JP2018055803A - 照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】比較的安価に製造でき小型化が可能な照明装置を提供することを課題とする。
【解決手段】照明装置は、互いに波長の異なる光を射出する第１の発光素子および第２の発光素子を含む複数の発光素子を基板の表面に並べて設けた光源１と；基板の表面に対向して設けた集光レンズ２、３と；集光レンズの光源と反対側に対向し、集光レンズの光軸と直交する絞り面において全ての発光素子から射出された光が重なる領域の内側に開口４ａを有する絞り４と；絞りの集光レンズと反対側に対向し、光軸を一致させて光軸に沿って移動可能に設けた結像レンズ５，６と；を有する。そして、光源の発光領域の径をＤ１とし、絞りの開口の径をＤ２とし、集光レンズの径をＤ３とした場合、Ｄ１＜Ｄ２＜Ｄ３の関係が成り立つ。
【選択図】 図４

Description

本発明の実施形態は、例えば、フルカラーの演出照明に用いる照明装置に関する。

従来、劇場やテレビスタジオにおける演出照明に用いる照明装置として、複数個の砲弾型ＬＥＤ（SMD：surface mount device）、絞り開口、およびレンズを備えたスポットライトが知られている。複数個の砲弾型ＬＥＤは、それぞれの光軸が絞り開口の中心に向かうように角度をつけて取り付けられている。レンズは、絞り開口の砲弾型ＬＥＤと反対側に対向して配置されている。

このように、複数個の砲弾型ＬＥＤを絞り開口に向けて角度をつけて配置することで、配光ムラを低減でき、発光効率を高めることができる。

特開２００５−１５８６９９号公報

しかし、上述した従来のスポットライトでは、複数個の砲弾型ＬＥＤを絞り開口に向けて傾斜させて取り付ける必要があり、且つ個々の砲弾型ＬＥＤの取付角度を高精度に調整する必要がある。このため、スポットライトの製造に手間がかかり製造コストが高くなる。

また、取付角度を調整可能な砲弾型ＬＥＤを用いるため、発光面が大型化し、スポットライトの小型化が難しい。

よって、比較的安価に製造でき小型化が可能な照明装置の開発が望まれている。

第１の実施形態に係る照明装置は、互いに波長の異なる光を射出する第１の発光素子および第２の発光素子を含む複数の発光素子を基板の表面に並べて設けた光源と；基板の表面に対向して設けた集光レンズと；集光レンズの光源と反対側に対向し、集光レンズの光軸と直交する絞り面において全ての発光素子から射出された光が重なる領域の内側に開口を有する絞りと；絞りの集光レンズと反対側に対向し、光軸を一致させて光軸に沿って移動可能に設けた結像レンズと；を有する。そして、光源の発光領域の径をＤ１とし、絞りの開口の径をＤ２とし、集光レンズの径をＤ３とした場合、Ｄ１＜Ｄ２＜Ｄ３の関係が成り立つ。

第２の実施形態に係る照明装置は、互いに波長の異なる光を射出する第１の発光素子および第２の発光素子を含む複数の発光素子を基板の表面と直交する光軸を中心に表面に並べて設けた光源と；光軸を一致させて基板の表面に対向して設けた第１の集光レンズと；光軸を一致させて第１の集光レンズの光源と反対側に対向して設けた、第１の集光レンズより大径の第２の集光レンズと；第２の集光レンズの第１の集光レンズと反対側に対向し、光軸と直交する絞り面において全ての発光素子から射出された光が重なる領域の内側に開口を有する絞りと；絞りの第２の集光レンズと反対側に対向し、光軸を一致させて光軸に沿って移動可能に設けた結像レンズと；を有する。そして、光源の発光領域の径をＤ１とし、絞りの開口の径をＤ２とし、第１の集光レンズの径をＤ３とし、第２の集光レンズの径をＤ４とした場合、Ｄ１＜Ｄ２＜Ｄ４の関係およびＤ１＜Ｄ３の関係が成り立つ。

第３の実施形態に係る照明装置によると、複数の発光素子のうち外側の発光素子を同じ波長の光を射出する発光素子にした。

本実施の形態によると、基板の表面に複数の発光素子を並べて設けたため、発光面を小さくでき、装置を小型化できるとともに、装置を安価に製造できる。

図１は、実施形態に係るＬＥＤカッターライトを示す外観斜視図である。 図２は、図１のＬＥＤカッターライトの内部構造を示す斜視図である。 図３は、図２の要部を別の角度から見た斜視図である。 図４は、図１のＬＥＤカッターライトの光学系を透過する光の一部を示す光線図である。

以下、図面を参照しながら実施形態について詳細に説明する。
図１は、照明装置の一実施形態に係るＬＥＤカッターライト１００の外観斜視図である。ＬＥＤカッターライト１００は、略矩形ブロック状の筐体１０１を有し、筐体１０１を前後に傾倒可能に支持した支持フレーム１０２を有する。このＬＥＤカッターライト１００は、例えば、絵画の演出照明として用いられるフルカラースポットライトであり、支持フレーム１０２を介して天井から吊下げたり、配線ダクトに取り付けたりすることもできる。ＬＥＤカッターライト１００は、例えば、絵画の額縁に合わせてスポット形状を矩形にできる。

図２は、ＬＥＤカッターライト１００の内部構造を示す斜視図である。図３は、図２の要部を別の方向から見た斜視図である。ＬＥＤカッターライト１００は、光源１、第１の集光レンズ２、第２の集光レンズ３、絞り４、および２枚の結像レンズ５、６を同軸に有する。複数枚のレンズ２、３、５、６、および絞り４は、光源１に最も近い第１の集光レンズ２から、第２の集光レンズ３、絞り４、結像レンズ５、結像レンズ６の順に光の射出方向に沿って並んで光軸を一致させて設けられている。結像レンズ６の前方には、筐体１０１に設けた投光レンズ１０３（図１参照）が同軸に配置されている。図２および図３では、後述するカッター機構の図示を省略してある。

図２に示すように、光源１は、板状の放熱部材１１を介して放熱フィン１２の前面側にある金属板１４の表面１４ａに取り付けられている。光源１は、基板の平らな表面に図示しない複数個のＬＥＤ素子（発光素子）を並べて設けた構造の面状光源である。光源１は、基板の裏面を放熱部材１１の表面に接触させて取り付けられている。各ＬＥＤ素子は、例えば、ＬＥＤのベアチップを基板表面に実装して蛍光体を含む透明樹脂により封止した構造（COB：chip on board）を有する。光源１の発光領域の径Ｄ１は、複数個のＬＥＤ素子を囲む最小の疑似円の直径であるものと定義する。光軸は、光源１の発光領域の中心を通って発光面に垂直な軸であるものと定義する。

本実施形態では、基板の表面に５行×５列でマトリックス状に２５個のＬＥＤ素子を取り付けた。この場合、光源１の発光領域の径は、２５個マトリックス状に並んだＬＥＤ素子の対角線の長さに相当する。２５個のＬＥＤ素子は、例えば、赤色光を射出する６個の赤色ＬＥＤ素子、緑色光を射出する６個の緑色ＬＥＤ素子、青色光を射出する６個の青色ＬＥＤ素子、および白色光を射出する７個の白色ＬＥＤ素子からなる。

２５個のＬＥＤ素子は、発光領域の中心に対して概ね点対称となる位置に同じ波長の光（同じ色の光）を射出するＬＥＤ素子を配置するようにレイアウトしている。本実施形態では、特に、発光領域の外周部に同じ色のＬＥＤ素子を配置した。本実施形態では、集光レンズ２、３を透過することで最も大きく屈折する青色ＬＥＤ素子を発光領域の外周部近くに配置した。

放熱フィン１２は、上下方向および前後方向に平行な複数枚の金属板１３を左右方向に間隔を開けて並べた構造を有する。複数枚の金属板１３の光源１側の端部は、１枚の金属板１４によって連結されている。本実施形態では、放熱フィン１２をアルミニウムにより形成した。

光源１は、放熱部材１１を間に挟んで放熱フィン１２の金属板１４の表面１４ａに熱的に接続されている。このため、複数個のＬＥＤ素子の熱が基板を介して放熱部材１１に伝えられ、放熱部材１１を介して放熱フィン１２に伝えられる。放熱フィン１２に伝えられたＬＥＤ素子の熱は、複数枚の金属板１３の間を通る空気に伝えられ、放熱フィン１２の上方の筐体１０１に設けた複数の通気孔１０４（図１）を介して筐体１０１の外部へ放出される。

第１の集光レンズ２は、光軸を一致させて光源１の基板の表面に対向して設けられている。第１の集光レンズ２の径Ｄ３は、光源１の発光領域の径Ｄ１より大きい。第２の集光レンズ３は、光軸を一致させて第１の集光レンズ２の光源１と反対側に対向して設けられている。第２の集光レンズ３の径Ｄ４は、第１の集光レンズ２の径Ｄ３より大きい。また、第２の集光レンズ３の径Ｄ４は、後述する絞り４の開口４ａの径Ｄ２より大きい。第１および第２の集光レンズ２、３は、レンズホルダ１５を介して光源１に対して固定的に取り付けられている。

本実施形態において、第１の集光レンズ２は、両凸レンズである。第１の集光レンズ２は、この他に、平凸レンズやフレネルレンズを用いることができる。いずれにしても、第１の集光レンズ２の径Ｄ３を光源１の発光領域の径Ｄ１より大きくすることで、光源１から射出される光の多くを第１の集光レンズ２に導くことができ、発光効率を高めることができる。また、発光効率を高めるため、第１の集光レンズ２を光源１に近付けることが望ましい。一方、第１の集光レンズ２を光源１に近付け過ぎると、透過する光を十分に集光できなくなる。このため、本実施形態では、第１の集光レンズ２として焦点距離の比較的短い両凸レンズを用いた。

本実施形態において、第２の集光レンズ３は、第１の集光レンズ２に平らな面を向けた平凸レンズである。発光効率を高めるため、第２の集光レンズ３は、第１の集光レンズ２に近付けて配置することが望ましい。第１の集光レンズ２を透過した光源１からの光は十分に集光されずに拡散する。言い換えると、本実施形態では、第１の集光レンズ２を透過した光がわずかに拡散するように、第１の集光レンズ２の焦点距離を選択し且つ光源１からの距離を設定した。このため、第２の集光レンズ３の径Ｄ４は、第１の集光レンズ２の径Ｄ３より大きくされている。

また、第１の集光レンズ２を透過した光源１からの光の多くを第２の集光レンズ３に導くため、平凸レンズの平らな面を第１の集光レンズ２に対向させている。仮に、平凸レンズを逆向き（平らな面を絞り４側に向かわせる向き）に取り付けると、第２の集光レンズ３の外周部近くを通る光が平凸レンズの曲面に沿ってレンズ外を通過して、発光効率がわずかに低下する。しかし、第２の集光レンズ３の向きは、本実施形態の向きに限定されるものではなく、逆向きであってもよい。

本実施形態では、２枚の集光レンズ２、３を重ねて光源１からの光を集光させているが、集光レンズを１枚にすることもできる。この場合、第２の集光レンズ３を省略して、第１の集光レンズ２の焦点距離を少し短くしたり、第１の集光レンズ２を光源１から僅かに遠ざけたりすることが考えられる。集光レンズの枚数を少なくすることで、透過する光のレンズ表面における反射の回数を少なくでき、発光効率を高めることができることに加え、部品点数を少なくでき、ＬＥＤカッターライト１００の製造コストを低減することができる。

一方、本実施形態のように、２枚の集光レンズ２、３を用いることで、各集光レンズ２、３の選択の自由度を高めることができ、レンズの組み合わせを比較的自由に選択することができる。言い換えると、２枚の集光レンズ２、３を用いることで、後述する絞り４の開口４ａの径Ｄ２に合わせて光源１からの光を所望する領域に集光させ易くなる。

絞り４は、第２の集光レンズ３の光源１と反対側に対向して設けられている。絞り４は、光軸と直交する面に沿って配置された板状体であり、複数本の連結ロッド１６を介して放熱フィン１２の金属板１４に対して固定されている。また、絞り４は、光軸と同軸に形成した円形の開口４ａを有する。発光効率を高めるため、絞り４は、第２の集光レンズ３に近付けて配置することが望ましい。絞り４の開口４ａの径Ｄ２は、光源１の発光領域の径Ｄ１より大きく、第２の集光レンズ３の径Ｄ４より小さい。本実施形態では、絞り４の開口４ａの径Ｄ２は、第１の集光レンズ２の径Ｄ３と同等或いはわずかに小さい。

絞り４の開口４ａは、光軸と直交する仮想の絞り面に配置され、光源１の全てのＬＥＤ素子から射出された光が絞り面で重なる領域の内側に収まる円形の開口である。言い換えると、本実施形態では、光源１の全てのＬＥＤ素子から射出された光が絞り面で重なる領域内に絞り４の開口４ａが配置される位置に絞り４を配置した。つまり、絞り４の開口４ａを通過した光は、全てのＬＥＤ素子から射出された光を開口４ａの全面積で重ねた光となり、混色をよくすることができ、色ムラを無くすことができる。絞り４の機能については後に詳細に説明する。

絞り４の光源１側には、図示しないカッター機構が設けられている。カッター機構は、絞り４の開口４ａを上下方向から部分的に塞ぐ２枚の遮光板および開口４ａを左右方向から部分的に塞ぐ２枚の遮光板を有する。これら４枚の遮光板の図示は省略してあるが、開口４ａの上方から重ねる遮光板のタブ８ａ、および開口４ａの右側から重ねる遮光板のタブ８ｂを図１に例示してある。つまり、ＬＥＤカッターライト１００は、筐体１０１の外に突出した４つのタブを有し、４枚の遮光板を筐体１０１の外から移動させることができるようになっている。よって、本実施形態では、絞り４の開口４ａの縁にそれぞれの遮光板を部分的に重ねることで、開口４ａの形状、すなわちスポット光の断面形状を矩形にすることもできる。なお、カッター機構の遮光板は少なくとも１枚あればよく、その枚数は任意に変更可能である。

２枚の結像レンズ５、６は、それぞれ、レンズホルダ２１、２２によって保持されて、光軸を一致させて取り付けられている。各レンズホルダ２１、２２の下端には、スライダ２３、２４が固設されている。各スライダ２３、２４は、光軸と平行に延設されたレール２５、２６に沿って光軸方向にスライド可能に取り付けられている。つまり、２枚の結像レンズ５、６は、光軸方向に移動可能に取り付けられている。なお、スライダ２３、２４は、図示しないアクチュエータによって移動される。本実施形態では、２枚の結像レンズ５、６を用いたが、１枚の結像レンズのみを用いてもよい。

ここでは図示していないが、光軸に沿って絞り４に隣接して、透明フィルムを配置することもできる。この場合、例えば、柄付の透明フィルムを光軸と直交する姿勢で取り付けることで、スポット光の演出効果を高めることができる。

図４は、上述したＬＥＤカッターライト１００の光学系を透過する光の一部を示す光線図である。ここでは、光源１、第１の集光レンズ２、第２の集光レンズ３、絞り４、結像レンズ５、および結像レンズ６のレイアウトを示し、レンズホルダなど光学系以外の部材の図示を省略してある。

図４では、光源１の発光領域の中心に設けたＬＥＤ素子から射出された光を実線で示し、発光領域の外周部近く（図示下端）に設けたＬＥＤ素子から射出された光を破線で示した。発光領域の中心に設けたＬＥＤ素子から射出された光は、光軸を中心とした軸対称な光線プロファイルを有する。一方、中心から外れた位置に設けたＬＥＤ素子から射出された光は、光軸を中心とした軸対称な光線プロファイルをもたない。つまり、発光領域内におけるＬＥＤ素子の配置位置によって光線プロファイルが異なることになる。

このため、本実施形態のＬＥＤカッターライト１００のように、基板の平らな表面に複数個のＬＥＤ素子を並べて設けた面発光タイプの光源１を用いた場合、絞り４を設けないと、照射面Ｏにおけるスポット光の輪郭がぼやけて周辺部で色ムラを生じる。本実施形態では、輪郭をはっきりさせ、色ムラが無く混色のよいスポット光を得るため、集光レンズ２、３と結像レンズ５、６の間に絞り４を設けた。

第１の集光レンズ２および第２の集光レンズ３を順に透過した光源１からの光は、赤色、緑色、青色、白色の光を含む。上述したように、各色の光（各ＬＥＤ素子から射出した光）は、発光領域内におけるＬＥＤ素子の配置位置に応じて個別の光線プロファイルを有するため、複数の色の光が重なる部分と重ならない部分が存在する。具体的には、光軸の近くを通過する光線は全ての色が重なり、光軸から離れた外側を通る光は発光領域の外周部近くに配置したＬＥＤ素子からの光であり単色である。

よって、全ての色の光が重なった混色のよい光を射出するためには、光軸の近くを通る全ての色の光が重なった光だけを射出することが望ましい。このため、本実施形態では、光軸と直交する仮想の絞り面を通過する光のうち全ての色の光が重なった領域の内側に絞り４の開口４ａが配置されるように、絞り４の開口４ａの径Ｄ２を決め、且つ絞り４の光軸方向に沿った配置位置を決めた。なお、発光効率を高めるため、絞り４は第２の集光レンズ３に近付けて配置することが望ましい。

また、本実施形態では、ＬＥＤカッターライト１００の発光効率を高めるため、光源１の発光領域の外側に青色の光を射出するＬＥＤ素子を配置した。青色の光は、レンズを透過したとき、青色光より波長の長い光と比べて、屈折する角度が大きくなる。このため、青色光を射出するＬＥＤ素子を発光領域の外側に配置することで、絞り４によってけられる光を少なくすることができ、発光効率を高めることができる。

さらに、本実施形態のＬＥＤカッターライト１００は、スポット光の形状を変えるカッター機構を有する。カッター機構は、絞り４の開口４ａを部分的に遮光板で塞ぐことでスポット光の形状を変える。つまり、カッター機構は、混色のよい光だけを通過させる開口４ａよりさらに狭い領域で光を通過させるため、カッター機構の遮光板を通過する光は必然的に混色のよい均一な光となる。見方を変えて、カッター機構によってスポット光の形状を矩形にすることを前提に考えると、絞り４の開口４ａを理想的な径より少し大きくしても、スポット光の外周部をカッター機構によりカットすることができるため、その分、発光効率を高くすることができる。

以上のように、本実施形態のＬＥＤカッターライトによると、集光レンズ２、３と絞り４と結像レンズ５、６の組み合わせにより色ムラの無い混色のよいスポット光を得ることができ、比較的安価な構成により小型化も可能となる。

例えば、本実施形態のＬＥＤカッターライト１００は、光学系にミラーを含まないため、反射による混色が無く、光学系の設計を単純にできる。

また、本実施形態によると、ＣＯＢタイプの光源１を用いて発光面を小さくし、集光レンズ２、３も比較的小径のものを使うことで、絞り４の開口４ａを小さくすることができ、装置全体の小型化が可能となる。特に、本実施形態のように、絞り４の開口４ａを小さくすることで、結像レンズも小型化することができ、装置の小型化に寄与することができる。

また、外周側の発光素子を同色にすることで効率を高めつつ、色ムラを低減することができる。特に、屈曲率の大きい青色の発光素子を外周近くに配置することで比較的焦点距離の長い集光レンズを選択することができるので、光学系を小さくすることができる。

上述した実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。上述した実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。上述した実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

例えば、上述した実施形態では、絞り４に隣接してカッター機構を設けたＬＥＤカッターライト１００に本発明を適用した場合について説明したが、これに限らず、カッター機構を持たないスポットライトに本発明を適用しても良い。

１…光源、２…第１の集光レンズ、３…第２の集光レンズ、４…絞り、４ａ…開口、５、６…結像レンズ、８ａ、８ｂ…タブ、１２…放熱フィン、１００…ＬＥＤカッターライト、１０１…筐体。

Claims (3)

1. 互いに波長の異なる光を射出する第１の発光素子および第２の発光素子を含む複数の発光素子を基板の表面に並べて設けた光源と；
   前記表面に対向して設けた集光レンズと；
   前記集光レンズの前記光源と反対側に対向し、前記集光レンズの光軸と直交する絞り面において前記全ての発光素子から射出された光が重なる領域の内側に開口を有する絞りと；
   前記絞りの前記集光レンズと反対側に対向し、光軸を一致させて該光軸に沿って移動可能に設けた結像レンズと；を有し、
   前記光源の発光領域の径をＤ１とし、前記絞りの前記開口の径をＤ２とし、前記集光レンズの径をＤ３とした場合、Ｄ１＜Ｄ２＜Ｄ３の関係が成り立つ照明装置。
2. 互いに波長の異なる光を射出する第１の発光素子および第２の発光素子を含む複数の発光素子を基板の表面と直交する光軸を中心に該表面に並べて設けた光源と；
   光軸を一致させて前記表面に対向して設けた第１の集光レンズと；
   光軸を一致させて前記第１の集光レンズの前記光源と反対側に対向して設けた、前記第１の集光レンズより大径の第２の集光レンズと；
   前記第２の集光レンズの前記第１の集光レンズと反対側に対向し、前記光軸と直交する絞り面において前記全ての発光素子から射出された光が重なる領域の内側に開口を有する絞りと；
   前記絞りの前記第２の集光レンズと反対側に対向し、光軸を一致させて該光軸に沿って移動可能に設けた結像レンズと；を有し、
   前記光源の発光領域の径をＤ１とし、前記絞りの前記開口の径をＤ２とし、前記第１の集光レンズの径をＤ３とし、前記第２の集光レンズの径をＤ４とした場合、Ｄ１＜Ｄ２＜Ｄ４の関係およびＤ１＜Ｄ３の関係が成り立つ照明装置。
3. 前記複数の発光素子のうち外側の発光素子を同じ波長の光を射出する発光素子にした、
   請求項１または請求項２の照明装置。