JPH07118202B2 - 電子光変調投光装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、電子光変調投光装置に関し、更に詳しくは、
舞台、劇場、コンサートホール、結婚式場およびテレビ
スタジオ等に使用される瞬時に光の色を交換できる投光
装置に関する。

（従来の技術） 従来、舞台等の投光装置においては、色フィルターを用
いて光の色を変換している。即ち、ハウジング内部また
は、投光レンズ前面部に複数枚の色フィルターとして、
例えば、シアン色（Ｃ）、マゼンタ色（Ｍ）、イエロー
色（Ｙ）等の色フィルターを光軸に対して直角に挿入ま
たは取り出し自在に設けている。そして、それぞれの色
フィルターは、ハウジングに設けたモータと連動して作
動し、モータを駆動させることにより、前記色フィルタ
ーを、それぞれ適宜に組み合せ、多種類の光の色を生み
出すという方式が採用されている。即ち、減法混色の原
理を利用した色変換方式である。

もしくは、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）等の色
フィルターを用いて被照射面上で混色する加法混色の原
理を利用した色変換方式である。

更に、長手方向に一定の間隔で複数枚の色フィルターを
一連に連結し、この色フィルターを投光レンズ前面部に
取り付けた巻き取りロールに巻き付けた場合には、巻き
取りロールと連動したモータを駆動させることにより、
多種類の色フィルターを介して、所望の光の色が生み出
されている。

（発明が解決しようとする問題点） しかるに、上記の従来の投光装置においては、色フィル
ターを頻繁に交換させるモータの制御が複雑である。ま
た、それぞれの色フィルターを駆動させるモータを設置
する必要上、装置が大型化してくる。

更に、長手方向に一定の間隔で一連に連結した色フィル
ターについては、この色フィルターを巻き取りロールに
巻き付けた場合には、所望の色フィルターの中心に光軸
が直角にあたるように、色フィルターを正確に停止させ
ること、つまり、モータを最適に駆動制御することが極
めて複雑になっている。

また光の色の変換速度は、モータの駆動速度に依存する
ために、所望の色の光へ瞬時に変換することは極めて困
難である。

更には、モータを駆動制御する音が発生して、多数の観
客がいる舞台等においては、この雑音が周囲の観客に不
評である。

（発明の目的） 本発明は、このような問題点を解決せんとしてなされた
もので、複数枚の色フィルターを適宜に組み合わせるた
めの、あるいは、一定の間隔で一連に連結した色フィル
ターを回動させるモータを使用せずに、従って、モータ
の駆動制御が不要となり、雑音が発生せず、所望の光の
色へ瞬時に変換することができ、更にハウジングの温度
を常に一定に保持することができる投光装置を提供する
ことを目的とする。

（問題点を解決するための手段） すなわち、本発明の電子光変調投光装置は光源と、反射
鏡と、前記光源から発した直接光および前記反射鏡から
反射した反射光が通過する位置に配置した熱線カットフ
ィルターと、光量制御手段と、光軸に平行に摺動自在に
取り付けられた集光レンズと、前記集光レンズにより集
光された光を被照射面に投光させる投光レンズと、前記
熱線カットフィルターと前記投光レンズ前面部との間に
二枚の偏光子に挟持された光モジュレーターを配置した
スポットライトにおいて、前記光モジュレーターの被照
射側に所定間隔を置いて前記光量制御手段としてさらに
光モジュレーターを設置し、前記光モジュレーターに対
する印加電圧を選択的に制御することにより色光を可変
させると共に、前記光モジュレーターの被照射側にある
光モジュレーターに対する印加電圧を選択的に制御する
ことにより可変色光を調光させることを特徴とする。

また、本発明の電子光変調投光装置は、光源として、好
ましくは、ハロゲンランプ、メタルハライドランプ、キ
セノンランプまたはマーキュリーランプのいずれか１つ
を設けてなることを特徴とする。

また、本発明の電子光変調投光装置は、冷却手段とし
て、反射鏡、熱線カットフィルターまたは光モジュレー
ターを冷却する冷却手段を設けたことにより、ハウジン
グ内の温度またはそれぞれの照明部品の温度を所定温度
に保持することができることを特徴とする。

（作用） 以下、第１図に基づいて説明する。

本発明の電子光変調投光装置は、光量制御手段（４）を
中心として、熱線カットフィルター（３）と光量制御手
段（４）との間または光量制御手段（４）と投光レンズ
前面部（８）との間または投光レンズ前面部（８）に電
圧を印加せしめることにより光の色を瞬時に変換するこ
とのできる光モジュレーター（５）を少なくとも一個設
けた構造になっている。

従って、例えば、光量制御手段（４）と集光レンズ
（６）との間に光モジュレーター（５）を設けた場合に
は、以下のような作用を示す。

まず、光源（１）から発した光の一部は、反射鏡または
赤外線を透過して可視光を反射する赤外線透過型反射鏡
（２）により、可視光が反射してくる。この反射した可
視光と光源（１）からの直接光は、赤外線を反射または
除去して可視光を吸収しないで透過する熱線カットフィ
ルター（３）を通過することにより、より一層可視光が
透過する。この可視光が光量制御手段（４）を通過した
後に、光モジュレーター（５）に入射する入射光とな
る。

そして、この入射光は、第２図（ａ）または第２図
（ｂ）に示すように、偏光軸が互いに直交する２枚の偏
光子Ａと偏光子Ｂとの間に所定形状、所定間隔の櫛形の
電極を設けた二次電気光学素子よりなる光モジュレータ
ーへ入射する。この二次電気光学素子は、複屈折の変化
量（ΔＮ）が印加電圧（Ｅ）の２乗に比例する特性を有
する。従って、この二次電気光学素子の電極に電圧を印
加すると、二次電気光学素子に入射した光の光量を制御
することができ、また、光の色を変化することができ
る。

光量の制御について、光モジュレーターの動作原理は、
以下のようになる。入射光は、全方向に振動面を有し、
可視域全体を含んでいる。この入射光が偏光子Ａを通過
することにより、直線偏光化される。

次に、二次電気光学素子に電圧が印加されない場合、こ
の直線偏光は、二次電気光学素子を通過する際に、その
偏光面に何ら影響を受けないため、第２図（ａ）に示さ
れるように、そのまま、偏光子Ｂに入射する。そして、
偏光子Ｂの偏光軸とこの直線偏光された入射光の偏光面
は直交しているため、二次電気光学素子を通過した直線
偏光は遮光される。従って、光モジュレーターは、OFF
状態となる。

一方、ある特定の電圧を光モジュレーターに印加する
と、二次電気光学素子に複屈折が生じ、第２図（ｂ）の
ように、偏光子Ａを通過し直線偏光された入射光は、二
次電気光学素子を通過する際に、その偏光面が90゜回転
し、偏光子Ｂに入射する。このとき偏光子Ｂの偏光軸と
二次電気光学素子を通過した直線偏光の偏光面の角度が
一致し、この直線偏光は、偏光子Ｂを通過する。このと
き、光モジュレーターは、最大透過率を示すことにな
る。そして、この最大透過率を示す印加電圧を光モジュ
レーターの半波長電圧という。

ここで印加電圧が零と半波長電圧の間では、直線偏光さ
れた入射光は二次電気光学素子を通過することにより、
偏光子Ａの偏光軸と同方向の軸を有する楕円偏光とな
る。印加電圧が零のときは偏光子Ａの偏光軸と直交する
方向の楕円偏光の軸の径は、零となり、偏光子Ａの偏光
軸と同方向成分だけの直線偏光となる。そして、印加電
圧を増加するに従い、偏光子Ａの偏光軸と直交する方向
の楕円偏光の径が他方の軸の径に対し相対的に増加す
る。そして印加電圧が半波長電圧のとき、この楕円偏光
は偏光子Ａの偏光軸と同方向の軸の径が零になり、他方
の軸成分だけとなり、偏光子Ａの偏光軸から90゜回転し
た直線偏光となる。

このように印加電圧を零から半波長電圧まで連続的に変
化させると、二次電気光学素子を通過した楕円偏光の２
つの径が連続的に変化する。この結果、二次電気光学素
子を通過した楕円偏光の偏光子Ｂの偏光軸方向と同一方
向のベクトル成分も連続的に変化し、この光モジュレー
タの透過率が連続的に変化する。すなわち、光モジュレ
ーターの印加電圧を零から半波長電圧まで変化させるこ
とにより、入射光の透過する光量を零から最大値まで連
続的に変化する調光機能が可能となる。

次に、光モジュレーターによる光の色を変化させる動作
原理は以下のようになる。

二次電気光学素子による前述の光モジュレーターの調光
機能は波長依存性を有する。半波長電圧は波長550nmに
ついて光モジュレーターが最大透過率を実現する電圧を
示しているが、厳密にいえば、550nm以外の波長の入射
光について光モジュレーターの透過率は、若干、最大値
からずれている。しかし半波長電圧付近では各波長にお
ける透過率の差は相対的に小さく、印加電圧が零から半
波長電圧までの間においては、光の色はほとんど出現し
ない。即ち、第３図には、光モジュレーターにおける３
つの異なる波長を入射光としたときの印加電圧と透過率
の関係が示されている。

ここで半波長電圧Ｐ点においては、各波長の透過率の差
は相対的に小さいので、３つの光の色すべてが出現し、
透過光は白色光に近くなる。

更に印加電圧を上げてゆくと、各波長の透過率の差が大
きくなる。

次に、Ｑ点においては、530nmの光は、最大に透過して
いるが、他の450nmと630nmの光は、ほとんど透過してい
ない。この結果、Ｑ点では、透過光が530nm付近にピー
クを持つ波長特性となり、光に色が出現する。すなわ
ち、偏光子Ａを通過した入射光は可視域全体を含んでい
るため、半波長以上の電圧では分光透過特性がフラット
でなくなる。従って、光モジュレーターを透過した光に
色が出現する。即ち、印加電圧を変化させると光モジュ
レーターを透過した光の分光特性上のピークの位置が変
化し、透過光に種々の色を出現させることができる。こ
こで印加電圧と透過光の色を対応させれば、電圧により
透過光の色を制御することができる。

以上のように光モジュレーターは印加電圧が零から半波
長電圧の間においては、調光素子として、印加電圧が半
波長電圧以上においては、カラーフィルター素子として
利用できる。

さらに、光モジュレーター（５）を透過した透過光が光
軸に平行に摺動自在に取り付けられた集光レンズ（６）
と、被照射面に投光させる投光レンズ（７）を通過する
ことにより、投光レンズ前面部（８）から被照射面
（９）に適切な口径の光束を投光することができる。

また、光モジュレーター（５）を、熱線カットフィルタ
ー（３）と光量制御手段（４）との間または集光レンズ
（６）と投光レンズ（７）との間または投光レンズ前面
部（８）に設けた場合においても、前記したように、光
モジュレーター（５）を光量制御手段（４）と集光レン
ズ（６）との間に設けた場合と同様な作用を示す。

更に、光源の電源装置（図示せず）、光モジュレーター
の電源装置（図示せず）、光量制御手段、集光レンズの
摺動手段（図示せず）などの制御もしくは反射鏡、熱線
カットフィルター、光モジュレーターなどの冷却手段等
の制御は、図示しない制御装置により、そのシーンに応
じた照明技法に基づいて、統合的かつ最適に遠隔制御す
ることができる。

（実施例） 以下、この発明の実施例を図面に基いて説明する。

第１図は、この発明の一実施例を示し、１は、光源であ
り、高輝度型の光源であるハロゲンランプ、メタルハラ
イドランプ、キセノンランプまたはマーキュリーランプ
のいずれか１つが好ましい。２は、反射鏡または赤外線
透過型反射鏡であり、特に、赤外線透過型反射鏡の場合
には、ガラスまたは、金属からなる基板に、赤外線を透
過して可視光だけを反射する特性を持つ誘電体多層膜コ
ーティングが施されたコールドミラーである。３は、熱
線カットフィルターであり、赤外線を反射または除去し
て可視光を吸収しないで透過する複数のコールドフィル
ター3a、3b、3cよりなる。また、この熱線カットフィル
ターは、耐久性能の点において、少なくとも１枚の赤外
線反射フィルターを使用することが好ましい。４は、光
量制御手段としてアイリスを用いたものである。第５図
（ａ）に示されるものである。これは、所定形状の遮光
板を複数枚重ね合わせて作られており、口径を変えるこ
とにより光の通過量を制御することができる。

また、第５図（ｂ）に示される調光制御盤のように、半
径の大きさが異なる１つ以上の円を同心円状に配置した
盤を回転することにより光の通過光量を制御するもので
もよい。

５は、光モジュレーターとしてのPLZT光モジュレーター
である。６は、集光レンズであり、光軸に平行に摺動自
在にハウジングに取り付けられている。７は、投光レン
ズである。８は、投光レンズ前面部であり、従来は、例
えば、複数の色フィルターで構成されたカラーチェンジ
ャー装置を取り付けていたところである。９は、被照射
面である。10は、送風ファンであり、反射鏡、熱線カッ
トフィルターまたはPLZT光モジュレーターを冷却する手
段である。11は、ハウジングである。

第２図（ａ）は、偏光軸が互いに直交する２枚の偏光子
Ａと偏光子Ｂの間に所定形状、所定間隔の電極を設けた
PLZT素子よりなるPLZT光モジュレーターのOFF状態の原
理図である。

第２図（ｂ）は、偏光軸が互いに直交する２枚の偏光子
Ａと偏光子Ｂとの間に所定形状、所定間隔の電極を設け
たPLZT素子よりなるPLZT光モジュレーターのON状態の原
理図である。

また、このPLZT素子の材料は、透明な強誘電性セラミッ
クス［ジルコン酸鉛（PbZrO₃）とチタン酸鉛（PbTiO₃）
の固溶体にランタン（La）を添加した物質（Pb,La）（Z
r,Ti）O₃系］からなる。

また本実施例では、二次電気光学効果を有する透光性強
誘電性物質として、PLZTを用いたが、同様の二次電気光
学効果を示す物質として例えば、（Pb,La）（Zr,Nb）O₃
系（以下、PLZNという。）または、（Pb,Bi）（Zr,Ti）
O₃系（以下、PBZTという。）などを用いても同様の効果
が期待できる。

また、偏光子の材料は、例えば、ポリビニールアルコー
ルの薄板を加熱しながら一方向に引き伸ばして、分子を
一定方向に整列させ、これにヨードを浸み込ませたもの
などがある。第３図は、PLZT光モジュレーターの印加電
圧と光の波長との関係を示す図を示しており、所定の電
圧を印加することにより、波長のピークが分離して推移
する様子を示したものである。

第４図（ａ）は、PLZT光モジュレーターの電圧と透過率
との関係を示したものである。印加電圧を増減すること
により、透過率を増減することができる。従って、調光
手段として使用できることを示している。

第４図（ｂ）は、PLZT光モジュレーターの波長と透過率
との関係を示したものである。透過率が特定波長におい
て極大になる。即ち、特定波長の光を選択的に透過させ
る。従って、カラーフィルターとして使用できることを
示している。

第５図（ａ）は、アイリスの平面図である。第５図
（ｂ）は、調光制御盤の平面図である。第６図は、この
発明の別の実施例を示し、調光制御用にPLZT光モジュレ
ーターを設置したものである。第４図（ａ）に示される
グラフのように、印加電圧Ｖが半波長電圧の０％〜100
％に変化することにより、光透過率Ｔが半波長電圧にお
ける光透過量の０％〜100％に変化するPLZT光モジュレ
ーターを光量制御手段として、設けたものである。

第７図は、この発明の更に別の実施例を示し、反射鏡、
熱線カットフィルターまたPLZT光モジュレーターを冷却
する手段として送風ファンを設けたものである。尚、冷
却する手段としてヒートシンクまたヒートパイプを使用
してもよい。

第８図（ａ），（ｂ），（ｃ）は、第１図で示される本
発明の実施例の実験データであり、各印加電圧における
PLZT光モジュレーターの分光透過特性を示したものであ
る。第８図（ａ）は、125V〜375Vの各印加電圧につい
て、波長と透過度との関係をプロットしたものである。
第８図（ｂ）は、375V〜575Vの各印加電圧について、波
長と透過度との関係をプロットしたものである。

第８図（ｃ）は、625V〜775Vの各印加電圧について、波
長と透過度との関係をプロットしたものである。

即ち、電圧（ｖ）、波長（nm）、透過度（ｔ）の３つの
パラメーターが相互に関連して推移していることが実証
された。このデータから特定の電圧を選択して、PLZT素
子に印加したところ、光を調光することができ、さらに
光を可変色して投光することが実現できた。

（発明の効果） 本発明の可変色投光装置は、光源と、反射鏡と、前記光
源から発した直接光および前記反射鏡から反射した反射
光が通過する位置に配置した熱線カットフィルターと、
光量制御手段と、光軸に平行に摺動自在に取り付けられ
た集光レンズと、この集光レンズにより集光された光を
被照射面に投光させる投光レンズと、投光レンズ前面部
を有する投光装置において、前記熱線カットフィルター
と前記光量制御手段との間または前記光量制御手段と前
記投光レンズ前面部との間または前記投光レンズ前面部
に光モジュレーターを少なくとも一個設けた構造になっ
ている。

したがって、光源から発した光は、反射鏡または赤外線
透過型反射鏡により反射して、次に、熱線カットフィル
ターを通過して、赤外線が反射もしくは除去され、より
一層可視光が透過する。

この可視光が光量制御手段を通過した後に、光モジュレ
ーターに入射する入射光となり、この入射光が、電圧を
印加せしめることにより光の色を瞬時に変換する光モジ
ュレーターを通過する際に、光モジュレーターの電極に
所定の電圧を印加せしめることにより、光モジュレータ
ーに入射した入射光は、印加電圧値に相応する波長の光
の色が、複屈折により、瞬時に所望の光の色に変換して
透過する。さらに、光モジュレーターから透過した透過
光が光軸に平行に摺動自在に取り付けられた集光レンズ
と、投光レンズを通過することにより、投光レンズ前面
部から被照射面に適切な口径の光束を投光することがで
きる。

したがって、複数枚のフィルターを適宜に組み合わせ、
あるいは、一連に連結したフィルターを回動するモータ
を使用することなく、モーターの駆動制御を不要とし、
雑音が発生せず、所望の光の色へ瞬時に変換することが
でき、さらに、ハウジングの温度を常に一定に保持する
ことができる。更に、装置を軽量化でき、振動が発生せ
ず、操作温度が−30℃〜＋80℃の広い領域でよいため、
設計が非常に容易であるという副次的な効果があった。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の一実施例の側面断面図、第２図
（ａ）は、PLZT光モジュレーターのOFF状態の原理図、
第２図（ｂ）は、PLZT光モジュレーターのON状態の原理
図、第３図は、PLZT光モジュレーターの印加電圧と光波
長との関係を示す図、第４図（ａ）は、電圧と透過率と
の関係を示す図、第４図（ｂ）は、波長と透過率との関
係を示す図、第５図（ａ）は、アイリスの正面図、第５
図（ｂ）は、調光制御盤の正面図、第６図は、この発明
の別の実施例でPLZT光モジュレーターを光量制御手段と
して、設けた側面断面図、第７図は、この発明の更に別
の実施例でPLZT光モジュレーターを冷却する送風ファン
を設けた側面断面図である。 第８図（ａ），（ｂ），（ｃ）は、実験データに基づく
分光透過特性図である。 １……光源、２……反射鏡、 ３……熱線カットフィルター、 ４……光量制御手段、 ５……PLZT光モジュレーター、 ６……集光レンズ、７……投光レンズ、 ８……投光レンズ前面部、９……被照射面、 10……送風ファン、11……ハウジング。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鈴木 賢一 埼玉県入間郡大井町武蔵野1285 アールデ ィエス株式会社埼玉工場内 (56)参考文献 特開 昭60−28103（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−202402（ＪＰ，Ａ) 実開 昭62−57302（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭62−24409（ＪＰ，Ｕ)

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光源と、反射鏡と、前記光源から発した直
   接光および前記反射鏡から反射した反射光が通過する位
   置に配置した熱線カットフィルターと、光量制御手段
   と、光軸に平行に摺動自在に取り付けられた集光レンズ
   と、前記集光レンズにより集光された光を被照射面に投
   光させる投光レンズと、前記熱線カットフィルターと前
   記投光レンズ前面部との間に二枚の偏光子に挟持された
   光モジュレーターを配置したスポットライトにおいて、
   前記光モジュレーターの被照射側に所定間隔を置いて前
   記光量制御手段としてさらに光モジュレーターを設置
   し、前記光モジュレーターに対する印加電圧を選択的に
   制御することにより色光を可変させると共に、前記光モ
   ジュレーターの被照射側にある光モジュレーターに対す
   る印加電圧を選択的に制御することにより可変色光を調
   光させることを特徴とする電子光変調投光装置。
2. 【請求項２】光源として、好ましくは、ハロゲンラン
   プ、メタルハライドランプ、キセノンランプまたはマー
   キュリーランプのいずれか１つを設けてなることを特徴
   とする請求項１の電子光変調投光装置。
3. 【請求項３】冷却手段として、反射鏡、熱線カットフィ
   ルターまたは光モジュレーターを冷却する冷却手段を設
   けたことにより、ハウジング内の温度またはそれぞれの
   照明部品の温度を所定温度に保持することができること
   を特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の電子
   光変調投光装置。