JP4445082B2 - 照光装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は照光装置に関し、より詳しくは照明システムに適用される照光装置に関する。特に、その光度（明るさ）を調整でき、又は光を一つの又は多数の光ファイバーに集光する、むらのない照光装置を提供するものである。
【０００２】
【従来の技術】
多くの光源は、電球から放射された光をできる限り多く集め、この光を選ばれた方向に向けることを目的としている。電球の後方に反射器を配置して、後方又は側方に放射された光を集め、この光を前方に反射さることが、古くから行われていた。この反射器は、前方にある電球のフィラメントの（不鮮明）像を提供する結像光学部材として作用する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
この従来の照光装置では光源からの光が光源の像を作り、また光が出力ポートに直接到達するので、光にむらが生じ、均一な強度の光を得ることが困難であった。
【０００４】
また、出力光の強さを変えるためには電気的光度可変装置を付加しなければならなかった。
【０００５】
また、出力光の平行度を調節することが困難であり、出力光を光ファイバーに導くときに、照光装置と光ファイバーとの光学的結合が困難になる場合があった。
【０００６】
本発明は、むらのない均一な照明光源として有効な散乱チャンバーを使用した照光装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の照光装置は、光源と、光源からの光を散乱させるための内面を有する散乱チャンバーと、チャンバーに設けられ光出力を提供する出力ポートとを有している。
【０００８】
より具体的には、第１の発明は、光源と、内面が前記光源からの光を散乱し、前記光源を取り巻くチャンバーと、前記チャンバーに設けられた光を出力する出力ポートとを備え、前記光源から前記出力ポートへの光の直接経路がないように構成されている。
【０００９】
第２の発明は、第１の発明において、前記光源が一又は二以上の発光素子を含んでいる。
【００１０】
第３の発明は、第１の発明において、前記出力ポートが前記出力光の平行度を調整する手段を備えている。
【００１１】
第４の発明は、第１の発明において、前記出力光をファイバー照明のために光ファイバーに集束する手段を備えている。
【００１２】
第５の発明は、第４の発明において、前記集束手段が前記出力光の焦点を、前記光ファイバーに調節することを特徴としている。
【００１３】
第６の発明は、第１の発明において、前記チャンバーがこのチャンバー内に発生した熱を減少させるための手段を備えている。
【００１４】
第７の発明は、第６の発明において、前記チャンバー熱減少手段が、可視光を前記チャンバーに戻るように反射させるとともに前記チャンバーからの赤外線を透過させる窓を含んでいる。
【００１５】
第８の発明は、第１の発明において、前記チャンバーが前記照光装置に発生した熱を減少させる手段を備えている。
【００１６】
第９の発明は、第８の発明において、前記照光装置熱減少手段が、可視光を透過させるとともに赤外線を反射させる窓を有する。
【００１７】
第１０の発明は、第１の発明において、前記光源が前記光の出力強度を変えるように構成している。
【００１８】
第１１の発明は、第１０の発明において、前記光出力強度可変手段を、前記光源の調節可能なシャッタ又はカバーとしてある。
【００１９】
第１２の発明は、第１の発明において、前記光源からの光が、前記チャンバーの内面のガラス粉体によって散乱されるように構成している。
【００２０】
第１３の発明は、第１２の発明において、前記ガラス粉体が、ほぼ１０ミクロン未満の粒子サイズを有している。
【００２１】
第１４の発明は、第１の発明において、前記光源を前記チャンバー内に設けた。
【００２２】
第１５の発明は、光源と、内面が前記光源からの光を散乱するチャンバーと、前記チャンバーに設けられた光を出力する出力ポートとを備え、前記光源から前記出力ポートへの光の直接経路がないように構成されている照光装置において、前記光源が前記チャンバーの外部にあり、前記チャンバーが前記光源からの光を前記チャンバーに入れるための入力ポートを有している。
【００２３】
第１６の発明は、光源と、内面が前記光源からの光を散乱するチャンバーと、前記チャンバーから光を出力する前記チャンバーに設けられた出力ポートとを備え、光が前記チャンバーを通り抜け前記出力ポートから出力される前に、前記光源からの光が前記チャンバー内で散乱されるように、前記光源と前記出力ポートが構成されている。
【００２４】
本発明中で説明する光源は、電球のフィラメントを結像することはなく、チャンバー内で放射光を散乱させるものである。このチャンバーは、散乱光を出力するための出力ポートを有するように構成されている。その原理は積分球と同様である。ここで、光源はその内部が効率のよい反射又は散乱材料で覆われた球体の内部に配置される。一般的な反射又は散乱効率は、入射光に対し９９％以上である。これはごく僅かな光しか内面によって吸収されないことを意味している。従って、光源からの放射光は球体内で何度も散乱して、光子の移動方向が効果的に乱数化される。球体の内部のどの部分も、その部分に当たる光の強度は同じになる。
【００２５】
小型の光検出器が球体の内面に設けられたとき、検出器の読みは、光が放出された方向とは関係なく光源から放出された光の全量に比例する。この種の測光分析はこれらの照光装置に対して普通に適用される。
【００２６】
本発明によれば、出力ポートは、例えば放射電球のような光源の方向特性とは無関係に均一な強度の光を放出する。換言すれば、光の放射の空間的分布に関するあらゆる特性が、光子がチャンバーの内部を横切る際の多数の散乱事象によって取り去られる非結像光源が提供される。
【００２７】
光源としては、
ａ）蛍光灯（直管、コンパクト型）
ｂ）ハロゲン白熱ランプ
ｃ）白熱電球
ｄ）タングステン・フィラメント・ランプ
ｅ）高強度放電ランプ（ＨＩＤ）
ｆ）発光ダイオード（全色／異色）
ｇ）エレクトロルミネセンス（ＥＬ）
ｈ）放射線ルミネセンス
ｉ）無線周波（ＲＦ）ランプ
ｊ）マイクロ波光源
ｋ）レーザ光源
のいずれでもよい。
【００２８】
光源はチャンバーの内部及び／又は外部に配備された一つ又はそれ以上の発光素子を含むことができる。一つ以上の発光素子が設けられている場合は、それらは同じものでも、異なるものでもよい。外部光源が設けられる場合は、チャンバーには光が入るための入力ポートが設けられる。複数の入力ポートを設けてもよい。
【００２９】
チャンバーは、チャンバー内及び／又は出力ポートにおける光出力側で発生される熱を減少させるように構成される。例えば、一つ又はそれ以上の窓に可視光と赤外線（熱）を分離するための反射／透過特性をもたせることができる。従って、窓をチャンバーの壁に設けて、赤外線をチャンバーの外へ放出させ、チャンバー内で可視光を反射させることもでき、及び／又は窓を出力ポートに設けて、可視光をチャンバーの外へ透過させ、チャンバー内で赤外線を反射させてもよい。
【００３０】
出力光の強さは光源の強度を変えることによって調整できる。この調整は機械的、電気的又は電子的制御装置によって達成できる。機械的制御装置は光源をカバーするための調節可能なシャッターを使用することができる。これは特に簡単、かつ、例えばスライド・カバー又は絞りのような種々の形態とすることができる。複数の出力ポートを設けてもよい。
【００３１】
【発明の作用及び効果】
第１、第２、第１２、第１３、第１４及び第１６の発明では、光の直接経路が生じないように、散乱チャンバー内に光源を配置したので、むらのない均一な出力光を得ることができる。
【００３２】
第３の発明では出力光の平行度を調整することができる。さらに、第４及び第５の発明では、出力光の平行度により光ファイバーに入射する光の角度を調整することができる。
【００３３】
第６、第７の発明ではチャンバー内の熱を減少させる手段を設けたので、チャンバー内の温度上昇を抑えることができる。
【００３４】
第８、第９の発明では照光装置に発生した熱を減少させる手段を設けたので、出力ポートへの熱の放射を抑えることができる。
【００３５】
第１０及び第１１の発明では光源の光度を変える手段を有するので、出力光の強度を可変することができる。特に、第１１の発明では電気的光度可変装置を付加する必要がない。
【００３６】
第１５の発明では、光源をチャンバーの外に配置したので、使用する光源の大きさ等が制約を受けず、チャンバー内の発熱を抑制することができる。
【００３７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例を、図面を参照して説明する。
【００３８】
図１に示す照光装置は、効率のよい光散乱体である内面を有するチャンバー２内に配置された光源１を備えている。このチャンバー２は積分球と同様である。チャンバー２は、光を出力する出力ポート３を有しており、照明器具ではゲート６の方に向けられている。光度の分布及び光の平行度は、出力ポート３のチューブを使用して調整することができる。このチューブはチャンバー２の内側４及び／又は外側５に配置する。
【００３９】
チャンバー２から放射された光の平行度は、チューブの直径に対する長さの比に依存する。チューブは、チャンバーの出力ポート３に向かう光を放射する面となるチャンバーの壁の域１２に陰影を作る程度にチャンバー２内に入り過ぎないように配置する。チューブの外側は、チャンバー２の内面の一部として作用し、チャンバー内で光のエネルギーを吸収しないように構成されている。
【００４０】
光源１は、光源１からチャンバー２の出力ポート３への直接の光路を生じない位置で、チャンバー２内に配置される。そのような一つの位置を図１に示す。直接経路があれば、チャンバー２から放出された光はむらのない均一な分布とはならない。
【００４１】
通常、光源の光の出力強度は光源（電球）に供給される電力を調節することによって制御される。このために電力レベルを制御する電子装置を付加しなければならない。
【００４２】
散乱チャンバーの光源は、光源を物理的に覆い、光の出力レベルを制御するシャッターのような機械的な制御手段を有している。従来の反射器や集光器では、シャッターの端部が出力ポートの先に映ってしまう。この非結像光源は部分的な光源の像を作らず、また、シャッターで覆われた部分的な光源によらず、出口では均一な光度とすることができる。
【００４３】
この構成を図２Ａと図２Ｂの二つの実施例によって示す。図２Ａは光源１上のスライドドームカバー８の断面を示す。スライドドームカバー８は２以上の球面状の覆いで構成され、一方又は双方が動くことにより光源１から放出される光の量を制御する。図２Ｂはエンド・カバーを使用して光源１を完全に包囲するように移動可能な円筒状カバー７を示す。円筒状カバー７は、光源１の上部の平板上の覆いと、光源１の周囲の円筒状の覆いとで構成され、円筒状の覆いがチャンバー２の表面から出入りすることにより、光源１から放出される光の量を制御する。この機械的シャッターは、例えば簡単なモータ（ステッピングモータ又は直流モータ）と簡単な電気制御装置を用いて、又はシステムの外部に付加した機械的駆動装置を用いて手動にて制御することができる。従って、このシステムは複雑な電子的な光度可変装置を必要としない。
【００４４】
内部チューブ４は出力光の平行度を制御するのに使用される。よって、図３の断面図で示したようにチューブ内に入射する光の一部を集めるスラットを備えた構造とすることができる。スラットを有するチューブ４によって透過された光９が、チャンバー２内に戻り、さらに散乱される。従って、スラット・チューブ４を使用すると全体の光出力強度を高めることになる。これは吸収面の大きさ（例えばチューブ４の内部が吸収面である場合に）が減少し、又はシステム内からの光の望まない出力光線（例えば、光９がチューブ４で反射される場合に鋭角でチャンバー２の出力ポート３を通じて伝播することになる）が減少するからである。
【００４５】
外部チューブ５も図４に示すように出力光の平行度を制御するのに使用することができる。外部チューブ５が内部チューブなしに使用されると、チューブにスラットを使用しても、光の出力レベルは内部チューブについて説明したようには高くならない。これはスラットの隙間から漏れる光がこの照光装置から失われるからである。しかし、外部チューブ５の内部を鏡面状にすると利点がある。特に外部チューブ５が内部チューブ４と併用される場合に、外部チューブ５の内側に入射する光１０は、外部チューブ５の内面を擦るような鈍角となる。この外部チューブ５の内面による反射手段は、光を必要な域（図１、外部ゲート６）に集束させる。
【００４６】
照光装置全体は、図５に示したように軸方向に対称的に作ることができる。この構成には製造上いくつかの利点がある。円錐状の反射鏡１１は、光源１からの直接の光路を遮蔽するのに用いられる。出力光は、反射鏡１１に反射されチャンバー２の側部周方向付近から到来する。
【００４７】
散乱チャンバー・システムは、図６に示したように光源１からの光を一つ又は複数の光ファイバー１３に導光する手段を備えることもできる。ファイバ１３はチャンバー２の出力経路のどの個所にも配置することができる。図６は外部チューブ５の端部にファイバー１３を配置している。チューブ４、５はファイバー１３の端部に入射する光の角度を制御するために用いられる。よって、光のファイバー（許容角度が限定されている）との結合効率が制御される。ファイバ１３は、その端部が図７に示すようにチャンバーの壁の近傍になるように配置することもできる。この配置は図６に示す実施例より簡単である点で優れている。
【００４８】
光は球形レンズを使用してファイバー１３に合焦することもできる。この実施例を図８に示す。球形レンズ１４は光源からの光を光ファイバ１３に結合させる透明球体である。この機構の問題は球形レンズ１４を光ファイバーの端部と一致させることである。これは、ボールベアリングのような球体１５を、球形レンズ１４の隙間に積み重ねた第２層を設け、光ファイバーが配置される窪みを設けることにより解決される。図９に、立体的重ね合わせを別方向から見た構成を示す。この重ね合わせの構成は複数あり（結晶学において周知である）、図示した立方体より大きい密度を有する六方最密構造を含む。図９の概略図は、ボールベアリング１５の直径よりも小さい光ファイバー１３の場合を示す。この構造はファイバーがボールベアリングより大きい直径を有しているか、又は同等の直径である場合に適する。
【００４９】
多くの照明システムが有する潜在的問題は、光源１から放出される熱を除去することである。前述した照光装置ではチャンバー２内に光源１を収容されている閉鎖型システムなので、多少の注意を必要とする。このため図１０に示すように、窓１６をチャンバー２の壁に設け、可視光は有効に反射させるが赤外線（熱）は透過させるような反射／透過特性をもたせることによって、チャンバー内の熱の増加を抑えるようにする。
【００５０】
別の方法として、又は付加的に、窓１７を図１０に示したようにチャンバー２からの出力経路に配置することもでき、可視光は有効に透過させるとともに赤外線（熱）は反射させる反射／透過特性をもたせる。これによって光源システムの出力側における熱を減少させることもできる。
【００５１】
効率的な光源（例えばフィリップス マスターカラーＣＤＭ−Ｔ電球）は本発明には特に有効である。しかし、散乱チャンバー２は他のタイプの光源とも併用できる。例えば、図１１では、チャンバー２内にイオウ・ランプ（ｓｕｌｐｈｕｒ ｌａｍｐ）１９を配置している。この構成は、ランプ１９から放射されるマイクロ波を透過するためにチャンバー２の壁に窓１８を設ける必要がある。
【００５２】
光源には複数の発光素子を含めることもできる。例えば、図１２に示す実施例において、チャンバー２内に３個の発光素子を含む光源２０を有する。他の実施例（図示省略）では、チャンバー２に複数の出力ポートを備えることもできる。
【００５３】
この光源システムは、超高輝度光源を使用することもできる。この場合、光源はチャンバーの外側に配置されるのが好ましい。図１３Ａと図１３Ｂは、光源１からの光をチャンバー２の壁にある入力ポート２２に向けるための外部光源１と集光器２１を備えた二つの構成を示す。
【００５４】
入力ポート２２には、可視光はチャンバー２に透過させるとともに赤外線（熱）は反射させる反射／透過特性をもたせてることができ、チャンバー２内の熱の増加を抑制することもできる。
【００５５】
別の方法及び／又は付加的に、反射器２１に入力ポート２２に向かう可視光を反射させ、赤外線（熱）はシステムの外部に透過させる反射／透過特性をもたせることができ、チャンバー２内の熱の増加を抑制できる。
【００５６】
外部光源の使用は出力ポート３における光度を機械的に制御することを可能にする。図１３Ａと図１３Ｂはこのための二つの構成を示す。図１３Ａではスライド・カバー２３を用い、図１３Ｂでは絞り２４を用いて、光源１に露光される入射ポート２２の面積を変えている。
【００５７】
チャンバー２の内部被膜材料と、内部チューブ４の外側面被膜材料とは、入射光の吸収を最少にするとともに、効率的に散乱をする必要がある。散乱材料には吸収率が５％未満、より好ましくは１％未満のものを使用するのが好ましい。
【００５８】
この目的に特に適した一つの材料としては、粒体サイズが約１０μｍ未満のガラス粉体がある。この粉体は接着剤又は他の種類の接合剤を使用してチャンバー２の内壁に固着させることができる。又は、塗料、樹脂又はある種の他の物質に混合して、チャンバー２の内部を被膜するか、又はチャンバーの構造に形作ることもできる。他の散乱材料には、硫化バリウム又は耐熱性つや消し白色塗料が使用可能である。
【００５９】
本発明に使用される散乱材料は、均一な光度を出力する散乱特性であるが、幾分かの光を反射するものであってもよい。
【００６０】
この照光装置は多くの応用ができる。舞台又は劇場照明又は建築照明のための照明装置、ビデオ投影（液晶表示パネル、デジタル・ミラー投影）及び光導体（光ファイバー、透明導光体）を照明する光源に用いることができる。
【００６１】
図１４は反射形映像投影素子２４、画像投射光学装置２５とを付加し、静止画像又は動画像の投影を可能としたものを示す。反射形映像投影素子３４にはテキサス・インスツルメンツ・デジタル・ライト・プロセッシング・プロセッサー又は薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）スクリーン又は液晶表示装置を用いる。出力ポートからの光線２６は、投射光学部材２５への代表的な光路を示す。
【００６２】
図１５は透過形映像投影素子２７、画像投影光学装置２５とを付加し、静止画像又は動画像の投影を可能としたものを示す。透過形映像投影素子２７には薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）スクリーン又は液晶表示装置を用いる。出力ポートからの光線２６は、投射光学部材２５への代表的な光路を示す。
【００６３】
本発明の他の特徴、特典及び利点は当該技術にに習熟した人にとって理解できるであろうし、また本発明は特許請求の範囲内で全ての変形例を含むものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 内部光源、チャンバー及び光出力を調整するための出力ポートのを含む照光装置の概略図。
【図２】 機械的手段によって光度を調整する手段を示す概略図。
【図３】 不要な光線の一部を再び集めることによって出力光レベルを高めることができる内部チューブを含む照光装置の概略図。
【図４】 外部チューブを含む照光装置の概略図。
【図５】 軸方向に取り付けられた光源と、光源から出力ポートへの光の直接経路を覆おう反射鏡とを備えた照光装置の概略図。
【図６】 出力ポートに光バァイバを備えた照光装置の概略図。
【図７】 散乱チャンバーの壁の近傍に光ファイバーの先端が設けられた照光装置の概略図。
【図８】 光ファイバー、球形レンズ及び整列用の球体を備えた照光装置の概略図。
【図９】 球体と光ファイバーの積層状態を示す図８の照光装置の別方向から見た図。
【図１０】 赤外線（熱）を除去する鏡（窓）を備えた照光装置の概略図。
【図１１】 チャンバー壁にある窓を介するマイクロ波放射光源を備えた照光装置の概略図。
【図１２】 複数の光源を備えた照光装置の概略図。
【図１３】 外部光源を備えた照光装置の概略図。
【図１４】 出力ポート側に備えられた反射形映像投影素子と投射光学部材を備え、静止又は動画像を投影するシステムの概略図。
【図１５】 出力ポート側に備えられた透過形映像投影素子と投射光学部材を備え、静止又は動画像を投影するシステムの概略図。
【符号の説明】
１ 光源
２ チャンバー
３ 出力ポート
４ チューブ（チャンバーの内側部分）
５ チューブ（チャンバーの外側部分）
６ ゲート
７ 円筒状カバー
８ スライドドームカバー
９、１０ 光
１１ 反射鏡
１２ チャンバーの壁
１３ 光ファイバー
１４ 球形レンズ
１５ 球体
１６、１７、１８ 窓
１９ ランプ
２０ 光源
２１ 集光器
２２ 入力ポート
２３ スライド・カバー
２４ 絞り
２５ 画像投射光学装置
２６ 光線
２７ 透過形映像投影素子
３４ 反射形映像投影素子

Claims (16)

1. 光源と、
   内面が前記光源からの光を散乱し、前記光源を取り巻くチャンバーと、
   前記チャンバーに設けられた光を出力する出力ポートとを備え、
   前記光源から前記出力ポートへの光の直接経路がないように構成されている照光装置。
2. 前記光源が一又は二以上の発光素子を含む請求項１に記載の照光装置。
3. 前記出力ポートが前記出力光の平行度を調整する手段を備えた請求項１に記載の照光装置。
4. 前記出力光をファイバー照明のために光ファイバーに集束する手段を備えた請求項１に記載の照光装置。
5. 前記集束手段が前記出力光の焦点を、前記光ファイバーに調節することを特徴とする請求項４に記載の照光装置。
6. 前記チャンバーがこのチャンバー内に発生した熱を減少させるための手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の照光装置。
7. 前記チャンバー熱減少手段が、可視光を前記チャンバーに戻るように反射させるとともに、赤外線を透過させる窓を含んでいることを特徴とする請求項６に記載の照光装置。
8. 前記チャンバーが前記照光装置に発生した熱を減少させる手段を備えていることを特徴とする請求項１に記載の照光装置。
9. 前記照光装置熱減少手段が、可視光を透過させるとともに赤外線を反射させる窓を有することを特徴とする請求項８に記載の照光装置。
10. 前記光源が前記光の出力強度を変えることを特徴とする請求項１に記載の照光装置。
11. 前記光出力強度可変手段が、前記光源の調節可能なシャッタ又はカバーであることを特徴とする請求項１０に記載の照光装置。
12. 前記光源からの光が、前記チャンバーの内面のガラス粉体によって散乱されることを特徴とする請求項１に記載の照光装置。
13. 前記ガラス粉体が、ほぼ１０ミクロン未満の粒子サイズを有していることを特徴とする請求項１２に記載の照光装置。
14. 前記光源を前記チャンバー内に設けたことを特徴とする請求項１に記載の照光装置。
15. 光源と、内面が前記光源からの光を散乱するチャンバーと、前記チャンバーに設けられた光を出力する出力ポートとを備え、前記光源から前記出力ポートへの光の直接経路がないように構成されている照光装置において、前記光源が前記チャンバーの外部にあり、前記チャンバーが前記光源からの光を前記チャンバーに入れるための入力ポートを有していることを特徴とする照光装置。
16. 光源と、内面が前記光源からの光を散乱するチャンバーと、前記チャンバーから光を出力する前記チャンバーに設けられた出力ポートとを備え、光が前記チャンバーを通り抜け前記出力ポートから出力される前に、前記光源からの光が前記チャンバー内で散乱されるように、前記光源と前記出力ポートが構成されているシステム。

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