(57)【要約】      （修正有）【課題】ガラス基板または透明樹脂フィルム・シート表面等をエンボス加工し、光拡散性を付与した製品の表面形状の評価を行う。【解決手段】ランダムな三次元表面形状に起因して光が屈折して拡散する機能を有する等方性光拡散マットフィルムの表面形状を同定するシステムであって、前記フィルム表面に所定の基準面（ＸＹ平面）を設定し、このＸＹ平面上をＸＹ共に一定の間隔（Pxy）で仮想的に格子状に分割し、格子交点（i, j）の高さを所定のピッチ（Pz）で計測し、当該格子交点の高さデータとしてメモリに格納する三次元形状測定部と、当該高さデータを用いて、微小領域の傾斜角度のヒストグラムを算出するヒストグラム生成部とを有する。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
ランダムな三次元表面形状に起因して光が屈折して拡散する機能を有する等方性光拡散マットフィルムの表面形状を同定するシステムであって、
前記フィルム表面に所定の基準面（ＸＹ平面）を設定し、このＸＹ平面上をＸＹ共に一定の間隔（Pxy）で仮想的に格子状に分割し、格子交点（i, j）の高さを所定のピッチ（Pz）で計測し、当該格子交点の高さデータとしてメモリに格納する三次元形状測定部と、当該高さデータを用いて、微小領域の傾斜角度のヒストグラムを算出するヒストグラム生成部とを有する表面形状同定システム。
【請求項２】
前記三次元形状測定部において、前記Pxyの大きさが可視光の波長よりも大きく、表面の粗さ曲線要素の平均長さＲＳｍよりも小さく、前記Pzの大きさが前記Pxyの大きさよりも小さいことを特長とする請求項１に記載の表面形状同定システム。
【請求項３】
前記ヒストグラム生成部において、高さデータを用いて計算される微小領域の傾斜角度の最小値と最大値の間を等分割し、ヒストグラムのデータ区間を決定することを特長とする請求項１に記載の表面形状同定システム。
【請求項４】
前記ヒストグラム生成部において、前記ＸＹ平面で互いに隣接する３点の高さデータから微小領域の傾斜角度を計算することを特長とする請求項１に記載の表面形状同定システム。
【請求項５】
前記ヒストグラム生成部で生成されるヒストグラムプロファイルが漸近することをもって、前記三次元形状測定部における測定が終了することを特長とする請求項１に記載の表面形状同定システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガラス基板または透明樹脂フィルム・シート表面をエンボス加工し、光拡散性を付与した製品の表面形状を同定するシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
液晶テレビのバックライト光学系に使用されている光拡散シート或いはフィルム（以下、単に、フィルムと記す。）は、光源のランプイメージを直接的に見えなくするために、光源からの光を均一に拡散させることを目的として用いられている。また、光の利用効率から、全光線透過率が高いものが好ましい。
光の拡散具合の指標として、ヘイズ値というものが広く認知され用いられているが、より根源的な議論には、配光特性という概念が使用されている。配光特性とは、光学フィルムの出射角に応じた光度の大きさを言う。一般的に、ヘイズ値が同一であっても、配光特性は異なる場合がある。配光特性が決まれば逆にヘイズ値は一意に決定される。光拡散フィルムの配光特性は、ディスプレイの視野角に大きく影響を与える重要な特性である。
【０００３】
既存の各種光拡散フィルムは、例えばポリエチレンテレフタレート（以下、ＰＥＴと記す）フィルム基材上にアクリルまたはガラスビーズをバインダー樹脂で固定したもの、樹脂フィルム基材中に拡散フィラーを分散させたもの、および樹脂フィルム表面をエンボス加工したものなどが挙げられる（特許文献１、２）。これらは、目的の光学特性に合うように、適宜選択される。
【０００４】
近年、高輝度白色発光ダイオード（以下、ＬＥＤと記す）の量産体制が確立し、ＬＥＤ自体の価格が下がってきた。これらも影響し、テレビセットメーカーは、従来の冷陰極管（以下、ＣＣＦＬと記す）からＬＥＤへの置き換えを開始している。総合的に見れば、ＣＣＦＬからＬＥＤに代わることで、液晶テレビ自体が消費する電力の低減が図られる。
しかし、ＣＣＦＬからＬＥＤへの移行により、低消費電力化だけでなく、光の質も変わる。ＣＣＦＬは、円柱ガラス管内全面に付着させた蛍光物質に紫外線を照射し発光させているため、所謂、面光源（点光源の無限個集団）となるが、ＬＥＤの場合は、多数の点の集合である面からの発光を１点に集約した点光源となる。
【０００５】
面光源から点光源への置き換えによって、光拡散フィルムによっては問題が発生する場合がある。
具体的には、PETフィルム基材上に透明ビーズをバインダー樹脂で固定したものの場合、ビーズ１つ１つが凸レンズとなり、各LEDからの直進光によってビーズ直上に点実像が形成される。レンズ集団が大きいと局所的に明るい点が形成されるため全体的にはギラツキ（粒粒感）として視認される。樹脂表面をエンボス加工したフィルムも同様で、表面にレンズ形状が点在しており、レンズ一つ一つの径が大きいと全体的にギラツキ（粒粒感）と視認される。以下、この問題を「ＬＥＤギラツキ（粒粒感）問題」と称す。
また、「ＬＥＤギラツキ（粒粒感）問題」が解消されている場合も、配光特性が良好ではない光拡散フィルムが使用されると、ディスプレイの視野角が十分でないといった問題が生じ得る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開第２００７／０４５３８０号
【特許文献２】国際公開第２００８／０８１９５３号
【特許文献３】特開２０１０／０２０２６８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来品の「ＬＥＤギラツキ（粒粒感）問題」を解決し、かつ、従来品のすぐれた光学特性（斜め入射を含む配光特性と全光線透過率等）を有する光拡散マットフィルムであることを保証するためには、これを保証する光学特性を一意的に規定する方法が必要である。
光拡散マットフィルムにおける光拡散は、光が基材と空気の界面でスネルの法則にしたがって反射屈折すること、微細な表面の傾きに応じて反射屈折することによる。ゆえに、同一傾斜角表面の比率が同一といえる範囲では、表面での集団的（マクロ的）な光拡散状態は実質的に同一といえるものとなる。このことは、ランダムではないが規則的な非連続表面を形成したレンズやミラーにおいて、繋ぎ目の有無の相違はあるが容易に確認されるものである。代表例を挙げるとすれば、フレネルレンズになる。
【０００８】
ランダムな凹凸を形成した表面の評価同定方法のJIS規格は、JIS B 0601, 0621などに記載がある。これらは、輪郭曲線、断面曲線、荒さ曲線、うねり曲線、などの被評価平面に垂直な断面（平面）上に描かれる曲線、及びその評価等に用いる平均線等に関する規定とそれらに基づく評価同定などである。
JISの表面凹凸に関する規定は、面、形状の歪みなどを、断面に描かれる曲線の特徴として同定するものである。面そのものとしての評価同定方法ではなく、可視光線の屈折との観点からのランダムな凹凸、その微細表面という面に関する測定、同定或いは規定方法は、これまでに存在しない。
【０００９】
ランダムではなく特定の形状（プリズム、ピラミッド、部分球面など）を付与した光学用フィルムが種々提案され、このものの特定条件下における光学特性の評価がなされていて、さらに、このものの配光特性などを、特定光源を用いる場合の計算方法及び結果も開示されている。
しかしながら、ランダムな表面凹凸に関しては、これまでに記載も示唆もないものであり、ランダムな表面凹凸の何に着目して評価、同定すれば、ランダムな表面凹凸の示す光学特性を評価同定出来るのかに関しても、当然に示唆も記載も見られない。
【００１０】
本発明は、ランダムな三次元表面形状に起因して、光が屈折して拡散する機能を有する光拡散マットフィルムの表面形状を同定するシステムを提案するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
すなわち、本発明は、
（１）ランダムな三次元表面形状に起因して光が屈折して拡散する機能を有する等方性光拡散マットフィルムの表面形状を同定するシステムであって、前記フィルム表面に所定の基準面（ＸＹ平面）を設定し、このＸＹ平面上をＸＹ共に一定の間隔（Pxy）で仮想的に格子状に分割し、格子交点（i, j）の高さを所定のピッチ（Pz）で計測し、当該格子交点の高さデータとしてメモリに格納する三次元形状測定部と、当該高さデータを用いて、微小領域の傾斜角度のヒストグラムを算出するヒストグラム生成部とを有する表面形状同定システムである。
【００１２】
また、本発明は、
（２）前記三次元形状測定部において、前記Pxyの大きさが可視光の波長よりも大きく、表面の粗さ曲線要素の平均長さＲＳｍよりも小さく、前記Pzの大きさが前記Pxyの大きさよりも小さいことを特長とする前記（１）に記載の表面形状同定システムであり、
（３）前記ヒストグラム生成部において、高さデータを用いて計算される微小領域の傾斜角度の最小値と最大値の間を等分割し、ヒストグラムのデータ区間を決定することを特長とする前記（１）に記載の表面形状同定システムである。
【００１３】
また、本発明は、
（４）前記ヒストグラム生成部において、前記ＸＹ平面で互いに隣接する３点の高さデータから微小領域の傾斜角度を計算することを特長とする前記（１）に記載の表面形状同定システムであり、さらに、
（５）前記ヒストグラム生成部で生成されるヒストグラムプロファイルが漸近することをもって、前記三次元形状測定部における測定が終了することを特長とする前記(1)に記載の表面形状同定システムである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、微小領域の傾斜角度のヒストグラムを作成することにより、マットフィルム表面のランダム形状の集団的特徴を表現することが可能となった。傾斜角度のヒストグラムは、マットフィルムの配光特性を一意に決定するものであり、本発明は、光拡散フィルムを評価・同定するのに非常に都合が良く、柄目の特定に有効であり、工業的に有益である。  
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】従来品エンボス面の様子を示す図である。
【図２】従来品の光線追跡結果を示す図である。
【図３】改良品エンボス面の様子を示す図である。
【図４】改良品の光線追跡結果を示す図である。
【図５】従来品と改良品エンボス面の傾斜角度頻度を示す図である。
【図６】従来品と改良品の配光特性を示すである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明に関するランダムな三次元表面形状に起因して光が屈折して拡散する機能を有する、光拡散マットフィルムとしては、例えば、本願出願人が製造・販売している光拡散フィルム（商品名：ＦＥ−２０００Ｍ０１）がある。
【００１７】
（横方向の間隔(Pxy)）
本発明の三次元形状測定部において、前記フィルム表面（通常、測定系においては、被測定物をワークという）に所定の基準面（ＸＹ平面）を設定し、このＸＹ平面上をＸＹ共に一定の間隔（Pxy）で仮想的に格子状に分割し、格子交点（i, j）の高さを所定のピッチ（Pz）で計測し、当該格子交点の高さデータとしてメモリに格納する。
前記Pxyの大きさは可視光の波長である約380〜780nmよりも大きく、表面の粗さ曲線要素の平均長さＲＳｍよりも小さい範囲、好ましくは0.7〜10μｍ、より好ましくは1〜4μｍの範囲から、選択される。
【００１８】
界面での反射・屈折は、可視光の波長よりも大きい寸法範囲での物理現象であるので、これを含む範囲で良く、長波長側の寸法、0.7〜0.8μｍ以上であり、１μｍ程度あればよい。これよりも大きい寸法でも、反射・屈折界面として使用可能と思われるが、大きくなれば、波長程度の凹凸が無視される頻度が高くなるので実際の光学的界面の傾斜角から乖離してしまう。
【００１９】
三次元表面形状の測定には、レーザー光による光学測定などを用いる。このレーザー光による測定の場合も、基本的には測定に使用する光の波長と用いるレンズの開口数により、測定スポットの最小広さ（ビームウェスト径）が決定され、測定光の波長の1/4の大きさが最小値となる（レイリーリミット）。顕微鏡の分解能の場合は一般にレイリーリミットの式が知られており、レーザースポット径ε＝０．６１λ／Ｎ sinα（λ：波長、N sinα：開口数）であり、波長０．６３５μｍの半導体レーザーで、開口数０．９５の顕微鏡用対物レンズを使用した場合は、ε＝０．４０μｍとなり、測定はこのスポット径にて行われる。この場合の個々の測定結果は、このスポット径内の平均的な値となり、より狭い範囲の値は、周囲についての複数測定との換算結果となる。光学測定の場合、測定機器のＸＹ平面上の測定間隔（Pxy）は通常、0.1μｍ以上の範囲から適宜選択できるが、上述のように、ＸＹ平面上の測定間隔（Pxy）は可視光の波長よりも大きい寸法範囲が好ましいと推定される。
【００２０】
（高さ方向の測定ピッチ（Pz））
次に、高さ方向の測定ピッチ（Pz）であるが、傾斜角分布に応じて、好適な高さ方向の測定ピッチ（Pz）は選択されるが、小さいほど傾斜角の実態をより良く反映する。また、低傾斜角部分が多い場合には、この部分の実態を良く反映したものとする点からも、前記Pzの大きさは、前記Pxyの大きさより小さい範囲、好ましくは前記Pxyの1/50以下、より好ましくはPxyの1/100以下を選択する。PxyおよびPzのピッチが固定であると、取り得る角度は、低傾斜角度側で疎に、高傾斜角度側で密になる。透明樹脂フィルムをエンボス加工された光拡散板の場合、一般的に低傾斜角成分が多いので、測定ピッチPzは可能な限り小さくすることが望ましい。
なお、光学測定の場合、測定機器により高さ方向の測定ピッチ（Pz）は大抵１nm〜100nmの範囲にある。ゆえに、前記の好適な場合のPxyを１μｍとしたときに、10nm以下の精密な測定ピッチ（Pz）が選択できる機器が好ましい。
【００２１】
（格子分割数）
また、一定の間隔（Pxy）での仮想的な格子状の分割点は、ＸＹ方向共に 500個以上が好ましい。測定時間などが許せば、より大面積（多数の分割点）を測定することにより、漸近値により近い値が得られるので一般的には好ましい。同一製品（フィルム）でありながら、面内ムラ（バラツキ）がある場合、製品バラツキまで含めた集団的特長を掴む際には、一回あたりの測定面積（分割点数）を増加させるよりも、測定箇所を増加させることが好ましい。特定箇所によるよりも、複数箇所からの漸近値を求めたほうが、全体の性質をより良く反映したものとなる。  
【００２２】
（傾斜角度）
前記の高さデータを用いて、微小領域の傾斜角度を計算し、メモリに格納する。
傾斜角度の計算は、前記ＸＹ平面で互いに隣接する３点の高さデータを用いて行う。具体的には、３点（Ａ，Ｂ，Ｃ：フィルム表面から見て反時計回りでＡ，Ｂ、Ｃの順とする）からつくられる２つのベクトルＡＢとＡＣの外積計算にて算出されるベクトルＡＢ×ＡＣが３点（Ａ、Ｂ、Ｃ）で張られる仮想平面の法線ベクトルとなる。当該法線ベクトルと基材平面の法線ベクトルＫとの成す角度を当該微小領域の傾斜角度と定義する。傾斜角度の具体的計算法は以下である。傾斜角度θの余弦cosθは、[（ＡＢ×ＡＣ）・Ｋ]÷｜ＡＢ×ＡＣ｜÷｜Ｋ｜で計算される。×は外積を意味し、・は内積を意味し、｜｜はベクトルの長さを意味する。計算されたcosθから第１象限（０〜９０°）になるようにθを求める。
【００２３】
傾斜面の方位は、光拡散マットフィルムの異方性が問題となる場合には、考慮の対象となる。
通常、ランダムな三次元表面形状に異方性はない。すなわち、ランダムな三次元表面形状を形成したポリマーフィルムの場合、一軸延伸などの異方性をもたらす要因が製法などにない場合には無視できる程度の小さいものである。このファクターの一つに複屈折値があり、光学用の場合、ゆるい範囲で100nm以下、通常、20nm以下が要求されるものであり、本発明においては、複屈折値の値がこれらの範囲内にあるポリマーフィルムの異方性に関して、特に考慮する必要はないと推定される。
【００２４】
計算し、メモリに格納された微小領域の傾斜角度データの最小値と最大値の間を等分割し、ヒストグラムのデータ区間を決定する。通常、最小値は０°、考えられる最大値は９０°である。この９０°を等分割すると、区間幅（°）：区間数（個）の表示で0.5：180、1.0:90、1.5:60、2.0:45、2.5:36、3.0:30、4.5:20および5.0:18等となる。
ここで、上記したPzがとびとびの値（離散値）であることから、傾斜角は必ずとびとびの値をとる。前記PxyとPzとの比率によるとびとびの値と、前記の区分わけの範囲との関係から、所属区分の境界近辺の値によっては、スムースな増加、減少の分布ではなく、局所的に山や谷となる区分が発生することがある。このような場合には、より広い側の区分幅などを選択することなどにより、スムースな増加、減少の分布となるようにすることが、通常はこのましい。
【００２５】
（ヒストグラムプロファイルの漸近）
上記のように、フィルム表面の微細な高さの測定、高さデータの記録、および傾斜角度データの計算にて、ヒストグラムを算出する。
次に、測定サンプル（測定の対象となる表面部分）を別の場所に移動して、同様に、測定、記録、計算にて総度数を増加した状態でヒストグラムの算出を行う。この操作を繰り返すことにより、用いたサンプル独自（固有）の一定の値に近づいた値、すなわち、各区間の頻度値の漸近値が得られる。
統計学問的には、漸近値を得るための充分な測定面積は、ＲＳｍを辺の長さとした正方形の面積の約1000倍で十分である。
例えば、RSmが50μｍのサンプルの場合、0.05×0.05(mm2）×1000の面積について測定すれば良いものであり、１辺0.5mmの領域を１０箇所測定すれば充分といえる。
【実施例】
【００２６】
図１は、本願出願人が製造・販売している光拡散フィルム（商品名：ＦＥ−２０００Ｍ０１：以下、「従来品」と標記する）の表面の様子を示す。測定には、三鷹光器株式会社製  非接触三次元測定装置  ＮＨ−3Ｎを使用した。測定した表面形状データを用いて、光線追跡をした結果を図２に示す。
【００２７】
光線追跡には、Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｒｅｓｅｒｃｈ  Ａｓｓｏｃｉａｔｅｓ社製  照明設計解析ソフトウェア  ＬｉｇｈｔＴｏｏｌｓを用いた。この結果、図１の大きな凸形状の柄目がレンズ効果となり、ＬＥＤ光源の点光源からの光線が揃った光によって、フィルム直線上に点実像を形成することが分かった。これがギラツキ（粒粒感）の原因である。よって、柄目を細かくすることによりギラツキ（粒粒感）を低減することを考えた。本実施例（改良品）のエンボス表面の様子を図３に示す。図１の従来品の粗さ曲線要素の平均長さＲＳｍは約１００μｍであったが、改良品のＲＳｍは約５０μｍとした。図４に改良品の光線追跡結果を示す。この図面から分かる通り、柄目が細かくなることによって大きな光量の点実像がなくなりギラツキ（粒粒感）が大幅に改良されているのが分かる。
【００２８】
ここで重要なのが、光拡散フィルムの配光特性である。配光特性とは、拡散フィルムに光が裏面から入射し、表面（エンボス面）からどのように光が拡散するかを定量化した指標である。光拡散フィルムの重要な仕様となる。特に、液晶テレビのバックライトに使用される場合は、テレビの視野角に直接に影響するため、光拡散フィルムの仕様を自由に変更することはできない。本件のギラツキ問題（粒粒感）を解消しても、配光特性を独断で変更することは出来ないのである。配光特性については、一般的に、フィルム裏面からコリメート光を垂直入射させて、表面から拡散する光を光電子増倍管の受光角を変えて受光し、光度の射出角度依存性に基づいて評価されるものである。しかしながら、液晶テレビのバックライトに応用される場合、光拡散フィルムに入射する光の入射角度は様々であるので、垂直入射光だけについての評価は、十分ではない。
【００２９】
そこで重要になるのは、光拡散の根源的なメカニズムであり、具体的には、光が反射・屈折する光学的界面の様子である。要するに、エンボスマットフィルム表面の傾きの総合的な分布になる。光学的界面の傾きの分布を議論する場合、どうしても微小領域の傾きの集合を扱わぜるを得ない。本実施例のエンボスマットフィルムの場合、ＲＳｍが５０〜１００μｍ程度であり、光の幾何光学領域のオーダーを議論するので、光の波長よりも小さいオーダーの測定は意味がないので、ＸＹ平面の間隔（Pxy・面方向のピッチ）を可視光の波長よりも少し大きい１μｍとして測定した。高さ方向の測定ピッチ（Pz）は、上記測定機（三鷹光器社製NH-3N）の仕様で決定され１０ｎｍであった。
【００３０】
測定機で測定した三次元形状データを用いて、ＸＹ平面で最隣接する３点で構成される仮想平面の法線ベクトルとフィルム基材平面の法線ベクトルとの成す角を計算し、微小領域の界面の傾斜角とした。測定面積を広げることで、傾斜角のデータを集めた。集めた傾斜角を用いて、傾斜角のヒストグラムを作成した。データ区間は、低傾斜角領域の傾向を知るため、２．５度刻みとした。具体的には、０度以上２．５度未満、２．５度以上５．０度未満、５．０度以上７．５度未満といったように０度から９０度までデータ区間を区切って、各区間に属する傾斜角度の数量をカウントした。傾斜角度のデータ総量で各区間に属するデータ数を割り算し１００分率にし、頻度を求めた。単位を％とした。実際は、４５度以上の傾斜角の度数がなかったので、図５のデータ区間は、４５度未満で作図した。
【００３１】
本実施例の光拡散フィルムの表面はランダム形状であったので、小面積による傾斜角度データ集合からのヒストグラムは、ランダム形状の特性を余すことなく表現できず、大面積による傾斜角度データ集合が必要になった。表面形状の測定を徐々に広げることにより、ヒストグラムは集団的特性に漸近し、対象となるランダム形状の特性をあらわにすることになる。
【００３２】
今回、取り上げた従来品とギラツキの改良品の集団的特長をあらわす微小領域の傾斜角のヒストグラムを図５に示す。測定面積は、どちらも２．５ｍｍ２とし、ヒストグラムプロファイルの収束を確認した。図５における従来品と改良品のヒストグラムプロファイルは、ほぼ同一であった。エンボス柄目の細かさを除けば、幾何学的には違うが、幾何光学的には相似柄目と表現可能だと考える。現に、図６に示すように、従来品と改良品のエンボスマットフィルム裏面からビーム径約１０ｍｍのコリメート光を入射し、表面からの拡散光の射出角に応じた光度を測定した配光分布を見ると、従来品と改良品は柄目の細かさが違うが、配光分布的には、ほぼ同等であったことが明白に理解できる。配光特性の測定には、株式会社村上色彩技術研究所社製  ゴニオフォトメーター  ＧＰ−２００を用いた。
【００３３】
図６の縦軸は、透過率係数といって、透過型の完全拡散板による拡散光量との比になる。図５に示したランダム柄目の集団的特徴である微小領域の幾何光学的界面の傾斜角度のヒストグラムプロファイルは、図６に示した垂直入射光による配光分布にとどまらず、あらゆる入射角度による配光分布を一意的に決定するものである。従って、図５に示すような傾斜角分布は、幾何光学的特性である反射・屈折による光学的特性を決定付ける十分条件となり得ると言える。
【００３４】
これまでに、ランダムパターンを同定するために、ＪＩＳで規定された表面粗さ等の指標を用いることが行われているが、これは光学的特性を裏付ける一特性でしかなかった。これに対し、本発明の評価・同定システムにおいては、ランダムパターンによる反射・屈折の光学特性を保証した十分条件として柄目の特定が可能となった。よって本発明は、工業的な意味が大きい発明であると考えられる。実際、これまでランダムパターンのマット柄フィルムを完全に規定することは困難であったが、本発明によりランダムパターンを同定することが可能になり、ランダムパターンの工業的利用も可能となった。
【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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