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【発明の名称】 バックライト装置およびバックライト生成方法
【発明者】 【氏名】荒金 角典

【氏名】八木 隆明
【要約】 【課題】小型化を図りつつ、表示パネルの略全域に対して均一な光を供給することが可能なバックライト装置を提供すること。

【解決手段】ＬＥＤ２０２は単色ＬＥＤである。導光板２０５は、入射面２０６に入射した光を、直接または内部で反射させた後に該導光板２０５の正面から出射させる。反射板２０４は、ＬＥＤ２０２により出射された光のうち、導光板２０５の入射面２０６に直接入射しない光、および、光学素子２０３を通過しても入射面２０６に直接入射しない光を、反射させて入射面２０６に入射させる。光学素子２０３は、該光学素子２０３がない場合に入射面２０６における照度が基準値より高くなる部分に入射する光の一部を、上記場合に入射面２０６における照度が基準値より低くなる部分に入射させるように、ＬＥＤ２０２に対向する面に入射する光を屈折させる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 発光ダイオードと、該発光ダイオードから出力される光を該発光ダイオードに対向する所定面に導くように、該発光ダイオードと該所定面との間に設けられた光学素子と、を備え、該光学素子は、前記発光ダイオードからの光の強度に応じて該発光ダイオードからの光の屈折特性を変化させることにより、前記所定面に照射される照射光の密度が均一となるように構成されたことを特徴とするバックライト装置。
【請求項２】 前記光学素子は、前記発光ダイオードの光軸からの距離に応じて該発光ダイオードからの光の屈折特性を変化させることを特徴とする請求項１に記載のバックライト装置。
【請求項３】 前記光学素子は、前記発光ダイオードの光軸からの距離に応じて該発光ダイオードからの光の屈折特性を変化させる複数のレンズ部分を備えており、前記複数のレンズ部分のうち前記発光ダイオードの光軸から所定距離内に配置されるレンズ部分は、前記所定面に照射される照射光の密度を低下させるようになっている、ことを特徴とする請求項２に記載のバックライト装置。
【請求項４】 前記光学素子は、前記発光ダイオードの光軸からの距離に応じて前記発光ダイオードからの光の屈折特性を変化させる複数のレンズ部分を備えており、前記複数のレンズ部分のうち前記発光ダイオードの光軸から所定距離を超える位置に配置されるレンズ部分は、前記所定面に照射される照射光の密度を増加させるようになっている、ことを特徴とする請求項２または請求項３に記載のバックライト装置。
【請求項５】 前記光学素子は、少なくとも１つの材料により形成されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載のバックライト装置。
【請求項６】 前記所定面と前記発光ダイオードとの間に設けられ、該発光ダイオードから出力される光を反射させる反射手段を備え、前記光学素子は、該反射手段に反射して前記所定面に入射する光に基づいて形成されることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載のバックライト装置。
【請求項７】 前記発光ダイオードは、赤色光を発する発光ダイオードと、緑色光を発する発光ダイオードと、青色光を発する発光ダイオードと、を含むことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載のバックライト装置。
【請求項８】 請求項１から請求項７のいずれかに記載のバックライト装置の前記光学素子を介して光が供給されることにより画面表示を行う液晶表示手段を備えることを特徴とする液晶表示装置。
【請求項９】 発光ダイオードを用いて、該発光ダイオードに対向する所定面に対して照射する照射工程と、前記所定面に照射される照射光の密度が均一となるように、該発光ダイオードと該所定面との間で、前記発光ダイオードからの光の強度に応じて該発光ダイオードからの光の屈折特性を変化させる屈折工程と、を備えたことを特徴とするバックライト生成方法。
【請求項１０】 前記屈折工程は、前記発光ダイオードの光軸からの距離に応じて前記所定面に照射される照射光の密度を変化させることを特徴とする請求項９に記載のバックライト生成方法。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、表示パネルに対して光を照射するバックライト装置、および、バックライト装置により光を供給される表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来のバックライト装置として、特開２０００−２３１８１６号公報に開示されたものがある。この公報に開示されたバックライト装置について、図１を参照して説明する。図１は、従来技術にかかるバックライト装置の構成を示す模式図である。
【０００３】図１に示すバックライト装置は、赤色ＬＥＤ１０１と、緑色ＬＥＤ１０２と、青色ＬＥＤ１０３と、コリメータレンズ１０４〜１０６と、光ファイバ群１０７と、導光板１１２とを含む。
【０００４】赤色ＬＥＤ１０１、緑色ＬＥＤ１０２および青色ＬＥＤ１０３は、それぞれ、赤色光、緑色光および青色光を発する発光ダイオード（ＬＥＤ）である。コリメータレンズ１０４〜１０６は、それぞれ、赤色ＬＥＤ１０１〜青色ＬＥＤ１０３が発した放射状の光を平行な光に変化させる。
【０００５】光ファイバ群１０７は、赤色ＬＥＤに対応した光ファイバ１０８−１〜ｎと、緑色ＬＥＤに対応した光ファイバ１０９−１〜ｎと、青色ＬＥＤに対応した光ファイバ１１０−１〜ｎとを含む。光ファイバ１０８−１〜ｎの入射端は、赤色ＬＥＤ１０１に対向して設けられ、同様に、光ファイバ１０９−１〜ｎ（１１０−１〜ｎ）は、緑色ＬＥＤ１０２（青色ＬＥＤ１０３）に対向して設けられている。
【０００６】光ファイバ群１０７は、赤色ＬＥＤに対応した光ファイバの出射端、緑色ＬＥＤに対応した光ファイバの出射端、および、青色ＬＥＤに対応した光ファイバの出射端が、導光板１１２の入射側面１１１の一端（紙面上上部）から多端（紙面上下部）の方向に順次続くように、該入射側面１１１に対向して設けられる。すなわち、光ファイバ１０８−１、１０９−１、１１０−１、１０８−２、１０９−２、１１０−２、・・・、１０８−（ｎ−１）、１０９−（ｎ−１）、１１０−（ｎ−１）、１０８−ｎ、１０９−ｎおよび１１０−ｎが、上記一端から上記多端の方向に順次続くように、近接して配される。
【０００７】このような構成によれば、赤色ＬＥＤに対応した光ファイバを出射した赤色光、緑色ＬＥＤに対応した光ファイバを出射した緑色光、および、青色ＬＥＤに対応した光ファイバを出射した青色光が、混じり合うことにより、白色光が生成される。よって、入射側面１１１の全域にわたって、ほぼ白色に近い光が供給される。
【０００８】導光板１１２の入射側面１１１に入射した光は、直接または導光板１１２内で反射を繰り返した後に、導光板１１２の上部表面（図１に示す面）から出射する。導光板１１２の上部表面を出射した光は、該上部表面に対向するように設けられる（図示しない）表示パネルに入射する。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従来のバックライト装置においては、次のような問題がある。すなわち、まず、表示パネルに映し出される画像に色のむらおよび明るさのむらが生じないようにするためには、バックライト装置における導光板１１２が表示パネルの略全域に対して均一な白色光を供給することが求められる。導光板１１２が均一な白色光を供給するためには、光ファイバ群１０７が導光板１１２の入射側面１１１に略均一な白色光を供給する必要がある。
【００１０】ここで、光ファイバ群１０７に着目すると、１本の光ファイバを出射する光は、結局、赤色光、緑色光および青色光のうちのいずれか１つでしかない。よって、入射側面１１１に均一な白色光を供給するためには、より細い光ファイバをより多く近接させて光ファイバ群１０７を構成して、赤色ＬＥＤに対応した１本の光ファイバ、緑色ＬＥＤに対応した１本の光ファイバ、および、青色ＬＥＤに対応した１本の光ファイバを１組とする単位光ファイバを、相対的に小さい白色光源としてみなすことができるようにする必要がある。
【００１１】ところが、光ファイバの許容最大曲率（すなわち許容最小曲率半径）は非常に小さいので、光ファイバを自在に曲げて配線することは事実上不可能である。よって、より多くの光ファイバを用いると、光ファイバ群１０７が占める面積が大きくなるので、この光ファイバ群１０７を備えるバックライト装置のサイズ自体が大きくなってしまう。さらには、バックライト装置の構造も複雑となる。これにより、バックライト装置の簡素化および小型化を実現することが困難となる。
【００１２】バックライト装置の小型化を図ろうとすれば、上述した光ファイバの性質上、用いる光ファイバの総数を抑えなければならない。しかしながら、光ファイバの数を少なくすれば、導光板１１２の入射側面１１１に均一な白色光を供給することが困難となり、ひいては、表示パネルに映し出される画像に色のむらまたは明るさのむらが生ずることとなる。
【００１３】本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、小型化を図りつつ、表示パネルの略全域に対して均一な光を供給することが可能なバックライト装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、まず、導光板を照射するためのＬＥＤに対して、該導光板の入射面の略全域に光を照射させることに着目したが、ＬＥＤが発した光の入射面における密度が、このＬＥＤの放射特性に起因して均一とならないことを認識した。そこで、本発明者らは、導光板の入射面とＬＥＤとの間に、該ＬＥＤからの光の強度（強弱）に応じて該ＬＥＤからの光の屈折特性を変化させて上記入射面に照射される光の密度を均一とする光学素子を設けることに着目した。具体的には、本発明者らは、光学素子を用いて、ＬＥＤの光軸からの距離に応じて該ＬＥＤからの光の屈折特性を変化させることを見出し、本発明をするに至った。一実施形態として、本発明者らは、一実施形態として、ＬＥＤの光軸から所定距離内では、上記入射面に照射される照射光の密度を低下させること、および、ＬＥＤの光軸から所定距離を超える位置では、上記所定面に照射される光の密度を増加させることを見出した。この結果、１つのＬＥＤが発した光の入射面における密度を略均一とすることができるので、当然に複数のＬＥＤが発した各光の入射面における密度も略均一とすることができることから、例えば、赤色ＬＥＤ、緑色ＬＥＤおよび青色ＬＥＤを用いれば、入射面の略全域に均一な白色を供給することができる。
【００１５】すなわち、本発明の骨子は、発光素子と該発光素子に対向する所定面（具体的には例えば導光板の入射面）との間に、該発光素子からの光の強度に応じて該発光素子からの光の屈折特性を変化させて、上記所定面に照射される照射光の密度を均一とするように構成された光学素子を設けることである。
【００１６】本発明にかかるバックライト装置の１つの特徴は、発光ダイオードと、該発光ダイオードから出力される光を該発光ダイオードに対向する所定面に導くように、該発光ダイオードと該所定面との間に設けられた光学素子と、を備え、該光学素子が、上記発光ダイオードからの光の強度に応じて該発光ダイオードからの光の屈折特性を変化させることにより、上記所定面に照射される照射光の密度が均一となるように構成されたことである。
【００１７】本発明にかかるバックライト装置の別の特徴は、上記光学素子が、上記発光ダイオードの光軸からの距離に応じて該発光ダイオードからの光の屈折特性を変化させることである。
【００１８】本発明にかかるバックライト装置のさらに別の特徴は、上記光学素子が、上記発光ダイオードの光軸からの距離に応じて該発光ダイオードからの光の屈折特性を変化させる複数のレンズ部分を備えており、上記複数のレンズ部分のうち上記発光ダイオードの光軸から所定距離内に配置されるレンズ部分が、上記所定面に照射される照射光の密度を低下させるようになっていることである。
【００１９】本発明にかかるバックライト装置のさらに別の特徴は、上記光学素子が、上記発光ダイオードの光軸からの距離に応じて上記発光ダイオードからの光の屈折特性を変化させる複数のレンズ部分を備えており、上記複数のレンズ部分のうち上記発光ダイオードの光軸から所定距離を超える位置に配置されるレンズ部分は、上記所定面に照射される照射光の密度を増加させるようになっていることである。
【００２０】本発明にかかるバックライト装置のさらに別の特徴は、上記光学素子は、少なくとも１つの材料により形成されていることである。
【００２１】本発明にかかるバックライト装置のさらに別の特徴は、上記所定面と上記発光ダイオードとの間に設けられ、該発光ダイオードから出力される光を反射させる反射手段を備え、上記光学素子が、該反射手段に反射して上記所定面に入射する光に基づいて形成されることである。
【００２２】本発明にかかるバックライト装置のさらに別の特徴は、上記発光ダイオードが、赤色光を発する発光ダイオードと、緑色光を発する発光ダイオードと、青色光を発する発光ダイオードと、を含むことである。
【００２３】本発明にかかる液晶表示装置の１つの特徴は、上記いずれかのバックライト装置の上記光学素子を介して光が供給されることにより画面表示を行う液晶表示手段を備えることである。
【００２４】本発明にかかるバックライト生成方法の１つの特徴は、発光ダイオードを用いて、該発光ダイオードに対向する所定面に対して照射する照射工程と、上記所定面に照射される照射光の密度が均一となるように、該発光ダイオードと該所定面との間で、上記発光ダイオードからの光の強度に応じて該発光ダイオードからの光の屈折特性を変化させる屈折工程と、を備えたことである。
【００２５】本発明にかかるバックライト生成方法の別の特徴は、上記屈折工程が、上記発光ダイオードの光軸からの距離に応じて上記所定面に照射される照射光の密度を変化させることである。
【００２６】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００２７】（実施の形態１）本実施の形態では、モノクロ方式の液晶表示ディスプレイ（ＬＣＤ）に対して均一な光を供給する場合について説明する。
【００２８】図２（ａ）は、本発明の実施の形態１にかかるバックライト装置を示す正面図である。図２（ｂ）は、本発明の実施の形態１にかかるバックライト装置を示す側面図である。
【００２９】本実施の形態にかかるバックライト装置２００は、主に、略平板形状を有する基体２０１と、該基体２０１の上面における各辺に対して設けられた、対応する辺の長さと略同じ幅および所定の高さを有する平板状の４つの反射板２０４と、底面２０６が基体２０１の上面と対向し、底面から上面に向かうにつれて減少する厚さを有し、かつ、底面付近が完全に反射板２０４に囲まれるように設けられた板状の導光板２０５と、該導光板２０５の背面および上面を覆う反射シート２０７と、基体２０１の上面の略中央に設けられた発光ダイオード（ＬＥＤ）と、該ＬＥＤ２０２と導光板２０５の底面２０６との間に設けられた光学素子２０３と、を含む。
【００３０】具体的には、ＬＥＤ２０２は、単色、例えば、赤色、緑色および青色のうちのいずれか１色を発する。光学素子２０３は、導光板２０５の底面（すなわち入射面）２０６の略全域における照度が略均一となるように、ＬＥＤ２０２により出射される放射状の光を変換する。この光学素子２０３は、例えば、屈折レンズまたは回折光学素子のような光を曲げることが可能な任意の光学素子であり、その特性は、ＬＥＤ２０２の明るさ、色および放射特性等により決定される。
【００３１】導光板２０５は、例えばアクリル樹脂やポリカーボネート等の合成樹脂により形成されており、入射面２０６に入射した光を、直接または内部で反射させた後に該導光板２０５の正面から出射させる。なお、図２に示したもの以外の任意の形状を有する導光板を用いることが可能である。反射シート２０７は、該シートに入射した光を乱反射させて導光板２０５の正面から出射させる。
【００３２】反射板２０４は、ＬＥＤ２０２により出射された光のうち、導光板２０５の入射面２０６に直接入射しない光、および、光学素子２０３を通過しても入射面２０６に直接入射しない光を、反射させて入射面２０６に入射させる。また、この反射板２０４は、該反射板に入射する光を散乱（拡散）させることにより、導光板２０５の入射面２０６全域における照度を均一にする。この反射板２０４については、例えば、アルミニウム等の任意の材料で構成された板の表面上に、所望の反射率を有する反射材料を塗布することにより、形成することができる。
【００３３】なお、ここでは、ＬＥＤ２０２が発した光の利用効率を高めるために、図２に示すように、入射面２０６とＬＥＤ２０２との間の空間を囲むように反射板２０４を設ける例を示しているが、その他の任意の構成を有する反射板を用いることも可能であることはいうまでもない。
【００３４】次いで、上記構成を有するバックライト装置の光学的動作について、図２に加えて図３を参照して説明する。図３は、本発明の実施の形態１にかかるバックライト装置におけるＬＥＤが発した光の作用を示す模式図である。なお、図３における図２と同一の構成要素に対しては、図２におけるものと同一の符号が付されている。
【００３５】ＬＥＤ２０２が発した光の多くは、図３に示すように、光学素子２０３に直接入射する。ＬＥＤは、一般的に、光軸中心に近い部分で光線が密となり光軸中心から遠い部分で光線が疎となるような放射特性（配向パターン）を有する。なお、光軸中心からある一定の距離までは、光線の密度すなわち照度が均一となる。このようなＬＥＤの特性によって、図３に示すように、光学素子２０３における光軸中心に近い部分では、入射する光線が密となる、すなわち、照度が高くなり、逆に、光学素子２０３における光軸中心から遠い部分では、入射する光線が疎となる、すなわち、照度が低くなる。
【００３６】したがって、光学素子２０３を設けず、ＬＥＤ２０２が発した光の多くが直接導光板２０５の入射面２０６に入射すると仮定すれば、ＬＥＤ２０２の上述したような特性によって、図４における曲線４０１で表現される照度分布、すなわち、光学素子が設けられていない場合の照度分布に示すように、入射面２０６における光軸中心に近い部分では照度が高くなり、逆に、入射面２０６における光軸中心から遠い部分では照度が低くなる傾向がある。すなわち、入射面２０６に均一な光を供給することが困難となる。なお、図４では、横軸は光軸中心からの距離を示し、縦軸は入射面における相対照度を示している。
【００３７】そこで、本実施の形態では、ＬＥＤ２０２が発した光の強度に応じて、該光の屈折特性を変化させる光学素子２０３を設けている。具体的には、ＬＥＤ２０２の光軸からの距離に応じて、該ＬＥＤ２０２が発した光の屈折特性を変化させる光学素子２０３を設けている。一実施形態として、光学素子２０３がないとした場合に入射面２０６における照度が基準値より高くなるであろう部分に入射する光の一部を入射面２０６における照度が基準値より低くなるであろう部分に入射させるように、入射する光を屈折させる光学素子２０３を、ＬＥＤ２０２と導光板２０５との間に設けている。別言すれば、ＬＥＤ２０２の光軸から所定距離内では、入射面２０６に照射される光の密度を低下させる光学素子２０３を、ＬＥＤ２０２と導光板２０５との間に設けている。
【００３８】具体的には、図４に着目すれば、光学素子２０３がないとした場合に入射面における照度が基準値（ここでは相対照度Ｚ）より高くなるであろう部分、すなわち、入射面における光軸距離Ａ〜―Ａに対応する部分に入射する光の一部（すなわち、図４における斜線４０３に対応する光）を、入射面における照度が基準値（ここでは相対照度Ｚ）より低くなるであろう部分、すなわち、入射面における光軸距離Ａ〜Ｂに対応する部分および入射面における光軸距離―Ｂ〜―Ａに対応する部分に入射させるように、光学素子２０３を設ける。これにより、光学素子２０３を設けた場合の照度分布は、破線４０２により表現される。なお、横軸と曲線４０１とにより囲まれた部分の面積と、横軸と破線４０２とにより囲まれた部分の面積とは等しくなっている。
【００３９】別言すれば、入射する光を導光板２０５の長辺の方向へ光を広げるように屈折させる光学素子２０３を設ける。この様子を図５に示す。図５は、光学素子２０３を通過した光により照射される入射面２０６の範囲の具体例を示す模式図である。なお、図５には、説明の簡略化のために反射板２０４を用いていない場合の様子が示されている。ＬＥＤ２０２は、入射面２０６における位置５０３に対向する基体２０１上に配置されている。図５に示すように、ＬＥＤ２０２による本来の照射範囲５０１が導光板２０５の長辺の方向に広げられた照射範囲５０２となるように、光学素子２０３はＬＥＤ２０２が発した光を屈折させる。
【００４０】なお、上述した基準値については、例えば、光学素子２０３を設けない場合の入射面における（例えば図４に示すような）照度分布、および、光学素子２０３を設けることにより入射面における均一となる照度、入射面２０６の面積等を含む様々な要素により、定めることができる。
【００４１】ＬＥＤ２０１が発した光をこのように屈折させるには、用いるＬＥＤ２０２の配向パターン（光の指向性）等の様々な特性、ＬＥＤ２０２と導光板２０５との間の距離等の様々な要素を考慮して、光学素子２０３を構成する材料における各部の屈折率を決定する必要がある。このように各部の屈折率を決定するには、光学素子２０３を構成する材料における各部を異なる形状で形成させる手法を用いることもでき、光学素子２０３を構成する材料における各部を異なる材料で形成させる手法を用いることもでき、さらに各手法を組み合わせた手法を用いることもできる。
【００４２】ここでは、一例として、光学素子を構成する材料における各部を異なる形状で形成させる手法を用いる場合について、さらに図６を参照して説明する。図６は、本発明の実施の形態１にかかるバックライト装置における光学素子の具体的な構成例を示す模式図である。なお、図６において、導光板２０５および光学素子２０３については、それらの断面図が示されている。また、図６における図２と同一の構成要素に対しては、図２におけるものと同一の符号が付されている。図６において、光学素子２０３を設けない場合の光線は破線で表現され、光学素子２０３を設けた場合の光線は実線で表現されている。
【００４３】光学素子２０３は、光軸６００を中心軸とする略円柱状の凹レンズ部６０４と、光軸６００を中心軸とする少なくとも１つの略環状の凹レンズ部、すなわち、例えば略環状の凹レンズ部６０５〜６１０と、を組み合わせた形状を有する。この光学素子２０３は、例えば、プラスチックやガラス等の任意の材料を用いて、全体において均一となるように形成されている。
【００４４】凹レンズ部６０４は、光軸６００を中心軸とし、半径ｘ１を有する円柱状の凹レンズであって、上面を略平面とし底面を略凹面とする凹レンズである。この凹面は、所定の曲率半径を有する。
【００４５】凹レンズ部６０５は、光軸６００を中心軸とし、内径ｘ１および外径（ｘ１＋ｘ２）を有する環状の凹レンズであって、上面を略凹面とし底面を略平面とする凹レンズである。同様に、凹レンズ部６０６〜６１０は、光軸６００を中心軸とし、それぞれ、内径（ｘ１＋ｘ２）および外径（ｘ１＋ｘ２＋ｘ３）〜内径（ｘ１＋・・・＋ｘ６）および外径（ｘ１＋・・・＋ｘ７）を有する環状の凹レンズであって、上面を略凹面とし底面を略平面とする凹レンズである。なお、これら環状の凹レンズ部の凹面は、所定の曲率半径を有する。また、これら環状の凹レンズ部の底面は、凹レンズ部６０４の底面と略同一の平面に位置する。
【００４６】環状の各凹レンズ部の幅、すなわち、外径と内径との差は、光軸からの距離に応じて設けられている。ここでは、環状の各凹レンズ部の幅は、光軸からの距離が大きい凹レンズ部ほど、すなわち、大きい内径を有する凹レンズ部ほど、小さい幅を有するように設けられている。ここで、光軸６００から各環状の凹レンズ部の方向（紙面上左側）へ向かって見れば、円柱状の凹レンズ部６０４も環状の凹レンズ部の一部としてみなすことができる。したがって、各凹レンズ部は、ｘ１＞ｘ２＞ｘ３＞ｘ４＞ｘ５＞ｘ６＞ｘ７（式■）を満たすように、設けられている。円柱状の凹レンズ部６０４の半径、および、各環状の凹レンズ部の幅をこのように設けている理由は、以下の通りである。すなわち、図６でも明らかなように、光学素子２０３において、光軸６００に近い部分ほど入射光の照度が高く、光軸６００から離れた部分ほど入射光の照度が低い。よって、導光板２０５の入射面２０６における照度をより均一とするためには、ＬＥＤ２０２が発した光を単に発散させる凹レンズを設けるだけでは不充分であり、光軸６００からの距離に応じて屈折の度合いを変化させる凹レンズ群を設ける必要がある。そこで、光軸６００の距離に応じて光学素子２０３の屈折の度合いを変化させるために、上記式■を満たすように、円柱状の凹レンズ部６０４の半径、および、各環状の凹レンズ部の幅を設けている。
【００４７】各凹レンズ部は、凹レンズ固有の曲率半径を有することもできるが、ここでは、光学素子２０３の作製を容易とするために、凹レンズの曲面の曲率半径は、すべて略同一となっている。ここで、円柱状の凹レンズ部６０４の半径および各環状の凹レンズ部の幅を上記のように設定することに代えて、各凹レンズ部の凹面の曲率半径が凹レンズ部に固有の半径となるように、光学素子２０３を設けることもできる。これもまた、光軸６００からの距離に応じて光学素子２０３の屈折の度合いを変化させることを意図したものであることはいうまでもない。
【００４８】なお、図６には、説明の簡略化のために、凹レンズ部６０５〜６１０の断面のうち、一方（紙面上左側）の部分のみが示され、他方（紙面上右側）の部分については、省略されている。当該部分についても、紙面上右隣に存在していることはいうまでもない。
【００４９】また、説明の簡略化のために、円柱状の凹レンズ部と少なくとも１つの環状の凹レンズ部とを結合した形状を有するものとして、光学素子２０３の形状を説明してきたが、光学素子２０３は、例えば一枚の板状の材料に対して切削および研磨等の任意の加工技術を施すことにより、図６に示すように作製される。
【００５０】以上のような構成を有する光学素子２０３によれば、光学素子２０３を構成する各凹レンズ部のうち、光学素子２０３がない場合に入射面２０６における照度が基準値より高くなる部分に入射する光を入射する部分（以下「特定レンズ部」という。）は、この入射する光を、この光学素子２０３がない場合に入射面２０６における照度が基準値より低くなる部分に入射させるように屈折させる。図６に示す例では、各特定レンズ部は、入射する光を入射面２０６の長辺方向、すなわち、矢印Ｙの方向に屈折させる。
【００５１】例えば、ＬＥＤ２０２が発した光のうち光路６０１−１を通る光は、光学素子２０３がない場合には、光路６０３−１を通って入射面２０６に入射する。ここで、光学素子２０３がない場合に入射面２０６における光路６０３−１を通る光が入射する部分の照度は、基準値より高いとする。よって、光学素子２０３における光路６０１−１を通る光を入射する凹レンズ部６０４は、特定レンズ部である。よって、この凹レンズ部６０４は、光路６０１−１を通って入射する光を、光学素子２０３がない場合に入射面２０６における照度が基準値より低くなる部分に入射させるよう屈折させる。この凹レンズ部６０４は、入射面２０６に照射される照射光の密度を低下させているということもできる。これにより、この凹レンズ部６０４を通った光は、光路６０３−１を矢印Ｙの方向に屈折させた光路６０２−１を通って入射面２０６に入射する。
【００５２】光路６０１−１を通る光を入射する凹レンズ部６０４だけでなく、光学素子２０３がない場合に入射面２０６における照度が基準値より高くなる部分に入射する光を入射するその他の特定部分（すなわち、凹レンズ部６０５）もまた、その入射する光が光学素子２０３のない場合に通る光路を矢印Ｙの方向に屈折させた光路を通るように、その入射する光を屈折させる形状を有する。
【００５３】他方、ＬＥＤ２０２が発した光のうち光路６０１−２を通る光は、光学素子２０３がない場合には、光路６０３−２を通って入射面２０６に入射する。ここで、光学素子２０３がない場合に入射面２０６における光路６０３−２を通る光が入射する部分の照度は、基準値より低いとする。よって、光学素子２０３における光路６０１−２を通る光を入射する凹レンズ部６０６は、特定レンズ部ではない。この凹レンズ部６０６は、例えば、光路６０１−２を通って入射する光を、光路６０３−２を矢印Ｙと逆の方向に屈折させた光路６０２−２を通るように屈折させる。この凹レンズ部６０６は、入射面２０６に照射される照射光の密度を増加させているということもできる。
【００５４】以上、光学素子２０３を構成する材料における各部を異なる形状で形成させて、図６に示すように、入射する光を屈折させる場合について説明したが、光学素子２０３を構成する材料における各部を異なる材料で形成させても、入射する光を同様に屈折させることも可能である。
【００５５】このような光学素子２０３をＬＥＤ２０２と導光板２０５との間に設けることにより、図３および図６に示すように、導光板２０５の入射面２０６の略全域における照度が均一となる。
【００５６】次に、図２を参照するに、導光板２０５の入射面２０６に入射した光は、この導光板２０５を形成する材料を介して、直接導光板２０５の正面から出射する。あるいは、導光板２０５の入射面２０６に入射した光は、上記材料を介して、反射シート２０７に入射することにより乱反射した後、または、反射シート２０７への入射および乱反射を繰り返した後、導光板２０５の正面から出射する。以上、本実施の形態にかかるバックライト装置の光学的動作について説明した。
【００５７】次に、本実施の形態にかかるバックライト装置を備えたＬＣＤ表示装置について、図７を参照して説明する。図７は、本発明の実施の形態１にかかるバックライト装置を備えたモノクロ方式のＬＣＤ表示装置の具体例を示す模式図である。なお、図７における図２と同様の構成要素に対しては、図２におけるものと同一の符号が付されている。
【００５８】本実施の形態にかかるバックライト装置２００の導光板２０５の正面に対向するように光学シート７０１が設けられる。この光学シート７０１に対してその背面が対向するように、すなわち、導光板２０５の正面に対してその背面が対向するように、モノクロ方式のＬＣＤパネル７０２が設けられる。この構成によれば、導光板２０５の正面を出射した光は、光学シート７０１を通過することにより散乱された後、ＬＣＤパネル７０２の背面に供給される。上述したように、導光板２０５の入射面２０６の略全域において略均一な光が入射するので、光学シート７０１およびＬＣＤパネル７０２の略全域に対しても略均一な光が入射するということはいうまでもない。この結果、ＬＣＤパネル７０２の表示面全域における明るさを略均一とすることができる。
【００５９】なお、本実施の形態では、ＬＥＤが一例として図３に示すような放射特性を有する場合について説明してきた。ＬＥＤがこれ以外の放射特性を有する場合であっても、ＬＥＤが発した光の強度に応じて該光を屈折させる光学素子２０３を用いることにより、導光板の入射面における照度を均一とすることができる。さらに、一実施形態として、光学素子がないとした場合に入射面における照度が基準値より高くなるであろう部分に入射する光の一部を入射面における照度が基準値より低くなるであろう部分に入射させるように、入射する光を屈折させる光学素子２０３を用いることにより、導光板の入射面における照度を均一とすることができる。
【００６０】以上のように、本実施の形態によれば、ＬＥＤのような発光素子と、該ＬＥＤが発した光の強度に応じてこの発光素子が発した光を屈折させる光学素子とを、該発光素子と導光板との間に設けることにより、導光板の入射面の略全域に対して略均一な光を供給することができるので、表示パネルの背面の略全域に対して均一な光を供給することができる。さらに、本実施の形態によれば、占める面積が大きくなるような光ファイバを用いるのではなく、ＬＥＤのような発光素子および光学素子を用いて導光板の入射面に光を入射させるので、バックライト装置の簡素化および小型化を図ることができる。よって、本実施の形態によれば、小型化を図りつつ、表示パネルの略全域に対して均一な光を供給することが可能なバックライト装置を提供することができる。
【００６１】（実施の形態２）上記実施の形態１では、モノクロ方式のＬＣＤに均一な光を供給することが目的であるので、例えば、赤色、緑色および青色等のいずれか１色の光を発するＬＥＤを用いている。ところが、カラー方式のＬＣＤに対しては白色の光を供給する必要がある。そこで、本実施の形態では、カラー方式のＬＣＤに対して均一な白色光を供給する場合について、図８を参照して説明する。図８は、本発明の実施の形態２にかかるバックライト装置の構成を示す模式図である。なお、図８における図２と同一の構成については、図２におけるものと同一の符号を付して、詳しい説明を省略する。
【００６２】図８において、基体２０１の上面の略中央に、すなわち、導光板２０５の入射面２０６の中央部分に対向する基体２０１上に、緑色光を発するＬＥＤ８０１−２が配置されている。さらに、基体２０１の上面において、ＬＥＤ８０１−２と所定間隔を隔てた位置に、赤色光を発するＬＥＤ８０１−１および青色光を発するＬＥＤ８０１−３が配置されている。好ましくは、ＬＥＤ８０１−１〜８０１−３は、本バックライト装置の構成を簡単にするために、略同一直線上に配置される。
【００６３】ＬＥＤ８０１−２と導光板２０５の入射面２０６との間には、光学素子８０２−２が設けられ、同様に、ＬＥＤ８０１−１（８０１−３）と入射面２０６との間には光学素子８０２−１（８０２−３）が設けられる。光学素子８０２−１〜８０２−３として、実施の形態１で説明した光学素子２０３と同様の性質を有する光学素子を用いることができる。例えば、光学素子８０２−２については、光学素子８０２−２がないとした場合に入射面２０６における緑色光の照度が基準値より高くなるであろう部分に入射する緑色光の一部を入射面２０６における緑色光の照度が基準値より低くなるであろう部分に入射させるように、入射する緑色光を屈折させる光学素子を用いる。同様に、光学素子８０２−１（８０２−３）については、光学素子８０２−１（８０２−３）がないとした場合に入射面２０６における赤（青）色光の照度が基準値より高くなるであろう部分に入射する赤（青）色光の一部を入射面２０６における赤（青）色光の照度が基準値より低くなるであろう部分に入射させるように、入射する赤（青）色光を屈折させる光学素子を用いる。
【００６４】さらに具体的には、図８および図２（ａ）を比較すれば明らかであるように、ＬＥＤ８０１−２およびＬＥＤ２０２が配置される位置は相互に略同一であるので、ＬＥＤ８０１−２としては光学素子２０３をそのまま利用することができる。
【００６５】一方、ＬＥＤ８０１−１は、ＬＥＤ８０１−２と異なり、基体２０１の上面の中央には配置されていない、すなわち、基体２０１の上面における中央から一端方向へ所定間隔を隔てた位置に配置されている。よって、光学素子８０２−１については、入射面２０６の略全域に対して略均一な赤色光を入射させるために、光学素子２０３に比べて、入射する光を導光板２０５の長辺の方向へさらに大きく広げて屈折させるように形成する必要がある。さらに、ＬＥＤ８０１−１が発した光をより効率的に利用するという観点から、単に入射する光を導光板２０５の長辺の方向へさらに大きく広げて屈折させるように形成するだけでなく、光学素子８０２−１がないとした場合に入射面２０６に直接入射しないであろう赤色光（すなわち、紙面上左側へ放射する赤色光）をより入射面２０６方向（すなわち、紙面上右方向）に向かうように、入射する赤色光を屈折させるよう、光学素子８０２−１を形成することが好ましい。
【００６６】他方、ＬＥＤ８０１−３は、ＬＥＤ８０１−２を基準として、ＬＥＤ８０１−１と逆の位置に配置されている。よって、光学素子８０２−３については、この位置関係を考慮した上で、光学素子８０２−１と同様に形成することができる。
【００６７】この構成によれば、赤色光、緑色光および青色光は、それぞれ、導光板２０５の入射面２０６の略全域に対して略均一に入射しうる。ただし、入射面２０６の略全域における各色光毎の照度が均一であったとしても、ＬＥＤ８０１−１〜８０１−３のそれぞれの位置関係、または、光学素子８０２−１〜８０２−３のそれぞれの位置関係によっては、各色光の照度の高さがすべて等しいとは限らない。すなわち、入射面２０６の略全域における各色光毎の照度は均一であったとしても、緑色光の照度が、赤色光および青色光の照度よりも高くなるかもしれない。よって、この場合には、各色光の照度の高さがすべて等しくなるように、ＬＥＤ８０１−１〜８０１−３のそれぞれの発光強度を個別に設定することができる。
【００６８】以上のような構成によれば、入射面２０６に入射した各色の光は、この入射面の付近または導光板２０５の内部で互いに混じり合うことにより、カラー方式のＬＣＤに供給するのに適した白色光が生成される。
【００６９】なお、本実施の形態では、説明の簡単化のために、各色に対応するＬＥＤを１つずつ用いる場合について説明したが、各色毎に複数のＬＥＤを用いることが可能であることはいうまでもない。具体的には、白色光を供給するＬＣＤパネル（小型ディスプレイ〜大型ディスプレイ）の大きさに応じて、各色毎に用いるＬＥＤの数を増加させることができる。この場合には、図８に示したように１つのＬＥＤを１つの光学素子に対応させて設けることもできるが、複数のＬＥＤを１つの光学素子に対応させて設けることもできる。いずれの手法を用いる場合であっても、対応する１つまたは複数のＬＥＤの放射特性と、該ＬＥＤと導光板の入射面との間の位置関係とに基づいて、当該光学素子がないとした場合に入射面における照度が基準値より高くなるであろう部分に入射する光の一部を入射面における照度が基準値より低くなるであろう部分に入射させるように、入射する光を屈折させるよう各光学素子を設けて、入射面における各色光の照度を均一とすることが好ましい。さらに入射面における各色光の照度の高さがすべて等しくなるように、各ＬＥＤの発光強度、および、各ＬＥＤと入射面との間の距離を、必要に応じて適宜設定することもできる。
【００７０】なお、光学素子間に隔てる距離については限定はない。光学素子間に所定の距離を隔てることもできるし、複数の光学素子を連結してレンズアレイのように１つのレンズとして構成することもできる。
【００７１】さらに、本実施の形態では、複数のＬＥＤの放射特性と、該ＬＥＤと導光板の入射面との間の位置関係とを容易に考慮できるようにするために、これら複数のＬＥＤを略同一直線上に配置する場合について説明したが、複数のＬＥＤの配置場所について特に限定はない。
【００７２】また、本実施の形態にかかるバックライト装置を備えたＬＣＤ表示装置は、図７におけるバックライト装置２００に代えて本実施の形態にかかるバックライト装置を設けることにより、実現することができる。
【００７３】以上のように、本実施の形態によれば、ＬＥＤのような発光素子と、この発光素子が発した光を屈折させる光学素子とを、該発光素子と導光板との間に設けることにより、導光板の入射面の略全域に対して略均一な光を供給することができる。さらに、導光板の入射面の略全域において各色（赤色、緑色および青色）の光の輝度をすべて略均一とすることもできるので、表示パネルの背面の略全域に対して均一な白色光を供給することができる。さらに、本実施の形態によれば、占める面積が大きくなるような光ファイバを用いるのではなく、ＬＥＤのような発光素子および光学素子を用いて導光板の入射面に光を入射させるので、バックライト装置の簡素化および小型化を図ることができる。よって、本実施の形態によれば、小型化を図りつつ、表示パネルの略全域に対して均一な白色光を供給することが可能なバックライト装置を提供することができる。
【００７４】なお、上述した実施の形態１でも、説明を簡単にするために、ＬＥＤと光学素子とを１つずつ設ける場合について説明したが、本実施の形態で説明したように複数のＬＥＤおよび複数の光学素子を用いることができることはいうまでもない。実施の形態１では、モノクロ方式のＬＣＤに対して光を供給することを目的としているので、バックライト装置の構成を簡単にするためには、ある１色のＬＥＤを１つ以上用いることが好ましいであろう。
【００７５】上述した実施の形態１および実施の形態２において、光学素子がないとした場合に入射面における照度が基準値より高くなるであろう部分に入射する光の一部を入射面における照度が基準値より低くなるであろう部分に入射させるように、入射する光を屈折させる光学素子を形成するということは、反射板を用いている際には、ＬＥＤが発した光のうち反射板を反射して入射面に入射する光による影響をも考慮して光学素子を形成するということを、当然に含んでいる。以下、この点について図９を参照して説明する。図９は、一般的なＬＥＤが発した光による入射面における照射範囲の一例を示すグラフである。図９において、横軸は光軸中心からの距離を示し、縦軸は入射面における相対照度を示している。
【００７６】図９に示すように、一般的なＬＥＤの照度分布において、入射面における光軸中心からある距離（図９では距離Ｘ）までは照度が一定となっていることがわかる。すなわち、一般的なＬＥＤの均一照度面は、半径をＸとする円形となる。ところが、導光板の入射面は円形ではなく長方形であるので、このＬＥＤを用いてそのまま導光板の入射面に入射させると、ＬＥＤが発した光の一部は、導光板の入射面に直接入射せずにこの入射面からはみ出すことになる。よって、ＬＥＤが発した光のロスが大きくなる。そこで、このロスを抑えるために、はみ出した光を再度入射面に入射させるように一般的に反射板が用いられる。この結果、入射面において直接入射した光と反射板を反射して入射した光とが重なることにより、この重なった領域の照度が高くなるので、上記ロスは低減されるということができる。しかしながら、ＬＥＤの均一照射面がもともと円形であることに起因して、上記のような直接入射した光と反射板を反射して入射した光とが重なる部分は、入射面における中心部分に集中する傾向がある。このため、入射面の中心に近い部分の照度はその他の部分に比べて高くなる。この様子は、先に用いた図４にも現われている。結果として、反射板を用いることによって、上述したようなＬＥＤの放射特性によってのみならず、反射板の影響によっても、入射面の略全域にわたって略均一な光を供給することが困難になってしまう。
【００７７】ところが、上述したように、実施の形態１および実施の形態２では、光学素子がないとした場合に入射面における照度が基準値より高くなるであろう部分に入射する光の一部を入射面における照度が基準値より低くなるであろう部分に入射させるように、入射する光を屈折させる光学素子２０３を形成する。ここで、「入射面における照度が基準値より高くなるであろう部分」には、上述したＬＥＤの放射特性に起因する「入射面における光軸中心に近い部分」だけでなく、ここで説明した「入射面において直接入射した光と反射板を反射して入射した光とが重なる領域」も含まれることが明らかである。
【００７８】したがって、上記各実施の形態にかかるバックライト装置では、ＬＥＤが発した光のロスを低減するべく反射板を用いても、導光板の入射面の略全域に対して均一な光を供給することができる。なお、実施の形態２にかかるバックライト装置では、反射板に入射した光は該反射板によって拡散することにより、赤色光、緑色光および青色光の混ざり具合が良好となるので、より適正な白色光をＬＣＤに供給することができる、ということはいうまでもない。
【００７９】上記各実施の形態では、説明の簡略化のために、光学素子に入射する光を入射面の長辺方向のみ（例えば図２（ａ）における紙面上左右方向のみ）に屈折させる場合について説明しているが、光学素子に入射する光を入射面の短辺方向（例えば図２（ｂ）における紙面上左右方向）にも同様な手法で屈折させることも可能である。
【００８０】上記各実施の形態では、発光素子の一例としてＬＥＤを用いた場合について説明してきた。しかしながら、本発明は、ＬＥＤに限らずその他の発光素子を用いた場合にも適用可能なものである。すなわち、本発明によれば、用いる発光素子からの強度に応じて該発光素子からの光の屈折特性を変化させる光学素子を設けることにより、該発光素子に対向する所定面における照度を均一とすることができる。
【出願人】 【識別番号】５００５０７００９
【氏名又は名称】ルミレッズ ライティング ユーエス リミテッドライアビリティ カンパニー
【出願日】 平成１４年４月２日（２００２．４．２）
【代理人】 【識別番号】１０００５９９５９
【弁理士】
【氏名又は名称】中村 稔 （外９名）
【公開番号】 特開２００３−２９７１２７（Ｐ２００３−２９７１２７Ａ）
【公開日】 平成１５年１０月１７日（２００３．１０．１７）
【出願番号】 特願２００２−９９７６４（Ｐ２００２−９９７６４）