JP2011233433A - 照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光の照射方向を可変にした照明装置において、大きな変化幅で連続的に照射方向を変えることを可能にする。
【解決手段】照明装置１は、光軸２１の向きが互いに異なる複数の光源部２と、光源部２の光軸２１が重なり合う擬似光源３とを備える。擬似光源３は、屈折により光の進行方向を連続的に切替自在とする光学部材４を有する。これにより、点灯する光源部２を切り替えることによって、光の照射方向を大きく切り替え、光学部材４によって照射方向が連続的に補間される。
【選択図】図１

Description

本発明は、光の照射方向を可変にした照明装置に関する。

従来から、光の照射方向を可変にした照明装置として、電球を有するスポットライトの向きをモータを用いて可変にしたものが知られている。このような照明装置は、装置の水平面内の向き及び水平面に対する向きを変えるため、２つのモータとモータ駆動用の駆動機構が必要であり、大型で重たくなる。

また、複数の光源を配置し、個々の光源の光量を制御することによって配光を制御可能とした照明装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。このような照明装置は、モータ等が不要であるが、複数の光源を順次点滅させる送り点灯によって光の照射方向を切り替えるため、照射方向の変化が離散的となり、照射方向を連続的に可変にすることができない。

また、頂角可変プリズム（バリアングルプリズム）や液体レンズを用いて光の屈折によって光の照射方向を変えることが知られている（例えば、特許文献２及び特許文献３参照）。このような頂角可変プリズム等を照明装置に用いて照射方向を可変にすると、照射方向を連続的に可変にすることができ、また、モータ等が不要となり、装置を小型で軽くすることができる可能性がある。しかし、頂角可変プリズム等は、使用する光学材料の屈折率の大きさに限界があるため、照射方向を変える角度を大きくすることが難しい。

特開平１１−６６９１６号公報 特開２００５−３１７８７９号公報 特開２００８−１５８２４７号公報

本発明は、上記問題を解決するものであり、光の照射方向を可変にした照明装置において、大きな変化幅で連続的に照射方向を変えることを可能にすると共に、装置を小型で軽くすることを目的とする。

本発明の照明装置は、光軸の向きが互いに異なる複数の光源部と、前記光源部の光軸が重なり合う擬似光源と、を備え、前記擬似光源は、屈折により光の進行方向を連続的に切替自在とする光学部材を有することを特徴とする。

この照明装置において、前記光源部は、光源と、この光源から照射される光を集光する集光部と、を有し、この集光部により光が最も集光される位置が前記擬似光源の位置と略一致することが好ましい。

この照明装置において、隣り合う前記光源部の光軸の成す角度は、前記光学部材が光の進行方向を切替可能な角度範囲と略等しいことが好ましい。

本発明によれば、点灯する光源部を切り替えることによって、装置の向きを変えずに、光の照射方向を大きく切り替え、光学部材によって照射方向を連続的に補間するので、大きな変化幅で連続的に照射方向を変えることができ、装置を小型で軽くすることができる。

本発明の一実施形態に係る照明装置の斜視図。 同照明装置の断面図。 同照明装置における光源部の断面図。 上記実施形態の変形例に係る照明装置の斜視図。 同照明装置の断面図。 （ａ）は本発明の一実施形態に係る照明装置における光学部材としての頂角可変プリズムの断面図、（ｂ）（ｃ）は同頂角可変プリズムの頂角を変化させたときの断面図。 同照明装置における光学部材の変形例としての液体レンズの断面図。 同液体レンズにおける第２の電極の平面図。 （ａ）（ｂ）は同液体レンズの電圧印加時の断面図。 （ａ）は本発明の一実施形態に係る照明装置における光学部材の別の変形例としての液晶レンズにおける電圧印加時の実効複屈折率を示す図、（ｂ）は同液晶レンズの断面図。 同液晶レンズにおける電極の平面図。 （ａ）は同液晶レンズにおける電圧無印加時の実効複屈折率を示す図、（ｂ）は同液晶レンズの断面図。 （ａ）は同液晶レンズにおける印加電圧を変えた時の実効複屈折率を示す図、（ｂ）は同液晶レンズの断面図。 同液晶レンズにおける電極の変形例の平面図。 本発明の一実施形態に係る照明装置の動作説明図。

本発明の一実施形態に係る照明装置を図１乃至図３を参照して説明する。図１及び図２に示されるように、照明装置１は、光軸２１の向きが互いに異なる複数の光源部２と、光源部２の光軸２１が重なり合う擬似光源３とを有する。擬似光源３は、複数の光源部２によって形成される擬似的な光源である。擬似光源３は、屈折により光の進行方向を連続的に切替自在とする光学部材４を有する。光学部材４は、頂角可変プリズム、液体レンズ、又は液晶レンズ等であり、擬似光源３に配置される。

照明装置１は、半球ドーム状の筺体５と、筺体５の内面に対向する平板円環形状のパネル６とを有する。光源部２は、筺体５の内面に配置される。光源部２の光軸２１は、筺体５の半球形状の中心で重なり合う。従って、擬似光源３は、筺体５の半球形状の中心に形成される。光学部材４は、パネル６の中心開口に設けられる。光源部２から出射された光は、光路Ｌ１で示すように、光学部材４に入射され、光学部材４によって屈折されて装置外に照射される。

図３に示されるように、光源部２は、光源２２と、光源２２から照射される光を集光する集光部２３とを有する。光源２２は、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）である。照明装置は、光源２２を点灯するための点灯回路（図示せず）を有する。点灯回路は、複数の光源部２を個別に点灯するように構成される。集光部２３は、本実施形態では集光レンズとしたが、これに限定されず、例えば、反射板、又はレンズと反射板の組み合わせであってもよい。レンズは、アクリルやポリカーボネイト等の樹脂やガラス等を成形して作製される。反射板は、例えばアルミ板を絞り加工して作製される。光源２２から照射された光は、集光部２３に入射されて集光される。

集光部２３により光が最も集光される位置が擬似光源３の位置と略一致することが好ましい（図２参照）。これにより、光学部材４を小型にすることができ、照明装置１のコストダウンや小型化を図ることができる。

複数の光源部２の配置は、光軸２１の向きが互いに異なると共に、光軸２１が擬似光源３で重なり合っていればよく、半球ドーム状の配置に限定されない。図４及び図５は、光源部２の配置の変形例を示す。本変形例では、筺体５は、直方体箱状であり、複数の光源部２が筺体の内面に平面状に配置される。複数の光軸２１は、筺体５における光源部２が配置される面に対向する面の中心付近で重なり合うように設定される。光軸２１が重なり合う位置に擬似光源３が形成される。筺体５は、擬似光源３の位置に開口を有する。筺体５の開口に光学部材４が設けられる。

図６（ａ）（ｂ）（ｃ）は、光学部材４として用いられる頂角可変プリズムを示す。頂角可変プリズム７は、例えば、所定の隙間を設けて対向させた一対の透明基板７１と、対向する透明基板７１の周縁部を接続する蛇腹７２と、透明基板７１と蛇腹７２で形成される空間内に密封された高屈折率液体７３とを有する。透明基板７１の周縁部には、蛇腹７２を保持する保持枠７４が設けられる。

透明基板７１は、例えばガラス板である。蛇腹７２は、例えばポリエチレンを成形したものである。高屈折率液体７３は、例えばシリコーンオイルである。頂角可変プリズム７は、電磁アクチュエータ又は圧電素子アクチュエータ（図示せず）などによって、対向する透明基板７１が成す角度、すなわち、プリズムの頂角が変更される。

図６（ａ）に示されるように、対向する透明基板７１が平行である時、頂角可変プリズム７は、プリズムとして機能しない。光路Ｌ２で示すように、頂角可変プリズム７の一方の透明基板７１に入射した光は、進行方向を変えずに、他方の透明基板７１から出射される。

図６（ｂ）（ｃ）に示されるように、電磁アクチュエータ等の駆動によって、蛇腹７２の一方を圧縮又は伸長すると、対向する透明基板７１は非平行となる。この時、頂角可変プリズム７は、プリズムとして機能する。プリズムの頂角θの大きさは、電磁アクチュエータ等を駆動することによって変更される。光路Ｌ３、Ｌ４で示すように、頂角可変プリズム７は、入射した光の進行方向を屈折によって変えて出射する。

図７は、光学部材４の変形例として、頂角可変プリズム７に替えて用いられる液体レンズを示す。液体レンズ８は、例えば、導電性液体８１、絶縁性液体８２、環状の第１の電極８３、平面視円弧状で複数に分割された第２の電極８４、導電性液体８１及び絶縁性液体８２の周囲に設けられた絶縁膜８５、及びそれらを収容する透明ケース８６を有する。

導電性液体８１は、それ自体が導電性を有する水溶液等の液体、又は、イオン成分を付加することによって導電性を付与した液体である。絶縁性液体８２は、導電性液体８１と異なる屈折率を有し、導電性液体８１と混合しない液体であり、例えばシリコーンオイル等である。導電性液体８１と絶縁性液体８２は、互いに分離した状態になり、界面８７を形成する。第２の電極８４は、図８に示されるように、平面視で略均等に分割されており、４つの第２の電極８４ａ、８４ｂ、８４ｃ、８４ｄで構成される。

このような液体レンズ８において、第１の電極８３と第２の電極８４の間に電圧を印加しない時、図７に示されるように、液体レンズ８への入射光は、光路Ｌ５で示すように進行方向を変えずに出射される。

図９（ａ）（ｂ）は、液体レンズ８の第１の電極８３と第２の電極８４の間に電圧を印加した時の界面８７の形状変化を示す。図９（ａ）に示されるように、第１の電極８３と１つの第２の電極８４ａの間に電圧を印加すると、エレクトロウェッティング現象が生じる。エレクトロウェッティング現象とは、電圧の印加によって表面の濡れ性が変化する現象である。絶縁膜８５の表面の濡れ性が変化すると、界面８７と絶縁膜８５との成す角度が変化する。このため、界面８７が一方に傾斜した形状となり、光路Ｌ６で示すように、液体レンズ８への入射光が一方向に曲げられて出射される。入射光を曲げる角度の大きさは、印加電圧の大きさによって変えられる。図９（ｂ）に示されるように、第１の電極８３と第２の電極８４ｃの間に電圧を印加すると、界面８７の傾斜方向が、第２の電極８４ａに電圧を印加する場合とは反対になる。電圧を印加する第２の電極８４ａ、８４ｂ、８４ｃ、８４ｄを選択することによって、界面８７の傾斜方向を変え、任意の方向に入射光を曲げて出射することができる。

図１０、図１１は、光学部材４の別の変形例として、頂角可変プリズム７又は液体レンズ８に替えて用いられる液晶レンズの例を示す。図１０（ａ）（ｂ）は、液晶レンズへの印加電圧と液晶レンズを示す。同図の横軸ｘは、液晶レンズ９のレンズ面に沿った方向の座標軸である。液晶レンズ９は、複数の透明電極９１が配置された２枚の透明基板９２と、透明基板９２間にネマチック液晶等の液晶９３が封入された液晶層９４と、液晶層９４の周囲を囲むシール材９５と、偏光子９６とを有する。透明電極９１は、例えばＩＴＯ（酸化インジウム錫）から成り、表面に配向膜を有する。配向膜は、例えばポリイミド膜であり、配向処理が施される。配向処理は、液晶９３を所定の角度にチルトさせて電圧無印加の状態で所定の方向に整列配向させるための処理である。複数の透明電極９１は、図１１に示されるように、各々が短冊状に形成され、透明基板９２上に並べて配置される。透明基板９２は、例えばガラス板である。

図１０（ａ）に示すように、透明電極９１への電圧の印加によって液晶層９４の各部に電圧Ｖが印加されると、液晶層９４の各部の実効複屈折率Δｎが変化する。実効複屈折率は、入射光が実効的に影響を受ける複屈折率である。図１０（ｂ）に示すように、電圧Ｖによって液晶９３の傾きが変化する。実効複屈折率Δｎは、液晶９３の傾きに応じて変化する。なお、厳密には、電圧Ｖは、複数の透明電極９１の配置に対応して階段状に印加され、実効複屈折率Δｎも階段状に変化するが、それぞれ曲線又は直線で近似される。

液晶レンズ９において、電圧Ｖを一端から他端（ｘ方向）に漸増するように印加すると、実効複屈折率Δｎは、一端から他端に漸減する。このような実効複屈折率Δｎの場所的な変化、すなわち実効複屈折率Δｎの勾配によって入射光が屈折される。電圧Ｖを変えることによって、液晶レンズ９は、入射光の進行方法を連続的に変えることができる。

この液晶レンズ９において、図１２（ａ）（ｂ）に示されるように、透明電極９１に電圧Ｖを印加しない時（Ｖ＝０）、実効複屈折率Δｎの場所的な変化はなく（Δｎ＝一定）、液晶レンズ９に入射した光は、進行方向を変えずに出射される。

また、この液晶レンズ９において、図１３（ａ）（ｂ）に示されるように、電圧Ｖの場所的な変化を図１０（ａ）（ｂ）に示されるものと逆にすると、実効複屈折率Δｎの場所的な変化も逆になり、入射光が屈折される方向も逆になる。

短冊状の透明電極９１を複数並べた場合は、実効複屈折率Δｎの場所的な変化は一方向となる。図１４に示されるように、透明電極９１をマトリックス状に配置してもよい。この配置により、実効複屈折率Δｎを平面内の任意の方向に変化させることができ、入射光を任意の方向に屈折することができる。

図１５は、本実施形態に係る照明装置１の動作を示す。照明装置１は、点灯する光源部２を切り替えることによって、光の照射方向を離散的に大きく切り替えることができる。隣合う離散的な照射方向の間は、光学部材４によって光の照射方向を屈折により連続的に補間する。このため、照明装置１は、大きな変化幅で連続的に照射方向を変えることができる。また、モータ等によって装置の向きを変えないので、装置を小型で軽くすることができる。

隣り合う光源部２の光軸２１の成す角度αは、光学部材４が光の進行方向を切替可能な角度範囲βと略等しいことが好ましい。これにより、照射方向を連続的に切り替える範囲を維持して光源部２の数を少なくすることができ、照明装置１のコストダウンや小型化を図ることができる。

なお、本発明は、上記の実施形態の構成に限られず、発明の要旨を変更しない範囲で種々の変形が可能である。例えば、複数の光源部２の切替や、光学部材４の屈折率の制御は、手動のスイッチ切替によって行ってもよいし、コンピュータによって行ってもよい。

１ 照明装置
２ 光源部
２１ 光軸
２２ 光源
２３ 集光部
３ 擬似光源
４ 光学部材
α 光軸の成す角度
β 角度範囲

Claims (3)

1. 光軸の向きが互いに異なる複数の光源部と、前記光源部の光軸が重なり合う擬似光源と、を備えた照明装置であって、
   前記擬似光源は、屈折により光の進行方向を連続的に切替自在とする光学部材を有することを特徴とする照明装置。
2. 前記光源部は、光源と、この光源から照射される光を集光する集光部と、を有し、この集光部により光が最も集光される位置が前記擬似光源の位置と略一致することを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
3. 隣り合う前記光源部の光軸の成す角度は、前記光学部材が光の進行方向を切替可能な角度範囲と略等しいことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の照明装置。

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