(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ａ）１）電気エネルギを第１光源と第２光源に選択的に加えるための制御電源と、
２）上記第１光源と第２光源からの光信号を光学カプラに選択的に加えるため上記
第１光源と第２光源に接続した光学スイッチとを有する照明源と、
Ｂ）１）上記光学カプラに接続された入力端と、
２）複数の出力端と、
３）上記複数の出力端の１つにその一端を接続した少なくとも１つの光分配路とを
有する光分配装置と、
Ｃ）１）少なくとも１つの光分配路の他端に接続された入力端と、
２）閉じた底部と、開いた頂部とを有する、筒状の空洞を区画する筒状のハウジン
グと、
３）上記筒状の空洞内に配置された、上記入力端に隣接する光学入口と、上記頂部
に向かって突出する光分配光学出口とを有し、上記頂部に発散光を分配する非結像
光変換部材と、
４）上記頂部に固定された光学的に透明な環状部材と、
５）上記光分配光学出口に向かって配置された反射面を有し、上記発散光を所定の
分配パターンに指向する、上記環状部材に固定した反射器と、
６）上記光変換部材と反射器間に配置した光成形部材とを有するビーム成形装置と
、
より成る遠隔照明装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（発明の背景）
【０００２】
（１．発明に関連する従来例）
【０００３】
本発明は、1996年10月21日に出願された米国特許出願第08／733,940号「集積ビーム成形装置及びその製造方法」に関連する。また、本発明は、米国特許第5,986,752号「照明システムシーケンサー及び方法」に関連する。
【０００４】
（２．発明の分野）
【０００５】
本発明は照明システムに関するものである。より詳しくは、本発明は遠隔照明システム及び制御された精密な及び動的な光分配パターンを作るための遠隔照明システムに用いるビーム成形装置または照明器具に関するものである。
【０００６】
（３．関連技術の検討）
【０００７】
空港は進入する航空機を案内する照明システムを有している。従来の航空機進入照明システム（ＡＬＳ）は、滑走路から数千フィートの視野に亘り角度のある光の分布と、色及び強度の特定の要求に応じながら照明するため配置した白熱ランプのグループを有している。ＡＬＳにおいて白熱ランプを用いることの主な問題は、多くの光源、即ち各白熱ランプをモニタし、その故障を知ることにある。ＡＬＳの利便性はこのシステムにおける故障ランプの数と位置に依存する。ランプの交換は人件費やランプコストにより大きなコストとなる。
【０００８】
米国ヘデラル  アビエイション  アドミニストレーション（ＦＡＡ）の規則はＡＬＳに対し多くのことを要求している。例えば、着陸及び離陸する航空機に対するハザードを最小とするため、滑走路の端と1000フィート  バー間のランプ支持タワーはこわれ易いか、ややこわれ易いものとする必要がある。一方、これらのタワーは天候条件の大幅な変化にかかわらずランプを十分に支持できるものであることが必要である。更に、このシステムは１日の時刻、天候条件に応じて５輝度レベルで操作できなければならない。白熱ランプを用いた現在のシステムは、望まれる輝度レベルを達成するようランプ電流を定めモニタするための複雑な制御システムを含む。システムの性能は測定したランプ電流によって推定するが、ランプのタイプ、径年変化、電流ループ内の抵抗差等の幾つかの理由で正確な性能を表示することはできない。
【０００９】
照明システム技術の他の例では、航行と識別のため、船舶、航空機及び車輌を照明することである。これら航行照明システムは厳格な多くの国の規制、及び、輝度、角度分布及び色に対する要求を満たす必要がある。これらの要求を満足せしめる最も共通な技術は電気的分配システムに結合した白熱ランプの分配システムである。電気的分配システムは、例えば故障ランプ交換のためにモニタするなどの多数のメンテナンス、電磁波干渉阻止（ＥＭＩ）等のデザインの問題及び事故の際の燃料漏れ等の発火源の消去、減少などの安全を計る必要がある。
【００１０】
米国特許第5,629,996号明細書には、従来の照明技術の多くの改良、例えば中心光源または光エンジンを用いる遠隔地照明（ＲＳＬ）システムが示されている。この光源は１つまたは１つ以上のビーム成形装置に光パイプシステムを介して結合される。各ビーム成形装置、または、照明器具は輝度ロスが最小の所望の光分散をなし得る光変換器とホログラフ拡散体とを有する。システムの特性は直接光学的にモニタされる。改良された寿命の長い中心光源はメンテナンスを大幅に減少する。一方、冷却操作され、発火することのないビーム成形装置は、多くの操作環境で使用するのに好適であり、安全で、安価な照明装置である。
【００１１】
従来の照明システム技術の大きな改良に加えてビーム成形装置から分配される光を改良し制御されている。例えば、高輝度白熱ランプからの光分配パターンは主として水平面内で180°分配パターンに制限される。船舶のためのマスト頭部航行光のような或る照明用途においては、水平分配パターンは180°以上であることが望まれ、従って、多数のランプやビーム成形装置が必要となる。特殊の用途のためには光分配能力を有することが望ましく、他の用途に対しては光分配を再順応できることが望ましい。更に、光分配パターンを動的に変え得ることが望ましい。例えば、回転ビーコンに用いる動的光分配パターンを作るためには光源を物理的に回転する機械的駆動素子が望ましい。従って、範囲が改良された正確な照明分布を作るビーム成形装置が必要とされる。更に、正確な動的な光分配パターンに適用可能な遠隔照明システムに用いるビーム成形装置が必要とされる。
【００１２】
（発明の目的）
【００１３】
本発明の主たる目的は、改良された光分配パターンを有するビーム成形装置を得るにある。本発明の主たる目的は、高精度光分配パターンを有するビーム成形装置を得るにある。
【００１４】
本発明の他の目的は、遠隔照明システムに適応できる高精度光分配パターンを作るビーム成形装置を得るにある。
【００１５】
本発明の更に他の目的は、適応可能な光分配パターンを有するビーム成形装置を得るにある。
【００１６】
本発明の更に他の目的は、動的光分配パターンを有するビーム成形装置を得るにある。
【００１７】
本発明の他の目的は操作メンテナンスを不要または最小ならしめコストを低下せしめたビーム成形装置を得るにある。
【００１８】
本発明の他の目的は精密照明システムを得るための複数のビーム成形装置と、中心光源と光ファイバ光分配システムを含む照明システムを得るにある。
【００１９】
本発明の他の目的は、光分配パターンの形成方法を得るにある。
【００２０】
本発明の目的、特徴、利点は以下図面と共に詳細に説明する。然しながら、本発明は好ましい実施例と詳細な説明に限定されるものではない。本発明の精神の範囲内で種々変更、増減できることは勿論である。
【００２１】
【発明の実施の形態】
【００２２】
（１．概要）
【００２３】
遠隔輝度照明システムは中心照明源からの光信号を遠隔光分配装置に分配する。各遠隔光分配装置または照明器具は光信号から高精度分配パターンを作ることができる。この分配パターンは水平及び垂直方向で容易に調節できる。第１の好ましい構成では、各ビーム成形装置を光ファイバケーブルを介して中心光源に結合し、これに非結像光変換器と円錐反射素子とを有せしめる。更に好ましい実施例においては、ホログラフ拡散体及びまたはマスク素子を光分配パターンの形に適合せしめるためビーム成形装置に接続する。電子制御マスク素子を発光、移動または動的光分配パターンを作るために更に用いる。
【００２４】
（２．遠隔照明システム）
【００２５】
図１に示す遠隔照明システム１０は、１）進入灯システム（ＡＬＳ）、２）船舶航行灯システム、３）航空機または車輌照明灯システム、４）警告灯システム、または５）地雷原または危険区域照明システムを操作するために好適である。遠隔照明システム１０の他の用途は米国特許第5,629,669号明細書その他に示されている。この遠隔照明システム１０は、光供給システム１６を介してビーム成形装置１４に対して加える中心光源を作る照明装置（または光エンジン）１２を含む。ビーム成形装置１４は、１）照明タワー（例えば、ＡＬＳ），２）航空機、船舶及び車輌、または３）遠隔及びまたは危険区域（例えば地雷原、爆弾製造工場、石油精製所、実験室その他）に適用できる。
【００２６】
照明装置１２は、電気エネルギー源（図示せず）と直接光学調節器２６に好ましく結合した制御電源２０を含む。電源２０と直接光学調節器は互いに接続し、制御信号伝達のためマイクロプロセッサ等の好ましい制御プロセッサを含む照明システム制御器１８に接続する。電源２０と直接光学調節器２６は第１光源２２と第２光源２４に対する電圧印加を制御する。第１光源２２と第２光源２４からの光信号出力は光学スイッチ２８を介して高効率カプラ３０に加える。高効率カプラ３０は、光学スイッチ２８を介して送られた光源２２と２４からの光出力を光供給システム１６に送る。光供給システム１６には、光信号を照明装置２０から１つまたはそれ以上のビーム成形装置１４に送るための光学スプリッタまたは光ファイバ束を有せしめるのが好ましい。
【００２７】
第１光源２２と第２光源２４の夫々は、楕円またはパラボラ反射器によって焦点に集束した可視範囲のエネルギ源を作る。高効率カプラ３０は焦点に集束された光を光供給システム１６から光ファイバに送る。図示のように光源２４は好ましくは十分な光源とする。直接光学調節器２６は、第１光源２２と第２光源２４の双方の光出力をモニタするため光学スイッチ２８に接続するのが好ましい。第1光源と第２光源からの光信号をカプラ３０に選択的に加えるため上記光学スイッチ２８を上記第１光源２２と第２光源２４に接続する。正常な状態では、第１光源２２のみに電圧が供給され従ってこれが唯一の光信号源となる。第１光源２２が故障すれば、この故障が直接光学調節器２６によって検出され、１）電源２０から第１光源２２に対する電力が断たれ、第２光源２４に対し電力が供給され、２）光学スイッチ２８が第２光源２４から光エネルギを受けこれを高効率カプラ３０に加える。
【００２８】
（３．ビーム成形装置アセンブリ）
【００２９】
ビーム成形装置１４を除いた本発明の上記素子は米国特許第5,629,996号明細書により詳細に記載されている。図２は本発明の第１の好ましい実施例におけるビーム成形装置１４の詳細を示す。図２に示すように、ビーム成形装置１４は、閉じた底部１０２と、開いた頂部１０４と、筒状の空洞１０６とを有する筒状の不透光性ハウジング１００を有する。光ファイバケーブル結合器１０８のためのフランジ付孔１０７が底部１０２に形成されている。この光ファイバ結合器１０８はビーム成形装置１４を光供給システム１６の光ファイバケーブル１１０に結合するために好適なものとする。ハウジング１００は好ましくは好ましいモールドプロセスを用いてプラスチック材料から作る。
【００３０】
頂部１０４には透明プラスチック材料の透明な環状窓１１１を配置固定し、空洞１０６を通して軸方向に延ばし、また、環状窓１１１の端部１１４を塞ぐ反射素子１１２を設ける。反射素子１１２は好ましくはハウジング１００の中心線に略一致する先端を有し空洞１０６に向って内方に指向される円錐形のものとする。反射素子１１２には傾斜反射面１１８を有せしめる。より詳しくは図３〜図５に示すように反射面１１８はハウジング１００の中心線に対して傾斜せしめる。反射素子１２は反射面１１８を作るため誘電体または金属の何れで作る。
【００３１】
空洞１０６内には非結像光変換器１２０を配置固定する。光変換器１２０には光入口１２２と光出口１２４とを有する本体部分１２６を有せしめる。光入口１２２は近接する結合器１０８と一線をなし、従って、光ファイバケーブル１１０の端部１２８に近接して光ファイバケーブル１１０からの信号を光変換器１２０に結合できるようにする。光変換器１２０は好ましくは米国特許第5,629,996号明細書に記載された構造のものとし、ビーム成形装置１４に使用する場合光ファイバケーブル１１０によって結合される光エネルギを最大限に利用するため単位面積当たりの光束密度を減少せしめる。光変換器１２０の光出口１２４から出た分配光信号１３０は反射面１１８に向かい、環状窓１１１を通して外方に反射し、光分配パターン１３２を形成する。図２に示す実施例においては、光分配パターン１３２はビーム成形装置１４から垂直分配角βを有する360°水平パターン内で半径方向に延びる。
【００３２】
図３〜図５に示すように垂直断面における光分配パターン１３２は反射素子１１２の形を調節することによってビーム成形装置１４内で調節できる。図３は図２に示す反射素子１１２を示す。即ち、反射素子１１２は開先角度φが90°のものとする。ハウジング１００の軸方向に進み反射素子１１２に突き当った光線２３４はハウジング１００の中心線に対し角φに等しい角γまたは90°の角度で反射される。反射素子１１２による光分散パターン１３２はビーム成形装置１４から略半径方向外方に進む。
【００３３】
図４に示すように反射素子１３６は開先角度を90°以下とする。ハウジング１００の軸方向に進み反射素子１３６に突き当った光線３３４はハウジング１０の中心線に対し90°以上の角度γで反射される。この場合、反射素子１３６による光分配パターン１３２はビーム成形装置１４から上方に進む。図５に示すように反射素子１３８は開先角度φを90°以上とする。ハウジング１００の軸方向に進み反射素子１３８に突き当った光線１３４はハウジング１００の中心線に対し90°以下の角度γで反射される。この場合、反射素子１３６による光分配パターン１３２はビーム成形装置１４から下方に進む。上記のように反射素子（１１２，１３６及び１３８）の形状を制御することによって、ビーム成形装置１４の光分配パターン１３２の垂直方向を正確に制御できる。
【００３４】
図６は、本発明の他の好ましい実施例におけるビーム成形装置１４０を示す。ビーム成形装置１４０は、光変換器１２０と反射素子１１２間に配置したホログラフ拡散体１４２を有する。このホログラフ拡散体１４２は好ましくは体積ホログラフ拡散体とし、光出口１２４からの光線を反射素子１１２に突き当る前に成形せしめる。この場合、光分散パターン１３２、特に、垂直分散角度βを更に制御できる。
【００３５】
図６に示すように、ホログラフ拡散体１４２はビーム成形装置１４０の中心線により近く中心線に対し半径方向内方に光線１４４を指向せしめる。光線１４４は反射素子１１2に45°以下の入射角で突き当り、φ以下または90°以下の角度γ1 で反射する。この場合、光線１４４は下方に反射される。ビーム成形装置１４０の中心線から最も遠い光線１４６は中心線から半径方向外方に指向される。この場合、光線１４６は反射素子１１２に45°以上の入射角で突き当り、φ以上または90°以上の角度γ2 で反射する。この結果、光線１４６は上方に反射される。ビーム成形装置１４０による全体の光分配パターン１４８はβ以上の垂直分散角度β2 を有する。ホログラフ拡散体によってビーム成形装置１４０の光分配パターンを成形し制御し、例えば、光分配パターンを狭い垂直分配パターンに集中せしめることにより他の多くの光成形パターンを作ることができる。
【００３６】
図７及び図８に示すビーム成形装置１５０は360°以下の水平光分配パターン１５８を作る。ビーム成形装置１５０は、ホログラフ拡散体２４２と反射素子１１２間に配置したマスク素子１５２を有する。マスク素子１５２は本質的に透明な部分１５４と本質的に不透明な部分１５６を有する。マスク素子１５２は、好ましいロスの少ない光学的に透明な材料にマスク被膜を適当な形で付すことによって作ることができる。マスク素子１５２の効果は、所定の区域内の反射素子１１２に対し光出口１２４における光変換器１２０からの光線が達するのを阻止することにある。従って光分配パターン１５８は、光線が反射素子１１２から反射する区域１６２と、反射されない区域１６０とを有する。ビーム成形装置１５０は、船舶マスト頭部航行灯のような水平光分配パターンが360°以下であることを要求する用途に好適である。従来例に比べ、180°以上の水平光分配パターンを単一のビーム成形装置１５０によって形成できる。ホログラフ拡散体２４２は所望の垂直分散角β2 を作るが、ビーム成形装置１５０の各用途に要求されるものではない。更に、ホログラフ拡散体２４２には、マスク素子１５２の機能を発揮するため不透明区域を被覆その他により形成するのが好ましい。
【００３７】
光分配パターン１５８は、図１０に示すビーム成形装置１７０を用いることによって作り得る。ビーム形成装置１７０は、光変換器１２０と、ホログラフ拡散体３４２と、反射素子１７２とを有する。一般的には、反射素子１７２は、反射素子１２２，１３６及び１３８と同一である。反射素子１７２は、反射面１１８の一部１７４を非反射面とした点で異なる。これは、１）部分１７４を反射材料で被覆せず、２）部分１７４内の表面１１８に非反射被覆を付す、または３）反射素子１７２にマスクを付す、の何れかの方法で得られる。この効果は、光線突き当り部分１７４が反射せず、従って光分配パターン１５８が得られるという点にある。
【００３８】
図１０及び図１１にビーム成形装置１８０とこれに関連する電子制御マスク１８２を示す。マスク１８２は、光変換器１２０と反射素子１１２間に位置せしめる。マスク１８２は、複数の電線１８６と共通の接地導線（図示せず）によって夫々制御器１８４に接続された複数の液晶セル２０１〜２２０を含む。各セル２０１〜２２０はマスク１８２を角度的に区画する。制御器１８４は好ましくは処理装置、メモリ及びバッファ回路を含み、電気的エネルギを作り、セル２０１〜２２０を選択的に付勢する。付勢されたセルは本質的に透明な状態から本質的に不透明な状態に遷移する。図９に示すようにセル２０１〜２０３は付勢され不透明となる。残りのセル２０４〜２２０は透明のままである。この例では、マスク１８２は図８に示すように光分配パターン１５８を形成するよう操作できる。
【００３９】
図１１に示すようにセル２０１〜２２０のうちセル２１２は付勢され不透明となっている。制御器１８４の操作において、及び例えば特定の集積回路を用いる制御器１８４のメモリまたはハードプログラムに記憶されている好ましいシーケンス  アルゴリズムによってセル２１２が消勢されたとき隣接するセル２１１が付勢される。次に同様の方法で、セル２１１が消勢されたときセル２１０が付勢される。このプロセスはマスク１８２の各セル２０１〜２２０のために順次に繰り返される。この例では、得られた光分配パターンはビーム成形装置１８０の周りでビーム光を回転する効果を有する。従って、回転ビーコン効果が作られる。総べてのセル２０１〜２２０を選択的に及び付随的に付勢及び消勢するのが好ましい。得られた光分配パターンは障害警告ビーコンのような発光ビーコンである。多くの動的光分配パターンはセル２０１〜２２０の選択的な付勢及び消勢によって達成できる。
【００４０】
ビーム成形装置１８０は、２０のセル２０１〜２２０を有する。水平面内の分解角度は略18°である。雑な及び微細な分解能のマスク１８２は、より少ない、またはより多いセルを設けることによって達成される。更に、マスク１８２の角度区域にセルを形成する必要はないが、種々の光分配パターンを作るためにはセルを種々の形状に形成する。
【００４１】
着色光を作るためには或る操作が必要である。例えば、航行灯は一部が赤色，右舷が青，船尾が白である。警告灯は一般に赤色である。この点において、ビーム成形装置１４，１４０，１５０，１７０及び１８０は光変換器１２０と反射素子１１２間に配置した好ましい着色フィルタを含む。他の例においては、照明装置２０内に着色フィルタまたは着色光源を用いる。
【００４２】
本発明は、本発明の精神の範囲内で種々変更、増減できる。本発明の範囲は請求の範囲で明らかならしめる。
【００４３】
【図面の簡単な説明】
本発明の好ましい実施例を以下図面によって説明するが同一部分は同一符号を付して示す。
【図１】  本発明の好ましい実施例におけるビーム成形装置を有する遠隔照明システムのブロック図である。
【図２】  本発明の好ましい実施例における非結像光変換器と反射素子を示すビーム成形装置の説明用正面図である。
【図３】  図２のビーム成形装置に用いるのに好ましい反射素子の説明図である。
【図４】  図２に示す反射素子の第１の変形の説明図である。
【図５】  図２に示す反射素子の第２の変形の説明図である。
【図６】  本発明の他の好ましい実施例における非結像光変換器と、ホログラフ拡散体と反射素子を示すビーム成形装置の説明用側面図である。
【図７】  本発明の更に他の好ましい実施例における非結像光変換器と、ホログラフ拡散体と、拡散マスクと及び反射素子を示すビーム成形装置の説明用斜視図である。
【図８】  図７に示す拡散マスクと関連する光分配パターンの平面図である。
【図９】  本発明の更に他の好ましい実施例における非結像光変換器と、反射素子を示すビーム成形装置の説明用斜視図である。
【図１０】  本発明の更に他の好ましい実施例における拡散マスクの斜視図である。
【図１１】  本発明の更に他の好ましい実施例における非結像光変換器と反射素子を示すビーム成形装置の説明用斜視図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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