JP2013161611A - 環状照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被照明体との距離にかかわらず、高効率な照明が可能な環状照明装置を提供する。
【解決手段】環状のレンズ部２は、三角状プリズム１２が複数の同心円状に形成された環状のフレネルレンズ３を有し、発光体１０からの出射光を、このフレネルレンズ３の各三角状プリズム１２の基部１４側から入射させて環状中心軸Ｏから遠い側の第１レンズ面１５の内面で全反射させ、環状中心軸Ｏから近い側の第２レンズ面１６から出射させて、環状中心軸Ｏ方向の前方に配光角度を変更するものである。各三角状プリズム１２の同心円間隔が互いに相異なる複数種類のフレネルレンズ３が設けられて、被照明体との距離に応じて、ケース９に着脱自在に取り付けられる。
【選択図】図５

Description

本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）のような発光体を光源として環状に複数並置した照明装置に関する。

発光体として複数のＬＥＤ等を光源とした照明装置は、例えば画像処理装置などで用いられるが、撮像カメラの光軸を中心とした周囲に、複数のＬＥＤを環状に配置し、撮像対象に対して周囲から照明を行うものが知られている（例えば、特許文献１）。

また、環状に配置したＬＥＤからの出射光について、環状中心軸方向へ配光特性を得るためにＬＥＤを実装する配線基板を傾斜させた照明装置も知られている（例えば、特許文献２）。

しかし、特許文献２では、ＬＥＤを実装する配線基板も傾斜させる必要性から構造的制約が大きい。また、配線基板の傾斜角は固定なので、ＬＥＤの配光特性を変える場合には、照明装置ごと取り替える必要がある。さらに、傾斜した配線基板を成形するには組立工数がかかり、高コスト化する。

このため、複数のＬＥＤが環状に装着されて表裏面が互いに平行な平板からなる環状の配線基板と、ＬＥＤの出射側となる前方に配置された環状のフレネルレンズとが形成されて、環状中心軸方向の前方に位置する被照明体へ照明を行う環状照明装置も知られている（例えば、特許文献３）。

特開２００４−１２７９２２号公報 特開２００３−３０３５１１号公報 特開２００２−００８４１０号公報

しかし、特許文献３は、ＬＥＤからの出射光をフレネルレンズで一点に集光させるもので、一般的なフレネルレンズの屈折を利用したものであるため、被照明体との距離が近くなるとき、フレネルレンズの三角状プリズムの山の角度によってはその屈折により被照明体に十分に集光させるのが困難となり、画像処理等に必要なだけの照明を得られない場合があった。また、被照明体との距離によっては、フレネルレンズの焦点距離がずれるため、やはり照明装置ごと取り替える必要もあった。

本発明の目的は、被照明体との距離にかかわらず、高効率な照明が可能な環状照明装置を提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明に係る環状照明装置は、複数の発光体が環状に装着された環状の配線基板、および前記発光体の出射側となる前方に配置された環状のレンズ部を有する装置本体と、この装置本体を収納するケースとを備え、環状中心軸方向の前方に位置する被照明体へ照明を行う環状照明装置であって、前記環状のレンズ部は、三角状プリズムが複数の同心円状に形成された環状のフレネルレンズを有し、前記発光体からの出射光を、このフレネルレンズの各三角状プリズムの基部側から入射させて環状中心軸から遠い側の第１レンズ面の内面で全反射させ、環状中心軸から近い側の第２レンズ面から出射させて、前記環状中心軸方向の前方に配光角度を変更するものであり、各三角状プリズムの同心円間隔が互いに相異なる複数種類のフレネルレンズが設けられて、被照明体との距離に応じて、前記ケースに着脱自在に取り付けられる。

この構成によれば、発光体からの出射光をフレネルレンズの内面で全反射させて環状中心軸方向の前方に配光角度を変更するので、従来のようなフレネルレンズの屈折と比べて被照明体との距離が近いときでも十分な集光が可能となる。また、各三角状プリズムの同心円間隔が互いに相異なる複数種類のフレネルレンズが、被照明体との距離に応じてケースに着脱自在に取り付けられるので、フレネルレンズを適宜選択することにより、照明光を被照明体の距離に正確に合わせることができる。これにより、被照明体との距離にかかわらず、高効率な照明が可能な環状照明装置が得られる。

本発明において、前記フレネルレンズは、前記発光体からの出射光が全反射されるように、各三角状プリズムの第１レンズ面がそれぞれ前記環状中心軸に対して５０°未満となる傾斜角度を有するように形成されているのが好ましい。この場合、フレネルレンズの各三角状プリズムの第１レンズ面の内面における発光体からの出射光の全反射が、より容易に得られる。

本発明において、前記レンズ部は、さらに複数の発光体と前記フレネルレンズの間に各発光体にそれぞれ対向して環状に配置された複数の集光レンズを有し、各集光レンズが各発光体からの出射光を前記環状中心軸に対して２０°以下となる方向で前記フレネルレンズの各三角状プリズムの基部側に入射させるようにして配光角度を変更させてもよい。このように集光レンズを利用することで、出射光を円滑に環状中心軸と平行な方向に近づく方向で当該基部側に入射させることができ、各三角状プリズムの第１レンズ面の内面で全反射しやすくすることができる。

本発明によれば、発光体からの出射光をフレネルレンズの内面で全反射させて環状中心軸方向の前方に配光角度を変更するので、従来のようなフレネルレンズの屈折と比べて被照明体との距離が近いときでも十分な集光が可能となる。また、各三角状プリズムの同心円間隔が互いに相異なる複数種類のフレネルレンズが、被照明体との距離に応じてケースに着脱自在に取り付けられるので、被照明体との距離に合わせてフレネルレンズを選択することができる。

本発明の一実施形態にかかる環状照明装置の分解斜視図である。 同環状照明装置の縦断面図である。 同環状照明装置の平面図である。 （Ａ）は同環状照明装置のフレネルレンズの構成を示す底面図、（Ｂ）は、その縦断面図である。 （Ａ）、（Ｂ）は同環状照明装置の一部拡大した縦断面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳述する。図１は本発明の一実施形態にかかる環状照明装置の分解斜視図を示す。この環状照明装置は、ＬＥＤからなる複数の発光体１０が環状に装着された環状の配線基板１、この配線基板１の発光体１０の出射側となる前方（図１の上方）に配置されたレンズ部２、および電気絶縁性および高熱伝導性をもつ環状の熱伝導シート６を有する装置本体７と、有底の二重筒状の形状を有して、その外壁２１と内壁２２間に装置本体７を収納する熱伝導性のケース９とを備えている。

配線基板１は表裏面が互いに平行な平板からなり、発光体１０は例えば１列に環状に配置された表面実装型のＬＥＤである。レンズ部２は、三角状プリズム１２が複数の同心円状に形成された環状のフレネルレンズ３と、複数の発光体１０とフレネルレンズ３の間に各発光体１０にそれぞれ対向して環状に配置された複数の集光レンズ５とを備えている。各集光レンズ５は環状の支持体１７に支持されている。

環状の配線基板１には周方向に沿って複数の配線基板固定具２３が取り付けられている。この配線基板固定具２３は、配線基板１の内周面と外周面を挟む、例えばコの字状の形状を有し、配線基板１の後面とコの字状基部の間に熱伝導シート６が装着され、コの字の両先端に設けられた爪によって配線基板１に実装された発光体１の前面に対向して集光レンズ５の支持体１７が装着される。

縦断面図である図２に示すように、配線基板１とその前後の集光レンズ５、熱伝導シート６は、配線基板固定具２３によって固定された状態で、電気絶縁性および高熱伝導性をもつ熱伝導シート６がケース９の底壁９ａの前面に接触されて、ケース９の外壁２１と内壁２２との間に取り付けられる。ここで、高熱伝導性とは、常温（２５℃）で５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の熱伝導率を有することをいい、シリコン、鉄、アルミニウムなどが該当する。図１のように、環状のフレネルレンズ３および熱伝導シート６の外周面に沿って複数の凹部３１、３２、並びに集光レンズ５の支持体１７および配線基板１にそれぞれ外周面に沿って複数の凹部３３、３４、内周面に沿って複数の凹部３５、３６が形成されており、各外周面の凹部をケース９の外壁２１の内方に突出する突条３７に、各内周面の凹部を内壁２２の外方に突出する突条３８に嵌め込むように構成されている。

ケース９には、底壁９ａを貫通するねじ孔２４が複数設けられており、フレネルレンズ３、集光レンズ支持体１７、配線基板１および熱伝導シート６の各凹部３１〜３６を、ケース６の各突条３７、３８に嵌め込んだ状態で、前記ねじ孔２４に、配線基板固定具２３の図示しない底部に設けられたねじ孔を合致させて、ケース９の底壁９ａの後面側からねじ体２５をねじ込んで、集光レンズ支持体１７、配線基板１および熱伝導シート６がケース９の後部の底壁９ａに取り付けられる。一方、環状のフレネルレンズ３の内周面近傍に周方向に沿って複数の貫通孔２６が設けられており、この貫通孔２６を、ケース９の内壁２２の先端面２２ａに設けられた複数のねじ孔２８に合致させて、ケース９の前面側から複数のねじ体２７をねじ込んで、ケース９の前部の開口側にフレネルレンズ３が取り付けられる。ケース９の前面開口は、透明樹脂のような透過性に優れた素材で形成されたカバーＣ（図２）で覆われており、前方からの粉塵や湿気などの異物の侵入を防止できる。

配線基板１は熱伝導シート６を介してケース９の底壁９ａの前面に接触しているので、熱伝導シート６は、発光体（ＬＥＤ）１０や内部電子部品からの熱をケース９側に伝導して照明装置内部を放熱冷却する役割を果たすから、配線基板１が熱影響を受け難く、熱損傷を極力回避できる。また、熱伝導シート６は配線基板１を保持する機能をも併せ持つ。熱伝導シート６は、例えば電気絶縁性および熱伝導性に優れたシリコンシートで形成され、粘着性を付与したものが好ましく使用される。

図１のケース９は、熱伝導性に優れた材料、例えばアルミニウムで形成されており、図３に示すように、その底壁の後面には複数の放熱フィン１９が形成されており、前記発光体（ＬＥＤ）１０や内部電子部品による発熱を熱伝導シート６を介して効率よく放熱し、温度上昇による性能低下を防止する。配線基板１の裏面端部に固着された電線１８が、ケース９の取出孔３０から外部に引き出されている。また、ケース９の裏面にはタップ加工による雌ねじが形成された複数の取付ねじ部４０が形成され、これを利用して、照明装置が図示しない他の機器に取り付けられる。

図４（Ａ）に示すように、環状のフレネルレンズ３は、複数の同心円状に径方向Ｘに離間した各三角状プリズム１２が形成されており、図４（Ｂ）の縦断面図に示すように、発光体１０からの出射光を、環状中心軸Ｏ方向の前方に配光角度を変更する。

図４（Ｂ）のように、フレネルレンズ３は、発光体１０からの出射光を、Ｂ部拡大図に示す各三角状プリズム１２の基部１４側から入射させて環状中心軸Ｏから遠い側の第１レンズ面１５の内面で全反射させ、環状中心軸Ｏから近い側の第２レンズ面１６から出射させて、環状中心軸Ｏ方向の前方に配光角度を変更する。

この場合、図５（Ａ）に示すように、配線基板１に装着された発光体１０からの出射光が第１レンズ面１５の内面で全反射されるように、集光レンズ６により、当該出射光を環状中心軸Ｏと平行な方向Ｙに対する角度θ１が２０°以下の方向でその三角状プリズム１２の基部１４側に入射させる。この基部１４では、屈折率の差により集光レンズ６からの出射光が方向Ｙにより近づくように若干屈折して基部１４内に入射する。これとともに、各三角状プリズム１２の第１レンズ面１５は、それぞれ環状中心軸Ｏと平行な方向Ｙに対して５０°未満となる傾斜角度θを有するように形成されている。つまり、図５（Ｂ）のように、径方向Ｘに沿って断面のこぎり状の各三角状プリズム１２のそれぞれの山が鋭角な角度θ０を持つように形成される。

フレネルレンズは通常、のこぎり状の各三角状プリズムの山が同心円中心側から同心円周辺側に向かって次第に鋭角に形成される。例えば、本発明と異なり、第１レンズ面が方向Ｙに対して大きく離れて傾斜した例えば５０°以上の角度、つまり、同心円中心側のような三角状プリズムの山が形成された場合には、発光体からの出射光は第１レンズ面の内面で全反射ではなく屈折してしまう。したがって、図５（Ｂ）のフレネルレンズ３は、この中心側が削除された環状の形状を有するとともに、各三角状プリズム１２が前記第１のレンズ面１５の傾斜角度θの小さい、同心円周辺側における山の角度θ０が鋭角な形状を有するものが使用される。このとき第２レンズ面１６の傾斜角度も小さいので、第１レンズ面１５で全反射された光は第２レンズ面１６に対してほぼ垂直の方向に出射する。第１レンズ面１５のＹ方向に対する傾斜角度θの範囲は、例えば２５°〜４９°の範囲が好ましい。

このため、従来のようなフレネルレンズの屈折を利用したものと比べて、Ｙ方向に対する傾斜角度θの前記範囲内における第１レンズ面１５の内面の全反射により、照明装置の前方近傍へ配光角度が大きくなり、被照明体との距離が近いときでも十分な集光が可能となる。また従来の屈折利用のように屈折と同時に反射が発生することなく、全反射によりフレネルレンズ３における光の効率低下が抑止される。また、フレネルレンズ３の各三角状プリズム１２は一点に集光する焦点を有しないものであることも好ましい。この場合、フレネルレンズ３の同心円状に径方向Ｘに離間した各三角状プリズム１２からの全反射による照明光が互いに重なることで、均一な照明が得られる。

また、図５（Ａ）のように、各集光レンズ５は、上記したように、各発光体１０からそれぞれ拡がる出射光を角度θ１が２０°以下の方向でフレネルレンズ３の各三角状プリズム１２の基部１４側に入射されるように配光角度を変更させる。つまり、集光レンズ５は光の入射角度θ２に対して出射角度θ３に屈折させる（θ２＞θ３）。これにより、出射光を円滑に環状中心軸Ｏと平行な方向Ｙに近づく方向で当該基部１４側に入射させることができ、各三角状プリズム１２の第１レンズ面１５の内面で全反射しやすくなる。

こうして、本装置は、発光体１０からの出射光をフレネルレンズ３の各三角状プリズム１２における第１レンズ面１５の内面で全反射させて環状中心軸Ｏ方向の前方に配光角度を変更するので、従来のようなフレネルレンズの屈折を利用したものと比べて、配光角度を大きく変更でき被照明体との距離が近いときでも十分な集光が可能となる。

三角状プリズム１２の同心円間隔の広狭により、フレネルレンズ３からの照明光の方向が変化する。すなわち、フレネルレンズ３の同心円間隔が狭く、径方向Ｘに三角状プリズム１２の山の数が多いとき、各三角状プリズム１２の第１レンズ面１５のＹ方向に対する傾斜角度θが前記範囲内で小さく（山が鋭角に）なり、このとき、第１レンズ面１５の内面における全反射の角度は、当該内面に対して小さい角度で入射して小さい角度で出射するので、照明光は環状中心軸Ｏ方向のより前方遠くに到達する。したがって、三角状プリズム１２の同心円間隔が相異なる複数種類のフレネルレンズ３を用意しておき、被照明体との距離に応じて、ケース９に着脱自在に取り付けられるようにすることにより、被照明体との距離にかかわらず、高効率な照明が可能となる。

こうして、本装置は、この三角状プリズム１２の同心円間隔が互いに相異なる複数種類のフレネルレンズ３が、被照明体との距離に応じてケース９に着脱自在に取り付けられるので、フレネルレンズ３を適宜選択することにより、本装置と被照明体の距離に応じて照明光を被照明体に正確に合わせることができる。

このように、本発明では、発光体１０からの出射光をフレネルレンズ３の内面で全反射させて環状中心軸Ｏ方向の前方に配光角度を変更するので、従来のようなフレネルレンズの屈折と比べて被照明体との距離が近いときでも十分な集光が可能となる。また、各三角状プリズム１２の同心円間隔が互いに相異なる複数種類のフレネルレンズ３が、被照明体との距離に応じてケース９に着脱自在に取り付けられるので、フレネルレンズ３を適宜選択することにより、照明光を被照明体の距離に正確に合わせることができる。これにより、被照明体との距離にかかわらず、高効率な照明が可能な環状照明装置が得られる。

なお、この実施形態では集光レンズ５を設けているが、必要に応じて省略してもよい。また、発光体１０を表面実装型のＬＥＤとしているが、砲弾型のＬＥＤとしてもよい。

なお、この実施形態では装置本体７を円環状の形状としているが、円環の一部切り欠いた形状も含まれ、その他に長方形を含む矩形の角環状などの形状としてもよい。

以上のとおり、図面を参照しながら好適な実施形態を説明したが、当業者であれば、本件明細書を見て、自明な範囲内で種々の変更および修正を容易に想定するであろう。したがって、そのような変更および修正は、添付の特許請求の範囲から定まるこの発明の範囲内のものと解釈される。

１：配線基板
２：レンズ部
３：フレネルレンズ
５：集光レンズ
７：装置本体
９：ケース
１０：発光体（ＬＥＤ）
１２：三角状プリズム
１４：基部
１５：第１レンズ面
１６：第２レンズ面
Ｏ：環状中心軸
Ｙ：環状中心軸と平行な方向

Claims (3)

1. 複数の発光体が環状に装着された環状の配線基板、および前記発光体の出射側となる前方に配置された環状のレンズ部を有する装置本体と、この装置本体を収納するケースとを備え、環状中心軸方向の前方に位置する被照明体へ照明を行う環状照明装置であって、
   前記環状のレンズ部は、三角状プリズムが複数の同心円状に形成された環状のフレネルレンズを有し、前記発光体からの出射光を、このフレネルレンズの各三角状プリズムの基部側から入射させて環状中心軸から遠い側の第１レンズ面の内面で全反射させ、環状中心軸から近い側の第２レンズ面から出射させて、前記環状中心軸方向の前方に配光角度を変更するものであり、
   各三角状プリズムの同心円間隔が互いに相異なる複数種類のフレネルレンズが設けられて、被照明体との距離に応じて、前記ケースに着脱自在に取り付けられる、
   環状照明装置。
2. 請求項１において、
   前記フレネルレンズは、前記発光体からの出射光が全反射されるように、各三角状プリズムの第１レンズ面がそれぞれ前記環状中心軸に対して５０°未満となる傾斜角度を有するように形成されている、環状照明装置。
3. 請求項２において、
   前記レンズ部は、さらに複数の発光体と前記フレネルレンズの間に各発光体にそれぞれ対向して環状に配置された複数の集光レンズを有し、各集光レンズが各発光体からの出射光を前記環状中心軸に対して２０°以下となる方向で前記フレネルレンズの各三角状プリズムの基部側に入射させるようにして配光角度を変更させる、環状照明装置。
   
   

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