JP2012103284A - 光学部品及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】２種以上の形状の異なるマイクロレンズを作成し、輝度向上を図ることにある。
【解決手段】基材上に耐エッチング層２２を形成した後、前記基材を精密切削機に装着し、前記耐エッチング層にダイヤモンドバイトで切込んでランダム配列になるよう開口部２１ａを形成して、前記ランダム配列の座標から任意の座標を選択し、２回以上追加工を行い２種以上の形状の異なる開口部２１ａ，２１ｂを形成して、前記基材をエッチング処理し、前記基材に凹部を形成し、前記基材を除去して２種以上の形状の異なる凹部を有する型を作製し、前記型の形状を光学材料に転写して２種以上の形状の異なる凸部を有する光学部品を作製する。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、マイクロレンズアレイやプリズムアレイ、レンチキュラーレンズ、光導波路、導光路などの光学作用を目的とした光学構造を有し、液晶表示装置（ＬＣＤ）の輝度向上シートとして用いるのに好適する光学部品及びその製造方法に関する。

一般に、液晶表示装置には、画像表示に必要な光源（バックライト）が内蔵されている。この光源で消費する電力が装置全体で消費する電力の相当部分を占めており、総電力の低減が強く要望される昨今においては、光源効率の向上が必須となっている。この光源効率の向上策として電力-発光変換効率を高め、周辺の明るさに応じて必要な分だけ発行するように調光する手段があるが、発した光線の利用効率を高める手法がある。

光線の利用効率を高める手段としては、光源または導光板と液晶バネルとの間に、輝度向上フィルム（例えば、ＢＥＦ（登録商標））を備えた光学フィルムが広く使用されている。

この輝度向上フィルムは、プリズムの反復的アレイ構造が１方向に配列しており、その配列方向において、入射光の方向転換及び再帰反射による光線のリサイクルが可能である。実際には、ディスプレイの水平および垂直方向での表示光の輝度制御が必要なため、プリズム群の配列方向が互いに略直交するように、２枚のシートを重ねて組み合わせる事が多い。このＢＥＦに代表される輝度向上フィルムにより、ディスプレイ設計者は、電力消費を低減しながら所望の正面輝度の達成が可能となった。プリズムの反復的アレイ構造を有する輝度制御部材をディスプレイに採用することは、多数の特許文献に開示されている（例えば、特許文献１乃至３参照）。

また、プリズムではなく単位レンズを反復的に配したアレイ構造（シリンドリカルレンズを配した場合、レンチキュラーレンズとなる）を有する光学フィルムが提案されている（例えば、特許文献４参照）。この光学フィルムの液晶パネル側の面は、光学フィルム内を進行した光を液晶パネル側へ導くように、複数の単位レンズが反復的に形成されたアレイ構造となっている。この光学フィルムではレンズが形成された面の裏面側に、レンズの焦点面近傍が開口部としたストライプ状の反射層パターンが設けられている。

この光学フィルムを、液晶ディスプレイのバックライト・ユニットに組み込むと、反射層の開口部を通過した光のみがレンズに入射し、一定方向に集光された後に出射され液晶パネルに導かれる。

一方、開口部を通過せず、反射した光は、光源側に戻され、光源の背面に配置された反射板へ導かれる。そして、反射板によって反射された光線は、先程とは異なる位置にて光学フィルムに達する。光線が反射する際、拡散反射材（例えば、白色板など）を用いることで光学フィルムの開口部からは確率的光線が入射するため、反射時の光量ロスを最小限に抑えつつ、光線を有効に利用する事が可能となる。

上記のような光学フィルムを用いたバックライト・ユニットでは、反射層開口部の間隔や表面側レンズとの相対位置を調節することによって、光の利用効率向上と、レンズから正面方向に出射される光の割合、即ち、正面輝度を高めるように制御することができる。また、このような複雑な多層構造を有するレンズシートとは別の、単純なシート構造のレンズシートとしてマイクロレンズシートも提案されている（例えば、特許文献５参照）。

そして、ディスプレイの大型化に際しては、そのディスプレイ自体の大きさと、面積に比例した多くの光量が必要なため、直下型のバックライト・ユニットの採用が一般的である。また、光利用効率を向上によりディスプレイの輝度を向上するこれらの輝度向上フィルムは、その原理上入射側に空気層が必要であり、別体化や空気層の設置が必要である。

特公平１−３７８０１号公報 特開平６−１０２５０６号公報 特表平１０−５０６５００号公報 特開２０００−２８４２６８号公報 特開２００６−３０１５８２号公報

しかしながら、上記輝度向上フィルムでは、セットで使用する拡散板との間に光線入射側に空気層が必要な為、拡散板など部材との一体化が困難であり、ディスプレイを構成する部品数やそのコストを減じることが難しいという問題を有する。この輝度向上フィルムは、マイクロレンズ形状を持つレンズシートを用いることで部品数の削減を図る方式があり、その際には、生産性の側面からレンズ間が離間したマイクロレンズアレイ形状を製造するのが最も効率がよいことも知られている。

従来使用されているマイクロレンズアレイ形状のようなドット形状の配列のものは、ひとつひとつの密度が高い方が輝度向上効果が高いことが知られている。また、マイクロレンズの重なりが少ない方が輝度向上効果が高いことも知られている。輝度向上効果に優れるマイクロレンズ形状で考えた場合、通常細密配列と考えられている六方配列は重なりを無いとすれば光学シートの総面積に占めるマイクロレンズ面積の充填率は、７８．５％が上限となる。これ以上の充填率を達成する場合、マイクロレンズ同士を適度に重ねるか、小さいマイクロレンズを隙間に充填する必要がある。

一方、マイクロレンズの配列は、光学シートの製造方法に制限を受ける。ビーズを並べて作成したり、ビーズを並べたものから金型を作成したりする場合、重なりをつくることができず、配列もランダムになるため充填率も理想値には届かない。小さいマイクロレンズを隙間に充填する方法も、うまく配列することは困難を極める。

他方、機械加工した金型や腐食金型を使用する方法、光学シートの直接加工など、ビーズに頼らない方法は、理想的な配列を作ることが出来、重なりをつくることも容易である。

マイクロレンズアレイ形状の金型版を製造する方法として、金型版基材上に耐エッチング層を形成し、耐エッチング層に対してレーザービームを照射し、レーザービーム照射部分で生じるアブレーションにより耐エッチング層に開口部を形成する。耐エッチング層に形成された開口部を通して金型版基材をエッチングして、凹部を形成し、耐エッチング層を除去して凹部を有する金型版を得る方法が挙げられる。しかしながら、この様に製造されるマイクロレンズは理想的なランダム配列を作ることは可能だが、２種以上の形状の異なるマイクロレンズを混ぜて配列させるようなより高充填率で高い輝度向上効果が望めるレンズシートを作製することは大変困難である。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、マイクロレンズの充填率を高めて輝度向上を図り得るようにした光学部品及びその製造方法を提供することを目的とする。

即ち、本発明では、耐エッチング層を形成した金型版基材上に高精度な精密切削機を用いランダム加工により理想的な配列になるように開口部を加工する。これにより、金型版基材に微細な凹部が形成される。また、そこから任意に座標を指定し、２回以上の追加工を行うことにより２種以上の形状の異なる凹部が形成される。この金型版を腐食させることにより２種以上のサイズの異なるマイクロレンズを持った金型版が作製でき、従来のレーザービーム描画で開口部を形成した金型版に比べマイクロレンズの充填率を高くすることが可能で、より輝度向上効果が望めるレンズシートを作製することができる。

また、本発明では、従来のレーザービーム描画で開口部を形成した金型版に比べ、同条件で腐食を行った場合、本発明の方法では金型版被削体を加工することからマイクロレンズの深さ及びアスペクト比が増加する。そのため、本発明の製造方法では、作製したレンズシートは従来の方法で作製したレンズシートに比べ輝度向上が望める。

本発明の光学部品は、基材上に形成された耐エッチング層に開口部がランダム配列に形成されて前記基材がエッチング処理されて、２種以上の異なる径及び深さを持つ凹部が形成された型の前記凹部が、光学材料に転写されて２種以上の異なる径及び深さを持つ凸部が設けられることを特徴とする。

また、本発明の製造方法は、基材上に耐エッチング層を形成した後、前記基材を精密切削機に装着し、前記耐エッチング層にダイヤモンドバイトで切込んでランダム配列になるよう開口部を形成して、前記ランダム配列の座標から任意の座標を選択し、２回以上追加工を行い２種以上の形状の異なる開口部を形成して、前記基材をエッチング処理し、前記基材に凹部を形成し、前記基材を除去して２種以上の形状の異なる凹部を有する型を作製し、前記型の形状を光学材料に転写して２種以上の形状の異なる凸部を有する光学部品を製造することを特徴とする。

本発明によれば、マイクロレンズの充填率を高めて輝度向上を図り得るようにした光学部品及びその製造方法を提供することができる。

即ち、耐エッチング層を形成した金型版基材上に高精度な精密切削機を用いランダム加工により理想的な配列になるように開口部を加工する。これにより、金型版基材に微細な凹部が形成される。また、そこから任意に座標を指定し、２回以上の追加工を行うことにより２種以上の形状の異なる凹部が形成される。この金型版を腐食させることにより２種以上の形状の異なるマイクロレンズを持った金型版が作製でき、従来のレーザービーム描画で開口部を形成した金型版に比べマイクロレンズの充填率を高くすることが可能で、より輝度向上効果が望めるレンズシートを作製することができる。

また、本発明では、従来のレーザービーム描画で開口部を形成した金型版に比べ、同条件で腐食を行った場合、本発明の方法では金型版被削体を加工することからマイクロレンズの深さ及びアスペクト比が増加する。そのため、本発明によるレンズシートは、従来の方法で作製したレンズシートに比べ輝度向上が望める。

本発明の実施の形態に係る光学部品及びその製造方法に用いられる光学シートを製作するための成形用金型ロールを示した斜視図である。 図１の成形用金型ロールの開口部を拡大して示した拡大図である。 本発明の光学部品の製造方法による実施例の測定結果を示した特性図である。

以下、本発明の実施の形態に係る光学部品及びその製造方法について説明する。

即ち、本発明の実施の形態に係る光学部品を成形するのに型が用いられる。この型材としては、円筒状金型を用いれば連続シート状の成型が可能であり、平板状の金型とすればプレス法やインジェクション法などによる板やシートの形成が可能となる。

ロール型を採用した場合には、連続的な生産が可能であり、パターンの継ぎ目がない型材とする事で、連続パターンのフィルムを得ることが出来るため、切り出しの寸法を調整するだけで多くの画面サイズへの対応が可能となるため生産性が良い。また、平型とした場合には、枚葉となるものの、板材への形状転写が容易であり、小ロット多品種への対応に向いている。金型の下地素材は、耐久性やハンドリングを加味し、鉄やSUS、アルミニウムなどを下地とし、形状を形成する表面層として、例えば銅や真鍮をメッキするのが一般的である。

型の表面層の素材は、転写成型できれば、特に限定されるものではないが、光学用途に用いる場合には、ある程度の平滑性が必要なことから、例えば銅や真鍮を用いるのが一般的である。耐エッチング層は、型材の表面に一様に形成するが、コーティング技術を用いて一様な厚さで形成するのが望ましい。具体的には、スプレー方式や転写方式、ディップコートなどが費用対効果の面で採用しやすい。耐エッチング層は、エッチング液による腐食に強いものが望ましい。耐エッチング層をコーティング処理した金型に開口部を形成するには精密加工機に型をセットし、ダイヤモンドバイトを使用し所望の位置、深さ、切込みとなるように開口部を形成する。

腐食工程におけるエッチング液は、金型の下地材との相性によって適宜選定される。また、銅材にエッチングを行う場合には、エッチング液に硫酸や塩酸などを添加することで、より良い平滑面を得る事が出来る。所望の形状を形成した型は、耐擦性を考慮し、銅や真鍮の表面にCrメッキやNiメッキを施しても良い。

断面形状の調整は、エッチング工程時の腐食速度のコントロールにより行う。通常のエッチングでは、連続的に腐食されるため、その断面形状も連続的に変化するが、スプレーでエッチング液を噴霧するなどしてエッチング液の流れをコントロールすることで所望の断面形状を得られる。

レンズシートは、押し出し法、もしくはキャスト法、もしくはインジェクション法で製造され、厚みが１２μｍ以上１ｍｍ以下のものが使用できる。厚み１２μｍより下では、加工に耐えうる剛性が無く、１ｍｍより上では加工に耐えうる柔軟性がない。

また、レンズシートは、ＵＶ硬化法で製造してもよい。厚みムラを低減するためには、厳密な厚み管理によるＵＶ硬化処理が必要であり、金型―ニップロール間の密着度を、圧力や弾性材料を用いて向上させる事が可能である。UV硬化法で作成される場合、基材上にUV硬化性の樹脂を塗布し、所望の形状の金型を押し当て、UV照射し光学層を得る。基材としては、当該分野でよく知られたＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ポリカーボネート、アクリル、ポリプロピレンのフィルムなどが使用できる。

拡散板や導光板は、レンズシートと同様の主となる材質を使用することができ、同様に前述した透明粒子を具備して構成されていてもよい。これら主となる材質の屈折率と透明粒子の屈折率が異なるものである必要がある。主となる材質の屈折率と透明粒子の屈折率の差は０．０１以上であることが望ましい。屈折率の差がこれより小さいと十分な光散乱性能が得られない。また、その屈折率差は０．５以下でよい。

また、光学層に入射した光を散乱させながら透過させる必要があるため、前記透明粒子の平均粒径は、０．５〜３０．０μｍであることが望ましい。または、主となる材質中に空気を含む微細な空洞を有した構造をしており、主となる材質と空気の屈折率差で拡散性能を得ても良い。また、表面に反射パターンや幾何学構造が付与されていても良い。

本発明のレンズシートとあわせて使用する光源側のレンズシートは、当業界でよく知られた反射型偏光分離シート、拡散シート、プリズムシートなどを適宜使用する。

即ち、図１に示すように金型２０には、スプレー方式により耐エッチング層２２がコーティングされて図示しない精密切削機にセット（装着）され、表面にランダムに配置される開口部２１ａが形成される。また、そこから任意に座標を指定し、追加工を行い開口部２１ａとは、異なる径及び深さを持つ開口部２１ｂが形成される。この追加工の回数は、２回に限るものでなく、２回以上行うようにしてもよい。

この耐コーティング層２２及び金型２０の表面に形成した開口部２１ａ，２１ｂは、例えば図２に示すように加工形成される。この図２に示した開口部２１ａ，２１ｂの形状例は、加工も容易で短時間で作製できるが、その開口形状としては、この形状に限定されるものではない。

また、金型２０の表面に開口部２１ａ，２１ｂを形成後、所望の時間エッチング工程を行い、耐エッチング層２２を除去し、円筒形の成形用型金型ロール２０ａ（シリンダーの周長６００ｍｍ、有効面長１１００ｍｍ）を製作した。この円筒形の成形用金型２０は、グラビア印刷用の製版プロセスを使用し、銅メッキ上にパターン形成した金型を使用した。

この金型２０を図示しない押出し機に近接して配置した。熱可塑性ポリカーボネート樹脂シートを溶融し、押出し機により成型し、当該シートが冷却、硬化する前に前記金型ロール２０ａによって成形して、表面形状を有する押出シートを形成した。厚みは、３２０μｍとした。熱可塑性ポリカーボネートは帝人化成(株)のＭ１２０１を使用した。また、比較のために本発明の金型２０を使用したマイクロレンズアレイシート(実施例)及びレーザー照射により開口部を形成した金型を使用したマイクロレンズアレイシート(比較例)を準備した。

マイクロレンズアレイシートの評価は、市販のフロント・プロジェクターを使用し、Ｎｏ.０及びＮｏ.１のレンズシートに白色光の映像を投影し、輝度計（トプコン社製：ＢＭ−７、視野角；２°）を用いてシート中央の輝度測定を行った。シート面の法線方向を正面とし、法線方向から角度を変え±９０°まで測定し、輝度分布を取った。

マイクロレンズアレイシート比較例及び実施例の輝度分布結果は、図３に示すように実施例のマイクロレンズアレイシートの正面輝度が、比較例のマイクロレンズアレイシートの結果と比べ約５％の輝度の向上が見られた。この結果、例えば照明装置の発光原に使用したり、ＥＬ素子に使用したり、液晶ディスプレイユニットの画像素子の背面に配したりすることで、有効な効果を得ることができる。

本発明では、従来のレーザービーム描画で開口部を形成した金型版に比べ、同条件で腐食を行った場合、金型版被削体を加工することからマイクロレンズの深さ及びアスペクト比が増加する。そのため、本発明によるレンズシートは、従来の方法で作製したレンズシートに比べ輝度向上が望める。

２０…金型
２０ａ…成形用金型ロール
２１ａ…開口部
２１ｂ…開口部
２２…耐エッチング層

Claims (9)

1. 基材上に形成された耐エッチング層に開口部がランダム配列に形成されて前記基材がエッチング処理されて、２種以上の異なる径及び深さを持つ凹部が形成された型の前記凹部が、光学材料に転写されて２種以上の異なる径及び深さを持つ凸部が設けられた光学部品。
2. 液晶表示ディスプレイユニットに用いられることを特徴とする請求項１記載の光学部品。
3. ＥＬ素子であることを特徴とする請求項１又は２記載の光学部品。
4. 前記ＥＬ素子は、照明装置の発光源として使用されることを特徴とする請求項３記載の光学部品。
5. 前記ＥＬ素子は、ディスプレイ装置の画素駆動に供されることを特徴とする請求項３記載の光学部品。
6. 前記ＥＬ素子は、液晶ディスプレイユニットの画像表示素子の背面に配設されることを特徴とする請求項３記載の光学部品。
7. 基材上に耐エッチング層を形成した後、前記基材を精密切削機に装着し、前記耐エッチング層にダイヤモンドバイトで切込んでランダム配列になるよう開口部を形成して、前記ランダム配列の座標から任意の座標を選択し、２回以上追加工を行い２種以上の形状の異なる開口部を形成して、前記基材をエッチング処理し、前記基材に凹部を形成し、前記耐エッチング層を除去して２種以上の形状の異なる凹部を有する型を作製し、前記型の形状を光学材料に転写して２種以上の形状の異なる凸部を有する光学部品を製造することを特徴とする光学部品の製造方法。
8. 前記開口部の径がＲ５０〜２００μmであることを特徴とする請求項７記載の光学部品の製造方法。
9. 前記開口部の深さがｄ４〜２０μmであることを特徴とする請求項７又は８記載の光学部品の製造方法。

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