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QUERVERWEIS ZUR VERWANDTEN
ANMELDUNG
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Die
Anmeldung beansprucht die Priorität der japanischen Patentanmeldung
Nr. 2004-136755, eingericht am 30. April 2004, deren gesamte Beschreibungen
hierin durch Verweis aufgenommen werden.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Gebiet der
Erfindung
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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.
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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.
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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.
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Zusätzlich ist
eine bekannte lichtaussendende Vorrichtung mit einer ähnlichen
Struktur wie die oben erwähnte
lichtaussendende Vorrichtung in JP 2003-158301A, 3,
zur Bezugnahme offenbart.
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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.
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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.
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ZUSAMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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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.
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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.
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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.
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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.
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Gemäß einer
anderen Ausführungsform
umfasst die lichtaussendende Vorrichtung mindestens eine Linse,
die auf der Flüssigkristalllinse
angeordnet ist.
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Gemäß noch einer
anderen Ausführungsform
umfasst die lichtaussendende Vorrichtung mindestens einen Flüssigkristallshutter,
der auf der Flüssigkristalllinse
angeordnet ist.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Schnittansicht, die eine erste Ausführungsform einer lichtaussendenden
Vorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt.
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2 ist
eine Schnittansicht, die eine zweite Ausführungsform der lichtaussendenden
Vorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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8 ist
eine Schnittansicht einer bekannten lichtaussendenden Vorrichtung.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Bevorzugte
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden mit Bezug auf die
beiliegenden Zeichnungen erläutert.
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Bezug
nehmend auf 1 ist eine erste Ausführungsform
veranschaulicht, die eine Basisstruktur einer lichtaussendenden
Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung zeigt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Auf
der unteren Oberfläche
des konkaven Bereiches 14 ist eine LED-Element-Montageoberfläche 15 vorgesehen,
um das LED-Element 11 daraufzusetzen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Bezug
nehmend auf 2 ist eine zweite Ausführungsform
der lichtaussendenden Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung
veranschaulicht.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Hier
wird eine Richtung der Flüssigkristallmoleküle 36 in
einen Zustand beschrieben, in dem die Spannung V angelegt ist.
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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.
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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.
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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.
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Durch Ändern der
an die Flüssigkristalllinse angelegten
Spannung kann die Flüssigkristalllinse auch
als Konkavlinse arbeiten, die die Lichtrichtungen aufweitet.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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5 veranschaulicht
ein anderes Beispiel der Flüssigkristalllinse,
die bei der lichtaussendenden Vorrichtung nach der vorliegenden
Erfindung verwendet wird.
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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.
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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.
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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.
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Als
nächstes
wird ergänzend
eine Eigenschaft eines Flüssigkristallmaterials
der Flüssigkristalllinse 12 erläutert.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Weiterhin
kann die lichtaussendende Vorrichtung eine Flüssigkristalllinse und eine
Mehrzahl von LED-Elementen umfassen, die entsprechend der Flüssigkristalllinse
angeordnet sind.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.