JP2012512075A - 光学的平滑ライト・ガイドの製作 - Google Patents

Abstract

ライト・ガイドの製作に関する実施形態を提供する。開示する実施形態の１つでは、 押し出し成型品を形成するために、熱可塑性ポリマーをダイを通じて押し出すステップと、押し出し成型品を１つ以上の固定寸法に加工するステップと、押し出し成型品に圧力を加えている間、押し出し成型品の面を軟化または溶融するために、この押し出し成型品の面を、加熱モールド面と接触状態に維持するステップとを備えている。
【選択図】図１

Description

従来技術

ディスプレイ・デバイスは、ライト・ガイドを含むことができ、このライト・ガイドが画像を表示面に伝え、画像を検出器上に合焦するか、または双方を行う。用途によっては、ライト・ガイドが楔形をしていたり、１つ以上の可視、紫外線、および／または赤外線波長範囲において透過性であったり、少なくとも１対の対向面を備えていることもある。光は、内部反射によって、対向面からライト・ガイド全体を伝搬し、少なくとも一方の面から平行画像として現れることができる。

ディスプレイ・デバイスによって供給される画像の品質は、内部反射が行われるライト・ガイドの対向面の粗さに依存する場合がある。用途によっては、±２ナノメートル未満の平均粗さが、最高の画質のために望まれることもある。用途によっては、ある種の光学構造、例えば、フレネル・レンズ構造をライト・ガイド内に設けるとよい場合もある。これらの構造にも、高い平滑度および寸法上の忠実性が望まれることがあり、特殊な光学材料および／または複雑なエッチングや研磨手順を用いて達成することができる。しかしながら、このような材料および手順を用いて作られたライト・ガイドは、多くの用途にとって高価過ぎる場合がある。

したがって、一実施形態では、ライト・ガイドの製作方法を提供する。この方法は、熱可塑性ポリマーをダイによって押し出し成形して押し出し成形品を形成するステップと、この押し出し成形品を１つ以上の固定寸法まで加工するステップと、押し出し成形品の面を加熱モールド面と接触したまま維持して、圧力を押し出し成型品に加えながら、押し出し成型品の面を軟化または溶融させるステップとを備えている。

以上の摘要は、詳細な説明において以下で更に説明する概念から選択したものを、簡略化した形態で紹介するために設けられていることは理解されよう。この摘要は、特許請求する主題の主要な特徴や必須の特徴を特定することを意図するのではない。主題の範囲は、詳細な説明の後に続く特許請求の範囲によって定められる。更に、特許請求する主題は、先に記した欠点や、本開示のいずれの部分において記されるいずれの欠点を解決する実施態様にも限定されることはない。

図１は、本開示にしたがってライト・ガイドを製作する方法の実施形態例を示す。 図２は、本開示にしたがってライト・ガイドを製作するための押し出し成型ダイの実施形態例を示す。 図３は、本開示にしたがってライト・ガイドを製作する元となる、押し出し成型品を切断したときの実施形態例を示す。 図４は、本開示にしたがってライト・ガイドを製作する元となる押し出し成型品を仕上げたときの実施形態例を示す。 図５は、本開示にしたがってライト・ガイドを製作する元となる押し出し成型品を仕上げたときの実施形態例からのインセット(inset)を示す。 図６は、本開示にしたがってライト・ガイドを製作する表面層圧縮成型装置の実施形態例を示す。

図１は、ライト・ガイドを製作する方法例１０を示す。この方法は１２において開始し、ここで溶解された熱可塑性ポリマーまたはその他の熱可塑性材料を押し出し成型ダイに通過させる。この熱可塑性ポリマーは、例えば、ポリアクリレート、ポリアクロニトリル、ポリアミド、および／またはポリカーボネートを含むことができる。実施形態によっては、熱可塑性ポリマーが、２つ以上のこのようなポリマーの混合を含むこともできる。熱可塑性材料は、１つ以上の可視、紫外線、および／または赤外線波長範囲における透過性に合わせて選択することができる。光学画像を表示するおよび／または収集するためにのみライト・ガイドを用いる実施形態では、可視光範囲の透過性があれば十分と考えられる。しかしながら、一部のライト・ガイドは、物体検出のために赤外線または紫外線光を投射および／収集するように構成することができるとよい。これらの実施形態では、熱可塑性ポリマーは、種々の赤外線および／または紫外線範囲における透過性に合わせて選択することもできる。

図２は、溶融熱可塑性ポリマーを通過させることができる押し出し成型ダイの一例１４の断面図を示す。この断面は形状が四辺形であり、寸法例が図に示されている。溶融熱可塑性ポリマーをこの形状のダイに押し込んで通過させると、１対の対向するほぼ平行な面、および四辺形の断面を有する、実質的に楔形状の押し出し成型品が得られる。他の実施形態では、ダイを異なる形状にして、異なる形状の押し出し成型品を供給することもできる。例えば、押し出し成型ダイの形状を矩形にして、シート状（即ち、直角プリズム状）押し出し成型品を得ることができる。尚、これらの押し出し成型品の形状の具体的な例は、例示を目的として紹介したのであって、それらに限定されることは全く意図していないことは言うまでもない。

図１を参照すると、方法１０は１６に進み、ここで冷却した押し出し成型品を、固定の幅を含むがこれには限定されない、１つ以上の固定寸法に切断する。押し出し成型品を切断するには、鋸またはミルを用いるとよい。図３は、切断した押し出し成型品の一例１８を示す。これは、固定の幅に切断されており、その一例が図面に示されている。他の実施形態では、固定の幅は、ライト・ガイドの任意の所望の幅とすればよく、ライト・ガイドを取り付けるディスプレイ・デバイスの寸法に基づいて選択すればよい。

再度図１に戻って、方法１０は２０に進み、ここで、切断された押し出し成型品を、次の処理に適した形状および適した寸法に仕上げる(refine)。実施形態によっては、適した形状が、望まれるライト・ガイドの最終形状と同様であってもよく、そして適した寸法が、望まれる最終寸法と同一であっても、または多少大きくてもよい。押し出し成型品の仕上げは、例として、加工(machining)、切断、切削加工(milling)、エッチング、および／または研磨を含むことができる。エッチングは、ウェットまたはドライ機械的エッチング（例えば、サンダー仕上げまたはやすり仕上げ）、および／または化学的エッチングを含むことができる。表面構造を導入する等のために、制御可能な態様でエッチング深さを変化させるためのマスク（例えば、フォトマスク）の補助によって、任意のエッチング・プロセスを実行することができる。

また、２０における押し出し成型品の仕上げは、押し出し成型品の断面を変更することを含んでもよい。つまり、実施形態によっては、プロセス・ステップ１２では、最終的なライト・ガイドの断面形状と一致する断面形状を有する押し出し成型品が得られ、一方他の実施形態では、押し出し成型品が、仕上げ前では矩形のシート形状を有し、２０において最終的なライト・ガイドの断面形状と一致する断面形状を有するように仕上げることもできる。

図４は、前述のようにして切断した押し出し成型品１８から形成することができる、仕上げ押し出し成型品２２を示す。この仕上げ押し出し成型品は、対向面２４および２６、薄い側面２８、ならびにこの薄い側面と反対側の厚い側面３０を含む。この例では、仕上げ押し出し成型品の厚い側面において切削して、鋭角の中心角によって包囲された円筒形の切片を定める。このようにして定められたこの切片の曲率半径は、ライト・ガイドを取り付けるディスプレイ・デバイスの形状に基づいて決定することができる。

実施形態によっては、ライト・ガイドの１つ以上の側面（例えば、薄い側面２８、厚い側面３０）は、レンズとして機能することができ、その場合、曲率半径がレンズの焦点距離を定める。具体的には、ライト・ガイドの１つ以上の側面が、ライト・ガイドの外部にある点光源、例えば、プロジェクターからの光を平行化するように構成することができ、またはライト・ガイドからの平行光を外部検出器に合焦するように構成することもできる。つまり、その側面に形成される任意の切片の曲率半径は、画像源の位置、またはライト・ガイドに対する検出器の位置に依存する場合があり得る。図４の例では、仕上げ押し出し成型品の厚い側面３０に適した曲率半径は、６３１ミリメートルとするとよい。

図５に、一実施形態における厚い側面３０の詳細な断面図を示す。この図は、仕上げ押し出し成型品の厚い側面に沿って水平に延びる、実質的に平面状のファセットのアレイを示す。これらのファセットは、仕上げ押し出し成型品の厚い側面にフレネル・レンズを形成するように形作ることができる。非限定的な一例では、２７個のファセットを仕上げ押し出し成型品の厚い側面に形成することができ、約８４０ミクロン離間され、厚い側面の上縁または下縁から約８０ミクロン突出した一連の水平な稜を形成する。他の実施形態では、押し出し成型品の厚い側面は、任意の他の適した形状および／または輪郭を有することができる。

この位置に形成されたフレネル・レンズは、ライト・ガイドが取り付けられるディスプレイ・デバイスにおいて種々の機能を果たすことができる。例えば、プロジェクターからライト・ガイドに入る合焦画像を平行化する、またはライト・ガイドからの平行画像を検出器上に合焦する。他の実施形態では、実質的に平面状のファセットのアレイを、仕上げ押し出し成型品の任意の側面に配置することもできる。

プロジェクターからライト・ガイドを通過して検出器に伝えられた光線には、ライト・ガイド内において複数の内部反射が生じる。その中には、対向面２４および２６からの反射が含まれる。光線が所望の忠実度で、そして過度の損失を生ずることなく画像を伝えるためには、対向面を高度に平面および平滑に形成するとよい。実施形態によっては、１０ナノメートルの平均粗さが望まれる場合もあり、他の実施形態では、２ナノメートルの平均粗さが望まれることもある。

熱可塑性ポリマーの押し出し成型は、それ自体では、対向面２４および２６が十分に平面で平滑なライト・ガイドを提供できない場合もある。これは、一部の材料において冷却時に発生する、押し出し成型されたポリマーにおいて潜在的に不可避な収縮、およびダイにおける不規則性による引っ掻きによるものである。モノマーから調製される流し込みポリマー(cast polymer)には、収縮の方が一層大きな問題となる可能性がある。場合によっては、射出成型によって容認可能な結果を得ることができるが、射出成型は、固化のための長い冷却時間により、比較的厚いモノリス(monolith)にはコスト高になる場合もあることがわかっている。

したがって、方法１０は図１における３４および後続のステップに進み、ここで仕上げ押し出し成型品２２に更に処理を行う。３４において、仕上げ押し出し成型品を圧縮モールドの中に入れる。

図６は、表面層圧縮成型装置の一例３６を断面図で示す。ここでは、仕上げ押し出し成型品は、プラテン３８によって少なくとも４つの面で閉じ込められる。図に示すプラテンは、平滑なモールド面４０を仕上げ押し出し成型品に対し呈し、仕上げ押し出し成型品を収容するための空隙(void)を包囲する。この空隙および押し出し成型ダイ１４の矩形開口は、１つ以上の寸法を実質的に共通に有する。

実施形態によっては、モールド面４０が本来平滑な材料、例えば、マイカまたはフロート・ガラスを含むとよい場合がある。他の実施形態では、モールド面は、本来平滑な材料と接触するように設定された熱可塑性材料で成型することができる。このように、仕上げ押し出し成型品に対し呈するモールド面の平均粗さは、１０ナノメートル未満にすることができ、実施形態によっては２ナノメートル未満にすることもできる。実施形態によっては、仕上げ押し出し成型品に対し呈するモールド面は、１つ以上の光学的に平滑な表面を含むことができる。

図６において、プラテン３８は複数のモールド面４０を仕上げ押し出し成型品２２に対し呈する。このような実施形態では、複数のモールド面のうち任意のものが、平滑なだけでなく単調である(featureless)のであってもよい。一実施形態では、例えば、仕上げ押し出し成型品の薄い側面２８および厚い側面３０と接触するように配されたモールド面が、平滑で単調であってもよい。

しかしながら、仕上げ押し出し成型品の薄い側面２８および厚い側面３０と接触するように配されたモールド面は、種々の構造(feature)を含むこともできる。具体的には、これらの表面はサブミクロン・スケールでは平滑であるが、ミクロン・サイズからミリメートル・サイズの構造を含むことができる。一実施形態では、仕上げ押し出し成型品の厚い側面と接触するように配された特定のモールド面が、ライト・ガイドのその面に形成される、フレネル・レンズの構造と相補的な構造を含むことができる。この実施形態の異形も考えられる。第１の異形では、図５に示すようなフレネル・レンズ構造を有する仕上げ押し出し成型品を用意し（前述のようにして）、次いで押し出し成型品に既に存在する構造に対して相補的な構造を含む圧縮モールドの中に入れる。第２の異形では、フレネル・レンズ構造がない仕上げ押し出し成型品を用意し、次いでライト・ガイドにおいて望まれる構造に対して相補的な構造を含む圧縮モールドの中に入れる。この異形では、ライト・ガイドのフレネル・レンズ構造をレンダリングする際、後続の表面層溶融および圧縮成型（以下で説明する）を拠り所とする。

加熱可能なプラテン３８に統合されている加熱エレメントによって、モールド面４０を加熱することができる。この加熱エレメントは、例えば、抵抗性または誘導性電気加熱エレメントとするとよい。実施形態によっては、プラテンの周囲または表面層圧縮成型装置３６うちのいずれかの場所を流れる冷媒によって、プラテンを冷却することもできる。仕上げ押し出し成型品２２に圧力を加えるには、仕上げ押し出し成型品を包囲しているプラテンを、油圧プレス４４の金敷４２の間に挟むとよい。

再度図１に戻る。方法１０は４６に進み、ここで１つ以上のモールド面４０を、実質的に熱可塑性ポリマーの融点温度または軟化温度まで加熱する。この行為によって、仕上げ押し出し成型品の表面層を溶融させるが、表面層の下にある仕上げ押し出し成型品の少なくとも一部は溶融しない。他の実施形態では、１つ以上のモールド面を加熱すると、仕上げ押し出し成型品の表面を軟化させるが、溶融させないでおくことができる。

方法１０は、４８に進み、ここで圧縮モールド３６によって圧力を仕上げ押し出し成型品２２に加える。仕上げ押し出し成型品の１つ以上の面が、１つ以上の加熱されているモールド面と接触したまま維持されており、表面層の連続軟化または溶融を促進する。一実施形態では、モールド表面４０が設定点温度に達した後所定の時間期間だけ圧力を加えるとよい。他の実施形態では、仕上げ押し出し成型品２２の１つ以上の寸法（および／またはプラテン３８間の距離）を監視しつつ、圧力を維持することができる。加熱および加圧は、仕上げ押し出し成型品の１つ以上の寸法が固定値に達したときに中止するとよい。

次に、方法１０は５０に進み、ここで、圧縮成型された押し出し成型品を冷却する。圧縮成型された押し出し成型品は、前述のように、表面層圧縮成型装置３６の周囲を流れるまたは通過する１つ以上の冷媒によって冷却することができる。実施形態によっては、圧縮成型押し出し成型品を冷却している間、仕上げ押し出し成型品２２に加えられる圧力の少なくとも一部を圧縮成型の間維持するとよい場合がある。

次に、方法１０は５２にて終了し、圧縮成型された押し出し成型品が圧縮モールドから放出される。
本明細書において記載および／または図示したプロセス・ステップの一部は、実施形態によっては、本開示の範囲から逸脱することなく、省略してもよいことは言うまでもない。同様に、示したプロセス・ステップのシーケンスは、意図した結果を得るために常に必要とされる訳ではなく、図示および説明を容易にするために示したに過ぎない。図示した行為、機能、または動作の１つ以上は、用いられる個々の方策によっては、繰り返し実行することもできる。

最後に、本明細書において説明したシステムおよび方法は、性質上例示であること、そして多数の変形が考えられるので、これらの具体的な実施形態または例は限定的な意味で解釈してはならないことは言うまでもない。しがって、本開示は、本明細書において開示した種々のシステムおよび方法の全ての新規で非自明なコンビネーションおよびサブコンビネーション、ならびにその均等物のうち任意のものおよび全てを含むものとする。

Claims (15)

1. ライト・ガイドの製作方法（１０）であって、
   押し出し成型品を形成するために、熱可塑性ポリマーをダイを通じて押し出すステップ（１２）と、
   前記押し出し成型品を１つ以上の固定の寸法に加工するステップ（１６、２０）と、
   前記押し出し成型品に圧力を加えている間、この押し出し成型品の面を軟化または溶融するために、前記押し出し成型品の面を、加熱モールド面と接触状態に維持するステップ（４６、４８）と、
   を含む、方法。
2. 請求項１記載の方法において、前記熱可塑性ポリマーが、ポリアクリレート、ポリアクリロニトリル、ポリアミド、およびポリカーボネートのうち１つ以上を含む、方法。
3. 請求項１記載の方法において、熱可塑性ポリマーをダイを通じて押し出す前記ステップが、四辺形の断面を有する楔状押し出し成型品を形成するステップを含む、方法。
4. 請求項１記載の方法において、前記押し出し成型品を１つ以上の固定の寸法に加工するステップが、前記押し出し成型品を固定幅に切断するステップを含む、方法。
5. 請求項１記載の方法において、前記押し出し成型品を１つ以上の固定寸法に加工するステップが、前記押し出し成型品の面を、鋭角の中心角によって包囲される円筒形の切片に加工するステップを含む、方法。
6. 請求項１記載の方法において、前記押し出し成型品の面を、加熱モールド面と接触状態に維持するステップが、前記押し出し成型品の前記面の表面層を溶融させつつ、この表面層の下にある前記押し出し成型品の少なくとも一部を溶融させないステップを含む、方法。
7. 請求項１記載の方法において、圧縮モールドを通じて、前記押し出し成型品に前記圧力を加える、方法。
8. 請求項１記載の方法において、前記押し出し成型品の前記面が、複数の加熱したモールド面と接触して維持された複数の面のうちの１つである、方法。
9. 請求項１記載の方法において、前記押し出し成型品の面を、加熱モールド面と接触状態に維持するステップが、前記押し出し成型品の面を、平均粗さが２ナノメートル未満である表面と接触状態に維持するステップを含む、方法。
10. 請求項１記載の方法であって、更に、前記押し出し成型品の１面にフレネル・レンズを形成するステップを備えている、方法。
11. 請求項１０記載の方法において、前記押し出し成型品の面を、加熱モールド面と接触状態に維持するステップが、前記押し出し成型品の面を、前記フレネル・レンズに対して相補的な構造を有する表面と接触状態に維持するステップを含む、方法。
12. 押し出し成型品を形成し、前記押し出し成型品の１つ以上の面を圧縮成型することによってライト・ガイドを製作する装置（３６）であって、
    四辺形の開口を有する押し出し成型ダイ（１４）と、
    １組の加熱可能なプラテン（３８）を含み、前記押し出し成型品に圧力を加えながら、前記押し出し成型品の１つ以上の面と接触し、これらの面を軟化または溶融するように構成されている圧縮モールドと、
    を含み、前記加熱可能なプラテンが、光学的に平滑な第１表面（４０）を前記押し出し成型品（２２）に対し呈し、前記押し出し成型品（２２）を収容する空隙を包囲し、前記空隙および前記四辺形の開口が１つ以上の寸法を共通に有する、装置。
13. 請求項１２記載の装置において、前記加熱可能なプラテンが、更に、前記光学的に平滑な第１表面の逆側において、光学的に平滑な第２表面を、前記押し出し成型品に対し呈する、装置。
14. 請求項１３記載の装置において、前記加熱可能なプラテンが、更に、前記光学的に平滑な第１および第２表面に隣接して、第３表面を前記押し出し成型品に対し呈する、装置。
15. 請求項１４記載の装置において、前記第３表面が、フレネル・レンズに対して相補的な構造を備えている、装置。

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