CN1916485A - 照明装置、led照明装置和带有照明装置的成像设备 - Google Patents

Abstract

本发明包括：成像机构14；和LED照明装置20，用来将照明光发射到成像机构14的成像区域。该LED照明装置20包括：发光模块21，使发光元件21排列在其中；菲涅珥透镜22，使来自发光模块21的光成为平行的光线；一对透镜阵列23和24，排列在来自光源的光线的方向上，这对透镜阵列使菲涅珥透镜22所产生的平行光线成形为矩形；以及调节机构25，用来根据成像机构14的成像区域来调节透镜阵列23和24之间的间隔。

Description

照明装置、LED照明装置和带有照明装置的成像设备

有关申请的交叉参照

本申请基于2005年8月16日提交的申请号为2005-236005的在先日本专利和2005年12月22日提交的申请号为2005-370844的在先日本专利，并且要求它们的优先权，这些专利的全部内容被包括在此作为参考。

技术领域

本发明涉及一种用作投影仪、数码相机等的光源的照明装置以及一种带有照明装置的成像设备，尤其涉及一种被设计成即使当输出相对较低的LED被用作发光元件时也能够获得具有足够照度的照明的照明装置。

背景技术

LED照明装置使用在其中多个LED元件(发光元件)安装在一块基片上这么一种发光模块，并且知道其具有诸如调节色调等各种优点。这种LED照明装置也可以用于室内照明、商店照明、和舞台照明(参照例如特许公开号为2004-22257的日本专利)。这种LED照明装置也可以用作数码相机或含照相机的手机中的LED闪光灯。

例如，如图17所示，蓝光LED102安装在陶瓷基片100上。来自蓝光LED102的光线(未示出)直接发射，而其中的一部分被反射板104反射以便发射到外部。此时，该光线穿过黄色的荧光物质106并且变为人造白色。在这种情况下，如图18所示，来自该光源的光呈现出一种方向性特征，其中2θ_1/2是110°，这是近似朗伯分布的(Lambertian)。

数码相机或含在手机中的照相机的观察角通常约为60°。因此，上述110°的方向角是太宽了。针对这一点，提出了一种如图19所示的结构，其中蓝光LED112安装在陶瓷基片10上并且蓝光LED112密封在荧光物质113中，由此减小了方向角。在该结构中，来自LED112的光线穿过荧光物质113，并且该光线的一部分被反射板114反射并且其它部分直接发射到外部。如图20所示，此时的方向角使得2θ_1/2是50°。

将上述LED照明装置用于照相机引起了下文所述的问题。具体来讲，如图17或18所示的LED照明装置的照明区域几乎是圆的，所以中心亮度最高并且随方向角增大而逐渐减小。必须对比成像区域要宽的区域进行照明以确保该成像区域上有均匀的照度。然而，用在数码相机或含照相机的手机中的LED闪光灯会因电池容量或LED闪光灯的排列而并不具有足够的照度。同时，和中心相比，边缘较暗，这导致边缘处的图形质量下降。另外，LED发出的蓝光和荧光发出的黄光一般在发射位置和方向角方面不相同，结果，被照明的区域可能在色彩方面并不均匀。

如图21所示，LED照明装置的照明区域P是几乎圆形的而照相机所拍摄的成像区域Q是宽长比为4∶3的矩形。没有落在该矩形之内的光线没有被利用，因此被浪费了。此外，变焦操作中的照相机具有更窄的成像范围，而被照明的区域还是相同的尺寸。这意味着没落在成像区域中的面积扩展了，从而导致未使用的浪费的面积增大了。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种照明装置，即使使用诸如输出相对较低的LED等发光元件或其它发光器件，该照明装置也能够提供照度充足且均匀的照明。本发明的目的还在于提供一种LED照明装置和带照明装置的成像设备。

本发明的一个方面的特征在于它包括：光源，使发光元件排列在其中；准直单元，它使来自光源的光成为平行的光线；以及透镜阵列，用来使准直单元所产生的平行光线成形。另外，该透镜阵列的功能在于使准直单元所产生的平行光线成形。

本发明的另一个方面的特征在于它包括：光源，使发光元件排列在其中；准直单元，它使来自光源的光成为平行的光线；一对透镜阵列，排列在来自光源的光线的方向上，这对透镜阵列将准直单元所产生的平行光线成形为矩形；以及调节机构，用来调节这对透镜阵列之间的间隔。

本发明的又一个方面的特征在于它包括：成像机构；以及照明装置，它将照明光发射到该成像机构的成像区域，该照明装置具有：光源，使发光元件排列在其中；准直单元，它使来自光源的光成为平行的光线；一对透镜阵列，排列在来自光源的光线的方向上，这对透镜阵列使准直单元所产生的平行光线成形成矩形；以及调节机构，它根据成像机构的成像区域调节这对透镜阵列之间的间隔。

根据本发明，即使使用其输出相对较低的发光元件，也可以获得照度充足且均匀的照明。

本发明的优点将在下文的描述中得到阐明，并且部分地将在该描述中变得明显，或者可以从本发明的实践中获知。本发明的优点可以通过下文所特别指出的手段和组合来实现和获得。

附图说明

被包括在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的各实施例，并且与上文给出的一般描述和下文给出的各实施例的详细描述一起用来解释本发明的原理。

图1是示出了带数码相机的个人数字助理的透视图，该数码相机包含根据本发明第一实施例的照明装置；

图2是示意性地示出了该个人数字助理中所包含的LED闪光灯的示意图；

图3是示出了该LED闪光灯中所包含的透镜阵列的平面图；

图4是示出了该LED闪光灯的发光区域的示意图；

图5是示出了该LED闪光灯的发光区域的示意图；

图6是示出了在该个人数字助理的照明区域R和成像区域Q之间的关系的示意图；

图7是示出了该LED闪光灯的照度与一般的照明装置的照度相比较的示意图；

图8是示出了根据一比较示例的照明装置的发光区域的示意图；

图9是示出了该LED闪光灯的发光区域的示意图；

图10是示出了在驱动电流值和光通量之间的关系的示意图；

图11是示出了在离LED照明装置1米远的位置处驱动电流和中心照度之间的关系的示意图；

图12是示意性地示出了根据本发明第二实施例的手机主要部件的垂直截面图；

图13是示出了根据本发明第三实施例的手机主要部件的垂直截面示意图；

图14是示出了菲涅珥透镜的效用的示意图；

图15是示出了菲涅珥透镜的效用的示意图；

图16是示出了使用反射器的修改后的示例的截面图；

图17是示出了LED照明装置的一个示例的截面图；

图18是示出了LED照明装置的方向性特征的示意图；

图19是示出了LED照明装置的一个示例的截面图；

图20是示出了该LED照明装置的方向性特征的示意图；以及

图21是示出了在现有技术中照明区域P和成像区域Q之间的关系的示意图。

具体实施方式

图1是示出了带数码相机的个人数字助理10的透视图，该数码相机含根据本发明第一实施例的照明装置。图2是示意性地示出了该个人数字助理10中所包含的LED闪光灯20的示意图。图3是该LED闪光灯20中所包含的透镜阵列23和24的平面图。图6是示出了照明区域R和成像区域Q之间的关系的示意图。

个人数字助理10具有平行六面体外壳11。在该外壳11的表面上排布着显示LCD12和各种操作按钮13。在外壳11的背面排布着带变焦透镜的CCD照相机(成像设备)14和LED闪光灯(照明装置)20。

沿光轴C，LED闪光灯20依次包括：发光模块21；菲涅耳透镜22，由丙烯酸材料(例如，树脂材料)制成；一对透镜阵列23和24，由聚碳酸酯材料制成；以及调节机构25，用于基于来自CCD照相机14的距离信号来调节透镜阵列23和24之间的间隔。在本实施例中，丙烯酸树脂和聚碳酸酯树脂被用作透镜阵列23和24的材料。然而，透镜的材料并不限于此。

发光模块21具有一个或两个LED元件21a。可通过蓝色和黄色的组合，来调节LED21发出白光，例如，通过将黄色荧光物质加到500×500微米GaN蓝光LED上。从LED元件21a中可获得30到401m的光通量。注意到，用在发光模块21中的LED元件21a并不限于蓝光LED。

每一个透镜阵列23、24包括23×17个半径为0.4毫米的球形透镜(每一个球形透镜都是折射型凸透镜)，它们排列成使每一个透镜阵列长为10毫米、宽为10毫米且深为0.5毫米。这些球形透镜形成复眼光学系统。因此，可以使穿过该复眼光学系统的光在形状方面变得均匀。调节机构25的功能是要基于来自CCD照相机14的距离信号来调节透镜阵列23和24之间的间隔。根据投影区域的尺寸来确定透镜阵列23和24之间的间隔。在本发明中，透镜阵列23和24是分离的组件。然而，透镜阵列23和24可以通过注入模制结合在一起。根据上述各球形透镜的设计，可以很容易将光定型为矩形。对于投影区域固定的情况，调节机构25可以省去。

在如此配置的个人数字助理10中，如果光量不充足无法用CCD照相机14进行成像，则点亮LED闪光灯20。在这种情况下，用紧靠蓝光LED21a之后的菲涅耳透镜22来使蓝光LED21a所发出的光准直(成形为平行光线)成具有30°的发散角(总角度)。准直后的光进入透镜阵列23和24。

在这种情况下，透镜阵列23和24之间的间隔由被照明的区域来决定。例如，如图4所示，如果透镜阵列23和24之间的间隔是0，则在1.5米的距离处获得了1.2×1.6米的发光区域。如图5所示，如果它们之间的间隔是0.13毫米，则在1.5米的距离处获得了0.85×1.1.3米的发光区域。

通过使透镜阵列23和24之间的间隔与CCD照相机14的变焦度数相匹配，效果得到了改善。具体来讲，成像区域是从CCD照相机14的变焦度数中计算出来的，并且透镜阵列23和24之间的间隔被调节成与该成像区域相匹配。例如，在上述示例中，透镜阵列23和24之间的间隔可以被设为0或0.13毫米。

另一方面，如图6所示，被照明的区域R的形状几乎是矩形的，所以所发出的光为多余的那些区域已达到最小化。因此，LED21a的低输出足够用于LED闪光灯20。结果，在不增大电池容量的情况下，可以确保足够亮的照明。

现在将解释透镜阵列23和24的效用。例如，对于图17所示的LED照明装置而言，例如在离该设备50厘米远的位置处，光轴上的照明分布是这样的，中心的照度最高并且朝着边沿不断地减小，如图7的虚线所示。对于使用透镜阵列23和24的LED照明装置20而言，从中心到边沿照度微微地减小，并且在发光区域以外突然减至很小，如图7的实线所示。即，使用透镜阵列23和24可确保均匀的照明。

接下来，描述将光成形为矩形的效果。图8是示出了离图17所示的LED照明装置(比较示例)1米远的位置处方向角(＝2θ_1/2)为50°的发光区域T的示意图，该发光区域T边沿的照度是其中心照明的一半。此时，该发光区域T的直径是直径约为93厘米的圆或椭圆的直径。图9是示出了离图2所示的LED闪光灯20有1米远的发光区域K的示意图。此时，发光区域K的对角线约为93厘米。

图10是示出了驱动电流值和光通量之间的关系的示意图。图11是示出了在离LED照明装置1米远的位置处驱动电流和中心照度之间的关系的示意图。在该图中，α表示LED闪光灯20，β表示比较示例。假定就光使用效率而言，LED照明装置所发出的光量(光通量)和要被照明的区域的中心照度之间的关系被表达为“照度/光通量(1x/1m)”。这种情况下，当用200毫安来驱动时，比较示例的光使用效率和LED闪光灯20的光使用效率分别是0.9和1.6。这意味着LED闪光灯20在光使用效率方面比比较示例要高。换句话说，通过使发光区域从圆形变为矩形，光使用效率有所提高。

如上所述，即使使用输出相对较低的LED作为发光器件，带有含照明装置的数码相机的个人数字助理10也可以确保照度充足且均匀的照明。

图12是示意性地示出了根据本发明第二实施例的手机30的主要部件的垂直截面图。在图12中，与图2所示的相同功能组件仍用相同的标号来标记，并且其详细描述也省略。手机30在外壳31中含LED闪光灯20。参照图12，发光模块21以及包括菲涅耳透镜22和透镜阵列23、24的透镜模块都安装在基片32上。来自发光模块21的光线穿过外壳31上部所安装的透明盖子33。在这种情况下，发光模块21被焊接到基片32上，并且用粘合剂将透镜模块连接到基片32上。

也可以使用其它方法，比如在发光模块21上开槽口，然后将透镜模块安装到发光模块21中。

图13是示意性地示出了根据本发明第三实施例的个人数字助理的主要部件的垂直截面图。在图13中，与图12所示的相同功能组件仍用相同的标号来标记，并且其详细描述也省略。

在手机40中，透镜模块被安装到外壳41中所形成的凹槽42中。

菲涅耳透镜22和透镜阵列23、24全都是单独的透镜。然而，透镜阵列23的一面可以是菲涅耳透镜而另一面可以是透镜阵列。根据本发明，在发光区域不是矩形而是圆形的情况下，用透镜阵列23和24可以获得更均匀的照明。

图14是示出了用菲涅耳透镜22进行准直的效果的示意图。图14示出了使用一个在离发光模块21有3.1毫米远的位置处排列的菲涅耳透镜22的一个示例。图15示出了一个示例，其中凸透镜26排列在发光模块21的附近，菲涅耳透镜22排列在离发光模块21有6毫米远的一位置处。与图14相比，图15所示的光线被准直得更密，并且效率提高了20％。

上述实施例使用了用菲涅耳透镜22来准直光线的方法，但是也可以使用另一种方法，其中用曲面反射器28和侧向发光的LED27来准直的光线入射到透镜阵列23和24。

调节透镜间隔的方法使用电磁传动装置、静电传动装置等。在上述实施例中，使用了电磁传动装置。

该LED照明装置使用在带照相机的手机中，但也可以用在数码相机或投影仪中。

应该理解，本发明并不限于上述实施例，并且本发明旨在涵盖在本发明精神和范围之内的各种修改。另外，上述各实施例的各种元件的适宜组合能够构成各种发明。例如，在各实施例的全部结构元件中可以省去一些结构元件，或者不同实施例的结构元件可以适当组合。

对于本领域的技术人员而言，很容易看到另外的优点和修改。因此，本发明在其更宽广的方面并不限于本文所示出并描述的特定细节和典型实施例。因此，在不背离所附权利要求书及其等价方案所定义的通用发明概念的精神和范围的情况下，可以做出构成修改。

Claims (7)

1.一种照明装置，它包括：

光源，在其中排列有发光元件；

准直单元，它使来自所述光源的光成为平行的光线；以及

透镜阵列，它使所述准直单元所产生的平行光线成形。

2.如权利要求1所述的照明装置，其特征在于，所述准直单元具有菲涅耳透镜。

3.如权利要求1所述的照明装置，其特征在于，所述准直单元具有一种用来反射来自所述发光元件的光的反射结构。

4.如权利要求1所述的照明装置，其特征在于，所述透镜阵列由多个反射型凸透镜构成。

5.如权利要求1所述的照明装置，其特征在于，所述发光元件具有通过组合蓝光LED与黄色荧光物质而产生的白光LED。

6.一种LED照明装置，它包括：

光源，在其中排列有LED元件；

准直单元，它使来自所述光源的光成为平行的光线；

一对透镜阵列，排列在来自所述光源的光线的方向上，所述这对透镜阵列使所述准直单元所产生的平行光线成形；以及

调节机构，用于调节所述这对透镜阵列之间的间隔。

7.一种带照明装置的成像设备，它包括：

成像机构；以及

照明装置，所述照明装置将照明光发射到所述成像机构的成像区域中，所述照明装置具有：

光源，在其中排列有发光元件；

准直单元，它使来自所述光源的光成为平行的光线；

一对透镜阵列，排列在来自所述光源的光线的方向上，所述这对透镜阵列使所述准直单元所产生的平行光线成形；以及

调节机构，用于根据所述成像机构的成像区域来调节所述这对透镜阵列之间的间隔。

Images