JP2018081836A - 照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】輝度および均一性を向上した照明装置を提供する。
【解決手段】ｘｙ平面に延在するコリメートレンズと、コリメートレンズからコリメートレンズの焦点距離ｆだけｚ方向に離れて配置された少なくとも１つのＬＥＤと、ＬＥＤの照射範囲に設けられた放物面鏡と、を有し、ＬＥＤの光線のうち、コリメートレンズに直接入射する光線は、コリメートレンズからｚ方向に平行に出射し、ＬＥＤの光線のうち、放物面鏡にて反射してコリメートレンズに入射する光線は、コリメートレンズからｚ方向に対して所定の角度範囲で出射する。
【選択図】図１

Description

本発明は、照明装置に関するものであり、特に、ヘッドアップディスプレイに使用される高輝度の照明装置に関するものである。

近年、航空機や車両の運転者等に対して、その前方視野内に画像情報を提供する手段としてヘッドアップディスプレイ（Ｈｅａｄ Ｕｐ Ｄｉｓｐｌａｙ：ＨＵＤ）が用いられるようになっている。ヘッドアップディスプレイ用の照明装置は、１００万ｃｄ／ｍ^２以上の高輝度が必要であるとされている。
例えば特許文献１に記載の従来の車載用ヘッドアップディスプレイ装置は、液晶表示パネルと、投写光学系と、複数のＬＥＤ光源と、複数のＬＥＤ光源からの光を平行光に変換するコリメータレンズと、コリメータレンズからの光を拡散する拡散素子と、拡散素子からの光を液晶表示パネルに入射させるフィールドレンズと、を有する。このヘッドアップディスプレイ装置は、表示画像の高輝度化および輝度の均一性の向上を実現することができる。

特開２０１６−１８０９２２号公報

しかしながら、上述した特許文献１に記載のヘッドアップディスプレイ装置では、複数のＬＥＤ光源から光のすべてがコリメータレンズに入射するわけではなく、ＬＥＤ光源から光の一部が照明に利用されずに無駄になっていた。
そこで、本発明は、上述した問題点を解消し、ＬＥＤ光源から光のほぼすべてを照明に利用することにより輝度を向上し、かつ、視野角を所定の角度に設定することにより均一性を向上した照明装置を提供することを目的とする。

本発明の要旨は、以下のとおりである。
本発明の照明装置は、
ｘｙ平面に延在するコリメートレンズと、
前記コリメートレンズから前記コリメートレンズの焦点距離ｆだけｚ方向に離れて配置された少なくとも１つのＬＥＤと、
前記ＬＥＤの照射範囲に設けられた放物面鏡と、
を有し、
前記ＬＥＤの光線のうち、前記コリメートレンズに直接入射する光線は、前記コリメートレンズからｚ方向に平行に出射し、
前記ＬＥＤの光線のうち、前記放物面鏡にて反射して前記コリメートレンズに入射する光線は、前記コリメートレンズからｚ方向に対して所定の角度範囲で出射する、
ことを特徴とする。

本発明の照明装置は、
前記コリメートレンズは、表面に複数のプリズムが設けられたフレネルレンズである、
ことが好ましい。

本発明の照明装置は、
前記所定の角度範囲は、０度から±２０度である、
ことが好ましい。

本発明の第１実施形態に係る照明装置を示す。 放物面鏡の有無による光線の進行方向の相違を説明するための図である。 放物面鏡の有無による垂直方向（ｙ方向）の角度分布の相違を示すグラフである。 本発明の第２実施形態に係る照明装置を示す。 本発明の第３実施形態に係る照明装置を示す。 本発明の第４実施形態に係る照明装置を示す。

以下、図面を参照しながら本発明の照明装置を、その実施形態を例示して詳細に説明する。
図１（ａ）は、本発明の第１実施形態に係る照明装置の断面図であり、図１（ｂ）は、その一部拡大図である。
照明装置１０は、ｘｙ平面に延在するコリメートレンズ１と、少なくとも１つの白色のＬＥＤ２と、ＬＥＤ２の照射範囲に設けられた放物面鏡４ａ、４ｂと、を有する。
コリメートレンズ１は、ＬＥＤ２とは反対側の面１Ｂに複数のプリズムが形成されたフレネルレンズであることが好ましく、ＬＥＤ２から出射したｙ方向（垂直方向／上下方向）に広がった光をｚ方向（０度方向）にコリメート（平行に）する。
ＬＥＤ２は、コリメートレンズ１からコリメートレンズ１の焦点距離ｆだけｚ方向に離れて配置されている。なお、ＬＥＤ２とコリメートレンズ１との間隔は、正確な焦点距離ｆのみに限定されるのではなく、焦点距離ｆの±２０％の幅を有するものである。また、ＬＥＤ２は、ｘｙ平面ではコリメートレンズ１の略中央に配置されている。
放物面鏡４ａは、ＬＥＤ２に対して＋ｙ方向かつ＋ｚ方向に設けられ、放物面鏡４ｂは、ＬＥＤ２に対して−ｙ方向かつ＋ｚ方向に設けられている。放物面鏡４ａ、４ｂは、ｙｚ平面において放物線により構成されている曲面を有する。

図２（ａ）は、放物面鏡無の場合の光線の進行方向を示す図であり、図２（ｂ）は、放物面鏡有の場合（本発明）の光線の進行方向を示す図である。
図２（ａ）に示すように、ＬＥＤ２の光線のうち、ｚ方向に対して所定の角度以内（コリメートレンズ１の有効径以内）で進行する光線は、コリメートレンズ１に入射し、コリメートレンズ１からｚ方向に平行に出射する。一方、ＬＥＤ２の光線のうち、ｚ方向に対して所定の角度超（コリメートレンズ１の有効径より広い角度）で進行する光線は、コリメートレンズ１に入射せず、照明に利用されないため、無駄な光線となる。
図２（ｂ）に示すように、本発明では、ＬＥＤ２の光線のうち、コリメートレンズ１に直接入射する光線は、図２（ａ）の場合と同様であるが、ＬＥＤ２の光線のうち、ｚ方向に対して所定の角度超で進行する光線は、放物面鏡４ａ、４ｂにて少なくとも１回反射してコリメートレンズ１に入射する。その後、この光線は、コリメートレンズ１から、ｙｚ平面においてｚ方向に対して所定の角度範囲で、好ましくは、０度から±２０度の範囲で出射する。
なお、コリメートレンズ１から出射する光線の角度は、コリメートレンズ１、ＬＥＤ２および放物面鏡４ａ、４ｂの構成（形状）によって適宜設定可能である。

図３は、放物面鏡の有無による垂直方向（ｙ方向）の角度分布の相違を示すグラフである。放物面鏡無（破線）の場合と比較して、放物面鏡有（実線）の場合は、平均輝度および全体均一性が増加していることがシミュレーションにより確認され、さらに、図３のグラフより角度分布が広がっていることが分かる。これは、ｚ方向に対して所定の角度超で進行する光線が、放物面鏡無の場合は照明に利用されないのに対して、放物面鏡有の場合は、照明に利用されるためである。

本発明では、従来では照明に利用されなかった光を放物面鏡４ａ、４ｂにより反射し、照明に利用することにより輝度を向上することができる。また、放物面鏡４ａ、４ｂにより反射した光がコリメートレンズ１から所定の角度範囲で出射することにより、視野角を所定の角度範囲に広げ、かつ、発光面の均一性を達成することができる。

図４（ａ）は、本発明の第２実施形態に係る照明装置の断面図であり、図４（ｂ）（ｃ）は、その一部拡大図である。
第２実施形態に係る照明装置２０は、第１実施形態に係る照明装置１０に、第２のレンズ１’を追加した点以外は、照明装置１０と同一である。第２のレンズ１’は、コリメートレンズ１に対向する面１’Ａに複数の微小なドットが形成され、面１’Ａの反対側の面１’Ｂに複数のプリズムが形成されたフレネルレンズである。第２のレンズ１’は、コリメートレンズ１から出射したｘ方向（水平方向／左右方向）に広がった光をｚ方向（０度方向）にコリメート（平行に）しつつ、少しだけ（５度程度）拡散させる。ドット形状およびフレネルレンズにより、光を拡散させることにより、発光面の均一性がさらに高められる。
なお、面１’Ａに複数のプリズムが形成され、面１’Ｂに複数の微小なドットが形成されてもよい。

図５（ａ）は、本発明の第３実施形態に係る照明装置の断面図であり、図５（ｂ）（ｃ）は、その一部拡大図である。
第３実施形態に係る照明装置３０は、第２実施形態に係る照明装置２０に、第３のレンズ１”を追加した点以外は、照明装置２０と同一である。第３のレンズ１”は、第２のレンズ１’に対向する面１”Ａと、面１”Ａの反対側の面１”Ｂと、を有する。面１”Ａには、表面にＲ形状のついたシリンダーレンズが形成され、第２のレンズ１’によってコリメートされた光をｘ方向（水平方向／左右方向）に広げる。広がり角度はシリンダーレンズのＲ形状を任意に設定することにより、x方向（水平方向/左右方向）±７度〜±２０度程度まで変更することができる。面１”Ｂには、複数のドットが形成され、光を拡散させる。第３のレンズ１”により発光面の均一性がさらに高められ、またx方向(水平方向/左右方向)の角度分布が広がり、視野角が広げられる。
なお、面１”Ａに複数のドットが形成され、面１”Ｂにシリンダーレンズが形成されてもよい。また、なお、第２のレンズ１’および第３のレンズ１”は、ｚ方向にこの順で配置されているが、反対の順序で配置されてもよい。すなわち、第３のレンズ１”および第２のレンズ１’がｚ方向にこの順で配置されていてもよい。

図６は、本発明の第４実施形態に係る照明装置の一部を拡大した斜視図である。
第４実施形態に係る照明装置４０は、第１実施形態に係る照明装置１０の放物面鏡４ａ、４ｂの代わりに、放物面鏡４ｃを用いた点以外は、照明装置１０と同一である。なお、コリメートレンズ１は図示を省略する。
放物面鏡４ｃは、ＬＥＤ２を一周取り囲んだ椀形状であり、ｙｚ断面だけでなくｚｘ断面においても放物線となる。それゆえ、ｙ方向（垂直方向）だけでなくｘ方向（垂直方向）の光をｚ方向に対して所定の角度範囲で出射するように制御することができ、ＬＥＤ２から光のほぼすべてを照明に利用するため輝度がさらに向上する。
なお、上述した実施形態では、１つのＬＥＤ２を使用していたが、ＬＥＤ２を複数個使用することもできる。例えば、ｘ方向に３個のＬＥＤ２を並べて配置してもよい。ただし、ＬＥＤ２の個数および配置は、液晶表示パネルの有効エリアの縦横比と、液晶表示パネルの表示面で所望の輝度を得るために必要な総光量と、によって決まる。

以下、本発明の実施例として、図３のグラフを得るのに使用した本発明の照明装置の構成および測定を説明するが、本発明はこれだけに限定されるものではない。
ＬＥＤ２は、電力２Ｗの白色ＬＥＤを３灯使用した。
コリメートレンズ１は、縦４２ｍｍ、横２１ｍｍ、厚さ１ｍｍのフレネルレンズである。
放物面鏡４ａ、４ｂは、ｙｚ平面において、公式

で表される楕円放物線により構成されたものを使用した。
発明例として、図１（ａ）に示すように、ＬＥＤ２をｙｚ断面において、放物面鏡４ａ、４ｂの原点に配置し、放物面鏡４ａ、４ｂをコリメートレンズ１の縁部に接触させて測定を行った。
比較例として、発明例の構成から放物面鏡４ａ、４ｂを取り除き、同様の測定を行った。
上述したとおり、発明例では、比較例より、平均輝度および全体均一性が増加し、角度分布が広がっていることが分かった。

１ コリメートレンズ
１’ 第２のレンズ
１” 第３のレンズ
２ ＬＥＤ
４ａ、４ｂ、４ｃ 放物面鏡
１０、２０、３０、４０ 照明装置

Claims (3)

1. ｘｙ平面に延在するコリメートレンズと、
   前記コリメートレンズから前記コリメートレンズの焦点距離ｆだけｚ方向に離れて配置された少なくとも１つのＬＥＤと、
   前記ＬＥＤの照射範囲に設けられた放物面鏡と、
   を有し、
   前記ＬＥＤの光線のうち、前記コリメートレンズに直接入射する光線は、前記コリメートレンズからｚ方向に平行に出射し、
   前記ＬＥＤの光線のうち、前記放物面鏡にて反射して前記コリメートレンズに入射する光線は、前記コリメートレンズからｚ方向に対して所定の角度範囲で出射する、
   ことを特徴とする照明装置。
2. 前記コリメートレンズは、表面に複数のプリズムが設けられたフレネルレンズである、
   請求項１に記載の照明装置。
3. 前記所定の角度範囲は、０度から±２０度である、
   請求項１または２に記載の照明装置。

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