JP2016177140A - 光学素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高い生産性を有する光学素子の製造方法を提供する。【解決手段】光学素子の製造方法は、芯材２と被覆部３とを有する複数の線材１を準備する工程と、被覆部３同士が隣接するように複数の線材１を面状に並べるとともに、複数の線材の面状に並んでいる面方向に対して交差する方向に複数の線材１を加圧することで複数の線材を変形させる工程と、複数の線材１の被覆部３同士を互いに接合させた状態で、被覆部３のうちの上記交差する方向の一方側および他方側に位置している部分を除去することにより、芯材２を上記一方側および上記他方側において露出させる工程と、を備える。【選択図】図６

Description

本発明は、反射機能を有する帯状の面が内部に多数配列された光学素子の製造方法に関する。

反射機能を有する帯状の面が内部に多数配列された光学素子が知られている。国際公開第２００９／１３１１２８号（特許文献１）に開示されているように、このような光学素子を２枚用いることによって、たとえば、物体を見る観察者側の空中に、立体像を形成することが可能となる。

国際公開第２００９／１３１１２８号

国際公開第２００９／１３１１２８号（特許文献１）に開示された光学素子の製造方法においては、まず、一面側に金属反射面が形成された複数の透明板（アクリル樹脂板またはガラス板）を準備する。複数の透明板を、金属反射面が一方側に配置されるように積層することで、積層体を形成する。各金属反射面に対して垂直な切り出し面が形成されるように積層体を切り出すことにより、光学素子（光制御パネル）が作製される。この製造方法は、透明板を積層する工程や、各金属反射面に対して垂直な方向に積層体を切り出すというやや複雑な工程を含んでおり、生産性という点において改善の余地が残されている。

本発明は、従来に比して高い生産性で光学素子を製造することが可能な光学素子の製造方法を提供することを目的とする。

本発明に基づく光学素子の製造方法は、光透過性を有する芯材と上記芯材の周囲を覆うように設けられた被覆部とを有する、複数の線材を準備する工程と、上記被覆部同士が隣接するように複数の上記線材を面状に並べるとともに、複数の上記線材の面状に並んでいる面方向に対して交差する方向に複数の上記線材を加圧することで複数の上記線材を変形させる工程と、複数の上記線材の上記被覆部同士を互いに接合させた状態で、上記被覆部のうちの上記交差する方向の一方側および他方側に位置している部分を除去することにより、上記芯材を上記一方側および上記他方側において露出させる工程と、を備える。

好ましくは、上記線材は、プラスチック光ファイバーから構成される。
好ましくは、複数の上記線材は、上記プラスチック光ファイバーの上記被覆部同士を熱溶着させることによって互いに接合される。

好ましくは、上記芯材は、プラスチックファイバーから構成される。
好ましくは、上記被覆部は、上記プラスチックファイバーの表面に形成され、内部で光を反射させる反射膜である。

好ましくは、上記反射膜の材料は、誘電体または金属を含む。
好ましくは、複数の上記線材は、接着剤によって互いに接合される。

好ましくは、上記線材を加圧する際には、上記芯材が軟化あるいは溶融する温度以上となるように上記線材が加熱される。

上記の製造方法は、透明板を積層したり、積層体を切り出したりするといった工程を含んでいないため、生産性の向上を図りやすい。

実施の形態１における光学素子の製造方法の第１工程を示す斜視図である。 実施の形態１における光学素子の製造方法に用いられる線材を示す断面図である。 図２におけるＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った矢視断面図である。 実施の形態１における光学素子の製造方法に用いられる線材の特性を説明するための断面図（変形前の線材）である。 実施の形態１における光学素子の製造方法に用いられる線材の特性を説明するための断面図（変形後の線材）である。 実施の形態１における光学素子の製造方法の第２工程を示す断面図である。 実施の形態１における光学素子の製造方法の第３工程を示す断面図である。 実施の形態１における光学素子の製造方法の第４工程を示す断面図である。 実施の形態１における光学素子の製造方法の第５工程を示す断面図である。 実施の形態１における光学素子の製造方法により得られたファイバーアレイシートを示す断面図である。 実施の形態１における光学素子の製造方法により得られたマイクロミラーアレイを示す斜視図である。 実施の形態２における光学素子の製造方法に用いられる芯材を示す断面図である。 実施の形態２における光学素子の製造方法に用いられる線材を示す断面図である。 実施の形態２における光学素子の製造方法の或る工程を示す断面図である。

実施の形態について、以下、図面を参照しながら説明する。同一の部品および相当部品には同一の参照番号を付し、重複する説明は繰り返さない場合がある。

［実施の形態１］
図１〜図９を参照して、実施の形態１における光学素子の製造方法について説明する。詳細は後述するが、当該製造方法を実施することによって光学素子としてのファイバーアレイシート１０Ａ（図９および図１０参照）が作製される。ファイバーアレイシート１０Ａは、一方側の面２Ｍ（図９および図１０参照）から入射した光を、他方側の面２Ｎ（同図）から出射させる。さらに、２つのファイバーアレイシート１０Ａを用いることによって、図１１に示すようなマイクロミラーアレイ１００を作製することもできる。

図１を参照して、実施の形態１の製造方法においては、まず複数の線材１が準備される。図２は、本実施の形態の製造方法で用いられる線材１を示す断面図である。図３は、図２におけるＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った矢視断面図である。線材１は、光透過性を有する芯材（２）と、芯材の周囲を覆うように設けられた被覆部（３）とを有し、内部で光を伝搬させることができる（図３中の黒色矢印を参照）。本実施の形態の線材１は、プラスチック光ファイバーから構成される。

図２および図３に示すように、プラスチック光ファイバーとしての線材１は、光透過性を有するコア層２（芯材）と、コア層２の周囲を覆うように設けられたクラッド層３（被覆部）とを有する。本実施の形態の線材１は、φ１ｍｍの線径を有する。コア層２およびクラッド層３は、いずれも熱可塑性樹脂から形成される。たとえば、コア層２は、クラッド層３よりも高い屈折率を有しており、コア層２はポリメチルメタクリレート樹脂から形成され、クラッド層３はフッ素系ポリマーから形成される。クラッド層３の厚みは、たとえば１０μｍである。

図４を参照して、線材１は、次のような特徴を有している。すなわち、線材１を図４に示すような加圧具４Ａの内側に配置したとする。加圧具４Ａは、平坦な加圧面４Ｓと、加圧面４Ｓに対して垂直な一対の加圧面４Ｔ，４Ｕとを有する。加圧具５Ａも、平坦な加圧面５Ｓを有する。線材１の温度がたとえば１６０℃になるように、線材１を加熱しながら加圧具４Ａ，５Ａを用いて線材１を加圧する。線材１（コア層２およびクラッド層３）は軟化し、加圧によって変形する。線材１は、加圧面４Ｓ，４Ｔ，４Ｕおよび加圧面５Ｓの形状に倣うように変形し、線材１Ａ（図５参照）を形成する。

図５に示すように、線材１Ａは、加熱および加圧を解除した状態において、４つの角部が丸みを帯びた、略長方形の断面形状を呈する。変形により得られた線材１Ａは、変形前の線材１のコア層２およびクラッド層３の断面構成（クラッド層３がコア層２の周囲を覆うように位置しているという構成）を維持している。線材１Ａも、線材１（図４）と同様に、内部で光を伝搬させるという機能を有している。本実施の形態では、変形によって線材１がこのような形状を有する線材１Ａを形成できるという特徴が使用される。

図１を再び参照して、上記のような特徴を有する複数の線材１は、加圧具４の加圧面４Ｓの上に配置され、クラッド層３（被覆部）同士が隣接するように面状に並べられる。本実施の形態においては、複数の線材１は、Ｘ−Ｙ平面状に並べられる。複数の線材１が矢印Ｙ方向に沿って直線状に延在しているとすると、複数の線材１は、矢印Ｙに対して交差する矢印Ｘ方向（本実施の形態では矢印Ｙに対して直交する矢印Ｘ方向）に順に並べられる。加圧具４に対向するように、加圧面５Ｓを有する加圧具５が配置される。加圧面４Ｓ，５Ｓは、互いに平行である（図６参照）。

図１および図６を参照して、複数の線材１は、複数の線材１が面状に並んでいる面方向（本実施の形態では、Ｘ−Ｙ平面方向）に対して交差する矢印Ｚ方向から加圧される。本実施の形態においては、複数の線材１は、Ｘ−Ｙ平面に対して直交する矢印Ｚ方向に加圧される。必要に応じて、線材１が矢印Ｘ方向およびその反対方向に移動することを規制するために、規制具６，７（図６）が用いられるとよい。規制具６，７の内表面６Ｓ，７Ｓは、加圧面４Ｓ，５Ｓに対していずれも直交している。内表面６Ｓ，７Ｓも、加圧面として機能することができる。

本実施の形態においては、加圧具４，５にヒーター等が内蔵されており、複数の線材１を加熱しながら加圧する。複数の線材１は、コア層２（芯材）が軟化あるいは溶融する温度以上となるように加熱される。複数の線材１は、線材１の各々の温度がたとえば１６０℃になるように加熱される。線材１の材質および純度にもよるが、複数の線材１の温度が１１０℃以上２７０℃以下の範囲内となるように加熱するのが好ましい。複数の線材１（コア層２およびクラッド層３）の各々は軟化し、周辺への移動（矢印Ｘ方向およびその反対方向への移動）が規制された状態で、加圧によって変形する。複数の線材１の各々は、加圧面４Ｓ，５Ｓ（および内表面６Ｓ，７Ｓ）の形状に倣うように変形し、線材１の隣り合う面は、加圧面４Ｓ，５Ｓに直交するように形成される（図７参照）。

図７および図８を参照して、本実施の形態においては、加熱によってクラッド層３が軟化ないし溶融すると、隣り合う線材１Ａのクラッド層３（被覆部）同士が熱溶着によって一体化し、複数の線材１Ａは互いに接合される。これにより、図８に示すファイバーアレイ１０が得られる。ファイバーアレイ１０は、加熱および加圧を解除した状態において、薄板状（シート状）の形状を呈する。ファイバーアレイ１０は、クラッド層３同士が互いに接合された状態を維持している。加熱および加圧を解除した後、必要に応じて冷却工程が実施されてもよい。

図９を参照して、クラッド層３を互いに接合することにより形成されたファイバーアレイ１０には、研削処理および／または研磨処理が施される。クラッド層３（被覆部）のうち、矢印Ｚ方向の一方側に位置している部分３Ａと、矢印Ｚ方向の他方側に位置している部分３Ｂとが除去される。これにより、コア層２の一部を、矢印Ｚ方向における一方側および他方側において露出させることができる。ここでいう矢印Ｚ方向とは、複数の線材１Ａが面状に並んでいる面方向に対して交差する方向（本実施の形態では、Ｘ−Ｙ平面方向に対して直交する方向）である。

本実施の形態においては、コア層２（芯材）の一部も除去される。具体的には、コア層２のうち、矢印Ｚ方向の一方側に位置している部分２Ａと、矢印Ｚ方向の他方側に位置している部分２Ｂとが除去される。これにより、コア層２の一部を、矢印Ｚ方向における一方側および他方側においてさらに露出させることができる。露出したコア層２の一方側の面２Ｍおよび他方側の面２Ｎには、鏡面処理が施されることが好ましい。面２Ｍ，２Ｎは、互いに平行であることが好ましい。

図１０を参照して、以上のような各工程を経ることによって、ファイバーアレイシート１０Ａ（光学素子）が得られる。ファイバーアレイシート１０Ａのクラッド層３は、矢印Ｚ方向における上記の部分３Ａ，３Ｂ（図９）においては除去されたことによって反射機能を有していないが、隣接する線材１Ａとの間において残存している帯状の部分は反射機能を発揮することができる。ファイバーアレイシート１０Ａは、コア層２およびクラッド層３の残存している部分が等ピッチで配列された構成を有しており、一方側の面２Ｍから入射した光を、内部で反射させ、他方側の面２Ｎから出射させることができる（図１０中の黒色矢印を参照）。

図１１を参照して、２つのファイバーアレイシート１０Ａを用いることによって、図１１に示すようなマイクロミラーアレイ１００を作製することもできる。マイクロミラーアレイ１００においては、ファイバーアレイシート１０Ａの各々に設けられた複数本のコア層２が、互いに９０°の角度（直角）で交差している。ファイバーアレイシート１０Ａ（１０Ａ１）の一方側の面２Ｍから入射した光は、ファイバーアレイシート１０Ａ（１０Ａ１）および１０Ａ（１０Ａ２）のコア層２の内部を通して導光され、コア層２とクラッド層３との間の界面で反射され、ファイバーアレイシート１０Ａ（１０Ａ２）の他方側の面２Ｎから出射される。

このようなマイクロミラーアレイ１００は、マイクロミラーアレイ１００の一方側の面に配置された被投影物の鏡映像を、マイクロミラーアレイ１００に対して面対称となる他方側の面の空間位置に結像させることができる。マイクロミラーアレイ１００は、３次元または２次元の物体および画像などを空間に結像するための結像光学素子として機能することができる。本実施の形態では、φ１ｍｍの線径を有する線材１（プラスチック光ファイバー）を用いているが、所望される画質に応じて線径を最適化させるとよい。

（作用および効果）
本実施の形態における光学素子の製造方法は、複数の線材１を加圧によって変形および接合させることでファイバーアレイ１０（図８）を形成し、コア層２の一部を露出させることでファイバーアレイシート１０Ａ（図９，図１０）を得ることができる。冒頭で説明したように、国際公開第２００９／１３１１２８号（特許文献１）に開示された光学素子の製造方法は、透明板を積層する工程や、各金属反射面に対して垂直な方向に積層体を切り出すという工程を含んでいる。

本実施の形態の製造方法は、透明板を積層したり、積層体を切り出したりするといった工程を含んでいない。透明板を準備するための設備も不要であり、切り出しのための設備も不要である。本実施の形態の製造方法は、特許文献１に比べて材料費や生産設備のための費用の増加を抑えることができるだけでなく、光学素子を簡素な工程にて製造でき、生産性の向上を図りやすいと言える。線材１としてプラスチック光ファイバーを用いれば、材料費の一層の低減を図ることが可能である。

上述の実施の形態では、隣り合う線材１Ａのクラッド層３（被覆部）同士を熱溶着によって一体化させることで、複数の線材１Ａを接合している。熱溶着に限られず、隣り合う線材１Ａ（クラッド層３）同士は、接着剤（たとえばエポキシ系接着剤）によって接合してもよい。熱溶着および接着剤が組み合わされて実施されても構わない。あるいは、複数の線材１Ａは、熱変形の際にクラッド層３に生じた微小なクラックを利用して、クラッド層３を部分的に溶解させる溶剤を用いて隣り合う線材１Ａのクラッド層３同士を接合しても良い。

［実施の形態２］
図１２〜図１４を参照して、実施の形態２における光学素子の製造方法について説明する。実施の形態２は、実施の形態１と比較すると、プラスチック光ファイバーが用いられず、接着剤９が用いられるという点において主として相違している。

図１２に示すように、本実施の形態においては、まず光透過性を有する芯材２Ｃが準備される。芯材２Ｃは、プラスチックファイバーから構成される。芯材２Ｃは、クラッド層３（実施の形態１）に相当する部材を有しておらず、たとえば、アクリル樹脂から形成される。芯材２Ｃとしては、ポリメタクリルスチレン（ＭＳ）樹脂、メタクリルブタジエンスチレン（ＭＢＳ）樹脂、透明なアクリロニトリル・ブタジエン・スチレン共重合体（透明ＡＢＳ）樹脂、スチレン・ブタジエン共重合体（ＳＢＣ）樹脂などから形成されていてもよい。

図１３を参照して、次に、芯材２Ｃの周囲を覆うように、被覆部としての反射膜３Ｃが形成される。反射膜３Ｃは、芯材２Ｃ（プラスチックファイバー）の表面に形成され、内部で光を反射させる（内部に光を閉じ込める）ことができる（図１３中の黒色矢印を参照）。図１３に示すように、芯材２Ｃおよび反射膜３Ｃを含む線材１Ｃが得られる。

反射膜３Ｃの材料としては、誘電体または金属を含んでいることが好ましい。具体例を挙げると、アクリル樹脂から形成されたφ１ｍｍの直径を有する芯材２Ｃの表面に、真空蒸着により、反射膜３Ｃとして０．５μｍの膜厚を有するアルミ膜を設けることができる。

図１４を参照して、実施の形態１の場合と同様に、複数の線材１Ｃは、加圧具４の加圧面４Ｓの上に配置され、反射膜３Ｃ同士が隣接するように面状に並べられる。本実施の形態では、隣り合う線材１Ｃ（反射膜３Ｃ）の間に、スプレーやディスペンサーなどによって微量の接着剤９が供給ないし塗布される。接着剤９としては、たとえばエポキシ系接着剤が用いられる。複数の線材１Ｃは、複数の線材１Ｃが面状に並んでいる面方向（本実施の形態では、Ｘ−Ｙ平面方向）に対して交差する矢印Ｚ方向から加圧される。

この際、複数の線材１Ｃは、芯材２Ｃが軟化あるいは溶融する温度以上となるように加熱される。複数の線材１Ｃは、実施の形態１の場合と同様に変形し、薄板状（シート状）のファイバーアレイを形成する（図８参照）。反射膜３Ｃを互いに接合することにより形成されたファイバーアレイには、研削処理および／または研磨処理が施される。反射膜３Ｃ（被覆部）のうち、矢印Ｚ方向の一方側に位置している部分と、矢印Ｚ方向の他方側に位置している部分とが除去される。

必要に応じて、芯材２Ｃのうち、矢印Ｚ方向の一方側に位置している部分と、矢印Ｚ方向の他方側に位置している部分とが除去される。露出した芯材２Ｃの一方側の面および他方側の面には、鏡面処理が施されることが好ましい。これらの面は、互いに平行であることが好ましい。

（作用および効果）
本実施の形態においては、隣り合う線材１Ｃの反射膜３Ｃ同士が、接着剤９によって強固に接合される。接着剤９を用いる場合、実施の形態１における熱溶着に比べて強い接合強度を得やすい。反射膜３Ｃの材料として誘電体または金属（アルミ膜）などを用いる場合には、各種の接着剤を使用することができ、アルミ膜が用いられる場合には接着剤の選択肢も広い。

実施の形態１の熱溶着の場合には、クラッド層３を溶着可能な程度に溶融させるだけの加熱が必要となる。本実施の形態においては、線材１Ｃを加圧する際には、芯材２Ｃが軟化あるいは溶融して変形が可能な温度以上となるように線材１Ｃが加熱されればよい。芯材２Ｃが軟化あるいは溶融して変形が可能な温度は、熱溶着に必要な温度に比べて低い。したがって、芯材２Ｃへの熱的な影響は、実施の形態１の場合に比べて少なくすることができる。

以上、実施の形態について説明したが、上記の開示内容はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の技術的範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１，１Ａ，１Ｃ 線材、２ コア層（芯材）、２Ａ，２Ｂ，３Ａ，３Ｂ 部分、２Ｃ 芯材、２Ｍ，２Ｎ 面、３ クラッド層（被覆層）、３Ｃ 反射膜（被覆層）、４，４Ａ，５，５Ａ 加圧具、４Ｓ，４Ｔ，４Ｕ，５Ｓ 加圧面、６，７ 規制具、６Ｓ，７Ｓ 内表面、９ 接着剤、１０ ファイバーアレイ、１０Ａ ファイバーアレイシート、１００ マイクロミラーアレイ。

Claims (8)

1. 光透過性を有する芯材と前記芯材の周囲を覆うように設けられた被覆部とを有する、複数の線材を準備する工程と、
   前記被覆部同士が隣接するように複数の前記線材を面状に並べるとともに、複数の前記線材の面状に並んでいる面方向に対して交差する方向に複数の前記線材を加圧することで複数の前記線材を変形させる工程と、
   複数の前記線材の前記被覆部同士を互いに接合させた状態で、前記被覆部のうちの前記交差する方向の一方側および他方側に位置している部分を除去することにより、前記芯材を前記一方側および前記他方側において露出させる工程と、を備える、
   光学素子の製造方法。
2. 前記線材は、プラスチック光ファイバーから構成される、
   請求項１に記載の光学素子の製造方法。
3. 複数の前記線材は、前記プラスチック光ファイバーの前記被覆部同士を熱溶着させることによって互いに接合される、
   請求項２に記載の光学素子の製造方法。
4. 前記芯材は、プラスチックファイバーから構成される、
   請求項１に記載の光学素子の製造方法。
5. 前記被覆部は、前記プラスチックファイバーの表面に形成され、内部で光を反射させる反射膜である、
   請求項４に記載の光学素子の製造方法。
6. 前記反射膜の材料は、誘電体または金属を含む、
   請求項５に記載の光学素子の製造方法。
7. 複数の前記線材は、接着剤によって互いに接合される、
   請求項１から６のいずれかに記載の光学素子の製造方法。
8. 前記線材を加圧する際には、前記芯材が軟化あるいは溶融する温度以上となるように前記線材が加熱される、
   請求項１から７のいずれかに記載の光学素子の製造方法。