スポットライト及び光源ユニット

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【発明の名称】	スポットライト及び光源ユニット
【発明者】	【氏名】関根信明【氏名】浅山隆夫【氏名】佳吉宏貴
【要約】	【課題】フィラメントをできるだけ高温に熱して光を発生させる電球を単一光源として使用しているスポットライトの各種の問題を、多数の自発光型固体素子を光源することで解決しうるスポットライト及びその用途に適した光源ユニットを提供すること。【解決手段】曲面に多数の自発光型固体素子を光源として配置し、各光源の照射ビームを一点に集光させて仮想の単一点光源ユニットを構成し、この光源ユニットと投射レンズとの位置関係を可変にしたことにより、被照射面の照度及び照度分布を変化しうるスポットライトを実現した。

【特許請求の範囲】
【請求項１】光源ユニットと、前記光源ユニットの光の射出方向に設けた投射レンズと、前記光源ユニットを前記投射レンズに対し光の主軸に沿っての相対的な移動及び所望位置での固定をなしうる手段とを備えたスポットライトにおいて、前記光線ユニットは、指向性が狭角である自発光型固体素子を複数個、曲面上に並設して各々の自発光型固体素子の照射ビームを前方の一点に集光させるように配置することにより、仮想の単一点光源を構成したことを特徴とするスポットライト。
【請求項２】前記移動及び固定をなしうる手段により前記光源ユニットと前記投射レンズの相対的位置関係を変化させることにより、被照射面の光の照度分布が選択的に拡散又は収束するように調整できることを特徴とする請求項１に記載のスポットライト。
【請求項３】前記投射レンズが平凸レンズ又はフレネルレンズであることを特徴とする請求項１又は２に記載のスポットライト。
【請求項４】前記光源ユニットと平凸レンズ又はフレネルレンズの相対的位置関係を変化させる方法として、前記光源ユニットを固定し、前記平凸レンズ又はフレネルレンズを収容するハウジング部の位置を相対的に変化させる手段を備えたことを特徴とする請求項１、２又は３に記載のスポットライト。
【請求項５】光源ユニットと、前記光源ユニットの光の射出方向に設けた投射レンズと、前記光源ユニットを前記投射レンズに対し光の主軸に沿っての相対的な移動及び所望位置での固定をなしうる手段とを備えたスポットライトにおいて、前記光源ユニットの自発光型固体素子を発光スペクトルによりグループ化し、グループ毎に点灯又は消灯できる色温度切替えスイッチと、前記光源ユニットが作り出す仮想の単一点光源位置に設けたビーム整形ディフューザーと、前記ビーム整形ディフューザーを通過した光の射出方向に設けた投射レンズと、前記光源ユニットと前記ビーム整形ディフューザーとを一体的に固定した基台と、前記基台を光の主軸に沿って移動させるハンドル手段を備えたことを特徴とするスポットライト。
【請求項６】前記色温度切替えスイッチにより、発光スペクトル毎にグループ化された自発光型固体素子の点灯、消灯制御を行って自発光型固体素子よりの合成発光スペクトルを調整して被照射面の色温度を切替えることができることと、前記ハンドル手段により、前記光源ユニットと前記ディフューザーとを一体的に固定した基台と平凸レンズ又はフレネルレンズの相対的位置関係を変化させることにより、被照射面の光のむらをなくして光の照度分布が選択的に拡散又は収束できるに調整できるようにしたことを特徴とする請求項５に記載のスポットライト。
【請求項７】指向性が狭角である自発光型固体素子を複数個、曲面上に並設して各々の自発光型固体素子の照射ビームを前方の一点に集光させるように配置することにより、仮想の単一点光源を構成した光源ユニット。
【請求項８】光源ユニットと、前記光源ユニットの光の射出方向に設けた投射レンズと、前記光源ユニットを前記投射レンズに対し光の主軸に沿っての相対的な移動及び所望位置での固定をなしうる手段とを備えたスポットライトにおいて、前記光線ユニットは、ひとつのフレキシブルな構造の電界固体面状発光素子を曲面構造にし、電界固体面状発光素子の照射ビームを前方の一点に集光させることにより、仮想の単一点光源を構成したことを特徴とするスポットライト。

【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、テレビスタジオ及び舞台等々の照明演出空間のある部分にだけ光を照射するスポットライト照明器具及びその光源ユニットに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来技術のスポットライトは、単一の光源が点光源であることを仮定の理論として白熱電球等の一つの光源から出る光を平凸レンズによって集光し、所定の方向に照射するとともに平凸レンズと光源の位置関係によって光りの広がりを変化させるものとして知られている。
【０００３】図１に従来技術の原理図を示す。光源（１０１）として、フィラメント（１０２）をできるだけ高温に熱して光を発生させるタングステン電球及びハロゲン電球等の白熱電球が使われ、点灯すれば白熱電球を取り巻く全方向に光を照射する。
【０００４】この白熱電球が全方向に光を照射する結果として、実際に光を活用する前方方向に照射できる光束は全光束の１割位と言われている。
【０００５】また、全方向に光を照射するため平凸レンズ以外から光が直接洩れないようにカバー（１０９）で白熱電球を囲む必要があるが、白熱電球は可視光とともに多くの熱線を放射するため、熱に耐える鉄あるいは軽金属の板が使用され、また平凸レンズ（１０３）も耐熱性のガラスが使用されるので更にスポットライトが重くなり、スポットライトの移動に労力を要している。
【０００６】白熱電球から放射する熱線は、光漏れのために囲っている金属の板を熱し、人が素手で触れられず、扱い方によっては火傷をしたり、幕等の他のものとスッポトライトが触れて火災が起きる危険性がある。
【０００７】フィラメントをできるだけ高温に熱して光を発生させる現在の白熱電球は、高温のため白熱電球の寿命が短く、思わぬ電球切れにより照明演出に支障をきたしたり、電球交換の手間及び電球切れに伴う白熱電球の購入費用が多くかかっている。
【０００８】スポットライトを運搬中に、白熱電球に振動及び衝撃を与えるとフィラメントの断線や封止ガラスの破損が起きる時がある。
【０００９】この白熱電球は色温度が約３０００Ｋ°位で、この白熱電球を光源としたスポットライトを野外の太陽光の下でテレビ及び映画の撮影で使用するためには、色温度を変換するフィルタをレンズの前に付け、周囲の色温度と合せる手間がかかる。
【００１０】近年、白熱電球と異なる発光原理のメタルハライドランプ等の放電ランプがスポットライトに使われることもあるが、単一光源を仮定の理論にした照明原理は変わらず、またランプからの発熱も白熱電球に匹敵するぐらいある。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、フィラメントをできるだけ高温に熱して光を発生させる光源を使用しているスポットライトの光活用効率の悪さ、金属板の使用及び耐熱ガラスの平凸レンズにより重い、火傷と火災の危険性、電球切れによる照明演出への支障、電球の短寿命による電球費用の多さ、対振動・衝撃の弱さ及び使用場所に色温度を合せる手間を解決する新しい光源の活用方式を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため、本発明のスポットライトは次の解決手段を有する。
【００１３】（１）光源１：小型で振動・衝撃に強く、堅牢で信頼性があり、発熱が少なく、長寿命で、白熱電球の１５lm/wに匹敵する発光効率を持ち、演色性が良く、指向性が狭角、例えば１０°～２０°の自発光型固体素子を採用する。その一例として、白色発光ダイオードを提示する。その概略的な特性は、材料にＩｎＧａＮ／ＹＡＧを使った化合物半導体のＰＮ接合ダイオードの一種であり、電流を流し、接合部にキャリアを注入することで材料自身が発光し、白色の光を放ち、色濃度が３０００～１００００Ｋ°で、発光効率が１０lm/wで、動作電圧が３．６Ｖで、寿命が２００００時間以上ある。
【００１４】（２）構成１：本発明の主な構成は、多数の前記光源１を有する光源１ユニットと、投射レンズとしての平凸レンズ又はフレネルレンズと、摺動台とからなり、（使用場所の光線の状態に応じて色温度を合せる手間を解決する手段はこれを含まないが、）高い照度を被照射面に与えるスポットライトを提供する。
【００１５】（ａ）光源ユニット１は、多数の前記光源１をある半径を持つ曲面、例えば空洞の球体の外周球面、又は放物面の断片の一部に取付け、この外周球面上断片の多数の前記光源１の光のビームが光源ユニットの前方のある一点に集光するように調整したものである。
（ｂ）平凸レンズ又はフレネルレンズは、前記光源ユニット１によりある一点に集光した光源１の光のビームと平凸レンズ又はフレネルレンズが固有に持つ焦点（Ｆ）との相対関係によって、被照射面の光の照度分布を拡散又は収束するものである。
（ｃ）摺動台は、前記光源ユニットと前記平凸レンズ又はフレネルレンズの位置関係を変化させ、前記光源ユニットによりある一点に集光させた前記光源１の光のビームとレンズの焦点（Ｆ）の関係により、選択的に被照射面の照度分布を拡散又は収束できるようにするものである。
（ｄ）前記光源ユニットと前記平凸レンズ又はフレネルレンズの位置関係を変化させる手段として、前記光源ユニットを固定して前記平凸レンズ又はフレネルレンズを動かす方法もある。
【００１６】前記光源１に置換えることができる光源のひとつに、電界固体面状発光素子の一種である有機エレクトロルミネッセント素子（有機ＥＬ素子）をフレキシブルな構造にして曲面形状にするものがある。その概略的な特性は、有機蛍光体中に外部から電子とホール（正孔）を注入し、それらの再結合エネルギーによって発光中心を励起し、発光を生じるもので、高輝度（１０万cd/m²以上）が可能で、高効率（１０lm/W以上）であるものを青、緑、赤色の三種の発光層を積層することにより高輝度白色発光をするものである。このひとつの電界固体面状発光素子を前記光源ユニット１のように曲面構造にし、電界固体面状発光素子の照射ビームを前方の一点に集光させることにより、仮想の単一点光源を構成した光源ユニットも可能である。
【００１７】（３）光源２：小型で振動・衝撃に強く、堅牢で信頼性があり、発熱が少なく、長寿命で、白熱電球の１５lm/wに匹敵する発光効率を持ち、演色性が良く、指向性が狭角、例えば１０°～２０°の自発光型の固体素子を採用する。その一例として白色発光ダイオードと、白色発光ダイオードの発光スペクトルに色温度３０００Ｋ°を得るように発光スペクトルを加える黄色発光ダイオード、緑色発光ダイオード、赤色発光ダイオードとを光源とする。
【００１８】（４）構成２：本発明の主な構成は、色温度切替えスイッチ、前記光源２を多数有する光源ユニット、ビーム整形ディフューザー、投射レンズとしての平凸レンズ又はフレネルレンズと摺動台からなり、使用場所の光線の状態に応じて色温度を合せる手間を解決する手段を有するスポットライトを提供する。
【００１９】（ａ）色温度切替えスイッチは、前記光源２を有する光源ユニットの黄色発光ダイオード、緑色発光ダイオード、赤色発光ダイオードをオン又はオフし、白色発光ダイオードの発光スペクトルに加える発光スペクトルを増減し、色温度切替えスイッチがオンの時は白熱電球と同じ色温度の光を照射し、スイッチがオフの時は野外と同じ色温度の光を照射する。
【００２０】（ｂ）光源ユニットは、多数の前記光源２をある半径を持つ空洞の球体の外周球面又は放物面の断片の一部に取付、この外周球面上の多数の前記光源２の光のビームが光源ユニットの前方のある一点に集光するように発光ダイオードの照射方向を調整したものである。
【００２１】（ｃ）ビーム整形ディフューザーは、前記の光源ユニットの前方にある一点に集光する位置に前記光源ユニットよりの支持金具で取付けて前記光源ユニットの動きと連動させ、集光点に集まった前記光源２各色発光ダイオードより照射した固有の発光スペクトルを持つ狭角ビームの入射光をビーム整形ディフューザーが有する固有の拡散角により決められた範囲に拡散し、各色発光ダイオードよりのビームをむらなく混色し、平凸レンズ又はフレネルレンズに配光する。
【００２２】（ｄ）平凸レンズ又はフレネルレンズは、前記光源ユニットによりある一点に集光した前記光源２の光のビームとレンズが固有に持つ焦点（Ｆ）との相対関係によって、被照射面の光の照度分布を拡散又は収束する。
【００２３】（ｅ）摺動台は、前記ビーム整形ディフューザーが接続された前記光源ユニットと前記平凸レンズ又はフレネルレンズの位置関係を変化させ、前記光源ユニットによりある一点に集光させた前記光源２の光のビームとレンズの焦点（Ｆ）の関係により、選択的に被照射面の照度分布を拡散又は収束できるようにする。
【００２４】
【発明の実施の形態】（第１の実施形態）
（ａ）図２（ａ）及び図２（ｂ）は、多数の前記光源1又は光源２を取付ける穴（２０２）がある半径５０Ｒの空洞の球体のプラスチックできた外周球面の断片の光源取付球面板（２０１）を示す。
【００２５】（ｂ）図３と図４の光源ユニット１（３０３、４０３）は、多数の指向性２０°の白色発光ダイオードすなわち光源１（３０２、４０２）を光源取付球面板（３０１、４０１）に取付けて多数の前記光源１の光のビームが光源ユニット１の前方のある一点Ｆに集光して仮想の単一点光源（３０８、４０８）を作り、その後に光のビームがフレネルレンズ（３０４、４０４）に照射するように調整したものを示す。
【００２６】（ｃ）図３と図４のフレネルレンズ（３０４、４０４）は、平凸レンズはガラスの厚みが厚くなり重くなるので、平凸レンズの曲面を分割して平面に寄せ集めた軽量のプラスチックのフレネルレンズを示す。
【００２７】（ｄ）図３の作用は、前記光源ユニット１より照射されたビームをフレネルレンズが持つ固有の焦点Ｆ（３０７）に集光させて仮想の単一点光源（３０８）とし、フレネルレンズにより光を前方の被照射面（３０５）に光を収束させたことを示す。
【００２８】（ｅ）図４の作用は、仮想の単一点光源（４０８）をフレネルレンズ（４０４）が持つ固有の焦点Ｆ（４０７）よりフレネルレンズ側に光源ユニット１（４０３）をハンドル（４０６）で移動させ、フレネルレンズにより光を前方の被照射面（４０５）に拡散させたことを示す。
【００２９】（ｆ）図５は、軽量のＡＢＳ樹脂をハウジング（５０１）としたスポットライトのフレネルレンズ（５０４）の位置を固定し、仮想の単一点光源の位置を灯体下部に付けた光源ユニット１（５０３）と接続したハンドル（５０６）をフレネルレンズ方向又はその反対方向にで移動できるようにしたスポットライトを示す。
【００３０】（ｇ）図５（ａ）及び図５（ｂ）において、例えば軽量のＡＢＳ樹脂をハウジング（５０１）としたスポットライトを示す。その光源ユニット１をハンドルをなくし固定することにより仮想の単一点光源の位置を固定し、フレネルレンズ（５０４）が取付けられたハウジング（５０１）を回転させてフレネルレンズの位置を仮想の単一点光源に近づけたり、離したりするようにしたスポットライトも可能である。
【００３１】（第２の実施形態）
（ａ）図６は、白色発光ダイオードに加えて色温度切替えスイッチのオン／オフによって黄色、緑色、赤色の発光を制御して色温度変える回路図を示す。色温度切替えスイッチ（６０３）がオフの時、外部直流電源（６０１）より供給された電流は、電流を制限する抵抗（６０２）を通って白色発光ダイオード（６０４）を流れ、色温度６０００°Ｋの光を放つ。色温度切替えスイッチ（６０３）がオンの時、上記に加えて抵抗（６０２）を通って黄色、緑色、赤色発光ダイオード（６０５）にも電流が流れ、各色発光ダイオードも光を放ち、色温度３０００°Ｋの光をトータルとして放つ。
【００３２】（ｂ）図７の光源ユニット２（７０３）は、光源取付球面板（７０１）の前記光源ユニット１の光源１を仮想の単一光源の色温度を変えることができるように各色発光ダイオードすなわち前記光源２（７０２）に置換えて前記仮想の単一点光源（７０８）を作り、光源ユニット１と同じ作用をするものであることを示す。
【００３３】（ｃ）図７は、一例として拡散角２０°の例えばポリカーボネイトのビーム整形ディフューザー（７０９）を前記の光源ユニット２（７０３）の前方にある一点に集光する仮想の単一点光源（７０８）の位置Ｆに配置するように前記光源ユニット２（７０３）の支持金具（７１１）から延長した支持金具（７１２）で取付け、集光点に集まった各色発光ダイオードより照射した固有の発光スペクトルを持つ指向性１５°～２０°の入射光を、ビーム整形ディフューザーが有する固有の２０°の拡散角により決められた範囲に更に拡散し、各色発光ダイオードよりのビームをむらなく混色し、フレネルレンズ（７０４）に配光しうるようにした。これにより、ビーム整形ディフューザーにより決められた拡散角を持つ光ビームなった後にフレネルレンズに照射された光は、第１の実施形態で述べた同様の作用を実現する。
【００３４】（第３の実施形態）一般に、図８（ａ）のようにガラス等の平面に構成された電界固体面状発光素子（８０１）は、照射ビームを前方に照射する。図８（ｂ）は、前記第１の実施形態の光源としてフレキシブルな構造とするためプラスチックフィルムを持ちいて、青、緑、赤色の三種の発光層を積層して高輝度白色発光をするひとつの有機エレクトロルミネッセント素子（８０２）を曲面構造にし、素子の照射ビームを前方の一点に集光させることにより、仮想の単一点光源（８０３）を構成した光源ユニットとしたこと示す。
【００３５】
【発明の効果】本発明のスポットライトは、以下の効果を有する。
【００３６】（ａ）従来のスポットライトは、電球等の単一光源により構成されていたため、前に述べたように電球に起因するいくつかの問題があったが、小さな多数の自発光型固体素子の光源により仮想の単一点光源を実現する方式で、ハウジングを軽量のＡＢＳ樹脂及び薄く軽量なプラスチックのフレネルレンズ等々の活用で従来の問題を解決できた。
【００３７】（ｂ）新しい光源である自発光型固体素子は、被照射面の光の広がりを得ようとするときは、広角の照射タイプのものが使われるが、広角であるがゆえ被照射面の照度が著しく落ちる。また、狭角の照射タイプを使用すると照度は得られるが、光のむらがあったり、光の広がりが得られない矛盾があったが、狭角タイプの新しい光源を利用し仮想の単一点光源とした後レンズとの組合わせにより、高い照度と光のむらがなく光の広がりをもつ両方の特性を得ることができた。
【００３８】（ｃ）狭角照射タイプを使用しても１個又は少数個の単なる集合体では演出空間の光としては照度が不十分である。本発明は球体曲面又は放物面の面上に自発光型固体素子を配列することにより、単に平面に自発光型固体素子を取付けるよりも約１．８倍の数の素子を取付けられ、レンズとの組合わせによりレンズとない時と比べて約２．５倍の照度アップを得ることができた。
【００３９】（ｄ）自発光型固体素子を用いて色温度切替えを光のむらをなくして行うためには、発光ダイオードディスプレーで見られるように素子の外形を限りなく小型にしなければならないし、多くの素子が必要である。素子の外形を小型にすることは照射ビームの量が少なくなるので光のむらをなくし、照度を得ることに矛盾があったが、照射ビームの多い外形の大きな素子による仮想の単一点光源の方式とビーム整形ディフューザーの組合わせにより、光のむらを無くし、高い照度を得ることができた。
【００４０】（ｅ）本発明の活用は演出空間にとどまらず、いろいろな分野に活用できる。例えば、より鮮やかな映像を得るために色温度６０００Ｋ°の光源を必要としている水中ライトは、色温度６０００Ｋ°を得る光源が水銀とアルゴンの蒸気中にハロゲン化合物を混入して電極間の放電によって光を放つメタルハライドランプ（ＨＭＩ）等の高圧パルスを出す放電灯のため漏電による感電の危険性と防水ケース内のランプの温度上昇が高いため実用化されていないが、低電圧で駆動でき、温度上昇が少ない自発光型固体素子の水中スポットライトがこの方式で可能となる。
【００４１】（ｆ）文化財や美術品を撮影する時の照明器具の光源として、白熱電球は発光スペクトルが連続スペクトルであり赤外線を放射し、撮影対象物に熱による悪い影響を与える。白熱電球に変わるものとして撮影の際に使われる放電灯の一種であるメタルハライドランプは、紫外線により対象物の劣化を促進する問題がある。この問題によりこれらの光源を使用した照明器具を使う時は赤外線また紫外線をカット・吸収するフィルタを使用している。そして、この２種類の光源は放射温度が高い光源であるため対象物への照射時間を短くしなければならない。
【００４２】発光スペクトルが帯域の狭い輝線スペクトルであり、放射温度の低い自発光型固体素子を使用すれば赤外線、紫外線及び放射温度が高い問題が解決できるであろうことは予測できたが、撮影に必要な照度を得られない大きな問題があって使われていなかった。
【００４３】本発明は、これらの問題を解決して、文化財や美術品の撮影を簡便に可能にした。

【出願人】	【識別番号】０００１００５８４【氏名又は名称】アールディエス株式会社【識別番号】５９４０４４６４６【氏名又は名称】株式会社エヌエイチケイテクニカルサービス
【出願日】	平成１２年４月２５日（２０００．４．２５）
【代理人】	【識別番号】１０００７８６６２【弁理士】【氏名又は名称】津国肇（外１名）
【公開番号】	特開２００１－３０７５０２（Ｐ２００１－３０７５０２Ａ）
【公開日】	平成１３年１１月２日（２００１．１１．２）
【出願番号】	特願２０００－１２３４１９（Ｐ２０００－１２３４１９）