JP7483474B2 - 照明装置 - Google Patents

Description

本発明は、配光角度が小さく、薄型で、かつ、消費電力が小さい照明装置に関する。

照明装置として発光ダイオード（ＬＥＤ、Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）が用いられるようになってきている。ＬＥＤは発光効率が良く、消費電力低減に有利である。しかし、ＬＥＤは、点光源なので、照明装置として用いるには面光源に変換する必要がある。また、スポットライトとして使用する場合は、配光角特性が問題になる。

特許文献１には、光源にＬＥＤを用い、該ＬＥＤを囲んでコリメータレンズを配置して光をコリメートし、さらに、出射側に液晶レンズを配置して、出射光の透過、拡散、偏向等を制御する構成が記載されている。

特許文献２には、光源にＬＥＤを用い、該ＬＥＤを囲んで集光レンズを配置し、さらに、出射側に出射光の向きを変える光学装置を配置することが記載されている。また、特許文献２には、出射光の向きを変える光学装置として液晶レンズを配置することが記載されている。

特許文献３には、液晶レンズを用いて光ビーム形状を制御する構成が記載されている。

特開２０１９－１６９４３５号公報 特開２０１２－６９４０９号公報 ＵＳ２０１９／００２５６５７ Ａ１

照明装置でも、例えば、スポットライトとして使用したい場合等では、配光角度の小さい照明装置が要求される。このような照明装置には、従来は、放物面鏡を用いて平行光を形成する構成が用いられてきた。しかし、このような照明装置は、奥行きが必要であり小型化、あるいは、薄型化することが難しい。なお、特許文献１及び２等に記載の照明装置は、レンズを用いて光源からの光をコリメートために、ある程度の光路が必要であり、奥行きを小さくすることには限界がある。

また、ＬＥＤは高温になると発光効率が低下する。したがって、発熱の小さい、すなわち、全体として消費電力の小さい光源であることが望ましい。また、光源からの発熱が小さければ、ヒートシンク等を別途配置する必要もなくなる。

本発明の課題は、薄型で、かつ、比較的消費電力が小さく、かつ、配光角度の小さい表示装置を実現することである。

本発明は上記課題を解決するものであり、主な具体的な手段は次のとおりである。

（１）出射面と前記出射面と対向する底面を有する照明装置であって、前記出射面と前記底面の間に、中央に孔を有する樹脂が存在し、前記孔の前記出射面側には反射ブロックが存在し、前記孔の前記底面側には光源であるＬＥＤが存在し、前記ＬＥＤと前記反射ブロックとの間には空間が存在し、前記樹脂は、内側が反射面となっている容器に収容されていることを特徴とする照明装置。

（２）前記孔は、平面で視て円形であり、前記孔を構成する前記樹脂の内壁面は、断面で視て曲線であることを特徴とする（１）に記載の照明装置。

（３）前記樹脂の外面は、平面で視て円形であり、断面で視て曲線であることを特徴とする（１）に記載の照明装置。

（４）前記樹脂を収容する前記容器の内面は、平面で視て円形であり、断面で視て曲線であることを特徴とする（１）に記載の照明装置。

（５）前記樹脂を収容する前記容器の厚さは、断面で視て、前記出射面側よりも前記底面側のほうが厚いことを特徴とする（１）に記載の照明装置。

（６）前記反射ブロックの前記ＬＥＤ側の面は、曲面であることを特徴とする（１）に記載の照明装置。

（７）前記出射面の上には、第１の方向に延在し、第２の方向に配列した複数のレンズを有する、外形が円形である第１の液晶レンズが配置していることを特徴とする（１）に記載の照明装置。

（８）前記第１の液晶レンズの上には、前記第２の方向に延在し、前記第１の方向に配列した複数のレンズを有する、外形が円形である第２の液晶レンズが配置していることを特徴とする（７）に記載の照明装置。

（９）前記第１の液晶レンズ及び前記第２の液晶レンズにおける液晶分子の初期配向はホモジニアス配向であることを特徴とする（７）又は（８）に記載の照明装置。

（１０）前記出射面の上には、同心円状に複数のレンズを有する、外形が円形である液晶レンズが配置しており、前記液晶レンズにおける液晶分子の初期配向は、ホメオトロピックであることを特徴とする（１）に記載の照明装置。

（１１）前記出射面の上には、外形が円形で、第１の基板と第２の基板の間に液晶層が挟持された液晶レンズが配置し、前記第１の基板には、同心円状の複数の第１の電極が形成され、前記第２の基板には、平面状に形成された円形の電極が形成され、前記液晶レンズは、前記複数の第１の電極に互いに異なる電圧を印加することによってレンズ作用を発現し、前記液晶層における液晶分子の初期配向はホメオトロピックであることを特徴とする（１）に記載の照明装置。

（１２）前記液晶層に形成されたレンズの屈折率は、前記液晶レンズの端部において最も小さく、前記液晶レンズの中央部において最も大きいことを特徴とする（１１）に記載の照明装置。

照明装置の斜視図である。 配光角度の定義を示す図である。 放物面鏡を用いてコリメート光を照射する照明装置を示す平面図である。 図３のＡ－Ａ断面図である。 第１の検討例を示す平面図である。 図５のＢ－Ｂ断面図である。 第２の検討例を示す平面図である。 図７のＣ－Ｃ断面図である。 第３の検討例を示す平面図である。 図９のＤ－Ｄ断面図である。 実施例１の照明装置の斜視図である。 図１１のＥ－Ｅ断面図である。 実施例１の平面図である。 照度測定を示す断面図である。 照度測定結果を示すグラフである。 実施例２及び実施例３の液晶レンズを用いた場合の照度分布の例である。 出射面を分割した領域に液晶レンズを配置した場合の各領域に対応する照度分布の例である。 実施例２及び実施例３の液晶レンズの作用を示すために、出射面を領域に分割した概念を示す断面図である。 実施例２の照明装置の断面図である。 図１７の液晶レンズの断面図である。 第１液晶レンズの第２基板の平面図である。 第１液晶レンズの第１基板の平面図である。 第２液晶レンズの第３基板の平面図である。 液晶レンズの動作を示す断面図である。 液晶レンズの動作を示す他の断面図である。 液晶レンズの動作を示すさらに他の断面図である。 液晶レンズの動作を示すグラフである。 液晶レンズの他の形状の例を示す断面図である。 液晶レンズの他の形態を示す断面図である。 図２５の第１電極の印加電圧を示す平面図ある。 液晶レンズの作用を示す断面模式図である。 図２７の効果を生じさせる第１電極への印加電圧の例を示す平面図である。 ＴＮ液晶を用いて液晶レンズを構成する場合の動作を示す断面図である。 ＴＮ液晶を用いて液晶レンズを構成する場合の動作を示す他の断面図である。 櫛歯電極間に電圧を印加して液晶レンズを構成する動作を示す断面図である。 櫛歯電極間に電圧を印加して液晶レンズを構成する動作を示す他の断面図である。 櫛歯電極間に電圧を印加して液晶レンズを構成する動作を示すさらに他の断面図である。 第１の電極である櫛歯電極間に電圧を印加して液晶レンズを構成する場合の第１電極の形状を示す平面図である。 実施例２及び３の液晶レンズによる照度分布への作用を示す模式断面図である。 実施例３の断面図である。 図３３における液晶レンズの断面図である。 図３４の液晶レンズの第１基板の平面図である。 図３５のＪ－Ｊ断面に相当する液晶レンズの動作を示す断面図である。 図３５のＪ－Ｊ断面に相当する液晶レンズの動作を示す他の断面図である。 図３５のＪ－Ｊ断面に相当する液晶レンズの動作を示すさらに他の断面図である。 実施例４の液晶レンズにおける第１基板の平面図である。 実施例４の液晶レンズにおける第２基板の平面図である。 実施例４の液晶レンズの動作を示す断面図である。 実施例４の液晶レンズの動作を示す他の断面図である。

図１はスポットライトに使用される照明装置１０の例である。この照明装置１０からの光は、コリメートされており、出射面１１０から、被表示面１２０にスポット状の光１３０が照射される。スポット状の光１３０を得るために、出射光の配光角度は例えば１２度程度となっている。

図２は、配光角度の定義を示す図である。図２は、例えば天井に配置された出射面１１０から床面に向けて光スポットを照射した場合の図である。出射面１１０の法線方向の光強度が最も大きく、極角が大きくなるにしたがって、光の強度は小さくなる。法線方向の光の強度を１００％とし、光強度が５０％となるときの極角をθとした場合、配向角は２θである。一般的なコリメート光において要求される配光角度は１２度以下である。

このようなコリメート光を得るためには、従来はいわゆる放物線ミラー２００が使用されていた。図３は、放物線ミラー２００を用いた照明装置１０の平面図であり、図４は、該照明装置１０の断面図である。図３において、放物線ミラー２００の中央にＬＥＤ２０が配置している。ＬＥＤ２０は、例えば、ＬＥＤ用基板３０に配置している。ＬＥＤ２０は、高輝度ＬＥＤであり、高温になるため、ヒートシンク３００の上に配置している。図３において、放物線ミラー２００の背面にヒートシンク３００の一部が見えている。

図４は図３のＡ－Ａ断面図である。図４において、放物線ミラー２００の底面にＬＥＤ２０が配置している。ＬＥＤ２０から出射した光は、直上に向かう光の他は、放物線ミラー２００において反射し、光軸に平行な光となる。しかし、放物線ミラー２００を十分に機能させるためには、放物線ミラー２００の高さｈ１が必要となる。配光角度１２度程度を得るためには、放物線ミラーの高さｈ１は、６０ｍｍ程度は必要である。実際には、これに、ヒートシンクの高さｈ２、例えば２０ｍｍ程度が加わるので、照明装置全体の厚さは８０ｍｍ以上必要になる。また、図３、４に示す照明装置は、光源を構成する１個のＬＥＤに大きなパワーを供給する必要があるので、ＬＥＤの発熱が大きく、ヒートシンクが必須になる。

図５乃至図１０は、図３及び図４における問題点を対策する構成として、発明者が検討した構成である。図５及び図６は、光源であるＬＥＤと出射面との間にレンズ作用を構成することによって、コリメート光を得る構成である。図５は、平面図であり、図６は図５のＢ－Ｂ断面図である。図５において、内壁がミラーになっている容器１５内にレンズ作用を有する樹脂１１が充填されている。図６に示すように、樹脂１１内には空間１２が形成され、この空間１２内の底部に光源としてのＬＥＤ２０が配置している。ＬＥＤ２０からの光は、空間１２と樹脂１１の間で屈折した後、容器１５の内壁で反射して出射する。

このような構成の場合は、配光角は、例えば５度、というように、必要に応じて大幅に改善することが出来るが、レンズの屈折作用を利用しているので、ある程度の光路は必要であり、図６に示す照明装置１０の高さｈ１は６０ｍｍ程度となる。したがって、照明装置１０の高さｈ１という点においては、図４の場合と比べて大幅な改善にはならない。なお、この場合の照明装置１０の出射面の径ｄｄは、例えば、８９ｍｍ程度である。

図７は、高さｈ１を小さくすることが出来る構成の照明装置１０の平面図であり、図８は図７のＣ－Ｃ断面図である。図７及び図８に示すように、光源であるＬＥＤ２０及びＬＥＤ基板３０を出射面１１０側に配置し、内壁がミラーになっている容器１５で光を反射させてコリメート光を得るものである。

図７及び図８に示す構成は、照明装置１０の高さｈ１を小さくすることが出来るが、照明装置１０の出射面の径ｄｄが例えば１１０ｍｍ程度と、大きくなる傾向にある。また、この構成は、十分なコリメート光を得ることが比較的難しく、配光角は１３度程度になる。

図９及び図１０は、発明者による第３の検討結果による照明装置１０の構成であり、図９は平面図、図１０は図９のＤ－Ｄ断面図である。図９及び図１０に示すように、容器１５内には、樹脂１１が充填しており、容器１５の底には光源としてのＬＥＤ２０が配置している。図１０に示すように、ＬＥＤ２０と対向して金属で形成された曲面反射板１６が樹脂１１内に埋め込まれている。

ＬＥＤ２０から出た光は、矢印で示すように、曲面反射板１６で反射して、反射面となっている容器１５の内面に向かい、容器１５の内面で反射して出射面１１０から出射する。この構成は、曲面反射板１６によって、光を一度光源２０方向に戻すので、必要な光路を確保しやすい。したがって、照明装置１０の高さを大きくしなくとも、コリメート光を得ることが出来る。この場合の照明装置の高さｈ１は３５ｍｍ程度にすることが出来る。また、外形ｄｄも７５ｍｍ程度と小さく抑えることが出来る。このような構成において、配光角は１０度程度とすることが可能である。

図１１乃至図１３は、発明者によって検討された図５乃至図１０の構成を踏まえた、実施例１による照明装置１０である。図１１は、実施例１の斜視図である。図１１において、出射面は、レンズ作用を有する樹脂１１で構成されている。出射面は平面で視て円形である。出射面の周辺には、容器１５の最上部が見えている。出射面側の樹脂１１は、周辺部分を構成する第１の面と、凹部となっている中央部分の第２の面が存在している。第１の面と第２の面は、傾斜面である第３の面によって接続されている。このように、凹部を形成するのは、出射光の配光角度を制御するためである。樹脂１１の凹部には、その中央付近に金属で形成された反射ブロック１３がはめ込まれている。反射ブロック１３は、平面で視て円形である。

図１２は図１１のＥ－Ｅ断面図である。図１２において、表示装置１０の底部にＬＥＤ２０が配置し、ＬＥＤ２０と対向して反射ブロック１３が配置している。反射ブロック１３はアルミニウム等の反射率の高い金属で形成されている。あるいは、反射ブロック１３を樹脂で形成して、ＬＥＤ２０と対向する側の表面を反射率の高い金属膜で覆ってもよい。

反射ブロック１３の、光源と対向する側は曲面であり、反対側、すなわち、出射面側は平面である。曲面は、球面であれば、製造は容易である。しかし、理想的には、樹脂１１の内壁を構成する内曲面、樹脂の外側の反射面の曲面との関係で決めるのがよい。

容器１５は、図６、８、１０等の容器１５と異なり、下部分が厚くなっている。これは、反射面を最も効率よく、あるいは、配光角を小さくすることが可能なように、曲面を柔軟に設計し、加工することが出来るようにするためである。容器１５の底部は孔が空いており、この部分は、ＬＥＤ２０とＬＥＤ用基板３０によって塞がれている。

ＬＥＤ２０と反射ブロック３０との間は、樹脂１１が存在しない空間１２となっている。なお、この空間１２は、樹脂１１に形成された孔である。この孔は、平面で視て円である。この空間１２は、反射ブロック１３の下曲面と樹脂１１の内壁とによって囲まれている。樹脂１１の内壁は、平面で視て円であり、断面で視て曲線となっている。ＬＥＤ２０から出射した光は、反射ブロック１３の下曲面（以後単に曲面）によって反射し、樹脂１１の内壁に入射する。樹脂１１の内壁に入射した光は、内壁の曲面と光の入射角及び樹脂１１の屈折率によって規定される方向に屈折する。

樹脂１１の外面は、平面で視て円であり、断面で視て曲線となっている。容器１５の内面は、樹脂１１の外面に沿うように形成されている。樹脂１１に入射した光は、容器１５の内面で反射し、出射面である樹脂１１の上表面に向かう。容器１５の内面は、入射した光をコリメートしやすいような反射曲面となっている。すなわち、容器１５の反射面は、反射ブロック１３の曲面及び樹脂の内曲面との関係で、最適な曲面が設定される。このような、曲面を自由に形成できるように、容器１５は、断面で視て、出射面側よりも底部側が厚くなるような構成となっている。このような容器は、例えばＡｌ等の金属で形成されるが、ダイキャスト法を用いて製造することが出来る。

容器１５の内面で反射した光は、出射面において、さらに屈折して出射する。出射光は所定の配向角度を持つように、設計される。ここで、最終的に出射光の配向角度を制御できるように、実施例１では、出射面に凹部と傾斜面を設け、これによって、出射光の配光角度を制御できるようにしている。凹部の径、深さ、凹部を形成するための傾斜面の角度等は任意に選定することが出来る。凹部の中央部分には、反射ブロック１３がはめ込まれている。

ところで、ＬＥＤ２０は、高温になるので、熱を放散する必要がある。図３及び図４では、フィンを有するヒートシンク３００を配置して熱を放散している。実施例１の構成では、ＬＥＤ２０の近傍には、比較的厚くなっている金属で形成された容器１５が存在しているので、これをヒートシンクとして作用させることも出来る。

このような、照明装置は、次のような順で製造することが出来る。ダイカストによって、アルミニウムによって容器１５を形成し、その中に射出成型で形成した樹脂１１を載置する。樹脂の中央部分には、平面が円形で、断面が曲線となっている孔が形成されている。樹脂１１の中央部分に形成された孔に反射ブロック１３となるアルミニウムブロックを嵌め込む。一方、容器１５の下部には孔が空いており、この部分はＬＥＤ２０及びＬＥＤ用基板３０によって塞がれる。その結果、光源であるＬＥＤ２０と反射ブロック１３との間に、所定の間隔が形成されることになる。

図１１、図１２で説明したような構成とすることによって、例えば、表示装置の厚さｈ１が３０ｍｍ程度、出射面の径ｄｄが９０ｍｍ程度であり、配光角度が１０度の照明装置を実現することが出来る。

図１３は実施例１の平面図である。図１３は大部分が出射面を構成する樹脂１１で占められているが、出射面の凹部の中央部分には、反射ブロック１３がはめ込まれている。すなわち、出射面の中央部分からは光は出射しない。したがって、出射面では、輝度むらが生じている。

しかし、光スポットが照射される面では、反射ブロックの影響はほとんど生じない。例えば、図１４に示すように、照明装置から２０００ｍｍ離れた被照射面１２０の照度は、図１５に示すようになっている。図１５の中央の、等高線が記載されたグラフは、照度の等高線であり、数字はＷ（ワット）／ステラジアンである。このグラフにおいて、横軸は、水平方向の極角（度）、縦軸は垂直方向の極角（度）である。図１５の下側のグラフは、水平方向の照度の分布を示すグラフであり、横軸は極角（度）、縦軸は照度（Ｗ（ワット）／ステラジアン）である。図１５の右側のグラフは、垂直方向の照度の分布を示すグラフであり、縦軸は極角（度）、横軸は照度（Ｗ（ワット）／ステラジアン）である。図１５に示すように、照射面１２０では、中央に配置された反射ブロックの影響は実質的にはないといえる。

実施例１の構成では、例えば、樹脂１１として、アクリルのような光透過率の高い樹脂を用い、かつ、反射率の高い、反射ブロック１３、反射容器１５を用いれは、光の損失は非常に少ない。したがって、外形がコンパクトであり、光の利用効率が高く、また、配光角度の小さい照明装置を実現することが出来る。

以上の説明では、樹脂１１で形成される出射面、樹脂１１の中央部に存在する孔の平面形状、反射ブロック１３の平面形状等は円であるとして説明したが、この円は、正確な円でなくとも、楕円の場合にも適用することが出来る。ただし、楕円の場合は、短軸方向と長軸方向の径が大きく異なる場合は、短軸方向と長軸方向とで配向角度が異なることになる。

以上で説明したように、本実施例の構成を用いることによって、奥行きが小さく、また、配光角度が小さく、かつ、光の利用効率の高い照明装置を形成することが出来る。

実施例２は照明装置の出射面に液晶レンズを配置することによって、出射光を制御する構成に関する。図１６Ａ乃至図１６Ｃは、液晶レンズを作用させるための概念を示す図である。図１６Ｃは照明装置１０の断面図である。図１６Ｃにおいて、出射面１１０を各領域Ａ、Ｂ、Ｃ等に分割する。各領域からは、所定の配光角をもって光が出射する。

図１６Ｂは、図１６Ｃにおける出射面からｄｚ離れた場所における照度の例を示す。図１６Ｂの縦軸は各領域Ａ、Ｂ、Ｃ等からの光の照度である。Ａｄ、Ｂｄ、Ｃｄは照度分布であり、例えば、正規分布に近い形をしている。図１６Ａは、図１４Ｂに示す各領域からの光量を合計した場合の照度である。図１６Ａの縦軸は、出射面１１０の各領域からの照度の合計である。図１６Ａでは、照明装置の出射面１１０からｄｚ離れた位置、すなわち被照射面１２０における全体としての照度分布は、台形であることを示している。

実施例２は、出射面１１０に液晶レンズを配置することによって、所定の距離ｄｚにおける各領域Ａ、Ｂ、Ｃ等からの照射される光の照度分布、すなわち、図１６Ｂにおける照度分布Ａｄ、Ｂｄ、Ｃｄ等を変化させることによって、被照射面１２０における照度分布を制御するものである。

図１７は実施例２の照明装置１０の断面図である。図１７に対応する平面図は、図１３において、照明装置１０の最表面が、液晶レンズのための上偏光板７０になっているだけなので、省略する。図１７において、ＬＥＤ２０から樹脂１１の上面までの構成は図１２と同じなので説明を省略する。樹脂１１の上に、液晶レンズのための下偏光板６０が配置し、その上に下液晶レンズ４０が配置し、その上に上液晶レンズ５０が配置し、その上に上偏光板７０が配置している。

図１８は下液晶レンズ４０と上液晶レンズ５０の断面図である。下液晶レンズ４０において、第１基板４１と第２基板４２が周辺でシール材４５によって接着し、内部に液晶４３が封止されている。上液晶レンズ５０において、第３基板５１と第４基板５２が周辺でシール材５５によって接着し、内部に液晶５３が封止されている。

図１９は下液晶レンズ４０の第２基板４２に形成された第２電極４２１の形状を示す平面図である。図２０は、第１基板４１に形成された第１電極４１１を示す平面図である。図２０において、第１電極４１１はｙ方向に延在してｘ方向に配列している。

図２１は、第２液晶レンズ５０の第３基板５１に形成された第３電極５１１の形状を示す平面図である。第３電極５１１はｘ方向に延在してｙ方向に配列している。第２液晶レンズ５０の第４基板５２に形成された第４電極は、図１８に示す、第１液晶レンズ４０の第２電極４２１と同じである。液晶レンズ４０、５０に形成される第１電極から第４電極はすべてＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）等の透明導電膜によって形成されている。

図２２Ａ乃至図２２Ｃは液晶レンズの動作を説明する断面図であり、例えば、図２０のＨ－Ｈ断面に相当する。図２２Ａ乃至図２２Ｃは第１液晶レンズ４０を例にとって説明しているが、第２液晶レンズ５０の場合も同じである。図２２Ａにおいて、第１基板４１には、櫛歯状の電極４１１が形成され、第２基板４２には、平面状の電極４２１が形成されている。これらの電極間に電圧が印加されなければ液晶分子４３１は、基板と平行に配向している。

図２２Ｂは、第１基板４１の櫛歯電極４１１と第２基板４２の平面電極４２１との間に電圧を印加した場合の電気力線ＬＦの例である。図２２Ｃは、第１電極４１１に電圧を印加した場合の液晶分子４３１の配向を示す断面図である。図２１Ｃにおいて、液晶分子４３１が電気力線ＬＦに沿って配向し、液晶層内において、屈折率に分布が生じ、液晶レンズが形成される。このようなレンズは、屈折率分布型ＧＲＩＮ（Ｇｒａｄｉｅｎｔ Ｉｎｄｅｘ）レンズとよばれている。

図２３は屈折率分布型レンズの例を示す図である。図２３の縦軸は屈折率である。屈折率は、第１電極４１１である櫛歯電極上で最も小さく、櫛歯電極４１１と櫛歯電極４１１の中間地点で最も大きい。図２３に示すように、屈折率の分布曲線ＧＩはきれいな２次曲線となっているが、屈折率の分布は、第１電極４１１と第２電極４１２間の印加電圧、第１電極４１１である櫛歯電極の間隔、液晶４３の層厚等によって大きく変化させることが出来る。以上の動作は、第２液晶レンズ５０の場合も同様である。ただし、第１液晶レンズと第２液晶レンズでは、レンズの作用が互いに直角方向となっている。

液晶レンズのピッチは、出射面の分割数によって決められることが多い。一方、液晶レンズにおける液晶の層厚ｇは制限がある場合が多い。図２３は、櫛歯電極４１１の間隔ｓが液晶の層厚ｇに比べてかなり大きい場合における液晶分子４３１の配向方向と屈折率分布を示す図である。図２４において、縦軸は液晶レンズ内の各位置における平均屈折率であり、Δｎeffは液晶レンズにおける屈折率の差である。図２４のレンズでは、櫛歯電極４１１の付近において、曲率半径の小さなレンズが形成され、櫛歯電極４１１と櫛歯電極４１１の中間付近では、比較的大きな曲率半径を有するレンズが形成される。

図２４に示すような、曲率を有するレンズを使用する場合もあるが、レンズの曲率が、２次曲線のような分布をした液晶レンズが必要な場合もある。図２５は、レンズのピッチ、あるいは、液晶の層厚を変えずに、レンズ形状を２次曲線、あるいは滑らかな曲線にする構成の例を示す断面図である。図２５では、１つのレンズを７個の電極４１１によって形成し、各電極４１１に異なった電圧を印加することによって、屈折率が２次曲線に近い形になるように液晶分子４１３の配向を制御した例である。図２５においては、Ｖ１＞Ｖ２＞Ｖ３＞Ｖ４のような電圧印加をしている。図２６は、図２５に対応する櫛歯電極４１１の平面図である。図２６における領域Ｂは、例えば図１６Ｃにおける領域Ｂに対応している。

照明装置１０からの出射光の向きを出射面１１０に垂直な方向ではなく、ある方向に向けて出射したい場合がある。図２７は、各領域Ａ、Ｂ、Ｃから、出射面１１０に対して垂直方向ではなく、角度φの方向に光を出射させる場合の例である。このような作用は、各領域に配置した液晶レンズの形状を非対称とすることによって可能である。

図２８は、レンズを非対称とするために、印加電圧を非対称にした場合を示す櫛歯電極４１１の平面図である。図２８に示すように、印加電圧は、Ｖ１＞Ｖ２＞Ｖ３＞Ｖ４であり、かつ、Ｖ１＞Ｖ５≠Ｖ３およびＶ１＞Ｖ６≠Ｖ２である。これによって、図２５に示すような液晶レンズの断面図において、非対称な液晶レンズを形成するように、液晶分子４３１を配向させることが出来る。

液晶レンズは、図２２Ａあるいは図２５等で示したような、ホモジニアス配向の場合の液晶だけではなく、種々の方式の液晶装置で実現することが出来る。図２９Ａおよび図２９Ｂは、ＴＮ（Ｔｗｉｓｔｅｄ Ｎｅｍａｔｉｃ）方式の液晶によって、液晶レンズを構成した例である。ＴＮ方式は、第１基板４１と第２基板４２の間において、液晶分子４３１の配向方向が９０度回転する。

図２９Ａは、第１電極４１１と第２電極４２１の間に電圧が印加されていない場合である。この場合、液晶分子４３１は、第１基板４１あるいは第２基板４２と平行方向に配向しているが、第１基板４１付近と第２基板４２付近では、方向が９０度回転している。図２９Ｂは第１電極４１１と第２電極４２１の間に電圧を印加した場合である。この場合、第１電極４１１である櫛歯電極の直上では、液晶分子４３１が基板４１に対して垂直方向に配向するので、光は遮断される。しかし、櫛歯電極４１１と櫛歯電極４１１との中間地点では、液晶分子４３１は、電界の影響を受けず、基板４１と平行方向において、９０度の回転を維持しているので、透過率は変化を受けない。

図２９Ｂの構成をレンズとして評価すると、櫛歯電極４１１の直上は屈折率が最も小さく、櫛歯電極４１１と櫛歯電極４１１の中間は、屈折率が最も大きい。したがって、屈折率分布型ＧＲＩＮ（Ｇｒａｄｉｅｎｔ Ｉｎｄｅｘ）レンズが形成される。液晶レンズをＴＮ型液晶で構成する場合も、図２５あるいは、図２８のような電極配置とすることによって種々のレンズ形状を構成することが出来る。

図３０Ａ乃至図３０Ｃは、櫛歯状の第１電極４１１間に電圧を印加することによって液晶レンズを構成する場合の例を示す断面図である。図３０Ａにおいて、第１基板４１には、櫛歯状電極４１１が形成されている。一方、第２基板４２には、電極は存在していない。すなわち、第１電極４１１である、櫛歯電極間に電圧を印加することによって、液晶分子を配向させて液晶レンズを構成するので、第２電極４２１は必ずしも必要ではない。第２電極４２１はＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）等の透明導電膜で形成するが、透明導電膜といっても、ある程度光を反射、吸収するので、第２電極４２１が存在しないということは、レンズの透過率という面からは有利である。ただし、レンズ形状を変化させたいというような場合は、第２基板４２に第２電極４２１を形成してもよい。

図３０Ｂは、櫛歯電極４１１間に電圧を印加した場合に発生する電気力線ＬＦを示す。すなわち、電気力線ＬＦは、櫛歯電極４１１の直上では基板４１に対して垂直方向に向かい、櫛歯電極４１１と櫛歯電極４１１の間では、基板４１と平行方向に向かう。液晶分子４３１は、この電気力線ＬＦに沿って配向することになる。

図３０Ｃは、図３０Ｂのような電界に沿って液晶分子４３１が配向した状態を示す断面図である。図３０Ｃにおいて、櫛歯電極４１１の直上の屈折率が最も小さく、櫛歯電極４１１と櫛歯電極４１１の中間が最も屈折率が大きい。したがって、この場合も、屈折率分布型ＧＲＩＮ（Ｇｒａｄｉｅｎｔ Ｉｎｄｅｘ）レンズが形成される。

図３１は、第１基板４１に形成される第１電極４１１の平面図である。図３１において、第１の櫛歯電極４１１と第２の櫛歯電極４１１が入れ子になって配置している。第１の櫛歯電極４１１と第２の櫛歯電極４１１の間に電圧を印加することによって図３０Ｃに示すような液晶レンズが形成される。この場合も、液晶層の厚さｇ、櫛歯電極間の距離ｓ、櫛歯電極間の電圧Ｖを変化させることによって種々の形状の液晶レンズを形成することが出来る。

このように、液晶レンズは、レンズを構成する電極間距離、液晶層の層厚、印加電圧のみでなく、液晶レンズの方式によっても、種々の作用を持つレンズを形成することが出来る。図３２に液晶レンズを用いて照度分布を変化させる場合の例を示す。図３２は、図１６Ｂ、図１６Ｃと同じ構成であるが、領域Ａからの出射光のみ記載している。図３２は、領域Ａからの出射光の分布を、領域Ａに配置された液晶レンズによって、いろいろな形状に変えることが出来ることを示している。

Ａｄ１は照度分布が正規分布に近い形状であり、Ａｄ２は正規分布に近いが、より集光された形となっている。Ａｄ３は、液晶レンズを発散レンズのようにすることによって、台形に近い照度分布とした場合であり、Ａｄ３は、液晶レンズを非対称にして照度分布の中心をずらせた場合である。

図１６Ａ乃至図１６Ｃで説明したように、スクリーンにおける光の照度分布は、照明装置の出射面の各領域からの光を集積したものになる。つまり、被照射体１２０に投射される光の照度分布は、出射面の領域Ａ、Ｂ、Ｃ等からの照度分布を変えることによって、任意に変えることが出来る。

図３３は、実施例３を示す断面図である。実施例３は、液晶レンズの作用を円の半径方向に作用させる構成としたものである。図３３において、液晶レンズ８０は１枚のみであり、他の構成は、図１２あるいは図１７と同じである。半径方向へ作用する液晶レンズを構成するために、液晶は、ＶＡ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）タイプのもの、つまり、ホメオトロピック配向のものを用いる。ＶＡであれば、ラビング方式、あるいは、光配向方式を用いて、液晶分子４３１を配向膜に沿って配向させるための処理は不要だからである。

図３４は液晶レンズ８０の断面図であり、図３５は、液晶レンズ８０の第１基板８１に形成された第１電極８１１の平面図である。図３４は、図３５のＩ－Ｉ断面に相当する。図３４の液晶レンズは、第２基板８２には電極は形成されておらず、第１基板８１に形成されたリング状の第１電極８１１間に電圧を印加することによって液晶レンズを構成する。

図３５において、第１電極８１が、リング状でかつ同心円状に、複数形成されている。リング状の電極８１の各々には、独立して電圧が印加できるようになっている。図３６Ａ乃至図３６Ｃは、図３５のＪ－Ｊ断面に相当し、本実施例のレンズ作用を説明する断面図である。図３６Ａは、第１電極８１１に電圧が印加されていない状態を示す断面図である。本実施例における液晶は、ホメオトロピック配向であるから、液晶分子４３１は、第１基板８１及び第２基板８２に対して垂直方向に配向している。

図３６Ｂは、第１電極８１１間に電圧を印加した場合の電気力線の例を示す。すなわち、電気力線ＬＦは、櫛歯電極８１１の直上では基板８１に対して垂直方向に向かい、櫛歯電極８１１と櫛歯電極８１１の間では、基板４１と平行方向に向かう。液晶分子４３１は、この電気力線ＬＦに沿って配向することになる。

図３６Ｃは、図３６Ｂのような電界に沿って液晶分子４３１が配向した状態を示す断面図である。図３５Ｃにおいて、櫛歯電極８１１の直上の屈折率が最も小さく、櫛歯電極８１１と櫛歯電極８１１の中間が最も屈折率が大きい。したがって、この場合も、屈折率分布型ＧＲＩＮ（Ｇｒａｄｉｅｎｔ Ｉｎｄｅｘ）レンズが形成される。

この場合に形成される各レンズは、リング状電極８１１、あるいは、円形の第1基板８１、第２基板８２の半径方向に形成される。しかし、各レンズの照明装置における作用は、図１６Ａから図１６Ｃ、図３２等で説明したのと同じである。

本実施例は、外形が円形の液晶レンズ全体として1個のレンズを形成する場合の例である。図３７乃至図４０はこの例を示す。なお、実施例４の照明装置全体としての断面図は図３３と、同じである。また、下偏光板６０、上偏光板７０も図３２等と同じものを使用することが出来る。図３７は、円形の第１基板８１に形成された第１電極８１１の例を示す。第1電極８１１は、複数の同心円状のリングで構成されている。リングの幅は、図３５の場合よりも大きい。なお、図３７では、引き出し線は省略されている。

図３８は、円形の第２基板８２に形成された第２電極８２１の例である。第２電極８２１は円形で平面状に形成されている。第１基板８１と第２基板８２の間に液晶を挟持して液晶レンズを構成する。図３９及び図４０は、第１基板８１と第２基板８２を組み立てた後の、図３６のＫ－Ｋ断面に相当する断面図である。

図３９は、円形で平面状の第２電極８２１とリング状の第１電極８１１との間に電圧が印加されていない状態を示す断面図である。図３９において、液晶はホメオトロピック配向であるから、液晶分子４３１は第１基板８１および第２基板８２の主面に対して垂直に配向している。図３９においてｒ方向は、円の半径方向を示す。

図４０はリング状の複数の第１電極８１１に異なる電圧を印加した状態を示す断面図である。図４０において、第２電極８２１に印加する電圧はＶ１であり、第１電極８１１には、リング状電極の外側からＶ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４、Ｖ５の電圧が印加され、Ｖ１＜Ｖ２＜Ｖ３＜Ｖ４＜Ｖ５である。電圧が大きくなるにしたがって、液晶分子４３１の傾きが大きくなり、第１基板８１の中央付近では、液晶分子４３１はほぼ第１基板８１に平行になっている。

図４０を液晶レンズとしてみると、第１電極８１１にＶ５が印加されており、液晶分子４３１が第１基板８１と平行になっている中央付近における屈折率が最も大きく、第１電極８１にＶ１が印加されており、液晶分子４３１が第１基板８１の主面と垂直になっている周辺付近において、屈折率が最も小さい。したがって、液晶レンズの周辺か中央にかけて、屈折率分布型ＧＲＩＮ（Ｇｒａｄｉｅｎｔ Ｉｎｄｅｘ）レンズが形成される。このようにして形成される液晶レンズは、複数形成されたリング状の第１電極８１１への印加電圧、リング状電極の数、液晶の層厚ｇ等によって任意に変化させることが出来る。

１０…照明装置、 １１…レンズ（樹脂）、 １２…空間、 １３…反射ブロック、 １５…容器、 １６…曲面反射板、 ２０…ＬＥＤ、 ３０…ＬＥＤ用基板、 ４０…下液晶レンズ、 ４１…第１基板、 ４２…第２基板、 ４３…液晶、 ４５…シール材、 ５０…上液晶レンズ、 ５１…第３基板、 ５２…第４基板、 ５３…液晶、 ５５…シール材、 ６０…下偏光板、 ７０…上偏光板、 ８０…液晶レンズ、 ８１…第１基板、 ８２…第２基板、 １１０…出射面、 １２０…被照射面、 １３０…照射スポット、 ２００…放物線鏡、 ３００…ヒートシンク、 ４１１…第１電極、 ４１２…第２電極、 ４３１…液晶分子、 ５１１…第３電極、 ５２１…第４電極、 ８１１…第１電極、 ８１２…第２電極

Claims (14)

1. 光を出射する出射面と前記出射面と対向する底面を有する照明装置であって、
   前記出射面と前記底面の間に、中央に孔を有する樹脂が存在し、
   前記孔の前記出射面側には光を反射する反射ブロックが存在し、
   前記孔の前記底面側には光源であるＬＥＤが存在し、
   前記ＬＥＤと前記反射ブロックとの間には空間が存在し、
   前記樹脂は、内側が反射面となっている容器に収容され、
   前記樹脂は、前記出射面側において、平面で視て円形である第１の面と、前記第１の面の内側に平面で視て円形である第２の面を有し、
   前記第２の面は前記第１の面よりも前記底面側に存在し、
   前記第１の面と前記第２の面は、傾斜面である第３の面によって接続され、
   前記反射ブロックは前記第２の面の中央部にはめ込まれていることを特徴とする照明装置。
2. 前記孔は、平面で視て円形であり、
   前記孔を構成する前記樹脂の内壁面は、断面で視て曲線であることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
3. 前記樹脂の外面は、平面で視て円形であり、断面で視て曲線であることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
4. 前記樹脂を収容する前記容器の内面は、平面で視て円形であり、断面で視て曲線であることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
5. 前記樹脂を収容する前記容器の厚さは、断面で視て、前記出射面側よりも前記底面側のほうが厚いことを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
6. 前記反射ブロックの前記ＬＥＤ側の面は、曲面であることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
7. 前記反射ブロックの前記出射面側の面は、平面であることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
8. 前記反射ブロックは平面で視て円形であることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
9. 前記出射面の上には、第１の方向に延在し、第２の方向に配列した複数のレンズを有する、外形が円形である第１の液晶レンズが配置していることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
10. 前記第１の液晶レンズの上には、前記第２の方向に延在し、前記第１の方向に配列した複数のレンズを有する、外形が円形である第２の液晶レンズが配置していることを特徴とする請求項９に記載の照明装置。
11. 前記第１の液晶レンズ及び前記第２の液晶レンズにおける液晶分子の初期配向はホモジニアス配向であることを特徴とする請求項１０に記載の照明装置。
12. 前記出射面の上には、同心円状に複数のレンズを有する、外形が円形である液晶レンズが配置しており、
    前記液晶レンズにおける液晶分子の初期配向は、ホメオトロピックであることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
13. 前記出射面の上には、外形が円形で、第１の基板と第２の基板の間に液晶層が挟持された液晶レンズが配置し、
    前記第１の基板には、同心円状の複数の第１の電極が形成され、
    前記第２の基板には、平面状に形成された円形の電極が形成され、
    前記液晶レンズは、前記複数の第１の電極に互いに異なる電圧を印加することによってレンズ作用を発現し、
    前記液晶層における液晶分子の初期配向はホメオトロピックであることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
14. 前記液晶層に形成されたレンズの屈折率は、前記液晶レンズの端部において最も小さく、前記液晶レンズの中央部において最も大きいことを特徴とする請求項１３に記載の照明装置。

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