JP4830201B2

JP4830201B2 - Display device

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Publication number: JP4830201B2
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Inventors: 智玉置
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Priority date: 2001-01-31
Filing date: 2001-01-31
Publication date: 2011-12-07
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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、光ビームを振ることにより、空中に文字，図形等を表示するための表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、このような表示装置は、発光部としてのレーザ光源と、二軸方向に反射光を振るように構成された反射手段とから構成されており、レーザ光源から出射した光を反射手段により所望の方向に反射させると共に、振って前方に向かって光を照射するようになっている。
【０００３】
ここで、上記反射手段は、例えばレーザ光源の光軸方向に垂直な二軸方向に関してそれぞれミラーを揺動させることにより、レーザ光源からの光を二軸方向に振るように構成されている。このようにして、レーザ光源から出射した光は反射部材により反射され、進行方向の空中やスクリーン等に対して光ビームの軌跡により文字，図形等の表示を行なうことができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような表示装置においては、レーザ光源から出射する光ビームを二つのミラーで振ることによって、光ビームの軌跡により文字，図形等の所望の形状の表示を行なうようになっているが、各ミラーを揺動させるためには一般に回転ソレノイドが必要であり、そのため表示装置全体の重量が増大すると共に、回転ソレノイドを高速で駆動させ、高精度で停止させるためには高度な技術が必要とされる。したがって、表示装置全体のコストが高くなってしまうと共に、回転ソレノイドの制御精度の点から動作安定性が低くなってしまう。
【０００５】
この発明は、以上の点にかんがみ、簡単で小型の構成により、容易に光ビームの軌跡により文字，図形等の所望の形状の表示を行なうことができるようにした表示装置を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の表示装置は、光軸方向に沿って光ビームを出射する発光装置と、この発光装置を光軸に垂直な二軸方向に関して揺動可能に支持する支持部と、中心の周りに環状の所定の形状を有するカム溝を備えるカム部材と、発光装置を揺動駆動する駆動手段とを含んでおり、上記発光装置が、第二のレンズ面としての凸形状球面を有する頂部，ほぼ平坦な底部，外周部と、底部から前方に向かって形成された第一のレンズ面としての天井部と内周部とから成る凹部とを有しているバルク型レンズと、このバルク型レンズの凹部内に配設された少なくとも一個の光源から成る発光部と、上記発光部を駆動する駆動部と、この駆動部に給電する電源部と、これらバルク型レンズ，発光部，駆動部及び電源部のうち少なくともバルク型レンズ及び発光部を収容するケースと、を含んでいて、ケースは発光装置の光軸方向に沿って後方に延びるように形成されたガイド軸を備え、ガイド軸はカム溝に受容され、駆動手段が、回転自在にカム部材の中心軸を通る駆動軸を備えた駆動モータと、駆動モータの駆動軸から半径方向に延びる駆動アームと、を有し、駆動アームが、ガイド軸が摺動可能に係合するように半径方向に延びるスロットを備え、駆動モータによって駆動軸が回転してアームが中心周りに回転することで、発光装置のガイド軸は駆動アームのスロット内を半径方向に移動しながらカム溝に沿って移動して、支持部で支持された発光装置はその前端がガイド軸と反対側を向くように振られ、発光部の光源からの光が、バルク型レンズの凹部の天井部または内周部からバルク型レンズ内に入射し、直接にあるいは外周部の内面で反射された後、バルク型レンズの頂部から光軸方向に沿って収束光となって出射されることを特徴とする。
【０００７】
前記発光装置の支持部を、発光装置の重心付近を通る二軸方向に揺動可能に発光装置を支持するよう構成すれば好ましい。前記発光装置のガイド軸は、その先端にカム部材のカム溝内に係合するベアリングを備えていれば好ましい。前記ガイド軸は、好ましくは、少なくともその先端にて摩擦係数の小さい材料から構成されている。
【０００８】
本発明の表示装置に用いるバルク型レンズは、頂部と、底部と、外周部と、底部から頂部に向かって形成された天井部と内周部とからなる凹部とを有している光学媒体からなり、凹部が光源の収納部であり、天井部及び頂部がレンズ面として、内周部が光入射面として、外周部が全反射面として、そして底部が反射面として機能する。凹部の内部に光源を収納した場合は、天井部がレンズの入射面として、頂部がレンズの出射面として機能する。内周部から光学媒体に入射した光は、全反射して、又は底部で反射されて頂部に伝送される。「バルク型」とは、砲弾型、卵型、繭型、蒲鉾型等、ある程度の厚み又は膨らみを有する固形体を意味する。光軸方向に垂直な断面の形状は、真円、楕円、三角形、四角形、多角形等が可能である。バルク型のレンズ本体の外周部は、円柱、角柱の円周部のような光軸に平行な面でも良く、光軸に対してテーパを有していてもかまわない。また、天井部及び頂部のレンズ面は、凸面、凹面、平面、フレネルレンズ面のいずれかを適宜選択できる。

【０００９】
バルク型レンズは、レンズ作用及び入射面と出射面とを接続する光伝送作用を有するので、光の波長に対して透明な材料であり、かつ、屈折率が空気の屈折率とは異なる必要がある。このような材料としては、アクリル樹脂等の透明樹脂（透明プラスチック材料）、石英ガラス、ソーダ石灰ガラス、ホウケイ酸ガラス、鉛ガラス等の種々のガラス材料等が使用可能である。或いは、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、硫化亜鉛（ＺｎＳ）、炭化珪素（ＳｉＣ）等の結晶性材料を用いてもかまわない。又、可とう性、屈曲性や伸縮性のある透明ゴムのような材料でもよい。なお、光源として、ハロゲンランプ等の白熱球を用いる場合は、これによる発熱を考慮し、耐熱性光学材料を用いるべきである。耐熱性光学材料としては、石英ガラス、サファイアガラス等の耐熱ガラスが好ましい。或いは、ポリサルホン樹脂、ポリエーテルサルホン樹脂、ポリカーボネイト樹脂、ポリエーテルエステルアミド樹脂、メタクリル樹脂、非晶性ポリオレフィン樹脂、パーフルオロアルキル基を有する高分子材料等の耐熱性樹脂等の耐熱性光学材料が使用可能である。ＳｉＣ等の結晶性材料も耐熱性に優れている。
【００１０】
光源としては、ＬＥＤや半導体レーザ等のように、発光に際して顕著な発熱作用を伴わない光源が好ましい。その発熱が少ないことから、バルク型レンズに熱的影響を与えることがない。
本発明の表示装置にバルク型レンズを使用すれば、光源の数を多数必要とすることなく、所望の照度を有する表示装置を簡単に得ることが出来る。この照度は、光源を同一として較べれば、従来公知のレンズ等の光学系では達成不可能な照度である。バルク型レンズは、従来の技術では達成出来ない照度を、簡単且つ小型な構成で実現出来る。
【００１１】
ＬＥＤには内部量子効率と外部量子効率があるが、通常、外部量子効率は内部量子効率よりも低い。ＬＥＤをバルク型レンズの収納部（凹部）に収納することにより、内部量子効率とほぼ等しい効率で、潜在的なＬＥＤの光エネルギを有効に取り出すことが可能となる。
その原理は、（ａ）バルク型レンズの頂部及び天井部であるレンズ面、及び外周部での反射光（迷光）が外周部で全反射することによりバルク型レンズ外にほとんど散逸しない、（ｂ）上記反射光（迷光）の一部が頂部及び天井部であるレンズ面にもどる、（ｃ）上記反射光（迷光）の一部が底部で反射されて頂部及び天井部であるレンズ面にもどる、（ｄ）上記反射光（迷光）の一部がＬＥＤ光源に吸収され再発光する、さらに、（ｅ）内周部に入射する光も全反射により導光し有効利用している、ことなどが考えられる。
【００１２】
また、バルク型レンズによれば、ＬＥＤ等の光源それ自身は何ら手を加えることなく、容易に光の発散、収束等の光路の変更や焦点の変更が可能である。
すなわち、光源の発散角が既知であれば、第１及び第２のレンズ面の曲率半径等の選定が簡単に出来る。なお、第１及び第２のレンズ面のいずれか一方は、曲率半径が無限大、若しくは無限大に近い平坦な面であっても良い。第１及び第２のレンズ面のいずれか一方が、無限大ではない所定の（有限の）曲率半径を有していれば、光の収束、発散の制御が可能である。又、「所定の発散角」は０°、即ち平行光線であっても良い。又、発散角が９０°であっても、収納部が光源の発光部を完全に光学的に覆っているため、有効にその光を集光することが可能である。これは、従来のレンズ等の光学系では不可能な作用である。即ち、天井部以外の収納部の内周部も、有効な光の入射部として機能し得る。
【００１３】
具体的には、光源は、チップ状の半導体発光素子、透明材料でモールドされた半導体発光素子又は他の光源から光を導く光ファイバの出射端面である。これらの光源を光学媒質を介して収納部に収納しても良い。屈折率によって光学媒質を適宜選択することによっても光の発散、収束等の光路の変更や焦点の変更が可能であり、また、内周部から光学媒体に入射する光の屈折角を変えることができ、光学媒体の全反射をより効果的にすることもできる。
ここで、光学媒質には、固体、液体、気体、のみならず、ゾル状、コロイド状若しくはゲル状の光の波長に対して透明な物質も含まれる。
【００１４】
また、バルク型レンズは、頂部と、底部と、外周部と、この底部から頂部に向かって形成された天井部と内周部からなる凹部とを有している光学媒体であり、凹部が光源の収納部であり、天井部及び頂部がレンズ面として、内周部が光入射面として、外周部が全反射面として、また底部が反射面として機能し、内周部の光入射面が所定の傾きを有する少なくとも光波長以上の大きさの凹凸面で構成されていてもよい。また所定の傾きφは、凹部の屈折率をｎ₁、光学媒体の屈折率をｎ₂、光学媒体内の外周部面における全反射角をθt 光源の発散角をθd として、
ｓｉｎ^-1｛ｎ₁／ｎ₂ｃｏｓ（θd ＋φ）｝＝θt
から定まる角度である。
この構成によれば、例えば、端面発光ＬＥＤのようにほとんどの出射光がチップの側面から出射するようなＬＥＤを使用する場合においても、光源の全ての出射光を集光できる。
【００１５】
さらにまた、バルク型レンズは、レンズ部と光源を収納する収納部とが一体で形成されているため、従来のレンズ系では必要であったレンズと光源を光学的位置合わせをして保持する保持部を必要とせず、また、光学的位置合わせ工程を必要とせず、ただ光源にかぶせるだけでよいので、極めて低コストである。
【００１６】
上記構成によれば、発光装置にて、電源部からの給電により駆動部が発光部の一個もしくは複数個の光源を発光させる。これにより、発光部の各光源から出射した光は、一部が、バルク型レンズの天井部からバルク型レンズ内に入射し、また他の一部が、バルク型レンズの内周面からバルク型レンズに入射する。
したがって、バルク型レンズに入射した光は、一部が直接に頂部から出射し、また他の一部がバルク型レンズの外周部の内側で反射されて頂部から出射する。これにより、バルク型レンズの頂部から出射する光は、バルク型レンズの天井部である第一のレンズ面と頂部である第二のレンズ面によるレンズ効果に基づいて屈折され、前方に向かって狭い照射角度で照射される。
そして、上記発光部の光源がバルク型レンズの凹部内に完全に嵌入しているので、、光源から出射した光が高い効率でバルク型レンズ内に入射し、表示装置の照射光度を大幅に高めることができる。
【００１７】
このような状態から、駆動手段にて発光装置のガイド軸を回転駆動させると、このガイド軸は、駆動手段による回転に伴って、カム部材のカム溝に沿って摺動する。これにより、ガイド軸はカム部材のカム溝の形状に従って移動する。
そして、発光装置が支持部により光軸に垂直な二軸方向に関して揺動可能に支持されているので、発光装置は、ガイド軸の移動に伴って、発光装置の前端がガイド軸とは逆方向に揺動することになり、発光装置の前端から出射する光ビームは、カム部材のカム溝の形状に対応して振られる。これにより、発光装置から出射する光ビームの軌跡により、カム部材のカム溝の形状に対応した形状の表示が行なわれることになる。
【００１８】
このようにして、本発明によれば、発光装置から出射する光ビームを、駆動部によりカム部材のカム溝の形状に対応して振ることによって、光ビームの軌跡により文字，図形等の所望の形状の表示を行なうことができる。この際、発光装置において、発光部の光源としてＬＥＤ等の小型の光源から出射する光を、上述した特別の構成の光学部材を使用することによって、効率良く集光して、十分な光量の光を照射することができる。
【００１９】
上記支持部が、発光装置の重心付近を通る二軸方向に揺動可能に上記発光装置を支持する場合には、発光装置は、その重心付近が支持部で二軸方向に揺動可能に支持されているので、ガイド軸により発光装置を二軸方向に揺動させるための駆動力が小さくて済み、容易に揺動させることができる。
【００２０】
上記ガイド軸がその先端にカム部材のカム溝内に係合するベアリングを備えている場合には、ガイド軸の先端がカム部材のカム溝に沿って移動する際に、その摩擦がベアリングによる転がり摩擦であるので、ガイド軸の先端をカム部材のカム溝に沿って軽い力で移動させることができる。
【００２１】
上記ガイド軸が少なくともその先端にて摩擦係数の小さい材料から構成されている場合には、ガイド軸の先端がカム部材のカム溝に沿って移動する際に、その摩擦がガイド軸の先端の材料により低減されるので、ガイド軸の先端をカム部材のカム溝に沿って軽い力で移動させることができる。。
【００２２】
上記駆動手段が、カム部材の中心軸方向に延びる駆動軸を備えた駆動モータと駆動モータの駆動軸から半径方向に延びる駆動アームとを有しており、この駆動アームが発光装置のガイド軸が摺動可能に係合するように半径方向に延びるスロットを備えている場合には、駆動モータが駆動アームを回転駆動させると、駆動アームがカム部材の中心軸の周りに回転し、駆動アームのスロットに係合する発光装置のガイド軸がカム部材のカム溝の形状に基づいて駆動アームのスロット内を摺動しながらカム部材のカム溝に沿って摺動する。
これにより、発光装置の前端がガイド軸とは逆方向に揺動し、発光装置の前端から出射する光ビームはカム部材のカム溝の形状に対応して振られる。これにより、発光装置から出射する光ビームの軌跡によってカム部材のカム溝の形状に対応した形状の表示が行なわれる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、図面に示した実施形態に基づいて、この発明を詳細に説明する。
図１は本発明の表示装置に用いるバルク型レンズの模式的な断面図である。この表示装置の発光体は、図１に示すように、所定の波長帯域の光を発するＬＥＤ等の光源１０１と、この光源１０１を完全に囲むバルク型レンズ１２０とから少なくとも構成されている。そして、このバルク型レンズ１２０は、頂部１０３と底部１０７と外周部１０９と、底部１０７から頂部１０３に向かって形成された天井部１０２と内周部１０５とから成る凹部１０６とから成る光学媒体１０４でなり、この凹部１０６にスペーサ１０８を介して光源１０１がバルク型レンズ１２０と光軸を揃え且つ完全に収納、固定され、天井部１０２がレンズの光入射面として、頂部１０３がレンズの出射面として機能するように構成されている。
【００２４】
図１の光源１０１は、ＬＥＤチップ１１３と、このＬＥＤチップ１１３を載置する電極を兼ねた支持ピン１１１と、ＬＥＤチップ１１３のもう一方の電極に電力を供給する電極ピン１１２と、チップ１１３、支持ピン１１１及び電極ピン１１２を覆う透明な樹脂モールド１１４で構成されている。樹脂モールド１１４は側部が円筒形を成しており、バルク型レンズ１２０の凹部１０６の円筒形を成す内周部１０５とスペーサ１０８を介して嵌合している。
【００２５】
樹脂モールド１１４の側面は、例えば、直径（２ｒ）が２〜３ｍｍφの円柱形状であり、バルク型レンズ２０の凹部１０６の内周部１０５は、例えば、直径が２．５〜４ｍｍφの円柱形状となっている。ＬＥＤ１０１とバルク型レンズ１２０とを固定するために、ＬＥＤ１０１とバルク型レンズ１２０の凹部１０６との間には、厚さ０．２５〜０．５ｍｍ程度のスペーサ１０８が挿入されている。スペーサ１０８はＬＥＤ１０１の発光部を除く位置、即ち、図１においてＬＥＤチップ１１３の底面より底部１０７側に方に配置する。
【００２６】
バルク型レンズ１２０は、例えば頂部１０３が凸形状球面を有し、外周部１０９が円柱形状を成している。この外周部１０９の直径（２Ｒ0 ）は、例えば１０〜３０ｍｍφであるが、使用目的に応じて任意に選択できる。しかしながら、より集光効率を高くするためには、
１０ｒ＞Ｒ0 ＞３ｒ（１）
の関係を満足することが好ましい。バルク型レンズ１２０の外周部１０９の直径（２Ｒ0 ）は、凹部１０６の内周部１０５の内径（２ｒ）の１０倍以上でも、本発明のバルク型レンズは機能するが、必要以上に大きくなり小型化を目的とする場合は好ましくない。
【００２７】
上記構成のバルク型レンズは、以下に説明する理由により、従来の凸型形状の球面レンズを使用した光学系よりも極めて低損失で収束できる。
ＬＥＤは発散角の大きな光源であるため、従来の凸型形状の球面レンズによって、ＬＥＤから発する全ての光を平行光線とすると光損失が避けられない。
図２は従来の凸型形状球面レンズによる集光作用を示す図で、図２（Ａ）は凸型片球面レンズを使用して、ＬＥＤ光源からの光を平行光とする状態を示している。図において、レンズは曲率半径ｒを有し、光源から焦点距離ｆに配置している。片球面レンズの焦点距離はレンズの屈折率をｎとして、ｆ＝ｒ／（ｎ−１）であるから、屈折率ｎ＝１．５とした場合、ｆ＝２ｒとなる。従って、図から明らかなように、レンズが受光できる発散角の最大は３０°となり、図２（Ｂ）に示す光線は平行光とすることができない。すなわち、従来のレンズを使用したのでは、焦点距離と曲率半径の関係から定まる開口角以上の光は取り込むことができないので、損失が大きい。
ＬＥＤ光源は３０°以上の発散角を有するものが多く、この場合には、上記理由により大きな損失が生じる。従来はこのような場合、高屈折率レンズを使用して改善しているが、コストが高くなる。あるいは、レンズを複雑に組み合わせて対処している例もあるが、この場合には、下記に説明するフレネル反射損が増大してしまう。
【００２８】
図２（Ｂ）は従来の凸型片球面レンズ入射面における反射の状況を示す図である。矢印のついた線は、ＬＥＤから出射し凸型形状球面レンズの光入射面で反射される光線を表す。θ（θ1 、θ2 ）はＬＥＤから出射角、すなわち発散角を表し、φ（φ1 、φ2 ）はそれぞれの光線のレンズ面での入射角を表す。
図３は、フレネルの反射の法則を表した図である。図において、横軸は光線の入射角であり、縦軸は光強度の反射率であり、レンズの屈折率を１．５とし、空気中から光線がレンズ面に入射する場合を表している。図から明らかなように、入射角が５０°あたりまでは反射率が低く一定であるが、５０°を越えたあたりから急激に反射率が増加するのがわかる。
図２（Ｂ）に示した入射角が大きい光線は、図３のフレネルの反射の法則から明らかなように反射される割合が高い。例えば、屈折率１．５の片凸型球面レンズを使用し、このレンズの焦点距離に発散角３０°の光源をおいて平行光を作る場合には、上記の反射光による損失は全光量の３０％近くに達する。
従って、従来の光学系におけるようにレンズを多段に接続したのでは、フレネル反射が多段に生ずることになり、損失が増えてしまう。これらの反射光は空間に散逸してしまい、収束光として利用することはできない。
【００２９】
一方、本発明のバルク型レンズにおいては、発散角が大きい光束であっても、全ての光束をレンズ面に入射させることができ、バルク型レンズの幾何学構造の設計により、全ての光束を平行光線にできるから、極めて損失の少ないレンズである。
また、フレネルの反射を起こす反射面は、天井部２及び頂部３であるから、これらの面で反射した反射光（迷光）はバルク型レンズ内に反射される。これらの反射光（迷光）は、外周部１０９で全反射することによりバルク型レンズ外に散逸せず、一部が頂部１０３及び天井部１０２であるレンズ面にもどり収束光となる。また、他の一部は、底部１０７で反射されて頂部１０３又は天井部１０２にもどり、収束光となる。また、他の一部はＬＥＤ光源で吸収されて再発光し、収束光となる。
【００３０】
図４はＬＥＤ光源にもどった光が再発光する過程を示す図である。図において、もどってきた光はＰＮ接合で吸収されてホールと電子を生じ、このホールと電子が再結合して再発光する。特にこの効果は、ヘテロ構造を有するＬＥＤの場合に大きい。ヘテロ構造のＬＥＤは、発光部であるＰＮ接合部のバンドギャップ・エネルギーがＰ及びＮ領域のバンドギャップ・エネルギーよりも小さく形成されているので、反射光（迷光）はＰ又はＮ領域では吸収されずにＰＮ接合部のみで吸収され、再発光する。
また、本発明のバルク型レンズにおいては、内周部１０５に入射する光も外周面１０９における全反射によって頂部１０３に導かれ収束光となって出射する。この効果は、ＬＥＤ光源１０１をバルク型レンズの光学媒質よりも屈折率の高い光学媒質を介して収納部に収納するとさらに効果が高まる。
本発明のバルク型レンズにおいては上記に説明した相乗効果により、内部量子効率とほぼ等しい効率で、ＬＥＤ光源の光を有効に収束光として取り出しているため、従来の凸型形状の球面レンズに較べ極めて低損失になると考えられる。
【００３１】
図５は、本発明の表示装置に用いるバルク型レンズと従来の凸形状の球面レンズとで平行光を作成した場合の特性を比較するための測定系を示す図である。
図５（Ａ）は、本発明の第１の実施例に係るバルク型レンズ１２０を用いた場合の、光軸方向に対して垂直方向に光強度（照度）分布を測るための測定系を示す模式図である。バルク型レンズ１２０の出射面からの出力光の強度（照度）を、ＬＥＤ１０１からの測定距離ｘ＝一定とし、照度計２０２をｙ軸方向に移動して測定する。測定距離（ｘ）は、光軸方向に測る。一方、図５（Ｂ）は、同様な測定を従来の両凸レンズを用いて行うことを示す図である。
【００３２】
図５（Ａ）及び（Ｂ）に示す測定においては、本発明の表示装置に用いるバルク型レンズ１２０の外径は３０ｍｍφとし、比較に用いた両凸レンズ２０１の外径はこの２倍強の６３ｍｍφとした。両凸レンズ２０１は、焦点距離１５０ｍｍのものを用い、ＬＥＤ１０１からｘ方向に１５０ｍｍの位置に配置した。また、ＬＥＤ光源１０１の発散角は約１２度のものを使用した。
【００３３】
図６は本発明の表示装置に用いるバルク型レンズと従来の凸形状の球面レンズとで平行光を作成した場合の特性を比較した図であり、バルク型レンズ１２０、従来の薄型レンズ（両凸レンズ）２０１及びバルク型レンズを用いない裸のＬＥＤのそれぞれの出力光のｙ方向に沿った強度（照度）分布を、測定距離ｘ＝１ｍにおいて測定した場合の結果を示す。バルク型レンズ１２０が、従来の薄型レンズ（両凸レンズ）２０１の２倍の照度が得られている。
この結果は、本発明のバルク型レンズが従来の光学系では実現できない効果を有することを示している。
【００３４】
図７は本発明の表示装置に用いるバルク型レンズと従来の凸形状の球面レンズとで作成した平行光の平行度を評価した図であり、図５と同様にｙ方向に沿った強度（照度）分布を、測定距離ｘを変化させて測定したデータをまとめたものである。図の横軸は測定距離ｘの逆数の２乗、即ち１／ｘ2 を示し、縦軸は測定距離ｘにおける最大強度（ピーク強度）を示す。図から明らかなように、バルク型レンズの場合は、逆２乗則、即ち１／ｘ2 を示す線上にきれいに測定点がプロットされる。一方、従来の薄型レンズ（両凸レンズ）２０１の場合は、逆２乗則からずれていることがわかる。この結果は、本発明の表示装置に用いるバルク型レンズ１２０は、平行度においても十分であり、従来のレンズ系に較べ、勝るとも劣らない性能を実現できることを示している。
【００３５】
図８は本発明の表示装置に用いるバルク型レンズの幾何学的構造と集光率の関係を示す図である。ここで「集光率」とは、「バルク型レンズからの±１°以内の発散角における出力光の光量」を、「光源（ＬＥＤ）からの±１２°以内の発散角における光量」で除した量で定義している。すなわち光線ビーム径に対応する量である。頂部１０３の曲率半径Ｒ、バルク型レンズの全長Ｌ、媒体長（頂部と天井部のレンズ間距離）Ｄ、収納部内径（凹部の内周部系）ｒ、天井部２の曲率部分長さΔをパラメータとして、集光率を測定した。尚ここで、Δの符号は図１に示すように、天井部１０２が凹である場合を負とし、凸の場合を正と定義する。
図９は、作製した本発明のバルク型レンズの幾何学的構造を示す図である。図８から、集光率を向上するためには、
０．９３＜ｋ（Ｒ／Ｌ）＜１．０６・・・・・（２）
ｋ＝１／（０．３５・ｎ −０．１６８）・・・・・（３）
を満足することが好ましいことが実験的にわかる。ここで、ｎは、バルク型レンズの材料である光学媒質の屈折率である。なお、バルク型レンズ１２０の円柱形状部分の半径Ｒｏと、頂部１０３の曲率半径をＲとは、必ずしも等しい必要はない。
【００３６】
次に、本発明の表示装置に用いるバルク型レンズの他の例を説明する。
図１０は天井部１０２を凸形状にした本発明のバルク型レンズの構造を示す図である。図１０において、バルク型レンズ１２２は、天井部１０２の形状が異なる外は、図１に示したバルクレンズ１２０と同等である。測定に用いたバルク型レンズ１２２の円柱形状部分の外径２Ｒｏは１５ｍｍφ、バルク型レンズの全長Ｌは、２５ｍｍ、頂部と天井部のレンズ間距離Ｄは１６ｍｍ、収納部６の内径ｒは５．２ｍｍ、バルク型レンズの屈折率ｎは１．５４である。このバルク型レンズの頂部１０３の曲率半径Ｒは８．２５ｍｍである。又、測定に用いた樹脂モールドされたＬＥＤ１の外径は５ｍｍφである。
【００３７】
図１１（Ａ）〜（Ｃ）及び図１２（Ａ）〜（Ｃ）は、天井部１０２の凸部の高さΔと、ビーム強度プロファイルとの関係を示す図である。光源からの距離ｘ＝１ｍで照度を測定した。図から明らかなように、天井部１０２を凸形状のレンズとしても集光特性が得られることがわかる。
【００３８】
このようにして、本発明の表示装置に用いるバルク型レンズによれば、ＬＥＤ等の光源を多数必要とすることなく、照明に寄与する光ビームとして所望の照射面積の光束を確保し、且つ所望の照度を簡単に得ることが出来る。この照度は従来公知のレンズ等の光学系では達成不可能な照度である。驚くことに、現在市販されているハロゲンランプを用いた細身の懐中電灯と同程度の照度がたった１個のＬＥＤで実現出来たのである。このように、本発明の表示装置に用いるバルク型レンズによれば、従来の技術では実現できない照度を、図１に示すような簡単な構造で実現できる。
【００３９】
なお、本発明の表示装置に用いる光源は、種々の色（波長）のＬＥＤが使用可能である。白色ＬＥＤは種々の構造のものが使用出来る。例えば、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）及び青（Ｂ）の３個のＬＥＤチップを縦に積層して構成しても良い。この場合、それぞれの色のＬＥＤチップに対応し、合計６本のピンが導出されても良く、６本のピンを２本にまとめ、外部ピンとしては２本設けられた構造としてもかまわない。又、一方の電極（接地電極）を共通とすれば、外部ピンは４本でよい。又、赤（Ｒ）色、緑（Ｇ）色及び青（Ｂ）色の３枚のＬＥＤチップの駆動電圧を互いに独立に制御出来るようにしておけば、あらゆる色の混合が可能であるので、色合いの変化を楽しむことが可能である。
【００４０】
本発明の表示装置に用いるバルク型レンズ１２０としては、アクリル樹脂等の透明プラスチック材料、石英ガラス、ソーダ石灰ガラス、ホウケイ酸ガラス、鉛ガラス等の種々のガラス材料等が使用可能である。或いは、ＺｎＯ、ＺｎＳ、ＳｉＣ等の結晶性材料を用いてもかまわない。又、可とう性、屈曲性や伸縮性のあるゾル、ゲル、ゾル・ゲル混合物、或いは透明ゴムのような材料でもよい。また、ゾル、ゲル、ゾル・ゲル混合物等を透明ゴムやフレキシブルな透明プラスチック材料等に格納して用いても良い。アクリル樹脂等の透明プラスチック材料等はバルク型レンズ１２０を大量生産するのに好適な材料である。即ち、一度金型を作り、この金型により成形加工すればバルク型レンズ１２０が簡単に大量生産出来る。
【００４１】
次に、本発明の表示装置に用いるバルク型レンズの変形例について説明する。変形例における本発明のバルク型レンズは、端面放射型ＬＥＤのように、ＬＥＤチップの側面から発光する光源を使用する場合にも使用できるものである。
端面放射型ＬＥＤはＬＥＤチップの側面から発光するものであり、そのため、上記のバルク型レンズにこのＬＥＤチップを装着した場合には、バルク型レンズの内周部１０５に垂直に入射する成分が多くなるため、全反射されずにバルク型レンズの外部に散逸する光が多くなる。変形例のバルク型レンズはこのような光源に対しても、極めて低損失で収束光を得ることができる。
【００４２】
図１３は、本発明の表示装置に用いるバルク型レンズの内周部１０５と外周部１０９とが傾きを有する場合の光線の光路を示す図である。
図において、光源の発散角をθd 、内周部５と外周部９との傾き角をφ、外周部９の全反射角をθt 、内周部５における光線の入射角、屈折角をθ1 及びθ2 、そしてバルク型レンズの光学媒質の屈折率、収納部（凹部）６の屈折率をｎ₂及びｎ₁とする。図は、光源の最大出射角、すなわち、発散角の光線が傾き角φにより全反射条件を満たし、全反射されている状態を表している。
内周部１０５において、スネルの屈折の法則より、θ1 とθ2 の間には、
ｓｉｎθ1 ／ｓｉｎθ2 ＝ｎ₂／ｎ₁ （４）
が成り立ち、また、図から明らかなように、θt 、φ、θ2 の間には、
θt ＝φ＋θ2 （５）
が成り立つ。また、図から明らかなように、θd 、θ1 、φの間には、
θd ＝９０°−（θ1 ＋φ）（６）
の関係が成り立つ。上記（４）、（５）、（６）式よりθ1 とθ2 を消去すると、バルク型レンズが全反射角θt を有し、光源の発散角がθd である場合の、全反射するために必要な傾き角φを与える関係式として、
ｓｉｎ^-1｛ｎ₁／ｎ₂ｃｏｓ（θd ＋φ）｝＝θt （７）
が得られる。すなわち、（７）式を満たす傾き角φ以上で内周部１０５と外周部１０９が傾いていれば、たとえ、内周部１０５に垂直に光が入射する場合（θd ＝９０°）でも全反射され、頂部１０３へ、あるいは底面１０７で反射して頂部１０３へ導かれるから、収束光を得ることができる。
【００４３】
図１４は上記のバルク型レンズの構成を示す図である。
図１４（Ａ）はバルク型レンズ１２０の内周部１０５の表面に微細な凹凸を設けた例を示している。この凹凸は少なくとも（７）式を満足するφ以上の傾き角を有しており、また、この凹凸の大きさは光波長程度でよい。また、この凹凸は内周部１０５の光源近傍に設けるだけでよい。このような凹凸は、適切な粒径の研磨剤を用いて内周部１０５の表面を磨くことによって簡単に形成できる。
図１４（Ｂ）は、ほぼ真横方向に出射した光線がバルク型レンズ内を全反射して又は底面１０７で反射してかつ側壁で全反射して、頂部１０３に導かれる様子を示している。このように、例えば、端面発光ＬＥＤのようにほとんどの出射光がチップの側面から出射するようなＬＥＤを使用する場合においても、全ての出射光を収束できる。また、レンズ部と光源を収納する収納部とが一体で形成されているため、従来のレンズ系では必要であったレンズと光源を光学的位置合わせをして保持する保持部を必要とせず、また、光学的位置合わせ工程を必要とせず、ただ光源にかぶせるだけでよいので極めて低コストである。
【００４４】
図１５及び図１６はこの発明による表示装置の一実施形態を示している。図１５及び図１６において、表示装置１０は、発光装置１１と、発光装置１１を二軸方向に揺動可能に支持する支持部１２と、発光装置１１から光軸方向に沿って後方に延びるガイド軸１３が係合するカム溝を備えたカム部材１４と、ガイド軸１３を回転駆動する駆動手段１５と、から構成されている。
【００４５】
上記発光装置１１は、発光部２１と、この発光部２１に対向して配設された光学部材２２と、発光部２１を駆動する駆動部２３と、この駆動部２３に給電する電源部２４と、これら発光部２１，バルク型レンズ２２，駆動部２３，電源部２４のうち発光部２１及びバルク型レンズ２２を内蔵するケース２５と、を含んでいる。なお、上記駆動部２３及び電源部２４は発光装置１１の外部に設けられており、接続コード２６を介して駆動部２３からの駆動信号が発光装置１１の発光部２１に供給されるようになっている。
【００４６】
上記発光部２１はケース２５内に収容されており、光源２１ａ、例えば一つの半導体レーザ素子と、この光源２１ａが実装される配線基板２１ｂと、から構成されている。なお、上記光源２１ａは、半導体レーザ素子に限らず、例えばＬＥＤ等の各種光源を使用することができる。また、配線基板２１ｂの表面には、外部の駆動部２３からの接続コード２６が接続される端子部（図示せず）が形成されていると共に、この端子部に上記光源２１ａのリード線が接続されている。
【００４７】
上記バルク型レンズ２２は、例えばアクリル樹脂，ガラス等の透光性材料から構成されており、後端が上記発光部２１に対向していると共に、前端部がケース２５から外側に向かって突出している。ここで、バルク型レンズ２２は、図２に示すように、凸状の前端面２２ａと、円筒状の外周面２２ｂと、平坦な後端面２２ｃとを有しており、後端面２２ｃの中心付近には中心軸（光軸）に沿って前方に向かって延びる凹部２２ｄを備えている。この凹部２２ｄは天井部２２ｅと円筒状の内周部２２ｆとを有している。そして、前記発光部２１の光源２１ａは、バルク型レンズ２２の凹部２２ｄ内に嵌入して保持されるようになっている。
【００４８】
なお、発光部２１から見て、天井部２２ｅは第一のレンズ面として、また頂部２２ａは第二のレンズ面として機能することによりバルク型レンズ２２がレンズとして作用する。また、内周部２２ｆは光源２１ａからの光入射面として作用する。外周部２２ｂは内側にて反射面として作用するようになっている。この反射面としての作用を向上させるために、外周部２２ｂの表面に反射部材を備えてもよい。同様に、後端面２２ｃの表面に反射部材２２ｇが備えられてもよい。
【００４９】
上記駆動部２３は、電源部２４から給電されることにより発光部２１の光源２１ａに対して駆動電流を供給するように構成されている。また、上記駆動部２３は、前述したように発光装置１１の外部に設けられているが、発光部２１の配線基板２１ｂ上に形成されていてもよい。その場合、接続コード２６は電源部２４から駆動部２３への給電を行なう。なお、上記駆動部２３の具体的構成は、使用する光源２１ａに対応して適宜に選定されるようになっている。上記電源部２４は発光装置１１の外部に設けられており、例えばスイッチング電源等の適宜の構成であって、駆動部２３に対して所定の駆動電圧を印加する。
【００５０】
上記ケース２５は、図示の場合、細長い円筒状に形成されていると共に、発光部２１及びバルク型レンズ２２を収容している。さらに、上記ケース２５は、発光装置１１の光軸方向に沿って後方に延びるように形成されたガイド軸１３を備えている。
このガイド軸１３は、ケース２５と一体に構成されていてもまた別体に構成されケース２５に一体的に取り付けられていてもよい。さらに、上記ガイド軸１３は、少なくともその先端１３ａが摩擦係数の小さい材料、例えばテフロン，デルリン等の樹脂材料から構成され、あるいはその表面がこれらの材料により覆われている。なお、ガイド軸１３は、カム部材１４のカム溝１４ａ内を摺動する際の摩擦を低減するために、上記摩擦係数の小さい材料の代わりに先端１３ａにカム溝１４ａに係合するベアリングを備えるようにしてもよい。
【００５１】
また、上記支持部１２は公知の構成であって、発光装置１１を光軸に垂直な二軸方向、即ち図１７にてＸ，Ｙ方向に延びるＸ軸及びＹ軸の周りに揺動可能に支持している。ここで、上記Ｘ軸及びＹ軸は発光装置１１の重心付近を通るようにその位置が選定されている。これにより、発光装置１１はＸ軸及びＹ軸の周りに非常に小さい慣性モーメントで揺動し得るようになっている。
【００５２】
上記支持部１２は、具体的には図１７に示すように構成されている。図１７において、支持部１２は、発光装置１１をＸ軸方向に軸方向を有する回転軸１２ａの周りに揺動可能に支持する支持リング１２ｂと、この支持リング１２ｂをＹ軸方向に軸方向を有する回転軸１２ｃの周りに揺動可能に支持する固定部１２ｄとから構成されている。これにより、発光装置１１が回転軸１２ａ及び回転軸１２ｃの周りに揺動して、発光装置１１の光軸に垂直な二軸方向に揺動可能に支持されることになる。なお、好ましくは、上記支持部１２による発光装置１１の支持は発光装置１１の重心位置付近にて行なわれるようになっている。
【００５３】
また、上記カム部材１４は、円板状の本体１４ａが発光装置１１の光軸に対して実質的に垂直に固定保持されると共に、図１８（Ａ）に示すように、本体１４ａの中心の周りに環状に形成された所定形状、図示の場合ハート型のカム溝１４ｂを有している。そして、このカム溝１４ｂには、前述したガイド軸１３の先端１３ａが係合する。なお、カム溝１４ｂは、前述したガイド軸１３が円滑にカム溝１４ｂに沿って移動し得るように、回転角度に対して一意に決まるような形状を有している。
【００５４】
上記駆動手段１５は、図１８（Ｂ）に示すように、その駆動軸１６ａがカム部材１４の中心軸方向に延びる駆動モータ１６と、駆動モータ１６によりカム部材１４の中心軸の周りに回動される駆動アーム１７とから構成されている。上記駆動モータ１６は公知の構成であって、図示しない電源から給電されてその駆動軸１６ａが回転し、駆動アーム１７を回転駆動する。この駆動アーム１７は、駆動軸１６ａから垂直に半径方向外側に向かって延びるように形成され、その長手方向（半径方向）に沿って延びるスロット１７ａを有している。このスロット１７ａ内には、前述の発光装置１１のガイド軸１３が係合しており、駆動アーム１７が回転してガイド軸１３が駆動軸１６ａの周りに旋回されるようになっている。
【００５５】
この実施形態による表示装置１０は以上のように構成されており、使用する場合には、駆動手段１５の駆動モータ１６が駆動されて、駆動アーム１７が駆動軸１６ａの周りに揺動される。これにより、発光装置１１のガイド軸１３が、駆動アーム１７の揺動により強制的にカム部材１４の中心の周りに揺動される。その際、ガイド軸１３の先端１３ａがカム部材１４のカム溝１４ａに係合していることにより、ガイド軸１３は、カム溝１４ａの形状に従って駆動アーム１７のスロット１７ａ内を半径方向に移動しながら、カム溝１４ａに沿って摺動することになる。この場合、ガイド軸１３の先端１３ａの表面領域が摩擦係数の小さい材料により構成されているので、カム溝１４ａに沿って円滑に移動する。そして、このガイド軸１３の先端１３ａのカム溝１４ａに沿った移動により、発光装置１１は、支持部１２で二軸方向に揺動可能に支持されていることと相まって、発光装置１１の前端がガイド軸１３と反対側を向くように振られる。これにより、発光装置１１から光軸方向に沿って出射した光は、空中にてカム溝１４ｂと逆向きの形状に振られ、光ビームの軌跡によって空中にカム溝１４ｂと逆向きの表示を行なう。
【００５６】
ここで、発光装置１１においては、発光部２１の光源２１ａから出射する光が以下のようにして光軸方向に向かって照射されるようになっている。
電源部２４からの駆動電圧が発光部２１の配線基板２１ｂ上の駆動部２３に供給され、駆動部２３が動作して光源２１ａに駆動電流を流す。これにより光源２１ａが発光し、光源２１ａから出射した光は、一部が直接にバルク型レンズ２２の凹陥部２２ｄ内にてバルク型レンズ２２内に入射し、また他の一部がバルク型レンズ２２の凹部２２ｄ内の内周部２２ｅから光学部材２２内に入射する。このとき、光源２１ａが光学部材２２の凹部２２ｄ内に嵌入しているので、光源２１ａより前方にてバルク型レンズ２２内に入射した光は、バルク型レンズ２２の屈折率に基づいて前方に向かって屈折してバルク型レンズ２２の前方に向かって導かれ、バルク型レンズ２２の外周面２２ｂで反射されて、バルク型レンズ２２の前端面２２ａに達する。
また、上記光源２１ａより後方にてバルク型レンズ２２の内周面２２ｅに入射した光は、バルク型レンズ２２の屈折率に基づいて後方に向かって屈折して、バルク型レンズ２２の後端面２２ｃから出射するが、この後端面２２に反射部材が設けられている場合にはこの反射部材で反射され、再びバルク型レンズ２２の後端面２２ｃからバルク型レンズ２２内に入射して前方に向かって導かれる。
【００５７】
これにより、光源２１ａから出射した光は、側方や後方に向かう光もバルク型レンズ２２内に取り込まれると共に、光源２１ａからバルク型レンズ２２内に入射した光は、バルク型レンズ２２の頂部２２ａに導かれて、バルク型レンズ２２のレンズ効果によって絞り込まれることにより、この頂部２２ａから狭い照射角度で前方に向かって出射して、対象物を照明する。
【００５８】
このようにして、発光装置１１の発光部２１の光源２１ａからの光は、側方または後方に向かって出射した光を含めて、高効率でバルク型レンズ２２内に入射し、バルク型レンズ２２のレンズ効果により拡散または集束されて、対象物を照明することになる。そして、発光装置１１がカム部材１４のカム溝１４ａの形状に基づいてガイド軸１３の先端１３ａが摺動することにより、発光装置１１から出射される光ビームの軌跡が、空中にてカム溝１４ａの形状に対応した逆向きの表示を行なうことになる。
この場合、発光装置１１の光源２１ａとして、例えば半導体レーザ素子等の小型の光源を使用すれば、駆動手段１５及びカム部材１４により容易に発光装置１１から出射する光ビームを振ることができるので、小型で簡単な構成により、さらに上述した特別の構成の光学部材、すなわちバルク型レンズ２２を使用することによって、効率良く集光して十分な光量の光を照射することができる。
【００５９】
上述した実施形態において、発光部を構成する光源２１ａは１個のみが使用されているが、これに限らず２個以上の光源を備えていてもよいことは明らかである。また、上述した実施形態において、バルク型レンズ２２の第一のレンズ面である天井部２２ｅは凹面、および、第二のレンズ面である頂部２２ａは凸面としてそれぞれ形成されているが、これに限らず前端面２２ａ，内端面２２ｅはそれぞれ凸面，凹面又は平面あるいはフレネルレンズ面として形成されてもよい。
【００６０】
さらに、上述した実施形態において、バルク型レンズ２２の外周部２２ｂ及び内周部２２ｆは、それぞれ円筒状に形成されているが、これに限らず、例えば楕円柱状，多角形状等に形成されてもよく、さらには前方に向かって先細になるようなテーパを有していてもよい。
また、上述した実施形態においては、カム部材１４のカム溝１４ａはハート型に形成されているが、これに限らず、カム部材１４の中心に対する回転角度により一意に決まる環状の形状であれば、他の任意の形状を有していてもよいことは明らかである。
【００６１】
【発明の効果】
以上述べたように、この発明によれば、発光装置から出射する光ビームを、駆動部でカム部材のカム溝の形状に対応して振ることによって、光ビームの軌跡により文字，図形等の所望の形状の表示を行なうことができる。
この際、発光装置において、発光部の光源としてＬＥＤ等の小型の光源から出射する光を、上述した特別の構成の光学部材であるバルク型レンズを使用することによって、効率良く集光して十分な光量の光を照射することができ、かつ、質量が小さいので高速に動作できる。
このようにして、本発明によれば、簡単で小型の構成により容易に光ビームの軌跡により文字，図形等の所望の形状の表示を行なうことができるようにした表示装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の表示装置に用いるバルク型レンズの構成を示す断面図である。
【図２】従来技術のレンズ系による損失の状況を示す図である。
【図３】フレネル反射を示す図である。
【図４】ＬＥＤのＰＮ接合において反射光（迷光）が再発光する過程を示す図である。
【図５】本発明の表示装置に用いるバルク型レンズと従来のレンズとの特性比較に用いた測定系を示す図である。
【図６】本発明の表示装置に用いるバルク型レンズと従来のレンズの集光特性を比較した図である。
【図７】本発明の表示装置に用いるバルク型レンズと従来のレンズの集光特性を比較した図である。
【図８】本発明の表示装置に用いるバルク型レンズの幾何学形状の違いによる特性変化の実測値を示す図である。
【図９】図８の測定に用いた本発明の表示装置に用いるバルク型レンズの幾何学形状を示す図である。
【図１０】本発明の表示装置に用いる他のバルク型レンズの構成を示す断面図である。
【図１１】本発明の表示装置に用いる他のバルク型レンズの幾何学形状の違いによる特性変化の実測値を示す図である。
【図１２】本発明の表示装置に用いる他のバルク型レンズの幾何学形状の違いによる特性変化の実測値を示す図である。
【図１３】本発明の表示装置に用いるバルク型レンズの変形例の原理を説明する模式図である。
【図１４】本発明の表示装置に用いるバルク型レンズの変形例の構成を示す図である。
【図１５】本発明による表示装置の一実施形態の構成を示す概略斜視図である。
【図１６】図１５の表示装置で使用される発光装置のバルク型レンズの構成を示す拡大断面図である。
【図１７】（Ａ）は図１５の表示装置における支持部の概略斜視図、（Ｂ）は正面図である。
【図１８】（Ａ）は図１５の表示装置におけるカム部材及び駆動手段の関係を示す概略正面図、（Ｂ）は断面図である。
【符号の説明】
１０１、２１ａ光源
１０２、２２ｅ天井部
１０３、２２ａ頂部
１０４光学媒体
１０５、２２ｆ内周部
１０６、２２ｄ凹部
１０７、２２ｃ底部、後端部
１０８スペーサ
１０９、２２ｂ外周部
１２０、２２バルク型レンズ
２０１両凸球面レンズ
２０２照度計
１０表示装置
１１発光装置
１２支持部
１３ガイド軸
１４カム部材
１４ａカム溝
２１発光部
２１ｂ配線基板
２２ｇ第一のネジ部
２２ｈ環状溝
２２ｉ第三のネジ部
２３駆動部
２４電源部
２５ケース[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a display device for displaying characters, figures and the like in the air by shaking a light beam.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, such a display device is composed of a laser light source as a light emitting unit and reflecting means configured to oscillate reflected light in two axial directions, and the light emitted from the laser light source is desired by the reflecting means. In addition to being reflected in the direction of, the light is shaken to irradiate light forward.
[0003]
Here, the reflection means is configured to swing the light from the laser light source in the biaxial direction by, for example, oscillating the mirror with respect to the biaxial direction perpendicular to the optical axis direction of the laser light source. In this way, the light emitted from the laser light source is reflected by the reflecting member, and characters, figures, and the like can be displayed by the trajectory of the light beam in the aerial direction or the screen in the traveling direction.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, in such a display device, the light beam emitted from the laser light source is shaken by two mirrors to display a desired shape such as a character or a figure by the locus of the light beam. In order to oscillate each mirror, a rotating solenoid is generally required. Therefore, the weight of the entire display device increases, and advanced technology is required to drive the rotating solenoid at high speed and stop it with high accuracy. Is done. Therefore, the cost of the entire display device is increased, and operation stability is lowered in terms of control accuracy of the rotary solenoid.
[0005]
In view of the above points, an object of the present invention is to provide a display device capable of easily displaying a desired shape such as a character or a figure by a light beam trajectory with a simple and small configuration. It is said.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a display device of the present invention includes a light emitting device that emits a light beam along the optical axis direction, and a support unit that supports the light emitting device so as to be swingable in a biaxial direction perpendicular to the optical axis. And a cam member having a cam groove having an annular predetermined shape around the center, and a driving means for driving the light emitting device to swing, the light emitting device having a convex shape as a second lens surface A bulk-type lens having a top surface having a spherical surface, a substantially flat bottom portion, an outer peripheral portion, and a concave portion composed of a ceiling portion and an inner peripheral portion as a first lens surface formed forward from the bottom portion; , A light emitting unit comprising at least one light source disposed in the concave portion of the bulk type lens, a driving unit for driving the light emitting unit, a power source unit for supplying power to the driving unit, the bulk type lens, and the light emitting unit , At least of the drive and power supply A case for accommodating a bulk type lens and a light emitting unit, and the case includes a guide shaft formed to extend rearward along the optical axis direction of the light emitting device, and the guide shaft is received in the cam groove, The drive means Freely rotatable Center axis of cam member Pass through A drive motor having a drive shaft; and a drive arm extending in a radial direction from the drive shaft of the drive motor. , A slot that extends radially to slidably engage the id shaft and is driven by a drive motor The drive shaft rotates and the arm rotates around the center As a result, the guide shaft of the light emitting device moves along the cam groove while moving in the radial direction in the slot of the drive arm, and the front end of the light emitting device supported by the support portion faces away from the guide shaft. The light from the light source of the light emitting part is incident on the bulk type lens from the ceiling or inner peripheral part of the concave part of the bulk type lens and is reflected directly or on the inner surface of the outer peripheral part. The light is emitted as convergent light along the optical axis direction from the top of the lens.
[0007]
It is preferable that the support portion of the light emitting device is configured to support the light emitting device so as to be swingable in two axial directions passing through the vicinity of the center of gravity of the light emitting device. It is preferable that the guide shaft of the light emitting device is provided with a bearing that engages in the cam groove of the cam member at the tip thereof. The guide shaft is preferably made of a material having a small friction coefficient at least at its tip.
[0008]
The bulk type lens used for the display device of the present invention is from an optical medium having a top, a bottom, an outer periphery, and a recess formed by a ceiling and an inner periphery formed from the bottom toward the top. Thus, the concave portion is a light source storage portion, the ceiling portion and the top portion function as lens surfaces, the inner peripheral portion functions as a light incident surface, the outer peripheral portion functions as a total reflection surface, and the bottom functions as a reflection surface. When the light source is housed inside the recess, the ceiling functions as the lens entrance surface and the top functions as the lens exit surface. The light incident on the optical medium from the inner periphery is totally reflected or reflected at the bottom and transmitted to the top. “Bulk type” means a solid body having a certain degree of thickness or swelling, such as a shell type, egg type, saddle type, saddle type. The cross-sectional shape perpendicular to the optical axis direction can be a perfect circle, an ellipse, a triangle, a quadrangle, a polygon, or the like. The outer peripheral portion of the bulk type lens body may be a surface parallel to the optical axis, such as a circular column or a peripheral portion of a prism, and may have a taper with respect to the optical axis. In addition, the lens surface at the ceiling and the top can be appropriately selected from a convex surface, a concave surface, a flat surface, and a Fresnel lens surface.

[0009]
The bulk type lens has a lens function and an optical transmission function for connecting the entrance surface and the exit surface. Therefore, the bulk lens is a material transparent to the wavelength of light, and the refractive index needs to be different from the refractive index of air. is there. As such a material, various glass materials such as transparent resin (transparent plastic material) such as acrylic resin, quartz glass, soda-lime glass, borosilicate glass, lead glass, and the like can be used. Alternatively, a crystalline material such as zinc oxide (ZnO), zinc sulfide (ZnS), or silicon carbide (SiC) may be used. Further, a material such as a transparent rubber having flexibility, flexibility and stretchability may be used. When an incandescent bulb such as a halogen lamp is used as the light source, a heat resistant optical material should be used in consideration of the heat generated by this. As the heat resistant optical material, heat resistant glass such as quartz glass and sapphire glass is preferable. Alternatively, a heat-resistant optical material such as a heat-resistant resin such as a polysulfone resin, a polyether sulfone resin, a polycarbonate resin, a polyetheresteramide resin, a methacrylic resin, an amorphous polyolefin resin, or a polymer material having a perfluoroalkyl group It can be used. Crystalline materials such as SiC are also excellent in heat resistance.
[0010]
The light source is preferably a light source that does not cause a significant heat generation effect during light emission, such as an LED or a semiconductor laser. Since the heat generation is small, the bulk type lens is not thermally affected.
If a bulk type lens is used for the display device of the present invention, a display device having a desired illuminance can be easily obtained without requiring a large number of light sources. This illuminance is an illuminance that cannot be achieved by a conventionally known optical system such as a lens if the light sources are the same. The bulk type lens can realize illuminance that cannot be achieved by the conventional technology with a simple and small configuration.
[0011]
An LED has an internal quantum efficiency and an external quantum efficiency. Usually, the external quantum efficiency is lower than the internal quantum efficiency. By storing the LED in the storage portion (concave portion) of the bulk type lens, it becomes possible to effectively extract the light energy of the potential LED with an efficiency substantially equal to the internal quantum efficiency.
The principle is that (a) the reflected light (stray light) at the top surface and the ceiling portion of the bulk type lens and the outer peripheral portion is totally reflected at the outer peripheral portion, so that it hardly dissipates outside the bulk type lens. ) A part of the reflected light (stray light) returns to the lens surface that is the top part and the ceiling part. (C) A part of the reflected light (stray light) is reflected at the bottom part and returns to the lens surface that is the top part and the ceiling part. (D) A part of the reflected light (stray light) is absorbed by the LED light source and re-emitted, and (e) the light incident on the inner periphery is also guided by total reflection and used effectively. Can be considered.
[0012]
Further, according to the bulk type lens, it is possible to easily change the optical path such as divergence and convergence of light and change the focal point without modifying the light source itself such as LED.
That is, if the divergence angle of the light source is known, the radius of curvature of the first and second lens surfaces can be easily selected. Note that either one of the first and second lens surfaces may be a flat surface with an infinite curvature radius or near infinity. If either one of the first and second lens surfaces has a predetermined (finite) radius of curvature that is not infinite, it is possible to control light convergence and divergence. The “predetermined divergence angle” may be 0 °, that is, a parallel light beam. Further, even if the divergence angle is 90 °, since the storage portion completely covers the light emitting portion of the light source, the light can be effectively collected. This is an operation that is impossible with a conventional optical system such as a lens. That is, the inner peripheral part of the storage part other than the ceiling part can also function as an effective light incident part.
[0013]
Specifically, the light source is a chip-shaped semiconductor light emitting element, a semiconductor light emitting element molded with a transparent material, or an output end face of an optical fiber that guides light from another light source. These light sources may be stored in the storage unit via an optical medium. By appropriately selecting the optical medium depending on the refractive index, it is possible to change the optical path such as divergence and convergence of light, and change the focal point, and also to change the refraction angle of light incident on the optical medium from the inner periphery. It is also possible to make the total reflection of the optical medium more effective.
Here, the optical medium includes not only solids, liquids, and gases, but also substances that are transparent to the wavelength of light in the form of sol, colloid, or gel.
[0014]
The bulk type lens is an optical medium having a top portion, a bottom portion, an outer peripheral portion, and a concave portion composed of a ceiling portion and an inner peripheral portion formed from the bottom portion toward the top portion. The ceiling part and the top part function as a lens surface, the inner peripheral part functions as a light incident surface, the outer peripheral part functions as a total reflection surface, and the bottom part functions as a reflection surface, and the light incident surface of the inner peripheral part is predetermined. It may be composed of a concavo-convex surface having an inclination of at least the light wavelength. In addition, the predetermined inclination φ represents the refractive index of the recess n. ₁ , The refractive index of the optical medium is n ₂ The total reflection angle at the outer peripheral surface in the optical medium is θt, and the divergence angle of the light source is θd.
sin ^-1 {N ₁ / N ₂ cos (θd + φ)} = θt
It is an angle determined from
According to this configuration, for example, even when an LED that emits most of the emitted light from the side surface of the chip, such as an edge-emitting LED, is used, all the emitted light from the light source can be condensed.
[0015]
Furthermore, since the lens unit and the storage unit for storing the light source are integrally formed in the bulk type lens, the lens and the light source that are necessary in the conventional lens system are optically aligned and held. No part is required, no optical alignment process is required, and it is only necessary to cover the light source, so that the cost is extremely low.
[0016]
According to the above configuration, in the light emitting device, the driving unit causes one or a plurality of light sources to emit light by power feeding from the power source unit. As a result, part of the light emitted from each light source of the light emitting part is incident on the bulk type lens from the ceiling part of the bulk type lens, and the other part is bulk type from the inner peripheral surface of the bulk type lens. Incident on the lens.
Therefore, part of the light incident on the bulk lens is directly emitted from the top, and the other part is reflected from the inside of the outer periphery of the bulk lens and is emitted from the top. Thereby, the light emitted from the top of the bulk lens is refracted based on the lens effect by the first lens surface that is the ceiling of the bulk lens and the second lens surface that is the top, and narrows toward the front. Irradiated at an irradiation angle.
And since the light source of the said light emission part is completely inserted in the recessed part of a bulk type lens, the light radiate | emitted from the light source injects into a bulk type lens with high efficiency, and raises the irradiation light intensity of a display apparatus significantly. be able to.
[0017]
When the guide shaft of the light emitting device is rotationally driven by the driving means from such a state, the guide shaft slides along the cam groove of the cam member as the driving means rotates. As a result, the guide shaft moves according to the shape of the cam groove of the cam member.
Since the light emitting device is supported by the support portion so as to be swingable in the biaxial direction perpendicular to the optical axis, the front end of the light emitting device is opposite to the guide shaft in accordance with the movement of the guide shaft. The light beam emitted from the front end of the light emitting device is swung according to the shape of the cam groove of the cam member. Thereby, the display of the shape corresponding to the shape of the cam groove of the cam member is performed by the locus of the light beam emitted from the light emitting device.
[0018]
In this way, according to the present invention, the light beam emitted from the light emitting device is shaken by the drive unit in accordance with the shape of the cam groove of the cam member, so that a desired character, figure, or the like can be obtained by the locus of the light beam. The shape can be displayed. At this time, in the light emitting device, the light emitted from a small light source such as an LED as the light source of the light emitting unit is efficiently condensed by using the optical member having the special configuration described above, and a sufficient amount of light is obtained. Can be irradiated.
[0019]
When the support unit supports the light emitting device so that it can swing in the biaxial direction passing near the center of gravity of the light emitting device, the light emitting device is supported so that the vicinity of the center of gravity can swing in the biaxial direction by the support unit. Therefore, the driving force for swinging the light emitting device in the biaxial direction by the guide shaft is small, and it can be easily swinged.
[0020]
When the guide shaft is provided with a bearing that engages in the cam groove of the cam member at the tip thereof, the friction is caused by rolling of the bearing when the tip of the guide shaft moves along the cam groove of the cam member. Because of friction, the tip of the guide shaft can be moved with a light force along the cam groove of the cam member.
[0021]
When the guide shaft is made of a material having a small friction coefficient at least at the tip thereof, the friction is generated when the tip of the guide shaft moves along the cam groove of the cam member. Therefore, the tip of the guide shaft can be moved with a light force along the cam groove of the cam member. .
[0022]
The drive means includes a drive motor having a drive shaft extending in the central axis direction of the cam member, and a drive arm extending in the radial direction from the drive shaft of the drive motor. The drive arm serves as a guide shaft of the light emitting device. In the case of having a slot extending radially so as to slidably engage, when the drive motor rotates the drive arm, the drive arm rotates about the central axis of the cam member and The guide shaft of the light emitting device engaged with the slot slides along the cam groove of the cam member while sliding in the slot of the drive arm based on the shape of the cam groove of the cam member.
Thereby, the front end of the light emitting device is swung in the direction opposite to the guide shaft, and the light beam emitted from the front end of the light emitting device is swung in accordance with the shape of the cam groove of the cam member. Thereby, the shape corresponding to the shape of the cam groove of the cam member is displayed by the locus of the light beam emitted from the light emitting device.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The present invention will be described in detail below based on the embodiments shown in the drawings.
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a bulk lens used in the display device of the present invention. As shown in FIG. 1, the light emitter of this display device includes at least a light source 101 such as an LED that emits light in a predetermined wavelength band, and a bulk lens 120 that completely surrounds the light source 101. The bulk lens 120 includes an optical medium 104 including a top portion 103, a bottom portion 107, an outer peripheral portion 109, and a concave portion 106 including a ceiling portion 102 and an inner peripheral portion 105 formed from the bottom portion 107 toward the top portion 103. The light source 101 and the bulk lens 120 are aligned and completely accommodated and fixed in the recess 106 via the spacer 108, the ceiling 102 serves as the light incident surface of the lens, and the top 103 serves as the exit surface of the lens. Is configured to function as
[0024]
1 includes an LED chip 113, a support pin 111 that also serves as an electrode on which the LED chip 113 is placed, an electrode pin 112 that supplies power to the other electrode of the LED chip 113, a chip 113, It is composed of a transparent resin mold 114 that covers the support pins 111 and the electrode pins 112. The resin mold 114 has a cylindrical side portion, and is fitted via a spacer 108 to the inner peripheral portion 105 that forms the cylindrical shape of the concave portion 106 of the bulk lens 120.
[0025]
The side surface of the resin mold 114 has, for example, a cylindrical shape with a diameter (2r) of 2 to 3 mmφ, and the inner peripheral portion 105 of the concave portion 106 of the bulk lens 20 has a cylindrical shape with a diameter of 2.5 to 4 mmφ, for example. It has become. In order to fix the LED 101 and the bulk lens 120, a spacer 108 having a thickness of about 0.25 to 0.5 mm is inserted between the LED 101 and the concave portion 106 of the bulk lens 120. The spacer 108 is disposed at a position excluding the light emitting portion of the LED 101, that is, toward the bottom 107 side from the bottom surface of the LED chip 113 in FIG.
[0026]
In the bulk lens 120, for example, the top portion 103 has a convex spherical surface, and the outer peripheral portion 109 has a cylindrical shape. The diameter (2R0) of the outer peripheral portion 109 is, for example, 10 to 30 mmφ, and can be arbitrarily selected according to the purpose of use. However, in order to increase the light collection efficiency,
10r>R0> 3r (1)
It is preferable to satisfy this relationship. Even if the diameter (2R0) of the outer peripheral portion 109 of the bulk type lens 120 is 10 times or more the inner diameter (2r) of the inner peripheral portion 105 of the concave portion 106, the bulk type lens of the present invention can function, but becomes larger than necessary and is small. It is not preferable when the purpose is to make it.
[0027]
The bulk lens having the above configuration can converge with an extremely low loss as compared with an optical system using a conventional convex spherical lens for the following reason.
Since an LED is a light source with a large divergence angle, light loss is inevitable if all light emitted from the LED is converted into parallel rays by a conventional convex spherical lens.
FIG. 2 is a diagram showing the light collecting action of a conventional convex spherical lens. FIG. 2A shows a state in which light from an LED light source is converted into parallel light using a convex half spherical lens. . In the figure, the lens has a radius of curvature r and is located at a focal length f from the light source. Since the focal length of the one-spherical lens is f = r / (n−1) where n is the refractive index of the lens, f = 2r when the refractive index n = 1.5. Therefore, as is apparent from the figure, the maximum divergence angle that the lens can receive is 30 °, and the light beam shown in FIG. 2B cannot be parallel light. That is, when a conventional lens is used, light having an opening angle or more determined from the relationship between the focal length and the radius of curvature cannot be taken in, so that the loss is large.
Many LED light sources have a divergence angle of 30 ° or more. In this case, a large loss occurs due to the above reason. Conventionally, in such a case, improvement is made by using a high refractive index lens, but the cost becomes high. Alternatively, there is an example of dealing with a complicated combination of lenses, but in this case, the Fresnel reflection loss described below increases.
[0028]
FIG. 2B is a diagram showing the state of reflection on the incident surface of a conventional convex half-spherical lens. A line with an arrow represents a light ray emitted from the LED and reflected by the light incident surface of the convex spherical lens. θ (θ1, θ2) represents an emission angle from the LED, that is, a divergence angle, and φ (φ1, φ2) represents an incident angle of each light beam on the lens surface.
FIG. 3 is a diagram showing the Fresnel reflection law. In the figure, the horizontal axis represents the incident angle of the light beam, the vertical axis represents the reflectance of the light intensity, the refractive index of the lens is 1.5, and the light beam is incident on the lens surface from the air. As is apparent from the figure, the reflectance is low and constant until the incident angle is around 50 °, but the reflectance increases abruptly when the angle exceeds 50 °.
The light ray having a large incident angle shown in FIG. 2B has a high ratio of being reflected as apparent from the Fresnel reflection law of FIG. For example, when a single-convex spherical lens having a refractive index of 1.5 is used and parallel light is produced by using a light source with a divergence angle of 30 ° at the focal length of the lens, the loss due to the reflected light is the total amount of light. It reaches nearly 30%.
Therefore, if the lenses are connected in multiple stages as in the conventional optical system, Fresnel reflection occurs in multiple stages, increasing the loss. These reflected lights are scattered in space and cannot be used as convergent light.
[0029]
On the other hand, in the bulk type lens of the present invention, all the light beams can be incident on the lens surface even if the light beam has a large divergence angle, and all the light beams are made parallel by designing the geometric structure of the bulk type lens. It is a lens with very little loss because it can be converted into light rays.
Further, since the reflecting surfaces that cause Fresnel reflection are the ceiling portion 2 and the top portion 3, the reflected light (stray light) reflected by these surfaces is reflected in the bulk lens. The reflected light (stray light) is totally reflected by the outer peripheral portion 109 and is not dissipated out of the bulk type lens, but partly returns to the lens surface which is the top portion 103 and the ceiling portion 102 to become convergent light. The other part is reflected by the bottom 107 and returns to the top 103 or the ceiling 102 to become convergent light. The other part is absorbed by the LED light source and re-emitted to become convergent light.
[0030]
FIG. 4 is a diagram illustrating a process in which light returned to the LED light source is re-emitted. In the figure, the returned light is absorbed by the PN junction to generate holes and electrons, and these holes and electrons recombine to re-emit light. This effect is particularly significant in the case of an LED having a heterostructure. In a heterostructure LED, the band gap energy of the PN junction that is the light emitting part is formed to be smaller than the band gap energy of the P and N regions, so reflected light (stray light) is absorbed in the P or N region. Without being absorbed only at the PN junction, it re-emits light.
In the bulk type lens of the present invention, light incident on the inner peripheral portion 105 is also guided to the top portion 103 by total reflection at the outer peripheral surface 109 and is emitted as convergent light. This effect is further enhanced when the LED light source 101 is housed in the housing portion via an optical medium having a refractive index higher than that of the optical medium of the bulk lens.
In the bulk type lens of the present invention, the light from the LED light source is effectively extracted as the convergent light with the efficiency almost equal to the internal quantum efficiency due to the synergistic effect described above, and therefore compared with the conventional convex type spherical lens. It is thought that the loss will be extremely low.
[0031]
FIG. 5 is a diagram showing a measurement system for comparing characteristics when parallel light is produced by a bulk type lens used in the display device of the present invention and a conventional convex spherical lens.
FIG. 5A shows a measurement system for measuring the light intensity (illuminance) distribution in the direction perpendicular to the optical axis direction when the bulk lens 120 according to the first embodiment of the present invention is used. It is a schematic diagram. The intensity (illuminance) of the output light from the exit surface of the bulk lens 120 is measured by moving the illuminometer 202 in the y-axis direction with the measurement distance x from the LED 101 being constant. The measurement distance (x) is measured in the optical axis direction. On the other hand, FIG. 5B is a diagram showing that the same measurement is performed using a conventional biconvex lens.
[0032]
In the measurements shown in FIGS. 5A and 5B, the outer diameter of the bulk lens 120 used in the display device of the present invention is 30 mmφ, and the outer diameter of the biconvex lens 201 used for comparison is 63 mmφ, which is slightly more than twice this. It was. A biconvex lens 201 having a focal length of 150 mm was used and arranged at a position of 150 mm in the x direction from the LED 101. The LED light source 101 has a divergence angle of about 12 degrees.
[0033]
FIG. 6 is a diagram comparing characteristics when parallel light is produced by a bulk lens used in the display device of the present invention and a conventional convex spherical lens. The bulk lens 120 and a conventional thin lens (biconvex lens) are compared. ) 201 and the intensity (illuminance) distribution along the y direction of the output light of each of the bare LEDs not using the bulk-type lens are shown when the measurement distance is x = 1 m. The bulk type lens 120 has twice the illuminance as the conventional thin lens (biconvex lens) 201.
This result shows that the bulk type lens of the present invention has an effect that cannot be realized by the conventional optical system.
[0034]
FIG. 7 is a diagram in which the parallelism of parallel light created by the bulk type lens used in the display device of the present invention and the conventional convex spherical lens is evaluated. Similar to FIG. ) Distribution is a collection of data measured by changing the measurement distance x. In the figure, the horizontal axis indicates the square of the reciprocal of the measurement distance x, that is, 1 / x2, and the vertical axis indicates the maximum intensity (peak intensity) at the measurement distance x. As is apparent from the figure, in the case of the bulk type lens, the measurement points are clearly plotted on the line indicating the inverse square law, that is, 1 / x2. On the other hand, the conventional thin lens (biconvex lens) 201 deviates from the inverse square law. This result shows that the bulk lens 120 used in the display device of the present invention is sufficient in parallelism, and can realize performance that is not inferior to that of a conventional lens system.
[0035]
FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the geometric structure of the bulk lens used in the display device of the present invention and the light collection rate. Here, “condensation rate” is obtained by dividing “the amount of output light from the bulk lens at a divergence angle within ± 1 °” by “the amount of light from the light source (LED) at a divergence angle within ± 12 °”. Defined by the amount. That is, the amount corresponds to the beam diameter. The radius of curvature R of the top portion 103, the total length L of the bulk type lens, the medium length (distance between the lenses of the top portion and the ceiling portion) D, the inner diameter of the storage portion (inner peripheral portion system of the concave portion) r, the curvature portion length Δ of the ceiling portion 2 As a parameter, the light collection rate was measured. Here, as shown in FIG. 1, the sign of Δ is defined as negative when the ceiling 102 is concave and defined as positive when convex.
FIG. 9 is a diagram showing the geometric structure of the manufactured bulk lens of the present invention. From FIG. 8, in order to improve the light collection rate,
0.93 <k (R / L) <1.06 (2)
k = 1 / (0.35 · n−0.168) (3)
It is experimentally found that it is preferable to satisfy Here, n is the refractive index of the optical medium that is the material of the bulk lens. The radius Ro of the cylindrical portion of the bulk lens 120 and the curvature radius R of the top 103 are not necessarily equal.
[0036]
Next, another example of the bulk type lens used in the display device of the present invention will be described.
FIG. 10 is a view showing the structure of the bulk lens of the present invention in which the ceiling 102 is convex. 10, the bulk lens 122 is the same as the bulk lens 120 shown in FIG. 1 except that the shape of the ceiling 102 is different. The outer diameter 2Ro of the cylindrical portion of the bulk type lens 122 used for measurement is 15 mmφ, the total length L of the bulk type lens is 25 mm, the distance D between the top and ceiling lenses is 16 mm, and the inner diameter r of the storage portion 6 is 5. The refractive index n of the 2 mm bulk lens is 1.54. The radius of curvature R of the top 103 of this bulk lens is 8.25 mm. The resin-molded LED 1 used for the measurement has an outer diameter of 5 mmφ.
[0037]
FIGS. 11A to 11C and FIGS. 12A to 12C are diagrams illustrating the relationship between the height Δ of the convex portion of the ceiling portion 102 and the beam intensity profile. The illuminance was measured at a distance x = 1 m from the light source. As can be seen from the figure, the condensing characteristic can be obtained even if the ceiling 102 is a convex lens.
[0038]
In this way, according to the bulk type lens used in the display device of the present invention, a light beam having a desired irradiation area is secured as a light beam contributing to illumination, without requiring a large number of light sources such as LEDs, and desired. The illuminance can be easily obtained. This illuminance is an illuminance that cannot be achieved by a conventionally known optical system such as a lens. Surprisingly, it could be realized with only one LED having the same illuminance as a thin flashlight using a halogen lamp currently on the market. As described above, according to the bulk type lens used in the display device of the present invention, the illuminance that cannot be realized by the conventional technique can be realized by a simple structure as shown in FIG.
[0039]
Note that LEDs of various colors (wavelengths) can be used as the light source used in the display device of the present invention. White LEDs having various structures can be used. For example, three LED chips of red (R), green (G), and blue (B) may be stacked vertically. In this case, a total of six pins may be derived corresponding to the LED chips of the respective colors, or the six pins may be combined into two and two external pins may be provided. If one electrode (ground electrode) is used in common, the number of external pins may be four. Also, if the drive voltages of the three LED chips of red (R), green (G) and blue (B) can be controlled independently of each other, any color can be mixed. It is possible to enjoy the change in hue.
[0040]
As the bulk type lens 120 used in the display device of the present invention, a transparent plastic material such as acrylic resin, various glass materials such as quartz glass, soda-lime glass, borosilicate glass, lead glass, and the like can be used. Alternatively, a crystalline material such as ZnO, ZnS, or SiC may be used. Also, a material such as sol, gel, sol-gel mixture, or transparent rubber having flexibility, flexibility and stretchability may be used. Alternatively, sol, gel, sol-gel mixture, etc. may be stored in transparent rubber or flexible transparent plastic material. A transparent plastic material such as an acrylic resin is a suitable material for mass-producing the bulk lens 120. That is, once a mold is made and molded by this mold, the bulk lens 120 can be easily mass-produced.
[0041]
Next, a modification of the bulk lens used in the display device of the present invention will be described. The bulk type lens of the present invention in a modified example can be used even when using a light source that emits light from the side surface of the LED chip, such as an edge-emitting LED.
The edge-emitting LED emits light from the side surface of the LED chip. Therefore, when this LED chip is mounted on the above bulk lens, there are many components that are perpendicularly incident on the inner peripheral portion 105 of the bulk lens. Therefore, more light is diffused to the outside of the bulk lens without being totally reflected. The modified bulk type lens can obtain convergent light with extremely low loss even for such a light source.
[0042]
FIG. 13 is a diagram showing an optical path of a light beam when the inner peripheral portion 105 and the outer peripheral portion 109 of the bulk lens used in the display device of the present invention have an inclination.
In the figure, the divergence angle of the light source is .theta.d, the inclination angle between the inner peripheral portion 5 and the outer peripheral portion 9 is .phi., The total reflection angle of the outer peripheral portion 9 is .theta.t, the incident angle and the refraction angle of the light beam at the inner peripheral portion 5. θ2, and the refractive index of the optical medium of the bulk type lens and the refractive index of the storage portion (recess) 6 are n ₂ And n ₁ And The figure shows a state where a light beam having a maximum emission angle, that is, a divergence angle satisfies the total reflection condition by the tilt angle φ and is totally reflected.
In the inner peripheral portion 105, from Snell's law of refraction, between θ1 and θ2,
sin θ1 / sin θ2 = n ₂ / N ₁ (4)
In addition, as is clear from the figure, between θt, φ, and θ2,
θt = φ + θ2 (5)
Holds. As is clear from the figure, between θd, θ1, and φ,
θd = 90 ° − (θ1 + φ) (6)
The relationship holds. Necessary for total reflection when θ1 and θ2 are eliminated from the above equations (4), (5), and (6), when the bulk lens has a total reflection angle θt and the divergence angle of the light source is θd. As a relational expression that gives a large inclination angle φ,
sin ^-1 {N ₁ / N ₂ cos (θd + φ)} = θt (7)
Is obtained. In other words, if the inner peripheral portion 105 and the outer peripheral portion 109 are inclined at an inclination angle φ satisfying the expression (7) or more, even if light enters the inner peripheral portion 105 perpendicularly (θd = 90 °), total reflection is performed. Since the light is reflected to the top 103 or reflected from the bottom face 107 and guided to the top 103, convergent light can be obtained.
[0043]
FIG. 14 is a diagram showing the configuration of the above bulk lens.
FIG. 14A shows an example in which fine irregularities are provided on the surface of the inner peripheral portion 105 of the bulk type lens 120. The unevenness has an inclination angle of φ or more that satisfies at least the expression (7), and the size of the unevenness may be about the light wavelength. Further, it is only necessary to provide the unevenness in the vicinity of the light source of the inner peripheral portion 105. Such irregularities can be easily formed by polishing the surface of the inner peripheral portion 105 using an abrasive having an appropriate particle diameter.
FIG. 14B shows a state in which a light beam emitted in a substantially lateral direction is totally reflected inside the bulk lens or reflected by the bottom surface 107 and totally reflected by the side wall and guided to the top 103. Thus, for example, even when using an LED that emits most of the emitted light from the side surface of the chip, such as an edge-emitting LED, all the emitted light can be converged. In addition, since the lens unit and the storage unit that stores the light source are integrally formed, there is no need for a holding unit that optically aligns and holds the lens and the light source, which is necessary in the conventional lens system, Further, the optical alignment process is not required, and it is only necessary to cover the light source, so that the cost is extremely low.
[0044]
15 and 16 show an embodiment of a display device according to the present invention. 15 and 16, the display device 10 includes a light emitting device 11, a support portion 12 that supports the light emitting device 11 so as to be swingable in two axial directions, and a guide that extends backward from the light emitting device 11 along the optical axis direction. The cam member 14 is provided with a cam groove with which the shaft 13 is engaged, and drive means 15 that rotationally drives the guide shaft 13.
[0045]
The light emitting device 11 includes a light emitting unit 21, an optical member 22 disposed to face the light emitting unit 21, a drive unit 23 that drives the light emitting unit 21, and a power supply unit 24 that supplies power to the drive unit 23. The light emitting unit 21, the bulk type lens 22, the driving unit 23, and the power source unit 24 include a light emitting unit 21 and a case 25 in which the bulk type lens 22 is incorporated. The drive unit 23 and the power supply unit 24 are provided outside the light emitting device 11, and a drive signal from the drive unit 23 is supplied to the light emitting unit 21 of the light emitting device 11 through the connection cord 26. ing.
[0046]
The light emitting unit 21 is accommodated in a case 25, and includes a light source 21a, for example, one semiconductor laser element, and a wiring board 21b on which the light source 21a is mounted. The light source 21a is not limited to a semiconductor laser element, and various light sources such as LEDs can be used. In addition, a terminal portion (not shown) to which a connection cord 26 from an external driving unit 23 is connected is formed on the surface of the wiring board 21b, and the lead wire of the light source 21a is connected to the terminal portion. Has been.
[0047]
The bulk lens 22 is made of a light-transmitting material such as acrylic resin or glass, and the rear end faces the light emitting unit 21 and the front end protrudes outward from the case 25. Yes. Here, as shown in FIG. 2, the bulk lens 22 has a convex front end surface 22a, a cylindrical outer peripheral surface 22b, and a flat rear end surface 22c, and is near the center of the rear end surface 22c. Is provided with a recess 22d extending forward along the central axis (optical axis). The concave portion 22d has a ceiling portion 22e and a cylindrical inner peripheral portion 22f. The light source 21 a of the light emitting unit 21 is fitted and held in the recess 22 d of the bulk lens 22.
[0048]
As seen from the light emitting unit 21, the ceiling 22e functions as a first lens surface, and the top 22a functions as a second lens surface, so that the bulk lens 22 functions as a lens. The inner peripheral portion 22f functions as a light incident surface from the light source 21a. The outer peripheral part 22b acts as a reflecting surface on the inner side. In order to improve the function as the reflecting surface, a reflecting member may be provided on the surface of the outer peripheral portion 22b. Similarly, the reflecting member 22g may be provided on the surface of the rear end face 22c.
[0049]
The drive unit 23 is configured to supply a drive current to the light source 21 a of the light emitting unit 21 by being supplied with power from the power supply unit 24. The drive unit 23 is provided outside the light emitting device 11 as described above, but may be formed on the wiring substrate 21 b of the light emitting unit 21. In that case, the connection cord 26 supplies power from the power supply unit 24 to the drive unit 23. The specific configuration of the driving unit 23 is appropriately selected according to the light source 21a to be used. The power supply unit 24 is provided outside the light emitting device 11 and has an appropriate configuration such as a switching power supply, and applies a predetermined drive voltage to the drive unit 23.
[0050]
In the illustrated case, the case 25 is formed in an elongated cylindrical shape, and houses the light emitting portion 21 and the bulk lens 22. Further, the case 25 includes a guide shaft 13 formed to extend rearward along the optical axis direction of the light emitting device 11.
The guide shaft 13 may be configured integrally with the case 25 or may be configured separately and attached to the case 25 integrally. Further, at least the tip 13a of the guide shaft 13 is made of a material having a small friction coefficient, for example, a resin material such as Teflon or Delrin, or the surface thereof is covered with these materials. The guide shaft 13 is provided with a bearing that engages the cam groove 14a at the tip 13a in place of the material having a small friction coefficient in order to reduce friction when the cam member 14 slides in the cam groove 14a. You may do it.
[0051]
The support portion 12 has a known configuration, and can swing the light emitting device 11 around two axes perpendicular to the optical axis, that is, the X and Y axes extending in the X and Y directions in FIG. I support it. Here, the positions of the X axis and the Y axis are selected so as to pass near the center of gravity of the light emitting device 11. Thereby, the light emitting device 11 can swing around the X axis and the Y axis with a very small moment of inertia.
[0052]
Specifically, the support portion 12 is configured as shown in FIG. In FIG. 17, the support portion 12 includes a support ring 12 b that supports the light emitting device 11 so as to be swingable around a rotation shaft 12 a having an axial direction in the X-axis direction, and the support ring 12 b in the Y-axis direction in the axial direction. It is comprised from the fixed part 12d supported so that rocking is possible around the rotating shaft 12c which has. As a result, the light emitting device 11 swings around the rotating shaft 12a and the rotating shaft 12c, and is supported so as to be swingable in two axial directions perpendicular to the optical axis of the light emitting device 11. Preferably, the light emitting device 11 is supported by the support portion 12 near the center of gravity of the light emitting device 11.
[0053]
The cam member 14 has a disk-shaped main body 14a fixed and held substantially perpendicular to the optical axis of the light emitting device 11, and as shown in FIG. It has a predetermined shape formed in an annular shape around it, in the illustrated case, a heart-shaped cam groove 14b. The tip 13a of the guide shaft 13 is engaged with the cam groove 14b. The cam groove 14b has a shape that is uniquely determined with respect to the rotation angle so that the above-described guide shaft 13 can smoothly move along the cam groove 14b.
[0054]
As shown in FIG. 18B, the drive means 15 has a drive motor 16 whose drive shaft 16 a extends in the central axis direction of the cam member 14, and is rotated around the central axis of the cam member 14 by the drive motor 16. The drive arm 17 is constructed. The drive motor 16 has a known configuration, and is supplied with power from a power source (not shown) to rotate the drive shaft 16a, thereby driving the drive arm 17 to rotate. The drive arm 17 is formed to extend perpendicularly outward from the drive shaft 16a in the radial direction, and has a slot 17a extending along the longitudinal direction (radial direction). In the slot 17a, the guide shaft 13 of the light-emitting device 11 is engaged, and the drive arm 17 is rotated so that the guide shaft 13 is turned around the drive shaft 16a.
[0055]
The display device 10 according to this embodiment is configured as described above, and when used, the drive motor 16 of the drive means 15 is driven, and the drive arm 17 is swung around the drive shaft 16a. As a result, the guide shaft 13 of the light emitting device 11 is forcibly swung around the center of the cam member 14 by the swing of the drive arm 17. At this time, since the tip 13a of the guide shaft 13 is engaged with the cam groove 14a of the cam member 14, the guide shaft 13 moves in the radial direction in the slot 17a of the drive arm 17 according to the shape of the cam groove 14a. However, it slides along the cam groove 14a. In this case, since the surface region of the tip 13a of the guide shaft 13 is made of a material having a small friction coefficient, the guide shaft 13 moves smoothly along the cam groove 14a. The front end of the light emitting device 11 is coupled with the fact that the light emitting device 11 is supported so as to be swingable in the biaxial direction by the support portion 12 by the movement of the tip 13a of the guide shaft 13 along the cam groove 14a. It is swung so as to face the side opposite to the guide shaft 13. As a result, the light emitted from the light emitting device 11 along the optical axis direction is shaken in a shape opposite to the cam groove 14b in the air, and a display opposite to the cam groove 14b is performed in the air by the locus of the light beam. .
[0056]
Here, in the light emitting device 11, light emitted from the light source 21 a of the light emitting unit 21 is irradiated in the optical axis direction as follows.
The drive voltage from the power supply unit 24 is supplied to the drive unit 23 on the wiring board 21b of the light emitting unit 21, and the drive unit 23 operates to pass a drive current to the light source 21a. As a result, the light source 21a emits light, and part of the light emitted from the light source 21a directly enters the bulk lens 22 in the concave portion 22d of the bulk lens 22, and the other part of the light is emitted from the bulk lens. The light enters the optical member 22 from the inner peripheral portion 22e in the concave portion 22d. At this time, since the light source 21 a is fitted in the recess 22 d of the optical member 22, the light incident on the bulk lens 22 in front of the light source 21 a is directed forward based on the refractive index of the bulk lens 22. Then, it is refracted and guided toward the front of the bulk lens 22, reflected by the outer peripheral surface 22 b of the bulk lens 22, and reaches the front end surface 22 a of the bulk lens 22.
Further, the light incident on the inner peripheral surface 22e of the bulk type lens 22 behind the light source 21a is refracted rearward based on the refractive index of the bulk type lens 22, and the rear end surface 22c of the bulk type lens 22 is obtained. When the reflecting member is provided on the rear end surface 22, the light is reflected by the reflecting member, enters the bulk lens 22 from the rear end surface 22 c of the bulk lens 22 again, and moves forward. Led.
[0057]
As a result, the light emitted from the light source 21 a is also taken into the bulk type lens 22 while the light directed to the side and the rear is also taken into the bulk type lens 22, and the light entering the bulk type lens 22 from the light source 21 a is the top 22 a of the bulk type lens 22. Then, the object is squeezed out by the lens effect of the bulk type lens 22 and emitted forward from the top portion 22a at a narrow irradiation angle to illuminate the object.
[0058]
In this way, the light from the light source 21a of the light emitting unit 21 of the light emitting device 11 includes the light emitted toward the side or the rear, and enters the bulk lens 22 with high efficiency. The object is diffused or focused by the lens effect to illuminate the object. Then, when the light emitting device 11 slides on the tip 13a of the guide shaft 13 based on the shape of the cam groove 14a of the cam member 14, the locus of the light beam emitted from the light emitting device 11 is changed to the cam groove 14a in the air. Display in the reverse direction corresponding to the shape is performed.
In this case, if a small light source such as a semiconductor laser element is used as the light source 21a of the light emitting device 11, the light beam emitted from the light emitting device 11 can be easily shaken by the driving means 15 and the cam member 14. By using the optical member having the special configuration described above, that is, the bulk type lens 22, with a small and simple configuration, it is possible to efficiently collect light and irradiate with a sufficient amount of light.
[0059]
In the embodiment described above, only one light source 21a constituting the light emitting unit is used. However, the present invention is not limited to this, and it is obvious that two or more light sources may be provided. In the above-described embodiment, the ceiling portion 22e that is the first lens surface of the bulk lens 22 is formed as a concave surface, and the top portion 22a that is the second lens surface is formed as a convex surface. The front end surface 22a and the inner end surface 22e may be formed as a convex surface, a concave surface, a flat surface, or a Fresnel lens surface, respectively.
[0060]
Furthermore, in the above-described embodiment, the outer peripheral portion 22b and the inner peripheral portion 22f of the bulk lens 22 are each formed in a cylindrical shape, but not limited thereto, for example, may be formed in an elliptical column shape, a polygonal shape, or the like. Furthermore, it may have a taper that tapers forward.
Further, in the above-described embodiment, the cam groove 14a of the cam member 14 is formed in a heart shape. However, the shape is not limited to this, and the cam groove 14a has an annular shape uniquely determined by the rotation angle with respect to the center of the cam member 14. Obviously, it may have any other shape.
[0061]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the light beam emitted from the light emitting device is shaken in accordance with the shape of the cam groove of the cam member by the drive unit, so that characters, figures, and the like can be obtained by the locus of the light beam. Can be displayed.
At this time, in the light emitting device, the light emitted from a small light source such as an LED as the light source of the light emitting unit is sufficiently condensed by using the bulk type lens which is an optical member having a special configuration described above. It is possible to irradiate a light with a sufficient amount of light and to operate at high speed because of its small mass.
Thus, according to the present invention, there is provided a display device capable of easily displaying a desired shape such as a character or a figure by the trajectory of the light beam with a simple and small configuration.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a bulk type lens used in a display device of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a state of loss due to a lens system of the prior art.
FIG. 3 is a diagram showing Fresnel reflection.
FIG. 4 is a diagram illustrating a process in which reflected light (stray light) is re-emitted in a PN junction of an LED.
FIG. 5 is a diagram showing a measurement system used for characteristic comparison between a bulk type lens used in the display device of the present invention and a conventional lens.
FIG. 6 is a diagram comparing the condensing characteristics of a bulk lens used in the display device of the present invention and a conventional lens.
FIG. 7 is a diagram comparing the condensing characteristics of a bulk lens used in the display device of the present invention and a conventional lens.
FIG. 8 is a diagram showing measured values of characteristic changes due to differences in the geometric shapes of bulk lenses used in the display device of the present invention.
9 is a diagram showing a geometric shape of a bulk lens used in the display device of the present invention used in the measurement of FIG.
FIG. 10 is a cross-sectional view showing the configuration of another bulk lens used in the display device of the present invention.
FIG. 11 is a diagram showing measured values of characteristic changes due to differences in geometric shapes of other bulk lenses used in the display device of the present invention.
FIG. 12 is a diagram showing measured values of characteristic changes due to differences in geometric shapes of other bulk type lenses used in the display device of the present invention.
FIG. 13 is a schematic diagram for explaining the principle of a modification of the bulk lens used in the display device of the present invention.
FIG. 14 is a diagram showing a configuration of a modification of the bulk lens used in the display device of the present invention.
FIG. 15 is a schematic perspective view showing a configuration of an embodiment of a display device according to the present invention.
16 is an enlarged cross-sectional view illustrating a configuration of a bulk lens of a light-emitting device used in the display device of FIG.
17A is a schematic perspective view of a support portion in the display device of FIG. 15, and FIG. 17B is a front view.
18A is a schematic front view showing a relationship between a cam member and driving means in the display device of FIG. 15, and FIG. 18B is a cross-sectional view.
[Explanation of symbols]
101, 21a Light source
102, 22e Ceiling
103, 22a Top
104 Optical media
105, 22f Inner circumference
106, 22d recess
107, 22c Bottom, rear end
108 Spacer
109, 22b Outer periphery
120, 22 Bulk type lens
201 Biconvex spherical lens
202 Illuminance meter
10 Display device
11 Light emitting device
12 Support part
13 Guide shaft
14 Cam member
14a Cam groove
21 Light emitting part
21b Wiring board
22g First screw part
22h annular groove
22i Third screw part
23 Drive unit
24 Power supply
25 cases

Claims

A light emitting device that emits a light beam along the optical axis direction;
A support portion for supporting the light emitting device so as to be swingable in a biaxial direction perpendicular to the optical axis;
A cam member comprising a cam groove having a predetermined annular shape around the center;
Drive means for swinging and driving the light emitting device,
The light emitting device is
It comprises an optical medium having a top portion having a convex spherical surface, a bottom portion, an outer peripheral portion, and a concave portion comprising a ceiling portion and an inner peripheral portion formed from the bottom portion toward the top portion, and the concave portion is A light source or a detector storage unit, wherein the ceiling is a first lens surface, the inner periphery is a light incident surface, the outer periphery is a reflection surface, the bottom is a reflection surface, and the top is A bulk type lens that functions as a second lens surface;
A light-emitting portion comprising at least one light source disposed in the concave portion of the bulk lens;
A drive unit for driving the light emitting unit;
A power supply unit for supplying power to the drive unit;
Among these bulk type lens, light emitting unit, drive unit and power source unit, including at least a bulk type lens and a light emitting unit,
The case includes a guide shaft formed to extend rearward along the optical axis direction of the light emitting device,
The guide shaft is received in the cam groove;
The drive means includes a drive motor having a drive shaft that freely passes through the center of the cam member, and a drive arm extending in a radial direction from the drive shaft of the drive motor;
Said drive arm, before with a slot extending radially as Kiga Id shaft is slidably engaged,
The drive shaft is rotated by the drive motor and the arm is rotated around the center, so that the guide shaft of the light emitting device moves along the cam groove while moving in the radial direction in the slot of the drive arm. Then, the light emitting device supported by the support portion is swung so that the front end faces the side opposite to the guide shaft,
The light from the light source of the light emitting unit enters the bulk lens from the ceiling or inner periphery of the concave portion of the bulk lens and is reflected directly or at the outer periphery, and then from the top of the bulk lens in the optical axis direction. A display device characterized by being emitted as convergent light along the line.

The display device according to claim 1, wherein the support portion supports the light emitting device so as to be swingable in two axial directions passing through the vicinity of the center of gravity of the light emitting device.

The display device according to claim 1, wherein the guide shaft includes a bearing that engages in a cam groove of a cam member at a tip thereof.

The display device according to claim 1, wherein the guide shaft is made of a material having a small friction coefficient at least at a tip thereof.

The support portion includes a support ring that supports the light emitting device so as to be swingable around a rotation axis having an axial direction in a first axial direction, and a second axis that is perpendicular to the first axis. The display device according to claim 1, further comprising: a fixed portion that swingably supports a rotating shaft having an axial direction in the direction .

2. The display device according to claim 1, wherein the bulk type lens of the display device has an outer diameter of an outer peripheral portion of the optical medium that is not less than 3 times and not more than 10 times an inner diameter of the inner periphery portion.

The display device according to claim 1, wherein the bulk type lens of the display device has a first lens surface formed as a convex surface.

The display device according to claim 1, wherein the bulk type lens of the display device has the first lens surface formed as a concave surface.

The display device according to claim 1, wherein the bulk type lens of the display device has the first lens surface formed in a plane.

The display device according to claim 1, wherein the bulk type lens of the display device has the first lens surface formed as a flat Fresnel lens surface.

The bulk type lens of the display device has a radius of curvature of the second lens surface of R, a total length measured in the optical axis direction of the bulk type lens of L, and a refractive index of the bulk type lens of n. The display device according to claim 1, wherein a relationship of k (R / L) <1.06k = 1 / (0.35 · n−0.168) is satisfied.

The bulk type lens of the display device satisfies the relationship of 0.025 <Δ / Ro <0.075, where Δ is the protrusion amount of the first lens surface and 2 Ro is the outer diameter of the outer peripheral portion of the optical medium. The display device according to claim 1, wherein:

The display device according to claim 1, wherein the bulk type lens of the display device further includes a rear mirror at the bottom of the optical medium.

The display device according to claim 1, wherein the bulk type lens of the display device further includes another concave portion arranged in parallel inside the optical medium.

The display device according to claim 1, wherein in the bulk type lens of the display device, the optical medium has flexibility or flexibility.

The bulk type lens of the display device is configured with an uneven surface having a predetermined inclination and at least a light wavelength larger than the light wavelength. Display device.

The predetermined inclination φ is such that the refractive index of the concave portion is n ₁ , the refractive index of the optical medium is n ₂ , the total reflection angle at the outer peripheral surface in the optical medium is θ _t , and the divergence angle of the light source is θ _d The display device according to claim 16, wherein the angle is determined from sin ⁻¹ {n ₁ / n ₂ cos (θ _d + φ)} = θ _t .