WO2020090051A1 - 導光板用光学材料及び導光板 - Google Patents

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暢彦 竹下
祐介 有田
昭男 勝呂
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Definitions

  • the present invention relates to an optical material used for a light guide plate.
  • a head mount display (HMD) compatible with AR, VR, MR and the like has become a hot topic. It is known to use a high refractive index material such as glass or resin as a light guide plate that constitutes this optical device.
  • Various studies have been conducted as a light guide plate having high light guide performance. For example, the thickness deviation (TTV) of the light guide plate is controlled in order to cope with a color tone defect called Rainbow Effect, or the root mean square roughness (Rq) of the light guide plate is controlled for the purpose of suppressing a decrease in brightness due to light scattering. It is known to do so (Patent Documents 1 to 3).
  • the present inventor has found that the above problems can be solved by an optical material having a specific refractive index, plate thickness and waviness on the surface. That is, the present invention provides an optical material for a light guide plate having a refractive index of 1.70 or more, a plate thickness of 1.1 mm or less, and a surface Wavines of less than 50 ⁇ 10 ⁇ 4 degrees.
  • the present invention it is possible to manufacture a high-performance light guide plate that suppresses the deviation of the reflection angle of light in the light guide plate and is compatible with thinning.
  • FIG. 1 shows data obtained by measuring the surface state of the optical material for a light guide plate of Example 1.
  • FIG. 2 is an explanatory diagram regarding the Waviness measurement.
  • FIG. 3 is a simplified schematic diagram of simulation in light guide evaluation.
  • optical material of the present invention will be described.
  • composition of optical material is not limited as long as the refractive index n is 1.70 or more.
  • a preferable refractive index is 1.75 or more, a more preferable refractive index is 1.78 or more, and a particularly preferable refractive index is 1.85 or more.
  • the higher the refractive index the smaller the critical angle ⁇ c of the light guide plate, and the greater the degree of freedom in designing the optical device.
  • the composition of the optical material is mainly composed of a high refractive index material, and resin or glass can be used.
  • the resin examples include cycloolefin polymer, cycloolefin copolymer, acrylic resin, methacrylic resin, polycarbonate resin, polystyrene resin and AS resin.
  • the composition having a refractive index of 1.70 or more described in WO 2017/090645 can be used, but is not limited.
  • mol% based on oxide SiO 2 : 0% to 70%, B 2 O 3 : 0% to 50%, MgO: 0% to 25%, CaO: 0% to 25%, SrO: 0% to 25%, BaO: 0% to 35%, Li 2 0: 0% to 35%, Na 2 O: 0% to 35%, K 2 O: 0% to 35%, Al 2 O 3 : 0% to 10%, Y 2 O 3 : 0% to 10%, TiO 2 : 0% to 50%, WO 3 : 0% to 20%, Nb 2 O 5 : 0% to 35%, La 2 O 3 : 0% to 50%, ZrO 2 : 0% to 20%, ZnO: 0% to 35%, Gd 2 O 3 : 0% to 30%, Sb 2 O 3
  • the optical material of the present invention is produced by molding the above composition into a plate and setting the surface state described below to a specific state.
  • the method for molding the optical material into a plate shape is not limited, and known methods such as extrusion molding and press molding for resin, and float method, fusion method and roll-out method for glass can be used.
  • the plate thickness of the optical material is 1.1 mm or less, preferably 0.1 to 1.0 mm, and particularly preferably 0.3 to 0.7 mm. Within this range, it is possible to achieve both thinning of the light guide plate and suppression of deviation of the light guide position.
  • the optical material of the present invention has a small waviness on the surface, and thus it is possible to suppress the reduction in the contrast ratio and the degree of detail of an image due to the deviation of the reflection angle of the light totally reflected in the light guide plate.
  • Waviness is used as an index indicating the waviness of the surface.
  • Wavines refers to an average of local surface undulation slope (Degree) within a certain range.
  • FIG. 1 shows data obtained by measuring the surface state for measuring Wavines in Example 1, but Waviness is calculated from the angle change of the concavo-convex state of the ultrafine surface. A specific example of the calculation method will be described in Examples.
  • the optical material of the present invention has a Waviness of less than 50 ( ⁇ 10 ⁇ 4 degrees), preferably 20 ( ⁇ 10 ⁇ 4 degrees) or less, and particularly preferably 1.0 to 10 ( ⁇ 10 ⁇ 4 degrees). is there. Further, the root mean square roughness (Rq) is preferably 2.0 nm or less, and it is possible to suppress a decrease in luminance due to light scattering.
  • a preferable specific example of the method for adjusting the surface condition to the above range is to perform precision polishing using an abrasive having a very small particle size while measuring the value of W.
  • a cerium abrasive or colloidal silica is suitable as the abrasive.
  • the method is not limited to this method, and, for example, a method of filling or covering the surface of the optical material with a material having a similar refractive index may be used.
  • ⁇ Shape of evaluation sample> A disk-shaped glass plate having a diameter of 150 mm (6 inches) and a plate thickness (described in Table 1) is used.
  • the refractive index is a refractive index for helium d-ray and was measured with a refractometer (manufactured by Karnew Optics Co., Ltd., trade name: KRP-2000).
  • Wx (waines in place x) 180 * ATAN (0.001 * ((Maximum undulation height)-(Minimum undulation height)) / (Distance between maximum and minimum undulation height) / ⁇
  • the average value of Wx at W (0 mm to 65 mm).
  • the light guide property was evaluated by obtaining the ideal reflection (condition with no undulations) and the displacement ( ⁇ L) of the position of light in reflection under the condition with undulations by simulation. Specifically, as shown in FIG. 3, when the direct light is totally reflected in the optical material, the light guiding distance of the reflected light due to ideal reflection (reflection in the optical material having no waviness) is closest to 65 mm. With the point as a reference point, the distance (L0) and the number of reflections N are recorded. Next, the direct light was totally reflected N times under the conditions that the undulations of Examples and the like were present on the A side and the B side was not undulated (the condition where only one side was undulated in order to clarify the difference).
  • the A to C evaluations were passed, and the D evaluations were unacceptable.
  • the A to C evaluations were passed, and the D evaluations were unacceptable.
  • a glass plate having a composition shown in Table 1 and having a width of 400 mm and a thickness of 1 mm was manufactured by the glass melt molding method, and a disk having a radius of 152 mm was cut out from the center of the plate with a glass cutter.
  • grinding and polishing were performed using a double-sided polishing machine (16B-N / F manufactured by Hamai Seisakusho Co., Ltd.) to reduce the plate thickness to 0.507 mm, and then chamfering was performed to adjust the radius of the disk to 150 mm. ..
  • cerium abrasive was used as the abrasive, and double-sided precision polishing was performed until Waviness reached the value shown in Table 1 to prepare an evaluation sample having a plate thickness of 0.500 mm.
  • the evaluation results are shown in Table 1.
  • Examples 2 to 8 and Comparative Examples 1 to 3 A sample for evaluation is prepared in the same manner as in Example 1 except that the conditions shown in Table 1 are changed. (However, in Example 3, Example 4, Comparative Example 1, and Comparative Example 2, the polishing conditions are respectively the final polishing rate in double-sided precision polishing, compared with Example 1, Example 3 is 10%, Example 4 The polishing conditions were changed so as to increase by 20% and by 40% in Comparative Example 1.) The evaluation results are shown in Table 1.
  • Table 2 shows the measurement results of TTV and Rq for Example 1 and Comparative Example 1. From this result, it can be seen that even if the TTV and Rq are the same, the deviation of the reflection angle may be large unless Waviness is within the range defined by the present invention.

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Abstract

本発明は導光板中の光の反射角のずれを抑制し、薄型化に対応した高性能な導光板を提供することを目的とする。本発明は、屈折率が１．７０以上、板厚が１．１ｍｍ以下であり表面のＷａｖｉｎｅｓｓが５０×１０－４ｄｅｇｒｅｅ未満である導光板用光学材料である。

Description

[規則37.2に基づきISAが決定した発明の名称]　導光板用光学材料及び導光板
　本発明は、導光板に用いられる光学材料に関する。
　近年、ＡＲ、ＶＲ、ＭＲ等に対応したヘッドマウントディスプレー（ＨＭＤ）が話題となっている。この光学装置を構成する導光板として、ガラスや樹脂等の高屈折率材料を用いることが知られている。
　高い導光性能を持つ導光板として種々の検討がされてきた。例えば、Ｒａｉｎｂｏｗ　Ｅｆｆｅｃｔと呼ばれる色調不具合に対応するため導光板の板厚偏差（ＴＴＶ）を制御したり、光の散乱による輝度低下を抑える目的で、導光板の二乗平均平方根粗さ（Ｒｑ）を制御したりすることが知られている（特許文献１～３）。
国際公開第２０１８／１３５１９３号 国際公開第２０１６／１８１８１２号 国際公開第２０１７／０８６３２２号
　しかしながら、近年は、より製品の要求性能が上がっており、軽量化、小型化、長光路に十分に対応可能な性能の導光性を有する光学材料は実現できていなかった。具体的には、たとえＴＴＶやＲｑを適切な範囲にしても望む位置に光を反射できない反射角のずれの発生を抑制できず、これが問題となってきた。
　このような状況下、導光板の小型化及び長光路化に適した反射角のずれを抑制した優れた導光性能を有する光学材料が望まれている。
　本発明者は特定の屈折率、板厚及び表面のうねり形状を有する光学材料によって上記課題を解決できることを見出した。
　すなわち、本発明は屈折率が１．７０以上、板厚が１．１ｍｍ以下であり表面のＷａｖｉｎｅｓｓが５０×１０－４ｄｅｇｒｅｅ未満である導光板用光学材料を提供する。
　本発明により、導光板中の光の反射角のずれを抑制し、薄型化に対応した高性能な導光板が製造できる。
図１は、実施例１の導光板用光学材料の表面状態を測定したデータである。 図２は、Ｗａｖｉｎｅｓｓ測定に関する説明図である。 図３は、導光性評価における、シミュレーションの簡略化した模式図である。
　本発明の光学材料について説明する。
［光学材料の組成］
　本発明の光学材料は屈折率ｎが１．７０以上であれば、組成は限定されない。好ましい屈折率は１．７５以上、さらに好ましい屈折率は１．７８以上、特に好ましい屈折率は１．８５以上である。
　屈折率が高くなるほど導光板としたときの臨界角θｃが小さくなり、光学装置の設計自由度が大きくなる。光学材料の組成物は高屈折率材料から主に構成され、樹脂またはガラスを用いることができる。
　樹脂の好ましい具体例としては、シクロオレフィンポリマー、シクロオレフィンコポリマー、アクリル樹脂、メタクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリスチレン樹脂、ＡＳ樹脂が挙げられる。
　ガラスの具体例としては、国際公開第２０１７／０９０６４５号に記載の屈折率が１．７０以上の組成物を用いることができるが限定されない。
　また、ガラスの好ましい具体例としては、酸化物基準のモル％表示で，
　ＳｉＯ２：０％～７０％、
　Ｂ２Ｏ３：０％～５０％、
　ＭｇＯ：０％～２５％、
　ＣａＯ：０％～２５％、
　ＳｒＯ：０％～２５％、
　ＢａＯ：０％～３５％、
　Ｌｉ２０：０％～３５％、
　Ｎａ２Ｏ：０％～３５％、
　Ｋ２Ｏ：０％～３５％、
　Ａｌ２Ｏ３：０％～１０％、
　Ｙ２Ｏ３：０％～１０％、
　ＴｉＯ２：０％～５０％、
　ＷＯ３：０％～２０％、
　Ｎｂ２Ｏ５：０％～３５％、
　Ｌａ２Ｏ３：０％～５０％、
　ＺｒＯ２：０％～２０％、
　ＺｎＯ：０％～３５％、
　Ｇｄ２Ｏ３：０％～３０％、
　Ｓｂ２Ｏ３＋ＳｎＯ２：０％～１０％、
特に好ましくは、
　ＳｉＯ２：５％～３５％、
　Ｂ２Ｏ３：５％～２５％、
　ＭｇＯ：０％～５％、
　ＣａＯ：０％～１０％、
　ＳｒＯ：０％～１０％、
　ＢａＯ：０％～１０％、
　Ｌｉ２０：０％～１０％、
　Ｎａ２Ｏ：０％～５％、
　Ｋ２Ｏ：０％～５％、
　Ａｌ２Ｏ３：０％～５％、
　Ｙ２Ｏ３：０％～１０％、
　ＴｉＯ２：１５％～４０％、
　ＷＯ３：０％～５％、
　Ｎｂ２Ｏ５：１％～１０％、
　Ｌａ２Ｏ３：１％～２５％、
　ＺｒＯ２：１％～１０％、
　ＺｎＯ：０％～５％、
　Ｇｄ２Ｏ３：０％～１０％、
　Ｓｂ２Ｏ３＋ＳｎＯ２：０％～５％、
の範囲にある組成物が挙げられる。
　通常、樹脂とガラスではガラスの方が屈折率が高いことから、ガラスが好ましい。
［光学材料］
　本発明の光学材料は前記組成物を板状に成形し、後述する表面状態を特定の状態にすることで製造される。
　光学材料の板状への成形方法は限定されず、例えば樹脂では押し出し成形及びプレス成形、ガラスであればフロート法、フュージョン法及びロールアウト法等、公知の手法を用いることができる。
　光学材料の板厚は、１．１ｍｍ以下であり、０．１～１．０ｍｍが好ましく、０．３～０．７ｍｍが特に好ましい。この範囲にあることで、導光板としたときの薄型化と導光位置のずれの抑制とを両立することができる。
［表面形状］
　本発明の光学材料は表面のうねり状態が小さく、これにより導光板中を全反射する光の反射角のずれによる画像の明暗比及び明細度の低下を抑えることができる。
　本発明ではＷａｖｉｎｅｓｓを表面のうねり状態を表す指標とする。Ｗａｖｉｎｅｓｓは表面の局所的なうねりの傾き（Ｄｅｇｒｅｅ）をある範囲内で平均化したものを指す。
　図１には実施例１でＷａｖｉｎｅｓｓを測定するための表面状態を測定したデータを示しているが、極微細な表面の凹凸状態の角度変化からＷａｖｉｎｅｓｓが算出される。
　算出方法の具体例は実施例にて説明する。
　本発明の光学材料のＷａｖｉｎｅｓｓは５０（×１０－４ｄｅｇｒｅｅ）未満であり、好ましくは２０（×１０－４ｄｅｇｒｅｅ）以下、特に好ましくは１．０～１０（×１０－４ｄｅｇｒｅｅ）の範囲である。
　また、二乗平均平方根粗さ（Ｒｑ）が２．０ｎｍ以下であることが好ましく、光の散乱による輝度低下を抑えることができる。
　表面状態を上記範囲にする手法の好ましい具体例としては、粒径の非常に小さい研磨材を用いた精密研磨を、Ｗの値を計測しながら行うことである。研磨材としてはセリウム研磨材あるいはコロイダルシリカなどが好適である。ただし、この方法に限定されず、例えば光学材料の表面を類似の屈折率を持つ材質で表面上のうねりを埋めたり、覆ったりする手法も用いられる。
　以下、実施例及び比較例により本発明を具体的に説明するが、本発明の効果を奏する限りにおいて実施形態を適宜変更することができる。
＜評価用サンプル形状＞
　直径１５０ｍｍ（６ｉｎｃｈ）、板厚（表１記載）の円板状のガラス板を使用。
＜測定方法＞
［屈折率］
　屈折率はヘリウムｄ線に対する屈折率であり、屈折率計（カルニュー光学工業社製、商品名：ＫＲＰ－２０００）で測定した。
［板厚］
　ノギスを用いて、サンプル端部の厚さ（ｄ）を測定した。
［Ｗａｖｉｎｅｓｓ（Ｗ）］
　東京精密製のＳｕｒｆｃｏｍ５７９Ａを用いて、（ＷＣＡ，ＣＵＴ　ＯＦＦ　０．８～８ｍｍ）の条件で基板表面のうねりの高さについて局所的な変化量を測定し、微分処理することによりｗａｖｉｎｅｓｓ（Ｄｅｇｒｅｅ換算値）を算出した。測定は、図２に示す通り、サンプルを３等分した直線（中心から外縁まで６５ｍｍ）について測定した。
　算出方法は下記式の通りである。
　Ｗｘ（場所ｘにおけるｗａｖｉｎｅｓｓ）
＝１８０＊ＡＴＡＮ（０．００１＊（（うねり最大高さ）－（うねり最小高さ））／（うねりの最大高と最小高さとの距離）／π
　Ｗ＝（０ｍｍ～６５ｍｍ）におけるＷｘの平均値。
　最後に３本の直線範囲の結果の平均値を結果として表１に示した。
［導光性評価］
　導光性は、理想的な反射（うねりがない条件）とうねりがある条件における反射における光の位置のずれ（ΔＬ）をシミュレーションにより求めて評価した。
　具体的には、図３に示すように直射光が光学材料中を全反射した場合の理想的な反射（うねりがない光学材料中の反射）による反射光の導光距離が最も６５ｍｍに近づいた点を基準点として、距離（Ｌ０）及び反射回数Ｎを記録する。
　次に、実施例等のうねりがＡ面にあり、Ｂ面はうねりがない条件（違いを明確にするため、片面のみうねりがある条件とした。）において、Ｎ回、直射光が全反射したときの導光距離（Ｌ１）を測定し、光の到達点のずれ（ΔＬ）を、ΔＬ＝｜Ｌ０－Ｌ１｜により求めた。
条件：
　反射角：表１に記載の条件における臨界角θｃ（θｃ＝ａｒｃｓｉｎ（ｎ２／ｎ１）
　気中の屈折率：ｎ１＝１．０
　光学材料の屈折率ｎ２：表１に記載の条件
　光学材料の板厚ｄ：表１に記載の条件
　基準となる導光距離：６５ｍｍ
＜理論的な条件とのずれΔＬ＞
　Ａ：ΔＬ≦３．０μｍ
　Ｂ：３．０μｍ＜ΔＬ＜４．０μｍ
　Ｃ：４．０μｍ≦ΔＬ≦１０．０μｍ
　Ｄ：１０．０μｍ＜ΔＬ
Ａ～Ｃ評価を合格とし、Ｄ評価を不合格とした。
＜臨界角θｃ＞
　Ａ：θｃ≦３０°
　Ｂ：３０°＜θｃ＜３５°
　Ｃ：３５°≦θｃ≦４０°
　Ｄ：４０°＜θｃ
Ａ～Ｃ評価を合格とし、Ｄ評価を不合格とした。
＜反射回数Ｎ＞
　Ａ：９０≦Ｎ
　Ｂ：６０≦Ｎ＜９０
　Ｃ：４５≦Ｎ＜６０
　Ｄ：Ｎ＜４５
Ａ～Ｃ評価を合格とし、Ｄ評価を不合格とした。
　ガラス溶融成形法により、表１に記載の組成の幅４００ｍｍ、厚さ１ｍｍのガラス板を製造し、この板の中央部からガラスカッターで半径１５２ｍｍの円板を切り出した。
　次に両面研磨機（浜井製作所社製１６Ｂ－Ｎ／Ｆ）を用いて研削及び研磨を行い、板厚を０．５０７ｍｍまで薄くしてから面取り加工を行い、円板の半径を１５０ｍｍに調整した。
　最後に研磨材としてセリウム研磨材を用いて両面精密研磨をＷａｖｉｎｅｓｓが表１の値になるまで行い、板厚０．５００ｍｍの評価用サンプルを作成した。評価結果を表１に示す。
［実施例２～８、比較例１～３］
　表１に記載の条件に変更した以外は実施例１と同様に操作を行って評価用サンプルを作成する。
（ただし、実施例３、実施例４、比較例１、比較例２は研磨条件をそれぞれ最終の両面精密研磨における研磨レートを、実施例１と比較して実施例３は１０％、実施例４は２０％、比較例１は４０％大きくなるように研磨条件を変更した。）評価結果を表１に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
（質量％）
・ガラス組成１：Ｂ２Ｏ３（１９．５），ＳｉＯ２（５．３），Ｌａ２Ｏ３（２６．４），Ｇｄ２Ｏ３（１３．３），ＺｎＯ（１６．７），Ｌｉ２Ｏ（１．３），ＺｒＯ２（１．８），Ｔａ２Ｏ５（９．８），ＷＯ３（６．０）
・ガラス組成２：Ｂｉ２Ｏ３（２０．８），ＳｉＯ２（４．５），Ｌａ２Ｏ３（２５．４），Ｇｄ２Ｏ３（１７．５），ＺｎＯ（１５．０），ＬｉＯ２（１．７），ＺｒＯ２（１．８），Ｔａ２Ｏ５（９．９），ＷＯ３（３．４）
・ガラス組成３：Ｂｉ２Ｏ３（６８．９），Ｂ２Ｏ３（７．８），ＴｅＯ２（１２．４），Ｐ２Ｏ５（６．３），ＺｎＯ（１．８），ＴｉＯ２（２．８）
・ガラス組成４：Ｂ２Ｏ３（４２．７），Ｌｉ２Ｏ（２．５），ＺｎＯ（９．７），Ｌａ２Ｏ３（３４．０），Ｇｄ２Ｏ３（１１．０），Ｓｂ２Ｏ３（０．１）
・ガラス組成５：Ｐ２Ｏ５（７１．０），Ｂ２Ｏ３（２．０），Ｋ２Ｏ（１３．０）
　また、実施例１及び比較例１について、ＴＴＶ及びＲｑの測定結果を表２に示す。この結果より、同様のＴＴＶ及びＲｑであってもＷａｖｉｎｅｓｓが本発明の規定する範囲にないと反射角ずれが大きくなることあることが分かる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002

Claims (6)

  1. 　屈折率が１．７０以上、板厚が１．１ｍｍ以下であり表面のＷａｖｉｎｅｓｓが５０×１０－４ｄｅｇｒｅｅ未満である導光板用光学材料。
  2. 　Ｗａｖｉｎｅｓｓが１．０×１０－４～１０×１０－４ｄｅｇｒｅｅの範囲にある請求項１に記載の導光板用光学材料。
  3. 　前記光学材料がガラスを含有する請求項１又は２に記載の導光板用光学材料。
  4. 　前記ガラスの組成が、酸化物基準のモル％表示で，
    　ＳｉＯ２：０％～７０％、
    　Ｂ２Ｏ３：０％～５０％、
    　ＭｇＯ：０％～２５％、
    　ＣａＯ：０％～２５％、
    　ＳｒＯ：０％～２５％、
    　ＢａＯ：０％～３５％、
    　Ｌｉ２０：０％～３５％、
    　Ｎａ２Ｏ：０％～３５％、
    　Ｋ２Ｏ：０％～３５％、
    　Ａｌ２Ｏ３：０％～１０％、
    　Ｙ２Ｏ３：０％～１０％、
    　ＴｉＯ２：０％～５０％、
    　ＷＯ３：０％～２０％、
    　Ｎｂ２Ｏ５：０％～３５％、
    　Ｌａ２Ｏ３：０％～５０％、
    　ＺｒＯ２：０％～２０％、
    　ＺｎＯ：０％～３５％、
    　Ｇｄ２Ｏ３：０％～３０％、
    　Ｓｂ２Ｏ３＋ＳｎＯ２：０％～１０％、
    の範囲にある請求項３に記載の導光板用光学材料。
  5. 　板厚が０．３～０．７ｍｍの範囲にある請求項１～４のいずれか１項に記載の導光板用光学材料。
  6. 　請求項１～５のいずれか１項に記載の導光板用光学材料を用いた導光板。
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