(57)【要約】【課題】簡易にかつ可逆的に光拡散状態を変更可能な光拡散可変装置を提供する。【解決手段】光拡散状態を可逆的に変更可能な光拡散可変装置は、光拡散積層体と、光拡散積層体の表面方向ひずみを調整し、光拡散積層体に表面座屈凹凸構造を誘起し得るひずみ調整部とを具備し、光拡散積層体は、柔軟性を有する基板と、基板上に設けられた薄膜層とを備え、基板の材料の弾性率は、0.1〜10MPaであり、薄膜層の材料の弾性率は、0.1〜100GPaであり、基板の材料の弾性率(Ea)と薄膜層の材料の弾性率(Eb)の比(Ea/Eb)は、10-5〜10-1であり、薄膜層の厚みは、0.0001〜0.1mmであり、基板の厚みは、0.3〜20mmであり、表面座屈凹凸構造は、凹凸空間周期が0.1mm以上10mm以下であり、ひずみ調整部により調整される表面方向ひずみに応じて、そのアスペクト比(溝深さ／凹凸空間周期)が0〜0.3の範囲内で変化するものであることを特徴とする。【選択図】図４
2014153530.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光拡散積層体と、光拡散積層体の表面方向ひずみを調整し、光拡散積層体に表面座屈凹凸構造を誘起し得るひずみ調整部とを具備する、光拡散状態を可逆的に変更可能な光拡散可変装置であって、
前記光拡散積層体は、柔軟性を有する基板と、基板上に設けられた薄膜層とを備え、
基板の材料の弾性率は、0.1〜10MPaであり、
薄膜層の材料の弾性率は、0.1〜100GPaであり、
基板の材料の弾性率(Ea)と薄膜層の材料の弾性率(Eb)の比(Ea/Eb)は、10-5〜10-1であり、
薄膜層の厚みは、0.0001〜0.1mmであり、
基板の厚みは、0.3〜20mmであり、
前記表面座屈凹凸構造は、凹凸空間周期が0.1mm以上10mm以下であり、前記ひずみ調整部により調整される表面方向ひずみに応じて、そのアスペクト比(溝深さ／凹凸空間周期)が0〜0.3の範囲内で変化するものであることを特徴とする光拡散状態を可逆的に変更可能な光拡散可変装置。
【請求項２】
光拡散積層体の90度剥離試験における剥離強度が0.1N/mm以上であることを特徴とする請求項１に記載の光拡散状態を可逆的に変更可能な光拡散可変装置。
【請求項３】
前記光拡散積層体は、基板を表面方向に延伸ひずみが0.02以上延伸した状態でその表層に薄膜層を設けた後、延伸状態を解除することによって作製されたものであることを特徴とする請求項１又は２に記載の光拡散状態を可逆的に変更可能な光拡散可変装置。
【請求項４】
前記光拡散積層体が可視光透過性を有し、前記ひずみ調整部により光拡散積層体の表面方向ひずみを調整することによって、前記光拡散積層体を透過する光の拡散状態を変更することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光拡散状態を可逆的に変更可能な光拡散可変装置。
【請求項５】
光拡散積層体とそのひずみ調整部を複数組、可視光透過方向に直列に、かつ、光拡散積層体の凹凸構造方向を互いに交差させて配置したことを特徴とする請求項４に記載の光拡散状態を可逆的に変更可能な光拡散可変装置。
【請求項６】
前記薄膜層が可視光反射性を有し、前記ひずみ調整部により光拡散積層体の表面方向ひずみを調整することによって、薄膜層から反射する光の拡散状態を変更することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光拡散状態を可逆的に変更可能な光拡散可変装置。
【請求項７】
基板がポリシロキサン系ポリマーからなり、薄膜層がイミド系樹脂又は塩化ビニリデン系樹脂からなることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の光拡散状態を可逆的に変更可能な光拡散可変装置。
【請求項８】
基板と薄膜層とがアクリル変成シリコーン樹脂系弾性接着剤を介して接合されたものであることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の光拡散状態を可逆的に変更可能な光拡散可変装置。
【請求項９】
基板と薄膜層とが物理的接着法により接合されたものであることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の光拡散状態を可逆的に変更可能な光拡散可変装置。
【請求項１０】
前記ひずみ調整部は、前記光拡散積層体に対し表面方向の圧縮力及び／又は引張力を付加するものであることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の光拡散状態を可逆的に変更可能な光拡散可変装置。
【請求項１１】
請求項１〜９のいずれか１項に記載された光拡散可変装置と、光拡散積層体に光を入射乃至照射する光源とを備え、ひずみ調節部の変位乃至温度変化により表面座屈凹凸構造のアスペクト比が変化し、そのアスペクト比の変化により変更される光拡散状態によってひずみ調節部における変位乃至温度変化を検知するセンサー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光拡散状態を可逆的に変更可能な可視光拡散制御技術に関する。より具体的には、光拡散積層体を具備し光拡散状態を可逆的に変更可能な光拡散可変装置、および、該光拡散可変装置を用いるセンサーに関する。
【背景技術】
【０００２】
光拡散機能は、点光源からの透過光強度の角度分布の一様化のための光学素子である光拡散板や、透過像の非結像化による、プライバシー保守のための型板ガラスや曇りガラスなどにおいて重要となっている。その光拡散板に必要とされる事項として、光散乱を起こす構造界面の存在があり、例えば、表面に施された微細構造のサイズや形状や、内部に埋め込まれた屈折率の異なる微粒子や、液晶セルを利用した場合にはその液晶状態などが重要である。
【０００３】
上記の光拡散板において重要な散乱界面構造は一般的に固定されており、その結果として、一つの拡散板においてその拡散状態(拡散角、その異方性など)は固定されている。そのため、拡散状態を変化させたい場合には、複数の拡散板を予め準備しておき、拡散板を取り換えるなどの作業が必要となる。散乱界面構造自体は、通常は硬いガラスなどから構成されているので、光拡散状態が可逆的に変化するように構造変化させることは、全く想定されてこなかった。
一方、液晶を利用した光拡散技術においては、電圧の印加によってその拡散状態を変化させることができるが、電圧の印加が必須であり、また液体である液晶を封止したセル構造と電極構造などが必要となり、その作製や制御は固定拡散板の場合に比較すれば手間がかかる。
【０００４】
また、光拡散技術に関しては、柔軟性を有する基板上に設けられた薄膜層からなる積層体の表面座屈に基づいて自発的に形成されるサイン波状の微細表面凹凸構造からなる光拡散体等の光学体は公知である。
例えば、特許文献１には、所定のガラス転移温度の一軸方向熱収縮性フィルムの片面に表面が平滑で厚さが0.05〜5.0μmである特定ガラス転移温度の樹脂製の硬質層を設けて積層シートを形成し、該積層シートを加熱して一軸方向加熱収縮性フィルムを収縮させることにより硬質層を折り畳むように変形させて製造された、凹凸パターンの最頻ピッチが1〜20μmで凹凸パターンの底部の平均深さが前記最頻ピッチの10%以上である凹凸パターンシートからなる光拡散体が記載されている。
【０００５】
特許文献２には、加熱収縮性フィルムの片面または両面に、硬質層が、少なくとも１層積層された積層シートの状態で、該積層シートの少なくとも一方向に張力を作用させて、加熱収縮させることにより、前記積層シートの少なくとも硬質層を蛇行変形させて製造された、凹凸パターンの平均ピッチが50nm〜100μm、凹凸パターンの底部の平均深さが前記平均ピッチの10%以上である、反射防止体、位相差板、光拡散板等の光学素子として利用可能な凹凸パターン形成シートが記載されている。
【０００６】
非特許文献１には、ポリジメチルシロキサン製基材の表面にチタン又はクロムの中間層を介して加熱下で50nm厚の金を電子ビーム蒸着し、その後の冷却により金層を凹凸に変形させて製造された、波長が20〜50μmである微細表面凹凸構造を回折格子や光学センサー等の光学デバイスとして用いることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−１５１７９５号公報
【特許文献２】特開２００８−３０４６５１号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Bowden, N.; Brittain, S.; Evans, A. G.;Hutchinson, J. W.; Whitesides, G. M. Nature 1998, 393, 146.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１、２や非特許文献１には、上述のように、柔軟性を有する基板上に設けられた薄膜層からなる積層体の表面座屈に基づいて自発的に形成されるサイン波状の微細表面凹凸構造を光学用途に用いることが記載されているが、それらの微細表面凹凸構造を用い、光拡散性を可逆的に変更可能なものとすることは全く記載されていない。また、それらの微細表面凹凸構造は、数字上大きな凹凸空間周期について記載されているものの、実施例で裏付けをもって示されたものの凹凸空間周期は実質上10μm程度以下であり、本発明者が検討した結果では、その程度の凹凸空間周期では、有効な光拡散性やその可逆性を有効に発揮させるには不充分なものであった。
【００１０】
本発明の課題は、簡易に、かつ、可逆的に光拡散状態を変更可能な光拡散可変装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者は、前記公知の微細表面凹凸構造において、表面方向ひずみ印加によって、その凹凸構造を任意に変化させようとしたが、凹凸空間周期がサブmmよりかなり小さい場合、光の波動性に基づいた回折と干渉が起こり、拡散光が離散的になることや、より薄い表面材料の塑性変形等の問題により、光拡散性やその可逆性は充分に発揮できないとの知見を得た。例えば、凹凸空間周期が15μmで、アスペクト比(溝深さ／凹凸空間周期)が0.1程度の積層体に、レーザー(波長633nm，1mW,ビーム径≒2mm)を基板側から入射し、薄膜層側から出射した透過光を積層体表面から50mm離れたスクリーンに当てた場合、スクリーンに結像した散乱光は、離散性をもった拡散光(点状の光が間隔をあけて直線上に並んだ不連続で強度が不均一な拡散光、すなわち、回折光)となってしまい、連続的な拡散光は得られなかった。
そこで、本発明者は、凹凸空間周期をサブmm以上に設定した場合について、光拡散性の可逆性を検討した。その検討過程において、表面方向ひずみ印加時に、表面側の薄膜層と柔軟基板の界面において剥離応力がかかり、特に凹凸空間周期がサブmm以上と大きい場合には、剥離が容易に発生するため、前記界面剥離強度を大幅に向上することが必要であることを知見した。
【００１２】
本発明者は、さらなる研究過程で、前記界面剥離強度を大幅に向上する技術的手段についての知見を蓄積するとともに、形成される凹凸空間周期をサブmm以上とした場合には、意外にも、サブmm未満とした場合に比べてより連続的かつ均一な光拡散等の顕著な光拡散機能を有すること、そして、界面剥離強度の大幅な向上と相俟って、その顕著な光拡散機能の可逆的変更が可能であることを知見し本発明を完成するに至った。
【００１３】
すなわち、本発明によれば、光拡散積層体と、光拡散積層体の表面方向ひずみを調整し、光拡散積層体に表面座屈凹凸構造を誘起し得るひずみ調整部とを具備する、光拡散状態を可逆的に変更可能な光拡散可変装置であって、前記表面座屈凹凸構造は、凹凸空間周期が0.1mm以上10mm以下であり、前記ひずみ調整部により調整される表面方向ひずみに応じて、そのアスペクト比(溝深さ／凹凸空間周期)が0〜0.3の範囲内で変化するものであることを特徴とする光拡散状態を可逆的に変更可能な光拡散可変装置が提供される。
本発明によれば、さらに、前記光拡散積層体が可視光透過性を有し、前記ひずみ調整部により光拡散積層体の表面方向ひずみを調整することによって、その透過光の拡散状態を制御できることを特徴とする光拡散積層体が提供される。
本発明によれば、さらに、前記表面薄膜層が可視光反射性を有する場合には、その凹凸構造とその変化によって、表面薄膜層からの反射光の拡散状態を制御できることを特徴とする光拡散積層体が提供される。
【００１４】
すなわち、本発明は、次のような特徴を有するものである。
（１）光拡散積層体と、光拡散積層体の表面方向ひずみを調整し、光拡散積層体に表面座屈凹凸構造を誘起し得るひずみ調整部とを具備する、光拡散状態を可逆的に変更可能な光拡散可変装置であって、
前記光拡散積層体は、柔軟性を有する基板と、基板上に設けられた薄膜層とを備え、
基板の材料の弾性率は、0.1〜10MPaであり、
薄膜層の材料の弾性率は、0.1〜100GPaであり、
基板の材料の弾性率(Ea)と薄膜層の材料の弾性率(Eb)の比(Ea/Eb)は、10-5〜10-1であり、
薄膜層の厚みは、0.0001〜0.1mmであり、
基板の厚みは、0.3〜20mmであり、
前記表面座屈凹凸構造は、凹凸空間周期が0.1mm以上10mm以下であり、前記ひずみ調整部により調整される表面方向ひずみに応じて、そのアスペクト比(溝深さ／凹凸空間周期)が0〜0.3の範囲内で変化するものであることを特徴とする光拡散状態を可逆的に変更可能な光拡散可変装置。
（２）光拡散積層体の90度剥離試験における剥離強度が0.1N/mm以上であることを特徴とする(１)に記載の光拡散状態を可逆的に変更可能な光拡散可変装置。
（３）前記光拡散積層体は、基板を表面方向に延伸ひずみが0.02以上延伸した状態でその表層に薄膜層を設けた後、延伸状態を解除することによって作製されたものであることを特徴とする(１)又は(２)に記載の光拡散状態を可逆的に変更可能な光拡散可変装置。
（４）前記光拡散積層体が可視光透過性を有し、前記ひずみ調整部により光拡散積層体の表面方向ひずみを調整することによって、前記光拡散積層体を透過する光の拡散状態を変更することを特徴とする(１)〜(３)のいずれか１項に記載の光拡散状態を可逆的に変更可能な光拡散可変装置。
（５）光拡散積層体とそのひずみ調整部を複数組、可視光透過方向に直列に、かつ、光拡散積層体の凹凸構造方向を互いに交差させて配置したことを特徴とする(４)に記載の光拡散状態を可逆的に変更可能な光拡散可変装置。
（６）前記薄膜層が可視光反射性を有し、前記ひずみ調整部により光拡散積層体の表面方向ひずみを調整することによって、薄膜層から反射する光の拡散状態を変更することを特徴とする(１)〜(３)のいずれか１項に記載の光拡散状態を可逆的に変更可能な光拡散可変装置。
（７）基板がポリシロキサン系ポリマーからなり、薄膜層がイミド系樹脂又は塩化ビニリデン系樹脂からなることを特徴とする(１)〜(６)のいずれか１項に記載の光拡散状態を可逆的に変更可能な光拡散可変装置。
（８）基板と薄膜層とがアクリル変成シリコーン樹脂系弾性接着剤を介して接合されたものであることを特徴とする(１)〜(７)のいずれか１項に記載の光拡散状態を可逆的に変更可能な光拡散可変装置。
（９）基板と薄膜層とが物理的接着法により接合されたものであることを特徴とする(１)〜(７)のいずれか１項に記載の光拡散状態を可逆的に変更可能な光拡散可変装置。
（１０）前記ひずみ調整部は、前記光拡散積層体に対し表面方向の圧縮力及び／又は引張力を付加するものであることを特徴とする(１)〜(９)のいずれか１項に記載の光拡散状態を可逆的に変更可能な光拡散可変装置。
（１１）(１)〜(９)のいずれか１項に記載された光拡散可変装置と、光拡散積層体に光を入射乃至照射する光源とを備え、ひずみ調節部の変位乃至温度変化により表面座屈凹凸構造のアスペクト比が変化し、そのアスペクト比の変化により変更される光拡散状態によってひずみ調節部における変位乃至温度変化を検知するセンサー。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の光拡散可変装置では、ひずみ調整部により光拡散積層体の表面方向ひずみを調整するだけで、サイン波状の一方向に揃った溝を有する微細凹凸構造を形成することができ、またそのひずみの大きさによって溝の深さも制御できるので、光拡散積層体を透過する可視光や反射性薄膜層から反射する可視光の拡散性(拡散角)を簡単かつ可逆的に変更することができる。それ故、光拡散性を可変とするための、多数の光拡散板の用意や光拡散板の交換作業などを不要とできるし、また、液晶を用いた光拡散のような、液晶を封止したセル構造、電極、電圧印加手段なども不要であるため、光拡散可変のための装置コスト(初期コスト)や、光拡散の変更に必要なランニングコストを大幅に低減することができる。
一方で、変位を生じうる物体等をひずみ調整部として光拡散積層体に接触させて置き、照射するレーザー光などの光拡散状態を評価することで、逆にその物体の変位を検知でき、簡便な変位センサーとして利用することも可能である。これは人が届かないような場所に設置することで、レーザーポインタ等で変位を視覚的に検知でき、建築物等での利用も可能となる。
また一方で、温度によって光拡散積層体の表面層にかかるひずみが変化する場合は、光拡散状態から温度の変化を検知でき、簡易の温度変化センサーとしても用いることができる。
【００１６】
本発明の光拡散可変装置では、光拡散積層体の凹凸空間周期が0.1mm以上10mm以下であるので、表面座屈凹凸構造のアスペクト比(溝深さ／凹凸空間周期)を好ましくは0〜0.3の範囲で調整することにより、凹凸空間周期が0.1mm未満のものに比べ、光拡散性における拡散光の離散性を抑え、その連続性、均一性を向上することができる。
使用材料に可視光透過性を付与させれば、この凹凸空間周期がサブmm以上と可視光よりかなり大きいので、その構造に応じてその構造界面で光線を屈折させるために、凹凸構造が１方向性を持つ場合には、１軸方向への、幾何光学により理解ができる光拡散が起こる(ここで、この幾何光学的拡散は、拡散界面から数ｍ程度以内で観察する場合であり、小さい凹凸空間周期の場合かつ0.2以上程度の高いアスペクト比(溝深さ／凹凸空間周期)の場合や、遠方で観察する場合に生じる事がある回折や異常拡散とは異なる)。
【００１７】
本発明における光拡散積層体は、ひずみが無印加状態の柔軟性基板と薄膜層とを接合することにより簡単に作製でき、また、圧縮ひずみ印加により表面座屈凹凸構造を形成できるので、光拡散積層体の作製にはマイクロレンズ作製などに利用されるリソグラフィ―技術を必要とせず、作製も簡単なため工業生産的に優位である。
また、本発明における光拡散積層体は、柔軟基板を予め１軸延伸した状態にて薄膜層を接合又は形成することによっても簡単に作製でき、その場合、延伸応力の解除により凹凸構造が発生し、さらに延伸ひずみの制御によって凹凸構造のアスペクト比が変化できるので、前記と同様の光拡散効果が得られる。
【００１８】
また前記の凹凸構造とその構造変化について１軸方向のひずみの場合を説明したが、前記の印加する表面ひずみは、１軸でも２軸でも、等方的でもよく、１軸の場合は、拡散方向がその溝方向に垂直方向に限定されるため、やはり１軸性になるが、２軸の場合は、拡散方向が２軸になり、等方的な場合には、拡散方向が等方的になる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施例の光拡散積層体(PVCd)であって、表面に凹凸構造を発生させた際の光拡散積層体を示す写真。
【図２】本発明の実施例の光拡散積層体(PI075)において、圧縮ひずみ(ｓ)=0.05(5%)の場合の表面形状を示す図面(実線：表面形状の曲線、破線：三角関数のフィット曲線)。
【図３】本発明の実施例の３種類の光拡散積層体(PI075、PI125、PVCd)のそれぞれにｓ=0〜0.05のひずみを与えた場合の凹凸構造の変化を示す図面。(ａ)は、ひずみ(ｓ)に応じた凹凸空間周期(Λ)の変化を、(ｂ)は、ひずみ(ｓ)に応じた凹凸空間の深さ(Ａ)の変化を、(ｃ)は、ひずみ(ｓ)に応じたアスペクト比Ｒ(＝Ａ／Λ)の変化を、それぞれ示す。
【図４】本発明の実施例のPI075の積層体にHe-Neレーザー(λ=633nm,1mW,ビーム径≒2mm)を該積層体試料の背面(表層の逆面)から入射し、試料表面からの透過光を積層体表面からz＝100mm離れたスクリーンに当てた際の、印加ひずみ(ｓ)の変化に応じた透過光拡散状態の変化を示す図面。
【図５】本発明の実施例のPI075の積層体の透過光拡散性を示す図面。(ａ)は、アスペクト比Ｒ(＝Ａ／Λ)の変化に応じたレーザースポットの中心からの拡がり距離Δxの変化を、(ｂ)は、アスペクト比Ｒ(＝Ａ／Λ)の変化に応じたレーザー直進方向からの最大拡がり距離角度θmax〔＝tan-1(Δx/z)〕の変化を、それぞれ示す。
【図６】１軸方向の透過光拡散状態を生じる２つの本発明の実施例の光拡散積層体を、その凹凸構造方向を直交させた状態で、順次直列的にレーザー光を透過させ、拡散方向が合成されることにより得られる長方形拡散状態を示す図面。
【図７】ひずみ(ｓ)が0又は0.05である時の本発明の実施例の光拡散積層体の透過像を示す図面。(ａ)はひずみ(ｓ)が0である時の透過像。(ｂ)は、ひずみ(ｓ)が0.05である時の透過像。なお、図中の白矢印は、圧縮の方向を示す。(光拡散積層体と実際の像との距離は150mm)
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の詳細について説明する。
本発明の光拡散可変装置における光拡散積層体は、柔軟性を有する基板と、基板上に設けられた薄膜層とを備え、基板の材料の弾性率は、0.1〜10MPaであり、薄膜層の材料の弾性率は、0.1〜100GPaであり、柔軟性基板の材料の弾性率(Ea)と薄膜層の材料の弾性率(Eb)の比(Ea/Eb)は、10-5〜10-1であり、薄膜層の厚みは、0.0001〜0.1mmであり、基板の厚みは、0.3〜20mmであり、誘起される表面座屈凹凸構造は、凹凸空間周期が0.1mm以上10mm以下であり、表面方向ひずみに応じて、そのアスペクト比(溝深さ／凹凸空間周期)が0〜0.3の範囲内で変化するものである。
このような表面座屈凹凸構造では、凹凸空間周期Λは、その座屈の瞬間において、次の式で表されることが知られており、また、光拡散に有効な凹凸空間周期は0.1mm以上10mm以下の範囲であるので、凹凸空間周期が0.1mm以上10mm以下となるように、柔軟性基板や薄膜層の材料や厚みが選択される。
Λ＝２ｈπ(Ｅb／３Ｅa)1/3
ｈ：薄膜層の厚み
【００２１】
本発明において、基板は、圧縮もしくは延伸(引張り)がそのひずみ〔＝(変形後の長さ−元の長さ)／元の長さ〕の絶対値において0.05以上(好ましくは0.1程度まで)可能な柔軟性を有する材料である。このような材料としては、ポリジメチルシロキサン(PDMS)、ジフェニルシロキサンなどのポリシロキサン系ポリマー、シリコーン樹脂／シリコーンゴム、天然ゴムないし合成ゴム、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリメチルメタクリレート(PMMA)、ポリカーボネート、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィン、ポリウレタン、ポリスチレン、フッ素化ポリマー(PTFE、PVdFなど)、ポリ塩化ビニル、ポリメチルハイドロゲンシロキサン、ジメチルシロキサンとメチルハイドロジェンシロキサン単位のコポリマーなどのホモポリマー或いはコポリマー、さらにはこれらのブレンドが挙げられるが、圧縮もしくは延伸(引張り)可能な材料であれば特に限定されるものではない。
【００２２】
柔軟性基板と表面薄膜層の光透過率は特に限定されないが、積層体を透過する光に拡散効果を与えたい場合には、積層体は透明又は半透明の材料が好ましく、可視光の透過率は、30%以上、好ましくは70%以上、より好ましくは、90%以上である。また、積層体の表面薄膜層側からの反射光に拡散効果を与えたい場合には、柔軟性基板の光透過率は限定されず、表面薄膜層の反射率があればよく、反射率に応じて拡散反射光強度が調整される。また、積層体の基板側から入射し基板と薄膜層との凹凸となり得る界面で反射する光に拡散効果を与えたい場合には、基板の光透過率は透明又は半透明の材料が好ましく、可視光の透過率は、30%以上、好ましくは70%以上、より好ましくは、90%以上であり、かつ、表面薄膜層の反射率に応じて、拡散反射光強度が調整される。
基板の材料の弾性率は、0.1〜10MPa程度(好ましくは1〜10MPa程度)である。
薄膜層の材料の弾性率は、0.1〜100GPa程度(好ましくは1〜10GPa程度)である。
弾性率は、JIS K7171、ASTM D790に準拠した方法により測定できる。
基板の材料の弾性率(Ea)と薄膜層の弾性率(Eb)の比(Ea/Eb)は、10-5〜10-1であり、好ましくは10-4〜10-2程度である。
【００２３】
薄膜層の材料としては、基板よりも大きな弾性率を有し、基板の面方向変形とともに周期的な凹凸構造を形成できる材料であれば特に限定されず、例えばポリアミド、ポリアミドイミド、ポリイミド等のイミド系樹脂、ポリ塩化ビニリデン等の塩化ビニリデン系樹脂、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリカーボネート(PC)、アクリル樹脂、シリコーン樹脂、メラミン樹脂、エポキシ樹脂などのポリマーや樹脂、金属、セラミック、カーボンが挙げられる。
【００２４】
薄膜層と基板の間には、密着性の向上のために、接着層を備えてもよい。
薄膜の厚みは、0.0001〜0.1mm程度(好ましくは0.001〜0.1mm程度)である。
基板の厚みは、0.3〜20mm程度(好ましくは1〜10mm程度)である。
印加表面方向ひずみに応じてそのアスペクト比は、0〜0.15,好ましくは0〜0.2,より好ましくは、0〜0.3の範囲で変化でき、基板と薄膜の剥離や、その他破壊現象が起きないことが求められる。
【００２５】
表面凹凸構造空間周期としては、0.1mm以上10mm以下程度(好ましくは0.2〜7mm程度、より好ましくは0.3〜6mm程度、さらに好ましくは0.4〜5mm程度)である。
基板への薄膜層を密着させて形成させる方法は、上記の薄膜層が形成されれば限定されないが、上記の厚みを持った薄膜層を、接着層を介して接着させてもよいし、表面プラズマ装置等の表面活性化手段により両接着界面を活性化した後に直接密着させてもよいし、スパッタ法や蒸着法等の薄膜形成手段により、薄膜層を基板上に形成しながら積層体を作製してもよいし、硬化性材料をスピンコート、バーコーター等の塗布手段にて基板上に塗布することにより作製してもよい。
【００２６】
基板と薄膜層とからなる光拡散積層体は、表面方向ひずみの調整時に剥離が生じないように接合されている必要がある。基板と薄膜層との90度剥離試験における剥離強度は、基板や薄膜層の材料にもよるが、好ましくは0.1N/mm以上、より好ましくは0.2N/mm以上、さらに好ましくは0.3N/mm以上である。該剥離強度の上限は、特には限定されないが、基板や薄膜層の破壊が生じる際の剥離強度よりも高く設定しても技術的に意味が無いので、それらの材料に応じて設定することができる。基板としてポリシロキサン系ポリマー、薄膜層としてイミド系樹脂や塩化ビニリデン系樹脂を用いる場合、前記剥離強度の上限は、0.4N/mm程度、0.5N/mm程度、0.6N/mm程度等に設定することができる。そのような接着剤としては、好ましくはアクリル変性シリコーン樹脂系弾性接着剤を用いることができる。
【００２７】
上記接着層を施す場合には、基板および薄膜層と良好な接着性を有し、凹凸構造変形に要する面方向ひずみ印加時にも接着層に破壊が起きないものであればよい。
上記の、基板への薄膜層を密着させて形成させる場合に、無延伸状態の基板へ薄膜層を形成させる場合は、圧縮ひずみを加えることで、表面凹凸構造を誘起でき、一方、延伸状態や加熱伸張状態の基板へ薄膜層を形成させる場合は、延伸や加熱を解除することで表面凹凸構造を誘起できるが、どちらの場合でも、表面ひずみ状態を変化させることで、表面凹凸構造のアスペクト比を変化させることができる。またその圧縮もしくは延伸状態は、１軸でも２軸でも、等方的でもよく、１軸の場合は、拡散方向がその溝方向に垂直方向に限定されるため、やはり１軸性になるが、２軸の場合は、拡散方向が２軸になり、等方的な場合には、拡散方向が等方的になる。
【００２８】
本発明の光拡散可変装置における光拡散積層体の平面形状は、どのようなものであっても良いが、１軸拡散や２軸拡散の場合には、圧縮ひずみや引張ひずみを付与しやすいように好ましくは四角、より好ましくは平行四辺形、菱形、長方形、正方形などである。等方的な拡散の場合には、円や楕円、六角形、八角形等の多角形などとすることもできる。
【００２９】
本発明の光拡散可変装置におけるひずみ調整部としては、光拡散積層体の表面方向ひずみを調整し、表面座屈凹凸構造のアスペクト比を変化し得るものであれば、どのようなものでも良い。例えば、無延伸状態の基板上に薄膜層を形成させた光拡散積層体に対しては、表面方向圧縮ひずみを付与するもの(例えば、圧縮機)が使用できる。
また、基板を表面方向に延伸ひずみが0.02以上延伸した状態でその表層に薄膜層を設けた後、延伸状態を解除することによって作製された光拡散積層体に対しては、ひずみ未付加状態で既に表面座屈凹凸構造が形成されているので、アスペクト比をさらに高めるための表面方向圧縮ひずみを付与するもの、アスペクト比を低下させるための同引張ひずみを付与するもの(例えば、引張機、延伸機)、同圧縮ひずみと引張ひずみいずれをも付与するもの(例えば、圧縮機と引張機の併設機、圧縮・引張兼用機)のいずれか１つを使用することができる。
また、加熱伸張状態の基板上に薄膜層を形成させた光拡散積層体についても、常温のひずみ未付加状態で既に表面座屈凹凸構造が形成されている場合には、表面方向圧縮ひずみを付与するもの、同引張ひずみを付与するもの、同圧縮ひずみと引張ひずみいずれをも付与するもののうちいずれか１つ、及び／又は、同熱ひずみ(熱変形)を誘起する熱ひずみ誘起用温度調節機を使用することができる。
【００３０】
本発明における光拡散可変装置は、光拡散積層体とそのひずみ調整部の複数組を含んでいても良い。その場合、光拡散積層体の表面がほぼ同一平面となるように複数組を配置し、光拡散積層体の凹凸構造方向を全て同一方向とする態様、隣接する光拡散積層体の凹凸構造方向を相互に交差(好ましくは直交)させる態様、各光拡散積層体の凹凸構造方向をランダムに設定する態様、１軸拡散、２軸拡散、等方的拡散の光拡散積層体を適宜のパターンで配置する態様等によって、全体的に特異な光拡散分布に基づく意匠上の効果を奏することも可能である。
また、光拡散積層体が可視光透過性である場合、光拡散積層体とそのひずみ調整部を複数組(好ましくは２組)、可視光透過方向に直列に、かつ、光拡散積層体の凹凸構造方向を互いに交差(好ましくは直交)させて配置しても良い。このように可視光透過方向に直列に設け、各光拡散積層体の光拡散状態を可変とすることで、複数組の光拡散積層体を介した透視可能状態と透視不可能状態との両極端のスイッチングや、その間の種々のぼやけ状態に調整することができる。
さらに、可視光透過方向に直列に配置された複数組を１セットとし、複数セットを、各セットの表面がほぼ同一平面となるように配置することもできる。
【実施例】
【００３１】
以下、本発明を実施例を用いてより詳細に説明するが、本発明がこれら実施例に限定されないことはいうまでもない。
【００３２】
(実施例１)
積層体の作製のために、柔軟性を有する基板としてポリジメチルシロキサン(PDMS)弾性体(東レダウ、Sylgard184、弾性率1.3MPa)を平坦なガラス基板上で硬化させ、剥がすことで厚み5mm,縦、横共に12mmの基板を作製した。その平坦な表面上に、アクリル変成シリコーン樹脂系弾性接着剤の希釈液(スーパーＸ、セメダイン製をイソプロピルアルコールで１０倍希釈した溶液)をスピンコーター(回転数5000rpm,100s)で塗膜する。塗膜後30秒以内に、薄膜層として、ポリイミドフィルム〔カプトン(登録商標)フィルム、(引張)弾性率2.5GPa〕(膜厚7.5μmおよび12.5μm、ニラコ製)および、ポリ塩化ビニリデンフィルム(膜厚約11μm、旭化成製、(引張)弾性率0.3-0.6GPa)を基板と同じ平面形状に切り出したものを、気泡が入らないように密着させ、24時間放置することで、接着層を硬化させた。以下では、ポリイミドフィルム膜厚7.5μmおよび12.5μmの積層体試料をそれぞれ、PI075およびPI125と略し、ポリ塩化ビニリデンフィルムの積層体試料をPVCdと略す。面方向一軸圧縮ひずみを小型圧縮機を用いてひずみs=0からs=0.05(5%)まで印加し、印加ひずみに応じて形成した凹凸構造形状を反射型レーザー顕微鏡(キーエンス、VK9710)および、触針段差計(小坂研究所、Surfcorder ET4300)で測定した。
なお、本発明において、「凹凸空間周期Λ」、「溝深さＡ」は、次のようにして求めるものである。
凹凸空間周期Λ：水平面に載置した表面凹凸構造を有する光拡散積層体について、無作為で選んだ隣接かつ並列する凸条における一方の凸条の任意の頂点から、他方の凸条の頂部までの水平方向距離が最短となる方向において、該頂点と他方の凸条の頂部までの間の水平方向距離を測定し、そのような隣接する凸条の頂部間の水平方向距離の測定を無作為で１０箇所測定した平均値。
溝深さＡ：前記凹凸空間周期Λを測定する際の、前記頂部間の溝底から、２つの頂部の平均高さまでの鉛直方向距離を１０箇所測定した平均値。
【００３３】
試料(PVCd)に面内ｘ方向への１軸圧縮ひずみを加え、凹凸構造が発生した試料表面の写真の例を図１に示す。圧縮ひずみ方向に周期構造が肉眼で確認できる。また、PI075において圧縮ひずみs=0.05(5%)の場合の表面形状を図２に実線で示す。図２には、三角関数のフィット曲線も破線で示されており、形状が三角関数としてみなせることを確認した。図３には、３種類の試料に、s=0〜0.05の圧縮ひずみを与えた場合の凹凸構造の変化を示す。s≒0.015までは、単純圧縮状態のため凹凸構造は発生しないが、それ以上ではひずみに応じた凹凸構造が発生する。凹凸構造発生後もひずみを上げていくと、ひずみに応じて僅かに凹凸空間周期Λは減少していくが(図３(ａ))、その溝深さＡは次数が１/２程度の非線形性で増加していく(図３(ｂ))ことを確認した。また、アスペクト比Ｒ(＝Ａ／Λ)は、空間周期によらず、ひずみに対して同様な挙動を示す(図３(ｃ))ことも確認した。またこのひずみに応じた、平坦な状態と凹凸空間周期との間の構造変化はほぼ可逆的であり、平坦時に極僅かな凹凸構造(Ｒ<0.001)が残るものの、ゆっくりとした0-0.05のひずみ繰り返し変化に少なくとも100回は耐え、その間に薄膜層の剥離は見られなかった。
また、試料PI125の積層体について、90度剥離試験を行い、0.51N/mmにおいてPDMS基板の材料破壊が起こることを確認した。この結果、剥離強度は0.51N/mm以上と推定された。
【００３４】
前記のように作製された積層体のレーザー光の透過後の拡散状態を以下のように調べた。
前記積層体は、可視光透過性(90%以上)を有するが、この積層体にHe-Neレーザー(λ=633nm,1mW,ビーム径≒2mm)を積層体の背面(表層の逆面)から入射し、試料表面からの透過光を積層体表面からz=100mm離れたスクリーンに当て、印加ひずみを変化させながら、そのレーザースポット形状を観察した。その結果、図４のように、凹凸構造がある場合には圧縮軸方向にレーザースポットが１軸方向に連続的に拡散されることが分かる。図５(a)には、アスペクト比Ｒ(＝Ａ／Λ)に対して、レーザースポットの中心からの拡がり距離Δxをプロットした。その結果、Λによらず、凹凸構造の溝深さＡが深くなっていくと、拡がりが単調に大きくなることが分かる。図５(b)は、同様のデータに対し、レーザー直進方向からの最大拡がり角度θmax〔＝tan-1(Δx/z)〕を示すが、これも同様の傾向となることを確認した。
【００３５】
(実施例２)
上記実施例１におけるポリイミドフィルム(厚み12.5μm)について、実施例１における接着剤を用いずに以下の物理的手法による積層体作製を行った。PDMS基板表面およびポリイミドフィルム表面をプラズマ処理(大気プラズマ照射装置、seed-P,メイワフォーシス製にてプラズマ電流10mA,照射時間30s)を行い、１分以内に気泡が入らないように密着させ、１時間放置することで積層体を作製した。実施例１と同様に圧縮ひずみを印加すると、表面の一部もくしは全部においてフィルムの剥離が見られた積層体試料があった。剥離の無い部分もしくは無い試料において、同様にひずみ印加と凹凸構造の関係を調査し、実施例１と同様な結果を得た。また、剥離の無い積層体について、90度剥離試験を行い、0.4N/mmにおいてPDMS基板の一部材料破壊がおきた結果、剥離強度は0.4N/mm以上と推定された。よって密着性において再現性の問題はあるが、物理的接着法によっても接着性が保たれる場合があることを確認した。接着性が保たれた積層体は実施例１と同様な光透過拡散性を示した。
【００３６】
(比較例１)
実施例１で用いた３種類のフィルムについて、実施例１および実施例２の接着手段を施さずに、PDMS基板に密着した積層体について、圧縮ひずみｓを印加すると、s=0.02でフィルムの剥離が起きることを確認した。
【００３７】
(参考実施例)
実施例１で作製した、ポリイミドフィルム(厚み12.5μm)の積層体において、90度剥離強度および凹凸構造発生時のフィルムの剥離の有無の、接着層の室温硬化時間に対する依存性を調査した。その結果、硬化時間30秒においては、剥離強度は0.01N/mm以下であり、印加ひずみ0.02においてフィルムの剥離を確認した、また、5分および、10分においては、剥離強度がそれぞれ、0.06および0.10N/mmと上昇したが、印加ひずみ0.05において、一部フィルムの剥離が認められた。硬化時間が30分、1時間、3時間において、剥離強度はそれぞれ、0.13,0.17,0.31N/mmと更に上昇し、印加ひずみ5%においてもフィルムの剥離は認められなかった。さらに、硬化時間24時間、7日間においては、0.5N/mm程度でPDMS基板の材料破壊がおこり、剥離強度はそれ以上と推定され、また、印加ひずみ0.05においてもフィルムの剥離は認められなかった。以上より、この材料の組み合わせの場合には、最低でも剥離強度が0.1N/mmである接着層を有する積層体において良好な可逆的な凹凸構造の調節状態を得ることができることが示された。接着性が保たれた積層体については実施例１と同様な光透過拡散性を示した。
【００３８】
(実施例３)＜１軸透過光散乱積層体を複数用いた場合の透過光拡散状態の制御＞
実施例１で用いた１軸方向の透過光拡散状態を生じる積層体を２組、その凹凸構造方向を直交させた状態で設置し、順次直列的に前記レーザー光を透過させ、透過光を積層体表面からz=100mm離れたスクリーンに当てると、図６のように拡散方向が合成されることにより、長方形の拡散状態を得ることができた。この長方形の長さの比は２つのそれぞれの凹凸構造のアスペクト比を制御する事で、繰り返し可変であることを確認した。
【００３９】
(実施例４)＜像の結像-非結像試験＞
実施例１で用いた積層体を透過した試験画像の透過像(積層体を介した透視画像)を図７(ａ)、(ｂ)に示す。中央の四角部分に積層体が存在する。(ａ)の印加ひずみが小さく、凹凸構造が誘起されていない場合には、試験画像が結像でき、左右の積層体を介さない像と同様に、肉眼にて視認(透視)できるのに対し、(ｂ)の印加ひずみが大きくなり凹凸構造が存在すると、試験画像が結像できなくなり、ぼやけて観察される(透視不可能である)ことを確認した。またこの効果は、画像と積層体表面の距離が広がるほど顕著になることも確認した。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明の光拡散可変装置は、構造や製造が簡単であり、また、その作動には電極や電圧印加手段等が必ずしも必要ないので、各種の光学素子、例えば、１個からなる又は複数を組み合わせて四角や平行四辺形等の種々の形状に拡散域を調整できる調節可能１軸光拡散板、レーザー光の整形素子、レーザーポインタのスポット形状アナログ調整用素子等に幅広く応用することができる。
また、本発明の光拡散可変装置は、光拡散積層体を介した透視可能状態とぼやけた透視不可能状態とに非電気的に簡単にスイッチングできるので、希望する時のみにプライバシー保護や展示(又は非展示)が可能な調光窓材等としても有用と考えられる。
また、本発明の光拡散可変装置は、加えられた応力に応じた光拡散を呈するため、移動やずれが予想される物体に接触させることにより、その変位を、照射した光の拡散状態によって検知できるため、安価な変位センサーとしても、幅広く応用することができる。
また一方で、温度によって本積層体の表面層にかかるひずみが変化する場合は、光拡散状態から温度の変化を検知でき、簡易の温度変化センサーとしても用いることができる。
本発明の光拡散可変装置を変位センサーや温度変化センサーとして用いる場合、光拡散積層体を複数組(例えば、異なる箇所に２組)設けることにより、複数箇所の複数方向の変位や温度変化を同時に検知するセンサーとすることもできる。
また、本発明の光拡散可変装置は、光拡散積層体の微細凹凸構造を裸眼で観察できるし、光拡散積層体に対し指等でひずみや変形を与えながら、レーザーポインタ光等の各種光路の光拡散状態の変化も観察できるので、光拡散を理解するための科学教材としても有用と考えられる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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