JP2020509555A - 表面又は空中照明効果を生成するための照明システム - Google Patents
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Abstract
本発明は、光源出力がビーム制御プレーンに集束される照明システムを提供する。ここでは、ビーム制御プレーンで修正され得る特性を持つ、一般にコリメートされた出力ビームを生成するための二重リフレクタ出力システムがある。当該リフレクタ出力システムは、システムのサイズ及び重量を減らすだけでなく、色収差効果も減らす。
Description
本発明は、照明効果、とりわけ、スポットライトデザインに基づく照明効果を生成するための照明システムに関する。本発明は、例えば、表面上に又は空中効果(mid-air effect)として色、形状又は画像生成を提供するために舞台照明、アリーナ照明又はコンサート照明で用いるのに有意義である。
スポット照明は、基本的に、コリメートされた光出力ビームを提供することを目的とする。高密度で高度にコリメートされたビームを作成するために、出力ビームのダイバージェンスが小さいほど、必要とされる出力レンズは大きくなる。
単純なスポット光照明のために、いくつかの既知のデザインは、鏡のフォーカルプレーンにアークランプを備えた単純な放物面ミラーを使用している。これらのデザインは、一般にサーチライトと呼ばれる。これらは、コンパクトな照明ソリューションを提供する。しかしながら、これらは、光出力効果の顕著な制御(significant control)を行えない。例えば、光源が集束される及び画像生成又は画像修正システムが配置され得る場所（すなわち、ゲート）がないため、画像(image)が表示されることはできない。同様に、放物面ミラーの前面に単一の（大きな）フィルタを設ける以外に、カラーフィルタリングを実装するオプションはない。
ステージ照明及びコンサート照明等のための、より一般的にはスポット照明を使用して異なる演出照明効果を作成するための多くのアプリケーションにおいては、スポット照明システムによって生成される色、形状又は画像を制御できることが望ましい。これは、コリメートされた光出力ビームを形成する前に光源出力が集束されるフォーカルプレーンを設けることにより実現されることができる。その後、画像、色又は形状の修正が、当該フォーカルプレーンにおいて行われてもよい。
この機能を実装するスポットライトシステムも知られている。
屈折力レンズは、一般に、そのようなスポットライトアプリケーション内で最終ビーム形成要素（いわゆる「前側の群」のレンズ("front group" of lenses)）として使用される。しかしながら、屈折レンズは色収差を引き起こす。これは、ビームのエッジがレインボー効果を持つことを意味する。この色収差を補正するために、追加のレンズが使用されてもよいが、これは、スポットライトデザインにコスト、重量及びサイズを上乗せする。例えば、１つのレンズに代えて少なくとも３つのレンズが通常必要とされる。
したがって、色、形状又は画像等の制御可能な光出力特性を備え、軽量且つ低コストで実装されることができ、屈折レンズの色収差に関連する問題を回避することができる照明システムの必要性がある。
本発明は、特許請求の範囲により規定される。
本発明の一態様による例によれば、
光源出力を生成するための光源と、
光源出力をビーム制御プレーンに集束するための光学システムと、
ビーム制御プレーンの後に光源出力を事前整形するための第１のレンズシステムと、
第１のリフレクタであって、第１のレンズシステムは、光を該第１のリフレクタに方向付けるように適合されている、第１のリフレクタと、
第１のリフレクタによって反射された光から出力ビームを生成するための第２のリフレクタと
を備える照明システムが提供される。
光源出力を生成するための光源と、
光源出力をビーム制御プレーンに集束するための光学システムと、
ビーム制御プレーンの後に光源出力を事前整形するための第１のレンズシステムと、
第１のリフレクタであって、第１のレンズシステムは、光を該第１のリフレクタに方向付けるように適合されている、第１のリフレクタと、
第１のリフレクタによって反射された光から出力ビームを生成するための第２のリフレクタと
を備える照明システムが提供される。
このシステムは、ビーム制御プレーンに集束光を提供するため、適切な制御要素をビーム制御プレーンに設けることにより、出力ビームの色及び／又は形状の制御が実施され得る。１つ以上のレンズシステムと組み合わせた２つのリフレクタは、カタディオプトリック光学システムとして機能し、大きな屈折出力レンズの必要性を回避し、ゆえに色収差補正の必要性を回避する。さらに、同じ焦点距離の場合、ミラーの曲率半径は等価屈折平凸レンズの２倍であるため、システム全体を（光軸方向に）よりコンパクトにすることができる。リフレクタはまた、屈折率が同等のものよりも薄く、ゆえにより軽く形成されることができる。
システムは、ビーム制御プレーンに位置するビーム制御システムを備えることが好ましい。ビーム制御システムは、色又は形状等の出力ビームの特性が制御されることを可能にし、ましてはピクセル化された画像の生成を可能にする。ビーム制御プレーンより先のシステムの光学部品は、システムのコリメートされた出力にビーム制御プレーンにおける画像を投影するための投影システムとして機能する。これは、任意の所望の光出力効果が生成されることを可能にする。
ビーム制御システムは、ビーム出力色を選択するためのカラーフィルタ、又はビームの所望の外形を形成するための形状生成機能(shape generating feature)を備えてもよい。カラーフィルタは、例えば、ビーム制御プレーンに手動で挿入可能であってもよい。
ビーム制御システムは、通過する光のピクセル変調(pixelated modulation)を提供するためのピクセル化ディスプレイデバイスを備えてもよい。このようにして、照明システムは、画像プロジェクタとして機能してもよい。ピクセル化ディスプレイデバイスは、例えば、光源がディスプレイのバックライトとして機能し、ディスプレイデバイスが電気的に制御可能な光変調を提供する、液晶パネル、ＭＥＭ変形可能ミラーアレイ、又はその他の任意の小型の制御可能ディスプレイデバイスを備えてもよい。
第１のレンズシステムは、３つのレンズのレンズ群を備えてもよい。このレンズ群は、光が第１のリフレクタの領域をカバーするようにビームの再整形を提供し、第１のリフレクタに起因するオブスキュレーションが、最小限に抑えられる。
ある配列では、図７ａに示されるように、第１のリフレクタは双曲線ミラーを備え、第２のリフレクタは放物面ミラーを備える。これは、カセグレン式反射望遠鏡の構成となる。
別の配列では、図７ｂに示されるように、第１のリフレクタは双曲面ミラーを備え、第２のリフレクタは双曲面ミラーを備える。これは、リッチークレチアン式反射望遠鏡の構成となる。
別の配列では、図７ｃに示されるように、第１のリフレクタ及び第２のリフレクタは球面ミラーを備える。これは、シュヴァルツシルト式反射望遠鏡の構成となる。
別の配列では、図７ｄに示されるように、第１のリフレクタは平面ミラーであり、第２のリフレクタは双曲面ミラーを備える。これは、ニュートン式望遠鏡の構成となる。
斯くして、リフレクタのペアには多くの異なる構成があることが明らかである。出力は、例えば６度未満のビームダイバージェンス（拡がり角(full angle)）を持つ一般にコリメートされたビームである。
リフレクタは、鏡面反射フロントコーティングを備えてもよい。しかしながら、例えばマンジンミラー構造が使用される場合、反射は裏面で行われてもよい。負レンズとリフレクタとを組み合わせたマクストフ反射ミラーが使用されてもよい。
ある例のセットでは、第１の光学システムは、楕円面リフレクタ又は放物面リフレクタを備え、該リフレクタのフォーカルプレーンに光源が取り付けられる。光源は、例えば、アークランプ又はＬＥＤ若しくはＬＥＤ配列を備える。
別の例のセットでは、第１の光学システムは、光源の出力にレンズシステムを備える。このようにして、後方リフレクタが回避され、よりコンパクトなシステムが提供される。例えば、光源はＬＥＤのアレイを備え、レンズシステムはマイクロレンズアレイを備える。マイクロレンズアレイは、ビーム制御プレーンに所望のフォーカシングを提供するために各ＬＥＤ出力のビーム整形及びステアリングを提供する。
光源は、ＬＥＤの環状アレイを備えてもよい。これは、効率的なシステムを提供する。光源の中央領域は第１のリフレクタによって隠される(obscured)ため、光源の中央部分を省略することによりシステムはより効率的になる。斯くして、環状ＬＥＤデザインの開口部は、第１のリフレクタから生じるオブスキュレーションとマッチし、ゆえに（生成されるすべての光が出力ビームに寄与する点で）ロスレスシステムを可能にする。
以下、本発明の例を添付の図面を参照して詳細に述べる。
図１は、出力ビームの特性の制御を可能にする既知のスポットライトシステムを示す。
図２は、本発明による照明システムを概略的な形態で示す。
図３は、楕円面リフレクタの焦点におけるアーク放電ランプに基づく詳細な例を示す。
図４は、図３のシステムのレンズをより詳細に示す。
図５は、図３のデザインの斜視図を示す。
図６は、図２の光学システムとして機能するマイクロレンズのアレイを有するＬＥＤアレイを示す。
図７ａ〜７ｄは、本発明による異なる第１及び第２のリフレクタ配列を示す。
本発明は、光源出力がビーム制御プレーンに集束される照明システムを提供する。ここでは、ビーム制御プレーンで修正され得る特性を持つ、一般にコリメートされた出力ビームを生成するための二重リフレクタ出力システムがある。当該リフレクタ出力システムは、システムのサイズ及び重量を減らすだけでなく、色収差効果も減らす。
図１は、出力ビームの特性の制御を可能にする既知のスポットライトシステムを示している。光源（図示せず）は、制御プレーン１０に集束される出力を持つ。制御プレーンには、光出力ビームの特性を制御するために、テンプレート又はステンシルが置かれてもよい。このステンシルはゴボとして既知であり、制御プレーンは、ゴボプレーンと呼ばれることもある。ゴボは、所望の外形を有してもよく、及び／又は孔のパターンを含んでもよい。
ビーム制御プレーンはゲートと呼ばれ、光源とさらに下流のオプティクスとの間のフォーカスポイント(point of focus)にある。
ゴボは、シートメタル部品、反射及び／若しくはカラーフィルタリングパターンを備えるガラスシート、又はとりわけ低温ＬＥＤ照明のためのプラスチックシートとして形成されてもよい。
ビーム制御プレーン１０の下流の光学システムは、後側レンズ群１２及び前側レンズ群１４を備える。とりわけ複数のレンズが色収差補正を行うために用いられる場合、大きな前側レンズ群１４によって生じる色収差、並びに前側レンズ群の重量及びサイズが問題である。大きな出力レンズは、所望のコリメートされたビームを作成するために前側レンズ群１４に必要とされる。例として、最終出力レンズは、１５ｃｍ〜３０ｃｍの範囲の直径を有する場合がある。
図２は、本発明による照明システム２０を概略的な形態で示している。
当該システムは、光源出力を生成するための光源２２を備える。光学システム２４は、光源出力をビーム制御プレーン２６に集束する。これは、図１を参照して述べたゴボプレーンである。
第１のレンズシステム２８は、ビーム制御プレーン２６の後の光源出力の事前整形を提供する。これは、光ビームが第１のリフレクタ３０の領域にマッピングされるように設計される。斯くして、これは、ビーム制御プレーン２６における射出瞳を第１のリフレクタ３０上に結像する。第２のリフレクタ３２は、第１のリフレクタ３０によって反射された光から出力ビーム３４を生成する。
出力ビームの色及び／又は形状の制御は、ビーム制御プレーンに適切な制御要素（例えばゴボ）を設けることによって実施されてもよい。
図２は、ビーム制御システム２７の３つの可能なデザインを示している。第１の例はカラーフィルタ２７ａであり、第２の例は整形されたステンシル２７ｂであり、第３の例はピクセル化ディスプレイ２７ｃである。
２つのリフレクタは、大きな屈折出力レンズの必要性を回避し、ゆえに色収差補正の必要性を回避する。その結果、システム全体のサイズ及び重量が減少し得る。
任意のタイプのビーム制御システム２７が、ビーム制御プレーン２６に位置付けられてもよい。既知のゴボは、とりわけビーム形状若しくはビーム色等の出力ビームの特性が制御されることを可能にし、又は出力画像の生成を可能にする。
ビーム制御システムは静的（ステンシル若しくは他のテンプレート、又はカラーフィルタ等）であってもよいが、動的に制御可能であってもよい。この目的のために、ビーム制御システムは、動的に制御可能な画像を作成するために光源からの光を変調するための電子的に制御可能なディスプレイシステム２７ｃを備えてもよい。この目的のために、液晶パネル、又は変形可能ミラーアレイ若しくはＭＥＭシャッターアレイ等の微小電気機械システム（ＭＥＭｓ）デバイス等、さまざまなディスプレイ技術が使用されてもよい。光源はバックライトとして機能し、ディスプレイシステムはピクセル光変調(pixelated light modulation)を提供する。
ビーム制御プレーン２６より先のシステムの光学部品は、システムのコリメートされた出力にビーム制御プレーンにおける画像を投影するための投影システムとして機能する。
システムのさまざまなコンポーネントの実装にはさまざまなオプションがあり、そのいくつかが以下で述べられる。しかしながら、一つの詳細な例を最初に示す。
図３は、（図２の光学システム２４として機能する）楕円面リフレクタ４２の焦点におけるアーク放電ランプ４０に基づく例を示している。アークランプは、例えば、１５００Ｗのランプである。システムの出力の直径は、３４０ｍｍである。
この特定の例では、リフレクタ４２は、以下の表１に示されるパラメータを有する。
この例では、ビーム制御プレーン２６（ゴボプレーン）は、アークランプから１４８ｍｍにある。
第１のレンズシステム２８は、３つのレンズのレンズ群を備える。
図４は、レンズをより詳細に示している。レンズ群は、ビーム制御プレーン２６から順にレンズＬ１、Ｌ２及びＬ３を有し、Ｌ４として示される平面出力カバー（窓(Window)）がある。
例えば、図３及び図４のデザインは、以下の光学特性を実現する（一次近似）。
焦点距離（Focal length)：２９５ｍｍ
ｆ値(f number)：ｆ／１
オブスキュレーション比(Obscuration ratio)：０．２４
視野(Field of view)：３１．６ｍｍ（ビーム制御プレーンのサイズ）
ビームダイバージェンス(Beam divergence)：＜６度
ｆ値(f number)：ｆ／１
オブスキュレーション比(Obscuration ratio)：０．２４
視野(Field of view)：３１．６ｍｍ（ビーム制御プレーンのサイズ）
ビームダイバージェンス(Beam divergence)：＜６度
焦点距離は、第１のレンズＬ１から第１のリフレクタＭ１までの光学システムを指す。
光学システムのｆ値は、焦点距離を出力ビームの径（第２のリフレクタＭ２の径ではない）で割った比として定義される。
オブスキュレーション比は、大きなミラー径(mirror diameter)と小さなミラー径の線形比(linear ratio)である。面積比(area ration)は、その値の２乗である。
以下の表２は、図４に示されるコンポーネントのパラメータを示している。
各レンズ(Lens)の厚さ(Thickness)の２つの値は、レンズの厚さ、及びレンズシステムにおける次のコンポーネントへのエアギャップを表す。曲率は、各レンズＬ１〜Ｌ３の入射面及び出射面に対して与えられ、正の半径(Radius)は、ビーム制御プレーン２６から見た凸面、すなわち、ビーム制御プレーン２６に向かって曲がる表面を表す。Ｉｎｆｉｎｉｔｙは無限大を意味する。
ＩＭＡは、イメージプレーン(image plane)を指し、ＯＢＪは、オブジェクトプレーン(object plane)を指す。絞り(Stop)は、入射瞳の像と一致する物理的開口（ハードアパーチャ）である。図示のデザインでは、絞りは、オブスキュレーションを最小限にするためにリフレクタＭ１にあるが、これは必須ではない。
ＩＭＡは、イメージプレーン(image plane)を指し、ＯＢＪは、オブジェクトプレーン(object plane)を指す。絞り(Stop)は、入射瞳の像と一致する物理的開口（ハードアパーチャ）である。図示のデザインでは、絞りは、オブスキュレーションを最小限にするためにリフレクタＭ１にあるが、これは必須ではない。
ＣＡＯは、クリアアパーチャ出力(clear aperture output)であり、通常、仕上げ、曲率半径、コーティング等の光学要件が満たされるレンズの直径である。これは、遮るもののない開口(unobstructed aperture)としても知られる。通常、クリアアパーチャ出力は、メカニカルアパーチャ（直径(Diameter)）よりも数ミリメートル小さい。
円錐係数値(conic)は、曲率の非球面形状を定義する（conic=0は球面に相当し、conic=-1は放物面であり、0<conic<-1は楕円面であり、conic<-1は双曲面である）。
このシステムは、光軸に近い光が第１のリフレクタＭ１から跳ね返り、ゴボプレーンに戻るのを防ぐことにより、迷光及び後方反射を最小限に抑えるようデザインされている。斯かる使用不能光(unusable light)の反射を最小限に抑える方法は、反射コーティングを施さないことにより、ミラーを通過できるようにすることである。その後、光は、ヒートシンクとして機能するミラーサポート（例えば、スパイダーウェブアームを備えるメカニカルマウント）によってブロックされる。１８ｍｍのオブスキュレーション(Obscuration)（ＡＲコート又は未コート(AR coated or uncoated)）は、光を通過させる孔(hole)の直径である。
この配列では、第１のリフレクタＭ１は双曲面ミラーを備え、第２のリフレクタＭ２は放物面ミラーを備える。これは、カセグレン式反射望遠鏡の構成となる。
図５は、図３のデザインの斜視図を示している。
前窓は、保護目的のために必要である。前窓は、レンズとして整形されることもでき、又は（空中又はイメージプレーンに）エフェクトを生成する任意のタイプのものでもあり得る。
リフレクタペアには多くのさまざまな構成が可能である。
例えば、第１のリフレクタは双曲面ミラーを備えてもよく、第２のリフレクタは双曲面ミラーを備えてもよい。これは、リッチークレチアン式反射望遠鏡の構成となる。
第１のリフレクタ及び第２のリフレクタは、シュヴァルツシルト式反射望遠鏡の構成となるように球面ミラーを備えてもよく、又は第１のリフレクタは、ニュートン式望遠鏡の構成となるように平面ミラーであってもよい。ビームダイバージェンス（拡がり角(full angle)）は、６度未満であることが好ましい。
２つのリフレクタは、反射が前面から逸れるように、コーティングされたプラスチック又は金属基板を備えてもよい。しかしながら、マンジンミラー構造が使用されてもよい。マクストフ反射ミラー等、他のリフレクタデザインが使用されてもよい。
楕円面リフレクタに代えて、放物面リフレクタが使用されてもよい。
上記の例は、大きな（直径３４０ｍｍ）システムに関する。しかしながら、本発明のデザインは、より大きいデザイン及びより小さいデザインにスケーリングされることができる。
上記の例は、アーク放電ランプに基づいている。しかしながら、システムは、ＬＥＤ光源、例えばＬＥＤのアレイを使用してもよい。これは、システム改善のためのさらなるオプションを与える。
第１に、ＬＥＤ光源は、前向きのオプティクスを使用することにより、後方リフレクタ（楕円面又は放物面リフレクタ）の使用が回避されることを可能にする。
図６は、図２の光学システム２４として機能するマイクロレンズ６２のアレイを有するＬＥＤアレイ６０を示している。各マイクロレンズは、ローカルコリメータ及びビームステアリングシステムとして機能する。一緒に、これらはフライアイレンズ配列を形成する。また、さらなる共用集光レンズ（図示せず）が、マイクロレンズアレイ上に設けられてもよい。
ＬＥＤアレイを使用する１つの特定の利点は、光出力領域の形状が選択され得ることである。図６は、環状の形状を示している。光源出力の中央部は、いずれにせよ、さらに光学的に下流の第１のリフレクタ３０によって隠される(obscured)。斯くして、この領域からの光源出力を省略することにより、光効率が改善され、ゆえに、高輝度システムが、ＬＥＤ光源配列に基づいたものとなり得る。この場合、環状ＬＥＤアレイの開口部は、第１のリフレクタから生じるオブスキュレーションとマッチする。
上記で説明したように、本発明は、表面照明効果が望まれる照明システムにとってとりわけ有意義である。しかしながら、本発明は、そのような表面効果が使用されることなく、例えば、ヘリコプターのサーチライト等の空中監視アプリケーションにも適用可能である。軽量、高効率及びコンパクトなサイズの利点は、画像生成又は色制御が必要とされない場合がある、このアプリケーション及びその他のアプリケーションでもすべて有益である。
開示された実施形態に対する他の変更は、図面、開示、及び添付の特許請求の範囲の研究から、クレームされた発明を実施する際に当業者によって理解され、達成され得る。特許請求の範囲において、「含む（comprising）」という単語は他の要素又はステップを排除するものではなく、不定冠詞「a」又は「an」は複数を除外しない。特定の手段が相互に異なる従属請求項に列挙されているという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが有利に使用できないことを示すものではない。請求項中の参照符号は、範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。
Claims (10)
- 光源出力を生成するための光源と、
前記光源出力をビーム制御プレーンに集束するための光学システムと、
前記ビーム制御プレーンの後に前記光源出力を事前整形するための第１のレンズシステムと、
第１のリフレクタであって、前記第１のレンズシステムは、光を該第１のリフレクタに方向付けるように適合されている、第１のリフレクタと、
前記第１のリフレクタによって反射された光から出力ビームを生成するための第２のリフレクタと、
前記ビーム制御プレーンに位置するビーム制御システムであって、通過する光のピクセル変調を提供するためのピクセル化ディスプレイデバイスを含む、ビーム制御システムと、
を備える照明システムであって、
前記第１のリフレクタ及び前記第２のリフレクタは、前記第１のリフレクタは双曲面ミラーであり前記第２のリフレクタは放物面ミラーである、前記第１のリフレクタ及び前記第２のリフレクタは双曲面ミラーである、前記第１のリフレクタ及び前記第２のリフレクタは球面ミラーである、並びに、前記第１のリフレクタは平面ミラーであり前記第２のリフレクタは双曲面ミラーである、から成る群から選択される、照明システム。 - 前記ビーム制御システムは、
カラーフィルタ、又は
形状生成機能
を備える、請求項１に記載のシステム。 - 前記ピクセル化ディスプレイデバイスは、液晶パネル又はＭＥＭ変形可能ミラーアレイを備える、請求項１に記載のシステム。
- 前記第１のレンズシステムは、３つのレンズのレンズ群を備える、請求項１、２又は３に記載のシステム。
- 前記光学システムは、楕円面リフレクタ又は放物面リフレクタを備え、該リフレクタのフォーカルプレーンに前記光源が取り付けられる、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のシステム。
- 前記光源は、アークランプ又はＬＥＤ若しくはＬＥＤ配列を備える、請求項５に記載のシステム。
- 前記光学システムは、前記光源の出力にレンズシステムを備える、請求項１乃至６のいずれか一項に記載のシステム。
- 前記光源はＬＥＤのアレイを備え、前記レンズシステムはマイクロレンズアレイを備える、請求項７に記載のシステム。
- 前記光源は、ＬＥＤの環状アレイを備える、請求項７又は８に記載のシステム。
- 光源出力を生成するための光源と、
前記光源出力をビーム制御プレーンに集束するための光学システムと、
前記ビーム制御プレーンの後に前記光源出力を事前整形するための第１のレンズシステムと、
第１のリフレクタであって、前記第１のレンズシステムは、光を該第１のリフレクタに方向付けるように適合されている、第１のリフレクタと、
前記第１のリフレクタによって反射された光から出力ビームを生成するための第２のリフレクタと、
を備える照明システムであって、
前記第１のレンズシステム、前記第１のリフレクタ及び前記第２のリフレクタは、カタディオプトリック光学システムとして機能するよう構成される、照明システム。
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