CN109477618A - 照明装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种照明装置，其不使用图样膜，也能够显示规定的图样(例如标识标记)。照明装置(1)用于显示规定的图样，具备LED(3)、利用从LED(3)射出的光形成二次光源的聚光透镜(4)、射出二次光源的射出面(5b)、射入所射出的二次光源并在该二次光源上具有焦点的光学透镜(7)，在射出面(5b)上形成有与图样对应的凸部、与图样对应的凹部的至少任意一个的三维形状。

Description

照明装置
技术领域
本发明涉及照明装置。
背景技术
以往，已知使用施加了任意的图样的图样膜来投影带有图案的投影像的照明装置(参照专利文献1)。例如专利文献1的照明装置在使从光源射出的光透过遮光圆板(设计膜)和透镜后，被反射镜反射，投影标识标记等图样。这样的图样膜由遮光部和非遮光部构成，透过图样膜的光的光线量的差成为图案而被表现。这样的照明装置既小型，又成为高倍率设计以便将投影像投影得大。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特表2006-500599号公报
发明内容
但是，在现有的照明装置中，因为装置的设计上的图样膜是微小的，因此如果不高精度地制作图样膜，则会在投影像中直接表现出锯齿，对投影质量产生影响。因此，存在图样膜的成本非常高昂的问题。另外，在将图样膜组装到照明装置时，每次都必须正确地进行图样膜的定位，因此作为图样膜单体成为难以处理的部件。
本发明就是为了对应这样的问题，其目的在于：提供一种照明装置，其不使用图样膜，也能够显示规定的图样(例如标识标记)。
本发明的照明装置是显示规定的图样的照明装置，其特征在于，具备：发光元件；光学元件，其利用从上述发光元件射出的光形成二次光源；射出面，其射出上述二次光源；光学透镜，射入所射出的上述二次光源，并在该二次光源上具有焦点，其中，在上述射出面上形成有与上述图样对应的凸部、与上述图样对应的凹部的至少任意一个的三维形状。
其特征在于：上述光学元件和上述射出面被一体化，在上述光学元件的表面即上述射出面上形成有上述三维形状。
其特征在于：上述三维形状具有向与上述射出面垂直的方向突出或凹下的与上述射出面平行的平面、将该平行的平面和上述射出面连结起来并相对于上述射出面倾斜规定角度的平面。另外，其特征在于：上述三维形状具有向与上述射出面垂直的方向突出或凹下的与上述射出面平行的平面、将该平行的平面和上述射出面连结起来的曲面。
其特征在于：上述三维形状具有上述光学透镜的景深范围内的部分、该景深范围外的部分。
上述照明装置的特征在于：不具有投影面，而向该装置外的投影面投射来显示上述图样。
发明效果
本发明的照明装置具备：发光元件；光学元件，其利用从发光元件射出的光形成二次光源；射出面，其射出二次光源；光学透镜，射入所射出的二次光源，并在该二次光源上具有焦点，其中，在射出面上形成有与图样对应的三维形状，因此从射出面射出的二次光源通过与图样对应的三维形状而有意地被折射或反射。其结果是射入到光学透镜的光线量减少，该减少的部分成为阴影被表现，因此显示为规定的图样。由此，即使不使用高精度加工的图样膜，也能够显示规定的图样，能够消除因图样膜造成的不良。
光学元件和射出面被一体化，在光学元件的表面即射出面形成有三维形状，因此不需要另外准备附加了图样的部件，能够减少部件个数。进而，通过减少从二次光源发出的光线与界面接触的机会，能够提高光的利用效率。
上述三维形状具有向与射出面垂直的方向突出或凹下的与射出面平行的平面、将该平行的平面和射出面连结起来并相对于射出面倾斜规定角度的平面。在该情况下，从平行的平面射出的光不折射或反射，因此维持射入到光学透镜的光线量。另一方面，从倾斜的平面射出的光均匀地折射或反射，因此射入到光学透镜的光线量减少。其结果是相当于倾斜的平面的部分在投影像中成为规定的粗细的阴影而被表现。另外，能够考量光的折射量或反射量与倾斜的平面的倾斜角度对应地变化，调整阴影的浓淡。
上述三维形状具有向与射出面垂直的方向突出或凹下的与射出面平行的平面、将该平行的平面和射出面连结起来的曲面。在该情况下，从平行的平面射出的光不折射或反射，因此维持射入到光学透镜的光线量。另一方面，从曲面射出的光沿着曲面连续地折射或反射，因此射入到光学透镜的光线量缓慢地减少。其结果是相当于曲面的部分在投影像中成为阴影的渐变而被表现。由此，能够通过简便的办法显示难以用图样膜表现的阴影的渐变。
上述三维形状具有光学透镜的景深范围内的部分、该景深范围外的部分。在该情况下，在景深范围内的部分中阴影变得鲜明，在景深范围外的部分中阴影不鲜明。由此，能够调整阴影的浓淡。
附图说明
图1是作为本发明的一个例子的照明装置的概要结构图。
图2是聚光透镜的射出面的放大图。
图3是表示图2的聚光透镜的投影图的图。
图4是表示因折射产生的光线量的变化的图。
图5是表示使倾斜角度变化的情况下的折射的图。
图6是表示图5的使倾斜角度变化的情况下的阴影的浓淡的图。
图7是表示曲面上的折射的图。
图8是表示图7的曲面上的阴影的浓淡的图。
图9是表示景深和凸部的高度之间的关系的图。
附图标记说明
1：照明装置；2：外壳；3：LED(发光元件)；4：聚光透镜(光学元件)；5：透镜部；6：边缘部；7：光学透镜；11：凸部；12：凹部。
具体实施方式
根据图1说明本发明的照明装置的一个例子。在图1中，照明装置1是大致圆柱状的照明装置。照明装置1在圆筒状的外壳2的空间内，具备作为发光元件的LED3、沿着LED3的光轴方向(从图中左向图中右的方向)配置的聚光透镜4、光学透镜7。在外壳2上，在光学透镜7的前面部设置有开口部2a，从开口部2a射出的光投影到投影面。在此，照明装置的外形形状可以是球体、长方形，但比较理想的是圆筒。另外，开口部2a被设置于根据光学透镜7的规格最优的位置。
在图1中，LED3被设置在基板上。作为LED3，例如可以使用青色、红色、绿色等的单色系LED、或具备青色系LED、红色系LED、绿色系LED的RGB型LED。此外，作为LED3，除了表面安装型LED以外，可以使用炮弹型LED。另外，代替上述LED也可以是LD或电灯。
聚光透镜4是使从LED3射出的光聚光而形成二次光源的光学元件，由聚碳酸酯、丙烯酸、玻璃等透明材质形成。聚光透镜4具备位于光轴方向中央部分的透镜部5、在光学透镜7侧的透镜部5的圆周方向上扩展的边缘部6。在透镜部5中，与LED3相对的面构成凸曲面(半球面)状的射入面5a，与光学透镜7相对的面构成与光轴方向垂直的面即射出面5b。在该射出面5b形成有后述的三维形状。此外，作为形成二次光源的光学元件(在图1中为聚光透镜4)，使用利用从发光元件射出的光形成二次光源的光学元件即可，例如可以是使从发光元件射出的光扩散而形成二次光源的光学元件。
光学透镜(投影透镜)7是将投影像投影到投影面(屏幕等)的透镜，在二次光源上具有焦点。光学透镜7由聚碳酸酯、丙烯酸、玻璃等透明材质形成。光学透镜7既可以由单一的透镜构成，也可以由多个透镜构成。
照明装置1例如为直径0.1～5cm的大致圆柱状，能够依照到投影面的距离，例如以50～200倍的倍率投影投影像。从LED3射出的光被聚光透镜4的射入面5a折射而聚光。聚光的光作为二次光源从射出面5b向光学透镜7射出。
此外，照明装置1可以依照开口部2a的形状等为任意的形状。另外，照明装置1可以根据需要在LED3和聚光透镜4之间具备波长变换元件。波长变换元件例如由包含YAG发光体的硅等透明性材料等构成，对从LED3射出的第一分光分布的光进行波长变换而成为第二分光分布的光。如果通过波长变换元件例如将LED3的青色光的一部分变换为黄色光，则作为白色光射出。
但是，现有的照明装置使用施加了任意的图样的图样膜来投影带图案的投影像。在该情况下，图样膜被配置在聚光透镜4和光学透镜7之间。但是，图样膜既微小，还对设计要求高精度，因此非常昂贵。另外，在组装到照明装置时，必须每次都进行正确的定位，因此作为图样膜单体是难以处理的部件。
因此，在本实施方式中，在聚光透镜4的射出面5b设置与图样对应的三维形状。作为三维形状，设置凸部和凹部的的至少任意一个。即，有意地使从射出面5b射出的二次光源通过凸部、凹部折射，由此使射入到光学透镜7的光线量变化，投影规定的图样。由此，即使不使用图样膜，也能够显示规定的图样。
根据图2说明三维形状。图2是聚光透镜4的射出面5b的放大图。例如，在直径Φ3～10mm的圆形的射出面5b上形成有多个锅铲状的凸部和凹部。
在图2中，说明多个凸部中的凸部11。凸部11从射出面5b向聚光透镜4的外侧(朝向光学透镜7侧)突出地形成，具有作为与射出面5b平行的平面的顶面A、将顶面A和射出面5b连结起来的倾斜面B。倾斜面B由相对于射出面5b倾斜规定角度的平面B1、以及将射出面5b和顶面A平滑地连结起来的曲面B2构成。另外，高度H1表示从射出面5b到凸部11的最高点的距离、即从射出面5b到顶面A的距离，例如是5μm～500μm。此外，高度H1在多个凸部之间既可以相同，也可以不同。
接着，说明多个凹部中的凹部12。凹部12从射出面5b向聚光透镜4的内侧(朝向LED3侧)下凹地形成，具有作为与射出面5b平行的平面的底面C、将底面C和射出面5b连结起来的倾斜面D。倾斜面D由相对于射出面5b倾斜规定角度的平面D1、以及将射出面5b和底面C平滑地连结起来的曲面D2的至少任意一个构成。另外，深度H2表示从射出面5b到凹部12的最低点的距离、即从射出面5b到底面C的距离，例如是5μm～500μm。此外，深度H2在多个凹部之间既可以相同，也可以不同。
图3是使用具有图2所示的三维形状的聚光透镜4投影到1米前方的投影面的照片。此外，在投影面中，与圆形的射出面5b对应的圆的直径是Φ400～800mm。如图3所示，投影出与多个锅铲状的凸部和凹部对应的多个投影像(锅铲状图案)。各投影像的轮廓被表现为阴影，各阴影的粗细、浓淡(包含渐变)分别不同。该阴影与凸部的倾斜面、凹部的倾斜面对应。即，通过适当地调整凸部的倾斜面、凹部的倾斜面，能够反映与规定的图样对应的阴影的粗细、浓淡。
在此，根据图4说明因折射造成的光线量的变化。图4(a)表示在射出面5b没有形成凸部和凹部的情况，图4(b)表示在射出面5b形成有凸部的情况。在图4(a)中，作为二次光源从射出面5b的P点射出的光不折射地射入到光学透镜7。另一方面，在图4(b)中，作为二次光源从射出面5b的P点射出的光通过倾斜的平面B1折射。在该情况下，由于折射而光线的一部分从光学透镜7偏离，因此射入到光学透镜7的光线量减少。其结果是在投影面产生阴影。在此，如果设射出面5b与倾斜的平面B1所成的倾斜角度为θ，则例如理想的倾斜角度θ被设定为10～80度。
在图5和图6中，表示与倾斜角度θ对应的阴影的浓淡的变化。在图5中，在射出面5b形成有倾斜角度不同的4个平面B1a～B1d，将各平面B1a～B1d的倾斜角度设为θa～θd。此外，倾斜角度θa～θd的大小为θa<θb<θc<θd。在该情况下，倾斜角度θ越大则光的折射量越多，射入到光学透镜7的光线量减少。其结果是如图6所示，倾斜角度θ越大，则阴影面上的阴影的浓淡越浓。换言之，倾斜角度θ越大，则阴影的亮度越暗。另外，在各平面B1a～B1d中，阴影的浓淡是固定的，阴影与各平面B1a～B1d的宽度对应地成为规定的粗细。这样，根据倾斜的平面B1的倾斜角度θ、宽度，能够调整阴影的浓淡、粗细。
此外，在图4～图6中，表示出凸部的平面B1上的光的折射，可以说对于凹部的平面D1也同样。具体地说，当设射出面5b与倾斜的平面D1所成的倾斜角度为α时，例如理想的倾斜角度α被设定为10～80度。另外，倾斜角度α越大，则射入到光学透镜7的光线量越是减少，阴影的浓淡越浓。即，根据平面D1的倾斜角度α、宽度，能够调整阴影的浓淡、粗细。
另一方面，在图7和图8中，表示凸部的倾斜面B是曲面B2的情况下的阴影的浓淡的变化。在图7中，在射出面5b上形成有2个曲面B2a、B2b。从射出面5b射出的光通过曲面B2a、B2b而折射。这时，该光沿着曲面连续地折射，因此射入到光学透镜7的光线量缓慢地减少。具体地说，越是接近射出面5b，则倾斜角度越大，光的折射量越多。其结果是阴影的浓淡连续地变化，阴影产生渐变。另外，在图7中，曲面B2a、B2b的各曲率相同，各高度H1不同。在该情况下，高度H1大的曲面B2a相对于射出面5b具有大的斜率，因此如图8所示，阴影的浓淡浓的部分比曲面B2b大。除此以外，通过变更曲面的曲率，能够调整渐变。
这样，在凸部中，在倾斜的平面B1中阴影的浓淡是固定的，与此相对，在曲面B2中使光线量可变地变化，由此能够使阴影具有渐变。此外，在图7和图8中，表示出凸部的曲面B2上的光的折射，可以说对于凹部的曲面D2也同样。
此外，例如依照聚光透镜4和光学透镜7之间的距离设定图2中的凸部11的高度H1、凹部12的深度H2。在该情况下，理想的是依照光学透镜7的景深设定高度H1、深度H2。景深是无法用肉眼判别投影像发生模糊的距离范围。即，在凹凸面处于景深的范围内的情况下，投影像是鲜明的，在凹凸面处于景深的范围外的情况下，投影像变得不鲜明。考虑到该现象，三维形状包含处于光学透镜7的景深的范围内的部分和处于光学透镜7的景深的范围外的部分，由此使阴影的浓淡变化。
在图9中表示景深和凸部11的高度H1之间的关系。图9(a)表示出凸部11全部处于景深内的情况。在该情况下，凸部11处于景深的范围Q内，因此鲜明地投影出与平面B1对应的阴影。另一方面，图9(b)表示出具有凸部11处于景深的范围Q内的部分和范围Q外的部分的情况。在该情况下，与平面B1对应的阴影在景深的范围Q内被鲜明地投影，在景深的范围Q外被模糊地投影。由此，作为图样效果能够引入焦点对焦了的鲜明部分和有些从焦点偏离的模糊这样的双方。此外，凸部11也可以全部处于景深的范围Q外。这样，相对于光学透镜7的景深而调整凸部11的高度H1，由此能够调整阴影的浓淡。此外，也可以相对于光学透镜7的景深而设定凹部12的深度H2。
可以通过例如使用了通过精密切削加工、电铸进行加工所得的模具的间接成型、精密切削加工、灌封、蚀刻等直接成型，来得到本发明的具有三维形状的聚光透镜4。依照规定的图样调整凸部、凹部的参数(高度H1、深度H2、倾斜角度θ、倾斜角度α等)，来设计用于前者的成型(间接成型)的模具。形成在聚光透镜4的三维形状可以只是凸部，也可以只是凹部。另外，也可以如图2所示那样组合凸部和凹部。此外，根据成型时产生的凸部或凹部的棱线部的加工R与边缘部之间的关系，根据成型方法和加工时产生的边缘部的位置，设定是将凸部设置为三维形状、还是将凹部设置为三维形状。成型方法是使用了模具的间接成型方法(例如注射成型)、以及直接成型方法(例如聚光透镜的切削加工)。作为一个例子，在对模具、透镜的切削加工中，大多使用普通的廉价的立铣床的方法，理想的是适合于必须考虑到通过刀具前端R附加的加工R的情况。
在此，边缘部是指在阴影中对比度最高的阴影部(例如图3的S1、S2)所对应的三维形状的部分，相当于图2的E1、E2。边缘部的位置是指与边缘部对应的阴影部的该阴影的位置。例如，图3的S1位于阴影的外侧，图3的S2位于阴影的内侧。即，相当于将阴影表现得从外侧向内侧变淡(对比度变低)、将阴影表现得从内侧向外侧变淡(对比度变低)。在此，在图2中，通过基于模具的间接成型方法来形成射出面5b的三维形状。进而，为了在图3的S1中阴影从外侧向内侧变淡，将与边缘部E1相关的三维形状设为凸部。另一方面，为了在图3的S2中阴影从内侧向外侧变淡，将与边缘部E2相关的三维形状设为凹部。通过这样设为凸部或凹部，能够调整阴影的对比度的方向。
在图1所示的实施方式中，在由透明构件构成的聚光透镜4的表面设置三维形状，通过三维形状有意地使光折射，由此投影出阴影。并不限于此，例如也可以将聚光透镜4的表面设为反射面，在该表面设置三维形状。在该情况下，作为二次光源从反射面射出的光被三维形状有意地反射，由此射入到光学透镜7的光线量减少。其结果是能够向投影面投影阴影。另外，作为光学透镜7，也可以由反射面构成。另外，在图1所示的实施方式中，在聚光透镜4的表面、即成为二次光源的面上一体地形成三维形状，但并不限于此。例如也可以与聚光透镜4分别地设置成为二次光源的面的部件，在该部件的表面设置三维形状。
本发明的照明装置是不具备投影面而投影到照明装置外的投影面来显示规定的图样的照明装置。因此，与自身具备投影面而经由该投影面显示图样的所谓显示器不同。例如，本发明的照明装置能够用作向投影面投影标识标记的标识灯。本发明的照明装置能够设计为小型，因此在用作标识灯的情况下，能够组装到车辆的后视镜。在该情况下，能够在照射脚下的地面的同时投影标识标记。
如上那样，本发明的照明装置不是通过形成在其他部件的图样膜上的二维的遮光/非遮光来显示图样，而在二次光源的射出面设置三维形状(凸部、凹部)而利用折射、反射效果，由此能够进行光的遮光/非遮光，制作出形成图样所需要的阴影。由此，不需要既要求高精度的印刷、制作工艺又有限、并且产品单价高昂的图样膜。另外，只要在一个模具上实施纳米加工等，就能够连续地形成三维形状，因此在成本方面是有利的。另外，图样的定位在制作模具时被固定，因此能够始终维持固定。因此，能够消除每次的定位这样的麻烦。
本发明的照明装置即使不使用图样膜也能够显示规定的图样，因此能够广泛地用作照明装置。

Claims (6)

1.一种照明装置，显示规定的图样，其特征在于包括：
发光元件；
光学元件，利用从上述发光元件射出的光形成二次光源；
射出面，射出上述二次光源；以及
光学透镜，射入所射出的上述二次光源，并在该二次光源上具有焦点，
在上述射出面上形成有与上述图样对应的凸部以及与上述图样对应的凹部的至少任意一个的三维形状。
2.根据权利要求1所述的照明装置，其特征在于：上述光学元件和上述射出面被一体化，在上述光学元件的表面即上述射出面上形成有上述三维形状。
3.根据权利要求1所述的照明装置，其特征在于：上述三维形状具有向与上述射出面垂直的方向突出或凹下的与上述射出面平行的平面、将该平行的平面和上述射出面连结起来并相对于上述射出面倾斜规定角度的平面。
4.根据权利要求1所述的照明装置，其特征在于：上述三维形状具有向与上述射出面垂直的方向突出或凹下的与上述射出面平行的平面、将该平行的平面和上述射出面连结起来的曲面。
5.根据权利要求1所述的照明装置，其特征在于：上述三维形状具有上述光学透镜的景深范围内的部分、该景深范围外的部分。
6.根据权利要求1所述的照明装置，其特征在于：上述照明装置不具有投影面，而向该装置外的投影面投射来显示上述图样。
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