどの光学装置用の１つ以上の微細光学レンズの少なくとも一部を形成する請求項１に記載の方法。
13. 対象基板の表面をパターニングするために複数のスタンピングツールを連続的に使用する、段階的なエンボス加工によって複雑で可変性の三次元形状をもつ微細光学表面設計を生産するためのチップボンディング装置の使用。
14. 複雑で可変性の三次元形状をもつ微細光学表面設計を製造する機構であって、前記機構は、それぞれ情報を処理し格納するためのプロセッサおよびメモリと、スタンピングツールまたは対象基板を受けるための可動部材と、前記装置で動作可能であり、かつ、対象基板を関連微細光学表面レリーフ形状によりエンボス加工可能な多くのスタンピングツールとを含み、前記機構は、
    １つ以上のエンボス加工パラメータまたは前記対象基板に対する光学設計目標を画定する情報を得て、
    前記情報に従って前記多くのスタンピングツールからスタンピングツールを選択し、
    前記スタンピングツールにより前記対象基板の複数の所定領域をエンボス加工するように前記基板に対して前記スタンピングツールを動かし、
    前記光学設計目標が完了するまで、前記多くのスタンピングツールから別のスタンピングツールを選択し、前記選択された別のスタンピングツールにより前記対象基板の１つ以上の所定領域をエンボス加工するように前記情報に従って前記選択された別のスタンピングツールを動かす手順を繰り返すように構成されている機構。
15. 加熱エンボス加工用にスタンピングツールを所定の温度に加熱するための加熱器をさらに含む請求項１４に記載の機構。
16. 紫外光硬化性の対象基板を硬化するための紫外線光源をさらに含む請求項１４に記載の機構。
17. １つ以上のスタンピングツールおよび前記基板の放射パターンなどの照射性能指標を得るためのコノスコープまたはカメラをさらに含み、
    前記対象基板の光学的特性を光学設計目標に近づけるスタンピングツールを選択決定し、かつ、エンボス加工用に選択されたスタンピングツールとして前記決定されたスタンピングツールを用いるため、前記対象基板の現在の光学的特性に対する光学設計目標を解析するように構成されている請求項１４に記載の機構。
18. １つ以上のスタンピングツールおよび前記基板の放射パターンなどの照射性能指標を得るためのコノスコープまたはカメラをさらに含み、
    前記対象基板の現在の光学的特性に対する光学設計目標を解析し、前記解析に基づいて前記基板上に１つ以上のエンボス加工位置を決定するように構成されている請求項１４に記載の機構。
19. 前記基板上にすでに存在する１つ以上の微細光学表面レリーフ形状に隣接するかまたはその上部に１つ以上の新たな微細光学表面レリーフ形状をエンボス加工するために構成されている請求項１４に記載の機構。
20. 前記選択されたスタンピングツールの微細光学表面レリーフ形状が、所定の深さを超えて前記基板を貫通することを防止するための接触部材を含む請求項１４に記載の機構。
21. 前記機構から現在のエンボス加工領域に隣接する基板領域への熱伝導を軽減するための断熱材を含む請求項１４に記載の機構。
22. 圧力、熱、およびエンボス加工時間からなる群から選択される少なくとも１つの制御要素によってエンボス加工深さを制御するように構成されている請求項１４に記載の機構。
23. パターニング装置で動作可能な複数の異なるスタンピングツール、各スタンピングツールは１つ以上の微細光学構造を画定する１つ以上の表面レリーフ形状を含む、により対象基板の表面をパターニングすることができるステップエンボス加工装置、ステップインプリント装置、チップボンディング装置、または対応装置によって複雑で可変性の三次元表面設計による微細光学表面の製造を制御するためのコンピュータプログラムであって、前記コンピュータプログラム製品は、コンピュータ上で実行する際に、
    １つ以上のエンボス加工パラメータまたは前記対象基板に対する光学設計目標を画定する情報を得る動作と、
    前記情報に従って前記複数のスタンピングツールからスタンピングツールを選択する動作と、
    前記スタンピングツールにより前記対象基板の複数の所定領域をエンボス加工するように前記基板に対する前記スタンピングツールの動きを制御する動作と、
    前記光学設計目標が完了するまで、前記多くのスタンピングツールから別のスタンピングツールを選択し、前記選択された別のスタンピングツールにより前記対象基板の１つ以上の所定領域をエンボス加工するように、前記情報に従って前記選択された別のスタンピングツールの動きを制御する手順を繰り返す動作と、
    を行うようになっているコード手段を含むコンピュータプログラム。
24. 放射パターン、またはスタンピングツールの１つ以上の他のパラメータを、光学設計目標を画定する放射パターンなどの得られた情報と比較することで、前記複数のスタンピングツールからスタンピングツールを選択できるように、前記複数のスタンピングツールに関し、かつ、各スタンピングツールに対する放射パターンまたは１つ以上の他のパラメータの特性を表わすデータライブラリを含む請求項２３に記載のコンピュータプログラム。
25. 請求項２３に記載のコンピュータプログラムを含むキャリア媒体。
26. フロッピー（登録商標）ディスク、光ディスク、メモリカード、およびハードディスクからなる群から選択される要素を含む請求項２５に記載のキャリア媒体。
    

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