JP2022053298A - Projection lens and illumination device - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、投射レンズ、及び照明装置に関する。 The present disclosure relates to projection lenses and illuminating devices.
複数の光源を有するアレイ光源が射出する光を投射する投射レンズが知られている。このような投射レンズでは、複数の光源間の間隔に対応した光強度ムラが投射光に発生する場合がある。 A projection lens that projects light emitted by an array light source having a plurality of light sources is known. In such a projection lens, light intensity unevenness corresponding to the distance between a plurality of light sources may occur in the projected light.
また、投射光の光強度ムラを抑制するために、投射レンズによる光源の像をデフォーカスさせる構成が開示されている(例えば、特許文献1参照)。 Further, in order to suppress unevenness in the light intensity of the projected light, a configuration is disclosed in which the image of the light source by the projection lens is defocused (see, for example, Patent Document 1).
しかしながら、特許文献1の構成では、投射光の光強度ムラを抑制できない場合がある。 However, with the configuration of Patent Document 1, it may not be possible to suppress unevenness in the light intensity of the projected light.
そこで本開示は、投射光の光強度ムラを抑制可能な投射レンズを提供することを目的とする。 Therefore, it is an object of the present disclosure to provide a projection lens capable of suppressing unevenness in light intensity of projected light.
本開示の一実施形態に係る投射レンズは、複数の光源を有するアレイ光源が射出する光を投射する投射レンズであって、開口部を含み、前記投射レンズにより投射される光のうち、前記開口部の中心を通過する中心光と、前記開口部の周縁を通過する周縁光と、は、前記投射レンズの像面上で等しい位置に到達する。 The projection lens according to the embodiment of the present disclosure is a projection lens that projects light emitted by an array light source having a plurality of light sources, includes an opening, and is the opening of the light projected by the projection lens. The central light passing through the center of the portion and the peripheral light passing through the peripheral edge of the opening reach the same position on the image plane of the projection lens.
本開示の他の実施形態に係る照明装置は、複数の光源を有するアレイ光源と、前記投射レンズと、を有する。 The lighting device according to another embodiment of the present disclosure includes an array light source having a plurality of light sources and the projection lens.
本開示によれば、投射光の光強度ムラを抑制可能な投射レンズを提供することができる。 According to the present disclosure, it is possible to provide a projection lens capable of suppressing unevenness in light intensity of projected light.
以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。なお、以下の説明では、複数の図面に表れる同一符号の部分は、同一もしくは同等の部分又は部材を示し、重複する説明を適宜省略する。 Hereinafter, embodiments for carrying out the invention will be described with reference to the drawings. In the following description, the parts having the same reference numerals appearing in a plurality of drawings indicate the same or equivalent parts or members, and overlapping description will be omitted as appropriate.
また以下に示す実施形態は、本発明の技術思想を具体化するための投射レンズ及び照明装置を例示するものであって、本発明を以下に示す実施形態に限定するものではない。以下に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特定的な記載がない限り、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、例示することを意図したものである。また図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため、誇張している場合がある。 Further, the embodiments shown below exemplify a projection lens and a lighting device for embodying the technical idea of the present invention, and the present invention is not limited to the embodiments shown below. The dimensions, materials, shapes, relative arrangements, etc. of the components described below are not intended to limit the scope of the present invention to the specific description, but are intended to be exemplified. It is a thing. In addition, the size and positional relationship of the members shown in the drawings may be exaggerated in order to clarify the explanation.
実施形態に係る投射レンズは、複数の光源を有するアレイ光源が射出する光を投射する投射レンズである。実施形態では、投射レンズにより投射される光のうち、投射レンズに含まれる開口部の中心を通過する中心光と、該開口部の周縁を通過する周縁光が、投射レンズの像面上で等しい位置に到達するように投射レンズを構成する。この構成により、投射レンズによる光源の像を像面上で所定の状態にすることで、アレイ光源における複数の光源間の間隔に対応した光強度ムラを抑制する。 The projection lens according to the embodiment is a projection lens that projects light emitted by an array light source having a plurality of light sources. In the embodiment, among the light projected by the projection lens, the central light passing through the center of the opening included in the projection lens and the peripheral light passing through the peripheral edge of the opening are equal on the image plane of the projection lens. The projection lens is configured to reach the position. With this configuration, the image of the light source by the projection lens is brought into a predetermined state on the image plane, and the light intensity unevenness corresponding to the distance between the plurality of light sources in the array light source is suppressed.
以下では、投射レンズを有する照明装置を一例として実施形態を説明する。なお、以下に示す図で、X軸,Y軸,Z軸により方向を示す場合があるが、X軸に沿うX方向は、照明装置が有するアレイ光源における複数の光源が配列する配列平面内での所定方向を示す。またY軸に沿うY方向は、配列平面内でX方向に直交する方向を示し、Z軸に沿うZ方向は、配列平面に直交する方向を示すものとする。 Hereinafter, an embodiment will be described by taking a lighting device having a projection lens as an example. In the figure shown below, the direction may be indicated by the X-axis, Y-axis, and Z-axis, but the X-direction along the X-axis is within the array plane in which a plurality of light sources are arranged in the array light source of the lighting device. Indicates a predetermined direction of. Further, the Y direction along the Y axis indicates a direction orthogonal to the X direction in the arrangement plane, and the Z direction along the Z axis indicates a direction orthogonal to the arrangement plane.
またX方向で矢印が向いている方向を+X方向、+X方向の反対方向を-X方向と表記し、Y方向で矢印が向いている方向を+Y方向、+Y方向の反対方向を-Y方向と表記し、Z方向で矢印が向いている方向を+Z方向、+Z方向の反対方向を-Z方向と表記する。実施形態では、アレイ光源は一例として+Z方向側に光を射出するものとする。このことは、投影レンズおよび照明装置の使用時における向きを制限するわけではなく、投影レンズおよび照明装置の向きは任意である。 The direction in which the arrow points in the X direction is referred to as the + X direction, the opposite direction in the + X direction is referred to as the -X direction, the direction in which the arrow points in the Y direction is referred to as the + Y direction, and the opposite direction in the + Y direction is referred to as the -Y direction. Notated, the direction in which the arrow points in the Z direction is referred to as the + Z direction, and the direction opposite to the + Z direction is referred to as the −Z direction. In the embodiment, the array light source is assumed to emit light in the + Z direction as an example. This does not limit the orientation of the projection lens and the illuminator when used, and the orientation of the projection lens and the illuminator is arbitrary.
[実施形態]
<照明装置100の構成例>
まず図1を参照して、本実施形態に係る照明装置100の構成について説明する。図1は、照明装置100の構成の一例を説明する図である。図1に示すように、照明装置100は、LED(Light Emitting Diode)アレイ1と、制御部2と、投射レンズ3とを有する。LEDアレイ1は制御部2からの駆動電圧に応じて+Z方向に光を射出する。投射レンズ3は、LEDアレイ1が射出する光を像面Im上に投射する。
[Embodiment]
<Configuration example of
First, the configuration of the
照明装置100は、例えば室内照明装置や、空間演出のために建物内外の壁面を照明する装置、ヘッドランプ又はコミュニケーションランプ等の車載用照明装置、プロジェクタ等の表示装置のそれぞれにおいて、照明又は投射を行う装置等である。
The
像面Imは、投射レンズ3を介してLEDアレイ1における光の射出面と共役関係にある面である。照明装置100が壁面の照明や、表示装置のための照明又は投射に用いられる場合には、像面Imは壁面等の光の被投射面に対応する。また照明装置100が室内照明や車載のヘッドライトに用いられる場合には、像面Imは空間内の仮想平面に対応する。なお、この仮想平面には、無限遠に対応する仮想平面が含まれる。また車載のコミュニケーションランプに用いられる場合には、像面Imは路面に対応する。
The image plane Im is a plane that is conjugate with the light emission plane in the LED array 1 via the
LEDアレイ1と、投射レンズ3は、筐体内に保持されている。なお、制御部2は筐体内に設けられてもよいし、筐体とは別に設けられてもよい。
The LED array 1 and the
LEDアレイ1は、複数のLEDを有するアレイ光源の一例であり、LEDは光源の一例である。LEDアレイ1は、複数のLEDを配列平面内(XY平面内)に略等間隔で配置している。各LEDは、ケーブル等を介して制御部2と電気的に接続されており、制御部2から駆動電圧を印加されることで、各々独立して光を射出できる。
The LED array 1 is an example of an array light source having a plurality of LEDs, and the LED is an example of a light source. In the LED array 1, a plurality of LEDs are arranged in an array plane (in an XY plane) at substantially equal intervals. Each LED is electrically connected to the
LEDアレイ1が射出する光は、例えば白色光である。但し、これに限定されるものではなく、単色光であってもよいし、また白色光の中でも電球色や昼白色、昼光色等の各種を選択可能である。アレイ光源の種類もLEDアレイに限定されるものではなく、複数の蛍光ランプをアレイ状に配列したり、複数の光ファイバをアレイ状に束ねたりしてアレイ光源を構成することもできる。 The light emitted by the LED array 1 is, for example, white light. However, the present invention is not limited to this, and monochromatic light may be used, and various types of white light such as light bulb color, neutral white color, and daylight color can be selected. The type of the array light source is not limited to the LED array, and an array light source can be configured by arranging a plurality of fluorescent lamps in an array or bundling a plurality of optical fibers in an array.
投射レンズ3は、レンズL1と、レンズL2と、レンズL3とを有する。投射レンズ3は、LEDアレイ1が射出して投射レンズ3に入射する光を、投射レンズ3から出射される所望の投射光に変換できる。ここで光の変換とは、光の進む方向を変えることをいい、例えば、入射する光を所望の集束光、コリメート光、又は発散光に変更することをいう。
The
各レンズはレンズ鏡胴4内に所定の位置関係で固定され、レンズ鏡胴4を介して筐体内に保持されている。但し、投射レンズ3は、レンズ鏡胴4を介さずに筐体に直接固定され、保持されてもよい。
Each lens is fixed in the
投射レンズ3のうち、レンズL1は正の屈折力(パワー)を有する両凸の球面レンズである。レンズL2は負の屈折力を有するメニスカスの非球面レンズである。レンズL3は正の屈折力を有する両凸の球面レンズである。各レンズは、照明装置100の使用用途等に応じて各種材質のガラス又はプラスチック等を適宜選択して構成できる。
Of the
図1に一点鎖線で示した中心軸Aは、投射レンズ3の中心を通る軸であり、投射レンズ3の光軸に対応する。また開口部Sは、投射レンズ3の一部の部位であり、投射レンズ3において、配列平面に対して略平行な平面内に位置する円形状の部位である。開口部Sは、投射レンズ3内を通過する光の有効領域を規定する機能を有する。但し、開口部Sの形状は円形状に限定されるものではなく、矩形状、多角形状、又は猫目型等の様々な形状を適用可能である。
The central axis A shown by the alternate long and short dash line in FIG. 1 is an axis passing through the center of the
投射レンズ3への入射光のうち、開口部Sの内側(中心軸A側)に到達する光は、開口部Sを通過して投射レンズ3による投射光を形成する。一方、開口部Sの外側に到達する光は、開口部Sを通過せず、投射レンズ3による投射光に寄与しない光となる。
Of the light incident on the
このような開口部Sの部位は、投射レンズ3の光路に設けられた開口絞り等の部材によって定められる。或いは、開口部Sの部位は、開口部Sの外側に到達する光が通過できないようにレンズ面に形成された遮光膜又は反射膜等により定められる。また開口部Sの部位は、開口部Sの外側に到達する光を投射レンズ3から出射不能な方向に屈折又は反射させるレンズ面の形状により定められる。
The portion of such an opening S is determined by a member such as an aperture diaphragm provided in the optical path of the
図1の投射レンズ3では、レンズL2の+Z方向側に開口部Sを設けた構成を例示している。図1における中心光300は、投射レンズ3の主光線に対応し、開口部Sの略中心を通過する光である。また上側周縁光301は、投射レンズ3の+Y方向側の略周縁を通過する光であり、下側周縁光302は、投射レンズ3の-Y方向側の略周縁を通過する光である。上側周縁光301及び下側周縁光302は、それぞれ開口部Sの周縁を通過する周縁光の一例である。図1は、中心軸Aを含む平面(子午面)内における中心光300、上側周縁光301及び下側周縁光302を示している。中心軸Aを含む平面は、図1では紙面と平行な平面に対応する。
The
ここで、中心光300は、開口部Sの中心において、開口部Sの直径の10%以下である直径を有する円形状の領域を通過する光を指す。また上側周縁光301及び下側周縁光302を含む周縁光は、開口部Sの周縁において、開口部Sの直径の10%以下である半径方向の幅を有する円環状の領域を通過する光を指す。なお、本実施形態では円形状の開口部Sを例示したため、開口部Sの直径を基準に中心光及び周縁光の比率を示したが、開口部Sが円形状でない場合には、開口部Sの形状に応じたサイズが基準になる。また開口部Sが円形状でない場合には、周縁光は円環状ではなく、開口部Sの形状に応じた帯状の領域を通過する光になる。
Here, the
なお、開口部Sの位置は、レンズL2の+Z方向側に限定されるものではなく、投射レンズ3の仕様に応じ、投射レンズ3の光路内における所望の位置に適宜決定される。
The position of the opening S is not limited to the + Z direction side of the lens L2, and is appropriately determined at a desired position in the optical path of the
表1に、投射レンズ3の主な仕様値の一例を示す。
Table 1 shows an example of the main specification values of the
なお、表1に示す仕様値は一例であって、照明装置100の使用用途に応じて投射レンズ3の仕様値を適宜決定できる。また投射レンズ3を構成するレンズの枚数、また各レンズの屈折力、配置、球面又は非球面の適用等も図1で説明したものに限定されず、照明装置100の使用用途に応じて適宜決定可能である。投射レンズ3における各レンズの面形状及び面間隔は、投射レンズ3の構成及び仕様に応じて、後述する特性及び機能を実現するように決定される。
The specification values shown in Table 1 are examples, and the specification values of the
なお、以降で示す横収差図や、光線がレンズ面を通過する高さ、又は像面での到達位置等は、図1の逆光線追跡を前提として説明する。つまり投射レンズ3に像面側から光線が入射した場合を前提として説明する。
The lateral aberration diagram shown below, the height at which the light beam passes through the lens surface, the arrival position on the image plane, and the like will be described on the premise of the back light ray tracking of FIG. That is, the case where a light ray is incident on the
次に、図2を参照して、LEDアレイ1の構成について説明する。図2はLEDアレイ1の構成の一例を説明する図であり、+Z方向側からLEDアレイ1の配列平面を視た図である。 Next, the configuration of the LED array 1 will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a diagram illustrating an example of the configuration of the LED array 1 and is a view of the array plane of the LED array 1 viewed from the + Z direction side.
図2に示すように、LEDアレイ1は、配列平面内において、X方向に5個、Y方向に5個の合計25個のLED11を配置している。LED11のそれぞれの内側に破線で示した射出面12は、各LED11において光を射出する領域を示している。LED11は、それぞれの射出面12から+Z方向に光を射出する。なお、LED11の個数及び配置は、これに限定されるものではなく、適宜選択可能である。またLEDを1次元アレイ状に配置することもできる。
As shown in FIG. 2, the LED array 1 arranges a total of 25
ここで、配列平面内で各LED11の射出面12間の間隔を完全になくすことはできないため、LEDアレイ1における隣接する射出面12間には、図2に示すように、光を射出しない非射出領域13が含まれる。
Here, since the space between the emission surfaces 12 of each
この非射出領域13の存在により、像面Im(図1参照)における非射出領域13の像に対応する領域では、投射レンズによる投射光の光強度が低下し、光強度ムラが生じる場合がある。非射出領域13の像に対応して投射光の光強度が低下する領域は、暗い線状の領域であるため、暗線と称される。
Due to the presence of the
本実施形態では、投射レンズ3に所定の特性を持たせ、投射レンズ3による像を所定の状態にすることで、このような暗線等による光強度ムラを抑制する。以下において、投射レンズ3における所定の特性と、その付与方法について説明する。
In the present embodiment, the
<投射レンズ3の特性及びその付与方法例>
図3乃至図8を参照し、また図1の構成図も適宜参照しながら、投射レンズ3の特性及びその付与方法を説明する。
<Characteristics of
The characteristics of the
(点像の違いによる光強度ムラの低減特性)
まず図3は、像を構成する点像の違いによる光強度ムラの低減特性を説明する図である。図3(a)は理想点像からなる射出面像の一例を示す図、図3(b)は分布点像からなる射出面像の一例を示す図、図3(c)は隣接する射出面像の一例を示す図である。なお、図3における光強度分布を表すグラフの横軸は、像面内での位置を表し、縦軸は光強度を表している。この点は、以降で光強度分布を表すグラフを示す場合においても同様である。ここで、理想点像は分布(広がり)を持たない点像を意味し、分布点像は分布(広がり)を持つ点像を意味する。
(Characteristics for reducing light intensity unevenness due to differences in point images)
First, FIG. 3 is a diagram for explaining the light intensity unevenness reduction characteristic due to the difference in the point images constituting the image. FIG. 3 (a) is a diagram showing an example of an injection surface image consisting of an ideal point image, FIG. 3 (b) is a diagram showing an example of an injection surface image consisting of a distribution point image, and FIG. 3 (c) is an adjacent injection surface. It is a figure which shows an example of an image. The horizontal axis of the graph showing the light intensity distribution in FIG. 3 represents the position in the image plane, and the vertical axis represents the light intensity. This point is the same when the graph showing the light intensity distribution is shown later. Here, the ideal point image means a point image having no distribution (spread), and the distributed point image means a point image having a distribution (spread).
図3(a)の理想射出面像31は、LEDアレイ1が有するLED射出面の投射レンズ3による像を示し、理想状態の射出面像を像面Im上で平面視したものである。理想プロファイル31pは、理想射出面像31におけるA-A断面の光強度分布である。理想プロファイル31pでは、射出面の像に対応する領域で急峻に光強度が大きくなっている。ここで、プロファイルとは、光束の進行方向に直交する平面で光束を切断した際に切断面内で得られる光束の2次元的な光強度分布を、該光束の中心軸を含む平面でさらに切断した際に得られる1次元的な光強度分布をいう。このような1次元的な光強度分布を断面光強度分布と称することもできる。
The ideal
図3(b)の分布射出面像32は、LEDアレイ1が有するLED射出面の投射レンズ3による像を示し、分布点像からなる射出面像を像面Im上で平面視したものである。分布プロファイル32pは、分布射出面像32におけるB-B断面の光強度分布である。分布射出面像32は理想射出面像31と比較して広がっており、分布プロファイル32pは射出面像の端部に対応する領域で徐々に光強度が変化している。
The distributed
図3(c)は、隣接する2つの射出面の、理想プロファイル31p(一点鎖線)及び分布プロファイル32p(二点鎖線)を示している。隣接する理想プロファイル31p間では光強度が急峻に低下し、光強度がほぼゼロになっている。この結果、隣接する理想プロファイル31p間に高いコントラストで暗線が生じる。
FIG. 3 (c) shows an
一方、隣接する分布プロファイル32p間では、光強度が急峻に低下せずに双方の分布プロファイル32pで光強度が残っている。そのため、双方の光強度が足し合わされることで、図3(c)に示すように光強度33が確保される。その結果、隣接する分布プロファイル32p間で光強度の低下が緩和し、暗線のコントラストが低下する。換言すると、暗線等による光強度ムラが抑制される。本実施形態では、このような点像の違いによる光強度ムラの低減特性を利用する。
On the other hand, between the
(分布点像の集合による射出面像の形成例)
次に図4は、分布点像の集合体の例を説明する図である。図4(a)は平坦プロファイル点像、図4(b)は凸型プロファイル点像、図4(c)は凹型プロファイル点像、図4(d)は各点像からなる射出面像プロファイルを示す。
(Example of forming an injection surface image by a set of distribution point images)
Next, FIG. 4 is a diagram illustrating an example of an aggregate of distribution point images. 4 (a) is a flat profile point image, FIG. 4 (b) is a convex profile point image, FIG. 4 (c) is a concave profile point image, and FIG. 4 (d) is an injection surface image profile consisting of each point image. show.
ここで点像とは、LEDアレイ1におけるLED射出面内の任意の点を射出した光が投射レンズ3により像面Imに投射されて形成される像をいう。点像の分布(広がり)状態には様々なものがあり、図4(a)乃至図4(c)は、それぞれ異なる状態での点像を示したものである。
Here, the point image means an image formed by projecting light emitted from an arbitrary point in the LED emission surface of the LED array 1 onto the image surface Im by the
図4(a)は、プロファイルが平坦な分布点像を示している。図4(a)における平坦プロファイル点像41は、像面Im上での分布点像の平面視であり、平坦プロファイル41pは、平坦プロファイル点像41におけるC-C断面の光強度分布である。平坦プロファイル点像41では、平坦なトップハット状のプロファイルが得られている。
FIG. 4A shows a distribution point image with a flat profile. The flat
なお、実施形態の用語における「平坦」とは、光束の進行方向に直交する平面で光束を切断した際に、切断面内で得られる光束の2次元的な光強度分布において、ピークとなる光強度が空間的に一定であることをいう。空間的に一定とは、上記切断面内の位置ごとでの光強度が等しいことをいう。但し、「平坦」は空間的な光強度が完全に一定(上記切断面内の位置ごとでの光強度が完全に一致)であることを要求するものではなく、一般的に誤差と認められる程度の光強度の差異は許容できる。 The term "flat" in the terminology of the embodiment means light that becomes a peak in the two-dimensional light intensity distribution of the luminous flux obtained in the cut surface when the luminous flux is cut in a plane orthogonal to the traveling direction of the luminous flux. It means that the strength is spatially constant. Spatically constant means that the light intensities are equal at each position in the cut surface. However, "flatness" does not require that the spatial light intensity is completely constant (the light intensity at each position in the cut surface is completely the same), and is generally recognized as an error. Differences in light intensity are acceptable.
光強度分布が平坦であるか否かの評価方法について、例えば、LEDアレイ1の射出面に対応する位置に配置したピンホール等の点光源から出射した光束を、投射レンズ3を通して像面Imに到達させる。像面Imに対応する位置に配置したCCD等の受光素子で光束を受光した際に、CCDによる光束の像(スポット像)の輝度分布のP-P(Peak to Peak)値がCCDの輝度ノイズ以下であれば、プロファイルは「平坦」であると言える。
Regarding the evaluation method of whether or not the light intensity distribution is flat, for example, a luminous flux emitted from a point light source such as a pinhole arranged at a position corresponding to the emission surface of the LED array 1 is transferred to the image plane Im through the
例えば、スポット像における画素ごとでの輝度を加算平均して得られる輝度分布からP-P値を取得し、輝度の時間ばらつきの標準偏差3σによりCCDの輝度ノイズを取得する。両者を比較することで、プロファイルが「平坦」であるか否かを判定できる。なお、CCDに代えてビームプロファイラ等の計測器を用いて光束を受光し、この受光結果に基づいてプロファイルが「平坦」であるか否かを判定してもよい。 For example, the PP value is acquired from the luminance distribution obtained by adding and averaging the luminance of each pixel in the spot image, and the luminance noise of the CCD is acquired by the standard deviation 3σ of the time variation of the luminance. By comparing the two, it can be determined whether or not the profile is "flat". Instead of the CCD, a measuring instrument such as a beam profiler may be used to receive the light beam, and based on the light reception result, it may be determined whether or not the profile is “flat”.
図4(b)は、プロファイル形状が凸型である凸型プロファイル点像を示す図である。凸型プロファイル点像42は、像面Im上での分布点像の平面視であり、凸型プロファイル42pは、凸型プロファイル点像42におけるD-D断面のプロファイルである。凸型プロファイル点像42では、中心に向かうにつれて光強度が大きくなっている。
FIG. 4B is a diagram showing a convex profile point image in which the profile shape is convex. The convex
図4(c)は、プロファイル形状が凹型である分布点像を示す図である。凹型プロファイル点像43は、像面Im上での分布点像の平面視であり、凹型プロファイル43pは、凹型プロファイル点像43におけるE-E断面のプロファイルである。凹型プロファイル点像43では、中心に向かうにつれて光強度が小さくなっている。
FIG. 4C is a diagram showing a distribution point image in which the profile shape is concave. The concave
ここで、LED射出面内の各点を射出した光による複数の点像が、像面Im上で集合することで、射出面像が形成される。図4(d)は、LEDアレイ1における1つのLED射出面内の複数の点に対応する複数の分布点像が、像面Im上で集合してなる射出面像のプロファイルを示している。 Here, a plurality of point images generated by the light emitted from each point in the LED emission surface are aggregated on the image surface Im to form an emission surface image. FIG. 4D shows a profile of an emission surface image in which a plurality of distribution point images corresponding to a plurality of points in one LED emission surface in the LED array 1 are aggregated on the image surface Im.
図4(d)における平坦射出面プロファイル41comは、複数の平坦プロファイル点像41が像面Im上で集合してなる射出面プロファイルを示している。凸型射出面プロファイル42comは、複数の凸型プロファイル点像42が像面Im上で集合してなる射出面プロファイルを示している。凹型射出面プロファイル43comは、複数の凹型プロファイル点像43が像面Im上で集合してなる射出面プロファイルを示している。
The flat injection surface profile 41com in FIG. 4D shows an injection surface profile in which a plurality of flat
図4(d)に示すように、分布状態の相違により射出面プロファイルが異なっている。従って、分布を所定の状態にすることで射出面プロファイルを制御できることが分かる。また、平坦射出面プロファイル41comのプロファイル分布における斜面部41cは、凸型射出面プロファイル42comの斜面部42c及び凹型射出面プロファイル43comの斜面部43cと比較して、より線形な形状になっている。
As shown in FIG. 4 (d), the injection surface profile is different due to the difference in the distribution state. Therefore, it can be seen that the injection surface profile can be controlled by setting the distribution to a predetermined state. Further, the
(分布特性と隣接射出面像間の光強度との関係例)
次に図5は、隣接する2つの射出面像の光強度分布の一例を説明する図である。図5(a)は平坦プロファイル点像によるもの、図5(b)は凸型プロファイル点像によるもの、図5(c)は凹型プロファイル点像によるものである。
(Example of relationship between distribution characteristics and light intensity between adjacent injection plane images)
Next, FIG. 5 is a diagram illustrating an example of the light intensity distribution of two adjacent emission plane images. 5 (a) is based on a flat profile point image, FIG. 5 (b) is based on a convex profile point image, and FIG. 5 (c) is based on a concave profile point image.
図5(a)における射出面プロファイル51a及び51b間での光強度51は、図5(b)における射出面プロファイル52a及び52b間での光強度52と比較して大きい。また図5(c)における射出面プロファイル53a及び53b間での光強度53の分布には変曲点がみられ、光強度ムラが目立っている。
The
従って、図5(a)に示す平坦な光強度分布を有する平坦プロファイル点像により射出面プロファイルを形成することで、凸型又は凹型の光強度分布を有する点像の場合と比較して、隣接する射出面像間での光強度が各射出面像のピーク光強度に対して低下することを抑え、暗線等による光強度ムラを好適に抑制可能になる。 Therefore, by forming the injection surface profile with the flat profile point image having the flat light intensity distribution shown in FIG. 5 (a), the point image having the convex or concave light intensity distribution is adjacent to the point image. It is possible to suppress the decrease in light intensity between the emission surface images with respect to the peak light intensity of each emission surface image, and to suitably suppress the unevenness of light intensity due to dark lines and the like.
(分布点像の光強度分布の平坦化例)
次に、分布点像の光強度分布を平坦化するための投射レンズ3の特性について説明する。図6は、投射レンズ特性の一例を説明する図であり、図6(a)は一般的な投射レンズ3Xによる光線軌跡、図6(b)は図6(a)の像面光強度分布、図6(c)は本実施形態に係る投射レンズ3による光線軌跡、図6(d)は図6(c)による像面光強度分布を示す。
(Example of flattening the light intensity distribution of the distribution point image)
Next, the characteristics of the
なお、図6(a)、図6(c)における投射レンズは、図を簡単にするために、1つのレンズとして簡略化して表示している。また図6(a)、図6(c)で同じ機能を有する構成部には、同じ部品番号(部品記号)を付している。 The projection lenses in FIGS. 6 (a) and 6 (c) are simplified and displayed as one lens in order to simplify the figure. Further, the components having the same function in FIGS. 6 (a) and 6 (c) are assigned the same part number (part symbol).
図6(a)に示すように、投射レンズ3Xは、開口部Sを通過する高さ(入射高さ)によらず、投射レンズにより投射される光を像面Imより-Z方向側の集光点5Xに集光させることで点像に分布を付与している。この場合の分布点像は、図6(b)に示すように、凸型のプロファイルになる。 As shown in FIG. 6A, the projection lens 3X collects the light projected by the projection lens in the −Z direction side from the image plane Im regardless of the height (incident height) passing through the opening S. A distribution is given to the point image by condensing the light on the light point 5X. The distribution point image in this case has a convex profile as shown in FIG. 6 (b).
一方、図6(c)に示すように、投射レンズ3は、投射レンズ3により投射される光のうち、中心光300と上側周縁光301を像面Im上の等しい位置h0に到達させる。これにより点像に所定の分布特性が付与される。
On the other hand, as shown in FIG. 6C, the
また、投射レンズ3は、中心軸Aを含む平面内で、投射レンズ3により投射される光のうち、開口部Sにおける周縁と中心の中間を通過する中間光303を、像面Imにおける中心光300及び上側周縁光301の到達位置から最も離れた位置hmaxに到達させる。これによっても点像に所定の分布特性が付与される。
Further, the
このようにすることで、開口部Sにおける中心から中間までの光線と中間から周縁までの光線が重なり合い、図6(d)に示すように、投射レンズ3による分布点像は平坦な光強度分布を有する。例えば、投射レンズ3の中心軸AがLEDアレイ1の射出面に交差する点を射出する光により像面Imに形成される分布点像は、平坦な光強度分布を有することができる。
By doing so, the light rays from the center to the middle and the light rays from the middle to the periphery in the opening S overlap each other, and as shown in FIG. 6D, the distribution point image by the
次に図7は投射レンズ3の横収差図である。横軸は、投射レンズ3により投射される光の開口部Sにおける通過位置を示し、中心軸Aからの最大距離により規格化して表示している。横軸における0は開口部Sの中心に対応し、1.0は開口部Sの周縁に対応する。縦軸は、投射レンズ3により投射される光の像面Im上での到達位置を示している。
Next, FIG. 7 is a lateral aberration diagram of the
図7に示すように、投射レンズ3の横収差は正弦波状の形状になる。具体的には、開口部Sの中心を通過する光、すなわち開口部Sにおける光の通過位置が0である中心光300は、像面Imで位置h0に到達する。また開口部Sの周縁を通過する光、すなわち開口部Sにおける光の通過位置が1.0である上側周縁光301は、像面Imで位置h0に到達する。従って、中心光300と上側周縁光301の像面Imでの到達位置は等しい。
As shown in FIG. 7, the lateral aberration of the
また、中心軸Aを含む平面内で、開口部Sの中心と周縁の中間を通過する光、すなわち開口部Sにおける光の通過位置が0.5である中間光303(図6(c)参照)は、像面Imで位置hmaxに到達する。
Further, in the plane including the central axis A, the light passing between the center and the peripheral edge of the opening S, that is, the
投射レンズ3の設計では、例えば、照明装置100の仕様用途に応じて、レンズの枚数や各レンズの材質、また焦点距離、Fno、バックフォーカス等の仕様値を決定する。そして、一例として、上述した中心光300、上側周縁光301及び中間光303の像面Im上での到達位置等を目標値として設定し、光線追跡シミュレーションにおいて、投射レンズ3における各レンズ面の形状及び面間隔を変数として目標値に収束させる演算処理を実行する。これにより、投射レンズ3における各レンズ面の形状及び面間隔の最適値を決定し、分布点像の光強度分布を平坦化するための投射レンズ3を設計できる。
In the design of the
<照明装置100の各種データ例>
次に照明装置100の各種データとして、投射レンズ3の横収差のシミュレーション結果及び投射光の撮影結果を説明する。
<Examples of various data of the
Next, as various data of the
(横収差のシミュレーション結果例)
図8は、物体側画角ごとでの投射レンズ3の横収差のシミュレーション結果の一例を示す図である。図8(a)は物体側画角が0度の場合、図8(b)は物体側画角が4.3度の場合、図8(c)は物体側画角が9.6度の場合、図8(d)は物体側画角が14.4度の場合、図8(e)は物体側画角が18.2度の場合をそれぞれ示している。また図8(a)乃至図8(e)は、X方向(右側のグラフ)とY方向(左側のグラフ)のそれぞれにおける横収差を示している。
(Example of lateral aberration simulation result)
FIG. 8 is a diagram showing an example of a simulation result of the lateral aberration of the
何れの物体側画角においても、中心光と上側周縁光が許容範囲内の位置ずれで像面Im上に到達し、また横収差の形状は正弦波に近い形状になっている。 At any angle of view on the object side, the central light and the upper peripheral light reach on the image plane Im with a positional deviation within an allowable range, and the shape of the lateral aberration is close to that of a sine wave.
ここで、中心光300と上側周縁光301の像面Im上での位置を完全に一致させることは、投射レンズ3の形状誤差や組付け誤差等の製造上の誤差により困難な場合がある。一方で、中心光300と上側周縁光301の像面Im上での位置を完全に一致させなくても、許容範囲内の位置ずれであれば、一致させた場合と同等の作用が得られる場合がある。
Here, it may be difficult to completely match the positions of the
ここで、図9は、このような中心光300と上側周縁光301の像面Im上の位置ずれの許容範囲を説明するためのシミュレーション結果の一例を示している。図9の見方は図8と同様である。このシミュレーションによれば、投射レンズ3における中心光300と上側周縁光301の像面Im上の位置ずれΔhの許容範囲は、例えば0.07mm以下である。
Here, FIG. 9 shows an example of a simulation result for explaining the allowable range of the positional deviation between the
なお、開口部Sの直径の10%以下である直径を有する円形状の中心光300と、開口部Sの直径の10%以下である半径方向の幅を有し、上側周縁光301を含む円環状の周縁光とが、像面位置で少しでも重なれば、「中心光300と上側周縁光301は投射レンズの像面上で等しい位置に到達する」と言える。図8に示した物体側画角ごとでの中心光と周縁光でも、開口部Sの直径の10%以下である直径を有する円形状の中心光と、開口部Sの直径の10%以下である半径方向の幅を有する円環状の周縁光は、像面位置で少なくとも一部が重なる。なお、開口部Sの形状が円形状でない場合には、周縁光は円環状ではなく、開口部Sの形状に応じた帯状の領域になる。
A circular
(投射光の一例)
次に図10は、投射光の一例を説明する図である。図10(a)は比較例に係る照明装置100Xによる像面上での投射光の撮影画像、図10(b)は本実施形態に係る照明装置100による像面上での投射光の撮影画像を示している。比較例は、所定の分布特性を付与しない照明装置100Xによる像面上での投射光である。撮影画像は、スクリーン等の被投射面に投射光を投射した際に得られる投射像を、カメラで撮影した画像を意味する。
(Example of projected light)
Next, FIG. 10 is a diagram illustrating an example of the projected light. FIG. 10A is a photographed image of the projected light on the image plane by the
図10(a)に示すように、照明装置100Xでは、隣接する射出面画像101の間に暗線画像102が視認され、投射光の光強度ムラが大きくなっている。暗線画像102の領域での平均光強度Idと、暗線画像102以外の画像領域での平均光強度Ipの比を表す暗線コントラスト(Id/Ip×100)は、照明装置100Xによる投射光では84%となった。また、照明装置100Xにおいて、デフォーカスによる分布特性を付与した場合には、暗線コントラストは91%となった。なお、暗線コントラストの値が大きいほど、暗線のコントラストが低下し、光強度ムラが抑制されていることを表す。
As shown in FIG. 10A, in the
これに対し、図10(b)に示すように、照明装置100では、暗線及びLED像がほぼ視認されず、照明装置100による投射光での暗線コントラストは97%となった。光強度ムラが良好に抑制され、照明装置100Xによる投射光と比較して均一な光強度の投射光が得られている。
On the other hand, as shown in FIG. 10B, in the
(投射レンズ3における開口部S及び最終レンズ面Snでの光の通過高さ例)
次に、投射レンズ3の特性を表すために、投射レンズ3に入射する光が開口部Sを通過する高さ(Y方向の位置)と最終レンズ面Snを通過する高さについて説明する。図11は、投射レンズ3における開口部S及び最終レンズ面Snでの光の通過高さの一例を説明する図である。
(Example of light passing height at the opening S and the final lens surface Sn in the projection lens 3)
Next, in order to express the characteristics of the
図11は、中心軸Aを含む平面内において、ビーム径が略0.5mmの略平行光であるレーザビームが投射レンズ3に入射した際の振る舞いを示している。また図11では、第1レンズ面S1、開口部S及び最終レンズ面Snのみに簡略化して投射レンズ3を表示している。また図11における半径Dsは開口部Sの半径を表し、半径Dnは最終レンズ面Snの半径を表す。
FIG. 11 shows the behavior when a laser beam having a beam diameter of about 0.5 mm, which is substantially parallel light, is incident on the
図11において、中心レーザビーム111は、開口部Sの中心を通過する光である。中心レーザビーム111は、開口部Sでは0以上でh1以下の高さを通過し、最終レンズ面Snでは0以上でh6以下の高さを通過する。
In FIG. 11, the
開口部S及び最終レンズ面Snのそれぞれの半径に対する比で表すと、中心レーザビーム111が開口部Sを通過する高さは、0以上でh1/Ds以下である。また中心レーザビーム111が最終レンズ面Snを通過する高さは、0以上でh6/Dn以下である。
Expressed as a ratio to the respective radii of the opening S and the final lens surface Sn, the height at which the
周縁レーザビーム112は、開口部Sの周縁を通過する光である。周縁レーザビーム112は、開口部Sではh3以上でh2以下の高さを通過し、最終レンズ面Snではh8以上でh7以下の高さを通過する。
The
開口部S及び最終レンズ面Snのそれぞれの半径に対する比で表すと、周縁レーザビーム112が開口部Sを通過する高さは、h3/Ds以上でh2/Ds以下である。周縁レーザビーム112が最終レンズ面Snを通過する高さは、h8/Dn以上でh7/Dn以下である。
Expressed as a ratio to the respective radii of the opening S and the final lens surface Sn, the height at which the
中間レーザビーム113は、開口部Sの中心と周縁の中間を通過する光である。中間レーザビーム113は、開口部Sではh5以上でh4以下の高さを通過し、最終レンズ面Snではh10以上でh9以下の高さを通過する。
The
開口部S及び最終レンズ面Snのそれぞれの半径に対する比で表すと、中間レーザビーム113が開口部Sを通過する高さは、h5/Ds以上でh4/Ds以下である。中間レーザビーム113が最終レンズ面Snを通過する高さは、h10/Dn以上でh9/Dn以下である。
Expressed as a ratio to the respective radii of the opening S and the final lens surface Sn, the height at which the
具体的な数値例は以下の通りである。
h1/Ds=1.92×10-2
h2/Ds=1.00
h3/Ds=9.81×10-1
h4/Ds=5.10×10-1
h5/Ds=4.90×10-1
h6/Dn=1.10×10-2
h7/Dn=8.59×10-1
h8/Dn=8.33×10-1
h9/Dn=3.18×10-1
h10/Dn=3.027×10-1
Specific numerical examples are as follows.
h1 / Ds = 1.92 × 10 -2
h2 / Ds = 1.00
h3 / Ds = 9.81 × 10 -1
h4 / Ds = 5.10 × 10 -1
h5 / Ds = 4.90 × 10 -1
h6 / Dn = 1.10 × 10 -2
h7 / Dn = 8.59 × 10 -1
h8 / Dn = 8.33 × 10 -1
h9 / Dn = 3.18 × 10 -1
h10 / Dn = 3.027 × 10 -1
<投射レンズ3の作用効果>
次に、投射レンズ3の作用効果について説明する。
<Action and effect of
Next, the action and effect of the
LEDアレイ等のアレイ光源と投射レンズとを含んで照明装置を構成すると、アレイ光源における各光源のオン又はオフの切り替えや、射出光の光強度の制御等により、照明領域や照明方向を調整したり、千鳥やストライプ等の各種パターンの投射光を生成したりすることができる。 When an illumination device is configured including an array light source such as an LED array and a projection lens, the illumination area and illumination direction can be adjusted by switching on or off of each light source in the array light source, controlling the light intensity of the emitted light, and the like. Or, it is possible to generate various patterns of projected light such as staggered lights and stripes.
しかしながら、このような照明装置では、アレイ光源における光源同士の間隔を完全になくすことはできないことから、投射光には光源間隔に対応した暗線等による光強度ムラが発生する場合がある。 However, in such a lighting device, since the distance between the light sources in the array light source cannot be completely eliminated, the projected light may have uneven light intensity due to a dark line or the like corresponding to the light source distance.
投射光の光強度ムラを抑制するために、投射レンズによる光源の像を意図的にデフォーカスさせる構成が開示されている。しかしながら、開示されている構成では、点像が凸型の光強度分布を有する等の点像の分布(広がり)に起因して光強度ムラを十分に抑制できない場合がある。また光強度ムラを十分に抑制するためにデフォーカス量を大きくすると、光源のオン又はオフの切り替え等に伴う投射光の明暗コントラストが十分に得られずに、照明領域や照明方向の調整機能や、各種パターンの投射光生成機能を阻害する場合がある。 A configuration is disclosed in which an image of a light source by a projection lens is intentionally defocused in order to suppress unevenness in the light intensity of the projected light. However, in the disclosed configuration, the light intensity unevenness may not be sufficiently suppressed due to the distribution (spreading) of the point image such that the point image has a convex light intensity distribution. In addition, if the amount of defocus is increased in order to sufficiently suppress uneven light intensity, the contrast between light and dark of the projected light due to switching of the light source on or off cannot be sufficiently obtained, and the function of adjusting the illumination area and the illumination direction can be obtained. , May interfere with the projected light generation function of various patterns.
本実施形態では、投射レンズにより投射される光のうち、投射レンズに含まれる開口部の中心を通過する中心光と、該開口部の周縁を通過する周縁光が、投射レンズの像面上で等しい位置に到達するように投射レンズを構成する。 In the present embodiment, among the light projected by the projection lens, the central light passing through the center of the opening included in the projection lens and the peripheral light passing through the peripheral edge of the opening are on the image plane of the projection lens. The projection lens is configured to reach the same position.
この構成により、光源(射出面)の各点から射出される光により像面に形成される点像の光強度分布を平坦化することができ、点像が像面上で集合してなる光源の像(射出面像)を所定の状態にすることができる。その結果、隣接する射出面像間での光強度の低下を抑え、複数の光源間の間隔に対応した暗線等による光強度ムラを抑制することができる。また光源のオン又はオフの切り替え等に伴う投射光の明暗コントラストも確保できる。 With this configuration, the light intensity distribution of the point image formed on the image surface by the light emitted from each point of the light source (emission surface) can be flattened, and the light source formed by collecting the point images on the image surface. Image (ejection surface image) can be in a predetermined state. As a result, it is possible to suppress a decrease in light intensity between adjacent emission plane images and suppress unevenness in light intensity due to dark lines or the like corresponding to the spacing between a plurality of light sources. In addition, it is possible to secure the contrast between light and dark of the projected light when the light source is switched on or off.
例えばアレイ光源としてLEDアレイを用いる場合には、LEDはランバーシアン型の配光特性を有するため、点像は凸型の光強度分布になりやすい。これに対し、本実施形態では、上記の構成により点像の光強度分布を平坦化可能である。従って、アレイ光源としてLEDアレイを用いる場合において、本実施形態の適用は特に好適である。 For example, when an LED array is used as an array light source, the LED has a Lambersian type light distribution characteristic, so that the point image tends to have a convex light intensity distribution. On the other hand, in the present embodiment, the light intensity distribution of the point image can be flattened by the above configuration. Therefore, when an LED array is used as the array light source, the application of this embodiment is particularly suitable.
また、投射レンズによる投射光の光強度ムラを抑制するためには、中心光と周縁光の像面Imでの到達位置が等しいという条件に加え、以下の(A)乃至(C)の条件を満足することが最も好適である。
(A)横収差が正弦波状の形状を有すること。
(B)投射レンズの中心軸が像面に交差する位置に、中心光及び周縁光の両方が到達すること。
(C)投射レンズの中心軸を含む平面内で、中間光が像面上における中心光及び周縁光の到達位置から最も離れた位置に到達すること。
Further, in order to suppress unevenness in the light intensity of the projected light by the projection lens, in addition to the condition that the arrival positions of the central light and the peripheral light on the image plane Im are the same, the following conditions (A) to (C) are satisfied. Satisfaction is most preferred.
(A) The lateral aberration has a sinusoidal shape.
(B) Both the central light and the limb darkening reach the position where the central axis of the projection lens intersects the image plane.
(C) In the plane including the central axis of the projection lens, the intermediate light reaches the position farthest from the arrival positions of the central light and the limb darkening on the image plane.
但し、中心光と周縁光の像面での到達位置が等しければ、上記(A)乃至(C)の条件の全てを必ずしも満足しなくてもよい。例えば、投射レンズの中心軸が像面に交差する位置以外の位置に中心光及び周縁光が到達する構成でも、本実施形態に係る投射レンズと同等の作用効果を得ることができる。また投射レンズの横収差の形状が三角波状等の他の形状であっても、本実施形態に係る投射レンズと同等の作用効果を得ることができる。さらに、投射レンズの中心軸を含む平面内で、中間光が像面上における中心光及び周縁光の到達位置から最も離れた位置以外の位置に中間光が到達する構成でも、本実施形態に係る投射レンズと同等の作用効果を得ることができる。 However, if the arrival positions of the central light and the limb light on the image plane are equal, it is not always necessary to satisfy all of the above conditions (A) to (C). For example, even in a configuration in which the central light and the limb darkening reach a position other than the position where the central axis of the projection lens intersects the image plane, the same effect as that of the projection lens according to the present embodiment can be obtained. Further, even if the shape of the lateral aberration of the projection lens is another shape such as a triangular wave shape, the same effect as that of the projection lens according to the present embodiment can be obtained. Further, the present embodiment also relates to a configuration in which the intermediate light reaches a position other than the position farthest from the arrival positions of the central light and the peripheral light on the image plane in the plane including the central axis of the projection lens. It is possible to obtain the same effect as that of a projection lens.
<特許文献1に記載の照明装置との比較>
ここで、特許文献1に記載された照明装置100Yとの比較について説明する。図12は、特許文献1に記載された照明装置100Yの特性を説明する図であり、特許文献1に記載の条件に従って光線追跡シミュレーションにより求めた照明装置100Yが有する投射レンズの横収差図である。図12の見方は、図7の横収差図と同様である。
<Comparison with the lighting device described in Patent Document 1>
Here, a comparison with the
図12に示すように、開口部Sの直径の10%以下である直径を有する中心光は、像面で0近傍の位置に到達している。一方、開口部の直径の10%以下である半径方向の幅を有する周縁光は、像面で0近傍に到達しておらず、中心光と重なる位置には到達していない。なお、開口部における光の通過位置が1.0である周縁光の像面での到達位置は0.4mmであり、中心光と周縁光の像面上での位置ずれΔhYは0.4mmである。 As shown in FIG. 12, the central light having a diameter of 10% or less of the diameter of the opening S reaches a position near 0 on the image plane. On the other hand, the limb darkening having a width in the radial direction which is 10% or less of the diameter of the opening does not reach the vicinity of 0 on the image plane and does not reach the position where it overlaps with the central light. The arrival position of the peripheral light in the opening where the light passing position is 1.0 is 0.4 mm, and the positional deviation Δh Y between the central light and the peripheral light on the image plane is 0.4 mm. Is.
このように照明装置100Yでは、中心光と周縁光は像面上で等しい位置に到達しないため、本実施形態に係る照明装置100と同等の作用効果を得ることができない。
As described above, in the
[変形例]
次に、変形例に係る照明装置について説明する。本変形例では、像面での射出面像の面積と、射出面内の所定の点を射出する光により像面に形成される点像の面積の関係を規定することで、投射光の光強度ムラをさらに抑制する。
[Modification example]
Next, the lighting device according to the modified example will be described. In this modification, the light of the projected light is defined by defining the relationship between the area of the ejection surface image on the image plane and the area of the point image formed on the image plane by the light ejecting a predetermined point in the ejection surface. Further suppresses strength unevenness.
図13は、本変形例に係る投射レンズによる射出面像の面積と点像の面積の関係例を示す図である。図13(a)は第1例、図13(b)は第2例、図13(c)は第3例である。第1乃至第3例は、投射光の光強度ムラをさらに抑制するための3通りの関係を示し、3つのうちの何れか1つの関係を満足するように投射レンズを構成することで、投射光の光強度ムラをさらに抑制できる。 FIG. 13 is a diagram showing an example of the relationship between the area of the ejection surface image by the projection lens and the area of the point image according to this modification. 13 (a) is a first example, FIG. 13 (b) is a second example, and FIG. 13 (c) is a third example. The first to third examples show three relationships for further suppressing the light intensity unevenness of the projected light, and the projection lens is configured so as to satisfy any one of the three relationships. The light intensity unevenness of light can be further suppressed.
図13(a)乃至図13(c)のそれぞれにおける左側に示した図は、射出面像の中心付近での点像131と射出面像132との関係を示している。梨地ハッチングで示した重複領域133は、点像131と射出面像132とが重なる領域である。
The figure shown on the left side in each of FIGS. 13 (a) to 13 (c) shows the relationship between the
また図13(a)乃至図13(c)のそれぞれにおける右側に示した図は、隣接する射出面像の間付近での点像131と射出面像132との関係を示している。梨地ハッチングで示した重複領域133は、点像131と射出面像132とが重なる領域である。図13に示す長さLは、矩形状の射出面像の一辺の長さを示し、半径rは、点像の半径を示している。
Further, the figure shown on the right side in each of FIGS. 13 (a) to 13 (c) shows the relationship between the
図13(a)に示すように、第1例では、投射レンズは以下の(1)式乃至(3)式を満足する。
2×r≦L ・・・(1)
Sc=π×r2 ・・・(2)
Sg=(θ-sinθ)×r2/2 ・・・(3)
ここで、Scは点像131の面積を表し、Sgは点像131と射出面像132との重畳面積を表し、θは点像131と射出面像132とが重畳して形成される扇形の中心角を表す。以下においても同じ記号は同じ意味である。
As shown in FIG. 13A, in the first example, the projection lens satisfies the following equations (1) to (3).
2 × r ≦ L ・ ・ ・ (1)
Sc = π × r 2 ... (2)
Sg = (θ-sinθ) × r 2/2・ ・ ・ (3)
Here, Sc represents the area of the
Sg/Sc×2により得られる数値は、暗線コントラストに対応する。上記の(1)乃至(3)式の関係を満足するように半径rや長さLを決定することで、暗線コントラストの値を大きくして光強度ムラを抑制するとともに、光源のオン又はオフの切り替え等に伴う投射光の明暗コントラストを確保できる。 The numerical value obtained by Sg / Sc × 2 corresponds to the dark line contrast. By determining the radius r and the length L so as to satisfy the relationship of the above equations (1) to (3), the value of the dark line contrast is increased to suppress the light intensity unevenness, and the light source is turned on or off. It is possible to secure the contrast between light and dark of the projected light due to the switching of the light source.
また図13(b)に示すように、第2例では、投射レンズは以下の(4)式乃至(6)式を満足する。
L<2×r≦L×√2 ・・・(4)
Sc=r2×{π-2×(θ-sinθ)} ・・・(5)
Sg=(θ-sinθ)×r2/2-L×{cos(θ×r/2)-G/2} ・・・(6)
ここで、Gは隣接する射出面像132間の間隔を表す。作用は第1例と同様である。
Further, as shown in FIG. 13B, in the second example, the projection lens satisfies the following equations (4) to (6).
L <2 × r ≦ L × √2 ・ ・ ・ (4)
Sc = r 2 × {π-2 × (θ-sinθ)} ・ ・ ・ (5)
Sg = (θ-sinθ) × r 2 / 2-L × {cos (θ × r / 2) -G / 2} ・ ・ ・ (6)
Here, G represents the distance between adjacent
また図13(c)に示すように、第3例では、投射レンズは以下の(7)式乃至(9)式を満足する。
L×√2<2×r≦L+G ・・・(7)
Sc=L2 ・・・(8)
Sg=(θ-sinθ)×r2/2+L×{cos(θ×r/2)-G/2} ・・・(9)
作用は第1例と同様である。
Further, as shown in FIG. 13 (c), in the third example, the projection lens satisfies the following equations (7) to (9).
L × √2 <2 × r ≦ L + G ・ ・ ・ (7)
Sc = L 2 ... (8)
Sg = (θ-sinθ) × r 2/2 + L × {cos (θ × r / 2) -G / 2} ・ ・ ・ (9)
The action is the same as in the first example.
このように、本変形例により、像面での射出面像の面積と、点像の面積の関係を規定することで、投射光の光強度ムラをさらに抑制することができる。 As described above, by defining the relationship between the area of the ejection surface image on the image plane and the area of the point image according to this modification, it is possible to further suppress the light intensity unevenness of the projected light.
以上、好ましい実施形態等について詳説したが、上述した実施形態等に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施形態等に種々の変形及び置換を加えることができる。 Although the preferred embodiments and the like have been described in detail above, they are not limited to the above-described embodiments and the like, and various modifications and substitutions are made to the above-mentioned embodiments and the like without departing from the scope described in the claims. Can be added.
1 LEDアレイ(アレイ光源の一例)
11 LED(光源の一例)
12 射出面
13 非射出領域
2 制御部
3 投射レンズ
4 レンズ鏡胴
101 射出面画像
102 暗線画像
131 点像
132 射出面像
300 中心光
301 上側周縁光(周縁光の一例)
302 下側周縁光(周縁光の一例)
303 中間光
A 中心軸
S 開口部
L2、L2、L3 レンズ
Im 像面
1 LED array (an example of array light source)
11 LED (an example of a light source)
12
302 Lower limb darkening (an example of limb darkening)
303 Intermediate light A Central axis S Aperture L2, L2, L3 Lens Im image plane
Claims (8)
開口部を含み、
前記投射レンズにより投射される光のうち、前記開口部の中心を通過する中心光と、前記開口部の周縁を通過する周縁光と、は、前記投射レンズの像面上で等しい位置に到達する投射レンズ。 A projection lens that projects light emitted by an array light source having multiple light sources.
Including the opening
Of the light projected by the projection lens, the central light passing through the center of the opening and the peripheral light passing through the peripheral edge of the opening reach equal positions on the image plane of the projection lens. Projection lens.
前記投射レンズの中心軸が前記射出面に交差する点を射出する光により、前記像面に形成される点像は、平坦な光強度分布を有する請求項1乃至3の何れか1項に記載の投射レンズ。 The light source has an emission surface that emits light.
The point image formed on the image plane by the light emitted at the point where the central axis of the projection lens intersects the ejection surface is according to any one of claims 1 to 3, which has a flat light intensity distribution. Projection lens.
前記像面での射出面像の一辺の長さをLとし、前記射出面内の所定の点を射出する光により前記像面に形成される点像の半径をrとした場合に、以下の(1)式乃至(3)式を満足する請求項1乃至4の何れか1項に記載の投射レンズ。
2×r≦L ・・・(1)
Sc=π×r2 ・・・(2)
Sg=(θ-sinθ)×r2/2 ・・・(3)
(Scは前記点像の面積を表し、Sgは前記点像と前記射出面像との重畳面積を表し、θは前記点像と前記射出面像とが重畳して形成される扇形の中心角を表す。) The light source has a rectangular emission surface that emits light.
When the length of one side of the ejection surface image on the image plane is L and the radius of the point image formed on the image plane by the light emitted from the predetermined point in the ejection surface is r, the following The projection lens according to any one of claims 1 to 4, which satisfies the equations (1) to (3).
2 × r ≦ L ・ ・ ・ (1)
Sc = π × r 2 ... (2)
Sg = (θ-sinθ) × r 2/2・ ・ ・ (3)
(Sc represents the area of the point image, Sg represents the superposed area of the point image and the ejection surface image, and θ is the central angle of the fan shape formed by superimposing the point image and the ejection surface image. Represents.)
前記像面での射出面像の一辺の長さをLとし、前記射出面内の所定の点を射出する光により前記像面に形成される点像の半径をrとした場合に、以下の(4)式乃至(6)式を満足する請求項1乃至4の何れか1項に記載の投射レンズ。
L<2×r≦L×√2 ・・・(4)
Sc=r2×{π-2×(θ-sinθ)} ・・・(5)
Sg=(θ-sinθ)×r2/2-L×{cos(θ×r/2)-G/2} ・・・(6)
(Scは前記点像の面積を表し、Sgは前記点像と前記射出面像との重畳面積を表し、θは前記点像と前記射出面像とが重畳して形成される扇形の中心角を表し、Gは隣接する前記射出面像間の間隔を表す。) The light source has a rectangular emission surface and has a rectangular emission surface.
When the length of one side of the ejection surface image on the image plane is L and the radius of the point image formed on the image plane by the light emitted from the predetermined point in the ejection surface is r, the following The projection lens according to any one of claims 1 to 4, which satisfies the equations (4) to (6).
L <2 × r ≦ L × √2 ・ ・ ・ (4)
Sc = r 2 × {π-2 × (θ-sinθ)} ・ ・ ・ (5)
Sg = (θ-sinθ) × r 2 / 2-L × {cos (θ × r / 2) -G / 2} ・ ・ ・ (6)
(Sc represents the area of the point image, Sg represents the superposed area of the point image and the ejection surface image, and θ is the central angle of the fan shape formed by superimposing the point image and the ejection surface image. Represents, and G represents the distance between the adjacent ejection plane images.)
前記像面での射出面像の一辺の長さをLとし、前記射出面内の所定の点を射出する光により前記像面に形成される点像の半径をrとした場合に、以下の(7)式乃至(9)式を満足する請求項1乃至4の何れか1項に記載の投射レンズ。
L×√2<2×r≦L+G ・・・(7)
Sc=L2 ・・・(8)
Sg=(θ-sinθ)×r2/2+L×{cos(θ×r/2)-G/2} ・・・(9)
(Scは前記点像の面積を表し、Sgは前記点像と前記射出面像との重畳面積を表し、θは前記点像と前記射出面像とが重畳して形成される扇形の中心角を表し、Gは隣接する前記射出面像間の間隔を表す。) The light source has a rectangular emission surface and has a rectangular emission surface.
When the length of one side of the ejection surface image on the image plane is L and the radius of the point image formed on the image plane by the light emitted from the predetermined point in the ejection surface is r, the following The projection lens according to any one of claims 1 to 4, which satisfies the equations (7) to (9).
L × √2 <2 × r ≦ L + G ・ ・ ・ (7)
Sc = L 2 ... (8)
Sg = (θ-sinθ) × r 2/2 + L × {cos (θ × r / 2) -G / 2} ・ ・ ・ (9)
(Sc represents the area of the point image, Sg represents the superposed area of the point image and the ejection surface image, and θ is the central angle of the fan shape formed by superimposing the point image and the ejection surface image. Represents, and G represents the distance between the adjacent ejection plane images.)
請求項1乃至7の何れか1項に記載の投射レンズと、を有する照明装置。 An array light source with multiple light sources and
A lighting device comprising the projection lens according to any one of claims 1 to 7.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2020160060A JP2022053298A (en) | 2020-09-24 | 2020-09-24 | Projection lens and illumination device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2020160060A JP2022053298A (en) | 2020-09-24 | 2020-09-24 | Projection lens and illumination device |
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-
2020
- 2020-09-24 JP JP2020160060A patent/JP2022053298A/en active Pending
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