JPWO2011024530A1 - バックライトシステムおよびこれを用いた液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

相異なる主波長の光を発する複数の光源を有する発光部（１）と、発光部（１）から出射された光を集光させる複数のマイクロレンズ（3a）を含む結像光学系（３）とを有し、結像光学系（３）を通過した光を液晶パネルに照射させるバックライトシステムであって、前記液晶パネルは、所定のピッチで配列された複数の画素を含み、各画素が、色ごとに対応する複数の絵素を含んで構成されており、前記画素の配列ピッチをＰ、結像光学系（３）の結像倍率を（１／ｎ）としたとき、光源（１）の配列ピッチ（Ｐ１）は、Ｐ１＝ｎ×Ｐで表され、マイクロレンズ（3a）の配列ピッチ（Ｐ２）は、Ｐ２＝（ｎ／（ｎ＋１））×Ｐで表される。

Description

本発明は、バックライトシステムおよびこれを用いた液晶表示装置に関し、詳しくは、透過型の液晶表示素子の画素を色分けした絵素にその背面から対応色の色光を集光させるバックライトシステム、および該バックライトシステムと前記液晶表示素子とでフルカラー表示を行う液晶表示装置に関する。

フルカラー表示を行う液晶表示装置は、従来、透過型液晶表示素子の画素を３つの絵素に分割し、これら３つの絵素に赤（Ｒ），緑（Ｇ）、青（Ｂ）のカラーフィルタをそれぞれ貼り付け、これにバックライトから白色光を照射し、その光が絵素を透過する際の透過率をその絵素の液晶セルへの印加電圧信号により制御することで、フルカラー表示を実現している。

しかし、カラーフィルタはＲＧＢ毎に対応する波長帯の光を透過し、それ以外の光は吸収するため、カラーフィルタを用いた液晶表示装置では光の約２/３がロスとなり、光利用効率が低い。なお、カラーフィルタを用いないフルカラー表示方式の１つにフィールドシーケンシャルカラー方式があるが、これには色割れ（カラーブレークアップ）が生じるという難点がある。

一方、ＬＥＤ（発光ダイオード）をバックライト光源とした場合の、光利用効率の向上を実現するバックライト装置を備えた透過型変調素子によるディスプレイ装置が提案されている（特許文献１参照）。これは、２次元に配列され、色毎に独立して透過する光の比率を制御可能な開口を有し、透過光を変調可能な画像表示素子（液晶パネル）と、表裏に凸レンズの作用を持つマイクロレンズを１対として多数を２次元的に配列してなる光路合成光学系と、異なる色光の主光線を異なる角度で前記光路合成光学系に出射する照明光学系と、異なる色光を発する複数の光源とからなるディスプレイ装置である。

特許文献１記載のディスプレイ装置によれば、光源からの色光が照明光学系の作用で色毎に異なる主光線角度で光路合成光学系に入射し、光路合成光学系の屈折作用で色毎に画像表示素子のその色光に対応する開口に集光するように構成しうるので、画素を３つの絵素に分割して絵素にそれぞれ異なる色光を集光させること（色光による画素の色分離）が可能である。したがって、理想的な色分離ができれば、カラーフィルタが不要で、光ロスがなくなるとしている。もっとも、色分離が理想から外れた際の光漏れによる不具合混色を防ぐためにカラーフィルタを設けることは禁止していない。

日本国公開特許公報「特開２００７−３２８２１８号公報（２００７年１２月２０日公開）」

特許文献１記載のディスプレイ装置においては、表裏に凸レンズの作用を持つマイクロレンズを１対として多数を２次元的に配列してなる光路合成光学系と、異なる色光の主光線を異なる角度で前記光路合成光学系に出射する照明光学系と、異なる色光を発する複数の光源とが、バックライト装置の構成要素となっている。このバックライト装置において、表裏に凸レンズの作用を持つマイクロレンズを１対として多数を２次元的に配列してなる光路合成光学系に、照明光学系から異なる角度で出射した、異なる色光の主光線を直接入射させると、光路合成光学系の入射面内の位置毎に色光の主光線の入射角度が異なるため、その色光を所定の対応する絵素の開口に集光させるには、光路合成光学系のマイクロレンズ形状を同光学系の入射面内（あるいはさらに出射面内）の位置によって相異させる必要があり、設計・製造が極めて困難となる。そのため、特許文献１の[0036]段落に記載されるように、マイクロレンズアレイの入射面側にフレネルレンズを配置し、このフレネルレンズによって、照明光学系から異なる角度で出射した、異なる色光をほぼ一定の方向、好ましくはマイクロレンズの光軸方向にほぼ平行な方向に偏向し（方向を変え）、マイクロレンズアレイへの異なる色光の入射角度が入射面内の位置によらずほぼ一定となるようにしている。

特許文献１のようにマイクロレンズアレイとフレネルレンズを組み合わせる場合、１つのフレネルレンズはその焦点付近の照明光学系からの光を位置によらずほぼ一定の方向に偏向することができるが、隣接するフレネルレンズの焦点位置付近にある照明光学系からの光が照射された場合、フレネルレンズの光軸から大きく外れた光が照射されることになるため、所定の対応する絵素の開口に集光させることができない。これら集光できない光は迷光となり、画像表示品位を大きく低下させる要因となる。この現象をここではクロストークという。

このことから、マイクロレンズアレイとフレネルレンズを組み合わせる場合、表示画面のエリア分割境界において、クロストークを回避しなければならない。つまりエリア内の光線を隣のエリアに侵入させない設計方針が必要不可欠となる。ここで、エリアとは１ユニットのバックライトシステムによる照射領域である。通常、表示画面は複数のエリアに分割されている。

しかし、かかる設計方針ではエリア間のオーバーラップが全く無いため、特に表示画面のエリア分割境界において、エリア間の輝度ムラ・色ムラが強調されてしまうという課題があった。特に色ムラは、輝度ムラよりも格段に視認されやすいため、より精度の高い均一性が要求される。

本発明は、前記課題に鑑みてなされたものであり、表示画面における輝度ムラ・色ムラを抑えることによって表示品位を高めることができるバックライトシステムを提供することを目的としている。

本発明では、前記課題を解決するために、根本的に設計方針を変更し、クロストークの発生要因となるフレネルレンズを使用せず、エリア間のオーバーラップを積極的に生かした均一化を実現するものであり、その要旨構成は以下のとおりである。

本発明のバックライトシステムは、
相異なる主波長の光を発する複数の光源を有する発光部と、該発光部から出射された光を集光させる複数のマイクロレンズを含む結像光学系とを有し、該結像光学系を通過した光を液晶パネルに照射させるバックライトシステムであって、
前記液晶パネルは、所定のピッチで配列された複数の画素を含み、各画素が、色ごとに対応する複数の絵素を含んで構成されており、
前記画素の配列ピッチをＰ、前記結像光学系の結像倍率を（１／ｎ）としたとき、
前記光源の配列ピッチＰ_１は、
Ｐ_１＝ｎ×Ｐ
で表され、前記マイクロレンズの配列ピッチＰ_２は、
Ｐ_２＝（ｎ／（ｎ＋１））×Ｐ
で表されることを特徴とする。

本発明の液晶表示装置は、
前記バックライトシステムを有し、
前記マイクロレンズアレイの光の射出面側において、
液晶層と光の入射側および出射側に配され該液晶層を狭持するガラス基板とを含む液晶素子と、該液晶素子を駆動する駆動素子と、該液晶素子の入射側のガラス基板上に配される偏光子と、該液晶素子の出射側のガラス基板上に配される検光子と、該検光子の出射面上に配される拡散素子と、
を有することを特徴とする。

本発明によれば、バックライトシステムにおいて、相異なる色光を発する複数の光源からの光を対応する絵素の各々に集光できて、空間的に相異なる色光の光を分離することができる。また、該バックライトシステムを液晶表示装置の面発光光源として用いた場合において、空間的に分離された複数の光源光を対応する液晶層に集光することができて、光源光の利用率向上と、フルカラー表示とを同時に実現できる。また、表示画面内のエリア間の輝度ムラ・色ムラが有効に軽減し、より高画質の表示が可能となる。これに加えて、薄型化への対応が可能であり、また、光の利用率も高めることができる。

本発明の実施形態の１例を示す概略図（断面模式図）である。 本発明の実施形態の１例を示す概略図（断面模式図）である。 本発明の実施形態の１例を示す概略図（断面模式図）である。 本発明の実施形態の１例を示す概略図（断面模式図）である。 本発明の実施形態の１例を示す概略図（断面模式図）である。 本発明の実施形態の１例を示す概略図（立体模式図）である。 本発明の実施形態の１例を示す概略図（立体模式図）である。 本発明の実施形態の１例を示す概略図（立体模式図）である。 実装上の問題点を示す概略図（断面模式図）である。 本発明の実施形態の１例を示す概略図（断面模式図）である。 実効発光点の定義を示す説明図（断面模式図）である。 本発明の実施形態の１例を示す概略図（断面模式図）である。 本発明の基礎になる光学系の原理の説明図である。 本発明の実施例におけるＬＥＤ配列方向と垂直な方向の色度座標値の分布曲線図である。 図１４の点線に対応する分光特性を表す色度図である。 本発明における発光部の１例を示す概略図（断面模式図）である。

本発明の実施形態について図１〜図１６に基づいて説明すると以下の通りである。なお、本発明はこれに限定されるものではない。

図１は、本発明の実施形態の１例を示す概略図である。本例では、光源アレイは、相異なる色光を発する複数の光源（発光部）１としてＲ（赤）光源、Ｇ（緑）光源、Ｂ（青）光源を用い、これらを図１の右側から左側へ順次ＲＧＢの色順に配列して構成した。なお、光源１の色種数は４色以上としてもよく、光源アレイの色順はＲＧＢ以外の色順としてもよい。

光源１としては、ＬＥＤ（発光ダイオード）光源、レーザー光源、有機ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）光源のいずれか１種が好ましく用いうるが、これらの２種以上を組み合わせて用いてもよい。その場合、ＬＥＤ光源あるいは有機ＥＬ光源としては、例えば図１１に示すような、発光点10と、発光点10からの光を集光する集光レンズ系11とを有する光学系において、発光点10にＬＥＤチップを充ててなるＬＥＤランプ、あるいは発光点10に有機ＥＬ発光部を充ててなる有機ＥＬランプを用いると、光源光の指向性を強化できて好ましい。

ここで、本発明にいう実効発光点1Aとは、図１１に示されるように、集光レンズ系11による発光点10の虚像であると定義される。集光レンズ系11のない光源１の場合、実効発光点1Aは発光点10と一致する。

また、本発明にいう実効発光点間ピッチ（光源の配列ピッチ）Ｐ_１とは、図１に示されるように、同色光源同士の実効発光点1Aの点間隔である。

結像光学系３は、光源アレイからの光を入射させて、画素アレイ４のアレイ面上に所定のピッチ（画素ピッチ）Ｐで配列された複数の画素５の個々をさらに色別に空間分割する絵素（図１の左側から右側へ順次Ｒ絵素、Ｇ絵素、Ｂ絵素）の各々に、対応する色光（Ｒ絵素にはＲ光、Ｇ絵素にはＧ光、Ｂ絵素にはＢ光がそれぞれ対応する）を集光させるためのものである。

ここで、本発明では発光部として、光源１の代わりに、図１６に示すような光源１と導光体14とを備えた発光装置を用いてもよい。該発光装置を用いることにより、光源数の削減という大きなコストダウン効果を奏する。以下に、該発光装置について詳細に説明する。

図１６に示すように、本発明に用いる発光装置12は、光源１からの光を複数の先端部へ導光させて射出させる導光体13を備えており、その先端部は擬似的な光源と考えられる。例えば、図１６に示すように、１つのＲＧＢ光源１をそれぞれ３つのバックライトユニット（導光体13）に分けて導光させている。各バックライトユニット（導光体13）によって、Ｒ’、Ｇ’およびＢ’という擬似的な光源14が発生し、Ｒ’、Ｇ’およびＢ’という擬似的な光源14からの光を結像光学系３によって画素アレイ４のアレイ面上に集光させることにより、Ｒ、ＧおよびＢという光源を用いた場合と同様の効果が得られる。

前記集光させる機能を結像光学系３にもたせるために、本発明では、結像光学系３として、結像倍率（１/ｎ）のマイクロレンズアレイ3Aを用いる。マイクロレンズアレイ3Aは、複数の同一形状のマイクロレンズ3aが等間隔で配列されて構成されている。光源アレイの実効発光点間ピッチ（光源の配列ピッチ）Ｐ_１を、
Ｐ_１＝ｎ×Ｐ、
とし、かつ、マイクロレンズ3aの配列ピッチＰ_２を、
Ｐ_２＝(ｎ/(ｎ＋１))×Ｐ、
とする。

これにより、例えば図１のように、マイクロレンズアレイ3Aの焦点距離ｆに応じて、マイクロレンズアレイ3Aから画素アレイ４までの距離ｂを、ｂ＝((ｎ＋１)/ｎ)×ｆ、とし、かつ、実効発光点１Aからマイクロレンズアレイ3Aに至る主光線経路長ａを、ａ＝ｎ×ｂ、とすれば、ＲＧＢの各光源からの光をそれぞれＲＧＢの各絵素に集光させることができる。換言すれば、画素アレイ４に光源アレイの１/ｎ倍の実像を結像させることができる。

各絵素において、その絵素の色に対応する色光を発する複数の光源からの光による結像がオーバーラップし合うので、空間的均一化が実現し、エリア分割境界部構造自体が存在しなくなる。よって、表示画面内のエリア間の輝度ムラ・色ムラが有効に軽減し、より高画質の表示が可能となる。

なお、図１では、Ｒ光源からＲ絵素への光（Ｒ光）の経路のみを図示し、Ｇ光、Ｂ光の経路は図示を省略した。

これらＲＧＢの各光源からの光をそれぞれＲＧＢの各絵素に集光させることと、複数の同色光源からの光を同一絵素にオーバーラップさせることを両立させる光学系の原理について、図１３を用いて数学的に解説する。なお、図１３では、Ｒ光源からＲ絵素への光（Ｒ光）のうち、マイクロレンズ3aの中心を通る主光線の経路のみを図示し、Ｇ光、Ｂ光の経路は図示を省略した。また、マイクロレンズ3a界面での屈折率差による屈折現象も省略した。ここで、図１３中の隣り合う２つのＲ光源の位置をそれぞれＬ_１，Ｌ_２、マイクロレンズ3aの中心をＭ_１，Ｍ_２、Ｒ絵素の位置をＲ_１，Ｒ_２と仮定する。

まず、１つのＲ光源からの光をそれぞれＲ絵素に集光させるためには、図１３より△Ｌ_１Ｒ_１Ｒ_２と△Ｌ_１Ｍ_１Ｍ_２が互いに相似関係にあることが必要である。これを満たすには次式が成り立たねばならない。

線Ｍ_１Ｍ_２/線Ｌ_１Ｍ_１＝線Ｒ_１Ｒ_２/線Ｌ_１Ｒ_１
マイクロレンズ3aの配列ピッチＰ_２は、線Ｍ_１Ｍ_２に対応しているので、上式より次の関係式から導出されることになる。

線Ｍ_１Ｍ_２＝線Ｌ_１Ｍ_１×線Ｒ_１Ｒ_２/線Ｌ_１Ｒ_１
ここで、線Ｌ_１Ｍ_１＝ａ＝ｎ×ｂ、線Ｒ_１Ｒ_２＝Ｐ、線Ｌ_１Ｒ_１＝ａ＋ｂ＝（ｎ＋１）×ｂ、であるので、線Ｍ_１Ｍ_２は、ｎ×Ｐ/（ｎ＋１）と計算される。よって、マイクロレンズアレイのレンズピッチである線Ｍ_１Ｍ_２がｎ×Ｐ/（ｎ＋１）である場合、Ｒ光源からの光をそれぞれＲ絵素に集光させることができる。

次に、複数の同色光源からの光（ここでは２つのＲ光源からの光）を１つのＲ絵素に集光させるためには、図１３より△Ｌ_１Ｌ_２Ｒ_１と△Ｍ_１Ｍ_２Ｒ_１が互いに相似関係にあることが必要である。これを満たすには次式が成り立たねばならない。

線Ｌ_１Ｌ_２/線Ｌ_１Ｒ_１＝線Ｍ_１Ｍ_２/線Ｍ_１Ｒ_１
光源アレイの実効発光点間ピッチは線Ｌ_１Ｌ_２に対応しているので、上式より次の関係式から導出されることになる。

線Ｌ_１Ｌ_２＝線Ｌ_１Ｒ_１×線Ｍ_１Ｍ_２/線Ｍ_１Ｒ_１
ここで、線Ｌ_１Ｒ_１＝ａ＋ｂ＝（ｎ＋１）×ｂ、線Ｍ_１Ｒ_１＝ｂ、であり、さきほど導出した線Ｍ_１Ｍ_２＝ｎ×Ｐ/（ｎ＋１）の関係を適用すると、線Ｌ_１Ｌ_２＝ｎ×Ｐと計算される。よって、実効発光点間ピッチである線Ｌ_１Ｌ_２がｎ×Ｐである場合、複数の同色光源からの光（ここでは２つのＲ光源からの光）を１つのＲ絵素に集光させることができる。

これら２つの結果より、実効発光点間ピッチＰ_１をｎ×Ｐとし、かつ、マイクロレンズ3aの配列ピッチＰ_２をｎ×Ｐ/（ｎ＋１）とすることにより、１つのＲ光源からの光をそれぞれＲ絵素に集光させ、それと同時に、複数のＲ光源からの光を１つのＲ絵素にオーバーラップし合って集光させることができることがわかる。このことは、Ｒに代えてＧまたはＢとした場合にも同様である。

マイクロレンズアレイ3Aは、表面形状により光路を偏向する、または屈折率分布により光路を偏向するように形成されるレンズであって、マイクロレンズを直交二方向に配列したフライアイレンズ、またはマイクロシリンドリカルレンズをその長手方向に直交する一方向に配列したレンティキュラレンズ、またはこれらの組み合わせからなるものが好ましく用いうる。

ここで、表面形状により光路を偏向する場合には、レンズ表面における界面での屈折率差を利用してスネルの法則に従い偏向する。一方、屈折率分布により光路を偏向する場合には、レンズ中の屈折率に分布を持たせることによって光を偏向する。これは、レンズの中心部と周辺部との屈折率を変化させることによって、レンズ内部に屈折率の勾配をつけ、この屈折率の勾配によって光を偏向していくというものである。

本発明は、光源アレイとマイクロレンズアレイを用いるが、フレネルレンズは用いない点で従来と異なる。本発明では、フレネルレンズがないにもかかわらず、結像主光線方向が画素アレイ面の法線方向を向いており、あたかも両側テレセントリック結像がマイクロレンズアレイのみで実現できているかのような物理現象が実現する。この現象によって、従来ではフレネルレンズとマイクロレンズアレイの組み合わせで実現していたアフォーカルな両側テレセントリック結像を、本発明ではマイクロレンズアレイのみで実現でき、均一な構造で、エリア境界部のクロストークを回避可能となる。

もっとも、例えば、画面全体の中において、かなりの広さの一領域と残りの領域とで輝度の差が大きい画像を表示するような場合、画面全体を複数のブロックに分けることにより、輝度や色の制御が容易となる。この形態の一例として、本発明では、光源アレイおよびマイクロレンズアレイを複数のブロックに分け、各ブロック内の光源アレイからの光がいずれも同ブロック内のマイクロレンズアレイに少なくともほぼ等しく入射するように、光源光軸を回転させた構成とすることが好ましい。

この形態の一例を図２に示す。図２ではＲ光源について、同じブロック内の３つの光源(A,B,C)から出射された光がいずれも同ブロック内のマイクロレンズアレイ3Aにほぼ等しく入射するように、両側の２つの光源(A,C)の光源光軸２を各自の実効発光点1Aの周りに矢示21方向に回転させた状態を図示したが、Ｇ光源、Ｂ光源についても同様である。

また、本発明では、例えば図３の(a)に示すように、マイクロレンズアレイ3Aの入射側に、特定の偏光の光を透過し、かつ残りの光を反射する素子30を１/２波長板31に積層してなるＰＳ変換素子3Bを、結像光学系３の成分素子として追設した。

これによれば、マイクロレンズアレイ3Aへの入射光が特定の偏光の光のみとなるので、画素アレイを液晶素子で形成する場合、液晶素子入側の偏光子を、前記特定の偏光の光が透過するように設定することで、偏光子による光の吸収がほとんどなくなり、光の利用率が向上する。特定の偏光の光を透過し、かつ残りの光を反射する素子30としては、旭化成（株）製のワイヤーグリッド偏光子を用いることが好ましい。

なお、図３の(a)では、同じ１つの色の光源に対応する実効発光点のみを図示し、他の色のそれは図示を省略した。図が複雑になるのを避けるためである。また、後掲の各図についても、同じ１つの色の光源に対応する実効発光点のみが図示されている図では、他の色のそれは図示を省略されている。

また、本発明では、例えば図３の(b)に示すように、図３の(a)をベースに、結像光学系３の成分素子として、さらに、ＰＳ変換素子3Bからの射出光を反射させてマイクロレンズアレイ3Aに入射させる平面鏡3Cを追設した。

これによれば、前述の光の利用率向上に加え、前述のブロック分けの場合、ブロック境界を強調できて、ブロック毎の輝度や色の制御がさらに容易となる。

また、本発明では、例えば図４の(a)、図４の(b)に示すように、図３の(a)をベースに、結像光学系３の成分素子として、さらに、ＰＳ変換素子3Bからの射出光を反射させて実効発光点1Aの主光線に対してほぼ平行光にするコリメート用反射鏡3Dと、コリメート用反射鏡3Dからの射出光を全反射させてマイクロレンズアレイ3Aに入射させる全反射プリズムシート3Eとを、結像光学系３の成分素子として追設し、かつ、実効発光点1Aをコリメート用反射鏡3Dのほぼ非軸焦点位置F1近傍に置いた。なお、図４の(a)中、ｆ１はコリメート用反射鏡3Dの非軸焦点距離である。

この場合、マイクロレンズアレイ3Aの焦点距離ｆに応じて、マイクロレンズアレイ3Aから画素アレイ４までの距離ｂを、ｂ＝((ｎ＋１)/ｎ)×ｆ、とし、かつ、実効発光点1Aからコリメート用反射鏡3Dに至る主光線経路長ａ（＝ｆ１）を、ａ＝ｎ×ｂ、とすれば、ＲＧＢの各光源からの光をそれぞれＲＧＢの各絵素に集光させることができる。換言すれば、画素アレイ４に光源アレイの１/ｎ倍の実像を結像させることができる。

これによれば、前述の光の利用率向上、およびブロック毎の輝度や色の制御の容易化に加え、画素アレイ面の法線に対する光源光の主光線の角度を大角度にすることができて、大幅な薄型化が可能となる。なお、この形態によれば、図４の(a)に光強度分布曲線を定性的に示すように、同じブロック内で光強度分布をほぼ均一化させ、かつ隣のブロックへの光進入を有効に抑制することができる。

次に、本発明は、図３の(a)に示す構成において、光源およびＰＳ変換素子を表示装置系（例：液晶テレビ等）に実装するときにこれらを容易に固定しうる形態としてもよい。この形態では、例えば図５に示すように、ＰＳ変換素子3Bを内蔵する固相屈折率媒体６を結像光学系３の成分素子として追設し、固相屈折率媒体６の、ＰＳ変換素子3Bを内蔵する部分6Aの断面形状を二等辺三角形状とし、該二等辺三角形の二等辺部でＰＳ変換素子3Bからの光を全反射させるようにし、かつ、実効発光点1A,1A間ピッチＰ１に代えて、実効発光点1Aから固相屈折率媒体６に入射した光が前記二等辺部で全反射されて生じる虚像点1B,1B間ピッチＰ１とした。すなわち、ピッチＰ１には、実効発光点1A,1A間ピッチに代えて、実効発光点1Aから固相屈折率媒体６に入射した光が前記二等辺部で全反射されて生じる虚像点1B,1B間ピッチを充てた。

この場合、マイクロレンズアレイ3Aの焦点距離ｆに応じて、マイクロレンズアレイ3Aから画素アレイ４までの距離ｂを、ｂ＝((ｎ＋１)/ｎ)×ｆ、とし、かつ、虚像点1Bからマイクロレンズアレイ3Aに至る主光線経路長ａを、ａ＝ｎ×ｂ、とすれば、画素アレイ４に光源アレイの１/ｎ倍の実像を結像させることができる。

固相屈折率媒体６の材料としてはアクリル、ガラスなどを用いうる。二等辺三角形状の部分6Aの二等辺三角形の頂角は６０度程度としておくと、該部分6Aへ光源光主光線を垂直入射させ全反射させた光をマイクロレンズアレイの光軸方向にほぼ揃えることができて好ましい。

これによれば、表示装置系の裏面フレーム50や柱51などを利用して光源１、ＰＳ変換素子3Bを固定できる。また、隣り合う二等辺三角形状の部分6A,6Aの間の空間を利用して、光源付帯機器15（駆動回路、電源、冷却フィン、ヒートシンク、冷却ファン等）を実装できる。

ただし、固相屈折率媒体を図５のように用いる実装形態においては、図９のアクリル媒体を用いる場合について示すように、厚型化（重量増大を必然的に伴う）の問題がある。なお、図９では、サイズL1×L1のエリアを光源で照射するとき、光源が空気中にある場合の実効発光点1Aからエリアまでの高さｈ１に対する、光源がアクリル媒体中にある場合の実効発光点1Aからエリアまでの高さｈ２の比（ｈ２/ｈ１）で、厚さの増加分を評価した。

上述の厚型化の問題は、光源からの主光線方向を画素アレイ面に極力平行な方向とし、マイクロレンズアレイへ入射させる前に、例えば図４の(a)のように、光の折返しに続いて該折り返した光をマイクロレンズアレイの光軸方向へ偏向させる方式とすることで解消される。このような折返し方式に適した実装構造の1例を図６に示す。

この形態は、本発明のバックライトシステムにおいて、光源１からの光を固相屈折率媒体６の入射面60から入射させ、固相屈折率媒体６の折返し反射面61で金属反射させ、固相屈折率媒体６の射出面62から射出させ、該射出した光を光学シート７の入射面70から入射させ、光学シート７の反射面71で反射させ、光学シート７の射出面72からマイクロレンズアレイ3Aへ射出させる構成とした。また、固相屈折率媒体６と光学シート７との間隙に屈折率マッチング材８を充填した。なお、固相屈折率媒体６、光学シート７、屈折率マッチング材８は、結像光学系３の成分素子として追設された。

固相屈折率媒体６の入射面60は、光源アレイの各ブロックBLK毎に同一の形状を並列してなり、固相屈折率媒体６の折返し反射面61は、入射面60からの光を偏向させる金属皮膜付き反射鏡MMCを、光源アレイの各ブロックBLK毎に同一の形状として並列してなり、固相屈折率媒体６の射出面62は平面である。

光学シート７の入射面70は、プリズムシートPRMSのプリズム頂角を挟む二面の一方であり、光学シート７の反射面71は、前記二面の他方に金属皮膜を付けた面（金属皮膜付き反射鏡MMCに相当）であり、光学シート７の射出面72は平面である。

屈折率マッチング材８の入射面80と射出面81は、それぞれ固相屈折率媒体６の射出面62と光学シート７の入射面70に接している。

光源１から出た光は入射面60から固相屈折率媒体６に入射し、折返し反射面61で金属反射により折返され、射出面62（入射面80）から屈折率マッチング材８に入射し、直進して、射出面81（入射面70）から光学シート７に入射し、反射面71で金属反射されて射出面72から射出し、マイクロレンズアレイ3Aに入射する。

該入射した光は、画素アレイ４に実効発光点1Aの配列パターンの（１/ｎ）倍の像を結像する。本発明では一貫して、Ｐ１＝ｎ×Ｐ、Ｐ２＝(ｎ/(ｎ＋１))×Ｐ、を満たすようにしているので、当該結像した配列パターンにおける実効発光点像の配列ピッチは、画素ピッチＰと整合させることができる。

このような折返し方式により、光源から画素アレイ面までの距離（光源から画素アレイ面に下ろした垂線の長さ）を大幅に短くすることができ、厚型化の問題は解消する。

また、本発明のバックライトシステムも、折返し方式に適した実装構造を与える。その実施形態の１例を図７の(a)に示す。

この形態は、図１，図２のバックライトシステムにおいて、光源１からの光を固相屈折率媒体６の入射面60から入射させ、固相屈折率媒体６の折返し反射面61で金属反射させ、固相屈折率媒体６の射出面62から射出させ、固相屈折率媒体６の射出側反射面63で再度金属反射させて、マイクロレンズアレイ3Aへ射出させる構成とした。なお、固相屈折率媒体６は、結像光学系３の成分素子として追設された。

固相屈折率媒体６の入射面60は、光源アレイの各ブロックBLK毎に同一の形状を並列してなり、固相屈折率媒体６の折返し反射面61は、入射面60からの光を偏向させる金属皮膜付き反射鏡MMCを、光源アレイの各ブロックBLK毎に同一の形状として並列してなり、固相屈折率媒体６の射出面62はプリズム頂角を挟む二面の一方であり、固相屈折率媒体６の射出側反射面63は前記二面の他方に金属皮膜を付けた面（金属皮膜付き反射鏡MMCに相当）である。

図７の(a)の形態は、図６の形態から光学シート７（プリズムシートPRMS）と屈折率マッチング材８を除去し、固相屈折率媒体６の射出面62の形状を平面形状からプリズムアレイ形状に変更し、そのプリズム頂角を挟む二面の一方は射出面62のままとし、他方は金属皮膜を付けて射出側反射面63としたものに相当する。

光源１から出た光は入射面60から固相屈折率媒体６に入射し、折返し反射面61で金属反射により折返され、射出面62から空気中に射出し、屈折により偏向され、さらに射出側反射面63で金属反射により偏向されて、マイクロレンズアレイ3Aに入射する。

該入射した光は、図６に示すバックライトシステムと同様、画素アレイ４に実効発光点1Aの配列パターンの（１/ｎ）倍の像を結像し、当該結像した配列パターンにおける実効発光点像の配列ピッチは、画素ピッチＰと整合させることができる。

また、本発明のバックライトシステムも、折返し方式に適した実装構造を与える。その実施形態の１例を図７の(b)に示す。

この形態は、図７の(a)に示すバックライトシステムにおいて、固相屈折率媒体６の射出面62から射出した光を光学シート7Aの入射面70から入射させ、光学シート7Aの射出面72からマイクロレンズアレイ3Aへ射出させる構成とした。また、固相屈折率媒体６と光学シート7Aとの間隙に屈折率マッチング材８を充填した。なお、光学シート7A、屈折率マッチング材８は、結像光学系３の成分素子として追設された。

光学シート7Aの入射面70と射出面72は互いに平行な平面であり、屈折率マッチング材８の入射面80と射出面81は、それぞれ固相屈折率媒体６の射出面62と光学シート7Aの入射面70に接していて、屈折率マッチング材８が固相屈折率媒体６の射出面62と光学シート7Aの入射面70の間隙に充填されている。

光源１から出た光は入射面60から固相屈折率媒体６に入射し、折返し反射面61で金属反射により折返され、射出面62（入射面80）から屈折率マッチング材８に入射し、直進し、射出側反射面63で金属反射により偏向された後、入射面70→光学シート7A内部→射出面72を経由して、マイクロレンズアレイ3Aに入射する。

該入射した光は、図７の(a)に示すバックライトシステムの場合と同様、画素アレイ４に実効発光点1Aの配列パターンの（１/ｎ）倍の像を結像し、当該結像した配列パターンにおける実効発光点像の配列ピッチは、画素ピッチＰと整合させることができる。

また、本発明のバックライトシステムでは、固相屈折率媒体６の入射面60を、平面、または、光源１の同色並び方向との直交面内および/または平行面内において凸または凹の曲率をもつレンズ面とすることが、入射面60から折返し反射面61までの光の平行度をより良く制御する観点から好ましい。

なお、図６では入射面60を光源１の同色並び方向との直交面内および平行面内において凸の曲率をもつレンズ面とした場合を例示し、図７の(a)，図７の(b)では入射面60を平面とした場合を例示した。

また、本発明のバックライトシステムでは、固相屈折率媒体６の折返し反射面61を、平面、または、光源１の同色並び方向との直交面内および/または平行面内において凸または凹の曲率をもつレンズ面上に金属皮膜を付けた面（金属皮膜付き反射鏡MMCに相当する面）とし、固相屈折率媒体６の入射面60からの光を金属反射により光源１の同色並び方向との平行面内でほぼ平行に偏向させることが、折り返し反射面61から射出面62までの光の平行度をより良く制御する観点から好ましい。

なお、図６，図７の(a)，図７の(b)では、折返し反射面61を光源１の同色並び方向との平行面内において凹の曲率をもつレンズ面上に金属皮膜を付けた面（金属皮膜付き反射鏡MMCに相当する面）とし、固相屈折率媒体６の入射面60からの光を金属反射により光源１の同色並び方向との平行面内でほぼ平行に偏向させるように構成した例を示した。

次に、本発明のバックライトシステムは、図６，図７の(a)，図７の(b)のバックライトシステムにおいて、例えば図８に示すように、結像光学系３の成分素子としてさらに、固相屈折率媒体６の入射面60から固相屈折率媒体６内を通って固相屈折率媒体６の折返し反射面61に至る光学経路の途中に、特定の偏光の光を透過し残りの光を反射する素子30を１/２波長板31に積層してなるＰＳ変換素子3Bを追設したものである。これは、折返し方式においてＰＳ変換素子6Aを組込む場合の好適な実装構造を与えるものである。ＰＳ変換素子3Bを組込むことにより、マイクロレンズアレイ3Aへの入射光が特定の偏光の光のみとなるので、画素アレイ４を液晶素子で形成する場合、液晶素子入側の偏光子を、前記特定の偏光の光が透過するように設定することで、偏光子による光の吸収がほとんどなくなり、光の利用率が向上する。

ところで、１つのバックライトシステムが照射する領域が広くなると、比例して光源から画素アレイまでの距離（厚さ）も大きくなる。逆に言えば、１つのバックライトシステムが照射する領域を小さくし、１つの画素アレイ（１つの画面全体）を複数のバックライトシステムで照射することにより、バックライトシステムの厚さを抑えることができ、薄型バックライトシステムを構成することが可能となる。これは、バックライトシステムを１つのバックライトユニットとし、該バックライトユニットを複数並列に配置することで実現する。ただし、画素アレイに使用するバックライトユニットの数が多くなるほど、構成部材が増えるため製造コストは高くなるので、厚さとトレードオフの関係にある。

また、本発明のバックライトシステムは、１つの画面全体内の相異なる箇所の明るさを容易に変更できるように、複数並列に配置した前記バックライトユニットの１ユニットごとに、または複数ユニットごとに、光源の光量を制御する手段を有することが好ましい。

また、複数のバックライトユニットを並列した形態では、製造コスト低減、および位置合わせ工程節減の観点から、該バックライトユニットにおける、結像光学系は、複数ユニット分を、ユニットごとに個別とするのではなく、複数のユニット間にわたる一体化した構造とすることが好ましい。

前記バックライトシステムの理想形態は、結像光学系を１つの画面全体と同じ大きさに一体化した形態であるが、実際の製造に際しては、製造コスト、部品組み立て工数等をも勘案し、最適と判断される一体化形態を採用すればよい。

次に、本発明の液晶表示装置について説明する。本発明の液晶表示装置は、前記バックライトシステムを有する液晶表示装置であって、例えば図１０に示すようなものである。

すなわち、本発明のバックライトシステムにおけるマイクロレンズアレイ3Aの射出面側において、画素の配列をなす液晶層40が入射側、射出側のガラス基板41,42で挟持されてなる液晶素子９と、液晶層40と射出側ガラス基板42との間にあって液晶素子９を駆動する駆動素子43と、液晶素子９の入射側ガラス基板41上、射出側ガラス基板42上にそれぞれ偏光子44、検光子45と、検光子45の射出面上に拡散フィルム46と、を有する液晶表示装置である。（部品積層順は入射側から、“偏光子/入射側のガラス基板/液晶層/駆動素子/射出側のガラス基板/検光子/拡散フィルム”となっている。）
光源１からの光はマイクロレンズアレイ3Aに入射し、偏光子44、入射側ガラス基板41を通って液晶層40の絵素に集光した後、射出側ガラス基板42、検光子45を経て拡散フィルム46で拡散されて外界に射出する。なお、駆動素子43は液晶層40の画素間の境界部に配置され、各画素を通る光には影響しない。

また、図１０に示す液晶表示装置において、液晶層40から入射側への部品液層順を、“液晶層40/入射側のガラス基板41/偏光子44”に代えて、“液晶層40/偏光子44/入射側のガラス基板41”とすること、あるいは、液晶層40から射出側への部品積層順を、“液晶層40/駆動素子43/射出側のガラス基板42/検光子45/拡散フィルム46”に代えて、“液晶層40/駆動素子43/検光子45/射出側のガラス基板42/拡散フィルム46”とすることによっても、同様の効果が得られる。

ところで、図１０に示す液晶表示装置では、液晶層40から検光子45までの間に射出側ガラス基板42が介在するため、射出側ガラス基板42の厚さによっては隣接する絵素を通過した光が検光子45に届いた際、互いに重なり合う場合が生じ、この重なり合った光が拡散フィルム46で拡散されて、画像品位の低下を招くことが懸念される。

これを防ぐために、図１０に示す液晶表示装置において、液晶層40から射出側への部品積層順を、“液晶層40/駆動素子43/射出側のガラス基板42/検光子45/拡散フィルム46”に代えて、“液晶層40/駆動素子43/検光子45/拡散フィルム46/射出側のガラス基板42”とすることが好ましい。

また、拡散フィルム46として、偏光保持機能をもつ拡散フィルム（例えば、内部の屈折率境界における全反射によって拡散を行なう拡散フィルム）を用いる場合は、前記液晶表示装置において、拡散フィルム46に代えて、偏光保持機能をもつ拡散フィルムとし、これを駆動素子43と射出側のガラス基板42との間へ配置換えした形態とすることによっても、同様の効果が得られる。

また、図１０に示す液晶表示装置において、液晶層40から射出側への部品積層順を、“液晶層40/駆動素子43/偏光保持機能をもつ拡散フィルム/射出側のガラス基板42/検光子45”に代えて、“液晶層40/駆動素子43/偏光保持機能をもつ拡散フィルム/検光子45/射出側のガラス基板42”とすることもしくは“液晶層40/駆動素子43/射出側のガラス基板42/偏光保持機能をもつ拡散フィルム/検光子45”とすることによっても、同様の効果が得られる。

なお、前記液晶表示装置において、拡散フィルム46として、表面形状拡散フィルムを用いると、他種の拡散フィルムに比べて、より薄いフィルム厚さでトップハット形拡散特性が得られるので好ましい。

また、前記拡散フィルム46、および偏光保持機能をもつ拡散フィルムが、更に、入射角無依存拡散特性（拡散フィルムへの入射光の入射角によらず拡散フィルムを透過する際の拡散強度分布が一定となる）をもつ場合、液晶表示画素を色別に空間分割する絵素の各々を通過した光が同じ拡散特性となるため、画像品位の向上が見込めるのでより好ましい。

また、前記液晶表示装置において、画像品位をより高いものとするには、前記液晶層40から前記拡散フィルム46または前記偏光保持機能をもつ拡散フィルムまでの距離ｃを、１絵素に対応させる入光光源数ｍ（本例ではｍ＝３）と、マイクロレンズアレイ3Aから液晶層40までの距離ｂに対し、ほぼｃ＝ｂ/ｍとすることが好ましい。なお、ｃはｃ＜ｂ/（３×ｍ）であればより好ましい。この場合、拡散フィルム46面内の液晶画素を構成する全ての絵素に対応する領域同士間で光の重なり合いを生じないため、更なる画像品位の向上が見込める。ただし、ｃ<<ｂ/ｍの場合、拡散フィルム46面内の液晶画素を構成する全ての絵素に対応する領域同士間に大きな暗部が生じ、ｃ＞ｂ/ｍの場合、拡散フィルム46面内の同色画素に対応する領域同士間で光の重なり合いが生じ、いずれの場合も画像品位の向上は難しい。

本発明の液晶表示装置は、用いる各光学部品を製造し、該光学部品を組み立てる工程によって製造される。しかし、製造上のバラツキによって、設計どおりに光学部品を製造できない、該光学部品の組み立てができない、製造コストを考えれば多少設計から外れた形状のものを製造する必要がある、等の問題によって画素アレイをなす液晶層の絵素に対応する光だけを集光することが困難になるケースも考えられる。その場合、最悪な状況として、表示品位の低下を招くことにもなりかねない。かかる事態を回避するために、本発明では、カラーフィルタ層を設けることを禁止しない。すなわち、前記液晶表示装置において、さらに、前記入射側のガラス基板と射出側のガラス基板との間にカラーフィルタ層を有する形態を採用してもよい。ただし、カラーフィルタ層を用いると、光の通過する波長においても透過率は９０％前後であって、光損失が避け難いため、カラーフィルタ層は用いないに越したことはない。

また、本発明では、前記液晶表示装置において、前記バックライトシステム所有のマイクロレンズアレイを、前記偏光子と前記入射側ガラス基板との間に配置換えした形態をとることができる。この形態の１例を図１２に示す。この例は、図１０において、マイクロレンズアレイ3Aを偏光子44と入射側ガラス基板41の間に配置換えした場合の例である。

これによれば、結像光学系を、液晶素子25との位置合わせ工程を含む液晶素子製造プロセスの中で製造できるので、結像光学系を液晶素子とは別個に製造した場合には必要になる製造後の液晶表示装置（液晶パネル）との位置合わせが不要であるという利点がある。

この形態の液晶表示装置の製造方法において、ガラス基板上にマイクロレンズアレイ（フライアイレンズまたはレンティキュラレンズ）を形成する工程について述べる。

まず、ガラス基板上に紫外線硬化樹脂をスピンコート法やディッピング法にて塗布する。次に、この塗布した面に、所定の面間隔で、平行に対面する仮想平面内に、遮光マスクを配置する。このとき、遮光マスクは、マイクロレンズアレイを形成したい箇所に、開口部を通して紫外線が照射されるように、配置するのが好ましい。また、遮光マスクは露光用光源とガラス基板との間に配置するのが好ましい。この配置状態で、露光用光源から紫外線を遮光マスクへ照射することで、ガラス基板上に塗布した紫外線硬化樹脂の一部が露光される。続いて、未露光の紫外線硬化樹脂を現像して除去することにより、マイクロレンズアレイが形成される。

また、紫外線硬化樹脂は、好ましくは偏光状態を変化させない樹脂を用いるのがよい。というのも、ガラス基板上に形成するため、偏光子と検光子の間に結像光学系を形成することになり、この結像光学系にて偏光状態が変化してしまうと、画像品位の低下を招くからである。

なお、前記液晶表示装置において、液晶層と駆動素子とが互いの積層位置を交換し合っても、表示性能に変わりはない。よって、前記液晶表示装置において、前記液晶層と前記駆動素子とが積層位置を互換された液晶表示装置も、本発明範囲内のものとする。

以下に、本発明の効果について、実施例および比較例を用いて具体的に検証した結果を示す。しかしながら、本発明は、以下の実施例にのみ限定されるものではない。

本発明の実施例として、図７の(a)に示した形態のバックライトシステムを試作し、Ｒ，Ｇ，Ｂ各主波長を発光するＬＥＤを各１個で構成した光源１を光源アレイとして、図７の(a)の紙面奥行方向に３ブロック分、紙面左右方向に３ブロック分点灯させた状態で、マイクロレンズ上面から射出する空間輝度分布を、輝度色度ユニフォミティ測定装置（トプコンテクノハウス製、ＵＡ−１０００）で測定した。

光源１はＲ，Ｇ，Ｂ各色全て発光点10と集光レンズ系11とからなる構成とした。発光点10は、ＬＥＤチップを搭載した実装型ＬＥＤを使用した。集光レンズ系11は、ガラス（Ｌ−ＬＡＭ７２）からなる素材（屈折率＝約１．７３）を使用し、レンズは両側非球面形状のレンズとし、各発光点10ごとに１枚ずつ使用した。

ＲＧＢ−ＬＥＤの配列方向は紙面奥行方向とした。

固相屈折率媒体６はアクリルからなる素材（屈折率＝約１．５）を使用し、厚さは約５０ｍｍとし、紙面奥行方向および紙面左右方向にそれぞれ５０ｍｍ間隔でブロックを並列配置させた。

固相屈折率媒体６において、入射面60、反射面61、射出面62、射出側反射面63は、それぞれ次のように構成した。
・入射面60：光源１の同色並び方向との直交面内では凹の曲率、平行面内では凸の曲率をもつレンズ面とし、１ブロックの入射面形状として、ＲＧＢ各色の入射面にそれぞれ、同一形状のレンズ面を使用し、光源アレイの各ブロックBLKごとに同一の形状を並列させた。
・反射面61：光源１の同色並び方向との直交面内では一様形状、平行面内では凸と凹の曲率を組み合わせた自由曲面形状をもつレンズ面上に、アルミニウムを薄膜蒸着させて形成した。
・射出面62：プリズムアレイの単位要素とした１つのプリズム（頂角＝６０°、幅＝約２００μｍ）の頂角を挟む二面（面Ｓ１、面Ｓ２と仮称する）の一方の面（面Ｓ１）とした。
・射出側反射面63：前記二面（面Ｓ１、面Ｓ２）の他方の面（面Ｓ２）にアルミニウムを薄膜蒸着して形成した。

マイクロレンズアレイ3Aは、ガラス（ＳＣＨＯＴＴ製、Ｂ２７０）からなる素材（屈折率＝約１．５２）を、厚さが２．５ｍｍで、単位要素となる各マイクロレンズがいずれも、ほぼ同じ焦点距離＝約１．８ｍｍ、幅＝約６００μｍをもつように、加工してなるレンズアレイを使用した。

画素アレイ４は、ＲＧＢ−ＬＥＤの各色に対応する絵素の各々が、それぞれ約２００μｍサイズを約６００μｍ間隔にて繰り返す構成とした。ただし、空間輝度分布を測定するにあたり、画素アレイ４の配置位置であるマイクロレンズアレイ3Aの射出面上には、画素アレイ４の代わりに拡散シートを配置した。

前記輝度色度ユニフォミティ測定装置にて測定した色度座標の空間分布を、ＲＧＢ−ＬＥＤの配列方向と垂直な方向で平均化した結果を図１４に示す。同図より、約２００μｍ間隔にてそれぞれ色度座標がＲ，Ｇ，Ｂの各座標値を示していることから、ＲＧＢ主波長を発光するＬＥＤの光が、画素アレイのＲＧＢ−ＬＥＤの各色に対応する絵素の各々に分離して集光していることが分かった。

また、図１４中、点線で示したＲＧＢ−ＬＥＤの各色に対応する絵素部中心付近を通光した光の分光特性を色度図で表現し、図１５に示す。同図からもＲＧＢ−ＬＥＤの各色に対応する絵素を通光する光はそれぞれＲＧＢ色に分離して通光していることが分かる。

本発明のバックライトシステムは、
相異なる主波長の光を発する複数の光源を有する発光部と、該発光部から出射された光を集光させる複数のマイクロレンズを含む結像光学系とを有し、該結像光学系を通過した光を液晶パネルに照射させるバックライトシステムであって、
前記液晶パネルは、所定のピッチで配列された複数の画素を含み、各画素が、色ごとに対応する複数の絵素を含んで構成されており、
前記画素の配列ピッチをＰ、前記結像光学系の結像倍率を（１／ｎ）としたとき、
前記光源の配列ピッチＰ_１は、
Ｐ_１＝ｎ×Ｐ
で表され、前記マイクロレンズの配列ピッチＰ_２は、
Ｐ_２＝（ｎ／（ｎ＋１））×Ｐ
で表されることを特徴とする。

本発明のバックライトシステムは、前記結像光学系が、表面形状により光路を偏向する、または屈折率分布により光路を偏向するように形成されるレンズを含むことを特徴とする。

本発明のバックライトシステムは、前記結像光学系が、フライアイレンズもしくはレンティキュラレンズ、またはこれらの組み合わせを含むことを特徴とする。

本発明のバックライトシステムは、前記発光部が、ＬＥＤ光源、レーザー光源および有機ＥＬ光源のいずれか１種または２種以上の光源、または、該光源と導光体とを備えた発光装置、であることを特徴とする。

本発明のバックライトシステムは、前記ＬＥＤ光源として、ＬＥＤチップと、該ＬＥＤチップからの光を集光する集光レンズ系とを有するＬＥＤランプを用いること、あるいは、前記有機ＥＬ光源として、有機ＥＬ発光部と、該有機ＥＬ発光部からの光を集光する集光レンズ系とを有する有機ＥＬランプを用いることを特徴とする。

本発明のバックライトシステムは、前記発光部および前記結像光学系を複数のブロックに分け、各ブロック内の発光部から出射された光がいずれも同ブロック内の結像光学系にほぼ等しく入射するように、該発光部内の光源の光軸を回転させたことを特徴とする。

本発明のバックライトシステムは、さらに、前記結像光学系の入射側に、特定の偏光の光を透過し、かつ残りの光を反射する素子を１/２波長板に積層してなるＰＳ変換素子を設けたことを特徴とする。

本発明のバックライトシステムは、さらに、前記ＰＳ変換素子からの射出光を反射させて前記結像光学系に入射させる平面鏡を設けたことを特徴とする。

本発明のバックライトシステムは、さらに、前記ＰＳ変換素子からの射出光を反射させてほぼ平行光にするコリメート用反射鏡と、該コリメート用反射鏡からの射出光を全反射させて前記結像光学系に入射させる全反射プリズムシートとを設け、かつ、
前記光源を、前記コリメート用反射鏡のほぼ非軸焦点位置近傍に配置したことを特徴とする。

本発明のバックライトシステムは、さらに、前記ＰＳ変換素子を内蔵する固相屈折率媒体を設け、
前記固相屈折率媒体の、前記ＰＳ変換素子を内蔵する部分の断面形状を二等辺三角形状とし、該二等辺三角形の二等辺部で前記ＰＳ変換素子からの光を全反射させるようにし、かつ、
前記光源から前記固相屈折率媒体に入射した光が前記二等辺部で全反射されることにより生じる虚像点の配列ピッチが、ｎ×Ｐで表されることを特徴とする。

本発明のバックライトシステムは、さらに、前記光源からの光を固相屈折率媒体の入射面から入射させ、該固相屈折率媒体の折返し反射面で金属反射させ、該固相屈折率媒体の射出面から射出させる、該固相屈折率媒体と、
前記固相屈折率媒体の射出面から射出した光を光学シートの入射面から入射させ、該光学シートの反射面で反射させ、該光学シートの射出面から前記結像光学系へ射出させる、前記光学シートと、
前記固相屈折率媒体と前記光学シートとの間隙に充填された屈折率マッチング材と、
を設け、
前記固相屈折率媒体の入射面は、前記発光部の各ブロック毎に同一の形状を有するとともに並列配置され、該固相屈折率媒体の折返し反射面は、前記入射面からの光を偏向させる金属皮膜付き反射鏡を、前記発光部の各ブロック毎に同一の形状を有するとともに並列配置され、該固相屈折率媒体の射出面は平面形状を有しており、
前記光学シートの入射面は、プリズムシートのプリズム頂角を挟む二面の一方であり、該光学シートの反射面は、前記二面の他方に金属皮膜を付けた面であり、該光学シートの射出面は平面形状を有しており、
前記屈折率マッチング材の入射面と射出面とは、それぞれ前記固相屈折率媒体の射出面と前記光学シートの入射面とに接していることを特徴とする。

本発明のバックライトシステムは、さらに、前記光源からの光を固相屈折率媒体の入射面から入射させ、該固相屈折率媒体の折返し反射面で金属反射させ、該固相屈折率媒体の射出面から射出させ、該固相屈折率媒体の射出側反射面で再度金属反射させ、前記結像光学系へ射出させる、前記固相屈折率媒体を設け、
前記固相屈折率媒体の入射面は、前記発光部の各ブロック毎に同一の形状を有するとともに並列配置され、該固相屈折率媒体の折返し反射面は、前記入射面からの光を偏向させる金属皮膜付き反射鏡を、前記発光部の各ブロック毎に同一の形状を有するとともに並列配置され、
前記固相屈折率媒体の射出面は、プリズム頂角を挟む二面の一方であり、該固相屈折率媒体の射出側反射面は、前記二面の他方に金属皮膜を付けた面であることを特徴とする。

本発明のバックライトシステムは、さらに、前記固相屈折率媒体の射出面から射出した光を光学シートの入射面から入射させ、該光学シートの射出面から前記結像光学系へ射出させる、前記光学シートと、
前記固相屈折率媒体と前記光学シートとの間隙に充填された屈折率マッチング材と、
を設け、
前記光学シートの入射面と射出面とは、互いに平行な平面形状を有しており、
前記屈折率マッチング材の入射面と射出面とは、それぞれ前記固相屈折率媒体の射出面と前記光学シートの入射面とに接しており、
前記屈折率マッチング材が、前記固相屈折率媒体の射出面と前記光学シートの入射面との間隙に充填されていることを特徴とする。

本発明のバックライトシステムは、前記固相屈折率媒体の入射面が、平面、または、同色の光源が並ぶ方向に直交する面内および/または同色の光源が並ぶ方向に平行する面内において凸または凹の曲率をもつレンズ面、
からなることを特徴とする。

本発明のバックライトシステムは、前記固相屈折率媒体の折返し反射面が、平面上、または、同色の光源が並ぶ方向に直交する面内および/または同色の光源が並ぶ方向に平行する面内において凸または凹の曲率をもつレンズ面上、
に金属皮膜を付けた面であり、
前記固相屈折率媒体の入射面からの光を、金属反射により、同色の光源が並ぶ方向に平行する面内でほぼ平行に偏向させることを特徴とする。

本発明のバックライトシステムは、前記固相屈折率媒体の内部において、該固相屈折率媒体の入射面から該固相屈折率媒体内を通って該固相屈折率媒体の折返し反射面に至る光学経路の途中に、特定の偏光の光を透過し、かつ残りの光を反射する、１/２波長板に積層されるＰＳ変換素子をさらに設けたことを特徴とする。

本発明の複合バックライトシステムは、前記いずれかに記載のバックライトシステムを１つのバックライトユニットとし、該バックライトユニットを複数並列に配置したことを特徴とする。

本発明の複合バックライトシステムは、複数並列に配置した前記バックライトユニットの１ユニットごとに、または複数ユニットごとに、前記発光部の光量を制御する手段を有することを特徴とする。

本発明の複合バックライトシステムは、前記バックライトユニットにおける結像光学系のうちの少なくとも一つは、複数ユニット分が一体化されてなることを特徴とする。

本発明の液晶表示装置は、前記のいずれかに記載のバックライトシステム、あるいは、前記いずれかに記載の複合バックライトシステムを有する液晶表示装置であって、
前記マイクロレンズアレイの光の射出面側において、
液晶層と光の入射側および出射側に配され該液晶層を狭持するガラス基板とを含む液晶素子と、該液晶素子を駆動する駆動素子と、該液晶素子の入射側のガラス基板上に配される偏光子と、該液晶素子の出射側のガラス基板上に配される検光子と、該検光子の出射面上に配される拡散素子と、
を有することを特徴とする。

本発明の液晶表示装置は、前記液晶層から光の入射側への部品積層順を、“液晶層／偏光子／入射側のガラス基板”としたことを特徴とする。

本発明の液晶表示装置は、前記液晶層から光の出射側への部品積層順を、“液晶層／駆動素子／検光子／出射側のガラス基板／拡散素子”としたことを特徴とする。

本発明の液晶表示装置は、前記液晶層から光の出射側への部品積層順を、“液晶層／駆動素子／検光子／拡散素子／出射側のガラス基板”としたことを特徴とする。

本発明の液晶表示装置は、さらに、前記駆動素子と前記出射側のガラス基板との間に、偏光保持機能を有する拡散素子を有することを特徴とする。

本発明の液晶表示装置は、前記液晶層から光の出射側への部品積層順を、“液晶層／駆動素子／偏光保持機能を有する拡散素子／検光子／出射側のガラス基板”としたことを特徴とする。

本発明の液晶表示装置は、前記液晶層から光の出射側への部品積層順を、“液晶層／駆動素子／出射側のガラス基板／偏光保持機能を有する拡散素子／検光子”としたことを特徴とする。

本発明の液晶表示装置は、前記拡散素子が、表面形状拡散素子であることを特徴とする。

本発明の液晶表示装置は、前記拡散素子が、さらに、入射角無依存拡散特性を有することを特徴とする。

本発明の液晶表示装置は、前記液晶層から、前記拡散素子または前記偏光保持機能を有する拡散素子までの距離ｃを、１絵素に対応させる入光光源数ｍと、前記マイクロレンズから前記液晶層までの距離ｂに対して、ｃ≦ｂ/ｍ
としたことを特徴とする。

本発明の液晶表示装置は、さらに、前記入射側のガラス基板と射出側のガラス基板との間にカラーフィルタ層を有することを特徴とする。

本発明の液晶表示装置は、前記結像光学系が、前記偏光子と前記入射側のガラス基板との間に配置されたことを特徴とする。

本発明の液晶表示装置は、前記液晶素子と前記駆動素子とが積層位置を互換されたことを特徴とする。

本発明は、バックライトを備えた液晶表示装置などに適用することができる。

１ 光源
1A 実効発光点（集光レンズ系11による発光点10の虚像）
1B 虚像点（実効発光点1Aから固相屈折率媒体６に入射した光が二等辺部で全反射されて生じる虚像点）
２ 光源光軸
３ 結像光学系
3A マイクロレンズアレイ
3a マイクロレンズ
3B ＰＳ変換素子
3C 平面鏡
3D コリメート用反射鏡
3E 全反射プリズムシート
４ 画素アレイ
５ 画素
６ 固相屈折率媒体（例：アクリル）
6A ＰＳ変換素子3Bを内蔵する部分（二等辺三角形状の部分）
７ 光学シート
7A 光学シート
８ 屈折率マッチング材
９ 液晶素子
10 発光点（例：ＬＥＤチップまたは有機ＥＬ発光部）
11 集光レンズ系
12 発光装置
13 導光体
14 （擬似的な）光源
15 光源付帯機器
21 矢示（光源光軸の回転方向の矢示）
30 特定の偏光の光を透過し残りの光を反射する素子
31 １/２波長板
40 液晶層
41 ガラス基板（入射側ガラス基板）
42 ガラス基板（射出側ガラス基板）
43 駆動素子
44 偏光子
45 検光子
46 拡散フィルム
50 裏面フレーム
51 柱
60 入射面
61 折返し反射面
62 射出面
63 射出側反射面
70 入射面
71 反射面
72 射出面
80 入射面
81 射出面
BLK ブロック
MMC 金属皮膜付き反射鏡
PRMS プリズムシート

Claims (32)

1. 相異なる主波長の光を発する複数の光源を有する発光部と、該発光部から出射された光を集光させる複数のマイクロレンズを含む結像光学系とを有し、該結像光学系を通過した光を液晶パネルに照射させるバックライトシステムであって、
   前記液晶パネルは、所定のピッチで配列された複数の画素を含み、各画素が、色ごとに対応する複数の絵素を含んで構成されており、
   前記画素の配列ピッチをＰ、前記結像光学系の結像倍率を（１／ｎ）としたとき、
   前記光源の配列ピッチＰ_１は、
   Ｐ_１＝ｎ×Ｐ
   で表され、前記マイクロレンズの配列ピッチＰ_２は、
   Ｐ_２＝（ｎ／（ｎ＋１））×Ｐ
   で表されることを特徴とするバックライトシステム。
2. 前記結像光学系が、表面形状により光路を偏向する、または屈折率分布により光路を偏向するように形成されるレンズを含むことを特徴とする請求項１に記載のバックライトシステム。
3. 前記結像光学系が、フライアイレンズもしくはレンティキュラレンズ、またはこれらの組み合わせを含むことを特徴とする請求項２に記載のバックライトシステム。
4. 前記発光部が、ＬＥＤ光源、レーザー光源および有機ＥＬ光源のいずれか１種または２種以上の光源、または、該光源と導光体とを備えた発光装置、であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のバックライトシステム。
5. 前記ＬＥＤ光源として、ＬＥＤチップと、該ＬＥＤチップからの光を集光する集光レンズ系とを有するＬＥＤランプを用いること、あるいは、前記有機ＥＬ光源として、有機ＥＬ発光部と、該有機ＥＬ発光部からの光を集光する集光レンズ系とを有する有機ＥＬランプを用いることを特徴とする請求項４に記載のバックライトシステム。
6. 前記発光部および前記結像光学系を複数のブロックに分け、各ブロック内の発光部から出射された光がいずれも同ブロック内の結像光学系にほぼ等しく入射するように、該発光部内の光源の光軸を回転させた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システム。
7. さらに、前記結像光学系の入射側に、特定の偏光の光を透過し、かつ残りの光を反射する素子を１/２波長板に積層してなるＰＳ変換素子を設けた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システム。
8. さらに、前記ＰＳ変換素子からの射出光を反射させて前記結像光学系に入射させる平面鏡を設けたことを特徴とする請求項７に記載のバックライトシステム。
9. さらに、前記ＰＳ変換素子からの射出光を反射させてほぼ平行光にするコリメート用反射鏡と、該コリメート用反射鏡からの射出光を全反射させて前記結像光学系に入射させる全反射プリズムシートとを設け、かつ、
   前記光源を、前記コリメート用反射鏡のほぼ非軸焦点位置近傍に配置したことを特徴とする請求項７に記載のバックライトシステム。
10. さらに、前記ＰＳ変換素子を内蔵する固相屈折率媒体を設け、
    前記固相屈折率媒体の、前記ＰＳ変換素子を内蔵する部分の断面形状を二等辺三角形状とし、該二等辺三角形の二等辺部で前記ＰＳ変換素子からの光を全反射させるようにし、かつ、
    前記光源から前記固相屈折率媒体に入射した光が前記二等辺部で全反射されることにより生じる虚像点の配列ピッチが、ｎ×Ｐで表されることを特徴とする請求項７に記載のバックライトシステム。
11. さらに、前記光源からの光を固相屈折率媒体の入射面から入射させ、該固相屈折率媒体の折返し反射面で金属反射させ、該固相屈折率媒体の射出面から射出させる、該固相屈折率媒体と、
    前記固相屈折率媒体の射出面から射出した光を光学シートの入射面から入射させ、該光学シートの反射面で反射させ、該光学シートの射出面から前記結像光学系へ射出させる、前記光学シートと、
    前記固相屈折率媒体と前記光学シートとの間隙に充填された屈折率マッチング材と、
    を設け、
    前記固相屈折率媒体の入射面は、前記発光部の各ブロック毎に同一の形状を有するとともに並列配置され、該固相屈折率媒体の折返し反射面は、前記入射面からの光を偏向させる金属皮膜付き反射鏡を、前記発光部の各ブロック毎に同一の形状を有するとともに並列配置され、該固相屈折率媒体の射出面は平面形状を有しており、
    前記光学シートの入射面は、プリズムシートのプリズム頂角を挟む二面の一方であり、該光学シートの反射面は、前記二面の他方に金属皮膜を付けた面であり、該光学シートの射出面は平面形状を有しており、
    前記屈折率マッチング材の入射面と射出面とは、それぞれ前記固相屈折率媒体の射出面と前記光学シートの入射面とに接している
    ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のバックライトシステム。
12. さらに、前記光源からの光を固相屈折率媒体の入射面から入射させ、該固相屈折率媒体の折返し反射面で金属反射させ、該固相屈折率媒体の射出面から射出させ、該固相屈折率媒体の射出側反射面で再度金属反射させ、前記結像光学系へ射出させる、前記固相屈折率媒体を設け、
    前記固相屈折率媒体の入射面は、前記発光部の各ブロック毎に同一の形状を有するとともに並列配置され、該固相屈折率媒体の折返し反射面は、前記入射面からの光を偏向させる金属皮膜付き反射鏡を、前記発光部の各ブロック毎に同一の形状を有するとともに並列配置され、
    前記固相屈折率媒体の射出面は、プリズム頂角を挟む二面の一方であり、該固相屈折率媒体の射出側反射面は、前記二面の他方に金属皮膜を付けた面である
    ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のバックライトシステム。
13. さらに、前記固相屈折率媒体の射出面から射出した光を光学シートの入射面から入射させ、該光学シートの射出面から前記結像光学系へ射出させる、前記光学シートと、
    前記固相屈折率媒体と前記光学シートとの間隙に充填された屈折率マッチング材と、
    を設け、
    前記光学シートの入射面と射出面とは、互いに平行な平面形状を有しており、
    前記屈折率マッチング材の入射面と射出面とは、それぞれ前記固相屈折率媒体の射出面と前記光学シートの入射面とに接しており、
    前記屈折率マッチング材が、前記固相屈折率媒体の射出面と前記光学シートの入射面との間隙に充填されている
    ことを特徴とする請求項１２に記載のバックライトシステム。
14. 前記固相屈折率媒体の入射面が、平面、または、同色の光源が並ぶ方向に直交する面内および/または同色の光源が並ぶ方向に平行する面内において凸または凹の曲率をもつレンズ面、
    からなることを特徴とする請求項１１〜１３のいずれか１項に記載のバックライトシステム。
15. 前記固相屈折率媒体の折返し反射面が、平面上、または、同色の光源が並ぶ方向に直交する面内および/または同色の光源が並ぶ方向に平行する面内において凸または凹の曲率をもつレンズ面上、
    に金属皮膜を付けた面であり、
    前記固相屈折率媒体の入射面からの光を、金属反射により、同色の光源が並ぶ方向に平行する面内でほぼ平行に偏向させることを特徴とする請求項１１〜１４のいずれか１項に記載のバックライトシステム。
16. 前記固相屈折率媒体の内部において、該固相屈折率媒体の入射面から該固相屈折率媒体内を通って該固相屈折率媒体の折返し反射面に至る光学経路の途中に、特定の偏光の光を透過し、かつ残りの光を反射する、１/２波長板に積層されるＰＳ変換素子をさらに設けたことを特徴とする請求項１１〜１４のいずれか１項に記載のバックライトシステム。
17. 請求項１〜１６のいずれか１項に記載のバックライトシステムを１つのバックライトユニットとし、該バックライトユニットを複数並列に配置したことを特徴とする複合バックライトシステム。
18. 複数並列に配置した前記バックライトユニットの１ユニットごとに、または複数ユニットごとに、前記発光部の光量を制御する手段を有することを特徴とする請求項１７に記載の複合バックライトシステム。
19. 前記バックライトユニットにおける結像光学系のうちの少なくとも一つは、複数ユニット分が一体化されてなることを特徴とする請求項１７または１８に記載の複合バックライトシステム。
20. 請求項１〜１６のいずれか１項に記載のバックライトシステム、あるいは、請求項１７〜１９のいずれか１項に記載の複合バックライトシステムを有する液晶表示装置であって、
    前記マイクロレンズの光の射出面側において、
    液晶層と光の入射側および出射側に配され該液晶層を狭持するガラス基板とを含む液晶素子と、該液晶素子を駆動する駆動素子と、該液晶素子の入射側のガラス基板上に配される偏光子と、該液晶素子の出射側のガラス基板上に配される検光子と、該検光子の出射面上に配される拡散素子と、を有することを特徴とする液晶表示装置。
21. 前記液晶層から光の入射側への部品積層順を、“液晶層／偏光子／入射側のガラス基板”としたことを特徴とする請求項２０に記載の液晶表示装置。
22. 前記液晶層から光の出射側への部品積層順を、“液晶層／駆動素子／検光子／出射側のガラス基板／拡散素子”としたことを特徴とする請求項２０または２１に記載の液晶表示装置。
23. 前記液晶層から光の出射側への部品積層順を、“液晶層／駆動素子／検光子／拡散素子／出射側のガラス基板”としたことを特徴とする請求項２０または２１に記載の液晶表示装置。
24. さらに、前記駆動素子と前記出射側のガラス基板との間に、偏光保持機能を有する拡散素子を有することを特徴とする請求項２０または２１に記載の液晶表示装置。
25. 前記液晶層から光の出射側への部品積層順を、“液晶層／駆動素子／偏光保持機能を有する拡散素子／検光子／出射側のガラス基板”としたことを特徴とする請求項２４に記載の液晶表示装置。
26. 前記液晶層から光の出射側への部品積層順を、“液晶層／駆動素子／出射側のガラス基板／偏光保持機能を有する拡散素子／検光子”としたことを特徴とする請求項２４に記載の液晶表示装置。
27. 前記拡散素子が、表面形状拡散素子であることを特徴とする請求項２０〜２２のいずれか１項に記載の液晶表示装置。
28. 前記拡散素子が、さらに、入射角無依存拡散特性を有することを特徴とする請求項２０〜２７のいずれか１項に記載の液晶表示装置。
29. 前記液晶層から、前記拡散素子または前記偏光保持機能を有する拡散素子までの距離ｃを、１絵素に対応させる入光光源数ｍと、前記マイクロレンズから前記液晶層までの距離ｂに対して、ｃ≦ｂ/ｍ
    としたことを特徴とする請求項２０〜２８のいずれか１項に記載の液晶表示装置。
30. さらに、前記入射側のガラス基板と射出側のガラス基板との間にカラーフィルタ層を有することを特徴とする請求項２０〜２８のいずれか１項に記載の液晶表示装置。
31. 前記結像光学系が、前記偏光子と前記入射側のガラス基板との間に配置されたことを特徴とする請求項２０に記載の液晶表示装置。
32. 前記液晶素子と前記駆動素子とが積層位置を互換されたことを特徴とする請求項２０〜３１のいずれか１項に記載の液晶表示装置。

Images