JPS6217721A - 投光装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の目的 （産業上の利用分野） この発明は投光装置、特にカメラのオートフォーカス用
に適した投光装置に関する。

（従来技術） カメラの投光受光式オートフォーカス用の投光装置やバ
ーコードリーダの投光装置等において光源として利用さ
れるＬＥＤの一般的な配光特性を第７図に示す。これは
一般に無指向性と呼ばれる特性に属し、０方向を軸とし
、発光点を頂点とする半頂角θの円錐の母線に沿う方向
の発光強度ｆｔ１θとすれば、ＩＯを０方向の発光強度
として １θ＝　１０００８０ で近似的に表現出来る。

従来の投光装置の光学系の１例を第８図に示す。１は発
光光源としてのＬＥＤ、２Ｆｉ投光レンズ、１６は発光
点、３．３は発光点１ａから出九光束のうち投光レンズ
２の周縁を通る光線、３は中心光線で、第７図の０方向
に出射する光線とする・図はこのような光学系の典型例
としてレンズ２の焦点距離ｆ　＝　２０　ｔｗ、ロ径り
＝１６鱈を示しており、この場合Ｆナンバーはｆ４＝　
１．２５となシ、この種の装置で得られる明るさのほぼ
限界である。しかし、この投光装置で有効ＫＷわれる光
束の円錐半頂角はθ＃２１．８゜であり、この角度範囲
に含まれる光エネルギ比は全発光エネルギに対しく　１
−　（！Ｏ８２θ）／２で僅かに１３．８％にしかなら
ない。

アマチェア用のスチルカメラやビデオカメラに塔載する
自動焦点装置けカメラの携帯性その他の理由によって小
型、低コストが要求される。

投光・受光式ＡＦ装置はこのような要求を容易に満足さ
せうるので、比較的よく採用されている。

この方式は外部照明が不足の場合でも使用できるという
大きな利点を有しているが、反面、遠距離被写体では反
射光エネルギ不足で測距不能になるという致命的欠点を
持っている。焦点距離の比較的長い、いわゆる望遠レン
ズをつけたカメラでは、被写体距離として１０ｍもしく
はそれ以上ｆｔ！ｔ！出（７て■とは区別して焦点合せ
を行なう必要がある。しかし現在実用化されているこの
方式のオートフォーカス装置の典型的な例では、限界検
知距離が約５ｍＫすぎない。

（この発明が解決しようとする問題点）投光・受光式オ
ートフォーカス装置で、受光素子に戻ってぐる光エネル
ギＰｉはＬＥＤの発光エネルギをＰｏとすると ただし　Ｒ：被写体反射率 Ｄ：受光レンズの口径 Ｆ：投光レンズのＦナンバ ｔ：被写体距離 で表わされる。

従って、例えば限界検知距離を２＠のＩｏｍにしようと
するとき、ＬＥＤの発光エネルギの増加のみで行うとす
れば、発光エネルギを少なくとも４＠にしなければ受光
Ｗｋヲ同じにすることが出来ない。

また、投光レンズを明るくして解決しようと思えばＦナ
ンバをＩ／２にしなければならない。

これを実現する方法は３通りあり、投光レンズの口径を
２＠にすること、投光レンズの焦点距離を１／２にする
こと、またその両者ｔ−ｉ宜の割合で組合せることであ
る。

別の方法として受光レンズの口径を２倍にすることで解
決することも考えられる。

しかし、上記例でもＬＥＤの発光エネルギの限界ｔｈｅ
っており、投光レンズ、受光レンズの口径も外観上杵さ
れる限界まで大きくしである。

また投光レンズの焦点距離をこれ以上短かくすると単レ
ンズでは曲率が大きくなりすぎ、周辺光の反射が増加し
て投光エネルギの増加が期待出来なくなる。レンズの構
成枚数を増せばこの問題は一応解決するが、効果が小さ
い割りには大きなコスト上昇を招く。このような理由に
よって上記の従来例によっては距離検知能力の限界をこ
えることは出来なかった。

この発明で１ｄＬＥＤの発光光束の利用効率を上げよう
とするものであるが、発光点を頂点とする円錐半頂角θ
の場合の光の利用効率及びこれに相当するＦナンバを示
せば下表のようになる。

もし、光の利用効率’ｅ５０％にまで上げようとすれば
、半頂角４５までの光束を利用しなければならず、第８
図のような通常の光学系で考えればＦナンバーは１／２
ｔａｎθから０．５となシ、常識的に見て実現不可能と
なる。

この発明は投光装置の大型化、コスト高を招かずに光の
利用効率を飛躍的に向上させようとするものである。

発明の構成 （問題を解決するための手段） この発明の投光装置は第１図にその基本的な構成を示す
ように、集束光学系は回転放物面をその回転軸を含むｆ
ｆで分割し、その片側半分もしくはその一部を鏡面とし
た反射鏡１２を用い、放物面鐘の焦点もしくはその近傍
にＬＥＤｌの発光部の中心を配置し、ＬＥＤの中心光線
が上記反射鏡に入射するようにＬＥＤＩを配設している
。

（作用） 上記のように構成した投光装置は、ＬＥＤＩの中心光線
が放物面鏡１２の回転軸１２８に垂直に出射するように
その焦点に配設し、利用光束の限界の光線の経路が１３
’、１３で示される場合、これらの反射光線は放物面鏡
１２によってその対称軸１２ａＫモ行に進行する。第１
図において、射出光束の幅（ｙ軸方向の＠）を第８図の
レンズ２と同じ１６龍とすると、１０ｍの距離にある被
写体に収束させると、両側限界の光線が主光線となす角
はわずかに２４５であり、実質的に主光線とモ行と考え
てよい。レンズの焦点距離を第８図で２０龍とすると、
１０ｍ先に集束させる場合とモ行光束にする場合との発
光点１ａの位置の差はわずかに４０μｍであり、これは
部品の製造バラツキおよびＬＥＤの取付は誤差と同程度
もしくはそれ以下であり、放物面鏡の焦点に置くと考え
てよい。

第１図（ａ）において放物線の方程式は一般のように　
ｙ２＝４ＰＸ　とおくことができる。装置の大きさの制
約から、開口部のｙの直を一定とすると、ＸはＰに反比
例することとなり、そのＸは放物面＠ｉ！１２！Ｌの深
さ、すなわち放物線の頂点から開口部までの距離を表わ
すこととなる。

従って、深さはＰが小さい程深く、Ｐが大きい程浅くな
り、これによって実施例の形態が異なったものとなって
くる。

第１図の光学系において、開口を１６ｓｏｗとし、Ｐ　
＝　３．２　ｔｍとおけば深さは２０龍となり、＠８図
の従来例に対応する。このとき開口部を出て行く光束の
限界角度すなわち円錐半頂角は約４６．４となり、光束
の利用効率は５２チ強となり、従来例の利用効率の３培
以上となる。

（実施例） 第１図（ｂ）は、ＬＥＤの中心光線から半頂角１０毎に
とった円錐型光束の拡がりを１３＆−１３ｆ・に示す。

従って、放物面鏡の有効範囲を考慮して例えば図の鎖線
で切る等、任意の形とすることが出来る。このように切
断したものの１例を第２図に斜視図として示す◎ これ迄の説明では、発光点１ａは大きさのない点として
扱ってき九が、実際のＬＥＤでは発光部の大きさが半径
０８３龍〜０．５ｍであるのが普通である。発光部に大
きさがあると当然被写体面においてもそれに応じた光束
の拡がシが発生する。第８図に示すような普通のレンズ
系ではその拡がフはｆき率計算で求めることが出来、レ
ンズの焦点距離を２０ｍ１発光部の半径を０゜３關とす
れば１０ｍの被写***置において半径１５０ｕの拡がり
となる。受光部側に投光側と同等の光学系を用いている
場合は、受光素子上に得られる反射光の鐵の大きさは、
発光部の大きさと同じサイズとなシ、発光部の大きさに
起因する光束の拡がりは本来は光量損失の原因にはなら
ない。しかし光束の拡がりが目標の被写体よシ大きくな
ると、反射光として返ってとないエネルギが多くなり、
光量損失になってしまう。主要被写体として人物を想定
した場合、上記の半径１５０龍は十分に小さい１直であ
り、２５０１位迄は許容できる。第１図示の上記の構成
の投光装置の例では、発光部が半ｔｌ　０．３　ｍの大
きさを持つと、光束の拡がりは被写体距離１０ｍにおい
て短径７００冨翼、長径１４００ｍ５の長円になる。

この集光状態を第１図（ｅ）にスポットダイヤグラムで
示す。図において座標原点は投光側の光軸（反射鏡の開
口の中心を通る水子線）に一致させである。原点を中心
とした２つの円は内側が許容範囲である半径２５０１１
ｉ！であり、外側は半径３００ｆｌの参考臼である。

距離１０ｍにおいて被写体面に到達する全光束のうち、
上記許容臼に入るのはエネルギで約６９％であり、ＬＥ
Ｄの全発光エネルギの約３６．３％になっている。この
構成によって、第８図のものに比べて約２．６＠の効率
の向上が得られておシ、オートフォーカス装置の測距可
能距離が１６＠でほぼ８ｍｆＭ度になる。

第３図に示す例では、ＬＥＤの中心軸を垂直から約２０
だけ放物面の開口側へ傾けたものである。この構成によ
って光束の利用効率は３８゜３％に向上する。

第４図は浅い放物面を用いた例であυ、Ｐが７１１１１
でＬＥＤ　１は光軸に対する垂直方向から反時計回シに
２０傾いている。同図中）はその集光状ｆ１４に一スポ
ットダイヤグラムで示す。この例では光束の利用効率Ｆ
ｉ４４．１％になる。

第５図はＰ＝１４．８、ＬＥＤの頌き角６５とし、光学
系を叫脂もしくはガラス等の透明体で１ブロツクとして
形成したものである。ブロック２２Ｆｉ、その１端に反
射面とされた回転放物面２２Ｃを有し、その回転軸２２
ａ上に光束の入射面２２ｂを形成し、他端は回転軸２２
＆に垂直な出射面２２ｄとされている。同図（ｂ）はこ
のブロックの斜視図である。

この投光装置による集光状ａ’を同図（ｅ）にスポット
ダイアグラムで示す。ＬＥＤｌからの出射光束のほぼ６
０チが出射面２２ｄから出射し、光束エネルギの利用効
率も５１チと第８図の従来例の３．７＠となシ、これに
よって測距可能距離がほぼ９．６ｍに迄のびる。

第１図（ｅ）と第５図（Ｃ）のスポットダイヤグラムを
比較すれば光束の拡がり方がかなシ相違しているのが明
らかである。これはいわゆる倍率の差によるものである
。この発明に利用されるような反射鏡の倍率は、鏡面か
ら被写体までの距離に対する光源から鏡面までの距離の
比であり、光源の大きさ等による焦点からのズレは被写
体面上にこの倍率で表われてくる。第１図の実施例では
、反射鏡の部位によって＠率が２３０〜２３００＠と異
なっておシ、スポットダイヤグラムは点の分布が拡がっ
ている。第５図の実施例では＠率は５２０〜６６０倍と
比較的揃っており、このために光束の拡がりは小さくな
っている。

上記実施例では、ＬＥＤ１発光面と入射面２２ｂ′ｌ！
：互に子桁としたが、第６図に示す場合は、入射面２２
ｂはそのままとし、ＬＥＤｌを時計回りに若干傾けたも
のである０例えば５傾けたときの光束エネルギの利用効
率は５０．２％であり、効率の低下は険めて少ない。ま
た、ＬＥＤｌの発光面はそのままとし、入射面２２ｂを
どちらかに若干峨けても結果はほぼ同様である。

これは、ＬＥＤ発光面や入射面の角変に関しては、製造
誤差、組付誤差があっても光束エネルギの利用効率Ｆｉ
あまり変動しないという利点を有することを意味してい
る。また、入射面２２ｂはモ面でなく、ゆるい凹面にし
たｔ′！！うが収差補正上は有利である。但し、凹面に
すると組付精Ｖは若干厳しくなる。

発明の効果 上記のように、この発明は、回転放物面鏡を用い、しか
も常用のように光源の中心光線を放物面鏡の頂点に向け
るのではなく、回転放物面鏡を回転軸を含むモ面で分割
し、その半分もしくは１部を用い、この部分放物面鏡の
中心処光源の中心光線を向けるようにしたので、光学系
をブロック化する等、その構成が容易になり、光源の配
置も光束を遮蔽する等の問題もなく、カメラ等への組付
けも容易になる。

その上、従来の光学系とほぼ同じ大きさで通常のレンズ
系では実現不可能なｔｉｔに光束エネルギーの利用効率
を高めることが出来、オートフォーカスカメラ等に用い
て測距可能距離をほぼ２倍にしつるという顕著な効果を
奏する口

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の投光装置の基本構成を示す説明図、
＠２図第５図（ｂ）はその実施例の斜視図、第３図、第
４図（ａ）、第５図（ａ）、第６図はそれぞれの変形実
施例を示す断面図、第４図（ｂ）第５図（１１りはスポ
ットダイヤグラム、第７図はＬＥＤの配光特性図、第８
図は従来例の光学配置図である。 １：ＬＥＤ　　２：ｖ：ｙズ　１２．２２ｃ：回転放物
反射面　２２ｂ：入射面　２２ｄ：射出面 特許出願人　　株式会社　リ　　コ　　−出願人代理人
　弁理士　佐　　藤　　文　　男（ほか２名） ［ｂｌ 第２図 第１図 ソ′ ［ｅｌ シ 第３図 第　　４　　図　　　　　　　　　　　ず［ｂｌ 第６図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 回転放物面をその回転軸を含む面で分割し、その片側半
   分以下を鏡面とし、該放物面鏡の焦点近傍に射出光の中
   心光束が該放物面鏡に入射するように光源を配設したこ
   とを特徴とする投光装置