JP5382608B2 - 光拡散シート及びそれを用いた面光源装置、ならびに光拡散シートの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は光拡散シート及びそれを用いた面光源装置、ならびに光拡散シートの製造方法に関し、特には高輝度の面光源装置を実現する光拡散シート及びそれを用いた面光源装置、ならびに光拡散シートの製造方法に関する。

従来、面光源装置は、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）を代表とする非発光タイプの表示装置のバックライトとして広く用いられている。

面光源装置は、光源が側面に配置されるサイドライト（エッジライト）型と、底面に配置される直下型とに大別され、一般には、光源の薄さが求められる場合にはサイドライト型が、光源の明るさが求められる場合には直下型が有利であるとされる。例えば特許文献１には、典型的な直下型の面光源装置が開示されている。

面光源装置には、冷陰極管やＬＥＤといった線状または点状の光源が用いられる。そのため、輝度が均一な面光源装置を得るためには、光源の出射光が発光面全体に均一に拡散される必要がある。また、面光源装置の輝度を高めるには、出射光の方向を発光面の法線方向に揃える必要がある。

そのため、面光源装置は、光源からの出射光を発光面内に均一に拡散させるための拡散機構と、拡散された光の出射方向を発光面の法線方向に揃えるための方向制御機構とを有する。

例えば特許文献１の図１に開示される面光源装置における拡散機構は、乳白板１４であり、方向制御機構は２枚のレンズシート１５，１６である。また、図８に示される構成では、レンズシート１５，１６で方向が揃えられた光を、さらに乳白板１４とは別の拡散機構である光拡散シート１７に入力している。

このような構成の面光源装置は、光源の出射光が面光源装置の発光面から出射するまでに様々な光学材料を通過するため、輝度の均一性は良好になる反面、光の減衰が大きくなるため、高輝度の面光源装置を実現することが難しい。また、（プリズムシートとも呼ばれる）レンズシートは高価であり、レンズシートを複数用いることは高輝度化の点からもコストの面からも好ましくない。

そのため、光拡散シートに光方向制御機能を持たせてレンズシートを用いない（或いは枚数を減らす）構成とすることも提案されている（特許文献２）。特許文献２記載の光拡散シートは、粒子径が一定でない球状の樹脂粒子をバインダー樹脂に分散してベースフィルムに塗布した構成を有する。特許文献１における光拡散シート１７もまた同様の構成を有している。

表面に樹脂粒子が分散した光拡散シートは、樹脂粒子が微小なレンズの役割を果たすため、樹脂粒子に入射する（面光源装置から出射する）光の角度により、集光機能と拡散機能とを実現するものと考えられる。

また、出光面に微小なレンズを形成する別の方法として、例えば特許文献３に記載されるように、レーザー光のようなコヒーレント光を拡散体で拡散した干渉光によって形成されるスペックルパターンを利用した方法がある。スペックルパターンは、コヒーレント光を磨りガラスのような拡散体により拡散させた光で感光材料を露光し、現像することによって凹凸として記録することができる。

特許文献３では、干渉光で感光材料を露光することによりスペックルパターンに対応した凹凸を記録し、この凹凸を転写した金型を用意する。そして、この金型を原版としてベースフィルム上にコーティングされたエンボス加工用の熱可塑性樹脂をエンボス加工することで、ベースフィルム上にスペックルパターンに基づく凹凸を形成する。

特開２００８−１９２３７２号公報（図１、図８） 特開２００３−１０７２１４号公報（図１） 特開２０００−３９５１５号公報

光源から出射される光線を発光面内で均一な輝度に拡散するためには、光源から光拡散シートの入光面（直下型では底面）に入射した光線を光源側に多く戻す必要がある。光源側に戻ることなく透過する光線の割合が高いと、出光面に微小なレンズが設けてあっても発光面内における光の拡散が十分に行われないまま光が出射してしまうため、光源に近い部分と光源から遠い部分の輝度差を十分に低減することが難しくなるからである。

しかしながら、従来提案されている光拡散シートでは、微小レンズ群を形成するに当たり、微小レンズ群に入射した光を光源側に積極的に戻すという技術的思想は存在していなかった。そのため、特許文献２に記載されるように、ベースフィルムよりも屈折率の小さなバインダー樹脂及び樹脂粒子を塗布して出光面を形成したり、特許文献３に記載されるように、エンボス加工に適した材料をベースフィルム上に被覆するなど、ベースフィルムと異なる材料により微小レンズ群を形成している。また、特許文献３では、スペックルパターンを形成した材料よりも屈折率の高い材料でスペックルパターンを埋め込む構成を提案している。

輝度の均一化が十分でないと、均一度を上げるために光拡散シートを複数枚重ねて使用必要がある。その結果、光拡散シートの枚数が増えるほど面光源装置の輝度は低下し、コストは上昇する。

本発明はこのような従来技術の課題に鑑みなされたものであり、入射した光を十分に拡散させることが可能な光拡散シート及びそれを用いた面光源装置、ならびに光拡散シートの製造方法を提供することを目的とする。

この目的を達成するべく発明者は、入光面に対向する出光面にスペックルパターンに基づく凹凸を有する光拡散シートにおいて、積極的に入光面側（すなわち、光源側）へ光を戻すように構成することで、光を十分に拡散し、均一度を高めることができることを見出し、本発明に到達した。また、光源から入射した光を光源側に積極的に戻すことにより、面光源装置としての輝度も向上することがわかった。

すなわち、本発明の要旨は、入光面と、入光面に対向する出光面とを有し、入光面に入射した光を拡散して出光面から出光する光拡散シートであり、光拡散シートは、屈折率が１．５８以上の単一透明樹脂材料からなり、光拡散シートの厚み方向に直交する２面が入光面と出光面を形成し、入光面は平坦であり、出光面には、ピッチおよび形状がランダムで、水平断面形状に異方性のない凹凸が形成されることを特徴とする光拡散シートに存する。
また、本願発明の別要旨は、本願発明に係る光拡散シートを製造する製造方法であって、屈折率が１．５８以上の単一透明樹脂材料からなる平坦なシートの厚み方向に直交する２面のうち、出光面を形成する面に対して、コヒーレント光を光散乱方向に異方性のない等方散乱光拡散体で拡散させた干渉光により形成されるスペックルパターンに基づく凹凸を形成することにより、出光面にピッチおよび形状がランダムな凹凸を形成することを特徴とする光拡散シートの製造方法に存する。

また、本発明の別の要旨は、反射シートと、反射シートの上に均等に配置された複数の光源と、入光面が複数の光源を挟んで反射シートと対向するように配置された、本発明に係る光拡散シートと、を有することを特徴とする面光源装置に存する。

このような構成により、本発明による光拡散シートは光源から入射した光を十分に拡散させることが可能であり、少ない枚数で均一度の高い輝度を実現することができる。また、面光源装置の輝度も向上させることが可能であることもわかった。

以下、本発明についてさらに詳細に説明する。
本発明においては、単一の透明樹脂材料によって光拡散シートを形成する。本発明における透明樹脂材料は屈折率が高いことが好ましく、具体的には屈折率が１．５８以上であることが好ましい。

また、透明樹脂材料は熱可塑性樹脂であっても熱硬化性樹脂であってもよいが、出射面にスペックルパターンに基づく凹凸を転写する際に射出成形が利用可能であり、製造が容易であるという点において、熱可塑性樹脂であることが好ましい。

このような条件を満たす透明熱可塑性樹脂材料であれば、本発明に適用することに特に制限はないが、ポリカーボネートを好適な例として挙げることができる。

本発明の光拡散シートは、厚み方向と直交する２面のうち、底面を入光面、天面を出光面とする。そして、出光面には、コヒーレント光を拡散体で拡散させた干渉光により形成されるスペックルパターンに基づく凹凸が形成される。

スペックルパターンは、図１に示すように、レーザー光２２を代表とするコヒーレント光を照射装置２１から出射し、磨りガラスのような光拡散体２３に照射することにより得られる干渉光（拡散光）２４によって得られるパターン（ホログラム）である。そして、干渉光２４によって、光拡散体２３から適当な距離（０〜１ｍ）離れた位置に配置されたフォトレジストのような感光材料２５を露光し、現像することで、スペックルパターンに基づく凹凸を感光材料２５に記録することができる。スペックルパターンが記録された面は、平坦な部分が存在しないため、凹凸による光線の方向制御機能を十分に得ることができる。

このようなスペックルパターンの形成及び記録方法は例えば特許文献３や特許第３４１３５１９号公報に記載されるような公知の任意の方法によって実現可能であるため、詳細に関する説明は省略する。

なお、本発明において、出射面に形成される凹凸から出射する光強度は出光面内の全方向に亘って均等であることが好ましい。そのためには、凹凸の形状、特には水平断面形状に異方性が無いことが好ましい。例えば、スペックルパターンの形成に用いる光拡散体に、光散乱方向に異方性がない等方散乱光拡散体を用い、感光材料２４を光拡散体２３に対して平行に保持して露光することで、形状に異方性のないスペックルパターンを記録することができる。

図２は、本発明による光拡散シートについて説明するための図である。図２（ａ）は、本発明による光拡散シートの垂直断面の一部を示している。図２（ａ）に示すように、光拡散シート１００は、透明樹脂材料からなる基材シート５の厚み方向（紙面上下方向）に直交する２つの面のうち、底面１０を入光面、天面１１を出光面とする。本発明に係る光拡散シート１００は、直下型の面光源装置を想定しているため、底面１０にはエッジライト型の面光源装置における導光板が有するような反射パターンは設けられておらず、平坦に形成されている。

また、基材シート５の天面１１にはスペックルパターンに対応する凹凸１２が形成されている。凹凸１２は基材シート５の天面１１自体に形成されており、特許文献２や特許文献３に示されるような、基材シート５の天面１１を別の材質で被覆したり、塗布したりすることは行わない。従って、本発明において、スペックルパターンに対応する凹凸１２は、基材シート５と同一素材で形成され、光拡散シート１００の入光面から出光面に至る経路における屈折率は等しい。

図２中の光線１、２は凹凸１２の突起内部で全反射を繰り返し、光源側（入光面１０側）に再度出射する光線を示している。本発明の光拡散シート１００では、屈折率の高い単一透明樹脂材料により全体が構成されるため、基材シート５よりも屈折率の低い材料で出光面の凹凸を形成する構成に比べ、凹凸１２内部における全反射条件が成立する入射角の範囲が広い。そのため、凹凸１２内部で全反射されて光源側へ戻る光の量が多くなる。

このように、本発明は、出光面１１に設ける凹凸１２の内部で光線を積極的に全反射させ、光源側に戻る光の量を増やすという技術的思想に基づき、光拡散シート１００は、屈折率の高い単一透明樹脂材料により全体を構成している。その結果、光源からの光が拡散シート内によって面内で十分に拡散され、輝度の均一度を高めることができる。

光拡散シート１００から光源側に戻る光の量が多いことの利点は、光源から入光面の距離が短い場合や、光源の数が少ない場合（光源から最も遠い距離が大きい場合）など、面内の輝度の差がもともと大きい場合に顕著である。

光拡散シート１００が有する光線の方向制御機能（出射する光線の方向を出光面１１の法線方向（紙面の上方向）に揃える）は、図２（ａ）の光線３に示されるように、平坦な入光面１０における屈折作用と、出光面１１に設けた凹凸１２の突起通過により実現される。

光拡散シート１００の出光面１１、すなわち凹凸１２の表面はスペックルパターンに対応する形状を有する。そのため、出光面１１には入光面１０と平行な面は存在しない。図２（ｂ）に示すように、出光面１１に入光面１０と平行な面１５が存在すると、出光面１１の屈折作用により光線は入光面に入射した際と平行に出射し、光の方向制御機能を得ることができない。出光面１１に設けた凹凸１２のうち、突起部分から出射することにより、出射光線のうち最大強度を持つ光線方向３は入光面１０で変換された方向を維持し、輝度向上に寄与する。

出光面１１に凹凸１２を直接形成する方法に特に制限はないが、上述したようにしてスペックルパターンに基づく凹凸を記録した感光材料の表面に、電気分解によって適当な厚さのＮｉを付け、離形することで、記録した凹凸を反転した形状を有する鋳型を得ることができる（電鋳プロセス）。そして、この鋳型を原版とし、透明樹脂材料をこの原版に射出成形することにより、出光面１１に凹凸１２を形成（転写）することができる。

以下に、実施例を挙げて本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例によりなんら限定されるものではない。

（光拡散シートの作成）
＜実施例１＞
等方性のスペックルパターンに対応した凹凸が形成された部材（ＬＵＭＩＮＩＴ社製のレンズ拡散板ＬＳＤ円形拡散角度８０度）から電鋳プロセスにより原版となる鋳型を形成した。そして、ポリカーボネート（三菱エンジニアリングプラスチックス株式会社製のユーピロンＨＬ、屈折率１．５８５）を射出成形し、幅４００ｍｍ、高さ３００ｍｍ、平均厚みが２ｍｍのポリカーボネート製光拡散シートを作成した。
出光面に形成された凹凸の反射電子像を、図３に示す。

＜比較例１＞
厚さ０．８ｍｍのポリカーボネート製シート（三菱ガス化学社製ユーピロンシート、屈折率１．５８５）の上に、エポキシ樹脂（紫外線硬化型エポキシアクリレート樹脂、屈折率１．５０）を塗布し、厚さ２ｍｍの層を形成した。

そして、実施例１で作成した原版を用いて、エポキシ樹脂層にスペックルパターンに対応した凹凸を転写し、光拡散シートを作成した。

＜比較例２＞
透明樹脂材料を、シクロオレフィンポリマー（日本ゼオン（株）製、ゼオノア１０６０Ｒ、屈折率１．５２５）に代えた他は実施例１と同様にして光拡散シートを作成した。

（評価）
図４（ａ），（ｂ）に示すような、内寸幅３５０ｍｍ、奥行き２００ｍｍ、深さ２２ｍｍのケースを用意し、内側面および底面に株式会社ツジデン製、ＲＦ１８８反射シート３２を貼り付けた。

そして、底面の反射シートから４ｍｍ離して、直径３．５ｍｍ、長さ４００ｍｍの冷陰極管７本（３３）を、電極部３４がケースから突き出るようにし、かつ冷陰極管３３の中心間の距離が２５ｍｍとなるように、ケースの幅方向に平行に配置した。

光拡散板３５を、ケースの上面に設置して面光源装置を形成し、出光面の法線方向（図４（ｂ）の上方向）に１０００ｍｍ離して設置した２次元輝度測定装置（コニカミノルタセンシング社製、ＣＳ−２０００）を用いて、幅方向の中心線Ａ上で等間隔に１００点の輝度を測定した。

そして、下記の数式１と数式２にしたがって輝度平均値Ｌａと輝度均一度Ｌｕを得た。
輝度平均値 Ｌａ＝（Ｌ１＋Ｌ２）／２ （数式１）
輝度均一度 Ｌｕ＝（（Ｌ１―Ｌ２）／Ｌａ）＊１００ （数式２）
ここで、
Ｌ１：輝度極大値の平均値
Ｌ２：輝度極大値にはさまれた極小値の平均値
である。

輝度均一度（Ｌｕ）は、輝度の均一さを示すものであり、輝度の均一さが低い（輝度ムラが大きい）ほど、輝度均一度の値は大きくなる。

実施例１、比較例１及び２の光拡散シートを用いた評価結果は以下の通りであった。

表１からわかるように、高屈折率を有する透明樹脂材料のみで形成した実施例１は、基材シート上に基材シートよりも屈折率の低い材料で凹凸を形成した比較例１と比較して、輝度極大値、輝度極小値のいずれも大幅に高く、高輝度である。また、輝度極大値と輝度極小値の差も非常に小さく、輝度の均一度が高いことがわかる。

また、材料の屈折率のみが異なる比較例２と比較しても、輝度極大値、輝度極小値のいずれも高く、高輝度である。また、輝度極大値と輝度極小値の差も小さく、輝度の均一度が高いことがわかる。

これは、屈折率の高い透明樹脂材料により、出光面の凹凸を含めた光拡散シート全体を形成することにより、光拡散シート、特には凹凸の突起内部で全反射して光源側（入光面側）に再度出射する光線の量が多く、光源からの光が出光面の全域に亘って十分に拡散されていることによるものと考えられる。

スペックルパターンに対応する凹凸を記録する方法を説明する図である。 本発明による光拡散シートについて説明するための図である。 実施例１で作成した光拡散シートの出光面に形成された凹凸の反射電子像を示す図である。 実施例及び比較例の評価に用いた面光源装置の構成を説明するための図である。

Claims (7)

1. 入光面と、該入光面に対向する出光面とを有し、前記入光面に入射した光を拡散して前記出光面から出光する光拡散シートであり、
   前記光拡散シートは、屈折率が１．５８以上の単一透明樹脂材料からなり、
   前記光拡散シートの厚み方向に直交する２面が前記入光面と前記出光面を形成し、
   前記入光面は平坦であり、
   前記出光面には、ピッチおよび形状がランダムで、水平断面形状に異方性のない凹凸が形成されることを特徴とする光拡散シート。
2. 前記透明樹脂材料が熱可塑性樹脂であることを特徴とする請求項１記載の光拡散シート。
3. 前記透明樹脂材料がポリカーボネートであることを特徴とする請求項２記載の光拡散シート。
4. 反射シートと、
   前記反射シートの上に均等に配置された複数の光源と、
   前記入光面が前記複数の光源を挟んで前記反射シートと対向するように配置された、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の光拡散シートと、
   を有することを特徴とする面光源装置。
5. 請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の光拡散シートの製造方法であって、
   屈折率が１．５８以上の単一透明樹脂材料からなる平坦なシートの厚み方向に直交する２面のうち、前記出光面を形成する面に対して、コヒーレント光を光散乱方向に異方性のない等方散乱光拡散体で拡散させた干渉光により形成されるスペックルパターンに基づく凹凸を形成することにより、前記出光面にピッチおよび形状がランダムな凹凸を形成することを特徴とする光拡散シートの製造方法。
6. 前記光拡散シートを、前記スペックルパターンに基づく凹凸に対応した形状を有する金型を用い、前記透明樹脂材料を射出成形して形成することを特徴とする請求項５記載の光拡散シートの製造方法。
7. 前記等方散乱光拡散体に対して平行に保持した感光材料を露光して記録したスペックルパターンに基づく凹凸に対応した金型を用いることを特徴とする請求項６記載の光拡散シートの製造方法。