JP7088650B2

JP7088650B2 - 光学体及び発光装置

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Publication number: JP7088650B2
Application number: JP2017191540A
Authority: JP
Inventors: 直樹花島; 浩司佐々木
Original assignee: Dexerials Corp
Current assignee: Dexerials Corp
Priority date: 2017-09-29
Filing date: 2017-09-29
Publication date: 2022-06-21
Anticipated expiration: 2037-09-29
Also published as: US10656318B2; PL3462082T3; EP3462082B1; EP3462082A1; JP2019066644A; US20190101684A1

Description

本発明は、光学体及び発光装置に関する。

例えば特許文献１に開示されるように、光学体の一種として、光の導波現象及び拡散現象を組み合わせた光学体が知られている。このような光学体は、導光板とも称される。導光板の表面には、光を拡散させる光取出し部が形成される。そして、導光板の内部には、導光板の側面に設けられた光源から光が入射される。導光板の内部に入射された光、すなわち内部伝播光は、導光板の表面（すなわち、導光板の内部と外部との界面）で反射しながら導光板の内部を伝播する。その後、内部伝播光は、光取出し部で反射し、光取出し部が形成された表面の反対側の表面から出射される。すなわち、導光板は、導光板の側面から入射された光を導光板の表面から出射する。したがって、光取出し部が形成される領域が発光領域となる。

導光板は、例えば各種の表示装置用の発光体、あるいは照明用の発光体として用いられる。導光板が使用される表示装置としては、例えば、各種ＬＣＤ（例えば、ローカルディミング駆動方式のＬＣＤ）、パッシブタイプ表示装置、アミューズメント向けの光装飾パネルやデジタルサイネージ等の広告向けのイルミパネル等が挙げられる。これらの表示装置では、光源の点灯と消灯により、光取出し部のパターンが形成された領域、すなわち発光領域からあたかも光が浮き上がるような表現が可能となる。発光領域の形状によって様々な意匠（スピードメータの数字等）が実現される。

特開２０１２－１３６１９９号公報特開２００４－１４５３２８号公報

しかし、従来の導光板には、光取出し効率（放射効率）が十分でないという問題があった。一方、特許文献２には、マイクロレンズアレイが開示されている。本発明者は、特許文献２に開示されたマイクロレンズアレイを導光板の光取出し部に適用することを試みたが、光取出し効率は十分に改善されなかった。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、光取出し効率を高めることが可能な、新規かつ改良された光学体を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、
基材と、
前記基材の表面に形成され、前記基材の側面から前記基材の内部に入射された内部伝播光を前記基材の外部に取出す光取出し部と、を備え、
前記光取出し部は、球面形状を有する複数の凸型マイクロレンズで構成される凸型マイクロレンズアレイで構成され、
互いに隣接する前記凸型マイクロレンズの端部同士が重なり合っており、
前記凸型マイクロレンズアレイを構成する前記凸型マイクロレンズの前記端部の最大傾斜角度は、前記内部伝播光の最大伝播角度に±３度以下の誤差で一致することを特徴とする、光学体が提供される。

ここで、前記複数の凸型マイクロレンズは、互いに相似形であり、前記凸型マイクロレンズアレイの充填率が１００％であってもよい。

また、凸型マイクロレンズアレイを構成する凸型マイクロレンズ間の境界線は、平面視で直線かつ多角形を形成してもよい。

本実施形態の他の観点によれば、上記の光学体と、光学体の側面に設けられ、光学体の側面から光学体の内部に光を入射する光源と、を備える、発光装置が提供される。

以上説明したように本発明によれば、凸型マイクロレンズアレイの最大傾斜角度は、内部伝播光の最大伝播角度に略一致するので、光取出し効率を高めることが可能となる。

本発明の実施形態に係る光学体の概略構成を示す平面図である。同実施形態に係る光学体の断面構造を示す側断面図である。図２の一部を拡大して示す側断面図である。図１の一部を拡大して示す平面図である。凸型マイクロレンズアレイのレイアウトの一例を示す斜視画像である。凸型マイクロレンズアレイのレイアウトの一例を示す平面画像である。本実施形態に係る原盤の外観例を示す斜視図である。露光装置の構成例を示すブロック図である。光学体をロールツーロールで製造する転写装置の一例を示す模式図である。実施例で行ったシミュレーションの様子を概念的に示す側断面図である。凸型マイクロレンズアレイの最大傾斜角度と光強度との対応関係を示すグラフである。凸型または凹型マイクロレンズアレイの最大傾斜角度と光強度との対応関係を示すグラフである。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

＜１．光学体の構成＞
次に、図１～図４に基づいて、本実施形態に係る光学体１の構成について説明する。光学体１は、基材１０及び光取出し部１１を含む。光学体１は、導光板とも称される。

基材１０は、基材１０の内部に入射された光、すなわち内部伝播光を基材１０の面方向（すなわち、厚さ方向に垂直な方向、図２では水平方向）に伝播させる。すなわち、内部伝播光は、基材１０の表面１０Ａ、１０Ｂで全反射を繰り返しながら、基材１０の内部を伝播する。したがって、基材１０は、光の伝導性に優れた樹脂、好ましくは熱可塑性樹脂で構成されることが好ましい。このような樹脂としては、例えば、ポリメチルメタクリレート、ポリカーボネート、Ａ－ＰＥＴ、シクロオレフィンコポリマー、シクロオレフィンポリマー等が挙げられる。また、基材１０は、光の伝導性に優れた無機材料で構成されてもよい。このような無機材料としては、例えばケイ素系の材料、より具体的にはガラス等が挙げられる。基材１０の厚さは特に制限されず、光学体１の用途等によって適宜調整すればよい。

光取出し部１１は、基材１０の少なくとも一方の表面１０Ａに形成される。光取出し部１１は、図２及び図３に示すように、内部伝播光を取出し、光学体１の外部に出射する。図３の直線Ｌ１０は、内部伝播光の光路を示し、直線Ｌ１１は、外部に取出された光、すなわち、取出し光の光路を示す。つまり、光取出し部１１に到達した内部伝播光は、光取出し部１１の表面で反射（拡散）し、光の回折現象により、表面１０Ｂから外部に出射される。光取出し部１１は、表面１０Ａのうち、光を取出したい箇所に形成される。光源２０の点灯と消灯により、光取出し部１１のパターンが形成された領域、すなわち発光領域からあたかも光が浮き上がるような表現が可能となる。発光領域の形状によって様々な意匠が実現される。図１に示す例では、アルファベットの「Ａ」という意匠が実現される。もちろん、発光領域によって形成される意匠はこの例に限られない。例えば、スピードメータの枠、目盛、数字等が実現されても良い。

ここで、図２～図４に基づいて、光取出し部１１の構成を詳細に説明する。光取出し部１１は、凸型マイクロレンズアレイで構成される。すなわち、光取出し部１１は、多数の凸型マイクロレンズ１１ａを有する。

内部伝播光は、凸型マイクロレンズ１１ａの表面で反射（全反射）し、表面１０Ｂから光学体１の外部に出射する。ここで、凸型マイクロレンズ１１ａの表面で反射した全ての内部伝播光が外部に出射するわけではない。すなわち、凸型マイクロレンズ１１ａの端部１１ｂあるいはその近傍で反射した内部伝播光が外部に出射する。一方、凸型マイクロレンズ１１ａの他の部分で反射した内部伝播光のほとんどは、表面１０Ｂで再度反射し、基材１０内を進行する。このように、凸型マイクロレンズ１１ａの端部１１ｂ及びその近傍の領域が光取出し部１１として機能する。ここで、隣接する凸型マイクロレンズ１１ａの端部１１ｂ同士が重なり合っている場合、端部１１ｂは、凸型マイクロレンズ１１ａ間の境界線１１ｃを形成する。隣接する凸型マイクロレンズ１１ａ同士が離間している場合、端部１１ｂは、凸型マイクロレンズ１１ａと基材１０との境界線を形成する。

図３に示すように、凸型マイクロレンズ１１ａの最大傾斜角度θ_Ｌが大きいほど、内部伝搬光が凸型マイクロレンズ１１ａの表面で反射した際に内部伝搬光の伝搬角度変化が大きくなる。このため、光取出し効率（放射効率）が大きくなる。ここで、凸型マイクロレンズ１１ａの最大傾斜角度θ_Ｌは、凸型マイクロレンズ１１ａの端部１１ｂにおける接線Ｌ２と直線Ｌ１（基材１０の面方向を示す直線）とのなす角度であり、以下の数式（１）で示される。また、内部伝播光の伝播角度は、内部伝播光の光路（直線Ｌ１０）と直線Ｌ１とのなす角度θである。なお、図３では、伝播角度θが後述する最大伝播角度θ_０に一致している。光取出し効率は、概念的には、光源２０から光学体１に入射される光の全光強度と、光取出し部１１から出射する光の全光強度との比となる。

その一方で、凸型マイクロレンズ１１ａの最大傾斜角度θ_Ｌが大きくなりすぎると、凸型マイクロレンズ１１ａの表面における内部伝播光の反射が全反射の要件を満たさなくなるため、凸型マイクロレンズ１１ａに達した内部伝播光の一部が凸型マイクロレンズ１１ａの表面から光学体１の外部に漏出しやすくなってしまう。このため、光取出し効率がかえって低下する。

したがって、光取出し効率が最大となるのは、凸型マイクロレンズ１１ａの最大傾斜角度θ_Ｌが内部伝搬光の最大伝播角度θ_０に略一致する場合であると言える。ここで、内部伝播光の最大伝播角度θ_０は、いわゆる臨界角であり、以下の数式（２）で示される。

数式（１）において、ｐは凸型マイクロレンズ１１ａのピッチ（頂点間距離）（μｍ）であり、Ｒは凸型マイクロレンズ１１ａの曲率半径（μｍ）である。数式（２）において、ｎは凸型マイクロレンズ１１ａの屈折率である。数式（１）、（２）において、ｓｉｎ^－１の値は度単位に換算される。なお、数式（２）では、光学体１が空気中で使用されることが前提となっている。分子の「１」は、光学体１が空気以外の周辺環境で使用される場合、その使用環境に応じた屈折率に置き換えられる。図３では、凸型マイクロレンズ１１ａの最大傾斜角度θ_Ｌが内部伝搬光の最大伝播角度θ_０に略一致している。

ここで、光取出し部１１は、複数の凸型マイクロレンズ１１ａを有する。製造誤差等の理由により、凸型マイクロレンズ１１ａの形状は完全同一とはならない。また、意図的に凸型マイクロレンズ１１ａの形状を変える場合も想定される。したがって、凸型マイクロレンズ１１ａの最大傾斜角度θ_Ｌは、凸型マイクロレンズ１１ａ毎に変わりうる。そこで、本実施形態では、複数の凸型マイクロレンズ１１ａについて算出された最大傾斜角度θ_Ｌの算術平均値を最大伝播角度θ_０に略一致させる。以下、最大傾斜角度θ_Ｌの算術平均値を「凸型マイクロレンズアレイの最大傾斜角度θ_Ｌｎ」とも称する。

したがって、本実施形態では、凸型マイクロレンズアレイの最大傾斜角度θ_Ｌｎが最大伝播角度θ_０に略一致する。凸型マイクロレンズアレイの最大傾斜角度θ_Ｌｎを算出する際には、いくつか（例えば数十個）の凸型マイクロレンズ１１ａをピックアップし、これらの最大傾斜角度θ_Ｌの算術平均値を算出すれば良い。

「略一致」とは、完全一致の他、多少の誤差も含みうる概念である。例えば、凸型マイクロレンズアレイの最大傾斜角度θ_Ｌｎと最大伝播角度θ_０との誤差が±１０度以下であれば両者は略一致するとみなしてよい。凸型マイクロレンズアレイの最大傾斜角度θ_Ｌｎと最大伝播角度θ_０とが略一致するためには、これらの誤差が±７度以下であることが好ましく、±５度以下であることがさらに好ましく、±３度以下であることがさらに好ましい。

本実施形態では、凸型マイクロレンズアレイの最大傾斜角度θ_Ｌｎが最大伝播角度θ_０に略一致するので、光取出し効率を高めることができる。さらに、このような構成によって、透過ヘイズも良好になる。すなわち、光源２０の消灯時に光取出し部１１が視認者に見えにくくなる。

なお、光取出し部１１を構成するマイクロレンズは、「凸型」マイクロレンズ１１ａである。光取出し部１１が凹型マイクロレンズで構成される場合、後述する比較例で説明するように、本実施形態の効果が得られない。その理由として、本発明者は、以下の理由を考えている。マイクロレンズが凸型であっても、凹型であっても、マイクロレンズの両端の傾斜角度が最大傾斜角度となる。光取出し部１１が凸型マイクロレンズ１１ａで構成される場合、凸型マイクロレンズ１１ａの両端が光学体１の厚さ方向の内側に多く存在することになる。すなわち、凸型マイクロレンズ１１ａの両端は、凸型マイクロレンズ１１ａの他の領域よりも光学体１の厚さ方向の内側に配置される。一方、光取出し部１１が凹型マイクロレンズで構成される場合、凹型マイクロレンズの両端が光学体１の表面側に多く存在する。すなわち、凹型マイクロレンズの両端が光学体１の厚さ方向の外側に突出している。したがって、光取出し部１１が凸型マイクロレンズ１１ａで構成される場合、より多くの内部伝搬光が凸型マイクロレンズ１１ａの両端に到達し、伝播角度を大きく変化させる。したがって、光取出し効率が大きくなる。

図４に示すように、凸型マイクロレンズアレイの充填率は１００％となっている。ここで、充填率は、凸型マイクロレンズアレイの全面積に占める凸型マイクロレンズ１１ａの面積の比である。充填率が１００％であることは、凸型マイクロレンズアレイの全面積が凸型マイクロレンズ１１ａで占められることを意味する。つまり、凸型マイクロレンズアレイを構成する全ての凸型マイクロレンズ１１ａの端部１１ｂが隣接する凸型マイクロレンズ１１ａの端部１１ｂと重なり合っている。これにより、光取出し効率がさらに高まる。さらに、粒状感の少ないきめ細やかな画像を表示することが可能になる。もちろん、凸型マイクロレンズアレイの充填率は１００％未満であっても良いが、光取出し効率及び粒状感を考慮するとなるべく１００％に近い値であることが好ましい。例えば、充填率は７０％以上であることが好ましい。

同図に示すように、凸型マイクロレンズ１１ａ間の境界線１１ｃは、平面視で直線かつ多角形を形成する。これにより、光取出し効率が更に高まる。なお、凸型マイクロレンズ１１ａは互いに相似形（球形）であり、かつ充填率が１００％であるため、境界線１１ｃが上述した形状となる。

凸型マイクロレンズ１１ａのピッチに特に制限はないが、例えば、作業容易性等の観点から６０～２００μｍ程度であっても良い。

上述したように、凸型マイクロレンズ１１ａの端部１１ｂ及びその近傍の領域が光取出し部１１として機能する。したがって、凸型マイクロレンズ１１ａは、端部１１ｂ及びその近傍の領域でマイクロレンズ機能（すなわち、内部伝播光を全反射する機能）を有していれば良い。

光取出し部１１は、例えば走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、あるいは断面透過型電子顕微鏡（断面ＴＥＭ）等によって観察可能である。

ここで、光取出し部１１は、例えば基材１０と一体成型される。詳細は後述するが、例えば、基材１０を熱可塑性樹脂で形成し、基材１０に原盤１００の表面形状（原盤１００の表面形状は光取出し部１１の反転形状を有する）を転写することで、基材１０の表面に光取出し部１１を形成することができる。

一方、光取出し部１１は、基材１０とは別体で構成されていても良い。この場合、光取出し部１１は、例えば硬化性樹脂の硬化物で構成される。詳細は後述するが、光取出し部１１は、原盤１００の表面形状を基材１０の表面に予め形成された未硬化樹脂層に転写し、その後未硬化樹脂層を硬化することで形成される。このように、１つの原盤１００で光取出し部１１を基材１０のいずれかの表面に形成することができるので、光学体１を容易に作製することができる。

硬化性樹脂の硬化物は、透明性を有することが好ましい。硬化性樹脂は、重合性化合物と硬化開始剤とを含む。重合性化合物は、硬化開始剤によって硬化する樹脂である。重合性化合物としては、例えばエポキシ重合性化合物、及びアクリル重合性化合物等が挙げられる。エポキシ重合性化合物は、分子内に１つまたは２つ以上のエポキシ基を有するモノマー、オリゴマー、またはプレポリマーである。エポキシ重合性化合物としては、各種ビスフェノール型エポキシ樹脂（ビスフェノールＡ型、Ｆ型等）、ノボラック型エポキシ樹脂、ゴム及びウレタン等の各種変性エポキシ樹脂、ナフタレン型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、フェノールノボラック型エポキシ樹脂、スチルベン型エポキシ樹脂、トリフェノールメタン型エポキシ樹脂、ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂、トリフェニルメタン型エポキシ樹脂、及びこれらのプレポリマー等が挙げられる。

アクリル重合性化合物は、分子内に１つまたは２つ以上のアクリル基を有するモノマー、オリゴマー、またはプレポリマーである。ここで、モノマーは、さらに分子内にアクリル基を１つ有する単官能モノマー、分子内にアクリル基を２つ有する二官能モノマー、分子内にアクリル基を３つ以上有する多官能モノマーに分類される。

「単官能モノマー」としては、例えば、カルボン酸類（アクリル酸）、ヒドロキシ類（２－ヒドロキシエチルアクリレート、２－ヒドロキシプロピルアクリレート、４－ヒドロキシブチルアクリレート）、アルキル又は脂環類のモノマー（イソブチルアクリレート、ｔ－ブチルアクリレート、イソオクチルアクリレート、ラウリルアクリレート、ステアリルアクリレート、イソボニルアクリレート、シクロヘキシルアクリレート）、その他機能性モノマー（２－メトキシエチルアクリレート、メトキシエチレングリコールアクリレート、２－エトキシエチルアクリレート、テトラヒドロフルフリルアクリレート、ベンジルアクリレート、エチルカルビトールアクリレート、フェノキシエチルアクリレート、Ｎ，Ｎ－ジメチルアミノエチルアクリレート、Ｎ，Ｎ－ジメチルアミノプロピルアクリルアミド、Ｎ，Ｎ－ジメチルアクリルアミド、アクリロイルモルホリン、Ｎ－イソプロピルアクリルアミド、Ｎ，Ｎ－ジエチルアクリルアミド、Ｎ－ビニルピロリドン、２－（パーフルオロオクチル）エチルアクリレート、３－パーフルオロヘキシル－２－ヒドロキシプロピルアクリレート、３－パーフルオロオクチル－２－ヒドロキシプロピル－アクリレート、２－（パーフルオロデシル）エチル－アクリレート、２－（パーフルオロ－３－メチルブチル）エチルアクリレート）、２，４，６－トリブロモフェノールアクリレート、２，４，６－トリブロモフェノールメタクリレート、２－（２，４，６－トリブロモフェノキシ）エチルアクリレート）、２－エチルヘキシルアクリレートなどが挙げられる。

「二官能モノマー」としては、例えば、トリ（プロピレングリコール）ジアクリレート、トリメチロールプロパン－ジアリルエーテル、ウレタンアクリレートなどが挙げられる。

「多官能モノマー」としては、例えば、トリメチロールプロパントリアクリレート、ジペンタエリスリトールペンタ及びヘキサアクリレート、ジトリメチロールプロパンテトラアクリレートなどが挙げられる。

上記で列挙したアクリル重合性化合物以外の例としては、アクリルモルフォリン、グリセロールアクリレート、ポリエーテル系アクリレート、Ｎ－ビニルホルムアミド、Ｎ－ビニルカプロラクトン、エトキシジエチレングリコールアクリレート、メトキシトリエチレングリコールアクリレート、ポリエチレングリコールアクリレート、ＥＯ変性トリメチロールプロパントリアクリレート、ＥＯ変性ビスフェノールＡジアクリレート、脂肪族ウレタンオリゴマー、ポリエステルオリゴマー等が挙げられる。重合性化合物は、光学体１の透明性の観点からは、アクリル重合性化合物が好ましい。

硬化開始剤は、硬化性樹脂を硬化させる材料である。硬化開始剤の例としては、例えば、熱硬化開始剤、光硬化開始剤等が挙げられる。硬化開始剤は、熱、光以外の何らかのエネルギー線（例えば電子線）等によって硬化するものであってもよい。硬化開始剤が熱硬化開始剤となる場合、硬化性樹脂は熱硬化性樹脂となり、硬化開始剤が光硬化開始剤となる場合、硬化性樹脂は光硬化性樹脂となる。

ここで、光学体１の透明性の観点からは、硬化開始剤は、紫外線硬化開始剤であることが好ましい。したがって、硬化性樹脂は、紫外線硬化性アクリル樹脂であることが好ましい。紫外線硬化開始剤は、光硬化開始剤の一種である。紫外線硬化開始剤としては、例えば、２，２－ジメトキシ－１，２－ジフェニルエタン－１－オン、１－ヒドロキシ－シクロヘキシルフェニルケトン、２－ヒドロキシ－２－メチル－１－フェニルプロパン－１－オンなどが挙げられる。

また、光取出し部１１は、親水性、撥水性、曇り防止等の機能性が付与された樹脂で構成されていても良い。

また、光取出し部１１には、光学体１の用途に応じた添加剤を添加してもよい。このような添加剤としては、例えば、無機フィラー、有機フィラー、レベリング剤、表面調整剤、消泡剤などが挙げられる。なお、無機フィラーの種類としては、例えば、ＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２、ＳｎＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３などの金属酸化物微粒子が挙げられる。

また、光取出し部１１は、基材１０に直接形成されても良いが、光取出し部１１が形成された樹脂フィルム（例えば熱可塑性樹脂フィルム）を基材１０に接着してもよい。

基材１０の両面のうち、光取出し部１１が形成されていない領域には、反射防止構造が形成されていることが好ましい。反射防止構造としては、例えば、凹凸の平均周期が可視光波長の最小値未満であるミクロ凹凸構造（所謂モスアイ構造）、高屈折率膜と低屈折率膜とが交互に積層されたもの（ＡＲ多層膜）等が挙げられる。このような反射防止構造を光取出し部１１が形成されていない領域に形成することで、内部伝播光の漏出を抑制するとともに、外来光の基材１０上での反射を抑制することができる。したがって、発光領域の視認性が向上する。反射防止構造の製造方法は特に制限されず、従来と同様の製造方法で基材１０の表面に形成されれば良い。例えば、ミクロ凹凸構造は、光取出し部１１と同様の方法により基材１０の表面に形成することができる。

＜２．発光装置の構成＞
次に、図１及び図２に基づいて、発光装置の構成について説明する。発光装置は、上述した光学体１と、光源２０とを有する。光源２０の種類は特に問われず、従来の導光板に適用される光源であればよい。すなわち、光源２０は、白色光を出射するものであっても、単色光を出射するものであってもよい。この発光装置の動作は概略以下の通りである。まず、光源２０から光学体１に光が入射する。光学体１の内部に入射された光、すなわち内部伝播光は、光学体１の両面（すなわち、光学体１の内部と外部との界面）で反射しながら光学体１の内部を伝播する。

内部伝播光の一部は、光取出し部１１に到達する。光取出し部１１に到達した内部伝播光は、光取出し部１１の表面、つまり凸型マイクロレンズ１１ａの表面で全反射し、表面１０Ｂから光学体１の外部に出射する。視認者は、表面１０Ｂ側から発光装置を視認する。本実施形態では、凸型マイクロレンズアレイの最大傾斜角度θ_Ｌｎが最大伝播角度θ_０に略一致するので、光取出し効率が高まる。

＜３．原盤の構成＞
光取出し部１１は、例えば図７に示す原盤１００を用いて作製される。そこで、次に、原盤１００の構成について説明する。原盤１００は、例えば、ナノインプリント法で使用される原盤であり、円筒形状となっている。原盤１００は円柱形状であっても、他の形状（例えば平板状）であってもよい。ただし、原盤１００が円柱または円筒形状である場合、ロールツーロール方式によって原盤１００の凹凸構造（すなわち、原盤凹凸構造）１２０を樹脂基材等にシームレス的に転写することができる。これにより、原盤１００の原盤凹凸構造１２０が転写された光学体１を高い生産効率で作製することができる。このような観点からは、原盤１００の形状は、円筒形状または円柱形状であることが好ましい。

原盤１００は、原盤基材１１０と、原盤基材１１０の周面に形成された原盤凹凸構造１２０とを備える。原盤基材１１０は、例えば、ガラス体であり、具体的には、石英ガラスで形成される。ただし、原盤基材１１０は、ＳｉＯ_２純度が高いものであれば、特に限定されず、溶融石英ガラスまたは合成石英ガラス等で形成されてもよい。原盤基材１１０は、金属母材上に上記の材料を積層したものや金属母材であってもよい。原盤基材１１０の形状は円筒形状であるが、円柱形状、他の形状であってもよい。ただし、上述のように、原盤基材１１０は円筒形状または円柱形状であることが好ましい。原盤凹凸構造１２０は、光学体１の表面形状の反転形状（例えば、基材１０の一方の表面１０Ａに形成された光取出し部１１の反転形状）を有する。

＜４．原盤の製造方法＞
つぎに、原盤１００の製造方法を説明する。まず、原盤基材１１０上に、基材レジスト層を形成（成膜）する。ここで、基材レジスト層を構成するレジスト材は特に制限されず、有機レジスト材及び無機レジスト材のいずれであってもよい。有機レジスト材としては、例えば、ノボラック系レジスト、または化学増幅型レジストなどが挙げられる。また、無機レジスト材としては、例えば、タングステン（Ｗ）またはモリブデン（Ｍｏ）などの１種または２種以上の遷移金属を含む金属酸化物等が挙げられる。ただし、熱反応リソグラフィを行うためには、基材レジスト層は、金属酸化物を含む熱反応型レジストで形成されることが好ましい。

有機レジスト材を使用する場合、基材レジスト層は、スピンコーティング、スリットコーティング、ディップコーティング、スプレーコーティング、またはスクリーン印刷等を用いることで原盤基材１１０上に形成されてもよい。また、基材レジスト層に無機レジスト材を使用する場合、基材レジスト層は、スパッタ法を用いることで形成されてもよい。

次に、露光装置２００（図８参照）により基材レジスト層の一部を露光することで、基材レジスト層に潜像を形成する。具体的には、露光装置２００は、レーザ光２００Ａを変調し、レーザ光２００Ａを基材レジスト層に対して照射する。これにより、レーザ光２００Ａが照射された基材レジスト層の一部が変性するため、基材レジスト層に原盤凹凸構造１２０に対応する潜像を形成することができる。

続いて、潜像が形成された基材レジスト層上に現像液を滴下することで、基材レジスト層を現像する。これにより、基材レジスト層に凹凸構造が形成される。ついで、基材レジスト層をマスクとして原盤基材１１０及び基材レジスト層をエッチングすることで、原盤基材１１０上に原盤凹凸構造１２０を形成する。なお、エッチングの方法は特に制限されないが、垂直異方性を有するドライエッチングであることが好ましく、例えば、反応性イオンエッチング（ＲｅａｃｔｉｖｅＩｏｎＥｔｃｈｉｎｇ：ＲＩＥ）であることが好ましい。以上の工程により、原盤１００を作製する。なお、アルミニウムを陽極酸化して得られる陽極酸化ポーラスアルミナを原盤として使用してもよい。陽極酸化ポーラスアルミナは、例えば国際公開第２００６／０５９６８６号公報に開示されている。また、非対称形状のレチクルマスクを用いたステッパーにより原盤１００を作製してもよい。

＜６．露光装置の構成＞
次に、図８に基づいて、露光装置２００の構成について説明する。露光装置２００は、基材レジスト層を露光する装置である。露光装置２００は、レーザ光源２０１と、第１ミラー２０３と、フォトダイオード（Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ：ＰＤ）２０５と、偏向光学系と、制御機構２３０と、第２ミラー２１３と、移動光学テーブル２２０と、スピンドルモータ２２５と、ターンテーブル２２７とを備える。また、原盤基材１１０は、ターンテーブル２２７上に載置され、回転することができるようになっている。

レーザ光源２０１は、レーザ光２００Ａを発する光源であり、例えば、固体レーザまたは半導体レーザなどである。レーザ光源２０１が発するレーザ光２００Ａの波長は、特に限定されないが、例えば、４００ｎｍ～５００ｎｍの青色光帯域の波長であってもよい。また、レーザ光２００Ａのスポット径（レジスト層に照射されるスポットの直径）は、原盤凹凸構造１２０の凹部の開口面の直径より小さければよく、例えば２００ｎｍ程度であればよい。レーザ光源２０１から発せられるレーザ光２００Ａは制御機構２３０によって制御される。

レーザ光源２０１から出射されたレーザ光２００Ａは、平行ビームのまま直進し、第１ミラー２０３で反射され、偏向光学系に導かれる。

第１ミラー２０３は、偏光ビームスプリッタで構成されており、偏光成分の一方を反射させ、偏光成分の他方を透過させる機能を有する。第１ミラー２０３を透過した偏光成分は、フォトダイオード２０５によって受光され、光電変換される。また、フォトダイオード２０５によって光電変換された受光信号は、レーザ光源２０１に入力され、レーザ光源２０１は、入力された受光信号に基づいてレーザ光２００Ａの位相変調を行う。

また、偏向光学系は、集光レンズ２０７と、電気光学偏向素子（ＥｌｅｃｔｒｏＯｐｔｉｃＤｅｆｌｅｃｔｏｒ：ＥＯＤ）２０９と、コリメータレンズ２１１とを備える。

偏向光学系において、レーザ光２００Ａは、集光レンズ２０７によって、電気光学偏向素子２０９に集光される。電気光学偏向素子２０９は、レーザ光２００Ａの照射位置を制御することが可能な素子である。露光装置２００は、電気光学偏向素子２０９により、移動光学テーブル２２０上に導かれるレーザ光２００Ａの照射位置を変化させることも可能である（いわゆる、Ｗｏｂｂｌｅ機構）。レーザ光２００Ａは、電気光学偏向素子２０９によって照射位置を調整された後、コリメータレンズ２１１によって、再度、平行ビーム化される。偏向光学系から出射されたレーザ光２００Ａは、第２ミラー２１３によって反射され、移動光学テーブル２２０上に水平かつ平行に導かれる。

移動光学テーブル２２０は、ビームエキスパンダ（Ｂｅａｍｅｘｐａｄｅｒ：ＢＥＸ）２２１と、対物レンズ２２３とを備える。移動光学テーブル２２０に導かれたレーザ光２００Ａは、ビームエキスパンダ２２１により所望のビーム形状に整形された後、対物レンズ２２３を介して、原盤基材１１０上に形成された基材レジスト層に照射される。また、移動光学テーブル２２０は、原盤基材１１０が１回転する毎に矢印Ｒ方向（送りピッチ方向）に１送りピッチ（トラックピッチ）だけ移動する。ターンテーブル２２７上には、原盤基材１１０が設置される。スピンドルモータ２２５はターンテーブル２２７を回転させることで、原盤基材１１０を回転させる。これにより、レーザ光２００Ａを基材レジスト層上で走査させる。ここで、レーザ光２００Ａの走査方向に沿って、基材レジスト層の潜像が形成される。

また、制御機構２３０は、フォーマッタ２３１と、ドライバ２３３とを備え、レーザ光２００Ａの照射を制御する。フォーマッタ２３１は、レーザ光２００Ａの照射を制御する変調信号を生成し、ドライバ２３３は、フォーマッタ２３１が生成した変調信号に基づいて、レーザ光源２０１を制御する。これにより、原盤基材１１０へのレーザ光２００Ａの照射が制御される。

フォーマッタ２３１は、基材レジスト層に描画する任意のパターンが描かれた入力画像に基づいて、基材レジスト層にレーザ光２００Ａを照射するための制御信号を生成する。具体的には、まず、フォーマッタ２３１は、基材レジスト層に描画する任意の描画パターンが描かれた入力画像を取得する。入力画像は、軸方向に基材レジスト層の外周面を切り開いて一平面に伸ばした、基材レジスト層の外周面の展開図に相当する画像である。この展開図には、原盤１００の周面形状に相当する画像が描かれている。この画像は、光学体１の表面形状の反転形状を示す。入力画像の一例を図６に示す。また、図６に相当する斜視画像を図５に示す。

次に、フォーマッタ２３１は、入力画像を所定の大きさの小領域に分割し（例えば、格子状に分割し）、小領域の各々に凹部描画パターン（つまり、原盤１００の凹部に相当するパターン）が含まれるか否かを判断する。続いて、フォーマッタ２３１は、凹部描画パターンが含まれると判断した各小領域にレーザ光２００Ａを照射するよう制御する制御信号に生成する。この制御信号（すなわち、露光信号）は、スピンドルモータ２２５の回転と同期されることが好ましいが、同期されていなくてもよい。また、制御信号とスピンドルモータ２２５の回転との同期は原盤基材１１０が１回転する毎に取り直されても良い。さらに、ドライバ２３３は、フォーマッタ２３１が生成した制御信号に基づいてレーザ光源２０１の出力を制御する。これにより、基材レジスト層へのレーザ光２００Ａの照射が制御される。なお、露光装置２００は、フォーカスサーボ、レーザ光２００Ａの照射スポットの位置補正等のような公知の露光制御処理を行ってもよい。フォーカスサーボはレーザ光２００Ａの波長を用いてもよく、他の波長を参照用に用いても良い。

また、レーザ光源２０１から照射されたレーザ光２００Ａは、複数系統の光学系に分岐された後に基材レジスト層に照射されても良い。この場合、複数の照射スポットが基材レジスト層に形成される。この場合、一方の光学系から出射されたレーザ光２００Ａが他方の光学系によって形成された潜像に到達した際に、露光を終了すればよい。

したがって、本実施形態によれば、入力画像の描画パターンに応じた潜像をレジスト層に形成することができる。そして、レジスト層を現像し、現像後のレジスト層をマスクとして原盤基材１１０及び基材レジスト層をエッチングすることで、原盤基材１１０上に入力画像の描画パターンに応じた原盤凹凸構造１２０を形成する。すなわち、描画パターンに応じた任意の原盤凹凸構造１２０を形成することができる。したがって、描画パターンとして、光学体１の反転形状が描かれた描画パターンを準備すれば、光学体１の反転形状を有する原盤凹凸構造１２０を形成することができる。

＜７．原盤を用いた光学体の製造方法について＞
次に、図９を参照して、原盤１００を用いた光学体１の製造方法の一例について説明する。光学体１は、原盤１００を用いたロールツーロール方式の転写装置３００によって製造可能である。図９に示す転写装置３００では、光硬化性樹脂を用いて光学体１を作製する。

転写装置３００は、原盤１００と、基材供給ロール３０１と、巻取りロール３０２と、ガイドロール３０３、３０４と、ニップロール３０５と、剥離ロール３０６と、塗布装置３０７と、光源３０９とを備える。

基材供給ロール３０１は、長尺な基材１０がロール状に巻かれたロールであり、巻取りロール３０２は、光学体１を巻き取るロールである。また、ガイドロール３０３、３０４は、基材１０を搬送するロールである。ニップロール３０５は、未硬化樹脂層３１０が積層された基材１０、すなわち被転写フィルム３ａを原盤１００に密着させるロールである。剥離ロール３０６は、光学体１を原盤１００から剥離するロールである。

塗布装置３０７は、コーターなどの塗布手段を備え、未硬化の光硬化性樹脂組成物を基材１０に塗布し、未硬化樹脂層３１０を形成する。塗布装置３０７は、例えば、グラビアコーター、ワイヤーバーコーター、またはダイコーターなどであってもよい。また、光源３０９は、光硬化性樹脂組成物を硬化可能な波長の光を発する光源であり、例えば、紫外線ランプなどであってもよい。

転写装置３００では、まず、基材供給ロール３０１からガイドロール３０３を介して、基材１０が連続的に送出される。なお、送出の途中で基材供給ロール３０１を別ロットの基材供給ロール３０１に変更してもよい。送出された基材１０に対して、塗布装置３０７により未硬化の光硬化性樹脂組成物が塗布され、基材１０に未硬化樹脂層３１０が積層される。これにより、被転写フィルム３ａが作製される。被転写フィルム３ａは、ニップロール３０５により、原盤１００と密着させられる。光源３０９は、原盤１００に密着した未硬化樹脂層３１０に光を照射することで、未硬化樹脂層３１０を硬化する。これにより、原盤１００の外周面に形成された原盤凹凸構造１２０が未硬化樹脂層３１０に転写される。すなわち、原盤凹凸構造１２０の反転形状を有する凹凸構造が基材１０上に形成される。続いて、凹凸構造が形成された基材１０、すなわち光学体１は、剥離ロール３０６により原盤１００から剥離される。ついで、光学体１は、ガイドロール３０４を介して、巻取りロール３０２によって巻き取られる。なお、原盤１００は縦置きであっても横置きであってもよく、原盤１００の回転時の角度、偏芯を補正する機構を別途設けても良い。例えば、チャッキング機構に偏芯チルト機構を設けても良い。

このように、転写装置３００では、被転写フィルム３ａをロールツーロールで搬送する一方で、原盤１００の周面形状を被転写フィルム３ａに転写する。これにより、光学体１が作製される。

なお、光学体１を熱可塑性樹脂で作製する場合、塗布装置３０７及び光源３０９は不要となる。この場合、基材１０を熱可塑性樹脂フィルムとし、原盤１００よりも上流側に加熱装置を配置する。この加熱装置によって基材１０を加熱して柔らかくし、その後、基材１０を原盤１００に押し付ける。これにより、原盤１００の周面に形成された原盤凹凸構造１２０が基材１０に転写される。なお、基材１０を熱可塑性樹脂以外の樹脂で構成されたフィルムとし、基材１０と熱可塑性樹脂フィルムとを積層してもよい。この場合、積層フィルムは、加熱装置で加熱された後、原盤１００に押し付けられる。したがって、転写装置３００は、原盤１００に形成された原盤凹凸構造１２０が転写された転写物、すなわち光学体１を連続的に作製することができる。

また、原盤１００の原盤凹凸構造１２０が転写された転写用フィルムを作製し、この転写用フィルムを転写型として用いて光学体１を作製してもよい。また、電鋳や熱転写などにより原盤１００を複製し、この複製品を転写型として用いてもよい。さらに、原盤１００の形状はロール形状に限られる必要は無く平面状の原盤でもよく、レーザ光２００Ａをレジスト照射する方法のほか、マスクを用いた半導体露光、電子線描画、機械加工、陽極酸化等、種々の加工方法を選択することができる。また、上述した製造方法によって光取出し部１１が形成された樹脂フィルムを基材１０の両面に貼り付けても良い。

＜１．ベース条件＞
次に、本実施形態の実施例（試験例）について説明する。本試験例では、シミュレーションを行うことで本実施形態の効果を確認した。まず、図１０に基づいて、本シミュレーションのベース条件を説明する。

シミュレーションソフトとして、Ｚｅｍａｘ，ＬＬＣ社製ＺｅｍａｘＯｐｔｉｃＳｔｕｄｉｏを使用した。つまり、電子計算機を当該シミュレーションソフトによって動作させ、シミュレーションを行った。基材１０として、長さ０．８ｍｍ×幅０．７ｍｍ×厚さ０．３ｍｍのアクリル板を使用した。基材１０の表面１０Ａ上に、光取出し部１１（凸型マイクロレンズアレイ）として、凸型マイクロレンズ１１ａをレンズ頂点間距離（ピッチ）が６０～１００μｍとなる細密構造（充填率１００％、六方細密の規則配列）で１７個配置した。凸型マイクロレンズアレイの材質もアクリルとした。光源２０を基材１０の４辺の端面から端面の法線方向に０．０２ｍｍ離れた位置にそれぞれ配置した。光源２０のサイズは、長さ０．６ｍｍ×幅０．０２ｍｍとし、平面部分を基材１０の端面に対向させた。光源２０の放射角度を半値全幅で６０度とした。また、全ての試験で各光源２０から出射される光の全光強度は一定とした。基材１０の表面１０Ａ（表面側）、表面１０Ｂ（裏面側）から各表面の法線方向に２．０ｍｍ離れた位置にそれぞれ長さ１．２ｍｍ×幅１．２ｍｍの受光面４００を配置した。受光面を基材１０の各表面に対向させた。そして、光取出し効率の指標として、各受光面４００での全光強度を測定した。

＜２．試験例１：最大傾斜角度と最大伝播角度との対応関係＞
試験例１では、凸型マイクロレンズアレイの最大傾斜角度θ_Ｌｎと最大伝播角度θ_０との対応関係を評価した。具体的には、ピッチを８０μｍ、１００μｍのいずれかに固定し、凸型マイクロレンズ１１ａの曲率半径を変えることで、凸型マイクロレンズアレイの最大傾斜角度θ_Ｌｎを変更した。凸型マイクロレンズアレイの最大傾斜角度θ_Ｌｎは、１７個の凸型マイクロレンズ１１ａの最大傾斜角度θ_Ｌの算術平均値とした。そして、凸型マイクロレンズアレイの最大傾斜角度θ_Ｌｎと最大伝播角度θ_０との対応関係を確認した。その結果を図１１に示す。図１１の横軸は凸型マイクロレンズアレイの最大傾斜角度θ_Ｌｎを示し、縦軸は、裏面側の全光強度を示す。なお、凸型マイクロレンズアレイの材質はアクリルなので、ｎ＝１．４９となり、数式（２）によれば、最大伝播角度θ_０は４８度程度となる。

図１１によれば、ピッチの大小によらず、凸型マイクロレンズアレイの最大傾斜角度θ_Ｌｎが５０度、つまり最大伝播角度θ_０に略一致する際に、全光強度が最大となった。つまり、光取出し効率が最大となった。さらに、図１１によれば、凸型マイクロレンズアレイの最大傾斜角度θ_Ｌｎが最大伝播角度θ_０との誤差が±３度以下である場合に全光強度が最も大きくなり、これらの誤差が±５度以下、±７度以下、±１０度以下となる順で全光強度が大きくなることがわかった。これにより、本実施形態の効果が確認できた。なお、特許文献２では、凸型マイクロレンズアレイの最大傾斜角度θ_Ｌｎが概ね７０度程度となる。したがって、光取出し効率は小さい。

＜３．試験例２：マイクロレンズの極性（凹凸）と全光強度との対応関係＞
つぎに、マイクロレンズの極性（凹凸）と全光強度との対応関係を評価した。具体的には、ベース条件の凸型マイクロレンズ１１ａを凹型マイクロレンズに変更し、試験例１と同様の処理を行った。ピッチは１００μｍとした。また、比較のために、試験例１と同様の処理を行った。試験例２では、裏面側のみならず、表面側の全光強度を測定した。図１０の直線Ｌ１２は、表面側に出射された光の光路を示す。結果を図１２に示す。図１２の縦軸、横軸の定義は図１１と同様である。凸型マイクロレンズ１１ａを使用し、かつ裏面側の全光強度を測定した場合、試験例１と同様の結果が得られた。一方、凸型マイクロレンズ１１ａを使用し、かつ表面側の全光強度を測定した場合、試験例１のような結果は得られなかった。つまり、全光強度は低く、全光強度が最大となる最大傾斜角度θ_Ｌｎも４８度とは異なる値となった。ただ、光学体１を導光板として使用する場合、裏面側の表示を使用するので、この結果は望ましいものであるといえる。

一方、凹型マイクロレンズを使用した場合、表面側、裏面側のいずれにおいても全光強度は低くなった。したがって、凹型マイクロレンズでは本実施形態の効果は確認できなかった。表１に試験例２の結果を示す。

＜４．試験例３：凸型マイクロレンズアレイの充填率と光学特性との対応関係＞
つぎに、凸型マイクロレンズアレイの充填率と光学特性との対応関係を評価した。具体的には、充填率を１００％、７０％として、試験例１と同様の処理を行った。ピッチは１００μｍで固定した。この結果、充填率１００％の時の全光強度の最大値（最大光強度）は、充填率７０％の時の最大光強度より大きくなった（概ね１．３倍程度となった）。つまり、充填率１００％の時の光取出し効率は、充填率７０％の時の光取出し効率より大きくなった。ただし、充填率７０％のときの最大光強度は、比較例１、２よりも大きくなった。さらに、光取出し部１１により裏面側の受光面に表示される画像を電子計算機のディスプレイに表示させた。そして、画像の粒状感を目視で確認したところ、充填率１００％の画像はほとんど粒状感がなかったが、充填率７０％の画像は若干の粒状感が確認できた。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

１光学体
１０基材
１１光取出し部
１１ａ凸型マイクロレンズ

Claims

基材と、
前記基材の表面に形成され、前記基材の側面から前記基材の内部に入射された内部伝播光を前記基材の外部に取出す光取出し部と、を備え、
前記光取出し部は、球面形状を有する複数の凸型マイクロレンズで構成される凸型マイクロレンズアレイで構成され、
互いに隣接する前記凸型マイクロレンズの端部同士が重なり合っており、
前記凸型マイクロレンズアレイを構成する前記凸型マイクロレンズの前記端部の最大傾斜角度は、前記内部伝播光の最大伝播角度に±３度以下の誤差で一致することを特徴とする、光学体。
前記複数の凸型マイクロレンズは、互いに相似形であり、
前記凸型マイクロレンズアレイの充填率が１００％である、請求項１記載の光学体。
前記凸型マイクロレンズアレイを構成する前記凸型マイクロレンズ間の境界線は、平面視で直線かつ多角形を形成する、請求項１または２に記載の光学体。
請求項１～３のいずれか１項に記載の光学体と、
前記光学体の側面に設けられ、前記光学体の側面から前記光学体の内部に光を入射する光源と、を備える、発光装置。