JPWO2016158886A1 - 照明用光学ユニット及び照明装置 - Google Patents

Abstract

本発明の照明用光学ユニット（１０）は、照明用光学系（１１）と照明用光学系（１１）を保持する鏡胴（１２）とを備え、光軸ＯＡ方向に配列された複数のレンズ（Ｌ１〜Ｌｎ）を有し、光軸ＯＡに垂直な方向に配置された複数の光源（２２）からの入射光を照明用の出射光に変換する照明用光学系（１１）は、出射側から光源（２２）側に向かって平行光を通したときに、レンズ開口部（１３ａ）の中心領域、中間領域、及び周辺領域を通過する光の集光位置α（ｍｍ）、β（ｍｍ）、及びγ（ｍｍ）が、以下の条件式を満足する。｜γ−α｜＞０．５ … （１）｜（α＋γ）／２−β｜＜｜（γ−α）／３｜ … （２）

Description

本発明は、複数の光源から放射される光を被照明物体に照射するための照明用光学ユニット及び当該照明用光学ユニットを組み込んだ照明装置に関する。

近年、エネルギー問題の高まりの中で省エネルギーかつ長寿命である発光ダイオード（ＬＥＤ）を光源として用いたＬＥＤ照明装置が注目され、実際に利用されている。一般に、ＬＥＤは指向性が強いため、例えば看板照明や液晶のバックライト等に使用される場合、照射範囲を拡大する目的でレンズや拡散板等が用いられる。より強く、より広範囲を照射したい場合においては、複数のＬＥＤチップが配置された基板と、それぞれのＬＥＤからの放射光を集光、コリメート、または拡散するレンズとを用いる手法がとられている。このような光源を使用する場合、複数のＬＥＤチップのうち特定のＬＥＤチップを消灯することにより、特定の方向に光を照らさなかったり、あるいは特定のＬＥＤチップを点灯することにより文字や形等を模って光を照らしたりすることもできる。ここで、一般に、光源から放射される光を、光学手段によって集光、またはコリメートした場合、照射面における光強度分布は光源の形がそのまま像として投射される。つまり複数の光源を使用する場合、それらが高密度に配列されていたとしても、物理的制約のため光源と光源との隙間を完全に無くすのは難しく、例えば矩形の光源を高密度に配列した場合、照射面上の光強度分布にはグリッド状の強弱が発生してしまう。このような現象は照明装置としては回避すべき問題である。

特許文献１には、面形状（アレイ状）に高密度に配列された複数の光源から放射される照明光を、光学手段を用いて面形状被照明物体に照明する照明装置が開示されている。上記特許文献１では、光源を光学手段のベストフォーカス位置ではなく、ベストフォーカス位置から少し遠ざけた位置に設定し（デフォーカスし）、あえて光源の像をピンボケさせることにより、隣接する光源の強度分布を重ね合わせて照射強度分布の均一化を図っている。

しかしながら、特許文献１のようなデフォーカスによる手法は、個々の光源から放射される光の照射面上での強度を落として照射範囲を広げるということであるため、照射面においては複数光源の重ね合わせにより、ある程度の照射強度を得ることはできる。しかしながら、デフォーカスによる手法を前提として、特定の領域を照らさない、または文字や形を模る（かたどる）といった照明法を実現する場合、このような手法では明暗の境界があいまいになってしまうおそれがある。さらに、デフォーカスによる手法は、光源と光学手段との組み立て誤差、振動等による外乱に対する感度が高く、光軸方向にずれが生じた際の光学特性（以下、デフォーカス特性）が簡単に悪くなってしまうおそれがある。また、光学手段にプラスチックレンズ等を用いた場合は、光源の発熱等による温度変化によって焦点距離等の光学仕様に変化が生じ、結果として照射強度分布の均一性が失われるおそれもある。特にＬＥＤが高密度でアレイ状に並んでいて高い光量を要求される分野（例えば、車載用照明装置等）においてはこの問題が非常に顕著なものとなる。

特開２００２−２６８００１号公報

本発明は、上記背景技術に鑑みてなされたものであり、高密度に配列された複数の光源からの放射光を、照射面上に均一かつ高い強度で投射でき、デフォーカス特性に優れた照明用光学ユニットを提供することを目的とする。

また、本発明は、上記照明用光学ユニットを組み込んだ照明装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る照明用光学ユニットは、光軸方向に配列された複数のレンズを有し、光軸に垂直な方向に配置された複数の光源からの入射光を照明用の出射光に変換する照明用光学系と、照明用光学系を保持する鏡胴と、を備え、照明用光学系は、出射側から光源側に向かって平行光を通したときに、レンズ開口部の中心領域、中間領域、及び周辺領域を通過する光の集光位置α（ｍｍ）、β（ｍｍ）、及びγ（ｍｍ）が、以下の条件式を満足する。
｜γ−α｜＞０．５ … （１）
｜（α＋γ）／２−β｜＜｜（γ−α）／３｜ … （２）
ただし、レンズ開口部の中心領域とは光軸から径方向に１０％以下の領域であり、中間領域とは光軸から径方向に４５％以上５５％以下の領域であり、周辺領域とは光軸から径方向の９０％以上の領域である。ここで、光源からの入射光を照明用の出射光に変換するとは、光の進む方向を変えるもの、例えば、集光、コリメート、または発散光とすることを意味する。また、レンズ開口部とは、鏡胴の出射側の開口部であり、照明用光学系の最も出射側のレンズの有効径に対応する。中心領域、中間領域、及び周辺領域は、例えばレンズ開口部の外形を円形で近似した形状を有する。レンズ開口部の外形が円形でない場合、各領域の形状は、外形の外接円としてもよい。また、これらの領域は、光軸に垂直な方向の高さ位置で考えて規定しており、集光位置α、β、及びγは、各領域の面積比に応じて平均をとったものとなる。

上記照明用光学ユニットは、上記条件式（１）及び（２）を満たす照明用光学系を有することにより、球面収差を意図的に発生させる。これにより、照明光の無駄な発散を抑えて照射強度を確保しつつ強度分布を均一化できる準フォーカス範囲（照明強度維持と後述する暗線抑制とのバランスが丁度よい範囲であり、その光学系のベストフォーカス時を含む）を広くすることができる。そのため、光源と光学手段である照明用光学ユニット等との組み立て誤差や温度等の外乱の影響に対して強くなる。また、個々の光源からの放射光の照射面上での強度が確保できるため、特定の領域を照らさない場合、あるいは文字や形を模る場合において、明領域内に光源間の隙間に対応する暗線が生じるのを防ぎつつ明領域外縁において明暗の境界を明確にすることができる。

本発明に係る照明装置は、上述の照明用光学ユニットと、複数の光源を有するアレイ光源と、を備える。

上記照明装置は、上述のような照明用光学ユニットを組み込むことで、照射強度を確保しつつ強度分布を均一化できる準フォーカス範囲が広くなる。そのため、光源と光学手段である照明用光学ユニット等との組み立て誤差や温度等の外乱の影響に対して強くなる。また、個々の光源からの放射光の照射面上での強度が確保できるため、特定の領域を照らさない場合、あるいは文字や形を模る場合において、明領域内に暗線が生じるのを防ぎつつ明領域外縁において明暗の境界を明確にすることができる。

図１Ａは、第１実施形態の照明用光学ユニットを備える照明装置等を説明する概念図であり、図１Ｂは、照明装置のうちアレイ光源の平面図である。 図２Ａ及び２Ｂは、照明用光学アレイが満たす条件式を説明する図である。 図３Ａは、実施例１の照明装置のうち照明用光学ユニット等を示す断面図であり、図３Ｂ及び３Ｃは、図３Ａの照明用光学ユニットの球面収差及び非点収差を示す図である。 図４Ａは、実施例２の照明装置のうち照明用光学ユニット等を示す断面図であり、図４Ｂ及び４Ｃは、図４Ａの照明用光学ユニットの球面収差及び非点収差を示す図である。 図５Ａは、実施例３の照明装置のうち照明用光学ユニット等を示す断面図であり、図５Ｂ及び５Ｃは、図５Ａの照明用光学ユニットの球面収差及び非点収差を示す図である。 図６Ａは、比較例１の照明装置のうち照明用光学ユニット等を示す断面図であり、図６Ｂ及び６Ｃは、図６Ａの照明用光学ユニットの球面収差及び非点収差を示す図である。 図７Ａ及び７Ｂは、実施例の照明装置に関するシミュレーション結果を示す図である。 図８Ａ及び８Ｂは、比較例の照明装置に関するシミュレーション結果を示す図である。 第２実施形態の照明装置のうちアレイ光源を説明する平面図である。 図１０Ａは、第２実施形態における実施例の照明装置に関するシミュレーション結果を示す図であり、図１０Ｂ〜１０Ｄは、比較例の照明装置に関するシミュレーション結果を示す図である。

〔第１実施形態〕
以下、図１Ａ等を参照して、本発明の第１実施形態である照明用光学ユニット及び照明装置について説明する。なお、図１Ａで例示した照明用光学ユニット１０は、後述する実施例１の照明用光学ユニット１０Ａと同一の構成となっている。

図１Ａ及び１Ｂに示すように、照明装置１００は、アレイ状に配列された複数の光源から放出される光を、後述する照明用光学ユニット１０を用いて被照明物体ＳＢに照射するものである。照明装置１００は、照明用光学ユニット１０と、アレイ光源２０と、制御装置３０とを備える。照明装置１００の用途としては、例えば映像装置、顕微鏡照明装置等が挙げられる。ここで、映像装置は、室内照明装置、建築物照明装置、車載用照明装置、拡大投影装置その他であって、照明や投影を可能にするものを意味する。

照明用光学ユニット１０は、照明用光学系１１と、鏡胴１２とを備える。照明用光学ユニット１０は、明るさに関する前提として、以下の条件式（４）を満足する。
Ｆｎｏ＜１．０ … （４）
ただし、Ｆｎｏは照明用光学系１１のＦナンバーである。これにより、照明用光学ユニット１０の取り込み光量が多くなり、光利用効率が高くなる。

照明用光学系１１は、アレイ光源２０からの入射光を照明用の出射光に変換するものであり、光軸ＯＡ方向に配列された複数のレンズＬ１〜Ｌｎ（ｎは自然数）で構成される。ここで、アレイ光源２０（光源）からの入射光を照明用の出射光に変換するとは、光の進む方向を変えるもの、例えば、集光、コリメート、または発散光とすることを意味する。照明用光学系１１は、３枚〜５枚のレンズで構成されることが好ましい。照明用光学系１１のうち少なくとも１枚のレンズは負の屈折力を有している。また、最も出射側のレンズ（図１Ａでは第１レンズＬ１）と最も光源側のレンズ（図１Ａでは第５レンズＬ５）とは正の屈折力をそれぞれ有している。これにより、照明用光学ユニット１０は、色収差を抑えつつ、小さく明るいＦナンバーとすることができるため、色むらが小さく、高い光利用効率を実現できる。最も光源側のレンズ（図１Ａでは第５レンズＬ５）は出射側において曲率が比較的大きい面を有することが好ましい。これにより、アレイ光源２０からの光をできるだけ多く確保することができる。また、照明用光学系１１は、少なくとも1枚のプラスチック又は樹脂製の非球面レンズを含む。これにより、照明用光学ユニット１０の低コスト化及び軽量化を図ることができる。プラスチックとしては、例えばアクリルやポリカーボネート等の高耐熱性を有する材料であることが好ましい。

また、照明用光学系１１は、複数あるレンズのうち、負の屈折力を有するレンズが１枚だけであることが好ましい。この場合、照明用光学系１１は、色収差を抑えつつ、小さく明るいＦナンバーを達成する観点で、以下の条件式（３）を満足する。
Ｐｒ＞Ｐｆ … （３）
ただし、Ｐｒは負レンズ（図１Ａでは第３レンズＬ３）より出射側に配置されるレンズの合成屈折力であり、Ｐｆは負レンズより光源側に配置されるレンズの合成屈折力である。

照明用光学系１１は、出射側から光源２２側に向かって平行光（光軸ＯＡに平行な光）を通したときに、レンズ開口部１３ａの中心領域ＡＲ１、中間領域ＡＲ２、及び周辺領域ＡＲ３をそれぞれ通過する光の集光位置α（ｍｍ）、β（ｍｍ）、及びγ（ｍｍ）が、以下の条件式（１）及び（２）を満足する。
｜γ−α｜＞０．５ … （１）
｜（α＋γ）／２−β｜＜｜（γ−α）／３｜ … （２）
ただし、図２Ａ及び２Ｂに示すように、レンズ開口部１３ａの中心領域ＡＲ１とは光軸ＯＡから径方向に距離的に１０％以下の領域であり、中間領域ＡＲ２とは光軸ＯＡから径方向に距離的に４５％以上５５％以下の領域であり、周辺領域ＡＲ３とは光軸ＯＡから径方向の距離的として９０％以上の領域である。これらの集光位置α、β、及びγは、光軸ＯＡ上の任意の位置を共通の基準点としている。レンズ開口部１３ａとは、鏡胴１２の出射側の開口部であり、照明用光学系１１の最も出射側のレンズ（第１レンズＬ１）の有効径に対応する。中心領域ＡＲ１、中間領域ＡＲ２、及び周辺領域ＡＲ３は、例えばレンズ開口部１３ａの外形が円である場合は円形の輪郭を有し、多角形その他の円でない場合はレンズ開口部１３ａの外形を円形で近似した形状を有する。また、これらの領域ＡＲ１，ＡＲ２，ＡＲ３の大きさは、円形の輪郭を与える半径の値、つまり光軸に垂直な高さ位置で考えて規定しており、第１レンズＬ１の有効径の範囲内であれば、１００％以下の領域となる。さらに、集光位置α、β、及びγは、各領域ＡＲ１，ＡＲ２，ＡＲ３を構成する輪帯状領域の面積比に応じて平均をとったものとなる。

照明用光学系１１は、上記条件式（１）及び（２）を満たすことにより、球面収差を意図的に発生させている。これにより、照明光の無駄な発散を抑えて照射強度を確保しつつ強度分布を均一化できる準フォーカス範囲（照明強度維持と後述する暗線抑制とのバランスが丁度よい範囲であり、その光学系のベストフォーカス時を含む）を広くすることができる。そのため、光源２２と光学手段である照明用光学ユニット１０等との組み立て誤差や温度等の外乱の影響に強くなる。また、個々の光源２２からの放射光の照射面（具体的には被照明物体ＳＢ）上での強度が確保できるため、特定の領域を照らさない場合、あるいは文字や形を模る場合において、暗線が生じるのを防ぎつつ明暗の境界を明確にすることができる。

鏡胴１２は、照明用光学系１１を収納し保持するものである。鏡胴１２は、光源２２側からの光束を入射させるレンズ開口部１３ａと、照明用光学系１１を通過した光束を出射させるレンズ開口部１３ｂとを有する。

アレイ光源２０は、基板２１と複数の光源２２とを有する。基板２１は、複数の光源２２を支持するとともに、光源２２に電力を供給する配線等を有する。光源２２は、光軸ＯＡに垂直な方向に配置されている。つまり、光源２２は、基板２１の面上にアレイ状に配置されている。複数の光源２２として、例えば複数のＬＥＤチップその他の固体光源がある。図１Ｂに示すように、複数の光源２２は、直線状に配列されている。各光源２２は、略正方形の輪郭を有し、同一サイズとなっている。このため、隣接する光源２２間には、細い線状の隙間ＧＡが形成されている。また、全体としては、細長い矩形領域が照射面（具体的には被照明物体ＳＢ）上の明領域に対応する発光領域となっている。照明用光学系１１は、その直線状に配列された複数の光源２２の像を投影する。この場合、隙間ＧＡに対応する暗線の発生を防ぎつつ明領域外縁において明暗の境界を明確にした直線状の照明をすることができる。隣接する光源２２の隙間の距離Ｌｄは５０μｍ以下となっており、球面収差によるデフォーカス特性等の改善がより確実となっている。アレイ光源２０は、例えば同色のＬＥＤチップで構成してもよいし、異なる色のＬＥＤチップで構成してもよい。

制御装置３０は、アレイ光源２０を駆動するものである。制御装置３０は、アレイ光源２０を構成する各光源２２の点灯状態を制御する。例えば、制御装置３０は、光源２２であるＬＥＤチップ又はその付属回路の１つ１つと配線で繋がっており、ＬＥＤチップは間欠的に又は連続的に点灯する。特定の光源２２のみを選択的に点灯することによって所望の点灯パターンを形成することもできる。制御装置３０は、オペレーターの操作によって動作してもよいし、プログラムによって動作してもよい。

以下、照明装置１００の使用状態の一例について説明する。まず、オペレーターまたはプログラムによって制御装置３０を動作させアレイ光源２０のうち点灯される光源２２が選択される。次に、制御装置３０を動作させ選択された光源２２を点灯させる。光源２２から放出された光線は、照明用光学ユニット１０に入射し、照明用の出射光に変換される。照明用光学ユニット１０を通過した光線は、被照明物体ＳＢに個々の光源２２の輪郭又は暗線を目立たなくした準フォーカス状態で照明される。被照明物体ＳＢの照射面上には、アレイ光源２０の明暗に対応した像が照明強度の高い状態で投影される。この際、個々の光源２２の輪郭を目立たなくしつつ点灯された光源２２の群に対応する明領域の外縁において明暗の境界が明確な状態とできる。

以上説明した照明用光学ユニット１０及び照明装置１００は、球面収差を意図的に発生させることにより、照明強度を確保しつつ強度分布を均一化できる準フォーカス範囲を広くすることができ、デフォーカス特性に優れたものとなる。つまり、照明用光学ユニット１０の全体又は一部が光軸ＯＡ方向に多少ずれても、高密度に配列された複数の光源２２からの放射光を、照射面上に均一かつ高い強度で投射できる。これにより、光源と光学手段である照明用光学ユニット１０等との組み立て誤差や温度等の外乱等の影響に強くなる。また、個々の光源２２からの放射光の照射面上での強度が確保できるため、光源間の境界があいまいになってしまうこと抑制し、特定の領域を照らさない、または文字や形を模るといった照明法に適したものとなる。

一方、デフォーカスによってピンボケ状態とする従来の手法を用いた照明系では、照明強度を確保しつつ強度分布均一化を達成できる準フォーカス範囲が極端に狭くなり、上述の外乱により所望の特性を得られない可能性が高くなる。

〔実施例〕
以下、本発明に係る照明用光学ユニット等の実施例を示す。各実施例に使用する記号は下記の通りである。
Ｆｎｏ：Ｆナンバー
Ｒ：近軸曲率半径
Ｄ：軸上面間隔
ｎ：レンズ材料のｄ線に対する屈折率
eff.rad.：レンズの有効半径
その他、記号Surf.Nは、面番号を意味し、記号INFは、無限大又は∞を意味し、記号P-Sは、出射側または照射面側を意味し、記号L-Sは、光源側を意味し、記号STOPは、開口絞りＳを意味する。

各実施例において、各面番号の後に「＊」が記載されている面が非球面形状を有する面であり、非球面の形状は、面の頂点を原点とし、光軸方向にＺ軸をとり、光軸と垂直方向の高さをｈとして以下の「数１」で表す。

ただし、
Ａｉ：ｉ次の非球面係数
Ｒ ：曲率半径
Ｋ ：円錐定数

〔実施例１〕
実施例１の照明用光学系の光学諸元値を以下に示す。
Fno：0.55

実施例１の照明用光学系のレンズ面等のデータを以下の表１に示す。
〔表１〕
Surf.N R(mm) D(mm) n eff.rad.(mm)
P-S INF INF
1* 59.193 12.084 1.488 28.836
2* -50.631 0.500 27.884
3* 75.748 12.810 1.488 25.000
4* -49.801 1.852 24.829
5* -29.598 5.000 1.579 23.641
6* 18.284 18.317 18.650
7(STOP) INF 0.100 16.102
8* 17.869 12.764 1.488 15.813
9* -72.208 0.500 15.648
10 13.247 11.000 1.593 12.000
11 42.708 6.032 9.677
L-S INF 0.000

実施例１の照明用光学系の非球面係数を以下の表２に示す。なお、これ以降（表のレンズデータを含む）において、１０のべき乗数（例えば２．５×１０^−０２）をＥ（例えば２．５Ｅ−０２）を用いて表すものとする。
〔表２〕
第1面
R=59.193, K=-6.460, A4=4.878E-06, A6=-2.015E-08,
A8=1.194E-11, A10=0.000E+00
第2面
R=-50.631, K=-20.000, A4=3.977E-08, A6=-8.508E-09,
A8=9.648E-12, A10=0.000E+00
第3面
R=75.748, K=0.543, A4=-2.033E-06, A6=8.642E-09,
A8=-7.758E-12, A10=-2.094E-14
第4面
R=-49.801, K=1.352, A4=1.280E-05, A6=-3.272E-08,
A8=2.937E-11, A10=0.000E+00
第5面
R=-29.598, K=-10.464, A4=-1.565E-06, A6=-1.398E-08,
A8=3.831E-11, A10=0.000E+00
第6面
R=18.284, K=-2.668, A4=4.055E-06, A6=-2.219E-08,
A8=8.537E-11, A10=-2.019E-13
第8面
R=17.869, K=0.000, A4=-3.915E-05, A6=-1.312E-07,
A8=1.266E-09, A10=-4.896E-12
第9面
R=-72.208, K=0.000, A4=-6.859E-09, A6=2.274E-07,
A8=-1.630E-09, A10=2.492E-12

図３Ａは、実施例１の照明用光学ユニット１０Ａ等の断面図である。照明用光学ユニット１０Ａは、５枚のレンズで構成されており、第１レンズＬ１と、第２レンズＬ２と、第３レンズＬ３と、第４レンズＬ４と、第５レンズＬ５とを有する。この照明用光学ユニット１０Ａのように５枚のレンズで構成する場合、高性能な照明用光学ユニットとなる。第１レンズＬ１側が出射側または照射面側であり、第５レンズＬ５側が光源側となっている。第３レンズＬ３と第４レンズＬ４との間には、開口絞りＳが設けられている。なお、符号Ｉは、アレイ光源２０の表面（又は発光面）を示す（以下の実施例も同様）。

図３Ｂ及び３Ｃは、図３Ａに示す実施例１の照明用光学ユニット１０Ａの球面収差及び非点収差を示している。なお、球面収差については、波長４８６，５８８，６５６ｎｍにおけるものを示している。

（実施例２）
実施例２の照明用光学系の光学諸元値を以下に示す。
Fno：0.88

実施例２の照明用光学系のレンズ面等のデータを以下の表３に示す。
〔表３〕
Surf.N R(mm) D(mm) n eff.rad.(mm)
P-S INF INF
1* 32.966 17.889 1.488 23.979
2* -35.128 3.279 26.000
3* -18.264 5.000 1.579 20.963
4* 100.000 5.408 15.841
5(STOP) INF 0.100 15.478
6* 31.018 13.686 1.488 16.000
7* -37.128 7.480 15.917
8 18.401 11.000 1.593 14.000
9 26.911 8.923 11.964
L-S INF 0.000

実施例２の照明用光学系の非球面係数を以下の表４に示す。
〔表４〕
第1面
R=32.966, K=-0.867, A4=1.552E-06, A6=4.346E-09,
A8=-3.161E-11, A10=0.000E+00
第2面
R=-35.128, K=-0.192, A4=1.609E-05, A6=-2.542E-08,
A8=2.629E-11, A10=0.000E+00
第3面
R=-18.264, K=-3.523, A4=1.278E-05, A6=-1.840E-08,
A8=4.954E-11, A10=0.000E+00
第4面
R=100.000, K=-1.226, A4=4.674E-05, A6=-1.639E-07,
A8=5.504E-10, A10=-3.865E-13
第6面
R=31.018, K=0.000, A4=2.398E-06, A6=-4.605E-08,
A8=7.552E-11, A10=1.322E-13
第7面
R=-37.128, K=0.000, A4=2.005E-05, A6=-4.399E-08,
A8=-1.022E-10, A10=4.603E-13

図４Ａは、実施例２の照明用光学ユニット１０Ｂ等の断面図である。照明用光学ユニット１０Ｂは、４枚のレンズで構成されており、第１レンズＬ１と、第２レンズＬ２と、第３レンズＬ３と、第４レンズＬ４とを有する。この照明用光学ユニット１０Ｂのように４枚のレンズで構成する場合、コスト、サイズ、性能のバランスがとれた照明用光学ユニットとなる。第１レンズＬ１側が出射側であり、第４レンズＬ４側が光源側となっている。第２レンズＬ２と第３レンズＬ３との間には、開口絞りＳが設けられている。

図４Ｂ及び４Ｃは、図４Ａに示す実施例２の照明用光学ユニット１０Ｂの球面収差及び非点収差を示している。

（実施例３）
実施例３の照明用光学系の光学諸元値を以下に示す。
Fno：0.89

実施例３の照明用光学系のレンズ面等のデータを以下の表５に示す。
〔表５〕
Surf.N R(mm) D(mm) n eff.rad.(mm)
P-S INF INF
1*(STOP) 22.553 15.047 1.492 18.000
2* -40.189 5.774 17.435
3* -6.073 5.496 1.584 16.846
4* -32.050 1.000 14.938
5* 7.606 24.901 1.492 15.000
6* 141.114 6.000 12.909
L-S INF 0.000

実施例３の照明用光学系の非球面係数を以下の表６に示す。
〔表６〕
第1面
R=22.553, K=-0.882, A4=-1.233E-06, A6=7.158E-08,
A8=-1.894E-10, A10=0.000E+00
第2面
R=-40.189, K=-11.897, A4=3.168E-05, A6=-1.812E-07,
A8=2.828E-10, A10=0.000E+00
第3面
R=-6.073, K=-3.727, A4=3.864E-05, A6=-1.365E-07,
A8=3.001E-10, A10=0.000E+00
第4面
R=-32.050, K=-1.330, A4=8.238E-05, A6=-1.504E-07,
A8=2.983E-10, A10=0.000E+00
第5面
R=7.606, K=-3.622, A4=5.643E-05, A6=-1.054E-07,
A8=1.017E-10, A10=0.000E+00
第6面
R=141.114, K=12.761, A4=-5.889E-05, A6=4.635E-07,
A8=-1.698E-09, A10=0.000E+00

図５Ａは、実施例３の照明用光学ユニット１０Ｃ等の断面図である。照明用光学ユニット１０Ｃは、３枚のレンズで構成されており、第１レンズＬ１と、第２レンズＬ２と、第３レンズＬ３とを有する。この照明用光学ユニット１０Ｃのように３枚のレンズで構成する場合、レンズ枚数が比較的少ないため、低コストかつ小型の照明用光学ユニットとなる。第１レンズＬ１側が出射側であり、第３レンズＬ３側が光源側となっている。第１レンズＬ１の出射側には、開口絞りＳが設けられている。

図５Ｂ及び５Ｃは、図５Ａに示す実施例３の照明用光学ユニット１０Ｃの球面収差及び非点収差を示している。

（比較例１）
比較例１の照明用光学系の光学諸元値を以下に示す。
Fno：0.55

比較例１の照明用光学系のレンズ面等のデータを以下の表７に示す。
〔表７〕
Surf.N R(mm) D(mm) n eff.rad.(mm)
P-S INF INF
1* 65.827 12.348 1.488 28.874
2* -47.072 0.500 27.575
3* 66.806 13.000 1.488 24.000
4* -49.680 1.824 23.608
5* -30.391 5.565 1.579 22.342
6* 15.597 15.082 17.531
7(STOP) INF 0.100 16.141
8* 17.800 13.257 1.488 15.906
9* -57.459 0.500 15.593
10 13.279 11.000 1.593 12.000
11 45.093 5.951 9.716
L-S INF 0.000

比較例１の照明用光学系の非球面係数を以下の表８に示す。
〔表８〕
第1面
R=65.827, K=-8.461, A4=6.802E-06, A6=-2.515E-08,
A8=1.647E-11, A10=0.000E+00
第2面
R=-47.072, K=-19.999, A4=-2.891E-07, A6=-8.284E-09,
A8=1.053E-11, A10=0.000E+00
第3面
R=66.806, K=1.616, A4=-1.169E-06, A6=8.712E-09,
A8=-1.050E-11, A10=-2.912E-14
第4面
R=-49.680, K=1.266, A4=1.184E-05, A6=-3.256E-08,
A8=3.145E-11, A10=0.000E+00
第5面
R=-30.391, K=-9.513, A4=-1.217E-06, A6=-1.260E-08,
A8=4.087E-11, A10=0.000E+00
第6面
R=15.597, K=-2.137, A4=6.258E-06, A6=-2.375E-08,
A8=6.587E-11, A10=-2.737E-13
第8面
R=17.800, K=0.000, A4=-2.836E-05, A6=-1.497E-07,
A8=1.222E-09, A10=-4.658E-12
第9面
R=-57.459, K=0.000, A4=5.041E-06, A6=2.362E-07,
A8=-1.642E-09, A10=2.524E-12

図６Ａは、比較例１の照明用光学ユニット１０Ｕ等の断面図である。照明用光学ユニット１０Ｕは、５枚のレンズで構成されており、第１レンズＬ１と、第２レンズＬ２と、第３レンズＬ３と、第４レンズＬ４と、第５レンズＬ５とを有する。第１レンズＬ１側が出射側であり、第５レンズＬ５側が光源側となっている。第３レンズＬ３と第４レンズＬ４との間には、開口絞りＳが設けられている。

図６Ｂ及び６Ｃは、図６Ａに示す比較例１の照明用光学ユニット１０Ｕの球面収差及び非点収差を示している。

（実施例についてのシミュレーション）
図７Ａ及び７Ｂは、実施例１に関するシミュレーション結果を示す。本シミュレーションにおいて、照明用光学ユニットは、照明用光学系が５枚のレンズで構成されており、Ｆナンバーが０．５５のものを想定している。個々の光源は一辺が０．４ｍｍの正方形であり、光源の隙間の距離又は幅は０．０１ｍｍとした。

図７Ａは、実施例１の照明用光学ユニット１０Ａを想定した場合における単光源の点灯例である。この場合、ベストフォーカス時も輪郭はぼやけているが照明強度は高くなっている。ここで、強度比は０．８５以上が理想となっている。照明強度の高い準フォーカス範囲は後述する球面収差が出ていない設計にくらべると広くなっている。図７Ｂは、実施例１の照明用光学ユニット１０Ａを想定した場合における光源５個の点灯例である。つまり、図７Ｂの例は、図７Ａに示す実施例１の照明用光学ユニット１０Ａを前提として、光源を一直線状に配列した場合に相当する。この場合、ベストフォーカス時の−０．１０ｍｍ〜＋０．１５ｍｍの範囲で照明強度維持と暗線抑制（暗線をぼかして目立たなくすること）とのバランスが丁度よく、外乱による位置ずれや取り付け誤差等に強いと言える。なお、具体的な説明は省略するが、実施例２及び３に関するシミュレーション結果は、実施例１に関するシミュレーション結果と同様になる。

（比較例についてのシミュレーション）
図８Ａ及び８Ｂは、比較例１に関するシミュレーション結果を示す。本シミュレーションの条件は、実施例１に関するシミュレーションの条件と同様である。

図８Ａは、比較例１の照明用光学ユニット１０Ｕを想定した場合における単光源の点灯例である。この場合、ベストフォーカス時は強度が強く、輪郭もはっきりしているが、デフォーカスとともに強度が低下し、輪郭もぼやけてくる。

図８Ｂは、比較例１の照明用光学ユニット１０Ｕを想定した場合における光源５個の点灯例である。つまり、図８Ｂの例は、図８Ａに示す比較例１の照明用光学ユニット１０Ｕを前提として、光源を一直線状に配列した場合に相当する。この場合、ベストフォーカス時の±０．０５ｍｍの範囲では光源の間隙の暗線がはっきり見えてしまっている。一方、±０．１〜±０．１５ｍｍの範囲では照明強度維持と暗線抑制とのバランスとが丁度よいが、外乱による位置ずれや取り付け誤差等に弱い状態となる。

以下、表９に本実施例と比較例とをまとめた結果を示す。表９中の網掛け部分が、照明強度維持及び暗線抑制のバランスが丁度よい準フォーカス範囲となっている。
〔表９〕

表９からわかるように、実施例において、準フォーカス範囲が広くなっているのがわかる。

〔第２実施形態〕
以下、第２実施形態の照明用光学ユニット及び照明装置について説明する。第２実施形態の照明用光学ユニット等は、第１実施形態の照明用光学ユニット等を部分的に変更したものであり、特に説明しない事項は、第１実施形態の照明用光学ユニット等と同様である。

図９に示すように、本実施形態の照明装置１００において、アレイ光源２０を構成する複数の光源２２は、２次元的にマトリックス状に配列され、図示を省略する照明用光学系１１は、複数の光源２２の像を投影する。この場合、暗線の発生を防ぎつつ明暗の境界を明確にした文字や形を模ることができる。

図１０Ａ〜１０Ｄに本実施形態のシミュレーション結果を示す。シミュレーションの条件は、第１実施形態の実施例１等と同様である。図１０Ａ〜１０Ｄは、漢字２文字を投影した時の例である。図１０Ａは、実施例としての球面収差を出している設計における２次元配列光源の点灯例である。図１０Ａに示すように、実施例では、基準状態で強度維持と暗線抑制とがバランスできている。図１０Ｂ〜１０Ｄは、比較例としての球面収差が出ていない設計における２次元配列光源の点灯例である。図１０Ｂに示すように、デフォーカスが小さい比較例では、基準状態で暗線がはっきり見えてしまっている。また、図１０Ｄに示すように、デフォーカスが大きい比較例では、強度比が弱いものとなっており、暗線は見えないものの文字の輪郭もはっきりしなくなる。図１０Ｃに示すように、中間の比較例では、デフォーカス状態で暗線が多少残るものの、文字の輪郭がはっきりしている。以上のことから、照明強度維持と暗線抑制とのバランスが重要ということがわかる。

以上、実施形態に係る照明用光学ユニット及び照明装置について説明したが、本発明に係る照明用光学ユニット等は、上記例示のものには限られない。例えば、上記実施形態において、照明用光学ユニット１０の出射側に折り曲げミラーを設けてもよい。

Claims (14)

1. 光軸方向に配列された複数のレンズを有し、光軸に垂直な方向に配置された複数の光源からの入射光を照明用の出射光に変換する照明用光学系と、
   前記照明用光学系を保持する鏡胴と、
   を備え、
   前記照明用光学系は、前記出射側から前記光源側に向かって平行光を通したときに、レンズ開口部の中心領域、中間領域、及び周辺領域を通過する光の集光位置α（ｍｍ）、β（ｍｍ）、及びγ（ｍｍ）が、以下の条件式を満足する照明用光学ユニット。
   ｜γ−α｜＞０．５ … （１）
   ｜（α＋γ）／２−β｜＜｜（γ−α）／３｜ … （２）
   ただし、前記レンズ開口部の前記中心領域とは前記光軸から径方向に１０％以下の領域であり、前記中間領域とは前記光軸から径方向に４５％以上５５％以下の領域であり、前記周辺領域とは前記光軸から径方向の９０％以上の領域である。
2. 前記照明用光学系は、３枚のレンズで構成される、請求項１に記載の照明用光学ユニット。
3. 前記照明用光学系は、４枚のレンズで構成される、請求項１に記載の照明用光学ユニット。
4. 前記照明用光学系は、５枚のレンズで構成される、請求項１に記載の照明用光学ユニット。
5. 前記照明用光学系のうち少なくとも１枚のレンズは負の屈折力を有し、最も出射側のレンズと最も光源側のレンズとは正の屈折力をそれぞれ有する、請求項２から４までのいずれか一項に記載の照明用光学ユニット。
6. 負の屈折力を有するレンズは１枚のみで構成され、
   以下の条件式を満足する、請求項５に記載の照明用光学ユニット。
   Ｐｒ＞Ｐｆ … （３）
   ただし、
   Ｐｒ：前記負レンズより出射側に配置されるレンズの合成屈折力
   Ｐｆ：前記負レンズより光源側に配置されるレンズの合成屈折力
7. 以下の条件式を満足する、請求項１から６までのいずれか一項に記載の照明用光学ユニット。
   Ｆｎｏ＜１．０ … （４）
   ただし、
   Ｆｎｏ：前記照明用光学系のＦナンバー
8. 前記照明用光学系は、少なくとも１枚のプラスチック非球面レンズを含む、請求項１から７までのいずれか一項に記載の照明用光学ユニット。
9. 映像装置及び顕微鏡照明装置のいずれかに用いられる、請求項１から８までのいずれか一項に記載の照明用光学ユニット。
10. 請求項１から９のいずれか一項に記載の照明用光学ユニットと、
    前記複数の光源を有するアレイ光源と、
    を備える照明装置。
11. 前記照明用光学系は、直線状に配列された前記複数の光源の像を投影する、請求項１０に記載の照明装置。
12. 前記照明用光学系は、２次元的に配列された前記複数の光源を投影する、請求項１０に記載の照明装置。
13. 前記光源はＬＥＤチップである、請求項１０から１２までのいずれか一項に記載の照明装置。
14. 前記複数の光源は所定平面に略沿って配列され、隣接する光源の隙間は５０μｍ以下である、請求項１０から１３までのいずれか一項に記載の照明装置。

Images