(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
面状の拡がりを有すると共に、一方の面に、外部からの入射光の一部を反射する繰り返し傾斜面形状の第１の反射面を有し、他方の面に、内部入射光の少なくとも一部を反射する繰り返し傾斜面形状の第２の反射面を有する表裏二重プリズム反射素子と、
該表裏二重プリズム反射素子の側方に、平行化された光束を前記第１の反射面に向けて、該平行化された光束の伝播方向を代表する方向に伝播する光が前記第１の反射面に入射する際の入射角が０度とならないように出力する姿勢で配置された平行光束出射部とを備え、
前記平行光束出射部は、有効散乱照射パラメータＥ［cm-1］の値が０．５≦Ｅ≦５０の範囲にあり、光散乱能を生み出す屈折率不均一構造の相関関数γ（ｒ）をγ（ｒ）＝ｅｘｐ［−ｒ／ａ］（但し、ｒは光散乱導光体内の２点間距離）で近似した時の相関距離ａ［μｍ］の値が０．０６≦ａ≦３５の範囲にある一様な散乱能が与えられた楔形状断面を有する体積領域を含む光散乱導光体からなる平行光束化素子と、該平行光束化素子の前記楔形状断面の断面積が相対的に大きな方の端面側に配置された光入射手段を含み、
前記表裏二重プリズム反射素子は、前記第１の反射面に入射した平行化された光束を、該第１の反射面及び前記第２の反射面で反射し、前記第１の反射面への外部からの入射時に比して拡大された断面積を持つ平行化された光束として、前記第１の反射面から外部へ向けて出射させることを特徴とする平行光束拡大型面光源装置。
【請求項２】
前記表裏二重プリズム反射素子からの反射光束の光路中に光拡散板が配置されていることを特徴とする、請求項１に記載された平行光束拡大型面光源装置。
【請求項３】
前記平行光束化素子の光入射面側から見て左右幅方向の光出射方向特性を修正する光出射方向修正手段が、前記平行光束出射部の前記平行光束化素子の光出射面に臨んで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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本願発明は、液晶表示装置のバックライト光源部等に適用して有利な面光源装置に関し、更に詳しく言えば、蛍光ランプ等の通常の光供給源からの光を、拡大された断面積を有すると共に平行度が高く均一な光束に変換して出射することが出来る面光源装置に関する。
本願発明は、上記液晶表示装置のバックライト光源部への適用の他に、比較的大断面積の平行光束を必要とする任意のアプリケーションに適用可能であるが、特に、平行光束を照明、投光、情報伝達等の目的で用いる型の各種装置に有効に利用され得るものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、非平行性の光束を平行度の高い光束に変換する必要がある場合には、レンズや曲面鏡（放物面鏡等）からなる光学系が用いることが通常であった。このレンズや曲面鏡を利用した光束平行化技術は、非平行性光束源（単数または複数の光源素子あるいは光ファイバ出射端等）から多方向に出射される光を、レンズや曲面鏡の持つ光収束あるいは光発散の機能を利用して平行化するというものである。
【０００３】
従って、非平行性光束源が発散性（例えば、単一の点光源）あるいは収束性（例えば、１点に向けられて配置された多数の指向性点光源）のいずれか一方の性質のみを帯びている場合には有効な平行化手段となり得るが、拡がりのある光源から多方向に向けて放射される光のように、発散性あるいは収束性の一方の性質で規定出来ないような光束を平行化することは困難であった。
【０００４】
また、レンズや凹面鏡からなる光学系を利用した場合には、平行化された光束の光強度プロファイル（光束断面上における光強度分布）を平坦にすることが原理的に難しく（通常は光軸付近をピークとするガウシアン型のプロファイルとなる。）、光強度の均一な平行光束を得る為の用途には適していない。
【０００５】
更に、レンズや曲面鏡に光収束・発散機能を発揮させる為には、光軸方向に沿った距離を充分に確保する必要があるので、装置全体の奥行き方向の寸法を小さくすることが一般に難しい。
【０００６】
これらレンズや凹面鏡からなる光学系を利用する技術とは全く別型の技術として、光散乱体を用いて側方から入射させた光を正面側の光取出面から出射させる技術が知られているが（例えば、特開平２−２２１９２６号、特開平４−１４５４８５号及び実開昭５１−８９８８８号公報）、これら技術は、導光体内部あるいは表面領域に与えられた光散乱作用によって光の進行方向を出来るだけランダムなものとすることを通して光取出面から出射させる光量を確保するというものであり、光取出面からの出射光を平行化するという技術課題を前提にしたものではなかった。
【０００７】
このように、従来は、均一なプロファイルを有する平行光束を生成すること自体が困難であった為に、光束の平行度とプロファイルの均一性に加えて更に、光束断面積の大きさを同時に確保することは更に困難であった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本願発明の目的は、入射光を均一度が高く拡大された断面積を有する平行化された光束を生成することが出来る平行光束拡大型の光源装置を提供することにある。
【０００９】
また、本願発明は、このような平行光束拡大型の光源装置を提供することにより、高画質化、大画面化の要望が高まっている液晶表示装置のバックライト光源の用途に対応し得る面光源装置を提供することを企図するものである。
【００１０】
更に、本願発明は上記平行光束化を３次元的なレベルで達成する手段あるいは該平行化光束の指向性の度合を緩和する手段を備えた上記面光源装置を提供することを併せて提供しようとするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本願発明は、先ず、上記基本的な目的を達成する技術手段として、「面状の拡がりを有すると共に、一方の面に、外部からの入射光の一部を反射する繰り返し傾斜面形状の第１の反射面を有し、他方の面に、内部入射光の少なくとも一部を反射する繰り返し傾斜面形状の第２の反射面を有する表裏二重プリズム反射素子と、
該表裏二重プリズム反射素子の側方に、平行化された光束を前記第１の反射面に向けて、該平行化された光束の伝播方向を代表する方向に伝播する光が前記第１の反射面に入射する際の入射角が０度とならないように出力する姿勢で配置された平行光束出射部とを備え、
前記平行光束出射部は、有効散乱照射パラメータＥ［cm-1］の値が０．５≦Ｅ≦５０の範囲にあり、光散乱能を生み出す屈折率不均一構造の相関関数γ（ｒ）をγ（ｒ）＝ｅｘｐ［−ｒ／ａ］（但し、ｒは光散乱導光体内の２点間距離）で近似した時の相関距離ａ［μｍ］の値が０．０６≦ａ≦３５の範囲にある一様な散乱能が与えられた楔形状断面を有する体積領域を含む光散乱導光体からなる平行光束化素子と、該平行光束化素子の前記楔形状断面の断面積が相対的に大きな方の端面側に配置された光入射手段を含み、
前記表裏二重プリズム反射素子は、前記第１の反射面に入射した平行化された光束を、該第１の反射面及び前記第２の反射面で反射し、前記第１の反射面への外部からの入射時に比して拡大された断面積を持つ平行化された光束として、前記第１の反射面から外部へ向けて出射させることを特徴とする平行光束拡大型面光源装置」（請求項１に記載された構成）を提案したものである。
【００１２】
ここで、上記基本構成に対し、明るさの均一性を更に向上させると共に指向性の度合を調節緩和するために、前記表裏二重プリズム反射素子からの反射光束の光路中に光拡散板を配置することができる。
【００１３】
更に、上記各構成において、平行光束化素子の光入射面側から見て左右幅方向（以下、「横断方向」とも言う。）に関して平行光束出射部から出射される光束の伝播方向を整えて３次元的な平行度を向上させる為に、上記各構成に、「前記平行光束化素子の光入射面側から見て左右幅方向の光出射方向特性を修正する光出射方向修正手段が、前記平行光束出射部の前記平行光束化素子の光出射面に臨んで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」という要件を課すことを提案したものである。
【００１４】
【作用】
本願発明は、一様な散乱能が与えられた楔形状断面を有する体積領域を含む平行光束化素子を用いて伝播方向が揃えられた相対的に小断面積の光束を、斜方向から比較的広面積の反射面を有する表裏二重プリズム反射素子に入射させ、相対的に大断面積を有する反射光束の形で取り出そうとするものである。
そこで、先ず、本願発明における平行光束化素子を構成する光散乱導光体の散乱特性を記述する際に使用されている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。
【００１５】
【数１】
0003745389.tif 000002
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。
【００１６】
【数２】
0003745389.tif 000003
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。
【００１７】
【数３】
0003745389.tif 000004
ここで、λ0 は入射光の波長、ν＝（２πｎ）／λ0 、ｓ＝２sin （Φ／２）である。また、ｎは媒体の屈折率、Φは散乱角、＜η2 ＞は媒体中の誘電率ゆらぎ２乗平均（以下、＜η2 ＞＝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る。相関関数γ（ｒ）は、次式（６）で表わされる。
【００１８】
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、相関関数γ（ｒ）、相関距離ａ、誘電率ゆらぎ２乗平均τの関係について次の式（７），（８）が成立する。
【００１９】
【数４】
0003745389.tif 000005
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。
【００２０】
【数５】
0003745389.tif 000006
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。
【００２１】
【数６】
0003745389.tif 000007
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１は、横軸に相関距離ａ、縦軸に誘電率ゆらぎ２乗平均τをとり、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］の場合について描いたものである。
【００２２】
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、一般には、大寸法の平行光束化素子にはＥの小さな光散乱導光体を用い、小寸法の面光源装置にはＥの大きな平行光束化素子を用いることが好ましいと言うことが出来る。
上記基準を考慮に入れて本願発明で使用される平行光束化素子の有効散乱照射パラメータＥのレンジを定めると、Ｅ＝０．５〜５０［cm-1］の程度となる。
一方、相関距離ａは、平行光束化素子に用いる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。
【００２３】
図２は、これをａの２つの値について例示したグラフである。同図において、横軸は散乱角度Φ（入射光線の進行方向をΦ＝０°とした。）を表わし、縦軸は自然光を仮定した場合の規格化散乱光強度、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。
同図に併記されているように、ａ＝０．１３μｍの場合、即ち、上記（９）式による粒径算値で２Ｒ＝０．２μｍの場合には、Φに関する緩やかな減少関数を表わすグラフが得られるが、ａ＝１．３μｍ、同（９）式による粒径換算値で２Ｒ＝２．０μｍの場合には、Φが小さい値にある領域内で急激に減少する関数を表わすグラフが得られる。
【００２４】
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、基本的には前方散乱の性格を有しているが、相関距離ａの値が小さくなるに従って前方散乱性が弱まり、個々の散乱過程における散乱角度の範囲が広がる傾向が生じて来る。これは実験的にも確認済みの事柄である。
【００２５】
以上の議論は、平行光束化素子を構成する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場合に成り立つものであるが、光散乱導光体で構成される平行光束化素子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（平行光束化素子から同素子外への脱出率）を併せて考慮する必要がある。
【００２６】
基礎的な光学理論によって全反射の条件として良く知られているように、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 （ここでは、光取出面に立てた法線方向を０°とする。）を入射角が上回る場合には、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。
【００２７】
後述するように、本願発明で平行光束化素子のマトリックス材料として好適に使用される通常の樹脂材料の屈折率は、１．４〜１．７の範囲にあるので、実際的なαc の範囲は、３６．０°〜４５．６°の程度の値となる。
【００２８】
上述したように、光散乱導光体内部における散乱は前方散乱性を示すから、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。
【００２９】
従って、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過程や、光散乱導光体の背面側の界面あるいは反射部材による反射過程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という現象が大きく関与しているものと考えるべきである。
【００３０】
そうだとすると、臨界角条件を満たす光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、光散乱導光体で構成された平行光束化素子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。
【００３１】
一般に、臨界角条件をぎりぎりで満たすような入射角をもって媒体界面に入射した光の界面透過率は極めて低い。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％程度である。そして、入射角が臨界角を下回る角度が増加するに従って光透過等は急激に上昇し、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−空気界面の場合では、Ｐ偏光成分９０％以上、Ｓ偏光成分８５％以上となる。
【００３２】
以上のことから、アクリル樹脂の場合で言えば、光取出面への入射角が３５°〜４０°前後の光が、平行光束化素子の光取出面からの光出射に最も大きく寄与しているものと考えられる。屈折に関するスネルの法則を考慮すると、光取出面がアクリル樹脂−空気界面である場合、３５°〜４０°前後の入射角で光取出面に入射した光は、光取出面に空気側から立てた法線に対して６５°付近から前後数度程度の範囲内に収まる方向へ向けて出射される。
【００３３】
平行光束化素子を構成する光散乱導光体にアクリル樹脂以外の材料を使用した場合でも、実際的な材料の屈折率の範囲は１．４〜１．７の程度であるから、上記角度に数度程度のずれを見込めば、全く同様の議論が成立する。
【００３４】
即ち、平行光束化素子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２０°〜３０°前後も立ち上がった方向に明瞭な指向性を有する光となる。
【００３５】
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、個々の散乱過程における前方散乱性が薄れ、一次散乱のみで後方散乱を含む広範囲の散乱光が発生するようになる為に、このような指向性を与える前提条件が崩れてしまうことである。本願発明では、このような現象が顕著とならないような光散乱導光体（以下、「指向出射性の光散乱導光体」と呼ぶ。）で構成された平行光束化素子を使用する。この条件を考慮した場合の相関距離ａの下限値は０．０６μｍの程度である。
【００３６】
一方、図１から判るように、相関距離ａが大きい程有効散乱照射パラメータＥの値を大きくすることが難しくなる傾向がある。本願発明では、この条件をも考慮に入れて、平行光束化素子を構成する光散乱導光体の相関距離ａの値の実際的な範囲として、０．０６μｍ〜３５μｍを選択した。光散乱導光体を異屈折率粒子を分散させた場合には、（９）式から、粒子径０．１μｍ〜５４μｍの範囲がこれに対応することになる。
【００３７】
このような条件で一様な散乱能を与えられた楔形状の指向出射性の平行光束化素子の厚みが大きい側の側面を光入射面として、通常の蛍光ランプ等の光源（一般には、光供給手段）からの光を入射させると、平行光束化素子の表裏両面から指向性の光束が出射される。その一方の面が平行光束化素子の光取出面として用いられる。他方の面には適宜反射性の部材を配置して光の散逸を防止することが好ましい。
【００３８】
平行光束化素子の光取出面から出射した光は、上述したように、光取出面に対して２０°から３０°前後立ち上がった方向に指向性を有している。ところが、液晶表示装置のバックライト光源の用途をはじめとして、面光源装置には正面あるいはこれに近い方向から見た明るさが要求されることが多い。また、平行光束化素子の光取出面から出射される平行光束の断面積は、光取出面の大きさより小さくなるから、比較的大きな断面積の光束を必要とする場合には、それに合わせて平行光束化素子のサイズも大型化する必要が生じる。
【００３９】
本願発明では、このような不都合を回避する為に平行光束化素子から出射された平行光束を該平行光束の伝播方向に対して傾斜配置された表裏二重プリズム反射素子の反射面で反射させることによって、平行光束の伝播方向を所定の方向、例えば、面光源装置全体の延在方向に対して垂直な方向（以下、単に「正面方向」と言う。）に転換させると共に、光束の断面積を拡大させる。
【００４０】
ここで、平行光束化素子が楔形状断面の光散乱導光体で構成されていることの光学的な意義について説明しておく。
図３は、本願発明で使用される楔形状の平行光束化素子の楔形断面を表わす図であり、その内部における繰り返し反射の様子が、光入射面から平行光束化素子内部に取り込まれる光線の光路を光線Ｂ0 で代表させる形で記されている。
【００４１】
符号１は「作用」の欄で述べた散乱特性を有する光散乱導光体で構成された平行光束化素子を表わしており、楔形状の断面積の大きな方の側端部に形成された光入射面２に臨んで蛍光ランプＬ（一般には、光供給手段であるが、以下、蛍光ランプでこれを代表させる。）が配置されている。蛍光ランプＬから出射されて平行光束化素子１内に入射される光を代表する代表光線Ｂ0 の伝播方向は、図示したように、平行光束化素子の延在方向と小さな角度をなしているものと考えることが出来る。
【００４２】
この光線Ｂ0 の挙動を考察してみると、入射面２から平行光束化素子１内に入射した光線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３とこれに対して傾斜した裏面４において反射を繰り返しながら、平行光束化素子１の厚みの薄い末端部６へ近づいていく。面４，５の内側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等しい（θ1 ，θ2 ，θ3 ・・・・）。ここで、光取出面３における各回の反射に注目すると、θ2 ＞θ4 ＞θ6 ・・・の関係が成立していることが判る。
【００４３】
更に、各反射時における界面透過率を考えてみると、光散乱導光体の指向出射性の場合と同様の議論によって、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。
【００４４】
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程度の差はあっても同様に生じている筈であるから、平行光束化素子１全体としては光入射面２から遠ざかる程光取出面３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Ｌ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。
【００４５】
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３から光を出射させる傾向が生まれることになる。また、平行光束化素子１内の光が光取出面３に入射する機会も、楔形状の効果によって入射面２から遠ざかるにつれて増大する傾向を持ちつつ全体的に増大すると考えられるから、光取出面３全体に亙って輝度レベルを一段と向上させる効果も生じているものと思われる。
【００４６】
両面３，４のなす角度ψに絶対的な制限は特にないが、明るさのレベル、均一度、指向特性等を考慮した実際的な範囲としては、０．５°≦ψ≦５°が考えられる。また、傾斜した裏面４（場合によっては光取出面３）を曲面とすることにより、反射角θ1 、θ2 、θ3 ・・・・の増大推移を制御し、より望ましい特性を実現することも可能である。
【００４７】
ここで述べたような効果は、裏面４に沿って反射体５を配置した場合にも同様に成立することは明らかである。平行光束化を阻害しない観点から、この反射体５は拡散反射性の反射体よりも正反射性を有する反射体であることが好ましい。
【００４８】
なお、平行光束化素子を含む平行光束出射部と組み合わせて配置される表裏二重プリズム反射素子の反射面の形状や配置方向の選択、並びに平行光束化素子を構成する光散乱導光体の材料・製法については、次記実施例の中で述べることとする。
【００４９】
【実施例】
図４は、本願発明の基本配置に相当する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使用した実施例を、要部断面図の形で表わしたものであり、拡大化機能を分かりやすくする為に、実際的な寸法データが例示的に併記されている。
【００５０】
同図において、符号Ｆで示された部分は平行光束出射部であり、蛍光ランプＬと背面側から蛍光ランプＬを取り囲むように設けられた反射体Ｒ、平行光束化素子１から構成されている。平行光束化素子１は、楔形状の断面を有する光散乱導光体で構成されており、ここでは、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）中にシリコーン系樹脂材料（屈折率＝１．４３４５）を０．１ｗｔ％の割合で一様に分散させたものが使用されている。
【００５１】
裏面４の長さサイズは図中に示した通り３８ｍｍであり、入射面２側の端部の厚みは８．０ｍｍである。末端部６の厚みは０．２ｍｍ程度とする。幅については適宜の値（例えば、２００ｍｍ）とすることが出来る。
【００５２】
蛍光ランプＬは平行光束化素子１の入射面２から１ｍｍ離して配置されておりその直径は８ｍｍ、長さは平行光束化素子１の幅とほぼ等しいものとする。反射体Ｒは入射面２から入射する光量を出来るだけ多くする為に適宜配置されるもので、例えば、酸化防止の為の表面処理を施した銀箔が使用される。
平行光束化素子１の裏面４にも、正反射性の反射体が設けられている。この反射体５は、平行光束化素子１とは別体の反射部材（例えば、銀箔シート）であっても良く、また、裏面４上に形成された反射膜（例えばＡｇ蒸着膜、Ａｌ蒸着膜等）であっても良い。銀箔シートのように、紫外線による反射性能の劣化の恐れがある反射部材を用いる場合には、裏面４への固着手段として紫外線吸収性の接着剤を用いることが好ましい。後述するように、平行光束化素子１はプラスチック材料の射出成形技術によって製造することが実用的であり、反射部材の固着に際してインモールド法を適用することが可能である。
【００５３】
蛍光ランプＬからの放射光及び反射体Ｒによる反射光は、光散乱導光体で構成された平行光束化素子１の光入射面２から平行光束化素子１の内部に進入し、光散乱作用を受けながら、末端部６へ向けて導光される。「作用」の欄で詳しく説明したように、この過程を通して平行光束化素子１の光取出面３からは、平行化された光束（以下、単に「平行光束」と言う。）が出射される。符号Ｇ1 は、この平行光束を代表する光線である。代表光線Ｇ1 の出射角β（光取出面３に立てた垂線から測ることとする。）は、「作用」の欄で述べたように、６５°前後となる。
【００５４】
符号ＰＲは、平行光束出射部から出射される平行光束のほぼ全量を受光する位置に、平行光束の伝播方向（即ち、代表光線Ｇ1 の伝播方向）に対して所定角度傾斜して配置された表裏二重プリズム反射素子である。この表裏二重プリズム反射素子ＰＲは、次に述べる平行光束の断面積拡大機能と伝播方向転換機能を有しており、平行光束出射部Ｆからの平行光束のほぼ全量は、図中上方へ向けて反射される。
【００５５】
表裏二重プリズム反射素子ＰＲからの反射光束の光路には、適当な散乱能を与えられた光拡散板ＤＦが配置されており、更にその上方には液晶パネル部ＬＰが配置されている。液晶パネル部ＬＰは、偏光透過軸を直交させた２枚の偏光子２１，２３の間に液晶セル部２２を挟んだ基本構成を有している。
【００５６】
このような配置により、平行光束出射部Ｆから供給された平行光束は、表裏二重プリズム反射素子ＰＲで上方に向かう拡大された反射光束に転換されて光拡散板ＤＦに入射する。この光拡散板ＤＦは、表裏二重プリズム反射素子ＰＲの反射光束の指向性を適宜緩和調整すると共に、表裏二重プリズム反射素子ＰＲにおける反射過程で発生する可能性のある微細なレベルでの明るさのムラを除去する為に適宜使用されるものであり、場合によっては、省略あるいは透明板に代えることも有り得る。
【００５７】
光拡散板ＤＦを通過して、適度に指向性を緩和調整された平行光束は、液晶パネル部ＬＰに入射し、バックライト光としての役割を果たす。平行光束の持つ指向性と均一性によって、所望の観察方向（ここでは、正面方向）から見た表示品位に優れた液晶表示画面が実現される。また、光拡散板ＤＦに付与する散乱能の強さを調整することによって、明るい表示画面が観察される方向の幅を適宜調整することも可能である。
【００５８】
次に、表裏二重プリズム反射素子ＰＲの構造と機能について説明する。図５は上記実施例に使用されている表裏二重プリズム反射素子ＰＲの符号３０で示した部分を拡大描示した断面図であり、光線Ｇ1 で代表される平行光束ＦＬ１の反射の様子が併記されている。同図に示されているように、表裏二重プリズム反射素子ＰＲの表裏には、プリズム状の起伏を構成する繰り返し傾斜面Ｈ，Ｈ’，Ｊ，Ｊ’が形成されている。また、裏面からの光の透過散逸を防止する為に、適宜ＡｌあるいＡｇ等の蒸着膜ＶＬが形成されている。表裏二重プリズム反射素子ＰＲを構成する材料には任意の透明光学材料が使用可能であるが、平行光束化素子１のマトリックスに使用される材料と同じ材料、例えばＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）を使用すれば、経済的に有利である。
【００５９】
代表光線Ｇ1 の伝播方向と表裏各面の傾斜面のＨ，Ｈ’及びＪ，Ｊ’の傾斜角の間には次の条件が成立していることが望ましい。換言すれば、この条件を満たすように、平行光束化素子１と表裏二重プリズム反射素子ＰＲの材料（屈折率）、平行光束化素子１と表裏二重プリズム反射素子ＰＲの姿勢関係、傾斜面Ｈ，Ｈ’及びＪ，Ｊ’の傾斜角度を選択することが好ましい。
【００６０】
（１）各傾斜面Ｈ’と光線Ｇ1 の伝播方向が平行であること。
（２）各傾斜面Ｊは、Ｈから入射した屈折光束のほぼ全量を受ける位置に延在していること。
【００６１】
（３）各傾斜面Ｈ’は、各傾斜面Ｈから入射した屈折光束の面Ｊ（蒸着膜との界面）における正反射光束のほぼ全量を受ける位置に延在していること。
【００６２】
（４）各傾斜面Ｈにおける正反射光束ＦＬ２と、各傾斜面Ｈ’から出射される光束ＦＬ３を各々代表する光線Ｇ2 ，Ｇ3 がほぼ平行であり、且つ、          所望の出射方向にほぼ合致していること。
【００６３】
このような条件を常に厳密に満足させることは難しいが、少なくとも、希望する出射方向が正面方向から大幅にはずれない範囲では、近似的な満足を得ることは容易である。例えば、表裏二重プリズム反射素子ＰＲの平行光束化素子１に対する姿勢の調整と、表裏二重プリズム反射素子ＰＲの屈折率選択だけで、相当の幅で出射方向を調整することが出来る。
【００６４】
好ましくは、上記条件を満たすように設計された表裏二重プリズム反射素子ＰＲの表裏面における反射作用によって、光線Ｇ1 で代表される入射光束ＦＬ１は各面Ｈにおける正反射光束ＦＬ２（Ｇ2 で代表）と各面Ｈ’からの屈折出射光束ＦＬ３（Ｇ3 で代表）に分割され、その断面積が拡大される（ＦＬ１→ＦＬ２＋ＦＬ３）。なお、各面Ｈにおける反射／透過の割合を調整する為に、半透光膜を各面Ｈ上に形成することも考えられる。また、偏光成分（Ｐ偏光成分とＳ偏光成分）の各面Ｈにおける反射／透過の割合の差が液晶表示面の明るさのムラになって現われる場合には、繰り返し斜面Ｈ，Ｈ’，Ｊ，Ｊ’の繰り返しピッチを小さくし、光拡散板ＤＦに与える散乱能を強くすることが有効である。
【００６５】
上記実施例に関する以上の議論は、主として平行光束化素子１の光入射面２から見て縦断方向（紙面に沿った方向、以下単に「縦断方向」と言う。）に注目したものであるが、平行光束化素子１の光入射面２から見て横断方向（紙面に垂直な方向、以下単に「横断方向」と言う）について、光束の伝播方向を整えて、面光源装置の横断方向側方への光の散逸を防止することが望まれる場合には、平行光束化素子１の光取出面３に臨んで光出射方向修正手段が設けることが出来る。
【００６６】
この光出射方向修正手段は、平行光束化素子１と一体、別体いずれの形態で設けても良い。図６は、前者の例を示した斜視図であり、図７は、後者の例を示した斜視図である。
各図において、符号ＣＲ，ＣＲ’は平行光束化素子１の光取出面３側に縦断方向に配向して形成されたプリズム状の起伏列であり、図６では平行光束化素子１の光取出面３の表面がこれを兼ねている。また、図７では、起伏列ＣＲ’を形成した別体の光出射方向修正素子７が配置された形態が示されている。符号２，３，４，５は、図４と同じく各々光入射面、光取出面、裏面及び反射体（銀箔）を表わしている。
【００６７】
図６、図７いずれの配置においても、光入射面２から平行光束化素子１内に進入した光は、「作用」の欄で述べたように、縦断方向について平行化され、６５度前後の出射角をもって光取出面３から出射される（矢印群３ｆで表示）。ここで、この出射時の横断方向についての光路を考えて見ると、平行光束化素子１に与えられた散乱能によって伝播方向に相当の拡がりが存在していると考えられる（矢印群３ｆ’で表示）。
【００６８】
縦断方向に配向して形成された各図におけるプリズム状起伏列は、このような横断方向の光束伝播方向の拡がりを抑制して、光の三次元的に平行性を向上させるものであり、この作用を通して光の横断方向側方への散逸を防止する上で有効なものである。
【００６９】
図８は、各図における横断方向（光入射側から見て左右幅方向）の光出射方向修正機能を説明する図であり、平行光束化素子１あるいは光出射方向修正素子７を符号８で示された方向に沿って切りとった断面を表わしている。同図において、方向にバラツキがある符号Ｂ1 〜Ｂ3 で示された光線は、平行光束化素子１または光出射方向修正素子７から外部へ出射される直前の光を代表している。
【００７０】
先ず、左右方向に近い進行方向を有する光線Ｂ1 ，Ｂ2 は、図示されているように、起伏面ＣＲあるいはＣＲ’を構成するプリズム面Ｃａ，Ｃｂの一方から一旦空気層ＡＲへ出射されるが、その相当部分は他方のプリズム面Ｃｂ，Ｃａで正反射し、横断方向成分がほぼ除去されて光線Ｂ1 ’，Ｂ2 ’として出射される。
【００７１】
一方、横断方向成分が乏しい光線Ｂ3 は、図示されているように、一方のプリズム面Ｃａで反射されてから、他方のプリズム面Ｃｂを通過して一旦空気層ＡＲへ出射されるが、その相当部分は隣接したプリズム面Ｃａで正反射され、横断方向成分の乏しい状態を保った光線Ｂ3 ’として出射されるものと考えることが出来る。このような屈折作用によって、図６、図７において矢印群３ｆで示されているような方向に伝播する光の割合が増加し、矢印群３ｆ’で示されているように横断方向側方へそれる光の割合が減少するから、結局、平行光束出射部Ｆから供給される光束の平行度が三次元的に改善される。
【００７２】
なお、平行光束化素子１あるいは光出射方向修正素子７に通常の材料（例えば、ＰＭＭＡ）を使用した場合、光出射方向修正機能を良好に発揮させる上で好適なプリズム頂角（プリズム面Ｃａ，Ｃｂのなす角度）の大きさは、８０°〜１１０°の程度である。
【００７３】
また、以上の説明では、光源として棒状の蛍光ランプが用いられているが、本願発明が光源の種類、形状等に格別の制限を設けるものでないことは、本願発明の原理とこれまで説明事項に照らして明らかであろう。例えば、光拡散性の面光源の光を平行光束化素子の光入射面から入射させても良いし、発光ダイオードアレイからの複数ビームを入射光として、これを均一な平行光束に変換することも可能である。
【００７４】
更に、図４の配置を対向した向きで並列配置し、２灯式としてほぼ倍のサイズの拡大光束を生成する面光源装置を構成しても良い。
【００７５】
最後に、本願発明に使用される平行光束化素子を構成す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平行光束化素子を構成する光散乱導光体のベースには、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。これらポリマーの代表的なものを下記の表１及び表２に示した。
【００７６】
【表１】
0003745389.tif 000008
【００７７】
【表２】
0003745389.tif 000009
このようなポリマー材料をベースとする平行光束化素子は、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平行光束化素子を金型から取り出せば金型形状に対応した形状の平行光束化素子を得ることが出来る。
【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】
平行光束化素子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（０．００１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、所望の形状の平行光束化素子が製造される。
【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、多様な特性の平行光束化素子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他の１つは、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平行光束化素子を成形製造することにより、多様な特性の平行光束化素子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、製造法の幾つかの実例を挙げておく。
＜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のシリコーン系樹脂粉体（東芝シリコーン製、トスパール１０８）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。
【００８５】
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の条件で成形して、縦３８ｍｍ、横８５ｍｍで厚さが長辺方向に３．８ｍｍから０．２ｍｍ迄徐々に変化した楔型の平行光束化素子を得た。
【００８６】
製造された平行光束化素子の相関距離は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（東芝シリコーン製、トスパール１０８）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楔状平行光束化素子を得た。この平行光束化素子は、製造例１で作製された平行光束化素子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３０ｍｍ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１０ｋｇ／ｃｍ2 の条件で成形して、縦３８ｍｍ、横８５ｍｍで厚さが長辺方向に３．８ｍｍから０．２ｍｍ迄徐々に変化した楔型の平行光束化素子を得た。
【００９１】
＜製造例４＞
ＭＭＡ（メチルメタクリレート）に粒径２μｍのシリコーン系樹脂粉体（東芝シリコーン製、トスパール１２０）を各々０．０５ｗｔ％、０．０８ｗｔ％、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縦３８ｍｍ、横８５ｍｍで厚さが長辺方向に３．８ｍｍから０．２ｍｍ迄徐々に変化した楔型の平行光束化素子を１枚づつ作製した。
【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縦３８ｍｍ、横８５ｍｍで厚さが長辺方向に３．８ｍｍから０．２ｍｍまで徐々に変化した楔型の平行光束化素子を作製した。
【００９３】
＜製造例６＞
ＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）に粒径２μｍのシリコーン系樹脂粉体（東芝シリコーン製、トスパール１２０）を０．０８ｗｔ％加え、Ｖ型タンブラを用いて１０分間、次いでヘンシェルミキサを用いて５分間混合した。これを２軸押し出し機で溶融混合（シリンダ温度２２０℃〜２５０℃）・押出成形して、ペレットを作製した。
【００９４】
このペレットを射出成形機を用いてシリンダ温度２２０℃〜２５０℃の条件で射出成形し、縦３８ｍｍ、横８５ｍｍで厚さが長辺方向に３．８ｍｍから０．２ｍｍまで徐々に変化した楔型の平行光束化素子を作製した。
【００９５】
【発明の効果】
本願発明によれば、従来のレンズや曲面鏡を利用した方法では困難であった無秩序な方向性を有する光束の平行化と拡大化が同時に達成される。また、その際に得られる平行光束は、そのフラックス断面の強度プロファイルの平坦度が高いことも従来の方法には期待し得なかった利点である。
【００９６】
更に、本願発明では、光入射面側から見て横断方向に関しても平行度を向上させる技術手段を提供したので、非平行性の光束を３次元的な意味で高い平行性を有する拡大光束に変換することも可能となった。
【００９７】
従って、比較的小型の平行光束化素子を用いて、大きな断面積を有する平行光束を生成する面光源装置を構成することが出来る。
【００９８】
このような諸利点は、液晶表示装置のバックライト光源への適用に際して特に有利に作用する。
【図面の簡単な説明】
【図１】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］の場合について描いたものである。
【図２】相関距離ａによって平行光束化素子を構成する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３】本願発明で使用される楔形状の平行光束化素子の楔形断面を表わす図であり、その内部における繰り返し反射の様子が、光入射面から平行光束化素子内部に取り込まれる光線の光路を光線Ｂ0 で代表させる形で記されている。
【図４】本願発明の基本配置に相当する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使用した実施例を、要部断面図の形で表わしたものである。
【図５】実施例に使用されている表裏二重プリズム反射素子の一部を拡大描示した断面図であり、光線Ｇ1 で代表される平行光束ＦＬ１の反射の様子が併記されている。
【図６】平行光束化素子と一体に設けられた光出射方向修正手段について説明する斜視図である。
【図７】平行光束化素子と別体に設けられた光出射方向修正手段（光出射方向修正素子）について説明する斜視図である。
【図８】図６、図７に示した光出射方向修正手段の光出射方向修正機能を説明する図である。
【符号の説明】
１  平行光束化素子
２  光入射面
３  光取出面
３ｆ，３ｆ’  出射光
４  裏面
５  平行光束化素子裏面側に設けられた反射体（銀箔）
６  平行光束化素子の末端部（末端面）
７  光出射方向修正素子
２１，２３  偏光子
２２  液晶セル部
ＡＲ  空気層
ＣＲ，ＣＲ’  プリズム状起伏
ＤＦ  光拡散板
Ｆ  平行光束出射部
Ｌ  蛍光ランプ
ＬＰ  液晶表示パネル部
ＰＲ  表裏二重プリズム反射素子
Ｒ  蛍光ランプ背面側に設けられた反射体（銀箔）
ＶＬ  ＡｌあるいＡｇ等の蒸着膜
【図１】
0003745389.tif 000010
【図２】
0003745389.tif 000011
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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