JP2015532724A - 導光板表面構造、その応用及び製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、曲げ外表面が光学的に平滑な表面であり、表面粗さ輪郭の算術平均偏差が導光板内の動作光線の最短波長の１／８より大きくない凸凹構造を含む導光板表面構造、その応用及び製造方法に関する。このような表面構造を使用した導光板は、典型的な平板導光板表面の鏡面反射光を克服するために、導光板内において全反射導光を実現できると共に、導光板外表面に乱反射類似の効果があるように見え、本発明は更にこのような表面を使用した導光板と応用製品を提供し、本発明は更にこのような表面構造の製造方法を提供する。

Description

本発明は導光体に関し、より具体的に言えば、導光板表面構造、このような構造を採用した導光板及び応用製品、並びにこのような表面構造の製造方法に関する。

導光体は、媒質内表面の全反射を利用して光を媒質内で極めて低い反射損失で伝送する光学素子である。一般的に言えば、導光体には平面導光体と繊維導光体という２種の構造がある。典型的な平面導光体は平板導光板であり、単に導光板と称されている。最も簡単な導光板は真空又は空気中の平板ガラスである。

導光板内で伝送する光線に関しては、全反射条件を満たしている場合、光線は導光板内で反射損失がほとんどない全反射方式によって伝送される。全反射の条件は、光の伝送方向と導光板内表面の法線方向の夾角である入射角が導光板材料と周辺媒質の屈折率の比率による全反射角より大きいようになっている。全反射条件を満たしている光線は、導光板表面から射出せずに鋸歯状の伝播経路で二表面によって絶え間なく導光板内部へ全反射し戻る。理想的な場合に、外部から導光板の表面を観察すれば発光している表面でない。

近年、典型的な導光板を基礎とする発光黒板が出てきた。発光黒板は、平板導光板の全反射導光能力を利用して光源の発光した光を導光板全体の内部に伝送する。板面に筆跡が書かれていない場合に、光は黒板表面から射出せずに平滑な表面によって全反射されて導光板内に限られる。塗料（例えば、高い屈折率の二酸化チタン微細粉末を樹脂溶液に分散させて調製された塗料）を用いて発光黒板の表面に書く場合に、元の導光板表面と空気の界面が塗料コート層に取って代わられ、元に全反射を起こす光線はコート層に入ってコート層において二酸化チタン粒子に会って乱屈折、乱反射を起こし、一部がコート層を透過して導光板から射出する。観察者は光線が筆跡層から射出して筆跡が発光するようで、一定の輝度を有することが見える。

典型的な導光板を技術基礎とする一般の発光黒板において、その表面は平滑な鏡面となり、内部で伝送する光に全反射条件を提供すると同時に、外部の光を鏡面発光させる。鏡面反射光によって、窓、蛍光灯等を含む周囲の景物は、板面に明らかな反射鏡像を形成し、一部の鏡像にグレア反射光がある。明らかな反射光鏡像は黒板表面に書かれた筆跡と混在して、観察者による板書内容の視覚識別にひどく干渉してしまう。このような明らかな反射光鏡像による視覚識別への干渉を鏡面反射光干渉と称する。

鏡像の明晰度が高いほど、輝度が高く、視覚識別への干渉がひどい。

鏡面反射光はユーザが一般の発光黒板における板書内容を識別することに酷く干渉して、使用上の快適さを悪くした。長時間使用すれば観察者の視覚に眼精疲労等の悪影響、更に眩暈等のひどい影響を与えてしまう。例えば、中国特許出願２００７２０００１０７２．３には、光学レベルのＰＭＭＡ板を導光板とする発光黒板が開示されている。中国特許出願２００７２０１７１６１０．３には、透明パネルを導光素子とする電子発光板が開示されている。これらの出願は共に典型的な平板導光板を基礎とする、表面に鏡面反射光干渉が存在する一般の発光黒板である。鏡面反射光干渉は一般の発光黒板の教学分野への応用を妨げている。一般の発光黒板は、提出当初から今まで２０年に近い期間において、一定の規模の広告宣伝用発光黒板としての市場が形成されたが、ずっと教育分野に応用不可能となり、教室に応用不可能となる。

ある表面の鏡面反射光を低減し又は解消するために、技術的に採用可能な方法として、表面反射係数を低下させる方法及び粗い乱反射表面を採用する方法がある。このような２種の方法はいずれであってもテレビスクリーンの反射光防止分野への特許と応用が多い。

表面反射係数を低下させる方法は一般に表面に反射低減膜を真空蒸着する手法で実現される。このような方法はコストが高く、反射低減膜が弱くて損壊しやすいことに加えて表面の軽い汚染によって失効しやすく、発光黒板導光板分野へ応用することに適しない。

粗い乱反射表面は大量に例えば液晶ディスプレイのグレア防止膜の表面に応用されて、粗い表面の乱反射効果によって鏡面反射光解消とグレア防止という目的を達成する。しかしながら、導光板表面を粗い乱反射表面にする場合、導光板内で伝送する光は粗い表面で乱反射と乱屈折を起こして大量に粗い部位から導光板を射出して、粗い部位が発光しているように見える。この現象は大量に発光指示板とバックライト光源に応用されている。中国特許出願２００３１０１０９４０７．Ｘには、透明平板導光板の表面にサンドブラスティング、化学腐食等の方式によって表面が粗いパターンが形成され、粗いパターン領域において光線が乱反射によって導光板を透過して、パターンが発光しているように見えることになるが、他の平滑な表面から光が射出せず、鮮明な対比が形成される透明材料光電表示装置は開示されている。液晶テレビ等のバックライト光源の分野においても乱反射面が導光板の発光表面とされており、製造プロセスに型プレス、印刷、エッチング等の多種の成型方式があり、その特許が数えきれない。

粗い表面を導光板表面に応用する場合、導光板の全反射条件が破壊されて光が粗い部位から導光板を射出して、粗い部位が発光し明るくなっているように見えることになるので、粗い表面が発光黒板の導光板の分野に応用不可能である。

従って、発光黒板用等の用途の需要に応じるために、全反射性能を影響しないと共に鏡面反射光を解決できる導光板が必要とされている。

本発明は導光板表面構造を提供することを解決しようとする技術課題とし、このような表面構造を採用した導光板は典型的な平板導光板表面の鏡面反射光を克服するために、全反射導光を実現できると共に、乱反射類似の効果を提供でき、本発明は更にこのような表面構造を採用した導光板及びこのような導光板を使用した製品を提供し、本発明は更にこのような表面構造の製造方法を提供する。

本発明は、導光板表面に、外表面が光学的に平滑な表面となる凸凹構造が設置されている導光板表面構造を構成することを上記技術課題を解決する手段とする。

好ましくは、光学的に平滑な表面の粗さ輪郭の算術平均偏差（Ｒａ）が導光板内の動作光線の最短波長の１／８より大きくない。

好ましくは、光学的に平滑な表面の粗さ輪郭の算術平均偏差が５０ナノメートルより大きくない。

好ましくは、光学的に平滑な表面の粗さ輪郭の算術平均偏差が１０ナノメートルより大きくない。

好ましくは、本発明の導光板表面構造において、凸凹構造は点状凸凹構造、条状凸凹構造又は波面凸凹構造うちのいずれか一方又は数種の組合である。

好ましくは、本発明の導光板表面構造において、波面凸凹構造を採用する時、その表面ガイド線は円弧波線、楕円波線、正弦波線、放物線波線等の規則的曲線又はランダムの不規則波線うちのいずれか一方又は数種の組合である。

好ましくは、本発明の導光板表面構造において、凸凹構造の幅は３マイクロメートル〜１０ミリメートルである。

好ましくは、本発明の導光板表面構造において、凸凹構造の幅は３０マイクロメートル〜１ミリメートルである。

好ましくは、本発明の導光板表面構造において、凸凹構造の幅は１００マイクロメートル〜３００マイクロメートルである。

本発明は、２つの対向設置された外表面を含む導光板において、少なくとも１方の外表面の一部の領域に本発明の導光板表面構造が採用されている導光板を更に提供する。

好ましくは、本発明の導光板において、凸凹構造の進行方向は導光板内の動作光線の指向方向に平行である。

好ましくは、本発明の導光板は層状材料を積層複合してなる。

好ましくは、層状材料における表層材料は厚さが３０マイクロメートル〜３ミリメートルの間にある。

好ましくは、層状材料における表層材料は硬度又は耐摩耗性が内層材料より高い。

好ましくは、層状材料における表層材料は反射率が内層材料より低い。

本発明は導光板と、導光板の端面に設置された動作光源とを含む発光黒板において、本発明の提供する導光板が採用されている発光黒板を更に提供する。

好ましくは、本発明の発光黒板において、その導光板表面凸凹構造の進行方向は垂直な上下方向に設置されている。

本発明は、まず基材表面に凸凹構造を製作し、次に凸凹構造を有する表面を研磨処理することを含む表面成型方法において、
研磨処理は、先に被研磨材料の表面に透明コート層を塗装し、次にコート層を固化させて表面が光学的に平滑な表面である膜にすることを含む表面成型方法を更に提供する。

好ましくは、本発明の表面成型方法において、透明塗料は成膜後に硬度又は耐摩耗性が被塗装材料より高い。

好ましくは、本発明の表面成型方法において、透明塗料は成膜後に反射率が被塗装材料より低い。

本発明の導光板表面構造、このような構造の導光板を採用した発光黒板、及びこのような表面構造の製造方法を実施して下記の有益な効果を得た。導光板表面に凸凹構造を製造し凸凹構造を研磨処理して、光学的に平滑な凸凹表面を造り出すことによって、外界の光に導光板の表面で光学乱反射類似の効果を発生させて鏡面反射光の現象を効果的に低減させており、また、このような表面を採用した導光板が全反射導光の条件を有するようになって、導光板中で伝送する動作光が粗い面の場合のように乱反射して導光板から漏れることなく、反射防止性能に優れた導光板及びその製造製品を得た。

以下、添付図面を参照しながら本発明を説明する。

図１は本発明に係る導光板表面構造による外部光線の反射の模式図である。 図２は本発明に係る導光板表面構造による内部光線の反射と屈折の模式図である。 図３は本発明に係る導光板表面構造の点状凸凹構造の模式図である。 図４は本発明に係る導光板表面構造の条状凸凹構造の模式図である。 図５は本発明に係る導光板表面構造の波面凸凹構造の模式図である。 図６は本発明の波面凸凹構造の波線ガイド線の模式図である。 図７は波面拡散反射導光板の立体模式図である。 図８は波面拡散反射導光板の断面の模式図である。 図９は一部の表面に拡散反射表面が採用された導光板の断面の模式図である。 図１０は二層複合導光板の断面の模式図である。 図１１は拡散反射発光黒板の構造の模式図である。

本発明を更に理解するために、以下、添付図面と実施例を参照しながら本発明の好ましい実施形態を記述する。これらの記述はただ本発明の特徴と長所を更に説明するためのものだけであって、本発明の特許請求の範囲に対する制限でないことは理解すべきである。
・表面凸凹構造・

本発明の導光板表面構造は、平板導光板の平滑な表面に凸凹構造を設置し、凸凹構造の外表面を光学的に平滑にすることによって得られるものであり、表面が曲げ表面であり、表面が光学的に平滑であるという２つの特徴を有する。このような表面を拡散反射表面と称する。

以下、図１と図２を参照しながら本発明の導光板凸凹構造の光学的特徴を説明する。

図１は本発明の拡散反射表面の局所表面輪郭及びその外部から表面への光線の拡散反射の模式図を示す。

拡散反射表面１０１の曲げは凸凹構造の外表面の起伏に起因する。表面が光学的に平滑な表面に関しては、光は表面の点毎に一方向反射する。平行入射光１０２ａに関しては、反射光１０２ｂの方向は凸凹面の曲げに応じて変化し、拡散状に分布する。

反射光の空間分布は、曲げ表面の幾何形態、幾何光学に基づいて推定して得られる。

反射光が空間拡散状に分布するので、巨視の視覚効果上で、拡散反射と乱反射は、外界景物が二種の表面にも明らかな鏡像を呈することができず、両方が共に表面の鏡面反射光を低減又は解消可能であるような大きい相似性を有する。このような表面は典型的な導光板の平滑な外表面の鏡面反射光干渉を克服した。

図２は拡散表面を採用した導光板内で伝播する光線が内表面において反射、屈折、全反射を起こした場合を示す。

動作光線２０２ａは、透明媒質２０１中で伝送されて拡散反射表面１０１に会った時、一部が全反射条件を満たして内表面において全反射を起こし、全反射光線２０２ｂは透明媒質２０１に引き返して継続的に伝送される。光学的に平滑な曲げ表面は全反射導光の必要条件を提供して、このような表面を採用した導光板に全反射導光能力を持たせた。

本発明に記載の表面構造が全反射導光を実現する原理を示す図２と、本発明が乱反射類似の効果を提供して典型的な平板導光板の鏡面反射光を克服できる原理を示す図１を結合して、本発明の技術的手段は本発明の解決しようとする技術課題を解決した。

図２において、一部の光線２１２ｂは表面曲げのために全反射条件を失って、内表面において全反射でなく、反射と屈折を起こして反射光線２１２ｂと屈折光線２１２ｃを形成し、反射光線２１２ｂは導光板内部に引き返して継続的に伝送され、屈折光線２１２ｃは凸凹構造表面１０１から導光板を射出して、一定の損失を引き起こす。このような表面曲げに起因する損失は表面曲げ損失と称されている。一定の表面曲げ損失が存在することは本発明の表面構造を採用した導光板と典型的な平板導光板の主な相違点となる。曲げ損失は表面凸凹構造とパラメータの調整等の方式によって低下可能であり、更に零に近く又は無視可能な程度に低下できる。

図１、図２に示される光学的に平滑な凸凹構造表面の光学的特徴と本発明の基本原理を上述したが、以下、光学的に平滑であることの指標と標準を説明する。

光学的に平滑であることは、粗いことに対する概念である。光学的に平滑な表面に一方向反射又は屈折が発生するが、粗い表面に乱反射又は乱屈折が発生する。従来から、表面粗さ指標がある標準より小さいのは平滑面で、大きいのは粗い面であると一般に考えられている。しかしながら、この平滑なものと粗いものの境界について公認の精確な標準がない。公認の境界は光の波長以内にあり、具体的には１倍波長、１／２波長、ないし１／８波長のどちらであってもよい。その中で広範に認められているのは１／８波長の言い方であり、それは、結像光学部品及びその組合に関して、結像光の各部分の光路差が１／４波長を超えなければ、該光学組合が完璧に近いものと考えられる古典光学中のレイリー限界（Ｒａｉｌｅｉｇｈ Ｌｉｍｉｔ）の要求からのものである。垂直入射の場合について、反射光の光路差は表面が平滑でない場合の２倍であるので、表面粗さ輪郭の算術平均偏差Ｒａが最短動作光波長の１／８より大きくない時、完璧に近い光学的に平滑な表面と考えてよいという１／８波長の言い方が出てきた。これは伝統的な光学部品の加工の長期実践において纏められた標準と一致している。

実は、表面粗さ輪郭の起伏度が小さいほど、表面が完璧な光学的に平滑な程度になり、平滑面と粗い面の間に非常に厳密で精確な境界が存在するというわけではない。しかしながら、プロセス上で生産を指導できる指標と標準を提供すべきである。一般に、粗さの指標を選択する。

表面構造（ｓｕｒｆａｃｅ ｔｅｘｔｕｒｅ）に対する認識が進むに伴って、従来の表面輪郭（ｓｕｒｆａｃｅ ｐｒｏｆｉｌｅ）は更に、長波分の波紋度輪郭（ｗａｖｉｎｅｓｓ ｐｒｏｆｉｌｅ）と短波分の粗さ輪郭（ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ ｐｒｏｆｉｌｅ）とに分解され、その境界波長はＬｃであり、また、従来の粗さ指標は更に、長波分の不平滑さを記述する波紋度指標と、短波分の不平滑さを記述する粗さ指標に分解され、国際標準ＩＳＯ４２８７−１９９７と中国国家標準ＧＢ／Ｔ３５０５−２０００及びその最新バージョンを含む相応の新標準が形成された。

新しい認識体系下で、光学的に平滑であることの標準は従来の一般認識、即ち表面粗さがある指標より小さい認識から、表面粗さ輪郭の不平滑さがある指標より小さいように調整すべきであり、その物理的意味はより明らかで正確である。そのようにして本発明の光学的に平滑であることの標準、即ち表面粗さ輪郭の算術平均偏差Ｒａが最短動作光の波長の１／８より大きくないという標準が出てきた。

導光板における動作光が白光である場合に、その最短波長は３９０ナノメートル程度であり、１／８波長は約５０ナノメートルである。

導光板における動作光線は波長が５５０ナノメートルの単色緑光である場合に、その表面粗さ輪郭Ｒａは７０ナノメートルまで緩和可能であり、動作光線は波長が７００ナノメートルの赤光である場合に、その表面粗さ輪郭Ｒａは更に１００ナノメートルまで緩和可能である。

表面が粗いほど、導光板内の動作光は表面の微視の粗さによって導光板から射出する機会が大きいが、表面が平滑であるほど、導光板内の動作光は表面の微視の粗さによって導光板から射出する機会が小さく、導光板が透き通っているように見える。

本発明の好ましい実施例として、１０ナノメートルより小さい表面粗さ輪郭Ｒａを選択する。このような導光板は、内部光強度がかなり高い時であっても、非常に透き通っているように見える。

以下、図３〜図５を参照しながら凸凹構造の具体的な形の好ましい実施例を具体的に説明する。
（表面構造の実施例１）

図３は凸凹構造の第１の実施例を示し、表面が光学的に平滑な点状凸凹３０１の外観構造の模式図である。透明媒質の表面に点状突起を生成させた。凸凹構造は、一つ一つの独立した小さい丘のように点状となっている。点状凸凹の外表面は光学的に平滑なものであり、その粗さ輪郭の平均偏差が動作光線の最短波長の１／８より大きくない。

点状凸凹は、先にインクジェット印刷の方式によって表面に透明のゴム点を印刷し、次にゴム点を紫外光で固化させて得られ得る。射出成型等の他の方法によって成型してもよく、更に直接３Ｄプリンタを利用して成型させてもよい。
（表面構造の実施例２）

図４は凸凹構造の第２の実施例を示し、表面が平滑な条状凸凹構造の外観構造の模式図である。凸凹構造は、一本一本の連綿と続いている連峰のように条状となっている。条状凸凹の外表面は光学的に平滑なものである。動作光線が白光である場合に、その粗さ輪郭の平均偏差が５０ナノメートルより大きくないことが要求される。

図４における条状凸凹構造４０１はわずかに曲げている条状であるが、他の場合に直条状、曲げ条状及び複雑条状等であってもよい。曲げ条状にはＣ形、Ｙ形更にＯ形等の形状があり、ここで詳しく説明しない。常用されているのは直条状又はわずかに曲げている条状である。

一般に、条状凸凹構造の長軸進行方向を縦方向と称し、それに垂直なのを横方向と称し、縦方向寸法を長さと称し、横方向寸法を幅と称し、長さと幅の比率を縦横比と称する。条状凸凹の縦横比は数倍〜数十倍の間にあり、長条状凸凹の縦横比は数十〜数百の範囲であり、点状凸凹は縦横比が１に近い条状凸凹と見なしてよく、長点状凸凹は点状凸凹と条状凸凹の間に介在する。凸凹構造に関しては、点状から条状まで、更に長条状まで、縦横比が異なる条状凸凹と見なしてよい。大量の進行方向が一致している規則的形状の条状凸凹は条状凸凹表面を構成する。
（表面構造の実施例３）

図５は凸凹構造の第３の実施例を示し、表面が平滑な波形凸凹構造の外観構造の模式図であり、その外表面は光学的に平滑な波面である。

該実施例では、凸凹を交互に織り合わせた、同じ円弧を接続してなった円弧波線５０２を円弧波面５０１のガイド線とし、直線を波面母線５０３とする。波面凸凹の外表面は光学的に平滑なものである。

波線は円弧波線、楕円波線、正弦波線、放物線波線等の規則的曲線、及びランダムに変化する不規則波線うちのいずれか一方及びその組合を含むが、それらに限られない。

具体的には、図６にガイド線としての異なる類型の波線が示されている。

その中で、楕円波線６ａは凸みの楕円弧と凹みの楕円弧を順次接続してなる。

正弦波線６ｂは連続した正弦曲線である。

不規則波線６ｃはランダムに描かれた不規則の波線である。

異なる類型の波線は異なる拡散反射効果を有する。当業者は既知の数学知識を利用して幾何光学反射法則に基づいて異なる波線を構成することができる。

波面の母線は直線であっても、曲線であってもよい。常用されているのは直線母線である。直線母線波面の凸凹は縦横比が無限に大きい条状凸凹と見なしてよい。縦横比が大きいほど、表面曲げ損失が小さい。直線母線波面の表面曲げ損失は最低まで低下可能である。

点状凸凹から、条状凸凹まで、更に波面凸凹まで、異なる類型の凸凹構造は異なる特徴を有する。

表面鏡面反射光を低減させることから考えれば、波面凸凹構造の効果が好ましく、条状凸凹構造と長条状凸凹構造がより好ましく、点状凸凹構造が最も好ましく、即ち縦横比が小さいほど好ましい。

表面曲げ損失を低下させる方面から考えればまさしく逆になり、直線母線波面の表面曲げ損失が最も小さく、長条状凸凹構造と条状凸凹構造が大きく、点状凸凹構造の表面曲げ損失が最も大きく、即ち縦横比が大きいほど好ましい。

具体的に選択するに際して、表面鏡面反射光の低減と表面曲げ損失の低下という２つの要素のバランスを取る必要がある。一般に、直線母線波面は表面反射光を低減させる需要を満たすことができれば、優先的に採用すべきでる。

例えば発光黒板への応用に関しては、実践から明らかなように、直線母線波面は実際使用の場合の表面鏡面反射光に対する低減要求を満たすことができ、また、その表面曲げ損失がかなり小さく、優先的に選択する表面凸凹構造となる。

以上で凸凹構造のいくつかの好ましい形態を例示したが、実際の生産に際して、凸凹構造の幅影響を考慮することが必要になる。

凸凹構造の幅とは点状凸凹構造の平均直径、条状凹凸構造の平均幅、又は波面凸凹構造の平均波長を指す。

凸凹構造の幅は拡散反射表面の外在視覚効果と製造上の困難さを影響する。凸凹構造の幅が細かくて小さいほど、表面が精細に見える。凸凹構造の幅が小さ過ぎれば、製造上の困難さが増加してしまい、更にその耐摩耗性と使用寿命が低下するおそれがある。

製造上の困難さと視覚効果のバランスを取ることを総括的に考えると、好ましくは凸凹構造の幅が数マイクロメートル〜数ミリメートルの間にある。
（表面構造の実施例４）

凸凹構造は表面として弦長が３マイクロメートル、アークハイトが０．５マイクロメートルである円弧波面が採用され、材料としてＰＣ樹脂が採用され、高精度で精密に型プレスして成型され、成型に比較的長い安定定型時間が必要とされる。成型後に、表面の凸凹構造は肉眼で識別できず、表面に結像可能な鏡面反射光も存在せず、粗い表面乱反射類似の鏡面反射光解消効果がある。
（表面構造の実施例５）

正弦波面はガイド線が波長１０ミリメートル、波高さ０．６ミリメートルの正弦波であり、表面が光学的に平滑である。該波面は寸法が大きく、５メートル以上の観覧距離の発光広告導光板に用いられ、遠い観覧距離では肉眼で波面の表面の不平滑さを識別しにくく、一定の鏡面反射光解消能力がある。

好ましくは、凸凹構造の幅は数十マイクロメートル〜数百マイクロメートルの間にある。例えば、３０マイクロメートル〜８００マイクロメートルの間にある。

より好ましくは、凸凹構造の幅は１００マイクロメートル〜３００マイクロメートルの間にある。例えば２００マイクロメートルの幅では、近距離視覚であってもほとんど識別できず、また、生産しやすい。
・拡散反射導光板・

以下、図７〜図９を参照しながら、本発明に係る導光板表面構造を採用した導光板の好ましい実施形態を具体的に説明する。

導光板の２つの外表面うちの一方又は両方、表面の一部又は全部に本発明に記載の導光板表面構造を採用し、表面に曲げ外表面が光学的に平滑である凸凹構造を設け、拡散反射導光板と称する。

一般に導光板の直接観察者へ向く外表面において、鏡面反射光干渉を解消したい領域に凸凹構造を設置する。表面の他の部分及び後向きの表面に選択的に採用してよい。
（導光板の実施例１）

平板導光板の一方の外向きの表面に、縦方向長さが８０ミリメートル程度、横方向幅が１００マイクロメート、高さが１０マイクロメートルであり、横断面輪郭が鐘形曲線であり、表面粗さ輪郭Ｒａが１０ナノメートルより小さく、その同士の横方向ピッチが１００マイクロメートルであり、縦方向において首尾が接続された長条状凸凹構造が設置されており、導光板の後向きの表面が平面である。拡散反射表面を採用したので、導光板表面の鏡面反射光が明らかに抑制された。
（導光板の実施例２）

図７に示すように、導光板の上端面に光源があり、導光板の外表面が円弧波面である。

円弧波面のガイド線７０１は弦長１２５マイクロメートル、アークハイト１５マイクロメートルの円弧線凸凹を接続してなる。凸凹表面粗さ輪郭Ｒａを２０ナノメートル以下に制御する。

光源７０３の発光した光は導光板に入った後、導光板内部で伝送され、その強度が角度によって異なり、その強度の空間分布が曲線７０４に示すようであり、一般にその中心線方向を動作光線指向方向７０５と称する。指向方向は一般に光強度が極めて大きい方向である。

上述したように、表面損失を影響する１つの重要な要素は条状凸凹の縦横比であり、条状凸凹の平均縦横比が大きいほど、表面曲げ損失が小さい。その中で直線母線波面の曲げ損失が最も小さい。

直線母線波面に関しては、動作光線指向方向と母線方向の夾角が小さいほど、曲げ損失も小さい。動作光線指向方向が母線方向に平行になった時、導光板内で伝送する光線は主に全反射の形式で伝送され、表面曲げ損失が最も小さくなり、発光黒板の応用用途にとって無視してもよい。

類似に、条形凸凹構造導光板に関しては、動作光線指向方向と凸凹構造の進行方向の夾角が小さいほど、曲げ損失も小さい。

動作光指向方式が波面母線方向又は条状凸凹の進行方向に垂直になった時、曲げ損失が最も大きい。
（導光板の実施例３）

図８は拡散反射導光板の断面図を示す。その一方の表面は拡散反射表面であり、他方の表面は平面である。

その実施例で描かれていないが、導光板の二つの表面は共に拡散反射表面であってよい。
（導光板の実施例４）

図９は一部の表面に拡散反射表面導光板を採用した実施例の模式図を示す。図において、導光板の正面におけるフレーム９０１に遮られた部位９０３に平面表面を採用し、露出した部位９０４に拡散反射表面を採用し、導光板の裏面９０５に平面表面を採用した。このような導光板は表面鏡面反射光を解消する能力を有する。フレーム９０１に遮られた部位９０３に平面を採用することで曲げ損失や製造コストの低下を可能にした。

導光板構造として最も簡単な単層構造導光板があるだけでなく、二層構造又は多層構造導光板もあることは周知されている。単層構造導光板に拡散反射表面を採用できるだけでなく、多層構造導光板にも拡散反射表面を採用可能であることは事実である。

好ましくは、導光板は二層又はそれ以上の層状材料を積層複合してなり、表層材料として拡散反射表面を採用する。
（導光板の実施例５）

図１０において、導光板は、表層材料１００１と内層材料１００２という二層の材料を複合してなる。表層材料１００１の外表面は、拡散反射表面を形成して外界の光線に対して乱反射類似の効果を発生可能であって鏡面反射光干渉を低減させる凸凹構造を含む。

好ましくは導光板層状材料における表層材料は内層材料より薄い。

より好ましくは表層材料の厚さは３０マイクロメートル〜３ミリメートルの間にある。厚さが３０マイクロメートル〜８００マイクロメートルの間にある層状構造は薄膜と称され、厚さが８００マイクロメートル〜３ミリメートルであるのは薄板と称されている。表面に拡散反射表面が採用された薄膜又は薄板は拡散反射薄膜又は拡散反射薄板と称されている。

拡散反射薄膜又は薄板を単層又は多層導光板に複合して拡散反射導光板を構成する。

発光黒板導光板は一般に、幅が１メートル以上で、長さが２メートル以上であるように幅面が大きく、更に導光板表面の凸凹構造が光学的に平滑であることが要求されるので、製造精度要求が高い。一体鋳造、射出成型等の方式で生産し、幅面が大きく、精度が高く、プロセスの困難さが大きい。

薄膜又は薄板の外表面を拡散反射表面にするには、その製造プロセスとして加熱ローラプレス成型等の方法を選択して高速で連続して生産することができ、プロセスの困難さが大幅に低下し、生産速度が向上し、コストがより低くなる可能性がある。
（導光板の実施例６）

加熱ローラプレス成型法を用いて３０マイクロメートル厚さのＰＥＴ薄膜にローラプレスによって放物線波面凸凹構造を形成し、波面ガイド線を、対称する１５マイクロメートル幅、１．５マイクロメートル高さの放物線凸凹を接続して構成された波長３０マイクロメートルの波線にした拡散反射ＰＥＴ薄膜である。
（導光板の実施例７）

加熱ローラプレス圧延成型法を用いて３ミリメートル厚さのＰＭＭＡ板材にローラプレスによって円弧波浪表面を形成し、波面ガイド線を、弦長４００マイクロメートル、アークハイト２５マイクロメートルの円弧凸凹を交互に織り合わせて接続してなった波長８００マイクロメートルの波線にした拡散反射薄板である。

実施例６又は７の導光板は単層又は多層の内層層状材料と複合して層状拡散反射導光板になる可能性がある。

好ましい内層材料として、光学レベルのＰＭＭＡ（Ｐｏｌｙｍｅｔｈｙｌ Ｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ、有機ガラス）、ＰＣ（Ｐｏｌｙ Ｃａｒｂｏｎａｔｅ、ポリカーボネート）又は超白ガラス等を含む、透明性に優れ導光能力が強い材料を採用する。
（導光板の実施例８）

内層透光材料として平板超白ガラスを採用し、表層材料として強化硬化処理された、外表面が拡散反射表面に製作されたＰＥＴプラスチック薄膜を採用した複合層状導光板である。ガラスと硬化ＰＥＴ拡散反射膜を貼り合わせて複合してなった層状導光板は、衝撃抵抗性に優れており、材料が破壊された時であっても大量のガラス砕けくずが発生せず、安全性がガラスより高い。

異なる材質の層状材料を複合することで導光板の耐摩耗性等の特性を向上させる可能性がある。

好ましい導光板層状材料では、表層材料の硬度、耐摩耗性等の性能指標は内層材料より高く、これは導光板の使用寿命の向上にとって有利である。

表層に使用可能な機能材料は種類が多く、耐摩耗性材料、自浄材料、自己修復材料、硬質材料、自己潤滑材料等を含むが、それらに限られない。応用要求に応じて選択可能である。
（導光板の実施例９）

導光板層状材料では、表層材料の反射率は内層材料より低く、表面反射光を更に低下可能である。

表層材料として０．３ミリメートル厚さのＰＭＭＡ薄膜を採用し、内層材料として５ミリメートル厚さのＰＣ板材を採用しており、表層材料ＰＭＭＡ薄膜の表面反射率が内層材料のＰＣ板材よりやや低い拡散反射薄膜である。

ＰＭＭＡ薄膜の表面に有機ケイ素樹脂を塗布すれば、表面反射率は更に約６％〜７％まで低下可能であり、内層材料ＰＣ表面の８％〜９％の反射率より大幅に低くなった。

材料の選択については材料の物性データを参照可能である。いくつかの常用されている材料はＰＭＭＡ、ＰＰ、ＰＶＣ、ＰＣ、ＰＥＴの順に好ましい。

層状導光板の各層の複合方式は多いが、好ましくは貼り合せ、プレス嵌め、熱接着、真空吸着、静電吸着等の複合方式を採用する。複合の方式は以上例示されたものを含むが、それらに限られなく、周知技術には様々な複合方法が選択可能である。
（導光板の実施例１０）

薄膜材料の一方の表面を拡散反射表面として設置して拡散反射膜とする。拡散反射膜の他方の表面に他の層と接着複合するための接着層を塗布することは選択可能である。

粘着性拡散反射導光板であって、加熱型プレス成型法を用いて厚さ３００マイクロメートルのＰＥＴ拡散反射薄膜を製作し、その一方の外表面が円弧波面の拡散反射表面であり、波線ガイド線が弦長１５０マイクロメートル、アークハイト１５マイクロメートルの円弧凸凹を交互に織り合わせて接続して構成され、波面波長が３００マイクロメートルで、凸凹表面の粗さ輪郭Ｒａが５０ナノメートルより大きくない。該ＰＥＴ拡散反射薄膜の他方の表面に光学接着剤を塗布して粘着可能な拡散反射膜にする。該拡散反射膜を５ミリメートル厚さの平板ガラスに粘着して粘着性膜拡散反射導光板とする。
（導光板の実施例１１）

鋳造法を用いて超白ガラスを１ミリメートル厚さの拡散反射ガラス薄板にしてからそれを１枚の５ミリメートル厚さのＰＭＭＡ有機ガラスに貼り合せて表面が拡散反射表面になった層状拡散反射導光板である。このような導光板は表面がプラスチック材質の表面より硬く耐久性に優れており、全体的にガラスで製作された導光板より高い衝撃抵抗能力を有している。
（導光板の実施例１２）

一方の表面が鋳造成型された拡散反射表面であり他方が０．２ミリメートル厚さのＰＥＴ材質の拡散反射薄膜を貼り合せた平面である５ミリメートル厚さのＰＭＭＡ導光板を含み、二面が共に拡散反射表面となる複合の二面拡散反射表面層状導光板である。
・拡散反射発光黒板・

拡散反射発光黒板は少なくとも光源と導光板を含む。導光板として本発明に係る拡散反射導光板を採用する。
（発光黒板の実施例１）

図１１は本発明の発光黒板の好ましい実施形態を示し、該発光黒板は拡散反射導光板１１０１と光源１１０２とから構成される。他の選択可能な部材は描かれていない。光源１１０２の発光した光は導光板に入り、導光板内で全反射して伝送される。導光板表面における筆跡がある箇所で導光板から乱反射して、筆跡が発光しているよう見えることになる。

拡散反射導光板を採用したので、発光黒板の表面は乱反射類似の拡散反射効果を有し、平板導光板の鏡面グレア反射を効果的に克服可能であり、鏡面反射光の明らかな鏡像による視覚への干渉を解消した。黒板筆跡が明らかで、コントラストが高い。

一般の平板導光板発光黒板と比較して、拡散反射発光黒板は鏡面グレア反射干渉及びそれによる局所的に識別不可能な視覚障害を解消して、本質的な進歩を遂げた。
（発光黒板の実施例２）

発光黒板の表面凸凹構造の進行方向を垂直な上下進行方向に設置する。

国家標準に基づいて設置された教室では、教室照明蛍光灯は黒板の板面に垂直に取り付けられており、発光黒板の表面凸凹構造の進行方向を垂直な上下進行方向に設置することで、垂直進行方向の波面拡散反射表面の反射防止効果を最大限に利用可能である。
・表面成型方法・

光学的に平滑な凸凹表面を直接生産できる周知の製造方法は多く、例えばプラスチックレンズの生産に用いられる精密型プレス成型法が挙げられる。これらの方法によって一次成型して平滑な凸凹表面を生産することが可能であるが、そのプロセスの困難さが大きい。

本発明は、先に成型し、次に研磨するという２つのステップを含む導光板表面構造の製造方法を更に提供する。

まず周知の成型方法、例えば、機械加工成型法、インクジェット印刷法、エッチング成型法、圧延成型法等を利用して凸凹構造を有する表面を製造し、得られた表面は一般に粗さが大きくて光学的に平滑であるという要求に達することができず、次に表面を研磨処理する。

周知の研磨方法は機械研磨、熱研磨、超音波研磨等を含むが、これらの研磨プロセスは大きい幅面の導光板にとって研磨効率が低く、微細の凸凹構造に対してひどい破壊を与えるおそれがある。

本発明は、まず被研磨表面に例えばワニスのような透明塗料コート層を被覆し、次に塗料コート層を乾燥固化させ、表面が光学的に平滑であるという標準に達している透明コート層薄膜を得る研磨方法を提供する。透明コート層薄膜の平滑な表面は被研磨表面の元の粗い表面に取って代わって研磨の効果を達成し、塗膜研磨法と称する。
（表面成型方法の実施例１）

有機ケイ素樹脂を被研磨表面に塗装し、４０℃〜６０℃下で１５〜３０分間、好ましくは４０度下で２０分間乾燥させ、８０℃〜９０℃下で２〜３時間、好ましくは８０℃下で３時間固化させ、膜厚が３〜１０マイクロメートルの透明塗膜を得た。塗膜が波面表面に付着して元の粗い表面に取って代わって塗膜表面が光学的に平滑になり、その粗さ輪郭Ｒａが１０ナノメートルより小さくなった。
（表面成型方法の実施例２）

紫外光固化硬化樹脂を被研磨表面に塗装し、相対湿度が６０％以下である雰囲気で赤外線を用いて加熱してコート層の表面を乾燥させ、紫外線固化灯を用いてコート層表面を照射して固化させて膜にし、得られた塗膜の表面が光学的に平滑になり、その粗さ輪郭Ｒａが５０ナノメートルより小さくなった。
（成型方法の実施例３）

精密平削りの方法を採用し刃口形線が円弧波線である平削りバイトを使用して５ミリメートル厚さのアクリル板材の表面に対して精密な平削り加工を施し、板材表面を円弧波面にし、その表面粗さ輪郭Ｒａがマイクロメートルレベルに制御可能であるが、光学的に平滑であるという要求まではるかに離れている。

実施例１の表面成型方法又は実施例２の成型方法を採用して板材表面に対して塗膜研磨処理を施して、高効率で表面の平滑さを表面粗さ輪郭Ｒａが５０ナノメートルより小さいように向上可能である。

塗膜研磨後の板材は拡散反射導光板の製造に利用して更に拡散反射発光黒板を製作することが可能である。

塗膜研磨法は拡散反射薄膜と拡散反射薄板の研磨処理に用いてもよい。
（表面成型方法の実施例４）

好ましくは、塗膜研磨後の部品の使用寿命を長くするために、成膜後に塗膜硬度又は耐摩耗性が被塗装材料より高い塗料を選択する。

本実施例では、導光板はＰＭＭＡ材料で製作され、その表面硬度が鉛筆硬度２Ｈに足りなく、紙ナプキンであってもその表面にすり傷をする可能性がある。有機ケイ素硬化樹脂を採用して導光板表面を塗膜研磨すれば、表面硬度と耐摩耗性が共に大幅に高まり、表面硬度が最大に７Ｈ〜９Ｈに達することが可能であり、製品の使用寿命が明らかに長くなった。

他の硬化、耐摩耗性の塗料の種類は更に紫外光固化硬化耐摩耗性塗料、熱固化硬化耐摩耗性塗料等を選択して応用可能であり、本発明では制限を加えない。
（表面成型方法の実施例５）

好ましくは、塗膜研磨の塗料として成膜後に表面反射率が被塗装材料より低い塗料を選択する。これは表面の全体的な反射レベルの低下にとって有利である。

本実施例では、導光板は、内層として５ミリメートル厚さの超白ガラスを採用し、外層としてＰＣ樹脂で圧延法によって生産された厚さが２００マイクロメートルの拡散反射薄膜を採用し、表面に波面凸凹構造を有し、真空吸着の複合方式によって積層複合した層状複合導光板である。拡散反射薄膜の凸凹構造表面に対して紫外光固化有機ケイ素樹脂を用いて塗膜研磨処理を行って、表面反射率がＰＣ材料の８％〜９％から７％に低下し、下げ幅が１０％以上になった。

上記実施例の表面成型方法は更に導光板以外の場合に用いてもよい。例えば、射出成型で生産された光学レンズでは、塗布研磨によって表面の平滑さを向上させて表面の粗さ輪郭Ｒａを１０マイクロメートル以下の高い平滑さレベルにすることが可能である。

上述したのはただ本発明の具体的な実施形態だけであり、それによって本発明の範囲を限定してはならず、当業者が本創作に基づいて行った均等な変化、及び当業者に熟知されている変更はすべて本発明の範囲に含まれる。

Claims (20)

1. 前記導光板表面に、外表面が光学的に平滑な表面となる凸凹構造が設置されていることを特徴とする導光板表面構造。
2. 前記光学的に平滑な表面の粗さ輪郭の算術平均偏差が導光板内の動作光線の最短波長の１／８より大きくないことを特徴とする請求項１に記載の導光板表面構造。
3. 前記光学的に平滑な表面の粗さ輪郭の算術平均偏差が５０ナノメートルより大きくないことを特徴とする請求項１に記載の導光板表面構造。
4. 前記光学的に平滑な表面の粗さ輪郭の算術平均偏差が１０ナノメートルより大きくないことを特徴とする請求項１に記載の導光板表面構造。
5. 前記凸凹構造は点状凸凹構造、条状凸凹構造又は波面凸凹構造うちのいずれか一方又は数種の組合であることを特徴とする請求項１に記載の導光板表面構造。
6. 前記波面凸凹構造の表面ガイド線は円弧波線、楕円波線、正弦波線、放物線波線等の規則的曲線又はランダムの不規則波線うちのいずれか一方又は数種の組合であることを特徴とする請求項５に記載の導光板表面構造。
7. 前記凸凹構造の幅は３マイクロメートル〜１０ミリメートルであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の導光板表面構造。
8. 前記凸凹構造の幅は３０マイクロメートル〜１ミリメートルであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の導光板表面構造。
9. 前記凸凹構造の幅は１００マイクロメートル〜３００マイクロメートルであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の導光板表面構造。
10. ２つの対向設置された外表面を含む導光板において、少なくとも一方の外表面の一部の領域に請求項１〜９のいずれか１項に記載の表面が採用されていることを特徴とする導光板。
11. 前記凸凹構造の進行方向は導光板内の動作光線の指向方向に平行であることを特徴とする請求項１０に記載の導光板。
12. 導光板は層状材料を積層複合してなることを特徴とする請求項１０に記載の導光板。
13. 前記層状材料における表層材料の厚さは３０マイクロメートル〜３ミリメートルの間にあることを特徴とする請求項１２に記載の導光板。
14. 前記層状材料における表層材料は硬度又は耐摩耗性が内層材料より高いことを特徴とする請求項１２に記載の導光板。
15. 前記層状材料における表層材料は反射率が内層材料より低いことを特徴とする請求項１２に記載の導光板。
16. 導光板と、導光板の端面に設置された動作光源とを含む発光黒板において、導光板として請求項１０〜１５のいずれか１項に記載の導光板が採用されていることを特徴とする発光黒板。
17. 発光黒板導光板の表面凸凹構造の進行方向は垂直な上下方向に設置されていることを特徴とする請求項１６に記載の発光黒板。
18. まず基材表面に凸凹構造を製作し、次に凸凹構造を有する表面を研磨処理することを含む表面成型方法において、前記研磨処理は、先に被研磨材料の表面に透明コート層を塗装し、次にコート層を固化させて表面が光学的に平滑である膜にすることを含むことを特徴とする表面成型方法。
19. 前記透明塗料は成膜後に硬度又は耐摩耗性が被研磨材料より高いことを特徴とする請求項１８に記載の表面成型方法。
20. 前記透明塗料は成膜後に反射率が被研磨材料より低いことを特徴とする請求項１８に記載の表面成型方法。