JP7408777B2 - 照明装置 - Google Patents

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に関する。

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。

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、ＬＥＤからの光を、コリメータレンズを介して出射し、かつ出射面に液晶レンズを配置することによって、光を透過、拡散、あるいは、偏向させ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。

ＷＯ２０１３／０８０９０３ 特開２０１９－１６９４３５ 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。

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）第１の主面と第１の裏面を有し、中央に第１の孔を有する円板状の第１の導光板の上に、第２の主面と第２の裏面を有し、中央に第２の孔を有する円板状の第２の導光板が配置し、前記第１の導光板の前記裏面側には反射シートが配置し、前記第２の導光板の前記主面側にはプリズムシートが配置し、前記プリズムシートには同心円状に第１のプリズムアレイが形成され、前記第１の導光板の前記孔の側面に円周方向に複数の第１のＬＥＤが配置し、前記第２の導光板の前記孔の側面に円周方向に複数の第２のＬＥＤが配置し、前記第１のＬＥＤと前記第２のＬＥＤは、方位角方向にずれて配置していることを特徴とする照明装置。

（２）前記第１の導光板の前記主面には、半径方向に放射状に延在し、円周方向に配列する第２のプリズムアレイが形成され、前記第１の導光板の前記裏面には、円周方向に同心円状に形成された第３のプリズムアレイが形成され、前記第２の導光板の前記主面には、半径方向に放射状に延在し、円周方向に配列する第４のプリズムアレイが形成され、前記第１の導光板の前記裏面には、円周方向に同心円状に形成された第５のプリズムアレイが形成され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の導光板は、前記第１のＬＥＤと半径方向に対向する扇形の第１の領域と、前記第１のＬＥＤと半径方向に対向しない第２の領域を有し、前記第２のプリズムアレイと前記第３のプリズムアレイは前記第１の領域に形成され、前記第２の領域には形成されておらず、前記第２の導光板は、前記第２のＬＥＤと半径方向に対向する扇形の第３の領域と、前記第２のＬＥＤと半径方向に対向しない第４の領域を有し、前記第４のプリズムアレイと前記第５のプリズムアレイは前記第３の領域に形成され、前記第４の領域には形成されていないことを特徴とする（１）に記載の照明装置。

（４）前記第１の導光板の前記第１の領域と前記第２の導光板の前記第４の領域は平面で視て重複していることを特徴とする（３）に記載の照明装置。

（５）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。

（６）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（５）に記載の照明装置。

（７）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（５）または（６）に記載の照明装置。

（８）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。

（９）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。 フレームの軸付近の断面図を示す、図７のＣ－Ｃ断面図である。 第１の導光板と第２の導光板を重複した状態を示す平面図である。 第１の導光板の平面図である。 図１０ＡのＥ－Ｅ断面図である。 図１０ＡのＦ－Ｆ断面図である。 導光板表面における輝度等高線である。 第１の導光板と第２の導光板を対比した平面図である。 第１の導光板と第２の導光板を重ねて配置した状態を示す平面図である。 ＬＥＤの配置を示す斜視図である。 プリズムシートの平面図である。 図１５ＡのＤ－Ｄ断面図である。 照度分布の測定例を示す断面図である。 照度分布の例を示す図である。 光源にＬＥＤを用いた、種々の照明装置の特性の比較表である。 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２０のＧ－Ｇ断面図である。 図２１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２９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３１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３７における液晶レンズの断面図である。 図３８の液晶レンズの第１基板の平面図である。 図３９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３９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３９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。 実施例５の照明装置の断面図である。 図４５の導光板の平面図である。 図４６ＡのＥ－Ｅ断面図である。 図４６ＡのＦ－Ｆ断面図である。 実施例５の他の形態の照明装置の断面図である。

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１５が配置している。図５における各光学部品は円板状であり、中央の軸１１１と円形のフランジ１１２を有する金属フレーム１１の軸１１１に挿入されている。フレーム１１の軸１１１を囲んでＬＥＤ２０が搭載されたフレキシブル配線基板２１が配置し、フレーム１１の軸１１１とフレキシブル２１配線基板とは熱伝導シート２５で接着している。ＬＥＤ２０で発生する熱は、熱伝導シート２５を介してフレームの軸１１１からフランジ１１２に向けて放散される。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、金属で形成されフレーム１１のフランジ１１２上に、反射シート１２、上導光板１３、下導光板１４、プリズムシート１５がこの順に積層されている。これらの光学部品は中央付近が円形にくりぬかれており、フレーム１１の軸１１１に挿入されている。ＬＥＤ２０が搭載されたフレキシブル配線基板２１がフレーム１１の軸１１１の周りに、貼り付けられている。フレキシブル配線基板２１の一部は、フレーム１１のフランジ１１２の一部に形成された切り欠きを通して、フレーム１１の背面に延在している。フレキシブル配線基板２１とフレーム１１の軸１１１は、優れた熱伝導を有する熱伝導テープ２５を介して接着している。

図６において、フランジ１１２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。本実施例の特徴の一つは、反射シート１２の上に、下導光板１３と上導光板１４が配置していることである。各導光板１３、１４の内側側面に対応してＬＥＤ２０が配置している。

矢印は、各ＬＥＤ２０から導光板１３、１４に入射した光の光路の例を示す。上導光板１４及び下導光板１３に入射した光は、導光板の各界面で反射を繰り返しながら、上側、すなわち、出射面方向に向かう。図６の構成では、上導光板１４と下導光板１３の界面でも反射をするので、導光板１枚の場合よりもより効率的に光を出射面方向に向けることが出来る。導光板の詳細な構成は後で説明する。

本実施例の他の特徴は、図５および図６に示すように、複数のＬＥＤ２０を上導光板１４と下導光板１３の孔の内壁に沿って配置することによって、各ＬＥＤ２０の消費電力を抑え、各ＬＥＤ２０の温度上昇を抑え、ＬＥＤ２０の発光効率の低下を防止していることである。図６において、上導光板１４の主面から出射した光は、上導光板１４の上に載置されたプリズムシート１５によってさらにコリメートされ、照明装置１０の出射面の法線方向に向けられる。

図７は、図６で説明した構成の分解斜視図である。図７において、フレーム１１の軸１１１のまわりに熱伝導シート２５を介してＬＥＤ２０を搭載したフレキシブル配線基板２１が貼り付けられている。図８は、図７のＣ－Ｃ断面図であり、フレーム１１の軸１１１付近の詳細断面図である。図８において、フレキシブル配線基板２１に搭載されたＬＥＤ２０は、２段に形成され、上導光板１４と下導光板１３の内壁に対向するように配置される。ＬＥＤ２０は高温になるが、ＬＥＤ２０の熱は、薄いフレキシブル配線基板２１と優れた熱伝導を有する熱伝導シート２５を介して金属で形成されたフレーム１１の軸１１１に放散される。

図７に戻り、フレーム１１の軸１１１には、反射シート１２、下導光板１３、上導光板１４、プリズムシート１５が挿入される。図９は上導光板１４と下導光板１３の平面図である。下導光板１３及び上導光板１４には、プリズムアレイが形成されたパターン領域１３１、１４１とプリズムアレイが形成されていない無パターン領域１３２、１４２とが存在している。下導光板１３と上導光板１４を重ねると、下導光板１３のパターン領域１３１が上導光板１４の無パターン領域１４２に、あるいは、下導光板１３の無パターン領域１３２が上導光板１４のパターン領域１４１に重複することになる。

図１０Ａは下導光板１３のプリズムアレイの構成を示す平面図である。図１０Ａにおいて、プリズムアレイが形成された領域１３１と形成されていない領域１３２が交互に配置している。導光板１３の上側（以後主面側ともいう）に形成されたプリズムアレイは半径方向に放射状に形成され、導光板１３の下側（以後裏面側ともいう）に形成されたプリズムアレイは同心円状である。そして、ＬＥＤ２０は、プリズムアレイが形成された領域の内側面に対向して配置される。

図１０Ｂは、図１０ＡのＥ－Ｅ断面図であり、導光板１３の主面側に形成されたプリズムアレイを示す断面図である。主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である。したがって、プリズムのピッチｐｔは場所によって変化する。導光板の厚さは、例えば、１．５ｍｍである。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１０Ｃは、図１０ＡのＦ－Ｆ断面図であり、導光板１３の裏面側に形成されたプリズムアレイを示す断面図である。裏面側のプリズムアレイは、同心円状に形成されているパターンである。同心円のピッチ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。

しかし、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１５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。なお、以上の説明では導光板１３に形成されるプリズムアレイが突起状のプリズムアレイであるとして説明したが、表面にＶ溝を形成することによるプリズムアレイによっても同様な効果を得ることが出来る。

以上は、下導光板１３について説明したが、上導光板１４も全く同じ形状のものを用いることが出来る。上導光板１３と下導光板１４は、組み立てるときに方位角方向にずらし、上導光板１４のパターン領域と下導光板１３の無パターン領域を対応させて配置すればよい。

図１１は、導光板１３の内側内壁に配置したＬＥＤ２０を点灯した場合の導光板１３の主面における輝度を示す平面図である。図１１において、ＬＥＤ２０は、導光板１３のパターン領域１３１に対応して配置されている。反射シート１２と、導光板１３の主面及び裏面に形成されたプリズムアレイによって、導光板１３の孔の側面に配置されたＬＥＤ２０からの光は、パターン領域１３１における導光板１３の主面方向から出射する。

図１１におけるｂ１、ｂ２、ｂ３は輝度の等高線を示し、ｂ１が最も明るい領域である。図１１の特徴は、ＬＥＤ２０からの光は、導光板１３の、対応するパターン領域１３１に限定されて出射される点である。つまり、導光板１３の主面及び裏面に形成されたプリズムアレイによってＬＥＤ２０からの光は効率よく、パターン領域１３１の主面側に集められる。以上の動作は、上導光板１４においても同様である。

図１２はＬＥＤ２０を点灯した場合の、上導光板１４と下導光板１３の主面における輝度分布を示す平面図である。図１２の上導光板１４と下導光板１３において、ハッチング部分が明るい部分、すなわち、ＬＥＤ２０が配置されている部分である。図１２の上側に示す上導光板１４に配置されているＬＥＤ２０と図１２の下側に示す下導光板１３に配置されているＬＥＤ２０は各々別なＬＥＤである。

図１３は、上導光板１４と下導光板１３を重ねて配置した場合の輝度分布である。上導光板１４と下導光板１３とは、ＬＥＤ２０からの光が出射される明るい領域とＬＥＤ２０の光が出射されない暗い領域とが互いに重なるように配置しているので、導光板１４の主面からほぼ均一に光が出射することになる。

図１４は、下導光板１３と上導光板１４の内壁に配置されるＬＥＤ２０の配置を示す斜視図である。ＬＥＤ２０は、上段と下段に円周状に配置し、かつ、上段のＬＥＤ２０と下段のＬＥＤ２０とは方位角方向に互い違いに配置している。このような配置をすることによって、より多くのＬＥＤ２０を配置することが出来、したがって、個々のＬＥＤ２０の消費電力を抑え、発熱を抑制することが出来る。

図１５Ａは、上導光板１４の上に配置されるプリズムシート１５の平面図である。プリズムシート１５は、プリズムアレイが上導光板１４側の面に形成された、いわゆる逆プリズムシートである。図１５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、上導光板１４からの光を全周にわたってプリズムシート１５の主面の法線方向に集める。

図１５Ｂは、図１５ＡのＤ－Ｄ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１５Ｂにおいて、プリズムシート１５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１５に形成されたプリズムアレイの高さ、ピッチ等は、下導光板１３あるいは上導光板１４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。

以上で説明した照明装置１０は、中心付近には、フレーム１１の軸１１１が存在し、この部分からは光は出射しない。そこで、図１６に示すような構成において、光スポットの照度分布を測定した。図１６は照明装置１０から天井に向けて光を投射した状態を示す図である。図１６において、照明装置１０の出射面の径は９８ｍｍであり、出射面から被照射面１２０である天井までの距離は２０００ｍｍである。

図１７は、光スポットの照度分布である。図１７の上側の図に示すように、照度分布ほぼ同心円状であり、図１７の下側の図に示すように、強度は、正規分布に近い形をしている。したがって、照明装置１０の中央部分に光を出射しない領域が存在しても、投射された光スポットにはこの領域の影響は生じていない。なお、図１７に示す照明装置の配光角は約１２度である。

図１８は、同等照度を得るための、種々の照明装置を比較した表である。図１８の比較対象（Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ）は、本実施例とは異なる構成において、ＬＥＤを1個使用した場合の照明装置である。図１８の（１）乃至（４）は、本実施例の構成において、ＬＥＤの仕様、使用数等を変化させた場合である。図１８は、これらの仕様において消費電力と発熱量の比較をしたものである。

図１８において、ｌｕｍｉｎｕｓ ｆｌｕｘ／ＬＥＤは、ＬＥＤ１個当たりの光束であり、ｎｅｃｅｓｓａｒｙ ｎｕｍｂｅｒｓ ｏｆ ＬＥＤｓは必要な照度を得るための、照明装置１台当たりのＬＥＤの数であり、ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ／ＬＥＤ（Ｗ）はＬＥＤ１個あたりの消費電力であり、ｔｏｔａｌ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ （Ｗ）は、ＬＥＤ１個当たりの消費電力×必要なＬＥＤの数であり、ｃａｌｏｒｉｆｉｃ ｖａｌｕｅ（Ｋｃａｌ）は、ｔｏｔａｌ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ （Ｗ）を熱量に換算したものである。

図１８に示すように、本実施例の構成によれば、ＬＥＤの全体としての消費電力は、１個のＬＥＤを光源とした場合よりも小さくできる。また、各ＬＥＤにおける温度も小さくできるので、ＬＥＤの発光効率の低下を抑えることが出来る。また、照明装置全体としての発熱を小さくすることが出来るので、フィン等のヒートシンクを別途取り付けなくともよい場合がある。さらに、照明装置全体の厚さも小さくすることが出来る。また、配光角は１２度程度を実現することが出来る。

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１９Ａ乃至図１９Ｃ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１９Ｃは照明装置１０の断面図である。図１９Ｃ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１９Ｂは、図１９Ｃ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１９Ｂ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１９Ａは、図１９Ｂ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１９Ａの縦軸は、出射面１１０の各領域からの照度の合計である。図１９Ａ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１９Ｂ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２０は実施例２の照明装置１０の平面図である。図２０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２１は、図２０のＧ－Ｇ断面図である。図２１において、フレーム１１からプリズムシート１５までの構成は図６と同じである。図２１において、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２２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２３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２４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２４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２５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２３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２６Ａ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２４のＨ－Ｈ断面に相当する。図２６Ａ乃至図２６Ｃ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２６Ａ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。すなわち、ホモジニアス配向となっている。

図２６Ｂ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２６Ｃ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２６Ｃ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２７は屈折率分布型レンズの例を示す図である。図２７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２７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２８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２８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２８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２８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２９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２９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２９においては、Ｖ１＞Ｖ２＞Ｖ３＞Ｖ４のような電圧印加をしている。図３０は、図２９に対応する櫛歯電極４１１の平面図である。図３０における領域Ｂは、例えば図１９Ｃ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３１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３２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３２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２９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２６Ａあるいは図２９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３３Ａおよび図３３Ｂ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３３Ａ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、液晶分子の配向方向が９０度回転している。図３３Ｂ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、かつ、平面で視て、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３３Ｂ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２９あるいは、図３２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３４Ａ乃至図３４Ｃ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３４Ａ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３４Ｂ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３４Ｃは、図３４Ｂ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３４Ｃ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３５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３５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３４Ｃ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３６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３６は、図１９Ｂ、図１９Ｃ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３５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１９Ａ乃至図１９Ｃ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３７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３７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２１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３８は液晶レンズ８０の断面図であり、図３９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３８は、図３９のＩ－Ｉ断面に相当する。図３８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３９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４０Ａ乃至図４０Ｃは、図３９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４０Ａ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４０Ｂ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４０Ｃは、図４０Ｂ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４０Ｃ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の半径方向にレンズ作用を持つように形成される。しかし、各レンズの照明装置における作用は、図１９Ａから図１９Ｃ、図３６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４１乃至図４４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２０と、断面図は図３７と、同じである。また、下偏光板６０、上偏光板７０も図３７等と同じものを使用することが出来る。図４１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４１では、引き出し線は省略されている。

図４２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４３及び図４４は、第１基板８１と第２基板８２を組み立てた後の、図４１のＫ－Ｋ断面に相当する断面図である。

図４３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３４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４３においてｒ方向は、円の半径方向を示す。

図４４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４４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４４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。

図６に示す実施例１は、導光板を２枚使用している。しかし、導光板を２枚使用することが困難な場合、１枚の導光板１６で置き換えることも可能である。図４５はこの場合の照明装置１０の断面図である。図４５が対応する照明装置１０の平面図は図５と同じである。図４５において、導光板１６の孔の内側面には、ＬＥＤ２０が２段形成されている。ＬＥＤ２０の配置は図１４と同様である。したがって、光源としての輝度は、実施例１と同じである。

図４６Ａ乃至図４６Ｃは、導光板１６の形状を示す図である。図４６Ａは導光板１６の平面図である。図４６Ａにおいて、主面には、半径方向に放射状に第１プリズムアレイが形成されている。この第１プリズムアレイは実施例１の図１０Ａとは異なり、全周に形成されている。また、導光板１６の裏面には、同心円状に第２プリズムアレイが形成されている。この第２プリズムアレイも実施例１の１０Ａとは異なり、全周に形成されている。

図４６Ｂは、主面に形成された第１プリズムアレイの形状を示す断面図である。この断面は、図１０Ｂで説明した形状と同じである。図４６Ｃは、裏面に形成された第２プリズムアレイの形状を示す断面図である。この断面は、図１０Ｃで説明した形状と同じである。

実施例１の構成は、導光板が２枚存在しているので、上導光板１４と下導光板１３との界面において反射が生ずるが、本実施例における図４５の構成は導光板が１枚なので、このような界面での反射は生じない。その他の作用は実施例１で説明したのと同様である。

図４７は、照明装置１０を非常に薄くしたい場合の構成を示す断面図である。図４７に対応する照明装置１０の平面図は実施例１の図５と同じである。図４７が図４５と異なる点はＬＥＤ２０を１段にして、導光板１７の厚さを小さくしていることである。この場合の導光板１７の主面に形成される第１プリズムアレイの形状、及び裏面に形成される第２プリズムアレイの形状は、図１０Ａ乃至図１０Ｃのような形状を用いてもよいし、図４６Ａ乃至図４６Ｃのような形状を用いてもよい。図４７のその他の構成は、図６あるいは図４５と同じである。

以上の説明では、実施例１において、導光板を２枚使用する構成、実施例５において導光板を１枚使用する構成について説明した。しかし、本発明は、これに限らず、導光板を３枚以上重ねて使用する場合についても適用することが出来る。この場合の導光板の主面及び裏面に形成されるプリズムアレイは実施例１に準じた構成とすることが出来る。

１０…照明装置、 １１…基板、 １２…反射シート、 １３…下導光板、 １４…上導光板、 １５…プリズムシート、 １６…導光板、 １７…導光板、 ２０…ＬＥＤ、
２１…ＬＥＤ用フレキシブル配線基板、 ２５…熱伝導テープ、 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、 ８５…シール材、 １１０…出射面、 １２０…被照射面、 １３０…照射スポット、 １３１…導光板パターン領域、 １３２…導光板無パターン領域、 １４１…導光板パターン領域、 １４２…導光板無パターン領域、 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、ｂ１、ｂ２、ｂ３…輝度等高線

Claims (15)

1. 第１の主面と第１の裏面を有し、中央に第１の孔を有する円板状の第１の導光板の上に、第２の主面と第２の裏面を有し、中央に第２の孔を有する円板状の第２の導光板が配置し、
   前記第１の導光板の前記裏面側には反射シートが配置し、
   前記第２の導光板の前記主面側にはプリズムシートが配置し、
   前記プリズムシートには同心円状に第１のプリズムアレイが形成され、
   前記第１の導光板の前記孔の側面に円周方向に複数の第１のＬＥＤが配置し、前記第２の導光板の前記孔の側面に円周方向に複数の第２のＬＥＤが配置し、
   前記第１のＬＥＤと前記第２のＬＥＤは、方位角方向にずれて配置していることを特徴とする照明装置。
2. 前記第１の導光板の前記主面には、半径方向に放射状に延在し、円周方向に配列する第２のプリズムアレイが形成され、前記第１の導光板の前記裏面には、円周方向に同心円状に形成された第３のプリズムアレイが形成され、
   前記第２の導光板の前記主面には、半径方向に放射状に延在し、円周方向に配列する第４のプリズムアレイが形成され、前記第１の導光板の前記裏面には、円周方向に同心円状に形成された第５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。
3. 前記第１の導光板は、前記第１のＬＥＤと半径方向に対向する扇形の第１の領域と、前記第１のＬＥＤと半径方向に対向しない第２の領域を有し、
   前記第２のプリズムアレイと前記第３のプリズムアレイは前記第１の領域に形成され、前記第２の領域には形成されておらず、
   前記第２の導光板は、前記第２のＬＥＤと半径方向に対向する扇形の第３の領域と、前記第２のＬＥＤと半径方向に対向しない第４の領域を有し、
   前記第４のプリズムアレイと前記第５のプリズムアレイは前記第３の領域に形成され、前記第４の領域には形成されていないことを特徴とする請求項２に記載の照明装置。
4. 前記第１の導光板の前記第１の領域と前記第２の導光板の前記第４の領域は平面で視て重複していることを特徴とする請求項３に記載の照明装置。
5. 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４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２に記載の照明装置。
6. 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及び前記第４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２に記載の照明装置。
7. 前記第１のプリズムアレイの高さ及びピッチは、前記第３のプリズムアレイ及び前記第５のプリズムアレイの高さ及びピッチよりも大きいことを特徴とする請求項２に記載の照明装置。
8. 前記照明装置は、さらに、円板状のフランジと前記円板状のフランジの中心付近に形成され、前記円板状のフランジの中央付近において、円柱状に突出した軸を有するフレームを有し、
   前記反射シート、前記第１の導光板、前記第２の導光板、前記プリズムシートは、この順で前記フランジの上に載置され、
   前記軸の周囲には、前記複数の第１のＬＥＤと前記複数の第２のＬＥＤが取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
9. 前記プリズムシートの前記第１のプリズムアレイは、前記プリズムシートの前記第２の導光板に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。
10. 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。
11. 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１０に記載の照明装置。
12. 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に記載の照明装置。
13. 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。
14. 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。
15. 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１４に記載の照明装置。

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