JP3162398B2 - 光散乱導光装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、光を導光しつつ散乱光を周囲に向けて照射
し得る板状の光散乱導光体を備えた光散乱導光装置に関
し、更に詳しく言えば、液晶表示装置（LCD）のバック
ライト光源装置として特に有用な、実質的に一様な散乱
機能が与えられた体積領域を有する板状の光散乱導光体
を用いた光散乱導光装置に関するものである。

背景技術 従来より、散乱現象を利用して光を所望の方向に向け
出射させる型の光学要素あるいは装置として種々のもの
が公知となっており、液晶表示装置のバックライト光源
等の用途に使われている。

これら公知の光学要素あるいは装置の１つの類型は、
延在した板状の透明材料の側方より光を入射させ、一方
の面側に反射要素を配し、他方の表面付近に光拡散性を
与えて光出射面とする面状光源を構成し、液晶表示装置
のバックライト光源等として使用するものである。

例えば、特開昭62−235905号公報、特開昭63−63083
号公報、特開平２−13925号公報及び特開平２−245787
号公報に記載されたものがこれに当る。

これら光散乱導光装置を用いた面状光源においては、
光散乱が透明体の内部で体積的に生起されておらず、透
明体の表面付近あるいは反射要素における乱反射や鏡面
反射を利用して光出射方向に拡がりを持たせているのみ
なので、光散乱導光装置から取り出せる散乱光の割合を
十分に上げるには原理的な困難があった。

また、側方から光を入射させて均一な照度を有する面
状光源を得ようとした場合、上記各公知文献に示された
例からも容易に理解されるように、反射要素の反射能等
になんらかの勾配を持たせなければならず、光散乱導光
装置部分の構造が複雑かつ大型のものとなり、製造コス
トも高くならざるを得なかった。

従って、この型の光散乱導光装置を液晶表示装置のバ
ックライト光源等の用途に用いた場合、明るさ、面状光
源として照度の均一性、薄型構造、経済性等の要求のう
ちのいくつかを犠牲にせざるを得なかった。

公知の光学要素あるいは装置のもう１つの類型は、延
在した板状の透明材料の内部に該透明材料と屈折率の異
なる粒状物質を分散させて光導光板を構成するものであ
る。

例えば、シリコーン樹脂からなる球状粒子をPMMA樹脂
等の透明性材料内に分散させた光拡散板の提案として、
特開平１−172801号、特開平３−207743号、特開平３−
294348号がある。これら公知の文献で開示されている粒
径や粒子濃度のデータ等を用いて後述する有効散乱照射
パラメータＥを計算してみると、210〜3000という値が
算出される。

このようなＥの値は、本発明が要件としている0.45〜
100の範囲から大きくはずれており、垂直方向から光を
入射させて使用する光拡散板を構成する場合には使用出
来ても、本発明が企図している、拡がりを持った光取出
面から明るさの均一な光を取り出す光散乱導光装置の用
途には使用出来ない。

即ち、上記公知の光散乱体に側方から光を入射させた
としても、「相当の距離に亙って導光しつつ散乱させ
る」という光散乱導光体としての機能を実質的に備えて
いない為に、光入射面の極く近くの光取出面を局所的に
明るくする結果となり、例えば液晶表示装置のバックラ
イト光源として実用的なサイズ（数cm〜数10cm）の均一
面光源を実現することは不可能である。

また、光取出面の明るさの均一度を上げる為の試みと
して、特開平２−221924号、特開平２−221925号、特開
平２−221926号がある。これらは、光入射面から距離の
増大に応じて粒子径及び／または粒子濃度を大きくする
というものであり、有効散乱照射パラメータＥの値を光
入射面から距離の増大に応じて大きくするということに
相当している。しかし、このような散乱体を実際に製造
することは技術的に容易でなく、量産性に欠け、経済的
にも不利である。例えば、射出成形技術を適用し、一括
成形により光散乱導光体を得ることが困難である。

更に、表面に印刷パターンなどの光拡散性を与える処
理を施す一方で、透明樹脂体内部に微粒子を含有させた
導光板からなる光源装置が特開平４−145485号で開示さ
れている。ここでは、「表面の光拡散処理を施さない場
合の該導光板の出光面の輝度が、表面に光拡散処理を施
した粒子を含有しない時の導光板（従来よりい市販の導
光板）に比べ、２〜10％になるようにする」ことによっ
て、輝度が改善されることが述べられている。

即ち、この文献に示された技術思想は、輝度の90％以
上を表面の光拡散処理の寄与によって生じさせ、残りの
数％の輝度上昇を粒子含有による光拡散によって達成す
るというものに他ならず、光散乱導光体自体の散乱機能
は補助的な意味しか有していない。

発明の開示 上述したように、従来技術の内、延在した板状の透明
材料の側方より光を入射させ、一方の面側に反射要素を
配し、他方の表面付近に光拡散性を与えて光出射面とす
る面状光源を構成し、液晶表示装置のバックライト光源
等として使用する型の光散乱導光装置においては、光利
用効率を高くするのが難しく、また、強いて光出射面の
照度を上げようとすると、各種の補強手段が必要とな
り、その為に装置の厚み等が増し、また、製造コストも
高くならざるを得ない。

更に、この透明板を使用する型のものにおいても、散
乱能を補強し、照度分布を均一化する為に、上記の粒状
物質で散乱能を与える型の光散乱導光体の説明の中で述
べた網目あるいはドット状の補強層を透明板の裏面側に
形成することが行われる。その場合、光出射面側から光
散乱導光装置を観察すると補強層の網目やドットの模様
が透けて見えるという不都合が生じる。これを防止する
為に、実際に光散乱導光装置を構成するにあたっては、
光出射面側にも光散乱性のフィルム等を配置することが
行われている。

このような、付加構成も光吸収の原因になり、光利用
効率の低下要因であり、また、装置構造が複雑になり、
製造コストを上昇させる因ともなる。

一方、それ自身が光散乱能を有する光散乱導光体と、
該光散乱導光体の側方より光を入射させる光源素子とを
組み合わせて光散乱導光装置とした場合にも、従来技術
においては、光散乱導光体内に分散させた粒状物質の分
散濃度に勾配を与えたり、あるいは、光散乱導光体の裏
面側に光拡散性インク等の印刷技術を用いて、網目状、
ドット状等の光散乱補強層を設けることが必須と考えら
れて来たから、それら付加的技術手段を採用することに
伴う装置の構造の複雑化と製造コスト上昇は避けること
が出来なかった。網目やドットの模様が透けて見えると
いう現象も、透明板を使用した場合ほどではないが、無
視できない程度には起こるので、よりむらのない光出射
強度を得る為には、やはり光拡散フィルム等で光出射面
を覆ったり、光出射面を擦りガラス状に加工する等の手
段が必要となる。（裏面の模様が透けて見えない程に粒
状物質濃度を上げると、光散乱が光源近傍に強く起こ
り、広い面光源を得られない。） これら付加的な手段や加工工程によって、光利用効率
が顕著に上昇するという作用は得られず、むしろ構造が
複雑化する要因となるだけである。特に、工程数を出来
るだけ省いて製造プロセスを合理化し、小型（特に、厚
み）で軽量の装置を安価で大量に供給しようとした場合
に、無視出来ない阻害要因となる。

本発明は、これら従来技術では避け難かった装置の複
雑化、大型化を回避し、極めて簡単な構成で均一で明る
い光出射面を持つ、製造が簡単な光散乱導光装置を提供
することを企図するものである。

また、本発明は更に、特に小さな消費電力で明るい光
出射面を得ることが要望されている液晶表示装置のバッ
クライト光源装置に用いて有用な、光方向修正素子を利
用した光散乱導光装置を提供しようとするものである。

更に、光散乱導光装置に使用される光散乱導光体を構
成する材料の選択自由度を拡げ、また、それらの製造に
あたって、プラスチック材料成形プロセスとして極めて
一般的である射出成形法、あるいは押し出し成形法を採
用し得るようにすることを本発明は企図するものであ
る。

本発明は、先ず、「板状の光散乱導光体と、前記光散
乱導光体に光を供給する光供給手段とを備え、前記光散
乱導光体は、前記光供給手段からの入射光を受け入れる
少なくとも１つの端面領域と、前記側端面領域より導入
されて前記側端面領域から離れるように伝播する光を前
記板状の光散乱導光体の延在方向に関して側方に取り出
して出射させるための出射面領域と、散乱能が実質的に
一様に与えられた体積領域とを有している光散乱導光装
置であって； 該体積領域における有効散乱照射パラメータＥ［c
m^-1］の値が、0.45≦Ｅ≦100の範囲にあると共に、該光
散乱導光体に前記散乱能を生じせしめる屈折率不均一構
造の相関関数γ（ｒ）を近似式γ（ｒ）＝exp［−r/a］
（但しｒは、光散乱導光体内の２点間距離）で表した時
の相関距離ａの範囲が、0.01μｍ≦ａ≦50μｍの範囲に
あり、且つ、前記屈折率不均一構造が、前記光散乱導光
体の前記体積領域内に一様に分布する粒子状材料によっ
て与えられており、前記粒子状材料の屈折率と前記光散
乱導光体の基材の屈折率の差が0.001以上である前記光
散乱導光装置」によって、製造が容易で簡単な構造を有
し、明るく均一度の高い出射散乱光を得ることの出来る
光散乱導光装置の１つの基本構成を提案したものであ
る。

次に、本発明は、「板状の光散乱導光体と、前記光散
乱導光体に光を供給する光供給手段とを備え、 前記光散乱導光体は、前記光供給手段からの入射光を
受け入れる少なくとも１つの端面領域と、前記側端面領
域より導入されて前記側端面領域から離れるように伝播
する光を前記板状の光散乱導光体の延在方向に関して側
方に取り出して出射させるための出射面領域と、散乱能
が実質的に一様に与えられた体積領域とを有している光
散乱導光装置であって；該体積領域における有効散乱照
射パラメータＥ［cm^-1］の値が、0.45≦Ｅ≦100の範囲
にあると共に、該光散乱導光体に前記散乱能を生じせし
める屈折率不均一構造の相関関数γ（ｒ）を近似式γ
（ｒ）＝exp［−r/a］（但しｒは、光散乱導光体内の２
点間距離）で表した時の相関距離ａの範囲が、0.01μｍ
≦ａ≦50μｍの範囲にあり、且つ、前記光散乱導光体
が、少なくとも２種類のポリマーの混練工程を含むプロ
セスによって形成された材料からなり、前記少なくとも
２種類のポリマーの屈折率について、最大屈折率と最小
屈折率の差が少なくとも0.001以上である前記光散乱導
光装置」によって、製造が容易で簡単な構造を有し、明
るく均一度の高い出射散乱光を得ることの出来る光散乱
導光装置の別の１つの基本構成を提案したものである。

更に、本発明は、上記核基本構成において、「前記出
射面領域に臨んで、光出射方向を特定の方向へ向けて修
正する光出射方向修正素子が配置されている」という要
件を課すことによって、所望の方向から観察した場合の
明るさが増大された光散乱導光装置を提供したものであ
る。

また、上記粒子分散型の基本構成において、「前記光
散乱導光体がサスペンション重合過程を通して前記粒子
状材料が分散された材料を含む材料を成形することによ
って得られる材料を含む」という要件を加えて、ポリマ
ー材料中に粒子分散を行なう技術として利点の多いサス
ペンション重合過程を利用出来るようにしたものであ
る。

更に、ポリマー材料中に粒子分散を行なう技術として
特に簡便な混練工程−成形プロセスを利用出来るように
する為に、上記粒子分散型の基本構成において、「前記
光散乱導光体の基材がポリマーマトリックスで構成さ
れ、前記粒子状材料が該ポリマーマトリックス内に混練
工程を含む成形プロセスを通じて分散含有されている」
という要件を加えたものである。

図面の簡単な説明 図１は、横軸に相関距離ａ、縦軸に誘電率ゆらぎ２乗
平均τをとって有効散乱照射パラメータＥを一定とする
曲線を、Ｅ＝50［cm^-1］及びＥ＝100［cm^-1］の場合に
ついて描いたグラフである。

図２は、相関距離ａの２つの値について、横軸に散乱
角度θ（入射光線の進行方向をθ＝０゜とする。）をと
り、自然光を仮定した場合の規格化散乱光強度を表わす
グラフである。

図３は、光散乱導光装置の散乱出射光方向特性を修正
する際の配置の典型例を示したものである。

図４は、光出射方向修正素子の機能について説明する
図である。

図５は、光出射方向修正素子の機能を実証する実験結
果を示したものである。

図６及び図７は、本発明で採用し得る光散乱導光体の
材料をポリマー材料名で列挙した表である。

発明を実施する為の最良の形態 先ず、本発明において光散乱導光体の散乱特性を記述
する為に使用されている散乱照射パラメータＥと相関距
離ａについて、Debyeの理論を引用して説明する。

強度l0の光が媒体中をｙ（cm）透過し、その間の散乱
により強度がｌに減衰した場合に、有効散乱照射パラメ
ータＥを次式（１）または（２）で定義する。

Ｅ［cm^-1］＝−［ln（l/l0）］/y …（１） Ｅ［cm^-1］＝−（1/l）・dl/dy …（２） 上式（１）、（２）は各々いわゆる積分形及び微分形
の表現であって、物理的な意味は等価である。なお、こ
のＥは濁度と呼ばれることもある。

一方、媒体内に分布した不均一構造によって光散乱が
起こる場合の散乱光強度は、縦偏光の入射光に対して出
射光の大半が縦偏光である通常の場合（ＶV散乱）に
は、次式（３）で表される。

ＶV＝［（４＜η^２＞π^３）／λ₀ ⁴］∫Ｃγ（ｒ）dr …（３） 但し、Ｃ＝［r²sin（νsr）］／νsr …（４） である。

自然光を入射させた場合には、Hh散乱を考慮して、式
（３）の右辺に（１＋cos θ２）/2を乗じた次式を考え
れば良いことが知られている。

l vh＝Vv（１＋cosθ^２）/2 …（５） ここで、λ０は入射光の波長、ν＝（２πｎ）／λ
０、ｓ＝2sin（θ/2）、ｎは媒体の屈折率、θは散乱
角、＜η２＞は媒体中の誘電率ゆらぎ２乗平均（以下、
＜η２＞＝τとして、τを適宜使用する。）であり、γ
（ｒ）は相関関数と呼ばれるものである。

γ（ｒ）＝exp（−r/a） …（６） Debyeによると、媒体の屈折率不均一構造が界面を持
ってＡ相とＢ相に分かれて分散している場合には、誘電
率のゆらぎに関して相関関数γ（ｒ）、相関距離ａ、誘
電率ゆらぎ２乗平均τ等が次のような関係式で表され
る。

ａ［cm］＝（4V/S）・φＡφＢ …（７） τ＝φＡφＢ（nA²−nB²）^２ …（８） 但し、V;全体積、S;界面の全面積、φＡ、φB;A、Ｂ
各相の体積分立、nA、nB;A、Ｂ各相の屈折率である。

不均一構造が半径Ｒの球状界面で構成されているとみ
なせば、相関距離ａは次式で表される。

ａ［cm］＝（4/3）Ｒ（１−φＡ） …（９） 相関関数γ（ｒ）についての式（６）を用い、式
（５）に基づいて自然光を媒体に入射させた時の有効散
乱照射パラメータＥを計算すると結果は次のようにな
る。

Ｅ＝［（32a³τπ^４）／λ0⁴］・ｆ（ｂ） …（10） 但し、ｆ（ｂ）＝［｛（ｂ＋２）²/b²（ｂ＋１）｝ −｛２（ｂ＋２）/b³｝・ln（ｂ＋１）］ …（11） ｂ＝４ν²a² …（12） である。

以上述べた関係から、相関距離ａ及び誘電率ゆらぎ２
乗平均τを変化させることにより、散乱光強度、散乱光
強度の角度依存性及び有効散乱照射パラメータＥを制御
することが可能であることが判る。

図１には、横軸に相関距離ａ、縦軸に誘電率ゆらぎ２
乗平均τをとって有効散乱照射パラメータＥを一定にす
る条件を表わす曲線が、Ｅ＝50［cm^-1］及びＥ＝100［c
m^-1］の場合について描かれている。

一般に、Ｅが大きければ散乱能が大きく、Ｅが小さけ
れば散乱能が小さい、換言すれば透明に近くなる。Ｅ＝
０は全く散乱の無いことに対応する。

従って、大面積の面状光源や長尺のファイバー状乃至
棒状の均一照明光源等に光散乱導光体を用いる場合には
Ｅを小さく選べば良い。一応の判断基準を述べれば次の
ようになる。

例えば、Ｅ＝0.001［cm^-1］程度とすれば、数十ｍの
寸法のファイバー状の光散乱導光体を均一に光らせるこ
とが出来る。図１に示したＥ＝100［cm^-1］の程度にと
れば、数mm〜数cmの範囲を集中的且つ均一に照明するの
に適している。

また、図１のＥ＝50［cm^-1］のケースでは、それらの
中間的なサイズ（例えば、数cm〜数十cm）の光散乱導光
体を均一に光らせるのに好適と考えられる。

本発明では、上記基準を考慮しつつバックライト光源
の用途における実用性を重視し、0.45〜100［cm^-1］の
レンジを選択した。

一方、相関距離ａは、光散乱導光体内部における個々
の散乱現象における散乱光の方向特性に深く関わってい
る量である。即ち、上記（３）式乃至（５）式の形から
推察されるように、光散乱導光体内部における光散乱は
一般に前方散乱性を帯びているが、前方散乱性の強さが
相関距離ａによって変化する。

図２は、これをａの２つの値について例示したグラフ
である。図において、横軸は散乱角度θ（入射光線の進
行方向をθ＝０゜とする。）を表わし、縦軸は自然光を
仮定した場合の散乱光強度、即ち、上記（５）式をθ＝
０゜に対して規格化した値、Vvh（θ）/Vvh（０）を表
わしている。図に併記されているように、ａ＝0.13μ
ｍ、上記（９）を用いて粒径に換算して2R＝0.2μｍの
場合には、規格化散乱強度のグラフはθに関する緩やか
な減少関数となるが、ａ＝1.3μｍ、上記（９）式によ
る粒径換算値で2R＝2.0μｍの場合には、規格化散乱強
度のグラフはθが小さい範囲で急激に減少する関数とな
る。

このように、光散乱導光体内の屈折率の不均一構造に
よって生ずる散乱は、基本的に前方散乱性を示し、相関
距離ａの値が小さくなると前方散乱姓が弱まり、１回の
散乱における散乱角度範囲が広がる傾向を持つようにな
ると言うことが出来る。この事実自体は、実験的にも確
認済みの事柄である。

以上は光散乱導光体内部に分布した屈折率不均一構造
による散乱現象そのものに着目した議論であるが、光散
乱導光体の光取出面から実際に出射される光の方向特性
を評価する為には、光取出面における全反射の現象と光
出射時の透過率（光散乱導光体からの脱出率）を併せて
考慮する必要がある。

基礎的な光学理論によって良く知られているように、
光散乱導光体の内部側から光取出面に光が入射した時、
光散乱導光体内外の媒質の屈折率によって決まる臨界角
αｃ（ここでは、光取出面に立てた法線方向を０゜とす
る。）を上回る場合には、外部（空気層）への出射（脱
出）が起らない。本発明に使用される代表的な材料であ
るPMMA（屈折率1.492）では、αｃ＝42゜となる。他の
材料の場合にも大差の無い値となる。

上述したように、光散乱導光体内部における散乱は前
方散乱性を示すから、光取出面の側方に光入射面をとる
通常のケースでは、光入射面から入射した光が不均一構
造に遭遇して発生した１次散乱光が直ちに上記臨界角条
件を満たすことは稀であると考えられる。

換言すれば、光取出面からの光出射には、光散乱導光
体内部における多重散乱や光散乱導光体の背面側の界面
あるいは反射部材による反射等を経た光が上記臨界角条
件を満たして外部に出射される現象が大きく寄与してい
るものと思われる。

そうだとすると、臨界角条件を満たす光に注目した場
合には、個々の散乱現象の属性である前方散乱性は相当
程度薄められ、光の進行方向分布には相当の拡がりが生
じている筈である。従って、光散乱導光体から出射され
る光の方向特性は、臨界角条件を満たした光の光取出面
における透過率（脱出率）の角度依存性に大きく左右さ
れるものと考えられる。

一般に、臨界角をぎりぎりで満たすような条件におけ
る透過率は極めて低く（例えば、アクリル樹脂−空気界
面の場合、Ｐ偏光成分40％程度、Ｓ偏光成分20％程度で
ある。）、臨界角を下回ると急激に上昇し、５゜乃至10
゜以上下回った条件ではほぼ一定となる（アクリル樹脂
−空気界面の場合、Ｐ偏光成分90％以上、Ｓ偏光成分85
％以上）。

以上のことから、光取出面への入射角が32゜乃至37゜
程度の光が、光散乱導光体の光取出面から光出射に最も
寄与しているものと考えられる。光取出面における屈折
を考慮に入れると、入射角が32゜乃至37゜程度出射光は
光取出面に立てた法線に対して、53゜〜62゜程度（光散
乱導光体の屈折率は1.5程度である。）となる。即ち、
光散乱導光体の光取出面からの出射光は、粗く見積れ
ば、光取出面表面に対して30゜〜40゜程度立ち上がった
方向に指向性を有する光となる。

但し、ここで注意すべきことは、相関距離ａの値が余
り大きくなると、前方散乱性そのものが薄れてしまい、
一次散乱のみで広範囲の方向に散乱光が発生するように
なる為に、この指向性が弱まってしまうことである。本
発明では、光散乱導光体の光取出面からの出射光の指向
性がａの値に応じて変化することを前提にするものであ
り、これを考慮した相関距離ａの実際的な値の範囲とし
て、0.01μｍ〜50μｍを選択するが、下記に説明する光
出射方向修正素子を有効に使用する為には、ａ＞0.05で
あることが好ましい。

以上の事柄を前提に、本発明に使用される光修正素子
の機能について図３及び図４を参照して説明する。

例えば、液晶表示装置等においては、表示面の観察は
特定方向（主として正面方向あるいはこれに近い方向）
から行われるのが一般的であるから、バックライト光源
に使用される光散乱導光装置の散乱出射光は、光取出面
に垂直な方向に強く分布することが望まれる。本発明で
使用される光散乱導光体に光出射方向修正素子を組み合
わせることによって、この要求に有効に応えることが出
来る。

先ず、図３は、請求項１あるいは請求項２に記載され
た光散乱導光装置の散乱出射光方向特性を修正する際の
配置の典型例を示したものである。

図３において、１は光散乱導光体で、その両側に光源
（蛍光ランプ）２を配置し、散乱光取出面５の側には光
出射方向修正素子４を配置する。光散乱導光体１の裏面
６は、光学的に開放された面であり、光散乱導光体本体
には光拡散インキパターンや凹凸拡散面等の光散乱補強
処理は特に施されていない。但し、粗面として光源２の
強い反射が光入社部の周辺で発生することを防止するこ
とも考えられる。裏面６に対向して、光散乱導光体１と
は別体の反射体（白色フィルム板）３が配置される。

この配置の特徴は、散乱出射光取出面側に光出射方向
修正素子４が設けられ、それによって光出射方向が修正
される点にある。以下、図４を参照して述べる。光出射
方向修正素子４は、図４（１）のように、光散乱導光体
１の光取出面５側に臨んでその凹凸面を外側に向けて配
置されても良く、また、図４（２）のように、光散乱導
光体１の光取出面５側に臨んでその凹凸面を内側に向け
て配置されても良い。（図３では、前者の場合を例示し
た。） 先ず、図４（１）のケースでは、臨界角条件を満たす
光を代表する光線B1は、φ１＝30゜乃至40゜の角度を以
て光取出面５に入射し、その大部分が空気層７へ出射さ
れる。この時の出射角φ２は、光散乱導光体の屈折率n1
＝1.5程度、空気層の屈折率n0＝１として、50゜〜60゜
となる。そして、空気層７を通過した後、光出射方向修
正素子４に入射して図示されたような屈折経路を辿り、
光取出面５に対して垂直方向に近い角度で光出射方向修
正素子４の面4aから出射される。（面4bから出射される
割合は相対的に小さい。） 光出射方向修正素子４入射以後の光の経路は、その屈
折率n2やプリズム頂角φ３によってある程度変化するか
ら、光散乱導光装置の適用事例に即してこれらパラメー
タを選択すれば良い。

次に、図４（２）のケースでは、臨界角条件を満たす
光を代表する光線B2は、φ１＝30゜乃至40゜の角度を以
て光取出面５に入射し、その大部分が空気層７へ出射さ
れる。この時の出射角はφ２は、光散乱導光体の屈折率
n1＝1.5程度、空気層の屈折率n0＝１として、50゜〜60
゜となる。ここまでの経路は図４（１）の場合と同じで
ある。

光線B2は、空気層７を通過した後、光出射方向修正素
子４のプリズム面4aに垂直に近い角度で入射する。特
に、プリズム面の頂角φ４＝60゜〜80゜とすれば、この
条件の満足度が高い（反対側の面4dに入射する割合は相
対的に小さい）。従って、プリズム面4aでの屈折は僅か
であり、光線B2は反対側のプリズム面4dで正反射され、
光取出面５に対して垂直方向に近い角度で光出射方向修
正素子４から出射される（プリズム面の頂角φ４＝60゜
〜80゜とすれば、この条件の満足度も高くなる。） 光出射方向修正素子４自体は公知のものであるが、光
散乱導光体１から出射される光に相当の指向性が無けれ
ば、その機能を有効に利用することが出来ない。この指
向性を利用する技術思想は本発明に固有のものである。
従来の光散乱導光体の背面側に光拡散性の印刷パターン
等を設けるものにあっては、光散乱導光体が透けて見え
ることを防ぐ為に光取出面上に光拡散板を配置すること
が多く、このような指向性を得ることが出来ない。

なお、光出射方向修正素子４は、図示したように列状
にプリズム面が形成されたものに限らず、いかなる型の
のものを使用しても良い。例えば、３角錐状あるいはド
ーム状の突起群を分布させたフィルム、かまぼこ形断面
を有する列状凸部を有する板状素子等が考えられる。

また、特殊なケースとして、例えば、射出成形技術を
用いて光散乱導光体１を製造する際に金型に凹凸面を形
成しておく等の手段により光取出面５に凹凸を形成し、
光出射方向修正素子の役割を果たさせる態様も採用可能
である。

以上、光出射方向修正素子の作用について、理論上の
考察を述べたが、この考察が正しいことを実証する実験
例を示したのが、図５である。図において、□印は、図
３に示された配置において光修正素子４を除外した場合
における出射光強度の実測値を、横軸に角度（光取出面
に立てた法線方向を90゜とした。）をとってプロットし
たものである。曲線ａはこれに対応する方向特性推定曲
線である。

曲線ａは30゜と40゜の間及び140゜と150゜の間に同形
のピークを有している。これは、前記考察における出射
光の指向性に関する推論結果と整合した結果を表わして
いる（曲線ａは各光源に由来する光の指向性を表わす曲
線を重ね合わせたものとなっている）。

一方、このような結果が得られる配置に対して光出射
方向修正素子４を図３の配置で加えた場合の実測値をプ
ロットした結果は、◇印で描かれている。曲線ｂはこれ
に対応する方向特性推定曲線である。図から明らかなよ
うに、90゜方向（光取出面に向かって正面方向）を中心
に対称形の適度の拡がり（本例では30゜程度）を有する
明瞭な指向性を持つように、出射光の指向性が修正され
ている。このような特性は液晶表示装置のバックライト
光源として、非常に好ましいものである。

次に、本発明に使用される光散乱導光体の材料及び製
造方法について説明する。

本発明で使用される光散乱導光体は、ポリマー材料を
ベースとするものであり、代表的なものを挙げれば、図
５及び図６に示した表１、表２にも挙げられているよう
に、PMMA（ポリメチルメタクリレート）、PSt（ポリス
チレン）、PC（ポリカーボネート）等がある。

本発明に使用される光散乱導光体を構成する材料の製
造法の１つは、２種類以上のポリマーを混練する工程を
含む成形プロセスを利用するものである。

上記２種類以上のポリマーを混練する工程は、ポリマ
ーブレンドと言うべき工程であるが、この混練されるポ
リマー材料の組合せに屈折率が実質的に異なる（屈折率
差0.001以上）ものを選択して光散乱導光体を構成した
点に、請求項２に記載された構成の基本的特徴がある。

即ち、２種類以上の屈折率の相互に異なるポリマー材
料（任意形状で良い。工業的には、例えばペレット状の
ものが考えられる。）を混合加熱して、練り合わす（混
練工程）。そして、混練された液状材料を射出成形機の
金型内に高圧で射出注入し、冷却固化することによって
成形された光散乱導光体を金型から取り出せば金型形状
に対応した形状の光散乱導光体を得ることが出来る。混
練された２種類以上のポリマーは完全には混ざり合うこ
となく固化するので、それらの局所的濃度に不均一（ゆ
らぎ）が生まれて固定される。

従って、混練されるポリマー同士に実質的な屈折率差
があれば、屈折率不均一構造を有する光散乱導光体が製
造されることになる。

また、混練された材料を押し出し成形機のシリンダー
内に注入し、通常のやり方で押し出せば目的とする成形
物を得ることが出来る。

これらポリマーブレンドの組合せや混合割合について
は、非常に幅広い選択が可能であり、屈折率差、成形プ
ロセスで生成される屈折率不均一構造の強さや性質（散
乱照射パラメータＥ、相関距離ａ、誘電率ゆらぎ２乗平
均τで記述される。）を考慮して決定すれば良い。

使用し得るポリマー材料の代表的なものを図５及び図
６の表１及び表２に示した。これらの材料は、あくまで
例示であり、本発明に使用される光散乱導光体の材料を
限定する趣旨のものではない。

本発明に使用される光散乱導光体を構成する材料の製
造法の更に別の態様として、ポリマー材料中に屈折率の
異なる（0.001以上の屈折率差）粒子状材料を一様に混
入分散させるものである。

粒子状材料の一様混入に利用可能な方法の１つは、サ
スペンション重合法と呼ばれるものである。即ち、粒子
状材料をモノマー中に混入し、湯中に懸濁させた状態で
重合反応を行なわせると、粒子状材料が一様に混入され
たポリマー材料を得ることが出来る。これを原材料に用
いて成形を行なえば、所望の形状の光散乱導光体が製造
される。

サスペンション重合を種々の粒子状材料とモノマーの
組合せ（粒子濃度、粒径、屈折率等の組合せ）について
実行し、複数種類の材料を用意しておき、これを選択的
にブレンドして成形を行なえば、多様な特性の光散乱導
光体を製造することが出来る。また、粒子状材料を含ま
ないポリマーをブレンドすれば、粒子濃度を簡単に制御
するこかが出来る。

粒子状材料の一様混入に利用可能な方法の他の１つ
は、ポリマー材料と粒子状材料を混練するものである。
この場合も、種々の粒子状材料とポリマーの組合せ（粒
子濃度、粒径、屈折率等の組合せ）で混練・成形（ペレ
ット化）を行なっておき、これらを選択的にブレンドし
て光散乱導光体を成形製造することにより、多様な特性
の光散乱導光体を得ることが出来る。

また、上記のポリマーブレンド法と粒子状材料混入方
法を組み合わせることも可能である。例えば、屈折率の
異なるポリマーのブレンド・混練時に粒子状材料を混入
させることが考えられる。

以下、具体的な幾つかの実施例について更に説明を加
える。

＜実施例１＞ メタクリル樹脂のペレット（旭化成製、デルベット80
N）に粒径0.8μｍのシリコン系樹脂粉体（東芝シリコン
製、トスパール108）を0.3wt％添加し、ミキサーで混合
分散させた後、押し出し機でストランド状に押し出し、
ペレタイザーでペレット化することにより、シリコン系
樹脂粉体が均一に分散されたペレットを調製した。

このペレットを射出成形機を用い、シリンダー温度23
0℃〜260℃、型温度50℃の条件で成形して、縦56mm、横
75mm、厚さ4.5mmの板状光散乱導光体を得た。

この光散乱導光体を図３に示した配置中の光散乱導光
体１に使用して、光散乱導光装置の基本配置を構成し
た。光出射方向修正素子４としては、頂角がほぼ110゜
のプリズムフィルムを採用した。また、蛍光ランプ２の
周囲には、光散乱導光体１に面する側を除いて反射フィ
ルム（図示省略）を配置して光の有効利用を図った。ま
た、光散乱導光体１の裏面には、光拡散インキ等の散乱
補強層を一切設けず、別体の反射フィルム３を配置した
のみの構成とした。

蛍光ランプ２に、通常のバックライト光源用に用いら
れているものを使用して、光取出面に対して法線方向の
散乱光強度を（株）ミノルタ製の色彩色度計を用いて測
定したところ、光散乱導光体全面にわたって約6416カン
デラの明るさで、正面方向に散乱光を出射していること
が確かめられた。また、網目パターンあるいはドットパ
ターン等の散乱補強素子を使用しなかったにも拘らず、
約84％の明暗比が得られ、均一度の高い面光源が実現さ
れていることが確かめられた。

また、プリズムフィルムを２枚重ねて使用したとこ
ろ、約7117カンデラ、明暗比90％という値を得た。これ
により、プリズムフィルムを重ねることによって、照度
自体と共にその均一性も改善されることが判明した。こ
れは以下の原理によって説明される。使用されるプリズ
ムフィルムは、スリーＭ社のベフ（商標名）であり、ポ
リカーボンートよりできており、屈折率は1.59である。

光取出面に対して法線方向を90゜、ランプから遠ざか
る方向を０゜とするとし、プリズム面が表側を向く場合
を考える。この時、光散乱導光体の持つ指向性によっ
て、35゜方向に出射された光は、前述した原理によって
１枚目の光出射方向修正素子で60゜方向の光に変換さ
れ、更に、２枚目の光出射方向修正素子で84゜方向の光
に変換される。即ち、90゜に近い方向への出射方向の修
正が達成されたことになり、光散乱導光体の正面方向か
ら見た明るさが改善される訳である。

これに対して、メタクリル樹脂製光散乱導光体の下面
に光拡散層のスクリーン印刷を施し、散乱光取出面側に
も光拡散板を配置した従来市販されている光散乱導光装
置について、同じ条件下で散乱光強度を測定したとこ
ろ、照度約4052カンデラという結果を得た。

これに同じプリズムフィルム（光出射方向修正素子）
を配置して、「スクリーン印刷を施したPMMA導光板＋光
拡散板＋プリズムフィルム」という３枚構成にした場合
の照度は、5253カンデラであった。

上気の「光散乱導光体＋プリズムフィルム２枚」の64
16カンデラの値はこれを上回っており、スクリーン印刷
や光拡散板を要しない従来より簡単な構成で照度が22％
も上昇していることが判る。

この３枚構成の配置に更にプリズムフィルムを１枚追
加配置した場合、即ち、「スクリーン印刷を施したPMMA
導光板＋光拡散板＋プリズムフィルム＋プリズムフィル
ム」という４枚構成にすると、照度は5590カンデラとな
り、２枚目のプリズムフィルムを設置することによる照
度の増加分は337カンデラに過ぎない。

これに対しし、「光散乱導光体＋プリズムフィルム」
の２枚構成に２枚目のプリズムフィルムを追加すると、
照度は既述した通り6416カンデラから7117カンデラまで
701カンデラも上昇した。この結果からも、光散乱導光
体とプリズムフィルム（光出射方向修正素子）の組合せ
の有効性の高さが確認される。

次に、視野角について述べる。本実施例の光散乱導光
体からの出射光のピークは35゜付近にあるので、１枚目
のプリズムフィルムにプリズム頂角が48゜付近にあるも
のを使用すれば、90゜（正面方向）への出射方向修正が
達成される。このような条件は、例えば、通常のデスク
載置型のコンピュータの液晶ディスプレイへのバックラ
イト光源への適用に好適である。

また、TFT液晶テレビジョンのように、ある程度視野
角を広げる必要がある用途を想定する場合には、例え
ば、次のような方策をとることによってより好ましい結
果を得ることが出来る。

光散乱導光体からの出射光のピークを90゜から相当程
度ずれた方向に修正するプリズムフィルムを１枚使用
し、図３の光散乱導光体両サイドに１本づつの光源を配
置する構成を採用する。これは、図５の曲線ｂを得る為
に使用されたプリズムフィルム（90゜方向への修正素
子）を、90゜から相当程度ずれた方向に修正するプリズ
ムフィルムに置き換えたものに相当するので、図５のｂ
のカーブを左右双方へ広げた形の曲線が得られる筈であ
る。換言すれば、２本のランプを使用することにより、
光拡散板を使用することなく、しかも、光出射方向修正
素子の作用を活かしながら視野角を制御することが可能
となる。

但し、本発明は視野角を適宜広める為に光拡散板を使
用することを全く拒否するものではない。即ち、従来用
いられていた光拡散板を光散乱導光体と光出射方向修正
素子の間または光出射方向修正素子上に配置すれば、光
拡散板の光拡散作用により、視野角が広がるのは当然の
帰結である。しかし、その場合でも、出射光の指向性の
中心角度を制御した上で指向性の先鋭度を必要に応じて
弱めるという使用法がとれることは、本発明の１つの特
徴である。

なお、本実施例において使用多された光散乱導光体の
相関距離はａ＝0.53μｍであり、有効散乱照射パラメー
タの前記（11）式による見積計算値はＥ＝12.6［cm^-1］
である。

＜実施例２＞ MMAに粒径0.8μｍのシリコーン系樹脂粉体（東芝シリ
コン製、トスパール108）を0.3wt％添加し、公知のサス
ペンション重合法により、該粉体が均一に分散した球状
粒子を得た。これを実施例１と同様にペレタイザーでペ
レット化することにより、シリコーン系樹脂粉体が均一
に分散されたペレットを調製した。

以下、実施例１と同じ条件で同型の板状光散乱導光体
を得た。この光散乱導光体は、実施例１で作製された光
散乱導光体と外観上全く区別がつかないものであった。
そして、実施例１と同条件の諸測定を行なった結果につ
いても、実質的な差異が認められなかった。

なお、本実施例において使用された光散乱導光体につ
いても、相関距離はａ＝0.53μｍであり、有効散乱照射
パラメータの前記（11）色による見積値はＥ＝12.6［cm
^-1］である。

＜実施例３＞ 80mlの水に、2.2gの過酸化ベンゾイル、12mlのクロル
デカン、10mlのジクロルエタン及び0.25gのNa−ラウリ
ルサルフェートをホモゲナイザーを用いて乳化し、直径
0.1μｍ〜0.2μｍのエマルジョンを調製した。このエマ
ルジョンを粒径0.55μｍ、濃度8.5wt％の単分散ポリス
チレンをシードラテックス90mlに添加した。更に、20ml
の水、及び15mlのアセトンを35℃〜40℃で添加し、40℃
で12時間にわたって撹はんした後、アセトン及びジクロ
ルエタンを真空蒸留により除去した。

次に、1.2gのNa−ラウリルサルフェートを添加した
後、水で希釈して全体で1.2リットルとした。そして、
スチレン65g、メタクリル酸メチル171g、ブチルアクリ
レート45g、及びトリメチロールプロパントリアクリレ
ート9gを30℃で撹はんしながら添加した後、更に、30℃
で15時間にわたって撹はんした。その後、60℃に温度を
上げて重合反応を開始させ、25時間反応を持続させ、平
均粒径2.8μｍ、屈折率1.502の有機架橋粒子材料を得
た。

メチルメタクリレート（MMA）とトリフルオロエチル
メタクリレート（3FMA）の組成比１対１の共重合体1kg
に、上気粒子材料を0.5wt％添加し、ミキサーで十分混
練した後、直径20mmのノズルより押し出した。これを長
さ50mmとして、両端を切削研磨して、円筒状の光散乱導
光体を得た。

得られた光散乱導光体について、Debyeの関係式を使
って相関距離ａと誘電率のゆらぎ２乗平均τを計算した
ところ、相関距離ａ＝1.87μｍ、誘電率のゆらぎ２乗平
均τ＝0.0000808という結果を得た。また、前記式（1
0）を用いて、散乱照射パラメータＥの値を求めた結果
は、散乱照射パラメータＥ＝44.03［cm^-1］であった。

この円筒乗光散乱導光体の一方の端面から、径約1mm
のHe−Neレーザービームを入射させたところ、光散乱導
光体表面全体から、目視では明暗むらが全く認められな
い程度の散乱光が観測された。そして、その端面を観察
しても、レーザービームに相当する光点は視認出来なか
った。即ち、入射光のほぼすべてが均一度の高い散乱光
に変換されることが確かめられた。

＜実施例４＞ ポリメチルメタクリレート（PMMA）にポリスチレン
（PSt）を0.5wt％添加し、Ｖ型タンブラーを用いて10分
間、次いでヘンシェルミキサーを用いて５分間混合し
た。これを径30mmの２軸押し出し機［ナカタニ機械
（株）製］を使って、シリンダー温度220℃〜250℃、ス
クリュー回転数75rpm、吐出量6kg/hrの条件で融解混合
してペレットを作成した。

このペレットを射出成形機を用い、シリンダー温度22
0℃〜250℃、型温度65℃、射出速度中速、射出圧力ショ
ートショット圧プラス10kg/cm2の条件で成形して、縦横
35mm、厚さ4.5mmの板状光散乱導光体を得た。

この光散乱導光体を図２に示した配置中の光散乱導光
体１に使用して、光散乱導光装置の基本配置を構成し
た。光出射方向修正素子４としては、頂角がほぼ110゜
のプリズムフィルムを使用した。また、蛍光ランプ２の
周囲には、光散乱導光体１に面する側を除いて反射フィ
ルム（図示省略）を配置して光の有効利用を図った。ま
た、光散乱導光体１の裏面には、光拡散インキ等の散乱
補強層を一切設けず、別体の反射フィルム３を配置した
のみの構成とした。

蛍光ランプ２には、実施例１と同じものを用い、散乱
光強度を測定したところ、光散乱導光体全面にわたって
約6500カンデの明るさで、正面方向に散乱光を出射して
いることが確かめられた。また、網目パターンあるいは
ドットパターン等の散乱補強素子を使用しなかったにも
拘らず、明暗比約80％の照度均一度を有しており、均一
度の高い面光源が実現されていることが確かめられた。

以上、説明したように、本発明によれば、従来技術で
は避け難かった装置の複雑化、大型化を回避し、極めて
簡単な構成で均一で明るい光出射面を持つ、製造が簡単
な光散乱導光装置が提供される。

また、本発明によれば、光方向修正素子を利用するこ
とにより、小さな消費電力で特に明るい光出射面を有す
る光散乱導光装置が実現される。

更に、本発明は、新規な型の光散乱導光体を提供し、
光散乱導光体あるいはそれを組み込んだ光散乱導光装置
における材料選択の自由度を拡げ、また、それらの製造
にあたって、プラスチック材料成形プロセスとして極め
て一般的である射出成形法、あるいは押し出し成形法を
採用し得るようにし、光散乱導光体あるいは光散乱導光
装置の製造に要するコストを低減することに寄与するこ
とが出来るという利点を有するものである。

本発明の光散乱導光装置は、このような基本的利点を
備えているから、液晶表示装置等各種ディスプレイのバ
ックライト光源装置、自動車等におけるバックライト光
源、１次光源として太陽光あるいは通常の照明光源を利
用した各種の照明システムへの適用を通じて、幅広い光
学分野でその有用製を発揮するものである。

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】板状の光散乱導光体と、前記光散乱導光体
   に光を供給する光供給手段とを備え、 前記光散乱導光体は、前記光供給手段からの入射光を受
   け入れる少なくとも１つの端面領域と、前記側端面領域
   より導入されて前記側端面領域から離れるように伝播す
   る光を前記板状の光散乱導光体の延在方向に関して側方
   に取り出して出射させるための出射面領域と、散乱能が
   実質的に一様に与えられた体積領域とを有している光散
   乱導光装置であって； 該体積領域における有効散乱照射パラメータＥ［cm^-1］
   の値が、0.45≦Ｅ≦100の範囲にあると共に、該光散乱
   導光体に前記散乱能を生じせしめる屈折率不均一構造の
   相関関数γ（ｒ）を近似式γ（ｒ）＝exp［−r/a］（但
   しｒは、光散乱導光体内の２点間距離）で表した時の相
   関距離ａの範囲が、0.01μｍ≦ａ≦50μｍの範囲にあ
   り、且つ、 前記屈折率不均一構造が、前記光散乱導光体の前記体積
   領域内に一様に分布する粒子状材料によって与えられて
   おり、前記粒子状材料の屈折率と前記光散乱導光体の基
   材の屈折率の差が0.001以上である前記光散乱導光装
   置。
2. 【請求項２】板状の光散乱導光体と、前記光散乱導光体
   に光を供給する光供給手段とを備え、 前記光散乱導光体は、前記光供給手段からの入射光を受
   け入れる少なくとも１つの端面領域と、前記側端面領域
   より導入されて前記側端面領域から離れるように伝播す
   る光を前記板状の光散乱導光体の延在方向に関して側方
   に取り出して出射させるための出射面領域と、散乱能が
   実質的に一様に与えられた体積領域とを有している光散
   乱導光装置であって； 該体積領域における有効散乱照射パラメータＥ［cm^-1］
   の値が、0.45≦Ｅ≦100の範囲にあると共に、該光散乱
   導光体に前記散乱能を生じせしめる屈折率不均一構造の
   相関関数γ（ｒ）を近似式γ（ｒ）＝exp［−r/a］（但
   しｒは、光散乱導光体内の２点間距離）で表した時の相
   関距離ａの範囲が、0.01μｍ≦ａ≦50μｍの範囲にあ
   り、且つ、 前記光散乱導光体が、少なくとも２種類のポリマーの混
   練工程を含むプロセスによって形成された材料からな
   り、前記少なくとも２種類のポリマーの屈折率につい
   て、最大屈折率と最小屈折率の差が少なくとも0.001以
   上である前記光散乱導光装置。
3. 【請求項３】前記出射面領域に臨んで、光出射方向を特
   定の方向へ向けて修正する光出射方向修正素子が配置さ
   れている、請求項１または請求項２に記載の光散乱導光
   装置。
4. 【請求項４】前記光散乱導光体がサスペンション重合過
   程を通して前記粒子状材料が分散された材料を含む材料
   を成形することによって得られる材料を含んでいる、請
   求項１に記載された光散乱導光装置。
5. 【請求項５】前記光散乱導光体の基材がポリマーマトリ
   ックスで構成され、前記粒子状材料が該ポリマーマトリ
   ックス内に混練工程を含む成形プロセスを通じて分散含
   有されている、請求項１に記載された光散乱導光装置。