JP5562239B2 - 照明システム、光源及びビーム制御素子 - Google Patents

Description

本発明は、光源及びビーム制御素子を有する照明システムに関する。

本発明はまた、光源、照明システムにおける使用のためのビーム制御素子、及びフラッシュライトに関する。

光源及びビーム制御素子を持つ照明システムは、本分野において良く知られている。これらシステムは、とりわけ、スポットライト、フラッシュライト、車両のヘッドライト、店舗照明及びオフィス照明において利用されている。照明システムのコリメーション（collimation）の度合いを増大又は減少させるために、しばしばビーム制御が必要とされる。例えば、比較的近くに配置されたアイテムを照明する場合には、遠くに配置されたアイテムに比べて、少ないコリメーションが必要とされる。アイテムを照明する光の強度も、照明システムのコリメーションの度合いを適合させることにより、適合され得る。

光源及び発せられる光のコリメーションの度合いを制御するための手段を持つ照明システムは、例えば米国特許US4,951,183から知られている。該米国特許においては、前面に具備されたヘッドを持つ管を含む、可変光ビームを持つフラッシュライトが開示されている。光反射器が、該ヘッドの前面に配置される。外装は、該管の前面内に加圧されて嵌合される。スイッチは外装に固定される。端部キャップ、ばね及び端部板が、保持器に収容された絶縁体に配置される。電球は、該保持器に保持される。スイッチは、フラッシュライトの電気回路を制御する。電球は管に対して安定しており、これにより該管に対する該ヘッドの回転が、光反射器を電球に対して移動させる。光反射器に対する電球の該移動により、フラッシュライトにより発せられる光ビームの幅が変化させられる。

該フラッシュライトの欠点は、該フラッシュライトから発せられる光ビームの幅を変化させるために、光反射器の電球に対する比較的大きな移動が必要とされる点である。

本発明の目的は、光ビームを拡大するために比較的小さな変位のみが必要とされる、ビーム制御素子を持つ照明システムを提供することにある。

本発明の第１の態様によれば、該目的は、請求項１に記載の照明システムにより達成される。本発明による照明システムは、光ビームを発するための光源と、及び前記光ビームの形状及び／又は方向を制御するためのビーム制御素子と、を有し、
前記光源は、前記ビーム制御素子を介して前記光ビームの少なくとも一部を発するように構成され、
前記ビーム制御素子は、弾性層と前記弾性層に対して略平行に配置された更なる層とを有し、前記弾性層が、前記更なる層に対して略平行に配置された前記弾性層の表面に起伏を有するか、又は、前記更なる層が、前記弾性層に面する前記更なる層の表面に起伏を有し、前記起伏は、前記光ビームの形状及び／又は方向を変化させるように構成され、
前記照明システムは更に、前記弾性層と前記更なる層との間に圧力を加えることによって前記起伏を小さくするため、前記弾性層と前記更なる層とを互いに対して移動させるための移動手段を有する。

形状及び／又は方向の制御は、光のコリメーションの制御を含む。

本発明による照明システムの効果は、前記更なる層に対して前記弾性層を移動させ、前記弾性層と前記更なる層との間に圧力を加えることにより、ビーム制御素子が光ビームの形状及び／又は方向を制御し得る点である。起伏の存在により、光ビームの形状及び／又は方向が変更され、例えば再方向付け又は再成形され、例えば拡散させられる。前記弾性層と前記更なる層とが互いに対して加圧されると、該弾性層は該起伏を小さくさせ、斯くして光の再方向付け及び／又は拡散を低減し、これにより光ビームの元の形状及び／又は方向を略復元する。典型的には、該起伏を構成する構造の大きさは、比較的小さい。斯くして、起伏を小さくし照明システムから発せられる光を制御するために、前記弾性層と前記更なる層との互いに対する比較的小さな変位しか必要とされない。例えば該弾性層が起伏を有する場合には、前記更なる層に対する該起伏の加圧が、該起伏の構造の変形を引き起こし、該起伏を小さくする。例えば前記更なる層が起伏を有する場合には、該起伏に対する前記弾性層の加圧が、該弾性層の弾性物質で該起伏の構造を満たし、該起伏を小さくして、光ビームの元の形状及び／又は方向を略復元する。

本発明による照明システムのビーム制御素子は、例えば透過又は反射において利用されても良い。ビーム制御素子が透過において利用される場合には、ビーム制御素子は、光ビームの形状及び／又は方向を制御するため、該光ビームの光路に配置される。典型的には、前記弾性層及び前記更なる層の両方が半透明である。該実施例の利点は、照明システムの比較的単純且つコスト効率の良い構造に帰着する点である。代替として、ビーム制御素子は反射において利用されても良い。ビーム制御素子が反射において利用される場合には、ビーム制御素子は更に反射層を有しても良い。光ビームは例えば、ビーム制御素子に入射し、弾性層及び更なる層により透過され、反射層に到達する。該反射層は好適には、該反射層が、ビーム制御素子から離れる方向に向けて、該更なる層及び該弾性層を介して再び光ビームの光を反射させるように配置される。斯かる実施例においては、光ビームの光は、該弾性層及び該更なる層によって２度透過させられる。光ビームの光が該弾性層及び該更なる層を２度通過する場合に達成される利点は、起伏を形成する構造の大きさが、透過におけるビーム制御素子の構成に比べて著しく低減されることができつつ、同様の効果を達成する点である。該起伏の構造の大きさの低減は、起伏を小さくするために必要とされる圧力もまた低減されるという更なる利点を持つ。

該照明システムの一実施例においては、前記移動手段は、前記圧力を加えるため、前記光ビームに対して略平行な方向である軸方向に、前記弾性層と前記更なる層とを互いに対して移動させるように構成される。

該照明システムの更なる実施例においては、前記移動手段は、前記起伏を変形させるために、横方向及び／又は回転方向に、前記弾性層と前記更なる層とを互いに対して移動させるように構成され、前記横方向及び前記回転方向は、前記光ビームに対して略垂直な方向である。前記更なる層が例えば前記弾性層に向けたスレッドに沿った回転運動を介して移動するように構成される場合には、該移動手段は、該スレッドに沿った軸方向における平行移動と、該スレッドに沿って前記更なる層を回転させる際の回転移動との組み合わせを有する。本実施例の利点は、比較的単純且つコスト効率の良い構造を有する点である。

該照明システムの一実施例においては、前記起伏が微細構造を有する。微細構造を利用する場合の利点は、微細構造を利用した光ビームの再方向付け又は光ビームの再成形が一般に、再方向付けされた又は再成形された光ビームにおける比較的均一な光分布に帰着する点である。微細構造を利用する場合の更なる利点は、前記弾性層と前記更なる層との互いに対する小さな移動しか必要とされない点、及び起伏を小さくするために一般に小さな圧力しか必要とされない点である。微細構造は典型的には、前記弾性層又は前記更なる層に略平行な方向に、１ミリメートルよりも小さな寸法を持つ構造である。前記弾性層又は前記更なる層に略平行な微細構造の別の寸法は、１ミリメートルよりも大きくても良い。既知の照明システムにおいては、発せられる光ビームの均一性は、電球に対する光反射器の移動の間に変化する。本発明による照明システムにおいては、微細構造の利用は、光ビームの比較的均一な制御に帰着する。微細構造は例えば、前記弾性層及び前記更なる層に対して共に平行な長さ寸法及び幅寸法を持つ、細長い微細構造であっても良い。斯かる細長い微細構造は例えば、幅寸法が１ミリメートルよりも小さく、長さ寸法がより大きくても良い、スクラッチ又は円筒形レンズ素子であっても良い。

該照明システムの一実施例においては、前記起伏が光ビームを反射させるように構成される。前記弾性層又は前記更なる層は例えば、光ビームが該起伏から反射される前に、該光ビームを透過させるように半透明であっても良い。代替として、該起伏が前記弾性層に配置される場合には、前記更なる層は、入射する光ビームとは反対側の起伏の側に配置されても良い。

該照明システムの一実施例においては、前記弾性層及び前記更なる層は半透明層である。本実施例の利点は、光ビームの透過により、前記起伏のビーム成形効果及び／又は再方向付け効果が、比較的単純に予測される点である。

該照明システムの一実施例においては、弾性半透明層は、前記更なる層に面する面において起伏を有する。本実施例の利点は、該起伏が比較的単純に生成される点である。

該照明システムの一実施例においては、該起伏を有する前記弾性層の面が、該弾性層に埋め込まれる。本実施例の利点は、起伏を該弾性層内に埋め込むことにより、圧力を加えることにより変更されるべき該起伏の能力に影響を与え得る埃のような汚れから、該起伏が保護される点である。

該照明システムの一実施例においては、前記弾性層は、起伏を形成する埋め込まれた区画を有する。

該照明システムの一実施例においては、前記区画は、前記起伏を小さくするため、前記弾性層を加圧することにより、前記区画から排出される流体を有する。該流体は例えば、該区画から押し出される空気であっても良い。前記弾性層は例えば、加圧されたときに空気を排出し前記起伏を小さくする、空気で満たされた区画を有する発泡体を有しても良い。本実施例の利点は、比較的単純に製造される点である。

該照明システムの一実施例においては、前記更なる層は、前記弾性層に比べて比較的剛性である。本実施例の利点は、本発明によるビーム制御素子のために、単一の弾性層しか必要とされない点である。一般に、弾性半透明物質は、弾性特性を得るために高分子を有する。しかしながら、高分子は一般に、光にさらされると時間によって劣化し脆くなり、弾性層の弾性特性を低減させてしまう。該弾性層の低減された弾性特性によって、該弾性層の起伏を小さくする能力が低減される。長い期間に亘って弾性層を利用するために、該弾性層は例えば、比較的高価なシリコンゴムでつくられ得る。それ故、単一の弾性層が必要とされる本実施例による照明システムは、比較的コスト効率の良い態様で製造され得るのである。

該照明システムの一実施例においては、前記弾性層の屈折率は、前記更なる層の屈折率と略等しい。前記更なる層が起伏を有する実施例においては、該更なる層が前記弾性層に比べて比較的剛性である場合には、該更なる層に対する該弾性層の加圧が、該起伏を小さくする。該起伏の縮小は、該起伏の構造を満たす弾性物質により引き起こされる。該弾性層の屈折率が該更なる層の屈折率と略合致する場合には、該起伏の構造の充填は、光学的に略一様な層に帰着する。斯かる光学的に一様な層は、光ビームの形状及び／又は方向を変化させない。しかしながら、該弾性層の屈折率が該更なる層の屈折率と合致しない場合には、該起伏の突出及び／又は没入の充填は、光学的に一様な層に帰着しない。斯かる実施例においては、屈折率の違いによって起伏が光学的に存在したままとなり、光ビームを或る程度制御することとなる。

該照明システムの一実施例においては、前記起伏は、円形レンズ型、円筒形レンズ型、プリズム型又は略ランダムな形状の、隆起部、没入部又は区画の構成を有する。円形レンズ型の隆起部、没入部又は区画を利用する場合の利点は、該起伏と相互作用する光ビームの拡大が、略２次元で行われる点である。該起伏において円筒形レンズ型の隆起部、没入部又は区画を利用する場合の利点は、該起伏と相互作用する光ビームの拡大が、該円筒形レンズ型の隆起部、没入部又は区画の長軸に垂直な方向で主に行われる点である。該起伏においてプリズム型の隆起部、没入部又は区画を利用する場合の利点は、該起伏と相互作用する光ビームが、該プリズム型の隆起部、没入部又は区画により再方向付けされる点である。該プリズム型の隆起部、没入部又は区画が略同一であり互いに対して略平行に配置されている場合には、該起伏と相互作用する光ビームが再方向付けされる。半透明な弾性層を介して該起伏を小さくすることによって、光ビームの形状及び／又は方向が復元される。勿論、該起伏は、異なった形状の隆起部、没入部又は区画のいずれかの組み合わせを有しても良い。

該照明システムの一実施例においては、前記隆起部、没入部又は区画は、ホログラフィック拡散パターンを有する。本実施例の利点は、斯かるホログラフィック拡散パターンが、光ビームの形状、方向及びコリメーションに対する非常に正確な制御を与え得る点である。斯かるホログラムを用いると、ホログラフィックイメージを生成することも可能となり得る。ホログラフィック拡散パターンが低減される場合には、該ホログラフィック拡散パターンにより生成されたホログラフィックイメージの形状、方向及びコリメーションの制御も低減される。

該照明システムの一実施例においては、前記移動手段は、スレッドに沿った平行移動を引き起こす回転運動、圧電素子、電磁気力、又はモータを介して、前記更なる層に対して前記弾性層を移動させる。例えば螺旋型のスレッドに沿った平行移動を引き起こす前記更なる層の回転運動を利用する場合の利点は、比較的容易に且つコスト効率良く実装され得る点である。とりわけ該ビーム制御素子を例えばフラッシュライトにおいて利用する場合には、ビーム制御素子の比較的コスト効率の良い実装が重要となる。フラッシュライトにおいては、ユーザが光源に触れることを防ぐために、一般に光出力窓が備えられる。該光出力窓はしばしば、フラッシュライトの筐体にねじ止めされたフランジを介して該フラッシュライトに装着される。該光出力窓は例えば、該ビーム制御素子の前記更なる層を構成しても良いし又は有しても良い。該フラッシュライトにおける光源のコリメータは例えば、前記起伏を有する前記弾性層を有しても良い。前記更なる層と前記弾性層との間の相対運動はこのとき、光出力窓を有するフランジを筐体にねじ止めすることにより生成されても良く、これにより起伏を低減しても良い。

該照明システムの一実施例においては、前記更なる層に略平行に配置された前記弾性層の表面と前記弾性層に面する前記更なる層の表面との両方が、起伏を有する。前記弾性層及び前記更なる層の両方が起伏を有する本実施例の利点は、光ビームに対する必要とされるビーム制御素子の制御効果を得るための個々の起伏の隆起部及び／又は没入部の深さが低減され得る点である。更に、本実施例は、前記更なる層の表面における起伏に比べて異なる形状を持つ、前記弾性層の表面における起伏を利用することを可能とする。

該照明システムの一実施例においては、前記弾性層の起伏と前記更なる層の起伏とは、略相補的な起伏である。光ビームを成形するために互いに対して移動可能な合致する相補的な起伏の利用は、ドイツ国特許3926618から既に知られている。しかしながら、該システムの欠点は、合致する相補的な起伏によって光が変化させられないように該合致する相補的な起伏を合わせるためには、比較的高い精度が必要とされる点である。このことは、該起伏が微細構造を有する場合には特に重大となる。弾性層の利用により、必要とされる精度が低減される。必要とされる精度の低減は、略相補的な起伏における、又は前記弾性層と前記更なる層とを互いに対して移動させるために機構的な構造における、いずれの不正確さにも適応する弾性層によってもたらされる。更に、略相補的な起伏を利用する場合には、前記弾性層及び前記更なる層の一方が略平坦である実施例に比べて、該起伏を小さくするために必要とされる圧力がかなり小さくなり得る。

本発明の第２の態様によれば、前記目的は、請求項１８に記載のビーム制御素子により達成される。本発明によるビーム制御素子は、弾性層と前記弾性層に対して略平行に配置された更なる層とを有し、前記弾性層が、前記更なる層に対して略平行に配置された前記弾性層の表面に起伏を有するか、又は、前記更なる層が、前記弾性層に面する前記更なる層の表面に起伏を有し、前記起伏は、前記光ビームの形状及び／又は方向を変化させるように構成され、
前記ビーム制御素子は更に、前記弾性層と前記更なる層との間に圧力を加えることによって前記起伏を小さくするため、前記弾性層と前記更なる層とを前記光ビームの方向に互いに対して移動させるための移動手段を有する。

本発明の第３の態様によれば、前記目的は、請求項２０に記載の光源により達成される。本発明による光源は、光ビームを生成するための発光素子及びコリメータを有し、前記光源の光出口窓は、前記起伏を有する前記弾性層を有する。前記発光素子は例えば、発光ダイオード又は超高圧ランプであっても良い。

本発明の第４の態様によれば、請求項１９又は２１に記載のフラッシュライトにより達成される。

本発明のこれらの及びその他の態様は、以下に記載される実施例を参照しながら説明され明らかとなるであろう。

図面は単に図式的なものであって、定縮尺で描かれたものではない。特に明確さのため、幾つかの次元が強く誇張されている。図における同様の構成要素は、可能である限り、同じ参照番号によって示される。

弾性層が平行光ビームを再成形するための起伏を有する、本発明によるビーム制御素子の模式的な断面図を示す。 弾性層が平行光ビームを再成形するための起伏を有する、本発明によるビーム制御素子の模式的な断面図を示す。 弾性層が平行光ビームを再方向付けするための起伏を有する、本発明によるビーム制御素子の模式的な断面図を示す。 弾性層が平行光ビームを再方向付けするための起伏を有する、本発明によるビーム制御素子の模式的な断面図を示す。 弾性層が平行光ビームを再方向付けするための起伏を有する、本発明によるビーム制御素子の模式的な断面図を示す。 弾性層が平行光ビームを再方向付けするための起伏を有する、本発明によるビーム制御素子の模式的な断面図を示す。 更なる層が平行光ビームを再成形するための起伏を有する、本発明によるビーム制御素子の模式的な断面図を示す。 更なる層が平行光ビームを再成形するための起伏を有する、本発明によるビーム制御素子の模式的な断面図を示す。 起伏を有する更なる層の表面が全体的な曲線状の形状を持つ、ビーム制御素子の模式的な断面図を示す。 起伏を有する更なる層の表面が全体的な曲線状の形状を持つ、ビーム制御素子の模式的な断面図を示す。 弾性層が弾性粒子を有する、ビーム制御素子の模式的な断面図を示す。 弾性層が弾性粒子を有する、ビーム制御素子の模式的な断面図を示す。 弾性層がスポンジ状構造を有する、ビーム制御素子の模式的な断面図を示す。 弾性層がスポンジ状構造を有する、ビーム制御素子の模式的な断面図を示す。 弾性層が区画を有する、ビーム制御素子の模式的な断面図を示す。 弾性層が区画を有する、ビーム制御素子の模式的な断面図を示す。 弾性層及び更なる層の両方が、平行光ビームを再成形するための相補的な合致起伏を有する、本発明によるビーム制御素子の模式的な断面図を示す。 弾性層及び更なる層の両方が、平行光ビームを再成形するための相補的な合致起伏を有する、本発明によるビーム制御素子の模式的な断面図を示す。 ビーム制御素子が反射において利用される、本発明によるビーム制御素子の模式的な断面図を示す。 ビーム制御素子が反射において利用される、本発明によるビーム制御素子の模式的な断面図を示す。 弾性層の加圧されていない起伏が全反射により光ビームを反射させるような形状とされた、ビーム制御素子の模式的な断面図を示す。 弾性層の加圧されていない起伏が全反射により光ビームを反射させるような形状とされた、ビーム制御素子の模式的な断面図を示す。 平行光ビームを再成形するために弾性層がコリメータのレンズの表面に配置された、本発明によるビーム制御素子の模式的な断面図を示す。 平行光ビームを再成形するために弾性層がコリメータのレンズの表面に配置された、本発明によるビーム制御素子の模式的な断面図を示す。 本発明による照明システムにおける使用のための光源の模式的な断面図を示す。 本発明による照明システムの模式的な断面図を示す。 本発明による照明システムの模式的な断面図を示す。 本発明による照明システムを有するフラッシュライトの模式的な断面図を示す。 本発明による照明システムを有するフラッシュライトの模式的な断面図を示す。

図１Ａ及び１Ｂは、本発明によるビーム制御素子１０の模式的な断面図を示す。ビーム制御素子１０は、互いに対して略平行に且つ光源（図示されていない）からの光制御素子１０に入射する光ビーム４０に対して略垂直に配置された、弾性層２ａ及び更なる層４ａを有する。本発明によるビーム制御素子１０は更に、明確さの理由により図１Ａ及び１Ｂの模式的な図には示されていない、移動手段５２、５６（図８及び９を参照）を有する。図１Ａ及び１Ｂに示されたようなビーム制御素子１０においては、更なる層４ａに面する弾性層２ａの表面が、起伏２１を有する。起伏２１は、ビーム制御素子１０に入射する光ビーム４０を制御するように配置される。図１Ａ及び１Ｂに示された実施例においては、起伏２１は、複数の円形のレンズ型の隆起部又は複数の円筒形のレンズ型の隆起部から構成される。光ビーム４０が起伏２１に当たると、光ビーム４０の形状が起伏２１によって変化させられる。例えば、起伏２１が複数の円形のレンズ型の隆起部から構成されている場合には、起伏２１は、弾性層２ａに平行な２つの次元において光ビーム４０を拡大する。起伏２１が複数の円筒形のレンズ型の隆起部から構成されている場合には、起伏２１による光ビーム４０の拡大は、矢印４２により示された円筒形のレンズ型の隆起部の中心軸（図示されていない）に垂直な１つの次元においてのみ起こる。図１Ａ及び１Ｂの模式的な断面図において、円筒形のレンズ型の隆起部を利用する場合の光ビーム４０の拡大は、図１Ａに示された断面の平面において起こる。

図１Ａは、互いに対して離隔された弾性層２ａ及び更なる層４ａを示す。結果として、起伏２１は、かなり拡散した光ビーム４２を形成するように光ビーム４０を制御する。図１Ａに示された実施例においては、弾性層２ａは、半透明な基板６上に配置される。基板６は半透明であっても良く、例えばガラス若しくは石英又は代替の半透明物質から構成されても良い。図１Ｂは、弾性層２ａ及び／又は更なる層４ａを軸方向Ａに沿って移動させることにより互いに対して加圧された弾性層２ａ及び更なる層４ａを示す。弾性層２ａの弾性特性により、起伏２１は、弾性層２ａと更なる層４ａとの間に加えられる圧力によって小さくされる。加えられる圧力は起伏の縮小のレベルを決定し、従ってビーム制御素子１０によって透過される光ビームの形状及び／又は方向の復元のレベルを決定する。

更なる層４ａは例えば、弾性層２ａに比べて比較的剛性のものであっても良い。代替として、更なる層４ａもまた弾性のものであっても良い（図示されていない）。更なる層４ａもまた弾性のものである場合の利点は、弾性層２ａ及び更なる層４ａの両方が起伏２１を小さくするように適応し得るため、典型的に起伏２１を小さくするために小さな圧力しか必要とされない点である。弾性層２ａは、単一の弾性の半透明物質により構成されても良いし、又は例えば、柔軟な膜（図示されていない）に封入された弾性物質から構成されても良い。柔軟な膜に封入された弾性物質は例えば、流体であっても良い。図１Ａ及び１Ｂに示された実施例においては、封入膜が起伏２１を有する。本実施例の利点は、該柔軟な膜のみが例えば高分子でつくられ、一方で該流体は、例えば水又は空気のような光ビームの光に対して半透明な略任意の流体であっても良い。

起伏２１は例えば、リソグラフィーを介して弾性層２ａにおいて起伏２１をエッチングすることにより生成されても良い。弾性層２ａは、例えば金型にキャスティングされても良い単量体から構成されても良い。重合の後、弾性層２ａが生成される。起伏２１は金型の一部であっても良く、金型に単量体をキャスティングする際に生成されても良い。単量体の後続する重合が、起伏２１を有する弾性層２ａを生成する。代替として、起伏２１を形成する表面構造は、フォーカスされたレーザビームを用いて形成されても良い。代替として、ホログラフィック手段が、ビームの形状及び／又は方向に対する比較的優れた制御を提供する起伏２１内にホログラフィック拡散器を生成するために利用される。層において又は層上に起伏を生成するための、他の多くの手法が、起伏２１を形成するために適用されても良い。

図２Ａ、２Ｂ、２Ｃ及び２Ｄは、本発明によるビーム制御素子１１の代替実施例の模式的な断面図を示す。図２Ａ及び２Ｂに示された実施例においては、弾性層２ｂが半透明基板６に配置され、入射光ビーム４０を再方向付けし、再方向付けされた光ビーム４４へとするための、複数のプリズム状の隆起部から構成される起伏２２ａを有する。該プリズム状の隆起部は例えば、図２Ａ及び２Ｂに示された断面図に対して垂直方向に延在する細長いプリズムであっても良い。図２Ａは、起伏２２ａが光ビーム４０を再方向付けして、再方向付けされた光ビーム４４にするように、更なる層４ａから離隔された、弾性層２ｂを示す。図２Ｂは、軸方向Ａに移動した後に更なる層４ａに対して加圧される弾性層２ｂを示す。弾性層２ｂと更なる層４ａとの間に加えられる圧力のため、起伏２２ａは小さくされ、プリズム状の隆起部は圧力により変形されて、弾性の半透明物質の略均一な層となる。起伏２２ａの縮小のため、ビーム制御素子１１はもはや、変化させられていないビーム制御素子１１を通して略透過させられる入射光ビーム４０を再方向付けしない。

以上に示されたように、更なる層４ａは、弾性層に比べて比較的剛性のものであっても良いし、又は例えば同様に弾性のものであっても良い。ここでもまた、弾性層２ｂは、柔軟な膜に封入された流体から構成されても良い。

図２Ａ、２Ｃ及び２Ｄは、更なる層４ａが、弾性層２ｂに対して横方向Ｔに移動させられる、更なる実施例を示す。図２Ｃにおいて、横方向Ｔにおける更なる層４ａの移動は、起伏２２ａに対して圧力を加えることによって起伏２２ａ（図２Ａを参照）の形状を変化させ、それにより、該起伏が、かなり拡散した光ビーム４２となるように光ビーム４０を制御する起伏２１へと変化する。更なる層４ａが横方向Ｔに更に移動させられた場合には、図２Ｃの起伏２１は、図２Ｄに示されたような起伏２２ｂへと変化させられる。図２Ｄに示されたような起伏２２Ｂは、ここでもまた、入射光ビーム４０を再方向付けし、最方向付けされた光ビーム４４にするための、複数のプリズム状の隆起部から構成されるが、図２Ａに示された実施例とは異なる方向に再方向付けされる。

図２Ａ、２Ｃ及び２Ｄに示された実施例はまた、弾性層２ｂに対して回転方向（図示されていない）に更なる層４ａを移動させたときに得られ得る。勿論、更なる層４ａに対して弾性層２ｂを移動させたときにも、同一の効果が達成される。

図３Ａ及び３Ｂは、更なる層４ｂが光ビーム４０を再成形するための起伏２１を有する、本発明によるビーム制御素子１２の模式的な断面図を示す。起伏２１は、ここでもまた、複数の円形のレンズ状の隆起部又は円筒形のレンズ状の隆起部から構成され、それぞれ光ビームの２次元の拡大又は光ビーム４０の１次元の拡大に帰着する。弾性層２ｃは、単一の弾性物質又は柔軟な膜に封入された流体から構成されても良い、比較的平坦な弾性層２ｃである。図３Ａは、光ビーム４０がビーム制御素子１２を通って進む間に、起伏２１が光ビーム４０の形状を制御するように、弾性層２ｃから離隔された更なる層４ｂを示す。図３Ｂは、起伏２１が小さくなるように、弾性層２ｃに対して加圧された更なる層４ｂを示す。図３Ａ及び３Ｂに示された例においては、更なる層４ｂは、弾性層２ｃの弾性物質に比べて比較的剛性であり、従って、弾性層２ｃと更なる層４ｂとの間に加えられる圧力のため、弾性層２ｃの比較的平坦な半透明物質が、更なる層４ｂの隆起２１に比べて略相補的な形状へと加圧される。弾性層２ｃの弾性の半透明物質は、更なる層４ｂの起伏２１の円形又は円筒形のレンズ状の隆起部間のギャップを略埋め、これにより起伏２１が小さくされる。好適には、弾性層２ｃ及び更なる層４ｂは、略同一の屈折率を持つ。弾性層２ｃ及び更なる層４ｂが同一の屈折率を持たない場合には、起伏２１の隆起部間のギャップの充填は、屈折率の違いにより、起伏を単に変形させるのみであり、起伏を光学的に除去しない。弾性層２ｃ及び更なる層４ｂが同一の屈折率を持つ場合には、起伏２１の隆起部間のギャップの充填が起伏２１をも光学的に除去し、それにより、図３Ｂに示されるように、ビーム制御素子１２に入射する光ビーム４０が変化させられないまま通過することができる。

更なる層４ｂは例えばガラス又は石英から構成されても良く、起伏２１は該ガラス又は石英にエッチングされても良い。代替として、更なる層４ｂは、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）又はポリスチレン（ＰＳ）若しくはポリカーボネート（ＰＣ）のような、弾性層２ｃの弾性の半透明物質よりも剛性のものであるプラスチック物質から構成されても良い。

図４Ａ及び４Ｂは、起伏２３を有する弾性層２ｄの表面が全体的な曲線状の形状を持つ、ビーム制御素子１３の模式的な断面図を示す。斯かる起伏２３の全体的に曲線状の形状は、弾性層２ｄが更なる層４ａに対して加圧されたときに、起伏２３が徐々に消失するという利点を持つ。このことは、逸らされた光ビーム４２が平行光ビーム４０へと徐々に変化することを可能とする。本実施例の更なる利点は、更なる層４ａから弾性層２ｄが徐々に離れることを可能とし、このことは弾性層２ｄが比較的粘性が高いものである場合には有利となり得る。

図５Ａ及び５Ｂは、弾性層２ｅが弾性粒子２４を有する、ビーム制御素子１４の模式的な断面図を示す。弾性粒子２４の利用は、起伏２４の表面を増大させ、斯くして散乱効果を増大させる。圧力が加えられると、図５Ｂに示されるように、粒子２４の弾性効果が弾性層２ｅを略均一とし、斯くして起伏２４を小さくして、入射する光ビーム４０が略変化させられずに通過することを可能とする。

図６Ａ及び６Ｂは、弾性層２ｆがスポンジ状構造２５を有する、ビーム制御素子１５の模式的な断面図を示す。スポンジ状構造２５もまた起伏２５の表面を増大させ、弾性層２ｆの散乱効果を増大させる。弾性層２ｆは例えば、図６Ａに示されるように、加圧されていない状態では空気で満たされていても良い。弾性層２ｆが加圧されると（図６Ｂを参照）、略均一な層２ｆとなるように圧縮された弾性層２ｆから空気が押し出され、それにより入射光ビーム４０が略変化させられずに通過することを可能とする。

図７Ａ及び７Ｂは、弾性層２ｇが区画２６を有する、ビーム制御素子１６の模式的な断面図を示す。区画２６は、弾性層２ｇの残りの部分とは異なる屈折率を持つ流体で満たされていても良い。区画２６は、空気若しくは水又はその他のいずれかの適切な流体を有しても良い。図７Ａに示されたような加圧されていない状態では、入射光ビーム４０は区画２６により回折させられ、かなり拡散的な散乱光ビーム４２に帰着する。弾性層２ｇと更なる層４ａとの間に圧力が加えられると、該区画は、図７Ｂに示されるように、弾性層２ｇ内の略均一な層へと変形する。ここでもまた、入射光ビーム４０は略変化させられずに通過し得る。

図８Ａ及び８Ｂは、弾性層２ｈ及び更なる層４ｂの両方が、光ビーム４０を制御するための起伏２１、２７を有する、本発明によるビーム制御素子１７の模式的な断面図を示す。更なる層４ｂは、図３及び４に示されたような更なる層４ｂと略等しく、複数の円形又は円筒形のレンズ状隆起部を有する。弾性層２ｈは、更なる層４ｂの起伏２１と略相補的な相補的起伏２７を有する。弾性層２ｈの相補的起伏２７は、更なる層４ｂの円形のレンズ状隆起部又は円筒形のレンズ状隆起部に略合致する、円形のレンズ状隆起部又は円筒形のレンズ状隆起部を有する。図８Ａは、起伏２１及び相補的起伏２７が、ビーム制御素子１７に入射する光ビーム４０の形状及び／又は方向を制御するように離隔された、弾性層２ｈ及び更なる層４ｂを示す。図８Ｂは、更なる層４ｂに対して加圧された弾性層２ｈを示し、ここでは起伏２１が相補的起伏２７に略合致する。弾性層２ｈ及び更なる層４ｂの屈折率が略同一である場合には、図８Ｂに示されるようなビーム制御素子１７の構成に入射する光ビーム４０は、略変化させられずにビーム制御素子１７を通過する。弾性層２ｈの弾性特性により、相補的起伏２７に対する起伏２１のいずれの不整合もが補正され、それにより起伏２１及び相補起伏２７はかなり大幅に小さくされる。

代替として、弾性層２ｈの起伏２７は、更なる層４ｂの起伏２１の相補的起伏２７でなくとも良い（図８Ａ及び８Ｂには図示されていない）。起伏２１、２７は、光ビーム４０の必要とされる成形又は再方向付けが、２つの起伏２１、２７の組み合わせにより得られるように選択されても良い。斯かる実施例においては、起伏２１、２７を小さくするために更なる層４ｂに対して弾性層２ｈを加圧するために必要な力は小さくなる。なぜなら、個々の起伏２１、２７のいずれもが、深さの半分を持つ隆起部及び／又は没入部を持つことしか必要とされないからである。光ビーム４０を成形又は再方向付けするために２つの異なる起伏２１、２７を利用することは、ビーム制御素子１７による光ビーム４０のより複雑な制御を可能とする。

弾性層２ｈは、単一の弾性物質から構成されても良いし、又は柔軟な膜に封入された流体から構成されても良い。該膜が流体を封入するために利用される場合には、該膜が弾性層２ｈの起伏２７を有する。

図９Ａ及び９Ｂは、ビーム制御素子１８が反射において利用される、本発明によるビーム制御素子１８の模式的な断面図を示す。ビーム制御素子１８は、弾性層２ｃと、起伏２１を有する更なる層４ｂとを有する。図９Ａ及び９Ｂに示されたビーム制御素子１８は更に、入射する光ビーム４０を反射するための反射層８を有する。弾性層２ｃ及び更なる層４ｂは、図３Ａ及び３Ｂに示された弾性層２ｃ及び更なる層４ｂに略等しい。しかしながら、図９Ａ及び９Ｂに示された実施例においては、入射光ビーム４０の成形又は再方向付けに対する起伏２１の効果は、図３Ａ及び３Ｂの実施例の効果の略２倍である。なぜなら、光が弾性層２ｃ及び更なる層４ｂを２度通過するからである。

図９Ａ及び９Ｂに示された実施例においては、光ビーム４０は、或る角度で反射層８に入射する。光ビーム４０は起伏２１にも或る角度で入射し、このことはビーム制御素子１８による光ビーム４０の再成形を歪める。起伏２１は、斯かる歪（図示されていない）を補償するように構成されても良い。

図１０Ａ及び１０Ｂは、弾性層２ｉの加圧されていない起伏２８が全反射により光ビームを反射させるような形状とされた、ビーム制御素子１９の模式的な断面図を示す。起伏２８のプリズム状の形状が、更なる層４ａに略垂直に入射する光ビーム４０を反射させる。本実施例の利点は、全反射を利用した反射が、略無損失である点である。更なる層４ａに対して弾性層２ｉを加圧することによって弾性層２ｉの弾性物質が圧縮されると、起伏２８のプリズム状の構造が小さくなり、図１０Ｂに示されるように弾性物質の略一様な層を形成する。もはやプリズム型ではない起伏２８の部分は、入射光ビーム４０の光の一部を透過させ始める。従って、起伏２８の縮小の間、弾性層２ｉの屈折特性が低速に減少し、徐々に多くの入射光ビームの光がビーム制御素子１９によって透過させられる。図１０Ａ及び１０Ｂに示されたようなビーム制御素子１９の実施例は、入射光ビーム４０の透過率又は反射率を比較的容易に変化させるための光学素子として利用されることができる。

図１１Ａ及び１１Ｂは、弾性層２ｊがレンズ状の更なる層４ｃの表面に配置された、本発明によるビーム制御素子２０の模式的な断面図を示す。弾性層２ｊは、光源３４により発せられた光ビームを再成形又は再方向付けするための起伏２９を有する。起伏２９は、弾性層２ｊと更なる層４ｃとの間の界面に配置される。光源３４は、発光素子３６と、発光素子３６により発せられた光を平行にし平行光ビームを形成するレンズ状の更なる層４ｃとを有する。ビーム制御素子２０は更に半透明素子３７を有し、該半透明素子３７の弾性層２ｊに面する表面は、弾性層２ｊが取り付けられるレンズ状の更なる層４ｃの表面に対して相補的な形状を持つ。半透明素子３７は、起伏２９を小さくするために更なる層４ｃに対して弾性層２ｊを加圧するために利用される。

図１１Ａは、半透明素子３７が弾性層２ｊから離隔された、ビーム制御素子２０を示す。半透明素子３７と弾性層２ｊとの間の該離隔により、弾性層２ｊと更なる層４ｃとの間に圧力が加えられず、起伏２９が光源により発せられた光ビームを制御する。図１１Ｂは、半透明素子３７が更なる層４ｃに対して加圧され、従って弾性層２ｊを更なる層４ｃに対して加圧した、ビーム制御素子２０を示す。加えられたこの圧力により、弾性層２ｊの弾性物質は変形し、それにより起伏２９を小さくする。縮小された起伏２９により、弾性層２ｊは、半透明素子３７と更なる層４ｃとの間に略均一な層を形成し、光ビーム４０が弾性層２ｊ及び半透明素子３７を略変化させられずに通過することを可能とする。代替として、弾性層２ｊは、図１１Ａの構成における弾性層２ｊが更なる層４ｃから離隔されるように、半透明素子３７に取り付けられても良い（図示されていない）。

図１２は、本発明による照明システム５０、６０（図１３及び１４を参照）における使用のための光源３８の模式的な断面図を示す。光源３８は、例えば発光ダイオード３２のような発光素子３２を有し、発光素子３２により発せられた光を平行にするためのコリメータ３３を有する。光源３８は更に、弾性層２ａを有する光出口窓３９を有する。弾性層２ａは、コリメータ３３から発せられた光ビームの形状及び／又は方向を制御するための起伏２１を有する。該光源３８は例えば、従来の照明システムにおける後付け光源３８として利用されても良い。一般に、従来の照明システムは、ユーザが光源に触れることを防ぐためのカバーガラスを持つ。なぜなら、光源は一般に比較的熱くなるからである。カバーガラスは、前記起伏の小さくするために弾性層２ａに対して加圧されても良い更なる層として配置されても良く、それ自体が前記光ビームの形状及び／又は方向を略復元しても良い。発光素子３２は、超高圧放電ランプ３２であっても良い。典型的には、該超高圧放電ランプは、反射器３３内に比較的高い精度で配置され、反射器３３内の該超高圧放電ランプの位置は、典型的には固定される。反射器３３は典型的には、ユーザが超高圧放電ランプ３２に触れることを防ぐためのカバー（図示されていない）により封入される。該超高圧放電ランプにより発せられた光が、ビーム制御素子の上述した実施例に示されたように制御されるように、該カバーに弾性層２ａが取り付けられても良い。

図１３Ａ及び１３Ｂは、本発明による照明システム５０の模式的な断面図を示す。本発明による照明システム５０は、例えば発光ダイオード３２のような発光素子３２を有する光源を有し、コリメータ３３を有する。照明システム５０は、光ビームの形状及び／又は方向を制御するための起伏２１を有する弾性層２ａを有する。照明システム５０は更に、弾性層２ａに対して平行に配置された更なる層４ａを有する。照明システム５０は更に、弾性層２ａの起伏２１の縮小を制御するために、弾性層２ａに対して更なる層４ａを加圧するため、弾性層２ａに対して更なる層４ａを移動させるための、例えば圧電素子５２のような移動手段５２を有する。

図１３Ａは、弾性層２ａと更なる層４ａとの間に圧力が略加えられていない、弾性層２ａ及び更なる層４ａの構成を示す。結果として、光源３０から発せられた光ビームの形状及び／又は方向を制御するための起伏２１が存在している。図１３Ａに示された実施例においては、起伏２１は、光源３０により発せられた光ビームを発散光ビーム４２へと拡大するための、円形又は円筒形のレンズ状突起部を有する。図１３Ｂは、更なる層４ａが弾性層２ａに対して加圧され、それにより起伏２１を小さくした、弾性層２ａ及び更なる層４ａの構成を示す。加えられる圧力が、起伏２１の縮小のレベルを決定し、斯くして弾性層２ａ及び更なる層４ａにより透過させられる光ビーム４０の形状及び／又は方向の復元のレベルを決定する。

図１３Ａ及び１３Ｂに示された照明システム５０は更に、筐体５６と発光素子３２を駆動するための駆動回路５４とを有する。

図１４Ａ及び１４Ｂは、本発明による照明システム６０を有するフラッシュライト６０の模式的な断面図を示す。本発明によるフラッシュライト６０は、発光ダイオード３２及びコリメータ３３を有する光源３０を有する。フラッシュライト６０は更に、起伏２１を有する弾性層２ａを有し、弾性層２ａに対して平行に配置された更なる層４ａを有する。フラッシュライト６０は移動手段６２を有し、該移動手段６２は例えば、螺旋状のスレッドであって該スレッドに沿ってフランジ６４が回転運動により移動させられるような螺旋状のスレッド６２である。更なる層４ａはフランジ６４に結合され、該螺旋状のスレッド６２に沿ってフランジ６４が回転させられたときに、弾性層２ａに対して平行移動する。更なる層４ａの該平行移動により、更なる層４ａは、弾性層２ａの起伏２１の縮小を制御するために、弾性層２ａに対して加圧される。

図１４Ａは、弾性層２ａと更なる層４ａとの間に圧力が略加えられていない、弾性層２ａ及び更なる層４ａの構成を示す。結果として、光源３０から発せられた光ビームの形状及び／又は方向を制御するための起伏２１が存在している。図１４Ｂは、更なる層４ａがスレッド６２に沿ってフランジ６４の平行移動を介して平行移動させられ、弾性層２ａに対して加圧され、それにより起伏２１を小さくした、弾性層２ａ及び更なる層４ａの構成を示す。ここでもまた、更なる層４ａと該弾性層との間に加えられた圧力が、起伏２１の縮小のレベルを決定し、斯くして弾性層２ａ及び更なる層４ａにより透過させられる光ビーム４０の形状及び／又は方向の復元のレベルを決定する。

図１４Ａ及び１４Ｂに示されたフラッシュライト６０は更に、筐体６６と発光ダイオード３２を駆動するための駆動回路５４とを有する。フラッシュライト６０は更に、発光ダイオード３２にエネルギーを供給するための、例えばバッテリ６８のようなエネルギー源６８を有する。最後に、バッテリ６８の電気回路と駆動回路５４とを閉じるための導電線６９が配置される。

上述の実施例は本発明を限定するものではなく説明するものであって、当業者は添付する請求項の範囲から逸脱することなく多くの代替実施例を設計することが可能であろうことは留意されるべきである。

これら実施例は、限られた数の起伏しか示していない。しかしながら、光ビームを制御するための他の起伏も、本発明の範囲から逸脱することなく利用され得ることは、当業者には明らかである。請求項において、括弧に挟まれたいずれの参照記号も、請求の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。動詞「有する（comprise）」及びその語形変化の使用は、請求項に記載されたもの以外の要素又はステップの存在を除外するものではない。要素に先行する冠詞「１つの（a又はan）」は、複数の斯かる要素の存在を除外するものではない。本発明は、幾つかの別個の要素を有するハードウェアによって、実装されても良い。幾つかの手段を列記した装置請求項において、これら手段の幾つかは同一のハードウェアのアイテムによって実施化されても良い。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、これら手段の組み合わせが有利に利用されることができないことを示すものではない。

Claims (15)

1. 光ビームを発するための光源と、及び前記光ビームの形状及び方向のうち少なくとも一方を制御するためのビーム制御素子と、を有する照明システムであって、
   前記光源は、前記ビーム制御素子を介して前記光ビームの少なくとも一部を発するように構成され、
   前記ビーム制御素子は、弾性層と前記弾性層に対して略平行に配置された更なる層とを有し、前記弾性層が、前記更なる層に対して略平行に配置された前記弾性層の表面に起伏を有するか、又は、前記更なる層が、前記弾性層に面する前記更なる層の表面に起伏を有し、前記起伏は、前記光ビームの形状及び方向のうち少なくとも一方を変化させるように構成され、
   前記照明システムは更に、前記弾性層と前記更なる層との間に圧力を加えることによって前記起伏を小さくするため、前記弾性層と前記更なる層とを互いに対して移動させるための移動手段を有する、照明システム。
2. 前記移動手段は、前記圧力を加えるため、前記光ビームに対して略平行な方向である軸方向に、前記弾性層と前記更なる層とを互いに対して移動させるように構成された、請求項１に記載の照明システム。
3. 前記移動手段は、前記起伏を変形させるために、横方向及び回転方向のうち少なくとも一方に、前記弾性層と前記更なる層とを互いに対して移動させるように構成され、前記横方向及び前記回転方向は、前記光ビームに対して略垂直な方向である、請求項１又は２に記載の照明システム。
4. 前記起伏を有する前記弾性層の面は、前記更なる面に向いた面である、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の照明システム。
5. 半透明層である前記弾性層が前記弾性層の中に埋め込まれた空間を有する、請求項４に記載の照明システム。
6. 前記空間は、前記起伏を小さくするため、前記弾性層を加圧することにより、前記空間から排出される流体を有する、請求項５に記載の照明システム。
7. 前記更なる層は前記弾性層に比べて比較的剛性である、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の照明システム。
8. 前記弾性層の屈折率は前記更なる層の屈折率と略等しい、請求項７に記載の照明システム。
9. 前記起伏は、円形のレンズ型、円筒形のレンズ型、プリズム型、又は略ランダムな形状の隆起部、没入部又は区画から構成される、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の照明システム。
10. 前記移動手段は、
    スレッドに沿った平行移動を引き起こす回転運動、
    圧電素子、
    電磁気力、又は
    モータ
    を介して、前記更なる層に対して前記弾性層を移動させる、請求項１乃至９のいずれか一項に記載の照明システム。
11. 前記更なる層に略平行に配置された前記弾性層の表面と、前記弾性層に面する前記更なる層の表面と、の両方が起伏を有する、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の照明システム。
12. ビームの形状及び方向のうち少なくとも一方を制御するためのビーム制御素子であって、
    前記ビーム制御素子は、弾性層と前記弾性層に対して略平行に配置された更なる層とを有し、前記弾性層が、前記更なる層に対して略平行に配置された前記弾性層の表面に起伏を有するか、又は、前記更なる層が、前記弾性層に面する前記更なる層の表面に起伏を有し、前記起伏は、前記光ビームの形状及び方向のうち少なくとも一方を変化させるように構成され、
    前記ビーム制御素子は更に、前記弾性層と前記更なる層との間に圧力を加えることによって前記起伏を小さくするため、前記弾性層と前記更なる層とを前記光ビームの方向に互いに対して移動させるための移動手段を有する、ビーム制御素子。
13. 請求項１２に記載のビーム制御素子を有するフラッシュライト。
14. 請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の照明システムにおける使用のための光源であって、前記光源は、光ビームを生成するための発光素子及びコリメータを有し、前記光源の光出口窓は、前記起伏を有する前記弾性層を有する光源。
15. 請求項１４に記載の光源を有するフラッシュライト。

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