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