JP4763062B2 - 照明用光学モジュール及び照明用灯具 - Google Patents

Description

本発明は、対象物に影を与えないで照射することが可能なＬＥＤ光源を用いた照明用光学モジュール及び照明用灯具に関する物である。

医療現場や精密作業現場においては患部や作業箇所の観察の為に照射しても影を生じない無影灯を用いて対象箇所を照らしている。従来このような無影灯ではハロゲン電球と赤外線透過型反射ミラーで構成されているのが一般的であった。しかし、ハロゲン電球を用いた無影灯は消費電力が大きく、高い放射熱があった。また、作業中にフィラメントが断線して照射不能になるなどの問題が生じる場合があった。

このような問題に対応するため、従来のハロゲン電球に替わりＬＥＤ光源を用いた無影灯が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

特許文献１に記載される無影灯では、長寿命で光の制御が容易な無影灯を構成するため、反射型ＬＥＤを複数個用いた平行光を出射する光源モジュールで、その光源モジュールの間隔と照射角度を変化させる構成としている。
特開２００６−１５６０７４号公報

しかし、ＬＥＤ光源を反射鏡で配光制御する場合、光源の取り付け位置のズレは反射面法線角度変化の２倍となり各々の光源による照射位置に大きなズレが生じる。このため、光源の取り付け面角度精度が低くなると、光源を備えた各モジュールの照射位置にズレが生じるため、配光の照度が均一にはならず必要な照度を得ることが困難となり輪郭ボケも生じる。また、照射位置のズレにより所望の照射領域を超えて光が照射される問題も生じるので、例えば歯科医療用の無影灯の場合には、配光が口腔の部分に収まらずにオーバーすることで患者の視野にも達し、患者に眩しさによる不快感を与えることとなる。

本発明はこのような問題に対して成されたものであり、高い組み立て精度や取り付け精度が無くとも正しく所望の照射領域内に光が照射され、必要な照度を備えた輪郭ボケの無い切れの良い配光となる照明用光学モジュール及び照明用灯具を提供することを目的としている。

本発明は前記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、ＬＥＤ光源と、前記ＬＥＤ光源からの出射光を通す所望の形状のスリットが設けられたガイドマスク部材と、焦点が前記スリット近傍に位置する投影レンズと、を備え、前記投影レンズは拡散カットを施されて複数の区画に区切られ、入射光を水平方向に拡散する光学レンズであり、前記投影レンズの拡散方向と前記スリットの長手方向が同じであることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、ＬＥＤ光源から出射された光はガイドマスク部材に形成されたスリットを通ることにより、スリットの形状を成す明確な発光光源エリアを形成する。この所望の配光パターン形状と合致した発光光源エリアによる光は焦点をスリット近傍に有する投影レンズによって照射されることにより、レンズ屈折現象で制御されて所定の距離で所望の配光パターンとなるように照射される。

これにより、容易に所望の配光パターン形状とすることが可能であって、照明用光学モジュールの組み立て精度が低くともレンズ屈折現象により制御するので照射される位置のズレは１／屈折率に抑えられるため、正しく所望の照射領域内に光が照射され、必要な照度を備えた輪郭ボケの無い切れの良い配光を形成する照明用光学モジュールとすることが可能となる。
また、請求項１の発明によれば、上下に短く左右に長い矩形を成す所望の配光パターンとする際、スリットを通過して所望の形状に形成された光が拡散カットを施されて複数の区画に区切られた投影レンズにより制御され水平方向に拡散される。投影レンズの拡散方向とスリットの長手方向は同じため、スリットを通過した光は所望の配光パターン左右方向サイズに制御される。上下方向は純粋な対物レンズ効果により平行光線で前方へ投影照射される。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の照明用光学モジュールが、光軸が所定の距離を半径とする円弧の中心へ向かうように角度をつけて筐体に取り付けられたことを特徴としている。

請求項２の発明によれば、ＬＥＤ光源とガイドマスク部材と投影レンズにより構成される光学モジュールは、無影灯等の照明用灯具の筐体外周部に複数取り付けられている。取り付け角度は、所定の距離にあるスクリーン上で所望の照射領域内に配光されるように、光軸が所定の距離を半径とする円弧の中心へ向かうように取り付けられる。これにより、複数の光学モジュールからの光が正しく所望の照射領域内に照射され、必要な照度を備えた輪郭ボケの無い切れの良い配光となる。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記距離における配光サイズが所望の配光サイズよりも小さいことを特徴としている。

請求項３の発明によれば、照明用光学モジュールの取り付け誤差などによる照射位置のズレが生じても所望の照射領域内に照射され、歯科医療用の場合には患者に眩しさによる不快感を与えることが無くなる。

以上説明したように、本発明の照明用光学モジュール及び照明用灯具よれば、所望の配光パターン形状と合致したガイドマスク部材と投影レンズによって高い組み立て精度や取り付け精度が無くとも正しく所望の照射領域内に光が照射され、必要な照度を備えた輪郭ボケの無い切れの良い配光となる照明用光学モジュール及び照明用灯具とすることが可能となる。

以下、添付図面に従って本発明に係る照明用光学モジュール及び照明用灯具の好ましい実施の形態について詳説する。図１は本発明に係わる照明用光学モジュールの構成を示した斜視図、図２はガイドマスク部材のスリットの状態を示した正面図、図３は照明用光学モジュールによる配光パターンを示した斜視図、図４は照明用光学モジュールの構成を示した斜視図である。

図１に示すように、本発明に係わる照明用光学モジュール１はＬＥＤ光源２、ガイドマスク部材３、投影レンズ４により構成される。

ＬＥＤ光源２は、ベース板５上にＬＥＤ装置６が取り付けられている。ＬＥＤ装置６はＬＥＤチップ７の周囲を蛍光体８を含有するモールド樹脂８ａで覆い、ＬＥＤチップ７から照射する光により蛍光体８から異波長の発光を放射する。例えばこれにより白色発光する。本実施の形態ではＬＥＤチップ７及び樹脂モールド８ａは外枠８ｂに設けた円形状の凹部内に設けられている。

また、本実施の形態ではＬＥＤ装置６はＬＥＤチップ７の周囲を蛍光体８を含有するモールド樹脂８ａで覆うことで白色発光させているが、本発明はこれに限らずＲ、Ｇ、Ｂの三原色のＬＥＤチップを使用するなどにより白色発光可能なものであればいずれの物でも好適に実施可能である。

ガイドマスク部材３は中央部にスリット９が形成された板状部材であって、ＬＥＤ光源２と投影レンズ４との間に配置される。ガイドマスク部材３はアルミ材などの金属材料、セラミック材等により形成され、表面が塗装、焼付け塗装、アルミ蒸着等により着色されている。

スリット９は所望の配光パターン形状と合致した矩形に形成されている開口部であって、図２に示すようにＬＥＤ光源２の蛍光体８前方に位置付けられる。これにより、蛍光体８より出射した光はガイドマスク部材３により一部が遮られ、所望の配光パターン形状と合致したスリット９の形状を成す明確な発光光源エリアを形成する。

なお、スリット９は所望の配光パターン形状を形成する大きさよりも小さいことが望ましく、これにより照明用光学モジュール１の取り付け角度の精度が高くなくとも所望の照射領域を越えることがなくなる。

また、ガイドマスク部材３の表面は青色、紺色、白色、迷彩色等に塗装、またはＡｌやＡｇなどの金属膜を蒸着、またはスパッタやメッキ等で表面処理を施されている。従来の照明用光学モジュールでは消灯時にレンズ越しに内部の光源等の構成部品が視認されるため、例えば構成部品に黒色が多く使用されている場合、レンズ内に外光が入射しづらい事もあり、あたかも黒色レンズのように見えるので無影灯用光学モジュールの見栄えが悪くなる。しかし、ガイドマスク部材３の表面を塗装、金属膜蒸着、スパッタ、メッキ等を施すことにより非点灯時の見栄えを明瞭かつ明るいイメージとして向上させ、商品価値を高めることが可能となる。

投影レンズ４はアクリル、ポリカーボネイトなどの透明樹脂材、ガラス材等により形成されるレンズ１０とレンズ１０を保持するレンズホルダー１１とから構成される。レンズ１０はスリット９近傍に焦点を有し、拡散カットが施されて複数の区画に区切られた凸レンズである。レンズ１０はスリット９を通過して所望の配光パターン形状に形成された光を区画毎に制御してスリット９の長手方向と同方向の水平方向に拡散させる。これによりスリット９を通過した光が所望の配光パターンの左右方向サイズに制御される。

配光パターン左右方向サイズの制御では図３に示すように、左右方向の幅Ｗは通常の凸レンズと組み合わせた場合、スリット９により形成された発光光源エリアにより領域Ａまでしか配光されないが、レンズ１０と組み合わせることにより水平方向拡散の機能によって領域Ｂまで配光制御される。上下方向は純粋な対物レンズ効果により平行光線で前方へ投影照射されて通常の凸レンズと同じ高さＴのまま配光される。これにより、所望の形状とサイズであって、左右になだらかな照度分布傾斜となる輪郭ボケの無い切れの良い配光となる。

また、本発明の照明用光学モジュール１ではリフレクタを用いて光を制御することにより入射角のズレが出射角で更に加わり２倍となる場合に比べ、ＬＥＤ光源２やスリット９の位置にズレが生じてもレンズ屈折現象により制御するので照射される位置のズレは１／屈折率に抑えられ、高い組み立て精度が無くとも正しく所望の照射領域内に光が照射される。

続いて、このように構成された照明用光学モジュール１は図４に示すように、無影灯１２の筐体１３の外周部に複数個取り付けられる。筐体１３は所定角度にエーミングされた複数の平面１４を備えている。照明用光学モジュール１は図５に示すように所定の距離Ｌにあるスクリーン上で所望の照射領域内に光が配光されるように、距離Ｌを半径とする円弧の中心へ光軸を向けて筐体１３の外周部の平面１４へ取り付けられる。これにより、複数の照明用光学モジュール１による配光が図６に示すように所望の照射領域Ｓ内に複数照射され所望の照度が得られる。

次に無影灯１２の作用について詳説する。本実施の形態では無影灯１２としてＬＥＤ光源を用いた歯科医療用無影灯を例に説明する。なお、本実施の形態では歯科医療用無影灯を例に説明するが、本発明の照明用光学モジュールは各種の精密作業等に使用する照明用として利用可能であり特にこれに限定されるものでない。

図１に示すように無影灯１２はＬＥＤ光源２、ガイドマスク部材３、投影レンズ４により構成された照明用光学モジュール１により構成されている。ＬＥＤ光源２より出射された光はガイドマスク部材３に形成されたスリット９により一部が遮られ所望の配光パターン形状に形成される。スリット９を通した光は投影レンズ４のレンズ１０により水平方向拡散されて所望の配光パターンの左右方向サイズに制御される。

ＬＥＤ光源２はベース板５上にＬＥＤ装置６が取り付けられ、ＬＥＤ装置６はＬＥＤチップ７の周囲を蛍光体８を含有するモールド樹脂８ａで覆われている。ＬＥＤチップ７及び樹脂モールド８ａは外枠８ｂに設けた円形状の凹部内に設けられ、本実施の形態では発光サイズ、すなわち凹部のサイズとしてはφ３ｍｍ〜φ４ｍｍの物が使用される。

続いて、このようなＬＥＤ光源２、ガイドマスク部材３、投影レンズ４により構成された照明用光学モジュール１は図４に示す筐体１３の外周部に複数個取り付けられて無影灯１２を構成する。照明用光学モジュール１は歯科医療用無影灯の場合、半径７００ｍｍの円弧の中心へ光軸が向かうように角度をつけて取り付けられる。

このとき、発光サイズがφ４の円形である場合、ガイドマスク部材３のスリット９の形状を上下高１．８ｍｍ、左右幅４ｍｍの矩形とするとレンズ１０により配光される光の上下高は焦点距離の関係から８０ｍｍとなり、スリット９の形状を上下高１．６ｍｍ、左右幅４ｍｍの矩形とすると配光される光の上下高は７０ｍｍとなる。

スリット９を使用せずにφ４のままの光として出射した場合は配光される光の上下高は１８０ｍｍとなり、患者の眼に光が入るので患者に不快感を与えるためスリット９の上下高を制御することで、配光パターンの上下高が制御される。仮にガイドマスク部材３を使用せずに上下高の問題を解消するには、焦点距離を２倍以上に長くする必要があり、無影灯の奥行きが深くなるとともに正面視サイズも拡大するため無影灯のサイズが大きくなりＬＥＤ光源２を使用してコンパクトな無影灯とする優位性が低下する。

スリット９の形状は、照明用光学モジュール１による配光パターンが所望の配光パターンより小さくなるように形成されているので、平面１４の取り付け角度の精度が高くなくとも所望の照射領域を越えることが無い。

また、照明用光学モジュール１はＬＥＤ光源２やスリット９の位置にズレが生じてもレンズ屈折現象により制御するのでリフレクタの反射を用いて光を制御するのに比べ照射位置のズレが抑えられ、高い組み立て精度が無くとも正しく所望の照射領域内に光が照射される。これにより患者の眼に光が入ることが無くなり、患者に不快感を与えることが無い。

照明用光学モジュール１の取り付け個数は、例えばＬＥＤ装置６の発光面積を６．４ｍｍ^２、光束を８０ｌｍ（１．１Ｗ）とした場合、１０個の照明用光学モジュール１（合計消費電力１１Ｗ）により、５５Ｗのハロゲン電球を光源として用いた無影灯と同等の照度が得られた。これにより、本発明の無影灯１２は従来の５５Ｗから１１Ｗの消費電力となり、８０％の省電力となる。

以上、説明したように、本発明に係わる照明用光学モジュール１によれば、所望の配光パターン形状と合致したガイドマスク部材と水平方向拡散させる投影レンズによって高い組み立て精度や取り付け精度が無くとも正しく所望の照射領域内に光が照射され、必要な照度を備えた輪郭ボケの無い切れの良い配光となる照明用光学モジュール及び照明用灯具とすることが可能となる。

本発明に係わる照明用光学モジュールの構成を示した斜視図。 ガイドマスク部材のスリットの状態を示した正面図。 照明用光学モジュールによる配光パターンを示した斜視図。 無影灯の構成を示した斜視図。 照明用光学モジュールの取り付け状態を示した側面図。 照明用光学モジュールの取り付けズレにより照射位置のズレを示した斜視図。

１…無影灯用光学モジュール，２…ＬＥＤ光源，３…ガイドマスク部材，４…投影レンズ，５…ベース板，６…ＬＥＤ装置，７…ＬＥＤチップ，８…蛍光体，８ａ…樹脂モールド，８ｂ…外枠，９…スリット，１０…レンズ，１１…レンズホルダー，１２…無影灯，１３…筐体，１４…平面

Claims (3)

1. ＬＥＤ光源と、
   前記ＬＥＤ光源からの出射光を通す所望の形状のスリットが設けられたガイドマスク部材と、
   焦点が前記スリット近傍に位置する投影レンズと、を備え、
   前記投影レンズは拡散カットを施されて複数の区画に区切られ、入射光を水平方向に拡散する光学レンズであり、前記投影レンズの拡散方向と前記スリットの長手方向が同じであることを特徴とする照明用光学モジュール。
2. 請求項１に記載の照明用光学モジュールが、光軸が所定の距離を半径とする円弧の中心へ向かうように角度をつけて筐体に取り付けられたことを特徴とする照明用灯具。
3. 前記距離における配光サイズが所望の配光サイズよりも小さいことを特徴とする請求項２に記載の照明用灯具。

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