JP3891535B2

JP3891535B2 - 照射角可変照明装置及びそれを用いた撮影装置

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Publication number: JP3891535B2
Application number: JP2000074557A
Authority: JP
Inventors: 良治天明
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Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、照射角を変化させることができる照明装置、及びそれを用いた撮影装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
カメラ等の撮影装置に用いられている照明装置に関して、光源から様々な方向に射出した光束を効率よく必要照射画角内に集光させるために、従来より種々の技術が知られている。特に近年、従来光源の前に配置されていたフレネルレンズのかわりに、プリズム・ライトガイド等の全反射を利用した光学部材を配置することによって、集光効率の向上、小型化を図ったものが知られている。
【０００３】
一方、照射範囲固定タイプの照明装置では、撮影装置の高倍率ズーム化に伴なって必要照射範囲の狭いテレ状態で、不要範囲に照明が行われエネルギロスが大きくなるが、この現象を解消するため、撮影範囲に対応した照明を行うような各種照射角可変照明装置も知られている。
【０００４】
上記２種の技術を応用した照明系としては、特開平４−１３８４３９号公報に開示されているように、光学プリズムで全反射を行う集光光学系に対して、光学プリズムと光源の位置関係を相対的に変化させるようにして、全反射面での反射、透過を切り替えて照射範囲を変化させるものが知られている。また、特開平８−２６２５３８号公報に開示されているように、光学プリズムを複数に分割し、上下に配置した光学プリズムを回動させ、照射範囲を切り替えるものも知られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
近年カメラ等の撮影装置においては、装置自体の小型・軽量化が進む一方、撮影レンズは、高倍率ズーム化の傾向にある。一般的に、このような撮影装置の小型化かつ高倍率化によって撮影レンズは徐々に暗くなる傾向にあり、補助光源を使用しないで撮影すると、手ぶれによって予想外の失敗写真になる可能性があった。
【０００６】
この状況を打開する為、通常、カメラ等の撮影装置では、補助光源として照明装置（以下ストロボ装置）が内蔵されているが、上記のような状況からこの補助照明装置の使用頻度が従来までに比べて大幅に増加すると共に、一回の撮影に必要とされる発光量も増える傾向にあった。
【０００７】
このような背景から、上記従来例特開平４−１３８４３９号公報では、閃光発光装置の前面に、主に光源の側方に射出した光束を光学部材に入射させた後全反射させ一定方向に集光させる上下二つの面と、これとは別に正面に形成した正の屈折力を持ち集光させる面で構成し、それぞれの面によって集光させた後、同一射出面から被写体側に射出させる集光光学系に対して、光学プリズムと光源の位置関係を相対的に変化させるようにして、全反射面での反射、透過を切り替えて照射範囲を変化させていた。しかし、正確な照射角可変を行う為には、全反射・透過切り換えの面形状の制約が大きい為光学プリズム形状の設計自由度が少ないこと、また、透過成分の入射出時の光量損失が大きくなること、さらに光源の有効発光部の大きさが配光にかなり影響することなど設計上困難な課題が残されていた。
【０００８】
一方、特開平８−２６２５３８号公報においては、光学プリズムを複数に分割し、上下に配置した光学プリズムを回動させ、照射範囲を切り替えている。しかし、このような光学プリズムの回動では、基本的に全反射光成分の照射方向だけを全体にシフトさせ配光分布特性そのものは変化させていない為、必ずしも各ズームポイントで均一な配光が得られてはいなかった。すなわち、上下そして中央の３つの領域が重なった時に、最集光状態を形成し、そこから、光学プリズムの回動をさせることよって上下の配光の分布を徐々に外側にずらし照射範囲を広げる方式をとっているが、この変化の過程で、この上下と中央の各配光分布の重ね合わせの部分では不連続点が生じ照射範囲全域としては必ずしも均一な分布が得られず、部分的に照度むらとなる不均一なポイントが存在した。また、上下、中央の３つの光学プリズム部材を必要とし、また、２つの光学プリズムを同期させて動かさなければならないためメカ部品構成が複雑になるなど、コストが割高になってしまうという欠点があった。
【０００９】
そこで、本発明は、照明光学系の全体形状を小型化して照射角を可変させることを課題としている。
【００１０】
また、本発明は、このときの配光特性を各ズームポイントで均一にすること、そして、照射角可変に伴う移動量を少なくすることを課題としている。
【００１１】
また、本発明は、構成部品の数を減らし、コストを低減させることを課題としている。
【００１２】
また、本発明は、今までにない小型、薄型、そして軽量化を図った照射角可変照明装置を提供することを課題としている。
【００１３】
また、本発明は、光源からのエネルギを高い効率で利用し、各ズームポイントで均一な配光特性を得ると共に、簡単で安価な構成のスチルカメラ、ビデオカメラ等に好適な照明装置、及びそれを用いた撮影装置を提供することを課題としている。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため本発明は、光源手段からの光束を、複数の透光性光学部材を介して照射光として照射する照明装置において、前記光源手段に近い第１の透光性光学部材に、少なくとも入射光束の一部を全反射によって制御する反射部を持たせ、前記第１の透光性光学部材の射出面から射出した後の光束を複数の領域に分離させると共に、前記第１の透光性光学部材の光射出面からの光束を入射させる第２の透光性光学部材に、前記第１の透光性光学部材によって分離された領域数に対応した正の屈折力を有する複数のレンズ部を形成し、前記第１の透光性光学部材と第２の透光性光学部材の相対的位置関係を射出光軸方向に変位可能としている。
【００１８】
又、本発明の照射角可変照明装置においては、有効発光部が略円筒形状の閃光放電管からなる光源手段と、前記光源手段からの射出光束を２枚の透光性光学部材を介して照射光として照射する照明装置において、前記光源手段に近い第１の透光性光学部材に、中央部には正の屈折力を有するレンズ部によって、周辺部には全反射面による集光又は射出面の正の屈折力を有するレンズ部による集光によって、それぞれ射出後の光束を複数の領域に分離し、前記第１の透光性光学部材の光射出面からの光束を入射させる第２の透光性光学部材に、前記第１の透光性光学部材で形成した複数の領域に対応した正の屈折力を有するレンズ部を形成し、前記第１の透光性光学部材と第２の透光性光学部材の相対的位置関係を照射光軸方向に変位可能としてもよい。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
【００２０】
（第１実施形態）
図１から図４は、本発明の第１実施形態による照射角可変照明装置、特に本実施形態では閃光発光装置を示しており、図１、図２は閃光発光装置の光学系を構成する要部の縦断面図、図３は閃光発光装置の主要光学系のみの斜視図、図４は本発明を適用したカメラの斜視図である。また、図５は、第１実施形態の構成の閃光発光装置で得られる配光特性の一例を示したものである。尚、図１、２では光源中心から射出した光線の光線トレース図も合わせて示している。
【００２１】
図４に示すように、本発明による閃光発光装置はカメラ本体の上部に配置され、カメラ使用時はカメラの側方に突出するように構成されている。
【００２２】
図４において、１は閃光発光部、１１は撮影装置本体、１２は撮影レンズを備えるレンズ鏡筒、１３はレリーズボタン、１４は望遠（テレ）方向ズーミングボタン、１５は広角（ワイド）方向ズーミングボタン、１６はカメラの各種のモードを切り替えるための操作ボタン、１７はカメラの動作をユーザーに知らせる為の液晶表示窓、１８は外光の明るさを測定する測光装置の覗き窓、１９はファインダーの覗き窓である。
【００２３】
なお、閃光発光部１を除くそれぞれの機能については公知の技術であるので、ここでは詳しい説明は省略する。なお、本発明の機械的構成要素は前述の構成に限定されるものではない。
【００２４】
次に、閃光発光部１の光学特性を規定する構成要素について、図３を用いて更に詳しく説明する。同図において、２は閃光を発する円筒形状の閃光放電管（キセノン管）である。
【００２５】
３は閃光放電管２から射出した光束のうち光射出方向の後方に射出された成分を光射出方向に反射させる反射傘であり、内面が高反射率を有する光輝アルミ等の金属材料、または内面に高反射率の金属蒸着面が形成されたものである。
【００２６】
４は、閃光放電管２からの射出光束をいくつかの光路に分割させると共に、それぞれの領域の光束を射出面から射出させた後に、一定の距離で交差させ一定の広がりの配光特性に変換するための第１の透光性光学部材である。
【００２７】
５は、第１の透光性光学部材から射出した光束を入射させ、必要とされる所定の配光特性に変換するための第２の透光性光学部材であり、光射出面側には複数のシリンドリカルレンズが形成されている。
【００２８】
このように配置することで、閃光放電管２，反射傘３，第１の透光性光学部材４，を保持ケース等で一体化させ、第２の透光性光学部材５との離間距離を変化させることによって集光度合を連続的に変化させることが可能になる。
【００２９】
尚、第１の透光性光学部材、第２の透光性光学部材の材料は、アクリル樹脂等の透過率の高い光学用樹脂材料、またはガラス材料である。
【００３０】
撮影装置１１は、従来公知の技術と同様に、たとえば「ストロボオートモード」にカメラがセットされている場合には、レリーズボタン１３がユーザーによって押された後に、不図示の測光装置で測定された外光の明るさと装填されたフィルムの感度によって、閃光発光装置を発光させるか否かを不図示の中央演算装置が判断する。
【００３１】
中央演算装置が撮影状況下において「閃光発光装置を発光させる」と判定した場合には、中央演算装置が発光信号を出し、反射傘３に取り付けられたトリガーリード線を介して閃光放電管２を発光させる。発光された光束は、照射光軸と反対方向に射出された光束は反射傘３を介して、また、照射方向に射出した光束は直接、前面に配置した第１の透光性光学部材４、第２の透光性光学部材５を通過し、所定の配光特性に変換されて被写体側に照射される。この配光特性の変化は、本実施形態では、第１の透光性光学部材と第２の透光性光学部材間の微少な相対移動のみによって行われる。
【００３２】
本発明は、特に撮影装置の撮影レンズがズームレンズである場合に、その焦点距離に応じて第１の透光性光学部材と第２の透光性光学部材の位置関係を変化させることによって主に上下方向の配光特性を撮影レンズに対応させるように構成した照明装置である。
【００３３】
図１，図２は、本発明の第１実施形態の閃光発光装置の閃光放電管径方向の縦断面図であり、本発明の閃光発光装置の照射角可変の基本的な考え方を示す図である。なお、図中の各部の番号は、図３に対応している。図１は、第１と第２の透光性光学部材がある一定の距離離れた状態を示している。一方、図２は第１と第２の透光性光学部材が最も接近した状態を示している。また、ここで説明する第１実施形態は、上下方向の配光特性を均一に保ったまま照射範囲を連続的に変化させることができるとともに、上下方向の開口高さを必要最小限に構成したものである。
【００３４】
まず、上記構成の閃光発光装置光学系の特徴的な形状を順を追って説明する。反射傘３は、射出光軸後方の形状を閃光放電管２とほぼ同心形状の半円筒形状としている。これは、反射傘での反射光を光源の中心部付近に戻すのに有効な形状であり、閃光放電管のガラスの屈折による悪影響を受けにくくすると共に、反射傘による反射光を光源からの直接光とほぼ同一点からの射出光として扱えるため、この後に続く光学系の全体形状を小型化することが可能となる。また、形状をちょうど半円筒としている理由は、これより小さいと側方光を集光させる為に大型化し、逆にこれ以上大きいと反射傘内部にこもる光束が増え効率低下がおこることからそれぞれ望ましくない為である。
【００３５】
また、第１の透光性光学部材は、第１実施形態では以下のような形状となるように設定している。まず、中央部には、入射面側４ａと射出面側４ｂの両面に正の屈折力を与えるシリンドリカルレンズが設けられ、光源中心から射出した光束は図示のようにＰの位置に紙面前後方向に直線状に集光するように形状を定めている。また上下の領域は、入射面４ｃ、４ｃ'で屈折後、反射面４ｄ、４ｄ'で反射し、射出面４ｅ、４ｅ'から射出される。このとき反射面４ｄで反射した光は、図示のように、反射面の上部で反射した光は下側の方向へ、中央部は略射出光軸に平行に、全反射面の下部で反射した光は上側の方向へそれぞれ導かれると共に、反射後の光束が均一に分布するように形状を規定している。
【００３６】
一方、第２の透光性光学部材５は、射出面側に正の屈折力を持つレンズ面が３つの領域に分けて５ａ、５ｂ、５ｂ'のように形成されている。これは、図示のように、第１の透光性光学部材で形成した中央のレンズによる集光領域と上下の２つの全反射部による集光領域の３つの領域に対応するように形成したものである。
【００３７】
以下、その形状の特性、及びそのときの光線がどのような挙動を示すかをさらに詳細に説明する。
【００３８】
まず、図１において、閃光放電管２としてガラス管の内外径が示されている。この種の閃光発光装置の実際の閃光放電管の発光現象としては、効率を向上させるため、内径一杯に発光させる場合が多く、閃光放電管内径一杯の発光点からほぼ均一に発光していると考えて差し支えない。しかし、説明を容易にするため、光源中心から射出させた光束を代表光束と考え、図中ではあえて光源中心から射出した光束のみを示している。実際の配光特性としては、図に示したような代表光束に加え、閃光放電管の周辺部から射出した光束によって、配光特性は全体として若干広がる方向に変化するが、配光特性の傾向としてはほとんど一致するため、以下この代表光束に従って説明する。
【００３９】
まず、第１の透光性光学部材４，第２の透光性光学部材５の材料としては、成形性の面、コストの面、さらには光学特性の面からもアクリル樹脂等の光学樹脂材料を用いることが最も適している。しかし、このような特性ばかりではなく、この種の照明装置においては光源から光の発生と同時に多量の熱が発生されることを考慮した設定を行う必要がある。すなわち、この熱の影響を考慮して、光学材料の選定および放熱空間の設定を行う必要がある。
【００４０】
上記形状の透光性光学部材を考えた場合、実際に最も熱の影響を受けやすいのは、光源から最も近くに位置する透光性光学部材４の各入射面であり、光源とこの入射面との最少距離をまず最初に規定する必要がある。本第１実施形態では、光源中心からの射出角度が射出光軸に近い角度成分を直接屈折によって制御する第１の入射面４ａと光源との最短距離、および射出光軸から離れた角度成分を反射制御する光を入射させる第２の入射面４ｃ、４ｃ’と光源との最短距離、の２つの箇所について必要とされる発光耐久条件に対して光学部材の変形がないように空間距離を設定している。
【００４１】
次に、第１の透光性光学部材４の各面形状について説明する。
【００４２】
まず、射出光軸に近い角度成分を直接屈折によって制御するレンズ面４ａ、４ｂは、光源中心から射出した光束が、一度入射面４ａで射出光軸に平行化された後、射出面４ｂでＰに集光させるように形状を規定した非球面シリンドリカルレンズで構成している。これは、入射面４ａで屈折した後の光束を一度射出光軸に平行化させることで、これに続く射出面４ｂの最適面形状設定を容易にするためである。
【００４３】
しかし、必ずしもこのような入射面４ａで一度平行化させる形状に限定されるわけではなく、透光性光学部材４透過後Ｐ近傍にほぼ集光させ、その最大射出角度と最小射出角度が所定の角度となるように規制できる形状であれば、各レンズ面の屈折力の与え方は特に限定されない。この為、もちろん非球面レンズは必須要件ではなく、球面レンズや円筒面レンズの組み合わせでも全く差し支えない。次に、第１の透光性光学部材４の反射面４ｄ、４ｄ'に入射光を導く第２の入射面４ｃ、４ｃ'の形状について説明する。
【００４４】
この面は、第１の透光性光学部材４の形状を最小にするために、光軸と平行な平面であることが望ましい。すなわち、光源から射出した光束のうち、射出光軸とは異なった方向に進む成分は、この入射面で一度屈折するが、この面の角度が小さいほど屈折の効果が大きく、屈折によって入射光が一度光軸から離れる方向に導くことができ、光学プリズムの全長を短く抑えることができるためである。
【００４５】
しかし実際には、この第２の入射面４ｃ、４ｃ'の傾きは、透光性光学部材の成形条件によってほぼ決定される。この角度が少ないほど実際の成形条件としては厳しくなるが、この面の角度の最大値Φの理想形状としては、この入射面が平面か曲面かに関わらず以下の範囲に存在することが望ましい。
【００４６】
０ ≦ Φ ＜２° （１）
上記第２の入射面の距離が短いこと、また、面形状が平滑面であることから、上記範囲を達成することは容易である。このように第２の入射面４ｃ、４ｃ'の傾きを規制することによって、上下方向の開口面積を最小に、かつ効率低下を招くことなく実現することができる。
【００４７】
次に、反射面４ｄ、４ｄ'の形状であるが、これは前述したように、反射面の上部で反射した光は下側の方向へ、中央部は略射出光軸に平行に、全反射面の下部で反射した光は上側の方向へそれぞれ導かれると共に、反射後の光束が均一に分布するように形状を規定している。この部分の形状としては、射出光軸に近い角度成分を直接屈折によって制御する４ａ、４ｂと同様に１点で集光させることが望ましいが、このように構成すると、透光性光学部材４が大型化し、また照射角可変に伴う必要スペースが増加する為、照射角可変照明装置の光学系の全体形状が大型化してしまう。また、形状を大型化せず実現しようとすると、上下の照射角度を一致させることが容易でなく、また上下の配光特性を均一化させることも困難になる。そこで、本第１実施形態では、上記１点集光とほぼ等価な効果を持たせるように反射面４ｄ、４ｄ'形状を決定している。この形状を持たせることによって、擬似的にではあるが、上記４ａ、４ｂの面構成の方法とほぼ等価の効果を小型形状に保ったまま実現することが可能になる。
【００４８】
一方、閃光放電管２の射出光のうち、反射傘３方向に向かった光束は、図示していないが、反射傘３の形状が、閃光放電管に対して同心形状であるため、反射傘３で反射後再度閃光放電管に入射し閃光放電管のほぼ中心を通り射出光軸の前方に導かれる。この光源の中心に戻ってから以降の光線の状態は上記説明と同様である。
【００４９】
次に、透光性光学部材５の形状について説明する。この光学部材はこのまま電子機器の外観部材としても使用可能な板状の部材であり、光射出面側に３つの正の屈折力をもったレンズ面が形成されている。各レンズは、前述の透光性光学部材４で説明した正の屈折力を持つレンズで集光する中央部の領域と反射によって擬似的な集光を行わせる上下の２つの領域の合計３つの領域からの射出光をそれぞれ一定の割合で集光度合いを変えることができるような形状としており、透光性光学部材４と透光性光学部材５の離間距離によって３つの領域が同じような配光変化を行わせるように規定したものである。
【００５０】
各レンズ形状は、図１に示すように、中央部は、一点Ｐから射出した光束が、透光性光学部材５の射出面５ａで屈折後、略射出光軸と平行になるような、非球面シリンドリカルレンズで構成されている。
【００５１】
一方、上下に位置する２つのレンズの面形状は、透光性光学部材４の全反射面での反射後の光束が１点で集光しない為、以下の補正面形状を採用している。すなわち、各レンズ面は、２つの透光性光学部材が所定距離離れた状態で、射出面通過後の光束がすべて射出光軸と平行な成分となるように、レンズ中心部を境にして上下で特性の異なった形状にしている。すなわち、全反射光成分のうち中央付近の射出光軸に平行な成分を境にして、その外側の部分は、屈折力の弱いレンズ面に、逆に内側の領域は屈折力の強いレンズ面で構成されている。このように構成することで、透光性光学部材４と透光性光学部材５の距離が所定量離れた状態で、第１図に示すように最も集光された状態（最集光状態）を達成することができる。
【００５２】
このように、透光性光学部材５の開口面積を許され得る最大限の大きさまで利用して光光束を制御し最集光状態を得ることは、大光量の照明装置を得る上で重要な要件であり、このように構成することで、小型で効率の良い照明光学系を達成することができる。
【００５３】
一方、最も広がった配光特性を得る為の状態としては、図２に示すように透光性光学部材４と透光性光学部材５との距離を最も近づけた状態が対応する。このときの様子は光線トレース図より、透光性光学部材４によって射出面の後方に形成された複数の最集光領域が、透光性光学部材５の照射面側のレンズ面のそれぞれの射出光軸の位置、すなわち各レンズの中央部付近とほぼ一致している。このように透光性光学部材４の最集光領域と、透光性光学部材５の各レンズの光軸中心付近のレンズの屈折力の影響を受けにくい領域とをほぼ一致させることにより、透光性光学部材４による集光状態とほぼ等価の配光特性で、被照射面側に照射させることができる。すなわち、このように光学系を配置し、透光性光学部材４による所定の集光状態と透光性光学部材５の厚みを適宜に設定することで、ワイド側の撮影レンズの必要照射領域に対応した最も照射範囲が広く、均一でロスの少ない配光特性を得ることが可能になる。この場合の条件として、透光性光学部材４の各部の集光状態を各々ほぼ一致させるように各部の形状を設定することが望ましい。
【００５４】
一方、本実施形態では、レンズ面を照射面側に形成しているが、これは照明光学系を小型化する上で有効である。すなわち、光制御面が光源から遠いほど屈折による集光効果が高められるが、これを照明光学系の最も遠くに位置させることによって、射出光軸方向の小型化を図ることができる。
【００５５】
このようにして上記構成で得られる配光特性の一例を図５に示す。図中破線で示したのが、図１に対応する撮影レンズが望遠の状態に集光した状態の配光特性であり、必要照射角度範囲に対して狭い範囲で均一な配光特性が得られることがわかる。この場合、図１の状態ではすべて射出光軸に対して平行化されているが、実際の配光特性は光源自体の大きさによって広がりを持ち、必要画角外への照射も生じ配光特性上も裾野部分を残している。しかし、全体としてはロスの少ない均一な配光特性になっている。
【００５６】
一方、図５中で実線で示したのが、図２に対応した撮影レンズが広角の状態に対応する照射角度範囲の広い状態の配光特性であり、必要照射角度範囲に対応した広い角度範囲で均一な配光特性が得られることがわかる。
【００５７】
このように本発明の第１実施形態による照射角可変装置は、図２に示す照射範囲が最も広い状態から図１に示す照射範囲が最も狭い状態までの照射角度変化を、第１の透光性光学部材と第２の透光性光学部材との離間距離を調整するという簡単な操作だけで連続的に変化させることができる。また、このとき、中間段階の各ズームポイントでも均一な配光特性を持たせることができる。
【００５８】
特に、本方式の特徴は、撮影レンズがワイド側に対応した必要照射角の広い状態での配光特性が良好なことと、従来方式に比べて照射角可変に必要な移動量が少ないことである。まず、ワイド状態での配光特性が良好である理由は、第１の透光性光学部材で複数の集光領域に分け、それぞれ小領域での配光特性を合わせ込んでいることと、第１の透光性光学部材で配光特性を規制後の光束を、第２の透光性光学部材を透過する際に配光特性に悪影響を与えにくい領域、すなわち屈折力の弱い領域を使っている点である。このように構成することで、必要照射範囲外への光の損失を必要最小限に抑えることができると共に、均一な配光特性を得ることに成功している。また、移動量が少ない理由としては、光路を複数に分け、それぞれの光学系を小型光学系として扱っている為、このときに必要となる照射角可変の為の移動量も縮小できる点にある。このようなことから、小型撮影装置に適したスペース効率の良い照明光学系の設計が可能となり、構成部品的にも大幅な追加部品を必要とせず安価に構成することができる。
【００５９】
尚、本実施形態では、第２の透光性光学部材の射出面側に正の屈折力を持ったレンズ面を形成し、小型化と効率の向上を図っているが、必ずしもこの形態に限定されるわけではなく、入射面側に正の屈折力を持ったレンズ面を形成しても良い。このように構成することによって、光学部品の外観形状に不要な出っ張りが生じず、第２の透光性光学部材を直接外観部品として外部に表出できる為、不要な保護部材を別に設ける場合に比べてかえって小型化できる場合もある。
【００６０】
また、必ずしも、片面側にのみ正の屈折力を持つレンズ面を形成する必要はなく、表裏両面に正の屈折力を持つ面を形成しても良い。このように２面に分けて屈折力を配分することによって、性能面と小型化の両方に対して有効な形状となるように構成することもできる。
【００６１】
さらに、本第１実施形態では、第１の透光性光学部材の反射面４ｄの形状によって、第１の透光性光学部材を通過後の集光領域を一つの領域に規制するような実施形態を示しているが、必ずしもこの形態に限定されるわけではなく、この全反射面４ｄで複数の集光領域を形成するような、形状としてもよい。このように集光領域を細分化することによって、照射角度可変に伴う透光性光学部材の移動量を減少させることが可能になり、照明光学系の小型化を達成することが可能になる。
【００６２】
上述のような方法によって各透光性光学部材の形状を規定することにより、与えられた光源の発熱条件を考慮した、最小のしかも最も効率の良い集光光学系を形成することができる。
【００６３】
（第２実施形態）
第２実施形態は、第１実施形態における第１、第２の透光性光学部材の形状を変形させた変形例であり、特に、上下の全反射面で制御される部分の光路の改善を図ったものである。
【００６４】
図６は、２つの透光性光学部材が離れた最も照射範囲の狭い状態を示し、図７は２つの透光性光学部材が近づいた最も照射範囲の広い状態を示している。同図においても、第１実施形態同様、光源中心から射出させた代表光束の光線トレース図も同時に示している。尚、図６と図７は透光性光学部材の離間距離のみを変化させたものであり、その他の構成は同一である。また、第１実施形態で説明したものと同一部品については、同一番号で示している。
【００６５】
図６、図７において、２４は第１の透光性光学部材であり、光源中心から射出光軸に近い方向に進む光束は第１実施形態同様、入射面２４ａ、射出面２４ｂによって集光制御される。
【００６６】
また、光源中心から射出光軸に対して斜め前方から側方にかけて射出される成分は、入射面２４ｃ、２４ｃ’から入射し、光源側に近い反射面２４ｄ、２４ｄ’、または射出面側に近い反射面２４ｅ、２４ｅ’という性質を異にする反射面で反射した後、射出光軸中心から外側に位置する平面状の射出面２４ｇ、２４ｇ’、またはそれより内側に位置する曲面で構成された射出面２４ｆ、２４ｆ’から射出される。
【００６７】
また、２５は第２の透光性光学部材であり、板状の光学部材の射出面側に３つのシリンドリカルレンズ面、２５ａ、２５ｂ、２５ｃが形成されている。第１実施形態のとは異なり、上記３つのシリンドリカルレンズはほぼ同一のレンズ面形状としている。
【００６８】
以下、上記構成の照射角可変照明装置の動作について説明する。
【００６９】
まず、本第２実施形態の特徴は、第１の透光性光学部材から射出された後の集光状態を中央部付近の屈折によって制御される領域と周辺部の全反射によって制御される領域でほぼ同一の特性を持たせたことにある。まず、中央の屈折によって制御される領域、すなわち入射面２４ａ、射出面２４ｂによって制御される領域は第１実施形態とほぼ同一形状である。
【００７０】
これに対し、周辺部の反射によって制御される領域を、射出光軸中心に対して外側の部分と内側の部分で異なった制御を行い、射出面２４ｆ、２４ｆ’、または、射出面２４ｇ、２４ｇ’から射出される成分を、Ｑ、またはＲの１点に集光させていることが第１実施形態とは異なっている。
【００７１】
このように、第１の透光性光学部材２４から射出された光束の特性がほぼ同一で揃っていることで、この後に続く第２の透光性光学部材の形状も同一の取り扱いができる為、第２の透光性光学部材の形状が簡単になると共に、複数に分割された集光光学系の重ね合わせが容易になるなどの利点がある。
【００７２】
次に、第１の透光性光学部材による全反射成分の光線の制御方法について説明する。
【００７３】
まず、入射面２４ｃから入射した光束は、屈折後に全反射面に向かう。反射面は基本的に、ほぼ中央の成分Ｓが射出光軸に対して平行となるようにし、その外側の成分は全反射面２４ｅ、射出面２４ｇによって一点Ｑに集光するように、各面形状を決定している。
【００７４】
特に本実施形態では、全反射面２４ｅにこの集光の機能をすべて持たせ、射出面２４ｇは平面で構成している。
【００７５】
一方、ほぼ中央の成分Ｓより内側の成分は反射面２４ｄによって、一度射出光軸に対して平行になるように変換された後、光射出面２４ｆによって屈折し、一点Ｑに集光するように規制されている。このように構成することによって、反射した成分を、射出面の同一点に異なった角度の射出成分を発生させることなく射出面２４ｆ、２４ｇのほぼ全面積を使って射出させ、射出後１点Ｑに集光させることができる為、配光制御が容易にかつ効率良く行うことができる。
【００７６】
また、一番外側の全反射面２４ｅの面形状を内側に反射させるような構成をとっている為、全体形状を小型に保つことができる。
【００７７】
このように構成することによって図６に示すように、第１の透光性光学部材から射出後、射出光軸方向にほぼ同一の距離のＰ、Ｑ、Ｒに、紙面前後方向に最集光領域が形成され、その位置から第２の透光性光学部材を所定距離離して配置することによって、照明光学系として最も集光した状態を形成することができる。
【００７８】
一方、図７に示す状態は、第１の透光性光学部材を第２の透光性光学部材の方向に移動させ、第２の透光性光学部材の射出面側のレンズ面に最集光点が一致させた状態を示している。この位置まで移動させることによって、第２の透光性光学部材の射出面側のレンズ面による屈折の影響を最小限に抑えることができ、第１の透光性光学部材による、ある一定の範囲に広がった良好な配光特性のままの照明を行うことができる。
【００７９】
また、図６，図７に示す状態の中間の状態では、移動距離に応じて集光状態を徐々に変化させることができ、配光特性としても移動の各点で均一な配光特性が維持され、良好な照射角可変照明装置が実現できる。また、第１実施形態同様、第２の透光性光学部材の光射出面側にレンズ面を構成しているため、光軸方向の長さを短縮できると共に、入射面、射出面の２回に分けて光束を屈折制御させている為、表面反射による光量ロスを最小限に抑えることができるなど、照射角可変照明光学系として、極めて好都合な構成となっている。
【００８０】
（第３実施形態）
第３実施形態は、第２実施形態における第１、第２の透光性光学部の一部を凸レンズ形状からフレネルレンズ形状に置き変えている。これによって、全体光学系形状の小型化、各射出面形状の簡易化を図っている。尚、他の構成は第２実施形態と同様であり、対応する番号は同一部品を示している。
【００８１】
図８は、２つの透光性光学部材が離れた最も照射範囲の狭い状態を示し、図９は２つの透光性光学部材が近づいた最も照射範囲の広い状態を示している。図８においても、第１実施形態同様、光源中心から射出させた代表光束の光線トレース図も同時に示している。一方、図９は、形状と配置のみを示しており、光線トレース図は示していないが、第２実施形態の図７の状態とほぼ等価の光線トレース図となる。尚、図８と図９は透光性光学部材の離間距離のみを変化させたものであり、その他の構成は同一である。
【００８２】
図８、図９において、３４は第１の透光性光学部材であり、光源中心から射出光軸に近い方向に進む光束は、シリンドリカルレンズからなる入射面３４ａとフレネルレンズよりなる射出面３４ｂによって集光制御される。
【００８３】
また、光源中心から射出光軸に対して斜め前方から側方にかけて射出される成分は、入射面３４ｃ、３４ｃ’から入射し、光源側に近い反射面３４ｄ、３４ｄ’、または射出面側に近い反射面３４ｅ、３４ｅ’という性質を異にする全反射面で反射した後、射出光軸中心から外側に位置する平面状の射出面３４ｇ、３４ｇ’、またはそれより内側に位置するフレネルレンズ面で構成された射出面３４ｆ、３４ｆ’から射出される。
【００８４】
３５は第２の透光性光学部材であり、板状の光学部材の射出面側に３つのフレネルレンズ面、３５ａ、３５ｂ、３５ｃが形成されている。第２実施形態の形態とは異なり、上記３つのレンズはフレネルレンズで構成されている。
【００８５】
第３実施形態の特徴は、第２実施形態で構成した光学系の一部をフレネルレンズに置き換えたものである。各透光性光学部材の構成、移動量等の条件は全く同一であり、このときの光線トレース図もほとんど等価である。詳細の動作は上記第２実施形態と重複するため省略する。
【００８６】
このように、レンズ面の一部をフレネルレンズ化することで、射出面側の形状を簡略化でき、光学機器等の外観部品としても取り扱いしやすくなると共に、第２の透光性光学部材を薄型化でき、照明光学系の全体形状を小型化できるという利点がある。
【００８７】
一方、フレネルレンズ化することによって、フレネルエッジ部によって、不要な屈折又は全反射光を生じ効率が悪くなるという不具合も生じる。ただし、本発明による照明光学系では、第１の透光性光学部材の光制御により、射出面の各点で制御すべき方向がかなり絞られ、フレネルエッジ部に導かれる光束は従来のフレネルレンズを用いた照明光学系に比べて少なくなるように構成できる為、光量ロスは低く抑えることができる。
【００８８】
第３実施形態では、フレネルレンズを、第１の透光性光学部材の光射出面の一部と、第２の透光性光学部材の光射出面に形成しているが、フレネルレンズ面の位置はこの位置に限定されるものではない。たとえば、第１の透光性光学部材の中央の光入射面３４ａをフレネル面としても良く、また、外観部に現れない第１の透光性光学部材の射出面を、効率面を優先して第２実施形態同様凸レンズ面で構成するようにしても良い。すなわち、第２実施形態で構成した正の屈折力を形成した面を持つ要素は、すべてフレネルレンズ面で置き換えることが可能である。
【００８９】
（第４実施形態）
第４実施形態においては、第１実施形態における第１、第２の透光性光学部材の形状を変形させている。特に、第１の透光性光学部材の後方に形成される集光領域の数を５つに増やしたことを特徴としている。図１０は、２つの透光性光学部材が離れた最も照射範囲の狭い状態を示し、図１１は２つの透光性光学部材が近づいた照射範囲の広い状態を示している。同図においても、第１実施形態同様、光源中心から射出させた代表光束の光線トレース図も同時に示している。尚、図１０と図１１は透光性光学部材の離間距離のみを変化させたものであり、その他の構成は同一である。また、第１実施形態で説明したものと同一部品については、同一番号で示している。
【００９０】
図１０、図１１において、４３は閃光放電管２から射出した光束のうち、後方に向かった成分を反射させる反射傘であり、内面が高反射率になるような材料を用いて作製される。
【００９１】
また、４４は第１の透光性光学部材であり、光源中心から射出させた光束を、入射面４４ａでの屈折、または入射面４４ｂ、４４ｂ’で屈折後４４ｃ、４４ｃ’で反射させ、それぞれ射出光軸に対して略平行化した後、５つの集光域に分割する。また、この後方には、第２の透光性光学部材４５が位置し、光射出面側に第１の透光性光学部材で形成した集光領域数に対応した数の正の屈折力を有するレンズ面４５ａが形成されている。
【００９２】
第４実施形態の特徴は、第１の透光性光学部材から射出された後の集光状態を、上記他の実施形態で説明したような中央の屈折領域と上下の全反射領域の合計３つの領域に分割するのではなくて、任意の分割数に分けるための構成を取れることである。このように分割数を増やすことによって、個々の集光レンズが小型化できるため、照射角度変化に伴う光学部材の移動量を最小限に抑えることができ、機構設計を行う上でも都合が良い。
【００９３】
以下、上記構成の照射角可変照明装置の動作について説明する。
【００９４】
まず、反射傘４３は閃光放電管２と同心形状の半円筒の反射面と、第１の透光性光学部材の全反射面の後方の一部まで回り込んだ反射面を有している。反射傘の後方を閃光放電管と同心の半円筒面としていることは、第１実施形態の説明同様である。これは、反射傘４３に向かう光束を閃光放電管２から直接前方に向かう光束と同様な取り扱いをするための構成であり、光学系の全体形状を小型化するのに適した形態となっている。一方、この半円等形状に続く反射傘４３の形状を第１の透光性光学部材に対して回り込むように設定している理由は、閃光放電管の発光部がある有限の大きさを持っており、光源の中心部より前側、すなわち射出面に近い側から射出した光束のうち、一部の光束が全反射面４４ｃで全反射できず、一部の光束が、全反射面４４ｃから射出してしまうという光量ロスを防止する為である。この反射部の形状を全反射面４４ｃの形状と略相似形状で若干大きめの反射面とすることによって、再入射後の光束も有効に配光制御され、効率の良い照明光学系を形成することができる。
【００９５】
次に、第１の透光性光学部材の光制御方法について、光源中心から射出された光束の振る舞いから説明する。まず、射出光軸に対して角度が小さい成分は、屈折面４４ａによって平行化されるのは他の実施形態と同じ構成である。一方、全反射によって制御される成分については、一度入射面４４ｂ、４４ｂ’で屈折した後、全反射面４４ｃ、４４ｃ’で全反射し、射出光軸とほぼ平行な成分に変換される。また、反射傘に向かう光束は、光源中心に対して、同心の半円筒形状であるため、基本的にガラス管の影響を受けず、反射傘で反射後、再度光源中心を通過して、上記、屈折面４４ａ、または全反射面４４ｃ、４４ｃ’を介して、射出光軸とほぼ平行化される。このように、光源中心から射出した光束は、基本的にすべて、この断面については、射出光軸に平行化される。
【００９６】
第１の透光性光学部材の光射出面４４ｄは、同じ屈折力を持った５つの集光領域で構成し、集光点Ｐ、Ｑ、Ｒ、Ｓ、Ｔがほぼ同一面上にあるように構成している。このように、集光度合いを一定にし、同一平面上に最集光点を形成するようにすると、照射角可変がそれぞれの領域でほぼ同様に行われる為都合が良い。
【００９７】
さらに、この前方に第２の透光性光学部材４５が配置され、第２の透光性光学部材４５の後方に集光した成分が、交差しないように最大限広がった位置と一致するように、それぞれの集光領域に対応した数の集光レンズが配置されている。この状態が図１０に示す状態である。
【００９８】
図１１には、第１の透光性光学部材４４と第２の透光性光学部材４５を近づけた状態を示してある。このように配置することによって、照明範囲を広げることができ、かつ、均一な配光特性を得ることができる。
【００９９】
また、図１０、図１１の中間段階の照射角変化も連続して行うことができ、このときの配光特性も均一な特性を保持した状態で変化させることができる。
【０１００】
上記実施形態では、第２の透光性光学部材の後方の集光部の数を、５つに分割した実施形態を示しているが、必ずしもこの分割数に限定されるわけではなく、照射角可変機構に許されるスペースに応じて任意の個数に分割させることも可能である。
【０１０１】
また、上記実施形態では、第１の透光性光学部材の光射出面４４ｄの５つのレンズ形状、及び、第２の透光性光学部材の射出面４５ａの５つのレンズ形状をすべて同一としているが、必ずしも同一形状に限定されるわけではなく、個々のレンズの大きさを変化させたり、屈折力をそれぞれ変化させるように構成しても良い。また、第２の透光性光学部材のレンズ面を照射面側に形成しているが、必ずしもこの形態に限定されるわけではなく、たとえば、複数あるレンズの一部を光源側に形成したり、第３実施形態と同様に一部のレンズをフレネルレンズに置き換える等の変形も可能である。
【０１０２】
（第５実施形態）
第５実施形態は、光源として、点光源と見なせるような小さな光源に適用した実施形態である。図１２は、第５実施形態の照明光学系の断面図である。又、図１３は、第５実施形態の照明光学系の斜視図である。
【０１０３】
たとえば、カメラ等で使用される赤目緩和ランプやセルフタイマー等に使用される高輝度ＬＥＤが、この点光源に近い光源に対応する。ここで対象とする赤目緩和ランプやセルフタイマー等の照明装置は、カメラの撮影レンズに応じて照射範囲を変えることで、エネルギを省力化することができる為望ましく、この種の照射角可変ができることが極めて有効である。
【０１０４】
この種の光源を対象とした場合、上記第１から第４実施形態までの形状を回転対称の形状に置き換えることにより対応させることが可能であり、第５実施形態は、第１実施形態の形態を回転対称形状にしたものである。
【０１０５】
図１２は、光源としてランプを使用した場合の実施形態である。５２は、光源であるランプであり、フィラメント５２ａより光が射出する。５４は第１の透光性光学部材であり、５５は第２の透光性光学部材である。図１３からもわかるようにそれぞれの部材はすべて回転対称形状に構成されている。
【０１０６】
図１２において、第２の透光性光学部材５５の実線の位置が、最も集光した状態（最集光状態）を示す光学配置である。一方、図中２点鎖線の部分が、広い照射範囲を得るための状態を示す光学配置である。
【０１０７】
実際の照射角可変動作は、上記２つの状態の間の移動量を変化させることによって行われ、連続的な配光特性変化が可能になる。特に、光学系が回転対称形状である場合、すべての方向の断面形状について、上記状態の配光特性変化が可能な為、その集光効果は大きく、大きな集光度合いの変化が望める。光線の集光状態を示す光線トレース図に関しては、第１実施形態と同様である為、ここでは説明を省略する。
【０１０８】
このように点光源を光源として選んだ場合には、光射出部がフィラメントの部分だけに限定できる為、光制御が簡単にでき、光量ロスもかなり少なくなる為、効率の良い照明光学系を形成することができる。
【０１０９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、照射角可変照明光学系のベースとなる集光光学系を極力小型化し、かつ照射角可変に伴う移動量も従来になく減少させるような構成をとっている為、照明光学系全体としても極めて小型となり各種光学機器に搭載可能な大きさの構成をとることができるようになった。
【０１１０】
また、配光特性の変化も連続的に切り換えが可能であること、またすべてのズームポイントで均一な配光を得ることができるなど、光学特性にもすぐれた照射角可変照明装置を提供することができるようになった。
【０１１１】
さらに本発明による照射角可変照明光学系は、設計自由度が高く、製品として要求される大きさ・メカ精度・光学特性等に応じて最適な照射角可変機構の設計を容易に行うことができる。
【０１１２】
また、構成要素が少なく、照射角可変機構が安価に構成できることや、その応用光学系も広く、各種照明光学系に応用できるなど極めて汎用性の高い技術になっている。
【０１１３】
一方、光学プリズム内での集光を全反射を利用して行っている為、同一光源に対するエネルギ利用効率が高く、小型化しても光学特性を低下させず、むしろ画角内に照射される有効エネルギを増加させることを可能にしている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の狭い照射範囲に対応した時の閃光発光装置の放電管径方向の縦断面図。
【図２】本発明の第１実施形態の広い照射範囲に対応した時の閃光発光装置の放電管径方向の縦断面図。
【図３】本発明の第１実施形態の閃光発光装置の光学系の要部を示す斜視図。
【図４】本発明の第１実施形態の閃光発光装置を適用したカメラの斜視図。
【図５】本発明の第１実施形態の配光特性を比較するための図。
【図６】本発明の第２実施形態の狭い照射範囲に対応した時の閃光発光装置の放電管径方向の縦断面図。
【図７】本発明の第２実施形態の広い照射範囲に対応した時の閃光発光装置の放電管径方向の縦断面図。
【図８】本発明の第３実施形態の狭い照射範囲に対応した時の閃光発光装置の放電管径方向の縦断面図。
【図９】本発明の第３実施形態の広い照射範囲に対応した時の閃光発光装置の放電管径方向の縦断面図。
【図１０】本発明の第４実施形態の狭い照射範囲に対応した時の閃光発光装置の放電管径方向の縦断面図。
【図１１】本発明の第４実施形態の広い照射範囲に対応した時の閃光発光装置の放電管径方向の縦断面図。
【図１２】本発明の第５実施形態の照明光学系の光学配置を示す縦断面図。
【図１３】本発明の第５実施形態の照明光学系の要部を示す斜視図。
【符号の説明】
２閃光放電管
３、４３反射傘
４、２４，３４，４４，５４第１の透光性光学部材
５、２５，３５，４５，５５第２の透光性光学部材
３４ｂ、３５ａ，３５ｂ，３５ｃフレネルレンズ面
５２ランプ

Claims

光源手段からの光束を、複数の透光性光学部材を介して照射光として照射する照明装置において、
前記光源手段に近い第１の透光性光学部材に、少なくとも入射光束の一部を全反射によって制御する反射部を持たせ、前記第１の透光性光学部材の射出面から射出した後の光束を複数の領域に分離させると共に、
前記第１の透光性光学部材の光射出面からの光束を入射させる第２の透光性光学部材に、前記第１の透光性光学部材によって分離された領域数に対応した正の屈折力を有する複数のレンズ部を形成し、
前記第１の透光性光学部材と第２の透光性光学部材の相対的位置関係を射出光軸方向に変位可能とすることを特徴とする照射角可変照明装置。
有効発光部が略円筒形状の閃光放電管からなる光源手段と、前記光源手段からの射出光束を２枚の透光性光学部材を介して照射光として照射する照明装置において、
前記光源手段に近い第１の透光性光学部材に、中央部には正の屈折力を有するレンズ部によって、周辺部には全反射面による集光又は射出面の正の屈折力を有するレンズ部による集光によって、それぞれ射出後の光束を複数の領域に分離し、
前記第１の透光性光学部材の光射出面からの光束を入射させる第２の透光性光学部材に、前記第１の透光性光学部材で形成した複数の領域に対応した正の屈折力を有するレンズ部を形成し、
前記第１の透光性光学部材と第２の透光性光学部材の相対的位置関係を照射光軸方向に変位可能とすることを特徴とする照射角可変照明装置。
前記光源手段の射出光軸後方に、光源からの射出光束を反射させる反射傘を配置すると共に、前記反射傘の形状の少なくとも一部に、前記光源の中心と略同心形状の反射部を形成としていることを特徴とする請求項１又は２に記載の照射角可変照明装置。
前記第２の透光性光学部材に形成した複数のレンズ部は、光射出面側に形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の照射角可変照明装置。
前記第１の透光性光学部材に設けた反射部は、光源中心からの射出光束を全反射させた後、一つ以上の集光領域を持たせる面形状となっていることを特徴とする請求項１又は２に記載の照射角可変照明装置。
前記第１の透光性光学部材は、中央の入射面に形成したレンズ部または周辺の全反射部によって、光源中心からの射出光束を射出光軸に対して略平行な光束に変換させると共に、射出面に正の屈折力を持つ複数のレンズ部が形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の照射角可変照明装置。
前記第１又は第２の透光性光学部材の正の屈折力を持つレンズは、フレネルレンズで構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の照射角可変照明装置。
前記第１の透光性光学部材の射出面から光が射出する方向に形成される複数の領域は、それぞれの領域に対応する射出面の中心部付近から射出した光束が射出光軸に対して略平行に射出し、中心部付近より上方の部分から射出した光束は下方へ向かい、逆に中心部付近より下方の部分から射出した光束は上方へ向かうように、それぞれ射出面から射出した光束が交差するように変換されることを特徴とする請求項１又は２に記載の照射角可変照明装置。
前記第１の透光性光学部材によって形成される複数の領域は、射出面から光が射出した方向にそれぞれの最集光領域を形成していることを特徴とする請求項１又は２に記載の照射角可変照明装置。
前記第１の透光性光学部材の反射部に対応する第２の透光性光学部材のレンズ部は、上下非対称形状であることを特徴とする請求項１又は２に記載の照射角可変照明装置。
前記第２の透光性光学部材の射出面の面積が、前記第１の透光性光学部材の射出面の面積よりも広いことを特徴とする請求項１又は２に記載の照射角可変照明装置。
前記透光性光学部材とは、透明な樹脂材料、または、光学ガラスからなることを特徴とする請求項１又は２に記載の照射角可変照明装置。
電子機器の外表面に少なくとも光射出部の一部を表出させた第２の透光性光学部材と、前記光源手段、第１の透光性光学部材及び反射傘を一体的に保持し電子機器内部に配置された発光部ユニットとから少なくとも構成され、電子機器の置かれた状況に応じて前記光学パネルと前記発光部ユニットとの相対的位置関係を変化させるようにした請求項１又は２に記載の照射角可変照明装置を備えることを特徴とする撮影装置。