JP2022126144A - 照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】薄型で配向角度が小さく、かつ、漏れ光が少ない照明装置を実現する。また、光ビームの制御を容易に行うことが出来る照明装置を実現する。【解決手段】導光板２３の側面にＬＥＤ４０が配置し、前記導光板２３の主面にプリズムシート２４が配置した照明装置であって、前記プリズムシート２４の上には、第１の方向に延在する第１ルーバ５０と、前記第１の方向と直角方向に延在する第２ルーバ６０とが積層されて配置していることを特徴とする照明装置。さらに、必要に応じて、第２ルーバの上に液晶レンズを配置する。【選択図】図６

Description

本発明は、薄型で、配光角度が小さく、かつ、周辺への漏れ光を小さく出来る照明装置に関する。

飛行機や電車の各座席にコリメートされた光を投射する需要がある。また、自動車等で、目的によって別な角度で光を放射したい場合がある。一方、光源から異なる角度で光を放射したい場合がある。このような場合、例えば、光源の角度を変える、光源からの出射光に対して反射板を配置して出射角度を変える、光源からの出射光に対してレンズを配置して出射角度を変える等の手段がある。

また、照明装置の出射面にレンズを配置することによって、出射光の配光特性を変化させたいという要求も存在する。このような場合、液晶レンズを用いると、焦点距離を容易に変化させることができる。また、液晶レンズは用途に応じてフレキシブルにその作用を変化させることが出来る。

特許文献１には、直下型の光源の上に出射光の角度を変えるための屈折手段を載置した構成が記載されている。これらの屈折手段として、レンズ、プリズム、液体レンズ、液晶レンズ等を用いることが記載されている。

特許文献２には、液晶レンズを種々の光学装置に用いる構成が記載されている。

特開２０１２－０６９４０９ WO２０１２／０９９１２７ 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、高い指向性を持った光、すなわち、配光角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。

一方、薄型の照明装置を用いた場合、配光角を小さくすることが困難である。さらに、出射角度が非常に大きい漏れ光が発生するという問題を生ずる。

本発明の課題は、薄型で、配光角が小さく、かつ漏れ光の小さい照明装置を実現することである。また、本発明の課題は、出射面に液晶レンズを配置し、液晶レンズによる出射光の制御を正確に行うことが出来る照明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）導光板の側面にＬＥＤが配置し、前記導光板の主面にプリズムシートが配置した照明装置であって、前記プリズムシートの上には、第１の方向に延在する第１ルーバと、前記第１の方向と直角方向に延在する第２ルーバとが積層されて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）導光板の側面にＬＥＤが配置し、前記導光板の主面にプリズムシートが配置した照明装置であって、前記プリズムシートの上には、第１の方向に延在する第１ルーバと、前記第１の方向と直角方向に延在する第２ルーバとが同一平面上に交差して形成されていることを特徴とする照明装置。

（４）導光板の側面にＬＥＤが配置し、前記導光板の主面にプリズムシートが配置した照明装置であって、前記プリズムシートの上には、平面で視て、ハニカム構造であるルーバが配置していることを特徴とする照明装置。

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１のＸ－Ｘ断面図である。 サイドライト方式の照明装置の分解斜視図である。 配光曲線を示す図である。 図３の照明装置の配光特性を示すグラフである。 実施例１の照明装置の分解斜視図である。 図６の照明装置の配光特性を示すグラフである。 第１ルーバと第２ルーバの平面図である。 ルーバの断面図である。 他の例によるルーバの断面図である。 さらに他の例によるルーバの断面図である。 一体化クロスルーバの斜視図である。 一体化クロスルーバの側面図である。 他の例による一体化クロスルーバの斜視図である。 他の例による一体化クロスルーバの側面図である。 透明樹脂が存在しない第１ルーバと第２ルーバの平面図である。 図１６のＣ－Ｃ断面図である。 格子状クロスルーバの斜視図である。 ハニカム構造を有するクロスルーバの平面図である。 プリズムシートの詳細図である。 実施例１における第１ルーバと第２ルーバの配置例である。 実施例２の照明装置の分解斜視図である。 液晶レンズによる凸レンズの構成例である。 ２枚構成の液晶レンズの斜視図である。 液晶レンズによる凹レンズの構成例である。 液晶レンズによって光ビームを偏向する例である。 液晶レンズによって光ビームを偏向する他の例である。 第１の例による液晶レンズの断面図である。 第１の例による液晶レンズの第１電極及び第２電極の平面図である。 第２の例による液晶レンズの断面図である。 第２の例による液晶レンズの第１電極及び第２電極の平面図である。 第３の例による液晶レンズの断面図である。 第３の例による液晶レンズの第１電極及び第２電極の平面図である。 第４の例による液晶レンズの断面図である。 第４の例による液晶レンズの第１電極及び第２電極の平面図である。 液晶レンズを２枚使用した場合の断面図である。 液晶レンズを４枚使用した場合の断面図である。 1枚の液晶レンズと１枚の偏光板を使用して液晶レンズを構成した場合の断面図である。 液晶レンズにおける第１電極と第２電極の配置を示す斜視図である。 図２２の照明装置において、ＬＥＤアレイと液晶レンズの第１電極と第２電極のみを取り出した平面図である。 図２２の照明装置において、ＬＥＤアレイと液晶レンズの第１電極と第２電極のみを取り出した他の例による平面図である。 図２２の照明装置において、ＬＥＤアレイと、２組の液晶レンズの第１電極と第２電極のみを取り出したさらに他の例による平面図である。 液晶レンズを平面的に分割した状態を示す平面図である。

図１及び２は、コリメート光を出射するスポットライトに使用される照明装置２０００の例である。このようなコリメート光を得るためには、従来は、図１及び図２に示すような、いわゆる放物線ミラー１が使用されていた。図１は、放物線ミラー１を用いた照明装置２０００の平面図であり、図２は、該照明装置２０００の断面図である。図１において、放物線ミラー１の中央にＬＥＤ２が配置している。ＬＥＤ２は、例えば、ＬＥＤ用基板３に配置している。ＬＥＤ２は、高輝度ＬＥＤを使用しているので、高温になるために、ヒートシンク４の上に配置している。図１において、放物線ミラー１の背面にヒートシンク４の一部が見えている。

図２は図１のＸ－Ｘ断面図である。図２において、放物線ミラー１の底面にＬＥＤ２が配置している。ＬＥＤ２から出射した光は、直上に向かう光の他は、放物線ミラー１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１を十分に機能させるためには、放物線ミラー１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。

本発明の課題は、コリメート光を出射する薄型の照明装置を実現することとともに、照明装置から出射する光の配光角度、あるいは、出射面からの出光角度を制御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３は、実施例１に関連する照明装置１０００の分解斜視図である。図３は導光板２３の側面にＬＥＤアレイ４０を配置したいわゆるサイドライト方式の光源であり、光源全体を薄く出来る。図３における光学部品の中で最も板厚が大きい導光板２３でも厚さは２ｍｍ程度である。

図３において、導光板２３の相対する２つの側面にＬＥＤアレイ４０が配置している。ＬＥＤアレイ４０は、ＬＥＤ基板４２に搭載された複数のＬＥＤ４１がｙ方向に配列している構成である。導光板２３は、側面から入射したＬＥＤアレイ４０からの光を導光板２３の主面方向に向ける役割を有する。導光板２３の下には反射シート２２が配置している。反射シート２２は、導光板２３から下側に向かう光を上側に反射する。

ＬＥＤアレイ４０、光学部品等は例えば金属で形成された外枠２０内に収容されるが、光学部品等を外枠２０内に固定するために、樹脂フレーム２１が使用されている。導光板２３の上には、導光板２３から出射する光を光軸方向にコリメートするためのプリズムシート２４が配置している。プリズムシート２４の上側周辺にはスペーサ２５が配置し、その上に出射面３１を規定するための遮光テープ２６が配置している。そして遮光テープ２６の上に透明カバー３０が配置している。

図３において、透明カバー３０の出射面３１からコリメート光３２が出射されるが、平行四辺形で表示されたコリメート光３２の他に、Ｌｘ、Ｌｙで示す漏れ光が存在している。この漏れ光の存在によって照射光の輪郭がぼやけてしまうという問題がある。また、出射面３１に屈折手段を配置して、出射光を収束、発散、あるいは、向きを変えたい場合、この漏れ光は制御が困難である。

図４は、照明装置１０００から出射する光の配光曲線である。図４において、照明装置１０００の出射面から出射する光は、楕円形で示す配光曲線によってあらわすことが出来る。図４において矢印の長さは光の強度であり、矢印の極角θは光の向きである。図４において、光軸上、すなわちθがゼロの時の光強度が最も大きい。極角が大きくなるにしたがって、光の強度が小さくなる。図４に示す配光曲線は、図３に示すｘ方向、ｙ方向によって異なる。

図５は、図３に示す照明装置に対する、配光角特性である。すなわち、図５は、図４に示す配光曲線を、横軸を角度、縦軸を光の強度として、図３におけるｘ方向とｙ方向に分けて表したものである。図５の横軸は極角（度）であり、縦軸は、光軸上（極角がゼロ）の光の強度を１とした場合の相対強度である。図５において、極角が２０度程度までは、光の強度は正規分布のような滑らかな曲線となっているが、極角が２０度を超えると正規分布から大きくずれた分布となる。この領域が漏れ光Ｌｘ、Ｌｙに該当する。
図４の配光曲線は光軸（θ＝０°）に対し左側がｘ方向の配光曲線であり図５のＬｘ曲線に相当し、右側がｙ方向の配光曲線であり図５のＬｙ曲線に相当する。ｙ方向極角θ１とｘ方向極角θ２が共に３０°のとき、ｙ方向の光の強度がｘ方向の光の強度より大きい。

図５に示すように、漏れ光の分布はｘ方向とｙ方向で異なっている。これは、ＬＥＤアレイがｙ方向に配列しているためである。いずれにせよ、漏れ光Ｌｘ、Ｌｙはコリメートされていない光なので、照明装置を投光器として使用した場合、スポットの輪郭がぼやけるという現象を生ずる。また、照明装置１０００の出射面３１に屈折手段を配置し、出射光を屈折、あるいは、偏向させようとする場合、漏れ光Ｌｘ、Ｌｙに対しては制御が困難である。

図６は、以上のような問題点を解決した、本発明の実施例１による照明装置１０００の分解斜視図である。図６において、反射シート２２からプリズムシート２４までの構成は図５で説明した構成と同じである。図６の特徴は、プリズムシート２４と透明カバー３０の間にクロスルーバ５０、６０が配置されていることである。クロスルーバは、ルーバブレードがｘ方向に延在する第１ルーバ５０とルーバブレードがｙ方向に延在する第２ルーバ６０が直交して重ねて配置されたものである。

第１ルーバ５０はｙ方向の漏れ光を遮光し、第２ルーバはｘ方向の漏れ光を遮光する。その結果、ｘ方向にもｙ方向にも漏れ光の無い、配光特性を得ることが出来る。なお、クロスルーバは第１ルーバ５０、第２ルーバ６０を重ね合わせてもよいし、一体型でもよい。また、ルーバの高さは、必要に応じて、第１ルーバ５０と第２ルーバ６０で変えてもよい。

図７は、図６の照明装置における配向角特性を示すグラフである。図７の横軸と縦軸は図５で説明したのと同じである。図７と図６を比較すると、まず、配向特性が改善されている。つまり、同じ極角で比較した場合、図７のほうが、図６の場合よりも相対強度は小さくなっている。すなわち、光の指向性が改善されている。

図７の第２の特徴は、図５における照明装置１０００からの漏れ光Ｌｘ、Ｌｙは無くなっている。さらに、図７の第３の特徴は、ｘ方向とｙ方向の配向特性に差がない。すなわち、ｘ方向とｙ方向の配向特性は同一の線で表されている。したがって、図６の照明装置１０００によって、指向性に優れた、ビームスポットにぼやけが無い、かつ、均一な光を得ることが出来る。

図８は第１ルーバ５０と第２ルーバ６０の平面図である。第１ルーバ５０のルーバブレード７０はｘ方向に延在し、第２ルーバ６０のルーバブレード７０はｙ方向に延在している。ルーバブレード７０とルーバブレード７０の間には透明樹脂７１が存在しており、第１ルーバ５０と第２ルーバ６０の形状を保っている。

図９は図８のルーバ６０のＡ－Ａ断面図である。図９において、ルーバブレード７０のピッチｐは例えば０．１ｍｍ、ルーバブレード７０の厚さｂは０．０１８５ｍｍ、ルーバブレード７０の高さｔは０．７ｍｍである。ルーバブレード７０は例えば黒色のシリコンゴムで形成され、ルーバブレード７０に入射した光はほとんど吸収される。一方、透明樹脂７１は例えば透過率の高い透明なシリコンゴムで形成される。

図９には、ルーバ６０における光の経路が示されている。図９に示す矢印ＬＬは光の経路を示している。ルーバ６０に入射する光は、ルーバ６０内の透明樹脂７１の屈折率にしたがって屈折する。ルーバ６０から出射する光の配光角θは、空気に対する透明樹脂７１の屈折率をｎ、ルーバの高さをｔ、ルーバブレード間の幅をａとした場合、（式１）によって表すことが出来る。

θ=2sin^-1{nsin(tan^-1(a/t))} （式１）
図１０は、ルーバブレード７０の断面形状を長方形ではなく、３角形とした場合である。ルーバの外形を変えずに、配光角を調整したいような場合に用いることが出来る。なお、ルーバブレード７０の断面形状は、３角形に限らず、台形等でもよい。

図１１は、ルーバの上下面に透明樹脂によるルーバカバー７２を設置した例である。ルーバの機械的な強度が必要な場合等に用いられる。ルーバカバー７２は、例えばポリカーボネイトで形成され、厚さは、例えば０．２ｍｍ程度である。図１１の他の構成は図９と同様である。

クロスルーバは一体型で形成することも出来る。図１２は一体型クロスルーバ８０の斜視図である。図１２において、第１ルーバと第２ルーバが一体型として形成されている他は、図８、図９で説明したのと同様である。すなわち、下側のルーバは、ルーバブレード７０がｘ方向に延在し、上側のルーバは、ルーバブレード７０がｙ方向に延在している。ルーバブレード７０とルーバブレード７０の間には透明樹脂７１が存在している。

図１３は図１２をＡ方向から視た側面図である。上側ルーバと下側ルーバの基本的な構造は図８で説明したのと同様である。図１３では、下側のルーバの高さはｔ１で上側のルーバの高さはｔ２である。ｔ１とｔ２は同じでもよい。ｘ方向の配光角とｙ方向の配光角を変えたい場合は、ｔ１とｔ２を変えればよい。

図１４はクロスルーバの上下にルーバカバー７２を形成した場合である。ルーバカバー７２は、クロスルーバの機械的な強度が必要な場合等に用いられる。図１５は図１４をＢ方向から視た側面図である。ルーバカバー７２は、例えばポリカーボネイトで形成され、厚さｔｃは、例えば０．２ｍｍ程度である。図１５のその他の構成は、図１３で説明したのと同様である。

図８乃至図１５で説明したルーバはルーバブレード７０とルーバブレード７０の間に透明樹脂７１が存在している構成である。透明樹脂７１の屈折率ｎが大きいと、配光角も大きくなる。ルーバブレード７０とルーバブレード７０の間が空間であれば、配光角をより小さく出来る。図１６乃び図１７はその例である。図１６において、左側は第１ルーバ５０の平面図である、右側は第２ルーバ６０の平面図である。第１ルーバ５０と第２ルーバ６０は、角度が９０度回転しているだけで、同じ構造である。

図１６において、ルーバブレード７０は黒色の樹脂でも金属でもよい。ルーバブレード７０とルーバブレード７０の間は空間７５であり、樹脂は存在していない。ルーバブレード７０がばらばらにならないように、ルーバ枠７３が存在している。ルーバ枠７３は、例えば、厚さ０．２ｍｍ程度のポリカーボネイトで形成してもよいし、金属で形成してもよい図１６では、上下方向にのみルーバ枠７３が形成されているが、ルーバ枠７３は全周に形成してもよい。

図１７は図１６のＣ－Ｃ断面図である。図１７に示す矢印ＬＬは光の経路を示している。図１７は、ルーバブレード７０とルーバブレード７０の間は空間なので、屈折は生じない。ルーバ６０から出射する光の配光角θは、（式２）によって表すことが出来る。図９と図１７を比較すると、図１７では、屈折率ｎの分、配光角θを小さくすることが出来る。

θ=2sin-1{sin(tan-1(a/t))} （式２）
図１８は、クロスルーバ８０を一体で形成する場合の斜視図である。図１８は、ルーバブレード７０を同一平面上に格子状に配置することによってクロスルーバの機能を１枚のシートで達成する構成である。図１８では、各格子内は空間７５となっている。図１８における格子は、図１６で説明したのと同様、金属、あるいは、黒色の樹脂で形成することが出来、ルーバブレード７０の厚さ、高さ、ピッチ等は、必要な配向角によって変えればよい。例えば、ルーバの高さｔ、空間の幅ａ、ルーバブレードの厚さｂ等は、図９を参考に決めることが出来る。

また、図１８の格子のままでは形状が不安定である場合は、図１６で説明したように、ポリカーボネイト等によるルーバ枠７３を配置すればよい。図１８における各格子内における光の経路、あるいは、配光角度は図１７で説明したとおりである。なお、光の経路は（式２）で表すことが出来る。ところで、図１８は、各格子内は空間７５であるが、各格子内に透明樹脂を充填してもよい。この場合の光の経路は（式１）で表される。

図１９は、ルーバ９０をハニカム構造で構成した例を示す平面図である。図１９において、ハニカム構造は、黒色樹脂あるいは金属で形成されたルーバブレード７０で形成され、各セルは空間７５となっている。コリメート効果は（式２）と同じである。ハニカム構造は平面で、６０度回転するごとに同じ構成が繰り返されるので、ルーバの回転方向の組み立て誤差が生じにくいという利点がある。また、後で説明する、プリズムシート２４との干渉によるモアレも生じにくいという利点を有している。

図１９におけるハニカム構造は、図１６で説明したのと同様、金属、あるいは、黒色の樹脂で形成することが出来、ルーバブレード７０の厚さ、高さ、ピッチ等は、必要な配向角によって変えればよい。例えば、ルーバの高さｔ、空間の幅ａ、ルーバブレード７０の厚さｂ等は、図９を参考に決めることが出来る。

図１９のハニカムルーバ９０の各セル内は空間７５であるが、各セル内に透明樹脂を充填することも出来る。この場合は、コリメート効果は（式１）で表すことが出来る。また、ルーバの強度を確保するために、必要に応じてルーバカバー７２を用いてもよい。

図６に示す実施例１の構成では、光をコリメートするために、逆プリズムシート２４を用いている。逆プリズムシート２４は、プリズム面が下側になっているプリズムシートである。図２０はプリズムシート２４の詳細図である。図２０のプリズムシート２４において、Ｖ溝によって形成されたプリズムアレイがｙ方向に延在し、ｘ方向に配列している。なお、プリズムシート２４は必要に応じて２枚使用してもよい。この場合は、プリズムアレイの延在方向を２枚のプリズムシートにおいて直角方向に配置する。

プリズムシート２４の寸法例は次のとおりである。プリズムシート２４の厚さｔｐは例えば０．１２５ｍｍ、Ｖ溝の深さＶｄは例えば０，０７５ｍｍ、頂角θｐは例えば６６度、ピッチｐｐは、例えば０．１ｍｍである。図２０のプリズムシート２４は、ｘ方向に広がろうとする光を出射面方向、すなわち、ｚ方向に集める作用をする。

図２０に示すプリズムシート２４では、微視的に視ると、横方向のピッチｐｐによって縦縞が繰り返し現れる。したがって、例えば、図８の第２ルーバ６０と干渉を生じてモアレを発生しやすい。これを防止するには、図２１に示すように、例えば第２ルーバ６０を平面方向にφだけ回転させればよい。φの値は例えば３度乃至４度、つまり、３度以上でよい。この場合、第１ルーバも同じようにφだけ回転する。

図２０のプリズムシートにおけるプリズムアレイはｙ方向に延在しているが、プリズムアレイがｘ方向に延在する場合もある。この場合は、例えば図８の第１ルーバ５０との干渉が問題となるが、上記の説明と同様にして対策することが出来る。なお、ルーバ５０、６０を回転させる代わりに、プリズムシートを回転させてもよい。

ところで、ルーバは、実施例２で説明する、液晶レンズの電極とも干渉を生じてモアレを発生する場合がある。この場合も、例えば、ルーバブレード７０の延在方向を、液晶レンズの電極の延在方向と、平面で視て、３度乃至４度、つまり、３度以上回転させることによって、モアレを軽減することが出来る。あるいは、後で詳述するように、液晶レンズの電極の延在方向を同様な角度、回転させることによってモアレを軽減することが出来る。

図２２は実施例２による照明装置１０００の分解斜視図である。図２２が図６と異なる点は、図２２では、図６における透明カバー３０の代わりに液晶レンズ１００を用いている点である。本明細書における液晶レンズ１００は収束、発散のみでなく、光を偏向する作用（光の進行方向を変える作用）を持つものも含む。図２２において、外枠２０から遮光テープ２６までの構成は図６と同じなので説明を省略する。つまり、図２２の液晶レンズ１００にはクロスルーバ５０、６０等によってコリメートされた光が入射する。

図２３は、液晶レンズの原理を示す断面図である。図２３において、液晶層３００の左側からコリメートされた光が入射している。図３におけるＰは入射光の偏向方向の意味である。通常の光の偏向方向はランダム分布しているが、液晶は屈折率に異方性があるので、図２３はＰ方向に偏向している光についての作用を示すものである。

図２３において、液晶層３００には、電極によって液晶分子３０１が液晶層３００の周辺に行くにしたがって、傾きが大きくなるように配向している。液晶分子３０１は細長い形状であり、液晶分子３０１の長軸方向の実効屈折率は、液晶分子３０１の短軸方向の実効屈折率よりも大きいので、液晶層３００の周辺ほど屈折率が大きくなるため、凸レンズが形成される。図２３における点線は光波面ＷＦであり、ｆはレンズのフォーカス距離である。

液晶は、屈折率に異方性があるので、レンズを形成するには、第１のレンズが作用する光の偏向方向と直角方向に偏向する光に作用する第２のレンズが必要になる。図２４はこのレンズ構成を示す分解斜視図である。図２４において、左側の平行四辺形は光の波面である。つまり、Ｘ方向とＹ方向に偏向した光が液晶層に入射する。第１液晶レンズ１１０はＸ偏光光に作用するレンズであり、第２レンズ１２０はＹ偏光光に作用するレンズである。

図２４において、第１液晶レンズ１１０と第２液晶レンズ１２０では液晶分子３０１の初期配向方向が９０度異なっている。液晶分子３０１の初期配向は、液晶レンズ内の配向膜の配向方向によって決定される。つまり、図２４では、２枚の液晶レンズにおいて、光が入射する側の基板における配向膜の配向方向が互いに直角方向になっている。

図２５は液晶レンズによって凹レンズを形成する場合である。図２５において、波面ＷＦが液晶層３００に平行で、１方向に偏向した光が、左側から液晶層３００に入射する。図２５において、液晶層３００における液晶分子３０１は、電極によって光軸付近において最も大きく配向され、周辺に行くにしたがって、配向角度が小さくなっている。このような液晶配向によるレンズ構成によって、液晶層３００を通過した光の波面ＷＦは図２５の点線で示すような曲線になって凹レンズが形成される。なお、凹レンズの場合も、図２４に示すように、２枚の液晶レンズが必要なことは同じである。

図２６は液晶レンズによって、光を左方向に偏向する場合の原理を示す図である。図２６において、上側の図は、液晶レンズ１００の断面図である。液晶レンズ１００の第１基板１０１の上に第１電極１０２が形成され、第２基板１０３の上に第２電極１０４が形成され、第１電極１０２と第２電極１０４の間に液晶層３００が存在している。液晶層３００はシール材１０５によって封止されている。図２６では、液晶レンズを２枚使用する代わりに、偏光板２５０を用いているので、液晶レンズは１枚である。

図２６の第１電極１０２と第２電極１０４の間に、図２６の下側のグラフに示すように、電位差が左から右に大きくなるような電圧ｖを印加すると、液晶分子３０１の配向角度が場所ごとに変化し、液晶層３００の実効複屈率Δｎがグラフのように変化する。このような液晶層３００の構成によって、液晶レンズ１００に下側から入射したコリメート光ＬＬは左方向に偏向されて出射することになる。

図２７は液晶レンズ１００によって、光を右方向に偏向する場合の原理を示す図である。図２７において、上側の図は、第１電極１０２と第２電極１０４の間の電圧のかけ方を除いて図２６と同じである。図２７の第１電極１０２と第２電極１０４の間に、図２７の下側のグラフに示すように、左から右に電位差が小さくなるような電圧ｖを印加すると、液晶分子３０１の配向角度が場所ごとに変化し、液晶の実効複屈率Δｎが、グラフのように変化する。このような液晶層３００の構成によって、液晶レンズ１００に入射したコリメート光ＬＬは右方向に偏向されることになる。

図２８は実際の液晶レンズの構成の第１の例を示す断面図である。図２８において、第１基板１０１の上に第１電極１０２が配置し、第２基板１０３の上に第２電極１０４が配置し、第１基板１０１と第２基板１０３の間に液晶層３００が挟持されている。第１電極１０２と第２電極１０４を覆って配向膜が形成されているが図２８では省略されている。以下の図も同様である。配向膜にラビング処理等の配向処理を行うことによって液晶分子３０１の初期配向方向を決める。

図２８では、第１基板１０１側の液晶分子３０１の初期配向方向と第２基板１０３側の液晶分子３０１の初期配向方向が９０度となっており、いわゆるＴＮ（Ｔｗｉｓｔｅｄ Ｎｅｍａｔｉｃ）タイプの液晶レンズとなっている。第１電極１０２はｘ方向に延在し、第２電極１０４はｙ方向に延在している。ただし、液晶レンズ１００の形成にはＴＮタイプタイプの液晶に限る必要はない。

図２９の左側の図は第１基板１０１に形成された第１電極１０２の平面図である。図２９の右側の図は第２基板１０３に形成された第２電極１０４の平面図である。第１電極１０２はｘ方向に延在しており、第２電極１０４はｙ方向に延在している。第１電極１０２と第２電極１０４の交点において、液晶分子３０１が電圧に従って配向する。つまり、第１電極１０２と第２電極１０４への電圧の印加方法によって種々の液晶レンズの機能を発揮させることが出来る。

図３０は実際の液晶レンズ１００の構成の第２の例を示す断面図である。図２８において、第１基板１０１の上にストライプ状の第１電極１０２が配置し、第２基板１０３の上に平面状の第２電極１０４が配置し、第１基板１０１と第２基板１０３の間に液晶層３００が挟持されている。図３１の左側の図は第１基板１０１に形成された第１電極１０２の平面図であり、第１電極はｘ方向に延在している。図３１の右側の図は第２基板１０３に形成された第２電極１０４の平面図であり、第２電極１０４は平面状である。第２の例も、第１電極１０２と第２電極１０４の間に印加される電圧によって種々の液晶レンズの機能を発揮させることが出来る。

図３２は実際の液晶レンズ１００の構成の第３の例を示す断面図である。図３２において、第１基板１０１の上にストライプ状の第１電極１０２が配置し、第２基板１０３には電極は形成されていない。図３３の左側の図は第１基板１０１に形成された第１電極１０２の平面図であり、第１電極１０２はｘ方向に延在している。図３３の右側の図は第２基板１０３だけが描かれており、第２電極は存在していない。

第３の例は、第１基板１０１に形成された第１電極１０２のみによって液晶を駆動する、横電界方式の液晶レンズである。すなわち、隣接するストライプ状の第１電極１０２間の電位差によって液晶分子３０１が配向し、これによってレンズが形成される。第１電極１０２のストライプ電極間における電圧を種々変化させることによって、種々のレンズを構成することが出来る。

図３４は実際の液晶レンズ１００の構成の第４の例を示す断面図である。図３４において、第１基板１０１の上に同心円状の第１電極１０２が配置し、第２基板１０２の上に平面状の第２電極１０４が配置し、第１基板１０１と第２基板１０３の間に液晶層３００が挟持されている。図３５の左側の図は第１基板１００に形成された第１電極１０２の平面図である。第１電極１０２は同心円状の円となっている。円状の各電極には電圧を印加するための引き出し電極１０６が接続されている。

図３５において、第１電極１０２と第２電極１０４間の電圧を変化させることによって種々の強度のレンズを形成することができる。第４の例は、第１電極１０２が同心円で形成されているので、円形のレンズを容易に形成できるという特徴を有している。

図２８乃至図３５はいずれも１枚分の液晶レンズの構造である。しかし、液晶は、１方向の偏光光のみ制御できるので、実際の液晶レンズでは、２枚の液晶レンズを組として使用する必要がある。図３６は、第１の液晶レンズ１１０と第２の液晶レンズ１２０を、接着材２００を用いて重ね合わせた場合の断面図である。

図３６において、第１液晶レンズ１１０はＴＮ液晶であって、第１基板１０１の上に第１電極１０２が形成され、第２基板１０３の上に第２電極１０４が形成され、第１基板１０１と第２基板１０３の間に液晶層３００が挟持されている構成である。第２液晶レンズ１２０も同じ構造である。第１液晶レンズと第２液晶レンズの構造は同じであるが、第１液晶レンズ１１０における第１基板１０１の配向膜の配光方向ＡＬと、第２液晶レンズ１２０における第１基板１０１の配向膜の配光方向ＡＬが９０度方向に交差している。つまり、入射光の第１の方向に偏光した偏光光に対して第１の液晶レンズ１１０が作用し、入射光の第１の方向と直角方向の第２の方向に偏光した偏光光に対して第２の液晶レンズ１２０が作用する。

２枚の液晶レンズだけではレンズ作用、あるいは、偏向作用が十分でない場合、液晶レンズを４枚用いればよい。図３７は４枚の液晶レンズを接着材２００によって組み合わせた例である。図３７において、下側から第１液晶レンズ１１０、第２液晶レンズ１２０、第３液晶レンズ１３０、第４液晶レンズ１４０というように積層されている。第１液晶レンズ１１０と第２液晶レンズ１２０の構成は図３６で説明したとおりである。第３液晶レンズ１３０と第４液晶レンズ１４０も第１液晶レンズ１１０あるいは第２液晶レンズ１２０と同じである。

図３７において、第１液晶レンズ１１０の第１基板１０１に形成された配向膜の配向方向ＡＬと第２液晶レンズ１２０の第１基板１０１に形成された配向膜の配光方向ＡＬは直角であり、第３液晶レンズ１３０の第１基板１０１に形成された配向膜の配向方向ＡＬと第４液晶レンズ１４０の第１基板１０１に形成された配向膜の配光方向ＡＬは直角である。

なお、第１液晶レンズ乃至第４液晶レンズの配向膜の配向方向は、図３７以外の組み合わせも可能である。また、各液晶レンズはＴＮ液晶に限定する必要もない。

図３８は、液晶レンズ１００を１枚で済ませたい場合の構成である。図３８において、第１液晶レンズ１１０の下に偏光板２５０が貼り付けられている。第１液晶レンズ１１０の構造と作用は、図２８乃至図３１等で説明したとおりである。液晶は、特定の偏向方向の光のみに作用するので、偏向光を第１液晶レンズ１１０に入射する必要がある。

図３８は、偏光板２５０を液晶レンズ１１０の第１基板１０１に配置することによって、液晶によって制御可能な偏光光を第１液晶レンズ１１０に入射させている。しかし、偏光板２５０を用いると、偏光板２５０の透過軸方向と直角な方向に偏光する光は透過できない。そこで、偏光板２５０を透過できない光をプリズムシート側に反射し、プリズムシート側で再び反射させることによって光の偏光軸を回転し、再利用することが出来るような、偏向反射板を用いることによって、光の利用効率を上げることが出来る。

図３９は、図２８に示す液晶レンズの斜視図である。第１基板１０１に第１電極１０２がｙ方向に延在し、ｘ方向に配列している。第２基板１０３に第２電極１０４がｘ方向に延在し、ｙ方向に配列している。第１基板１０１と第２基板１０３を重ね合わせると、電極形状は、平面で視て井桁状に見える。

図４０は、図２２の照明装置において、液晶レンズ１００の電極とＬＥＤアレイ４０のみを取り出した平面図である。液晶レンズ１００は図２８の構成を用いている。液晶レンズ１００に形成された電極はＩＴＯ等の透明電極で形成される場合が多いが、透明電極であっても透過率は１００％ではないので、規則的な明暗が発生する。そうすると、この規則的な明暗とクロスルーバ５０，６０との干渉が生じ、モアレが発生する。

図４１は、モアレを対策した構成を示す平面図である。図４１において、井桁構成の電極１０２、１０４を、平面で視て、４５度回転させている。これによって、モアレを抑止しすることが出来る。回転する角度φは３度乃至４度でもモアレに対しては大きな効果がある。

図４２は、液晶レンズを２枚使用した場合の例である。第１の液晶レンズに形成された井桁構造の電極と第２の液晶レンズに形成された井桁構造の電極が、平面で視て、４５度の角度で重なっている。図４２のバリエーションとして、第１の液晶レンズに形成された井桁構造の電極をｘ方向に対して２２．５度回転させ、かつ、第２液晶レンズに形成された井桁構造の電極を、さらに４５度回転させた構造とすれば、より一層、モアレが改善される。

このように、液晶レンズ１００に形成される電極を種々の角度で回転させることによって、クロスルーバ５０、６０との干渉を防止することが出来る。以上で説明した液晶レンズ１００は図２８及び図２９に示す液晶レンズのみでなく、図３０及び図３１に示す液晶レンズの他、種々の液晶レンズに適用することが出来る。なお、液晶レンズの電極を回転するのでなく、クロスルーバ５０、６０を平面方向で回転させても同様な効果を得ることが出来る。

ところで、液晶レンズの第１基板１０１の第１電極１０２を、図３４及び図３５に示すような、同心円状の電極とすれば、クロスルーバとの干渉によるモアレは発生しにくい。つまり、モアレという点においては、同心円状の電極を有する液晶レンズはクロスルーバとの組み合わせに適している。

図４３は、液晶レンズ１００の構成に対し、平面方向において特性の異なる複数の領域を形成した構成を示す平面図である。照明装置からの出射光を単なる光スポットではなく、輝度分布を持ったスポット、あるいは、スポット形状を変化させたい場合等がある。液晶レンズ１００に、平面で視て、特性の異なる複数の領域を形成することによって、このような要求を満たすことが出来る場合がある。図４３における領域Ｒ１と領域Ｒ２とでは、液晶レンズを構成する電極形状を変化させ、領域毎に液晶レンズの特性を変えている。これに加えて、電極に加わる電圧を制御することによってより細かな制御をおこなうことが出来る。

１…放物線ミラー、 ２…ＬＥＤ、 ３…ＬＥＤ基板、 ４…ヒートシンク、 ２０…外枠、 ２１…樹脂枠、 ２２…反射シート、 ２３…導光板、 ２４…プリズムシート、 ２５…スペーサ、 ２６…遮光テープ、 ３０…カバー、 ３１…出射領域、 ３２…コリメート光、 ４０…ＬＥＤアレイ、 ４１…ＬＥＤ、 ４２…ＬＥＤ基板、 ５０…第１ルーバ、 ６０…第２ルーバ、 ７０…ルーバブレード、 ７１…透明樹脂、 ７２…ルーバカバー、 ７３…ルーバ枠、 ７５…空間、 ８０…クロスルーバ、 ９０…ハニカムルーバ、 １００…液晶レンズ、 １０１…第１基板、 １０２…第１電極、 １０３…第２基板、 １０４…第２電極、 １０５…シール材、 １０６…引き出し線、 １１０…第１液晶レンズ、 １２０…第２液晶レンズ、 １３０…第３液晶レンズ、 １４０…第４液晶レンズ、 ２００…接着材、 ２５０…偏光板、 １０００…照明装置、 ２０００…照明装置、 ＡＬ…配向方向、 ＬＬ…光、 Ｌｘ…漏れ光、 Ｌｙ…漏れ光、 Ｒ１…第１領域、 Ｒ２…第２領域、 ５２１…第４電極

Claims (20)

1. 導光板の側面にＬＥＤが配置し、前記導光板の主面にプリズムシートが配置した照明装置であって、
   前記プリズムシートの上には、第１の方向に延在する第１ルーバと、前記第１の方向と直角方向に延在する第２ルーバとが積層されて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は第３の方向に延在するプリズムアレイを有しており、前記第１の方向と前記第３の方向は３度以上であり、前記第２の方向と前記第３の方向は３度以上であることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
3. 前記第１ルーバによる配光角と前記第２ルーバによる配光角は異なることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
4. 前記第１ルーバは光軸方向に第１の厚さを有し、前記第２ルーバは、前記光軸方向に第２の厚さを有し、
   前記第１の厚さと前記第２の厚さは異なることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
5. 前記第１ルーバは第１のルーバブレードを有し、前記第２ルーバは第２のルーバブレードを有し、前記第１ルーバブレードと前記第１ルーバブレードの間、及び、前記第２ルーバブレードと前記第２ルーバブレードとの間は空間であることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
6. 前記第１ルーバは第１のルーバブレードを有し、前記第２ルーバは第２のルーバブレードを有し、前記第１ルーバブレードと前記第１ルーバブレードの間、及び、前記第２ルーバブレードと前記第２ルーバブレードとの間には透明樹脂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。
7. 前記プリズムシートの上に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。
8. 前記液晶レンズは、前記第１の方向と第１の角度回転した方向に延在する第１の電極を有しており、前記第１の角度は３度以上であることを特徴とする請求項７に記載の照明装置。
9. 前記液晶レンズは、前記第２の方向と前記第１の角度回転した方向に延在する第２の電極を有していることを特徴とする請求項８に記載の照明装置。
10. 前記第１の角度は２２．５度であることを特徴とする請求項９に記載の照明装置。
11. 前記第１の角度は４５度であることを特徴とする請求項９に記載の照明装置。
12. 前記液晶レンズは、前記第１の電極の延在方向と直角方向に延在する第２の電極を有していることを特徴とする請求項８に記載の照明装置。
13. 前記液晶レンズは第１液晶レンズと第２液晶レンズの積層構造であり、前記第１の電極は前記第１液晶レンズに形成されており、前記第２の電極は前記第２の液晶レンズに形成されていることを特徴とする請求項９に記載の照明装置。
14. 前記液晶レンズは、平面で視て、第１の領域と第２の領域に分かれており、前記第１の領域における電極構成は、前記第２の領域における電極構成とは異なることを特徴とする請求項７に記載の照明装置。
15. 導光板の側面にＬＥＤが配置し、前記導光板の主面にプリズムシートが配置した照明装置であって、
    前記プリズムシートの上には、第１の方向に延在する第１ルーバと、前記第１の方向と直角方向に延在する第２ルーバとが同一平面上に交差して形成されていることを特徴とする照明装置。
16. 前記プリズムシートは第３の方向に延在するプリズムアレイを有しており、前記第１の方向と前記第３の方向は３度以上であり、前記第２の方向と前記第３の方向は３度以上であることを特徴とする請求項１５に記載の照明装置。
17. 前記プリズムシートの上には液晶レンズが配置していることを特徴とする請求項１５に記載の照明装置。
18. 導光板の側面にＬＥＤが配置し、前記導光板の主面にプリズムシートが配置した照明装置であって、
    前記プリズムシートの上には、平面で視て、ハニカム構造であるルーバが配置していることを特徴とする照明装置。
19. 前記ハニカム構造の内部は空間であることを特徴とする請求項１８に記載の照明装置。
20. 前記プリズムシートの上には液晶レンズが配置していることを特徴とする請求項１７に記載の照明装置。

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