光射出成形の精度と可能性

光射出成形（OIM）は、レーザー技術の精度と射出成形の効率を組み合わせた製造技術です。この優れた方法は、光学的品質と寸法精度を備えた部品を作り出します。このプロセスでは、ポリマー材料をレーザービームで加熱・軟化させてから金型に射出します。

メガネ、スマートフォン、AR/VRヘッドセットには、光学部品に依存しているという共通点がある。精密ポリマー光学部品は、従来のガラス光学部品に取って代わる大きな可能性を秘めているが、後者では、より小さく、より軽く、より手頃な価格のソリューションのニーズを満たすことはできない。

射出成形はそれ自体が芸術であり、成形品の品質には多くの要因が影響するからである。光学射出成形では、材料の透明性が第一の問題です。完全に純粋な材料は、部品の完璧な光学機能を保証します。

この記事では、光射出成形（OIM）の複雑さ、利点、用途、光成形の種類、展望を取り上げる。OIMが製造工程をどのように変えたか、また、様々な産業においてさらなる発展にどのように拍車をかけるかについて述べる。

製造工程

射出成形による高分子光学部品の製造は、材料、人、機械、金型の間の複雑な相互作用に依存している。信頼性の高い射出成形の手順には、経験と技術が必要です。

ポリマー光学系を採用する大きな利点は、光学的特性と機械的特性を単一のプラットフォームに統合できることである。金型自体の複雑さは、考慮される機械的要素の種類によって増加する。金型は最終部品のネガに合わせて作られます。例えば、最終的な光学部品が凸面であれば、光学インサートは凹面になります。

ポリマー光学部品は物理的気相成長法を用いてコーティングすることができる。ガラス基板にコーティングするのに比べ、ポリマー基板は低温でコーティングでき、耐久性も低い。導電性、ビーム分割、反射防止、反射コーティングは、幅広いポリマー基板に指定することができます。反射防止コーティングには、450～650nmの平均表面反射率がおよそ1.5%の単層MgF2と、450～650nmの範囲で表面反射率が1%未満の多層MgF2の2種類がある。

光射出成形による部品

レンズ

レンズは様々な産業で使用される重要な部品です。レンズには様々な種類があります。

• 非球面レンズ は非球面の表面形状を持ち、球面収差を低減することができる。カメラ、イメージング・システム、VR/ARヘッドセットなどに使用されている。
• 平凸 レンズには凸面と平面がある。主にヘッドライトや拡大鏡に使われる。
• フレネルレンズ： 同心円状のリングで集光するフラットレンズ。光学性能を維持しながら、重量と厚みを最小限に抑えます。太陽集光装置や拡大鏡に最適。

ライトガイド

ライトガイドは、光の質と強度を維持しながら効率的に光を伝送する。内部反射を利用して

 光がターゲットに届くまで。そのデザインのほとんどは用途によって異なり、光の強さや方向を変えるために複雑な形状をしているものもある。

自動車用ダッシュボード、LCD（テレビ、モニター、ノートパソコン）用バックライト、光ファイバーなどの通信機器などへの応用。

ライトディフューザー

ディフューザーは、表面全体に均一に光を散乱させます。この動作により、均一な配光となり、まぶしさを最小限に抑えます。ディフューザーは、つや消し、半透明、またはテクスチャ加工された素材を使用して、光の経路に沿って光を制御します。ディスプレイ（LCD、OLED）、車のヘッドライト、LEDビームに最適です。

リフレクター

リフレクターは、光を特定の方向に向かわせたり、集束させたりします。ほとんどのリフレクターは、平面、角度、または曲線に設計されています。銀やアルミニウムのような反射率の高い素材がレンズのコーティングに使われ、吸収を最小限に抑えます。光のコントロールが必要で、効率を最適化する必要がある場所で使用されます。車のヘッドライト、望遠鏡のミラー、顕微鏡、レーザーなどに応用されています。

ディスプレイパネルとウィンドウ

透明なカバーで、光や画像を透過して表示できる。また、下層の部品を保護する役割もある。光学性能を向上させるためにコーティングが施され、ポリカーボネート（PC）、ガラス、ポリメチルメタクリレート（PMMA）などの材料で作られており、スマートフォンなどの家電製品、医療機器、自動車のヘッドアップディスプレイ（HUD）、フロントガラスなどに使用されている。

光学フィルター

これらは、そこを流れる光の波長を選択的に調整することを目的としている。バンドパスフィルター（特定の波長域のみを透過）、ショートパスフィルター（より短い波長域を透過）、ロングパスフィルター（より長い波長域を透過）など、その機能はさまざまに設計されている。薄膜でコーティングされたり、プラスチックやガラスで作られることも多い。

カメラ、分光計、測光、測色などの科学機器やレーザーシステムに応用され、不要な波長をフィルタリングする。

光センサーとディテクターハウジング

パラメータを検出するために使用される高感度光学センサーを収納し、保護します。また、センサーの機能を変化させる可能性のある湿気、ほこり、機械的損傷などの外的要因からセンサーを保護します。歪みなくセンサーへの正確な光透過を保証する材料から作られています。

理想的：   

医療機器： パルスオキシメーター、血糖値測定器、光学センサー。

環境モニタリング： 大気質メーターと水質センサー。

産業オートメーションシステム： 物体の位置、存在、距離を検出する。    

光学射出成形に使用される必須材料

熱可塑性プラスチック、ポリカーボネート、アクリル、ポリスチレンは、光学射出成形で使用される主な材料です。これらの材料はそれぞれ異なる特性を持つため、異なる光学用途に適しています。それぞれの熱可塑性プラスチックは、設計プロセスを開始する前に特定の評価を受ける必要があります。

ポリスチレン（PS）

ポリスチレンは収縮率が低いため、精密成形に最も適した素材です。この特性により、複雑で詳細なデザインに簡単に加工できるため、多くのデザイナーに選ばれています。ポリスチレンの屈折率は1.59、可視光線透過率は88.4%で、ポリカーボネートやアクリルに似ています。

ポリカーボネート（PC）

ポリカーボネート（PC）は、精密射出成形工程で一般的に使用されています。PCは、構造的完全性を保ちながら複雑な形状に成形しやすいという利点があります。PCの屈折率は約1.59と推定され、可視光線透過率は84%、紫外線透過率は74.3%です。高い耐衝撃性と卓越した光学的透明性など、信頼性の高い光学特性を有しています。

ポリカーボネートは、自動車のヘッドランプレンズ、LED照明用レンズ、安全眼鏡など、耐久性と耐衝撃性が不可欠な用途によく使用されています。

アクリル（PMMA）

アクリルは射出成形に広く使用されている材料です。その優れた機械的性質は、CNC旋盤やフライス加工などの他の生産工程でも重宝されています。アクリルは例外的な傷の抵抗および光学明快さのために知られている。屈折率は約1.49、可視光線透過率は92%です。ポリカーボネートと比較すると、アクリルの紫外線透過率はわずか4.82%で、ほとんどすべての紫外線を遮断することができます。外観が重要視される光学用途では、主にガラスの軽量な代替品として使用されます。ライトガイド、光学ディスプレイ、カメラレンズなどの家電製品や医療機器に適しています。

環状オレフィンコポリマー（COC）

この新しい物質は、低吸湿性と優れた光学的品質で有名である。COCはPS、PC、PMMAのような他の材料の中でも際立っており、その屈折率は1.53、可視スペクトルでの透過率は90%である。多くの精密光学システムがCOCを好むのは、その低分散性と複屈折性により光学的歪みが少ないからです。

COCはその優れた特性から、エレクトロニクス、光学、医療など多くの分野で使用されている。また、光学フィルム、レンズ、導光板など、需要の高い商品にも使用されている。

環状オレフィンポリマー(COP)

COPは環状オレフィンコポリマー（COC）と密接な関係があるが、より純度が高く、より洗練された特性を持つことが多い。高い透明性と光学的透明性を示し、通常はガラスに匹敵する。また、光学的歪みが少なく、高い光透過率を持つ。

COPは、屈折率1.53、可視光線透過率91.6%という驚異的な光学特性を持つ。COPは可視光線を非常によく透過するというユニークな特性を持ち、1.78%という低いヘイズ指数を持つため、光学部品にはヘイズがありません。

内視鏡部品や診断用レンズなどの医療機器、カメラレンズ、顕微鏡光学部品、光センサーなどの精密光学部品、ライトガイドやLEDレンズなどの照明・イルミネーションに使用される。

主要特性の比較

光学成形の種類

1.精密レンズ成形

特殊な射出成形は、厳しい公差で精密なレンズを製造することに特化している。この工程は、完璧な光の屈折と透過が不可欠な場所では非常に重要で、わずかなズレでも出力に大きく影響することを考慮しています。

カメラ、顕微鏡、自動車のヘッドライト、スマートフォンのレンズに使用されている。

2.マイクロオプティクス成形

マイクロオプティック成形は、複雑な特徴と小さな寸法を持つ小型光学部品を製造するための高度に専門化された技術である。このような小さな光学部品に必要な精度は、通常の光学部品よりもかなり高いため、このような技術が必要なのです。

これらの部品は、医療機器、光ファイバー通信システム、拡張現実（AR/VR）システムなどのハイテク分野で極めて重要である。

3.ライトガイド成形

これは、LED照明システムのような装置で光を効率的に導き、分配するために特別に作られた光学部品を製造することである、, 自動車照明, およびディスプレイのバックライト。ライトガイドは、損失、グレア、歪みを最小限に抑え、コンポーネント全体に均一な配光を保証します。成形工程では、光の透過率を向上させ、光路を正確に制御するために、完全できれいな表面を作ります。欠陥があると、光が正しく流れなくなり、不快なグレア、反射、光損失が生じます。.

主にヘッドランプ、車内灯、スマートデバイスなどに使用されている。

4.ディフューザー成形

特殊な光学射出成形技術は、まぶしさを最小限に抑え、均一な照明を提供する光散乱部品を作ります。これらの部品は、光を表面上に均一に分散させ、ホットスポットや厳しい反射を防ぎます。ディフューザーは多くの場合、光を均一に散乱させるのに役立つ微細なテクスチャー表面や独自に設計された形状を持っています。成形時には、光の透過と拡散のバランスをとるために、拡散角度と光の広がりをコントロールする表面が作られます。

 ディフューザーは、照明やディスプレイ技術に均一な配光を提供し、性能と視覚的快適性の向上に不可欠です。LEDパネル、モニター、テレビ、自動車の室内灯などに幅広く使用されています。

5.複屈折制御成形

光の二重屈折（複屈折）を低減する必要がある場合、高度に専門化された光学射出成形技術が採用される。複屈折」という用語は、偏光方向によって光を何通りにも屈折させる材料の能力を指す。複屈折は、成形工程中の応力やひずみによって生じることがあります。成形条件を効果的に管理するには、複屈折の少ない材料が最も好ましい。これは、光学収差により光学部品の精度に影響を与える可能性があるためです。

この場合に使用される特殊なポリマーは、環状オレフィンコポリマー（COC）と環状オレフィンポリマー（COP）で、応力下で複屈折を起こす傾向が低い。

内視鏡、MRIスキャナー、ライダーセンサー、スマートフォンレンズなどの部品に使用。

6.マルチショット（2ショット）成形

ツーショット成形または多成分成形とも呼ばれ、光学部品の構造的・機能的特徴を向上させるために、1つの金型に2つの異なる材料を注入する。光学材料と非光学材料が組み合わされた複数の材料が、耐久性のあるハウジングとともに成形されます。例えば、光学レンズ、カメラ、センサーが一緒に成形されます。

光射出成形の利点。

1. 膨大な量の光学部品をコスト効率よく製造することができ、特に自動化を利用した場合、1個あたりのコストを大幅に下げることができる。

2.マイクロオプティクス、自由曲面形状、非球面レンズなどの複雑な設計を1回の成形でサポートすることで、手間のかかる後加工を不要にします。

3.ポリカーボネート（PC）や環状オレフィンコポリマー（COC）のような軽量プラスチックは、強度や光学的透明度を犠牲にすることなく重量を減らすことができる。

4.マルチショット成形が可能で、光学的透明性と他の材料を融合させ、ハウジング一体型レンズや光学コーティングなど、複数の用途を持つ製品を製造することができる。

5.民生用電子機器、自動車、医療分野など、さまざまな用途向けに設計された、特定の品質（UVカットや耐傷性など）を持つ素材の豊富な選択肢を提供。

光射出成形の今後の動向

1.光学性能向上のための先端材料

光学特性を向上させた新しいポリマー材料の開発は、今後も技術革新の原動力となるだろう。改良された屈折率制御や環境に優しい材料など、将来の材料は、過酷な条件下でより優れた性能を発揮するかもしれない。

2.マイクロオプティクスとナノフォトニクスの成形

マイクロ射出成形の進歩により、非常に厳しい公差でマイクロ光学部品を製造することが可能になる。

極小光学部品の需要は、特に民生用電子機器、AR/VR、医療機器産業で高まり続けている。

3.インダストリー4.0との統合

IoT、AI、機械学習などのインダストリー4.0技術は、生産プロセスを最適化するために統合されている。OIMプロセスは高度に自動化され、ロボットがタスクを処理し、人的ミスを減らすことができる。OIMプロセスのいくつかの側面に関するデータを収集し、センサーやデータ分析ツールを使って分析することができる。OIM機器と手順のデジタルツインを作成し、仮想テストとシミュレーションを容易にすることで、実際の導入前の最適化を可能にする。

4.医療およびバイオフォトニクス・アプリケーションの成長

バイオフォトニクスや医療機器には、今後さらに多くの光学部品が必要になると予想される。高精度で信頼性の高い光学部品は、非侵襲的イメージング、レーザー治療、ウェアラブル健康モニタリングシステムに必要とされる。

結論

光学射出成形は、光学部品の製造に大きな変化をもたらした。わずかなコストと時間で光学部品を製造できるため、多くの産業がこの技術を採用している。スマート・マニュファクチャリングや先端材料といった革新的なトレンドが目前に迫っており、その可能性は無限です。医療機器用の高度な光学部品の製造であれ、スマートフォン用の軽量レンズの製造であれ、OIMはそのすべてを実現している。