JP4329161B2 - 光散乱シートとその製造方法および液晶表示装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明に属する技術分野】
本発明は、光の入射角度に応じて散乱性が異なる（あるいは、入射角度選択性を持つ）と共に、光散乱特性に異方性を持つ光散乱フィルムと、それを適用して表示画像の視認性（明るさやコントラストなど）を向上したり、表示装置の消費電力の軽減が実現される液晶表示装置に関する。
【０００２】
上記の液晶表示装置としては、バックライトやエッジライトなどの特殊光源を必要とせず、周辺光（日光や室内照明光など）からの反射光を表示光とするタイプの「反射型液晶表示装置」や、前記の特殊光源を擁するタイプの「透過型液晶表示装置」が含まれる。
【０００３】
なお、本発明において、「散乱」という用語と「拡散」という用語を光に関して使用する場合、これらは同義である。
また、「フィルム」という用語と「シート」という用語も、本発明では同義語として使用される。
【０００４】
【従来の技術】
液晶表示装置では、観察の際の視野角を確保する（すなわち、表示装置の前面には、明るく表示画像を見せる）ことや、表示画面の全面に渡って均一な明るさで表示画像を見えるようにする目的で、装置の前面に光散乱フィルムを配置することが行なわれている。
従来の光散乱フィルムとしては、表面をマット状に加工した樹脂フィルムや、内部に拡散材を包含した樹脂フィルムなどが用いられている。
【０００５】
しかし、上記のフィルムの場合、入射光の入射角度に依存した散乱性の変化といった機能（以後、散乱異方性と呼ぶ）を持たせることは原理上困難で、現実的にそのような機能は持ちあわせていないため、表示装置に使用した際に不必要な散乱光が生じ、表示の明るさやコントラストの低下、あるいは表示画像のぼけを招くという問題点がある。
【０００６】
表面をマット状に加工した光散乱フィルムの場合、フィルム表面をサンドブラスター処理のように物理的に加工してマット面を形成したり、あるいは、酸性またはアルカリ性の溶液による溶解処理により化学的にマット面を形成する。
マット面（凹凸の形状など）の制御により散乱異方性を制御することは、原理的に困難である。
【０００７】
また、内部に拡散材を包含した光散乱フィルムにおいても、散乱性を制御するために、拡散材の屈折率，大きさ，形状などを制御する試みも為されているが、技術的に難易度が高く、実用上十分であるとは言えないのが現状である。
【０００８】
従って、上記の光散乱フィルムでは、光散乱の入射角度選択性がなく、光散乱の異方性も無いかもしくは少ないため、表示装置に使用した際に、不必要な散乱光が生じ、結果として表示の明るさやコントラストの低下或いは表示画像のぼけを招くという問題点がある。
【０００９】
一方、後方散乱特性がほとんどなく前方散乱特性が強い（周辺光が表示装置へ入射する際にのみ光散乱を生じ、装置から表示光が出射する際には光散乱を生じない）という散乱異方性をもつ散乱板を用いた反射型液晶表示装置に関する提案として、特開平８−２０１８０２号公報が公知である。
【００１０】
上記公報では、散乱板の構成は具体的に説明されておらず、「透明微細粒子を透明な重合性高分子で固めたもの」とだけ記載されている。
このような散乱板では、上述した「内部に拡散材を包含した光散乱フィルム」と同様に、散乱異方性（前方か後方か）を制御できたとしても、散乱指向性までも制御するのは難しい。
【００１１】
また、散乱板としてホログラムを用いた透過型液晶表示装置に係る提案として、特開平９−１５２６０２号公報が公知である。
上記提案は、バックライトを有する液晶表示装置からの出射表示光を散乱させるものであり、散乱板としてホログラムを採用しているため、散乱異方性や散乱指向性を制御することも容易ではあるが、必然的に分光（波長分散）を伴ってしまうため、観察する視点を移動するに応じて、表示光の色が変化して視覚されることになる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、散乱異方性（前方か後方か、および入射角度の選択性）を持たせ、散乱指向性（縦横の散乱範囲・方向）までも制御することが容易であると共に、観察位置によって表示光の色が変化しない光散乱シート（その製造方法）とそれを用いた液晶表示装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明の光散乱シートは、
特定範囲の角度で入射する光について散乱を生じて透過し、前記以外の角度で入射する光については散乱を生じずにそのまま透過するような散乱異方性を持つ光散乱シートであって、
シート内で、楕円状の小片である屈折率の異なる部分が、その長軸および短軸の方向を揃えて分散され、屈折率の高低からなる濃淡として形成された構成であることを特徴とする。
【００１４】
また、上記の光散乱シートの製造方法は、
コヒーレント性の良い光が粗面または光拡散体で散乱反射または透過した時に生ずる明暗の斑点模様（スペックルパターン）を感光材料に記録することによって、光散乱シートを露光記録するにあたり、
平面上１列に、粗面または光拡散体，凸レンズ，開口を有するマスク，凸レンズ，感光材料，の順に、それぞれ凸レンズの焦点距離Ｆだけ離れて配置した光学系を用い、
マスクの開口の形状は、所定幅の帯状の楕円形であることを特徴とする。
【００１５】
そして、上記の光散乱シートを、液晶パネルの所定箇所に配置することにより液晶表示装置に適用される。
【００１６】
例えば、反射型液晶表示装置への適用にあたっては、
光散乱シートの散乱異方性が、
周辺光が表示装置に入射する際に光散乱を生じ、表示装置から表示光が出射する際には光散乱を生じないように設計されており、
上記の光散乱シートを、液晶パネルの前面（観察者側）に配置することにより、反射型液晶表示装置に適用される。
【００１７】
或いは、透過型液晶表示装置への適用にあたっては、
光散乱シートの散乱異方性が、
表示装置に内蔵されたバックライトやエッジライトなどの光源からの光が入射する際に光散乱を生じるように設計されており、
上記の光散乱シートを、液晶パネルの前面（観察者側）および／または液晶パネルと光源との間に配置することにより、透過型液晶表示装置に適用される。
【００１８】
本発明の光散乱シートでは、シート内で屈折率の高低からなる濃淡を構成する要素が、楕円状の小片であることが顕著な特徴である。
体積型ホログラムでは、シート（感光材料）の厚さ方向に、屈折率・透過率の異なる層が積層（1000層前後／ｍｍ）された形態として干渉縞が記録された構成であり、
単純なスペックルパターンでは、屈折率の異なる部分が不規則な形状・厚さで斑点模様として分布した構成である。
【００１９】
スペックルパターンを利用した光散乱フィルムに係る提案として、本出願人は、特願平１０−３４６７４３号を出願している。
上記出願の概要は、以下の通りである。
フィルム内で、屈折率の異なる部分が不規則な形状・厚さで分布して、屈折率の高低からなる濃淡模様が形成された構成であり、
屈折率のほぼ等しい第１の領域と、それとは異なる屈折率のほぼ等しい第２の領域とから形成される。
第１および第２の領域は、不規則ではあるがおよそ帯状の形状であり、
フィルム表面に露出する形状・分布により散乱指向性が決定され、フィルムの断面での分布形態により散乱異方性が決定される。
【００２０】
すなわち、第１および第２の領域がフィルム表面に露出する形状はおよそ帯状であるが、入射光はその短軸方向に散乱されることになり、また、それらの分布が密であるほど散乱の度合いが大きくなる。
フィルムの断面では、第１および第２の領域はおよそ層状になるが、入射光が層に平行に近い角度で入射すると光散乱を生じるが、層に垂直に近い角度で入射すると光散乱を生じず単純に透過する。
【００２１】
＜作用＞
本発明は、上記出願で「およそ帯状」である屈折率の異なる部分を、「長軸と短軸を持つ楕円状の小片」とすることにより、散乱指向性と共に、散乱出射光の色味をも制御できるようにした。
色味の制御にあたっては、小片のサイズを考察する必要がある。
【００２２】
散乱現象における粒子のサイズが、媒体中を進行する際の光散乱特性あるいは光拡散特性に関係があることは良く知られている。
火のついたタバコから立ち上る煙の色と、人の口から吐きだされたタバコの煙の色の相違に係る事例が、多くの文献に記載されている。
【００２３】
それによると、タバコの先端から直接出る煙は、暗い背景で青く見える。なぜならば、煙を構成する粒子は、周辺光の波長よりも十分に小さいからである。
対して、人の口から発するタバコの煙の色は、白く見える。この場合は、煙を構成する粒子には、周辺光の波長よりも十分に大きい水滴が存在し、その粒子はあらゆる波長（色味）について、非選択的に反射や屈折を行なうためである。
【００２４】
光散乱現象でもたらされる光の色味に関して、粒子のサイズは、以下の３つに分けられる。
▲１▼入射光の波長よりも小さい。
▲２▼入射光の波長よりも大きい。
▲３▼入射光の波長に近い。
【００２５】
大きさが（入射光の）波長の１／10以下の粒子によっておこる、波長変化を伴わない光の散乱として、レイリー散乱（Rayleigh scattering ）が公知であり、上記▲１▼のケースに相当する。
【００２６】
粒子のサイズが、入射光の波長に近い▲３▼の場合には、散乱光は大変著しい色味を伴ったものとなる。
【００２７】
一方、粒子のサイズが光の波長よりも大きい場合、または粒子のサイズが散乱シートの中で適切に選択された場合には、反射および屈折の現象は、あらゆる波長（色味）に対して（非選択的に）存在する。
よって、全ての波長について拡散効果は同様であり、故に、白色光が入射した場合には、白色の拡散光が観察される。
【００２８】
多くのアプリケーションにおいて、白色拡散光は好ましい色であり、本発明では、上記▲２▼のケースに相当するサイズの粒子を用いることによって、色分散のない白色の拡散光を発生させる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明を詳細に説明する。
図１は、本発明の光散乱シートについて、楕円状の小片である屈折率の異なる部分（粒子）が、その長軸および短軸の方向を揃えて分散され、屈折率の高低からなる濃淡として形成された状態を概念的に示す断面図である。
【００３０】
図１(a) では、屈折率の異なる楕円状の小片は、シートの厚さ方向について、シートの主面に対して傾斜せずに平行に分布した構造である。
図１(b) では、屈折率の異なる楕円状の小片は、シートの厚さ方向について、シートの主面に対して傾斜して非平行に分布した構造である。
【００３１】
これらの断面図により、散乱異方性（入射角度選択性）について説明する。
光散乱シートの主面に対して、屈折率の異なる部分の長軸（あるいは短軸）が分布した方向に沿った角度（図１(a) の矢印33，図１(b) の矢印34）で入射する光に対しては、光散乱が生じることになる。
フィルムの主面に対して、上記方向とは異なる角度で入射する光に対しては、単なる透明フィルムとして機能し、入射光は散乱されずに出射する。
【００３２】
図２の斜視図により、上記のことを説明すると、
光散乱シート２にＡの角度で入射光１が入射すると、シート２で光散乱を生じて、拡散光５として出射することになる。また、Ｂの角度で入射光３が入射すると、シート２で光散乱を生じずに、単なる透過光４として出射することになる。
【００３３】
また、散乱指向性については、
フィルムの表面（図示せず）で、屈折率の異なる部分の形状が縦長（あるいは、横長）であると、その部分に入射する光が散乱出射する場合には、それぞれの部分からの出射光の光散乱特性が、横長（あるいは、縦長）となるような指向性を持つ。
本発明では、屈折率の異なる部分は楕円状（spheroid＝回転楕円体）であり、上記の「縦長あるいは横長」とは、楕円の長軸あるいは短軸に相当する。
【００３４】
図３は、楕円状の部分（粒子）を拡大して示す説明図である。
楕円のサイズは、短軸（ａ）および長軸（ｂ）共に、可視領域にある入射光の波長（λi 〜λr ）よりも十分に大きい。
上記のサイズでは、可視領域にある入射光の全ての波長について、拡散効果は同様であり、白色の拡散光を生じることは前述した通りである。
【００３５】
図４は、本発明の光散乱シートの持つ散乱異方性（入射角度選択性）の一例を示すグラフである。
グラフに示すように、ある特定入射角度範囲（＋３０°から＋６０°）の入射光に対してはヘイズ値が高く（最大で９０％前後）、逆に、入射角度が−６０°から０°の入射光に対してはヘイズ値が低く、その角度範囲での入射光については光散乱を生じず、単なる透明シートとして機能することを意味する。
【００３６】
このような光散乱シートの製造方法の一例を以下に説明する。
コヒーレント性の良い光が粗面または光拡散体で散乱反射または透過した時に生ずる明暗の斑点模様（スペックルパターン）を感光材料に記録することによって、スペックルパターンによる光散乱シートが露光記録される。
例えば、レーザー光のようなコヒーレント性の良い光をすりガラス（粗面）に照射し、すりガラスを通過した光を感光材料に露光することで、標準的なスペックルパターンが記録される。
【００３７】
本発明では、ランダムな斑点模様ではなく、サイズや形状を制御して、屈折率の異なる部分を、シート内で濃淡として形成するため、
上記の標準的なスペックルパターンを露光記録する光学系に加えて、
平面上１列に、粗面または光拡散体，凸レンズ，開口を有するマスク，凸レンズ，感光材料，の順に、それぞれ凸レンズの焦点距離Ｆだけ離れて配置する。
【００３８】
図５は、上記光学系の構成を概念的に示す概略図である。
レーザー光源から出たレーザー光は、コリメート光学系により平行光とされ、すりガラスを照射する。
すりガラスのレーザー照射側と反対の面には、距離Ｆだけ離れて焦点距離Ｆの凸レンズ，さらに距離Ｆだけ離れて所定形状の開口を有するマスク，またさらに距離Ｆだけ離れて焦点距離Ｆの凸レンズ，さらに距離Ｆだけ離れて感光材料を、この順に配置しており、すりガラスを通過して生じるパターンを感光材料に露光照射する。
図５に示す光学系は、いわゆる光学的フーリエ変換を用いた空間周波数のフィルタリング系である。
【００３９】
このとき図示のように、レーザー光（平行光）の光軸と感光材料とは所定角度σだけ傾いて配置されているため、パターン露光は感光材料中で、所定角度傾いて為されることになる。この角度が、光散乱シート中での屈折率の異なる部分の傾斜角度に相当する。
【００４０】
また、ここで使用する感光材料は、レーザー光の露光部と未露光部を屈折率変化という形で記録できる感光材料であり、記録しようとする濃淡より高い解像力を持ち、その厚みの方向にもパターンを記録できるような材料である必要がある。
【００４１】
このような記録材料としては、体積型ホログラム用感光材料が利用でき、アグファ社製ホログラム用銀塩感光材料８Ｅ５６乾板，デュポン社製ホログラム用感光材料ＨＲＦフィルム，或いは重クロム酸ゼラチン、ポラロイド製ＤＭＰ−１２８記録材料などが使用可能である。
【００４２】
屈折率の異なる部分のサイズや形状の制御にあたり、本発明では、短軸および長軸共に、可視領域にある入射光の波長よりも十分に大きい楕円状とするため、マスクの開口として、所定幅の帯状の楕円形を採用する。
図６は、マスクの一例を示す平面図である。
【００４３】
よって、図６のマスクでは、
楕円の形状により、透過するスペックルパターンの平均サイズ及びサイズのばらつきが決定される。すなわち、マスクの中心から開口までの距離により、屈折率の異なる部分のサイズが決定され、帯の幅（｜ｒ₁ −ｒ₂ ｜）により、屈折率の異なる部分のサイズのばらつき（幅が小さい程、サイズは均一になる）が決定される。
【００４４】
上記の光散乱シートを液晶表示装置に適用する場合について説明する。
図７は、本発明の光散乱シートを用いた反射型液晶表示装置の一例を概念的に示す説明図である。
【００４５】
光散乱シート２に、散乱異方性（入射角度選択性）に合致する角度で入射光１が入射すると、シート２で光散乱を生じて液晶パネル10に入射した後、その背面に配置された光反射層11で反射して、観察者側に表示光（拡散光）５として出射する構成である。
出射の際に光散乱シート２は、散乱異方性（入射角度選択性）に基づき、出射する散乱光（表示光）５を二次的に光散乱せずにそのまま透過させる。
【００４６】
なお、一般的に、液晶パネルの前後で用いられる偏光板についての説明は省略すると共に、液晶の種類によっては位相差板やその他の光学フィルムが使われる場合もあるが、ここでは省略する。
【００４７】
液晶パネル10は、一般的な構造のものからなり、印加電圧の有無に応じて入射光を変調し、白／黒（透過／非透過）の切り替え表示をするものからなる。
また、光反射層11は、液晶パネル10と別部材でなく、液晶の駆動電極を兼ねたタイプのものであっても良い。
【００４８】
なお、本発明の光散乱シートは、反射型のみならず透過型の液晶表示装置についても適用が可能である。
【００４９】
この場合、光散乱シートは、表示装置に内蔵されたバックライトやエッジライトなどの光源からの光が入射する際に光散乱を生じるように、散乱異方性（入射角度選択性）を設計されており、
透過型液晶表示装置は、上記の光散乱シートを、液晶パネルの前面および／または液晶パネルと光源との間に配置して構成される。（図示せず）
【００５０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明により、散乱異方性（前方か後方か、および入射角度選択性）を持ち、散乱指向性（縦横の散乱範囲・方向）までも制御することが容易であると共に、観察位置によって表示光の色が変化しない白色の散乱光を出射させることが可能な光散乱シートが提供される。
上記シートを用いた液晶表示装置では、不必要な散乱を生じることなく表示の明るさや細かさ，コントラストが向上し、且つ表示像のぼけを軽減させるなどの効果がある。
【００５１】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光散乱シートについて、楕円状の小片である屈折率の異なる部分（粒子）が、その長軸および短軸の方向を揃えて分散され、屈折率の高低からなる濃淡として形成された状態を概念的に示す断面図。
【図２】本発明の光散乱シートの光学特性を概念的に示す説明図。
【図３】本発明の光散乱シート内部の、屈折率の異なる楕円状の部分（粒子）を拡大して示す説明図。
【図４】本発明の光散乱シートの持つ散乱異方性（入射角度選択性）の一例を示すグラフ。
【図５】本発明の光散乱シートを作製する光学系の一例を示す説明図。
【図６】本発明の光散乱シートを作製する際に用いるマスク（開口）の一例を示す説明図。
【図７】本発明の光散乱シートを反射型液晶表示装置に用いた一例を概念的に示す説明図。
【符号の説明】
１…入射光
２…光散乱シート
３…入射光
４…透過光
10…液晶パネル
11…光反射層

Claims (6)

1. 特定範囲の角度で入射する光について散乱を生じて透過し、前記以外の角度で入射する光については散乱を生じずにそのまま透過するような散乱異方性を持つ光散乱シートであって、
   シート内で、楕円状の小片である屈折率の異なる部分が、前記シートの厚さ方向に対して、前記シートの主面に対して傾斜して、非平行に、その長軸および短軸の方向を揃えて前記シート内部に分散され、屈折率の高低からなる濃淡として形成された構成であることを特徴とする光散乱シート。
2. 小片のサイズが、入射光の波長よりも大きいことを特徴とする請求項１記載の光散乱シート。
3. コヒーレント性の良い光が粗面または光拡散体で散乱反射または透過した時に生ずる明暗の斑点模様（スペックルパターン）を感光材料の厚さ方向に記録することによって、光散乱シートを露光記録するにあたり、
   平面上１列に、粗面または光拡散体，凸レンズ，開口を有するマスク，凸レンズ，感光材料，の順に、それぞれ凸レンズの焦点距離Ｆだけ離れて配置した光学系を用い、
   前記光学系において、平行光の光軸と前記感光材料とが所定角度傾いており、
   かつ、マスクの開口の形状が、所定幅の帯状の楕円形であることを特徴とする請求項１に記載の光散乱シートの製造方法。
4. 請求項１または２に記載の光散乱シートを、液晶パネルの前面（観察者側）に配置したことを特徴とする液晶表示装置。
5. 請求項１または２に記載の光散乱シートの散乱異方性が、
   周辺光が表示装置に入射する際に光散乱を生じ、表示装置から表示光が出射する際には光散乱を生じないように設計されており、
   上記の光散乱シートを、液晶パネルの前面（観察者側）に配置したことを特徴とする反射型液晶表示装置。
6. 請求項１または２に記載の光散乱シートの散乱異方性が、
   表示装置に内蔵されたバックライトやエッジライトなどの光源からの光が入射する際に光散乱を生じるように設計されており、
   上記の光散乱シートを、液晶パネルの前面（観察者側）および／または液晶パネルと光源との間に配置したことを特徴とする透過型液晶表示装置。

Images