JP2007248757A - 照明用光源 - Google Patents

Abstract

【課題】 解決しようとする課題は、比較的広い範囲を照明することが可能で、かつ安価に画像取り込み系のコサイン４乗則を補正し得る照明装置を実現することである。
【解決手段】 画像取り込み用のレンズを有するカメラ用の照明用光源において、該画像取り込み用レンズの周辺光量特性とは反比例するような光源特性を持たせた。すなわち被照射面の中心部よりも周辺部の照度を高くする特性を持たせた。さらに該照明用光源に照明用レンズを備え、該照明用レンズの働きで前記光源特性を実現させた。具体的には前記照明用光源が、被照射面が光源の照射角のコサイン４乗にほぼ反比例した照度となるよう照明するように構成した。
【選択図】 図１

Description

本発明は、カメラ用の照明用光源に関する。

周知のように通常、カメラ撮影を行うときには照明用光源を用いる。
図１０は撮影時の照明装置及び画像取り込み用のレンズの配置及び画像撮影時の動作を説明する図である。
図１０において、発光ダイオード（以下ＬＥＤと略記する）からなる照明用発光源１２と撮像素子もしくはフィルム６８とは機器の基板６４上に実装され、照明用発光源１２の出射光７０は機器の筐体６０中に設けられた集光構造を持った窓６２を透過して被写体７４を照明する。撮像素子４６は反射光７２を画像取り込み用のレンズ６６を介して検出し、画像を取り込む。
従来は照明用光源の多くは半球状のレンズを貼り付けあるいは一体成型し、すなわち照明用発光源１２と集光構造を持った窓６２とを一体化させた構造として光源光の指向特性を変化させ光源特性を変化させていた。

ここで問題となっているのは、携帯電話に使用されているようなカメラの結像レンズ系では、軸外の点の像の明るさは軸外視野角（θ）のコサイン４乗に比例した計数で明るさが低下してしまうという点である。一般に照明用発光源１２と撮像素子もしくはフィルム６８までの距離は被写体７４までの距離よりも非常に小さいのでほぼ無視することが出来、発光源の照射角θと視野角θとはほぼ等しくなる。その結果撮影された画像はコサイン４乗則により、中心部に対して周辺部が暗いものとなってしまっていた。

図１１はコサインθ４乗の値をグラフ化したもので、カメラ用の画像取り込み用のレンズは図１１のグラフに示すように、照明光の照射角（θ）が小さい被写体の中心部は照射角が大きい周辺部よりも明るくなるよう画像を取り込んでいた。
ところが被写体を照明する照明系はカメラレンズ系のこのような特性とは関係なく、照射面の中心照度向上及び指向性の向上みが議論されており、画面の周辺部の明るさである周辺光量を無視する傾向があった。
なお以下の図において、同様の部材には同様の番号を付している。

このように照明系が周辺光量を無視する傾向があったためか、画像取り込み系での補正提案がなされている。
例えば特許文献１においてはコサイン４乗則の逆特性関数を光学センサの出力に乗じて均一な明るさの画像を得ようとしている。
しかしコサイン４乗則の逆特性関数の記憶部、光学センサの出力に乗じるための乗算部を必要とし、電子回路の素子増や入出力端子増によるチップ面積の増大のため、画像取り込み系電子回路の高価化を招くことは避けられなかった。

また高価な機器用の技術として、特許文献２においては、コサイン４乗則に基づく走査光量変化の補正データと、感光体の感度の補正データと、形成する画像の濃度を指示する画像濃度制御部からの信号とによって感光体の感度、画像濃度、及び感光体の走査位置に対応した補正光量値を制御ロジックで算出し、該制御ロジック出力により光源光量自動制御回路を制御して感光体の感度、画像濃度、及び感光体の走査位置に対応した光源光量を得ると提案している。
しかし特許文献１で提案されたよりもさらに多くの電子回路を必要とし、かつ機器本体の電子回路出力に光源を応答させる必要があるため、非常に高価な上照明装置単独では成立し得ないという難点がある。

さらに、特許文献３においては、光ファイバーを用いた照明装置において光ファイバーの射出端と被照射面とが近接している前提であるが、コサイン４乗則にしたがって被照射面の中心部から周辺部に向かって照度が減少する照度分布を補正するための外方性コマ収差を有する集光レンズを用いて問題を解決しようとしている。
しかし明細書の段落番号０００４に「均一な照度分布を得ることのできる照明装置を提供することを目的とする」、段落番号００１６に「コサイン４乗則にしたがう照度分布を補正して、被照射面において均一な照度分布を得ることができる」とあるように、非常に狭い範囲で被照射面の均一な輝度を実現するための技術である。

このような技術では（ａ）比較的広い範囲を照明することが要求されるカメラ用の照明装置には応用不能である、（ｂ）照明装置と画像取り込み系とが分離されているカメラ機構には用いることができない、（ｃ）被照射面の照度分布を均一にしても画像取り込み系のコサイン４乗則によって周辺が暗くなってしまう、等の問題が解決できなかった。

このように従来の技術においてはディジタルカメラに用いられるような、安価で、かつ比較的広い範囲を照明することが要求される照明装置に応用可能な技術が提案されていなかった。
また照明装置単独で画像取り込み系のコサイン４乗則を補正する技術も提案されていなかった。

特開平６−２８２７９３ 特開２００３−４３４００ 特開平１０−１８６１７１

解決しようとする課題は、比較的広い範囲を照明することが可能で、かつ安価に画像取り込み系のコサイン４乗則を補正し得る照明装置を実現することである。

本発明の照明用光源は、画像取り込み用のレンズを有するカメラ用の照明用光源において、該画像取り込み用レンズの周辺光量特性とは反比例するような光源特性を有することを特徴とする。
このように照明用光源の光源特性を設定したため、安価に、かつ照明装置単独で、画像取り込み用レンズの光学特性を補正することができた。

また本発明の照明用光源は、画像取り込み用のレンズを有するカメラ用の照明用光源において、被照射面の中心部よりも周辺部の照度を高くする特性を有することを特徴とする。
このように被照射面の照度均一性を崩した特性としたため、画像取り込み用のレンズを通して取り込んだ画像の明るさを均一化することができた。

また本発明の照明用光源は、画像取り込み用のレンズを有するカメラ用の照明用光源において、該照明用光源は照明用レンズを有し、該照明用レンズの働きで該照明用光源の光源特性が前記画像取り込み用レンズの周辺光量特性とはほぼ反比例する特性となっていることを特徴とする。
このように照明用レンズで画像取り込み用のレンズの光学特性を補正し得たため、照明装置を安価にすることができた。

また本発明の照明用光源は、画像取り込み用のレンズを有するカメラ用の照明用光源において、該照明用光源は照明用レンズを有し、該レンズの働きで該照明用光源が被照射面の中心部よりも周辺部の照度を高くすることを特徴とする。
このように照明用レンズによって被照射面の照度均一性を崩した特性としたため、安価な手法で画像取り込み用のレンズを通して取り込んだ画像の明るさを均一化することができた。

また本発明の照明用光源は、被照射面が光源の照射角のコサイン４乗にほぼ反比例した照度となるよう照明することを特徴とする。
このように照明用光源が照射角のコサイン４乗にほぼ反比例した照度となるよう被写体照明するため、画像取り込み用のレンズのコサイン４乗則を補正することができた。

また本発明の照明用光源は、発光源として発光ダイオードを有していることを特徴とする。
このため本発明の照明用光源は小型化が実現でき、ディジタルカメラ等の小型機器にも搭載可能となった。

また本発明の照明用光源は、前記照明用レンズが円状の環が円を描いており描かれた円の直径Ｌ１が円状の輪の直径Ｌ２の２倍よりも小さいあんパン、もしくは円盤形状のレンズであることを特徴とする。
このような形状のレンズを用いたため、本発明の照明用光源は被写体を照射角のコサイン４乗にほぼ反比例した照度となるよう照明することができた。

また本発明の照明用光源は、前記あんパン、もしくは円盤形状のレンズが前記発光源の上部に置かれ、該レンズの該発光源との接触部は平面状に削られていることを特徴とする。
このような形状としたため、本発明の照明用光源は前記形状のレンズを容易に光源上に実装することができた。

本発明による比較的広い範囲を照明可能な照明装置は、安価に画像取り込み用レンズの光学特性を補正することができ、コサイン４乗則によって画像周辺が暗くなってしまう問題を解消出来る。また小型化が実現でき、ディジタルカメラ等の小型機器にも搭載可能となる。さらに上記補正のための照明用のレンズを容易に光源上に実装することができる。さらにまた照明装置単独で上記補正が可能なため、多種の機器への搭載が可能となる。これらにはカメラレンズ、照明系トータルでの性能向上が可能となったことを示している。

画像取り込み用のレンズを有するカメラ用の照明用光源において、該画像取り込み用レンズの周辺光量特性とは反比例するような光源特性を持たせた。すなわち被照射面の中心部よりも周辺部の照度を高くする特性を持たせた。さらに該照明用光源に照明用レンズを備え、該照明用レンズの働きで前記光源特性を実現させた。
具体的には前記照明用光源が、被照射面が光源の照射角のコサイン４乗にほぼ反比例した照度となるよう照明するように構成した。
また前記照明用光源は発光源として発光ダイオードを備えた。
さらに前記照明用レンズを、円状の環が円を描いており、描かれた円の直径Ｌ１が円状の輪の直径Ｌ２の２倍よりも小さいあんパン形状、もしくはある半径Ｒ上に、それよりも小さな半径ｒの円がある円盤形状のレンズとした。
さらにまた、前記あんパン、もしくは円盤形状のレンズを前記発光源の上部に置き、該レンズの該発光源との接触部を平面状に削った。

図９はコサインθ４乗の逆数をプロットした図である。
図９において、横軸は図１０に示した照射角θ、縦軸は各照射角に応じた数値を示している。
画像取り込み用レンズの光学特性は図１１に示したコサインθ４乗にほぼ比例した特性を示すので、照明装置が被写体を照明する照度を図９に示したコサインθ４乗の逆数にほぼ比例した、すなわち画像取り込み用レンズの周辺光量特性とは反比例するような、さらに別の表現をとると、被照射面の中心部よりも周辺部の照度を高くするようにすれば、画像取り込み用レンズの光学特性を補正することができる。

本発明の照明装置は、対象とする照射角内で、図９に示したコサインθ４乗の逆数にほぼ比例した照度特性を示すことを実現させようとしている。
なお本発明の照明装置はカメラように発明されたもので、照射角θは例えば０から３０度というような比較的小さな角度を対象としている。

図４は照明装置のこのような照度特性を実現させるため、本発明で用いた照明用レンズの例を示した図である。
図４は本発明で用いたあんパン形状の照明用レンズ１０を示したもので、１０−１が平面図、１０−２が平面図のレンズを右方向から見た側面図、１０−３が平面図のレンズを下方向から見た側面図である。
図４に示した照明用レンズ１０は、円状の環が円を描いており、描かれた円の直径Ｌ１が円状の輪の直径Ｌ２の２倍よりも小さい、そのため中央部分で前記円状の輪が重なり真ん中がへこんだ、あんパンのような形状をしたレンズである。
このようなレンズは型で作るため、異形にしてもコストはほとんど変わず安価に形成できるという利点がある。
このレンズを発光源の上に実装したのが本発明の照明用光源の実施例である。

図５は本発明で用いる発光源１２の例を示した図である。
図５において、１２−１が平面図、１２−２が右方向から見た側面図、１２−３が下方向から見た側面図である。
図５は発光ダイオード発光源で、発光ダイオードチップ１４が基板１３上に４個実装され、外周が透明樹脂１６で封止されている。
このような発光ダイオード発光源としては、例えば２００５年シチズン電子社カタグブ、２００５ ＣＩＴＩＺＥＮ ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ ＰＲＯＤＵＣＴＳ、第２８、２９頁に記載されている照明用超高輝度白色ＬＥＤＣＬ−４７０Ｓシリーズ，ＣＬ−４６０Ｓシリーズが使用できる。

次に照明装置に実装するあんパン形状照明用レンズのレンズ厚を決定するための実験過程を説明する。
図６，７は図５に示した光源上に図４で示したあんパン形状の照明用レンズを実装した場合の、レンズ厚と光学特性との関係を示した図である。図６があんパン形状の照明用レンズを発光ダイオード発光源上に実装した場合の側面図で、レンズ厚を変えた場合の３つの例を示しており、図７は該各例の構成における光学特性の代表例を示している。
なお図６の照明装置は発光ダイオード発光源１２上にレンズを実装して構成されている。

図６はあんパン形状照明用レンズの環の部分の直径Ｌ３に対し環の部分の厚みｔ１，ｔ２，ｔ３を変えてみたことを示している。図６（ａ）においては環の部分の直径Ｌ３と環の部分の厚みｔ１とを等しく、すなわち円状の環が円を描いている形状のあんパン形照明用レンズ１０を発光ダイオード発光源１２上に実装した場合を示しており、図６（ｂ）は環の部分の厚みｔ２が環の部分の直径Ｌ３の１／２とあんパンを押しつぶした形状のレンズ５０場合を示しており、図６（ｃ）は環の部分の厚みｔ３が環の部分の直径Ｌ３の１／４とさらにあんパンを押しつぶした形状のレンズ５２の場合を示している。

図７は図６の構成における光学特性の代表例を示したもので、横軸は図１０に示した照射角θを、縦軸は規格化した照度を示している。
また「ナシ」と表示している間隔の短い点線は発光ダイオード発光源１２上にレンズを置かなかった場合の光学特性測定結果を、すなわち発光ダイオード発光源１２の光学特性を、「１０」と表示している実線は発光ダイオード発光源１２上にｔ１＝Ｌ３のレンズ１０を置いた場合、すなわち図６（ａ）に示した構造の照明装置の光学特性測定結果を、「５２」と表示している間隔の長い点線は発光ダイオード発光源１２上にｔ３＝１／４Ｌ３のレンズ５２を置いた場合、すなわち図６（ｃ）に示した構造の照明装置の光学特性測定結果をそれぞれ示している。

図７から明らかなように、間隔の短い点線で示した発光ダイオード発光源１２の特性は
＋−３０°の間でほぼ平らで角度が大きくなるにつれ照度は下がる。このように大きな角度領域で、角度が大きくなるにつれ照度が下がるのは光源に指向性を持たせているためである。問題となるのは＋−３０°の領域である。
この発光ダイオード発光源１２の上に環の部分の直径Ｌ３と環の部分の厚みｔ１とを等しくしたレンズ１０を置くと、実線で示したように、角度が大きくな領域の特性は間隔の短い点線の特性とほぼ同様だが、角度が小さな領域では＋３０°ｔｏ−３０°近傍でピークをとり、角度が０°近傍では照度が落ち込む特性となる。
ｔ３＝１／４Ｌ３のレンズ５２を置くと間隔の長い点線で示したように、前記両者の中間のような特性となる。

このように本発明の照明装置の光学特性は発光ダイオード発光源１２の上に置くレンズの形状によって調整可能である。具体的には図４に示したＬ１，Ｌ２、図６に示した環の部分の直径Ｌ３と環の部分の厚みｔ１，ｔ２，ｔ３を調整することにより、図７に示した照度がピークを示す角度、角度が０°における照度の落ちる量を調節出来る。従って画像取り込み用レンズの周辺光量特性に合わせて照明用レンズを設計することが出来る。
なお本発明の照明装置をカメラに用いる場合は、特殊な場合を除いて照射角θが小さいため＋−３０°近傍に照度のピークを設定するのがよい。この場合照射角が０°近傍が被照射面の中心部となり、＋−３０°近傍が被照射面の周辺部となる。

図１は本発明による照明装置の第１の実施例である。
図１において、図１（ａ）は照明用レンズを、図１（ｂ）は該レンズを発光ダイオード発光源上に実装して照明装置とした図を示している。１０−１，１１−１が平面図、１０−２、１１−２が平面図のレンズを右方向から見た側面図、１０−３、１１−３が平面図のレンズを下方向から見た側面図である。
図１（ａ）のレンズ１０は図４、図６（ａ）の示したレンズ１０と同様のもので、環の部分の直径Ｌ３と環の部分の厚みｔ１とが等しい、円状の環が円を描いている形状の円状の環が円を描いており描かれた円の直径Ｌ１が円状の輪の直径Ｌ２の２倍よりも小さい、あんパン形状のレンズである。
図１（ｂ）は図１（ａ）のレンズ１０を発光ダイオード発光源１２上に実装した照明装置の例である。この照明装置の光学特性は図７に実線で示した特性となる。

このように本発明の照明用光源は、画像取り込み用レンズの周辺光量特性である照射角のコサイン４乗、にほぼ反比例した照度となるよう被照射面を照明する。そのため画像取り込み用のレンズのコサイン４乗則を補正することができている。
別の面から見ると、被照射面の中心部よりも周辺部の照度を高くする特性を有している。

このように被照射面の照度均一性を崩した特性としたため、画像取り込み用のレンズを通して取り込んだ画像の明るさを均一化することができた。このような技術は被照射面の照度均一性や被照射面の照度向上のみを目指していた従来技術と大きく異なる点である。
さらに本発明の照明用光源は、照明用レンズを設けて、該レンズの働きで該照明用光源が被照射面の中心部よりも周辺部の照度を高くする、もしくは／すなわち、照射角のコサイン４乗にほぼ反比例した照度となるよう照明している。

このように本発明の照明用光源はレンズを発光源の上に実装することによって所望の補正を行っている。
このようなレンズは型で作るため、異形にしてもコストはほとんど変わらず安価に形成できるという利点がある。そのため本発明の照明装置は、特許文献１，２に提案された技術のように高価な電子回路を必要とせず、安価に構成可能という効果を生じている。
またカメラ本体との情報のやり取りを必要としないため、安価なうえに照明装置単独で画像取り込み用レンズの光学特性を補正することができる。

また本発明の照明用光源は発光源として発光ダイオードを用いているため、小型化が実現でき、ディジタルカメラ等の小型機器にも搭載可能となっている。
なお図１（ｂ）の照明用光源は発光ダイオード発光源上にレンズを実装した構成であるため、比較的遠く、広い範囲を照明可能である。この点は光ファイバーを用いて近接体を照らす特許文献３の技術と異なる。

図２は本発明による照明装置の第２の実施例である。
図２において、図２（ａ）は照明用レンズを、図２（ｂ）は該レンズを発光ダイオード発光源上に実装して照明装置とした図を示している。１８−１，２０−１が平面図、１８−２、２０−２が平面図のレンズを右方向から見た側面図、１８−３、２０−３が平面図のレンズを下方向から見た側面図である。
図２（ａ）のレンズ１８は図４、図６（ａ）で示したレンズ１０の発光源との接触部を平面上に削ったあんパン形レンズである。
図２（ｂ）は図２（ａ）のレンズ１８を発光ダイオード発光源１２上に実装した照明装置の例である。この照明装置の光学特性は図７に実線で示した特性と間隔の長い点線で示した特性の中間的な特性となる。

このようにレンズ１８の発光源１２との接触部を平面上に削ったため容易に光源上に実装することができた。

図３は本発明による照明装置の第３の実施例である。
図３において、図３（ａ）は照明用レンズを、図３（ｂ）は該レンズを発光ダイオード発光源上に実装して照明装置とした図を示している。２２−１，２４−１が平面図、２２−２、２４−２が平面図のレンズを右方向から見た側面図、２２−３、２４−３が平面図のレンズを下方向から見た側面図である。

図３（ａ）のレンズ１８は図４、図６（ａ）で示したレンズ１０の発光源との接触部を平面上に削ったあんパン形レンズである。
図３（ｂ）は図３（ａ）のレンズ２２を発光ダイオード発光源１２上に実装した照明装置の例で、図３の例では図１（ａ）に示したレンズの約下半分を削った例を示している。この照明装置の光学特性は図２の照明装置の特性よりもさらに間隔の長い点線で示した特性寄りのものとなる。

このようにレンズを削る量によっても照明装置の光学特性を調節することが出来る。

図８は本発明で用いる照明用レンズの他の例を示した図で、３０−１が円盤形状レンズ３０の平面図、３０−２が右方向から見た側面図、３０−３が下方向から見た側面図である。
図８に示した照明用円盤形状レンズ３０は半径Ｒ上に、それよりも小さな半径ｒの円がある、円盤のような形状をしたレンズである。
実施例の説明は円状の環が円を描いており描かれた円の直径Ｌ１が円状の輪の直径Ｌ２の２倍よりも小さいあんパン形状の照明用レンズを用いた例を示したが、あんパン形状の照明用レンズに替え図８に示したような半径Ｒ上に、それよりも小さな半径ｒの円がある円盤形状のレンズ３０を用いても同様な効果が得られる。
また実装を容易にするため、発光源との接触部を平面状に削ることが効果的なこともあんパン形状レンズの場合と同様である。

本発明による照明装置の第１の実施例である。 本発明による照明装置の第２の実施例である。 本発明による照明装置の第３の実施例である。 本発明で用いる照明用レンズの例を示した図である。 本発明で用いる発光源の例を示した図である。 あんパン形状の照明用レンズを発光ダイオード発光源上に実装した場合の側面図である。 図６の構成における光学特性の代表例を示した図である。 本発明で用いる照明用レンズの他の例を示した図である。 コサインθ４乗の逆数をプロットした図である。 撮影時の照明装置及び画像取り込み用のレンズの配置及び画像撮影時の動作を説明する図である。 コサインθ４乗の値をプロットした図である。

符号の説明

６６ 画像取り込み用のレンズ
１０，１８，２２，３０ 照明用レンズ
１２ 発光源
１１，２０，２４ 照明用光源

Claims (8)

1. 画像取り込み用のレンズを有するカメラ用の照明用光源において、
   該画像取り込み用レンズの周辺光量特性とは反比例するような光源特性を有することを特徴とする照明用光源。
2. 画像取り込み用のレンズを有するカメラ用の照明用光源において、
   被照射面の中心部よりも周辺部の照度を高くする特性を有することを特徴とする照明用光源。
3. 画像取り込み用のレンズを有するカメラ用の照明用光源において、
   該照明用光源は照明用レンズを有し、該照明用レンズの働きで該照明用光源の光源特性が前記画像取り込み用レンズの周辺光量特性とはほぼ反比例する特性となっていることを特徴とする照明用光源。
4. 画像取り込み用のレンズを有するカメラ用の照明用光源において、
   該照明用光源は照明用レンズを有し、該レンズの働きで該照明用光源が被照射面の中心部よりも周辺部の照度を高くすることを特徴とする照明用光源。
5. 前記照明用光源は、被照射面が光源の照射角のコサイン４乗にほぼ反比例した照度となるよう照明することを特徴とする請求項１〜４のうちの少なくとも一項に記載の照明用光源。
6. 前記照明用光源は発光源として発光ダイオードを有していることを特徴とする請求項１〜５のうちの少なくとも一項に記載の照明用光源。
7. 前記照明用レンズは円状の環が円を描いており、描かれた円の直径Ｌ１が円状の輪の直径Ｌ２の２倍よりも小さいあんパン形状、もしくはある半径Ｒ上に、それよりも小さな半径ｒの円がある円盤形状のレンズであることを特徴とする請求項３もしくは４に記載の照明用光源。
8. 前記あんパン、もしくは円盤形状のレンズは前記発光源の上部に置かれ、該レンズの該発光源との接触部は平面状に削られていることを特徴とする請求項７に記載の照明用光源。
   

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