JP4445082B2 - 照光装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は照光装置に関し、より詳しくは照明システムに適用される照光装置に関する。特に、その光度(明るさ)を調整でき、又は光を一つの又は多数の光ファイバーに集光する、むらのない照光装置を提供するものである。
【0002】
【従来の技術】
多くの光源は、電球から放射された光をできる限り多く集め、この光を選ばれた方向に向けることを目的としている。電球の後方に反射器を配置して、後方又は側方に放射された光を集め、この光を前方に反射さることが、古くから行われていた。この反射器は、前方にある電球のフィラメントの(不鮮明)像を提供する結像光学部材として作用する。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
この従来の照光装置では光源からの光が光源の像を作り、また光が出力ポートに直接到達するので、光にむらが生じ、均一な強度の光を得ることが困難であった。
【0004】
また、出力光の強さを変えるためには電気的光度可変装置を付加しなければならなかった。
【0005】
また、出力光の平行度を調節することが困難であり、出力光を光ファイバーに導くときに、照光装置と光ファイバーとの光学的結合が困難になる場合があった。
【0006】
本発明は、むらのない均一な照明光源として有効な散乱チャンバーを使用した照光装置を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明の照光装置は、光源と、光源からの光を散乱させるための内面を有する散乱チャンバーと、チャンバーに設けられ光出力を提供する出力ポートとを有している。
【0008】
より具体的には、第1の発明は、光源と、内面が前記光源からの光を散乱し、前記光源を取り巻くチャンバーと、前記チャンバーに設けられた光を出力する出力ポートとを備え、前記光源から前記出力ポートへの光の直接経路がないように構成されている。
【0009】
第2の発明は、第1の発明において、前記光源が一又は二以上の発光素子を含んでいる。
【0010】
第3の発明は、第1の発明において、前記出力ポートが前記出力光の平行度を調整する手段を備えている。
【0011】
第4の発明は、第1の発明において、前記出力光をファイバー照明のために光ファイバーに集束する手段を備えている。
【0012】
第5の発明は、第4の発明において、前記集束手段が前記出力光の焦点を、前記光ファイバーに調節することを特徴としている。
【0013】
第6の発明は、第1の発明において、前記チャンバーがこのチャンバー内に発生した熱を減少させるための手段を備えている。
【0014】
第7の発明は、第6の発明において、前記チャンバー熱減少手段が、可視光を前記チャンバーに戻るように反射させるとともに前記チャンバーからの赤外線を透過させる窓を含んでいる。
【0015】
第8の発明は、第1の発明において、前記チャンバーが前記照光装置に発生した熱を減少させる手段を備えている。
【0016】
第9の発明は、第8の発明において、前記照光装置熱減少手段が、可視光を透過させるとともに赤外線を反射させる窓を有する。
【0017】
第10の発明は、第1の発明において、前記光源が前記光の出力強度を変えるように構成している。
【0018】
第11の発明は、第10の発明において、前記光出力強度可変手段を、前記光源の調節可能なシャッタ又はカバーとしてある。
【0019】
第12の発明は、第1の発明において、前記光源からの光が、前記チャンバーの内面のガラス粉体によって散乱されるように構成している。
【0020】
第13の発明は、第12の発明において、前記ガラス粉体が、ほぼ10ミクロン未満の粒子サイズを有している。
【0021】
第14の発明は、第1の発明において、前記光源を前記チャンバー内に設けた。
【0022】
第15の発明は、光源と、内面が前記光源からの光を散乱するチャンバーと、前記チャンバーに設けられた光を出力する出力ポートとを備え、前記光源から前記出力ポートへの光の直接経路がないように構成されている照光装置において、前記光源が前記チャンバーの外部にあり、前記チャンバーが前記光源からの光を前記チャンバーに入れるための入力ポートを有している。
【0023】
第16の発明は、光源と、内面が前記光源からの光を散乱するチャンバーと、前記チャンバーから光を出力する前記チャンバーに設けられた出力ポートとを備え、光が前記チャンバーを通り抜け前記出力ポートから出力される前に、前記光源からの光が前記チャンバー内で散乱されるように、前記光源と前記出力ポートが構成されている。
【0024】
本発明中で説明する光源は、電球のフィラメントを結像することはなく、チャンバー内で放射光を散乱させるものである。このチャンバーは、散乱光を出力するための出力ポートを有するように構成されている。その原理は積分球と同様である。ここで、光源はその内部が効率のよい反射又は散乱材料で覆われた球体の内部に配置される。一般的な反射又は散乱効率は、入射光に対し99%以上である。これはごく僅かな光しか内面によって吸収されないことを意味している。従って、光源からの放射光は球体内で何度も散乱して、光子の移動方向が効果的に乱数化される。球体の内部のどの部分も、その部分に当たる光の強度は同じになる。
【0025】
小型の光検出器が球体の内面に設けられたとき、検出器の読みは、光が放出された方向とは関係なく光源から放出された光の全量に比例する。この種の測光分析はこれらの照光装置に対して普通に適用される。
【0026】
本発明によれば、出力ポートは、例えば放射電球のような光源の方向特性とは無関係に均一な強度の光を放出する。換言すれば、光の放射の空間的分布に関するあらゆる特性が、光子がチャンバーの内部を横切る際の多数の散乱事象によって取り去られる非結像光源が提供される。
【0027】
光源としては、
a)蛍光灯(直管、コンパクト型)
b)ハロゲン白熱ランプ
c)白熱電球
d)タングステン・フィラメント・ランプ
e)高強度放電ランプ(HID)
f)発光ダイオード(全色/異色)
g)エレクトロルミネセンス(EL)
h)放射線ルミネセンス
i)無線周波(RF)ランプ
j)マイクロ波光源
k)レーザ光源
のいずれでもよい。
【0028】
光源はチャンバーの内部及び/又は外部に配備された一つ又はそれ以上の発光素子を含むことができる。一つ以上の発光素子が設けられている場合は、それらは同じものでも、異なるものでもよい。外部光源が設けられる場合は、チャンバーには光が入るための入力ポートが設けられる。複数の入力ポートを設けてもよい。
【0029】
チャンバーは、チャンバー内及び/又は出力ポートにおける光出力側で発生される熱を減少させるように構成される。例えば、一つ又はそれ以上の窓に可視光と赤外線(熱)を分離するための反射/透過特性をもたせることができる。従って、窓をチャンバーの壁に設けて、赤外線をチャンバーの外へ放出させ、チャンバー内で可視光を反射させることもでき、及び/又は窓を出力ポートに設けて、可視光をチャンバーの外へ透過させ、チャンバー内で赤外線を反射させてもよい。
【0030】
出力光の強さは光源の強度を変えることによって調整できる。この調整は機械的、電気的又は電子的制御装置によって達成できる。機械的制御装置は光源をカバーするための調節可能なシャッターを使用することができる。これは特に簡単、かつ、例えばスライド・カバー又は絞りのような種々の形態とすることができる。複数の出力ポートを設けてもよい。
【0031】
【発明の作用及び効果】
第1、第2、第12、第13、第14及び第16の発明では、光の直接経路が生じないように、散乱チャンバー内に光源を配置したので、むらのない均一な出力光を得ることができる。
【0032】
第3の発明では出力光の平行度を調整することができる。さらに、第4及び第5の発明では、出力光の平行度により光ファイバーに入射する光の角度を調整することができる。
【0033】
第6、第7の発明ではチャンバー内の熱を減少させる手段を設けたので、チャンバー内の温度上昇を抑えることができる。
【0034】
第8、第9の発明では照光装置に発生した熱を減少させる手段を設けたので、出力ポートへの熱の放射を抑えることができる。
【0035】
第10及び第11の発明では光源の光度を変える手段を有するので、出力光の強度を可変することができる。特に、第11の発明では電気的光度可変装置を付加する必要がない。
【0036】
第15の発明では、光源をチャンバーの外に配置したので、使用する光源の大きさ等が制約を受けず、チャンバー内の発熱を抑制することができる。
【0037】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例を、図面を参照して説明する。
【0038】
図1に示す照光装置は、効率のよい光散乱体である内面を有するチャンバー2内に配置された光源1を備えている。このチャンバー2は積分球と同様である。チャンバー2は、光を出力する出力ポート3を有しており、照明器具ではゲート6の方に向けられている。光度の分布及び光の平行度は、出力ポート3のチューブを使用して調整することができる。このチューブはチャンバー2の内側4及び/又は外側5に配置する。
【0039】
チャンバー2から放射された光の平行度は、チューブの直径に対する長さの比に依存する。チューブは、チャンバーの出力ポート3に向かう光を放射する面となるチャンバーの壁の域12に陰影を作る程度にチャンバー2内に入り過ぎないように配置する。チューブの外側は、チャンバー2の内面の一部として作用し、チャンバー内で光のエネルギーを吸収しないように構成されている。
【0040】
光源1は、光源1からチャンバー2の出力ポート3への直接の光路を生じない位置で、チャンバー2内に配置される。そのような一つの位置を図1に示す。直接経路があれば、チャンバー2から放出された光はむらのない均一な分布とはならない。
【0041】
通常、光源の光の出力強度は光源(電球)に供給される電力を調節することによって制御される。このために電力レベルを制御する電子装置を付加しなければならない。
【0042】
散乱チャンバーの光源は、光源を物理的に覆い、光の出力レベルを制御するシャッターのような機械的な制御手段を有している。従来の反射器や集光器では、シャッターの端部が出力ポートの先に映ってしまう。この非結像光源は部分的な光源の像を作らず、また、シャッターで覆われた部分的な光源によらず、出口では均一な光度とすることができる。
【0043】
この構成を図2Aと図2Bの二つの実施例によって示す。図2Aは光源1上のスライドドームカバー8の断面を示す。スライドドームカバー8は2以上の球面状の覆いで構成され、一方又は双方が動くことにより光源1から放出される光の量を制御する。図2Bはエンド・カバーを使用して光源1を完全に包囲するように移動可能な円筒状カバー7を示す。円筒状カバー7は、光源1の上部の平板上の覆いと、光源1の周囲の円筒状の覆いとで構成され、円筒状の覆いがチャンバー2の表面から出入りすることにより、光源1から放出される光の量を制御する。この機械的シャッターは、例えば簡単なモータ(ステッピングモータ又は直流モータ)と簡単な電気制御装置を用いて、又はシステムの外部に付加した機械的駆動装置を用いて手動にて制御することができる。従って、このシステムは複雑な電子的な光度可変装置を必要としない。
【0044】
内部チューブ4は出力光の平行度を制御するのに使用される。よって、図3の断面図で示したようにチューブ内に入射する光の一部を集めるスラットを備えた構造とすることができる。スラットを有するチューブ4によって透過された光9が、チャンバー2内に戻り、さらに散乱される。従って、スラット・チューブ4を使用すると全体の光出力強度を高めることになる。これは吸収面の大きさ(例えばチューブ4の内部が吸収面である場合に)が減少し、又はシステム内からの光の望まない出力光線(例えば、光9がチューブ4で反射される場合に鋭角でチャンバー2の出力ポート3を通じて伝播することになる)が減少するからである。
【0045】
外部チューブ5も図4に示すように出力光の平行度を制御するのに使用することができる。外部チューブ5が内部チューブなしに使用されると、チューブにスラットを使用しても、光の出力レベルは内部チューブについて説明したようには高くならない。これはスラットの隙間から漏れる光がこの照光装置から失われるからである。しかし、外部チューブ5の内部を鏡面状にすると利点がある。特に外部チューブ5が内部チューブ4と併用される場合に、外部チューブ5の内側に入射する光10は、外部チューブ5の内面を擦るような鈍角となる。この外部チューブ5の内面による反射手段は、光を必要な域(図1、外部ゲート6)に集束させる。
【0046】
照光装置全体は、図5に示したように軸方向に対称的に作ることができる。この構成には製造上いくつかの利点がある。円錐状の反射鏡11は、光源1からの直接の光路を遮蔽するのに用いられる。出力光は、反射鏡11に反射されチャンバー2の側部周方向付近から到来する。
【0047】
散乱チャンバー・システムは、図6に示したように光源1からの光を一つ又は複数の光ファイバー13に導光する手段を備えることもできる。ファイバ13はチャンバー2の出力経路のどの個所にも配置することができる。図6は外部チューブ5の端部にファイバー13を配置している。チューブ4、5はファイバー13の端部に入射する光の角度を制御するために用いられる。よって、光のファイバー(許容角度が限定されている)との結合効率が制御される。ファイバ13は、その端部が図7に示すようにチャンバーの壁の近傍になるように配置することもできる。この配置は図6に示す実施例より簡単である点で優れている。
【0048】
光は球形レンズを使用してファイバー13に合焦することもできる。この実施例を図8に示す。球形レンズ14は光源からの光を光ファイバ13に結合させる透明球体である。この機構の問題は球形レンズ14を光ファイバーの端部と一致させることである。これは、ボールベアリングのような球体15を、球形レンズ14の隙間に積み重ねた第2層を設け、光ファイバーが配置される窪みを設けることにより解決される。図9に、立体的重ね合わせを別方向から見た構成を示す。この重ね合わせの構成は複数あり(結晶学において周知である)、図示した立方体より大きい密度を有する六方最密構造を含む。図9の概略図は、ボールベアリング15の直径よりも小さい光ファイバー13の場合を示す。この構造はファイバーがボールベアリングより大きい直径を有しているか、又は同等の直径である場合に適する。
【0049】
多くの照明システムが有する潜在的問題は、光源1から放出される熱を除去することである。前述した照光装置ではチャンバー2内に光源1を収容されている閉鎖型システムなので、多少の注意を必要とする。このため図10に示すように、窓16をチャンバー2の壁に設け、可視光は有効に反射させるが赤外線(熱)は透過させるような反射/透過特性をもたせることによって、チャンバー内の熱の増加を抑えるようにする。
【0050】
別の方法として、又は付加的に、窓17を図10に示したようにチャンバー2からの出力経路に配置することもでき、可視光は有効に透過させるとともに赤外線(熱)は反射させる反射/透過特性をもたせる。これによって光源システムの出力側における熱を減少させることもできる。
【0051】
効率的な光源(例えばフィリップス マスターカラーCDM−T電球)は本発明には特に有効である。しかし、散乱チャンバー2は他のタイプの光源とも併用できる。例えば、図11では、チャンバー2内にイオウ・ランプ(sulphur lamp)19を配置している。この構成は、ランプ19から放射されるマイクロ波を透過するためにチャンバー2の壁に窓18を設ける必要がある。
【0052】
光源には複数の発光素子を含めることもできる。例えば、図12に示す実施例において、チャンバー2内に3個の発光素子を含む光源20を有する。他の実施例(図示省略)では、チャンバー2に複数の出力ポートを備えることもできる。
【0053】
この光源システムは、超高輝度光源を使用することもできる。この場合、光源はチャンバーの外側に配置されるのが好ましい。図13Aと図13Bは、光源1からの光をチャンバー2の壁にある入力ポート22に向けるための外部光源1と集光器21を備えた二つの構成を示す。
【0054】
入力ポート22には、可視光はチャンバー2に透過させるとともに赤外線(熱)は反射させる反射/透過特性をもたせてることができ、チャンバー2内の熱の増加を抑制することもできる。
【0055】
別の方法及び/又は付加的に、反射器21に入力ポート22に向かう可視光を反射させ、赤外線(熱)はシステムの外部に透過させる反射/透過特性をもたせることができ、チャンバー2内の熱の増加を抑制できる。
【0056】
外部光源の使用は出力ポート3における光度を機械的に制御することを可能にする。図13Aと図13Bはこのための二つの構成を示す。図13Aではスライド・カバー23を用い、図13Bでは絞り24を用いて、光源1に露光される入射ポート22の面積を変えている。
【0057】
チャンバー2の内部被膜材料と、内部チューブ4の外側面被膜材料とは、入射光の吸収を最少にするとともに、効率的に散乱をする必要がある。散乱材料には吸収率が5%未満、より好ましくは1%未満のものを使用するのが好ましい。
【0058】
この目的に特に適した一つの材料としては、粒体サイズが約10μm未満のガラス粉体がある。この粉体は接着剤又は他の種類の接合剤を使用してチャンバー2の内壁に固着させることができる。又は、塗料、樹脂又はある種の他の物質に混合して、チャンバー2の内部を被膜するか、又はチャンバーの構造に形作ることもできる。他の散乱材料には、硫化バリウム又は耐熱性つや消し白色塗料が使用可能である。
【0059】
本発明に使用される散乱材料は、均一な光度を出力する散乱特性であるが、幾分かの光を反射するものであってもよい。
【0060】
この照光装置は多くの応用ができる。舞台又は劇場照明又は建築照明のための照明装置、ビデオ投影(液晶表示パネル、デジタル・ミラー投影)及び光導体(光ファイバー、透明導光体)を照明する光源に用いることができる。
【0061】
図14は反射形映像投影素子24、画像投射光学装置25とを付加し、静止画像又は動画像の投影を可能としたものを示す。反射形映像投影素子34にはテキサス・インスツルメンツ・デジタル・ライト・プロセッシング・プロセッサー又は薄膜トランジスタ(TFT)スクリーン又は液晶表示装置を用いる。出力ポートからの光線26は、投射光学部材25への代表的な光路を示す。
【0062】
図15は透過形映像投影素子27、画像投影光学装置25とを付加し、静止画像又は動画像の投影を可能としたものを示す。透過形映像投影素子27には薄膜トランジスタ(TFT)スクリーン又は液晶表示装置を用いる。出力ポートからの光線26は、投射光学部材25への代表的な光路を示す。
【0063】
本発明の他の特徴、特典及び利点は当該技術にに習熟した人にとって理解できるであろうし、また本発明は特許請求の範囲内で全ての変形例を含むものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】 内部光源、チャンバー及び光出力を調整するための出力ポートのを含む照光装置の概略図。
【図2】 機械的手段によって光度を調整する手段を示す概略図。
【図3】 不要な光線の一部を再び集めることによって出力光レベルを高めることができる内部チューブを含む照光装置の概略図。
【図4】 外部チューブを含む照光装置の概略図。
【図5】 軸方向に取り付けられた光源と、光源から出力ポートへの光の直接経路を覆おう反射鏡とを備えた照光装置の概略図。
【図6】 出力ポートに光バァイバを備えた照光装置の概略図。
【図7】 散乱チャンバーの壁の近傍に光ファイバーの先端が設けられた照光装置の概略図。
【図8】 光ファイバー、球形レンズ及び整列用の球体を備えた照光装置の概略図。
【図9】 球体と光ファイバーの積層状態を示す図8の照光装置の別方向から見た図。
【図10】 赤外線(熱)を除去する鏡(窓)を備えた照光装置の概略図。
【図11】 チャンバー壁にある窓を介するマイクロ波放射光源を備えた照光装置の概略図。
【図12】 複数の光源を備えた照光装置の概略図。
【図13】 外部光源を備えた照光装置の概略図。
【図14】 出力ポート側に備えられた反射形映像投影素子と投射光学部材を備え、静止又は動画像を投影するシステムの概略図。
【図15】 出力ポート側に備えられた透過形映像投影素子と投射光学部材を備え、静止又は動画像を投影するシステムの概略図。
【符号の説明】
1 光源
2 チャンバー
3 出力ポート
4 チューブ(チャンバーの内側部分)
5 チューブ(チャンバーの外側部分)
6 ゲート
7 円筒状カバー
8 スライドドームカバー
9、10 光
11 反射鏡
12 チャンバーの壁
13 光ファイバー
14 球形レンズ
15 球体
16、17、18 窓
19 ランプ
20 光源
21 集光器
22 入力ポート
23 スライド・カバー
24 絞り
25 画像投射光学装置
26 光線
27 透過形映像投影素子
34 反射形映像投影素子
Claims (16)
- 光源と、
内面が前記光源からの光を散乱し、前記光源を取り巻くチャンバーと、
前記チャンバーに設けられた光を出力する出力ポートとを備え、
前記光源から前記出力ポートへの光の直接経路がないように構成されている照光装置。 - 前記光源が一又は二以上の発光素子を含む請求項1に記載の照光装置。
- 前記出力ポートが前記出力光の平行度を調整する手段を備えた請求項1に記載の照光装置。
- 前記出力光をファイバー照明のために光ファイバーに集束する手段を備えた請求項1に記載の照光装置。
- 前記集束手段が前記出力光の焦点を、前記光ファイバーに調節することを特徴とする請求項4に記載の照光装置。
- 前記チャンバーがこのチャンバー内に発生した熱を減少させるための手段を備えたことを特徴とする請求項1に記載の照光装置。
- 前記チャンバー熱減少手段が、可視光を前記チャンバーに戻るように反射させるとともに、赤外線を透過させる窓を含んでいることを特徴とする請求項6に記載の照光装置。
- 前記チャンバーが前記照光装置に発生した熱を減少させる手段を備えていることを特徴とする請求項1に記載の照光装置。
- 前記照光装置熱減少手段が、可視光を透過させるとともに赤外線を反射させる窓を有することを特徴とする請求項8に記載の照光装置。
- 前記光源が前記光の出力強度を変えることを特徴とする請求項1に記載の照光装置。
- 前記光出力強度可変手段が、前記光源の調節可能なシャッタ又はカバーであることを特徴とする請求項10に記載の照光装置。
- 前記光源からの光が、前記チャンバーの内面のガラス粉体によって散乱されることを特徴とする請求項1に記載の照光装置。
- 前記ガラス粉体が、ほぼ10ミクロン未満の粒子サイズを有していることを特徴とする請求項12に記載の照光装置。
- 前記光源を前記チャンバー内に設けたことを特徴とする請求項1に記載の照光装置。
- 光源と、内面が前記光源からの光を散乱するチャンバーと、前記チャンバーに設けられた光を出力する出力ポートとを備え、前記光源から前記出力ポートへの光の直接経路がないように構成されている照光装置において、前記光源が前記チャンバーの外部にあり、前記チャンバーが前記光源からの光を前記チャンバーに入れるための入力ポートを有していることを特徴とする照光装置。
- 光源と、内面が前記光源からの光を散乱するチャンバーと、前記チャンバーから光を出力する前記チャンバーに設けられた出力ポートとを備え、光が前記チャンバーを通り抜け前記出力ポートから出力される前に、前記光源からの光が前記チャンバー内で散乱されるように、前記光源と前記出力ポートが構成されているシステム。
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