JP2019036495A

JP2019036495A - Ｌｅｄ照明装置

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Publication number: JP2019036495A
Application number: JP2017158499A
Authority: JP
Inventors: 修司鹿野; Shuji Kano; 堅治梅津; Kenji Umetsu
Original assignee: U-TECHNOLOGY CO Ltd; U Tech Co Ltd
Current assignee: U-TECHNOLOGY CO Ltd; U Tech Co Ltd
Priority date: 2017-08-21
Filing date: 2017-08-21
Publication date: 2019-03-07
Anticipated expiration: 2037-08-21
Also published as: JP7060932B2

Abstract

【課題】照度を上げると共に照度が均一な範囲を広げる。【解決手段】本発明は、複数のレンズ３とＬＥＤ２とからなる光学ユニットを備え、レンズ３は第１面が平面又は平面に近い樹脂性凸レンズであり、ＬＥＤ２は発光面が平面であり、配光分布がランベルト分布であり、レンズ３の光軸付近に配置され、ＬＥＤ２の対辺寸法をｄＬＥＤ、レンズ３の焦点距離をｆ、光学系の近軸倍率をｍ、レンズ３とＬＥＤ２の間隔をｄ０、レンズ３の第１面の曲率半径をＲ１、前記レンズ径をＤとした時に、ｄＬＥＤ×３≦ｆ≦ｄＬＥＤ×１０１．５≦ｍ≦５ｄ０≦Ｄ／４｜Ｒ１｜≧ｄＬＥＤ×３Ｄ≧ｄＬＥＤ×２．５を満たすことを特徴とする。【選択図】図５

Description

本発明は、画像処理装置等に用いられるＬＥＤ照明装置に関する。

従来、画像処理装置等に用いられるＬＥＤ照明装置は、ＬＥＤチップを透明プラスチックでモールドした、いわゆる砲弾型ＬＥＤをプリント回路基板に半田付けしたものが用いられてきた。近年、高出力チップ型ＬＥＤが開発され、チップ型ＬＥＤをプリント回路基板に半田付けしたものも利用されて始めている。更に、チップに対応したレンズを取り付けたものも利用されている（特許文献１、２、３参照）。

特開平１０−２１７２９号公報特許第４５５３９８２号公報特開２０１０−２７６１５号公報特開２０１２−８９３６７号公報特表２００９−５１２９８７号公報特開２０１４−１０４２８号公報

近年、画像処理の要求速度が高速になるに伴い、照度の高い照明装置が求められている。従来の砲弾型ＬＥＤ１個の光出力は１０ｌｍ程度しかなく、数を増やしても高い照度に限界がある（特許文献１参照）。

近年使われるようになっているチップ型ＬＥＤ１個の光出力は２００ｌｍ以上あり、高い照度が期待できる。しかし、砲弾型ＬＥＤの指向性が半値全角６０度程度なのに対して、チップＬＥＤの指向性は１２０度と広い。そのため、照明から近い距離では高い照度を出すことが出来るが、距離が離れると照度が落ちてしまう（特許文献２参照）。

また、指向性を上げるためにレンズを用いる方法も提案されている。しかし、レンズが最適化されているとはいえない（特許文献３、４参照）。

また、均一な照度で照明する方法も提案されているが、レンズ（ビーム拡散光学素子）がＬＥＤ寸法に対して大きく、効率も悪い（特許文献５参照）。

さらに、ライン照明でも効率が十分とはいえない（特許文献６参照）。

本発明が解決しようとする課題は、以下の通りである。
（１）レンズを最適化することにより、ＬＥＤの出力を出来るだけ多く照射する場所に導くことにより照度を上げる。
（２）レンズ設計により照度が均一な範囲を広げる。
（３）レンズとＬＥＤを１対１で配置する事により、少量多品種生産において、レンズ金型数を減らし、総コストを削減する。
（４）リング照明において、プリント配線基板を切頭円錐形に変形する事無く高く均一な照度を得る。
（５）ライン照明においても照度を上げる。

本発明のＬＥＤ証明装置は、複数のレンズとＬＥＤとからなる光学ユニットを備え、前記レンズは第１面が平面又は平面に近い樹脂性凸レンズであり、前記ＬＥＤは発光面が平面であり、配光分布がランベルト分布であり、前記レンズの光軸付近に配置され、前記ＬＥＤの対辺寸法をｄＬＥＤ、前記レンズの焦点距離をｆ、光学系の近軸倍率をｍ、前記レンズと前記ＬＥＤの間隔をｄ０、前記レンズの第１面の曲率半径をＲ１、前記レンズ径をＤとした時に、
ｄＬＥＤ×３≦ｆ≦ｄＬＥＤ×１０
１．５≦ｍ≦５
ｄ０≦Ｄ／４
｜Ｒ１｜≧ｄＬＥＤ×３
Ｄ≧ｄＬＥＤ×２．５
を満たすことを特徴とする。

本発明は、前記ＬＥＤを出射し、前記レンズの中心近傍を通る光が照射面の中心近傍を照明し、前記レンズの周辺を通る光が照射面の周辺を照射するＬＥＤ照明装置において、前記レンズの周辺を通る光を制御する為に、前記レンズの第２面のコニックを−１から１の範囲で調整し、均一な照度範囲を広くするのが好ましい。

本発明は、前記ＬＥＤを出射し、前記レンズの中心近傍を通る光が照射面の中心近傍を照明し、前記レンズの周辺を通る光が照射面の周辺を照射するＬＥＤ照明装置において、前記レンズの周辺を通る光を制御する為に、前記レンズの第２面の非球面係数を、コニックを−１から１の範囲の非球面に近似する様に調整し、均一な照度範囲を広くするのが好ましい。

本発明は、複数の前記光学ユニットを円周上に配置したＬＥＤ照明装置において、前記ＬＥＤ照明装置の中心から前記レンズまでの距離をｒＬｅｎｓ、前記ＬＥＤ照明装置の中心から前記ＬＥＤまでの距離をｒＬＥＤとした時に、
ｒＬｅｎｓ＜ｒＬＥＤ
を満たすのが好ましい。

本発明のＬＥＤ証明装置において、複数の前記光学ユニットを前記レンズ径の１．５倍以下の間隔で直線状に配置するのが好ましい。

本発明によれば、照度を上げると共に、照度が均一な範囲を広げることができる等、種々の優れた効果を得ることができる。

本発明の第１の実施形態に係るＬＥＤ照明装置を示しており、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図である。本発明の第１の実施形態に係るＬＥＤ照明装置の拡大断面図である。本発明の第１の実施形態に係る凸レンズの斜視図である。本発明の第１の実施形態に係る光学ユニットの光線追跡図である。本発明の第１の実施形態に係る光学ユニットの第２面のコニックを変化させた時の照度分布図である。本発明の第１の実施形態に係る光学ユニットの第２面コニック＝−０．２の時の光線追跡図である。本発明の第１の実施形態に係る光学ユニットの第２面コニック＝０の時の光線追跡図である。本発明の第１の実施形態に係る光学ユニットの第２面コニック＝０．２の時の光線追跡図である。非球面サグの説明図である。本発明の実施形態に係る光学ユニットの照度分布図である。本発明の実施形態に係る光学ユニットの照度分布図である。本発明の実施形態に係る光学ユニットの照度分布図である。本発明の実施形態に係る光学ユニットの照度分布図である。本発明の第１の実施形態に係る光学ユニットの配光分布図である（光軸ずれ量＝０の場合）。本発明の第１の実施形態に係る光学ユニットの配光分布図である（光軸ずれ量＝０．６の場合）。本発明の第１の実施形態に係る光学ユニットの配光分布図である（光軸ずれ量＝１．２の場合）。本発明の第１の実施形態に係る照明装置の照度分布図である。従来の照明装置の照度分布図である。本発明の実施形態に係るＬＥＤ照明装置の説明図である。本発明の実施形態に係るＬＥＤ照明装置の照度分布図である。

図１、２は本発明の第１の実施形態に係るＬＥＤ照明装置１を示している。ＬＥＤ照明装置１は、１０個のＬＥＤ２とレンズ３とからなる光学ユニットと、それらを位置決め固定する基板４と、その他筐体等と、を備えている。

ＬＥＤ２の発光部は平面で、発光部の厚さは該発光部の対辺寸法より十分小さく、配光パターンはランベルト分布である。図２に示すように、ＬＥＤ照明装置１の中心からレンズ３までの距離をｒＬｅｎｓ、ＬＥＤ照明装置１の中心からＬＥＤ２までの距離をｒＬＥＤとした時に、ｒＬｅｎｓ＜ｒＬＥＤを満たすように構成するのが好ましい。これにより、ＬＥＤ照明装置１の光線の向きが照明の中心方向に向かい、ＬＥＤ照明装置１の中心照度が高く、均一な範囲が広くなるという効果を得ることができる。

図３はレンズの斜視図であり、レンズ３は、透明樹脂製で、レンズ部と、位置決めピン３ａと、ＬＥＤ２との距離を決めるスペーサー３ｂと、が一体成型されて構成されている。基板４にはＬＥＤ用のパターンとレンズ３用の位置決め穴があり、ＬＥＤ２はレンズ３の光軸又は光軸近傍に固定される。

図４は前記光学ユニットの光線追跡図であり、この光学ユニットは以下の仕様を有している。
焦点距離：ｆ＝６ｍｍ
近軸倍率：ｍ＝２
ＬＥＤ２の高さ：ｈ＝０．５ｍｍ
ＬＥＤ２とレンズ３の第１面の距離：ｄ０＝０．２ｍｍ
レンズ３の第１面の曲率半径：Ｒ１＝ＩＮＦ（INFINITY（無限）の略）
レンズ３の厚さ：ｔ＝４．１９４ｍｍ
レンズ３の第２面の曲率半径：Ｒ２＝−２．９８７ｍｍ
レンズ３の第２面のコニック：ｋ２＝０
レンズ３の径：Ｄ＝５．８６ｍｍ
材質：透明アクリル

図５は第２面のコニックｋ２を−０．２、０、０．２に変化させた時の前記光学ユニットから１００ｍｍ先の照度分布である。発光部が十分薄く、配光分布がランベルト分布であり、対辺寸法１ｍｍ、全光束１ｌｍのＬＥＤを使用している。以下、特に断りのない限り、同じＬＥＤを使用して説明する。

図５によれば、コニックにより照度分布が大きく変わり、設計値０を選択することで広い範囲で均一な照度が得られることがわかる。

図６、７、８はコニックｋ２をそれぞれ−０．２、０、０．２の時のＬＥＤ２の中心から出射したランベルト分布の光線の追跡図である。光線の数は光量に比例し、光線の密度は照度に比例する。いずれも中心付近より周辺の密度が高い。コニックを変えるとレンズ３の周辺の形状が変わり、それによって周辺の光線の密度が変化する。これによって照度分布を制御できる。

この時の集光効率（＝照明された光量／ＬＥＤ出力光量）はそれぞれ９１％と高い値である。上記した特許文献５の図４の例では、配光角±４５度の光しか使用出来ておらず、集光効率は５０％以下であるのに対し、２倍近い高い効率が得られている。

表１はレンズ３の第１の実施例（レンズ＃１０）と他の実施例である。第２面のコニックを−０．３から０．６の範囲で調整することにより、焦点距離が３〜１０ｍｍで近軸倍率が１．５〜５倍の広い範囲で均一な照度が得られることが多い。レンズ３の周辺を通る光を制御する為には、レンズ３の第２面のコニックを−１から１の範囲で調整するのが好ましい。これにより、広い範囲で均一な照度を得ることができる。但し、レンズ＃１２の様に適当なコニックが存在しない場合もある。

レンズ３の第１面は作り易い平面の方が好ましいが、レンズ＃１７の様に球面であってもよい。材質はアクリル、ポリカーボネート等の透過率の高いものが好ましい。
表１は全て単レンズであるが、組レンズであっても良い。

レンズ＃１０とレンズ＃１９の違いはＬＥＤ２とレンズ３の第一面の距離ｄ０である。それぞれの集光効率は９１％、７７％である。ｄ０はレンズ径Ｄの１／４以下であることが望ましい。また、レンズ径Ｄは、Ｄ≧ｄＬＥＤ×２．５（但し。ｄＬＥＤはＬＥＤの対辺寸法）を満たすように設定されるのが好ましい。

ところで、レンズ面の非球面形状は次の式で表される。

ここで、
ｚ：光軸方向のサグ
ｃ＝１／Ｒ
Ｒ：曲率半径
ｒ：光軸からの距離
ｋ：コニック
α１：２次非球面係数
α２：４次非球面係数
α３：６次非球面係数
であり、工業的にはα８、１６次非球面係数位まで使用される。

図９はいずれもＲ＝−４．９８７であり、面形状が、コニックｋ＝０の球面の場合の第１のケースと、コニックｋ＝−０．２の非球面の場合の第２のケースと、４次非球面係数α２＝０．０００６の非球面の場合の第３のケースの３つのケースを比較したものである。図９から、第２のケースと第３のケースが近似の形状であることが分かる。

図１０は前記第２のケースのレンズ＃１５を使用した光学ユニットの１００ｍｍ先の照度分布である。また、図１１はレンズ＃１５の非球面形状を前記第３のケースに置き換えた場合の同様の照度分布である。これにより、置き換えても、均一な照度領域を広く取れる事がわかる。

同様にレンズ＃１３のｋ＝０．６非球面はα３＝−０．０００１５の非球面で近似することが出来る。図１２、１３はｋ＝０．６のレンズ＃１３とレンズ＃１３の非球面をα３＝−０．０００１５の非球面で置き換えた場合の照度分布である。これにより、分布形状も酷似し、置き換え可能であることがわかる。

レンズ３の周辺を通る光を制御する為には、レンズ３の第２面の非球面係数を、コニックを−１から１の範囲の非球面に近似する様に調整するのが好ましい。これにより、広い範囲で均一な照度を得ることができる。

図１４、１５、１６はＬＥＤ２とレンズ３の光軸をそれぞれ０ｍｍ、０．６ｍｍ、１．２ｍｍずらした時の第１の実施例の光学ユニットの配光分布である。この時の集光効率はそれぞれ９１％、９０％、８０％と高い値である。光軸をずらすことにより、少ない損失で配光角度を変えることが出来る。第１面の曲率半径の絶対値がＲ１が小さいと光軸をずらした時にＬＥＤ２と干渉したり、ＬＥＤ２−レンズ３間の距離が離れて効率が下がる為、Ｒ１の絶対値は大きい方がよい。好ましくは、｜Ｒ１｜≧ｄＬＥＤ×３（但し。ｄＬＥＤはＬＥＤの対辺寸法）を満たすように設定されるのが好ましい。

図１の様なリング状のＬＥＤ照明装置１では各レンズ３から出る光が内向きであることが有用であり、これは各ＬＥＤ２をレンズ３より外側に配置することにより可能となる。図１の場合、レンズ＃１０を使用し、レンズ３の位置は照明中心から１３ｍｍで、ＬＥＤ２の位置は同じく１３．５ｍｍで、０．５ｍｍずらしてある。図１７は図１のＬＥＤ照明装置１の照度分布であり、図１８は従来の照明装置のＷＤ（作動距離）を変えた時の照度分布である。これにより、本発明のＬＥＤ照明装置１では、均一な照度範囲が広く、明るい事がわかる。なお、今回以降、従来との比較の為、本発明のＬＥＤ２の全光束を２５０ｌｍ（輝度８０Ｍｃｄ／ｍ^２）としている。

本実施例（照明＃１）と他の実施例を表２に示す。表２中において、従来とは砲弾型ＬＥＤを７２個切頭円錐形基板に配置したものである。また、均一照度径とは照度が中心照度の±１０％以内の直径である。

照明＃２は＃１と同じレンズを使用し、照明内径を１６ｍｍから４０ｍｍに大きくし、ＬＥＤ２の数を１０個から２２個に増やした実施例である。径が大きくなった分、光軸ずれ量も０．５（＝１３．５−１３）から１（＝２６−２５）に増えている。予想通り、均一照度径はあまり変わらず、ＬＥＤ２の数が２．２倍に増えた分、照度は２倍以上になっている。

上記した特許文献３の様な多くのレンズを一体成型する方式をリング照明に用いると、レンズの型が照明の種類の数だけ必要となるが、本発明は、一つの型で作った１種類のレンズで多くの種類の照明に対応できるため、少量多品種の画像処理用照明に適した設計である。

照明＃３は焦点距離３ｍｍのレンズ＃３を使用し、同じ内径でも外径を小さくし、ＬＥＤ２の数を増やした実施例である。均一照度径は狭くなるが照度は高くなる。
照明＃４は焦点距離１０ｍｍのレンズ＃１６を使用した実施例である。ＬＥＤ２の数が少なく、低消費電力の割に高い照度が得られる。

照明＃５は照明＃１の寸法をすべて２倍とした実施例である。ＬＥＤ２の寸法も２倍で輝度が同じで、つまり全光束は４倍である。この場合、２倍のＷＤに２倍の均一照度径で同じ中心照度で照明される。つまり、照明＃１、＃５ともＬＥＤ２の寸法を１とした時に同じ設計であるといえ、表１は長さはｍｍ単位で表示したが、単位を無くしてＬＥＤ寸法を１とした時の比率であるといえる。

図１９は本発明によるレンズ＃１１をライン照明に応用した実施例である。ＬＥＤをＸ方向直線状に配置し、それぞれのＬＥＤに１個のレンズ３を配置し、レンズ３で開口数が変換された光をＹ方向にのみ正の屈折力を有するフレネルレンズ１０でＹ方向のみ集光し、スクリーン１１上にＸ方向に長い直線状の照明をする装置である。

また、ＬＥＤのＸ方向の間隔は６．６ｍｍ、フレネルレンズの焦点距離は２０ｍｍ、レンズ径は６．５４ｍｍ、全体のＹ方向近軸倍率は５である。この場合、複数の前記光学ユニットをレンズ径の１．５倍以下の間隔で直線状に配置するのが好ましい。このように狭い間隔で光学ユニットを配置することにより、高い照度を得ることができる。

図２０はスクリーン中央でのＹ方向の照度分布で、中心照度は２４００ｋｌｘである。これは、前記特許文献６の図２（ａ）、図４（ａ）（この時のＮＡ変換レンズの焦点距離は１６．５ｍｍ、ｄ０は３ｍｍ）の中心照度の２倍以上である。条件を同じにする為、ＬＥＤ２の対辺寸法を１ｍｍ、全光束を１００ｌｍとし、ランベルト分布として計算している。これにより、本発明によるレンズ３の有効性がわかる。

１ＬＥＤ照明装置
２ＬＥＤ
３レンズ
４プリント基板

Claims

複数のレンズとＬＥＤとからなる光学ユニットを備え、
前記レンズは第１面が平面又は平面に近い樹脂性凸レンズであり、
前記ＬＥＤは発光面が平面であり、配光分布がランベルト分布であり、前記レンズの光軸付近に配置され、
前記ＬＥＤの対辺寸法をｄＬＥＤ、前記レンズの焦点距離をｆ、光学系の近軸倍率をｍ、前記レンズと前記ＬＥＤの間隔をｄ０、前記レンズの第１面の曲率半径をＲ１、前記レンズ径をＤとした時に、
ｄＬＥＤ×３≦ｆ≦ｄＬＥＤ×１０
１．５≦ｍ≦５
ｄ０≦Ｄ／４
｜Ｒ１｜≧ｄＬＥＤ×３
Ｄ≧ｄＬＥＤ×２．５
を満たすことを特徴とするＬＥＤ照明装置。
前記ＬＥＤを出射し、前記レンズの中心近傍を通る光が照射面の中心近傍を照明し、前記レンズの周辺を通る光が照射面の周辺を照射するＬＥＤ照明装置において、
前記レンズの周辺を通る光を制御する為に、前記レンズの第２面のコニックを−１から１の範囲で調整し、均一な照度範囲を広くした請求項１に記載のＬＥＤ照明装置。
前記ＬＥＤを出射し、前記レンズの中心近傍を通る光が照射面の中心近傍を照明し、前記レンズの周辺を通る光が照射面の周辺を照射するＬＥＤ照明装置において、
前記レンズの周辺を通る光を制御する為に、前記レンズの第２面の非球面係数を、コニックを−１から１の範囲の非球面に近似する様に調整し、均一な照度範囲を広くした請求項１に記載のＬＥＤ照明装置。
複数の前記光学ユニットを円周上に配置したＬＥＤ照明装置において、
前記ＬＥＤ照明装置の中心から前記レンズまでの距離をｒＬｅｎｓ、前記ＬＥＤ照明装置の中心から前記ＬＥＤまでの距離をｒＬＥＤとした時に、
ｒＬｅｎｓ＜ｒＬＥＤ
を満たす請求項１〜３のいずれかの請求項に記載のＬＥＤ照明装置。
複数の前記光学ユニットを前記レンズ径の１．５倍以下の間隔で直線状に配置した請求項１〜３のいずれかの請求項に記載のＬＥＤ照明装置。