JP4114173B1 - 表示装置および照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光透過率が高く、低消費電力、均一な輝度分布、光学設計効率が高く、低価格を実現する、液晶表示装置用の照明装置、光学装置を提供する。
【解決手段】軸外放物面鏡１０による平行光線を棚田状に配置する円筒凸全反射面５によって液晶サブ画素幅に光束を拡げて反射し、円筒凸面の反射面段差を光束密度に反比例して増大することにより液晶に入射する光束密度を均一にする。前記棚田状導光板１の出射光の１／３の光量を入射部鉛直方向にあるサブ画素に透過し、２／３の光量をストライプ方向に傾斜した反射面７で反射してストライプ分配素子２内の液晶対向側反射面８で反射して２つの液晶サブ画素に入射することを基本単位として同一ストライプ内の３つのサブ画素に分配する。透過／反射分別部の反射方式により離れた位置に分配可能となり、複数色光源の採用でカラーフィルタなしで色表示可能になる。
【選択図】図２

Description

本発明は表示装置および光学装置に関するものである。

液晶表示装置のサイドライト型バックライトは導光板の側面に光源を設置し、導光板の反射面側に多数配置された微小反射材で液晶側に反射させる方式である。光源が拡散光のため、光源に近いほど液晶側に放射する確率を少なくする必要があり、図４７のように白色塗料ドットの直径、密度を光源の近くでは小さく、光源から遠ざかるほど大きくするのが基本構造である（特許文献１）。しかし、基本構造だけでは下記の問題があるため拡散シート、反射シート、プリズムシートなどを併用されている。
光源近くの小さなドットで反射した光は光束密度が高いために輝点になりやすく、拡散シートを併用する必要がある。
乱反射ドットで反射せずに導光板背後に通過する光は光源に近いほど多くなり、効率低下が著しいので再利用するための反射シートが必要になっている。
乱反射ドットで反射した光は導光板出射面で臨界角以内の光を液晶側に放射し、臨界角以上は反射面側に多重反射する。液晶に照射される臨界角以内の光は垂直方向でなく、光源側からの斜めの光になる。斜めの光は輝度を低下するので導光板と液晶板の間にプリズムシートを設けて鉛直方向に変換する方法が多く用いられている。（特許文献２）。
乱反射方式は多重反射を伴うために、試作評価を繰り返して輝度を均一化されており、開発が非効率という問題もある。これを避けるために平行光線に近づける提案が多く出されている。
入射平行光に対して約４５°の金属蒸着反射面と水平面を交互に連続的に配置した導光板の背後に反射板を設けた導光板が提案されている。（図４８、特許文献３）。光源が拡散光のため光源からの距離の２乗に反比例して光束密度が低下するため輝度むらが大きく、光源近くでは仰角成分が多いため水平面を透過する光を再利用する反射板が必要になっている。
上記提案は光源に近い部分で仰角光線が多いので、光源からの距離に応じて長辺面を１〜１０度の範囲で傾斜させ、短辺面は３０〜５０°の範囲で入射面を基準に漸次増加することにより輝度むらを改善した導光板が提案されている（図４９、特許文献４）。光源からの距離と傾斜との関数は示されていない。
光源から遠ざかるほど反射面積の大きな四角錐を底面に形成し、四角錐の反射面を焦点とするレンズを導光板出射面に設けて液晶側に平行光線を出射する方式が提案されている（図５０、特許文献５）。四角錐が窪みのため平行光は入射出来ず、四角錐よりも底面の反射面の方が遥かに面積が広いため底面における反射光は遠方のレンズ面に当たり多重反射するので効率が低下し、多重反射のため光線追跡が困難である。
導光板に多数の輪帯状の微小放物面反射鏡を設け、断面が鋸歯状になるように組み合わせた放物面フレネル反射鏡が提案されている（図５１（１）、特許文献６）。点光源からの放射角度の内、平行光化出来る光線は放物面鏡方向に限られるため反射鏡を併用している。併用した反射鏡からの光線が放物面鏡で反射すると平行光とずれた方向に反射する問題がある。特許文献６には図５１（２）のように放物面鏡の焦線に設置した線状光源からの光を鋸歯状フレネル面で反射する方式も提案されているが、この方式は放物面鏡による平行光と光源からの直接光が混合したもので、放物面鏡の光束密度依存性が非常に大きいために輝度の均一化は困難である。
光源からの距離に応じて透過率を直線的低下させる４５°に傾けた反射面を設けた多重ビームスプリッタ方式が提案されている（特許文献７、図５２）。光源が拡散光のため光源近くのビームスプリッタを拡散光が透過し、遠方のビームスプリッタに到達するのは平行光成分のみになるのでビームスプリッタの透過率設定が直線的であっても不均一になる。１０等分の例が示されているが、幅３００ｍｍの画面サイズでは厚さが３０ｍｍになり、重量と材料費に影響する。薄くするために更に分割数を多くするのは膜厚制御が難しく、スパッタリングが多工程で製造コストが高くなる。
携帯機器では同心円状の微小反射材を配置した導光板に白色発光ダイオードによる点光源が使用されているが、線光源の場合より更に輝点が顕著になるので拡散シートを併用されている。図５４のように光源の指向性範囲外が暗くなるので光源数を多くして緩和している（特許文献８）。
直下照明型の最もオーソドックスな形状は箱型の平面反射鏡に冷陰極管を並べたものである。薄型にすると管映りが出やすいため、光源を離し、反射鏡形状と拡散シートの併用などで均一化が図られている（特許文献９）。余弦関数反射鏡を用いる方式は光束密度が均一な結果が示されているが（特許文献１０）、光源からの距離と冷陰極管ピッチの関数のため薄型化と光源数の削減の双方を満足することは難しい。
反射鏡の形状は多くの方式が提案され、光線軌跡は示されているが、多くは定量的に扱われていないため均一性は不明確である。拡散シートを厚くするほど輝度を均一化出来るが吸収により効率が低下する。

液晶のカラー表示は画素を３分割し、赤、緑、青の顔料が分散されたカラーフィルタによる加法混色法で表示されている。カラーフィルタは着色材料によって不要な波長成分を吸収する方式が採用されている。染料は可溶性のため分散が良く、透過域の透過率が高い長所があるが、カラーフィルタ基板の製造工程において透明電極、配向膜製造工程が高温になり、染料は耐熱性、耐光性で劣るため顔料法が主流となっている。
顔料による着色は顔料粒子に白色光が当たり、その反射光の分光特性によるものである。白色光が粒子に当たらずに貫通すると淡色化し、顔料含有率が高過ぎると透過域も透過率が低下して暗くなってしまう。透過率を高め、遮断特性を急峻にするには微粒化、顔料分散比率と膜厚制御が必要である。
カラーフィルタによって不要帯域の２／３は吸収され、透過域でも吸収があるので光透過率は３０％以下である。３波長冷陰極管の発光スペクトルは３波長以外のスペクトルも多く含まれ、これらを十分に遮断しようとすると透過域の透過率も低下して光透過率は更に低下する。カラーフィルタの透過率は液晶装置の中で最も低く、次いで偏光板の約４５％などにより、液晶表示装置全体としての透過率は８％以下である。
顔料粒子による着色光は平行光線を入射しても散乱光になる。散乱光が垂直配向、ベンド配向の液晶分子に入射すると、黒表示モードであっても斜め光線のため光漏れを生じてコントラストが低下する。高分子分散液晶の場合、散乱光では電圧印加による配向状態の変化を検知することが出来ない。
液晶基板におけるカラーフィルタ製造法として、印刷法は少ない工程で製造可能だが高解像度化が難しく、写真蝕刻法が多く採用されている。しかし、写真蝕刻法は洗浄、レジスト塗布、露光、現像、硬化の工程をブラックマトリクス、赤、緑、青の４層について行うため工程が長く、高価な装置が必要なため液晶パネルの価格に占める割合が最も高価になっている。

冷陰極放電管は発光効率が高いなどの長所のためバックライトに多く採用されているが、発光スペクトルは蛍光材料の波長変換特性により、３原色以外のスペクトルも多く含まれ、透過率が標準的なカラーフィルタではＮＴＳＣ比約７０％である。カラーフィルタの濃度を高めることによりＮＴＳＣ比を高めると透過率が低下して消費電力が増大するが、テレビでは色再現性の要求が強いため消費電力が増大している。
冷陰極管方式は動作インピーダンスに応じて数百Ｖの高電圧で駆動するため、トランスで必要な２次電圧に昇圧するインバータが必要になる。インバータはスイッチング素子とトランスの電磁界放射ノイズがあるため、この対策を講じなければならない。インバータは高絶縁が要求されることでも小型化を阻まれている。
冷陰極管はインバータを必要として小型化などの問題のため携帯用途などでは白色発光ダイオードを使用されている。
白色発光ダイオードは青発光ダイオードによる青色光をその補色である黄色蛍光体に当てて青と黄色加法混色により白色光に変換する方式が白色照明用途などに多く使用されている。液晶表示の場合は２色混色法では赤などの再現性が悪いので青色光を黄色、赤あるいは緑、赤の蛍光材に当てる加法混色方式が採用されている。しかし、青色光を蛍光材料比で波長変換するために配合比バラツキがアンバランスを２倍に増大し、経時変化によってもアンバランスを生じるので発光素子と蛍光材料の経時変化を同等にする必要がある。
３色のチップを同一パッケージに入れた加法混色方式もあるが、小さなパッケージの焦点からのずれが大きく３つのチップの指向性によってアンバランスが生じる。
色再現性を重視する用途では赤、緑、青の発光ダイオードの光をダイクロイックプリズムによって混色する方法が採られているが（特許文献１１）、３つの独立した光学系により寸法が大きく、高価である。

カラーフィルタは価格に占める割合が高く、光利用効率が３０％以下に低下するなどの問題があり、セグメント電極数を１／３に削減してＴＦＴ基板の製造が容易になる時分割方式が提案されている。
時分割方式は画面の表示周期１６．６ｍＳを赤、緑、青に３分割して５．６ｍＳ毎に切り替えて視覚的に残像混色する方式である。液晶が階調、色を正しく表現するのは液晶応答の上昇期間、下降期間を差し引いた平坦期間であり、平坦期間の占める割合が低くなると輝度とコントラストが低下する。
時分割方式で動画を再生すると赤、緑、青の３つの画像が観察者の網膜上でずれて合成される色割れ妨害が起こる。これを防止する方法として第４周期目に白、黒、または中間色を挿入する方法などが提案されているが（特許文献１２，１３）、４分割法では応答速度が２ｍＳ以下の必要がある。ネマティック液晶の応答速度は５０ｍＳ〜１００ｍＳのため、ベンド配向、強誘電体液晶、反強誘電体液晶など高速な液晶材料に制限される。
強誘電液晶は高速応答な半面、シェブロン構造によるジグザグ欠陥から光漏れを起こしやすく、配向制御が難しくなる。衝撃で層構造が破壊されやすく、自己修復しないなどの難点がある（非特許文献1、２、３）。

点光源を放物面鏡の焦点に置くと平行光を得られるが、光源から反射鏡までの距離の２乗に反比例するため光束密度分布が光軸付近に集中して均一な照明が出来ない。放物面鏡は平行光だけでなく、光源から直接の拡散光が混合した光源のため、浅い放物面鏡にすると光束の不均一は緩和するが拡散性光線が多くなる。

リアプロジェクタはスクリーンに後方から直接投射すると後方の寸法が長くなるため反射鏡を介して折り返し、投射レンズを広角化することにより奥行を短縮化されている（図５６、特許文献１４）。横１０００ｍｍ、縦５６０ｍｍのスクリーンでは反射鏡１枚、画角６０°の広角レンズで約５００ｍｍの奥行が必要になる。低収差広角レンズはレンズ枚数が増えて高価になるため、反射鏡を凸面鏡にすることにより奥行を短縮した提案などがある。このような対策をとっても奥行は約４００ｍｍあり、奥行が利用上の制約になっている。

スキャナーは撮像と照明を同期して行うため、面光源では光量の無駄が多いので線光源が多く使用されている。線光源は冷陰極管など幅の狭い素子が必要になる制約から波長特性が犠牲になっている。液晶バックライトなどの表示用は３原色のスペクトルが狭くとも加法混色が可能だが、撮像用光源の場合、波長が欠けていると情報が欠落して、正確な色再現が出来なくなる。メタルハライドランプは包絡線が白色光に近いハロゲン化物もあるが線スペクトルを多く含んでいる。キセノンランプはスペクトルの連続性が良いが、線スペクトルを含むのでフィルタにより６５０４Ｋに白色光化されている。白熱電球はプランクの放射則に準じたスペクトル特性を持っているが寿命が短くなるために色温度を下げて使わざるを得ない。このため赤外線の占める比率が高く、可視光の効率は７％以下である。これらの光源は概して球形のため、線光源の３波長冷陰極管が多く使用されている。しかし、各色の蛍光材料が線スペクトルであり正確な色を撮像出来ない問題がある。

特開平６−３１３８８３号公報 特開平５−１２７１５９号公報 特開平７−２０４６２号公報 特開平１０−１０４６２１号公報 特開２００５−７１９２８号公報 特開２００４−１８５０２０号公報 特開２００６−１１４４５号公報 特開２００５−３５３５０６号公報 特開２００１−１３８８０号公報 特開２００１−１７４１２号公報 特開２００５−１８３００５号公報 特開２００２−１９１０５５号公報 特開２００１−２８１６２３号公報 特開平６−１１７６７号公報 特開平１０−１８６３３０号公報 特開平７−３１１３８３号公報 特開平６−２０２１２７号公報 特開２０００−２８９６３号公報 特開平８−１７１０５５号公報 特開昭６１−１０８１６７号公報 特開２０００−４４６１４号公報 特開昭６１−２９２６０１号公報 吉野勝美、尾崎雅則 著 液晶とディスプレイ応用の基礎 ｐ２４５ 液晶若手研究会 編 液晶ディスプレイの最先端 ｐ１２３，２６１ 福田敦夫、竹添秀男 著 強誘電液晶の構造と物性 ｐ１３７ 内田龍男 著 次世代液晶ディスプレイ技術 ｐ１５８，２１８ 笹部貞市郎 著 数学公式辞典 ｐ７９５ 湯川秀樹、戸田盛和 編 現代物理学の基礎５ 統計物理学 ｐ８４ 小瀬輝次、他 編 光工学ハンドブック ｐ１０７，４６２ サンケン 発光ダイオード総合カタログ ｐ６５ シャープ チップＬＥＤカタログ２００６ ｐ４，２８ 東芝半導体製品カタログ 高輝度LEDランプ ｐ８ 電子通信学会 編 オプトエレクトロニクス材料 ｐ９９ 田口常正 著 白色ＬＥＤ照明システムの高輝度・高効率・長寿命化技術 ｐ６２ Jenkins，White Fundamentals of Optics (McGraw-Hill) ｐ９４ Jerry March Advanced Organic Chemistry (McGraw-Hill)ｐ６３ 日本化学会 編 透明ポリマーの屈折率制御 ｐ１０２，１４５，１９５ 日立化成テクニカルレポートＮｏ．３７ ｐ１７

白色塗料ドットを光源からの距離に応じて密度を変える乱反射方式は光源に近い部分は白色塗料密度が低いため輝点になりやすく、拡散シートを併用する必要が生じ、光効率、価格、厚さに影響している。
光源に近い部分は白色塗料密度が低いために導光板背後に透過した光の損失を防止する
反射シートを必要とする。
導光板内の乱反射は斜め光なので、コントラストを低下させるのでプリズムシートで確率中心を鉛直方向に変換する必要が生じる。
多重反射するために、試作評価を繰り返して輝度を均一化されており、開発が非効率である。

カラーフィルタは不要波長を吸収して３原色を得る方式のため光透過率は約３０％以下であり液晶装置の中で透過率が最も低く、液晶装置全体の透過率は８％以下となっている。
カラーフィルタにおける着色は顔料粒子で反射することに因っており、散乱光になるために垂直配向、ベンド配向では黒表示モードで液晶分子に斜め光が当たることによる光漏れが発生し、コントラストを低下させる。
カラーフィルタはブラックマトリクス、赤、緑、青を写真蝕刻法などで順次焼き付けるため製造工程が多く、液晶表示装置の製造コストに占める割合が最も高価である。

３波長白色光冷陰極管の発光スペクトルは波長が３原色に一致せず、３波長以外のスペクトルも多く含まれている。
冷陰極管方式はインバータを必要として寸法、価格、効率に影響している。
青発光ダイオードの光を赤、緑蛍光体に当てる混色法白色発光ダイオードは色バランスが蛍光材料の配合比に顕著に影響される。
赤、緑、青発光ダイオードを同一パッケージに入れて３色光を混合する簡易な混色方法は見る方向によって色バランスが崩れる。
ダイクロイックプリズムを用いて各素子のバランスをとる方法は光学系が複雑になり高価である。

赤、緑、青の発光ダイオードを交互に点灯する時分割方式はフィールド周期１６．６ｍＳを３分割した５．６ｍＳから表示時間約３ｍＳを差し引いて約２．６ｍＳ以下になる。
３分割方式では高速な動画が赤、緑、青にずれて表示される色割れを起こす問題があり、４分割方式などが提案されているが、４分割方式では約２ｍＳ以下の高速応答の液晶が必要になる。

リアプロジェクタはスクリーンに後方から直接投射すると後方の寸法が長くなるため反射鏡を介し、広角レンズを用いて奥行を短縮化されている。横１０００ｍｍ、縦５６０ｍｍのスクリーンでは画角６０度の広角レンズで奥行約５００ｍｍになる。奥行が利用上の制約になっている。

本照明装置は、図２（１）〜（３）に示すように、光源からの光を平行光変換手段によって平行光を形成し、光源と液晶サブ画素を制御する色が対応するように透明物質層を介在させ、別色の光源光と混色を防止するために平行光を用い、平行光変換手段で発生する非平行光成分は板状体に設けた溝３による全反射を利用してカラーフィルタを削除した照明装置である。
透明材料より屈折率の低い空気は臨界角より大きい条件で全反射するため、図１、図２（３）に示すように、導光板の色別の平行光の間に空気層による遮光溝を設けた成型の他、レーザー加工などにより溝を後加工することによって全反射層を構成出来る。導光板を側面視した形状は図２（２）、図３（２）に示すように、この平行光が伝播する導光板内に画素ピッチで棚田状に分散配置された凸反射面５が配置されている。凸反射面については段落００２０で詳述するが、凸反射面で平行光進行方向に対して略鉛直方向に光束を拡大して反射し、次項で述べる各ストライプに分配する素子の併用で図１、図２に示すように、光源、積層数を集約することも可能である。
透明物質としてポリメチルメタクリル酸樹脂、脂環式アクリル樹脂、環状オレフィン樹脂、ポリカーボネート、空気などが適している。空気の場合は段落００３７、実施例５に示す。

ストライプ分配素子は棚田状導光板の出射光を、１入射部でストライプ内の３つのサブ画素に分配することを基本単位として、これをマトリックス構成とした素子である。図２（３）は平行光進行方向から見た断面図である。入射した光を反射／透過分別部の透過部６において１／３の光量を鉛直方向にあるサブ画素に透過し、残る２／３の光量をストライプ方向に２つの傾斜反射面７で２方向に反射する。この反射光がストライプ分配素子内の液晶対向側に設けた反射面８で反射して２つの液晶サブ画素に入射することにより同一ストライプ内の３つのサブ画素に分配する素子である。
透過／反射分別部の傾斜反射面は鏡面にして反射方向を揃えている。透光物質は傾斜反射面を成型するために成型性の良い物質が適している。平面基材に傾斜部を積層成型した複合構造によっても達成出来る。

透過／反射分別部の傾斜した反射面の反射光を隣接する透過／反射分別部単位よりも離れた位置に反射して分配することにより同一色の入射部を集中することが出来る。図２（３）の例では緑色光Gを棚田状導光板の青色光Bおよび赤色光Rが伝播する部分の上部に反射している。この構造を繰り返すことにより連続ストライプにすることが出来る。これによりストライプ分配素子内の液晶対向側に設けた反射面を棚田状導光板の別色が伝播する部分の上に多数設ける構造とすることが可能になり、１光源から１サブ画素に照射する構造に比べて光源の数を削減出来る。反射／透過分別部は透過部の両側に傾斜反射面を持つ構造であり、反射光が隣接する傾斜反射面で遮られないための最大傾斜は３５．３°である。このとき反射光は水平方向に対して１９．５°の傾斜で反射し、ストライプ分配素子厚に比例して遠方まで分配出来る。
傾斜反射面による反射光が隣接する傾斜反射面で遮られないための最大傾斜θs、および最大傾斜光角度θrは図３（１）のように示され、次のように求められる。

透過／反射分別機能の透過部は開口面積の１／３を占め、反射光は２方向に分配されるので夫々開口面積の１／３を占めている。出射光を平行光のまま液晶サブ画素に照射すると開口率が１／３に低減して画面に占める黒枠の割合が増え、照射部は輝点になる。図４のように透過／反射分別機能の透過部に凹レンズを設けることにより、液晶サブ画素寸法に光束を拡大して輝点を回避することが出来る。
垂直配向では液晶分子が倒れる方向を固定するため点対称に傾斜するプレチルトが行われているが、拡散方式の導光板では垂直配向方式、ベンド配向方式において拡散光による複屈折でコントラストを低下している（特許文献１４）。プレチルトは特許文献１４，１５など多くの構造が提案されているが、特許文献１５の構造を代表例として液晶サブ画素寸法に光束を拡大する方法を図５に示す。配向構造を光束拡大方向に近づけることにより液晶分子の複屈折を防止してコントラストの改善に役立てることが出来る。

光源が平行光の出射経路の中にあると光源が平行光を遮るだけでなく反射平行光に直接光が加わり不均一になる。図２（２）のように平行光の経路からオフセットした位置に焦点を持つ軸外放物凹面鏡あるいは軸外放物面近似凹球面鏡の焦点に光源を設けることにより、光源によって平行光を妨げられることなく導光板を伝播することが出来る。
発光ダイオードを導光板の厚さ方向、幅方向ともに放物面の焦点に液晶ストライプの配列順に交互に配置することにより平行光を供給することが出来る。

光源からの光を入射する棚田状導光板を側面から見た構造は、図２（２）のように液晶側に対向する反射面側に凸反射面を配置した棚田状構造のものである。この凸反射面は光源からの平行光線をほぼ鉛直方向にある液晶の画素に向けて反射し、凸反射面が画素寸法より小さいために画素寸法に拡大するための凸反射面である。この凸反射面は図３（２）のように臨界角以上に傾斜すると全反射することが出来る。鏡面反射層にして反射することでも良い。
凸反射面の光源側において水平面となす傾斜角θd、入射角θ1との間には

の関係が成り立ち、全反射条件θ1＞θcより

の必要がある。光源は完全な点光源ではないために平行性公差があるのでθdは公差の余裕をとる必要がある。
被照射体までの距離ｔは導光板厚と液晶透明基板厚の和になり、サブ画素の透過部の幅をW、導光板凸面傾斜部の円周に沿った幅をｄとすると、凸反射面の曲率半径rは

で表される。棚田状構造の導光板のため位置による厚さｔの変化に応じて曲率半径ｒを変えることにより均一に画素透過部幅に照射することが出来る。
光束拡大率は導光板の最も薄い部分で最大になるが、液晶透明基板厚が定数になり実施例では３°以下である。光束拡大光ではあるが散乱光ではないために、平行光が必要条件である高分子分散液晶にも適用することが出来る（非特許文献４）。

放物面鏡は光束密度が光源と反射面上の点との距離の２乗に反比例するため、反射光の光束分布は光軸から遠ざかるほど低下する。
放物線を

放物線上の点（ｘ，ｙ）と焦点（ｐ，０）間の距離をｈとすると、

光束密度は光源と反射面上の点との距離の２乗に反比例するため、光束密度Ｉをｙの関数で表すと、

ｐを１としてｙを０から４の範囲で図示すると、図７のように光軸から離れるほど光束密度が減少する。
総光束は、ｙを０から４の範囲で積分すると、

積分の曲線を図８に示す。
導光板では放物面鏡の光軸に近い範囲を利用し、導光板反射面積を逆関数にして補正すると厚さ増加を抑制して光束密度を均一に出来る。ｘ座標の焦点ｐ、ｙ座標の１.４１ｐまでの放物面鏡における段差の位置関数曲線を図９、導光板断面の包絡線を図１０に示す。

放物面鏡は平行光を生成できるが、光束密度特性は光軸から遠ざかるほど光束が低下する。放物面鏡の開口端における光束密度を均一にするには光軸付近に集中する光束を周辺側に拡散し、開口端で平行光に戻す必要がある。図１１はその原理を示す図であり、θ ₁ が平行光より光束を拡大する角度、θ _m が反射鏡の傾斜角である。光線軌跡、光束密度の全体像は図１６に示されている。
放物面鏡開口端における光束を積分して総光束を求め、開口端で均等になる値を反射鏡上に求めてその座標と結んだ線が均一化するための拡散光線軌跡である。
この総光束を開口端で光軸垂直方向に均一になるよう等分する。総光束を等分した光束が反射鏡上のｙ座標は光束密度分布から求められ、ｘ座標も求められる。この点と開口端の点を結べば拡散角度を求めることが出来る。
図１１に放物面鏡９の平行光出射を示すが、同様に、反射鏡の傾斜を増分する角度は平行光からの増分する拡散角の半分である。反射鏡の傾斜を求めるには放物面鏡の接線の傾斜ｍと法線の傾斜−１／ｍを求める必要がある。

の放物線上の点（ｘ0、ｙ0）の傾斜はｘで微分して、

接線の方程式よりｍは

である。法線は接線に直交するので

である。
放物線の包絡線を維持したまま反射鏡の傾斜を増大するのは微細な鏡面に微細な段差をもって繋げることになる。放物面鏡の鏡面を分割し、均一にするための平行光からの拡散角度の半分を放物線の接線傾斜より増大することにより反射鏡開口端において均一な光束密度で拡散することが出来る。
微細鏡面に微細な段差をもって繋げるのは、成型・蒸着による製造は可能だが研磨が困難で、細分化による誤差を含んでいる。このため、傾斜を増大して連続曲線にする方法を図１１の光束密度均一化反射鏡２２に示す。連続化すると座標が後方に移動するので光束密度分布、積分曲線を再度計算しなければならないが、これを繰り返し計算することにより誤差を極めて小さく収めることが出来る。
反射鏡上のｙ座標の点において光束が拡大する分布状態を図１３に、光束密度分布を破線で、光束密度の積分曲線を実線で図１４に示す。
以上の方法で求めた曲線は

である。ａは反射鏡の軸方向長さ、正焦点距離屈折面の傾斜などの影響によって幅を持っている。ｘ＜２の浅い反射鏡の場合、第２項の寄与が小さく、第２項による補正は不要だが、ｘが長くなるに従ってｂ，ｃを調整することにより均一性が良くなる。ｘの長い、つまり口径ｙの大きな反射鏡は図７のように光軸から離れるほど光束密度が減少するのでａのように顕著ではない。
光束密度均一化反射鏡のａ＝５．８，ｂ＝２．５，ｃ＝２，ｐ＝１における曲線を放物線と比較した図を図１５に示す。
この拡散光を正焦点距離屈折面に入射すると平行光に戻すことが出来、これによって光束密度の均一な平行光を得ることが出来る。平行光に戻すための屈折面の角度を図１２に示す。
正焦点距離屈折面で光軸に平行にするための界面の傾斜θ3は

である。各拡散角度についてθ3を求め、連続曲線にすると屈折面曲線、レンズ曲線を求めることが出来る。導光板などの透光物質に入射するとき、正焦点距離屈折面を１枚で平行光に変換する状態を図１６（２）に示す。この解析結果を図１６（２）の曲線で示している。平行光だけでなく屈折面の曲線によって光束密度の均一な拡散光、収束光への変換も可能である。
光束密度均一化反射鏡による拡散光を空気中に照射する場合は屈折面が複数になり、平凸レンズで構成した例を図１６（１）に示す。
平凸レンズの平面で変換された屈折光出射角θ２

屈折面で光軸に平行にするための界面の傾斜θ3は、

屈折率１．５５の平凸レンズよりレンズ厚を薄くするフレネルレンズの例を図１６（３）に示す。
正焦点距離屈折面を持つ導光板に入射すると棚田状導光板の段差は一定になり、包絡線は直線になるため図９、図１０の補償方法より薄型化が可能である。
放物面鏡によらない平行光生成方法として、傾放物面鏡の提案が特許文献１８に示され、光軸を内側に傾けた形状となっている。目的は、「キセノンランプを用いる場合は、液晶パネルの光軸に近い部分が光源の影になるので液晶パネルの中心部のみ暗い映像となる」ためとされ、傾放物面鏡の反射光は収束光のため凹円錐レンズで平行光に戻されている。
特許文献１９には放物面鏡を使用して２枚のフレネルレンズによるアフォーカル系で光束密度を丸い山形分布にした提案がある。アフォーカル系の関係式、および山形分布の理由は開示されていないが、上記同様に光軸に近い部分が光源の影になることを補償することが考えられる。

凹面鏡を備えた照明装置は光源からの直接光が凹面鏡反射光に重畳するので光軸付近に光束が集中しやすい。反射鏡を請求項８のように均一化する方式においても直接光は距離の２乗に反比例するので照射面までの距離が近いほど不均一になる。このため図１７のように、光源の前方に開口付き遮光体を設けて直接光を制限することにより光源前方が凹面鏡反射光と光源からの直接光が重畳することによる光束集中を緩和し、遮光体に設けた開口孔の寸法、密度を凹面鏡反射光の光束密度に合わせて設定することにより光束を均一化する照明方式である。

凹面鏡を備えた光源の前方の開口付き遮光体を凸面鏡に代えて、凸面鏡で凹面鏡に反射して効率を高め、光源前方が凹面鏡反射光と光源からの直接光が重畳することによる光束集中を緩和し、凹面鏡が光源からの直接光と凸面鏡反射光を反射する光束密度に合わせて凸面鏡に設けた開口孔の開口比率を設定することにより光束を均一化する照明方式である。

凹面鏡を備えた光源の前方に開口付き凸面鏡を設けて凹面鏡に反射することにより光源前方が凹面鏡反射光と光源からの直接光が重畳することによる光束集中を緩和し、凹面鏡が光源からの直接光と凸面鏡反射光を反射する光束密度に合わせて凸面鏡に設けた開口部面積で透過光量を設定し、開口部を図１８のように凹レンズで構成した光束の均一化方法である。

焦点距離深さの放物面鏡を備えた光源の前方に開口付き凹面鏡を設け、光源を透過して後方放物面鏡に反射することにより光源からの直接光と放物面鏡による反射光の入射角を一致させて反射することにより方向を揃えて光束を均一化し、放物面鏡によって反射する光束密度に合わせて前方凹面鏡に設けた開口部の開口比率を設定することにより光束均一化する照明方式。図１９、および開口部を凹レンズとした例を図２０に示す。

直下照明型液晶表示装置は薄型化すると、光束が光源からの距離の２乗に反比例するために管映りが発生し易い。薄型化と均一性を両立するには、図２１のように、直下から入射した光を傾斜した反射面によって平面方向に方向変換し、平面方向に伝播する光を傾斜反射面によって液晶パネルに反射することにより均一な照明を得ることが出来る。

直下照明型液晶表示装置において、直下から導光板に入射した光を傾斜した反射面によって平面方向に方向変換して反射する場合、反射面上部は照明されないので光源を端部に設けた１方向の伝播になる。光源を端部以外に設け、対向する２方向に反射するには、反射面で囲まれた三角柱部分の液晶画素に照明する必要がある。図２２のように、三角柱部分の傾斜面を反射／透過分離面にすることによって導光板の平面方向に反射する成分と傾斜面の直上部に透過する成分に分離することが可能になる。反射／透過分離は臨界角による分離、あるいはビームスプリッタによって行うことが出来る。
臨界角分離は傾斜面に導光板よりも屈折率の小さい層を設けることにより実現できる。
導光板の屈折率ｎ２、低屈折率層の屈折率ｎ１とすると、臨界角θcは

拡散角の制御は請求項８〜１２における出射光の平行性の設定などによって実現できる。
ビームスプリッタによる場合は反射／透過比を照明する面積比などに応じて設定される。

直下から導光板に入射した光を傾斜した反射面によって導光板の平面方向に方向変換する直下照明型液晶表示装置において、反射面で囲まれた三角柱部分の液晶画素に照明する必要がある。図２３のように、対向する２つの傾斜面のＶ字状交点付近に開口部を設け、開口部から入射した光を、開口部延長線上に棚田状傾斜反射面を設けてＶ字型傾斜反射面の上側に反射する。傾斜反射面上側の反射面から液晶側に出射する構造によって、２つの傾斜面に囲まれた三角柱部分とそれ以外の導光板面の輝度を開口面積の設定で均一化することが出来る。開口部直上部には棚田状傾斜面が設けられるので影の部分が発生する。このため影の部分に入射する経路を傾斜反射面の一部に設けている。図２５は白色発光ダイオードによる点光源を放物面鏡の焦点に設置した構造である。図２６は３原色発光ダイオードによる点光源を軸外放物面鏡の焦点に設置した構造である。

直下から導光板に入射した光を傾斜した反射面によって導光板の平面方向に方向変換する直下照明型液晶表示装置において、図２４のように、対向する２つの傾斜面のＶ字状交点付近に凹レンズによる開口部を設けることにより直上部三角柱部分の照射光を得ている。開口部から入射した光を凹レンズによって直上部三角柱部分に拡散することにより、２つの傾斜面に囲まれた三角柱部分とそれ以外の導光板面の輝度を開口部面積の設定で均等化することが出来る。

直下から導光板に入射した光を傾斜した反射面によって導光板の平面方向に方向変換する直下照明型液晶表示装置において、Ｖ字型に対向する２つの傾斜面の交点付近に凹レンズによる開口部を設け、開口部から入射した光を凹レンズによって直上部三角柱部分に拡散する構造であり、三角柱部分に拡散する光を、図２４のように、フレネルレンズ面による出射面とすることによって平行光出射する直下照明方式である。

凹面鏡と凸面鏡を焦点位置および光軸方向を一致させて、入出射光を遮らない位置にオフセットして設けることによって、焦点距離の絶対値比で光束幅を変換するビームエクスパンダ／コンプレッサを構成することが出来る。凹レンズと凸レンズを組み合わせたガリレオ型は屈折率の制約から寸法が大きいが、４面の屈折面によって収差補正の自由度が広いため多く採用されている。反射鏡によるビームエクスパンダ／コンプレッサは同一曲率で焦点距離がレンズの半分のため小型化出来るが、放物面鏡の研磨が難しく、収差補正の自由度が小さいためである。
光路媒体を成形性、寸法安定性の優れた透明材料で構成し、凹球面鏡、凸球面鏡の鏡面を蒸着などにより形成することが出来る。曲率円球面鏡で構成すると図２７のようになる。曲率円鏡は放物面鏡の光軸で接触する円である（非特許文献５）。放物面鏡と比べ図２８に示す収差が発生するが、この収差を補正するために、光路媒体による入出射界面を図２９のように収差補正曲線にすることにより１種類の光路媒体で収差補正することが出来る。

線光源からの光束を軸方向に圧縮して出射するビームコンプレッサアレイを構成する場合、図２７の構成の凹面鏡を斜め方向に連続すると図３１の構成になり、入射光を図の右側からでなく紙面垂直上部方向から斜めに入射すると凸面鏡に反射して紙面奥方向に出射することが出来る。紙面垂直方向に軸外の放物面鏡あるいは曲率円円筒鏡を組み合わせ、奥行方向の長さを等しくすると焦点距離の絶対値比のビームコンプレッサを構成することが出来る。図３２にビームエクスパンダ／コンプレッサアレイを示す。この構造は平行光軸への入射角を臨界角以上に設定することにより全反射することが出来、反射鏡を蒸着する必要がないため低コストに構成することが可能である。

色別の線光源を直下照明方式に適用するとき、色別に積層する導光板との結合部を別の色と遮光して開口すると開口率、出射効率が１／色数になる。線光源の光束を１／色数に絞るビームコンプレッサを通して開口部に入射すると平行光成分は遮光されることなく出射出来るため出射効率の低下を回避出来る。
線光源の軸方向の光束を１／色数に絞るビームコンプレッサを各色に設けて光束幅を絞って当該色導光層に入射する構造を透視図（図３３）に示す。ビームコンプレッサをフレネルメニスカスレンズに置き換えた構成を図３４に示す。
各色の積層構成の導光板入射した光は傾斜した反射面によって平面方向に方向変換して液晶面に反射する。

色別の線光源をサイドライト方式に適用するとき、色別に積層する導光板との結合部を別の色と遮光して開口すると開口率、出射効率が１／色数になる。線光源の光束を１／色数に絞るビームコンプレッサを通して開口部に入射すると平行光成分は遮光されることなく出射出来る。
線光源が厚さ方向に並ぶため、ビームコンプレッサ出射光は導光板の厚さ方向に光源の並びに従った分布になる。これをビームエクスパンダによって導光板の厚さ全体に拡大することにより光量分布を各色とも均一にすることが出来る。

図３５（１）は棚田状凸反射面を2方向に持つ構造である。液晶表示装置の表示面をｘｙ平面、紙面横方向をｘ軸としたとき、導光板側面からｙ軸方向に入射する平行光を、ｙｚ平面に対して棚田状に傾斜を持たせた第１の微小傾斜反射面でｘ軸方向に変換する。棚田状に分散配置した微小段差を持つ傾斜反射面は液晶パネル側の曲率半径が長く、反対側の短い凸反射面にすると第２の微小傾斜反射面の位置によらずに一定のｙ方向長さに光束を拡大することが出来る。
導光板内をｘ方向に変換された光束を、棚田状に分散配置した第２の微小傾斜反射面に照射すると凸円筒全反射面で略鉛直方向にある液晶パネルに光束を拡大して反射する。この凸円筒反射面は入射側の曲率半径を長く、遠方側を短くすることにより液晶パネルに入射する光束密度を均一にすることが出来る。
この構造の導光板は発光素子１個で均一な光束密度を実現出来るため携帯機器などの小型液晶表示装置に適している。凸面鏡で光束を拡大するため拡散シートは不要であり、効率良く正面輝度を高められる。導光板の傾斜反射面を臨界角以上に設定することにより蒸着工程が不要になり、発光素子１個と導光板のみなので構造がシンプルで究極的な低価格を実現出来る。

前項におけるｘｙ平面上に設けた表示素子をｘｚ平面上の平行光入射部に移動し、スクリーンをｘｙ平面とした構造について説明する。
ｘｚ平面上に設けた投影表示素子に対してｙ軸方向に透過する光を、軸方向がｚ軸の微小円筒凸面鏡あるいは微小円錐凸面鏡を投影光に平行な平面を交互に積層した第１の棚田状構造の反射鏡を、ｙｚ平面に対してｘ方向に傾斜して設けている。これにより、微小円筒凸面鏡あるいは微小円錐凸面鏡で反射中心をｘ軸方向に変換して光束を拡大して反射する。ｘｙ平面に対してｚ方向に傾斜して設けた第２の棚田状構造の反射鏡の円筒凸面によってｘｙ平面の鉛直方向にあるスクリーンに投影することによりｘｚ平面上に設けた投影表示素子よりも拡大表示することが出来る。
棚田状段数が少ない場合、ｘｙ反射鏡に照射される像面は台形状に歪曲され、棚田の下段ほどその傾向が顕著になる。スクリーンにおける表示画像が台形になると隙間あるいは重複が発生して表示性能を損なうので視覚的影響のない台形歪に棚田状段数を分割する必要がある。過度に分割数を上げると反射鏡の加工精度を高くする必要があるため、表示性能と製造の双方を満足する範囲に選定する。
棚田状反射鏡を用いてリアプロジェクタを構成すると、横１０００ｍｍ、縦５６０ｍｍの画面寸法で、奥行は拡大率を１０倍として被写表示素子の短辺寸法は５６ｍｍになる。他にスクリーンまでの空間約３０ｍｍ、筐体の厚さを加えて奥行約１００ｍｍでリアプロジェクタを構成することが出来る。

撮像装置の光源は面光源では光量の無駄が多いので線光源が多く使用されている。線光源は冷陰極管など幅の狭い素子が必要になる制約から波長特性が犠牲になっている。表示用は３原色のスペクトルが狭くとも加法混色が可能だが、撮像用光源の場合、波長が欠けていると情報が欠落して、正確な色再現は不可能である。３波長冷陰極管は各色の蛍光材料が線スペクトルであり、メタルハライドランプは高効率で、包絡線が白色光に近いハロゲン化物もあるが線スペクトルを多く含むので撮像用の光源には不適当である。キセノンランプはスペクトルの連続性が良いが、線スペクトルを含むのでフィルタにより６５０４Ｋに白色光化されている。白熱電球はプランクの放射則に準じたスペクトル特性を持っている。
プランクの放射則を単位体積あたりのエネルギーで表すと（非特許文献６）

ｈ：プランク定数 ６.６２６×１０ ⁻³⁴ Ｊｓ
ｃ：光速 ２.９９７９×１０ ⁸ ｍ／ｓ
ｋ：ボルツマン定数 １.３８０７×１０ ⁻²³ Ｊ／Ｋ
プランクの放射則はヴィーンの変位則とレイリー・ジーンズ則を融合発展したものである。プランクの分布曲線をλで微分して極大をとり、

と置いて

を図式解法で求めると図３７のようにβ＝４.９６５
になり、ピーク波長は

となって、ヴィーンの変位則に一致する。
単位立体角（sr）、単位波長幅（ｍ）あたりの放射束を分光放射輝度Ｌeで表すと（非特許文献７）、

基準白色光として６５０４Ｋが、写真では５５００Ｋの昼色光が基準になっているので図３８に放射則曲線を示す。物質の熱放射は格子振動などが寄与するので完全黒体によるプランクの放射則曲線、ヴィーンの変位則とはかなり異なっている。完全黒体の２８００Ｋにおけるヴィーンの変位則によるピーク波長は１０３５ｎｍになるが、実際のタングステンフィラメントは温度２８００Ｋで約４００ｎｍにピークがあり（非特許文献７）、黒体との比は約０．４である。フィラメント温度が高くなるほど寿命が短くなるため、通常の白熱電球は色温度を約２８００Ｋに設定されている。
プランクの放射則分布式を可視光波長幅で定積分して全積分で割ると可視光の効率が求められ、２８００Ｋでは可視光が７％、赤外光が９３％である。この他に封入ガスの対流伝熱などがあるあるので更に効率が低くなる。

青色発光ダイオードの青色光を黄色蛍光体に照射して補色によって白色光化された白色発光ダイオードが多く使用されているが、青が尖鋭なスペクトルを持ち、赤色域などが不足している。蛍光体による波長変換のため蛍光体の配合比によって青の吸収が大きく変わり、指向性による色度斑を生じるなどの問題がある（非特許文献１２）。赤、緑、青の３色の発光ダイオードを同一パッケージに収納したものはスペクトルが不連続なので表示用である。
発光ダイオードの光度がピークの約半値になる半値幅は２０ｎｍ〜６０ｎｍのため（非特許文献８〜１０）、６色〜９色を用いると可視光域をカバー出来る。７色の発光ダイオードで５５００Ｋの白色光を形成した分光特性を図３９に示す。３元化合物、４元化合物発光ダイオードは化合物の組成比によって格子定数、エネルギーギャップが変化するため（非特許文献１１）、組成ばらつき、量子井戸層厚ばらつきなどにより、発光波長特性はガウス分布曲線である。ガウス分布曲線の傾斜部は非直線なので各色の半値波長で繋げたとき、約５％のうねりを持った曲線になる。線スペクトルの光源に比べるとうねりは非常に小さいが、うねりの凸部を吸収すれば滑らかな曲線を得ることが出来る。うねりはガウス分布曲線の裾の波長成分が隣接するピーク波長に重畳するために起こるので曲線の裾の部分を吸収する方法が考えられる。有機色素は光子によってπ電子振動に共鳴吸収されて吸収波長の補色に呈色する現象と考えられ、発光域の外側に吸収ピークを持たせて発光スペクトルの裾を吸収すればうねりの凸部を抑制出来る。
薄膜による干渉フィルタは遮断特性が急峻なので発光ダイオードの裾の波長に遮断波長を合わせると滑らかな曲線を得ることが可能である。
色素の吸収波長を発光ダイオードのピーク波長に一致させると、吸収曲線もガウス分布のため平坦化することが出来る。例えば５２６〜５３０ｎｍに吸収を持つ色素はテトラフェニルフタロシアニンマンガン錯体など１００種類ほど知られているが、これを発光波長５２８ｎｍの発光ダイオードの透光物質層にうねりを抑制する程度に色素添加して滑らかな曲線を実現することが出来る。波長毎に多数の色素が知られており、発光波長に合わせて適宜選択することで、各発光ダイオードのピークを緩和することが出来る。
多色発光ダイオードによる白色光の放射曲線は赤外光、紫外光を含まないので高効率で、紫外線損傷を起こさない利点もあり、美術品、文化財の展示などに適している。この平行光をビームコンプレッサに入射して線光源変換導光棒の光束幅で入射することが出来る。

発光素子チップを密集して並べ、加法混色して長焦点の反射鏡の焦点に設けると白色光として反射することが出来る。ダイクロイックプリズムによる混色方法は屈折方向、反射方向の光線の方向を一致させて合成することが出来るので屈折率、反射率に応じて光源の光量を調節することで精密に制御できるが（特許文献１１）、寸法が大きくなり高価である。光散乱方式は同一方向に合成されるわけではないが、散乱方向に色依存性がなければ方向の不一致を認識できなくなって均一な混色になる。
３色発光素子を同一パッケージにチップを正三角形に配置する方法が行なわれている（非特許文献9）。透明樹脂パッケージのみでは色むらが大きくなるため拡散材を透光樹脂に混入されているが、光源に近い部分で乱反射を起こすために光源近辺の色が強く出ている。これを緩和するために光散乱層を厚くし、拡散材を多量に混入すると、吸収が増えて効率が低下する。青色発光ダイオードと黄色蛍光体による白色発光ダイオードは発光素子の指向性と蛍光体の指向性が異なるために見る方向によって色合いが異なっている。
本発明による混色方法について説明する。
７色の発光ダイオードチップを図４１（１）のように配置したとき、Ａ−Ａ’における断面では図４１（２）のように３色の発光ダイオードで動作を表すことが出来る。３色の発光ダイオードの指向性は等しいものとし、簡単のために各発光ダイオードの光度は等しく、求める光度波長特性は平坦として説明する。
基板に直線的に並べた３色の発光ダイオードチップの鉛直方向から角度θ1の方向に進む３本の平行光線が凸レンズ面を出射すると、直線上の３色は焦点面上のｆ1に焦点を結ぶ（非特許文献１３）。各色の光源から焦点までの光路長はスネル則により等しいため光源の光度に比例した合成光になる。直線上の３点のみならず、平面上の各光源からの平行光線θxはｆxに焦点を結ぶため、全ての平行光線は球面上に焦点を結ぶ。非特許文献１３に光軸に傾斜した平行光の焦点面の図が示されている。レンズの屈折率をｎ１、空気の屈折率をｎ２、レンズ内の光路長をｄ1x、空気中の光路長をｄ2xとすると、

による焦点面の曲線を図４０に示す。焦点面に図４２のような拡散材層を設けると各色が合成されて拡散するので白色光として放射される。拡散材は焦点面付近の薄い層なので吸収を抑制して効果的に拡散できる。微小拡散材は白色顔料のような反射材よりも透明な屈折材料の方が光源方向に戻りが少なく透過率が高くなる。気泡の場合に最も屈折率比が大きく、気泡の側面に照射された光の全反射によって吸収を抑制して散乱効果が大きくとることが出来る。拡散材層は直進光線成分を制限する目的のため凹凸表面による粗面拡散でも可能である。

反射鏡によっても拡散材層に焦点面を形成することが可能である。
反射鏡の場合は、各光源からの直接光が光拡散層に入射する経路と反射鏡を経由する経路の２つがある。直接光は各光源から光拡散部までの距離の２乗に反比例するため、光源の並びに従って着色しやすくなる。光拡散層までの半径を大きくすると均一化は出来るがレンズによる方法に比べて大きくなる。反射鏡を茶碗形、あるいは円錐形にすると４３（１）のように周辺部の光束を補う作用があるが、周辺部の着色を強める作用も持っている。
これに対して、図４３（２）のように開口部付近をワイングラスのように先をすぼめると反射方向を発光ダイオードの光軸を越えた位置に収束することが出来る。反射鏡を経由する光は鏡像によって距離が逆転するので光源の並びと逆の着色である。２つの経路の光を混色すると優勢同士で打ち消し合い、光拡散層全体が色むらのない状態を実現できる。
図では直接光に比べて反射光は距離が長く、強度が小さくなっているが、反射面は円周にわたって広いため直接光と同じ光量にすることが出来る。

レンズを用いて焦点面に混色する方法は屈折率により焦点を短縮化出来るが、周辺光は臨界角以上では基板側に全反射して迷光になる。
反射鏡による方法は直接光の混色のため各光源からの距離が近似する必要があり、光軸方向に長くなる。これらを組み合わせるには、レンズにおける臨界角以上の範囲を反射鏡に照射する形状として小型化と高効率を実現することが出来る。

棒状導光物質の軸方向の一端から入射した平行光を側面に光束密度の均一な平行光を出射する線光源に変換する素子である。出射面の対向側に棚田状に設けた放物面筒、あるいは円筒による界面で全反射し、焦点位置を共通にする正屈折率面で平行光に変換するビームエクスパンダを変換要素とするものである。この要素を導光棒の幅に応じた曲率半径で長軸方向に階層的に設けることにより、光束密度の均一な平行光を線光源として出射することを特徴とする線光源変換導光棒である。

液晶板の対向基板は透明電極、カラーフィルタを搭載するために耐熱、耐薬品性などからガラス板を多く採用されている。横電界方式では対向基板に透明電極が存在せず（特許文献１６など）、カラーフィルタを持たない対向基板は製造工程で高温に曝されることがないので高分子材料による液晶挟持基板を採用しやすくなる。液晶挟持基板にストライプ分配機能を盛り込むことにより工程が短縮される。
液晶を挟持する基板とストライプ分配導光板を兼用した場合、偏光板により偏光された後にストライプ分配導光板に入射するので低複屈折率の必要がある。ポリメチルメタクリレートは複屈折率が小さいが、親水基を持つので吸湿により寸法安定性が悪化する。メチルメタクリレート共重合体はメタクリル酸の−Ｏ−、＝Ｏ 酸素原子が水素結合することによる親水性と考えられる（非特許文献１４）。吸水性対策としてシクロヘキシルメタクリレートなどの疎水性モノマーとの共重合により吸水率の改善が知られている（非特許文献１５）。エーテル結合、カーボネート結合は主鎖に−Ｏ−を持ち、メチルメタクリレート共重合体は側鎖に持つためポリカーボネートに比べて水素結合の影響が大きくなっている。このため脂環式アクリル樹脂は複屈折率が小さいが、メチルメタクリレートモノマーのモル分率に比例した吸水率になっている（非特許文献１５）。低複屈折率化する手法として分極方向が反対のモノマーを共重合して複屈折の殆どない脂環式アクリル樹脂などが開発されている（非特許文献１５、非特許文献１６、特許文献２０、特許文献２１）。
ポリオレフィンは疎水性のためエチレンと環状オレフィンを共重合した環状ポリオレフィンは０．０１％以下の低吸水率を実現している。複屈折率はポリメチルメタクリレートと同等な低い特性が報告されている（特許文献２２、非特許文献１５）。
透光性高分子は透明性を維持して複屈折率、吸水率などをバランス良く持つことが重要になっている。
光束を拡大する機構は、液晶注入時の圧力を受けるので光源導光板側に凹レンズを設ける方が安定である。透過反射分別部で反射した光を液晶側に反射する反射鏡を凸面鏡にすることにより実現できる。

本発明は平行光を棚田状導光板で方向変換し、ストライプ分配素子で同一ストライプに分配するのでカラーフィルタによる損失がなく、液晶装置としての透過効率を３倍に向上出来る。平行光変換素子による光束密度分布を棚田状導光板の段差設定で補償するために輝度の均一な照明が可能である。
棚田状導光板は平行光を目的方向に光束を拡大して全反射するため散乱方式に比べて損失が少なく、設計効率の向上、部材コストの削減が可能である。
３原色発光ダイオードの光を各ストライプに分配するので発色特性を再現可能になる。
３原色発光ダイオードと方向変換素子、棚田状導光板、ストライプ分配素子により直下型バックライトを構成できる。ビームコンプレッサアレイを併用することにより色別の線光源と方向変換素子、棚田状導光板、ストライプ分配素子により直下型バックライトを構成できる。

本発明の実施の形態を対角５１０ｍｍ（２０．１型）、ＸＧＡ（１０２４×７６８）、サイドライトの例で図２などと共に説明する。
画面寸法は横４０８ｍｍ、縦３０６ｍｍ、画素ピッチ３９９μｍ、サブ画素ピッチ１３３μｍである。
光源からの光を平行光に変換して供給し、棚田状断面の導光板の傾斜部に凸反射面を設けたものである。
ストライプ方向に分配する導光板は反射鏡と透過部を設けた厚さ０．５８ｍｍの高分子シートである。

光源より平行光を供給し、ストライプ方向に直交する棚田状導光板は非平行光成分を空気層による全反射方式とした各色１.６ｍｍ幅、１９２本で構成するように射出圧縮成型したものである。高輝度化と均一化を図るため両サイドに光源を配置する２灯構成としている。透明材料としてメタクリル酸樹脂、脂環式アクリル樹脂、環状オレフィン樹脂、ポリカーボネート、ポリスチレン、スチレン−アクリロニトリル共重合樹脂、紫外線硬化アクリル樹脂などが可能である。
溝を設けて透明材料より屈折率の低い空気による全反射を利用したものである。
液晶側に対向する反射面側は円筒凸反射面５１２個を均等ピッチで配置した棚田状構造のものである。導光板の棚田状段差が画素寸法より小さいために画素寸法に拡大するための凸反射面は、光源からの平行光線をほぼ鉛直方向にある液晶の画素に向けて反射するもので、この凸反射面は全反射臨界角以上に傾斜することにより反射層を形成する必要がなく製造費用削減が可能である。放物面鏡の光束密度は光軸からの距離依存性があるため光軸から遠い導光板底面側の段差を大きくして輝度を均一化している。

ストライプ分配素子は両面に傾斜した反射鏡の面精度が要求されるため、流動性が良く精密成型に適した環状オレフィン樹脂、ポリカーボネート、紫外線硬化アクリル樹脂などの他、高透明度、低複屈折率の高流動性ポリメチルメタクリレートなども可能である。
シートは厚さ０．５８ｍｍで、液晶側、棚田状導光板側に反射鏡用の傾斜面を熱圧縮成型し、反射鏡部分を蒸着したものである。
透過部開口率を１／３に低下させているので図４のように開口部に凹レンズを設けてサブ画素寸法に光束を拡大している。

光源として発光ダイオードを各色とも６４個を棚田状導光板光源部の厚さ方向、幅方向ともに放物面鏡の焦点に赤、緑、青の順に交互に配置する。発光ダイオードは図２（２）のように放物面鏡の反射光を遮らない位置にオフセットしている。この実施例では光度２５０ｍｃｄの発光ダイオード各色６４個を両サイドに配置することにより、光透過率４０％のとき輝度３０７ｃｄ／ｍ２ が得られる。

３波長冷陰極管を直下照明型に適用した多灯方式の例について図２１などを用いて説明する。
冷陰極管を光束分布均一化凹面鏡の焦線に設け、冷陰極管の前方には開口付遮光体を設けて、直接光を制限して管むらの発生を防止し、開口付遮光体は反射材で構成して凹面鏡方向に反射することにより光利用効率を高めている。開口孔を透過した拡散光、および凹面鏡で光束密度を均一化するための非平行光は凸屈折面に入射して平行光に戻している。
４５°の反射面で導光板面方向に反射された平行光は棚田状に構成した臨界角以上の傾斜面によって液晶方向に反射される。光源部が光束密度を補正しているので傾斜面の寸法は導光板の位置によらず一定である。
図２１の構成を両端に設ければ２灯式になる。図２２〜図２４の方式は直上部を照明出来るため中間部に用いて多灯化が可能なため大画面に適している。図２１と併用することも出来る。

棚田状導光板、ストライプ分配素子、３色の冷陰極管を直下照明型に適用した例について図２６を用いて説明する。
３色の光源部はそれぞれ、冷陰極管を光束分布均一化凹面鏡の焦線に設け、冷陰極管の前方には開口付遮光体を設けて、直接光を制限して管むらの発生を防止している。開口付遮光体を反射材として凹面鏡方向に反射することにより光利用効率を高め、開口孔による拡散光、および凹面鏡で光束密度を均一化するための拡散光は導光板の正焦点距離屈折面に入射して平行光に戻している。
３色の平行光はビームコンプレッサで１／３に集光し、各色をずらして冷陰極管の色に対応する棚田状導光板の透光層に入射する。透光層は各色６４本のため、６４個からなるビームコンプレッサアレイを設けている。ビームコンプレッサは凹面鏡と凸面鏡による方式が小型化可能である。フレネルメニスカスレンズによるビームコンプレッサは台形状のため成型が容易である。
棚田状導光板はビームコンプレッサ直上部に三角柱状の傾斜反射面を構成して平面方向に反射し、棚田状に配置された円筒凸面でストライプ分配導光板の入射部に向けて全反射する。三角柱状に囲まれた部分の照明は、図２３の構成と同様であり、先端に設けた開口部から入射し、棚田状に配置された凸傾斜面で全反射して三角柱状の傾斜反射面の上側に反射する。傾斜反射面上側も反射鏡のため、直上部に反射してストライプ分配素子に入射する。開口部直上部には棚田状に配置された凸傾斜面が設けられるので影の部分が発生する。このため影の部分に入射する経路を設けている。
ストライプ分配素子以降は実施例１と同様である。

携帯電話などの小型液晶表示装置に図３５の導光板を使用した白色発光ダイオード１灯による実施例を説明する。
光源部を導光板と一体成型し、放物面鏡の軸外焦点に白色発光ダイオードを設け、平行光を供給するものである。平行光は導光板側面から紙面奥行方向に伝播し、第1の棚田状凸反射面により光束を拡げて第2の棚田状反射面方向に反射する。第2の棚田状反射面までの距離が上段と下段で異なるために、第1の凸反射面は下段側ほど曲率半径を小さくして拡大角度を拡げている。凸反射面は入射光に対して臨界角以上に設定して全反射を利用している。
第2の凸反射面は円筒状反射面で、下段と上段で液晶パネルまでの距離が異なるため、上段ほど曲率半径を小さくしている。この方式は凸反射面で光束を拡大するため拡散シートは不要である。出射光が指向性の狭い光束拡大光のためプリズムシートは不要である。全反射を利用するため反射シートも不要である。
発光ダイオード1個と導光板のみなので最もシンプルで、究極的低価格で製造可能である。

棚田状反射鏡を用いてリアプロジェクタを構成した例を図３６を用いて説明する。反射鏡と空気による構成のため反射鏡と記載している。横１０００ｍｍ、縦５６０ｍｍのスクリーン寸法で、奥行は拡大率を１０倍として被写表示素子の短辺寸法５６ｍｍとスクリーンまでの空間３０ｍｍの和８６ｍｍになる。棚田状段数を５０として、ｙｚ面反射鏡のｘ方向段差は２.０ｍｍである。反射鏡の形状は基準面側最奥の曲率半径が３１.４ｍｍ、スクリーン面側最奥の曲率半径が２０７ｍｍ、基準面・表示素子側の曲率半径が６２.９ｍｍ、スクリーン面・表示素子側の曲率半径が２３９ｍｍの円錐凸面鏡に設定している。これはｘｙ面反射鏡の各位置で反射してスクリーンで方形に照射するためである。
ｘｙ面反射鏡のｚ方向段差は１.１２ｍｍの円筒凸面鏡である。円筒凸面鏡からスクリーンまでの距離が段階的に変化しているので、下段の曲率半径２７.０ｍｍから上段の曲率半径９.４ｍｍまで段階的に曲率半径を設定している。

導光板出射部に負焦点距離光学系を設け、液晶サブ画素寸法に光束を拡大することを垂直配向液晶に適用し、コントラストの改善方法を図５に示す。垂直配向では液晶分子が倒れる方向を固定するため点対称に傾斜するプレチルトが行われ、特許文献１５によると垂直配向では鉛直方向光線に対して液晶分子を３°以内にしなければコントラストが低下するとされている。実際は鉛直方向光線ではないのでプレチルトを改善してもコントラストを損なっていることになる。この光束拡大方式を液晶分子の配向方向に近づける構造をとることが出来、コントラストの改善に役立てることが出来る。

液晶を挟持する基板とストライプ分配素子を兼用して製造工程を簡略化した実施例を図６に示す。液晶挟持基板はＴＦＴあるいはカラーフィルタを搭載し、透明電極、配向膜を形成するために製造工程が高温になり、耐熱性が要求される。透光性高分子は耐熱性、寸法安定性、ガス透過性が無機ガラスに比べて劣るため、液晶を挟持する基板は無機ガラスが多く採用されている。
横電界方式の場合は対向基板に透明電極が不要のため高温で処理する必要がなく、高分子材料のガラス転移温度の制約がなくなるので成形性の良い高分子材料の採用が可能になる。高分子フィルムはガス透過性があるが、ストライプ分配素子は鏡面蒸着膜を施してガス透過性が低くなっている。ストライプ分配素子は棚田状導光板側からの入射部を除き、鏡面蒸着膜で被覆され、更に蒸着金属の酸化防止の塗装が施される。液晶側の面は透過・反射分別部が２／３は反射鏡部である。スパッタリング膜は緻密なためガス透過性が低く、酸化、吸湿を防止する目的でガスバリヤ包装に採用されている。透過部は透光性樹脂が露出するが、反射鏡傾斜部を充填した後、ガスバリヤ性が高い物質で被覆した上で平坦化処理を行うことでガスバリヤ性と平坦化を行うことが出来る。液晶注入圧がかかるため、透過／反射分別部の負焦点距離屈折面６を液晶対向側に設けている。

波長の異なる7種類の発光ダイオードを使用して連続スペクトルの白色発光素子を構成し、これを線光源変換素子の光源にしたスキャナー用線光源の例を図４４、図４５によって説明する。
7種類の発光ダイオードはピーク波長４４０，４８７，５２７，５６５，６０２，６３３，６５７ｎｍとして半値幅で連続したものである。7種類の発光素子を基板中央付近に並べ、焦点面より浅い位置のレンズ内に封入したものである。レンズ周辺部は基板から急傾斜面にして透過して反射鏡に入射している。
各発光素子から出射する平行光は正屈折率面で屈折し、各色の実効光路長の等しい球面状の焦点面に収束する。焦点面を直進しては混色にならないので、焦点面に拡散層を設けてランダムに屈折、反射するので混色して白色光になる。拡散層は粗面、白色顔料分散体、屈折率の異なる透明微粒子分散体の何れでも可能である。乳白色発光ダイオードパッケージと異なり、焦点面付近の薄層で混色可能である。
各発光ダイオードの光度は白色光の色温度に合わせて電流値を設定出来るようにすれば任意の色温度で使用することが出来る。
白色発光素子を図４５の軸外放物面鏡の焦点に設ければ平行光を出射することが出来る。放物面鏡の光束密度は光軸から離れるほど低下するので凸反射面の段差を図９と同様な設定として光束密度を均一化出来る。凸反射面は平行光に対して臨界角以上に設定して全反射を利用出来る。
凸反射面による光束拡大光を出射面の正焦点距離屈折面で平行光に変換するビームエクスパンダとして機能している。各ビームエクスパンダは出射面までの距離が異なるので曲率半径を段階的に変えることにより均一な光束密度の平行光を実現することが出来る。

３色の冷陰極管を薄型化のためにサイドライト方式で適用する場合の例を示す。
３本の冷陰極管の並ぶ方向と導光板の色の配列する方向が直交しているため軸変換する必要がある。赤の冷陰極管と導光板の赤色層との界面に開口部を設け、緑、青の導光板層では遮蔽する構造を緑、青の冷陰極管にも適用する構造で軸変換を行うことが出来る。この遮光・開口格子は３色の市松模様状になる。冷陰極管の軸方向の光束を１／３に収束するメニスカスレンズを設けることにより平行光成分は遮光層で遮られることなく各色の導光板に出射することが出来る。各色をずらすことによって出射効率を損なうことなく軸変換出来る。メニスカスレンズの凸レンズは凸部の厚さが厚いのでフレネルレンズにしている。
軸方向成分を１／３に収束すると同時に、軸に直交する方向も収束する複合ビームコンプレッサレンズを構成している。
ビームエクスパンダは冷陰極管の位置に応じて光束を拡大する方向が３種類ある。中央の緑は上下対称に光束を拡大するが、上段の赤は下向きに、下段の青は上向きに光束を拡大するので対称に反転したものである。ビームエクスパンダと前段のビームコンプレッサの界面は入射・出射部以外は遮光することにより平行性を高めることが出来る。
集束レンズで３本の平行光を冷陰極管の軸に直交方向に拡大するのがビームエクスパンダレンズである。入射部は３本のシリンドリカル凹レンズである。３つの凹レンズによって導光板の厚さ方向に均等に光束を拡大し、フレネルレンズとした凸レンズで平行光に変換している。フレネルレンズにしているのは曲面によって空間が生じると遮光が困難なためである。フレネル凸レンズを出射した光は断面形状が棚田状の導光板に入射し、シリンドリカル凸面鏡で光束を拡げて液晶サブ画素に入射する。

説明の都合上、細部は拡大して記載するため、必ずしも相似関係にはなっていない。
軸対称の特性図は正の範囲のみで表示している。
本発明の実施例１における棚田状導光板とストライプ分配素子の構成を示す斜視図である。 本発明の実施例１における棚田状導光板とストライプ分配素子の光跡を三角法で表示した図である。 （１）ストライプ分配素子の透過／反射分別部の反射光を示す図である。 （２）棚田状導光板の傾斜反射面による全反射を示す図である。 ストライプ分配素子の透過／反射分別部の透過光の光束拡大を示す図である。 垂直配向液晶における透過／反射分別部の透過光の光束拡大と液晶分子配向を示す図である。 ストライプに分配する機能を液晶透明基板に共用した状態を示す図である。 放物面鏡の光束密度分布をｙが正の範囲で示す図である。 放物面鏡の光束密度を積分した分布をｙが正の範囲で示す図である。 放物面鏡による平行光光束密度を均一化する導光板の段差分布を示す図である。 光束密度を均一化する導光板の厚さ分布を示す図である。 放物面鏡の光束密度を均一化するための傾斜反射光および反射面の傾きを示す図である。 放物面鏡の光束密度を均一化するための傾斜反射光を屈折面で平行光に変換する角度状態を示す図である。 光束密度を均一化するための傾斜反射光の傾斜分布を示す図である。 光束密度均一化反射鏡による光束密度分布、光束密度の積分を示す図である。 光束密度均一化反射鏡、放物面鏡の曲線をｙが正の範囲で示す図である。 （１）光束密度均一化反射鏡と平凸レンズによる光束密度の均一な平行光を示す図である。（２）光束密度均一化反射鏡と正屈折率面による光束密度の均一な平行光を示す図である。（３）光束密度均一化反射鏡とフレネルレンズによる光束密度の均一な平行光を示す図である。 光束密度均一化凹面鏡による反射光、および光源からの直接光を遮光体（段落００２３）または凸面鏡（段落００２４）に反射する凸面鏡とその開口部透過光を導光板に入射する状態を示す図である。 直接光を透過する開口部をレンズによって拡散する状態を示す図である。 光源前方の直接光を凹面鏡で反射して光束密度均一化凹面鏡として反射し、前方凹面鏡開口部による透過光を照射する状態を示す図である。 前方凹面鏡開口部による透過光をレンズによって拡散照射する状態を示す図である。 光束密度の均一な平行光を直下型バックライト方式の傾斜した反射面で導光板に平行方向に変換する状態を示す図である。 直下型バックライト方式の双方向に傾斜した反射面で臨界角以上の光線を方向変換し、直上部液晶には臨界角以内の透過光を照射する状態を示す図である。 直下型バックライト方式の双方向に傾斜した反射面で方向変換し、直上部液晶には開口部透過光を背中合わせにした傾斜反射面で照射する状態を示す図である。 直下型バックライト方式の双方向に傾斜した反射面で方向変換し、直上部液晶には開口部を凹レンズにして直上部全体に照射する状態を示す図である。 点光源と凹面鏡による直下型バックライトを双方向に傾斜した反射面で方向変換し、直上部液晶には開口部透過光を背中合わせにした傾斜反射面で照射する状態を示す図である。 （１）３色の点光源と凹面鏡による直下型バックライトを色別の棚田状導光板で双方向に傾斜した反射面で方向変換し、直上部液晶には開口部透過光を背中合わせにした傾斜反射面で照射し、ストライプ分配素子でカラー表示する状態を示す斜視図である。（２）上記の側面図である。 放物面鏡、曲率円鏡、球面鏡で構成するビームエクスパンダ・コンプレッサの曲線の差異を示す図である。 曲率円鏡、球面鏡で構成するビームエクスパンダ・コンプレッサによる収差を示す図である。 曲率円鏡、あるいは球面鏡による一体成型ビームエクスパンダ・コンプレッサの収差を入出射面の曲線で補正する構成を示す図である。 （１）反射鏡によるビームコンプレッサアレイの構造と光線を示す図である。（２）ビームコンプレッサアレイの外観である。 直下型バックライトに３色の冷陰極管を用い、ビームコンプレッサアレイによって色別の積層導光板に入射し、双方向に傾斜した反射面で方向変換し、直上部液晶には開口部透過光を２つの傾斜反射面で照射し、ストライプに分配する素子でカラー表示する状態を示す図である。 ビームコンプレッサアレイをメニスカスレンズで構成したときの状態を示す図である。 サイドライト型に３色の冷陰極管を採用するとき、反射鏡によるビームコンプレッサ、ビームエクスパンダで軸方向を変換する状態を示す図である。 サイドライト型に３色の冷陰極管を採用するとき、メニスカスレンズによるビームコンプレッサ、ビームエクスパンダで軸方向を変換する状態を示す図である。 （１）点光源と光束密度均一化凹面鏡による平行光を棚田状に構成した第１の方向変換反射面で奥行方向の光線を第２の棚田状反射面方向に変換し、第２の棚田状反射面で液晶パネルに照射する１灯方式バックライトの構成を示す図である。（２）第１の反射面、第２の反射面を凸面鏡とすることにより光束を拡大して液晶に照射する状態を示す部分図である。 （１）平行光を投射原稿に照射し、棚田状に構成した第１の方向変換反射面で奥行方向の光線を第２の棚田状反射面方向に変換し、第２の棚田状反射面でスクリーンに照射するリアプロジェクタの構成を示す図である。（２）第１の反射面、第２の反射面を凸面鏡とすることにより光束を拡大してスクリーンに照射する状態を示す部分図である。 β＝ｈｃ／（λmｋＴ）を図式解法で求めたものである。 プランクの放射則による各色温度における分光特性を示す図である。 各波長の発光ダイオードを半値幅で連続することにより連続スペクトルの白色光を構成する方法を示す図である。各素子の特性を細線で、合成特性を淡線で、フィルタにより滑らかにした特性を太実線で、５５００Ｋの分光特性を破線で示す。 ｙ軸平面上に配置した発光ダイオードの光が正焦点距離屈折面で屈折したときの焦点面の曲線を示す図である。 基板上の各発光ダイオードチップから放射された平行光が正焦点距離屈折面で屈折し、焦点面で混色される状態を示す図である。 焦点面付近に配置された拡散材で屈折、反射により混色される状態を示す図である。 （１）反射鏡を用いて多色発光ダイオード光を拡散層で混色する状態を示す図である。（２）ワイングラス状反射面にして混色効果を改善することを光線で示す図である 平行光の混色とレンズ周辺光を反射鏡に照射して混色する状態を示す図である。 （１）点光源と光束密度均一化凹面鏡による平行光を棒状の線光源変換素子の棚田状反射面および円筒レンズ状出射面の構造を示す図である。（２）凸反射面、凸レンズ出射面により連続した平行光になることを示す図である。 線光源変換素子の幅よりも光源寸法が大きいときのビームコンプレッサにより光束を収束し、線光源に変換する構造を示す図である。 従来の導光板の構成を示す図である。 別の従来の導光板の構成を示す図である。 光源近傍の傾斜を負にし、遠方の段差を拡大した従来の導光板の構成を示す図である。 出射面側レンズの焦点に四角錐反射鏡を設けた従来の導光板の構成を示す図である。 （１）微小放物面鏡と点光源による従来の導光板の構成を示す図である。 （２）放物面鏡による平行光を鋸歯状反射面で反射する従来の導光板を示す図である。 ビームスプリッタにより均等な反射光を得る従来の導光板を示す図である。 直下型バックライトの従来の反射鏡の構造を示す図である。 従来の携帯機器用サイドライトの構造と光線むらを示す図である。 ３色発光ダイオードを円錐鏡で混色する従来の構成を示す図である。 従来のリアプロジェクタの構造を示す図である。 ３色発光ダイオードの光を拡散材で混色する従来の分散状態を示す図である。

符号の説明

形状が異なっても同一の機能には同一の番号を付与している。
１：（Ｒ），１（Ｇ），１（Ｂ）：棚田状導光板
２：ストライプ分配素子
３：溝
４：開口部
５：凸反射面
６：透過部
７：透過・反射分別部の反射鏡
８：対向面反射鏡
９：放物面鏡
１０：点光源
１１：凹レンズ
１２：偏光板
１３：透明基板
１４：液晶層
１５：光線
１６：配向膜
１７：ＴＦＴ
１８：配向制御傾斜部
１９：透明電極
２０：液晶分子
２１：配向制御断層
２２：光束均一化凹面鏡
２３：正焦点距離屈折面
２４：凸面鏡
２５：スリット
２６：線光源
２７：導光板
２８：凹面鏡
２９：反射面
３０：三角柱
３１：反射鏡
３２：臨界角以内の光線
３３：全反射光
３５：屈折面
３６：負焦点距離屈折面
３７：低屈折率層
３８：光源
３９：透光物質
４０：焦点
４１：入射面
４２：出射面
４３：液晶パネル
４４：ビームコンプレッサアレイ
４５：平行光源要素
４６：平行面
４７：奥行方向変換反射面
４８：指向性範囲
４９：死角
５０：発光ダイオード
５１：スクリーン
５２：投射原稿
５３：フレネルレンズ
５４：ビームコンプレッサ
５５：ビームエクスパンダ
５６：投射装置
５７：レンズ
５８：拡散材層
５９：基板
６０：拡散材
６１：プリズム
６２：乱反射ドット層
６３：平行光
６４：散乱光
６５：ビームスプリッタ
６６：遮光体（段落００２３）または凸面鏡（段落００２４）

Claims (28)

1. 光源からの光を平行光変換手段によって平行光に変換し、入射手段を通して導光板を伝播し、平行光に含まれる非平行光成分を導光板に設けた溝によって全反射して複数色の光源からの別色光を遮光し、この平行光を導光板の底面に設けた凸反射面の曲率に応じて光束を拡げて液晶サブ画素方向に反射して当該色の光を供給することを特徴とする照明装置。
2. 同一ストライプ内の３つのサブ画素で１入射部を持つ構成のストライプに分配する素子の入射部を請求項１に記載の照明装置の出射部に設け、前記照明装置の出射光の１／３の光量を入射部鉛直方向にある液晶サブ画素に透過し、残る２／３の光量をストライプ方向に傾斜した反射面で反射し、この反射光がストライプ分配素子内の液晶対向側に設けた反射面で反射して２つの液晶サブ画素に入射することにより、同一ストライプ内の３つのサブ画素に分配することを複数色の光源からの光に適用して、複数色のストライプに分配することを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
3. 前記ストライプ方向に分配する素子は透過／反射分別部の傾斜した反射面の反射光を隣接する透過／反射分別部単位よりも離れた位置に反射して分配することにより同一色の入射部を集中し、ストライプ分配素子内の液晶対向側に設けた反射面を別色が伝播する棚田状導光板の上に設ける構造として、光源の数を画素数よりも削減してストライプに分配することを特徴とする請求項２に記載の照明装置。
4. 前記ストライプ分配素子から液晶サブ画素に出射する部分に負焦点距離光学系を設け、液晶サブ画素透過部寸法に光束を拡大することにより輝点を防止し、実質開口率を増大することを特徴とする請求項２または請求項３に記載の照明装置。
5. 前記平行光変換手段は、導光部材に軸外放物面鏡あるいは軸外球面鏡を設け、平行光の出射経路から外れた位置にある焦点に光源を設け、反射鏡による反射光を光源に妨げられることなく導光部材に平行光を入射して伝播することを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
6. 前記導光板内を伝播する平行光を、導光板の底面に設けた凸反射面に臨界角以上の入射角で入射して全反射し、あるいは前記凸反射面を鏡面として反射し、被照射寸法、被照射体までの距離に応じて凸反射面の曲率を設定することにより光束を拡げて目的方向に反射することを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
7. 前記平行光変換手段における放物面鏡の反射光が光軸から遠ざかるほど光束密度が低減する影響を排除するために、前記導光板に配置された円筒凸反射面の反射面段差を光束密度に反比例して増大することにより、光束密度を均一に方向変換して反射することを特徴とする請求項１または請求項６に記載の照明装置。
8. 凹面鏡の鏡面を放物線の接線傾斜より増大することにより、凹面鏡開口端において均一な光束密度となるように、凹面鏡の焦点に設けた光源からの光を平行光より光束拡大し、前記開口端に更に正焦点距離屈折面を設けることにより、光束密度の均一な平行光に変換する平行光変換手段を有することを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
9. 凹面鏡の焦点に設けた光源からの光を凹面鏡の開口部における光束密度が一定になるように、
   ｙ²＝ａ・ｐ・ｘ−ｂｘ^C
   ４．５＜ａ＜７．５， ０≦ｂ ， ０≦ｃ
   ｘ：光軸方向座標、ｙ：光軸直交方向座標、ｐ：焦点座標
   で表される曲線の反射鏡により反射光方向を平行光方向より光束拡大し、前記開口部に更に正焦点距離屈折面を設けることにより、この拡散反射光を光束密度の均一な平行光に変換する平行光変換手段を有することを特徴とする請求項１または請求項８に記載の照明装置。
10. 光源の後方に凹面鏡を備えた平行光変換手段において、光源の前方に開口付き遮光体を設けて直接光を制限することにより、光源前方が凹面鏡反射光と光源からの直接光が重畳することによる光束集中を緩和し、前記遮光体に設けた開口孔の開口比率を、凹面鏡による反射光束密度に合わせて設定することにより光束を均一化して平行光を供給することを特徴とする請求項１、請求項８または請求項９に記載の照明装置。
11. 前項記載の開口付き遮光体が開口付き凸面鏡とすることにより光源の後方の凹面鏡に反射し、前記開口付き凸面鏡に設けた開口孔の開口比率を、光源からの直接光と凸面鏡反射光を合成して反射する凹面鏡の光束密度に合わせて設定することにより、光源前方が凹面鏡反射光と光源からの直接光が重畳することによる光束集中を緩和し、光束を均一化して平行光を供給することを特徴とする請求項１、請求項８、請求項９または請求項１０に記載の照明装置。
12. 前項記載の開口付き凸面鏡に設けた開口部を凹レンズで構成し、凹面鏡が光源からの直接光と凸面鏡反射光を合成して反射する光束密度に合わせ、凸面鏡に設けた開口部面積で透過光量を設定することにより、光源前方が凹面鏡反射光と光源からの直接光が重畳することによる光束集中を緩和し、光束を均一化して平行光を供給することを特徴とする請求項１、請求項８〜請求項１１のいずれかに記載の照明装置。
13. 焦点距離深さの放物面鏡あるいは請求項８，請求項９に記載の光束密度を均一化する凹面鏡を備えた光源の前方に開口付き凹面鏡を設け、前方の凹面鏡による反射光が光源を透過して後方の凹面鏡に反射することにより、光源からの直接光と前方の凹面鏡による反射光の入射角を一致させて反射することにより方向を揃えて光束を均一化し、前方凹面鏡に設けた開口部の開口比率を後方凹面鏡によって反射する光束密度に合わせて設定することにより光束均一化して平行光を供給することを特徴とする請求項１、請求項８または請求項９に記載の照明装置。
14. 線光源光を平行光変換し、導光板直下から入射した平行光を傾斜したV字型に対向する反射面によって平面方向に変換して反射する直下照明型液晶表示装置において、平面方向に伝播する平行光を棚田状に分散配置した凸反射面によって液晶面に光束を拡大して照射することを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
15. 導光板直下から入射した光を傾斜した反射面の反射率・透過率の設定によって導光板の平面方向に反射する成分と傾斜面の直上部に透過する成分に分離することにより、直下照明型液晶表示装置のV字型に対向する傾斜反射面上部をも照射することを特徴とする請求項１または請求項１４に記載の照明装置。
16. Ｖ字型に対向する傾斜面の交点付近に設けた開口部から入射した光を、開口部延長線上に反射面を設けてＶ字型傾斜反射面の上側に反射し、傾斜反射面上側の反射面から液晶側に出射する構造とすることにより、Ｖ字型傾斜面に囲まれた三角柱部分とそれ以外の導光板面の輝度を開口部面積の設定で均等化することを特徴とする請求項１または請求項１４に記載の照明装置。
17. Ｖ字型に対向する傾斜面の交点付近に凹レンズによる開口部を設け、開口部から入射した光を凹レンズによって直上部三角柱部分に拡散する構造により、Ｖ字型に対向する傾斜面に囲まれた三角柱部分とそれ以外の導光板面の輝度を開口部面積の設定で均等化することを特徴とする請求項１または請求項１４に記載の照明装置。
18. Ｖ字型に対向する傾斜面の交点付近に凹レンズによる開口部を設け、開口部から入射した光を凹レンズによって直上部三角柱部分に拡散し、三角柱部分に拡散する光をフレネルレンズ出射面によって平行光出射することを特徴とする請求項１または請求項１４に記載の照明装置。
19. 線光源光の平行光変換素子の後に設ける平行光入射手段として、線光源の軸方向の光束幅比を１／色数に絞るビームコンプレッサアレイを設け、各色の出射位置をずらして色別の平行光を形成し、平面方向に光路変換する傾斜反射面によって平面方向に伝播することを特徴とする請求項１、請求項１４〜請求項１８のいずれかに記載の照明装置。
20. 焦点距離、およびその正負極性の異なる同軸の筒状反射面鏡の凹面鏡同士を筒状側面で接触した構造を有し、一方の反射鏡の軸方向に対して斜めに入射して対向反射面筒に反射し、その反射光が光束幅を変換して出射する要素からなる連続的なビームコンプレッサアレイであることを特徴とする請求項１９に記載の照明装置。
21. 軸外凹球面鏡と焦点位置および光軸方向が等しい位置に凸面鏡を設け、焦点距離の絶対値比で光束幅を変換し、透明材料で構成した光路媒体上に反射鏡面を形成したビームエクスパンダ／コンプレッサであり、球面鏡にすることによって生じた収差を入出射面の曲線で収差補正することを特徴とする請求項１９または請求項２０に記載の照明装置。
22. 液晶表示装置の表示面をｘｙ平面としたとき、導光素子側面からｙ軸方向に入射する平行光線を、ｙｚ平面上に棚田状に段差を持たせた第１の棚田状凸反射面でｘ軸方向に光束を拡げて方向変換し、ｘ方向に変換されて光束拡大する光線を、ｘｙ平面上に棚田状に段差を持たせた第２の凸反射面に照射して略鉛直方向にある液晶パネルに光束を拡大して反射することを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
23. 表示面をｘｙ平面、表示透過光方向をｚ軸とし、投影表示素子をｘｚ平面に設けてｙ軸方向に平行光を照射する配置において、ｙｚ平面上に棚田状に段差を持たせた第１の棚田状凸反射鏡でｘ軸方向に画像を拡大しつつ方向変換し、ｘｙ平面上に棚田状に段差を持たせた第２の棚田状凸反射面に照射し、この反射光をｘｙ平面にある表示面に画像を拡大して反射することにより表示素子画像をスクリーンに拡大表示することを特徴とする請求項６または請求項２２に記載の照明装置。
24. 導光物質内を長軸方向に伝播する平行光を棚田状に配置した凸反射面で光束を拡大して、出射面側で定ピッチとなるように反射し、更に前記凸反射面の焦点と焦点位置が共通な正焦点距離屈折面で平行光に変換する要素を出射面に沿って配置した棒状の構造とすることにより、線光源として出射することを特徴とする請求項１または請求項６に記載の照明装置。
25. 波長の異なる複数の発光ダイオードを用いて、光度が概略半値になる波長で交差して連続スペクトル特性曲線とし、波長特性傾斜部の非線形性によって発生する合成特性のうねりを、うねりの凸波長に吸収を持つ色素によって吸収して連続分光特性曲線とし、各発光素子からの光量が同等になる拡散層で拡散混色して白色光源として用いることを特徴とする請求項１、請求項２２〜請求項２４のいずれかに記載の照明装置。
26. 複数の発光ダイオードを透明樹脂レンズの内部焦点より浅い位置に配置し、各発光素子から同一方向に出射される平行光線が全ての平行光線方向に適用して出来る焦点面に拡散材層を設け、各色が合成されて拡散することを特徴とする請求項２５に記載の照明装置。
27. 複数の発光ダイオードを基板の中央付近に配置して凹面鏡を設け、凹面鏡の開口部付近をワイングラスのように先をすぼめて反射方向を発光ダイオードの光軸越えた位置に収束し、反射経路と直接光を光散乱層で着色を打ち消し合って混色することを特徴とする請求項２５に記載の照明装置。
28. 同一ストライプ内の３つのサブ画素で１入射部を持ち、１／３の光量を入射部鉛直方向にある液晶サブ画素に透過し、残る２／３の光量をストライプ方向に傾斜した反射面で反射し、この反射光がストライプ分配素子内の液晶対向側に設けた反射面で反射して２つの液晶サブ画素に入射する構造を液晶挟持基板に備えたことを特徴とする請求項２に記載の照明装置。