TW202344894A - 光學構件以及使用該光學構件之ar玻璃及頭戴式顯示器 - Google Patents

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武本博之
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Abstract

本發明提供一種薄型輕量、明亮、且漏光得到抑制之AR用光學構件。 本發明之實施方式之光學構件具有:光波導,其具有第1主面及第2主面;光學元件,其設於光波導之第1主面及第2主面之至少一個主面且具有凹凸結構;多孔質層,其至少設於光波導之設有光學元件之主面;及黏著劑層,其設於多孔質層之與光波導相反側且厚度為3 μm以上。

Description

光學構件以及使用該光學構件之AR玻璃及頭戴式顯示器
本發明係關於一種光學構件以及使用該光學構件之AR玻璃及頭戴式顯示器。
近年來,所謂之AR(Augmented Reality:擴增實境)技術受到關注。AR代表性而言係藉由於實際存在之風景中重疊顯示虛擬之視覺資訊,使位於眼前之世界「虛擬擴增」者。隨著AR之開發,用於AR之AR玻璃及頭戴式顯示器(Head Mounted Display:HMD)之開發不斷推進。AR玻璃及HMD中代表性而言使用有包含波導之光學構件。然而,此種光學構件存在較厚、較重、較暗、以及易因水或污垢等而產生漏光之問題,於實用化方面殘留有各種研究課題。 [先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]美國專利申請公開第2017/0131545號 [專利文獻2]美國專利申請公開第2020/0379184號
[發明所欲解決之問題]
本發明係為解決上述先前之課題而完成者,其主要目的在於提供一種薄型輕量、明亮、且漏光得到抑制之AR用光學構件。 [解決問題之技術手段]
本發明之實施方式之光學構件具有:光波導,其具有第1主面及第2主面;光學元件,其設於該第1主面及該第2主面之至少1個主面且具有凹凸結構;多孔質層,其至少設於該光波導之設有該光學元件之主面;及黏著劑層,其設於該多孔質層之與該光波導相反側且厚度為3 μm以上。 於一實施方式中,上述多孔質層之折射率為1.20以下。 於一實施方式中,上述多孔質層之厚度為5 μm以下。 於一實施方式中,上述多孔質層之霧度未達5%。 於一實施方式中,上述黏著劑層之儲存模數為0.2×10 5(Pa)以上。 於一實施方式中,上述光學構件於上述黏著劑層之外側進而具有厚度為20 μm以上之由樹脂膜構成之保護層。 於一實施方式中,上述保護層之楊氏模數為2 GPa以上。 於一實施方式中,上述光學構件於上述保護層之外側進而具有硬塗層。 於一實施方式中,上述光學構件於上述硬塗層之外側進而具有抗反射層。 根據本發明之另一態樣,提供一種AR玻璃。該AR玻璃包含上述光學構件。 根據本發明之又一態樣,提供一種頭戴式顯示器。該頭戴式顯示器包含上述光學構件。 [發明之效果]
根據本發明之實施方式,可實現一種薄型輕量、明亮、且漏光得到抑制之AR用光學構件。
以下,對本發明之實施方式進行說明,但本發明並不限於該等實施方式。再者,為了便於觀察,圖式係模式性地進行表示,圖式中之光學構件之各構成元件之厚度、尺寸以及構成元件間之厚度等之相互之比率與實際不同。
A.光學構件之整體構成 圖1係本發明之一實施方式之光學構件之概略剖視圖。圖示例之光學構件100具有光波導10、光學元件20a及20b、多孔質層30、及黏著劑層40。光波導10具有第1主面10a及第2主面10b。光學元件20a及20b分別具有凹凸結構(以下有時將光學元件20a及20b分別稱為凹凸光學元件)。凹凸光學元件20a代表性而言係作為光波導之入射用光學元件而發揮功能,凹凸光學元件20b代表性而言係作為光波導之出射用光學元件而發揮功能。凹凸光學元件20a及20b設於光波導10之第1主面10a及第2主面10b之至少一個主面。凹凸光學元件20a及20b可分別設於光波導之同一主面,亦可設於相互不同之主面。於圖示例中,凹凸光學元件20a及20b設於光波導10之第1主面10a。多孔質層30至少設於光波導10之設有凹凸光學元件20a及20b之主面(於圖示例中為第1主面10a)。多孔質層30代表性而言係以覆蓋凹凸光學元件20a及20b之方式設置,於一實施方式中係設於光波導10之設有凹凸光學元件20a及20b之主面(於圖示例中為第1主面10a)之實質上之整面。黏著劑層40設於多孔質層30之與光波導10相反側(即,多孔質層之外側表面)。黏著劑層之厚度為3 μm以上。若為此種構成,則可實現薄型輕量、明亮、且漏光得到抑制之AR用光學構件。
視需要,於黏著劑層40之外側(與多孔質層30相反側)亦可設有保護層50、硬塗層60、及/或抗反射層70。於圖示例中,自黏著劑層40側起依序設有保護層50、硬塗層60及抗反射層70。根據目的及所需之構成,亦可省略保護層50、硬塗層60及抗反射層70之至少一者。於未設有保護層、硬塗層及抗反射層之情形時,較佳為於黏著劑層40之表面暫時黏有剝離襯墊(未圖示)直至將光學構件供於使用。藉由暫時黏著剝離襯墊,可保護黏著劑層,並且輥壓形成光學膜。
圖2係本發明之另一實施方式之光學構件之概略剖視圖。於圖示例之光學構件101中,除了光波導10之設有凹凸光學元件20a及20b之主面(於圖示例中為第1主面10a)以外,於未設有凹凸光學元件之主面(於圖示例中為第2主面10b)亦設有多孔質層30及黏著劑層40。於圖示例中,雖然於黏著劑層40、40之外側自黏著劑層側起依序設有保護層50、50、硬塗層60、60、及抗反射層70、70,但與圖1之實施方式同樣地,亦可省略該等之一部分或者全部。
圖3係本發明之又一實施方式之光學構件之概略剖視圖。於圖示例之光學構件102中,除了光波導10之第1主面10a以外,於第2主面10b亦設有凹凸光學元件20b。除此以外,與圖2之實施方式相同。
光學構件之全光線透過率較佳為60%以上99%以下,更佳為70%以上98%以下,進而較佳為80%以上97%以下。又,光學構件之霧度較佳為0.1%以上3%以下,更佳為0.2%以上2.5%以下,進而較佳為0.3%以上2%以下。根據本發明之實施方式,可實現就光學構件整體而言優異之透明性。其結果為,光學構件可適宜地使用於AR玻璃及HMD(以下,有時將AR玻璃及HMD統一稱為「AR玻璃等」)中。
光學構件之厚度較佳為0.35 mm~4.8 mm,更佳為0.55 mm~3.8 mm,進而較佳為0.75 mm~2.8 mm。根據本發明之實施方式,可不使用較厚之覆蓋玻璃而構成光學構件,因此相較於使用覆蓋玻璃之先前之AR玻璃用光學構件,可將厚度薄型化至五分之一左右,結果重量亦可輕量化至三分之一左右。其結果為,光學構件可適宜地使用於AR玻璃等中。於本說明書中,「光學構件之厚度」意指光學構件之一最外層至另一最外層之總厚度。例如,於圖1之實施方式中,光學構件之厚度係抗反射層之外側表面至光波導之第2主面之厚度,又例如,於圖2及圖3之實施方式中,光學構件之厚度係一抗反射層之外側表面至另一抗反射層之外側表面之厚度。
上述實施方式可適當組合亦可適當變更。例如,於圖1及圖2所示之實施方式中,可將凹凸光學元件20a或20b之任一者設於光波導之第2主面10b,於圖3所示之實施方式中,可將凹凸光學元件20a設於光波導之第2主面10b,於圖1~圖3所示之實施方式中,可將凹凸光學元件20a設於光波導之第1主面10a及第2主面10b之兩者。
以下,對光學構件之構成元件詳細地進行說明。
B.光波導 光波導10代表性而言係構成為利用全反射使入射至光波導之光於光波導內傳輸,並於預定之位置處朝預定之方向出射。如上所述,光波導10具有第1主面10a及第2主面10b。於將光學構件用於AR玻璃等中之情形時,來自圖像源(未圖示)之光(代表性而言為圖像之投影光)通過設於第1主面及/或第2主面之入射用光學元件(圖示例之凹凸光學元件20a)而入射至光波導。入射光藉由全反射於光波導內傳輸,並通過設於第1主面及/或第2主面之出射用光學元件(圖示例之凹凸光學元件20b)而出射,從而被AR玻璃等之使用者視認。藉由適當地構成凹凸光學元件20a及20b,可在維持圖像資訊之狀態下將來自圖像源之光出射。其結果為,可使AR玻璃等之使用者視認來自圖像源之圖像。
光波導可由玻璃構成,亦可由塑膠構成。光波導之折射率較佳為1.4~2.5,更佳為1.6~2.4,進而較佳為2.0~2.3。若折射率處於此種範圍內,則可實現良好之自外部之光入射、良好之朝外部之光出射、及良好之於光波導內部之全反射。光波導之阿貝數較佳為10以上80以下,更佳為15以上70以下。
光波導(第1主面及第2主面)之厚度不均(TTV:Total Thickness Variation)較佳為5 μm以下,更佳為3 μm以下,進而較佳為1 μm以下。關於厚度不均,越小越佳,例如可為零。若光波導之厚度不均處於此種範圍內,則可減小光波導內之光路之扭曲。
光波導(第1主面及第2主面)之表面粗糙度Ra較佳為10 nm以下,更佳為5 nm以下,進而較佳為1 nm以下。若表面粗糙度Ra處於此種範圍內,則可減小霧度。此種表面粗糙度Ra可藉由例如對光波導之第1主面及第2主面進行研磨而實現。另一方面,表面粗糙度Ra例如可為0.1 nm以上。再者,Ra係指基於JIS B 0601之算術平均粗糙度。
光波導可單獨使用,亦可將2片以上(例如,2片、3片、4片)積層使用。光波導之厚度例如可為0.3 mm~4.0 mm。光波導之厚度例如亦可為0.3 mm~1.3 mm,又例如亦可為0.4 mm~1.2 mm,又例如亦可為0.5 mm~1.1 mm。或者,光波導之厚度例如可為1.3 mm~2.0 mm,又例如亦可為1.4 mm~1.9 mm,又例如亦可為1.5 mm~1.8 mm。或者,光波導之厚度例如可為2.0 mm~4.0 mm,又例如亦可為2.2 mm~3.8 mm,又例如亦可為2.4 mm~3.6 mm。
C.光學元件 凹凸光學元件20a係構成為將來自圖像源之入射至光波導之光朝波導方向引導,凹凸光學元件20b係構成為將於光波導內傳輸之光朝可視認之方向出射。以下,有時將凹凸光學元件20a及20b統一簡稱為凹凸光學元件。於需要將凹凸光學元件20a與凹凸光學元件20b加以區分之情形時,明確標記各自之符號。然而,即便是於將凹凸光學元件20a及20b統一作為凹凸光學元件之情形時,凹凸光學元件20a及20b可為分別相同之構成,亦可為相互不同之構成。
作為凹凸光學元件之凹凸結構,可採用能夠表現光擴散、光散射、光反射、光繞射等光之方向轉換功能的任意適當之微細凹凸形狀。作為凹凸光學元件之代表例,可例舉繞射光柵、全像元件、超構表面。以下,以一例對繞射光柵進行說明。
繞射光柵代表性而言係藉由槽或狹縫來形成繞射圖案。繞射圖案可根據目的而適當地設定。繞射圖案可為俯視為條紋狀之一維繞射圖案,亦可為俯視為格子狀之二維繞射圖案。一維繞射圖案代表性而言係分別於一方向上延伸之凸部與狹縫交替地形成。自凸部延伸之方向觀察之凸部之剖面形狀可為矩形,亦可為平行四邊形(傾斜型),還可為梯形。一維繞射圖案可具有剖面為波形且於一方向上延伸之凹凸形狀。關於一維繞射圖案,條紋延伸之方向可與光之波導方向平行,亦可為與光之波導方向正交之方向,還可為規定相對於光之波導方向呈預定角度之傾斜方向。關於二維繞射圖案,可以形成俯視為矩形之凸部之方式設置狹縫,亦可以形成俯視為平行四邊形之凸部之方式設置狹縫。亦可將上述繞射圖案適當地組合。例如,可將條紋延伸之方向不同(例如,條紋延伸之方向相互正交)之2個一維繞射圖案組合,亦可將此種2個一維繞射圖案與二維繞射圖案這3個繞射圖案相組合。
凹凸之間距Λ較佳為30 nm~700 nm,更佳為40 nm~600 nm,進而較佳為50 nm~500 nm。凸部及狹縫(凹部)之寬度分別可為間距之1/2,亦可不為間距之1/2(可分別具有與目的相應之任意之適當寬度)。凹凸之高度h較佳為10 nm~800 nm,更佳為20 nm~700 nm,進而較佳為30 nm~600 nm,尤佳為40 nm~500 nm。
凹凸光學元件可與光波導一體構成,亦可另行形成於光波導。於凹凸光學元件與光波導一體構成之情形時,凹凸光學元件例如可藉由對光波導進行切削而形成,又例如,亦可藉由奈米壓印形成於塑膠製光波導。於凹凸光學元件另行形成於光波導之情形時,凹凸光學元件代表性而言可由介電體或樹脂構成。作為介電體之具體例,可例舉氧化鋁、二氧化鈦、矽。介電體之折射率較佳為1.6~4.0,更佳為2.0~3.5。於凹凸光學元件由介電體構成之情形時,凹凸光學元件例如可藉由濺鍍形成。作為樹脂之具體例,可例舉熱硬化性樹脂、UV硬化性樹脂。此種樹脂之折射率較佳為1.5~1.9。於凹凸光學元件由樹脂構成之情形時,凹凸光學元件例如可藉由於光波導上將該樹脂進行薄膜塗佈,並進行奈米壓印來形成。於凹凸光學元件為超構表面之情形時,凹凸光學元件例如可利用以下文獻中記載之方法來形成。A broadband achromatic metalens in the visible (Nature Nanotechnology volume 13, pages227-232 (2018))之Supplementary Information內「Supplementary Section 2. Details of experiments」。
D.多孔質層 多孔質層30代表性而言於內部具有空隙。多孔質層之空隙率較佳為35體積%以上,更佳為38體積%以上,尤佳為40體積%以上。若空隙率處於此種範圍內,則可形成折射率特別低之多孔質層。低折射率層之空隙率之上限例如為90體積%以下,較佳為75體積%以下。若空隙率處於此種範圍內,則可形成強度優異之多孔質層。空隙率係根據用橢圓偏光儀測得之折射率之值,由Lorentz‐Lorenz's formula(洛倫茲-洛倫茲公式)計算出空隙率所得之值。
多孔質層之折射率較佳為1.20以下,更佳為1.18以下,進而較佳為1.16以下,尤佳為1.14以下。另一方面,多孔質層之折射率較佳為1.05以上,更佳為1.08以上,進而較佳為1.10以上。藉由將具有此種折射率之多孔質層設於光波導之設有凹凸光學元件之主面,可抑制漏光而不會對光波導及凹凸光學元件之光學特性造成實質性之影響。進而,由於可將多孔質層如後所述般製成非常薄,故而可有助於光學構件(結果為AR玻璃)之薄型輕量化。又,若多孔質層之折射率處於如上所述之範圍內,則可確保預定之機械強度,從而可抑制破損。除非有特別說明,否則折射率係指波長550 nm下測得之折射率。折射率係藉由後述之實施例之「(1)多孔質層之折射率」中記載之方法測得之值。
多孔質層之全光線透過率較佳為85%~99%,更佳為87%~98%,進而較佳為89%~97%。藉由將具有此種折射率之多孔質層設於光波導之設有凹凸光學元件之主面,可表現由上述折射率所帶來之效果,並且確保優異之透明性。其結果為,光學構件可適宜地使用於AR玻璃等中。
多孔質層之霧度例如未達5%,較佳為未達3%。另一方面,霧度例如為0.1%以上,較佳為0.2%以上。藉由將具有此種霧度之多孔質層設於光波導之設有凹凸光學元件之主面,可表現出由上述折射率所帶來之效果,並且確保優異之透明性。其結果為,光學構件可適宜地使用於AR玻璃等。霧度例如可藉由如下方法進行測定。 將空隙層(多孔質層)切割成50 mm×50 mm之尺寸,並置於HAZE METER(村上色彩技術研究所公司製造:HM-150)而測定霧度。關於霧度值,係藉由下式計算出。 霧度(%)=[漫透射率(%)/全光線透過率(%)]×100(%)
多孔質層之厚度較佳為5 μm以下,更佳為4 μm以下,進而較佳為3 μm以下,尤佳為2 μm以下,特佳為1.5 μm以下。另一方面,多孔質層之厚度較佳為300 nm以上,更佳為400 nm以上,進而較佳為500 nm以上。若多孔質層之厚度處於此種範圍內,則可確保優異之透明性,並且良好地抑制漏光。
多孔質層可採用任意適當之構成,只要具有上述所需之特性即可。多孔質層較佳為可藉由塗佈或印刷等形成。作為構成多孔質層之材料,例如可採用國際公開第2004/113966號、日本專利特開2013-254183號公報、及日本專利特開2012-189802號公報中記載之材料。作為代表例,可例舉矽化物。作為矽化物,例如可例舉:氧化矽系化合物;水解性矽烷類、及其部分水解物以及脫水縮合物;含有矽烷醇基之矽化物;藉由使矽酸鹽與酸或離子交換樹脂接觸而獲得之活性氧化矽。亦可例舉:有機聚合物;聚合性單體(例如,(甲基)丙烯酸系單體、及苯乙烯系單體);硬化性樹脂(例如,(甲基)丙烯酸系樹脂、含氟樹脂、及胺基甲酸酯樹脂)。該等材料可單獨使用亦可組合使用。多孔質層可藉由將此種材料之溶液或分散液進行塗佈或印刷等而形成。
多孔質層中之空隙(孔)之尺寸係指空隙(孔)之長軸之直徑及短軸之直徑中的長軸之直徑。空隙(孔)之尺寸例如為2 nm~500 nm。空隙(孔)之尺寸例如為2 nm以上,較佳為5 nm以上,更佳為10 nm以上,進而較佳為20 nm以上。另一方面,空隙(孔)之尺寸例如為500 nm以下,較佳為200 nm以下,更佳為100 nm以下。空隙(孔)之尺寸之範圍例如為2 nm~500 nm,較佳為5 nm~500 nm,更佳為10 nm~200 nm,進而較佳為20 nm~100 nm。根據目的及用途等,可將空隙(孔)之尺寸調整為所需之尺寸。空隙(孔)之尺寸可藉由BET試驗法進行定量化。
空隙(孔)之尺寸可藉由BET試驗法進行定量化。具體而言,將樣品(形成之空隙層)0.1 g投入比表面積測定裝置(Micromeritics公司製造:ASAP2020)之毛細管中後,於室溫下進行減壓乾燥24小時,將空隙結構內之氣體進行脫氣。並且,藉由使氮氣吸附於上述樣品,描繪吸附等溫線並求出細孔分佈。藉此,可對空隙尺寸進行評估。
作為於上述內部具有空隙之多孔質層,例如可例舉至少一部分具有多孔質層、及/或空氣層之多孔質層。多孔質層代表性而言包含氣凝膠、及/或粒子(例如,中空微粒子及/或多孔質粒子)。多孔質層較佳為可為奈米孔洞層(具體而言,90%以上之微細孔之直徑處於10 -1nm~10 3nm之範圍內之多孔質層)。
作為上述粒子,可採用任意適當之粒子。粒子代表性而言包含氧化矽系化合物。作為粒子之形狀,例如可例舉球狀、板狀、針狀、串狀、及葡萄之穗粒狀。作為串狀之粒子,例如可例舉:將具有球狀、板狀、或針狀之形狀的複數個粒子相連為念珠狀之粒子、短纖維狀之粒子(例如,日本專利特開2001-188104號公報中記載之短纖維狀之粒子)、及該等之組合。串狀之粒子可為直鏈狀,亦可為支鏈狀。作為葡萄之穗粒狀之粒子,例如可例舉使球狀、板狀、及針狀之粒子複數個凝集而成為葡萄之穗粒狀者。粒子之形狀例如可藉由用穿透式電子顯微鏡進行觀察來確認。
以下,對多孔質層之具體之構成之一例進行說明。本實施方式之多孔質層包含形成微細之空隙結構的一種或複數種之構成單元,該構成單元彼此介由觸媒作用而以化學方式鍵結。作為構成單元之形狀,例如可例舉粒子狀、纖維狀、棒狀、平板狀。構成單元可僅具有1種形狀,亦可組合具有2種以上之形狀。以下,主要對多孔質層為上述微細孔粒子彼此以化學方式鍵結之多孔體之空隙層之情形進行說明。
於空隙層形成步驟中,此種空隙層例如可藉由使微細孔粒子彼此以化學方式鍵結而形成。再者,於本發明之實施方式中,「粒子」(例如,上述微細孔粒子)之形狀並不特別限定,例如可為球狀亦可為其他形狀。又,於本發明之實施方式中,上述微細孔粒子例如亦可為溶膠凝膠念珠狀粒子、奈米粒子(中空奈米氧化矽、奈米球粒子)、奈米纖維等。微細孔粒子代表性而言包含無機物。作為無機物之具體例,可例舉矽(Si)、鎂(Mg)、鋁(Al)、鈦(Ti)、鋅(Zn)、鋯(Zr)。該等可單獨使用,亦可併用2種以上。於一實施方式中,上述微細孔粒子例如為矽化物之微細孔粒子,上述多孔體例如為矽酮多孔體。上述矽化物之微細孔粒子例如包含凝膠狀氧化矽化合物之粉碎體。又,作為多孔質層及/或至少一部分中具有空氣層之多孔質層之另一形態,例如有包含奈米纖維等纖維狀物質,使該纖維狀物質相互纏繞形成空隙而形成層之空隙層。此種空隙層之製造方法並不特別限定,例如與上述微細孔粒子彼此以化學方式鍵結之多孔體之空隙層之情形相同。作為又一形態,可例舉使用有中空奈米粒子或奈米黏土之空隙層、使用中空奈米球或氟化鎂而形成之空隙層。空隙層可為包含單一之構成物質之空隙層,亦可為包含複數種構成物質之空隙層。空隙層可以單一之上述形態構成,亦可包含複數個上述形態來構成。
於本實施方式中,多孔體之多孔質結構例如可為孔結構連續之連泡結構體。連泡結構體意指例如於上述矽酮多孔體中,孔結構三維地相連,亦可稱為孔結構之內部空隙連續之狀態。藉由使多孔質體具有連泡結構,可提高空隙率。然而,於使用如中空氧化矽之獨泡粒子(分別具有孔結構之粒子)之情形時,無法形成連泡結構。另一方面,例如於使用氧化矽溶膠粒子(形成溶膠之凝膠狀矽化物之粉碎物)之情形時,由於該粒子具有三維之樹狀結構,故而藉由使該樹狀粒子沈降及沈積於塗佈膜(包含凝膠狀矽化物之粉碎物的溶膠之塗佈膜)中,可容易地形成連泡結構。多孔質層更佳為具有連泡結構包含複數個細孔分佈之獨塊體結構。獨塊體結構例如意指包含存在奈米尺寸之微細空隙之結構、及該奈米空隙集合而成之連泡結構的階層結構。於形成獨塊體結構之情形時,例如,可以微細之空隙賦予膜強度,並且以粗大之連泡空隙賦予較高之空隙率,從而兼具膜強度及高空隙率。此種獨塊體結構較佳為可藉由於粉碎為氧化矽溶膠粒子之前一階段之凝膠(凝膠狀矽化物)中控制要生成之空隙結構之細孔分佈而形成。又例如,可藉由於粉碎凝膠狀矽化物時,將粉碎後之氧化矽溶膠粒子之粒度分佈控制為所需之尺寸來形成獨塊體結構。
多孔質層例如如上述般包含凝膠狀化合物之粉碎物,並且該粉碎物彼此以化學方式鍵結。多孔質層中之粉碎物彼此之化學方式鍵結(化學鍵結)之形態並不特別限制,例如可例舉交聯鍵結、共價鍵結、氫鍵鍵結。
多孔質層中之上述粉碎物之體積平均粒徑例如為0.10 μm以上,較佳為0.20 μm以上,更佳為0.40 μm以上。另一方面,體積平均粒徑例如為2.00 μm以下,較佳為1.50 μm以下,更佳為1.00 μm以下。體積平均粒徑之範圍例如為0.10 μm~2.00 μm,較佳為0.20 μm~1.50 μm,更佳為0.40 μm~1.00 μm。粒度分佈例如可藉由動態光散射法、雷射繞射法等之粒度分佈評估裝置、及掃描式電子顯微鏡(SEM)、穿透式電子顯微鏡(TEM)等電子顯微鏡等來測定。再者,體積平均粒徑係粉碎物之粒度之不均一性之指標。
凝膠狀化合物之種類並不特別限制。作為凝膠狀化合物,例如可例舉凝膠狀矽化物。
又,於多孔質層(空隙層)中,例如較佳為所含有之矽原子發生矽氧烷鍵結。作為具體例,空隙層中所含有之全部矽原子中之未鍵結之矽原子(即,殘留矽烷醇)之比率例如未達50%,較佳為30%以下,更佳為15%以下。
以下,對此種多孔質層之形成方法之一例進行說明。
該方法代表性而言包括於光波導上形成作為多孔質層(空隙層)之前驅物的空隙結構之前驅物形成步驟、及於前驅物形成步驟後於該前驅物內部產生交聯反應之交聯反應步驟。該方法進而包括製作包含微細孔粒子之含有液(以下,有時稱為「微細孔粒子含有液」或簡稱為「含有液」)之含有液製作步驟、及使該含有液乾燥之乾燥步驟,於前驅物形成步驟中,使乾燥體中之微細孔粒子彼此以化學方式鍵結來形成前驅物。含有液並不特別限定,例如為包含微細孔粒子之懸浮液。再者,以下,主要對微細孔粒子為凝膠狀化合物之粉碎物,且空隙層為包含凝膠狀化合物之粉碎物之多孔體(較佳為矽酮多孔體)之情形進行說明。然而,關於多孔質層,於微細孔粒子為凝膠狀化合物之粉碎物以外之情形時,亦可以相同之方式形成。
藉由上述方法,例如可形成具有非常低之折射率之多孔質層(空隙層)。其原因例如推測如下。然而,該推測並不限定多孔質層之形成方法。
上述粉碎物係將凝膠狀矽化物粉碎而成者,故而粉碎前之凝膠狀矽化物之三維結構呈分散於三維基本結構中之狀態。進而,藉由上述方法,將凝膠狀矽化物之破碎物塗佈於樹脂膜上,藉此可形成基於三維基本結構之多孔性結構之前驅物。即,藉由上述方法,可形成與凝膠狀矽化物之三維結構不同的藉由粉碎物之塗佈而成之新的多孔結構(三維基本結構)。因此,於最終獲得之空隙層中,例如可實現與空氣層同程度地發揮功能之低折射率。進而,於上述方法中,由於使碎物彼此以化學方式鍵結,故而可將三維基本結構固定化。因此,儘管最終獲得之空隙層係具有空隙之結構,亦仍可維持充分之強度及可撓性。
多孔質層之具體之構成及形成方法之詳情例如記載於國際公開第2019/151073號中。該公報之記載作為參考而援用於本說明書中。
E.黏著劑層 黏著劑層40具有構成黏著劑層之黏著劑於通常之狀態下不滲透多孔質層之空隙之程度之硬度。因此,黏著劑層之23℃下之儲存模數較佳為0.2×10 5(Pa)以上,更佳為0.4×10 5(Pa)以上,進而較佳為0.6×10 5(Pa)以上,尤佳為0.8×10 5(Pa)以上,特佳為1.0×10 5(Pa)以上。另一方面,若考慮黏著劑層之耐久性,則黏著劑層之23℃下之儲存模數較佳為5.0×10 7(Pa)以下,更佳為4.0×10 7(Pa)以下,進而較佳為3.0×10 7(Pa)以下,尤佳為2.0×10 7(Pa)以下,特佳為1.0×10 7(Pa)以下。又例如,黏著劑層之23℃下之儲存模數亦可為1.0×10 6(Pa)以下。此種黏著劑層具有對於外力之緩衝功能(cushion功能),並且具有可抑制多孔質層之破損之柔軟性。儲存模數係藉由讀取依據JIS K 7244-1「塑膠-動態機械特性之試驗方法」中記載之方法,於頻率1 Hz之條件下,於-50℃~150℃之範圍內以5℃/分鐘之升溫速度進行測定時的23℃下之值而求出。
作為構成黏著劑層之黏著劑,可使用任意適當之黏著劑,只要具有如上述之特性即可。作為黏著劑,代表性而言,可例舉丙烯酸系黏著劑(丙烯酸系黏著劑組合物)。丙烯酸系黏著劑組合物代表性而言包含(甲基)丙烯酸系聚合物作為主成分(基礎聚合物)。(甲基)丙烯酸系聚合物可以於黏著劑組合物之固形物成分中例如為50重量%以上、較佳為70重量%以上、更佳為90重量%以上之比率而含有於黏著劑組合物中。(甲基)丙烯酸系聚合物以單體單元計含有(甲基)丙烯酸烷基酯作為主成分。再者,(甲基)丙烯酸酯係指丙烯酸酯及/或甲基丙烯酸酯。作為(甲基)丙烯酸烷基酯之烷基,例如可例舉具有1個~18個碳原子之直鏈狀或支鏈狀之烷基。該烷基之平均碳數較佳為3個~9個。作為構成(甲基)丙烯酸系聚合物之單體,除(甲基)丙烯酸烷基酯以外,亦可例舉含有羧基之單體、含有羥基之單體、含有醯胺基之單體、含有芳香環之(甲基)丙烯酸酯、含有雜環之(甲基)丙烯酸酯等共聚單體。共聚單體較佳為含有羥基之單體及/或含有雜環之(甲基)丙烯酸酯,更佳為N-丙烯醯𠰌啉。丙烯酸系黏著劑組合物較佳為可含有矽烷偶合劑及/或交聯劑。作為矽烷偶合劑,例如可例舉含有環氧基之矽烷偶合劑。作為交聯劑,例如可例舉異氰酸酯系交聯劑、過氧化物系交聯劑。此種黏著劑層或丙烯酸系黏著劑組合物之詳情記載於例如專利第4140736號中,該專利公報之記載係作為參考而援用於本說明書中。
如上所述,黏著劑層之厚度為3 μm以上,較佳為10 μm以上,更佳為25 μm以上,進而較佳為30 μm以上,尤佳為40 μm以上。若黏著劑層之厚度處於此種範圍內,則可良好地抑制多孔質層之破損,結果可良好地維持光波導及凹凸光學元件之光學特性,並且良好地抑制漏光。若黏著劑層之厚度為15 μm以上,則可獲得上述效果,因此對於厚度之上限並無限制。然而,就薄型輕量化及成本之觀點而言,黏著劑層之厚度例如可為200 μm以下,又例如亦可為150 μm以下,又例如亦可為120 μm以下。
F.保護層 保護層50之厚度較佳為20 μm以上,更佳為25 μm以上,進而較佳為30 μm以上。另一方面,保護層之厚度較佳為200 μm以下,更佳為150 μm以下,進而較佳為120 μm以下。若保護層之厚度處於此種範圍內,則於將光學構件應用於AR玻璃等中之情形時,可賦予優異之表面保護性能,並且抑制多孔質層之破損。
保護層50之楊氏模數較佳為2 GPa以上,更佳為2.5 GPa以上,進而較佳為3 GPa以上。另一方面,保護層之楊氏模數較佳為10 GPa以下,更佳為9 GPa以下,進而較佳為8 GPa以下。若保護層之楊氏模數處於此種範圍內,則於將光學構件應用於AR玻璃等中之情形時,可賦予優異之表面保護性能,並且抑制多孔質層之破損。
保護層50係由任意適當之樹脂膜構成。作為樹脂膜之形成材料,例如可例舉:(甲基)丙烯酸系樹脂;二乙醯纖維素、三乙醯纖維素等纖維素系樹脂;降𦯉烯系樹脂等環烯烴系樹脂;聚丙烯等烯烴系樹脂;聚對苯二甲酸乙二酯系樹脂等酯系樹脂;聚醯胺系樹脂、聚碳酸酯系樹脂、該等之共聚物樹脂等。再者,「(甲基)丙烯酸系樹脂」係指丙烯酸系樹脂及/或甲基丙烯酸系樹脂。
保護層50之透濕度較佳為0.1 g/m 2/24 hr~1000 g/m 2/24 hr,更佳為0.5 g/m 2/24 hr~800 g/m 2/24 hr,進而較佳為1 g/m 2/24 hr~500 g/m 2/24 hr。若保護層之透濕度處於此種範圍內,則可進一步抑制多孔質層之破損。
G.硬塗層 硬塗層60具有較佳為H以上、更佳為2H以上、進而較佳為3H以上之鉛筆硬度。另一方面,硬塗層之鉛筆硬度較佳為6H以下,更佳為5H以下。若硬塗層之鉛筆硬度處於此種範圍內,則於將光學構件應用於AR玻璃等中之情形時,可賦予優異之表面保護性能,並且抑制多孔質層之破損。鉛筆硬度可基於JIS K 5400之「鉛筆硬度試驗」來進行測定。
硬塗層之厚度例如可為0.5 μm~30 μm,又例如亦可為1 μm~20 μm,又例如亦可為2 μm~15 μm。若硬塗層之厚度處於此種範圍內,則於將光學構件應用於AR玻璃等中之情形時,可賦予優異之表面保護性能,並且抑制多孔質層之破損。
硬塗層可由任意適當之材料構成,只要滿足如上述之特性即可。硬塗層例如係熱硬化性樹脂或游離輻射(例如,可見光、紫外線)硬化性樹脂之硬化層。硬塗層例如可為熱硬化性樹脂或游離輻射(例如,可見光、紫外線)硬化型樹脂之硬化層。較佳為紫外線硬化型樹脂。其原因在於,可以簡便之操作及高效率形成硬塗層。作為紫外線硬化型樹脂之具體例,可例舉聚酯系、(甲基)丙烯酸系、胺基甲酸酯系、醯胺系、矽酮系、環氧系、不飽和聚酯系之紫外線硬化型樹脂。(甲基)丙烯酸系紫外線硬化型樹脂包含胺基甲酸酯(甲基)丙烯酸酯、聚酯(甲基)丙烯酸酯、環氧(甲基)丙烯酸酯。紫外線硬化型樹脂中可含有紫外線硬化型之單體、低聚物、聚合物。作為較佳之紫外線硬化型樹脂,可例舉含有具有較佳為2個以上、更佳為3~6個紫外線聚合性之官能基的丙烯酸系之單體成分或低聚物成分之樹脂組合物。代表性而言,紫外線硬化型樹脂中調配有光聚合起始劑。
硬塗層可藉由任意適當之方法形成。硬塗層較佳為可藉由於保護層上塗佈硬塗層形成用樹脂組合物並進行乾燥,對已乾燥之塗佈膜照射紫外線使其硬化而形成。
硬塗層之詳情例如記載於日本專利特開2011-237789號公報、日本專利特開2016-224443號公報中。該公報之記載係作為參考而援用於本說明書中。
H.抗反射層 作為抗反射層70之構成,可採用任意適當之構成。作為抗反射層之代表性之構成,可例舉:(1)光學膜厚為120 nm~140 nm之折射率1.35~1.55左右之低折射率層之單層;(2)自光波導側起依序具有中折射率層、高折射率層及低折射率層之積層體;(3)高折射率層與低折射率層之交替多層積層體。
作為可形成低折射率層之材料,例如可例舉氧化矽(SiO 2)、氟化鎂(MgF 2)。低折射率層之折射率代表性而言為1.35~1.55左右。作為可形成高折射率層之材料,例如可例舉:氧化鈦(TiO 2)、氧化鈮(Nb 2O 3或Nb 2O 5)、摻錫氧化銦(ITO)、摻銻氧化錫(ATO)、ZrO 2-TiO 2。高折射率層之折射率代表性而言為1.60~2.20左右。作為可形成中折射率層之材料,例如可例舉氧化鈦(TiO 2)、可形成低折射率層之材料與可形成高折射率層之材料之混合物(例如,氧化鈦與氧化矽之混合物)。中折射率層之折射率代表性而言為1.50~1.85左右。低折射率層、中折射率層及高折射率層之厚度可以實現抗反射層之層結構、與所需之抗反射性能等相應之適當之光學膜厚之方式進行設定。
上述抗反射層代表性而言可藉由乾式製程來形成。作為乾式製程之具體例,可例舉PVD(Physical Vapor Deposition,物理氣相沈積)法、CVD(Chemical Vapor Deposition,化學氣相沈積)法。作為PVD法,可例舉真空蒸鍍法、反應性蒸鍍法、離子束輔助法、濺鍍法、離子鍍覆法。作為CVD法,可例舉電漿CVD法。較佳為濺鍍法。其原因在於,能夠實現膜厚不均較小且更均勻之成膜。
上述抗反射層之厚度例如為20 nm~300 nm左右。
抗反射層70可為游離輻射硬化性樹脂組合物之硬化層。游離輻射硬化性樹脂組合物包含游離輻射硬化性樹脂。作為游離輻射硬化性樹脂,代表性而言,可例舉熱硬化性樹脂、紫外線硬化性樹脂、光(可見光)硬化性樹脂、電子束硬化性樹脂。例如,作為游離輻射硬化性樹脂,可例舉:矽酮樹脂、聚酯樹脂、聚醚樹脂、環氧樹脂、胺基甲酸酯樹脂、醇酸樹脂、螺縮醛樹脂、聚丁二烯樹脂、多硫醇多烯樹脂。又例如,游離輻射硬化性樹脂可為藉由熱、光(紫外線等)或電子束等進行硬化之具有丙烯酸酯基及/或甲基丙烯酸酯基之硬化型化合物。作為具體例,可例舉如多元醇之多官能化合物之丙烯酸酯及/或甲基丙烯酸酯等低聚物或預聚物。游離輻射硬化性樹脂可單獨使用亦可組合2種以上使用。根據目的,游離輻射硬化性樹脂組合物亦可進而含有反應性稀釋劑、含有氟元素之添加劑、中空粒子、及/或實心粒子。本實施方式之抗反射層代表性而言可藉由以下製造方法來形成:塗佈游離輻射硬化性樹脂組合物經稀釋溶劑稀釋之抗反射層形成用塗佈液;對塗佈膜進行乾燥;及使已乾燥之塗佈膜硬化。本實施方式之抗反射層之厚度例如可為0.1 μm~50 μm,又例如亦可為0.3 μm~40 μm,又例如亦可為0.5 μm~30 μm,又例如亦可為1.0 μm~20 μm,又例如亦可為2.0 μm~10 μm。 [實施例]
以下,藉由實施例對本發明具體地進行說明,但本發明並不受該等實施例限定。再者,各特性之測定方法如下所述。又,只要未特別明記,則實施例中之「%」及「份」係重量基準。
(1)多孔質層之折射率 於光波導形成多孔質層後,切割成50 mm×50 mm之尺寸,經由黏著層將其貼合於玻璃板(厚度:3 mm)之表面。用黑色標記油墨對上述玻璃板之背面中央部(直徑為20 mm左右)進行全面塗抹,製成不在該玻璃板之背面發生反射之樣品。將上述樣品置於橢圓偏光儀(J.A.Woollam Japan公司製造:VASE),於550 nm之波長、入射角為50~80度之條件下測定折射率。
(2)光波導保護 (2-1)鉛筆硬度 除了將負荷設為500 g以外,基於JIS K 5400之「鉛筆硬度試驗」進行測定。 (2-2)圖像之模糊發白 藉由實施例及比較例中所獲得之光學構件使預定之圖像入射及出射,以目視觀察出射圖像。將觀察圖像與參考例1之來自光波導單獨體之出射圖像進行比較,按以下基準進行評估。 ○(良好):未確認到發白 ×(不良):確認到發白 (2-3)抗表面污染性 於在實施例及比較例中所獲得之光學構件之表面滴加0.1 ml之水滴之狀態下,以與(2-2)相同之方式以目視觀察出射圖像,按以下基準進行評估。 ○(良好):未確認到圖像混亂及漏光 ×(不良):確認到圖像混亂及/或漏光
[製造例1]多孔質層形成用塗佈液之製備 (1)矽化物之凝膠化 使作為矽化物之前驅物之甲基三甲氧基矽烷(MTMS)0.95 g溶解於2.2 g之二甲基亞碸(DMSO)中製備混合液A。向該混合液A中添加0.01 mol/L之草酸水溶液0.5 g,並於室溫下進行30分鐘攪拌,藉此使MTMS發生水解,生成包含三(羥基)甲基矽烷之混合液B。 向5.5 g之DMSO中添加28重量%之氨水0.38 g、及純水0.2 g後,進而補充添加上述混合液B,於室溫下攪拌15分鐘,藉此進行三(羥基)甲基矽烷之凝膠化,獲得包含凝膠狀矽化物之混合液C。 (2)熟化處理 將以上述方式製備之包含凝膠狀矽化物之混合液C直接於40℃下保溫20小時,進行熟化處理。 (3)粉碎處理 其次,使用刮勺將以上述方式進行了熟化處理之凝膠狀矽化物粉碎為數mm~數cm尺寸之顆粒狀。繼而,向混合液C中添加異丙醇(IPA)40 g,輕輕攪拌後,於室溫下靜置6小時,對凝膠中之溶劑及觸媒進行傾析。藉由進行相同之傾析處理3次,進行溶劑置換,獲得混合液D。繼而,對混合液D中之凝膠狀矽化物進行粉碎處理(高壓無介質粉碎)。粉碎處理(高壓無介質粉碎)係使用均質器(SMT公司製造,商品名稱「UH-50」),秤量混合液D中之凝膠狀化合物1.85 g及IPA 1.15 g置於5 cc之螺旋口瓶中後,於50 W、20 kHz之條件下進行2分鐘之粉碎。 藉由該粉碎處理,上述混合液D中之凝膠狀矽化物被粉碎,藉此混合液D成為粉碎物之溶膠液E。利用動態光散射式Nanotrac粒度分析儀(日機裝公司製造,UPA-EX150型)確認溶膠液E中所含有之粉碎物之表示粒度不均一性之體積平均粒徑,結果為0.50~0.70。進而,相對於0.75 g之溶膠液E,以光產鹼劑(和光純藥工業股份有限公司:商品名稱WPBG266)之1.5重量%濃度MEK(甲基乙基酮)溶液0.062 g及雙(三甲氧基甲矽烷基)乙烷之5%濃度MEK溶液0.036 g之比率添加上述溶液,獲得多孔質層形成用塗佈液。
[製造例2]構成黏著劑層之黏著劑之製備 將丙烯酸丁酯90.7份、N-丙烯醯𠰌啉6份、丙烯酸3份、2-丙烯酸羥基丁酯0.3份、作為聚合起始劑之2,2'-偶氮二異丁腈0.1重量份與乙酸乙酯100 g一併加入具備攪拌翼、溫度計、氮氣導入管、冷卻器之四口燒瓶中,一面緩慢攪拌一面導入氮氣進行氮置換後,將燒瓶內之液溫保持在55℃附近進行8小時聚合反應,製備丙烯酸系聚合物溶液。製備相對於所獲得之丙烯酸系聚合物溶液之固形物成分100份,調配有異氰酸酯交聯劑(Nippon Polyurethane Industry公司製造之Coronate L,三羥甲基丙烷之甲苯二異氰酸酯之加成體)0.2份、過氧化苯甲醯(日本油脂公司製造之Nyper BMT)0.3份、γ-縮水甘油氧基丙基甲氧基矽烷(信越化學工業公司製造:KBM-403)0.2份之丙烯酸系黏著劑溶液。繼而,將上述丙烯酸系黏著劑溶液以乾燥後之黏著劑層之厚度為20 μm之方式塗佈於實施了矽酮處理之聚對苯二甲酸乙二酯(PET)膜(三菱化學聚酯膜公司製造,厚度:38 μm)之單面,並於150℃下進行3分鐘乾燥,形成黏著劑層。所獲得之黏著劑之儲存模數為1.0×10 5(Pa)。
[實施例1] 自市售之AR玻璃(Vuzix公司製造,製品名稱「M4000」)取出光波導。光波導之厚度為1.05 mm。進而,於光波導形成繞射光柵(凹凸光學元件)。於該光波導之兩面塗佈製造例1中所製備之多孔質層形成用塗佈液。將塗佈膜於溫度100℃下處理1分鐘並進行乾燥,形成多孔質層(厚度1.2 μm)。所獲得之多孔質層之空隙率為60體積%,折射率為1.18。繼而,於各個多孔質層表面轉印製造例2中所形成之黏著劑層(厚度10 μm,儲存模數1.3×10 5Pa)。進而,於各個黏著劑層之表面積層作為保護層之PET膜(三菱化學聚酯膜公司製造,厚度50 μm,彈性模數4.0 GPa)。如此製作光學構件。將所獲得之光學構件供於上述評估。將結果示於表1中。
[實施例2] 除使用三乙醯纖維素(TAC)膜(厚度80 μm,彈性模數3.0 GPa)代替PET膜來作為各自之保護層以外,以與實施例1相同之方式製作光學構件。將所獲得之光學構件供於與實施例1相同之評估。將結果示於表1中。
[比較例1] 除不形成黏著劑層及保護層以外,以與實施例1相同之方式製作光學構件。將所獲得之光學構件供於與實施例1相同之評估。將結果示於表1中。
[比較例2] 除不形成多孔質層以外,以與實施例1相同之方式製作光學構件。將所獲得之光學構件供於與實施例1相同之評估。將結果示於表1中。
[參考例1] 將光波導單體作為光學構件供於與實施例1相同之評估。將結果示於表1中。
[實施例3~7] 除將黏著劑層之厚度、保護層之厚度及保護層之楊氏模數如表1般進行變更以外,以與實施例1相同之方式製作光學構件。將所獲得之光學構件供於與實施例1相同之評估。將結果示於表1中。
[表1]
   多孔質層 黏著劑層厚度(μm) 黏著劑層儲存模數(10 5Pa) 保護層厚度(μm) 保護層楊氏模數(GPa) 鉛筆硬度 圖像模糊發白 抗表面污染性
實施例1 20 1.3 50 4 4 H
實施例2 20 1.3 80 3 3 H
比較例1 - - B以下
比較例2 20 1.3 50 4 4 H × ×
參考例1 - - B以下 基準 ×
實施例3 10 1.3 80 3 3 H
實施例4 10 1.3 50 4 4 H
實施例5 5 1.3 60 3 4 H
實施例6 5 1.3 80 3 3 H
實施例7 5 1.3 50 4 4 H
由表1得知,根據本發明之實施例,可獲得能夠實現抑制表面污染,模糊發白及漏光得到抑制之出射圖像之光學構件。進而,實施例之光學構件之總厚度為約1.2 mm,實現了顯著之薄型化(結果為顯著之輕量化)。 [產業上之可利用性]
本發明之實施方式之光學構件可適宜地使用於AR玻璃及HMD中。
10:光波導 10a:第1主面 10b:第2主面 20a:凹凸光學元件 20b:凹凸光學元件 30:多孔質層 40:黏著劑層 50:保護層 60:硬塗層 70:抗反射層 100:光學構件 101:光學構件 102:光學構件
圖1係本發明之一實施方式之光學構件之概略剖視圖。 圖2係本發明之另一實施方式之光學構件之概略剖視圖。 圖3係本發明之又一實施方式之光學構件之概略剖視圖。
10:光波導
10a:第1主面
10b:第2主面
20a:凹凸光學元件
20b:凹凸光學元件
30:多孔質層
40:黏著劑層
50:保護層
60:硬塗層
70:抗反射層
100:光學構件

Claims (11)

  1. 一種光學構件,其具有: 光波導,其具有第1主面及第2主面; 光學元件,其設於該第1主面及該第2主面之至少1個主面且具有凹凸結構; 多孔質層,其至少設於該光波導之設有該光學元件之主面;及 黏著劑層,其設於該多孔質層之與該光波導相反側且厚度為3 μm以上。
  2. 如請求項1之光學構件,其中上述多孔質層之折射率為1.20以下。
  3. 如請求項1或2之光學構件,其中上述多孔質層之厚度為5 μm以下。
  4. 如請求項1至3中任一項之光學構件,其中上述多孔質層之霧度未達5%。
  5. 如請求項1至4中任一項之光學構件,其中上述黏著劑層之儲存模數為0.2×10 5(Pa)以上。
  6. 如請求項1至5中任一項之光學構件,其中於上述黏著劑層之外側進而具有厚度為20 μm以上之由樹脂膜構成之保護層。
  7. 如請求項6之光學構件,其中上述保護層之楊氏模數為2 GPa以上。
  8. 如請求項6或7之光學構件,其中於上述保護層之外側進而具有硬塗層。
  9. 如請求項8之光學構件,其中於上述硬塗層之外側進而具有抗反射層。
  10. 一種AR玻璃,其包含如請求項1至9中任一項之光學構件。
  11. 一種頭戴式顯示器,其包含如請求項1至9中任一項之光學構件。
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