JP2013077482A - ライトボックス装置 - Google Patents

Abstract

【課題】開口部における面内の均一性と、照射角度内の均一性を同時に満足し、さらに高い光線の利用効率を満足することが可能なライトボックス装置を提供する。
【解決手段】光線を照射する光源１と、光源１から照射された光線を拡散させる拡散部材２と、拡散部材２により拡散された光線を光軸側に屈折させる第１のコリメートレンズ３と、第１のコリメートレンズ３により屈折された光線を平行光線に変換する第２のコリメートレンズ４とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、目標を均一に照明するための光線を生成するライトボックス装置に関し、特に所望の照射範囲を効率的に照明することができる装置に関するものである。

従来、光源からの光線を拡散部材で拡散することで均一な照明を得ることができるライトボックス装置が考案されている。特許文献１では、前面開口部に１つ又は複数の光拡散表面板を備えた構造のライトボックス装置が提案されている。

特開２００６−２０２７２９号公報

しかしながら、ライトボックス装置における照明の均一性とは、開口面内の均一性と照射角度内の均一性という２つの均一性に分けられ、両方の均一性を同時に満足する必要がある。特許文献１のような従来のライトボックス装置では、１つの光拡散表面板や複数の光拡散表面板の組み合わせで均一性を作り出していた。このとき、１つの拡散部材で作り出した均一性は、主に開口面内の均一性しか実現することができず、照射角度内の均一性は低いライトボックス装置となる。一方、複数の拡散部材の組み合わせで均一性を作り出した場合には、開口面内の均一性を満たすために必要な拡散角と、照射角度内の均一性を満たすために必要な拡散角を重畳した角度に光線は広がるため、光線の損失が大きいという問題があった。

この発明は、上述のような問題点を解決するためになされたもので、開口面内の均一性と、照射角度内の均一性を同時に満足し、さらに高い光線の利用効率を満足することが可能なライトボックス装置を得ることを目的とするものである。

上記の目的を達成するために、この発明に係るライトボックス装置は、光線を照射する光源と、前記光源から照射された光線を拡散させる拡散部材と、前記拡散部材により拡散された光線を光軸と平行または光軸よりも内側に屈折させる第１のコリメートレンズと、前記第１のコリメートレンズにより屈折された光線を平行光線に変換する第２のコリメートレンズとを備えることを特徴とする。

本発明に係るライトボックス装置は、開口面内の均一性と、照射角度内の均一性を同時に満足し、さらに高い光線の利用効率を満足することができる。

この発明の実施の形態１に係るライトボックス装置の構成図である。 この発明の実施の形態１に係るライトボックス装置の拡散部材による光線の拡散と小コリメートレンズによる光線の屈折についての説明図である。 この発明の実施の形態１に係るライトボックス装置の大コリメートレンズによる光線の屈折についての説明図である。 この発明の実施の形態１に係るライトボックス装置の小コリメートレンズの効果についての説明図である。 この発明の実施の形態１に係るライトボックス装置における開口面内の均一性が高いライトボックス装置を得るための条件についての説明図である。 この発明の実施の形態２に係るライトボックス装置を示す構成図である。 この発明の実施の形態２に係るライトボックス装置のレンチキュラーレンズによる光線の拡散についての説明図である。 この発明の実施の形態３に係るライトボックス装置を示す構成図である。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係るライトボックス装置の構成図である。この発明の実施の形態１に係るライトボックス装置は、筐体１０内に、光線を照射する光源１、光源１からの光線を所望の角度に広げる拡散部材２、拡散部材２により拡散された光線の中心を光軸と平行または光軸よりも内側に屈折させる小コリメートレンズ３（第１のコリメートレンズ）、小コリメートレンズ３により屈折された光線を略平行光線に変換する大コリメートレンズ４（第２のコリメートレンズ）によって構成されている。

図２は、この発明の実施の形態１に係るライトボックス装置の拡散部材２による光線の拡散と小コリメートレンズ３による光線の屈折についての説明図である。図２（ａ）は光源１から拡散部材２の上部分に照射した光について、図２（ｂ）は光源１から拡散部材２に対して垂直に照射した光について、図２（ｃ）は光源１から拡散部材２の下部分について照射した光について、それぞれ示している。また、図２（ａ）〜（ｃ）の左図は拡散部材２による光線の拡散について、右図は小コリメートレンズ３による光線の屈折について、それぞれ示している。

図２（ａ）〜（ｃ）の左図に示すように、光源１から照射された光線は拡散部材２により所定の拡散角で拡散される。拡散部材２により拡散される光線の拡散方向は、光源１から拡散部材２への光線の入射方向を中心に広がるため、光源１が照射する光線の角度に対する強度分布が一様であっても、拡散部材２によって拡散される光線は位置によって拡散方向（配光方向）が異なる面光源となる。

図２（ａ）〜（ｃ）の右図に示すように、小コリメートレンズ３は、拡散部材２により拡散された光線全体を、光線の配光中心が光軸に平行または光軸よりも内側を向くように屈折させる。なお、小コリメートレンズ３による光線の屈折により、拡散部材２の光線の拡散角は変化しない。

図３は、この発明の実施の形態１に係るライトボックス装置の大コリメートレンズ４による光線の屈折についての説明図であり、図３（ａ）は光源１から拡散部材２の上部分に照射した光について、図３（ｂ）は光源１から拡散部材２に対して垂直に照射した光について、図３（ｃ）は光源１から拡散部材２の下部分について照射した光について、それぞれ示している。

図３（ａ）〜（ｃ）に示すように、大コリメートレンズ４は、小コリメートレンズ３により屈折された光線について、大コリメートレンズ４の中心を通過する光の向きに光線全体が略平行になるように変換することにより、開口面内の均一性が高い光線とすることができる。

ここで、上述したように、小コリメートレンズ３による屈折により光線の拡散角は変化しないため、開口面内の均一性については、拡散部材２に依存しており、従来技術と同様に実現することができる。また、大コリメートレンズ４伝搬後の照射角度は、光源１によって拡散部材２が照射された領域によって決まるため、これを所望の照射角度範囲と一致させることで効率的な照明を実現することができる。

図４は、この発明の実施の形態１に係るライトボックス装置の小コリメートレンズ３の効果についての説明図である。図４（ａ）は光源１から拡散部材２の上部分に照射した光について、図４（ｂ）は光源１から拡散部材２に対して垂直に照射した光について、図４（ｃ）は光源１から拡散部材２の下部分について照射した光について、それぞれ示している。また、図４（ａ）〜（ｃ）の左図は小コリメートレンズ３を有さず拡散部材２により拡散された光線がそのまま大コリメートレンズ４に入射する場合について、図４（ａ）〜（ｃ）の右図は小コリメートレンズ３を有し小コリメートレンズ３により配光中心が光軸に平行または光軸よりも内側を向くように光線全体を屈折された光線が大コリメートレンズ４に入射する場合について、それぞれ示している。

小コリメートレンズを有さない場合、図４（ａ）の左図に示すように、拡散部材２によって拡散された光線のうち上半分は大コリメートレンズ４でなく筐体１０の内壁を照射しており光線が損失している。また、図４（ｃ）の左図に示すように、拡散部材２によって拡散された光線のうち下半分は大コリメートレンズ４でなく筐体１０の内壁を照射しており光線が損失している。さらに、図４（ａ）の左図に示すように、拡散部材２の上部分を照射した光は大コリメートレンズ４の下半分を照射しておらず、さらに、図４（ｃ）の左図に示すように、拡散部材２の下部分を照射した光も大コリメートレンズ４の上半分を照射しておらず、開口面全体を照らしていないため、照射角度内の均一性が低い光線となる。

一方、小コリメートレンズを有する場合、図４（ａ），（ｃ）の右図に示すように、小コリメートレンズ３によって配光中心が光軸と平行または光軸よりも内側を向くように屈折された光線は、その大半が大コリメートレンズ４を照射しており、小コリメートレンズ３を有さない図４（ａ），（ｃ）の左図と比べて、光線の利用率が高くなっている。また、図４（ａ）〜（ｃ）の右図に示すように、いずれの大コリメートレンズ４についても全体が光線によって照射されており、開口面内は位置によらず照射角度内の均一性が高くなっている。

つまり、小コリメートレンズ３を設置することにより、光線の照射領域が開口面全体となり、大コリメートレンズ４に入射する光線は照射角度内の均一性が高くなると共に光線の利用率が高くなる。

ここで、開口面内の均一性が高いライトボックス装置を得るための拡散部材２の拡散角αの条件について説明する。
図５は、この発明の実施の形態１に係るライトボックス装置における開口面内の均一性が高いライトボックス装置を得るための条件についての説明図である。図５（ａ）に示すように、拡散部材２から大コリメートレンズ４までの距離をｄ、大コリメートレンズ４の直径をＬ、拡散部材２の均一な拡散角をαとするとき、拡散角αで広がった光線が距離ｄ離れた直径Ｌの大コリメートレンズ４全体を完全に均一に照射するには、式（１）を満たす必要がある。

α＞ｄ／Ｌ （１）

また、小コリメートレンズ３の屈折力が小さすぎる場合、光線の配光中心が光軸と平行または光軸よりも内側を向くように光線全体を屈折させる作用が不十分となり、光線のけられが起きて照射角度内の均一性が損なわれるため、拡散部材２の均一な拡散角αにより補償する必要がある。

図５（ｂ）に示すように、光源１から小コリメートレンズ３までの距離をｄ０、小コリメートレンズ３から大コリメートレンズ４までの距離をｄ１、小コリメートレンズ３の屈折力をφ１、光源１が拡散部材２を照射する領域の半径をｑとするとき、光源１が拡散部材２を照射する光線の上端を示す光線Ｘと光線Ｘが拡散部材２において拡散された光線の下端を示す光線Ｙの高さ（光軸からの距離で上向きが正／下向きが負とする）を追跡する。

まず、光線Ｘの拡散部材２における高さはｑであり、光線Ｘの傾角（時計回り方向を正とする）は−ｑ／ｄ０となる。光線Ｘは拡散角αの拡散部材２によって±α／２の方向へ拡散されるので、光線Ｙの傾角は−ｑ／ｄ０＋α／２になる。さらに、小コリメートレンズ３において屈折され、大コリメートレンズ４まで伝搬したときの光線Ｙの高さは、ｑ−ｄ１（φ１ｑ−ｑ／ｄ０＋α／２）となる。ここで、光線Ｙが直径Ｌの大コリメートレンズ４全体を均一に照射するには式（２）を満たす必要があり、式（２）を変形することにより式（３）が得られる。式（３）を満たすことにより光線のけられが起こらないため、効率的な照明を実現することができる。
−Ｌ／２＜ｑ−ｄ１（φ１ｑ−ｑ／ｄ０＋α／２） （２）

さらに、小コリメートレンズ３の屈折力φ１が大きすぎる場合にも、光線の配光中心が光軸と平行または光軸よりも内側を向くように光線全体を屈折する作用が過剰になり、照射角度内の均一性が損なわれるため、小コリメートレンズ３の屈折力φ１について拡散部材２の均一な拡散角αにより補償することが必要になる。しかし、拡散部材２の均一な拡散角αを広げると、一部の光線は所望の範囲外の光線照射を行うことになり光線の損失になるため、次に示すように、拡散部材２の均一な拡散角αが小さくても小コリメートレンズ３の屈折力φ１を調整することにより、拡散部材２の均一な拡散角αにより補償することが不要になる。

小コリメートレンズ３による拡散光の配光中心の光線Ｚが大コリメートレンズ４の中心と一致するように小コリメートレンズ３の屈折力φ１を設定する。このとき、拡散光線は大コリメートレンズ４の中心に対して対称になるので、拡散部材２の拡散角αが最小で均一に照射することが可能となる。ここで、光線Ｘ，ＺのＡＢＣＤ行列を計算する。

式（４）より、光線Ｚが大コリメートレンズ４の中心を通過するためには、式（５）を満たす必要があり、式（５）を変形すると式（６）が得られる。
ｄ０ｄ１φ１−ｄ０−ｄ１＝０ （５）
φ１＝（ｄ０＋ｄ１）／（ｄ０・ｄ１） （６）

ここで、光線Ｚは必ずしも大コリメートレンズ４の中心を通る必要はなく、大コリメートレンズ４の中心を通る光線に近づけば効果があるため、式（７）が得られる。
φ１≦（ｄ０＋ｄ１）／（ｄ０・ｄ１） （７）

このため、小コリメートレンズ３の屈折力φ１が式（７）を満たすことにより、拡散部材２の均一な拡散角αが小さくても照射角度内で均一な照明を行うことができ、効率的なライトボックス装置を得ることができる。

以上のようにして、光線を照射する光源１と、光源１から照射された光線を拡散させる拡散部材２と、拡散部材２により拡散された光線を光軸と平行または光軸よりも内側に屈折させる第１のコリメートレンズ３と、小コリメートレンズ３により屈折された光線を平行光線に変換する大コリメートレンズ４とを備えるように構成したので、開口部における開口面内の均一性と、照射角度内の均一性を同時に満足し、さらに高い光線の利用効率を満足することができる。

実施の形態２．
図６は、この発明の実施の形態２に係るライトボックス装置を示す構成図であり、実施の形態１の図１に示すライトボックス装置の構成に対してレンチキュラーレンズ５を追加して備えるものである。図１と同一符号は同一又は相対部分を示すので説明を省略する。

図７は、この発明の実施の形態２に係るライトボックス装置のレンチキュラーレンズによる光線の拡散についての説明図である。図７に示すように、レンチキュラーレンズ５は、大コリメートレンズ４で略平行に変換された光線を拡散光に変換する。すなわち、レンチキュラーレンズ５によって任意にライトボックス装置の光線の照射角度の範囲を設定することが可能になる。

また、照射光線の照射角度内の分布は光源１が拡散部材２を照射する領域により決まる分布と、レンチキュラーレンズ５によって決まる分布が重畳されるため、均一性が向上する。あるいは、レンチキュラーレンズ５による均一角度範囲が広いときには光源１の角度分布の均一性によらず、レンチキュラーレンズ５による照射角度内の分布だけで決定することができる。したがって、レンチキュラーレンズ５に平行光線が入射すると、照射角度内の均一性が高い光線が形成され、均一性の高いライトボックス装置を得ることができる。

以上のようにして、実施の形態１と同様の効果が得られると共に、大コリメートレンズ４で略平行に変換された光線を拡散光に変換するレンチキュラーレンズ５を備えるように構成したので、任意にライトボックス装置の光線の照射角度の範囲を設定することが可能になる。

実施の形態３．
図８は、この発明の実施の形態３に係るライトボックス装置を示す構成図であり、実施の形態２の図６に示すライトボックス装置の構成に対して、調光絞り６とコンデンサレンズ７を追加して備えるものである。図６と同一符号は同一又は相対部分を示すので説明を省略する。

調光絞り６は、光源１から拡散部材２に向けて照射された光線の量を調節するものであり、コンデンサレンズ７は、調光絞り６によって光線の量を調節された光源１からの光線を拡散部材２に集光するものである。

実施の形態３に係るライトボックス装置では、調光絞り６により拡散部材２に入射する光線を増減することができるため、照明光線の量を可変にすることができる。また、コンデンサレンズ７により光源１からの光線は拡散部材２上に集光され、十分小さい像となっている。

ここで、上述の通り、光線の照射角度内の均一性についてはレンチキュラーレンズ５により決まるため、調光絞り６により光量を変化させても均一性を維持することができる。光線の照射角度に関しても同様にレンチキュラーレンズ５により決まるため、調光絞り６により光量を変化させても変化しない。また、開口面における面内の均一性も拡散部材２により決まるため、調光により変化しないことは言うまでもない。

以上のようにして、実施の形態２と同様の効果が得られると共に、光源１から照射された光線の量を調整する調光絞り６と、調光絞り６によって光線の量を調整された光線を拡散部材２上に集光するコンデンサレンズ７を備えるように構成したので照明光線の量を可変にすることができる。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

１ 光源、２ 拡散部材、３ 小コリメートレンズ（第１のコリメートレンズ）、４ 大コリメートレンズ（第２のコリメートレンズ）、５ レンチキュラーレンズ、６ 調光絞り、７ コンデンサレンズ、１０ 筐体。

Claims (6)

1. 光線を照射する光源と、
   前記光源から照射された光線を拡散させる拡散部材と、
   前記拡散部材により拡散された光線を光軸と平行または光軸よりも内側に屈折させる第１のコリメートレンズと、
   前記第１のコリメートレンズにより屈折された光線を平行光線に変換する第２のコリメートレンズと
   を備えることを特徴とするライトボックス装置。
2. 前記拡散部材から前記第２のコリメートレンズまでの距離をｄ、前記第２のコリメートレンズの直径をＬとしたとき、前記拡散部材により拡散される光線の拡散角αは下記式を満たすことを特徴とする請求項１記載のライトボックス装置。
   α＞ｄ／Ｌ
3. 前記光源から前記第１のコリメートレンズまでの距離をｄ０、前記第１のコリメートレンズから前記第２のコリメートレンズまでの距離をｄ１、前記第１のコリメートレンズの屈折力をφ１、前記光源が前記拡散部材を照射する領域の半径をｑとしたとき、前記拡散部材により拡散される光線の拡散角αは下記式を満たすことを特徴とする請求項２記載のライトボックス装置。
   

   
4. 前記第１のコリメートレンズの屈折力φ１は下記式を満たすことを特徴とする請求項３記載のライトボックス装置。
   φ１≦（ｄ０＋ｄ１）／（ｄ０・ｄ１）
5. 第２のコリメートレンズにより変換された平行光線を拡散光に変換するレンチキュラーレンズを備えることを特徴とする請求項１記載のライトボックス装置。
6. 前記光源から照射された光線の量を調整する調光絞りと、
   前記調光絞りからの光線を前記拡散部材に集光させるコンデンサレンズと
   を備えることを特徴とする請求項５記載のライトボックス装置。

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