CN1694273A - 发光装置 - Google Patents

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Abstract

一个发光装置，其包括至少一个LED元件，被分布来面对所述LED元件且被置于与所述LED元件一定距离的至少一个液晶透镜，能够通过对所述至少一个液晶透镜施加一个电压来调整光的焦距、光方向的扩散和会聚、以及改变光的照明区域，以及一个发光装置，它还包括放置在所述液晶透镜上的至少一个透镜。

Description

发光装置
对相关申请的交叉引用
本发明要求2004年4月30日提交的日本专利申请No.2004-136755的优先权，其所有描述在这里被作为参考。
技术领域
本发明涉及一个发光装置，更确切的，涉及一个发光装置，其中从一个发光源发出的光的聚焦位置、所发光的方向的扩散和会聚、以及所照明区域的改变被电控制。
背景技术
一般知道一个发光装置包括一个发光源，例如一个发光二极管(LED)元件、一个白炽灯或类似的，还包括分布在所述发光源发射表面前面的一个凸透镜，以及所述凸透镜将从所述发光源发射表面发射的光聚焦到一个物体上。
一个传统发光装置的一个例子被示于图8。所述发光装置具有一个盒子1，分布在所述盒子1中的一个LED元件2，附着在所述盒子1以面对所述LED元件2的一个正常凸透镜3。所述盒子1具有一个截顶圆锥或者截顶金字塔形状的凹部4，以及所述凹部4的内表面具有一个被配置来提高光反射效率的反射表面5。所述凸透镜3被构建来将从所述LED元件2发出的光聚焦到物体并且照亮所述物体，所述物体与所述发光装置隔开一个预定的距离。所述传统发光装置被用于读取CD或类似的东西，以及汽车的前灯。
此外，JP2003-158301A的图3公开了具有与上述发光装置相似结构的一个传统发光装置，其被作为参考。
然而，如上所述的传统发光装置中的每一个都使用具有固定焦距的一个正常凸透镜3，所以从所述凸透镜发出的光的角度或聚焦位置不能被改变。换句话说，在所述传统发光装置中，一个照明范围、光强分布或者发光方向不能被改变。
为了改变所述照明范围等特性，就考虑改变分布在所述发光源前面的一个透镜或多个透镜的焦距。为了实现对所述焦距、发光方向以及所述照明区域的改变，就必须提供一个机制来相对于所述发光源移动一个透镜或多个透镜中的至少一个透镜，这就存在所述发光装置具有一个复杂结构的问题。
发明内容
本发明的一个目标在于提供一个发光装置，它能够通过对一个液晶透镜施加一个电流来改变从一个发光源发出的光的聚焦位置，以有效照明具有不同尺寸或分布于不同距离的多个物体。
本发明的另一目标在于提供一个发光装置，它能够通过对所述发光装置中的液晶透镜施加所述电流来会聚、扩散以及改变从一个光源发出的光的方向。例如，本发明可以应用于用一束强光照亮一个小区域的聚光灯，用来照亮整个空间的内部照明，以及用来照亮一个小空间的隐蔽灯。
此外，本发明的又一目标在于提供用于车辆的一个发光装置，所述车辆例如汽车、摩托车、火车、自行车等。例如，本发明可以应用于那些汽车前灯的集成高束和低束功能，以及还应用于闪光灯。
根据本发明的一个实施例，所述发光装置包括至少一个LED元件，面对所述LED元件且与所述LED元件隔开的至少一个液晶透镜。能够通过一个控制设备给所述液晶透镜施加所述电流来改变所述液晶透镜的焦距，所发光的方向的发散和会聚，以及改变所述照明区域。所述LED元件和所述液晶透镜被一个壳所支撑。
根据另一实施例，所述发光装置包括放置于所述液晶透镜上的至少一个透镜。
根据叉一实施例，所述发光装置包括放置于所述液晶透镜上的至少一个液晶快门。
附图说明
图1中的截面图表示了根据本发明的一个发光装置的一个第一实施例。
图2中的截面图表示了根据本发明的所述发光装置的一个第二实施例。
图3中的示意图表示了用在所述发光装置中的一个液晶透镜的一个例子的一个结构，以及还有表示了其电和光特性的一个图。
图4中的示意图表示了用在根据本发明所述的发光装置中的所述液晶透镜的一个例子中的一个电极结构的一个平面形状和一个电连接。
图5中的示意图表示了用在根据本发明所述的发光装置中的所述液晶透镜的另一个例子中的一个电极结构的一个平面形状和一个电连接。
图6表示了用在根据本发明所述的发光装置中的所述液晶透镜的另一个例子中所用的一个液晶材料的一个电和光特性。
图7中的解释性图表示了用在根据本发明所述发光装置中的所述液晶透镜的又一个例子中的平面结构。
图8是一个传统发光装置的一个截面图。
具体实施方式
下面将通过参考附图来描述本发明的优选实施例。
参考图1，表示了根据本发明的一个发光装置的基本结构的第一
实施例被示出。
在所述第一实施例中的发光装置10包括至少一个LED元件，以及至少一个液晶透镜，其面对所述LED元件，并且与所述LED元件隔开。
如果根据本发明所述的发光装置被用于一个照相机的闪光灯、内部照明以及聚光灯，那么红绿蓝(RGB)色LED元件或者包括蓝LED元件和荧光材料的白LED与红LED的组合就可以被用于色彩呈现属性。
用于本发明所述实施例中的LED元件可以被包含荧光材料的透明树脂所覆盖。所述透明树脂还可以含有染料化合物。
如果根据本发明所述的发光装置被用于照相机的闪光灯，那么聚光灯和散光灯就可以通过被连接到所述照相机的自聚焦控制设备来直接与照相机的自聚焦功能一起工作。
具体的，所述LED元件11和所述液晶透镜12可以被一个壳13所支撑。所述盒子在所述第一实施例的部分中具有一个矩形形状，以及具有被提供在其中间部分的一个凹面部分14。所述凹面部分14在所示实施例中具有一个截顶圆锥形状。可替换的，所述凹面部分14可以是一个金字塔形状而不是如上所述的圆锥体形状。所述盒子可以整体模制或者可以包括一个框架和一个衬底。当包括一个框架和一个衬底的盒子被使用时，LED元件可以被分布在所述衬底上，且被所述框架所包围。
在所述凹面部分14的底面上，提供一个在其上放置所述LED元件11的LED元件装配表面15。
所述LED元件被电连接到提供在所述盒子13中的电极(未示出)。用来对所述LED元件11供电的装置可以从多种传统技术中选择。
所述盒子13还包括一个透镜装配表面16以在其上放置所述液晶透镜12的一个外围部分，以及一个倾斜反射表面17，其从所述LED-LED元件装配表面15延伸到所述透镜装配表面16。所述反射表面17具有用来有效反射光的结构。
例如，所述液晶透镜12包括上板和下板30和31，它们彼此相对，且互相隔开一个距离，以及包括一种透明材料，分布在所述上板和下板30和31外围部分的密封材料30，以及插入到所述上板和下板中间的一个液晶层33，以及包括诸如一种向列(nematic)液晶材料。所述液晶透镜12还具有一个电极薄膜。在所示实施例中，所述电极薄膜包括被提供在所述上板30的内表面上的，具有多个电极的一个上电极单元34，它是由诸如ITO(氧化铟锡)的透明导电薄膜组成的，以及被提供在所述下板31内表面上的，具有多个与所述电极单元34类似的ITO电极的一个下电极单元35。此外，附图标记36代表了所述液晶层33中的液晶分子。
定向薄膜(未示出)被提供在所述上下电极单元34和35的内表面(与所述液晶层36接触的表面)上。所述定向薄膜被提供定向处理，从而在没有施加一个电压的情况下，将每个液晶分子的纵向轴相对所述上下板30和31的表面倾斜一个预定的角度，并且对齐定向在一个特定方向。
提供了一个控制设备40来电控制所述液晶透镜12，例如，在所示实施例中，所述控制设备40控制了所述液晶透镜12以改变光焦距、光的发散和会聚方向，以及改变光的照明区域。此后，所述控制设备将被详细描述。
参考图2，根据本发明所述的发光装置的一个第二实施例被描述。
所述第二实施例中的发光装置包括至少一个放置在所述液晶透镜12上的一个透镜20，其它结构与所述第一实施例相同。在所述第二实施例中，一个正常凸透镜被用作所述透镜20。然而，可以使用一个凹透镜。
基于所述第二实施例中的结构，所述液晶透镜12焦距的可变范围由所述正常透镜20所补偿，电压对聚焦位置的控制范围被纠正到一个长和短的距离，以及所述发光装置能够被应用在更广的使用范围中。这里，所述液晶透镜12能够被使用来具有聚焦特性或发散特性。要么所述液晶透镜12，要么所述正常透镜20可以被放置为面对所述LED元件11。
所述控制设备40在所示实施例中包括一个可变电压源41。所述可变电压源41被连接到将其间的所述液晶透镜12的所述液晶层33夹在中间的所述上和下电极单元34和35，对所述电极施加一个预定的电压，以及，调整所述电压来控制所述液晶透镜12的光学特性，例如，焦距。所述液晶透镜12可以与位于所述液晶透镜12和所述LED元件11之间的一个偏转板(未示出)一起使用。可以利用所述可变电压源41改变施加到所述液晶透镜12上的电压来改变通过所述液晶透镜的光的焦距，从而一个聚焦状态能够被保持，或者一个照明区域能够被切换得窄和宽，即使所述发光装置与所述发光装置所照明物体之间的一个距离发生变化。
通过改变所述液晶透镜12上的施加电压的值，通过所述液晶透镜12的光也能够被转换来照明一个全空间。换句话说，本发明通过改变所施加的电压既能够聚焦光，也能够在全方向发射光。
再次参考图3，根据本发明所述的液晶透镜12的电和光特性，其被共同地用于如上所述的两个实施例。
在图3中，画于所述液晶透镜12上面的一个图包括所述液晶透镜12的一个中轴C，并且与所述液晶分子36的初始朝向一致。
在图3和4所示的实施例中，所述上和下电极单元34和35中的每一个具有多个共心环形电极。同时，所述上和下电极单元之一可以被形成为作为一个公共电极的盘状电极(见图4)。在图4中，包括所述多个环形分布电极的所述上电极单元被示于37，以及，所述盘状下电极被示于38。此外，在所述上和下电极单元34和35之间的所述液晶层33中的所述液晶分子36的纵轴方向被示于图4中。
在图3所示的图中，V代表在其径向方向上要加到所述液晶层33每个部分的向上和向下的理想电压，Δn代表在所述径向方向所述液晶层33的每个部分的有效双折射的值(非正常光与正常光的折射率之差)，其根据所施加的电压而改变。
为了对具有一个基本上恒定厚度的所述液晶层33给出具有一个对应所述中轴C的光轴的凸透镜操作，最好将所述液晶层33的所述有效双折射Δn与一个半径一起改变成一个类抛物面状回转，其顶点落在所述中轴C上。为了给出这样的一个改变，在本实施例中，通常是交流且被表示为有效值的电压V在所述液晶透镜12的所述中轴C处被设定为零(0)，且根据在所述径向上到所述中轴C的距离而增加。由于在一个实际的液晶透镜中，所述电压V被所述环状或环形电极给定为台阶状，所以Δn也是台阶状地改变，但近似得到了透镜操作，而没有问题。实际上，得到了几百微米(μm)以内的所述液晶层的厚度，几厘米(cm)以内的所述液晶透镜的直径，以及更多的几厘米(cm)的焦距。
这样就描述了在加上所述电压V的状态中所述液晶分子36的方向。
由于所述电压V在所述中间部分是零，并且所述Δn最大，所以所述液晶层中所有分子的初始朝向和倾斜角被保持。与所述上板和下板30和31相邻的液晶分子36由于朝向效果而保持固定，而所述倾斜角由于在一定半径中液晶层33深处的所述电压V而增加。由于所述液晶分子36的所述倾斜角随着所述电压V而增加，从而，所述液晶分子36的倾斜角随着距离中心轴(此处电压为零)越远而增加。
由于所述Δn随着所述液晶分子的倾斜角而减小，如图3所示的相对所述Δn的一个类二次曲线特性。从而，如果所述偏转片(未示出)与所述液晶透镜12平行重叠，并且只有在与纸平面平行方向振动的直偏转光被选择，并进入所述中轴的一个方向，那么偏转光就通过具有不同折射率的部分，所述不同折射率依赖到所述液晶透镜12中所述中轴C的半径。
在本实施例中，随着所述半径的增加而出现折射率增加的所述液晶透镜具有与所述正常凸透镜用来聚光类似的效果。所以，这里所述的液晶透镜能够具有一个光聚焦能力。
通过改变加到所述液晶透镜上的电压，所述液晶透镜也能够作为一个凹透镜工作，它扩散光的方向。
接着将描述根据本发明的发光装置中使用的所述液晶透镜与所述可变电压源之间的一个连接结构。
所述上电极单元34具有如上所述的多个共心分布的环形电极。此外，所述上电极单元34还在其中心部分具有一个中心电极39。
所述可变电压源41具有分别与所述上电极单元34连接的多个提取电极50。所述提取电极50被连接于一个部分压力电阻51的一个适当的中间点，所述部分压力电阻51连接了所述可变电压源41的相反的输出端。与所述中心电极37相连接的一个测深线(lead line)以及作为所述公共电极的所述盘状下电极38与所述可变电压源41的参考电势侧连接在一起。为了方便，所述下电极38在图4中被示为一个小盘状的形状，但实际上它具有与所述上电极最大直径相同或更大的直径。
通过这样的一个结构，随着距离所述中轴C的半径的增加而更高的一个更高的电压随着半径的增加而被加到所述液晶透镜12的液晶层33，除了占用所述提取电极50的一个狭窄扇区部分，从而所述液晶透镜12具有透镜功能。此外，在每个半径处的所述电压和所述Δn也被成正比的改变，以及，通过改变加到所述部分压力电阻51两端上的所述可变电压源41的输出电压，所述整个液晶透镜12的焦距能够被改变。同时，所述下电极单元35也可以被形成来具有所述环形电极，以及，一个具有与上电极单元34相反相位的电压可以被施加到所述环形电极。
此外，由于所述提取电极50所连接的部分压力电阻51的中间点能够被随意选择，所以一个随意设定的特性能够被给予“半径对电压”，也就是“半径对Δn”。
图5表示了用于根据本发明的所述发光装置的所述液晶透镜的另一个例子。
在该实施例中，所述上电极单元34包括一个直电极52，其沿所述液晶透镜的径向延伸，以及与所述直电极52连接的多个半圆形状的圆电极53。
所述直电极52的相反端被连接到所述可变电压源41的输出端。所述输出端产生彼此相位相反的交流电压，所述相位相反换句话说就是符号(正和负)相反。由于所述直电极52具有一个内在电阻，所以它类似于图4中的所述部分压力电阻而操作，在图5中从左到右具有从负V到正V不同交替振荡的电压被加到每个半圆状圆电极53上。在所述圆电极中心部分的电压振荡为零。
接着，所述下电极单元35中的电极被分布成与所述上电极单元34相同的形状，并且所述两个电极单元的电极彼此对齐(未示出)。然而，所述下电极单元35中所述直电极的相反端按如下方式连接到所述可变电压源41的端，所述方式使得所述端的左边是+V，而其右边为-V。从而，在所述液晶透镜12的所述液晶层33厚度方向上加的电压直接随半径而变化，从而在所述液晶层外围部分的振荡为2V，而其中心部分的振荡为零。然而，当一个电压仅仅被加到与所述直电极52垂直的所述液晶层的一个狭窄区域时，所述液晶分子没有在方向上对齐。
接着将补充解释所述液晶透镜12的液晶材料的性质。
图6表示了对于图5所示的电极结构，一个特别优选的液晶材料的电和光特性。
在液晶材料中，有一种材料，其有效双折射Δn(实线所示的曲线B)对所加的电压V rms(有效值)的关系在所用电压的一个范围ΔV内近似与所述二次曲线(点线所示的曲线A)一致。通过选择这样一种材料，如果它被用在所述使用电压范围ΔV内，当一个与所述液晶透镜12的所述液晶层33的半径成正比的电压如图3所示或者图5所示结构被施加时，就得到了相对所述半径以类抛物面形状回转变化的一个双折射值Δn。在本实施例中，所述液晶透镜12的焦距能够通过改变所述可变电压源41的输出电压的振动来被改变。
图7表示了用于根据本发明的发光装置10中的液晶透镜12的又一个例子。在本例中，用来给所述液晶透镜12的所述液晶层33加上电压的一组电极包括多个微小像素60。
包括所述像素的多个电极是以每个像素而独立的，以及每个像素60被配置来执行一个有源矩阵驱动，从而使得任何电压通过一个TFT(薄膜晶体管)或类似的被加到每个像素，或者每个像素60是上和下带状电极的一个交叉点，以及所述带状电极被配置来执行一个无源矩阵驱动，从而，不同的电压被加到每个所述像素。
所述多个像素60通过点线所示的虚拟环61被分为多个基本共心圆形带，并且被一个可变电压源(未示出)所控制，从而使得相同的电压被加到包含在每个带中的所有像素，以对每个带中的液晶提供一个预定的Δn，这正如图7中给所述像素附上不同的图案所示。
如上所述，尽管已经解释了根据本发明的发光装置中的两个实施例以及用在所述发光装置中的液晶透镜的三个例子，但下面将要描述一个修改的例子。
例如，在图4所示的例子中，在所述部分压力电阻51中的一个部分压力点可以被调整，或者在图5所示的例子中，可以通过部分改变所述直电极52的一个截面面积(电极图案的宽度)以及将所述直电极的形状纠正为一个非直的形状以调整半径对电压的特性，从而来扩大所述使用电压范围ΔV，这样就得到了一个所希望的半径对ΔV特性。
此外，被施加相同ΔV的所述液晶层，换句话说，所述电极或电极组在形状上不限于如图所示的共心环形。例如，所述电极可以被构建来具有一个多边形或者椭圆形状。此外，如果所述电极形成多个像素，那么就需要按位置对Δn精细控制。此外，如果电压的分布被改变，那么就能够得到一个非球面透镜的特性。
如通常情况，所述液晶透镜不仅具有平整的液晶层，而且具有形成在至少一个板的内表面的一个浅的凹球面或者Fresnel透镜表面，或者形成在所述板之间的液晶层上的一个凸透镜或者Fresnel透镜。在这样的情况下，通过提供一个透明电极来覆盖所述液晶透镜的所有表面，一个均匀的可变电压就能够被构建来给予所述透明电极。
由于即使在上述液晶透镜中也可以通过所述电压得到所述焦距的可变效果，所以它们可以被用于根据本发明的所述发光装置。如果与所述液晶透镜重叠的所述偏转片被移除，由于接受所述电压影响的不同折射操作的所述非正常光与不接受所述电压影响的均匀折射操作的所述正常光被聚焦到不同的位置，所以就能够得到一个具有双聚焦的透镜，换句话说，就是混合不同聚焦操作的一个透镜。所获得的透镜例如具有一个好的效果，其整个透镜被均匀照明，并且特别的，所述透镜的中心部分被清晰地照明。
此外，可以通过组合两个初始朝向彼此成90度的液晶透镜，来使用在所有方向的直偏转，以及所述偏转片可以被去掉来形成一个明亮的发光装置。
此外，根据本发明的所述发光装置包括一个LED元件与一个液晶透镜的组合，但不限于该结构。例如，可以通过一个液晶透镜与多个LED元件的组合来获得多个光束。此外，这些光束能够被同时控制。如果多个LED元件与分别对应于所述多个LED元件分布的多个液晶透镜以一个阵列的方式被安排在具有一个大面积的一个板上，那么就获得了具有一个大面积和大光强的发光装置。在该情况下，所述多个液晶透镜可以被形成为具有一个大面积的面板，以实现成本的降低。
此外，所述发光装置可以被构建来包括一个液晶透镜以及对应所述液晶透镜分布的多个LED元件。
此外，所述发光装置还能够使用一个结构，其中多个元件/透镜装置由上述的盒子所支撑，每个所述元件/透镜组件具有至少一个LED元件和至少一个液晶透镜。
此外，如果每对LED元件和液晶元件的焦距是由所述可变电压源控制的，那么就能够获得一个发光装置，它改变了所述阵列形状发光装置的照明分布。
此外，在另一实施例中，所述发光装置包括至少一个置于所述液晶透镜上的液晶快门。例如，所述液晶快门被分布来覆盖在所述液晶透镜上。如果需要，所述液晶快门能够被构建来使得所述发光装置的内部部分不能够从外面看见。这里，所述液晶透镜具有一个结构，其中电极被提供在一个TN液晶面板的整个表面上，一个预定的电压被加到所述电极上以允许所述面板的后侧形成为可见状态或者不可见状态。由于用于所述液晶快门的控制电压能够从所述可变电压源来获得，以及一个偏转片能够被公用，所以所述发光装置的整个结构就不太复杂。
此外，多个液晶透镜可以被用来重叠。由于所述液晶快门具有与所述液晶透镜极其接近的一个结构，所以就可以整体的形成两者。此外还可以提供一个开关或者一个简单的功能操作机制，例如一个非圆形液晶透镜或者一个可旋转偏转片等等。
由于通过所述简单电控制操作能够在一个较宽的范围内随意切换所述照明性质，所以根据本发明的所述发光装置具有一个很高的通用多功能性。
如果一个固定的或者半固定的物体被照明，那么由于可以提供一个具有相同结构的发光装置，而同时可以通过给一种或多种发光装置施加预定的不同的固定或半固定(可从少量的设定电压组中选择)电压，或者通过对任何一个改变或替换仅仅一个附加的正常透镜，来适合不同的用户，所以所述发光装置就能够被有效的用于小规模制造。

Claims (12)

1、一个发光装置，包括：
至少一个LED元件；以及
至少一个液晶透镜，所述液晶透镜被放置为面对所述LED元件，并且被置于离所述LED元件一定距离的位置。
2、一个发光装置，包括：
至少一个LED元件；以及
至少一个液晶透镜，所述液晶透镜被放置为面对所述LED元件，并且被置于离所述LED元件一定距离的位置；以及
至少一个透镜，所述透镜被置于所述液晶透镜上。
3、根据权利要求1所述的发光装置，
其中所述LED元件和所述液晶透镜被一个盒子所支撑。
4、根据权利要求3所述的发光装置，
其中所述盒子具有一个LED元件装配表面以在其上放置所述LED元件，一个透镜装配表面以在其上放置所述液晶透镜的外围部分，以及一个反射表面，它从所述LED元件装配表面延伸到所述透镜装配表面。
5、一个发光装置，包括
至少一个LED元件；
至少一个液晶透镜，所述液晶透镜被放置为面对所述LED元件，并且被置于离所述LED元件一定距离的位置；以及
至少一个液晶快门，所述液晶快门被置于所述液晶透镜上。
6、根据权利要求1所述的发光装置，
还包括一个控制设备，以向所述液晶透镜施加一个电压。
7、根据权利要求2所述的发光装置
还包括一个控制设备，以向所述液晶透镜施加一个电压。
8、根据权利要求6所述的发光装置
其中所述液晶透镜具有至少一个电极薄膜，以及
其中所述控制设备对所述液晶透镜的所述电极薄膜施加一个电压，其中所述控制设备包括一个可变电压源以控制所加电压。
9、根据权利要求7所述的发光装置，
其中所述液晶透镜具有至少一个电极薄膜，以及
其中所述控制设备对所述液晶透镜的所述电极薄膜施加一个电压，其中所述控制设备包括一个可变电压源以控制所加电压。
10、根据权利要求1所述的发光装置，
包括一个液晶透镜和被放置为面对所述液晶透镜的多个LED元件。
11、根据权利要求1所述的发光装置，
其中多个元件和透镜组件被一个盒子所支撑，以及
其中所述多个元件和透镜组件中的每一个包括至少一个LED元件和至少一个液晶透镜。
12、一个发光装置，包括：
至少一个LED元件，所述LED元件具有一个发射表面；
至少一个液晶透镜，所述液晶透镜具有两个透明板，一个液晶层插入在所述两个透明板之间，以及多个电极提供在每个透明板内表面且控制液晶分子的方向，并且，所述液晶透镜具有一个可变焦距；以及
一个盒子，所述盒子包括一个凹部，其具有一个底面，被提供在所述凹面的内表面的一个开口以及一个反射面，
所述LED元件被安装在所述凹部的底面上，从而所述发射面指向所述凹部的开口，以及所述液晶透镜被放置为在一个预定的距离面对所述LED元件，并且被支撑在所述凹部的开口上。
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