DE102005019811A1 - Lichtaussendende Vorrichtung - Google Patents

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Abstract

Eine lichtaussendende Vorrichtung mit mindestens einem LED-Element und mindestens einer Flüssigkristalllinse, die dem LED-Element gegenüberliegend angeordnet und in einem Abstand von dem LED-Element positioniert ist, bei der eine Lichtbrennweite, eine Aufweitung und Verengung von Lichtrichtungen und ein Verändern des Lichtbeleuchtungsbereichs durch Anlegen einer Spannung an mindestens eine Flüssigkristalllinse einstellbar sind, und eine lichtaussendende Vorrichtung, und die weiterhin mindestens eine auf der Flüssigkristalllinse platzierte Linse umfasst.

Description

  • QUERVERWEIS ZUR VERWANDTEN ANMELDUNG
  • Die Anmeldung beansprucht die Priorität der japanischen Patentanmeldung Nr. 2004-136755, eingericht am 30. April 2004, deren gesamte Beschreibungen hierin durch Verweis aufgenommen werden.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine lichtaussendende Vorrichtung, genauer eine lichtaussendende Vorrichtung, bei der ein Brennpunkt von Licht, das von einer lichtaussendenden Quelle emittiert wird, eine Aufweitung und Verengung der Richtungen des emittierten Lichts und eine Veränderung der beleuchtenden Fläche elektrisch gesteuert werden.
  • Es ist allgemein bekannt, dass eine lichtaussendende Vorrichtung eine lichtaussendende Quelle, zum Beispiel ein lichtaussendendes Diodenelement (LED), eine Glühlampe oder ähnliches, und eine Konvexlinse, die vor einer Emissionsoberfläche der Licht emittierenden Quelle angeordnet ist, umfasst, und dass die Konvexlinse bewirkt, dass von der Emissionsoberfläche der lichtaussendenden Quelle ausgesendetes Licht auf ein Objekt fokussiert wird.
  • Ein Beispiel einer bekannten lichtaussendenden Vorrichtung ist in 8 gezeigt. Die lichtaussendende Vorrichtung weist ein Gehäuse 1 auf, ein im Gehäuse 1 angeordnetes LED-Element, und eine normale Konvexlinse 3, die am Gehäuse 1 so angeordnet ist, dass sie dem LED-Element gegenüberliegt. Das Gehäuse weist einen konkaven Bereich 4 in Form eines Kegelstumpfes oder eines Pyramidenstumpfes auf, und die innere Oberfläche des konkaven Bereiches 4 hat eine reflektierende Oberfläche 5, die so beschaffen ist, dass sie die Lichtreflexionseffizienz vergrößert. Die Konvexlinse 3 ist so beschaffen, dass sie von dem LED-Element 2 ausgesandtes Licht auf das Objekt fokussiert, das in einem vorbestimmten Abstand von der lichtaussendenden Vorrichtung positioniert ist und das Objekt beleuchtet. Die bekannte lichtaussendende Vorrichtung wird zum Lesen von CDs oder ähnlichem und für Autoscheinwerfer verwendet.
  • Zusätzlich ist eine bekannte lichtaussendende Vorrichtung mit einer ähnlichen Struktur wie die oben erwähnte lichtaussendende Vorrichtung in JP 2003-158301A, 3, zur Bezugnahme offenbart.
  • Weil jedoch jede der bekannten oben beschriebenen lichtaussendenden Vorrichtungen die normale Konvexlinse 3 mit einer festen Brennweite verwendet, kann der Winkel oder der Brennpunkt des von der Konvexlinse emittierten Lichtes nicht verändert werden. Mit anderen Worten, der Beleuchtungsbereich, die Lichtintensitätsverteilung oder die Richtungen des emittierten Lichts können bei den bekannten lichtaussendenden Vorrichtungen nicht verändert werden.
  • Es wird daran gedacht, eine Brennweite für eine Linse oder eine Mehrzahl von Linsen, die vor der Licht emittierenden Quelle angeordnet sind, zu verändern, um den Beleuchtungsbereich etc. zu verändern. Um die Veränderung der Brennweite, der Richtungen des emittierten Lichts und der Beleuchtungsfläche zu erreichen, muss eine Einrichtung vorhanden sein, um eine Brennweite einer Linse oder mindestens einer Linse der Mehrzahl an Linsen relativ zur Licht emittierenden Quelle zu bewegen, und das führt zu dem Problem, dass die lichtaussendende Vorrichtung eine komplizierte Struktur hat.
  • ZUSAMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine lichtaussendende Vorrichtung bereitzustellen, die eine Brennweite von Licht, das von einer Licht emittierenden Quelle emittiert wird, verändern kann, indem ein Strom an eine Flüssigkristalllinse angelegt wird, um verschiedene Objekte effizient zu beleuchten, die verschiedene Größen haben oder in verschiedenen Abständen angeordnet sind.
  • Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine lichtaussendende Vorrichtung bereitzustellen, die Richtungen von einer Lichtquelle ausgesandten Lichts sammeln, aufweitern und ändern kann, indem der Strom an die Flüssigkristalllinse in der lichtaussendenden Vorrichtung angelegt wird. Beispielsweise kann die vorliegende Erfindung in Scheinwerfern, die einen kleinen Bereich mit einem starken Lichtstrahl beleuchten, bei Innenbeleuchtungen, die einen ganzen Raum beleuchten, und bei eingebauten Beleuchtungen, die einen kleinen Raum beleuchten, zur Anwendung kommen.
  • Weiterhin ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine lichtaussendende Vorrichtung für Fahrzeuge wie zum Beispiel Automobile, Motorräder, Züge, Fahrräder und so weiter bereitzustellen. Zum Beispiel kann die vorliegende Erfindung bei integrierten Fernlicht- und Abblendlicht-Funktionen der Scheinwerfer dieser Fahrzeuge und auch bei Blinklichtern Anwendung finden.
  • Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die lichtaussendende Vorrichtung mindestens ein LED-Element und mindestens eine Flüssigkristalllinse, die dem LED-Element gegenüberliegt und von dem LED-Element räumlich getrennt ist. Die Brennweite der Flüssigkristalllinse, eine Aufweitung oder Verengung der Richtungen des emittierten Lichts und Veränderungen der Beleuchtungsfläche können durch Anlegen des Stroms an die Flüssigkristalllinse mit einer Steuereinrichtung verändert werden. Das LED-Element und die Flüssigkristalllinse werden von einem Gehäuse gehalten.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform umfasst die lichtaussendende Vorrichtung mindestens eine Linse, die auf der Flüssigkristalllinse angeordnet ist.
  • Gemäß noch einer anderen Ausführungsform umfasst die lichtaussendende Vorrichtung mindestens einen Flüssigkristallshutter, der auf der Flüssigkristalllinse angeordnet ist.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist eine Schnittansicht, die eine erste Ausführungsform einer lichtaussendenden Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 2 ist eine Schnittansicht, die eine zweite Ausführungsform der lichtaussendenden Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 3 ist eine schematische Ansicht, die eine Struktur eines Beispiels einer Flüssigkristalllinse zeigt, die bei der lichtaussendenden Vorrichtung verwendet wird, zusammen mit einem Graphen, der ihre elektrische und optische Charakteristik zeigt.
  • 4 ist eine schematische Ansicht, die eine ebene Form und eine elektrische Verbindung einer Elektrodenstruktur in einem Beispiel der bei der lichtaussendenden Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung verwendeten Flüssigkristalllinse zeigt.
  • 5 ist eine schematische Ansicht, die eine ebene Form und eine elektrische Verbindung einer Elektrodenstruktur in einem anderen Beispiel der bei der lichtaussendenden Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung verwendeten Flüssigkristalllinse zeigt.
  • 6 ist ein Graph, der eine elektrische und optische Charakteristik eines Flüssigkristallmaterials zeigt, das in einem anderen Beispiel der bei der lichtaussendenden Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzten Flüssigkristalllinse verwendet wird.
  • 7 ist eine erläuternde Ansicht, die eine ebene Struktur in noch einem anderen Beispiel der bei der lichtaussendenden Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung verwendeten Flüssigkristalllinse zeigt.
  • 8 ist eine Schnittansicht einer bekannten lichtaussendenden Vorrichtung.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert.
  • Bezug nehmend auf 1 ist eine erste Ausführungsform veranschaulicht, die eine Basisstruktur einer lichtaussendenden Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • Die lichtaussendende Vorrichtung 10 in der ersten Ausführungsform umfasst mindestens ein LED-Element und mindestens eine Flüssigkristalllinse, die dem LED-Element gegenüberliegt und von dem LED-Element räumlich getrennt ist.
  • Wenn die lichtaussendende Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung für ein Kamerablitzlicht, eine Innenbeleuchtung und einen Scheinwerfer verwendet wird, können LED-Elemente der Farben Rot – Grün – Blau (RGB) oder eine Kombination bestehend aus einer weißen LED mit einem blauen LED-Element und einem oder mehreren Fluoreszenzmaterialien und einer rote LED für farberzeugende Eigenschaften verwendet werden.
  • Ein oder mehrere LED-Elemente, die in den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet werden, können von einem durchsichtigen Harz bedeckt sein, das ein oder mehrere fluoreszierende Materialien enthält. Das durchsichtige Harz kann auch eine oder mehrere Farbmischungen enthalten.
  • Wenn die lichtaussendende Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung für ein Kamerablitzlicht verwendet wird, kann das Verdichten oder Aufweiten des Lichts durch eine Verbindung mit der den Autofokus steuernden Einrichtung der Kamera direkt mit der Autofokusfunktion der Kamera zusammenarbeiten.
  • Konkret können das LED-Element 11 und die Flüssigkristalllinse 12 durch ein Gehäuse 13 getragen werden. Das Gehäuse 13 ist in der ersten Ausführungsform im Querschnitt rechteckig und weist in der Mitte einen konkaven Bereich 14 auf. Der konkave Bereich 14 hat im dargestellten Ausführungsbeispiel die Form eines Kegelstumpfes. Alternativ kann der konkave Bereich 14 anstelle der Kegelform eine Pyramidenform haben, wie es oben beschrieben ist. Das Gehäuse kann als Ganzes gegossen sein oder einen Rahmen und eine Grundplatte umfassen. Wenn das Gehäuse mit Rahmen und Grundplatte verwendet wird, können ein oder mehrere LED-Elemente auf der Grundplatte angeordnet werden und von dem Rahmen umgeben sein.
  • Auf der unteren Oberfläche des konkaven Bereiches 14 ist eine LED-Element-Montageoberfläche 15 vorgesehen, um das LED-Element 11 daraufzusetzen.
  • Das LED-Element ist mit den (nicht gezeigten) im Gehäuse 13 vorgesehenen Elektroden elektrisch verbunden. Die Einrichtung zum Versorgung des LED-Elements 11 mit Elektrizität kann aus verschiedenen bekannten Technologien gewählt werden.
  • Das Gehäuse 13 weist auch eine Linsen-Montageoberfläche 16 auf, um einen Randbereich der Flüssigkristalllinse 12 daraufzusetzen, und eine schräge reflektierende Oberfläche 17, die sich von der LED-Element-Montageoberfläche 15 zur Linsenmontageoberfläche 16 erstreckt. Die reflektierende Oberfläche 17 ist so beschaffen, dass sie Licht effektiv reflektiert.
  • Die Flüssigkristalllinse 12 umfasst obere und untere Platten 30 und 31, die so angeordnet sind, dass sie sich in einem Abstand voneinander gegenüberliegen, und die ein transparentes Material umfassen, sowie Versiegelungsmaterialien 32, die in dem Abstandsbereich an den Randbereichen der oberen und unteren Platte 30 und 31 angeordnet sind, und eine Flüssigkristallschicht 33, die in einem Zwischenraum zwischen der oberen und unteren Platte eingefügt ist und zum Beispiel ein nematisches Flüssigkristallmaterial umfasst. Die Flüssigkristalllinse 12 weist auch einen Elektrodenfilm auf. Der Elektrodenfilm umfasst eine obere Elektrodeneinheit 34 mit einer Mehrzahl von Elektroden mit transparenten leitenden Filmen, zum Beispiel aus ITO (Indiumzinnoxid), die auf einer inneren Oberfläche der oberen Platte 30 vorgesehen sind, und eine untere Elektrodeneinheit 35 mit einer Mehrzahl von Elektroden aus ITO, ähnlich der Elektrodeneinheit 34, die im illustrierten Ausführungsbeispiel auf einer inneren Oberfläche der unteren Platte 31 vorgesehen ist. Zusätzlich bezeichnet Ziffer 36 Flüssigkristallmoleküle innerhalb der Flüssigkristallschicht 33.
  • Auf inneren Oberflächen (Oberflächen, die mit der Flüssigkristallschicht 36 in Kontakt stehen) der oberen und unteren Elektrodeneinheiten 34 und 35 sind Orientierungsfilme (nicht gezeigt) vorgesehen. Die Orientierungsfilme werden einer Orientierungsbehandlung unterworfen, um die longitudinale Achse jedes Flüssigkristallmoleküls in einem bestimmten Winkel relativ zu den Oberflächen der unteren und oberen Platten 30 und 31 zu kippen und sie, in einem Zustand, in dem keine Spannung angelegt ist, in einer vorbestimmten Richtung zu justieren und zu orientieren.
  • Es ist eine Steuereinrichtung 40 zum elektrischen Steuern der Flüssigkristalllinse 12 vorgesehen; die Steuereinrichtung 40 steuert die Flüssigkristalllinse 12 so, dass sie eine Brennweite von Licht verändert, Richtungen von Licht aufweitert und verengt, und die Beleuchtungsfläche des Lichts ändert, zum Beispiel in dem dargestellten Ausführungsbeispiel. Die Steuereinrichtung wird im Folgenden detailliert beschrieben.
  • Bezug nehmend auf 2 ist eine zweite Ausführungsform der lichtaussendenden Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
  • Die lichtaussendende Vorrichtung in der zweiten Ausführungsform weist mindestens eine Linse 20 auf, die auf der Flüssigkristalllinse 12 platziert ist; Die übrige Struktur ist die gleiche wie in der ersten Ausführung. In der zweiten Ausführungsform wird eine normale Konvexlinse als Linse 20 benutzt. Jedoch kann auch eine Konkavlinse verwendet werden.
  • Mit der in der zweiten Ausführungsform gezeigten Struktur wird der variable Brennweitenbereich der Flüssigkristalllinse mit der normalen Linse 20 kompensiert, ein durch eine Spannung gesteuerter Bereich des Brennpunkts wird zu einer langen und kurzen Distanz korrigiert, und die lichtaussendende Vorrichtung kann in einem weiteren Anwendungsbereich angewendet werden. Hier kann die Flüssigkristalllinse 12 eine fokussierende Eigenschaft oder eine zerstreuende Eigenschaft haben. Entweder die Flüssigkristalllinse 12 oder die normale Linse 20 kann so angeordnet sein, dass sie dem LED-Element 11 gegenüberliegt.
  • Die Steuereinrichtung 40 weist in der abgebildeten Ausführungsform eine variable Spannungsquelle 41 auf. Die variable Spannungsquelle 41 ist mit den oberen und unteren Elektrodeneinheiten 34 und 35 verbunden, zwischen denen die Flüssigkristallschicht 33 der Flüssigkristalllinse 12 eingeschoben ist, sie legt eine vorherbestimmte Spannung an die Elektroden an, und sie justiert die Spannung, um eine optische Charakteristik der Flüssigkristalllinse 12, zum Beispiel eine Brennweite, zu steuern. Die Flüssigkristalllinse 12 kann zusammen mit einer Ablenkplatte (nicht gezeigt) verwendet werden, die zwischen der Flüssigkristalllinse 12 und dem LED-Element 11 angeordnet ist. Ein fokussierender Zustand kann aufrechterhalten werden oder eine Beleuchtungsfläche kann zwischen eng und weit umgeschaltet werden, indem die Brennweite des durch die Flüssigkristalllinse gehenden Lichts durch Verändern der von der variablen Spannungsquelle 41 an die Flüssigkristalllinse 12 angelegten Spannung verändert wird, selbst wenn ein Abstand zwischen der lichtaussendenden Vorrichtung und dem von der lichtaussendenden Vorrichtung beleuchteten Objekt sich ändert.
  • Durch Verändern des Wertes der an die Flüssigkristalllinse 12 angelegten Spannung kann das durch die Flüssigkristalllinse 12 gehende Licht so umgewandelt werden, dass es einen ganzen Raum beleuchtet. Mit anderen Worten, die vorliegende Erfindung erlaubt, Licht zu fokussieren und auch Licht in alle Richtungen zu strahlen, indem die angelegte Spannung verändert wird.
  • Erneut Bezug nehmend auf 3 wird eine elektrische und optische Charakteristik der Flüssigkristalllinse 12 nach der vorliegenden Erfindung gezeigt, die für die zwei Ausführungen verwendet wird, wie sie oben gemeinsam beschrieben sind.
  • In 3 weist ein über der Flüssigkristalllinse 12 abgebildeter Graph eine Mittelachse C der Flüssigkristalllinse 12 auf und fällt mit einer Ausgangsorientierung der Flüssigkristallmoleküle 36 zusammen.
  • In der in den 3 und 4 gezeigten Ausführung, hat jede der oberen und unteren Elektrodeneinheiten 34 und 35 eine Mehrzahl von konzentrischen, ringförmigen Elektroden. Zugleich kann eine der oberen und unteren Elektrodeneinheiten als gemeinsame scheibenförmige Elektrode gebildet sein (siehe 4). In 4 ist die obere Elektrodeneinheit, die die ringförmig angeordneten Elektroden aufweist, bei 37 gezeigt, und die untere scheibenförmige Elektrode ist bei 38 gezeigt. Außerdem ist die longitudinale axiale Richtung der Flüssigkristallmoleküle 36 in der Flüssigkristallschicht 33 zwischen den oberen und unteren Elektrodeneinheiten 34 und 35 in 4 gezeigt.
  • In dem Graphen in 3 bezeichnet V eine Oben-Unten-Idealspannung, die an jeden Bereich der Flüssigkristallschicht 33 in einer radialen Richtung davon anzulegen ist, Δn bezeichnet einen Wert einer effektiven Doppelbrechung (eine Differenz zwischen den Brechungsindizes von anormalem Licht und normalem Licht) von jedem Bereich der Flüssigkristallschicht 33 in der radialen Richtung, welcher sich in Abhängigkeit von der angelegten Spannung ändert.
  • Um einen konvexen Linsenbetrieb mit einer optischen Achse, die der Mittelachse C der Flüssigkristallschicht 33 mit einer ungefähr konstanten Dicke entspricht, hervorzubringen, ist es vorzuziehen, die effektive Doppelbrechung Δn der Flüssigkristallschicht 33 zusammen mit einem Radius in eine paraboloidartige Rotationsform mit einem auf der Mittelachse C liegenden Scheitelpunkt zu ändern. Um solch eine Veränderung zu bewirken, wird die Spannung V, bei der es sich normalerweise um Wechselstrom handelt und die durch den effektiven Wert dargestellt wird, auf der Mittelachse C der Flüssigkristalllinse 12 in der Ausführungsform auf Null(0) gesetzt und nimmt entsprechend der Distanz von der Mittelachse C in radialer Richtung zu. Weil die Spannung V durch die kreisförmigen oder ringförmigen Elektroden in einer tatsächlichen Flüssigkristalllinse schrittweise gegeben wird, ändert sich Δn auch schrittweise, aber ein annähernder Linsenbetrieb wird problemlos erzielt. Tatsächlich wurden ein paar hundert Mikrometer (μm) als eine Dicke der Flüssigkristallschicht, ein paar Zentimeter (cm) als ein Durchmesser der Flüssigkristalllinse und einige Zentimeter (cm) als Brennweite erzielt.
  • Hier wird eine Richtung der Flüssigkristallmoleküle 36 in einen Zustand beschrieben, in dem die Spannung V angelegt ist.
  • Die Ausgangsorientierung und der Kippwinkel aller Moleküle in der Flüssigkristallschicht werden aufrechterhalten, weil die Spannung V im Zentralbereich null ist, und Δn ist maximal. Die Flüssigkristallmoleküle 36, die an die obere und untere Platte 30 und 31 angrenzen, bleiben durch einen Orientierungseffekt fixiert, während der Kipp-winkel aufgrund der Spannung V in einem tiefen Bereich in der Flüssigkristallschicht 36 in einem bestimmten Radius zunimmt. Weil der Kippwinkel der Flüssigkristallmoleküle 36 zunimmt, wenn die Spannung V zunimmt, nimmt der Kippwinkel der Flüssigkristallmoleküle 36 schließlich zu, wenn man von der Mittelachse C, an der die Spannung null ist, weggeht.
  • Weil Δn wie der Kippwinkel der Flüssigkristallmoleküle abnimmt, ergibt sich im Hinblick auf Δn eine Charakteristik ähnlich der Kurve einer quadratischen Funktion wie der in 3 gezeigte Graph. Entsprechend tritt das Ablenklicht durch Bereiche mit ver schiedenen Brechungsindizes abhängig von einem Radius von der Mittelachse C in der Flüssigkristalllinse 12, wenn die Ablenkplatte (nicht gezeigt) parallel mit der Flüssigkristalllinse 12 überlappt und nur gerade abgelenktes Licht gewählt wird, das in einer Richtung parallel zu einer Papieroberfläche schwingt, und in Richtung der Mittelachse C eintritt.
  • In dieser Ausführungsform hat die Flüssigkristalllinse, deren Brechungsindizes zunehmen, wenn der Radius zunimmt, einen ähnlichen Effekt wie die normale Konvexlinse zum Sammeln von Licht. Daher kann die Flüssigkristalllinse hier eine Licht fokussierende Stärke haben.
  • Durch Ändern der an die Flüssigkristalllinse angelegten Spannung kann die Flüssigkristalllinse auch als Konkavlinse arbeiten, die die Lichtrichtungen aufweitet.
  • Als nächstes wird ein konkretes Beispiel einer Verbindungsstruktur zwischen der Flüssigkristalllinse, die bei der lichtaussendenden Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung verwendet wird, und der variablen Spannungsquelle beschrieben.
  • Die obere Elektrodeneinheit 34 hat eine Mehrzahl von konzentrisch angeordneten ringförmigen Elektroden, wie oben beschrieben ist. Zusätzlich hat die obere Elektrodeneinheit 34 auch eine Zentralelektrode 39 in ihrer Mitte.
  • Die variable Spannungsquelle 41 weist Extraktionselektroden 50 auf, die entsprechend mit der oberen Elektrodeneinheit 34 verbunden sind. Die Extraktionselektroden 50 sind an einem passenden dazwischen liegenden Punkt eines partiellen Druckwiderstands 51 verbunden, der entgegengesetzte Enden von Ausgabeanschlüssen der variablen Spannungsquelle 41 verbindet. Eine Leitung, die mit der Zentralelektrode 37 verbunden ist, und die scheibenförmige untere Elektrode 38, welche eine gemeinsame Elektrode ist, sind mit Bezugspotentialseiten der variablen Spannungsquelle 41 miteinander verbunden. Die untere Elektrode 38 ist aus Gründen der Bequemlichkeit in 4 als kleine Scheibe gezeigt, aber tatsächlich hat sie den gleichen Durchmesser wie oder einen größeren Durchmesser als der maximale Durchmesser der oberen Elektroden.
  • Mit solch einer Struktur wird eine Spannung, die mit der Zunahme des Radius weg von der Mittelachse C zunimmt, an die Flüssigkristallschicht 33 der Flüssigkristalllinse 12 angelegt, dem Radius entsprechend, außer für einen schmalen Sektorbereich, der die Extraktionselektrode 50 belegt, so dass die Flüssigkristalllinse 12 als Linsen wirkt. Des weiteren werden die Spannung und das Δn in jeden Radius ebenfalls proportional verändert, und die Brennweite der gesamten Flüssigkristalllinse 12 kann durch Verändern der Ausgabespannung der variablen Spannungsquelle 41, die an beiden Enden des unterteilten Druckwiderstandes 51 anliegt, verändert werden. Gleichzeitig kann die untere Elektrodeneinheit 35 auch so gebildet werden, dass sie die kreisförmigen Elektroden aufweist, und eine Spannung in umgekehrter Phase zur oberen Elektrodeneinheit 34 kann an die kreisförmigen Elektroden angelegt werden.
  • Weiterhin kann eine frei gewählte Charakteristik für "Radius gegen Spannung", nämlich "Radius gegen Δn" vorgegeben werden, weil der Zwischenpunkt des Teildruckwiderstandes 51, mit dem die Extraktionselektrode verbunden ist, nach Wunsch ausgewählt werden kann.
  • 5 veranschaulicht ein anderes Beispiel der Flüssigkristalllinse, die bei der lichtaussendenden Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
  • In dieser Ausführungsform umfasst die obere Elektrodeneinheit 34 eine gerade Elektrode 52, die sich radial von der Flüssigkristalllinse erstreckt, und eine Mehrzahl von halbkreisförmigen Elektroden 53, die mit der geraden Elektrode 52 verbunden sind.
  • Entgegengesetzte Enden der geraden Elektrode 52 sind mit den Ausgabeanschlüssen der variablen Spannungsquelle 41 verbunden. Die Ausgabeanschlüsse erzeugen jeweils eine Wechselspannung mit relativ zueinander entgegen gesetzter Phase, mit anderen Worten, die Vorzeichen (Plus und Minus) sind unterschiedlich. Weil die gerade Elektrode 52 einen inhärenten Widerstand aufweist, wirkt sie ähnlich wie der unterteilte gedruckte Widerstand 51 in 4; an jede halbkreisförmige kreisförmige Elektrode 53 werden Spannungen abgegeben, die von links nach rechts in 5 unterschiedliche abwechselnde Oszillation von minus V nach plus V aufweisen. Die Oszillation der Spannung im Zentralbereich der kreisförmigen Elektrode ist null.
  • Als nächstes werden die Elektroden in der unteren Elektrodeneinheit 35 in der gleichen Form angeordnet wie die der oberen Elektrodeneinheit 34, und die Elektroden der beiden Elektrodeneinheiten werden aneinander ausgerichtet (nicht gezeigt). Trotzdem werden die gegenüber liegenden Enden der geraden Elektrode in der unteren Elektrodeneinheit 35 mit den Anschlüssen der variablen Spannungsquelle 41 so miteinander verbunden, dass das Linke der gegenüber liegenden Enden +V und das rechte davon –V ist. Folglich variiert die in einer Richtung der Dicke der Flüssigkristallschicht 33 der Flüssigkristalllinse 12 angelegten Spannung linear mit dem Radius, so dass die Oszillation am Randbereich der Flüssigkristallschicht gleich 2 V und die Oszillation am Zentralbereich davon null ist. Jedoch sind die Flüssigkristallmoleküle nicht in eine Richtung ausgerichtet, wenn eine Spannung nur an einen schmalen Bereich der Flüssigkristallschicht senkrecht zu der geraden Elektrode 52 angelegt wird.
  • Als nächstes wird ergänzend eine Eigenschaft eines Flüssigkristallmaterials der Flüssigkristalllinse 12 erläutert.
  • 6 ist ein Graph, der eine elektrische und optische Charakteristik eines besonders zu bevorzugenden Flüssigkristallmaterials mit Bezug auf die Elektrodenstruktur, wie sie in 5 gezeigt ist, darstellt.
  • Unter den Flüssigkristallmaterialien gibt es ein Material, bei dem in einem Bereich der verwendeten Spannung ΔV die effektive Doppelbrechung Δn (Kurve B, gezeigt durch eine durchgehende Linie) zu der angelegten Spannung Vrms (rms = root mean square = effektiver Mittelwert) (effektiver Wert) ungefähr mit der quadratischen Kurve (Kurve A, gezeigt durch die gepunktete Linie) zusammenfällt. Durch Auswahl eines solchen Materials wird, vorausgesetzt es wird in dem genutzten Spannungsbereich ΔV verwendet, ein doppelbrechender Wert Δn, der in einer paraboloidartigen Rotationsform bezüglich des Radius variiert, erzielt, wenn eine Spannung proportional zu dem Radius der Flüssigkristallschicht 33 an die Flüssigkristalllinse 12 angelegt wird, wie es in dem Graphen in 3 oder der Struktur in 5 gezeigt ist. In dieser Ausführungsform kann die Brennweite der Flüssigkristalllinse 12 durch Verändern der Oszillation der Ausgangsspannung der variablen Spannungsquelle 41 variiert werden.
  • 7 veranschaulicht noch ein anderes Beispiel der Flüssigkristalllinse 12, die bei der lichtaussendenden Vorrichtung 10 nach der vorliegenden Erfindung verwendet wird. In diesem Beispiel weist eine Gruppe von Elektroden zum Anlegen einer Spannung an die Flüssigkristallschicht 33 der Flüssigkristalllinse 12 eine Mehrzahl winziger Pixel 60 auf.
  • Die die Pixel umfassenden Elektroden sind in jedem Pixel unabhängig, und jedes Pixel 60 ist eingerichtet, um als Aktivmatrixtreiber zu wirken, so dass jede beliebige Spannung durch einen TFT (Dünnfilm-Transistor) oder ähnliches an jedes beliebige Pixel angelegt wird, oder jedes Pixel 60 ist ein Schnittpunkt von oberen und unteren streifenförmigen Elektroden, und die streifenförmigen Elektroden sind eingerichtet, um als Passivmatrixtreiber zu wirken, wodurch an jedes Pixel unterschiedliche Spannungen angelegt werden.
  • Die Mehrzahl von Pixeln 60 sind durch virtuelle Ringe 61, die durch die gepunkteten Linien gezeigt sind, in eine Mehrzahl ungefähr konzentrischer kreisförmiger Ringbänder geteilt und werden durch eine variable Spannungsquelle (nicht gezeigt) gesteuert, so dass die gleiche Spannung an alle Pixel, die in jeweils einem Band enthalten sind, angelegt wird, um dem Flüssigkristall in jedem Band ein vorherbestimmtes Δn zu erteilen, wie durch das Markieren der Pixel mit verschiedenen Mustern in 7 gezeigt ist.
  • Wie oben beschrieben wurde, wird, obwohl zwei Ausführungsformen der lichtaussendenden Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung und drei Beispiele der Flüssigkristalllinse, die bei der lichtaussendenden Vorrichtung verwendet wird, erläutert worden sind, hier im Folgenden ein modifiziertes Beispiel beschrieben werden.
  • Zum Beispiel kann ein partieller Druckpunkt in dem partiellen Druckwiderstand 51 in dem in 4 gezeigten Beispiel justiert werden, oder in dem Beispiel in 5 kann der verwendete Spannungsbereich ΔV durch partielles Verändern eines Abschnittsbereiches (Breite des Elektrodenmusters) der geraden Elektrode 52 und Korrigieren der Form der geraden Elektrode in eine nicht-gerade Form zum Justieren der Charakteristik von Radius zu Spannung vergrößert werden, so dass eine bevorzugte Charakteristik des Radius zu ΔV erzielt wird.
  • Weiterhin ist die Flüssigkristallschicht, mit anderen Worten die Elektroden oder die Gruppe von Elektroden, an denen das identische ΔV angelegt wird, in der Form nicht auf den konzentrischen Ring beschränkt, wie es in den Zeichnungen gezeigt ist. Zum Beispiel können die Elektroden eine Polygon- oder Ellipsenform zu haben. Des Weiteren wird, wenn die Elektroden die Mehrzahl von Pixeln bilden, eine Feinsteuerung von Δn in Abhängigkeit der Position benötigt. Darüber hinaus lässt sich die Charakteristik einer asphärischen Linse erzielen, wenn die Verteilung der Spannung geändert wird.
  • Wie immer weist die Flüssigkristalllinse nicht nur die flache Flüssigkristallschicht auf, sondern auch eine flache konkave sphärische Oberfläche oder Fresnelllinsenoberfläche, die auf der inneren Oberfläche von mindestens einer Platte gebildet ist, und eine Konvexlinse oder Fresnellinse, die auf der Flüssigkristallschicht zwischen den Platten gebildet ist. In diesem Fall kann, durch Bereistellen einer transparenten Elektrode, um die gesamte Oberfläche der Flüssigkristalllinse zu bedecken, eine einheitliche variable Spannung zum Anlegen an die transparente Elektrode bereitgestellt werden.
  • Weil es möglich ist, selbst in den oben erwähnten Flüssigkristalllinsen durch die Spannung eine variable Wirkung für die Brennweite zu erzielen, können sie für die lichtaussendende Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Wenn die Ablenkplatte, die die Flüssigkristalllinse überlappt, entfernt wird, kann eine Linse mit doppelter Fokussierung, das heißt eine Linse, in der verschiedene fokussierende Wirkungen gemischt sind, geschaffen werden, weil das anormale Licht, das die andere Brechwirkung durch die Spannung erhält, und das normale Licht, das die einheitliche Brechwirkung ohne die Spannung erhält, auf verschiedene Punkte fokussiert werden. Die erhaltene Linse hat zum Beispiel den vorteilhaften Effekt, dass die gesamte Linse gleichmäßig beleuchtet wird und dass insbesondere der Zentralbereich der Linse klar beleuchtet wird.
  • Außerdem wird eine gerade Ablenkung in alle Richtungen möglich, indem zwei Flüssigkristalllinsen, die Initialorientierungen haben, die sich jeweils um 90 Grad von der jeweils anderen unterscheiden, kombiniert werden, und die Ablenkplatte kann eliminiert werden, um eine helle lichtaussendende Vorrichtung zu bilden.
  • Zusätzlich weist die lichtaussendende Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung eine Kombination eines LED-Elements und einer Flüssigkristalllinse auf, aber sie ist nicht auf diese Struktur beschränkt. Zum Beispiel kann eine Mehrzahl von Strahlen erzielt werden, indem eine Flüssigkristalllinse und eine Mehrzahl von LED-Elementen kombiniert werden. Außerdem können diese Strahlen simultan gesteuert werden. Wenn eine Mehrzahl von LED-Elementen und eine Mehrzahl von Flüssigkristalllinsen entsprechend zu den LED-Elementen auf einer Platte mit einer großen Fläche arrayartig angeordnet sind, kann man eine lichtaussendende Vorrichtung mit einer großen Fläche und einer großen Lichtintensität erhalten. In diesem Fall kann die Mehrzahl von Flüssigkristalllinsen als eine Platte mit einer großen Fläche gebildet werden, um Kosten zu senken.
  • Weiterhin kann die lichtaussendende Vorrichtung eine Flüssigkristalllinse und eine Mehrzahl von LED-Elementen umfassen, die entsprechend der Flüssigkristalllinse angeordnet sind.
  • Weiterhin kann bei der lichtaussendenden Vorrichtung eine Mehrzahl von Element/Linse-Gruppen durch das oben erwähnte Gehäuse getragen werden, wobei jede der Element/Linse-Gruppen mindestens ein LED-Element und mindestens eine Flüssigkristalllinse aufweist.
  • Zusätzlich kann, wenn eine Brennweite jedes Paars von LED-Element und Flüssigkristallelement durch die variable Spannungsquelle gesteuert wird, eine lichtaussendende Vorrichtung, die eine Beleuchtungsverteilung der arrayförmigen lichtaussendenden Vorrichtung verändert, erzielt werden.
  • Außerdem weist die lichtaussendende Vorrichtung in der anderen Ausführungsform mindestens einen Flüssigkristallshutter auf, der auf der Flüssigkristalllinse platziert ist. Zum Beispiel wird der Flüssigkristallshutter so angeordnet, dass er die Flüssigkristalllinse überlappt. Der Flüssigkristallshutter kann so beschaffen sein, dass ein innerer Bereich der lichtaussendenden Vorrichtung von außen nicht sichtbar ist, wenn das nötig ist. Hier hat die Flüssigkristalllinse eine Struktur, bei der Elektroden auf der gesamten Oberfläche einer TN-Flüssigkristallplatte bereitgestellt werden; eine vorherbestimmte Spannung wird an die Elektroden angelegt, damit eine Rückseite der Platte einen sichtbaren Zustand oder einen unsichtbaren Zustand bilden kann. Weil eine Steuerspannung für den Flüssigkristallshutter von der variablen Spannungsquelle kommen kann und eine Ablenkplatte gemeinsam verwendet werden kann, ist die Gesamtstruktur der lichtaussendenden Vorrichtung nicht so kompliziert.
  • Weiterhin kann eine Mehrzahl von überlappenden Flüssigkristalllinsen verwendet werden. Weil die Flüssigkristallshutterstruktur extrem nah an der Flüssigkristalllinse ist, ist es möglich, die beiden miteinander zu integrieren. Des Weiteren können ein Schalter oder eine einfache Funktionsbetätigungseinrichtung, zum Beispiel eine nicht-kreisförmig geformte Flüssigkristalllinse oder eine rotierbare Ablenkplatte und so weiter vorgesehen werden.
  • Die lichtaussendende Vorrichtung der vorliegenden Erfindung ist allgemein sehr vielseitig, weil die Beleuchtungscharakteristik wahlweise über einen weiteren Bereich durch die einfache elektrische Steueroperation umgeschaltet werden kann.
  • Wenn ein feststehendes oder halb-feststehendes Objekt beleuchtet wird, kann die lichtaussendende Vorrichtung in der Kleinserienherstellung effizient eingesetzt werden, weil es möglich ist, eine lichtaussendende Vorrichtung mit der gleichen Struktur bereitzustellen, während passend für verschiedene Anwendungen vorherbestimmte unterschiedliche feststehende oder halb-feststehende (wählbar aus einer kleinen Anzahl an Spannungseinstellungssätzen) Spannungen an eine oder mehrere Arten von lichtaussendenden Vorrichtungen angelegt werden, oder irgendeine von ihnen verändert oder nur durch eine zusätzliche normale Linse ersetzt wird.

Claims (12)

  1. Lichtaussendende Vorrichtung, die umfasst: mindestens ein LED-Element; und mindestens eine Flüssigkristalllinse, die dem LED-Element gegenüberliegend angeordnet und in einem Abstand von dem LED-Element positioniert ist.
  2. Lichtaussendende Vorrichtung, die umfasst: mindestens ein LED-Element; mindestens eine Flüssigkristalllinse, die dem LED-Element gegenüberliegend angeordnet und in einem Abstand von dem LED-Element positioniert ist; und mindestens eine Linse, die auf der Flüssigkristalllinse platziert ist.
  3. Lichtaussendende Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das LED-Element und die Flüssigkristalllinse von einem Gehäuse gehalten werden.
  4. Lichtaussendende Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der das Gehäuse aufweist: eine LED-Element-Montagefläche, um das LED-Element darauf anzuordnen, eine Linsen-Montagefläche, um einen Randbereich der Flüssigkristalllinse darauf anzuordnen, und eine reflektierende Oberfläche, die sich von der LED-Element-Montagefläche zur Linsen-Montagefläche erstreckt.
  5. Lichtaussendende Vorrichtung, die umfasst: mindestens ein LED-Element; mindestens eine Flüssigkristalllinse, die dem LED-Element gegenüberliegend angeordnet und in einem Abstand von dem LED-Element positioniert ist; und mindestens einen Flüssigkristallshutter, der auf der Flüssigkristalllinse platziert ist.
  6. Lichtaussendende Vorrichtung nach Anspruch 1, die weiterhin eine Steuereinrichtung zum Anlegen einer Spannung an die Flüssigkristalllinse umfasst.
  7. Lichtaussendende Vorrichtung nach Anspruch 2, die weiterhin eine Steuereinrichtung zum Anlegen einer Spannung an die Flüssigkristalllinse umfasst.
  8. Lichtaussendende Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der die Flüssigkristalllinse mindestens einen Elektrodenfilm aufweist, und bei der die Steuereinrichtung, die eine variable Spannungsquelle zum Steuern der angelegten Spannung umfasst, eine Spannung an den Elektrodenfilm der Flüssigkristalllinse anlegt.
  9. Lichtaussendende Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der die Flüssigkristalllinse mindestens einen Elektrodenfilm aufweist, und bei der die Steuereinrichtung, die eine variable Spannungsquelle zum Steuern der angelegten Spannung umfasst, eine Spannung an den Elektrodenfilm der Flüssigkristalllinse anlegt.
  10. Lichtaussendende Vorrichtung nach Anspruch 1, die eine Flüssigkristalllinse und eine Mehrzahl von LED-Elementen, die so angeordnet sind, dass sie der Flüssigkristalllinse gegenüberliegen, umfasst.
  11. Lichtaussendende Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der eine Mehrzahl von Element- und Linsengruppen von einem Gehäuse getragen werden, und bei der jede der Mehrzahl von Element- und Linsengruppen mindestens ein LED-Element und mindestens eine Flüssigkristalllinse umfasst.
  12. Lichtaussendende Vorrichtung, die umfasst: mindestens ein LED-Element mit einer Emissionsoberfläche; mindestens eine Flüssigkristalllinse mit zwei transparenten Platten, einer Flüssigkristallschicht, die zwischen den beiden transparenten Platten eingefügt ist, und Elektroden auf der inneren Oberfläche jeder transparenten Platte, die die Richtung von Flüssigkristall-Molekülen steuern, und mit einer variablen Brennweite; und ein Gehäuse, welches einen konkaven Bereich mit einer unteren Fläche, eine Öffnung und eine reflektierende Oberfläche auf der inneren Fläche der konkaven Fläche aufweist, wobei das LED-Element auf der unteren Fläche des konkaven Bereiches montiert ist, so dass die Emissionsfläche auf die Öffnung des konkaven Bereiches gerichtet ist, und die Flüssigkristalllinse so angeordnet ist, dass sie dem LED-Element in einem vorbestimmten Abstand gegenüberliegt und auf der Öffnung des konkaven Bereiches angeordnet ist.
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