CN109946768A - 光学元件 - Google Patents

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CN109946768A CN201811377118.0A CN201811377118A CN109946768A CN 109946768 A CN109946768 A CN 109946768A CN 201811377118 A CN201811377118 A CN 201811377118A CN 109946768 A CN109946768 A CN 109946768A
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松岛仁
重村幸治
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Abstract

本发明涉及光学元件。通过在以往的玻璃基板的一个表面上将UV固化树脂图案化所制作的柱状透镜片具有UV固化树脂的可靠性的问题。另外，由UV固化树脂产生的应力引起显示装置制造和使用时的翘曲。本发明提供包括基板和树脂并满足下式的光学元件：RTmax/RTmin≤9/5式(1)。其中，RTmin表示由树脂制成的主要图案化部件的最薄区域的树脂厚度，RTmax表示由树脂制成的主要图案化部件的最厚区域的树脂厚度，T表示基板的厚度。

Description

光学元件
本申请是申请日为2015年5月19日、申请号为“201510257730.4”、发明名称为“光学元件及显示装置”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及光学元件和显示装置。具体地，本发明涉及解决基板的翘曲和可靠性的问题的光学元件和显示装置。
背景技术
已经提出了基于玻璃基板并具有多个像素的显示面板，例如液晶显示面板、有机EL(电致发光)显示面板和PDP(等离子显示面板)，以及使用柱状透镜片的立体显示装置。以往，使用由成本低廉的树脂制成的柱状透镜片。然而，树脂的热膨胀系数与玻璃的热膨胀系数相差至少10倍，因此树脂透镜片的使用可能引起以下问题：当显示装置的温度升高时，显示装置不能实现玻璃基板上的期望的像素、透镜片的期望的间距、以及期望的位置关系，并且不能为观看者提供3D图像。
通过在玻璃基板的一个表面上将树脂图案化所制作的柱状透镜片能够具有与玻璃基板同样低的热膨胀。
专利文献1公开了用于制作透镜片的方法，该方法包括将UV固化液态树脂注入透明基板与透镜模具之间，并用UV线照射树脂从而在透明基板的至少一个表面上形成透镜阵列，其中，如图1所示，在透镜模具53的至少相对的周边部上设置从透镜模具的表面延伸50μm到800μm的均匀距离的突起物55，并且UV固化液态树脂被注入到透镜模具与透明基板之间，并使树脂固化。专利文件1中描述的方法能够防止由UV固化树脂固化时树脂较薄引起的在成型的透镜阵列与透镜模具之间形成空间、或者由UV固化树脂固化时树脂较厚引起的成型的透镜阵列的开裂。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本未审查专利申请公开号No.H04-19113，第63页的权利要求书和第66页的实施例
发明内容
本发明所要解决的问题
以往的通过在玻璃基板的一个表面上将UV固化树脂图案化所制得的柱状透镜片具有如下所述的两个主要问题。第一个问题是关于由UV固化树脂制成的透镜阵列的可靠性评估中的尺寸稳定性。第二个问题是由玻璃基板和UV固化树脂的机械特性差产生的应力引起玻璃基板的翘曲，这对显示装置的制造和使用产生很大影响。如在此所使用的，机械特性包括例如线膨胀系数、杨氏模量、固化收缩率。
对上述的问题具体进行说明。如图2所示，通过在基板51的一个表面上将UV固化树脂52图案化，制作作为光学元件的柱状透镜片50。对于作为柱状透镜片50的主要图案的构成透镜54的UV固化树脂52，其最薄区域的树脂厚度和最厚区域的树脂厚度分别设为RTmin和RTmax。并且，基板51的厚度设为T。在凸型柱状透镜片的情况下，最薄区域是相邻的柱状透镜相交的区域(透镜谷59)，最厚区域是透镜顶点58。例如，在使用树脂A制作RTmax为200μm、RTmin为100μm、T为300μm的柱状透镜片的情况下，柱状透镜片满足专利文献1中从50μm到800μm的RTmin的要求，但在耐光性测试中透镜的曲率半径改变超过10％，焦点长度超过规定范围，由此降低了光线分离性能，导致难以提供3D图像。耐光性测试是使用了氙弧灯的光照射评估。耐光性测试是模拟柱状透镜片暴露于直射日光的使用环境的加速测试。
例如，在使用树脂B制作RTmax为200μm、RTmin为100μm、T为300μm的柱状透镜片的情况下，柱状透镜片满足专利文献1中50μm到800μm的RTmin要求，但是当制作透镜阵列时柱状透镜片翘曲，导致不能将柱状透镜片贴到显示装置。成型过程中固化收缩，导致由光固化树脂和玻璃基板的机械特性差异引起的翘曲。当使UV固化树脂52在上面、使基板51在下面而设置图2的柱状透镜片50时，柱状透镜片50发生向下凸出的翘曲。当使玻璃基板在下面的情况下将柱状透镜片50置于用于将柱状透镜片贴合到显示装置的装置的台上，由于柱状透镜片50发生向下凸出的翘曲，台与基板50的接触面积小。因此，柱状透镜片50在较小的力的作用下在台上旋转，并且该柱状透镜片50与翘曲较小的柱状透镜片50相比更难操作。由于翘曲，对准标记不能对准，因此柱状透镜片50难以与显示装置对准并贴合到显示装置。在柱状透镜片50发生大翘曲的情况下，柱状透镜片50在贴合后一段时间自然地从显示装置剥离。
在作为另一可靠性测试的冷热冲击测试中存在类似的问题。在使用树脂B制作柱状透镜50，然后将该柱状透镜贴合到装置的情况下，在冷热冲击测试中柱状透镜片50剥离。冷热冲击测试通过短时间暴露于高温和短时间暴露于低温的交替循环来进行的，在这种可靠性测试中由例如热膨胀系数的差引起的贴合面的应力导致透镜片易于剥离。
本发明的目的是为了解决上述的问题，并通过提供根据本发明的光学元件来提高光学元件的可靠性和生产性。
用于解决问题的手段
根据本发明的一个方面的光学元件包括基板和树脂，并满足下式：
RTmax/RTmin≤9/5式(1)
在该式中，RTmin表示由树脂制成的主要图案化部件的最薄区域的树脂厚度，RTmax表示由树脂制成的主要图案化部件的最厚区域的树脂厚度。
首先，定义在此使用的特定术语。如图3所示，透镜阵列56是指柱状透镜片50的透镜(弯曲件)的排列(树脂64的被图3的虚线包围的区域)。透镜阵列56的范围是从透镜顶点58到透镜谷59。如图4所示，基部57是指柱状透镜片50的未形成透镜(弯曲件)的区域(树脂64的被图4的虚线包围的区域)。基部57的范围是从基板51的表面到透镜谷。主要图案化部件是指形成光学元件时所必须的图案，若在耐光性测试中严重变形，则会对于光学元件产生问题的图案。在柱状透镜片中，主要图案化部件是透镜阵列。
为了简化说明，对树脂是光固化树脂的例子进行说明。在包括基板和光固化树脂的光学元件中，RTmin和RTmax之间的关系在耐光性测试中对曲率变化产生影响。本发明的发明人发现：RTmin比RTmax小并且不满足式(1)的光学元件在耐光性测试中显现出图5所示的现象。在耐光性测试中，从光固化树脂60侧对柱状透镜片照射光61。随着耐光性测试进行，构成透镜阵列56的光固化树脂进行固化，并且构成透镜阵列56的光固化树脂的密度从中密度增大到高密度。在这种状态下，透镜阵列56的体积减小。另一方面，为了维持光固化树脂的体积，构成基部57的光固化树脂的密度从中密度减小到低密度，由此基部57的体积增加以补偿透镜阵列56的体积减少。但是，在耐光性测试之前，基部57的体积与透镜阵列56的体积相比不充分大，因此最终透镜阵列56的体积减小。其结果，透镜顶点的树脂厚度减小，并且透镜的曲率半径变化超过10％。
在RTmin比RTmax大并且满足式(1)的光学元件的情况下，在耐光性测试中光学元件显示出图6所示的现象。透镜阵列56和基部57以与图5相同的方式变化。但是，在耐光性测试前，基部57的体积与透镜阵列56的体积相比充分大，因此能够防止透镜阵列56的体积减小。这能够防止透镜的曲率半径变化超过10％。换言之，这能够防止由光固化树脂形成的图案的变形。
虽然为了简化说明而在图5和图6中使用光固化树脂，但只要树脂中包括能够用光固化的成分，则在本发明中能够使用光固化树脂以外的任何树脂。
根据本发明的另一方面的光学元件包括基板和树脂，并满足下式：
RTmax/RTmin≤5/3式(2)
在该式中，RTmin表示由树脂制成的主要图案化部件的最薄区域的树脂厚度，RTmax表示由树脂制成的主要图案化部件的最厚区域的树脂厚度。
在图6所示的光学元件中，与满足式(1)的光学元件相比，基部57的体积的比率进一步增大，因此能够进一步抑制耐光性测试后透镜阵列56的体积的缩小。这能够防止透镜的曲率半径变化超过5.5％。换言之，这能够进一步防止由光固化树脂形成的图案的变形。
根据本发明的又一方面的光学元件包括基板和树脂，并满足下式：
σ/Es×RTmax/T<13.0ppm式(3a)
在该式中，σ表示树脂的内部应力，Es表示基板的杨氏模量，T表示基板的厚度。
树脂的初始可靠性评估后的内部应力σ与基板的杨氏模块之比的减小能够防止显示装置制造和使用时光学元件的翘曲。另外，为了减小可靠性评估后的树脂的内部应力而使用低弹性模量树脂，使得在耐光性测试中树脂的密度容易变化，这能够进一步防止耐光性测试后由树脂形成的图案的变形。
作为式(3a)的替代式，可采用下式(3b)。
σ/Es×RTmax/T≤3.0ppm式(3b)
式(3b)更优选，并且在显示装置的制造和使用时能够防止光学元件的翘曲。通过使用低弹性模量的树脂能够进一步抑制耐光性测试后由树脂形成的图案的变形。
在本发明的光学元件中，基板是厚度大于或等于200μm的玻璃基板。
使用玻璃基板作为基板能够将基板上的树脂的热膨胀减小到与玻璃基板的热膨胀一样低。另外，通过使基板的厚度大于或等于200μm，基板能够用低成本的切割方法—辊刀式的玻璃划线机进行切割。
在本发明的光学元件中，树脂的铅笔硬度是6B或更软。
通常，硬度较高的树脂具有较高的弹性模量。特别地，铅笔硬度为6B或更软的树脂具有低弹性模量。在本发明中，使用低弹性模量的树脂能够减小恒温测试和恒温恒湿测试后的透镜片的翘曲，并且能够减小耐光性测试中的曲率半径的变化。
根据本发明的又一方面的光学元件包括基板和两个或者更多个树脂叠层。树脂叠层包括应力释放树脂层和图案化树脂层。应力释放树脂层置于图案化树脂层和基板之间。图案化树脂层形成主要图案化部件。光学元件满足下式：
RTmax1/RTrx≤9/5式(7)
在该式中，RTrx表示应力释放树脂层的树脂厚度，RTmax1表示树脂叠层的最厚区域的树脂厚度。
在包括基板和两个或者更多个树脂叠层的光学元件中，RTrx和RTmax1对初始状态、恒温测试后和恒温恒湿测试后的光学元件的翘曲产生影响。如果RTrx小于RTmax1，且光学元件不满足式(7)，则不能防止光学元件的翘曲，其严重影响显示装置的制造和使用。
如图15所示，柱状透镜片18依次包括基板51、应力释放树脂层62、以及图案化树脂层63。图案化树脂层63形成透镜(弯曲件)。图案化树脂层63发生固化收缩和热膨胀时，由于由基板51和树脂的机械特性差异产生的应力，而引起基板51的翘曲。图案化树脂层63和应力释放层62之间的关系与图5和图6中所示的透镜阵列56和基部57之间的关系相似。应力释放树脂层62吸收图案化树脂层63的体积变化来防止基板51的翘曲。更具体地，当图案化树脂层63收缩时，由柔软树脂制成的应力释放树脂层62膨胀，以补偿图案化树脂层63的收缩，由此防止基板51的翘曲。当图案化树脂层63膨胀时，应力释放树脂层62收缩以防止基板51的翘曲。然而，在光学元件不满足式(7)的情况下，与图案化树脂层63的体积变化相比，应力释放树脂层62的体积没有充分变化，所以会引起基板51翘曲。
在光学元件满足式(7)的情况下，即使在光学元件的初始可靠性评估之后，应力释放树脂层62的体积变化能够充分吸收图案化树脂层63的体积变化，从而防止基板51即光学元件的翘曲。因此，即便是初始可靠性评估后的翘曲较大、且不能单独使用的树脂，也可通过引入满足式(7)所规定厚度的应力释放树脂层而能够进行使用。
在满足下式的光学元件中：
RTmax1/RTrx≤5/3式(8)
与满足式(7)的光学元件相比，应力释放树脂层62与图案化树脂层63的体积之比更大，因此应力释放树脂层62能够更容易吸收图案化树脂层63的体积变化，由此能够进一步防止光学元件的翘曲。
根据本发明的又一方面的光学元件包括基板和两个或更多个树脂叠层，并且满足下式：
σ1/Es×RTmax1/T<13.0ppm式(9)
在该式中，σ1表示树脂叠层的内部应力，Es表示基板的杨氏模量，T表示基板的厚度。
初始可靠性评估后树脂叠层的内部应力σ1与基板的杨氏模量的比率减小，由此能够防止显示装置制造和使用时光学元件的翘曲。
另外，特别地对应力释放树脂层使用低弹性模量的树脂，从而减小可靠性评估后的树脂的内部应力，使得应力释放树脂层容易吸收图案化树脂层的体积变化，由此能够进一步防止光学元件的翘曲。
更优选地，在满足下式的光学元件中：
σ1/Es×RTmax1/T≤3.0ppm式(10)
与满足式(9)的光学元件相比，使用较低模量的树脂能够进一步防止显示装置制造和使用时光学元件的翘曲。
发明效果
第一效果是防止包括基板和树脂的光学元件在耐光性测试后图案化树脂的变形。
该效果的实现是因为：图案化树脂在最薄区域的厚度比最厚区域的厚度足够小，使得在耐光性测试中由于基部的密度从中密度到低密度的减小所引起的体积增加，能够补偿由于图案化树脂的密度从中密度到高密度的增加所引起的体积减小。
第二效果是防止包括基板和树脂的光学元件在显示装置的制造和使用时光学元件的翘曲。还能够防止耐光性测试后的树脂所制成的图案的变形。
该效果的实现是因为：通过减小树脂的内部应力σ与基板的杨氏模量的比率，来防止树脂内部应力引起光学元件的翘曲。使用低模量树脂，来减小可靠性评估后的树脂的内部应力，使得在耐光性测试时树脂的密度容易变化，由此能够进一步防止耐光性测试后的图案化树脂的变形。
第三效果是防止显示装置的制造和使用时光学元件的翘曲，该光学元件包括基板和两个或更多个树脂叠层。
该效果通过提供如下的应力释放树脂层来实现，该应力释放树脂层的厚度比图案化树脂层的厚度充分大，所以，作为光学元件翘曲的原因的、由固化收缩和热膨胀引起的图案化树脂层的体积变化可以通过应力释放树脂层的体积变化进行补偿。
附图说明
图1是表示专利文献1中描述的柱状透镜片的制造工序的一部分的剖视图。
图2是专利文献1中描述的柱状透镜片的剖视图。
图3是表示根据本发明的透镜阵列的定义的剖视图。
图4是表示根据本发明的基部的定义的剖视图。
图5是表示柱状透镜片在耐光性测试中显示出的现象的剖视图。
图6是表示在耐光性测试中根据本发明的柱状透镜片所显示出的现象的剖视图。
图7是根据本发明的第一实施方式的柱状透镜片的剖视图。
图8是表示在耐光性测试后、包括树脂A的柱状透镜片的最厚区域的树脂厚度RTmax与曲率半径的变化率Δr之间的关系的图(RTmax-RTmin维持在大约21μm的恒定值)。
图9是表示在耐光性测试后、包括树脂A的柱状透镜片的RTmax/RTmin与曲率半径的变化率Δr之间的关系的图(RTmax-RTmin维持在大约21μm的恒定值)。
图10是表示在耐光性测试后、包括树脂B的柱状透镜片的最厚区域的树脂厚度RTmax与曲率半径的变化率Δr之间的关系的图(RTmax-RTmin维持在大约21μm的恒定值)。
图11是表示翘曲的柱状透镜的形状和尺寸的定义的剖视图。
图12是包括根据本发明的第三实施方式的柱状透镜片的立体显示装置的剖视图，该柱状透镜片贴合到显示面板。
图13A是可应用根据第三实施方式的立体显示装置的电子设备的第一例的立体图。
图13B是可应用根据第三实施方式的立体显示装置的电子设备的第二例的立体图。
图13C是可应用根据第三实施方式的立体显示装置的电子设备的第三例的立体图。
图14是包括根据本发明的第三实施方式的柱状透镜片的立体显示装置的剖视图，该柱状透镜片贴合到液晶显示面板。
图15是根据本发明的第二实施方式的柱状透镜片的剖视图。
图16是表示在初始状态和可靠性评估后(恒温测试和恒温恒湿测试)、包括树脂A的柱状透镜片的最厚区域的树脂厚度RTmax与σ/Es×RTmax/T之间的关系的图(RTmax-RTmin维持在大约21μm的恒定值)。
图17是表示在初始状态和可靠性评估后(恒温测试和恒温恒湿测试)、包括树脂B的柱状透镜片的最厚区域的树脂厚度RTmax与σ/Es×RTmax/T之间的关系的图(RTmax-RTmin维持在大约21μm的恒定值)。
图18是表示在可靠性评估后(恒温测试和恒温恒湿测试)、包括具有由树脂B制成的应力释放树脂层和由树脂A制成的图案化树脂层的树脂叠层的柱状透镜片的最厚区域的树脂厚度RTmax1与σ1/Es×RTmax1/T之间的关系的图(RTmax1-RTrx维持在大约30μm的恒定值)。
图19是表示在可靠性评估后(恒温测试和恒温恒湿测试)、包括具有由树脂B制成的应力释放树脂层和由树脂A制成的图案化树脂层的树脂叠层的柱状透镜片的最厚区域的树脂厚度RTmax1与σ1/Es×RTmax1/T之间的关系的图(RTmax1-RTrx维持在大约30μm的恒定值)。
图20是比较例的柱状透镜片的剖视图。
图21是表示柱状透镜片的切割的剖视图。
具体实施方式
(第一实施方式)
现在参照附图详细描述本发明的实施方式。
图7是根据第一实施方式的柱状透镜片的剖视图。图8是表示耐光性测试后、包括树脂A的柱状透镜片的最厚区域的树脂厚度RTmax与曲率半径的变化率Δr之间的关系的图。图9是表示在耐光性测试后、包括树脂A的柱状透镜片的RTmax/RTmin与曲率半径的变化率Δr之间的关系的图。图10是表示在耐光性测试后、包括树脂B的柱状透镜片的最厚区域的树脂厚度RTmax与曲率半径的变化率Δr之间的关系的图。在图9和图10的图中，RTmax-RTmin维持在大约21μm。
如图7所示，根据第一实施方式的柱状透镜片10包括由UV固化树脂13制成并形成在玻璃基板11的大体平坦的面上的透镜12。可通过下面的方法制造根据本发明的柱状透镜片。在玻璃基板11上适量涂覆UV固化树脂13。透镜模具用于将其图案转印至涂覆的UV固化树脂13。通过用UV线照射使UV固化树脂13固化。然后，移除透镜模具。柱状透镜的主要图案是透镜12。透镜间距设为lp。
本发明的发明人使用柱状透镜片10找到了以往的问题之一、即提高UV固化树脂的可靠性、特别是防止耐光性测试中曲率半径的变化的方法。为了评估可靠性，通过使用作为UV固化树脂的树脂A，固定透镜12的曲面形状，并改变RTmax(由此RTmin也改变)，来执行耐光测试。从透镜谷到透镜顶点的距离(RTmax-RTmin)大约是21μm。玻璃基板11的厚度为100μm到300μm。透镜12的透镜间距在100μm到500μm的范围。在耐光性测试前，测量曲率半径rI和最厚区域的树脂厚度RTmax。在耐光性测试后，测量曲率半径rA。
评估结果示于图8中，表示最厚区域的树脂厚度RTmax与曲率半径的变化率Δr之间的关系。Δr是(rA-rI)/rI。图8表示关于树脂A，RTmax和Δr之间的相关度很高。通过将RTmax维持在大于或等于58μm，使得Δr维持在+5.5％到-5.5％的范围内。
为了将图8所示的结果一般化，在图9中示出了RTmax/RTmin与曲率半径变化率Δr之间的关系图。图9示出了当RTmax/RTmin等于或小于9/5时包括树脂A的柱状透镜片能够在耐光性评估后将Δr维持在+10％到-10％的范围内。另外，当RTmax/RTmin小于或等于5/3时，包括树脂A的柱状透镜片能够将Δr维持在+5.5％到-5.5％的范围内。该评估在RTmax<T的条件下进行。
在第一实施方式中，在耐光性测试中仅描述了Δr，但关于透过率和外观等其他特性也未检测到问题。
使用作为UV固化树脂的与树脂A不同的树脂B，以与树脂A相同的方式进行耐光性测试。与图8同样，在图10中示出了结果。图10示出了使用树脂B的情况下，无论RTmax如何，耐光性测试后的Δr几乎没有发生变化。关于耐光性测试后的透过率和外观等其他特性，也没有检测到问题。因此，关于耐光性测试，树脂B的特性可接受。虽然其他的UV固化树脂在耐光性测试中大多为黄色，但树脂A和树脂B的可见光透过率几乎没有变化，因而几乎没有着色。
如在此使用的，术语“A型”是指耐光性测试后具有如下的曲率半径的变化率Δr的树脂，如图8的图所示，当耐光性测试后最厚区域的树脂厚度RTmax减小时变化率Δr增加。术语“B型”是指耐光性测试后具有如下的曲率半径的变化率Δr的树脂，如图10的图所示，耐光性测试后即使最厚区域的树脂厚度RTmax变化时变化率Δr也基本上保持不变。在耐光性测试中，A型的曲率半径变化，因此在测试过程中树脂固化。而B型的曲率半径在耐光性测试中无论最厚区域的树脂厚度如何也不改变，因此在耐光性测试中树脂不进行固化。
但是，包括树脂B的柱状透镜片10在显示装置的制造和使用时具有大幅翘曲的问题。翘曲量取决于玻璃基板11的厚度T和UV固化树脂的厚度。因此，为了比较UV固化树脂发生翘曲的可能，根据透镜阵列的翘曲量δ计算σ/Es×RTmax/T。σ是指UV固化树脂13的内部应力，Es是指玻璃基板11的杨氏模量。
根据斯托尼(Stoney)式(4)变形而来的式(5)计算σ/Es。斯托尼公式是根据翘曲量计算基板上的薄膜的应力的公式。虽然柱状透镜片10的UV固化树脂不是薄膜，但是能够应用斯托尼公式而不会有太大问题。虽然柱状透镜片10不是圆形，但是能够应用斯托尼公式而不会有太大问题，因为对翘曲量进行了评估的柱状透镜片10的尺寸为100mm×100mm，因此将柱状透镜片10视作为圆形。
σ＝Es×T2/(6(1-ν)×R×RTmax)式(4)
σ/Es＝T2/(6(1-ν)×R×RTmax)式(5)
T是如上所定义的玻璃基板的厚度，ν是玻璃基板的泊松比，R是柱状透镜片10的曲率半径(R不同于透镜阵列的曲率半径r)，RTmax是如上所定义的最厚区域的树脂厚度。泊松比可定义为玻璃基板的物理特性。曲率半径R是树脂成型前后的曲率半径差。可通过用激光扫描直接测量柱状透镜片并使测量与圆弧匹配来确定曲率半径R。还可根据基板的翘曲量来计算曲率半径R。图11表示UV固化树脂成型后发生翘曲δ的柱状透镜片10。可通过使用例如激光位移计在玻璃基板侧直射激光束来确定翘曲δ。测量长度L是测量翘曲的区域的长度。如果测量翘曲的区域是正方形，则L是正方形的一边的长度。接下来，根据δ和L使用式(6)计算曲率半径R。
R＝(δ2+(L/2)2)/2δ式(6)
通常，随着柱状透镜片10的翘曲增大，曲率半径R倾向于变得容易匹配(该情况下，R减小)。已经确认：即使当柱状透镜片的翘曲小时曲率半径R也能够一定程度匹配(该情况下，R增大)。
从式(6)可知，当翘曲δ增大时，曲率半径R减小，式(5)中的δ/Es增大。因此，当T、ν和RTmax保持不变时，翘曲值较小表示内部应力值较小。
表1表示关于树脂A和树脂B的铅笔硬度、以及紧接制作柱状透镜片10后的σ/Es×RTmax/T。在表1中，使用相同的透镜模具来制作各柱状透镜片。并且，使用在这些柱状透镜片的可靠性评估(恒温测试和恒温恒湿测试)中发生的最大翘曲δmax来比较可靠性估计后的σ/Es×RTmax/T。关于树脂A和树脂B这两者，测量了σ/Es×RTmax/T的柱状透镜片具有大约60μm的RTmax，并包括由相同材料制成并具有相同厚度的玻璃基板。在可靠性评估中，柱状透镜片10的最大翘曲量δmax是饱和值。在表1中，当柱状透镜片10的初始翘曲没有问题并且能够贴合到显示装置时，初始翘曲被评估为“好”(没有问题)，或者当柱状透镜片10有问题时初始翘曲被评估为“差”(有问题)。表示贴合各柱状透镜片的显示装置的冷热冲击测试的结果的在可靠性评估后的翘曲以同样的方式被评估为“好”或“差”。在表1中，Δr表示曲率半径的变化率。关于树脂A和树脂B这两者，无论最厚区域的树脂厚度RTmax如何，恒温测试和恒温恒湿测试后的Δr在2％到3％的范围内。因此，树脂B在恒温测试和恒温恒湿测试的过程中固化，然而如上所述树脂A在耐光性测试的过程中、以及在恒温测试和恒温恒温测试的过程中固化。
表1
在表1中，树脂A具有非常软的铅笔硬度6B，而树脂B具有铅笔硬度H。表1表示树脂B具有13.0ppm的初始σ/Es×RTmax/T和43.4ppm的大幅增加的在可靠性评估后的σ/Es×RTmax/T。包括树脂B的柱状透镜片的初始翘曲大而难以贴合到显示装置。包括树脂B并在之后贴合到显示装置的柱状透镜片的产量低并且在冷热冲击测试中从显示装置剥离。另一方面，可靠性评估后的树脂A的σ/Es×RTmax/T不会从2.6ppm的初始σ/Es×RTmax/T变化。包括初始状态下的树脂A的柱状透镜片10可贴合到显示装置而不会有问题，并且在冷热冲击测试中也没有问题。
关于σ/Es×RTmax/T与由于翘曲引起的不良情况之间的关系，表1示出了当σ/Es×RTmax/T小于或等于3.0ppm时不会产生问题，而当σ/Es×RTmax/T大于或等于13.0ppm时会产生问题。3.0ppm是通过将15％的误差导入到2.6pmm中得到的值。因此，优选地，UV固化树脂13的σ/Es×RTmax/T小于13.0ppm。更优选地，UV固化树脂的σ/Es×RTmax/T小于或等于3.0ppm。
虽然树脂B在耐光性测试中基本上不进行固化，但在恒温测试和恒温恒湿测试中树脂B固化并且其曲率半径略微发生变化。树脂A在恒温测试和恒温恒湿测试中固化并且其曲率半径略微发生变化，并且在耐光性测试中也固化。在恒温测试和恒温恒湿测试中，UV固化树脂具有基本上均匀的温度，因此均匀地固化，其导致无论最厚区域的树脂厚度如何曲率半径变化从2％到3％。在耐光性测试中，如图5和图6所示，UV固化树脂从光照射的一侧进行固化，因此不具有根据本发明的树脂厚度比率的树脂的曲率半径发生较大变化。
如表1所示，在恒温测试和恒温恒湿测试中，树脂A和树脂B两者的曲率半径的变化率Δr从2％变化到3％。但是，在恒温测试和恒温恒湿测试中树脂A的可靠性评估后的σ/Es×RTmax/T基本上没有改变，但在恒温测试和恒温恒湿测试中树脂B的可靠性评估后的σ/Es×RTmax/T大于或等于初始σ/Es×RTmax/T的三倍。如上所述，关于树脂A和树脂B这两者，表1所示的测量了σ/Es×RTmax/T的柱状透镜片具有大约60μm的RTmax，并包括由相同材料制成并具有相同厚度的玻璃基板。因此，树脂A和树脂B之间的模量差大幅影响σ/Es×RTmax/T的差异。与金属不同，高硬度树脂通常弹性模块高。因此，铅笔硬度为6B的树脂A与铅笔硬度为H的树脂B相比，弹性模量更低。当在恒温测试和恒温恒湿测试中树脂A和树脂B固化时，透镜阵列收缩，曲率半径稍微增大。由于树脂A的弹性模量低，因此树脂A的固化收缩通过树脂A自身的变形补偿，因此由树脂A制成的透镜片的翘曲没有变化。另一方面，由于树脂B的弹性模量高，因此树脂B的固化收缩没有被树脂B自身的变形充分补偿，因此透镜片具有大幅翘曲。如图6所示，树脂A的低弹性模量可很容易引起光固化树脂的密度变化，从而保持树脂的体积。使用σ/Es×RTmax/T小的树脂能够减小恒温测试和恒温恒湿测试后的透镜片的翘曲，并且能够减小耐光性测试中曲率半径的变化。
在柱状透镜片10包括玻璃基板11并且存在UV固化树脂13成型后柱状透镜片翘曲的问题的情况下，通常，尝试减小UV固化树脂13的厚度而不是减小玻璃基板11的厚度。玻璃基板11的线膨胀系数较小，并且当UV固化树脂13成型的同时基板受热时玻璃基板11的尺寸基本上不改变。另一方面，当树脂13成型时UV固化树脂固化收缩，并且当树脂13受热时与玻璃基板相比，树脂13的尺寸增加10倍。因此，通常尝试减小固化收缩较大和热膨胀较大的UV固化树脂的厚度来防止翘曲。
当UV固化树脂13的厚度减小时，透镜阵列的形状的变化影响光学特性。因此，通常尝试将不影响光学特性的基部的厚度RTmin减小到0。在本发明中，取代仅将RTmin减小到0，而如上所述设定主要图案化部件的厚度(RTmax-RTmin)来确保耐光性，使用式(1)和式(2)来确定实现本发明的效果所需的RTmin。
虽然在第一实施方式中对柱状透镜片进行了说明，但应该理解的是，实施方式不限于柱状透镜片，本实施方式还能够应用于能够通过在根据本实施方式的基板上将光固化树脂图案化来制作的其他光学元件。其他的光学元件的例子包括复眼透镜片和菲涅尔透镜片。复眼透镜片的主要的图案化部件是透镜阵列。菲涅尔透镜片的主要的图案化部件是构成菲涅尔透镜的图案。
虽然在第一实施方式中对UV固化树脂13进行了说明，但应该理解的是，能够将可见光固化树脂应用于根据本实施方式的光学元件。尽管本实施方式不限于光固化树脂，应该理解的是，只要是当树脂图案化并受到光时，树脂由于本发明的作用和效果而发生固化收缩，可将任何的树脂应用于根据本实施方式的光学元件。
虽然在第一实施方式中对玻璃基板11进行了说明，但应该理解的是，树脂基板能够应用于能够通过在根据本实施方式的基板上将树脂图案化而制作的光学元件。在使用树脂基板的情况下，能够提供防止在耐光性测试中的曲率变化和防止翘曲的效果。但是，如“技术领域”所述，由于由树脂制成的透镜片与显示装置之间的热膨胀系数的差，具有特定热膨胀系数的树脂基板可能发生错位的问题。在树脂基板的热膨胀系数与玻璃基板的热膨胀系数相近时，所得到的透镜片不会发生由热膨胀引起的错位的问题。
在透镜片的最厚区域的树脂厚度RTmax根据光学元件的位置而大幅变化的情况下，优选地，将区域分割并将本实施方式应用于各分割部分。
(第二实施方式)
根据第一实施方式的光学元件解决了在耐光性测试中构成光学元件的树脂的变形问题，而根据第二实施方式的光学元件解决了构成光学元件的树脂的翘曲问题。
参照图15到图20对第二实施方式进行说明。如图15所示，根据第二实施方式的光学元件通过如下方式制作：在基板51上形成应力释放树脂层62、然后在应力释放树脂层62上形成图案化树脂层63来制作弯曲件(透镜)。
在包括如图20所示的基板51和树脂64的光学元件中，使用诸如树脂B的发生较大翘曲的树脂作为树脂64，引起得到的部件在初始状态和可靠性评估后发生较大翘曲的问题。另一方面，使用诸如树脂A的树脂作为树脂64，引起虽然光学元件发生较小翘曲但如果光学元件不具有根据第一实施方式的结构则得到的元件发生较大变形。
图17是表示初始状态和可靠性评估后(恒温测试和恒温恒湿测试)的包括树脂B的光学元件的最厚区域的树脂厚度RTmax和σ/Es×RTmax/T之间的关系的图。RTmax-RTmin保持在大约21μm。基板51是玻璃基板。图17表示，在初始状态和可靠性评估后这两者中，当最厚区域的树脂厚度RTmax增大时，包括树脂B的光学元件的σ/Es×RTmax/T增大。由于固化收缩，可靠性评估后的σ/Es×RTmax/T比在初始状态下的σ/Es×RTmax/T大。当RTmax是30μm时，在初始状态下σ/Es×RTmax/T是4.2ppm，在可靠性评估后σ/Es×RTmax/T是17.6ppm。
图16是表示初始状态和可靠性评估后(恒温测试和恒温恒湿测试)的包括树脂A的光学元件的最厚区域的树脂厚度RTmax和σ/Es×RTmax/T之间的关系的图。RTmax-RTmin保持在大约21μm。基板51是玻璃基板。图16表示，在初始状态和可靠性评估后这两者中，无论最厚区域的树脂厚度RTmax如何，包括树脂A的光学元件的σ/Es×RTmax/T小于或等于2.9ppm。
在第二实施方式中，对图15所示的图案化树脂层63使用在耐光性测试中不发生变形但发生较大翘曲的树脂B，对应力释放树脂层62使用发生较小翘曲的柔软树脂A。基板51的厚度设为T。应力释放树脂层62的厚度设为RTrx。应力释放树脂层62和图案化树脂层63的总厚度设为RTmax1。
接下来，使用柱状透镜片18来考虑防止作为树脂B的问题的翘曲的条件。评估方法通过如下方式进行：将树脂B的厚度、即作为图案化树脂层的厚度的RTmax1-RTrx固定在大约30μm，改变RTmax1(由此还改变RTrx)，并确定恒温测试后和恒温恒湿测试后的σ1/Es×RTmax1/T。σ1是由图案化树脂层63和应力释放树脂层62构成的树脂叠层的内部应力。σ1/Es通过在第一实施方式中记载的方法来确定。从透镜谷到透镜顶点的距离大约是21μm。基板51是具有100μm到300μm的厚度的玻璃基板。透镜12的间距从100μm到500μm。
评估结果以表示最厚区域的树脂厚度RTmax1与σ1/Es×RTmax1/T之间的关系的图，示于图18中。图18表示如根据第一实施方式的图8所示、RTmax1与σ1/Es×RTmax1/T之间非常高的相关性。通过将RTmax维持在大于或等于73μm，使得σ1/Es×RTmax1/T维持在小于或等于3.0ppm。
为了将图18所示的结果一般化，在图19中示出了表示RTmax1/RTrx与σ1/Es×RTmax1/T之间的关系的图。图19示出了如根据第一实施方式的图9，当RTmax1/RTrx小于或等于9/5时，恒温测试和恒温恒湿测试后σ1/Es×RTmax1/T可维持在小于或等于13.0ppm。另外，当RTmax1/RTrx小于或等于5/3时，σ1/Es×RTmax1/T可维持在小于或等于3.0ppm。本评估在RTmax1<T的条件下进行。
与第一实施方式相同，当σ1/Es×RTmax1/T小于或等于3.0ppm时不会发生翘曲问题，而当σ1/Es×RTmax1/T大于或等于13.0ppm时发生翘曲问题。
在第二实施方式中，仅描述了翘曲，但是关于透过率和外观等其他的特性没有发现问题。
在第二实施方式中，与第一实施方式相同，使用铅笔硬度为6B或更软的柔软树脂，能够减小恒温测试和恒温恒湿测试后透镜片的翘曲，并且能够减小耐光性测试中曲率半径的变化。
虽然在第二实施方式中图案化树脂层63和应力释放树脂层62都是单层的树脂，但图案化树脂层63和应力释放树脂层62中的任一层或这两个层可以是工序复杂化的多层树脂。
(第三实施方式)
根据第三实施方式的光学元件与根据第一实施方式和第二实施方式的光学元件的不同之处在于，光学元件与例如液晶显示器、有机EL(电致发光)显示面板、PDP(等离子显示面板)的显示面板组合来形成立体显示装置。
如图12所示，例如柱状透镜片10的透镜片通过粘结剂16贴合到显示面板15。粘结剂16是液体粘结剂或膜状粘结剂。设置透镜12，使得各透镜置于至少一对的右侧像素和左侧像素(两行)之上。以这种方式，能够实现显示3D图像的立体显示装置21。根据第三实施方式的立体显示装置21包括根据第一实施方式的透镜片。根据第三实施方式的立体显示装置21还可包括根据第二实施方式的透镜片。
在图12所示的立体显示装置中，诸如柱状透镜片10的透镜片与显示面板15的像素之间的距离(称作“透镜-像素距离)对于显示3D图像很重要。透镜-像素距离取决于透镜间距lp、像素间距、最容易观察3D图像的距离(最佳3D观看距离)、以及视点数。视点数是指为了显示3D图像而投影到空间的不同的视点图像的数量。例如，在各透镜置于一对的右侧像素和左侧像素之上的情况下，分别对右侧视点和左侧视点即两个视点投影图像。例如，在各透镜置于两对像素之上时，视点数是4。可根据像素和透镜之间的关系改变视点数。当最佳3D观看距离和视点数保持恒定时，像素间距与透镜-像素距离成比例。因此，当像素间距减小时，需要减小透镜-像素距离。近年来，显示面板倾向于使图像的分辨率更高和使透镜-像素距离更小。为了对透镜-像素距离进行详细说明，图14示出了使用液晶的立体显示装置的示意性截面。在液晶显示装置的情况下，透镜-像素距离36定义为透镜顶点17到液晶层34的距离。为了减小透镜-像素距离36，需要减小光固化树脂60的厚度、玻璃基板11的厚度、粘结剂16的厚度、偏光板31的厚度、以及滤色基板32的厚度。在不增加成本的情况下减小粘结剂16的厚度、偏光板31的厚度、以及滤色基板32的厚度受到限制，因此还需要减小柱状透镜片10的厚度。
使用玻璃基板11作为柱状透镜片10的基板对于实现薄型显示将产生技术问题和成本问题。具体地，厚度为200μm的玻璃基板可通过使用辊刀式的相对较便宜的玻璃划线机进行切割，而厚度为100μm的玻璃基板难以用划线机进行切割并且产量大幅减小。
利用使用一个透镜模具成型多个透镜的方法(单模具方法)来降低成本。在这种情况下，需要能够分割所得到的透镜片以得到包括树脂64的截面，例如沿图21中的线A-A’剖开的截面。因此，需要将树脂64与玻璃基板11一起切割。在透镜片包括厚度为200μm且RTmax大约为100μm的玻璃基板的情况下，能够在不进行任何附加的操作的情况下用划线机将玻璃基板和树脂64一起切割。
在透镜片包括厚度为100μm的玻璃基板的情况下，难以将玻璃基板和树脂64一起切割。即使尝试将玻璃基板和树脂64一起切割，树脂64也不能与基板一起切断，其导致在远离切割线的区域中产生玻璃碎片。因此，玻璃基板优选厚度大于或等于200μm。
在基板是通常使用的树脂基板的情况下，可以用汤姆森刀片切断厚度为200μm的树脂基板和厚度为100μm的树脂基板。与通常使用的树脂基板不同，厚度较小的玻璃基板具有例如由于冲击而容易破裂的更难处理的问题。目前，不存在像玻璃基板那样性价比高且热膨胀系数与玻璃基板的热膨胀系数相同的树脂基板。对于维持相对于温度、透镜与像素之间良好的位置关系，玻璃基板非常有用。
但是，如上所述，玻璃基板11的薄型化受限，因此尽可能减小光固化树脂60的厚度是非常重要的。在本发明中，为了确保耐光性，如上所述设定主要图案化部件的厚度(RTmax-RTmin)，使用式(1)和式(2)确定需要获得本发明的效果且厚度最薄的最厚区域的树脂厚度(RTmax或RTmax1)。
近年来显示面板提供更高分辨率的图像，因此最厚区域的树脂厚度(RTmax或RTmax1)优选小于或等于100μm。
图13A-图13C分别是可应用根据第三实施方式的立体显示装置的电子设备的第一例、第二例、第三例的立体图。
图13A-图13C表示可应用根据第三实施方式的立体显示装置的电子设备的第一例、第二例和第三例的立体图。作为电子设备的例子，示出了个人计算机22(图13A)、电视机23(图13B)、以及弹子机(图13C)，但是根据第三实施方式的立体显示装置21可应用于例如移动电话、智能电话、PDA、游戏机、数码相机、数字摄像机、车载导航系统的显示屏、以及车载显示屏的各种电子设备。使用根据第一实施方式的柱状透镜片10能够防止耐光性测试后的透镜12的曲率半径变化。还可在显示装置的制造和使用时防止翘曲，由此使制造容易并且消除了透镜片的剥离。因此，提高了可靠性并降低了成本。
根据上述的实施方式，能够以低成本提供良好视觉特性和显示质量优秀、并且能够在不同的视点上提供不同图像的电子设备。
10、18 柱状透镜片
11 玻璃基板
12 透镜
13 UV固化树脂
15 显示面板
16 粘结剂
17 透镜顶点
21 立体显示装置
22 个人计算机
23 电视机
24 弹子机
31 偏光板
32 滤色基板
33 TFT基板
34 液晶层
35 偏光板
36 透镜-像素距离
50 柱状透镜片
51 基板
52 UV固化树脂
53 透镜模具
54 透镜
55 突起物
56 透镜阵列
57 基部
58 透镜顶点
59 透镜谷
60 光固化树脂
61 光
62 应力释放树脂层
63 图案化树脂层
64 树脂

Claims (2)

1.一种光学元件，包括基板和树脂，并满足下式：
RTmax/RTmin≤9/5 式1
其中，RTmin表示由所述树脂制成的主要图案化部件的最薄区域的树脂厚度，RTmax表示由所述树脂制成的主要图案化部件的最厚区域的树脂厚度，
其中，所述树脂包括具有预定曲率半径的透镜部分、以及所述透镜部分的基部部分，以及
其中，在耐光性测试之后，所述曲率半径的变化率Δr为10％或更小。
2.根据权利要求1所述的光学元件，其中，所述光学元件满足下式：
RTmax/RTmin≤5/3 式2，并且
其中，在所述耐光性测试之后，所述曲率半径的变化率Δr为5.5％或更小。
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