JP2006079991A

JP2006079991A - Ｌｅｄ式光源装置及びスポットライト

Info

Publication number: JP2006079991A
Application number: JP2004264121A
Authority: JP
Inventors: Naoki Yanai; 直樹柳井; Takao Asayama; 隆夫浅山; Osamichi Kono; 修通河野; Shunji Sunazaki; 俊二砂崎; Naoto Tokuhara; 直人徳原
Original assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp; Nippon Hoso Kyokai NHK; NHK Engineering Services Inc; Japan Broadcasting Corp
Current assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp; Japan Broadcasting Corp; NHK Engineering System Inc
Priority date: 2004-09-10
Filing date: 2004-09-10
Publication date: 2006-03-23
Anticipated expiration: 2024-09-10
Also published as: JP4331077B2

Abstract

【課題】光出力効率を低下させることなく、単一光では得られない光色や演色性のスポット光が色むらなく得られるようにすることである。
【解決手段】所定位置に光ビームが向くように複数個の白色ＬＥＤ１３ａと複数個の補色ＬＥＤ１３ｂとをＬＥＤ配列部１２に取り付け、補色ＬＥＤ１３ｂのうち混色性の悪い補色ＬＥＤ１３ｂ２の前面に近接して拡散板１４を設ける。また、ＬＥＤ配列部１２に取り付けられたＬＥＤ１３の光ビームが集光する所定位置にアパーチャ１６を有し集光した光を射出するアパーチャ部１５を設ける。そして、拡散板１４にはアパーチャを通過する拡散光がアパーチャ１６の径程度となる拡散角度を持つものを使用する。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いたＬＥＤ式光源装置及びスポットライトに関する。

一般に、劇場やテレビスタジオ等の照明用に使用されるスポットライトの光源には、ハロゲン電球や放電ランプが使用されている。これは、光源の発光部分がレンズに対して十分小さく、レンズが光源の光を充分に取り込むことができ効率よく照射できるからである。ハロゲン電球や放電ランプを用いたスポットライトでは、フィラメントをできるだけ高温に熱して光を発生させるので、可視光だけでなく多くの熱線を放射する。従って、光源を収納する筐体には熱に耐える金属板が使用され、またレンズも耐熱性のガラスが使用されるので、スポットライトが重くなりスポットライトの移動に労力を要している。

そこで、近年のＬＥＤの高光度化に伴い、また省電力化や低発熱の要望もありスポットライトの光源としてＬＥＤが注目されている。発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いたＬＥＤ式スポットライトは、多数のＬＥＤを光源として配置し、各ＬＥＤの照射ビームを一点に集光させて仮想の単一点光源ユニットを構成し、この光源ユニットとレンズとの位置関係を可変にして被照射面の照度及び照度分布を変化させるようにしたスポットライトが開発されている（例えば、特許文献１参照）。

一方、画像記録装置の光源や液晶表示装置のバックライトとして用いられる照明光源装置として、ＬＥＤ光源からの光を反射板によって反射伝送し、散乱板を透過することで散乱させて、ＢＧＲの各色が均等に混ざり合った光をスリット状に一様に照射するようにし、むらのない均一な照度で照明することができるようにしたものがある（例えば、特許文献２参照）。
特開２００１−３０７５０２号公報（図２、図３）特開平７−２９０７６０号公報（図１）

しかし、特許文献２のものは、点状素子を線状に配置してそのまま照射する場合に生じる配列ピッチ毎の照明むらをなくすようにするために、導波路によって線状に照射するようにしたもので、画像記録装置の光源や液晶表示装置のバックライトに使用されるものであり、テレビスタジオ等の照明用に使用されるスポットライトのように、被照射体に対しスポット的に照明する光源には適さない。

スポットライトでは、明るさを確保するために多数のＬＥＤを必要とし、同じ色の白色ＬＥＤを用意しても製品のばらつき等で所望の色や色温度を得ることができない場合がある。また、単一光では得られない光色や演色性のスポット光が得られることも要請されている。この要請に応えるためには、白色ＬＥＤに加え補色ＬＥＤを設けることになるが、白色ＬＥＤ及び補色ＬＥＤからそのまま被照射体に照射すると、色が十分に混合せずに色むらを生じる場合がある。

すなわち、スポットライトの光源としてＬＥＤを用いる場合、十分な光量を得るため多数のＬＥＤを位置し、照射面積及び光量の連続変化という効果を得るためすべてのＬＥＤから射出されて光が一点に集光するよう配列し、この集まった光を集光レンズを通し照射する。この際、集光レンズの位置によっては照射面にＬＥＤの光線が直接投影されてしまい、色のむらが目立つ照射光となってしまうことがある。

そこで、ＬＥＤから射出される光や集光される光を拡散板を通して拡散することによって混合することが考えられるが、その場合、拡散板からの拡散光は拡散しすぎるので、光を一点に集光したり、集光レンズへの照射光の集光が難しくなる。従って、被照射体への照射光量が少なくなってしまい光出力の効率が低下しスポットライトとして適さなくなってしまう。

本発明の目的は、光出力効率を低下させることなく、単一光では得られない光色や演色性のスポット光が色むらなく得られるＬＥＤ式光源装置及びスポットライトを提供することである。

請求項１の発明に係わるＬＥＤ式光源装置は、所定位置に光ビームが向くように複数個の白色ＬＥＤと複数個の補色ＬＥＤとが取り付けられたＬＥＤ配列部と；前記ＬＥＤ配列部に取り付けられたＬＥＤの光ビームが集光する所定位置にアパーチャを有し集光した光を射出するアパーチャ部と；前記補色ＬＥＤのうち混色性の悪い補色ＬＥＤの前面に近接して設けられ前記アパーチャを通過する拡散光が前記アパーチャ径程度となる拡散角度を持つ拡散板と；を備えたことを特徴とする。

本発明及び以下の発明において、特に指定しない限り用語の定義及び技術的意味は以下による。ＬＥＤ配列部は例えば絶縁材料で椀状に形成され、複数個のＬＥＤは椀状の凹面に密接して配置され、複数個のＬＥＤからの光ビームが所定位置に向くように並んで配置される。複数個のＬＥＤは、主ビーム用の複数個の白色ＬＥＤと補色用の複数個の補色ＬＥＤとからなり、補色ＬＥＤは、例えば、赤色ＬＥＤ、緑色ＬＥＤ、青色ＬＥＤなどである。これらのＬＥＤはいわゆるパワー型ＬＥＤ及び砲弾型ＬＥＤの双方を含み、パワー型ＬＥＤのみが配置される場合、砲弾型ＬＥＤのみが配置される場合、パワー型ＬＥＤ及び砲弾型ＬＥＤの双方が配置される場合の双方を含む。パワー型ＬＥＤは高ワット型であり光出力が大きく発熱量も砲弾型ＬＥＤに比べて大きいものである。

アパーチャ部は、ＬＥＤ配列部に取り付けられた複数個のＬＥＤの光ビームが集光する所定位置にアパーチャを有し、このアパーチャにより複数個のＬＥＤの光ビームを集光し、例えばスポットライトの集光レンズに向けて射出する。従って、アパーチャが疑似光源部となる。

集光レンズは、アパーチャ部から離間して配設され、アパーチャ部のアパーチャから出射される出射光を集光し外部の被照射体に照射するものであり、球面レンズや平坦状レンズを含む。また、１個または２個以上のレンズを利用した２群構成のレンズを有する場合も含む。

拡散板は、ＬＥＤ配列部に取り付けられた補色ＬＥＤのうち混色性の悪い補色ＬＥＤ、例えば赤色ＬＥＤの前面に近接して設けられる。拡散板は、所定方向に指向特性を有しており、その所定方向に狭角の拡散角度で光を拡散する。従って、混色性の悪い補色ＬＥＤの前面には、拡散板を通した拡散光がアパーチャを通過する際に、その拡散光がアパーチャ径程度に拡散する拡散角度の拡散板を設ける。

本発明によれば、混色性の悪い補色ＬＥＤの前面に装着する拡散板は、アパーチャ径と同程度に拡散光を拡散させる固有の指向特性を持ったものを使用するので、その補色ＬＥＤが本来的に持つ照射角度を損なうことなく拡散効果を得ることができる。従って、効率よく色むらを解消することができる。

請求項２の発明に係わるＬＥＤ式光源装置は、請求項１の発明において、前記アパーチャ部のアパーチャと前記集光レンズとの間に設けられ前記集光レンズに照射される拡散光が前記集光レンズ径程度となる拡散角度を持つ拡散板を備えたことを特徴とする。

本発明は、請求項１の発明に対し、アパーチャ部のアパーチャと集光レンズとの間に、さらに別の拡散板を設けたものである。この拡散板は、所定方向に指向特性を有しており、その所定方向に狭角の拡散角度で光を拡散し、集光レンズに照射される拡散光が集光レンズ径程度に拡散させる拡散角度を有する。すなわち、集光レンズの取り込み角度と同程度に拡散する拡散板を用いる。

本発明によれば、集光レンズの取り込み角度を考慮した拡散特性を持つ拡散板を設けるので、光特性効率を低下させることなく、しかも色むらと配光むらを解消することができる。

請求項３の発明に係わるスポットライトは、請求項１または２のいずれか一記載のＬＥＤ式光源装置と；前記ＬＥＤ式光源装置を収納するスポットライト本体と；前記スポットライト本体に収納された前記ＬＥＤ式光源装置からの光を集光して外部に出射する集光レンズと；前記ＬＥＤ式光源装置と前記集光レンズとの距離を相対的に可変する移動機構とを備えたことを特徴とする。

スポットライト本体は例えば金属製の箱体で形成され、内部に請求項１または２のいずれか一記載のＬＥＤ式光源装置を収納する。集光レンズは、ＬＥＤ式光源装置から離間してスポットライト本体に配設され、ＬＥＤ式光源装置から出射される出射光を集光するものであり、球面レンズや平坦状レンズを含む。また、１個または２個以上のレンズを利用した２群構成のレンズを有する場合も含む。移動機構は、集光レンズとＬＥＤ式光源装置との距離を相対的に可変とするものであり、この移動機構によりフォーカスさせることにより、被照射面での照射面積を連続変化させることができ、また、光量を連続変化させることができる。

本発明によれば、ＬＥＤ式光源装置で複数個のＬＥＤからの光が混色され、その混色された光を集光レンズで集光し、また、移動機構によりフォーカスするので、ピントが合っていないところやぼかした場合でも照射ずれが生じることがなく被照射面を照明することができる。

請求項１の発明によれば、混色性の悪い補色ＬＥＤの前面に装着する拡散板は、アパーチャ径と同程度に拡散光を拡散させる固有の指向特性を持ったものを使用するので、その補色ＬＥＤが本来的に持つ照射角度を損なうことなく拡散効果を得ることができる。従って、特性の異なる補色ＬＥＤによる色むらを解消でき、効率よく演色性を得ることができる。

請求項２の発明によれば、集光レンズの取り込み角度を考慮した拡散特性を持つ拡散板を設けるので、被照射体への照射光の光特性効率を低下させることなく、しかも色むらと配光むらを解消することができる。

請求項３の発明によれば、ＬＥＤ式光源装置で複数個のＬＥＤからの光が混色され、その混色された光を集光レンズで集光し、また、移動機構によりフォーカスするので、ピントが合っていないところやぼかした場合でも照射ずれが生じることがなく被照射面を照明することができる。

（第１の実施の形態）
図１は本発明の第１の実施の形態に係わるＬＥＤ式光源装置１１の構成図である。ＬＥＤ配列部１２には複数個のＬＥＤ１３が取り付けられており、主ビームの白色ＬＥＤ１３ａに加え補色ＬＥＤ１３ｂ１、１３ｂ２が取り付けられている。そして、補色ＬＥＤ１３ｂ１、１３ｂ２のうち混色性の悪い補色ＬＥＤ１３ｂ２の前面には拡散板１４が設けられている。

ＬＥＤ配列部１２の複数個のＬＥＤ１３は、それらからの光ビームがアパーチャ部１５のアパーチャ１６に向くように並んで配置されている。ＬＥＤ１３には光出力が大きいパワー型ＬＥＤまたは通常の光出力である砲弾型ＬＥＤが使用され、各々のＬＥＤ１３は、光ビームの光軸中心がアパーチャ１６の中心部に向くように光ビームを射出する。アパーチャ部１５は、ＬＥＤ配列部１２に取り付けられた複数個のＬＥＤ１３の光ビームをアパーチャ１６で集光し、例えばスポットライトの集光レンズ１７に向けて射出する。

このように、ＬＥＤ配列部１２に取り付けられた複数個のＬＥＤ１３の光ビームを集光する所定位置にアパーチャ１６が位置するようにアパーチャ部１５は配置されている。従って、このアパーチャ１６が疑似光源部となる。つまり、ＬＥＤ配列部１２に取り付けられた複数個のＬＥＤ１３からの光は面光源であり、その面光源からの光をアパーチャ部１５のアパーチャ１６で集光して点光源に変換し、そのアパーチャ部１５のアパーチャ１６を疑似光源部として光を外部に射出する。

ここで、補色ＬＥＤ１３ｂ２は色調整を行う補色ＬＥＤ１３ｂの中でも波長や効率の特性が他とは異なり、ベースとなる白色ＬＥＤ１３ａの光とうまく混ざらず色むらとなって照射される赤色ＬＥＤである。そこで、補色ＬＥＤ１３ｂ２の前面に近接して狭角の指向特性を持った拡散板１４を設置し、強度と分布を最適な状態にしてアパーチャ１６に入射させる。

この拡散板１４は、一方面に凹凸を有した樹脂等の材質で形成され所定の拡散角度を持っている。いま、ＬＥＤ１３の照射角度をθ１、拡散板１４の拡散角度をθ２とすると、拡散板１４から射出される拡散光の拡散板射出角度αは（１）式で示される。

α＝（θ１^２−θ２^２）^１／２ …（１）
例えば、補色ＬＥＤ１３ｂ２の照射角度θ１がθ１＝１０°であるとし、拡散板１４の拡散角度θ２がθ２＝１０°であるとする。この場合、（１）式より拡散板射出角度αは、α＝１４．１°となる。これにより、拡散しすぎることがなく、しかもＬＥＤ配列部１２の配置位置を調整することによってアパーチャ１６の径に適した広がりを得ることができる。従って、光出力の効率の低下を抑制でき、集光レンズ１７より射出される照射光は色むらが解消され演色性も向上する。

ここで、スポットライトの照射光を明るくするためには、ＬＥＤ１３はなるべく多く配置しなければならないが、ＬＥＤ１３はアパーチャ部１５に向けて配置するため、ＬＥＤ１３の数が増えるほどＬＥＤ１３の配置位置は光軸から離れた位置となる。このことから、光ビームを集光レンズ１７に効率よく入射させるためには、アパーチャ１６への入射角は適した範囲に収まっていなければならず、そのためにはアパーチャ１６とＬＥＤ１３との距離を長くとる必要がある。

アパーチャ１６とＬＥＤ１３との距離を長くとった場合には、ＬＥＤ１３の光ビームを効率よくアパーチャ１６に入射させるためには狭角のビームであることが望ましい。従来の一般的な拡散板では充分な拡散効果を得るには広がり過ぎてしまうので、第１の実施の形態では、狭角度の拡散特性を持つ拡散板１４を使用する。この場合、補色ＬＥＤ１３ｂ２の照射角度θ１と、ＬＥＤ１３からアパーチャ１６までの距離と、アパーチャ１６の径とから、アパーチャ１６を通過する拡散光がアパーチャ１６の径程度となる拡散角度θ２を持つ拡散板１４を選択することになる。

第１の実施の形態によれば、混色性の悪い補色ＬＥＤ１３ｂ２の前面に装着する拡散板１４は、アパーチャ１６の径と同程度に拡散光を拡散させる固有の指向特性を持ったものを使用するので、その補色ＬＥＤ１３ｂ２が本来的に持つ照射角度θ１を損なうことなく拡散効果を得ることができる。従って、特性の異なる補色ＬＥＤ１３ｂによる色むらを解消でき、効率よく演色性を得ることができる。

また、アパーチャ１６で集光されて混色された光が集光レンズ１７に向けて射出されるので、面光源であるＬＥＤ配列部１２からの光を点光源として外部に出射できる。また、複数個のＬＥＤ１３からの光ビームがアパーチャ部１５のアパーチャ１６に向くように配列されているので、光出力の効率を損なわず配光むらを軽減できる。

（第２の実施の形態）
図２は本発明の第２の実施の形態に係わるＬＥＤ式光源装置１１の構成図である。この第２の実施の形態は、図１に示した第１の実施の形態に対し、アパーチャ部１５のアパーチャ１６と集光レンズ１７との間に、さらに別の拡散板１８を設けたものである。図１と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。

図２において、アパーチャ部１５のアパーチャ１６と集光レンズ１７との間には拡散板１８が設けられている。この拡散板１８は、所定方向に指向特性を有しており、その所定方向に狭角の拡散角度で光を拡散し、集光レンズ１７を照射される拡散光が集光レンズ１７の径程度に拡散させる拡散角度を有する。すなわち、拡散板１８からの照射光は集光レンズの取り込み角度１７と同程度に拡散する。

拡散板１８は、白色ＬＥＤ１３ａ及び補色ＬＥＤ１３ｂからアパーチャ１６に集光した光を拡散させて集光レンズ１７に入射させる。この拡散板１８も拡散板１４と同様に、射出される拡散光の拡散板射出角度αは（１）式で表される。

例えば、白色ＬＥＤ１３ａの照射角度θ１がθ１＝１０°であるとし、拡散板１８の拡散角度θ２がθ２＝３０°であるとすると、拡散板１８の拡散角度αは３１．６°となり、集光レンズ１７が損失なく取り込める広がりと拡散効果が得られ、集光レンズ１７より射出される照射光は色むらが解消され演色性も向上する。すなわち、ＬＥＤ配列部１２に取り付けられた複数のＬＥＤ１３からの光を拡散板１８の拡散板射出角度α（α＝３１．６°）で拡散させ、集光レンズ１７の取り込み角度と同程度に拡散させる。

この場合、補色ＬＥＤ１３ｂ２の前面に拡散板１４が設置されていても、正しい拡散角度を持つ拡散板１８を使用し、集光レンズ１７に損失なく取り込ませる。

すなわち、拡散板１８はＬＥＤ１３の照射角度θ１（拡散板１４の拡散板射出角度）と、ＬＥＤ１３のアパーチャ１６への入射角と、アパーチャ１６の径と、アパーチャ１６から集光レンズ１７までの距離とから適した角度特性を持つものを選択する。

第２の実施の形態によれば、集光レンズ１４の取り込み角度を考慮した拡散特性を持つ拡散板１８を設けるので、光特性効率を低下させることなく、しかも色むらと配光むらを解消することができる。

（第３の実施の形態）
図３は本発明の第３の実施の形態に係わるスポットライトの構成図、図４はその正面図である。スポットライト本体１９は例えば金属製の箱体で形成され、内部に図１または図２に示したいずれかのＬＥＤ式光源装置１１が収納される。図３では図１に示したＬＥＤ式光源装置１１が収納されたものを示している。

集光レンズ１７は、ＬＥＤ式光源装置１１から離間してスポットライト本体１９に配設され、ＬＥＤ式光源装置１１から出射される出射光を集光するものであり、球面レンズや平坦状レンズで形成される。図３では１個のフレネルレンズを用いた場合を示している。

また、集光レンズ１７とＬＥＤ式光源装置１１との距離を相対的に可変とする移動機構２０が設けられており、移動機構２０は光源フォーカスハンドル２０ａ及びレンズフォーカスハンドル２０ｂから構成されている。この移動機構２０によりフォーカスさせることにより、被照射面での照射面積を連続変化させ、また光量を連続変化させる。また、集光レンズ１７側のスポットライト本体１９にはバンドア２１が設けられており、このバンドア２１の開閉角度を調節することにより、スポットライトからの光の照射範囲を調節する。

第３の実施の形態によれば、ＬＥＤ式光源装置１１で複数個のＬＥＤ１３からの光が混色され、その混色された光を集光レンズ１７で集光し、また、移動機構２０によりフォーカスするので、ピントが合っていないところやぼかした場合でも照射ずれが生じることがなく被照射面を適正に照明することができる。

本発明の第１の実施の形態に係わるＬＥＤ式光源装置の構成図。本発明の第２の実施の形態に係わるＬＥＤ式光源装置の構成図。本発明の第３の実施の形態に係わるスポットライトの構成図。本発明の第３の実施の形態に係わるスポットライトの正面図。

符号の説明

１１…ＬＥＤ式光源装置、１２…ＬＥＤ配列部、１３…補色ＬＥＤ、１４…拡散板、１５…アパーチャ部、１６…アパーチャ、１７…集光レンズ、１８…拡散板、１９…スポットライト本体、２０…移動機構、２１…バンドア

Claims

所定位置に光ビームが向くように複数個の白色ＬＥＤと複数個の補色ＬＥＤとが取り付けられたＬＥＤ配列部と；
前記ＬＥＤ配列部に取り付けられたＬＥＤの光ビームが集光する所定位置にアパーチャを有し集光した光を射出するアパーチャ部と；
前記補色ＬＥＤのうち混色性の悪い補色ＬＥＤの前面に近接して設けられ前記アパーチャを通過する拡散光が前記アパーチャ径程度となる拡散角度を持つ拡散板と；
を備えたことを特徴とするＬＥＤ式光源装置。
前記アパーチャ部のアパーチャに集光した光を外部に射出する集光レンズと前記アパーチャ部のアパーチャとの間に設けられ、前記集光レンズに照射される拡散光が前記集光レンズ径程度となる拡散角度を持つ拡散板を備えたことを特徴とする請求項１記載のＬＥＤ式光源装置。
請求項１または２のいずれか一記載のＬＥＤ式光源装置と；
前記ＬＥＤ式光源装置を収納するスポットライト本体と；
前記スポットライト本体に収納された前記ＬＥＤ式光源装置からの光を集光して外部に出射する集光レンズと；
前記ＬＥＤ式光源装置と前記集光レンズとの距離を相対的に可変する移動機構とを備えたことを特徴とするスポットライト。