JP2010282872A

JP2010282872A - Ｌｅｄイルミネータ

Info

Publication number: JP2010282872A
Application number: JP2009136031A
Authority: JP
Inventors: Hidehiko Kubo; 英彦久保; Yoshihiro Kawajiri; 喜広川尻
Original assignee: Tamagawa Seiki Co Ltd
Current assignee: Tamagawa Seiki Co Ltd
Priority date: 2009-06-05
Filing date: 2009-06-05
Publication date: 2010-12-16

Abstract

【課題】従来のＬＥＤイルミネータは、光源としての電球の発光部の面積が大きく、その構造が複雑であるので、出射光線の広がりが大きくなり、長距離照射が困難となる。
【解決手段】本発明によるＬＥＤイルミネータは、１つのコリメート光学系１１に１つのＬＥＤ素子２１が対向されることでそれぞれ構成され、互いに光軸が平行となるように配置された複数のイルミネータ要素３０を用い、各イルミネータ要素３０内においてＬＥＤ素子２１からの光束２１ｂがコリメート光学系１１によってそれぞれ平行化され、各イルミネータ要素３０から出射された光束が遠方界において全て重なり合って１つのビームを形成するように構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＬＥＤイルミネータに関し、特に、１つのコリメート光学系に１つのＬＥＤ素子を対向させて平行な光束（ビーム）を発生するイルミネータ要素を複数配列して構成し、各イルミネータ要素から出射された光束が遠方界において全て重なり合って１つのビームを形成し、そのビームの明るさをイルミネータ要素の明るさのイルミネータ数倍にすることによって、出射光線の広がりを抑制しかつ必要とするパワー密度も確保でき、長距離照射を可能とすることができるようにするための新規な改良に関するものである。

一般に、画像センサの内部で感度を増倍して、通常の画像センサよりも数百倍から数千倍程度高感度化した可視カメラ（以降、超高感度カメラという）は、高電圧を必要とせず、焼き付きの心配もなく、取り扱いが容易なカメラである。しかしながら、超高感度カメラであっても、撮像にはある程度の明るさを必要とし、単体で夜間の監視などに用いるまでには至らない。そこで、あらゆる暗さにおいても撮像できる監視センサの構築するためには、何らかの光源装置が必要となる。また、監視センサは、その視線方向を上下左右等に自由に制御できる機構又は三脚に搭載して、主として数百ｍ〜１ｋｍ程度の距離範囲を監視することが求められ、そこに用いる光源装置には、遠距離までの照射パワーの到達性、搭載に適するコンパクト性、及び低消費電力等の特性が求められる。

従来用いられていたこの種の光源装置としては、例えば下記の特許文献１に記載されたものがあり、一般的に図１６のように構成されている。図１６は、従来の電球を用いた光源装置を示す構成図である。図において、例えばハロゲンランプ及びメタルハライドランプ等の電球１の前方には収束レンズ２が配置されており、電球１で発生された光束３が収束レンズ２で収束されて、収束レンズ２の前面から出射光線３ａが出射される。また、図示はしないが、光源としてＬＥＤを用いるものもあり、その構成としては、複数のＬＥＤ素子の集合に対して１つのレンズを用いて光束を収束させる投光器等が挙げられる。

特開２００１−２２９７１９号公報

上記のような従来の電球を用いた光源装置では、光源としての電球１の発光部の面積が大きく、その構造が複雑であるので、発光部全体に対してコリメート条件を求めることが不可能であり、出射光線３ａの広がりが大きくなっている。このため、遠距離で出射光線３ａが大きく広がってしまい、長距離照射が困難となる。また、光源としてＬＥＤを用いる構成に関しても、複数のＬＥＤ素子の集合を光源として用いているので、レンズに対する発光部が大きくなり、出射光線の広がりを適切に抑制することが困難であり、長距離照射が困難となる。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、出射光線の広がりを抑制しかつ遠距離における必要パワー密度も確保でき、長距離照射を可能とすることができるＬＥＤイルミネータを提供することである。

本発明に係るＬＥＤイルミネータは、１つのコリメート光学系に１つのＬＥＤ素子が対向されることでそれぞれ構成され、互いに光軸が平行となるように配置された複数のイルミネータ要素を備え、前記各イルミネータ要素内において前記ＬＥＤ素子からの光束が前記コリメート光学系によってそれぞれ平行化され、前記各イルミネータ要素から出射された光束が遠方界において全て重なり合って１つのビームを形成する。
また、各イルミネータ要素内において、前記コリメート光学系の光軸位置に前記ＬＥＤ素子が配置されており、遠方界における前記ビームの断面形状が前記各ＬＥＤ素子の正面形状とされている。
また、各イルミネータ要素内において、前記ＬＥＤ素子が前記コリメータ光学系の光軸位置からそれぞれのイルミネータ要素に割り振られた量だけずらされた位置に配置されており、遠方界における前記ビームの断面形状が前記各ＬＥＤ素子の正面形状から変形されている。

本発明のＬＥＤイルミネータによれば、１つのコリメート光学系に１つのＬＥＤ素子が対向されることでそれぞれ構成され、互いに光軸が平行となるように配置された複数のイルミネータ要素を備え、各イルミネータ要素から出射された光束が遠方界において全て重なり合って１つのビームを形成するので、各イルミネータ要素で適切なコリメート条件を求めることができ、各イルミネータ要素から出射される光束をより確実に平行化できると共に、イルミネータ要素の数を増減することによって適切なビームの明るさを求めることができる。これにより、出射光線の広がりを抑制しかつ必要とするパワー密度も確保でき、長距離照射を可能とすることができる。
また、前記各イルミネータ要素内において、前記コリメート光学系の光軸位置に前記ＬＥＤ素子が配置されており、遠方界における前記ビームの断面形状が前記各ＬＥＤ素子の正面形状とされているので、ビーム内の明るさを高く維持でき、より確実に長距離照射を可能とすることができる。
また、前記各イルミネータ要素内において、前記ＬＥＤ素子が前記コリメータ光学系の光軸位置からそれぞれのイルミネータ要素に割り振られた量だけずらされた位置に配置されており、遠方界における前記ビームの断面形状が前記各ＬＥＤ素子の正面形状から変形されているので、一般的な形状のＬＥＤ素子を利用して任意のビームの断面形状を形成でき、利便性を向上できる。

本発明のＬＥＤイルミネータに用いられるイルミネータ要素の基本的な実施の形態における作用を示す説明図である。図１のコリメート光学系と置換可能な代替的なコリメート光学系を示す断面図である。図１のイルミネータ要素を用いたＬＥＤイルミネータの構成を説明するための実施の形態１によるＬＥＤイルミネータの側面図である。図３の光学系基板を示す正面図である。図３の発光基板を示す正面図である。図３のＬＥＤイルミネータの出口直後のビームの断面形状を示す正面図である。図６よりもＬＥＤイルミネータの出口から離れた位置でのビームの断面形状を示す正面図である。図７よりもＬＥＤイルミネータの出口から離れた位置でのビームの断面形状を示す正面図である。図８よりもＬＥＤイルミネータの出口から離れた遠方界でのビームの断面形状を示す正面図である。本発明の実施の形態２によるＬＥＤイルミネータに含まれる光学系基板を示す正面図である。図１０のＬＥＤイルミネータに含まれる発光基板を示す正面図である。本発明の実施の形態３によるＬＥＤイルミネータでのＬＥＤ素子の配置状態を示す正面図である。図１２のＬＥＤ素子の配置によって形成されるビームの断面形状を示す正面図である。図１２のＬＥＤ素子の配置状態の変形例を示す正面図である。図１４のＬＥＤ素子の配置によって形成されるビームの断面形状を示す正面図である。従来の電球を用いた光源装置を示す構成図である。

本発明は、微光を発生するイルミネータを超高感度カメラに組み合わせて、１日２４時間、あらゆる暗さにおいても撮像できる監視センサの構築することを目標にし、そのための有効性の高いイルミネータの実現を目的とするものである。また、監視センサは、三脚等に搭載して、主として数百ｍ〜１ｋｍ程度の距離範囲を監視することを目標にしており、そこに用いるイルミネータには、遠距離までの照射パワーの到達性、搭載に適するコンパクト性、及び低消費電力等の特性が求められる。本発明は、ＬＥＤを光源として、新規な構成方法によって、上記の目的及び望ましい特性を達成するものである。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照して説明する。
イルミネータの基本的な実施の形態
図１は、本発明のＬＥＤイルミネータに用いられるイルミネータ要素の基本的な実施の形態における作用を示す説明図である。図において、イルミネータ要素３０は、互いに対向するコリメート光学系１１とＬＥＤ素子２１とから構成されている。コリメート光学系１１は、背面が平面状で正面が凸状の平凸レンズ１２で構成されている。ＬＥＤ素子２１は、ＬＥＤチップ単体であり、発光部の奥行きがほとんど無く、発光部の面積が例えば０．１ｍｍ×０．１ｍｍ〜０．５ｍｍ×０．５ｍｍ等と極めて小さいものである。

ＬＥＤ素子２１は、コリメート光学系１１の主点面１１ａから焦点距離１１ｆだけ離れた焦点面１１ｂに配置されている。また、ＬＥＤ素子２１は、対向するコリメート光学系１１の光軸位置１１ｃに一致するように配置されている。より詳細に説明すると、ＬＥＤ素子２１は、ＬＥＤ素子２１を正面から見たときに発光面の中心位置を通る軸が光軸位置１１ｃに一致するように配置されている。

コリメート光学系１１は、対向するＬＥＤ素子２１からの光束２１ｂをそれぞれ平行化（コリメート）する。ＬＥＤ素子２１の任意の１点から出た光束２１ｂは、コリメート光学系１１の有効開口部に到達し、コリメート光学系１１によって平行化されてビームを生成する。この作用がＬＥＤ素子２１の全面分集積されると、図１において点線で示すように、広がり角θ［ラジアン］を持つビームとして外部へ照射される。

広がり角θは、θ＝ｔａｎ（ｄ／ｆ）＋αで表すことができ、ｄは発光部の直径（大きさ）であり、ｆは焦点距離１１ｆであり、αはコリメート光学系１１の光学的特性（有効開口及び収差）で決定される広がり角である。θが小さいほど、すなわちコリメートの程度が大きいほど、光束２１ｂの拡散を防止でき、長距離照射を可能とすることができる。この実施の形態の構成では、１つのＬＥＤ素子２１に対して１つのコリメート光学系１１が設けられているので、発光部の大きさｄを小さく抑えることができ、θを適切に小さくできる。また、１つのＬＥＤ素子２１に対して１つのコリメート光学系１１が設けられているので、コリメート光学系１１の焦点距離１１ｆ及び広がり角αからなるコリメート条件を適切に設定でき、θを適切に小さくできる。

なお、コリメート光学系１１の収差をより小さくするために、コリメート光学系１１として図２に示す凹凸レンズ１３を使用することもできる。また、収差を小さくするために複数のレンズを組み合わせることも可能である。

実施の形態１．
次に、図３は図１のイルミネータ要素を用いたＬＥＤイルミネータ３０の構成を説明するための実施の形態１によるＬＥＤイルミネータの側面図であり、図４は図３の光学系基板１０を示す正面図であり、図５は図３の発光基板２０を示す正面図である。図３において、光学系基板１０と発光基板２０とは、互いに間隔を置いて配置されている。光学系基板１０は、格子状に配置された複数（７×４個）のコリメート光学系１１を保持するものであり（図３及び図４参照）、発光基板２０は、コリメート光学系１１に対向するように格子状に配置された複数（７×４個）のＬＥＤ素子２１を保持するものである（図３及び図５参照）。すなわち、光学系基板１０及び発光基板２０は、互いに光軸が平行となるように配置された複数のイルミネータ要素を保持するものである。この実施の形態では、各コリメート光学系１１としては、八角形の有効開口部を有するものが使用されており、各ＬＥＤ素子２１としては、正面形状が円形のものが使用されている。

次に、図３のＬＥＤイルミネータから照射されるビームの断面形状について説明する。図６〜図９は、ＬＥＤイルミネータの出口から徐々に離れたときのビームの断面形状を示している。図６に示すように、ＬＥＤイルミネータの出口直後では、ビームの断面形状４０として、コリメート光学系１１の開口形状及び配置形状に相似した形状が表れる。

図７及び図８に示すように、ＬＥＤイルミネータの出口から離れるにつれて、各コリメート光学系１１から照射されるビームが互いに融合される。そして、ＬＥＤイルミネータの出口から十分に離れた遠方界では、各イルミネータ要素３０から出射された光束が全て重なり合って１つのビームを形成し、そのビームの断面形状４０としてはＬＥＤ素子２１の正面形状が表れる。これは、ＬＥＤ素子２１が各コリメート光学系１１の光軸位置に配置されているためである（図１参照）。なお、配列形状の効果は外形の輪郭部分に存在するが、外形の大きさに比べて、微少なスケールであるので無視している。

このようなＬＥＤイルミネータでは、１つのコリメート光学系１１に１つのＬＥＤ素子２１が対向されることでそれぞれ構成され、互いに光軸が平行となるように配置された複数のイルミネータ要素３０を用い、各イルミネータ要素３０から出射された光束が遠方界において全て重なり合って１つのビームを形成するので、各イルミネータ要素３０で適切なコリメート条件を求めることができ、各イルミネータ要素３０から出射される光束をより確実に平行化できると共に、イルミネータ要素の数を増減することによって適切なビームの明るさを求めることができる。これにより、出射光線の広がりを抑制しかつ必要とするパワー密度も確保でき、長距離照射を可能とすることができる。
特に、空間的な距離によるビームの融合作用を介して、個々のイルミネータ要素３０からの照射パワーを十分に重ね合わせるので、イルミネータとしての有効距離、照射エリア及び照射パワー密度の要求を同時に実現できる。

特に、この実施の形態のＬＥＤイルミネータを可視カメラと共に用いることにより、１日２４時間、真闇を含むあらゆる暗さにおいても、人物等を特定できる識別性の高い映像を得ることができる。また、このＬＥＤイルミネータを用いることで、夜間の監視においても、赤外線カメラを必要としないので、監視システムの低コスト化及びコンパクト化を図ることができる。さらに、ＬＥＤの発光効率が高いので、ＬＥＤイルミネータ自体の電力消費が小さいと共に、これを超高感度カメラと共に用いた監視システムは、監視対象となる場所における照明設備の負担を大幅に軽減できる。さらにまた、小型軽量、安価、かつ長寿命を実現できる。また、指向性が良いので、傍らへの光の漏れを小さくでき、照射を探知されにくく、環境光害を生じることを防止できる。さらに、断面形状が自由に選べるので、カメラ、三脚などの他の器材、装置との適合性に優れている。

実施の形態２．
図１０は、本発明の実施の形態２によるＬＥＤイルミネータに含まれる光学系基板１０を示す正面図であり、図１１は、図１０のＬＥＤイルミネータに含まれる発光基板２０を示す正面図である。なお、イルミネータの基本的な実施の形態、並びに実施の形態１の構成と同一又は同等部分については同一の符号を用いて説明する。実施の形態１では、開口部が八角形とされた２８個のコリメート光学系１１が格子状に配置されていたが、この実施の形態２では、光学系基板１０は、開口部が円形とされるとともに千鳥配置された５３個のコリメート光学系１１を有している。また、実施の形態１では、正面形状が円形とされた２８個のＬＥＤ素子２１が格子状に配置されていたが、この実施の形態２では、発光基板２０は、正面形状が正方形とされるとともに千鳥配置された５３個のＬＥＤ素子２１を有している。

このように、コリメート光学系１１及びＬＥＤ素子２１の数は、求められる照射パワーに応じて適宜変更可能である。また、コリメート光学系１１及びＬＥＤ素子２１の配置及び形状は、適宜変更可能である。なお、円形開口部を有するコリメート光学系１１を用いる場合、千鳥配置することで、単位面積当たりに設置可能なコリメート光学系１１及びＬＥＤ素子２１の数を大きくでき、照射パワーを向上できる。

実施の形態３．
図１２は、本発明の実施の形態３によるＬＥＤイルミネータでのＬＥＤ素子２１の配置状態を示す正面図であり、図１３は、図１２のＬＥＤ素子２１の配置によって形成されるビームの断面形状を示す正面図である。なお、実施の形態１，２の構成と同一又は同等部分については同一の符号を用いて説明する。一般に、遠方にある地上の例えば車両や人物等の物体を地上に設置したイルミネータで照らして探知する場合、図９のような円形のビームの断面形状４０よりも、図１３のような横に長い長方形のビームの断面形状４０の方が好都合である。図９等で示したように、光軸２１ａが各コリメート光学系１１の光軸位置１１ｃに一致するように配置されている場合、ＬＥＤイルミネータの出口から十分に離れた遠方界では、ＬＥＤ素子２１の正面形状がビームの断面形状４０として表れる。このため、正面形状が長方形のＬＥＤ素子を用いれば、長方形のビームの断面形状４０を得ることができる。しかし、正面形状が長方形のＬＥＤ素子を用いる場合、発光面積が大きくなり、広がり角θが大きくなる。また、一般的に市販されているＬＥＤ素子は、正面形状が正方形とされており、適切な大きさと形状のＬＥＤ素子を得ることは容易ではない。

そこで、この実施の形態３では図１２の（ａ）及び（ｂ）に示すように、各イルミネータ要素３０内において、ＬＥＤ素子２１をコリメータ光学系１１の光軸位置１１ｃからそれぞれのイルミネータ要素３０に割り振られた量だけずらされた位置に配置することで、図１３に示すように、遠方界でのビームの断面形状４０を、ＬＥＤ素子２１の正面形状である正方形から長方形に変形している。より詳細には、ＬＥＤ素子２１の中心位置２１ａがコリメート光学系１１の光軸位置１１ｃからずらされることで、ビームの断面形状４０が長方形に変形されている。なお、ＬＥＤ素子２１は、光軸位置１１ｃからずらされた後も、焦点面１１ｂ（図４参照）に配置されている。

具体的には、発光基板２０に設けられた複数のＬＥＤ素子２１は、対向するコリメート光学系１１の光軸位置１１ｃとの間で第１位置関係を有する第１素子群２５（図１２の（ａ）参照）と、対向するコリメート光学系の光軸位置１１ｃとの間で第２位置関係を有する第２素子群２６（図１２の（ｂ）参照）とに分けられている。この実施の形態では、第１素子群２５は半数のＬＥＤ素子２１を含んでおり、第２素子群２６は残り半数のＬＥＤ素子２１を含んでいる。すなわち、第１素子群２５に含まれるＬＥＤ素子２１の数は、第２素子群２６に含まれるＬＥＤ素子２１の数と同数とされている。

第１及び第２位置関係とは、第１素子群２５に対向するコリメート光学系の光軸位置１１ｃを第２素子群２６に対向するコリメート光学系の光軸位置１１ｃに重ねた場合に、第２位置関係を有するＬＥＤ素子２１が第１位置関係を有するＬＥＤ素子２１に隣接する位置関係である。この実施の形態では、ＬＥＤ素子２１の正面形状を一辺がｄの正方形としており、第１及び第２素子群２５，２６のＬＥＤ素子２１の光軸２１ａは、光軸位置１１ｃを中心に互いに逆方向にｄ／２だけ光軸位置１１ｃからずらされている。

図１３に示すように、第１素子群２５からの光束は第１領域４０ａに位置する正方形のビームの断面形状４０を形成し、第２素子群２６からの光束は、第２領域４０ｂに位置する正方形のビームの断面形状４０を形成する。これら第１及び第２領域４０ａ，４０ｂに位置する正方形のビームの断面形状４０は、互いに隣接しており長方形のビームの断面形状４０を形成する。

次に、図１４は、図１２のＬＥＤ素子の配置状態の変形例を示す正面図であり、図１５は、図１４のＬＥＤ素子の配置によって形成されるビームの断面形状４０を示す正面図である。図１２の構成は、複数のＬＥＤ素子２１を２つの群に分ける構成であるが、図１４の（ａ）〜（ｇ）に示すように、複数のＬＥＤ素子２１を７つの群に分けてもよい。７つの群に分ける場合でも、各群は前述の第１及び第２位置関係を有している。この図１４のようにＬＥＤ素子２１を７つの群に分けることで、図１５のように長辺がより長い長方形のビームの断面形状４０も実現できる。なお、図１４の１つの群が、図１５の長辺の２°分のビームの断面形状４０を形成している。

なお、この実施の形態３では、光量分布の変化が少ない長方形のビームの断面形状４０を形成する場合を説明したが、光量分布の変化が少ないことが厳密に求められない場合には、第１素子群２５に含まれるＬＥＤ素子２１の数が第２素子群２６に含まれるＬＥＤ素子２１の数と異なっていてもよい。また、光量分布の変化が少ないことが厳密に求められない場合には、対向するコリメート光学系１１の光軸位置１１ｃを重ねた場合に２つの群のＬＥＤ素子２１の一部分が互いに重なってもよいし、これらが離れて隙間ができてもよい。つまり、少なくとも１つのＬＥＤ素子２１の中心位置２１ａを対向するコリメート光学系１１の光軸位置１１ｃから適宜ずらすことで、遠方界におけるビームの断面形状４０を任意に変形可能である。

このようなＬＥＤイルミネータでは、各イルミネータ要素３０内において、ＬＥＤ素子２１がコリメータ光学系１１の光軸位置１１ｃからそれぞれのイルミネータ要素３０に割り振られた量だけずらされた位置に配置されており、遠方界におけるビームの断面形状４０が各ＬＥＤ素子２１の正面形状から変形されているので、一般的な正面形状のＬＥＤ素子２１を利用して任意のビームの断面形状４０を形成でき、利便性を向上できる。また、コリメート光学系１１の角度や位置を変更してもビームの断面形状４０を変形することができるが、各ＬＥＤ素子２１の位置を変更する構成は、コリメート光学系１１の角度や位置を変更する構成に比べて、光学的に非常に高い精度でビームの断面形状４０の変形を実現できる。

また、対向するコリメート光学系１１の光軸位置１１ｃとの間で第１位置関係を有する少なくとも１つの前記ＬＥＤ素子２１を含む第１素子群２５と、対向するコリメート光学系１１の光軸位置１１ｃとの間で第２位置関係を有する少なくとも１つのＬＥＤ素子２１を含む第２素子群２６とが設けられているので、ビームを隣接して形成でき、遠方界でのビームに大きなムラが生じることを防止できる。

さらに、前記第１素子群２５に含まれる前記ＬＥＤ素子２１の数が、前記第２素子群２６に含まれる前記ＬＥＤ素子２１の数と同数とされているので、照射光内の光量分布に大きな変化が生じることを防止でき、遠方界でのビームに大きなムラが生じることを防止できる。

１０光学系基板
１１コリメート光学系
１１ａ主点面
１１ｂ焦点面
１１ｃ光軸位置
１１ｆ焦点距離
２０発光基板
２１ＬＥＤ素子
２５，２６第１及び第２素子群
４０ビームの断面形状

Claims

１つのコリメート光学系（１１）に１つのＬＥＤ素子（２１）が対向されることでそれぞれ構成され、互いに光軸が平行となるように配置された複数のイルミネータ要素（３０）を備え、
前記各イルミネータ要素（３０）内において前記ＬＥＤ素子（２１）からの光束（２１ｂ）が前記コリメート光学系（１１）によってそれぞれ平行化され、前記各イルミネータ要素（３０）から出射された光束が遠方界において全て重なり合って１つのビームを形成することを特徴とするＬＥＤイルミネータ。
前記各イルミネータ要素（３０）内において、前記コリメート光学系（１１）の光軸位置（１１ｃ）に前記ＬＥＤ素子（２１）が配置されており、
遠方界における前記ビームの断面形状（４０）が前記各ＬＥＤ素子（２１）の正面形状とされていることを特徴とする請求項１記載のＬＥＤイルミネータ。
前記各イルミネータ要素（３０）内において、前記ＬＥＤ素子（２１）が前記コリメータ光学系（１１）の光軸位置（１１ｃ）からそれぞれのイルミネータ要素（３０）に割り振られた量だけずらされた位置に配置されており、遠方界における前記ビームの断面形状（４０）が前記各ＬＥＤ素子（２１）の正面形状から変形されていることを特徴とする請求項１記載のＬＥＤイルミネータ。