JP2007263787A - リング状集中照射器具、および照射角度の調節装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
観察場所を円錐状の並行光線として集中照射し、光の照射角度を自在に調節、変更（ズーミング）する。複数光源からの光を混合、均等な明るさと色調を得る。照射方向を切替可能にする。
【解決手段】
リング状導光体の出射面に設けた、円筒レンズの略焦点位置に光源の発光部を配置し、該導光体が入射・出射面に夫々円筒レンズを有し、これらが共焦点レンズの関係になるようにする。光線を、軸方向に移動可能な円環形状のフレネルレンズか、透明円筒の外面または内面にリニアフレネルレンズを形成したパイプ状フレネルレンズ、または軸方向に相対移動可能な円環形状曲面鏡に当てる。リング状導光体内の光路の一部に、中空球体を透明バインダー中に混入した光拡散性塗膜を配置し、その対向面に高反射性面を設ける。
【選択図】図１

Description

本発明（以下で、この発明という）は、狭い場所を観察しやすく照明するための集中照射器具、およびその照射集中角度を調節する（以下でズーム式とも称する）装置に関する。さらに詳しくは、ＣＣＤ、ＣＭＯＳカメラなどの画像解析用撮影手段と組み合わせて使用するための照明器具に関する。また、肉眼で直接、または顕微鏡などの拡大手段を用いて、狭い場所を詳しく、明確に観察するための照明器具にも関する。

さらに詳しくは、この発明は、複数光源から出た光を混合して均等化し、一様な光を送り出す照明装置にも関する。さらに、複数色光源を用いるとともに、各色光源の出力比率を調節する手段を備え、必要に応じて蛍光剤などを併用して、光源からの光に波長変換処理なども加え、上記光混合機能要素と組み合わせて、結果的に目的とする色調の、一様な光を送り出す照明装置をも提案する。

ここで、この発明の明細書を通じて用いる、重要な用語について、その意味、定義を若干説明する。
「光線」という用語は、波長領域が、可視光３８０ｎｍ〜７８０ｎｍに限定するものではなく、紫外線、赤外線なども含む光波を意味する。
「屈折率」という用語は、特にことわらない限り、波長が約５８９ｎｍの光線（ｄ線）についての、素材の空気に対する相対的屈折率で代表させることを意味する。
「ズーム式」という用語は、観察すべき場所へ向けて、リング状に配置した光源から略円錐状に集中照射する器具において、その照射集中角度（以下で、円錐の半角ＨＡという）を所定範囲内で連続的に増減調節することを意味する。
「レンズ」という用語は、球面レンズだけでなく、非球面レンズを含むことはもちろん、円筒レンズ、リング状円筒レンズ（トロイダルレンズ）、およびこれらのレンズ面を、球面レンズに対する非球面レンズに相当するように、修正したレンズなども含むものとする。これら全てについて、凸レンズだけでなく、必要に応じ、凹レンズを使用しても良い。また、単純なレンズ形状だけでなく、回折レンズ、あるいは、図１６に例示するような全反射式フレネルレンズを含む、フレネルレンズなどを使用しても良い。
「反射面」という用語は、全反射する表面、または高反射性面を意味する。
「配光特性」という用語は、各立体角方向別の照明光量分布を意味し、ＬＥＤ（ライト・エミッティング・ダイオード、つまり、発光ダイオード）などのカタログ類で指向特性、視野角などと表現される内容と同じ、または類似する。ＬＥＤについては、配光特性についての統一的測定法を早く確立しようという提案が、各方面から出されている現状である。
「円錐斜面の集中角度ＨＡ」という用語は、円錐頂角の１／２のことを意味する。この円錐斜面の集中角度の半分、ＨＡ（ハーフ・アングル）のことを、単に「半角ＨＡ」と呼ぶ場合もある。図１にその一例を示す。
「ＣＣＤ」という用語には、ＣＣＤ（チャージ・カプルド・デバイス、つまり、電荷結合素子）カメラ、リニアＣＣＤセンサー、ＣＭＯＳ（コンプリメンタリー・メタル・オキサイド・セミコンダクター、つまり、電界効果トランジスター）センサーなどの画像撮影手段、または図形認識、検知手段類をすべて含むものとする。
また、この発明明細書を通じて図面で使用する符号は、同種内容をさす場合は、全て同じ記号を用いるものとする。

本発明者らは、先に特願２００４−３００２３０で、発明の名称：「光制御装置（ビームエキスパンダー）」として、共焦点（アフォーカル）レンズ系などを応用した光学部材について出願した。

また、特願２００５−２５９０５３で、発明の名称：「線状照明用の導光装置」として、円筒状（シリンドリカル）レンズ系などを応用した光学部材について出願した。

さらに、本願の発明者は、本発明と同日に、発明の名称：「平行ビームを発生する、照明用導光体」として、複数光源からの光を混合（ミキシング）して平行光線を送り出す導光体について日本国特許庁に出願した。これらの明細書全文を関連文献資料としてここに参照・引用し、この明細書を簡明にするために、同じ内容の繰り返しての詳細な説明は、可能な限り省略する。

従来から、ＣＣＤなどの画像解析用撮影手段と組み合わせて使用するための照明器具、および肉眼で直接または拡大手段を用いて、狭い場所を詳しく明確に観察するための照明器具においては、多数のＬＥＤ光源を密集して配置する方法、あるいは、熱線を除去した光を光ファイバーで導いて観察場所を照明する方法が、ひろく採用されてきた。これらの場合、観察すべき場所を、円錐の斜め壁面状の薄い並行光線として照らす。しかし、狭い場所への照射が必要な場合、例えば直径が１０ｍｍ程度の狭い照射部に光を集中させることは、ほとんど実施されておらず、しかも、この斜めに照らす照射角度ＨＡを自由に調節、変更することは、従来の照明器具の構造上の制約から非常に困難であった。

また、複数色のＬＥＤを組み合わせたとしても、それらの異なる色を、均等に混合（ミキシング）する良い手段が提案されていなかった。最近は白色ＬＥＤの製造技術が急速に進歩して、高出力、低価格の製品が供給されるとともに、広範囲に使用されるようになったが、逆に高出力化にともなって、ＬＥＤの使用数が減り、配置間隔が広がるために、照射場所の光ムラが発生しやすいという新たな問題が浮上、明確化してきた。

現在供給されている白色ＬＥＤに残されたいまひとつの問題点は、近紫外線を含む青色系統のＬＥＤを基本として、蛍光剤を併用して白色化するものが多く、この故に、これら白色ＬＥＤの光の大部分は長波長、特に赤色系統の発光成分が不足している。これは人の肌色や、肉類などの食物のように、赤み成分を含む対象物を照らすとき、赤系統の反射光が極端に少なくなり、明るく自然で、美しく見せるには演色性が不十分なものが多く、不自然で不快な画像になってしまうという難点が残されている。そこで、この発明は、これらの諸問題点を解決するために鋭意検討した結果、考案するに至ったものである。

次に参照する文献は、比較的類似の適用分野、使用目的のものであるが、以下に詳しく述べるように、いずれもこの発明とは、その構成内容が相異するものである。
特開第２００３−２４０７２１号。この特許文献４は、円環形状のフレネルレンズを用いて、被照射部を集中照射しようとする点では、本発明と類似性が高いように見受けられるが、次の点で大きく相異する。

特許文献４と本発明との第一相異点は、円環状フレネルレンズを、光軸方向に並行光を放つ砲弾型ＬＥＤと組み合わせて、集中照射する目的に使用しているため、光混合効果がほとんど得られず、被照射部に光源ＬＥＤの輝点（ホットスポット）ができてしまい、照射光の均等化程度において、本発明によるリング型導光体による集中照射と大きな差異が生じる。それは、この特許文献４で被照射部直近に拡散ドーム１２を配置していることを見ても明らかなことである。この拡散ドーム１２が不可欠な故に、ＣＣＤカメラの視野が大幅に制限されることになるが、本発明では、略並行光線を送り出す円筒レンズ使用のリング状導光体を用いるので、ＣＣＤカメラの視野を妨げるものが必要ではない。

第二相異点は、本発明では、円環状フレネルレンズにリング状導光体から送り出す、光混合済みの、円錐状の斜め方向照射光を、円環状フレネルレンズの半径方向位置が異なる場所に順次当てて、集中照射角度を可変にすること、つまり、ズーム効果を発揮させる目的で使用するが、この特許文献１では、このようなズーム機能については、なんら記載が無い。

以下に列挙する各特許文献についても、本発明とは夫々大きな相異点があり、別個のものと確信するが、個々に詳述すると長くなるので、相異点の説明を省略する。
特開第２００１−２１５１１５号（円筒レンズ）。 特許第３０１４６８４号（円錐台ミラー）。 特許第２９７５８９３号（配線基板） 特許第３１１８５０３号（リング＆ドーム）

観察すべき場所を、円錐の斜め壁面状の、薄い並行光線として照らし、必要な場合、例えば直径が１０ｍｍ以内程度の、狭い照射部に光を集中させること。しかも、この斜めに照らす「円錐の半角ＨＡ」を自在に調節、変更すること。また、複数色のＬＥＤを組み合わせるとき、それらの異なる色を、均等に混合（ミキシング）する良い手段を提供すること。ＬＥＤの高出力化にともない、ＬＥＤの配置間隔が広くなるため、照射場所の光ムラが発生しやすいという新たな問題が明確化してきた。この問題を解消すること。現在供給される白色ＬＥＤは、ブルー系統のＬＥＤを基本とし、蛍光剤を併用して白色化するものが多く、この故に、これらの大部分が長波長、特に赤色系統の発光成分が不足して、人の肌色や、肉類などの食物のように、赤み成分を含む対象物を照らすとき、赤い反射光が極端に少なくなり、自然で、美しく、魅力的に見せる演色性が不十分なものが多いので、この問題を解消すること。また、紙幣のホログラムのように、特定の方向から照射したときだけ、明瞭に観察できる対象物を検査することができる照明機能を、この発明による照明器具に持たせることである。

（手段１）観察すべき場所を、円錐の斜め壁面状の、薄い並行光線として照らすための手段として、ふたつの方法を提案する：
その第一は、請求項１に記載した、例えば、図８および図９に例示するように、リング状集中照射器具１の、リング状導光体１０の出射面１０Ｂに設けた、円筒レンズ１３の略焦点位置に光源の発光部１２を配置することにより、複数の光源から出た光を、リング状導光体１０に入射させ、リング状導光体１０内で混合するとともに、円筒レンズ１３から出る光線を、ほぼ均等な厚さの円錐壁板状態で出射するように成形し、円錐斜面に沿って、観察すべき場所へ向けて所定角度で照射することである。
その第二は、請求項２に記載した、例えば、図１から図７に例示するように、前記リング状導光体１０が、入射面１０Ａと出射面１０Ｂとに夫々、円筒レンズ１３を有し、これらふたつの円筒レンズ１３が、焦点位置を共有するという、共焦点レンズの関係になるように設計することである。

（手段２）観察すべき場所を、円錐の斜め壁面状の、薄い並行光線として、斜めに集中して照らす「円錐の半角ＨＡ」を自在に調節、変更する手段２０として、大別すると三種類の方法を提案する：
その第一は、請求項７および請求項８に記載した、上記リング状導光体１０で、所定の半角を有する円錐の斜め壁面状の、薄い並行光線として照らすようにした光を、例えば、図１４から図２１に例示するように、中心部に穴を開けた円環形状のフレネルレンズ２１Ａ，２１Ｂを軸方向に移動させることにより、円環形状フレネルレンズ２１Ａ，２１Ｂの、半径方向位置が異なる場所に送り込んで、フレネルレンズ２１Ａ，２１Ｂの屈折力が異なる場所に当てることにより、「円錐の半角ＨＡ」を自在に調節、変更することである。
その第二は、請求項１０に記載した、リング状導光体１０で、所定の半角を有する円錐の斜め壁面状の、薄い並行光線として照らすようにした光を、例えば、図２２から図２７に例示するように、透明円筒の外面、または内面にリニアフレネルレンズ２２を形成して成るパイプ状フレネルレンズ２２を、軸方向に移動させることにより、リニアフレネルレンズ２２の屈折力が異なる場所に当てることにより、「円錐の半角ＨＡ」を自在に調節、変更することである。
その第三は、請求項１１に記載した、リング状導光体１０で、所定の半角を有する円錐の斜め壁面状または円盤状の、薄い並行光線として照らすようにした光を、例えば、図２８に例示するように、中心部に穴を開けた円環形状の曲面鏡２３、つまり、凸面鏡または凹面鏡に当てるようにするとともに、この円環形状曲面鏡２３と、光源（１１）を含むリング状導光体１０のユニットとの、相対的位置を軸方向に移動させることにより、曲面鏡２３の反射曲げ角度が異なる場所を利用する原理で、反射光の「円錐の半角ＨＡ」を自在に調節、変更することである。
ちなみに、上記したこれら三種類の方法ともに、「円錐の半角ＨＡ」を自在に調節、変更するために、リング状導光体１０から送り出す光の、「円錐の半角ＨＡ」は、０度つまり、軸に平行であっては、機能することができない。リング状導光体１０から送り出す光は、円錐状または円盤状であることが、この発明では必須条件である。この点が、先に特許文献４（特開第２００３−２４０７２１号）として引用参照した従来技術との決定的な相異点である。

（手段３）複数の光源から出た光を狭い空間内で、十分に混合（ミキシング）して、均等な明るさ分布にするとともに、複数色の光源を使用する場合にも、混色（カラーミキシング）を良好にする手段として、三種類の方法を提案する：
その第一は、請求項１、２に記載した、例えば、図１から図１３までの各図に例示するように、少なくとも出射面１０Ｂに円筒レンズ１３を有する、リング状導光体１０を用いることにより、このリング状導光体１０自体が、複数光源１１から出た光を相互に混合する作用を発揮することである。
その第二は、請求項２に記載した、例えば、図１から図７、図１０、および図１１に例示するように、リング状導光体１０が入射面１０Ａと出射面１０Ｂとに夫々、円筒レンズ１３を有し、これらふたつの円筒レンズ１０Ａ，１０Ｂが、焦点位置を共有するという、共焦点レンズの関係になるようにすると、その光路が一層複雑化して、光混合作用が強力になること。
その第三は、請求項３、４，５に記載した、リング状導光体１０内の光路の一部に、例えば、図１０、図１２から図２５に例示するように、中空透明球体３５を透明バインダー中に混入した、光拡散性塗膜１５を配置し、その対向面に高反射性の面１６を設けることにより、限られた狭い空間内で、極めて強力な光混合作用を誘起することである。

（手段４）照射光の演色性を改善する手段として、三種類の方法を提案する：
その第一は、請求項１５、１６に記載したように、導光体１０の内部、または光源１１から出射面１０Ｂに至る光路の一部に、短波長の光源を入射させるとピンク色など赤系統の発色効果を有する蛍光剤を添加するか、あるいはフィルター板を挿入することにより、赤系統の光量を増加させてカラーバランスを改善する。
その第二は、請求項１２に記載したように、白色ＬＥＤ１１に加えて、赤系統の光を発する赤色系ＬＥＤ１１を装着し、この赤色系ＬＥＤ１１の光出力を加減調節するとともに、前記した優れた光混合性を利用することにより、所望の白色を実現すること。
その第三は、請求項１２，１７に記載したように、光源として、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）三色のＬＥＤ１１を組み合わせて装着し、これらＲＧＢ三色のＬＥＤ１１の光出力を調節するとともに、前記した優れた光混合性を利用することにより、所望の白色を実現することである。これら調節のために、光路の少なくとも一箇所に、波長別光度分布を測定する光センサーを設置するとともに、その信号を各ＬＥＤの光出力コントローラーに送って、ＬＥＤの光出力を制御すると良い。

（手段５）請求項１３に記載したように、特定の方向から照射したときだけ、明瞭に観察できる対象物を検査することができる照明機能を付与する手段として、この発明では、例えば、図２９に例示するように、リング状に多数配置するＬＥＤ１１などの光源の、配線を複数の円周方向領域、例えば１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄに分割し、特定の領域だけを点灯する、あるいは、領域別に光出力を増減させて、照射光に方向性を与えることを提案する。

また、請求項６に記したように、本発明のリング状導光体は、複数に分割して形成し、入射側円筒レンズを備える（第一の）リング状導光体と、出射側円筒レンズを備える（第二の）リング状導光体との間に空気層部分を設け、入射・出射側の円筒レンズが焦点位置を正確に共有する位置に各リング状導光体を配置して、出射側円筒レンズから平行光線を出すようにすること、さらに望ましくは互いの円筒レンズの焦点位置が該空気層部分にくるよう第一、第二のリング状導光体の位置を調整すること。

さらに、請求項６に記載したもう一つの手段として、上記の分割したそれぞれのリング状導光体は、入射側・出射側円筒レンズの一方の焦点位置が、他方の円筒レンズの焦点位置から僅かにずらした場所に当たるよう、夫々のリング状導光体配置することにより、平行光線ではなく微小角度の円錐状の収斂光線や、拡散光線を該出射側円筒レンズから出すように構成すること。

（効果１）従来存在する拡大観察用照明器具としては、観察すべき場所の上部の略半球面部分、またはその一部分の位置に、多数のＬＥＤ光源を密集配置する方法、あるいは、熱線を除去した光を光ファイバーで導いて、観察場所を照明する形式が一般的であるが、現状では市販されるＬＥＤ一個当たりの光出力が、高々１〜２ルーメン（ｌｍ）という段階のため、狭い観察場所の輝度、照度を十分に確保することが困難であり、光ファイバーで導く方式では光利用効率の問題から、極めて大出力の光源灯を必要とし、経済性の問題から使用可能範囲が限定的であった。そこで、この発明が請求項１〜２で提案するように、リング状集中照射器具にはリング状導光体の入射面と出射面に互いが焦点位置を共有する円筒レンズを配してあるので、観察すべき場所を、円錐の斜め壁面状の薄い並行光線として照らすことにより、現状の一個当たり１〜２ｌｍ程度の市販ＬＥＤを用いても、数千ｃｄ／平方ｍ程度の輝度、１万ルクス（ｌｕｘ）程度の照度を実現できることを、試作実験により確認済みである。ちなみに、現行市販されているＬＥＤを光源とするこの種照明器具のカタログ、技術資料類に記載されている照射光の明るさレベルは、おおむね数百ｃｄ／平方ｍ程度の輝度、１千ルクス前後の照度である。ＬＥＤ一個当たりの光出力を高め、低価格で供給する研究開発が各社で続けられており、これら改良型ＬＥＤを採用すれば、経済性を維持したまま、明るさのレベルを一層向上させること、あるいは、少ない光源数にすることは今後容易となるであろう。

（効果２）さらに、この発明が請求項７〜請求項１１で提案するように、リング状導光体から出射される光路上にフレネルレンズまたはリニアフレネルレンズ、曲面鏡などを配してあるので、光路の進行方向・角度を自在に調節できるため、円錐の斜め壁面状の薄い並行光線として照らす導光体と、斜めに集中照射する「円錐の半角ＨＡ」を自在に調節、変更する手段とを組み合わせることにより、観察物の微妙な凹凸、あるいは、ホログラムのように特定の角度からの照射光でだけ、明瞭に観察できるような観察対象物であっても、確実に観察が可能となる。

（効果３）ＬＥＤ一個当たりの光出力が高まると逆に、照射される場所の明るさが不均等になりがちであり、複数色光源を用いる場合には、それらの混色（カラーミキシング）が不十分になるなどの、新たな問題点が浮上する。そこで、この発明では前記したように、また、請求項２〜請求項６、請求項１２、請求項１５〜請求項１６に記したように、リング状導光体がその入射側円筒レンズと出射側円筒レンズとの間に反射面または屈曲部を有することにより、リング状導光体に入射された光の進路を変更して該リング状導光体内部で様々に反射させることができる。そして、該反射面には透明中空球体等を内在した光散乱性塗膜を配し、その対向面（導光体の外部）には高反射性面を配したことにより、リング状導光体の外部に（出射面レンズ以外の部分から）出た光は透明中空球体や高反射性面に当たり、反射して再びリング状導光体内に入って導光体内部で反射を繰り返すうちに光が混合して均等化した状態になり、最終的に導光体の出射面から出射される。これにより、狭い空間内で光を混合、均等化する手段、方法を提案し、この手段、方法を用いることにより、照射される場所の明るさが均等化し、混色（カラーミキシング）が十分になるなどの効果を得て、上記問題点を解消できる。

（効果４）市販供給されている現状の白色ＬＥＤは、赤色系統、つまり長波長側の光成分が不足する傾向が避けられず、そのために、観察すべき物体の色により、観察しやすいもの、観察しづらいものができてしまう。例えば、５００円硬貨、１００円硬貨のように銀色系統のものは、明るい反射光が得られるので観察しやすいが、１０円硬貨のように銅色系統のものは反射光が非常に暗く観察が困難、５円硬貨のように真鍮色系統のものはその中間である。また、人の顔を照射すると紫色がかった気持ち悪い色に見える。肉などの食品類もおいしそうには見えない。そこで、この発明では、請求項２〜６、請求項１５〜１７に記したように導光手段と、請求項１２に記したようにリング状集中照射装置において、複数色光源を混在させ、各色別光源の光出力比率を調節する手段を備えたことと、請求項１３に記したように、光源の配置箇所を複数のエリアに分け、各エリアの光源群に分けて配線することにより、所望の部分の光源だけを発光させることができるため、光源の光出力調整装置とを工夫をすることにより、演色性を改善する手段を提案し、この演色性改善手段によれば、ほとんどの物体を自然な状態で観察することが可能となる。

（効果５）前記したホログラム類のように、特定の方向から照射したときだけ、明瞭に観察できる対象物があるので、この発明では請求項１２〜１３に記したように、リング状に多数配置するＬＥＤ１１などの光源の、配線を図２９に例示するように、複数の円周方向領域、例えば１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄに分割し、特定の領域だけを点灯する、あるいは、領域別に光出力を増減させて、照射光に方向性を与える手段を提案し、この方向性照射手段によれば、ホログラムのようなものも、適切に観察することができる。

（効果６）光の焦点位置は高熱になりやすいという難点がある。特に、高出力の光源はかなり発熱するので、熱対策が照明器具にも求められている。請求項６に記載したように本発明のリング状集中照明器具は、入射側円筒レンズを備えた第一のリング状導光体と、出射側円筒レンズを備えた第二のリング状導光体を有し、互いのリング状導光体の間には空気層部分がある。それぞれの円筒レンズの焦点位置が、この空気層部分に位置するように第一、第二のリング状導光体を配置すると、導光体内部に焦点位置がある場合に比べ、焦点に集中する熱が空気中に逃げるため、導光体が熱で変形、変質してしまうのを防ぐという効果がある。よって、高出力の光源を採用した場合でも、導光体が熱で変形、変質したり、発火したりする心配が無いので、今まで熱問題で採用を諦めていた高出力光源を使用できるため、照明装置の明るさが格段にアップする。その上、導光体の材料にはガラスだけでなく樹脂等も採用可能になったため、製造コストを抑えることができる。また、ファン等の冷却用装置等も従来品に比べ簡素にできるため、本発明のリング状集中照明器具は小型で軽量に構成することが可能である。

この発明によるリング状集中照射器具、および照射角度の調節装置などを具体化する手法について、添付図面を参照しながら、以下にいくつかの実施例として例示する。具体例を用いて説明するが、この特許の範囲を限定するものではなく、特許請求範囲に記載する趣旨に反しない限り、ここで例示、開示する種々の要素技術を、その用途、構成内容、その他全て、公知の知見にもとづいて様々に変更、置換、組み合わせ、応用することが可能であり、それらの結果もまた、この発明の範囲内に含まれる。

図１は、この発明によるリング状導光体１０の、第一実施例を示す説明図、および断面図である。このリング状導光体１０は、ＬＥＤを３６個円周上で図２９に示す場所に並べた、光源としての砲弾型白色ＬＥＤ１１（一個当たりの光出力は、約２ｌｍ）からの光を受け止めて円錐型の平行光線に成形して、下方の観察場所を集中照射するためのものである。限定的ではないが、このリング状導光体１０断面の具体的形状例を図６（ａ）に、寸法の一例を図６（ｂ）に示す。図１には、光が照射される半角ＨＡの定義を説明する図を示し、この場合は、半角ＨＡが３０°の場合を例示しているが、図２には半角ＨＡが１５°、図３には半角ＨＡが３０°、図４には半角ＨＡが４５°、図５には半角ＨＡが６０°となる場合を夫々例示し、図６（ａ）には、９０°の場合を例示している。このように、リング状導光体１０自体の半角ＨＡは、照射目的に応じて、様々に設定することができるが、以後にも詳しく述べるように、集中照射する光線の半角ＨＡをズーム化するためには、リング状導光体１０自体の半角ＨＡを、ゼロにすること、つまり主軸と並行にすることは不適切である。このリング状導光体１０の素材は、限定的ではないが、ここでは、透明ＭＭＡ（メチル・メタ・アクリレート）樹脂を採用した。ＭＭＡ樹脂の屈折率は、約１．４９２である。リング状導光体１０の素材としては、この他に、ポリカーボネート（ＰＣ）樹脂、様々な種類の無機ガラスなど、適宜の透明素材を使用することができる。

図６（ａ）、図６（ｂ）に示すように、ＬＥＤ１１と接する左側の入射面１０Ａには、半径Ｒ＝２．０ｍｍの円筒レンズ１３を備え、右側の出射面１０Ｂには、半径Ｒ＝３．０ｍｍの円筒レンズ１３を備える。先に出願した特許文献２（特願２００５−２５９０５３、発明の名称：「線状照明用の導光装置」）の中で詳しく説明しているように、半径Ｒの円筒レンズ１３が、樹脂内で焦点を結ぶとき、その位置を示す焦点距離ｆは、約ｆ＝ｎＲ／（ｎ−１）として計算することができ、ＭＭＡ樹脂の屈折率ｎ＝１．４９２を代入すると、約ｆ＝３Ｒとなる。従って、入射側１０Ａの円筒レンズ１３の焦点距離ｆ_１は、約ｆ_１＝６ｍｍとなり、出射側１０Ｂの円筒レンズ１３の焦点距離ｆ_２は、約ｆ_２＝９ｍｍとなる。故に、入射側１０Ａの円筒レンズ１３から、出射側１０Ｂの円筒レンズ１３までの距離を１５ｍｍとすれば、図６に示すように、焦点を共有する関係が成立することになる。このような共焦点レンズは、平行入射した光を平行に送り出す性質があり、しかも、先に出願した特許文献３（発明の名称：「平行ビームを発生する、照明用導光体」）で、詳しく説明したように、また、図７にも示すように、入射側レンズの曲率半径Ｒ１の方が、出射側レンズの曲率半径Ｒ２よりも小さい場合、入射光が並行から若干ずれた場合でも、概略平行な光線として送り出す効果がある。従って、この実施例で用いるリング状導光体１０は、図１で例示したように、円錐の斜め壁面状の、薄い並行光線として、観察場所を集中照射するための手段として好都合なものである。実際、このようなリング状導光体１０を試作して、実験してみたところ、直径約１０ｍｍ余りの範囲を極めて明るく照射することができた。 その場所（被照射面１７）に白色コピー用紙を置き、反射光を軸方向から輝度計で測定すると約４，０００ｃｄ／平方ｍであり、この明るく照射された場所に照度計を置くと、約１２，０００ルクスを示した。

また、前記した３６個の砲弾型白色ＬＥＤ１１の配線を、図２９に例示する平面図のように、配線領域を例えば、１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄに四分割し、領域ごとに個別に点灯できるようにして、一万円札と５千円札のホログラムを観察してみたところ、点灯する配線領域と紙幣の置く方向とによって、ホログラムの見え方に著しい差異がでることが確認できた。

図８および図９は、この発明によるリング状導光体１０の、第二実施例を示す説明図（部分拡大断面図）である。これらふたつのリング状導光体１０は、リング状導光体１０の出射面１０Ｂに設けた、円筒レンズ１３の略焦点位置に光源の発光部１２を配置することにより、複数の光源１１から出た光を、リング状導光体１０に入射させ、リング状導光体１０内で混合するとともに、円筒レンズ１３から出る光線を、ほぼ均等な厚さの円錐壁板状態で出射するように成形し、円錐斜面に沿って、観察すべき場所へ向けて所定角度で照射する方式である。前記第一実施例と異なり、入射面１０Ａ側にはレンズを配置せず、図８では砲弾型ＬＥＤ１１を埋設し、図９ではチップ型ＬＥＤ１１を平板型入射面１０Ａに密着させている。このような形式でも、ほぼ平行な出射光を得ることができる。素材はＭＭＡ樹脂、光学用ガラスなどが良い。その平行度は前記第一実施例に比べるといくらか劣り、若干の散乱光線を伴うことになる。しかし、使用目的によってはこの方が好都合な場合もある。この形式の場合も、リング状導光体１０から送り出す円錐状集中角度の半角ＨＡは、任意に設定することができる。

図１０および図１１は、この発明によるリング状導光体１０の、第三実施例を示す断面図である。これらふたつのリング状導光体１０は、
入射面１０Ａと出射面１０Ｂとの間に屈曲部を設けており、リング状導光体１０のリング内側に向けて角度をつけた、断面がひらがなの「く」の字やＬ字型に近い形に形成される。入射面１０Ａと出射面１０Ｂとに夫々、円筒レンズ１３を備え、しかもそれらふたつの円筒レンズ１３が、焦点位置を共有するとともに、この焦点位置が導光体１０内側の屈曲部またはその近辺の全反射面１４上にある特殊な形式である。しかも、図１０では、全反射面１４上に平均粒子径が約３０μｍの透明中空ガラスビーズ（中空透明球体３５）を、透明バインダー樹脂でコーティングした光拡散層１５を備え、その対向面（導光体の外部）に高反射性面１６を配置する、光混合手段を設けたものである。従って、出射光線は相当混合されたものとなり、かなり多量の散乱光成分を含むことになる。これらふたつのリング状導光体１０では、図１０および図１１で明らかなように、ＬＥＤ光源１１を垂直姿勢で配置することができ、このために、配線および放熱機構の設計が行ないやすく、経済的な照明器具設計を可能にする構成である。

また、この形式のリング状集中照射器具１において、図３１に例示するように、リング状導光体１０が円筒状部分を有し、この円筒状部分で二分割することによって空気層部分３３を作り、ふたつの円筒レンズ１３、つまり、第一リング状導光体１０Ｃと、第二リング状導光体１０Ｄとを形成して相対移動可能とし、入射面１０Ａと出射面１０Ｂに設けたふたつの円筒レンズ１３が、焦点位置を正確に共有する関係に微調節して、平行光線とすることも、僅かにその位置からずらして、図３２（ｂ）に例示するように、平行光線にすることだけでなく、図３２（ａ）に例示するように微小角度の収斂光線とすることも、図３２（ｃ）に例示するように拡散光線とすることも可能である。

図１２および図１３は、この発明によるリング状導光体１０の、第五、第六実施例を示す説明図である。これらふたつのリング状導光体１０は、ＬＥＤ１１一個当たりの光出力が５０ｌｍ〜１００ｌｍという時代が目前にせまっていることを意識した設計のもの、つまり、少数光源１１から出た光を十分にミキシングした後に送り出すことが、明るさの均等化およびカラーミキシングの両面から重要度が増すので、その機能を重視したものである。

図１２は、鍵穴型断面から成る導光体１０の、丸棒部分側壁に砲弾型ＬＥＤ１１を没入させるとともに、図１２の右下部に導光体１０から凸状に設けた出射部１０Ｂに円筒レンズ１３を備え、その焦点位置が丸棒の対向部にくるように寸法設計してある。また、出射部１０ＢとＬＥＤ１１挿入部以外のほぼ全表面を高反射性面１６で覆うとともに、丸棒部分側壁のほぼ全てに、透明中空ガラスビーズ（中空透明球体３５）を、透明バインダー樹脂でコーティングした光拡散層（中空透明球体３５含有塗膜）１５を備えることにより、対向する高反射性面１６との共同作用により、狭い空間内で、極めて高度な光ミキシング効果を実現するものである。

図１３は、だるまを逆にしたような断面のリング状導光体１０である。この場合も、図の右下部に設けた、だるまの頭に相当する小さい方の円筒レンズ１３が出射面１０Ｂとして機能し、その焦点位置がだるまの底に相当する対向部にくるように寸法設計してあり、その底部分にチップ型ＬＥＤ１１を密着させている。また、出射部１０ＢとＬＥＤ１１挿入部以外のほぼ全表面を高反射性面１６で覆うとともに、側壁のほぼ全てに、透明中空ガラスビーズ（中空透明球体３５）を、透明バインダー樹脂でコーティングした（光拡散層中空透明球体３５含有塗膜）１５を備えることにより、対向する高反射性面１６との共同作用により、狭い空間内で、極めて高度な光ミキシング効果を実現するものである。これらの形式の場合も、リング状導光体１０から送り出す円錐状集中角度の半角ＨＡは、任意に設定することができる。この場合のリング状導光体１０の素材としては、ＭＭＡ樹脂、ＰＣ（ポリカーボネート）樹脂などを用いても良いが、特に高出力のＬＥＤ１１を光源として用いる場合には、熱伝導性が優れた耐熱ガラスなどを使用すると、放熱手段としての機能も兼ね備えるので好都合である。

図１４〜図１７は、この発明によるリング状導光体１０を用いる、ズーム機構２０の第一実施例を示す説明図である。このリング状導光体１０を用いるズーム機構２０は、先に図１２で示した、実施例４の鍵穴型断面から成るリング状導光体１０で、円錐状に集中照射する光路に、中心部をくりぬいた円環（ドーナツ）型凹フレネルレンズ２１Ａ（図１６、図１７に示す）を上下方向移動自在に置くことにより、凹フレネルレンズ２１Ａの外周に近い屈折力の大きい場所から、内周穴に近い屈折力の小さい場所まで、順次照射位置を変更することができるので、結果として観察場所に届く照射光線の半角ＨＡを、カメラのズームレンズのように、順次、小から大へと変えてゆくことができる。このようなズーム効果を得るためには、リング状導光体１０自体から送り出す照射光線の半角ＨＡは、実用範囲内の軸方向位置で凹フレネルレンズ２１Ａに当たる場所を円周方向に移動させるために、少なくとも１０度程度以上必要である。フレネルレンズ２１Ａの代わりに、破線で示すように、ふつうの厚肉レンズを使用しても良い。 図１６、図１７では、凹レンズを用いる様子を例示しているが、もちろん、凸レンズを用いることも可能である。また、リング状導光体１０の形状は、前記したどの形状のものを応用することも差し支えなく、さらには、それ以外のものであっても、円錐状に照射できる限り、差し支えない。

図１８〜図２１は、この発明によるリング状導光体１０を用いる、ズーム機構２０の第二実施例を示す説明図である。このリング状導光体１０を用いるズーム機構２０は、先に図１３で示した、実施例４のだるま型断面から成るリング状導光体１０で、円錐状に集中照射する光路に、中心部をくりぬいた円環（ドーナツ）型凸フレネルレンズ２１Ｂ（図２０、図２１に示す）を上下方向移動自在に置くことにより、凸フレネルレンズ２１Ｂの外周に近い屈折力の大きい場所から、内周穴に近い屈折力の小さい場所まで、順次照射位置を変更することができるので、結果として観察場所に届く照射光線の半角ＨＡを、カメラのズームレンズのように、順次、大から小へと変えてゆくことができる仕組みである。実施例５と同様に、種々の置き換えが可能で、その説明は省略する。

図２２〜図２５は、この発明によるリング状導光体１０を用いる、ズーム機構２０の第三実施例を示す説明図（断面図）である。（図２３〜図２５は部分拡大断面図である。）このリング状導光体１０を用いるズーム機構２０は、先に図１０および図１１で示したのと類似のリング状導光体１０で、円錐状に集中照射する照射半角ＨＡが異なるもの、この場合ＨＡ＝７０度のものを用い、その照射光路に、透明円筒の外面にリニアフレネルレンズを形成して成るパイプ状フレネルレンズ２２を配置する。このリニアフレネルレンズ２２を円筒（パイプ）の軸方向に上下移動させることにより、リニアフレネルレンズ２２の屈折力が異なる場所に照射光を当てて光路変更し、光が照射される「円錐の半角ＨＡ」を自在に調節、変更する仕組みである。このリニアフレネルレンズ２２の下部に光を照射すると、図２４のように、円錐の半角ＨＡが８０度と斜め方向に照射するいわゆるローアングル型の照射状態となり、図２３のように、リニアフレネルレンズ２２の中央部に照射すると、リング状導光体から送り出されたままの、ＨＡ＝７０度での照射ができる。また、図２５のように、このリニアフレネルレンズ２２の上部に照射すると、光が照射される円錐の半角ＨＡが５５度方向に照射するようになる。

さらに、この照明器具では、もうひとつ、散乱光線で全体を照らす背景照明設備３４を備え、観察物１７の状態により、特に光沢のある平面部分などを含むときでも、照準合わせが容易になり、観察しやすくなる仕組みである。この背景照明３４は、必要が無いときは消すことができる配線にしておくと良い。ここで用いるパイプ型リニアフレネルレンズ２２を、外面ではなく内面に設けることもできるが、その製作には分割式にする、特殊な割型を用いて成形する、ダイレクトカットするなどの工夫が必要となる。

図２６、図２７は、この発明によるリング状導光体１０を用いる、ズーム機構２０の第四実施例を示す説明図である。このリング状導光体１０を用いるズーム機構２０は、上記実施例７で示したのと類似のものであるが、リング状導光体１０として、水平照射に近い、ＨＡ＝８０度のものを用い、その照射光路に置く、透明円筒の外面にリニアフレネルレンズ２２を形成して成るパイプ状フレネルレンズが上半分だけのものを使用する例である。 このリニアフレネルレンズ２２を円筒（パイプ）の軸方向に上下移動させ、リニアフレネルレンズ２２の屈折力が異なる場所に光を当てることにより、光が照射される「円錐の半角ＨＡ」を自在に調節、変更することができる。

図２８は、この発明によるリング状導光体１０を用いる、ズーム機構２０の第五実施例を示す説明図である。このリング状導光体１０を用いるズーム機構２０は、上記実施例７で示したのと類似のものであるが、リング状導光１０体として、水平照射であるＨＡ＝９０度のものを用い、その照射光路に置く照射方向変更手段として、凸面鏡２３を使用する例である。さらに詳しくは、中心部に穴を開けた円環形状の曲面鏡、つまり、凸面鏡または凹面鏡に当てるようにするとともに、この円環形状曲面鏡と、光源を含むリング状導光体ユニット１０、１１との、相対的位置を軸方向に移動させることにより、曲面鏡２３の反射曲げ角度が異なる場所を利用する原理で、反射光の「円錐の半角ＨＡ」を自在に調節、変更することである。この場合、照射光の半角ＨＡは、一応０度から９０度までをカバーすることができる。しかし、凸面鏡２３が図１４の形状の場合、ＨＡが９０度付近では、照射光は平行光線にはならず、広がり幅がかなり大きくなる。曲面鏡２３の形状を工夫すれば、理想に近い照射形態を実現することが不可能ではない。

上記それぞれの実施例にかかる図はリング状に形成されている導光体１０を、形状がわかりやすいように二分割したものの断面図、または導光体の部分を拡大した断面図で示してある。なお、各実施例は導光体１０をリング状に形成する他、複数に分割して形成し、それらを組み合わせるとリング状になるよう構成することも可能である。上記実施例に挙げたフレネルレンズ２１、２２も同様に複数に分割して形成できる。

本発明による、リング状導光体の実施方法を示した断面図である。（実施例１） 本発明によるリング状導光体の実施方法を示した部分拡大断面図である。（実施例１） 本発明によるリング状導光体の実施方法を示した部分拡大断面図である。（実施例１） 本発明によるリング状導光体の実施方法を示した部分拡大断面図である。（実施例１） 本発明による、リング状導光体の実施方法を示した部分拡大断面図である。（実施例１） 本発明による、リング状導光体の実施方法を示した説明図（部分拡大断面図）で、光の進行状態を示すとともに、リング状導光体の寸法例も示す。（実施例１） 本発明による、リング状導光体の実施方法を示した説明図（部分拡大断面図）で、光の進行状態を示す。（実施例１） 本発明による、リング状導光体の実施方法を示した説明図（部分拡大断面図）で、光の進行状態を示す。（実施例２） 本発明による、リング状導光体の実施方法を示した説明図（部分拡大断面図）で、光の進行状態を示す。（実施例２） 本発明による、リング状導光体の実施方法を示した説明図（部分拡大断面図）で、光の進行状態を示す。（実施例３） 本発明による、リング状導光体の実施方法を示した説明図（部分拡大断面図）で、光の進行状態を示す。（実施例３） 本発明による、リング状導光体の実施方法を示した説明図（部分拡大断面図）で、光の進行状態を示す。（実施例５） 本発明による、リング状導光体の実施方法を示した説明図（部分拡大断面図）で、光の進行状態を示す。（実施例６） 本発明による、リング状導光体を用いる、ズーム機構の第一実施方法を示した説明図（断面図）で、光の進行状態を示す。（実施例７） 本発明による、リング状導光体の実施方法を示した説明図（部分拡大断面図）で、光の進行状態を示す。（実施例７） 本発明による、リング状導光体を用いる、ズーム機構の第一実施方法を示した断面図で、光の進行状態を示す。（実施例７） 本発明による、リング状導光体を用いる、ズーム機構の第一実施方法を示した断面図で、光の進行状態を示す。（実施例７） 本発明による、リング状導光体を用いる、ズーム機構の第二実施方法を示した説明図（断面図）で、光の進行状態を示す。（実施例８） 本発明による、リング状導光体を用いる、ズーム機構の第二実施方法を示した説明図（部分拡大断面図）で、光の進行状態を示す。（実施例８） 本発明による、リング状導光体を用いる、ズーム機構の第二実施方法を示した説明図（断面図）で、光の進行状態を示す。（実施例８） 本発明による、リング状導光体を用いる、ズーム機構の第二実施方法を示した説明図（断面図）で、光の進行状態を示す。（実施例８） 本発明による、リング状導光体を用いる、ズーム機構の第三実施方法を示した断面図で、光の進行状態を示す。（実施例９） 本発明による、リング状導光体を用いる、ズーム機構の第三実施方法を示した説明図（部分拡大断面図）で、光の進行状態を示す。（実施例９） 本発明による、リング状導光体を用いる、ズーム機構の第三実施方法を示した説明図（部分拡大断面図）で、光の進行状態を示す。（実施例９） 本発明による、リング状導光体を用いる、ズーム機構の第三実施方法を示した説明図（部分拡大断面図）で、光の進行状態を示す。（実施例９） 本発明による、リング状導光体を用いる、ズーム機構の第四実施方法を示した説明図（断面図）で、光の進行状態を示す。（実施例１０） 本発明による、リング状導光体を用いる、ズーム機構の第四実施方法を示した説明図（部分拡大断面図）で、光の進行状態を示す。（実施例１０） 本発明による、リング状導光体を用いる、ズーム機構の第五実施方法を示した説明図（断面図）で、光の進行状態を示す。（実施例１１） 本発明による、リング状導光体に配されるＬＥＤの配線区分例を説明する平面図である。 全反射フレネルレンズ２２の一例を示す、説明用の部分断面図である。 本発明による、リング状導光体の実施方法を示した説明図（部分拡大断面図）で、光の進行状態を示す。（実施例４） 本発明による、リング状導光体の実施方法を示した説明図（断面図）で、光の進行状態を示す。（実施例４）

符号の説明

１ リング状集中照射器具
１０ リング状導光体
１０Ａ 入射面
１０Ｂ 出射面
１０Ｃ 第一リング状導光体
１０Ｄ 第二リング状導光体
１１ ＬＥＤ光源
１１Ａ ＬＥＤの配線領域Ａ
１１Ｂ ＬＥＤの配線領域Ｂ
１１Ｃ ＬＥＤの配線領域Ｃ
１１Ｄ ＬＥＤの配線領域Ｄ
１２ ＬＥＤの発光部
１３ 円筒レンズ
１４ 全反射面
１５ 中空透明球体含有塗膜
１６ 高反射性面
１７ 被照射面
１８ ＣＣＤカメラ
２０ 円錐斜面の集中角度ＨＡを変更する手段（ズーム機構）
２１Ａ 円環型凹フレネルレンズ
２１Ｂ 円環型凸フレネルレンズ
２２ 円筒（丸パイプ）型リニアフレネルレンズ
２３ 曲面鏡
３０ 平行光線
３１ 収斂光線
３２ 拡散光線
３３ 空気層部分
３４ 背景照明設備
３５ 中空透明球体
３７ 屈曲部

Claims (17)

1. リング状に配置した複数光源から出た光を、リング状導光体に入射させ、リング状導光体内で混合するとともに、リング状導光体の出射面に設けた円筒レンズから出る光線を、略均等厚さの円錐壁板状態で出射するように成形し、円錐斜面に沿って、観察すべき場所へ向けて所定角度で照射する手段を設けたことを特徴とするリング状集中照射器具。
2. 請求項１に記載したリング状導光体が、入射面と出射面とに夫々、円筒レンズを有し、これらふたつの円筒レンズが、焦点位置を共有する共焦点レンズであることを特徴とするリング状集中照射器具。
3. 請求項２に記載したリング状導光体が、焦点位置を共有するふたつの円筒レンズ間に、反射面、または屈曲部を有することを特徴とするリング状集中照射器具。
4. 請求項３に記載したリング状導光体が有する反射面に光散乱機能を与え、その対向面を高反射性面とすることにより、光混合機能を向上させることを特徴とするリング状集中照射器具。
5. 請求項４に記載した反射面の光散乱機能が、反射面上に透明中空球体を透明バインダー内に分散させて成る光散乱性塗膜と、その対向反射面との相互作用によるものであることを特徴とするリング状集中照射器具。
6. 請求項２、ないし請求項５に記載したリング状集中照射器具において、リング状導光体が上記入射面レンズと出射面レンズを有し、これらふたつの円筒レンズの間に円筒状部分を有し、この円筒状部分で二分割されて空気層部分を備え、ふたつの円筒レンズを、焦点位置を正確に共有する関係に調節すること、および僅かにその位置からずらして、平行光線ではなく微小角度の円錐状の出射光線を作ることができるように構成することを特徴とするリング状集中照射器具。
7. リング状に配置した複数光源から出た光を、略均等厚さの円錐壁板状態で出射させるリング状集中照射器具と、該光の円錐斜面の集中角度ＨＡを変更する手段とを組み合わせて成ることを特徴とする、照射集中角度の調節機能を有するリング状集中照射器具。
8. 請求項７に記載した、ほぼ均等な厚さの円錐壁板状態で光を出射させるリング状集中照射器具が、請求項１ないし請求項５のいずれかに記載したリング状集中照射器具であることを特徴とする、照射角度の調節装置を有するリング状集中照射器具。
9. 請求項７に記載した出射光の円錐斜面の集中角度ＨＡを変更する手段が、中心部に穴を開けた円環形状のフレネルレンズであることを特徴とする、照射角度の調節装置を有するリング状集中照射器具。
10. 請求項７に記載した円錐斜面の集中角度ＨＡを変更する手段が、透明円筒の外面、または内面にリニアフレネルレンズを形成して成ることを特徴とする、照射角度の調節機能を有するリング状集中照射器具。
11. 請求項７に記載した円錐斜面の集中角度ＨＡを変更する手段が、中心部に穴を開けた円環形状の曲面鏡であることを特徴とする、照射角度の調節機能を有するリング状集中照射器具。
12. 請求項１、ないし請求項１１に記載したリング状集中照射器具において、複数色光源を混在させ、各色別光源の光出力比率を調節する手段を備えて、出射光線の色調、演色性を改善することを特徴とするリング状集中照射器具。
13. 請求項１、ないし請求項１２に記載したリング状集中照射器具において、光源の配線をふたつ以上に分割するとともに、それら光源群を個別に点滅、および出力調整自在として、円周方向内で選択的指向性を有する照明を行なうことを特徴とするリング状集中照射器具。
14. 請求項１、ないし請求項１３に記載したリング状集中照射器具において、さらに別に点滅、および出力調整自在な、多方向から照らす散乱光照射装置を追加して、必要時に被照射場所から暗黒部を排除する、背景照明を行なうことを特徴とするリング状集中照射器具。
15. 請求項１、ないし請求項１４に記載したリング状集中照射器具において、導光体内、反射面、または光散乱塗膜の少なくともひとつに、蛍光物質を混入する方法で、光線の色調、演色性を改善することを特徴とするリング状集中照射器具。
16. 請求項１、ないし請求項１４に記載したリング状集中照射器具において、照射光路に、蛍光物質を含む光透過性フィルターを配置して、光線の色調、演色性を改善することを特徴とするリング状集中照射器具。
17. 請求項１、ないし請求項１６に記載したリング状集中照射器具において、照射光路の一部に、光センサーを配置して、光線の波長別光量を検知し、その情報を光源制御要素にフィードバックして、光センサーの守備範囲として割り当てる領域を、あらかじめプログラムした色調と明るさに維持することを特徴とするリング状集中照射器具。
    

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