JP2002229120A

JP2002229120A - 表示装置

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Publication number: JP2002229120A
Application number: JP2001024494A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Tamaoki; 智玉置
Original assignee: LAB Sphere Corp
Current assignee: LAB Sphere Corp
Priority date: 2001-01-31
Filing date: 2001-01-31
Publication date: 2002-08-14
Anticipated expiration: 2021-01-31
Also published as: JP4830201B2

Abstract

(57)【要約】【課題】簡単で小型の構成により、光ビームの軌跡に
より文字，図形等の所望の形状の表示を行なうことがで
きるようにした表示装置を提供する。【解決手段】発光装置１１を光軸に垂直な二軸方向に
関して揺動可能に支持する支持部１２と、発光装置から
後方に延びるガイド軸１３を受容するカム溝１４ａを備
えた環状のカム部材１４と、ガイド軸１３の駆動手段１
５とを含み、発光装置が、第二のレンズ面としての頂部
２２ａと後端部２２ｃと外周部２２ｂと第一のレンズ面
としての天井部内端面２２ｅと内周部２２ｆとから成る
凹部２２ｄとを有するバルク型レンズ２２と凹部内に配
設した光源２１ａから成る発光部２１と駆動部２３と電
源部２４とバルク型レンズ及び発光部を収容するケース
２５とを含み、光源からの光が天井部または内周部から
バルク型レンズ内に入射し、直接又は反射後、狭い照射
角度で出射するように表示装置１０を構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、光ビームを振る
ことにより、空中に文字，図形等を表示するための表示
装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、このような表示装置は、発光部と
してのレーザ光源と、二軸方向に反射光を振るように構
成された反射手段とから構成されており、レーザ光源か
ら出射した光を反射手段により所望の方向に反射させる
と共に、振って前方に向かって光を照射するようになっ
ている。

【０００３】ここで、上記反射手段は、例えばレーザ光
源の光軸方向に垂直な二軸方向に関してそれぞれミラー
を揺動させることにより、レーザ光源からの光を二軸方
向に振るように構成されている。このようにして、レー
ザ光源から出射した光は反射部材により反射され、進行
方向の空中やスクリーン等に対して光ビームの軌跡によ
り文字，図形等の表示を行なうことができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな表示装置においては、レーザ光源から出射する光ビ
ームを二つのミラーで振ることによって、光ビームの軌
跡により文字，図形等の所望の形状の表示を行なうよう
になっているが、各ミラーを揺動させるためには一般に
回転ソレノイドが必要であり、そのため表示装置全体の
重量が増大すると共に、回転ソレノイドを高速で駆動さ
せ、高精度で停止させるためには高度な技術が必要とさ
れる。したがって、表示装置全体のコストが高くなって
しまうと共に、回転ソレノイドの制御精度の点から動作
安定性が低くなってしまう。

【０００５】この発明は、以上の点にかんがみ、簡単で
小型の構成により、容易に光ビームの軌跡により文字，
図形等の所望の形状の表示を行なうことができるように
した表示装置を提供することを目的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の表示装置は、光軸方向に沿って光ビームを
出射する発光装置と、この発光装置を光軸に垂直な二軸
方向に関して揺動可能に支持する支持部と、環状の所定
の形状を有しており、発光装置から光軸方向に沿って後
方に延びるガイド軸を受容するカム溝を備えるカム部材
と、上記ガイド軸をカム溝に沿って摺動させるようにガ
イド軸を回転駆動する駆動手段とを含んでおり、上記発
光装置が、第二のレンズ面としての頂部，ほぼ平坦な底
部，外周部と、底部から前方に向かって形成された第一
のレンズ面としての天井部と内周部とから成る凹部とを
有しているバルク型レンズと、このバルク型レンズの凹
部内に配設された少なくとも一個の光源から成る発光部
と、上記発光部を駆動する駆動部と、この駆動部に給電
する電源部と、これらバルク型レンズ，発光部，駆動部
及び電源部のうち少なくともバルク型レンズ及び発光部
を収容するケースと、を含んでいて、発光部の光源から
の光が、バルク型レンズの凹部の天井部または内周部か
らバルク型レンズ内に入射し、直接にあるいは外周部の
内面で反射された後、バルク型レンズの頂部から光軸方
向に沿って狭い照射角度で出射されることを特徴とす
る。

【０００７】前記発光装置の支持部を、発光装置の重心
付近を通る二軸方向に揺動可能に発光装置を支持するよ
う構成すれば好ましい。前記発光装置のガイド軸は、そ
の先端にカム部材のカム溝内に係合するベアリングを備
えていれば好ましい。前記ガイド軸は、好ましくは、少
なくともその先端にて摩擦係数の小さい材料から構成さ
れている。前記駆動手段は、好ましくは、カム部材の中
心軸方向に延びる駆動軸を備えた駆動モータと、駆動モ
ータの駆動軸から半径方向に延びる駆動アームと、を有
しており、この駆動アームが、発光装置のガイド軸を摺
動可能に係合するように半径方向に延びるスロットを備
えている。

【０００８】本発明の表示装置に用いるバルク型レンズ
は、頂部と、底部と、外周部と、底部から頂部に向かっ
て形成された天井部と内周部とからなる凹部とを有して
いる光学媒体からなり、凹部が光源の収納部であり、天
井部及び頂部がレンズ面として、内周部が光入射面とし
て、外周部が全反射面として、そして底部が反射面とし
て機能する。凹部の内部に光源を収納した場合は、天井
部がレンズの入射面として、頂部がレンズの出射面とし
て機能する。内周部から光学媒体に入射した光は、全反
射して、又は底部で反射されて頂部に伝送される。「バ
ルク型」とは、砲弾型、卵型、繭型、蒲鉾型等、ある程
度の厚み又は膨らみを有する固形体を意味する。光軸方
向に垂直な断面の形状は、真円、楕円、三角形、四角
形、多角形等が可能である。バルク型のレンズ本体の外
周部は、円柱、角柱の円周部のような光軸に平行な面で
も良く、光軸に対してテーパを有していてもかまわな
い。また、天井部及び頂部のレンズ面は、凸面、凹面、
平面、フレネルレンズ面のいずれかを適宜選択できる。

【０００９】バルク型レンズは、レンズ作用及び入射面
と出射面とを接続する光伝送作用を有するので、光の波
長に対して透明な材料であり、かつ、屈折率が空気の屈
折率とは異なる必要がある。このような材料としては、
アクリル樹脂等の透明樹脂（透明プラスチック材料）、
石英ガラス、ソーダ石灰ガラス、ホウケイ酸ガラス、鉛
ガラス等の種々のガラス材料等が使用可能である。或い
は、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、硫化亜鉛（ＺｎＳ）、炭化珪
素（ＳｉＣ）等の結晶性材料を用いてもかまわない。
又、可とう性、屈曲性や伸縮性のある透明ゴムのような
材料でもよい。なお、光源として、ハロゲンランプ等の
白熱球を用いる場合は、これによる発熱を考慮し、耐熱
性光学材料を用いるべきである。耐熱性光学材料として
は、石英ガラス、サファイアガラス等の耐熱ガラスが好
ましい。或いは、ポリサルホン樹脂、ポリエーテルサル
ホン樹脂、ポリカーボネイト樹脂、ポリエーテルエステ
ルアミド樹脂、メタクリル樹脂、非晶性ポリオレフィン
樹脂、パーフルオロアルキル基を有する高分子材料等の
耐熱性樹脂等の耐熱性光学材料が使用可能である。Ｓｉ
Ｃ等の結晶性材料も耐熱性に優れている。

【００１０】光源としては、ＬＥＤや半導体レーザ等の
ように、発光に際して顕著な発熱作用を伴わない光源が
好ましい。その発熱が少ないことから、バルク型レンズ
に熱的影響を与えることがない。本発明の表示装置にバ
ルク型レンズを使用すれば、光源の数を多数必要とする
ことなく、所望の照度を有する表示装置を簡単に得るこ
とが出来る。この照度は、光源を同一として較べれば、
従来公知のレンズ等の光学系では達成不可能な照度であ
る。バルク型レンズは、従来の技術では達成出来ない照
度を、簡単且つ小型な構成で実現出来る。

【００１１】ＬＥＤには内部量子効率と外部量子効率が
あるが、通常、外部量子効率は内部量子効率よりも低
い。ＬＥＤをバルク型レンズの収納部（凹部）に収納す
ることにより、内部量子効率とほぼ等しい効率で、潜在
的なＬＥＤの光エネルギを有効に取り出すことが可能と
なる。その原理は、（ａ）バルク型レンズの頂部及び天
井部であるレンズ面、及び外周部での反射光（迷光）が
外周部で全反射することによりバルク型レンズ外にほと
んど散逸しない、（ｂ）上記反射光（迷光）の一部が頂
部及び天井部であるレンズ面にもどる、（ｃ）上記反射
光（迷光）の一部が底部で反射されて頂部及び天井部で
あるレンズ面にもどる、（ｄ）上記反射光（迷光）の一
部がＬＥＤ光源に吸収され再発光する、さらに、（ｅ）
内周部に入射する光も全反射により導光し有効利用して
いる、ことなどが考えられる。

【００１２】また、バルク型レンズによれば、ＬＥＤ等
の光源それ自身は何ら手を加えることなく、容易に光の
発散、収束等の光路の変更や焦点の変更が可能である。
すなわち、光源の発散角が既知であれば、第１及び第２
のレンズ面の曲率半径等の選定が簡単に出来る。なお、
第１及び第２のレンズ面のいずれか一方は、曲率半径が
無限大、若しくは無限大に近い平坦な面であっても良
い。第１及び第２のレンズ面のいずれか一方が、無限大
ではない所定の（有限の）曲率半径を有していれば、光
の収束、発散の制御が可能である。又、「所定の発散
角」は０°、即ち平行光線であっても良い。又、発散角
が９０°であっても、収納部が光源の発光部を完全に光
学的に覆っているため、有効にその光を集光することが
可能である。これは、従来のレンズ等の光学系では不可
能な作用である。即ち、天井部以外の収納部の内周部
も、有効な光の入射部として機能し得る。

【００１３】具体的には、光源は、チップ状の半導体発
光素子、透明材料でモールドされた半導体発光素子又は
他の光源から光を導く光ファイバの出射端面である。こ
れらの光源を光学媒質を介して収納部に収納しても良
い。屈折率によって光学媒質を適宜選択することによっ
ても光の発散、収束等の光路の変更や焦点の変更が可能
であり、また、内周部から光学媒体に入射する光の屈折
角を変えることができ、光学媒体の全反射をより効果的
にすることもできる。ここで、光学媒質には、固体、液
体、気体、のみならず、ゾル状、コロイド状若しくはゲ
ル状の光の波長に対して透明な物質も含まれる。

【００１４】また、バルク型レンズは、頂部と、底部
と、外周部と、この底部から頂部に向かって形成された
天井部と内周部からなる凹部とを有している光学媒体で
あり、凹部が光源の収納部であり、天井部及び頂部がレ
ンズ面として、内周部が光入射面として、外周部が全反
射面として、また底部が反射面として機能し、内周部の
光入射面が所定の傾きを有する少なくとも光波長以上の
大きさの凹凸面で構成されていてもよい。また所定の傾
きφは、凹部の屈折率をｎ₁、光学媒体の屈折率を
ｎ₂、光学媒体内の外周部面における全反射角をθt 光
源の発散角をθd として、ｓｉｎ^-1｛ｎ₁／ｎ₂ｃｏｓ（θd ＋φ）｝＝θt から定まる角度である。この構成によれば、例えば、端
面発光ＬＥＤのようにほとんどの出射光がチップの側面
から出射するようなＬＥＤを使用する場合においても、
光源の全ての出射光を集光できる。

【００１５】さらにまた、バルク型レンズは、レンズ部
と光源を収納する収納部とが一体で形成されているた
め、従来のレンズ系では必要であったレンズと光源を光
学的位置合わせをして保持する保持部を必要とせず、ま
た、光学的位置合わせ工程を必要とせず、ただ光源にか
ぶせるだけでよいので、極めて低コストである。

【００１６】上記構成によれば、発光装置にて、電源部
からの給電により駆動部が発光部の一個もしくは複数個
の光源を発光させる。これにより、発光部の各光源から
出射した光は、一部が、バルク型レンズの天井部からバ
ルク型レンズ内に入射し、また他の一部が、バルク型レ
ンズの内周面からバルク型レンズに入射する。したがっ
て、バルク型レンズに入射した光は、一部が直接に頂部
から出射し、また他の一部がバルク型レンズの外周部の
内側で反射されて頂部から出射する。これにより、バル
ク型レンズの頂部から出射する光は、バルク型レンズの
天井部である第一のレンズ面と頂部である第二のレンズ
面によるレンズ効果に基づいて屈折され、前方に向かっ
て狭い照射角度で照射される。そして、上記発光部の光
源がバルク型レンズの凹部内に完全に嵌入しているの
で、、光源から出射した光が高い効率でバルク型レンズ
内に入射し、表示装置の照射光度を大幅に高めることが
できる。

【００１７】このような状態から、駆動手段にて発光装
置のガイド軸を回転駆動させると、このガイド軸は、駆
動手段による回転に伴って、カム部材のカム溝に沿って
摺動する。これにより、ガイド軸はカム部材のカム溝の
形状に従って移動する。そして、発光装置が支持部によ
り光軸に垂直な二軸方向に関して揺動可能に支持されて
いるので、発光装置は、ガイド軸の移動に伴って、発光
装置の前端がガイド軸とは逆方向に揺動することにな
り、発光装置の前端から出射する光ビームは、カム部材
のカム溝の形状に対応して振られる。これにより、発光
装置から出射する光ビームの軌跡により、カム部材のカ
ム溝の形状に対応した形状の表示が行なわれることにな
る。

【００１８】このようにして、本発明によれば、発光装
置から出射する光ビームを、駆動部によりカム部材のカ
ム溝の形状に対応して振ることによって、光ビームの軌
跡により文字，図形等の所望の形状の表示を行なうこと
ができる。この際、発光装置において、発光部の光源と
してＬＥＤ等の小型の光源から出射する光を、上述した
特別の構成の光学部材を使用することによって、効率良
く集光して、十分な光量の光を照射することができる。

【００１９】上記支持部が、発光装置の重心付近を通る
二軸方向に揺動可能に上記発光装置を支持する場合に
は、発光装置は、その重心付近が支持部で二軸方向に揺
動可能に支持されているので、ガイド軸により発光装置
を二軸方向に揺動させるための駆動力が小さくて済み、
容易に揺動させることができる。

【００２０】上記ガイド軸がその先端にカム部材のカム
溝内に係合するベアリングを備えている場合には、ガイ
ド軸の先端がカム部材のカム溝に沿って移動する際に、
その摩擦がベアリングによる転がり摩擦であるので、ガ
イド軸の先端をカム部材のカム溝に沿って軽い力で移動
させることができる。

【００２１】上記ガイド軸が少なくともその先端にて摩
擦係数の小さい材料から構成されている場合には、ガイ
ド軸の先端がカム部材のカム溝に沿って移動する際に、
その摩擦がガイド軸の先端の材料により低減されるの
で、ガイド軸の先端をカム部材のカム溝に沿って軽い力
で移動させることができる。。

【００２２】上記駆動手段が、カム部材の中心軸方向に
延びる駆動軸を備えた駆動モータと駆動モータの駆動軸
から半径方向に延びる駆動アームとを有しており、この
駆動アームが発光装置のガイド軸が摺動可能に係合する
ように半径方向に延びるスロットを備えている場合に
は、駆動モータが駆動アームを回転駆動させると、駆動
アームがカム部材の中心軸の周りに回転し、駆動アーム
のスロットに係合する発光装置のガイド軸がカム部材の
カム溝の形状に基づいて駆動アームのスロット内を摺動
しながらカム部材のカム溝に沿って摺動する。これによ
り、発光装置の前端がガイド軸とは逆方向に揺動し、発
光装置の前端から出射する光ビームはカム部材のカム溝
の形状に対応して振られる。これにより、発光装置から
出射する光ビームの軌跡によってカム部材のカム溝の形
状に対応した形状の表示が行なわれる。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、図面に示した実施形態に基
づいて、この発明を詳細に説明する。図１は本発明の表
示装置に用いるバルク型レンズの模式的な断面図であ
る。この表示装置の発光体は、図１に示すように、所定
の波長帯域の光を発するＬＥＤ等の光源１０１と、この
光源１０１を完全に囲むバルク型レンズ１２０とから少
なくとも構成されている。そして、このバルク型レンズ
１２０は、頂部１０３と底部１０７と外周部１０９と、
底部１０７から頂部１０３に向かって形成された天井部
１０２と内周部１０５とから成る凹部１０６とから成る
光学媒体１０４でなり、この凹部１０６にスペーサ１０
８を介して光源１０１がバルク型レンズ１２０と光軸を
揃え且つ完全に収納、固定され、天井部１０２がレンズ
の光入射面として、頂部１０３がレンズの出射面として
機能するように構成されている。

【００２４】図１の光源１０１は、ＬＥＤチップ１１３
と、このＬＥＤチップ１１３を載置する電極を兼ねた支
持ピン１１１と、ＬＥＤチップ１１３のもう一方の電極
に電力を供給する電極ピン１１２と、チップ１１３、支
持ピン１１１及び電極ピン１１２を覆う透明な樹脂モー
ルド１１４で構成されている。樹脂モールド１１４は側
部が円筒形を成しており、バルク型レンズ１２０の凹部
１０６の円筒形を成す内周部１０５とスペーサ１０８を
介して嵌合している。

【００２５】樹脂モールド１１４の側面は、例えば、直
径（２ｒ）が２〜３ｍｍφの円柱形状であり、バルク型
レンズ２０の凹部１０６の内周部１０５は、例えば、直
径が２．５〜４ｍｍφの円柱形状となっている。ＬＥＤ
１０１とバルク型レンズ１２０とを固定するために、Ｌ
ＥＤ１０１とバルク型レンズ１２０の凹部１０６との間
には、厚さ０．２５〜０．５ｍｍ程度のスペーサ１０８
が挿入されている。スペーサ１０８はＬＥＤ１０１の発
光部を除く位置、即ち、図１においてＬＥＤチップ１１
３の底面より底部１０７側に方に配置する。

【００２６】バルク型レンズ１２０は、例えば頂部１０
３が凸形状球面を有し、外周部１０９が円柱形状を成し
ている。この外周部１０９の直径（２Ｒ0 ）は、例えば
１０〜３０ｍｍφであるが、使用目的に応じて任意に選
択できる。しかしながら、より集光効率を高くするため
には、１０ｒ＞Ｒ0 ＞３ｒ（１）の関係を満足することが好ましい。バルク型レンズ１２
０の外周部１０９の直径（２Ｒ0 ）は、凹部１０６の内
周部１０５の内径（２ｒ）の１０倍以上でも、本発明の
バルク型レンズは機能するが、必要以上に大きくなり小
型化を目的とする場合は好ましくない。

【００２７】上記構成のバルク型レンズは、以下に説明
する理由により、従来の凸型形状の球面レンズを使用し
た光学系よりも極めて低損失で収束できる。ＬＥＤは発
散角の大きな光源であるため、従来の凸型形状の球面レ
ンズによって、ＬＥＤから発する全ての光を平行光線と
すると光損失が避けられない。図２は従来の凸型形状球
面レンズによる集光作用を示す図で、図２（Ａ）は凸型
片球面レンズを使用して、ＬＥＤ光源からの光を平行光
とする状態を示している。図において、レンズは曲率半
径ｒを有し、光源から焦点距離ｆに配置している。片球
面レンズの焦点距離はレンズの屈折率をｎとして、ｆ＝
ｒ／（ｎ−１）であるから、屈折率ｎ＝１．５とした場
合、ｆ＝２ｒとなる。従って、図から明らかなように、
レンズが受光できる発散角の最大は３０°となり、図２
（Ｂ）に示す光線は平行光とすることができない。すな
わち、従来のレンズを使用したのでは、焦点距離と曲率
半径の関係から定まる開口角以上の光は取り込むことが
できないので、損失が大きい。ＬＥＤ光源は３０°以上
の発散角を有するものが多く、この場合には、上記理由
により大きな損失が生じる。従来はこのような場合、高
屈折率レンズを使用して改善しているが、コストが高く
なる。あるいは、レンズを複雑に組み合わせて対処して
いる例もあるが、この場合には、下記に説明するフレネ
ル反射損が増大してしまう。

【００２８】図２（Ｂ）は従来の凸型片球面レンズ入射
面における反射の状況を示す図である。矢印のついた線
は、ＬＥＤから出射し凸型形状球面レンズの光入射面で
反射される光線を表す。θ（θ1 、θ2 ）はＬＥＤから
出射角、すなわち発散角を表し、φ（φ1 、φ2 ）はそ
れぞれの光線のレンズ面での入射角を表す。図３は、フ
レネルの反射の法則を表した図である。図において、横
軸は光線の入射角であり、縦軸は光強度の反射率であ
り、レンズの屈折率を１．５とし、空気中から光線がレ
ンズ面に入射する場合を表している。図から明らかなよ
うに、入射角が５０°あたりまでは反射率が低く一定で
あるが、５０°を越えたあたりから急激に反射率が増加
するのがわかる。図２（Ｂ）に示した入射角が大きい光
線は、図３のフレネルの反射の法則から明らかなように
反射される割合が高い。例えば、屈折率１．５の片凸型
球面レンズを使用し、このレンズの焦点距離に発散角３
０°の光源をおいて平行光を作る場合には、上記の反射
光による損失は全光量の３０％近くに達する。従って、
従来の光学系におけるようにレンズを多段に接続したの
では、フレネル反射が多段に生ずることになり、損失が
増えてしまう。これらの反射光は空間に散逸してしま
い、収束光として利用することはできない。

【００２９】一方、本発明のバルク型レンズにおいて
は、発散角が大きい光束であっても、全ての光束をレン
ズ面に入射させることができ、バルク型レンズの幾何学
構造の設計により、全ての光束を平行光線にできるか
ら、極めて損失の少ないレンズである。また、フレネル
の反射を起こす反射面は、天井部２及び頂部３であるか
ら、これらの面で反射した反射光（迷光）はバルク型レ
ンズ内に反射される。これらの反射光（迷光）は、外周
部１０９で全反射することによりバルク型レンズ外に散
逸せず、一部が頂部１０３及び天井部１０２であるレン
ズ面にもどり収束光となる。また、他の一部は、底部１
０７で反射されて頂部１０３又は天井部１０２にもど
り、収束光となる。また、他の一部はＬＥＤ光源で吸収
されて再発光し、収束光となる。

【００３０】図４はＬＥＤ光源にもどった光が再発光す
る過程を示す図である。図において、もどってきた光は
ＰＮ接合で吸収されてホールと電子を生じ、このホール
と電子が再結合して再発光する。特にこの効果は、ヘテ
ロ構造を有するＬＥＤの場合に大きい。ヘテロ構造のＬ
ＥＤは、発光部であるＰＮ接合部のバンドギャップ・エ
ネルギーがＰ及びＮ領域のバンドギャップ・エネルギー
よりも小さく形成されているので、反射光（迷光）はＰ
又はＮ領域では吸収されずにＰＮ接合部のみで吸収さ
れ、再発光する。また、本発明のバルク型レンズにおい
ては、内周部１０５に入射する光も外周面１０９におけ
る全反射によって頂部１０３に導かれ収束光となって出
射する。この効果は、ＬＥＤ光源１０１をバルク型レン
ズの光学媒質よりも屈折率の高い光学媒質を介して収納
部に収納するとさらに効果が高まる。本発明のバルク型
レンズにおいては上記に説明した相乗効果により、内部
量子効率とほぼ等しい効率で、ＬＥＤ光源の光を有効に
収束光として取り出しているため、従来の凸型形状の球
面レンズに較べ極めて低損失になると考えられる。

【００３１】図５は、本発明の表示装置に用いるバルク
型レンズと従来の凸形状の球面レンズとで平行光を作成
した場合の特性を比較するための測定系を示す図であ
る。図５（Ａ）は、本発明の第１の実施例に係るバルク
型レンズ１２０を用いた場合の、光軸方向に対して垂直
方向に光強度（照度）分布を測るための測定系を示す模
式図である。バルク型レンズ１２０の出射面からの出力
光の強度（照度）を、ＬＥＤ１０１からの測定距離ｘ＝
一定とし、照度計２０２をｙ軸方向に移動して測定す
る。測定距離（ｘ）は、光軸方向に測る。一方、図５
（Ｂ）は、同様な測定を従来の両凸レンズを用いて行う
ことを示す図である。

【００３２】図５（Ａ）及び（Ｂ）に示す測定において
は、本発明の表示装置に用いるバルク型レンズ１２０の
外径は３０ｍｍφとし、比較に用いた両凸レンズ２０１
の外径はこの２倍強の６３ｍｍφとした。両凸レンズ２
０１は、焦点距離１５０ｍｍのものを用い、ＬＥＤ１０
１からｘ方向に１５０ｍｍの位置に配置した。また、Ｌ
ＥＤ光源１０１の発散角は約１２度のものを使用した。

【００３３】図６は本発明の表示装置に用いるバルク型
レンズと従来の凸形状の球面レンズとで平行光を作成し
た場合の特性を比較した図であり、バルク型レンズ１２
０、従来の薄型レンズ（両凸レンズ）２０１及びバルク
型レンズを用いない裸のＬＥＤのそれぞれの出力光のｙ
方向に沿った強度（照度）分布を、測定距離ｘ＝１ｍに
おいて測定した場合の結果を示す。バルク型レンズ１２
０が、従来の薄型レンズ（両凸レンズ）２０１の２倍の
照度が得られている。この結果は、本発明のバルク型レ
ンズが従来の光学系では実現できない効果を有すること
を示している。

【００３４】図７は本発明の表示装置に用いるバルク型
レンズと従来の凸形状の球面レンズとで作成した平行光
の平行度を評価した図であり、図５と同様にｙ方向に沿
った強度（照度）分布を、測定距離ｘを変化させて測定
したデータをまとめたものである。図の横軸は測定距離
ｘの逆数の２乗、即ち１／ｘ2 を示し、縦軸は測定距離
ｘにおける最大強度（ピーク強度）を示す。図から明ら
かなように、バルク型レンズの場合は、逆２乗則、即ち
１／ｘ2 を示す線上にきれいに測定点がプロットされ
る。一方、従来の薄型レンズ（両凸レンズ）２０１の場
合は、逆２乗則からずれていることがわかる。この結果
は、本発明の表示装置に用いるバルク型レンズ１２０
は、平行度においても十分であり、従来のレンズ系に較
べ、勝るとも劣らない性能を実現できることを示してい
る。

【００３５】図８は本発明の表示装置に用いるバルク型
レンズの幾何学的構造と集光率の関係を示す図である。
ここで「集光率」とは、「バルク型レンズからの±１°
以内の発散角における出力光の光量」を、「光源（ＬＥ
Ｄ）からの±１２°以内の発散角における光量」で除し
た量で定義している。すなわち光線ビーム径に対応する
量である。頂部１０３の曲率半径Ｒ、バルク型レンズの
全長Ｌ、媒体長（頂部と天井部のレンズ間距離）Ｄ、収
納部内径（凹部の内周部系）ｒ、天井部２の曲率部分長
さΔをパラメータとして、集光率を測定した。尚ここ
で、Δの符号は図１に示すように、天井部１０２が凹で
ある場合を負とし、凸の場合を正と定義する。図９は、
作製した本発明のバルク型レンズの幾何学的構造を示す
図である。図８から、集光率を向上するためには、０．９３＜ｋ（Ｒ／Ｌ）＜１．０６・・・・・（２）ｋ＝１／（０．３５・ｎ −０．１６８）・・・・・（３）を満足することが好ましいことが実験的にわかる。ここ
で、ｎは、バルク型レンズの材料である光学媒質の屈折
率である。なお、バルク型レンズ１２０の円柱形状部分
の半径Ｒｏと、頂部１０３の曲率半径をＲとは、必ずし
も等しい必要はない。

【００３６】次に、本発明の表示装置に用いるバルク型
レンズの他の例を説明する。図１０は天井部１０２を凸
形状にした本発明のバルク型レンズの構造を示す図であ
る。図１０において、バルク型レンズ１２２は、天井部
１０２の形状が異なる外は、図１に示したバルクレンズ
１２０と同等である。測定に用いたバルク型レンズ１２
２の円柱形状部分の外径２Ｒｏは１５ｍｍφ、バルク型
レンズの全長Ｌは、２５ｍｍ、頂部と天井部のレンズ間
距離Ｄは１６ｍｍ、収納部６の内径ｒは５．２ｍｍ、バ
ルク型レンズの屈折率ｎは１．５４である。このバルク
型レンズの頂部１０３の曲率半径Ｒは８．２５ｍｍであ
る。又、測定に用いた樹脂モールドされたＬＥＤ１の外
径は５ｍｍφである。

【００３７】図１１（Ａ）〜（Ｃ）及び図１２（Ａ）〜
（Ｃ）は、天井部１０２の凸部の高さΔと、ビーム強度
プロファイルとの関係を示す図である。光源からの距離
ｘ＝１ｍで照度を測定した。図から明らかなように、天
井部１０２を凸形状のレンズとしても集光特性が得られ
ることがわかる。

【００３８】このようにして、本発明の表示装置に用い
るバルク型レンズによれば、ＬＥＤ等の光源を多数必要
とすることなく、照明に寄与する光ビームとして所望の
照射面積の光束を確保し、且つ所望の照度を簡単に得る
ことが出来る。この照度は従来公知のレンズ等の光学系
では達成不可能な照度である。驚くことに、現在市販さ
れているハロゲンランプを用いた細身の懐中電灯と同程
度の照度がたった１個のＬＥＤで実現出来たのである。
このように、本発明の表示装置に用いるバルク型レンズ
によれば、従来の技術では実現できない照度を、図１に
示すような簡単な構造で実現できる。

【００３９】なお、本発明の表示装置に用いる光源は、
種々の色（波長）のＬＥＤが使用可能である。白色ＬＥ
Ｄは種々の構造のものが使用出来る。例えば、赤
（Ｒ）、緑（Ｇ）及び青（Ｂ）の３個のＬＥＤチップを
縦に積層して構成しても良い。この場合、それぞれの色
のＬＥＤチップに対応し、合計６本のピンが導出されて
も良く、６本のピンを２本にまとめ、外部ピンとしては
２本設けられた構造としてもかまわない。又、一方の電
極（接地電極）を共通とすれば、外部ピンは４本でよ
い。又、赤（Ｒ）色、緑（Ｇ）色及び青（Ｂ）色の３枚
のＬＥＤチップの駆動電圧を互いに独立に制御出来るよ
うにしておけば、あらゆる色の混合が可能であるので、
色合いの変化を楽しむことが可能である。

【００４０】本発明の表示装置に用いるバルク型レンズ
１２０としては、アクリル樹脂等の透明プラスチック材
料、石英ガラス、ソーダ石灰ガラス、ホウケイ酸ガラ
ス、鉛ガラス等の種々のガラス材料等が使用可能であ
る。或いは、ＺｎＯ、ＺｎＳ、ＳｉＣ等の結晶性材料を
用いてもかまわない。又、可とう性、屈曲性や伸縮性の
あるゾル、ゲル、ゾル・ゲル混合物、或いは透明ゴムの
ような材料でもよい。また、ゾル、ゲル、ゾル・ゲル混
合物等を透明ゴムやフレキシブルな透明プラスチック材
料等に格納して用いても良い。アクリル樹脂等の透明プ
ラスチック材料等はバルク型レンズ１２０を大量生産す
るのに好適な材料である。即ち、一度金型を作り、この
金型により成形加工すればバルク型レンズ１２０が簡単
に大量生産出来る。

【００４１】次に、本発明の表示装置に用いるバルク型
レンズの変形例について説明する。変形例における本発
明のバルク型レンズは、端面放射型ＬＥＤのように、Ｌ
ＥＤチップの側面から発光する光源を使用する場合にも
使用できるものである。端面放射型ＬＥＤはＬＥＤチッ
プの側面から発光するものであり、そのため、上記のバ
ルク型レンズにこのＬＥＤチップを装着した場合には、
バルク型レンズの内周部１０５に垂直に入射する成分が
多くなるため、全反射されずにバルク型レンズの外部に
散逸する光が多くなる。変形例のバルク型レンズはこの
ような光源に対しても、極めて低損失で収束光を得るこ
とができる。

【００４２】図１３は、本発明の表示装置に用いるバル
ク型レンズの内周部１０５と外周部１０９とが傾きを有
する場合の光線の光路を示す図である。図において、光
源の発散角をθd 、内周部５と外周部９との傾き角を
φ、外周部９の全反射角をθt 、内周部５における光線
の入射角、屈折角をθ1 及びθ2、そしてバルク型レン
ズの光学媒質の屈折率、収納部（凹部）６の屈折率をｎ
₂及びｎ₁とする。図は、光源の最大出射角、すなわ
ち、発散角の光線が傾き角φにより全反射条件を満た
し、全反射されている状態を表している。内周部１０５
において、スネルの屈折の法則より、θ1 とθ2 の間に
は、ｓｉｎθ1 ／ｓｉｎθ2 ＝ｎ₂／ｎ₁ （４）が成り立ち、また、図から明らかなように、θt 、φ、
θ2 の間には、 θt ＝φ＋θ2 （５）が成り立つ。また、図から明らかなように、θd 、θ1
、φの間には、 θd ＝９０°−（θ1 ＋φ）（６）の関係が成り立つ。上記（４）、（５）、（６）式より
θ1 とθ2 を消去すると、バルク型レンズが全反射角θ
t を有し、光源の発散角がθd である場合の、全反射す
るために必要な傾き角φを与える関係式として、ｓｉｎ^-1｛ｎ₁／ｎ₂ｃｏｓ（θd ＋φ）｝＝θt （７）が得られる。すなわち、（７）式を満たす傾き角φ以上
で内周部１０５と外周部１０９が傾いていれば、たと
え、内周部１０５に垂直に光が入射する場合（θd＝９
０°）でも全反射され、頂部１０３へ、あるいは底面１
０７で反射して頂部１０３へ導かれるから、収束光を得
ることができる。

【００４３】図１４は上記のバルク型レンズの構成を示
す図である。図１４（Ａ）はバルク型レンズ１２０の内
周部１０５の表面に微細な凹凸を設けた例を示してい
る。この凹凸は少なくとも（７）式を満足するφ以上の
傾き角を有しており、また、この凹凸の大きさは光波長
程度でよい。また、この凹凸は内周部１０５の光源近傍
に設けるだけでよい。このような凹凸は、適切な粒径の
研磨剤を用いて内周部１０５の表面を磨くことによって
簡単に形成できる。図１４（Ｂ）は、ほぼ真横方向に出
射した光線がバルク型レンズ内を全反射して又は底面１
０７で反射してかつ側壁で全反射して、頂部１０３に導
かれる様子を示している。このように、例えば、端面発
光ＬＥＤのようにほとんどの出射光がチップの側面から
出射するようなＬＥＤを使用する場合においても、全て
の出射光を収束できる。また、レンズ部と光源を収納す
る収納部とが一体で形成されているため、従来のレンズ
系では必要であったレンズと光源を光学的位置合わせを
して保持する保持部を必要とせず、また、光学的位置合
わせ工程を必要とせず、ただ光源にかぶせるだけでよい
ので極めて低コストである。

【００４４】図１５及び図１６はこの発明による表示装
置の一実施形態を示している。図１５及び図１６におい
て、表示装置１０は、発光装置１１と、発光装置１１を
二軸方向に揺動可能に支持する支持部１２と、発光装置
１１から光軸方向に沿って後方に延びるガイド軸１３が
係合するカム溝を備えたカム部材１４と、ガイド軸１３
を回転駆動する駆動手段１５と、から構成されている。

【００４５】上記発光装置１１は、発光部２１と、この
発光部２１に対向して配設された光学部材２２と、発光
部２１を駆動する駆動部２３と、この駆動部２３に給電
する電源部２４と、これら発光部２１，バルク型レンズ
２２，駆動部２３，電源部２４のうち発光部２１及びバ
ルク型レンズ２２を内蔵するケース２５と、を含んでい
る。なお、上記駆動部２３及び電源部２４は発光装置１
１の外部に設けられており、接続コード２６を介して駆
動部２３からの駆動信号が発光装置１１の発光部２１に
供給されるようになっている。

【００４６】上記発光部２１はケース２５内に収容され
ており、光源２１ａ、例えば一つの半導体レーザ素子
と、この光源２１ａが実装される配線基板２１ｂと、か
ら構成されている。なお、上記光源２１ａは、半導体レ
ーザ素子に限らず、例えばＬＥＤ等の各種光源を使用す
ることができる。また、配線基板２１ｂの表面には、外
部の駆動部２３からの接続コード２６が接続される端子
部（図示せず）が形成されていると共に、この端子部に
上記光源２１ａのリード線が接続されている。

【００４７】上記バルク型レンズ２２は、例えばアクリ
ル樹脂，ガラス等の透光性材料から構成されており、後
端が上記発光部２１に対向していると共に、前端部がケ
ース２５から外側に向かって突出している。ここで、バ
ルク型レンズ２２は、図２に示すように、凸状の前端面
２２ａと、円筒状の外周面２２ｂと、平坦な後端面２２
ｃとを有しており、後端面２２ｃの中心付近には中心軸
（光軸）に沿って前方に向かって延びる凹部２２ｄを備
えている。この凹部２２ｄは天井部２２ｅと円筒状の内
周部２２ｆとを有している。そして、前記発光部２１の
光源２１ａは、バルク型レンズ２２の凹部２２ｄ内に嵌
入して保持されるようになっている。

【００４８】なお、発光部２１から見て、天井部２２ｅ
は第一のレンズ面として、また頂部２２ａは第二のレン
ズ面として機能することによりバルク型レンズ２２がレ
ンズとして作用する。また、内周部２２ｆは光源２１ａ
からの光入射面として作用する。外周部２２ｂは内側に
て反射面として作用するようになっている。この反射面
としての作用を向上させるために、外周部２２ｂの表面
に反射部材を備えてもよい。同様に、後端面２２ｃの表
面に反射部材２２ｇが備えられてもよい。

【００４９】上記駆動部２３は、電源部２４から給電さ
れることにより発光部２１の光源２１ａに対して駆動電
流を供給するように構成されている。また、上記駆動部
２３は、前述したように発光装置１１の外部に設けられ
ているが、発光部２１の配線基板２１ｂ上に形成されて
いてもよい。その場合、接続コード２６は電源部２４か
ら駆動部２３への給電を行なう。なお、上記駆動部２３
の具体的構成は、使用する光源２１ａに対応して適宜に
選定されるようになっている。上記電源部２４は発光装
置１１の外部に設けられており、例えばスイッチング電
源等の適宜の構成であって、駆動部２３に対して所定の
駆動電圧を印加する。

【００５０】上記ケース２５は、図示の場合、細長い円
筒状に形成されていると共に、発光部２１及びバルク型
レンズ２２を収容している。さらに、上記ケース２５
は、発光装置１１の光軸方向に沿って後方に延びるよう
に形成されたガイド軸１３を備えている。このガイド軸
１３は、ケース２５と一体に構成されていてもまた別体
に構成されケース２５に一体的に取り付けられていても
よい。さらに、上記ガイド軸１３は、少なくともその先
端１３ａが摩擦係数の小さい材料、例えばテフロン（登
録商標），デルリン等の樹脂材料から構成され、あるい
はその表面がこれらの材料により覆われている。なお、
ガイド軸１３は、カム部材１４のカム溝１４ａ内を摺動
する際の摩擦を低減するために、上記摩擦係数の小さい
材料の代わりに先端１３ａにカム溝１４ａに係合するベ
アリングを備えるようにしてもよい。

【００５１】また、上記支持部１２は公知の構成であっ
て、発光装置１１を光軸に垂直な二軸方向、即ち図１７
にてＸ，Ｙ方向に延びるＸ軸及びＹ軸の周りに揺動可能
に支持している。ここで、上記Ｘ軸及びＹ軸は発光装置
１１の重心付近を通るようにその位置が選定されてい
る。これにより、発光装置１１はＸ軸及びＹ軸の周りに
非常に小さい慣性モーメントで揺動し得るようになって
いる。

【００５２】上記支持部１２は、具体的には図１７に示
すように構成されている。図１７において、支持部１２
は、発光装置１１をＸ軸方向に軸方向を有する回転軸１
２ａの周りに揺動可能に支持する支持リング１２ｂと、
この支持リング１２ｂをＹ軸方向に軸方向を有する回転
軸１２ｃの周りに揺動可能に支持する固定部１２ｄとか
ら構成されている。これにより、発光装置１１が回転軸
１２ａ及び回転軸１２ｃの周りに揺動して、発光装置１
１の光軸に垂直な二軸方向に揺動可能に支持されること
になる。なお、好ましくは、上記支持部１２による発光
装置１１の支持は発光装置１１の重心位置付近にて行な
われるようになっている。

【００５３】また、上記カム部材１４は、円板状の本体
１４ａが発光装置１１の光軸に対して実質的に垂直に固
定保持されると共に、図１８（Ａ）に示すように、本体
１４ａの中心の周りに環状に形成された所定形状、図示
の場合ハート型のカム溝１４ｂを有している。そして、
このカム溝１４ｂには、前述したガイド軸１３の先端１
３ａが係合する。なお、カム溝１４ｂは、前述したガイ
ド軸１３が円滑にカム溝１４ｂに沿って移動し得るよう
に、回転角度に対して一意に決まるような形状を有して
いる。

【００５４】上記駆動手段１５は、図１８（Ｂ）に示す
ように、その駆動軸１６ａがカム部材１４の中心軸方向
に延びる駆動モータ１６と、駆動モータ１６によりカム
部材１４の中心軸の周りに回動される駆動アーム１７と
から構成されている。上記駆動モータ１６は公知の構成
であって、図示しない電源から給電されてその駆動軸１
６ａが回転し、駆動アーム１７を回転駆動する。この駆
動アーム１７は、駆動軸１６ａから垂直に半径方向外側
に向かって延びるように形成され、その長手方向（半径
方向）に沿って延びるスロット１７ａを有している。こ
のスロット１７ａ内には、前述の発光装置１１のガイド
軸１３が係合しており、駆動アーム１７が回転してガイ
ド軸１３が駆動軸１６ａの周りに旋回されるようになっ
ている。

【００５５】この実施形態による表示装置１０は以上の
ように構成されており、使用する場合には、駆動手段１
５の駆動モータ１６が駆動されて、駆動アーム１７が駆
動軸１６ａの周りに揺動される。これにより、発光装置
１１のガイド軸１３が、駆動アーム１７の揺動により強
制的にカム部材１４の中心の周りに揺動される。その
際、ガイド軸１３の先端１３ａがカム部材１４のカム溝
１４ａに係合していることにより、ガイド軸１３は、カ
ム溝１４ａの形状に従って駆動アーム１７のスロット１
７ａ内を半径方向に移動しながら、カム溝１４ａに沿っ
て摺動することになる。この場合、ガイド軸１３の先端
１３ａの表面領域が摩擦係数の小さい材料により構成さ
れているので、カム溝１４ａに沿って円滑に移動する。
そして、このガイド軸１３の先端１３ａのカム溝１４ａ
に沿った移動により、発光装置１１は、支持部１２で二
軸方向に揺動可能に支持されていることと相まって、発
光装置１１の前端がガイド軸１３と反対側を向くように
振られる。これにより、発光装置１１から光軸方向に沿
って出射した光は、空中にてカム溝１４ｂと逆向きの形
状に振られ、光ビームの軌跡によって空中にカム溝１４
ｂと逆向きの表示を行なう。

【００５６】ここで、発光装置１１においては、発光部
２１の光源２１ａから出射する光が以下のようにして光
軸方向に向かって照射されるようになっている。電源部
２４からの駆動電圧が発光部２１の配線基板２１ｂ上の
駆動部２３に供給され、駆動部２３が動作して光源２１
ａに駆動電流を流す。これにより光源２１ａが発光し、
光源２１ａから出射した光は、一部が直接にバルク型レ
ンズ２２の凹陥部２２ｄ内にてバルク型レンズ２２内に
入射し、また他の一部がバルク型レンズ２２の凹部２２
ｄ内の内周部２２ｅから光学部材２２内に入射する。こ
のとき、光源２１ａが光学部材２２の凹部２２ｄ内に嵌
入しているので、光源２１ａより前方にてバルク型レン
ズ２２内に入射した光は、バルク型レンズ２２の屈折率
に基づいて前方に向かって屈折してバルク型レンズ２２
の前方に向かって導かれ、バルク型レンズ２２の外周面
２２ｂで反射されて、バルク型レンズ２２の前端面２２
ａに達する。また、上記光源２１ａより後方にてバルク
型レンズ２２の内周面２２ｅに入射した光は、バルク型
レンズ２２の屈折率に基づいて後方に向かって屈折し
て、バルク型レンズ２２の後端面２２ｃから出射する
が、この後端面２２に反射部材が設けられている場合に
はこの反射部材で反射され、再びバルク型レンズ２２の
後端面２２ｃからバルク型レンズ２２内に入射して前方
に向かって導かれる。

【００５７】これにより、光源２１ａから出射した光
は、側方や後方に向かう光もバルク型レンズ２２内に取
り込まれると共に、光源２１ａからバルク型レンズ２２
内に入射した光は、バルク型レンズ２２の頂部２２ａに
導かれて、バルク型レンズ２２のレンズ効果によって絞
り込まれることにより、この頂部２２ａから狭い照射角
度で前方に向かって出射して、対象物を照明する。

【００５８】このようにして、発光装置１１の発光部２
１の光源２１ａからの光は、側方または後方に向かって
出射した光を含めて、高効率でバルク型レンズ２２内に
入射し、バルク型レンズ２２のレンズ効果により拡散ま
たは集束されて、対象物を照明することになる。そし
て、発光装置１１がカム部材１４のカム溝１４ａの形状
に基づいてガイド軸１３の先端１３ａが摺動することに
より、発光装置１１から出射される光ビームの軌跡が、
空中にてカム溝１４ａの形状に対応した逆向きの表示を
行なうことになる。この場合、発光装置１１の光源２１
ａとして、例えば半導体レーザ素子等の小型の光源を使
用すれば、駆動手段１５及びカム部材１４により容易に
発光装置１１から出射する光ビームを振ることができる
ので、小型で簡単な構成により、さらに上述した特別の
構成の光学部材、すなわちバルク型レンズ２２を使用す
ることによって、効率良く集光して十分な光量の光を照
射することができる。

【００５９】上述した実施形態において、発光部を構成
する光源２１ａは１個のみが使用されているが、これに
限らず２個以上の光源を備えていてもよいことは明らか
である。また、上述した実施形態において、バルク型レ
ンズ２２の第一のレンズ面である天井部２２ｅは凹面、
および、第二のレンズ面である頂部２２ａは凸面として
それぞれ形成されているが、これに限らず前端面２２
ａ，内端面２２ｅはそれぞれ凸面，凹面又は平面あるい
はフレネルレンズ面として形成されてもよい。

【００６０】さらに、上述した実施形態において、バル
ク型レンズ２２の外周部２２ｂ及び内周部２２ｆは、そ
れぞれ円筒状に形成されているが、これに限らず、例え
ば楕円柱状，多角形状等に形成されてもよく、さらには
前方に向かって先細になるようなテーパを有していても
よい。また、上述した実施形態においては、カム部材１
４のカム溝１４ａはハート型に形成されているが、これ
に限らず、カム部材１４の中心に対する回転角度により
一意に決まる環状の形状であれば、他の任意の形状を有
していてもよいことは明らかである。

【００６１】

【発明の効果】以上述べたように、この発明によれば、
発光装置から出射する光ビームを、駆動部でカム部材の
カム溝の形状に対応して振ることによって、光ビームの
軌跡により文字，図形等の所望の形状の表示を行なうこ
とができる。この際、発光装置において、発光部の光源
としてＬＥＤ等の小型の光源から出射する光を、上述し
た特別の構成の光学部材であるバルク型レンズを使用す
ることによって、効率良く集光して十分な光量の光を照
射することができ、かつ、質量が小さいので高速に動作
できる。このようにして、本発明によれば、簡単で小型
の構成により容易に光ビームの軌跡により文字，図形等
の所望の形状の表示を行なうことができるようにした表
示装置が提供される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の表示装置に用いるバルク型レンズの構
成を示す断面図である。

【図２】従来技術のレンズ系による損失の状況を示す図
である。

【図３】フレネル反射を示す図である。

【図４】ＬＥＤのＰＮ接合において反射光（迷光）が再
発光する過程を示す図である。

【図５】本発明の表示装置に用いるバルク型レンズと従
来のレンズとの特性比較に用いた測定系を示す図であ
る。

【図６】本発明の表示装置に用いるバルク型レンズと従
来のレンズの集光特性を比較した図である。

【図７】本発明の表示装置に用いるバルク型レンズと従
来のレンズの集光特性を比較した図である。

【図８】本発明の表示装置に用いるバルク型レンズの幾
何学形状の違いによる特性変化の実測値を示す図であ
る。

【図９】図８の測定に用いた本発明の表示装置に用いる
バルク型レンズの幾何学形状を示す図である。

【図１０】本発明の表示装置に用いる他のバルク型レン
ズの構成を示す断面図である。

【図１１】本発明の表示装置に用いる他のバルク型レン
ズの幾何学形状の違いによる特性変化の実測値を示す図
である。

【図１２】本発明の表示装置に用いる他のバルク型レン
ズの幾何学形状の違いによる特性変化の実測値を示す図
である。

【図１３】本発明の表示装置に用いるバルク型レンズの
変形例の原理を説明する模式図である。

【図１４】本発明の表示装置に用いるバルク型レンズの
変形例の構成を示す図である。

【図１５】本発明による表示装置の一実施形態の構成を
示す概略斜視図である。

【図１６】図１５の表示装置で使用される発光装置のバ
ルク型レンズの構成を示す拡大断面図である。

【図１７】（Ａ）は図１５の表示装置における支持部の
概略斜視図、（Ｂ）は正面図である。

【図１８】（Ａ）は図１５の表示装置におけるカム部材
及び駆動手段の関係を示す概略正面図、（Ｂ）は断面図
である。

【符号の説明】

１０１、２１ａ光源１０２、２２ｅ天井部１０３、２２ａ頂部１０４光学媒体１０５、２２ｆ内周部１０６、２２ｄ凹部１０７、２２ｃ底部、後端部１０８スペーサ１０９、２２ｂ外周部１２０、２２バルク型レンズ２０１両凸球面レンズ２０２照度計１０表示装置１１発光装置１２支持部１３ガイド軸１４カム部材１４ａカム溝２１発光部２１ｂ配線基板２２ｇ第一のネジ部２２ｈ環状溝２２ｉ第三のネジ部２３駆動部２４電源部２５ケース

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考） // Ｆ２１Ｙ 101:02 Ｆ２１Ｙ 101:02

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光軸方向に沿って光ビームを出射する発
光装置と、前記発光装置を光軸に垂直な二軸方向に関して揺動可能
に支持する支持部と、環状の所定の形状を有しており、発光装置から光軸方向
に沿って後方に延びるガイド軸を受容するカム溝を備え
るカム部材と、前記ガイド軸をカム溝に沿って摺動させるように、ガイ
ド軸を回転駆動する駆動手段と、を含んでおり、前記発光装置が、頂部と、底部と、外周部と、前記底部
から前記頂部に向かって形成された天井部と内周部とか
らなる凹部とを有している光学媒体からなり、前記凹部
が光源若しくは光検知器の収納部であり、前記天井部が
第１のレンズ面として、前記内周部が光入射面として、
前記外周部が全反射面として、前記底部が反射面とし
て、前記頂部が第２のレンズ面として機能するバルク型
レンズと、このバルク型レンズの凹部に配設された少なくとも一個
の光源から成る発光部と、前記発光部を駆動する駆動部と、この駆動部に給電する電源部と、これらバルク型レンズ，発光部，駆動部及び電源部のう
ち、少なくともバルク型レンズ及び発光部を収容するケ
ースと、を含んでいて、前記発光部の光源からの光がバルク型レンズの凹部の天
井部または内周部からバルク型レンズ内に入射し、直接
にあるいは外周部で反射された後、バルク型レンズの頂
部から光軸方向に沿って狭い照射角度で出射されること
を特徴とする、表示装置。
【請求項２】前記支持部が、発光装置の重心付近を通
る二軸方向に揺動可能に前記発光装置を支持することを
特徴とする、請求項１に記載の表示装置。
【請求項３】前記ガイド軸が、その先端にカム部材の
カム溝内に係合するベアリングを備えていることを特徴
とする、請求項１又は２に記載の表示装置。
【請求項４】前記ガイド軸が、少なくともその先端に
て摩擦係数の小さい材料から構成されていることを特徴
とする、請求項１又は２に記載の表示装置。
【請求項５】前記駆動手段が、カム部材の中心軸方向
に延びる駆動軸を備えた駆動モータと、駆動モータの駆
動軸から半径方向に延びる駆動アームと、を有してお
り、この駆動アームが、発光装置のガイド軸が摺動可能
に係合するように半径方向に延びるスロットを備えてい
ることを特徴とする、請求項１から４の何れかに記載の
表示装置。
【請求項６】前記表示装置のバルク型レンズは、前記
光学媒体の外周部の外径が、前記内周部の内径の３倍以
上１０倍以下であることを特徴とする、請求項１に記載
の表示装置。
【請求項７】前記表示装置のバルク型レンズは、第１
のレンズ面を凸面に形成したことを特徴とする、請求項
１に記載の表示装置。
【請求項８】前記表示装置のバルク型レンズは、前記
第１のレンズ面を凹面に形成したことを特徴とする、請
求項１に記載の表示装置。
【請求項９】前記表示装置のバルク型レンズは、前記
第１のレンズ面を平面に形成したことを特徴とする、請
求項１に記載の表示装置。
【請求項１０】前記表示装置のバルク型レンズは、前
記第１のレンズ面を平フレネルレンズ面に形成したこと
を特徴とする、請求項１に記載の表示装置。
【請求項１１】前記表示装置のバルク型レンズは、前
記第２のレンズ面の曲率半径をＲ、前記バルク型レンズ
の光軸方向に測った全長をＬ、バルク型レンズの屈折率
をｎとして、０．９３＜ｋ（Ｒ／Ｌ）＜１．０６ｋ＝１／（０．３５・ｎ − ０．１６８）の関係を満足することを特徴とする、請求項１に記載の
表示装置。
【請求項１２】前記表示装置のバルク型レンズは、前
記第１のレンズ面の突き出し量をΔ、前記光学媒体の外
周部の外径を２Ｒｏとして、０．０２５＜ Δ／Ｒｏ＜０．０７５の関係を満足することを特徴とする、請求項１に記載の
表示装置。
【請求項１３】前記表示装置のバルク型レンズは、前
記光学媒体の底部に更に背面鏡を備えたことを特徴とす
る、請求項１に記載の表示装置。
【請求項１４】前記表示装置のバルク型レンズは、前
記光学媒体の内部に更に他の凹部を並列配置したことを
特徴とする、請求項１に記載の表示装置。
【請求項１５】前記表示装置のバルク型レンズは、前
記光学媒体が可とう性若しくは屈曲性を有することを特
徴とする、請求項１に記載の表示装置。
【請求項１６】前記表示装置のバルク型レンズは、前
記内周部の光入射面が所定の傾きを有する少なくとも光
波長以上の大きさの凹凸面で構成されていることを特徴
とする、請求項１に記載の表示装置。
【請求項１７】前記所定の傾きφは、前記凹部の屈折
率をｎ₁、前記光学媒体の屈折率をｎ₂、前記光学媒体
内の外周部面における全反射角をθ_t、前記光源の発散
角をθ_dとして、ｓｉｎ^-1｛ｎ₁／ｎ₂ｃｏｓ（θ_d＋φ）｝＝θ_t から定まる角度であることを特徴とする、請求項１６に
記載の表示装置。