JP4423200B2 - Apparatus for generating substantially collimated light and method for curing a photopolymerizable layer using the apparatus - Google Patents
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Description
この発明は、略平行化された光を生成するための装置に関するものであって、大きな断面積の略平行化された光のビームを与えることが望まれる環境において特別に有用である。この発明はまた、光学ディフューザーを製造する方法に関する。 The present invention relates to an apparatus for producing substantially collimated light and is particularly useful in environments where it is desired to provide a beam of substantially collimated light with a large cross-sectional area. The invention also relates to a method of manufacturing an optical diffuser.
細長い面積にわたって略平行化された光の光源を必要とする1つの分野は、光重合可能な材料のシートや層を、光学スクリーンを通して、またはそのようなスクリーンなしに、重合用の光に曝す技術による大面積光拡散スクリーンの製造である。投影スクリーン用に好適な光拡散材料に対する種々の提案が過去になされている。例えば、US5837346は、光拡散スクリーン用に好適な材料を作る方法を開示している。この方法は、光透過性の発光重合可能な材料の層に塗布された質感のある表面を有する物質を提供し、重合用の発光のパターンに曝すことによって光学的特徴を形成する。 One area that requires a light source of light that is substantially collimated over an elongated area is the technique of exposing sheets or layers of photopolymerizable material to light for polymerization through or without an optical screen. Is a large area light diffusing screen. Various proposals for light diffusing materials suitable for projection screens have been made in the past. For example, US5837346 discloses a method of making a suitable material for a light diffusing screen. This method provides a material having a textured surface applied to a layer of light transmissive, photopolymerizable material and forms an optical feature by exposure to a light emission pattern for polymerization.
EP0294122は、光拡散材料を作る方法を開示している。この方法では、光重合可能な材料のシートが、透明な窓または開口のアレイを不透明な背景中に有する光学マスクを通して、重合用の光に曝される。EP0768565は、同様な方法を開示している。この方法では、平行化された光は、そのような層に対して斜めに、そのようなマスクまたは変形体を通して、あるいはそのようなマスクなしに、指向される。WO02/39184は、シリコーン系材料、例えばアクリル酸シリコーンを組み入れた光重合可能な材料からディフューザーを製造することについて記載している。この場合、光重合可能な材料は、細長い層において、平行化された紫外線に、直接または開口マスクを通して、曝される。 EP0294122 discloses a method of making a light diffusing material. In this method, a sheet of photopolymerizable material is exposed to polymerization light through an optical mask having an array of transparent windows or openings in an opaque background. EP 0 768 565 discloses a similar method. In this way, the collimated light is directed at an angle to such a layer, through such a mask or variant, or without such a mask. WO 02/39184 describes the manufacture of a diffuser from a photopolymerizable material incorporating a silicone-based material, for example silicone acrylate. In this case, the photopolymerizable material is exposed to collimated UV light directly or through an aperture mask in an elongated layer.
かくして、上記公報に示されているように、例えば光重合可能な系をUV光のような重合用の発光に曝すことによって光学ディフューザーを形成するために、使用される光または他の発光は、平行化、即ちほぼ平行にされる。 Thus, as shown in the above publication, light or other light used to form an optical diffuser, for example by exposing a photopolymerizable system to light for polymerization such as UV light, It is made parallel, i.e. almost parallel.
EP0294122,EP0775953,EP076865またはWO02/39184に係る光学ディフューザーを製造する先の方法は、例えば光重合可能な組成物または系を、UV光のような重合用発光に曝すことを必要とする。この場合、光または他の発光は、レンズによって平行化されている。 Prior methods of producing optical diffusers according to EP0294122, EP0775953, EP076865 or WO02 / 39184 require, for example, exposing a photopolymerizable composition or system to a polymerization emission such as UV light. In this case, light or other light emission is collimated by the lens.
ハニカム構造が光を平行化することに使用できことは知られている。EP0531045は、認可された車両によって交通信号を遠隔操作することに使用される光信号エミッタアセンブリから発光された光を平行化するために、ハニカム要素を使用する。 It is known that honeycomb structures can be used to collimate light. EP0531045 uses a honeycomb element to collimate the light emitted from a light signal emitter assembly that is used to remotely control traffic signals with an authorized vehicle.
本発明の1つの形態における目的は、略平行化された光の改良された光源を提供することにある。 An object in one form of the invention is to provide an improved light source of substantially collimated light.
発明のこの形態によって、略平行化された光を与えるための装置が提供される。この装置は、細長い光源と、この細長い光源に隣接して配置された構造体とを備え、この構造体は、その構造体を通して延びる複数の平行経路を与えるものであり、また前記細長い光源からの光は、前記経路を通過して、前記経路に概ね平行なビームとして出現することを特徴とする。この装置は更に、前記構造体の一側面上にレンズ系または光ディフューザー系を備える。 This form of the invention provides an apparatus for providing substantially collimated light. The apparatus comprises an elongate light source and a structure disposed adjacent to the elongate light source, the structure providing a plurality of parallel paths extending through the structure, and from the elongate light source. The light passes through the path and appears as a beam substantially parallel to the path. The apparatus further comprises a lens system or a light diffuser system on one side of the structure.
この装置は更に、前記構造体の一側面上の、前記細長い光源の近傍にレンズ系を備えて、前記構造体から出現する光を更に平行化することが好ましい。 Preferably, the apparatus further comprises a lens system on one side of the structure in the vicinity of the elongated light source to further collimate light emerging from the structure.
本発明のもう1つの形態における目的は、例えば光源の指向性が極めて重要なLCDディスプレイで使用するに好適な光拡散材料を、WO02/39184に開示されている方法によって製造する際に、光硬化する改良された方法を提供することにある。 Another object of the present invention is to provide a light-curing material for producing a light diffusing material suitable for use in, for example, an LCD display in which the directivity of the light source is extremely important by the method disclosed in WO 02/39184. It is to provide an improved method of doing so.
発明のこの形態によって、光重合可能な材料を、その重合を起こすために、例えば光学ディフューザーを製造するために、露光する方法が提供される。この方法は、発明の最初の形態に係る平行化された光の光源を使用して、光重合可能な材料を露光する。 This aspect of the invention provides a method of exposing a photopolymerizable material to cause its polymerization, eg, to produce an optical diffuser. This method uses a collimated light source according to the first aspect of the invention to expose a photopolymerizable material.
以下、添付図面を参照して、この発明の実施形態が説明される。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
図面を参照すると、欧州特許EP0294122、EP0775953、EP0768565または国際公開特許WO02/39184に開示されたものと同様の方法によって、光学GRIN(グレーデッド屈折率ディフューザーまたは屈折率変調を示すディフューザー)を製造するために使用される装置は、(例えば図1に示されるように繰り返す詳細な構造を有する)光源12(図2)の前方に配置されたハニカム要素14を有する。この要素14は、光源12によって発光された光を、概ね平行で非発散性のビームに平行化する。光源12は、ストリップ光やチューブのようなストリップ光源であって、これまで利用可能なものよりも安価に、光重合可能なシートまたは層の大面積を一度に露光する方法を提供するものであることが好ましい。
Referring to the drawings, for producing an optical GRIN (graded refractive index diffuser or diffuser exhibiting refractive index modulation) by a method similar to that disclosed in European Patents EP0294122, EP0757553, EP0768565 or International Patent Publication WO02 / 39184. The device used in the above has a
本明細書は、光重合可能な所定の材料に言及する。ここで認められるべきことは、電磁放射であるか電子または他の粒子ビームであるかを問わず画像形成能力を有した放射で露光することによって、適切な重合が、所定の材料では効果的であるということである。この明細書における重合性放射の参照は、そのような放射の形態の全てをカバーすることを意図されている。光ポリマーは、紫外光のような光放射による露光時に、選択的に重合されるか、および/または、架橋され得るポリマー/オリゴマー/モノマーを基礎とした画像形成組成物として規定される。ここで使用される「光重合可能」という用語は、光放射への露光時に、重合または共重合して、高分子量の材料、例えばオリゴマー、ポリマーまたは重合材料を製造することが可能なモノマーやオリゴマーのような化学的化合物および、これらの化学的組成物または混合物を指す。 This specification refers to certain materials that are photopolymerizable. It should be appreciated that proper polymerization is effective for a given material by exposing it with imaging capable radiation, whether electromagnetic radiation or electron or other particle beams. That is. Reference to polymerizable radiation in this specification is intended to cover all such forms of radiation. Photopolymers are defined as imaging compositions based on polymers / oligomers / monomers that can be selectively polymerized and / or crosslinked upon exposure to light radiation such as ultraviolet light. As used herein, the term “photopolymerizable” refers to monomers or oligomers that can be polymerized or copolymerized upon exposure to light radiation to produce high molecular weight materials, such as oligomers, polymers, or polymeric materials. And the chemical compositions or mixtures thereof.
発明の好ましい実施形態におけるコリメータ要素14は、平行なオープンエンド型セルのハニカムアレイによって形成された概ね平坦なパネルの形態である。セルの各々は、パネルの主表面に直交した壁を有する。これら表面は、セルの壁の自由エッジによって順番に規定されている。コリメータ14は、所望の断面形状、例えば円形または方形のセルのアレイによって構築され得るが、セルは、6角形の断面であることが好ましい。図2に示された装置において、各セルは、約0.35cmの対角線寸法と、3〜20cmの高さ(パネル厚に対応する)とを有する。コリメータパネル14の全体は、ストリップ光源の長さ及び幅を跨ぐに十分な大きさである。コリメータは、陽極酸化した黒色アルミのような光吸収材料で形成することができる。ハニカムパネル14の効果は、光源から発光された最も傾斜した光成分(光線)がハニカム壁の表面によって確実に吸収されるようにすること、並びにコリメータ14の主面に近接して直交し、かくしてハニカム構造のセルの中心軸と平行となる光成分(光線)だけがコリメータを確実に通過できるようにすることである。コリメータ14を通過する軌道の角度範囲は、コリメータ経路またはセルの高さ、断面構成およびサイズによって決定される。
The
図2に示された配置において、コリメータ14を通過する略平行化された光は、ガラス板18上に支持された光重合可能な材料の層16(「サンプル」と呼ぶ)を照射する。コリメータ14は、スペーサ20によってガラス板18から支持され得る。発明の本実施形態および他の実施形態において、光源12とサンプルとの間の距離は、光の平行化を最適化するために、最小化されるべきである。好ましい実施形態において、サンプル16で受光される平行化された照明の線量は、拡散フィルムを形成するためには、750〜850mJ/cm2の範囲内にあるべきである。
In the arrangement shown in FIG. 2, the substantially collimated light passing through the
コリメータ14の作用によって、サンプルに到達する光線の大半は、ほぼ平行に整列される。図3(a)および3(b)を参照すると、図1及び2を参照して説明された配置は、(図3(b)に示されるように)下地のシートまたは層16を照明することに使用されるときに、(図3(a)に示されるように)局所化された光源13を平行化レンズ15と組み合わせて使用する配置と比べて、より一様な光の到達範囲を与える。何故ならば、シートに到達した光線が同じ距離を進むときに、光学倍率のより一様な分布が結果的に生じるためである(図3(b)と比較せよ)。かくして、シート16のエッジまで進行した点光源13からの光は、拡散効果故に、レンズ15の中心を通ってシート16の中心に到達する光よりも大きな距離を進行し且つより少ない光学倍率を含むことになる(図3(a)と比較せよ)。加えて、図3(b)に示されるように、ストリップ光源12は、ハニカムコリメータ14を使用することによって、平行化されたビームを生成するためのレンズと関連して点光源が使用されるときに可能である場合よりも、より一層サンプル16の近くに配置することができる。
Due to the action of the
コリメータ14は、固い材料の板を個々に穴あけ加工して複数の開口を形成することによって製造することができる。この代わりに、このコリメータは、別々のチューブを密集させることによって、あるいは一連の交差する板を使用して方形または矩形の経路の格子を作ることによって製造することができる。このコリメータを製造するもう1つの方法では、波形に形成された薄い金属箔のストリップを、隣接する壁部分が互いに接触するノードにおいて、互いに取り付ける。この発明の実施形態として好ましいコリメータ14の製造方法では、重複した平坦なストリップをスタック(積み重ね)にして互いに固定する。そのような固定は、ストリップの面に直交する引き込みによってスタックが拡張されたときに、所望のハニカム構造が生成されるように、スタック内で連続したストリップ間に互いにジグザグ配置された横断平行線に沿ってなされる。そのようなコリメータは、例えば好適なプラスチックへの成型によっても形成することができる。上記に示したように、その仕上げ形態において、コリメータのセル壁は、光吸収性、例えばマット仕上げの黒色とすべきである。いくつかの応用では、コリメータパネルの面に対して所定の角度で斜めに傾斜した方向を有することが望ましい。コリメータを通過した発光は、その方向に沿って平行化される。これは、同時に互いに並行であるこれらの面に対して、セルの軸が相応じて傾斜されるように、コリメータパネルを作ることによって達成される。
The
発明のいくつかの実施形態では、コリメータ14とランプ12の間に、波形または通常のレンズまたはプリズム(例えば、BEF型フィルムと同様な)のアレイ、あるいはレンズとプリズムの組み合わせような、1以上の要素がある。そのようなレンズまたはプリズムは、光を前方へ集中して、より均質な光パッチ(アレイ中の要素の数と、最後のアレイと光パッチとの間の距離に依存した均一性)を与える。図4に示された発明の1つの実施形態では、線形波形レンズの2つの層AおよびBが、一方が他方の上となるように、光源12とコリメータ14との間に設けられている。層AおよびBの主平面は、コリメータ14の主平面と平行である。層AおよびBは勿論、UV光を通過させる材料、好ましくはシリカ水晶で作られているが、より好ましくは溶融シリカで作られる。第1の層Aは、円筒状レンズであって、その中心線は、線形ランプ12の軸と平行である。第2の層Bは、小さな円筒状レンズのアレイであって、それらの中心線は、ランプ12の軸と直交している。2つのリニア構造が組み合わされるときに(レンズまたはプリズム)、1つの層におけるリニア要素、例えばプリズムのリブまたは円筒状レンズの長手方向は、他方の層のそのような長手方向に直交して配置されることが好ましい。この代わりに、あるいは追加的に、光拡散性シートが、光源とコリメータとの間に介在されてもよい。図4では例解の目的のために、単一の線形光源12だけが示されているが、実際には、2次元に拡張された光源を提供するために、互いに平行に並んで配置された複数のそのような線形光源が使用される。
In some embodiments of the invention, between the
ランプ12とコリメータ14との間に配置された単一層の水晶体レンズの場合、その層が、図4の層Bのレンズと同じように方位付けされた複数のレンズで構成されていることが好ましい。
In the case of a single layer lens lens disposed between the
この代わりに、球状レンズの単一の2次元アレイが、コリメータとランプとの間に配置されてもよい。 Alternatively, a single two-dimensional array of spherical lenses may be placed between the collimator and the lamp.
もう1つの実施形態では、ガラス、好ましくは石英のプリズム層が、光源12とコリメータ14との間に配置される。
In another embodiment, a prism layer of glass, preferably quartz, is disposed between the
発明のいくつかの実施形態では、階調屈折率(GRIN)ディフューザーは、欧州特許第0294122号または欧州特許第0530269号に開示されているものと同様の技術によって作られる。この技術では、粘性のある流体または粘着性ゲルのシートまたは層の形態に設けられた、光重合可能な材料、例えばアクリルアミドモノマーの層が、不透明な背景中に複数の光透過性開口を形成した光学マスク上か、光透過性の背景中に複数の不透明なパッチを形成した光学マスク上に塗布される。これらの開口またはパッチは、顕微鏡的なスケールである(典型的には約2ミクロンであり、最大寸法でも約10ミクロンである)。図5は、そのような光重合可能な層30の一部が、そのようなマスクの単一のそのような光透過性開口を通して、紫外線に露光されている状態を、より大きな拡大スケールで示している(参照符号32は、そのような光重合可能な層用の支持基板を示している)。紫外光に選択的に露光されたスポットの領域における重合後に、その材料は、紫外光に対し全体露光されて、その材料の初期の選択露光中に未露光であった残部を硬化する。この材料は、選択露光の前または後に熱処理されることもある。モノマー拡散は、選択された領域が重合用の発光に露される時に起こって(図5参照)、周囲の低い屈折率の材料中にロッドやチューブ構造を形成する高い屈折率の領域を生ずる。図6は、マスク開口の中心軸を基準とした半径方向位置(X軸)と、結果として得られる重合された構造の屈折率(Y軸)とのグラフである。
In some embodiments of the invention, the gradation index (GRIN) diffuser is made by techniques similar to those disclosed in EP 0294122 or EP 0530269. In this technique, a layer of photopolymerizable material, such as an acrylamide monomer, provided in the form of a viscous fluid or sticky gel sheet or layer formed a plurality of light transmissive apertures in an opaque background. It is applied on an optical mask or an optical mask in which a plurality of opaque patches are formed in a light transmissive background. These apertures or patches are on a microscopic scale (typically about 2 microns, with a maximum dimension of about 10 microns). FIG. 5 shows, on a larger scale, a portion of such a
欧州特許第0801767号に開示されているようなマスクは、ガラス板の通常の形態である写真のネガまたは透明性の形態をとることがある。この場合、ガラス板の一方の側面には、不透明な銀粒が含まれたゼラチン層が設けられている。光重合可能な混合物または系は、準備されたマスクのゼラチン面上に直接塗布される。 Masks such as those disclosed in EP 0801767 may take the form of photographic negatives or transparency, which are the usual forms of glass plates. In this case, a gelatin layer containing opaque silver particles is provided on one side surface of the glass plate. The photopolymerizable mixture or system is applied directly onto the gelatin side of the prepared mask.
発明の他の実施形態では、光学グレーデッド(階調)屈折率(GRIN)ディフューザーは、同様ではあるがマスクは使用されないプロセスによって製造される。この場合、光重合可能な混合物または系は、平坦で透明なシートまたはフィルム上に直接塗布される。GRIN構造のディフューザーを、マスクを使用することなく、所定の化学製剤のみで得ることが可能である。国際公開特許WO02/39184は、シリコーン アクリレートまたは同様の化合物を含んだ系から、マスクを使用して、または使用しないで、ディフューザー(散乱素子)を製造することについて説明している。 In another embodiment of the invention, the optical graded refractive index (GRIN) diffuser is manufactured by a process that is similar but does not use a mask. In this case, the photopolymerizable mixture or system is applied directly onto a flat and transparent sheet or film. It is possible to obtain a diffuser having a GRIN structure only with a predetermined chemical preparation without using a mask. International patent application WO 02/39184 describes the manufacture of diffusers (scattering elements) from systems containing silicone acrylates or similar compounds, with or without the use of masks.
イギリス特許UK特許出願第0130726.3号及び国際公開特許WO02/39184の明細書に述べられているように、シリコーン系の光重合可能な系が、ほぼ平行化された重合用の発光に曝されると、露光された材料は重合して、GRINディフューザーを形成するということが見出されている。このGRINディフューザーは、最初の重合用発光の方向に対応する方向に見たときに、通常のディフューザーとして作用するが、所定の他の方向から見たときは、澄んだ透明シートのように見える。同じ光重合可能な材料は、非平行化光に曝されたときに硬化して、GRIN構造のないフィルムを形成する。 As described in UK Patent Application No. 03077266.3 and International Patent Publication No. WO 02/39184, silicone-based photopolymerizable systems are exposed to light for nearly collimated polymerization. It has been found that the exposed material polymerizes to form a GRIN diffuser. This GRIN diffuser acts as a normal diffuser when viewed in a direction corresponding to the direction of the initial polymerization light emission, but when viewed from a predetermined other direction, it looks like a clear transparent sheet. The same photopolymerizable material cures when exposed to non-collimating light to form a film without a GRIN structure.
異なる程度の光平行化を使用した異なる結果は、セキュリティ標識の製造に使用できる。かくして、本発明の一実施形態では、光学マスクを通して光重合可能な材料を露光することに使用される重合用発光をほぼ平行化するためのコリメータとして、ハニカム構造が使用される。このマスクは、例えば透明な文字や番号から離れた所では不透明である。このフィルムは、そのような平行化された光への露光後は、ブランケッティング重合用発光に仕向けられて、それまで未露光であった領域を重合する。そのような配置によって、文字や番号は、平行化された光の平行化方向に見たときに実質的に見えなくなる。しかし、適切な傾斜角で見たときは、文字や番号は、澄んだ背景に対してグレイの文字や番号として、あるいは不透明な背景に対して澄んだ文字や番号として見分けられる。 Different results using different degrees of light collimation can be used for the production of security signs. Thus, in one embodiment of the present invention, a honeycomb structure is used as a collimator to substantially parallelize the polymerization emission used to expose the photopolymerizable material through the optical mask. This mask is opaque, for example, away from transparent letters and numbers. After exposure to such collimated light, the film is directed to light emission for blanketing polymerization to polymerize previously unexposed areas. With such an arrangement, letters and numbers are substantially invisible when viewed in the collimating direction of the collimated light. However, when viewed at an appropriate tilt angle, letters and numbers are distinguished as gray letters or numbers against a clear background or as clear letters or numbers against an opaque background.
上述したように、本発明に係るハニカム構造コリメータは、LCDディスプレイや他の光学装置用の、(光重合可能な材料を使用した)グレーデッド屈折率ディフューザーの製造に使用できる。上述したように、発明の装置を使用したグレーデッド屈折率要素の製造では、ハニカム構造コリメータは、コリメータと光源との間に配置された1以上のプリズムと(またはマイクロレンズアレイと、あるいは光ディフューザーとさえも)組み合わされる。上述したように、光学マスクは、必要ではないが、コリメータと光重合可能な材料との間に配置されてもよい。 As described above, the honeycomb structure collimator according to the present invention can be used to manufacture a graded refractive index diffuser (using a photopolymerizable material) for LCD displays and other optical devices. As described above, in the manufacture of graded refractive index elements using the apparatus of the invention, the honeycomb structure collimator comprises one or more prisms (or microlens arrays, or light diffusers) disposed between the collimator and the light source. Even). As mentioned above, an optical mask is not required, but may be placed between the collimator and the photopolymerizable material.
上記のように製造されたグレーデッド屈折率光ディフューザーは、投影スクリーンやLCDディスプレイのような画像表示装置のコントラストを増強するために使用され得る。上述したように光ポリマーの選択重合によって、例えば光学マスクを通した露光によって、あるいは平行化された発光に光学マスクを使用することなく曝されることによって製造されるそのようなグレーデッド屈折率光ディフューザーは、それらが偏光を維持するという特性を有する。即ち、特定の偏光を有するディフューザーを通過する光は、ディフューザーを出るときに、その偏光を維持し、また特別な偏光を有しないディフューザーを通過する光は、ディフューザーから出るときに、同様に特別な偏光を有しない。この偏光維持特性は、投影スクリーンやLCDディスプレイのような表示装置の効率および品質を強化する。 Graded refractive index light diffusers manufactured as described above can be used to enhance the contrast of image display devices such as projection screens and LCD displays. Such graded index light produced by selective polymerization of a photopolymer as described above, for example by exposure through an optical mask, or by exposure to collimated light emission without the use of an optical mask. Diffusers have the property that they maintain polarization. That is, light that passes through a diffuser with a particular polarization maintains its polarization when exiting the diffuser, and light that passes through a diffuser that does not have a special polarization is similarly special when exiting the diffuser. Does not have polarized light. This polarization maintaining property enhances the efficiency and quality of display devices such as projection screens and LCD displays.
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