JP2019204716A - 表示／照明に適した光学装置とその駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】視野の奥行きと色味とを変化させることができる表示／照明に適した光学装置を提供する。【解決手段】実施例による表示／照明に適した光学装置は、半透過鏡となり得る第１の鏡部材と、第１の鏡部材と対向配置された第２の鏡部材と、第１の鏡部材と第２の鏡部材の間の空間乃至その側方に配置された光源とを含み、第１の鏡部材と第２の鏡部材との少なくとも一方は反射スペクトルの波長依存性を変化することができる。【選択図】 図１

Description

本発明は、光学装置とその駆動方法に関し、特に奥行きのある光源像を形成することのできる、表示／照明に適した光学装置とその駆動方法に関する。

合わせ鏡のように、第１と第２の鏡部材を対向配置し、両者の間に配置した光源を点灯すると、光源から発した光線は第１、第２の鏡部材の間で多重反射することにより、奥行きのある表示／照明を行うことができる（例えば特許文献１）。

図９Ａに示すように、円筒型支持材１０４を介して、半透過鏡である第１の鏡部材１０２と全反射鏡である第２の鏡部材１０３とを平行に支持し、それらの間に複数の光源１０５を配置した光学部材１０１を形成する。光源１０５から発した光ビームは、第１、第２の鏡部材１０２，１０３の間で多重反射することができる。観察者１０６は、半透過鏡である第１の鏡部材１０２側から光学部材１０１を観察すると、多重反射する各光ビームを観察できる。

図９Ｂは半透過鏡である第１の鏡部材１０２の中央部から光学部材１０１を観察した時の光源像の見え方を示す平面図である。実際に光源が配置された位置から中央に向かって複数の光源像１０５ｇが観察される。最も外側の光源像は光源を発した後反射せずに半透過鏡である第１の鏡部材１０２を透過した光ビームであり、光源そのものの像である。第１の反射部材と第２の反射部材による多重反射を経て出射する光ビームは、虚像である光源像を形成する。多重反射の回数に応じて、中央に向うに従って虚像である光源像までの距離が増大し、その径が小さくなっている。中央部には光源像が存在しない暗黒部が存在する。

図９Ｃは、観察者が第１の鏡部材の中央から外れた位置から光学部材１０１の第１の鏡部材１０２を観察した時の平面図である。観察者の位置に対応して、光源像、暗黒部の位置が変化している。

少なくとも一方が半透過鏡である第１、第２の鏡部材を対向配置し、その間に光源を配置し、半透過鏡である鏡部材側から光源を観察すると、多重反射により奥行き方向に配列した複数の光源像を観察することができる。光源を着色光源とすれば、多重反射による複数の光源像も着色像となる。

実開昭５６−１３９１９１号

観察される多重反射の次数を変化させることができれば、奥行き方向の深さが変化する視野を提供できる。多重反射の次数と共に色が変化する表示が行えれば、色度の色味変化により観察者に与える深さ方向の印象が深くなる。

実施例による表示／照明に適した光学装置は、半透過鏡である第１の鏡部材と、第１の鏡部材と対向配置された第２の鏡部材と、第１の鏡部材と第２の鏡部材の間の空間乃至その側方に配置された光源とを含み、第１の鏡部材と第２の鏡部材との少なくとも一方は反射スペクトルの波長依存性を変化することができる。

第１の鏡部材と第２の鏡部材による多重反射の次数を変化させ、合成反射スペクトルの波長依存性を変化させると、観察者が第１の鏡部材側から観察した時の視野の奥行きを変化させ、奥行きの変化と共に色味を変化させることができる。

図１Ａは半透過鏡となり得る第１のミラー素子と反射スペクトルの波長依存性を制御できる第２のミラー素子とを対向配置させ、間に光源を配置した第１に実施例による表示／照明に適した光学装置を示す断面図、図１Ｂは第２のミラー素子を構成する液晶装置と液晶装置を挟む偏光子対の構成を示す断面図である。 図２は第２のミラー素子の印加電圧の変化に依存する反射スペクトルの波長依存性を示すグラフである。 図３Ａは第１のミラー素子をハーフミラーとし、第２のミラー素子の印加電圧を０Ｖとした時の各反射率の波長依存性を示すグラフ、図３Ｂはこの時の合成反射率の色度を色度図中に示したグラフである。 図４Ａは第１のミラー素子をハーフミラーとし、第２のミラー素子の印加電圧を４．５Ｖとした時の各反射率の波長依存性を示すグラフ、図４Ｂは合成反射率の色度を色度図中に示したグラフである。 図５Ａは第１のミラー素子をハーフミラーとし、第２のミラー素子の印加電圧を６．０Ｖとした時の各反射率の波長依存性を示すグラフ、図５Ｂはこの時の合成反射率の色度を色度図中に示したグラフである。 図６Ａは第１のミラー素子をハーフミラーとし、第２のミラー素子の印加電圧を１０Ｖとした時の各反射率の波長依存性を示すグラフ、図６Ｂはこの時の合成反射率の色度を色度図中に示したグラフである。 図７は第２の実施例により、第１、第２のミラー素子としてハーフミラーとミラーデバイスを用い、ミラーデバイスにパルス電圧を印加して着色させる構成を示す概略断面図である。 図８は第３の実施例により、第１、第２のミラー素子としてハーフミラーとエレクトロクロミック素子積層を用い、エレクトロクロミック素子積層に選択した電圧の組を印加して着色させる構成を示す概略断面図である。 図９Ａは従来技術による、対向基板間の多重反射を利用した表示素子の構成を概略的に示す斜視図、図９Ｂ，９Ｃは表示素子の表示される光源像の例を示す平面図である。

１ 光学装置、 ２ 第１の鏡部材、 ＨＭ ハーフミラー、
３ 第２の鏡部材、 ＬＰ 直線偏光板、 ＴＳ 透明基板、
ＴＥ 透明電極、 ＯＦ 配向膜、 ＬＣ 液晶層、 ５ 光源、 ６ 観察者、 １２、１３ 鏡部材用駆動回路、
１５ 光源用駆動回路、 ＣＴ 制御回路、
Ｖ０〜Ｖ５ 反射率スペクトル、 ＡＲ 反射防止膜、 ＬＳ 光源、
ＭＤ ミラーデバイス、 ＥＣ エレクトロクロミック素子。

図１Ａは、第１の実施例による光学装置１の構成を概略的に示す断面図である。第１の鏡部材２と第２の鏡部材３とが対向配置され、その間に光源５が配置されている。対向配置された第１の鏡部材２と第２の鏡部材３との間で多重反射を生じさせることができる。第１の鏡部材２を半透過部材とすることにより、多重反射光の一部を透過させることができる。例えば、図に示すように、透明電極を有するガラス基板等の透明基板間にＡｇ塩を含む電解液を収容したセルに電圧を印加することにより銀薄膜を形成できるミラーデバイスで構成できる。この場合、第１の鏡部材２は駆動回路１２により駆動される。第１の鏡部材を、反射率を制限して、一部の光は透過するようにした固定ハーフミラーで構成してもよい。

第２の鏡部材３は反射光の色度を制御できる部材であり、典型的には直線偏光板ＬＰ１，ＬＰ２間に垂直配向（ＶＡ）型液晶素子ＬＣＥを挟んだ構成である。

駆動回路１３は、反射色度を制御される第２の鏡部材３に所望の印加電圧を印加する。印加電圧に応じてＶＡ型液晶分子が基板表面に向って倒れ、第２の鏡部材３の反射率スペクトルが変化する。光源５は、例えば発光ダイオードを含む白色光源であり、駆動回路１５によって駆動される。制御回路ＣＴは駆動回路１２，１３，１５を制御する。

図１Ｂは、第２の鏡部材３の構成例を示す断面図である。透明電極ＴＥ１，配向膜ＯＦ１を備えた第１の透明基板ＴＳ１と、透明電極ＴＥ２，配向膜ＯＦ２を備えた第２の透明基板ＴＳ２とが対向配置され、その間に液晶層ＬＣが収納されて、液晶素子ＬＣＥを構成している。一対の透明電極ＴＥ１，ＴＥ２は、たとえばインジウム錫酸化物などの、透光性導電部材により構成され、それぞれ透明なガラス基板ＴＳ１，ＴＳ２表面に設けられる。液晶層ＬＣは垂直配向（ＶＡ）液晶であり、基板表面にほぼ垂直に配向される。配向膜ＯＦ１，ＯＦ２をラビング処理などの一軸配向処理することにより、電圧印加時に液晶分子が倒れ込む方向が定められる。液晶層ＬＣは、基板面内方向を０°としたときのプレティルト角８９．５°に設定されたアンチパラレル配向構造とした。なお、この場合においてプレティルト角は、８９．０°〜８９．９°が好ましい。また、液晶層ＬＣのリタデーションΔｎｄは、たとえば０．３５μｍ〜０．７８μｍの範囲内、具体的には０．６５μｍ（Δｎ＝０．１３，ｄ＝５μｍ）である。液晶層ＬＣに、カイラル剤が添加されない垂直配向（ＶＡ）液晶が用いられる。光源５側に配置された直線偏光板ＬＰ１は吸収型偏光板であり、例えば水平方向に偏光した光を透過する。反対側に配置された垂直偏光板ＬＰ２は多層フィルム型やワイヤグリッド方の反射型垂直偏光板であり、例えば水平方向の偏光を反射する。

ＶＡ型液晶素子ＬＣＥが垂直配光している状態では、入射光の偏光状態に変化は生じない。入射光は吸収型直線偏光板ＬＰ１を通ることにより、水平方向の直線偏光となり、液晶素子ＬＣＥに入射、透過する。液晶素子ＬＣＥを透過した水平方向の偏光は反射型垂直偏光板ＬＰ２で反射され、逆方向に戻り、吸収型直線偏光板ＬＰ１を透過して、出射し、第１の鏡部材２に向う。第１の鏡部材２は、入射光の一部を第２の鏡部材３に反射する。このようにして多重反射が生じる。

対向基板上の配向膜ＯＦ１，ＯＦ２は、例えば吸収型直線偏光板ＬＰ１の透過軸、反射型直線偏光板ＬＰ２の反射偏光軸に対して面内角度４５度で配向処理する。ＶＡ型液晶素子に電圧が印加され、液晶分子が配向方向に倒れ始めると、液晶素子ＬＣＥを通過する水平配向は、液晶分子の傾斜の影響を受けだす。液晶素子の透過率は、波長依存性を示し、色度が変化する。多重反射光は、液晶素子内を複数回往復し、色度の変化が複数回生じる。このため、多重反射光の色味が変化すると考えられる。

ハーフミラー鏡部材と鏡部材とを対向させ、ハーフミラー鏡部材側から観察する場合、合成反射率を増加すると視認される多重反射の次数は増大し、合成反射率を低減すると視認される多重反射の次数は低下する。液晶素子を第２の鏡部材とした時も、合成反射率と多重反射の次数との間には同様の関係が観察される。

第１の鏡部材２と第２の鏡部材３との間で多重反射を生じさせる場合、対向鏡部材間を１往復する毎に多重反射の次数が１増加する。第１の鏡部材２と第２の鏡部材３との間の距離をｇとすれば、多重反射の次数が１増加する毎に、像空間の奥行きが２ｇ増加する。ｎ次までの多重反射を生じさせると、像空間の奥行きは２ｎｇとなり、実際の鏡部材間隔ｇの２ｎ倍となる。車両用テールランプの場合、対向する鏡部材間の距離は１ｃｍ〜５０ｃｍとすることが好ましいであろう。他の要件なども考慮すると、対向する鏡部材間の距離は２ｃｍ〜３０ｃｍとすることがより好ましいであろう。

第２の鏡部材３として垂直配向型液晶素子を用いた時、新たな現象が生じることを発見した。以下、鏡部材として用いる時の垂直配向型液晶素子をミラーＬＣＤと呼ぶ。

図２は、ミラーＬＣＤの印加電圧の変化に対する、ミラーＬＣＤの反射率スペクトルを示すグラフである。印加電圧０Ｖの時の反射率スペクトルをＶ０で示し、以下同様に印加電圧４．５Ｖ，６．０Ｖ，７．５Ｖ，１０Ｖ、２５Ｖの時の反射率スペクトルをＶ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４、Ｖ５で示す。

Ｖ０は広い波長域でほぼフラットな反射率を示し、反射光は白色に見える。Ｖ１は短波長領域に反射ピーク帯があり、反射光は青色に見える。Ｖ２は緑色を含む中間波長の反射ピーク帯があり、反射光のピーク反射率が増大し、反射光は緑色に見える。Ｖ３は反射光のピーク反射率がさらに増大し、反射帯のピーク波長が長波長側に移り、反射光は黄色に見える。Ｖ４は反射光のピーク反射率がさらに増大し、反射帯のピーク波長がさらに長波長側に移り、反射光は赤色に見える。Ｖ５は反射光のピーク反射率がさらに増大し、反射帯のピーク波長がさらに長波長側に移り、反射光は紫色に見える。

図２の特性は実際のサンプルで実測した特性である。

図３Ａ，３Ｂは、印加電圧０Ｖの時の反射光の反射率スペクトルと多重反射光のピーク位置を示すグラフである。０次反射光（直接透過光）は光源の白色である。多重反射光は、色味は変化するがほぼ白色である。

図４Ａ，４Ｂは、印加電圧４．５Ｖの時の反射光の反射率スペクトルと多重反射光ピークの色度位置を示すグラフである。図５Ａ，５Ｂは、印加電圧６．０Ｖの時の反射光の反射率スペクトルと多重反射光ピークの色度位置を示すグラフである。図６Ａ，６Ｂは、印加電圧１０Ｖの時の反射光の反射率スペクトルと多重反射光ピークの色度位置を示すグラフである。多重反射は、白から橙色領域を通り、色度領域の赤色端部に分布している。

図３Ａ，３Ｂから図６Ａ，６Ｂの変化を見れば、多重反射光の色味が徐々に変化していることが観察される。多重反射の次数が変化するのみでなく、色味も変化すると観察者に与える印象が強まると考えられる。

第２の鏡部材をミラーとし、第１の鏡部材で色度変化を行わせることも可能である。２つの鏡部材を対向させ、合成反射率スペクトルの波長依存性が変化するようにし、一方の鏡部材を部分鏡として出力光を出射させることにより、このような複雑な変化を観察可能にできると考えられる。

部分鏡と対向する鏡部材を垂直配向液晶素子で構成する場合を説明したが、色度、色味を制御できる光学素子は垂直配向液晶素子に限られない。

図７は、第１の鏡部材としてハーフミラーＨＭ、第２の鏡部材として、反射防止膜ＡＲ１，ＡＲ２に挟まれたミラーデバイスＭＤを用いる第２の実施例の構成を示す。光源ＬＳは、第１と第２の鏡部材の間に配置されている。ミラーデバイスＭＤは、両基板の透明電極間に配置された電解液を含む。電解液は、例えば溶媒ガンマブチルラクトン（ＧＢＬ）に、銀塩としてＡｇＢｒ，支持塩としてＬｉＢｒ，メディエータとしてＴａＣｌ_５を溶解させる。両基板間に初期高電圧（第１パルスと呼ぶ）、一定時間後定電圧（第２パルスと呼ぶ）に変化するパルス電圧を印加し、負極側に析出を生じさせる。第１パルスの電圧値または期間に応じて、表示が青くなったり赤くなったりする。電圧を制御することにより鏡状態の色度、色味を制御できる。

図８は、第２の鏡素子として複数のエレクトロクロミック素子の積層を用いる第３の実施例を示す。例えば、透明―赤（Ｒ）、透明―緑（Ｇ）、透明―青（Ｂ）の３種類の変化を示すエレクトロクロミック素子を用い、夫々の駆動電圧を制御することで反射光の色度、色味を制御する。

以上実施例に沿って説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。例えば種々の偏光、改良、組み合わせ等が可能なことは、当業者に自明であろう。

車両用着色ランプ等、表示／照明に適した光学装置。

Claims (11)

1. 半透過鏡となり得る第１の鏡部材と、
   前記第１の鏡部材と対向配置された第２の鏡部材と、
   前記第１の鏡部材と前記第２の鏡部材との間の空間乃至その側方に配置された光源と、
   を含み、前記第１の鏡部材と前記第２の鏡部材との少なくとも一方は、反射スペクトルの波長依存性を変化することができる、表示／照明に適した光学装置。
2. 前記第１の鏡部材と前記第２の鏡部材との前記少なくとも一方は、対向配置された電極対を有し、前記電極対間への印加電圧に応じて反射スペクトルの波長依存性を変化する、請求項１に記載の表示／照明に適した光学装置。
3. 前記第１の鏡部材と前記第２の鏡部材との前記少なくとも一方に対し、反射スペクトルの波長依存性を変化させる制御電圧を提供する制御装置をさらに含む、請求項２に記載の表示／照明に適した光学装置。
4. 前記第２の鏡部材が、前記第１の鏡部材側に配置された吸収型直線偏光板と、反対側に配置された反射型直線偏光板と、これらの間に配置され、液晶層を有する液晶装置とを含む、請求項３に記載の表示／照明に適した光学装置。
5. 前記液晶層が垂直配向液晶層であり、
   前記吸収型偏光板の透過軸方向と、前記反射型直線偏光板の反射軸方向とが平行である、請求項４に記載の表示／照明に適した光学装置。
6. 前記液晶装置が前記電極対を備えた対向透明基板を有し、さらに前記対向透明電極の上に形成された対向配向膜を有し、
   前記対向配向膜が前記吸収型偏光板の透過軸方向および前記反射型直線偏光板の反射軸方向と面内でほぼ４５度の角度をなす方向に１軸配向処理されている、請求項５に記載の表示／照明に適した光学装置。
7. 前記第２の鏡部材が、対向透明電極を備えた対向透明基板と、前記対向透明電極間に配置され、金属イオンを含む電解液とを有する、エレクトロデポジション素子であり、前記制御装置が少なくとも第１と第２のステップ電圧を含み、前記第１と第２のステップ電圧の比を変化することができる制御電圧を供給する、請求項３に記載の表示／照明に適した光学装置。
8. 前記第２の鏡部材が、複数個のエレクトロクロミック素子と鏡素子とを含み、前記制御装置が前記複数個のエレクトロクロミック素子に印加する電圧を可変制御することができる、請求項３に記載の表示／照明に適した光学装置。
9. 前記光学装置が車両用テールランプの少なくとも一部を形成し、前記第２の鏡部材が前記第１の鏡部材の前方に配置される、請求項１〜８のいずれか１項に記載の表示／照明に適した光学装置。
10. 前記第１の鏡部材と前記第２の鏡部材の間隔が、１ｃｍ〜５０ｃｍの範囲内にある請求項９に記載の表示／照明に適した光学装置。
11. 半透過鏡である第１の鏡部材と、前記第１の鏡部材と対向配置された第２の鏡部材と、前記第１の鏡部材と前記第２の鏡部材の間の空間乃至その側方に配置された光源と、前記第１の鏡部材と前記第２の鏡部材との合成反射率スペクトルの波長依存性を変化させる制御装置を含む光学装置を準備し、
    前記光源を点灯し、
    前記制御装置により前記合成反射率スペクトルの波長依存性を変化させることにより、視野の奥行きと色味とを変化させる、
    表示／照明に適した光学装置の駆動方法。

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