(57)【要約】【課題】散乱による混色は放射角の制御が困難で効率が低いため、放射角を制御して高効率に混色する照明装置および表示装置を実現する。【解決手段】菱形屈折面の一方の対角線を基準面上に設け、基準面対角線より上側と下側の菱形屈折面の隣接する辺を接して並べて凸型と凹型の三角錐屈折格子４を形成し、菱形屈折面が基準面の法線となす傾斜角を屈折面への入射角αと屈折角βとの差分の角度γで設定し、３方向の平行光光源からの平行光が光源に対向する側の屈折面だけに入射して基準面の鉛直上方に屈折し、出射方向を一致させて混合する。導光板の出射面に三角錐屈折格子４、導光板の底面に凸反射面５を形成し、平行光を導光板の側面から凸反射面に入射する構造からなる液晶表示装置は凸反射面で光束を拡大して三角錐屈折格子に反射してサブ画素に照射し、３方向からの３色の平行光を菱形のサブ画素からなる画素に照射する。【選択図】  図１２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
菱形屈折面の一方の対角線を基準面上に設け、基準面上の対角線より上側の菱形屈折面の隣接する辺を接して並べて凸型の三角錐屈折格子を形成し、
対角線より下側の菱形屈折面の隣接する辺を接して並べて基準面より窪んだ凹型の三角錐屈折格子を形成し、
屈折面への入射角と屈折角との差分の角度で菱形屈折面が基準面の法線となす傾斜角を設定して高屈折率側から低屈折率側に出射する構造として、
３方向の光源からの平行光が夫々、光源に対向する側の屈折面だけに入射して基準面の鉛直上方に屈折し、出射方向を一致させて混合することを特徴とする照明装置。
【請求項２】
導光板の出射面に請求項１に記載の三角錐屈折格子を形成し、導光板の底面に凸反射面を形成し、
導光板の側面から底面に対して傾斜した平行光を凸反射面に入射する構造からなり、
凸反射面で光束を拡大して三角錐屈折格子に反射してサブ画素に照射し、３方向からの３色の平行光を菱形のサブ画素からなる画素に照射することを特徴とする照明装置。
【請求項３】
画素数よりも導光板底面の円筒凸反射面が少ない列数で構成し、１本の円筒凸反射面から複数のサブ画素の列に照射することにより凸反射面の寸法を拡大して成型を容易にすることを特徴とする請求項２に記載の照明装置。
【請求項４】
導光板側面の対向する２辺に平行に、円筒凸反射面の頂稜を接して三角柱状に導光板底面に形成し、
２本の三角柱状凸反射面の間に、三角柱状凸反射面と直交する方向に複数の凸反射面を設け、
導光板側面の対向する２辺に設けた２色の光源から三角柱状円筒凸反射面に照射し、
三角柱状凸反射面と直交する方向に設けた光源から三角柱状凸反射面と直交する方向の凸反射面に照射する構造からなり、３方向からの平行光を三角錐屈折格子の対向する屈折面に入射して３つのサブ画素に入射することを特徴とする請求項２に記載の照明装置。
【請求項５】
三角柱状凸反射面に直交する方向の凸反射面の長軸方向に曲面を形成し、
三角柱状凸反射面に直交する方向の凸反射面の長軸方向長さより長い範囲を照射することにより前記三角柱状凸反射面の上部の画素に照射することを特徴とする請求項２記載の照明装置。
【請求項６】
菱形屈折面からなる三角錐屈折格子の上方に、３つの菱形のサブ画素による６角形の画素からなる液晶パネルを配置し、凸反射面で反射した３方向の光を三角錐屈折格子で屈折して菱形のサブ画素に照射する構造からなり、
３方向の光を６角形の画素で混色してカラー表示することを特徴とする請求項２に記載の照明装置。
【請求項７】
三角錐屈折格子の傾斜面を屈折格子谷部における接線の傾斜の凹面で構成し、
屈折格子の出射光の放射角を拡げることを特徴とする請求項1に記載の照明装置。
【請求項８】
曲率半径ｒ、円周に沿った曲面長さｄの凸反射面に２方向からの平行光を反射し、
放射角θ＝ｄ・３６０°／（２πｒ）で同一方向に混色して出射することを特徴とする照明装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は３色以上の発光素子からの光を三角錐格子状に構成した反射素子または屈折素子で出射方向を制御して混色特性を改善した照明装置および表示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体発光素子は小型、高効率、長寿命、低電圧動作、高速応答などの優れた特徴のため各種表示装置・照明装置などに広く使用されている。
液晶表示装置は赤、緑、青の３原色発光素子による不連続なスペクトルでも３色の制御信号によりその中間色を表示するため３色の発光素子を用いた３原色光を利用可能である。３色の発光素子を円錐内面に設けて後方散乱によって混色距離を長くしている提案（図２４、特許文献１）は多重反射に伴なう吸収が増えて効率が低下する。３色の発光素子を同一パッケージに収め、発光素子に近い部分の反射鏡の傾斜を急にして各発光素子と反射鏡の距離と角度の差異を緩和する提案があるが（図２５、特許文献２）、局部的条件でしか均等な混色が得られない。３色の発光素子を同一パッケージ内で十分に混色するのが難しく、素子の電源電圧が異なるなどの理由で下記の蛍光白色発光ダイオードが多く使用されている。
【０００３】
青色発光ダイオードの青色光を黄色蛍光体に照射し、補色による蛍光白色発光ダイオードのスペクトルは先鋭な青色となだらかな黄色域の２つのピークから成っている（特許文献３）。赤色域が非常に少なく、緑にも大きなディップを持つ青みの強いスペクトル特性である。しかし、蛍光白色発光ダイオードは３原色の混色に比べて簡単に製造出来るため携帯電話などの液晶表示装置のバックライト、ＬＥＤ電球などとして利用されている。
【０００４】
半導体発光素子の発光効率の向上に伴って蛍光ランプより小型化が可能な発光ダイオードによる照明への応用が進んでいる。発光ダイオードは許容温度上昇が他の光源に比べて小さいため、大きな光束を得るのは多数のチップが必要になって高価なため、効率を重視されて青みの強いスペクトルになっている。最も比視感度の高い黄緑色付近の蛍光体を青色発光ダイオードで励起して補色による蛍光白色光を一般照明に使用した場合、赤色域やディップ波長域の被照射体は連続スペクトルの白色光に比べて暗くなる。赤色蛍光体などを混合する方法やイットリウムの一部をガドリニウムに置換して長波長側にシフトし、演色性を改善しつつ効率向上する提案がある（特許文献３）。
【０００５】
白色光バックライト光源からカラーフィルタで３色に分解する際に２／３の光量がカラーフィルタで吸収されて効率が低下する。カラーフィルタを使用せずに３原色発光素子を用いて加法混色する方法として、導光板に４５°の溝を画素数設け、溝の界面で液晶パネル方向に全反射する導光板を３層重ねた提案がある（図２６、特許文献４）。
複数の棒状導光体の界面に遮光層を設け、複数色発光ダイオードの色別光を遮光して棒状導光体内を伝播し、カラーフィルタを用いずに３色光を液晶ストライプに供給する方法が提案されている（図２７、特許文献５）。
液晶パネルの３辺に３色の光源を設置し、導光板に四角錐をマトリックス状に設けて四角錐の傾斜面によって液晶パネルの所定の画素に照射する液晶表示装置が提案されている（図２８、特許文献６）。
棚田状に凸反射面を配置した導光板に３原色の平行光を伝播させて画素方向に光束を拡大して反射し、各色の反射光を反射・透過素子でストライプに分配する提案がある（図２９、特許文献７）。
頂角と谷角が９０°の角度を有するプリズムの底面に２方向から２色の光を入射し、入射角が大きい傾斜面に入射した光は屈折光を同一方向に混色して出射し、入射角が大きい傾斜面に入射した光は臨界角以上になって全反射するので他方の光源に戻る。戻る光線を活用するためにバンドパスミラーを用いて他の光源側から出射する構造が提案されている（図３２、特許文献８）。
【０００６】
撮像用光源として線光源に近い３波長冷陰極管が多く使用されているが各色の蛍光材料が線スペクトルのため波長特性の凹凸が大きく、正確な色再現が出来ない。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６色〜９色を用いて可視光域をカバーする提案がある（特許文献７）。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、焦点面の散乱材層で混色することにより各色の半値波長で繋げて白色光を形成し、線光源変換素子で変換してスキャナー光源としての応用が示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−３５３５０６号公報
【特許文献２】特開２００４−８７９３５号公報
【特許文献３】特許３２４６３８６号公報
【特許文献４】特開平６−５９２５２号公報
【特許文献５】特開平２−１１１９２２号公報
【特許文献６】特開２００６−３２３２２１号公報
【特許文献７】特許４１１４１７３号公報
【特許文献８】特開２００８−２１８１５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
３色の発光素子を同一パッケージに配置し、発光素子近傍の反射鏡の傾斜を急にするなどの構造によって混色する特許文献１の提案は各発光素子から反射鏡への距離と角度が異なるのでチップの並びに従った色斑を生じる。正反射による混色が難しいので円錐内面の散乱層で後方散乱させて散乱距離を長く取るなどの混色のため、反射光が光源側に戻り多重反射の際に吸収されて効率が低下する。
【０００９】
青色発光ダイオードの青色光を黄色蛍光体に照射した補色による白色発光ダイオードは尖鋭なスペクトルの青色光となだらかな黄色光のスペクトルを持ち、赤色域と青緑色域が不足している（特許文献３）。蛍光体の配合比率を増大するに従って青色光のピークが低下して蛍光のピークが増大するが、蛍光が進行方向の蛍光体に当たらずに透過すると黄色光を呈し、別の黄色蛍光体に当たると蛍光体が有色不透明で蛍光波長に対しては蛍光変換率が低いために吸収される。吸収を補って蛍光体配合比率を上げると更に効率が低下する。蛍光白色発光ダイオードは効率を優先されて青色光スペクトルが大きい青白い光で、平均演色評価数が約７０と、演色性が低い照明である。
【００１０】
演色性を改善するために広い波長帯域の蛍光体を混合するとき、変換効率と比視感度に応じた蛍光体の配合比率で混合する必要がある。比視感度・変換効率の低い赤色などでは長波長蛍光体の量が増え、長波長蛍光体から発せられた光は短波長蛍光体では吸収だけで蛍光変換されないので更に蛍光体を増やす必要が生じる。黄色蛍光が黄色蛍光体に当たる確率と赤色蛍光が赤色蛍光体に当たる確率も増大して効率が低下する。このため、複数種の蛍光体を混合分散して連続スペクトルの白色光を実現するのは効率が低下する問題がある。
【００１１】
カラーフィルタを使用せずに３原色発光素子を用いて加法混色する方法として、導光板に４５°の溝を画素数設け、溝の界面で液晶パネル方向に全反射する導光板を３層重ねた特許文献４の提案は、４５°の傾斜をサブ画素数設けるため画面幅の１／３の厚さが必要になり、画面幅３００ｍｍでは導光板１層あたり１００ｍｍ厚が必要で、ストライプ数の溝を加工する工数により高価になる。
【００１２】
複数の棒状導光体の界面に遮光層を設け、色別光を遮光して棒状導光体内を伝播し、カラーフィルタを用いずに３色光を液晶ストライプに供給する特許文献５の提案は、遮光処理されたサブ画素幅の糸状導光部材を束ねて製造するのが難しく、遮光層を設けた透光シートを積層するとシート厚の公差が積算して液晶の画素寸法に一致しなくなる。各遮光層で仕切られた透光材内を拡散光が伝播するので、金属遮光膜の場合は反射する毎に吸収されて遠方ほど暗くなる。
【００１３】
導光板に四角錐による反射体を多数設け、３方向からの３原色光を画素に反射して混色する特許文献６の提案は、手前の四角錐に遮られて逆Ｖ型の反射光しか得られず、四角錐に斜めの平行光を照射すると側面にも当たるので散乱光になり他の画素に入射して不鮮明になる。
【００１４】
棚田状に凸反射面を配置した導光板と反射・透過素子でストライプに分配する特許文献７の提案は構造が異なる２種類の導光素子を用いるため正確な位置合わせが必要である。
【００１５】
入射光は対を成す双方の傾斜屈折面に入射し、一方の傾斜屈折面で屈折して底面の鉛直方向に出射する条件では対をなす他方の屈折面に入射する光は入射角が臨界角以上のため全反射して他方の光源側に戻る。全反射光をバンドパスミラーで再反射して利用すれば損失を回避出来るが複雑で高価である。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
短冊状反射面の長軸方向を光源からの平行光の進行方向に直交させて基準面上に配置し、短冊状反射面の短軸方向を交互に±３０°の傾斜を持たせて三角波状に並べると、三角波状反射格子４が形成される。三角波状反射格子と短冊状反射面の短軸方向で斜め上方３０°の方向に平行光光源を対称位置に設けた構造を図１に示す。
夫々の平行光光源と三角波状格子の対をなす反射面が平行になっているので対をなす平行光光源側に配置された反射面には入射出来ず、水平面から３０°上方の平行光光源双方からの平行光は三角波状反射鏡の光源方向反射面に沿って入射する。反射面に対向する光源の平行光が反射面に入射すると、双方から入射した光はいずれも鉛直上方に反射する。
三角波状格子の傾斜および傾斜光の傾斜角度をα、傾斜面の法線と鉛直方向のなす角度をβとすると、数１のように傾斜α，βは３０°である。
【数１】
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左右平行光光源からの反射光はいずれも光源側の反射面に従った櫛形になり、左右からの平行光が櫛形に交互に並んだ反射光である。格子ピッチを肉眼では認識出来ない寸法のストライプにして左右の平行光光源を別色の２色にすると併置加法混色される。
【００１７】
左右平行光光源からの反射光が櫛形に交互に並んだ反射光で併置加法混色されるのと同様に、傾斜が３０°の三角錐反射面で３方向の平行光を鉛直方向に反射すると正三角形配置のデルタ配列で混合して出射する。三角錐反射面に照射する光源は図２のように３方向に配置し、基準面に向かって３０°下向きに照射する配置のため、各反射面は対向する光源以外からの入射はなく、手前の三角錐に遮られることのない構造である。三角波状格子と同一の傾斜面のため基準面鉛直方向に３色の混色光を平行光として出射するため３原色表示装置の光源などとして利用することが出来る。三角錐を凸型と凹型で構成すると上下の三角形が連結し、３方向を向いた傾斜面の形状は図２のように菱形を組み合わせたものである。図３は三角錐の基準面を破線で示し、凸型三角錐の頂部を○で、凹型三角錐の谷部を●で表している。
【００１８】
三角波状格子は屈折面で構成することも出来、２つの方向から入射して三角波状に構成された面で屈折して平行光として出射する状態を図３に示す。屈折格子構成物質の屈折率ｎ２、周囲媒体の屈折率ｎ１とし、右側光源から屈折格子の右側傾斜面に入射角αで入射した光は数２（１）のスネル則により屈折角βで屈折する。三角波状屈折格子の傾斜面角度は中心線に対してγとして対をなす屈折面に平行に入射するので右側光源光は右側傾斜面にしか入射せず、傾斜面と入射光は対称なので左側光源光も同様である。三角波状屈折格子の傾斜面角度γを数２（２）のようにβとαの差で設定することにより双方の屈折光は中心線に平行に出射する。屈折格子の水平面に角度δで左右から対称に入射すると屈折面に角度αで入射するので混色して平行光として出射する。
【数２】
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代表的な透光高分子であるポリメチルメタクリレートとポリカーボネートにおけるα、β、γ、δの例を示す。
【表１】
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【００１９】
屈折格子を三角錐で構成して出射方向を一致させると図４のように３方向からの光を混色出来る。三角錐の３つの傾斜面角度は何れも中心線に対してγであり、３方向からの平行光が底面となす入射角はδである。底面で屈折した光は進行方向の１面にのみに入射して他の２面に平行なので入射しない。図４は右側に配置された光源Ａからの平行光Ａが底面で屈折した後に三角錐の左側の屈折面に入射角αで入射して鉛直方向に屈折して出射し、左奥に配置された光源Ｂからの平行光Ｂが底面で屈折した後に三角錐の右側の屈折面で鉛直方向に屈折して出射し、左手前側に配置された光源Ｃからの平行光Ｃが底面で屈折した後に三角錐の奥側の屈折面で鉛直方向に屈折して出射する。奥側の屈折面は図４では陰になっている。
【００２０】
基準面上に三角錐を同一方向に複数並べると、三角錐屈折面で３方向の平行光を鉛直方向に屈折して混合して出射するが、基準面上に前記三角錐の向きとは逆方向を向いた三角形のスペースが生じる。このスペースに上に凸の三角錐を設けても、屈折光を鉛直方向に出射することは出来ない。このスペースに基準面より窪んだ凹型三角錐を設け、前記凸型三角錐と凹型三角錐で構成すると上下の三角形が連結し、傾斜した屈折面の形状は図５のように菱形を組み合わせたものである。つまり、菱形屈折面の一方の対角線を基準面上に設け、基準面上の対角線より上側の菱形屈折面の隣接する辺を接して並べて基準面より上に凸型の三角錐屈折格子を形成し、対角線より下側の菱形屈折面の隣接する辺を接して並べて基準面より窪んだ凹型の三角錐屈折格子を形成し、屈折面への入射角と屈折角との差分の角度で菱形屈折面が基準面の法線となす傾斜角を設定し、三角錐屈折格子を周囲媒体より屈折率の大きい物質で構成して高屈折率側から低屈折率側に出射する構造である。３方向の平行光光源からの平行光が夫々、光源に対向する側の屈折面だけに入射して基準面の鉛直上方に屈折し、出射方向を一致させて混合することが出来る。
図５は三角錐の底面を破線で示し、凸型三角錐の頂部を○で、凹型三角錐の谷部を●で表している。屈折面の形状は菱形だが、凸型三角錐と凹型三角錐を組み合わせた構造なので三角錐屈折格子４と呼ぶことにする。凸型三角錐と凹型三角錐で構成すると平行光に対向する菱形に無駄なく平行光を照射することが出来る。
三角錐屈折面に照射する光源は図４のように３方向に配置し、基準面に向けて仰角で上記δの角度で照射する配置のため、各屈折面は対向する光源以外からの入射はなく、手前の三角錐に遮られることのない構造である。基準面の垂直方向に３色の混色光を平行光として出射するため３原色表示装置の光源などに利用出来る。
【００２１】
屈折格子に入射する光が平行光の場合、表示装置の背面に複数の平行光光源を設けるための大きな空間を必要とするが、サイドライト導光板の出射面側に前記三角錐屈折格子を形成して薄型化した構造について説明する。導光板の出射面側に三角錐屈折格子４を形成し、導光板の底面に凸反射面５を形成して、導光板側面から底面に対して傾斜した平行光を凸反射面５に入射すると、反射して三角錐屈折格子に光束を拡大して照射する。平行光が凸反射面で光束を拡大して反射し、三角錐屈折格子で屈折して被照射面におけるサブ画素２７の透過部の幅Ｗに拡大する様子を図６に示す。凸反射面の円周に沿った曲面長さｄからサブ画素幅Ｗに拡大するのが光束拡大率である。被照射面までの距離ｔは導光板厚と液晶挟持基板厚の和であり、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曲面長さをｄとすると、凸反射面の曲率半径rは数３で示される。
【数３】
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入射光の底面に対する傾斜θｉ は段差ｓと画素幅Ｘより数４で求められる。
【数４】
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３方向から３色の入射光を凸反射面に入射すると、夫々が光束を拡げて反射して三角錐屈折格子の菱形屈折面に照射されて、サブ画素に照射される。菱形屈折面で略鉛直方向に屈折して出射するので菱形屈折面の基準面に直交する対角線の長さは三角錐屈折格子の上方のサブ画素幅Ｗと同等である。菱形のサブ画素形状を組み合わせるので画素の形状は６角形である。
【００２２】
光束を拡大する拡散光が三角錐を構成する他の２面に入射しないようにするには他の２面に平行あるいは他の２面の陰になって入射しない必要がある。この条件で混色した光は数２（１）のスネル則に従って光束を拡大して出射する。図８の光線Ａは三角錐を構成する他の２面の稜に平行に進行して基準面に鉛直方向に出射する。凸反射面による光束拡大光を平行光に変換する凸屈折面を三角錐屈折格子との間に設けた２層構造になるが、三角錐屈折格子に入射する角度を一定にすることも出来る。拡散光の放射角が大きくなるほど光線Ｂ，Ｃ，Ｄの出射光は鉛直方向より傾斜した出射光である。三角錐を構成する他の２面に入射すると光線Ｅのように全反射して数２とは異なった方向に出射する。
【００２３】
図９、図１０は三角錐屈折格子における２面の断面を示したものである。図９は１本の円筒凸反射面で反射して１列のサブ画素の列に照射する状態を示しているが、図１０のように１本の円筒凸反射面から複数のサブ画素の列に照射することも出来る。サブ画素列の数は整数に限らず、次の凸反射面からの光が連続するならば端数も可能である。画素数よりも導光板底面の円筒凸反射面が少ない列数で構成し、１本の円筒凸反射面から複数のサブ画素の列に照射すると、１列のサブ画素の列に照射するときよりも凸反射面の寸法が大きく、円筒凸反射面の列数を削減出来るので３方向を向いた凸反射面の成型が容易になる。
複数のサブ画素列に分配する数を増やすに従って図８の光線Ｂ，Ｃ，Ｄのように傾斜するので出射方向を鉛直方向にするために出射面の傾斜を数２（１）に従って補正するか、隣接する他色のサブ画素に入射しない放射角に留める必要がある。図８の光線Ｂ，Ｃ，Ｄは谷部に遮られて頂部付近に死角部分が発生して光量が減少するので、輝度むらの影響が生じない放射角に留めることが望ましい。導光板厚を薄くした場合も光線Ｂ，Ｃ，Ｄのように傾斜するので同様である。
【００２４】
図９、図１０は２方向成分を示すのみなので、３方向成分を平面図で示したのが図１１である。導光板底面の３方向を向いた凸反射面で３方向からの平行光を三角錐屈折格子方向に全反射するメカニズムを説明する。図１１のＢ−Ｂ′における断面は図９、図１０の底面に設けた２方向を向いた三角柱状凸反射面である。図１１の横方向に伸びる３本１組で構成される線は導光板側面の上辺と下辺に対向する２辺に平行に設けた円筒凸反射面を三角柱状に頂稜を接して形成したものである。図の右下方向に照射する平行光Ｂを菱形の屈折格子方向に反射するための円筒凸反射面を導光板の底面に並べ、図の右上方向に照射する平行光Ｃを菱形の屈折格子方向に反射する円筒凸反射面が接して稜を形成し、図の右下方向に照射する平行光Ｂと図の右上方向に照射する平行光Ｃをこの頂稜を接した円筒凸反射面で反射して三角錐屈折格子に入射してサブ画素Ｂ，Ｃに入射する。
左向き方向の平行光光源Ａからの光を菱形の屈折格子で鉛直方向に方向変換して上下方向に並べたサブ画素Ａに照射する。
図１１において右辺に設けた光源Ａからの光を反射する複数の凸反射面を２本の三角柱状凸反射面の間にある谷部に設けている。図１１の上辺と下辺に設けた光源Ｂ，Ｃからの光は三角柱状凸反射面の陰の谷部にある凸反射面５Ａに入射しないので光源Ａの光だけをサブ画素Ａに照射する。
この谷部に沿った断面Ａ−Ａ′を図１２に示す。図１２の凸反射面５Ａで光束を拡げて反射する光が三角錐格子の屈折面１５Ａだけに入射してサブ画素２７Ａに入射する。凸反射面５Ａの上に示した凸反射面５Ｃは同一の断面上に存在するものでなく紙面垂直方向に存在するが透視して示したものである。図１１の上辺と下辺に設けた光源Ｂ，Ｃからの光が凸反射面５Ｃと、更にその裏側に存在する凸反射面５Ｂで光束を拡げて反射し、夫々三角錐格子の屈折面１５Ｃと１５Ｂに入射してサブ画素２７Ｃと２７Ｂに入射する。凸反射面５Ｂ、屈折面１５Ｂ、サブ画素２７Ｂは裏側にあるので図示していないが、３方向を向いた凸反射面の導光板底面は３方向からの平行光を三角錐屈折格子方向に全反射する。
【００２５】
凸反射面Ａを円筒に形成した場合、右辺からの光が反射すると三角柱状凸反射面の上部は死角になって照明されないので凸反射面Ａを長軸方向にも曲面を形成し、長軸方向の放射角εを制御して三角柱状凸反射面の上部の画素に照射する。凸反射面の長軸方向の曲率半径Ｒは、凸反射面の長軸方向の長さをＬとして数５で示される。
【数５】
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三角柱状凸反射面に直交する方向の凸反射面の長軸方向長さより長い範囲を照射するので前記三角柱状凸反射面の上部の画素に照射することが出来る。
【００２６】
図１１の底面の凸反射面で反射した３方向の光は導光板の上側面に設けた三角錐屈折格子のＡ，Ｂ，Ｃ面に入射する。三角錐屈折格子は３つの菱形面を組み合わせた構造なので、導光板の上方に菱形のサブ画素を有する液晶パネルを配置する。図１３は３色のサブ画素を菱形で形成してデルタ配列して６角形の画素からなる液晶表示装置の平面図である。図１３では説明の都合上、サブ画素の寸法を非常に拡大して表示している。
３色の光源Ａ，Ｂ，Ｃは周辺部に配置して１２０°異なる方向から照射している。Ｒ，Ｇ，Ｂの配列は任意だが、右辺に配置する光源Ａの数が最も少ないので高輝度の素子を配置するのが得策である。右辺には左向き方向に照射する平行光光源Ａを並べ、図１３の上辺と左辺上側に図の右下方向に照射する平行光光源Ｂを並べ、下辺と左辺下側に図の右上方向に照射する平行光光源Ｃを並べている。３方向の光を６角形の画素で混色してカラー表示することが出来る。
【００２７】
三角錐屈折格子を通して３色光をサブ画素に照射するのでカラーフィルタを用いずに液晶表示装置のカラー表示することが出来、凸反射面と三角錐屈折格子は同一部材からなる導光板なので液晶パネルの画素と位置合わせしてカラー表示することが出来る。菱形サブ画素を点対称に並べた６角形画素のため併置加法混色に優れ、ストライプによる正方形画素より滑らかである。
カラーフィルタは当該色以外を吸収するので透過率が３３％以下で、偏光板の吸収などを含めると液晶表示装置全体の効率は８％以下だが、本願発明はカラーフィルタを用いないので効率が３倍になり、白色発光ダイオードに比べて約１／３のＲＧＢ発光ダイオード数である。このためカラーフィルタの製造工程削減のみならず、発光ダイオードと電源部のコスト削減も出来る。
【００２８】
表示装置では３原色の混色で再現可能だが、照明装置・撮像装置などでは光源の波長特性が欠けていると正確な色再現が出来ない。青色発光ダイオードの青色光を黄色蛍光体に照射した補色による白色発光ダイオードは尖鋭な青色光スペクトルとなだらかな黄色光スペクトルを持ち、青緑色域に大きなディップがある。複数の蛍光体を混合して蛍光白色発光ダイオードを広帯域化するとき、蛍光体を多量に混合することにより蛍光を他の蛍光体で吸収されて効率が更に低下する。このため、蛍光体を混合するのでなく、三角錐屈折格子あるいは三角錐反射格子によって混色すると効率低下を伴わずに波長特性が広帯域化する。
【００２９】
第１の発光素子を青紫色発光ダイオードとし、黄色蛍光体による波高値が青紫色光波高値の約半分の２山特性で蛍光体を分散すると、青色〜緑色にディップを持ち、赤色域の低下した特性である。
第２の発光素子は第１の発光素子のディップ波長で発光する青緑色発光ダイオードとし、橙色蛍光体による波高値が青緑色光波高値の約半分の２山特性で蛍光体を分散すると、緑色〜黄色にディップを持つ特性である。
第３の発光素子は第１の発光素子のディップ波長で発光する緑色発光ダイオードとし、橙色蛍光体による波高値が緑色光波高値の約半分の２山特性で蛍光体を分散すると、黄色〜橙色にディップを持つ特性である。
三角錐屈折格子を用いて第１〜第３の発光ダイオード光を加法混色すると、第１発光ダイオードのディップ領域は第２、第３の発光ダイオードの励起光で補完される。第１〜第３の発光ダイオードの蛍光スペクトルは加法混色により黄色〜赤色域にかけて波高値が励起光に概略等しく、なだらかな連続スペクトルの蛍光を得ることが出来る。蛍光体で広帯域特性を得る方法は効率が低下するが、ディップ領域に別の励起波長を設けて三角錐屈折格子による混色を行なうことにより高効率に連続波長を実現出来る。要部透視図を図１４に、断面図を図１５に示す。異なる励起波長の蛍光変換発光ダイオードを三角錐混色装置で混色した合成前と合成後の波長特性を図２２に示す。
【００３０】
照明装置では平行光よりも放射角を拡げて使用されることが多いので混色された平行光を負焦点距離光学系により平行光よりも放射角を拡げることが出来る。放射方向が異なると一方だけの成分になるので、各光源光とも放射角と方向を揃えることにより均一な混色光を照射することが出来る。図１６は屈折格子の出射部に凹レンズアレイを設けたものである。
【００３１】
屈折格子の傾斜面を凹面にすることにより放射角を拡げることが出来、これを図１７に示す。対向する屈折格子傾斜面の凹面の出射光の放射角を揃えることにより均一な混色光を照射することが出来る。対向する屈折格子傾斜面に入射しないためには、屈折格子谷部における接線の傾斜で入射する必要がある。このため屈折格子の頂部に入射しないので頂部は先鋭にする必要はなく、平坦にして成型しやすくすることも出来る。
【００３２】
屈折格子の傾斜面を凸面にして焦点通過後に放射角を拡げることも出来る。屈折格子の傾斜面が平面であっても入射光が平行光でなく拡散光のとき、屈折格子出射後は拡散光である。屈折格子の基準面を平面でなく、凹面にして屈折格子に拡散光を入射し、拡散光を出射することが出来る。
光源部を１点からの拡散光にすると屈折格子の基準面に入射する角度が位置によって異なってしまうが、複数の点からの拡散光にすれば基準面に入射する角度を揃えることが出来る。
スポットライト、信号機などでは数４、図９の表示面における幅Ｗよりも、照射範囲あるいは観察可能範囲の放射角θの方が利用しやすいので凸反射面の曲率半径ｒ、円周に沿った曲面長さｄ、放射角θで表すと数６で示され、数７で近似することも出来る。ここで、放射角は図１０のように中心線に対して対称な角度である。
【数６】
2011146255.tif 000009
【数７】
2011146255.tif 000010
図１０は２方向からの平行光を放射角θで同一方向に混色して出射する状態を示している。放射角が等しく方向が一致して格子が認識できない寸法であれば均等に加法混色する。
【００３３】
個別発光素子で連続スペクトルを得るには、発光ダイオードの光度がピークの約半値になる波長幅は２０ｎｍ〜６０ｎｍのため、各色の半値波長で繋げて６色〜９色を用いると可視光域をカバーして連続スペクトルの白色光を実現可能である。三角錐屈折格子に入射する３つの光源に、更に屈折格子あるいは反射格子による混色光を用いることにより６色あるいは９色を混合することが出来る。散乱による混色でないので放射角の狭い白色光を照射することが出来る。６色を混合すると図２３のように連続スペクトルの白色光を合成することが出来る。
この構造の要部透視図の例を図１８に示し、断面図の例を図１９〜図２１に示す。
【００３４】
出射面の屈折格子は1つの格子傾斜面に複数の光を入射出来るので、図２０は図１９に比べて半分の屈折格子数になっている。図２１は導光板底面の凸反射格子の光束拡大機能を利用し、図１９の導光板出射面の凹屈折面を削除したものである。
【発明の効果】
【００３５】
複数の発光素子と反射鏡の距離と角度の非対称性による色斑を生じていたが、別の光源光が混入することを防止する反射格子または屈折格子を用いて混合し、同一放射角で出射することにより色斑を防止することが出来る。
反射格子を凸反射面にすることにより入射光の傾斜を小さくして光源部を薄型化することが出来る。
三角錐屈折格子と凸反射面格子を３方向に向けた構造により３色ストライプを１枚の導光板で実現することが出来るため、位置合わせが不要になり生産性が向上し、材料費を削減することが出来る。
蛍光白色発光ダイオードのスペクトルは先鋭な青色となだらかな黄色域の２つのピークから成っているが、混色装置を用いることにより複数の励起光を利用することが出来、高効率に連続スペクトルを実現することが出来る。
蛍光体を多成分系で混合してスペクトルを広帯域化する方法よりも高効率に連続スペクトルの白色光を得ることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】三角波状反射格子の断面図
【図２】凸三角錐反射格子と凹三角錐反射格子を組み合わせた構造の平面図
【図３】三角波状屈折格子による混色の原理図
【図４】三角錐屈折格子による混色の原理を示す斜視図
【図５】凸三角錐屈折格子と凹三角錐屈折格子を組み合わせた構造の平面図
【図６】凸反射面による光束拡大の原理図
【図７】対を成す凸反射格子による混色と放射角
【図８】拡散光の入出射角
【図９】反射格子と三角錐屈折格子を併用した液晶表示装置の導光板の断面図
【図１０】１つの凸反射格子から複数の三角錐屈折格子に照射する液晶表示装置の導光板の断面図
【図１１】導光板の底面に３種類の凸反射格子を配置し、導光板側面に３種類の光源を配置した平面図
【図１２】反射格子と三角錐屈折格子を併用した液晶表示装置の導光板の断面図
【図１３】菱形サブ画素からなる液晶表示装置の平面図
【図１４】３種類の蛍光変換発光ダイオードと三角錐屈折格子の混色によるランプの要部透視図
【図１５】３種類の蛍光変換発光ダイオードと三角錐屈折格子の混色によるランプの断面図
【図１６】三角錐屈折格子の出射光を凹レンズにより拡散する断面図
【図１７】三角錐屈折格子の凹屈折面により出射光を拡散する断面図
【図１８】６種類の発光ダイオードと三角錐屈折格子の混色によるランプの要部透視図
【図１９】６種類の発光ダイオードと三角錐屈折格子の混色によるランプの断面図
【図２０】出射側の三角錐屈折格子が２色混色屈折格子寸法より２倍の場合の混色
【図２１】出射側の三角錐屈折格子と２色混色屈折格子が同一寸法の場合の混色
【図２２】３種類の蛍光白色発光ダイオードの混色による合成スペクトル
【図２３】６種類の発光ダイオードの混色による合成スペクトル
【図２４】信号機の実施例の断面図
【図２５】信号機の実施例の平面図
【図２６】円錐型散乱面による従来の混色装置における前方散乱光のみを示した模式図
【図２７】チップ近傍の反射鏡を急傾斜にして色斑を緩和して混色するパッケージの従来例
【図２８】４５°の溝の界面で液晶パネル方向に全反射するカラーフィルタなしの従来例
【図２９】ストライプ幅の積層導光体により３色光を液晶ストライプに供給する従来例
【図３０】導光板に設けた四角錐の傾斜面によって３色光を所定の画素に照射する従来例
【図３１】棚田状凸反射面導光板とストライプ分配素子による３色液晶表示装置の従来例
【図３２】直角プリズムに２方向の光を入射し、バンドパスミラーを併用して混色する従来例
【発明を実施するための形態】
【００３７】
実施例１
三角錐屈折格子を用いることにより菱形サブ画素からなる液晶表示装置について説明する。液晶表示装置の導光板の底面に３種類の凸反射格子を配置し、導光板側面に３種類の光源を配置した平面図を図１１に、菱形サブ画素からなる液晶表示装置の平面図を図１３に示す。対角１１１７ｍｍ（４６型）、フルＨＤ（１９２０×１０８０）のとき、画面寸法は横１０１８ｍｍ、縦５７３ｍｍ、画素ピッチ５３０μｍ、サブ画素の菱形辺長３０６μｍである。
導光板の底面は３方向を向く３種類の凸反射面を配置している。図の右下方向に照射する平行光Ｂを円筒凸反射面Ｂで斜め上方に反射して菱形の屈折格子Ｂに入射角αで入射する。図の右上方向に照射する平行光Ｃを前記円筒凸反射面Ｂと接して稜を形成している円筒凸反射面Ｃで斜め上方に反射して菱形の屈折格子Ｂに入射角αで入射する。左向き方向の平行光光源Ａからの光を円筒凸反射面Ａで斜め上方に反射して菱形の屈折格子に入射角αで入射する。
三角錐屈折格子の屈折面Ａ，Ｂ，Ｃで鉛直方向に方向変換してサブ画素Ａ，Ｂ，Ｃに照射する。
導光板の凸反射面段差が画素寸法より小さいために画素寸法に拡大するが、導光板厚が一定のため凸反射面の曲率半径は一定である。導光板厚ｔを１０ｍｍ、凸反射面の段差ｓを１０μｍとすると曲率半径ｒは１５９μｍである。光源からの平行光線をほぼ鉛直方向にある液晶のサブ画素に向けて反射するもので、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。
発光ダイオードを光源部の放物面鏡の焦点に放物面鏡の反射光を遮らない位置にオフセットして配置する。光源Ａに光度２４０ｍｃｄの発光ダイオード５４０個を配置し、光源ＢとＣに光度１４０ｍｃｄの発光ダイオード５４０個を配置することにより、光透過率４０％のとき輝度２６３ｃｄ／ｍ２が得られる。このときの消費電力は約１３０Ｗになり、白色発光ダイオードとカラーフィルタの場合の約１／３の消費電力である。
透明材料としてポリメチルメタクリレート、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、光硬化アクリル樹脂などが可能で、射出圧縮成型などにより成型出来る。光硬化アクリル樹脂は低粘度のモノマー、オリゴマーを出発原料に重合するため精密な成型が可能である。
【００３８】
実施例２
三角錐屈折格子を用い、３方向に３種類の蛍光変換発光ダイオードを用いた照明装置の実施例を図１４、図１５などにより説明する。第１の蛍光変換発光ダイオードＡは励起波長４４０ｎｍ、蛍光波長５５０ｎｍである。第２の蛍光変換発光ダイオードＢは励起波長４７５ｎｍ、蛍光波長５９０ｎｍである。第３の蛍光変換発光ダイオードＣは励起波長５１０ｎｍ、蛍光波長５９０ｎｍである。図１５は第１の蛍光変換発光ダイオードＡと第２の蛍光変換発光ダイオードＢとの間の断面図のため第３の蛍光変換発光ダイオードＣは示していない。
発光素子１Ａ，１Ｂは夫々軸外放物面鏡６の焦点に設け、紙面奥行き方向に夫々６個設けている。軸外放物面鏡６で平行光に変換され、導光板２４に分散して配置された反射面４７で反射して三角錐屈折格子１５に入射する。
放射角を約±１０°にするため三角錐屈折格子の出射面を凹屈折面にしている。
各発光素子に１００ｍＡの順電流を流すと計１８個の光源で６．３Ｗになり、変換効率８０ｌｍ／Ｗ  で５００ｌｍの光束を得られる。混色したスペクトルは図２２のように連続スペクトルの白色光である。可視光域の抱絡線が５５００Ｋの白色光に近似するので高い色再現性を求め、赤外線を含まずに温度上昇を避け、紫外線による損傷を避ける用途に適している。
【００３９】
実施例３
三角錐屈折格子を用い、３方向に６色の発光ダイオードを用いたＬＥＤ電球の実施例を説明する。図１８は要部を透視した斜視図である。三角錐屈折格子に照射するための３方向の光源は図７で説明した双方向を向く凸反射面を有する導光板と双方向の光源である。三角錐屈折格子と双方向を向く凸反射面を有する導光板の断面図を図２０に示す。双方向を向く凸反射面を有する導光板は２方向からの平行光を光束を拡げて反射し、導光板出射面の凸屈折面で平行光に戻してから三角錐屈折格子に入射している。三角錐屈折格子の出射光は平行光なので凹屈折面１１を設けて必要な放射角に光束を拡げている。放射角が狭い場合は図１９のように三角錐屈折格子を凹屈折面で構成しても良い。混色したスペクトルは図３２のように連続スペクトルの白色光である。
【００４０】
実施例４
凸反射面の格子を双方向に持つ導光板に２色の平行光を入射して混色する実施例として赤色発光ダイオードと緑色発光ダイオードを用いて黄色を合成する信号機について説明する。青信号と呼称されるが正しくは緑色である。色覚障害対策として青みを帯びた緑色で表示されている。黄色信号は橙色を帯びた橙黄色で表示されている。図２４は凸反射面を双方向に持つ格子に緑色と赤色の平行光を入射して黄色信号のときは緑色と赤色を混色して黄橙色として表示する信号機の断面図である。
導光板の底面は図７で示した双方向を向いた凸反射面が嶺を形成している。信号機表示面までの距離が約５ｍ以上あるので凸反射面の幅が５ｍｍ以下では格子を認識出来ず、赤色光と緑色光が凸反射格子から同一方向に同一放射角で出射したとき、加法混色されて色斑の発生は起こらない。
表示面周囲に光源部を設け、一方に緑色発光ダイオードを、他方に赤色発光ダイオードを各９６個の楕円鏡の焦点に設けてから放物面鏡で平行光を形成して一方の凸反射面に入射している。対を成す凸反射面で同一方向に同一放射角で反射し、導光板表面の凹屈折面で必要とする放射角に光束を拡大する。従来の上空や交差する道路まで照射する指向性は消費電流が無駄になるが、上下方向の放射範囲を水平面以下、左右方向の放射角を±４５°の範囲にすると消費電流を約１／４に削減することが出来る。このため、１つの表示面に赤と緑の素子を半々で設けても必要な光量得ることが出来る。
５００ｎｍ以下の青緑色発光ダイオオードを用いて赤色発光ダイオードと混色すると色度座標上の直線が白色域に近づいて淡黄色になるので５００ｎｍ以上の緑色発光ダイオードと、６１０ｎｍ以上の赤色発光ダイオードを用いると混色直線が馬蹄形をした色度座標の右側縁面に沿うために濃い黄色を混色することが出来る。
従来の３灯信号機では太陽光を受けて非点灯の２灯も明るくなり輝度差が低下する擬似点灯現象があるが、屈折格子による混色では表示面が１灯なので擬似点灯現象は発生せず、黄色の発光素子を削減し、更に指向性の制御による素子数の低減で信号機をコスト削減することが出来る。従来の信号機は指向性が広いため交差する道路側の信号が見えるばかりでなく、上空にも放射しているので消費電流が多くなっているが、必要な指向性範囲にすると消費電流を低減し、素子数の低減により製造コストも削減することが出来る。近年発光効率の向上が著しいが、従来の表示面は発光素子のドットが目立つため素子数を削減すると更に荒い表示になるので素子数の削減は困難である。しかし、凸反射格子を認識出来ない幅で表示するので全体が均一に表示される。このため、指向性の制御と発光効率に応じて発光素子数を削減することが出来る。
【符号の説明】
【００４１】
１：発光素子                            ４：三角波状反射格子                  ５：凸反射面  
６：放物面鏡                            ８：楕円鏡                            ９：双曲線鏡                          
１０：凸屈折面                        １１：凹屈折面                        １５：屈折格子
１６：励起光                          １７：蛍光                            １８：透光物質                      
１９：平行光                          ２０：拡散光                          ２１：凹面鏡                          
２２：凸面鏡                          ２４：導光板                          ２７：サブ画素                        
２８：液晶挟持基板                    ２９：基板                            ３０：回路基板                        
３１：谷部                            ３２：頂部                            ３３：楕円                            
３４：空気層                          ３７：入射面                          ３８：支持部材                        
３９：散乱面                          ４０：焦点                            ４２：溝                              
４３：四角錐                          ４５：入射光                          ４６：光源                            
４７：バンドパスミラー                ４８：偏光板                          ４９：プリズム
５０：基準面                          ５１：死角
【図１】
2011146255.tif 000011
【図２】
2011146255.tif 000012
【図３】
2011146255.tif 000013
【図４】
2011146255.tif 000014
【図５】
2011146255.tif 000015
【図６】
2011146255.tif 000016
【図７】
2011146255.tif 000017
【図８】
2011146255.tif 000018
【図９】
2011146255.tif 000019
【図１０】
2011146255.tif 000020
【図１１】
2011146255.tif 000021
【図１２】
2011146255.tif 000022
【図１３】
2011146255.tif 000023
【図１４】
2011146255.tif 000024
【図１５】
2011146255.tif 000025
【図１６】
2011146255.tif 000026
【図１７】
2011146255.tif 000027
【図１８】
2011146255.tif 000028
【図１９】
2011146255.tif 000029
【図２０】
2011146255.tif 000030
【図２１】
2011146255.tif 000031
【図２２】
2011146255.tif 000032
【図２３】
2011146255.tif 000033
【図２４】
2011146255.tif 000034
【図２５】
2011146255.tif 000035
【図２６】
2011146255.tif 000036
【図２７】
2011146255.tif 000037
【図２８】
2011146255.tif 000038
【図２９】
2011146255.tif 000039
【図３０】
2011146255.tif 000040
【図３１】
2011146255.tif 000041
【図３２】
2011146255.tif 000042
【手続補正書】
【提出日】平成22年11月22日(2010.11.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１】
菱形屈折面の一方の対角線を基準面上に設け、基準面上の対角線より上側の菱形屈折面の隣接する辺を接して並べて基準面より上に凸型の三角錐屈折格子を形成し、
対角線より下側の菱形屈折面の隣接する辺を接して並べて基準面より窪んだ凹型の三角錐屈折格子を形成し、
菱形屈折面が基準面の法線となす傾斜角を入射角と屈折角との差で設定して高屈折率側から低屈折率側に出射する構造として、
３方向の光源からの平行光が夫々、対向しない屈折面に略平行に伝播して三角錐屈折面の光源に対向する屈折面だけに入射することにより、
基準面の鉛直上方に屈折し、出射方向を一致させて混合することを特徴とする照明装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項２】
導光板の出射面に請求項１に記載の三角錐屈折格子を形成し、更に導光板の底面に凸反射面を形成し、
導光板の側面から底面に対して傾斜した平行光を凸反射面に入射する構造からなり、
凸反射面で光束を拡大して三角錐屈折格子に反射してサブ画素に照射し、３方向からの３色の平行光を菱形のサブ画素からなる画素に照射することを特徴とする照明装置。
【手続補正３】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項６】
前記三角錐屈折格子の上方に、３つの菱形のサブ画素による６角形の画素からなる液晶パネルを配置し、凸反射面で反射した３方向の光を三角錐屈折格子で屈折して菱形のサブ画素に照射する構造からなり、
３方向の光を６角形の画素で混色してカラー表示することを特徴とする請求項２に記載の照明装置。
【手続補正４】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項８】
曲率半径ｒ、円周に沿った曲面長さｄの凸反射面に２方向からの平行光を反射し、
放射角θ＝ｄ・３６０°／（２πｒ）で同一方向に混色して出射することを特徴とする請求項２に記載の照明装置。