JP3475797B2 - 光拡散板の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】本発明は照明器具のカバーな
どに用いられて光の拡散を行う光拡散板とその製造方法
に関するものである。 【０００２】 【従来の技術】照明器具から出る照明光を目に優しく且
つむらのないものとするために光拡散板が用いられてお
り、このために光拡散板には高い透過率を有しつつ光を
均一に拡散させることができる特性が求められる。 【０００３】この光拡散板として、もっとも一般的なの
は、光透過率の良いアクリル樹脂やポリカーボネート樹
脂などの基材樹脂に硫酸バリウム、二酸化チタン、酸化
アンモニウム、シリコン系ゴムなどの拡散剤を添加して
入射光をこれら拡散剤で乱反射させることで拡散性を得
ている乳白色光拡散板である。 【０００４】 【発明が解決しようとする課題】しかし、上記光拡散板
では、ランプイメージを見えなくすることができるだけ
の拡散性を持たせようとすると多量の拡散剤を添加しな
くてはならず、この場合、光透過率が低下してしまい、
実際上、ランプイメージを消すことができるだけの拡散
剤を添加すると、光透過率は６０％程度にまで低下して
しまい、エネルギー効率が悪くなる。かといって、光透
過率を優先すれば、ランプの直下は明るく、ランプから
離れると暗くなり、むらが目立つものとなる。 【０００５】他の光拡散板としては、特開平６−４３３
１０号公報に示されているように、一面に多数の微小凹
凸条を平行に設けたものがある。シリンドリカルレンズ
を並べたものとして機能するこの種の光拡散板では、一
方向への光の屈折力（拡散力）は持つが、それに直交す
る方向への屈折力（拡散力）は持たないために、全方向
への拡散が要求される一般照明器具用には用いることは
できない。 【０００６】また、後者の光拡散板は、エンボスロール
加工やプレス加工によって製造されているが、この種の
加工法では微細な加工は困難である。（他の先行技術文
献：特開平１０−１２３３０７号公報） 【０００７】本発明はこのような点に鑑み為されたもの
であって、その目的とするところは高光拡散特性を有し
つつ光透過率も高い光拡散板を容易に製造することがで
きる光拡散板の製造方法を提供するにある。 【０００８】 【課題を解決するための手段】しかして本発明は、レー
ザー光を照射して断面形状が曲線で表される凹凸形状を
表面に複数方向に設けたマスターモデルを作成し、該マ
スターモデルから転写型を作成し、転写型から光拡散板
を成形する光拡散板の製造方法であり、上記成形時に、
成形条件によるところの転写割合と得られた光拡散板の
光学性能との関係に基づき、成形条件を変えることで成
形転写率を意図的に変化させて一つの転写型から光学性
能が異なる複数の光拡散板を製造することに特徴を有す
るものである。 【０００９】ここにおける凹凸形状は、その法線方向が
連続的かつ周期的に変化する曲線となっているものが好
ましく、また、凹凸が共に直交する２方向に設けられた
ものや、凹凸が円周方向と径方向の２方向に設けられて
いるものが好ましい。凹凸がランダムな方向に設けられ
ているものであってもよい。また、凹凸は樹脂板の両面
に設けられていてもよい。 【００１０】 【００１１】 【００１２】 【００１３】 【００１４】 【発明の実施の形態】以下本発明を実施の形態の一例に
基づいて詳述すると、本発明における光拡散板１は、そ
の表面に微小凹凸２を備えたものであるとともに微小凹
凸２を設けたことによって生じる断面の凹凸形状を、曲
線で表されるものとすると同時に、曲線で表される凹凸
形状が複数方向の断面においては生じるものとしてい
る。 【００１５】複数方向の断面形状がいずれも曲線で表さ
れる凹凸形状となっているために、屈折力（拡散力）を
持たない方向がなく、このために光は必ず拡散されるも
のである。実際には断面を取る位置を変えるとその形状
も連続的に変化しており、光拡散板１には三次元的に任
意の曲面形状をもった凹凸が並んだものとなる。従っ
て、一枚の光拡散板１により、任意の方向への拡散を実
現することができる。 【００１６】なお、断面曲線形状の凹凸ピッチや深さは
任意でよく、周期的であっても無秩序に形成されていて
もよく、さらには各方向毎に凹凸ピッチや深さが異なっ
ていても同じであってもよい。ただし、人間の目の分解
能は一般に２′〜３′と言われていることから、照明器
具に取り付けた際に凹凸２が目立たないようにするに
は、０．０１ｍｍ以下の形状にしておくことが望まし
い。 【００１７】次に、より好ましい形態について例をあげ
て説明すると、凹凸２はその断面曲線の法線方向が図２
(a)に示すように連続的且つ周期的に変化する曲線で表
されるものとしておくのがよい。屈折を用いて拡散性能
を向上させるには、所望の拡散配光曲線が得られるよう
に凹凸形状の設計を行う必要がある。この時の拡散配光
特性は、基本的には入射してくる光を全方向に連続的に
むらなく広げることが理想であり、たとえば図３に示す
ように、ある方向から入射してくる光を均一に分散させ
てやることが望ましい。このような配光を得るには、断
面形状が直線的なものよりも曲線の方がよく、連続的に
むらなくするには形状の変化が連続的なものの方がよ
い。ただし、不連続点の存在を排除するものではなく、
たとえば図２(b)に示すような形状のものであってもよ
い。屈折は光の入射角度によって決まるために、基準と
なる法線方向がこれらの条件を満たせば、拡散性の高い
光拡散板１を得ることができる。そして、この形状が周
期的に変化しておれば、形状変化が目立たず、見た目に
も均一な光拡散板１となる。 【００１８】照明器具３が図４に示すように直管蛍光灯
のような直線光源３０が複数本並べられたものである場
合には、光拡散板１の凹凸形状に対して拡散させるパワ
ーが最も大きくなる方向は施された方向に直交する方向
（断面方向）となることから、直線光源３０のイメージ
を消すには、光拡散板１は直線光源３０が並べられた方
向（図中の矢印方向）と、これに直交する方向とに凹凸
２が並んでいるものとしておくのが好ましい。直線光源
３０の管長方向の軸に対して対称となるために、直線光
源３０に適した光拡散板１となる。 【００１９】照明器具３が図５に示すように丸型蛍光灯
のような円状光源３１である場合には、上記の場合と同
じ理由により、円状光源３１のイメージを消すには、円
状光源３１の中心から外へ向かう方向（図中の矢印方
向）に凹凸２を施すと同時に、これと直交する方向に凹
凸２を施すことにより、円状光源３１の中心に対して対
称となり、円状光源３１に適した光拡散板１となる。 【００２０】凹凸２はランダムな方向に並ぶものであっ
てもよい。方向性を無くすことによって、さらに光拡散
板１内で輝度均一性のよいものを得ることができる。図
６はこの場合の一例を示しており、線上の凹凸をランダ
ムな方向に施し、その長さも不特定としている。凹凸の
面内での規則性がなくなっているために、同じ方向で見
た断面形状も全てが異なったものとなり、図６(b)に示
す完全拡散に近い拡散状態を得ることができる。また、
ランダムにすることによって、規則性のある凹凸形状や
微細度が増した場合に生じやすい回折や干渉縞などの発
生を抑えることができる。 【００２１】以上の各例では、光拡散板１の片面（照明
器具の光源側の面）に凹凸２を付したものを示したが、
図７に示すように、光拡散板１の両面に凹凸２を設ける
と、さらに拡散性を高めることができる。つまり、光源
側の面で拡散された光は、出射側の面においてもさらに
拡散されることになり、より拡散性が高くて、面内で均
一な輝度分布となるものを得ることができる。ただし出
射面側に施す凹凸２については、レンズ効果によって指
向性を生じたり全反射によって透過率を極端に悪くして
しまう場合があるために、単一形状の繰り返しではな
く、断面形状が徐々に変化していたりランダム化されて
いるものが好ましい。 【００２２】上記のような微細な凹凸２を有する光拡散
板１は、次のようにして製造するのが好ましい。すなわ
ち、上記光拡散板１の場合、実際上、自由曲面となって
いるために、切削等の機械加工で製造するとなると、曲
面の三次元座標を入力して加工しなくてはならない。こ
のために、ここではレーザー加工で微細な凹凸２を直接
形成している。レーザー加工の場合、光強度分布や被加
工物の相対移動速度の調整等で自由曲面を加工すること
ができ、三次元座標の入力が不要となる。また、機械加
工では凹凸２がたとえば１００μｍ以下の微細な凹凸２
を作成することは、切削工具を作成することに時間とコ
ストがかかるのに対して、レーザー加工ではこのような
問題を招くこともない。また、短波長パルスレーザーを
用いる場合は被加工物に対する熱の影響も少なく、高精
度加工が可能となる。 【００２３】レーザー加工には大別して要求形状がレー
ザービームより大きい場合に用いられる小スポット加工
（集光加工）と、要求形状がレーザービームより小さい
場合に用いられる面積加工（結像加工）の二通りの加工
法があるが、いずれの加工法で製造してもよい。 【００２４】図８はレーザービームを多重に照射して行
う小スポット加工法による場合の一例を示しており、レ
ーザー４０から出力されるレーザービームをレンズ４１
等の光学素子を用いて、スポット径を微小にし、これを
被加工物に照射する。この時、照射時間と除去量の関係
により、要求する形状になるように照射場所と照射時間
とを制御する。レーザー照射によって被加工物が除去さ
れて加工される形状は照射エネルギー密度と時間の関係
から決定されるが、レーザーあるいは被加工物を走査す
ることによって、要求形状が被加工物の全面に形成され
るように制御するのである。 【００２５】たとえば、炭酸ガスレーザーを焦点距離が
１００ｍｍのレンズ４１でビームスポット径が５０μｍ
となるように集光して被加工物であるアクリル樹脂に照
射するとガウシアン形状に被加工物が除去されるが、こ
の形状を組み合わせることで光拡散板１を製造すること
ができる。 【００２６】図９は面積加工法による場合の一例を示し
ており、透過光線の強度分布が要求される形状になるよ
うに調整したマスク４３を用いて加工を行う。たとえ
ば、ＫｒＦエキシマレーザーを用いるとともに、合成石
英基板にクロム蒸着することで得たマスクを用いること
で、光拡散板１を得ることができる。加工形状は一つの
凹凸のみでもよいが、凹凸がある繰り返し周期を持って
いる場合、周期パターンを一つのマスクに設計して、一
度の照射で加工してもよい。 【００２７】次にレーザー加工による具体例について説
明する。図１０において、レーザー４０には２００Ｈｚ
のパルス発振が可能なＫｒＦエキシマレーザーを用い
て、このレーザー４０から出力されるレーザービーム
（長方形型、２５ｍｍ×１０ｍｍ）をシリンドルカルレ
ンズ４４を組み合わせることで正方形状（２５ｍｍ×２
５ｍｍ）に整形し、その後、マスク４３を透過させてガ
ルバノミラー４２によって走査することで光拡散板１の
凹凸２の加工を行った。使用したレンズ４１は焦点距離
１００ｍｍのｆθレンズであり、このレンズ４１を通じ
て１ｍｍ×１ｍｍエリアの加工を行った。マスク４３は
図１２に示す１つの凹凸パターンを備えたものや、図１
３に示す複数の凹凸パターンを備えたものを用いること
ができる。被加工物（光拡散板１）にはポリカーボネー
ト樹脂を用い、加工エネルギー密度は５ｍＪ／ｍｍ²と
した。図１１のイ、ロ、ハは夫々図１０中のイ、ロ、ハ
の点でのビーム形状を示しており、図１４は走査方向を
示している。 【００２８】ところで、レーザービームを走査する場
合、広範囲に走査するとレンズ４１の収差の影響を受け
て高精度に加工を行えない場合が発生する。このため
に、レーザーの光学系を固定し、図１５に示すように、
被加工物側をＮＣテーブルなどを用いて移動させること
で要求形状を加工するようにしてもよい。レンズ４１の
収差の影響を受けなくなるために、広範囲にわたり高精
度な加工を行うことができる。なお、レーザー照射が連
続、あるいはパルス状の場合、決まった繰り返し数で発
振させておき、被加工物の移動速度を調節することによ
り形状を変化させる。たとえば、被加工物にポリカーボ
ネートを用いて、レーザー光学系透過後のレーザーエネ
ルギー密度が５ｍＪ／ｍｍ2でレーザー繰り返し発振数
が１５０Ｈｚの時、マスクで透過光強度分布を正弦波形
状に整形して、被加工物の移動速度を１３ｍｍ／ｍｉｎ
にすると、一つの凹凸の大きさが３０μｍで加工深さが
３０μｍ程度の形状を形成することができた。 【００２９】ここにおいて、曲面を加工する時だけでな
く、平面に加工を行う場合でも、当然加工とともに形状
が変化する。この時、レーザーの照射エネルギー密度が
一定でも加工面では形状が変化しているので、厳密には
エネルギー密度が異なり、場所により加工時のエネルギ
ー密度の違いから狙った形状と異なった形状となること
がある。加工断面がレーザー照射に対して垂直に近いほ
どエネルギー密度が大きくなる。従って、最終的な狙い
形状に高精度に加工を行う場合、加工進捗状況に合わせ
たビーム強度で加工を行う必要がある。 【００３０】たとえば図１６に示すように、ｆ（ｘ）＝
７．５ｓｉｎ（２π／３０・ｘ）の強度分布で加工を行
う場合、最終的にｇ（ｘ）の形状を狙って加工を行って
も、斜辺部への入射エネルギー密度が小さくなるため
に、ｈ（ｘ）の形状となってしまう。従って、加工を実
施する場合、ｈ（ｘ）＝ｇ（ｘ）となるようにｆ（ｘ）
を設定する。加工初期はｆ（ｘ）で加工し、途中からレ
ーザービームの強度分布を変化させてもよい。 【００３１】加工断面の曲線は、フーリエ級数展開を行
えば、正弦波形状の合成波形で表すことができる。一般
的に自由曲線ｚ（ｘ）はフーリエ変換を行うと、正弦波
の和集合で表すことが可能であるので、上述のようにし
て定めた凹凸形状をフーリエ変換で正弦波に分割し、個
々の正弦波を順次加工することにより、最終的な形状を
加工する。実際に加工する場合、正弦波の振幅が大きい
ものから加工することで高精度で加工することができ
る。図１７は断面形状がｆ（ｘ）とｇ（ｘ）の正弦波形
を順次加工することでｈ（ｘ）の形状を加工した場合を
示している。なお、各正弦波形はマスク４３とその縮小
率によって決定され、周期に相当するピッチは加工速度
（被加工物の移動速度）で決定する。 【００３２】光拡散板１に微細加工を行う場合、たとえ
ば平面全体に同じ凹凸形状の加工を行うと、当然その形
状に応じた拡散特性を持った配光分布となる。このと
き，図１８(a)(b)に示すような２種類の形状を１：１の
割合で混合して加工を行うと、両形状による配光分布を
足し合わせた分布の配光（図１８(c)）を実現すること
ができる。 【００３３】凹凸形状の断面の変化手法としては、レー
ザー加工時の被加工物の移動速度を変化させる方法やマ
スクを交換し、加工ピッチを変化させる方法などがあ
る。実際、加工ピッチを一定（３０μｍ）にして凹凸深
さ３６μｍの凹凸２と凹凸深さ１５μｍの凹凸２とを合
成させたところ、完全拡散に近い配光を得ることができ
た。また、ピッチを一定にして、凹凸深さ２４μｍの凹
凸２と凹凸深さ６μｍの凹凸２とを合成させたところ、
完全拡散に近い配光を得ることができた。形状の組み合
わせは１：１でなくてもよく、また形状を多く組み合わ
せるほど、より完全拡散に近い配光を得ることができ
る。 【００３４】レーザービームをマスクを用いて光強度分
布を調整するにあたり、レーザービームを走査する場合
や被加工物を移動させる場合、加工は一方向を制御する
形となる。図１９においては、断面Ａ−Ａの方向を制御
（光強度分布等）して加工する。その際に、走査速度や
移動速度を連続的に変化させることで、光の制御方向
（Ａ−Ａ断面方向）とは異なる方向（Ｂ−Ｂ断面方向）
の光も拡散性を持たせることができる。この加工では、
加工形状が連続的に変化し、連続的な配光が実現可能と
なる。 【００３５】つまり光拡散板１は光の指向性を無くし、
光をあらゆる方向に拡散させることが望ましい。したが
って光拡散板１の形状も異なった形状の配置が好まし
い。また、その個々の形状は光のロスを少ない形状に制
御されていることが望ましい。このような形状を作成す
る場合、レーザーの光強度分布で一方向の制御を行い、
加工速度を連続的に変化させることで，異なった方向の
制御を行う。形状も連続的に変化して、光の拡散性は向
上する。 【００３６】レーザービームを用いたならば、微細な凹
凸形状を高精度に作成することができる。しかし、レー
ザー加工では加工時間やコストを考えるとかなり高価な
ものとなってしまう。安価に製造するには、図２０に示
すように、レーザー加工でマスターモデル５を作成し、
マスターモデル５に電鋳にてニッケルを堆積させて精密
転写をとり、転写パターンを金型にして拡散板を成形
（射出成形、スタンパエンボシング、ロールエンボシン
グ等による成形）するとよい。 【００３７】凹凸形状のサイズが大きい場合には、レー
ザー加工で直接金型を作成してもよく、この場合はマス
ター加工が金型加工に相当するので、転写型加工工程が
不要となる。 【００３８】ここにおいて、成形によって製造を行う場
合、図２１に示す型６と成形品（光拡散板１）は成形条
件が転写割合Ｘに影響を及ぼす。たとえば型温度が高
く、成形圧が高く、流動性の大きい材料を用いれば、１
００％に近い良好な転写性が得られる。しかし、条件に
よっては転写割合は悪くなり、樹脂が型に流れ込まず、
凸形状が転写できなくなってくる。転写割合Ｘが変わる
と当然光拡散板１の光学性能も変化するが、逆にこの関
係を把握しておけば、一つの型で異なる光学性能を持っ
た光拡散板１を製造することができる。 【００３９】 【発明の効果】以上のように本発明に係る光拡散板の製
造方法は、レーザー光を照射して断面形状が曲線で表さ
れる凹凸形状を表面に複数方向に設けたマスターモデル
を作成し、該マスターモデルから転写型を作成し、転写
型から光拡散板を成形するために、製造コストを抑えて
量産することができるものであり、しかも上記成形時
に、成形条件によるところの転写割合と得られた光拡散
板の光学性能との関係に基づき、成形条件を変えること
で成形転写率を意図的に変化させて一つの転写型から光
学性能が異なる複数の光拡散板を製造することから、一
つの型で光学特性の異なる拡散板を製造することができ
る。 【００４０】 【００４１】 【００４２】 【００４３】 【００４４】 【００４５】 【００４６】 【００４７】 【００４８】 【００４９】

【図面の簡単な説明】 【図１】本発明の実施の形態の一例を示すもので、(a)
は斜視図、(b)はＡ−Ａ断面図、(c)はＢ−Ｂ断面図であ
る。 【図２】(a)は同上の断面形状の説明図、(b)は他例の断
面形状の説明図である。 【図３】同上の光拡散性についての説明図である。 【図４】(a)は照明器具の底面図、(b)は同上の光拡散板
の部分平面図である。 【図５】(a)は照明器具の底面図、(b)は同上の光拡散板
の平面図である。 【図６】(a)は他例の斜視図、(b)は同上の光拡散性の説
明図である。 【図７】さらに他例の断面図である。 【図８】製造方法の一例の説明図である。 【図９】製造方法の他例の説明図である。 【図１０】同上の具体例の説明図である。 【図１１】イ、ロ、ハは図１０中のイ、ロ、ハ点に夫々
対応するビーム形状の説明図である。 【図１２】同上のマスクの説明図である。 【図１３】同上のマスクの他例の説明図である。 【図１４】(a)(b)は同上のレーザービームの走査につい
ての説明図である。 【図１５】(a)(b)は同上の被加工物の移動についての説
明図である。 【図１６】同上のレーザービームの強度分布と凹凸形状
についての説明図である。 【図１７】凹凸の断面形状についての説明図である。 【図１８】(a)(b)(c)は凹凸の断面形状と配光特性との
説明図である。 【図１９】(a)は斜視図、(b)はＡ−Ａ断面図、(c)はＢ
−Ｂ断面図である。 【図２０】他の製造方法についての説明図である。 【図２１】(a)は型形状と転写成形品との説明図、(b)は
転写率についての説明図である。 【符号の説明】 １ 光拡散板 ２ 凹凸

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平10−123307（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−123803（ＪＰ，Ａ) 特開 昭53−39682（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F21V 5/02 G02B 5/02 F21V 8/00 B23K 26/00

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 レーザー光を照射して断面形状が曲線で
   表される凹凸形状を表面に複数方向に設けたマスターモ
   デルを作成し、該マスターモデルから転写型を作成し、
   転写型から光拡散板を成形する光拡散板の製造方法であ
   り、上記成形時に、成形条件によるところの転写割合と
   得られた光拡散板の光学性能との関係に基づき、成形条
   件を変えることで成形転写率を意図的に変化させて一つ
   の転写型から光学性能が異なる複数の光拡散板を製造す
   ることを特徴とする光拡散板の製造方法。