JP2006310549A - 照明装置および撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 色むら、照度むら、輪郭ぼけを抑制可能なＬＥＤ照明装置を提供する。
【解決手段】 電源供給部材を固定したベース基板(50)と、そのベース基板(50)に実装されるＬＥＤ(11)と、そのＬＥＤ(11)におけるベース基板(50)とは反対側に配置した拡散シート(30)と、その拡散シート(30)に対してＬＥＤ(11)とは反対側に配置した非球面形状の第一集光レンズ(20)と、その第一集光レンズ(20)に対して拡散シート(30)とは反対側に配置した非球面形状の第二集光レンズ(40)とを備える。
【選択図】 図２

Description

本発明は、照明装置の技術に関し、特に、ＬＥＤを用いた照明装置の技術に関する。

白熱灯や蛍光灯に比べ省電力でランニングコストが安い、また、蛍光灯のように水銀などの有害物質を使用していないなどの観点から、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）に対する期待が大きい。
しかし、照明装置に用いる場合、高照度の実現は可能であるものの、照射面に色むらが発生するという問題があった。

上記の問題に対し、特許文献１では、色むらを低減させるための技術が開示されている。
すなわち、複数の発光ダイオードからの放射光全てがレンズ部の所定部分に集中的に集光されてから外部に放射されるために、レンズ部内で十分に混色させることができるので、色むらの発生を防止できるという技術である。

特開２００３−１６８０８号公報

一方、照明装置としての需要が大きいのは、白色光である。この白色光を得るには、ＲＧＢのすべてのＬＥＤを揃えて同時に発光させることで白色光を得る方法、また、青色ＬＥＤとその青色ＬＥＤの光を、黄色光に変換可能な蛍光体を用いて白色光を得る方法などが知られている。

また、紫外光を嫌うような被照明品に対して照明する器具の需要も、一部にはある。例えば、博物館や美術館の展示品、病院などである。ＬＥＤは紫外光がほとんど発生しないので、この分野における期待は大きい。

さて、白色ＬＥＤを照明装置として使用するには、青色ＬＥＤと蛍光体のみで白色光を実現できるものが好ましい。構造がシンプルでコストも抑えられるからである。
しかしながら、特許文献１に記載された技術は複数のＬＥＤを使用することを前提としており、青色ＬＥＤのみで構成する照明装置の色むらの発生を抑える技術としては向いていない。ＬＥＤを複数用いなければならず、単一の青色ＬＥＤにて構成しようという照明装置には採用できないからである。

また、単一の青色ＬＥＤを採用した照明装置の場合、色むらの他に照度むらが発生したり、輪郭ぼけが発生したりするという問題も生じていた。したがって、照明面と非照明面との境目（エッジ）が明確な照明によって、綺麗に照明することが要求される美術品や商品に対する照明器具には向いていなかった。
照明面と非照明面との境目（エッジ）が明確な照明は、周囲への散光が問題となるような読書灯にも需要があるが、単一の青色ＬＥＤを採用した照明装置では、その要求を満たせなかった。

以上から明らかなように、青色ＬＥＤと蛍光体のみで白色光を実現できる照明器具であって、色むら、照度むらが抑制され、エッジも明確な照明器具は実現していなかった。
本発明が解決しようとする課題は、青色ＬＥＤと蛍光体のみで白色光を実現できる照明器具であって、色むら、照度むら、輪郭ぼけが抑制された照明関係の技術を提供することにある。

ここで、請求項１および請求項２記載の発明の目的は、色むら、照度むら、輪郭ぼけを抑制するとともに小型化も可能なＬＥＤ照明装置を提供することである。
また、請求項３および請求項４記載の発明の目的は、色むら、照度むら、輪郭ぼけを抑制した照明装置を用いた撮像装置を提供することである。

（請求項１）
請求項１記載の発明は、ＬＥＤ(11)から発せられた光束を二枚の集光レンズ(20,40)によって集光させて照射させる照明装置に係る。
すなわち、電源供給部材を固定したベース基板(50)と、 そのベース基板(50)に実装されるＬＥＤ(11)と、 そのＬＥＤ(11)におけるベース基板(50)とは反対側に配置した拡散シート(30)と、 その拡散シート(30)に対してＬＥＤ(11)とは反対側に配置した非球面形状の第一集光レンズ(20)と、 その第一集光レンズ(20)に対して拡散シート(30)とは反対側に配置した非球面形状の第二集光レンズ(40)とを備えたＬＥＤ照明装置である。

（用語説明）
「集光」の角度は、０〜９０度以下であり、好ましくは５〜５０度である。
「拡散シート」は、平行光が入射した場合に所定角度（例えば６０度）へ拡散するという性能を有する。材質は、例えばポリカーボネートである。
「ＬＥＤ」は、青色発光ダイオードに限らない。例えば、ＲＧＢをワンパッケージ化した複合ＬＥＤも含む。

（請求項２）
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のＬＥＤ照明装置を限定したものである。
すなわち、拡散シート(30)と第一集光レンズ(20)との間に位置し、拡散シート(30)と第一集光レンズ(20)を所定距離を隔てさせるホルダ(図中ではレンズホルダー70)を備え、 そのホルダ(70)における内壁面を黒色としたことを特徴とする。

ホルダ(70)における内壁面を黒色としたことで、照度むら、輪郭ぼけを抑制できることを見出したものである。
なお、製造の都合などから、ホルダ(70)すべてを黒色とすることとしても良い。

（請求項３）
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載のＬＥＤ照明装置を採用した撮像装置である。
すなわち、そのＬＥＤ照明装置は、撮像装置を構成するカメラによる被撮影方向を照射する照明装置であって、
電源供給部材を固定したベース基板(50)と、 そのベース基板(50)に実装されるＬＥＤ(11)と、 そのＬＥＤ(11)におけるベース基板(50)とは反対側に配置した拡散シート(30)と、 その拡散シート(30)に対してＬＥＤ(11)とは反対側に配置した非球面形状の第一集光レンズ(20)と、 その第一集光レンズ(20)に対して拡散シート(30)とは反対側に配置した非球面形状の第二集光レンズ(40)とを備えたＬＥＤ照明装置である。

「撮像装置」としては、例えば、デジタルカメラ、カメラ機能付き携帯電話などである。
本請求項に係る撮像装置は、色むら、照度むらが少ない照明装置を補助光として使えるので、撮影する画像の品質向上に貢献する。

（請求項４）
請求項４に記載の発明は、請求項２に記載のＬＥＤ照明装置を採用した撮像装置である。
すなわち、拡散シート(30)と第一集光レンズ(20)との間に位置し、拡散シート(30)と第一集光レンズ(20)を所定距離を隔てさせるホルダ(図中ではレンズホルダー70)を備え、 そのホルダ(70)における内壁面を黒色としたことを特徴とする。

請求項１および請求項２記載の発明によれば、色むら、照度むら、輪郭ぼけを抑制するとともに小型化も可能なＬＥＤ照明装置を提供するこができた。
請求項３および請求項４記載の発明によれば、色むら、照度むら、輪郭ぼけを抑制した照明装置を用いた撮像装置を提供することができた。

以下、本発明を実施の形態及び図面に基づいて、更に詳しく説明する。ここで使用する図面は、図１から図４である。図１は、照明装置を示す斜視図であり、図２は、照明装置を示す側面断面図であり、図３は、照明装置を示す上面図であり、図４は、照明装置を示す分解斜視図である。

（全体構成）
図１に示すように、照明装置１０は、ＬＥＤ１１（光源）からの入射光束を、球面形状の異なる複数の集光レンズ２０、４０によって集光させて、配光の異なる出射光束として被照射体に出射する照明装置である。
以下、本実施形態に係る照明装置は、照射される面が照明装置の下側に位置するとして説明する。

照明装置１０は、ＬＥＤ１１を発光させるためのコネクタ１００（電源供給部材）が載置されたベース基板５０と、そのベース基板５０に固定され、ＬＥＤ１１からの光束を集光し、その集光した光束を所定の角度に拡散可能な拡散シート３０と、その拡散シート３０が保持されたＬＥＤホルダー６０と、そのＬＥＤホルダー６０の反ベース基板５０側の端面６３ｃに、拡散シート３０を狭んで配設されたレンズホルダー７０と、そのレンズホルダー７０の内壁に集光レンズの形状に沿って形成された第一底面部７３および第二底面部７４と、レンズホルダー７０の第一底面部７３に配設された第一集光レンズ２０と、レンズホルダー７０の第二底面部７４に配設された第二集光レンズ４０と、レンズホルダー７０内に配設され、第一集光レンズ２０を保持するための円筒状をなす内スリーブ８０と、レンズホルダー７０内に配設され、第一集光レンズ２０を保持するための円筒状をなす外スリーブ９０と、を備え、第二集光レンズ４０は、第一集光レンズ９０とは所定間隔はなして配置されるとともに、第一集光レンズ２０とは球面形状が異なるように形成されている。
以下、各部材についての詳細を説明していく。

（ベース基板）
ベース基板５０は、上面から見た場合に円盤に直方体を付設した、いわゆる柄鏡式古墳の外形を有し、照明装置１０の土台とした形成された基板部材である。図４に示すように、ベース基板５０は、円盤状に形成された円盤部５１と、その円盤部５１に連続した直方体状の直方部５２とからなり、直方部５２の上面５２ａにコネクタ１００が載置され、円盤部５１の上面５１ａにＬＥＤ１１が載置されている。上面５１ａには、ＬＥＤ１１の両端から挟み込むようにして、ＬＥＤホルダー６０をベース基板５０に固定するための二つの位置決め部５４、５４を備える。この位置決め部５４にＬＥＤホルダー６０の底面が当接され、所定の接続部材を用いて固定される。

ベース基板５０の材質としては、メタル等の金属製材質によって形成されている。このため、ＬＥＤ１１によって内部に蓄熱された熱が、効率よく外部に放熱されるような放熱促進効果が図られる材質となっている。

（ＬＥＤ）
ＬＥＤ１１は、１ＷハイパワーＬＥＤを採用する。そのＬＥＤ１１は縦2.8mm、横3.4mm、高さ1.15mmの直方体状の外形をなしている。また、拡散シート３０側に向かって、ほぼ同一の配光角度（例えば、指向特性（2θ 1/2）標準値１２０°程度）の光束を発する。設置箇所は、ベース基板５０の上面５１の略中心部に配設されている。
なお、本実施形態におけるＬＥＤ１１は、青色ＬＥＤを採用しており、この青色ＬＥＤと図示しない蛍光体のみで白色光を実現可能なＬＥＤとして形成されている。このため、照射される光は、白色光となっている。

（ＬＥＤホルダー）
ＬＥＤホルダー６０は、第一開口部６９を備えた円筒状の外形を有するＬＥＤホルダー本体６１と、そのＬＥＤホルダー本体６１の外周壁６１ｂから張り出され、ボルト１１０（図３参照）によって固定可能に形成された二つの接続部材６２とを備えている。
ＬＥＤホルダー６０の内周壁６３には、レンズホルダー７０がＬＥＤホルダー６０に載置される際に当接される第一段差部６３ｂと、拡散シート３０が載置される際に当接される第二段差部６３ｃとを備える。

接続部材６２は、反ＬＥＤホルダー本体６１側となる外方に接続孔６２ｂを有しており、この接続孔６２ｂからボルト１１０をスライドさせて接続することもできる。
なお、図示は省略しているが、本実施形態における照明装置１０は、縦16.87mm×横20.94mm×高さ11mmという小さな寸法に収まっている。したがって、ボルト１１０を用いて他の装置、例えば読書灯を形成する部材に対して固定可能である。

また、ＬＥＤホルダー６０の材質としては、アルミニウム等の金属製材質によって形成され、このため、ＬＥＤ１１によって内部に蓄熱された熱が、効率よく外部に放熱される材質となっている。

（レンズホルダー・内スリーブ・外スリーブ）
レンズホルダー７０は、ＬＥＤホルダー６０側に位置する第二開口部７７および集光レンズ２０，４０側に位置する第三開口部７８を備えた円筒状の外形を有するレンズホルダー本体７９と、そのレンズホルダー本体７９内部に形成された第一内周壁７１と、その第一内周壁７１に連続した第二内周壁７２とを備える。そして、円筒状に形成された内スリーブ８０および外スリーブ９０によって各集光レンズ２０，４０が保持されている。
なお、このレンズホルダー７０は、黒色である一体成型品である。なお、拡散シート３０側の内壁面が、少なくとも黒色である必要がある。

内スリーブ８０は、円筒状の外形を有し、内スリーブ外壁８１とその内スリーブ外壁８１に連続した内スリーブ底面部８２およびその内スリーブ底面部８２に対向配置された内スリーブ上面部８３とからなる。内スリーブ８０は、図２に示すように、内スリーブ底面部８２から内スリーブ上面部８３に向かって内スリーブ外壁８１の厚みが小さくなるよう形成されている。より具体的には、内スリーブ８０の高さが2.4mm、内スリーブ底面部８２の幅が1.35mm、内スリーブ上面部８３の幅0.52mm、である。
図２に示す「侠角Ｘ = 68.8°」がほぼ達成できる寸法であればよい。
このようにすることで、第一集光レンズ２０からの出射角度が調節され、第二集光レンズ４０に最適な光束を出射可能となる。

外スリーブ９０は、円筒状の外形を有し、外スリーブ外壁９１とその外スリーブ外壁９１に連続した外スリーブ底面部９２およびその外スリーブ底面部９２に対向配置された外スリーブ上面部９３とからなる。外スリーブ外壁９１の厚みは、ほぼ同一の厚み形状に形成されている。より具体的には、外スリーブ９０の高さは2.05mm、 底面部９２の幅は1.3mmとしている。
これにより、第二集光レンズ４０から出射される光束の出射角度が調節されるので、被照射体に丸い綺麗な照射が実現される。

また、第一内周壁７１に連続した第一底面部７３と、第二内周壁７２および第一内周壁７１に連続した第二底面部７４とを備えてレンズホルダー７０が構成される。レンズホルダー７０は、ＬＥＤホルダー６０の内周壁６３および拡散シート３０上に接地固定される。
レンズホルダー７０、内スリーブ８０および外スリーブ９０は、それぞれアルミニウム等の金属製材質によって形成されている。このため、ＬＥＤ１１によって内部に蓄熱された熱が、効率よく外部に放熱されるような放熱促進効果が図られる材質となっている。

レンズホルダー７０の第一底面部７３には、第一集光レンズ２０が載置される。この状態において、内スリーブ外壁８１が第一内周壁７１に、内スリーブ底面部８２が第一集光レンズ２０にそれぞれ当接するように、内スリーブ８０が嵌合される。同様に、第二底面部７４には、第二集光レンズ４０が載置される。この状態において、外スリーブ外壁９１が第二内周壁７２に、外スリーブ底面部９２が第二集光レンズ４０にそれぞれ当接するように、外スリーブ９０が嵌合される。すなわち、第一集光レンズ２０上に内スリーブ８０の内スリーブ上面部８３を介して第二集光レンズ４０が載置された形態となっている。

（集光レンズ）
図２に示すように、第一集光レンズ２０は、円盤状の基端部２１上に連続した半球面状の第一球面２２が一体成形され、光軸Ｏを基準として対称な断面形状をなすように形成されている。第一球面２２の曲率半径は2.083mm、高さは2.9mm、直径はφ8.6mm、円周は27.02mmとなっている。

第二集光レンズ４０は、円盤状の基端部４１上に連続した半球面状の第二球面４２が一体成形され、光軸Ｏを基準として対称な断面形状をなすように形成されている。第二球面４２は、第一球面２２の球面形状よりも球面角度が緩い形状として形成されている。より具体的には、曲率半径3.125mm、高さ2.7mm、直径φ10.9mm、円周34.24mmとなっている。
第一集光レンズ２０および第二集光レンズ４０の材質としては、例えば、アクリル等の透光樹脂や、ＣＯＰ（シクロオレフィンポリマー）、ＣＯＣ（シクロオレフィンコポリマー）等の透光性を有する耐熱樹脂などを用いることができる。

（拡散シート）
拡散シート３０は、円盤状に構成され、その材質は例えば、ポリカーボネート、ポリエステル、アクリル、ガラスなどを用いることができる。
また、拡散シートの高さ約0.25mm、直径φ8.4mm、円周26.39mm、とした。
本実施形態における拡散シート３０は、ＬＥＤ１１からの入射光束が平行光で入射された場合に、約６０°で拡散して出射するものを使用している。

（位置関係）
次に、照明装置１０におけるＬＥＤ１１、拡散シート３０、第一集光レンズ２０および第二集光レンズ４０のそれぞれを設置する際の距離関係の一例について説明する。
ＬＥＤ１１から拡散シート３０までの距離は、0.95mmである。
また、拡散シート３０上面から内側レンズ２０底部までの距離は、0.68mmである。
また、内側レンズ２０天頂部から外側レンズ４０底部までの距離は、0.1mmである。

（効果）
本実施形態によれば、内スリーブ８０および外スリーブ９０のような形状にすることで、配光角度に所定の絞りが発生することになり、被照射体に照射された光のスポットおよびそのエッジが非常に「くっきり」したスポット光となる。また、拡散シート３０によって均一な配光制御が可能となるので、色ムラおよび照度ムラを低減させることになる。
したがって、各集光レンズ２０、４０から光束が拡散される際に発生する色ムラ問題と、その色ムラ問題を解決した際に生じる機器の大型化問題とを同時に解決することができる。このため、携帯電話やデジタルカメラなどの撮影用補助灯としての照明装置を装着する際でも、小型化に対する要望に応えることができる。

なお、上述した各部品サイズおよび各部品間の設置距離は、あくまで一例であり、上記に限定されることはない。
また、本実施形態におけるＬＥＤ１１は、１ＷハイパワーＬＥＤを採用した例を示しているが、これに限定されることはない。例えば、３Ｗ、５Ｗまたはそれ以上としても良く、他のワット数になっても応用可能である。

本願発明は、紫外線を含まないので、紫外光を嫌うような被照明品（例えば、博物館や美術館の展示品）、病院などにおける照明として最適である。また、色むらや照度むらが極めて少ないので、美術品や商品を綺麗に照明することにも適している。
また、照明面と非照明面との境目（エッジ）が明確な照明を可能としているので、周囲への散光が問題となるような読書灯にも適している。
また、小型軽量であるため、カメラ付きの携帯電話、デジタルカメラなどの撮影用の補助灯にも用いることができる技術である。

照明装置を示す斜視図である。 照明装置を示す側面断面図である。 照明装置を示す上面図である。 照明装置を示す分解斜視図である。

符号の説明

１０ 照明装置 １１ ＬＥＤ
２０ 第一集光レンズ ２１ 基端部
２２ 第一球面
３０ 拡散シート
４０ 第二集光レンズ ４１ 基端部
４２ 第二球面
５０ ベース基板
５１ 円盤部 ５１ａ 上面
５２ 直方部 ５２ａ 上面
５４ 位置決め部
６０ ＬＥＤホルダー
６１ ＬＥＤホルダー本体 ６１ｂ 外周壁
６２ 接続部材 ６２ｂ 接続孔
６３ 内周壁 ６３ｂ 第一段差部
６３ｃ 第二段差部
６９ 第一開口部
７０ レンズホルダー ７１ 第一内周壁
７２ 第二内周壁 ７３ 第一底面部
７４ 第二底面部 ７７ 第二開口部
７８ 第三開口部 ７９ レンズホルダー本体
８０ 内スリーブ ８１ 内スリーブ外壁
８２ 内スリーブ底面部 ８３ 内スリーブ上面部
９０ 外スリーブ ９１ 外スリーブ外壁
９２ 外スリーブ底面部 ９３ 外スリーブ上面部
１００ コネクタ
１１０ ボルト

Claims (4)

1. ＬＥＤから発せられた光束を二枚の集光レンズによって集光させて照射させる照明装置であって、
   電源供給部材を固定したベース基板と、
   そのベース基板に実装されるＬＥＤと、
   そのＬＥＤにおけるベース基板とは反対側に配置した拡散シートと、
   その拡散シートに対してＬＥＤとは反対側に配置した非球面形状の第一集光レンズと、
   その第一集光レンズに対して拡散シートとは反対側に配置した非球面形状の第二集光レンズとを備えたＬＥＤ照明装置。
2. 拡散シートと第一集光レンズとの間に位置し、拡散シートと第一集光レンズを所定距離を隔てさせるホルダを備え、
   そのホルダにおける内壁面を黒色としたことを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ照明装置。
3. ＬＥＤ照明装置を備えた撮像装置であって、
   そのＬＥＤ照明装置は、撮像装置を構成するカメラによる被撮影方向を照射する照明装置であって、
   電源供給部材を固定したベース基板と、
   そのベース基板に実装されるＬＥＤと、
   そのＬＥＤにおけるベース基板とは反対側に配置した拡散シートと、
   その拡散シートに対してＬＥＤとは反対側に配置した非球面形状の第一集光レンズと、
   その第一集光レンズに対して拡散シートとは反対側に配置した非球面形状の第二集光レンズとを備えたＬＥＤ照明装置としたことを特徴とする撮像装置。
4. 拡散シートと第一集光レンズとの間に位置し、拡散シートと第一集光レンズを所定距離を隔てさせるホルダを備え、そのホルダにおける内壁面を黒色としたことを特徴とする撮像装置。
   

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