JP2005317879A - 液晶レンズ付き発光装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 簡単な構造によって、照明のために発光源から出射する光の経路を電気的に制
御し得る機能を有する発光装置を提供すること。殊に、液晶レンズを適用した発光装置を
提供すること。
【解決手段】 少なくとも１個の発光素子と、少なくとも１枚の液晶レンズとを、それら
の支持体を兼ねた筐体によって所定の間隔を保って支持した発光装置の構成としたこと。
あるいは更に、前記液晶レンズは、その光学的性質を制御するための電極膜を備え、該電
極膜に印加する電圧を変化させ得る電圧可変手段を更に備えたこと。また更に、前記液晶
レンズに重なるように少なくとも１枚の通常レンズを更に設けたこと。また更に、これら
を多数配列したこと。また更に、液晶シャッターを設けたこと。
【選択図】 図１

Description

本発明は任意の照明用の光源として用いられる発光装置に関する。更に詳しくは、発光
素子と液晶レンズとを備えた発光装置に関する。
従来、発光源としてＬＥＤランプあるいは白熱電球等を用い、その前面（主な発光方向
）に凸レンズを配置して、放射光を集光し、指向性を有する照明を行わせる発光装置が公
知である。従来の発光装置の一例を図８の断面図に示す。図において、２はチップ状ＬＥ
Ｄである発光素子で、容器である筐体３の凹部の底に固着されている。凹部の円錐形（あ
るいは多角錐形）をなす内側面は反射率を高めるよう処理された反射面４である。最上部
には凸型の通常レンズ６（透明な材質より成り球面を持つ通常は１枚のレンズ）を配置す
る。通常レンズ６は発光素子２から出る光を発光装置から所定距離に集光させたり、光束
の広がり角度を制御する。この照明装置は、小はＣＤ等の読み取り用から大は自動車のヘ
ッドライトまで、任意の距離にある様々の大きさの対象を照明する。
なお類似の従来例が下記特許文献１にも開示されている。
特開２００３−１５８３０１号公報 図３
従来例の発光装置は図８のように焦点距離が固定である固体の通常レンズ６を用いる。
故に、簡単な構造の発光装置を提供しようとすると固定焦点の構成となり、光束の角度や
集光される焦点の位置を変えることはできない。従って、照明の範囲や光度分布を必要に
応じて変えたり、大きさや距離等が異なる対象に適した照明状態を選択することができな
い。機械的にレンズの焦点位置を変化させることができればそれは可能となるが、それを
実現するためには、１枚のレンズまたは複数枚で構成されたレンズ中の少なくとも１枚の
位置を、光源に対して相対的に移動させる可動機構を組み込まねばならず、発光装置の構
造が極めて複雑になるという欠点を生じる。
本発明の目的は、簡単な構造によって、照明のために発光源から出射する光の経路を電
気的に制御し得る機能を有する発光装置を提供することである。殊に、液晶レンズを適用
した発光装置を提供することである。
本発明の発光装置は、以下の特徴を備える。
（１）少なくとも１個のＬＥＤ等の発光素子と、２枚の透明な基板の間に液晶層が封入
されると共に前記各透明基板の内面側には前記液晶層内の液晶分子の方向を制御するため
の電極膜を設けて成る少なくとも１枚の液晶レンズと、凹型部を有し該凹型部の内表面に
光反射面を設けた筐体とを備え、前記発光素子はその発光面を前記凹型部の開口方向に向
けて前記凹型部の底部に実装され、かつ前記液晶レンズは前記凹部の開口側に前記発光素
子と所定の間隔を保って前記筐体によって支持されていること。
本発明の発光装置は、以下の特徴のうちの少なくとも１つを更に備えることがある。
（２）前記液晶レンズは、その光学的性質を制御するために前記電極膜に印加する電圧
を変化させる電圧可変手段を更に備えたこと。
（３）前記液晶レンズに重なるように、少なくとも１枚の通常レンズを更に設けたこと
。
（４）１個の液晶レンズに対して複数の発光素子を設けたこと
（５）前記筐体は発光素子と液晶レンズを複数組み合わせた配列を支持していること。
（６）更に液晶シャッターを前記液晶レンズと重ねて設けたこと。
液晶層に印加する電圧を変化させることによりレンズ特性を制御することができる液晶
レンズを用いることにより、発光素子から出射する光束の経路を変化させ、１個の発光装
置により照明態様の複数のニーズに合わせた照明を行うことが可能な照明装置を提供する
ことができる。また同じ理由により、１種類の構造の発光装置の印加電圧の設定を異なら
せることにより、異なる固定的な照明対象に適合する照明態様を持った多種類の発光装置
を生産することができる。また可変電圧源を用いることにより、発光装置を使用中に、照
射位置や照射範囲等を即時的に切換え制御することが可能となる。また通常レンズと共に
用いることにより、液晶レンズ特性を通常レンズによって補い、応用範囲を広げることが
できる。また発光素子と液晶レンズを複数配列して制御性の大きな光源とすることができ
る。また更に液晶シャッター機能を持たせ、発光素子を必要に応じて見えなくすることが
できる。
本発明の発光装置は発光素子と、少なくとも１枚の液晶レンズとを、それらの支持体を
兼ねた筐体によって所定の間隔を保って支持している。液晶レンズは対向する１対の透明
基板の内面に透明電極膜を設け、それらの内側の間隙に液晶層を封入した液晶パネルの構
造を有し、電極膜の各部に所定の電圧を印加することによって、液晶層内の液晶分子の方
向を本来の配向方向から変化させ、液晶層を透過する光の屈折率を変化させ、光学レンズ
と同等または近似の作用をさせるものである。
図１は本発明の第１の実施例である発光装置の断面図である。図において、従来例（図
８）と対応する部材には同じ符号を付し、再度の説明は重複を避け省略する。（他の実施
例についても同様とする。）１は液晶レンズであって凸レンズ作用を有し、従来例（図８
）における通常レンズ６を置換したものである。５は可変電圧源で、液晶レンズ１の液晶
層を挟んで対向する透明電極膜に接続されてそれらに所定の電圧を印加し、更にその電圧
を変化させて（電圧を変化させる手段としては種々の公知技術が知られているので例示を
省略する）、液晶レンズの光学特性（例えば焦点距離）を制御する。液晶レンズ１は発光
素子２との間に配置した偏光板（図示省略）と共に使用することがある。
可変電圧源５により液晶レンズ１に印加される電圧を変えて液晶レンズ１の焦点距離を
変化させることにより、発光装置が強く照明する対象物体との距離が変動しても集光状態
を維持させることができ、あるいは照明する範囲を狭広に切換えることができる。
図２は本発明の第２の実施例である発光装置の断面図である。本実施例と既述の第１実
施例との相違は、液晶レンズ１に重ねて通常レンズ６を併用したことである。この構成に
より、液晶レンズ１の焦点距離の本来の可変範囲を通常レンズ６（凸レンズとして図示し
てあるが凹レンズでもよい場合もあり得る）で補い、集光位置の電圧による本来の制御範
囲を遠近に補正し、より広い使用範囲に対応させることができる。液晶レンズ１について
も集光性の場合も散光性の場合もありうる。また液晶レンズ１と通常レンズ６のいずれが
発光素子２の側になってもよい。
図３は本発明の２つの実施例に共通して使用する液晶レンズ１の一例の構造を、電気光
学的特性のグラフと共に示した断面図である。なお液晶レンズ自体の構成は基本的に公知
の技術である。１１は透明な材質より成る上基板、１２は同じく下基板、１３はシール材
で両基板の周囲を囲んでおり、両基板の間に例えばネマチック液晶材料より成る液晶層１
６を封入している。１４は上基板１１の内面に設けたＩＴＯ等の透明導電膜より成る上電
極、１５は下基板１２の内面に設けた同様なＩＴＯの下電極である。１７は液晶層１６の
内部の液晶分子を表している。上下の電極膜の更に内面側（液晶層１６と接する側）には
、それぞれ液晶分子の長軸方向を上下の基板の表面に対して所定の角度でチルトさせ、電
圧無印加の状態で所定の方向に整列配向させるための、配向処理が施された配向膜が存在
するが、図示を省略している。
図示断面は液晶レンズの中心軸Ｃを含み、また液晶分子１７の初期配向方向に一致させ
てある。上電極１４、下電極１５は断面図上に多数表れているが、これらはそれぞれ多数
の同心のリング状をなす上下電極の半径方向の断面である。（上下電極の一方は共通電極
として全部が平面であってもよい。）そしてそれぞれの電極断面に挟まれた液晶層１６内
にはその部分の液晶分子１６の長軸方向が示してある。断面図の上部に示したグラフにお
いて、Ｖは液晶層１６の半径方向の各部に与えられるべき上下方向の電圧（理想的な）を
示し、Δｎはその印加電圧に対応して変化する、液晶層１６の半径方向の各部の実効複屈
折（異常光線と常光線の屈折率の差）の値を示している。
厚さがほぼ一定である液晶層１６が中心軸Ｃを光軸とする凸レンズ作用を発揮するため
には、液晶層１６の実効複屈折Δｎは中心軸Ｃ上に頂点のある回転放物面状に半径と共に
変化することが望ましい。このような変化を与えるため、電圧Ｖ（通常は交流でその実効
値で表す）は本例では液晶レンズ１の中心軸Ｃにおいてゼロ、半径方向に中心Ｃからの距
離に応じて増すように設定される。（現実の液晶レンズでは電圧Ｖはリング状の電極部で
階段状に与えられるため、Δｎも階段的に変化するが、近似的には問題ないレンズ作用が
得られる。）なお現在、液晶層の厚さは数百μｍ以内、液晶レンズの直径は数ｃｍ以内、
焦点距離は数ｃｍ以上が得られるとされている。
このように電圧Ｖが印加された状態での液晶分子１７の方向について述べる。中心部で
はＶ＝０なので層内の全ての分子は初期の配向方向とチルト角を維持しており、Δｎは最
大である。上下の基板１１、１２に近接する液晶分子１７は配向効果のため拘束されたま
まだが、ある半径では、液晶層１６内の深い部分では電圧Ｖのためチルト角が増すように
立ち上がる。その角度はＶが増すほど、結局中心軸Ｃから遠ざかり半径が増すほど大とな
る。液晶分子の傾斜角度に応じてΔｎは減少するので、Δｎについて図示のグラフのよう
な２次曲線的な特性が得られる。故にこの液晶レンズに平行に偏光板（図示せず）を重ね
、紙面に平行な方向に振動する直線偏光のみを選択して軸Ｃの方向に入射させれば、この
偏光は半径に応じて屈折率の異なる部分を通過する。半径の増大と共に内部の屈折率が減
少する透明な平板は、半径の増大と共に厚さが減じる屈折率が一様な通常の凸レンズと同
様な効果を光の波面に対して与え、液晶レンズ（凸レンズ）が成立する。以上で液晶レン
ズに関する原理的な説明を終わる。
次に本発明に使用する液晶レンズの電極構造の具体例を示す。図４はその電極の平面形
状と、電気的接続を示した概念図である。上電極１４は多数の円弧電極１４ａから成る平
面形状をなす（中心部のみ円形）。各円弧電極１４ａはそれぞれ引出電極１４ｂに接続さ
れ、それらは可変電圧源５の出力端子の両端を結ぶ分圧抵抗器６の適宜な中間点に接続さ
れる。なお中心電極からの引出線と、共通電極である円板型の下電極１５（図示の便宜上
小さい円板状に図示されているが、実際には上電極の外径と同大かより大きい）とは共に
可変電圧源５の基準電位側に接続されている。
このような構成により、引出電極１４ｂが占める狭い扇形部分を除き、液晶レンズの液
晶層には、半径増大と共に高い印加電圧が与えられてレンズ作用を呈することは原理上明
白であろう。また分圧抵抗器６の両端に印加される可変電圧源５の出力電圧を変化させる
ことによって、各半径における電圧およびΔｎも比例的に変化し、液晶レンズ全体の焦点
距離を変化させることができる。なお、下電極もリング状として上電極と逆位相の電圧を
与えてもよい。また、分圧抵抗器６は可変電圧源５の一部分であるとして考えてもよい。
また、引出電極１４ｂが接続される分圧抵抗６の中間点は任意に選ぶことができるので、
半径対Ｖ、即ち半径対Δｎに自由な特性を与えることができる。
図５は本発明に使用する液晶レンズの他の一例の電極構造の平面形状と、電気的接続を
示した概念図である。本例（公知例である）では上電極１４は液晶レンズの直径に沿って
配置された直線電極１４ｃと、それに接続された半円形状の円弧電極１４ａとより成る。
直線電極１４ｃの両端は、可変電圧源５の２つの出力端子（互いに逆相の、すなわち符号
の異なる交流電圧を発生している）に接続される。直線電極１４ｃは固有の抵抗を持つの
で、図４のおける分圧抵抗器６と同様な作用をし、半円状の各円弧電極１４ａには、図の
左から右に、−Ｖから＋Ｖまで順次異なる振幅の電圧が与えられることになる。中心部の
電圧振幅はゼロである。
次に図示していないが、下電極１５は上電極１４と全く同形で互いに重なっている。た
だし下電極の直線電極の両端は、左端が＋Ｖ、右端が−Ｖになるように可変電極５の端子
に接続される。この結果、液晶レンズの液晶層の厚さ方向に印加される電圧は外周部が振
幅２Ｖ、中心部で振幅ゼロとなるように半径と共に直線的に変化することとなる。（ただ
し直線電極１４ｂと直交する直径上の狭い範囲だけでは液晶分子の方向が乱れる。）
次に液晶材料の性質について補足説明をしておく。図６は、図５のような電極構成に対
して特に好適な液晶材料の電気光学的特性を示したグラフである。液晶材料の中には、印
加される電圧Ｖｒｍｓ（実効値）に対する実効複屈折Δｎ（実線の曲線Ｂ）が、使用電圧
範囲ΔＶにおいて、２次曲線（点線の曲線Ａ）とほぼ重なるものがある。このような材料
を選んで上記ΔＶの範囲内で使用すれば、液晶レンズの液晶層に対して半径に比例する印
加電圧を与えたとき（図３のグラフあるいは図５の構成のように）、半径に対して回転放
物面的に変化する複屈折値Δｎが得られることになる。本例においても、可変電圧源５の
出力電圧振幅を変えることにより、液晶レンズ１の焦点距離を変化させ得る。
図７は本発明に使用する液晶レンズの更に他の一例の平面的構造を示した概念図である
。本例では液晶レンズ１の液晶層に電圧を加える電極群は多数の微小な画素を構成してい
る。各画素１８はそれらを構成する電極が画素毎に独立していて個々にＴＦＴ等によって
任意の電圧を与えられるようアクティブマトリクス駆動されるか、あるいは各画素１８は
上下のストライプ状電極の交点であり、それらストライプ状電極がいわゆるパッシブマト
リクス駆動されることによって各画素１８毎に異なる電圧を与えられる。多数の画素１８
は点線にて示した仮想リング１９によって何本かの近似的な同心円の帯状に区分され、各
帯内に含まれる全ての画素１８にはその部分の液晶に所定のΔｎを与えるため同一の電圧
が印加される（画素に種類の異なる模様を付して示した）ように可変電圧源（図示せず）
によって制御される。
以上に本発明の発光装置の２つの実施例と、適用される液晶レンズの３つの例について
述べたが、以下説明しなかった変形例等について述べる。図示例に近くても、例えば図４
の電極例では分圧抵抗器６の分圧点を調節したり、あるいは図５の電極例では直線電極１
４ｃの断面積（電極パターンの幅）を部分的に変えたり、形状を非直線的にしたりする修
正によって、半径対電圧の特性を調節し、好ましい半径対ΔＶ特性が得られる使用電圧範
囲ΔＶを拡大することができる。また同一のΔｎが与えられる液晶層の形状（従って電極
または電極群集合の形状）は図示例の同心的リング状に限られず、例えば多角形状や楕円
形状とする場合もあり得る。また電極が多数の画素状をなす場合には場所によるΔｎの微
細な制御が加工となる。また更に電圧分布を変化させれば非球面的なレンズ特性を得るこ
ともできる。
また液晶レンズとして従来、平板状の液晶層を持つものばかりでなく、基板の少なくと
も一方の内面を浅い凹状の球面あるいはフレネルレンズ面とし、基板によって挟まれた液
晶層を凸レンズあるいはフレネルレンズ型とし、そのほぼ全面を覆う透明電極を設けて一
様な可変電圧を与えるように構成したものもあった。このような液晶レンズでも電圧によ
る焦点距離可変効果を持つので、本発明の発光装置に利用することができる。また、液晶
レンズに重ねる偏光板を取り除けば、電圧によって異なる屈折作用を受ける異常光線と、
電圧によらず一様な屈折作用を受ける常光線とが異なる位置で焦点を結ぶので、二重焦点
のレンズ、すなわち異なる集光作用が混在する（例えば全体が一様に照明され、中央部が
特に明るく照明されるなどの効果を呈する）レンズも得られる。また、初期配向方向を互
いに９０°異ならせた２枚の液晶レンズを積層することによって、あらゆる方向の直線偏
光を利用可能にし、偏光板を不要にして明るい発光装置とすることもできる。
また本発明の発光装置においては、発光素子と液晶レンズの１個づつの組合せに限定さ
れない。例えば１個の液晶レンズに複数の発光素子を配して複数のビームを得、これらを
同時に制御することもできる。また多数の発光素子とそれらに対応して配置された多数の
液晶レンズを大きな面積の基板上にアレイ状に配列すれば、面積と光度の大きな照明装置
が得られる。この場合、多数の液晶レンズを１枚の大面積のパネル内に形成してもよく、
コスト低減効果が得られる。また発光素子と液晶レンズの各ペアの焦点を個々に可変電圧
源で制御すれば、アレイ状発光装置の照度分布を可変とする照明装置を得ることもできる
ことになる。
また、液晶レンズに液晶シャッター（ＴＮ液晶パネルに〔実質的に〕全面電極を設けて
所定の電圧を印加し、その背後を可視あるいは不可視とする制御を行うもの）を重ねて配
置し、不要なときには発光装置の内部を見せなくすることができる。液晶シャッターの制
御用電圧は可変電圧源から得ることができるし、偏光板（のうちの一枚）を共通に使用し
得るので、発光装置の全体構成はさほど複雑化しないですむ。また複数の液晶レンズを重
ねてもよい。また液晶シャッターと液晶レンズは酷似した構造であるから、両者を一体的
に構成することも可能である。また筐体にスイッチあるいは簡単な機能操作機構（例えば
非円形に構成した液晶レンズや、偏光板を回転させる）などを設けることも可能である。
その他本発明の範囲内で種々の構成をなし得る余地がある。
本発明の発光装置は、簡単な電気的制御操作により照明特性を随時にまた広範囲に切り
換え得るために極めて高い汎用性を持つ。また固定的あるいは半固定的な対象を照明する
用途に対しても、１あるいは少数種類の発光装置に対して異なる所定の固定あるいは半固
定の電圧を与え（半固定とは少数の設定電圧セットから選択可能であることを意味する）
、あるいは付加的な通常レンズのみの変更あるいは交換によって、同じ構造を持ちながら
異なる用途に適合した発光装置を提供することができるので、少数生産上においても極め
て便利で好都合であると言える。
本発明の第１の実施例である発光装置の断面図である。 本発明の第２の実施例である発光装置の断面図である。 本発明に使用する液晶レンズの一例の構造を、電気光学的特性のグラフと共に示した断面図である。 本発明に使用する液晶レンズの一例の電極構造の平面形状と、電気的接続を示した概念図である。 本発明に使用する液晶レンズの他の一例の電極構造の平面形状と、電気的接続を示した概念図である。 本発明に使用する液晶レンズの他の一例に用いる液晶材料の、電気光学的特性を示したグラフである。 本発明に使用する液晶レンズの更に他の一例における平面的構造を示す概念図である。 従来例の発光装置の断面図である。
符号の説明
１ 液晶レンズ
２ 発光素子
３ 筐体
４ 反射面
５ 可変電圧源
６ 分圧抵抗器
１１ 上基板
１２ 下基板
１３ シール材
１４ 上電極
１４ａ 円弧電極
１４ｂ 引出電極
１４ｃ 直線電極
１５ 下電極
１６ 液晶層
１７ 液晶分子
１８ 画素
１９ 仮想リング
Ａ 二次曲線
Ｂ 実際の特性
Ｃ 中心軸
Δｎ 実効複屈折率
Ｖ 印加電圧
ΔＶ 使用電圧範囲

Claims (6)

  1. 少なくとも１個のＬＥＤ等の発光素子と、２枚の透明な基板の間に液
    晶層が封入されると共に前記各透明基板の内面側には前記液晶層内の液晶分子の方向を制
    御するための電極膜を設けて成る少なくとも１枚の液晶レンズと、凹型部を有し該凹型部
    の内表面に光反射面を設けた筐体とを備え、前記発光素子はその発光面を前記凹型部の開
    口方向に向けて前記凹型部の底部に実装され、かつ前記液晶レンズは前記凹部の開口側に
    前記発光素子と所定の間隔を保って前記筐体によって支持されていることを特徴とする液
    晶レンズ付き発光装置。
  2. 前記液晶レンズは、その光学的性質を制御するために前記電極膜に印
    加する電圧を変化させる電圧可変手段を更に備えたことを特徴とする請求項１に記載の液
    晶レンズ付き発光装置。
  3. 前記液晶レンズに重なるように、少なくとも１枚の通常レンズを更に
    設けたことを特徴とする請求項１あるいは２に記載の液晶レンズ付き発光装置。
  4. １個の液晶レンズに対して複数の発光素子を設けたことを特徴とする
    請求項１ないし３のいずれかに記載の液晶レンズ付き発光装置。
  5. 前記筐体は発光素子と液晶レンズを複数組み合わせた配列を支持して
    いることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の液晶レンズ付き発光装置。
  6. 更に液晶シャッターを前記液晶レンズと重ねて設けたことを特徴とす
    る請求項１ないし５のいずれかに記載の液晶レンズ付き発光装置。
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