JP2018045847A - Ｌｅｄを用いたスポットライト - Google Patents

Abstract

【課題】ＬＥＤ光源からの光を効率よく投影レンズに集めることができ、集めた光を１枚のレンズを使用するだけで被照射面に光ムラの少ない光を照射できるスポットライトを提供する。【解決手段】平面基板上に複数のＬＥＤを光軸方向を基板に垂直にして取り付けたＬＥＤ基板と、反射鏡と、拡散板と、投影レンズを備えて構成する。反射鏡として複合型放物面集光器を使用し、ＬＥＤ基板から発せられた光を複合型放物面集光器の口径の小さい開口に入射させる。口径の大きい出射口から光軸に対して所定角度以下で出射される光を直後に設置した拡散板で拡散させ、拡散した光を投影レンズに入射させて拡散板の光る部分の像を被照射物に投影させる。【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、劇場などで観客の注目を集めるため舞台出演者や舞台の特定部分にだけ光を照射する照明器具であるスポットライトに関する。

劇場、テレビスタジオ等においては舞台出演者や舞台の特定部分にだけ光を照射するためにスポットライトと呼ばれる照明器具が使用される。このスポットライトの光源としては白熱電球、放電ランプ等が使用されてきたが、これらの光源は発熱を伴うため強い光を照射するスポットライトではその放熱が大きな問題である。解決策として発熱の少ないＬＥＤを光源に使用するスポットライトが提案されている。

例えば、特許文献１には多数のＬＥＤを曲面上に配置し、それらの照射ビームを一点に集中させることで仮想の単一光源ユニットを構成し、その光源ユニットと投射レンズとの位置関係を可変にして被照射面の照度と照度分布を変化させるスポットライトが提案されている。また、特許文献２には複数のＬＥＤを光ビームがアパーチャに集光するように傾けて取り付け、アパーチャに集光した光を外部に射出するＬＥＤ照明装置が開示されている。特許文献３には傾けて取り付けた複数のＬＥＤの光を投光窓に集光させて擬似光源を作り、擬似光源の前に焦点を擬似光源に一致させた投影レンズを配置し、更に投影レンズの焦点と投影レンズとの間に拡散板を配置したスポットライトが提案されている。

上記３件の装置はＬＥＤが発する光をアパーチャに集光させて仮想光源を形成するために多数のＬＥＤを傾けて取り付けたり、曲面上に取り付けたりしている。そのためには多数のＬＥＤの出射方向を異なる角度で取り付ける必要があり構造的が複雑になる問題がある。曲面上に取り付ける方法も簡単ではない。また、被照射物に明瞭なエッジの照射を行なうには仮想光源であるアパーチャの像を投影レンズで照射面に投影させる必要があるが、特許文献３のように１枚の投影レンズで投影するクリティカル照明と呼ばれる方法では照射面に照明ムラが生ずる問題がある。明瞭なエッジの照射面を得るには２枚以上のレンズを使用するケーラー照明と呼ばれる方式もあるが、複数のレンジを必要とすることから構造が複雑でコストのかかる問題がある。

特開２００１−３０７５０２号公報 特開２００５−１５８６９９号公報 特開２００８−２６９９０６号公報 特開２０１４−９８４５０号公報 特表平１１−５０９０１１号公報

本発明は、従来技術のこうした問題点を解決するためになされたもので、その課題は、ＬＥＤ光源からの光を効率よく投影レンズに集めることができ、集めた光を１枚のレンズを使用するだけで被照射面に光ムラの少ない光を照射できるスポットライトを提供することにある。

前記課題を解決するための請求項１に記載の発明は、被照射物にスポット状の光を投影するスポットライトであって、該スポットライトはＬＥＤ基板と、反射鏡と、拡散板と、投影レンズを備えて構成され、ＬＥＤ基板は平面基板上に複数のＬＥＤをその光軸方向を該基板に垂直にして取り付けて構成してあり、反射鏡は複合型放物面集光器で構成され、その通常の使用法とは反対に口径の小さい側を入射口、口径の大きい側を出射口として使用するもので、ＬＥＤ基板から発せられて入射口に入射した光が出射口から出射するように構成され、ＬＥＤ基板の発する光の多くが入射口に入射するようにＬＥＤ基板に接近して取り付けてあり、拡散板は反射鏡の出射口から出射する光を拡散させるもので、出射口全面を覆うようにして出射口に近接又は当接して取り付けてあり、投影レンズは拡散板を透過した光を被照射物に照射させる凸レンズで、拡散板の光る部分の像が被照射物に投影されるようにその焦点を拡散板の凸レンズ側表面に一致させた位置に取り付けてあることを特徴とするスポットライトである。

このような構成とすればＬＥＤ基板に取り付けた複数のＬＥＤから発せられた光のほぼ１００％を投影レンズに入射させることができる。それらの入射光を投影レンズで屈折させることで全ての光を被照射物に照射することができ、極めて効率の良いスポットライトを構成できる。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のスポットライトにおいて、拡散板の投影レンズ側表面に近接した位置に絞り装置を追加取り付けし、凸レンズはその焦点を該絞り装置の位置に一致させて取り付けてあることを特徴とするスポットライトである。

このような絞り装置を取り付ければ、被照射物に照射する光の照射径を変化させることができる。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載のスポットライトにおいて、投影レンズは拡散板との間の距離を微調整できる移動装置に取り付けてあることを特徴とするスポットライトである。

このように投影レンズの位置を微調整できるようにすれば、被照射物に照射するスポットライトの大きさを加減でき、また、その輪郭の明瞭さを加減できる。

また、請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３の何れかに記載のスポットライトにおいて、投影レンズとしてフレネルレンズを使用したことを特徴とするスポットライトである。

フレネルレンズは分割数を多くすることで厚みが薄くなり、材料が減って軽量になるため、大きな口径のレンズを必要とする場合に有利である。

本発明に係るスポットライト１の構成図である。 ＣＯＢ型ＬＥＤの外観図である。 複合型放物面集光器の光軸を含む断面図である。 スポットライト１における光の進行方向を表した図である。

以下、本発明に係るスポットライトの実施形態を図面を参照して説明する。
（第１の実施形態）
図１は本実施形態に係るスポットライト１の構成図である。このスポットライト１は、劇場などで観客の注目を集めるため舞台出演者や舞台の特定部分にだけ光を照射する照明器具である。スポットライト１は複数のＬＥＤを取り付けたＬＥＤ基板２、反射鏡３、拡散板４、投影レンズ５を備えて構成されている。

ＬＥＤ基板２は平面基板の表面に多数のＬＥＤを、その発する光の進む中心軸である光軸を基板面に垂直にして取り付けたものである。一般的なＬＥＤは発光角度１２０°のランバーシアンな配光を行なう光源であるが、このＬＥＤ基板２上の全てのＬＥＤはその配光の中心軸である光軸を平面基板に垂直にして取り付けてあるので、全体として平面基板に垂直な方向に最も強い光が放射される。スポットライト１に要求される光出力は大きく、また、ＬＥＤは発熱を伴う。このため薄い基板にＬＥＤを直接搭載した大出力のＣＯＢ型と呼ばれる図２に示すようなＬＥＤをＬＥＤ基板２として使用し、ＬＥＤ基板２は図１に示すように放熱器８に貼りつけて放熱を図るとよい。

ＬＥＤ基板２の発光方向前面には反射鏡３が配置されている。本実施形態のスポットライト１は、この反射鏡３として複合型放物面集光器（Compound Parabolic Concentrator；略してＣＰＣ）と呼ばれる集光器を使用している点に特徴がある。複合型放物面集光器は、光軸に対してある範囲の角度を以て入射してきた光束を放物面状の側面で反射させながら出射端面に集光する光学素子である。集光率が高いことで知られ、太陽光など遠方にある光源の発する光を効率的に集光する用途に使用されている。

図３は複合型放物面集光器の光軸を含む断面図であり、特許文献４に掲載されている図を引用したものである。図中のＡ’は放物線ＢＢ’の焦点、Ｂ’は放物線ＡＡ’の焦点にあたり、放物線ＡＡ’の対称軸はＡ’Ｂと平行、放物線ＢＢ’の対称軸はＡＢ’と平行であり、放物線ＡＡ’と放物線ＢＢ’は光軸に対して対称な放物線である。これらの放物線を光軸の周りに回転した形状が複合型放物面集光器である。複合型放物面集光器は光軸に対してある開口角θ以下で口径の大きい左側入射開口に入射する光線を口径の小さい右側射出開口に到達させる一方、開口角θ以上の角度で入射する光線は入射開口に戻してしまう。図３で説明するとＡからＢ’に向かう光線が光軸となす角が上記θに相当し、ＡＢ’線に平行にこの断面上に入射した光は全てＡ’点に集光される。θより小さい角度で入射した光はＡ’Ｂ’線上に集光され、θより大きい角度で入射した光は入射側に戻されてしまう。

このことは光線の向きを逆にして考えると、図の直径Ａ’Ｂ’の小さい開口面に右側から入射した光線は全てが反対側の直径ＡＢの大きい開口面から光軸に対して角度θ以下で出射されることを意味する。本実施形態の反射鏡３はこのような構成の複合型放物面集光器を採用し、ＬＥＤ基板２の発する光を集光器としての通常の使用法とは反対に、複合型放物面集光器の図に示す直径Ａ’Ｂ’の小さい開口面から入射させる。そうすることで反射鏡３内に入射した光は全てが光軸に対して角度θ以下で反対側の大きい開口面から出射されることになる。このような複合型放物面集光器の設計は簡単ではないが、特許文献５にその設計方法が教示されている。

複合型放物面集光器である反射鏡３の出射口には、その出射口に近接又は当接した位置に出射口全面を覆うようにして拡散板４を配置している。拡散板４は片側から入射した光を拡散して反対側から出光させる板である。投影レンズを１枚だけ使用したクリティカル照明方式には光源の形状が照射面に投影される欠点があり、反射鏡３から出光する光を投影レンズ５だけで被照射物に投影させるとＬＥＤ基板２や反射鏡３が照射面に投影されて照明ムラが生ずる。その照明ムラを少なくするために拡散板４を配置している。

拡散板４としては入射光を完全拡散させるものでは光線の減衰が大きいので、指向性をもったレンズ拡散ＬＳＤ（Ｌｍｉｎｉｔ社の製品）を使用するとよい。レンズ拡散ＬＳＤはサーフェス・レリーフ・ホログラムパターンにより作成され、ランダム配置されたミクロンレベルの表面構造がマイクロ凹レンズアレイと同様の効果を発揮して屈折作用で光を拡散させる。何れの拡散板４も多少なりとも入射する光を減衰させるので、照明ムラをそれほど問題にしない用途では拡散板４は省いてもよい。

拡散板４の前方、被照射物側には投影レンズ５を配置している。投影レンズ５は拡散板４から出た光を被照射物に照射するためのものである。投影レンズ５としては凸レンズを使用し、その焦点位置を拡散板４の出側表面に一致させて配置してある。完全に一致させたのでは被照射物には小さなスポットライトしか照射されないので、大きなスポットライトを照射する場合は、焦点位置が拡散板４の出側表面より僅か後側、反射鏡３側となるように調整する。そのような調整を可能とするため、投影レンズ５は拡散板４との間の距離を微調整できる移動装置に取り付けておくとよい。移動装置は螺子機構により微移動できるようにしたものでもよいし、一般のカメラに採用されているような調整機構でもよい。

なお、拡散板４の投影レンズ５側表面に近接した位置には被照射物に向かう光の量を制限する絞り装置を取り付けてもよい。この場合、投影レンズ５はその焦点をその絞り装置の位置に一致させて取り付ける。絞り装置が投影レンズの焦点位置にあるので絞り放置の開口がそのまま被照射物に投影される。そのため絞り装置の絞りを加減することで被照射物に照射する光の照射径を変化させることができる。必要な場合は前記移動装置により投影レンズ５の位置を微調整する。

また、投影レンズ５の凸レンズとしてはフレネルレンズを使用してもよい。フレネルレンズは通常のレンズを同心円状に分割して厚みを減らしたレンズである。分割数を多くすれば厚みが薄くなるため材料を減らして軽量にできる利点がある。同心円状の線が入ったり、回折の影響で結像性能が悪化したりする欠点があるが照明用ではそれらはあまり問題にならない。

本実施形態のスポットライト１は、反射鏡３として複合型放物面集光器を採用したことで、ＬＥＤ基板２に取り付けられた多数のＬＥＤが発する光を効率良く、殆ど１００％に近い効率で被照射面に投影することができる。図４は試作したスポットライト１における光の進行方向を表したものである。ＬＥＤ基板２上のＬＥＤは光軸に対して最大約６０°の傾きで放射される。図中の１０は、ＬＥＤ基板２のＬＥＤより光軸に対して６０°傾いて放射される光を表している。ＬＥＤ基板２から投影レンズ５を望む図中のＡＣ線１１の角度は６０°より小さいため、反射鏡３がない場合は投影レンズ５に入射する光は僅かである。試作したスポットライト１では、反射鏡３なしにするとＬＥＤ基板２から発せられる光の僅か１５％しか投影レンズ５に入射しない。

反射鏡３を設けた場合、ＬＥＤ基板２から発せられた光はその殆ど１００％が反射鏡３に入射する。そのようになるように反射鏡３である複合型放物面集光器の入射光側開口の径、ＬＥＤ基板２との間隔が調整してある。反射鏡３に入射した光は複合型放物面集光器の放物面で反射して出側開口から放射される。放射される光が光軸となす角度は２５°以下になるように放物面が設計してある。図中の１２は、光軸から２５°傾いて放射される光の仮想的経路を表している。反射鏡３を出た光は、直後に配置された拡散板４により拡散されて反対面から出る。拡散により光は曲がる。光軸から２５°傾いて反射鏡３から出た光は外側には約最大２°傾き、光軸とは最大２７°傾いて放射される。図中の１３は２７°傾いて放射される光の経路を表している。この２７°傾いて放射される光が投影レンズ５に入射するように投影レンズ５の径と取り付け位置が調整されている。こうしたことからＬＥＤ基板２から発せられた光は、そのほぼ１００％が投影レンズ５に入射するため極めて効率がよい。

図面中、１はズポットライス、２はＬＥＤ基板、３は反射鏡、４は拡散板、５は投影レンズを示す。

Claims (4)

1. 被照射物にスポット状の光を投影するスポットライトであって、
   該スポットライトはＬＥＤ基板と、反射鏡と、拡散板と、投影レンズを備えて構成され、
   前記ＬＥＤ基板は平面基板上に複数のＬＥＤをその光軸方向を該基板に垂直にして取り付けて構成してあり、
   前記反射鏡は複合型放物面集光器で構成され、その通常の使用法とは反対に口径の小さい側を入射口、口径の大きい側を出射口として使用するもので、前記ＬＥＤ基板から発せられて前記入射口に入射した光が前記出射口から出射するように構成され、前記ＬＥＤ基板の発する光の多くが前記入射口に入射するようにＬＥＤ基板に接近して取り付けてあり、
   前記拡散板は前記反射鏡の出射口から出射する光を拡散させるもので、前記出射口全面を覆うようにして出射口に近接又は当接して取り付けてあり、
   前記投影レンズは前記拡散板を透過した光を被照射物に照射させる凸レンズで、前記拡散板の光る部分の像が被照射物に投影されるようにその焦点を拡散板の凸レンズ側表面に一致させた位置に取り付けてあることを特徴とするスポットライト。
2. 請求項１に記載のスポットライトにおいて、前記拡散板の投影レンズ側表面に近接した位置に絞り装置を追加取り付けし、前記凸レンズはその焦点を該絞り装置の位置に一致させて取り付けてあることを特徴とするスポットライト。
3. 請求項１又は２に記載のスポットライトにおいて、前記投影レンズは前記拡散板との間の距離を微調整できる移動装置に取り付けてあることを特徴とするスポットライト。
4. 請求項１乃至３の何れかに記載のスポットライトにおいて、前記投影レンズとしてフレネルレンズを使用したことを特徴とするスポットライト。