JP4272752B2 - 投射光用色フィルタモジュール - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は一般的にエンターテイメントおよび建築上の照明に関し、特に、照明モジュールから放出される色の色相、彩度および輝度を制御する装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
着色光源は劇場、テレビ、ツアー作品、建築上の適用において使用されることが多い。特定の芸術的な効果を得るために色相、彩度および強度において色を変化させる。芸術的な要求は、色を静的なままにすることや、色を時間に対して変化させることかもしれない。色を変化させる費用や速度、生み出される色数、色変化のスムーズさ、コンパクトなサイズおよび重さ、光が色フィルタを透過する効率が、色変更システムの実際の用途におけるすべての要因である。
【0003】
光源の色を変化させる1つの従来技術の方法は、特定の色フィルタを光路に手で挿入して特定の芸術的結果を得る方法である。この方法は、所望の正確な色にならない場合にフィルタを変更することが必要であった。色フィルタを変更するには新しい色フィルタの獲得や古いフィルタの交換が必要であった。このように特定のフィルタを使用すると、パフォーマンスの間に光の色を変化させることができない。これらの適用で最もよく使用されるフィルタは、ゲルと呼ばれる、着色されたあるいはコーティングされたプラスチックフィルムである。この材料の耐久性は制限されており、高出力光源とともに使用する際には頻繁に交換することが必要である。光透過の一般的な効率は低い。あるダークブルーおよびレッドの色を生成する際には、透過率は2%位に低くなることがある。
【0004】
色フィルタとしてゲルを使用する導入時から、発明者はゲルを利用して光源の色を遠隔的に変化させるいくつかの方法を生み出している。コロラド州、コロラドスプリングスのWybron氏によるスクローラは複数の異なる色のゲルを1対のスクロールの回りに適合されたバンドにアセンブルする。このスクロールは光源口径の対向する両側に間隔を空けて位置付けられている。スクロールを回転させることにより、スクロール上の任意の色にアクセスすることができる。この方法とその変形は多くの会社により製造されている製品に具現化されており、色を変化させるコンパクトな解決方法である。しかしながら、この方法は多くの欠点を持っている。スクロールを位置付けし、制御するメカニズムは費用がかかりまた複雑である。光源からの熱にさらされながらスクロール上で前後に回転されるとゲルは短期間に劣化する。さらに、一度に使用することができる異なる色の数は、単一のゲルバンドにアセンブルすることができる色の数に制限される。色を変更する遅い速度、フィルタ材料の低い透過効率およびゲルフィルタを頻繁に交換する必要性もこの従来技術の方法における欠点である。
【0005】
本発明者であるRichardson氏に対する米国特許第5,126,886号は改善されたスクロールタイプのゲル色変更装置を開示している。色彩度を変化させるイエロー、シアン、マゼンタのスクロールが光路に連続して位置付けられている。3つのスクロールのさまざまな配置により際限ない数の色になる。色はすばやくあるいはゆっくりと変化させることができる。1つの色から他の色への遷移はスムーズである。この色変更システムのメカニズムは単一のスクロールシステムの3倍の複雑さを持つので、費用と信頼性に欠点がある。
【0006】
他の発明者は、干渉またはダイクロイックタイプのフィルタを利用して光源の色を変化させる他のいくつかの方法を生み出した。ダイクロイックフィルタは光を透過する効率がよく耐久性があるが、費用がかかる。1991年12月17日にBornhorst氏に発行された米国特許第5,073,847号と、1993年2月16日にBornhorst氏らに発行された米国特許第5,186,536号は、一連のダイクロイック色フィルタを傾かせて、さまざまな色を生み出す方法を開示している。しかしながら、このシステムは生み出す色の量、色フィルタの過度の費用、およびシステムが非常に複雑な制御メカニズムを必要とする事実において制限がある。
【0007】
1992年6月30日に本発明者のRichardson氏に発行された米国特許第4,914,556号は、それぞれ色彩度のレベルを変化させるイエロー、シアンおよびマゼンタフィルタホイールのアセンブリを開示している。光源と口径との間のホイールの位置により、口径における色の彩度および色相が決まる。このモジュールは際限のない数の色を生み出すが、比較的費用がかかる。このモジュールのフィルタは口径よりもサイズが何倍も大きくなければならない。これは非常に高い費用対口径サイズ比となる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
コンパクトかつシンプルしたがって信頼性があり、製造および維持に費用がかからない光色制御メカニズムを提供することが本発明の目的である。
白色光源とすれば、ユーザにより選択された任意の色を放射することができる装置を提供することが本発明の別の目的である。
効率よく光を透過する装置を提供することが本発明のさらに別の目的である。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明はさまざまな色、色相および強度の光を投射する照明モジュールである。この装置には光源と光を光路に沿って方向付ける反射器とが備えられている。一次レンズ素子は光が光路中のフィルタアセンブリエリアに入る時に影響を受ける光領域の断面積を減少させる。フィルタアセンブリ中のフィルタは、ユーザにより要望される色、色相および強度の光を生み出すために、組み合わせや程度を変化させて配置される。レンズセグメントの屈折作用によりフィルタを光路中に物理的に位置付けることができるが、フィルタ素子セグメントがレンズセグメントと整列するようにフィルタを回転させるまでフィルタは光に影響を与えずに、照明モジュールから投射されている光を変化させる。
【0010】
本発明の効果は、ユーザが望む任意の色、色相および強度の光を投射することができる単一でコンパクトなユニットを提供することである。これにより複数個の装置を使用する必要がなくなる。
本発明の他の効果は、製造するのが簡単で費用がかからず、したがって信頼性があり維持が容易なことである。
本発明のさらに他の効果は、レンズセグメントの効果によりフィルタを光路中にインストールすることができ、非配置位置にある時にフィルタは影響を与えないことである。
本発明のこれらおよび他の目的ならびに効果は、ここに説明され、図面に図示されているような発明を実施するために現在知られているベストモードの説明の観点において当業者に明らかになるであろう。
【0011】
【発明の実施の形態】
本発明は図1および図4に図示されているように光源とともに使用される色フィルタモジュールである。最初に図1を参照すると、システムの動作を説明する際の参照のために光源10が示されている。光源は任意のタイプまたはサイズでよく、当該技術分野の当業者により知られているものである。光源10は反射器12内に位置付けられている。反射器12は光源10の場合と同じように任意の普通タイプまたはサイズのものでよい。図面にはパラボラ反射器が描かれている。集光レンズを備えた光源のような、ほぼ平行光を発生する任意の光源もモジュール中で使用することができる。これらの光源は当業者によく知られている。
【0012】
入射光線14(図4参照)は、一次光学素子16、色フィルタアセンブリ18および二次光学素子20を含む光路に沿ったほぼ平行経路で反射器12から放射する。光線は出射光線22として二次光学素子20を出る。
【0013】
一次光学素子16が、光路縦軸に沿った位置から見ているように図5において詳細に示されている。本発明の好ましい実施形態では、一次光学素子16は24個の同一レンズセグメント161から構成されている。このレンズセグメント161はくさび形であり、一次光学素子16の中心162の回りに放射状に互いに隣接して位置付けられている。各レンズセグメント161の焦線163は一次光学素子16の中心162から始まり、レンズセグメント161の縦の中心に沿って外側に放射している。一次光学素子16は一般的に成形プロセスにより、固体片の材料から形成される単一素子であることが好ましい。図6および図7は一次光学素子に対する別の構成を示している。
【0014】
図8は一対の典型的なレンズセグメント161の側面図を示す光線トレースである。示されているものは左から入り、レンズセグメント161に突き当たっている入射光線14である。屈折光線24はレンズセグメント161から出て、焦点26に収束する。すべての焦点26はレンズセグメント161の対応する焦線163上に存在する。その後光線は焦点26を出ると発散光線28となり、二次光学素子20のレンズセグメント201に突き当たる。二次光学素子20は一次光学素子16と同一のものとして示されており、焦点26に関して一次光学素子16と鏡面対称とされている。二次光学素子20は光ビームを平行にするので、この光ビームは再度ほぼ平行な光である。
【0015】
二次光学素子20は実際には一次光学素子16とは異なっていてもよい。この差異はフィルタアセンブリの特定の適用に基づく。ユーザがほぼ平行な光を要求しないのであれば、ユーザは二次光学素子をまったく取り除くことができ、このようにするとさらに拡散した光ビームとなる。この状況は図11に示されている。
【0016】
出射光線22は二次レンズセグメント201から放射し、その経路は光路軸とほぼ平行である。ここに示されている光学素子のタイプはシンプルな非対称両凸タイプであるが、他の多くのタイプを使用して所要の結果を得てもよい。光分野の当業者は無限数の光学素子を考案して、断面積の減少または光線の再方向付けまたはこの両方についての所要の結果を得ることができる。
【0017】
本発明の光学素子の第1の代替実施形態が図6および図9に示されている。図6は反射光学素子を示している。反射セグメント161’は一次光学素子16’の中心162’から放射状に広がっている。オープンスペース163’の幅は反射セグメント161’の角度幅と等しいかこれよりも小さい。図6では、オープンスペース163’は反射セグメント161’と比較して等しい幅で示されている。反射セグメント161’は一次光学素子16’の中心162’の回りに等しい間隔を空けて位置付けられており、オープンスペース163’が反射セグメント161’を分離している。
【0018】
図9は光線トレースであり、第1の代替実施形態の装置の動作を側面から示している。入射光線14は妨げられずに一次反射光学素子16’のオープンスペース163’を通る(2つの反射セグメント161’が示されている)。光線は妨げられずに二次反射光学素子20’中の等価な開口も通る。二次反射光学素子20’が光路軸に沿って反対方向に向けられていることを除いて、二次反射光学素子20’は一次反射光学素子16’と等価である。第1の好ましい実施形態と同様に、二次反射光学素子20’は特定の適用の要求に基づいて一次反射光学素子16’と異なる構成をとってもよい。
【0019】
入射光線14は一次反射光学素子16’の反射セグメント161’の反射面で反射する。上側の入射光線14は、一次反射光学素子16’の上側反射セグメント161’の下側表面と二次反射光学素子20’の下側反射セグメント201’の上側表面との間のオープンスペースに渡って反射する。下側入射光線14は、下側一次反射セグメント161’の上側表面で反射し、オープンスペースを横切り、上側二次反射セグメント201’の下側表面で反射する。二次反射セグメント201’の表面は一次反射セグメント161’の表面と平行であるので、出射光線22は入射光線14の経路と平行な経路へ伝播する。光線の中には光学素子により影響を受けないオープンスペースを通るものもあることに着目すべきである。光学素子前後の光線は方向が平行であるが、位置が再構成されていることにも着目すべきである。すなわち、上側入射光線は下側出射光線になり、下側入射光線は上側出射光線になる。
【0020】
第2の代替実施形態が図7および図10に示されている。図7は第1の代替実施形態の光学素子16’と類似した光学素子16”を示している。しかしながら、光学素子16”は光学素子16’のものよりも高い個々の反射セグメント161”を持っている。第1の代替実施形態と同様に、反射セグメント161”はオープンスペース163”により分離されており、光学素子16”の中心162”の回りに放射状に位置付けられている。
【0021】
図10は光線トレースであり、一次光学素子16”の2つの反射セグメント161”の動作を側面から示している。再度説明すると、中央の入射光線14の中には妨げられずに上側反射セグメント161”の下側表面と下側反射セグメント161”の上側表面との間のオープンスペースを通るものもある。上側入射光線14は反射光学素子16”の上側反射セグメント161”の下側表面で反射する。下側入射光線14は下側反射セグメント161”の上側表面で反射する。照明適用の中には、より高い反射セグメント161”により提供される狭い角度の発散が好ましいものがある。
【0022】
示されている両代替実施形態は、第1の好ましい実施形態の屈折素子とはまったく異なっており、反射素子を使用する。反射素子を使用する任意の実施形態では、特定の適用に最もよく適合するように反射表面の角度を変化させることにより、光の発散量を変化させることができる。したがって、これらの反射素子における修正および欠点は屈折素子における同様な変化よりも光路においてさらに顕著な影響を持つ。反射の角度は入射角に等しいので、反射セグメントの角度における1°の変化は光路において2°の変化をもたらす。
【0023】
本発明の一次光学素子16,16’,16”の各実施形態には、影響を受ける光領域の断面積エリアを少なくとも半分減少させるレンズまたは反射セグメント161,161’,161”が含まれている。レンズ内で複数のセグメントを利用する一次光学素子の構成は、光フィルタまたは他の光学素子が配置されるまでは光に影響を与えないようにしながら、光フィルタまたは他の光学素子を光路中にインストールできるようにする。いったん配置されると、フィルタは投射された光の特性を変化させる。
【0024】
光学素子は図面では放射アレイとして図示されているが、図2および図3に図示されているように、線形またはマトリクスアレイの光学セグメントとして容易に構成することができる。アレイが線形またはマトリクスである場合には、放射アレイにより使用される回転運動とはまったく異なって、フィルタ素子の配置は線形運動による。放射フィルタの配置は以下の“発明の動作”セクションで説明する。
【0025】
図8を参照すると、フィルタアセンブリ18が光路の中央に位置付けられている。光学フィルタ180は、光路の縦軸に対して垂直に向けられている。フィルタアセンブリ18は、一般的に、シアンフィルタ181、マゼンタフィルタ182、イエローフィルタ183およびブラックフィルタ184を備えている。光学フィルタの順序は装置の動作に差異をもたらさない。さらに、フィルタ材料は任意のタイプのダイクロイック、着色ガラス、着色プラスチック、あるいは他のタイプの光フィルタとすることができる。
【0026】
ブラックフィルタ184は可視スペクトルの光のみを反射または吸収するまたはこの両者を行う材料またはタイプのものであることが好ましい。反射フィルタの例は薄膜干渉タイプのフィルタである。このタイプのフィルタはほとんどすべての可視光を反射し、ほとんどすべての赤外線エネルギを透過する。赤外線エネルギを透過し、可視光をブロックする材料の例は、シリコン、ガリウム砒素、テルル化カドミウムである。赤外線スペクトルのエネルギを吸収しない利点は、より少ない熱しかシステム内部に含まれなくなることや、より少ない熱しか光源に対して反射して戻されないことである。
【0027】
低電力の適用に対しては、ブラックフィルタ184が可視および赤外線エネルギを吸収または反射することができる。スチールやアルミニウムがこのタイプのフィルタに適切な材料である。
【0028】
1つの特定の色のみを発生させる要求がある適用をユーザが持つのであれば、開示されているようなフィルタアセンブリ18以外の単一フィルタを使用してもよい。他のフィルタタイプも同様にフィルタアセンブリ18で使用してもよい。使用してもよい他のタイプの光フィルタの例は、レッド、グリーン、ブルーフィルタや、拡散フィルタ(本出願人の留保中の同日出願参照)や、紫外線透過フィルタや、偏光フィルタや、色補正フィルタである。
【0029】
図12はフィルタアセンブリ18中で使用されるフィルタ180を示しており、光軸に沿って見た図である。この構成は、利用することができる複数フィルタの内の任意のものを用いた典型的なものである。典型的なフィルタセグメント1801はくさび形であり、フィルタ180の中心1802の回りに放射状に位置付けられている。複数のくさび形フィルタセグメント1801がフレーム1804に取り付けられている。フィルタセグメント1801はフィルタされていないエリア1803により分離されている。このエリア1803は透明な材料のエリアあるいは何らかの材料がないエリアのいずれであってもよい。利用されるフィルタセグメント1801の数は光学素子中で利用されるレンズセグメントの数に等しい。使用されるすべてのフィルタの中心および使用されるすべての光学素子の中心は同軸である。これらの中心を含む線は装置中の光路の中心線を規定する。フレーム1804はフィルタ素子180の中心1802に関して回転するように構成されている。任意の数の方法を選択して、フィルタ180にこのタイプの動きをするようにさせることができる。フィルタ180の内の任意のものを光軸に関して回転運動させると、フィルタが光を遮ることになる。
【0030】
発明の動作
図8ないし図11を参照すると、フィルタ180が非配置位置にある場合、フィルタセグメント1801の中心線は、一次光学素子16,16’,16”の焦線間またはオープンスペース間に整列している。フィルタ180を配置しようとする場合には、フィルタセグメント1801が一次光学素子16,16’,16”のレンズまたは反射セグメントからの屈折または反射光線を横切り始めるようにフィルタ180が回転される。再度説明すると、線形またはマトリクスアレイが利用されると、フィルタ180の光路への動きは回転運動とはまったく異なって線形運動となる。
【0031】
図13ないし図16では、シアンフィルタ181のフィルタセグメント1801が光領域上に突き当たり始めるようにシアンフィルタ181が回転されている。すべての実施形態では、フィルタアセンブリ18はエリア30中の光路に位置付けられ、このエリア30ではレンズまたは反射セグメント161,161’,161”が、各セグメントを通り抜ける光を屈折または反射することにより光領域の断面積を減少させている。したがって、複数のフィルタ180の内の1つを回転させると、フィルタセグメントが光に影響を与えるようになる。フィルタからの影響がさらに望まれる場合には、フィルタセグメント1801が完全に光路に入るようにフィルタをさらに回転させる。フィルタアセンブリ18中のすべてのフィルタ180がこのように配置される。
【0032】
再度説明すると、減少した断面積の複数の領域に光を分ける一次光学素子のレンズセグメントが、フィルタ180のこの独特な配置を可能にするものである。フィルタ180が光路内に回転されるまでは光にとってフィルタ180は見えない。したがって、フィルタされる光の量はフィルタの回転の程度に関係している。
【0033】
レッド、グリーン、ブルーの光を生成するためには、少なくとも2つのフィルタ180が同時に配置される。1以上のフィルタ180の部分的な配置により、異なる色相または彩度の色または色相および彩度の両方が異なる色が生成される。ブラックフィルタ184を減少エリア30に導入すると、装置を透過する光の強度を制御することができる。4つのフィルタ181,182,183,184の組み合わせを変えることにより、ユーザが任意の彩度、色相または強度の色を生成することができる。
【0034】
減少エリアの中または外へのフィルタ180の移動は手動で行うことができ、あるいは、遠隔またはコンピュータ制御を利用するモータまたはソレノイドにより制御することができる。モータまたはソレノイド制御の技術分野における当業者は、フィルタ180の配置を制御する非常に多くの方法を考案することができる。
【0035】
本発明の色フィルタモジュールは、図17に図示されているように、既存の従来の照明器具に対して容易に追加することができる。図18に図示しているように、色フィルタアセンブリを照明器具の製品に組み込むことによっても、本発明の色フィルタモジュールを構成することができる。
【0036】
上記の開示は限定しようと意図するものではない。当業者は、本発明の教示を保持しながら装置の多くの修正または代替を成し得ることに容易に気づくであろう。したがって、上記の開示は特許請求の範囲の制限によってのみ限定されると解釈すべきである。
【図面の簡単な説明】
【図1】色システムと付随する光源を示す図である。
【図2】線形アレイシステムを示す図である。
【図3】マトリクスアレイシステムを示す図である。
【図4】さまざまな主要構成部品の平面図および関係を示す図である。
【図5】光路軸に沿って見た一次光学素子の詳細図である。
【図6】別の一次光学素子の詳細図である。
【図7】さらに別の一次光学素子の詳細図である。
【図8】2つの屈折光学素子を備えたシステムの光線トレースの一部を示す図である。
【図9】2つの反射光学素子を備えた別のシステムの光線トレースの一部を示す図である。
【図10】1つの反射光学素子を備えたさらに別のシステムの光線トレースの一部を示す図である。
【図11】1つの屈折光学素子を備えたシステムの光線トレースの一部を示す図である。
【図12】光路軸に沿って見たフィルタ素子アセンブリの詳細図である。
【図13】配置されたフィルタを備えた2レンズシステムの光線トレースの一部を示す図である。
【図14】配置されたフィルタを備えた2反射素子システムの光線トレースの一部を示す図である。
【図15】配置されたフィルタを備えた単一反射素子システムの光線トレースの一部を示す図である。
【図16】配置されたフィルタを備えた単一レンズシステムの光線トレースの一部を示す図である。
【図17】本発明にしたがって構成された装置を示す図である。
【図18】本発明にしたがって構成された別の装置を示す図である。
【符号の説明】
10…光源
12…反射器
14…入射光線
16,16’,16”…一次光学素子
161…レンズセグメント
161’,161”…反射セグメント
162,162’,162”…中心
163…焦線
163’,163”…オープンスペース
18…フィルタアセンブリ
180…光学フィルタ
181…シアンフィルタ
182…マゼンタフィルタ
183…イエローフィルタ
184…ブラックフィルタ
1801…フィルタセグメント
1802…中心
1803…フィルタされていないエリア
1804…フレーム
20,20’…二次光学素子
201…レンズセグメント
201’…反射セグメント
22…出射光線
24…屈折光線
26…焦点
28…発散光線
30…減少エリア

Claims (11)

  1. さまざまな色、色相および強度の光を投射する装置において、
    光路に沿ってほぼ平行な光を発生する光源と、
    光学セグメントのアレイを備え、前記光源からの光が複数の光領域に分割される前記光路中のエリアを生成する一次光学素子と、
    各フィルタがフィルタセグメントのアレイを含む少なくとも1つのフィルタを備え、前記光路中で前記一次光学素子より後に位置付けされるフィルタ手段とを具備し、
    前記各光領域は前記光学セグメントを通った後にエリアが減少し、
    前記フィルタ手段は、前記フィルタセグメントが前記光領域に突き当たらない非配置位置から、前記フィルタセグメントが前記光領域に突き当たる配置位置に前記フィルタ手段を移動させることにより配置され、
    前記フィルタ手段の影響の程度は、前記光領域上に前記フィルタセグメントが突き当たる量を制御することにより制御され、
    前記一次光学素子の光学セグメントのアレイが放射状アレイであり、
    前記フィルタ手段のフィルタセグメントのアレイが放射状アレイである光投射装置。
  2. 前記光学セグメントの数が前記フィルタセグメントの数と等しい請求項1記載の光投射装置。
  3. 光投射装置から投射される光が前記一次光学素子において方向付けられる光の投射方向とほぼ同じ投射方向を持つように前記光を再方向付けするために、前記光路中で前記フィルタ手段より後に二次光学素子がインストールされる請求項1記載の光投射装置。
  4. 前記一次光学素子が屈折レンズセグメントを備えている請求項1記載の光投射装置。
  5. 前記一次光学素子が反射セグメントを備えている請求項1記載の光投射装置。
  6. 前記フィルタ手段が、それぞれ異なる光学特性を有する複数のフィルタを備えている請求項1記載の光投射装置。
  7. 前記フィルタの少なくとも1つは、赤外線光を通過させて、ユーザが投射光の強度を制御できるようにする可視光ブロッキングフィルタである請求項記載の光投射装置。
  8. 前記フィルタの少なくとも1つは干渉フィルタである請求項記載の光投射装置。
  9. 前記フィルタの少なくとも1つは吸収性材料から形成される請求項記載の光投射装置。
  10. 前記フィルタの少なくとも1つはダイクロイックフィルタである請求項記載の光投射装置。
  11. さまざまな強度の光を投射する装置において、
    光路に沿ってほぼ平行な光を発生する光源と、
    光学セグメントのアレイを備え、前記光源からの光が複数の光領域に分割される前記光路中のエリアを生成する一次光学素子と、
    赤外線光を通過させ、フィルタセグメントのアレイを含む可視光ブロッキングフィルタを備え、前記光路中で前記一次光学素子の後に位置付けられるフィルタ手段とを具備し、
    前記各光領域は前記光学セグメントを通った後にエリアが減少し、
    前記フィルタ手段は、前記フィルタセグメントが前記光領域に突き当たらない非配置位置から、前記フィルタセグメントが前記光領域に突き当たる配置位置に前記フィルタ手段を移動させることにより配置され、
    前記フィルタ手段の影響の程度は、前記光領域上に前記フィルタセグメントが突き当たる量を制御することにより制御され、
    前記一次光学素子の光学セグメントのアレイが放射状アレイであり、
    前記フィルタ手段のフィルタセグメントのアレイが放射状アレイである光投射装置。
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