JP2008517316A - 電気的に制御可能な散乱を用いるビーム整形器 - Google Patents

Abstract

本発明は、光ビームの整形を電気的に制御するための装置に関する。前記装置は、光源から出て来る前記光ビームを整形するよう構成される第１光学部品を有する。前記装置は、電気的に制御可能な光学素子であって、当該素子が光リダイレクトモードにある場合に、当該素子に当たる光の方向を変更するよう構成される電気的に制御可能な光学素子を更に有する。前記光学素子は、例えばＰＤＬＣ材料又はＬＣゲルを用いて作成される、電気的に制御可能な散乱素子であり得る。前記光学素子の光のリダイレクションの度合いは、前記ＬＣ材料に電界を印加するによって制御される。最後に、前記装置は、前記光学素子からの散乱、回析又は屈折された前記光ビームを整形するよう構成される第２光学部品を有する。

Description

本発明は、光ビームの整形（shaping）を電気的に制御する装置に関する。

多くの光アプリケーションにおいて、発光ダイオード（ＬＥＤ）などの光源から出て来る光の形状及び方向を制御することは望ましい。多くのアプリケーションにおいて、光ビームの形状を制御することが出来ることは望ましい。一般的には、反射器を用いるスポットライトは、約１０°の半値全幅(full-width half-maximum)(FWHM)のビームの開き(divergence)を持ち、フラッドライト(flood light)のビームの開きは、約４０°のFWHMである。この文脈において、FWHMパラメータは、最大強度の半分の強度における拡がり角として規定されている。従来技術においては、光ビームの形状を能動的に制御するために、レンズアレイなどの電気的に切替可能な光学部品が提案されている。しかしながら、これらのタイプの部品は、光学装置及びシステムにおいて実装するには高くつく複製技術(replication technique)を基にしている。更に、ほとんどのこのような部品は、一般的に、セルであって、液晶分子がセル表面に対して平行に一軸配向されるセルを用いる。このようなセルにおいては、電界の印加は、偏光方向の１つしか変えず、従って、非偏光の５０％しか変えない。他の偏光方向に影響を及ぼすためには、第２のセルが用いられなければならない。不利なことには、これは、発光の著しい付加的な損失をもたらす。

光の電気的に制御される散乱は、多様な方法で達成され得る。電気的に制御される光の散乱を達成するための一般的な方法は、高分子分散型液晶(ＰＤＬＣ)又は液晶ゲルを利用するものである。ＰＤＬＣは、等方性ポリマ(isotropic polymer)内に液晶分子を分散させることによって作成される。一般的に、液晶材料は、透明電極を備える２つのガラス板の間に配設され、それによって、セルが形成される。ガラス板間に電界が印加されない場合、液晶は、ランダムに配向され、これは、光が多くの方向に散乱される散乱モードを作成する。電界を印加することによって、散乱は徐々に減り、液晶が電界に対して平行に並ぶ場合、液晶分子の屈折率は、ポリマの屈折率と一致し、そこで、透過モードが作成され、光はセルを通過する。他方、ＬＣゲルは、配向異方性ポリママトリックス(oriented anisotropic polymer matrix)内に液晶を分散させることによって作成される。負の誘電異方性を持つＬＣゲルの場合は、電界が印加されない場合に透過モードを呈する。電界がない場合、液晶分子は、セル表面に対して垂直な方向に配向され、従って、ＬＣセル内で大規模な屈折率変動はない。電界が印加される場合、液晶は、電界に対して垂直な向きになる傾向があり、ＬＣセル内で屈折率変動が引き起こされ、斯くして、散乱モードが作動される。

0578827という公開番号を持つ欧州特許出願は、光源と、前記光源から放射される光のうち所望の量を散乱させるための液晶光調節板と、前記液晶板の光散乱率を制御するための制御電源とを具備する照明器を開示している。光源から放射される光の一部であって、散乱されずに液晶光調節板を通過する一部が、照明のために利用される。光散乱率を制御するために印加される制御電源電圧を変えることによって、照明光の明るさを連続的に変えることが可能である。

欧州特許出願公開第0578827号における問題は、液晶光調節板が、散乱効果を得る特定の電圧状態において動作する場合に、非常に大きい角度まで光を散乱させることにある。このような照明器が対象物を照明する場合、照明器の光ビームの一部は、対象物の上又は近傍に当たらず、非常に大きい角度まで散乱され、対象物から遠くへ散乱される。結果として、調節板は減光効果をもたらす。

本発明の目的は、上記の問題を解決し、光ビームの電気的に制御される整形を可能にする装置を提供することにある。

この目的は、請求項１の記載の、光ビームの整形を電気的に制御する装置によって達成される。

本発明の第１の面においては、前記光ビームを整形するよう構成される第１光学部品(primary optics)と、光リダイレクトモード(light redirecting mode)時に、整形された前記光ビームに変更を加えるよう構成される電気的に制御可能な光学素子と、前記電気的に制御可能な光学素子によって変更を加えられた前記光ビームを整形するよう構成される第２光学部品(secondary optics)とを有する装置が提供される。

本発明の基本的なアイディアは、光ビームの電気的に制御される整形を可能にする装置を提供することにある。前記装置は、前記光ビームを整形するよう構成される第１光学部品を有する。前記光ビームは、一般的に、ＬＥＤ、レーザ又は何らかの他の適切な光源といった光源から出て来る。前記装置は、更に、電気的に制御可能な光学素子であって、前記素子が光リダイレクトモードにある場合に前記素子に当たる光の方向を変えるよう構成される電気的に制御可能な光学素子を更に有する。前記光学素子は、例えばＰＤＬＣ材料又は液晶（ＬＣ）ゲルを用いることによって作成される、電気的に制御可能な散乱素子であり得る。他の例においては、前記光学素子は、回析素子又は屈折素子であり得る。前記光学素子の回析又は散乱の程度は、前記液晶材料に電界を印加することによって制御され、それにより、散乱、回析又は屈折の程度は、印加される前記電界によって変化する。従って、前記光リダイレクトモードにおいては、前記光学素子は、前記光学素子に当たる光を、例えば、散乱、回析又は屈折させることが出来る。最後に、前記装置は、前記光学素子からの散乱、回析又は屈折された光ビームを整形するよう構成される第２光学部品を有する。

本発明は、単一セル構成を用いて実現され得る、偏光とは無関係の散乱効果を与えることから有利である。前記光学素子は、前記光源の虚像の位置(virtual position)を部分的に前記光学素子の位置へ移す。従って、前記第１光学部品が、事実上の光源として前記ＬＥＤを持つのに対して、前記第２光学部品は、事実上の光源として前記散乱素子を持つ。散乱、回析又は屈折ビームの角度強度パターン（即ち、ビームの強度対ビームの開き）は、前記光学素子に印加される電圧に依存して変えられ得る。

本発明の実施例によれば、前記第１光学部品は、前記光源から出て来る前記ビームの一部のための、最大限の光抽出及びコリメーションを供給するよう構成され、前記電気的に制御可能な光学素子は、散乱モード時に前記ビームを散乱させるよう構成され、前記第２光学部品は、前記第２光学部品に当たる光を、より広い角度分布を持つよう整形するよう構成される。更に、前記第２光学部品は、前記光源から出て来る、散乱されていないビームを整形するよう構成され、それは、前記電気的に制御可能な光学素子が透過モードにある場合、前記第１光学部品によって整形されない。この実施例は、前記光源から出て来る前記ビームを整形するのに前記第１光学部品と前記第２光学部品との両方が用いられる場合に、前記第１光学部品及び前記第２光学部品の大きさの合計がかなり小さくなることから、有利である。

本発明の他の特徴及び利点は、添付されている特許請求の範囲及び以下の記載を調べれば明らかになるであろう。以下に記載されている実施例以外の実施例を作成するよう本発明の異なる特徴が組み合され得ることは、当業者には分かるであろう。

以下に、添付図面を参照して本発明の好ましい実施例をより詳細に記載する。

図１は、ＰＤＬＣ材料を用いて形成される、従来技術の電気的に制御可能な散乱素子１０１の断面図を示している。図１ａは、光散乱モードの散乱素子を示しており、図１ｂは、透過モードの散乱素子を示している。液晶材料１０２は、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）などの透明電極の伝導層１０５を備える２つの透明なガラス板１０３の間に配置されるポリママトリックス１０４内に埋め込まれる。図１aに示されているように、ガラス板１０３の間に電界が印加されない場合には、液晶は互いに対してランダムに配向され、それによって、光は多くの方向に散乱される。図１ｂに示されているように、例えば、電圧発生器１０６によって電界が印加される場合には、液晶は電界に対して平行に並び、光はセルを通過し、透過モードを作成する。ＬＣゲルによって形成されるセルは、印加電界に関して逆に機能し、電界が印加されない場合に、液晶が揃えられ、透過モードを作動させる。電界が印加される場合、液晶は光を散乱させる。

ＬＣゲル材料は、電源がオフである場合にセルが透過モードにあるという利点を持ち、幾つかのアプリケーションにおいて、これは好ましいであろう。ＰＤＬＣ材料対ＬＣゲル材料の選択のためには、実際の用途を考慮に入れる必要がある。

図２は、光ビームの整形を電気的に制御するための装置２００が設けられている本発明の好ましい実施例を示している。装置２００の概略的な断面図が示されている。装置２００は、第１光学部品２０２と、電気的に制御可能な光学素子２０３と、第２光学部品２０４とを有する。装置は、個々の用途によって、光学部品と一体化される又は別個の素子として付加される光源２０１、例えばＬＥＤも有し得る。以下においては、装置は、ＬＥＤ又はＬＥＤの集まり(cluster)２０１を含むと仮定されている。多数のＬＥＤが用いられる場合には、ＬＥＤは、第１のＬＥＤは第１の原色を放射し、第２のＬＥＤは第２の原色を放射し、前記第２の原色は前記第１の原色と異なるように構成され得る。更に、装置は、前記集まりの中に含まれるＬＥＤが独立して制御されるよう構成されるように構成され得る。

図２ａは、透明なＬＣゲル素子２０３に電界が印加されない場合の装置２００を図示しており、図２ｂは、光学素子２０３に電界が印加され、それによって、光学素子２０３が、散乱、屈折又は回析効果を与えることにより、光学素子２０３に当たる光をリダイレクトする場合の装置２００を示している。図２ａにおいて、ＬＥＤ２０１によって放射された光は、第１光学部品２０２によって整形される。第１光学部品は、例えば、ファセット反射器(faceted reflector)によって実現され、第２光学部品２０４との組み合わせにおいて、光学素子２０３が透過モードにある場合に、ある一定のビーム、例えば、２×５°のスポットビームの整形が達成されるように選ばれる。

図２ｂにおいては、光ビームは、光学素子２０３に印加される電界によって光リダイレクトモードにされている光学素子２０３によって拡散される。図２ｂに図示されているように、ビームは、多様な方向に散乱される。次いで、第２光学部品２０４が、散乱された光ビームを再整形する。セルの両端間に印加される電圧を変更することによって、（光源２０１によって放射され、第１光学部品によって整形されている光）散乱されていない光に対する、第２光学部品によって整形される光の割合は、変えられることができ、これは、結果として生じる光ビームの形状を変える。

図３は、本発明の別の実施例による光ビームの整形を電気的に制御するための装置の断面図を示しており、前記装置においては、光学素子３０３が透過モードにある場合にだけ、第１光学部品３０２によって、光源３０１からの光ビームのコリメーションが行われる。従って、装置３００は、第１光学部品３０２と、電気的に制御可能な散乱素子３０３と、第２光学部品３０４と、ＬＥＤ３０１とを有する。図３ａは、光学素子３０３が透過モードにある場合の装置３００を図示しており、図３ｂは、光学素子３０３が散乱モードにある場合の装置３００を図示している。図３ａにおいては、ＬＥＤ３０１によって放射された光ビームは、実質的には、第２光学部品３０４及び散乱光学素子３０３による影響を受けない。他方、第１光学部品３０２は、光源３０１によって放射されたビームを整形する。図３ｂにおいては、第１光学部品３０２によって整形されたビームが、光学素子３０３によって散乱される。図３ｂに図示されているように、ビームは、より大きな角度まで散乱される。次いで、第２光学部品３０４が、所望の拡がり角を持つ光ビームを作成するために、散乱されたビームを再整形する。

図２及び３から分かるように、基本的なアイディアは、第１光学部品２０２、３０２が、ビームを、ある一定の角度分布を持つよう（図２のように）部分的に又は（図３のように）完全に整形し、第２光学部品２０４、３０４が、ビームを、別の角度分布を持つよう整形するというものである。素子２０３、３０３によって散乱される光の量を制御することによって、第２光学部品に向けられる光の量は調節される。第２光学部品２０４、３０４によって整形される光の量は、散乱素子２０３、３０３に印加される電界を変えることによって制御され得る。光源２０１、３０１から出て来る光ビームの形状は、このようにして調節され得る。本発明の装置を用いると、ＰＤＬＣ素子に対する印加電圧が０乃至４０Ｖの範囲内である場合は、半値全幅（ＦＷＨＭ）角度は、４０Ｖにおける５０°から０Ｖにおける８０°まで変えられ得る。印加電圧を変えることによって、これらの極値間の任意のＦＷＨＭ角度が達成され得る。

図４は、本発明の実施例による光ビームの整形を電気的に制御するための装置の断面図を示している。装置４００は、第１光学部品４０２と、電気的に制御可能な散乱素子４０３と、第２光学部品４０４と、光源４０１とを有する。図４に示されている実施例は、図３に関連して記載されている実施例と同じ光機能を持つ。しかしながら、図４においては、第１光学部品４０２及び第２光学部品４０４は、金属製反射器を有する。

図５は、本発明の別の実施例による光ビームの整形を電気的に制御するための装置の断面図を示している。装置５００は、第１光学部品５０２と、電気的に制御可能な散乱素子５０３と、第２光学部品５０４と、光源５０１とを有する。図５に示されている実施例は、図２に関連して記載されている実施例と同じ光機能を持つ。しかしながら、図４と同様に、第１光学部品５０２及び第２光学部品５０４は、金属製反射器を有する。

更に、多数の電気的に制御可能な光学素子が、他の光学ステージ（optical stage)と組み合わせて用いられ得る機構があり得る。言い換えると、多数の散乱素子及び反射器が、光源から出て来るビームの整形に用いられ得る。従って、当業者には、静的なビーム整形素子と組み合わせて、複数の電気的に制御可能な光学素子が配列され得ることは分かるであろう。

本発明の特定の例示実施例に関連して本発明を説明しているが、当業者には、多様な変形例、修正例などが明らかになるであろう。それ故、記載されている実施例は、添付されている特許請求の範囲によって規定される本発明の範囲を限定するためのものではない。

ＰＤＬＣ材料を用いて形成される、従来技術の電気的に制御可能な散乱素子の断面図を示す。 ＰＤＬＣ材料を用いて形成される、従来技術の電気的に制御可能な散乱素子の断面図を示す。 光ビームの整形を電気的に制御するための装置が設けられている本発明の実施例の断面図を示す。 光ビームの整形を電気的に制御するための装置が設けられている本発明の実施例の断面図を示す。 光ビームの整形を電気的に制御するための装置が設けられている本発明の別の実施例の断面図を示す。 光ビームの整形を電気的に制御するための装置が設けられている本発明の別の実施例の断面図を示す。 光ビームの整形を電気的に制御するための装置が設けられている本発明の更に別の実施例の断面図を示す。 光ビームの整形を電気的に制御するための装置が設けられている本発明の更に別の実施例の断面図を示す。 光ビームの整形を電気的に制御するための装置が設けられている本発明の更にまた別の実施例の断面図を示す。 光ビームの整形を電気的に制御するための装置が設けられている本発明の更にまた別の実施例の断面図を示す。

Claims (18)

1. 光ビームの整形を電気的に制御するための装置であって、
   前記光ビームを整形するよう構成される第１光学部品と、
   光リダイレクトモード時に、整形された前記光ビームに変更を加えるよう構成される電気的に制御可能な光学素子と、
   前記電気的に制御可能な光学素子によって変更を加えられた前記光ビームを整形するよう構成される第２光学部品とを有する装置。
2. 前記第１光学部品が、前記光ビームを整形するよう構成され、前記電気的に制御可能な光学素子が、光リダイレクトモード時に、整形された前記光ビームの分布を変えるよう構成され、前記第２光学部品が、前記光ビームであって、当該光ビームの分布が変えられている前記光ビームを整形するよう構成される請求項１に記載の装置。
3. 前記電気的に制御可能な光学素子が、前記光リダイレクトモード時に前記光ビームをリダイレクトするよう構成され、前記第２光学部品が、リダイレクトされた前記光ビームしか整形しないよう構成される請求項１又は２に記載の装置。
4. 更に、前記第２光学部品が、前記電気的に制御可能な素子が透過モードにある場合、前記光ビームを整形するよう構成される請求項１乃至３のいずれか一項に記載の装置。
5. 前記電気的に制御可能な光学素子が、当該光学素子の、光ビームのリダイレクションを電気的に制御するために、当該光学素子に電圧が印加され得るように構成される請求項１乃至４のいずれか一項に記載の装置。
6. 前記電気的に制御可能な光学素子が、様々な印加電圧が、前記リダイレクトされたビームの様々な開きをもたらすように構成される請求項５に記載の装置。
7. 前記電気的に制御可能な光学素子が、様々な印加電圧が、入って来る前記ビームの様々な部分の向きが変えられることをもたらすように構成される請求項５に記載の装置。
8. 前記第１光学部品が、全内部反射を呈するように構成される請求項１乃至７のいずれか一項に記載の装置。
9. 前記光ビームを生成する光源を更に有する請求項１乃至８のいずれか一項に記載の装置。
10. 前記光源が少なくとも１つの発光ダイオードを有する請求項８に記載の装置。
11. 前記光源が、少なくとも、第１原色を放射する第１発光ダイオードと、第２原色を放射する第２発光ダイオードとを有し、前記第２原色が前記第１原色と異なる請求項１０に記載の装置。
12. 異なる原色を放射する、少なくとも２つの発光ダイオード又は発光ダイオードの集まりが、独立して制御されるよう構成される請求項１１に記載の装置。
13. 他の電子部品との組み合わせにおいて、フィードバック制御システム及び／又はフィードフォワード制御システムを供給する、１つ以上の温度センサ及び／又は光センサを更に有する請求項１０乃至１２のいずれか一項に記載の装置。
14. 前記電気的に制御可能な光学素子が、光のリダイレクションを施すよう構成される液晶素子を有する請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の装置。
15. 前記電気的に制御可能な素子が、高分子分散型液晶を有する請求項１乃至１４のいずれか一項に記載の装置。
16. 前記電気的に制御可能な光学素子が、液晶ゲルを有する請求項１乃至１４のいずれか一項に記載の装置。
17. 前記電気的に制御可能な光学素子が、前記光リダイレクトモード時に光を散乱、屈折又は回析させるよう構成される請求項１乃至１６のいずれか一項に記載の装置。
18. 前記第１光学部品が、多数の光学素子を有することができ、前記電気的に制御可能な光学素子が、多数の光学素子を有することができ、前記第２光学部品が、多数の光学素子を有することが出来る請求項１乃至１７のいずれか一項に記載の装置。

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