JP2007264330A - 平行ビームを発生する照明用導光体 - Google Patents

Abstract

【課題】
複数光源から出た光を混合して均等な明るさと色調にして、所望の方向に平行光線、または意図する拡散、集光光線として送り出す照明用導光体を提供する。
【解決手段】
（１）導光体の入射面と出射面とにレンズを備え、これら入射面レンズと出射面レンズとが、実質上焦点を共有するように設定する。
（２）入射面レンズを有する第一導光体と、出射面レンズを有する第二導光体との中間に、第一導光体と第二導光体との相対距離を増減できる空間を設ける。
【選択図】図１

Description

本発明（以下で、この発明という）は、複数個のＬＥＤで構成する、ＬＥＤアレーなどの、光源から出た光をミキシングして、平板、円柱壁、円錐台壁などのような板状平行ビーム（光線群）に成形し、目的とする狭い領域を所望の照射角度で照射するための、共焦点（アフォーカル）レンズ系などの、レンズ付き導光体に関する。さらに、これらのレンズ付き導光体に、平行光線から、意図的な発散、集中角度を有する発散、集中光（楔形光線群）に変換させる手段を備え、少し広い所定面積範囲を照射する、あるいは一度集光してから発散させるための導光体にも関する。また、複数個の平板状導光体を傘歯車、フレキシブルシャフトなどで連動させて、傾斜角を一斉動作状態に制御することによる、例えば、四角錘型のズーム式照明装置なども提案する。

ここで、この発明の明細書を通じて用いる、重要な用語について、その意味、定義を若干説明する。
「光源」という用語は、ＬＥＤ（発光ダイオード）に限らず、ハロゲンランプ、白熱電球、冷陰極管蛍光灯（ＣＣＦＬ）、ディスチャージランプ（放電灯）などのように、照明用に適した光を発生する、任意の発光源を意味し、ＬＥＤと同様に使用することが可能である。
「光線」という用語は、波長領域が、可視光３８０ｎｍ〜７８０ｎｍに限定するものではなく、紫外線、赤外線なども含む。
「レンズ」という用語は、球面レンズだけでなく、非球面レンズを含むことはもちろん、シリンドリカルレンズ、リング状シリンドリカルレンズ（トロイダルレンズ）、およびこれらのレンズ面を、球面レンズに対する非球面レンズに相当するように、修正したレンズなども含むものとする。これら全てについて、凸レンズだけでなく、必要に応じ、凹レンズを使用しても良い。また、単純なレンズ形状だけでなく、フレネルレンズ、回折レンズなどを使用しても良い。
「屈折率」という用語は、特にことわらない限り、代表値として、波長が約５８９ｎｍの光線（ｄ線）についての、素材の空気に対する相対的屈折率を意味する。
「反射面」という用語は、全反射する表面、または鏡面加工した面を意味する。
「配光特性」という用語は、各立体角方向別の照明光量分布を意味し、ＬＥＤなどのカタログ類で指向特性、視野角などと表現される内容と同じ、または類似する。ＬＥＤについては、配光特性についての、統一的測定法を早く確立しようという提案が、各方面から出されている現状である。
また、この発明明細書を通じて、図面で使用する符号は、同種内容をさす場合は、全て同じ記号を用いるものとする。

本発明者らは、先に特願２００４−３００２３０で、発明の名称：「光制御装置（ビームエキスパンダー）」として、アフォーカルレンズ系などを応用した光学部材について出願した。

また、特願２００５−２５９０５３で、発明の名称：「線状照明用の導光装置」として、シリンドリカルレンズ系などを応用した光学部材について出願した。これらの明細書全文を関連文献資料としてここに参照・引用し、この明細書を簡明にするために、同じ内容の繰り返しての詳細な説明は省略する。

従来、画像解析用のＣＣＤ、またはＣＭＯＳカメラ用のＬＥＤ照明光源装置（マシンビジョンシステムと称される）において、目的対象物を明瞭に観察するため、この発明がめざす用途のように、平板状の範囲を照明するとき、あるいは円錐台状の範囲を照明する場合などには、ＬＥＤの発光部をレンズの焦点位置に配置した、いわゆる視野角が極めて狭いコリメート式ＬＥＤを多数個、列状に配列するのが一般的であった。

上記のような従来技術の方法では、あくまでも独立した直進光線群の配列に過ぎず、ＬＥＤの配置間隔が広いと、各光源の照射範囲が狭いため、照射部に明暗差が生じやすく、複数色の光源を組み合わせ使用するときには、良好なカラーミキシング（混色）が実現困難であった。この発明は、これらの問題点を解決するために考案したものである。

この発明の、平行ビームを発生する照明用導光体は次のような構成をもって上記の各課題を解決する手段とする。
この照明用導光体は、一つの導光体の光入射面と出射面にそれぞれ形成されたレンズから成り、これら入射面レンズと、出射面レンズとが実質上焦点位置を共有する。

さらに別の手段として、この発明の照明用導光体は複数の導光体から成り、光入射面レンズを有する第一導光体と、光出射面レンズを有する第二導光体との中間に、第一導光体と第二導光体との相対距離を増減できる空間を有し、しかも、その相対距離調節範囲内に、入射面レンズと出射面レンズとが実質上焦点位置を共有するよう配置される場合もある。

上記それぞれの照明用導光体は、入射面レンズの曲率半径を出射面レンズの曲率半径よりも小さく形成してある。

上記の照明用導光体は、入射面レンズの開口幅を出射面レンズの開口幅よりも小さく形成し、入射面レンズの開口端と出射面レンズの開口端がそれぞれ平滑な平面、または曲面状に形成された側面でつながれている。

上記の照明用導光体は、入射面レンズの開口数が出射面レンズの開口数よりも大きく形成されている。

上記の照明用導光体は、薄板状に形成し、その短手方向の一端の面に入射面レンズを、他方の面に出射面レンズを形成するが、導光体を円錐台状に形成し、その天面に入射面レンズ、底面に出射面レンズを形成する、いわゆるすりこぎ形に形成する場合もある。

上記の照明用導光体は、導光体がその長手方向軸を中心に回動できる構成とし、このような構成の二個以上の照明用導光体を、適宜の回転リンク手段で連結して、光源からの光を同じ傾斜角度で照射できるようにした。

上記の照明用導光体は、光の入射面レンズと出射面レンズをつなぐ側面を曲面状に形成した、いわゆるリング型に形成される場合もある。１つの導光体をリング型に形成しても良いし、略扇型に形成された複数の導光体を組み合わせると１つのリング型になるようにそれぞれを形成しても良い。

上記の照明用導光体は、該導光体の一部分、詳しくは入射面レンズと出射面レンズとの間に屈曲部を設け、入射面から入った光が導光体の側面部分内側に当たり反射して（光の）進行方向を変更した後、光が出射面から出るように形成しても良い。

上記の照明用導光体の少なくとも一部に反射面を含むようにしても良い。該反射面には光を散乱させるために極小の中空ビーズ類または多孔質のビーズ類、フィラー等を配置する。

請求項１、請求項６に記載の解決手段によれば、本発明は、導光体がいわゆるシリンドリカルレンズ状、詳しくは薄板状、または円錐台状に形成されていて、その短手方向の一端の面に入射面レンズを備え、その対面側に出射面レンズをそれぞれ備えていることにより、光源から導光体に入射された光が導光体内部で様々な角度に反射し激しく混合するので、複数の光源から出た光を導光体の内部で相互に混ぜ合わすことができる。その結果、光源のＬＥＤの配置間隔が広いときでも、出射レンズからの照射光の部分に明暗差が生じなくなり、均等に近い線状照射光線が得られ、複数色の光源を組み合わせ使用するときにも、良好なカラーミキシング（混色）が実現できる。

また、請求項２に記載した解決手段によれば、複数の導光体にて構成する場合、入射面レンズを有する第一導光体と、出射面レンズを有する第二導光体との間に、第一導光体と第二導光体との相対距離を増減できる空間を設け、その相対距離調節範囲内に、入射面レンズと出射面レンズとが、実質上焦点位置を共有するように配置するので、その結果、ほぼ理想的な板状照射光線を得ることができ、第一導光体と第二導光体との相対距離調節手段を利用すると、至近距離位置に強い集中光を得ることも、狭い角度範囲の拡散光線を得ることも、一度集光してから拡散していくように光線の進行状態を意のままに微調整できるようになる。また、入射面レンズと出射面レンズの焦点位置が、導光体外の空間に配置されるので、導光体内部に光が渦集中することによる導光体の高温化を避けることができる。よって、ガラス以外の樹脂等安価な、軽い材料にて導光体を形成することが可能になる。

請求項３に記載の解決手段によれば、本発明は導光体の入射面レンズの曲率半径を出射面レンズの曲率半径よりも小さく形成し、入射面レンズと出射面レンズとが、実質上焦点位置を共有するように形成してあるので、光源から導光体に入射された光を、平行光として出射面レンズから送り出すことができる。

請求項４に記載の解決手段によれば、本発明は導光体の入射面レンズの開口幅を出射面レンズの開口幅よりも小さく形成し、入射面レンズと出射面レンズとが、実質上焦点位置を共有するように形成してあるので、光源から導光体に入射された光を、平行光として出射面レンズから送り出すことができる。

請求項５に記載の解決手段によれば、本発明は導光体の入射面レンズの開口数を、出射面レンズの開口数よりも大きく形成してあるので、光源から導光体光を入射する際に、広い角度からの光を導光体内に入れることができる。これにより、光源と導光体の光路の位置合わせを厳密にしなくとも良くなったので、導光体の組立が簡単になった。また、使用中、何かに当たるなどして不用意に光源の位置がずれてしまった場合でも、導光体へ光を入射できる角度が広いのでそのまま使用できる。

請求項７に記載の解決手段によれば、本発明の照明用導光体は、導光体が長手方向軸を中心に回動できる構成とし、また、このような構成の複数の導光体を適宜の回転リンク手段で連結し、同じ傾斜角度で光を照射できるようにした。これにより、導光体から出る光の照射角度を任意に変えられる上、照射光の集光ポイントをズームで位置変更することも可能である。

請求項９に記載の解決手段によれば、本発明は、上記導光体の一部分、詳しくは入射面レンズと出射面レンズとの間に屈曲部を形成し、導光体の少なくとも一部に反射面を含むようにすると、入射面から入った光が導光体の側面部分内側に当たり反射して（光の）進行方向を変更した後、光が出射面から出るようになる。これにより、導光体の高さ（短手方向の長さ）を、屈曲部を設けないものに比べて短く形成できるので、導光体自体、ひいてはこの導光体を使用した照明器具をコンパクトに構成することが可能である。また、屈曲部の角度によっては横方向から照射対象物を照らすことが可能になる。比較として、屈曲部を設けない構成の導光体が横方向から対象物を照射するには、光源を照射対象物の横に配置することになり、このような導光体を使用する照明器具は光源や導光体の配置にあたりスペースや配線等の制限があり、好みの形状に形成できなかった。また、光源の種類によっては光源部分が発熱して高温になるため、照射対象ポイントが光源から近いと熱で照射対象物が変質してしまう恐れもあるため使用用途が限られてしまった。だが、本発明ではこれらの問題を解決した。

また、請求項１０に記載の解決手段によれば、本発明は、上記導光体は中空ビーズ等を配した反射面を備えているため、該導光体内に入射した光が反射面に当たり様々な角度に反射するので、理想的な光の混合状態を得ることができ、導光体出射面レンズ部分から出射した光はほぼ均一になる。

具体例を用いて説明するが、この特許の範囲を限定するものではなく、特許請求範囲に記載する趣旨に反しない限り、その用途、構成内容、その他全て、公知の技術にもとづき、様々に変更、置換、組み合わせ、応用することが可能であり、それらの結果もまた、この特許の範囲内に含まれる。

図１〜図４に示す断面図のように、ひとつの導光体１０の、入射面１０Ａと出射面１０Ｂとに夫々レンズ１３を備え、これら入射面１０Ａのレンズ１３と、出射面１０Ｂのレンズ１３とが、実質上焦点Ｆを共有するように設計した照明用導光体を用いると、ＬＥＤ光源１１から出た光を、平行光線に加工して、送り出すことができる。 しかも、図２および図３に示すように、入射面１０Ａのレンズ１３の曲率半径Ｒ１を、出射面１０Ｂのレンズ１３の曲率半径Ｒ_２よりも小さくすると良く、さらに、入射面レンズの開口幅Ｈ１を、出射面１０Ｂのレンズの開口幅Ｈ２よりも小さくし、しかも、入射面１０Ａのレンズ１３の開口端と、出射面１０Ｂのレンズ１３の開口端とを夫々、図２に示すように平滑な平面で、または図３に示すように平滑な曲面（この場合は円筒面）１７でつなぐと良く、入射面１０Ａのレンズ１３の開口数ＮＡ１を、出射面１０Ｂのレンズ１３の開口数ＮＡ２よりも大きくすると、さらに良い。

これらの条件を満たす具体例として、例えば、図２では、素材として、ＭＭＡ樹脂（メチルメタクリル樹脂）、屈折率Ｎ＝１．４９２を用いるものとし、
入射面１０Ａのレンズの曲率半径Ｒ１＝３ｍｍ、
入射面１０Ａのレンズの開口幅Ｈ１＝３ｍｍ、
入射面１０Ａのレンズの開口数ＮＡ１＝約２０°
出射面１０Ｂのレンズの曲率半径Ｒ２＝８ｍｍ、
出射面１０Ｂのレンズの開口幅Ｈ２＝６ｍｍ、
出射面１０Ｂのレンズの開口数ＮＡ２＝約１５°
導光体１０の横幅Ｗ＝３３ｍｍ
とすると良い。
この場合、本発明者らが先に、特願２００５−２５９０５３で出願した、発明の名称：「線状照明用の導光装置」の中で、詳しく説明したように、
入射面１０Ａのレンズ１３の焦点距離ｆ１は、ｆ１＝Ｎ・Ｒ１／（Ｎ−１）＝約３Ｒ１＝９ｍｍとなり、
出射面１０Ｂのレンズ１３の焦点距離ｆ２は、ｆ２＝Ｎ・Ｒ２／（Ｎ−１）＝約３Ｒ２＝２４ｍｍとなり、
従って、Ｗ＝ｆ１＋ｆ２＝約９ｍｍ＋約２４ｍｍ＝約３３ｍｍとなる計算である。
このようにして、入射面１０Ａのレンズと、出射面１０Ｂのレンズとが、実質上焦点位置を共有する関係、つまり、アフォーカル光学系を成立させ、平行に入射した光を、平行に送り出すことができるようにした。

次に、入射面１０Ａのレンズの曲率半径Ｒ１を、出射面１０Ｂのレンズの曲率半径Ｒ２よりも小さくすると、図４で明らかなように、入射面１０Ａのレンズに斜め方向に入射した光が軸外に焦点Ｆ１を結んでも、出射面１０Ｂのレンズ側から見た場合、出射面１０Ｂのレンズの焦点距離ｆ２がｆ１のよりも大きいために、焦点ｆ１の軸ずれ相対角度が小さくなる、つまり、平行光線に一層近い光を、出射面１０Ｂのレンズ側から送り出すことができる関係にある。この効果を有効に得ることができるＲ２／Ｒ１の比率は、１．１以上１０以下の範囲が良い。その理由は、１．１未満では有意差がある効果が見られず、１０より大きいと、光源のサイズに較べて、導光体が過大となり、実用的でなくなるからである。
また、入射面１０Ａのレンズの開口幅Ｈ１を、出射面１０Ｂのレンズの開口幅Ｈ２よりも小さくしたことにより、図４で明らかなように、入射面１０Ａのレンズに斜め方向に入射した光の一部が、上側の平滑な平面１６、または平滑な局面１７で全反射するとき、その傾斜角度が、より軸に平行に近い反射光線を生み出す効果を有することになる。この効果を有効に得ることができるＨ２／Ｈ１の比率は、１．１以上１０以下の範囲が良い。その理由は、１．１未満では有意差がある効果が見られず、１０より大きいと、光源１１のサイズに較べて、導光体１０が過大となり、実用的でなくなるからである。

さらに、入射面１０Ａのレンズの開口数ＮＡ１を、出射面１０Ｂのレンズの開口数ＮＡ２よりも大きくしたことにより、入射光線の受付可能範囲が広がる上に、出射光線が出射レンズの開口幅Ｈ２一杯近くに広がる効果を生み出すことができる。この効果を有効に得ることができるＮＡ１／ＮＡ２の比率は、１．０１以上２以下の範囲が良い。その理由は、１．０１未満では有意差がある効果が見られず、２より大きいと、出射レンズの大部分が、光が当たらない領域になるからである。

図５〜図１０に示す断面図のように導光体１０を二分割し、入射面１０Ａのレンズ１３を有する第一導光体１０Ｃと、出射面１０Ｂレンズ１３を有する第二導光体１０Ｄとの中間に、第一導光体１０Ｃと第二導光体１０Ｄとの相対距離を増減できる空間（空気層部分）３３を設け、しかも、空間３３内の、第一導光体１０Ｃと第二導光体１０Ｄの相対距離調節範囲内に、入射面１０Ａのレンズと、出射面１０Ｂのレンズとが、実質上焦点位置を共有するように配置できる場所を含ませると良い。第一導光体１０Ｃと第二導光体１０Ｄとの中間に空間３３を設けることにより、ハロゲンランプのような焦点付近に高温度が発生する恐れがある光源を使用する場合でも、その焦点結像位置を空中に置くことにより、樹脂が溶けるなどのトラブルを防止できる。

その上、図５〜図１０に示すように、第一導光体１０Ｃと第二導光体１０Ｄとの相対距離を増減すれば、図５で示すように、出射光線をほぼ完全に近い平行光線にすることも、図６で示すように、僅かな角度の拡散光線にすることも、図７で示すように、一度集光してから拡散してゆく照射光線を意のままに得ることもできる。その上、レンズの加工精度などの問題で、一体的な導光体１０では完全な平行光線とならないような場合でも、上記のような調節の過程で、平行光線を得ることが可能になる利点もある。第一導光体１０Ｃの第二面４０、および第二導光体１０Ｄの第一面４１は夫々、図５ないし図７に示したように平面１６にすることも、図６ないし図１０に示したようにレンズ面１７にすることもできる。

図１１は本発明の第三実施例にかかる導光体１０を使用した照明装置４２の構造を簡略に示す平面図、図１２は図１１に示すＺ−Ｚ方向矢視断面図、図１４は図１１、図１２に使用した導光体１０を示す拡大斜視図である。これらの図のように、導光体１０を直線状の長板（棒）型とし、導光体１０が長手方向軸を中心に回転できるように、二個以上の照明用導光体１０を、軸４４に連結し、該軸４４同士を傘歯車４３など適宜の回転リンク手段で連結して、同じ傾斜角度で照射できるようにすると、四角錐型のズーム式照明器具が実現できる。

図１３は本発明の導光体１０の第四実施例を示す斜視図、図１９は図１３のＹ−Ｙ方向矢視断面図である。これらの図のように、導光体１０を円錐台型のロッド状にして、丸い照射光線を作り出しても良い。この場合にも、上記、実施例２と同様に、導光体１０を、第一導光体１０Ｃと第二導光体１０Ｄとに分離して、相対位置を調節自在にしても良い。

図１５は本発明の導光体１０の第五実施例を示す斜視図である。このように、導光体１０をリング型とすることができる。
図１５では導光体１０を二分割した状態で示しているが、導光体１０は一つのリング状に形成しても良いし、製造や組立の都合に合わせて任意の数に分割したものを組み合わせるとリング形状になるよう形成しても良い。

上記実施例５のように導光体１０をリング型にした上で、図１６、図１７、に示す断面図のように、導光体１０の少なくとも一部に屈曲部１５を設けることができる。あるいは、図１８に示す断面図のように、導光体１０の少なくとも一部に全反射面１４を設けることができる。これらによれば、リング型であって、所望の斜め方向から目的の場所を照射する、照明光学系を実現することが可能になる。

本発明による、照明用導光体とＬＥＤの接合実施方法を示した断面図である。（実施例１） 本発明による、照明用導光体の実施方法を示した断面図である。（実施例１） 本発明による、照明用導光体の実施方法を示した断面図である。（実施例１） 本発明による、照明用導光体の実施方法を示した断面図である。（実施例１） 本発明による、照明用導光体の実施方法を示した断面図である。（実施例２） 本発明による、照明用導光体の実施方法を示した断面図である。（実施例２） 本発明による、照明用導光体の実施方法を示した断面図である。（実施例２） 本発明による、照明用導光体の実施方法を示した断面図である。（実施例２） 本発明による、照明用導光体の実施方法を示した断面図である。（実施例２） 本発明による、照明用導光体の実施方法を示した断面図である。（実施例２） 本発明による、照明用導光体の実施方法を示した平面図である。（実施例３） 図７に示す照明用導光体のＺ−Ｚ方向矢視断面図である。（実施例３） 本発明による、照明用導光体の実施方法を示した斜視図である。（実施例４） 本発明による、照明用導光体の実施方法を示した斜視図である。（実施例３） 本発明による、照明用導光体の実施方法を示した斜視図である。（実施例５） 本発明による、照明用導光体の実施方法を示した断面図である。（実施例６） 本発明による、照明用導光体の実施方法を示した断面図である。（実施例６） 本発明による、照明用導光体の実施方法を示した断面図である。（実施例６） 図９に示す、本発明による照明用導光体のＹ−Ｙ方向矢視断面図である。（実施例４）

符号の説明

１０ 導光体
１０Ａ 入射面
１０Ｂ 出射面
１０Ｃ 第一導光体
１０Ｄ 第二導光体
１１ ＬＥＤ光源
Ｆ 焦点
１２ 球面レンズ
１３ 円筒レンズ
１４ 全反射面
１５ 屈曲部
１６ 平面
１７ 曲面
３０ 平行光線
３１ 収斂光線
３２ 拡散光線
３３ 空間（空気層部分）
４０ 第一導光体１０Ｃの第二面（光の出射面）
４１ 第二導光体１０Ｄの第一面（光の入射面）
４２ 照明装置
４３ 傘歯車
４４ 軸
４５ ケース
Ｍ モーター類

Claims (10)

1. ひとつの導光体の、入射面と出射面とに夫々レンズを備え、これら入射面レンズと、出射面レンズとが、実質上焦点位置を共有することを特徴とする照明用導光体。
2. 入射面レンズを有する第一導光体と、出射面レンズを有する第二導光体との中間に、第一導光体と第二導光体との相対距離を増減できる空間を設け、しかも、その相対距離調節範囲内に、入射面レンズと、出射面レンズとが、実質上焦点位置を共有するように配置できる場所を含むことを特徴とする照明用導光体。
3. 請求項１、または請求項２に記載した照明用導光体において、入射面レンズの曲率半径Ｒ１の方を、出射面レンズの曲率半径Ｒ２よりも小さくすることを特徴とする照明用導光体。
4. 請求項１ないし請求項３に記載した照明用導光体において、入射面レンズの開口幅Ｈ１の方を、出射面レンズの開口幅Ｈ２よりも小さく形成し、しかも、入射面レンズの開口端と、出射面レンズの開口端とを夫々平滑な平面、または曲面でつなぐこと、つまり該照明用導光体の側面部分を、表面が平滑な平面、または曲面に形成することを特徴とする照明用導光体。
5. 請求項１、ないし請求項４に記載した照明用導光体において、入射面レンズの開口数ＮＡ１の方が、出射面レンズの開口数ＮＡ２よりも大きいことを特徴とする照明用導光体。
6. 請求項１、ないし請求項５に記載した照明用導光体において、導光体が直線状の棒型、もしくは円錐台状、もしくは導光体の軸方向(長手方向)に対し垂直な断面が略鍵穴型である棒型であることを特徴とする照明用導光体。
7. 請求項６に記載した照明用導光体において、導光体が長手方向軸を中心に回転できる構成とし、しかも、このような構成の二個以上の照明用導光体を、適宜の回転リンク手段で連結して、同じ傾斜角度で照射できるようにしたことを特徴とする照明用導光体。
8. 請求項１、ないし請求項５に記載した照明用導光体において、導光体の側面部分が曲面で形成されたリング型であることを特徴とする照明用導光体。
9. 請求項１、ないし請求項８に記載した照明用導光体において、導光体の少なくとも一部に屈曲部を含むことを特徴とする照明用導光体。
10. 請求項１、ないし請求項８に記載した照明用導光体において、導光体の少なくとも一部に反射面を含むことを特徴とする照明用導光体。
    

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