WO2023163185A1 - 光学部材ならびに該光学部材を用いたarグラスおよびヘッドマウントディスプレイ - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to optical members and AR glasses and head-mounted displays using the optical members.
- FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of an optical member according to one embodiment of the present invention.
- the illustrated optical member 100 has an optical waveguide 10 , optical elements 20 a and 20 b , a porous layer 30 and an adhesive layer 40 .
- the optical waveguide 10 has a first main surface 10a and a second main surface 10b.
- the optical elements 20a and 20b each have an uneven structure (hereinafter, the optical elements 20a and 20b may be referred to as uneven optical elements, respectively).
- the concave-convex optical element 20a typically functions as an input optical element for the optical waveguide; the concave-convex optical element 20b typically functions as an output optical element for the optical waveguide.
- the concave-convex optical elements 20 a and 20 b are provided on at least one of the first main surface 10 a and the second main surface 10 b of the optical waveguide 10 .
- the concave-convex optical elements 20a and 20b may be provided on the same main surface of the optical waveguide, or may be provided on different main surfaces.
- the concave-convex optical elements 20 a and 20 b are provided on the first main surface 10 a of the optical waveguide 10 .
- the porous layer 30 is provided at least on the main surface (first main surface 10a in the illustrated example) on which the uneven optical elements 20a and 20b of the optical waveguide 10 are provided.
- the porous layer 30 is typically provided so as to cover the concave-convex optical elements 20a and 20b. is provided substantially over the entire surface of the first main surface 10a).
- the adhesive layer 40 is provided on the side of the porous layer 30 opposite to the optical waveguide 10 (that is, the outer surface of the porous layer).
- the thickness of the adhesive layer is 3 ⁇ m or more.
- a protective layer 50, a hard coat layer 60, and/or an antireflection layer 70 may be provided on the outside of the adhesive layer 40 (on the side opposite to the porous layer 30), if necessary.
- a protective layer 50, a hard coat layer 60, and an antireflection layer 70 are provided in this order from the adhesive layer 40 side.
- At least one of the protective layer 50, the hard coat layer 60 and the antireflection layer 70 may be omitted depending on the purpose and desired configuration.
- a release liner (not shown) is temporarily attached to the surface of the adhesive layer 40 until the optical member is used. is preferred. By temporarily attaching the release liner, it is possible to protect the pressure-sensitive adhesive layer and to form a roll of the optical film.
- FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of an optical member according to another embodiment of the invention.
- the optical member 101 of the illustrated example in addition to the main surface (the first main surface 10a in the illustrated example) provided with the concave-convex optical elements 20a and 20b of the optical waveguide 10, the main surface not provided with the concave-convex optical element ( In the illustrated example, the porous layer 30 and the adhesive layer 40 are also provided on the second main surface 10b).
- protective layers 50, 50, hard coat layers 60, 60, and antireflection layers 70, 70 are provided outside the adhesive layers 40, 40 in this order from the adhesive layer side. Some or all of these may be omitted as in the embodiment.
- FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of an optical member according to still another embodiment of the invention.
- the second main surface 10b is also provided with the concave-convex optical element 20b. Otherwise, it is the same as the embodiment of FIG.
- the total light transmittance of the optical member is preferably 60% or more and 99% or less, more preferably 70% or more and 98% or less, and still more preferably 80% or more and 97% or less.
- the haze of the optical member is preferably 0.1% or more and 3% or less, more preferably 0.2% or more and 2.5% or less, and still more preferably 0.3% or more and 2% or less. . According to the embodiments of the present invention, it is possible to achieve excellent transparency of the optical member as a whole. As a result, the optical member can be suitably used for AR glasses and HMDs (hereinafter, AR glasses and HMDs may be collectively referred to as "AR glasses, etc.”).
- the thickness of the optical member is preferably 0.35 mm to 4.8 mm, more preferably 0.55 mm to 3.8 mm, still more preferably 0.75 mm to 2.8 mm.
- the optical member can be constructed without using a thick cover glass, so that the thickness can be reduced to about one-fifth of the thickness of the conventional AR glass optical member using a cover glass. As a result, the weight can be reduced to about one-third. As a result, the optical member can be suitably used for AR glasses and the like.
- the term "thickness of the optical member” means the total thickness from one outermost layer to the other outermost layer of the optical member.
- the thickness of the optical member is the thickness from the outer surface of the antireflection layer to the second major surface of the optical waveguide; The thickness is the thickness from the outer surface of one antireflection layer to the outer surface of the other antireflection layer.
- either one of the concave-convex optical element 20a or 20b may be provided on the second main surface 10b of the optical waveguide; in the embodiment shown in FIG. may be provided on the second main surface 10b of the optical waveguide; in the embodiment shown in FIGS. good too.
- optical member The components of the optical member will be described in detail below.
- the optical waveguide 10 is typically configured such that light incident on the optical waveguide propagates through the optical waveguide using total reflection and is emitted at a predetermined position in a predetermined direction.
- the optical waveguide 10 has the first main surface 10a and the second main surface 10b as described above.
- an image source typically, projected light of an image
- the light enters the optical waveguide through the optical element (the concave-convex optical element 20a in the illustrated example).
- the incident light propagates in the optical waveguide by total reflection, and is emitted through the optical element for output (uneven optical element 20b in the illustrated example) provided on the first principal surface and/or the second principal surface, and then passes through the AR glass or the like. is visible to the user of
- the optical element for output uneven optical element 20b in the illustrated example
- the concave-convex optical elements 20a and 20b By appropriately configuring the concave-convex optical elements 20a and 20b, the light from the image source is emitted while maintaining the image information. As a result, an image from the image source can be viewed by a user of AR glasses or the like.
- the optical waveguide may be made of glass or plastic.
- the refractive index of the optical waveguide is preferably 1.4 to 2.5, more preferably 1.6 to 2.4, still more preferably 2.0 to 2.3. If the refractive index is in such a range, it is possible to realize good light incidence from the outside, good light emission to the outside, and good total reflection inside the optical waveguide.
- the Abbe number of the optical waveguide is preferably 10 or more and 80 or less, more preferably 15 or more and 70 or less.
- the thickness variation (TTV: Total Thickness Variation) of the optical waveguide is preferably 5 ⁇ m or less, more preferably 3 ⁇ m or less, and still more preferably 1 ⁇ m or less.
- the thickness unevenness is preferably as small as possible, and may be zero, for example. If the thickness unevenness of the optical waveguide is within such a range, the distortion of the optical path in the optical waveguide can be reduced.
- the surface roughness Ra of the optical waveguide is preferably 10 nm or less, more preferably 5 nm or less, and even more preferably 1 nm or less. If surface roughness Ra is such a range, haze can be made small. Such surface roughness Ra can be achieved by polishing the first and second main surfaces of the optical waveguide, for example. On the other hand, the surface roughness Ra can be, for example, 0.1 nm or more. In addition, Ra refers to the arithmetic mean roughness based on JIS B 0601.
- the optical waveguide may be used singly, or two or more (for example, two, three, four) may be laminated and used.
- the thickness of the optical waveguide can be, for example, 0.3 mm to 4.0 mm.
- the thickness of the optical waveguide may be, for example, 0.3 mm to 1.3 mm, or may be, for example, 0.4 mm to 1.2 mm, or may be, for example, 0.5 mm to 1.1 mm.
- the thickness of the optical waveguide may be, for example, 1.3 mm to 2.0 mm, or may be, for example, 1.4 mm to 1.9 mm, or may be, for example, 1.5 mm to 1.8 mm. good.
- the thickness of the optical waveguide may be, for example, 2.0 mm to 4.0 mm, or may be, for example, 2.2 mm to 3.8 mm, or may be, for example, 2.4 mm to 3.6 mm. good.
- the concave-convex optical element 20a is configured to guide the light incident on the optical waveguide from the image source in the waveguide direction; configured to emit.
- the concavo-convex optical elements 20a and 20b may be collectively referred to simply as concavo-convex optical elements.
- the respective symbols are specified.
- the concave-convex optical elements 20a and 20b may have the same configuration or different configurations.
- any suitable fine concave-convex shape capable of exhibiting a light direction changing function such as light diffusion, light scattering, light reflection, and light diffraction can be adopted.
- Typical examples of concave-convex optical elements include diffraction gratings, hologram elements, and metasurfaces. A diffraction grating will be described below as an example.
- a diffraction grating typically has a diffraction pattern formed by grooves or slits.
- a diffraction pattern can be appropriately set according to the purpose.
- the diffraction pattern may be a striped one-dimensional diffraction pattern in plan view, or a two-dimensional diffraction pattern in plan view lattice.
- a one-dimensional diffraction pattern is typically formed by alternately forming convex portions and slits each extending in one direction.
- the cross-sectional shape of the projection when viewed in the direction in which the projection extends may be a rectangle, a parallelogram (inclined type), or a trapezoid.
- the one-dimensional diffraction pattern may have an uneven shape extending in one direction with a cross-sectional waveform.
- the direction in which the stripes extend may be parallel to the waveguide direction of light, may be perpendicular to the waveguide direction of light, or may be at a predetermined angle with respect to the waveguide direction of light. It may be an oblique direction that defines the
- the two-dimensional diffraction pattern may be provided with slits so as to form convex portions that are rectangular in plan view, or slits may be provided so as to form convex portions that are parallelogram in plan view.
- the above diffraction patterns may be combined as appropriate. For example, two one-dimensional diffraction patterns in which the stripes extend in different directions (for example, the stripes extend in directions orthogonal to each other) may be combined. You can combine patterns.
- the pitch ⁇ of the unevenness is preferably 30 nm to 700 nm, more preferably 40 nm to 600 nm, still more preferably 50 nm to 500 nm.
- the widths of the protrusions and the slits (recesses) may each be 1/2 of the pitch or may not be 1/2 of the pitch (each may have any suitable width depending on the purpose). may be).
- the height h of the unevenness is preferably 10 nm to 800 nm, more preferably 20 nm to 700 nm, still more preferably 30 nm to 600 nm, and particularly preferably 40 nm to 500 nm.
- the concave-convex optical element may be configured integrally with the optical waveguide, or may be formed separately on the optical waveguide.
- the concave-convex optical element may be formed, for example, by cutting the optical waveguide; good.
- the concave-convex optical element can typically be made of a dielectric or resin. Specific examples of dielectrics include alumina, titania, and silicon.
- the refractive index of the dielectric is preferably 1.6-4.0, more preferably 2.0-3.5.
- the concave-convex optical element can be formed by sputtering, for example.
- resins include thermosetting resins and UV curable resins.
- the refractive index of such resin is preferably 1.5 to 1.9.
- the concave-convex optical element can be formed, for example, by applying a thin film of the resin on the optical waveguide and performing nanoimprinting.
- the concave-convex optical element is a metasurface, the concave-convex optical element can be formed, for example, by the method described in the following document. "Supplementary Section 2. Details of experiments" in Supplementary Information of A broadband achromatic metalens in the visible (Nature Nanotechnology volume 13, pages 227-232 (2018)).
- the porous layer 30 typically has voids inside.
- the porosity of the porous layer is preferably 35% by volume or more, more preferably 38% by volume or more, and particularly preferably 40% by volume or more. If the porosity is within such a range, a porous layer having a particularly low refractive index can be formed.
- the upper limit of the porosity of the low refractive index layer is, for example, 90% by volume or less, preferably 75% by volume or less. If the porosity is within such a range, a porous layer having excellent strength can be formed.
- the porosity is a value calculated by Lorentz-Lorenz's formula from the value of the refractive index measured by an ellipsometer.
- the refractive index of the porous layer is preferably 1.20 or less, more preferably 1.18 or less, still more preferably 1.16 or less, and particularly preferably 1.14 or less.
- the refractive index of the porous layer is preferably 1.05 or higher, more preferably 1.08 or higher, and even more preferably 1.10 or higher.
- the porous layer can be made very thin as described later, it can contribute to making the optical member (as a result, the AR glass) thinner and lighter. Moreover, if the refractive index of the porous layer is within the above range, a predetermined mechanical strength can be ensured, and breakage can be suppressed.
- a refractive index refers to a refractive index measured at a wavelength of 550 nm unless otherwise specified. The refractive index is a value measured by the method described in "(1) Refractive index of porous layer" in Examples below.
- the total light transmittance of the porous layer is preferably 85% to 99%, more preferably 87% to 98%, still more preferably 89% to 97%.
- the void layer (porous layer) is cut into a size of 50 mm ⁇ 50 mm and set in a haze meter (HM-150 manufactured by Murakami Color Research Laboratory) to measure the haze.
- the thickness of the porous layer is preferably 5 ⁇ m or less, more preferably 4 ⁇ m or less, still more preferably 3 ⁇ m or less, particularly preferably 2 ⁇ m or less, and particularly preferably 1.5 ⁇ m or less.
- the thickness of the porous layer is preferably 300 nm or more, more preferably 400 nm or more, and even more preferably 500 nm or more. If the thickness of the porous layer is within such a range, it is possible to satisfactorily suppress light leakage while ensuring excellent transparency.
- the porous layer can be preferably formed by coating, printing, or the like.
- the material constituting the porous layer for example, the materials described in International Publication No. 2004/113966, JP-A-2013-254183, and JP-A-2012-189802 can be employed.
- Typical examples include silicon compounds. Silicon compounds include, for example, silica-based compounds; hydrolyzable silanes, and partial hydrolysates and dehydration condensates thereof; silicon compounds containing silanol groups; The resulting activated silica is mentioned.
- Organic polymers eg, (meth)acrylic monomers and styrene monomers
- curable resins eg, (meth)acrylic resins, fluorine-containing resins, and urethane resins. These materials may be used alone or in combination.
- the porous layer can be formed by coating or printing a solution or dispersion of such material.
- the size of the voids (pores) in the porous layer refers to the diameter of the major axis of the major axis diameter and the minor axis diameter of the voids (pores).
- the size of the voids (pores) is, for example, 2 nm to 500 nm.
- the size of the voids (pores) is, for example, 2 nm or more, preferably 5 nm or more, more preferably 10 nm or more, and still more preferably 20 nm or more.
- the size of the voids (pores) is, for example, 500 nm or less, preferably 200 nm or less, more preferably 100 nm or less.
- the range of the size of the voids (pores) is, for example, 2 nm to 500 nm, preferably 5 nm to 500 nm, more preferably 10 nm to 200 nm, still more preferably 20 nm to 100 nm.
- the size of the voids (pores) can be adjusted to a desired size depending on the purpose, application, and the like. Void (pore) size can be quantified by the BET test method.
- the size of voids can be quantified by the BET test method. Specifically, 0.1 g of the sample (formed void layer) was put into the capillary of a specific surface area measuring device (manufactured by Micromeritic Co., Ltd.: ASAP2020), and then dried under reduced pressure for 24 hours at room temperature. Degas the gas within the structure. Then, by causing the sample to adsorb nitrogen gas, an adsorption isotherm is drawn to determine the pore size distribution. This allows the void size to be evaluated.
- a specific surface area measuring device manufactured by Micromeritic Co., Ltd.: ASAP2020
- porous layer having voids therein examples include a porous layer and/or a porous layer having at least a portion of an air layer.
- Porous layers typically include aerogels and/or particles (eg, hollow microparticles and/or porous particles).
- the porous layer may preferably be a nanoporous layer (specifically, a porous layer in which 90% or more of the pores have a diameter in the range of 10 ⁇ 1 nm to 10 3 nm).
- the particles are typically composed of silica-based compounds.
- Particle shapes include, for example, spherical, plate-like, needle-like, string-like, and grape cluster-like shapes.
- string-like particles include particles in which a plurality of particles having a spherical, plate-like, or needle-like shape are linked in a beaded shape, and short fiber-like particles (for example, the particles described in JP-A-2001-188104). short fibrous particles), and combinations thereof.
- String-like particles may be linear or branched.
- Grape cluster-like particles include, for example, grape cluster-like particles obtained by aggregating a plurality of spherical, plate-like, and needle-like particles. The shape of the particles can be confirmed, for example, by observing them with a transmission electron microscope.
- the porous layer of the present embodiment is composed of one type or a plurality of types of structural units that form a fine void structure, and the structural units are chemically bonded to each other through catalytic action.
- Examples of the shape of the structural unit include particulate, fibrous, rod-like, and tabular.
- a structural unit may have only one shape, or may have a combination of two or more shapes. In the following, mainly, the case where the porous layer is a void layer of a porous body in which the microporous particles are chemically bonded to each other will be described.
- Such a void layer can be formed, for example, by chemically bonding microporous particles together in the void layer forming step.
- the shape of the "particle" (for example, the microporous particles) is not particularly limited, and may be, for example, spherical or other shape.
- the microporous particles may be, for example, sol-gel beaded particles, nanoparticles (hollow nanosilica/nanoballoon particles), nanofibers, and the like.
- Microporous particles typically include inorganic material.
- the microporous particles are, for example, silicon compound microporous particles
- the porous body is, for example, a silicone porous body.
- the microporous particles of the silicon compound include, for example, pulverized gel-like silica compounds.
- Another form of the porous layer having at least a portion of the porous layer and/or the air layer is, for example, a layer composed of fibrous substances such as nanofibers, and the fibrous substances are entangled to form voids.
- a void layer forming The method for producing such a void layer is not particularly limited, and is, for example, the same as in the case of the void layer of the porous body in which the microporous particles are chemically bonded to each other.
- Still another form includes a void layer using hollow nanoparticles or nanoclay, and a void layer formed using hollow nanoballoons or magnesium fluoride.
- the void layer may be a void layer composed of a single constituent substance, or may be a void layer composed of a plurality of constituent substances.
- the void layer may be composed of a single form described above, or may be composed of a plurality of forms described above.
- the porous structure of the porous body can be, for example, an open cell structure with continuous pore structures.
- the open cell structure means that the pore structure is three-dimensionally connected, for example, in the silicone porous material described above, and can be said to be a state in which the internal voids of the pore structure are continuous. Porosity can be increased by the porous body having an open-cell structure.
- closed-cell particles particles having individual pore structures
- hollow silica are used, an open-cell structure cannot be formed.
- the particles when using silica sol particles (pulverized gel-like silicon compound that forms a sol), the particles have a three-dimensional dendritic structure, so the coating film (including pulverized gel-like silicon compound) By sedimentation and deposition of the dendritic particles in the sol coating film), it is possible to easily form an open cell structure.
- the porous layer more preferably has a monolithic structure in which the open cell structure contains multiple pore distributions.
- a monolithic structure means, for example, a hierarchical structure including a structure in which nano-sized fine voids exist and an open-cell structure in which the nano-sized voids are aggregated.
- a monolithic structure for example, it is possible to achieve both film strength and high porosity by imparting film strength with fine pores and imparting high porosity with coarse open-cell pores.
- Such a monolithic structure can be preferably formed by controlling the pore distribution of the void structure produced in the gel (gelled silicon compound) prior to pulverization into silica sol particles. Further, for example, when pulverizing the gelled silicon compound, a monolithic structure can be formed by controlling the particle size distribution of the silica sol particles after pulverization to a desired size.
- the porous layer contains, for example, pulverized gel compounds as described above, and the pulverized materials are chemically bonded to each other.
- the form of chemical bonding (chemical bonding) between the pulverized materials in the porous layer is not particularly limited, and examples thereof include cross-linking bonding, covalent bonding, and hydrogen bonding.
- the volume average particle size of the pulverized material in the porous layer is, for example, 0.10 ⁇ m or more, preferably 0.20 ⁇ m or more, and more preferably 0.40 ⁇ m or more.
- the volume average particle diameter is, for example, 2.00 ⁇ m or less, preferably 1.50 ⁇ m or less, more preferably 1.00 ⁇ m or less.
- the range of volume average particle diameter is, for example, 0.10 ⁇ m to 2.00 ⁇ m, preferably 0.20 ⁇ m to 1.50 ⁇ m, more preferably 0.40 ⁇ m to 1.00 ⁇ m.
- the particle size distribution can be measured by, for example, a particle size distribution evaluation device such as dynamic light scattering method and laser diffraction method, and an electron microscope such as scanning electron microscope (SEM) and transmission electron microscope (TEM).
- a particle size distribution evaluation device such as dynamic light scattering method and laser diffraction method
- an electron microscope such as scanning electron microscope (SEM) and transmission electron microscope (TEM).
- the volume average particle size is an index of the variation in the particle size of the pulverized material.
- gel compound is not particularly limited.
- Gel-like compounds include, for example, gel-like silicon compounds.
- the silicon atoms contained are siloxane-bonded.
- the proportion of unbonded silicon atoms (that is, residual silanol) among all silicon atoms contained in the void layer is, for example, less than 50%, preferably 30% or less, more preferably 15%. It is below.
- the method typically includes a precursor forming step of forming a void structure, which is a precursor of a porous layer (void layer) on an optical waveguide, and a cross-linking reaction inside the precursor after the precursor forming step. and a cross-linking reaction step.
- the method includes a containing liquid preparation step of preparing a containing liquid containing microporous particles (hereinafter sometimes referred to as "microporous particle containing liquid” or simply “containing liquid”), and a drying step of drying the containing liquid.
- the method further includes a step of chemically bonding microporous particles in the dry body to form a precursor in the precursor forming step.
- the contained liquid is not particularly limited, and is, for example, a suspension containing microporous particles.
- the microporous particles are pulverized gel compound and the void layer is a porous body (preferably silicone porous body) containing pulverized gel compound will be described.
- the porous layer can be formed in the same manner even when the microporous particles are other than the pulverized gel compound.
- a porous layer (void layer) having a very low refractive index is formed.
- the reason is presumed, for example, as follows. However, the assumption does not limit the method of forming the porous layer.
- the pulverized product is obtained by pulverizing the gel-like silicon compound, the three-dimensional structure of the gel-like silicon compound before pulverization is dispersed in the three-dimensional basic structure. Furthermore, in the above method, a precursor having a porous structure based on a three-dimensional basic structure is formed by coating a crushed gel-like silicon compound on a resin film. That is, according to the above method, a new porous structure (three-dimensional basic structure) is formed by coating the pulverized material, which is different from the three-dimensional structure of the gel-like silicon compound. Therefore, in the finally obtained void layer, a low refractive index that functions to the same extent as, for example, an air layer can be realized. Furthermore, in the above method, the three-dimensional basic structure is fixed because the crushed materials are chemically bonded to each other. Therefore, the void layer finally obtained can maintain sufficient strength and flexibility in spite of having a structure having voids.
- the storage elastic modulus of the pressure-sensitive adhesive layer at 23° C. is preferably 0.2 ⁇ 10 5 (Pa) or more, more preferably 0.4 ⁇ 10 5 (Pa) or more, still more preferably 0.4 ⁇ 10 5 (Pa) or more. It is 6 ⁇ 10 5 (Pa) or more, particularly preferably 0.8 ⁇ 10 5 (Pa) or more, and particularly preferably 1.0 ⁇ 10 5 (Pa) or more.
- the storage elastic modulus of the pressure-sensitive adhesive layer at 23° C. may be 1.0 ⁇ 10 6 (Pa) or less.
- Such an adhesive layer has a cushioning function (cushioning function) against external force and has softness capable of suppressing breakage of the porous layer.
- the storage modulus is measured in accordance with the method described in JIS K 7244-1 "Plastics - Test method for dynamic mechanical properties" under conditions of a frequency of 1 Hz and a temperature increase rate of 5 ° C in the range of -50 ° C to 150 ° C. It is determined by reading the value at 23° C. when measured in rpm/min.
- the adhesive typically includes an acrylic adhesive (acrylic adhesive composition).
- An acrylic pressure-sensitive adhesive composition typically contains a (meth)acrylic polymer as a main component (base polymer).
- the (meth)acrylic polymer can be contained in the PSA composition in a proportion of, for example, 50% by weight or more, preferably 70% by weight or more, more preferably 90% by weight or more, based on the solid content of the PSA composition.
- a (meth)acrylic polymer contains alkyl (meth)acrylate as a main component as a monomer unit.
- (Meth)acrylate refers to acrylate and/or methacrylate.
- Alkyl groups of alkyl (meth)acrylates include, for example, linear or branched alkyl groups having 1 to 18 carbon atoms. The average number of carbon atoms in the alkyl group is preferably 3-9.
- Monomers constituting (meth)acrylic polymers include, in addition to alkyl (meth)acrylates, carboxyl group-containing monomers, hydroxyl group-containing monomers, amide group-containing monomers, aromatic ring-containing (meth)acrylates, and heterocyclic ring-containing (meth)acrylates. Comonomers such as acrylates are included.
- the comonomer is preferably a hydroxyl group-containing monomer and/or a heterocycle-containing (meth)acrylate, more preferably N-acryloylmorpholine.
- the acrylic pressure-sensitive adhesive composition can preferably contain a silane coupling agent and/or a cross-linking agent.
- Silane coupling agents include, for example, epoxy group-containing silane coupling agents.
- cross-linking agents include isocyanate-based cross-linking agents and peroxide-based cross-linking agents. Details of such a pressure-sensitive adhesive layer or acrylic pressure-sensitive adhesive composition are described, for example, in Japanese Patent No. 4140736, and the description of the patent publication is incorporated herein by reference.
- the thickness of the pressure-sensitive adhesive layer is 3 ⁇ m or more, preferably 10 ⁇ m or more, more preferably 25 ⁇ m or more, still more preferably 30 ⁇ m or more, and particularly preferably 40 ⁇ m or more.
- the thickness of the pressure-sensitive adhesive layer is within such a range, damage to the porous layer can be well suppressed. can be well suppressed. If the thickness of the pressure-sensitive adhesive layer is 15 ⁇ m or more, the above effects can be obtained, so there is no upper limit to the thickness.
- the thickness of the pressure-sensitive adhesive layer may be, for example, 200 ⁇ m or less, or may be, for example, 150 ⁇ m or less, or may be, for example, 120 ⁇ m or less.
- the Young's modulus of the protective layer 50 is preferably 2 GPa or higher, more preferably 2.5 GPa or higher, and still more preferably 3 GPa or higher.
- the Young's modulus of the protective layer is preferably 10 GPa or less, more preferably 9 GPa or less, and still more preferably 8 GPa or less. If the Young's modulus of the protective layer is within such a range, it is possible to provide excellent surface protection performance and suppress breakage of the porous layer when the optical member is applied to AR glass or the like.
- the hard coat layer 60 preferably has a pencil hardness of H or higher, more preferably 2H or higher, and even more preferably 3H or higher.
- the pencil hardness of the hard coat layer is preferably 6H or less, more preferably 5H or less. If the pencil hardness of the hard coat layer is within such a range, it is possible to provide excellent surface protection performance and suppress damage to the porous layer when the optical member is applied to AR glass or the like. Pencil hardness can be measured based on JIS K 5400 "Pencil Hardness Test".
- the thickness of the hard coat layer may be, for example, 0.5 ⁇ m to 30 ⁇ m, or may be, for example, 1 ⁇ m to 20 ⁇ m, or may be, for example, 2 ⁇ m to 15 ⁇ m. If the thickness of the hard coat layer is within such a range, it is possible to provide excellent surface protection performance and suppress breakage of the porous layer when the optical member is applied to AR glass or the like.
- the hard coat layer can be made of any appropriate material as long as it satisfies the above characteristics.
- the hard coat layer is, for example, a cured layer of thermosetting resin or ionizing radiation (eg, visible light, ultraviolet) curable resin.
- the hard coat layer can be, for example, a cured layer of a thermosetting resin or an ionizing radiation (eg, visible light, ultraviolet) curable resin.
- a UV curable resin is preferred. This is because the hard coat layer can be formed with simple operation and high efficiency.
- Specific examples of UV-curable resins include polyester-based, (meth)acrylic-based, urethane-based, amide-based, silicone-based, epoxy-based, and unsaturated polyester-based UV-curable resins.
- Materials that can form the low refractive index layer include, for example, silicon oxide (SiO 2 ) and magnesium fluoride (MgF 2 ).
- the refractive index of the low refractive index layer is typically about 1.35 to 1.55.
- Materials capable of forming the high refractive index layer include, for example, titanium oxide (TiO 2 ), niobium oxide (Nb 2 O 3 or Nb 2 O 5 ), tin-doped indium oxide (ITO), antimony-doped tin oxide (ATO), ZrO 2 —TiO 2 can be mentioned.
- the refractive index of the high refractive index layer is typically about 1.60 to 2.20.
- an acrylic polymer solution Based on 100 parts of the solid content of the obtained acrylic polymer solution, 0.2 parts of an isocyanate cross-linking agent (Coronate L manufactured by Nippon Polyurethane Industry Co., Ltd., an adduct of tolylene diisocyanate of trimethylolpropane), benzoyl peroxide (Japan An acrylic pressure-sensitive adhesive solution was prepared by blending 0.3 parts of Nyper BMT manufactured by Yushi Co., Ltd.
- Example 2 An optical member was produced in the same manner as in Example 1, except that a triacetyl cellulose (TAC) film (thickness: 80 ⁇ m, elastic modulus: 3.0 GPa) was used as each protective layer instead of the PET film. The obtained optical member was subjected to the same evaluation as in Example 1. Table 1 shows the results.
- TAC triacetyl cellulose
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Abstract
薄型軽量で、明るく、かつ、光漏れが抑制されたAR用光学部材が提供される。本発明の実施形態による光学部材は、第1主面および第2主面を有する光導波路と;光導波路の第1主面および第2主面の少なくとも1つの主面に設けられた、凹凸構造を有する光学素子と;少なくとも光導波路の光学素子が設けられた主面に設けられた多孔質層と;多孔質層の光導波路と反対側に設けられた、厚みが3μm以上である粘着剤層と;を有する。
Description
本発明は、光学部材ならびに該光学部材を用いたARグラスおよびヘッドマウントディスプレイに関する。
近年、いわゆるAR(Augmented Reality:拡張現実)技術が注目されている。ARは、代表的には、実在する風景にバーチャルの視覚情報を重ねて表示することで、目の前にある世界を「仮想的に拡張する」というものである。ARの開発に伴い、ARに用いられるARグラスおよびヘッドマウントディスプレイ(Head Mounted Display:HMD)の開発が進められている。ARグラスおよびHMDには、代表的には、導波路を含む光学部材が用いられている。しかし、このような光学部材は、分厚い、重い、暗い、ならびに、水または汚れ等により光漏れが生じやすいという問題があり、実用化には種々の検討課題が残されている。
本発明は上記従来の課題を解決するためになされたものであり、その主たる目的は、薄型軽量で、明るく、かつ、光漏れが抑制されたAR用光学部材を提供することにある。
本発明の実施形態による光学部材は、第1主面および第2主面を有する光導波路と;該第1主面および該第2主面の少なくとも1つの主面に設けられた、凹凸構造を有する光学素子と;少なくとも該光導波路の該光学素子が設けられた主面に設けられた多孔質層と;該多孔質層の該光導波路と反対側に設けられた、厚みが3μm以上である粘着剤層と;を有する。
1つの実施形態においては、上記多孔質層の屈折率は1.20以下である。
1つの実施形態においては、上記多孔質層の厚みは5μm以下である。
1つの実施形態においては、上記多孔質層のヘイズは5%未満である。
1つの実施形態においては、上記粘着剤層の貯蔵弾性率は0.2×105(Pa)以上である。
1つの実施形態においては、上記光学部材は、上記粘着剤層の外側に、厚みが20μm以上である樹脂フィルムで構成された保護層をさらに有する。
1つの実施形態においては、上記保護層のヤング率は2GPa以上である。
1つの実施形態においては、上記光学部材は、上記保護層の外側にハードコート層をさらに有する。
1つの実施形態においては、上記光学部材は、上記ハードコート層の外側に反射防止層をさらに有する。
本発明の別の局面によれば、ARグラスが提供される。該ARグラスは、上記の光学部材を含む。
本発明のさらに別の局面によれば、ヘッドマウントディスプレイが提供される。該ヘッドマウントディスプレイは、上記の光学部材を含む。
1つの実施形態においては、上記多孔質層の屈折率は1.20以下である。
1つの実施形態においては、上記多孔質層の厚みは5μm以下である。
1つの実施形態においては、上記多孔質層のヘイズは5%未満である。
1つの実施形態においては、上記粘着剤層の貯蔵弾性率は0.2×105(Pa)以上である。
1つの実施形態においては、上記光学部材は、上記粘着剤層の外側に、厚みが20μm以上である樹脂フィルムで構成された保護層をさらに有する。
1つの実施形態においては、上記保護層のヤング率は2GPa以上である。
1つの実施形態においては、上記光学部材は、上記保護層の外側にハードコート層をさらに有する。
1つの実施形態においては、上記光学部材は、上記ハードコート層の外側に反射防止層をさらに有する。
本発明の別の局面によれば、ARグラスが提供される。該ARグラスは、上記の光学部材を含む。
本発明のさらに別の局面によれば、ヘッドマウントディスプレイが提供される。該ヘッドマウントディスプレイは、上記の光学部材を含む。
本発明の実施形態によれば、薄型軽量で、明るく、かつ、光漏れが抑制されたAR用光学部材を実現することができる。
以下、本発明の実施形態について説明するが、本発明はこれらの実施形態には限定されない。なお、見やすくするために、図面は模式的に表されており、図面における光学部材の各構成要素の厚み、サイズならびに構成要素間の厚み等の相互の比率は、実際とは異なっている。
A.光学部材の全体構成
図1は、本発明の1つの実施形態による光学部材の概略断面図である。図示例の光学部材100は、光導波路10と、光学素子20aおよび20bと、多孔質層30と、粘着剤層40と、を有する。光導波路10は、第1主面10aおよび第2主面10bを有する。光学素子20aおよび20bは、それぞれ凹凸構造を有する(以下、光学素子20aおよび20bをそれぞれ凹凸光学素子と称する場合がある)。凹凸光学素子20aは、代表的には光導波路の入射用光学素子として機能し;凹凸光学素子20bは、代表的には光導波路の出射用光学素子として機能する。凹凸光学素子20aおよび20bは、光導波路10の第1主面10aおよび第2主面10bの少なくとも1つの主面に設けられている。凹凸光学素子20aおよび20bは、それぞれが光導波路の同一主面に設けられてもよく、互いに異なる主面に設けられてもよい。図示例では、凹凸光学素子20aおよび20bは、光導波路10の第1主面10aに設けられている。多孔質層30は、少なくとも光導波路10の凹凸光学素子20aおよび20bが設けられた主面(図示例では第1主面10a)に設けられている。多孔質層30は、代表的には凹凸光学素子20aおよび20bを覆うように設けられており、1つの実施形態においては光導波路10の凹凸光学素子20aおよび20bが設けられた主面(図示例では第1主面10a)の実質的に全面に設けられている。粘着剤層40は、多孔質層30の光導波路10と反対側(すなわち、多孔質層の外側表面)に設けられている。粘着剤層の厚みは3μm以上である。このような構成であれば、薄型軽量で、明るく、かつ、光漏れが抑制されたAR用光学部材を実現することができる。
図1は、本発明の1つの実施形態による光学部材の概略断面図である。図示例の光学部材100は、光導波路10と、光学素子20aおよび20bと、多孔質層30と、粘着剤層40と、を有する。光導波路10は、第1主面10aおよび第2主面10bを有する。光学素子20aおよび20bは、それぞれ凹凸構造を有する(以下、光学素子20aおよび20bをそれぞれ凹凸光学素子と称する場合がある)。凹凸光学素子20aは、代表的には光導波路の入射用光学素子として機能し;凹凸光学素子20bは、代表的には光導波路の出射用光学素子として機能する。凹凸光学素子20aおよび20bは、光導波路10の第1主面10aおよび第2主面10bの少なくとも1つの主面に設けられている。凹凸光学素子20aおよび20bは、それぞれが光導波路の同一主面に設けられてもよく、互いに異なる主面に設けられてもよい。図示例では、凹凸光学素子20aおよび20bは、光導波路10の第1主面10aに設けられている。多孔質層30は、少なくとも光導波路10の凹凸光学素子20aおよび20bが設けられた主面(図示例では第1主面10a)に設けられている。多孔質層30は、代表的には凹凸光学素子20aおよび20bを覆うように設けられており、1つの実施形態においては光導波路10の凹凸光学素子20aおよび20bが設けられた主面(図示例では第1主面10a)の実質的に全面に設けられている。粘着剤層40は、多孔質層30の光導波路10と反対側(すなわち、多孔質層の外側表面)に設けられている。粘着剤層の厚みは3μm以上である。このような構成であれば、薄型軽量で、明るく、かつ、光漏れが抑制されたAR用光学部材を実現することができる。
必要に応じて、粘着剤層40の外側(多孔質層30と反対側)に、保護層50、ハードコート層60、および/または反射防止層70が設けられてもよい。図示例においては、粘着剤層40側から順に保護層50、ハードコート層60および反射防止層70が設けられている。目的および所望の構成に応じて、保護層50、ハードコート層60および反射防止層70の少なくとも1つは省略されてもよい。保護層、ハードコート層および反射防止層が設けられない場合には、粘着剤層40の表面には、光学部材が使用に供されるまではく離ライナー(図示せず)が仮着されていることが好ましい。はく離ライナーを仮着することにより、粘着剤層を保護するとともに、光学フィルムのロール形成が可能となる。
図2は、本発明の別の実施形態による光学部材の概略断面図である。図示例の光学部材101においては、光導波路10の凹凸光学素子20aおよび20bが設けられた主面(図示例では第1主面10a)に加えて、凹凸光学素子が設けられていない主面(図示例では第2主面10b)にも多孔質層30および粘着剤層40が設けられている。図示例においては、粘着剤層40、40の外側に粘着剤層側から順に保護層50、50,ハードコート層60、60、および反射防止層70、70が設けられているが、図1の実施形態と同様に、これらの一部または全部は省略されてもよい。
図3は、本発明のさらに別の実施形態による光学部材の概略断面図である。図示例の光学部材102においては、光導波路10の第1主面10aに加えて、第2主面10bにも凹凸光学素子20bが設けられている。これ以外は、図2の実施形態と同様である。
光学部材の全光線透過率は、好ましくは60%以上99%以下であり、より好ましくは70%以上98%以下であり、さらに好ましくは80%以上97%以下である。また、光学部材のヘイズは、好ましくは0.1%以上3%以下であり、より好ましくは0.2%以上2.5%以下であり、さらに好ましくは0.3%以上2%以下である。本発明の実施形態によれば、光学部材全体として優れた透明性を実現することができる。その結果、光学部材はARグラスおよびHMD(以下、ARグラスおよびHMDをまとめて「ARグラス等」と称する場合がある)に好適に用いられ得る。
光学部材の厚みは、好ましくは0.35mm~4.8mmであり、より好ましくは0.55mm~3.8mmであり、さらに好ましくは0.75mm~2.8mmである。本発明の実施形態によれば、厚いカバーガラスを用いずに光学部材を構成できるので、カバーガラスを用いる従来のARグラス用光学部材に比べて、厚みを5分の1程度まで薄型化することができ、結果として、重量も3分の1程度まで軽量化することができる。その結果、光学部材はARグラス等に好適に用いられ得る。本明細書において「光学部材の厚み」とは、光学部材の一方の最外層から他方の最外層までの総厚みを意味する。例えば図1の実施形態においては、光学部材の厚みは反射防止層の外側表面から光導波路の第2主面までの厚みであり;また例えば図2および図3の実施形態においては、光学部材の厚みは一方の反射防止層の外側表面から他方の反射防止層の外側表面までの厚みである。
上記の実施形態は、適宜組み合わせてもよく適宜改変してもよい。例えば、図1および図2に示す実施形態において、凹凸光学素子20aまたは20bのいずれか一方を光導波路の第2主面10bに設けてもよく;図3に示す実施形態において、凹凸光学素子20aを光導波路の第2主面10bに設けてもよく;図1~図3に示す実施形態において、凹凸光学素子20aを光導波路の第1主面10aおよび第2主面10bの両方に設けてもよい。
以下、光学部材の構成要素について詳細に説明する。
B.光導波路
光導波路10は、代表的には、光導波路に入射した光が全反射を利用して光導波路内を伝搬し、所定の位置で所定の方向に出射するよう構成されている。光導波路10は、上記のとおり第1主面10aと第2主面10bとを有する。光学部材がARグラス等に用いられる場合、画像源(図示せず)からの光(代表的には、画像の投影光)が、第1主面および/または第2主面に設けられた入射用光学素子(図示例の凹凸光学素子20a)を通って光導波路に入射する。入射光は全反射により光導波路内を伝搬し、第1主面および/または第2主面に設けられた出射用光学素子(図示例の凹凸光学素子20b)を通って出射し、ARグラス等の使用者に視認される。凹凸光学素子20aおよび20bを適切に構成することにより、画像源からの光が画像情報を維持したままで出射される。その結果、画像源からの画像がARグラス等の使用者に視認され得る。
光導波路10は、代表的には、光導波路に入射した光が全反射を利用して光導波路内を伝搬し、所定の位置で所定の方向に出射するよう構成されている。光導波路10は、上記のとおり第1主面10aと第2主面10bとを有する。光学部材がARグラス等に用いられる場合、画像源(図示せず)からの光(代表的には、画像の投影光)が、第1主面および/または第2主面に設けられた入射用光学素子(図示例の凹凸光学素子20a)を通って光導波路に入射する。入射光は全反射により光導波路内を伝搬し、第1主面および/または第2主面に設けられた出射用光学素子(図示例の凹凸光学素子20b)を通って出射し、ARグラス等の使用者に視認される。凹凸光学素子20aおよび20bを適切に構成することにより、画像源からの光が画像情報を維持したままで出射される。その結果、画像源からの画像がARグラス等の使用者に視認され得る。
光導波路は、ガラスで構成されてもよくプラスチックで構成されてもよい。光導波路の屈折率は、好ましくは1.4~2.5であり、より好ましくは1.6~2.4であり、さらに好ましくは2.0~2.3である。屈折率がこのような範囲であれば、良好な外部からの光入射、良好な外部への光出射、および良好な光導波路内部での全反射を実現することができる。光導波路のアッベ数は、好ましくは10以上80以下であり、より好ましくは15以上70以下である。
光導波路(第1主面および第2主面)の厚みムラ(TTV:Total Thickness Variation)は、好ましくは5μm以下であり、より好ましくは3μm以下であり、さらに好ましくは1μm以下である。厚みムラは小さいほど好ましく、例えばゼロであり得る。光導波路の厚みムラがこのような範囲であれば、光導波路内における光路のひずみを小さくすることができる。
光導波路(第1主面および第2主面)の表面粗さRaは、好ましくは10nm以下であり、より好ましくは5nm以下であり、さらに好ましくは1nm以下である。表面粗さRaがこのような範囲であれば、ヘイズを小さくすることができる。このような表面粗さRaは、例えば光導波路の第1主面および第2主面を研磨することにより実現され得る。一方、表面粗さRaは、例えば0.1nm以上であり得る。なお、Raは、JIS B 0601に基づく算術平均粗さをいう。
光導波路は、単独で用いてもよく2枚以上(例えば、2枚、3枚、4枚)を積層して用いてもよい。光導波路の厚みは、例えば0.3mm~4.0mmであり得る。光導波路の厚みは、例えば0.3mm~1.3mmであってもよく、また例えば0.4mm~1.2mmであってもよく、また例えば0.5mm~1.1mmであってもよい。あるいは、光導波路の厚みは、例えば1.3mm~2.0mmであってもよく、また例えば1.4mm~1.9mmであってもよく、また例えば1.5mm~1.8mmであってもよい。あるいは、光導波路の厚みは、例えば2.0mm~4.0mmであってもよく、また例えば2.2mm~3.8mmであってもよく、また例えば2.4mm~3.6mmであってもよい。
C.光学素子
凹凸光学素子20aは、画像源からの光導波路に入射した光を導波方向に導くよう構成されており;凹凸光学素子20bは、光導波路内を伝搬した光を、視認可能な方向に出射するよう構成されている。以下、凹凸光学素子20aおよび20bをまとめて、単に凹凸光学素子と称する場合がある。凹凸光学素子20aと凹凸光学素子20bを区別する必要がある場合には、それぞれの符号を明記する。ただし、凹凸光学素子20aおよび20bをまとめて凹凸光学素子としている場合であっても、凹凸光学素子20aおよび20bは、それぞれ同一の構成であってもよく、互いに異なる構成であってもよい。
凹凸光学素子20aは、画像源からの光導波路に入射した光を導波方向に導くよう構成されており;凹凸光学素子20bは、光導波路内を伝搬した光を、視認可能な方向に出射するよう構成されている。以下、凹凸光学素子20aおよび20bをまとめて、単に凹凸光学素子と称する場合がある。凹凸光学素子20aと凹凸光学素子20bを区別する必要がある場合には、それぞれの符号を明記する。ただし、凹凸光学素子20aおよび20bをまとめて凹凸光学素子としている場合であっても、凹凸光学素子20aおよび20bは、それぞれ同一の構成であってもよく、互いに異なる構成であってもよい。
凹凸光学素子の凹凸構造としては、光拡散、光散乱、光反射、光回折などの光の方向変換機能を発現し得る任意の適切な微細凹凸形状を採用することができる。凹凸光学素子の代表例としては、回折格子、ホログラム素子、メタサーフェスが挙げられる。以下、一例として回折格子について説明する。
回折格子は、代表的には、溝またはスリットにより回折パターンが形成されている。回折パターンは、目的に応じて適切に設定され得る。回折パターンは、平面視ストライプ状の一次元回折パターンであってもよく、平面視格子状の二次元回折パターンであってもよい。一次元回折パターンは、代表的には、それぞれ一方向に延びる凸部とスリットが交互に形成されている。凸部が延びる方向から見た凸部の断面形状は、矩形であってもよく、平行四辺形(傾斜型)であってもよく、台形であってもよい。一次元回折パターンは、断面波形で一方向に延びる凹凸形状を有していてもよい。一次元回折パターンは、ストライプが延びる方向が光の導波方向に平行であってもよく、光の導波方向に直交する方向であってもよく、光の導波方向に対して所定の角度を規定する斜め方向であってもよい。二次元回折パターンは、平面視矩形の凸部を形成するようにスリットが設けられていてもよく、平面視平行四辺形の凸部を形成するようにスリットが設けられていてもよい。上記の回折パターンを適宜組み合わせてもよい。例えば、ストライプが延びる方向が異なる(例えば、ストライプが延びる方向が互いに直交する)2つの一次元回折パターンを組み合わせてもよく、このような2つの一次元回折パターンと二次元回折パターンの3つの回折パターンを組み合わせてもよい。
凹凸のピッチΛは、好ましくは30nm~700nmであり、より好ましくは40nm~600nmであり、さらに好ましくは50nm~500nmである。凸部およびスリット(凹部)の幅は、それぞれがピッチの1/2であってもよく、ピッチの1/2となっていなくてもよい(それぞれが目的に応じた任意の適切な幅を有していてもよい)。凹凸の高さhは、好ましくは10nm~800nmであり、より好ましくは20nm~700nmであり、さらに好ましくは30nm~600nmであり、特に好ましくは40nm~500nmである。
凹凸光学素子は、光導波路と一体で構成されてもよく、光導波路に別途形成されてもよい。凹凸光学素子が光導波路と一体で構成される場合、凹凸光学素子は、例えば光導波路を切削することにより形成されてもよく;また例えば、プラスチック製光導波路においてはナノインプリンティングにより形成されてもよい。凹凸光学素子が光導波路に別途形成される場合、凹凸光学素子は、代表的には誘電体または樹脂で構成され得る。誘電体の具体例としては、アルミナ、チタニア、シリコンが挙げられる。誘電体の屈折率は、好ましくは1.6~4.0であり、より好ましくは2.0~3.5である。凹凸光学素子が誘電体で構成される場合には、凹凸光学素子は例えばスパッタリングにより形成され得る。樹脂の具体例としては、熱硬化性樹脂、UV硬化性樹脂が挙げられる。このような樹脂の屈折率は、好ましくは1.5~1.9である。凹凸光学素子が樹脂で構成される場合には、凹凸光学素子は、例えば光導波路上に当該樹脂を薄膜塗工し、ナノインプリンティングすることにより形成され得る。凹凸光学素子がメタサーフェスである場合には、凹凸光学素子は、例えば以下の文献に記載の方法で形成され得る。A broadband achromatic metalens in the visible (Nature Nanotechnology volume 13, pages227-232 (2018))のSupplementary Information内「Supplementary Section 2. Details of experiments」。
D.多孔質層
多孔質層30は、代表的には、内部に空隙を有する。多孔質層の空隙率は、好ましくは35体積%以上であり、より好ましくは38体積%以上であり、特に好ましくは40体積%以上である。空隙率がこのような範囲であれば、屈折率が特に低い多孔質層を形成することができる。低屈折率層の空隙率の上限は、例えば90体積%以下であり、好ましくは75体積%以下である。空隙率がこのような範囲であれば、強度に優れる多孔質層を形成することができる。空隙率は、エリプソメーターで測定した屈折率の値から、Lorentz‐Lorenz’s formula(ローレンツ-ローレンツの式)より空隙率を算出された値である。
多孔質層30は、代表的には、内部に空隙を有する。多孔質層の空隙率は、好ましくは35体積%以上であり、より好ましくは38体積%以上であり、特に好ましくは40体積%以上である。空隙率がこのような範囲であれば、屈折率が特に低い多孔質層を形成することができる。低屈折率層の空隙率の上限は、例えば90体積%以下であり、好ましくは75体積%以下である。空隙率がこのような範囲であれば、強度に優れる多孔質層を形成することができる。空隙率は、エリプソメーターで測定した屈折率の値から、Lorentz‐Lorenz’s formula(ローレンツ-ローレンツの式)より空隙率を算出された値である。
多孔質層の屈折率は、好ましくは1.20以下であり、より好ましくは1.18以下であり、さらに好ましくは1.16以下であり、特に好ましくは1.14以下である。一方、多孔質層の屈折率は、好ましくは1.05以上であり、より好ましくは1.08以上であり、さらに好ましくは1.10以上である。このような屈折率を有する多孔質層を光導波路の凹凸光学素子が設けられた主面に設けることにより、光導波路および凹凸光学素子の光学特性に実質的な影響を与えることなく光漏れを抑制することができる。さらに、多孔質層は後述するように非常に薄くすることができるので、光学部材(結果として、ARグラス)の薄型軽量化に貢献することができる。また、多孔質層の屈折率が上記のような範囲であれば、所定の機械的強度を確保することができ、破損が抑制され得る。屈折率は、特に断らない限り、波長550nmにおいて測定した屈折率をいう。屈折率は、後述の実施例の「(1)多孔質層の屈折率」に記載の方法によって測定された値である。
多孔質層の全光線透過率は、好ましくは85%~99%であり、より好ましくは87%~98%であり、さらに好ましくは89%~97%である。このような屈折率を有する多孔質層を光導波路の凹凸光学素子が設けられた主面に設けることにより、上記の屈折率による効果を発現しつつ、優れた透明性を確保することができる。その結果、光学部材はARグラス等に好適に用いられ得る。
多孔質層のヘイズは、例えば5%未満であり、好ましくは3%未満である。一方、ヘイズは、例えば0.1%以上であり、好ましくは0.2%以上である。このようなヘイズを有する多孔質層を光導波路の凹凸光学素子が設けられた主面に設けることにより、上記の屈折率による効果を発現しつつ、優れた透明性を確保することができる。その結果、光学部材はARグラス等に好適に用いられ得る。ヘイズは、例えば、以下のような方法により測定できる。
空隙層(多孔質層)を50mm×50mmのサイズにカットし、ヘイズメーター(村上色彩技術研究所社製:HM-150)にセットしてヘイズを測定する。ヘイズ値については、以下の式より算出する。
ヘイズ(%)=[拡散透過率(%)/全光線透過率(%)]×100(%)
空隙層(多孔質層)を50mm×50mmのサイズにカットし、ヘイズメーター(村上色彩技術研究所社製:HM-150)にセットしてヘイズを測定する。ヘイズ値については、以下の式より算出する。
ヘイズ(%)=[拡散透過率(%)/全光線透過率(%)]×100(%)
多孔質層の厚みは、好ましくは5μm以下であり、より好ましくは4μm以下であり、さらに好ましくは3μm以下であり、特に好ましくは2μm以下であり、とりわけ好ましくは1.5μm以下である。一方、多孔質層の厚みは、好ましくは300nm以上であり、より好ましくは400nm以上であり、さらに好ましくは500nm以上である。多孔質層の厚みがこのような範囲であれば、優れた透明性を確保しつつ、光漏れを良好に抑制することができる。
多孔質層は、上記所望の特性を有する限りにおいて、任意の適切な構成が採用され得る。多孔質層は、好ましくは塗工または印刷等により形成され得る。多孔質層を構成する材料としては、例えば、国際公開第2004/113966号、特開2013-254183号公報、および特開2012-189802号公報に記載の材料を採用し得る。代表例としては、ケイ素化合物が挙げられる。ケイ素化合物としては、例えば、シリカ系化合物;加水分解性シラン類、ならびにその部分加水分解物および脱水縮合物;シラノール基を含有するケイ素化合物;ケイ酸塩を酸やイオン交換樹脂に接触させることにより得られる活性シリカが挙げられる。有機ポリマー;重合性モノマー(例えば、(メタ)アクリル系モノマー、およびスチレン系モノマー);硬化性樹脂(例えば、(メタ)アクリル系樹脂、フッ素含有樹脂、およびウレタン樹脂)も挙げられる。これらの材料は、単独で用いてもよく組み合わせて用いてもよい。多孔質層は、このような材料の溶液または分散液を塗工または印刷等することにより形成され得る。
多孔質層における空隙(孔)のサイズは、空隙(孔)の長軸の直径および短軸の直径のうち、長軸の直径を指すものとする。空隙(孔)のサイズは、例えば、2nm~500nmである。空隙(孔)のサイズは、例えば2nm以上であり、好ましくは5nm以上であり、より好ましくは10nm以上であり、さらに好ましくは20nm以上である。一方、空隙(孔)のサイズは、例えば500nm以下であり、好ましくは200nm以下であり、より好ましくは100nm以下である。空隙(孔)のサイズの範囲は、例えば2nm~500nmであり、好ましくは5nm~500nmであり、より好ましくは10nm~200nmであり、さらに好ましくは20nm~100nmである。空隙(孔)のサイズは、目的および用途等に応じて、所望のサイズに調整することができる。空隙(孔)のサイズは、BET試験法により定量化できる。
空隙(孔)のサイズは、BET試験法により定量化できる。具体的には、比表面積測定装置(マイクロメリティック社製:ASAP2020)のキャピラリに、サンプル(形成された空隙層)を0.1g投入した後、室温で24時間、減圧乾燥を行って、空隙構造内の気体を脱気する。そして、上記サンプルに窒素ガスを吸着させることで吸着等温線を描き、細孔分布を求める。これによって、空隙サイズが評価できる。
上記内部に空隙を有する多孔質層としては、例えば、多孔質層、および/または空気層を少なくとも一部に有する多孔質層が挙げられる。多孔質層は、代表的には、エアロゲル、および/または粒子(例えば、中空微粒子および/または多孔質粒子)を含む。多孔質層は、好ましくはナノポーラス層(具体的には、90%以上の微細孔の直径が10-1nm~103nmの範囲内の多孔質層)であり得る。
上記粒子としては、任意の適切な粒子を採用し得る。粒子は、代表的には、シリカ系化合物からなる。粒子の形状としては、例えば、球状、板状、針状、ストリング状、およびブドウの房状が挙げられる。ストリング状の粒子としては、例えば、球状、板状、または針状の形状を有する複数の粒子が数珠状に連なった粒子、短繊維状の粒子(例えば、特開2001-188104号公報に記載の短繊維状の粒子)、およびこれらの組み合わせが挙げられる。ストリング状の粒子は、直鎖状であってもよく、分岐状であってもよい。ブドウの房状の粒子としては、例えば、球状、板状、および針状の粒子が複数凝集してブドウの房状になったものが挙げられる。粒子の形状は、例えば透過電子顕微鏡で観察することによって確認できる。
以下、多孔質層の具体的な構成の一例について説明する。本実施形態の多孔質層は、微細な空隙構造を形成する一種類または複数種類の構成単位からなり、該構成単位同士が触媒作用を介して化学的に結合している。構成単位の形状としては、例えば、粒子状、繊維状、棒状、平板状が挙げられる。構成単位は、1つの形状のみを有していてもよく、2つ以上の形状を組み合わせて有していてもよい。以下においては、主として、多孔質層が、上記微細孔粒子どうしが化学的に結合している多孔体の空隙層である場合について説明する。
このような空隙層は、空隙層形成工程において、例えば微細孔粒子どうしを化学的に結合させることにより形成され得る。なお、本発明の実施形態において「粒子」(例えば、上記微細孔粒子)の形状は特に限定されず、例えば球状でもよく他の形状でもよい。また、本発明の実施形態において、上記微細孔粒子は、例えば、ゾルゲル数珠状粒子、ナノ粒子(中空ナノシリカ・ナノバルーン粒子)、ナノ繊維等であってもよい。微細孔粒子は、代表的には無機物を含む。無機物の具体例としては、ケイ素(Si)、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、チタン(Ti)、亜鉛(Zn)、ジルコニウム(Zr)が挙げられる。これらは、単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。1つの実施形態においては、上記微細孔粒子は、例えばケイ素化合物の微細孔粒子であり、上記多孔体は、例えばシリコーン多孔体である。上記ケイ素化合物の微細孔粒子は、例えば、ゲル状シリカ化合物の粉砕体を含む。また、多孔質層および/または空気層を少なくとも一部に有する多孔質層の別形態としては、例えば、ナノファイバー等の繊維状物質からなり、該繊維状物質が絡まり合い空隙が形成されて層を成している空隙層がある。このような空隙層の製造方法は特に限定されず、例えば、上記微細孔粒子どうしが化学的に結合している多孔体の空隙層の場合と同様である。さらに別の形態としては、中空ナノ粒子やナノクレイを用いた空隙層、中空ナノバルーンやフッ化マグネシウムを用いて形成した空隙層が挙げられる。空隙層は、単一の構成物質からなる空隙層であってもよいし、複数の構成物質からなる空隙層であってもよい。空隙層は、単一の上記形態で構成されていてもよく、複数の上記形態を含んで構成されていてもよい。
本実施形態においては、多孔体の多孔質構造は、例えば、孔構造が連続した連泡構造体であり得る。連泡構造体とは、例えば上記シリコーン多孔体において、三次元的に孔構造が連なっていることを意味し、孔構造の内部空隙が連続している状態ともいえる。多孔質体が連泡構造を有することにより、空隙率を高めることが可能である。ただし、中空シリカのような独泡粒子(個々に孔構造を有する粒子)を使用する場合には、連泡構造を形成できない。一方、例えばシリカゾル粒子(ゾルを形成するゲル状ケイ素化合物の粉砕物)を使用する場合、当該粒子が三次元の樹状構造を有するために、塗工膜(ゲル状ケイ素化合物の粉砕物を含むゾルの塗工膜)中で当該樹状粒子が沈降および堆積することで、容易に連泡構造を形成することが可能である。多孔質層は、より好ましくは、連泡構造が複数の細孔分布を含むモノリス構造を有する。モノリス構造は、例えば、ナノサイズの微細な空隙が存在する構造と、同ナノ空隙が集合した連泡構造とを含む階層構造を意味する。モノリス構造を形成する場合、例えば、微細な空隙で膜強度を付与しつつ、粗大な連泡空隙で高い空隙率を付与し、膜強度と高空隙率とを両立することができる。このようなモノリス構造は、好ましくは、シリカゾル粒子に粉砕する前段階のゲル(ゲル状ケイ素化合物)において、生成する空隙構造の細孔分布を制御することにより形成され得る。また例えば、ゲル状ケイ素化合物を粉砕する際、粉砕後のシリカゾル粒子の粒度分布を所望のサイズに制御することにより、モノリス構造を形成することができる。
多孔質層は、例えば上記のようにゲル状化合物の粉砕物を含み、当該粉砕物同士が化学的に結合している。多孔質層における粉砕物同士の化学的な結合(化学結合)の形態は、特に制限されず、例えば架橋結合、共有結合、水素結合が挙げられる。
多孔質層における上記粉砕物の体積平均粒子径は、例えば0.10μm以上であり、好ましくは0.20μm以上であり、より好ましくは0.40μm以上である。一方、体積平均粒子径は、例えば2.00μm以下であり、好ましくは1.50μm以下であり、より好ましくは1.00μm以下である。体積平均粒子径の範囲は、例えば0.10μm~2.00μmであり、好ましくは0.20μm~1.50μmであり、より好ましくは0.40μm~1.00μmである。粒度分布は、例えば、動的光散乱法、レーザー回折法等の粒度分布評価装置、および走査型電子顕微鏡(SEM)、透過型電子顕微鏡(TEM)等の電子顕微鏡等により測定することができる。なお、体積平均粒子径は、粉砕物の粒度のバラツキの指標である。
ゲル状化合物の種類は、特に制限されない。ゲル状化合物としては、例えばゲル状ケイ素化合物が挙げられる。
また、多孔質層(空隙層)においては、例えば、含まれるケイ素原子がシロキサン結合していることが好ましい。具体例として、空隙層に含まれる全ケイ素原子のうち、未結合のケイ素原子(つまり、残留シラノール)の割合は、例えば50%未満であり、好ましくは30%以下であり、より好ましくは15%以下である。
以下、このような多孔質層の形成方法の一例について説明する。
当該方法は、代表的には、光導波路上に多孔質層(空隙層)の前駆体である空隙構造を形成する前駆体形成工程、および、前駆体形成工程後に当該前駆体内部で架橋反応を起こさせる架橋反応工程、を含む。当該方法は、微細孔粒子を含む含有液(以下、「微細孔粒子含有液」または単に「含有液」という場合がある。)を作製する含有液作製工程、および、当該含有液を乾燥させる乾燥工程をさらに含み、前駆体形成工程において、乾燥体中の微細孔粒子どうしを化学的に結合させて前駆体を形成する。含有液は、特に限定されず、例えば、微細孔粒子を含む懸濁液である。なお、以下においては、主として、微細孔粒子がゲル状化合物の粉砕物であり、空隙層がゲル状化合物の粉砕物を含む多孔体(好ましくはシリコーン多孔体)である場合について説明する。ただし、多孔質層は、微細孔粒子がゲル状化合物の粉砕物以外である場合も、同様に形成することができる。
上記の方法によれば、例えば、非常に低い屈折率を有する多孔質層(空隙層)が形成される。その理由は、例えば以下のように推測される。ただし、当該推測は、多孔質層の形成方法を限定するものではない。
上記粉砕物は、ゲル状ケイ素化合物を粉砕したものであるため、粉砕前のゲル状ケイ素化合物の三次元構造が、三次元基本構造に分散された状態となっている。さらに、上記方法では、ゲル状ケイ素化合物の破砕物を樹脂フィルム上に塗工することで、三次元基本構造に基づく多孔性構造の前駆体が形成される。つまり、上記の方法によれば、ゲル状ケイ素化合物の三次元構造とは異なる、粉砕物の塗工による新たな多孔構造(三次元基本構造)が形成される。このため、最終的に得られる空隙層においては、例えば空気層と同程度に機能する低屈折率を実現することができる。さらに、上記の方法においては、砕物同士を化学的に結合させるため、三次元基本構造が固定化される。このため、最終的に得られる空隙層は、空隙を有する構造であるにもかかわらず、十分な強度と可撓性とを維持することができる。
多孔質層の具体的な構成および形成方法の詳細は、例えば国際公開第2019/151073号に記載されている。当該公報の記載は、本明細書に参考として援用される。
E.粘着剤層
粘着剤層40は、粘着剤層を構成する粘着剤が通常の状態では多孔質層の空隙に浸透しない程度の硬さを有する。したがって、粘着剤層の23℃における貯蔵弾性率は、好ましくは0.2×105(Pa)以上であり、より好ましくは0.4×105(Pa)以上であり、さらに好ましくは0.6×105(Pa)以上であり、特に好ましくは0.8×105(Pa)以上であり、とりわけ好ましくは1.0×105(Pa)以上である。一方、粘着剤層の耐久性を考慮すると、粘着剤層の23℃における貯蔵弾性率は、好ましくは5.0×107(Pa)以下であり、より好ましくは4.0×107(Pa)以下であり、さらに好ましくは3.0×107(Pa)以下であり、特に好ましくは2.0×107(Pa)以下であり、とりわけ好ましくは1.0×107(Pa)以下である。また例えば、粘着剤層の23℃における貯蔵弾性率は、1.0×106(Pa)以下であってもよい。このような粘着剤層は、外力に対する緩衝機能(クッション機能)を有し、多孔質層の破損を抑制し得る柔らかさを有する。貯蔵弾性率は、JIS K 7244-1「プラスチック-動的機械特性の試験方法」に記載の方法に準拠して、周波数1Hzの条件で、-50℃~150℃の範囲で昇温速度5℃/分で測定した際の、23℃におけるにおける値を読み取ることにより求められる。
粘着剤層40は、粘着剤層を構成する粘着剤が通常の状態では多孔質層の空隙に浸透しない程度の硬さを有する。したがって、粘着剤層の23℃における貯蔵弾性率は、好ましくは0.2×105(Pa)以上であり、より好ましくは0.4×105(Pa)以上であり、さらに好ましくは0.6×105(Pa)以上であり、特に好ましくは0.8×105(Pa)以上であり、とりわけ好ましくは1.0×105(Pa)以上である。一方、粘着剤層の耐久性を考慮すると、粘着剤層の23℃における貯蔵弾性率は、好ましくは5.0×107(Pa)以下であり、より好ましくは4.0×107(Pa)以下であり、さらに好ましくは3.0×107(Pa)以下であり、特に好ましくは2.0×107(Pa)以下であり、とりわけ好ましくは1.0×107(Pa)以下である。また例えば、粘着剤層の23℃における貯蔵弾性率は、1.0×106(Pa)以下であってもよい。このような粘着剤層は、外力に対する緩衝機能(クッション機能)を有し、多孔質層の破損を抑制し得る柔らかさを有する。貯蔵弾性率は、JIS K 7244-1「プラスチック-動的機械特性の試験方法」に記載の方法に準拠して、周波数1Hzの条件で、-50℃~150℃の範囲で昇温速度5℃/分で測定した際の、23℃におけるにおける値を読み取ることにより求められる。
粘着剤層を構成する粘着剤としては、上記のような特性を有する限りにおいて任意の適切な粘着剤が用いられ得る。粘着剤としては、代表的には、アクリル系粘着剤(アクリル系粘着剤組成物)が挙げられる。アクリル系粘着剤組成物は、代表的には、(メタ)アクリル系ポリマーを主成分(ベースポリマー)として含む。(メタ)アクリル系ポリマーは、粘着剤組成物の固形分中、例えば50重量%以上、好ましくは70重量%以上、より好ましくは90重量%以上の割合で粘着剤組成物に含有され得る。(メタ)アクリル系ポリマーは、モノマー単位としてアルキル(メタ)アクリレートを主成分として含有する。なお、(メタ)アクリレートはアクリレートおよび/またはメタクリレートをいう。アルキル(メタ)アクリレートのアルキル基としては、例えば、1個~18個の炭素原子を有する直鎖状または分岐鎖状のアルキル基が挙げられる。当該アルキル基の平均炭素数は、好ましくは3個~9個である。(メタ)アクリル系ポリマーを構成するモノマーとしては、アルキル(メタ)アクリレート以外に、カルボキシル基含有モノマー、ヒドロキシル基含有モノマー、アミド基含有モノマー、芳香環含有(メタ)アクリレート、複素環含有(メタ)アクリレート等のコモノマーが挙げられる。コモノマーは、好ましくはヒドロキシル基含有モノマーおよび/または複素環含有(メタ)アクリレートであり、より好ましくはN-アクリロイルモルホリンである。アクリル系粘着剤組成物は、好ましくは、シランカップリング剤および/または架橋剤を含有し得る。シランカップリング剤としては、例えばエポキシ基含有シランカップリング剤が挙げられる。架橋剤としては、例えば、イソシアネート系架橋剤、過酸化物系架橋剤が挙げられる。このような粘着剤層またはアクリル系粘着剤組成物の詳細は、例えば特許第4140736号に記載されており、当該特許公報の記載は本明細書に参考として援用される。
粘着剤層の厚みは、上記のとおり3μm以上であり、好ましくは10μm以上であり、より好ましくは25μm以上であり、さらに好ましくは30μm以上であり、特に好ましくは40μm以上である。粘着剤層の厚みがこのような範囲であれば、多孔質層の破損を良好に抑制することができ、結果として、光導波路および凹凸光学素子の光学特性を良好に維持するとともに、光漏れを良好に抑制することができる。粘着剤層の厚みが15μm以上であれば上記効果が得られるので、厚みの上限に制限はない。ただし、薄型軽量化およびコストの観点から、粘着剤層の厚みは、例えば200μm以下であってもよく、また例えば150μm以下であってもよく、また例えば120μm以下であってもよい。
F.保護層
保護層50の厚みは、好ましくは20μm以上であり、より好ましくは25μm以上であり、さらに好ましくは30μm以上である。一方、保護層の厚みは、好ましくは200μm以下であり、より好ましくは150μm以下であり、さらに好ましくは120μm以下である。保護層の厚みがこのような範囲であれば、光学部材をARグラス等に適用した場合に、優れた表面保護性能を付与するとともに、多孔質層の破損を抑制することができる。
保護層50の厚みは、好ましくは20μm以上であり、より好ましくは25μm以上であり、さらに好ましくは30μm以上である。一方、保護層の厚みは、好ましくは200μm以下であり、より好ましくは150μm以下であり、さらに好ましくは120μm以下である。保護層の厚みがこのような範囲であれば、光学部材をARグラス等に適用した場合に、優れた表面保護性能を付与するとともに、多孔質層の破損を抑制することができる。
保護層50のヤング率は、好ましくは2GPa以上であり、より好ましくは2.5GPa以上であり、さらに好ましくは3GPa以上である。一方、保護層のヤング率は、好ましくは10GPa以下であり、より好ましくは9GPa以下であり、さらに好ましくは8GPa以下である。保護層のヤング率がこのような範囲であれば、光学部材をARグラス等に適用した場合に、優れた表面保護性能を付与するとともに、多孔質層の破損を抑制することができる。
保護層50は、任意の適切な樹脂フィルムで構成されている。樹脂フィルムの形成材料としては、例えば、(メタ)アクリル系樹脂、ジアセチルセルロース、トリアセチルセルロース等のセルロース系樹脂、ノルボルネン系樹脂等のシクロオレフィン系樹脂、ポリプロピレン等のオレフィン系樹脂、ポリエチレンテレフタレート系樹脂等のエステル系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、これらの共重合体樹脂等が挙げられる。なお、「(メタ)アクリル系樹脂」とは、アクリル系樹脂および/またはメタクリル系樹脂をいう。
保護層50の透湿度は、好ましくは0.1g/m2/24hr~1000g/m2/24hrであり、より好ましくは0.5g/m2/24hr~800g/m2/24hrであり、さらに好ましくは1g/m2/24hr~500g/m2/24hrである。保護層の透湿度がこのような範囲であれば、多孔質層の破損をさらに抑制することができる。
G.ハードコート層
ハードコート層60は、好ましくはH以上、より好ましくは2H以上、さらに好ましくは3H以上の鉛筆硬度を有する。一方、ハードコート層の鉛筆硬度は、好ましくは6H以下であり、より好ましくは5H以下である。ハードコート層の鉛筆硬度がこのような範囲であれば、光学部材をARグラス等に適用した場合に、優れた表面保護性能を付与するとともに、多孔質層の破損を抑制することができる。鉛筆硬度は、JIS K 5400の「鉛筆硬度試験」に基づいて測定され得る。
ハードコート層60は、好ましくはH以上、より好ましくは2H以上、さらに好ましくは3H以上の鉛筆硬度を有する。一方、ハードコート層の鉛筆硬度は、好ましくは6H以下であり、より好ましくは5H以下である。ハードコート層の鉛筆硬度がこのような範囲であれば、光学部材をARグラス等に適用した場合に、優れた表面保護性能を付与するとともに、多孔質層の破損を抑制することができる。鉛筆硬度は、JIS K 5400の「鉛筆硬度試験」に基づいて測定され得る。
ハードコート層の厚みは、例えば0.5μm~30μmであってもよく、また例えば1μm~20μmであってもよく、また例えば2μm~15μmであってもよい。ハードコート層の厚みがこのような範囲であれば、光学部材をARグラス等に適用した場合に、優れた表面保護性能を付与するとともに、多孔質層の破損を抑制することができる。
ハードコート層は、上記のような特性を満足する限りにおいて、任意の適切な材料で構成され得る。ハードコート層は、例えば、熱硬化性樹脂または電離放射線(例えば、可視光、紫外線)硬化性樹脂の硬化層である。ハードコート層は、例えば、熱硬化性樹脂または電離放射線(例えば、可視光、紫外線)硬化型樹脂の硬化層であり得る。紫外線硬化型樹脂が好ましい。簡便な操作および高効率でハードコート層を形成することができるからである。紫外線硬化型樹脂の具体例としては、ポリエステル系、(メタ)アクリル系、ウレタン系、アミド系、シリコーン系、エポキシ系、不飽和ポリエステル系の紫外線硬化型樹脂が挙げられる。(メタ)アクリル系紫外線硬化型樹脂は、ウレタン(メタ)アクリレート、ポリエステル(メタ)アクリレート、エポキシ(メタ)アクリレートを包含する。紫外線硬化型樹脂には、紫外線硬化型のモノマー、オリゴマー、ポリマーが含まれ得る。好ましい紫外線硬化型樹脂としては、紫外線重合性の官能基を好ましくは2個以上、より好ましくは3~6個有するアクリル系のモノマー成分またはオリゴマー成分を含む樹脂組成物が挙げられる。代表的には、紫外線硬化型樹脂には、光重合開始剤が配合されている。
ハードコート層は、任意の適切な方法により形成され得る。ハードコート層は、好ましくは、保護層上にハードコート層形成用樹脂組成物を塗工し、乾燥させ、乾燥した塗工膜に紫外線を照射して硬化させることにより形成され得る。
ハードコート層の詳細は、例えば特開2011-237789号公報、特開2016-224443号公報に記載されている。当該公報の記載は、本明細書に参考として援用される。
H.反射防止層
反射防止層70の構成としては、任意の適切な構成が採用され得る。反射防止層の代表的な構成としては、(1)光学膜厚が120nm~140nmである、屈折率1.35~1.55程度の低屈折率層の単一層;(2)光導波路側から順に中屈折率層と高屈折率層と低屈折率層とを有する積層体;(3)高屈折率層と低屈折率層との交互多層積層体;が挙げられる。
反射防止層70の構成としては、任意の適切な構成が採用され得る。反射防止層の代表的な構成としては、(1)光学膜厚が120nm~140nmである、屈折率1.35~1.55程度の低屈折率層の単一層;(2)光導波路側から順に中屈折率層と高屈折率層と低屈折率層とを有する積層体;(3)高屈折率層と低屈折率層との交互多層積層体;が挙げられる。
低屈折率層を形成し得る材料としては、例えば、酸化ケイ素(SiO2)、フッ化マグネシウム(MgF2)が挙げられる。低屈折率層の屈折率は、代表的には1.35~1.55程度である。高屈折率層を形成し得る材料としては、例えば、酸化チタン(TiO2)、酸化ニオブ(Nb2O3またはNb2O5)、スズドープ酸化インジウム(ITO)、アンチモンドープ酸化スズ(ATO)、ZrO2-TiO2が挙げられる。高屈折率層の屈折率は、代表的には1.60~2.20程度である。中屈折率層を形成し得る材料としては、例えば、酸化チタン(TiO2)、低屈折率層を形成し得る材料と高屈折率層を形成し得る材料との混合物(例えば、酸化チタンと酸化ケイ素との混合物)が挙げられる。中屈折率層の屈折率は、代表的には1.50~1.85程度である。低屈折率層、中屈折率層および高屈折率層の厚みは、反射防止層の層構造、所望の反射防止性能等に応じた適切な光学膜厚が実現されるように設定され得る。
上記の反射防止層は、代表的にはドライプロセスにより形成される。ドライプロセスの具体例としては、PVD(Physical Vapor Deposition)法、CVD(Chemical Vapor Deposition)法が挙げられる。PVD法としては、真空蒸着法、反応性蒸着法、イオンビームアシスト法、スパッタリング法、イオンプレーティング法が挙げられる。CVD法としては、プラズマCVD法が挙げられる。好ましくは、スパッタリング法である。膜厚ムラの小さい、より均一な成膜が可能となるからである。
上記の反射防止層の厚みは、例えば20nm~300nm程度である。
反射防止層70は、電離放射線硬化性樹脂組成物の硬化層であってもよい。電離放射線硬化性樹脂組成物は、電離放射線硬化性樹脂を含む。電離放射線硬化性樹脂としては、代表的には、熱硬化性樹脂、紫外線硬化性樹脂、光(可視光)硬化性樹脂、電子線硬化性樹脂が挙げられる。例えば、電離放射線硬化性樹脂としては、シリコーン樹脂、ポリエステル樹脂、ポリエーテル樹脂、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、アルキッド樹脂、スピロアセタール樹脂、ポリブタジエン樹脂、ポリチオールポリエン樹脂が挙げられる。また例えば、電離放射線硬化性樹脂は、熱、光(紫外線等)または電子線等により硬化するアクリレート基および/またはメタクリレート基を有する硬化型化合物であり得る。具体例としては、多価アルコールのような多官能化合物のアクリレートおよび/またはメタクリレート等のオリゴマーまたはプレポリマーが挙げられる。電離放射線硬化性樹脂は、単独で用いてもよく2種以上を組み合わせて用いてもよい。電離放射線硬化性樹脂組成物は、目的に応じて、反応性希釈剤、フッ素元素含有添加剤、中空粒子、および/または中実粒子をさらに含んでいてもよい。本実施形態の反射防止層は、代表的には、以下の製造方法により形成され得る:電離放射線硬化性樹脂組成物を希釈溶媒で希釈した反射防止層形成用塗工液を塗工する;塗工膜を乾燥する;および、乾燥した塗工膜を硬化させる。本実施形態の反射防止層の厚みは、例えば0.1μm~50μmであってもよく、また例えば0.3μm~40μmであってもよく、また例えば0.5μm~30μmであってもよく、また例えば1.0μm~20μmであってもよく、また例えば2.0μm~10μmであってもよい。
以下、実施例によって本発明を具体的に説明するが、本発明はこれら実施例によって限定されるものではない。なお、各特性の測定方法は以下の通りである。また、特に明記しない限り、実施例における「%」および「部」は重量基準である。
(1)多孔質層の屈折率
光導波路に多孔質層を形成した後に、50mm×50mmのサイズにカットし、これを粘着層を介してガラス板(厚み:3mm)の表面に貼合した。上記ガラス板の裏面中央部(直径20mm程度)を黒マジックで塗りつぶして、該ガラス板の裏面で反射しないサンプルとした。エリプソメーター(J.A.Woollam Japan社製:VASE)に上記サンプルをセットし、550nmの波長、入射角50~80度の条件で、屈折率を測定した。
光導波路に多孔質層を形成した後に、50mm×50mmのサイズにカットし、これを粘着層を介してガラス板(厚み:3mm)の表面に貼合した。上記ガラス板の裏面中央部(直径20mm程度)を黒マジックで塗りつぶして、該ガラス板の裏面で反射しないサンプルとした。エリプソメーター(J.A.Woollam Japan社製:VASE)に上記サンプルをセットし、550nmの波長、入射角50~80度の条件で、屈折率を測定した。
(2)光導波路保護
(2-1)鉛筆硬度
加重を500gとしたこと以外はJIS K 5400の「鉛筆硬度試験」に基づいて測定した。
(2-2)画像の白ボケ
実施例および比較例で得られた光学部材を介して所定の画像を入射および出射させ、出射画像を目視により観察した。観察画像を参考例1の光導波路単体からの出射画像と比較し、以下の基準で評価した。
○(良好):白っぽさは認められなかった
×(不良):白っぽさが認められた
(2-3)表面汚染耐性
実施例および比較例で得られた光学部材の表面に0.1mlの水滴を滴下した状態で、(2-2)と同様にして出射画像を目視により観察し、以下の基準で評価した。
○(良好):画像の乱れも光漏れも認められなかった
×(不良):画像の乱れおよび/または光漏れが認められた
(2-1)鉛筆硬度
加重を500gとしたこと以外はJIS K 5400の「鉛筆硬度試験」に基づいて測定した。
(2-2)画像の白ボケ
実施例および比較例で得られた光学部材を介して所定の画像を入射および出射させ、出射画像を目視により観察した。観察画像を参考例1の光導波路単体からの出射画像と比較し、以下の基準で評価した。
○(良好):白っぽさは認められなかった
×(不良):白っぽさが認められた
(2-3)表面汚染耐性
実施例および比較例で得られた光学部材の表面に0.1mlの水滴を滴下した状態で、(2-2)と同様にして出射画像を目視により観察し、以下の基準で評価した。
○(良好):画像の乱れも光漏れも認められなかった
×(不良):画像の乱れおよび/または光漏れが認められた
[製造例1]多孔質層形成用塗工液の調製
(1)ケイ素化合物のゲル化
2.2gのジメチルスルホキシド(DMSO)に、ケイ素化合物の前駆体であるメチルトリメトキシシラン(MTMS)を0.95g溶解させて混合液Aを調製した。この混合液Aに、0.01mol/Lのシュウ酸水溶液を0.5g添加し、室温で30分撹拌を行うことでMTMSを加水分解して、トリス(ヒドロキシ)メチルシランを含む混合液Bを生成した。
5.5gのDMSOに、28重量%のアンモニア水0.38g、および純水0.2gを添加した後、さらに、上記混合液Bを追添し、室温で15分撹拌することで、トリス(ヒドロキシ)メチルシランのゲル化を行い、ゲル状ケイ素化合物を含む混合液Cを得た。
(2)熟成処理
上記のように調製したゲル状ケイ素化合物を含む混合液Cを、そのまま、40℃で20時間インキュベートして、熟成処理を行った。
(3)粉砕処理
つぎに、上記のように熟成処理したゲル状ケイ素化合物を、スパチュラを用いて数mm~数cmサイズの顆粒状に砕いた。次いで、混合液Cにイソプロピルアルコール(IPA)を40g添加し、軽く撹拌した後、室温で6時間静置して、ゲル中の溶媒および触媒をデカンテーションした。同様のデカンテーション処理を3回行うことにより、溶媒置換し、混合液Dを得た。次いで、混合液D中のゲル状ケイ素化合物を粉砕処理(高圧メディアレス粉砕)した。粉砕処理(高圧メディアレス粉砕)は、ホモジナイザー(エスエムテー社製、商品名「UH-50」)を使用し、5ccのスクリュー瓶に、混合液D中のゲル状化合物1.85gおよびIPAを1.15g秤量した後、50W、20kHzの条件で2分間の粉砕で行った。
この粉砕処理によって、上記混合液D中のゲル状ケイ素化合物が粉砕されたことにより、混合液Dは、粉砕物のゾル液Eとなった。ゾル液Eに含まれる粉砕物の粒度バラツキを示す体積平均粒子径を、動的光散乱式ナノトラック粒度分析計(日機装社製、UPA-EX150型)にて確認したところ、0.50~0.70であった。さらに、0.75gのゾル液Eに対し、光塩基発生剤(和光純薬工業株式会社:商品名WPBG266)の1.5重量%濃度MEK(メチルエチルケトン)溶液を0.062g、ビス(トリメトキシシリル)エタンの5%濃度MEK溶液を0.036gの比率で添加し、多孔質層形成用塗工液を得た。
(1)ケイ素化合物のゲル化
2.2gのジメチルスルホキシド(DMSO)に、ケイ素化合物の前駆体であるメチルトリメトキシシラン(MTMS)を0.95g溶解させて混合液Aを調製した。この混合液Aに、0.01mol/Lのシュウ酸水溶液を0.5g添加し、室温で30分撹拌を行うことでMTMSを加水分解して、トリス(ヒドロキシ)メチルシランを含む混合液Bを生成した。
5.5gのDMSOに、28重量%のアンモニア水0.38g、および純水0.2gを添加した後、さらに、上記混合液Bを追添し、室温で15分撹拌することで、トリス(ヒドロキシ)メチルシランのゲル化を行い、ゲル状ケイ素化合物を含む混合液Cを得た。
(2)熟成処理
上記のように調製したゲル状ケイ素化合物を含む混合液Cを、そのまま、40℃で20時間インキュベートして、熟成処理を行った。
(3)粉砕処理
つぎに、上記のように熟成処理したゲル状ケイ素化合物を、スパチュラを用いて数mm~数cmサイズの顆粒状に砕いた。次いで、混合液Cにイソプロピルアルコール(IPA)を40g添加し、軽く撹拌した後、室温で6時間静置して、ゲル中の溶媒および触媒をデカンテーションした。同様のデカンテーション処理を3回行うことにより、溶媒置換し、混合液Dを得た。次いで、混合液D中のゲル状ケイ素化合物を粉砕処理(高圧メディアレス粉砕)した。粉砕処理(高圧メディアレス粉砕)は、ホモジナイザー(エスエムテー社製、商品名「UH-50」)を使用し、5ccのスクリュー瓶に、混合液D中のゲル状化合物1.85gおよびIPAを1.15g秤量した後、50W、20kHzの条件で2分間の粉砕で行った。
この粉砕処理によって、上記混合液D中のゲル状ケイ素化合物が粉砕されたことにより、混合液Dは、粉砕物のゾル液Eとなった。ゾル液Eに含まれる粉砕物の粒度バラツキを示す体積平均粒子径を、動的光散乱式ナノトラック粒度分析計(日機装社製、UPA-EX150型)にて確認したところ、0.50~0.70であった。さらに、0.75gのゾル液Eに対し、光塩基発生剤(和光純薬工業株式会社:商品名WPBG266)の1.5重量%濃度MEK(メチルエチルケトン)溶液を0.062g、ビス(トリメトキシシリル)エタンの5%濃度MEK溶液を0.036gの比率で添加し、多孔質層形成用塗工液を得た。
[製造例2]粘着剤層を構成する粘着剤の調製
攪拌羽根、温度計、窒素ガス導入管、冷却器を備えた4つ口フラスコに、ブチルアクリレート90.7部、N-アクリロイルモルホリン6部、アクリル酸3部、2-ヒドロキシブチルアクリレート0.3部、重合開始剤として2,2’-アゾビスイソブチロニトリル0.1重量部を酢酸エチル100gと共に仕込み、緩やかに攪拌しながら窒素ガスを導入して窒素置換した後、フラスコ内の液温を55℃付近に保って8時間重合反応を行い、アクリル系ポリマー溶液を調製した。得られたアクリル系ポリマー溶液の固形分100部に対して、イソシアネート架橋剤(日本ポリウレタン工業社製のコロネートL,トリメチロールプロパンのトリレンジイソシアネートのアダクト体)0.2部、ベンゾイルパーオキサイド(日本油脂社製のナイパーBMT)0.3部、γ-グリシドキシプロピルメトキシシラン(信越化学工業社製:KBM-403)0.2部を配合したアクリル系粘着剤溶液を調製した。次いで、上記アクリル系粘着剤溶液を、シリコーン処理を施したポリエチレンテレフタレート(PET)フィルム(三菱化学ポリエステルフィルム社製、厚さ:38μm)の片面に、乾燥後の粘着剤層の厚さが20μmになるように塗布し、150℃で3分間乾燥を行い、粘着剤層を形成した。得られた粘着剤の貯蔵弾性率は、1.0×105(Pa)であった。
攪拌羽根、温度計、窒素ガス導入管、冷却器を備えた4つ口フラスコに、ブチルアクリレート90.7部、N-アクリロイルモルホリン6部、アクリル酸3部、2-ヒドロキシブチルアクリレート0.3部、重合開始剤として2,2’-アゾビスイソブチロニトリル0.1重量部を酢酸エチル100gと共に仕込み、緩やかに攪拌しながら窒素ガスを導入して窒素置換した後、フラスコ内の液温を55℃付近に保って8時間重合反応を行い、アクリル系ポリマー溶液を調製した。得られたアクリル系ポリマー溶液の固形分100部に対して、イソシアネート架橋剤(日本ポリウレタン工業社製のコロネートL,トリメチロールプロパンのトリレンジイソシアネートのアダクト体)0.2部、ベンゾイルパーオキサイド(日本油脂社製のナイパーBMT)0.3部、γ-グリシドキシプロピルメトキシシラン(信越化学工業社製:KBM-403)0.2部を配合したアクリル系粘着剤溶液を調製した。次いで、上記アクリル系粘着剤溶液を、シリコーン処理を施したポリエチレンテレフタレート(PET)フィルム(三菱化学ポリエステルフィルム社製、厚さ:38μm)の片面に、乾燥後の粘着剤層の厚さが20μmになるように塗布し、150℃で3分間乾燥を行い、粘着剤層を形成した。得られた粘着剤の貯蔵弾性率は、1.0×105(Pa)であった。
[実施例1]
市販のARグラス(Vuzix社製、製品名「M4000」)から光導波路を取り出した。光導波路の厚みは1.05mmであった。さらに、光導波路には回折格子(凹凸光学素子)が形成されていた。この光導波路の両面に、製造例1で調製した多孔質層形成用塗工液を塗工した。塗工膜を、温度100℃で1分処理して乾燥し、多孔質層(厚み1.2μm)を形成した。得られた多孔質層の空隙率は60体積%であり、屈折率は1.18であった。次に、それぞれの多孔質層表面に製造例2で形成した粘着剤層(厚み10μm、貯蔵弾性率1.3×105Pa)を転写した。さらに、それぞれの粘着剤層の表面に、保護層としてのPETフィルム(三菱化学ポリエステルフィルム社製、厚み50μm、弾性率4.0GPa)を積層した。このようにして、光学部材を作製した。得られた光学部材を上記評価に供した。結果を表1に示す。
市販のARグラス(Vuzix社製、製品名「M4000」)から光導波路を取り出した。光導波路の厚みは1.05mmであった。さらに、光導波路には回折格子(凹凸光学素子)が形成されていた。この光導波路の両面に、製造例1で調製した多孔質層形成用塗工液を塗工した。塗工膜を、温度100℃で1分処理して乾燥し、多孔質層(厚み1.2μm)を形成した。得られた多孔質層の空隙率は60体積%であり、屈折率は1.18であった。次に、それぞれの多孔質層表面に製造例2で形成した粘着剤層(厚み10μm、貯蔵弾性率1.3×105Pa)を転写した。さらに、それぞれの粘着剤層の表面に、保護層としてのPETフィルム(三菱化学ポリエステルフィルム社製、厚み50μm、弾性率4.0GPa)を積層した。このようにして、光学部材を作製した。得られた光学部材を上記評価に供した。結果を表1に示す。
[実施例2]
それぞれの保護層としてPETフィルムの代わりにトリアセチルセルロース(TAC)フィルム(厚み80μm、弾性率3.0GPa)を用いたこと以外は実施例1と同様にして光学部材を作製した。得られた光学部材を実施例1と同様の評価に供した。結果を表1に示す。
それぞれの保護層としてPETフィルムの代わりにトリアセチルセルロース(TAC)フィルム(厚み80μm、弾性率3.0GPa)を用いたこと以外は実施例1と同様にして光学部材を作製した。得られた光学部材を実施例1と同様の評価に供した。結果を表1に示す。
[比較例1]
粘着剤層および保護層を形成しなかったこと以外は実施例1と同様にして光学部材を作製した。得られた光学部材を実施例1と同様の評価に供した。結果を表1に示す。
粘着剤層および保護層を形成しなかったこと以外は実施例1と同様にして光学部材を作製した。得られた光学部材を実施例1と同様の評価に供した。結果を表1に示す。
[比較例2]
多孔質層を形成しなかったこと以外は実施例1と同様にして光学部材を作製した。得られた光学部材を実施例1と同様の評価に供した。結果を表1に示す。
多孔質層を形成しなかったこと以外は実施例1と同様にして光学部材を作製した。得られた光学部材を実施例1と同様の評価に供した。結果を表1に示す。
[参考例1]
光導波路単体を光学部材として実施例1と同様の評価に供した。結果を表1に示す。
光導波路単体を光学部材として実施例1と同様の評価に供した。結果を表1に示す。
[実施例3~7]
粘着剤層の厚み、保護層の厚みおよび保護層のヤング率を表1のように変更したこと以外は実施例1と同様にして光学部材を作製した。得られた光学部材を実施例1と同様の評価に供した。結果を表1に示す。
粘着剤層の厚み、保護層の厚みおよび保護層のヤング率を表1のように変更したこと以外は実施例1と同様にして光学部材を作製した。得られた光学部材を実施例1と同様の評価に供した。結果を表1に示す。
表1から明らかなように、本発明の実施例によれば、表面の汚染を抑制し、白ボケおよび光漏れが抑制された出射画像を実現し得る光学部材が得られることがわかる。さらに、実施例の光学部材は総厚みが約1.2mmであり、顕著な薄型化(結果として、顕著な軽量化)が実現されている。
本発明の実施形態による光学部材は、ARグラスおよびHMDに好適に用いられ得る。
10 光導波路
10a 第1主面
10b 第2主面
20a 凹凸光学素子
20b 凹凸光学素子
30 多孔質層
40 粘着剤層
50 保護層
60 ハードコート層
70 反射防止層
100 光学部材
101 光学部材
102 光学部材
10a 第1主面
10b 第2主面
20a 凹凸光学素子
20b 凹凸光学素子
30 多孔質層
40 粘着剤層
50 保護層
60 ハードコート層
70 反射防止層
100 光学部材
101 光学部材
102 光学部材
Claims (11)
- 第1主面および第2主面を有する光導波路と;
該第1主面および該第2主面の少なくとも1つの主面に設けられた、凹凸構造を有する光学素子と;
少なくとも該光導波路の該光学素子が設けられた主面に設けられた多孔質層と;
該多孔質層の該光導波路と反対側に設けられた、厚みが3μm以上である粘着剤層と;
を有する、光学部材。 - 前記多孔質層の屈折率が1.20以下である、請求項1に記載の光学部材。
- 前記多孔質層の厚みが5μm以下である、請求項1または2に記載の光学部材。
- 前記多孔質層のヘイズが5%未満である、請求項1から3のいずれかに記載の光学部材。
- 前記粘着剤層の貯蔵弾性率が0.2×105(Pa)以上である、請求項1から4のいずれかに記載の光学部材。
- 前記粘着剤層の外側に、厚みが20μm以上である樹脂フィルムで構成された保護層をさらに有する、請求項1から5のいずれかに記載の光学部材。
- 前記保護層のヤング率が2GPa以上である、請求項6に記載の光学部材。
- 前記保護層の外側にハードコート層をさらに有する、請求項6または7に記載の光学部材。
- 前記ハードコート層の外側に反射防止層をさらに有する、請求項8に記載の光学部材。
- 請求項1から9のいずれかに記載の光学部材を含む、ARグラス。
- 請求項1から9のいずれかに記載の光学部材を含む、ヘッドマウントディスプレイ。
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-
2023
- 2023-02-27 WO PCT/JP2023/007137 patent/WO2023163185A1/ja unknown
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