(57)【要約】  本発明は、光を発するための光源と、青相モードの液晶物質で満たされた少なくとも１つの区切られた空間を有する透明な第１の光学素子であって、前記発せられた光の少なくとも一部が、前記区切られた空間の第１の境界面及び第２の境界面を連続的に通過し、前記第１の境界面が前記第２の境界面と平行ではない、第１の光学素子と、前記少なくとも１つの区切られた空間の前記第１の境界面に入射する前記発せられた光の方向に略平行な方向に、前記区切られた空間に対して電場を印加するための電気手段と、を有する、照明システムに関する。
2012528442.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を発するための光源と、
青相モードの液晶物質で満たされた少なくとも１つの区切られた空間を有する透明な第１の光学素子であって、前記発せられた光の少なくとも一部が、前記区切られた空間の第１の境界面及び第２の境界面を連続的に通過し、前記第１の境界面が前記第２の境界面と平行ではない、第１の光学素子と、
前記少なくとも１つの区切られた空間の前記第１の境界面に入射する前記発せられた光の方向に略平行な方向に、前記区切られた空間に対して電場を印加するための電気手段と、
を有する、照明システム。
【請求項２】
前記区切られた空間の前記第１の境界面及び前記第２の境界面は平面であり、互いに対して或る角度を成す、請求項１に記載の照明システム。
【請求項３】
前記少なくとも１つの区切られた空間は三角形の断面を持つ幾何学的なプリズム形状を持ち、前記第１の境界面及び前記第２の境界面は前記断面に対して垂直である、請求項２に記載の照明システム。
【請求項４】
前記少なくとも１つの区切られた空間以外の前記第１の光学素子の部分は、前記電場に依存しない屈折率を持つ、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の照明システム。
【請求項５】
前記少なくとも１つの区切られた空間以外の前記第１の光学素子の部分は、略同一の屈折率を持つ、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の照明システム。
【請求項６】
前記発せられた光の略全てが前記少なくとも１つの区切られた空間を通過する、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の照明システム。
【請求項７】
複数の区切られた空間がアレイ状に配置され、前記複数の区切られた空間の向きが類似している、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の照明システム。
【請求項８】
前記電気手段は、前記少なくとも１つの区切られた空間のそれぞれの側面に配置され、且つ前記第１の境界面に入射する前記発せられた光の方向に対して垂直な、２つの透明な電極を有する、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の照明システム。
【請求項９】
前記電気手段は、矩形波形を持つ交流電場を印加するように構成された、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の照明システム。
【請求項１０】
前記発せられた光が前記第１の光学素子に入射する前に前記発せられた光を平行化するコリメータを有する、請求項１乃至９のいずれか一項に記載の照明システム。
【請求項１１】
前記照明システムは反射層を有し、前記反射層は、前記光源に面し、前記光源と前記少なくとも１つの区切られた空間の前記第１の境界面との間に配置され、前記第１の境界面の周囲において前記発せられた光を反射する、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の照明システム。
【請求項１２】
前記第１の光学素子に類似した透明な第２の光学素子が備えられ、前記第２の光学素子は、前記発せられた光が最初に前記第１の光学素子を通過し次いで前記第２の光学素子を通過するように、前記第１の光学素子の後に、対応する電気手段を伴って配置される、請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の照明システム。
【請求項１３】
前記電気手段を制御するための制御システムを有する、請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の照明システム。
【請求項１４】
請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の照明システムに適した、透明な光学素子。
【請求項１５】
請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の照明システムを少なくとも１つ有する電機子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、照明システムの分野に関し、更に詳細には方向可変スポットライトの分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
照明システム、特にスポットライトは、所望のインテリアスタイルを作るため例えば建築士、インテリアデザイナ、更にはエンドユーザによって利用されている。照明システムによって生成されるスポットは一般に方向及びビーム発散の点で固定されているため、照明システムは該照明システムを全体的に傾け及び回転させることによって目標物へと向けられ、該照明システムにより発せられる光の方向を制御するためのかなりかさばる機構的構成をもたらす。
【０００３】
照明技術、特に発光ダイオード（ＬＥＤ）及びＬＥＤベースの照明器具の分野における近年の進歩は、従来の照明システムに比べて、設置が容易で邪魔にならない簡素で小型な照明システムを実現してきた。
【０００４】
しかしながら、照明の方向を制御するためのかさばる機構的構成の使用は、照明システムが実際に簡素で小型なものとなることを妨げる。この問題は例えば、液晶ゲルを備えたセルを有する電気的に調節可能な光学素子が光源からの光のビームを調節するように構成された照明システムを示す、米国特許出願公開US2008/0198280により解決される。該セルに電場を印加することにより、該液晶ゲル中の高分子の配向が変更され、光のビームの散乱パターンが変化させられることができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
米国特許出願公開US2008/0198280の照明システムの限界は、単一のセルでは、特定の偏光を持つ光の方向しか変えられない点である。垂直偏光を持つ光の方向は印加される電場とは独立であり、従って単一のセルによっては変化され得ない。
【０００６】
更なる欠点は、現在の照明システムは、該セルにおいて利用される物質の分子を整列させるために、配向層を必要とする点であり得る。配向層は非常に薄い層であり、時には単一層であり、一般にポリイミドからつくられ、配向層の分子を整列させるために擦られる。セルのための液晶物質が配向層の上端に配置されると、該液晶物質の分子は配向層に対して整列し、電場が印加されていないときには明確な状態が提供される。電場が印加されると、該液晶物質の分子は電場に対して整列する。配向層を備え続いて該層を適合させることは、複雑な製造工程である。
【０００７】
光ビームの偏光とは独立して光のビームの方向を変更することが可能な小型な照明システムを提供することが望ましい。また、製造が容易な小型な照明システムを提供することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
これら問題の１つ以上に適切に対処するため、本発明の第１の態様においては、
光を発するための光源と、
青相モードの液晶物質で満たされた少なくとも１つの区切られた空間を有する透明な第１の光学素子であって、前記発せられた光の少なくとも一部が、前記区切られた空間の第１の境界面及び第２の境界面を連続的に通過し、前記第１の境界面が前記第２の境界面と平行ではない、第１の光学素子と、
前記少なくとも１つの区切られた空間の前記第１の境界面に入射する前記発せられた光の方向に略平行な方向に、前記区切られた空間に対して電場を印加するための電気手段と、
を有する、照明システムが提供される。
【０００９】
本発明の第２の態様においては、青相モードの液晶物質で満たされた少なくとも１つの区切られた空間を有する光学素子であって、光が前記区切られた空間の第１の境界面及び第２の境界面を連続的に通過し、前記第１の境界面が前記第２の境界面と平行ではない、光学素子が提供される。
【００１０】
本発明の第３の態様においては、少なくとも１つの照明システムを有する電機子であって、前記照明システムは、
光を発するための光源と、
青相モードの液晶物質で満たされた少なくとも１つの区切られた空間を有する透明な第１の光学素子であって、前記発せられた光の少なくとも一部が、前記区切られた空間の第１の境界面及び第２の境界面を連続的に通過し、前記第１の境界面が前記第２の境界面と平行ではない、第１の光学素子と、
前記少なくとも１つの区切られた空間の前記第１の境界面に入射する前記発せられた光の方向に略平行な方向に、前記区切られた空間に対して電場を印加するための電気手段と、
を有する、電機子が提供される。
【００１１】
本発明のこれらの及び他の態様は、添付図面に関連して考察される以下の詳細な説明を参照することによってより適切に理解されて容易に認識され、図面において同様の参照記号は同様の部分を示す。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施例による照明システムの模式的な表現を示す。
【図２】本発明の別の実施例による照明システムの模式的な表現を示す。
【図３】図２の照明システムの第１の光学素子の詳細な断面図を示す。
【図４】本発明の実施例による光学素子を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１は、本発明の実施例による照明システムの模式的な表現を示す。該照明システムは、光（光線Ｌにより示されルミネセンス）を発するための光源１と、青相モードの液晶物質により満たされた少なくとも１つの区切られた空間５を有する透明な第１の光学素子３と、を有し、発せられた光Ｌの少なくとも一部は、区切られた空間５の第１の平面境界面６及び第２の平面境界面７を連続して通過し、該第１及び第２の平面境界面６、７は互いに対して或る角を成している。該照明システムは更に、少なくとも１つの区切られた空間５の第１の平面境界面６に入射する発せられた光の方向に略平行な方向に、区切られた空間５に対して電場Ｅを印加するための、電気手段９、１０、１１、１２を有する（該第１の平面境界面に入射する発せられた光は、光線Ｌｉにより示されている）。
【００１４】
青相モードの液晶物質の使用は、以下に説明されるように、入射光Ｌｉの偏光に依存せずに屈折率を変化させることを可能とするため、有利である。屈折率を変化させることにより、区切られた空間５を通過した後の光の方向が変化させられ得る。
【００１５】
青相モードの液晶物質は、電場が印加されていないときには等方性の光学特性を持ち、電場が該物質に印加されると複屈折性となるという特性を持つ。複屈折性とは、物質の屈折率が、該物質を通過する光の偏光に依存する性質である。屈折率の２つの極値はｎｏ及びｎｅと示され、それぞれの極値は他方の偏光に垂直な偏光に属する。複屈折特性は通常、光線を別個の偏光を持つ２つの光線に分離するために利用される。しかしながら、光軸即ち異方性の軸が光の伝播方向に平行である場合には、屈折率は偏光に依存しない。典型的には、電場が印加されていない場合において、屈折率はｎ＝（（２ｎ０２＋ｎｅ２）／３）１／２である。光の伝播方向に略平行な電場を印加することにより、物質の光軸もまた光の伝播方向に略平行となり、典型的な屈折率ｎ＝ｎoに帰着する。それ故、屈折率が電場に依存するものとなり、従って該区切られた空間を通過した後の光の方向に影響を与えるために利用され得る。
【００１６】
更なる利点は、青相モードの液晶物質の使用は、発せられた光の全ての方向を変化させるために多くの構成要素を必要とせず、従って製造が容易である点であり得る。なぜなら、光学素子を通過する光の全ての方向を変化させるために、偏光フィルタや偏光変化器も、垂直偏光を持つ光のための付加的な光学素子も必要とされないからである。加えて、該光学素子は、該区切られた空間内の物質の分子を整列させるための配向層を有さない。なぜなら、青相モードの液晶物質の分子は整列させられる必要がないからであり、このことは製造工程を更に簡素化する。
【００１７】
図１において、区切られた空間５は側面図で示されている。区切られた空間５は三角形の断面を持ち、好適には第１及び第２の平面境界面６、７は該断面に対して垂直であり、そのため該区切られた空間は一定の三角形断面を持つ幾何的なプリズム形状を持つ。代替として他のタイプの光学プリズムもまた利用され得る。
【００１８】
該電気手段は、区切られた空間５のそれぞれの側面に配置され、第１の平面境界面６に入射する発せられた光（Ｌｉ）の方向に垂直な、２つの透明な電極９、１０を有する。該電気手段は更に、電圧源１１（本実施例においては電池として示される）及びスイッチ１２を有する。スイッチ１２は、電極９、１０間の電場Ｅを制御する。スイッチ１２が図１に示される位置にある場合、電極９、１０はいずれも接地され、電極９、１０間に電場Ｅは存在しない。この場合、区切られた空間５内の物質は等方性を持ち、屈折率ｎはｎ＝（（２ｎ０２＋ｎｅ２）／３）１／２となり、光Ｌｉが区切られた空間５を通過し、光路Ｌｏ１により示される方向に向きを変えられる。スイッチ１２の破線により示されるようにスイッチ１２が電圧源１１の一部と電極９とを接続した場合、電極９、１０はいずれも電池１１に接続され、電場Ｅが確立される。このことは屈折率をｎ＝ｎ０へと変化させ、光Ｌｉはいまや例えば光路Ｌｏ２に沿って向きを変えられる。利点は、日の偏光に依存せずに、全ての光の方向が光路Ｌｏ１からＬｏ２へと変えられる点である。
【００１９】
光路Ｌｏ１とＬｏ２との間の方向も可能であり、電場Ｅの強度により制御されることができる。該電気手段はそれ故、好適には電場Ｅの強度を調節するための調節器（図示されていない）を有し、それにより、飽和が生じて電場Ｅの強度の増大にもかかわらず屈折率が変化しなくなるまで、電場Ｅの強度に依存して、Ｌｏ１からＬｏ２まで方向変化の範囲をスライドさせることを可能とする。該調節器は、印加される電圧を調節すること及び／又は電極９、１０間の距離を調節することが可能であっても良い。
【００２０】
電場が逆向きに印加されても、動作原理には影響を及ぼさないことに留意されたい。それ故、矩形波形を持つ交流（ＡＣ）電場を印加することも可能である。このことは、青相モードの液晶物質における望ましくないイオンの伝導を防ぐという利点を持つ。典型的には、５０乃至１，０００Ｈｚの周波数が利用される。
【００２１】
該照明システムは更に、透明な第２の光学素子であって、光路Ｌｏ１及び／又はＬｏ２に沿って又はこれら光路Ｌｏ１とＬｏ２との間を進む光が該第２の光学素子を通過するように配置された第２の光学素子（図示されていない）を有しても良い。該第２の光学素子は好適には、第１の光学素子と同一のものであり、対応する電気手段を持つ。該第２の光学素子の区切られた空間が、図１の平面内に光の向きを変えることが可能なように、第１の光学素子の区切られた空間５と同様の向きとされている場合には、該照明システムの全体の光の向きの変更範囲が増大され得る。該第２の光学素子の区切られた空間は、図１の平面外の方向に光の向きを変更するため、該第２の光学素子の区切られた空間の第１の平面境界面に入射する光に変調器一向な軸のまわりに、例えば９０度に亘って回転させられても良い。このことは、該第１及び第２の光学素子の光方向変化範囲内の全ての方向に、光が向けられることができるという利点を持つ。
【００２２】
光源の発せられる光Ｌの全てが第１の光学素子を通過し、利用可能であれば更に第２の光学素子を通過する場合、該照明システムは、光の方向が電気的に適応可能なスポットライトとして利用され得る。光源がＬＥＤのような簡素な小型の光源である場合、かさばる機構的構成のない、小型の照明システムが実現され得る。
【００２３】
図２は、本発明の別の実施例による照明システム２０を示す。該照明システムは、ＬＥＤの形をとる光源２１と、２つのとり得る光路Ｌ１及びＬ２について示されるように光源２１により発せられた光を平行化するコリメータ２２と、を有する。光路Ｌ１はコリメータ２２により反射されて、光路Ｌ２と略同じ方向に進む。
【００２４】
コリメータの一方の端において、透明な第１の光学素子２３が、光源により発せられる略全ての光が該第１の光学素子２３を通過するように備えられる。第１の光学素子２３は、青相モードの液晶物質で満たされた複数の区切られた空間２５を有し、該空間２５のうちの２つが参照番号を付されている。複数の区切られた空間２５はアレイ状に配置され、各区切られた空間がコリメータ２２の端部の一部をカバーする。第１の光学素子２３は、図３を参照しながら以下に詳細に説明される。
【００２５】
複数の区切られた空間２５の第１の平面境界面に入射する発せられた光の方向と略平行な方向に、該複数の区切られた空間２５に対して電場を印加するための電気手段（図示されていない）が備えられる。該電場は、該複数の区切られた空間内の青相モードの液晶物質の屈折率を変化させて、それにより、光路Ｌ１及びＬ２についてそれぞれ光路Ｌ１ＡとＬ１Ｂとの間及びＬ２ＡとＬ２Ｂとの間で、第１の光学素子２３を通過する光の方向が変化され得るようにすることが可能である。
【００２６】
図３は、図２の照明システムの第１の光学素子２３の詳細な断面図を示す。図３においては、光源２１（図示されていない）は第１の光学素子２３の左側に位置しているが、代替として光源が右側に位置する実施例も可能である。
【００２７】
第１の光学素子２３は複数の区切られた空間２５を有し、そのうちの１つの全体が示され、２つの隣接する空間が部分的に示されている。区切られた空間２５は、青相モードの液晶物質により満たされる。
【００２８】
第１の光学素子２３はまた、別の物質、好適には印加される電場に依存しない屈折率を持つ物質により満たされる領域３６を有する。該領域は、区切られた空間２５と相補的に、均一な厚みを持つ層を形成する。
【００２９】
区切られた空間２５は、三角形の断面、第１の平面境界面２６及び第２の平面境界面２７を持つ。第１及び第２の平面境界面２６、２７は、互いに対して或る角を成し、該三角形の断面に対して垂直である。第１の平面境界面２６は、該第１の平面境界面２６に入射する光に対して略垂直であり、そのため光の屈折は、該青相モードの液晶物質の屈折率と領域３６の物質の屈折率との間に差がある場合、第２の平面境界面２７においてのみ起こる。区切られた空間２５の形状のため、区切られた空間２５を通過する光の方向は、図面の平面内においてのみ変化させられ得る。
【００３０】
区切られた空間２５及び領域３６は、透明な電極２９、３０間に挟持され、これら電極は区切られた空間２５に電場を印加するための電気手段の一部である。従って、電極２９、３０は、第１の光学素子２３と一体化されている。電極２９、３０は、保護被覆層３４、３５により保護されている。好適には、被覆層３４、３５、電極２９、３０及び領域３６の屈折率は略等しく、それにより起こり得る光の方向変化は、第２の平面境界面２７においてのみ起こる。
【００３１】
複数の区切られた空間２５の第１の平面境界面２６、２７は互いに隣接し、そのため隣接する第１の平面境界面の周囲は互いに接する。このようにして、光が区切られた空間２５を通過せずに第１の光学素子を通過することは防止され、従って光の方向は電場の印加によっては制御されない。
【００３２】
第１の平面境界面の周辺は、該第１の平面境界面の周囲において反射層３７を備えることにより保護されても良く、該反射層は光源に面する。反射層３７は、光源から発せられた光を該周囲において反射し、光が第３の境界面２８を通過する又は該境界面２８から反射される（第１及び第２の平面境界面を通過する光とは別の光の伝播方向をもたらし得る）ことを防ぐ。このとき、隣接する第１の平面境界面の間に間隙があっても良く、該反射層が該間隙をカバーしても良い。反射層３７によって反射された光は、コリメータにより反射されて戻されるため、最終的には第１の光学素子を通過する。
【００３３】
反射層を省略し、青相モードの液晶物質の屈折率が周囲の物質の屈折率よりも大きくなるように物質を選択し、それにより第３の境界面２８に略平行な光について該第３の境界面２８において内部全反射が生じるようにすることも可能であり、それにより当該境界面のかく乱効果を最小化できる。
【００３４】
図４は、本発明の他の実施例による光学素子５３を示す。該光学素子は、青相モードの液晶物質で満たされた区切られた空間５５を有し、光は区切られた空間５５の第１の境界面５６及び第２の境界面５７を連続的に通過し、第１の平面境界面５６は第２の平面境界面５７と平行ではない。
【００３５】
本実施例における区切られた空間５５は、光学レンズの形状を持ち、とりわけ第１の境界面５６の凸側が第２の境界面５７の凸側に面する負レンズの形状を持つ。例えば、第１の境界面５６の凹側が第２の境界面５７の凹側に面する正レンズのような、他のレンズ形状も想到可能である。区切られた空間５５は２つの相補的な空間６６の間に挟持され、均一な厚さ及び互いに平行な外側面を持つ層を形成する。
【００３６】
図１乃至３の実施例と同様に、光学素子５３は、本発明による照明システムに適したものである。本実施例においては、青相モードの液晶物質の屈折率は、電場が印加されていないときに、空間６６内の物質の屈折率に略等しくなるように選択される。この場合、光学素子５３を通る光は方向を変えない（実線を参照）。好適には、空間６６内の物質の屈折率は、印加される電場に依存しないものとされる。
【００３７】
電場が印加されると、青相モードの液晶物質の屈折率が変化して、光の方向が例えば破線へと変化させられる。それ故、印加される電場を調節することにより、かなり細いビームを持つスポットライト側のシステムから、かなり広いビームを持つ放射タイプへと、又はその逆に、照明システムを変化させることが可能となる。利点は、光の方向が、該光の偏光に依存せずに変化させられる点である。
【００３８】
本発明の一実施例においては、電気手段を制御し、それにより印加される電場を制御するための制御システムが備えられても良い。
【００３９】
本発明による複数の照明システムを収容するように電機子が構成されても良く、このとき各照明システムはそれぞれの制御システムを持っても良いが、複数の照明システムの個々の電気手段を制御するためにこれら照明システムによって共有される単一の制御システムが備えられることも可能である。
【００４０】
光学素子の種々の構成要素の屈折率を選択することにより、方向変化の範囲が設定されることができる。一例によれば、電場が印加されていないときに、光学素子の全ての構成要素の屈折率が同じとなるように物質が選択され、電場が印加されていないときに方向を変えられることなく該光学素子を光が通過することに帰着する。青相モードの液晶物質が、光学素子の他の構成要素に対して、電場が印加されていないときに、異なる屈折率を持つように屈折率を選択することも可能である。物質の選択が方向変化の範囲に影響を与え、従って適切な物質を選択することにより所望の方向変化範囲が得られることを、当業者は容易に理解するであろう。
【００４１】
必要に応じて、本発明の詳細な実施例がここで開示されたが、開示された実施例は単に本発明の例であり、本発明の範囲内で多くの変形が可能であることは理解されるべきである。それ故、ここで開示された特定の構造及び機能の詳細は限定するものとして解釈されるべきではなく、単に請求項のための基礎として及び当業者が事実上任意の詳細な構造で本発明を様々に実施することを教示するための代表的な基礎として、解釈されるべきである。更に、ここで使用される用語及び語句は限定するものとして意図されるものではなく、本発明の理解可能な説明を与えるためのものである。
【００４２】
ここで用いられる「１つの（a又はan）」なる語は、１つ又は１つよりも多いものとして定義される。ここで用いられる「複数（plurality）」なる語は、２つ又は２つよりも多いものとして定義される。ここで用いられる「他の（another）」なる語は、少なくとも第２のもの又はそれ以上のものとして定義される。ここで用いられる「含む（including）」及び／又は「持つ（having）」なる語は、有する（comprising）の意として定義される（即ちオープンランゲージ（open language）として定義され、他の要素又はステップを除外しない）。請求項におけるいずれの参照記号も、請求の範囲又は本発明の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。
【００４３】
特定の手段が相互に異なる従属請求項に列挙されているという単なる事実は、これら手段の組み合わせが有利に利用されることができないことを示すものではない。
【００４４】
単一のプロセッサ又はその他のユニットが、請求項に列記された幾つかのアイテムの機能を実行しても良い。
【図１】
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【図２】
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【図３】
2012528442.tif 000005
【図４】
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【国際調査報告】
2012528442.tif 000007
2012528442.tif 000008