(57)【要約】  光源によって発された光の色を調整するための色変換素子10、20、30、40、51、60であって、当該色変換素子は、ビーム成形部材と相互作用して光ビームの形状を変化させるよう構成されたビーム成形部材11、54、61、70、80、90、100と、第1の波長分布をもつ光を吸収し、当該吸収に反応して、第1の波長分布とは異なる第2の波長分布をもつ光を発するように構成された第1の波長変換部材12、22a、22b、31、41a、41b、56、62a乃至62gと、を有する。前記ビーム成形部材11、54、61、70、80、90、100は、光ビームの第1の部分を第1の波長変換部材12、22a、22b、31、41a、41b、56、62a乃至62gへと導くよう制御可能であり、当該第1の波長変換部材によって第1の部分の波長分布が変換され、これにより光ビームの色調整を可能にする。
2010534411.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
相互作用により、光ビームの形状を変化させるビーム成形部材と、
第1の波長分布をもつ光を吸収し、及び、当該吸収に反応して、前記第1の波長分布とは異なる第2の波長分布をもつ光を発する、少なくとも第1の波長変換部材と、
を有する光源によって発された光の色を調整するための色変換素子であって、
前記ビーム成形部材は、前記光ビームの第1の部分を前記第1の波長変換部材へと導くよう制御可能であり、当該第1の波長変換部材によって前記第1の部分の波長分布が変換され、これにより、前記光ビームの色調整を可能にする、色変換素子。
【請求項２】
前記ビーム成形部材は、第1のビーム成形状態と第2のビーム成形状態との間で制御可能であり、前記光ビームの、第2の部分とは異なる第1の部分と当該第2の部分とを、それぞれ、前記少なくとも第1の波長変換部材の方へと導くことができる、請求項１に記載の色変換素子。
【請求項３】
前記少なくとも第1の波長変換部材が、蛍光物質を有する、請求項１又は２に記載の色変換素子。
【請求項４】
前記第1の波長分布を持っている光を吸収し、当該吸収に反応して、前記第1の波長分布とは異なる、第3の波長分布をもつ光を発する第2の波長変換部材を更に有する、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の色変換素子であって、
前記ビーム成形部材は更に、前記光ビームの第2の部分を前記第2の波長変換部材へと導くよう制御可能であり、当該第2の波長変換部材によって前記第2の部分の波長分布が変換される、色変換素子。
【請求項５】
前記ビーム成形部材は、電圧の印加により、複数のビーム成形状態の間で制御可能である電気-光学素子を有する、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の色変換素子。
【請求項６】
前記ビーム成形部材は、光の散乱を制御することによって前記光ビームの前記形状を変化させる、請求項５に記載の色変換素子。
【請求項７】
前記ビーム成形部材は、光の回折及び/又は光の屈折を制御することによって前記光ビームの前記形状を変化させる、請求項５に記載の色変換素子。
【請求項８】
前記ビーム成形部材は、光の反射を制御することによって前記光ビームの前記形状を変化させる、請求項５に記載の色変換素子。
【請求項９】
前記ビーム成形部材が複数の液晶分子を有する、請求項５乃至8のいずれか一項に記載の色変換素子。
【請求項１０】
前記ビーム成形部材は二つの混ざらない流体を有し、前記ビーム成形が前記混ざらない流体の間のメニスカスで生じる、請求項７又は８に記載の色変換素子。
【請求項１１】
前記ビーム整形部材が、流体内に懸濁された複数の電気的に制御可能な粒子を有する、請求項６に記載の色変換素子。
【請求項１２】
前記ビーム成形部材が、複数の個別に制御可能なビーム成形ピクセルを有する、請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の色変換素子。
【請求項１３】
第1の波長分布をもつ光ビームを出力する光源と、
前記光源によって出力される前記光ビームと相互作用する、請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の色変換素子と、
を有する、色制御が可能な光出力装置。
【請求項１４】
前記光源と前記色変換素子との間に更に光学要素を有し、前記色変換素子との改善された相互作用のために、前記光源によって出力された前記光ビームを事前成形する、請求項13に記載の色制御が可能な光出力装置。
【請求項１５】
前記光源が、単色の発光ダイオードなど、基本的に単色の光源である、請求項１３又は１４に記載の色制御が可能な光出力装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光源によって発された光の色を調整するための色変換素子に関する。
【０００２】
本発明は更に、斯様な色変換素子と光源とを有する、色制御が可能な光出力装置に関する。
【背景技術】
【０００３】
多くの新たな種類の光源が開発されたにもかかわらず、従来の電球は、その安値と、好感の持てる発光スペクトルとに起因して、依然として大量に使用されている。
【０００４】
しかしながら、よりエネルギ効率の良い照明の解決策に対する、これまで以上に増しているニーズに起因して、大部分の電球が、よりエネルギ効率の良い光源によって究極的に置き換えられるであろうことが予想される。
【０００５】
エネルギ効率の良い照明を実現するための最も有望な候補のうちの一つは、発光ダイオード（LED）ベースの光源である。個々のLEDは基本的に単色光源であるので、白色光を発するLEDの配列を形成するために、異なる色の光を発する複数のLEDが通常ひとまとめにされる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、斯様なLEDの配列は固定された発光スペクトルをもち、これは通常、考えられる各々のアプリケーション又は状況に、うまく適していない。
【０００７】
増大する用途の広がりに対して、色制御が可能なLEDベースの光出力装置が所望されることであろう。
【０００８】
米国特許公報US 6,357,889は、種々異なる発光スペクトルを備えた複数の発光ダイオードをもつ斯様な色制御が可能な光出力装置と、蛍光コーティングで被覆されている透光板とを開示している。蛍光コーティングは、ダイオードの色を変換し、光出力装置の発光スペクトルは、異なる色の発光ダイオードのそれぞれの強度を個別に制御することにより、制御されることができる。
【０００９】
このアプローチの欠点は、米国特許公報US 6,357,889による光出力装置によって出力された光の色の調整が、幾つかの異なる色の発光ダイオードの強度の同時調整を通常必然的に伴うことであり、これに対して比較的複雑な制御システムが必要とされ、光出力装置の高コストにつながる。
【００１０】
更にまた、米国特許公報US 6,357,889による光出力装置が有する、異なる色の発光ダイオードは、時間と共に個別に劣化することであろうし、所与の色設定を実現するための発光ダイオードの駆動パラメータが、時間に依存して変化することにつながる。この欠点を補償するために、フィードバックシステムが通常必要とされ、これは更に光出力装置のコストに関与する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
従来技術の上述の欠点及び他の欠点からみて、本発明の主な目的は、改善され及び/又はより経済的な、色が制御可能な光出力装置を供することである。
【００１２】
本発明の第1の態様によれば、これらの目的及び他の目的は、光源によって発された光の色を調整するために、ビーム成形部材と相互作用して光ビームの形状を変化させるように構成された、ビーム成形部材を有する色変換素子と、第1の波長分布をもっている光を吸収し、この吸収に反応して、前記第1の波長分布とは異なる第2の波長分布をもった光を発するよう構成された、少なくとも第1の波長の変換部材と、によって達成され、前記ビーム成形部材は、光ビームの第1の部分を第1の波長の変換部材へと導くよう制御可能であり、当該第1の波長の変換部材によって第1の部分の波長分布が変換され、これにより光ビームの色調整が可能になる。
【００１３】
本発明は、単色のLEDなどの光源によって発された光ビームの色が、当該光ビームの一部を波長変換部材の方へとリダイレクトすることによって制御されることができるという認識に基づいており、リダイレクトされた光の色が変換され、当該光ビームの変換された一部を、光ビームの残りの、変換されてない部分と混合する。波長変換部材へと導かれた光の一部を変化させることによって、変換された光と変換されてない光と間の混合比、従って、全体の光ビームの色が、変換されていない光の色点から、変換された光の色点まで、色空間の線に沿って調整されることができる。
【００１４】
本発明によって、光の色は、複数の異なる色の光源の相対的な強度を同時に調整することによるよりはむしろ、単一の光源によって発された光の方向を変えることによって斯様に変化させることができる。
【００１５】
これによって、従来技術と比較して制御がより容易で、より経済的な、色の制御が可能な光出力装置が実現されることができる。
【００１６】
本発明による色変換素子は、例えば適切なセンサからの入力信号に応答して自動制御されることができるか、又は手動で制御されることができる。
【００１７】
本発明による色変換素子は、単一の波長変換部材か、又は第1の波長分布を相互に異なるそれぞれの波長分布に変換するよう構成されている複数の波長変換部材を有する。
【００１８】
複数の斯様な波長変換部材を供することによって、色変換素子がアクセス可能な色域が延在されることができる。
【００１９】
（複数の）波長変換部材は、蛍光染料の蛍光などの光輝性の物質を主成分とする活性波長変換物質を好都合にも有する。波長変換物質は、ポリマ、結晶、クラスタ、分子、原子等などの粒子によって形成されてもよいし、流体又は固体でもよい。
【００２０】
更にまた（複数の）波長変換部材は、アプリケーションに応じて、反射性か、又は光学的に透明でもよい、即ち、光に対して少なくとも部分的に透明でもよい。
【００２１】
更に、ビーム成形部材は、当該部材への電圧印加によって複数のビーム成形状態の間で制御可能である電気-光学素子を好都合にも有することができる。
【００２２】
「電気-光学素子」は、本出願で言うところの、光学要素、当該光学要素への電圧印加によって制御可能である少なくとも一つの光学特性、として理解されなければならない。電気-光学素子は機械的なものではなく、可動の構造部品はもっていない。
【００２３】
電気-光学素子は概してコンパクトで省エネ型であり、機械的な光学要素、即ち従来のズームレンズ等などと比較して、非常に急速に切替えられることができる。
【００２４】
多種多様な電気-光学素子が、本発明による色変換素子に利用されることができる。斯様な電気-光学素子は、光の制御された散乱、屈折、回折、若しくは反射により、又はこれらの組合せによって、例えばビーム成形が実現されるよう構成されることができる。
【００２５】
更にまたビーム成形部材は、複数の個別に制御可能なピクセルを都合よくもつことができる。各々のピクセルは、当該ピクセルを通過する光のサブビームの形状を制御可能に変化させるよう構成されている。例えば特定のピクセル上に入射した光は、特定のビーム成形部材で利用されるビーム成形メカニズムに応じて、制御可能に反射され、散乱され、屈折され、又は回析される可能性がある。
【００２６】
斯様なピクセル化されたビーム成形部材があると、特定のビーム成形ピクセルに印加された電圧などの制御信号を用いて、及び、活性化されたビーム成形ピクセルの数及び場所を選択することによって、光のリダイレクションの量を変化させることができる。
【００２７】
これによって、光を、種々異なる波長変換特性をもっている特定の波長変換部材上に選択的に導くことができる。
【００２８】
本発明の一実施例によれば、ビーム成形部材は、素子内に有る複数の液晶分子の（複数の）向きを制御することによって、通過する光ビームの形状を変えるように構成された電気-光学素子を有する。
【００２９】
液晶分子の向きを制御することによって、光の方向が、散乱、屈折、回折、又は反射によって制御されることができる。
【００３０】
本発明の別の実施例によれば、ビーム成形部材は、異なる屈折率をもっている2種類の混ざらない流体を含んでいてもよい。2種類の流体の間に形成されたメニスカスの形状を制御することによって、当該流体を通過する光ビームの形状が、屈折によって制御されることができる。
【００３１】
メニスカスの形状は、従来から知られているように、例えば、液滴駆動によって制御されることができる。
【００３２】
更に、本発明による色変換素子は、色制御が可能な光出力装置を好都合にも有する。当該光出力装置は更に、第1の波長分布をもつ光ビームを発するよう構成された光源を含む。当該光ビームは、色変換素子内にある少なくとも第1の色変換部材によって変換可能である。
【００３３】
光出力装置は、アプリケーションに応じて、照明用に、又は環境をつくるために構成されることができる。
【００３４】
光源は、単色のLED又は単色の半導体レーザなどの半導体ベースの光源を、好都合にも含むことができる。
【００３５】
色制御が可能な光出力装置は更に、当該色変換素子との相互作用を改善するために、光源と色変換素子との間に配置された、光源によって出力された光ビームを事前成形するように構成された、追加の光学要素を含んでもよい。
【００３６】
この追加された光学要素とは、例えばコリメータである。
【００３７】
本発明のこれらの態様及び他の態様は、本発明の現在好ましい実施例を示している添付の図面を参照して、より詳細に説明されることであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１ａ】本発明の第1の実施例による、第1の色変換状態にある色変換素子を概観的に例示する。
【図１ｂ】本発明の第1の実施例による、第2の色変換状態にある色変換素子を概観的に例示する。
【図２ａ】本発明の第2の実施例による、第1の色変換状態にある色変換素子を概観的に例示する。
【図２ｂ】本発明の第2の実施例による、第2の色変換状態にある色変換素子を概観的に例示する。
【図３ａ】本発明の第3の実施例による、第1の色変換状態にある色変換素子を概観的に例示する。
【図３ｂ】本発明の第3の実施例による、第2の色変換状態にある色変換素子を概観的に例示する。
【図４ａ】本発明の第4の実施例による、第1の色変換状態にある色変換素子を概観的に例示する。
【図４ｂ】本発明の第4の実施例による、第2の色変換状態にある色変換素子を概観的に例示する。
【図５ａ】本発明の第5の実施例による、第1の色変換状態にある色変換素子を概観的に例示する。
【図５ｂ】本発明の第5の実施例による、第2の色変換状態にある色変換素子を概観的に例示する。
【図６ａ】本発明の第6の実施例による、第1の色変換状態にある色変換素子を概観的に例示する。
【図６ｂ】本発明の第6の実施例による、第2の色変換状態にある色変換素子を概観的に例示する。
【図７ａ】液晶分子が散乱モードにある第1の典型的なビーム成形部材を概観的に例示する。
【図７ｂ】液晶分子が透過モードにある第1の典型的なビーム成形部材を概観的に例示する。
【図８ａ】電極に電圧が印加されていない第1の状態にある、電気泳動を利用したビーム成形部材を概観的に例示する。
【図８ｂ】電極に電圧が印加されている第2の状態にある、電気泳動を利用したビーム成形部材を概観的に例示する。
【図９ａ】電極に電圧が印加されていない第1の状態にある、液晶層の屈折率勾配を利用しているビーム成形部材を概観的に例示する。
【図９ｂ】電極に電圧が印加されている第2の状態にある、液晶層の屈折率勾配を利用しているビーム成形部材を概観的に例示する。
【図１０ａ】電極に電圧が印加されていない状態にある、液体焦点セルを用いたビーム成形部材を概観的に例示する。
【図１０ｂ】電極に電圧が印加されている状態にある、液体焦点セルを用いたビーム成形部材を概観的に例示する。
【図１０ｃ】電極に電圧が印加されている状態にある、液体焦点セルを用いたビーム成形部材を概観的に例示する。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
以下の記述では、本発明が、種々異なる電気-光学効果を利用している典型的なビーム成形素子を選択し引用して、説明されている。以下の記述は、本発明の範囲を決して限定することはなく、液晶ゲル散乱、電気泳動、流体内に懸濁された粒子の制御（いわゆる懸濁粒子装置）等など、他の電気-光学効果を利用して、他の多くのビーム成形装置に等しく適用できる点に留意する必要がある。
【００４０】
更にまた、様々な実施例に登場する波長変換部材が全体を通して「蛍光物質層」と呼ばれているにもかかわらず、「蛍光物質」はここでは単に代表的な色変換物質として用いられているに過ぎないことを理解すべきである。
【００４１】
最初に、本発明による色変換素子の実施例に対する様々な基本的な構成が、図1乃至図5を参照して説明されることであろう。これらの図の全ては、それぞれの断面図の垂直中心線に関して通常対称形である、素子の断面図である。素子は、例えば、円対称でもよい。
【００４２】
全図を通じて、色が変換された光は、色変換素子と相互作用した光ビームが含まれる光線であることを表す、破線の矢印によって示されている。
【００４３】
図1a及び図1bでは、本発明の第1の実施例による色変換素子10が、それぞれ第1の状態及び第2の状態で示されている。
【００４４】
色変換素子10は、ビーム成形部材11と、収束反射器13上に配置された蛍光物質層の形態をした波長変換部材12とを有する。
【００４５】
図1a及び図1bに示すように、第1の波長分布をもつ光ビームは、ここでは、色変換素子10を通過する4本の光線14a乃至14dによって表わされている。
【００４６】
図1aで概観的に例示されているように、ビーム成形部材11が第1のビーム成形状態にあるときは、光線14a乃至14dの各々は、波長変換部材12へと導かれることなく、色変換素子10を通過する。従って、光ビームは、色変換素子を通過した後も依然として第1の波長分布をもつであろうし、色変換は生じない。
【００４７】
図1bで概観的に例示されているように、ビーム成形部材11が第2のビーム成形状態にあるときは、光ビームの一部分、即ち光線14a及び光線14dは、ビーム成形部材11によって蛍光物質層12へと導かれる。これらの光線14a及び光線14dは蛍光物質層12によって吸収され、異なる波長分布を伴って反射され、再発光される。光ビームの色が変換された部分（光線14a及び光線14d）は、この後、色が変換されていない光束の部分（光線14b及び光線14c）と混合され、結果として中間の色を生じる。
【００４８】
図2a及び図2bでは、本発明の第2の実施例による色変換素子20が、概観的に示されている。
【００４９】
この色変換素子20は、図1a及び図1bに示された色変換素子10とは異なり、反射器13の内側に供された蛍光物質層（図1a及び図1bの12）が取り除かれており、蛍光物質層22a及び同22bで各々コーティングした垂直に延在している反射器21a及び同21bが、色変換素子20に加えられている。図2a及び図2bの垂直に延在している反射器21a及び同21bは、同心の反射型構造の形態で供されているが、もちろん他の構成で供されてもよい。
【００５０】
図1a及び図1bに関連して上で説明された通り、図2a及び図2bは、異なる光の量が蛍光体層22a及び同22bと相互作用している、色変換素子20の二つの状態を例示している。
【００５１】
関連技術の当業者は、図1の実施例と図2の実施例とが、集束反射器13と、垂直に延在している反射器21a及び同21bとに供される異なる蛍光物質層とをもつ色変換素子に容易に組み合わせられることができると理解する。更にまた、反射器13、同21a、及び同21bは各々、蛍光物質層によって部分的に覆われていてもよいし、及び/又は異なる場所で異なる蛍光物質層で覆われていてもよい。
【００５２】
図3a及び図3bでは、本発明の第3の実施例による色変換素子30が、概観的に示されている。
【００５３】
この色変換素子30は、これまでに説明された色変換素子10及び同20とは異なり、図3a及び図3bでは、色変換素子30と相互作用する光束の色が、ここでは蛍光体が被覆された透明な板31の形で供されている、透明な波長変換部材を通過する光束の一部を制御することによって制御されている。
【００５４】
ビーム成形部材11が第1のビーム成形状態にあるとき、図3aで概観的に例示されているように、光線32cで例示されている第1の部分は、蛍光体が被覆された透明な板31の方向に導かれ、色変換が行われると共に、当該板31を通過する。光線32a、同32b、同32d、及び同32eで例示された光束の残りの部分は、色変換が行われることなく、色変換素子を通過する。
【００５５】
図3bにおいて概観的に例示されるように、ビーム成形部材11が第2のビーム成形状態にあるときは、図3bの全ての光線32a乃至32eにて表される光ビームの第2の部分が、ビーム成形部材11によって蛍光物質層31を通過するよう導かれる。これらの光線32a乃至32eは蛍光物質層31によって吸収され、異なる波長分布を伴って再発光され、結果として変換された色をもつ光を生じる。
【００５６】
図4a及び図4bでは、本発明の第4の実施例による色変換素子40が概観的に示されている。
【００５７】
この色変換素子40は、図3を参照して説明された色変換素子30とは異なり、透明な波長変換部材41a及び同41bが、ビーム成形部材11上にパターン化された蛍光物質層として供されている。ここで例示されている例では、蛍光物質層は、二つの同心円のリング41a及び同41bにパターン化されている。しかしながら、蛍光物質層は特定のアプリケーションに応じて、点又は線等々の形態で、いかなる適切な形状にもパターン化されることができる点に留意する必要がある。色変換素子40と相互作用する光ビームを形成する際に、パターン化された蛍光物質層41a及び同41bに当たるビームの割合は非常に低い割合から制御されることができ、図4aで概観的に例示されるように、光線42a乃至42dの何れもが蛍光物質層41a及び同41bへと導かれることはない場合から、図4bで概観的に例示されるように、全ての光線42a乃至42dが蛍光物質層41a及び同41bへと導かれる場合まで制御されることができる。
【００５８】
図5a及び図5bでは、本発明の第5の実施例による色変換素子51を有する光出力装置50が、概観的に示されている。
【００５９】
図5a及び図5bの光出力装置50は更に、ここでは単一の単色のLEDの形態で供されている光源52と、図5a及び図5bにて概観的に例示されているように、LED 52によって発される光を収束するために配置された一次コリメータ53とを有する。
【００６０】
図5a及び図5bの色変換素子51は、これまでに説明された実施例とは異なり、ビーム成形部材54が、LED 52によって発された光線55a乃至55dによって表示されている光ビームの一部を、制御された反射を用いて二次コリメータ57上に供された蛍光物質層56の方へと導くよう構成されている。斯様なビーム成形部材54は、例えば、国際特許公開公報WO2007/008235にて説明されているような、いわゆるコレステリック液晶鏡を利用して実現されることができる。
【００６１】
図5aを参照すると、ビーム成形部材54は反射しない状態にあり、結果的に、LED 52によって発される全ての光束（光線55a乃至55d）が、当該部材を通過することができる。従ってこの状態では、光出力装置50によって出力された光は、LED 52によって当初発された色をもつことであろう。
【００６２】
ここで図5bを見ると、ビーム成形部材は完全に反射状態に切り替えられ、全ての光ビーム（光線55a乃至55d）は、二次コリメータ57に供された蛍光物質層56の方へと反射される。この状態では、光出力装置50によって出力された光は、LED 52によって当初発された光が蛍光物質層56によって変換された色をもつことであろう。
【００６３】
図6a及び図6bでは、本発明の第6の実施例による色変換素子60が、概観的に示されている。
【００６４】
図6a及び図6bに示すように、色変換素子60は、ピクセル化されたビーム成形部材61と、例えば、光学的に透明な板上にある異なる蛍光物質層の形態で供されることができる、複数の波長変換部材62a乃至62gと、収束反射器63と、を有する。
【００６５】
ビーム成形部材61は、個々に制御可能な複数のビーム成形ピクセル64a乃至64gをもっている。これらのピクセル64a乃至64gの各々は、二つのビーム成形状態間で切り替えられることができる。
【００６６】
色変換素子60が第1の色変換状態にあることを示す図6aでは、ビーム成形装置61の各ビーム成形ピクセル64a乃至64gは、光線65a乃至65gによって表されている入射光ビームがビーム成形部材61を通過できるよう制御されている。ビーム成形装置61をそれぞれが通過した後、光線65a乃至65gの各々は、それぞれ異なる色変換部材62a乃至62gに当たり、対応する色に変換される。色変換部材62a乃至62gによる再発光の後、色が変換された光ビームが、色変換されたサブビームの混合によって実現される。
【００６７】
ここで図6bを見ると、色変換素子60が第2の色変換状態にあることが示されており、光線65a乃至65cによって表わされている光ビームの第1の部分は、図6aのように、それぞれ同じ色変換部材62a乃至62cに当たるように、ビーム成形装置61によって導かれ、光線65d乃至65gによって表わされている光ビームの第2の部分は、これらの光線65d乃至65gが色変換部材62a乃至62gの脇を通過し、色変換されることないようビーム成形部材61によって導かれる。光ビーム（光線65d乃至65g）の第2の部分は、代わりに、変換された光ビームの第1の部分（光線65a乃至65c）と混合させるために、収束反射器63によって反射され、異なる色が実現される。
【００６８】
本発明による色変換素子のこれまでに説明された実施例の各々において、ビーム成形部材は、ビーム成形しない状態と、最大限ビーム成形をする状態との間を仲介するよう制御される。本明細書の第5の実施例に関して、斯様な仲介状態においては、LED 52によって発された光ビームの第1の部分は、実質的に変化させることのない発光スペクトルを有するビーム成形部材54を通過することであろうし、光ビームの第2の部分は、蛍光物質層56の方へとビーム成形部材54によって反射されることであろうし、能動的な色変換が起き、第1の部分と混合するために二次コリメータ57によって反射され、結果として、光出力装置50によって、色空間において第1の部分の色と第2の部分の色との間の色をもつ光出力を生じる。
【００６９】
これまでに、本発明による色変換素子の六つの例示的な実施例が説明された。当業者によって容易に理解されるように、これらの実施例は例を表しているに過ぎず、これらの実施例に対する多くのバリエーション及び組み合わせが、本発明の要旨を逸脱することなく考えられる。
【００７０】
以下では、図7乃至図10の典型的な例示を参照して、本発明による色変換素子が有するビーム成形部材で利用されることができる種々異なるビーム成形メカニズムの代表例が供される。以下の説明は、ビーム成形部材の実施例の網羅的な紹介ではなく、単に都合よく用いられることができる様々なメカニズムの例示である点に留意する必要がある。
【００７１】
最初に、図7a及び図7b、並びに図8a及び図8bを引用して、所望のビーム成形を実現するために、電気的に制御可能な散乱を利用する二つの典型的なビーム成形部材が例示されよう。
【００７２】
図7a及び図7bでは、いわゆるポリマ分散液晶（PDLC）を利用したビーム成形部材70が、概観的に例示されている。
【００７３】
ポリマ分散液晶（PDLC）は、液晶分子を等方性のポリマに分散させることによって作られる。液晶材料（等方性のポリマ・マトリックス内に分散された、ミクロン・サイズの液晶のネマティック液滴）が、各々が透明電極（図示せず）を具備したガラス板などの第1の基板72と第2の基板73との間にあるセル71に配置されている、電界が電極間に印加されないときは、液晶はランダムに向いており、図7aに例示したように、散乱モードを作る。液晶分子のランダムな向きに起因して、光の両方の偏光の向きが影響を受ける。
【００７４】
電界を印加することによって、散乱は段階的に減少し、液晶分子が電界と平行して整列配置するときに、液晶分子の屈折率はポリマの屈折率に整合し、これにより、図7bに例示されるように、透過モードが実現され、光はリダイレクトされることなく、セルを通過する。
【００７５】
図7a及び図7bにおいて概観的に例示されているビーム成形メカニズムに代わるものとして、制御された光の散乱が、上記のPDLCの代わりに液晶ゲルを使用して実現されることができる。液晶ゲルは、三次元のポリマ・ネットワークがある場合は、液晶分子である。肉眼的に正しい向きに置かれた液晶ゲルは、ゲル内で屈折率の不整合をもつことはなく、これ故透明であり、光の散乱を引き起こさない。電界の印加によって、ポリマ・ネットワーク内の液晶分子は再配向され、ゲル内で大規模な屈折率の変動を生じ、これにより光の散乱を引き起こす。
【００７６】
図8a及び図8bでは、電気泳動を利用しているビーム成形部材80が、概観的に例示されている。
【００７７】
図8a及び図8bのビーム成形部材80は、流体82内に懸濁されている複数の荷電粒子81（ここでは、単一の粒子によって表されている）を含んでいる。粒子-流体懸濁液は、側壁83a及び側壁83bと上部の壁84a及び下部の壁84bとによって囲まれているセル内に封入されている。荷電粒子81の制御を可能にするために、電極85a及び電極85bが、セル内の適切な場所に設けられている。これらの電極85a及び電極85bの間に電圧を印加することによって、ビーム成形部材80を通過する光ビームの形状が制御されることができる。
【００７８】
図8aでは、電圧が電極85a及び電極85bの間に印加されていない第1の状態が例示されている。この状態では、図8aに例示したように、荷電粒子81は流体82内では基本的に均一に分散され、粒子-流体懸濁液内を通過する光を拡散させる。
【００７９】
図8bでは、電圧が電極85a及び電極85bの間に印加されている第2の状態が例示されている。電圧Vの印加から生じる電界に起因して、粒子81は移動し、結果としてセルの大部分は粒子を含まない。従って図8bに概観的に例示されているように、セルを通過する光は、いかなる粒子81にも遭遇することはなく、散乱されることもない。主たるビーム成形機能に加えて、ビーム成形部材80をもつ本実施例は、散乱光の色変換を実現するために用いられることができる点が留意されなければならない。これは、能動的な波長変換ができる粒子81を供することによって達成されることができる。例えば、粒子81は、適切な蛍光物質を含んでいてもよい。
【００８０】
流体内に懸濁された粒子による、制御された光の散乱を用いたビーム成形は、液滴駆動、流体内に懸濁された異方性の粒子の再配向等々など、他の周知の技術によって実現されることもできる。
【００８１】
次に、図9a及び図9b、並びに図10a及び図10cを引用して、所望のビーム成形を成し遂げるために電気的に制御可能な屈折を利用した、二つの典型的なビーム成形部材が例示されよう。
【００８２】
図9a及び図9bでは、光のリダイレクションが液晶層の制御された屈折率勾配を用いて実現されているビーム成形部材90が、概観的に例示されている。
【００８３】
図9a及び図9bのビーム成形部材90は、第1の基板92と第2の基板93とに挟まれた液晶層91をもつ、いわゆる屈折率勾配型のマイクロレンズアレイである。第1の基板92は、液晶層91に面した側に設けられた第1の電極94aと第2の電極94bとをもつ。
【００８４】
電圧が電極94a及び電極94bの間に印加されていない場合、液晶層91に有る液晶材分子に作用する電界はない。この状態では、液晶分子の向きは、第1の基板92及び第2の基板93に設けられたアライメント層（図示せず）によって決定される。図9aに例示されている例示的な実施例では、液晶分子は、基板92及び同93に対して直交し、ホメオトロピカル的に整列され、図9aで概観的に例示されているように、ビーム成形部材90を通過する光ビームの形状は、当該液晶分子により影響を受けることはない。
【００８５】
図9bでは、ビーム成形部材90は第2の状態にあり、電圧が電極94a及び電極94bの間に印加され、液晶層91に電界を生じさせる。液晶層91に有る液晶分子は、当該液晶層91の屈折率勾配の形成に至る電界線に沿って液晶分子自身を配向させる傾向がある。
【００８６】
これによって、ビーム成形部材90を通過する光は、図9bに示すように焦束されることができる。図9a及び図9bに示されているビーム成形部材90は、入射した非偏光の光の一つの偏光要素に影響を及ぼすに過ぎない。
【００８７】
二つの液晶セルを積み重ねた構造に配置することによって、両方の方向の偏光要素が制御されることができる。
【００８８】
図10a乃至10cでは、光のリダイレクションが、二つの混ざらない流体の間のメニスカスによって形成されるレンズの形状を制御することによって実現される、ビーム成形部材100が概観的に例示されている。
【００８９】
図10a乃至10cのビーム成形部材100は、いわゆる流体焦点セルであり、有極性の液体などの第1の流体101と、無極性の液体などの第2の流体102とが含まれている。側壁103の内側に第1の電極104が設けられ、親水性の層105によって覆われている。側壁103に設けられたる第1の電極104と、第1の流体101と接触している第2の電極106との間に電圧を印加することによって、図10a乃至10cに三つの異なる状態が例示されているように、壁に沿ったメニスカス107の位置が制御されることができる。
【００９０】
当業者は、本発明が好ましい実施例に決して限定されることはないと理解する。例えば、光を種々異なる波長スペクトルに変換するように構成されている複数の蛍光構造が、色変換素子に含まれることができる。更にまた、様々な他の光学要素、例えばフィルタ、レンズ、反射器、偏光子等が、特定のアプリケーションのために必要とされる色変換素子に含まれてもよい。例えば、レンズ又は他の受動的な光学要素が、ビーム成形部材との相互作用の後に、光ビームの形状など、少なくとも一つの特性を変更するために配置されてもよい。
【図１ａ】
2010534411.tif 000003
【図１ｂ】
2010534411.tif 000004
【図２ａ】
2010534411.tif 000005
【図２ｂ】
2010534411.tif 000006
【図３ａ】
2010534411.tif 000007
【図３ｂ】
2010534411.tif 000008
【図４ａ】
2010534411.tif 000009
【図４ｂ】
2010534411.tif 000010
【図５ａ】
2010534411.tif 000011
【図５ｂ】
2010534411.tif 000012
【図６ａ】
2010534411.tif 000013
【図６ｂ】
2010534411.tif 000014
【図７ａ】
2010534411.tif 000015
【図７ｂ】
2010534411.tif 000016
【図８ａ】
2010534411.tif 000017
【図８ｂ】
2010534411.tif 000018
【図９ａ】
2010534411.tif 000019
【図９ｂ】
2010534411.tif 000020
【図１０ａ】
2010534411.tif 000021
【図１０ｂ】
2010534411.tif 000022
【図１０ｃ】
2010534411.tif 000023
【国際調査報告】
2010534411.tif 000024
2010534411.tif 000025