JP2007264330A - Parallel beam-generating photoconductor for lighting - Google Patents

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Mizuo Okada
瑞夫 岡田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a photoconductor for lighting that mixes light beams from a plurality of light sources, making a uniform brightness and a color tone and sending out as parallel light beams or intended diffuse, condensing light beams. <P>SOLUTION: (1) A lens is provided on the incident face and the exiting face of the photoconductor, with these incident face lens and the exiting face lens set to essentially share a focal point. (2) In the middle between the first photoconductor having the incident face lens and the second photoconductor having the exiting face lens, there is provided a space that can increase/decrease a relative distance between the first and second photoconductors. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明(以下で、この発明という)は、複数個のLEDで構成する、LEDアレーなどの、光源から出た光をミキシングして、平板、円柱壁、円錐台壁などのような板状平行ビーム(光線群)に成形し、目的とする狭い領域を所望の照射角度で照射するための、共焦点(アフォーカル)レンズ系などの、レンズ付き導光体に関する。さらに、これらのレンズ付き導光体に、平行光線から、意図的な発散、集中角度を有する発散、集中光(楔形光線群)に変換させる手段を備え、少し広い所定面積範囲を照射する、あるいは一度集光してから発散させるための導光体にも関する。また、複数個の平板状導光体を傘歯車、フレキシブルシャフトなどで連動させて、傾斜角を一斉動作状態に制御することによる、例えば、四角錘型のズーム式照明装置なども提案する。   The present invention (hereinafter referred to as the present invention) mixes light emitted from a light source such as an LED array composed of a plurality of LEDs, and forms a plate-like parallel plate such as a flat plate, a cylindrical wall, or a truncated cone wall. The present invention relates to a light guide with a lens, such as a confocal (afocal) lens system, which is formed into a beam (light beam group) and irradiates a target narrow region at a desired irradiation angle. Further, these light guides with lenses are provided with means for converting parallel light into intentional divergence, divergence having a concentration angle, and concentrated light (wedge-shaped light group), and irradiate a slightly wide predetermined area range, or It also relates to a light guide for converging once and then diverging. In addition, for example, a quadrangular pyramid zoom illuminating device is proposed in which a plurality of flat light guides are interlocked by a bevel gear, a flexible shaft, and the like, and the tilt angle is controlled to a simultaneous operation state.

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。
「光源」という用語は、LED(発光ダイオード)に限らず、ハロゲンランプ、白熱電球、冷陰極管蛍光灯(CCFL)、ディスチャージランプ(放電灯)などのように、照明用に適した光を発生する、任意の発光源を意味し、LEDと同様に使用することが可能である。
「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。
「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、シリンドリカルレンズ、リング状シリンドリカルレンズ(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、フレネルレンズ、回折レンズなどを使用しても良い。
「屈折率」という用語は、特にことわらない限り、代表値として、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を意味する。
「反射面」という用語は、全反射する表面、または鏡面加工した面を意味する。
「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。
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。
Here, some meanings and definitions of important terms used throughout the specification of the present invention will be explained.
The term “light source” is not limited to LEDs (light emitting diodes), but generates light suitable for illumination, such as halogen lamps, incandescent bulbs, cold cathode fluorescent lamps (CCFL), discharge lamps (discharge lamps), etc. It means any light source and can be used in the same way as an LED.
The term “light beam” is not limited to the visible light region of 380 nm to 780 nm, and includes ultraviolet rays, infrared rays, and the like.
The term “lens” includes not only spherical lenses but also aspherical lenses, as well as cylindrical lenses, ring-shaped cylindrical lenses (toroidal lenses), and these lens surfaces corresponding to aspherical lenses for spherical lenses. As described above, a modified lens is also included. For all of these, not only convex lenses but also concave lenses may be used as necessary. In addition to a simple lens shape, a Fresnel lens, a diffractive lens, or the like may be used.
The term “refractive index” means, as a typical value, a relative refractive index with respect to air of a material for a light beam (d-line) having a wavelength of about 589 nm, unless otherwise specified.
The term “reflecting surface” means a totally reflecting surface or a mirror-finished surface.
The term “light distribution characteristic” means an illumination light amount distribution for each solid angle direction, and is the same as or similar to the content expressed as directivity characteristic, viewing angle, etc. in catalogs such as LEDs. With regard to LEDs, proposals for establishing a uniform measurement method for light distribution characteristics as soon as possible have been issued from various directions.
Further, throughout the specification of the present invention, the same symbols are used in the drawings to indicate the same kind of contents.

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、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。The present inventors previously filed an application for an optical member using an afocal lens system as the name of the invention: “light control device (beam expander)” in Japanese Patent Application No. 2004-300230.

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、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。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省略する。Further, in Japanese Patent Application No. 2005-259053, an application was filed for an optical member using a cylindrical lens system or the like as the title of the invention: “light guide device for linear illumination”. The entire text of these specifications is referred to / cited here as related literature materials, and repeated detailed description of the same contents is omitted for the sake of brevity.

従来、画像解析用のCCD、またはCMOSカメラ用のLED照明光源装置(マシンビジョンシステムと称される)において、目的対象物を明瞭に観察するため、この発明がめざす用途のように、平板状の範囲を照明するとき、あるいは円錐台状の範囲を照明する場合などには、LEDの発光部をレンズの焦点位置に配置した、いわゆる視野角が極めて狭いコリメート式LEDを多数個、列状に配列するのが一般的であった。   Conventionally, in an LED illumination light source device (called machine vision system) for a CCD for image analysis or a CMOS camera (referred to as a machine vision system), in order to clearly observe a target object, When illuminating a range or illuminating a frustoconical range, a number of so-called collimated LEDs with a very narrow viewing angle are arranged in a row, with the LED's light-emitting part arranged at the focal position of the lens. It was common to do.

上記のような従来技術の方法では、あくまでも独立した直進光線群の配列に過ぎず、LEDの配置間隔が広いと、各光源の照射範囲が狭いため、照射部に明暗差が生じやすく、複数色の光源を組み合わせ使用するときには、良好なカラーミキシング(混色)が実現困難であった。この発明は、これらの問題点を解決するために考案したものである。   In the prior art method as described above, it is merely an arrangement of independent straight light beam groups, and if the arrangement interval of the LEDs is wide, the irradiation range of each light source is narrow. When these light sources are used in combination, it is difficult to achieve good color mixing (color mixing). The present invention has been devised to solve these problems.

この発明の、平行ビームを発生する照明用導光体は次のような構成をもって上記の各課題を解決する手段とする。
この照明用導光体は、一つの導光体の光入射面と出射面にそれぞれ形成されたレンズから成り、これら入射面レンズと、出射面レンズとが実質上焦点位置を共有する。
The illumination light guide for generating a parallel beam according to the present invention has the following configuration as means for solving the above problems.
This illumination light guide is composed of lenses formed on the light incident surface and the light exit surface of one light guide, respectively, and the light entrance surface lens and the light exit surface lens substantially share the focal position.

さらに別の手段として、この発明の照明用導光体は複数の導光体から成り、光入射面レンズを有する第一導光体と、光出射面レンズを有する第二導光体との中間に、第一導光体と第二導光体との相対距離を増減できる空間を有し、しかも、その相対距離調節範囲内に、入射面レンズと出射面レンズとが実質上焦点位置を共有するよう配置される場合もある。   As yet another means, the illumination light guide of the present invention comprises a plurality of light guides, and is intermediate between a first light guide having a light incident surface lens and a second light guide having a light exit surface lens. In addition, there is a space in which the relative distance between the first light guide and the second light guide can be increased and decreased, and the entrance surface lens and the exit surface lens substantially share the focal position within the relative distance adjustment range. It may be arranged to do.

上記それぞれの照明用導光体は、入射面レンズの曲率半径を出射面レンズの曲率半径よりも小さく形成してある。   Each of the illumination light guides is formed such that the radius of curvature of the entrance surface lens is smaller than the radius of curvature of the exit surface lens.

上記の照明用導光体は、入射面レンズの開口幅を出射面レンズの開口幅よりも小さく形成し、入射面レンズの開口端と出射面レンズの開口端がそれぞれ平滑な平面、または曲面状に形成された側面でつながれている。   The illumination light guide described above is formed such that the aperture width of the entrance surface lens is smaller than the aperture width of the exit surface lens, and the aperture end of the entrance surface lens and the exit end of the exit surface lens are smooth flat surfaces or curved surfaces, respectively. It is connected by the side formed.

上記の照明用導光体は、入射面レンズの開口数が出射面レンズの開口数よりも大きく形成されている。   In the illumination light guide, the numerical aperture of the entrance surface lens is larger than the numerical aperture of the exit surface lens.

上記の照明用導光体は、薄板状に形成し、その短手方向の一端の面に入射面レンズを、他方の面に出射面レンズを形成するが、導光体を円錐台状に形成し、その天面に入射面レンズ、底面に出射面レンズを形成する、いわゆるすりこぎ形に形成する場合もある。   The illumination light guide is formed in a thin plate shape, and an entrance surface lens is formed on one surface in the short side direction and an exit surface lens is formed on the other surface, but the light guide is formed in a truncated cone shape. In some cases, the entrance surface lens is formed on the top surface, and the exit surface lens is formed on the bottom surface.

上記の照明用導光体は、導光体がその長手方向軸を中心に回動できる構成とし、このような構成の二個以上の照明用導光体を、適宜の回転リンク手段で連結して、光源からの光を同じ傾斜角度で照射できるようにした。   The illumination light guide described above is configured such that the light guide can be rotated about its longitudinal axis, and two or more illumination light guides having such a configuration are connected by appropriate rotation link means. Thus, the light from the light source can be irradiated at the same inclination angle.

上記の照明用導光体は、光の入射面レンズと出射面レンズをつなぐ側面を曲面状に形成した、いわゆるリング型に形成される場合もある。1つの導光体をリング型に形成しても良いし、略扇型に形成された複数の導光体を組み合わせると1つのリング型になるようにそれぞれを形成しても良い。   The illumination light guide described above may be formed in a so-called ring shape in which a side surface connecting a light incident surface lens and an output surface lens is formed in a curved shape. One light guide may be formed in a ring shape, or each light guide may be formed into one ring shape by combining a plurality of light guides formed in a substantially fan shape.

上記の照明用導光体は、該導光体の一部分、詳しくは入射面レンズと出射面レンズとの間に屈曲部を設け、入射面から入った光が導光体の側面部分内側に当たり反射して(光の)進行方向を変更した後、光が出射面から出るように形成しても良い。   The above-mentioned illumination light guide is provided with a bent portion between a part of the light guide, more specifically between the entrance surface lens and the exit surface lens, and the light entering from the entrance surface is reflected by the inside of the side surface portion of the light guide. Then, after changing the traveling direction (light), the light may be formed so as to exit from the exit surface.

上記の照明用導光体の少なくとも一部に反射面を含むようにしても良い。該反射面には光を散乱させるために極小の中空ビーズ類または多孔質のビーズ類、フィラー等を配置する。   You may make it include a reflective surface in at least one part of said light guide for illumination. In order to scatter light, ultra-small hollow beads or porous beads, fillers and the like are arranged on the reflecting surface.

請求項1、請求項6に記載の解決手段によれば、本発明は、導光体がいわゆるシリンドリカルレンズ状、詳しくは薄板状、または円錐台状に形成されていて、その短手方向の一端の面に入射面レンズを備え、その対面側に出射面レンズをそれぞれ備えていることにより、光源から導光体に入射された光が導光体内部で様々な角度に反射し激しく混合するので、複数の光源から出た光を導光体の内部で相互に混ぜ合わすことができる。その結果、光源のLEDの配置間隔が広いときでも、出射レンズからの照射光の部分に明暗差が生じなくなり、均等に近い線状照射光線が得られ、複数色の光源を組み合わせ使用するときにも、良好なカラーミキシング(混色)が実現できる。   According to the means for solving the problems described in claims 1 and 6, in the present invention, the light guide is formed in a so-called cylindrical lens shape, specifically, a thin plate shape or a truncated cone shape, and one end in the short direction thereof. Since the incident surface lens is provided on the surface and the exit surface lens is provided on the opposite side, the light incident on the light guide from the light source is reflected at various angles inside the light guide and mixed violently. The light emitted from the plurality of light sources can be mixed with each other inside the light guide. As a result, even when the arrangement interval of the LEDs of the light source is wide, there is no difference in brightness in the portion of the irradiation light from the exit lens, and a linear irradiation light beam that is nearly uniform is obtained, and when using a combination of light sources of multiple colors However, good color mixing (color mixing) can be realized.

また、請求項2に記載した解決手段によれば、複数の導光体にて構成する場合、入射面レンズを有する第一導光体と、出射面レンズを有する第二導光体との間に、第一導光体と第二導光体との相対距離を増減できる空間を設け、その相対距離調節範囲内に、入射面レンズと出射面レンズとが、実質上焦点位置を共有するように配置するので、その結果、ほぼ理想的な板状照射光線を得ることができ、第一導光体と第二導光体との相対距離調節手段を利用すると、至近距離位置に強い集中光を得ることも、狭い角度範囲の拡散光線を得ることも、一度集光してから拡散していくように光線の進行状態を意のままに微調整できるようになる。また、入射面レンズと出射面レンズの焦点位置が、導光体外の空間に配置されるので、導光体内部に光が渦集中することによる導光体の高温化を避けることができる。よって、ガラス以外の樹脂等安価な、軽い材料にて導光体を形成することが可能になる。   Moreover, according to the solution means described in claim 2, when constituted by a plurality of light guides, between the first light guide having the entrance surface lens and the second light guide having the exit surface lens. A space in which the relative distance between the first light guide and the second light guide can be increased or decreased, and the entrance surface lens and the exit surface lens substantially share the focal position within the relative distance adjustment range. As a result, it is possible to obtain an almost ideal plate-shaped irradiation light, and by using the relative distance adjusting means between the first light guide and the second light guide, strong concentrated light at a close distance position is obtained. In addition to obtaining a diffused light beam in a narrow angle range, it is possible to finely adjust the traveling state of the light beam so that it is once condensed and then diffused. In addition, since the focal positions of the entrance surface lens and the exit surface lens are arranged in a space outside the light guide, it is possible to avoid a high temperature of the light guide due to vortex concentration of light inside the light guide. Therefore, it is possible to form the light guide with an inexpensive and light material such as resin other than glass.

請求項3に記載の解決手段によれば、本発明は導光体の入射面レンズの曲率半径を出射面レンズの曲率半径よりも小さく形成し、入射面レンズと出射面レンズとが、実質上焦点位置を共有するように形成してあるので、光源から導光体に入射された光を、平行光として出射面レンズから送り出すことができる。   According to the solution of the third aspect, the present invention is such that the radius of curvature of the entrance surface lens of the light guide is smaller than the radius of curvature of the exit surface lens, and the entrance surface lens and the exit surface lens are substantially formed. Since it is formed so as to share the focal position, light incident on the light guide from the light source can be sent out from the exit surface lens as parallel light.

請求項4に記載の解決手段によれば、本発明は導光体の入射面レンズの開口幅を出射面レンズの開口幅よりも小さく形成し、入射面レンズと出射面レンズとが、実質上焦点位置を共有するように形成してあるので、光源から導光体に入射された光を、平行光として出射面レンズから送り出すことができる。   According to the solution of the fourth aspect, the present invention forms the opening width of the entrance surface lens of the light guide smaller than the opening width of the exit surface lens, and the entrance surface lens and the exit surface lens are substantially formed. Since it is formed so as to share the focal position, light incident on the light guide from the light source can be sent out from the exit surface lens as parallel light.

請求項5に記載の解決手段によれば、本発明は導光体の入射面レンズの開口数を、出射面レンズの開口数よりも大きく形成してあるので、光源から導光体光を入射する際に、広い角度からの光を導光体内に入れることができる。これにより、光源と導光体の光路の位置合わせを厳密にしなくとも良くなったので、導光体の組立が簡単になった。また、使用中、何かに当たるなどして不用意に光源の位置がずれてしまった場合でも、導光体へ光を入射できる角度が広いのでそのまま使用できる。   According to the solution of the fifth aspect of the present invention, since the numerical aperture of the entrance surface lens of the light guide is larger than the numerical aperture of the exit surface lens, the present invention makes light guide light incident from the light source. In doing so, light from a wide angle can be introduced into the light guide. This eliminates the need for precise alignment of the light path between the light source and the light guide, thus simplifying the assembly of the light guide. Also, even if the light source is inadvertently shifted due to something hitting it during use, it can be used as it is because the angle at which light can enter the light guide is wide.

請求項7に記載の解決手段によれば、本発明の照明用導光体は、導光体が長手方向軸を中心に回動できる構成とし、また、このような構成の複数の導光体を適宜の回転リンク手段で連結し、同じ傾斜角度で光を照射できるようにした。これにより、導光体から出る光の照射角度を任意に変えられる上、照射光の集光ポイントをズームで位置変更することも可能である。   According to the solution means of Claim 7, the light guide for illumination of this invention is set as the structure which a light guide can rotate centering | focusing on a longitudinal direction axis | shaft, and several light guides of such a structure Are connected by an appropriate rotation link means so that light can be irradiated at the same inclination angle. Thereby, the irradiation angle of the light emitted from the light guide can be arbitrarily changed, and the position of the collection point of the irradiation light can be changed by zooming.

請求項9に記載の解決手段によれば、本発明は、上記導光体の一部分、詳しくは入射面レンズと出射面レンズとの間に屈曲部を形成し、導光体の少なくとも一部に反射面を含むようにすると、入射面から入った光が導光体の側面部分内側に当たり反射して(光の)進行方向を変更した後、光が出射面から出るようになる。これにより、導光体の高さ(短手方向の長さ)を、屈曲部を設けないものに比べて短く形成できるので、導光体自体、ひいてはこの導光体を使用した照明器具をコンパクトに構成することが可能である。また、屈曲部の角度によっては横方向から照射対象物を照らすことが可能になる。比較として、屈曲部を設けない構成の導光体が横方向から対象物を照射するには、光源を照射対象物の横に配置することになり、このような導光体を使用する照明器具は光源や導光体の配置にあたりスペースや配線等の制限があり、好みの形状に形成できなかった。また、光源の種類によっては光源部分が発熱して高温になるため、照射対象ポイントが光源から近いと熱で照射対象物が変質してしまう恐れもあるため使用用途が限られてしまった。だが、本発明ではこれらの問題を解決した。   According to the solution of the ninth aspect of the present invention, the present invention provides a part of the light guide, more specifically, a bent portion between the entrance surface lens and the exit surface lens, and at least a part of the light guide. If the reflecting surface is included, the light entering from the incident surface hits the inner side of the side surface portion of the light guide and reflects (changes the traveling direction of light), and then the light comes out from the emitting surface. As a result, the height of the light guide (the length in the short direction) can be made shorter than that without a bent portion, so the light guide itself, and thus the lighting fixture using this light guide, can be compact. It is possible to configure. Further, depending on the angle of the bent portion, the irradiation object can be illuminated from the lateral direction. As a comparison, in order to irradiate a target object from a lateral direction with a light guide having a configuration not provided with a bent portion, a light source is disposed beside the target object, and a lighting apparatus using such a light guide Has a limitation on space and wiring in arranging the light source and the light guide, and cannot be formed into a desired shape. In addition, depending on the type of light source, the light source portion generates heat and becomes high temperature, and if the irradiation target point is close to the light source, there is a possibility that the irradiation target may be altered by heat, so that the usage application is limited. However, the present invention has solved these problems.

また、請求項10に記載の解決手段によれば、本発明は、上記導光体は中空ビーズ等を配した反射面を備えているため、該導光体内に入射した光が反射面に当たり様々な角度に反射するので、理想的な光の混合状態を得ることができ、導光体出射面レンズ部分から出射した光はほぼ均一になる。   Further, according to the solution of the present invention, since the light guide includes a reflective surface on which hollow beads or the like are arranged, the light incident on the light guide hits the reflective surface. Since the light is reflected at an appropriate angle, an ideal light mixing state can be obtained, and the light emitted from the light guide exit surface lens portion becomes substantially uniform.

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、その用途、構成内容、その他全て、公知の技術にもとづき、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、この特許の範囲内に含まれる。   It will be described using a specific example, but it does not limit the scope of this patent, and unless it violates the purpose described in the claims, all of its uses, contents of construction, etc. are variously modified based on known techniques. , Substitutions, combinations, applications, and their results are also included within the scope of this patent.

図1〜図4に示す断面図のように、ひとつの導光体10の、入射面10Aと出射面10Bとに夫々レンズ13を備え、これら入射面10Aのレンズ13と、出射面10Bのレンズ13とが、実質上焦点Fを共有するように設計した照明用導光体を用いると、LED光源11から出た光を、平行光線に加工して、送り出すことができる。 しかも、図2および図3に示すように、入射面10Aのレンズ13の曲率半径R1を、出射面10Bのレンズ13の曲率半径Rよりも小さくすると良く、さらに、入射面レンズの開口幅H1を、出射面10Bのレンズの開口幅H2よりも小さくし、しかも、入射面10Aのレンズ13の開口端と、出射面10Bのレンズ13の開口端とを夫々、図2に示すように平滑な平面で、または図3に示すように平滑な曲面(この場合は円筒面)17でつなぐと良く、入射面10Aのレンズ13の開口数NA1を、出射面10Bのレンズ13の開口数NA2よりも大きくすると、さらに良い。 As shown in the cross-sectional views of FIGS. 1 to 4, a single light guide 10 includes a lens 13 on each of the incident surface 10 </ b> A and the exit surface 10 </ b> B, and the lens 13 on the entrance surface 10 </ b> A and the lens on the exit surface 10 </ b> B. When the light guide for illumination designed so as to substantially share the focal point F is used, the light emitted from the LED light source 11 can be processed into parallel rays and sent out. Moreover, as shown in FIGS. 2 and 3, the radius of curvature R1 of the lens 13 of the incident surface 10A, well when smaller than the radius of curvature R 2 of the lens 13 of the exit surface 10B, further, the opening width of the incident surface lens H1 2 is smaller than the aperture width H2 of the lens on the exit surface 10B, and the aperture end of the lens 13 on the entrance surface 10A and the aperture end of the lens 13 on the exit surface 10B are respectively smooth as shown in FIG. 3 or a smooth curved surface (in this case, a cylindrical surface) 17 as shown in FIG. 3, and the numerical aperture NA1 of the lens 13 on the entrance surface 10A is larger than the numerical aperture NA2 of the lens 13 on the exit surface 10B. Larger is better.

これらの条件を満たす具体例として、例えば、図2では、素材として、MMA樹脂(メチルメタクリル樹脂)、屈折率N=1.492を用いるものとし、
入射面10Aのレンズの曲率半径R1=3mm、
入射面10Aのレンズの開口幅H1=3mm、
入射面10Aのレンズの開口数NA1=約20°
出射面10Bのレンズの曲率半径R2=8mm、
出射面10Bのレンズの開口幅H2=6mm、
出射面10Bのレンズの開口数NA2=約15°
導光体10の横幅W=33mm
とすると良い。
この場合、本発明者らが先に、特願2005−259053で出願した、発明の名称:「線状照明用の導光装置」の中で、詳しく説明したように、
入射面10Aのレンズ13の焦点距離f1は、f1=N・R1/(N−1)=約3R1=9mmとなり、
出射面10Bのレンズ13の焦点距離f2は、f2=N・R2/(N−1)=約3R2=24mmとなり、
従って、W=f1+f2=約9mm+約24mm=約33mmとなる計算である。
このようにして、入射面10Aのレンズと、出射面10Bのレンズとが、実質上焦点位置を共有する関係、つまり、アフォーカル光学系を成立させ、平行に入射した光を、平行に送り出すことができるようにした。
As a specific example satisfying these conditions, for example, in FIG. 2, MMA resin (methyl methacrylic resin), refractive index N = 1.492 is used as a material,
The radius of curvature R1 of the lens of the entrance surface 10A = 3 mm,
The aperture width H1 of the lens on the entrance surface 10A = 3 mm,
The numerical aperture NA1 of the lens on the entrance surface 10A = about 20 °
The radius of curvature R2 of the lens on the exit surface 10B is 8 mm,
The opening width H2 of the lens on the exit surface 10B = 6 mm,
The numerical aperture NA2 of the lens on the exit surface 10B = about 15 °
The width W of the light guide 10 is 33 mm.
And good.
In this case, as described in detail in the title of the invention “light guide device for linear illumination” previously filed in Japanese Patent Application No. 2005-259053 by the present inventors,
The focal length f1 of the lens 13 on the incident surface 10A is f1 = N · R1 / (N−1) = about 3R1 = 9 mm.
The focal length f2 of the lens 13 on the exit surface 10B is f2 = N · R2 / (N−1) = about 3R2 = 24 mm.
Accordingly, the calculation is W = f1 + f2 = about 9 mm + about 24 mm = about 33 mm.
In this way, the lens of the entrance surface 10A and the lens of the exit surface 10B substantially share the focal position, that is, an afocal optical system is established, and light incident in parallel is sent out in parallel. I was able to.

次に、入射面10Aのレンズの曲率半径R1を、出射面10Bのレンズの曲率半径R2よりも小さくすると、図4で明らかなように、入射面10Aのレンズに斜め方向に入射した光が軸外に焦点F1を結んでも、出射面10Bのレンズ側から見た場合、出射面10Bのレンズの焦点距離f2がf1のよりも大きいために、焦点f1の軸ずれ相対角度が小さくなる、つまり、平行光線に一層近い光を、出射面10Bのレンズ側から送り出すことができる関係にある。この効果を有効に得ることができるR2/R1の比率は、1.1以上10以下の範囲が良い。その理由は、1.1未満では有意差がある効果が見られず、10より大きいと、光源のサイズに較べて、導光体が過大となり、実用的でなくなるからである。
また、入射面10Aのレンズの開口幅H1を、出射面10Bのレンズの開口幅H2よりも小さくしたことにより、図4で明らかなように、入射面10Aのレンズに斜め方向に入射した光の一部が、上側の平滑な平面16、または平滑な局面17で全反射するとき、その傾斜角度が、より軸に平行に近い反射光線を生み出す効果を有することになる。この効果を有効に得ることができるH2/H1の比率は、1.1以上10以下の範囲が良い。その理由は、1.1未満では有意差がある効果が見られず、10より大きいと、光源11のサイズに較べて、導光体10が過大となり、実用的でなくなるからである。
Next, when the radius of curvature R1 of the lens of the entrance surface 10A is made smaller than the radius of curvature R2 of the lens of the exit surface 10B, as is apparent from FIG. Even when the focal point F1 is connected to the outside, when viewed from the lens side of the exit surface 10B, the focal distance f2 of the lens on the exit surface 10B is larger than f1, and thus the relative axis misalignment angle of the focus f1 becomes small. There is a relationship in which light closer to parallel rays can be sent out from the lens side of the exit surface 10B. The ratio of R2 / R1 that can effectively obtain this effect is preferably in the range of 1.1 to 10. The reason is that if the ratio is less than 1.1, there is no significant difference effect, and if it is greater than 10, the light guide becomes excessively large compared to the size of the light source and becomes impractical.
Further, by making the aperture width H1 of the lens on the entrance surface 10A smaller than the aperture width H2 of the lens on the exit surface 10B, as apparent from FIG. 4, the light incident on the lens on the entrance surface 10A in an oblique direction is obtained. When a portion is totally reflected at the upper smooth plane 16 or the smooth aspect 17, the tilt angle will have the effect of producing a reflected beam that is more parallel to the axis. The ratio of H2 / H1 that can effectively obtain this effect is preferably in the range of 1.1 to 10. The reason is that if the ratio is less than 1.1, an effect having a significant difference is not observed, and if the ratio is larger than 10, the light guide body 10 becomes excessive as compared with the size of the light source 11 and becomes impractical.

さらに、入射面10Aのレンズの開口数NA1を、出射面10Bのレンズの開口数NA2よりも大きくしたことにより、入射光線の受付可能範囲が広がる上に、出射光線が出射レンズの開口幅H2一杯近くに広がる効果を生み出すことができる。この効果を有効に得ることができるNA1/NA2の比率は、1.01以上2以下の範囲が良い。その理由は、1.01未満では有意差がある効果が見られず、2より大きいと、出射レンズの大部分が、光が当たらない領域になるからである。   Furthermore, the numerical aperture NA1 of the lens on the entrance surface 10A is made larger than the numerical aperture NA2 of the lens on the exit surface 10B, so that the acceptable range of incident light is widened, and the exit light is full of the aperture width H2 of the exit lens. Can produce effects that spread nearby. The ratio of NA1 / NA2 that can effectively obtain this effect is preferably in the range of 1.01 to 2. The reason is that if the ratio is less than 1.01, there is no significant difference effect. If the ratio is greater than 2, most of the exit lens is in a region where no light strikes.

図5〜図10に示す断面図のように導光体10を二分割し、入射面10Aのレンズ13を有する第一導光体10Cと、出射面10Bレンズ13を有する第二導光体10Dとの中間に、第一導光体10Cと第二導光体10Dとの相対距離を増減できる空間(空気層部分)33を設け、しかも、空間33内の、第一導光体10Cと第二導光体10Dの相対距離調節範囲内に、入射面10Aのレンズと、出射面10Bのレンズとが、実質上焦点位置を共有するように配置できる場所を含ませると良い。第一導光体10Cと第二導光体10Dとの中間に空間33を設けることにより、ハロゲンランプのような焦点付近に高温度が発生する恐れがある光源を使用する場合でも、その焦点結像位置を空中に置くことにより、樹脂が溶けるなどのトラブルを防止できる。   5-10, the light guide 10 is divided into two parts, a first light guide 10C having a lens 13 of an incident surface 10A, and a second light guide 10D having an exit surface 10B lens 13. As shown in FIG. A space (air layer portion) 33 in which the relative distance between the first light guide 10C and the second light guide 10D can be increased or decreased is provided between the first light guide 10C and the second light guide 10C in the space 33. It is preferable to include a place where the lens of the incident surface 10A and the lens of the output surface 10B can be arranged so as to substantially share the focal position within the relative distance adjustment range of the two light guides 10D. By providing the space 33 in the middle between the first light guide 10C and the second light guide 10D, even when using a light source that may generate a high temperature near the focus, such as a halogen lamp, the focus of the light guide is reduced. By placing the image position in the air, problems such as melting of the resin can be prevented.

その上、図5〜図10に示すように、第一導光体10Cと第二導光体10Dとの相対距離を増減すれば、図5で示すように、出射光線をほぼ完全に近い平行光線にすることも、図6で示すように、僅かな角度の拡散光線にすることも、図7で示すように、一度集光してから拡散してゆく照射光線を意のままに得ることもできる。その上、レンズの加工精度などの問題で、一体的な導光体10では完全な平行光線とならないような場合でも、上記のような調節の過程で、平行光線を得ることが可能になる利点もある。第一導光体10Cの第二面40、および第二導光体10Dの第一面41は夫々、図5ないし図7に示したように平面16にすることも、図6ないし図10に示したようにレンズ面17にすることもできる。   In addition, as shown in FIGS. 5 to 10, if the relative distance between the first light guide 10C and the second light guide 10D is increased or decreased, the emitted light beams are almost completely parallel as shown in FIG. As shown in FIG. 6, it can be used as a diffused light beam with a slight angle, as shown in FIG. 6, or as shown in FIG. You can also. In addition, due to problems such as lens processing accuracy, even when the integrated light guide 10 does not produce completely parallel light rays, it is possible to obtain parallel light rays in the process of adjustment as described above. There is also. The second surface 40 of the first light guide 10C and the first surface 41 of the second light guide 10D may be flat 16 as shown in FIGS. 5 to 7, respectively. It can also be a lens surface 17 as shown.

図11は本発明の第三実施例にかかる導光体10を使用した照明装置42の構造を簡略に示す平面図、図12は図11に示すZ−Z方向矢視断面図、図14は図11、図12に使用した導光体10を示す拡大斜視図である。これらの図のように、導光体10を直線状の長板(棒)型とし、導光体10が長手方向軸を中心に回転できるように、二個以上の照明用導光体10を、軸44に連結し、該軸44同士を傘歯車43など適宜の回転リンク手段で連結して、同じ傾斜角度で照射できるようにすると、四角錐型のズーム式照明器具が実現できる。   FIG. 11 is a plan view schematically showing the structure of the illumination device 42 using the light guide 10 according to the third embodiment of the present invention, FIG. 12 is a sectional view taken in the direction of the arrows ZZ shown in FIG. 11, and FIG. It is an expansion perspective view which shows the light guide 10 used for FIG. 11, FIG. As shown in these drawings, the light guide body 10 is a linear long plate (rod) type, and two or more illumination light guide bodies 10 are arranged so that the light guide body 10 can rotate around the longitudinal axis. When the shafts 44 are connected to each other by appropriate rotating link means such as a bevel gear 43 so that irradiation can be performed at the same inclination angle, a quadrangular pyramid zoom luminaire can be realized.

図13は本発明の導光体10の第四実施例を示す斜視図、図19は図13のY−Y方向矢視断面図である。これらの図のように、導光体10を円錐台型のロッド状にして、丸い照射光線を作り出しても良い。この場合にも、上記、実施例2と同様に、導光体10を、第一導光体10Cと第二導光体10Dとに分離して、相対位置を調節自在にしても良い。   FIG. 13 is a perspective view showing a fourth embodiment of the light guide 10 according to the present invention, and FIG. 19 is a cross-sectional view taken in the YY direction of FIG. As shown in these figures, the light guide 10 may be formed into a truncated cone-shaped rod to produce a round irradiation beam. Also in this case, similarly to the second embodiment, the light guide 10 may be separated into the first light guide 10C and the second light guide 10D so that the relative position can be adjusted.

図15は本発明の導光体10の第五実施例を示す斜視図である。このように、導光体10をリング型とすることができる。
図15では導光体10を二分割した状態で示しているが、導光体10は一つのリング状に形成しても良いし、製造や組立の都合に合わせて任意の数に分割したものを組み合わせるとリング形状になるよう形成しても良い。
FIG. 15 is a perspective view showing a fifth embodiment of the light guide 10 according to the present invention. Thus, the light guide 10 can be a ring type.
Although FIG. 15 shows the light guide 10 in a state of being divided into two parts, the light guide 10 may be formed in one ring shape or divided into an arbitrary number according to the convenience of manufacturing and assembly. When combined, a ring shape may be formed.

上記実施例5のように導光体10をリング型にした上で、図16、図17、に示す断面図のように、導光体10の少なくとも一部に屈曲部15を設けることができる。あるいは、図18に示す断面図のように、導光体10の少なくとも一部に全反射面14を設けることができる。これらによれば、リング型であって、所望の斜め方向から目的の場所を照射する、照明光学系を実現することが可能になる。   After making the light guide 10 into a ring shape as in the fifth embodiment, a bent portion 15 can be provided on at least a part of the light guide 10 as shown in the cross-sectional views of FIGS. . Alternatively, as shown in the cross-sectional view of FIG. 18, the total reflection surface 14 can be provided on at least a part of the light guide 10. According to these, it is possible to realize an illumination optical system that is a ring type and that irradiates a target place from a desired oblique direction.

本発明による、照明用導光体とLEDの接合実施方法を示した断面図である。(実施例1)It is sectional drawing which showed the joining implementation method of the light guide for illumination and LED by this invention. Example 1 本発明による、照明用導光体の実施方法を示した断面図である。(実施例1)It is sectional drawing which showed the implementation method of the light guide for illumination by this invention. Example 1 本発明による、照明用導光体の実施方法を示した断面図である。(実施例1)It is sectional drawing which showed the implementation method of the light guide for illumination by this invention. Example 1 本発明による、照明用導光体の実施方法を示した断面図である。(実施例1)It is sectional drawing which showed the implementation method of the light guide for illumination by this invention. Example 1 本発明による、照明用導光体の実施方法を示した断面図である。(実施例2)It is sectional drawing which showed the implementation method of the light guide for illumination by this invention. (Example 2) 本発明による、照明用導光体の実施方法を示した断面図である。(実施例2)It is sectional drawing which showed the implementation method of the light guide for illumination by this invention. (Example 2) 本発明による、照明用導光体の実施方法を示した断面図である。(実施例2)It is sectional drawing which showed the implementation method of the light guide for illumination by this invention. (Example 2) 本発明による、照明用導光体の実施方法を示した断面図である。(実施例2)It is sectional drawing which showed the implementation method of the light guide for illumination by this invention. (Example 2) 本発明による、照明用導光体の実施方法を示した断面図である。(実施例2)It is sectional drawing which showed the implementation method of the light guide for illumination by this invention. (Example 2) 本発明による、照明用導光体の実施方法を示した断面図である。(実施例2)It is sectional drawing which showed the implementation method of the light guide for illumination by this invention. (Example 2) 本発明による、照明用導光体の実施方法を示した平面図である。(実施例3)It is the top view which showed the implementation method of the light guide for illumination by this invention. (Example 3) 図7に示す照明用導光体のZ−Z方向矢視断面図である。(実施例3)It is a ZZ direction arrow sectional view of the light guide for illumination shown in FIG. (Example 3) 本発明による、照明用導光体の実施方法を示した斜視図である。(実施例4)It is the perspective view which showed the implementation method of the light guide for illumination by this invention. (Example 4) 本発明による、照明用導光体の実施方法を示した斜視図である。(実施例3)It is the perspective view which showed the implementation method of the light guide for illumination by this invention. (Example 3) 本発明による、照明用導光体の実施方法を示した斜視図である。(実施例5)It is the perspective view which showed the implementation method of the light guide for illumination by this invention. (Example 5) 本発明による、照明用導光体の実施方法を示した断面図である。(実施例6)It is sectional drawing which showed the implementation method of the light guide for illumination by this invention. (Example 6) 本発明による、照明用導光体の実施方法を示した断面図である。(実施例6)It is sectional drawing which showed the implementation method of the light guide for illumination by this invention. (Example 6) 本発明による、照明用導光体の実施方法を示した断面図である。(実施例6)It is sectional drawing which showed the implementation method of the light guide for illumination by this invention. (Example 6) 図9に示す、本発明による照明用導光体のY−Y方向矢視断面図である。(実施例4)It is a YY direction arrow sectional view of the light guide for illumination by this invention shown in FIG. (Example 4)

符号の説明Explanation of symbols

10 導光体
10A 入射面
10B 出射面
10C 第一導光体
10D 第二導光体
11 LED光源
F 焦点
12 球面レンズ
13 円筒レンズ
14 全反射面
15 屈曲部
16 平面
17 曲面
30 平行光線
31 収斂光線
32 拡散光線
33 空間(空気層部分)
40 第一導光体10Cの第二面(光の出射面)
41 第二導光体10Dの第一面(光の入射面)
42 照明装置
43 傘歯車
44 軸
45 ケース
M モーター類
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Light guide 10A Incident surface 10B Output surface 10C 1st light guide 10D 2nd light guide 11 LED light source F Focus 12 Spherical lens 13 Cylindrical lens 14 Total reflection surface 15 Bending part 16 Plane 17 Curved surface 30 Parallel rays 31 Convergent rays 31 32 Diffused light 33 Space (air layer part)
40 Second surface (light exit surface) of first light guide 10C
41 1st surface (light incident surface) of 2nd light guide 10D
42 Illuminating Device 43 Bevel Gear 44 Shaft 45 Case M Motors

Claims (10)

ひとつの導光体の、入射面と出射面とに夫々レンズを備え、これら入射面レンズと、出射面レンズとが、実質上焦点位置を共有することを特徴とする照明用導光体。 A light guide for illumination, comprising a lens on each of an entrance surface and an exit surface of a light guide, wherein the entrance surface lens and the exit surface lens substantially share a focal position. 入射面レンズを有する第一導光体と、出射面レンズを有する第二導光体との中間に、第一導光体と第二導光体との相対距離を増減できる空間を設け、しかも、その相対距離調節範囲内に、入射面レンズと、出射面レンズとが、実質上焦点位置を共有するように配置できる場所を含むことを特徴とする照明用導光体。 A space in which the relative distance between the first light guide and the second light guide can be increased or decreased is provided between the first light guide having the entrance surface lens and the second light guide having the exit surface lens. The light guide for illumination includes a place where the entrance surface lens and the exit surface lens can be arranged so as to substantially share the focal position within the relative distance adjustment range. 請求項1、または請求項2に記載した照明用導光体において、入射面レンズの曲率半径R1の方を、出射面レンズの曲率半径R2よりも小さくすることを特徴とする照明用導光体。 3. The illumination light guide according to claim 1, wherein the curvature radius R1 of the entrance surface lens is smaller than the curvature radius R2 of the exit surface lens. . 請求項1ないし請求項3に記載した照明用導光体において、入射面レンズの開口幅H1の方を、出射面レンズの開口幅H2よりも小さく形成し、しかも、入射面レンズの開口端と、出射面レンズの開口端とを夫々平滑な平面、または曲面でつなぐこと、つまり該照明用導光体の側面部分を、表面が平滑な平面、または曲面に形成することを特徴とする照明用導光体。 4. The illumination light guide according to claim 1, wherein an opening width H1 of the entrance surface lens is formed to be smaller than an opening width H2 of the exit surface lens, and The opening end of the exit surface lens is connected to each other by a smooth plane or curved surface, that is, the side surface portion of the light guide for illumination is formed into a flat or curved surface having a smooth surface. Light guide. 請求項1、ないし請求項4に記載した照明用導光体において、入射面レンズの開口数NA1の方が、出射面レンズの開口数NA2よりも大きいことを特徴とする照明用導光体。 5. The illumination light guide according to claim 1, wherein the numerical aperture NA1 of the entrance surface lens is larger than the numerical aperture NA2 of the exit surface lens. 請求項1、ないし請求項5に記載した照明用導光体において、導光体が直線状の棒型、もしくは円錐台状、もしくは導光体の軸方向(長手方向)に対し垂直な断面が略鍵穴型である棒型であることを特徴とする照明用導光体。 6. The illumination light guide according to claim 1, wherein the light guide has a linear rod shape, a truncated cone shape, or a cross section perpendicular to the axial direction (longitudinal direction) of the light guide. A light guide for illumination, which is a rod shape that is substantially a keyhole shape. 請求項6に記載した照明用導光体において、導光体が長手方向軸を中心に回転できる構成とし、しかも、このような構成の二個以上の照明用導光体を、適宜の回転リンク手段で連結して、同じ傾斜角度で照射できるようにしたことを特徴とする照明用導光体。 The light guide for illumination according to claim 6, wherein the light guide is configured to be rotatable about a longitudinal axis, and two or more light guides for illumination having such a structure are connected to an appropriate rotation link. A light guide for illumination, which is connected by means so as to be able to irradiate at the same inclination angle. 請求項1、ないし請求項5に記載した照明用導光体において、導光体の側面部分が曲面で形成されたリング型であることを特徴とする照明用導光体。 6. The illumination light guide according to claim 1, wherein the illumination light guide has a ring shape in which a side portion of the light guide is formed by a curved surface. 請求項1、ないし請求項8に記載した照明用導光体において、導光体の少なくとも一部に屈曲部を含むことを特徴とする照明用導光体。 9. The illumination light guide according to claim 1, wherein at least part of the light guide includes a bent portion. 請求項1、ないし請求項8に記載した照明用導光体において、導光体の少なくとも一部に反射面を含むことを特徴とする照明用導光体。
9. The illumination light guide according to claim 1, wherein at least a part of the light guide includes a reflective surface.
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