(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-06-13
(45)【発行日】2022-06-21
(54)【発明の名称】光学体及び発光装置
(51)【国際特許分類】
G02B 5/00 20060101AFI20220614BHJP
B60K 35/00 20060101ALI20220614BHJP
F21S 2/00 20160101ALI20220614BHJP
G02B 3/00 20060101ALI20220614BHJP
G02B 5/02 20060101ALI20220614BHJP
G09F 13/18 20060101ALI20220614BHJP
【FI】
G02B5/00 Z
B60K35/00 Z
F21S2/00 435
G02B3/00 A
G02B5/02 C
G09F13/18 N
(21)【出願番号】P 2017191540
(22)【出願日】2017-09-29
【審査請求日】2020-09-17
(73)【特許権者】
【識別番号】000108410
【氏名又は名称】デクセリアルズ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110000936
【氏名又は名称】特許業務法人青海特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】花島 直樹
(72)【発明者】
【氏名】佐々木 浩司
【審査官】沖村 美由
(56)【参考文献】
【文献】特開平09-269489(JP,A)
【文献】特開2007-286464(JP,A)
【文献】特開2006-323337(JP,A)
【文献】米国特許出願公開第2010/0142183(US,A1)
【文献】特開2015-041439(JP,A)
【文献】特開2012-256432(JP,A)
【文献】特開2007-027144(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
G02B 5/00- 5/136
G02B 3/00- 3/14
G09F 13/00-13/46
B60K 35/00
F21S 2/00
G02B 6/00
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
基材と、
前記基材の表面に形成され、前記基材の側面から前記基材の内部に入射された内部伝播光を前記基材の外部に取出す光取出し部と、を備え、
前記光取出し部は、
球面形状を有する複数の凸型マイクロレンズで構成される凸型マイクロレンズアレイで構成され、
互いに隣接する前記凸型マイクロレンズの端部同士が重なり合っており、
前記凸型マイクロレンズアレイ
を構成する前記凸型マイクロレンズの前記端部の最大傾斜角度は、前記内部伝播光の最大伝播角度に
±3度以下の誤差で一致することを特徴とする、光学体。
【請求項2】
前記複数の凸型マイクロレンズは、互いに相似形であり、
前記凸型マイクロレンズアレイの充填率が100%である、請求項1記載の光学体。
【請求項3】
前記凸型マイクロレンズアレイを構成する
前記凸型マイクロレンズ間の境界線は、平面視で直線かつ多角形を形成する、請求項1または2に記載の光学体。
【請求項4】
請求項1~3のいずれか1項に記載の光学体と、
前記光学体の側面に設けられ、前記光学体の側面から前記光学体の内部に光を入射する光源と、を備える、発光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、光学体及び発光装置に関する。
【背景技術】
【0002】
例えば特許文献1に開示されるように、光学体の一種として、光の導波現象及び拡散現象を組み合わせた光学体が知られている。このような光学体は、導光板とも称される。導光板の表面には、光を拡散させる光取出し部が形成される。そして、導光板の内部には、導光板の側面に設けられた光源から光が入射される。導光板の内部に入射された光、すなわち内部伝播光は、導光板の表面(すなわち、導光板の内部と外部との界面)で反射しながら導光板の内部を伝播する。その後、内部伝播光は、光取出し部で反射し、光取出し部が形成された表面の反対側の表面から出射される。すなわち、導光板は、導光板の側面から入射された光を導光板の表面から出射する。したがって、光取出し部が形成される領域が発光領域となる。
【0003】
導光板は、例えば各種の表示装置用の発光体、あるいは照明用の発光体として用いられる。導光板が使用される表示装置としては、例えば、各種LCD(例えば、ローカルディミング駆動方式のLCD)、パッシブタイプ表示装置、アミューズメント向けの光装飾パネルやデジタルサイネージ等の広告向けのイルミパネル等が挙げられる。これらの表示装置では、光源の点灯と消灯により、光取出し部のパターンが形成された領域、すなわち発光領域からあたかも光が浮き上がるような表現が可能となる。発光領域の形状によって様々な意匠(スピードメータの数字等)が実現される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】特開2012-136199号公報
【文献】特開2004-145328号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかし、従来の導光板には、光取出し効率(放射効率)が十分でないという問題があった。一方、特許文献2には、マイクロレンズアレイが開示されている。本発明者は、特許文献2に開示されたマイクロレンズアレイを導光板の光取出し部に適用することを試みたが、光取出し効率は十分に改善されなかった。
【0006】
そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、光取出し効率を高めることが可能な、新規かつ改良された光学体を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0007】
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、
基材と、
前記基材の表面に形成され、前記基材の側面から前記基材の内部に入射された内部伝播光を前記基材の外部に取出す光取出し部と、を備え、
前記光取出し部は、球面形状を有する複数の凸型マイクロレンズで構成される凸型マイクロレンズアレイで構成され、
互いに隣接する前記凸型マイクロレンズの端部同士が重なり合っており、
前記凸型マイクロレンズアレイを構成する前記凸型マイクロレンズの前記端部の最大傾斜角度は、前記内部伝播光の最大伝播角度に±3度以下の誤差で一致することを特徴とする、光学体が提供される。
【0008】
ここで、前記複数の凸型マイクロレンズは、互いに相似形であり、前記凸型マイクロレンズアレイの充填率が100%であってもよい。
【0009】
また、凸型マイクロレンズアレイを構成する凸型マイクロレンズ間の境界線は、平面視で直線かつ多角形を形成してもよい。
【0010】
本実施形態の他の観点によれば、上記の光学体と、光学体の側面に設けられ、光学体の側面から光学体の内部に光を入射する光源と、を備える、発光装置が提供される。
【発明の効果】
【0011】
以上説明したように本発明によれば、凸型マイクロレンズアレイの最大傾斜角度は、内部伝播光の最大伝播角度に略一致するので、光取出し効率を高めることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【
図1】本発明の実施形態に係る光学体の概略構成を示す平面図である。
【
図2】同実施形態に係る光学体の断面構造を示す側断面図である。
【
図5】凸型マイクロレンズアレイのレイアウトの一例を示す斜視画像である。
【
図6】凸型マイクロレンズアレイのレイアウトの一例を示す平面画像である。
【
図7】本実施形態に係る原盤の外観例を示す斜視図である。
【
図9】光学体をロールツーロールで製造する転写装置の一例を示す模式図である。
【
図10】実施例で行ったシミュレーションの様子を概念的に示す側断面図である。
【
図11】凸型マイクロレンズアレイの最大傾斜角度と光強度との対応関係を示すグラフである。
【
図12】凸型または凹型マイクロレンズアレイの最大傾斜角度と光強度との対応関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0013】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【0014】
<1.光学体の構成>
次に、
図1~
図4に基づいて、本実施形態に係る光学体1の構成について説明する。光学体1は、基材10及び光取出し部11を含む。光学体1は、導光板とも称される。
【0015】
基材10は、基材10の内部に入射された光、すなわち内部伝播光を基材10の面方向(すなわち、厚さ方向に垂直な方向、
図2では水平方向)に伝播させる。すなわち、内部伝播光は、基材10の表面10A、10Bで全反射を繰り返しながら、基材10の内部を伝播する。したがって、基材10は、光の伝導性に優れた樹脂、好ましくは熱可塑性樹脂で構成されることが好ましい。このような樹脂としては、例えば、ポリメチルメタクリレート、ポリカーボネート、A-PET、シクロオレフィンコポリマー、シクロオレフィンポリマー等が挙げられる。また、基材10は、光の伝導性に優れた無機材料で構成されてもよい。このような無機材料としては、例えばケイ素系の材料、より具体的にはガラス等が挙げられる。基材10の厚さは特に制限されず、光学体1の用途等によって適宜調整すればよい。
【0016】
光取出し部11は、基材10の少なくとも一方の表面10Aに形成される。光取出し部11は、
図2及び
図3に示すように、内部伝播光を取出し、光学体1の外部に出射する。
図3の直線L10は、内部伝播光の光路を示し、直線L11は、外部に取出された光、すなわち、取出し光の光路を示す。つまり、光取出し部11に到達した内部伝播光は、光取出し部11の表面で反射(拡散)し、光の回折現象により、表面10Bから外部に出射される。光取出し部11は、表面10Aのうち、光を取出したい箇所に形成される。光源20の点灯と消灯により、光取出し部11のパターンが形成された領域、すなわち発光領域からあたかも光が浮き上がるような表現が可能となる。発光領域の形状によって様々な意匠が実現される。
図1に示す例では、アルファベットの「A」という意匠が実現される。もちろん、発光領域によって形成される意匠はこの例に限られない。例えば、スピードメータの枠、目盛、数字等が実現されても良い。
【0017】
ここで、
図2~
図4に基づいて、光取出し部11の構成を詳細に説明する。光取出し部11は、凸型マイクロレンズアレイで構成される。すなわち、光取出し部11は、多数の凸型マイクロレンズ11aを有する。
【0018】
内部伝播光は、凸型マイクロレンズ11aの表面で反射(全反射)し、表面10Bから光学体1の外部に出射する。ここで、凸型マイクロレンズ11aの表面で反射した全ての内部伝播光が外部に出射するわけではない。すなわち、凸型マイクロレンズ11aの端部11bあるいはその近傍で反射した内部伝播光が外部に出射する。一方、凸型マイクロレンズ11aの他の部分で反射した内部伝播光のほとんどは、表面10Bで再度反射し、基材10内を進行する。このように、凸型マイクロレンズ11aの端部11b及びその近傍の領域が光取出し部11として機能する。ここで、隣接する凸型マイクロレンズ11aの端部11b同士が重なり合っている場合、端部11bは、凸型マイクロレンズ11a間の境界線11cを形成する。隣接する凸型マイクロレンズ11a同士が離間している場合、端部11bは、凸型マイクロレンズ11aと基材10との境界線を形成する。
【0019】
図3に示すように、凸型マイクロレンズ11aの最大傾斜角度θ
Lが大きいほど、内部伝搬光が凸型マイクロレンズ11aの表面で反射した際に内部伝搬光の伝搬角度変化が大きくなる。このため、光取出し効率(放射効率)が大きくなる。ここで、凸型マイクロレンズ11aの最大傾斜角度θ
Lは、凸型マイクロレンズ11aの端部11bにおける接線L2と直線L1(基材10の面方向を示す直線)とのなす角度であり、以下の数式(1)で示される。また、内部伝播光の伝播角度は、内部伝播光の光路(直線L10)と直線L1とのなす角度θである。なお、
図3では、伝播角度θが後述する最大伝播角度θ
0に一致している。光取出し効率は、概念的には、光源20から光学体1に入射される光の全光強度と、光取出し部11から出射する光の全光強度との比となる。
【0020】
その一方で、凸型マイクロレンズ11aの最大傾斜角度θLが大きくなりすぎると、凸型マイクロレンズ11aの表面における内部伝播光の反射が全反射の要件を満たさなくなるため、凸型マイクロレンズ11aに達した内部伝播光の一部が凸型マイクロレンズ11aの表面から光学体1の外部に漏出しやすくなってしまう。このため、光取出し効率がかえって低下する。
【0021】
したがって、光取出し効率が最大となるのは、凸型マイクロレンズ11aの最大傾斜角度θLが内部伝搬光の最大伝播角度θ0に略一致する場合であると言える。ここで、内部伝播光の最大伝播角度θ0は、いわゆる臨界角であり、以下の数式(2)で示される。
【0022】
【0023】
【0024】
数式(1)において、pは凸型マイクロレンズ11aのピッチ(頂点間距離)(μm)であり、Rは凸型マイクロレンズ11aの曲率半径(μm)である。数式(2)において、nは凸型マイクロレンズ11aの屈折率である。数式(1)、(2)において、sin
-1の値は度単位に換算される。なお、数式(2)では、光学体1が空気中で使用されることが前提となっている。分子の「1」は、光学体1が空気以外の周辺環境で使用される場合、その使用環境に応じた屈折率に置き換えられる。
図3では、凸型マイクロレンズ11aの最大傾斜角度θ
Lが内部伝搬光の最大伝播角度θ
0に略一致している。
【0025】
ここで、光取出し部11は、複数の凸型マイクロレンズ11aを有する。製造誤差等の理由により、凸型マイクロレンズ11aの形状は完全同一とはならない。また、意図的に凸型マイクロレンズ11aの形状を変える場合も想定される。したがって、凸型マイクロレンズ11aの最大傾斜角度θLは、凸型マイクロレンズ11a毎に変わりうる。そこで、本実施形態では、複数の凸型マイクロレンズ11aについて算出された最大傾斜角度θLの算術平均値を最大伝播角度θ0に略一致させる。以下、最大傾斜角度θLの算術平均値を「凸型マイクロレンズアレイの最大傾斜角度θLn」とも称する。
【0026】
したがって、本実施形態では、凸型マイクロレンズアレイの最大傾斜角度θLnが最大伝播角度θ0に略一致する。凸型マイクロレンズアレイの最大傾斜角度θLnを算出する際には、いくつか(例えば数十個)の凸型マイクロレンズ11aをピックアップし、これらの最大傾斜角度θLの算術平均値を算出すれば良い。
【0027】
「略一致」とは、完全一致の他、多少の誤差も含みうる概念である。例えば、凸型マイクロレンズアレイの最大傾斜角度θLnと最大伝播角度θ0との誤差が±10度以下であれば両者は略一致するとみなしてよい。凸型マイクロレンズアレイの最大傾斜角度θLnと最大伝播角度θ0とが略一致するためには、これらの誤差が±7度以下であることが好ましく、±5度以下であることがさらに好ましく、±3度以下であることがさらに好ましい。
【0028】
本実施形態では、凸型マイクロレンズアレイの最大傾斜角度θLnが最大伝播角度θ0に略一致するので、光取出し効率を高めることができる。さらに、このような構成によって、透過ヘイズも良好になる。すなわち、光源20の消灯時に光取出し部11が視認者に見えにくくなる。
【0029】
なお、光取出し部11を構成するマイクロレンズは、「凸型」マイクロレンズ11aである。光取出し部11が凹型マイクロレンズで構成される場合、後述する比較例で説明するように、本実施形態の効果が得られない。その理由として、本発明者は、以下の理由を考えている。マイクロレンズが凸型であっても、凹型であっても、マイクロレンズの両端の傾斜角度が最大傾斜角度となる。光取出し部11が凸型マイクロレンズ11aで構成される場合、凸型マイクロレンズ11aの両端が光学体1の厚さ方向の内側に多く存在することになる。すなわち、凸型マイクロレンズ11aの両端は、凸型マイクロレンズ11aの他の領域よりも光学体1の厚さ方向の内側に配置される。一方、光取出し部11が凹型マイクロレンズで構成される場合、凹型マイクロレンズの両端が光学体1の表面側に多く存在する。すなわち、凹型マイクロレンズの両端が光学体1の厚さ方向の外側に突出している。したがって、光取出し部11が凸型マイクロレンズ11aで構成される場合、より多くの内部伝搬光が凸型マイクロレンズ11aの両端に到達し、伝播角度を大きく変化させる。したがって、光取出し効率が大きくなる。
【0030】
図4に示すように、凸型マイクロレンズアレイの充填率は100%となっている。ここで、充填率は、凸型マイクロレンズアレイの全面積に占める凸型マイクロレンズ11aの面積の比である。充填率が100%であることは、凸型マイクロレンズアレイの全面積が凸型マイクロレンズ11aで占められることを意味する。つまり、凸型マイクロレンズアレイを構成する全ての凸型マイクロレンズ11aの端部11bが隣接する凸型マイクロレンズ11aの端部11bと重なり合っている。これにより、光取出し効率がさらに高まる。さらに、粒状感の少ないきめ細やかな画像を表示することが可能になる。もちろん、凸型マイクロレンズアレイの充填率は100%未満であっても良いが、光取出し効率及び粒状感を考慮するとなるべく100%に近い値であることが好ましい。例えば、充填率は70%以上であることが好ましい。
【0031】
同図に示すように、凸型マイクロレンズ11a間の境界線11cは、平面視で直線かつ多角形を形成する。これにより、光取出し効率が更に高まる。なお、凸型マイクロレンズ11aは互いに相似形(球形)であり、かつ充填率が100%であるため、境界線11cが上述した形状となる。
【0032】
凸型マイクロレンズ11aのピッチに特に制限はないが、例えば、作業容易性等の観点から60~200μm程度であっても良い。
【0033】
上述したように、凸型マイクロレンズ11aの端部11b及びその近傍の領域が光取出し部11として機能する。したがって、凸型マイクロレンズ11aは、端部11b及びその近傍の領域でマイクロレンズ機能(すなわち、内部伝播光を全反射する機能)を有していれば良い。
【0034】
光取出し部11は、例えば走査型電子顕微鏡(SEM)、あるいは断面透過型電子顕微鏡(断面TEM)等によって観察可能である。
【0035】
ここで、光取出し部11は、例えば基材10と一体成型される。詳細は後述するが、例えば、基材10を熱可塑性樹脂で形成し、基材10に原盤100の表面形状(原盤100の表面形状は光取出し部11の反転形状を有する)を転写することで、基材10の表面に光取出し部11を形成することができる。
【0036】
一方、光取出し部11は、基材10とは別体で構成されていても良い。この場合、光取出し部11は、例えば硬化性樹脂の硬化物で構成される。詳細は後述するが、光取出し部11は、原盤100の表面形状を基材10の表面に予め形成された未硬化樹脂層に転写し、その後未硬化樹脂層を硬化することで形成される。このように、1つの原盤100で光取出し部11を基材10のいずれかの表面に形成することができるので、光学体1を容易に作製することができる。
【0037】
硬化性樹脂の硬化物は、透明性を有することが好ましい。硬化性樹脂は、重合性化合物と硬化開始剤とを含む。重合性化合物は、硬化開始剤によって硬化する樹脂である。重合性化合物としては、例えばエポキシ重合性化合物、及びアクリル重合性化合物等が挙げられる。エポキシ重合性化合物は、分子内に1つまたは2つ以上のエポキシ基を有するモノマー、オリゴマー、またはプレポリマーである。エポキシ重合性化合物としては、各種ビスフェノール型エポキシ樹脂(ビスフェノールA型、F型等)、ノボラック型エポキシ樹脂、ゴム及びウレタン等の各種変性エポキシ樹脂、ナフタレン型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、フェノールノボラック型エポキシ樹脂、スチルベン型エポキシ樹脂、トリフェノールメタン型エポキシ樹脂、ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂、トリフェニルメタン型エポキシ樹脂、及びこれらのプレポリマー等が挙げられる。
【0038】
アクリル重合性化合物は、分子内に1つまたは2つ以上のアクリル基を有するモノマー、オリゴマー、またはプレポリマーである。ここで、モノマーは、さらに分子内にアクリル基を1つ有する単官能モノマー、分子内にアクリル基を2つ有する二官能モノマー、分子内にアクリル基を3つ以上有する多官能モノマーに分類される。
【0039】
「単官能モノマー」としては、例えば、カルボン酸類(アクリル酸)、ヒドロキシ類(2-ヒドロキシエチルアクリレート、2-ヒドロキシプロピルアクリレート、4-ヒドロキシブチルアクリレート)、アルキル又は脂環類のモノマー(イソブチルアクリレート、t-ブチルアクリレート、イソオクチルアクリレート、ラウリルアクリレート、ステアリルアクリレート、イソボニルアクリレート、シクロヘキシルアクリレート)、その他機能性モノマー(2-メトキシエチルアクリレート、メトキシエチレングリコールアクリレート、2-エトキシエチルアクリレート、テトラヒドロフルフリルアクリレート、ベンジルアクリレート、エチルカルビトールアクリレート、フェノキシエチルアクリレート、N,N-ジメチルアミノエチルアクリレート、N,N-ジメチルアミノプロピルアクリルアミド、N,N-ジメチルアクリルアミド、アクリロイルモルホリン、N-イソプロピルアクリルアミド、N,N-ジエチルアクリルアミド、N-ビニルピロリドン、2-(パーフルオロオクチル)エチルアクリレート、3-パーフルオロヘキシル-2-ヒドロキシプロピルアクリレート、3-パーフルオロオクチル-2-ヒドロキシプロピル-アクリレート、2-(パーフルオロデシル)エチル-アクリレート、2-(パーフルオロ-3-メチルブチル)エチルアクリレート)、2,4,6-トリブロモフェノールアクリレート、2,4,6-トリブロモフェノールメタクリレート、2-(2,4,6-トリブロモフェノキシ)エチルアクリレート)、2-エチルヘキシルアクリレートなどが挙げられる。
【0040】
「二官能モノマー」としては、例えば、トリ(プロピレングリコール)ジアクリレート、トリメチロールプロパン-ジアリルエーテル、ウレタンアクリレートなどが挙げられる。
【0041】
「多官能モノマー」としては、例えば、トリメチロールプロパントリアクリレート、ジペンタエリスリトールペンタ及びヘキサアクリレート、ジトリメチロールプロパンテトラアクリレートなどが挙げられる。
【0042】
上記で列挙したアクリル重合性化合物以外の例としては、アクリルモルフォリン、グリセロールアクリレート、ポリエーテル系アクリレート、N-ビニルホルムアミド、N-ビニルカプロラクトン、エトキシジエチレングリコールアクリレート、メトキシトリエチレングリコールアクリレート、ポリエチレングリコールアクリレート、EO変性トリメチロールプロパントリアクリレート、EO変性ビスフェノールAジアクリレート、脂肪族ウレタンオリゴマー、ポリエステルオリゴマー等が挙げられる。重合性化合物は、光学体1の透明性の観点からは、アクリル重合性化合物が好ましい。
【0043】
硬化開始剤は、硬化性樹脂を硬化させる材料である。硬化開始剤の例としては、例えば、熱硬化開始剤、光硬化開始剤等が挙げられる。硬化開始剤は、熱、光以外の何らかのエネルギー線(例えば電子線)等によって硬化するものであってもよい。硬化開始剤が熱硬化開始剤となる場合、硬化性樹脂は熱硬化性樹脂となり、硬化開始剤が光硬化開始剤となる場合、硬化性樹脂は光硬化性樹脂となる。
【0044】
ここで、光学体1の透明性の観点からは、硬化開始剤は、紫外線硬化開始剤であることが好ましい。したがって、硬化性樹脂は、紫外線硬化性アクリル樹脂であることが好ましい。紫外線硬化開始剤は、光硬化開始剤の一種である。紫外線硬化開始剤としては、例えば、2,2-ジメトキシ-1,2-ジフェニルエタン-1-オン、1-ヒドロキシ-シクロヘキシルフェニルケトン、2-ヒドロキシ-2-メチル-1-フェニルプロパン-1-オンなどが挙げられる。
【0045】
また、光取出し部11は、親水性、撥水性、曇り防止等の機能性が付与された樹脂で構成されていても良い。
【0046】
また、光取出し部11には、光学体1の用途に応じた添加剤を添加してもよい。このような添加剤としては、例えば、無機フィラー、有機フィラー、レベリング剤、表面調整剤、消泡剤などが挙げられる。なお、無機フィラーの種類としては、例えば、SiO2、TiO2、ZrO2、SnO2、Al2O3などの金属酸化物微粒子が挙げられる。
【0047】
また、光取出し部11は、基材10に直接形成されても良いが、光取出し部11が形成された樹脂フィルム(例えば熱可塑性樹脂フィルム)を基材10に接着してもよい。
【0048】
基材10の両面のうち、光取出し部11が形成されていない領域には、反射防止構造が形成されていることが好ましい。反射防止構造としては、例えば、凹凸の平均周期が可視光波長の最小値未満であるミクロ凹凸構造(所謂モスアイ構造)、高屈折率膜と低屈折率膜とが交互に積層されたもの(AR多層膜)等が挙げられる。このような反射防止構造を光取出し部11が形成されていない領域に形成することで、内部伝播光の漏出を抑制するとともに、外来光の基材10上での反射を抑制することができる。したがって、発光領域の視認性が向上する。反射防止構造の製造方法は特に制限されず、従来と同様の製造方法で基材10の表面に形成されれば良い。例えば、ミクロ凹凸構造は、光取出し部11と同様の方法により基材10の表面に形成することができる。
【0049】
<2.発光装置の構成>
次に、
図1及び
図2に基づいて、発光装置の構成について説明する。発光装置は、上述した光学体1と、光源20とを有する。光源20の種類は特に問われず、従来の導光板に適用される光源であればよい。すなわち、光源20は、白色光を出射するものであっても、単色光を出射するものであってもよい。この発光装置の動作は概略以下の通りである。まず、光源20から光学体1に光が入射する。光学体1の内部に入射された光、すなわち内部伝播光は、光学体1の両面(すなわち、光学体1の内部と外部との界面)で反射しながら光学体1の内部を伝播する。
【0050】
内部伝播光の一部は、光取出し部11に到達する。光取出し部11に到達した内部伝播光は、光取出し部11の表面、つまり凸型マイクロレンズ11aの表面で全反射し、表面10Bから光学体1の外部に出射する。視認者は、表面10B側から発光装置を視認する。本実施形態では、凸型マイクロレンズアレイの最大傾斜角度θLnが最大伝播角度θ0に略一致するので、光取出し効率が高まる。
【0051】
<3.原盤の構成>
光取出し部11は、例えば
図7に示す原盤100を用いて作製される。そこで、次に、原盤100の構成について説明する。原盤100は、例えば、ナノインプリント法で使用される原盤であり、円筒形状となっている。原盤100は円柱形状であっても、他の形状(例えば平板状)であってもよい。ただし、原盤100が円柱または円筒形状である場合、ロールツーロール方式によって原盤100の凹凸構造(すなわち、原盤凹凸構造)120を樹脂基材等にシームレス的に転写することができる。これにより、原盤100の原盤凹凸構造120が転写された光学体1を高い生産効率で作製することができる。このような観点からは、原盤100の形状は、円筒形状または円柱形状であることが好ましい。
【0052】
原盤100は、原盤基材110と、原盤基材110の周面に形成された原盤凹凸構造120とを備える。原盤基材110は、例えば、ガラス体であり、具体的には、石英ガラスで形成される。ただし、原盤基材110は、SiO2純度が高いものであれば、特に限定されず、溶融石英ガラスまたは合成石英ガラス等で形成されてもよい。原盤基材110は、金属母材上に上記の材料を積層したものや金属母材であってもよい。原盤基材110の形状は円筒形状であるが、円柱形状、他の形状であってもよい。ただし、上述のように、原盤基材110は円筒形状または円柱形状であることが好ましい。原盤凹凸構造120は、光学体1の表面形状の反転形状(例えば、基材10の一方の表面10Aに形成された光取出し部11の反転形状)を有する。
【0053】
<4.原盤の製造方法>
つぎに、原盤100の製造方法を説明する。まず、原盤基材110上に、基材レジスト層を形成(成膜)する。ここで、基材レジスト層を構成するレジスト材は特に制限されず、有機レジスト材及び無機レジスト材のいずれであってもよい。有機レジスト材としては、例えば、ノボラック系レジスト、または化学増幅型レジストなどが挙げられる。また、無機レジスト材としては、例えば、タングステン(W)またはモリブデン(Mo)などの1種または2種以上の遷移金属を含む金属酸化物等が挙げられる。ただし、熱反応リソグラフィを行うためには、基材レジスト層は、金属酸化物を含む熱反応型レジストで形成されることが好ましい。
【0054】
有機レジスト材を使用する場合、基材レジスト層は、スピンコーティング、スリットコーティング、ディップコーティング、スプレーコーティング、またはスクリーン印刷等を用いることで原盤基材110上に形成されてもよい。また、基材レジスト層に無機レジスト材を使用する場合、基材レジスト層は、スパッタ法を用いることで形成されてもよい。
【0055】
次に、露光装置200(
図8参照)により基材レジスト層の一部を露光することで、基材レジスト層に潜像を形成する。具体的には、露光装置200は、レーザ光200Aを変調し、レーザ光200Aを基材レジスト層に対して照射する。これにより、レーザ光200Aが照射された基材レジスト層の一部が変性するため、基材レジスト層に原盤凹凸構造120に対応する潜像を形成することができる。
【0056】
続いて、潜像が形成された基材レジスト層上に現像液を滴下することで、基材レジスト層を現像する。これにより、基材レジスト層に凹凸構造が形成される。ついで、基材レジスト層をマスクとして原盤基材110及び基材レジスト層をエッチングすることで、原盤基材110上に原盤凹凸構造120を形成する。なお、エッチングの方法は特に制限されないが、垂直異方性を有するドライエッチングであることが好ましく、例えば、反応性イオンエッチング(Reactive Ion Etching:RIE)であることが好ましい。以上の工程により、原盤100を作製する。なお、アルミニウムを陽極酸化して得られる陽極酸化ポーラスアルミナを原盤として使用してもよい。陽極酸化ポーラスアルミナは、例えば国際公開第2006/059686号公報に開示されている。また、非対称形状のレチクルマスクを用いたステッパーにより原盤100を作製してもよい。
【0057】
<6.露光装置の構成>
次に、
図8に基づいて、露光装置200の構成について説明する。露光装置200は、基材レジスト層を露光する装置である。露光装置200は、レーザ光源201と、第1ミラー203と、フォトダイオード(Photodiode:PD)205と、偏向光学系と、制御機構230と、第2ミラー213と、移動光学テーブル220と、スピンドルモータ225と、ターンテーブル227とを備える。また、原盤基材110は、ターンテーブル227上に載置され、回転することができるようになっている。
【0058】
レーザ光源201は、レーザ光200Aを発する光源であり、例えば、固体レーザまたは半導体レーザなどである。レーザ光源201が発するレーザ光200Aの波長は、特に限定されないが、例えば、400nm~500nmの青色光帯域の波長であってもよい。また、レーザ光200Aのスポット径(レジスト層に照射されるスポットの直径)は、原盤凹凸構造120の凹部の開口面の直径より小さければよく、例えば200nm程度であればよい。レーザ光源201から発せられるレーザ光200Aは制御機構230によって制御される。
【0059】
レーザ光源201から出射されたレーザ光200Aは、平行ビームのまま直進し、第1ミラー203で反射され、偏向光学系に導かれる。
【0060】
第1ミラー203は、偏光ビームスプリッタで構成されており、偏光成分の一方を反射させ、偏光成分の他方を透過させる機能を有する。第1ミラー203を透過した偏光成分は、フォトダイオード205によって受光され、光電変換される。また、フォトダイオード205によって光電変換された受光信号は、レーザ光源201に入力され、レーザ光源201は、入力された受光信号に基づいてレーザ光200Aの位相変調を行う。
【0061】
また、偏向光学系は、集光レンズ207と、電気光学偏向素子(Electro Optic Deflector:EOD)209と、コリメータレンズ211とを備える。
【0062】
偏向光学系において、レーザ光200Aは、集光レンズ207によって、電気光学偏向素子209に集光される。電気光学偏向素子209は、レーザ光200Aの照射位置を制御することが可能な素子である。露光装置200は、電気光学偏向素子209により、移動光学テーブル220上に導かれるレーザ光200Aの照射位置を変化させることも可能である(いわゆる、Wobble機構)。レーザ光200Aは、電気光学偏向素子209によって照射位置を調整された後、コリメータレンズ211によって、再度、平行ビーム化される。偏向光学系から出射されたレーザ光200Aは、第2ミラー213によって反射され、移動光学テーブル220上に水平かつ平行に導かれる。
【0063】
移動光学テーブル220は、ビームエキスパンダ(Beam expader:BEX)221と、対物レンズ223とを備える。移動光学テーブル220に導かれたレーザ光200Aは、ビームエキスパンダ221により所望のビーム形状に整形された後、対物レンズ223を介して、原盤基材110上に形成された基材レジスト層に照射される。また、移動光学テーブル220は、原盤基材110が1回転する毎に矢印R方向(送りピッチ方向)に1送りピッチ(トラックピッチ)だけ移動する。ターンテーブル227上には、原盤基材110が設置される。スピンドルモータ225はターンテーブル227を回転させることで、原盤基材110を回転させる。これにより、レーザ光200Aを基材レジスト層上で走査させる。ここで、レーザ光200Aの走査方向に沿って、基材レジスト層の潜像が形成される。
【0064】
また、制御機構230は、フォーマッタ231と、ドライバ233とを備え、レーザ光200Aの照射を制御する。フォーマッタ231は、レーザ光200Aの照射を制御する変調信号を生成し、ドライバ233は、フォーマッタ231が生成した変調信号に基づいて、レーザ光源201を制御する。これにより、原盤基材110へのレーザ光200Aの照射が制御される。
【0065】
フォーマッタ231は、基材レジスト層に描画する任意のパターンが描かれた入力画像に基づいて、基材レジスト層にレーザ光200Aを照射するための制御信号を生成する。具体的には、まず、フォーマッタ231は、基材レジスト層に描画する任意の描画パターンが描かれた入力画像を取得する。入力画像は、軸方向に基材レジスト層の外周面を切り開いて一平面に伸ばした、基材レジスト層の外周面の展開図に相当する画像である。この展開図には、原盤100の周面形状に相当する画像が描かれている。この画像は、光学体1の表面形状の反転形状を示す。入力画像の一例を
図6に示す。また、
図6に相当する斜視画像を
図5に示す。
【0066】
次に、フォーマッタ231は、入力画像を所定の大きさの小領域に分割し(例えば、格子状に分割し)、小領域の各々に凹部描画パターン(つまり、原盤100の凹部に相当するパターン)が含まれるか否かを判断する。続いて、フォーマッタ231は、凹部描画パターンが含まれると判断した各小領域にレーザ光200Aを照射するよう制御する制御信号に生成する。この制御信号(すなわち、露光信号)は、スピンドルモータ225の回転と同期されることが好ましいが、同期されていなくてもよい。また、制御信号とスピンドルモータ225の回転との同期は原盤基材110が1回転する毎に取り直されても良い。さらに、ドライバ233は、フォーマッタ231が生成した制御信号に基づいてレーザ光源201の出力を制御する。これにより、基材レジスト層へのレーザ光200Aの照射が制御される。なお、露光装置200は、フォーカスサーボ、レーザ光200Aの照射スポットの位置補正等のような公知の露光制御処理を行ってもよい。フォーカスサーボはレーザ光200Aの波長を用いてもよく、他の波長を参照用に用いても良い。
【0067】
また、レーザ光源201から照射されたレーザ光200Aは、複数系統の光学系に分岐された後に基材レジスト層に照射されても良い。この場合、複数の照射スポットが基材レジスト層に形成される。この場合、一方の光学系から出射されたレーザ光200Aが他方の光学系によって形成された潜像に到達した際に、露光を終了すればよい。
【0068】
したがって、本実施形態によれば、入力画像の描画パターンに応じた潜像をレジスト層に形成することができる。そして、レジスト層を現像し、現像後のレジスト層をマスクとして原盤基材110及び基材レジスト層をエッチングすることで、原盤基材110上に入力画像の描画パターンに応じた原盤凹凸構造120を形成する。すなわち、描画パターンに応じた任意の原盤凹凸構造120を形成することができる。したがって、描画パターンとして、光学体1の反転形状が描かれた描画パターンを準備すれば、光学体1の反転形状を有する原盤凹凸構造120を形成することができる。
【0069】
<7.原盤を用いた光学体の製造方法について>
次に、
図9を参照して、原盤100を用いた光学体1の製造方法の一例について説明する。光学体1は、原盤100を用いたロールツーロール方式の転写装置300によって製造可能である。
図9に示す転写装置300では、光硬化性樹脂を用いて光学体1を作製する。
【0070】
転写装置300は、原盤100と、基材供給ロール301と、巻取りロール302と、ガイドロール303、304と、ニップロール305と、剥離ロール306と、塗布装置307と、光源309とを備える。
【0071】
基材供給ロール301は、長尺な基材10がロール状に巻かれたロールであり、巻取りロール302は、光学体1を巻き取るロールである。また、ガイドロール303、304は、基材10を搬送するロールである。ニップロール305は、未硬化樹脂層310が積層された基材10、すなわち被転写フィルム3aを原盤100に密着させるロールである。剥離ロール306は、光学体1を原盤100から剥離するロールである。
【0072】
塗布装置307は、コーターなどの塗布手段を備え、未硬化の光硬化性樹脂組成物を基材10に塗布し、未硬化樹脂層310を形成する。塗布装置307は、例えば、グラビアコーター、ワイヤーバーコーター、またはダイコーターなどであってもよい。また、光源309は、光硬化性樹脂組成物を硬化可能な波長の光を発する光源であり、例えば、紫外線ランプなどであってもよい。
【0073】
転写装置300では、まず、基材供給ロール301からガイドロール303を介して、基材10が連続的に送出される。なお、送出の途中で基材供給ロール301を別ロットの基材供給ロール301に変更してもよい。送出された基材10に対して、塗布装置307により未硬化の光硬化性樹脂組成物が塗布され、基材10に未硬化樹脂層310が積層される。これにより、被転写フィルム3aが作製される。被転写フィルム3aは、ニップロール305により、原盤100と密着させられる。光源309は、原盤100に密着した未硬化樹脂層310に光を照射することで、未硬化樹脂層310を硬化する。これにより、原盤100の外周面に形成された原盤凹凸構造120が未硬化樹脂層310に転写される。すなわち、原盤凹凸構造120の反転形状を有する凹凸構造が基材10上に形成される。続いて、凹凸構造が形成された基材10、すなわち光学体1は、剥離ロール306により原盤100から剥離される。ついで、光学体1は、ガイドロール304を介して、巻取りロール302によって巻き取られる。なお、原盤100は縦置きであっても横置きであってもよく、原盤100の回転時の角度、偏芯を補正する機構を別途設けても良い。例えば、チャッキング機構に偏芯チルト機構を設けても良い。
【0074】
このように、転写装置300では、被転写フィルム3aをロールツーロールで搬送する一方で、原盤100の周面形状を被転写フィルム3aに転写する。これにより、光学体1が作製される。
【0075】
なお、光学体1を熱可塑性樹脂で作製する場合、塗布装置307及び光源309は不要となる。この場合、基材10を熱可塑性樹脂フィルムとし、原盤100よりも上流側に加熱装置を配置する。この加熱装置によって基材10を加熱して柔らかくし、その後、基材10を原盤100に押し付ける。これにより、原盤100の周面に形成された原盤凹凸構造120が基材10に転写される。なお、基材10を熱可塑性樹脂以外の樹脂で構成されたフィルムとし、基材10と熱可塑性樹脂フィルムとを積層してもよい。この場合、積層フィルムは、加熱装置で加熱された後、原盤100に押し付けられる。したがって、転写装置300は、原盤100に形成された原盤凹凸構造120が転写された転写物、すなわち光学体1を連続的に作製することができる。
【0076】
また、原盤100の原盤凹凸構造120が転写された転写用フィルムを作製し、この転写用フィルムを転写型として用いて光学体1を作製してもよい。また、電鋳や熱転写などにより原盤100を複製し、この複製品を転写型として用いてもよい。さらに、原盤100の形状はロール形状に限られる必要は無く平面状の原盤でもよく、レーザ光200Aをレジスト照射する方法のほか、マスクを用いた半導体露光、電子線描画、機械加工、陽極酸化等、種々の加工方法を選択することができる。また、上述した製造方法によって光取出し部11が形成された樹脂フィルムを基材10の両面に貼り付けても良い。
【実施例】
【0077】
<1.ベース条件>
次に、本実施形態の実施例(試験例)について説明する。本試験例では、シミュレーションを行うことで本実施形態の効果を確認した。まず、
図10に基づいて、本シミュレーションのベース条件を説明する。
【0078】
シミュレーションソフトとして、Zemax,LLC社製Zemax OpticStudioを使用した。つまり、電子計算機を当該シミュレーションソフトによって動作させ、シミュレーションを行った。基材10として、長さ0.8mm×幅0.7mm×厚さ0.3mmのアクリル板を使用した。基材10の表面10A上に、光取出し部11(凸型マイクロレンズアレイ)として、凸型マイクロレンズ11aをレンズ頂点間距離(ピッチ)が60~100μmとなる細密構造(充填率100%、六方細密の規則配列)で17個配置した。凸型マイクロレンズアレイの材質もアクリルとした。光源20を基材10の4辺の端面から端面の法線方向に0.02mm離れた位置にそれぞれ配置した。光源20のサイズは、長さ0.6mm×幅0.02mmとし、平面部分を基材10の端面に対向させた。光源20の放射角度を半値全幅で60度とした。また、全ての試験で各光源20から出射される光の全光強度は一定とした。基材10の表面10A(表面側)、表面10B(裏面側)から各表面の法線方向に2.0mm離れた位置にそれぞれ長さ1.2mm×幅1.2mmの受光面400を配置した。受光面を基材10の各表面に対向させた。そして、光取出し効率の指標として、各受光面400での全光強度を測定した。
【0079】
<2.試験例1:最大傾斜角度と最大伝播角度との対応関係>
試験例1では、凸型マイクロレンズアレイの最大傾斜角度θ
Lnと最大伝播角度θ
0との対応関係を評価した。具体的には、ピッチを80μm、100μmのいずれかに固定し、凸型マイクロレンズ11aの曲率半径を変えることで、凸型マイクロレンズアレイの最大傾斜角度θ
Lnを変更した。凸型マイクロレンズアレイの最大傾斜角度θ
Lnは、17個の凸型マイクロレンズ11aの最大傾斜角度θ
Lの算術平均値とした。そして、凸型マイクロレンズアレイの最大傾斜角度θ
Lnと最大伝播角度θ
0との対応関係を確認した。その結果を
図11に示す。
図11の横軸は凸型マイクロレンズアレイの最大傾斜角度θ
Lnを示し、縦軸は、裏面側の全光強度を示す。なお、凸型マイクロレンズアレイの材質はアクリルなので、n=1.49となり、数式(2)によれば、最大伝播角度θ
0は48度程度となる。
【0080】
図11によれば、ピッチの大小によらず、凸型マイクロレンズアレイの最大傾斜角度θ
Lnが50度、つまり最大伝播角度θ
0に略一致する際に、全光強度が最大となった。つまり、光取出し効率が最大となった。さらに、
図11によれば、凸型マイクロレンズアレイの最大傾斜角度θ
Lnが最大伝播角度θ
0との誤差が±3度以下である場合に全光強度が最も大きくなり、これらの誤差が±5度以下、±7度以下、±10度以下となる順で全光強度が大きくなることがわかった。これにより、本実施形態の効果が確認できた。なお、特許文献2では、凸型マイクロレンズアレイの最大傾斜角度θ
Lnが概ね70度程度となる。したがって、光取出し効率は小さい。
【0081】
<3.試験例2:マイクロレンズの極性(凹凸)と全光強度との対応関係>
つぎに、マイクロレンズの極性(凹凸)と全光強度との対応関係を評価した。具体的には、ベース条件の凸型マイクロレンズ11aを凹型マイクロレンズに変更し、試験例1と同様の処理を行った。ピッチは100μmとした。また、比較のために、試験例1と同様の処理を行った。試験例2では、裏面側のみならず、表面側の全光強度を測定した。
図10の直線L12は、表面側に出射された光の光路を示す。結果を
図12に示す。
図12の縦軸、横軸の定義は
図11と同様である。凸型マイクロレンズ11aを使用し、かつ裏面側の全光強度を測定した場合、試験例1と同様の結果が得られた。一方、凸型マイクロレンズ11aを使用し、かつ表面側の全光強度を測定した場合、試験例1のような結果は得られなかった。つまり、全光強度は低く、全光強度が最大となる最大傾斜角度θ
Lnも48度とは異なる値となった。ただ、光学体1を導光板として使用する場合、裏面側の表示を使用するので、この結果は望ましいものであるといえる。
【0082】
一方、凹型マイクロレンズを使用した場合、表面側、裏面側のいずれにおいても全光強度は低くなった。したがって、凹型マイクロレンズでは本実施形態の効果は確認できなかった。表1に試験例2の結果を示す。
【0083】
【0084】
<4.試験例3:凸型マイクロレンズアレイの充填率と光学特性との対応関係>
つぎに、凸型マイクロレンズアレイの充填率と光学特性との対応関係を評価した。具体的には、充填率を100%、70%として、試験例1と同様の処理を行った。ピッチは100μmで固定した。この結果、充填率100%の時の全光強度の最大値(最大光強度)は、充填率70%の時の最大光強度より大きくなった(概ね1.3倍程度となった)。つまり、充填率100%の時の光取出し効率は、充填率70%の時の光取出し効率より大きくなった。ただし、充填率70%のときの最大光強度は、比較例1、2よりも大きくなった。さらに、光取出し部11により裏面側の受光面に表示される画像を電子計算機のディスプレイに表示させた。そして、画像の粒状感を目視で確認したところ、充填率100%の画像はほとんど粒状感がなかったが、充填率70%の画像は若干の粒状感が確認できた。
【0085】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【符号の説明】
【0086】
1 光学体
10 基材
11 光取出し部
11a 凸型マイクロレンズ