JP3351889B2

JP3351889B2 - 映込防止機能を備えた面光源装置及び液晶表示装置

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Publication number: JP3351889B2
Application number: JP34947893A
Authority: JP
Inventors: 康博小池
Original assignee: Enplas Corp
Current assignee: Enplas Corp
Priority date: 1993-12-28
Filing date: 1993-12-28
Publication date: 2002-12-03
Anticipated expiration: 2017-12-03
Also published as: JPH07198956A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本願発明は、入射光を体積領域で
散乱させながら導光させる機能を有する光学要素（以
下、「光散乱導光体」と言う。）を利用した面光源装
置、並びに該装置をバックライト光源として用いた液晶
表示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、散乱現象を利用して光を所望
の方向に向けて出射させる型の光学要素あるいは装置と
して種々のものが知られており、液晶表示装置のバック
ライト光源等の用途に用いられている。これら公知技術
の１つの類型は、例えば特開平２―１３９２５号公報や
特開平２―２４５７８７号公報に記載されているよう
に、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するものであ
る。

【０００３】これらの技術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拡散反
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。

【０００４】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。

【０００５】公知技術のもう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
物質を分散させるものである。この技術は、体積的な拡
がりを持つ領域に散乱能を与えて入射光の光取出面方向
への方向転換を図る点で、上記第１の類型の技術より優
れているとも考えられるが、面光源として明るさの均一
性を確保する為に特殊な工夫を要するという点で問題を
残している。

【０００６】例えば、特開平２−２２１９２４号、特開
平２−２２１９２５号、特開平２−２２１９２６号で
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手段が講じられている。
このような粒子径や粒子濃度に勾配を有する光散乱導光
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。

【０００７】そこで、本願発明者は、先に、光入射面か
ら遠ざかるにつれて厚みの減少する傾向を持った光散乱
導光体を用いて明るさの均一性に優れた面光源装置を構
成することを提案した（特願平５−２０１９９０号）。
図１はこの提案の考え方に沿った面光源装置の基本的な
構成の１例を模式図で示したものである。

【０００８】これを簡単に説明すると、符号１’は楔形
形状を有する光散乱導光体を表わしており、その光入射
面２の近傍には光源（蛍光ランプ）Ｌが配置されてい
る。光散乱導光体１’の光取出面５の側には列状のプリ
ズム面４ａ，４ｂを備えた光出射方向修正素子４（その
作用については後述する。）を配置し、その平坦面４ｅ
を面光源として指向性のある光束４ｆを得る。この上方
に更に公知の液晶表示デバイスを配置すれば、液晶表示
装置が構成される。

【０００９】符号３は、光散乱導光体１’の裏面６に対
向して配置された反射手段を表わしており、拡散反射性
の白色シートあるいは正反射性の銀箔シートからなる。

【００１０】このような面光源装置においては、光散乱
導光体１’の厚さが光入射面２側から遠ざかるにつれて
薄くなっている為に、光散乱導光体１’内で起こる斜面
繰り返し反射効果によって、面光源としての明るさのレ
ベルと均一度が向上する。その理由の概略を図１の配置
で用いられている楔形状の光散乱導光体１’及び反射体
３の断面を表わした図２を参照して説明すれば、次の通
りである。

【００１１】今、光入射面２から光散乱導光体１’の内
部に取り込まれる光を光線Ｂ0 で代表させると、Ｂ0
は、図示したように水平方向と小さな角度をなしている
ものと考えられる。この光線Ｂ0 の挙動を考察してみる
と、光線Ｂ0 は、一定割合で散乱による方向転換を受け
ながら、図示したように光取出面５と傾斜面６において
反射を繰り返して、光散乱導光体１’の厚みの薄い部分
へ近づいていく。面５，６の表面における反射は正反射
であるから、個々の反射における入射角と反射角は当然
相等しい（θ1 ，θ2 ，θ3 ・・・・）。ここで、光取
出面５における反射に注目すると、θ2 ＞θ4 ＞θ6 ・
・・の関係が成立していることが判る。

【００１２】更に、各反射時における界面透過率を考え
てみると、θi ＞αc （臨界角；ＰＭＭＡ−空気界面で
４２°）の条件では全反射が起こり、θi がαc を下回
ると透過率が急上昇し、θi が所定値（ＰＭＭＡ−空気
界面で３５°前後）以下では透過率はほぼ一定となる。
図では、θ2 ＞αc ＞θ4 ＞θ6 の関係によって、出射
光Ｂ4 ，Ｂ6 が生じている様子が描かれている。

【００１３】このような効果は、代表光線Ｂ0 （無散乱
光）に限らず、１次散乱光や多重散乱光についても同様
に生じている筈であるから、光散乱導光体１’全体とし
ては、光入射面２から遠ざかる程光取出面５からの光出
射率を高める効果を生んでいるものと考えられる。この
効果を、光入射面２からの距離ｘの関数ｆ（ｘ）で評価
すると、ｆ（ｘ）はｘに関する増加関数である。一方、
光入射面２に近い部分では光源５に近いという効果が直
接光、散乱光いずれについても働く。この近接効果をｇ
（ｘ）で評価すれば、ｇ（ｘ）は減少関数となる。

【００１４】従って、近接効果ｇ（ｘ）がｆ（ｘ）によ
って相殺され、より遠くまで光を導いた上で光取出面５
から光を出射させる傾向が生まれることになる。また、
光散乱導光体１’内の光が光取出面５に入射する機会
も、楔形状の効果によって全体的に増大すると考えられ
るから、面光源としての輝度レベル自体を一段と向上さ
せる効果も期待出来ることになる。

【００１５】なお、反射体３として正反射性のもの（銀
箔シート等）を用いた場合、光散乱導光体１’の裏面を
透過した光が拡散されずに光散乱導光体１’の内部へ再
入射される確率が高まるから、上記説明した効果はより
明瞭なものとなる。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】このように、光入射面
から遠ざかるにつれて厚みの減少する傾向を持った光散
乱導光体を用いることによって、明るさの均一性に優れ
た面光源装置を構成することが出来るが、この改良型の
面光源装置においても、主として光入射面の近傍領域に
面光源の輝度にむらが発生し易いという問題点が残され
ている。本発明者の考察によれば、この現象が発生する
メカニズムは、図３を参照して、概略次のように説明さ
れる。

【００１７】図３は、図２における光入射面２の近傍領
域を抽出して描示したものである。光散乱導光体１’へ
の光供給手段として、光入射面２の近くに光源素子Ｌを
配置した場合、光源素子Ｌが光入射面２に垂直な平行光
束のみを出射するものでない限り、光入射面２の近くの
光散乱導光体１’内には、光線Ｃ1 ，Ｃ2 で代表される
ような、小入射角の往復反射光線が多く存在することに
なる。例えば、光入射面２に小さな入射角をもって光入
射面２から光散乱導光体１’内に入り、散乱を受けるこ
となく光散乱導光体１’の裏面６の位置Ｒ1 に入射角φ
1 で入射する光線Ｃ1 を考えると、その一部はＲ1 で反
射されて光取出面５側に向かう。また、図示は省略した
が、Ｒ1 で反射されなかった光の一部も反射体３で反射
されて光散乱導光体１’内に再入射し、同様の光路を経
て光取出面５側に向かう。

【００１８】光取出面５に位置Ｒ2 で光散乱導光体１’
から入射する光の入射角φ2 は、裏面６が光取出面５に
対して傾斜している為に、φ1 よりも小さくなって０°
に近づき、臨界角（例えば、光散乱導光体１’にアクリ
ル樹脂を使用した場合で４２度程度）を大きく下回って
いる。従って、その光の大部分は光取出面５から出射さ
れる。

【００１９】光線Ｃ2 のように、光散乱導光体１’内の
散乱中心（屈折率不均一構造）に当たった散乱光は、後
述するように強い前方散乱性が存在する故に、やはり光
散乱導光体１’の裏面６に小入射角をもって入射する確
率が高い。その為に、光線Ｃ2 も光線Ｃ1 と同様の繰り
返し反射を両面５，６及び反射体３で受け、図中Ｃ12で
示されたような出射光が強弱とり混ぜて多く発生し、光
取出面５の輝度に局所的なむらが発生する。特に、反射
体３に正反射性のものを使用した場合には、このムラが
より明瞭に現われる可能性が高くなる。

【００２０】このような輝度むらは、正反射現象に基づ
く光源Ｌの多重的な映り込み現象とも言うべきものであ
るから、以後、これを単に「映込」と呼ぶことにする。

【００２１】さて、このような映込による輝度ムラが発
生すると、均一な輝度を有する光取出面領域が実質的に
減少し、実用上極めて都合が悪いことは明らかである。
例えば、液晶表示装置のバックライト光源への適用を考
えた場合、輝度ムラの発生した部分は遮光してしまう等
の手段をとらざるを得ず、それだけ表示面のサイズが制
限されてしまう。また、光の利用効率が低下して省電力
性を損なうことにもなる。

【００２２】本願発明は、光散乱導光体を利用した上記
改良型の面光源装置において、映込現象を抑止し、広範
囲に亙って均一な輝度が得られ、実質的な光の利用効率
が高い面光源装置を提供し、更に、該面光源装置の特徴
を活かし、表示面全体に亙って均一な表示品位が確保さ
れた液晶表示装置を提供することを目的とするものであ
る。

【００２３】

【課題を解決するための手段】本願発明は、先ず、「少
なくとも１つの相対的に小さな光入射面領域、前記光入
射面領域を通しての入射光を起源とする出射光を取り出
す相対的に大きな光取出面領域、及び散乱能が一様に与
えられた体積領域を有する光散乱導光体と、前記光入射
面領域に光を入射させる為の光供給手段を備えた面光源
装置に適用される。本願発明に従えば、前記光散乱導光
体は、少くとも前記光入射面領域の近傍部分を除く部分
において、前記光入射面領域側から見て、前記光取出面
領域に垂直な方向に沿った厚みが前記光入射面領域から
遠ざかるに従って減少する傾向を有していると共に、前
記光取出面領域と相反する側の面は、前記光取出面領域
に対する傾斜が前記近傍部分で調整され、それによって
前記光供給手段の映込を防止されるようになっている。
ここで、前記光取出面領域に対する傾斜の調整は、前記
近傍部分のみにおいて、前記傾向が逆転するように、即
ち、逆傾斜するように行われる（請求項１）。

【００２４】本願発明では、また、上記構成に、「前記
光散乱導光体の光取出面領域と相反する側には、正反射
性の光反射手段が設けられている」（請求項２）という
要件を課すことによって、所定方向から見た時の面光源
の明るさを向上させると共に、映込防止手段の存在意義
が高められる。

【００２５】更に、本願発明では、光散乱導光体の有す
る指向出射性を修正する必要がある場合に対処する為
に、「前記光散乱導光体の光取出表面領域に臨み、散乱
光出射方向特性を修正する散乱光出射方向修正手段が前
記光散乱導光体と一体あるいは別体に設けられている」
という構成要件を加えた面光源装置が併せて提案される
（請求項３）。

【００２６】そして、これら各構成を備えた面光源装置
を液晶表示装置のバックライト光源として配置すること
によって、上記各構成に対応した諸特徴が反映された液
晶表示装置を提供したものである（請求項４〜請求項
６）。

【００２７】

【作用】先ず、本願発明において使用される光散乱導光
体の散乱特性を記述・評価する際に有効な散乱照射パラ
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Ｉ0 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。

【００２８】

【数１】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。

【００２９】

【数２】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＋cos²Φ）／２を乗じた次式を考え
れば良いことが知られている。

【００３０】

【数３】ここで、λ0 は入射光の波長、ν＝（２πｎ）／λ0 、
ｓ＝２sin （Φ／２）、ｎは媒体の屈折率、φは散乱
角、＜η ² ＞は媒体中の誘電率ゆらぎ２乗平均（以下、
＜η ² ＞＝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り、次式（６）で
表わされる。

【００３１】そして、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
関係式（７），（８）で表される。

【００３２】

【数４】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。

【００３３】

【数５】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。

【００３４】

【数６】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４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［cm^-1］の場合につい
て描かれている。

【００３５】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を非
常に小さく選べば良い。一応の判断基準を述べれば次の
ようになる。

【００３６】例えば、有効散乱照射パラメータをＥ＝
０．００１［cm^-1］の程度とすれば、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。

【００３７】また、図４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ｃ
ｍ）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。

【００３８】上記基準を考慮しつつ、通常サイズのバッ
クライト光源の用途における実用性を重視した場合の有
効散乱照射パラメータＥの実際的なレンジは、Ｅ＝０．
４５〜１００［cm^-1］の程度となる。

【００３９】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。

【００４０】図５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Φ（入
射光線の進行方向をΦ＝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Φ＝０°に対して規格化した値、Ｖvh（Φ）
／Ｖvh（０）を表わしている。図に併記されているよう
に、ａ＝０．１３μｍ、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Φ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＝２．０
μｍの場合には、規格化散乱強度のグラフはΦが小さい
範囲で急激に減少する関数となる。

【００４１】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性が弱ま
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。この事実は、実験的
にも確認済みの事柄である。

【００４２】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。

【００４３】図２や図３の関連説明部分においても述べ
たように、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 （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。本願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（後述
する表１，表２参照）。

【００４４】上述したように、光散乱導光体内部におけ
る散乱は一般に前方散乱性を示すから、図１の配置の如
く、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。

【００４５】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、あるいはその近傍に配置された反射部材に
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。

【００４６】従って、臨界角条件を満たす光のみに注目
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。その結果、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
く左右されることになる。

【００４７】一般に、臨界角条件をぎりぎりで満たすよ
うな場合の界面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）、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）。

【００４８】以上のことから、光取出面への入射角が３
５°前後の光が、光散乱導光体の光取出面からの光出射
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、３５°前後の入射角で光取出
面に入射した光は、光取出面に立てた法線に対して、６
０°前後となる（光散乱導光体の屈折率は、通常１．５
程度である）。即ち、光散乱導光体の光取出面からの出
射光は、粗く見積って光取出面表面に対して３０°前後
立ち上がった方向に指向性を有する光となる。

【００４９】但し、ここで注意すべきことは、相関距離
ａの値が余り小さくなると、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。このような現象が顕著とならない一応の目安と
して、相関距離ａが０．０１μｍ以上、特に、ａ＞０．
０５μｍであることが好ましい。以下、このような性質
を「指向出射性」と呼ぶことにする。

【００５０】本願発明は、このような指向出射性のある
光散乱導光体を使用した場合に特に著しい効果が得られ
る。また、光取出面と相反する側に正反射性手段を配置
した場合（請求項２）、あるいは後述する光出射方向修
正素子を使用した場合には、光散乱導光体が指向出射性
のものであることが好ましい。

【００５１】これら指向出射性の光散乱導光体と組み合
わせて特に有利な各手段（正反射手段及び光出射方向修
正手段）の機能及び光散乱導光体の材料と製法について
は、次の実施例の中で述べることとする。

【００５２】

【実施例】図６は、本願発明の面光源装置の１つの実施
例を表わした模式図である。図６において、符号１は光
散乱導光体を表わしており、その一方の側面側に光源
（蛍光ランプ）Ｌを配置し、光入射面２から左方に向か
って光を入射させ、光取出面５から光を取り出す。光取
出面５の外側には、光列状のプリズム面４ａ，４ｂを備
えた光出射方向修正素子４を配置し、その平坦面４ｅを
面光源として指向性のある光束４ｆを得るものである。
この上方に更に公知の液晶表示デバイスを配置すれば、
液晶表示装置が構成される。

【００５３】裏面６に沿っては、正反射性の銀箔シート
３が配置されている。裏面６に対向して配置する反射手
段としては、拡散反射性のもの（例えば、白色シート）
を用いても良いが、面光源に指向性を持たせ、所要方向
から見た明るさを高める為には正反射性のものを用いる
ことが好ましい。その理由は次の通りである。作用の説
明の欄でも述べたように、光散乱導光体１の裏面側に白
色シート等を配置すると、光散乱導光体１内部における
光の進行方向分布がよりランダムなものとなり（スクラ
ンブル効果）、斜面６ｂ部分の光を遠方に伝える効果が
薄められると共に光散乱導光体１の指向出射性が鈍化す
る。これは、面光源としての明るさの均一性を保つ上で
好ましくなく、また、次に述べるプリズム面による屈折
作用を利用した光出射方向修正手段の有効性を相対的に
低下させる。従って、このような観点からは、反射体３
としては、正反射性のものを用いることが有利となる。

【００５４】このように、光散乱導光体の裏面側に正反
射性の反射体を配置することにはこのような利点がある
のであるが、その一方、「発明が解決しようとする課
題」の欄で述べたように、反射体３として正反射性のも
のを用いれば、光入射面２の近傍で映込現象がより発生
し易くなる。そこで、本実施例においては、本願発明の
技術思想に従って光散乱導光体１の裏面側の光入射面２
の近傍領域に、光源Ｌの映込を防止する映込防止手段７
として、逆傾斜部６ａが設けられている。

【００５５】即ち、光散乱導光体１の裏面６は、図１に
示した構成とは異なり、光入射面２に近い裏面部分６ａ
では、光入射面２から離れるに従って光散乱導光体１の
厚みが増す方向の傾斜を有し、残りの部分６ｂでは逆に
光入射面２から離れるに従って光散乱導光体１の厚みが
減る方向の傾斜を有するものとなっている。

【００５６】図７は、このような映込防止手段の映込防
止作用を説明する図であり、図３に準じた条件で光入射
面２近傍における光の挙動を例示的に描いたものであ
る。図３における光線Ｃ1 に相当する光線Ｃ1 ’は、光
散乱導光体１に入射後、逆傾斜部６ａで正反射する（入
射角、反射角共にφ1 ’）から、図３の場合と異なり、
反射後の光Ｃ1 ”は光取出面５に直交するような角度方
向には進行せず、相対的に遠方へ向う方向へ進行する。
従って、このような光路で代表される光線Ｃ1 ’によっ
て、光入射面２の近傍で光源Ｌの映込現象が発生する可
能性は極めて小さくなる。

【００５７】光線Ｃ2 ’のように、光散乱導光体１内の
散乱中心（屈折率不均一構造）で散乱されてから、光散
乱導光体１の裏面６に小入射角で逆傾斜部６ａに入射す
る光線Ｃ2 ’についても同様の理由により、映込現象の
原因となり難い。

【００５８】逆傾斜部６ａを透過して反射体３に入射す
る光を考えても、これと同様の議論が成立するから、結
局、この逆傾斜部６ａは、反射体３における反射の効果
を含めて映込防止機能を発揮することになる。この映込
防止機能は、上記説明したメカニズムから判るように、
反射体３が光拡散性、正反射性いずれの型のものであっ
ても、また、反射体が配置されない場合であっても有効
なものであることは言うまでもないが、特に、光源Ｌの
映り込みを心配することなく反射体３として正反射性の
ものを使用出来ることは、次に述べる光出射方向修正手
段（本実施例では光出射方向修正素子４）の作用をより
有効に利用する上で極めて有利である。

【００５９】以下、図６に示した配置における光出射方
向修正素子４の作用の概略を図８及び図９を参照して説
明する。なお、両図においては、光散乱導光体１はポリ
メチルメタクリレート（ＰＭＭＡ；屈折率ｎ1 ＝１．４
９２）を基材とするものであり、光出射方向修正素子４
はポリカーボネート（ＰＣ；屈折率ｎ2 ＝１．５９）製
とする。

【００６０】先ず図８は、図６に示した配置における光
の挙動を説明する断面図である。図に示されているよう
に、光出射方向修正素子４は、光散乱導光体１の光取出
面５側に臨んでそのプリズム面を内側に向けて配置され
ている。光入射方向を矢印Ｌ’の方向とすれば、作用の
説明の欄で述べたように、臨界角条件を満たす代表光線
Ｂ1 は、ψ1 ＝３５°前後の角度を以て光取出面５に入
射し、その大部分が空気層ＡＲへ出射される。この時の
出射角ψ2 は、光散乱導光体１の屈折率ｎ1 ＝１．４９
２、空気層ＡＲの屈折率ｎ0 ＝１として、６０°前後と
なる。

【００６１】代表光線Ｂ1 は、空気層ＡＲを直進した
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ψ3 ＝６０
°前後とすれば、この条件の満足度が高い（反対側のプ
リズム面４ｂに入射する割合は相対的に小さい）。従っ
て、代表光線Ｂ1 は反対側のプリズム面４ｂまでほぼ直
進して正反射され、光出射方向修正素子４の平坦面４ｅ
に対して垂直方向に近い角度で入射し、光線光出射方向
修正素子４から出射される。

【００６２】次に図９は、図６に示した配置における光
出射方向修正素子４を、そのプリズム面を外側に向けて
配置した場合の光の挙動を説明する断面図である。光入
射方向を矢印Ｌ’の方向とすれば、図８の場合と同様
に、臨界角条件を満たす代表光線Ｂ2 は、ψ1 ＝３５°
前後の角度を以て光取出面５に入射し、その大部分が空
気層ＡＲへ出射される。この時の出射角ψ2 は６０°前
後となる。

【００６３】代表光線Ｂ2 は、空気層ＡＲを直進した
後、光出射方向修正素子４の平坦面４ｅに斜めに入射
し、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４
ｃから出射される（面４ｄから出射される割合は相対的
に小さい。）。

【００６４】光出射方向修正素子４の平坦面４ｅ入射以
後の光の経路は、光出射方向修正素子４の屈折率ｎ2 や
プリズム頂角ψ4 によって広範囲に亙って変化するか
ら、これらパラメータを選択することを通して、所望す
る方向へ指向性を持った光を得ることが出来る。

【００６５】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。

【００６６】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。

【００６７】光出射方向修正素子の機能はこのようなも
のであるが、作用の説明の欄で述べた原理に従って、図
８及び図９に描かれた光線Ｂ1 ，Ｂ2 が光散乱導光体１
から出射される光をより明瞭に代表するような状況が与
えられれば、上記光出射方向修正機能の実効性が一層高
まり、代表光線の出射方向から見た明るさが格段に向上
した面光源が得られることになる。光散乱導光体１の背
面側に正反射性の光反射手段３を配置することによっ
て、このような状況が実現されることは既に実験によっ
て確かめられている。

【００６８】以上、映込防止手段として光散乱導光体１
の裏面（光取出面と相反する側の面）に逆傾斜部６ａを
形成した実施例について述べたが、逆傾斜部を図１０に
示したように形成しても良い。図１０に示した例では、
光入射面２の近傍に逆傾斜湾曲部６ｇを設け、平面状の
傾斜部６ｂに滑らかに移行させている。

【００６９】また、これら光散乱導光体の逆傾斜に加え
て、図６あるいは図１０における映込防止部（逆傾斜
部）６ａ，６ｇの全域または一部を粗面（シボ面）とす
ることによって、映込防止機能を向上させることが出来
る。同様に、光散乱導光体１の裏面側に配置する反射体
について、各映込防止部に対向した部分では正反射性を
下げて拡散反射性とするか、あるいは、低反射率とした
り、反射体を設けない部分とする等の手段を講ずること
によっても映込防止機能を強化することが可能である。

【００７０】更に、正反射性の反射体の例としては、銀
箔の他に基板上にアルミニウム膜等の反射膜を蒸着した
シート等がある。光散乱導光体を製造する際に（次記の
製造法参照）、これら銀箔やアルミニウム箔を光散乱導
光体の裏面６にインモールド成形法によって固着させる
ことも出来る。

【００７１】光散乱導光体の形状及び光源（光供給手
段）についても、図６，図１０に示したものは代表例で
あり、各請求項に記載した要件を遵守する限り、本願発
明の技術的範囲から逸脱するものではない。図１１は、
可能な変形配置の幾つかを例示したものである。

【００７２】図１１（１）は、光入射面２の近傍に映込
防止部６ａを形成した略楔形状の光散乱導光体を２個突
き合わせたもの１０を使用し、銀箔３を順傾斜部６ｂに
のみ沿わせて配置し、両側面に光源Ｌ，Ｌを設けたもの
である。図１１（２）は、１個の光源Ｌを２個の楔形光
散乱導光体２０，３０の光供給に兼用し、映込防止手段
として逆傾斜湾曲部６ｇを両光散乱導光体２０，３０に
形成した例である。

【００７３】そして、図１１（３）では、屈曲蛍光ラン
プＬを用い、２次元的に厚みの変化する光散乱導光体１
の２つの光入射面２（一方のみ図示）から光を入射させ
るものであり、各光入射面２の近傍に逆傾斜部６ａを設
けたものである。

【００７４】なお、これら変形例においても、光出射方
向修正素子が使用可能なことは言うまでもないであろう
（図示省略）。また、光散乱導光体に凹部あるいは空洞
部を設けて、そこに光源素子を配置するような形態を採
用することも可能である。

【００７５】最後に、本願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。本願発明で使
用する光散乱導光体には、ポリマー材料をベースとした
種々のものが利用可能である。その代表的なものを挙げ
れば、下記の表１及び表２に示したように、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。

【００７６】

【表１】

【００７７】

【表２】このようなポリマー材料をベースとする光散乱導光体
は、次のような製造法によって製造することが可能であ
る。先ず、その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方法である。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、練り合わし（混練
工程）、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。例えば、楔形
形状の厚みの大きい方の一端部を逆傾斜部とした金型を
使用すれば、図６の配置で使用する光散乱導光体１が製
造される。また、その逆傾斜部の金型内面を粗面（シボ
面）とすれば、光散乱導光体１の逆傾斜部６ａを粗面
（シボ面）とすることが出来る。

【００７８】混練された２種類以上の異屈折率のポリマ
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、
一様な散乱能が与えられる。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。

【００７９】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等）を考慮して決定すれば良い。なお、
使用し得るポリマー材料の代表的なものは前記表１及び
表２に示されている。

【００８０】光散乱導光体を構成する材料の製造法の別
の１つは、ポリマー材料中に屈折率の異なる（０．００
１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。そして、粒子状材料の一様混入に利用可能
な方法の１つにサスペンション重合法と呼ばれる方法が
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。

【００８１】また、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とが出来る。

【００８２】粒子状材料の一様混入に利用可能な方法の
更に別の１つの方法は、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。

【００８３】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。

【００８４】以下、製造法の幾つかの具体例を挙げてお
く。製造する光散乱導光体の形状は図６の配置で使用さ
れているものとし、そのサイズは縦６８ｍｍ、横８５ｍ
ｍで厚さが最厚部（６ａと６ｂの境界部）３．８ｍｍ、
最薄部０．２ｍｍ、光入射面２側端部１．９ｍｍとし
た。

【００８５】＜製造例１＞メタクリル樹脂のペレット
（旭化成製、デルベット８０Ｎ）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１０
８）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。

【００８６】このペレットを射出成形機を用い、シリン
ダー温度２３０゜Ｃ〜２６０゜Ｃ、型温度５０゜Ｃの条
件で成形し、図６の配置で使用されている形状の光散乱
導光体を得ることが出来た。製造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]であった。

【００８７】＜製造例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１０
８）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
れを製造例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。

【００８８】以下、製造例１と同じ条件で同型の光散乱
導光体を得た。この光散乱導光体は、製造例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、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）式による見積値は
Ｅ＝１２．６[cm^-1]であった。

【００８９】＜製造例３＞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３０
ｍｍ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゜Ｃ〜２５０゜Ｃ、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。

【００９０】このペレットを射出成形機を用い、シリン
ダー温度２２０゜Ｃ〜２５０゜Ｃ、型温度６５゜Ｃ、射
出速度中速、射出圧力ショートショット圧プラス１０ｋ
ｇ／ｃｍ ² の条件で成形して、図６の配置で使用されて
いる形状の光散乱導光体を得ることが出来た。

【００９１】＜製造例４＞ＭＭＡ（メチルメタクリレー
ト）に粒径２μｍのシリコン系樹脂粉体（東芝シリコン
製、トスパール１２０）を各々０．０５ｗｔ％、０．０
８ｗｔ％、０．１０ｗｔ％、０．１５ｗｔ％を加えて均
一に分散した４種類の試料と粒子無添加のＭＭＡ試料を
用意し、計５種類の試料の各々にラジカル重合開始剤と
してベンゾイルパーオキサイド（ＢＰＯ）０．５ｗｔ
％、連鎖移動剤としてｎ―ラウリルメルカプタン（ｎ−
ＬＭ）を０．２ｗｔ％加え、７０℃で２４時間注型重合
させて図６の配置で使用されている形状の光散乱導光体
を得ることが出来た。

【００９２】＜製造例５＞ＭＭＡ（メチルメタクリレー
ト）にシリコーンオイルを０．０２５ｗｔ％加えて均一
に分散させ、ラジカル重合開始剤としてベンゾイルパー
オキサイド（ＢＰＯ）を０．５ｗｔ％、連鎖移動剤とし
てｎ―ブチルメルカプタン（ｎ−ＢＭ）を０．２ｗｔ
％、各々加え、７０℃で３０分間にわたりゾル化を行な
った上で、更に６５℃で２４時間注型重合させて上記製
造例１〜４と同型、同寸の光散乱導光体を得ることが出
来た。

【００９３】

【発明の効果】本願発明によれば、光入射面から遠ざか
るにつれてその厚さが減ずる傾向を持った光散乱導光体
を利用した面光源装置において、光入射面の近傍に発生
する光供給手段の映込現象を簡単に防止することが出来
る。即ち、本願発明の面光源装置では、端部を含む全体
に輝度ムラがなく均一な明るさを有する光取出面を得る
ことが出来るから、実用可能な光取出面領域が実質的に
減少するような事態が回避される。また、このような面
光源装置を液晶表示装置のバックライト光源に適用すれ
ば、相対的に大きな表示面全体に亙って表示品位が高
く、光の実質的な利用効率が高い省電力性に優れた液晶
表示装置を得ることが可能となる。

【００９４】更に、本願発明は、光散乱導光体の光取出
面の背面側に正反射性の反射手段を配置した配置を選択
し、また、光出射方向を光取出面正面方向等に向けて修
正する為に光取出面に臨んで光出射方向修正手段を配す
る構成を選択した場合にも、これら配置・構成の持つ長
所をより有効に発揮させる形で映込防止機能を果たすこ
とを可能にするものである。

【００９５】このような諸長所は、携帯用のビデオカメ
ラ、パーソナルコンピュータに付属したモニタ用の液晶
表示装置や液晶テレビジョン装置の表示性能と省電力性
を向上させる上で極めて意義が大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】光入射面から遠ざかるにつれて厚みの減少する
傾向を持った光散乱導光体を用いた改良型の面光源装置
の基本的な構成の１例を模式図で示したものである。

【図２】光散乱導光体の厚さが光入射面側から遠ざかる
につれて薄くなっている為に、光散乱導光体内で起こる
斜面繰り返し反射効果によって、面光源としての明るさ
のレベルと均一度が向上する理由を説明する図である。

【図３】光源の映込現象について説明する為に、図２に
おける光入射面の近傍領域を抽出描示した図である。

【図４】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
件を表わす曲線を、Ｅ＝５０［cm-1］及びＥ＝１００
［cm-1］の場合について描かれたグラフである。

【図５】相関距離ａによって光散乱導光体の前方散乱性
の強さが変化することを説明するグラフである。

【図６】本願発明の１実施例の構成の概略を示した見取
図である。

【図７】図７は、映込防止手段の映込防止作用を説明す
る図であり、図３に準じた条件で光入射面近傍における
光の挙動を例示的に描いたものである。

【図８】図６に示したように、光出射方向修正素子を光
散乱導光体の光取出面側に臨んでそのプリズム面を内側
に向けて配置した場合の光の挙動を説明する断面図であ
る。

【図９】図６に示した配置における光出射方向修正素子
を、そのプリズム面を外側に向けて配置した場合の光の
挙動を説明する断面図である。

【図１０】映込防止部の形成態様の別の例を光散乱導光
体の断面図で示したものである。

【図１１】光散乱導光体及び光源（光供給手段）の形状
や配置について、可能な変形例を例示したものである。

【符号の説明】

１，１’，１０，２０，３０光散乱導光体２光取出面３反射体（銀箔、白色シート）４光出射方向修正素子４ａ〜４ｄプリズム面４ｅ光出射方向修正素子の光出射面４ｆ光出射方向修正素子からの出射光５光取出面６光散乱導光体の裏面６ａ逆傾斜部６ｂ順傾斜部６ｇ逆傾斜湾曲部７映込防止手段Ｌ光源Ｌ’ 光入射方向

フロントページの続き (56)参考文献特開平２−139592（ＪＰ，Ａ) 特開平４−179903（ＪＰ，Ａ) 特開平５−107542（ＪＰ，Ａ) 特開昭51−88042（ＪＰ，Ａ) 特開昭59−143202（ＪＰ，Ａ) 実開昭61−140326（ＪＰ，Ｕ) 実開昭63−124217（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02B 6/00 331 F21V 8/00 601 G02F 1/13357

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも１つの相対的に小さな光入射
面領域、前記光入射面領域を通しての入射光を起源とす
る出射光を取り出す相対的に大きな光取出面領域、及び
散乱能が一様に与えられた体積領域を有する光散乱導光
体と、前記光入射面領域に光を入射させる為の光供給手
段を備え；前記光散乱導光体は、前記光入射面領域の近傍部分を除
いて、前記光入射面領域側から見て、前記光取出面領域
に垂直な方向に沿った厚みが前記光入射面領域から遠ざ
かるに従って減少する傾向を有していると共に、前記光
取出面領域と相反する側の面は、前記近傍部分のみにお
いて、前記傾向が逆転するように、前記記光取出面領域
に対して傾斜していることを特徴とする面光源装置。
【請求項２】前記光散乱導光体の光取出面領域と相反
する側には、正反射性の光反射手段が設けられているこ
とを特徴とする請求項１に記載された面光源装置。
【請求項３】前記光散乱導光体の光取出表面領域に臨
み、散乱光出射方向特性を修正する散乱光出射方向修正
手段が前記光散乱導光体と一体あるいは別体に設けられ
ていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載
された面光源装置。
【請求項４】少なくとも１つの相対的に小さな光入射
面領域、前記光入射面領域を通しての入射光を起源とす
る出射光を取り出す相対的に大きな光取出面領域、及び
散乱能が一様に与えられた体積領域を有する光散乱導光
体と、前記光入射面領域に光を入射させる為の光供給手
段を備え、前記光散乱導光体は、前記光入射面領域の近傍部分を除
いて、前記光入射面領域側から見て、前記光取出面領域
に垂直な方向に沿った厚みが前記光入射面領域から遠ざ
かるに従って減少する傾向を有していると共に、前記光
取出面領域と相反する側の面は、前記近傍部分のみにお
いて、前記傾向が逆転するように、前記記光取出面領域
に対して傾斜している面光源装置を、バックライト光源
手段として液晶表示素子の背面側に配置したことを特徴
とする液晶表示装置。
【請求項５】前記面光源装置の前記光散乱導光体の光
取出面領域と相反する側に光反射手段が設けられている
ことを特徴とする請求項４に記載された液晶表示装置。
【請求項６】前記面光源装置の前記光散乱導光体の光
取出表面領域に臨み、散乱光出射方向特性を修正する散
乱光出射方向修正手段が前記光散乱導光素子と一体ある
いは別体に設けられていることを特徴とする請求項４ま
たは請求項５に記載された液晶表示装置。