TW202035062A - 導光板用光學材料及導光板 - Google Patents

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Abstract

本發明之目的在於提供一種抑制導光板中之光之反射角偏移且應對薄型化之高性能之導光板。本發明係一種導光板用光學材料，其折射率為1.70以上、板厚為1.1 mm以下，且表面之波紋度未達50×10-4 度。

Description

導光板用光學材料及導光板
本發明係關於一種用於導光板之光學材料。
近年來，與AR(Augmented Reality，擴增實境)、VR(Virtual Reality，虛擬實鏡)、MR(Mediated Reality，中介實鏡)等對應之頭戴式顯示器(HMD)成為話題。已知使用玻璃或樹脂等高折射率材料作為構成該光學裝置之導光板。 作為具有高導光性能之導光板，進行了各種研究。例如，已知為了應對被稱為彩虹效果(Rainbow Effect)之色調不良情況而控制導光板之板厚偏差(TTV)，或為了抑制因光之散射所導致之亮度降低而控制導光板之均方根粗糙度(Rq)(專利文獻1～3)。 [先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]國際公開第2018/135193號 [專利文獻2]國際公開第2016/181812號 [專利文獻3]國際公開第2017/086322號
[發明所欲解決之問題]
然而，近年來，製品之要求性能進一步提昇，無法實現具有能夠充分應對輕量化、小型化、長光程之性能之導光性之光學材料。具體而言，即便將TTV或Rq設為適當之範圍，亦無法抑制不能將光反射至所期望位置之反射角之偏移之產生，此成為問題。 於此種狀況下，期望一種具有適於導光板之小型化及長光程化且抑制反射角之偏移之優異之導光性能的光學材料。 [解決問題之技術手段]
本發明者發現，藉由具有特定之折射率、板厚及表面之起伏形狀之光學材料，可解決上述問題。 即，本發明提供一種導光板用光學材料，其折射率為1.70以上、板厚為1.1 mm以下，且表面之波紋度(Waviness)未達50×10-4 度(degree)。 [發明之效果]
藉由本發明，可抑制導光板中之光之反射角之偏移，製造應對薄型化之高性能之導光板。
對本發明之光學材料進行說明。
[光學材料之組成] 本發明之光學材料只要折射率n為1.70以上，則組成並無限定。較佳之折射率為1.75以上，進而較佳之折射率為1.78以上，尤佳之折射率為1.85以上。 折射率越高，製成導光板時之臨界角θc越小，光學裝置之設計自由度越大。光學材料之組合物主要包含高折射率材料，可使用樹脂或玻璃。
作為樹脂之較佳之具體例，可列舉：環烯烴聚合物、環烯烴共聚物、丙烯酸系樹脂、甲基丙烯酸系樹脂、聚碳酸酯樹脂、聚苯乙烯樹脂、AS(acrylonitrile-styrene，丙烯腈-苯乙烯)樹脂。
作為玻璃之具體例，可使用國際公開第2017/090645號所記載之折射率為1.70以上之組合物，但並無限定。 又，作為玻璃之較佳具體例，可列舉以氧化物基準之莫耳%表示，處於 SiO2 ：0%～70%、 B2 O3 ：0%～50%、 MgO：0%～25%、 CaO：0%～25%、 SrO：0%～25%、 BaO：0%～35%、 Li2 O：0%～35%、 Na2 O：0%～35%、 K2 O：0%～35%、 Al2 O3 ：0%～10%、 Y2 O3 ：0%～10%、 TiO2 ：0%～50%、 WO3 ：0%～20%、 Nb2 O5 ：0%～35%、 La2 O3 ：0%～50%、 ZrO2 ：0%～20%、 ZnO：0%～35%、 Gd2 O3 ：0%～30%、 Sb2 O3 ＋SnO2 ：0%～10%， 尤佳為 SiO2 ：5%～35%、 B2 O3 ：5%～25%、 MgO：0%～5%、 CaO：0%～10%、 SrO：0%～10%、 BaO：0%～10%、 Li2 O：0%～10%、 Na2 O：0%～5%、 K2 O：0%～5%、 Al2 O3 ：0%～5%、 Y2 O3 ：0%～10%、 TiO2 ：15%～40%、 WO3 ：0%～5%、 Nb2 O5 ：1%～10%、 La2 O3 ：1%～25%、 ZrO2 ：1%～10%、 ZnO：0%～5%、 Gd2 O3 ：0%～10%、 Sb2 O3 ＋SnO2 ：0%～5% 之範圍之組合物。 通常，樹脂與玻璃中，玻璃之折射率更高，故而較佳為玻璃。
[光學材料] 本發明之光學材料係藉由將上述組合物成形為板狀，且使下述表面狀態成為特定之狀態而製造。 光學材料成形為板狀之方法並無限定，例如樹脂可使用擠出成形及加壓成形，玻璃可使用浮式法、熔融法及滾壓法等公知方法。 光學材料之板厚為1.1 mm以下，較佳為0.1～1.0 mm，尤佳為0.3～0.7 mm。藉由處於該範圍，可同時實現製成導光板時之薄型化與導光位置偏移之抑制。
[表面形狀] 本發明之光學材料之表面之起伏狀態較小，藉此可抑制因在導光板中全反射之光之反射角之偏移所導致之圖像之亮暗比及清晰度之降低。 本發明中，將波紋度設為表示表面之起伏狀態之指標。波紋度係指使表面之局部之起伏之傾斜度(度)在某一範圍內平均化者。 圖1中示出於實施例1中測定用於測定波紋度之表面狀態所獲得之資料，根據極微細之表面之凹凸狀態之角度變化算出波紋度。 算出方法之具體例藉由實施例進行說明。 本發明之光學材料之波紋度未達50(×10-4 度)，較佳為20(×10-4 度)以下，尤佳為1.0～10(×10-4 度)之範圍。 又，均方根粗糙度(Rq)較佳為2.0 nm以下，可抑制因光之散射所導致之亮度降低。
作為使表面狀態成為上述範圍之方法之較佳具體例，一面計測W之值一面進行使用粒徑非常小之研磨材之精密研磨。作為研磨材，適宜為鈰研磨材或膠體二氧化矽等。但，並不限定於該方法，例如亦可使用對光學材料之表面利用具有類似折射率之材質填埋或覆蓋表面上之起伏之方法。 [實施例]
以下，藉由實施例及比較例具體地說明本發明，但可於發揮本發明之效果之範圍內適當變更實施形態。
＜評估用樣品形狀＞ 使用直徑150 mm(6inch)、板厚(表1記載)之圓板狀之玻璃板。
＜測定方法＞ [折射率] 折射率係對於氦d射線之折射率，藉由折射率計(Kalnew Optical Industrial公司製造，商品名：KRP-2000)進行測定。
[板厚] 使用游標卡尺測定樣品端部之厚度(d)。
[波紋度(W)] 使用東京精密製造之Surfcom579A，於(WCA，CUT OFF 0.8～8 mm)之條件下，對基板表面之起伏之高度測定局部之變化量，並進行微分處理，藉此算出波紋度(度換算值)。測定係如圖2所示沿著將樣品分成3等份之直線(自中心朝向外緣65 mm)進行。 算出方法如下述式所示。 Wx(部位x之波紋度) ＝180＊arctan(0.001＊((起伏最大高度)－(起伏最小高度))/(起伏之最大高度與最小高度之距離))/π W＝(0 mm～65 mm)下之Wx之平均值。 此處「起伏最大高度」及「起伏最小高度」之單位為μm，「起伏之最大高度與最小高度之距離」之單位為mm。 最後，將3條直線範圍之結果之平均值作為結果示於表1。
[導光性評估] 導光性係藉由模擬求出理想之反射(無起伏之條件)與有起伏之條件下之反射中之光位置之偏移(ΔL)並進行評估。 具體而言，如圖3所示，假定直射光一面進行全反射一面於通過光學材料中時進行理想之反射(無起伏之光學材料中之反射)之情形時，將發生全反射且導光距離最接近65 mm之點設為基準點。將自入射端至基準點為止之距離設為L0。將包含在基準點之反射而直至在基準點反射所反射之次數設為N。 其次，於實施例等之起伏處於A面且B面無起伏之條件下，測定直射光第N次進行全反射時之導光距離L1。根據ΔL＝｜L0－L1｜求出光之到達點之偏移(ΔL)。為了明確差異，設為僅單面具有起伏之條件。 條件： 反射角：表1所記載之條件下之臨界角θc(θc＝arcsin(n2/n1) 空氣中之折射率：n1＝1.0 光學材料之折射率n2：表1所記載之條件 光學材料之板厚d：表1所記載之條件 作為基準之導光距離：65 mm ＜與理論條件之偏移ΔL＞ A：ΔL≦3.0 μm B：3.0 μm＜ΔL＜4.0 μm C：4.0 μm≦ΔL≦10.0 μm D：10.0 μm＜ΔL 將A～C評估視為合格，將D評估視為不合格。 ＜臨界角θc＞ A：θc≦30° B：30°＜θc＜35° C：35°≦θc≦40° D：40°＜θc 將A～C評估視為合格，將D評估視為不合格。 ＜反射次數N＞ A：90≦N B：60≦N＜90 C：45≦N＜60 D：N＜45 將A～C評估視為合格，將D評估視為不合格。
藉由玻璃熔融成形法，製造表1所記載之組成之寬度400 mm、厚度1 mm之玻璃板，利用玻璃切割器自該板之中央部切出半徑152 mm之圓板。 其次，使用雙面研磨機(浜井製作所公司製造之16B-N/F)進行研削及研磨，將板厚減薄至0.507 mm後進行倒角加工，將圓板之半徑調整為150 mm。 最後，使用鈰研磨材作為研磨材進行雙面精密研磨至波紋度成為表1之值，製作板厚0.500 mm之評估用樣品。將評估結果示於表1。
[實施例2～8、比較例1～3] 除變更為表1所記載之條件以外，與實施例1同樣地進行操作而製作評估用樣品。 (其中，實施例3、實施例4、比較例1、比較例2以如下方式變更研磨條件，即，關於研磨條件之最終之雙面精密研磨中之研磨速率，與實施例1相比，實施例3變大10%，實施例4變大20%，比較例1變大40%)將評估結果示於表1。
[表1]
表1
   評估
   組成 折射率(n2) 板厚(mm) 波紋度(度) ⊿L(μm) 臨界角(θc) 反射次數(N)
實施例1 1 1.79 0.5 8.3x10-4 2.0(A) 34.0(B) 96(A)
實施例2 2 1.78 0.5 8.3X10-4 2.0(A) 34.2(B) 95(A)
實施例3 1 1.79 0.5 13.3x10-4 3.2(B) 34.0(B) 96(A)
實施例4 1 1.79 0.5 16.7x10-4 4.1(C) 34.0(B) 96(A)
實施例5 3 2.09 0.5 8.3X10-4 2.2(A) 28.5(A) 119(A)
實施例6 4 1.7 0.5 8.3x10-4 2.2(A) 36.0(C) 89(B)
實施例7 1 1.79 1 8.3x10-4 1.0(A) 34.0(B) 48(C)
實施例8 1 1.79 0.2 8.3x10-4 5.0(C) 34.0(B) 241(A)
比較例1 1 1.79 0.5 50x10-4 12.2(D) 34.0(B) 96(A)
比較例2 5 1.51 0.5 8.3x10-4 1.9(A) 41.5(D) 73(B)
比較例3 1 1.79 1.2 8.3x10-4 2.0(A) 34.0(B) 40(D)
(質量%) ・玻璃組成1：B2 O3 (19.5)、SiO2 (5.3)、La2 O3 (26.4)、Gd2 O3 (13.3)、ZnO(16.7)、Li2 O(1.3)、ZrO2 (1.8)、Ta2 O5 (9.8)、WO3 (6.0) ・玻璃組成2：Bi2 O3 (20.8)、SiO2 (4.5)、La2 O3 (25.4)、Gd2 O3 (17.5)、ZnO(15.0)、Li2 O(1.7)、ZrO2 (1.8)、Ta2 O5 (9.9)、WO3 (3.4) ・玻璃組成3：Bi2 O3 (68.9)、B2 O3 (7.8)、TeO2 (12.4)、P2 O5 (6.3)、ZnO(1.8)、TiO2 (2.8) ・玻璃組成4：B2 O3 (42.7)、Li2 O(2.5)、ZnO(9.7)、La2 O3 (34.0)、Gd2 O3 (11.0)、Sb2 O3 (0.1) ・玻璃組成5：P2 O5 (71.0)、B2 O3 (2.0)、K2 O(13.0)
又，關於實施例1及比較例1，將TTV及Rq之測定結果示於表2。由該結果可知，即便為相同之TTV及Rq，若波紋度不處於本發明規定之範圍，則反射角偏移亦變大。
[表2]
表2
   評估
   波紋度(度) TTV(μm) Rq(nm) ⊿L(μm)
實施例1 8.3x10-4 0.1 2.0 2.0(A)
比較例1 50x10-4 0.1 2.0 12.2(D)
圖1係測定實施例1之導光板用光學材料之表面狀態所獲得之資料。 圖2係關於波紋度測定之說明圖。 圖3係導光性評估中之模擬簡化之模式圖。

Claims (6)

  1. 一種導光板用光學材料，其折射率為1.70以上、板厚為1.1 mm以下，且表面之波紋度未達50×10-4 度。
  2. 如請求項1之導光板用光學材料，其波紋度處於1.0×10-4 ～10×10-4 度之範圍。
  3. 如請求項1或2之導光板用光學材料，其中上述光學材料含有玻璃。
  4. 如請求項3之導光板用光學材料，其中上述玻璃之組成以氧化物基準之莫耳%表示，處於 SiO2 ：0%～70%、 B2 O3 ：0%～50%、 MgO：0%～25%、 CaO：0%～25%、 SrO：0%～25%、 BaO：0%～35%、 Li2 O：0%～35%、 Na2 O：0%～35%、 K2 O：0%～35%、 Al2 O3 ：0%～10%、 Y2 O3 ：0%～10%、 TiO2 ：0%～50%、 WO3 ：0%～20%、 Nb2 O5 ：0%～35%、 La2 O3 ：0%～50%、 ZrO2 ：0%～20%、 ZnO：0%～35%、 Gd2 O3 ：0%～30%、 Sb2 O3 ＋SnO2 ：0%～10% 之範圍。
  5. 如請求項1至4中任一項之導光板用光學材料，其板厚處於0.3～0.7 mm之範圍。
  6. 一種導光板，其使用如請求項1至5中任一項之導光板用光學材料。
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