対応事例紹介 光学部品の製造と設計

対応事例紹介～光学部品の製造と設計～

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近年、光学技術は私たちの生活のあらゆる場面で活用されています。
スマートフォンのカメラ、自動車のヘッドライト（特にLED／レーザーヘッドランプ）、プロジェクター、AR/VRデバイス、医療用内視鏡、光通信など、どれも高度な光学部品によって性能が支えられています。
これらの光学部品に対して高輝度化・小型化・意匠性向上へのニーズが高まっており、光を思い通りに制御する光学設計の重要性はかつてないほど増しています。
ネクスティ エレクトロニクス開発部では、こうした市場ニーズに応えるため、光学部品のシミュレーションや最適化設計の支援を行っています。今回は、その具体的な対応事例をご紹介します。

1．事例の概要　光学部品の製造と光拡散機能の追加

対応した内容は次の２項目です。

• 基本・ベースとなる「光学部品の製造」
• 性能改善に向けた取り組みである「光拡散機能の追加」

この2つの対応事例を紹介します。

②光拡散機能の追加

①で製造導入を開始した光学部品は、初回成形の段階で性能が課題となり、光拡散機能の付加による性能改善を検討しています。対応は、光学部品の表面への微細パターンの形成。
結果、目標性能を持たせた光学部品にまとめました。

2．対応内容　製造導入と光拡散微細パターン設計

製造導入と性能改善に向けた光拡散微細パターン設計は以下の流れで進めました。
さわりの部分は内容を簡単にご紹介します。

シミュレーション　条件設定、設定条件確認

今回の事例では、都合上、通常用意されている部品のシミュレーションモデルを使うことができず、シミュレーションに必要な光源などの条件設定は、部品仕様書などをベースに設定しました。
微細パターンは、実機と組み合わせて目標性能に合うように選定した光拡散シートの配光角を元にガウシアン分布（正規分布）で初期設定しています。
設定した条件を確認するため、この時点で一度シミュレーションを実施。
結果は、光拡散シート追加で光が中央に集中、左右の広がりが無いシミュレーション結果となりました。

光源設定

光拡散シート設定

光拡散シートの特性（拡散角）をガウシアン分布（正規分布）で仮設定

設定条件確認（シミュレーションにて）

レンズ単体でのシミュレーション結果

拡散シート追加結果
光が中央に集中、左右の広がりがない

現物評価・実力確認、シミュレーション条件の現物合わせ修正

設定条件確認で思うような結果が得られなかったことを受け、現物評価と実力確認です。

• 目標性能に合わせて選定した光拡散シートの現物を光学評価機により評価測定
  ⇒ ガウシアン分布ではなく、中心左右に二つのピークを確認
• カメラを使い、光拡散シートを通した光の実照射パターンを撮影して確認
  ⇒ 試作レンズの光の広がりに対して、光拡散シートとの組み合わせでは光の広がりを確認

これらの結果を元に、現物と相関が取れるようシミュレーション条件を修正し、微細パターン設計時のシミュレーション精度を改善しています。

光拡散シート光学評価測定

カメラによる光拡散シート実力確認

複数の微細パターン 検討～絞り込み

光拡散構造を持たない光学部品の３D CADデータと選定した光拡散シートを組み合わせたモデルのシミュレーション結果を基準として、複数の微細パターンを想定した光学部品のシミュレーションを行いました。
これらのシミュレーション結果から、金型への加工リードタイムが短く、同等以上の効果が得られる組み合わせに絞り込み、候補を確定しました。

＜シミュレーション例＞

3．おまけ　部品の３D形状解析、シミュレーションも可能

部品の3D形状解析も対応が可能で、現物の形状を解析して可視化したり、解析した形状データを使った光学シミュレーションを行うことができます。
例えば、試作で想定していた光学性能が出なかった場合に、試作現品を３D形状解析することで、元となるCADデータとの形状の差を可視化して確認したり、CADデータと解析データの双方をシミュレーションして比較確認することも可能です。

形状解析事例

最後に

レンズや導光板といった光学部品の図面や面の情報、部品構成の情報、部品の現物などを元にお客さまと協議させて頂き、図面相当のレンズ製作対応や、事例のような追加機能を持たせた設計～製造対応が可能です。
株式会社ネクスティ エレクトロニクスは、製造要素技術に精通した技術者を中心に、本件の光学メーカーを含む豊富な実績を持つODM/EMSパートナーと協業し、多様な業界・製品の立ち上げを支援するスキームを構築しています。
自動車、産業機器をはじめ、幅広い分野で培った経験とノウハウを活かし、お客さまや社会のニーズに応え、ものづくりの新たな価値を提供します。

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