JP2008547176A - 配光制御装置 - Google Patents

Abstract

光源（２）と、光源の前に配置されて該光源から出射した光ビームを屈折させるエレクトロウェッティング光学素子（１、１０）と、少なくとも２つの所定の状態に前記光学素子を作動するように準備された駆動手段（９）とを備え、前記状態は、異なる光強度分布を有する屈折光ビームを生じるように適合されている、照明装置。本構造によれば、エレクトロウェッティング光学素子を用いて、多数の所定の状態に、照明装置の光強度分布を動的に変えることができる。
【選択図】図１ａ

Description

本発明は、光強度分布を変える手段を有する照明装置に関する。

発光ダイオード（ＬＥＤ）が、種々の照明用途にますます取り入れられている。ＬＥＤは、様々な色を（白色さえも）高輝度で生成することができる。従来の電球と比較して明らかに有利な点は、ＬＥＤは小型で、中程度の温度で作動するということである。

照明分野へのＬＥＤの用途を増やすためには、配光を変える機能が必要とされる。光強度分布の変更は、光ビームのスポットサイズを変化させるために求められるが、スポットサイズを変えることなく、典型的にはガウス分布である光強度分布を再整形するために求められることもある。不十分な混色によってスポットの縁に発生する赤色、緑色、青色の着色を防止するために、色分布を変えることが望まれる。静的な光強度分布変換装置の一例が、米国特許出願公開第２００２／００６７５４９号公報に開示されている。この装置は、２つの湾曲表面を有するガラスボディを備え、より均一な光強度分布が必要なときに、例えば、コリメートレンズや対物レンズとして用いることができる。

他にも、分布を変える様々な方法がある。例えば、可動ミラーのような可動部品を加えることにより、分布を変える方法がある。このようなシステムは、様々な機械部品を必要とするため、摩耗しやすく、あまり丈夫ではない。更に、これらの装置は、かなり高価である。

従って、現在、配光を変えることができる照明装置を提供する十分な解決手段はない。

本発明の目的は、このような問題を克服することであり、光強度分布および／または色分布を変えることができる改良した手段を有する照明装置を提供することである。

前記および他の目的は、光源と、該光源から出射された光ビームを屈折させることができるように該光源の前に配置されたエレクトロウェッティング光学素子と、少なくとも２つの所定の状態の間で光学素子を作動させるように構成された駆動手段と、を備え、前記状態は、異なる光強度分布を有する屈折光ビームを生じさせるものである照明装置によって達成される。

このような設計によれば、エレクトロウェッティングを利用した光学素子を用いて、照明装置の光強度分布を、多数の所定の状態の間で動的に変えることができる。エレクトロウェッティングのレンズおよびスイッチの原理と利点は、先行技術の中で十分に記載されているが、このような素子は、今までのところ、主に、スキャナ、カメラなどの様々な光学システムにおける光ビームの結像および合焦に用いられている。物体の画像を得るために平面内に光が合焦される結像と、光源からの光を用いてある領域を照らす照明との間には、大きな違いがある。本発明による照明装置から出射した光は、いかなる特定平面内において光を合焦させることなく或る領域を照らす。

本発明による可変光強度分布を用いて、光ビームを、再整形、例えば、ガウス分布から対称分布に、またはドーナツ型分布に再整形することができる。これは例えば、環境雰囲気を変化させる（ムードを提供するものである）光オルガンなどで、有用である。いくつかの用途では、光ビームを小さくすることなく、一時的に、スポットの中心に、より多くの光があるようにすることが望ましいこともある。このような再整形は、必ずしも、光ビームの広がり角度が変わること、すなわち、固定観察面の光スポットサイズが変化することを意味しない。例えば、外科手術中に、外科医が、そのまま周囲臓器から目を離さないでいられるように、全ての光をビームの外側に解放することなく、小さな目標物に集光したいという用途がある。

しかし、異なる角度強度分布すなわち広がり、すなわち上述の光再整形とは別の、あるいはこれと組み合わせた可変スポットサイズを達成するために、本発明による可変光分布を利用することもできる。例えば、スポットライトと投光照明の切り替えを実現するために、可変角度広がりを利用することができる。光源が、複数色からなるとき、例えば、異なる色のＬＥＤアレイからなるときは、望ましくない着色効果を最小にでき、いくつかの、または全てのＬＥＤの出射角度パターンを調節することにより、混色を改善できる。

光学素子は、エレクトロウェッティングスイッチを備え、該エレクトロウェッティングスイッチは、光ビーム調整面と、該調整面を覆う媒体を変化させる手段とを備え、駆動手段が、前記調整面が第１の媒体で覆われている第１の状態と、前記調整面が第２の媒体で覆われている第２の状態との間で媒体を変化させる手段を作動させるように準備されている。

このようなスイッチは、駆動手段によって選択される２つの異なる状態を提供する。

スイッチは、２つの光ビーム調整面を有してもよい。２つの調整面は、用途に依って、同じ屈折効果または反対の屈折効果を有する。もし両方の表面が、光源から見て同じ湾曲を有すると、光学効果は反対となる（最初に集光され、次に発散する。または逆もまた同様である）。このようなスイッチは、上述した再整形を提供するために用いることができる。もし両方の調整面が、光源から見て反対の湾曲を有すると、これらは同じ光学効果を与える。

変形例または組み合わせでは、光学素子は、エレクトロウェッティングレンズと、直列に配列された２枚のレンズとを備え、この場合、駆動手段は、少なくとも２つの所定状態の間でレンズを作動させるように構成されている。上述したスイッチとちょうど同じように、反対の屈折効果を有するレンズを用いて、再整形を実現することができる。

一実施形態によれば、駆動手段は、前記少なくとも２つの所定状態の間で連続的に交互に切り替える、すなわち光学素子を２つの状態に繰り返し切り替えるようにように構成されている。このような繰り返される切り替えを、異なる状態の認知された混合、例えば、投光照明とスポットライトとを混合を、知覚させるために用いることができる。２つの状態の間の移行時間は人間の目の残像時間（保持時間）よりも短いのが好ましく、照明がいくつかの異なる成分からなるように知覚されるようになる。

駆動手段を、更に、光学素子の選択状態に応じて、光源に流れる電流を調整するように構成することができる。例えば、広がり角度が大きくなるとき、ある所定の点における光強度がほぼ一定になるように、電流が増加される。

光源は、少なくとも１つのＬＥＤを備えているのが好ましい。しかし、中程度の使用温度を有する光源であれば、エレクトロウェッティング光学素子と関連して、いかなる光源も使用することができる。

本発明の前記または他の態様を、本発明の好ましい実施形態を図示する添付図面を参照して、更に詳述する。

図１ａおよび図１ｂは、本発明の第１の実施形態による構成を概略的に示し、この構成では、エレクトロウェッティングレンズ１が、光源２の後ろに配置されている。光源２は、ほぼ平行な光ビーム３を出射し、該光ビーム３はレンズ１を透過する。レンズは、２つの流体４、５、本実施態様では屈折率が１．３４および１．５０である水とオイルを含み、２つの流体の間にメニスカス６が形成されている。電極７、８が、流体に電圧をかけ、それによってメニスカスのエネルギー平衡を連続的に変え、メニスカスの湾曲を変化させるように配置されている。このようなエレクトロウェッティングレンズは、本願に援用する国際公開第２００３／０６９３８０号パンフレットに詳細に記載されている。更に、ドライバー９が電極７、８に接続され、少なくとも２つの別々の状態の間でレンズ１を作動させるように構成されている。ドライバーは、ＬＥＤおよび光学素子を備える照明モジュールの内側か外側に配置される。

図１ａは、メニスカス６は平坦で、ダイオード２から出射した光ビーム３の分布がほとんど変わっていない第１の切り替え状態を示している。図１ｂは、メニスカス６が凹面でほぼ半球面であり、従って、光ビーム３の角度を拡げている第２の切り替え状態を示している。

図２ａおよび図２ｂに示されている本発明の第２の実施形態による構成によれば、図１ａおよび図１ｂのレンズは、バイナリスイッチ１０に置換され、該バイナリスイッチは、流体１３、１４で満たされた２つのキャビティ１１、１２を含む流体システムと、２つの流体（例えば、空気と水）の１つによって覆われ、それによって異なる光ビーム変更特性を生じさせるように前記キャビティの１つと関連して配置されている光ビーム調整面１７とを含むものである。光ビーム調整面は、非球面構造、回折格子構造および／またはホログラム構造である。電極１５、１６は、電圧を表面にかけて、それにより、エレクトロウェッティングによって媒体を切り替えることができるように配置される。このようなエレクトロウェッティングスイッチは、本願に援用する国際公開第２００４／０２７４９０号パンフレットに記載されている。

図２ａ、図２ｂの実施例では、スイッチもたらされる屈折を増加させるために、スイッチは、２面の光ビーム調整面１７を備えている。本実施例では、光ビーム調整面は、先の尖った楕円形のキャビティ１１、すなわち凸レンズを形成する互いに向き合いった非球面の面である。調整面１７は、２つの透過体１８の内壁によって形成され、透過体１８の外壁は平坦である。透過体１８は、ＣＯＣなどのプラスチックの射出成形、またはガラス成形で作ることができる。更に、ドライバー１９は、電極１５、１６に接続され、スイッチ１０が２つの状態の間で作動するように構成される。

図２ａは、キャビティ１１が、周囲の壁とほぼ同じ屈折率を有するオイルで満たされ、ダイオード２から出射された光ビーム３の分布は、ほとんど変わっていない第１の切り替え状態を示している。図２ｂは、キャビティ１１が水で満たされ、周囲の壁と屈折率が一致せず、従って、光ビーム３の角度が広がる第２の切り替え状態を示している。図３ａ、図３ｂに概略を示す、本発明の第３の実施形態では、エレクトロウェッティングスイッチ１０’は２つの透過体１８’を有し、該透過体１８’の内壁は、２面の光ビーム調整面１７’を形成し、該光ビーム調整面１７’は、光源２から見て同様の湾曲を有する。図示するように、湾曲は、縁に向かって凹状になっていくが、中央で凸状である。湾曲は、非球面、または上述した回折格子構造に仕上げられる。内側面１７’の湾曲から離れて、図３ａ、図３ｂのスイッチは、図２ａ、図２ｂのスイッチと、同じ構造と機能とを有し、図２ａ、図２ｂのように、ドライバーを備えている。従って、スイッチとドライバーについて、これ以上は記載しない。

図３ａでは、キャビティは、オイル１３で満たされ、光源２から出射した光ビーム３は、光学素子１０’によってほとんど変化させられていない。キャビティは水１４で満たされている図３ｂでは、主に光ビーム３の中央部が、最初は発散するように屈折され、次に収束される。二重の屈折により、光分布が変わる。例えば、（図３ａの強度線図３０ａによって概略的に示す）ガウス型分布から、（図３ｂの線図３０ｂによって概略的に示す）環状分布またはトップハット分布などに変わる。このような再整形を、上述の角度再分布と別に行っても、または組み合わせて行ってもよい。

図３ａ、図３ｂのスイッチは、直列の２枚のエレクトロウェッティングレンズに置換することもできる。また、この場合、光学素子は、２重の屈折を与え、角度の再分布を行わずに、光の再整形をすることができる。通常は、エレクトロウェッティングレンズの屈折効果は非常に小さくて、十分に光を再整形することができない。しかし、より多くの電極を備えることによって、十分な屈折を達成することができる。

図１ａ、図１ｂ、図２ａ、図２ｂ、図３ａ、図３ｂでは、光源２は、１つのＬＥＤ２４と、リフレクタ２５と、コリメートレンズ２６とを備えている。当業者であれば、複数のＬＥＤを光源に配列できること、例えば、赤、緑、青のＬＥＤを着色照明のために配列できることが理解できる。更に、光ビーム３を、概略的に図示している。実際は、ＬＥＤからの光ビームは、完全に平行になることは滅多になく、わずかに発散する。リフレクタ２５の大きさと位置もまた概略的であり、レンズ１または１０に達する場合もある。

上記の全ての実施形態において、ドライバ９、１９は、望ましいユーザー設定を光学素子に適した駆動電圧に変換するための、マイクロコントローラ２０とメモリ２１とを含むのが好ましい。ドライバは、ユーザーが手動で、望ましい状態を選択できるように、ひいては、光分布を変えることができるように、手動スイッチ２２を備えているのがよい。
光学スイッチの場合は、２つのバイナリ状態の間の切り替えに必要とする電圧が明確に定められる。エレクトロウェッティングレンズの場合は、はっきりと異なる光分布を生じさせる、各所定の電圧レベルを多数選択することにより、適用する電圧の全範囲は、所定間隔に分割される。両方の場合とも、異なる状態と異なる光分布とに応じて、異なる電圧をマイクロコントローラメモリにあらかじめプログラムすることができる。

例えば、３つの状態、すなわち、投光照明（状態１）、中スポット（状態２）、小スポット（状態３）を規定する。各状態は、対応する電圧と関連する。例えば、０ボルト、２４ボルト、５６ボルトである。この関連性はルックアップテーブルに格納される。このようなルックアップテーブルを規定することができるし、もし必要であれば、製造の時点ですでに個々のＬＥＤモジュールと適合させておくことができる。ユーザーは、シナリオの中で、部屋での制御について、どの状態をオンにしたいかのみを規定すれば、ＬＥＤモジュール内で、（ルックアップテーブルを介して）翻訳がなされる。

ルックアップテーブルは、ＬＥＤの電流設定、例えば、スポットサイズを大きくするときに、電流を増加させることができる設定、に適した値をも含む。このような電流制御によって、知覚される輝度が全体的に維持される。

マイクロコントローラ２１を、環境に従って光学素子を自動的に調整するように構成してもよい。例えば、プロセッサは、ルックアップテーブルにアクセスでき、変化する周辺光の条件に依って、様々な所定の光分布に切り替えることができる。

マイクロコントローラ２１を、異なる状態に連続的に切り替えるように構成してもよい。もし、異なる状態の間の移行時間が人間の目の残像時間よりも短い時間となるように光学素子を設計すれば、そのような切り替えが速く生じるので、ユーザー（見る人）が異なる成分の見分けがつかないように異なる光分布を混ぜることができる。この効果は、ＬＥＤに流れる電流を調整することによっても高めることができる。

例えば、２つの光分布（例えば、投光照明とスポットライト）は、ＬＥＤを流れる、時間に依存する電流と結びつけることができる。第１の時間インターバルＴ１の間、スイッチは、スポットライトモードで、ＬＥＤに流れる電流は、第１の値、例えば、Ｉ１に調整される。次いで、インターバルＴ２の間、スイッチは投光照明モードで、電流は第２の値１２に調整される。もし、Ｔ１およびＴ２が、上述したように、目の残像時間よりも十分小さく、２つの状態の切り替えが連続的に行われるならば、人間の目は、生じた光のパターンを統合して、より明るいスポットを有するある明るさの投光照明パターンという印象を残す。

このようにして、多数の雰囲気と効果を作ることができる。更に、もし光源が個々の色のＬＥＤ（すなわち、組み合わさって白色を発する、Ｒ、ＧおよびＢ）であれば、ある特定の照明構成の強度変化を実現することができるだけでなく、例えば、青い投光照明が背景で、赤いスポットが中央にある着色設定も実現することができることは当然明らかである。このようないかなるパターンも、プロセッサの適切なプログラムによって、時間とともに変化させることができる。

本発明の実施形態による光分布制御装置を備えている、懐中電灯すなわちフラッシュライト５１を図４に示す。ＬＥＤのような光源５４を作動させるためのＯＮ／ＯＦＦスイッチ５２に加えて、懐中電灯は、ＬＥＤの前に配置されているエレクトロウェッティング光学素子５５を作動させる追加スイッチ５３を備えている。スイッチ５３は、出射光の分布を変えるために用いることができ、例えば、投光照明とスポットライトとを切り替えるために用いることができる。

図５は、本発明の実施形態を備えるカメラフラッシュ６１を示す。エレクトロウェッティング光学素子６３は、光源６２の前に配置され、フラッシュマイクロコントローラ６４で制御される。離れた被写体の写真を撮るとき、被写体をズームアップするかそうでないかに依って、必要な光分布が異なる。被写体をズームアップしないときには、全体を照明するために投光照明が必要とされる。被写体をズームアップするときには、スポットライトがより適する。十分に光を集中させる（小さいスポット）ことによって、被写体が遠くにある場合でも、申し分のない画像を得ることもできる。

図６ａ、図６ｂは、複数の別々のＬＥＤ３２の前に配列され、いくつかの光学素子３１を備えている本発明の更なる実施形態を示す。光学素子は、エレクトロウェッティングレンズまたはスイッチまたはこれらの組み合わせとすることができる。一実施例では、光学素子は、液体充填コンパートメント３３と、各ＬＥＤ３２の前の非球面３４と、によって構成されている。第２の流体浮遊物の多数の液滴３５を、コンパートメントに含まれ、アドレス電極３６によって、選択されたＬＥＤの前に位置するように制御すれることができる。図示する実施例では、簡略化のために、４つのＬＥＤのみを描き、流体は２つの液滴を含む。図６ａでは、これらの液滴は、第１と第３のＬＥＤの前に置かれ、これらのＬＥＤからの光ビームが発散することを防いでいる。図６ｂでは、上の液滴は、第２のＬＥＤへ下方移動している。

このようなセグメント化された光学素子の前にある複数のＬＥＤは、様々な光分布を作ることができるため、ムードを提供するものとして用いられる。ＬＥＤは、光分布だけでなく、色分布も変えるように、着色されているのがよい。様々な所定の光分布に切り替えるように、ルックアップテーブルによって、駆動を行うことができる。例えば、音楽（音）をある一定の光分布に変換する（音楽と連携したムードを提供するものの）、コンピュータプログラムを用いることもできる。

本発明は、決して、上述した好ましい実施形態に限定されないことは、当業者によって理解されるであろう。それどころか、添付した特許請求の範囲内で、多くの変形と変更が可能である。例えば、用途と望ましい結果に依って、各レンズ／スイッチの個別の設計だけでなく、レンズおよび／またはスイッチの数も変えることができる。更に、エレクトロウェッティング光学素子は、コリメータと有利に組み合わせて、光強度分布能を有する統合光源を形成することができる。

第１の状態にある、本発明の第１の実施形態による照明装置の概略図である。 第２の状態にある、図１ａの装置の概略図である。 第１の状態にある、本発明の第２の実施形態による照明装置の概略図である。 第２の状態にある、図２ａの装置の概略図である。 第１の状態にある、本発明の第３の実施形態による照明装置の概略図である。 第２の状態にある、図３ａの装置の概略図である。 本発明の照明装置を備える懐中電灯の概略図である。 本発明の照明装置を備えるカメラフラッシュの概略図である。 図６ａおよび図６ｂは、セグメントＬＥＤの前に配置された複数の光学素子の概略図である。

Claims (12)

1. 照明装置であって、
   光源（２）と、
   該光源から出射した光ビームを屈折させることができるように前記光源の前に配置されているエレクトロウェッティング光学素子（１、１０）と、
   少なくとも２つの所定状態の間で、前記光学素子を作動させるように構成された駆動手段（９、１９）と、を備え、
   前記状態は、異なる光強度分布を有する屈折光ビームを生じさせるものである、
   ことを特徴とする照明装置。
2. 前記光学素子（１０）は、エレクトロウェッティングスイッチであり、
   該エレクトロウェッティングスイッチは、光ビーム調整面（１７）と、
   前記調整面を覆う媒体を変化させる手段（１１、１２、１５、１６）とを備え、
   前記駆動手段（１９）は、前記調整面が第１の媒体で覆われる前記第１の状態と、前記表面が第２の媒体で覆われる前記第２の状態との間で、前記媒体変化手段を作動させるように構成されている、
   請求項１に記載の照明装置。
3. 前記エレクトロウェッティングスイッチは、２つの光ビーム調整面（１７、１７’）を備えている、
   請求項２に記載の照明装置。
4. 前記光学素子は、エレクトロウェッティングレンズ（１）を備え、
   前記駆動手段（９）は、少なくとも２つの所定の状態の間で前記レンズを作動させるように構成されている、
   請求項１に記載の照明装置。
5. 前記光学素子は、直列に配列された２枚のエレクトロウェッティングレンズ（１）を備えている、
   請求項４に記載の照明装置。
6. 前記各状態は、異なる角度の強度分布を有する透過光ビームを供給するものである、
   請求項１に記載の照明装置。
7. 前記駆動手段は、投光照明またはスポットライトとの間で照明装置を切り替えるように構成されている、
   請求項６に記載の照明装置。
8. 前記駆動手段（９、１９）は、前記少なくとも２つの所定の状態の間で連続的に交互に切り替えるように準備されている、
   請求項１乃至７のいずれか１項に記載の照明装置。
9. 前記駆動手段（９、１９）は、人間の目の残像時間よりも短い移行時間で、前記状態を交互に切り替えるように構成されている、
   請求項８に記載の照明装置。
10. 前記駆動手段（９、１９）は、前記光学素子の選択された状態に応じて、光源を流れる電流を調整するように構成されている、
    請求項１乃至９のいずれか１項に記載の照明装置。
11. 前記光源（２）は、少なくとも１つのＬＥＤ（２４）からなる、
    請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の照明装置。
12. エレクトロウェッティング光学素子を、光分布変換装置として用いる、
    ことを特徴とする方法。

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