本照明装置は、図2(1)~(3)に示すように、光� �からの光を平行光変換手段によって平行光� �形成し、光源10と液晶サブ画素を制御する色 が対応するように透明物質層を介在させ、別 色の光源光と混色を防止するために平行光を 用い、平行光変換手段で発生する非平行光成 分は板状体に設けた溝3による全反射を利用� �てカラーフィルタを削除した照明装置であ� �。
透明材料より屈折率の低い空気との界面では 臨界角より大きい条件で全反射するため、図 1、図2(3)に示すように、導光板1における色別 の平行光との間に空気層による遮光溝を設け て成型する方法の他、レーザー加工などによ り溝を後加工することによって全反射層を構 成出来る。導光板1を側面視した形状は図2(2)� ��図3(2)に示すように、この平行光が伝播する 導光板1内に画素ピッチで棚田状に分散配置� �れた凸反射面5が配置されている。凸反射面5 については段落0020で後述するが、凸反射面5� ��平行光進行方向に対して略鉛直方向に光束� ��拡大して反射し、次項で述べる各ストライ� ��に分配する素子の併用で図1、図2に示すよ� �に、光源、積層数を集約することも可能で� �る。
 透明物質としてポリメチルメタクリル酸樹� ��、脂環式アクリル樹脂、環状オレフィン樹� ��、ポリカーボネート、空気などが適してい� ��。空気の場合は段落0037、実施例5などに示� �。  

 ストライプ分配素子は棚田状導光板1の出射 光を、1入射部でストライプ内の3つのサブ画� ��に分配することを基本単位として、これを� ��トリックス構成とした素子である。図2(3)は 平行光進行方向から見た断面図である。入射 した光を反射/透過分別部の透過部6において1 /3の光量を鉛直方向にあるサブ画素に透過し� ��残る2/3の光量をストライプ方向に2つの傾斜 反射面7で2方向に反射する。この反射光がス� ��ライプ分配素子内の液晶対向側に設けた反� ��面8で反射して2つの液晶サブ画素に入射す� �ことにより同一ストライプ内の3つのサブ画� ��に分配する素子である。
 透過/反射分別部の傾斜反射面7は鏡面にし� �反射方向を揃えている。透光物質は傾斜反� �面7を成型するために成型性の良い物質が適� ��ている。平面基材に傾斜部を積層成型した� ��合構造によっても達成出来る。 

 透過/反射分別部の傾斜した反射面7の反射� �を隣接する透過/反射分別部単位よりも離れ� ��位置に反射して分配することにより同一色� ��入射部を集中することが出来る。図2(3)の例 では緑色光Gを棚田状導光板1の青色光Bおよび 赤色光Rが伝播する部分の上部に反射してい� �。この構造を繰り返すことにより連続スト� �イプにすることが出来る。これによりスト� �イプ分配素子内の液晶対向側に設けた反射� �を棚田状導光板1において別色が伝播する部� ��の上に多数設ける構造とすることが可能に� ��り、1光源から1サブ画素に照射する構造に� �べて光源の数を削減出来る。反射/透過分別� ��は透過部6の両側に傾斜反射面7を持つ構造� �あり、反射光が隣接する傾斜反射面7で遮ら� ��ないための最大傾斜は35.3°である。このと� ��反射光は水平方向に対して19.5°の傾斜で反� ��し、ストライプ分配素子厚に比例して遠方� ��で分配出来る。
 傾斜反射面7による反射光が隣接する傾斜反 射面7で遮られないための最大傾斜θs、およ� �最大傾斜光角度θrは図3(1)のように示され、� ��のように求められる。

 透過/反射分別機能の透過部6は開口面積の1/ 3を占め、反射光は2方向に分配されるので夫� ��開口面積の1/3を占めている。出射光を平行� ��のまま液晶サブ画素に照射すると開口率が1 /3に低減しているので、画面に占める黒枠の� ��合が増え、照射部は輝点になる。図4のよう に透過/反射分別機能の透過部6に凹レンズを� ��けることにより、液晶サブ画素寸法に光束� ��拡大して輝点を回避することが出来る。
 垂直配向では液晶分子が倒れる方向を固定� ��るため点対称に傾斜するプレチルトが行わ� ��ているが、拡散方式の導光板では垂直配向� ��式、ベンド配向方式において拡散光による� ��屈折でコントラストを低下している(特許文 献14)。プレチルトは特許文献14,15など多くの� ��造が提案されているが、特許文献15の構造� �代表例として液晶サブ画素寸法に光束を拡� �する方法を図5に示す。配向構造を光束拡大� ��向に近づけることにより液晶分子の複屈折� ��防止してコントラストの改善に役立てるこ� ��が出来る。

 光源が平行光の出射経路の中にあると光源� ��平行光を遮るだけでなく反射平行光に直接� ��が加わり不均一になる。図2(2)のように平行 光の経路からオフセットした位置に焦点を持 つ軸外放物凹面鏡あるいは軸外放物面近似凹 球面鏡の焦点に光源を設けることにより、光 源によって平行光を妨げられることなく導光 板を伝播することが出来る。
 導光板の厚さ方向、幅方向ともに放物面の� ��点に発光ダイオードを設け、液晶ストライ� ��の配列順に複数色の発光ダイオードを交互� ��配置することにより複数色の平行光を供給� ��ることが出来る。 

 光源からの光を入射する棚田状導光板1を側 面から見た構造は、図2(2)のように液晶側に� �向する反射面側に凸反射面5を配置した棚田� ��構造のものである。この凸反射面5は光源か らの平行光線をほぼ鉛直方向にある液晶の画 素に向けて反射し、凸反射面が画素寸法より 小さいために画素寸法に拡大するための凸反 射面である。この凸反射面5は図3(2)のように� ��界角以上に傾斜すると全反射することが出� ��る。鏡面反射層にして反射することでも良� ��。
 凸反射面5の光源側において水平面となす傾 斜角θd、入射角θ1との間には
の関係が成り立ち、全反射条件θ1>θcより
の必要がある。光源は完全な点光源ではない ために平行性公差があるのでθdは公差の余裕 をとる必要がある。
 被照射体までの距離tは導光板厚と液晶透明 基板厚の和になり、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幅をdと� ��ると、凸反射面の曲率半径rは
で表される。棚田状構造の導光板のため位置 による厚さtの変化に応じて曲率半径rを変え� ��ことにより均一に画素透過部幅に照射する� ��とが出来る。
 光束拡大率は導光板の最も薄い部分で最大� ��なるが、液晶透明基板厚が定数になり実施� ��では3°以下である。光束拡大光ではあるが� ��乱光ではないために、平行光が必要条件で� ��る高分子分散液晶にも適用することが出来� ��。 

 放物面鏡は光束密度が光源と反射面上の点� ��の距離の2乗に反比例するため、反射光の光 束分布は光軸から遠ざかるほど低下する。
 放物線を
 放物線上の点(x,y)と焦点(p,0)間の距離をhと� �ると、
 
 光束密度は光源と反射面上の点との距離の2 乗に反比例するため、光束密度Iをyの関数で� ��すと、
 pを1としてyを0から4の範囲で図示すると、� �7のように光軸から離れるほど光束密度が減� ��する。
 総光束は、yを0から4の範囲で積分すると、
 積分の曲線を図8に示す。
 導光板では放物面鏡の光軸に近い範囲を利� ��し、導光板反射面積を逆関数にして補正す� ��と厚さ増加を抑制して光束密度を均一に出� ��る。x座標の焦点p、y座標の1.41pまでの放物� �鏡における段差の位置関数曲線を図9、導光� ��断面の包絡線を図10に示す。

 放物面鏡は平行光を生成できるが、光束密� ��特性は光軸から遠ざかるほど光束が低下す� ��。放物面鏡の開口端における光束密度を均� ��にするには光軸付近に集中する光束を周辺� ��に拡散し、開口端で平行光に戻す必要があ� ��。図11はその原理を示す図であり、θ ₁ が平行光より光束を拡大する角度、θ _m が反射鏡の傾斜角である。光線軌跡、光束密 度の全体像は図16に示されている。
 放物面鏡開口端における光束を積分して総� ��束を求め、開口端で均等になる値を反射鏡� ��に求めてその座標と結んだ線が均一化する� ��めの拡散光線軌跡である。
 この総光束を開口端で光軸垂直方向に均一� ��なるよう等分する。総光束を等分した光束� ��反射鏡上のy座標は光束密度分布から求めら れ、x座標も求められる。この点と開口端の� �を結べば拡散角度を求めることが出来る。
図11に放物面鏡9の平行光出射を示すが、同様 に、反射鏡の傾斜を増分する角度は平行光か らの増分する拡散角の半分である。反射鏡の 傾斜を求めるには放物面鏡9の接線の傾斜mと� ��線の傾斜-1/mを求める必要がある。
の放物線上の点(x0、y0)の傾斜はxで微分して� �
接線の方程式よりmは
である。法線は接線に直交するので
である。
 放物線の包絡線を維持したまま反射鏡の傾� ��を増大するのは微細な鏡面に微細な段差を� ��って繋げることになる。放物面鏡の鏡面を� ��割し、均一にするための平行光からの拡散� ��度の半分を放物線の接線傾斜より増大する� ��とにより反射鏡開口端において均一な光束� ��度で拡散することが出来る。
 微細鏡面に微細な段差をもって繋げるのは� ��成型・蒸着による製造は可能だが研磨が困� ��で、細分化による誤差を含んでいる。この� ��め、傾斜を増大して連続曲線にする方法を� ��11の光束密度均一化反射鏡22に示す。連続化 すると座標が後方に移動するので光束密度分 布、積分曲線を再度計算しなければならない が、これを繰り返し計算することにより誤差 を極めて小さく収めることが出来る。
 反射鏡上のy座標の点において光束が拡大す る分布状態を図13に、光束密度分布を破線で� ��光束密度の積分曲線を実線で図14に示す。
以上の方法で求めた曲線は
である。aは反射鏡の軸方向長さ、正焦点距� �屈折面の傾斜などの影響によって幅を持っ� �いる。x<2の浅い反射鏡の場合、第2項の寄� ��が小さく、第2項による補正は不要だが、x� �長くなるに従ってb,cを調整することにより� �一性が良くなる。xの長い、つまり口径yの大 きな反射鏡は図7のように光軸から離れるほ� �光束密度が減少するのでaのように顕著では� ��い。
 光束密度均一化反射鏡のa=5.8,b=2.5,c=2,p=1にお ける曲線を放物線と比較した図を図15に示す� ��
 この拡散光を正焦点距離屈折面に入射する� ��平行光に戻すことが出来、これによって光� ��密度の均一な平行光を得ることが出来る。� ��行光に戻すための屈折面の角度を図12に示� �。
 正焦点距離屈折面で光軸に平行にするため� ��界面の傾斜θ3は
である。各拡散角度についてθ3を求め、連続 曲線にすると屈折面曲線、レンズ曲線を求め ることが出来る。導光板などの透光物質に入 射するとき、正焦点距離屈折面を1枚で平行� �に変換する状態を図16(2)に示す。この解析結 果を図16(2)の曲線で示している。平行光だけ� ��なく屈折面の曲線によって光束密度の均一� ��拡散光、収束光への変換も可能である。
 光束密度均一化反射鏡による拡散光を空気� ��に照射する場合は屈折面が複数になり、平� ��レンズで構成した例を図16(1)に示す。
 平凸レンズの平面で変換された屈折光出射� ��θ2
 屈折面で光軸に平行にするための界面の傾� ��θ3は、
 屈折率1.55の平凸レンズよりレンズ厚を薄く するフレネルレンズの例を図16(3)に示す。
 正焦点距離屈折面を持つ導光板に入射する� ��棚田状導光板の段差は一定になり、包絡線� ��直線になるため図9、図10の補償方法より薄� ��化が可能である。
 放物面鏡によらない平行光生成方法として� ��傾放物面鏡の提案が特許文献18に示され、� �軸を内側に傾けた形状となっている。目的� �、「キセノンランプを用いる場合は、液晶� �ネルの光軸に近い部分が光源の影になるの� �液晶パネルの中心部のみ暗い映像となる」� �めとされ、傾放物面鏡の反射光は収束光の� �め凹円錐レンズで平行光に戻されている。
 特許文献19には放物面鏡を使用して2枚のフ� ��ネルレンズによるアフォーカル系で光束密� ��を丸い山形分布にした提案がある。アフォ� ��カル系の関係式、および山形分布の理由は� ��示されていないが、上記同様に光軸に近い� ��分が光源の影になることを補償することが� ��えられる。

 凹面鏡を備えた照明装置は光源からの直� ��光が凹面鏡反射光に重畳するので光軸付近� ��光束が集中しやすい。反射鏡を請求項8のよ うに均一化する方式においても直接光は距離 の2乗に反比例するので照射面までの距離が� �いほど不均一になる。このため図17のように 、光源の前方に開口付き遮光体を設けて直接 光を制限することにより光源前方が凹面鏡反 射光と光源からの直接光が重畳することによ る光束集中を緩和し、遮光体に設けた開口孔 の寸法、密度を凹面鏡反射光の光束密度に合 わせて設定することにより光束を均一化する 照明方式である。 

 凹面鏡を備えた光源の前方の開口付き遮� ��体を凸面鏡に代えて、凸面鏡で凹面鏡に反� ��して効率を高め、光源前方が凹面鏡反射光� ��光源からの直接光が重畳することによる光� ��集中を緩和し、凹面鏡が光源からの直接光� ��凸面鏡反射光を反射する光束密度に合わせ� ��凸面鏡に設けた開口孔の開口比率を設定す� ��ことにより光束を均一化する照明方式であ� ��。 

 凹面鏡を備えた光源の前方に開口付き凸� ��鏡を設けて凹面鏡に反射することにより光� ��前方が凹面鏡反射光と光源からの直接光が� ��畳することによる光束集中を緩和し、凹面� ��が光源からの直接光と凸面鏡反射光を反射� ��る光束密度に合わせて凸面鏡に設けた開口� ��面積で透過光量を設定し、開口部を図18の� �うに凹レンズ11で構成した光束の均一化方法 である。

 焦点距離深さの放物面鏡を備えた光源の� ��方に開口付き凹面鏡を設け、光源を透過し� ��後方放物面鏡に反射することにより光源か� ��の直接光と放物面鏡による反射光の入射角� ��一致させて反射することにより方向を揃え� ��光束を均一化し、放物面鏡によって反射す� ��光束密度に合わせて前方凹面鏡に設けた開� ��部の開口比率を設定することにより光束均� ��化する照明方式。図19、および開口部を凹� �ンズ11とした例を図20に示す。

 直下照明型液晶表示装置は薄型化すると、� ��束が光源からの距離の2乗に反比例するため に管映りが発生し易い。薄型化と均一性を両 立するには、図21(1)のように、直下から入射� ��た光を傾斜した反射面によって平面方向に� ��向変換し、平面方向に伝播する光を傾斜反� ��面によって液晶パネルに反射することによ� ��均一な照明を得ることが出来る。
進行方向を直角に変換するには反射面の傾斜 は45°のため導光板厚は凹面鏡22の幅が必要に なるが、図21(2)のように傾斜面を棚田状に分� ��配置することにより凹面鏡幅より薄い導光� ��にも適用することが出来る。水平面を透明� ��すると上部への損失になるので、水平面を� ��射鏡にして光源に戻し、光源前方の凹面鏡2 8の反射光を再利用することにより、水平面� �透明な場合の上部への損失を防止すること� �出来る。

 直下照明型液晶表示装置において、直下か� ��導光板に入射した光を傾斜した反射面によ� ��て平面方向に方向変換して反射する場合、� ��射面上部は照明されないので光源を端部に� ��けた1方向の伝播になる。光源を端部以外に 設け、対向する2方向に反射するには、反射� �で囲まれた三角柱部分の液晶画素に照明す� �必要がある。図22(1)のように、三角柱部分の 傾斜面を反射/透過分離面にすることによっ� �導光板の平面方向に反射する成分と傾斜面� �直上部に透過する成分に分離することが可� �になる。反射/透過分離は臨界角による分離� ��あるいはビームスプリッタによって行うこ� ��が出来る。
 臨界角分離は傾斜面に導光板よりも屈折率� ��小さい層を設けることにより実現できる。
導光板の屈折率n2、低屈折率層の屈折率n1と� �ると、臨界角θcは
拡散角の制御は請求項8~12における出射光の� �行性の設定などによって実現できる。
ビームスプリッタによる場合は反射/透過比� �照明する面積比などに応じて設定される。
水平方向への反射面29を棚田状に分散した場� ��は、上部への開口率の設定で三角柱部分と� ��れ以外の導光板面の輝度を一致させること� ��出来る。開口率が小さい場合は開口部を負� ��点距離屈折面にすることにより三角柱上部� ��液晶に光束を拡大することが出来る。水平� ��向に変換する45°の傾斜反射面、光束を拡大 する凹面、光源方向に反射する反射鏡から成 り立っている。図22(2)にこの状態を示し、図2 2(3)に拡大図を示す。

 直下から導光板に入射した光を傾斜した� ��射面によって導光板の平面方向に方向変換� ��る直下照明型液晶表示装置において、反射� ��で囲まれた三角柱部分の液晶画素に照明す� ��必要がある。図23のように、対向する2つの� ��斜面のV字状交点付近に開口部を設け、開口 部から入射した光を、開口部延長線上に棚田 状傾斜反射面を設けてV字型傾斜反射面の上� �に反射する。傾斜反射面上側の反射面から� �晶側に出射する構造によって、2つの傾斜面� ��囲まれた三角柱部分とそれ以外の導光板面� ��輝度を開口面積の設定で均一化することが� ��来る。開口部直上部には棚田状傾斜面が設� ��られるので影の部分が発生する。このため� ��の部分に入射する経路を傾斜反射面の一部� ��設けている。図25は白色発光ダイオードに� �る点光源を放物面鏡の焦点に設置した構造� �ある。図26は3原色発光ダイオードによる点� �源を軸外放物面鏡の焦点に設置した構造で� �る。

 直下から導光板に入射した光を傾斜した� ��射面によって導光板の平面方向に方向変換� ��る直下照明型液晶表示装置において、図24� �ように、対向する2つの傾斜面のV字状交点付 近に凹レンズによる開口部を設けることによ り直上部三角柱部分の照射光を得ている。開 口部から入射した光を凹レンズによって直上 部三角柱部分に拡散することにより、2つの� �斜面に囲まれた三角柱部分とそれ以外の導� �板面の輝度を開口部面積の設定で均等化す� �ことが出来る。

 直下から導光板に入射した光を傾斜した� ��射面によって導光板の平面方向に方向変換� ��る直下照明型液晶表示装置において、V字型 に対向する2つの傾斜面の交点付近に凹レン� �による開口部を設け、開口部から入射した� �を凹レンズによって直上部三角柱部分に拡� �する構造であり、三角柱部分に拡散する光� �、図24のように、フレネルレンズ面による出 射面とすることによって平行光出射する直下 照明方式である。

 凹面鏡と凸面鏡を焦点位置および光軸方向� ��一致させて、入出射光を遮らない位置にオ� ��セットして設けることによって、焦点距離� ��絶対値比で光束幅を変換するビームエクス� ��ンダ/コンプレッサ両用素子を構成すること が出来る。ビームエクスパンダ/コンプレッ� �両用素子は光線の進行方向によってエクス� �ンダとして、あるいはコンプレッサとして� �用できる素子である。凹レンズと凸レンズ� �組み合わせたガリレオ型は屈折率の制約か� �寸法が大きいが、4面の屈折面によって収差� ��正の自由度が広いため多く採用されている� ��反射鏡によるビームエクスパンダ/コンプレ ッサ両用素子は同一曲率で焦点距離がレンズ の半分のため小型化出来るが、放物面鏡の研 磨が難しく、収差補正の自由度が小さいため である。
 光路媒体を成形性、寸法安定性の優れた透� ��材料で構成し、凹球面鏡、凸球面鏡の鏡面� ��蒸着などにより形成することが出来る。曲� ��円球面鏡で構成すると図27のようになる。� �率円鏡は放物面鏡の光軸で接触する円であ� �。放物面鏡と比べ図28に示す収差が発生する が、この収差を補正するために、光路媒体に よる入出射界面を図29のように収差補正曲線� ��することにより1種類の光路媒体で収差補正 することが出来る。

 線光源からの光束を軸方向に圧縮して出� ��するビームコンプレッサアレイを構成する� ��合、図27の構成の凹面鏡を斜め方向に連続� �ると図31の構成になり、入射光を図の右側か らでなく紙面垂直上部方向から斜めに入射す ると凸面鏡に反射して紙面奥方向に出射する ことが出来る。紙面垂直方向に軸外の放物面 鏡あるいは曲率円円筒鏡を組み合わせ、奥行 方向の長さを等しくすると焦点距離の絶対値 比のビームコンプレッサを構成することが出 来る。図32にビームエクスパンダ/コンプレッ サ両用素子を示す。この構造は平行光軸への 入射角を臨界角以上に設定することにより全 反射することが出来、反射鏡を蒸着する必要 がないため低コストに構成することが可能で ある。

 色別の線光源を直下照明方式に適用すると� ��、色別に積層する導光板との結合部を別の� ��と遮光して開口すると開口率、出射効率が1 /色数になる。線光源の光束を1/色数に絞るビ ームコンプレッサを通して開口部に入射する と平行光成分は遮光されることなく出射出来 るため出射効率の低下を回避出来る。
 線光源の軸方向の光束を1/色数に絞るビー� �コンプレッサを各色に設けて光束幅を絞っ� �当該色導光層に入射する構造を透視図(図33)� ��示す。ビームコンプレッサをフレネルメニ� ��カスレンズに置き換えた構成を図34に示す� �
 各色の積層構成の導光板入射した光は傾斜� ��た反射面によって平面方向に方向変換して� ��晶面に反射する。

 色別の線光源をサイドライト方式に適用す� ��とき、色別に積層する導光板との結合部を� ��の色と遮光して開口すると開口率、出射効� ��が1/色数になる。線光源の光束を1/色数に絞 るビームコンプレッサを通して開口部に入射 すると平行光成分は遮光されることなく出射 出来る。
 線光源が厚さ方向に並ぶため、ビームコン� ��レッサ出射光は導光板の厚さ方向に光源の� ��びに従った分布になる。これをビームエク� ��パンダによって導光板の厚さ全体に拡大す� ��ことにより光量分布を各色とも均一にする� ��とが出来る。

 図35(1)は棚田状凸反射面を2方向に持つ構造� ��ある。液晶表示装置の表示面をxy平面、紙� �横方向をx軸としたとき、導光板側面からy軸 方向に入射する平行光を、yz平面に対して棚� ��状に傾斜を持たせた第1の微小傾斜反射面で x軸方向に変換する。棚田状に分散配置した� �小段差を持つ傾斜反射面は液晶パネル側の� �率半径が長く、反対側の短い凸反射面にす� �と第2の微小傾斜反射面の位置によらずに一� ��のy方向長さに光束を拡大することが出来る 。
 導光板内をx方向に変換された光束を、棚田 状に分散配置した第2の微小傾斜反射面に照� �すると凸円筒全反射面で略鉛直方向にある� �晶パネルに光束を拡大して反射する。この� �円筒反射面は入射側の曲率半径を長く、遠� �側を短くすることにより液晶パネルに入射� �る光束密度を均一にすることが出来る。
 この構造の導光板は発光素子1個で均一な光 束密度を実現出来るため携帯機器などの小型 液晶表示装置に適している。凸面鏡で光束を 拡大するため拡散シートは不要であり、効率 良く正面輝度を高められる。導光板の傾斜反 射面を臨界角以上に設定することにより蒸着 工程が不要になり、発光素子1個と導光板の� �なので構造がシンプルで究極的な低価格を� �現出来る。

 前項におけるxy平面上に設けた表示素子をxz 平面上の平行光入射部に移動し、スクリーン をxy平面とした構造について説明する。
xz平面上に設けた投影表示素子に対してy軸方 向に透過する光を、軸方向がz軸の微小円筒� �面鏡あるいは微小円錐凸面鏡を投影光に平� �な平面を交互に積層した第1の棚田状構造の� ��射鏡を、yz平面に対してx方向に傾斜して設� ��ている。これにより、微小円筒凸面鏡ある� ��は微小円錐凸面鏡で反射中心をx軸方向に変 換して光束を拡大して反射する。xy平面に対� ��てz方向に傾斜して設けた第2の棚田状構造� �反射鏡の円筒凸面によってxy平面の鉛直方向 にあるスクリーンに投影することによりxz平� ��上に設けた投影表示素子よりも拡大表示す� ��ことが出来る。
 棚田状段数が少ない場合、xy反射鏡に照射� �れる像面は台形状に歪曲され、棚田の下段� �どその傾向が顕著になる。スクリーンにお� �る表示画像が台形になると隙間あるいは重� �が発生して表示性能を損なうので視覚的影� �のない台形歪に棚田状段数を分割する必要� �ある。過度に分割数を上げると反射鏡の加� �精度を高くする必要があるため、表示性能� �製造の双方を満足する範囲に選定する。
棚田状反射鏡を用いてリアプロジェクタを構 成すると、横1000mm、縦560mmの画面寸法で、奥� ��は拡大率を10倍として被写表示素子の短辺� �法は56mmになる。他にスクリーンまでの空間� ��30mm、筐体の厚さを加えて奥行約100mmでリア� ��ロジェクタを構成することが出来る。

 撮像装置の光源は面光源では光量の無駄が� ��いので線光源が多く使用されている。線光� ��は冷陰極管など幅の狭い素子が必要になる� ��約から波長特性が犠牲になっている。表示� ��は3原色のスペクトルが狭くとも加法混色が 可能だが、撮像用光源の場合、波長が欠けて いると情報が欠落して、正確な色再現は不可 能である。3波長冷陰極管は各色の蛍光材料� �線スペクトルであり、メタルハライドラン� �は高効率で、包絡線が白色光に近いハロゲ� �化物もあるが線スペクトルを多く含むので� �像用の光源には不適当である。キセノンラ� �プはスペクトルの連続性が良いが、線スペ� �トルを含むのでフィルタにより6504Kに白色光 化されている。白熱電球はプランクの放射則 に準じたスペクトル特性を持っている。
 プランクの放射則を単位体積あたりのエネ� ��ギーで表すと
h:プランク定数 6.626×10 ^-34   Js
c:光速 2.9979×10 ⁸   m/s
k:ボルツマン定数 1.3807×10 ^-23  J/K
 プランクの放射則はヴィーンの変位則とレ� ��リー・ジーンズ則を融合発展したものであ� ��。プランクの分布曲線をλで微分して極大� �とり、
と置いて
を図式解法で求めると図37のようにβ=4.965
になり、ピーク波長は
となって、ヴィーンの変位則に一致する。
単位立体角(sr)、単位波長幅(m)あたりの放射� �を分光放射輝度Leで表すと、
 基準白色光として6504Kが、写真では5500Kの昼 色光が基準になっているので図38に放射則曲� ��を示す。物質の熱放射は格子振動などが寄� ��するので完全黒体によるプランクの放射則� ��線、ヴィーンの変位則とはかなり異なって� ��る。完全黒体の2800Kにおけるヴィーンの変� �則によるピーク波長は1035nmになるが、実際� �タングステンフィラメントは温度2800Kで約400 nmにピークがあり、黒体との比は約0.4である� ��フィラメント温度が高くなるほど寿命が短� ��なるため、通常の白熱電球は色温度を約2800 Kに設定されている。
 プランクの放射則分布式を可視光波長幅で� ��積分して全積分で割ると可視光の効率が求� ��られ、2800Kでは可視光が7%、赤外光が93%であ る。この他に封入ガスの対流伝熱などがある あるので更に効率が低くなる。 

 青色発光ダイオードの青色光を黄色蛍光体� ��照射して補色によって白色光化された白色� ��光ダイオードが多く使用されているが、青� ��尖鋭なスペクトルを持ち、赤色域などが不� ��している。蛍光体による波長変換のため蛍� ��体の配合比によって青の吸収が大きく変わ� ��、指向性による色度斑を生じるなどの問題� ��ある。赤、緑、青の3色の発光ダイオードを 同一パッケージに収納したものはスペクトル が不連続なので表示用である。
 発光ダイオードの光度がピークの約半値に� ��る半値幅は20nm~60nmのため、6色~9色を用いる� ��可視光域をカバー出来る。7色の発光ダイオ ードで5500Kの白色光を形成した分光特性を図3 9に示す。3元化合物、4元化合物発光ダイオー ドは化合物の組成比によって格子定数、エネ ルギーギャップが変化するため、組成ばらつ き、量子井戸層厚ばらつきなどにより、発光 波長特性はガウス分布曲線である。ガウス分 布曲線の傾斜部は非直線なので各色の半値波 長で繋げたとき、約5%のうねりを持った曲線� ��なる。線スペクトルの光源に比べるとうね� ��は非常に小さいが、うねりの凸部を吸収す� ��ば滑らかな曲線を得ることが出来る。うね� ��はガウス分布曲線の裾の波長成分が隣接す� ��ピーク波長に重畳するために起こるので曲� ��の裾の部分を吸収する方法が考えられる。� ��機色素は光子によってπ電子振動に共鳴吸� �されて吸収波長の補色に呈色する現象と考� �られ、発光域の外側に吸収ピークを持たせ� �発光スペクトルの裾を吸収すればうねりの� �部を抑制出来る。
 薄膜による干渉フィルタは遮断特性が急峻� ��ので発光ダイオードの裾の波長に遮断波長� ��合わせると滑らかな曲線を得ることが可能� ��ある。
 色素の吸収波長を発光ダイオードのピーク� ��長に一致させると、吸収曲線もガウス分布� ��ため平坦化することが出来る。例えば526~530 nmに吸収を持つ色素はテトラフェニルフタロ� ��アニンマンガン錯体など100種類ほど知られ� ��いるが、これを発光波長528nmの発光ダイオ� �ドの透光物質層にうねりを抑制する程度に� �素添加して滑らかな曲線を実現することが� �来る。波長毎に多数の色素が知られており� �発光波長に合わせて適宜選択することで、� �発光ダイオードのピークを緩和することが� �来る。
 多色発光ダイオードによる白色光の放射曲� ��は赤外光、紫外光を含まないので高効率で� ��紫外線損傷を起こさない利点もあり、美術� ��、文化財の展示などに適している。この平� ��光をビームコンプレッサに入射して線光源� ��換導光棒の光束幅で入射することが出来る� ��

 発光素子チップを密集して並べ、加法混色� ��て長焦点の反射鏡の焦点に設けると白色光� ��して反射することが出来る。ダイクロイッ� ��プリズムによる混色方法は屈折方向、反射� ��向の光線の方向を一致させて合成すること� ��出来るので屈折率、反射率に応じて光源の� ��量を調節することで精密に制御できるが(特 許文献11)、寸法が大きくなり高価である。光 散乱方式は同一方向に合成されるわけではな いが、散乱方向に色依存性がなければ方向の 不一致を認識できなくなって均一な混色にな る。
 3色発光素子を同一パッケージにチップを正 三角形に配置する方法が行なわれている。透 明樹脂パッケージのみでは色むらが大きくな るため拡散材を透光樹脂に混入されているが 、光源に近い部分で乱反射を起こすために光 源近辺の色が強く出ている。これを緩和する ために光散乱層を厚くし、拡散材を多量に混 入すると、吸収が増えて効率が低下する。青 色発光ダイオードと黄色蛍光体による白色発 光ダイオードは発光素子の指向性と蛍光体の 指向性が異なるために見る方向によって色合 いが異なっている。
 本発明による混色方法について説明する。
 7色の発光ダイオードチップを図41(1)のよう� ��配置したとき、A-A’における断面では図41(2 )のように3色の発光ダイオードで動作を表す� ��とが出来る。3色の発光ダイオードの指向性 は等しいものとし、簡単のために各発光ダイ オードの光度は等しく、求める光度波長特性 は平坦として説明する。
 基板59に直線的に並べた3色の発光ダイオー� ��チップの鉛直方向から角度θ1の方向に進む3 本の平行光線が凸レンズ面を出射すると、直 線上の3色は焦点面上のf1に焦点を結ぶ。各色 の光源から焦点までの光路長はスネル則によ り等しいため光源の光度に比例した合成光に なる。直線上の3点のみならず、平面上の各� �源からの平行光線θxはfxに焦点を結ぶため、 全ての平行光線は球面上に焦点を結ぶ。レン ズの屈折率をn1、空気の屈折率をn2、レンズ� �の光路長をd1x、空気中の光路長をd2xとする� �、
による焦点面の曲線を図40に示す。焦点面に� ��42のような拡散材層を設けると各色が合成� �れて拡散するので白色光として放射される� �拡散材は焦点面付近の薄い層なので吸収を� �制して効果的に拡散できる。微小拡散材は� �色顔料のような反射材よりも透明な屈折材� �の方が光源方向に戻りが少なく透過率が高� �なる。気泡の場合に最も屈折率比が大きく� �気泡の側面に照射された光の全反射によっ� �吸収を抑制して散乱効果が大きくとること� �出来る。拡散材層は直進光線成分を制限す� �目的のため凹凸表面による粗面拡散でも可� �である。 

 反射鏡によっても拡散材層に焦点面を形成� ��ることが可能である。
 反射鏡の場合は、各光源からの直接光が光� ��散層に入射する経路と反射鏡を経由する経� ��の2つがある。直接光は各光源から光拡散部 までの距離の2乗に反比例するため、光源の� �びに従って着色しやすくなる。光拡散層ま� �の半径を大きくすると均一化は出来るがレ� �ズによる方法に比べて大きくなる。反射鏡� �茶碗形、あるいは円錐形にすると43(1)のよう に周辺部の光束を補う作用があるが、周辺部 の着色を強める作用も持っている。
 これに対して、図43(2)のように開口部付近� �ワイングラスのように先をすぼめると反射� �向を発光ダイオードの光軸を越えた位置に� �束することが出来る。反射鏡を経由する光� �鏡像によって距離が逆転するので光源の並� �と逆の着色である。2つの経路の光を混色す� ��と優勢同士で打ち消し合い、光拡散層全体� ��色むらのない状態を実現できる。
図では直接光に比べて反射光は距離が長く、 強度が小さくなっているが、反射面は円周に わたって広いため直接光と同じ光量にするこ とが出来る。

 レンズを用いて焦点面に混色する方法は屈� ��率に応じて焦点を短縮化出来るが、周辺光� ��臨界角以上では基板側に全反射して迷光に� ��る。
反射鏡による方法は直接光の混色のため各光 源からの距離が近似する必要があり、光軸方 向に長くなる。これらを組み合わせるには、 レンズにおける臨界角以上の範囲を反射鏡に 照射する形状として小型化と高効率を実現す ることが出来る。

 棒状導光物質の軸方向の一端から入射し� ��平行光を側面に光束密度の均一な平行光を� ��射する線光源に変換する素子である。出射� ��の対向側に棚田状に設けた放物面筒、ある� ��は円筒による界面で全反射し、焦点位置を� ��通にする正屈折率面で平行光に変換するビ� ��ムエクスパンダを変換要素とするものであ� ��。この要素を導光棒の厚さに応じた曲率半� ��で長軸方向に階層的に設けることにより、� ��束密度の均一な平行光を線光源として出射� ��ることを特徴とする線光源変換導光棒であ� ��。

 液晶板の対向基板は透明電極、カラーフィ� ��タを搭載するために耐熱、耐薬品性などか� ��ガラス板を多く採用されている。横電界方� ��では対向基板に透明電極が存在せず(特許文 献16など)、カラーフィルタを持たない対向基 板は製造工程で高温に曝されることがないの で高分子材料による液晶挟持基板を採用しや すくなる。液晶挟持基板にストライプ分配機 能を盛り込むことにより工程が短縮される。
 液晶を挟持する基板とストライプ分配導光� ��を兼用した場合、偏光板により偏光された� ��にストライプ分配導光板に入射するので低� ��屈折率の必要がある。ポリメチルメタクリ� ��ートは複屈折率が小さいが、親水基を持つ� ��で吸湿により寸法安定性が悪化する。メチ� ��メタクリレート共重合体はメタクリル酸の- O-、=O 酸素原子が水素結合することによる親 水性と考えられる。吸水性対策としてシクロ ヘキシルメタクリレートなどの疎水性モノマ ーとの共重合により吸水率の改善が知られて いる。エーテル結合、カーボネート結合は主 鎖に-O-を持ち、メチルメタクリレート共重合 体は側鎖に持つためポリカーボネートに比べ て水素結合の影響が大きくなっている。この ため脂環式アクリル樹脂は複屈折率が小さい が、メチルメタクリレートモノマーのモル分 率に比例した吸水率になっている。低複屈折 率化する手法として分極方向が反対のモノマ ーを共重合して複屈折の殆どない脂環式アク リル樹脂などが開発されている(特許文献20、 特許文献21)。
 ポリオレフィンは疎水性のためエチレンと� ��状オレフィンを共重合した環状ポリオレフ� ��ンは0.01%以下の低吸水率を実現している。� �屈折率はポリメチルメタクリレートと同等� �低い特性が報告されている(特許文献22)。
 透光性高分子は透明性を維持して複屈折率� ��吸水率などをバランス良く持つことが重要� ��なっている。 
 光束を拡大する機構は、液晶注入時の圧力� ��受けるので光源導光板側に凹レンズを設け� ��方が安定である。透過反射分別部で反射し� ��光を液晶側に反射する反射鏡を凸面鏡にす� ��ことにより実現できる。