JP5734283B2 - スポット照明のための照明システム - Google Patents

Description

本発明は、スポット照明に関し、管状反射装置及び光源アレイを含む。

本発明は、スポット照明に関し、管状反射装置及び光源アレイを含む。シーンセッティングや他の雰囲気形成照明などのスポット照明において、カラーフィルタを持つ白色光源が広く使用されている。その後代替物として、発光ダイオード、ＬＥＤなどの着色光源が開発されている。着色光源を持つシステムでは、前記色は電子的制御で変更され得る。また全ての可能な色が常に利用可能である。

スポット照明応用においては、スポット照明システムが色制御可能であるかどうかを問わず発光の均一性が非常に重要である。

スポット照明の一例がＵＳ６２００００２に開示され、ここで管状のコリメータが前記コリメータ入り口の配置される光源アレイからの光を視準するものである。ＵＳ６２００００２は従来の照明システムに比べて改良された均一性を与えるものではあるが、さらに改良された発光が望まれる。

上記に鑑みて、本発明の一般的課題はスポット照明のための改良された照明システムを提供することであり、特に前記照明システムによる発光の均一性が改良されたものを提供することである。

本発明の第１の側面によれば、スポット照明のための照明システムが提供され、前記照明システムは：反射性内部表面を持つ管状反射装置であり、前記管状反射装置が入口開口部と前記入口開口部よりもおおきい出口開口部を含む、管状反射装置；前記入口開口部へ発光するように構成される複数の光源を含む光源アレイ；及び前記照明システムによる発光を拡散するように構成される光拡散光学部材を含み、前記光拡散光学部材が前記照明システムの光軸からの距離が増加するに従い拡散能力の増加を示すように構成される、照明システム、である。

本発明は以下の知見に基づく。入口開口部よりも大きい出口開口部を持つ管状反射装置を用いる照明システムによる光出力は、前記照明システムの光軸に近いほど光軸からさらに離れるよりも一般的により高い均一性、即ちより高い空間的均一性を示す、ということである。本発明者はさらに次の知見を得た。前記照明システムの出力効率と前記照明システムによる光出力の均一性との間の好ましいトレードオフは、前記照明システムによる光出力を拡散させるための光拡散光学部材を設け、前記光拡散光学部材を前記照明システムの光軸からの距離が増加するに従い拡散能力の増加を示すように構成することで、達成できる、ということである。

これにより前記光拡散はその最も大きな効果を持つ位置へ集中され、それにより前記照明システムによる光出力の改良された均一性が達成され、かつ前記光拡散光学部材による散乱及び／又は吸収から生じる光出力効率の減少を最小限とすることができる。

前記光拡散光学部材は、有利には、前記照明システムの光軸からの距離の増加に伴い増加される散乱を持つ、散乱を通して入射する光を拡散することができる。

十分な程度の強度及び、適用される場合には、十分な色の均一性を与え、かつ光拡散光学部材中での光損失を抑えるために、前記光拡散光学部材は、前記光学アレイ及び前記管状反射装置の特徴に依存して入射光を約±１０°まで散乱し得る。前記光源アレイ及び／又は前記管状反射装置が前記光の好ましい混合を与えるように構成される照明システムでは、最大散乱が約±５°で十分であり得る。

最大散乱は有利には、前記管状反射装置の縁部に近い部分で生じ、実質的に低レベルの散乱は光軸近くでは十分である。例えば前記光軸での散乱は±１°又は０°でもよい。

光軸からの距離が離れるほど拡散能力の増加は、実質的に連続的であってよく、又は段階的であってよい。さらに、光拡散光学部材は、制御可能な拡散性質を有していてもよい。かかる装置の１例は切り替え可能なＰＤＬＣ層である。

さらに、前記照明システムは有利にはさらに、前記照明システムによる発光を焦点化するように構成される焦点化光学エレメントを含むことができる。これにより前記照明システムによる光出力の角度広がりが減少する。これは特に、本発明による照明システムの種々の実施態様において有利である。というのは光拡散光学部材は一般的に、前記光拡散光学部材を通過する光の角度広がりを増加させるからである。

本発明の種々の実施態様により、少なくとも１つの管状反射装置及び光源アレイが。前記光源アレイのそれぞれの対称状態が、前記管状反射装置の全ての対称状態とは異なるように構成され得る。

「対称状態」とは、本発明では、初期状態とは異なる状態であり、初期状態と同じ配置となる状態を意味するものとして理解されるべきである。対称状態は、全ての種類の変位を通じて達成され、例えば回転、移動、鏡映などである。

対称状態一致を避けるために、優勢な方向への発光を低減させることができる。これにより発光の強度及び、適用される場合には色に関して空間的均一性が改良され得る。

前記管状反射装置の対称状態は（ある場合には）、例えば、前記管状反射装置の物理的配置を通じて制御され、及び前記光源の対称状態は（ある場合には）、前記光源アレイに含まれる光源の配置を通じて制御され得る。

種々の実施態様により、光源アレイと管状反射装置の非一致対称状態は、前記管状反射装置及び前記光源アレイの少なくとも１つを、対称性を持たないように構成することで達成される。例えば前記光源が、ランダムに及び／又は前記管状反射装置が不規則な断面を持つ、などにより達成され得る。

または、前記管状反射装置は同じ配置を持つ第２の状態数を表すことができ、前記第１と第２の数の比が非整数となる。かかる配置は非一致対称状態を与える。

同じ配置を持つ状態の数はその初期の状態プラス対称状態の数であり、即ち対称状態の数プラス１である。

さらに前記第１の数と第２の数の最大公約数を１に等しくするように前記照明システムを構成することで、優勢方向への発光をさらに減らすことができ、それにより発光の均一性がさらに改良される。

さらに、前記第１の数、即ち、前記管状反射装置により表される対称状態の数は、２より大きい素数であり、それにより前記光源アレイの光源の配置の設計の自由度がより高まる。というのはより少ない光源配置であるほどかかる管状反射装置配置を持つ対称状態との一致を示すからである。

種々の実施態様により、さらに、前記管状反射装置及び前記光源アレイの少なくとも１つが、前記照明システムの光軸に関して回転対称を示すことができる。

前記管状反射装置は本質的に多角形状断面を持ち得る。

本発明で、「多角形状断面」とは、前記多角形の角面を形成する少なくとも３点で接続された閉鎖パスにより境界付けされる断面であることを意味するものと理解されるべきである。例えば、前記多角形の角の間のそれぞれのパスは前記多角形に関して凹形状又は凸形状であってよい。１つの実質的において、前記多角形断面は非偶数の側部を持ち得る。例えば７角形状（７側部）又９角形状（９側部）などである。

他の実施態様によれば前記管状反射装置の断面は本質的に円形又は楕円形状であってよい。

前記照明システムによる発光の均一性をさらに改良するために、前記照明システムは、前記光源アレイに含まれる光源の全領域が前記管状反射装置の前記入口開口部の領域の少なくとも５％であるように構成される。

前記光源の全領域とは、前記光源の全発光領域、即ち、発光し得る領域を意味する、として理解されるべきである。

全発光領域及び前記入口開口部の領域との間の十分な比を与えることを通じて、前記照明システムによる発光の均一性がさらに改良される。本発明者の試験によれば、かかる十分な比としては前記管状反射装置の入口開口部の領域の約５％であり、より大きい比であればさらによい結果が得られる、ことが見出された。しかし、この比は好ましくは少なくとも１０％以上であり、好ましくは１５％以上、最も好ましくは少なくとも２０％以上である。

本発明の種々の実施態様により、前記光源アレイはさらに、第１の色を発光し、及び前記第１の色とは異なる第２の色を発光するように構成される１セットの光源を含む。

１セットの光源は、単一光源であってよく、又は共に配置される光源群であってよい。例えば、１セットの光源は、一列の発光ダイオード（ＬＥＤ）の形で与えられてよい。ここで前記照明システムからの色制御可能な光出力が備えられてよい。

本発明の発明者は、次の知見を得た。即ち、前記第１の色を発光するように構成される少なくとも３セットの光源と、前記第２の色を発光するように構成される少なくとも３セットの光源を含むように前記光源を構成することが、前記照明システムによる光出力の均一性に対して有利である、ということである。

さらに前記光源は、隣接する光源のセット間の前記最大距離が、前記入口開口部の横方向寸法の３分の１よりも小さいように構成されることが有利である。これにより前記光源アレイの大きな「暗い」領域が避けられ、前記照明システムによる光出力の均一性がさらに改良され得る。前記光源において前記光源をさらに均一に配置することは、前記均一性のさらなる改良となる。

本発明のこれらの側面及び他の側面は、さらに添付の図面と共に、本発明の実施態様に基づいて詳細に説明される。

図１は、本発明の１つの実施態様による照明システムの展開図である。 図２ａは、光軸に沿って見た、本発明の例示的実施態様の異なる対称状態を示す断面図である。 図２ｂは、光軸に沿って見た、本発明の例示的実施態様の異なる対称状態を示す断面図である。 図３は、例示的光源アレイ配置を模式的に示す。 図４は、図１の照明システムに含まれる拡散部材の例示的配置を模式的に示す。

以下本発明を、第１の対称状態数を示す光源アレイと第２の対称状態数を示す管状反射装置を含む照明システムを参照して説明する。

理解されるべきは、これが本発明の範囲を限定するものではないということであり、他の照明システムへの同じく適用可能なものであり、ここで光源アレイ及び管状反射装置の１つ又は両方が対称状態を欠いている。

図１は、シーンセッティングなどの雰囲気形成に適するスポット照明のための１つの照明システムを模式的に示す。照明システム１０は光源１３ａ〜ｄで形成される光源アレイ１を含み、これはプリント回路基板（ＰＣＢ）３などのキャリア上に設けられ、これはヒートスプレッダ４上に配置され、これはヒートシンク５上に配置される。照明システム０はさらに、反射性内部表面を持つ管状反射装置２を含む。前記管状反射装置２は光入口開口部７及び前記光入口開口部よりも大きい光出口開口部８を持つ。管状反射装置２の出口開口部８で、拡散部材、ここでは光学的拡散シート９の形で提供されている。

光源アレイ１は前記入口開口部７に設けられ、管状反射装置２へ発光する。図１で模式的に示される例示的実施態様において、管状反射装置２は照明システムの光軸１２に垂直平面で多角形断面を持つ。

照明システム１０による光出力の優れた均一性を達成するためには、前記光源アレイ１及び前記管状反射装置２の対称状態が一致するべきではない。この条件を満たす２つの例示的配置が図２ａ、ｂを参照して説明される。これらは照明システム１０の光軸に沿って前記管状反射装置２の前記出口開口部８から見た断面図である。

第１の例示的配置において、図２ａに示されるように、光源アレイ１は１つの初期状態及び３つの対称状態を示す。これは初期状態と同じ配置となる追加の状態である。全部で光源アレイ１は図２から容易に分かるように、４つの同一の配置を持つ。一方図２ａの管状反射装置２は１つの初期状態及び５つの対称状態を持ち、全体で６つの同じ配置を持つ。

従って、図２ａに模式的に記載された照明システム配置は、光源アレイ１及び管状反射装置２との間に一致する対称状態は示されない。特に管状反射装置２及び光源アレイ１についての同じ配置を持つ数の間の比はそれぞれ６／４＝１．５であり、非整数である。

図２ｂに模式的に示されるように第２の例示配置では、光源アレイ１は１つの初期状態及び２つの対称状態、即ち初期状態と同じ配置となる追加の状態を示す。全体で図２ｂから容易に分かるように、光源アレイ１は同じ配置を持つ３つの状態を持つ。一方図２ｂで、管状反射装置２は１つの初期状態と７つの対称状態を持ち、全体で８つの同じ配置を持つ。

従って、図２ｂで模式的に示される照明システム配置は、光源アレイ１及び管状反射装置２との間に対称状態が一致することはない。具体的には、管状反射装置２及び光源アレイ１についての同じ配置を持つ数の間の比は８／３となるこれは非整数である。

図２ａ、ｂに示される照明システム１０の例示配置のそれぞれにおいて、上記の最大公約数は１である。

図３は光源アレイ１の１例示的配置が模式的に示される。これは異なる色を有するＬＥＤの型の複数の光源を含む。前記光源は４つのセットの線状に配置された赤色ＬＥＤのアレイ３０ａ〜ｄ、４つのセットの線状に配置された緑色ＬＥＤのアレイ３１ａ〜ｄ、４つのセットの線状に配置された青色ＬＥＤのアレイ３２ａ〜ｄを含む。

図３に示されるように、光源３０ａ〜ｄ、３１ａ〜ｄ又は３２ａ〜ｄは、光源アレイ１が同じ光源配置となる２つの状態を持つ回転対称を示す。

図３の光源アレイ１が含まれる照明システム１０による光出力の望ましい均一性を与えるために、種々の光源３０ａ〜ｄ、３１ａ〜ｄ又は３２ａ〜ｄのセットは、同じ色を持ち隣接する光源セット間の距離が、管状反射装置２の入口開口部７の横方向寸法の３分の１よりも小さいように配置される。これは図３に模式的に示されている。

説明を簡単にするために、図３の光源アレイ１は、３つの原色のみのＬＥＤを含むものとして記載されてきた。当業者には容易に理解できるように、色混合及び均一性の改良は、追加の原色例えばアンバー、シアン、深紅及び／又は深青色などを発光するように構成されるＬＥＤを設けることで達成され得る。または、種々の白色光源も使用され得る。例えば暖白色、中間白色及び／又は冷白色などである。かかるＬＥＤは追加の直線上に設けることができる。又はＬＥＤ又は２又は３色が交互に配置されるように線が設けられる。

本発明による照明システムの種々の実施態様において、照明システムによる光出力は一般には、前記光軸と垂直な平面上で、前記光軸からの距離が増加するにつれてより不均一となる。

照明システムによる光出力の均一性をさらに改良しかつ出力効率の低下を最小限とするために、照明システム１０は有利には、前記管状反射装置２の出口開口部８に設けられる光学的拡散部材９を含む。光は通常光軸１２に近いところで比較的均一であるので、前記光学的拡散部材９は前記光軸１２からさらに離れた位置でのものよりもより低い拡散能力のものであってよい。これは例えば、散乱粒子３５を含む膜を設けることで達成され得る。ここで前記散乱粒子の濃度は前記照明システム１０の光軸からの距離が増加するにつれて増加するものである。これは図４に模式的に示される。光学的拡散部材９は、又は、中心部に穴を有し、従って光軸１２の近くの照明システム１０による光出力を吸収も散乱もしないようにすることも可能である。図４に模式的に示される散乱粒子３５の代わり又は補助として、光学的拡散部材９の拡散能力は他の手段例えばホログラフパターン及び／又は表面レリーフなどの手段を用いて達成され得る。

例えば、光拡散光学部材には、いわゆる光形状拡散（ＬＳＤ）ホイルが含まれ、これはＬｕｍｉｎｉｔ又はＦｕｓｉｏｎ Ｏｐｔｉｘから入手可能である。さらに開示された実施態様の変法・変形は、本図面、本開示内容及び特許請求の範囲から請求される発明を理解し実施する当業者にとって理解されるものである。例えば種々の他の公園配置が可能である。特許請求の範囲において用語「含む」、「持つ」とは他のエレメントやステップを除外するものではない。また「ひとつの」は複数を除外するものではない。単一のプロセッサ又は他のユニットは、請求項に記載されるいくつかの事項の機能を満たすことができる。ある手段が相互に従属する請求項に記載されているというだけの事実は、これらの手段の組み合せが有効でないことを意味するものではない。

Claims (12)

1. スポット照明のための照明システムであり、前記照明システムは：
   多角形の断面を有する反射性内部表面を持つ管状反射装置であり、前記管状反射装置が入口開口部と前記入口開口部よりも大きい出口開口部を含む、管状反射装置；
   前記入口開口部へ発光するように構成される複数の光源を含む光源アレイ；及び
   前記照明システムによる発光を拡散するように構成される光拡散光学部材を含み、
   前記光拡散光学部材が前記照明システムの光軸からの距離が増加するに従い拡散能力の増加を示すように構成され、
   前記管状反射装置及び前記光源アレイの少なくとも１つが、前記光源アレイのそれぞれの対称状態が前記管状反射装置の全ての対称状態と異なるように構成される、
   ことを特徴とする照明システム。
2. 請求項１に記載の照明システムであり、前記光拡散光学部材が、前記光軸からの距離の増加に従って入射光を散乱する、照明システム。
3. 請求項１又は２のいずれか１項に記載の照明システムであり、さらに、前記照明システムによる発光を焦点化するように構成される焦点化光学エレメントを含む、照明システム。
4. 請求項１に記載の照明システムであり、前記管状反射装置は同じ配置となる状態の第１の数を表し、前記光源アレイは同じ配置となる状態の第２の数を表しており、前記第１及び第２の数の比が非整数である、照明システム。
5. 請求項４に記載の照明システムであり、前記第１及び第２の数の最大公約数が１に等しい、照明システム。
6. 請求項４又は５に記載の照明システムであり、前記第１の数が２を超える素数である、照明システム。
7. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の照明システムであり、前記管状反射装置及び前記光源アレイの少なくとも１つが、前記照明システムの前記光軸に関して回転対称を示す、照明システム。
8. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の照明システムであり、前記管状反射装置が本質的に多角形状断面を持つ、照明システム。
9. 請求項１乃至８のいずれか１項に記載の照明システムであり、前記光源アレイに含まれる前記光源により占められる全領域が前記入口開口部の領域の少なくとも５％に等しい、照明システム。
10. 請求項１乃至９のいずれか１項に記載の照明システムであり、前記光源アレイが、第１の色を発光するように構成される少なくとも１セットの光源と、前記第１の色とは異なる第２の色を発光するように構成される少なくとも１セットの光源とを含む、照明システム。
11. 請求項１０に記載の照明システムであり、前記光源アレイが、前記第１の色を発光するように構成される少なくとも３セットの光源と、前記第２の色を発光するように構成される少なくとも３セットの光源とを含む、照明システム。
12. 請求項１０又は１１に記載の照明システムであり、隣接する前記光源のセット間の最大距離が、前記入口開口部の横方向寸法の３分の１よりも小さい、照明システム。

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