JP2022076885A - 照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】照射領域と非照射領域とを明瞭に区別して均一に照らすことが可能で、さらに、軽量且つ小型な照明装置を提供する。【解決手段】本発明の照明装置１は、光源２と、前記光源２の光が入射するコリメータ３と、前記コリメータ３を通過した光が入射するフライアイレンズ４であって、光の入射側に二次元配列された複数のレンズセル４０ａ、及び、入射側の前記レンズセルのそれぞれと対向して二次元配列された複数の出射側のレンズセル４０ｂを備えるフライアイレンズ４と、を具備し、入射側及び出射側のそれぞれの前記レンズセル４０は、一辺のサイズが５００μｍ以下で、隣り合うレンズセル４０間において、一方のレンズセル４０のレンズ有効部と他方のレンズセル４０のレンズ有効部との間の距離が１０μｍ以下である。【選択図】図１

Description

本発明は、照明装置に関する。

従来、光源と、平行光束化するコリメータ光学系と、光束の光強度分布を均一化するインテグレータ光学系と、アパーチャと、正のパワーを持つ光学系と、を有する照明装置が開示されている（特許文献１参照）。
この照明装置は、ポスタや看板、絵画やボード等、比較的大きな矩形形状等の被照明面の形状に応じた照明領域を照明できる照明装置である。この照明装置において、インテグレータ光学系は、フライアイレンズとコンデンサレンズとを有する。光源からの発散性の光束はコリメータ光学系により平行光束化されてフライアイレンズに入射し、個々のフライアイレンズにより独立した小径の光束となる。これら小径の光束はコンデンサレンズにより相互に重畳され、アパーチャの開口部の位置で、光強度が均一化された光束として合成される。上記照明装置によると、照射領域と非照射領域とを区別して均一に照らすことができる。

特開２０１８－００６２５０号公報

しかし、近年、照射領域と非照射領域とをより明瞭に区別して均一に照らすことが可能で、さらに軽量且つ小型な照明装置が望まれている。

上記課題を解決するために、本発明は、光源と、前記光源の光が入射するコリメータと、前記コリメータを通過した光が入射するフライアイレンズであって、光の入射側に二次元配列された複数のレンズセル、及び、入射側の前記レンズセルのそれぞれと対向して二次元配列された複数の出射側のレンズセルを備えるフライアイレンズと、を具備し、入射側及び出射側のそれぞれの前記レンズセルは、一辺のサイズが５００μｍ以下で、隣り合うレンズセル間において、一方のレンズセルのレンズ有効部と他方のレンズセルのレンズ有効部との間の距離が１０μｍ以下である、照明装置を提供する。

一列に並ぶレンズセルと、前記一列と隣り合う列に並ぶレンズセルとの間の隙間は、前記列が並ぶ方向と直交する方向の位置のばらつきが３μｍ以下であることが好ましい。

前記レンズセルの配列ピッチが、不均一であってもよい。

前記レンズセルの一辺のサイズは、前記フライアイレンズの一辺の大きさの１／５０～１／１００であることが好ましい。

前記光源は、可視光を発生させる光源であってもよい。

前記光源は、赤外光を発生させる光源であってもよい。

前記光源は、紫外光を発生させる光源であってもよい。

本発明によれば、照射領域と非照射領域とを明瞭に区別して均一に照らすことが可能で、さらに軽量且つ小型な照明装置を提供することができる。

照明装置１の基本光学系を示す概略図である。 フライアイレンズ４を説明する図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は（ｂ）の部分拡大図である。 （ａ）は実施形態のフライアイレンズ４、（ｂ）は比較形態のフライアイレンズ４´の拡大写真である。 図２（ｃ）のＢ部の拡大図であり、図中実線は実施形態、点線は比較形態である。 隣り合うレンズセル４０間の隙間の位置のばらつき（直線性）を測定したグラフである。 （ａ）は実施形態の照明装置１、（ｂ）は比較形態の照明装置を用いた場合のスクリーンに照射された光の照度パターンの写真である。 図６の照度パターンの写真の長手方向中央部の輝度を２５６諧調で示したグラフであり、太線は実施形態、細線は比較形態である。 実施形態の第１変形例を説明する図であり、（ａ）はレンズセル４０の形状や配列ピッチが矩形で均一の場合、（ｂ）及び（ｃ）はレンズセル４０の形状や配列ピッチを±１０％ランダムに再配列させた第１変形形態を示す図である。 照明装置１から出射された光のＸＹ方向それぞれの輝度を示したであり、図９（ａ）は図８（ａ）の場合、図９（ｂ）は図８（ｂ）の場合である。 実施形態の第２変形例を説明する図であり、（ａ）はレンズセル４０の配列を均一の６角稠密配列の形状にした場合、（ｂ）はレンズセル４０の形状を±１０％ランダムに再配列させた第２変形例を示す図である。 照明装置１から出射された光のＸＹ方向それぞれの輝度を示したグラフであり、図１１（ａ）は図１０（ａ）の場合、図１１（ｂ）は図１０（ｂ）の場合である。

以下、本発明の実施形態の照明装置１について説明する。図１は照明装置１の基本光学系を示す概略図である。照明装置１は、例えば懐中電灯等の小型な照明装置１である。ただし、本発明の照明装置１は懐中電灯に限らず、他の照明装置であってもよい。照明装置１は、光源２と、コリメータ３と、フライアイレンズ４と、を備える。なお、実施形態の照明装置１は、全体として発散角が横４０°、縦２７°である。

（光源２）
光源２は、例えば、可視光、赤外線、紫外線等を発生させる光源であり、発光ダイオード等の固体光源やランプなどである。

（コリメータ３）
コリメータ３は、レンズまたはリフレクタであって、光源２から出射した光を概略平行光とする。実施形態でコリメータ３はリフレクタ兼レンズで、カップ状の鏡面を有し、光源２から出射した光を反射と集光を用いて、一定範囲の略平行光とする。

（フライアイレンズ４）
図２はフライアイレンズ４を説明する図であり、図２（ａ）は正面図、図２（ｂ）は側面図、図２（ｃ）は図２（ｂ）の部分Ａの拡大図である。
図２（ｃ）に示すように、フライアイレンズ４は、コリメータ３からの光の入射側に二次元配列された複数のレンズセル４０ａと、入射側のレンズセル４０のそれぞれと対向して出射側に二次元配列された複数のレンズセル４０ｂと、を備える。レンズセル４０ａとレンズセル４０ｂとは、同形状であり、区別して説明する必要のない場合、レンズセル４０として説明する。

フライアイレンズ４は、入射側のレンズセル４０ａにより光束を分割し、出射側のレンズセル４０ｂによりそれぞれの光束を照射領域に導くものである。フライアイレンズ４を用いることで、光源の輝度むらを分散させることができるので、照射面で一様な照度分布を得ることができる。また、照射領域での光束の形状は、レンズセル４０の形状に対応した矩形形状となる。

フライアイレンズ４は、例えば、低融点ガラスのＫ－ＶＣ８２で製造されている。実施形態においてフライアイレンズ４は、凹レンズのレンズ間ギャップが１０μｍ以下の型を製作し、ガラスモールド成形装置で成形する。

（フライアイレンズ４のサイズ）
実施形態のフライアイレンズ４は、図２（ａ）で示すように全体形状として略矩形で、一辺の大きさは１０ｍｍ～３０ｍｍであり、実施形態では２０ｍｍである。
以下、従来の一般的なフライアイレンズ４を比較形態として説明する。
比較形態のフライアイレンズ４も、一辺が２０ｍｍ程度である。しかし、比較形態のセルサイズが１．２ｍｍ×０．７ｍｍに対し、実施形態のフライアイレンズ４は、比較形態と比べてセルサイズが０．３ｍｍ×０．２ｍｍと小さい。このため、２０ｍｍ角に配置した場合、比較形態では４４８個、実施形態では６６００個のセルを配置することができる。このように、同じサイズで１０倍以上のセルを配置することができるので、実施形態のフライアイレンズ４は、懐中電灯等の小型の照明装置１に用いても十分な照度均一化を実現することができる。このとき、セルサイズは一辺の大きさに対して比較形態は１／１５～１／３０、実施形態は１／５０～１／１００の値をとることができる。
従来、比較形態のフライアイレンズ４のようなものは、プロジェクターの光源用途として製作されているが、光学系の中に拡散板やライトトンネルを併用して光の均一度を向上させたり、アパーチャの稜線を結像させることで矩形外周のエッジを形成する使い方をされている。そのため、フライアイレンズ４のセルサイズはあまり小さくなくても機能的に十分であった。それに対し、実施形態の照明装置１では、セルサイズの小さいフライアイレンズ４を適用し、照射光の照度均一化とエッジ明瞭化を実現させる構成とした。これにより、所望の光学性能の照明装置を軽量且つ小型で実現できるようになった。

図３（ａ）に実施形態のフライアイレンズ４、図３（ｂ）に比較形態のフライアイレンズ４´の拡大写真を示す。実施形態のフライアイレンズ４及び比較形態のフライアイレンズ４´は、例えばアスペクト比６：４といった複数の矩形のレンズセル４０，４０‘が、縦横に二次元に整列配置されて構成されている。

（レンズセル４０のサイズ）
実施形態のフライアイレンズ４のそれぞれのレンズセル４０のサイズは、一辺が５００μｍ以下であり、好ましくは４００μｍ以下であり、実施形態では３００μｍ×２００μｍである。そして、レンズセル４０の一辺のサイズは、フライアイレンズ４の一辺の大きさの１／５０～１／１００である。
一方、比較形態のフライアイレンズ４´のそれぞれのレンズセル４０´のサイズは、例えば１２００μｍ×８００μｍといった少なくとも一辺が７００ｍｍ以上である。
このように、実施形態ではそれぞれのレンズセル４０のサイズが５００μｍ以下であるので、懐中電灯等の小型の照明装置１に用いるために、フライアイレンズ４全体の大きさを小さくしても、多くのレンズセル４０を搭載することができる。

図２（ｃ）に示すように、入射側のレンズセル４０ａの凸部の頂点と、その入射側のレンズセル４０ａと対向する出射側のレンズセル４０ｂの凸部頂点との間の距離（軸上厚）１０００μｍ以下が好ましく、実施形態では８００μｍである。また、レンズの曲率半径Ｒは、３４４μｍである。
一方、比較形態の入射側のレンズセルの凸部の頂点と、その入射側のレンズセルと対向する出射側のレンズセルの凸部頂点との間の距離は５ｍｍ（５，０００μｍ）程度である。

図４は、図２（ｃ）のＢ部の拡大図であり、図中実線は実施形態、点線は比較形態である。実施形態では、入射側又は出射側のそれぞれの面内で隣り合うレンズセル４０間において、一方のレンズセル４０のレンズ有効部と他方のレンズセル４０のレンズ有効部との間の幅ｄ、すなわちレンズ非有効部の幅ｄは１０μｍ以下である。
レンズ有効部とは、レンズセル４０における集光に寄与する部分で、レンズ非有効部とは、レンズ有効部の外周部でレンズセル４０における集光に寄与せず、光が発散や散乱する部分である。
例えば、比較形態において幅ｄ´は、図４に示すそれぞれのレンズセル４０´の頂点を通る断面において、一つのレンズセル４０´の輪郭が作るラインの変曲点Ｐと、その隣のレンズセル４０´の輪郭が作るラインの変曲点Ｐとの間の幅ｄ´（距離）となるが、実施形態は変曲点Ｐの存在が確認できないレベルであり、光が散乱する部分の幅は１０μｍ以下である。

（直進性）
図５は、図３に示すように、レンズセル４０が並ぶ方向をＸＹ方向としたときに、例えばＹ方向において隣り合うレンズセル４０とレンズセル４０との間のＸ方向に延びる隙間の、Ｙ方向の位置のばらつき（直進性）を測定したグラフである。
図５の図中黒丸は図３（ａ）に示す実施形態のフライアイレンズ４のレンズセル４０間の隙間ＤであるラインＣの直進性であり、バツ印は図３（ｂ）に示す比較形態のフライアイレンズ４´のレンズセル４０´間の隙間であるラインＣ´の直進性である。図５の左側端部での隙間の位置をＹ座標のゼロとし、図中Ｘ方向において約１２００μｍ右側へ向かったときの隙間ＤのＹ方向の位置をプロットしたものである。

グラフで示すように、比較形態では、隙間Ｄ´の位置は約マイナス１．０μｍ～＋５．５μｍの範囲にある。すなわち、Ｙ方向の位置の振れ幅ｍ´は約６．５μｍである。
これに対して実施形態では、隙間Ｄの位置は約マイナス１．０～＋０．５μｍの範囲にある。すなわち、Ｙ方向の位置の振れ幅ｍは１．５μｍである。なお、実施形態では、１．５μｍに限らず、３μｍ以下であればよく、２μｍ以下であればさらに好ましい。

（実施形態の効果）
このように実施形態では、一方のレンズセル４０のレンズ有効部と他方のレンズセル４０のレンズ有効部との間の幅ｄ、すなわちレンズ非有効部の幅ｄは１０μ以下と、比較形態の５０μｍと比べてかなり小さい。
さらに、一方向に延びる隙間Ｄの、その一方向と直交する方向の位置ずれが１．５μｍで比較形態の６．５μｍと比べてかなり小さい。すなわち、隣り合うレンズセル４０間の隙間Ｄの直進性が高い。
このため、実施形態では、フライアイレンズ４の隙間Ｄの影響で発生する散乱光の発生が比較形態と比べて非常に小さく抑えられる。これにより、照明装置１の照射光の最外周部の照度低下を急峻にすることができる。

図６は、照明装置１から距離２ｍの位置にスクリーンを配置したときのスクリーンに照射された光の照度パターンの写真であり、（ａ）は実施形態の照明装置１、（ｂ）は比較形態の照明装置を用いた場合である。図７は図６の照度パターンの写真の長手方向中央部の輝度を２５６諧調で示したグラフであり、太線は実施形態、細線は比較形態である。

図６の写真で示すように、図６（ｂ）の比較形態の場合は、周囲の輪郭がぼやけている。しかし、図６（ａ）の実施形態の場合は、比較形態と比べて周囲の輪郭が明瞭である。

図７の図中、中央部の高輝度領域において、比較形態では輝度の変動があり、特に符号３１で示す位置では輝度ムラが生じている。しかし、実施形態では、高輝度領域において、比較形態と比べて輝度の変動が少なく略均一である。

図７の図中、高輝度領域の右端部において、比較形態では、略一定の高輝度領域から一旦、輝度がさらに上昇するエッジ部異常集光部分３２が存在している。しかし、実施形態では、略一定の高輝度領域から一気に輝度が低下している。

図７の図中、右側における図中右から左への輝度の立ち上がり部分において、比較形態では、符号３３の部分に示すように、輝度の立ち上がりが緩やかである。しかし、実施形態では、比較形態と比べて輝度の上昇が急峻である。

以上のように、比較形態では、照明範囲の輪郭が実施形態よりぼやけている。これは、隣り合うレンズセル４０間の隙間の幅が広く且つ直進性が低いので、散乱光が発生しやすいからであると考えられる。ゆえに、このような比較形態においては照明範囲の輪郭を明瞭にしたい場合、アパーチャ等が配置されていた。

しかし、実施形態では、隣り合うレンズセル４０間の隙間Ｄが狭く、直進性が高い。
したがって、散乱光が発生しにくく、照明範囲の輪郭が明瞭である。ゆえに、アパーチャを設ける必要がない。したがって、照明装置１の軽量化が可能で、コストも削減可能である。
さらに、フライアイレンズの１個１個のレンズの稜線が明瞭であり、アパーチャの輪郭を結像させる必要が無いのでフォーカスフリーが達成可能である。

ゆえに、実施形態の照明装置１を、例えば懐中電灯に用いることで、均一な照度分布より利用者の視認性を向上させることができる。また照射範囲最外周部の照度低下が急峻なことを利用して、対向する人の顔から下だけを照らすことが可能になり、対向する人が眩しくない状態を確保しつつ、人の存在をはっきりと確認することが可能になる。

さらには照射光の発散角を横３０°から４０°、縦２０°から３０°の矩形にすることで、人間が視野範囲として脳内で一括処理できる範囲と照射範囲を一致させることができる。これにより、警備業務や捜索活動に有効な照明をつくることができる。

また、標識や看板の照明に利用した場合、被照射物の視認性向上と同時に、被照射物の外に配光される光がほとんどないことから、漏れ光の低減による光害の低減やエネルギーの利用効率向上に寄与する。

セルサイズが５００μｍ以下であることから、内視鏡のような出射端が数ミリとなる超小型サイズの照明にも適用可能となる。

さらには赤外線に利用範囲を広げることで、例えば赤外線カメラの視野内の光量分布均一化を実現し、ダイナミックレンジが小さいカメラでも、ハレーションを起こさず、高解像画像を得ることができる。
紫外線に利用範囲を広げることにより、例えば均一な殺菌や工業用途では露光や接着工程でのＵＶ照度均一化を簡便な光学系で実現することが可能になる。特に紫外線は照射されたものを劣化させるため、明瞭な被照射領域で照射箇所周辺の劣化を防ぐことができる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば以下のような変形例が可能である。

（第１変形例）
実施形態ではレンズセル４０の形を一定形状とした。しかし、これに限らず、レンズセル４０の形状や配列ピッチを不均一にしてもよい。図８は、実施形態の第１変形例を説明する図であり、図８（ａ）はレンズセル４０の形状や配列ピッチが、横３３０μｍ、縦２２０μｍの矩形で均一の場合、図８（ｂ）はレンズセル４０の形状や配列ピッチを、横３３０μｍ、縦２２０μｍをベースとしつつ±１０％ランダムに再配列させた第１変形形態を示す図であり、図８（ｃ）は図８（ｂ）の部分Ｃの拡大図である。ランダムに再配列させた各レンズセル４０の形状は４角形から８角形の形状となり、図８（ｃ）で示すレンズセル４０は８角形である。
図９は、照明装置１から出射された光の長手方向をＸ、短手方向をＹとしたときの、ＸＹ方向それぞれの輝度（Ｗ／ｍｍ^２）を示したグラフであり、図９（ａ）は図８（ａ）の場合、図９（ｂ）は図８（ｂ）の場合である。
図示するように、図８（ｂ）のようにレンズセル４０の形状や配列ピッチを不均一にしてランダム性を持たせることで、照射範囲外周のエッジをぼかすことができる。

（第２変形例）
図１０は実施形態の第２変形例を説明する図であり、図１０（ａ）はレンズセル４０の配列を均一の６角稠密配列の形状にした場合、図１０（ｂ）はレンズセル４０の形状を均一の６角稠密配列をベースとしつつ±１０％ランダムに再配列させた第２変形例を示す図である。
図１１は、照明装置１から出射された光の長手方向をＸ、短手方向をＹとしたときの、ＸＹ方向それぞれの輝度（Ｗ／ｍｍ^２）を示したグラフであり、図１１（ａ）は図１０（ａ）の場合、図１１（ｂ）は図１０（ｂ）の場合である。
図１０（ａ）のように、レンズセル４０の配列を６角稠密配列とした例を示した図である。このようにレンズセル４０の配列を６角稠密配列とすることで、照射範囲を６角形にすることができる。また、図１０（ｂ）のように、第１変形例と同様に。レンズセル４０の形状や配列ピッチを不均一にしてランダム性を持たせることで、照射範囲外周のエッジをぼかすことができる。

第１変形例や第２変形例は景観や鑑賞用途の場合、照射範囲にエッジがあることで違和感を、照射範囲と被照射範囲が滑らかにながる照明が望ましい場合に用いる。この場合、図８（ｂ）や図１０（ｂ）に示すように、レンズセル４０の形状や配列ピッチを不均一にしてランダム性を持たせることにより、外周のボケ具合を調整することができ、景観照明や鑑賞用途等の用途に好適な照明装置１を提供することが可能となる。

１ 照明装置
２ 光源
３ コリメータ
４ フライアイレンズ
４０ レンズセル
４０ａ 入射側レンズセル
４０ｂ 出射側レンズセル

Claims (7)

1. 光源と、
   前記光源の光が入射するコリメータと、
   前記コリメータを通過した光が入射するフライアイレンズであって、
   光の入射側に二次元配列された複数のレンズセル、及び、入射側の前記レンズセルのそれぞれと対向して二次元配列された複数の出射側のレンズセルを備えるフライアイレンズと、を具備し、
   入射側及び出射側のそれぞれの前記レンズセルは、一辺のサイズが５００μｍ以下で、隣り合うレンズセル間において、一方のレンズセルのレンズ有効部と他方のレンズセルのレンズ有効部との間の距離が１０μｍ以下である、
   照明装置。
2. 一列に並ぶレンズセルと、前記一列と隣り合う列に並ぶレンズセルとの間の隙間は、
   前記列が並ぶ方向と直交する方向の位置のばらつきが３μｍ以下である、
   請求項１に記載の照明装置。
3. 前記レンズセルの配列ピッチが、不均一である、
   請求項１または請求項２に記載の照明装置。
4. 前記レンズセルの一辺のサイズが、前記フライアイレンズの一辺の大きさの１／５０～１／１００である、
   請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の照明装置。
5. 前記光源は、可視光を発生させる光源である、
   請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の照明装置。
6. 前記光源は、赤外光を発生させる光源である、
   請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の照明装置。
7. 前記光源は、紫外光を発生させる光源である、
   請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の照明装置。

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