JP4574094B2 - 異なるｌｅｄからの光を混合する照明器具 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、異なるLEDからの光を混合する照明器具、特に白色光を生成するものに関連 する。
【０００２】
強調照明（accent lighting ）及び一般照明用として、小型から中型の狭いビーム光として使われる標準光源は、PAR （放物線形アルミ処理反射器）ランプなどの白熱／ハロゲン電球である。これら光源は小型で用途が広いが効率はさほど高くない。１個のランプは一定電力に対してある決まった色彩温度で動作する。薄暗くはできる（dimmable）が、色彩温度は黒体法則に従って加えた電力とともにシフトするので、必ずしもユーザーの所望通りには変化しない。
それぞれ異なる色をもつ複数のLED アレイを使えば、どんな電力レベルにおいても色彩温度を制御できるような照明の実現可能性があり、従って、薄暗くでき、しかもどんな電力レベルでも白色光を均一に出せるようなランプが実現できる。
【０００３】
JP-A-06237017 の英文梗概には、２種類の３×３アレイ発光ダイオードを有する、多色発光ダイオードランプが開示されている。第１の型は赤と青の光を出す素子をもち、第２の型は赤と緑の光を出す素子をもつ。このランプの目的は、色を混合する結果いかなる方向にも同一色と認識されることであるが、混合を容易にするための光学的方法は示されていない。単に、レジンで充填したランプ・ケースの中に２次元LED アレイを格納するとあるだけで、拡散以上のことは何も起こりそうにない。
【０００４】
米国特許出願no.09/277,645(1999年3 月26日受理）には、多色LED アレイから出る光を混合する反射器（reflector ）をもつ照明器具が開示されている。このアレイは、反射管（reflecting tube)の入口開口（entrance aperture ）に設置され、反射管は出口開口に向ってラッパ状に広がり、断面は正方形又は非円形であるのが望ましいとしている。この器具の目的は、スポットライト式に白色光の平行光線を作るにある。しかし、この設計では、約２×15度よりも大きい拡がり角（divergence）のビームにしか適用できない。
【０００５】
JA-A-01143367 の英文梗概には、２色フィルターを用いて２個のLED 光源からの互いに直角方向をなす２本の光ビームを混合する方法を開示している。このフィルターは各ビームに対して45度をなすように設置され、赤色ビームは完全透過、黄色ビームは完全反射する。この方法により、出力ビームは、どのLED に通電するかに応じて３種類が可能になる。しかし、光を混合するためのビーム・スプリッタ（beam splitter ）の使用、２色以上の混合、白色光の生成の何れについても記述がない。
【０００６】
本発明の目的は、異なる色（例えば赤、緑、青）のLED から出る光を混合して白色光を生成するにある。本発明に基づく装置は、最大４種類の異なる光源からの入力光ビームを混合する。ただし各光源の初期ビームの輪郭（profile ）は同一が条件である。出力ビームは入力ビームと同一分布をもつ。従って、入力ビームが高度に平行化されていれば、出力の白色ビームも高度に平行化される。
ビーム・スプリッタの特性が理想的であれば混合は理論的に完全に行なわれる。
実際のビーム・スプリッタの特性にはなお理想的でない箇所があるため、色の混合は完全には行なえないが、在来の方法よりは理想に近い結果が得られる。
【０００７】
本発明によれば、光はビーム・スプリッタを使って混合されるが、このスプリッタには半反射層（semi-reflective layer ）があり到来するどんな波長の光についても反射と透過の双方を行なう。半反射層は、第１入力ビームの一部を反射し第２入力ビームの一部を透過して第１混合ビームを形成し、第１入力ビームの一部を透過し第２入力ビームの一部を反射して第２混合ビームを形成する。
この半反射層は入力ビームに対して45度の傾きをもち、それぞれの入力ビームは層の表裏に互いに90度の角度をなして入射する。ビームは各光源からほぼ平行に放射され、第１ビームは第１反射面（reflective surface）に45度で入射し、反射して半反射層に向う。第２混合ビームは第２反射面に45度で入射し、反射して以後は第１混合ビームと平行に進む。
【０００８】
この装置は透明材料のプリズム・ブロック（prismatic block ）で適宜実現される。ブロックの平行外側面（parallel external faces）は、内部反射のための反射面としての機能をもち、半反射層はこれら反射面の間にかつ反射面に平行に設けられる。反射面は、入射角に応じて、被膜反射層または内部全反射の何れかで実現できる。
【０００９】
第１及び第２入力ビームの色が異なり、両ビームが同様に分割される場合、第１と第２ビームの色は同一になる。
【００１０】
上記のプリズム・ブロックは第２のプリズム・ブロックと組み合わせるのが望ましい。この第２プリズム・ブロックは、第３及び第４の入力ビームを混合して同一色をもつ第３及び第４混合ビームを生成する。入力ビームが線形アレイの場合、更にこれら最初の２個の寸法の２倍をもつ第３プリズム・ブロックを使って、上記４個の混合ビームを混合し、同一色をもつ４個の出力ビームを生成する。
特に望ましい実施例では、４個の光源が正方アレイに配置され、光の混合は２段階（two stages）で行なわれる。それぞれの段階は前述の２個のプリズム・ブロックから成り、両段階は相互に90度回転している。
【００１１】
４個の入力ビームをもつ何れの実施例においても、それらの色彩は４個の出力ビームがすべて白色光になるよう選べばよい。例えば、第１段階では赤と緑を混合して同一の第１、第２混合ビームを作り、青と緑のビームで４個の同一な第３、第４ビームを作る。次に第２段階では、各対から１個の混合ビームをとりだして混合し、第１と第２の白色出力ビームを形成し、各対の残りのビームで第３と第４の白色出力ビームを形成する。
【００１２】
図１に示すように、本発明に基づくビーム混合の原理はプリズム・ブロック20により具体化する。このブロックは第１と第２の入力ビームである51と52を第１と第２のLED 光源である11と12から受ける。各LED 光源は、光ビームを形成するための１個の単一LED と光学系（optics）を含み、場合により単色の光を放射するLED のアレイを含むこともある。
【００１３】
第１プリスム・ブロック20は、第１プリズム21と第２プリズム26、及びそれらの中間にサンドウィッチ状に存在する半反射層25を含む。この半反射層25はそこに入射するすべての波長の光を透過し反射する。プリズム21と26は何れも、PMMA、ポリカーボネート又はガラスなどの透明物質でできている。第１プリズム21は半反射層25に平行な第１反射面23をもち、この反射面は光を受け透過する透明な２個の平行面と45度を成している。第２プリズム26はこれも半反射層25に平行な第２反射面28をもち、この反射面は光を受け透過する透明な２個の平行面と45度を成している。
【００１４】
第１と第２のLED 光源11と12は、光ビーム51と52がほぼ平行するよう設定されている。第１の光ビーム51は第１反射面23から45度の角度で反射して半反射層25に45度の角度で入射する。損失を割り引けば、このビームの約半分が層25から45度で反射される。第２光ビーム52は半反射層25の他の面に45度で入射し、ここで（損失を割り引けば）ビームの約半分が透過され半分が反射される。第１ビーム51の反射部分と第２ビーム52の透過部分により混合ビーム61が形成される。第１ビーム51の透過部分と第２ビーム52の反射部分により混合ビーム62が形成される。この62は第２反射面28から反射して第１混合ビームと平行になる。第１と第２の入力ビーム51と52とが色を異にし、かつそれぞれが半反射層25によって均等に分割される場合、混合ビーム61と62の色は同一となる。
【００１５】
図２Ａに示すのは、図２Ｂに示す４個のLED 光源11,12,13,14 の線形アレイから放射される４個の平行入力ビーム51,52,53,54 を混合するためのプリズム・ブロックである。第１混合段階は同一のプリズム・ブロック２個20と30を含み、ブロック30には、第１と第２のプリズム31と36の間にサンドウィッチ状に存在する半反射層35、及び各プリズムにそれぞれ第１と第２反射面33と38がある。第２混合段階は、第３のプリズム・ブロック40を含み、この40の寸法は20と30の各ブロックの２倍である。すなわち頁平面におけるその線形寸法は２倍である。ブロック40には、第１と第２のプリズム41と46の間にサンドウィッチ状に存在する半反射層45、及び各プリズムにそれぞれ第１と第２反射面43と48がある。
【００１６】
図２Ｂには、光が図２Ａの４ビーム光混合器で混合される様子を示す。第１と第２の入力ビーム51と52は、第１ブロック20で混合されて第２混合ビーム61と62になり、それらは第１反射面43により反射して半反射層45に向かい、そこ（半反射層45）で分割される。第３と第４の入力ビーム53と54は第２ブロック30で混合されて第３と第４の混合ビーム63と64になり、それらは半反射層45で分割され一部は第２反射層48で反射する。
【００１７】
第１と第２の混合ビームの反射部分61と62は、それぞれ第３と第４の混合ビーム63と64と混合され、ブロック40から第１と第２出力ビーム71と72となって出現する。第１と第２の混合ビーム61と62の透過部分は、それぞれ第３と第４の混合ビーム63と64と混合し、第２反射面48から反射した後、ブロック40から第３と第４出力ビーム73及び74として出現する。
既述のように、半反射面25と35が入射入力ビームを等分する場合、61と62及び63と64の各対における混合ビームは同一色となる。光源11,12,13,14 から放射される入力ビーム51,52,53,54 の色が、それぞれ赤、緑、青、及び緑である場合、出力ビーム71,72,73,74 は何れも白色光にすることができる。各ビームの強度（intensity ）をＲ，Ｇ，Ｂ，Ｇで表すと、混合ビーム61と62の強度はそれぞれ1/2(R+G)で、また混合ビーム63と64の強度はそれぞれ1/2(B+G)で示される。出力ビーム71,72,73,74 の強度は1/4(R+G+B+G)である。
【００１８】
また、図３Ａ−３Ｅに示すように、正方アレイとして配列した４個のLED 光源から放射される光を、図１に示した型のプリズム・ブロックを４個使って混合することも可能である。第１段階は第１と第２のプラズマ・ブロック20と30を含み、第２段階は同形態の第３と第４のブロック20' と30' を含む。ただし、第２段階は第１段階から（訳者注：光の進行方向を軸として）90度回転した位置に配置する。入力ビームの各対は、分割し混合して１対の同一混合ビームを形成し、１対の中の混合ビームはそれぞれ他の対の中の１個の混合ビームと混合して、４個の同一出力ビームを形成する。これを４個の入力ビーム赤、緑、青、緑について図式的に示したのが図３Ｃ、３Ｄ及び３Ｅで、この場合緑ビームは対角線上に配置している。各プリズムの開口寸法は、入力ビームの寸法で定まり、入力ビームの寸法が最小開口寸法となる。理想的には、入力ビームの幅は２×10から２×15度を越えてはならない。幅が広くても動作するが効率は下がる。
プリズム・ブロック20と30及び20' と30' の各対は、４個の入力ビームすべてを受ける単一プリズム対として作り、各プリズムは矩形の面をもち入力ビーム２個を並べて受けるようにすることも可能である。この場合、入力開口の間の境界はビーム自体により決定されるので、平行化（collimation 視準）が特に重要になる。
【００１９】
プリズム・ブロックは、線形と正方入力アレイの何れの場合も、混合が４個の入力ビームに対象とする限り、２次元モジュールのアレイとしての範囲で所望の大きさに拡大できる。プリズム面の平面度が上がると、幾何学的な組立て効率がよくなるのみでなく、入力面への平行化光学系（collimating optics）の附加、及び出力面へのビーム整形又は偏向光学系（deflecting optics ）の附加が容易になる。
【００２０】
半反射面25,35,45は、反射と透過がともに行なえるよう、第１及び第２プリズムの側面の１つの上に設けられる、一般に厚さ10オングストローム程度の銀その他の均一層で、スパッタリング又は他の薄膜技術によって生成される。そのあとで別のプリズムを据えることによって、半反射層は第１と第２プリズムの間にサンドウィッチ状に配置され、こうして物理的破損や酸化から防護される。プリズムは、プラスチックの射出成形で製造すればよい。第１と第２段階を使う場合、各段階を分離して製造しあとで組立てればよい。
【００２１】
均一な薄膜層の代替として、半反射層は、図４に示すように、透明な地（じ）17の中の反射領域の島（isolated reflective area）16として、あるいはその逆の形として構成してもよい。反射領域の製造には、フォトレジストを用いて、反射領域対応の物質をエッチングで除去して透明領域を残す方法が適用できる。反射領域は100 ％反射型で、光の入射面積の50％とする必要がある。均一を保つため、島領域の寸法は極力小さくすべきであるが、約10ミクロン未満にはしないこと。それ以下だと回折効果が顕著で不適当である。上述は例示であり、以下記載する請求項の範囲を制限する意図はない。
【図面の簡単な説明】
【図1】 ２個のLED光源から出る光ビームを混合するプリズム・ブロックを図式的に示す図である。
【図2Ａ】 線形アレイを成す４個のLED 光源からの光ビームを混合するプリズム・ブロックの側面図である。
【図２Ｂ】 プリズム・ブロックによる光ビームの混合を図式的に示す図である。
【図３Ａ】 ４個の正方アレイをなすLED 光源から出る光ビームを混合するための２段階プリズム・ブロックの側面図である。
【図３Ｂ】 図３Ａの２段階ブロックをそれに直交した角度から眺めた側面図である。
【図３Ｃ】 入力ビームの図式的構成図である。
【図３Ｄ】 第１段階から出現する混合ビームの図式的構成図である。
【図３Ｅ】 出力ビームの図式的構成図である。
【図４】 透明な地（background）の中に反射領域をもつ半反射層の部分構成図である。

Claims (14)

1. 光ビームを混合する装置であって、
   第１入力ビームを放射する第１光源と、
   第２入力ビームを放射する第２光源と、
   入射した全波長の光を反射且つ透過させる半反射層であって、前記第１入力ビームの一部を反射しかつ前記第２入力ビームの一部を透過して第１混合ビームとするように配置された半反射層と、を備えている装置において、
   前記第１光源および第２光源は、ＬＥＤ光源であり、
   前記半反射層は、前記第１入力ビームの一部を透過し、前記第２入力ビームの一部を反射して第２混合ビームとするように配置され、
   前記第１混合ビームと第２混合ビームとが等しい量の混合出力ビームを提供するように使用される、
   ことを特徴とする装置。
2. 前記第１及び第２入力ビームが異なる色であり、
   前記第１および第２の混合ビームが同一である、
   請求項１に記載の装置。
3. 前記半反射層が、前記第１入力ビームに対して45度を成し、かつ前記第２入力ビームに対して45度を成して配置されることにより、前記両ビームは前記半反射層の表裏面に互いに90度で入射するよう仕組まれる、
   請求項１に記載の装置。
4. 更に第１反射面を含み、それが前記半反射層に入射する以前の前記第１入力ビームに対して45度の角度で配置され、前記第１及び第２入力ビームはそれぞれ第１及び第２光源からほぼ平行に放射される、
   請求項３に記載の装置。
5. 更に第２反射面を含み、それが前記第２混合ビームに対して45度の角度で配置され、前記第１及び第２混合ビームがそれぞれ半反射層及び第２反射面から反射して平行になる、
   請求項４に記載の装置。
6. 更に２個の平行外側面（parallel external faces ）をもつ透明物質のプリズム・ブロックを含み、前記各外側面は前記反射面の各１つをもち、前記半反射層が前記ブロック内で前記２つの反射面に平行でかつそれらの間に配置される、
   請求項５に記載の装置。
7. 前記半反射層が入射する光の一部を透過できるよう十分薄く均一な反射物質膜を含む、
   請求項１に記載の装置。
8. 前記半反射層の中に反射領域と透過領域が混在する（mixed field）、
   請求項１に記載の装置。
9. 前記半反射層には、透明な地（background）とその中の反射領域の島（isolated areas 16）のアレイとを含む、
   請求項８に記載の装置。
10. 第３LED 光源及び第４LED光源を含み、それらがそれぞれ放射する第３及び第４入力ビームは前記第１及び第２LED光源から放射される第１及び第２入力ビームとほぼ平行であり、
    第３反射面を含み、それは前記第３入力ビームと45度の角度をなし、
    第２半反射層を含み、それは第３入力ビームの一部を反射し、前記第４入力ビームの一部を透過して第３混合ビームを形成し、そして第３入力ビームの一部を透過し、前記第４入力ビームの一部を反射して第４混合ビームを形成し、
    第４の反射面を含み、それが前記第４混合ビームに対して45度で配置されることにより前記第３及び第４混合ビームが前記第１及び第２混合ビームと平行になり、そして手段を含み、それが前記第１混合ビームを前記第３及び第４混合ビームの１つと混合して２個の出力ビームを形成し、また前記第２混合ビームを前記第３及び第４混合ビームの他の１つと混合して追加の２つの出力ビームを形成し、前記４個の出力ビームは平行している、
    ことを特徴とする装置。
11. 前記４個の入力ビーム（51,52,53,54 ）が線形に配置され、前記４個の出力ビーム（71,72,73,74 ）が線形アレイ（linear array）として配置される、
    請求項１０に記載の装置。
12. 請求項１０に記載の装置において、前記４個の入力ビーム（51,52,53,54 ）が正方 アレイ（square array）として配置され、前記４個の出力ビーム（71,72,73,74 ）が正方アレイとして配置されている、
    請求項１０に記載の装置。
13. 前記第１及び第２入力ビーム（51,52 ）が異なる色をもち、前記第３及び第４入力ビーム（53,54 ）が異なる色をもち、前記４個の出力ビーム（71,72,73,74 ）が同じ色をもつ、
    請求項１０に記載の装置。
14. 前記４個の出力ビーム（71,72,73,74 ）がそれぞれ白色光である、 請求項１３に記載の装置。

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