JP2022102292A - 携帯型照明装置 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、照射範囲を特定形状とし、且つ照射範囲内の照度を略均一とし、さらに近距離から遠距離までフォーカス調整不要な携帯型照明装置を提供することを目的とする。
以下、本発明の第1実施形態の携帯型照明装置1について説明する。図1は第1実施形態の携帯型照明装置1の基本光学系を示す概略図である。
光源2は、例えば、可視光、赤外線、紫外線等を発生させる光源であり、発光ダイオード等の固体光源やランプなどである。
コリメータ3は、レンズ又はリフレクタであって、光源2から出射した光を概略平行光とする。実施形態でコリメータ3はリフレクタ兼レンズで、カップ状の鏡面を有し、光源2から出射した光を反射と集光を用いて、一定範囲の略平行光とする。
カバープレート5は、透明樹脂製で、筐体10の出射側の開口に設けられている。
カバープレート5により、筐体内への塵埃や水の侵入が防止され、携帯型照明装置1の耐久性と耐環境性が確保される。
図2は、フライアイレンズ4を説明する図であり、図2(a)は正面図、図2(b)は側面図、図2(c)は図2(b)の部分Aの拡大図である。図3(a)に実施形態のフライアイレンズ4、図3(b)に比較形態のフライアイレンズ4´の拡大写真を示す。
図2(c)に示すように、フライアイレンズ4は、コリメータ3からの光の入射側に二次元配列された複数のレンズセル40aと、入射側のレンズセル40のそれぞれと対向して出射側に二次元配列された複数のレンズセル40bと、を備える。レンズセル40aとレンズセル40bとは、1枚の板状の部材両面にそれぞれ配置され、同形状であり、区別して説明する必要のない場合、レンズセル40として説明する。
フライアイレンズ4を用いることで、光源の輝度むらを分散させることができるので、照射面で一様な照度分布を得ることができる。
図4は、屈折率が異なる種々の材料によりフライアイレンズ4を設計した場合の、軸上厚(μm)、レンズセル40の曲率半径R、突状となるレンズセル40の縁部での立上がり角度(θ°)を示す表である。
図4に示すように、屈折率が異なるとレンズセル40の形状が変化し、屈折率が低いほど、立上がり角度θが大きくなる。実施形態では、ガラス成型での型製作の容易さや成形時の離形性、型耐久性を考慮し、レンズセル40(フライアイレンズ4)の材料として立上がり角度θの小さい低融点ガラスであるVC82を用いる。
図3(a)に示すように、実施形態のフライアイレンズ4は、例えばアスペクト比6:4といった複数の矩形のレンズセル40が、縦横に二次元に整列配置されて構成されている。そして、実施形態のフライアイレンズ4は、サイズの小さい、いわゆるマイクロフライアイレンズで、図2(a)で示すように全体形状として略矩形で、一辺の大きさは10mm~30mmであり、実施形態では20mmである。
フライアイレンズ4内のそれぞれのレンズセル40のサイズ(ピッチ)は、500μm以下が好ましく、400μm以下がより好ましく、実施形態では330μm×220μmである。レンズセル40を横330μm縦220μmのアスペクト比6:4とすると、Φ26の光束内に7300個のレンズセルが配置される。なお、レンズセル40の一辺のサイズは、実施形態においてフライアイレンズ4の一辺の大きさの1/50~1/100である。
図2(c)に示すように、入射側のレンズセル40aの凸部の頂点と、その入射側のレンズセル40aと対向する出射側のレンズセル40bの凸部頂点との間の距離(軸上厚)は、1000μm以下が好ましい。
実施形態では材料としてVC82を用い、図4に示すように、軸上厚800μm、レンズの曲率半径Rは344μmである。
以下、従来の一般的なフライアイレンズを比較形態として説明する。
比較形態のフライアイレンズ4´は、図3(b)に示すように、実施形態と同様に、例えばアスペクト比6:4といった複数の矩形のレンズセル40´が、縦横に二次元に整列配置されて構成されている。
しかし、比較形態のフライアイレンズ4´のそれぞれのレンズセル40´のサイズは、実施形態より大きく、例えば1200μm×800μmといった少なくとも一辺が700μm以上である。
比較形態の入射側のレンズセルの凸部の頂点と、その入射側のレンズセルと対向する出射側のレンズセルの凸部頂点との間の距離(軸上厚)は5mm(5,000μm)程度である。
しかし、携帯型照明装置1等の小型の照明装置においては、フライアイレンズ4のサイズは、例えば20mm角と小さい。この20mm角内に配置できるフライアイレンズの数は、比較形態では448個と少ない。これに対して、実施形態では6600個のセルを配置することができる。
レンズセル40の数も照射光の照度均一化に影響し、多いほど照度均一化に好ましい。
実施形態によると、フライアイレンズ4のサイズが同じでも、比較形態と比べて10倍以上のレンズセル40を配置することができる。また、レンズセル40のサイズも小さい。したがって、軽量化、小型化、且つ照射光の照度均一化とエッジ明瞭化が実現可能である。
図5は、図2(c)のB部の拡大図であり、図中実線は実施形態、点線は比較形態である。実施形態では、入射側又は出射側のそれぞれの面内で隣り合うレンズセル40間において、一方のレンズセル40のレンズ有効部と他方のレンズセル40のレンズ有効部との間の幅d、すなわちレンズ非有効部の幅dは10μm以下である。
レンズ有効部とは、レンズセル40における集光に寄与する部分で、レンズ非有効部とは、レンズ有効部の外周部でレンズセル40における集光に寄与せず、光が発散や散乱する部分である。
例えば、比較形態において幅d´は、図5に示すそれぞれのレンズセル40´の頂点を通る断面において、一つのレンズセル40´の輪郭が作るラインの変曲点Pと、その隣のレンズセル40´の輪郭が作るラインの変曲点Pとの間の幅d´(距離)となるが、実施形態は変曲点Pの存在が確認できないレベルであり、光が散乱する部分の幅は10μm以下である。
図6は、図3に示すように、レンズセル40が並ぶ方向をXY方向としたときに、例えばY方向において隣り合うレンズセル40とレンズセル40との間のX方向に延びる隙間の、Y方向の位置のばらつき(直進性)を測定したグラフである。
図6の図中黒丸は図3(a)に示す実施形態のフライアイレンズ4のレンズセル40間の隙間DであるラインCの直進性であり、バツ印は図3(b)に示す比較形態のフライアイレンズ4´のレンズセル40´間の隙間であるラインC´の直進性である。図6の左側端部での隙間の位置をY座標のゼロとし、図中X方向において約1200μm右側へ向かったときの隙間DのY方向の位置をプロットしたものである。
これに対して実施形態では、隙間Dの位置は約マイナス1.0~+0.5μmの範囲にある。すなわち、Y方向の位置の振れ幅mは1.5μmである。なお、実施形態では、1.5μmに限らず、3μm以下であればよく、2μm以下であればさらに好ましい。
しかし、実施形態では、隣り合うレンズセル40間の隙間Dが狭く、直進性が高いので、フライアイレンズの1個1個のレンズの稜線が明瞭である。
したがって、散乱光が発生しにくく、照明範囲の輪郭が明瞭となる。ゆえに、アパーチャを設ける必要がなく、輪郭を結像させるフォーカスレンズも不要である。ゆえに、携帯型照明装置1の軽量化が可能で、コストも削減可能である。
実施形態では、携帯型照明装置1の照射光は矩形であり、照射光の発散角は、横30°~45°、縦20°~30°が好ましい。
一方、確認したい対象物が周囲に対して動いているようなものの場合には、更に広い照射範囲の、40°~90°が好ましい。この場合の形態については後述する。
フライアイレンズ4を製造する場合、まず、最初に所望の発散角と使用する材料から屈折率を決める。屈折率が決まると、フライアイレンズ4の曲率半径R、レンズサイズ、軸上厚の取り得る組み合わせが定まり、それぞれ比例関係を保った状態で、フライアイレンズ4の形状を決定することが可能になる。
そして、レンズセル40のレンズ間ギャップが10μm以下の型を製作し、ガラスモールド成形装置でフライアイレンズ4を成形する。
なお、図8は、実施形態の携帯型照明装置1と同じ材料で製造した場合の、異なるサイズの携帯型照明装置のレンズセルの曲率半径R、レンズサイズ、軸上厚の例を示す表である。表の中央が実施形態であり、上下が変形形態A及び変形形態Bである。
図9は、実施形態の携帯型照明装置1から4m先のスクリーンに照射された光の照射範囲のシミュレーション結果を示した図である。図10は、図9のX方向の照度の実測結果を示すグラフである。
また、図10に示すように、携帯型照明装置1から4m先のスクリーンに照射された光は、中心からX方向に約1600mmの位置から光の強度の立下りが始まり、図9に示したシミュレーション結果の横3200mの半分である、設計値通りの値が得られた。
(レンズセル40のサイズが小さいことによる効果)
以上、実施形態の携帯型照明装置1は、レンズセル40のサイズが330μm×220μmである。レンズセル40のサイズが小さいほど、ホモジナイズ(均一化)効果は向上する。ゆえに、実施形態によるとレンズセル40の1個のサイズがこのように小さいので携帯型照明装置1等の小型の装置に搭載しても、出射光を十分に均一化することができる。
携帯型照明装置1は、このように、照射範囲内での照度の均一性が高い。
ここで、視野内の明暗に対応する場合、瞳孔の大きさや光を感じる細胞を切り替えながら明るさの変化対応である、いわゆる「順応」が行われる。暗いところから明るいところへ順応する反応が明順応である。明るいところから暗い所へ順応する反応が暗順応である。明順応が必要な場面では、順応が完了するまでは眩しくて視界内が見えない状態となる。暗順応が必要な場面では、順応が完了するまでは暗くて視界内が見えない状態となる。
また、照射範囲内の照度が均一であると、中央部の照度が照射範囲における他の領域と比べてそれほど高くないので4中央部が眩しさをそれほど感じない。ゆえに、人に対して照射したときに、照射された人が眩しさを感じない状態を確保しつつ、人の存在をはっきりと確認することが可能となる。
また、視野の中が全部同じ明るさだと、順応反応を起こさずに全ての範囲を見ることができる。したがって、ストレスを感じない。
実施形態では、一方のレンズセル40のレンズ有効部と他方のレンズセル40のレンズ有効部との間の幅d、すなわちレンズ非有効部の幅dは10μ以下と、比較形態の50μmと比べてかなり小さい。
実施形態では、図3に示すように、レンズセル40が並ぶ方向をXY方向としたときに、例えばY方向において隣り合うレンズセル40とレンズセル40との間のX方向に延びる隙間Dの位置は約マイナス1.0~+0.5μmの範囲にある。すなわち、Y方向の位置の振れ幅mは1.5μmである。すなわち、隣り合うレンズセル40間の隙間Dの直進性が高い。
このように、実施形態では、隣り合うレンズセル40間の隙間Dが狭く、直進性が高いので、フライアイレンズの1個1個のレンズの稜線が明瞭である。
したがって、フライアイレンズ4の隙間Dの影響で発生する散乱光の発生が比較形態と比べて非常に小さく抑えられる。これにより、携帯型照明装置1の照射光の最外周部の照度低下を急峻にすることができる。
このように。散乱光が発生しにくく、照明範囲の輪郭が明瞭となるので、アパーチャを設ける必要がなく、輪郭を結像させるフォーカスレンズも不要である。ゆえに、携帯型照明装置1の軽量化が可能で、コストも削減可能である。
認することが可能になり、エネルギー利用効率の高い照明として利用することができる。
紫外線に利用範囲を広げることにより、例えば均一な殺菌や工業用途では露光や接着工程でのUV照度均一化を簡便な光学系で実現することが可能になる。特に紫外線は照射されたものを劣化させるため、明瞭な被照射領域で照射箇所周辺の劣化を防ぐことができる。
図12は第2実施形態の携帯型照明装置201の基本光学系を示す概略図である。携帯型照明装置201は、第1実施形態と同様の例えば懐中電灯等の小型な携帯型照明装置201である。
携帯型照明装置201は、光軸方向に順に、光源2と、コリメータ3と、フライアイレンズ4と、をカバープレート5とを備え、これらは筐体10内に保持されている。また、筐体10内には光源2に電力を供給する電池収容部6が設けられている。
第2実施形態が第1実施形態と異なる点は、携帯型照明装置201が、カバープレート5の光軸方向内側に、さらにズームレンズ210を備える点である。それ以外は第1実施形態と同様であるので、第1実施形態と同様の部分についての説明は省略する。
一方、確認したい対象物が周囲に対して動いているようなものの場合には、更に広い照射範囲が求められ、発散角は40°~90°の範囲が好ましい。
なお、図13(a)は、比較としてズームレンズ210を含まない第1実施形態における照射パターンのシミュレーション結果を示したものである。
視野角に換算すると、第1実施形態のズームレンズがない携帯型照明装置1の場合、発散角は40°、第2実施形態の携帯型照明装置201において距離Lを5mm、20mm、50mmと変更すると、それぞれ発散角が53°、66°、86°と拡大される。
2 光源
3 コリメータ
4 フライアイレンズ
40 レンズセル
40a 入射側レンズセル
40b 出射側レンズセル
このように、実施形態では、隣り合うレンズセル40間の隙間Dが狭く、直進性が高いので、フライアイレンズの1個1個のレンズの稜線が明瞭である。
したがって、フライアイレンズ4の隙間Dの影響で発生する散乱光の発生が比較形態と比べて非常に小さく抑えられる。これにより、携帯型照明装置1の照射光の最外周部の照度低下を急峻にすることができる。
このように。散乱光が発生しにくく、照明範囲の輪郭が明瞭となるので、アパーチャを設ける必要がなく、輪郭を結像させるフォーカスレンズも不要である。ゆえに、携帯型照明装置1の軽量化が可能で、コストも削減可能である。そして、照明範囲の輪郭を明瞭に視認することが可能になり、エネルギー利用効率の高い照明として利用することができる。
Claims (11)
- 光源と、
前記光源の光が入射するコリメータと、
前記コリメータを通過した光が入射するフライアイレンズであって、光の入射側に二次元配列された複数のレンズセル、及び、入射側の前記レンズセルのそれぞれと対向して二次元配列された複数の出射側のレンズセルを備えるフライアイレンズと、を具備し、
それぞれのレンズセルが矩形又は六角形で、照射形状が矩形又は六角形の携帯型照明装置。 - 入射側及び出射側のそれぞれの前記レンズセルは、一辺のサイズが500μm以下で、隣り合うレンズセル間において、一方のレンズセルのレンズ有効部と他方のレンズセルのレンズ有効部との間の距離が10μm以下である、
請求項1に記載の携帯型照明装置。 - 一列に並ぶレンズセルと、前記一列と隣り合う列に並ぶレンズセルとの間の隙間は、
前記列が並ぶ方向と直交する方向の位置のばらつきが3μm以下である、
請求項1又は2に記載の携帯型照明装置。 - 携帯型照明装置から出射された光が照射されている位置において、
照度が最大値の75%以上の範囲を主照射範囲としたときに、
照度が最大値の5%から前記主照射範囲になるまでの幅が、
前記主照射範囲の幅の20%以内である、
請求項1から3のいずれか1項に記載の携帯型照明装置。 - 前記主照射範囲が矩形で、
前記矩形の一辺方向の発散角が30°~45°で、
他辺方向の発散角が20°~30°である、
請求項4に記載の携帯型照明装置。 - 前記フライアイレンズの光の出射側に、前記フライアイレンズで成形された光に光学作用を加える光学部材を含まない、
請求項1から5のいずれか1項に記載の携帯型照明装置。 - 前記フライアイレンズの光の出射側に、光を成型又は均一化するための光学部材を含まない、
請求項1から5のいずれか1項に記載の携帯型照明装置。 - 前記光源と、前記コリメータと、前記フライアイレンズとが筐体内に保持され、
前記筐体における前記フライアイレンズの光の出射側に、防塵カバーが配置されている、
請求項1から7のいずれか1項に記載の携帯型照明装置。 - 前記フライアイレンズの光の出射側に、前記光源との距離が可変なレンズを備え、
前記レンズと前記光源との距離を変更することによって発散角を拡大可能なズーム機能を有する、
請求項1から5のいずれか1項に記載の携帯型照明装置。 - 前記ズーム機能の作動に伴い、照度が変化する、
請求項9に記載の携帯型照明装置。 - 前記光源は、可視光、赤外線又は紫外線を発生させる光源である、
請求項1から10のいずれか1項に記載の携帯型照明装置。
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