特開 2024-49633 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】P2024049633

(43)【公開日】2024-04-10

(54)【発明の名称】照明装置

(51)【国際特許分類】

   F21S 2/00 20160101AFI20240403BHJP

   G02F 1/13 20060101ALI20240403BHJP

   G02F 1/1333 20060101ALI20240403BHJP

   F21V 7/00 20060101ALI20240403BHJP

   F21V 7/06 20060101ALI20240403BHJP

   F21V 9/40 20180101ALI20240403BHJP

   F21V 5/08 20060101ALI20240403BHJP

   F21V 5/00 20180101ALI20240403BHJP

   F21V 7/07 20060101ALI20240403BHJP

   F21V 9/08 20180101ALI20240403BHJP

   F21V 9/14 20060101ALI20240403BHJP

   G02B 21/06 20060101ALN20240403BHJP

【ＦＩ】

F21S2/00 330

G02F1/13 505

G02F1/1333

F21S2/00 233

F21S2/00 350

F21V7/00 510

F21V7/06 100

F21V9/40 400

F21V5/08

F21V5/00 600

F21V7/07 100

F21V9/08 400

F21V9/08 100

F21V9/14

G02B21/06

【審査請求】未請求

【請求項の数】12

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022155978

(22)【出願日】2022-09-29

(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】岡田 真文

【テーマコード（参考）】

2H052

2H088

2H189

【Ｆターム（参考）】

2H052AC17

2H052AC25

2H052AC27

2H052AC33

2H088EA42

2H088HA14

2H088HA21

2H088HA24

2H088MA20

2H189AA32

2H189HA16

2H189LA15

2H189LA18

2H189LA19

2H189MA15

(57)【要約】

【課題】単純な構成で、リング状照射光を形成することが出来る照明装置を実現する。また、リング状照射光の形状を任意に変え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手段をとる。すなわち、光源が配置した第１の孔１３と光を出射する第２の孔１２と、前記第１の孔１３と前記第２の孔１２を連結する反射曲面１１を有する第１の反射体１０と、平面で視て、前記第２の孔１２の中心を含む領域に遮光体２０が配置され、前記第２の孔１２の内端と前記遮光体２０の外端の間にリング状に開口部が形成され、前記開口部を覆って液晶レンズ１００が配置していることを特徴とする照明装置である。
【選択図】図５

【特許請求の範囲】

【請求項1】

光源が配置した第１の孔と光を出射する第２の孔と、前記第１の孔と前記第２の孔を連結する反射曲面を有する第１の反射体と、
平面で視て、前記第２の孔の中心を含む領域に遮光体が配置され、
前記第２の孔の内端と前記遮光体の外端の間にリング状に開口部が形成され、
前記開口部を覆って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】

前記第１の反射体の外形は直方体であり、
前記第１の孔は前記直方体の第１の面に形成され、
前記第２の孔は前記第１の面と対向する第２の面に形成され、
前記遮光体の主面は、前記第２の面と平行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。

【請求項3】

前記遮光体は、前記遮光体に取り付けられたタブを介して、前記第１の反射体の前記第２の面に取り付けられていることを特徴とする請求項２に記載の照明装置。

【請求項4】

前記遮光体は前記液晶レンズに取り付けられていることを特徴とする請求項２に記載の照明装置。

【請求項5】

前記第１の反射体の前記曲面は、前記第１の孔に近い第１の曲面と、前記第２の孔に近い第２の曲面を有し、
前記第２の曲面の一部は、双曲面あるいは放物面を有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6】

前記遮光体の前記光源に対向する面の波長５００ｎｍの光に対する吸収率は８０％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。

【請求項7】

前記遮光体と前記光源の間に第２の反射体が配置し、
前記第２の反射体の前記光源と対向する側の面は第３の反射面となっていることを特徴とする請求項５に記載の照明装置。

【請求項8】

前記第３の反射面は、前記光源からの光を反射して、前記第１の反射体の前記第２の曲面に向かわせるような曲面であることを特徴とする請求項７に記載の照明装置。

【請求項9】

前記第２の反射体と前記遮光体の間には、空間が存在していることを特徴とする請求項７に記載の照明装置。

【請求項10】

前記リングは円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】

前記液晶レンズは、第１の液晶レンズ、第２の液晶レンズ、第３の液晶レンズ、第４の液晶レンズを有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12】

前記第１の液晶レンズ、前記第２の液晶レンズ、前記第３の液晶レンズ、前記第４の液晶レンズは、入射光のうちの、異なる偏光光に対して作用することを特徴とする請求項１１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、リング状の照射光を提供することが出来る照明装置に関する。

【背景技術】

【0002】

撮影用ライトや特殊照明等で、リング状の照明光を必要とする場合がある。また、顕微鏡等の光学器具や露光装置等の製造装置において、リング状の照射光を必要とする場合がある。

【0003】

特許文献１には、レーザ走査顕微鏡において、レーザ光に位相回折格子とアキシコンプリズムを作用させることによって、リング状の照射光を得ることが記載されている。特許文献２には、コリメート光に対し、ドーナッツレンズ、リング状開口、及びコンデンサレンズを作用させ、リング状開口の像をフォーカス位置に投影することによって、リング状の照明光を得ることが記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開平８－３３４７０１号公報

【特許文献2】特開２００６－３１３２１３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

先行文献に記載の技術は、顕微鏡等の比較的小さな装置に使用される照明装置である。また、これらに記載の装置は、比較的複雑な光学系を必要とする。

【0006】

本発明の課題は、撮影照明用等の比較的大きなリング状の照明光にも対応することが出来、かつ、比較的簡単な光学系によって、リング状の照明光を形成することが出来る照明装置を実現することである。また、本発明の他の課題は、照明装置の外形を小さくすることによって、リング状照射光が必要な場合の、顕微鏡、露光装置等にも使用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】

【0007】

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。

【0008】

（１）光源が配置した第１の孔と光を出射する第２の孔と、前記第１の孔と前記第２の孔を連結する反射曲面を有する第１の反射体と、平面で視て、前記第２の孔の中心を含む領域に遮光体が配置され、前記第２の孔の内端と前記遮光体の外端の間にリング状に開口部が形成され、前記開口部を覆って液晶レンズが配置していることを特徴とする照明装置。

【0009】

（２）前記第１の反射体の外形は直方体であり、前記第１の孔は前記直方体の第１の面に形成され、前記第２の孔は前記第１の面と対向する第２の面に形成され、前記遮光体の主面は、前記第２の面と平行に形成されていることを特徴とする（１）に記載の照明装置。

【0010】

（３）前記第１の反射体の前記曲面は、前記第１の孔に近い第１の曲面と、前記第２の孔に近い第２の曲面を有し、前記第２の曲面の一部は、双曲面あるいは放物面を有することを特徴とする（１）に記載の照明装置。

【0011】

（４）前記遮光体と前記光源の間に第２の反射体が配置し、前記第２の反射体の前記光源と対向する側の面は第３の反射面となっていることを特徴とする（３）に記載の照明装置。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】リング状照射光を形成する照明装置の模式図である。

【図2】図１の照明装置の詳細平面図である。

【図3】図２のＡ－Ａ断面図である。

【図4】図２のＢ－Ｂ断面図である。

【図5】実施例１の照明装置の分解斜視図である。

【図6】実施例１の照明装置の断面図である。

【図7】実施例１の照明装置の平面図である。

【図8】液晶レンズを外した場合の実施例１の照明装置からの照明光の例であり、リング状照射光が形成される場合である。

【図9】液晶レンズを外した場合の実施例１の照明装置からの照明光の他の例であり、リング状照射光が形成されない場合である。

【図10】液晶レンズを配置した場合の実施例１の照明装置からの照明光の例である。

【図11】図１０の照明装置によるリング状照射光の例である。

【図12】図１１の液晶レンズの作用を示す模式断面図である。

【図13】液晶レンズを配置した場合の実施例１の照明装置からの照明光の他の例である。

【図14】図１３の照明装置によるリング状照射光の例である。

【図15】図１３の液晶レンズの作用を示す模式断面図である。

【図16】液晶レンズの動作を説明する断面図である。

【図17】液晶レンズの動作を説明する他の断面図である。

【図18】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19】第１液晶レンズの断面図である。

【図20】第１液晶レンズの電極形状を示す平面図である。

【図21】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22】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23】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24】ファンネル型反射体の内部において、ＬＥＤからの出射光の分布を示す断面図である。

【図25】実施例２において、液晶レンズを除いた状態における照明装置の断面図である。

【図26】図２５を上方向から視た平面図である。

【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】

図１は、照射光３を形成するための照明装置１の例である。図１において、左側は照射光３を形成するためのリング状照明装置１が支持具２にセットされている図である。右側がこの照明装置１から投射された照射光３である。

【0015】

リング状照明装置１には、多数の光源が円状に配列している。広範囲の領域を照射するため光源の前面に拡散板が配置されることもある。図１において、リング状照明装置１のリングの幅ｗ１よりも、リング状照射光３のリングの幅ｗ２のほうが大きい。リング状照明装置１からの光は、コリメート光ではなく、ある程度の配光角をもって照明装置１から出射するからである。

【0016】

図２は図１に示すリング状照明装置１の平面図である。図２において、多数の光源４を収容する筐体５は、断面がＵ字状のリングであり、このＵ字溝に多数の光源４が配置されている。個々の光源４は各々が発光ダイオード（ＬＥＤ）を備えた光源であり、配光角の小さい光源４を使用場合図１のようなリング状照射光は形成される。

【0017】

図３は、図２の光源４のＡ－Ａ断面図である。図３において、断面がＵ字型の筐体５の中に、ファンネル型反射体６とＬＥＤ７で構成されるコリメート光源４が配置している。図４は、図２の光源４のＢ－Ｂ断面図である。図４において、ファンネル型反射体６とＬＥＤ７で構成されるコリメート光源４が隣り合って配置している。

【0018】

図３及び図４において、コリメート光源４を構成するファンネル型反射体６は、内面が、例えばパラボラ反射面となっており、点光源からの光を反射し、コリメート光を出射する。以後パラボラ曲面は、双曲面あるいは放物面をいう。ファンネル型反射体６の出射面は、例えば円形であり、コリメート光源の断面形状は円形となる。

【0019】

図２のようなリング状照明装置５では、リング状照明装置１の直径と投射されるリング状照射光３の直径とが同じになる。したがって、大きな径のリング状照射光３を得ようとすると、リング状照明装置１も大きくなり、使用するコリメート光源４も多くなる。

【0020】

また、リング状照明装置１からの光の配光角も、個々のコリメート光源４の特性によって決まり、自由度が小さい。例えば、図１におけるリング状照射光３の幅は、リング状照明装置１の配光角によって決まるので、個々のコリメート光源４の特性によって決まる。リング状照射光３の直径や幅を変えたい場合は、コリメート光源４の光の出射孔に合わせてレンズ等の光学部品を配置する必要があり、構成が複雑になる。

【0021】

図５は、リング状照射光を形成することが可能な、本発明の実施例１の照明装置の分解斜視図である。図５おいて、外形が直方体で、下面に、光源であるＬＥＤ３０用の孔１３が形成され、上面の出射孔１２からコリメート光を出射するファンネル型反射体１０が配置している。ファンネル型反射体１０において、ＬＥＤ３０用の孔１３と出射孔１２の間は、パラボラ曲面で結ばれ、出射孔１２からコリメート光が出射されるような構成となっている。

【0022】

図５において。ファンネル型反射体１０の出射孔１２の周辺領域以外を覆って、遮光体２０が配置している。ファンネル型反射体１０の出射孔１２の周辺のみから光を出射してリング状照射光を形成するためである。図５において、遮光体２０をファンネル型反射体１０の上面において支えるために、タブ２１が形成されている。なお、タブ２１は、リング状照射光が形成される投射面では、ボケによって、判別できなくなる。

【0023】

このようにして、光源であるＬＥＤ３０と、ファンネル型反射体１０と、遮光体２０によってリング状の光源が形成される。この構成によって、リング状照射光を形成することが出来るが、リング状照射光の大きさ、幅等は、これらの光学要素によって特定されてしまい、種々のリング状照明を形成することは難しい。

【0024】

本発明では、これらの構成に加えて、ファンネル型反射体１０の出射面１２に液晶レンズ１００を配置することによって、リング状照射光の形状を制御すること可能な構成としている。つまり、液晶レンズ１００の作用によって、リング状照射光の形状を変化させることが可能である。図５のような構成であれば、直方体のファンネル型反射体１０の上に液晶レンズ１００を配置すればよいので、単純な構成とすることが出来る。実施例１によれば、図５に示すように、全体としては、単純な構成の照明装置によって、種々なリング状照射光を形成することが出来る。

【0025】

図６は図５の断面図であり、図７は図５の平面図である。なお、図７では、液晶レンズ１００は透視され、図面からは省略されている。図６は図７のＣ－Ｃ断面図に相当する。図６において、外形が矩形のファンネル型反射体１０の内部にファンネル状の反射面１１が形成されている。ファンネル型反射体１０には、光の出射孔１２と、光源であるＬＥＤ３０を配置するための孔１３が形成され、ＬＥＤ３０用孔１３と出射孔の間は、少なくとも一部にパラボラ曲面を含む反射面１１となっている。

【0026】

図６において、直方体の下面に形成された、ＬＥＤ用の孔１３の中にＬＥＤ３０が配置している。ＬＥＤ３０用の孔１３はＬＥＤ３０を収容できるだけの大きさがあればよい。小型のＬＥＤ３０は平面で視て１．５ｍｍ程度の小さいものも市販されている。一方、輝度が大きく、指向角の大きい表面実装型ＬＥＤが使用される場合もある。ＬＥＤ３０は図５に示すように上面から見て矩形でもよいし、図７に示すように上面から見て円形でもよい。

【0027】

図６及び図７に示すように、外形が直方体であるファンネル型反射体１０の上面に形成された出射孔１２は、周辺を除いて遮光体２０によって覆われている。つまり、図７に示すように、実際の出射孔４０はリング状となっている。したがって、出射孔４０から出射する光は平面で視てリング状となっている。

【0028】

しかし、照射面において、リング状照射光を形成するには、出射孔４０から出射される光はコリメートされている必要がある。実施例１のファンネル型反射体１０の反射面１１には、これに対応する曲面が形成されている。図６において、反射面１１は、第１の曲面Ｒ１と第２の曲面Ｒ２で構成されている。

【0029】

図６に示すように、出射する光の多くは反射面１１の周辺、すなわち、第２の曲面Ｒ２において反射した光である。したがって、第２の曲面Ｒ２が光源からの光に対してコリメート光を形成するように、最適化をされている必要がある。第２の曲面Ｒ２は、一部に放物面あるいは双曲面を含む。第１の曲面Ｒ１は第２の曲面Ｒ２が最適な反射面となるように、ＬＥＤ３０用孔と第２の曲面Ｒ２を接続する曲面であればよい。

【0030】

図６において、光源であるＬＥＤ３０からの光の多くは遮光体２０によって吸収され、ＬＥＤ２０から比較的大きな角度で出射する光がリング状照射光として使用される。したがって、光の利用効率の点からは、光源であるＬＥＤ３０は、指向角の大きな特性を持つＬＥＤが好ましい。ＬＥＤには、大きく分けて、砲弾型ＬＥＤとＳＭＤ（Ｓｕｒｆａｃｅ Ｍｏｕｎｔ Ｄｅｖｉｃｅ）とが存在する。砲弾型は、光の出射面の平面は円とすることが出来るが、輝度が小さい。これに対して、ＳＭＤ方式は、輝度を大きくでき、かつ、指向角も大きいものが多い。したがって、ＳＭＤ方式のＬＥＤは、本実施例には好適である。

【0031】

図６において、ＬＥＤ３０から出射した光の多くは、遮光体２０によって吸収される。遮光体２０は、光の反射率が小さく、光を出来るだけ吸収するものがよい。仮に、遮光体２０から光が反射すると、この反射光は、再び、ファンネル型反射体１０の反射面１１で反射され、出射孔４０から出ていく。しかし、この光はコリメート光ではないので、リング状照射光の形成には、悪影響を及ぼす場合が多い。遮光体２０の光吸収率は、可視光の代表として、波長が５００ｎｍである緑色光に対し、８０％以上であることが好ましく、さらに好ましくは９０％以上である。

【0032】

図６の構成では、ＬＥＤ３０から所定の範囲の角度で出射する光に対してコリメート光を形成するようにしているので、第２の曲面Ｒ２を最適化するように設計することが出来る。図７に示すように、遮光体２０にはタブ２１が形成され、タブ２１によって、ファンネル型反射体１０の上面で支持されている。タブ２１は幅が小さいので、スクリーンに投射したリング状照射光においては、タブ２１は見えなくなっている。タブ２１は、図７に示すように２個に限らず、３個以上でもよい。なお、遮光体２０は、後で説明する液晶レンズ１００に貼り付けられていてもよい。この場合、液晶レンズ１００はスペーサを介してファンネル型反射体１０の上面で支えることが出来る。

【0033】

遮光体２０はＬＥＤ３０からの光を吸収するので、高温になる可能性があるため、高温に耐える材料である必要がある。一方、遮光体２０の上に載置される液晶レンズ１００は、温度が上がると十分な特性が得られない場合がある。したがって、遮光体２０において、ＬＥＤ３０側の面の温度が上昇しても、液晶レンズ１００側の面の温度があまり上昇しないように、熱伝導率の小さな材料で形成することが望ましい。このような材料で、光の反射率の小さい材料が無い場合、黒色の耐熱性の塗料、あるいはその相当品を遮光体２０のＬＥＤ側の面に塗布などで形成すればよい。

【0034】

一方、遮光体２０を複数層で形成してもよい。すなわち、ＬＥＤ３０と対向する第１の面は光の吸収体として優れた材料を使用し、液晶レンズ１００と対向する第２の面は、熱伝導率の小さな材料で構成する。この場合、第１の面の材料を基材として、第２の面の材料を第１の面に塗布等の手段で形成してもよい。逆に、第２の面の材料を基材として、第１の面の材料を第１の面に塗布等の手段で形成してもよい。

【0035】

図６に示すように、ＬＥＤ３０及びファンネル型反射体１０からの出射光は、遮光体２０の外側から液晶レンズ１００に入射し、液晶レンズ１００において必要なレンズ作用を受け、スクリーンにリング状照射光が照射される。液晶レンズ１００には、出来るだけコリメートされた光が入射したほうが液晶レンズ１００による出射光の制御がしやすい。

【0036】

図８は、液晶レンズ１００が無い状態における光源３０からの光の経路を示す断面図である。図８において、遮光体２０の外側からコリメート光が出射される。コリメート光と言っても完全にコリメートされているわけではないので、配光角θをもって放射される。図８はスクリーン１０００においてリング状照射光が照射される場合の例である。照明装置のリング状光源の直径Ｄ、照明装置とスクリーン１０００の距離Ｌ、及び、照明装置の配光角θの関係がスクリーン１０００において、リング状照射光の形成を可能とする例である。図８において、スクリーン１０００に形成されるリング状照射光の直径Ｅと、照明装置におけるリング状開口の直径Ｄは同じである。

【0037】

図９は、図８と同じ構造において、照明装置の配光角θが大きくなった場合である。この場合は、スクリーン１０００において、左右の出射孔からの照明光が交差しており、リング状照射光は形成されない。照明装置が図９のような構成であっても、照明装置とスクリーン１０００間の距離がＬＳのように短ければスクリーン１０００上にリング状照射光が形成される。

【0038】

図８及び図９に示すように、照明装置における、リング状の出射面の径Ｄ、出射光の配光角θによって、照明装置からどの程度離れたスクリーン１０００にまで、リング状照射光が形成されるかが決まる。

【0039】

図１０は、遮光体２０の上に液晶レンズ１００を配置した場合の断面図である。液晶レンズ１００は第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の４枚組になっている。４枚組になっている理由は後で説明する。図１０において、遮光体２０の外側からコリメート光が液晶レンズ１００に入射する。この光は液晶レンズ１００でレンズ作用を受けた後、液晶レンズ１００から配光角θをもって出射される。この配光角θは液晶レンズ１００によって制御可能である。

【0040】

図１０において、スクリーン１０００に形成されたリング状照射光の直径Ｅは照明装置におけるリング状出射孔の直径Ｄと同じであるが、幅ｗ２は、リング状出射孔の幅ｗ１よりも大きくなっている。この差は液晶レンズ１００によって出射光の配光角を制御することによって制御される。

【0041】

図１１は、照明装置のリング状の出射面１４とスクリーン１０００におけるリング状照射光３を比較した平面図である。図１１において、左側が照明装置のリング状の出射孔４０の平面図である。直径はＤで幅はｗ１である。右側はスクリーン１０００におけるリング状照射光３の平面図である。直径はＥであり、幅はｗ２である。直径Ｄと直径Ｅは同じ大きさであるが、幅ｗ２は幅ｗ１よりも大きい。ｗ２とｗ１の差は液晶レンズによって制御することが出来る。

【0042】

図１０、図１１に示すような液晶レンズ１００は、例えば図１２に示すように、照明装置の出射面に沿ってリング状の凹レンズ５０を形成するように、液晶レンズ１００を制御することによって可能である。図１２は液晶レンズ１００の作用のみを示す断面模式図である。図１２において、照明装置のリング状の出射孔をふさぐように、凹レンズ５０が配置している。この凹レンズ５０は回転対称なレンズとなっている。この凹レンズは、平面で視ると、リング状に、照明装置の出射孔の上を覆っている。

【0043】

図１３は、実施例１における液晶レンズ１００の他の作用を示す断面図である。図１３が図１０と異なる点は、液晶レンズ１００から出射する光の出射方向が、液晶レンズ１００の主面と直角方向でなく、角度φとなっていることである。したがって、スクリーン１０００に照射されるリング状照射光の径Ｅは、照明装置のリング状の出射孔の径Ｄよりも大きくなっている。一方、液晶レンズ１００を出射する出射光の配光角θを液晶レンズ１００によって制御することで、照明装置リング状出射孔の幅ｗ１と、スクリーン１０００に投射されるリング状照射光の幅ｗ２の関係を制御することが出来る。

【0044】

図１４は、照明装置の出射孔とスクリーン１０００上のリング状照射光の関係を示す平面図である。図１４において、左側が照明装置のリング状の出射孔４０の平面図である。直径はＤで幅はｗ１である。右側はスクリーン１０００におけるリング状照射光３の平面図である。直径はＥであり、幅はｗ２である。図１４においては、直径Ｅは直径Ｄよりも大きい。また、幅ｗ２は幅ｗ１よりも大きい。ＥとＤの差、及び、ｗ２とｗ１の差は液晶レンズによって制御することが出来る。

【0045】

図１３、図１４に示すような液晶レンズ１００は、例えば図１５に示すように、照明装置の出射面に大きな凹レンズ６０を形成するように、液晶レンズ１００を制御することによって可能である。図１５は液晶レンズ１００の作用のみを示す断面模式図である。図１５において、照明装置のリング状の出射孔を含み、照明装置の出射面のほぼ全面を覆って、大きな凹レンズ６０が配置している。この凹レンズ６０は回転対称なレンズとなっている。

【0046】

なお、図１５において、遮光体２０に覆われた直径Ｄ１の領域は、光が出射しないので、正確なレンズを形成する必要はない。図１５は、液晶レンズ１００の作用をイメージするための図である。液晶レンズ１００の作用は、液晶レンズ１００内の電極に対する印加電圧によって、レンズ形状を変えることができる。

【0047】

図１６は、液晶レンズ１００の原理を示す断面図である。図１６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１６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１６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。

【0048】

図１６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１６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。

【0049】

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１７はこのレンズ構成を示す分解斜視図である。図１７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。

【0050】

図１７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１７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。

【0051】

図１８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１８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１２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１７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。

【0052】

図１９は、液晶レンズ１１０の詳細断面図である。図１９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。

【0053】

図２０の左側の図は、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は同心円状の複数の円となっている。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２０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。

【0054】

図２０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１９、図２０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。

【0055】

図１９及び図２０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。

【0056】

図２１はこの構成を示す斜視図である。図２１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。

【0057】

図２２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。図２２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。

【0058】

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２２において、ＡＬは配向膜１１３の配向方向を示している。図２２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。

【0059】

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。

【0060】

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２３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。

【0061】

このように、液晶レンズを用いることによって、照明装置の形状を変えずに、必要に応じて、色々なリング状照射光を形成することが出来る。

【実施例0062】

図２４は、光源としてのＬＥＤ３０からの出射光の分布を示す断面図である。比較的指向角の大きいＬＥＤ３０を使用したとしても、出射方向がＬＥＤ３０の出射面に対して垂直方向、すなわち、図２４に示すＡ領域の光度が大きい。したがって、図２４のような構成は、ＬＥＤ３０からの光の利用効率が低い。光の利用効率を上げるために、遮光体２０の内側を反射面にすると、遮光体２０の反射面からの光は制御が困難なので、リング状の出射孔から出射する光をコリメート光とすることが難しくなる。

【0063】

図２５及び図２６は、これを対策した実施例２における照明装置の断面図及び平面図である。なお、図２５及び図２６は、液晶レンズ１００は省略されているが、実際の照明装置では、実施例１と同様に液晶レンズ１００が使用される。本実施例では、図２５に示すように、ＬＥＤ３０からの輝度が大きい領域、すなわち、図２４におけるＡ領域に対応する部分に、反射体５００を配置し、反射体５００からの光を、ファンネル型反射体１０の反射面１１における第２の曲面Ｒ２側に向ける。そして、曲面Ｒ２で反射した光はコリメート光として照明装置のリング状の出射孔４０から放出される。

【0064】

図２５において、反射体５００のＬＥＤ３０と対向する面は、ＬＥＤ３０からの光を反射してファンネル型反射体１０の曲面Ｒ２に入射するような曲面に設定されている。反射体５００の直径は、遮光体２０の直径よりも非常に小さく出来るので、このような作用を有するように、反射体５００の曲面を設定することは可能である。

【0065】

逆に、反射体５００の径を、照明装置のリング状出射孔４０から出射する光がコリメート光を維持できる程度の大きさに抑えればよい。それでも、ＬＥＤ３０からの光の光度が大きい領域の光を使用することが出来るので、光の利用効率を向上させることが出来る。

【0066】

図２６は、図２５を上側から視た平面図である。図２６において、反射体５００、遮光体２０、リング状出射孔４０がＬＥＤ３０を中心として同心円状に配置している。図２６において、ＬＥＤの径ｄ１よりも反射体５００の径ｄ２が大きく、反射体５００の径ｄ２よりも遮光体２０の径ｄ３が大きい。

【0067】

図２５に戻り、反射体５００と遮光体２０の垂直方向の距離ｈは、反射体５００からの反射光の角度が所定の範囲に収まるように任意に設定することが出来る。図２５では、反射体５００は宙に浮いているようになっているが、実際には、遮光体２０から懸垂させる、あるいは、ファンネル型反射体１０の第１の反射面Ｒ１に支柱を立てて支えてもよい。

【0068】

このように、実施例２によれば、光源であるＬＥＤ３０からの光の利用効率が高い、コリメートされたリング状の出射光を出射出来る照明装置を実現することが出来る。また、液晶レンズ１００を用いることによって、実施例１で説明したのと同様な効果を得ることが出来る。

【0069】

以上の説明では、光源であるＬＥＤ３０は1個であるとして説明したが、照度が十分に取れない場合は、ＬＥＤ３０を複数使用すればよい。また、以上の説明では、リングは、円形であるとして説明したが、本発明は、円形に限らず、矩形リング、楕円リング等の場合にも適用できる。

【0070】

また、本発明による照明装置は、比較的単純な構造であるので、照明装置の大きさを小さくできる。したがって、小型の光学機器にも適用することが出来る。一方、液晶レンズの作用によって、大きなリング状照射光にも対することが出来る。