(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
導光体を構成する透明体の光導入部に導光方向に略平行に、又は、光出射部に導光方向に略垂直に、所定の方向から入射する所定波長の光に対してその入射方向と略直角な方向に散乱する散乱成分を持ち、かつ、最も散乱光量が多い方向とそれに直角で散乱光量の最も少ない方向における散乱光量比が１．５以上の異方性微粒子が配向固定して分散混入されていることを特徴とする導光体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、導光体に関し、特に、板状、シート状、フィルム状等の導光体において効率的に光を入射させたり出射させるようにした導光体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
太陽光等を任意の場所に導いて照明等に利用するのに、板状、シート状あるいはフィルム状等の導光体を用いることが種々提案されている。特に、そのようなシート状の導光体の場合に、太陽光等を広い面積で受けて導光体に入射させたり、あるいは広い面積から出射させるためには、導光体の側面を散乱面あるいは凹凸面とする考え方があった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、導光体の側面に設けた散乱面あるいは凹凸面では、必ずしも十分に効率的に光を入射させたり出射させることができなかった。
【０００４】
例えば、導光体の入射領域においては、一旦導光体に入射した光が散乱面あるいは凹凸面で再度散乱されて外に逃げていってしまい、また、出射領域においては、散乱された光が導光体の空気界面で全反射されて外に出られず再度導光されるため、入射効率、出射効率が十分高くならなかった。
【０００５】
本発明は従来技術のこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、太陽光等を任意の場所に導く導光体において、その側面から効率的に光を入射させたり出射させることができる導光体を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の導光体は、導光体を構成する透明体の光導入部に導光方向に略平行に、又は、光出射部に導光方向に略垂直に、所定の方向から入射する所定波長の光に対してその入射方向と略直角な方向に散乱する散乱成分を持ち、かつ、最も散乱光量が多い方向とそれに直角で散乱光量の最も少ない方向における散乱光量比が１．５以上の異方性微粒子が配向固定して分散混入されていることを特徴とするものである。
【０００７】
本発明においては、所定の方向から入射する所定波長の光に対してその入射方向と略直角な方向に散乱する散乱成分を持ち、かつ、最も散乱光量が多い方向とそれに直角で散乱光量の最も少ない方向における散乱光量比が１．５以上の異方性微粒子が、導光体を構成する透明体の光導入部に導光方向に略平行に、又は、光出射部に導光方向に略垂直に、配向固定して分散混入されているので、導光体の側面から入射光を効率的に導光光として入射させたり、導光体の側面から導光光を効率的に出射させることができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の導光体において、その側面から外光を効率的に入射させ、また、導光体中を導光されている導光光を効率的にその側面から出射させる原理は、板状、針状、ラクビーボール状等の異方性微粒子に対する入射方向によって散乱特性が異なることを利用するものである。以下、この点を詳しく説明する。
【０００９】
図５は、ミー散乱における配光を示す図であり（「久保田広他２名編「光学技術ハンドブック増補版」第１１１６頁（（株）朝倉書店  １９７５年７月２０日））、入射光が１８０°方向から入射する場合で、α＝２πａ／λであり、ａは粒子の半径、λは波長であり、空気中の屈折率１．３３の粒子の場合である。この図から明らかなように、α≦２程度の領域、すなわち、波長の半分程度より小さい径あるいは長さを持つ微粒子においては、入射光と略直角な方向に散乱する散乱成分を持つことになる。
【００１０】
一方、これはよく知られたことであるが、入射光の波長に比べて粒子径が小さくなればなる程その散乱断面積、吸収断面積は小さくなって入射光を散乱し難くなり、影響を受けずに透過しやすくなる。
【００１１】
この現象を利用するために、図１に断面図を示すように、例えばシート状の高屈折率透明体からなる導光シート１の一端（光導入部）１０中に、例えば板状の異方性微粒子２をその板面が全て導光シート１の両面に略平行になるように配向させて分散混入させておく。そして、導光シート１の光導入部１０側の端面に光反射層３を形成しておく。ここで、板状の異方性微粒子２としては、その直径が入射光５の波長の半分程度以下、具体的には５００ｎｍ以下であり、その厚さはその直径の３分の１以下、好ましくは１０分の１以下のものを用いる。なお、導光シート１としては、シート状高屈折率透明体の両面あるいは片面にクラッド層となる低屈折率層を設けたものでも、あるいは、シート状高屈折率透明体の層中央部から両表面にかけて屈折率が傾斜的に下がる一次元屈折率分布構造のものであってもよい。
【００１２】
このような構成において、導光シート１の光導入部１０の一側面側から入射光５を入射させると、その入射光５は異方性微粒子２によって散乱され、その導光シート１の面に沿うような散乱成分が発生する。図中、特定の異方性微粒子２ａに注目し、その異方性微粒子２ａに当たる入射光５の成分を入射光５ａとする。この入射光５ａの一部は異方性微粒子２ａで散乱され、その散乱光中には、導光シート１の導光方向に散乱される成分６ａと導光方向と反対方向に散乱される成分６ｂがある。もちろん、紙面内から外れる成分もあるが、それは成分６ａあるいは成分６ｂで代表しても問題はない。
【００１３】
上記したように、異方性微粒子２は導光シート１の面に沿うように配向されているので、導光シート１の導光方向とそれと反対方向に散乱された成分６ａ、６ｂから見ると、異方性微粒子２の散乱断面積は極めて小さい。そのため、散乱成分６ａ、６ｂは他の異方性微粒子２でほとんど散乱、吸収されず、散乱成分６ａは導光シート１の光導入部１０に続く導光部１１へと達し、導光シート１の図示しない他端へ導光される。また、散乱成分６ｂは光導入部１０側の端面の光反射層３に達し、そこで反射されて再び光導入部１０中を通るが同様に異方性微粒子２でほとんど散乱、吸収されずに導光部１１へと達し、導光シート１の図示しない他端へ導光される。このようにして、導光シート１の光導入部１０の一側面側から入射した入射光５は導光シート１中に導光光として効率良く入射される。
【００１４】
なお、異方性微粒子２で散乱された図１の紙面内から外れる成分は、導光シート１の紙面と平行な端面（導光シート１の導光方向に沿う両端面）から外部に出てしまい、有効に利用されない恐れがあるので、少なくとも光導入部１０の紙面と平行な両端面には、白色塗料、金属反射層等の光反射層を施してこれら成分が外に漏れるのを防止するようにするのが望ましい。
【００１５】
図２に、図１の光導入部１０と同様の原理で、導光シート１中を導光された光を導光シート１の光出射部２０から導光シート１の一側面側へ射出光９として射出させる構成を示す。導光シート１の光導入部１０と反対側の端部（光出射部）２０中に、光導入部１０中の異方性微粒子２と同様の例えば板状の異方性微粒子２をその板面が全て今度は導光シート１の両面に略垂直で導光方向に略垂直になるように配向させて分散混入させておく。そして、導光シート１の光出射部２０側の端面は傾斜面４とし、その傾斜面４と、光出射部２０の出射側とは反対側の裏面とには光反射層３を形成しておく。
【００１６】
このような構成において、導光シート１の導光部１１側から導光されてきた光７ａは異方性微粒子２によって散乱され、導光シート１の面に交差するような散乱成分が発生する。図中、特定の異方性微粒子２ａに注目し、その異方性微粒子２ａに当たる導光光の成分を導光光７ａとする。この導光光７ａの一部は異方性微粒子２ａで散乱され、その散乱光中には、導光シート１の面に交差して出射側へ散乱される成分８ａとそれとは反対側の裏側方向へ散乱される成分８ｂがある。図１の場合と同様の理由で、散乱成分８ａ、８ｂは他の異方性微粒子２でほとんど散乱、吸収されず、散乱成分８ａは光出射部２０の表側へ出射される。また、散乱成分８ｂは光出射部２０の裏面の光反射層３に達し、そこで反射されて再び光出射部２０中を通るが同様に異方性微粒子２でほとんど散乱、吸収されずに光出射部２０の表側へと達して出射される。また、光出射部２０中の異方性微粒子２で散乱されずに導光シート１の光出射部２０側の端面の傾斜面４に達した導光光７ｂはその傾斜面４に達してその光反射層３で反射されて光出射部２０の表側へと出射される。このようにして、導光シート１の光出射部２０に達した導光光は効率良くその一側面側へ出射される。
【００１７】
以上の説明では、光導入部１０中に導光シート１の両面に略平行になるように配向させ、また、光出射部２０中に導光シート１に略垂直で導光方向に略垂直になるように配向させて分散混入させる異方性微粒子２としては、板状としたが、針状、ラクビーボール状等の形状のものであってもよい。一次元方向に長い形状の場合は、光導入部１０中においては導光シート１の両面に略平行でその導光方向にその長手方向が向くように配向させ、光出射部２０中においては両面に略垂直になるように配向させればよい。
【００１８】
さて、上記のように、入射光５の波長の半分程度以下の径あるいは長さを持ち、その厚さあるいは太さが径あるいは長さの３分の１、好ましくは１０分の１以下の異方性微粒子２の例としては、板状のものとしては、板状比（板径／板厚）が３．５〜５の強磁性Ｂａフェライト粉末がある。その組成は、元素組成のＦｅ／Ｂａ（モル比）が１０．０〜１４．０である。また、針状のものとしては、Ｆｅ、Ｃｏ及び他の元素、Ａｌ、Ｓｉ、Ｓ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｙ、Ｍｏ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｗ、Ａｕ、Ｐｂ、Ｂｉ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｓｒ、Ｂ、Ｃａ等の元素を含む針状比（長径／短径）が３〜１２の強磁性金属粉末がある。
【００１９】
そして、このような異方性微粒子２の配向のためには、上記強磁性Ｂａフェライト粉末、強磁性金属粉末の場合は、磁場を用いる。具体的には、異方性微粒子２が強磁性金属粉末の場合、光導入部１０中の配向を得るには、図３（ａ）に示すように、強磁性金属粉末の異方性微粒子２が分散混入してあり、未だ硬化していない導光シート１の樹脂をソレノイド２１の軸方向に沿って通し、導光シート１の面に沿う方向の磁場をかけながら樹脂を硬化させればよい。また、光出射部２０中の配向を得るには、図３（ｂ）に示すように、強磁性金属粉末の異方性微粒子２が分散混入してあり、未だ硬化していない導光シート１の樹脂の上下に対向する磁極２２、２２’を配置して導光シート１の面に垂直な方向の磁場をかけながら樹脂を硬化させればよい。
【００２０】
また、異方性微粒子２が強磁性Ｂａフェライト粉末の場合は、光出射部２０中の配向を得るには、図４（ａ）に示すように、強磁性Ｂａフェライト粉末の異方性微粒子２が分散混入してあり、未だ硬化していない導光シート１の樹脂をソレノイド２１の軸方向に沿って通し、導光シート１の面に沿う方向の磁場をかけながら樹脂を硬化させればよい。また、光導入部１０中の配向を得るには、図４（ｂ）に示すように、強磁性Ｂａフェライト粉末の異方性微粒子２が分散混入してあり、未だ硬化していない導光シート１の樹脂の上下に対向する磁極２２、２２’を配置して導光シート１の面に垂直な方向の磁場をかけながら樹脂を硬化させればよい。
【００２１】
なお、板状、針状、ラクビーボール状等の異方性微粒子２として強誘電性のものを用いる場合は、上記の磁場の代わりに電場を用いて同様に配向硬化させればよい。
【００２２】
ところで、以上の説明では、異方性微粒子２として、入射光５の波長の半分程度以下の径あるいは長さを持ち、その厚さあるいは太さが径あるいは長さの３分の１、好ましくは１０分の１以下のものであればよいとしたが、散乱特性としては、最も散乱光量が多い方向とそれに直角で散乱光量の最も少ない方向方向における散乱光量比が、１．５以上、好ましくは２．５以上、より好ましくは３．５以上あればよい。
【００２３】
以上、本発明の導光体をその原理と実施例に基づいて説明してきたが、本発明はこれら実施例に限定されず種々の変形が可能である。例えば、光導入部１０、光出射部２０は導光シート１中でなく、その表面に異方性微粒子２を分散配向した塗布層を設けて構成するようにしてもよい。また、その導光体はフィルム状に構成し、光導入部を屋外に光出射部を屋内に配置して太陽光を屋内に導いて照明等に用いることができる。また、液晶表示装置において、バックライトの補助として外光を液晶表示装置の照明光として導くのに本発明の導光体を利用することができる。
【００２４】
以上の本発明の導光体は、例えば次のように構成することができる。
【００２５】
〔１〕  導光体を構成する透明体の一部に、所定の方向から入射する所定波長の光に対してその入射方向と略直角な方向に散乱する散乱成分を持ち、かつ、最も散乱光量が多い方向とそれに直角で散乱光量の最も少ない方向における散乱光量比が１．５以上の異方性微粒子が配向して分散混入されていることを特徴とする導光体。
【００２６】
〔２〕  導光体を構成する透明体の一部に、入射光の波長の半分程度以下の径あるいは長さを持ち、その厚さあるいは太さがその径あるいは長さの３分の１以下の異方性微粒子が配向して分散混入されていることを特徴とする導光体。
【００２７】
〔３〕  前記異方性微粒子が板状のものからなり、前記透明体の導光方向に略平行に配向されていることを特徴とする請求項１又は２記載の導光体。
【００２８】
〔４〕  前記異方性微粒子が板状のものからなり、前記透明体の導光方向に略垂直に配向されていることを特徴とする請求項１又は２記載の導光体。
【００２９】
〔５〕  前記異方性微粒子が一次元方向に長い形状のものからなり、前記透明体の導光方向に略平行に配向されていることを特徴とする請求項１又は２記載の導光体。
【００３０】
〔６〕  前記異方性微粒子が一次元方向に長い形状のものからなり、前記透明体の導光方向に略垂直に配向されていることを特徴とする請求項１又は２記載の導光体。
【００３１】
〔７〕  前記異方性微粒子が強磁性体からなり、未硬化樹脂中に分散混入され磁場を印加して配向硬化されたものからなることを特徴とする請求項１から６の何れか１項記載の導光体。
【００３２】
〔８〕  前記異方性微粒子が強誘電体からなり、未硬化樹脂中に分散混入され電場を印加して配向硬化されたものからなることを特徴とする請求項１から６の何れか１項記載の導光体。
【００３３】
【発明の効果】
以上の本発明の導光体によると、所定の方向から入射する所定波長の光に対してその入射方向と略直角な方向に散乱する散乱成分を持ち、かつ、最も散乱光量が多い方向とそれに直角で散乱光量の最も少ない方向における散乱光量比が１．５以上の異方性微粒子が、導光体を構成する透明体の光導入部に導光方向に略平行に、又は、光出射部に導光方向に略垂直に、配向固定して分散混入されているので、導光体の側面から入射光を効率的に導光光として入射させたり、導光体の側面から導光光を効率的に出射させることができる。また、本発明の導光体は、フィルム状に構成して任意の場所から任意の場所に光を効率的に伝送するのに用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に基づく導光シートの光導入部の１例の断面図である。
【図２】本発明に基づく導光シートの光光出射部の１例の断面図である。
【図３】強磁性金属粉末の異方性微粒子の配向方法を説明するための図である。
【図４】強磁性Ｂａフェライト粉末の異方性微粒子の配向方法を説明するための図である。
【図５】ミー散乱における配光を示す図である。
【符号の説明】
１…導光シート
２、２ａ…異方性微粒子
３…光反射層
４…傾斜面
５、５ａ…入射光
６ａ、６ｂ…散乱成分
７ａ…導光光
８ａ、８ｂ…散乱成分
９…射出光
１０…光導入部
１１…導光部
２０…光出射部
２１…ソレノイド
２２、２２’…磁極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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