特開 2023-169947 照明装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023169947

(43)【公開日】2023-12-01

(54)【発明の名称】照明装置

(51)【国際特許分類】

   F21S 2/00 20160101AFI20231124BHJP

   F21V 9/40 20180101ALI20231124BHJP

   F21V 7/00 20060101ALI20231124BHJP

   F21Y 115/10 20160101ALN20231124BHJP

【ＦＩ】

F21S2/00 350

F21S2/00 311

F21V9/40 400

F21V7/00 510

F21Y115:10

【審査請求】未請求

【請求項の数】13

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022081306

(22)【出願日】2022-05-18

(71)【出願人】

【識別番号】502356528

【氏名又は名称】株式会社ジャパンディスプレイ

(74)【代理人】

【識別番号】110000350

【氏名又は名称】ポレール弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】長谷川 誠

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 延幸

(72)【発明者】

【氏名】岡田 真文

(57)【要約】

【課題】外形が矩形である平面発光型ＬＥＤを用い、照度分布が円形で、高照度で、小さな配光角を有し、かつ、液晶レンズによって正確に制御することが出来る照明装置を実現する。
【解決手段】
これを実現するために、本発明は、次のような構成をとる。すなわち、内部に反射孔が形成されたリフレクタ２０を有する照明ユニットをｎ個平面状に配置した照明装置であって、前記反射孔は底面、前記底面と対向した出射面を有し、前記反射孔の前記底部に外形が矩形である平面発光型ＬＥＤ１０が配置し、光軸は前記反射孔の出射面と鉛直方向であり、前記ｎ個の照明ユニット内に配置された前記平面発光型ＬＥＤ１０は、前記光軸に対して、方位角方向に互いに９０度／ｎの角度をなし、前記ｎ個の照明ユニットの出射面に、前記ｎ個の照明ユニットに共通な液晶レンズ１００が配置していることを特徴とする照明装置。
【選択図】図１６

【特許請求の範囲】

【請求項1】

内部に反射孔が形成されたリフレクタを有する照明ユニットをｎ個（ｎは２以上の整数）平面状に配置した照明装置であって、
前記反射孔は底面、前記底面と対向した出射面を有し、
前記反射孔の前記底面に外形が矩形である平面発光型ＬＥＤが配置し、
光軸は前記反射孔の出射面と鉛直方向であり、
前記ｎ個の照明ユニット内に配置された前記平面発光型ＬＥＤは、前記光軸に対して、方位角方向に互いに９０度／ｎの角度をなし、
前記ｎ個の照明ユニットの出射面に、前記ｎ個の照明ユニットに共通な液晶レンズが配置していることを特徴とする照明装置。

【請求項2】

前記照明ユニットの組み立て体は、平面で視て矩形であることを特徴とする照明装置。

【請求項3】

前記ｎ個の照明ユニットは、互いに結合していることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。

【請求項4】

前記照明ユニットの組み立て体は、平面で視て矩形ではなく、前記液晶レンズは平面で見て矩形であることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。

【請求項5】

前記ｎ個の照明ユニットは、前記液晶レンズに接着していることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。

【請求項6】

前記液晶レンズは、第１の液晶レンズと第２の液晶レンズで構成され、前記第１の液晶レンズは、第１の方向に偏光した光に対して作用し、第２の液晶レンズは、第１の方向と直角方向である第２の方向に偏光した光に対して作用することを特徴とする請求項１に記載の照明装置。

【請求項7】

前記液晶レンズは、さらに第３の液晶レンズと第４の液晶レンズを有し、前記第３の液晶レンズは、第１の方向と４５度方向に偏光した光に対して作用し、第４の液晶レンズは、第１の方向と１３５度方向に偏光した光に対して作用することを特徴とする請求項６に記載の照明装置。

【請求項8】

前記液晶レンズは第１の液晶レンズと第２の液晶レンズを含み、前記第１の液晶レンズの第１の基板には、同心円状に電極が形成され、前記第２の液晶レンズの第１の基板には、同心円状に電極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。

【請求項9】

前記液晶レンズは第１の液晶レンズと第２の液晶レンズを含み、前記第１の液晶レンズの第１の基板には、第１の方向に延在し、第２の方向に配列した第１の電極が形成され、前記第２の第１の基板には、第２の方向に延在し、第１の方向に配列した第２の電極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。

【請求項10】

前記リフレクタの平面で視た外形は、正方形であることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。

【請求項11】

前記反射孔の前記出射面の形状は、平面で視て円であることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。

【請求項12】

内部にｎ個（ｎは２以上の整数）の反射孔が形成されたリフレクタを有する照明装置であって、
前記反射孔は底面、前記底面と対向した出射面を有し、
前記反射孔の前記底面に外形が矩形である平面発光型ＬＥＤが配置し、
光軸は前記反射孔の出射面と鉛直方向であり、
前記ｎ個の反射孔に配置された前記平面発光型ＬＥＤは、前記光軸に対して、方位角方向に互いに９０度／ｎの角度をなし、
前記ｎ個の反射孔の出射面に、前記ｎ個の反射孔に共通な液晶レンズが配置していることを特徴とする照明装置。

【請求項13】

前記リフレクタは、外形が直方体であることを特徴とする請求項１２に記載の照明装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、高輝度とすることが可能な矩形の面発光ＬＥＤを用いて、円形の光スポットを得ることが出来る照明装置に関する。

【背景技術】

【0002】

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。

【0003】

ＬＥＤは、スポットライトの形成にも利用されている。輝度が高いＬＥＤを使用すると、発光体であるＬＥＤチップの形状が光スポットに投影される場合がある。特許文献１には、複数のＬＥＤを使用することによって、光スポットの形状を疑似円形とする構成が記載されている。

【0004】

特許文献２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。

【0005】

特許文献３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３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。

【0006】

特許文献４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。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】ＷＯ２０１３／０１４８０９ Ａ１

【特許文献2】特開２０１９－１６９４３５号公報

【特許文献3】特開２０１２－６９４０９号公報

【特許文献4】ＵＳ２０１９／００２５６５７ Ａ１

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

ＬＥＤは輝度が大きいので、スポットライトの光源としても使用される。特に、平面発光型のＬＥＤは輝度が大きいので大きな照度が必要とされるスポットライトとしては有利である。しかし、平面発光型のＬＥＤは輝度が大きいが、スポットライトの形状が矩形になるという問題を生ずる。しかし、一般には、スポットライトは、円形であることが必要な場合が多い。

【0009】

一方、液晶レンズを用いて、出射光を収束、発散、偏向等をおこなうことが出来る。液晶レンズを用いて出射光を制御する場合、出射光、すなわち、液晶レンズへの入射光がコリメートされていれば、正確な制御を行うことが出来る。

【0010】

本発明の課題は、輝度の大きな、矩形の平面発光型のＬＥＤを用いて、円形の光スポットを実現し、かつ、この光スポットを液晶レンズによって正確に制御することが出来る照明装置を実現することである。

【課題を解決するための手段】

【0011】

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。すなわち、内部に反射孔が形成されたリフレクタを有する照明ユニットをｎ個平面状に配置した照明装置であって、前記反射孔は底面、前記底面と対向した出射面を有し、前記反射孔の前記底面に外形が矩形である平面発光型ＬＥＤが配置し、光軸は前記反射孔の出射面と鉛直方向であり、前記ｎ個の照明ユニット内に配置された前記平面発光型ＬＥＤは、前記光軸に対して、互いに位角方向に９０度／ｎの角度をなし、前記ｎ個の照明ユニットの出射面に、前記ｎ個の照明ユニットに共通な液晶レンズが配置していることを特徴とする照明装置である。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】比較例の平面図である。

【図2】図１の断面図である。

【図3】図１及び図２の照明装置による光スポットである。

【図4】平面発光型ＬＥＤの平面図である。

【図5】図４のＡ－Ａ断面図である。

【図6】平面発光型ＬＥＤを光源とした照明装置の平面図である。

【図7】図６の断面図である。

【図8】図６及び図７の照明装置による光スポットである。

【図9】照明ユニットの平面図である。

【図10】図９の断面図である。

【図11】照明ユニットを２個使用した場合の照明装置の平面図である。

【図12】図１１の照明装置による光スポットである。

【図13】照明ユニットを４個使用した場合の照明装置の平面図である。

【図14】図１３の照明装置による光スポットである。

【図15】液晶レンズを配置した照明装置の平面図である。

【図16】図１５のＢ－Ｂ断面図である。

【図17】液晶レンズの動作を説明する断面図である。

【図18】液晶レンズの動作を説明する他の断面図である。

【図19】液晶レンズの動作を説明するさらに他の断面図である。

【図20】第１液晶レンズの断面図である。

【図21】第１液晶レンズの電極形状を示す平面図である。

【図22】第１液晶レンズと第２液晶レンズの動作を示す斜視図である。

【図23】第１液晶レンズと第２液晶レンズを積層した状態を示す断面図である。

【図24】第１液晶レンズ、第２液晶レンズ、第３液晶レンズ、第４液晶レンズの動作を示す斜視図である。

【図25】図１３の照明装置に４枚の液晶レンズを配置した状態を示す断面図である。

【図26】液晶レンズを偏向装置として使用する場合の説明図である。

【図27】図２６の液晶レンズの電極構造を示す平面図である。

【図28】図２６の液晶レンズの他の例による電極構造を示す平面図である。

【図29】組み合わせた照明ユニットの上に、液晶レンズを配置した構成を示す平面図である。

【図30】図２９のＣ－Ｃ断面図である。

【図31】実施例２における照明装置の平面図である。

【図32】図３１のＤ－Ｄ断面図である。

【図33】液晶レンズを配置した照明装置の平面図である。

【図34】図３１のＥ－Ｅ断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下に実施例を用いて本発明を詳細に説明する。

【実施例0014】

ＬＥＤには、大きく分けて、いわゆる砲弾型と平面発光型（ＳＭＤ（Ｓｕｒｆａｃｅ Ｍｏｕｎｔ Ｄｅｖｉｃｅ）とも呼ばれる）の２種類が存在する。砲弾型ＬＥＤの外形は平面で視て円であるが、平面発光型ＬＥＤは平面で視て矩形である。

【0015】

図１及び図２は、砲弾型ＬＥＤ３０をスポットライトの光源として使用した場合の照明装置の図であり、図３はこの光源を用いたスポットライトの照度分布である。図１及び図２において、リフレクタ２０は外形が直方体であり、内側に例えば、内壁が放物面状である孔が形成されている。孔の底面は、砲弾型ＬＥＤ３０及び基板５によって塞がれている。ＬＥＤ３０は、孔の中央部に配置している。砲弾型ＬＥＤ３０からの光は、図２に示すように、孔の壁面である反射曲面で反射し、図２のＬＬで示すような、光軸に平行な光を出射する。

【0016】

砲弾型ＬＥＤ３０は、図１に示すように、外形が円形となっている。しかし、一般的には、砲弾型ＬＥＤ３０は、輝度を大きくできないという問題がある。したがって、照度が大きいことが必要なスポットライトの光源として用いることは難しい。

【0017】

また、砲弾型ＬＥＤ３０は、図２に示すように、高さｈ１が高いので、砲弾型ＬＥＤ３０の上面付近からの光は、放物面鏡による反射を受けず、ＬＬ１で示すように、直接外部に放射される。この光は光軸と平行ではないので、配光角が大きくなる。

【0018】

図３は、砲弾型ＬＥＤ３０を用いた、図１及び図２に示す照明装置を用いた場合の光スポット形状である。図３において、点線１０００は照度が比較的小さな範囲まで含む光スポットであり、実線１１００は照度が高い範囲の光スポットである。図３に示すように、照度が高い部分のスポット１１００も円形となっている。しかし、照度の絶対値を十分に大きくすることが難しく、また、配光角を小さくできないために、光スポット径を小さくすることが難しい。

【0019】

平面発光型ＬＥＤ１０は、輝度を非常に大きくすることが出来るので、高い照度を必要とされるスポットライトの光源としては好適である。図４は平面発光型ＬＥＤ１０の平面図であり、図５は図４のＡ－Ａ断面図である。図４に示すように、平面発光型ＬＥＤ１０は、外形が矩形である。図４において、最上層にはｐ層が形成され、その上にｐ電極１６が形成されている。図４に示すｐ層１４及び図５に示す発光層１３には一部に切り欠きが形成され、この切り欠き部分でｎ層１２が露出しており、ｎ層１２の上にｎ電極１５が形成されている。しかし、平面発光型ＬＥＤは全体としては矩形と考えてよい。

【0020】

図５は、図４のＡ－Ａ断面図である。図５において、例えばサファイアで形成された基板１１の上にｎ層１２が形成され、その上に発光層１３が形成され、発光層１３の上にｐ層１４が形成される。ｎ層１２の上のｎ電極１５とｐ層１４の上のｐ電極１６間に電圧を印加すると、発光層１３において、発光する。

【0021】

図６及び図７は、平面発光型ＬＥＤ１０を光源とした照明装置の平面図と断面図である。図６及び図７において、リフレクタ２０は、図１及び図２で説明したリフレクタ２０と同様に平面視で外形が矩形であり、内側には円形の開口を備える。すなわち、リフレクタ２０は外形が直方体であり、内側に例えば、内壁が放物面状あるいは双曲面状である孔が形成されている。

【0022】

リフレクタ２０は反射率の高い金属で形成してもよいし、樹脂で形成し、内側の反射面のみに、反射材料をコーティングしたものでもよい。孔の底面は、平面発光型ＬＥＤ１０及び基板５によって塞がれている。平面発光型ＬＥＤ１０は、孔の中央部に配置している。図７に示すように、平面発光型ＬＥＤ１０からの光は、孔の放物面で反射し、図２のＬＬで示すような、光軸に平行な光を出射する。

【0023】

図７で使用している平面発光型ＬＥＤ１０は、図５に示すように、厚さが薄い。つまり、ｎ層１２、発光層１３、ｐ層１４は薄膜なので、平面発光型ＬＥＤは、ほとんど基板の厚さで決まり、例えば０．２７ｍｍである。したがって、図２に示すような、光軸と大きな角度をもって出射するＬＬ１のような光は存在しないか、存在しても少量である。つまり、配光角を小さくすることが出来る。

【0024】

したがって、平面発光型ＬＥＤ１０を用いることによって、輝度が大きく、かつ、配光角の小さな光スポットを得ることが出来る。しかし、平面発光型ＬＥＤ１０を用いた照明装置は、発光面が矩形となるために、光スポットにおいて、特に照度が大きい部分において、光スポット形状が矩形になるという問題を生ずる。

【0025】

図８は、このような光スポットを示す平面図である。図８において、点線１０００は照度が小さい部分まで含めた光スポットの形状であり、実線１１００は、照度が高い部分における光スポットの形状である。図８に示すように、配光角を小さくできるので、光スポット全体としては、小さな光スポットを得ることが出来る。しかし、照度が高い部分におけるスポット形状１１００は矩形であり、光スポットとしては不自然な形状となる。

【0026】

本発明は、外形が矩形である平面発光型ＬＥＤ１０を用いて光スポットの照度分布を円形に出来る照明装置を実現することである。また、照明装置の出射面に液晶レンズを配置し、液晶レンズによって、光ビームを正確に制御することが可能な照明装置を実現することである。本発明で用いるＬＥＤ１０は、平面発光型ＬＥＤ１０であるので、以後、ＬＥＤ１０という場合は、特別にことわらない限り平面発光型ＬＥＤ１０をいう。

【0027】

図９及び図１０は、本発明に用いる単位照明装置（以後、照明ユニットともいう）であり、図９は平面図、図１０は、図９の断面図である。図９および図１０が、図６及び図７と異なる点は、リフレクタ２０の平面図が正方形であり、かつ、リフレクタ２０の内側に形成された円形孔の出射面側の径ｄ１とリフレクタの外形との差が小さいということである。すなわち、図９、図１０に示す照明ユニットは単独で使用されるのではなく、複数で利用することを前提としており、照明ユニットを複数使用した場合に、ＬＥＤ１０とＬＥＤ１０の間隔を小さくして、複数のＬＥＤ１０からの光スポットをミックスし易くしている。また、照明装置全体の外形を小さくできるようにしている。

【0028】

図９及び図１０において、リフレクタ２０の平面は正方形であり、1辺の長さ（ｘ１、ｙ１）は例えば６．９ｍｍ、内部に形成された孔の出射部における径ｄ１は例えば６．１３ｍｍ、ＬＥＤ側の径ｄ２は２．５ｍｍである。内部に配置しているＬＥＤ１０の外形は正方形であり、１辺が例えば１．７ｍｍである。リフレクタ１０の高さｈ２は例えば６ｍｍである。図９及び図１０のリフレクタ１０の内部に形成された放物面鏡やＬＥＤ１０の形状は図６及び図７と同じであるから、図９及び図１０の照明ユニットによって形成される光スポットは、図８と同じである。

【0029】

図１１は、照明ユニットを２個並べて配置した場合の照明装置の平面図である。図１１の２個の照明ユニットにおいて、リフレクタ１０の形状は同じであるが、ＬＥＤ１０の配置が異なっている。本明細書では、図１１の座標において、ＬＥＤ１０の辺の角度がｘ軸となす角度θを方位角と定義する。すなわち、照明ユニットＡ１のＬＥＤ１０の方位角はゼロであり、照明ユニットＡ２のＬＥＤ１０の方位角θは４５度となっている。照明ユニットＡ１と照明ユニットＡ２はともに外形が矩形のため、ＬＥＤ１０の間隔を容易に制御できる。

【0030】

図１２は図１１に示す照明装置による光スポットの例である。図１２において、点線で示す照度が比較的小さな領域１０００は円となっている。照度が高い領域１１００は、照明ユニットＡ１と照明ユニットＡ２からの光がミックスした形となっている。照明ユニットＡ１からの光スポット１１００（Ａ１）に対して、照明ユニットＡ２からの光スポット１１００（Ａ２）は、方位角で４５度回転している。したがって、合成された光スポットの包絡線は、図８に比べて円に近くなっている。

【0031】

図１３は、照明ユニットを４個並べて配置した場合の照明装置の平面図である。図１４の４個の照明ユニットにおいて、リフレクタ１０の形状は同じであるが、ＬＥＤ１０の配置が異なっている。本明細書では、図１１の座標において、ＬＥＤ１０の辺の角度がｘ軸となす角度θを方位角と定義している。すなわち、照明ユニットＡ１のＬＥＤ１０の方位角はゼロであり、照明ユニットＡ２のＬＥＤ１０の方位角θは－２２．５度、Ａ３のＬＥＤの方位角θは２２．５度、Ａ４のＬＥＤの方位角θは４５度、となっている。

【0032】

図１４は図１３に示す照明装置による光スポットの例である。図１４において、点線で示す照度が比較的小さな領域１０００は円となっている。照度が高い領域１１００は、照明ユニットＡ１、照明ユニットＡ２、照明ユニットＡ３、照明ユニットＡ４、からの光がミックスした形となっている。照明ユニットＡ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４から光スポット１１００（Ａ１）、１１００（Ａ２）、１１００（Ａ３）、１１００（Ａ４）、各々の照明ユニット内のＬＥＤの方位角に対応してお互いに方位角が２２．５度ずつ異なっている。

【0033】

図１４に示すように、４個の光スポットがミックスすると、光のスポット形状はより円に近くなる。したがって、比較的照度が低い領域１０００も、照度が高い領域１１００も円形に近くなり、自然な照度分布を有し、かつコリメートした光を得ることが出来る。

【0034】

本実施例では、ＬＥＤ１０を有する複数の照明ユニットを用い、各照明ユニット内のＬＥＤ１０は矩形であり、各ＬＥＤ１０は互いに異なった方位角によって配置している。この方位角の差は、使用する照明ユニットがｎ個、すなわち、ＬＥＤがｎ個の場合、ＬＥＤ間の方位角の差は９０／ｎとなる。すなわち、ＬＥＤを２個使用する場合は、方位角は互いに４５度異なり、ＬＥＤを３個使用する場合は、方位角は互いに３０度異なり、４個使用する場合は、互いに２２．５度異なる。５個以上の場合も同様にして計算することが出来る。

【0035】

図１５は、実施例１による照明装置の平面図であり、図１６は図１５のＢ－Ｂ断面図である。図１５における照明装置は図１３における照明装置に対して液晶レンズが積層された構成となっている。図１５において、４個の照明ユニットの上に共通の液晶レンズ１００が配置している。すなわち、４個の照明ユニットから出射する光に対して単一の液晶レンズ１００で収束、発散、偏向等をおこなうことになる。言い換えると、各照明ユニットから出射した光は、同一の液晶レンズ１００の異なった部分において、異なったレンズ作用を受けることになる。

【0036】

液晶レンズ１００は、入射光がコリメートされていると、光ビームに対して正確な制御が可能になる。図１０に示すように、ＬＥＤ１０から出射した光は、放物面鏡によってコリメートされるので、液晶レンズ１００は光ビームに対して正確な制御をおこなうことが出来る。

【0037】

すなわち、個々の照明ユニットにおいて、コリメート光を形成するので、リフレクタ２０の高さを高くする必要がない。また、個々の照明ユニットにおいて、個々に液晶レンズを配置するのではないので、組み立ての工数を減らすことが出来るとともに、組み立て誤差の影響を小さくすることが出来る。図１５及び図１６の照明装置の組み立て方法は、照明ユニット同士を接着材によって貼り合わせ、その上に液晶レンズ１００を配置してもよいし、液晶レンズ１００に個々の照明ユニットを貼り付けるような構成でもよい。さらにＬＥＤ１０を一つの基板５上に複数配置し、各ＬＥＤに対応してリフレクタ２０を配置してもよい。

【0038】

本実施例では外形が矩形のリフレクタ２０を用いたが、外形が円形のリフレクタを用いても良い。外形が円形のリフレクタ２０は樹脂や金属をプレス成型により容易に製造できる。

【0039】

図１６では、第１液晶レンズ１１０と第２液晶レンズ１２０で液晶レンズ１００を構成している。以下に液晶レンズ１００について説明する。図１７は、液晶レンズの原理を示す断面図である。図１７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１７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１７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。

【0040】

図１７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１７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。

【0041】

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１８はこのレンズ構成を示す分解斜視図である。図１８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３００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液晶レンズ１２０はＹ偏光光に作用するレンズである。

【0042】

図１８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１８では、２枚の液晶レンズ１１０、１２０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。

【0043】

図１９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１９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１８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１８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。

【0044】

図２０は、液晶レンズ１１０の詳細断面図である。図２０において、ＴＦＴ基板１１１の上には、第１電極１１２が形成され、第１電極１１２を覆って第１配向膜１１３が形成されている。第１配向膜１１３の配向方向によって、入射光のうちの、液晶レンズによって作用を受ける方向の偏光光が決められる。対向基板１１５の内側には、第２電極１１６が形成され、第２電極１１６を覆って第２配向膜１１７が形成されている。第１配向膜１１３の配向方向と第２配向膜１１７の配向方向の関係は、どのような液晶を使用するかによって決められる。ＴＦＴ基板１１１と対向基板１１５の間に液晶層３００が挟持されている。

【0045】

図２１の左側は第１基板１１１に形成された第１電極１１２の平面図である。第１電極１１２は同心円状の円となっている。円状の各電極１１２には電圧を印加するための引き出し配線１１４が接続されている。図２１の右側の図は、対向基板１１５に形成された第２電極１１６の形状を示す平面図である。第２電極１１６は、平面電極であり、対向基板１１５のほぼ全面にわたって形成されている。

【0046】

図２１において、第１電極１１２と第２電極１１６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。図２０、図２１の例は、第１電極１１１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。

【0047】

図２０及び図２１で説明した液晶レンズ１１０は、１方向、例えば偏光光ＰＸに対して作用するレンズである。しかし、ＬＥＤ１０からの光は、あらゆる方向に偏光しているので、少なくとも、ＰＸと直角方向に偏光した光ＰＹに対して作用する液晶レンズが必要である。

【0048】

図２２はこの構成を示す斜視図である。図２２において、ＬＥＤからの光ＬＬが左側から入射すると、第１液晶レンズ１１０によってＰＸ方向に偏光した光が液晶レンズの作用を受ける。ＰＹ方向に偏光した光は第１液晶レンズ１１０の影響を受けない。ＰＹ方向に偏光した光は、第２液晶レンズ１２０によって液晶レンズの作用を受ける。ＰＸ方向に偏光した光は、第２液晶レンズ１２０の作用は受けない。これによって、ｘ方向に偏光した光もｙ方向に偏光した光も液晶レンズの作用を受けることが出来る。

【0049】

図２３は、第１液晶レンズ１１０と第２液晶レンズ１２０を積層した状態を示す断面図である。第１液晶レンズ１１０と第２液晶レンズ１２０は透明接着材２００によって接着している。第１液晶レンズ１１０は、図１７及び図１８において説明したとおりである。図２３において、第２液晶レンズ１２０の電極構成は、第１液晶レンズ１１０と同じである。つまり、第２液晶レンズ１２０において、ＴＦＴ基板１２１に第３電極１２２が形成され、その上に第３配向膜１２３が形成されている。対向基板１２５の上に第４電極１２６が形成され、その上に第４配向膜１２７が形成されている。

【0050】

第２液晶レンズ１２０が第１液晶レンズ１１０と異なる点は、配向膜１２３の配向方向である。図２３において、ＡＬは配向膜１１３の配向方向を示している。図２３において、第１液晶レンズ１１０におけるＴＦＴ基板１１１に形成された第１配向膜１１３の配向方向は例えばｘ方向である。第２液晶レンズ１２０のＴＦＴ基板１２１に形成された第３配向膜１２３の配向方向は、例えばｙ方向である。つまり、ｘ方向に偏光した光もｙ方向に偏光した光も、２枚の液晶レンズ１１０及び１２０によって作用を受けることが出来る。

【0051】

なお、第１液晶レンズ１１０における対向基板１１５に形成された第２配向膜１１７の配向方向、及び第２液晶レンズ１２０の対向基板１２５に形成された第４配向膜１２７の配向方向は、液晶３００としてどのような液晶を使用するかによって決まる。つまり、第１液晶レンズ１１０における第２配向膜１１７は第１配向膜１１３と同じ方向に配向する場合もあるし、直角方向に配向する場合もある。第２液晶レンズ１２０における第３配向膜１２３と第４配向膜１２７の関係も同じである。

【0052】

ところで、ＬＥＤ１０からの光は、全方向に偏光しているので、ＰＸあるいはＰＹの偏光光にのみ作用したのでは、液晶レンズの十分な作用を得られない場合がある。この場合は、図２４に示すように、例えば、ｘ方向に対して４５度方向に偏光している光Ｐ４５に対して作用する液晶レンズ１３０、ｘ方向に対して１３５度方向に偏光している光Ｐ１３５に対して作用する液晶レンズ１４０を加えればよい。

【0053】

図２５は、図２４に対応し、液晶レンズ１１０、１２０、１３０、１４０を加えた場合の液晶レンズ付照明装置の断面図である。図２５において、照明ユニットの構成は、図１６の構成と同じである。すなわち、図２５においても図１５と同様、４個の照明ユニットが組み合わさって矩形上状の照明装置を構成している。照明装置の出射孔側に４枚の液晶レンズ１１０、１２０、１３０、１４０が積層して配置されている。液晶レンズの厚さは、各々が１ｍｍ程度であるので、４枚積層しても４ｍｍ程度であるから、照明装置全体の厚さに対しては大きな問題にはならない。

【0054】

液晶レンズ１００による作用としては、発散や収束等のレンズ作用のみでなく、光を偏向させたいような場合もある。この場合も、直角方向に偏光する光に対して作用する２枚の液晶レンズをペアとして使用する。図２６は、ペアの液晶レンズのうちの、第１液晶レンズ１１０の作用を示す断面図である。

【0055】

図２６は液晶レンズ１１０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１１０の断面図である。液晶レンズ１１０の第１基板１１１の上に第１電極１１２が形成され、その上に第１配向膜１１３が形成されている。第２基板１１５の上に第２電極１１６が形成され、その上に第２配向膜１１７が形成されている。第１配向膜１１３と第２配向膜１１７の間に液晶層３００が存在している。液晶層３００はシール材１５０によって封止されている。

【0056】

図２６の第１電極１１２と第２電極１１６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１１０に下側から入射した光ＬＬは左方向に偏向されて出射することになる。

【0057】

入射光に対して右方向に屈折させたい場合は、図２６の場合と逆に、電位差が右から左に徐々に大きくなるように、各電極に電圧を印加すればよい。そうすると、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が図２６の下側のグラフと逆に変化し、下側から液晶レンズに入射した光は右方向に偏向されることになる。

【0058】

図２７は図２６に対応する第１液晶レンズ１１０の電極構成を示す平面図である。第１電極１１２も第２電極１１６もＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）等のような、透明導電膜で形成される。図２７の上側は、対向基板１１５に形成された第２電極１１６の形状を示す。第２電極１１６は、第２基板１１５全体に平面的に形成されている。

【0059】

図２７の下側は、ＴＦＴ基板１１１であり、ストライプ状の電極１１２が形成されている。図２７において、ストライプ状の電極１１２はｙ方向に延在し、ｘ方向に配列している。液晶レンズ１１０を動作させる場合は、各ストライプ状の電極１１２には、一方の端から順に電圧が上昇、あるいは低下するように印加される。

【0060】

第１液晶レンズ１１０のＴＦＴ基板１１１及び対向基板１１５の電極構造は、第２液晶レンズ１２０も同じである。第１液晶レンズ１１０と第２液晶レンズ１２０が異なる点は、第１液晶レンズ１１０における第１配向膜１１３及び第２配向膜１１７の配向方向と、第２液晶レンズ１２０における第１配向膜１２３及び第２配向膜１２７の配向方向とが互いに９０度の角度をなしている点である。

【0061】

つまり、第１液晶レンズと第２液晶レンズの配向方向の関係は、図２２に示したのと同じである。また、第１液晶レンズ１１０と第２液晶レンズ１２０の積層構造、第１配向膜１１３と第３配向膜１２３の配向方法、第２配向膜１１７と第１配向膜１１４の関係、第４配向膜１２７と第３配向膜１２３の関係は、図２３で説明したのと同じである。

【0062】

図２７の第１液晶レンズの電極構成は、光を、平面で視て、左右方向に偏光させる場合である。図２８は、光を、平面で視て、上下方向に偏光させる場合の電極構成を示す図である。図２８において、対向基板１１５に形成された第２電極１１６は平面形状であり、図２７と同じである。図２８の下側に示すＴＦＴ基板１１１に形成された第１電極１１２は、ｘ方向に延在し、y方向に配列している。つまり、図２７の第１電極１１２と直交関係にある。したがって、図２６で説明したと同様な作用によって、光を上下方向に偏光させることが出来る。

【0063】

このように、図２７に示す電極構造を持つ液晶レンズと第２８に示す電極構造を示す液晶レンズを用いることによって、光を、平面で視て、上下、左右に偏光させることが出来る。なお、光を偏向する場合も、より完全な液晶レンズの作用を行うためには、図２４に示すように、平面で視て、左右方向、あるいは、平面で視て上下方向の各々に対して、４枚の液晶レンズを使用すればよい。

【0064】

ところで、照明ユニットの組み合わせ体の平面図は、矩形からずれる場合がある。一方、液晶レンズ１００の外形は、矩形のままのほうが、合理的に製造することが出来る場合が多い。図２９は、３個の照明ユニットの組み合わせ体が矩形以外であり、液晶レンズ１００が矩形の場合の例である。図３０は図２９のＣ－Ｃ断面図である。

【0065】

図２９において、照明ユニットを３個組み合わせた場合の平面図は逆Ｔ型となっている。３個の照明ユニット内に配置するＬＥＤ１０の方位角は、各々９０度／３、すなわち、３０度ずつ異なっている。一方、液晶レンズ１００の外形は矩形となっている。液晶レンズ１００を含めた照明装置の平面図が矩形であることで、照明装置の取り扱いが容易になるという利点もある。

【0066】

以上説明したように、実施例によれば、同一の構成を有する照明ユニットを複数配置して光源としているので、用途に応じて照明装置の形状や、輝度を比較的自由に変化させることが出来る。また、複数のＬＥＤを、異なる方位角で配置することによって、円形の自然なスポットを得ることが出来る。また、１個の共通した液晶レンズによって、複数のコリメートした光を制御するので、光スポットの正確な制御を行うことが出来る。

【0067】

なお、照明ユニットは、数や配置によっては、平面が矩形の形状とならない場合がある。このような場合でも、液晶レンズを矩形に形成することによって、液晶レンズを製造しやすくすることが出来る。また、照明装置の部品としての取り扱いも容易になる。

【実施例0068】

実施例１では照明ユニットを組み合わせて照明装置を形成しているが、の照明ユニットを最初から一体化した照明装置を形成することも可能である。図３１は一体化したリフレクタ２０の平面図であり、図３２は図３１のＤ－Ｄ断面図である。図３１は、直方体のリフレクタ２０に反射鏡として作用する４個の孔が形成されている。図３２は直方体のブロック２０に複数の孔が形成されていることを示す断面図である。図３１も図３２にも、直方体２０の基材に、孔をあけるだけの単純な形状なので、機械加工によっても、容易に照明装置を形成出来るという特徴を有している。

【0069】

図３３は図３１に対して液晶レンズ１００を配置した平面図であり、図３４は図３３のＥ－Ｅ断面図である。図３３及び図３４の構成は、４個の孔が１個の直方体のブロック２０に形成されていることを除いては、図１５及び図１６の構成と同じであり、光に対する作用も同じである。

【0070】

実施例２においても、実施例１で説明した種々の態様を適用することが出来る。