JP2003510830A - 各色ｌｅｄ光の混合装置 - Google Patents

各色ｌｅｄ光の混合装置

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JP2003510830A JP2001527146A JP2001527146A JP2003510830A JP 2003510830 A JP2003510830 A JP 2003510830A JP 2001527146 A JP2001527146 A JP 2001527146A JP 2001527146 A JP2001527146 A JP 2001527146A JP 2003510830 A JP2003510830 A JP 2003510830A
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ミカエル ディー パシュレイ
トーマス マーシャル
ステファン ヘルマン
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Philips Electronics NV
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Abstract

(57)【要約】 フェーセット表面（２２，３６）は、第１のサブビームと第２のサブビームとが交互に配されて生成されるように第１（１１′）及び第２（１２′）の光線それぞれを偏向させる第１（２４，３７）及び第２（２６，３８）のフェーセットを有する。フェーセット表面（２２）は、互いに１２０度で入射する光線を混合するために第２のフェーセットに対して１２０度の第１のフェーセットを有する反射器とすることができる。各光源からの反射されたサブビームの１００％が他の光源からのサブビームの１００％と交互に配される。また、フェーセット表面は、２つの平行フェーセット表面（３２，３６）を持つ透明部材の一部としての屈折器（３０）とすることもできる。第１の屈折性表面（３２）は、平行光線を屈折させて分岐光線を生成する。この分岐光線は、第２の屈折性表面（３６）によって間隔をあけた複数のサブビームに分割される。各光源から発せられ屈折させられたサブビームの５０％が、隣接する光源の各々のサブビームの５０％と交互に配される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、異なるカラーランプ（着色ランプ）からの光を混合し、特に白色光
を発生する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
アクセント照明及び一般的照明に関する小サイズから中サイズの狭いビーム照
明のための標準的光源は、ＰＡＲ（放物線状のアルミニウム処理された反射器）
ランプのような白熱／ハロゲン電球である。これらの光源は、コンパクトで汎用
的ではあるが、あまり効率的ではない。ある所定のランプは、固定パワーに関し
て所定の色温度で動作するものであり、減光可能である一方で、黒体法則に従っ
て供給パワーとともに色温度はシフトする。これはユーザが望む変化であったり
そうでなかったりする。
【０００３】 複数のカラーの各々におけるＬＥＤのアレイは、いかなるパワーレベルにおい
ても色温度を制御できる照明装置を作成することを可能にし、それによって、ラ
ンプが減光可能でいかなるパワーレベルにおいても一様に白色光を発することを
可能にする。
【０００４】 １９９９年６月２４日付出願の米国特許出願第０９／３３８,９９７号は、異
なるカラーＬＥＤのアレイからの光を混合するビームスプリッタを備えた装置を
開示している。４個のＬＥＤからなる正方形アレイは、ＬＥＤの各ペアが半反射
層の反対側へ向かって４５°で光を発し、混合された光線のペアが両側から４５
°で透過されるように、構成される。第２の同一段階は、当該２つのペアの混合
光線を混合して、４つの同一混合光線が白色光として平行して発生する。当該半
反射性表面は、全反射及び全透過性領域であって、現れるサブビームが分解され
ず十分に混合されて見えるほど十分小さな領域による千鳥格子パターンによって
近似される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記従来技術と同じように、例えば赤、緑及び青といった異なる色
のＬＥＤからの光を混合して白色光を生成することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明による装置は、光源が同じ初期ビーム特性を持つ場合に、最大４個の異
なる光源から入力される光線を混合する。
【０００７】 本発明は、従来技術と異なる手法をとる。本発明によれば、フェーセット（切
子面）の形成された表面（フェーセット表面）が、鋸歯状パターンを形成するよ
うに平行な複数の第１のフェーセットと平行な複数の第２のフェーセットとを有
しこれらが交互配置される。これらフェーセットは、第２のフェーセットに平行
して第１の複数フェーセットに入射する第１の光線が、第１のフェーセットによ
って相互に間隔をあけた複数の第１のサブビームに偏向され、第１のフェーセッ
トに平行して第２のフェーセットに入射する第２の光線が、第２のフェーセット
によって相互に間隔をあけた複数の第２のサブビームに偏向されるように、構成
される。第１のサブビームは、第２のサブビームと交番するが、全てのサブビー
ムは平行である。
【０００８】 第１の実施例によれば、上記フェーセット表面は、第１の反射性表面であり、
第１と第２のフェーセットの各対がそれらの間で１２０度の角度を持ち、第１及
び第２の光線の各々が当該フェーセット表面の各法線に対して３０度の入射角を
持つ。従って、全てのサブビームは、これら法線に対して３０度で反射され、平
行に出力される。これら出力光線は、当該入力光線と同じ角度分布を持つ。従っ
て、入力カラー光線が高度に平行化されれば、その出力白色光線もまた高度に平
行化されることになる。
【０００９】 第３及び第４の光線を交互に入れ違う平行サブビームとして反射するように、
同等の第２の反射性表面を構成してもよい。実質的に同等の第３の表面が、前記
第１の反射性表面から混合されたサブビームを受ける第１のフェーセットと、前
記第２の反射性表面からサブビームを受ける第２のフェーセットとを有する。第
３の反射性表面は、サブビームの全てを平行に反射する。
【００１０】 第２の実施例によれば、フェーセット表面は、相互に平行に間隔をあけた複数
のサブビームに各入力光線を屈折させる屈折性表面である。第１及び第２のフェ
ーセットに対して平行に光線を伝達する２つの光源に関して、第１のサブビーム
は、重複領域において第２のサブビームと交番する。第２の実施例の好ましい変
形例によれば、フェーセット表面は、第２の屈折性表面であり、第１の屈折性表
面が当該第２の屈折性表面に対して平行に設けられる。第１の屈折性表面に対し
て垂直な平行入力光線を伝達する光源に関して、第１の表面の複数フェーセット
は、各入力光線を第１及び第２の分岐光線ペアに屈折させる。これら分岐光線は
、第２の屈折性表面の対応する第１及び第２のフェーセットに入射する。第１の
屈折性表面へ入射する光線の各ペアに関しては、第１のサブビームの５０％が第
２のサブビームの５０％と交番する。線形アレイのペア群に関して、かかる交番
又は重複の度合いは、当該アレイにおけるペアの数と共に増加することになる。
【００１１】 第１及び第２の屈折性表面は、好ましくは、第１の固体屈折性分割（スプリッ
ト）エレメントの対向する側部に形成される。四角形アレイの光源に関して、同
等の第２の分割エレメントが第１のエレメントに対して平行に配され９０度回転
される。６×６アレイ光源が設けられる場合、５×５の混合サブビームのアレイ
とともに７×７のサブビームのアレイが出力されることになる。
【００１２】 全ての実施例によれば、フェーセットの周期（すなわちピークからピークへの
間隔）は、カラーの個々のサブビームが観察者によって分解不可能なほど十分小
さい。したがって、結果として生成される白色光は、実際には赤、緑及び青の混
色である、カラーＣＲＴ画面上の白色フィールドと同じ程度に明白な白色光であ
る。本発明による２段階混合器は、典型的には、第１段階において赤／緑及び青
／緑の混色光線を生成し、第２段階で赤／緑及び青／緑の混色光線の混合によっ
て近似された白色光線を生成する。
【００１３】 本発明の光線混合装置は、幾つかの応用分野における従来技術よりも適切なも
のとする製造効率性を奏することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、上記態様その他の本発明の態様を、実施例を参照して明確に説明する。
【００１５】 各図は、全く概略的な図であり、正確な尺度で描かれていない。特に、一部の
寸法は、表示を明確にするため、大幅に誇張されている。図において、可能な場
合、同様の参照符号は同様の構成要素を指している。
【００１６】 図１は、２つの異なるカラーＬＥＤ光源１１，１２から発せられた２つの平行
光線１１′，１２′を混合する反射性表面２２を示している。光源は、単一エレ
メント１１，１２として図示されてはいるが、いずれの光源も、これより小さい
エレメントからなるアレイとすることも可能であることは勿論である。
【００１７】 反射性表面２２は、フェーセット２６の第２のセットと交互に配置されるフェ
ーセット２４の第１のセットを含むフェーセット表面である。各入力光線が唯１
セットのフェーセットだけに当たるようにフェーセット及び光源が配置される。
光線１１′は、第１のフェーセット２４に当たって、相互に間隔をあけた複数の
第１のサブビームとして反射され、一方、光線１２′は、第２のフェーセット２
６に当たって、相互に間隔をあけた複数の第２のサブビームとして反射される。
その結果として生じる出力光線は、複数の第２のサブビームと交互に入れ違う複
数の第１のサブビームからなり、全てのサブビームは、平行であり、フェーセッ
トの形成された表面２２の面に対して垂直である。
【００１８】 反射板上のフェーセットのサイズは、個々の色ビームが分解できないほど十分
に小さいものとすべきである。これは、カラーＣＲＴ画面上の白色フィールドの
原理である。実際、かかるフェーセットの周期は、０．１ｍｍないし０．３ｍｍ
であるのが好ましく、製造上実際的な範囲で可能な限り小さくされる。
【００１９】 入射する光線が対向するセットのフェーセットに平行とするために、これらフ
ェーセットは、その間で１２０度の角度を持たなければならない。このため、入
射光線の反射器上の入射角は３０度となる。実際問題として、当該入力光線は完
全に平行なものとはならず、その光線の広がりによって当該光線の一部が間違っ
たセットのフェーセットに当たることになる。２組のフェーセットの間の角度を
１２０度未満に減らすことにより、このような現象を最小限度にとどめることが
できる。入射角が大きくなり、一方の組のフェーセットが各入力光線から遮蔽さ
れるのである。
【００２０】 図１を参照して記述された２光線混合器を拡張して、２段階の混合によって４
つの光線まで混合することができる。図２は、これを達成するための構成を示し
ており、この構成は、第１のフェーセット表面２２及びこれと同等の第２のフェ
ーセット表面２８（これらは第１段階混合器の役目を果たす）並びに第２段階混
合器の役目を果たす第３のフェーセット表面２９を有するプラスチック部材（ブ
ロック）を使用する。かかる第１段階の混合器の１つに対する入力光線１１′及
び１２′は、典型的には赤及び緑のような異なるカラーであって、それぞれの窓
２３，２５を経由して当該プラスチック部材に入り、図１に示されているように
フェーセット２４，２６に当たる。第１段階の別の混合器に対する各入力光線は
、典型的には青及び緑のような異なるカラーであって、同様の窓を経由して当該
部材に入り、第２のフェーセット表面２８の同様のフェーセットに当たる。これ
ら第１段階の出力光線は、第２段階混合器２９に対する入力光線を担う。第２段
階混合器２９は、異なる領域を持つ可能性がなければ第１段階混合器のフェーセ
ット表面と略同一である。
【００２１】 反射性表面２２，２８，２９は、プラスチック部材の外側において反射性材料
で覆われている。当該部材に入る４つの光線は、混合が完了した時にのみ外へ出
る。また、光線経路が完全に空中にあるように、別々のフェーセット反射板で４
光線混合器を構成することも可能である。
【００２２】 図３は、２つの異なるカラーＬＥＤ光源１１，１２から発せられた２つの平行
光線１１′，１２′を混合する成形プラスチック部材（ブロック）３０の形態を
採る屈折性混合エレメントを示している。光線１１′，１２′は、それぞれの窓
３１，３１′に対し垂直にこの部材に入り、フェーセット３８，３７に当たる。
各第１のフェーセット３７は、複数の平行した第１のサブビームに入射光線を屈
折させ、各第２のフェーセット３８は、複数の平行した第２のサブビームに入射
光線を屈折させる。第１のサブビームと第２のサブビームは交互に入れ違って混
合された出力を形成する。また、この実施例は、その幾何学的形態は若干相違す
るが、上述の反射型の場合のように、２つの段階を用いて４つの光線を混合する
ために用いることもできる。
【００２３】 図４は、第１の屈折性表面３２とこれに対向しかつ平行配置された第２の屈折
性表面３６とを有する成形プラスチックブロック３０の形態を採る屈折性エレメ
ントの好ましい実施例を示している。
【００２４】 第１の屈折性表面３２は、平行な第２のフェーセット３４と交互に入れ違う平
行な第１のフェーセット３３からなる。これらフェーセットは、各光源１１，１
２からの光を部材内部で２つの分岐光線に分割する。第２の屈折性表面は、分岐
光線のうちの一方を受光する第１の平行フェーセット３７と、他方の分岐光線を
受光する第２の平行フェーセット３８とからなる。第１のフェーセット３７は入
射光を複数の平行な第１のサブビームに屈折させ、第２のフェーセット３８は、
入射光を複数の平行な第２のサブビームに屈折させる。これらサブビームの全て
は、第２の屈折性表面から出力される。第１の光源から発せられた第２のサブビ
ームと第２の光源からの第１のサブビームとは交互に配され混合出力が生成され
、その混合出力の両側面には非混合出力が配される。上部（第２）と下部（第１
）の屈折性表面は同じものであり、これら２つの表面の間の位置合せは必要ない
。
【００２５】 ２つの表面３２，３６の分離は、光源サイズによって決定され、隣接する２つ
の光源の各々からの光の半分が正確に重なるように設定される。プリズム状構造
の周期（すなわちフェーセットの先端間距離）はさほど重要ではない。それは、
適用の際に観察不可能なほど十分に小さく、かつ、製造不具合が効率性を損ねる
ことのないほど十分大きくすることが必要となる。代表値として、その周期は０
．１ないし０．３ｍｍである。
【００２６】 プリズムフェーセットの角度２すなわちフェーセットと屈折性スプリッタの平
面との間の角度は、スプリッタの内側の各光線がフェーセットの組の一方に対し
て平行となるように設定される。制御の式は、次の通りである。 ２ｓｉｎ２２−（ｎ１／ｎ２）ｓｉｎ２−１＝０ 但し、ｎ１はスプリッタの外側の材料（通常は空気）の屈折率であり、ｎ２は屈
折性スプリッタの屈折率である。典型的なものとしてｎ２が１．５の場合、２＝
６３°である。これにより、高い屈折角度をもたらし、入口と出口両方の表面に
おけるフレネルロスが高くなり、（典型的には各表面に関して約１１％となる）
。従って、この混合手法の効率性は、反射防止膜から利益を得ることとなる。光
線の拡がりによって、一部の光が間違ったフェーセットに当たる結果を生み、そ
のため光線特性（輪郭等含む）に歪みを引き起こすこととなる。角度２を増加す
ることによって、歪みを減らすことができるが、フレネルロスが増加することに
なる。
【００２７】 図４の屈折性スプリッタは、固体スプリッタ素子３０の代わりに、空隙を間に
有する２つの薄板から作成することもできる。これにより、システムを一層低コ
ストにするが、フレネルロスを生じることになる。
【００２８】 図５は、緑及び青のＬＥＤの行と赤及び緑のＬＥＤの行とが交互に配されてな
る四角形光源アレイ（図６Ａ参照）の光源からの光を混合する２つの屈折性スプ
リッタ３０，４０の構成を示している。第１の屈折性スプリッタ３０は、紙面に
対して垂直に配置された細長いフェーセットを持ち、図６Ａの入力光線を混合し
て図６Ｂの出力光線を生成する。赤、緑及び青のカラーは、文字Ｒ、Ｇ及びＢに
よって表され、平行サブビームを形成する混合光線は、各文字対ＲＧ及びＧＢに
よって表されている。
【００２９】 第２の屈折性スプリッタ４０は、第１の屈折性スプリッタ３０と同じものであ
るが、そのフェーセットが紙面に平行に配置されるように９０°回転されている
。スプリッタの間の距離に関する下限はない。第２のスプリッタ４０は、第１の
スプリッタ３０の出力光線を受光し、それらを混合して図６Ｃの出力光線を生成
する。図６Ｃにおいて、文字Ｗは、赤、緑及び青の非分解性混色である白色を表
す。このアレイの周囲におけるＬＥＤからの光は、白色光線を生成するほど十分
に混合されていない。これは、効率性の損失とみなされるが、アレイが大きくな
るほど損失は分数的に小さくなる。
【００３０】 以上の記述は、例示的なものであり、列挙した請求項の範囲を制限しようとす
るものではない。
【００３１】 本発明は、新規な特徴の各々及び特徴の組み合せの各々において具現化される
ものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ２つの入射光線を混合するフェーセット形成された反射器の原理を
示す概略図。
【図２】 ４つの入射光線を混合する３つのフェーセット形成された反射器を
有する２段階混合ブロックの透視図。
【図３】 ２つの入射光線を混合するフェーセット形成された屈折器の原理を
示す概略図。
【図４】 平行入力光線を分割し混合する平行表面を有するフェーセット形成
された屈折器の概略図。
【図５】 ３６個のＬＥＤ光源の正方形グリッドを分割し混合する２段階フェ
ーセット形成屈折器の正面図。
【図６Ａ】 ３６個のＬＥＤ光源によって発せられる入力光線の概略平面図。
【図６Ｂ】 図４の屈折器の第１の段階から現れる出力光線の概略図。
【図６Ｃ】 図４の屈折器の第２の段階から現れる出力光線の概略図。
【符号の説明】
１１…着色ＬＥＤ光源 １１′…平行光線 １２…着色ＬＥＤ光源 １２′…平行光線 ２２…反射表面 ２４…第１フェーセット ２６…第２フェーセット ２３，２５…窓 ２８…同等の第２フェーセット表面 ２９…第３フェーセット表面 ３０…成形プラスチックブロック ３１，３１′…窓 ３２…第１の屈折性表面 ３３…第１のフェーセット ３４…第２のフェーセット ３６…第２の屈折性表面 ３７…第１の平行フェーセット ３８…第２の平行フェーセット ３０，４０…屈折性スプリッタ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 パシュレイ ミカエル ディー オランダ国 5581 エイダブリュー アイ ンドーフェン プロフ ホルストラーン ６ (72)発明者 マーシャル トーマス オランダ国 5581 エイダブリュー アイ ンドーフェン プロフ ホルストラーン ６ (72)発明者 ヘルマン ステファン オランダ国 5581 エイダブリュー アイ ンドーフェン プロフ ホルストラーン ６ Ｆターム(参考） 5F041 AA07 AA11 DC83 EE25 FF11

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 光線を混合する装置であって、鋸歯状パターンを形成するよう
    に複数の平行な第１のフェーセットと複数の平行な第２のフェーセットとが交互
    に配されてなるフェーセット表面を有し、 これらフェーセットは、前記第２のフェーセットに平行に前記第１のフェーセ
    ットに入射する光線が前記第１のフェーセットによって複数の間隔をあけた第１
    のサブビームとして偏向され、前記第１のフェーセットに平行に前記第２のフェ
    ーセットに入射する光線が前記第２のフェーセットによって複数の間隔をあけた
    第２のサブビームとして偏向され、前記第１のサブビームと前記第２のサブビー
    ムとが互いに平行にかつ交互に配されるように配置され、 当該装置はさらに、 前記第２のフェーセットに略平行に前記第１のフェーセットに入射する第１の
    平行入力光線を発する第１のＬＥＤ光源と、 前記第１のフェーセットに略平行に前記第２のフェーセットに入射する第２の
    平行入力光線を発する第２のＬＥＤ光源と、 を有する、光線混合装置。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載の装置であって、前記フェーセット表面は、反
    射性表面であり、これにより前記第１及び第２の入力光線が、前記第１及び第２
    のフェーセットによって平行な第１及び第２のサブビームとして反射される、装
    置。
  3. 【請求項３】 請求項２に記載の装置であって、前記反射性表面は、第１の反
    射性表面であり、当該光線混合装置は、 前記第１の反射性表面と同等な第２の反射性表面と、 前記第２の反射性表面の当該第２のフェーセットに対して略平行に前記第２の
    反射性表面の当該第１のフェーセットへ入射する第３の平行入力光線を発する第
    ３のＬＥＤ光源と、 前記第２の反射性表面の前記第１のフェーセットに対して略平行に前記第２の
    反射性表面の前記第２のフェーセットへ入射する第４の平行入力光線を発する第
    ４のＬＥＤ光源と、 前記第１及び第２の反射性表面と略同等な表面であって、前記第１の反射性表
    面によって反射された平行な第１及び第２のサブビームを受光するように配され
    た第１のフェーセットと、前記第２の反射性表面によって反射された平行な第１
    及び第２のサブビームを受光するように配された第２のフェーセットとを有し、
    前記サブビームの全てを平行に反射するようにした第３の反射性表面と、 をさらに有する装置。
  4. 【請求項４】 請求項２に記載の装置であって、前記第１及び第２のフェーセ
    ットの各対は、それらの間で１２０度の角度を有し、これにより前記入力光線の
    各々は、前記第１及び第２のフェーセットのそれぞれに対して３０度の入射角を
    有する、装置。
  5. 【請求項５】 請求項１に記載の装置であって、前記フェーセット表面は、屈
    折性表面であり、これにより前記第１及び第２の入力光線は、前記第１及び第２
    のフェーセットによって平行な第１及び第２のサブビームとして屈折させられる
    、装置。
  6. 【請求項６】 請求項５に記載の装置であって、前記屈折性表面は、第２の屈
    折性表面であり、当該装置は、前記第２の屈折性表面に対して略平行な屈折性表
    面であって鋸歯状パターンを形成するように複数の平行な第２のフェーセットと
    交互に配される複数の平行な第１のフェーセットを有する第１の屈折性表面をさ
    らに有し、前記第１の屈折性表面のフェーセットは、同じ入射角でこれに入射し
    た平行光線が、前記第１のフェーセットによって前記第２のフェーセット表面の
    前記第１のフェーセットへ向かって当該第２のフェーセットに対して平行に屈折
    させられるとともに、前記第２のフェーセットによって前記第２のフェーセット
    表面の前記第２のフェーセットへ向かって当該第１のフェーセットに対して平行
    に屈折させられるように配され、 前記第１及び第２のＬＥＤ光源は、前記第１の屈折性表面へ向かって前記第１
    及び第２の入力光線を平行に発するよう配される、装置。
  7. 【請求項７】 請求項６に記載の装置であって、前記第１及び第２のフェーセ
    ット表面は、第１の固体屈折性分割エレメントの対向側部に形成される、装置。
  8. 【請求項８】 請求項７に記載の装置であって、前記第１の固体屈折性分割エ
    レメントと同等で、前記第１の固体屈折性分割エレメントに対して平行でかつ９
    ０度回転させられた第２の固体屈折性分割エレメントと、 前記第１及び第２のＬＥＤ光源と共に四角形グリッドを形成し、前記第１の固
    体屈折性分割エレメントの前記第１のフェーセット表面へ向かって前記第１及び
    第２の入力光線に略平行に第３及び第４の平行入力光線を発するよう構成された
    第３及び第４のＬＥＤ光源と、 をさらに有する、装置。
  9. 【請求項９】 請求項８に記載の装置であって、四角形グリッドの形態で配さ
    れた前記第１，第２，第３及び第４のＬＥＤ光源の各々と同等の複数のＬＥＤ光
    源を有する装置。
  10. 【請求項１０】 請求項８に記載の装置であって、前記第１及び第２のＬＥＤ
    は、異なる第１及び第２色の光を発し、前記第３及び第４の入力光線は、異なる
    第２及び第３色の光を発する、装置。
  11. 【請求項１１】 請求項７に記載の装置であって、前記フェーセット表面は、
    中央面に対して平行であり、前記フェーセットの各々は、当該中央面に対して角
    度２を形成し、この角度２が、ｎ１を前記固体エレメントの外側の媒体の屈折率
    としｎ２を前記固体エレメントの屈折率としたとき、 ２ｓｉｎ２２−（ｎ１／ｎ２）ｓｉｎ２−１＝０ なる式によって与えられる、装置。
  12. 【請求項１２】 請求項１に記載の装置であって、前記フェーセット表面の周
    期は、０.５ｍｍ未満である、装置。
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