JP4419231B2 - 着色光散乱シートとそれを用いた液晶表示装置。 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、入射光を散乱出射させる機能を持つシートに関し、特に散乱出射光の波長（色）が制御されるような光散乱シートに関する。
また、必要に応じて、前記シートに入射角度選択性を付与することにより、光の入射角度に応じて散乱性が異なるような「散乱異方性」、および、光散乱を生じる場合には、その方向や範囲に指向性を持つような「散乱指向性」なども制御される光散乱シートに関する。
また、上記シートを適用して、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ような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て散乱性を変化させる機能（散乱異方性）を持たせることは原理上困難で、現実にそのような機能は持っていないため、表示装置に使用した際には、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】
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あるいは表示画像のぼけを招くという問題点がある。
【０００９】
また、光散乱フィルムに要求される機能として、上述の散乱異方性に加えて、光散乱を生じて出射する光の出射方向や出射範囲などの「散乱指向性」の制御に係る機能が挙げられる。
【００１０】
以下、光散乱フィルムを用いた液晶表示装置に係る公知文献を紹介する。
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
散乱異方性および散乱指向性を持つと共に、視点の移動に伴い観察される散乱光の色変化のない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。
【００１４】
上記出願は、スペックルパターン（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）を感光材料に記録することにより、ホログラムに固有な分光（波長分散）に起因する問題を解消するものであり、その概要は、以下の通りである。
【００１５】
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。
【００１６】
上記出願によって、視点の移動に伴い観察される散乱光の色変化のない光散乱フィルムが実現され、表示光の出射方向や出射範囲は制御されるが、観察される散乱光は一様に白色（無色）である。
液晶表示装置などで、フルカラーの画像表示を目的とする場合には、表示画像の着色は、光散乱フィルムとは異なる別の部材（一般には、表示装置内で液晶パネルと隣接するカラーフィルター）が寄与することになる。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の主たる目的は、これまでに報告例のない「散乱出射光の波長（色）が制御される」ような光散乱シートを提供することにあり、
また、必要に応じて、散乱異方性および散乱指向性も制御できるような光散乱シート、および前記シートを適用した液晶表示装置を提供することにある。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の請求項１の光散乱シートは、シート内部に、前記シートを構成する感熱材料とは屈折率が異なり、かつ形状が楕円体からなる部分（小片）が分布した構成の光散乱シートにおいて、前記小片の大きさが、３８０ｎｍから７８０ｎｍの範囲内で、特定の値を中心とする±１００ｎｍの範囲であり、入射光のうち、前記小片の大きさと等しい値の大きさの特定波長の範囲（特定色）の光を選択的に多く光散乱させ、かつ、前記光散乱シート内で、前記小片が、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ており、前記光散乱シートの主面に対して、前記小片の長軸の方向に沿った＋３０°から＋６０°の角度で入射する前記特定波長の範囲（特定色）の光のうち、９０％前後の光を光散乱させて透過し、前記角度範囲以外の角度で入射する光については光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ことを特徴とする着色光散乱シートである。
【００１９】
本発明の請求項２の発明は、請求項１に記載の前記着色光散乱シートを、液晶パネルの前面（観察者側）または背面（観察者と反対側）に配置したことを特徴とする液晶表示装置である。
【００２３】
＜作用＞
本発明の光散乱シートは、機能的には、散乱出射光の波長（色）が制御できることが最大の特徴であり、液晶表示装置に適用して画像表示を行なう場合、表示光の散乱出射方向・範囲を制御すると共に、所定方向からの入射光を所望に着色して、フルカラーの表示光として出射することができる。
【００２４】
また、構成的には、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、所定サイズの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。
【００２５】
上記したように、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。
上記出願における「屈折率の異なる部分からなる領域」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。
【００２６】
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」とし、加えてそのサイズを制御することにより、散乱指向性と共に、散乱出射光の色調をも制御できるようにした。
【００２７】
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。
【００２８】
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）について、非選択的に反射や屈折を行なうためである。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
また、粒子のサイズが光の波長よりも大きい▲２▼の場合には、反射および屈折の現象は、あらゆる波長（色）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。
【００３２】
一方、粒子のサイズが、入射光の波長に近い▲３▼の場合には、散乱光は著しい色味を伴ったものとなる。
本発明では、この▲３▼のケースでの現象を利用し、散乱光の波長（色）の制御を行なうことになる。
【００３３】
【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、Ｍｉｅの計算による散乱効率を示すグラフであり、半径ｒの水滴について、T.S.ChouとD.C.Hoggの共著 "Effects of precipitation on propagation at 0.63, 3.5 and 10.6 microns"（ベル研究所刊 テクニカル・ジャーナル47，p723-759 1968）に因んで、３種類（0.63μｍ，3.5 μｍ，10.5μｍ）の波長に対する散乱特性を表している。
同図の縦軸は、（横軸の）水滴の半径に対する「散乱係数」の値であり、値が大きい程、光散乱が多く生じることを意味する。
同図から、0.63μｍ（ 630ｎｍ≒赤）や3.5 μｍ（3500ｎｍ＝可視外）の波長での光散乱は、水滴のサイズが波長の値に近い場合に、「散乱係数」が高くなっいることが分かる。
【００３４】
図２は、散乱効率をプロットしたグラフの一例である。
同図のグラフは、図１に示す波形と非常に類似しているが、Ｍｉｅの散乱効率は、下記式(1) で定義されるパラメータｘに対してプロットされる。
ｘ＝ｋｒ＝２πｒ／λ …(1)
ここで、ｋは波長ベクトルの振幅であり、ｒは小片の半径であり、λは放射の波長である。
【００３５】
２つの観点から、グラフより、以下の解析がなされる。
「散乱係数Ｋ」が、小片のサイズを固定したまま波長を変化させるように機能するか、または、波長が単独の値しか持たない場合の小片のサイズとして機能するか、の観点である。
最初の観点に着目する。計算が複雑であり、波長の変動が図２に例示されるように急激な場合について、Ｍｉｅの厳格な解析を利用する。
熟練者であっても、急激な振動および緩やかな収束は、数式に近似させることは困難であるが、図２に示すような一般的な挙動が、実験的に立証され、現象的に確認されている。
【００３６】
拡散体が、先に説明したような選択された波長のサイズに近いサイズの小片により構成される場合には、「着色拡散体」が得られる。
図３は、散乱が生じる場合の、小片のサイズと波長との関係を示す説明図であり、一方向に延びた小片が照明されると、小片のサイズ（短軸のサイズ；ａ）に近い波長（λ≒ａ）での光散乱が生じることになる。
【００３７】
小片が延びた形状であることにより、特定の波長で光散乱を生じること以外に、他の効果も奏することになる。
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。
【００３８】
同図に示すように、光散乱シートへの入射光の入射角度がおよそ−６０°から０°の入射光に対しては拡散効率が低く、その角度範囲での入射光については、前記シートは光散乱を生じず、単なる透明シートとして機能することになる。
一方、特定の入射角度範囲（＋３０°から＋６０°）の入射光に対しては拡散効率が高く、前記シートは光散乱を生じ、最大で９０％前後の拡散効率を呈することになる。
光散乱シートに要求される特性（用途）に応じて、そのパラメータ、例えば、拡散効率，拡散角度などが変更される。
【００３９】
図５は、光散乱シートの主面に対して、その内部で光散乱を生じさせる小片（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状態を概念的に示す断面図である。
図５(a) では、屈折率の異なる楕円状の小片２は、シート１の厚さ方向について、シート１の主面に対して傾斜せずに平行に（長軸が、矢印３ａの方向に揃った状態で）分布した構造である。
図５(b) では、屈折率の異なる楕円状の小片２は、シート１の厚さ方向について、シート１の主面に対して傾斜して非平行（長軸が、矢印３ｂの方向に揃った状態で）に分布した構造である。
【００４０】
光散乱シート１の光散乱特性について説明する。
光散乱シート１の主面に対して、屈折率の異なる楕円状の小片２の長軸が分布した方向に沿った角度（図５(b) の矢印３ｂ）で入射する光については、小片２のサイズに応じた波長（色）で光散乱が生じることになり、上記方向とは異なる角度で入射する光については、単なる透明シートとして機能し、入射光は散乱されずに出射する。
【００４１】
図６の断面図により、上記のことを説明すると、
光散乱シート62にＡの角度（図５(b) の矢印３ｂに相当する角度）で入射光61が入射すると、シート62で、内部の小片のサイズに応じた波長（色）の成分の光が散乱を生じて、着色拡散光63として出射することになる。前記波長（色）以外の成分の光は散乱を生じず、着色した非拡散光64として出射することになる。
【００４２】
また、上記のＡとは異なるＢの角度で入射光61が入射すると、シート62では、何れの波長（色）の成分の光も散乱を生じずに、着色していない単なる透過光65として出射することになる。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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、
図７に示すように、感光材料に近接させて開口を有するマスクを配置し、前記マスクに形成された所定パターンの開口を、所定角度からの記録光の照射によって、感光材料に記録する。
マスクに形成されるパターンは、サイズが等しく設けられた複数の孔の集まりであり、上記のように選択的に拡散を生じる波長に応じて、そのサイズが設定されている。前記の孔の配置は、他の回折現象を避けるためにランダムである。
【００４６】
露光記録は、紫外線の平行光の照射により行なわれる。
マスクが紫外線の平行光により照射されると、照射角度に応じて、感光材料内で屈折率の異なる部分（開口の形状に応じた楕円状）が感光材料の主面に対して傾斜した状態で分布して形成される。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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
図８は、３種類のセル（選択的に拡散する波長が、Ｒ，Ｇ，Ｂの３種類である赤セル81，緑セル82，青セル83）から構成される本発明の着色拡散シート80の一例を示す説明図である。
同図に示すように、セル単位で領域分割されたそれぞれの部分（赤セル81，緑セル82，青セル83）は、所定角度での白色光の入射によって、対応する色に応じた拡散光を所定方向に出射し、その他の波長の光は拡散せずにそのまま透過することになる。
【００５０】
図８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９は、本発明の光散乱シートを用いた透過型液晶表示装置の一例を概念的に示す説明図である。
【００５１】
光散乱シート92に、散乱異方性（入射角度選択性）に合致する角度で入射光91が入射すると、シート92で光散乱を生じて液晶パネル93に入射した後、観察者側に表示光（拡散光）として出射する構成である。
図９において、液晶パネル93はカラー表示のためのＲ，Ｇ，Ｂの３種類の液晶セルが配置された構成であり、光散乱シート92の３種類の波長を選択的に拡散するセルとは、１：１で対応した構成である。
光散乱シート92からの拡散出射光が、対応しない色の液晶セルに入射することを防ぐため、光散乱シート92と液晶パネル93とは密着配置される。
液晶パネル93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。
【００５２】
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。
【００５３】
このように、本発明の光散乱シートは、透過型の液晶表示装置への適用が可能である。
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、
上記の光散乱シートを、液晶パネルと光源との間に配置することにより、所定波長の光のみを所定波長の液晶セルに入射させるように機能するため、本発明の光散乱シートは、拡散光を発するカラーフィルターに似た機能を持たせることも可能となる。
【００５４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によって、散乱出射光の波長（色）が制御されるような新規な光散乱シートが提供される。
また、上記シートに、散乱異方性および散乱指向性を、付与／制御することにより、液晶表示装置への適用にあたっては、一層好ましい。
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と共に、フルカラーの画像表示を目的とする場合には、所望色の表示光を観察者の方向に拡散出射させて視覚させることができる。
【００５５】
【図面の簡単な説明】
【図１】Ｍｉｅの計算による散乱効率を示すグラフ。
【図２】散乱効率をプロットしたグラフの一例。
【図３】本発明の光散乱シートにより、光散乱が生じる波長と小片のサイズとを示す説明図。
【図４】本発明の光散乱シートが有する散乱異方性（入射角度選択性）の一例を示すグラフ。
【図５】光散乱シートの主面に対して、その内部で光散乱を生じさせる小片が、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６】光散乱シートが有する散乱異方性（入射角度選択性）について説明する断面図。
【図７】本発明の光散乱シートを製造するための光学系の一例を示す説明図。
【図８】選択的に拡散する波長が、Ｒ，Ｇ，Ｂの３種類である３種類のセルから構成される本発明の着色拡散シートの一例を示す説明図。
【図９】本発明の光散乱シートを用いた透過型液晶表示装置の一例を概念的に示す説明図。
【符号の説明】
１，62，92…光散乱シート
２…小片（屈折率の異なる部分）
61，91…入射光
63…着色拡散光
64…非拡散光
65…透過光
93…液晶パネル

Claims (2)

1. シート内部に、前記シートを構成する感熱材料とは屈折率が異なり、かつ形状が楕円体からなる部分（小片）が分布した構成の光散乱シートにおいて、
   前記小片の大きさが、３８０ｎｍから７８０ｎｍの範囲内で、特定の値を中心とする±１００ｎｍの範囲であり、
   入射光のうち、前記小片の大きさと等しい値の大きさの特定波長の範囲（特定色）の光を選択的に多く光散乱させ、
   かつ、
   前記光散乱シート内で、前記小片が、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ており、
   前記光散乱シートの主面に対して、前記小片の長軸の方向に沿った＋３０°から＋６０°の角度で入射する前記特定波長の範囲（特定色）の光のうち、９０％前後の光を光散乱させて透過し、前記角度範囲以外の角度で入射する光については光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ことを特徴とする着色光散乱シート。
2. 請求項１に記載の前記着色光散乱シートを、液晶パネルの前面（観察者側）または背面（観察者と反対側）に配置したことを特徴とする液晶表示装置。

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