JP7780134B2

JP7780134B2 - 導光板

Info

Publication number: JP7780134B2
Application number: JP2024195560A
Authority: JP
Inventors: 聡子此下
Original assignee: Nippon Electric Glass Co Ltd
Current assignee: Nippon Electric Glass Co Ltd
Priority date: 2020-12-21
Filing date: 2024-11-08
Publication date: 2025-12-04
Anticipated expiration: 2040-12-21
Also published as: JP2025013602A; JP7594238B2; DE112021006585T5; CN116583767A; WO2022138326A1; JP2022097824A; US20240103226A1

Description

本発明は、ＡＲ（拡張現実）／ＭＲ（複合現実）用ウェアラブルデバイス等のメガネ型デバイスに使用される導光板に関する。

近年、ＡＲ／ＭＲ用ウェアラブルデバイス等のメガネ型デバイスが開発されている。当該メガネ型デバイスは、外部の景色を見ながらメガネ部分の導光板に表示される映像を見ることができる、シースルー型のデバイスである。このようなシースルー型デバイスでは、ユーザーの左右の瞳に対応する導光板に異なる映像を表示することで３Ｄ表示を実現したり、瞳の水晶体を利用して網膜に像を結合させることで、ユーザーの網膜に直接映像を投射したりすることもできる。

導光板を用いた映像の表示方法としては、導光板上の入射側表面に形成された回折格子により、画像表示素子から発せられたコリメート光やレーザー光を導光板内部に入射させ、その入射した光を導光板内部で全反射させながら導波し、出射側表面に形成された回折格子で光を外部に取り出し、ユーザーの瞳に入射させるというものがある。導光板として、高屈折率で剛性に優れるガラス板の表面を樹脂でコーティングした後に、ナノインプリントにより高精細な回折格子を形成したものが提案されている（例えば特許文献１参照）。

特開２０２０－８５９９号公報

樹脂でコーティングしたガラス板からなる導光板をＡＲ／ＭＲ用ウェアラブルデバイス等のメガネ型デバイスに使用した場合、画像を色再現性良く投影できない場合がある。

以上に鑑み、本発明は、ＡＲ／ＭＲ用ウェアラブルデバイス等のメガネ型デバイスの導光板として使用した場合に、画像の色再現性を高めることが可能な導光板を提供することを目的とする。

本発明の導光板は、ガラス板と、ガラス板の主面に形成された樹脂層と、を備えた導光板であって、ガラス板及び樹脂層のアッベ数νｄの差が１０未満であり、ガラス板及び樹脂層の屈折率ｎｄが１．７以上、かつ、差が１．０以下であることを特徴とする。

本発明の導光板はガラス板と樹脂層を備え、それぞれが各材質に応じた屈折率を有している。ここで、ガラス板と樹脂層の屈折率差が小さいと、両者の界面での光散乱を抑制することができる。ただし、各材料の屈折率には波長依存性があるため、波長によって屈折率差が異なる場合がある。例えばある波長ではガラス板と樹脂層の屈折率差が小さく、両者の界面での光散乱を抑制することができたとしても、別の波長ではガラス板と樹脂層の屈折率差が大きく、両者の界面での光散乱が大きくなる場合がある。そこで、本発明者は屈折率波長依存性の指標となるアッベ数νｄに着目し、ガラス板と樹脂層のアッベ数νｄの差を上記の通り小さくすることにより、前記課題を解決できることを見出した。具体的には、ガラス板と樹脂層のアッベ数νｄの差を小さくすれば、両者の屈折率波長依存性曲線の傾きの差が小さくなるため、各波長での屈折率差のばらつきが小さくなり、その結果として各波長での両者の界面での光散乱を抑制することができる。それにより、画像の色再現性を高めることができる。
また本発明の導光板は、ガラス板と樹脂層の屈折率ｎｄの差が１．０以下であるため、ガラス板と樹脂層の屈折率差が小さくなって、両者の界面での光散乱ロスが生じ難くなる。

本発明の導光板は、ガラス板の厚みが０．１～１ｍｍ、樹脂層の厚みが１μｍ以下であることが好ましい。導光板に入射した光は、主にガラス板と樹脂層の界面での屈折率差により生じる光散乱によるロスと、ガラス板や樹脂層内部での吸収によるロスにより強度が低下する。ガラス板や樹脂層の厚みが小さい場合、その内部での吸収ロスが小さくなり、ガラス板と樹脂層の界面での光散乱ロスの影響が相対的に大きくなる傾向がある。従って、ガラス板や樹脂層の厚みが上記の通り小さい場合は、本発明の効果を享受しやすくなる。

本発明の導光板は、ガラス板の厚み１０ｍｍでの波長４５０～６５０ｎｍにおける内部透過率が７０％以上であることが好ましい。このようにすれば、光がガラス板内部を導波する際の吸収ロスが小さくなり、出射光強度を高めることができる。

本発明の導光板は、波長４５０ｎｍと６５０ｎｍにおける外部透過率の差が５％以下であることが好ましい。このようにすれば、導光板からの光出射強度の波長に応じたばらつきが小さくなり、画像の色再現性が向上しやすくなる。

本発明の導光板は、ガラス板の主面の表面粗さＲａが５ｎｍ以下であることが好ましい。このようにすれば、光がガラス板の主面間を反射して導波する際に、ガラス板の主面における光散乱ロスを抑制でき、出射光強度を高めることができる。

本発明の導光板は、樹脂層の表面に凹凸構造が形成されていることが好ましい。このようにすれば、樹脂層が回折格子として機能し、外部からの光をガラス板内部に入射させたり、ガラス板内部の光を外部に出射させることができる。

本発明の導光板は、樹脂層が光硬化樹脂からなることが好ましい。このようにすれば、ナノオーダーの形状を有する凹凸構造を容易に得ることができる。

本発明のＡＲ／ＭＲ用ウェアラブルデバイスは、上記いずれかの導光板を備えてなることを特徴とする。

本発明によれば、ＡＲ／ＭＲ用ウェアラブルデバイス等のメガネ型デバイスの導光板として使用した場合に、画像の色再現性が高めることが可能な導光板を提供することができる。

本発明の導光板の一実施形態を示す模式的断面図である。実施例２の導光板及びガラス板の透過率曲線を示すグラフである。

以下、本発明の導光板の実施形態を図面を用いて説明する。

図１は本発明の導光板の一実施形態を示す模式的断面図である。導光板１０は、ガラス板１と樹脂層２を備えている。樹脂層２は樹脂層２ａ及び２ｂから構成されており、それぞれガラス板１の一方の主面に形成されている。具体的には、樹脂層２ａはガラス板１の光入射部の表面に形成され、樹脂層２ｂはガラス板１の光出射部の表面に形成されている。樹脂層２ａ及び２ｂの表面には凹凸構造が形成されており、それにより回折格子として機能する。

図示しない画像表示素子から出射された光は、入射光Ｌ_１として導光板１０に入射する。入射光Ｌ_１は樹脂層２ａにより回折されてガラス板１内部に入射する。入射光Ｌ_１はガラス板１の両主面間で全反射しながらガラス板１内部を光出射部まで導波する。入射光Ｌ_１は、光出射部に形成された樹脂層２ｂにより回折されて、出射光Ｌ_２としてガラス板１外部に出射され、人間の瞳に入射する。このようにして、画像表示素子から投射された映像を見ることができる。また、導光板１自体は透明でシースルー型であるため、導光板１を通して外部の景色も同時に見ることができる。なお、入射光Ｌ_１及び出射光Ｌ_２は可視光であり、例えば波長４００～８００ｎｍ範囲の光である。

（ガラス板１）
ガラス板１の屈折率（ｎｄ）は１．７以上であり、１．８以上、１．９以上、１．９５以上、特に１．９８以上であることが好ましい。一方、ガラス板１の屈折率の上限は２．１以下、２．０５以下、２．０３以下、特に２．０１以下であることが好ましい。ガラス板１の屈折率が低すぎると、ＡＲ／ＭＲ用ウェアラブルデバイス等の導光板として使用した場合に、視野角（ＦＯＶ）が狭くなる傾向がある。一方、屈折率が高すぎると、失透や脈理等の欠陥が発生し、内部透過率が低下しやすくなる。

光学ガラス１のアッベ数は特に限定されないが、屈折率１．７以上の樹脂の多くのアッベ数は３０以下であるため、樹脂層２とのアッベ数差を小さくする観点から、光学ガラス１のアッベ数の下限は２０以上、２２以上、特に２５以上であることが好ましく、上限は３０以下、特に２８以下であることが好ましい。

ガラス板１の厚みは０．１ｍｍ以上、０．１５ｍｍ以上、特に０．２ｍｍ以上であることが好ましく、１ｍｍ以下、０．５ｍｍ以下、０．４ｍｍ以下、特に０．３ｍｍ以下であることが好ましい。ガラス板１の厚みが小さすぎると機械的強度が低下しやすくなる。一方、ガラス板１の厚みが大きすぎると、ガラス板１を使用したウェアラブルデバイスの重量が大きくなり、デバイス装着時の不快感が増す傾向がある。

ガラス板１の主面の長径（矩形の場合は対角線）の長さは１００ｍｍ以下、８０ｍｍ以下、特に５０ｍｍ以下であることが好ましい。このようにすれば、ウェアラブルデバイスの小型化が可能となる。下限は特に限定されないが、現実的には１０ｍｍ以上、特に３００ｍｍ以上である。

なお、ガラス板１がコンパクトになる（厚みや長径が小さくなる）ほど、ガラス板１内部で光が導波する際の光路長が短くなって内部吸収ロスが小さくなり、ガラス板１と樹脂層２の界面での光散乱ロスの影響が相対的に大きくなる傾向がある。従って、ガラス板１の厚みが上記の通り小さい場合は、本発明の効果を享受しやすくなる。

ガラス板１の厚み１０ｍｍでの波長４５０～６５０ｎｍにおける内部透過率は７０％以上、８０％以上、９０％以上、特に９５％以上であることが好ましい。このようにすれば、光がガラス板１内部を導波する際の吸収ロスが抑制でき、出射光強度を高めることができる。

ガラス板１の第１の主面１ａ及び第２の主面１ｂの表面粗さＲａは５ｎｍ以下、３ｎｍ以下、特に２ｎｍ以下であることが好ましい。ガラス板１の第１の主面１ａ及び第２の主面１ｂの表面粗さＲａが大きすぎると、ガラス板１内部に入射した光が全反射を繰り返して導波する際に散乱損失が生じやすく、明るく鮮明な画像を得にくくなる。ガラス板１の第１の主面１ａ及び第２の主面１ｂの表面粗さＲａの下限は特に限定されないが、現実的には０．１ｎｍ以上である。

ガラス板１の第１の主面１ａ及び第２の主面１ｂの距離の最大値と最小値の差（ＴＴＶ＝Total Thickness Variation）は５μｍ以下、３μｍ以下、特に１μｍ以下であることが好ましい。ＴＴＶが大きすぎると、ガラス板１内部に入射した各波長の光が、ガラス板１内部を正確に導波しにくくなり、得られる画像の鮮明度が低下しやすくなる。

ガラス板１は、ガラス組成として、ガラス化の安定性を向上させる成分であるＳｉＯ_２やＢ_２Ｏ_３、屈折率を高める成分であるＬａ_２Ｏ_３やＮｂ_２Ｏ_５を含有することが好ましい。これらの成分を含有することにより、高屈折率かつ量産性に優れたガラスを得やすくなる。

以下に、各成分の好ましい範囲について説明する。なお以下の説明において、特に断りのない限り、「％」は「質量％」を意味する。

ＳｉＯ_２はガラス化に有効であるが、屈折率を大きく低下させる成分である。従って、ＳｉＯ_２の含有量は１～４５％、特に３～３５％であることが好ましい。

Ｂ_２Ｏ_３はガラス化に有効であるが、アッベ数を高める成分であるため、その含有量が多すぎると所望のアッベ数（例えば３０以下）を得にくくなる。よって、Ｂ_２Ｏ_３の含有量は１０％以下、特に９．５％以下であることが好ましい。下限は特に限定されないが、ガラス化の安定性を高めるためには、１％以上、特に２％以上であることが好ましい。

なおＳｉＯ_２＋Ｂ_２Ｏ_３の含有量は１～５５％、特に５～４０％であることが好ましい。なお本明細書において、「ｘ＋ｙ＋・・・」は各成分の合量を意味する。

Ｌａ_２Ｏ_３は屈折率を顕著に高め、またガラス化の安定性を向上させる成分である。Ｌａ_２Ｏ_３の含有量は０～６０％、１０～５５％、２０～５２％、特に３０～５０％であることが好ましい。Ｌａ_２Ｏ_３の含有量が多すぎると、耐失透性が低下して量産性に劣る傾向がある。

Ｎｂ_２Ｏ_５は屈折率を顕著に高める成分である。またアッベ数を低下させる効果がある。Ｎｂ_２Ｏ_５の含有量は０～４０％、３～４０％、特に５～３９％であることが好ましい。

なおＬａ_２Ｏ_３＋Ｎｂ_２Ｏ_５の含有量は２０～７０％、特に３０～６５％であることが好ましい。

その他、Ｌａ_２Ｏ_３やＮｂ_２Ｏ_５の他に屈折率を高める成分としてＧｄ_２Ｏ_３、Ｙ_２Ｏ_３またはＹｂ_２Ｏ_３を含有させることができる。

Ｇｄ_２Ｏ_３はＬａ_２Ｏ_３同様にガラス中に高含有させることができるが、多すぎるとガラス密度が大きくなる。また失透しやすくなる。従って、Ｇｄ_２Ｏ_３の含有量は０～２０％、特に１～１０％であることが好ましい。

Ｙ_２Ｏ_３及びＹｂ_２Ｏ_３の含有量は各々０～１０％、特に０．１～８％であることが好ましい。これらの成分の含有量が多すぎると失透しやすくなる。

Ｌｎ_２Ｏ_３（ＬｎはＬａ、Ｇｄ、Ｙ及びＹｂから選択される少なくとも１種）の含有量を多くすることで所望の高屈折率（例えば１．７以上、１．８以上、さらには１．９以上）を達成しやすくなる。ただし、Ｌｎ_２Ｏ_３の含有量が多すぎると失透しやすくなる。従って、Ｌｎ_２Ｏ_３の含有量は４０～６５％、４５～６３％、特に４８～６０％であることが好ましい。

上記成分以外にも、屈折率向上に寄与するＴｉＯ_２やＺｒＯ_２を含有していることが好ましい。

ＴｉＯ_２は屈折率を高め、アッベ数を低下させる成分である。ＴｉＯ_２の含有量は５～４０％、特に１０～３０％であることが好ましい。ＴｉＯ_２の含有量が少なすぎると、上記効果を得にくくなる。一方、ＴｉＯ_２の含有量が多すぎると、透過率が低下したり、ガラス化が不安定になる。

ＺｒＯ_２も屈折率を高め、アッベ数を低下させる成分である。ＺｒＯ_２の含有量は１～１０％、特に３～８％であることが好ましい。ＺｒＯ_２の含有量が少なすぎると、上記効果を得にくくなる。一方、ＺｒＯ_２の含有量が多すぎると、透過率が低下したり、ガラス化が不安定になる。

その他に、ガラス化安定性向上を目的として、アルカリ金属成分（Ｌｉ_２Ｏ、Ｎａ_２ＯまたはＫ_２Ｏ）、アルカリ土類金属成分（ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯまたはＢａＯ）またはＺｎＯを合量で０～３０％含有させることができる。なおアルカリ金属成分は屈折率やアッベ数の調整を目的に含有させることができる。具体的には、アルカリ金属成分は屈折率及びアッベ数を低下させる傾向がある。アルカリ成分の含有量は０～２０％であることが好ましい。

Ｓｂ_２Ｏ_３は清澄や透過率向上を目的として０．１％以下の範囲で含有させることができる。

Ａｓ成分（Ａｓ_２Ｏ_３等）、Ｐｂ成分（ＰｂＯ等）及びフッ素成分（Ｆ_２等）は環境負荷が大きいため実質的に含有しないことが好ましい。またＢｉ_２Ｏ_３及びＴｅＯ_２は着色成分であり、可視域の透過率が低下しやすくなるため、実質的に含有しないことが好ましい。ここで「実質的に含有しない」とは、意図的に原料として含有させないことを意味し、不可避的不純物の混入を排除するものではない。客観的には、上記各成分の含有量が０．１％未満であることを意味する。

ガラス板１は複数枚積層させて積層体として使用してもよい。このようにすればガラス板１をウェアラブルデバイスの導光板として使用した場合に、表示画面の奥行方向に映像を重ねて投影することが可能になり、３Ｄ映像を得ることができる。積層枚数は３枚以上、特に６枚以上であることが好ましい。

（樹脂層２）
樹脂層２の屈折率（ｎｄ）は１．７以上であり、１．８以上、１．９以上、１．９５以上、特に１．９８以上であることが好ましい。一方、樹脂層２の屈折率の上限は２．１以下、２．０５以下、２．０３以下、特に２．０１以下であることが好ましい。このようにすれば、ガラス板１との屈折率差が小さくなって、ガラス板１と樹脂層２の界面での光散乱ロスが生じ難くなる。

ガラス板１と樹脂層２の屈折率（ｎｄ）の差は１．０以下であり、０．５以下、０．３以下、０．２以下、特に０．１５以下であることが好ましい。このようにすれば、ガラス板１との屈折率差が小さくなって、ガラス板１と樹脂層２の界面での光散乱ロスが生じ難くなる。

樹脂層２のアッベ数は、光学ガラス１とのアッベ数差を考慮し、例えば、下限は１０以上、１５以上、２０以上、特に２５以上であることが好ましく、上限は４５以下、４０以下、３５以下、特に３０以下であることが好ましい。

ガラス板１及び樹脂層２のアッベ数（νｄ）の差は１０未満であり、８以下、５以下、特に３以下であることが好ましい。このようにすれば、上述した理由により、各波長においてガラス板１及び樹脂層２の界面での光散乱を抑制することができ、画像の色再現性を高めることができる。

なお画像の色再現性の指標として、例えばガラス板１と樹脂層２の積層体である導光板１０の波長４５０ｎｍと６５０ｎｍにおける外部透過率（反射損失を含む透過率）の差が挙げられる。導光板１０の波長４５０ｎｍと６５０ｎｍにおける外部透過率の差は、５％以下、４％以下、３％以下、特に２．５％以下であることが好ましい。このようにすれば、導光板１０からの光出射強度の波長に応じたばらつきが小さくなり、画像の色再現性が向上しやすくなる。

樹脂層２の厚みは５μｍ以下、１μｍ以下、特に０．５μｍ以下であることが好ましい。樹脂層２の厚みが大きすぎると光吸収が大きくなって、導光板１０からの出射光強度が低下しやすくなる。樹脂層２の厚みの下限は特に限定されないが、表面に所望の凹凸構造を形成するためには０．０１μｍ以上、特に０．１μｍ以上であることが好ましい。なお樹脂層２の厚みが小さいほど、樹脂層２内部での吸収ロスが小さくなり、ガラス板１と樹脂層２の界面での光散乱ロスの影響が相対的に大きくなる傾向がある。従って、樹脂層２の厚みが上記の通り小さい場合は、本発明の効果を享受しやすくなる。

樹脂層２の表面に凹凸構造を形成する場合、その高さは所望の回折能が得られるように適宜設定すればよい。例えば、凹凸構造の高さは０．０１～０．２μｍ、さらには０．０３～０．１μｍとすることができる。

樹脂層２は光硬化性樹脂であることが好ましい。このようにすれば、ナノオーダーの形状を有する凹凸構造を容易に得ることができる。

以下、実施例に基づき本発明を説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。

表１は本発明の実施例（Ｎｏ．１～３）及び比較例（Ｎｏ．４）を示す。また表２は実施例及び比較例で使用したガラス板の組成を示す。

本実施例では、表１及び２に記載の特性や組成を有する、ガラス板の表面に樹脂層が形成された導光板について、波長に応じた外部透過率の差を評価した。具体的には、導光板の４５０ｎｍと６５０ｎｍの各波長における外部透過率の差を測定した。ガラス板は、表２に記載の組成となるように原料を調合し、大気中で白金るつぼを用いて１２５０～１４００℃で溶融、鋳込みすることによりガラス成形体を得た後、当該ガラス成形体を切断及び研磨することにより作製した。樹脂層を構成する樹脂としては、屈折率１．７１～２．１０、アッベ数２４～３６、内部透過率９９％であるものを用いた。なお、図２に実施例２の導光板の外部透過率曲線を示す。図２には、参考までに実施例２で使用したガラス板の外部透過率曲線も併せて示している。

ガラス板の表面粗さＲａは、Ｂｒｕｋｅｒ社製のＡＦＭＤｉｍｅｎｓｉｏｎＩｃｏｎを用い、１０μｍのスキャンサイズ、１Ｈｚのスキャン速度で測定した。

ガラス板の屈折率は以下のようにして測定した。厚み０．３ｍｍのガラス板を直角切断または直角研磨し、切断面または研磨面を＃１０００の研磨紙で鏡面研磨した後に、屈折率１．７８の屈折率整合浸液（カルニュー）で上記ガラス板２枚を貼り合わせ、島津製作所製のＫＰＲ－２０００を用いて測定した。また、得られたｄ線、Ｃ線、Ｆ線の各波長の屈折率からアッベ数を算出した。

ガラス板の内部透過率は以下のように測定した。上述の方法により作製したガラス成形体から１０×１０ｍｍ以上のサイズで厚み１０ｍｍのガラス板と厚み３ｍｍのガラス板を作製し、それらを＃１０００の研磨紙またはセリウム研磨粉で鏡面研磨した。これらのガラス板について、島津製作所製のＵＶ－３１００を用いて測定することにより得られた透過率から反射損失の含まない内部透過率を求めた。

樹脂の屈折率は、大塚電子製のエリプソメーターＥＦ－５０００を用いて測定した。また、得られたｄ線、Ｃ線、Ｆ線の各波長の屈折率からアッベ数を算出した。

ガラス板の表面に樹脂層が形成されてなる導光板の透過率は、島津製作所製のＵＶ－３１００を用いて測定した。

表１に示す通り、実施例であるＮｏ．１～３の導光板は、ガラス板と樹脂層のアッベ数差が８以下と小さく、４５０ｎｍ及び６５０ｎｍの各波長における透過率の差が２％と小さかった。そのため、ＡＲ／ＭＲ用ウェアラブルデバイス用の導光板として使用した際の色再現性が高いと考えられる。一方、比較例であるＮｏ．４の導光板は、ガラス板と樹脂層のアッベ数差が１１と大きく、４５０ｎｍ及び６５０ｎｍの各波長における透過率の差が７％と大きくなった。そのため、ＡＲ／ＭＲ用ウェアラブルデバイス用の導光板として使用した際の色再現性に劣ると考えられる。

Claims

ガラス板と、ガラス板の主面に形成された樹脂層と、を備えた導光板であって、
ガラス板及び樹脂層のアッベ数νｄの差が１０未満であり、
ガラス板は、質量％で、Ｌｉ _２Ｏ０～２％、Ｂ _２Ｏ _３０～１０％を含有し、
ガラス板及び樹脂層の屈折率ｎｄが１．７以上、かつ、差が１．０以下であることを特徴とする導光板。
ガラス板の厚みが０．１～１ｍｍ、樹脂層の厚みが１μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の導光板。
ガラス板の厚み１０ｍｍでの波長４５０～６５０ｎｍにおける内部透過率が７０％以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の導光板。
波長４５０ｎｍと６５０ｎｍにおける外部透過率の差が５％以下であることを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載の導光板。
ガラス板の主面の表面粗さＲａが５ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１～４のいずれか一項に記載の導光板。
樹脂層の表面に凹凸構造が形成されていることを特徴とする請求項１～５のいずれか一項に記載の導光板。
樹脂層が光硬化樹脂からなることを特徴とする請求項１～６のいずれか一項に記載の導光板。
請求項１～７のいずれか一項に記載された導光板を備えてなることを特徴とするＡＲ／ＭＲ用ウェアラブルデバイス。