JP2009500671A

JP2009500671A - 光の形状及び方向の制御装置

Info

Publication number: JP2009500671A
Application number: JP2008520046A
Authority: JP
Inventors: リファットエイエムヒクメット; ヨハネスペーエムアンセムス
Original assignee: Koninklijke Philips NV; Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2005-07-08
Filing date: 2006-07-06
Publication date: 2009-01-08
Also published as: WO2007007242A2; EP1904879A2; TW200710470A; US20080211978A1; KR20080034456A; CN101218525A; WO2007007242A3

Abstract

【解決手段】光の形状及び方向を制御する装置（２０１）であって、第１の透明平坦基板（２０３）と第２の透明平坦基板（２０５）とを備え、基板は、入射光ビーム（２１１）に対してほぼ垂直に配置されるように構成され、第１の基板と第２の基板との間に配置された液晶層（２０９）を備え、第１の基板上に配置された第１の透明電極パターン（２０７）と、第２の基板上に配置された第２の透明電極パターン（２１７）とを備え、第１の電極パターンと第２の電極パターンとの間の電位差を調節するように構成された制御手段を備え、それにより、液晶層の屈折率を調節するように構成されている。
【選択図】図２ｂ

Description

本発明は、光の形状及び方向を制御する装置、及びこのような装置を備えている照明システムに関する。

今日、表示及び照明の用途において、光の放出を制御するニーズが存在している。このニーズは、光が放出される方向に関するものと、例えば光ビームの形状などの放出される光の空間分布についてものの両方に対してある。

この分野における現状の技術水準は、カメラの焦点板を開示した、米国特許第５，１２２，８８８号明細書がある。

米国特許第５，１２２，８８８号明細書に開示された装置に関する不都合は、光の形状及び方向を制御することができないことである。
従って、本発明の目的は、関連する従来技術における不都合を解消することである。

この目的は、特許請求の範囲に記載された装置及びシステムによって達成される。
すなわち、光の形状及び方向を制御する装置は、
第１の透明平坦基板及び第２の透明平坦基板であって、入射光ビームに対してほぼ垂直に配置されるように構成されている、上記第１及び第２の透明平坦基板と、
第１及び第２の基板の間に配置された液晶層と、
第１の基板上に配置された第１の透明電極パターンと、第２の基板上に配置された第２の透明電極パターンと、
第１の電極パターンと第２の電極パターンとの間の電位差を調節するように構成されている制御手段であって、それにより、液晶層の屈折率を調節するように構成された上記制御手段と、を備えている。
好ましくは、電位差は、ＡＣ周波数に従って制御される。

本発明の利点は、従来技術の装置に関連した問題点を解消しつつ、ビームの形状及び方向の制御中に、光の損失を避けることである。

本発明の実施形態は、第１の電極パターンが、第２の電極パターンとほぼ同一であるような実現を含む。さらに、第１の電極パターン及び第２の電極パターンのうち任意のものは、複数の六角形の特徴を備えている。

電極パターンは、いくつかの実施形態においては、複数の電極セグメントを備え、各セグメントは、電位に関して、個別に調節されるように構成されている。
第１の電極パターン及び第２の電極パターンのうち任意のひとつは、実質的に無特徴である。

また、パターン化された電極の上部に導体を配置することも可能であって、層は、ＭΩ／平方のオーダーの高い表面抵抗を有する。
電極パターンは、空間寸法がほぼ１〜１０μｍの間隔であるような特徴を備え、高い表面抵抗の無い領域においては１０〜１００μｍの範囲の特徴を備える。第１の基板と第２の基板とは、５〜５０μｍの間隔の距離だけ隔てられている。

電極のための１つの好ましい材料の選択は、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）である。
実施形態に含まれる制御装置は、第１の電極パターンと第２の電極パターンとの間の電位差を、０〜２０Ｖ（ｒｍｓ）の間隔で調節するように構成されている。

ひとつの実施形態においては、光の形状及び方向を制御する装置は、液晶材料が第１の方向の配向に沿って整列されている、前述した第１の装置と、液晶材料が第２の方向の配向に沿って整列されている、第２のこのような装置と、を備えている。

第１の方向の配向は、前記第２の方向の配向に対してほぼ垂直であり、また、前記第２の方向の配向に対してほぼ平行である。このような場合、配向が平行であるときには、装置はさらに、前記第１の装置と第２の装置との間に配置された半波長板を備えている。

好ましくは、第１及び第２の装置は、伝達された光の強度における、局所的な最大及び最小の外観を避けるように構成されている。
このような実施形態の利点は、偏光した光からなる光ビームの効率的な制御を提供することである。制御されなければ、本質的に、いかなる光もこのような装置を通り抜けることができない。

別の観点においては、本発明の目的は、上述した装置と光源とを備えている、照明システムによって達成される。

以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。

まず図１を参照すると、光軸１０５を中心として、照明システム１００の断面図を示している。システム１００は、光線１０９及び１１１にて示すように、光を放出する光源１０７と、半径ｒによって定められた空間的範囲を有する光の形状及び方向を制御する装置１０１とを備えている。光１０９，１１１は、光の形状及び方向を制御する装置１０１によって制御され、方向及びコリメーションの両方が影響を受ける。図１において、これは、光軸１０５に沿った焦点距離ｆによって形成された、焦点にコリメートしている光線１０９’及び１１１’によって示されている。角度θは、光線１０９’，１１１’の発散を定めており、当業者が理解するように、焦点距離ｆを変化させることで、発散θは、簡単なｔａｎ（θ）＝ｒ／ｆの関係に従って変化する。偏向角度αも示されているが、これについては図５に関連させて後述する。

詳しくは後述するが、光の形状及び方向を制御する装置１０１は、入力手段１４１を有する制御装置１０３を用いて、光の形状及び方向を制御する装置１０１の特性を調節する。入力手段１４１は、ボタン又はキーの形態にて簡単に実現され、ユーザは、例えば、ＡＣ周波数に従って、電圧レベル又は複数の電圧レベルを調節できる。当業者は認識するだろうが、入力手段１４１と制御装置とは、多少とも知的な回路として統合され、また、制御コンピュータなどに組み込まれ又は接続される。

次に、図２ａ、図２ｂ、及び図２ｃを参照して、光の形状及び方向を制御する装置２０１について、さらに詳しく説明する。図２ａ及び図２ｂは、ｘｚ平面における断面図であって、図２ｃのｘｙ平面における断面ＡＡとして指示されている。装置２０１は、透明な第１の基板２０３と、透明な第２の基板２０５とを、距離ｄだけ隔てて備えている。基板２０３，２０５は、適当なガラス材料から作られている。第１の電極パターン２０７と第２の電極パターン２１７とは、それぞれ第１の基板２０３と第２の基板２０５とに配置され、２つの基板２０３，２０５の間には、液晶材料の層２０９が配置されている。当業者は認識するだろうが、基板２０３，２０５の間には、液晶材料の分子を好ましい共通方向に向けるための配向層（図示せず）が設けられている。このような配向層は、不必要に説明を混乱させないために、省略した。

図２ｃに示すように、電極パターン２０７は、六角形の構造を有し、代表的な空間的スケール２Ｒは４０μｍになっている。図２ｃでは見えていないけれども、第２の電極パターン２１７は、第１の電極２０７のパターンと同一な六角形の構造を有し、ｘｙ平面において、第１の電極パターン２０７に整列されている。

光源（図示せず）からの光２１１は、装置２０１を通って伝達し、光２１１’で示すように装置から出る。図２ａに示した状況においては、それぞれの電極パターン２０７及び２１７に接続された電極ターミナル２３１及び２３２を横切る電圧をゼロとして模式的に示すように、２つの電極パターン２０７，２１７の間には、電位差が存在していない。電場が存在しないとき、すなわち、電極２０７，２１７の間の電位差がゼロであるとき、液晶材料２０９の分子は、配向層（図示せず）によって定められた共通方向（ここではｘ方向）に沿って整列される。

図２ｂは、２つの電極パターン２０７，２１７の間に、ゼロでない電位差が存在している状況を示している。それにより、電極パターン２０７，２１７の間には、電場勾配が誘導され、参照符号２１３にて示すように、液晶材料の分子の配向に勾配が生じる。液晶材料の分子の配向における勾配は、液晶材料の屈折率の有効な勾配をもたらす。

光ビームに対する良好な制御を得るべく、液晶内の屈折率の分布を微調整するためには、パターン化された電極の上部に、高い表面抵抗の層を配置することが望ましい。また、このように、印加電圧の周波数を用いて、改良されたビーム形状のために、改良された屈折率の勾配を得ても良い。図２ｄは、基板（基板２０５など）の上部に配置された、パターン化された電極（図２ａ及び図２ｂにおける電極２０７など）の断面図であって、高い表面抵抗を有する層２２０で被覆されている。

従って、マイクロレンズの配列が得られ、電極パターン２０７，２１７の間に印加する電位差を変更することで、入射光２１１を伝達光２１１’に成形することができる。このようなマイクロレンズの配列の焦点距離ｆは、Δｎを誘導された屈折率の差としたとき、ｆ＝ｒ²／（２×Δｎ×ｄ）で表される。

図３は、図２の電極２０７及び２１７の間に印加される電圧差の関数として、このようなマイクロレンズの配列について、焦点距離ｆと発散θとの実験測定値を示している。図示の通り、少なくとも４〜７Ｖの間隔の電圧差において、電圧差が増加すると焦点距離は減少し、電圧差が増加すると発散は減少する。

図４は、図２の電極２０７及び２１７の間に印加される電圧差が異なるとき、発散角度θの関数として、光ビームの強度の分布について、実験測定値を示している。図示の通り、電圧差Ｕ＝０Ｖのとき、光ビームのＦＷＨＭはおよそ９度であり、Ｕ＝４Ｖのとき、ＦＷＨＭは約１６度であり、Ｕ＝６Ｖのとき、ＦＷＨＭは約１４度である。

次に図５を参照すると、他の実施形態による、光の形状及び方向を制御する装置５０１が示されている。図１、図２ａ、及び図２ｂと同じく、図５は、ｘｚ平面における断面図である。装置５０１は、透明な第１の基板５０３と、透明な第２の基板５０５とを備えている。基板５０３，５０５は、適当なガラス材料から作られている。第１の基板５０３及び第２の基板５０５には、それぞれ、複数の電極セグメント５０７ａ，５０７ｂ，５０７ｃ等からなる第１の電極パターン５０７と、グラウンド５１１に接続された、第２の多少とも無特徴な電極５０９とが配置されている。液晶材料の層は、２つの基板５０３，５０５の間に配置されて、参照符号５０６によって示されている。

制御装置５１３は、第１の電極パターン５０７と第２の電極５０９との間に、電圧差を印加するように制御される。第１の電極５０７における第１のセグメント５０７ａと、第２の電極５０９との間に第１の電圧差Ｕ₁を印加し、第１の電極５０７における第２のセグメント５０７ｂと、第２の電極５０９との間に第２の電圧差Ｕ₂を印加する等により、図５において装置５０１の上方に示したグラフのような、ｘ方向に沿った屈折率の分布が得られる。

装置５０１を通って伝達すると、ｚ方向に沿った光の入射（図５には不図示）は、角度α（図１参照）だけ偏向し、焦点距離及び発散に関しても、前述のように、影響を受ける。

次に図６ａ及び図６ｂを参照すると、以下に説明される本発明による装置６０１，６５１は、偏光した光の形状及び方向を制御するように構成されている。図６ａにおいて、光の形状及び方向を制御する装置６０１は、第１の要素６１１と第２の要素６１３とを備えている。これらの要素６１１，６１３は、上述した任意の形態の装置であって、液晶材料は、それぞれ、矢印６１２で示した第１の配向方向と、矢印６１４で示した第２の配向方向とに沿って向けられている。図６ａには示していないが、各要素は、前述した装置と同様に、電極と制御装置とを備え、または、当業者が認識するように、１つの共通する制御装置によって制御されるように構成されている。

図６ａに示すように、第１の配向の方向６１２と、第２の配向の方向６１４とは、ほぼ垂直になっている。このことは、２つの配向の方向６１２，６１４のそれぞれに偏光した成分がわずかである入射光６２１を、不要な損失無しに制御できることを意味している。すなわち、第１の配向の方向６１２に沿って偏光された光の部分は、第１の要素６１１によって制御され、第２の配向の方向６１４に沿って偏光された光の部分は、第２の要素６１３によって制御され、入射光６２１の大部分を備えた光ビーム６２１’を生み出す。従って、有効に、制御されずには装置６０１を通過する光は無い。

図６ｂには、変形例による実施形態を示している。ここでは、光の形状及び方向を制御する装置６５１は、第１の要素６１１と第２の要素６１５とを備えている。これらの要素６１１，６１５は、上述した装置の任意の形態であって、液晶材料は、矢印６１２及び６１６にて示したように、１つの同一の第１の配向の方向に沿って向けられている。前述したのと同じく、要素６１１，６１５は、制御可能な電極を備えている。要素６１１及び６１５の間には、半波長板６１７が配置されている。

図６ｂに示すように、第１の配向の方向６１２と、第２の配向の方向６１６とは、ほぼ平行になっている。半波長板６１７を組み込むことは、配向の方向６１２（図６ａ参照）に対して垂直な方向に偏光した光の部分と同様に、配向の方向６１２に偏光した成分がわずかなである入射光６２１を、不要な損失無しに制御できることを意味している。すなわち、第１の配向の方向６１２に沿って偏光された光の部分は、第１の要素６１１によって制御され、垂直な配向の方向に沿って偏光された光の部分は、矢印６１８の方向によって示した４５度の半波長板６１７の中で回転された後に、第２の要素６１５によって制御され、ほとんどの入射光６２１からなる光ビーム６２１’を生み出す。従って、有効に制御されずに装置６０１を通過する光はない。

図７は、ひとつの変形例の実施形態による電極パターン７００を示していて、４つの電極セグメント７０１，７０３，７０５，７０７を備えている。電極パターン７００は、前述した任意の装置など、光の形状及び方向を制御する装置に組み込まれる。

図８は、さらに別の実施形態による電極パターン８００を示していて、４つの電極セグメント８０１，８０３，８０５，８０７を備えている。電極パターン８００は、前述した任意の装置など、光の形状及び方向を制御する装置に組み込まれる。
電極パターン７００，８００のセグメントに異なる電圧を印加することで、より複雑で正確な、光ビームの制御が達成される。

前述した装置が使用されるひとつの用途は、例えば、コンピュータ表示環境において使用される、照明システムである。このような照明システム９００は、図９ａ及び図９ｂに模式的に示される。システム９００は、光源９０５から光９０７が提供される光ガイド９０１と、光ガイド９０１から出る光９０７’で照明されるように構成された表示スクリーン９０２とを備えている。光ガイド９０１から出る光の取り出しは、光の形状及び方向を制御する装置９０３によって行われ、装置は、パターン化された電極を有し、パターンは好ましくは、方眼の格子の形態を有している。

図９ａは、光ガイド９０１から光を出さないように装置９０３が制御された状況を示し、図９ｂでは、光９０７’を出すように装置９０３が制御されている。

空間的寸法に関して、いくつかの指標を上に与えたけれども、以下では、電極パターン及び基板を支持する電極間の距離に関するいくつかの好ましい寸法を要約する。しかしながら、これらの寸法は、コスト、歩留まり、及び性能に関する主要ではないが実用的な制限であることに留意されたい。

例えば、ＩＴＯパターンは好ましくは、５μｍの代表的な寸法にてスケーリングされる。１μｍ未満又は１０μｍ以上は、非常にありそうもない。これは、１μｍ未満では、これらのパターンは生産するのが困難であるという事実と、１０μｍ以上では、光が影響を受けず、及びこのスケールでは結果的に高い損失が生じるという事実とに起因する。

セルギャップ、すなわち基板間の距離は、たぶん、約２０μｍである。５μｍ未満又は５０μｍ以上は、非常にありそうもない。これは、液晶材料のコスト、及び、大きなセルギャップでは、セルのスイッチング速度が遅いことに起因する。

個々のＩＴＯパターンの間の最も小さな距離は、代表的には５０μｍである。１０μｍ未満又は１００μｍ以上は、最もありそうもない。１０μｍ未満では、レンズ作用を引き起こすのが困難になり、１００μｍ以上の距離では、小さな光制御効果の弱いレンズが得られるためである。

前述した装置を作り出すすべての構成要素は、界面における反射損失を最小化するために、液体又は樹脂に光学的に接触させても良いことが当業者には認識できる。高い反射損失をもった導電層は、反射損失を減少させるために出来る限り薄くして、最小化される。

さらに、基板、液晶、及び電極に適切な材料を用いることで、波長範囲５００nm〜８００nmにおいて、８０％よりも高い総伝搬が得られる。

二重セルの構成においては、モアレ効果を避けるため、セルを互いに整列させることも重要である。モアレ効果は、セルを横切って電圧を印加したときに現れて、光の強度の分布を、局所的な最大及び最小をもった不均一にさせる。

図１は、本発明によるシステムの模式図である。図２ａ及び図２ｂは、本発明による装置を模式的に示した断面図である。図２ｃは、図２ａ及び図２ｂの装置を示した模式的な上面図である。図２ｄは、高い表面抵抗を有する層で覆われた、電極パターンを模式的に示した断面図である。図３は、本発明による装置に関連した実験結果を示したグラフである。図４は、本発明による装置に関連した実験結果を示したグラフである。図５は、本発明による装置の模式的な断面図と併せて、屈折率の分布の模式的なグラフを示している。図６ａ及び図６ｂは、偏光した光を制御するように構成されている、本発明による装置を模式的に示したブロック図である。図７は、本発明による装置の電極パターンを模式的に示した上面図である。図８は、本発明による装置の電極パターンを模式的に示した上面図である。図９ａ及び図９ｂは、本発明によるシステムを模式的に示した断面図である。

Claims

光の形状及び方向を制御する装置（１００，２０１，５０１，６０１，６５１）であって、
第１の透明平坦基板（２０３，５０３）及び第２の透明平坦基板（２０５，５０５）であって、入射光ビーム（２１１）に対してほぼ垂直に配置されるように構成されている第１及び第２の透明平坦基板と、
前記第１及び第２の基板の間に配置された液晶層（２０９，５０６）と、
前記第１の基板に配置された第１の透明電極パターン（２０７，５０７，７００，８００）と、前記第２の基板上に配置された第２の透明電極パターン（２１７，５０９，７００，８００）と、
前記第１の電極パターンと第２の電極パターンとの間の電位差を調節するように構成されている制御手段（１０３，５１３）であって、それにより、液晶層の屈折率を調節するように構成された制御手段と、
を備えていることを特徴とする装置。
前記制御手段は、ＡＣ周波数に従って、電位差を調節するように構成されている、
請求項１に記載の装置。
前記第１の電極パターンは、第２の電極パターンとほぼ同一である、
請求項１又は２に記載の装置。
前記第１の電極パターン及び第２の電極パターン（２０７）のうち任意のものが、複数の六角形の特徴を備えている、
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の装置。
前記第１の電極パターン（７００，８００）及び第２の電極パターン（７００，８００）のうち任意のものが、複数の電極セグメント（７０１，７０３，７０５，７０７，８０１，８０３，８０５，８０７）を備え、各セグメントが、電位に関して、個別に調節されるように構成されている、
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の装置。
前記第１の電極パターン及び第２の電極パターンのうち任意のひとつが、実質的に無特徴である、
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の装置。
前記第１の電極パターン及び第２の電極パターンのうち任意のものが、高い表面抵抗を有する層（２２０）によってコーティングされている、
請求項１乃至６のいずれか１項に記載の装置。
電極パターンは、空間寸法がほぼ１〜１０μｍの間隔であるような特徴を備えている、
請求項１乃至７のいずれか１項に記載の装置。
絶縁層又は高い表面抵抗の層によって覆われた電極パターンは、空間寸法がほぼ１０〜１００μｍの間隔であるような特徴を備えている、
請求項１乃至８のいずれか１項に記載の装置。
前記第１の基板と第２の基板とは、５〜５０μｍの間隔の距離だけ隔てられている、
請求項１乃至９のいずれか１項に記載の装置。
電極は、インジウム錫酸化物から作られている、
請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の装置。
波長範囲５００nm〜８００nmにおける総伝搬が、８０％よりも高い、
請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の装置。
制御装置は、第１の電極パターンと第２の電極パターンとの間の電位差を、０〜２０Ｖの間隔で調節するように構成されている、
請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の装置。
光の形状及び方向を制御する装置（６０１，６５１）であって、液晶材料が第１の方向の配向（６１２）に沿って整列されている請求項１乃至１３のいずれかに従った第１の装置（６１１）と、
液晶材料が第２の方向の配向（６１４）に沿って整列されている請求項１乃至１２のいずれかに従った第２の装置（６１３）と、を備えている、
ことを特徴とする装置。
前記第１の方向の配向は、前記第２の方向の配向に対してほぼ垂直である、
請求項１４に記載の装置。
前記第１の方向の配向は、前記第２の方向の配向に対して、ほぼ平行であり、さらに、前記第１の装置と第２の装置との間に配置された半波長板（６１７）を備えている、
請求項１４に記載の装置。
第１及び第２の装置は、伝達された光の強度における、局所的な最大及び最小の外観を避けるように構成されている、
請求項１４に記載の装置。
請求項１乃至１７のいずれかに従った装置と、少なくとも一つの光源（１０７，９０５）とを備えている、
ことを特徴とする照明装置（９００）。
少なくとも一つの光源は、少なくとも一つの色を有する少なくとも一つの発光ダイオードを備えている、
請求項１８に記載の照明装置。