(57)【要約】      （修正有）【課題】面光源の出射光を最大限に利用し、必要な所だけ照明でき、装置の薄型化が容易に達成でき、しかも低コスト化が可能である照明装置を提供する。【解決手段】面光源１０から出射した光束Ｌ０のほぼ全てをメニスカスレンズ２１と凸レンズ２２からなる集光光学系２０で取り込み、出射角度α＝１９°〜３０°の光束Ｌ１とする。これを、２個以上４個以下のレンズ３１、３２・・・からなるコリメート光学系３０で拡がり角度β＝５．０°以下の光束Ｌとする。これを、凹面反射ミラー１５で斜め方向に反射させ、さらに反射型プリズムシート１４でその厚み方向に反射させて、最終的に平行光束Ｌｒを出射する。【選択図】図１
2019102372.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光出射面を有する面光源と、
前記面光源から出射される光束のほぼ全てを、前記面光源を覆うメニスカスレンズである第１レンズで取り込み前記第１レンズの光出射面側の直後に光軸が一致するように配置された凸レンズである第２レンズへ入射させ、前記第２レンズの光出射面側から出射される光束の出射角度αが光軸に対し、光束の拡がる側にα＝１９°〜３０°となる集光光学系と、
前記集光光学系から光軸に対し前記出射角度で出射される光束を、光軸に対し、光束の拡がる側にβ＝５．０°以下の拡がり角度βでコリメートする、２個以上４個以下のレンズからなるコリメート光学系と、
前記コリメート光学系から出射される光束を、平行光束となるように反射する、焦点距離ｆの凹面反射ミラーからなり、
前記焦点距離ｆは、前記コリメート光学系の光出射面から前記凹面反射ミラーの反射面までの距離Ｍに対して、０．９Ｍ＜ｆ＜１．１Ｍ、の条件を満たす、反射光学系と、
さらに、光路変更手段と、
を備えた照明装置であって、
前記反射光学系から反射した光束の反射方向が、前記集光光学系と前記コリメート光学系を通過した光束の光軸に対して傾斜し、
さらに、前記光路変更手段は、前記反射光学系から反射した光束の光路を変更する反射型プリズムシートからなる、
ことを特徴とする照明装置。
【請求項２】
前記集光光学系の第１レンズと第２レンズとが、光入射面と光出射面の双方ともレンズ面として円弧を母線とした回転面からなる、球面レンズであることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
【請求項３】
前記集光光学系の第１レンズと第２レンズとが、樹脂により一体成型されていることを特徴とする請求項１または２に記載の照明装置。
【請求項４】
前記コリメート光学系をなす２個以上４個以下のレンズの、前記集光光学系側のレンズ径と前記反射光学系側のレンズ径とでは、後者の方が大であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の照明装置。
【請求項５】
前記コリメート光学系が、２個の平凸レンズからなることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の照明装置。
【請求項６】
前記コリメート光学系が、２個のフレネルレンズからなることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の照明装置。
【請求項７】
前記凹面反射ミラーは、その反射面が前記反射型プリズムシートの下面側である光入射面側に向き、前記反射型プリズムシートの厚み方向に対して傾斜角度θ＝１．０°〜５．０°で傾斜していることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の照明装置。
【請求項８】
前記反射型プリズムシートの反射凸部の幅方向中心線が円弧状であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の照明装置。
【請求項９】
前記反射型プリズムシートの、前記凹面反射ミラーから反射した光束が反射する各々の反射面の傾きを、リニアフレネルレンズのように、各々異なる傾きとしたことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の照明装置。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１項に記載された照明装置からなることを特徴とするバックライト装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載されたバックライト装置と、複数の配光層に挟持された液晶を少なくとも有する平面板状の液晶パネルと、を備え、
前記バックライト装置から出射される光束を、前記液晶パネルの背面に対して入射させることを特徴とする液晶ディスプレイ。
【請求項１２】
請求項１〜９のいずれか１項に記載された照明装置からなることを特徴とするフロントライト装置。
【請求項１３】
請求項１２に記載されたフロントライト装置と、複数の配光層に挟持された液晶を少なくとも有する平面板状の反射型液晶パネルと、を備え、
前記フロントライト装置から出射される光束を、前記反射型液晶パネルの正面に対して入射させることを特徴とする反射型液晶ディスプレイ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、均一な明るさで平行な光を出射する照明装置、ならびに該照明装置からなるバックライト装置およびフロントライト装置、さらには、前記バックライト装置を具備した液晶ディスプレイ、および前記フロントライト装置を具備した反射型液晶ディスプレイに関する。
【背景技術】
【０００２】
照明とは、一般に「光源から出射する光で、特定の場所をほぼ均一に明るくする行為や機能のこと」と定義されている。現在、青色ＬＥＤ（ＬＥＤとは発光ダイオードの略号である。）の開発とその発光効率の飛躍的な向上により、照明装置の光源としてＬＥＤは広く用いられるようになり、既に従来の電球や蛍光灯を凌ぐまでに普及が進んでいる。ただし、現状のＬＥＤ照明装置でも、従来の電球や蛍光灯のように、光源から放出される強い光を広い角度で拡散させそれらの拡散光を交ぜ合わせることで照度の均一性を実現しているので、特定の場所だけを均一に明るくできる技術には至っていない。また、特定の場所以外に放出される光は、無駄なエネルギーであり、この無駄なエネルギーを低減することにより、現状のＬＥＤ照明装置よりも更に省電力化が図れる照明装置を実現できる。
【０００３】
平板面を照明する場合、通常は図１１（ｂ）に示すように、反射板５１付きの円柱形照明手段５０（蛍光灯や直管型ＬＥＤランプ等を総称していう。）を、平板５２の上部に、円柱形照明手段５０の長手方向を平板面の上縁と平行とし、かつ円柱形照明手段５０の主光軸（中心）が平板面に当たるように反射板５１を傾けて、平板面の上縁と下縁の明るさの差が小さくなるように調整して設置してなる照明装置が用いられている。しかしながら、図１１（ｂ）の照明装置では、照度は照明装置から平板面までの距離の２乗に反比例して減少するので、上縁は明るく下縁は暗くなり、輝度の均一性が実現できない。
【０００４】
一方、図１１（ａ）のように、出射強度が（例えば出射強度の平均値±１０％以内と）ほぼ等しく、出射方向が（例えば基準方向となす出射方向の角度の平均値±１０°以内と）ほぼ等しい、平行光を出射するほぼ理想的な平行光照明手段６０を、照明光が平板面の上縁と下縁に当たるように、平板に傾けて上縁に設置してなる照明装置を用いれば、平板面の上縁、中央、及び下縁の照度をほぼ等しくできる。さらに、平板面以外に照射される無駄な光はないので、照明装置から放射される光の利用効率がほぼ１００％を実現でき、図１１（ｂ）の照明装置に比べ大幅な省エネルギー効果が期待できる。
【０００５】
図１１（ａ）と機構的に類する照明装置として、特許文献１および特許文献２には、均一な明るさで平行な光を出射する照明装置が開示されている。これらは、ＬＥＤチップから出射される光を、ロッドライクインテグレーターなどのホモジェナイザーに通すことによりその出口で輝度均一な小面積の面光源とし、その面光源を焦点距離ｆ１のレンズ（ｆ１レンズ）と焦点距離ｆ２の球面反射ミラー（ｆ２球面反射ミラー）および反射型プリズムシート（反射プリズム）により輝度均一を保持したまま反射プリズム面に拡大し、この反射プリズム面に拡大された面光源の全ての光が、反射プリズムの反射面によりその法線方向に向きを変えて出射されるものである。
【０００６】
一方、特許文献３には、メニスカスレンズと凸レンズとを用い、両レンズに特定の条件で面光源の虚像を形成させることにより、面光源からの光をほぼ全部入射させ、光軸位置および光軸から外れた位置からの入射光をほぼ同じ角度で出射できる構成とし、照射光強度の均一性を高めた照明装置が開示されており、また、照射光の照射角度を調整できるとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１５−１９８０５４号公報
【特許文献２】特開２０１７−０９８０８４号公報
【特許文献３】特許第５９０１０３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１、２のいずれにおいても、ＬＥＤチップから出射される光は、光出射面の法線方向に対し、法線方向の角度±９０°の角度範囲内に分布する出射角度をもって放出され、ホモジェナイザーとして用いられるロッドライクインテグレーターの光入射面は通常平面であるので、ＬＥＤチップから出射される光のほとんど全てを入射させることはできない。例えば、ＬＥＤチップの光出射面とロッドライクインテグレーターの光入射面の距離を、ほぼゼロとして設置したとしても、光入射面で全反射してしまう光があるので、全ての光を利用することはできない。例えば、ＬＥＤチップからの全出射光の７０％程度は利用できない、という問題が生じ得る。
【０００９】
また、ロッドライクインテグレーターの代わりに図１５に示すようなコリメート光学系７０を用いて、ＬＥＤチップ７１から出射される光のほとんど全てを利用できるようにすることも考えられる。図１５では、メニスカスレンズ７２と非球面レンズ７４からなるコリメート光学系７０の焦点位置にＬＥＤチップ７１を配置する構成となっている。しかし、この構成では、メニスカスレンズ７２とＬＥＤチップ７１が物理的に離れているため、ＬＥＤチップ７１から大きな角度で出射される光がメニスカスレンズ７２に入射されないことになる。
【００１０】
また、特許文献３の照明装置は、照射光の照射角度を調整できるとしているが、照明光を平行光として出射するには別途高価な非球面レンズを５個以上必要とし、低コスト化が困難である。
【００１１】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、均一な明るさで平行な光を出射する照明装置のメリットを生かしつつ、その光の利用効率を向上させることにより、光源の使用を必要最小限にして、低消費電力化を図ることができ、かつ、観察対象面が大である照明型看板、ポスターや絵画用照明、面均一輝度の反射型液晶ディスプレイやＥインクディスプレイ、および一般の照明への適用を図る際に、面光源の出射光を最大限に利用し、必要な所だけ照明でき、装置の薄型化が容易に達成でき、しかも低コスト化が可能である照明装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上述した課題を解決し、上記目的を達成するために、本発明に係る照明装置は、
（１）  光出射面を有する面光源と、
前記面光源から出射される光束のほぼ全てを、前記面光源を覆うメニスカスレンズである第１レンズで取り込み前記第１レンズの光出射面側の直後に光軸が一致するように配置された凸レンズである第２レンズへ入射させ、前記第２レンズの光出射面側から出射される光束の出射角度αが光軸に対し、光束の拡がる側にα＝１９°〜３０°となる集光光学系と、
前記集光光学系から光軸に対し前記出射角度で出射される光束を、光軸に対し、光束の拡がる側にβ＝５．０°以下の拡がり角度βでコリメートする、２個以上４個以下のレンズからなるコリメート光学系と、
前記コリメート光学系から出射される光束を、平行光束となるように反射する、焦点距離ｆの凹面反射ミラーからなり、
前記焦点距離ｆは、前記コリメート光学系の光出射面から前記凹面反射ミラーの反射面までの距離Ｍに対して、０．９Ｍ＜ｆ＜１．１Ｍ、の条件を満たす、反射光学系と、
さらに、光路変更手段と、
を備えた照明装置であって、
前記反射光学系から反射した光束の反射方向が、前記集光光学系と前記コリメート光学系を通過した光束の光軸に対して傾斜し、
さらに、前記光路変更手段は、前記反射光学系から反射した光束の光路を変更する反射型プリズムシートからなる、
ことを特徴とする。
（２）  本発明に係る照明装置は、上記（１）の発明において、前記集光光学系の第１レンズと第２レンズとが、光入射面と光出射面の双方ともレンズ面として円弧を母線とした回転面からなる、球面レンズであることを特徴とする。
（３）  本発明に係る照明装置は、上記（１）または（２）の発明において、前記集光光学系の第１レンズと第２レンズとが、樹脂により一体成型されていることを特徴とする。
（４）  本発明に係る照明装置は、上記（１）〜（３）のいずれかの発明において、前記コリメート光学系をなす２個以上４個以下のレンズの、前記集光光学系側のレンズ径と前記反射光学系側のレンズ径とでは、後者の方が大であることを特徴とする。
（５）  本発明に係る照明装置は、上記（１）〜（４）のいずれかの発明において、前記コリメート光学系が、２個の平凸レンズからなることを特徴とする。
（６）  本発明に係る照明装置は、上記（１）〜（５）のいずれかの発明において、前記コリメート光学系が、２個のフレネルレンズからなることを特徴とする。
（７）  本発明に係る照明装置は、上記（１）〜（６）のいずれかの発明において、前記凹面反射ミラーは、その反射面が前記反射型プリズムシートの下面側である光入射面側に向き、前記反射型プリズムシートの厚み方向に対して傾斜角度θ＝１．０°〜５．０°で傾斜していることを特徴とする。
（８）  本発明に係る照明装置は、上記（１）〜（７）のいずれかの発明において、前記反射型プリズムシートの反射凸部の幅方向中心線が円弧状であることを特徴とする。
（９）  本発明に係る照明装置は、上記（１）〜（８）のいずれかの発明において、前記反射型プリズムシートの、前記凹面反射ミラーから反射した光束が反射する各々の反射面の傾きを、リニアフレネルレンズのように、各々異なる傾きとしたことを特徴とする。
（１０）  本発明に係るバックライト装置は、上記（１）〜（９）のいずれかの発明による照明装置からなることを特徴とする。
（１１）  本発明に係る液晶ディスプレイは、上記（１０）の発明によるバックライト装置と、複数の配光層に挟持された液晶を少なくとも有する平面板状の液晶パネルと、を備え、
前記バックライト装置から出射される光束を、前記液晶パネルの背面に対して入射させることを特徴とする。ここで、液晶パネルの背面とは、液晶パネルの観察者側とは反対側の面を意味する。
（１２）  本発明に係るフロントライト装置は、上記（１）〜（９）のいずれかの発明による照明装置からなることを特徴とする。
（１３）  本発明に係る反射型液晶ディスプレイは、上記（１２）の発明によるフロントライト装置と、複数の配光層に挟持された液晶を少なくとも有する平面板状の反射型液晶パネルと、を備え、
前記フロントライト装置から出射される光束を、前記反射型液晶パネルの正面に対して入射させることを特徴とする。ここで、反射型液晶パネルの正面とは、反射型液晶パネルの観察者側の面を意味する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、面光源の出射光を最大限に利用し、均一な明るさで平行な光を出射し、必要な場所だけ照明でき、照射対象面が大画面であっても装置の薄型化が容易に達成でき、しかも低コスト化が可能である照明装置が実現するという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第１の実施形態による照明装置を模式的に示す側面図である。
【図２】本発明の第２の実施形態による集光光学系の形態を模式的に示す側面図である。
【図３】本発明の第３の実施形態による集光光学系の形態を模式的に示す側面図である。
【図４】本発明の第４の実施形態によるコリメート光学系の形態を模式的に示す側面図である。
【図５】本発明の第５の実施形態によるコリメート光学系の形態を模式的に示す側面図である。
【図６】本発明の第６の実施形態によるコリメート光学系の形態を模式的に示す側面図である。
【図７】図１中の反射型プリズムシートの部分的なＹＺ断面図である。
【図８】本発明の第８の実施形態による反射型プリズムシートの形態を模式的に示す（ａ）底面図、（ｂ）側面図及び（ｃ）正面図である。
【図９】本発明の第１０の実施形態によるバックライト装置の配置形態を模式的に示す側面図である。
【図１０】本発明の第１２の実施形態によるフロントライト装置の配置形態を模式的に示す側面図である。
【図１１】平板面を照射する照明装置を示す模式図であり、（ａ）はほぼ理想的な平行光照明手段を用いた場合、（ｂ）は通常の円柱形照明手段を用いた場合を示す。
【図１２】実施例として光学シミュレーションにより第１の実施形態の１例におけるα、βの限定条件を満たす設計条件を求めた照明装置を模式的に示し、（ａ）は側面図、（ｂ）は正面図である。
【図１３】実施例における照射対象面のＹ方向の１次元強度分布を示す線図である。
【図１４】実施例における照射対象面のＺ方向の１次元強度分布を示す線図である
【図１５】コリメート光学系の前側焦点位置にＬＥＤチップを設置した照明装置を示す模式的に示す側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。なお、以下の実施形態により本発明が限定されるものではない。また、各図面において、同一または対応する要素には適宜同一の符号を付し、重複した説明を適宜省略し、さらに、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係などは、現実のものとは異なる場合があることに留意する必要がある。また、図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。
【００１６】
（第１の実施形態）
まず、本発明の第１の実施形態として、（１）の発明に係る照明装置について説明する。図１は、この第１の実施形態による照明装置の構成を示すＸ方向から見た側面図である。なお、図１においてＸＹ平面に対して直角の方向をＺ方向とする。
図１に示すように、この第１の実施形態による照明装置１は、光出射面を有する例えばＬＥＤチップからなる面光源１０、集光光学系２０、コリメート光学系３０、焦点距離ｆの凹面反射ミラー１５からなる反射光学系、および反射型プリズムシート１４からなる光路変更手段を有して構成されている。なお、面光源１０の光出射面の法線方向をＺ方向とした。
【００１７】
面光源１０は、光出射面を有する発光体であり、例えばＬＥＤチップが挙げられる。なお、光出射面を有する発光体であれば、ＬＥＤチップに限定されるものではない。
集光光学系２０は、面光源１０を覆うメニスカスレンズである第１レンズ２１と、第１レンズ２１の出射面側の直後に光軸が一致するように配置された凸レンズからなる第２レンズ２２とを備え、面光源１０から出射される光束Ｌ０のほぼ全て、例えば９５％以上、が第１レンズ２１で取り込まれて、第２レンズ２２へ入射し、第２レンズ２２の光出射面側から出射する光束Ｌ１の出射角度αが光軸（Ｚ方向）に対し、光束の拡がる側にα＝１９°〜３０°となるよう構成されている。なお、好ましくは、α＝２２°〜２８°である。また、好ましくは、第１レンズ２１と第２レンズ２２の間に、第２レンズ２２への外光の入射を阻止する遮光板（図１では図示せず、後掲の図２で遮光板２５として図示した。）を設置してもよい。
【００１８】
コリメート光学系３０は、４個以下のレンズ、例えば２個のレンズ３１、３２で、集光光学系２０からα＝１９°〜３０°の出射角度αで出射された光束Ｌ１を、光軸に対し、光束の拡がる側にβ＝５．０°以下の拡がり角度βでコリメートする。
【００１９】
焦点距離ｆの凹面反射ミラー１５は、コリメート光学系３０から出射される光束Ｌを、光束内の光線の放射方向（延在方向）がほぼ等しい光束である、平行光束となるように反射する。ここで、光束内の光線の放射方向がほぼ等しいとは、光束内のいずれか１本の光線と、残り全部の光線の各１本ずつとのなす角度が０°以上１０°以下であることを意味する。すなわち、平行光束とは、光束をなす複数の光線のいずれか１本と、残り全部の各１本ずつとのなす角度が０°以上１０°以下である光束のことである。
【００２０】
凹面反射ミラー１５の焦点距離ｆは、コリメート光学系３０の光出射面から凹面反射ミラー１５の反射面までの距離Ｍに対して、０．９Ｍ＜ｆ＜１．１Ｍ、の条件を満たす。凹面反射ミラー１５から反射した光束ＬＲの反射方向は、集光光学系２０とコリメート光学系３０を通過した光束Ｌの光軸に対して２θの角度で傾斜する。この角度２θは、凹面反射ミラー１５の中心軸がＺ方向となす角度θの２倍である。すなわち、凹面反射ミラー１５の中心軸を法線とする平面の、反射型プリズムシート１４の厚み方向に対する傾斜角度θの２倍である。
【００２１】
反射型プリズムシート１４は、凹面反射ミラー１５から平行光として反射した光束ＬＲ（平行光束ＬＲともいう。）を例えばＹ方向の反対方向に平行光として光路変更して、光束Ｌｒ（平行光束Ｌｒともいう。）として出射する。
【００２２】
図７は、反射型プリズムシート１４の部分的なＹＺ断面図である。図７に示すように、反射型プリズムシート１４の照射対象面側の反射プリズム面上に、Ｘ方向に平行、すなわちＹ方向から見た平行光束ＬRの光路方向に対して直角の方向に延びた複数の反射凸部１４ａが設けられている。反射凸部１４ａはたとえば、ＹＺ断面が幅ｌ0で高さｔ0の三角形状を有するとともに、間隔ｌ1を隔てて設けられている。また、反射凸部１４ａの少なくとも凹面反射ミラー１５側の表面は、平行光束ＬRを反射可能な鏡面から構成される。そして、反射凸部１４ａにおける三角形状の底辺の幅ｌ0または高さｔ0や隣り合う反射凸部１４ａ間の間隔ｌ1を調整することによって、凹面反射ミラー１５からの平行光束ＬRを、反射凸部１４ａの間の反射型プリズムシート１４の表面に到達させないようにできる。そのため、凹面反射ミラー１５からの平行光束ＬRを反射凸部１４ａの鏡面からなる斜面にのみ到達させ、この斜面によって平行光束ＬRを反射させることが可能になる。これにより、反射型プリズムシート１４の表面に到達して所望の方向とは異なる方向に散乱される光束を最小限にできるので、光の利用効率を向上できる。さらに、反射凸部１４ａの、コリメート光学系３０側の斜面へ、コリメート光学系３０からの出射光の一部を、凹面反射ミラー１５を経由させず、直接入射させ反射させて平行光束（図示せず）として出射させることも可能である。
【００２３】
また、これらの反射型プリズムシート１４および反射凸部１４ａの形状やＺ方向に対してなす傾斜角度を、凹面反射ミラー１５からの平行光束ＬRの光路に応じて調整することによって、平行光束ＬRを所定の面内強度分布で維持しつつ、所望の方向に反射させることが可能になる。
【００２４】
本発明では、図1に示すように、コリメート光学系３０のレンズを２個以上４個以下としたことで、低コスト化を達成できる。コリメート光学系３０のレンズ個数が５個以上では低コスト化を図ることができない。また、コリメート光学系３０のレンズ個数が１個では、β＝５．０°以下を満足するのが困難である。よって、コリメート光学系のレンズ個数は２〜４個とした。なかでも、２個が最も低コスト化を図ることができるので好ましい。
【００２５】
また、コリメート光学系３０の光出射面から出射側に距離Ｍの位置に、０．９Ｍ＜ｆ＜１．１Ｍの条件を満たす焦点距離ｆの凹面反射ミラー１５の反射面を、該反射面から反射した光束ＬＲの反射方向が集光光学系２０とコリメート光学系３０を通過した光束Ｌの光軸（Ｚ方向）に対して角度２θをなすように、ＸＹ面に対し傾けて（傾斜角度θ）、配置し、かつ平行光束ＬＲを、反射型プリズムシート１４にて光路変更して、平行光束Ｌｒとするようにした。このことで、コリメート光学系３０のレンズが２個以上４個以下であっても、必要な場所だけ照明でき、照射対象面が例えば１００インチサイズ以上の表示画面相当の大画面であっても装置の薄型化が容易に達成できる。
【００２６】
そして、面光源１０から出射される光束Ｌ０のほぼ全て、例えば９５％以上、を第１レンズ２１で取り込み第２レンズ２２へ出射し、第２レンズ２２から出射する光束Ｌ１の出射角度αが、α＝１９°〜３０°となるように、第１レンズ２１および第２レンズ２２の材質および寸法の条件を設定し、かつ、光束Ｌ１を入射し４個以下のレンズでコリメートして出射するコリメート光学系３０から出射する光束Ｌの拡がり角度βが、β＝５．０°以下となるように、コリメート光学系３０のレンズの材質および寸法の条件を設定し、コリメート光学系３０から出射する光束Ｌを凹面反射ミラー１５の反射面へ入射させることで、面光源の出射光を最大限に利用し、凹面反射ミラー１５で反射させた平行光束ＬＲを、反射型プリズムシート１４で光路変更しで平行光束Ｌｒとし、平行光束Ｌｒの照射対象面の明るさを、例えば照射対象面内で最も明るい箇所の輝度に対する最も暗い箇所の輝度の比率で２０％以上と、均一にすることができる。
【００２７】
βが５．０°超となると、平行光束ＬＲおよび平行光束Ｌｒを得るのが困難である。なお、本発明では面光源を用いるが、点光源の場合と違って面光源の場合は、βを０°とすることは困難である。
また、αが１９°未満の範囲は、メニスカスレンズ（第１レンズ２１）と凸レンズ（第２レンズ２２）による実現が困難であり、一方、αが３０°超の範囲では、レンズ個数が４個以下のコリメート光学系３０によるβ＝５．０°以下の実現が困難である。
よって、本発明によれば、面光源の出射光を最大限に利用し、均一な明るさで平行な光を出射し、必要な所だけ照明でき、照射対象面が大画面であっても装置の薄型化が容易に達成でき、しかも低コスト化が可能である照明装置が実現する。
【００２８】
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態として、（２）の発明に係る照明装置について図２に基づいて説明する。図２は、（２）の発明に係る照明装置が、（１）の発明において、集光光学系２０の第１レンズ２１と第２レンズ２２とを、例えば図２に示すように、光入射面と光出射面の双方ともレンズ面として円弧を母線とした回転面からなる球面レンズ（球面レンズ）とした形態であることを示している。本発明では、非球面レンズに比べて格段に安価で入手できる球面レンズを集光光学系の第１レンズおよび第２レンズとして用いても、α＝１９°〜３０°を実現できるので、第２の実施形態によれば、さらなる低コスト化が達成される。なお、図２の例では、好適形態として、第１レンズ２１と第２レンズ２２との間に、第２レンズ２２への外光の入射を阻止する遮光板２５を設けた。
【００２９】
（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態として、（３）の発明に係る照明装置について図３に基づいて説明する。図３は、（３）の発明に係る照明装置が、（１）または（２）の発明において、集光光学系２０の第１レンズ２１と第２レンズ２２とを、樹脂により一体成型（詳しくは、レンズ界面の一部が一体的に形成されるように）した形態であることを示している。樹脂としてはＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）、ＰＣ（ポリカーボネート）が挙げられる。このように集光光学系２０の第１レンズ２１と第２レンズ２２が二体であったのを樹脂により一体成型して一体とすることで、面光源１０と集光光学系２０との位置合わせおよび固定を簡単に行うことができる。また、第１レンズ２１と第２レンズ２２を成型する際の成型回数を２回（二体の場合）から１回（一体の場合）に減らすことができるため、製造コストのさらなる低下を図ることができる。
【００３０】
（第４の実施形態）
次に、第４の実施形態として、（４）の発明に係る照明装置について図４に基づいて説明する。図４は、（４）の発明に係る照明装置が、（１）〜（３）のいずれかの発明において、コリメート光学系３０をなす２個以上４個以下のレンズ（図４ではレンズ３１とレンズ３２の計２個の場合を示した。）からなり、これらレンズの、集光光学系２０側のレンズ径（以下、入射側レンズ径という。）、例えばレンズ３１のレンズ径と、反射光学系側（凹面反射ミラー１５側、図１参照）のレンズ径（以下、出射側レンズ径という。）、例えばレンズ３２のレンズ径とでは、後者の方が大であるとした形態であることを示している。
【００３１】
レンズ３１からの出射光束と光軸直交面との交差領域の径が、レンズ３１から出射側に離れるほど小さくなるようにレンズ３１を設計するのは困難であるため、出射側レンズ径（レンズ３２のレンズ径）が入射側レンズ径（レンズ３１のレンズ径）以下である場合は、レンズ３１からの出射光束を全てレンズ３２へ入射させるのが困難である。これに対し、出射側レンズ径（レンズ３２のレンズ径）が入射側レンズ径（レンズ３１のレンズ径）より大である第４の実施形態では、レンズ３１からの出射光束を全てレンズ３２へ入射させ、光の利用効率をさらに向上させることが容易となる。
【００３２】
（第５の実施形態）
次に、第５の実施形態として、（５）の発明に係る照明装置について図５に基づいて説明する。図５は、（５）の発明に係る照明装置が、（１）〜（４）のいずれかの発明において、コリメート光学系３０のレンズ個数を、２〜４個のうちでも好ましい２個とし、これら２個のレンズ３１、３２を、平凸レンズからなるものとした形態であることを示している。
【００３３】
平凸レンズは、レンズ両面の一方が凸面、他方が平面であり、レンズ両面の双方が曲面である場合と比べて、低コストで製造できる。そのため、コリメート光学系を２個の平凸レンズで構成した第５の実施形態によれば、コリメート光学系にレンズ両面が曲面であるレンズが含まれる場合に比べて、さらなる低コスト化が達成できる。
（第６の実施形態）
次に、第６の実施形態として、（６）の発明に係る照明装置について図６に基づいて説明する。図６は、（６）の発明に係る照明装置が、（１）〜（５）のいずれかの発明において、例えば図６に示すように、コリメート光学系３０のレンズ個数を、２〜４個のうちでも好ましい２個とし、これら２個のレンズ３１、３２を、フレネルレンズからなるものとした形態であることを示している。
フレネルレンズは、レンズ面に段差の無い原形レンズを光軸直交面で複数のレンズ片に分断し、各レンズ片を原形レンズの光軸方向に平行移動して同一平面上に配置した形状（ただし、重なり部は融合したものとする。）を有するから、原形レンズと同等の光学特性をもたせながらレンズ厚みを、例えば原型レンズのレンズ厚みの３０％以下と、大幅に薄くすることができ、本発明に係る照明装置の軽量化を図ることができる。
【００３４】
（第７の実施形態）
次に第７の実施形態として、（７）の発明に係る照明装置について図１および図７に基づいて説明する。図１は、（７）の発明に係る照明装置が、（１）〜（６）のいずれかの発明において、凹面反射ミラー１５が、その反射面を反射型プリズムシート１４の下面側である光入射面側に向け、反射型プリズムシート１４の厚み方向（Ｙ方向）に対して傾斜していることを示し、図７は、その傾斜角度θを１．０°〜５．０°とした形態を示している。θが１．０°未満では凹面反射ミラー１５からの反射光がコリメート光学系３０へ戻ってしまう。一方、θが５．０°超では、照射対象面が大きくなると凹面反射ミラー１５を大型化する必要が生じ、照明装置全体の小型化が困難となる。
【００３５】
（第８の実施形態）
次に第８の実施形態として、（８）の発明に係る照明装置について図８に基づいて説明する。（８）の発明に係る照明装置は、（１）〜（７）のいずれかの発明において、前記反射型プリズムシートの反射凸部の幅方向中心線が円弧状であることを特徴とする。
この第８の実施形態は、第１〜第７の実施形態において、反射型プリズムシートの反射凸部１４ａの幅方向中心線が直線状である形態の反射型プリズムシート１４としていたのに代えて、反射型プリズムシートの反射凸部１４ａの幅方向中心線１４ｃが円弧状である形態の反射型プリズムシート１４Ａとした。この円弧の曲率中心は凹面反射ミラー１５からの平行光束ＬＲが入射する側に位置するものとする。図８は、本発明の第８の実施形態による反射型プリズムシート１４Ａの形態を模式的に示す（ａ）底面図、（ｂ）側面図及び（ｃ）正面図である。これによれば、凹面反射ミラー１５から反射型プリズムシート１４Ａへ入射してきた平行光束ＬＲは、反射凸部１４ａで反射されるが、図８（ａ）、(ｂ)に示すように、幅方向中心線１４ｃが円弧状である反射凸部１４ａは焦点ｐを有するため、図８の反射光束Ｌｒ１は、平行光束とはならず、焦点ｐに集光したのち拡散する。この第８の実施形態においては、円弧状の幅方向中心線１４ｃの曲率半径を変えることで反射光束Ｌｒ１の拡散角度φを変更し、照射領域のＸ方向サイズを容易に変更できるから、第１〜第７の実施形態と比べ、同じ装置厚さでも、より大面積の照射対象面への適用が容易である。もっとも、照射領域のＸ方向端部ではＸ方向中央部と比べ、光強度が低下する。
【００３６】
（第９の実施形態）
次に、第９の実施形態として、（９）の発明に係る照明装置について説明する。（９）の発明に係る照明装置は、（１）〜（８）のいずれかの発明において、前記反射型プリズムシートの、前記凹面反射ミラーから反射した光束が反射する各々の反射面の傾きを、リニアフレネルレンズのように、各々異なる傾きとした形態（図示せず）である。これによれば、任意の線状照明や円形照明への適用も容易となる。
【００３７】
（第１０の実施形態）
次に、第１０の実施形態として、（１０）の発明に係る、（１）〜（９）のいずれかの発明による照明装置１からなるバックライト装置１Ｂ（図９参照）について説明する。例えば図９（ａ）に示すように、バックライト装置１Ｂは、板面を例えば垂直面とした光透過性の表示板５３の観察者側とは反対側の面である背面を矩形の照射対象面５３ＢＳとして、斜め上方から前記平行光束Ｌｒ（図７参照）を過不足無く照射する配置形態をとっている。この配置形態では、バックライト装置１Ｂの光出射口の長手方向（Ｚ方向）の長さを照射対象面５３ＢＳの例えば上辺の長さに合わせておき、バックライト装置１Ｂの長手方向範囲が照射対象面５３ＢＳの上辺長さ範囲と平行でかつ過不足無く重なるようにバックライト装置１Ｂを照射対象面５３ＢＳの例えば上端側に配置した。そして、前記光出射口からの平行光束Ｌｒの照射対象面５３ＢＳへの入射角の余角になる角度θ１Ｂが、照射対象面５３ＢＳの高さ方向長さＨと、前記光出射口のＸ方向長さＸ１Ｂとの幾何学的関係式：（Ｘ１Ｂ／Ｈ）＝ｓｉｎθ１Ｂ、を満たすように、バックライト装置１ＢのＸＺ面を水平面から傾けて配置した。
【００３８】
例えばＸ１Ｂ＝６０ｍｍ、θ１Ｂ＝０．７°〜１０°とした場合、Ｈ＝Ｘ１Ｂ／ｓｉｎθ１Ｂ、より、照射対象面５３ＢＳの高さ方向長さＨは、現状の大抵の照射対象面サイズを含む約３４６〜４９１１ｍｍであり、したがって、現状の大抵の広さの照射対象面を光の無駄なく均一な明るさとなるように照明できる。なお、照射対象面内の、均一な明るさで照明できる範囲がどの程度の広さとなるかは、光学シミュレーションで照射対象面内の光強度の分布を算出することにより、求めることができる。
【００３９】
また、例えば図９（ｂ）に示すように光透過性の表示板５３の背面側に、この背面へほぼ垂直に入射（例えば入射角＝０°±１０°以内で入射）するように平行光束Ｌｒを光路変更する光路変更手段としてプリズムシート５４を設置してもよい。なお、「反射型」を冠せずに単に「プリズムシート」と記した単語は、屈折型プリズムシートを指す。
なお、図９の例では、バックライト装置１Ｂが、前記平行光束Ｌｒを出射する反射型プリズムシート１４（図７参照）を具備した場合を示す。
【００４０】
（第１１の実施形態）
次に、第１１の実施形態として、（１１）の発明に係る液晶ディスプレイについて説明する。第１１の実施形態は、（１０）の発明によるバックライト装置と、複数の配光層に挟持された液晶を少なくとも有する平面板状の液晶パネルと、を備え、前記バックライト装置から出射される光束を、前記液晶パネルの観察者側と反対側の面である背面に対して入射させる形態（図示せず）である。この第１１の実施形態は、図９（ａ）、（ｂ）に示した第１０の実施形態（例えば図９（ａ）、（ｂ）のいずれか）において、光透過性の表示板５３に代えて、複数の配光層に挟持された液晶を少なくとも有する平面板状の液晶パネルとした形態に該当する（図示せず）。なお、冠詞を付さず単に「液晶ディスプレイ」、「液晶パネル」と記した単語は、それぞれ「透過型」のものを指す。
第１１の実施形態に用いる、上述の、複数の配光層に挟持された液晶を少なくとも有する平面板状の液晶パネルとしては、例えば、偏光フィルター、ガラス基板、配光層に挟持された液晶、および拡散板などを積層した積層体から構成される従来公知の液晶パネル（図示せず）が使用できる。
【００４１】
（第１２の実施形態）
次に、第１２の実施形態として、（１２）の発明に係る、（１）〜（９）のいずれかの発明による照明装置１からなるフロントライト装置１Ｆ（図１０参照）について説明する。例えば図１０（ａ）に示すように、フロントライト装置１Ｆは、板面を例えば垂直面とした光不透過性の表示板５５の観察者側の面である正面を矩形の照射対象面５５ＦＳとして、斜め下方から前記平行光束Ｌｒ（図７参照）を過不足無く照射する配置形態をとっている。この配置形態では、フロントライト装置１Ｆの光出射口の長手方向（Ｚ方向）の長さを照射対象面５５ＦＳの例えば下辺の長さに合わせておき、フロントライト装置１Ｆの長手方向範囲が照射対象面５３ＦＳの下辺長さ範囲と平行でかつ過不足無く重なるようにフロントライト装置１Ｆを照射対象面５５ＦＳの例えば下端側に配置した。そして、前記光出射口からの平行光束Ｌｒの照射対象面５５ＦＳへの入射角の余角になる角度θ１Ｆが、照射対象面５５ＦＳの高さ方向長さＨと、前記光出射口のＸ方向長さＸ１Ｆとの幾何学的関係式：（Ｘ１Ｆ／Ｈ）＝ｓｉｎθ１Ｆ、を満たすように、フロントライト装置１ＦのＸＺ面を水平面から傾けて配置した。
【００４２】
例えばＸ１Ｆ＝６０ｍｍ、θ１Ｆ＝０．７°〜１０°とした場合、Ｈ＝Ｘ１Ｆ／ｓｉｎθ１Ｆ、より、照射対象面５５ＦＳの高さ方向長さＨは、現状の大抵の照射対象面サイズを含む約３４６〜４９１１ｍｍであり、したがって、現状の大抵の広さの照射対象面を光の無駄なく均一な明るさとなるように照明できる。なお、照射対象面内の、均一な明るさで照明できる範囲がどの程度の広さとなるかは、光学シミュレーションで照射対象面内の光強度の分布を算出することにより、求めることができる。
【００４３】
また、例えば図１０（ｂ）に示すように光不透過性の表示板５５の正面側に、この正面へほぼ垂直に入射（例えば入射角＝０°±１０°以内で入射）するように平行光束Ｌｒを光路変更する光路変更手段として、プリズムシート５４を設置してもよい。
なお、図１０の例では、フロントライト装置１Ｆが、前記平行光束Ｌｒを出射する反射型プリズムシート１４（図７参照）を具備した場合を示す。
【００４４】
（第１３の実施形態）
次に、第１３の実施形態として、（１３）の発明に係る反射型液晶ディスプレイについて説明する。第１３の実施形態は、（１２）の発明によるフロントライト装置と、複数の配光層に挟持された液晶を少なくとも有する平面板状の反射型液晶パネルと、を備え、前記フロントライト装置から出射される光束を、前記反射型液晶パネルの観察者側の面である正面に対して入射させる形態（図示せず）である。この第１３の実施形態は、第１０の実施形態（例えば図１０（ａ）、（ｂ）のいずれか）において、光不透過性の表示板５５に代えて、複数の配光層に挟持された液晶を少なくとも有する平面板状の反射型液晶パネルとした形態に該当する（図示せず）。
【００４５】
第１３の実施形態に用いる、上述の、複数の配光層に挟持された液晶を少なくとも有する平面板状の反射型液晶パネルとしては、例えば、偏光フィルター、ガラス基板、配光層、液晶、および拡散板などを、観察者側を反射面とする反射板上に積層した積層体から構成される従来公知の反射型液晶パネルが使用できる。
【実施例】
【００４６】
実施例を図１２に基づいて説明する。ＬＥＤチップからなる面光源１０の光出射面のサイズを１．４ｍｍ×１．４ｍｍとした。また、前記凹面反射ミラーの焦点距離ｆおよび前記コリメート光学系の光出射面から前記凹面反射ミラーの反射面までの距離Ｍ（図１参照）は、ｆ＝Ｍ＝５１４．５ｍｍとした。また、コリメート光学系３０は、レンズ個数を２個とした。また、反射型プリズムシート１４は図７の形態（反射凸部の幅方向中心線は直線状、かつ、反射凹部のＺ方向配列は等間隔）とし、そのＺ方向長さを５００ｍｍとした。また、面光源１０の光出射面の中心を通る法線を集光光学系２０およびコリメート光学系３０の光軸とし、この光軸から反射型プリズムシート１４までの距離を３０ｍｍとした（図１２（ｂ））。また、凹面反射ミラー１５のＸ方向長さを７０ｍｍ、Ｙ方向長さを７０ｍｍとした。なお、凹面反射ミラー１５の前記傾斜角度θ（図１参照）は、θ＝３°とした。
【００４７】
上記実施例において、集光光学系２０が面光源１０からの出射光束Ｌ０（図１参照）を９５％以上取り込み、その全てを前記αの条件［α＝１９°〜３０°］を満たす光束Ｌ１（図１参照）としてコリメート光学系３０へ出射し、出射された光束の全てをコリメート光学系３０が前記βの条件［β＝５．０°以下］を満たす光束Ｌ（図１参照）として、凹面反射ミラー１５へ入射させるに十分な、面光源１０からコリメート光学系３０までの光学系の設計条件を、光学シミュレーションにより求め、以下のとおりとした。
（ａ）  面光源１０と集光光学系２０のメニスカスレンズ（第１レンズ２１）との光軸方向の間隔は２．５ｍｍとした。
（ｂ）  集光光学系２０の２つのレンズのうちレンズ径が大きい方の第２レンズ２２のレンズ径である、集光光学系２０の最大レンズ径は、１０ｍｍとし、第１レンズ２１と第２レンズ２２はレンズ面を光入射側、光出射側とも球面とし、第１レンズ２１と第２レンズ２２の焦点距離は、それぞれ１６．３ｍｍ、２９．７ｍｍとした。
（ｃ）  コリメート光学系３０は、光入射側から順に配置した２個のレンズ３１、３２とも平凸レンズとし、その凸側のレンズ面は球面とし、レンズ３１のレンズ径、焦点距離は、それぞれ３４ｍｍ、８３．１ｍｍとし、レンズ３２のレンズ径、焦点距離は、それぞれ３６ｍｍ、１２５.８ｍｍとした。
（ｄ）  面光源１０の光出射面からコリメート光学系３０のレンズ３２の光出射面までの距離（Ｍ１と記す）は、Ｍ１＝４６．８ｍｍとした。
【００４８】
実施例の照明装置１の反射型プリズムシート１４から出射した平行光束Ｌｒが、入射角＝９０°−θ１＝８２°で入射する照射対象面５８（図１２（ｂ））を想定し、この照射対象面５８内の光強度の分布を、面光源１０から出力される光の電力が１Ｗであるとした場合について、光学シミュレーションにより求めた。図１３は、照射対象面５８のＹ方向の光強度の分布、すなわち照射対象面５８内のＣ点（図１２（ｂ））を原点としたＹ座標値（＝Ｃ点からのＹ方向距離［ｍｍ］×Ｙ方向の換算係数［ｍｍ−１］；Ｙ方向の換算係数＝１）と光強度の関係を示している。また、図１４は、照射対象面５８のＺ方向の光強度の分布、すなわち照射対象面５８内のＣ点（図１２（ｂ））を原点としたＺ座標値（＝Ｃ点からのＺ方向距離［ｍｍ］×Ｚ方向の換算係数［ｍｍ−１］；Ｚ方向の換算係数＝１）と光強度の関係を示している。なお、図１３、図１４において、縦軸の目盛り数値の「（数値１）Ｅ−（数値２）」は、「（数値１）×１０−（数値２）」を意味する。
【００４９】
図１３から、照射対象面５８のＹ方向の、Ｙ座標値が約−２１０〜約２６０になる、Ｙ方向長さが約４７０ｍｍの広い範囲で、約（４〜９）×１０−６Ｗ・ｃｍ−２の十分かつ均一な光強度（輝度）が得られることが分かる。また、図１４から、照射対象面５８のＺ方向の、Ｚ座標値が約−１８０〜約１８０になる、Ｚ方向長さが約３６０ｍｍの広い範囲で、約（４〜９）×１０−６Ｗ・ｃｍ−２の十分かつ均一な光強度（輝度）が得られることが分かる。
【符号の説明】
【００５０】
１  照明装置
１Ｂ  バックライト装置
１Ｆ  フロントライト装置
１０  面光源
１４、１４Ａ  反射型プリズムシート
１５  凹面反射ミラー
２０  集光光学系
２１  第１レンズ（メニスカスレンズ）
２２  第２レンズ（凸レンズ）
３０  コリメート光学系
３１、３２  レンズ（コリメート光学系のレンズ）
５３  光透過性の表示板
５３ＢＳ  バックライト装置１Ｂの照射対象面
５４  プリズムシート
５５  光不透過性の表示板
５５ＦＳ  フロントライト装置１Ｆの照射対象面
５８  照射対象面
Ｈ  照射対象面５３ＢＳまたは照射対象面５５ＦＳの高さ方向長さ
Ｌｒ  平行光束
Ｘ１Ｂ  バックライト装置１Ｂの光出射口のＸ方向長さ
Ｘ１Ｆ  フロントライト装置１Ｆの光出射口のＸ方向長さ
ｆ  凹面反射ミラーの焦点距離
Ｍ  コリメート光学系の光出射面から凹面反射ミラーの反射面までの距離Ｍ
Ｍ１  面光源の光出射面からコリメート光学系の光出射側のレンズの光出射面までの距離
α  第２レンズの光出射面側から出射される光束の、光軸に対する、光束の拡がる側への出射角度
β  コリメート光学系によりコリメートされた光束の、光軸に対する、光束の拡がる側への拡がり角度
θ  凹面反射ミラーの傾斜角度
θ１Ｂ  バックライト装置１Ｂの光出射口からの平行光束Ｌｒの照射対象面５３ＢＳへの入射角の余角になる角度
θ１Ｆ  フロントライト装置１Ｆの光出射口からの平行光束Ｌｒの照射対象面５５ＦＳへの入射角の余角になる角度
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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