JP7421716B2

JP7421716B2 - 照明装置およびその制御方法

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Publication number: JP7421716B2
Application number: JP2019232825A
Authority: JP
Inventors: 和北原; 貴紀有賀
Original assignee: Nichia Corp
Current assignee: Nichia Corp
Priority date: 2019-12-24
Filing date: 2019-12-24
Publication date: 2024-01-25
Anticipated expiration: 2039-12-24
Also published as: JP2021101415A

Description

本発明は、照明装置およびその制御方法に関するものである。

特許文献１には、長い線状の照射範囲を少数の光源モジュールによって形成することができる照明装置を提供することが記載されている。

特開２０１２－０７４２７８号公報

廊下などの細長い領域を数少ない光源からの光で照明する場合、その領域を通過する人が光源からの光を眩しく感じる可能性がある。特に、光源からの光が、細長い領域に即した形状に照射範囲を限定された、指向性の強い照明装置は、照明が必要とされる領域に限定して照明を行うことができる。このために、効率がよく、また、本来照明を必要としない領域に対する影響を最小限にできるというメリットがある。一方、指向性が高い照明装置は、照明される領域を人が通過する際のグレアを低減できることが望ましい。

本発明の一態様は、光軸の周りに対称な分布を備えた第１の光を光軸に垂直な方向に変換して照明光として出力する光学装置と、照明光の強度を、光軸に平行な複数の線または面の単位で制御する透過制御機構とを有する照明装置である。

本発明の他の態様の一つは、光軸の周りに対称な分布を備えた第１の光を光軸に垂直な方向に変換して照明光として出力する光学装置と、光学装置の前面に配置された照明光の透過強度を制御する透過制御機構とを有する照明装置の制御方法であって、透過制御機構の照明光の透過強度を、光軸に平行な複数の線または面の単位で制御することを有する制御方法である。

この照明装置および制御方法によれば、照明光により照明される領域を通過する人または顔の位置に対応する照明光の透過強度を制御することが可能であり、グレアレスの照明装置を提供できる。

照明装置の概略構成を示す斜視図。照明装置を天井に取り付けた状態を示す平面図。液晶シャッターの一例を示す図。光学装置の一例を示す展開図。ＬＥＤ光源の強度分布（図５（ａ））および光学装置の概略構成を示す断面図（図５（ｂ））。光学装置により廊下を照明した状態を示す図。照明装置により廊下を照明した状態を示す図。液晶シャッターの制御の一例を示す図。照明装置の制御方法を示すフローチャート。照明装置の異なる例を示す図。

図１に、本実施形態に係る照明装置の一例を示している。この照明装置１は、廊下などの方形状またはライン状の領域（照明対象領域）２を照明するように制御された光（照明光）３を前方１９に出力する光学装置１０と、照明光３の透過状態を制御する透過制御機構５０と、透過制御機構５０を介して照明対象領域２に対する照明光３の到達状態を部分的に制御する制御装置６０と、照明対象領域２に入った人（通行人）を検出する人感センサー６８とを有する。

図２に、廊下を照明対象領域２とする照明装置１を天井９に取り付けた状態を示している。また、図３に、透過制御機構５０が、照明光３の透過を長手方向（Ｙ方向）に分割された複数の領域５１により制御する様子を示している。透過制御機構５０の一例は液晶シャッター５５であるが、照明光３が通過する領域を長手方向（Ｙ方向）に分割してオンオフすることができる機械式のシャッターであってもよい。図２に示すように、照明装置１は、天井９に取り付けられることにより、廊下などの方形状、またはライン状の細長い領域となる照明対象領域２を集中して照明することができる。

光学装置１０は、中心となる光軸（Ｚ軸）１２の周り１８に円弧状に広がった、平面視（Ｚ軸１２に直交するＸ－Ｙ平面で見た形状）が略扇形の柱状、ロッド状あるいはシリンドリカルレンズ状の透光性部材（光学素子）１１と、光学素子１１の一方の端面から第１の光７を入射するＬＥＤ６とを含み、光軸１２の周りに対称な分布を備えた第１の光を光軸１２に垂直な方向（Ｚ軸１２に垂直な方向、Ｘ方向、前方１９）に変換して照明光３として出力し、Ｙ方向に長い照明対象領域２を照明する。すなわち、この光学装置１０により、光軸に平行な第１の方向（Ｚ軸１２の方向）の第１の距離Ｌ１に対して、光軸に対して垂直な第２の方向（Ｙ方向）の第２の距離Ｌ２が長い照明対象領域２を照明する照明光３を得ることができる。光学装置１０は、平面視が略扇形で柱状に、扇形の中心となるＺ軸１２に沿って延びた透光性部材１１と、透光性部材１１を挟むように配置された反射部材２１および２２とを含む。ＬＥＤ６はフレームインサートタイプの樹脂パッケージ、ガラスエポキシ樹脂パッケージ、セラミックパッケージ、金属パッケージなどのＬＥＤの他、柔軟性のないリジット基板、柔軟性のあるフレキシブル基板（可撓性基板）、さらには、これらを組み合わせたリジットフレキシブル基板などを用いた、ＣＯＢ（chip on board）やＣＯＦ（chip on film）を用いてもよい。

図４に、光学装置１０の概略構成を展開して示している。光学装置１０は、中心軸となるＺ軸１２の周りに、Ｚ軸１２と直交する平面（Ｘ－Ｙ平面）で見た形状（平面視）が角度θ（中心角θ、開き角θ）で広がった略扇形で、透光性の部材、例えば、アクリル樹脂あるいはガラスなどから構成された透光性部材（光学素子）１１を含む。光学素子１１は、全体がＺ軸１２に沿って延びた柱状で、Ｚ軸１２の側（内側）は、Ｚ軸１２の一方の端（底面側、Ｚ軸マイナス方向）が開口１３となった空洞１４となり、反対側の投射側（前方、外側）１９の面（出射面）１５は略円弧状となっている。光学装置１０は、さらに、光学素子１１を挟むように配置された反射部材２１および２２を含む。反射部材２１および２２は、光学素子１１に面した側に反射面２３および２４を含む。反射面２３および２４は、Ｚ軸１２で交差し、光学素子１１を挟み込むように配置されている。

光学素子１１の空洞１４は、内面が、開口１３の側から、Ｚ軸１２に沿って透過面と反射面とが交互に配置された多段となっている。すなわち、光学素子１１は、内側に、開口１３と逆側から開口１３に向かって、すなわち、Ｚ軸１２のプラス側（第１の光７の入射側と反対側）からマイナス側（第１の光７の入射側）に向かって、段階的に配置された同心円弧状の扇形の複数の透過面３２と、これらの透過面３２により複数に分割された円弧状の反射面３１とを有する。反射面３１は、Ｚ軸１２に沿って、Ｘ－Ｙ平面に対して鋭角に傾くように広がっており、透過面３２は、Ｚ軸１２のプラス側からマイナス側に向かって、段階的に内径が拡大するように順番に配置された同心円弧状の扇形の複数の透過面である。

具体的には、本例の光学素子１１は、開口１３と逆側（上側、Ｚ軸プラス方向）から開口１３に向かって、すなわち、Ｚ軸１２のプラス側からマイナス側に向かって、Ｚ軸１２に垂直で、Ｘ－Ｙ平面に平行な６つの透過面（第１～第６の透過面）３２ａ～３２ｆと、それらにより分割された６つの反射面（第４～第９の反射面）３１ａ～３１ｆとを含む。光学素子１１は、さらに、最も開口１３の側に、Ｚ軸１２の周りに形成された円弧状の透過性の面３３を含む。

光学素子１１の外面１５はシリンドリカル面であってもよく、反射面３１ａ～３１ｆおよび透過面３３に対応して、形成された曲面を備えていてもよい。例えば、外面１５は、反射面３１ａ～３１ｆにより反射された光および透過面３３を透過した光をより均等に出力するようにトーリック面状の自由曲面として最適化されていてもよい。

光学装置１０は、平面視が略扇形のシリンドリカルレンズ状の光学素子１１の側面１７ａおよび１７ｂに、反射部材２１および２２が、それぞれの反射面２３および２４が密着するように取り付けられている。この光学装置１０においては、開口１３に取り付けられた基板６ａに装着されたＬＥＤ６から、Ｚ軸１２に沿って、Ｚ軸１２と平行になるように第１の光７が入射される。分断された反射面３１ａ～３１ｆにより構成される反射面３１は、Ｚ軸１２に平行な光軸７ａ（図５参照）を備えた配光特性の第１の光７を、Ｚ軸１２の周り１８の中心角θの範囲に反射する。反射面２３は、Ｚ軸１２の周り１８に、光源６からの第１の光７を反射面３１の方向に反射し、反射面２４は、反射面２３とはＺ軸１２の周り１８に逆方向にＬＥＤ６からの第１の光７を反射する。

したがって、光学装置１０は、光源であるＬＥＤ６から、Ｚ軸１２に沿って出射された第１の光７を、Ｚ軸１２において中心角θで交差する反射面２３および反射面２４で、角度θの範囲の、光学素子１１の反射面３１の方向に相互に反射する（折り畳む）。光学装置１０は、さらに、複数の分割された反射面３１により、Ｚ軸１２と垂直な方向に、Ｚ軸１２の周りの角度θの範囲に反射された照明光３を出力する。反射面２３および反射面２４は、ＬＥＤ６からの第１の光７を、角度θの範囲に畳み込めるように配置されていればよく、ＬＥＤ６の近傍に少なくとも配置されていればよい。

図５に、光学装置１０の光学素子１１により、Ｚ軸１２に沿って入射されたＬＥＤ光（入射光）７が、反射面３１により反射され、Ｚ軸１２と直交する方向１９に出射される様子を模式的に示している。図５（ａ）に示すように、ＬＥＤ（光源）６から出力された第１の光７は、光軸７ａを中心とするランバーシアン配光分布を備えている。この第１の光７の光軸７ａの周りの成分は、反射面２３および反射面２４により中心角θの扇形の光学素子１１の方向に反射される。また、この第１の光７の光軸７ａに対する配光角φの成分は、図５（ｂ）に示すように、光学素子１１の複数の透過面３２ａ～３２ｆと、複数に分割された反射面３１ａ～３１ｆにより複数のグループ（光束）に分けられて、それぞれの光束が光軸７ａと直交する方向１９に出力される。さらに、ＬＥＤ６から出力された第１の光７の配光角φが大きい成分は、光学素子１１の開口１３の近傍の透過面３３を介して光軸７ａと直交する方向１９に出力される。

したがって、この光学装置１０は、反射面３１、反射面２３および反射面２４により、ランバーシアン配光を備えた第１の光７を、光軸７ａに対して直交する方向１９に円弧状に反射して、ライン状または方形状の領域を照明するのに適した配光を備えた照明光３に変換できる。さらに、反射面３１により、光軸７ａと直交する方向１９に反射して、第１の光７を光軸７ａと直交する方向に変換することにより、光軸７ａの周りに配光角φで光度が変化するランバーシアン配光の光度が共通する部分を、ライン状または方形状の配光の端から端まで引き延ばすことが可能である。例えば、光軸７ａ上の最も光度の高い光（光束）をライン状または方形状の配光の端から端まで引き延ばすことが可能である。また、このため、反射面３１の曲率または傾きを制御し、ライン状または方形状の幅方向の光度を制御することにより、光度分布がより均等に近いライン状または方形状の配光を得ることができる。

なお、本例の光学装置１０の光学素子１１は、第１の光７が入射されるＺ軸１２の方向に分割された、Ｚ軸１２に垂直な断面がほぼ円弧状の複数の反射面３１ａ～３１ｆを透光性の素材を用いて構成しているが、光学装置１０は、光軸７ａまたは平行なＺ軸１２に沿って断続的に配置された、光軸に垂直な断面がほぼ円弧状の複数の反射面を含むものであればよく、ロート状に加工された複数の反射面を有するミラーをＺ軸１２に沿って配置することにより構成してもよい。この光学装置１０は、光軸７ａに平行な第１の方向（Ｚ軸１２の方向）の第１の距離に対して、光軸に対して垂直な第２の方向（Ｙ方向）の第２の距離が長い照明対象領域２を照明する照明光３を出力することができる。なお、光学装置１０において、光源であるＬＥＤ６をＺ軸１２で交わる反射面２３および２４の内側に配置する都合上、ＬＥＤ６の光軸７ａと、Ｚ軸１２とは完全には一致しない。しかしながら、光軸７ａとＺ軸１２との位置の差は、基本的にはＬＥＤ６のサイズ程度の微差であり、以降では、光軸７ａとＺ軸１２とは一致しているものとして説明する。

図６に、光学装置１０によりＹ方向に細長い照明対象領域２として廊下５を照明したときの状態を示している。廊下５を通行している光学装置１０から出力される照明光３は、点光源であるＬＥＤ６からの第１の光７を、光軸７ａと平行なまたは一致するＺ軸１２に対して垂直なＸ方向（前方１９）に変換して出力する際に、光軸１２の方向の広がりを限定して、光軸７ａと平行なＺ軸１２に垂直なＹ方向に延ばした照明光３である。このため、光学装置１０からの照明光３は、Ｙ方向、すなわち、長手方向に指向性が高く、照明光３の照明対象である廊下５を光学装置１０に向かって通行する人７０の瞳に照明光３が入りやすく、通行人７０は、グレアを感じやすい。

図７に、照明装置１により廊下５を照明したときの状態を示している。照明装置１は、光軸７ａの周りに対称な分布を備えた第１の光を光軸７ａと平行または一致するＺ軸１２に垂直な方向に変換して照明光３として出力する光学装置１０と、照明光３の強度を、光軸７ａと一致するまたは平行なＺ軸１２に平行な複数の線または面の単位で制御する透過制御機構５０とを有する。透過制御機構５０は、図８に示すように、照明光３の強度を、光軸７ａと平行なまたは一致するＺ軸１２に平行な方向（Ｚ方向）に対し垂直な第２の方向（長手方向、Ｙ方向）に分断された複数の線または面の単位５１で制御する機能を含む。透過制御機構５０は、照明光３の強度を複数の線または面の単位５１でオンオフ制御を備えていてもよい。透過制御機構５０の一例は、液晶シャッター５５であってもよい。

照明装置１は、さらに、照明光３により照明される照明対象領域２、本例では廊下５を通過する人７０または顔７１の位置を検出する検出装置（人感センサー）６８と、その検出装置６８からの情報に基づき、透過制御機構５０により照明光３の透過強度（透過量）を制御する制御装置６０とを含む。制御装置６０は、透過制御機構５０により、照明光３の強度を、Ｚ軸１２に平行なＺ方向に延びた複数の線または面の単位５１で制御する。

図８に、透過制御機構５０である液晶シャッター５５により照明光３の透過強度を制御する例を示している。この透過制御機構５０は、透過型の液晶パネルで構成された液晶シャッター５５であり、検出装置６８により検出された人７０の顔７１に相当する長手方向（Ｙ方向）の位置に、Ｚ方向に延びた、方形状の黒い模様（画像）５１ａを形成し、照明光３を遮断する。黒い方形の画像５１ａは、透過制御機構５０の中で、廊下５を通過する人７０の顔７１の位置と、光軸７ａと平行または一致するＺ軸１２とを結んだ直線を横切るように形成される。また、その画像５１ａの前後に多段階の灰色（グレースケール）の画像５１ｂを形成し、照明光３の透過強度（透過量）を徐々に減らしている。このようなグレースケールの画像５１ｂを形成することにより、顔７１の位置がずれた場合などであっても、廊下５を通行する人７０がグレアを感じにくく、その一方で、周囲の明るさを確保できる。したがって、グレアレスの照明装置１を提供できる。

液晶シャッター５５の制御方法は本例に限定されることはなく、通行する人７０の顔７１に向けた照明光３を遮る、または強度を低下する模様が形成されればよく、顔７１に対応する位置を含む比較的広い範囲に、灰色の画像を形成してもよく、顔７１に対応する位置を含む狭い範囲のみに、黒い画像を形成してもよい。

また、廊下５を通行する人７０の位置を検出する装置６８は照明装置１に内蔵されていなくてもよい。検出装置６８として、複数の人感センサーが廊下５に沿って壁あるいは天井に配置されていてもよく、複数の人感センサーが廊下５に内蔵されていてもよい。検出装置６８は、赤外線などにより人体を検出する装置であってもよく、画像処理により人７０および顔７１の位置を検出する装置であってもよい。さらに、検出装置６８は顔認証などにより、顔７１が向いている方向を検出できる装置であってもよい。制御装置６０は、顔７１の向きにより、照明装置１に向かって歩いている人７０に対してのみ、液晶シャッター５５を用いて照明光３の一部を減光またはカットし、照明装置１に対して後ろを向いた人７０に対しては照明光３をカットまたは減光しないように照明装置１を制御してもよい。

図９に、照明装置１の制御方法の一例を示している。ステップ１０１において、照明装置１により廊下５の照明を開始する。ステップ１０２において、図７に示す検出装置６８により、廊下５を通過する人（通行人）７０を検出すると、ステップ１０３において、制御装置６０を介して液晶シャッター５５により、照明光３の透過強度を、光軸（Ｚ軸）に平行なＺ方向に延びた複数の線または面の単位で制御する。具体的には、ステップ１０３において、照明光３により照明される照明対象領域２である廊下５を通過する人７０または顔７１の位置に対応する照明光３の透過強度を制御する。液晶シャッター５５により照明光３の一部をカットしてもよく、減光してもよい。ステップ１０２において通行人７０を検出しない場合は、ステップ１０４において、液晶シャッター５５を全開にして廊下５の全体を照明する。

図１０に、照明装置の異なる例を示している。この照明装置１は、上記に開示した光学装置１０と、透過制御機構５０である液晶シャッター５５と、光学装置１０と液晶シャッター５５との間に配置された偏光変換素子８０とを含む。偏光変換素子（ＰＣＳ、Polarization Converting System）は、非偏光光源から出射する光をＰ偏光またはＳ偏光に変換する光学素子であり、偏光を利用する光学機器、例えば、液晶シャッター５５における光利用効率を向上できる。したがって、より明るい照明装置１を得ることができる。光学装置１０は、光軸７ａの周りに対称な分布を備えた第１の光を光軸７ａと平行または一致するＺ軸１２に垂直な方向に変換して照明光３として出力する。したがって、偏光変換素子８０は、照明光３に直交するように、Ｚ軸１２の周りに湾曲するように配置してもよい。具体的には、光学装置１０の光学素子１１の湾曲した出射曲面に沿うように、湾曲した偏光変換素子８０を配置してもよい。

１照明装置、１０光学装置、５０透過制御機構、５５液晶シャッター

Claims

光軸に対する配光角により光度が変化し、前記光軸の周りに対称な分布を備えた第１の光を、前記光軸に沿って断続的に配置された、前記光軸に垂直な断面がほぼ円弧状の複数の反射面により、前記第１の光の前記光軸の周りに対称な分布の成分を前記配光角により複数の光束に分けて前記光軸に垂直な方向に変換して照明光として出力するように構成された光学装置と、
前記照明光の強度を、前記光軸に平行な複数の線または面の単位で制御する透過制御機構と、を有する照明装置。
請求項１において、
前記光学装置は、前記円弧状の複数の反射面により前記複数の光束のそれぞれをライン状または方形状に引き延ばすように反射し、前記光軸に平行な第１の方向の第１の距離に対して、前記光軸に対して垂直な第２の方向の第２の距離が長い領域を照明する前記照明光を出力するように構成されている、照明装置。
請求項２において、
前記光学装置は、前記円弧状の複数の反射面のそれぞれにより前記ライン状または方形状の幅方向の光度を制御して、幅方向の光度分布が均等な前記照明光を出力するように構成されている、照明装置。
請求項２または３において、
前記透過制御機構は、前記照明光の強度を前記第２の方向に分断された前記複数の線または面の単位で制御する、照明装置。
請求項１ないし４のいずれか一項において、
前記透過制御機構は、前記照明光の強度を前記複数の線または面の単位でオンオフ制御する、照明装置。
請求項１ないし５のいずれか一項において、
前記透過制御機構は、液晶シャッターを含む、照明装置。
請求項６において、
前記液晶シャッターと前記光学装置との間に配置された偏光変換素子をさらに有する、照明装置。
請求項１ないし７のいずれか一項において、
前記照明光により照明される領域を通過する人または顔の位置を検出する検出装置からの情報に基づき、前記透過制御機構を制御する制御装置をさらに有する、照明装置。
光軸に対する配光角により光度が変化し、前記光軸の周りに対称な分布を備えた第１の光を、前記光軸に沿って断続的に配置された、前記光軸に垂直な断面がほぼ円弧状の複数の反射面により、前記第１の光の前記光軸の周りに対称な分布の成分を前記配光角により複数の光束に分けて前記光軸に垂直な方向に変換して照明光として出力するように構成された光学装置と、
前記光学装置の前面に配置された前記照明光の透過強度を制御する透過制御機構と、
前記透過制御機構の前記照明光の透過強度を、前記光軸に平行な複数の線または面の単位で制御する制御装置と、を有する照明装置。
請求項９において、
前記制御装置は、前記照明光により照明される領域を通過する人または顔の位置を検出する検出装置からの情報に基づき、前記照明光の透過強度を制御する、照明装置。
請求項８または１０において、
前記検出装置を有する、照明装置。
光軸に対する配光角により光度が変化し、前記光軸の周りに対称な分布を備えた第１の光を、前記光軸に沿って断続的に配置された、前記光軸に垂直な断面がほぼ円弧状の複数の反射面により、前記第１の光の前記光軸の周りに対称な分布の成分を前記配光角により複数の光束に分けて前記光軸に垂直な方向に変換して照明光として出力するように構成された光学装置と、
前記光学装置の前面に配置された前記照明光の透過強度を制御する透過制御機構と、を有する照明装置の制御方法であって、
前記透過制御機構の前記照明光の透過強度を、前記光軸に平行な複数の線または面の単位で制御すること、を有する制御方法。
請求項１２において
前記制御することは、前記照明光により照明される領域を通過する人または顔の位置に対応する前記照明光の透過強度を制御すること、を含む、制御方法。