JP2018147702A - 照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光束の平行度の低下を抑えながら、照明領域のエッジに滑らかさを持たせることができる照明装置を提供する。【解決手段】照明装置（１００）は、光源（１）、投射光学素子（２）及びアパーチャ（３）を備える。光源（１）は、発光部（１ａ）から光を出射する。投射光学素子（２）は、光を入射して投射する。アパーチャ（３）は、光源（１）と投射光学素子（２）との間に配置され、光源（１）から出射された光の一部を遮光する。投射光学素子（２）の焦点（ＦＳ）は、発光部（１ａ）とアパーチャ（３）の投射光学素子（２）側の端面（３ｂ）との間に位置する。【選択図】 図１

Description

固体光源を用いた照明装置に関する。

近年、照明デザインの多様化に伴い、照明空間の演出効果を高めるため、配光角を狭くしたスポット照明装置が求められている。特許文献１は、例えば、アパーチャ部１４のアパーチャ１５に光ビームが向くように複数個のＬＥＤ１３をＬＥＤ配列部１２に取り付け、このＬＥＤ配列部１２に取り付けられた複数個のＬＥＤ１３の光ビームをアパーチャ部１４のアパーチャ１５に集光させて、アパーチャ１４から外部に出射に出射するＬＥＤ照明装置を開示している。また、特許文献１のＬＥＤ照明装置は、レンズ１６とアパーチャ１５との間に拡散板を備えている。拡散板は、アパーチャである疑似光源部の形状のエッジをぼかしている。

特開２００５−１５８６９９号公報（図１、段落００３９、００４０）

しかしながら、特許文献１のＬＥＤ照明装置は、レンズとアパーチャとの間に拡散板を設けている。このため、スポット光の形成に用いられる光線の平行度が低下するという課題があった。

照明装置は、発光部から光を出射する光源と、前記光を入射して投射する投射光学素子と、前記光源と前記投射光学素子との間に配置され、前記光源から出射された光の一部を遮光するアパーチャとを備え、前記投射光学素子の焦点は、前記発光部と前記アパーチャの前記投射光学素子側の端面との間に位置する。

光束の平行度の低下を抑えながら、照明領域のエッジに滑らかさを持たせることができる。

実施の形態１の照明装置１００の主要構成を概略的に示す構成図である。 実施の形態１の照明装置１００の効果を説明するシミュレーション図である。 実施の形態１の照明装置１００の効果を説明するシミュレーション図である。 変形例１の照明装置１０１の主要構成を概略的に示す構成図である。 変形例１の照明装置１０１の効果を説明するシミュレーション図である。 変形例２の照明装置１０２の主要構成を概略的に示す構成図である。 変形例２の照明装置１０２の効果を説明するシミュレーション図である。 変形例２の照明装置１０２の効果を説明するシミュレーション図である。 変形例３の照明装置１０３の主要構成を概略的に示す構成図である。 変形例４の照明装置１０４の主要構成を概略的に示す構成図である。 変形例４の照明装置１０４の効果を説明するシミュレーション図である。 実施の形態１の照明装置１００の効果を説明するシミュレーション図である。

実施の形態１．
図１は本発明に係る実施の形態１の照明装置１００の主要構成を概略的に示す構成図である。

図１に示されるように、照明装置１００は、光源１、投射光学素子２およびアパーチャ３を備えている。光源１は、光を発する。アパーチャ３は、光源１から出射された光の一部を遮光する。投射光学素子２は、アパーチャ３を通過した光の配光を制御する。

＜光源１＞
光源１は、照明に用いられる光を発する。光源１の発光部１ａは、光源１の＋Ｚ軸方向側に位置している。光軸Ｃ_１は、発光部１ａの発光面の中心から発光面に垂直に伸びている。

光源１は、例えば、発光ダイオードである。光源１は、単色光源であっても良い。例えば、光源１は、赤色、緑色または青色の光を出射する。また、光源１は、青色の発光ダイオードの光を黄色の蛍光体に当てて白色を生成する光源でもよい。

また、後述するように、光源１は、レーザー光を蛍光体に照射して、蛍光を発する光源でもよい。その際には、例えば、青色のレーザーを用いる。そして、青色のレーザー光は、蛍光体の励起光である。蛍光体は、例えば、黄色の光を発する。これによって、レーザー光の青色と蛍光の黄色とが混色される。そして、光源１は、白色の光を出射する。

または、光源１は、紫外域のレーザーを用いて、蛍光体を励起する。蛍光体は、例えば、白色の光を発する。

＜アパーチャ３＞
アパーチャ３は、光源１から出射された光の一部を遮光する。そして、アパーチャ３は、アパーチャ３の端面３ｂ上に疑似光源像を形成する。端面３ｂは、アパーチャ３の＋Ｚ軸方向側の端面である。

アパーチャ３は、光源１と投射光学素子２との間に配置されている。図１では、アパーチャ３と投射光学素子２との間には、隙間（間隔ｄ_１１）がある。しかし、アパーチャ３は、投射光学素子２と接触していても構わない。また、図１では、アパーチャ３と光源１との間には、隙間（間隔ｄ_１２）がある。しかし、アパーチャ３は、光源１と接触していても構わない。

光源の大きさを小さくすることによって、光源から出射される光を平行光とし易い。そして、狭角の光を被照射物に照射することが可能となる。

アパーチャ３のＺ軸方向の厚さｄ_１０は、例えば、０．１ｍｍである。そして、アパーチャ３の開口径はφ０．３ｍｍである。「φ」は、直径を意味する。平行光を形成するためには、アパーチャ３の開口径を小さくすることが効果的である。また、小さい大きさの発光ダイオードを用いる方が、狭配光を実現する上でも好ましい。発光ダイオードの直径は、例えば、φ１．０ｍｍよりも小さい。

＜投射光学素子２＞
投射光学素子２は、光源１から発せられた光を投射する。

投射光学素子２は、光源１の＋Ｚ軸方向側に配置されている。また、投射光学素子２は、アパーチャ３の＋Ｚ軸方向側に配置されている。投射光学素子２の光軸Ｃ_２は、例えば、光軸Ｃ_１と一致している。

投射光学素子２は、例えば、円柱形状である。円柱形状の軸は、光軸Ｃ_２と一致している。投射光学素子２は、例えば、入射面２ａ、入射面２ｂ、反射面２ｃおよび出射面２ｄを備えている。

入射面２ａは、光源１から出射された光を入射する。入射面２ａは、光源１から出射された発散角の小さな光を入射する。入射面２ａは、光軸Ｃ_２と交差している。つまり、光軸Ｃ_２は入射面２ａを通っている。

入射面２ｂは、光源１から出射された光を入射する。入射面２ｂは、光源１から出射された発散角の大きな光を入射する。入射面２ｂは、例えば、柱形状の側面の形状をしている。入射面２ｂの柱形状の軸は、例えば、光軸Ｃ_２と一致している。

入射面２ｂの＋Ｚ軸方向側の端部は、入射面２ａの外周部の位置に位置している。実施の形態１では、入射面２ｂの＋Ｚ軸方向側の端部は、入射面２ａの外周部に接続されている。

反射面２ｃは、例えば、入射面２ｂから入射した光を反射する。反射面２ｃは、例えば、柱形状の側面の形状をしている。反射面２ｃの柱形状の＋Ｚ軸方向側の端部の径は、−Ｚ軸方向側の端部の径よりも大きい。つまり、反射面２ｃで囲まれた光路は、＋Ｚ軸方向に向けて広がっている。反射面２ｃは、＋Ｚ軸方向を向いている。

反射面２ｃの−Ｚ軸方向側の端部は、入射面２ｂの−Ｚ軸方向側の端部の位置に位置している。実施の形態１では、反射面２ｃの−Ｚ軸方向側の端部は、入射面２ｂの−Ｚ軸方向側の端部に接続されている。つまり、反射面２ｃは、入射面２ｂの外側に配置されている。なお、反射面２ｃの−Ｚ軸方向側の端部と入射面２ｂの−Ｚ軸方向側の端部との位置は、Ｚ軸方向で一致している。しかし、図１に示すように、光軸Ｃ_２の半径方向に伸びた接続部２ｅを備えていてもよい。

反射面２ｃは、例えば、全反射面である。

出射面２ｄは、投射光学素子２に入射した光を出射する。出射面２ｄは、光軸Ｃ_２と交差している。つまり、光軸Ｃ_２は出射面２ｄを通っている。

出射面２ｄの外周部は、反射面２ｃの＋Ｚ軸方向側の端部の位置に位置している。実施の形態１では、出射面２ｄの外周部は、反射面２ｃの＋Ｚ軸方向側の端部に接続されている。

入射面２ａから入射した光は、投射光学素子２内を＋Ｚ軸方向に進行する。そして、入射面２ａから入射した光は、出射面２ｄに到達する。出射面２ｄに到達した入射面２ａから入射した光は、出射面２ｄから出射される。

入射面２ｂから入射した光は、反射面２ｃに到達する。そして、反射面２ｃに到達した光は、反射面２ｃで反射される。反射面２ｃで反射された光は、＋Ｚ軸方向に進行する。そして、反射面２ｃで反射された光は、出射面２ｄに到達する。出射面２ｄに到達した反射面２ｃで反射された光は、出射面２ｄから出射される。

投射光学素子２の焦点ＦＳは、光源１の発光部１ａとアパーチャ３の＋Ｚ軸方向側の端面３ｂとの間に位置している。つまり、焦点ＦＳは、発光部１ａよりも＋Ｚ軸方向側に位置している。そして、焦点ＦＳは、アパーチャ３の＋Ｚ軸方向側の端面３ｂよりも−Ｚ軸方向側に位置している。

なお、アパーチャ３の＋Ｚ軸方向側の端面３ｂが投射光学素子２の焦点位置となると、アパーチャ３の開口部の輪郭が被照射物に投影される。つまり、照明領域のエッジは滑らかにならない。このため、アパーチャ３の＋Ｚ軸方向側の端面よりも−Ｚ軸方向側に焦点ＦＳを配置する。

また、発光部１ａ上に焦点ＦＳが配置されないことが好ましい。なぜなら、発光部１ａの外周にエッジ（端部の稜線）がある形状の場合には、被照射面にエッジが投影されるためである。つまり、輪郭のはっきりしたスポット光となる。

なお、発光部１ａが蛍光体である場合には、焦点ＦＳが配置されても構わない。蛍光体が発光する場合には、発光部分の輪郭が明確にならないからである。しかし、後述するシミュレーションの結果から、発光部１ａよりも端面３ｂに近い位置に焦点ＦＳを配置する方が照明の品質上好ましい。端面３ｂは、アパーチャ３の＋Ｚ軸方向側の端面である。

次に、図２、３を用いて実施の形態１の効果を説明するシミュレーションの結果を示す。図２、３は、照明装置１００から出射される光の配光特性を示している。

図２、３は、放射角度毎の光の強度を表している。横軸は角度［ｄｅｇ］を示し、縦軸は光の強度を示している。光の強度は、最大の光の強度で正規化している。

シミュレーションの条件は以下の通りである。

図１において、光源１のＸＹ平面上の大きさをφ１ｍｍとする。「φ」は直径を表わす。アパーチャ３のＸＹ平面上の大きさ（開口径）をφ０．３ｍｍとする。アパーチャ３の厚さｄ_１０を０．１ｍｍとする。

間隔ｄ_１１を０．８ｍｍとする。間隔ｄ_１１は、端面３ｂから投射光学素子２までの距離である。端面３ｂは、アパーチャ３の＋Ｚ軸方向側の端面である。図１では、間隔ｄ_１１は、端面３ｂから入射面２ｂの−Ｚ軸方向の端部まで、または、反射面２ｃの−Ｚ軸方向の端部までの距離である。

間隔ｄ_１２を０．５ｍｍとする。間隔ｄ_１２は、発光部１ａから端面３ａまで距離である。端面３ａは、アパーチャ３の−Ｚ軸方向側の端面である。

なお、焦点ＦＳは、アパーチャ３の端面３ｂと光軸Ｃ_２の交点とする。

図２について説明する。

実線５１は、焦点ＦＳがアパーチャ３の端面３ｂと光軸Ｃ_２の交点に位置する場合の光の強度分布を示している。破線５２は、実線５１の位置から焦点ＦＳを−Ｚ軸方向側に０．３ｍｍ移動させた場合の光の強度分布を示している。つまり、破線５２は、投射光学素子２を−Ｚ軸方向に０．３ｍｍ移動させた場合の光の強度分布を示している。

投射光学素子２は円柱形状である。このため、被照射面に到達する光の配光特性は、光軸Ｃ_２（Ｚ軸）を中心に回転対称となる。ここで被照射面は、ＸＹ平面に平行な面である。

図２より、実線５１よりも破線５２の方が、相対光強度が０．２以下の範囲で曲線の傾きが小さい。また、半値幅は、実線５１よりも破線５２の方が狭くなっている。しかし、光の裾野の広がりは、実線５１よりも破線５２の方が広くなっている。

このことから、焦点ＦＳを光源２側に移動させることによって、被照射物に現われるエッジを軽減することが可能となる。つまり、照明領域のエッジに滑らかさを持たせることができる。エッジは、光強度が０．２以下の範囲の曲線の傾きが大きいと目立つ。一方、半値幅が狭くなっていることから、スポット光としての性能は向上している。

図３について説明する。

破線６２は、図２に示した実線５１に対して、焦点ＦＳを−Ｚ軸方向側に０．２ｍｍ移動させた場合の光の強度分布を示している。つまり、破線６２は、投射光学素子２を−Ｚ軸方向に０．２ｍｍ移動させた場合の光の強度分布を示している。

図３より、実線５１よりも破線６２の方が、相対光強度が０．２以下の範囲で曲線の傾きが小さい。また、半値幅は、実線５１よりも破線６２の方が狭くなっている。しかし、光の裾野の広がりは、実線５１よりも破線６２の方が広くなっている。

このことから、焦点ＦＳを光源２側に移動させることによって、被照射物に現われるエッジを軽減することが可能となる。つまり、照明領域のエッジに滑らかさを持たせることができる。一方、半値幅が狭くなっていることから、スポット光としての性能は向上している。

焦点ＦＳの移動量が０．３ｍｍと０．２ｍｍとの場合を示した。曲線の傾きは、０．３ｍｍの移動量の方が０．２ｍｍの移動量よりも小さくなっている。半値幅は、０．３ｍｍの移動量の方が０．２ｍｍの移動量よりも狭くなっている。

しかし、−Ｚ軸方向側への移動であれば、焦点ＦＳの移動量は０．５ｍｍでもよい。なお、発光部１ａに近い位置まで焦点ＦＳを移動させると、裾野の広がりが大きくなる。このため、焦点ＦＳの移動量は適宜設定が必要である。

なお、裾野の広がりを「フレア」とよぶ。フレアを軽減しつつ、エッジを滑らかにする。その点で、図２、３で示したシミュレーションの場合には、アパーチャ３の端面３ｂから焦点ＦＳまでの距離は、０．２ｍｍから０．３ｍｍまでであることが好ましい。

つまり、焦点ＦＳを−Ｚ軸方向側に０．３ｍｍ移動させた位置は、発光部１ａとアパーチャ３の端面３ｂとの中間に位置する。発光部１ａとアパーチャ３の端面３ｂとの間隔は０．６ｍｍである。発光部１ａとアパーチャ３の端面３ｂとの間隔は、アパーチャ３の厚さｄ_１０（０．１ｍｍ）と間隔ｄ_１２（０．５ｍｍ）との和である。

従って、フレアを軽減するとともにエッジを滑らかにすることが可能となる焦点ＦＳの位置の範囲は、次のように考えられる。まず、焦点ＦＳの位置は、アパーチャ３の端面３ｂよりも発光部１ａ側である。そして、焦点ＦＳの位置は、発光部１ａとアパーチャ３の端面３ｂの中間の位置までである。

また、一般的には、光源１と投射光学素子２との間隔を狭くすると、配光角が広くなる。しかし、アパーチャ３をそれらの間に配置することによって、光源１と投射光学素子２との間隔を狭くすることができる。つまり、アパーチャ３の配置によって、配光角を狭くすることができる。

図１２に実施の形態１の効果を説明する図を示す。

図２，３と異なり、図１２は、光軸Ｃ_１に垂直な平面上での光の強度を表している。横軸は位置［ｍｍ］を示し、縦軸は光の強度を示している。光の強度は、最大の光の強度で正規化している。

シミュレーションの条件は図２、３と同様である。しかし、光強度曲線は、図２、３と異なる。つまり、図２，３は、投射光学素子２を透過した後の光の強度分布である。一方、図１２は、アパーチャ３の位置での光の強度分布である。

実線１５１は、図１に示す照明装置１００のアパーチャ３の端面３ｂの位置における相対光強度分布である。破線１５２は、アパーチャ３の端面３ｂの位置から−Ｚ軸方向に０．３ｍｍ移動させた位置における相対光強度分布である。一点鎖線１６２は、アパーチャ３の端面３ｂの位置から−Ｚ軸方向に０．２ｍｍ移動させた位置における相対光強度分布である。なお、破線１５２および一点鎖線１６２は、アパーチャ３を透過する光線のみの分布を示している。つまり、アパーチャ３で遮光される光線は含まれていない。各位置を通過して投射光学素子２に入射する有効な光のみを評価している。

実線１５１、一点鎖線１６２、破線１５２の順に相対光強度分布の裾野が広くなっている。つまり、実線１５１よりも一点鎖線１６２の方が相対光強度分布の裾野が広い。そして、一点鎖線１６２よりも破線１５２の方が相対光強度分布の裾野が広い。つまり、端面３ｂから光源１の方向に移動するほど、相対光強度分布の裾野は広くなる。端面３ｂから光源１の方向に移動するほど、相対光強度が０．２以下の範囲の曲線の傾きが小さい。つまり、照明領域のエッジに滑らかさを持たせることができる。

この結果から、焦点ＦＳに相当する位置が光強度分布と関連があることが確認できる。この光強度分布は、被照射物に照射される照明分布の参考にできる。なお、シミュレーションを行った面上での光強度分布と面上での各光線の進行方向（角度分布）との双方が被照射物に照射される照明分布に影響を与える。このため、焦点ＦＳに相当する位置での相対光強度分布の状態で、被照射物上での照明の状態が決定されるわけではない。しかし、焦点ＦＳに相当する位置での相対光強度分布の影響は大きい。

＜変形例１＞
図４は、変形例１の照明装置１０１の主要構成を概略的に示す構成図である。

照明装置１０１は、次の２点で照明装置１００と相違する。第１に、アパーチャ３１が光源１に接している。つまり、アパーチャ３１の−Ｚ軸方向側の端面３１ａが光源１の＋Ｚ軸方向側の端部に接している。光源１の＋Ｚ軸方向側の端部は、発光部１ａである。第２に、アパーチャ３１の厚さｄ_２０がアパーチャ３の厚さｄ_１０よりも厚い。

照明装置１０１では、焦点ＦＳは、アパーチャ３１の開口の中に位置している。

図５に変形例１の効果を説明するシミュレーション結果を示す。図５は、照明装置１０１から出射される光の配光特性を示している。図に関する説明は、図２、３と同様である。

シミュレーションの条件は以下の通りである。

図４において、光源１のＸＹ平面上の大きさをφ１ｍｍとする。アパーチャ３１のＸＹ平面上の大きさをφ０．３ｍｍとする。アパーチャ３１の厚さｄ_２０を０．５ｍｍとする。

間隔ｄ_２１を０．８ｍｍとする。間隔ｄ_２１は、間隔ｄ_１１と同様である。つまり、間隔ｄ_２１は、端面３１ｂから投射光学素子２までの距離である。

なお、焦点ＦＳは、アパーチャ３１の３１ｂと光軸Ｃ_２の交点とする。

ここで、アパーチャ３１は厚さを有する。このため、光の利用効率を考慮して、内面は反射面とする。例えば、アパーチャ３１の材質はアルミニウムとする。そして、開口部の内面は、研磨面とする。

図５について説明する。

実線７１は、焦点ＦＳがアパーチャ３１の端面３１ｂと光軸Ｃ_２の交点に位置する場合の光の強度分布を示している。破線７２は、実線７１の位置から焦点ＦＳを−Ｚ軸方向側に０．２ｍｍ移動させた場合の光の強度分布を示している。つまり、破線７２は、投射光学素子２を−Ｚ軸方向に０．２ｍｍ移動させた場合の光の強度分布を示している。

投射光学素子２は円柱形状である。このため、被照射面に到達する光の配光特性は、光軸Ｃ_２（Ｚ軸）を中心に回転対称となる。ここで被照射面は、ＸＹ平面に平行な面である。

図５より、実線７１よりも破線７２の方が、相対光強度が０．２以下の範囲で曲線の傾きが小さい。また、半値幅は、実線７１よりも破線７２の方が狭くなっている。しかし、光の裾野の広がりは、実線７１よりも破線７２の方が広くなっている。

このことから、焦点ＦＳを光源２側に移動させることによって、被照射物に現われるエッジを軽減することが可能となる。つまり、照明領域のエッジに滑らかさを持たせることができる。エッジは、光強度が０．２以下の範囲の曲線の傾きが大きいと目立つ。特に、相対光強度が０．２以下の範囲で、図２の破線５２の傾きと比較して、図５の破線７２の傾きは小さい。半値幅は、破線５２よりも破線７２の方が少し広くなっている。また、フレアは、破線５２よりも破線７２の方が大きくなっている。

図５のシミュレーションの結果から、変形例１の場合には、フレアを軽減するとともにエッジを滑らかにすることが可能となる焦点ＦＳの位置の範囲は、次のように考えられる。まず、焦点ＦＳの位置は、アパーチャ３１の端面３１ｂよりも発光部１ａ側である。そして、焦点ＦＳの位置は、アパーチャ３１の端面３１ａよりも端面３１ｂ側に位置する。

照明装置１０１で、図１２と同様の相対光強度分布を取ると、トップハット形状になっている。「トップハット形状」とは、ガウス形ビームの形状の上部が平坦になっている形状のことである。つまり、相対光強度分布の形状は、矩形波の形状に近い。このため、焦点ＦＳに相当する位置での相対光強度分布の周辺部の光量は多くなる。

図５の破線７２では、焦点ＦＳの位置が変化することによってフレアが大きくなっている。つまり、被照射物への照明の状態は、焦点ＦＳの位置が端面３１ｂから−Ｚ軸方向に移動したことで、影響を受けている。

ここで、例えば、光源１が蛍光体の場合には、蛍光体の温度は、励起光の集光によって上昇する。アパーチャ３１は放熱の役目も果たすため、アパーチャ３１を光源１に接触させることが好ましい。

＜変形例２＞
図６は、変形例２の照明装置１０２の主要構成を概略的に示す構成図である。照明装置１０２は、アパーチャ３２の開口部が傾斜している点で照明装置１０１と相違する。

つまり、アパーチャ３２の−Ｚ軸方向側の端面３２ａの開口径は、＋Ｚ軸方向側の端面３２ｂの開口径と異なる。図６では、アパーチャ３２の−Ｚ軸方向側の端面３２ａの開口径は、＋Ｚ軸方向側の端面３２ｂの開口径よりも大きい。つまり、例えば、アパーチャ３２の開口部の側面３２ｃの形状は、円錐台の側面の形状をしている。

側面３２ｃで反射された光は、光軸Ｃ_１に対する角度が変更されて出射される。または、側面３２ｃで反射された光は、−Ｚ軸方向側に戻る。

図７に変形例２の効果を説明するシミュレーション結果を示す。図７は、照明装置１０２から出射される光の配光特性を示している。図に関する説明は、図２、３と同様である。

シミュレーションの条件は以下の通りである。

図７において、光源１のＸＹ平面上の大きさをφ１ｍｍとする。

アパーチャ３２のＸＹ平面上の大きさは、２種類とする。パターン１は、端面３２ａ側の開口径をφ０．６ｍｍとし、端面３２ｂ側の開口径をφ０．３ｍｍとする。パターン２は、端面３２ａ側の開口径をφ０．１５ｍｍとし、端面３２ｂ側の開口径をφ０．３ｍｍｍｍとする。アパーチャ３２の厚さｄ_３０を０．５ｍｍとする。

間隔ｄ_３１を０．６ｍｍとする。間隔ｄ_３１は、間隔ｄ_１１と同様である。つまり、間隔ｄ_３１は、端面３２ｂから投射光学素子２までの距離である。なお、焦点ＦＳは、アパーチャ３２の端面３２ｂと光軸Ｃ_２の交点から−Ｚ軸方向に０．２ｍｍ移動した位置とする。

ここで、アパーチャ３２は厚さを有する。このため、光の利用効率を考慮して、内面は反射面とする。例えば、アパーチャ３２の材質はアルミニウムとする。そして、開口部の内面は、研磨面とする。

図７、８について説明する。図８は、図７の相対光強度が０．２以下の部分を拡大した図である。

実線８１は、パターン１の場合の光の強度分布を示している。破線８２は、パターン２の場合の光の強度分布を示している。焦点ＦＳは、アパーチャ３２の３２ｂと光軸Ｃ_２の交点から−Ｚ軸方向に０．２ｍｍ移動した位置とする。つまり、焦点ＦＳは、アパーチャ３２の開口部の中に位置している。

投射光学素子２は円柱形状である。このため、被照射面に到達する光の配光特性は、光軸Ｃ_２（Ｚ軸）を中心に回転対称となる。ここで被照射面は、ＸＹ平面に平行な面である。

図７より、破線８２よりも実線８１の方が、相対光強度が０．２以下の範囲で曲線の傾きが小さい。また、半値幅は、実線８１よりも破線８２の方が狭くなっている。ただし半値幅は、それほど大きくはない。しかし、光の裾野の広がりは、破線８２よりも実線８１の方が広くなっている。これは、相対光強度が０．２以下の範囲で曲線の傾きによるものと考えられる。

このことから、端面３２ａの開口径を端部３２ｂの開口径以上とすることによって、被照射物に現われるエッジを軽減する効果が得られる。

ここで、焦点ＦＳを、端面３２ｂと光軸Ｃ_２の交点から−Ｚ軸方向に０．１ｍｍ移動した位置とする。開口部の形状は、パターン２とする。この場合の相対光強度の分布を一点鎖線８３で示す。

図７より、一点鎖線８３は、相対光強度が０．２以下の範囲で傾きが大きくなっている。

つまり、アパーチャ３２の開口部の形状は、パターン２よりもパターン１の方が好ましい。また、パターン２の場合でも、焦点ＦＳの位置は、端面３２ｂから離れている方が好ましい。

フレアの大きさは、端面３２ｂからの焦点ＦＳの距離で制御できる。フレアが小さいと、スポット光のエッジが目立つ。一方、フレアが大きいと、光のスポットが大きく感じる。また、半値幅は狭い方が好ましい。しかし、フレアが大きいと、スポット光の中心のみ明るい照明となり、好ましくない。

＜変形例３＞
図９は、変形例３の照明装置１０３の主要構成を概略的に示す構成図である。

照明装置１０３は、励起光源４と集光レンズ５とを備える点で照明装置１０２と相違する。また、照明装置１０３の光源１１の発光部は、蛍光体１１ａである。

励起光源４は、蛍光体１１ａの励起光を出射する。励起光源４の光軸Ｃ_３は、励起光源４の出射面４ａの中心から垂直に伸びる直線である。変形例３では、光軸Ｃ_３は、光軸Ｃ_１と一致している。

集光レンズ５は、励起光源４から出射された励起光を蛍光体１１ａ上に集光する。光軸Ｃ_４は、集光レンズ５の光軸である。変形例３では、光軸Ｃ_４は、光軸Ｃ_１と一致している。つまり、光軸Ｃ_４は、光軸Ｃ_３と一致している。

光源１１は、例えば、蛍光体１１ａと光学素子１１ｂとを備えている。光源１１は、サファイア等の光学素子１１ｂに塗布された蛍光体１１ａで形成される。例えば、光学素子１１ｂの＋Ｚ軸方向側の面に蛍光体１１ａが塗布されている。

蛍光体１１ａと光学素子１１ｂとの間に、ダイクロイックミラーが配置されてもよい。ダイクロイックミラーは、蛍光体１１ａの発する蛍光の波長帯域の光を＋Ｚ軸方向に反射する。これによって、蛍光体１１ａで励起されて−Ｚ軸方向側に進行した蛍光が、＋Ｚ軸方向側に反射される。このため、光の利用効率は向上する。

＜変形例４＞
図１０は、変形例４の照明装置１０４の主要構成を概略的に示す構成図である。照明装置１０４は、投射光学素子２１の反射面２１ｃの一部がＹ軸方向にストライプ状の面を形成している点で照明装置１０２と相違する。

図１１に変形例４の効果を説明するシミュレーション結果を示す。図１１は、照明装置１０１から出射される光（実線７１）及び照明装置１０４から出射される光（破線１１２）の相対光強度の特性を示している。図に関する説明は、図２、３と同様である。

シミュレーションの条件は変形例１に記載した条件と同様である。

投射光学素子２１は、入射面２１ａ，２１ｂ、反射面２１ｃおよび出射面２１ｄを備えている。入射面２１ａは、投射光学素子２の入射面２ａと同様である。入射面２１ｂは、投射光学素子２の入射面２ｂと同様である。反射面２１ｃは、ストライプ状の面を備えている点で投射光学素子２の反射面２ｃと異なる。出射面２１ｄは、投射光学素子２の出射面２ｄと同様である。

投射光学素子２１のストライプ状の面について、光軸Ｃ_２を含む平面上で説明する。ここでは、ＹＺ平面上で説明する。ストライプ状の面は、光軸Ｃ２を中心とする帯形状をしている。帯形状の−Ｚ軸側の端部上と＋Ｚ軸側の端部上とを点Ｐで示す。点Ｐは、ここでは、ＹＺ平面上に示されている。

図１０では、３つのストライプ状の面Ｂ_１，Ｂ_２，Ｂ_３が示されている。なお、ストライプ状の面は、少なくとも１つあればよい。面Ｂ_１の−Ｚ軸側の点は、点Ｐ_１である。面Ｂ_１の＋Ｚ軸側の点は、点Ｐ_２である。面Ｂ_２の−Ｚ軸側の点は、点Ｐ_２である。面Ｂ_２の＋Ｚ軸側の点は、点Ｐ_３である。面Ｂ_３の−Ｚ軸側の点は、点Ｐ_３である。面Ｂ_３の＋Ｚ軸側の点は、点Ｐ_４である。

ＹＺ平面上で、点Ｐ_１と点Ｐ_２とを結んだ線が直線である。同様に、点Ｐ_２と点Ｐ_３とを結んだ線が直線である。また、点Ｐ_３と点Ｐ_４とを結んだ線が直線である。

また、光軸Ｃ２に対する各直線の角度は異なる。つまり、ＹＺ平面上での反射面２ｃの曲線を、反射面２１ｃは直線で近似したような形状をしている。

このように、出射面２１ｄ側の反射面２１ｃを、ＹＺ平面上で直線形状とすることで、スポット光の周辺部分の光束の平行度を低下させることができる。これによって、照明領域のエッジを滑らかにすることができる。

焦点ＦＳは、アパーチャ３１の面３１ｂと光軸Ｃ_２の交点に位置する。実線７１は、照明装置１０１の相対光強度の特性を示している。破線１１２は、照明装置１０４の相対光強度の特性を示している。

投射光学素子２１は円柱形状である。このため、被照射面に到達する光の配光特性は、光軸Ｃ_２（Ｚ軸）を中心に回転対称となる。ここで被照射面は、ＸＹ平面に平行な面である。なお、投射光学素子２１は円筒形状とすることができる。つまり、反射面２１ｃの部分を中空のミラーとすることができる。上述の投射光学素子２も同様である。

図１１より、実線７１よりも破線１１２の方が、相対光強度が０．２以下の範囲で曲線の傾きが小さい。反射面２１ｃに複数のストライプ状の面Ｂ_１，Ｂ_２，Ｂ_３を形成することで、被照射物に現われるエッジを軽減することが可能となる。

アパーチャ３１の端面３１ｂから出射される光の中で、反射面２１ｃまでの光路長が長い光を複数の面Ｂ_１，Ｂ_２，Ｂ_３で反射する。つまり、面Ｂ_１，Ｂ_２，Ｂ_３は、反射面２１ｃの出射面２ｄ側に形成されている。これによって、投射光学素子２１の出射面２１ｄから出射される光の平行度が低下する。平行度の低下した光は、照明領域の周辺部分に投射される。そして、被照射物に現われるエッジを軽減することが可能である。

つまり、アパーチャ３１の面３１ｂ上に焦点ＦＳを配置した場合でも、投射光学素子２１の出射面２ｄ側の反射面２１ｃに複数の面を形成することで、被照射物に現われるエッジを軽減することが可能となる。つまり、照明領域のエッジを滑らかにすることができる。

変形例４では、反射面２１ｃに形成された複数の平面をストライプ状の面を用いて説明している。しかし、曲面で形成された反射面２１ｃの一部を直線で近似することで、光の平行度を低下させればよい。このため、例えば、短冊状の面を複数設けてもよい。つまり、ＸＹ平面上での曲線を直線で近似する。また、矩形状の平面を複数設けてもよい。ただし、面の数または面の幅を増加させるにつれて配光角が広くなることがある。このため、面の数または面の幅を適宜設定する。ここで、「面の幅」は、断面が直線で近似されている方向の長さである。また、後述する曲線の場合には、「面の幅」は、断面形状が平行光として反射する曲率とは異なる曲率の曲線の方向である。

つまり、反射面２ｃで反射された光が照明領域の周辺部に投射される反射面２ｃ上の領域に、少なくとも１方向の断面形状が直線である面が配置される。また、この面は、光束の平行度を低下させればよい。そのため、反射面２ｃで反射された光が照明領域の周辺部に投射される反射面２ｃ上の領域に、少なくとも１方向の断面形状が平行光として反射する曲率とは異なる曲率の曲線である面が配置されてもよい。

なお、上述の各実施の形態においては、「平行」または「垂直」などの部品間の位置関係もしくは部品の形状を示す用語を用いている場合がある。これらは、製造上の公差や組立て上のばらつきなどを考慮した範囲を含むことを表している。このため、請求の範囲に部品間の位置関係もしくは部品の形状を示す記載をした場合には、製造上の公差又は組立て上のばらつき等を考慮した範囲を含むことを示している。

また、以上のように本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限るものではない。

１００，１０１，１０２，１０３，１０４ 照明装置、 １，１１ 光源、 １ａ 発光部、 １１ａ 蛍光体素子、 １１ｂ 光学素子、 ２，２１ 投射光学素子、 ２ａ，２ｂ 入射面、 ２ｃ 反射面、 ２ｄ 出射面、 ２ｅ 接続部、 ３，３１，３２ アパーチャ、 ３ａ，３ｂ，３１ａ，３１ｂ，３２ａ，３２ｂ 端面、 ３２ｃ 側面、 ４ 励起光源、 ４ａ 発光面、 ５ 集光レンズ、 Ｂ_１，Ｂ_２，Ｂ_３ ストライプ状の面、 Ｃ_１，Ｃ_２，Ｃ_３，Ｃ_４ 光軸、 ＦＳ 焦点、 ｄ_１０，ｄ_２０，ｄ_３０ 厚さ、 ｄ_１１，ｄ_１２，ｄ_２１，ｄ_３１ 間隔、 Ｐ_１，Ｐ_２，Ｐ_３，Ｐ_４ 点。

Claims (10)

1. 発光部から光を出射する光源と、
   前記光を入射して投射する投射光学素子と、
   前記光源と前記投射光学素子との間に配置され、前記光源から出射された光の一部を遮光するアパーチャと
   を備え、
   前記投射光学素子の焦点は、前記発光部と前記アパーチャの前記投射光学素子側の端面との間に位置する照明装置。
2. 前記アパーチャは、前記発光部よりも前記投射光学素子側に配置され、
   前記投射光学素子よりも前記発光部側に配置される請求項１に記載の照明装置。
3. 前記アパーチャの前記光源側の第１の開口は、前記投射光学素子側の第２の開口よりも大きい請求項１または２に記載の照明装置。
4. 前記投射光学素子は、入射した光を反射する反射面と前記反射面で反射された光を出射する出射面とを備え、
   前記反射面で反射された光が照明領域の周辺部に投射される前記反射面上の領域に、少なくとも１方向の断面形状が直線である面が配置される請求項１から３のいずれか１項に記載の照明装置。
5. 前記投射光学素子は、入射した光を反射する反射面と前記反射面で反射された光を出射する出射面とを備え、
   前記反射面で反射された光が照明領域の周辺部に投射される前記反射面上の領域に、少なくとも１方向の断面形状が平行光として反射する曲率とは異なる曲率の曲線である面が配置される請求項１から３のいずれか１項に記載の照明装置。
6. 前記面は、前記反射面上の領域に複数配置されている請求項４または５に記載の照明装置。
7. 前記反射面上の領域は、前記反射面上において前記出射面側に位置する請求項４から６のいずれか１項に記載の照明装置。
8. 発光部から出射される光は、拡散光である請求項１から７のいずれか１項に記載の照明装置。
9. 前記光源は、励起光を受けて蛍光を発する蛍光体である請求項１から８のいずれか１項に記載の照明装置。
10. 前記光源は、発光ダイオードである請求項１から８のいずれか１項に記載の照明装置。

Images