CN115244449A - 导光板以及ar显示器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种导光板，其具有每50×100mm2面积的平行度P为5μm以下的树脂基材。

Description

导光板以及AR显示器
技术领域
本发明涉及导光板以及使用其的AR显示器。
本申请基于2020年3月13日在日本提交的日本特愿2020-044442号以及2020年5月28日在日本提交的日本特愿2020-093092号要求优先权，将其内容援用于此。
背景技术
在显示装置中，有时使用图像显示用导光板。例如，在使用VR(虚拟现实)技术、AR(增强现实)技术或MR(混合现实)的显示装置中，使用了全息层被透明基材支撑的图像显示用导光板、由具有凹凸形状的衍射光学图案的透明基材构成的图像显示用导光板。在全息层形成具有各种光学功能、例如导波、反射和衍射功能的全息图。
作为透明基材，多使用玻璃基材。但是，从加工性、轻质性、耐久性以及可搬性的方面出发，作为透明基材，更优选使用树脂基材。
专利文献1中公开了车载用平视显示器中使用的全息层积体。该全息层积体中依序层积有丙烯酸系树脂基板、丙烯酸系粘合剂层、由丙烯酸系光聚合物构成的全息层、丙烯酸系粘合剂层以及丙烯酸系树脂基板。
专利文献1中记载了，利用丙烯酸系树脂基板的表面平滑性，全息图发生外观变化。根据专利文献1，若表示全息层积体的表面平滑性的最大高度Rmax大于50μm，则全息图的外观变化变得显著。最大高度Rmax小于25μm的情况下，全息图的外观变化为容许范围。但是，专利文献1中并未特别记载最大高度Rmax为1μm以下的纳米级的表面平滑性的必要性。专利文献1中对于具有纳米级的表面平滑性的具体例也并无任何记载。
专利文献2中记载了一种光学器件，其特征在于，其具有：具备第1光入射部和第1光射出部的第1导光体；设于上述第1导光体的上述第1光入射部，使入射光的一部分发生衍射，使上述第1导光体的内部通过反射而导光的第1衍射光学元件；以及设于上述第1导光体的与上述第1光入射部相反侧的面的反射构件；上述反射构件按照下述方式进行配置：上述入射光中的未被上述第1衍射光学元件衍射的光的至少一部分被上述反射构件反射后，被上述第1衍射光学元件衍射，使上述第1导光体的内部通过反射而导光(权利要求1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2000-296583号公报
专利文献2：日本专利第6232863号公报
发明内容
发明所要解决的课题
但是，上述关联技术存在下述问题。
专利文献1中记载的全息层积体主要用于司机看的车载用平视显示器。因此，显示图像的画质可以不是特别高的画质。但是，例如在用于AR或MR的可穿戴显示器或头戴式显示器的情况下，多是在使用者的全视野中显示出写实图像、或者显示细小的文字。在这样的用途中，要求进一步的高画质化。
根据本发明人的研究，在图像显示用导光板中，在全息层被夹在树脂基材之间的情况下，即使最大高度Rmax小于25μm，有时也会观察到画质降低。例如，在挤出成型的树脂基材的表面产生与挤出辊的驱动齿轮的啮合节距相对应的节距的波纹(齿轮痕)时，容易产生图像不鲜明的部位。
另外，在专利文献2所记载的光学器件中，导光体为由玻璃或透光性树脂材料形成的板状部件(导光板)。与树脂材料相比，玻璃的轻质性差、耐冲击性低、安全性差。另一方面，与玻璃相比，树脂材料伴随着吸水和加热而发生尺寸变化，由于该尺寸变化而使尺寸精度、光学特性和黄变性变差。因此，在由树脂材料形成专利文献2中记载的导光板的情况下，认为特别是可见性还有改善的余地。
本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于提供能够显示出鲜明的图像、可见性优异的树脂制造的图像显示用导光板。
用于解决课题的手段
本发明人进行了深入研究，结果发现，通过将成型为特定形状的树脂基材用作导光板，能够解决上述课题，从而实现了本发明。
为了解决上述课题，本发明例如具有以下的方式。
[1]一种导光板，其具有树脂基材，该树脂基材每50×100mm2面积的平行度P为5μm以下、优选为0.2μm以上4μm以下、更优选为0.2μm以上3μm以下、进一步优选为0.2μm以上1.2μm以下、特别优选为0.2μm以上1.0μm以下、最优选为0.2μm以上0.8μm以下。
[2]如[1]中所述的导光板，其中，依据JIS K7209:2000测定的吸湿所致的尺寸变化率为1.0％以下、更优选为0.01～1.0％、进一步优选为0.02～0.9％、特别优选为0.03～0.8％。
[3]如[1]或[2]中所述的导光板，其中，依据JIS K6718-1附录A测定的热收缩率为3％以下、更优选为0％以上2.5％以下、进一步优选为0％以上2.0％以下。
[4]如[1]～[3]中任一项所述的导光板，其中，上述树脂基材的厚度为0.05～2mm、更优选为0.1mm以上1.5mm以下、进一步优选为0.5mm以上1mm以下。
[5]如[1]～[4]中任一项所述的导光板，其中，上述树脂基材的表面的算术平均粗糙度Ra为10nm以下、更优选为0.1nm以上8nm以下、进一步优选为0.5nm以上5nm以下、特别优选为1nm以上5nm以下。
[6]如[1]～[5]中任一项所述的导光板，其中，上述树脂基材的折射率为1.48以上、优选为1.48以上2.00以下、更优选为1.48以上1.90以下、进一步优选为1.48以上1.80以下。
[7]如[1]～[6]中任一项所述的导光板，其中，上述树脂基材包含选自由聚(甲基)丙烯酸类树脂、环氧树脂、环状聚烯烃以及聚碳酸酯组成的组中的至少一种树脂。
[8]如[1]～[7]中任一项所述的导光板，其中，在上述树脂基材的至少一个表面具有阻隔层或硬涂层。
[9]如[1]～[8]中任一项所述的导光板，其中，在上述树脂基材的至少一个表面具有衍射光学图案，衍射光学图案的最大高度优选为0.05mm以上0.15μm以下、优选为0.1mm以上0.14μm以下、进一步优选为0.5mm以上0.13μm以下。
[10]如[1]～[9]中任一项所述的导光板，其中，导光板的平面度优选为0.5～500μm、更优选为0.6～450μm、进一步优选为0.7～400μm。
[11]如[1]～[10]中任一项所述的导光板，其中，上述树脂基材的玻璃化转变温度(Tg)优选为50～200℃、更优选为60～190℃、进一步优选为70～180℃。
[12]如[1]～[11]中任一项所述的导光板，其中，上述树脂基材的却贝冲击强度优选为0.5～15kJ/m2、更优选为0.8～14.5kJ/m2、进一步优选为1.0～14.0kJ/m2。
[13]如[1]～[12]中任一项所述的导光板，其中，上述树脂基材的比重优选为1.0～1.5g/cm3、更优选为1.05～1.45g/cm3、进一步优选为1.1～1.4g/cm3。
[14]如[1]～[13]中任一项所述的导光板，其中，上述树脂基材的光线透射率优选为85％以上100％以下、更优选为86％以上100％以下、进一步优选为87％以上100％以下。
[15]如[1]～[14]中任一项所述的导光板，其中，上述树脂基材的黄色度(YI)优选为0以上5以下、更优选为0以上4以下、进一步优选为0以上3以下。
[16]如[1]～[15]中任一项所述的导光板，其中，上述树脂基材的折射率优选为1.2～2.0、更优选为1.3～1.9、进一步优选为1.4～1.8。
[17]如[1]～[16]中所述的导光板，其中，延迟优选为1～200nm、更优选为3～150nm、进一步优选为4～100nm。
[18]一种AR图像显示用导光板，其具有[1]～[17]中所述的导光板。
[19][1]～[18]中任一项所述的导光板在AR图像显示中的使用。
[20]一种AR显示器，其具备[1]～[19]中任一项所述的导光板。
[21]如[20]中所述的具备导光板的AR显示器，其中，在图像光入射面具有衍射光学图案，上述图像光入射面的衍射光学图案的线宽(LIN)优选为100～300nm、更优选为120～280nm、进一步优选为140～260nm。
[22]如[20]或[21]中所述的具备导光板的AR显示器，其中，在图像光入射面具有衍射光学图案，上述图像光入射面的衍射光学图案的高度(HIN)优选为30～150nm、更优选为40～140nm、进一步优选为50～130nm。
[23]如[20]～[22]中任一项所述的具备导光板的AR显示器，其中，在图像光入射面具有衍射光学图案，上述图像光入射面的衍射光学图案的高度(HIN)与线宽(LIN)之比的值(高度(HIN)/线宽(LIN))优选为0.1～1.5、更优选为0.14～1.17、进一步优选为0.19～0.93。
[24]如[20]～[23]中任一项所述的具备导光板的AR显示器，其中，在图像光射出面具有衍射光学图案，上述图像光射出面的衍射光学图案的线宽(LOUT)优选为50～250nm、更优选为70～230nm、进一步优选为90～210nm。
[25]如[20]～[24]中任一项所述的具备导光板的AR显示器，其中，在图像光射出面具有衍射光学图案，图像光射出面的衍射光学图案的高度(HOUT)优选为30～150nm、更优选为40～140nm、进一步优选为50～130nm。
[26]如[20]～[25]中任一项所述的具备导光板的AR显示器，其中，在图像光射出面具有衍射光学图案，图像光射出面的衍射光学图案的高度与线宽之比的值(高度(HOUT)/线宽(LOUT))优选为0.12～3.0、更优选为0.28～2.00、进一步优选为0.24～1.44。
发明的效果
根据本发明，能够提供可显示鲜明的图像且可见性优异的、树脂制造的图像显示用导光板。
附图说明
图1是示出本发明的导光板的一例的要部截面图。
图2是示出本发明的导光版的另一示例的截面图。
图3是本发明的导光板的一例的俯视图。
图4是示出实施例中使用的注塑成型用模具的入射光侧浮雕型衍射元件形成用图案的一部分的示意图。
图5是示出实施例中使用的注塑成型用模具的射出光侧浮雕型衍射元件形成用图案的一部分的示意图。
具体实施方式
本发明的导光板中使用的树脂基材每50×100mm2面积的平行度P为5μm以下。
树脂基材优选为平板。平板在表面可以具有凹凸、也可以不具有凹凸。平板在表面具有凹凸的情况下，凹部的深度以及凸部的高度优选为30～150nm、更优选为40～140nm、进一步优选为50～130nm。
该平行度P是作为利用激光干涉仪测定的树脂基材的测定面(上表面或下表面)的每50×100mm2面积的干涉条纹数与每一干涉条纹的厚度的变化量Δd之积而求出的值。关于干涉条纹数，由利用上述激光干涉仪测定的干涉图像在从成型品中央部起到成型品的上下左右的端部为止的4个方向计数出干涉条纹数，将平均值作为干涉条纹数。该Δd可以通过下式(1)计算出。
此处，n为树脂基材的折射率，λ为632.8nm(He-Ne激光的波长)。树脂基材的折射率是使用Abbe折射计基于JIS K7142在23℃利用589nm的D线进行测定而得到的值。
需要说明的是，在所测定的树脂基材的面积小于50×100mm2的情况下，将干涉条纹数换算成每50×100mm2面积的值，求出平行度P。
[数1]
Figure BDA0003834128560000061
该平行度P的值意味着能对作为导光板的特性有影响的水平的厚度变化的频率，也可以换称为厚度变化度。该值越小，树脂基材的上表面及下表面越接近平行，并且越能够判断为树脂基材的厚度的精度高。
即，通过使该树脂基材的平行度P为5μm以下，能够鲜明地显示出经由使用了该树脂基材的导光板的图像。该平行度P优选为4μm以下、更优选为3μm以下、进一步优选为1.2μm以下、特别优选为1.0μm以下、最优选为0.8μm以下。
另一方面，出于能够抑制树脂基材因处理时的变形或异物的附着等所致的平行度P的恶化而引起的导光板品质的降低或不均的原因，该树脂基材的平行度P优选为0.2μm以上。
本发明的导光板中，吸湿率优选为0.01～1.0％的范围。更优选为0.02～0.9％的范围、进一步优选为0.03～0.8％的范围。
另外，本发明的导光板中，吸湿所致的尺寸变化率优选为1.0％以下。更优选为0.01～1.0％的范围、进一步优选为0.02～0.9％的范围、特别优选为0.03～0.8％的范围。
通过使该吸湿所致的尺寸变化率为1.0％以下，本发明的导光板的尺寸精度更为优异，具有能够抑制导光板的图像显示特性的经时变动的倾向。该尺寸变化率进一步优选为0.9％以下、特别优选为0.8％以下。
另外，通过使吸湿所致的尺寸变化率为0.01％以上，无需对本发明的导光板进行过度加工，因此能够提高其生产率。该尺寸变化率进一步优选为0.02％以上、特别优选为0.03％以上。
本发明的导光板(其也为透光性的树脂材料)的吸湿率是如下求出的值：依据JISK 7209:2000，将试验片浸渍在23℃的蒸馏水中，计算并求出吸水所致的每24小时的重量增加率，所得到的值为该吸湿率。
另外，本发明的导光板(其也为透光性的树脂材料)的吸湿所致的尺寸变化率是如下得到的值：依据JIS K 7209:2000，将试验片浸渍在23℃的蒸馏水中，将吸水所致的每24小时的重量增加率除以树脂材料的比重，由此进行计算，所得到的值为该尺寸变化率。
此外，本发明的导光板中，依据JIS K 6718-1:2015的附录A测定的热收缩率优选为3％以下。由此，使用该导光板形成的AR或MR等利用了全息图的显示图像的鲜明性倾向于良好。该热收缩率更优选为2.5％以下、进一步优选为2.0％以下。
本发明的图像显示用导光板中，上述树脂基材的表面的算术平均粗糙度Ra优选为10nm以下。由此，使用该导光板形成的显示图像的鲜明性具有更为良好的倾向。该算术平均粗糙度Ra更优选为8nm以下、进一步优选为5nm以下。
另外，本发明的图像显示用导光板中，上述树脂基材的表面的算术平均粗糙度Ra优选为0.1nm以上。由此具有能够抑制树脂基材因处理时的变形或异物的附着等所致的平行度P的恶化而引起的导光板品质的降低或不均的倾向。该算术平均粗糙度Ra更优选为0.5nm以上、进一步优选为1nm以上。
本发明的图像显示用导光板中，上述树脂基材的折射率优选为1.20以上。由此具有作为图像显示用导光板使用时的可见性良好的倾向。该折射率更优选为1.30以上、进一步优选为1.40以上。另外，从能够扩大可视角的方面出发，上述树脂基材的折射率优选为1.48以上。更优选为1.49以上。
该树脂基材的折射率是使用Abbe折射计基于JIS K7142在23℃下利用589nm的D线进行测定而得到的值。
另外，本发明的图像显示用导光板中，上述树脂基材的折射率优选为2.00以下。由此，不会使树脂基材变得极薄，能够以容易加工为图像显示用导光板的厚度进行处理。该折射率更优选为1.90以下、进一步优选为1.80以下。
本发明的图像显示用导光板中，作为能够用于上述树脂基材的材料，可以使用透光性的树脂材料，例如可以举出聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚醚砜、聚酰亚胺、尼龙、聚苯乙烯、聚乙烯醇、乙烯乙烯醇共聚物、氟树脂膜、聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、环状聚烯烃、纤维素、乙酰纤维素、聚偏二氯乙烯、芳族聚酰胺、聚苯硫醚、聚氨酯、聚碳酸酯、聚(甲基)丙烯酸类树脂、酚树脂、环氧树脂、聚芳酯、聚降冰片烯、苯乙烯-异丁烯-苯乙烯嵌段共聚物(SIBS)、烯丙基二甘醇碳酸酯等有机材料。优选包含选自由聚(甲基)丙烯酸类树脂、环氧树脂、环状聚烯烃以及聚碳酸酯组成的组中的至少一种树脂。
这些树脂材料可以通过利用公知的方法将聚合性材料进行聚合而得到。聚合性材料优选包括单体、聚合引发剂、乳化剂等。作为单体，例如在聚(甲基)丙烯酸类树脂的情况下可以举出(甲基)丙烯酸酯，可以举出脂肪族甲基丙烯酸酯(例如甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸丁酯)、脂环族甲基丙烯酸酯(例如甲基丙烯酸环己酯)、芳香族甲基丙烯酸酯(例如甲基丙烯酸苯酯)等。作为聚合引发剂，可以举出偶氮聚合引发剂、有机过氧化物等。作为偶氮聚合引发剂，可以举出2,2’-偶氮二-(2,4-二甲基戊腈)等。作为有机过氧化物，可以举出叔己基过氧化新戊酸酯等。作为乳化剂，可以举出二辛基磺基琥珀酸钠等。
从上述树脂基材的透明性的方面出发，优选使用聚碳酸酯或聚(甲基)丙烯酸类树脂，从上述树脂基材的耐化学药品性以及加工性等的耐处理性的方面出发，优选使用聚(甲基)丙烯酸类树脂、环氧树脂或环状聚烯烃，其中出于能够兼顾透明性和耐处理性的原因，更优选聚(甲基)丙烯酸类树脂。
在本发明的导光板中采用全息层的情况下，也可以在上述树脂基材与该全息层之间导入阻隔层。通过导入阻隔层，能够抑制全息层的劣化、维持鲜明的图像。另外，本发明的导光板中，也可以在上述树脂基材中导入硬涂层。通过导入硬涂层，能够抑制上述树脂基材的表面的划伤、维持鲜明的图像。可以使用这些阻隔层、硬涂层中的任一者或两者。图2中示出了具有阻隔层以及硬涂层的导光板的截面图。图2中，在树脂基材1与全息层2之间具备阻隔层3，在树脂基材1的与阻隔层3侧的面相反一侧的面上具备硬涂层4。
作为阻隔层的材料，例如可以举出硅氧化物、硅氮氧化物、DLC、铝氧化物和玻璃，也可以为氧化锌、氧化锑、氧化铟、氧化铈、氧化钙、氧化镉、氧化银、氧化金、氧化铬、氧化硅、氧化钴、氧化锆、氧化锡、氧化钛、氧化铁、氧化铜、氧化镍、氧化铂、氧化钯、氧化铋、氧化镁、氧化锰、氧化钼、氧化钒或氧化钡等氧化物。
该阻隔层的层厚优选为10～300nm的范围，可以通过真空蒸镀法、溅射法、离子镀法或者等离子体CVD法等方法来形成。
另外，作为硬涂层的材料，例如可以举出包含通过活性能量射线的照射而形成固化物的聚合性单体或聚合性低聚物等的硬涂剂。作为上述聚合性单体，例如可以举出在分子中具有自由基聚合性不饱和基团的(甲基)丙烯酸酯单体。作为上述聚合性低聚物，可以举出在分子中具有自由基聚合性不饱和基团的(甲基)丙烯酸酯低聚物。
该硬涂层优选铅笔硬度(JIS K 5600-5-4:1999)为H以上、层厚为1～50μm的范围。
另外，该硬涂层例如可以通过利用流延法、辊涂法、棒涂法、喷雾涂布法、气刀涂布法、浸渍法等涂布法将上述那样的硬涂剂直接涂布在树脂基材上并对所得到的涂布膜进行光照射而形成。
在如上述那样在树脂基材的表面导入阻隔层、硬涂层的情况下，导光板也优选每50×100mm2的平行度P为5μm以下。
具有上述平行度P且厚度精度优异的树脂基材可以使用例如浇注方式来制造。另外，也可以通过对树脂基材进行切削加工、研磨加工、模压成型之类的后加工来制造。
上述切削加工、研磨加工、模压成型之类的后加工也可以适应于导入有阻隔层、硬涂层的树脂基材。
作为上述浇注方式，可以使用玻璃浇注方式。在上述玻璃浇注方式中，使上述树脂基材的原料流入到表面平滑的玻璃板之间，之后进行聚合工序，由此使上述树脂的原料固化。在通过上述玻璃浇注方式制造上述树脂基材的情况下，将玻璃浇注方式中使用的玻璃(以下有时称为“浇注用玻璃”)的表面形状转印至上述树脂基材。
上述浇注用玻璃的内部应变越小，越具有上述树脂基材的平行度P提高的倾向。例如，作为上述浇注用玻璃，与强化玻璃相比，优选非强化玻璃。但是，即使为强化玻璃，若为应变小于风冷强化玻璃的化学强化玻璃，则具有上述树脂基材的平行度P进一步提高的倾向。
上述浇注用玻璃的厚度越厚，上述浇注用玻璃的刚性越提高、越可抑制上述树脂基材制造时的玻璃的变形，因此能够提高上述树脂基材的平行度P。
上述浇注用玻璃越不容易变形，上述浇注用玻璃的刚性越提高、越可抑制上述树脂基材制造时的玻璃的变形，因此能够提高上述树脂基材的平行度P。例如与非强化玻璃相比，更优选使用合成石英玻璃。
在上述浇注方式中的聚合工序中，固化速度越低，上述浇注的表面形状越容易转印至上述树脂基材，因此能够提高上述树脂基材的平面性和平滑性。
作为降低上述固化速度的手段，例如可以使用降低聚合引发剂的量、或者降低聚合温度等手段。
上述浇注中可以使用剥离剂，但其用量越少越优选。由此，上述浇注的表面形状更容易转印至上述树脂基材，能够提高上述树脂基材的平面性和平滑性。
上述浇注方式中的聚合工序中，通过使基材形成用的单体预聚合，能够提高上述树脂基材的平面性和平滑性。
上述浇注方式中的聚合工序中，通过使用将基材形成用聚合物溶解于基材形成用单体中而成的原料来进行浇注聚合，固化收缩减小，上述浇注的表面形状容易转印至上述树脂基材，因此能够提高上述树脂基材的平面性和平滑性。
上述浇注方式中，可以将上述各技术组合使用2种以上。这种情况下，通过各技术的协同效应，能够进一步提高上述树脂基材的平行度P。
对于上述树脂基材的切削加工、研磨加工、模压成型等后加工可以适宜地选择公知技术等来实施。
上述树脂基材的厚度没有特别限定，该树脂基材的厚度优选为0.05～2mm。
树脂基材的厚度为0.05mm以上时，容易保持为稳定的形状，具有能够将平行度P的测定误差抑制得很小的倾向，是优选的。该厚度更优选为0.1mm以上、进一步优选为0.5mm以上。
另外，树脂基材的厚度为2mm以下时，具有能够降低图像显示用导光板的质量而实现轻量化、并且能够降低因树脂基材的吸水所引起的变形或残留应变的倾向，是优选的。该厚度更优选为1.5mm以下、进一步优选为1mm以下。
树脂基材的厚度为如下得到的值：在23℃利用千分尺测定4个位置的厚度，计算出它们的平均值，所得到的值为该树脂基材的厚度。
树脂基材的厚度公差优选为±0mm以上0.2mm以下、优选为±0.001mm以上0.2mm以下。
本发明的导光板中，也可以在透光性的树脂基材的至少一个表面赋予衍射光学图案，由此，作为图像显示用导光板，能够适当地用于AR显示器等。
例如，通过将在模具上进行了光学设计的衍射光学图案转印赋型至树脂基材表面的图像光入射面及图像光射出面，能够得到形成了浮雕型衍射元件的导光板。
该衍射光学图案没有特别限定，但是衍射光学图案的最大高度优选为0.15μm以下。由此可降低由衍射光学图案带来的对上述平行度P的影响，具有能够显示出鲜明的图像的倾向。该最大高度更优选为0.14μm以下、进一步优选为0.13μm以下。
在如上述那样在树脂基材的表面赋予衍射光学图案的情况下，导光板也优选每50×100mm2的平行度P为5μm以下。
以下适宜地参照附图对具有浮雕型衍射元件的AR显示器用的导光板的一例进行说明。
图1是示出本发明的导光板的一例的要部截面图。图1所示的导光板20在树脂基材30c的表面200的图像光入射面20a和图像光射出面20b具有通过将在模具上进行了光学设计的衍射光学图案进行转印赋形而形成的浮雕型衍射元件(入射光侧浮雕型衍射元件30a、射出光侧浮雕型衍射元件30b)。
图3是从图1所示的箭头A观察导光板20的俯视图。
图1和图3所示的导光板20的整体外观由作为沿图中YZ面平行延伸的平板状构件的树脂基材30c形成。该导光板20是由透光性的树脂材料形成的板状构件，具有与图像形成部10对置地配置的表面200、作为表面200的背侧的第1板面201、作为背面203的背侧且与第1板面201对置的第2板面202，图像光通过形成于表面200的图像光入射面20a而入射，借助第1板面201和第2板面202向图像光射出面20b导光。
图1所示的图像形成部10具有图像显示装置11、以及投射光学系统12。图像显示装置11例如为液晶显示设备，由光源产生包含红、绿、蓝三色的光，使来自光源的光扩散而形成矩形截面的光束，朝向投射光学系统12射出。另一方面，投射光学系统12例如为将从图像显示装置11上的各点射出的图像光转换成平行状态的光束并入射到导光板20的准直镜。
树脂基材30c导光板20在与YZ面平行的表面200上具有导入来自图像形成部10的图像光的作为光入射部的图像光入射面20a、以及将图像光朝向观察者的眼EY射出的图像光射出面20b。在图像光入射面20a上通过将在模具上进行了光学设计的衍射光学图案进行转印赋型而形成入射光侧浮雕型衍射元件30a，在图像光射出面20b上使从图像光射出面20b朝向外部射出的图像光发生衍射而透过，通过将在模具上进行了光学设计的衍射光学图案进行转印赋型而形成作为虚像光而投射在观察者的眼EY中的射出光侧浮雕型衍射元件30b。
图1中，作为一例，入射光侧浮雕型衍射元件30a和射出光侧浮雕型衍射元件30b的光栅周期相同。但是，入射光侧浮雕型衍射元件30a与射出光侧浮雕型衍射元件30b的光栅周期也可以不同。
树脂基材30c导光板20具有相互对置且相对于YZ面平行地延伸的第1板面201和第2板面202，使由入射光侧浮雕型衍射元件30a衍射的图像光在树脂基材30c导光板20内发生全反射，并将由入射光侧浮雕型衍射元件30a衍射的图像光导光至观察者的眼前。换言之，从图像形成部10射出的光L1入射至图像光入射面20a并被入射光侧浮雕型衍射元件30a衍射(光L2)，光L2入射至第2板面202并被全反射(光L3)，接下来，光L3入射至第1板面201并被全反射。以下通过重复该操作，图像光被导向树脂基材30c导光板20的图像光射出面20b。导向图像光射出面20b的图像光被射出光侧浮雕型衍射元件30b衍射后，朝向观察者的眼EY射出(光L4)。
需要说明的是，也可以不对第1板面201和第2板面202实施反射涂覆，而使从外界侧相对于第1板面201和第2板面202入射的外界光以高透射率通过树脂基材30c导光板20。由此，能够使导光板20为可进行外界图像的透视的穿透式。
导光板20是由透光性树脂材料形成的可见性优异的AR显示器用导光板。
图像光入射面20a的衍射光学图案的线宽(LIN)优选为100～300nm、更优选为120～280nm、进一步优选为140～260nm。
图像光入射面20a的衍射光学图案的高度(HIN)优选为30～150nm、更优选为40～140nm、进一步优选为50～130nm。
图像光入射面20a的衍射光学图案的高度(HIN)与线宽(LIN)之比的值(高度(HIN)/线宽(LIN))优选为0.1～1.5、更优选为0.14～1.17、进一步优选为0.19～0.93。
图像光入射面20a的衍射光栅图案的线宽(LIN)、高度(HIN)以及高度(HIN)/线宽(LIN)为上述范围内时，由图像形成部射出的图像光通过图像入射面后的衍射角为规定的范围内，衍射光以全反射在导光板内进行传播，能够到达图像光射出面。
图像光入射面20a的衍射光栅图案的线宽(LIN)和高度(HIN)为使用原子力显微镜(Nano-R、Pacific Nanotechnology公司制造)进行测定而得到的值。
图像光入射面20a的衍射光栅图案的高度(HIN)与线宽(LIN)之比的值(HIN/LIN)为由通过上述方法测定的高度(HIN)和线宽(LIN)进行计算而求出的值。
图像光射出面20b的衍射光学图案的线宽(LOUT)优选为50～250nm、更优选为70～230nm、进一步优选为90～210nm。
图像光射出面20b的衍射光学图案的高度(HOUT)优选为30～150nm、更优选为40～140nm、进一步优选为50～130nm。
图像光射出面20b的衍射光学图案的高度与线宽之比的值(高度(HOUT)/线宽(LOUT))优选为0.12～3.0、更优选为0.28～2.00、进一步优选为0.24～1.44。
图像光射出面20b的衍射光栅图案的线宽(LOUT)、高度(HOUT)以及高度(HOUT)/线宽(LOUT)为上述范围内时，在导光板内传播来的图像光通过射出面后，衍射角处于规定的范围内，不会发生图像的模糊或重影，能够使可见性优异的图像到达观察者。
图像光射出面20b的衍射光栅图案的线宽(LOUT)、高度(HOUT)以及高度(HOUT)/线宽(LOUT)分别为与图像光入射面20a的衍射光栅图案的线宽(LIN)、高度(HIN)以及高度(HIN)/线宽(LIN)同样地求出的值。
导光板20的平面度优选为0.5～500μm、更优选为0.6～450μm、进一步优选为0.7～400μm。
导光板20的平面度为上述范围内时，本发明的导光板的尺寸精度更为优异。
导光板20的平面度为如下得到的值：将导光板20的背面203朝下置于花岗岩定盘上，在定盘与导光板20的间隙中插入测厚仪进行测定，所得到的值为该平面度。
关于导光板20的平行度P，如上所述，优选为5μm以下。更优选为3μm以下、进一步优选为1.2μm以下、特别优选为1.0μm以下、最优选为0.8μm以下。
上述透光性的树脂材料的玻璃化转变温度(Tg)优选为50～200℃、更优选为60～190℃、进一步优选为70～180℃。
上述透光性树脂材料的玻璃化转变温度(Tg)为上述范围内时，本发明的导光板的尺寸精度更为优异。
上述透光性的树脂材料的玻璃化转变温度(Tg)为使用差示扫描量热计(DiamondDSC、Perkin Elmer Japan公司制造)通过差示扫描量热测定进行测定而得到的值。
上述透光性的树脂材料的却贝冲击强度优选为0.5～15kJ/m2、更优选为0.8～14.5kJ/m2、进一步优选为1.0～14.0kJ/m2。
上述透光性的树脂材料的却贝冲击强度为上述范围内时，本发明的导光板的安全性更为优异。
上述透光性树脂材料的却贝冲击强度是如下得到的值：使用万能冲击试验机(安田精机制作所公司制造)，基于JIS K 7111:2012对试验片赋予缺口，使摆锤与试验片碰撞，测定此时的冲击强度，所得到的值为该却贝冲击强度。
上述透光性的树脂材料的比重优选为1.0～1.5g/cm3、更优选为1.05～1.45g/cm3、进一步优选为1.1～1.4g/cm3。
上述透光性的树脂材料的比重为上述范围内时，本发明的导光板的轻质性更为优异。
上述透光性的树脂材料的比重为依据JIS K 7112:1999将试验片投入到密度梯度管中时，试验片悬浮的刻度的读取值。
上述透光性的树脂材料的光线透射率优选为85％以上、更优选为86％以上、进一步优选为87％以上。
上述透光性的树脂材料的黄色度(YI)优选为5以下、更优选为4以下、进一步优选为3以下。
上述透光性的树脂材料的黄变度(ΔYI)优选为5以下、更优选为4以下、进一步优选为3以下。
上述透光性的树脂材料的光线透射率、黄色度(YI)以及黄变度(ΔYI)为上述范围内时，本发明的导光板的透明性、可见性更为优异。
上述透光性的树脂材料的折射率优选为1.2～2.0、更优选为1.3～1.9、进一步优选为1.4～1.8。
上述透光性的树脂材料的折射率为上述范围内时，本发明的导光板的可见性更为优异。
上述透光性的树脂材料的折射率是使用Abbe折射计基于JIS K7142在23℃利用589nm的D线进行测定而得到的值。
导光板20的延迟优选为1～200nm、更优选为3～150nm、进一步优选为4～100nm。
导光板20的延迟为上述范围内时，本发明的导光板的可见性更为优异。
导光板20的厚度(d)为如下得到的值：在23℃利用千分尺测定4个位置的厚度，计算出它们的平均值，所得到的值为该厚度(d)。
导光板的厚度公差优选为±0mm以上0.2mm以下、优选为±0.001mm以上0.2mm以下。
本发明的导光板例如也可以如下进行制造：准备具备入射光侧浮雕型衍射元件形成用的衍射图案(图4)以及射出光侧浮雕型衍射元件形成用的衍射图案(图5)的注塑成型用模具，使用上述透光性的树脂材料进行注塑成型，由此来制造该导光板。
具体地说，可以举出下述(1)～(3)的制造方法：
(1)包括下述工序的导光板的制造方法：将聚合性原料注入到聚合池(重合セル)中(注入工序)、使聚合性原料固化(固化工序)、以及从聚合池中剥离出树脂基材(剥离工序)；
(2)包括对树脂板进行切削加工及研磨加工(切削研磨工序)的导光板的制造方法；以及
(3)包括使用注塑成型用模具将构成树脂基材的树脂材料进行注塑成型(注塑成型工序)的导光板的制造方法。
上述(1)的制造方法的注入工序中，作为聚合池，优选使用空间部的厚度为0.05mm以上4.0mm以下、空间部的厚度公差为±0.0001mm以上±0.2mm以下的聚合池，更优选使用空间部的厚度为0.1mm以上3.8mm以下、厚度公差为±0.0001mm以上±0.01mm以下的聚合池。
在固化工序中，聚合性原料可以通过热聚合、光聚合等进行固化。在热聚合的情况下，优选在30℃以上150℃以下进行5分钟以上120分钟以下的聚合，更优选在50℃以上130℃以下进行10分钟以上60分钟以下的聚合。在光聚合的情况下，优选使200nm以上500nm以下的波长的光以照射强度为10mWcm-2以上1000mWcm-2以下、照射时间为1秒以上100秒以下来进行聚合，更优选使200nm以上500nm以下的波长的光以照射强度为50mWcm-2以上500mWcm-2以下、照射时间为2秒以上20秒以下进行聚合。
在剥离工序中，优选在固化工序后将聚合池冷却到室温之后进行剥离。
在上述(2)的制造方法的切削研磨工序中，所使用的树脂板可以为市售品，其中优选连续浇注丙烯酸类树脂板。作为进行切削的方法，优选NC加工、磨石加工、研磨加工等。作为进行研磨的方法，优选抛光研磨、化学研磨、电解研磨、化学机械研磨(CMP研磨)等。其中，化学机械研磨(CMP研磨)具有能够在更短的时间内降低树脂基材的平行度P、表面粗糙度的倾向，特别优选。
该化学机械研磨为通过研磨材料(磨料粒)所具有的表面化学作用、或包含该研磨材料的浆料液中的化学成分的作用，而增大由研磨材料与研磨对象物的相对运动带来的机械研磨(表面去除)效果的研磨方法。
作为化学机械研磨，例如可以采用下述工序：在贴附有研磨垫的上下定盘之间，以一定的压力夹持安装有树脂板的载体，在按照将上述上下定盘保持在40℃以下的方式进行温度控制的状态下，一边使上述载体自转和公转，一边将包含研磨材料的浆料液送液到上述上下定盘与上述载体之间，同时使上下定盘以一定速度旋转。
该化学机械研磨的条件可以适宜地选择可得到具有上述平行度P的树脂基材的条件，没有特别限定。另外，研磨垫、浆料液也可以适宜地选择公知物来使用。
在上述(3)的制造方法的注塑成型工序中，为了提高在模具上进行了光学设计的衍射光学图案的转印性，优选相对于注塑成型材料的标准成型条件，料筒温度更高、注塑速度更快、模具温度更高来进行该工序。另外，为了减小平行度P，优选使模具温度分布均匀。此外更优选进行注射压缩成型。
实施例
以下通过实施例更具体地说明本发明。但是，本发明并不限于后述的实施例，只要不改变本发明的主旨，即可进行各种变更。
[实施方式的实施例和比较例(实施例1～4、比较例1～2)]
以下对实施方式的实施例和比较例进行说明。
下表1中示出了实施例1～4和比较例1～2中使用的树脂基材的构成及评价结果。
Figure BDA0003834128560000171
高精度石英…厚度10mm、板厚公差±0.001mm
常规玻璃…厚度6mm、板厚公差±0.3mm
Acrylite L是三菱化学公司在日本的注册商标。
<实施例>
以下的实施例是对应于图像显示用导光板的制造的实施例。
如表1所示，作为树脂基材的材料，使用丙烯酸类树脂(PMMA、折射率1.49)和光固化性树脂(OGSOL EA-F5710、OSAKA GAS CHEMICALS CO.,LTD.制造、折射率1.62)。树脂基材的板厚为1mm或1.5mm。
(实施例1)
如下制造实施例1的树脂基材。
在具备冷却管、温度计和搅拌机的反应器(聚合釜)中投入MMA(甲基丙烯酸甲酯)100份，进行搅拌。用氮气鼓泡后，开始进行加热。在内温达到80℃的时刻添加作为自由基聚合引发剂的2,2’-偶氮二-(2,4-二甲基戊腈)0.05份。进一步加热至内温100℃后，保持10分钟。其后将反应器冷却到室温，得到作为MMA部分聚合而成的粘性混合物的浆液。浆液的聚合率为约20质量％。
之后向浆液100份中添加叔己基过氧化新戊酸酯0.2份、二辛基磺基琥珀酸钠0.01份，在室温下完全溶解，形成聚合性原料。
在减压下除去聚合性原料中的溶解空气后，将原料注入到经镜面精加工的厚度10mm、厚度公差±0.001mm的合成石英玻璃制造的一对聚合池中。
将注入有聚合性原料的聚合池在80℃的温水浴中保持60分钟后取出，在130℃的烘箱中加热30分钟，使浆液完全固化。将聚合池冷却至室温后，剥离石英玻璃，得到树脂基材。
(实施例2)
关于实施例2的树脂基材的制造条件，将注入有聚合性原料的聚合池在80℃的温水浴保持30分钟，除此以外与实施例1相同。
(实施例3)
如表1所示，实施例3中，使用将与比较例2相同的厚度1.5mm的连续浇注丙烯酸类树脂板(聚甲基丙烯酸甲酯)Acrylite L(注册商标)通过化学机械研磨而加工成厚度1mm的树脂板。
(实施例4)
相对于具有来自丙烯酸间苯氧基苄酯的结构单元以及芴结构的光固化性树脂OGSOL EA-F5710(OSAKA GAS CHEMICALS CO.,LTD.制造)100份，添加分别为1份、0.1份的作为光聚合引发剂的Omnirad184和Omnirad.TPO，制作聚合性原料。接下来，向一对石英玻璃聚合池中注入上述聚合性原料，利用高压汞灯在50mW/cm2的照度下以1000mJ/cm2的曝光量进行光聚合，由此得到厚度2.0mm的树脂基材。进一步将该树脂基材通过化学机械研磨加工成厚度1mm。
(比较例1)
如表1所示，比较例1中，聚合池使用厚度6mm、厚度公差±0.3mm的强化玻璃，除此以外与实施例1相同。
(比较例2)
如表1所示，比较例2中的树脂基材使用厚度1.5mm的连续浇注丙烯酸类树脂板Acrylite L(注册商标、三菱化学公司制造)。
<评价方法>
接着对实施例1～4和比较例1～2的评价方法进行说明。
(平行度P)
树脂基材的平行度P如下计算出：使用菲索型激光干涉仪(产品名：激光干涉仪G102、Fujifilm公司制造)，计算出使用光源波长632.8nm的He-Ne激光测定的干涉条纹数与每一干涉条纹的厚度的变化量Δd的积，将其作为该平行度P。
关于一条干涉条纹的厚度的变化量Δd，为设树脂基材的折射率为n、激光波长为λ并通过下式(1)计算出的值，例如，树脂基材为丙烯酸类树脂(聚甲基丙烯酸甲酯、n＝1.49)的情况下，Δd为0.212μm。
[数2]
Figure BDA0003834128560000191
作为该平行度P的测定样品，使用宽度50mm、长度100mm、厚度1.0mm或1.5mm的平板状树脂板。
将通过测定得到的干涉图案利用电感耦合元件(CCD)照相机记录并以数字方式保存。接下来由测定面的每50×100mm2面积的干涉条纹数与Δd之积计算出平行度P。关于干涉条纹数，由利用上述激光干涉仪测定的干涉图像在从成型品中央部起到成型品的上下左右的端部为止的4个方向计数出干涉条纹数，将平均值作为干涉条纹数。
(吸湿所致的尺寸变化率)
依据JIS K 7209:2000，将试验片浸渍在23℃的蒸馏水中，将吸水所致的每24小时的重量增加率除以树脂材料的比重，由此计算出该吸湿所致的尺寸变化率。
(热收缩率)
依据JIS K 6718:2015的附录A“加热时的尺寸变化(收缩)的测定”对尺寸变化(收缩)进行测定而计算出。
(Ra)
在Ra的评价中，对各评价样品的表面的算术平均粗糙度Ra进行测定。作为测定装置，使用白色干涉型表面形状测定机Zygo NewView(注册商标)6300(商品名；ZygoCorporation公司制造)。设物镜的倍率为2.5倍。设观察范围为2.8mm×2.1mm的矩形范围。
(光线透射率)
利用HAZE METER NDH-5000(日本电色工业制造)测定全光线透射率。所得到的全光线透射率越高，表示透明性越优异。
(黄变度ΔYI)
利用S&M Color Computer SM-T型(SUGA TEST INSTRUMENTS公司制造)测定黄变度ΔYI。所得到的黄变度ΔYI值越低，表示透明性越优异。
(延迟)
对于在23℃且相对湿度55％的条件下静置了2小时以上的样品，使用双折射测定装置KOBRA-WR(王子计测器公司制造)测定波长550nm下的延迟值。所得到的延迟值越低则双折射越低，后述的显示图像的鲜明性越优异。
(显示图像的鲜明性)
将实施例1～4和比较例1～2的图像显示用导光板安装于图像显示装置中。在图像显示装置中设有将进行显示的图像光入射到图像显示用导光板的入射部的光学系统、驱动电源、以及供给用于得到图像光的图像信息等的电路系统。
作为评价中使用的输入图像，使用白色图像和文字显示图像。
通过目视判定白色图像和文字显示图像的视觉效果来进行评价。作为文字图像，显示出尺寸10mm×100mm以内的“ABCDE”。
在白色图像中未观察到彩虹色、在文字显示图像中观察到文字非常清楚的情况下，判定为特别良好(very good、表1中记载为“S”)。
在白色图像中未观察到彩虹色、在文字显示图像中观察到文字清楚的情况下，判定为特别良好(good、表1中记载为“A”)。
在白色图像中稍微观察到彩虹色、但在文字显示图像中观察到文字清楚的情况下，判定为合格(fair、表1中记载为“B”)。
在白色图像中在至少一部分观察到彩虹色、并且在文字显示图像中观察到文字的轮廓模糊的情况下，判定为不合格(no good、表1中记载为“C”)。
<评价结果>
如表1所示，实施例1～4的平行度P分别为3.7μm、4.9μm、0.5μm、0.8μm。与实施例1相比，实施例2的平行度P降低。其理由可以认为是由于，实施例2中，聚合池的保持时间比实施例1中短，因此未聚合的浆液大量残留，在接下来的烘箱中迅速聚合，由此使表面的反应均匀性降低。实施例1～4的平行度P均小于5μm，显示图像的鲜明性优异。与之相对，比较例1～2的平行度P均大于30μm，显示图像的鲜明性差。
关于其理由，可以认为是由于各实施例的树脂基材是通过浇注法或者研磨而制造的。在浇注法中，例如聚合池使用的石英玻璃的表面形状被转印至各实施例的树脂基材的原料的表面。此时，树脂基材的表面的平面性与石英玻璃的平面性等同，由此树脂基材得到了良好的厚度精度。另外，通过研磨，树脂基材得到了极高的厚度精度。
与之相对，可知比较例1～2中，由于转印了强化玻璃或制造时的铸模的表面形状，因此得不到充分的平行度P。
实施例1～4的算术平均粗糙度Ra分别为3.2nm、2.3nm、1.7nm、2.0nm，均小于10nm。与之相对，比较例1～2的Ra分别为1.2nm、4.9nm，均小于10nm。因此，关于由Ra表示的平滑性，实施例1～4与比较例1～2相比没有显著差异。
以上对本发明的优选实施方式以及实施例进行了说明，但本发明并不限定于这些实施方式以及实施例。在不脱离本发明主旨的范围内可以进行结构的添加、省略、置换以及其他变更。
另外，本发明并不限定于上述的说明，而仅由所付的权利要求书进行限定。
工业实用性
本发明的树脂制造的导光板能够显示出鲜明的图像，在例如AR或MR中使用的可穿戴显示器或头戴式显示器等显示装置用途中有用。
符号的说明
1…树脂基材、2…全息层、3…阻隔层、4…硬涂层、10…图像形成部、11…图像显示装置、12…投射光学系统、20…导光板、20a…图像光入射面、20b…图像光射出面、30a…入射光侧浮雕型衍射元件、30b…射出光侧浮雕型衍射元件、30c…树脂基材、200…表面、201…第1板面、202…第2板面、203…背面、EY…观察者的眼、L1,L2,L3,L4…光

Claims (11)

1.一种导光板，其具有每50×100mm2面积的平行度P为5μm以下的树脂基材。
2.如权利要求1所述的导光板，其中，所述导光板依据JIS K7209:2000测定的吸湿所致的尺寸变化率为1.0％以下。
3.如权利要求1或2所述的导光板，其中，所述导光板依据JIS K6718-1附录A测定的热收缩率为3％以下。
4.如权利要求1～3中任一项所述的导光板，其中，所述树脂基材的厚度为0.05mm～2mm。
5.如权利要求1～4中任一项所述的导光板，其中，所述树脂基材的表面的算术平均粗糙度Ra为10nm以下。
6.如权利要求1～5中任一项所述的导光板，其中，所述树脂基材的折射率为1.48以上。
7.如权利要求1～3中任一项所述的导光板，其中，所述树脂基材包含选自由聚(甲基)丙烯酸类树脂、环氧树脂、环状聚烯烃以及聚碳酸酯组成的组中的至少一种树脂。
8.如权利要求1～7中任一项所述的导光板，其中，在所述树脂基材的至少一个表面具有阻隔层或硬涂层。
9.一种AR图像显示用导光板，其具有权利要求1～7中任一项所述的导光板。
10.权利要求1～8中任一项所述的导光板在AR图像显示中的使用。
11.一种AR显示器，其具备权利要求1～8中任一项所述的导光板。
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