JP2005209549A - 照明光学系 - Google Patents

Abstract

【課題】 光源から射出される光束のうち、後方に向かう光束を効率良く前方に導くことができるようにする。
【解決手段】 光源２と、該光源に対して光照射側とは反対側（後方）に配置された透明体からなる光学部材３とを有する。光学部材は、光源からの光が入射する屈折面３ａと、該屈折面からの光を光照射側に向けて反射する反射面３ｂとを有する。
【選択図】 図１Ａ

Description

本発明は、ストロボ等の照明装置に用いられる照明光学系に関するものである。

従来の照明装置（発光装置）の光学系は、光源から後方に向かった光束を集光させるため、反射傘を用いていた。また、光源の前方に透明体からなる光学部材を配置し、該光学部材における全反射作用を利用して、効率の向上や小型化を図ったものがある（例えば、特許文献１，２参照）。
特開平１０−１１５８５２号公報（段落００３９、図１等） 特開２０００−２５０１０２号公報（段落００３６〜００３７、図７等）

従来の照明装置の光学系は、光源からの射出光をフレネルレンズや反射傘といった光学部材を介して被照射面に照射し、光学部材の形状を最適化することで、所定の配光特性を得ている。

近年、この種の照明装置を搭載したデジタルカメラや携帯機器の小型化が急速に進んでおり、照明装置の光学系に関しても小型化が必要である。一方、この種の照明装置の光学系における課題としては、与えられた小さなスペースの中で、いかに光学的な特性を向上させるかであり、これらの課題に関して多くの提案がなされてきた。

本出願人は、特許文献１，２において、小型化と光学特性の向上とを同時に解決する手段として、光源の近傍にプリズムを配置し、このプリズムの全反射を用いた、小型で効率の良い集光光学系を提案してきた。しかし、このような技術を用いても、光源の後方を覆う部分に関しては依然として反射傘が必要であり、この反射傘を用いたことによる効率ダウンを回避することは困難であった。

通常、反射傘として使用される高反射材料の反射率は８０％前後しかなく、またさらに、反射傘の小型化に伴い、加工時に反射傘の表面にしわができたり、すり傷が発生したりするなどの悪い条件が重なっている。このため、実際の製品に搭載された状態では、素材の持つ反射率以上の効率低下があり、現状の照明光学系を構成する上で大きなネックになっていた。

本発明は、光源から射出される光束のうち、後方（光源に対して光照射側とは反対側）に向かう光束を効率良く前方に導くことができるようにした照明光学系およびこれを用いた照明装置、撮影装置を提供することを目的としている。

上記の目的を達成するために、本発明の１つの形態は、光源と、該光源に対して光照射側とは反対側（後方）に配置された透明体からなる光学部材とを有する。そして、光学部材は、光源からの光が入射する屈折面と、該屈折面からの光を光照射側に向けて反射する反射面とを有する。

本発明によれば、反射傘を用いる場合に比べて光の利用効率の高い照明光学系を実現することができる。特に、反射面の全反射作用を利用する場合には、より効率の高い照明光学系とすることができる。

なお、光学部材に、屈折面からの光を反射する第１の反射面と、該第１の反射面で反射した光を光照射側に反射する第２の反射面とを形成したり、第１および第２の反射面により構成される反射部を複数設けたりすることにより、大型化を避けつつ、光源から後方に射出した光を被照射面の照明に用いることができる。

また、光源に対して光照射側に配置され、光源からの光を被照射面に向かわせる前側光学部材を上記光学部材と一体的に形成することにより、組み立ての簡単化、配光制御の容易化およびコストダウンを図ることができる。

ここで、光学部材を、樹脂材料からなる母材に、粒径が１μｍ（又は可視光の波長，又は１００ｎｍ）より小さい粒子を含有した粒子含有材料により形成することにより、光源からの光を含有された粒子によって拡散させたり、光透過率をほとんど減少させたりすることがなく、母材のみで形成された光学部材に比べて高い屈折率を有する。このため、光学特性を劣化させることなく（必要な光照射特性を確保しつつ）照明光学系を小型化することができる。さらに、光学部材に全反射作用を有する反射面を形成する場合、屈折率が高いほど全反射し易くなる（臨界角が小さくなる）ので、反射面での透過による光の損失が少なくなり、より光の利用効率の高い照明光学系とすることができる。

したがって、撮影装置や照明装置の小型化の要求に対応しつつ、明るい照明を行うことができる。

なお、光源が円筒形状の放電管である場合に、上記屈折面を、該放電管と同心の円弧形状に形成することにより、放電管での屈折の影響を受けにくくすることができ、反射面の設計や光の制御が容易となる。

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〜図１０には、本発明の実施例１である照明光学系、特に本実施例では、カメラに内蔵される照明光の発光装置を構成する照明光学系について説明する。図１Ａ，図１Ｂ、図３、図４および図５には、本発明の実施例１である照明光学系、特にカメラに内蔵されるストロボ光学系の構成を示している。なお、図１Ａ（ａ）〜（ｃ）は、上記照明光学系の光軸直交方向の断面図（縦断面図）、図３（ａ），（ｂ）は上記照明光学系の水平断面図である。図１Ａ（ａ）〜（ｃ）および図３（ａ），（ｂ）には、光源の中心から射出した代表光線の光線トレース図も合わせて示している。図４は上記照明光学系の分解斜視図である。また、図５には、上記照明光学系を搭載したカメラを示している。

まず、図５を用いて、本実施例の照明光学系を内蔵したいわゆるコンパクトカメラを示している。

この図において、１１はカメラ本体であり、１２はカメラ本体１１の前面のほぼ中央に設けられた撮影レンズ鏡筒である。また、１はカメラ本体１１を正面から見たときに、上部右側に配置された照明ユニットである。

１３はカメラ本体１１内に設けられた、ＣＣＤやＣＭＯＳセンサ等の撮像素子１９による被写体像の光電変換撮影（又はフィルムによる撮影）を行わせるためのレリーズボタンである。１４は撮影レンズをズーミングするためのズームスイッチであり、このズームスイッチを前側に倒すとテレ方向に、後側に倒すとワイド方向にそれぞれズームさせることができる。１５はカメラの各種モードを切り替えるための操作ボタン、１６はカメラの動作をユーザーに知らせるための液晶表示パネルである。また、１７は外光の明るさを測定する測光ユニットの光入射窓、１８はファインダーの覗き窓である。なお、本発明に係る照明光学系は、図５に示すコンパクトカメラに限られず、一眼レフカメラやビデオカメラ等の他の撮影装置や外付けタイプの照明装置等にも搭載することもできる。

次に、本実施例の照明光学系の光学特性を決定する構成要素について、図１Ａ，図２および図４を用いて説明する。

これらの図において、２は円筒直管形状の発光放電管（キセノン管）である。３は発光放電管２から射出した光束のうち光照射側とは反対側（照射光軸Ｌ方向の後方および上下方向）に向かう成分を、前方（光照射側）に向けて反射させる第１の光学部材（全反射部材）である。第１の光学部材３の内側（発光放電管側）の面は、発光放電管１と同心の半円筒形状の屈折面（入射面兼射出面）３ａであり、外側の面は、屈折面３ａと同心の半円筒形状の基準面上に複数の微小なプリズム部（反射部）を形成した反射面である。第１の光学部材３は、高屈折率の透明体（透光性の樹脂材料）、例えばナノコンポジット材料で一体形成されている。

４は放電管２の前方に配置され、透明体により一体形成された第２の光学部材（前側光学部材）である。この第２の光学部材４の入射面のうち照射光軸Ｌの付近には、発光放電管２の長手方向に略直交する方向に正の屈折力を有するシリンドリカルレンズ面４ａが形成され、その上下の周辺部には、それぞれ屈折面（入射面）４ｂ，４ｂ’と反射面４ｃ，４ｃ’を有する一対のプリズム部が形成されている。

従来、光学部材の材料としては、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）等の透過率の高い光学用有機高分子材料が用いられてきた。これは、ガラスやセラミックより低コストで軽量、かつ成形が容易なためである。しかし、本実施例では、さらなる小型化を図ると共に光学特性の向上を図るため、母材となる有機高分子材料にナノオーダーの無機超微粒子を分散させたナノコンポジット、もしくは、母材となる有機高分子材料とナノオーダーの無機超微粒子の両分子を共有結合させたハイブリッド樹脂材料を用いている。このような有機・無機複合材料は、３０ナノメートル以下（１ナノメートルは１０の−９乗メートル、すなわち１０億分の１メートル）の無機微粒子（無機ナノ粒子）が母材中に均一に分散しているため、レーリー散乱等による透過性の損失が抑えられ、高い透明性を維持することができる。また、母材となる高分子材料と無機ナノ粒子の選択幅が広いので、様々な屈折率に対応することができ、各種成形加工性に対応できる。

さらに、同一材料の組み合わせでも、無機ナノ粒子の添付濃度を変えることにより屈折率を自由に変化させることができると共に、屈折率の異なる様々な異種材料に密着・塗布して使用することができ、全体の屈折率の変化を制御することもできるなど、優れた特性をもっている。

無機ナノ粒子の代表的なものとしては、酸化ニオブ（Ｎｂ_２Ｏ_５）や酸化チタン（ＴｉＯ）がある。この微粒子単体の屈折率はいずれも２．３と高く、母材となる有機材料の屈折率が１．５程度と低い材料に対しても、大幅な屈折率の上昇が見込める。

このナノコンポジットもしくは無機微粒子と光学樹脂のハイブリッド材料は、上記説明のように、従来にない優れた特性（透明性、耐熱性、機械強度、表面硬度、成形性等）を持っている。本実施例では、この特性を利用して照明光学系の大幅な小型化や性能向上を実現している。

なお、無機微粒子の母材に対する含有率は、適宜選択可能であるが、２０〜３０重量％以上で上記効果が顕著に表れ、さらに５０％以上でも必要な透過性が維持されつつ上記効果が得られると考えられる。特に、本発明にいう超微粒子は、その粒径（平均粒径）が１μｍ以下というようにきわめて小さいので、必要な透過性を維持しつつ含有率を増加させ易い。すなわち屈折率を高め易い。また、粒径が可視光の波長領域である４００〜７００ｎｍ以下であるような場合、特に１００ｎｍ以下のような超微粒子であると、可視光の波長よりも十分に小さく、照明光の進行を妨げない（拡散をほとんど生じさせない）と考えられるので、高い透過性と高屈折率とを兼ね備えた光学材料を実現できる可能性が高い。

以下に、本実施例の光学系にこの材料を使用した場合の利点を列挙する。

１．従来の樹脂材料より屈折率を高くできるため、形状を簡素化できる。すなわち、等価の集光光学系を形成するためのレンズ厚を薄くできるため全体形状を小型化でき、また加工し易い形態にまとめることができる。また、同じ屈折効果を持たせた場合、レンズ面の曲率をゆるく設定でき、光学部材への入射時と射出時の表面反射によるロスを最小限に抑えることができる。

２．母材単体より耐熱温度が高く、光学部材を光源に対して接近して配置することが可能である。この結果、全体形状を更に小型化することができる。

３．母材単体よりも流動性が高く、光学材料の微細な形状にも対応が容易である。また、設計自由度が大きくなる。

４．着色が容易で光学的損失も少ない。顔料系の色補正より光量損失を抑えられる。

以上の説明のように、本実施例において上記材料を利用することによって、数々の光学上都合の良い特性を引き出せることが期待できる。

上記構成のカメラにおいて、カメラの動作モードが例えば「ストロボオートモード」に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やＣＣＤセンサ，ＣＭＯＳセンサ等の撮像素子の感度とに応じて、照明ユニット１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。

中央演算装置が、撮影状況下において「照明装置を発光させる」と判定した場合には、中央演算装置は発光信号を出力し、不図示の発光制御回路から不図示のトリガーリード線を介して発光放電管２を発光させる。なお、反射傘を用いた従来の構成では、反射傘に取り付けられたトリガーリード線を介して発光放電管を発光させたが、本実施例では、反射傘がないので、トリガーリード線は発光放電管に直接（又は反射傘を介さずに）取り付けられる。

発光放電管２から射出した光束のうち、照射光軸Ｌ方向の後方および上下方向に射出した光束は、第１の光学部材３内に屈折面３ａから入射し、プリズム部３ｂを構成する２つの反射面（プリズム面）での２回の全反射によって再び屈折面３ａを透過して発光放電管２に戻される。

より詳細には、図２に示すように、例えば、放電発光管２の中心Ｏから発した光線５は、第１の光学部材３の屈折面３ａを透過し、プリズム部３ｂを構成する第１のプリズム面３ｂ１で全反射して第２のプリズム面３ｂ２側に進み、さらに第２のプリズム面３ｂ２でも全反射し、屈折面３ａを介してほぼ放電発光管２の中心Ｏに戻る。

また、発光放電管２から照射光軸Ｌ方向の前方に射出した光束は、直接、第２の光学部材４に入射して所定の配光特性に変換された後、被写体側（被照射面側）に照射される。

次に、図１から図３を用いて、従来より小型で、かつ照明光を必要照射範囲に均一に効率良く照射することができる本実施例の照明光学系の最適な設定方法について説明する。

図１Ａ（ａ）〜（ｃ）は、本実施例の照明光学系における発光放電管の径方向における縦断面を示しており、上下方向の配光特性の最適化を図るための基本的な考え方を示す図である。図１Ｂはその比較対応図であり、樹脂材料により形成された第１の光学部材３の代わりに金属反射板からなる反射傘を用いた照明光学系の縦断面を示している。なお、図１Ａ（ａ）〜（ｃ）および図１Ｂ（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ同一の断面における形状を示し、（ｂ），（ｃ）はそれぞれ、（ａ）の各図に光源から直接第２の光学部材に向かう光束と第１の光学部材の全反射を介して第２の光学部材に向かう光束の光線トレース図を付加したものである。

同図においては、発光放電管２，１０２として、この発光放電管のガラス管の内外径を示している。この種の照明光学系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、放電管の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、発光放電管、すなわち光源の中心から射出した光束を代表光束と考え、図中ではこの代表光束のみを示している。実際の配光特性としては、図に示したような光源中心から発した代表光束に加え、発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、以下この代表光束を用いて説明する。

まず、図１Ａ（ａ）〜（ｃ）において、第１の光学部材３の内面は、発光放電管２とほぼ同心の半円筒形状の屈折面（入射面）３ａと、その外側にて対向する面（反射面）に形成されたプリズム部（反射部）３ｂとによって構成されている。これは、プリズム部３ｂを構成する面に、光源中心からの光線を全反射させ、再度光源の中心付近に戻すのに有効な形状であり、また発光放電管２のガラス部の屈折による影響を受けにくくする効果がある。

また、このように構成することによって、第１の光学部材３による全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る。

また、入射面３ａの形状をちょうど半円筒形状としている理由は、これより小さいと上下方向に向かう光束を集光させるために光学部材４が大型化してしまい、逆にこれ以上大きいと第１の光学部材３の内部にこもる光束が増え、効率低下が生じるためである。

次に、本照明光学系の配光特性に最も影響を与える第２の光学部材４の形状について説明する。本実施形態では、小型で、かつ必要照射範囲内において均一な配光分布を得るため、以下のような構成を採用している。

まず、図１Ａ（ａ）に示すように、第２の光学部材４の入射面側における照射光軸Ｌ付近は、照射光軸Ｌに直交する面内において正の屈折力を有するシリンドリカルレンズ面４ａとなっている。これにより、発光放電管２から射出された光束のうち照射光軸Ｌ付近を進む光束は、所定の角度範囲に均一な配光分布を持った光束に変換された後、第２の光学部材４の射出面４ｄから射出する。

ここで、均一な配光特性を持たせるため、第２の光学部材４のシリンドリカルレンズ面４ａの形状を、発光放電管２の中心からの射出角度と該第２の光学部材４を通過した後の射出角度との間に比例関係が成立するような連続的な非球面形状とし、一定の割合で集光するように構成している。この状態は、図１Ａ（ｃ）に示した光線トレース図の照射光軸Ｌ付近の様子から理解することができる。

次に、発光放電管２の中心から射出する光束のうち、照射光軸Ｌに対する角度が大きく、直接、第２の光学部材４の上下周辺部の屈折面（入射面）４ｂ，４ｂ’に入射する成分について説明する。

ここで、上下周辺部に向かう光束成分は、まず屈折面（入射面）４ｂ，４ｂ’から入射した後、反射面４ｃ，４ｃ’で反射する成分である。そして、反射面４ｃ，４ｃ’の形状は、ここで反射した、照射光軸Ｌに対して上下の光束成分を重ね合わせることによって、上記シリンドリカルレンズ面４ａに入射した光束とほぼ同様の照射角度範囲で、かつ均一な配光分布を持つように設定されている。

この状態は、図１Ａ（ｂ）および図１Ａ（ｃ）の光線トレース図に示すとおりである。このようにして、図１Ａ（ｂ）に示すように、全体として必要照射範囲に対して均一な配光分布を得ることができる。またこのとき、第２の光学部材４の周辺部４ｂ，４ｂ’とシリンドリカルレンズ面４ａとは互いに独立した全く別々の光路を形成して集光（照射）制御を行うことができる。

一方、上記説明では、光源である発光放電管２から射出した光束のうち、直接第２の光学部材４に入射する光束について説明したが、発光放電管２から後方に向かって射出した光束も、第１の光学部材３を介して発光放電管２に戻った後、図１Ａ（ｃ）に示すように、ほぼ同様の光路を辿って被照射面側に射出される。

すなわち、光源中心から射出した光束は、第１の光学部材３のプリズム部３ｂで全反射した後は、第１の光学部材３の形状が光源中心に対して同心円形状であるため、再度光源中心に戻り、その後は上記説明と同様に、第２の光学部材４の作用によって必要照射角度の成分に変換され、被照射面に照射されることになる。この状態は図１Ａ（ｃ）に示すとおりである。

次に、図１Ｂ（ａ）〜（ｃ）との比較により、本実施例において光学材料としてナノコンポジットを用いた場合の効果について説明する。なお、図１Ｂ（ａ）〜（ｃ）に示した反射傘１０３を用いた従来の光学系に用いられる光学部材１０４は、通常のストロボ光学系で多用されているポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ、屈折率１．４９２）を用いた場合の最適形状を有するものであり、光学系全体の集光効果は本実施例の光学系とほぼ等価である。

両図を比較して分かるように、光学材料としてナノコンポジットを用いることにより、り、第２の光学部材４の小型化を図ることが可能になる。なお、本実施例では、光学系の大きさの比較を行うため、光源である発光放電管２，１０２および発光放電管と第２の光学部材４，１０４の入射面との位置関係を同一条件としている。

そして、本実施例（図１Ａ）の光学系と従来（図１Ｂ）の光学系との最大の相違点は、発光放電管２の後方に配置した反射部材が、本実施例では、全反射作用を有する透光性の光学部材（第１の光学部材３）であり、従来では、光輝アルミ等の高反射率の金属反射板を用いている点である。

本実施例の図１Ａ（ｃ）と従来の図１Ｂ（ｃ）に示した光線トレース図から分かるように、光源中心から射出した光束に関しては、両者はほとんど同様な挙動で被照明面に向かう。光源中心から射出した光束のうち、本来の照射方向に対して反対方向に射出した光束は、後方の各面で反射した後、最初通った光路を戻って再度光源中心に戻り、その後は図１Ａ（ｂ）や図１Ｂ（ｂ）に示す光路（もともと光源中心から照射方向に射出した光束の光路）と同様な光路を通って、均一な配光特性を持った照明光束として照射される。

このように光源中心の近傍からの光束に関しては、本実施例の光学系も従来の光学系も同様な光学作用を持った光学系とすることができる。特に、発光放電管のように、外周部が透明部材により構成されている光源に関しては、上記のような光路は、基本的に光源自体が透明であり、光強度を増すための光路として十分利用できる。また、上記光路は、ガラス部の屈折による悪影響も受けず、さらに考え得る最小の照明光学系が構成できるため、光源の後方に向かった光束を再度利用する光路として最適な光路といえる。ただし、光源として蛍光管のような放電管では光源中心に光束を戻した場合、効率が極端に悪化し、望ましい照明光学系とはならない。

このように、本実施例では、発光放電管２の中心から射出されたすべての光束は、発光放電管２の長手方向に対して略直交する方向において、図１に示したシリンドリカルレンズ面４ａと屈折面４ｂ，４ｂ’および反射面４ｃ，４ｃ’により構成されるプリズム部の各光学作用によって、それぞれ均一な配光分布を持った光束に変換されると共に、配光分布を重なり合わせることによって、全体として効率良く均一な配光特性を得ることができる。

しかも、光学系の全体形状を今までになく小型化することが可能になる。また、各光学部材の曲面をなだらかに構成できるため、成型性が向上するばかりでなく、樹脂材料を通過する際の光量低下を最小限に抑えることができる。さらに、この照明光学系を搭載する撮影装置その他の光学機器の軽量化にも寄与する。

以上の説明では、第１の光学部材３が従来の反射傘と等価な効果を持たせることができることについて説明したが、従来、光学材料として用いてきた光学樹脂材料をそのまま用いて本発明を利用しても、必ずしも最適な照明光学系になるとは限らない。すなわち、光源を点光源とみなせる、もしくは有効発光部が光学系に対して非常に細い場合には、等価な光学系を構成することができるが、実際の照明光学系については、光学系全体に対して、光源自体の大きさが無視できないくらい大きなものであり、第１の光学部材３の形状や材料を工夫しないと、必ずしも最適な光学系にならない。

以下、本光学系に最も適した光源の条件および第１の光学部材３の最適形状について、図６〜図１０を用いて説明する。

図６〜図８は、光源の大きさが光学系に対して無視できない大きさを持つ場合の光線トレース図の変化と、光学材料の屈折率を変化させた場合の効果についての説明図である。

図６において、２２は発光放電管であり、円筒形状を有する。２２ａは発光放電管２２のガラス管の内径を、２２ｂは外径をそれぞれ示している。

２３は第１の光学部材であり、発光放電管２２側の面（内面）である屈折面２３ａは、発光放電管２２の円筒形状の中心とほぼ同心の半円筒面の形状で構成され、外面は屈折面２３ａと同心の半円筒形状の基準面上に複数のプリズム部（反射部）２３ｂを形成した反射面である。プリズム部２３ｂは、発光放電管２２から射出して屈折面２３ａを透過した光束を発光放電管２２の中心部付近に戻す役割を果たしている。

入射面である屈折面２３ａの形状を上記のように発光放電管２２と同心の半円筒形状とし、かつ発光放電管２２に近接配置することによって、第１の光学部材２３の屈折面２３ａに入射する光の入射角度が小さくなり、表面反射による光量ロスが少なく、効率の良い光学系を構成することができる。

また、各プリズム部２３ｂの頂角はほぼ９０°に設定されている。全てのプリズム部２３ｂの頂角を９０°にした場合、プリズム部２３ｂのピッチ間隔が狭いほど、光源中心から射出した光束を正確に光源中心に戻すことが可能となるので、好ましい。また、ピッチ間隔を狭くしすぎると、樹脂材料の成形条件によっては、各プリズム部２３ａの形状がだれてＲ面がつき、正確な光束の制御を行えなくなったり、正確な形状作るために極めて高価な部品になったりしてしまうなど、都合が悪い。

図６に示した第１の光学部材２３では、このピッチ間隔を５度に設定している。また、第１の光学部材２３の厚みとしては、できるだけ薄い方が全体形状を小型化できると共に光源中心に光束を戻すという観点からも望ましい。しかし、光源である発光放電管２２は、発光の際に光の放出と同時に多くの熱を発するため、あまり薄いと、熱の影響によって光学材料が溶ける等、光学特性に悪影響を与える現象が発生する可能性がある。また、第１の光学部材２３の形状を維持するためにも、ある一定以上の厚みが必要である。さらに、プリズム部２３ａを構成する微小反射面を形成するためにも、ある程度の厚みを確保する必要がある。

これらのことから、発光放電管２２の外周面と第１の光学部材２３の屈折面２３ａとの空気間隔および第１の光学部材２３の厚さとの間には、ある一定の条件を満たす関係が必要となる。

まず、発光放電管２２の外径寸法と第１の光学部材２３の屈折面２３ａとの空気間隔は、光学樹脂材料が熱の影響を受けない最小の空気間隔として、０．２ｍｍ以上の間隔とするのが望ましい。

また、第１の光学部材の厚みとしては、光学形状の保持とプリズム部２３ｂの成形、ならびに光源で発生する熱の影響を受けにくくするため、０．３ｍｍ以上の厚みがあることが望ましい。光学特性の面からは、第１の光学部材２３の複数のプリズム部２３ｂが、光源にできるだけ接近していることが望ましい。

また、図６において、２４は第２の光学部材であり、その機能に関しては、前述した第２の光学部材４と同一である。第２の光学部材２４は、高屈折率の光学材料を用いて形成するのが望ましい。

このように構成された図６の光学系における発光放電管２２において、図中にＡで示した中心点と、図中にＣで示した内径部のうち最もガラス管に近い点と、さらにＡとＣのほぼ中間点であるＢを光束を発する代表点として、これらから発した光束がどのような光路を辿るのかを示したのが、図７（ａ）〜（ｃ）および図８（ａ）〜（ｃ）である。

なお、図７に示した光学系と図８に示した光学系とは、第１の光学部材２３の屈折率のみが異なり、その他の条件については全く同一である。また、図７には、第１の光学材料２３の屈折率を１．５とした場合の光線トレース図を、図８には、第１の光学材料２３の屈折率を２．０とした場合の光線トレース図を併せて示している。また、各図の（ａ）は、発光放電管２２の点Ａから射出した光線を示し、各図の（ｃ）は、点Ｃから射出した光線を示している。さらに、各図の（ｂ）は、点Ｂから光束を射出した光線を示している。

これらの図から分かるように、光源中心である点Ａから射出した光束に関しては、ほぼ両者は同様の配光分布および強度を持ち、ほぼ反射傘を用いた場合と同様の光路を辿る光束に変換される。反射傘を用いた場合と比較した優位点としては、本実施例の光学系が、第１の光学部材２３における全反射作用を利用したことによる反射率の向上が挙げられる。

このように、光源中心部から射出する光束が比較的多い、例えば内径が細い光源に対して本実施例の照明光学系を適用した場合には、極めて効率の良い照明光学系を実現することができる。

一方、光源中心から離れた位置から射出した光束に関しては、第１の光学部材２３の屈折率の影響が大きい。まず光源中心からある程度離れた点Ｂからの光束に関する各図の（ｂ）を比較すると、第１の光学部材２３の屈折率が低い図７（ｂ）に示す光学系では、点Ｂからの光束のうち約半数の光線が、第１の光学部材２３の後方に射出して（抜け出て）しまう。一方、第１の光学部材２３の屈折率が高い図８（ｂ）に示す光学系では、第１の光学部材２３の後方に射出してしまう光束は見られず、従来の反射傘とほぼ等価な光線トレース図が描かれる。

次に、最も光源中心から離れた点Ｃから射出した光束に関する各図（ｃ）を比較すると、屈折率の低い光学材料を用いた場合（図７（ｃ））には、ほとんどの光束が第１の光学部材２３の後方に抜け出てしまい、光量ロスが極めて大きい。一方、屈折率の高い光学材料を用いた場合（図８（ｃ））では、第１の光学部材２３の後方に射出する光束が極めて少なく、反射傘を用いた場合とほぼ等価な照明光学系を構成できることが分かる。

このように、本実施例の照明光学系では、発光放電管２２の内径と第１の光学部材２３の屈折率とが光学特性を決定する上で大きなウエイトを占めていることがわかる。そして、発光放電管２２の内径をできるだけ細くし、第１の光学材料２３の屈折率をできるだけ高くすることが重要である。

次に、図９および図１０を用いて、第１の光学部材のプリズム部の最適形状について説明する。

先の説明では、第１の光学部材のプリズム部の形状を、頂角がほぼ９０°にすることが望ましいと述べたが、プリズム部の頂点部以外の部分は必ずしも９０°の角度で形成することが望ましいわけではない。以下に、図９および図１０を用いて、プリズム部の理想形状について説明する。この形状は、特にプリズム部の数を減らしつつ、最適な光学的効果を持たせるのに有効である。

第１の光学部材の各プリズム部を構成する２つの反射面としてのプリズム面の理想形状は、光源中心から射出した光束をすべて光源中心に正確に戻す形状である。図９は、その観点からの理想形状を示したものである。

同図において、３２は発光放電管、３２ａはそのガラス管の内径、３２ｂは同外径を示す。３３は第１の光学部材であり、上記説明と同様に、光源中心に対して同心の半円筒面である屈折面３３ａと、２つのプリズム面により構成されたプリズム部３３ｂとを有する。

このような構成の照明光学系において、光源中心Ｏから射出した光束を全反射させた上で、正確に該中心Ｏに戻すためのプリズム面の形状は、光源中心Ｏを焦点位置とする放物面であり、これら２つの放物面を頂角が９０°となるように組み合わせることによって、プリズム部の理想形状とすることができる。図１から図８に示したように、プリズム部を細かいピッチで形成した場合には、２つのプリズム面を９０°の頂角で組み合わせた場合でもある程度は光源中心付近に光束を戻すことができるが、図９に示すようにプリズム部の数を減らした場合には、上記理想形状に近い形状に各プリズム部を形成することが望ましい。

図１０（ａ），（ｂ）には、上記理想形状としたプリズム部の数をできるだけ減らした第１の光学部材４３を示している。４２は発光放電管、４２ａは発光放電管４２のガラス管の内径、４２ｂはその外径である。

また、第１の光学部材４３は、半円筒形状の屈折面４３ａとプリズム部４３ｂとを有する。図示のように、第１の光学部材４３のプリズム部４３ｂは、３０°のピッチで６つ形成されている。

このように構成することにより、図１０（ｂ）に示すように、プリズム部の数を減少させても正確に光源中心に光束を戻すことができ、配光むらの少ない、極めて効率の良い光学系を構成することができる。

次に、図３を用いて、本実施例の光学系における発光放電管の長手方向での集光作用について説明する。

図３（ａ）は、発光放電管２の中心軸を含む平面で光学系を切ったときの断面を示しており、発光放電管２の長手方向の中央かつ径方向中心から直接、射出面に向かう光線のトレース図も併せて示している。また、図３（ｂ）は同一の断面において、第１の光学部材３に入射した光束の光線トレース図を付記したものである。両者における光束は、ほぼ同様の集光作用を受け、必要照射範囲に対して均一な照明を行う。

しかし、本実施例では、屈折率が高い光学材料を用いた場合を仮定しており、このような高屈折率の光学材料を用いることにより、前述した利点の他にも数々の利点がある反面、一部取り扱いにくい面もある。これは、光学部材として屈折率が高い材料を用いた場合には、光学部材に入射した光束が内部で全反射し易く、射出面として想定している面から射出しにくくなることである。このため、光学部材の射出面としては、大きな曲率を持った曲面で形成することが難しく、図３（ａ），（ｂ）に示すように、射出面に弱いパワーのフレネルレンズを形成することが好ましい。

本実施例では、この点を考慮し、第２の光学部材４の射出面に弱いパワーのフレネルレンズ部４ｅを形成している。また、注目すべき点として、フレネルレンズ部４ｅの各レンズ面の角度設定をほほ一定角度としている点である。このように構成することで、高屈折材料を用いた場合の射出面での全反射による悪影響を最小限に抑えると共に、効率の良い集光動作を行わせることができる。

なお、本実施例では、第２の光学部材４のシリンドリカルレンズ面４ａの形状を、発光放電管２の中心からの光線の射出角度と第２の光学部材４を通過した後の光線の射出角度との間に比例関係が成立するような連続的な非球面形状とし、一定の割合で集光するように構成している。但し、シリンドリカルレンズ面４ａの形状は非球面形状に限定されることはなく、これに近似する一定曲率のシリンドリカルレンズ面や、放電管の長手方向にも曲率を持たせたトーリック面を用いてもよい。

また、実施例１では、光学部材の入射面側の各面の構成および射出面側の各面の構成が、照射光軸Ｌに関してすべて対称形状となる場合について示したが、必ずしもこのような対称形状に限定されるものではない。

例えば、第２の光学部材４の入射面側のプリズム部４ｂ，４ｃおよび４ｂ’，４ｃ’は、照射光軸Ｌに対して対称形状としているが、必ずしもこのように形成する必要はなく、非対称形状にしてもよい。これは、プリズム部だけに言えることではなく、中央部のシリンドリカルレンズ面４ａや、第１の光学部材３のプリズム部３ｂに関しても同様である。

さらに、射出面側における放電管の長手方向中央に形成したフレネルレンズ部４ｅに関しても、各フレネルレンズ面の角度は一定である必要はなく、放電管の長手方向に徐々に変化させてもよい。また、左右の角度設定が異なるフレネルレンズを用いてもよい。

また、本実施例では、高屈折率の光学材料として、ナノコンポジットを用いた場合について説明したが、光学材料としては、このような超微粒子を混在させた光学樹脂材料に限定されるわけではなく、高屈折率のガラスを用いたガラスモールドで光学部材を構成してもよい。

また、本実施例では、第１の光学部材と第２の光学部材を別部材で構成していたが、これらを高屈折率材料で一体成形してもよく、一体化することによって、照明ユニットとしての組み立ての簡単化、配光制御の容易化およびコストダウンを図ることができる。

図１１には、本発明の実施例２である照明光学系を示している。図１２には、この照明光学系と等価な従来の照明光学系を示している。以下、図１２の光学系の形状との比較を行いながら、本実施例の光学系の形状について説明する。なお、各図の（ａ）は、発光放電管の径方向の断面図を示しており、各図（ｂ）には、この断面の光線トレース図を付記している。

図１１（ａ），（ｂ）において、５２は光源としての発光放電管、５３は全反射による集光作用を持つ光学部材である。

照明光学系の小型化という観点からは、図１２（ｂ）に示すように、光源（発光放電管１１２）中心から後方に射出した光束を光源中心に戻し、光源から直接前方に射出した光束と同じように取り扱うことが、光学系を最も小さくし、携帯性を重視するカメラ等の光学機器に有効である。しかし、照明光学系としては、このような小型化のみが優先されるわけではなく、与えられたエネルギーに対して、いかに効率良く照明を行うかも重要である。本実施例は、この効率を最優先した照明光学系である。

前述したように、光学部材の全反射作用を利用して光束を導くことにより、与えられたエネルギーに対して最も効率良く光束を被写体に向けて照射することができる。本実施例では、最大限に全反射を用いた照明光学系であり、特に従来には見られない光源の後方に向かった光束を全反射を使った別の光路を用いて導くことを特徴としている。このため、光束の射出面の面積は大きくなるが、図１２（ａ），（ｂ）に示した光学系のように、反射傘１１３によって反射した光束が再度光源を通過する際に生じる表面反射による光量ロスやガラス管の屈折による悪影響を受けず、効率の良い光学系を構成することができる。

図１１（ｂ）に示すように、本実施例の光学部材５３は、光源から直接前方に射出する光束に関しては、図１２（ｂ）に示した光束とほぼ同様な光路を辿って（光路中の各部の形状およびそこでの光線の挙動は実施例１と同様である）、射出面５３ｂから射出する。

一方、光源から後方に向かった光束は、図１１（ｂ）に示すように、入射面５３ｄ，５３ｄ’による屈折作用もしくは入射面５３ｅ，５３ｅ’での屈折作用を受け、一対のプリズム部のそれぞれを構成する第１のプリズム面（反射面）５２ｆ，５２ｆ’で全反射する。これにより、一旦、照射光軸に対して９０°をなす方向に光束が揃えられ、その後もう一度、第２のプリズム面（反射面）５３ｇ，５３ｇ’で全反射して、照射光軸と略平行な方向に進み、射出面５３ｈから射出される。

本実施例では、光源から照射方向とは逆方向に向かった光束を、光学部材５３による全反射によって効率良く導く方法として、実施例１のように光源中心を通る光路とは別の光路を辿り、直接照射方向に向かう光束とは別の射出面領域から射出されるように構成している。

本実施例では、形状的には大きくなる反面、光学特性に優れた構成とすることでき、効率を最優先とした照明光学系に適用することができる。形状的には複雑になるが、一体化できない形状ではなく、安定した光学特性を持った光学部材となり得る。

図１３には、本発明の実施例３である照明光学系を示している。本実施例は、光源である発光放電管と一体的に光学部材（以下、発光放電部材という）を構成した例である。すなわち、中央の円筒部分に放電を起こすためのＸｅガスが封入されており、その外側を覆うガラス部材の形状を最適化して集光効果を持たせている。

なお、図１３（ａ）は、放電部材の径方向の断面図であり、図１３（ｂ）は、この断面図に光線トレース図を付記したものである。

６３は光を発する発光放電部材であり、以下の部位から構成されている。まず、射出面側の中央部には、強い屈折力を持ったシリンドリカルレンズ部６３ａが形成されており、このレンズ効果によって、照射光軸に対して傾きの少ない光束成分を強力に集光する。また、照射方向において、照射光軸に対してある程度大きな角度を持った光束成分は、略放物面形状に形成された反射面６３ｂ，６３ｂ’にて全反射し、照射光軸に略平行な成分に変換されて、上記レンズ部６３ａとは異なる射出面６３ｄ，６３ｄ’から射出する。

一方、光源から照射方向とは反対側である後方に向かった光束は、後方に配置された同心状の複数のプリズム部６３ｃにて２回全反射し、光源中心付近を通って前方に射出する。プリズム部６３ｃのピッチ間隔としては１５°であり、各プリズム部６３ｃを構成する２つのプリズム面の形状は、実施例１にて説明した放物面形状であることが望ましい。

上記の光学系において、これを照明光学系として有効に機能させるためには、実施例１と同様に、光源から後方に向かって光学部材の外に射出してしまう光束成分を最小限に抑えるために、光学部材６３の材料の屈折率は高い方が望ましい。

このように、発光放電管と光学部材とを一体化させることによって、照明光学系を極めて小型化することが可能になる。しかも、光源中心から後方のプリズム部までの距離を小さくすることができるので、不要な屈折や入射・射出時に生じる表面反射の発生も最小限に抑えることができる。

なお、本実施例と等価な構成として、光源の後側の部分を円筒面とし、この部分に高反射率の金属反射面を蒸着することにより同等の効果を持たせるという構成も考えられる。しかし、実際には発光に伴う熱エネルギが予想以上に大きく、熱容量の少ない金属蒸着面では、数回の発光で蒸着が飛んでしまい、光学特性が著しく劣化するおそれがあるため、実用的でない。

本実施例では、金属蒸着膜のような付加膜によって反射面が構成されているわけではないため、発光を重ねることによって照明光学系の特性が劣化することはなく、耐久性に優れた光学系を実現することができる。しかも、光源および光学作用部を１つの部材で構成しているため、一度成形条件を最適化して、それを安定的に保持することによって、複数部品の組み合わせでは得られない優れた光学特性を半永久的に得ることができる。

図１４には、本発明の実施例４である照明光学系および光線トレース図を示している。本実施例は、実施列１にて説明した照明光学系にズーム機能を付加したものである。

図１４（ａ）は、発光放電管２および第１の光学部材３から第２の光学部材４までの距離が離れ、光束の照射領域が狭いテレ照射状態を示す。また、図１４（ｂ）は、発光放電管２および第１の光学部材３から第２の光学部材４までの距離が近づき、光束の照射領域が広いワイド照射状態を示す。

本実施例では、第２の光学部材４を、図５に示したカメラにおける撮影レンズ鏡筒１２のズーム動作に不図示の連動機構を介して連動させて、照射光軸方向に駆動することにより、撮影レンズの画角に応じた照射領域（角度）が自動的に得られるようにしている。

このように、光源の後方に第１の光学部材３を配置した場合でも、反射傘を用いた従来の照明光学系と同様に、照射領域を可変とすることができる。

以上説明したように、上記各実施例によれば、
１．光源の後方に向かった光束を全反射によって前方に導くことが可能になり、反射傘を用いた場合に比べて大幅な効率アップを図ることが可能になる。

２．集光を行わせる部材をすべて透明体からなる光学部材で構成することができるので、一体化することが可能であり、それに伴うコストダウン等の効果が望める。

３．反射部をすべて全反射面で構成することができるため、反射部における光学系の設計自由度が大幅に増大し、繊細な配光特性制御ができるようになる。

４．従来の金属材料を用いた反射傘では、外力による部品の変形が生じるなどの光学系に対する悪影響があったが、上記各実施例の光学部材は、一度成型条件が決まってしまえば、個々のばらつきの少ない安定した形状を得ることができる。

５．将来的に実用化が見込まれている高屈折率樹脂材料であるナノコンポジット等との相性が良く、光学特性の向上が容易に図れる。

６．反射傘を使用する必要がないため、トリガー部から周辺の金属材料へリークする可能性が減り、電気回路的に安定した構成をとることが可能になる。

７．金属材料である反射傘が必要なくなるため、高電圧のかかる導電部の領域が減少する。このため、感電対策としてとられていた処理が必要なくなり、コストダウンが図れる。また、防水対策も容易になり、設計自由度が増す。

本発明の実施例１である照明光学系の縦断面図。 従来の照明光学系の縦断面図。 上記照明光学系を構成する光学部材のプリズム部の作用を示す模式図。 実施例１の照明光学系の横断面図。 実施例１の照明光学系の分解斜視図。 実施例１の照明光学系を搭載したカメラの斜視図。 実施例１における光学部材の屈折率の影響を説明する図。 実施例１における光学部材が低屈折率材料からなる場合の説明図。 実施例１における光学部材が高屈折率材料からなる場合の説明図。 実施例１における光学部材の理想形状を説明するための図。 実施例１における光学部材の理想形状を説明するための図。 本発明の実施例２である照明光学系の縦断面図。 従来の照明光学系の縦断面図。 本発明の実施例３である照明光学系の縦断面図。 本発明の実施例４である照明光学系の縦断面図である。

符号の説明

１ 照明ユニット
２、２２、３２、４２、５２、６３ 発光放電管
３、２３、３３、４３ 第１の光学部材
３ａ、２３ａ、３３ａ、４３ａ 屈折面
３ｂ、２３ｂ、３３ｂ、４３ｂ プリズム部
４、２４ 第２の光学部材
１１ カメラ本体
１２ 撮影レンズ鏡筒
１０３、１１３ 反射傘

Claims (14)

1. 光源と、
   該光源に対して光照射側とは反対側に配置された透明体からなる光学部材とを有し、
   前記光学部材は、前記光源からの光が入射する屈折面と、該屈折面からの光を前記光照射側に向けて反射する反射面とを有することを特徴とする照明光学系。
2. 前記反射面は、前記光源からの光に対して全反射作用を有することを特徴とする請求項１に記載の照明光学系。
3. 前記光学部材は、前記屈折面からの光を反射する第１の反射面と、該第１の反射面で反射した光を前記光照射側に反射する第２の反射面とを有す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. 前記光学部材は、前記第１および第２の反射面により構成された反射部を複数有することを特徴とする請求項３に記載の照明光学系。
5. 前記反射面は、入射した光を前記光源に戻すように反射す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. 前記反射面は、入射した光を被照射面に向けて反射す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。
7. 前記光源に対して前記光照射側に配置され、前記光源からの光を被照射面に向かわせる前側光学部材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. 前記前側光学部材は、前記光学部材と一体的に形成されていることを特徴とする請求項７に記載の照明光学系。
9. 前記光学部材は、樹脂材料からなる母材に、粒径が１μｍより小さい粒子を含有した粒子含有材料により形成されていることを特徴とする請求項１から８のいずれか１つに記載の照明光学系。
10. 前記粒径が、可視領域の光の波長よりも小さいことを特徴とする請求項９に記載の照明光学系。
11. 前記粒径が、１００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項９に記載の照明光学系。
12. 前記光源は円筒形状の放電管であり、
    前記屈折面は、該放電管と同心の略半円筒形状に形成されていることを特徴とする請求項１から１１のいずれか１つに記載の照明光学系。
13. 請求項１から１２のいずれか１つに記載の照明光学系と、
    該照明光学系により照明された被写体を撮影する撮影系とを有することを特徴とする撮影装置。
14. 請求項１から１２のいずれか１つに記載の照明光学系を有することを特徴とする照明装置。