JP2021168248A - 照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】薄型で、消費電力が小さく、配光角の小さい照明装置を実現する。
【解決手段】
主面と裏面を有し、中央に第１の孔を有する円板状の導光板１３と、前記導光板１３の前記裏面側に配置し、中央に第２の孔を有する円板状の反射シート１２と、前記導光板１３の前記主面側に配置し、同心円状の第１のプリズムアレイを有する反射シート１４を有し、前記導光板１３の前記孔の前記プリズムシート側には反射ミラー９０が配置し、前記反射ミラー９０と対向してＬＥＤ２０が配置していることを特徴とする照明装置。
【選択図】図６

Description

本発明は、配光角度が小さく、薄型で、かつ、消費電力が小さい照明装置を実現することである。

照明装置として発光ダイオード（ＬＥＤ、Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）が用いられるようになってきている。ＬＥＤは発光効率が良く、消費電力低減に有利である。しかし、ＬＥＤは、点光源なので、照明装置として用いるには面光源に変換する必要がある。また、スポットライトとして使用する場合は、配光角特性が問題になる。

特許文献１には、光源にＬＥＤを用い、該ＬＥＤを囲んでコリメータレンズを配置して光をコリメートし、さらに、出射側に液晶レンズを配置して、出射光の透過、拡散、偏向等を制御する構成が記載されている。

特許文献２には、光源にＬＥＤを用い、該ＬＥＤを囲んで集光レンズを配置し、さらに、出射側に出射光の向きを変える光学装置を配置することが記載されている。また、特許文献２には、出射光の向きを変える光学装置として液晶レンズを配置することが記載されている。

特許文献３には、液晶レンズを用いて光ビーム形状を制御する構成が記載されている。

特開２０１９−１６９４３５号公報 特開２０１２−６９４０９号公報 ＵＳ２０１９／００２５６５７ Ａ１

照明装置でも、例えば、スポットライトとして使用したい場合等では、配光角度の小さい光源が要求される。このような光源には、従来は、放物面鏡を用いて平行光を形成する構成が用いられてきた。しかし、このような光源は、奥行きが必要であり光源自体を小型化、あるいは、薄型化することが難しい。なお、特許文献１及び２等に記載の照明装置は、レンズを用いて光源からの光をコリメート等するので、ある程度の光路が必要であり、奥行きを小さくすることには限界がある。

また、ＬＥＤは高温になると発光効率が低下する。したがって、発熱の小さい、すなわち、全体として消費電力の小さい光源であることが望ましい。また、光源からの発熱が小さければ、ヒートシンク等を別途配置する必要もなくなる。

本発明の課題は、薄型で、かつ、比較的消費電力が小さく、かつ、配光角度の小さい表示装置を実現することである。

本発明は上記課題を解決するものであり、主な具体的な手段は次のとおりである。

（１）主面と裏面を有し、中央に第１の孔を有する円板状の導光板と、
前記導光板の前記裏面側に配置し、中央に第２の孔を有する円板状の反射シートと、前記導光板の前記主面側に配置し、同心円状の第１のプリズムアレイを有するプリズムシートを有し、前記導光板の前記孔の前記プリズムシート側には反射ミラーが配置し、前記反射ミラーと対向してＬＥＤが配置していることを特徴とする照明装置。

（２）前記プリズムシートの上には、第１の方向に延在し、第２の方向に配列した複数のレンズを有する、外形が円形である第１の液晶レンズが配置していることを特徴とする（１）に記載の照明装置。

（３）前記第１の液晶レンズの上には、前記第２の方向に延在し、前記第１の方向に配列した複数のレンズを有する、外形が円形である第２の液晶レンズが配置していることを特徴とする（２）に記載の照明装置。

（４）前記第１の液晶レンズ及び前記第２の液晶レンズにおける液晶分子の初期配向はホモジニアス配向であることを特徴とする（２）又は（３）に記載の照明装置。

（５）前記プリズムシートの上には、同心円状に複数のレンズを有する、外形が円形である液晶レンズが配置しており、前記液晶レンズにおける液晶分子の初期配向は、ホメオトロピックであることを特徴とする（１）に記載の照明装置。

（６）前記プリズムシートの上には、外形が円形で、第１の基板と第２の基板の間に液晶層が挟持された液晶レンズが配置し、前記第１の基板には、同心円状の複数の第１の電極が形成され、前記第２の基板には、平面状に形成された円形の電極が形成され、前記液晶レンズは、前記複数の第１の電極に互いに異なる電圧を印加することによってレンズ作用を発現し、前記液晶層における液晶分子の初期配向はホメオトロピックであることを特徴とする（１）に記載の照明装置。

照明装置の斜視図である。 配光角度の定義を示す図である。 放物面鏡を用いてコリメート光を照射する照明装置を示す平面図である。 図３のＡ−Ａ断面図である。 実施例１による照明装置の平面図である。 図５のＢ−Ｂ断面図である。 照明装置の分解斜視図である。 ＬＥＤの輝度分布を示すグラフである。 導光板の平面図である。 導光板の主面におけるプリズムアレイの形状を示す断面図である。 導光板の裏面図である。 導光板の裏面におけるプリズムアレイの形状を示す断面図である。 反射ミラーの断面図である。 ＬＥＤ光源付近の詳細断面図である。 プリズムシートの平面図である。 プリズムシートに形成されたプリズムアレイの形状を示す断面図である。 実施例２及び実施例３の液晶レンズを用いた場合の照度分布の例である。 出射面を分割した領域に液晶レンズを配置した場合の各領域に対応する照度分布の例である。 実施例２及び実施例３の液晶レンズの作用を示すために、出射面を領域に分割した概念を示す断面図である。 実施例２の表示装置の平面図である。 図１５のＦ−Ｆ断面図である。 図１６の液晶レンズの断面図である。 第１液晶レンズの第２基板の平面図である。 第１液晶レンズの第１基板の平面図である。 第２液晶レンズの第３基板の平面図である。 液晶レンズの動作を示す断面図である。 液晶レンズの動作を示す他の断面図である。 液晶レンズの動作を示すさらに他の断面図である。 液晶レンズの動作を示すグラフである。 液晶レンズの他の形状の例を示す断面図である。 液晶レンズの他の形態を示す断面図である。 図２４の第１電極の印加電圧を示す平面図ある。 液晶レンズの作用を示す断面模式図である。 図２６の効果を生じさせる第１電極への印加電圧の例を示す平面図である。 ＴＮ液晶を用いて液晶レンズを構成する場合の動作を示す断面図である。 ＴＮ液晶を用いて液晶レンズを構成する場合の動作を示す他の断面図である。 櫛歯電極間に電圧を印加して液晶レンズを構成する動作を示す断面図である。 櫛歯電極間に電圧を印加して液晶レンズを構成する動作を示す他の断面図である。 櫛歯電極間に電圧を印加して液晶レンズを構成する動作を示すさらに他の断面図である。 第１の電極である櫛歯電極間に電圧を印加して液晶レンズを構成する場合の第１電極の形状を示す平面図である。 実施例２及び３の液晶レンズによる照度分布への作用を示す模式断面図である。 実施例３の断面図である。 図３２における液晶レンズの断面図である。 図３３の液晶レンズの第１基板の平面図である。 図３４のＪ−Ｊ断面に相当する液晶レンズの動作を示す断面図である。 図３４のＪ−Ｊ断面に相当する液晶レンズの動作を示す他の断面図である。 図３４のＪ−Ｊ断面に相当する液晶レンズの動作を示すさらに他の断面図である。 実施例４の液晶レンズにおける第１基板の平面図である。 実施例４の液晶レンズにおける第２基板の平面図である。 実施例４の液晶レンズの動作を示す断面図である。 実施例４の液晶レンズの動作を示す他の断面図である。

図１はスポットライトに使用される照明装置１０の例である。この照明装置１０からの光は、コリメートされており、出射面１１０から、被表示面１２０にスポット状の光１３０が照射される。スポット状の光１３０を得るために、出射光の配光角度は例えば１２度程度となっている。

図２は、配光角度の定義を示す図である。図２は、例えば天井に配置された出射面１１０から床面に向けて光スポットを照射した場合の図である。出射面１１０の法線方向の光強度が最も大きく、極角が大きくなるにしたがって、光の強度は小さくなる。法線方向の光の強度を１００％とし、光強度が５０％となるときの極角をθとした場合、配向角は２θである。一般的なコリメート光において要求される配光角度は１２度以下である。

このようなコリメート光を得るためには、従来はいわゆる放物線ミラー２００が使用されていた。図３は、放物線ミラー２００を用いた照明装置の平面図であり、図４は、該照明装置の断面図である。図３において、放物線ミラー２００の中央にＬＥＤ２０が配置している。ＬＥＤ２０は、例えば、ＬＥＤ用ＰＣＢ基板３０に配置している。ＬＥＤ２０は、高輝度ＬＥＤであり、高温になるため、ヒートシンク３００の上に配置している。図３において、放物線ミラー２００の背面にヒートシンク３００の一部が見えている。

図４は図３のＡ−Ａ断面図である。図４において、放物線ミラー２００の底面にＬＥＤ２０が配置している。ＬＥＤ２０から出射した光は、直上に向かう光の他は、放物線ミラー２００において反射し、光軸に平行な光となる。しかし、放物線ミラー２００を十分に機能させるためには、放物線ミラー２００の高さｈ１が必要となる。配光角度１２度程度を得るためには、放物線ミラーの高さｈ１は、６０ｍｍ程度は必要である。実際には、これに、ヒートシンクの高さｈ２、例えば２０ｍｍ程度が加わるので、照明装置全体の厚さは８０ｍｍ以上必要になる。また、図３、４に示す照明装置は、光源を構成する１個のＬＥＤに大きなパワーを供給する必要があるので、ＬＥＤの発熱が大きく、ヒートシンクが必須になる。

本発明の課題は、厚さが薄く、比較的小さな消費電力で、コリメート光を発生することが出来る照明装置を実現することである。以下に実施例を用いて本発明を詳細に説明する。

図５は、実施例１による照明装置１０の平面図であり、図６は、図５のＢ−Ｂ断面図である。図５に示すように、照明装置１０の平面形状は円であり、最表面には、プリズムシート１４が配置している。図５における各光学部品は円板状である。背面には、光源であるＬＥＤからの光を放散させるためのヒートシンク３００が見えている。照明装置１０の外形ｄｄは例えば９８ｍｍである。

図６は、図５のＢ−Ｂ断面図である。図６において、フィンを有するヒートシンク３００の上に容器の役割を有する樹脂モールド１１が載置されている。図６では、樹脂モールド１１は円板状であるが、容器のように形成してもよい。樹脂モールド１１には中央付近に孔が形成されており、平面で視て、この孔の部分にＬＥＤ２０を配置する。図６において、ＬＥＤ２０は配線等を含む、回路基板３０の上に配置されている。ＬＥＤ用基板３０はできるだけ薄く形成して、ＬＥＤ２０で発生する熱をヒートシンク３００に効率よく逃がすようにしている。

図６において、樹脂モールド１１の上に反射シート１２が配置している。反射シート１２は、例えば、３Ｍ製のＥＳＲ（Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｓｐｅｃｕｌａｒ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）を用いることが出来る。厚さは例えば７０μｍ程度である。反射シート１２の上に導光板１３が配置している。導光板１３を用いることによって、照明装置全体の厚さを小さくしている。

導光板１３には中央付近に孔が形成されており、この孔の部分に反射ミラー９０が配置している。ＬＥＤ２０は、導光板の孔の部分に、反射ミラーと対向して配置される。ＬＥＤ２０からの光は、図６の矢印で示すように、反射ミラー９０で反射し、導光板１３の孔の側壁から導光板１３に入射する。導光板１３に入射した光は、導光板１３内で反射を繰り返しながら、導光板１３の上に配置されたプリズムシート１４側に入射する。プリズムシート１４には同心円状のプリズムアレイが形成されており、出射光を出射面であるプリズムシート１４の法線方向に収束させる。

図７は、図６に示す照明装置の分解斜視図である。図７において、フィンを有するヒートシンク３００の上に樹脂モールド１１が載置される。樹脂モールド１１は中央部分に孔が形成され、この孔の部分にＬＥＤ２０及びＬＥＤ基板３０が配置する。ＬＥＤ２０は高温になると、発光効率が低下するので、ヒートシンク３００からＬＥＤ２０で発生した熱を効率よく放散させる。

図７において、中央部に孔を有する円板状の反射シート１２が樹脂モールド１１の上に配置される。反射シート１２の上に、中央部分に孔を有する円板状の導光板１３が配置する。本実施例では、導光板１３を用いることによって、照明装置全体の厚さを小さくしている。導光板１３の中央に形成された孔に反射ミラー９０が挿入される。導光板１３の上に同心円状にプリズムアレイが形成されたプリズムシート１４が載置される。

図８は、ＬＥＤ２０からの発光強度の分布を示す配光特性である。図８の座標において、同心円が極角を示し、半径方向の放射線が方位角を示す。図８における曲線がＬＥＤ２０からの光の強度分布である。図８に示すように、方位角にして３５度乃至４０度において、光の強度が最も大きい。このような発光分布はバットウイングと呼ばれている。図８のような、配光特性を有するＬＥＤ２０と上方に配置される反射ミラー９０によって、ＬＥＤ２０からの光を効率よく、導光板１３内に導く。

導光板１３に入射した光を効率よく、上方向、すなわち、プリズムシート１４方向に導くために、導光板１３の上面（以後主面ともいう）および下面（以後裏面ともいう）にはプリズムアレイが形成されている。図９Ａは導光板１３の平面図である。導光板１３の中央には孔が形成されており、この部分に反射ミラーがはめ込まれる。導光板１３の上面には、半径方向に放射状にプリズムアレイが形成されている。

図９Ｂは、図９ＡのＣ−Ｃ断面図であり、導光板１３の主面のプリズムアレイの形状を示している。図９Ｂにおいて、導光板１３の厚さｔｇは、例えば、２乃至３ｍｍである。導光板１３の上面側のプリズムアレイは、中心から半径方向に放射状に延在するパターンなので、プリズムのピッチｐｔは場所によって変化する。プリズムアレイの高さは、例えば０．１μｍであり、頂角θｔは例えば９０度である。図９Ｂでは、プリズムアレイは突起状となっているが、導光板の上面にＶ溝を形成することによるプリズムアレイでもよい。この場合のＶ溝の頂角は例えば６６度である。

図１０Ａは、導光板１３の裏面図である。導光板１３の裏面には、同心円状にプリズムアレイが形成されている。図１０Ｂは、図１０ＡのＤ−Ｄ断面図であり、導光板１３の裏面のプリズムアレイの形状を示している。図１０Ｂにおいて、同心円状のプリズムアレイのピッチｐｂは例えば０．１μｍであり、プリズムの高さｈｂは例えば０．０２μｍであり、頂角θｂは例えば９０度である。裏面に形成されたプリズムの高さｈｂは、主面に形成されたプリズムの高さｈｔよりも小さい。図１０Ｂでは、プリズムアレイは突起状となっているが、導光板の上面にＶ溝を形成することによるプリズムアレイでもよい。この場合のＶ溝の頂角は例えば６６度である。

導光板１３のいずれの面に形成されたプリズムアレイのピッチも、後で説明するプリズムシート１４におけるプリズムアレイの高さ及びピッチよりも格段に小さい。したがって、導光板１３の主面及び裏面にはより密度の高いプリズムアレイが形成されることになる。

図１１は、導光板１３の中央に形成された孔にはめ込まれる反射ミラー９０の断面図である。反射ミラー９０の外形は、導光板１３の中央の孔にはめ込まれるように、円形となっている。図１１において、反射ミラー９０は大部分の領域はＬＥＤ２０からの光を導光板１３の側面に効率よく導くことが出来るような、曲面９１となっている。反射ミラー９０の周辺には、導光板１３の孔部に反射ミラーを係止するための平坦部９２が形成されている。反射ミラー９０は例えばアルミニウム（Ａｌ）のブロックで形成してもよい。あるいは、樹脂で形成し、ミラーを構成する曲面９１に金属を蒸着した構成であってもよい。

図１２は、反射ミラー９０が導光板１３の孔に挿入された状態を示す断面図である。導光板１３の孔には段部が形成されており、この部分に反射ミラー９０周辺の平坦部９２が係止して組み立てられる。ＬＥＤ２０と反射ミラー９０との間は空間となっており、反射ミラー９０から反射した光は導光板１３の側面から導光板１３内に入射する。

図１３Ａは、導光板１３の上に配置されるプリズムシート１４の平面図である。プリズムシート１４は、プリズムアレイが導光板１３側に形成された、いわゆる逆プリズムシートである。図１３Ａにおいて、プリズムアレイは、同心円状に形成されているので、導光板１３からの光を全面にわたってプリズムシート１４の主面の法線方向に集める。

図１３Ｂは、図１３ＡのＥ−Ｅ断面図であり、プリズムアレイの形状を示す断面図である。図１３Ｂにおいて、プリズムシート１４の厚さｔｐは、例えば２００ミクロン、Ｖ溝の深さｖｄは例えば７５ミクロン、頂角θｐは例えば６６度、ピッチｐｐは、例えば１００ミクロンである。このように、プリズムシート１４に形成されたプリズムアレイの高さ、ピッチ等は、導光板１３の主面及び裏面に形成されたプリズムアレイの高さやピッチに比べてはるかに大きい。

以上のように、本実施例によれば、ヒートシンクを除いた照明装置本体の厚さは、１０ｍｍ以下にでき、必要であれば、５ｍｍ以下にすることも出来る。また、導光板１３の主面と裏面に形成されたプリズムアレイとプリズムシートによって、出射光をコリメートでき、配光角を１２度程度とすることも可能である。

実施例２は照明装置の出射面に液晶レンズを配置することによって、出射光を制御する構成に関する。図１４Ａ乃至図１４Ｃは、液晶レンズを作用させるための概念を示す図である。図１４Ｃは照明装置１０の断面図である。図１４Ｃにおいて、出射面１１０を各領域Ａ、Ｂ、Ｃ等に分割する。各領域からは、所定の配光角をもって光が出射する。

図１４Ｂは、図１４Ｃにおける出射面からｄｚ離れた場所における照度の例を示す。図１４Ｂの縦軸は各領域Ａ、Ｂ、Ｃ等からの光の照度である。Ａｄ、Ｂｄ、Ｃｄは照度分布であり、例えば、正規分布に近い形をしている。図１４Ａは、図１４Ｂに示す各領域からの光量を合計した場合の照度である。図１４Ａの縦軸は、出射面１１０の各領域からの照度の合計である。図１４Ａでは、照明装置の出射面１１０からｄｚ離れた位置、すなわち被照射面１２０における全体としての照度分布は、台形であることを示している。

実施例２は、出射面１１０に液晶レンズを配置することによって、所定の距離ｄｚにおける各領域Ａ、Ｂ、Ｃ等からの照射される光の照度分布、すなわち、図１４Ｂにおける照度分布Ａｄ、Ｂｄ、Ｃｄ等を変化させることによって、被照射面１２０における照度分布を制御するものである。

図１５は実施例２の照明装置１０の平面図である。図１５は、照明装置１０の最表面に、液晶レンズのための上偏光板７０が存在している他は、実施例１の図５と同じである。図１６は、図１５のＦ−Ｆ断面図である。図１６において、フレーム１１からプリズムシート１４までの構成は図６と同じである。図１６において、プリズムシート１４の上に、液晶レンズのための下偏光板６０が配置し、その上に下液晶レンズ４０が配置し、その上に上液晶レンズ５０が配置し、その上に上偏光板７０が配置している。

図１７は下液晶レンズ４０と上液晶レンズ５０の断面図である。下液晶レンズ４０において、第１基板４１と第２基板４２が周辺でシール材４５によって接着し、内部に液晶４３が封止されている。上液晶レンズ５０において、第３基板５１と第４基板５２が周辺でシール材５５によって接着し、内部に液晶５３が封止されている。

図１８は下液晶レンズ４０の第２基板４２に形成された第２電極４２１の形状を示す平面図である。図１９は、第１基板４１に形成された第１電極４１１を示す平面図である。図１９において、第１電極４１１はｙ方向に延在してｘ方向に配列している。

図２０は、第２液晶レンズ５０の第３基板５１に形成された第３電極５１１の形状を示す平面図である。第３電極５１１はｘ方向に延在してｙ方向に配列している。第２液晶レンズ５０の第４基板５２に形成された第４電極は、図１８に示す、第１液晶レンズ４０の第２電極４２１と同じである。液晶レンズ４０、５０に形成される第１電極から第４電極はすべてＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）等の透明導電膜によって形成されている。

図２１Ａ乃至図２６Ｃは液晶レンズの動作を説明する断面図であり、例えば、図１９のＨ−Ｈ断面に相当する。図２１Ａ乃至図２１Ｃは第１液晶レンズ４０を例にとって説明しているが、第２液晶レンズ５０の場合も同じである。図２１Ａにおいて、第１基板４１には、櫛歯状の電極４１１が形成され、第２基板４２には、平面状の電極４２１が形成されている。これらの電極間に電圧が印加されなければ液晶分子４３１は、基板と平行に配向している。

図２１Ｂは、第１基板４１の櫛歯電極４１１と第２基板４２の平面電極４２１との間に電圧を印加した場合の電気力線ＬＦの例である。図２１Ｃは、第１電極４１１に電圧を印加した場合の液晶分子４３１の配向を示す断面図である。図２１Ｃにおいて、液晶分子４３１が電気力線ＬＦに沿って配向し、液晶層内において、屈折率に分布が生じ、液晶レンズが形成される。このようなレンズは、屈折率分布型ＧＲＩＮ（Ｇｒａｄｉｅｎｔ Ｉｎｄｅｘ）レンズとよばれている。

図２２は屈折率分布型レンズの例を示す図である。図２２の縦軸は屈折率である。屈折率は、第１電極４１１である櫛歯電極上で最も小さく、櫛歯電極４１１と櫛歯電極４１１の中間地点で最も大きい。図２２はきれいな２次曲線となっているが、屈折率の分布は、第１電極４１１と第２電極４１２間の印加電圧、第１電極４１１である櫛歯電極の間隔、液晶４３の層厚等によって大きく変化させることが出来る。以上の動作は、第２液晶レンズ５０の場合も同様である。ただし、第１液晶レンズと第２液晶レンズでは、レンズの作用が互いに直角方向となっている。

液晶レンズのピッチは、出射面の分割数によって決められることが多い。一方、液晶レンズにおける液晶の層厚ｇは制限がある場合が多い。図２３は、櫛歯電極４１１の間隔ｓが液晶の層厚ｇに比べてかなり大きい場合における液晶分子４３１の配向方向と屈折率分布を示す図である。図２３において、縦軸は液晶レンズ内の各位置における平均屈折率であり、Δｎeffは液晶レンズにおける屈折率の差である。図２３のレンズでは、櫛歯電極４１１の付近において、曲率半径の小さなレンズが形成され、櫛歯電極４１１と櫛歯電極４１１の中間付近では、比較的大きな曲率半径を有するレンズが形成される。

図２３に示すような、曲率を有するレンズを使用する場合もあるが、レンズの曲率が、２次曲線のような分布をした液晶レンズが必要な場合もある。図２４は、レンズのピッチ、あるいは、液晶の層厚を変えずに、レンズ形状を２次曲線、あるいは滑らかな曲線にする構成の例を示す断面図である。図２４では、１つのレンズを７個の電極４１１によって形成し、各電極４１１に異なった電圧を印加することによって、屈折率が２次曲線に近い形になるように液晶分子４１３の配向を制御した例である。図２４においては、Ｖ１＞Ｖ２＞Ｖ３＞Ｖ４のような電圧印加をしている。図２５は、図２４に対応する櫛歯電極４１１の平面図である。図２５における領域Ｂは、例えば図１４Ｃにおける領域Ｂに対応している。

照明装置１０からの出射光の向きを出射面１１０に垂直な方向ではなく、ある方向に向けて出射したい場合がある。図２６は、各領域Ａ、Ｂ、Ｃから、出射面１１０に対して垂直方向ではなく、角度φの方向に光を出射させる場合の例である。このような作用は、各領域に配置した液晶レンズの形状を非対称とすることによって可能である。

図２７は、レンズを非対称とするために、印加電圧を非対称にした場合を示す櫛歯電極４１１の平面図である。図２７に示すように、印加電圧は、Ｖ１＞Ｖ２＞Ｖ３＞Ｖ４であり、かつ、Ｖ１＞Ｖ５≠Ｖ３およびＶ１＞Ｖ６≠Ｖ２である。これによって、図２４に示すような液晶レンズの断面図において、非対称な液晶レンズを形成するように、液晶分子４３１を配向させることが出来る。

液晶レンズは、図２１Ａあるいは図２４等で示したような、ホモジニアス配向の場合の液晶だけではなく、種々の方式の液晶装置で実現することが出来る。図２８Ａおよび図２８Ｂは、ＴＮ（Ｔｗｉｓｔｅｄ Ｎｅｍａｔｉｃ）方式の液晶によって、液晶レンズを構成した例である。ＴＮ方式は、第１基板４１と第２基板４２の間において、液晶分子４３１の配向方向が９０度回転する。

図２８Ａは、第１電極４１１と第２電極４２１の間に電圧が印加されていない場合である。この場合、液晶分子４３１は、第１基板４１あるいは第２基板４２と平行方向に配向しているが、第１基板４１付近と第２基板４２付近では、方向が９０度回転している。図２８Ｂは第１電極４１１と第２電極４２１の間に電圧を印加した場合である。この場合、第１電極４１１である櫛歯電極の直上では、液晶分子４３１が基板４１に対して垂直方向に配向するので、光は遮断される。しかし、櫛歯電極４１１と櫛歯電極４１１との中間地点では、液晶分子４３１は、電界の影響を受けず、基板４１と平行方向において、９０度の回転を維持しているので、透過率は変化を受けない。

図２８Ｂの構成をレンズとして評価すると、櫛歯電極４１１の直上は屈折率が最も小さく、櫛歯電極４１１と櫛歯電極４１１の中間は、屈折率が最も大きい。したがって、屈折率分布型ＧＲＩＮ（Ｇｒａｄｉｅｎｔ Ｉｎｄｅｘ）レンズが形成される。液晶レンズをＴＮ型液晶で構成する場合も、図２４あるいは、図２７のような電極配置とすることによって種々のレンズ形状を構成することが出来る。

図２９Ａ乃至図２９Ｃは、櫛歯状の第１電極４１１間に電圧を印加することによって液晶レンズを構成する場合の例を示す断面図である。図２９Ａにおいて、第１基板４１には、櫛歯状電極４１１が形成されている。一方、第２基板４２には、電極は存在していない。すなわち、第１電極４１１である、櫛歯電極間に電圧を印加することによって、液晶分子を配向させて液晶レンズを構成するので、第２電極４２１は必ずしも必要ではない。第２電極４２１はＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）等の透明導電膜で形成するが、透明導電膜といっても、ある程度光を反射、吸収するので、第２電極４２１が存在しないということは、レンズの透過率という面からは有利である。ただし、レンズ形状を変化させたいというような場合は、第２基板４２に第２電極４２１を形成してもよい。

図２９Ｂは、櫛歯電極４１１間に電圧を印加した場合に発生する電気力線ＬＦを示す。すなわち、電気力線ＬＦは、櫛歯電極４１１の直上では基板４１に対して垂直方向に向かい、櫛歯電極４１１と櫛歯電極４１１の間では、基板４１と平行方向に向かう。液晶分子４３１は、この電気力線ＬＦに沿って配向することになる。

図２９Ｃは、図２９Ｂのような電界に沿って液晶分子４３１が配向した状態を示す断面図である。図２９Ｃにおいて、櫛歯電極４１１の直上の屈折率が最も小さく、櫛歯電極４１１と櫛歯電極４１１の中間が最も屈折率が大きい。したがって、この場合も、屈折率分布型ＧＲＩＮ（Ｇｒａｄｉｅｎｔ Ｉｎｄｅｘ）レンズが形成される。

図３０は、第１基板４１に形成される第１電極４１１の平面図である。図３０において、第１の櫛歯電極４１１と第２の櫛歯電極４１１が入れ子になって配置している。第１の櫛歯電極４１１と第２の櫛歯電極４１１の間に電圧を印加することによって図２９Ｃに示すような液晶レンズが形成される。この場合も、液晶層の厚さｇ、櫛歯電極間の距離ｓ、櫛歯電極間の電圧Ｖを変化させることによって種々の形状の液晶レンズを形成することが出来る。

このように、液晶レンズは、レンズを構成する電極間距離、液晶層の層厚、印加電圧のみでなく、液晶レンズの方式によっても、種々の作用を持つレンズを形成することが出来る。図３１に液晶レンズを用いて照度分布を変化させる場合の例を示す。図３１は、図１４Ｂ、図１４Ｃと同じ構成であるが、領域Ａからの出射光のみ記載している。図３１は、領域Ａからの出射光の分布を、領域Ａに配置された液晶レンズによって、いろいろな形状に変えることが出来ることを示している。

Ａｄ１は照度分布が正規分布に近い形状であり、Ａｄ２は正規分布に近いが、より集光された形となっている。Ａｄ３は、液晶レンズを発散レンズのようにすることによって、台形に近い照度分布とした場合であり、Ａｄ３は、液晶レンズを非対称にして照度分布の中心をずらせた場合である。

図１４Ａ乃至図１４Ｃで説明したように、スクリーンにおける光の照度分布は、照明装置の出射面の各領域からの光を集積したものになる。つまり、被照射体１２０に投射される光の照度分布は、出射面の領域Ａ、Ｂ、Ｃ等からの照度分布を変えることによって、任意に変えることが出来る。

図３２は、実施例３を示す断面図である。実施例３は、液晶レンズの作用を円の半径方向に作用させる構成としたものである。図３２において、液晶レンズ８０は１枚のみであり、他の構成は、図５あるいは図１６と同じである。半径方向へ作用する液晶レンズを構成するために、液晶は、ＶＡ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）タイプのもの、つまり、ホメオトロピック配向のものを用いる。ＶＡであれば、ラビング方式、あるいは、光配向方式を用いて、液晶分子４３１を配向膜に沿って配向させるための処理は不要だからである。

図３３は液晶レンズ８０の断面図であり、図３４は、液晶レンズ８０の第１基板８１に形成された第１電極８１１の平面図である。図３３は、図３４のＩ−Ｉ断面に相当する。図３３の液晶レンズは、第２基板８２には電極は形成されておらず、第１基板８１に形成されたリング状の第１電極８１１間に電圧を印加することによって液晶レンズを構成する。

図３４において、第１電極８１が、リング状でかつ同心円状に、複数形成されている。リング状の電極８１の各々には、独立して電圧が印加できるようになっている。図３５Ａ乃至図３５Ｃは、図３４のＪ−Ｊ断面に相当し、本実施例のレンズ作用を説明する断面図である。図３５Ａは、第１電極８１１に電圧が印加されていない状態を示す断面図である。本実施例における液晶は、ホメオトロピック配向であるから、液晶分子４３１は、第１基板８１及び第２基板８２に対して垂直方向に配向している。

図３５Ｂは、第１電極８１１間に電圧を印加した場合の電気力線の例を示す。すなわち、電気力線ＬＦは、櫛歯電極８１１の直上では基板８１に対して垂直方向に向かい、櫛歯電極８１１と櫛歯電極８１１の間では、基板４１と平行方向に向かう。液晶分子４３１は、この電気力線ＬＦに沿って配向することになる。

図３５Ｃは、図３５Ｂのような電界に沿って液晶分子４３１が配向した状態を示す断面図である。図３５Ｃにおいて、櫛歯電極８１１の直上の屈折率が最も小さく、櫛歯電極８１１と櫛歯電極８１１の中間が最も屈折率が大きい。したがって、この場合も、屈折率分布型ＧＲＩＮ（Ｇｒａｄｉｅｎｔ Ｉｎｄｅｘ）レンズが形成される。

この場合に形成される各レンズは、リング状電極８１１、あるいは、円形の第1基板８１、第２基板８２の半径方向に形成される。しかし、各レンズの照明装置における作用は、図１４Ａから図１４Ｃ、図３１等で説明したのと同じである。

本実施例は、外形が円形の液晶レンズ全体として1個のレンズを形成する場合の例である。図３６乃至図３９はこの例を示す。なお、実施例４の照明装置全体としての平面図は図１５と、断面図は図３２と、同じである。また、下偏光板６０、上偏光板７０も図３２等と同じものを使用することが出来る。図３６は、円形の第１基板８１に形成された第１電極８１１の例を示す。第1電極８１１は、複数の同心円状のリングで構成されている。リングの幅は、図３９の場合よりも大きい。なお、図３６では、引き出し線は省略されている。

図３７は、円形の第２基板８２に形成された第２電極８２１の例である。第２電極８２１は円形で平面状に形成されている。第１基板８１と第２基板８２の間に液晶を挟持して液晶レンズを構成する。図３８及び図３９は、第１基板８１と第２基板８２を組み立てた後の、図３６のＫ−Ｋ断面に相当する断面図である。

図３８は、円形で平面状の第２電極８２１とリング状の第１電極８１１との間に電圧が印加されていない状態を示す断面図である。図３８において、液晶はホメオトロピック配向であるから、液晶分子４３１は第１基板８１および第２基板８２の主面に対して垂直に配向している。図３８においてｒ方向は、円の半径方向を示す。

図３９はリング状の複数の第１電極８１１に異なる電圧を印加した状態を示す断面図である。図３９において、第２電極８２１に印加する電圧はＶ１であり、第１電極８１１には、リング状電極の外側からＶ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４、Ｖ５の電圧が印加され、Ｖ１＜Ｖ２＜Ｖ３＜Ｖ４＜Ｖ５である。電圧が大きくなるにしたがって、液晶分子４３１の傾きが大きくなり、第１基板８１の中央付近では、液晶分子４３１はほぼ第１基板８１に平行になっている。

図３９を液晶レンズとしてみると、第１電極８１１にＶ５が印加されており、液晶分子４３１が第１基板８１と平行になっている中央付近における屈折率が最も大きく、第１電極８１にＶ１が印加されており、液晶分子４３１が第１基板８１の主面と垂直になっている周辺付近において、屈折率が最も小さい。したがって、液晶レンズの周辺か中央にかけて、屈折率分布型ＧＲＩＮ（Ｇｒａｄｉｅｎｔ Ｉｎｄｅｘ）レンズが形成される。このようにして形成される液晶レンズは、複数形成されたリング状の第１電極８１１への印加電圧、リング状電極の数、液晶の層厚ｇ等によって任意に変化させることが出来る。

１０…照明装置、 １１…モールド、 １２…反射シート、 １３…導光板、 １４…プリズムシート ２０…ＬＥＤ、 ３０…ＬＥＤ用基板、 ４０…下液晶レンズ、 ４１…第１基板、 ４２…第２基板、 ４３…液晶、 ４５…シール材、 ５０…上液晶レンズ、 ５１…第３基板、 ５２…第４基板、 ５３…液晶、 ５５…シール材、 ６０…下偏光板、 ７０…上偏光板、 ８０…液晶レンズ、 ８１…第１基板、 ８２…第２基板、 ９０…反射ミラー、 ９１…曲面、 ９２…係止部、 １１０…出射面、 １２０…被照射面、 １３０…照射スポット、 ２００…放物線鏡、 ３００…ヒートシンク、 ４１１…第１電極、 ４１２…第２電極、 ４３１…液晶分子、 ５１１…第３電極、 ５２１…第４電極、 ８１１…第１電極、 ８１２…第２電極

Claims (16)

1. 主面と裏面を有し、中央に第１の孔を有する円板状の導光板と、
   前記導光板の前記裏面側に配置し、中央に第２の孔を有する円板状の反射シートと、
   前記導光板の前記主面側に配置し、同心円状の第１のプリズムアレイを有するプリズムシートを有し、
   前記導光板の前記孔の前記プリズムシート側には反射ミラーが配置し、
   前記反射ミラーと対向してＬＥＤが配置していることを特徴とする照明装置。
2. 前記ＬＥＤは、前記導光板の前記孔の内部に存在していることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
3. 前記ＬＥＤと前記反射ミラーとの間は空間が存在していることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
4. 前記ＬＥＤは、平面で視て、前記反射シートの前記第２の孔内に存在していることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
5. 前記反射ミラーは反射曲面と、前記反射曲面の周辺に前記導光板の前記孔に取り付けるための、平坦部を有していることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
6. 前記プリズムシートの前記第１のプリズムアレイは、前記導光板と対向する面に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
7. 前記導光板の前記主面には、半径方向に延在し、円周方向に放射状に配列した第２のプリズムアレイが形成され、前記導光板の前記裏面には、同心円状に第３のプリズムアレイが形成されていることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
8. 前記第１のプリズムアレイの高さは、前記第２のプリズムアレイの高さ及び前記第３のプリズムアレイの高さよりも大きいことを特徴とする請求項７に記載の照明装置。
9. 前記第１のプリズムアレイのピッチは、前記第２のプリズムアレイのピッチよりも大きいことを特徴とする請求項７に記載の照明装置。
10. 前記第１のプリズムアレイのピッチは、前記第３のプリズムアレイのピッチよりも大きいことを特徴とする請求項７に記載の照明装置。
11. 前記プリズムシートの上には、第１の方向に延在し、第２の方向に配列した複数のレンズを有する、外形が円形である第１の液晶レンズが配置していることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
12. 前記第１の液晶レンズの上には、前記第２の方向に延在し、前記第１の方向に配列した複数のレンズを有する、外形が円形である第２の液晶レンズが配置していることを特徴とする請求項１１に記載の照明装置。
13. 前記第１の液晶レンズ及び前記第２の液晶レンズにおける液晶分子の初期配向はホモジニアス配向であることを特徴とする請求項１１又は１２に記載の照明装置。
14. 前記プリズムシートの上には、同心円状に複数のレンズを有する、外形が円形である液晶レンズが配置しており、
    前記液晶レンズにおける液晶分子の初期配向は、ホメオトロピックであることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
15. 前記プリズムシートの上には、外形が円形で、第１の基板と第２の基板の間に液晶層が挟持された液晶レンズが配置し、
    前記第１の基板には、同心円状の複数の第１の電極が形成され、
    前記第２の基板には、平面状に形成された円形の電極が形成され、
    前記液晶レンズは、前記複数の第１の電極に互いに異なる電圧を印加することによってレンズ作用を発現し、
    前記液晶層における液晶分子の初期配向はホメオトロピックであることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
16. 前記液晶層に形成されたレンズの屈折率は、前記液晶レンズの端部において最も小さく、前記液晶レンズの中央部において最も大きいことを特徴とする請求項１５に記載の照明装置。

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