JP3184219B2 - 光散乱導光体とその製造方法及び応用光学装置 - Google Patents

光散乱導光体とその製造方法及び応用光学装置

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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
し得る光散乱導光体、ならびに該光散乱導光体を用いた
応用光学装置に関する。
更に詳しく言えば、本発明は、有機材料の重合過程で
生じる不均一構造を利用して、相対的に小断面積の入射
光束を高い効率と均一度を以て相対的に大断面積の出射
光束に変換することの出来る光散乱導光体、ならびに該
光散乱導光体の特性を有効に利用した光源装置、照明装
置、光分岐装置等の応用光学装置に関するものである。
背景技術 従来より、入射光を導光しつつ散乱させて多方向に向
け出射させる為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、光散乱導光装置が高い光拡散性を発揮している
とは言い難い。
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
体装置部分の構造を複雑で大型（特に、厚みについて）
なものとすることが避けられない。
従って、この型の光散乱導光体を均一で高い照度と薄
型の構造が要求される液晶表示装置のバックライト光源
等の用途に用いる場合には、光散乱性を補強し面状光源
として照度の均一性を確保する為に種々の付加的構成が
必要であるが、それらの光散乱能補強手段を加えると薄
型構造の要求には応えられなくなるという問題があっ
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拡散板を構成するものであ
る。
例えば、特開平１−172801号公報、特開平１−236257
号公報、特開平１−269901号公報、特開平１−269902号
公報及び特開平２−221925号公報に開示されたものがこ
の類型に属する。
上記特開平２−221925号公報には、光拡散板の側方よ
り光を入射させ、一方の面側に反射要素を配し他方の面
を光出射面として、液晶表示装置のバックライト光源等
を構成することが開示されている。
これらの光拡散板においては、透明体の内部に分散混
入された粒状物質によって生じる屈折率の不均一によっ
て光散乱が体積的に生起されている。その意味におい
て、上記第１の類型のものに比して、光拡散効率を改善
し得るものということは出来るが、次のような問題点が
ある。
すなわち、基体材料中に別の物質からなる粒状物質を
均一に分散させることは、実際状極めて難しく、その結
果、不均一構造の分布にむらができ、均一な光拡散が得
られないという欠点がある。
例えば、数ミクロンの粒子をメチルメタクリレート
（MMA）モノマーに混入させて混合させる場合には、密
度や相溶性の違いにより、粒子の分布に偏りを生じて均
一な光散乱能を得ることが出来ない。ポリメチルメタク
リレート（PMMA）などのポリマーに粒子を高温で練り込
む場合にも同様の理由で高度に均一な粒子分散構造を得
ることは困難である。
また、光散乱を与える屈折率不均一構造の基本単位が
粒状に限られるので、光散乱導光体の体積全体を均一か
つ有効に使って光散乱を生じさせるという観点から見る
と好ましいとは言えない。特に、液晶表示装置のバック
ライト光源のように、比較的広面積の均一照度面光源を
得ようとした場合には、粒子分散密度が小さくなるか
ら、光散乱導光体全体を均一に光散乱に寄与させている
ことにならない。このことは高度に均一な拡散光を得る
上で望ましいことではない。
光散乱導光体全体の光散乱能を変えずに屈折率不均一
構造を光散乱導光体全体に分布させるには、分散させる
粒子の径を小さくして、粒子数密度を上げれば良いとも
考えられるが、特定された材料で粒子径を任意の微小サ
イズに定めることは、微小粒子の製造技術上の制約もあ
って必ずしも容易でない。また、過度に粒子径を小さく
すると散乱に波長依存性が生じ、無用な着色現象を招く
恐れがある。
上記特開平２−221925号公報には、PMMAをMMAとMA
（アクリル酸メチル）の混合単量体に溶解してメタクリ
ル樹脂シラップを調製し、このシラップに比重が２以上
でメタクリル樹脂と屈折率の異なる無機充填材（フィラ
ー；例えば、ガラスビーズ、石英粉等）を分散混合し、
重合開始剤を加えて重合反応（共重合反応）を起こさせ
て光散乱導光体を得ているが、この場合でも光散乱は実
質的に無機充填剤のみによってもたらされており、重合
反応過程において屈折率不均一構造を生成させることは
全く企図されていない。特開平２−221925号公報に記載
されているような共重合の組合せ（例えば、メタクリル
酸メチル50重量％とメタクリル酸エチル50重量％、ある
いはメタクリル酸メチル50重量％とアクリル酸メチル50
重量％）では、相溶性が極めて良い為に屈折率不均一構
造は生ぜず、従って、重合反応によって形成された樹脂
はあくまで透明な基材として機能するのみで、光散乱に
は寄与していない。
従来より、光散乱導光体の形状としては、板状のもの
の他に種々のものが知られている。例えば、海洋牧場や
クロレラ培養の為の光照射装置においては、棒状あるい
は線状の導光体の表面に傷を付け、該傷部分で生じる光
散乱を利用して、広い角度範囲を指向する出射光を得て
いる。しかしながら、このような方法では、散乱光が傷
の付いた部分に集中してしまい、十分な均一度を以て大
きな断面積を持った光束を得ることが難しい。
また、太陽光を建造物内に取り入れて室内照明などに
利用する場合にもファイバー状の導光手段を用いている
が、大きな透明空間を効率良く均一に照明する出射光束
を得る為には高価で大型の付加的設備を要しているのが
現状である。
このように、公知の光散乱導光体においては上記した
ような種々の問題があり、これら問題点を克服した光散
乱導光体が、液晶表示装置のバックライト光源等の明る
く均一性が高い面状光源を必要とする分野を始めとし
て、幅広い光学関係分野で待ち望まれていた。
発明の開示 本発明の目的は、相対的に小断面積の光束を高い効率
と均一度を以て相対的に大断面積の光束に変換すること
の出来る光散乱導光体、ならびに該光散乱導光体の特性
を有効に利用したバックライト光源装置、光分岐装置等
の応用光学装置を提供することにある。
本発明は、有機材料の重合過程で生じた屈折率不均一
構造を有する光散乱導光体、並びに有機材料の重合過程
で生じた屈折率不均一構造を有する該光散乱導光体を利
用した応用光学装置を提供するものである。
本発明は、上記屈折率不均一構造によってもたらされ
る散乱能を記述するパラメータについて技術的に大きな
意義のある数値限定を提案する。
先ず、有機材料の重合過程によって屈折率不均一構造
を形成させて本発明の光散乱導光体を得る原理の概要を
説明する。
本発明は重合過程において種々のメカニズムによって
生成される不均一構造を積極的に利用して光散乱導光体
を構成するものである。この不均一構造を生むメカニズ
ムのいくつかを例示すれば次のようになる。
（１）第１材料としてのモノマーの第２材料としてのポ
リマー（オリゴマーであっても良い。以下、本明細書に
おいては特にことわりの無い限り、ポリマーと言えばオ
リゴマーを含むものとする。）を少量溶解させる。この
状態では、ポリマーの個々の分子が完全に溶解してい
る。従って、均一に混ざり合った透明な混合溶液の形態
をとっており、光散乱性は生じていない。この混合溶液
に重合開始剤等を添加して加熱するなどの手段により重
合反応を開始させる。重合反応が進行し、高転化率にな
ってきた時、それまでに生成されてきた第１材料のポリ
マーと第２材料のポリマーとの相溶性が、該第２材料の
ポリマーと第１材料のモノマーとの相溶性に比べて小さ
い場合には、第２材料のポリマーは徐々に凝集構造を形
成する。第１材料のポリマーと第２材料のポリマーの屈
折率が実質的に相異するように有機材料を組み合わせれ
ば、屈折率がゆらいだ構造、すなわち屈折率不均一構造
が生成される。
この場合、粒子状の物質をモノマーに混入分散させて
重合を行わせたり、ポリマーに粒子を高温条件下で練り
込ませたりする従来技術とは違って、重合前にポリマー
分子１つ１つのレベルで均一に溶解した状態が実現して
おり、その状態からスタートして不均一構造を徐々に形
成しているので、極めて高い均一度で不均一構造が分布
した光散乱導光体を得ることが出来る。
後記する実施例のうち実施例１、３、５、６、７、８
及び９における光散乱導光体は、この類型に属するもの
である。
（２）第１材料としてのモノマーに第２材料としてのモ
ノマーを適量混合して重合反応を起こさせる。この時例
えば、第１材料のモノマーの反応性比r1と第２材料のモ
ノマーの反応性比r2について、r1＞１且つr2＜１が成立
するように材料を選択しておけば、重合反応の過程で第
１材料のモノマーは優先的に重合し、未反応モノマー中
の第２材料のモノマーの割合は次第に増大する。第１材
料のモノマーの大半が重合すると、今度は第２材料のモ
ノマーの重合する割合が増加し始め、最終段階において
は、第２材料のポリマーとのみが生成されることにな
る。
第１材料のポリマーと第２材料のポリマーの相溶性が
比較的小さければ、組成の似たもの同士、すなわち、第
１材料のポリマーと第２材料のポリマーとがそれぞれ凝
集構造を形成することになる。両ポリマーの屈折率が実
質的に異なれば、屈折率がゆらいだ屈折率不均一構造が
生成される。この場合も重合前にモノマー同士を均一に
混ぜることは容易なので、まんべんなく屈折率不均一構
造が形成される。
後記する実施例のうち実施例２における光散乱導光体
は、この類型に属するものである。
（３）単独材料のモノマーのみを重合させても、屈折率
不均一構造を形成することが出来る。
すなわち、モノマーとポリマーの比重が十分に異なれ
ば、重合が進んでポリマーがある程度固くなってくる
と、残存モノマーがポリマーになった時に体積収縮部分
は、いわゆるマイクロボイドとなる。このマイクロボイ
ドは極めて多数形成され、重合反応の結果得られるポリ
マー内に３次元的に均一分布した光散乱中心として機能
するので、従来の物質粒子を分散混入させた光散乱導光
体に比して特性の良い光散乱導光体が得られる。
後記する実施例のうち実施例10における光散乱導光体
は、この類型に属するものである。
（４）上記（１）の類型の変形として、上記第２の材料
に低分子量であって、第１材料のモノマーとの相溶性は
良好であるが第１材料ポリマーとの相溶性は劣るものを
選択することも可能である。この場合にも、上記（１）
で述べたのと同様のメカニズムによって、第２材料（低
分子量物質）が凝集して不均一構造が生まれる。第２材
料の屈折率が第１材料ポリマーと実質的に異なるような
組合せを採用すれば光散乱導光体を製造される。
このような低分子材料として用い得る物質は数多く存
在するが、例を挙げれば、フタル酸ジフェニル、ヘキサ
フロロイソプロピルテレフタレート、ビフェニル、安息
香酸フェニル等がある。
本発明は上記（１）〜（４）に説明したメカニズム、
あるいはこれらに類似したメカニズム乃至原理に基礎を
置くものである。屈折率不均一構造の生成メカニズムの
細部には多様性があるが、いずれのケースにおいても有
機材料の重合過程を通して屈折率不均一構造を意図的に
形成し、それを光散乱導光体として具現化することに本
発明の基本的特徴がある。従って、上記説明したメカニ
ズムはあくまで典型例を示した例示であって、本発明の
技術的範囲を限定する趣旨のものではない。
本発明においては、極めて多様な有機材料を色々な組
合せで用いて、上記説明したようなメカニズムを通して
屈折率不均一構造を形成させることが出来る。
これら有機材料の具体例を表１及び表２に記す。各表
において、各材料名はモノマーの形で示してあるが、最
終的に屈折率不均一構造を構成するのはポリマーである
から、ポリマー形態における屈折率の値を付記した。
例えば、MA、Ａ等は比較的低屈折率のものを示し、XM
A、XA等は比較的高屈折率のものを示しているから、各
グループから材料を選択して、相溶性あるいは反応性の
相異等に基づいた屈折率不均一構造を得ることが出来
る。２種のポリマー間の屈折率差|n1−n2|は、|n1−n2|
＞0.001であることが一般的には好ましい。
ここで用いる有機材料は２種類とは限らず、３種類以
上の有機材料（モノマー、ポリマーあるいはオリゴマ
ー）を適宜組み合わせて、複合的に重合反応を進行させ
て屈折率不均一構造を得ても全く差し支えない。言い替
えれば、３種以上の有機材料の組合せは、２種類の組合
せを複数組含むというのが本発明の立場であり、従っ
て、屈折率不均一構造形成に使用される有機材料が何種
類であっても本発明の範疇からの逸脱を意味するもので
ないことは言うまでもない。
本発明において屈折率不均一構造を生成する重合反応
として、表１及び表２に挙げたような材料を関与させる
場合の他に、いわゆるゴム系の高分子材料を形成する重
合反応を利用することも可能である。その例を、重合物
あるいは共重合物の形で表３に示した。これらゴム系の
材料を重合反応に関与させた場合には、特に柔軟性乃至
弾力性のある光散乱導光体を得ることが出来る。
また、従来の粒子を添加する方法で得られる屈折率不
均一構造と違って、本発明で実現される屈折率不均一構
造の形態は、例えば単位形状や寸法が共にランダムな島
状あるいは縞状に高低屈折率の相が入り組んだ形態、そ
れら２相の界面領域の屈折率プロファイルにある程度の
連続性が生じる形態等を取り得るものである。
それ故、材料の選択乃至重合反応における屈折率不均
一構造生成態様の自由度に基づいて、種々の特性を持っ
た光散乱導光体を得ることが可能となる。すなわち、次
に述べる有効散乱照射パラメータＥ、相関距離ａ及び誘
電率ゆらぎ２乗平均＜η２＞を適宜選択制御することに
よって、散乱能の強さ、散乱角度特性等を所望のものと
する自由度が大きくなる。
以下、散乱特性を定量的に記述し、光散乱導光体の散
乱特性を選択制御する際に有用な量あるいは関数である
有効散乱照射パラメータＥ、相関関数γ（ｒ）、相関距
離ａおよび誘電率ゆらぎ２乗平均＜η２＞についてDeby
eの理論を引用して簡単に説明する。
強度IOの光が媒体中をｙ（cm）透過し、その間の散乱
により強度がＩ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］＝−［In（I/IO）］/y ・・（１） Ｅ［cm-1］＝−（I/IO）］・dl/dy ・・（２） 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（τ）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＜η２＞π３）／λ0 4］∫Ｃγ（ｒ）dr ・・・・・・（３） 但し、Ｃ＝［r2sin（νsr）］／νsr ・・・・・・（４） 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＋cosθ２）を乗じた、 lvh＝Vv（１＋cosθ２） ・・・・・・（５） を考えれば良いことが知られている。
ここで、λ０は入射光の波長、ν＝（２πｎ）／
λ０、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乗平均であり、
γ（ｒ）相関関数と呼ばれるものである。
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＜η２＞等が次のような関係式で表
される。
γ（ｒ）＝exp（a/r） ・・・・・（６） ａ［cm）＝（4V/S）・φＡφＢ ・・・・・（７） ＜η２＞＝φＡφＢ（nA 2−nB 2）］２ ・・・・・（８） 但し、V;全体積、S;界面の全面積、φＡ、φB;A、Ｂ
各相の体積分率、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見
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＝（32a3＜η２＞π４）／λ0 4］・ｆ（ｂ） ・・・・（10） 但し、ｆ（ｂ）＝［｛（ｂ＋２）2/b2（ｂ＋１）｝ −｛２（ｂ＋２）/b3｝・In（ｂ＋１）］ ・・・・（11） ｂ＝４ν2a2 ・・・・（12） 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＜η２＞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。
散乱光強度の角度依存性は、本発明の光散乱導光体を
実際の照明装置等に適用する場合に考慮され得る事項で
あることは言うまでもない。
図15は、横軸に相関距離ａ、縦軸に誘電率ゆらぎ２乗
平均＜η２＞をとって有効散乱照射パラメータＥの曲線
をＥ＝50［cm-1］及びＥ＝100［cm-1］の場合について
例示したものである。
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本発明の光散乱導光体を適用す
る場合にはＥを小さく選べば良い。
一応の目安としては、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である。
但し、これら有効散乱照射パラメータＥの値は具体的
な適用装置の使用条件、例えば１次光源の強さ、周辺に
配置された光学要素に依存する散乱光補強あるいは減衰
ファクター等も考慮して定められることが好ましい。
相関距離ａについては、一応0.005μｍ〜50μｍ程度
が実際的と考えられるが、個々のケースについては、要
求される角度特性等を考慮して定められることが好まし
い。
図面の簡単な説明 図１は、棒状の光散乱導光体の斜視図、 図２は、図１に示した棒状の光散乱導光体の散乱光強
度の長さ方向分布の一例を示す図、 図３は、棒状の光散乱導光体の斜視図、 図４は、散乱光強度の測定装置の一例を示す概略図、 図５（ａ）、（ｂ）は、Vv散乱及びHv散乱の散乱光強
度の角度依存性の一例を表す図、 図６は、Vv散乱の散乱光強度の角度依存性を表す別の
例を示す図、 図７は、ディスク状の光散乱導光体を示す図、 図８は、図７に示したディスク状の光散乱導光体の光
り散乱特性を調べる為の光分岐・混合装置型の配置を示
す図、 図９は、くさび型光散乱導光体の張り合わせ状態とそ
の試験方法を示した図、 図10、図11、図12及び図13は、本発明の板状光散乱導
光体を用いて面状光源を構成した場合の面発光の様子と
光強度の分布を示した図、 図14は（ａ）、（ｂ）はくさび型の光散乱導光体の製
造方法を例示した図、 図15は、横軸に相関距離ａ、縦軸に誘電率ゆらぎ２乗
平均＜η２＞をとって有効散乱照射パラメータＥの曲線
をＥ＝50［cm-1］及びＥ＝100［cm-1］の場合について
描いた図である。
発明を実施する為の最良の形態 ［実施例１］ MMAにトリフルオロエチルメタクリレート（3FMA）の
ポリマーを0.1wt％溶解し、ラジカル重合開始剤として
ｔ−ブチルパーオキシイソプロピルカーボネート0.2wt
％、連鎖移動剤として、ｎ−ブチルメルカプタンを0.2w
t％加え、70℃で96時間重合した後、熱処理を行い、棒
状、板状等各種形状の光散乱導光体を得た。板状体の厚
さや3FMAポリマーの組成を場所的に徐々に変化させるこ
とにより、有効散乱照射パラメータＥを平面内で徐々に
変化させることが出来た。
棒状の光散乱導光体１（図１参照）に、軸方向より光
を入射させたところ、散乱角90゜におけるVv散乱強度は
２×10-4〜1.5×10-3［cm-1］、Hv散乱強度はは、５×1
0-5〜1.1×10-2［cm-1］であった。
長さ方向についての散乱強度の変化は、図２に示され
た形をしており、比較的フラットな特性を示した。
また、図３に示したように、板状体の光散乱導体光２
の場合には、背後にミラー３を置き、縦方向について均
一な光を光源４から入射させて、散乱光強度を測定し
た。
散乱光強度の測定は、シリコンフォトセルで光散乱導
光体２の前面側をスキャンすることによって行った。
ｘ方向に3FMA濃度を変化させて有効散乱照射パラメー
タＥに勾配をつけることによって、前面側全域について
均一な散乱光強度分布を実現させることに成功した。
また、ｘ方向に厚さを変化させることによっても同様
の散乱光強度均一分布を得ることが出来た。
図３に示した例では、光散乱導光体の背後にミラーを
配置したが、適当なサイズ（例えば、数cm〜数10cm）の
板状の光散乱導光体に光を両側側面から入射させる配置
とすれば、ミラーあるいは粒子状の反射要素を分布させ
た反射体等の反射補強手段を用いなくとも、均一性のあ
る照度分布を有する面状光源が得られることが判った。
この種の配置を液晶表示装置のバックライト光源等に適
用すれば、装置を小型化する上で極めて有利である。ま
た、背後を光学的に開放すれば、両面発光光源としても
有用である。
［実施例２］ MMAとビニルベンゾエート（VB）を４対１の割合で共
重合させた。重合開始剤としてディ・ターシャリー・ブ
チルパーオキサイド（DBPO）を0.2wt％、連鎖移動剤と
してｎ−ブチルメルカプタンを0.2wt％用い、130℃で96
時間重合させた。
得られた光散乱導光体について、実施例１と同じ条件
で散乱光測定を行ったところ、実施例１で得られた光散
乱導光体とほぼ同じ特性を有していることが判った。
［実施例３］ MMAに3FMAのポリマーを0.15wt％溶解したものと、0.1
wt％溶解したものを調製し、各々にラジカル重合開始剤
としてｔ−ブチルパーオキシイソプロピルカーボネート
0.2wt％、連鎖移動剤として、ｎ−ブチルメルカプタン
を0.2wt％加え、70℃で72時間重合した後、130℃で24時
間熱処理を行い、棒状（直径20mm）の光散乱導光体を製
造した。この光散乱導光体を図４に示した測定装置のゴ
ニオメータの中心に試料としてセットし、側面から縦方
向に偏光したHe−Neレーザ光（Ｖ偏光）を入射させ、入
射方向に対して角度θを有する方向への散乱光強度を測
定した。この散乱光の縦偏波成分Vv及び横偏波成分Hvに
ついて、測定した結果を示したのが図５（ａ）、（ｂ）
である。図中、A,Bは各々ポリ−3FMAの濃度が0.15wt％
のものと、0.1wt％のものを表している。
縦偏波成分Vvは等方性散乱に対応し、横偏波成分Hvは
異方性散乱に対応している。
この光散乱導光体においては縦偏波成分Vvと、横偏波
成分Hvに大きな差が認められない。これは、入射光の偏
光方向に関わらず、散乱光が偏光性を殆ど持たないこと
を意味している。従って、このような光散乱導光体は偏
光性を消去する光学素子（一種のスクランブラー）とし
て使用することが出来る。
また、縦偏波成分（Vv散乱光強度）の角度依存性に基
づいて、前述のDebyeの関係式を使って相関距離を計算
したところ、ほぼ1000オングストロームの大きさの屈折
率不均一構造によって、Vv散乱光強度に角度依存性が生
じていることが判った。
［実施例４］ MMAとビニルベンゾエート（VB）を４対１の割合で共
重合させた。重合開始剤としてディ・ターシャリー・ブ
チルパーオキサイド（DBPO）を0.2wt％、連鎖移動剤と
してｎ−ブチルメルカプタンを0.2wt％用い、70℃で96
時間重合させた。
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と誘電率ゆらぎ２乗平均＜η２＞を計算
した結果、相関距離ａ＝720オングストローム、誘電率
ゆらぎ２乗平均＜η２＞1.22×10-6という値を得た。
［実施例５］ MMAに分子量47500のポリスチレンポリマーを0.2wt％
溶解し、ラジカル重合開始剤としてｔ−ブチルパーオキ
シイソプロピルカーボネート0.2wt％、連鎖移動剤とし
て、ｎ−ブチルメルカプタンを0.2wt％加え、70℃で96
時間重合させて棒状の光散乱導光体（直径5mm）を製造
した。
この光散乱導光体の等方性光散乱（Vv）の角度依存性
を図６に示す。
また、この光散乱導光体を図７に示されたようなディ
スク状に加工し、上下を反射板で挟んで図８に示したよ
うに入射側と出射側に各々光ファイバーを接続した。入
射側の光ファイバーは１本とし、出射側の光ファイバー
は５本として、光分岐装置（あるいは、光混合装置）を
構成した。入射側から光信号を入力したところ、出射側
の５本の光ファイバーについて、ほぼ等しい強度の光信
号出力が得られた。
［実施例６］ MMAに3FMAのポリマーを0.1wt％溶解し、ラジカル重合
開始剤としてｔ−ブチルパーオキシイソプロピルカーボ
ネート0.2wt％、連鎖移動剤として、ｎ−ブチルメルカ
プタンを0.2wt％加え、70℃で72時間重合した後、130℃
で24時間熱処理を行い、棒状の光散乱導光体（直径10m
m）を製造した。
この光散乱導光体を約200℃に加熱して柔軟にした状
態で延伸することにより、外径1mmのファイバー状乃至
糸状の光散乱導光体を製造した。この光散乱導光体にHe
−Neレーザ光を入射したところ、約1mにわたって光を伝
達しながら均一な散乱光を放射することが確かめられ
た。
この延伸されたファイバー状光散乱導光体の屈折率は
1.491であったが、これとは異なる屈折率1.502を有する
MMAとベンジルメタクリレートの共重合体を用いて周囲
に被覆を施して光散乱導光体からなる光ファイバー素子
を作ることが出来た。
この光ファイバーにHe−Neレーザ光を入射したとこ
ろ、約80cmにわたって光を伝達しながら均一な散乱光を
放射することが確かめられた。
また、被覆材料を屈折率1.480を有するMMAと3FMAの共
重合体とした場合には、この均一散乱導光長さは約2mに
伸びた。
［実施例７］ MMAに3FMAのポリマーを0.1wt％溶解し、ラジカル重合
開始剤としてｔ−ブチルパーオキシイソプロピルカーボ
ネート0.2wt％、連鎖移動剤として、ｎ−ブチルメルカ
プタンを0.2wt％加え、70℃で72時間重合した後、130℃
で24時間熱処理を行い、棒状の光散乱導光体（直径10m
m）を製造した。
この光散乱導光体をペレット状にして、更に細かく粉
砕した後、底面の直径が10mm、高さが30mmの円錐状の型
容器及び直径6mmの球形の型容器に各々入れて約200℃で
加熱することにより、各容器形状に対応した形状の光散
乱導光体を製造することが出来た。
このことから、型容器の形状と寸法を選べば任意形状
と任意サイズを有する光散乱導光体を製造し得ることが
判った。
［実施例８］ MMAに3FMAのポリマーを0.40t％、0.30wt％、0.05wt％
及び0.01wt％溶解したものを各々調製し（得られる光散
乱導光体も含めて、順に、記号W1、W2、W3及びW4で表
す。）、ラジカル重合開始剤としてｔ−ブチルパーオキ
シイソプロピルカーボネート0.2wt％、連鎖移動剤とし
て、ｎ−ブチルメルカプタンを0.2wt％加え、70℃で72
時間重合した後、130℃で24時間熱処理を行い、４種類
のくさび状光散乱導光体を作った。各要素のサイズは縦
80mm、横100mm、最厚部厚さ4mmとした。
これらの光散乱導光体要素のうち２個（サンプルＡ及
びＢ）を任意に組合わせて図９に示したような板状の光
散乱導光体を作り、側方より蛍光灯の光を入射させた。
そして、一方の面側にビデオカメラを配置し、インテ
ンシティディスプレイを使って散乱光強度を測定した。
サンプルＡ、Ｂのいろいろの組合せについてその結果
を示したが図10〜図13である。
Ｉ（ｘ）、Ｉ（ｙ）はそれぞれ横方向、縦方向につい
ての散乱光強度を表しており、中央部の白黒濃淡は光照
度に対応している。
図10は、サンプルＡとしてW2を選び、サンプルＢとし
てW3を選んだものである（Ａ＝W2、Ｂ＝W3）。以下、図
11ではＡ＝W1、Ｂ＝W3、図12ではＡ＝W2、Ｂ＝W4、図13
ではＡ＝W1、Ｂ＝W4という組合せが選択されている。
図10及び図11のケースでは散乱光強度に比較的大きな
勾配が認められるが、図12及び図13のいケースでは極め
てフラットな散乱光強度分布が実現していることが明瞭
に判る。
図12や図13に示したような均一散乱光が得られる光散
乱導光体が、液晶表示装置のバックライト光源として非
常に価値あるものであることは明らかである。
［実施例９］ MMAに3FMAのポリマーを0.1wt％溶解し、ラジカル重合
開始剤としてｔ−ブチルパーオキシイソプロピルカーボ
ネート0.2wt％、連鎖移動剤として、ｎ−ブチルメルカ
プタンを0.2wt％加え、70℃で72時間重合した後、130℃
で24時間熱処理を行い、くさび状光散乱導光体を作っ
た。
これを、図14（ａ）に示したように、重合反応容器に
収容し、その上から重合開始剤を含むモノマーを注入
し、60℃で拡散重合させた。
その結果、図14（ｂ）に示したような板状の光散乱導
光体を得た。この板状光散乱導光体はその厚み方向につ
いては有効散乱照射パラメータが一定であるが、図中Ｘ
軸方向については有効散乱照射パラメータＥに勾配が付
けられいるものである。このように特定方向にだけ散乱
能が変化するものが得られたのは、前もって作成された
くさび状の光散乱導光体が重合する時にMMAモノマー側
に膨潤し、ある程度上下方向に組成が均一化された為で
ある。
散乱光強度から有効散乱照射パラメータＥを計算した
ところ、Ｘ軸方向に沿って2.30［cm-1］から５×10
-3［cm-1］まで変化していることが判った。
また、このような方法により、くさび形以外の種々の
形状（球面状、波形状等）の光散乱導光体を作製し、そ
れをもとに所望方向に所望の散乱能（有効散乱照射パラ
メータＥ）の分布を与えた板状乃至直方体状の光散乱導
光体を製造することが可能であることが判った。
［実施例10］ MMAに、ラジカル重合開始剤としてｔ−ブチルパーオ
キシイソプロピルカーボネート0.2wt％、連鎖移動剤と
して、ｎ−ブチルメルカプタンを0.2wt％加え、60℃
（ガラス転移温度以下）で240時間にわたって重合反応
を行わせた。残存しているモノマーは、高転化率が実現
した段階で固化したPAAMマトリックス中にトラップされ
ているが、このモノマーは長時間の加熱により重合す
る。ここでモノマーからポリマーへ変化する際に生じる
体積変化（収縮）により、無数のマイクロボイドが生成
し、これが光散乱をもたらす屈折率不均一構造としての
機能を果たす。
このようなプロセスで得られた光散乱導光体サンプル
について、Vv散乱強度の角度依存性を測定し、Debyeの
関係式に基づいて相関距離ａを計算したところ、850オ
ングストロームという値が得られた。
また、誘電率ゆらぎ２乗平均＜η２＞の値は＜η２＞
＝1.1×10-7、有効散乱照射パラメータＥについてはＥ
＝0.17［cm-1］という値であった。
また、θ＝40゜におけるVv散乱強度の測定値は、３×
10-4であり、θ90゜では0.8×10-4であった。更に、θ
＝100゜にとると、0.5×10-4（θ＝40゜の場合の６分の
１）まで数値が低下した。
すなわち、この実施例のプロセスによってもたらされ
た屈折率不均一構造（マイクロボイド）を持つ光散乱導
光体は前方方向への散乱が後方への散乱に比べて強く起
こる傾向を示した。
［実施例11］ MMAに3FMAのポリマーを0.2wt％溶解し、ラジカル重合
開始剤としてｔ−ブチルパーオキシイソプロピルカーボ
ネート0.2wt％、連鎖移動剤として、ｎ−ブチルメルカ
プタンを0.2wt％加え、70℃で72時間重合した後、130℃
で24時間熱処理を行い、板状の光散乱導光体（10cm×10
cm、厚さは5mm均一）を製造した。
この光散乱導光体に図３に準じた配置で両側側面から
蛍光灯の光を入射させた。光散乱導光体の背後には反射
フィルム（鏡面でなくても良い）を配置し、前面にプリ
ズム状の光拡散板を置いて、散乱光強度を測定した（通
常用いられることの多いドットパターン状に散乱要素を
分布させたバックライト用散乱補強素子は使用しな
い）。
光源に通常の光度の蛍光灯を使用して、光散乱導光体
前面の全体にわたって約4400カンデラの明るさで光が放
射されていることが判った。
従来市販されているバックライト用光散乱導光体を用
いて、同じ条件で測定を行ったところ、約3400カンデラ
という値を得た。
すなわち、従来より約23％の照度の向上が達成されて
いることが確かめられた。
また、MMAにBzMAのポリマーを0.5wt％溶解し、同様の
条件で重合を行い、同形同サイズの光散乱導光体を製造
し、同じ測定を行ったところ、得られた結果も殆ど変わ
るところがなかった。
産業上の利用可能性 本発明に係る光散乱導光体によれば、有機材料の重合
反応による屈折率不均一構造形成という極めて自由度
（材料、有効散乱照射パラメータＥの値、相関距離ａの
値、光散乱導光体形状等の選択の幅）の高いプロセスを
利用して、相対的に小面積の光束を高い効率と均一度を
以て相対的に大断面積の光束に変換することが出来るの
で、均一度の高い散乱光を必要とするあらゆる光学関係
分野において高い産業上の利用性を有する。
具体的には、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における各種形状と各種寸法
の照明光源、レーザや発光ダイオード等の光源を１次光
源に用いた際の光束拡張装置、光信号伝送システムにお
ける光分岐装置・混合、顕微鏡等において狭い範囲を集
中的且つ強力に照明する装置等への適用が考えられる。

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】相対的に小断面積の入射光束を側端面から
    導入し、前記導入された光を前記側端面より大きな面積
    を持つ面を通して出射させながら側端面から離れるよう
    に伝達させることによって前記相対的に小断面積の入射
    光束を相対的に大断面積の出射光束に変換する板状の光
    散乱導光体であって、 少なくとも１種類の有機材料の重合過程で生じた屈折率
    不均一構造を内部に有し、 前記屈折率不均一構造によって生じる散乱能を記述する
    有効散乱照射パラメータＥの値が、0.001［cm-1］≦Ｅ
    ≦100［cm-1］の範囲にある、前記光散乱導光体。
  2. 【請求項２】前記屈折率の不均一構造の相関関数γ
    （ｒ）を、近似式γ（ｒ）＝exp［−a/r］で表した時の
    相関距離ａの範囲が、0.005μｍ≦ａ≦50μｍの範囲に
    ある請求項１に記載された光散乱導光体。
  3. 【請求項３】有効散乱照射パラメータＥに勾配をもたせ
    ることにより、出射光強度が均一化された請求項１また
    は請求項２に記載された光散乱導光体。
  4. 【請求項４】光散乱導光体と、該光散乱導光体へ側方よ
    り光を入射させる光源手段とを備えたバックライト光源
    装置であって、 前記光散乱導光体は、相対的に小断面積の入射光束を側
    端面から導入し、前記導入された光を前記側端面より大
    きな面積を持つ面を通して出射させながら側端面から離
    れるように伝達させることによって前記相対的に小断面
    積の入射光束を相対的に大断面積の出射光束に変換する
    板状の形状を有し、 前記屈折率不均一構造によって生じる散乱能を記述する
    有効散乱照射パラメータＥの値が、0.001［cm-1］≦Ｅ
    ≦100［cm-1］の範囲にある、前記光源装置。
  5. 【請求項５】前記屈折率の不均一構造の相関関数γ
    （ｒ）を、近似式γ（ｒ）＝exp［−a/r］で表した時の
    相関距離ａの範囲が、0.005μｍ≦ａ≦50μｍの範囲に
    ある請求項４に記載された面光源装置。
  6. 【請求項６】少なくとも１種類の有機材料の重合過程で
    生じた屈折率不均一構造を有する光散乱導光体と、 前記光散乱導光体に対して前記光散乱導光体の一方の側
    から光を入射させるように配置された光入射手段と、 前記光散乱導光体の他方の側から光を取り出して導光す
    るように前記光散乱導光体の他方の側に配置された光取
    出導光手段とを備え、 前記光入射手段及び前記光取出導光手段の少なくとも一
    方は複数個配置されている、光分岐・混合装置。
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