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【発明の名称】 照明装置およびそれを備える表示装置
【発明者】 【氏名】増田 岳志
【要約】 【課題】高い指向性を有するとともに均一な強度分布の照明光を照射する照明装置が提供する。

【解決手段】照明装置１０は、光源装置１１と、光源装置１１から出射された光線の進行方向を所定の方向に向ける光線方向変換素子１２とを備える。光源装置１１は複数の光源１１ａ、１１ｂおよび１１ｃを含み、光線方向変換素子１２は複数の単位変換素子１２ａ、１２ｂおよび１２ｃを含む。単位変換素子のそれぞれは、光源のそれぞれに対応して設けられており、光源は、それぞれ対応する単位変換素子のそれぞれの光軸ＯＸ上に配置されている。単位変換素子のそれぞれは、複数の光源の内の対応する光源から入射した光線と、対応する光源以外の少なくとも１つの光源から入射した光線とを、所定の方向に向ける第１変換領域Ｍを有する。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 複数の光源と、前記複数の光源から出射された光線の進行方向を所定の方向に向ける光線方向変換素子と、を備える照明装置であって、前記光線方向変換素子は、それぞれが、前記複数の光源のそれぞれに対応して設けられた複数の単位変換素子を有し、前記複数の光源のそれぞれは、前記複数の単位変換素子の内の対応する単位変換素子の光軸上に配置されており、前記複数の単位変換素子のそれぞれは、前記複数の光源の内の対応する光源から入射した光線と、前記対応する光源以外の少なくとも１つの光源から入射した光線とを、前記所定の方向に向ける第１変換領域を有する、照明装置。
【請求項２】 前記第１変換領域は、前記対応する光源からの光線と、前記対応する光源に隣接する少なくとも１つの光源から入射した光線とを、前記所定の方向に向ける、請求項１に記載の照明装置。
【請求項３】 前記複数の単位変換素子のそれぞれは、前記第１変換領域のみから構成されている、請求項１または２に記載の照明装置。
【請求項４】 前記複数の単位変換素子のそれぞれは、前記対応する光源から入射した光線だけを前記所定の方向に向ける第２変換領域をさらに有する、請求項１または２に記載の照明装置。
【請求項５】 前記第２変換領域は、前記第１変換領域よりも前記単位変換素子の光軸に近い位置に設けられている、請求項４に記載の照明装置。
【請求項６】 前記光線方向変換素子はフレネルレンズであって、前記複数の単位変換素子のそれぞれは単位フレネルレンズである、請求項１から５のいずれかに記載の照明装置。
【請求項７】 前記光線方向変換素子はホログラフィック素子であり、前記複数の単位変換素子のそれぞれは単位ホログラフィック素子である、請求項１から５のいずれかに記載の照明装置。
【請求項８】 前記光線方向変換素子は回折素子であり、前記複数の単位変換素子のそれぞれは単位回折素子である、請求項１から５のいずれかに記載の照明装置。
【請求項９】 前記光線方向変換素子はフレネルレンズであって、前記複数の単位変換素子のそれぞれは、複数のプリズム面を有する単位フレネルレンズであり、前記複数のプリズム面は、前記第１変換領域に、前記単位フレネルレンズの光軸に対して傾斜した第１および第２プリズム面を有し、前記少なくとも１つの隣接する光源から前記第１変換領域に入射した光線の少なくとも一部は、前記第１プリズム面において屈折されることによって前記所定の方向に向けられ、前記対応する光源から前記第１変換領域に入射した光線の少なくとも一部は、前記第２プリズム面において屈折されることによって前記所定の方向に向けられる、請求項２に記載の照明装置。
【請求項１０】 前記複数のプリズム面は、前記単位フレネルレンズの前記対応する光源から遠い側の面に形成されており、前記単位フレネルレンズの光軸から距離ｘの位置において、前記第１プリズム面が前記単位フレネルレンズの光軸に対して形成する角度をθ1、前記第２プリズム面が前記単位フレネルレンズの光軸に対して形成する角度をθ2、前記単位フレネルレンズの焦点距離をｆ、隣接する光源間の距離をｓ、周囲の媒質に対する前記単位フレネルレンズの相対屈折率をｎとするとき、θ1およびθ2が、 θ1＝tan-1([{n2f2+(n2-1)(s-x)2}1/2-{f2+(s-x)2}1/2]/(s-x)) (1) θ2＝tan-1([{n2f2+(n2-1)x2}1/2-(f2+x2)1/2]/x) (2)の関係を満足する、請求項９に記載の照明装置。
【請求項１１】 前記複数のプリズム面は、前記単位フレネルレンズの前記対応する光源に近い側の面に形成されており、前記単位フレネルレンズの光軸から距離ｘの位置において、前記第１プリズム面が前記単位フレネルレンズの光軸に対して形成する角度をθ1、前記第２プリズム面が前記単位フレネルレンズの光軸に対して形成する角度をθ2、前記単位フレネルレンズの焦点距離をｆ、隣接する光源間の距離をｓ、周囲の媒質に対する前記単位フレネルレンズの相対屈折率をｎとするとき、θ1およびθ2が、 θ1＝tan-1([n{f2+(s-x)2}1/2-f]/(s-x)) (3) θ2＝tan-1[{n(f2+x2)1/2-f}/x] (4)の関係を満足する、請求項９に記載の照明装置。
【請求項１２】 前記光線方向変換素子はフレネルレンズであって、前記複数の単位変換素子のそれぞれは、複数のプリズム面を有する単位フレネルレンズであり、前記複数のプリズム面は、前記第１変換領域に、前記単位フレネルレンズの光軸に対して傾斜した第１および第２プリズム面を有し、前記少なくとも１つの隣接する光源から前記第１変換領域に入射した光線の少なくとも一部は、前記第２プリズム面において屈折されたあと前記第１プリズム面によって反射されることによって前記所定の方向に向けられ、前記対応する光源から前記第１変換領域に入射した光線の少なくとも一部は、前記第１プリズム面において屈折させることによって前記所定の方向に向けられる、請求項２に記載の照明装置。
【請求項１３】 前記複数のプリズム面は、前記単位フレネルレンズの前記対応する光源に近い側の面に形成されており、前記単位フレネルレンズの光軸から距離ｘの位置において、前記第１プリズム面が前記単位フレネルレンズの光軸に対して形成する角度をθ1、前記第２プリズム面が前記単位フレネルレンズの光軸に対して形成する角度をθ2、前記単位フレネルレンズの焦点距離をｆ、隣接する光源間の距離をｓ、周囲の媒質に対する前記単位フレネルレンズの相対屈折率をｎとするとき、θ1およびθ2が、 θ1＝(cos-1[{f・cosθ2-(s-x)sinθ2}/n{f2+(s-x)2}1/2]-θ2)/2 (5) θ2＝tan-1[{n(f2+x2)1/2-f}/x] (6)の関係を満足する、請求項１２に記載の照明装置。
【請求項１４】 前記光線方向変換素子はフレネルレンズであって、前記複数の単位変換素子のそれぞれは、複数のプリズム面を有する単位フレネルレンズであり、前記複数のプリズム面は、前記第１変換領域に、前記単位フレネルレンズの光軸に対して傾斜した第１および第２プリズム面を有し、前記少なくとも１つの隣接する光源から前記第１変換領域に入射した光線の少なくとも一部は、前記第２プリズム面において屈折されたあと前記第１プリズム面によって反射されることによって前記所定の方向に向けられ、前記対応する光源から前記第１変換領域に入射した光線の少なくとも一部は、前記第１プリズム面において屈折されたあと前記第２プリズム面で反射されることによって前記所定の方向に向けられる、請求項２に記載の照明装置。
【請求項１５】 前記複数のプリズム面は、前記単位フレネルレンズの前記対応する光源に近い側の面に形成されており、前記単位フレネルレンズの光軸から距離ｘの位置において、前記第１プリズム面が前記単位フレネルレンズの光軸に対して形成する角度をθ1、前記第２プリズム面が前記単位フレネルレンズの光軸に対して形成する角度をθ2、前記単位フレネルレンズの焦点距離をｆ、隣接する光源間の距離をｓ、周囲の媒質に対する前記単位フレネルレンズの相対屈折率をｎとするとき、θ1およびθ2が、 θ1＝(cos-1[{f・cosθ2-(s-x)sinθ2}/n{f2+(s-x)2}1/2]-θ2)/2 (7) θ2＝(cos-1[{f・cosθ1-x・sinθ1}/n{f2+x2}1/2]-θ1)/2 (8)の関係を満足する、請求項１４に記載の照明装置。
【請求項１６】 前記光線方向変換素子はフレネルレンズであって、前記複数の単位変換素子のそれぞれは、複数のプリズム面を有する単位フレネルレンズであり、前記複数のプリズム面は、前記第１変換領域に、前記単位フレネルレンズの光軸に対して傾斜した第１、第２、第３および第４プリズム面を有し、前記少なくとも１つの隣接する光源から前記第１変換領域に入射した光線の一部は、前記第２プリズム面において屈折されたあと前記第１プリズム面によって反射されることによって前記所定の方向に向けられ、他の一部は、前記第４プリズム面において屈折されたあと前記第３プリズム面によって反射されることによって前記所定の方向に向けられ、前記対応する光源から前記第１変換領域に入射した光線の一部は、前記第１プリズム面において屈折させることによって前記所定の方向に向けられ、他の一部は、前記第３プリズム面において屈折されたあと前記第４プリズム面で反射されることによって前記所定の方向に向けられ、前記単位フレネルレンズの光軸から距離ｘの位置において、前記第１プリズム面が前記単位フレネルレンズの光軸に対して形成する角度をθ1、前記第２プリズム面が前記単位フレネルレンズの光軸に対して形成する角度をθ2、前記第３プリズム面が前記単位フレネルレンズの光軸に対して形成する角度をθ3、前記第４プリズム面が前記単位フレネルレンズの光軸に対して形成する角度をθ4、前記単位フレネルレンズの焦点距離をｆ、隣接する光源間の距離をｓ、周囲の媒質に対する前記単位フレネルレンズの相対屈折率をｎとするとき、θ1、θ2、θ3およびθ4が、 θ1＝(cos-1[{f・cosθ2-(s-x)sinθ2}/n{f2+(s-x)2}1/2]-θ2)/2 (9) θ2＝tan-1[{n(f2+x2)1/2-f}/x] (10) θ3＝(cos-1[{f・cosθ4-(s-x)sinθ4}/n{f2+(s-x)2}1/2]-θ4)/2 (11) θ4＝(cos-1[{f・cosθ3-x・sinθ3}/n{f2+x2}1/2]-θ3)/2 (12)の関係を満足する、請求項２に記載の照明装置。
【請求項１７】 前記第１および第２プリズム面は、前記第３および第４プリズム面よりも、前記単位フレネルレンズの光軸に近い領域に設けられている、請求項１６に記載の照明装置。
【請求項１８】 前記単位フレネルレンズは、前記対応する光源から入射した光線だけを前記所定の方向に向ける第２変換領域をさらに有し、前記複数のプリズム面は、前記第２変換領域に、前記単位フレネルレンズの光軸に対して略平行な面と傾斜した面とを有し、前記対応する光源から前記第２変換領域に入射した光線は、前記傾斜した面において屈折されることによって前記所定の方向に向けられる、請求項９から１７のいずれかに記載の照明装置【請求項１９】 前記第２変換領域は、前記第１変換領域よりも前記単位フレネルレンズの光軸に近い位置に設けられている、請求項１８に記載の照明装置。
【請求項２０】 請求項１から１９のいずれかに記載の照明装置と、前記照明装置から出射される光を表示に用いる表示素子と、を備えた表示装置。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、照明装置および照明装置を表示装置に関し、特に、液晶表示装置に好適に用いられる照明装置およびそれを備えた液晶表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】液晶表示装置は、ＣＲＴ、ＰＤＰあるいはＥＬといった画像表示装置とは異なり、自らは発光しない液晶表示素子を用いているため、表示を行うための光を液晶表示素子に照射する照明装置を有している。例えば、透過型の液晶表示装置は、液晶表示素子の後方（観察者とは反対側）にバックライトと呼ばれる面状の照明装置を有し、バックライトから液晶表示素子に照射された光の透過光量を画素ごとに制御することによって画像を表示する。
【０００３】一般的な液晶表示素子であるツイステッドネマティック（ＴＮ）型やスーパーツイステッドネマティック（ＳＴＮ）型の液晶表示素子は、液晶分子を一対の基板間でツイスト配向させた液晶層と、これを挟んで液晶層の後方と前方に配置された一対の偏光板とを有する。バックライトから液晶表示素子に照射された光のうち、後方の偏光板を透過した偏光が液晶層に入射し、その偏光方向を液晶層によって変化させることによって、前方の偏光板を透過する光量が制御される。
【０００４】ところが、液晶表示装置で表示された画像は、画像を見る角度、すなわち視角によって品位が変化する。例えば、コントラスト比、中間調の輝度や色調が変化し、正常な画像が得られなくなってしまうなどの問題を有している。これは、中間調を表示する際はツイスト配向させた液晶層の液晶分子が傾いた状態であるため、液晶分子が傾いている方向から入射する光の偏光方向は液晶分子の長軸に対してほぼ垂直であり、この光は複屈折の影響を受けないのに対し、それ以外の方向から入射する光の偏光方向は液晶分子の長軸に平行な成分を有するので複屈折の影響を受ける。その結果、視角によって表示の光量が変化する。
【０００５】液晶表示装置の視角特性を改善するために（すなわち、視角依存性を低減するために）、照明光の指向性を高めるとともに液晶表示素子の観察者側に光拡散素子を設け、液晶表示素子に入射する照明光の角度範囲を狭くすることによって得られる一定のコントラスト比、中間調輝度および色調を有する表示画像を、光拡散素子によって広い視角範囲から観察されるようにする方法が提案されている。
【０００６】例えば、特開平２−１１８５１８号公報には、図１９に模式的に示す構成を有する液晶表示装置３００を開示している。液晶表示装置３００は、照明装置３１０と、液晶表示素子３２０と、光拡散素子３３０とを有している。
【０００７】バックライト３１０は、光源３１１と、球面鏡３１２と、フレネルレンズ３１３とを有し、液晶表示素子３２０を照明する。光源３１１を挟んでフレネルレンズ３１３と対向して配置された球面鏡３１２は、光源３１１からの光線をフレネルレンズ３１３に向かって反射することで光の利用効率を向上する。
【０００８】ここで、フレネルレンズとは、屈折面が連続した球面でなく、階段状に傾斜した屈折面（「プリズム面」とも言う。）が形成された平面レンズであり、すなわち、図２０に模式的に示したように、レンズの曲率だけをプリズム形状に変換したプリズムが平面上に配列されたプリズムアレイである。従って、円形のレンズをフレネルレンズに置き換える場合は、同心円状にプリズムが配列され、シリンドリカルレンズをフレネルレンズに置き換える場合は直線状にプリズムが配列される。フレネルレンズに形成されるプリズムは、一般に、光軸に対して略平行な平行面と傾斜した傾斜面を備え、傾斜面で光を屈折することでレンズの性質を発現する。フレネルレンズは、平面レンズであること、および、一般にアクリル樹脂やポリカーボネート樹脂などの透明樹脂で形成されているため、レンズの肉厚を薄くできるとともに、軽くできるという利点がある。
【０００９】上述のように構成されたバックライト３１０において、光源３１１をフレネルレンズ３１３の焦点近傍に配置することによって、光源３１１からの光線がフレネルレンズ３１３に形成されたプリズムによって屈折されて正面方向に進行し、高指向性の照明光が得られる。
【００１０】液晶表示素子３２０は照明装置３１０からの高指向性の照明光を受け、画素ごとに光の透過率を制御して画像を表示する。光拡散素子３３０が液晶表示素子３２０を通過した画像の表示光を拡散することによって、広い視角範囲から表示品位の変化が少ない画像が観察される。
【００１１】また、特表平１１−５０４１２４号公報には、図２１に示すように、光源４１１と全内面反射（ＴＩＲ）レンズで４１２で構成された、高指向性の照明光を照射する照明装置４００が開示されている。
【００１２】ＴＩＲレンズ４１２は、図２１に示したように、全体的には焦点を囲むドーム状の形状を有し、焦点に対向する側の面には多数のプリズムが配列されている。その形状はいずれも光軸に対して略平行な平行面と傾斜した傾斜面とで構成されるが、傾斜面が有する作用によって２種類のプリズムに大別される。
【００１３】すなわち、光軸近傍（領域Ｒ１）に形成されたプリズムは、フレネルレンズに形成されたプリズムと同様に、傾斜面で光を屈折することによって光の進行方向を制御する屈折型プリズムであるのに対して、光軸から遠い領域（領域Ｒ２）に形成されたプリズムは内部に入射した光を傾斜面で反射することによって進行方向を制御する反射型プリズムである。
【００１４】光源４１１を上述の様な構成を有するＴＩＲレンズ４１２の焦点近傍に配置することによって、光源４１１からの光線は、屈折型プリズム（領域Ｒ１）および反射型プリズム（領域Ｒ２）によって進行方向が制御され、正面方向（光軸に平行な方向）に高指向性の照明光が照射される。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】本発明者が検討した結果、上述した従来の照明装置は、指向性が高い照明光が得られるものの、照明範囲を広げるためには、下記の問題を解決する必要があることが分かった。
【００１６】まず、図１９に示したフレネルレンズ３１３を利用した照明装置３１０では、より広い面を照明したり照明光の輝度を向上させるためには、図２２に示すように、複数の光源３１１’を等間隔で配置し、それぞれの光源に１個の単位フレネルレンズ３１３’ａが形成されたフレネルレンズ３１３’を組み合わせる必要がある。すなわち、それぞれの光源３１１’からの光線の進行方向を対応する単位フレネルレンズ３１３’ａによって制御し、高指向性の照明光を照射する。
【００１７】従って、光源３１１’の輝度、色調などがそれぞれ異なっていると、照明光の輝度、色調は単位フレネルレンズ３１３ａごとに異なるため、単位フレネルレンズ３１３’ａの境界がくっきりと目視されてしまう。しかしながら、これを避け得るほどにそれぞれの光源３１１’の発光特性を一定に制御するように、光源３１１’を製造または選別することは非常に困難である。
【００１８】同様に、特表平１１−５０４１２４号公報に開示されている照明装置においても、図２３に示すように、複数の光源４１１’とそれぞれの光源４１１’に１個の単位ＴＩＲレンズ４１２’ａが形成されたＴＩＲレンズ４１２’によって照明装置を構成すると、光源４１１’の輝度、色調などの違いが単位ＴＩＲレンズ４１２’ａごとの照明光に反映され、単位ＴＩＲレンズ４１２’ａの境界が観察されてしまう。
【００１９】本発明は、上記の諸点に鑑みてなされたものであって、その主な目的は、指向性が高く且つ強度分布が比較的均一な照明装置およびそれを用いた表示装置を提供することを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】本発明による照明装置は、複数の光源と、前記複数の光源から出射された光線の進行方向を所定の方向に向ける光線方向変換素子と、を備える照明装置であって、前記光線方向変換素子は、それぞれが、前記複数の光源のそれぞれに対応して設けられた複数の単位変換素子を有し、前記複数の光源のそれぞれは、前記複数の単位変換素子の内の対応する単位変換素子の光軸上に配置されており、前記複数の単位変換素子のそれぞれは、前記複数の光源の内の対応する光源から入射した光線と、前記対応する光源以外の少なくとも１つの光源から入射した光線とを、前記所定の方向に向ける第１変換領域を有し、そのことによって上記目的が達成される。
【００２１】前記第１変換領域は、前記対応する光源からの光線と、前記対応する光源に隣接する少なくとも１つの光源から入射した光線とを、前記所定の方向に向ける構成としてもよい。
【００２２】前記複数の単位変換素子のそれぞれは、前記第１変換領域のみから構成されている構成としてもよい。
【００２３】前記複数の単位変換素子のそれぞれは、前記対応する光源から入射した光線だけを前記所定の方向に向ける第２変換領域をさらに有する構成としてもよい。
【００２４】前記第２変換領域は、前記第１変換領域よりも前記単位変換素子の光軸に近い位置に設けられていることが好ましい。
【００２５】前記光線方向変換素子はフレネルレンズであって、前記複数の単位変換素子のそれぞれは単位フレネルレンズである構成としてもよい。
【００２６】前記光線方向変換素子はホログラフィック素子であり、前記複数の単位変換素子のそれぞれは単位ホログラフィック素子であってもよい。
【００２７】前記光線方向変換素子は回折素子であり、前記複数の単位変換素子のそれぞれは単位回折素子であってもよい。
【００２８】前記光線方向変換素子はフレネルレンズであって、前記複数の単位変換素子のそれぞれは、複数のプリズム面を有する単位フレネルレンズであり、前記複数のプリズム面は、前記第１変換領域に、前記単位フレネルレンズの光軸に対して傾斜した第１および第２プリズム面を有し、前記少なくとも１つの隣接する光源から前記第１変換領域に入射した光線の少なくとも一部は、前記第１プリズム面において屈折されることによって前記所定の方向に向けられ、前記対応する光源から前記第１変換領域に入射した光線の少なくとも一部は、前記第２プリズム面において屈折されることによって前記所定の方向に向けられる構成としてもよい。
【００２９】前記複数のプリズム面は、前記単位フレネルレンズの前記対応する光源から遠い側の面に形成されており、前記単位フレネルレンズの光軸から距離ｘの位置において、前記第１プリズム面が前記単位フレネルレンズの光軸に対して形成する角度をθ1、前記第２プリズム面が前記単位フレネルレンズの光軸に対して形成する角度をθ2、前記単位フレネルレンズの焦点距離をｆ、隣接する光源間の距離をｓ、周囲の媒質に対する前記単位フレネルレンズの相対屈折率をｎとするとき、θ1およびθ2が、 θ1＝tan-1([{n2f2+(n2-1)(s-x)2}1/2-{f2+(s-x)2}1/2]/(s-x)) (1) θ2＝tan-1([{n2f2+(n2-1)x2}1/2-(f2+x2)1/2]/x) (2)の関係を満足することが好ましい。
【００３０】あるいは、前記複数のプリズム面は、前記単位フレネルレンズの前記対応する光源に近い側の面に形成されている構成においては、前記単位フレネルレンズの光軸から距離ｘの位置において、前記第１プリズム面が前記単位フレネルレンズの光軸に対して形成する角度をθ1、前記第２プリズム面が前記単位フレネルレンズの光軸に対して形成する角度をθ2、前記単位フレネルレンズの焦点距離をｆ、隣接する光源間の距離をｓ、周囲の媒質に対する前記単位フレネルレンズの相対屈折率をｎとするとき、θ1およびθ2が、 θ1＝tan-1([n{f2+(s-x)2}1/2-f]/(s-x)) (3) θ2＝tan-1[{n(f2+x2)1/2-f}/x] (4)の関係を満足することが好ましい。
【００３１】前記光線方向変換素子はフレネルレンズであって、前記複数の単位変換素子のそれぞれは、複数のプリズム面を有する単位フレネルレンズであり、前記複数のプリズム面は、前記第１変換領域に、前記単位フレネルレンズの光軸に対して傾斜した第１および第２プリズム面を有し、前記少なくとも１つの隣接する光源から前記第１変換領域に入射した光線の少なくとも一部は、前記第２プリズム面において屈折されたあと前記第１プリズム面によって反射されることによって前記所定の方向に向けられ、前記対応する光源から前記第１変換領域に入射した光線の少なくとも一部は、前記第１プリズム面において屈折させることによって前記所定の方向に向けられる構成としてもよい。
【００３２】前記複数のプリズム面は、前記単位フレネルレンズの前記対応する光源に近い側の面に形成されており、前記単位フレネルレンズの光軸から距離ｘの位置において、前記第１プリズム面が前記単位フレネルレンズの光軸に対して形成する角度をθ1、前記第２プリズム面が前記単位フレネルレンズの光軸に対して形成する角度をθ2、前記単位フレネルレンズの焦点距離をｆ、隣接する光源間の距離をｓ、周囲の媒質に対する前記単位フレネルレンズの相対屈折率をｎとするとき、θ1およびθ2が、 θ1＝(cos-1[{f・cosθ2-(s-x)sinθ2}/n{f2+(s-x)2}1/2]-θ2)/2 (5) θ2＝tan-1[{n(f2+x2)1/2-f}/x] (6)の関係を満足することが好ましい。
【００３３】前記光線方向変換素子はフレネルレンズであって、前記複数の単位変換素子のそれぞれは、複数のプリズム面を有する単位フレネルレンズであり、前記複数のプリズム面は、前記第１変換領域に、前記単位フレネルレンズの光軸に対して傾斜した第１および第２プリズム面を有し、前記少なくとも１つの隣接する光源から前記第１変換領域に入射した光線の少なくとも一部は、前記第２プリズム面において屈折されたあと前記第１プリズム面によって反射されることによって前記所定の方向に向けられ、前記対応する光源から前記第１変換領域に入射した光線の少なくとも一部は、前記第１プリズム面において屈折されたあと前記第２プリズム面で反射されることによって前記所定の方向に向けられる構成としてもよい。
【００３４】前記複数のプリズム面は、前記単位フレネルレンズの前記対応する光源に近い側の面に形成されており、前記単位フレネルレンズの光軸から距離ｘの位置において、前記第１プリズム面が前記単位フレネルレンズの光軸に対して形成する角度をθ1、前記第２プリズム面が前記単位フレネルレンズの光軸に対して形成する角度をθ2、前記単位フレネルレンズの焦点距離をｆ、隣接する光源間の距離をｓ、周囲の媒質に対する前記単位フレネルレンズの相対屈折率をｎとするとき、θ1およびθ2が、 θ1＝(cos-1[{f・cosθ2-(s-x)sinθ2}/n{f2+(s-x)2}1/2]-θ2)/2 (7) θ2＝(cos-1[{f・cosθ1-x・sinθ1}/n{f2+x2}1/2]-θ1)/2 (8)の関係を満足することが好ましい。
【００３５】前記光線方向変換素子はフレネルレンズであって、前記複数の単位変換素子のそれぞれは、複数のプリズム面を有する単位フレネルレンズであり、前記複数のプリズム面は、前記第１変換領域に、前記単位フレネルレンズの光軸に対して傾斜した第１、第２、第３および第４プリズム面を有し、前記少なくとも１つの隣接する光源から前記第１変換領域に入射した光線の一部は、前記第２プリズム面において屈折されたあと前記第１プリズム面によって反射されることによって前記所定の方向に向けられ、他の一部は、前記第４プリズム面において屈折されたあと前記第３プリズム面によって反射されることによって前記所定の方向に向けられ、前記対応する光源から前記第１変換領域に入射した光線の一部は、前記第１プリズム面において屈折させることによって前記所定の方向に向けられ、他の一部は、前記第３プリズム面において屈折されたあと前記第４プリズム面で反射されることによって前記所定の方向に向けられ、前記単位フレネルレンズの光軸から距離ｘの位置において、前記第１プリズム面が前記単位フレネルレンズの光軸に対して形成する角度をθ1、前記第２プリズム面が前記単位フレネルレンズの光軸に対して形成する角度をθ2、前記第３プリズム面が前記単位フレネルレンズの光軸に対して形成する角度をθ3、前記第４プリズム面が前記単位フレネルレンズの光軸に対して形成する角度をθ4、前記単位フレネルレンズの焦点距離をｆ、隣接する光源間の距離をｓ、周囲の媒質に対する前記単位フレネルレンズの相対屈折率をｎとするとき、θ1、θ2、θ3およびθ4が、 θ1＝(cos-1[{f・cosθ2-(s-x)sinθ2}/n{f2+(s-x)2}1/2]-θ2)/2 (9) θ2＝tan-1[{n(f2+x2)1/2-f}/x] (10) θ3＝(cos-1[{f・cosθ4-(s-x)sinθ4}/n{f2+(s-x)2}1/2]-θ4)/2 (11) θ4＝(cos-1[{f・cosθ3-x・sinθ3}/n{f2+x2}1/2]-θ3)/2 (12)の関係を満足することが好ましい。
【００３６】前記第１および第２プリズム面は、前記第３および第４プリズム面よりも、前記単位フレネルレンズの光軸に近い領域に設けられていることが好ましい。
【００３７】前記単位フレネルレンズは、前記対応する光源から入射した光線だけを前記所定の方向に向ける第２変換領域をさらに有し、前記複数のプリズム面は、前記第２変換領域に、前記単位フレネルレンズの光軸に対して略平行な面と傾斜した面とを有し、前記対応する光源から前記第２変換領域に入射した光線は、前記傾斜した面において屈折されることによって前記所定の方向に向けられる構成としてもよい。
【００３８】前記第２変換領域は、前記第１変換領域よりも前記単位フレネルレンズの光軸に近い位置に設けられていることが好ましい。
【００３９】本発明による表示装置は、上記のいずれかの照明装置と、前記照明装置から出射される光を表示に用いる表示素子とを備えており、そのことによって上記目的が達成される。
【００４０】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら、まず、本発明による実施形態の照明装置の構造と機能を説明する。
【００４１】図１は、本発明による実施形態の照明装置１０の構造を模式的に示す断面図である。照明装置１０は、光源装置１１と、光源装置１１から出射された光線の進行方向を所定の方向に向ける光線方向変換素子１２とを備える。光源装置１１は複数の光源１１ａ、１１ｂおよび１１ｃを含み、光線方向変換素子１２は複数の単位変換素子１２ａ、１２ｂおよび１２ｃを含む。単位変換素子１２ａ、１２ｂおよび１２ｃのそれぞれは、光源１１ａ、１１ｂおよび１１ｃのそれぞれに対応して設けられている。光源１１ａ、１１ｂおよび１１ｃは、それぞれ対応する単位変換素子１２ａ、１２ｂおよび１２ｃのそれぞれの光軸ＯＸ上に配置されている。なお、以下では、複数の光源１１ａ、１１ｂ、１１ｃ・・・を代表して光源１１ａで表し、複数の単位変換素子１２ａ、１２ｂ、１２ｃ・・・を単位変換素子１２ａで代表することにする。
【００４２】光源１１ａは図１の紙面に垂直な方向に伸びる線状の光源であり、例えば蛍光管である。なお、光源１１ａは蛍光管に限られず、例えば、線状に配置したＬＥＤであってもよい。さらに、複数の光源１１ａはそれぞれ独立した光源である必要はなく、例えば、光源装置１１が導光板であって、それぞれの光源１１ａが、導光体の一部であってもよい。但し、複数の光源１１ａのそれぞれから出射される光は、図１の紙面の面内に拡散する光である。
【００４３】複数の単位変換素子１２ａのそれぞれは、対応する光源１１ａから入射した光線および対応する光源１１ａ以外の少なくとも１つの光源（１１ｂおよび１１ｃ）から入射した光線とを所定の方向に向ける第１変換領域Ｍを有している。図１に示した単位変換素子１２ａに着目すると、単位変換素子１２ａは、光源１１ａから入射した光線と、光源１１ａの両側に隣接する光源１１ｂおよび１１ｃのそれぞれから入射した光線とを所定の方向に向ける第１変換領域Ｍを有している。単位変換素子１２ａの第１変換領域Ｍは、典型的には、図１に示したように、単位変換素子１２ａ内の、隣接する単位変換領域１２ｂおよび１２ｃに近い側に形成されている。
【００４４】このように、照明装置１０の光線方向変換素子１２が有する複数の単位変換素子１２ａのそれぞれは、対応する光源１１ａから入射した光線および対応する光源１１ａ以外の少なくとも１つの光源（１１ｂおよび／または１１ｃ）から入射した光線とを所定の方向に向ける第１変換領域Ｍを有しているので、光源１１ａと光源１１ｂおよび／または１１ｃとの特性（光の色調や輝度）が異なっていても、第１変換領域Ｍによって光源１１ａと１１ｂまたは１１ｃとの間の特性の違いが平均化される。その結果、照明装置１０からの照明光の強度の分布（図１の水平方向における）には、光源１１ａと１１ｂまたは１１ｃとの境界（あるいは、単位変換素子１２ａと１２ｂまたは１２ｃとの境界）が現れず、比較的均一な強度分布となる。照明装置１０が出射する照明光は典型的には平行光であり、その方向は、照明装置１０の出射面１２Ｅに垂直な方向である。従って、図１の例では、照明装置１０の光線方向変換素子１２の出射面１２Ｅに垂直な方向が「所定の方向」ということになる。
【００４５】なお、図１では、複数の単位変換素子１２ａのそれぞれが、両側に第１変換領域Ｍを有する例を示しているが、少なくとも一方に第１変換領域Ｍを有しておればよい。また、単位変換素子１２ａの第１変換領域Ｍは、対応する光源１１ａに隣接する光源１１ｂおよび１１ｃからの光線を所定の方向に変換するものに限られず、他の光源からの光線を所定の方向に向けるものであってもよい。さらに、第１変換領域Ｍは、単位変換素子１２ａの両側（隣接する単位変換素子１２ｂおよび／または１２ｃに隣接する領域）に形成される必要は必ずしも無い。
【００４６】また、単位変換素子１２ａは、上述した第１変換領域Ｍに加えて、対応する光源１１ａから入射した光線だけを所定の方向に向ける第２変換領域Ｓをさらに有してもよい。図１に示したように、第２変換領域Ｓは、単位変換素子１２ａの光軸ＯＸに近い位置に設けられることが好ましい。すなわち、典型的には、単位変換素子１２ａの両端に形成された２つの第１変換領域Ｍの間に設けられる。このような構成においても、照明装置１０からの照明光の強度の分布（図１の水平方向における）は連続的であり、境界は現れない。もちろん、単位変換素子１２ａに第２変換領域Ｓを設けず、単位変換素子１２ａを第１変換領域Ｍだけから構成してもよい。
【００４７】典型的には、すべての単位変換素子１２ａは実質的に同じ構成を有するが、例えば、照明装置１０の両端の光源１１ａに対応する単位変換素子１２ａは、それぞれ１つの単位変換素子１２ａとしか隣接しないので、隣接する単位変換素子１２ａの側にのみ第１変換領域Ｍを設ける構成としてもよい。
【００４８】いずれの場合にも、複数の単位変換素子１２ａは、それぞれが独立した素子である必要はなく、一体に形成されていてもよい。例えば、図１に示したように、光線方向変換素子１２はフレネルレンズであって、複数の単位変換素子１２ａのそれぞれは単位フレネルレンズ１２ａであってもよい。あるいは、光線方向変換素子１２はホログラフィック素子であって、複数の単位変換素子１２ａのそれぞれは単位ホログラフィック素子であってもよい。さらに、光線方向変換素子１２は回折素子であり、複数の単位変換素子１２ａのそれぞれは単位回折素子であってもよい。
【００４９】以下、フレネルレンズを用いて構成された光線方向変換素子１２を備える照明装置の構造および機能を説明する。まず、フレネルレンズを用いて構成された光線方向変換素子１２が有する第１変換領域Ｍの構造と機能を説明するために、第１変換領域Ｍだけを有するフレネルレンズを備える照明装置の構造と機能を説明する。
【００５０】図２に示した照明装置２０は、複数の光源１１ａと、それぞれが第１変換領域Ｍを有する複数の単位フレネルレンズ２２ａとを有している。単位フレネルレンズ２２ａのそれぞれの光軸ＯＸ上に光源１１ａが配置されている。単位フレネルレンズ２２ａは、光源１１ａからの光を受ける面（受光面）２２Ｒが平坦で、出射面２２Ｅに複数のプリズム面を有している。すなわち、単位フレネルレンズ２２ａは、光源１１ａから遠い側の面２２Ｅに複数のプリズム面を有している。
【００５１】図３（ａ）および（ｂ）を参照しながら、単位フレネルレンズ２２ａの構造および機能をさらに詳しく説明する。
【００５２】出射面２２Ｅに形成されている複数のプリズム面は、第１変換領域Ｍに、単位フレネルレンズ２２ａの光軸ＯＸに対して傾斜した第１プリズム面Ｐ１および第２プリズム面Ｐ２を有している。単位フレネルレンズ２２ａに対応する光源１１ａに隣接する光源（図１中の光源１１ｂまたは１１ｃ）から単位フレネルレンズ２２ａの第１変換領域Ｍに入射した光線の少なくとも一部は、第１プリズム面Ｐ１において屈折されることによって所定の方向に向けられ、対応する光源１１ａから第１変換領域Ｍに入射した光線の少なくとも一部は、第２プリズム面Ｐ２において屈折されることによって所定の方向に向けられるように、第１プリズム面Ｐ１および第２プリズム面Ｐ２のそれぞれの傾斜角が設定されている。このようなプリズム面を有するプリズムを屈折／屈折型プリズムと呼ぶことにする。
【００５３】第１プリズム面Ｐ１および第２プリズム面Ｐ２はそれぞれ複数の存在し、交互の互いに隣接して配置されており、第１プリズム面Ｐ１と第２プリズム面Ｐ２との交線がプリズム面の稜線を形成する。また、第１プリズム面Ｐ１および第２プリズム面Ｐ２の傾斜角θ1およびθ2は、それぞれのプリズム面Ｐ１およびＰ２の光軸ＯＸからの位置によって異なる。
【００５４】プリズム面Ｐ１およびＰ２の傾斜角θ1およびθ2は、それぞれ図２の紙面の面内（すなわち、プリズムの稜線に垂直な面内）における光軸ＯＸに対する角度として規定される。図３（ａ）からわかるように、単位フレネルレンズ２２ａの光軸ＯＸから距離ｘの位置における傾斜角θ1およびθ2が下記の式（１）および（２）を満足するとき、光源からの光線は単位フレネルレンズ２２ａの光軸ＯＸに平行な方向に向けられるため、高い指向性の照明光が得られる。なお、下記の式において、単位フレネルレンズ２２ａの焦点距離をｆ、隣接する光源１１ａ間の距離をｓ、周囲の媒質に対する単位フレネルレンズの相対屈折率をｎとする。典型的には、フレネルレンズの周囲の媒体は空気であり、相対屈折率ｎは、フレネルレンズの屈折率ｎ0と一致する。これらのパラメータｆ、ｓおよびｎの定義は、以下で説明する構成においても共通である。
【００５５】
θ1＝tan-1([{n2f2+(n2-1)(s-x)2}1/2-{f2+(s-x)2}1/2]/(s-x)) (1) θ2＝tan-1([{n2f2+(n2-1)x2}1/2-(f2+x2)1/2]/x) (2)なお、光源１１ａから単位フレネルレンズ２２ａまで距離に対し、単位フレネルレンズ２２ａの厚さは十分に小さいので、図２においては、簡単のために、単位フレネルレンズ２２ａの受光面２２Ｒと光源１１ａとの距離が単位フレネルレンズ２２ａ焦点距離ｆと一致するとして示している。以下の構成においても、同様の近似を用いる。
【００５６】図２および図３（ａ）に示した単位フレネルレンズ２２ａを備えるフレネルレンズ２２に代えて、図３（ｂ）に示す単位フレネルレンズ２２’ａを備えるフレネルレンズを用いることができる。
【００５７】図３（ｂ）に示した単位フレネルレンズ２２’ａは、出射面２２’Ｅは実質的に平坦で、受光面２２’Ｒに第１プリズム面Ｐ１および第２プリズム面Ｐ２を有しており、この単位フレネルレンズ２２’ａにおいて、第１プリズム面Ｐ１および第２プリズム面Ｐ２のそれぞれの傾斜角θ１およびθ２が下記の式（３）および（４）を満足するとき、光源からの光線は単位フレネルレンズ２２’ａの光軸ＯＸに平行な方向に向けられるため、高い指向性の照明光が得られる。
【００５８】
θ1＝tan-1([n{f2+(s-x)2}1/2-f]/(s-x)) (3) θ2＝tan-1[{n(f2+x2)1/2-f}/x] (4)次に、図４および図５を参照しながら、本発明による他の照明装置３０の構成と機能を説明する。
【００５９】図４に示した照明装置３０は、複数の光源１１ａと、それぞれが第１変換領域Ｍを有する複数の単位フレネルレン３２ａとを有している。単位フレネルレンズ３２ａのそれぞれの光軸ＯＸ上に光源１１ａが配置されている。単位フレネルレンズ３２ａは、光源１１ａからの光を受ける面（受光面）３２Ｒに複数のプリズム面を有しており、出射面２２Ｅが平坦である。
【００６０】受光面３２Ｒに形成されている複数のプリズム面は、第１変換領域Ｍに、単位フレネルレンズ３２ａの光軸ＯＸに対して傾斜した第１プリズム面Ｐ１および第２プリズム面Ｐ２を有している。単位フレネルレンズ３２ａに対応する光源１１ａに隣接する光源（図１中の光源１１ｂまたは１１ｃ）から単位フレネルレンズ３２ａの第１変換領域Ｍに入射した光線の少なくとも一部は、第２プリズム面Ｐ２において屈折されたあと第１プリズム面Ｐ１によって反射されることによって所定の方向に向けられ、対応する光源１１ａから第１変換領域Ｍに入射した光線の少なくとも一部は、第１プリズム面Ｐ１において屈折されることによって所定の方向に向けられるように、第１プリズム面Ｐ１および第２プリズム面Ｐ２のそれぞれの傾斜角が設定されている。このようなプリズム面を有するプリズムを反射／屈折型プリズムと呼ぶことにする。
【００６１】図５から分かるように、この単位フレネルレンズ３２ａにおいて、第１プリズム面Ｐ１および第２プリズム面Ｐ２のそれぞれの傾斜角θ１およびθ２が下記の式（５）および（６）を満足するとき、光源からの光線は単位フレネルレンズ３２ａの光軸ＯＸに平行な方向に向けられるため、高い指向性の照明光が得られる。
【００６２】
θ1＝(cos-1[{f・cosθ2-(s-x)sinθ2}/n{f2+(s-x)2}1/2]-θ2)/2 (5) θ2＝tan-1[{n(f2+x2)1/2-f}/x] (6)次に、図６および図７を参照しながら、本発明によるさらに他の照明装置４０の構成と機能を説明する。
【００６３】図６に示した照明装置４０は、複数の光源１１ａと、それぞれが第１変換領域Ｍを有する複数の単位フレネルレン４２ａとを有している。単位フレネルレンズ４２ａのそれぞれの光軸ＯＸ上に光源１１ａが配置されている。単位フレネルレンズ４２ａは、光源１１ａからの光を受ける面（受光面）４２Ｒに複数のプリズム面を有しており、出射面２２Ｅが平坦である。
【００６４】受光面４２Ｒに形成されている複数のプリズム面は、第１変換領域Ｍに、単位フレネルレンズ４２ａの光軸ＯＸに対して傾斜した第１プリズム面Ｐ１および第２プリズム面Ｐ２を有している。単位フレネルレンズ４２ａに対応する光源１１ａに隣接する光源（図１中の光源１１ｂまたは１１ｃ）から単位フレネルレンズ４２ａの第１変換領域Ｍに入射した光線の少なくとも一部は、第２プリズム面Ｐ２において屈折されたあと第１プリズム面Ｐ１によって反射されることによって所定の方向に向けられ、対応する光源１１ａから第１変換領域Ｍに入射した光線の少なくとも一部は、第１プリズム面Ｐ１において屈折されたあと第２プリズム面Ｐ２で反射されることによって所定の方向に向けられるように、第１プリズム面Ｐ１および第２プリズム面Ｐ２のそれぞれの傾斜角が設定されている。このようなプリズム面を有するプリズムを反射／反射型プリズムと呼ぶことにする。
【００６５】図７から分かるように、この単位フレネルレンズ４２ａにおいて、第１プリズム面Ｐ１および第２プリズム面Ｐ２のそれぞれの傾斜角θ１およびθ２が下記の式（７）および（８）を満足するとき、光源からの光線は単位フレネルレンズ４２ａの光軸ＯＸに平行な方向に向けられるため、高い指向性の照明光が得られる。
【００６６】
θ1＝(cos-1[{f・cosθ2-(s-x)sinθ2}/n{f2+(s-x)2}1/2]-θ2)/2 (7) θ2＝(cos-1[{f・cosθ1-x・sinθ1}/n{f2+x2}1/2]-θ1)/2 (8)なお、上述した反射／屈折型と反射／反射型との両方を単位フレネルレンズに形成する場合には、後述するように、反射／反射型プリズムを単位フレネルレンズの境界近傍に形成し、反射／屈折型プリズムを単位フレネルレンズの光軸の近傍に形成することが好ましい。
【００６７】ここで、単位フレネルレンズが有する複数のプリズム面が、第１変換領域Ｍに、単位フレネルレンズの光軸ＯＸに対して傾斜した第１、第２、第３および第４プリズム面を有し、少なくとも１つの隣接する光源から第１変換領域に入射した光線の一部は、第２プリズム面において屈折されたあと第１プリズム面によって反射されることによって所定の方向に向けられ、他の一部は、第４プリズム面において屈折されたあと第３プリズム面によって反射されることによって所定の方向に向けられ、且つ、対応する光源から第１変換領域Ｍに入射した光線の一部は、第１プリズム面において屈折させることによって所定の方向に向けられ、他の一部は、第３プリズム面において屈折されたあと第４プリズム面で反射されることによって所定の方向に向けられるとする。すなわち、第１プリズム面および第２プリズム面が反射／屈折型プリズムを形成しており、第３プリズム面および第４プリズム面が反射／反射型プリズムを形成しているとする。
【００６８】そして、単位フレネルレンズの光軸ＯＸから距離ｘの位置において、第１プリズム面が単位フレネルレンズの光軸に対して形成する角度をθ1、第２プリズム面が単位フレネルレンズの光軸に対して形成する角度をθ2、第３プリズム面が単位フレネルレンズの光軸に対して形成する角度をθ3、第４プリズム面が単位フレネルレンズの光軸に対して形成する角度をθ4とするとき、θ1、θ2、θ3およびθ4が、 θ1＝(cos-1[{f・cosθ2-(s-x)sinθ2}/n{f2+(s-x)2}1/2]-θ2)/2 (9) θ2＝tan-1[{n(f2+x2)1/2-f}/x] (10) θ3＝(cos-1[{f・cosθ4-(s-x)sinθ4}/n{f2+(s-x)2}1/2]-θ4)/2 (11) θ4＝(cos-1[{f・cosθ3-x・sinθ3}/n{f2+x2}1/2]-θ3)/2 (12)の関係を満足するようにそれぞれの角度を設定することによって、高指向性の照明光を得ることができる。
【００６９】次に、図１、図８（ａ）および図８（ｂ）を参照しながら、単位フレネルレンズ１２ａが有する第２変換領域Ｓの構造と機能を説明する。なお、単位フレネルレンズ１２ａが有する第１変換領域Ｍは、上述の屈折／屈折型プリズム（図２）、反射／屈折型プリズム（図４）および反射／反射型プリズム（図６）のいずれか１つまたはこれらの組み合わせによって構成され得る。
【００７０】単位フレネルレンズ１２ａの第２変換領域Ｓは、対応する光源１１ａから入射した光線だけを所定の方向に向ける。第２変換領域Ｓは、図８（ａ）に示したように、単位フレネルレンズ１２ａの光軸ＯＸに対して略平行な面ＰＰと傾斜した面ＰＩとを有し、対応する光源１１ａから第２変換領域Ｓに入射した光線は、傾斜した面ＰＩにおいて屈折されることによって所定の方向に向けられる。このようなプリズム面を有するプリズムを屈折型プリズムと呼ぶことにする。なお、光軸ＯＸに平行な面ＰＰと傾斜した面ＰＩとを有するプリズムは、従来のフレネルレンズに形成されたプリズムと同様のものである。
【００７１】図８（ａ）に示したように、プリズム面が受光面１２Ｒに形成されている場合には、単位フレネルレンズ１２ａの光軸ＯＸからxの距離に形成された傾斜した面ＰＩの傾斜角θが下記の式（１３）を満足するとき、光源からの光線は単位フレネルレンズ１２ａの光軸ＯＸに平行な方向に向けられるため、高い指向性の照明光が得られる。
【００７２】
θ≒tan-1[{n(f2+x2)1/2-f}/x] (13)単位フレネルレンズ１２ａに代えて、図８（ｂ）に示したような屈折型プリズムが出射面１２Ｅに形成された単位フレネルレンズ１２’ａを用いてもよい。この場合には、単位フレネルレンズ１２’ａの光軸ＯＸからxの距離に形成された傾斜した面ＰＩの傾斜角θが下記の式（１４）を満足するとき、光源からの光線は単位フレネルレンズ１２’ａの光軸ＯＸに平行な方向に向けられるため、高い指向性の照明光が得られる。
【００７３】
θ≒tan-1([{n2f2+(n2-1)x2}1/2-(f2+x2)1/2]/x) (14)図９および図１０を参照しながら、上述した屈折型プリズム、反射／屈折型プリズムおよび反射／反射型プリズムをそれぞれ用いた照明装置の照明光の指向性を説明する。図９および図１０は、シミュレーションの結果であり、下記の構成を有する照明装置を想定した。図９は、単位フレネルレンズの光軸ＯＸの位置で出射する照明光の強度（例えば輝度）を出射角ごとに測定した結果に対応する。また、図１０は、単位フレネルレンズの光軸ＯＸと平行な方向に出射する照明光の強度（例えば輝度）を光軸ＯＸからの距離ごとに測定した結果に対応する。
【００７４】それぞれの照明装置においては、プリズム面が光源と対向する側の面に形成されたフレネルレンズを用いる。また、フレネルレンズが有する個々の単位フレネルレンズの焦点距離ｆは隣接する光源間の距離ｓの１／２（ｆ＝ｓ／２）とし、フレネルレンズの材質としては屈折率ｎ0が１．４９の透明なアクリル樹脂を用いる。それぞれの照明装置において、フレネルレンズの周囲の媒体は空気であり、それぞれのプリズム面におけるフレネルレンズの相対屈折率ｎは、フレネルレンズの屈折率ｎ0に等しい（ｎ＝１．４９）とする。また、拡散光源としての冷陰極管の直径は２．６ｍｍとし、焦点距離ｆは１９ｍｍ、隣接する光源間の距離ｓは３８ｍｍとする。
【００７５】図９から分かるように、いずれの照明装置についても、照明光の指向性は全角で±５°程度と非常に高指向性であることがわかる。すなわち、屈折型プリズム、反射／屈折型プリズムおよび反射／反射型プリズムのいずれが形成されたフレネルレンズも、光線の進行方向を所定の方向に十分に制御していることがわかる。
【００７６】また、図１０から、単位フレネルレンズの光軸の近傍では、光源からの光線の進行方向は、屈折型プリズムまたは反射／屈折型プリズムによって効率よく制御され、正面方向に照明光が多く照射されることがわかる。一方、光軸から離れた隣接する単位フレネルレンズとの境界近傍では、反射／反射型プリズムによって光線の進行方向が効率よく制御され、正面方向に照明光が多く照射されることがわかる。なお、屈折／屈折型プリズムを第１変換領域に形成すれば、隣接する２つの光源からの光線の進行方向を制御することは可能であるが、上述の条件では、正面方向に照射される照明光の強度は非常に小さい。
【００７７】従って、単位フレネルレンズの光軸近傍には第２変換領域を構成する屈折型プリズムを形成し、境界近傍には第１変換領域を構成する反射／反射型プリズムを形成することによって光源からの光線の進行方向を有効に制御することができ、正面方向（単位フレネルレンズの光軸に平行）に効率よく照明光が照射される。さらに、反射／反射型プリズムが形成された第１変換領域からは、単位フレネルレンズに対応した光源からの光線と隣接する光源からの光線が混合されて照射されるため、隣接する光源の輝度や色調などが互いに異なっていても、単位フレネルレンズの境界が観察されることなく、均一な照明光を得ることができる。
【００７８】同様に、単位フレネルレンズの光軸近傍には第１変換領域を構成する反射／屈折型プリズムを形成し、境界近傍には第１変換領域を構成する反射／反射型プリズムを形成することによって光源からの光の進行方向を有効に制御することができる。このような構成を採用すると、単位フレネルレンズが第１変換領域のみで構成されるため、第２変換領域を有する構成に比べ、さらに単位フレネルレンズの境界が認識されにくくなり、均一な照明光を得ることができる。
【００７９】ここで、図１０の結果から、上記の条件（ｆ＝ｓ／２、ｎ＝１．４９）においては、屈折型プリズムは光軸からの距離が０．２ｓの位置より内側に、反射／反射型プリズムは光軸からの距離が０．２ｓの位置より外側に形成することが望ましく、同様に、反射／屈折型プリズムは光軸からの距離が０．２ｓの位置より内側に、反射／反射型プリズムは光軸からの距離が０．２ｓの位置より外側に形成することが望ましいことが分かる。
【００８０】但し、それぞれのプリズムの配置は単位フレネルレンズの焦点距離ｆ、光源間の距離ｓ、およびフレネルレンズに形成されるプリズムの屈折率ｎに応じて、適宜設定され得る。特に、照射強度の均一性の観点からは、ｆに対してｓを小さくすることが好ましい。例えば、上述したように、ｆ＝ｓ／２、ｎ＝１．４９の場合には、光軸からの距離が０．２ｓの位置で区切ることによって、照明光強度の最小値を最大値の６０％程度とすることができるが（例えば図１４および図１７参照）が、ｆ＞ｓ／２とすることによって照明光の最小値をさらに大きくすることができる。逆に、ｆ＜ｓ／２とすると、最小値は最大値の６０％以下となり、照明光の強度分布が大きくなる。従って、照明光に許容される強度の均一性に応じて、ｆ、ｓおよびｎのそれぞれの値を適宜設定すればよい。
【００８１】上述した照明装置は、液晶表示装置のバックライトとして使用することができる。本発明による照明装置は、指向性の高い照明光を照射する照明装置であるので、例えば、上述の特開平２−１１８５１８号公報に記載されているような液晶表示装置のバックライトとして用いることによって広視野角特性を実現することができる。
【００８２】また、液晶表示装置に用いられる照明装置は、偏光分離機能を有することによって、光の利用効率を向上することができる。例えば、上述の照明装置の出射面側に、液晶素子に照射する偏光を透過する一方この偏光と直交する偏光を反射する偏光分離素子を設けることによって、偏光分離機能を備えた照明装置が得られる。このような偏光分離素子として、例えば、住友スリーエム株式会社製のＤＢＥＦが挙げられる。
【００８３】以下に、本発明による具体的な実施形態を説明する。
【００８４】図１１に示す本発明による実施形態の液晶表示装置１００は、照明装置（バックライト）と、照明装置１１０からの照明光を受ける液晶表示素子１２０と、液晶表示素子１２０の観察者側に設けられた光拡散素子１３０とを備えている。
【００８５】照明装置１１０は、等間隔に配置された複数の線状光源１１１と、線状光源１１１の背面（液晶表示素子１２０とは反対側）に設けれた反射シート１１２と、フレネルレンズ１１３とを有している。
【００８６】フレネルレンズ１１３は、複数の単位フレネルレンズ１１３ａを有し、１つの単位フレネルレンズ１１３ａが１つの線状光源１１１に対応するように配列されており、それぞれの単位フレネルレンズ１１３ａは、線状光源１１１に平行に直線状に形成される。すなわち、単位フレネルレンズ１１３ａが有する複数のプリズムの稜線は線状光源１１１に平行に延びている。それぞれの線状光源１１１は、それぞれ対応する単位フレネルレンズ１１３ａの焦点（正確には焦線）近傍に配置されており、線状光源１１１から出射された光線（拡散光）は、単位フレネルレンズ１１３ａによって進行方向が制御され、正面方向に高指向性の照明光が照射される。反射シート１１２は線状光源１１１からの光をフレネルレンズ１１３に向かって反射し、そのことによって、光の利用効率が向上する。線状光源１１１の種類によっては、反射シート１１２を省略することができる。
【００８７】次に、図１２を参照しながら、フレネルレンズ１１３の構造と機能を説明する。
【００８８】フレネルレンズ１１３は、光源１１１に近い側の面（受光面）にプリズム面が形成されており、単位フレネルレンズ１１３ａに隣接する単位フレネルレンズ１１３ａとの境界近傍には第１変換領域Ｍが形成されており、単位フレネルレンズ１１３ａの光軸ＯＸの近傍には第２変換領域Ｓが形成されている。単位フレネルレンズ１１３ａの第１変換領域Ｍは反射／反射型プリズムで構成されており、第２変換領域Ｓは屈折型プリズムで構成されている。
【００８９】反射／反射型プリズムは、上述した式（７）および（８）に従って、第１プリズム面Ｐ１の第１傾斜角θ1および第２プリズム面Ｐ２の傾斜角θ2をそれぞれ求めた。また、屈折型プリズムは、上述した式（１３）および（１４）に従って、単位フレネルレンズ１１３ａの光軸ＯＸに対して傾斜した面の傾斜角θを設定した。
【００９０】本実施形態においては、単位フレネルレンズ１１３ａの焦点距離ｆを１９ｍｍとした。また、照明領域が４００ｍｍ×３００ｍｍの照明装置１１０を構成するために、線状光源１１１として発光長が４００ｍｍの冷陰極管を互いに平行に８本配置し、隣接する冷陰極管の間隔ｓを３８ｍｍとした。フレネルレンズ１１３の材質として屈折率ｎが１．４９のアクリル樹脂を用い、熱プレス法で形成した。フレネルレンズ１１３には、８個の単位フレネルレンズ１１３ａが一体に形成されている。また、単位フレネルレンズ１１３ａの光軸ＯＸからの距離ｘが０．２ｓ、すなわち７．６ｍｍの位置より光軸ＯＸに近い側に第２変換領域Ｓ（屈折型プリズム）を形成し、遠い側に第１変換領域Ｍ（反射／反射型プリズム）を形成した。
【００９１】照明装置１１０は、上述したように、単位フレネルレンズ１１３ａの光軸ＯＸの近傍に屈折型プリズムが形成されており、隣接する単位フレネルレンズ１１３ａとの境界近傍に反射／反射型プリズムが形成されているので、線状光源１１１からの光線の進行方向を効果的に正面方向に変換することができるとともに、単位フレネルレンズ内で照明光の強度の変化が小さい。すなわち、隣接する光源１１１からの光線と対応する光源１１１からの光線とが第１変換領域で効果的に正面方向に向けられるので、隣接する光源１１１の輝度および／または色調などが互いに異なっていても、照明装置１１０から出射される照明光の輝度および／または色調の変化は滑らかであり、単位フレネルレンズ１１３ａの境界が観察されることがない。
【００９２】照明装置１１０の照明光の指向性を図１３に示し、単位フレネルレンズ１１３ａ内の照明光の強度の変化を図１４に示す。図１３は、単位フレネルレンズ１１３ａの光軸ＯＸの位置で出射する照明光の強度の出射角依存性を示す。また、図１４は、単位フレネルレンズ１１３ａの光軸ＯＸと平行な方向に出射する照明光の強度の光軸ＯＸからの距離に対する依存性を示す。
【００９３】図１３から分かるように、照明装置１１０の照明光は正面方向（単位フレネルレンズ１１３ａの光軸に平行＝出射角度０°）において最大強度を示し、その半値幅は全角で±５°程度と非常に高指向性である。また、図１４から分かるように、単位フレネルレンズ１１３ａ内の照明光の強度は光軸ＯＸにおいて最大値を取るが、単位フレネルレンズ１１３ａの全範囲において、最大値の６０％以上の強度が得られている。
【００９４】図１２に示した照明装置１１０に代えて、図１５に示す照明装置２１０を用いてもよい。
【００９５】照明装置２１０は、フレネルレンズ２１３が有する単位フレネルレンズ２１３ａの構造および機能が単位フレネルレンズ１１３ａと異なる以外は、照明装置１１０と実質的に同じなので、共通する構成要素を同じ参照符号で示し、その説明をここでは省略する。
【００９６】フレネルレンズ２１３は、複数の単位フレネルレンズ２１３ａを有し、１つの単位フレネルレンズ２１３ａが１つの線状光源１１１に対応するように配列されており、それぞれの単位フレネルレンズ２１３ａは、線状光源１１１に平行に直線状に形成されている。すなわち、単位フレネルレンズ２１３ａが有する複数のプリズムの稜線は線状光源１１１に平行に延びている。それぞれの線状光源１１１は、それぞれ対応する単位フレネルレンズ２１３ａの焦点（正確には焦線）近傍に配置されており、線状光源１１１から出射された光線（拡散光）は、単位フレネルレンズ２１３ａによって進行方向が制御され、正面方向に高指向性の照明光が照射される。
【００９７】フレネルレンズ２１３においては、光源１１１に近い側の面（受光面）にプリズム面が形成されており、単位フレネルレンズ２１３ａのすべての領域に亘って第１変換領域Ｍが形成されている。単位フレネルレンズ２１３ａの光軸ＯＸの近傍には第１変換領域Ｍ１が形成されており、単位フレネルレンズ２１３ａに隣接する単位フレネルレンズ２１３ａとの境界近傍には第１変換領域Ｍ２が形成されている。第１変換領域Ｍ１は反射／屈折型プリズムで構成されており、第１変換領域Ｍ２は反射／反射型プリズムで構成されている。
【００９８】ここで、第１変換領域Ｍ１を構成する反射／屈折型プリズムのプリズム面を第１プリズム面および第２プリズム面とし、隣接する光源から第１変換領域Ｍ１に入射した光線は、第２プリズム面において屈折されたあと第１プリズム面によって反射されることによって所定の方向に向けられ、且つ、対応する光源から第１変換領域Ｍ１に入射した光線は、第１プリズム面において屈折させることによって所定の方向に向けられるとする。
【００９９】また、第１変換領域Ｍ２を構成する反射／反射型プリズムのプリズム面を第３プリズム面および第４プリズム面とし、隣接する光源から第１変換領域Ｍ２に入射した光線は、第４プリズム面において屈折されたあと第３プリズム面によって反射されることによって所定の方向に向けられ、且つ、対応する光源から第１変換領域Ｍ２に入射した光線は、第３プリズム面において屈折されたあと第４プリズム面で反射されることによって所定の方向に向けられるとする。
【０１００】上述の様に定義された第１、第２、第３および第４プリズム面が単位フレネルレンズ２１３ａの光軸ＯＸに対して形成する角をそれぞれθ1、θ2、θ3およびθ4とし、上述の式（９）〜（１２）を満足するように、それぞれの角度を設定した。
【０１０１】なお、本実施形態においても、単位フレネルレンズ２１３ａの焦点距離ｆを１９ｍｍとした。また、照明領域が４００ｍｍ×３００ｍｍの照明装置２１０を構成するために、線状光源１１１として発光長が４００ｍｍの冷陰極管を互いに平行に８本配置し、隣接する冷陰極管の間隔ｓを３８ｍｍとした。フレネルレンズ２１３の材質として屈折率ｎが１．４９のアクリル樹脂を用い、熱プレス法で形成した。フレネルレンズ２１３には、８個の単位フレネルレンズ２１３ａが一体に形成されている。また、単位フレネルレンズ２１３ａの光軸ＯＸからの距離ｘが０．２ｓ、すなわち７．６ｍｍの位置より光軸ＯＸに近い側に第１変換領域Ｍ１（反射／屈折型プリズム）を形成し、遠い側に第１変換領域Ｍ２（反射／反射型プリズム）を形成した。
【０１０２】照明装置２１０は、上述したように、単位フレネルレンズ１１３ａの光軸ＯＸの近傍に反射／屈折型プリズムが形成されており、隣接する単位フレネルレンズ２１３ａとの境界近傍に反射／反射型プリズムが形成されているので、線状光源１１１からの光線の進行方向を効果的に正面方向に変換することができるとともに、単位フレネルレンズ内で照明光の強度の変化が小さい。すなわち、隣接する光源１１１からの光線と対応する光源１１１からの光線とが第１変換領域Ｍ（Ｍ１およびＭ２）で効果的に正面方向に向けられるので、隣接する光源１１１の輝度および／または色調などが互いに異なっていても、照明装置２１０から出射される照明光の輝度および／または色調の変化は滑らかであり、単位フレネルレンズ２１３ａの境界が観察されることがない。
【０１０３】照明装置２１０の照明光の指向性を図１６に示し、単位フレネルレンズ２１３ａ内の照明光の強度の変化を図１７に示す。図１６および図１７は、図１３および図１４にそれぞれ対応する。
【０１０４】図１６から分かるように、照明装置２１０の照明光は正面方向（単位フレネルレンズ２１３ａの光軸に平行＝出射角度０°）において最大強度を示し、その半値幅は全角で±５°程度と非常に高指向性である。また、図１７から分かるように、単位フレネルレンズ２１３ａ内の照明光の強度は光軸ＯＸにおいて最大値を取るが、単位フレネルレンズ２１３ａの全範囲において、最大値の６０％以上の強度が得られている。
【０１０５】本実施形態の液晶表示装置１００は、照明装置１１０を備えるので、従来よりも広い視角範囲でコントラスト比、中間調輝度、色調などの変化が少ない画像を提供することができる。
【０１０６】図１１に示したように、液晶表示装置１００が有する液晶表示素子１２０は、照明装置１１０からの高指向性の照明光を受ける。すなわち、液晶表示素子１２０には、その表示面法線方向に高い指向性を持った照明光が照明装置１１０から照射される。液晶表示素子１２０は、照明装置１１０から照射された光を画素毎に表示信号に応じて変調することによって、光の透過率（輝度）を制御する。液晶表示素子１２０を透過した指向性の高い光は、光拡散素子１３０によって拡散される。観察者が観察する画像は、液晶表示素子１２０の法線方向から入射し法線方向に透過した光によって形成されているので、広い視角範囲において、コントラスト比、中間調輝度、色調などの変化が少ない。
【０１０７】光拡散素子１３０として、レンチキュラーレンズフィルムを適用した液晶表示装置１００のコントラスト比の視角による変化を図１８に示す。ここでは、図１１中に模式的に示した光拡散素子１３０のように凸部（ピッチ５５μｍ、高さ２０μｍ）を有するレンチキュラーレンズフィルムを用いた。
【０１０８】図１８から明らかなように、一般的な従来の液晶表示装置（例えば、従来の低指向性の照明装置を備えるＴＮモードの液晶表示装置）は視角によるコントラスト比の変化が急激であるのに対して、本実施形態による照明装置を備える液晶表示装置１００のコントラスト比の変化は緩和されていることがわかる。また、照明装置１１０に代えて照明装置２１０を用いても、液晶表示装置１００とほぼ同様に、従来の液晶表示装置よりも視角特性に優れた表示特性が実現される。
【０１０９】なお、フレネルレンズ１１３を構成する単位フレネルレンズ１１３ａにおいて、光源１１１からの光線の進行方向を効果的に制御するために、第１変換領域Ｍおよび第２変換領域Ｓを形成する位置（ｘの大きさ）は、単位フレネルレンズ１１３ａの焦点距離ｆ、隣接する光源１１１間の距離ｓおよびプリズムの屈折率ｎによって変化するため、これらの値に応じて適宜設定される。また、フレネルレンズ２１３を構成する単位フレネルレンズ２１３ａにおける第１変換領域Ｍ１およびＭ２を形成する位置も、単位フレネルレンズ２１３ａの焦点距離ｆ、隣接する光源１１１間の距離ｓおよびプリズムの屈折率ｎによって変化するため、これらの値に応じて適宜設定される。
【０１１０】単位フレネルレンズに形成されるプリズムは、例示したプリズムに限らず、少なくとも、対応する光源からの光線の進行方向を制御して出射させるとともに、隣接する光源からの光線の進行方向を制御して出射させるプリズムを設ければよい。但し、単位フレネルレンズ１１３ａの様に、対応する光源１１１からの光線の進行方向をだけを制御して出射させるプリズム（単位フレネルレンズ１１３ａにおいては屈折型プリズム）を設ける場合には、単位フレネルレンズの光軸ＯＸの近傍に設けることが好ましい。また、単位フレネルレンズ２１３ａの様に、単位フレネルレンズの全体に亘って、対応する光源からの光線の進行方向を制御して出射させるとともに、隣接する光源からの光線の進行方向を制御して出射させるプリズムを設ける場合には、単位フレネルレンズの光軸ＯＸの近傍には反射／屈折型プリズムを設け、隣接する単位フレネルレンズとの境界近傍には反射／反射型プリズムを設けることが好ましい。なお、反射／屈折型プリズムに代えて、屈折／屈折型プリズムを用いることもできる。但し、屈折／屈折型プリズムを用いる場合は、単位フレネルレンズの焦点距離ｆが隣接光源管距離ｓよりも大きいことが好ましい。屈折／屈折型プリズムは、上述の式（１）および（２）に基づいて設計される。
【０１１１】フレネルレンズは、アクリル樹脂に限られず、公知の様々な透明材料を用いて形成され得る。但し、アクリル樹脂などの透明樹脂は、上述した熱プレス成形法のほかに、射出成形法や押出し成形法などの方法によって簡便に製造でき、且つ、安価で軽量であるので好ましい。
【０１１２】フレネルレンズの代わりに、他の光学素子を用いることも可能できる。例えば、光の回折によって進行方向を制御するホログラム素子に代表される回折素子を利用することができる。また、反射シート１１２としては、本実施形態では平面鏡を例示したが、例えば曲面鏡を用いることもできる。
【０１１３】液晶表示素子１２０の観察者側に設けられる光拡散素子１３０としては、例示したレンチキュラーレンズフィルムに限られず、光を拡散するように種々の形状に加工した光学フィルムや、内部に光を散乱する粒子を分散させた散乱フィルムなどを用いることができる。また、光拡散素子が一体に形成された（例えば、液晶層を挟持する一対の基板の内の観察者側に配置される基板と一体に形成された）液晶表示素子を用いることもできる。
【０１１４】さらに、液晶表示装置用の照明装置として用いる場合には、光の利用効率を向上するために、照明装置の光出射側に特定の偏光を選択的に透過する偏光分離素子を設けてもよい。偏光分離素子としては、例えば、住友スリーエム株式会社製のＤＢＥＦを利用することができる。
【０１１５】
【発明の効果】本発明によると、高い指向性を有するとともに均一な強度分布の照明光を照射する照明装置が提供される。さらに、本発明による照明装置を用いることによって、広視野角特性の表示装置を提供することができる。本発明による照明装置は、特に、液晶表示装置の広視野角化に有効であるが、他の表示装置にも適用することができる。さらに、本発明の照明装置は、複数の光源を用いて均一で且つ嗜好性の高い照明光を得ることができるので、大きなサイズの表示装置に好適に用いられる。
【出願人】 【識別番号】０００００５０４９
【氏名又は名称】シャープ株式会社
【出願日】 平成１３年５月２４日（２００１．５．２４）
【代理人】 【識別番号】１００１０１６８３
【弁理士】
【氏名又は名称】奥田 誠司
【公開番号】 特開２００２−３５２６１１（Ｐ２００２−３５２６１１Ａ）
【公開日】 平成１４年１２月６日（２００２．１２．６）
【出願番号】 特願２００１−１５５８０８（Ｐ２００１−１５５８０８）