(57)【要約】【課題】光源からの光の利用効率を向上させるとともにエネルギー効率を向上させて、光源の使用を必要最小限にするにより、低消費電力化を図ること。【解決手段】ＬＥＤ１１と、ＬＥＤ１１が発する光を面内において所定の強度分布の光束として発する光整形ロッド１２と、焦点距離ｆ１のレンズ系１３、および焦点距離ｆ１より大きい焦点距離ｆ２のミラー系１５とから形成される両側テレセントリック光学系とを備え、レンズ系１３をミラー系１５に対してＬＥＤ１１および光整形ロッド１２の側に設け、レンズ系１３からミラー系１５に進行した光束が、ミラー系１５によって反射されて反射型プリズムシート１４により光束の光路が変更されつつ平行光束として出射され、平行光束が板状の液晶パネル１６の一面を、一面に略直角に照射する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
面内において所定の光強度分布を有する２次元光源と、
焦点距離ｆ１の第１集光光学系、および前記焦点距離ｆ１より大きい焦点距離ｆ２の第２集光光学系とから形成される両側テレセントリック光学系とを備え、
前記第１集光光学系が前記第２集光光学系に対して前記２次元光源の側に設けられ、
前記２次元光源から出射されて前記第１集光光学系を通過して前記第２集光光学系に進行した光束が、前記第２集光光学系から光束として出射され、前記第２集光光学系から出射した光束を外部に出射するように構成されている
ことを特徴とするバックライト装置。
【請求項２】
前記第２集光光学系から出射した光束が入射されるとともに、前記第２集光光学系から出射した光束の光路を変更する光路変更手段をさらに備え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】
前記光路変更手段が、前記第２集光光学系から出射した光束を反射可能に構成された反射部材を備え、前記反射部材の反射面が前記第２集光光学系から出射した光束の光軸に対して所定角度で傾斜し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】
前記第２集光光学系から出射する光束の出射方向が、前記第１集光光学系を通過した光束の光軸に対して、所定角度で傾斜していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のバックライト装置。
【請求項５】
前記第２集光光学系が少なくとも１枚の反射鏡を有するミラー系から構成されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のバックライト装置。
【請求項６】
前記２次元光源から出射されて前記第１集光光学系を通過して進行した光束を、前記第２集光光学系によって、前記第２集光光学系の焦点位置に、前記２次元光源から出射された光束の光軸に直角な断面の面積に対して略（ｆ２／ｆ１）2倍の面積で結像させることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のバックライト装置。
【請求項７】
前記第１集光光学系と前記第２集光光学系との互いに対向する主点の間隔が、前記第１集光光学系の焦点距離ｆ１および前記第２集光光学系の焦点距離ｆ２との合計に略等しいことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のバックライト装置。
【請求項８】
前記第１集光光学系が、少なくとも４枚のレンズを有して構成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のバックライト装置。
【請求項９】
前記第１集光光学系に、前記２次元光源から出射された光束の一部を遮断する少なくとも１つの遮断部材が設けられ、前記遮断部材が前記２次元光源から出射された光束のうちの有効光束を通過させる開口を少なくとも１つ有することを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載のバックライト装置。
【請求項１０】
前記２次元光源が、光を発光する発光源と前記発光源から出射された光を整形して前記光束として出射させる光整形手段とを有し、前記光整形手段の前記発光源から出射された光が入射する側の端部における前記光束の光軸に対して直角な断面の面積が、前記光整形手段の前記光束が出射する側の端部における前記光束の光軸に対して直角な断面の面積より小さいことを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載のバックライト装置。
【請求項１１】
前記光整形手段の前記発光源からの光が入射する側の端部における、前記光束の光軸に対して直角な断面形状が矩形状であるとともに、前記光整形手段の光束を出射する側の端部における、前記光束の光軸に対して直角な断面形状が矩形状であることを特徴とする請求項１０に記載のバックライト装置。
【請求項１２】
前記光整形手段の前記光束を出射する側の端部における、前記光束の光軸に対して直角な断面の面積が、前記光整形手段の前記発光源からの光が入射する側の端部における、前記光束の光軸に対して直角な断面の面積に対して、３倍以上５倍以下であることを特徴とする請求項１０または１１に記載のバックライト装置。
【請求項１３】
前記光整形手段が、互いに連結された複数のロッド、または互いに一体成形されたロッドから構成されていることを特徴とする請求項１０〜１２のいずれか１項に記載のバックライト装置。
【請求項１４】
前記発光源が発光ダイオードであることを特徴とする請求項１０〜１３のいずれか１項に記載のバックライト装置。
【請求項１５】
請求項１〜１４のいずれか１項に記載の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、前記液晶パネルの一面に対して略垂直に入射させる
ことを特徴とする液晶ディスプレイ。
【請求項１６】
請求項３、または請求項３を引用する請求項４〜１４のいずれか１項に記載のバックライト装置を備え、前記第２集光光学系から出射した光束を前記反射部材によって反射させることにより、前記バックライト装置から光束を出射させることを特徴とする請求項１５に記載の液晶ディスプレイ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バックライト装置および液晶ディスプレイに関し、特に、情報表示用の液晶ディスプレイにおけるバックライト装置に適用して好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
液晶ディスプレイは、携帯電話、スマートフォン、タブレット端末、カメラ、パーソナルコンピュータ、ＣＡＤ用モニター、医療用モニター、自動車用モニター、およびテレビジョン受像機などの各種電子機器や産業機器などにおいて、画像表示手段として使用されており、今後も使用量や用途の拡大が見込まれている。この液晶ディスプレイには、照明光が必須であり、表示パネルの背面側に冷陰極管（ＣＣＦＬ）や発光ダイオード（ＬＥＤ：Light  Emitting  Diode）などを光源とした光を照射する照明装置であるバックライト装置が備えられる。
【０００３】
このバックライト装置としては、大きく分類してエッジライト型および直下型の２つの方式が知られている（特許文献１）。エッジライト型のバックライト装置は、光源を透明な板からなる導光板のエッジ部に設け、このエッジ部から光を通して背面に設けられたパターンなどによって光を射出する。一方、直下型のバックライト装置は、液晶パネルの背面にＬＥＤなどの光源を多数並べて、それぞれの光源から光を射出する。
【０００４】
エッジライト型のバックライト装置は、使用するＬＥＤの数を少なくできるという利点がある一方、導光板を用いていることによって、ディスプレイ面の輝度を均一にするためには、導光板の背面に反射用のパターンをシルク印刷等で複雑に配置したり、導光板の下部に反射板を配置したり、上部に拡散板やプリズムを設けたりと構造が複雑になり、光の利用効率も悪化するという問題がある。また、直下型のバックライト装置でも、輝度均一化を実現するために、ＬＥＤからの光をオーバーラップさせる必要があり、ＬＥＤを多数並べて配置しているため、消費電力が大きく、光の利用効率が悪いという問題がある。さらに、直下型のバックライト装置においては、ＬＥＤを多数配置して液晶パネルに光が入射する前にオーバーラップにより輝度均一化する必要があるため薄型化が困難であるという問題もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−２６４１１１号公報
【特許文献２】特開２００７−２４０９６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このようなバックライト装置における輝度均一化を実現するための光の利用効率やエネルギー効率は、液晶ディスプレイの消費電力に大きな影響を及ぼす。液晶ディスプレイにおける低消費電力化は、高画質化とともにより一層の向上が求められており、バックライト装置における光の利用効率やエネルギー効率の向上が要請されている。そこで、本発明者は、特許文献２に記載されたバックライト装置を試作して、種々検討を行った。しかしながら、特許文献２に記載されたバックライト装置においては、稼働可能な状態のものを得るに至らなかった。
【０００７】
また、バックライト装置の低消費電力化には、バックライト装置の光源にＬＥＤなどの低消費電力の光源を用いるのが有効であることが知られているが、さらなる低消費電力化を図るために、光源として使用するＬＥＤの数も最小限にする技術の開発が求められていた。
【０００８】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、その目的は、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るバックライト装置および液晶ディスプレイを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述した課題を解決し、上記目的を達成するために、本発明に係るバックライト装置は、面内において所定の光強度分布を有する２次元光源と、焦点距離ｆ１の第１集光光学系、および焦点距離ｆ１より大きい焦点距離ｆ２の第２集光光学系とから形成される両側テレセントリック光学系とを備え、第１集光光学系が第２集光光学系に対して２次元光源の側に設けられ、２次元光源から出射されて第１集光光学系を通過して第２集光光学系に進行した光束が、第２集光光学系から光束として出射され、第２集光光学系から出射した光束を外部に出射するように構成されていることを特徴とする。
【００１０】
本発明に係るバックライト装置は、上記の発明において、第２集光光学系から出射した光束が入射されるとともに、第２集光光学系から出射した光束の光路を変更する光路変更手段をさらに備えることを特徴とする。
【００１１】
本発明に係るバックライト装置は、上記の発明において、光路変更手段が、第２集光光学系から出射した光束を反射可能に構成された反射部材を備え、反射部材の反射面が第２集光光学系から出射した光束の光軸に対して所定角度で傾斜していることを特徴とする。
【００１２】
本発明に係るバックライト装置は、上記の発明において、第２集光光学系から出射する光束の出射方向が、第１集光光学系を通過した光束の光軸に対して、所定角度で傾斜していることを特徴とする。
【００１３】
本発明に係るバックライト装置は、上記の発明において、第２集光光学系が少なくとも１枚の反射鏡を有するミラー系から構成されることを特徴とする。
【００１４】
本発明に係るバックライト装置は、上記の発明において、２次元光源から出射されて第１集光光学系を通過して進行した光束を、第２集光光学系によって、第２集光光学系の焦点位置に、２次元光源から出射された光束の光軸に直角な断面の面積に対して略（ｆ２／ｆ１）2倍の面積で結像させることを特徴とする。
【００１５】
本発明に係るバックライト装置は、上記の発明において、第１集光光学系と第２集光光学系との互いに対向する主点の間隔が、第１集光光学系の焦点距離ｆ１および第２集光光学系の焦点距離ｆ２との合計に略等しいことを特徴とする。
【００１６】
本発明に係るバックライト装置は、上記の発明において、第１集光光学系が、少なくとも４枚のレンズを有して構成されていることを特徴とする。
【００１７】
本発明に係るバックライト装置は、上記の発明において、第１集光光学系に、２次元光源から出射された光束の一部を遮断する少なくとも１つの遮断部材が設けられ、遮断部材が２次元光源から出射された光束のうちの有効光束を通過させる開口を少なくとも１つ有することを特徴とする。
【００１８】
本発明に係るバックライト装置は、上記の発明において、２次元光源が、光を発光する発光源と発光源から出射された光を整形して光束として出射させる光整形手段とを有し、光整形手段の発光源から出射された光が入射する側の端部における光束の光軸に対して直角な断面の面積が、光整形手段の光束が出射する側の端部における光束の光軸に対して直角な断面の面積より小さいことを特徴とする。
【００１９】
本発明に係るバックライト装置は、上記の発明において、光整形手段の発光源からの光が入射する側の端部における、光束の光軸に対して直角な断面形状が矩形状であるとともに、光整形手段の光束を出射する側の端部における、光束の光軸に対して直角な断面形状が矩形状であることを特徴とする。
【００２０】
本発明に係るバックライト装置は、上記の発明において、光整形手段の光束を出射する側の端部における、光束の光軸に対して直角な断面の面積が、光整形手段の発光源からの光が入射する側の端部における、光束の光軸に対して直角な断面の面積に対して、３倍以上５倍以下であることを特徴とする。
【００２１】
本発明に係るバックライト装置は、上記の発明において、光整形手段が、互いに連結された複数のロッド、または互いに一体成形されたロッドから構成されていることを特徴とする。
【００２２】
本発明に係るバックライト装置は、上記の発明において、発光源が発光ダイオードであることを特徴とする。
【００２３】
本発明に係る液晶ディスプレイは、上記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、バックライト装置から出射される光束を、液晶パネルの一面に対して略垂直に入射させることを特徴とする。
【００２４】
本発明に係る液晶ディスプレイは、上記の発明において、第２集光光学系から出射した光束を反射部材によって反射させることにより、バックライト装置から光束を出射させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２５】
本発明に係るバックライト装置および液晶ディスプレイによれば、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る。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】図１は、本発明の第１の実施形態による液晶ディスプレイのＸ方向側面図である。
【図２】図２は、本発明の第１の実施形態による液晶ディスプレイのＹ方向平面図である。
【図３】図３は、本発明の第１の実施形態による光整形ロッドを示す斜視図である。
【図４】図４は、第１の実施形態による光整形ロッドおよびレンズ系のＸ方向側面図である。
【図５】図５は、第１の実施形態による光整形ロッドおよびレンズ系のＹ方向平面図である。
【図６】図６は、両側テレセントリック光学系を説明するための図１に対応する略線図である。
【図７】図７は、両側テレセントリック光学系を説明するための図２に対応する略線図である。
【図８Ａ】図８Ａは、両側テレセントリック光学系の原理を説明するため略線図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、両側テレセントリック光学系の原理を説明するため略線図である。
【図９】図９は、本発明の第１の実施形態において、近軸像点位置をレンズ系とミラー系とのほぼ中間に位置させた場合を説明するための略線図である。
【図１０】図１０は、本発明の第１の実施形態による反射型プリズムシートを示す断面図である。
【図１１】図１１は、本発明の第１の実施形態によるバックライト装置から発せられる面内の光の強度分布を示す平面図である。
【図１２】図１２は、本発明の第１の実施形態によるバックライト装置において、ロッド先端面から出射する光束の面内強度分布を均一にした場合の、Ｘ方向に沿った１次元強度分布のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図１３】図１３は、本発明の第１の実施形態によるバックライト装置において、ロッド先端面から出射する光束の面内強度分布を均一にした場合の、Ｚ方向に沿った１次元強度分布のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図１４】図１４は、本発明の第２の実施形態によるバックライト装置において、ロッド先端面から出射する光束の面内強度分布を均一にした場合の、Ｘ方向に沿った１次元強度分布のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図１５】図１５は、本発明の第２の実施形態によるバックライト装置において、ロッド先端面から出射する光束の面内強度分布を均一にした場合の、Ｚ方向に沿った１次元強度分布のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図１６】図１６は、本発明の第３の実施形態によるバックライト装置において、ロッド先端面から出射する光束の面内強度分布を均一にした場合の、Ｘ方向に沿った１次元強度分布のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図１７】図１７は、本発明の第３の実施形態によるバックライト装置において、ロッド先端面から出射する光束の面内強度分布を均一にした場合の、Ｚ方向に沿った１次元強度分布のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図１８】図１８は、本発明の第４の実施形態による液晶ディスプレイのＸ方向側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
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する。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。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。
【００２８】
（第１の実施形態）
まず、本発明の第１の実施形態として、本発明に係るバックライト装置を備えた液晶ディスプレイについて説明する。図１および図２はそれぞれ、この第１の実施形態による液晶ディスプレイの構成を示すＸ方向から見た側面図、およびＹ方向から見た平面図である。なお、図１および図２においてＸＹ平面に対して直角の方向をＺ方向とする。
【００２９】
図１および図２に示すように、この第１の実施形態によるバックライト装置１０は、発光ダイオード（ＬＥＤ）１１、光整形ロッド１２、レンズ系１３、反射型プリズムシート１４、およびミラー系１５を有して構成されている。また、バックライト装置１０の反射型プリズムシート１４における光軸側に面した反射プリズム面に対して略平行に、液晶パネル１６が設けられている。そして、これらのバックライト装置１０および液晶パネル１６によって、液晶ディスプレイ１が構成される。
【００３０】
発光源としてのＬＥＤ１１は、たとえば白色ＬＥＤなどから構成される。このＬＥＤ１１は、色の再現性を向上させるために、可能な範囲で色域が広くなるように構成されている。ここで、ＬＥＤ１１を単一のＬＥＤから構成する場合、光の出射端面側の円の径φが２ｍｍ以上４ｍｍ以下（２ｍｍ≦φ≦４ｍｍ）のＬＥＤを使用するのが好ましい。この第１の実施形態においては、ＬＥＤ１１として、径φがたとえば３ｍｍのＬＥＤを使用する。また、ＬＥＤ１１内のＬＥＤチップとカバーガラスと（いずれも図示せず）の間隔は、たとえば０．２８ｍｍ程度である。また、ＬＥＤ１１は面光源であるのが好ましく、ＬＥＤ１１から射出される光の強度分布は均等拡散面（ランバーシアン：Lambertian）の配光になるようにするのが好ましい。
【００３１】
光整形手段としての光整形ロッド１２は、ＬＥＤ１１から射出した光束を整形するためのロッドである。図３は、光整形ロッド１２の斜視図を示す。図３に示すように、光整形ロッド１２は、光の入射側端部の形状と出射側端部の形状とが互いに異形のロッドである、直方体形状の第１ロッド１２ａと台形板形状の第２ロッド１２ｂとから構成される。すなわち、第１ロッド１２ａは、Ｘ方向とＹ方向とから規定される面に沿った断面（以下、ＸＹ断面という）、ＹＺ断面、およびＸＺ断面がいずれも略矩形状に形成されている。また、第２ロッド１２ｂは、ＸＹ断面およびＹＺ断面が略矩形状、ＸＺ断面が略台形状に形成されている。そして、第１ロッド１２ａのＬＥＤ１１を設置する側の端部の矩形面（Ｚ方向後端面）は光束入射側端面であって、ＬＥＤ１１のカバーガラスを密着可能に構成されている。また、光整形ロッド１２は、ＬＥＤ１１から射出した光束に対して透明な、たとえば硼珪酸ガラス（製品名ＢＫ７）や溶融石英などのガラスや樹脂等の光学材料からなるが、その他各種材料を用いることか可能である。
【００３２】
このように構成された光整形ロッド１２における第１ロッド１２ａおよび第２ロッド１２ｂの寸法の一例を挙げる。まず、第１ロッド１２ａの光束入射側端部におけるＸＹ断面のＸ方向寸法Ｌｘ０は２．６ｍｍより大きく３．６ｍｍ未満が好ましく、Ｙ方向寸法Ｌｙ０は１．０ｍｍより大きく２．４ｍｍ未満が好ましい。すなわち、以下の（１）式および（２）式が成立するのが好ましい。
２．６ｍｍ＜Ｌｘ０＜３．６ｍｍ  ……（１）
１．０ｍｍ＜Ｌｙ０＜２．４ｍｍ  ……（２）
【００３３】
また、後述する光整形ロッド１２からの光束の出射やミラー系１５に向かう光束の広がりを考慮すると、光束入射側端部のＸＹ断面は、Ｘ方向が長辺でＹ方向が短辺にするのが好ましい。すなわち以下の（３）式が成立するのが好ましい。
Ｌｙ０≦Ｌｘ０  ……（３）
【００３４】
また、第１ロッド１２ａにおいて光が射出する側である光束出射側のＸＹ断面でのＸ方向寸法Ｌｘ１およびＹ方向寸法Ｌｙ１はそれぞれ、２．６ｍｍより大きく３．６ｍｍ未満、および１．０ｍｍより大きく２．４ｍｍ未満が好ましい。また、第１ロッド１２ａにおいて光束が出射される光束出射側端部と第２ロッド１２ｂにおいて光束が入射される光束入射側端部とが連結される、または第１ロッド１２ａと第２ロッド１２ｂとが一体成形されることを考慮すると、それらのＸＹ断面は同寸法となる。すなわち、第１ロッド１２ａの光束出射側端部と第２ロッド１２ｂの光束入射側端部とのＸＹ断面は同形状になり、以下の（４）式および（５）式が成立するのが好ましい。
２．６ｍｍ＜Ｌｘ１＜３．６ｍｍ  ……（４）
１．０ｍｍ＜Ｌｙ１＜２．４ｍｍ  ……（５）
なお、第１ロッド１２ａが略直方体形状であり、入射光束の整形をずれなく行うためには、以下の（６）式および（７）式が成立するのが好ましいが、必ずしも限定されるものではない。また、第１ロッド１２ａのＺ方向に沿った長さＬ0は、たとえば６０ｍｍである。
Ｌｘ０＝Ｌｘ１  ……（６）
Ｌｙ０＝Ｌｙ１  ……（７）
【００３５】
また、上述した場合と同様に、第１ロッド１２ａからの光を第２ロッド１２ｂに適切に入射させることを考慮すると、（３）式に対応する以下の（８）式が成立するのが好ましい。
Ｌｙ１≦Ｌｘ１  ……（８）
【００３６】
さらに、第２ロッド１２ｂにおいて光束が出射する光束出射側端部であるロッド先端面１２ｃのＸＹ断面でのＸ方向寸法Ｌｘ２およびＹ方向寸法Ｌｙ２はそれぞれ、１２．０ｍｍより大きく１３．２ｍｍ未満、および１．０ｍｍより大きく２．４ｍｍ未満が好ましい。すなわち、以下の（９）式および（１０）式が成立するのが好ましい。
１２．０ｍｍ＜Ｌｘ２＜１３．２ｍｍ  ……（９）
１．０ｍｍ＜Ｌｙ２＜２．４ｍｍ  ……（１０）
【００３７】
また、第２ロッド１２ｂから出射した光束をレンズ系１３に適切に入射させることを考慮して、第２ロッド１２ｂのＸＺ断面は、ロッド先端面１２ｃ側が広がる台形状としている。そして、第２ロッド１２ｂにおいて、ロッド先端面１２ｃのＸ方向寸法Ｌｘ２は、光束入射側端部のＸ方向寸法Ｌｘ１の３倍以上５倍以下程度にするのが好ましい。また、ロッド先端面１２ｃのＹ方向寸法Ｌｙ２は、第２ロッド１２ｂの光束入射側端部のＹ方向寸法Ｌｙ１より大きくするのが好ましい。Ｌｙ２をＬｙ１より大きくすることによって、原理的にロッド先端面１２ｃから出射する光束が狭くなり、光束の多くがレンズ系１３に入射する可能性が高くなるので、エネルギー損失を低減できる。そのため、以下の（１１）式および（１２）式が成立するのが好ましいが、必ずしも限定されるものではない。そして、ロッド先端面１２ｃのＸＹ断面の面積を、第１ロッド１２ａの光束入射側端部のＸＹ断面の面積に対して、３倍以上１１倍以下とするのが好ましい。なお、第２ロッド１２ｂのＺ方向に沿った長さＬ1は、たとえば３０ｍｍである。
３Ｌｘ１≦Ｌｘ２≦５Ｌｘ１  ……（１１）
Ｌｙ１≦Ｌｙ２  ……（１２）
【００３８】
以上の光整形ロッド１２における、Ｘ方向寸法Ｌｘ０，Ｌｘ１，Ｌｘ２およびＹ方向寸法Ｌｙ０，Ｌｙ１，Ｌｙ２においては、上述した数値範囲に限定されるものではなく、これらの寸法比に応じて種々の値を採用することが可能である。すなわち、Ｘ方向寸法Ｌｘ０，Ｌｘ１，Ｌｘ２とＹ方向寸法Ｌｙ０，Ｌｙ１，Ｌｙ２との比に基づいて、上述した寸法を拡大させたり縮小させたりすることが可能である。
【００３９】
具体的には、上述した（１）式および（２）式に代えて、第１ロッド１２ａの光入射側端部のＸ方向寸法Ｌｘ０のＹ方向寸法Ｌｙ０に対する比が、１．１より大きく３．６未満とすることも可能である。すなわち、第１ロッド１２ａを以下の（１３）式が成立するように構成することも可能である。
１．１＜Ｌｘ０／Ｌｙ０＜３．６  …（１３）
【００４０】
同様に、上述した（４）式および（５）式に代えて、光整形ロッド１２の連結部やＸ方向に沿った幅の拡大が開始される部分において、Ｘ方向寸法Ｌｘ１のＹ方向寸法Ｌｙ１に対する比も、１．１より大きく３．６未満とすることも可能である。すなわち、第１ロッド１２ａおよび第２ロッド１２ｂを、以下の（１４）式が成立するように構成することも可能である。
１．１＜Ｌｘ１／Ｌｙ１＜３．６  …（１４）
【００４１】
さらに、上述した（９）式および（１０）式に代えて、第２ロッド１２ｂおよびのＸ方向寸法Ｌｘ２のＹ方向寸法Ｌｙ２に対する比が、５．０より大きく１３．２未満とすることも可能である。すなわち、以下の（１３）式が成立するように第２ロッド１２ｂを構成することも可能である。
５．０＜Ｌｘ２／Ｌｙ２＜１３．２  …（１５）
【００４２】
なお、光整形ロッド１２を、（１３）式、（１４）式、および（１５）式が成立するように構成する場合においても、（３）式、（６）〜（８）式、（１１）式、および（１２）式も併せて成立するように構成するのが望ましい。
【００４３】
光整形ロッド１２の形状を以上のように規定することによって、後述するバックライト装置１０の照明領域において均一性が要求された場合に、その均一性を維持できるとともに、光利用効率も向上できる。そして、上述したＬＥＤ１１および光整形ロッド１２によって、２次元光源が構成され、光整形ロッド１２のロッド先端面１２ｃから所定の面内強度分布を有する光束が出射する。このとき、光整形ロッド１２の形状が以上のように規定されていることによって、ロッド先端面１２ｃにおける面内強度分布は、ＬＥＤ１１から出射される光束の面内強度分布に比して、均一性がきわめて高くなる。
【００４４】
次に、第１集光光学系としてのレンズ系１３および第２集光光学系としてのミラー系１５について説明する。後述するようにレンズ系１３およびミラー系１５は両側テレセントリック光学系を形成している。
【００４５】
図１および図２に示すように、第１集光光学系としてのレンズ系１３は、光整形ロッド１２からの出射した光束を、たとえば均一な面内強度分布といった光束の面内強度分布を維持しつつ拡大整形するとともに、対向して設けられるミラー系１５に入射させるものである。
【００４６】
図４および図５はそれぞれ、光整形ロッド１２およびレンズ系１３のＸ方向から見た側面図およびＹ方向から見た平面図である。図４および図５に示すように、ＬＥＤ１１から出射されて光整形ロッド１２によって整形された光束は、２次元光源としてのロッド先端面１２ｃから出射する。なお、レンズ系１３は後述するミラー系１５と両側テレセントリック光学系を形成しているので、ロッド先端面１２ｃから出射した光は、この両側テレセントリック光学系により、光軸と主光線が略平行とみなせるものに変換される。
【００４７】
レンズ系１３は、少なくとも４枚のレンズから構成され、所定の焦点距離ｆ１を有する。この第１の実施形態においてレンズ系１３は、たとえば５枚のレンズ１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１３ｅから構成され、Ｆ値（Ｆナンバー）がたとえば１．１程度のいわゆる明るいレンズ系である。そして、これらの５枚のレンズ１３ａ〜１３ｅは、それらの主点がＬＥＤ１１および光整形ロッド１２のＸＹ断面の中心軸Ｏ上、すなわち光軸上を通るように配置されている。なお、レンズ系１３の収差は一般的な結像系と同様に補正され、色収差も十分に補正されている。また、レンズ系１３を構成するレンズをすべて球面レンズとすると、５枚のレンズ１３ａ〜１３ｅから構成するのが好ましいが、必ずしもこの枚数に限定されない。また、レンズ系１３を構成するレンズのうちの少なくとも１枚のレンズを非球面レンズとすることによって、レンズ系１３を４枚のレンズから構成することも可能である。
【００４８】
以下に、この第１の実施形態におけるレンズ系１３を構成するそれぞれのレンズ１３ａ〜１３ｅの具体例を挙げる。まず、レンズ１３ａは、材質がたとえば重バリウムクラウンガラス（たとえば製品名ＢＡＣＤ１６（ＨＯＹＡ社））の光学ガラスからなり、光束入射側の面の曲率半径（以下、後方面曲率半径）が、中心がＺ方向の後方側となる９２９．５７ｍｍ（以下、Ｚ方向後方側の場合には「−」を付し、−９２９．５７ｍｍ等とする）、厚さが７．５ｍｍ、直径が２７ｍｍ、光束出射側の面の曲率半径（以下、前方面曲率半径）が−２０．００４ｍｍである。中心軸Ｏ上に沿ったレンズ１３ａとレンズ１３ｂとの間隔が０．１２ｍｍである。次に、レンズ１３ｂは、材質がたとえば製品名ＢＡＣＤ１６の光学ガラスからなり、後方面曲率半径が３７．５２ｍｍ、厚さが７．０ｍｍ、直径が２７ｍｍ、前方面曲率半径が−４２．１ｍｍである。中心軸Ｏ上に沿ったレンズ１３ｂとレンズ１３ｃとの間隔が０．１２ｍｍである。次に、レンズ１３ｃは、材質がたとえば重フリントガラス（たとえば製品名ＳＦ２（ＳＣＨＯＴＴ社））の光学ガラスからなり、後方面曲率半径が１５．１ｍｍ、厚さが６．６ｍｍ、直径が２２ｍｍ、前方面曲率半径が１０．２ｍｍである。そして、中心軸Ｏ上に沿ったレンズ１３ｃとレンズ１３ｄとの間隔は６．９ｍｍ、この間隔を形成する空間におけるＸＹ断面の最大径は１５ｍｍである。次に、レンズ１３ｄは、材質がたとえば製品名ＳＦ２の光学ガラスからなり、後方面曲率半径が−９．７１ｍｍ、厚さが４．５ｍｍ、直径が２２ｍｍ、前方面曲率半径が−１３．４９５ｍｍである。そして、中心軸Ｏ上に沿ったレンズ１３ｃとレンズ１３ｄとの間隔は０．４２ｍｍである。次に、レンズ１３ｅは、材質がたとえば製品名ＢＡＣＤ１６の光学ガラスからなり、後方面曲率半径が−４５０ｍｍ、厚さが４．５ｍｍ、直径が２４ｍｍ、前方面曲率半径が−２９．４６５ｍｍである。そして、レンズ１３ｄとレンズ１３ｅとの間において、中心軸Ｏ上での間隔は６．９ｍｍ、この間隔の空間におけるＸＹ断面の最大径は１５ｍｍである。
【００４９】
さらに、レンズ系１３においては、少なくとも１箇所、この第１の実施形態においては２箇所に、有効光束以外の一部の光束を遮断するための遮断部材としての遮断板１７，１８が設けられている。これらのうちの遮断板１７は、レンズ系１３内においてレンズ１３ｂとレンズ１３ｃとの間に設けられている。遮断板１７には、面内にたとえば矩形状の開口１７ａが形成されている。そして、この開口１７ａを有効光束が通過可能に構成される。また、レンズ系１３の光の出射側に、遮断板１７と同様の遮断板１８が設けられている。遮断板１８には、面内にたとえば矩形状の開口１８ａが形成され、開口１８ａを有効光束が通過可能に構成される。なお、開口１７ａ，１８ａの面内形状は矩形状に限定されず、必要に応じて楕円状、円状、台形状、または平行四辺形状などの、種々の形状にすることが可能である。また、ＬＥＤ１１から出射する光束のうちの、光整形ロッド１２の光束入射側端部に入射されなかった漏れ光を遮断するための遮蔽板１９も併せて設けられている。
【００５０】
ここで、レンズ系１３を構成するレンズ１３ａ〜１３ｅのうちの光整形ロッド１２に最も近いレンズ１３ａと、光整形ロッド１２のロッド先端面１２ｃとの距離は、たとえば９．７４ｍｍである。また、レンズ系１３を構成するレンズ１３ａ〜１３ｅのうちのミラー系１５に最も近いレンズ１３ｅと、ミラー系１５との距離は、たとえば５８２．６ｍｍである。
【００５１】
第２集光光学系としてのミラー系１５は、少なくとも１枚の反射ミラーから構成され、具体的にたとえば、所定の焦点距離ｆ２を有する反射鏡である凹面鏡から構成される。ここで、ミラー系１５の寸法の一例を挙げると、後方面曲率半径がたとえば−１２００ｍｍ、Ｘ方向に沿った寸法がたとえば４００ｍｍ、Ｙ方向に沿った寸法がたとえば６５ｍｍの矩形状の部分球面である。また、ミラー系１５は、その反射面が反射型プリズムシート１４の下面側に向くように、Ｙ方向に対して所定の傾斜角度θで傾斜している（図１参照）。ここで、この第１の実施形態においては、ミラー系１５の傾斜角度θは、後述するようにバックライト装置１０の照射領域をなす面積と相関し、具体的には２度以上４度以下とするのが好ましい。
【００５２】
ここで、上述したように、ミラー系１５とレンズ系１３とが組み合わされて、両側テレセントリック光学系が形成されている。また、この第１の実施形態において、両側テレセントリック光学系は有限光学系を形成する。なお、詳細は後述するが、バックライト装置１０の照射領域の一辺は、光整形ロッド１２のロッド先端面１２ｃのＸ方向に沿った長辺と略結像関係にあり、その倍率は一定である。
【００５３】
以下、この両側テレセントリック光学系について説明する。図６および図７はそれぞれ、両側テレセントリック光学系を説明するための図１および図２に対応する略線図である。これらの図６および図７においては、説明のために、第１の実施形態と同様の符号を用いているが、第１の実施形態と異なりミラー系は傾斜していないものとして説明する。また、図６はＹＺ面図、図７はＸＺ面図である。さらに、図６および図７においては、両側テレセントリック光学系の説明のために、光整形ロッド１２のロッド先端面１２ｃとレンズ系１３のレンズ１３ａとの距離ｄをたとえば９．３５５ｍｍとし、このロッド先端面１２ｃの位置を近軸物点位置としている点で、第１の実施形態の構成とは異なる。
【００５４】
図６および図７に示すように、光整形ロッド１２のロッド先端面１２ｃから２次元光源として出射した光束Ｌは、その主光線が光軸に略平行になるようにレンズ系１３に入射する。この光束は、レンズ系１３によってＺ方向に概ねコリメートされる。コリメートされた光束Ｌは、凹面鏡からなるミラー系１５によって反射される。そして、ミラー系１５によって反射された後の平行光束ＬRの主光線は、光軸に平行で互いに略平行の状態であり、平行光束ＬRはレンズ系１３とミラー系１５との間で結像する。なお、反射後のそれぞれの平行光束ＬRの主光線は、互いに略平行であることが望ましい。
【００５５】
図８Ａおよび図８Ｂはそれぞれ、両側テレセントリック光学系の原理を示す略線図である。なお、図８Ａおよび図８Ｂにおいては、理解を容易にするために、焦点距離ｆ１のレンズ系１３を簡略化して記載し、ミラー系１５を、同様の焦点距離ｆ２を有するレンズ系１５Ａに置き換えて記載している。ここで、図８Ａは図１および図６に対応し、図８Ｂは図２および図７に対応している。
【００５６】
図８Ａおよび図８Ｂに示すように、レンズ系１３は光整形ロッド１２のロッド先端面１２ｃから出射した光束に対して物体側テレセントリック光学系を構成し、レンズ系１３によって光路が曲げられつつ進行して、光束Ｌの進行方向が広げられる。そして、光束Ｌは、結像側テレセントリック光学系を構成するレンズ系１５Ａによって平行光束ＬRとなり、レンズ系１５Ａの紙面右側に位置する近軸像点の位置で結像される。そのため、光整形ロッド１２のロッド先端面１２ｃから出射された光束ＬのＸＹ断面に沿った面内強度分布が、そのまま反射光である平行光束ＬRのＸＹ断面に沿った面内強度分布として相似的に反映される。すなわち、光整形ロッド１２のロッド先端面１２ｃから、均一の面内強度分布を有する光束Ｌを出射させることにより、平行光束ＬRの強度分布も均一にすることができる。
【００５７】
また、図８Ｂに示すように、光整形ロッド１２のロッド先端面１２ｃから出射した光束ＬのＸ方向寸法Ｌｘ２に対して、Ｘ方向に沿って約（ｆ２／ｆ１）倍に拡大された平行光束ＬRが形成される。そのため、このレンズ系１５Ａ（ミラー系１５に相当）の形状（曲率等）を調整して焦点距離ｆ２を増減させることによって、照射領域の幅Ｗｘをそれぞれ拡大縮小させることができる。同様に、図８Ａに示すように、光整形ロッド１２のロッド先端面１２ｃから出射された光束ＬのＹ方向寸法Ｌｙ２に対しても、平行光束ＬRはＹ方向に沿って約（ｆ２／ｆ１）倍に拡大される。そのため、レンズ系１５Ａ（ミラー系１５に相当）の焦点位置に、ロッド先端面１２ｃから出射された光束の光軸に直角な断面の面積に対して、略（ｆ２／ｆ１）2倍の面積で結像される。そして、レンズ系１３とレンズ系１５Ａとの間の領域において、平行光束ＬRは、図８Ａに示すようにＸ方向に沿った幅Ｗｘまで拡大されるとともに、図８Ｂに示すようにＹ方向に沿った幅Ｗｙまで拡大される。また、レンズ系１３の焦点距離ｆ１を増減させることによっても、照射領域の幅Ｗｘ、Ｗｙをそれぞれ縮小拡大させることが可能である。これらの場合において、ロッド先端面１２ｃから出射された光束ＬのＸＹ断面に沿った面内強度分布は、平行光束ＬRのＸＹ断面に沿った強度分布に相似的に反映される。すなわち、平行光束ＬRの光軸に対して傾斜しつつ平行光束ＬRを含む面（切断面とする）を想定すると、この切断面を光軸に対してどのように設定しても、切断面における平行光束ＬRの強度分布は、ロッド先端面１２ｃから出射した光束ＬのＸＹ断面に沿った面内強度分布が反映された状態になる。
【００５８】
そして、図８Ａおよび図８Ｂに示すように、このような両側テレセントリック光学系を形成するためには、レンズ系１３の後方主点と、この後方主点と対向するレンズ系１５Ａの前方主点との間隔Ｄlmを、レンズ系１３の焦点距離ｆ１とレンズ系１５Ａの焦点距離ｆ２との合計に略等しくするのが好ましい。すなわち、以下の（１６）式が成立するのが好ましい。
ｆ１＋ｆ２＝Ｄlm  ……（１６）
ここで、具体的には、レンズ系１３の焦点距離ｆ１がたとえば２１．１７ｍｍ、レンズ系１５Ａ（ミラー系１５に相当）の焦点距離ｆ２がたとえば６００ｍｍである場合、レンズ系１３の後方主点とレンズ系１５Ａ（ミラー系１５に相当）との間隔Ｄlmは、（６００＋２１．１７＝）６２１．１７ｍｍとするのが好ましい。なお、図８Ａおよび図８Ｂに示す光学系において、ロッド先端面１２ｃとレンズ系１３のレンズ１３ａとの距離ｄを変化させると、レンズ系１５Ａ（ミラー系１５に相当）の近軸焦点位置がＺ方向に沿って変化する。
【００５９】
また、図１に示すように、バックライト装置１０においては、ミラー系１５を、その反射面が反射型プリズムシート１４側を向くように、Ｙ方向に対して所定角度としての傾斜角度θだけ傾斜させる。これによって、図１に示すように、拡大された光束Ｌがミラー系１５によって、光束Ｌの光軸に対して傾斜した方向に進行し、ミラー系１５からの平行光束ＬRとして反射型プリズムシート１４の反射プリズム面に照射される。この場合、反射された平行光束ＬRの出射方向は、レンズ系１３からの光束Ｌの主光線に対して２θの所定角度をなす。さらにミラー系１５の傾斜角度θを変化させることによって、反射型プリズムシート１４に照射される平行光束ＬRのＺ方向に沿った照射幅Ｗｚ、すなわち平行光束ＬRの照射面積を調整制御することができる。すなわち、ミラー系１５は、照射領域をＺ方向に沿って拡大させる機能を有するとともに、反射型プリズムシート１４への照射領域に、光整形ロッド１２から射出される光束の強度分布を反映させることを可能としている。
【００６０】
次に、図９は、この第１の実施形態における近軸像点位置を示す、図２、図７および図８Ａに対応する略線図である。この図９においては、光整形ロッド１２のロッド先端面１２ｃとレンズ系１３のレンズ１３ａとの距離ｄ1を、上述した図６および図７における距離ｄ0（９．３５５ｍｍ）より大きい９．７４ｍｍ程度とし、このロッド先端面１２ｃの位置を近軸物点位置としている。そして、図８および図９に示すように、光整形ロッド１２とレンズ系１３のレンズ１３ａとの距離ｄが大きくなると、レンズ系１３とミラー系１５との合成光学系による近軸像点位置がミラー系１５側に移動する。そして、距離ｄ1がたとえば９．７ｍｍ程度の場合においては、近軸像点位置はレンズ系１３とミラー系１５とのほぼ中間位置になる。この近軸像点位置はレンズ系１３とミラー系１５との合成光学系における近軸像点位置に相当する。なお、反射型プリズムシート１４における平行光束ＬRが照射される反射プリズム面は、この近軸像点位置を含む平面（平行光束ＬRの光軸に垂直な平面）と交差させるのが好ましい。すなわち、反射型プリズムシート１４の反射プリズム面上に近軸像点位置が存在するように、反射型プリズムシート１４とミラー系１５との間で位置合わせを行うのが望ましい。これにより、反射型プリズムシート１４の被照射領域において、ミラー系１５に対する近点と遠点とで、光の照射のボケの程度を同程度にできる。
【００６１】
また、光路変更手段である反射部材としての反射型プリズムシート１４は、反射プリズム面が中心軸Ｏに対して略平行、かつＸＺ平面に略平行になるように設けられる。この反射型プリズムシート１４は、ミラー系１５により反射された平行光束ＬRをさらに反射させることにより、平行光束ＬRの光路を変更させて、反射平行光束Ｌrとして外部に出射するためのものである。この第１の実施形態においては、反射平行光束Ｌrは液晶パネル１６の背面（図１中上側面）に照射される。図１０は、この反射型プリズムシート１４の部分的なＹＺ断面図である。
【００６２】
図１０に示すように、反射型プリズムシート１４の液晶パネル１６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、所定の間隔ｌ1を隔てて設けられている。また、反射凸部１４ａの少なくともミラー系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、ミラー系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、ミラー系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、隣り合う反射凸部１４ａ間の間隔ｌ1の領域は平面ミラーとなっているので、液晶パネル１６に入射した反射平行光束Ｌｒの反射光を再入射させることが可能である。
【００６３】
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、ミラー系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。そして、図１に示すように、以上の、ＬＥＤ１１、光整形ロッド１２、レンズ系１３、反射型プリズムシート１４、およびミラー系１５によって、液晶ディスプレイ１のバックライト装置１０が構成される。また、上述したように、バックライト装置１０の全体が、両側テレセントリック光学系を有限光学系として構成していることにより、バックライト装置１０から平行光束を出射することが可能となる。
【００６４】
また、液晶パネル１６としては、従来公知の平面板状の液晶パネルを用いることが可能である。すなわち、液晶パネル１６は、たと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。そして、バックライト装置１０から出射される平行光束が、液晶パネル１６の一面である背面に、背面に対して略垂直に入射するように構成することによって、この第１の実施形態による液晶ディスプレイ１が構成される。
【００６５】
本発明者は、以上のように構成されたバックライト装置１０を試作したところ、単一のＬＥＤから構成されるＬＥＤ１１を用いているにもかかわらず、光整形ロッド１２のロッド先端面１２ｃから出射させる光束Ｌの面内強度分布を均一とすることができることを確認した。具体的には、ロッド先端面１２ｃの全面から均一に光線が発散するようにできた。そして、本発明者は、この場合のバックライト装置１０から発する光の強度分布を測定した。図１１は、バックライト装置１０から発せられる面内の光の強度分布を示す図である。なお、図１１において、照射領域は約４５０ｍｍ×６００ｍｍ前後であり、光の強度が小さいほど黒色に近づき、強度が大きいほど白色に近付くようになっている。また、以下の図面におけるαＥ−βは、α×１０−βを意味する。図１１から、バックライト装置１０の照射領域の全面にわたって、ほぼ均一に光を照射可能であることが分かる。
【００６６】
図１２および図１３はそれぞれ、上述のように構成されたバックライト装置１０において、ＬＥＤ１１のＬＥＤチップから出力される光の電力を１Ｗとし、ロッド先端面１２ｃから出射させる光束Ｌの面内強度分布を均一にした場合における、図２のＸ方向およびＺ方向に沿った光強度分布のシミュレーション結果を示すグラフである。図１２および図１３から、バックライト装置１０のＸ方向およびＺ方向に沿った光強度が、広い領域において１．１３×１０-4Ｗ・ｃｍ-2以上であって、十分な光強度（輝度）が得られることが分かる。そして、上述したバックライト装置１０を試作して測定したところ、光整形ロッド１２から出射された光束の均一の面内強度分布が、バックライト装置１０から発する光の面内強度分布に反映され、きわめて均一性が高い面内光強度分布が実現されていることが確認された。さらに、上述した第１の実施形態によるバックライト装置１０によれば、ＬＥＤ１１から出射される光のエネルギーに対して発光エネルギー利用効率が約３８．８％前後であることが確認された。ここで、発光エネルギー利用効率とは、光線シミュレーションにおいてＬＥＤ１１から発散させた光線本数に対する照射エリアに到達した光線本数の比率である。また、本発明者の知見によれば、エネルギー利用効率は、ＬＥＤチップの形状、第１ロッド１２ａの照射側の形状、ロッド先端面１２ｃの出射側形状、レンズ系１３のＦ値（ＮＡ）、光学系全体の吸収および反射、ならびにＬＥＤチップとカバーガラスとの間隔に依存する。ここで、上述した利用効率においては、平行光束ＬRのエネルギーとして、反射型プリズムシート１４の直前で計算した平行光束ＬRの強度分布をもとに算出した値を用いている。第１の実施形態によるバックライト装置１０においては、反射型プリズムシート１４を適切に設計することによって、反射平行光束Ｌrを、上述した発光エネルギー利用効率と同程度の発光エネルギー利用効率で外部に出射させることができる。
【００６７】
以上説明した、本発明の第１の実施形態によれば、単一のＬＥＤで構成されたＬＥＤ１１を用いて、従来の照明領域をより均一に照明することができるので、消費電力の低減を図ることができる。また、光整形ロッド１２およびレンズ系１３と、レンズ系１３と連携したミラー系１５とによって、両側テレセントリック光学系を構成していることにより、バックライト装置１０から発する光を平行光にできるとともに、低消費電力を維持しつつ、広い領域において光整形ロッド１２の発光面における光の強度分布が反映された面内強度分布のバックライトを得ることができる。そして、この第１の実施形態によれば、レンズ系１３とミラー系１５との間は基本的に概ね無限系をなし、光整形ロッド１２の射出端面であるロッド先端面１２ｃの位置をレンズ系１３の焦点位置の前後に配置することによって、バックライトの照明の均一性を確保するようにしている。これにより、光整形ロッド１２の発光面における光の強度分布を発光面内において均一にすることによって、広い照明領域において、均一性が反映された均一のバックライトを得ることができる。
【００６８】
また、上述した第１の実施形態におけるバックライト装置１０によれば、バックライト装置１０の厚みを、バックライト装置１０の照射領域のＺ方向に沿った長さまたはＸ方向に沿った幅に対して、１０％以下の厚みにすることが可能になることが確認された。これにより、バックライト装置の薄型化、狭小化、および小型化を実現できる。
【００６９】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態によるバックライト装置について説明する。この第２の実施形態においては、光整形ロッド１２の第１ロッド１２ａにおいて、その入射側端部および出射側端部のＸ方向寸法Ｌｘ０，Ｌｘ１をそれぞれたとえば３ｍｍ、Ｙ方向寸法Ｌｙ０，Ｌｙ１をそれぞれたとえば１ｍｍとする。また、第２ロッド１２ｂのロッド先端面１２ｃにおけるＸ方向寸法Ｌｘ２をたとえば１２ｍｍ、Ｙ方向寸法Ｌｙ２をたとえば２ｍｍとして、第２ロッド１２ｂの形状をいわゆるラッパ形状とする。その上で、ＬＥＤ１１の寸法を、Ｘ方向寸法が３ｍｍ、およびＹ方向寸法が１ｍｍ（３ｍｍ×１ｍｍ）になるようにする。なお、その他の構成は第１の実施形態と同様であるので、説明を省略する。そして、本発明者が、光強度を計測するセンサーピッチを７５０×１０００として発光エネルギー効率を計算したところ、ＬＥＤ１１からの発光エネルギー利用効率が、約６８．８％にまで向上することが確認された。すなわち、光整形ロッド１２の形状をラッパ形状とすることによって、光整形ロッド１２の出射側とレンズ系１３の入射側とにおいて幾何光学的に光エネルギーの損失を低減できることが確認された。
【００７０】
図１４および図１５はそれぞれ、上述のように構成されたバックライト装置１０において、ＬＥＤ１１のＬＥＤチップから出力される光の電力を１Ｗとし、ロッド先端面１２ｃから出射する光束Ｌの面内強度分布を均一にした場合における、図２のＸ方向およびＺ方向に沿った１次元強度分布のシミュレーション結果を示すグラフである。図１４および図１５から、バックライト装置１０のＸ方向およびＺ方向に沿った光強度が、広い領域において２．１６×１０-4Ｗ・ｃｍ-2以上であって、均一で十分な光強度（輝度）が得られていることが分かる。さらに、第１の実施形態によるバックライト装置１０に比して、約２倍の光強度が得られていることが分かる。
【００７１】
この第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様の効果を得ることができるとともに、光のエネルギー利用効率をより一層向上させることができる。すなわち、第２の実施形態において説明したように、ＬＥＤ１１の大きさや形状を変えて、大きさや形状に応じて光整形ロッド１２をたとえばラッパ形状に構成することにより、ＬＥＤ１１から出射される光の利用効率を向上させることが可能になる。また、ＬＥＤ１１の大きさと光整形ロッド１２の形状との相関関係を第１および第２の実施形態のように規定することによって、光のエネルギー利用効率を格段に向上させることが可能になる。
【００７２】
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態によるバックライト装置について説明する。この第３の実施形態においては、光整形ロッド１２の形状は第２の実施形態と同様である。その上で、ＬＥＤ１１におけるチップカバー内に設けられたＬＥＤチップ（図示せず）を、チップカバーに対してさらに近づけた構成とする。具体的には、ＬＥＤ１１におけるダイオードのチップとチップカバー（いずれも図示せず）との間隔を、第１の実施形態における０．２８ｍｍより小さくして、たとえば０．２ｍｍ程度にする。また、ＬＥＤ１１の光整形ロッド１２に密着させる部分の寸法も、第２の実施形態と同様の３×１ｍｍとする。本発明者が、このようなＬＥＤ１１を用いた場合の発光エネルギー効率を確認したところ、ＬＥＤ１１からの発光に対して発光エネルギー利用効率が、約７５．５％にまで向上できることを確認した。
【００７３】
この第３の実施形態によれば、第２の実施形態と同様の効果を得ることができるとともに、光のエネルギー利用効率をより一層向上させることができる。また、ロッド先端面１２ｃから出射する光束Ｌの面内強度分布を均一にした場合での、図２のＸ方向およびＺ方向に沿った１次元強度分布のシミュレーション結果においても、第２の実施形態と同様の高い均一性を有し、十分な光強度（輝度）が得られていることが確認された。
【００７４】
（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態によるバックライト装置について説明する。この第４の実施形態においては、光整形ロッド１２の形状は第２および第３の実施形態と同様である。その上で、ＬＥＤ１１におけるチップカバー内に設けられたＬＥＤチップ（図示せず）を、チップカバーに対してさらに近づけた構成とする。具体的には、ＬＥＤ１１におけるダイオードのチップとチップカバー（いずれも図示せず）との間隔を、第３の実施形態における０．２ｍｍより小さくして、たとえば０．１ｍｍ程度にする。また、ＬＥＤ１１の光整形ロッド１２に密着させる部分の寸法も、第２の実施形態と同様の３×１ｍｍとする。本発明者が、このようなＬＥＤ１１を用いた場合の発光エネルギー効率を確認したところ、ＬＥＤ１１からの発光に対して発光エネルギー利用効率が、約８４．４％にまで向上できることを確認した。
【００７５】
図１６および図１７はそれぞれ、上述のように構成された第４の実施形態によるバックライト装置１０において、ＬＥＤ１１のＬＥＤチップから出力される光の電力を１Ｗとし、ロッド先端面１２ｃから出射させる光束Ｌの強度分布を均一にした場合における、図２のＸ方向およびＺ方向に沿った強度分布のシミュレーション結果を示すグラフである。図１６および図１７から、バックライト装置１０のＸ方向およびＺ方向に沿った強度分布が、広い領域において２．６１×１０-4Ｗ・ｃｍ-2以上でほぼ均一であることが分かる。さらに、第２の実施形態によるバックライト装置１０に比して、光強度を２０％以上向上できることが分かる。
【００７６】
この第４の実施形態によれば、第１〜第３の実施形態と同様の効果を得ることができるとともに、光のエネルギー利用効率をさらに向上させることができる。
【００７７】
（第５の実施形態）
次に、本発明の第５の実施形態によるバックライト装置を備えた液晶ディスプレイについて説明する。図１８は、この第５の実施形態による液晶ディスプレイをＸ方向から見た側面図である。
【００７８】
図１８に示すように、この第５の実施形態によるバックライト装置２０は、第１の実施形態と異なり、たとえば射出成形などの樹脂成形法によって成形された、板状で光透過性を有する樹脂体２６を有する。そして、ＬＥＤ２１、光整形ロッド２２およびレンズ系２３は、たとえば、あらかじめ位置決めされた状態で、樹脂体２６の成形時に内部に埋め込まれている。ここで、光整形ロッド２２およびレンズ系２３においては、少なくとも空気と接触するように形成するのが好ましいが、必ずしもそのような構成に限定されるものではない。また、この樹脂体２６は、平板状に形成されているとともに、一方の面側に凹部２６ａが形成されている。そして、この樹脂体２６に対して、たとえばアルミニウム（Ａｌ）または銅（Ｃｕ）などの金属を蒸着させることによって、反射型プリズムシート２４およびミラー系２５を一体的に形成する。このとき、凹部２６ａ内に金属が埋め込まれることにより、第１の実施形態による反射型プリズムシート１４の反射凸部１４ａと同様の効果を有する反射部材２４ａが形成される。以上により、バックライト装置２０が構成される。そして、このバックライト装置２０によって照明される液晶パネル１６を樹脂体２６の他方の面の所定位置に設けることによって、第５の実施形態による液晶ディスプレイ２が構成される。なお、この液晶ディスプレイ２は、スマートフォンや携帯端末などの液晶ディスプレイとして好適に使用できる。
【００７９】
この第５の実施形態によるバックライト装置２０によれば、内部にあらかじめ位置決めされた状態でＬＥＤ２１、光整形ロッド２２、およびレンズ系２３を埋め込んで、樹脂体２６を成形できるとともに、樹脂体２６の一主面および一端部に金属を蒸着させていることにより、それぞれ反射型プリズムシート２４とミラー系２５とを一体に形成することができるので、液晶ディスプレイ２を小型化する場合においても、大量生産が可能になり、生産性を向上させることができるので、低コスト化を図ることができる。
【００８０】
以上、本発明の実施形態について具体的に説明したが、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。たとえば、上述の実施形態において挙げた数値や材料はあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれと異なる数値や材料を用いてもよい。
【００８１】
上述した実施形態においては、バックライト装置として、照明領域における光強度分布を均一化させた液晶ディスプレイのバックライト装置を例としているが、一般的な液晶ディスプレイのみならず、スマートフォン、タブレット端末などのあらゆる情報表示用のディスプレイにおけるバックライト装置に適用することが可能である。また、必要に応じて、照明型看板、ポスターや絵画用照明、および面均一輝度の一般の照明などに応用することも可能である。
【００８２】
また、上述した第１の実施形態においては、光整形ロッド１２の光束出射側端部であるロッド先端面１２ｃのＸＹ断面の形状を矩形状としているが、必ず矩形状に限定されるものではなく、円形状、楕円状、台形状、平行四辺形状等の種々の形状とすることが可能である。また、光整形ロッド１２の代わりに公知のホモジェナイザーを用いてもよい。また、発光源が所望の範囲で均一の面内強度分布を有する光を発光できるものであれば、光整形手段を用いずに２次元光源を構成してもよい。
【００８３】
また、上述した第１の実施形態においては、ミラー系１５により反射された平行光束ＬRを、反射型プリズムシート１４によりさらに反射させて光路を変更することで、外部に光束を出射しているが、必ずしも反射型プリズムシート１４に限定されるものではなく、プリズムなどの光束の光路を変更可能な部材であれば、種々の部材を用いることが可能である。また、たとえばミラー系１５により反射された平行光束ＬRを、直接外部に出力し、照明光として使用してもよい。
【００８４】
また、上述した第１の実施形態においては、第２集光光学系としてのミラー系１５を凹面鏡から構成しているが、このミラー系１５を平面化するために、凹面鏡からなるミラー系１５の代わりに、フレネルレンズと、反射ミラーまたは反射型フレネルレンズとを用いてもよい。
【００８５】
また、上述した第１の実施形態においては、ＬＥＤ１１として単一の白色ＬＥＤを用いているが、ＲＧＢＬＥＤアレイや垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）を用いることも可能である。なお、ＬＥＤ１１を単一のＬＥＤから構成する場合には、白色ＬＥＤが好ましく、複数のＬＥＤを用いる場合には、これらのＬＥＤを白色ＬＥＤから構成してもよいが、ＲＧＢＬＥＤアレイなどから構成してもよい。
【００８６】
また、上述した第１の実施形態において用いたレンズ系１３の各レンズ１３ａ〜１３ｅの材質としては、必ずしも上述した材質に限定されるものではなく、屈折率Ｎｄおよびアッベ数νｄが規定の値であれば、種々の材質を採用することが可能である。
【００８７】
また、上述した第１の実施形態においては、第１ロッド１２ａの光入射側端部のＸ方向寸法Ｌｘ０がＹ方向寸法Ｌｙ０以上になっているが、第１ロッド１２ａの光入射側端部のＸ方向寸法Ｌｘ０をＹ方向寸法Ｌｙ０より小さく（Ｌｘ０＜Ｌｙ０）してもよい。同様に、Ｌｘ１＜Ｌｙ１、Ｌｘ２＜Ｌｙ２としてもよい。
【符号の説明】
【００８８】
１，２  液晶ディスプレイ
１０，２０  バックライト装置
１１、２１  発光ダイオード（ＬＥＤ）
１２，２２  光整形ロッド
１２ａ  第１ロッド
１２ｂ  第２ロッド
１２ｃ  ロッド先端面
１３，２３  レンズ系
１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１３ｅ  レンズ
１４，２４  反射型プリズムシート
１４ａ  反射凸部
１５，２５  ミラー系
１６  液晶パネル
１７，１８  遮断板
１７ａ，１８ａ  開口
１９  遮蔽板
２４ａ  反射部材
２６  樹脂体
２６ａ  凹部
Ｌ  光束
ＬR  平行光束
Ｌr  反射平行光束
【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８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０】
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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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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１１】
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