JP2007045649A - 光線指向性化ガラス基板及びそれを用いた照明装置 - Google Patents

光線指向性化ガラス基板及びそれを用いた照明装置 Download PDF

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Abstract

【課題】均一な輝度と光線の進行方向の指向性とが十分に確保された、高精度な平面光源を簡便な作製方法により提供する。
【解決手段】アルカリ金属成分をガラス構成成分として含むガラス基板の片面又は両面に、リチウム化合物、ナトリウム化合物、カリウム化合物、ルビジウム化合物、セシウム化合物、銅化合物、銀化合物、タリウム化合物からなる群から選択された少なくとも１種、有機樹脂並びに有機溶剤を含有するペーストを塗布し、ガラス基板の軟化温度より低い温度で熱処理することによって製造される、光線指向性化ガラス基板。

Description

本発明は、光線指向性化ガラス基板及びそれを用いた照明装置に関する。なお、光線指向性化は、光線の進行方向を特定の方向に制御（指向性化）することを意味する。
近年、露光装置、看板、液晶ディスプレイ等のバックライトとして、その他、天井、壁面等のインテリア空間における照明装置として、平面光源（面状光源）が利用されている。
当該平面光源は、平面基板に光線を入射し、その入射光線を平面部（観察面）全体から取り出すことを特徴とする照明装置であり、その用途に鑑みて、取り出される光線には、観察面全体における均一な輝度と進行方向の指向性とが要求される。特に光線を観察面の垂直方向に指向性化して取り出すことは、観察者側に効率的に光線を取り出すことであり、光線利用効率の観点から重要である。
従来、平面光源としては、点又は線状の元光源（元光源は、平面部に入射させる光線を照射する光源を意味する）から照射された光を、拡散板（すりガラス状の平面部）などに入射して、拡散板中で一旦四方に散乱させた後、観察面から取り出す作用を有する装置が利用されている。
しかしながら、単に拡散板を利用して光線を散乱させて観察面から取り出すだけでは、光線は観察面から種々の方向に出射するため、指向性化の要求を満たすには不十分であり、光線利用効率の高い平面光源とはなり得ない。また、多くの場合、元光源の斑（むら）を完全に消失させることは困難である。即ち、観察面において、元光源付近は輝度が高く、元光源から遠い場所では輝度が低いという斑が生じ易い。
上記問題を改善するための方策として、元光源から拡散板に入射した光線を、マイクロレンズアレイを通過させることにより指向性化して取り出すことが提案されている。この技術では、マイクロレンズアレイを通過して取り出された光線はマイクロレンズアレイの垂直方向に指向性化して取り出される。即ち、上記技術では、マイクロレンズアレイは、光線指向性化基板として作用する。また、このようなマイクロレンズアレイを通過させて光線を取り出す場合には、元光源の斑も生じ難い。
例えば、特許文献１〜３には、マイクロレンズアレイを光線指向性化基板として用いた照明装置が開示されている。これらの技術は、元光源から出射された光線を、マイクロレンズアレイを通過させることにより観察面の垂直方向に指向性化して取り出すものである。詳細には、例えば、特許文献３には、平面上に点在する複数の発光素子と該発光素子の出射光に対応させて配置される光学素子とを有し、該光学素子を通過した光が平面に対して略垂直に出射することを特徴とする平面光源が開示されている。特許文献３に記載の平面光源の模式図を図１に示す。図１の１はマイクロレンズアレイを示す。図１の２はＬＥＤ光源（元光源）から照射された光線が、元光源に対応するように配置されたマイクロレンズアレイを通過することにより指向性化されて、基板（アレイ基板）に対して垂直方向に取り出される様子を示している。
従来品の平面光源に用いられるマイクロレンズアレイは、有機ポリマー基板、ガラス基板等に対して、サブミリオーダーの凹面を多数有する金属製鋳型を押圧することによって作製されている。また、熱又は光硬化樹脂をインクジェット印刷等によりごく少量の液滴として基板に塗布後、液滴を硬化させる方法によっても作製されている。さらに、ガラス基板を用いる場合には、リソグラフィーの手法により基板をマスク処理後、硝酸銀等の溶融塩に基板を浸漬し、ガラス中のアルカリ成分と溶融塩中の銀イオン等とをイオン交換し、基板表面近傍に屈折率分布領域を形成することによっても作製されている。
しかしながら、上記作製方法にはいずれも改善の余地がある。即ち、有機ポリマー基板に対してプレス加工を施してマイクロレンズアレイを作製する方法は比較的安価であるが、ポリマー系であるためレンズアレイの精度、安定性及び信頼性が不十分である。例えば、元光源に含まれている紫外線、可視光等の照射によりポリマーの経時的な劣化が生じる上、元光源からの熱による変形の可能性もある。
他方、ガラス基板をプレス成形することにより作製されたマイクロレンズアレイは、高精度及び高信頼性であるが、プレス加工時に高温を必要とするため金属鋳型の劣化が速く、生産性が悪化してコストが高くなる傾向がある。また、溶融塩を用いたイオン交換による作製方法にあっては、下記のような２点の問題がある。
一点目は、イオン交換時における溶融塩の条件制御の問題である。イオン交換速度及びガラス基板中でのイオン拡散速度は、溶融塩の温度に依存する。また、溶融塩の液相温度は溶融塩の混合比（組成）に依存し、イオン交換温度は塩の液相温度以上でしか制御できない。そのため、溶融塩中のイオン濃度とイオン交換温度とを独立に制御することができない場合がある。従って、イオン交換法により所望の屈折率プロファイルを有する屈折率分布型レンズアレイを作製するに際して、溶融塩の組成、温度、浸漬時間等のイオン交換条件の決定は容易ではなく、高度なノウハウを必要とする。更に、空気中で酸化され易いイオンを用いる場合には、イオン交換を還元雰囲気で行うことにも注意する必要がある。
二点目は、イオン交換阻止膜の塗布である。イオン交換を溶融塩で行う際、屈折率分布形成領域以外には、イオン交換阻止膜を塗布する必要がある。一般にイオン交換阻止膜の塗布には、フォトリソグラフィーの技術が利用されるが、このような阻止膜の形成工程は複雑である。
特開２００４−１１１１７０号公報 特開２００４−２２７８３５号公報 特開２００２−４９３２６号公報
本発明は、均一な輝度と光線の進行方向の指向性（以下「光線の指向性」とも言う）とが十分に確保確保された、高精度な平面光源を簡便な作製方法により提供することを主な目的とする。
本発明者は、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、アルカリ金属成分をガラス構成成分として含むガラス基板に、リチウム化合物、ナトリウム化合物、カリウム化合物、ルビジウム化合物、セシウム化合物、銅化合物、銀化合物、タリウム化合物からなる群から選択された少なくとも１種を含む特定のペーストを塗布し、当該塗布部分を介してガラス基板中にＬｉ＋イオン、Ｎａ＋イオン、Ｋ＋イオン、Ｒｂ＋イオン、Ｃｓ＋イオン、Ｃｕ＋イオン、Ａｇ＋イオン、Ｔｌ＋イオン等を拡散させてガラス基板中に基板とは屈折率の異なる領域（以下「屈折率変調領域」とも言う）を形成することにより製造される材料を、光線指向性化ガラス基板として用いる場合には、上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。
即ち、本発明は、下記の光線指向性化ガラス基板及びそれを用いた照明装置に係る。
１．アルカリ金属成分をガラス構成成分として含むガラス基板の片面又は両面に、リチウム化合物、ナトリウム化合物、カリウム化合物、ルビジウム化合物、セシウム化合物、銅化合物、銀化合物、タリウム化合物からなる群から選択された少なくとも１種、有機樹脂並びに有機溶剤を含有するペーストを塗布し、ガラス基板の軟化温度より低い温度で熱処理することによって製造される、光線指向性化ガラス基板。
２．ペーストを円形又は線形に塗布する、上記項１に記載の光線指向性化ガラス基板。
３．ペーストを円形に複数塗布し、且つ、隣接する円の中心どうしの間隔が１００μｍ以下となるように塗布する、上記項１に記載の光線指向性化ガラス基板。
４．ペーストを線形に複数塗布し、且つ、隣接する線の中心軸どうしの間隔が１００μｍ以下となるように線どうしを平行に塗布する、上記項１に記載の光線指向性化ガラス基板。
５．ペーストをスクリーン印刷又はインクジェット印刷により塗布する、上記項１〜４のいずれかに記載の光線指向性化ガラス基板。
６．ガラス基板が、アルカリ金属成分を酸化物換算で２重量％以上含むガラスからなり、該ガラスがケイ酸塩ガラス、ホウケイ酸塩ガラス、リン酸塩ガラス又は弗リン酸塩ガラスである、上記項１〜５のいずれかに記載の光線指向性化ガラス基板。
７．１）上記項１〜６のいずれかに記載の光線指向性化ガラス基板と、２）前記基板中に光線を入射する手段と、を有する照明装置。
８．光線を入射する手段が、ＬＥＤ素子、有機ＥＬ素子又は無機ＥＬ素子から照射された光線を入射する手段である、上記項７に記載の照明装置。
９．光線を入射する手段が、ハロゲンランプ、メタルハロゲンランプ、熱陰極管又は冷陰極管から照射された光線を入射する手段である、上記項７に記載の照明装置。

以下、本発明の光線指向性化ガラス基板及びそれを用いた照明装置について詳細に説明する。
光線指向性化ガラス基板
本発明の光線指向性化ガラス基板は、アルカリ金属成分をガラス構成成分として含むガラス基板の片面又は両面に、リチウム化合物、ナトリウム化合物、カリウム化合物、ルビジウム化合物、セシウム化合物、銅化合物、銀化合物、タリウム化合物からなる群から選択された少なくとも１種、有機樹脂並びに有機溶剤を含有するペーストを塗布し、ガラス基板の軟化温度より低い温度で熱処理することによって製造される。
本発明の光線指向性化ガラス基板は、ペーストを塗布・熱処理した部分及びその近傍に基材とは屈折率の異なる屈折率変調領域を有する。かかる屈折率変調領域を有するため、元光源から当該ガラス基板に入射した光線は、ガラス基板中を拡散後、屈折率変調領域を通過することにより、進行方向を基材の垂直方向に指向性化して取り出される。従って、本発明の光線指向性化ガラス基板は、平面光源の構成部材として好適に使用できる。
本発明の光線指向性化ガラス基板を製造するには、ガラス基板として、アルカリ金属成分をガラス構成成分として含むガラス基板を用いることが必要である。
該ガラス基板におけるアルカリ金属成分としては、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ等を例示でき、このうちＬｉ、Ｎａ、Ｋが好ましく、Ｎａが特に好ましい。これらのアルカリ金属成分は、イオンの状態で存在してもよく、酸化物として存在してもよい。また、アルカリ金属成分は、一種のみ存在しても良く、二種以上が同時に存在しても良い。
該ガラス基板におけるアルカリ金属成分の含有量は、酸化物換算で２重量％程度以上が適当であり、５重量％程度以上が好ましく、１０重量％程度以上がより好ましい。アルカリ金属成分の上限は限定的ではないが、酸化物換算で４０重量％程度が適当であり、３０重量％程度が好ましく、２０重量％程度がより好ましい。
本発明では、アルカリ金属成分を含有するガラスであれば特に限定なく使用できる。例えば、ケイ酸塩ガラス、ホウケイ酸塩ガラス、リン酸塩ガラス、弗リン酸塩ガラス等が使用できる。
これらのガラスの具体的な組成については、特に限定はなく、ケイ酸塩ガラス、ホウケイ酸塩ガラス、リン酸塩ガラス、弗リン酸塩ガラス等として公知の組成のガラスであって、上記したアルカリ金属成分を含有するものであればよい。
このようなガラス組成の具体例としては、例えば、酸化物量換算量として下記のものが例示できる。
１）ＳｉＯ２：４０〜８０重量％、好ましくは５０〜７５重量％、ＣａＯ：５〜２５重量％、好ましくは１７〜２０重量％ Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ、Ｌｉ２Ｏ、Ｒｂ２Ｏ及びＣｓ２Ｏから選ばれた少なくとも１種：５〜２５重量％、好ましくは７〜２０重量％、ＭｇＯ、ＢａＯ、ＺｎＯ、ＳｒＯ及びＰｂＯから選ばれた少なくとも１種：２重量％以下、好ましくは１．５重量％以下、Ａｌ２Ｏ３：１５重量％以下、好ましくは１０重量％以下、Ｆｅ２Ｏ３及びＳＯ３の少なくとも１種：３重量％以下、好ましくは１重量％以下を含むケイ酸塩ガラス。
２）ＳｉＯ２：２０〜８０重量％、好ましくは３０〜７５重量％、Ｂ２Ｏ３：５〜５０重量％、好ましくは１〜３０重量％、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ、Ｌｉ２Ｏ、Ｒｂ２Ｏ及びＣｓ２Ｏから選ばれた少なくとも１種：２〜２０重量％、好ましくは５〜１５重量％、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＢａＯ、ＺｎＯ、ＳｒＯ及びＰｂＯから選ばれた少なくとも１種：３０重量％以下、好ましくは２５重量％以下、Ａｌ２Ｏ３、Ｌａ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３、Ｔａ２Ｏ３及びＧｄ２Ｏ３から選ばれた少なくとも１種：１５重量％以下、好ましくは１０重量％以下、Ｎｂ２Ｏ５及びＺｒＯ２から選ばれた少なくとも１種：２重量％以下、好ましくは１重量％以下、Ａｓ２Ｏ３、Ｓｂ２Ｏ３及びＳｎＯから選ばれた少なくとも１種：２重量％以下、好ましくは１重量％以下を含むホウケイ酸塩ガラス。
３）Ｐ２Ｏ５：４０〜８０重量％、好ましくは５０〜７５重量％、ＳｉＯ２：２０重量％以下、好ましくは１０重量％以下、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ、Ｌｉ２Ｏ、Ｒｂ２Ｏ及びＣｓ２Ｏから選ばれた少なくとも１種：２〜２０重量％、好ましくは５〜１５重量％、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＢａＯ、ＺｎＯ、ＳｒＯ及びＰｂＯから選ばれた少なくとも１種：２〜２５０重量％、好ましくは５〜４５重量％、Ｂ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、Ｌａ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３、Ｔａ２Ｏ３、Ｎｄ２Ｏ３及びＧｄ２Ｏ３から選ばれた少なくとも１種：１５重量％以下、好ましくは１０重量％以下、Ｎｂ２Ｏ５及びＺｒＯ２から選ばれた少なくとも１種：２重量％以下、好ましくは１重量％以下を含むリン酸塩ガラス。
４）Ｐ２Ｏ５：２０〜５０重量％、好ましくは３０〜４０重量％、Ａｌ２Ｏ３：５〜３０重量％、好ましくは１０〜２５重量％、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ、Ｌｉ２Ｏ、Ｒｂ２Ｏ及びＣｓ２Ｏから選ばれた少なくとも１種：２〜２０重量％、好ましくは５〜１５重量％、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＢａＯ、ＺｎＯ及びＳｒＯから選ばれた少なくとも１種：１０〜５０重量％、好ましくは２０〜４０重量％を基本組成とし、Ｆ（弗素）が上記Ｏ（酸素）の一部と置換して得られる弗リン酸塩ガラス。
５）ＳｉＯ２：４０〜８２重量％、Ｂ２Ｏ３：１２〜５０重量％、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ、Ｌｉ２Ｏ、Ｒｂ２Ｏ及びＣｓ２Ｏから選ばれた少なくとも１種：２〜２５重量％、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＢａＯ、ＺｎＯ、ＳｒＯ及びＰｂＯから選ばれた少なくとも１種：２５重量％以下（但し、所定の効果を十分に得るためには、下限値は２重量％程度とすることが望ましい）、Ａｌ２Ｏ３、Ｌａ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３、Ｔａ２Ｏ３及びＧｄ２Ｏ３から選ばれた少なくとも１種：２０重量％以下（但し、所定の効果を十分に得るためには、下限値は５重量％程度とすることが望ましい）、Ｎｂ２Ｏ５及びＺｒＯ２から選ばれた少なくとも１種：１０重量％以下（但し、所定の効果を十分に得るためには、下限値は１重量％程度とすることが望ましい）、Ａｓ２Ｏ３、Ｓｂ２Ｏ３及びＳｎＯから選ばれた少なくとも１種：５重量％以下（但し、所定の効果を十分に得るためには、下限値は０．５重量％程度とすることが望ましい）、並びにＣｌ、Ｂｒ及びＩから選ばれた少なくとも１種：０．０５〜１０重量％を含むホウケイ酸塩ガラス基板。
前記ガラス基板の中でも、特に５）のガラス基板に対して、銅化合物を含むペーストを塗布してＣｕ＋イオンを拡散させる場合には、光線指向性化ガラス基板に紫外線除去能を付与できる点で好ましい。これは、拡散した銅イオンがガラス基板に含まれるＣｌ、Ｂｒ及びＩから選ばれた少なくとも１種のハロゲン原子と反応してハロゲン化銅となり、このハロゲン化銅が拡散することによりガラス基板に紫外線吸収能が生じることに基づく。
ガラス基板の形状としては、板状を用いる。例えば、前記組成のガラス塊を研磨することにより板状としたものを使用してもよいし、前記した組成のガラス溶融体を板状となるように成型後、必要に応じて研磨したものを使用してもよい。具体的には、最終製品の平面光源の大きさに応じて調整すればよい。
本発明の光線指向性化ガラス基板の作製に際しては、このようなアルカリ金属成分をガラス構成成分として含むガラス基板を用いて、その片面又は両面にリチウム化合物、ナトリウム化合物、カリウム化合物、ルビジウム化合物、セシウム化合物、銅化合物、銀化合物及びタリウム化合物（以下、これらの化合物を総称して「金属化合物」とも言う）から選ばれる少なくとも１種を含有するペーストを塗布し、ガラス基板の軟化点より低い温度で熱処理を行う。
ペーストとしては、リチウム化合物、ナトリウム化合物、カリウム化合物、ルビジウム化合物、セシウム化合物、銅化合物、銀化合物及びタリウム化合物から選ばれる少なくとも１種と有機樹脂を有機溶媒に分散させてペースト状としたものを用いる。このようなペーストとしては、ガラス基板に塗布し得る適度な粘度を有し、熱処理によりリチウムイオン、ナトリウムイオン、カリウムイオン、ルビジウムイオン、セシウムイオン、銅イオン、銀イオン及びタリウムイオンから選ばれる少なくとも１種を拡散させることのできる上記金属化合物を含有するペースト状物であれば特に限定されない。具体的には、ペースト粘度は、塗布方法、ペースト組成、基材への拡散条件等を考慮して適宜決定すればよいが、特に後記インクジェット法により印刷塗布する場合には、２０℃での粘度は１０２〜１０７ｃＰ程度が好ましく、１０３〜１０６ｃＰ程度がより好ましい。
このようなペーストをガラス基板の片面又は両面に塗布し、熱処理を行うことによって、該ペーストに含まれる金属化合物中の金属イオンが、ガラス基板中のアルカリ成分と交換してＬｉ＋イオン、Ｎａ＋イオン、Ｋ＋イオン、Ｒｂ＋イオン、Ｃｓ＋イオン、Ａｇ＋イオン、Ｃｕ＋イオン、Ｔｌ＋イオン等としてガラス基板中に拡散する。そして、拡散部分にはガラス基板とは異なる屈折率の屈折率変調領域が形成され、その屈折率は拡散濃度の変化に応じて連続的に分布する。特に、Ａｇ＋イオン、Ｔｌ＋イオン等を拡散させる場合には、屈折率の調整範囲が広いため所望の屈折率分布が得られ易いため好ましい。該ペーストに含まれる金属化合物としては、熱処理によって各金属イオンをガラス基板に拡散可能なイオン結合性金属化合物であれば特に限定されないが、特に無機塩類が好ましい。各金属化合物の具体例を次に示す。
リチウム化合物としては、例えば、ＬｉＮＯ３、ＬｉＣｌ、ＬｉＢｒ、ＬｉＩ、ＬｉＦ、ＬＩ２ＳＯ４等が挙げられる。この中でも、特にＬｉＮＯ３、Ｌｉ２ＳＯ４等が好ましい。
ナトリウム化合物としては、例えば、ＮａＮＯ３、ＮａＣｌ、ＮａＢｒ、ＮａＩ、ＮａＦ、Ｎａ２ＳＯ４等が挙げられる。この中でも、特にＮａＮＯ３、Ｎａ２ＳＯ４等が好ましい。
カリウム化合物としては、例えば、ＫＮＯ３、ＫＣｌ、ＫＢｒ、ＫＩ、ＫＦ、Ｋ２ＳＯ４等が挙げられる。この中でも、特にＫＮＯ３、Ｋ２ＳＯ４等が好ましい。
ルビジウム化合物としては、例えば、ＲｂＮＯ３、ＲｂＣｌ、ＲｂＢｒ、ＲｂＩ、ＲｂＦ、Ｒｂ２ＳＯ４等が挙げられる。この中でも、特にＲｂＮＯ３、Ｒｂ２ＳＯ４等が好ましい。
セシウム化合物としては、例えば、ＣｓＮＯ３、ＣｓＣｌ、ＣｓＢｒ、ＣｓＩ、ＣｓＦ、Ｃｓ２ＳＯ４等が挙げられる。この中でも、特にＣｓＮＯ３、Ｃｓ２ＳＯ４等が好ましい。
銅化合物としては、例えば、ＣｕＳＯ４、ＣｕＣｌ、ＣｕＣｌ２、ＣｕＢｒ、ＣｕＢｒ２、Ｃｕ２Ｏ、ＣｕＯ、Ｃｕ（ＮＯ３）２、ＣｕＳ、ＣｕＩ、ＣｕＩ２、Ｃｕ（ＮＯ３）・３Ｈ２Ｏ等が挙げられる。この中でも、ＣｕＳＯ４、Ｃｕ（ＮＯ３）２等が好ましい。
銀化合物としては、例えば、ＡｇＮＯ３、ＡｇＣｌ、ＡｇＢｒ、ＡｇＩ、ＡｇＦ、Ａｇ２Ｓ、Ａｇ２ＳＯ４、Ａｇ２Ｏ等が挙げられる。この中でも、特にＡｇＮＯ３が好ましい。
タリウム化合物としては、例えば、ＴｌＮＯ３、ＴｌＣｌ、ＴｌＢｒ、ＴｌＩ、ＴｌＦ、Ｔｌ２Ｓ、Ｔｌ２ＳＯ４、Ｔｌ２Ｏ等が挙げられる。この中でも、特にＴｌＮＯ３が好ましい。
これらの金属化合物は、１種単独で使用してもよく、２種以上を混合してもよい。
該ペーストに含まれる有機樹脂としては、熱処理温度において分解する樹脂を用いればよく、水洗により容易に除去できるものが好ましい。例えば、このような特性を有する、セルロース樹脂、メチルセルロース樹脂、セルロースアセテート樹脂、セルロースニトレート樹脂、セルロースアセテートプチレート樹脂、アクリル樹脂、石油樹脂等が挙げられる。これらの有機樹脂は、１種単独で使用してもよく、２種以上を混合してもよい。
該ペーストにおいて用いる有機溶剤は、金属化合物及び有機樹脂を容易に分散可能で、乾燥時に容易に揮発するものであることが好ましく、具体的には、室温（２０℃）では液体であり、５０〜２００℃程度で揮発する溶剤であることが好ましい。このような溶剤の具体例としては、メタノール、エタノール等のアルコール類；ジメチルエーテル、アセトン等のケトン類などを挙げることができる。
該ペーストにおける各成分の含有量については、特に限定的ではないが、金属化合物１００重量部に対して、有機溶剤１０〜３５重量部、好ましくは１２〜３０重量部、樹脂成分２５〜５５重量部、好ましくは３０〜４５重量部程度である。
該ペーストには、必要に応じて、添加剤を加えても良い。例えば、ペーストの融点を低下させる添加剤としては、ガラス中に最も多く含まれるアルカリ成分の硫酸塩、硝酸塩、塩化物、臭化物、ヨウ化物等が挙げられる。この中でも、特に硫酸塩、硝酸塩の少なくとも１種が好ましい。これらの添加剤の配合量については、特に限定的ではないが、金属化合物１００重量部に対して、２００重量部以下、好ましくは１８０重量以下部程度である。
添加剤も含めた具体的な配合態様については、最終製品の特性に応じて適宜設定できるが、例えば、カリウム化合物、ルビジウム化合物又はセシウム化合物１００重量部に対して、有機溶剤２〜２５重量部、好ましくは５〜２０重量部、樹脂成分１５〜４５重量部、好ましくは２０〜４０重量部、添加剤３重量部以下である。特に、カリウム化合物としてＫＮＯ３、ルビジウム化合物としてＲｂＮＯ３、セシウム化合物としてＣｓＮＯ３を用いる場合には、この配合態様が好ましい。また、銀化合物又はタリウム化合物１００重量部に対して、有機溶剤１５〜４５重量部、好ましくは２０〜４０重量部、樹脂成分５０〜１７０重量部、好ましくは７０〜１５０重量部、添加剤１８０重量部以下、好ましくは１６０重量部以下である。特に、銀化合物としてＡｇＮＯ３、タリウム化合物としてＴｌＮＯ３を用いる場合には、この配合態様が好ましい。
ペーストの塗布形状は特に限定的ではないが、最終製品を平面光源として用いることを鑑みると、平面光源の観察面（屈折率変調領域形成面）全体から、指向性化された光線が均一に出射できることが望ましく、そのためには、ガラス基板の片面又は両面に対して、円形又は線形に連続的に且つ規則的にペーストを塗布することが好ましい。円形に連続的且つ規則的に塗布する場合には、後記する熱処理後にガラス基板にマイクロレンズアレイが形成される。他方、線形に連続的且つ規則的に塗布する場合には、熱処理後にガラス基板にシリンドリカルレンズアレイが形成される。なお、ガラス基板の片面から指向性化した光線を取り出す場合には、ペーストはガラス基板の片面に塗布すればよい。他方、平面光源を間仕切りのように設置し、基板の両側から観察する表示板などに適用する場合には、両側から指向性化した光線を取り出すために、ペーストはガラス基板の両面に塗布する。
円形（円は小さいため、ドットとも言う）又は線形（平行線）に塗布する場合において、円形又は平行線の配列間隔（パターニング間隔）は、１００μｍ以下が好ましい。即ち、円形に塗布する場合には、隣接する円の中心どうしの間隔が１００μｍ以下となるように塗布することが好ましい。また、線形に塗布する場合には、隣接する線の中心軸どうしの間隔が１００μｍ以下となるように塗布することが好ましい。円形に塗布する場合には、円の直径は５〜８０μｍ程度が好ましく、５〜５０μｍ程度がより好ましい。線形に塗布する場合には、線幅は５〜８０μｍ程度が好ましく、５〜５０μｍ程度がより好ましい。光線の指向性化効率と元光源の斑の解消を考慮すると、熱処理後に得られるレンズアレイにおいて、レンズ（シリンドリカルも含む）は高密度に形成されていることが好ましい。即ち、シリンドリカルレンズアレイの場合には、隣接するシリンドリカルレンズは、端部どうしが接触している態様（ペースト塗布面全体がレンズとなっている態様）が好ましい。円形に塗布して得られるマイクロレンズアレイは、レンズ密度を高めるため、光線指向性化の作用が阻害されない限度において、個々のレンズの端部が隣接するレンズの端部と重複していてもよい。ペーストのパターニング間隔によっては、レンズ間にガラス基板が残存（ガラス基板が露出）する場合がある。その場合には、ガラス基板が露出した部分から指向性化されていない光線が漏れることを防止するため、当該部分に光線が漏れないようにマスキングを行うこともできる。かかるマスキングを行う場合には、観察面から出射される光線をより確実に指向性化できる。
なお、塗布したペーストは、ガラス基板の深さ方向への拡散距離をＬとすると、ガラス基板表面でも塗布部分の外側に向けてＬと同程度拡散する。つまり、円形に塗布した場合には、塗布円の直径は、熱処理後に得られるマイクロレンズの直径から深さ方向への拡散距離の２倍を差し引いた程度の大きさとなる。上記の拡散距離の関係を考慮してペーストを塗布すればよく、結果的には、ガラス基板にミクロンオーダーからサブミリオーダーの直径又は線幅を有する屈折率変調構造が規則的且つガラス基板の片面又は両面の全体に形成できればよい。かかる微小な屈折率変調領域を規則的に配置することにより、ガラス基板中に入射された光線を均一な輝度で且つ指向性化して観察者側に出射することができる。そして、このような微小な屈折率変調領域を規則的に配置する場合には、観察面から数十ｃｍ〜数ｍ程度離れた位置から平面光源を観察する際に、平面光源全体が均一な輝度の光線を前方に指向性化して照射しているように見える。
塗布方法は特に限定的ではないが、例えば、スクリーン印刷、インクジェット印刷等の印刷技術により塗布することが好ましい。このような印刷技術によれば、精密微小ドット、平行線を簡便に形成できる。特にスクリーン印刷法は、大きさが１０μｍ程度のドットをガラス基板全面に亘り１度に塗布することが可能であり非常に有効な手法となる。例えば、前記印刷技術（特にスクリーン印刷）によりペーストを塗布する場合には、ＪＩＳ規格でＡ列６番（いわゆるＡ６版用紙）以上の大きさのガラス基板に対しても、高効率で所定のパターンでペースト塗布が可能であり有利である。
塗布厚さは特に限定されず、ペースト中の金属化合物の種類、含有量等により調整できるが、ペーストの塗布厚さをＡとし、ドット直径又は平行線の幅（塗布時）をＢとし、
Ａ／Ｂ≧０．５（特に好ましくはＡ／Ｂ≧１）
を満たすように塗布することが好ましい。
ペーストを塗布した後、通常、熱処理に先だって塗膜を乾燥する。乾燥条件については特に限定はなく、溶剤成分が十分に除去されてペーストが乾固させるように乾燥すればよく、通常１００〜２５０℃で３０分〜１．５時間、好ましくは１５０〜２００℃で４５分〜１時間程度加熱することにより効率よく乾燥することができる。
次いで、乾燥した塗膜を熱処理する。熱処理温度は、通常２５０〜６００℃程度、好ましくは３００〜５５０℃程度の温度範囲であって、ガラス基板の軟化点を下回る温度とすればよい。熱処理時間は、温度に応じて適宜設定できるが、通常１０分から１００時間、好ましくは３０分〜５０時間程度、特に好ましくは１〜２５時間程度である。熱処理雰囲気は特に限定されず、通常は空気中等の酸素含有雰囲気中でよい。
熱処理後は、通常、室温まで放冷し、基材上に残っているペースト残留物を水洗すればよい。
上記した方法によって熱処理を行うことによって、所定の金属イオンがガラス基板に拡散する。拡散した金属イオンは、処理条件によって異なるが、金属イオンの状態、金属酸化物の状態、金属微粒子の状態等で存在し、拡散部分については、ガラス基板部分とは屈折率が異なるものとなる。屈折率の分布は連続的なものであり、通常はペーストを塗布した基材表面の屈折率が最大であり、拡散深度が大きくなるほど屈折率は小さくなる。また、例えば、円形に塗布した場合には、円の中心部から半径方向に亘って連続的に屈折率が小さくなる。このように、基材と異なる屈折率分布又は屈折率分布領域が形成されることにより、光線指向性化ガラス基板が得られる。
本発明の光線指向性化ガラス基板は、例えば、ディスプレイ画面の構成要素として用いる場合には、ディスプレイ前面方向に指向性を持たせて光線を取り出すことができるため、元光源と組み合わせることにより、光線の進行方向の指向性及び輝度の均一性が高いバックライトとなる。
図２に、本発明の光線指向性化ガラス基板の模式図（一例）を示す。図中３は、光線指向性化ガラス基板を示す。４はドット状の屈折率変調領域が規則的且つ連続的に配列してなるマイクロレンズアレイを示す。５はマイクロレンズアレイの拡大模式図を示す。６は屈折率変調領域の断面図を示す。７はガラス基板の深さ方向における屈折率分布を示す。
図５も、本発明の光線指向性化ガラス基板の模式図（一例）である。図５は、シリンドリカルレンズアレイを有する光線指向性化ガラス基板である。このようなシリンドリカルレンズアレイであっても、ガラス基板中に入射した光線を、ガラス基板の垂直方向に指向性化して取り出すことができる。
照明装置
本発明の照明装置（平面光源）は、１）前記光線指向性化ガラス基板と、２）前記基板中に光線を入射する手段と、を有する。
本発明の照明装置は、次のプロセスにより均一な輝度且つ指向性化された光線を観察面から取り出す。即ち、光線指向性化ガラス基板に入射された光は、基板中を拡散後、屈折率変調領域を通過することにより基板の垂直方向に指向性化されて出射する。
当該ガラス基板中に光線を入射する手段としては、例えば、元光源を前記光線指向性化ガラス基板の背面（片面に屈折率変調領域を形成する場合の非形成面）近傍又は側面近傍に配置し、元光源から照射される光線を直接にガラス基板中に入射する手段が挙げられる。また、元光源をガラス基板とは離れた位置に配置し、光ファイバ又は導波板を用いて、ガラス基板中に光線を導くことにより入射する手段も挙げられる。即ち、ガラス基板中に光線を入射する手段は、元光源の配置場所に関わらず、元光源から照射された光線を直接又は間接的にガラス基板中に導くことができる手段であればよい。
元光源としては、例えば、ＬＥＤ素子、有機ＥＬ素子、無機ＥＬ素子等の素子光源が挙げられる。また、ハロゲンランプ、メタルハロゲンランプ、熱陰極管、冷陰極管等も元光源として挙げられる。熱陰極管、冷陰極管等は、帯状発光体として利用できる。
当該ガラス基板中に入射した光線は、ガラス基板中で散乱・反射等を繰り返し、最終的には光線指向性化ガラス基板の前面から照射される。屈折率変調領域を通過させることにより、輝度が均一化され、また良好な指向性が得られる。このように、光線の輝度及び指向性を向上させるためには、微小マイクロレンズを多数配置した（配列ピッチが小さい）構成とすることが好ましい。
ガラス基板の片面に屈折率変調領域を形成した場合には、他の片面には光線反射板を積層してもよい。反射板を積層する場合には、光線の漏れ（損失）が抑制されるために光線利用効率が高まる。反射板の材質は特に限定されないが、例えば、アルミニウム、マグネシウム、銀、カルシウム等の光線反射率の大きな材質が好ましい。
以下、本発明の照明装置について、具体的に図面を参照しながら説明する。
図３は、元光源としてＬＥＤチップを使用した平面光源である。具体的には、当該ＬＥＤチップを規則的に配列した基板と、各チップに対応する位置にマイクロレンズを配置してなるマイクロレンズアレイを重ね合わせた平面光源である。なお、図１と図３とは、マイクロレンズアレイの種類が従来品と本発明のものとして異なるが、両アレイの光線指向性化能は同じである。
図３の平面光源は、ＬＥＤチップから照射される光線を指向性化して取り出す。図３の上図は、この指向性化の様子を模式的に示したものである。図３において、元光源を赤、緑、青で発光する半導体発光素子を交互に配列したものとすれば、平面光源からは白色の発光を取り出すこともできる。また、青で発光する半導体発光素子を配列し、その前面に青色の光で励起されることによって赤及び緑の蛍光を出す蛍光体を塗布するか黄色の蛍光を出す蛍光体を塗布する場合にも白色の発光を取り出すことができる。さらに、近紫外の半導体発光素子を配列し、その光により青、緑、赤の蛍光を出す蛍光体を塗布する場合も挙げられる。
なお、図３のマイクロレンズに対応配置したＬＥＤチップのみならず、ガラス基板の側面に帯状発光体を設けることにより、ガラス基板に光線を入射させてもよい。図４は、ガラス基板の側面に帯状発光体を設けた場合の模式図である。この場合でも、ガラス基板中を拡散した光線は、屈折率変調領域であるマイクロレンズアレイを通過することにより基板の垂直方向に指向性化されて取り出される。
図６は、冷陰極管のような帯状発光体を複数本背面に配置した平面光源の例である。図６の平面光源では、シリンドリカルレンズアレイを通過して光線を取り出すため、冷陰極管の垂直方向でも輝度は均質になる。即ち、本発明の光線指向性化ガラス基板を用いる場合には、元光源（図６では冷陰極蛍光管）の光源斑をなくすことができる。
図７及び図８は、元光源を光線指向性化ガラス基板から離れた場所に設置する例である。いずれも元光源から出射された光線を、光ファイバを通し、ガラス基板の側面に導き、帯状発光体からガラス基材中に入射する。
本発明ではガラス基板を用いているため有機ポリマー基板に比べて精度の高い屈折率変調構造の光線指向化ガラス基板の作製が可能である。また光線指向性化ガラス基板は、耐熱性、耐光性及び耐候性が優れている。さらに、ガラス基板に屈折率変調構造を作製する上記の手法は、ペーストを種々の印刷技術により塗布することにより、容易にミクロンからサブミリオーダーの微細な変調構造を作製することが可能であり、フォトリソグラフィのような手法を必要とせず、金型なども必要としないため、溶融塩によるイオン交換手法や、金型によるプレス加工に比べて格段に多品種量産性を有し、コストも抑えることができる。
本発明によれば、これまでの平面光源の基本的な配置をほとんど変えることなく簡単にまた、量産性ある方法で輝度が均一で指向性のある平面光源を提供することができる。屈折率変調構造を適切にデザインすることによって、同心円状の輝度と指向性など特殊な輝度分布、指向性を持つ平面光源もコストを抑えて提供することもできる。これらの面状光源は、高分解能の露光装置、高輝度省エネルギー型のディスプレイ、照明などに用いることができる。
このような光線指向性化ガラス基板と、元光源とを組み合わせることにより、当該ガラス基板から均一且つ光線指向性の高い光を取り出すことができる照明装置が得られる。
従来品の平面光源の説明図（一例）である。 本発明の光線指向性化ガラス基板の説明図（一例）である。 本発明の照明装置の説明図（一例）である。 本発明の照明装置の説明図（一例）である。 本発明の光線指向性化ガラス基板の説明図（一例）である。 本発明の照明装置の説明図（一例）である。 本発明の照明装置の説明図（一例）である。 本発明の照明装置の説明図（一例）である。
符号の説明
１．従来品の光線指向性化基板の一例（マイクロレンズアレイ）
２．ＬＥＤ光源から照射された光線が従来品のマイクロレンズアレイを通過することにより指向性化される様子を示す模式図
３．本発明の光線指向性化ガラス基板の一例
４．屈折率変調領域が規則的且つ連続的に配列してなるマイクロレンズアレイ
５．屈折率変調領域の拡大図
６．屈折率変調領域の断面図
７．ガラス基板の深さ方向における屈折率分布
８．本発明の光線指向性化ガラス基板の一例
９．屈折率変調領域が規則的且つ連続的に配列してなるマイクロレンズアレイ
１０．元光源の一例（ＬＥＤ光源）
１１．ＬＥＤ光源から照射された光線が本発明のマイクロレンズアレイを通過することにより指向性化される様子を示す模式図
１２．帯状発光体
１３．本発明の光線指向性化ガラス基板の一例
１４．屈折率変調領域
１５．本発明の光線指向性化ガラス基板の一例
１６．屈折率変調領域が規則的且つ連続的に配列してなるシリンドリカルレンズアレイ
１７．帯状発光体
１８．帯状発光体
１９．光ファイバ
２０．照明装置の発光部分（屈折率変調領域は図示せず）
２１．元光源
２２．帯状発光体
２３．元光源
２４．光ファイバ

Claims (9)

  1. アルカリ金属成分をガラス構成成分として含むガラス基板の片面又は両面に、リチウム化合物、ナトリウム化合物、カリウム化合物、ルビジウム化合物、セシウム化合物、銅化合物、銀化合物、タリウム化合物からなる群から選択された少なくとも１種、有機樹脂並びに有機溶剤を含有するペーストを塗布し、ガラス基板の軟化温度より低い温度で熱処理することによって製造される、光線指向性化ガラス基板。
  2. ペーストを円形又は線形に塗布する、請求項１に記載の光線指向性化ガラス基板。
  3. ペーストを円形に複数塗布し、且つ、隣接する円の中心どうしの間隔が１００μｍ以下となるように塗布する、請求項１に記載の光線指向性化ガラス基板。
  4. ペーストを線形に複数塗布し、且つ、隣接する線の中心軸どうしの間隔が１００μｍ以下となるように線どうしを平行に塗布する、請求項１に記載の光線指向性化ガラス基板。
  5. ペーストをスクリーン印刷又はインクジェット印刷により塗布する、請求項１〜４のいずれかに記載の光線指向性化ガラス基板。
  6. ガラス基板が、アルカリ金属成分を酸化物換算で２重量％以上含むガラスからなり、該ガラスがケイ酸塩ガラス、ホウケイ酸塩ガラス、リン酸塩ガラス又は弗リン酸塩ガラスである、請求項１〜５のいずれかに記載の光線指向性化ガラス基板。
  7. １）請求項１〜６のいずれかに記載の光線指向性化ガラス基板と、２）前記基板中に光線を入射する手段と、を有する照明装置。
  8. 光線を入射する手段が、ＬＥＤ素子、有機ＥＬ素子又は無機ＥＬ素子から照射された光線を入射する手段である、請求項７に記載の照明装置。
  9. 光線を入射する手段が、ハロゲンランプ、メタルハロゲンランプ、熱陰極管又は冷陰極管から照射された光線を入射する手段である、請求項７に記載の照明装置。
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