CN100432825C - 照明装置和摄影装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种照明装置和摄影装置，该照明装置能够高效地使来自LED等光源的光聚光。该照明装置包括光源、配置在该光源的光照射侧的光学构件。上述光学构件具有：入射面；具有正的光焦度的射出面；反射从上述入射面入射的一部分光并将其导向所述射出面的反射面。该反射面形成在比射出面中离上述反射面最近的位置上的法线更远离照射光轴的区域。此外，照明装置包括：光源，发出第1光和含有与上述第1光的颜色成分不同的第2光；和光学构件，配置在该光源的光照射侧。上述光学构件包括：上述第1光透过的具有正的光焦度的第1面；将上述第2光反射到上述光照射侧的具有正的光焦度的第2面。

Description

照明装置和摄影装置

技术领域

本发明涉及具有使发光二极管等光源射出的光束高效地聚光在必要照射范围内的光学构件的照明装置和具备该照明装置的摄影装置。

背景技术

目前，作为把发光二极管(以下称为LED)作为光源的照明装置，利用使LED具有聚光作用的类型的装置很多已得到实用化。这种类型的LED的结构为：将发光二极管芯片固定在成为反射镜的金属杯内，在其前面(射出侧的面)上形成具有聚光作用的圆顶形的透明树脂。

上述结构的LED，通过改变由透明树脂构成的部分的直径和曲率，可以改变聚光程度，而且，已经提出了使用这种LED的装置(例如，参照特开平10-21703号公报)。

另一方面，已经提出了如下结构的光学系统，即，不使作为光源的LED具有聚光作用，而是通过配置在光源的光照射侧的凸透镜，使从光源发出的光束聚光(例如，参照特开2000-89318号公报)。

此外，还提出了不使作为光源的LED具有聚光作用，而使从光源射出的光束在棱镜内反射，朝向特定的照射区域射出的光学系统(例如，参照特开平10-164315号公报)。

目前，具有聚光作用的圆顶类型的LED，虽然对于作为光源的发光二极管芯片具有最佳光学配置，可实现高聚光性的光学系统，但是大多被LED的光学规格所左右。即，虽然有时可以选择能将光照射到安装有LED的光学机器所需要的最佳照射范围内的LED，但是LED的照射范围不一定与上述光学机器的最佳照射范围完全一致。

此外，当使用具有上述的已有光学特性(照射角度)的LED，使光照射在光学机器的最佳照射范围中时，就像特开平10-21703号公报所示的结构那样，需要其他的光学系统(光学构件)。在这种情况下，添加其他的光学系统会导致照明装置的大型化和成本的提高。

另一方面，未在前面一体化形成透镜的面发光型的LED，一般如特开2000-89318号公报所示，通过形成在光照射侧的凸透镜进行聚光。用凸透镜进行聚光虽然可以通过适当设定透镜的焦距来照亮光照射区域中含有照射光轴的特定区域，但是作为光源的LED和凸透镜之间会产生间隙。

因此，从LED射出的光束的一部分会从上述间隙漏出，使照明光的照射效率降低。

此外，在使用凸透镜、仅利用折射光的聚光光学系统中，虽然可以较为明亮地照射光照射区域的中央区域(照射光轴附近的区域)，但是中央区域以外的周围区域却很难得到充分的照度。因此，在整个必要照射区域中进行亮度均匀的照明十分困难。

另一方面，作为使用未在前面一体化形成透镜的面发光型的LED来改变光射出方向的光学系统，一般，如特开平10-164315号公报所示，有如下结构的照明光学系统：在光源的前面(光照射侧)配置棱镜面或反射面，在进行方向变换和聚光的同时使光向规定方向射出。

但是，在上述照明光学系统中，仅仅是通过折射或反射，使照射光轴附近的光束改变射出方向，同时依次使其聚光，形成不了利用折射或反射使聚光效率提高的结构。

因此，由于离开照射光轴的光束有可能朝向与所希望的方向(设计方向)不同的方向，因此，从使从LED射出的光束高效地均匀地照射到照射面上的特定区域这一点来讲，不是所希望的。

这样，在使用现有的LED的照明光学系统中，形成了利用折射和反射任意一方的光学作用使光束聚光的结构。但是，这种结构并不一定能如上所述高效地利用来自LED的射出光束，此外，照明区域内的照度分布也不一定均匀。

即，通常，在使用单个透镜来使来自LED那样的小光源的射出光束聚光时，虽然可以照亮照射光轴附近的中央区域，但是容易呈现在中央区域以外的周围区域极为黑暗的配光特性。

此外，在相对于一个聚光透镜使用将多个颜色的LED元件一体封装的光源的情况下，由于这些LED元件配置在相互不同的位置上，所以要使各LED元件的照射范围一致十分困难。其结果会产生配光不匀或颜色不匀。

另一方面，作为抑制上述配光不匀或颜色不匀发生的对策，可以考虑将光学构件的各表面作成扩散面，或者使光学构件的材料中含有扩散光束的成分。但是，在含有扩散成分的情况下，一般认为照射效率会极低，不能构成照射效率良好的光学系统。因此，优选的是形成以下结构，仅使用通过折射或反射的光学作用，使来自光源的光束射出。

发明内容

本发明的一个目的是提供使来自LED等光源的光能够高效地聚光的照明装置。此外，本发明另一个目的是提供能够抑制配光不匀或颜色不匀的照明装置。

作为本发明的一个方面的照明装置包括：光源；和配置在该光源的光照射侧的光学构件。上述光学构件具有：作为在所述照明装置的照射光轴上面向所述光源的发光面的单一平面表面而形成的入射面；具有正的光焦度的射出面；反射从上述入射面入射的光的一部分并将其导向所述射出面的反射面。这里，上述反射面形成在比上述射出面中离上述反射面最近的位置上的法线更远离照射光轴的区域，从所述照射光轴到所述反射面的距离、从入射面侧到射出面侧持续增加，并且所述反射面具有曲面形状，该曲面形状的曲率中心与所述照射光轴之间隔着所述反射面。

此外，作为本发明的另一个方面的照明装置，包括：光源，发出第1光和含有与上述第1光的颜色成分不同的第2光；和光学构件，配置在该光源的光照射侧。上述光学构件具有：上述第1光透过的具有正的光焦度的第1面；将上述第2光反射到上述光照射侧的具有正的光焦度的第2面。

而且，通过这些照明装置、和对由来自该照明装置的光照明的被摄物体进行拍摄的摄影系统，能够构成摄影装置。

本发明的进一步的目的或特征，可以从参照以下附图而说明的优选的实施例中得到了解。

附图说明

图1是表示本发明实施例1的照明单元的结构的纵截面图。

图2是上述实施例1的照明单元的外观立体图。

图3是上述实施例1的照明单元中的光学构件的正面图。

图4是用于说明上述实施例1的照明单元的配光特性的图。

图5是在实施例1中用于说明使用现有的聚光透镜时的配光特性的图。

图6是具有上述实施例1的照明单元的摄像机的外观立体图。

图7是表示上述实施例1的照明单元的配光特性的曲线图。

图8是表示本发明实施例2的照明单元的结构的纵截面图。

图9是上述实施例2的照明单元的外观立体图。

图10是实施例2中的LED单元的正面图。

图11是用于说明上述LED单元的相对各LED的配光特性的示意图。

图12是用于说明在实施例2中使用现有的聚光透镜时的配光特性的图。

图13是用于说明在实施例2中使用实施例1的光学构件时的配光特性的图。

图14是用于说明上述实施例2的照明单元的配光特性的图。

图15是表示本发明实施例3的照明单元的结构的纵截面图。

图16是表示在上述实施例3的照明单元中，从LED以特定的角度射出的代表光线的轨迹的图。

图17是表示在上述实施例3的照明单元中，以比上述特定的角度大的角度射出的代表光线的轨迹的图。

图18是用于说明实施例3中白色LED的构造的截面图。

图19是表示作为上述实施例3的变形例的照明单元的结构的截面图。

具体实施方式

以下，参照附图，对本发明的优选实施例进行说明。

实施例1

图1至图7是用于说明本实施例的照明单元(照明装置)和具备该照明单元的摄像机(摄影装置)的图。本实施例的照明单元，如下所述，能够高效地使从LED那样的微小的面光源射出的光束聚光。

图1是表示本实施例的照明单元结构的纵截面图，图2是表示上述照明单元的主要光学系统的外观立体图，图3是配置在上述照明单元内的光学构件的正面图。

图4是用于说明上述照明单元的配光特性的图，表示从光照射侧入射到光源侧的光束的轨迹。这里，图4A～4I是使上述光束相对于照射光轴的角度，在0°到40°的范围内，每次变化5°时的图。

图5是说明取代本实施例的照明单元中的光学构件，而使用现有的照明单元中的聚光透镜时的配光特性的图。图5中也表示了从光照射侧入射到光源侧的光束的轨迹。

图6是表示具有本实施例的照明单元的摄像机的外观立体图，图7是表示本实施例的照明单元的配光特性的曲线图。

在图1等中，1是作为光源的LED，2是用于使从LED1射出的光束聚光的光学构件。3是硬基板，与LED1电连接，并保持LED1。4是后述的摄像机主体11的外壳构件。

在图6中，11是摄像机主体，12是包括摄影镜头的透镜镜筒，13是对被摄物体照射照明光的闪光灯发光部。如图6所示，本实施例的照明单元是摄像机主体11的前面，被配置在透镜镜筒12的附近(相对于透镜镜筒12在图中下侧)。本实施例的照明单元(光学构件2)能够使从保持在摄像机主体11内部的LED1射出的光束高效地聚光。

另外，在摄像机的结构中，除了照明单元的结构以外的其他结构是公知的，因而省略详细的说明。此外，摄像机的结构并不限于图6所示的结构。

下面，对本实施例的照明单元的结构进行详细的说明。

LED1是可以射出在光射出方向上具有均匀特性的光束，可以发出一定时间的恒定光(一般为比闪光的光时间长的、以固定的光量射出的光)的高亮度的白色LED。这里，LED1通过在射出面的前面形成的扩散面，对从LED芯片发出的光束进行转换以得到均匀的配光特性。其结果，图2所示的大致圆形的发光面1a，可以作为不限发光位置的具有均匀配光特性的微小光源的集合来处理。

LED1通过焊接等与硬基板3电连接以及机械连接，经过硬基板3，接受来自未图示的CPU的控制信号而进行发光。硬基板3通过未图示的固定构件被固定在摄像机主体11内的规定位置，具体讲是作为照明光学系统最能高效地发挥功能的位置。

光学构件2是用于使从LED1射出的光束聚光的光学构件，由透明性高(几乎无衰减率)的树脂材料形成。光学构件2如下所述，具有入射面2a、射出面2b和反射面2c。

LED1的射出光束入射的光学构件2的入射面2a，从LED1侧看时外形大致呈圆形，是相对于照射光轴L大致垂直(有时相对于照射光轴L倾斜的量是机械误差的量)的面。

入射面2a的大小(直径)与LED1的发光面1a的大小(直径)大致相同(由于形成光学构件2时的精度等，有时也产生误差)。而且，光学构件2相对于LED1，入射面2a直接在发光面1a的前面，且配置成在照射光轴L上与发光面1a相对。

这里，当入射面2a的尺寸比发光面1a小时，就不会使发光面1a上发出的所有的光入射到入射面2a上。而且，当入射面2a的尺寸比发光面1a大时，光学构件2就会大型化，或者到达入射面2a中周边部的光束就会减少，其结果使得入射面的光分布不均匀，产生配光不匀。因此，通过像本实施例那样使入射面2a和发光面1a的大小大致相等，就可以抑制上述问题的发生。

光学构件2的射出面2b是如图1等所示的具有正的折射力(正的光焦度，光焦度是焦距的倒数)的透镜面。从LED1发出、入射到入射面2a的光束中，一部分光束直接朝向射出面2b，在射出面2b上折射而聚光。

此外，在从照射光轴L方向看光学构件2时，射出面2b的开口比入射面2a开口大。即，如图1所示，射出面2b的直径x2要比入射面2a的直径x1大。

光学构件2的反射面2c反射从LED1射出、入射到入射面2a的光束中的剩余光束，并导向射出面2b。反射面2c的一端与入射面2a相接，另一端与射出面2b相接。这里，反射面2c由曲面构成。具体讲，反射面2c的面形状是，用相对照射光轴L垂直的面截断光学构件2时的面积(直径)随着从入射面2a到射出面2b而连续增加的形状。

此外，反射面2c中的至少射出面2b侧的区域(也可以是反射面2c的整个区域)，如图1所示，形成在比从射出面2b端(射出面2b和反射面2c的边界部分)处的射出面2b的法线n更远离照射光轴L的位置上。即，在垂直于照射光轴L的面内，从照射光轴L到反射面2c的距离比从照射光轴L到法线的距离长。

下面，对本实施例的反射面2c的形状进一步进行详细说明。

反射面2c与射出面2b相接的部分，采取了与通过射出面2b的周边部端部的法线n相接的面形状。这是一个可使入射到入射面2a的光束中直接导向射出面2b端部的光束、与在射出面2b的端部附近反射而被引导的光束连续连接的有效形状。即，通过采用上述的面形状，可以使直接到达射出面2b端部的直接光与经过反射面2c的反射光的角度大致相等，其结果，就能够避免进入射出面的边界部分的光束的不连续性。

另一方面，反射面2c的其他部分按照如下所述决定形状。

首先，反射面2c的与入射面2a相接的区域，如上所述，为了使其大小与发光面1a大致相同，限制了端点的位置。此外，连接它们之间的中间区域由末端扩大的曲面构成。以曲面形成该部分基于以下理由。本来由反射面2c反射的光束就是在以平面形成的入射面2a上进行了一次折射的成分。

这样，在本实施例所示的具有较短的光学构件2的光学系统中，到达反射面2c的成分少，并且只存在角度分布较窄的成分。另一方面，在本实施例中，优选反射光的角度分布与直接光的角度分布大致相等。

因此，在本实施例中，为了扩大到达反射面2c的光束的角度分布，通过将反射面2c的形状做成末端大的曲面，来实现配光特性的均匀化。

这里，为简化说明，对将曲面形状做成圆弧的情况下，照射到反射面2c上的光束的角度分布特性进行说明。为了简化说明，对反射面的截面形状为圆弧和直线的情况进行说明。

首先，截面形状为直线时，在反射前后，光束的发散方式自身不发生变化。其次，在圆弧的中心在射出光轴侧的情况下，可以使反射后的角度分布变窄。相反，在圆弧的中心在与射出光轴相反的一侧的情况下，即，在具有本实施例那样的末端扩大的形状的情况下，就有可能扩大反射面上反射后的光束的角度分布。

接下来，说明曲面形状的曲率。

如上所述，反射光的角度分布可以随着该反射面2c的曲率的不同而变化。在光学构件短的如本实施例那样的情况下，反射成分小，需要产生大角度的变化，所以，需要曲率大的曲面。相反，在光学构件长的情况下，照射到反射面的角度成分多，不需要产生大角度的变化，所以，可以通过设定小曲率来调整角度分布来获取所希望的配光特性。

进一步，反射面2c构成为使来自入射面2a的光束全反射到射出面2b侧。这里，通过蒸镀处理等，将反射面2c做成高反射率的金属蒸镀面，可以反射来自入射面2a的光束。

但是，在将反射面2c作为全反射面的情况下，没有必要进行蒸镀处理等，因此，可以减少制造光学构件2的工作量，降低光学构件2的制造成本。

此外，在光学特性方面，通过利用全反射，理论上可以得到100％(实际上是接近100％的值)的反射率，因而能够形成光量损失少、效率高的照明光学系统。

另外，也可以考虑利用具有相当于射出面2b的面的构件、和具有相当于反射面2c的面的构件，来构成照明单元。但是，在这种情况下，构成照明单元的构件数量会增加，而且必须高精度地将各构件配置在满足规定光学特性的位置。

如上所述，入射面2a、射出面2b和反射面2c的形状，为相对照射光轴L旋转对称的形状。由此，可以在相对照射光轴L基本相等的直径的范围内，进行光照射。

在光学构件2的侧面，形成图3所示的3个保持部2d。这些保持部2d在照射光轴L周围的间隔大致相等。而且，保持部2d如图1所示被固定在外壳构件4上。

上述结构的照明单元被配置在摄像机主体11内。

接下来，利用图4A～4I、图5A～5G以及图7，对本实施例的照明单元的配光特性进行说明。

在本实施例中，在评价照明单元的配光特性时，假定作为光源的LED1为在发光面1a的整个区域内照射均匀亮度的光的完全扩散光源。在这种LED1的情况下，从光照射侧(照明单元外)的特定位置向LED1进行光线的逆追踪，通过计数到达LED1的光线的条数，能够较容易地判断配光特性。将其进行2维表示的图为图4。

图4是表示从照明单元的外部入射到光学构件2的射出面2b的光线的轨迹的图。这里，图4A～4I表示将入射到射出面2b之前的光线相对于照射光轴L的角度，在0°(与照射光轴L平行)到40°的范围内，每次变化5°时的光线的轨迹。此外，图4A～4I所示的光线只表示到达LED1的发光面1a的光线。

如图4A所示，可知当上述光线相对于照射光轴L的角度为0°时，多数光线入射到射出面2b的几乎整个面，在射出面2b上折射，到达LED1的发光面1a。从光照射侧(图4A的右侧)观察图4A所示的状态时，可以看到光学构件2通过整个透镜口径(整个射出面2b)发光。

这里，在图4A的状态下，光学构件2的反射面2c几乎不起作用。

接下来，图4B所示的状态，是表示将入射到射出面2b的光相对于照射光轴L倾斜5°时的状态。这时，光束入射到射出面2b的几乎整个面，与图4A所示的状态相比几乎没有变化。即，在使LED1发光的状态下，从光照射侧看光学构件2时，可以看到射出面2b通过整个面而发光的状态。

在图4B的状态下，与图4A的状态的不同之处在于，在反射面2c的一部分区域(图4B的下侧的区域)上，来自射出面2b的光束(一部分)反射，到达发光面1a。

另一方面，在将入射到射出面2b的光线相对于照射光轴L的角度设为10°和15°的情况下，也是与图4B所示的状态相同的状态(参照图4C、4D)。即，来自光照射侧的光束入射到射出面2b的几乎整个面，可以看到射出面2b在整个面上发光的状态。此外，来自射出面2b的光束的一部分光束在反射面2c上反射而达到发光面1a。

其中，随着从图4A的状态向图4D的状态转换，从射出面2b直接到达发光面1a的成分逐渐减少，经过反射面2c到达发光面1a的成分逐渐增加。

而且，入射到射出面2b的光线相对于照射光轴L的角度大于等于20°时，如图4E～4I所示，从射出面2b直接到达发光面1a的成分逐渐地减少。此外，在反射面2c上反射而到达发光面1a的成分到上述的图4D的状态为止增加，而在图4D的状态以后逐渐减少。

进一步，如图4A～4I所示，随着上述光线相对于照射光轴L的角度增加，在射出面2b中入射来自光照射侧的光束的区域逐渐减少。

这样，本实施例的照明单元(光学构件2)的特征是形成以下结构：在具有正的折射力的射出面2b上折射的光、与在光学构件2的反射面2c上反射的光的比例不断变化的同时，能确保在比现有角度更广的角度范围内，在射出面2b的整个面上发光的区域。

下面，通过图5A～5G，对取代本实施例的光学构件2，在与本实施例的结构基本相同的条件下，使用现有的照明单元中所使用的聚光透镜时的配光特性进行说明。图5A～5G是表示从照明单元的外部入射到聚光透镜的光线的轨迹的图，仅仅表示到达LED发光面的光线。图5A～5G也与图4A～4I同样，使入射到聚光透镜的光线相对于照射光轴L的角度从0°开始每次增加5°。

图5A～5G表示使LED比聚光透镜22的焦距更靠近聚光透镜22侧的状态(散焦状态)。

从入射与照射光轴L平行的光束的状态(图5A)开始，到入射相对于照射光轴L倾斜5°的光束的状态(图5B)，能使聚光透镜22的凸透镜面22a的几乎整体发光。但是，在入射相对于照射光轴L的角度大于5°的光束的情况下，如图5C～5F所示，在聚光透镜22的凸透镜面22a中入射来自光照射侧的光束的区域逐渐减少。

而且，在入射相对于照射光轴L的角度为30°的光束的情况下，如图5G所示，没有透过聚光透镜22到达发光面1a的光线。

这样，使用聚光透镜22的现有照明单元中的光照射范围(最大照射角小于30°)比本实施例的照明单元中的光照射范围(最大照射角40°，参照图4)要窄。

其结果，在将具有2个凸透镜面的聚光透镜22设置在LED1的前面(光照射侧)来聚光的现有光学系统中，能够在含照射光轴L的特定角度范围内明亮地照射。但是，在大于上述特定角度范围的范围里，就会极为黑暗，照射范围与本实施例相比，窄得多。

此外，图5A～5G所示的照明单元是表示在较弱地设定聚光透镜22的折射力的状态(散焦状态)下使用的情况。

这里，通过使用比图5A～5G所示状态进一步加强折射力的结构的聚光透镜，可以将更多的光束照射到必要照射范围。但是，不一定加强透镜的折射力就能成为聚光性好的光学系统。即，当加强聚光透镜的折射力时，虽然能使具有靠近照射光轴的角度成分的光束在某种程度上聚光，但是对于相对于照射光轴具有大角度成分的光束，在透镜内部进行不必要的全反射的光束就会增加，不一定会形成高效的聚光光学系统。

下面，将图4A～4I和图5A～5G所示的各照明单元的配光特性汇总为曲线图即是图7。图7中，圆形曲线图的纬线表示假设照射光轴上的光量为100％(1.0)时的光量的值(比例)，经线表示相对于照射光轴的角度。

在图7中，实线表示本实施例的照明单元的配光特性，虚线表示将本实施例的光学构件2替换成现有的聚光透镜时的照明单元(图5A～5G所示的结构)的配光特性。

由图7可知，本实施例的照明单元能够在大范围内进行均匀照射。即，相对照射光轴的角度在大约20°为止的范围内的光束的光量，与照射光轴上的光量基本相等。而且，相对于照射光轴的角度为30°的光束的光量是照射光轴上的光量的50％(0.5)。

另一方面，可知在使用了聚光透镜的照明单元的情况下，对于照射光轴附近的光束(0°～约5°范围内的光束)，光量基本相等，能够较为明亮地照射。但是，在相对于照射光轴的角度大于5°的范围内，光量会降低，不一定形成所希望的配光特性。

根据本实施例，仅使相对于LED1配置在光照射侧的光学构件2具有上述面(入射面2a、射出面2b和反射面2c)，没有必要为了高效地聚光LED1的射出光束而配置多个光学构件。因此，能够抑制由于光学构件的增加而导致照明单元的大型化和成本增加。

实施例2

图8至图14是用于说明作为本发明的实施例2的照明单元的图。在本实施例的照明单元中，使用了将相互发出不同颜色的多个LED元件配置在一个封装内的LED单元。

这里，图8是表示本实施例的照明单元的结构的纵截面图，图9是表示本实施例的照明单元的结构的外观立体图，图10是本实施例中使用的LED单元的正面图。

图11表示在将聚光透镜(图5A～5G所示的聚光透镜22)配置在图10所示的LED单元的前面(光射出侧)使其聚光时，各LED的照射范围相对于必要照射范围形成怎样的分布。

图12至图14是用于说明从LED单元内的一个LED发出的光束在各聚光光学系统中如何聚光的图。各图中表示出从LED射出的光束的光线追踪图。具体讲，图12是使用具有2个凸透镜面的聚光透镜22时的图，图13是使用实施例1中说明的光学构件2的图。而且，图14是使用了本实施例的光学构件32时的图。

最近，在手机等中也用于照明的、可用互不相同的多种颜色照明的LED单元，通常在1个LED的封装中安装3个不同颜色的LED。

该LED单元的构成如下：通过同时点亮3个LED来形成白色，此外通过对任意的LED的发光进行组合能够用各种颜色进行照明。这里，各LED的位置在封装内有微妙的不同，在将处于不同位置的LED射出的光束通过单个聚光透镜进行聚光的情况下，通常会造成照明光产生颜色不匀。此外，根据所照射的部位的不同，会形成亮度不同的配光分布。

本实施例中提出一种照明单元，如上所述，在使用了含有配光不匀的要素的LED单元的情况下，可以抑制颜色不匀和配光不匀，能够进行均匀照明。

首先，在说明本实施例的照明单元的具体结构之前，就上述的LED单元的结构，使用图10进行简单说明。图10是将红、绿、蓝3种颜色的LED芯片配置在一个封装内的LED单元的正面图。

如图10所示，各LED元件31a、31b、31c不能安装配置在同一位置，而是分别隔着等距离配置。而且，在LED元件31a、31b、31c的周围形成了反射部31d。

反射部31d虽然在某种程度上具有聚光功能，但是LED单元整体的聚光效果较弱。因此，实际上在使用图10所示的LED单元时，需要在LED单元的前面(光照射侧)配置某种聚光构件。现有的照明单元多数通过将图12所示的聚光透镜22配置在LED单元的前面，使从各LED元件射出的光束聚光。

但是，在对各LED元件的射出光束使用单个聚光透镜进行聚光的情况下，各LED元件的位置会微妙地错开，所以即便是通过聚光透镜来聚光，如图11所示，照射范围也不一定一致，有可能在必要照射范围的一部分中产生颜色不匀。

在图11中，用虚线33、双点划线34、单点划线35表示3色的各LED元件的照射范围，必要照射范围由实线36表示。如图11所示，在必要照射范围36中的图中斜线所示区域以外的区域中，LED元件的所有照明范围33、34、35不重叠，因而可能产生颜色不匀。

另外，在本实施例中，对将3个(色)LED元件设置在一个封装内的LED单元进行了说明，但是，例如，当3个LED的颜色都相同时，在必要照射范围中，会产生亮度不同的区域，即，在所有LED元件的照射区域不重叠的区域，可能会产生配光不匀。此外，即使是在使用发出互不相同颜色的多个LED元件的情况下，与上述同样，在必要照射范围中，也可能产生亮度不同的区域，产生配光不匀。

接下来，对使用上述LED单元情况下的本实施例的照明单元的结构进行详细说明。本实施例的照明单元也与实施例1同样设置在图6所示的摄像机内。

在图8等中，31是将多个(3个)LED元件配置在一个封装内的LED单元，该LED单元31能够发出一定时间的恒定光。作为LED单元31，假定是射出产生颜色不匀和明暗不匀等不均匀的光束的光源，本实施例的照明单元将从上述光源射出的不均匀光束变换成均匀光束，同时，能够高效地进行该变换。即，本实施例使用的光学系统(光学构件)，不仅进行实施例1说明的高效单纯的聚光，而且还必须是能够同时消除各种不匀的光学系统。

利用图8等，对本实施例的照明单元的基本结构进行说明。

在图8等中，在内置有3个LED芯片31a、31b、31c的LED单元31中，形成有反射部31d。但是，在本实施例中，没有使用反射部31d，即，使用了现有产品作为LED单元31。

31e是在LED单元31的背面形成的硬基板，各LED元件通过引线接合(wire bonding)或焊接等，与硬基板31e电连接以及机械连接。硬基板31e通过未图示的固定构件固定于摄像机主体11上，作为照明光学系统被正确配置在最能高效发挥作用的位置。

接下来，光学构件32是用于将LED单元31射出的光束聚光的构件，由透明性高(基本无衰减率)的树脂材料形成。

光学构件32的入射面32a从LED单元31侧看时外形为大致圆形，以相对于照射光轴L基本垂直的面构成。入射面32a的大小(直径)，与LED单元31中配置LED元件的面31f(发光面)的大小(直径)基本相同。而且，光学构件32相对于LED单元31，入射面32a是直接在LED单元31的上述发光面的前方，且配置成在照射光轴L上与发光面相对。

另一方面，光学构件32的射出面32b如图所示由具有正的折射力(正的光焦度)的透镜面构成。从LED单元31射出、射入到入射面32a的光束中的一部分光束，直接朝向射出面32b，在射出面32b上折射而聚光。

此外，从照射光轴L方向看光学构件32时，射出面32b的开口要比入射面32a的开口大。即，如图8所示，射出面32b的直径x3要比入射面32a的直径x4大。

光学构件32的反射面32c反射从LED单元31射出、射入到入射面32a的光束中的剩余部分的光束并将其导向射出面32b。反射面32c的一个端与入射面32a相接，另一个端与射出面32b相接。这里，反射面32c由曲面构成。具体讲，反射面32c的面形状，与实施例1说明的光学构件2同样，是用相对于照射光轴L垂直的面截断光学构件32时的面积(直径)随着从入射面32a到射出面32b而连续增加的形状。

此外，反射面32c中的至少射出面32b侧的区域(也可以是反射面32c的整个区域)，如图8所示，形成在比从射出面32b的端(射出面32b和反射面32c的边界部分)部的射出面32b的法线n更远离照射光轴L的位置上。即，在垂直于照射光轴L的面内，从照射光轴L到反射面32c的距离比从照射光轴L到法线的距离长。

进一步，反射面32c如实施例1说明的那样，优选作为全反射面构成。通过这样构成，即使不进行蒸镀等处理也能够形成反射面，能够低成本且容易地制造光学构件32。此外，在光学特性方面，通过利用全反射，在理论上可得到100％的反射率，因此，能够构成光量损失少、聚光效率好的光学系统。

与实施例1同样，入射面32a、射出面32b和反射面32c的形状成为相对于照射光轴L旋转对称的形状。由此，能够在相对于照射光轴L具有大致相同直径的范围内进行光照射。

光学构件32通过未图示的保持部被固定在摄像机主体11的外壳构件上。

本实施例的照明单元的结构中与实施例1的照明单元的结构的不同之处在于，光学构件32在照射光轴L方向上的长度，比实施例1的光学构件2在照射光轴L方向上的长度要长。即，反射面32c的区域比反射面2c的区域大，另外，光学构件32的入射面32a和射出面32b的各个大小(直径)，与实施例1的光学构件2的入射面2a和射出面2b的各个大小(直径)基本相同。

下面，通过图12～图14，对从LED单元31射出的光束表现出怎样的动作进行说明。这里，图14是表示使用本实施例的照明单元时的图。此外，为了明确本实施例的特征，代替本实施例所使用的光学构件32，在图12中示出使用现有的聚光透镜(入射面和射出面是凸透镜面)时的图，在图13中示出使用实施例1中使用的光学构件时的图。

图12至图14表示位于从偏离照射光轴L的位置，即相对于照射光轴L在图中下侧的位置P上的LED元件所射出的代表光线的轨迹。

首先，图12表示使用现有聚光透镜时的照明单元的结构，通过两面为凸面的聚光透镜使来自LED元件的射出光束聚光。

如图12所示，从相对于照射光轴L错开的位置上的LED元件所射出的光束，通过聚光透镜22变换成为光束中心朝向图中上侧的照射光束。

即，透过聚光透镜22的照射光束中、相对于照射光轴L在图中下侧的角度范围，比相对于照射光轴L在图中上侧的角度范围要小。

另外，虽然没有图示，但是由于其他LED元件也没有配置在射出光轴L上，所以，在不同于图12所示方向的方向上观察从其他LED元件射出的光束时，表现出与图12所示的光束的轨迹相同的轨迹(图13和图14所示情况也相同)。而且，将从3个LED元件射出的光束合成时的配光分布的状态就是图11所示的状态。

下面，对于使用实施例1中说明的光学构件2的情况，通过图13进行说明。从位置P上的LED元件发出的光束，通过光学构件2，变换成相对于照射光轴L在图中上侧照射的照射光束。即，在透过光学构件2的照射光束中，相对于照射光轴L在图中下侧的角度范围，比相对于照射光轴L在图中上侧的角度范围小。

这里，图13所示的光学构件2上形成有反射面2c，从入射面2a入射的光束的一部分在反射面2c上反射并被导向射出面2b。而且，光学构件2在位于图中上侧的反射面2c上反射的成分从射出面2b射出，朝向比照射光轴L更靠近图中下侧的区域。

由此可知，比起图12所示的结构，可以在更大范围内进行照射，发挥使配光不匀缓和的作用。但是，上述光学构件2在图中上侧的反射面2c上反射的成分，不一定比其他成分多，所以，要使照明单元的上下方向(图中的上下方向)的配光特性基本均匀，即，使从光学构件2的射出面2b射出的光束的相对于照射光轴L在图中上下的角度范围大致相等是十分困难的。

但是，通过形成反射面2c，不再有从光学构件2漏出的成分，能够有效地使用LED元件的所有射出光束。所以，图13所示的结构能够抑制光量的损失，提高照射效率。

接下来，对用于本实施例的照射单元的光学构件32进行说明。本实施例中的光学构件32的最大特征在于，与图13所示的光学构件2相比，照射光轴L方向上的长度较长，在反射面32c上反射(全反射)的成分较多。

在本实施例中，使光学构件32在照射光轴L方向上的长度比光学构件2的情况长，即，使反射面32c的区域比光学构件2的情况下大，通过使从入射面32a入射的光束的一部分在反射面32c上反射的次数增加，无论LED元件的位置如何都能够得到均匀的配光特性。

在本实施例中，如图14所示，将从入射面32a直接朝向射出面32b在射出面32b上射出的成分、在反射面32c上一次反射之后从射出面32b射出的成分和在反射面32c上两次反射之后从射出面32b射出的成分合成。由此，与图12和图13所示的光学系统相比，能够使照明单元的上下方向(图中上下方向)的配光特性均匀化。而且，通过使用反射面32c，能够抑制光量损失，提高聚光效果。所以，本实施例的照明单元的光学特性极其优良。

这里，为了得到上述效果，必须将光学构件32(反射面32c)在照射光轴L方向上的长度设定成使从入射面32a入射的光束的一部分至少反射2次的长度。另外，虽然可以使从入射面32a入射的光束的一部分在反射面32c上反射至少3次或更多次，但是这样会使照射单元在照射光轴L方向上的长度变长(大型化)，所以优选如本实施例那样的使在反射面32c上反射2次的结构。

另外，在本实施例中，对于使用将3个LED元件配置在一个封装内的LED单元的情况进行了说明。但是并不限于使用3个LED元件的情况，在使用将4个或更多的LED元件配置在一个封装内的LED单元的情况下，也能得到本实施例中说明的效果。此外，在将2个LED元件配置在一个封装内的情况下，也能得到本实施例的效果。

实施例3

图15至图18是用于说明作为本发明的实施例3的照明单元的图。本实施例的照明单元特别适于将蓝色LED和荧光体组合起来的白色LED作为光源使用的情况。

这里，图15是表示本实施例的照明单元的结构的纵截面图，图16是在图15所示的纵截面图上，增添了从LED的中心部射出的光束中相对于照射光轴L的角度较小成分的光线追踪的图。此外，图17是在图15所示的纵截面图上，增添了从LED的中心部射出的光束中相对于照射光轴L的角度较大成分的光线追踪的图。

图18是用于说明白色LED的结构的截面图。此外，图19是表示作为本实施例的变形例的照明单元的结构的纵截面图。

首先，说明本实施例设想的课题。

本实施例的目的在于，高效地利用从光源射出的光束，同时缓和由白色LED的结构引起的照射面上的颜色不匀。以下首先通过图18说明白色LED的结构、显色的原理和产生颜色不匀的主要原因，其后说明能够抑制颜色不匀发生的本实施例的照明单元的结构。

在图18中，44是蓝色LED芯片，45是通过在蓝色LED芯片44表面上涂敷YAG(钇铝石榴石：Yttrium-Aluminium-Garnet)类荧光体所形成的荧光体层。此外，46a、46b是引线，47a、47b是端子部。引线46a、46b通过引线接合法等与蓝色LED芯片44的表面电极和端子部47a、47b连接。

49是由透明树脂形成的保持构件，保持上述构件。蓝色LED芯片44和荧光体层45固定于与端子部47a、47b一体形成的金属杯部48中，金属杯部48具有作为反射镜的功能。

上述结构的白色LED41如下发出白光。

图18所示的荧光体层45能够将蓝光变换成黄光。蓝色LED芯片44放射的蓝光的一部分，透过荧光体层45，剩余的部分照射在荧光体层45上成为黄光。通过将2种光混合在一起，能够产生白光。

在此，如果从白色LED41照射的所有方向上的光都是白色的话就没有问题了，但是，当观察实际的显色时，却不一定形成均匀的白色照明。即，在相对于照射光轴L的特定角度内的范围中，可用白色进行明亮的照射，但是在比上述特定角度大的角度范围中，却存在黄色成分多、亮度变暗的倾向。

这是由于从蓝色LED芯片44射出的光束的方向不同导致透过荧光体层45的长度不同的缘故。即，由图18可知，以相对于照射光轴L小于等于上述特性角度的角度射出的第1成分，与以大于等于上述特性角度的角度射出的第2成分相比，通过荧光体层45时的长度变短。在上述第1成分中通过荧光体层45的蓝色成分比上述第2成分的情况下多，再现出的颜色接近带蓝色的白色。对此，可以认为是由于在第2成分中通过荧光体层45的长度变长，变成黄色的成分增加的缘故。

根据以上情况可以说，为了在抑制发生白色不匀的同时也高效地利用白色LED41的光，对应于从蓝色LED芯片44射出的光束的方向，即，对应于上述第1和第2成分进行聚光控制是十分有效的。

本实施例的照明单元是考虑上述方面而构成的，对上述第1和第2成分分别进行聚光控制。而且，通过将从照明单元射出的第1和第2成分重合在必要的照射范围内，可以变换成颜色和亮度均匀的光束。

以下，使用图15～图17，对用于本实施例的照明单元的光学构件的具体结构进行说明。

在图15中，41是图18所示的白色LED，42是用于将从白色LED41射出的光束聚光的光学构件，43是电连接和机械连接白色LED41的电路基板。

光学构件42包括：具有正的折射力(正的光焦度)的第1入射面42a；第2入射面42b；全反射面42c；平面状(相对照射光轴L大致垂直的面)的射出面42d。第2入射面42b将从白色LED41射出的光束中入射到第2入射面42b的成分(上述第2成分)导向全反射面42c侧。全反射面42c将由第2入射面42b引导的成分全反射到射出面42d侧。

下面，用图16和图17，对从作为光源的白色LED41射出的光束的轨迹进行说明。图16表示在白色LED41的中心部分(照射光轴L的部分)射出的光束中、有关相对照射光轴L的角度小于等于特定的角度的成分(上述第1成分)的代表光线的轨迹。在该第1成分中，如上所述，透过白色LED41的荧光体层45的蓝光成分变多。

首先，必须使第1成分对必要照射范围进行均匀照射。在本实施例中，通过将第1成分入射到具有正的折射力的第1入射面42a，使其在第1入射面42a上聚光，从而可以对必要照射范围内进行高效地(使其具有均匀的配光特性)照射。

其次，图17表示在从白色LED41的中心部分射出的光束中有关相对照射光轴L的角度大于等于特定的角度的成分(上述第2成分)的代表光线的轨迹。在该第2成分中，如上所述，透过白色LED41的荧光体层45的蓝光成分变少，通过荧光体层45被变换成黄色的成分变多。即，第2成分为带有黄色的光。

这里，第2成分也必须对必要的照射范围进行均匀照射。

在本实施例中，使第2成分入射到第2入射面42b之后，在全反射面42c上进行全反射，使从射出面42d射出的第2成分的角度分布，与第1成分的角度分布基本一致。即，图17虽然未图示，但从射出面42d射出的第2成分，越是远离射出面42d，越是具有与图16所示的第1成分的照射角度基本相等的照射角度。

这样，通过将图16所示的带有蓝色的第1成分和图17所示的带有黄色的第2成分，在相同的照射范围内重合，能够在抑制颜色不匀发生的同时得到配光特性均匀的照明光。

上述现象对于图16和图17所示的代表光线以外的光线，即从白色LED41中心以外的部分射出的光束，也具有图16和图17所示的轨迹的倾向。由此，在白色LED41的整个发光区域内，能够在抑制颜色不匀发生的同时得到均匀的配光特性。

如上所述，在本实施例的照明单元中，能够高效地抑制作为光源的白色LED41引起的颜色不匀，同时能够高效地利用从白色LED41射出的光束(几乎无光量损失)，照射具有上述规定配光特性的光束。

此外，由于光学构件42的射出面42d以平面构成，所以即使将本实施例的照明单元配置在图6所示的摄像机之类的光学机器上，也不会使该光学机器的外观上有不协调的感觉。而且，与将射出面42d的形状做成平面以外的形状(例如，曲面)的情况相比，能够缩短从白色LED41到光学构件42的射出面42d之间的距离，构成小型的光学系统。

进而，本实施例如下构成，第2入射面42b的一端(与反射面42c相接的部分)与白色LED41的射出面基本位于同一面内(光轴垂直面内)。但是，并不限于此。例如，光学构件42可以构成为，使第2入射面42b的一端相对于含有白色LED41的射出面的光轴垂直面，处于与光照射侧相反的一侧的位置。如果这样构成，就能够抑制从白色LED41的射出面朝向与照射光轴L基本垂直的方向的光束，从白色LED41和光学构件42之间漏出，能够使更多的光束聚光。

另外，在本实施例中，如图15等所示，使用含有照射光轴L的平面截断光学构件42时的第2入射面42b的形状是直线形状(平面)，但是，也可以使该第2入射面的形状为曲线形状(曲面)，即，也可以使第2入射面为具有正的折射力的面。

另一方面，可以将照明单元的结构做成如图19所示的结构。即，能够做成具有反射构件51和光学构件52的结构。在如图19所示的照明单元中，上述第1成分通过入射到光学构件52中的具有正的折射力的第1入射面52a而聚光，从由平面(相对于照射光轴L基本垂直的面)构成的射出面53c射出。该第1成分的代表光线的轨迹与图16相同。

上述第2成分在反射构件51的反射面上反射之后，入射到光学构件52的第2入射面(相对于照射光轴L基本垂直的面)52b，从射出面53c射出。该第2成分的代表光线的轨迹与图17相同。

这里，图19中，在光学构件52的入射面侧形成具有正的折射力的第1入射面52a，但也可以将光学构件52的入射面以平面(相对于照射光轴L基本垂直的面)构成，在射出面的一部分(在照射光轴L的方向上，与第1入射面52a相对的区域)上形成具有正的折射力的透镜面。

如上所述，根据上述各实施例，通过使光学构件的射出面具有正的光焦度，同时，设置使从入射面入射的一部分光反射以将其导向射出面的反射面，可高效地使来自光源的光束聚光。

此外，通过用分开的面(第1和第2面)来控制第1光和第2光，能够以小型结构，得到由第1和第2光形成的任意的配光分布。

Claims (7)

1、一种照明装置，其特征在于，包括：

光源；和

配置在该光源的光照射侧的光学构件，

所述光学构件具有作为在所述照明装置的照射光轴上面向所述光源的发光面的单一平面表面而形成的入射面、具有正的光焦度的射出面、反射从所述入射面入射的光的一部分并将其导向所述射出面的反射面，

其中，所述反射面形成在比所述射出面中离所述反射面最近的位置上的法线更远离所述照射光轴的区域，从所述照射光轴到所述反射面的距离、从入射面侧到射出面侧持续增加，并且所述反射面具有曲面形状，该曲面形状的曲率中心与所述照射光轴之间隔着所述反射面。

2、根据权利要求1所述的照明装置，其特征在于：所述射出面的开口比所述入射面的开口大。

3、根据权利要求1所述的照明装置，其特征在于：所述发光面与所述入射面的开口的大小大致相同。

4、根据权利要求1所述的照明装置，其特征在于：所述光学构件具有所述入射面和所述反射面相邻以及所述反射面和所述射出面相邻的形状。

5、根据权利要求1所述的照明装置，其特征在于：所述入射面、反射面和射出面具有关于照射光轴旋转对称的形状。

6、根据权利要求1所述的照明装置，其特征在于：所述光源是发光二极管。

7、一种摄影装置，其特征在于，包括：

根据权利要求1～6的任一项所述的照明装置；和

摄影系统，对由来自该照明装置的光照明的被摄物体进行拍摄。

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