WO2007018212A1 - 光線指向性化ガラス基板及びそれを用いた照明装置 - Google Patents

光線指向性化ガラス基板及びそれを用いた照明装置 Download PDF

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WO2007018212A1
WO2007018212A1 PCT/JP2006/315664 JP2006315664W WO2007018212A1 WO 2007018212 A1 WO2007018212 A1 WO 2007018212A1 JP 2006315664 W JP2006315664 W JP 2006315664W WO 2007018212 A1 WO2007018212 A1 WO 2007018212A1
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light
glass
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Kohei Kadono
Tatsuya Suetsugu
Naoko Kaga
Naoto Yamashita
Hironori Umeda
Toshihiko Einishi
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National Institute Of Advanced Industrial Science And Technology
Isuzu Glass Co., Ltd.
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Definitions

  • the present invention relates to a light beam directivity glass substrate and an illumination device using the same.
  • the light beam directivity means that the traveling direction of the light beam is controlled (directed) in a specific direction.
  • planar light sources have been used as knocklights for exposure apparatuses, signboards, liquid crystal displays, and the like, and as illumination apparatuses in interior spaces such as ceilings and wall surfaces.
  • the planar light source is an illuminating device characterized in that a light beam is incident on a planar substrate and the incident light beam is extracted from the entire plane part (observation surface). Requires uniform brightness and directivity in the traveling direction over the entire observation surface. In particular, extracting light rays with directivity in the direction perpendicular to the observation surface is to efficiently extract light rays to the viewer, and is important from the viewpoint of light utilization efficiency.
  • a point or linear original light source (an original light source means a light source that irradiates a light beam incident on a flat surface portion) force is applied to a diffused plate (ground glass-like light).
  • a diffused plate ground glass-like light.
  • the light extracted through the microlens array is microlens array.
  • the microlens array acts as a light directing substrate.
  • the original light source is less likely to be spotted.
  • Patent Documents 1 to 3 disclose illumination devices using a microlens array as a light directivity substrate. These technologies extract the light beam, which has also been emitted from the original light source, through the microlens array with directivity in the direction perpendicular to the observation surface.
  • Patent Document 3 has a plurality of light emitting elements scattered on a plane and an optical element arranged corresponding to the light emitted from the light emitting element, and the optical element is passed through.
  • a flat light source is disclosed in which light is emitted substantially perpendicular to the flat surface.
  • FIG. 1 in Fig. 1 shows a microlens array.
  • 2 is the light intensity emitted from the LED light source (original light source).
  • the directivity is passed by passing through the microlens array arranged so as to correspond to the original light source. Show how it is taken out vertically.
  • a microlens array used for a conventional planar light source is manufactured by pressing a metal mold having many submillimeter-shaped concave surfaces against an organic polymer substrate, a glass substrate, or the like.
  • it is also produced by a method in which a heat or photocured resin is applied to a substrate as a very small amount of droplets by inkjet printing or the like and then the droplets are cured.
  • the substrate is masked by a lithography method, and the substrate is immersed in a molten salt such as silver nitrate to ionize alkali components in the glass and silver ions in the molten salt. It is also produced by exchanging and forming a refractive index distribution region near the substrate surface.
  • a method for producing a microlens array by applying a pressing force to an organic polymer substrate is relatively inexpensive, but the accuracy, stability and reliability of the lens array are insufficient due to the polymer system.
  • the polymer may deteriorate over time due to irradiation of ultraviolet light, visible light, etc. contained in the original light source, and the original light source power may be deformed by heat.
  • a microlens array produced by press molding a glass substrate is highly accurate and highly reliable.
  • productivity there is a tendency for the productivity to increase and the cost to increase.
  • production method by ion exchange using molten salt has the following two problems.
  • the first point is the problem of controlling the condition of the molten salt during ion exchange.
  • the ion exchange rate and the ion diffusion rate in the glass substrate depend on the temperature of the molten salt.
  • the liquid phase temperature of the molten salt depends on the mixing ratio (composition) of the molten salt, and the ion exchange temperature can only be controlled above the liquid phase temperature of the salt. Therefore, the ion concentration in the molten salt and the ion exchange temperature may not be controlled independently. Therefore, when preparing a gradient index lens array having a desired refractive index profile by the ion exchange method, the composition of the molten salt
  • ion exchange conditions such as temperature and soaking time requires advanced know-how that is not easy. Furthermore, when using ions that are easily oxidized in the air, it is necessary to pay attention to the fact that ion exchange is performed in a reducing atmosphere.
  • the second point is application of an ion exchange blocking film.
  • ion exchange is performed with a molten salt, it is necessary to apply an ion exchange blocking film outside the refractive index distribution forming region.
  • the photolithography technique is used for coating the ion exchange blocking film, but the formation process of such a blocking film is complicated.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-111170
  • Patent Document 2 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-227835
  • Patent Document 3 Japanese Patent Laid-Open No. 2002-49326
  • the present invention provides a highly accurate planar light source having a uniform luminance and sufficient directivity in the direction of travel of light (hereinafter also referred to as "directivity of light”) by a simple manufacturing method. This is the main purpose.
  • the present inventor has obtained a lithium compound, sodium compound, potassium compound, rubidium compound, cesium compound, copper on a glass substrate containing an alkali metal component as a glass component.
  • Group power consisting of compound, silver compound and thallium compound Apply a specific paste containing at least one selected and apply A region with a different refractive index from the substrate in the glass substrate by diffusing Li + ions, Na + ions, K + ions, Rb + ions, Cs + ions, Cu + ions, Ag + ions, T1 + ions, etc.
  • the material produced by forming hereinafter also referred to as “refractive index modulation region”
  • the inventors have found that the above object can be achieved and completed the present invention. It was.
  • the present invention relates to the following light directivity glass substrate and an illumination device using the same.
  • a light-directed glass substrate produced by applying a paste containing at least one selected organic resin and organic solvent and heat-treating it at a temperature lower than the softening temperature of the glass substrate.
  • the glass substrate is made of glass containing an alkali metal component in an amount of 2% by weight or more in terms of oxide, and the glass is a silicate glass, a borosilicate glass, a phosphate glass, or a fluorophosphate glass, Item 4.
  • An illumination device comprising: 1) the light-directed glass substrate according to item 1; and 2) means for injecting light into the substrate.
  • the light incident means is a means for incident light irradiated from an LED element, an organic EL element, or an inorganic EL element.
  • the light incident means is a means for incident light irradiated from a halogen lamp, a metal halogen lamp, a hot cathode tube, or a cold cathode tube.
  • the light-directing glass substrate of the present invention has a lithium compound, a sodium compound, a potassium compound, a rubidium compound, a cesium compound, a copper compound, a silver compound on one or both sides of a glass substrate containing an alkali metal component as a glass constituent component. And a paste containing at least one selected from the group consisting of thallium compounds, organic resin and organic solvent, and lower than the softening temperature of the glass substrate! Manufactured by heat treatment at temperature
  • the light-directed glass substrate of the present invention has a refractive index modulation region having a refractive index different from that of the base material in a portion where the paste is applied and heat-treated and in the vicinity thereof. Since it has such a refractive index modulation region, the light beam incident on the glass substrate from the original light source diffuses through the glass substrate and then passes through the refractive index modulation region, thereby directing the traveling direction in the direction perpendicular to the base material. It is taken out by the nature. Therefore, the light beam directing glass substrate of the present invention can be suitably used as a constituent member of a flat light source.
  • alkali metal component in the glass substrate examples include Li, Na, K, Rb, Cs and the like, and among these, Na, particularly preferred is Li, Na, K.
  • These alkali metal components may exist in the form of ions or as oxides. Further, only one kind of alkali metal component may be present, or two or more kinds may be present simultaneously.
  • the content of the alkali metal component in the glass substrate is suitably about 2% by weight or more, preferably about 5% by weight or more, more preferably about 10% by weight or more in terms of oxide.
  • the upper limit of the alkali metal component is not limited, but is preferably about 40% by weight in terms of oxide, preferably about 30% by weight, and more preferably about 20% by weight.
  • any glass containing an alkali metal component can be used without particular limitation.
  • silicate glass, borosilicate glass, phosphate glass, and fluorophosphate glass can be used.
  • the specific composition of these glasses is a glass having a known composition as a silicate glass, a borosilicate glass, a phosphate glass, a fluorophosphate glass, etc., without any particular limitation. If it contains the above-mentioned alkali metal component.
  • Such a glass composition for example, the following can be exemplified as the amount of acid oxide converted.
  • SiO 40 ⁇ 80% by weight, preferably 50 to 75 weight 0/0, Ji & 0: 5 to 25% by weight, preferably
  • Seed 5-25 0/0, preferably 7-20 wt 0/0, MgO, BaO, ZnO, SrO and PbO force et chosen at least one: 2 wt% or less, preferably 1.5 wt% Below, AI O: 15 layers
  • Seed 2-20 wt 0/0, preferably from 5 to 15 weight 0/0, MgO, CaO, BaO, ZnO, SrO and P bO force also chosen at least one: 30 wt% or less, preferably 25 wt% Below, Al O,
  • Nb 2 O and ZrO power at least one selected: 2% by weight or less
  • As O, Sb 2 O and SnO power At least one selected: Double
  • a borosilicate glass containing no more than% by weight, preferably no more than 1% by weight.
  • P 2 O 40 to 80% by weight, preferably 50 to 75% by weight
  • SiO 20% by weight or less, preferably
  • 1 type 2 to 20% by weight, preferably 5 to 15% by weight, at least one selected from MgO, CaO, BaO, ZnO, SrO and PbO: 2 to 50% by weight, preferably 5 to 45% by weight, BO, A
  • Nb 2 O and ZrO forces are also selected: Phosphate glass containing 2 wt% or less, preferably 1 wt% or less.
  • PbO force At least one selected: 25% by weight or less (however, in order to obtain the desired effect sufficiently, the lower limit is preferably about 2% by weight), Al O, La O, YO, Ta
  • O and Gd O powers At least one selected: 20% by weight or less
  • the lower limit is preferably about 5% by weight), Nb 2 O and ZrO
  • the light-directing glass substrate is imparted with an ultraviolet removing ability. It is preferable in that it can be performed. This is because the diffused copper ions react with at least one halogen atom selected from the C 1, Br and I forces contained in the glass substrate to form copper halide, and this copper halide diffuses into the glass substrate. Based on the ability to absorb ultraviolet light.
  • a plate shape is used as the shape of the glass substrate.
  • a plate made by polishing a glass lump having the above composition and after molding the glass melt having the above composition into a plate, it is polished if necessary. Things may be used. Specifically, it may be adjusted according to the size of the planar light source of the final product.
  • such an alkali metal component is used.
  • This is also referred to as a “metal compound.”
  • Force A paste containing at least one selected is applied and heat-treated at a temperature lower than the soft spot of the glass substrate.
  • a lithium compound, a sodium compound, a potassium compound, a rubidium compound, a cesium compound, a copper compound, a silver compound, and a thallium compound are used as an organic solvent.
  • a paste that is dispersed is used.
  • Such a paste has an appropriate viscosity that can be applied to a glass substrate, and is selected from lithium ion, sodium ion, potassium ion, rubidium ion, cesium ion, copper ion, silver ion, and thallium ion force by heat treatment. It is not particularly limited as long as it is a paste containing the above metal compound capable of diffusing at least one kind.
  • the paste viscosity may be appropriately determined in consideration of the application method, paste composition, diffusion conditions to the base material, etc., but particularly at 20 ° C when printing and applying by the inkjet method described later.
  • the viscosity is preferably about 102 to 107 cP, more preferably about 103 to 106 cP.
  • the metal ionic force in the metal compound contained in the paste is exchanged with an alkali component in the glass substrate. It diffuses into the glass substrate as Li + ion, Na + ion, K + ion, Rb + ion, Cs + ion, Cu + ion, Ag + ion, T1 + ion, etc. Then, a refractive index modulation region having a refractive index different from that of the glass substrate is formed in the diffusion portion, and the refractive index is continuously distributed according to the change of the diffusion concentration.
  • the metal compound contained in the paste is not particularly limited as long as it is an ion-binding metal compound capable of diffusing each metal ion into the glass substrate by heat treatment, but inorganic salts are particularly preferred. Specific examples of each metal compound are shown below.
  • lithium compound examples include LiNO, LiCl, LiBr, Lil, LiF, and Li SO.
  • LiNO, LiSO, etc. are particularly preferable.
  • Examples of the sodium compound include NaNO, NaCl, NaBr, Nal, NaF, Na SO Etc. Of these, NaNO, Na 2 SO and the like are particularly preferable.
  • Examples of the potassium compound include KNO, KC1, KBr, KI, KF, and KSO.
  • KNO, KSO and the like are particularly preferable.
  • Examples of the rubidium compound include RbNO, RbCl, RbBr, Rbl, RbF, and RbSO.
  • RbNO, RbSO and the like are particularly preferable.
  • Examples of the cesium compound include CsNO, CsCl, CsBr, Csl, CsF, and CsSO.
  • CsNO, CsSO and the like are particularly preferable.
  • Examples of copper compounds include CuSO, CuCl, CuCl, CuBr, CuBr, Cu 0, and CuO.
  • Examples of silver compounds include AgNO, AgCl, AgBr, Agl, AgF, Ag S, and Ag SO.
  • AgNO is particularly preferable.
  • thallium compound for example, T1NO, T1C1, TlBr, Til, T1F, Tl S, Tl SO,
  • TlO etc. are mentioned. Among these, T1NO is particularly preferable.
  • These metal compounds may be used alone or in combination of two or more.
  • the organic resin contained in the paste is preferably an organic resin that can be easily removed by water washing if it is used at a heat treatment temperature.
  • organic resin examples thereof include cellulose resin, methylcellulose resin, cellulose acetate resin, cellulose-tartrate resin, cellulose acetate petroleum resin, acrylic resin, and petroleum resin. These organic coffins may be used alone or in combination of two or more.
  • the organic solvent used in the paste is preferably one that can easily disperse the metal compound and the organic resin and volatilizes easily when dried.
  • it is preferably a solvent that volatilizes at about 50 to 200 ° C.
  • Specific examples of such solvents include alcohols such as methanol and ethanol; dimethyl ether; ketones such as acetone.
  • each component in the paste is not particularly limited, but is 10 to 35 parts by weight, preferably 12 to 30 parts by weight of an organic solvent with respect to 100 parts by weight of the metal compound.
  • the fat component is 25 to 55 parts by weight, preferably about 30 to 45 parts by weight.
  • An additive may be added to the paste as necessary.
  • additives that lower the melting point of the paste include sulfates, nitrates, chlorides, bromides, iodides, and the like, which are the most abundant alkali components in glass.
  • at least one of sulfate and nitrate is particularly preferable.
  • the amount of these additives is not particularly limited, but is about 200 parts by weight or less, preferably about 180 parts by weight or less with respect to 100 parts by weight of the metal compound.
  • Specific blending modes including additives can be appropriately set according to the properties of the final product. For example, for 100 parts by weight of potassium compound, rubidium compound or cesium compound. 2 to 25 parts by weight of an organic solvent, preferably 5 to 20 parts by weight, 15 to 45 parts by weight of a resin component, preferably 20 to 40 parts by weight, and 3 parts by weight or less of additives.
  • KNO as a potassium compound
  • RbNO as a rubidium compound
  • CsNO as a cesium compound.
  • this blending mode is preferred. Further, 15 to 45 parts by weight of an organic solvent, preferably 20 to 40 parts by weight, and 50 to 170 parts by weight of a resin component, preferably 70 to 150 parts by weight with respect to 100 parts by weight of a silver compound or thallium compound.
  • the additive is 180 parts by weight or less, preferably 160 parts by weight or less.
  • AgNO as a silver compound
  • T1NO as a thallium compound.
  • this blending mode is preferable.
  • the application shape of the paste is not particularly limited, but considering that the final product is used as a planar light source, a light beam that has been directed from the entire observation surface (refractive index modulation region forming surface) of the planar light source.
  • a microlens array is formed on the glass substrate after the heat treatment described later.
  • a cylindrical lens array is formed on the glass substrate after the heat treatment.
  • the paste may be applied to one side of the glass substrate.
  • the paste is applied to both sides of the glass substrate in order to extract light beams with directivity on both sides.
  • the arrangement interval (pattern interval) of the circle or parallel line is preferably 100 m or less. That is, when applying in a circle, it is preferable to apply so that the distance between the centers of adjacent circles is 100 / zm or less.
  • the distance between the central axes of adjacent lines is 100 m or less.
  • the diameter of the circle is preferably about 5 to 80 m, more preferably about 5 to 50 m.
  • the line width is preferably about 5 to 80 / ⁇ ⁇ , more preferably about 5 to 50 / ⁇ ⁇ .
  • the lenses including cylindrical are arranged at a high density.
  • the microlens array obtained by coating in a circular shape increases the lens density even if the end of each lens overlaps the end of an adjacent lens as long as the action of the light directivity is not hindered. Good.
  • the glass substrate may remain between the lenses (the glass substrate is exposed). In that case, masking can be performed so that the light beam is not leaked to the portion where the glass substrate is exposed in order to prevent the light beam not being directed from leaking. When performing such masking, it is possible to more reliably direct the light emitted from the observation surface.
  • the applied paste diffuses to the same extent as L on the glass substrate surface toward the outside of the coated portion, where L is the diffusion distance in the depth direction of the glass substrate.
  • L is the diffusion distance in the depth direction of the glass substrate.
  • the diameter of the applied circle is approximately the same as the diameter of the microlens obtained after heat treatment minus two times the diffusion distance in the depth direction.
  • Applying the paste in consideration of the above-mentioned diffusion distance results.
  • the refractive index modulation structure having a diameter or line width on the order of micron order to submillimeter order on the glass substrate is regular and on one side of the glass substrate. Or if it can be formed on both sides!
  • a light beam incident on the glass substrate can be emitted to the viewer side with uniform brightness and directivity.
  • the observation surface force is also from a position separated by several tens of cm to several m.
  • the application method is not particularly limited, but it is preferably applied by a printing technique such as screen printing or inkjet printing. According to such a printing technique, it is possible to easily form precision minute dots and parallel lines.
  • the screen printing method is very effective because it can apply a dot of about 10 m in size to the entire surface of the glass substrate at once.
  • A6 size paper for example, when applying paste by the above printing technology (especially screen printing), it is highly efficient and predetermined even for glass substrates with a size larger than row A No. 6 (so-called A6 size paper) according to the JIS standard. This pattern is advantageous in that paste application is possible.
  • the coating thickness is not particularly limited, and can be adjusted according to the type and content of the metal compound in the paste.
  • the coating thickness of the paste is A, and the dot diameter or parallel line width (when coating) is B. age,
  • a / B ⁇ 0.5 (especially preferably AZB ⁇ 1)
  • the coating film is usually dried prior to heat treatment.
  • the drying conditions are not particularly limited. Drying should be performed so that the solvent component is sufficiently removed and the paste is allowed to dry, usually at 100 to 250 ° C for 30 minutes to 1.5 hours, preferably 150 to 200 °. It can be efficiently dried by heating at C for about 45 minutes to 1 hour.
  • the heat treatment temperature is usually about 250 to 600 ° C., preferably about 300 to 550 ° C., and may be a temperature below the soft point of the glass substrate.
  • the heat treatment time is a force that can be appropriately set depending on the temperature. Usually, it is about 10 minutes to 100 hours, preferably about 30 minutes to 50 hours, and particularly preferably about 1 to 25 hours.
  • the atmosphere for the heat treatment is not particularly limited, and may be usually an oxygen-containing atmosphere such as air.
  • predetermined metal ions diffuse into the glass substrate.
  • the diffused metal ions differ depending on the processing conditions, they exist in the state of metal ions, the state of metal oxides, the state of metal fine particles, etc.
  • the refractive index is different from that of the plate portion.
  • the refractive index distribution is continuous.
  • the refractive index of the substrate surface on which the paste is applied is maximum, and the refractive index decreases as the diffusion depth increases. Further, for example, when applied in a circle, the refractive index continuously decreases from the center of the circle in the radial direction.
  • a light-directed glass substrate can be obtained by forming a refractive index distribution or refractive index distribution region different from that of the base material.
  • the light beam directivity glass substrate of the present invention When used as, for example, a component of a display screen, the light beam can be taken out with directivity in the front direction of the display. When combined, the directivity in the traveling direction of the light beam and the uniformity of the brightness are high!
  • FIG. 2 shows a schematic diagram (example) of the light beam directing glass substrate of the present invention.
  • 3 indicates a light-directed glass substrate.
  • 4 shows a microlens array in which dot-like refractive index modulation regions are regularly and continuously arranged.
  • Figure 5 shows an enlarged schematic diagram of the microlens array.
  • 6 shows a cross-sectional view of the refractive index modulation region.
  • 7 shows the refractive index distribution in the depth direction of the glass substrate.
  • FIG. 5 is also a schematic diagram (an example) of the light-directed glass substrate of the present invention.
  • FIG. 5 shows a light-directed glass substrate having a cylindrical lens array. Even with such a cylindrical lens array, light incident on the glass substrate can be extracted with directivity in the vertical direction of the glass substrate.
  • the illuminating device (planar light source) of the present invention includes 1) the light-directed glass substrate, and 2) means for injecting light into the substrate.
  • the illumination device of the present invention extracts a light beam with uniform brightness and directivity from the observation surface by the following process. That is, the light incident on the glass substrate is diffused in the substrate and then passes through the refractive index modulation region to be directed in the vertical direction of the substrate before being emitted.
  • an original light source is used near the back surface of the light-directed glass substrate (non-formation surface when a refractive index modulation region is formed on one surface) or Located near the side surface, the light emitted from the original light source directly enters the glass substrate.
  • the means to do is mentioned.
  • Another example is a means in which the original light source is disposed at a position away from the glass substrate, and the light is introduced into the glass substrate by using an optical fiber or a waveguide plate. That is, the means for injecting the light beam into the glass substrate may be any means that can guide the light beam irradiated with the original light source force directly or indirectly into the glass substrate regardless of the location of the original light source.
  • Examples of the original light source include element light sources such as LED elements, organic EL elements, and inorganic EL elements.
  • element light sources such as LED elements, organic EL elements, and inorganic EL elements.
  • halogen lamps, metal halogen lamps, hot cathode tubes, cold cathode tubes, and the like are also examples of the original light source.
  • a hot cathode tube, a cold cathode tube, etc. can be used as a strip-shaped light emitter.
  • the light beam incident on the glass substrate is repeatedly scattered and reflected in the glass substrate, and is finally irradiated from the front surface of the light beam directivity glass substrate.
  • the luminance is made uniform and good directivity can be obtained.
  • a light reflecting plate may be laminated on the other side.
  • the reflectors are stacked, the light utilization efficiency is increased because the leakage (loss) of the light is suppressed.
  • the material of the reflecting plate is not particularly limited, but a material having a high light reflectance such as aluminum, magnesium, silver, calcium, etc. is preferable.
  • FIG. 3 shows a planar light source using an LED chip as the original light source. Specifically, it is a planar light source in which a substrate on which the LED chips are regularly arranged and a microlens array in which microlenses are arranged at positions corresponding to the chips are superimposed. 1 and 3 are the same in the operation of the power array in which the type of the microlens array is different from that of the present invention and that of the present invention (light beam directivity).
  • the planar light source shown in FIG. 3 takes out the light emitted from the LED chip with directivity.
  • the lower diagram in Fig. 3 shows the pattern of this directivity.
  • the planar light source power can extract white light emission.
  • White luminescence can also be extracted when applying a phosphor or a phosphor emitting yellow fluorescence.
  • a near-ultraviolet semiconductor light emitting element is arranged and a phosphor that emits blue, green, or red fluorescent light by the light is applied.
  • the light beam may be incident on the glass substrate by providing a band-shaped light emitter on the side surface of the glass substrate.
  • FIG. 4 is a schematic view when a band-shaped light emitter is provided on the side surface of the glass substrate. Even in this case, the light beam diffused in the glass substrate passes through the microlens array, which is the refractive index modulation region, and is extracted with directivity in the vertical direction of the substrate.
  • FIG. 6 is an example of a planar light source in which a plurality of strip-like light emitters such as cold cathode fluorescent lamps are arranged on the back surface.
  • the planar light source of Fig. 6 the light is extracted through the cylindrical lens array, so that the brightness is uniform even in the vertical direction of the cold cathode tube. That is, when the light directivity glass substrate of the present invention is used, the light source spots of the original light source (the cold cathode fluorescent tube in FIG. 6) can be eliminated.
  • FIG. 7 and FIG. 8 are examples in which the original light source is installed in a place away from the light directivity of the glass substrate. In either case, the light emitted from the original light source is guided to the side surface of the glass substrate through the optical fiber, and is incident on the glass substrate from the strip-shaped light emitter.
  • the present invention since a glass substrate is used, it is possible to manufacture a light-directed glass substrate having a refractive index modulation structure with higher accuracy than an organic polymer substrate.
  • the light-directed glass substrate is excellent in heat resistance, light resistance and weather resistance.
  • the above-described method for producing a refractive index modulation structure on a glass substrate can easily produce a fine modulation structure with submicron order in micron force by applying paste by various printing techniques. It does not require a technique similar to lithography and does not require a mold, so it has much higher mass production and lower costs compared to ion exchange techniques using molten salt and press caskets using molds. be able to.
  • planar light source having uniform luminance and directivity in a simple and mass-productive manner with almost no change in the basic arrangement of conventional planar light sources.
  • refractive index modulation structure By appropriately designing the refractive index modulation structure, special luminance distribution and directivity can be achieved.
  • a planar light source can also be provided at low cost. These planar light sources can be used for high-resolution exposure equipment, high-brightness energy-saving displays, lighting, etc.
  • FIG. 1 is an explanatory diagram (example) of a conventional planar light source.
  • FIG. 2 is an explanatory view (an example) of a light beam directing glass substrate of the present invention.
  • FIG. 3 is an explanatory diagram (an example) of a lighting device according to the present invention.
  • FIG. 4 is an explanatory diagram (example) of a lighting device according to the present invention.
  • FIG. 5 is an explanatory view (an example) of a light directivity glass substrate of the present invention.
  • FIG. 6 is an explanatory diagram (an example) of a lighting device according to the present invention.
  • FIG. 7 is an explanatory diagram (an example) of a lighting device according to the present invention.
  • FIG. 8 is an explanatory diagram (an example) of a lighting device according to the present invention.
  • a microlens array in which the refractive index modulation regions are regularly and continuously arranged.
  • a microlens array in which refractive index modulation regions are regularly and continuously arranged
  • the light emitted from the LED light source passes through the microlens array of the present invention. Schematic diagram showing how it becomes more directional
  • Light emitting part of lighting device (refractive index modulation area not shown)

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Abstract

　本発明は、均一な輝度と光線の進行方向の指向性とが十分に確保された、高精度な平面光源を簡便な作製方法により提供する。 　具体的には、アルカリ金属成分をガラス構成成分として含むガラス基板の片面又は両面に、リチウム化合物、ナトリウム化合物、カリウム化合物、ルビジウム化合物、セシウム化合物、銅化合物、銀化合物及びタリウム化合物からなる群から選択された少なくとも１種、有機樹脂並びに有機溶剤を含有するペーストを塗布し、ガラス基板の軟化温度より低い温度で熱処理することによって製造される、光線指向性化ガラス基板及びそれを用いた平面光源を提供する。

Description

明 細 書
光線指向性ィ匕ガラス基板及びそれを用いた照明装置
技術分野
[0001] 本発明は、光線指向性ィ匕ガラス基板及びそれを用いた照明装置に関する。なお、 光線指向性ィ匕は、光線の進行方向を特定の方向に制御 (指向性化)することを意味 する。
背景技術
[0002] 近年、露光装置、看板、液晶ディスプレイ等のノ ックライトとして、その他、天井、壁 面等のインテリア空間における照明装置として、平面光源 (面状光源)が利用されて いる。
[0003] 当該平面光源は、平面基板に光線を入射し、その入射光線を平面部 (観察面)全 体から取り出すことを特徴とする照明装置であり、その用途に鑑みて、取り出される光 線には、観察面全体における均一な輝度と進行方向の指向性とが要求される。特に 光線を観察面の垂直方向に指向性ィ匕して取り出すことは、観察者側に効率的に光 線を取り出すことであり、光線利用効率の観点力 重要である。
[0004] 従来、平面光源としては、点又は線状の元光源 (元光源は、平面部に入射させる光 線を照射する光源を意味する)力 照射された光を、拡散板 (すりガラス状の平面部） などに入射して、拡散板中で一旦四方に散乱させた後、観察面から取り出す作用を 有する装置が利用されて 、る。
[0005] し力しながら、単に拡散板を利用して光線を散乱させて観察面力 取り出すだけで は、光線は観察面力 種々の方向に出射するため、指向性ィ匕の要求を満たすには 不十分であり、光線利用効率の高い平面光源とはなり得ない。また、多くの場合、元 光源の斑 (むら）を完全に消失させることは困難である。即ち、観察面において、元光 源付近は輝度が高く、元光源から遠 、場所では輝度が低 、と 、う斑が生じ易 、。
[0006] 上記問題を改善するための方策として、元光源から拡散板に入射した光線を、マイ クロレンズアレイを通過させることにより指向性ィ匕して取り出すことが提案されている。 この技術では、マイクロレンズアレイを通過して取り出された光線はマイクロレンズァレ ィの垂直方向に指向性ィ匕して取り出される。即ち、上記技術では、マイクロレンズァレ ィは、光線指向性化基板として作用する。また、このようなマイクロレンズアレイを通過 させて光線を取り出す場合には、元光源の斑も生じ難い。
[0007] 例えば、特許文献 1〜3には、マイクロレンズアレイを光線指向性ィ匕基板として用い た照明装置が開示されている。これらの技術は、元光源力も出射された光線を、マイ クロレンズアレイを通過させることにより観察面の垂直方向に指向性ィ匕して取り出すも のである。詳細には、例えば、特許文献 3には、平面上に点在する複数の発光素子 と該発光素子の出射光に対応させて配置される光学素子とを有し、該光学素子を通 過した光が平面に対して略垂直に出射することを特徴とする平面光源が開示されて いる。特許文献 3に記載の平面光源の模式図を図 1に示す。図 1の 1はマイクロレンズ アレイを示す。図 1の 2は LED光源 (元光源)から照射された光線力 元光源に対応 するように配置されたマイクロレンズアレイを通過することにより指向性ィ匕されて、基板 (アレイ基板）に対して垂直方向に取り出される様子を示して 、る。
[0008] 従来品の平面光源に用いられるマイクロレンズアレイは、有機ポリマー基板、ガラス 基板等に対して、サブミリオーダーの凹面を多数有する金属製铸型を押圧することに よって作製されている。また、熱又は光硬化榭脂をインクジェット印刷等によりごく少 量の液滴として基板に塗布後、液滴を硬化させる方法によっても作製されている。さ らに、ガラス基板を用いる場合には、リソグラフィ一の手法により基板をマスク処理後、 硝酸銀等の溶融塩に基板を浸漬し、ガラス中のアルカリ成分と溶融塩中の銀イオン 等とをイオン交換し、基板表面近傍に屈折率分布領域を形成することによつても作製 されている。
[0009] し力しながら、上記作製方法にはいずれも改善の余地がある。即ち、有機ポリマー 基板に対してプレス力卩ェを施してマイクロレンズアレイを作製する方法は比較的安価 であるが、ポリマー系であるためレンズアレイの精度、安定性及び信頼性が不十分で ある。例えば、元光源に含まれている紫外線、可視光等の照射によりポリマーの経時 的な劣化が生じる上、元光源力 の熱による変形の可能性もある。
[0010] 他方、ガラス基板をプレス成形することにより作製されたマイクロレンズアレイは、高 精度及び高信頼性であるが、プレス加工時に高温を必要とするため金属铸型の劣化 が速ぐ生産性が悪ィ匕してコストが高くなる傾向がある。また、溶融塩を用いたイオン 交換による作製方法にあっては、下記のような 2点の問題がある。
[0011] 一点目は、イオン交換時における溶融塩の条件制御の問題である。イオン交換速 度及びガラス基板中でのイオン拡散速度は、溶融塩の温度に依存する。また、溶融 塩の液相温度は溶融塩の混合比 (組成）に依存し、イオン交換温度は塩の液相温度 以上でしか制御できない。そのため、溶融塩中のイオン濃度とイオン交換温度とを独 立に制御することができない場合がある。従って、イオン交換法により所望の屈折率 プロファイルを有する屈折率分布型レンズアレイを作製するに際して、溶融塩の組成
、温度、浸漬時間等のイオン交換条件の決定は容易ではなぐ高度なノウハウを必要 とする。更に、空気中で酸ィ匕され易いイオンを用いる場合には、イオン交換を還元雰 囲気で行うことにも注意する必要がある。
[0012] 二点目は、イオン交換阻止膜の塗布である。イオン交換を溶融塩で行う際、屈折率 分布形成領域以外には、イオン交換阻止膜を塗布する必要がある。一般にイオン交 換阻止膜の塗布には、フォトリソグラフィ一の技術が利用されるが、このような阻止膜 の形成工程は複雑である。
特許文献 1：特開 2004 - 111170号公報
特許文献 2：特開 2004— 227835号公報
特許文献 3 :特開 2002— 49326号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0013] 本発明は、均一な輝度と光線の進行方向の指向性 (以下「光線の指向性」とも言う） とが十分に確保された、高精度な平面光源を簡便な作製方法により提供することを 主な目的とする。
課題を解決するための手段
[0014] 本発明者は、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、アルカリ金属成分を ガラス構成成分として含むガラス基板に、リチウム化合物、ナトリウム化合物、カリウム 化合物、ルビジウム化合物、セシウム化合物、銅化合物、銀化合物及びタリウム化合 物からなる群力 選択された少なくとも 1種を含む特定のペーストを塗布し、当該塗布 部分を介してガラス基板中に Li+イオン、 Na+イオン、 K+イオン、 Rb+イオン、 Cs+ィ オン、 Cu+イオン、 Ag+イオン、 T1+イオン等を拡散させてガラス基板中に基板とは屈 折率の異なる領域 (以下「屈折率変調領域」とも言う）を形成することにより製造される 材料を、光線指向性ィ匕ガラス基板として用いる場合には、上記目的を達成できること を見出し、本発明を完成するに至った。
即ち、本発明は、下記の光線指向性ィ匕ガラス基板及びそれを用いた照明装置に係 る。
1. アルカリ金属成分をガラス構成成分として含むガラス基板の片面又は両面に、リ チウム化合物、ナトリウム化合物、カリウム化合物、ルビジウム化合物、セシウム化合 物、銅化合物、銀ィ匕合物及びタリウム化合物力 なる群力 選択された少なくとも 1種 、有機榭脂並びに有機溶剤を含有するペーストを塗布し、ガラス基板の軟化温度より 低 ヽ温度で熱処理することによって製造される、光線指向性化ガラス基板。
2. ペーストを円形又は線形に塗布する、上記項 1に記載の光線指向性ィ匕ガラス基 板。
3. ペーストを円形に複数塗布し、且つ、隣接する円の中心どうしの間隔が 100 m 以下となるように塗布する、上記項 1に記載の光線指向性ィ匕ガラス基板。
4. ペーストを線形に複数塗布し、且つ、隣接する線の中心軸どうしの間隔が 100 μ m以下となるように線どうしを平行に塗布する、上記項 1に記載の光線指向性化ガ ラス基板。
5. ペーストをスクリーン印刷又はインクジェット印刷により塗布する、上記項 1に記 載の光線指向性ィ匕ガラス基板。
6. ガラス基板が、アルカリ金属成分を酸化物換算で 2重量％以上含むガラスから なり、該ガラスがケィ酸塩ガラス、ホウケィ酸塩ガラス、リン酸塩ガラス又は弗リン酸塩 ガラスである、上記項 1に記載の光線指向性ィ匕ガラス基板。
7. 1)上記項 1に記載の光線指向性ィヒガラス基板と、 2)前記基板中に光線を入射 する手段と、を有する照明装置。
8. 光線を入射する手段が、 LED素子、有機 EL素子又は無機 EL素子から照射さ れた光線を入射する手段である、上記項 7に記載の照明装置。 9. 光線を入射する手段が、ハロゲンランプ、メタルハロゲンランプ、熱陰極管又は 冷陰極管から照射された光線を入射する手段である、上記項 7に記載の照明装置。
[0016] 以下、本発明の光線指向性ィ匕ガラス基板及びそれを用いた照明装置について詳 細に説明する。
[0017] 光線指向件化ガラス某板
本発明の光線指向性ィ匕ガラス基板は、アルカリ金属成分をガラス構成成分として含 むガラス基板の片面又は両面に、リチウム化合物、ナトリウム化合物、カリウム化合物 、ルビジウム化合物、セシウム化合物、銅化合物、銀化合物及びタリウム化合物から なる群から選択された少なくとも 1種、有機榭脂並びに有機溶剤を含有するペースト を塗布し、ガラス基板の軟化温度より低！、温度で熱処理することによって製造される
[0018] 本発明の光線指向性ィ匕ガラス基板は、ペーストを塗布 '熱処理した部分及びその 近傍に基材とは屈折率の異なる屈折率変調領域を有する。かかる屈折率変調領域 を有するため、元光源カゝら当該ガラス基板に入射した光線は、ガラス基板中を拡散 後、屈折率変調領域を通過することにより、進行方向を基材の垂直方向に指向性ィ匕 して取り出される。従って、本発明の光線指向性ィ匕ガラス基板は、平面光源の構成 部材として好適に使用できる。
[0019] 本発明の光線指向性ィ匕ガラス基板を製造するには、ガラス基板として、アルカリ金 属成分をガラス構成成分として含むガラス基板を用いることが必要である。
[0020] 該ガラス基板におけるアルカリ金属成分としては、 Li、 Na、 K、 Rb、 Cs等を例示で き、このうち Li、 Na、 Kが好ましぐ Naが特に好ましい。これらのアルカリ金属成分は、 イオンの状態で存在してもよぐ酸化物として存在してもよい。また、アルカリ金属成 分は、一種のみ存在しても良ぐ二種以上が同時に存在しても良い。
[0021] 該ガラス基板におけるアルカリ金属成分の含有量は、酸ィ匕物換算で 2重量％程度 以上が適当であり、 5重量％程度以上が好ましぐ 10重量％程度以上がより好ましい 。アルカリ金属成分の上限は限定的ではないが、酸化物換算で 40重量％程度が適 当であり、 30重量％程度が好ましぐ 20重量％程度がより好ましい。 [0022] 本発明では、アルカリ金属成分を含有するガラスであれば特に限定なく使用できる 。例えば、ケィ酸塩ガラス、ホウケィ酸塩ガラス、リン酸塩ガラス、弗リン酸塩ガラス等 が使用できる。
[0023] これらのガラスの具体的な組成については、特に限定はなぐケィ酸塩ガラス、ホウ ケィ酸塩ガラス、リン酸塩ガラス、弗リン酸塩ガラス等として公知の組成のガラスであつ て、上記したアルカリ金属成分を含有するものであればょ 、。
[0024] このようなガラス組成の具体例としては、例えば、酸ィ匕物量換算量として下記のもの が例示できる。
[0025] 1) SiO :40〜80重量％、好ましくは 50〜75重量0 /0、じ&0 : 5〜25重量％、好まし
2
くは 17〜20重量％ Na 0、 K 0、 Li 0、 Rb Ο及び Cs Oから選ばれた少なくとも 1
2 2 2 2 2
種： 5〜25重量0 /0、好ましくは 7〜20重量0 /0、 MgO、 BaO、 ZnO、 SrO及び PbO力 ら選ばれた少なくとも 1種： 2重量％以下、好ましくは 1. 5重量％以下、 AI O : 15重
2 3 量％以下、好ましくは 10重量％以下、 Fe O及び SOの少なくとも 1種： 3重量％以
2 3 3
下、好ましくは 1重量％以下を含むケィ酸塩ガラス。
[0026] 2) SiO : 20〜80重量％、好ましくは 30〜75重量％、B O : 5〜50重量％、好まし
2 2 3
くは 1〜30重量％、 Na 0、 K 0、 Li 0、 Rb Ο及び Cs Oから選ばれた少なくとも 1
2 2 2 2 2
種： 2〜20重量0 /0、好ましくは 5〜15重量0 /0、 MgO、 CaO、 BaO、 ZnO、 SrO及び P bO力も選ばれた少なくとも 1種： 30重量％以下、好ましくは 25重量％以下、 Al O、
2 3
La O、 Y O、 Ta O及び Gd O力 選ばれた少なくとも 1種： 15重量％以下、好ま
2 3 2 3 2 3 2 3
しくは 10重量％以下、 Nb O及び ZrO力 選ばれた少なくとも 1種： 2重量％以下、
2 5 2
好ましくは 1重量％以下、 As O、 Sb O及び SnO力 選ばれた少なくとも 1種： 2重
2 3 2 3
量％以下、好ましくは 1重量％以下を含むホウケィ酸塩ガラス。
[0027] 3) P O :40〜80重量％、好ましくは 50〜75重量％、 SiO : 20重量％以下、好ま
2 5 2
しくは 10重量％以下、 Na 0、 K 0、 Li 0、 Rb Ο及び Cs Oから選ばれた少なくとも
2 2 2 2 2
1種： 2〜20重量％、好ましくは 5〜15重量％、 MgO、 CaO、 BaO、 ZnO、 SrO及び PbOから選ばれた少なくとも 1種： 2〜50重量％、好ましくは 5〜45重量％、 B O、 A
2 3
1 O、 La O、 Y O、 Ta O、 Nd O及び Gd O力 選ばれた少なくとも 1種： 15重
2 3 2 3 2 3 2 3 2 3 2 3
量％以下、好ましくは 10重量％以下、 Nb O及び ZrO力も選ばれた少なくとも 1種： 2重量％以下、好ましくは 1重量％以下を含むリン酸塩ガラス。
[0028] 4) P O： 20〜50重量0 /0、好ましくは 30〜40重量0 /0、 Al O： 5〜30重量0 /0、好ま
2 5 2 3
しくは 10〜25重量％、 Na 0、 K 0、 Li 0、 Rb Ο及び Cs Oから選ばれた少なくとも
2 2 2 2 2
1種： 2〜20重量0 /0、好ましくは 5〜15重量0 /0、 MgO、 CaO、 BaO、 ZnO及び SrOか ら選ばれた少なくとも 1種： 10〜50重量％、好ましくは 20〜40重量％を基本組成と し、 F (弗素）が上記 O (酸素）の一部と置換して得られる弗リン酸塩ガラス。
[0029] 5) SiO :40〜82重量0 /0、 B O： 12〜50重量0 /0、 Na 0、 K 0、 Li 0、 Rb Ο及び
2 2 3 2 2 2 2
Cs Oから選ばれた少なくとも 1種： 2〜25重量％、 MgO、 CaO、 BaO、 ZnO、 SrO及
2
び PbO力 選ばれた少なくとも 1種： 25重量％以下 (但し、所定の効果を十分に得る ためには、下限値は 2重量％程度とすることが望ましい）、 Al O、 La O、 Y O、 Ta
2 3 2 3 2 3
O及び Gd O力 選ばれた少なくとも 1種： 20重量％以下 (但し、所定の効果を十
2 3 2 3
分に得るためには、下限値は 5重量％程度とすることが望ましい）、 Nb O及び ZrO
2 5 2 力 選ばれた少なくとも 1種： 10重量％以下 (但し、所定の効果を十分に得るために は、下限値は 1重量％程度とすることが望ましい）、 As O、 Sb O及び SnO力 選
2 3 2 3
ばれた少なくとも 1種： 5重量％以下 (但し、所定の効果を十分に得るためには、下限 値は 0. 5重量％程度とすることが望ましい）、並びに Cl、 Br及び I力も選ばれた少なく とも 1種: 0. 05〜： L0重量％を含むホウケィ酸塩ガラス基板。
[0030] 前記ガラス基板の中でも、特に 5)のガラス基板に対して、銅化合物を含むペースト を塗布して Cu+イオンを拡散させる場合には、光線指向性化ガラス基板に紫外線除 去能を付与できる点で好ましい。これは、拡散した銅イオンがガラス基板に含まれる C 1、 Br及び I力 選ばれた少なくとも 1種のハロゲン原子と反応してハロゲン化銅となり 、このハロゲン化銅が拡散することによりガラス基板に紫外線吸収能が生じることに基 づく。
[0031] ガラス基板の形状としては、板状を用いる。例えば、前記組成のガラス塊を研磨す ることにより板状としたものを使用してもよ ヽし、前記した組成のガラス溶融体を板状と なるように成型後、必要に応じて研磨したものを使用してもよい。具体的には、最終 製品の平面光源の大きさに応じて調整すればよい。
[0032] 本発明の光線指向性ィ匕ガラス基板の作製に際しては、このようなアルカリ金属成分 をガラス構成成分として含むガラス基板を用いて、その片面又は両面にリチウム化合 物、ナトリウム化合物、カリウム化合物、ルビジウム化合物、セシウム化合物、銅化合 物、銀化合物及びタリウム化合物（以下、これらの化合物を総称して「金属化合物」と も言う）力 選ばれる少なくとも 1種を含有するペーストを塗布し、ガラス基板の軟ィ匕点 より低!ゝ温度で熱処理を行う。
[0033] ペーストとしては、リチウム化合物、ナトリウム化合物、カリウム化合物、ルビジウム化 合物、セシウム化合物、銅化合物、銀ィ匕合物及びタリウム化合物力 選ばれる少なく とも 1種と有機榭脂を有機溶媒に分散させてペースト状としたものを用いる。このよう なペーストとしては、ガラス基板に塗布し得る適度な粘度を有し、熱処理によりリチウ ムイオン、ナトリウムイオン、カリウムイオン、ルビジウムイオン、セシウムイオン、銅ィォ ン、銀イオン及びタリウムイオン力 選ばれる少なくとも 1種を拡散させることのできる 上記金属化合物を含有するペースト状物であれば特に限定されな 、。具体的には、 ペースト粘度は、塗布方法、ペースト組成、基材への拡散条件等を考慮して適宜決 定すればよいが、特に後記インクジェット法により印刷塗布する場合には、 20°Cでの 粘度は 102〜107cP程度が好ましぐ 103〜106cP程度がより好ましい。
[0034] このようなペーストをガラス基板の片面又は両面に塗布し、熱処理を行うことによつ て、該ペーストに含まれる金属化合物中の金属イオン力 ガラス基板中のアルカリ成 分と交換して Li+イオン、 Na+イオン、 K+イオン、 Rb+イオン、 Cs+イオン、 Cu+イオン 、 Ag+イオン、 T1+イオン等としてガラス基板中に拡散する。そして、拡散部分にはガ ラス基板とは異なる屈折率の屈折率変調領域が形成され、その屈折率は拡散濃度 の変化に応じて連続的に分布する。特に、 Ag+イオン、 T1+イオン等を拡散させる場 合には、屈折率の調整範囲が広いため所望の屈折率分布が得られ易いため好まし い。該ペーストに含まれる金属化合物としては、熱処理によって各金属イオンをガラ ス基板に拡散可能なイオン結合性金属化合物であれば特に限定されな 、が、特に 無機塩類が好ま ヽ。各金属化合物の具体例を次に示す。
[0035] リチウム化合物としては、例えば、 LiNO、 LiCl、 LiBr、 Lil、 LiF、 Li SO等が挙
3 2 4 げられる。この中でも、特に LiNO、 Li SO等が好ましい。
3 2 4
[0036] ナトリウム化合物としては、例えば、 NaNO、 NaCl、 NaBr、 Nal、 NaF、 Na SO 等が挙げられる。この中でも、特に NaNO、 Na SO等が好ましい。
3 2 4
[0037] カリウム化合物としては、例えば、 KNO、 KC1、 KBr、 KI、 KF、 K SO等が挙げら
3 2 4 れる。この中でも、特に KNO、 K SO等が好ましい。
3 2 4
[0038] ルビジウム化合物としては、例えば、 RbNO、 RbCl、 RbBr、 Rbl、 RbF、 Rb SO
3 2 4 等が挙げられる。この中でも、特に RbNO、 Rb SO等が好ましい。
3 2 4
[0039] セシウム化合物としては、例えば、 CsNO、 CsCl、 CsBr、 Csl、 CsF、 Cs SO等が
3 2 4 挙げられる。この中でも、特に CsNO、 Cs SO等が好ましい。
3 2 4
[0040] 銅化合物としては、例えば、 CuSO、 CuCl、 CuCl、 CuBr、 CuBr、 Cu 0、 CuO
4 2 2 2
、 Cu(NO ) 、 CuSゝ Cul、 Cul、 Cu (NO ) · 3Η O等が挙げられる。この中でも、 C
3 2 2 3 2
uSO、 Cu (NO )等が好ましい。
4 3 2
[0041] 銀化合物としては、例えば、 AgNO、 AgCl、 AgBr、 Agl、 AgF、 Ag S、 Ag SO
3 2 2 4
、 Ag O等が挙げられる。この中でも、特に AgNOが好ましい。
2 3
[0042] タリウム化合物としては、例えば、 T1NO、 T1C1、 TlBr、 Til, T1F、 Tl S、 Tl SO、
3 2 2 4
Tl O等が挙げられる。この中でも、特に T1NOが好ましい。
2 3
[0043] これらの金属化合物は、 1種単独で使用してもよぐ 2種以上を混合してもよい。
[0044] 該ペーストに含まれる有機榭脂としては、熱処理温度にお!ヽて分解する榭脂を用 いればよぐ水洗により容易に除去できるものが好ましい。例えば、このような特性を 有する、セルロース榭脂、メチルセルロース榭脂、セルロースアセテート榭脂、セル口 ース-トレート榭脂、セルロースアセテートプチレート榭脂、アクリル榭脂、石油榭脂 等が挙げられる。これらの有機榭脂は、 1種単独で使用してもよぐ 2種以上を混合し てもよい。
[0045] 該ペーストにお 、て用いる有機溶剤は、金属化合物及び有機榭脂を容易に分散 可能で、乾燥時に容易に揮発するものであることが好ましぐ具体的には、室温（20 °C)では液体であり、 50〜200°C程度で揮発する溶剤であることが好ましい。このよう な溶剤の具体例としては、メタノール、エタノール等のアルコール類；ジメチルエーテ ル;アセトン等のケトン類などを挙げることができる。
[0046] 該ペーストにおける各成分の含有量については、特に限定的ではないが、金属化 合物 100重量部に対して、有機溶剤 10〜35重量部、好ましくは 12〜30重量部、榭 脂成分 25〜55重量部、好ましくは 30〜45重量部程度である。
[0047] 該ペーストには、必要に応じて、添加剤をカ卩えても良い。例えば、ペーストの融点を 低下させる添加剤としては、ガラス中に最も多く含まれるアルカリ成分の硫酸塩、硝 酸塩、塩化物、臭化物、ヨウ化物等が挙げられる。この中でも、特に硫酸塩、硝酸塩 の少なくとも 1種が好ましい。これらの添加剤の配合量については、特に限定的では ないが、金属化合物 100重量部に対して、 200重量部以下、好ましくは 180重量以 下部程度である。
[0048] 添加剤も含めた具体的な配合態様につ!ヽては、最終製品の特性に応じて適宜設 定できるが、例えば、カリウム化合物、ルビジウム化合物又はセシウム化合物 100重 量部に対して、有機溶剤 2〜25重量部、好ましくは 5〜20重量部、榭脂成分 15〜4 5重量部、好ましくは 20〜40重量部、添加剤 3重量部以下である。特に、カリウムィ匕 合物として KNO、ルビジウム化合物として RbNO、セシウム化合物として CsNOを
3 3 3 用いる場合には、この配合態様が好ましい。また、銀ィ匕合物又はタリウム化合物 100 重量部に対して、有機溶剤 15〜45重量部、好ましくは 20〜40重量部、榭脂成分 5 0〜170重量部、好ましくは 70〜150重量部、添加剤 180重量部以下、好ましくは 1 60重量部以下である。特に、銀ィ匕合物として AgNO、タリウム化合物として T1NOを
3 3 用いる場合には、この配合態様が好ましい。
[0049] ペーストの塗布形状は特に限定的ではないが、最終製品を平面光源として用いる ことを鑑みると、平面光源の観察面 (屈折率変調領域形成面)全体から、指向性化さ れた光線が均一に出射できることが望ましぐそのためには、ガラス基板の片面又は 両面に対して、円形又は線形に連続的に且つ規則的にペーストを塗布することが好 ましい。円形に連続的且つ規則的に塗布する場合には、後記する熱処理後にガラス 基板にマイクロレンズアレイが形成される。他方、線形に連続的且つ規則的に塗布 する場合には、熱処理後にガラス基板にシリンドリカルレンズアレイが形成される。な お、ガラス基板の片面力 指向性ィ匕した光線を取り出す場合には、ペーストはガラス 基板の片面に塗布すればよい。他方、平面光源を間仕切りのように設置し、基板の 両側から観察する表示板などに適用する場合には、両側力も指向性ィ匕した光線を取 り出すために、ペーストはガラス基板の両面に塗布する。 [0050] 円形（円は小さいため、ドットとも言う）又は線形 (平行線）に塗布する場合において 、円形又は平行線の配列間隔 (パターユング間隔）は、 100 m以下が好ましい。即 ち、円形に塗布する場合には、隣接する円の中心どうしの間隔が 100 /z m以下となる ように塗布することが好ましい。また、線形に塗布する場合には、隣接する線の中心 軸どうしの間隔が 100 m以下となるように塗布することが好ましい。円形に塗布する 場合には、円の直径は 5〜80 m程度が好ましぐ 5〜50 m程度がより好ましい。 線形に塗布する場合には、線幅は 5〜80 /ζ πι程度が好ましぐ 5〜50 /ζ πι程度がよ り好ましい。光線の指向性化効率と元光源の斑の解消を考慮すると、熱処理後に得 られるレンズアレイにおいて、レンズ (シリンドリカルも含む）は高密度に配置されてい ることが好ましい。即ち、シリンドリカルレンズアレイの場合には、隣接するシリンドリカ ルレンズは、端部どうしが接触して 、る態様 (ペースト塗布面全体がレンズとなって ヽ る態様）が好ましい。円形に塗布して得られるマイクロレンズアレイは、レンズ密度を 高めるため、光線指向性ィ匕の作用が阻害されない限度において、個々のレンズの端 部が隣接するレンズの端部と重複していてもよい。ペーストのパターユング間隔によ つては、レンズ間にガラス基板が残存 (ガラス基板が露出）する場合がある。その場合 には、ガラス基板が露出した部分カゝら指向性化されていない光線が漏れることを防止 するため、当該部分に光線が漏れないようにマスキングを行うこともできる。かかるマ スキングを行う場合には、観察面から出射される光線をより確実に指向性ィ匕できる。
[0051] なお、塗布したペーストは、ガラス基板の深さ方向への拡散距離を Lとすると、ガラ ス基板表面でも塗布部分の外側に向けて Lと同程度拡散する。つまり、円形に塗布し た場合には、塗布円の直径は、熱処理後に得られるマイクロレンズの直径カゝら深さ方 向への拡散距離の 2倍を差し引いた程度の大きさとなる。上記の拡散距離の関係を 考慮してペーストを塗布すればよぐ結果的には、ガラス基板にミクロンオーダーから サブミリオーダーの直径又は線幅を有する屈折率変調構造が規則的且つガラス基 板の片面又は両面の全体に形成できればよ!、。力かる微小な屈折率変調領域を規 則的に配置することにより、ガラス基板中に入射された光線を均一な輝度で且つ指 向性ィ匕して観察者側に出射することができる。そして、このような微小な屈折率変調 領域を規則的に配置する場合には、観察面力も数十 cm〜数 m程度離れた位置から 平面光源を観察する際に、平面光源全体が均一な輝度の光線を前方に指向性化し て照射しているように見える。
[0052] 塗布方法は特に限定的ではな 、が、例えば、スクリーン印刷、インクジェット印刷等 の印刷技術により塗布することが好ましい。このような印刷技術によれば、精密微小ド ット、平行線を簡便に形成できる。特にスクリーン印刷法は、大きさが 10 m程度のド ットをガラス基板全面に亘り 1度に塗布することが可能であり非常に有効な手法となる 。例えば、前記印刷技術 (特にスクリーン印刷）によりペーストを塗布する場合には、 JI S規格で A列 6番 (いわゆる A6版用紙)以上の大きさのガラス基板に対しても、高効 率で所定のパターンでペースト塗布が可能であり有利である。
[0053] 塗布厚さは特に限定されず、ペースト中の金属化合物の種類、含有量等により調 整できる力 ペーストの塗布厚さを Aとし、ドット直径又は平行線の幅 (塗布時)を Bと し、
A/B≥0. 5 (特に好ましくは AZB≥1)
を満たすように塗布することが好ま 、。
[0054] ペーストを塗布した後、通常、熱処理に先だって塗膜を乾燥する。乾燥条件につい ては特に限定はなぐ溶剤成分が十分に除去されてペーストが乾固させるように乾燥 すればよぐ通常 100〜250°Cで 30分〜 1. 5時間、好ましくは 150〜200°Cで 45分 〜1時間程度加熱することにより効率よく乾燥することができる。
[0055] 次 、で、乾燥した塗膜を熱処理する。熱処理温度は、通常 250〜600°C程度、好 ましくは 300〜550°C程度の温度範囲であって、ガラス基板の軟ィ匕点を下回る温度と すればよい。熱処理時間は、温度に応じて適宜設定できる力 通常 10分から 100時 間、好ましくは 30分〜 50時間程度、特に好ましくは 1〜25時間程度である。熱処理 雰囲気は特に限定されず、通常は空気中等の酸素含有雰囲気中でよい。
[0056] 熱処理後は、通常、室温まで放冷し、基材上に残っているペースト残留物を水洗す ればよい。
[0057] 上記した方法によって熱処理を行うことによって、所定の金属イオンがガラス基板に 拡散する。拡散した金属イオンは、処理条件によって異なるが、金属イオンの状態、 金属酸化物の状態、金属微粒子の状態等で存在し、拡散部分については、ガラス基 板部分とは屈折率が異なるものとなる。屈折率の分布は連続的なものであり、通常は ペーストを塗布した基材表面の屈折率が最大であり、拡散深度が大きくなるほど屈折 率は小さくなる。また、例えば、円形に塗布した場合には、円の中心部から半径方向 に亘つて連続的に屈折率が小さくなる。このように、基材と異なる屈折率分布又は屈 折率分布領域が形成されることにより、光線指向性化ガラス基板が得られる。
[0058] 本発明の光線指向性ィ匕ガラス基板は、例えば、ディスプレイ画面の構成要素として 用いる場合には、ディスプレイ前面方向に指向性を持たせて光線を取り出すことがで きるため、元光源と組み合わせることにより、光線の進行方向の指向性及び輝度の均 一性が高!、バックライトとなる。
[0059] 図 2に、本発明の光線指向性ィ匕ガラス基板の模式図（一例）を示す。図中 3は、光 線指向性化ガラス基板を示す。 4はドット状の屈折率変調領域が規則的且つ連続的 に配列してなるマイクロレンズアレイを示す。 5はマイクロレンズアレイの拡大模式図を 示す。 6は屈折率変調領域の断面図を示す。 7はガラス基板の深さ方向における屈 折率分布を示す。
[0060] 図 5も、本発明の光線指向性化ガラス基板の模式図（一例)である。図 5は、シリンド リカルレンズアレイを有する光線指向性ィ匕ガラス基板である。このようなシリンドリカル レンズアレイであっても、ガラス基板中に入射した光線を、ガラス基板の垂直方向に 指向性ィ匕して取り出すことができる。
[0061] 照明奘置
本発明の照明装置 (平面光源)は、 1)前記光線指向性化ガラス基板と、 2)前記基 板中に光線を入射する手段と、を有する。
[0062] 本発明の照明装置は、次のプロセスにより均一な輝度且つ指向性ィ匕された光線を 観察面から取り出す。即ち、光線指向性ィ匕ガラス基板に入射された光は、基板中を 拡散後、屈折率変調領域を通過することにより基板の垂直方向に指向性化されて出 射する。
[0063] 当該ガラス基板中に光線を入射する手段としては、例えば、元光源を前記光線指 向性化ガラス基板の背面 (片面に屈折率変調領域を形成する場合の非形成面)近 傍又は側面近傍に配置し、元光源から照射される光線を直接にガラス基板中に入射 する手段が挙げられる。また、元光源をガラス基板とは離れた位置に配置し、光ファ ィバ又は導波板を用いて、ガラス基板中に光線を導くことにより入射する手段も挙げ られる。即ち、ガラス基板中に光線を入射する手段は、元光源の配置場所に関わら ず、元光源力 照射された光線を直接又は間接的にガラス基板中に導くことができる 手段であればよい。
[0064] 元光源としては、例えば、 LED素子、有機 EL素子、無機 EL素子等の素子光源が 挙げられる。また、ハロゲンランプ、メタルハロゲンランプ、熱陰極管、冷陰極管等も 元光源として挙げられる。熱陰極管、冷陰極管等は、帯状発光体として利用できる。
[0065] 当該ガラス基板中に入射した光線は、ガラス基板中で散乱 ·反射等を繰り返し、最 終的には光線指向性ィヒガラス基板の前面から照射される。屈折率変調領域を通過さ せることにより、輝度が均一化され、また良好な指向性が得られる。このように、光線 の輝度及び指向性を向上させるためには、微小マイクロレンズを多数配置した (配列 ピッチが小さ!/、)構成とすることが好ま 、。
[0066] ガラス基板の片面に屈折率変調領域を形成した場合には、他の片面には光線反 射板を積層してもよい。反射板を積層する場合には、光線の漏れ (損失)が抑制され るために光線利用効率が高まる。反射板の材質は特に限定されないが、例えば、ァ ルミ-ゥム、マグネシウム、銀、カルシウム等の光線反射率の大きな材質が好ましい。
[0067] 以下、本発明の照明装置について、具体的に図面を参照しながら説明する。
[0068] 図 3は、元光源として LEDチップを使用した平面光源である。具体的には、当該 LE Dチップを規則的に配列した基板と、各チップに対応する位置にマイクロレンズを配 置してなるマイクロレンズアレイを重ね合わせた平面光源である。なお、図 1と図 3とは 、マイクロレンズアレイの種類が従来品と本発明のものとして異なる力 両アレイの作 用（光線指向性化）は同じである。
[0069] 図 3の平面光源は、 LEDチップから照射される光線を指向性ィ匕して取り出す。図 3 の下図は、この指向性ィ匕の様子を模式的に示したものである。図 3において、元光源 を赤、緑、青で発光する半導体発光素子を交互に配列したものとすれば、平面光源 力 は白色の発光を取り出すこともできる。また、青で発光する半導体発光素子を配 列し、その前面に青色の光で励起されることによって赤及び緑の蛍光を出す蛍光体 を塗布するか黄色の蛍光を出す蛍光体を塗布する場合にも白色の発光を取り出すこ とができる。さらに、近紫外の半導体発光素子を配列し、その光により青、緑、赤の蛍 光を出す蛍光体を塗布する場合も挙げられる。
[0070] なお、図 3のマイクロレンズに対応配置した LEDチップのみならず、ガラス基板の側 面に帯状発光体を設けることにより、ガラス基板に光線を入射させてもよい。図 4は、 ガラス基板の側面に帯状発光体を設けた場合の模式図である。この場合でも、ガラス 基板中を拡散した光線は、屈折率変調領域であるマイクロレンズアレイを通過するこ とにより基板の垂直方向に指向性化されて取り出される。
[0071] 図 6は、冷陰極管のような帯状発光体を複数本背面に配置した平面光源の例であ る。図 6の平面光源では、シリンドリカルレンズアレイを通過して光線を取り出すため、 冷陰極管の垂直方向でも輝度は均質になる。即ち、本発明の光線指向性ィ匕ガラス基 板を用いる場合には、元光源（図 6では冷陰極蛍光管）の光源斑をなくすことができ る。
[0072] 図 7及び図 8は、元光源を光線指向性ィ匕ガラス基板力 離れた場所に設置する例 である。いずれも元光源から出射された光線を、光ファイバを通し、ガラス基板の側面 に導き、帯状発光体からガラス基材中に入射させる。
発明の効果
[0073] 本発明ではガラス基板を用いて 、るため有機ポリマー基板に比べて精度の高 、屈 折率変調構造の光線指向化ガラス基板の作製が可能である。また光線指向性化ガ ラス基板は、耐熱性、耐光性及び耐候性が優れている。さらに、ガラス基板に屈折率 変調構造を作製する上記の手法は、ペーストを種々の印刷技術により塗布すること により、容易にミクロン力もサブミリオーダーの微細な変調構造を作製することが可能 であり、フォトリソグラフィ一のような手法を必要とせず、金型なども必要としないため、 溶融塩によるイオン交換手法や、金型によるプレスカ卩ェに比べて格段に多品種量産 性を有し、コストも抑えることができる。
[0074] 本発明によれば、これまでの平面光源の基本的な配置をほとんど変えることなく簡 単にまた、量産性ある方法で輝度が均一で指向性のある平面光源を提供することが できる。屈折率変調構造を適切に設計することによって、特殊な輝度分布、指向性を 持つ平面光源もコストを抑えて提供することもできる。これらの面状光源は、高分解能 の露光装置、高輝度省エネルギー型のディスプレイ、照明などに用いることができる
[0075] このような光線指向性ィ匕ガラス基板と、元光源とを組み合わせることにより、当該ガ ラス基板力 均一且つ光線指向性の高い光を取り出すことができる照明装置が得ら れる。
図面の簡単な説明
[0076] [図 1]従来品の平面光源の説明図（一例)である。
[図 2]本発明の光線指向性ィ匕ガラス基板の説明図（一例)である。
[図 3]本発明の照明装置の説明図 (一例)である。
[図 4]本発明の照明装置の説明図（一例)である。
[図 5]本発明の光線指向性ィ匕ガラス基板の説明図（一例)である。
[図 6]本発明の照明装置の説明図（一例)である。
[図 7]本発明の照明装置の説明図 (一例)である。
[図 8]本発明の照明装置の説明図（一例)である。
符号の説明
[0077] 1.従来品の光線指向性ィ匕基板の一例（マイクロレンズアレイ）
2. LED光源から照射された光線が従来品のマイクロレンズアレイを通過することによ り指向性化される様子を示す模式図
3.本発明の光線指向性ィ匕ガラス基板の一例
4.屈折率変調領域が規則的且つ連続的に配列してなるマイクロレンズアレイ
5.屈折率変調領域の拡大図
6.屈折率変調領域の断面図
7.ガラス基板の深さ方向における屈折率分布を示す模式図
8.本発明の光線指向性ィ匕ガラス基板の一例
9.屈折率変調領域が規則的且つ連続的に配列してなるマイクロレンズアレイ
10.元光源の一例（LED光源）
11. LED光源から照射された光線が本発明のマイクロレンズアレイを通過することに より指向性化される様子を示す模式図
12.帯状発光体
13.本発明の光線指向性ィ匕ガラス基板の一例
14.屈折率変調領域
15.本発明の光線指向性ィ匕ガラス基板の一例
16.屈折率変調領域が規則的且つ連続的に配列してなるシリンドリカルレンズアレイ
17.帯状発光体
18.帯状発光体
19.光ファイバ
20.照明装置の発光部分 (屈折率変調領域は図示せず）
21.元光源
22.帯状発光体
23.元光源
24.光ファイバ

Claims

請求の範囲
[1] アルカリ金属成分をガラス構成成分として含むガラス基板の片面又は両面に、リチ ゥム化合物、ナトリウム化合物、カリウム化合物、ルビジウム化合物、セシウム化合物、 銅化合物、銀ィ匕合物及びタリウム化合物力 なる群力 選択された少なくとも 1種、有 機榭脂並びに有機溶剤を含有するペーストを塗布し、ガラス基板の軟ィ匕温度より低 い温度で熱処理することによって製造される、光線指向性化ガラス基板。
[2] ペーストを円形又は線形に塗布する、請求項 1に記載の光線指向性ィ匕ガラス基板
[3] ペーストを円形に複数塗布し、且つ、隣接する円の中心どうしの間隔が 100 /z m以 下となるように塗布する、請求項 1に記載の光線指向性ィ匕ガラス基板。
[4] ペーストを線形に複数塗布し、且つ、隣接する線の中心軸どうしの間隔が 100 m 以下となるように線どうしを平行に塗布する、請求項 1に記載の光線指向性ィ匕ガラス 基板。
[5] ペーストをスクリーン印刷又はインクジェット印刷により塗布する、請求項 1に記載の 光線指向性化ガラス基板。
[6] ガラス基板が、アルカリ金属成分を酸ィ匕物換算で 2重量％以上含むガラス力もなり
、該ガラスがケィ酸塩ガラス、ホウケィ酸塩ガラス、リン酸塩ガラス又は弗リン酸塩ガラ スである、請求項 1に記載の光線指向性ィ匕ガラス基板。
[7] 1)請求項 1に記載の光線指向性ィ匕ガラス基板と、 2)前記基板中に光線を入射する 手段と、を有する照明装置。
[8] 光線を入射する手段が、 LED素子、有機 EL素子又は無機 EL素子から照射された 光線を入射する手段である、請求項 7に記載の照明装置。
[9] 光線を入射する手段が、ハロゲンランプ、メタルハロゲンランプ、熱陰極管又は冷陰 極管から照射された光線を入射する手段である、請求項 7に記載の照明装置。
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