JP7346719B2

JP7346719B2 - 照明装置

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Inventors: 誠長谷川; 延幸鈴木
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Description

本発明は、配光角度が小さく、かつ、白色色温度を容易に変えることが出来る照明装置に関する。

照明装置として発光ダイオード（ＬＥＤ、ＬｉｇｈｔＥｍｉｔｔｉｎｇＤｉｏｄｅ）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。

特許文献１には、出射面が平面であり、背面を出射面に対して所定の角度を持つ反射面とし、サイドから入射したＬＥＤからの光を前記反射面において反射させ、前記出射面から出射させることによって面光源を得る照明装置が記載されている。

特許文献２には、特許文献１に記載のような構成を有する照明装置において、サイドに昼白色のＬＥＤ、電球光を発光するＬＥＤ等を並列して配置し、各ＬＥＤを同時に点灯させることによって所望の色温度の面光源を得る構成が記載されている。また、特許文献２には、一部のＬＥＤのみを点灯させることによって、色温度の異なる白色を得る構成が記載されている。

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。

ＷＯ２０１３／０８０９０３ＷＯ２０１３／０９４４８１ＵＳ２０１９／００２５６５７Ａ１

室内照明では、一般には白色が使用される。白色といっても種々の色温度の白色が存在する。例えば昼白色（色温度５０００Ｋ程度）、温白色（色温度３５００Ｋ程度）、電球色（色温度２８００Ｋ程度）等である。白色温度を切り替える場合は、光源そのものを変える必要があった。

一方、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。

本発明の課題は、薄型で、色温度を容易に切り替えることが出来、かつ、配光角度の小さい照明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）導光板の第１の側面および前記第１の側面に対向する第２の側面に、第１の白色ＬＥＤと第２の白色ＬＥＤと第３の白色ＬＥＤが等間隔に配置し、前記導光板の主面には、前記第１の側面と直角方向に延在し、平行方向に配列して第１のプリズムアレイが形成され、前記導光板の裏面には、前記第１の側面と平行方向に延在し、直角方向に配列して第２のプリズムアレイが形成され、前記導光板の裏面側には反射シートが配置し、前記導光板の前記主面側には、第１のプリズムシートが配置し、前記第１のプリズムシートの前記導光板側の面には、前記導光板の前記第１の側面と平行方向に延在し、直角方向に配列した第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照明装置。

（２）導光板の第１の側面には第１の白色ＬＥＤが等間隔で配置し、前記第１の側面に対向する第２の側面には、前記第１の白色ＬＥＤとは色温度が異なる第２の白色ＬＥＤが等間隔で配置し、前記導光板の主面には、前記第１の側面と直角方向に延在し、平行方向に配列して第１のプリズムアレイが形成され、前記導光板の裏面には、前記第１の側面と平行方向に延在し、直角方向に配列して第２のプリズムアレイが形成され、前記導光板の裏面側には反射シートが配置し、前記導光板の前記主面側には、第１のプリズムシートが配置し、前記第１のプリズムシートの前記導光板側の面には、前記導光板の前記第１の側面と平行方向に延在し、直角方向に配列した第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照明装置。

（３）前記第１のプリズムシートの上方には、第１の方向に延在し、第２の方向に配列した複数の第１の液晶レンズが配置していることを特徴とする（１）または（２）に記載の液晶表示装置。

（４）前記第１の液晶レンズの上方には、前記第２の方向に延在し、前記第１の方向に配列した第２の液晶レンズが配置していることを特徴とする（３）に記載の液晶表示装置。

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。図５のＣ－Ｃ断面図である。実施例１による照明装置の斜視図である。下プリズムシートの平面図および断面図である。上プリズムシートの平面図および断面図である。実施例１の実施形態１を示す平面図である。実施例１の実施形態２を示す平面図である。実施例１の実施形態３を示す平面図である。実施例１の実施形態４を示す平面図である。実施例２による照明装置の平面図である。実施例２の実施形態１を示す平面図である。実施例２の実施形態２を示す平面図である。実施例２の実施形態３を示す平面図である。実施例３の実施形態1を示す平面図である。実施例３の実施形態２を示す平面図である。実施例４の実施形態１を示す平面図である。実施例４の実施形態２を示す平面図である。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。本発明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５の照明装置を示す平面図である。図２４のＤ－Ｄ断面図である。第１液晶レンズ及び第２液晶レンズの断面図である。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断面図である。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グラフである。第１液晶レンズの第２電極の形状を示す平面図である。第１液晶レンズの第１電極の形状を示す平面図である。第２液晶レンズの第３電極の形状を示す平面図ある。第１液晶レンズの作用を示す模式図である。第２液晶レンズの作用を示す模式図である。液晶レンズ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３４の液晶レンズに対応する第１電極の平面図である。液晶レンズの作用を示す断面模式図である。図３６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場合の第１電極の形状を示す平面図である。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。

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を使用しているので、高温になるために、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。

一般には、照明には白色照明が使用されるが、白色照明にも種々の色温度が存在する。例えば昼白色（色温度５０００Ｋ程度）、温白色（色温度３５００Ｋ程度）、電球色（色温度２８００Ｋ）等である。白色色温度を好みによって変えたい場合が生ずる。図３及び図４に示すような、放物線ミラーを有する照明装置によってこのような要求を満たすためには、照明装置自体を替える必要がある。

本発明の課題は、コリメート光を出射する照明装置において、色温度を容易に変更することが出来、かつ、薄型の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断面図であり、図７は、図５のＣ－Ｃ断面図である。図５において、光源としてのＬＥＤ２１、２２、２３が導光板１３の側面に配置している。導光板１３の上には、出射光の配光角度を小さくするために、プリズムシート１５が配置している。図６において、ＬＥＤ２１、２２、２３は全て白色ＬＥＤであるが、色温度が異なる。ＬＥＤ２１は昼白色（色温度５０００Ｋ程度）を、ＬＥＤ２２は温白色（色温度３５００Ｋ程度）を、ＬＥＤ２３は電球色（色温度２８００Ｋ程度）を発光する。

図５の特徴は、これらの色温度の異なるＬＥＤ２１、２２、２３を均等のピッチで導光板１３の側面に配置していることである。図５の構成では、３種類のＬＥＤの１種類を使用することによって、所望の色温度に切り替えることが出来る。表示装置のバックライトにおいて、赤、緑、青の３色のＬＥＤを同時に点灯して白色光を得る場合があるが、このためには、赤、緑、青の３色のＬＥＤを出来る限り近接して配置する必要がある。すなわち、表示装置のバックライトでは、３色セットの間隔は、３色セット内の各ＬＥＤの間隔よりもはるかに大きい。この点で、本発明は従来のバックライトとは大きく異なっている。

図６は、図５のＢ－Ｂ断面図である。図６において、照明装置のフレームを構成する基板１１の上に反射シート１２が配置している。反射シート１２の上に導光板１３が配置し、導光板１３の上に光の配光角度を小さくするために、下プリズムシート１４と上プリズムシート１５が配置している。なお、照明装置によっては、プリズムシートを1枚のみ使用する場合もある。

図７は、図５のＣ－Ｃ断面図である。図７において、導光板１３の側面にＬＥＤ２１、２２、２３が配置している。図５で説明したように、色温度の異なる白色ＬＥＤ２１、２２、２３が導光板１３の側面に等間隔で配置している。その他の図７の構成は図６で説明したとおりである。

図８は、図５に示す照明装置の斜視図である。ただし、図を複雑にしないために、図８では、上プリズムシートは省略している。図８において、導光板１３の２つの側面にＬＥＤ２１、２２、２３が等間隔で配置している。導光板１３の下面に反射シート１２が配置している。反射シート１２は、導光板１３から下方に向かう光を反射して出射面側である上側に向ける。反射シート１２は、例えば、３Ｍ製のＥＳＲ（ＥｎｈａｎｃｅｄＳｐｅｃｕｌａｒＲｅｆｌｅｃｔｏｒ）を用いることが出来る。厚さは例えば７０μｍ程度である。

図８において、反射シート１２の上に導光板１３が配置している。導光板１３の厚さは２ｍｍ程度である。導光板１３は、側面から入射したＬＥＤ２１、２２、２３からの光を出射面である上方向に向ける役割を有する。導光板１３の下面方向に向かう光は、反射シート１２によって、出射面である、上方向に反射される。

導光板１３は、サイドから入射した光を効率よく、主面から出射させて面光源とするために、上面及び下面にプリズムアレイが形成されている。導光板１３の上面及び下面に形成されたプリズムアレイは、後で説明する下プリズムシート１４、上プリズムシート１５に形成されたプリズムアレイ、あるいは、表示装置等に使用されている導光板に形成されることがあるプリズムアレイとは非常に異なっている。すなわち、本実施例における導光板１３に形成されたプリズムアレイの突起（あるいは溝）とピッチとは、プリズムシート１４等に形成された突起やピッチよりも極端に小さい。なお、図８は模式図なので、プリズムアレイのこのような寸法差は反映されていない。

図８において、導光板１３の下面のプリズムアレイはｙ方向に延在し、ｘ方向に配列している。プリズムアレイの突起の高さｈｂは例えば、０．００２μｍ、ピッチｐｘは例えば０．１μｍである。プリズムの頂角θｂは、例えば９０度である。導光板１３の上面のプリズムアレイの突起はｘ方向に延在し、ｙ方向に配列している。突起の高さｈｔは例えば、０．１μｍ、ピッチｐｙは例えば０．２μｍである。プリズムの頂角θｔは、例えば９０度である。このように、導光板１３の上面に形成されたプリズムアレイの高さ、ピッチとも、導光板１３の下面に形成されたプリズムアレイの高さ、ピッチよりも大きい。なお、導光板１３の上面及び下面に形成されるプリズムアレイは、突起ではなく、導光板１３の表面にV溝を形成することによって形成しても同様な効果を得ることが出来る。

導光板１３の上には下プリズムシート１４が配置している。下プリズムシート１４はプリズム面が下側にある、いわゆる逆プリズムシートである。図８において、断面が３角形のプリズムアレイがｙ方向に延在し、ｘ方向にピッチｐｘで配列している。すなわち、下プリズムシート１４のプリズムアレイの延在方向は、導光板１３の上面に形成されたプリズムアレイの延在方向と直角方向であり、導光板１３の下面に形成されたプリズムアレイと同方向である。

図９は、プリズムシート１４にプリズムアレイをＶ溝によって形成した場合の下プリズムシートの図である。図９において、プリズムアレイはｙ方向に延在し、ｘ方向に配列している。図９において、下プリズムシート１４の厚さｔｐは例えば１２５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。図９の下プリズムシート１４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１０は、下プリズムシート１４の上に配置する上プリズムシート１５の図である。なお、上プリズムシート１５は図８では省略されている。上プリズムシート１５のプリズムアレイは、x方向に延在してｙ方向に配列している。上プリズムシート１５も下プリズムシート１４と同様に、逆プリズムとなっており、上プリズムシート１５の厚さｔｐは例えば１２５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。上プリズムシートはｙ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。

このように、導光板１３の上面と下面に形成されたプリズムアレイの高さ（あるいはV溝の深さ）及びピッチは、下プリズムシート１４、上プリズムシート１５に形成されたプリズムアレイの高さ（あるいはV溝の深さ）及びピッチよりも、２桁以上、場合によっては、３桁以上小さい。このような、導光板１３と下プリズムシート１４、上プリズムシート１５を組み合わせることによって、光の利用効率の高い、かつ、配光角の小さい照明を得ることが出来る。

図１１は、図５に示す実施例１の第１実施形態を示す平面図である。図１１において、導光板１３の側面に配置された３種類の白色ＬＥＤ２１、２２、２３のうち、昼白色ＬＥＤ２１のみ点灯しており、出射面、この場合は、上プリズムシート１５からは昼白色光が出射される。

図１２は、図５に示す実施例１の第２実施形態を示す平面図である。図１２において、導光板１３の側面に配置された３種類の白色ＬＥＤ２１、２２、２３のうち、温白色ＬＥＤ２２のみ点灯しており、出射面、この場合は、上プリズムシート１５からは温白色光が出射される。

図１３は、図５に示す実施例１の第３実施形態を示す平面図である。図１３において、導光板１３の側面に配置された３種類の白色ＬＥＤ２１、２２、２３のうち、電球色ＬＥＤ２３のみ点灯しており、出射面、この場合は、上プリズムシート１５からは電球色光が出射される。

図１４は、図５に示す実施例１の第４実施形態を示す平面図である。図１４において、導光板１３の側面に配置された３種類の白色ＬＥＤ２１、２２、２３の全部が点灯しており、昼白色、温白色、電球色の混合白色光が出射される。

なお、混合白色は、図１４の場合に限らず、３種類の白色のうちの２種類の組み合わせも可能である。このように、実施例１を用いれば、例えば、リモートスイッチ一つで色温度の異なる白色照明を得ることが出来る。

図１５は、実施例２の照明装置１０の平面図である。図１５の断面構成は、図６と同様である。図１５が実施例１の図５と異なる点は、導光板１３の１辺に配置したＬＥＤが同じ色の白色光だということである。例えば、図１５では、1辺には昼白色ＬＥＤ２１のみが配置し、対向する辺には、温白色ＬＥＤ２２のみが配置している。ＬＥＤは、実施例１同様、すべて同じピッチｐ１で配置している。

図１６は、実施例２の第１実施形態を示す平面図である。図１６において、導光板１３の一方の側面に配置された昼白色ＬＥＤ２１のみ点灯しており、出射面、この場合は上プリズムシート１５、からは昼白色光が出射される。図１６の場合、実施例１の実施形態１の場合よりも、点灯している昼白色ＬＥＤ２１の数が多いので、より明るい光源とすることが出来る。

図１７は、実施例２の第２実施形態を示す平面図である。図１７において、導光板１３の他方の側面に配置された温白色ＬＥＤ２２のみ点灯しており、出射面、この場合は上プリズムシート１５、からは温白色光が出射される。図１７の場合、実施例１の実施形態２の場合よりも、点灯している昼白色ＬＥＤ２２の数が多いので、より明るい光源とすることが出来る。

図１８は、実施例２の第３実施形態を示す平面図である。図１８において、導光板１３の一方の側面に配置された昼白色ＬＥＤ２１と、他方の側面に配置された温白色ＬＥＤ２２のいずれも点灯しているので、昼白色と温白色の混合白色が出射される。図１５乃至図１８は、昼白色ＬＥＤ２１と温白色ＬＥＤ２２を組み合わせた例であるが、いずれかのＬＥＤを他の白色ＬＥＤ、例えば、電球色ＬＥＤ２３と置き換えてもよい。

実施例３は、導光板１３の３辺に異なる白色ＬＥＤ２１、２２、２３を配置した場合の例である。図１９は、実施例３の第１形態を示す平面図である。図１９において、導光板１３の各側面には、昼白色ＬＥＤ２１、温白色ＬＥＤ２２、電球色ＬＥＤ２３が同じピッチで配置している。いずれかのＬＥＤを点灯することによって、必要な色温度を有する白色光を得ることが出来る。

図２０は、実施例３の第２形態を示す平面図である。図２０において、導光板１３の３辺のうちの各辺には、昼白色ＬＥＤ２１、温白色ＬＥＤ２２、電球色ＬＥＤ２３のいずれかのＬＥＤのみが配置している。いずれかの辺のＬＥＤを点灯することによって、必要な色温度を有する白色光を得ることが出来る。

必要に応じて、複数種類のＬＥＤを点灯することによって、必要な色温度の白色を得ることが出来る。実施例３は、実施例１および実施例２の場合よりも明るい照明を得ることが出来る。

実施例４は、導光板１３の４辺に異なる白色ＬＥＤ２１、２２、２３を配置した場合の例である。図２１は、実施例４の第１形態を示す平面図である。図２１において、導光板１３の各側面には、昼白色ＬＥＤ２１、温白色ＬＥＤ２２、電球色ＬＥＤ２３が同じピッチで配置している。いずれかのＬＥＤを点灯することによって、必要な色温度を有する白色光を得ることが出来る。実施例４は、実施例１乃至３の構成よりもより明るい照明を得ることが出来る。

図２２は、実施例４の第２形態を示す平面図である。図２２において、導光板の４辺の各辺には、昼白色ＬＥＤ２１、温白色ＬＥＤ２２、電球色ＬＥＤ２３、および、他の色温度のＬＥＤのいずれかのＬＥＤのみが配置している。いずれかの辺のＬＥＤを点灯することによって、必要な色温度を有する白色光を得ることが出来る。必要に応じて、複数種類のＬＥＤを点灯することによって、必要な色温度の白色を得ることが出来ることは、実施例２、実施例３の場合と同じである。

実施例５はプリズムシートの前面に液晶レンズを配置した照明装置１０の出射光を制御する構成に関する。図２３Ａ乃至図２３Ｃ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２３Ｃは照明装置１０の断面図である。図２３Ｃ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２３Ｂは、図２３Ｃ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２３Ｂ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２３Ａは、図２３Ｂ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２３の縦軸は、出射面１１０の各領域からの照度の合計である。図２３Ａ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５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２３Ｂ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全面における照度分布を制御するものである。

図２４は実施例５の照明装置の平面図である。図２４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２５は、図２４のＤ－Ｄ断面図である。図２５において、基板１１から上プリズムシート１５までの構成は図６と同じである。図２５において、上プリズムシート１５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２６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２７Ａ乃至図２７Ｃは液晶レンズの動作を説明する断面図である。図２７Ａ乃至図２７Ｃは第１液晶レンズ４０を例にとって説明している。図２７Ａ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２７Ｂ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２７Ｃ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（ＧｒａｄｉｅｎｔＩｎｄｅｘ）レンズとよばれている。

図２８は屈折率分布型レンズの例を示す図である。図２８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２８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。

図２９Ａは、第１液晶レンズ４０の第２基板４２に形成された平面電極である第２電極４２１の平面図である。図２９Ｂは、第１液晶レンズ４０の第１基板４１に形成された櫛歯電極である第１電極４１１の例である。第１電極４１１も第２電極４２１もＩＴＯ（ＩｎｄｉｕｍＴｉｎＯｘｉｄｅ）等の透明導電膜で形成されている。図２９Ｂでは、櫛歯電極４１１はｙ方向に延在し、ｘ方向に配列している。図３０は上液晶レンズ５０である、第２液晶レンズにおける第３基板５１に形成された第３電極５１１を示す平面図である。第４基板５２における第４電極は、図２９Ａと同じ形状である。第３電極５１１における、櫛歯電極は、第１電極４１１とは直角方向、すなわち、ｘ方向に延在し、ｙ方向に配列している。

図３１は、このようにして形成された下液晶レンズ４０を示す模式図である。図３１において、ｙ方向に延在するシリンダ状の液晶レンズがｘ方向に配列している。図３１では、液晶レンズのｘ方向のピッチはｐ１であり、この場合、照明装置の出射面は９個の領域に分割されている。液晶レンズ４０のピッチｐ１は、液晶レンズ４０を作りやすい寸法に設定することが出来る。また、図３１は、各液晶レンズは、凸レンズとなっているが、液晶レンズの電極配置、電圧印加方向によってさまざまなレンズ形状とすることが出来る。なお、液晶レンズのピッチｐ１は、上プリズムシート１５あるいは下プリズムシート１４に形成されたプリズムアレイのピッチよりも大きいことが多い。

図３２は、上液晶レンズ５０の構成を示す模式図である。上液晶レンズ５０では、ｘ方向に延在するシリンダ状の液晶レンズがｙ方向に配列している。液晶レンズのｙ方向のピッチはｐ２である。図３２の液晶レンズ５０の作用は、レンズによる集光方向が図３１の場合とは、直角方向である点を除いては、図３１で説明したのと同様である。なお、液晶レンズのピッチｐ２は、上プリズムシート１５あるいは下プリズムシート１４に形成されたプリズムアレイのピッチよりも大きいことが多い。図３１、図３２に示すシリンダ状の液晶レンズアレイは、1枚の液晶レンズ中に形成されている。

液晶レンズのピッチｐ１あるいはｐ２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３３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３３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３３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の間では、比較的大きな曲率半径を有するレンズが形成される。

図３３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３４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３４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３４においては、Ｖ１＞Ｖ２＞Ｖ３＞Ｖ４のような電圧印加をしている。図３５は、図３４に対応する櫛歯電極４１１の平面図である。図３５における領域Ｂは、例えば図２３Ｃ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３６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３７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３７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３４に示す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２７Ａあるいは図３４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３８Ａおよび図３８Ｂは、ＴＮ（ＴｗｉｓｔｅｄＮｅｍａｔｉｃ）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３８Ａ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３８Ｂ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３８Ｂ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（ＧｒａｄｉｅｎｔＩｎｄｅｘ）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３４あるいは、図３７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３９Ａ乃至図３９Ｃ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３９Ａ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、液晶分子を第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（ＩｎｄｉｕｍＴｉｎＯｘｉｄｅ）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３９Ｂ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３９Ｃは、図３９Ｂ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３９Ｃ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（ＧｒａｄｉｅｎｔＩｎｄｅｘ）レンズが形成される。

図４０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４０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３９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４１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４１は、図２３Ｂ、図２３Ｃ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４１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２３Ａ乃至図２３Ｃ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３１、図３２に模式的に示されるシリンドリカル液晶レンズの延在方向は、モアレの発生を防止するために、導光板１３の主面、裏面、あるいは、下プリズムシート１４、上プリズムシート１５に形成されているプリズムアレイの延在方向とは、若干角度を持たせた方がよい場合もある。この場合の角度は、例えば５度乃至１５度程度である。また、導光板１３の主面、裏面、あるいは、下プリズムシート１４、上プリズムシート１５に形成されているプリズムアレイどうしの間でも、モアレの発生を防止するために、プリズムアレイの延在方向を例えば５度乃至１５度程度ずらせたほうが良い場合がある。

１０…照明装置、１１…基板、１２…反射シート、１３…導光板、１４…下プリズムシート、１５…上プリズムシート、１６…ＴＦＴ、１７…蓄積容量、２０…ＬＥＤ、２１…昼白色ＬＥＤ、２２…温白色ＬＥＤ、２３…電球色ＬＥＤ、２４…第４の白色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、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、４１３…液晶分子、５１１…第３電極、５２１…第４電極

Claims

導光板の第１の側面および前記第１の側面に対向する第２の側面に、第１の白色ＬＥＤと第２の白色ＬＥＤと第３の白色ＬＥＤが等間隔に配置し、
前記導光板の主面には、前記第１の側面と直角方向に延在し、平行方向に配列して第１のプリズムアレイが形成され、
前記導光板の裏面には、前記第１の側面と平行方向に延在し、直角方向に配列して第２のプリズムアレイが形成され、
前記導光板の裏面側には反射シートが配置し、
前記導光板の前記主面側には、第１のプリズムシートが配置し、
前記第１のプリズムシートの前記導光板側の面には、前記導光板の前記第１の側面と平行方向に延在し、直角方向に配列した第３のプリズムアレイが形成され、
前記第１のプリズムシートの上には、第２のプリズムシートが配置し、
前記第２のプリズムシートの前記導光板側の面には、前記導光板の前記第１の側面と直角方向に延在し、平行方向に配列した第４のプリズムアレイが形成されていることを特徴とする照明装置。
前記第１の白色ＬＥＤの色温度は５０００Ｋ程度であり、前記第２の白色ＬＥＤの色温度は３５００Ｋ程度であり、前記第３の白色ＬＥＤの色温度は２８００Ｋ程度であることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
前記第１のプリズムアレイ及び前記第２のプリズムアレイのピッチは、前記第３のプリズムアレイ及び前記第４のプリズムアレイのピッチよりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
前記第１のプリズムアレイ及び前記第２のプリズムアレイの高さは、前記第３のプリズムアレイ及び前記第４のプリズムアレイの高さよりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
前記第１のプリズムアレイ及び前記第２のプリズムアレイのピッチは、前記第３のプリズムアレイ及び前記第４のプリズムアレイのピッチよりも２桁のオーダーで小さいことを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
前記第１のプリズムアレイ及び前記第２のプリズムアレイの高さは、前記第３のプリズムアレイ及び前記第４のプリズムアレイの高さよりも２桁のオーダーで小さいことを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
導光板の第１の側面には第１の白色ＬＥＤが等間隔で配置し、前記第１の側面に対向する第２の側面には、前記第１の白色ＬＥＤとは色温度が異なる第２の白色ＬＥＤが等間隔で配置し、
前記導光板の主面には、前記第１の側面と直角方向に延在し、平行方向に配列して第１のプリズムアレイが形成され、
前記導光板の裏面には、前記第１の側面と平行方向に延在し、直角方向に配列して第２のプリズムアレイが形成され、
前記導光板の裏面側には反射シートが配置し、
前記導光板の前記主面側には、第１のプリズムシートが配置し、
前記第１のプリズムシートの前記導光板側の面には、前記導光板の前記第１の側面と平行方向に延在し、直角方向に配列した第３のプリズムアレイが形成され、
前記第１のプリズムシートの上には、第２のプリズムシートが配置し、
前記第２のプリズムシートの前記導光板側の面には、前記導光板の前記第１の側面と直角方向に延在し、平行方向に配列した第４のプリズムアレイが形成されていることを特徴とする照明装置。
前記第１の白色ＬＥＤは、色温度が５０００Ｋ程度の白色ＬＥＤ、色温度が３５００Ｋ程度の白色ＬＥＤ、または、色温度が２８００Ｋ程度の白色ＬＥＤのいずれかであり、
前記第２の白色ＬＥＤは、色温度が５０００Ｋ程度の白色ＬＥＤ、色温度が３５００Ｋ程度の白色ＬＥＤ、または、色温度が２８００Ｋ程度の白色ＬＥＤのいずれかであることを特徴とする請求項７に記載の照明装置。
前記第１のプリズムアレイ及び前記第２のプリズムアレイのピッチは、前記第３のプリズムアレイ及び前記第４のプリズムアレイのピッチよりも小さいことを特徴とする請求項７に記載の照明装置。
前記第１のプリズムアレイ及び前記第２のプリズムアレイの高さは、前記第３のプリズムアレイ及び前記第４のプリズムアレイの高さよりも小さいことを特徴とする請求項７に記載の照明装置。
前記第１のプリズムアレイ及び前記第２のプリズムアレイのピッチは、前記第３のプリズムアレイ及び前記第４のプリズムアレイのピッチよりも２桁のオーダーで小さいことを特徴とする請求項７に記載の照明装置。
前記第１のプリズムアレイ及び前記第２のプリズムアレイの高さは、前記第３のプリズムアレイ及び前記第４のプリズムアレイの高さよりも２桁のオーダーで小さいことを特徴とする請求項７に記載の照明装置。
前記第１のプリズムシートの上方には、第１の方向に延在し、第２の方向に配列した複数の第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または７に記載の照明装置。
前記第２のプリズムシートの上方には、第１の方向に延在し、第２の方向に配列した複数の第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または７に記載の照明装置。
前記第１の液晶レンズの上方には、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１３に記載の照明装置。
前記第１の液晶レンズの上方には、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１４に記載の照明装置。
前記第１の液晶レンズの前記第２の方向のピッチおよび前記第２の液晶レンズの前記第１の方向のピッチは、前記導光板に形成された第１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１５乃至１６のいずれか１項に記載の照明装置。