JP2005173380A - 照明光学系および撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 照射範囲が可変で、小型で光学部材内での余計な反射を極力無くした照明光学系を提供する。
【解決手段】 光源５と、該光源から射出された光束が入射し、該光束を被照射側に射出する光学部材７とを有し、光源と光学部材とが照射光軸の方向に相対移動することにより光束の照射範囲が変化する照明光学系である。光学部材は、第１の入射面７ａと、第２の入射面７ｂ，７ｂ’と、反射面７ｃ，７ｃ’とを有する。光源と光学部材との相対移動により反射面で反射した光束の照射範囲が変化する。少なくとも反射面で反射した光束の照射範囲が最大になる最大範囲照射状態にあるときに、第２の入射面が反射面で反射した光束の光路内に入らないように、第２の入射面における光源側の部分と照射光軸との間隔を、第１の入射面側の部分と照射光軸との間隔よりも広げる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、撮像装置等に用いられる照明光学系に関するものである。

従来のカメラ等の撮像装置に用いられる照明光学系（例えば、ストロボ光学系）は、光源と、この光源から発せられた光束を前方（被写体側）に導く反射鏡やフレネルレンズ等の光学部品とで構成されている。

このような照明光学系のうち、光源から様々な方向に射出した光束を、小型で効率良く必要照射画角内に集光させるようにしたものが、種々提案されている。

特に、近年では、光源の前側（被写体側）に配置されていたフレネルレンズの代わりに、プリズムやライトガイド等の全反射作用を利用した光学部材を配置することによって、集光効率の向上や小型化を図ったものが提案されている。

特許文献１には、光源と、該光源から射出された光束が入射し、該光束を被照射側に射出する光学部材とを有し、光源と光学部材とが照射光軸の方向に相対移動することにより上記光束の照射範囲が変化する照明光学系が提案されている。光学部材には、光源からの照射光軸に対する射出角度が小さい光束が入射する第１の入射面と、該第１の入射面よりも光源側に延出し、光源からの射出角度が大きい光束が入射する第２の入射面と、該第２の入射面から入射した光束を被照射側に反射する反射面とが設けられている。そして、光学部材を光源に対して照射光軸方向に移動させることにより、光束の照射範囲を最大から最小まで変化させることができる。

ところで、カメラは可能な限りの小型化が求められ、このための照明光学系の小型も必須となっている。
特開２００３−２８７７９２号公報（段落００４２〜００５２、図１，２等）

しかしながら、特許文献１にて提案の照明光学系では、該文献の図２（ｂ）に示すように、最大照射範囲で発光している状態（光学部材と光源とが最も近接した状態）において、第２の入射面から入射して反射面で反射した光束の一部が、第２の入射面でけられて（反射して）しまう。そして、反射面で反射した光束のうちこの第２の入射面で反射した光束成分は、他の光束成分が向かうべき方向から外れた方向に照射される。したがって、光の集光効率や利用効率が下がり、できるだけ小型の照明光学系で適切な照射範囲での十分な明るさの配光特性を得ようとするための本提案の光学部材の形状がかえってその障害となってしまう。

本発明は、照射範囲を可変とした照明光学系において、光学部材内での余計な反射を極力無くし、小型でありながら照明光束の有効利用が図れ、さらには良好な配光特性が得られるようにした照明光学系を提供することを目的としている。

本発明は、光源と、該光源から射出された光束が入射し、該光束を被照射側に射出する光学部材とを有し、光源と光学部材とが照射光軸の方向に相対移動することにより光束の照射範囲が変化する照明光学系に関する。光学部材は、光源からの照射光軸に対する射出角度が第１の角度より小さい第１の光束が入射し、該第１の光束を被照射側に向かわせる第１の入射面と、第１の入射面に対して光源側に延出し、光源からの上記射出角度が第１の角度より大きい第２の光束が入射する第２の入射面と、該第２の入射面から入射した第２の光束を被照射側に反射する反射面とを有する。ここで、光源と光学部材との相対移動により反射面で反射した第２の光束の照射範囲が変化する。そして、少なくとも反射面で反射した第２の光束の照射範囲が最大になる最大範囲照射状態にあるときに、第２の入射面が反射面で反射した第２の光束の光路内に入らないように、第２の入射面における光源側の部分と照射光軸との間隔を、第１の入射面側の部分と照射光軸との間隔よりも広げるようにしている。

本発明によれば、上記第２の入射面から入射して上記反射面で反射した光束が第２の反射面でけられる（反射する）ことが防止されるので、照射範囲を可変とした照明光学系であって、小型でありながらも照明光束の有効利用が図れ、所望の照射特性を得易い照明光学系を実現することができる。したがって、この照明光学系を搭載した撮像装置の小型、軽量化に寄与することができる。

なお、最大範囲照射状態において、光源と第１の入射面間の距離と、光源と第２の入射面間の距離とが略等しくなるようにすることにより、光源から発せられた熱の影響を受けない範囲で第１および第２の入射面を光源に近づけて配置することができるので、この結果、光学部材さらには光学系全体をコンパクトにまとめることができる。

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。

図１（Ａ），（Ｂ）には、本発明の実施例１である照明光学系を用いたコンパクトカメラおよびカード型カメラ（撮像装置）を示している。これらの図において、１はカメラ本体である。２はカメラ本体１の前面中央に設けられたレンズ鏡筒部であり、不図示の撮影レンズを保持している。３はファインダである。

４は本発明の照明光学系を有するストロボ発光ユニットであり、正面視においてカメラ本体１の右上部に設けられている。９はカメラ本体１内に配置されたＣＣＤ、ＣＭＯＳセンサ等の撮像素子であり、撮影レンズにより形成された被写体像（ストロボ照明光によって照明された被写体の像）を光電変換して撮像する。

図２（Ａ）に示すように、ストロボ発光ユニット４は、光源として照明光束を発する円筒形状の発光放電管５と、発光放電管５からの射出光束の一部を被写体側（被照射側）に反射する反射鏡６と、発光放電管５から被写体側に射出した光束および反射鏡６で反射した光束を、所定形状の光束となるように集光制御し、被写体側へ効率良く照射する光学部材７とを有する。

光学部材７は、不図示の駆動機構によってカメラのレンズ鏡筒部のズーム動作に応じて、発光放電管５および反射鏡６に対して照射光軸方向に移動する。これにより、照明光学系からの光束の照射角度範囲が変化する。なお、レンズ鏡筒部がテレ端状態のときは照射角度範囲が最小となり、レンズ鏡筒部がワイド端状態のときは照射角度範囲が最大となる。

反射鏡６は、その内面が高反射率を有する光輝アルミ等の金属材料で形成されている。反射鏡６は、一次元方向に曲率を有し、発光放電管５からの射出光束のうち、前方（被写体側）以外の方向に射出した光束を被写体側へ反射し、かつ集光する
光学部材７は、光学ガラスやアクリル樹脂等の透過率の高い光学材料で構成されている。光学部材７の被写体側の面（射出面）には、左右方向（Ｘ方向）の配光特性を制御するプリズム面７ｅが形成されている。

また、上下方向（Ｙ方向）の配光特性の制御は、図２（Ｂ）に示すシリンドリカルレンズ面である第１の入射面７ａにより行う。該第１の入射面７ａは、発光放電管５から前方に照射された光束のうち照射光軸ＡＸＬ近傍に射出された光束、言い換えれば、光源中心からの照射光軸ＡＸＬに対する射出角度が第１の角度（この第１の角度は照射角度範囲の変化とともに変化する）より小さい光束（第１の光束）に屈折作用を与え、所望の配光特性の光束に変換する。また、発光放電管５から照射光軸ＡＸＬに対して斜め前方に射出された光束、言い換えれば、光源中心からの照射光軸ＡＸＬに対する射出角度が第１の角度より大きく第２の角度（この第２の角度も照射角度範囲の変化とともに変化する）より小さい光束（第２の光束）は、該第１の入射面７ａの上下方向両側に設けられた第２の入射面７ｂ，７ｂ’による屈折作用と反射面７ｃ，７ｃによる全反射作用とにより所望の配光特性を有する光束に変換される。なお、第２の入射面７ｂ，７ｂ’は、第１の入射面７ａに対して光源側（図２（Ｂ）の左側）に延出するように形成されている。

さらに、発光放電管５から照射光軸ＡＸＬに対して上下方向に射出された光束、言い換えれば、光源中心からの照射光軸ＡＸＬに対する射出角度が第２の角度より大きい光束（第３の光束）は、反射鏡６の内面に形成された反射面６ｂにより反射され、さらに光学部材７の周辺部に設けられた第３の入射面７ｄ，７ｄ’による屈折作用を受けて所望の配光特性を有する光束に変換される。

本実施例は、この上下方向（Ｙ方向）の配光特性を最適化させるため光学部材７および反射鏡６の形状を適切に設定している。以下、図３〜１０を用いて光学部材７および反射鏡６の最適形状の設定方法に関して詳しく説明する。

図３〜１０の各図は照明光学系を同一断面で切ったときの図であり、照明光学系の発光放電管５の径方向（Ｘ方向）での縦断面図である。なお、図３〜１０において、発光放電管５、反射鏡６、光学部材７は照射光軸ＡＸＬに対して上下対称形状を有する。

まず、図３〜１０を用いて、発光放電管５の径方向（長手方向に直交する方向）である上下方向の照射角度変化の基本的な考え方を説明する。ここで、図３〜６は最も広い照射角度範囲に対応した状態（以下、ワイド配光状態という）を示し、図７〜１０は最も狭い照射角度範囲に対応した状態（以下、テレ配光状態という）を示している。各図には光線トレースを付加して示してある。

図３〜６に示すワイド配光状態での最適設計法について述べる。このワイド配光状態は、発光放電管５と光学部材７とが最も接近した状態である。なお、図３〜６において、光線以外のすべての光学系の構成および形状は同一である。

図３において、発光放電管５はガラス管の内外径が示されている。この種の照明装置の実際の発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、発光放電管の内径一杯にほぼ均一に発光していると考えて差し支えない。

しかし、設計段階では、この発光放電管（光源）５から射出される光を効率良く制御させるためには、この内径全部の光束を同時に考えるより、理想的に光源中心Ｏに点光源があることを仮定し、光学系の形状を設計し、その後に光源が有限の大きさを持っていること考慮した補正を行うと良い。

本発明もこの考え方に基づき、発光放電管５の発光部中心を形状決定の基準値と考え、以下のような光学部材７と反射鏡６の各部の形状を設定している。

まず、光学部材７の材料としては、成形性およびコストの面からアクリル樹脂等の光学樹脂材料を用いることが最適である。しかし、この種の照明光学系においては、光源から光の発生と同時に多量の熱が発生される。この熱の影響を、一回の発光に発生する熱エネルギと最短発光周期とを考慮して、光学材料の選定及び放熱空間の設定を行う必要がある。

このとき、実際に最も熱の影響を受け易いのは、光源から最も近くに位置する光学部材７の各入射面であり、光源とこの入射面との最小距離をまず最初に決める必要がある。

本実施例では、第１の入射面７ａと光源との最小距離をｄとし、第２の入射面７ｂと光源との最小距離をｅとし、発光放電管５の直径をφとしたとき、ワイド配光状態において上記間隔が以下の条件を満たすように設定する。

各入射面と光源との距離が大きすぎると、光学系全体が大型化するので、最小距離ｄ，ｅは、
φ／１０≦ｄ≦φ／２
φ／１０≦ｅ≦φ／２ …（１）
の範囲にあり、かつｄとｅとがほぼ等しくなるように設定することが望ましい。ｄとｅとがほぼ等しいということは、第１および第２の入射面７ａ，７ｂ，７ｂ’のいずれをも光源からの熱の影響を受けない限界まで近づけることができるということであるので、その分、光学部材７や光学系全体をコンパクトにまとめることができるようになる。

次に、図４を参照して、第１の入射面７ａの形状決定方法を述べる。本実施例では、最小さい形状で必要照射範囲内での均一な配光分布を得るために、以下のような方法でこの第１の入射面７ａの形状を決定している。

本実施例では、光源中心からの光束の照射光軸ＡＸＬに対する射出角度と光学部材７を通過した後の照射光軸ＡＸＬに対する射出角度との間にある一定の相関関係を持たせるような形状に第１の入射面７ａを形成する。

すなわち、光源中心Ｏからの射出角度をθ、屈折によって制御されて光学部材７から射出した後の照射角度をαとすると、
α＝ｆ（θ） …（２）
で表わされる連続非球面形状で第１の入射面７ａの形状を規定している。特に本実施例では、均一な配光特性を得るために、その相関関係の中でも、比例関係にあるように設定する。

すなわち、第１の入射面７ａは、上記第１の光束を構成する光線の第１の入射面７ａに入射するときの照射光軸ＡＸＬとなす角度（光源中心からの射出角度）をθとし、該光線が射出面７ｂから射出するときに照射光軸ＡＸＬに対してなす角度（光学部材７からの射出角度）をαとし、必要照射角度範囲に応じた比例定数をｋとするとき、
α＝ｋ・θ …（３）
で表されるような形状を有する。

上式（３）の意味について説明する。照射光軸ＡＸＬに近い射出角度を持って第１の入射面７ａに入射した光束（第１の光束）のうち、光源中心Ｏから射出された照射光軸ＡＸＬ上の光線は、そのまま光学部材７を通過する。ここを基点として、該光線は、光源中心Ｏからの射出角度θに応じて光学部材７の第１の射出面７ａからある比例定数であるｋ倍されて射出面７ｅから射出される。

次に、図５を参照しながら、光学部材７の第２の入射面７ｂおよび反射面７ｃ，７ｃ’の形状決定方法について説明する。本実施例では、第２の入射面７ｂの面形状および反射面７ｃ，７ｃ’の形状は、必要照射範囲内で均一な配光分布を得るため、以下のような方法で決定している。

本実施例では、光源中心からの上記第２の光束の照射光軸ＡＸＬに対する射出角度と光学部材７を通過した後の該光束の照射光軸ＡＸＬに対する射出角度との間にある一定の相関関係を持たせるような形状にしている。

すなわち、第２の入射面７ｂ，７ｂ’および反射面７ｃ，７ｃ’は、第２の光束を構成する光線の光源中心Ｏからの照射光軸ＡＸＬに対する射出角度をθ、反射面７ｃ，７ｃ’によって制御されて光学部材７から射出した後の照射光軸ＡＸＬに対する射出角度をβとすると、
β＝ｇ（θ） …（４）
で表わされる連続非球面形状を有する。特に本実施例では、均一な配光分布を得るために、その相関関係の中でも、比例関係にあるように設定されている。

つまり、光源中心Ｏからの射出光束が反射面７ｃ，７ｃ’で全反射する第２の光束のうち射出角度θの最も大きい光線が、第２の入射面７ｂ，７ｂ’から入射して反射面７ｃ，７ｃ’で全反射した後、照射光軸ＡＸＬに対して最も大きな角度をもって射出する光線に変換される。また、第１の入射面７ａと第２の入射面７ｂ，７ｂ’の境界と光源中心Ｏとを結ぶ角度（第１の角度）で射出した光線は、第２の入射面７ｂ，７ｂ’に入射して反射面７ｃ，７ｃ’で反射し、照射光軸ＡＸＬとほぼ平行な最も照射光軸方向に近い光線に変換される。そして、第２の入射面７ｂ，７ｂ’の中間領域の形状は、ここに入射する光線の光源中心からの射出角度θに比例して上記最大射出角度と照射光軸ＡＸＬにほぼ平行な角度の範囲内で光学部材７からの射出角度が徐々に変化するように設定される。

すなわち、第２の入射面７ｂ，７ｂ’に向かう光線が照射光軸ＡＸＬとなす角度（光源中心からの射出角度）をθとし、射出面７ｅから射出する該光線の射出角度をβとし、第１の入射面７ａと第２の入射面７ｂ，７ｂ’の境界と光源中心Ｏとを結ぶ角度をθｂｄｒとし、必要照射角に応じた比例定数をｌとすると、
β＝ｌ・（θ−θｂｄｒ） …（５）
で表される形状としている。

ここで、本実施例では、前述のように連続非球面形状を有する第２の入射面７ｂ，７ｂ’における光源側の端部と第１の入射面７ａ側の端部（第１の入射面７ａとの境界部）とを結んだ直線を考えたとき、この直線の照射光軸ＡＸＬに対する傾きは、反射面７ｃ，７ｃ’で反射した光束が第２の入射面７ｂ，７ｂ’でけられない（反射〈全反射〉しない）ような角度に、つまりは反射面７ｃ，７ｃ’で反射した光束の光路に入り込まない角度に設定する。この傾きは、第２の入射面７ｂ，７ｂ’における光源側の端部と照射光軸ＡＸＬとの上下方向間隔が、該第２の入射面７ｂ，７ｂ’における第１の入射面７ａ側の端部と照射光軸ＡＸＬとの上下方向間隔よりも広くなる（第２の入射面７ｂ，７ｂ’の光源側の端部間の間隔が第１の入射面７ａ側の端部間の間隔より広くなる）ような傾きである。

通常、カメラの照明光学系では、必要照射角βが２０°の場合、上記傾きの角度を約１３°にする必要がある。このことから、上記傾きは１０°以上とすればよいと考えられる。

ここで、上記方法で決定された面形状は、光源の内径が十分に小さい場合や、光源に対して光学部材が十分に大きいとみなせる場合には、かなり効率良く配光分布の制御が可能なものとなる。

しかし、実際の配光特性を考えてみた場合、光源の有効発光部である内径の大きさは無視できるほどには小さくない場合が多く、このことが全体の配光特性に与える影響は大きく、光源が有限の大きさを持つことによって配光分布に一定の広がりを生じるため、この要因をある程度加味して形状設定を行う必要がある。

また、照射光軸ＡＸＬの近傍に射出された光束（第１の光束）と該光束よりも大きな角度で射出された光束（第２の光束）が、光学部材７の第１の入射面７ａと第２の入射面７ｂ，７ｂ’および反射面７ｃ，７ｃ’とによる方向変換で得られたそれぞれの配光分布がほぼ一致するように面形状を設定することで、より均一な配光分布を得ることができる。

したがって、カメラの照明光学系としては、特殊な配光分布が必要されるときを除き、以下の条件を満たすことが望ましい。

第１の入射面７ａで屈折して光学部材７から射出した光束（第１の光束）における最大射出角度をαｍａｘ、第２の入射面７ｂ，７ｂ’で屈折して反射面７ｃ，７ｃ’で全反射した後、光学部材７から射出した光束（第２の光束）における最大射出角度をβｍａｘとしたとき、
０．８≦｜βｍａｘ／αｍａｘ｜≦１．２ …（６）
とする。

次に、第１の入射面７ａと第２の入射面７ｂ，７ｂ’の境界について説明する。上述したように入射面７ａ，７ｂ，７ｂ’の樹脂材料に対する熱の影響を考慮した上で効率良く光学系を形成するための条件としては、第１の入射面７ａと第２の入射面７ｂ，７ｂ’の交点の座標と光源中心Ｏとを結ぶ直線の角度θｂｄｒがある一定の範囲内にあることが望ましい。

すなわち、この角度θｂｄｒが小さいと、光源と第１の入射面７ａの距離が大きくなり、光源の大きさによる影響を受けにくくなるため、屈折による集光効率は上がるが、第２の入射面７ｂ，７ｂ’への入射角度が大きくなり、該第２の入射面７ｂ，７ｂ’での表面反射によるロスが生じやすくなる。

一方、この角度θｂｄｒが大きいと、光源に近い位置で光束の制御が必要な第１の入射面７ａに対する入射光束が増え、光源の大きさによっては、十分な集光効果が得られにくい。

そこで、上記直線の角度θｂｄｒが、以下のような数値範囲に収まることが望ましい。すなわち、光学部材７の正面に向かった光束（第１の光束）を屈折のみによって制御する第１の入射面７ａと主に光源から斜め前方に射出した光束（第２の光束）を反射面７ｃ，７ｃ’に導く第２の入射面７ｂ，７ｂ’との境界線と、光源中心Ｏとを結ぶ直線の傾きをθｂｄｒとすると、
２５°≦θｂｄｒ≦５５° …（７）
の範囲にあることが、効率面や集光制御の観点から望ましい。

次に、反射鏡６と第３の入射面７ｄ，７ｄ’の形状を決定する。反射鏡６のうち発光放電管５の後側を覆う部分は、発光放電管５とほぼ同心形状の半円筒形状（以下、半円筒部６ａという）となっている。これは、反射鏡６での反射光を再度、光源の中心部付近に戻すのに有効な形状であり、発光放電管５のガラス部の屈折による悪影響を受けにくくさせる効果がある。

また、このように構成することによって、反射鏡６の後方からの反射光を光源からの直接光とほぼ等価な射出光として扱え、この後に続く光学系の全体形状を小型化することも可能となり都合がよい。また、半円筒部６ａをちょうど半円筒形状としている理由は、これより小さいと側方に向かう光束を集光させるためには光学部材７が後方にまで延びてしまい、プリズム面で全反射を利用して前方に向かわせることが困難となり、逆にこれ以上大きいと反射鏡６の内部にこもる光束が増え、効率低下が生じて、それぞれ望ましくないためである。

また、図６のように、反射鏡６の上下の周辺部に設けられた反射面６ｂ，６ｂ’は、光源中心から射出した光束（第３の光束）がこの反射面６ｂ，６ｂ’で反射した後、光学部材７の周辺部に設けられた第３の入射面７ｄ，７ｄ’に導かれるように曲面形状に形成されている。そして、後述するように、光学部材７の第３の入射面７ｄ，７ｄ’で屈折した光束が最も集光した状態の配光特性が得られる。

また、反射鏡６の半円筒部６ａと反射面６ｂ，６ｂ’との間の部分（以下、平面部という）６ｃ，６ｃ’は、照射光軸ＡＸＬに対してほぼ垂直な平面で構成されている。

次に、図７〜１０に示すテレ配光状態は、発光放電管５と光学部材７とを最も離した状態である。なお、図７〜１０には光源中心から射出した光線のトレース図を付加してあり、図７〜１０において、光学系の各部の形状はすべて同一である。

図８に示すように、光学部材７の第１の入射面７ａに入射して射出面７ｅから射出される光束（第１の光束）は、発光放電管５と第１の入射面７ａとの距離が離反することである程度狭い集光状態となる。

ワイド配光状態からテレ配光状態への光学部材７の移動量は、図９に示すように、第２の入射面７ｂ，７ｂ’に入射して反射面７ｃ，７ｃ’で全反射した後、射出面７ｅから射出される光束（第２の光束）のうち、光源中心Ｏからの射出角度θ２が最も大きい光線が、射出面７ｅからの射出後に照射光軸ＡＸＬに対してほぼ平行に進むようになる量に設定する。

これにより、第２の入射面７ｂ，７ｂ’と反射面７ｃ，７ｃ’とにより構成されるプリズム部に入射する光束は、照射光軸ＡＸＬに対して平行に近い範囲の射出角度の光束に変換される。

また、このような光学配置の場合、反射面７ｃ，７ｃ’で全反射した光束の光路を決定する第２の入射面７ｂ，７ｂ’と反射面７ｃ，７ｃ’との交点で形成されるエッジ部７ｆ，７ｆ’が反射鏡６の平面部６ｃ，６ｃ’からワイド配光状態のときよりも離れることになる。これにより、図１０に示すように、光源中心Ｏから射出した光線のうち反射鏡６ｃ，６ｃ’と光学部材７のエッジ部７ｆ，７ｆ’との隙間から、反射鏡６の反射面６ｂ，６ｂ’に向かう光束が増加することになる。

ここで、反射鏡６の反射面６ｂ，６ｂ’および第３の入射面７ｄ，７ｄ’の形状は次のように決定する。

図１０において、反射鏡６の反射面６ｂ，６ｂ’は、本実施例では最小形状で必要照射範囲内での均一な配光分布を得るため、以下のような方法で決定している。

本実施例では、光源中心Ｏからの光束（第３の光束）の照射光軸ＡＸＬに対する射出角度と反射面６ｂ，６ｂ’で反射した後の該光束の照射光軸ＡＸＬに対する角度（反射角度）との間にある一定の相関関係を持たせるような形状を有する。

すなわち、光源中心Ｏからの射出角度をθとし、反射面６ｂ，６ｂ’で反射した後の反射角度をγとすると、
γ＝ｈ（θ） …（８）
で表わされる連続非球面形状で反射面６ｂ，６ｂ’の形状を規定している。

特に本実施例では、その相関関係の中でも、比例関係にあるように反射面６ｂ，６ｂ’の形状を設定している。

つまり、光源中心Ｏからの射出光束が、反射面６ｂ，６ｂ’で反射する光束（第３の光束）のうち、光源中心Ｏからの射出角度θの最も大きい光線（すなわち、照射光軸ＡＸＬに対して略垂直方向に向かう光線）が反射面６ｂ，６ｂ’で反射した後、光学部材７の反射面７ｃ，７ｃ’に入射しない角度で進む光線に変換される。また、反射面６ｂ，６ｂ’の先端部６ｄ，６ｄ’で反射した光束は、照射光軸ＡＸＬとほぼ平行となる最も照射光軸方向に近い成分に変換される。そして、反射面６ｂ，６ｂ’の中間領域は、ここに入射する光線の光源からの射出角度θに比例して、上記角度範囲内で徐々に変化するような面形状とする。

すなわち、反射面６ｂ，６ｂ’は、光源から該反射面６ｂ，６ｂ’に向かう光線が照射光軸ＡＸＬとなす角度をθとし、上記反射角度をγとし、光源から反射面６ｂ，６ｂ’の先端部６ｄ，６ｄ’に向かう光線と照射光軸ＡＸＬとのなす角度をθ２とし、必要照射角に応じた比例定数をｍとすると、
γ＝ｍ・（θ−θ２） …（９）
で表される形状に設定される。

また、第３の入射面７ｄ，７ｄ’は、ここに上記反射角度γで反射するように入射する光線をすべて照射光軸ＡＸＬと略平行に変換するような面形状としている。つまり、第３の入射面７ｄ，７ｄ’は、ここに入射する光束を最も集光した状態に変換している。

ここで、第３の入射面７ｄ，７ｄ’が照射光軸ＡＸＬに対して垂直な面である場合において、反射面６ｂ，６ｂ’で反射した光束が第３の入射面７ｄ，７ｄ’に入射し、射出面７ｄから射出されるときの該射出面７ｄからの照射光軸ＡＸＬに対する射出角度をσとすると、
σ＝γ
となるので、広く、かつ均一な配光部分を持った照射範囲が得られる。

また、この反射面６ｂ，６ｂ’を介して光学部材７の第３の入射面７ｄ，７ｄ’に向かう光束は、発光放電管５と反射鏡６とが一体的に保持されているために、常に射出光軸方向に対して浅い角度を持った光束に変換されるよう集光された光束になっている。そして、上述のように、光学部材７のエッジ部７ｆ，７ｆ’が反射鏡６の平面部６ｃ，６ｃ’から離れると、この光束が増加するので、より大きなガイドナンバーを得ることができる。

このように、図３に示したワイド配光状態では、照射光軸付近の屈折領域と、その周辺の光学部材７（プリズム部）による全反射領域とを経た光束が広い範囲に照射され、かつ均一な配光分布を持つように制御される一方、これらよりも周辺側の反射領域（反射鏡６の反射面６ｂ，６ｂ’：以下、周辺反射領域という）により集光される光束は少なくなるように構成されていた。

これに対し、図７のテレ配光状態では、上記周辺反射領域にて集光される光束が増加し、また照射光軸付近の屈折領域および全反射領域を経た光束の拡がり角（それぞれの照射角度範囲）が狭まるため、全体としてワイド配光状態よりも光束が集光された状態となる。

こうして、発光放電管５（および反射鏡６）と光学部材７との光軸方向における相対位置関係を変更することよって、各領域による集光状態を徐々に変化させる（すなわち、照射角度範囲を変化させる）ことができる。

以下、この集光状態の変化を上記３つの領域に分けて詳しく説明する。まず、光軸中心付近の屈折領域を構成する第１の入射面７ａは、図３〜６に示す光学配置において、光源中心Ｏからの射出光束を必要配光角に均一に広がるように屈折させる非球面シリンドリカルレンズ面で構成されている。ワイド配光状態（図４）からテレ配光状態（図８）に向かうにつれて、この屈折領域では、光源とシリンドリカルレンズ面（第１の入射面７ａ）との間の距離が大きくなっていくことにより、全体に照射範囲が狭まっていく。

次に、光学部材７（プリズム部）による全反射領域では、光源と光学部材７との位置関係を変化させることにより、大幅に照射角度範囲を変化させることができる領域である。これは、反射による光線方向の変換で大幅に照射方向を変換できることに加え、屈折率の高い光学部材７中での反射現象が用いられるので、さらに大きな角度変換を望めるためである。ワイド配光状態（図５）からテレ配光状態（図９）に向かうにつれて、光源中心Ｏから射出してこの反射領域で反射した光束は、照射面上において、周辺部のある一定の狭い角度領域の光束となるように集光されていく。

そして、最も外側の周辺反射領域では、ワイド配光状態（図６）からテレ配光状態（図１０）に向かうにつれて、光源と光学部材７との距離が大きくなっていくと、徐々にここに入射する光束が増加し、照射面側に反射される光束の量およびその照射範囲が大きくなっていく。

このように、本実施例では、照射光軸方向における光源（発光放電管５）と光学部材７との相対位置関係の僅かな変化によって、大幅な照射角度範囲の変化を得ることができ、全体として均一で必要照射範囲に対して光量ロスの少ない光学系を実現することができる。

一方、図示はしていないが、前述したように発光放電管５の中心から後方に射出された光束は、反射鏡６の半円筒部６ａで反射し、再度、発光放電管５の中心を通って前方に射出される。この後の光線の振る舞いは図３〜１０に示したものと同様である。

このように、本実施例によれば、反射鏡６と光学部材７という少ない構成部品でありながら、小型で必要照射範囲外への光照射による光量損失の少ない、極めて効率の良い照射角度可変型の照明光学系を構成することができる。

さらに、前述したように、ワイド配光状態において、光源から光学部材７の第２の入射面７ｂ，７ｂ’に入射して反射面７ｃ，７ｃ’で反射した光束は、照射光軸ＡＸＬに対してある程度以上の傾き（開き）が設けられた第２の反射面７ｂ，７ｂ’によってけられる（反射される）ことなく本来進むべき方向に進むため、ワイド配光状態での配光特性に乱れを生じることなく、また光の利用効率が良い状態で、効率均一な配光分布を得ることができる。

なお、前述したように、光源を点光源と仮定した場合には、上記条件を完全に満たすように光学系の形状を設定することが望ましいが、実際には光源は発光放電管の内径部にあたるような有限の大きさを持っているため、ここまで厳密に形状を制限しなくてもほぼ同等の配光特性を得ることもできる。

例えば、上記形状を近似した単一もしくは複数の平面または円筒面、さらには楕円等の２次曲面を用いても、上記条件下で得られる配光特性とほぼ同等の効果が得られる形状が存在する。

このため、本発明においては、光学部材７や反射鏡６の形状は、上記条件を厳密に満足するものに限定するわけではなく、光学部材７および反射鏡６の形状を上記条件を近似的に満たすような形状としてもよい。

また、このような近似形状で光学部材７および反射鏡６を形成することによって、実際に製作されたものが設計値通りにできているかの測定が、面形状が非球面である場合に比べて極めて容易にできる、という利点がある。

次に、光学部材７の射出面７ｅの形状について説明する。射出面７ｅは、図２に示すように、光軸中心付近に形成された両斜面が略等角度である比較的鈍角のプリズム列７ｆと、その周辺部に形成された鋭角のフレネルレンズ部７ｇ，７ｇ’とから構成されている。

本実施例では、光軸中心付近のプリズム列７ｆの頂角を１０５°と一定に設定している。このような角度設定で形成したプリズム列７ｆには、入射角度の比較的大きな成分（入射後のプリズム内での角度が３０°から４０°前後の成分）を、第１の入射面７ａで屈折した角度のままの状態で射出面７ｅから射出させる効果、すなわち射出面７ｅでの屈折の影響をほとんど受けずに射出させる効果がある。このため、第１の入射面７ａで屈折した入射光束は、プリズム列７ｆからある一定の照射角度範囲に集光された光束として射出する。

なお、このプリズム列７ｆの頂角は１０５°に限定されるわけではなく、この角度より角度の小さい、例えば９０°に設定すれば、光学部材７からの光束の射出角度をより狭く設定することが可能となる。逆に頂角を大きく、例えば１２０°に設定すれば、光学部材７からの射出角度分布をより広く設定することも可能となる。

次に、図３〜１０に示した各面の形状において、光源中心Ｏからの光束の射出角度と光学部材７および反射鏡６による制御後の射出面７ｄからの射出角度との関係について具体的な数値を用いて説明する。

まず、光源中心Ｏから射出された光束のうち光学部材７の第１の入射面７ａによって制御されて射出面７ｄから射出される光束（第１の光束）において、配光分布が均一となる照射角αの最大値αｍａｘと、光学部材７の第２の入射面７ｂ，７ｂ’に入射し、反射面７ｃ，７ｃ’によって制御されて射出面７ｂから射出される光束（第２の光束）において、配光分布が均一な照射角βの最大値βｍａｘをそれぞれ２５°とする。これは、カメラの照明光学系の上下方向の必要配光角度が５０°であることを意味している。

次に、発光の際に生じる熱の影響を考慮し、発光放電管５（外径φ２．０ｍｍ、内径φ１．３ｍｍ）と光学部材７の第１の入射面７ａとの最小距離ｄを０．４ｍｍとし、発光放電管５と第２の入射面７ｂ，７ｂ’との最小距離ｅを０．４ｍｍとなるように配置する。

ここで、前出したように、第２の入射面７ｂ，７ｂ’の照射光軸ＡＸＬに対する傾きは、反射面７ｃ、７ｃ’で反射した光束が第２の入射面７ｂ，７ｂ’で反射（全反射）しないような角度にすることが望ましいので、１７°とする。なお、光学部材７の材質を耐熱アクリルであるとする。その屈折率は約１．４９である。

以上の条件で最適化された照明光学系の形状は、図３に示すように、最も広い照射範囲のとき、つまりワイド配光状態での光源中心Ｏから射出面７ｄまでの距離をｐとし、上下方向の集光に寄与する上下開口をｑとし、ワイド配光状態から最も照射範囲が狭いとき、つまりテレ配光状態までの光学部材７の移動量をｒとするとき、これらはそれぞれ、
ｐ＝５．５ｍｍ 、ｑ＝１０．６ｍｍ、ｒ＝０．８ｍｍ
となり、従来の照明光学系に比べて小型に構成することができる。

次に、本発明の第２の実施例について、図１１および１２を用いて説明する。図１１は、ワイド配光状態における光学部材のプリズム部の光線トレース図である。図１２はテレ配光状態での上記プリズム部の光線トレース図である。

これらの図において、８は発光放電管、９は反射鏡、１０は光学部材（光学プリズム）である。なお、本実施例の光学系の構成は、光学部材１０の射出面１０ｄを除いて、実施例１と同様である。

図１１，１２に示すように、光学部材１０の射出面１０ｄには、収斂性を有する面１０ｅ，１０ｅ’が配置されている。図１２に示すように、この面１０ｅ，１０ｅ’は、光学部材１０の反射面１０ｃ，１０ｃ’で全反射され、射出する光束を収斂作用によって略平行光束化する。

また、図１１に示すワイド配光状態では、反射面１０ｃ，１０ｃ’からの反射光束は収斂性を有する面１０ｅ，１０ｅ’をほとんど通過せず、均一なワイド配光が崩れることはない。

このように、本実施例では、テレ配光状態において、発光放電管８から発せられた光束は、図１２に示すように図１２の紙面上下方向に拡散されず略平行光束として被写体側に射出されるため、より大きなガイドナンバーを得ることができる。

なお、上述した各実施例において、光学部材の第２の反射面の形状は、実施例１で説明した形状に限られず、平面であってもよいし集光作用を有する曲面としてもよい。これらの場合も、第２の反射面における光源側端部と第１の入射面側端部とを結んだ直線（平面の場合はその平面）の照射光軸ＡＸＬに対する傾きが、１０°以上であることが、反射面で反射した光束を第の入射面でけらない条件として好ましい。

本発明の実施例１である照明光学系を搭載したコンパクトカメラおよびカード型カメラの要部概略図。 実施例１の照明光学系の分解斜視図と光学部材の側面図。 実施例１の照明光学系のワイド配光状態でのＹＺ断面図。 実施例１の照明光学系のワイド配光状態でのＹＺ断面図。 実施例１の照明光学系のワイド配光状態でのＹＺ断面図。 実施例１の照明光学系のワイド配光状態でのＹＺ断面図。 実施例１の照明光学系のテレ配光状態でのＹＺ断面図。 実施例１の照明光学系のテレ配光状態でのＹＺ断面図。 実施例１の照明光学系のテレ配光状態でのＹＺ断面図。 実施例１の照明光学系のテレ配光状態でのＹＺ断面図。 本発明の実施例２である照明光学系のワイド配光状態でのＹＺ断面図。 実施例２の照明光学系のテレ配光状態でのＹＺ断面図。

符号の説明

１ カメラ本体
２ レンズ鏡筒部
３ ファインダ
４ ストロボ発光ユニット
５ 発光放電管
６ 反射鏡
７ 光学部材、
８ 発光放電管
９ 反射鏡
１０ 光学部材

Claims (9)

1. 光源と、該光源から射出された光束が入射し、該光束を被照射側に射出する光学部材とを有し、前記光源と前記光学部材とが照射光軸の方向に相対移動することにより前記光束の照射範囲が変化する照明光学系であって、
   前記光学部材は、
   前記光源からの照射光軸に対する射出角度が第１の角度より小さい第１の光束が入射し、該第１の光束を前記被照射側に向かわせる第１の入射面と、
   前記第１の入射面に対して前記光源側に延出し、前記光源からの前記射出角度が前記第１の角度より大きい第２の光束が入射する第２の入射面と、
   該第２の入射面から入射した前記第２の光束を前記被照射側に反射する反射面とを有し、
   前記光源と前記光学部材との相対移動により前記反射面で反射した前記第２の光束の照射範囲が変化し、
   少なくとも前記反射面で反射した前記第２の光束の照射範囲が最大になる最大範囲照射状態にあるときに前記第２の入射面が前記反射面で反射した前記第２の光束の光路内に入らないように、前記第２の入射面における前記光源側の端部と前記照射光軸との間隔が、前記第１の入射面側の端部と前記照射光軸との間隔よりも広がっていることを特徴とする照明光学系。
2. 前記最大範囲照射状態において、前記反射面のうち前記第２の入射面側の領域で反射した前記第２の光束が、前記照射光軸に対して交差する方向に向かうことを特徴とする請求項１に記載の照明光学系。
3. 前記最大照射範囲状態は、前記光源と前記光学部材との相対移動範囲において該光源と光学部材とが最も近づいた状態であることを特徴とする請求項１又は２に記載の照明光学系。
4. 前記最大範囲照射状態において、前記光源と前記第１の入射面間の距離と、前記光源と前記第２の入射面間の距離とが略等しいことを特徴とする請求項３に記載の照明光学系。
5. 前記第２の入射面と前記反射面とが前記第１の入射面の両側に設けられており、
   該２つの前記第２の入射面における前記光源側の端部間との間隔が、前記第１の入射面側の端部間の間隔よりも広がっていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の照明光学系。
6. 前記第２の入射面における前記光源側の端部と前記第１の入射面側の端部とを結んだ線が、前記照射光軸に対して１０°以上の傾きを有することを特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載の照明光学系。
7. 前記第１の入射面は、前記第１の光束に対して正の屈折力を有することを特徴とする請求項１から６のいずれか１つに記載の照明光学系。
8. 前記第２の光束は、前記光源からの前記射出角度が前記第１の角度から該第１の角度より大きい第２の角度までの光束であり、
   前記光源からの前記射出角度が前記第２の角度より大きい第３の光束を前記被照射側に反射する反射部材を有し、
   さらに前記光学部材は、前記反射部材で反射した前記第３の光束が入射して、該第３の光束を前記被照射側に向かわせる第３の入射面を有することを特徴とする請求項１から７のいずれか１つに記載の照明光学系。
9. 請求項１から８のいずれか１つに記載の照明光学系と、
   該照明光学系からの射出光束により照明された被写体の像を光電変換する撮像素子とを有することを特徴とする撮像装置。

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