专利名称：光学元件用树脂组合物、光学元件及投影屏的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光学元件用树脂组合物，具体说是涉及一种通过规定有关粘弹性的参数，可以将使用由该树脂组合物形成的光学元件时的其表面被削掉、磨损的损伤或受压后的破损等减至最小的光学元件用树脂组合物。
另外，本发明还涉及将光学元件与双凸透镜板等其它光学构件组合使用时，可将光学构件的表面被光学元件削掉或磨损的损伤减至最小的光学元件、以及与双凸透镜板组合而成的投影屏。
然而，在使用光学元件时，有时会组合多个光学元件使用。当组合两个以上光学元件使用时，为了最大限度地发挥其效果，经常在保护光学元件面的前提下使光学元件面之间相互对向地贴紧。
最典型的例子是，投影屏中的菲涅耳透镜板和双凸透镜板，一般在使用时贴紧菲涅耳透镜面(圆形菲涅耳透镜)和双凸透镜面。
这样，将各光学元件的光学元件面相贴紧时，由于都是凹凸面，因此会给另一方产生影响。
例如，在上述的典型例子中，菲涅耳透镜面的截面形状为锯齿状，且前端为尖形，而双凸透镜的截面具有圆形或椭圆形等弧形，且呈鼓起的形状。当贴紧这种菲涅耳透镜板和双凸透镜板时，双凸透镜的鼓起顶部和菲涅耳透镜的尖形前端之间会发生点接触，并由接触压力造成双凸透镜或/和菲涅耳透镜形状的破损变形。
所述的透镜形状的破损，可以通过提高构成透镜的树脂的硬度来解决，但是如果只提高硬度，则在加工时或切断时透镜容易被损坏，反而会导致新的问题，因此在提高硬度的同时也要考虑粘性因素。
另外，树脂的硬度通常与玻璃化转变温度(Tg)有很大关系，如果使树脂的玻璃化转变温度过低，就得不到橡胶弹性，受压后会导致塑性变形。通常只要具有一定的交联密度，即使玻璃化转变温度较低也可体现橡胶弹性，受压后也不会发生塑性变形，但是光学元件用树脂组合物中，在降低树脂的玻璃化转变温度并且也要提高交联密度时，为了提高光学元件所必须的折射率，需要引入由苯环等构成的刚性链，这会成为使玻璃化转变温度升高的原因。反之，提高玻璃化转变温度虽有利于提高折射率，但是如果玻璃化转变温度过高对导致刚性过大，会造成透镜板的弯曲。
另外，光学元件的使用温度不一定是常温，当使用于光学仪器或显示装置时，由于仪器或装置的发热有可能处于高温，制品出厂之后在运输过程中集装箱或船舱内的温度有时会达到60℃左右，在这种高温条件下上述的缺点更为突出。
另外，本发明的目的在于提供由这种经改良的光学元件用树脂组合物形成的光学元件。
以上目的可以通过求出树脂组合物的损耗正切和温度之间的关系，并规定峰的宽度范围，或者是再规定与损耗正切的峰值相应的温度(是反映其玻璃化转变温度的温度)的范围来实现。
本发明的技术方案1是关于一种光学元件用树脂组合物，其特征在于用于构成光学元件，且将位于根据温度变化测定损耗正切的损耗正切—温度曲线中山形部分损耗正切最大值的1/2位置的所述山形的宽度定为W1/2(℃)、位于所述损耗正切最大值的1/10位置的所述山形的宽度定为W0.1(℃)、及所述两个山形宽度之差ΔW(℃)为ΔW＝W0.1-W1/2时，ΔW为16-31℃。
本发明的技术方案2的光学元件用树脂组合物，其特征在于用于构成光学元件，且将位于根据温度变化测定损耗正切的损耗正切—温度曲线中山形部分损耗正切最大值的1/2位置的所述山形的宽度定为W1/2(℃)、位于所述损耗正切最大值的1/10位置的所述山形的宽度定为W0.1(℃)时，所述两个山形宽度之比W0.1/W1/2为1.4-2.7。
本发明的技术方案3的光学元件树脂组合物，其特征在于用于构成光学元件，且位于根据温度变化测定损耗正切的损耗正切—温度曲线中山形部分损耗正切最大值的1/2位置的所述山形的宽度W1/2(℃)为13-50℃，且与所述损耗正切的最大值相对应的温度值Tp(℃)为18-47℃或52-80℃。
本发明的技术方案4的光学元件用树脂组合物，其特征在于技术方案1至3中所述损耗正切的最大值为0.4-1.2。
本发明的技术方案5是关于一种光学元件，其特征在于用从技术方案1至4中任选的光学元件用树脂组合物构成其整体或一部分。
本发明的技术方案6的光学元件，其特征在于在技术方案5中的光学元件为菲涅耳透镜板。
本发明的技术方案7是关于一种投影屏，其特征在于由技术方案5或6中的光学元件和双凸透镜构成。
图2是用于说明损耗正切—温度曲线的图。
图3是用于说明负荷—侵入深度曲线的图。
图4是表示施加压头部位的图。
图5是试样记号D的损耗正切—温度曲线。
图6是试样记号E的损耗正切—温度曲线。
图7是试样记号F的损耗正切—温度曲线。
图8是试样记号H的损耗正切—温度曲线。
图9是试样记号R的损耗正切—温度曲线。
图10是试样记号V的损耗正切—温度曲线。
图中，1-投影屏，2-菲涅耳透镜板，3-双凸透镜板。
另外，图1中无论是透镜板2或3，都画成透镜层2b、3b分别层压于基材2a、3a上，但基材和透镜层也可以不分层，而一体成形。
还有，如图1所示，双凸透镜板3上于与菲涅耳透镜板2侧相反的一侧面，可以设置小双凸透镜和突起部及黑带。
除了图1中引用说明的双凸透镜、菲涅耳(凸)透镜之外，光学元件可以采用菲涅耳凹透镜、棱镜、或苍蝇眼透镜等具有任意光学形状的元件。另外，单个光学元件可以在其两面配置同种或异种光学形状的元件。
在本发明中，光学元件整体或光学元件基材上设有透镜层时，为了构成其透镜层，使用从损耗正切—曲线求出的以后述的种种指标加以规定的树脂组合物。
另外，在这里所说的树脂组合物，直接说是指制品的状态或者是为了便于测定而形成为薄板状或透镜层的状态。但是如果以制造制品之前的原料的状态作为制品的状态，或者是为了便于测定而形成为薄板状，则是指满足后述的种种指标的含未固化的组合物的物质。
树脂组合物的原料可以采用电离射线固化性的自由基聚合型丙烯酸酯类化合物的低聚物或/和以单体为主体的电离射线固化性物质、或者是阳离子聚合型环氧类化合物、或者是氧杂环丁烷类化合物的低聚物或/和单体，并根据需要配合使用用于固化的紫外线聚合引发剂、增感剂等添加剂。这些用于固化的添加剂在引发树脂组合物的聚合时进行分解，因此在制品状态里留有其分解产物。另外，为了改善所得制品的特性，可以掺合热塑性树脂。
还有，树脂组合物也可以配合使用通常在制造片状或板状树脂制品时所添加的各种添加剂，另外，为了改善光学元件的光学性能，也可以调配光分散剂或着色剂。
为了求出各树脂组合物的损耗正切-温度曲线，一边给试样的纵向施加具有一定周期的振动，一边用动态粘弹性测定装置测定损耗正切，测定时通过改变测定时的温度，求出损耗正切随温度的变化。有关用于求出各种指标的测定的详细内容，同后述实施例中的说明。
典型的损耗正切—温度曲线如图2所示，在各树脂组合物特有的温度附近形成向上突出的山形，又随各树脂组合物性质不同，呈各种不同的山形。由此可以求出山形中的峰值，即损耗正切的最大值，而与损耗正切的最大值相对应的温度值Tp表示树脂组合物性质对温度变化最敏感的临界温度，类似于所谓的玻璃化转变温度，是在制造或保管制品时最需要避开的温度，因此作为规定各树脂组合物的指标。
各树脂组合物的损耗正切—温度曲线中的山形是陡峭还是平缓，是通过画平行于横轴的直线使之交差于山形曲线，并求出两交点间距离(即宽度)和高度之间的关系来判断。在讨论这种山形曲线时，经常以与山形最高部位高度的二分之一高度相对应的宽度为代表值，并称为半宽度，在此也以半宽度W1/2为代表值。
但是，半宽度只是在山形相类似的时候才有效，当山形互不相似时，它不能充分表现出山形间的差异。因此，取山形最高部位的1/10，即对应于0.1高度的宽度W0.1(假设为0.1宽度)作为另一个代表值使用。
在这里有两个山形宽度值，为了将两者综合起来表示，取其差值和比值，以W0.1-W1/2作为两个山形的宽度差ΔW，再以W0.1/W1/2作为两个山形的宽度比。根据这些W0.1及W1/2的组合，可以较准确地表示山的形状。
另外，在不同温度下测定动态粘弹性时求出的储存弹性率，以在高温侧达到平衡状态的部分的值视为平衡弹性率求出，并作为指标之一，具体说是在80℃测定的储存弹性率作为平衡弹性率。
本发明光学元件用树脂组合物的在先设定的ΔW值以16-31℃为宜，如果低于16℃，则在损耗正切最大值附近，树脂组合物性质对温度变化过分敏感，不利于制造或保管，因此不宜采用。另外如果越过31℃，则虽然在损耗正切最大值附近树脂组合物性质对温度的变化不大敏感，但是由该光学元件用树脂组合物构成的光学元件面的形状在使用时受压后容易被破坏，另外，水平重叠光学元件时也容易被损坏，不利于光学元件的保管或输送等操作。
本发明光学元件用树脂组合物的在先设定的两个山值之比，以1.4-2.7为宜。如果小于1.4、或者超过2.7，则所存在的问题与前述的ΔW值低于或超过适宜范围时出现的问题相同。
另外，本发明光学元件用树脂组合物的在先设定的半宽值(W1/2)，以13-50℃为宜，优选为13-44℃。如果低于13℃，则无论在先设定的0.1宽度值如何，在损耗正切最大值附近，树脂组合物性质过分敏感于温度的变化，不利于制造或制品的保管。还有，超过50℃时也需要考虑Tp值。虽然在损耗正切的最大值附近树脂组合物性质对温度变化并不过分敏感，但若Tp值高于常温，则由该光学元件用树脂组合物构成的光学元件面的形状在使用时受压后容易被破坏，另外，水平重叠光学元件时也容易被损坏，不利于光学元件的保管或输送等操作。但是，如果Tp值低于常温，则反而不易变形，所以除了W1/2外还需要考虑Tp值。
因此，除了所述半宽度为13-50℃外，本发明树脂组合物在先设定的Tp值也应为18-47℃或52-80℃。Tp值优选为18-47℃或52-71℃。如上所述，Tp是树脂组合物的性能对温度变化最为敏感的临界温度，类似于所谓玻璃化转变温度，在制造或制品保管上最好避开该温度。
如果低于18℃，玻璃化转变温度与常温(25℃)相差较少，树脂组合物性能经常处于不稳定状态，因此不宜采用。如果超过80℃，则就热特性而言，当与光学仪器或显示装置组合使用时耐暴光温度性能较好，但是由于其硬度过大，结果导致操作或加工时的缺口，在贴紧光学元件时成为导致弯曲的原因，因此不宜采用。
在上面之所以规定为18-47℃或52-80℃是因为由超过47℃而低于52℃范围的树脂组合物构成的光学元件，与光学仪器或显示装置的实际使用温度范围基本上一致，因此容易受加热的影响，在实用上不大方便。当然，如果可以利用与热源隔离或鼓风等适当的冷却方法，下降实际实用温度，则所述的超过47℃而低于52℃范围的树脂组合物也可以使用。
本发明的光学元件用树脂组合物除了以上的ΔW、W0.1/W1/2的规定或W1/2的规定外再加上了Tp范围的规定，若再限定损耗正切的最大值范围效果会更好。
损耗正切的最大值以0.4-1.2为宜，优选0.46-1.12。损耗正切的最大值小于0.4的光学元件用树脂组合物对外力的抗变形性能较好，但其缺点是对摩擦的对耐久性振动的阻尼抵抗较小，难以避免由磨耗产生的损伤，若损耗正切的最大值大于1.2，其缺点是高温时的机械性能下降，容易变形。
实施例下面用树脂组合物制作试样，表示上述各参数的测试结果及用作菲涅耳透镜板时的实用评价结果。
作为参数，求出了压缩弹性率、最大变形量、Tp、损耗正切最大值、平衡弹性率、及损耗正切-温度曲线中的W0.1和W1/2。作为制品实用评价项目，测出了安装时屏幕的损坏状况、屏幕加载损坏状况、及菲涅耳透镜板的加载损坏状况。
特别是，对于没有温度限定的项目，是在25℃温度下求出的。
加热具有菲涅耳透镜的相反形状的菲涅耳透镜成形用模具，在模具面上涂布200μm厚的电离射线固化性树脂组合物。将被涂布的树脂组合物的温度保持在42℃，并用金属卤化物型紫外灯(日本电池株式会社制)，在累计光量2000mJ/cm2，峰值照度250mW/cm2的条件下照射，固化树脂组合物后脱模，得到试样用菲涅耳透镜板。
为了测定压缩弹性率及最大变形量，用超微硬度计(德国菲舍尔公司制，H-100V)进行通用硬度试验，由压头慢慢增加负荷直至达所定值，之后通过慢慢减少负荷画出负荷—侵入深度曲线，根据该结果进行分析，求出压缩弹性率及最大变形量。作为压头，使用了半径R为0.4mmΦ的碳化钨(WC)制球压头。
典型的负荷—深度曲线呈如图3所示的形状。首选，从零负荷的点①开始慢慢增加负荷f会发生塑性变形，并会慢慢增加压头的侵入深度。若达某一负荷值后停止增加负荷，如点②处所示会停止根据塑性变形的侵入。之后保持其负荷值，在此期间由于蠕变变形侵入深度会持续增加，最后达到停止维持负荷值的点③。之后，再慢慢减少负荷，根据弹性变形侵入深度向点④减少。
在以上过程中，图3中点②处的负荷值即最大负荷值F，设定为20mN。实际上，投影屏中的菲涅耳透镜板和双凸透镜板的接触压力小，很难测出，如果构成屏幕的透镜板的变形在条件严格的透镜板外周部约为10μm，则在透镜的性能上是允许的，而以往透镜板变形10μm所需的负荷为20mN，因此，以此为最大负荷值。
另外，引发蠕变变形的时间适当定为60秒。
最后，求出负荷—侵入深度曲线的步骤如下(1)以每次0.1秒共增加100次，使用于压缩的负荷值从0增加到20mN。
(2)负荷值达到20mN后保持60秒钟，引发蠕变变形。
(3)以每次0.1秒共降低40次，使负荷值降为0.4mN(试验机最低负荷)。
(4)负荷值达到0.4mN后保持60秒钟，恢复侵入深度。
(5)将(1)至(4)重复两次。
另外，作为施加球压头的部位，如图4所示，优选构成菲涅耳透镜的各个被细分的透镜面，如图4中以2c、2c’及2c”表示的部分的中心部附近。若透镜面中相邻凹部之间的间隔称为间距P，则是相当于P/2位置的附近。若使用其它形状的透镜，球压头作用于构成透镜的各个透镜面中心附近为宜。
压缩弹性率(E)是用以下公式求出。
E＝1/{2(h*(2R-h*))-1/2×H×(ΔH/Δf)-(1-n)/e}＝1/(5.586×h*×H×(ΔH/Δf)-7.813×107)在这里，h*是负荷f为最大值F时的负荷减少区域(图3中用点③、点④及H围成的区域)的负荷—侵入深度曲线的切线和侵入深度轴(横轴)的交点(单位mm)。
R是压头前端的半径(R＝0.4mm)。
H是侵入深度h的最大值(单位mm)。
ΔH/Δf是当负荷f为最大值F时负荷减少区域(图3中用点③、点④及H围成的区域)的负荷—侵入深度曲线斜率的倒数。
n是球压头的原料(WC)的泊松比(n＝0.22)。
e是球压头的原料(WC)的弹性率(e＝5.3×105N/mm2)。
如前段所述，按照(1)-(4)的顺序重复三次负荷的增减并每次求出负荷—侵入深度曲线，分别求出压缩弹性率E(单位Mpa)后，求出其平均值。
最大变形量如前段所述，表示负荷值达到最大负荷值20mN之后，保持60秒钟，刚结束蠕变变形之后的侵入深度(单位μm)。
除用表面为镜面的不锈钢板代替具有与菲涅耳透镜相反形状的菲涅耳透镜成形用模具之外，以和调制测定压缩弹性率、最大变形量用试样相同的方法制得试样用的树脂板。
采用上述试样，根据动态粘弹性测定装置(Orientic株式会社制)测定其储存弹性率及损耗正切。在试样的纵向赋予频率为1Hz的强迫振动，以每分钟3℃的升温速度在-100℃-100℃之间进行升温。
损耗正切的最大值(tanδ(max))是根据所得的损耗正切—温度曲线从山形的峰值求出，另外，将此时的温度视为Tp(单位℃)。
关于平衡弹性率，是根据得到的储存弹性率—温度曲线，求出80℃时的储存弹性率，并视为平衡弹性率(单位dyne/cm2)。
作为W1/2，求出切断损耗正切的最大值的1/2高度的山形时其切断部的宽度，另外，作为W0.1，求出切断损耗正切的最大值的1/10高度，即以0.1值时切断部的宽度。单位都是℃。
贴紧菲涅耳透镜板和双凸透镜板的各透镜面形成投影屏，在安装固定于投影型TV装置的屏幕固定用固定架的状态下，用投影机投影成全白色画面，过24小时后再观察画面。
通过观察，明显可以看出由透镜形状损坏所造成的亮度不均的为×，亮度不均的部分不明显的为△，没有发现亮度不均的为○。
分别在室温(25℃)、40℃及50℃进行以上的评价。
贴紧菲涅耳透镜板和双凸透镜板的各透镜面且用胶带固定其周围，并准备50组，将泡沫聚乙烯板夹在各组之间使之重叠，在室温(25℃)放置一周。此时位于最下面一组的表面压力为20g/cm2。
之后，以与前段所述的安装时的屏幕损坏评价相同的方式，将位于最下面一组的双凸透镜板和菲涅耳透镜板固定于投影型TV装置的屏幕固定用固定架上，且用投影机投影成全白色画面并观察画面。
通过观察，可以观察到明显的由透镜形状或泡沫聚乙烯板形状的转录而造成的亮度不均的为×，虽然可观察到亮度的不均，但属于不明显的允许范围内的为△，没有观察到亮度不均的为○。
将菲涅耳透镜板配置成各个透镜面朝上，且在各个透镜面之间塞泡沫聚乙烯，每组重叠100张并准备二组，其中一组放置于室温(25℃)而另一组放置于50℃，两组都放置一周。放置于50℃的那一组之后再在室温放置了24小时。此时最下面的表面压力仍为20g/cm2。
之后取出位于最下面的菲涅耳透镜板，以与前段所述的安装时的屏幕损坏评价相同的方式，与双凸透镜板一起固定于投影型TV装置的屏幕固定用固定架上，且用投影机投影成全白色画面并观察画面。
通过观察，可以观察到明显的由透镜形状损坏而造成的亮度不均的为×，虽然可观察到亮度的不均，但属于不明显的允许范围内的为△，没有观察到亮度不均的为○。
将以上各种参数的测定结果及用作菲涅耳透镜板时的实用评价结果分别表示于下面的表1及表2上。表1、表2中，试样记号B-H及L-V是有关于实施例，试样记号A及I-K有关于比较例。另外，图5至图10中用图表的形式表示了损耗正切—温度曲线的测定例。图表上的试样记号同表1及表2中的试样记号。
表1
表2
根据本发明的技术方案1，可以提供一种光学元件用树脂组合物，它是在规定损耗正切—曲线的半宽度和0.1宽度之差的范围，因此其性能不会对温度变化过分敏感，且具有作为粘弹性体的适度的弹性，在通常使用的温度范围内，使用由该树脂组合物得到的光学元件时，不会导致使用障碍等由使用时施加的压力所引起的损坏或水平堆积时的破损。
根据本发明的技术方案2，可以提供一种光学元件用树脂组合物，它是在规定损耗正切—曲线的半宽度和0.1宽度之比的范围，因此与技术方案1相同，其性能不会对温度变化过分敏感，且具有适度的弹性，在通常使用温度范围内，使用由该树脂组合物得到的光学元件时，不会导致使用障碍等由使用时施加的压力所引起的损坏或水平堆积时的压碎。
根据本发明的技术方案3，可以提供一种光学元件用树脂组合物，它是在规定损耗正切—温度曲线的半宽度范围及Tp值的范围，因此除了技术方案1中效果之外，还兼具有橡胶弹性及刚性，所以形状保持性能良好，另外也可以避免发生透镜板弯曲的现象。
根据本发明的技术方案4，可以提供一种光学元件用树脂组合物，它是在规定损耗正切—温度曲线中损耗正切的最大值的范围，因此除了技术方案1至3的效果之外，对磨擦具有耐久性，并且可以确保高温时的机械性能。
根据本发明的技术方案5，可以提供一种由可以发挥技术方案1至4的任何一种效果的光学元件用树脂组合物构成的光学元件。
根据本发明技术方案6，可以提供一种光学元件面的截面为锯齿状、前端呈尖形并且当适用于易于破损或缺口的菲涅耳透镜板上时可以进一步发挥技术方案5中的效果的光学元件。
根据本发明技术方案7，可以提供一种由菲涅耳透镜板和双凸透镜板组合而构成，且可以发挥技术方案5或6中的效果的投影屏。
权利要求
1.一种光学元件用树脂组合物，用于构成光学元件，其特征在于将位于根据温度变化测定损耗正切的损耗正切—温度曲线中山形部分损耗正切最大值的1/2位置的所述山形的宽度定为W1/2(℃)、位于所述损耗正切最大值的1/10的位置的所述山形的宽度定为W0.1(℃)、及所述两个山形宽度之差ΔW(℃)定为ΔW＝W0.1-W1/2时，ΔW为16-31℃。
2.一种光学元件用树脂组合物，用于构成光学元件，其特征在于将位于根据温度变化测定损耗正切的损耗正切-温度曲线中山形部分损耗正切最大值的1/2位置的所述山形的宽度定为W1/2(℃)、位于所述损耗正切最大值的1/10位置的所述山形的宽度定为W0.1(℃)时，所述两个山形宽度之比W0.1/W1/2为1.4-2.7。
3.一种光学元件用树脂组合物，用于构成光学元件，其特征在于位于根据温度变化测定损耗正切的损耗正切—温度曲线中山形部分损耗正切的最大值的1/2位置的所述山形的宽度W1/2(℃)为13-50℃，且与所述损耗正切的最大值相对应的温度值Tp(℃)为18-47℃或52-80℃。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的光学元件用树脂组合物，其特征在于所述损耗正切的最大值为0.4-1.2。
5.一种光学元件，其特征在于用权利要求1至4中任一项所述的光学元件用树脂组合物构成其整体或一部分。
6.根据权利要求5所述的光学元件，其特征在于所述光学元件为菲涅耳透镜板。
7.一种投影屏，其特征在于由权利要求5或6中所述的光学元件和双凸透镜板组成。
全文摘要
一种光学元件用树脂组合物、光学元件及投影屏，作为构成组成投影屏(1)的菲涅耳透镜板(2)或双凸透镜(3)的树脂组合物，从损耗正切－温度曲线求出半宽度、0.1宽度、损耗正切的最大值及与相应的温度等范围并加以规定，即ΔW为16－31℃，W
文档编号G02B3/08GK1409129SQ0214269
公开日2003年4月9日 申请日期2002年9月17日 优先权日2001年9月17日
发明者土井康裕 申请人:大日本印刷株式会社