JP4933178B2 - 照明装置及び撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、照射角を変化させることが可能な照明装置及びこれを備えた撮像装置に関する。

カメラ等の撮像装置に用いられる照明装置において、光源から様々な方向に射出した光を効率良く必要照射角内に集光させるための技術が多数提案されている。このうち、光源の前にフレネルレンズを配置する代わりに、プリズムやライトガイド等の全反射を利用した光学部材を配置することによって、集光効率の向上や小型化を図ったものがある。

また、撮影画角（ズーム状態）に応じた照射角が設定できるようにした、いわゆる照射角可変タイプの照明装置も種々提案されている。特に、一眼レフカメラシステムに用いられるいわゆる外付けタイプの照明装置においては、様々な焦点距離の交換レンズに対応した被写体照明を効率良く行うため、照射角を可変とすることが多い。

全反射を利用した光学部材を用いて照射角を可変とした照明装置としては、特許文献１，２にて開示されたものがある。特許文献１には、光学プリズムを上下方向にて複数に分割し、上下に配置されたプリズム部を回動させて照射角を変化させる照明装置が提示されている。また、特許文献２には、光学プリズムによって複数の集光点を形成すると共に、該光学プリズムの前方に複数のレンズ部を有する光学部材を配置し、光学プリズムと光学部材との相対位置関係を変化させることで照射角を変化させる照明装置が開示されている。
特開平８−２６２５３８号公報（段落００２０〜００２３、図１，２等） 特開２００１−２６４８５９号公報（段落００２４〜００２８、図４等）

しかしながら、上記特許文献１，２にて開示された照明装置では、小型化は可能であるが、超広角レンズに対応するようなきわめて広い照射角を設定することが難しい。

従来、広い照射角を得るために、照明装置の発光部の前面に拡散パネルを装着する方法がある。しかし、レンズ交換ごとに拡散パネルを着脱する必要があり、撮影者の手間を要する。また、超広角レンズ以外の交換レンズを用いる場合に、拡散パネルの取り外しを忘れて被写体照明を良好に行えずに撮影してしまう可能性がある。

本発明は、小型でありながらも、効率良く、従来よりも広い照射角も得られるようにした照明装置及びこれを備えた撮像装置を提供することを目的の１つとしている。

本発明に係る照明装置は、光源と、収斂作用を有する第１の光学部材と、集光作用を有する第２の光学部材と、集光作用を有する、前記第２の光学部材とは異なる第３の光学部材と、を有する照明装置であって、当該照明装置の光照射方向に、前記光源側から順に前記第１の光学部材、前記第３の光学部材、前記第２の光学部材が配置されていて、前記第１の光学部材と前記第３の光学部材とが第１の距離離れていて、かつ、前記第１の光学部材と前記第２の光学部材とが第２の距離離れている当該照明装置の照射角が最も狭い状態である第１の状態から、前記第１の光学部材と前記第３の光学部材との距離よりも前記第２の光学部材と前記第３の光学部材との距離を優先的に短くすることで、前記照射角を前記第１の状態よりも広くすることを特徴とする。

本発明によれば、小型でありながらも、効率良く、従来よりも広い照射角を含むように照射角を変更可能になる。

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。

図１から図４には、本発明の実施例１である照射角可変照明装置の照明光学系の構成を示している。本実施例では、閃光を発光する放電管を用いている。図１〜図３は、照明光学系を示す縦断面図、図４は照明光学系を示す斜視図である。なお、図１〜図３には、光源中心から射出した光線をトレースした光線トレース図も併せて示している。

また、図５には、本実施例の照明装置とこれを装着した撮像装置により構成される撮像システムの構成を示す。

まず、図５において、１は一眼レフカメラであり、その前部には交換レンズとしての撮影レンズ１１が装着されている。カメラ１内には、各種の光学部品、機械部品及び電気部品と、フィルム又はＣＣＤセンサ，ＣＭＯＳセンサ等の撮像素子である感光部材９とが収納されている。

２は主ミラーであり、ファインダ観察状態では撮影レンズ１１から感光部材９に至る撮影光路内に斜めに配置され、撮影状態では撮影光路外に退避する。２５はサブミラーであり、主ミラー２とともファインダ観察状態では撮影光路内に斜めに配置され、撮影状態では撮影光路外に退避する。主ミラー２はその少なくとも一部がハーフミラーであり、該主ミラー２が撮影光路内に配置されているときは、被写体からの光束の一部がハーフミラー部を透過し、サブミラー２５で反射して後述する焦点検出ユニット２６に導かれる。

３，４，５はそれぞれ、ファインダ光学系を構成するピント板、ペンタプリズム及び接眼レンズである。ピント板３は、撮影レンズ１１の予定結像面に配置されている。ペンタプリズム４は、ピント板３からの光束を複数回反射して接眼レンズ５に導く。撮影者は接眼レンズ５を通してピント板３を観察することで、被写体を観察することができる。

６，７はそれぞれ、ファインダ観察画面内の被写体輝度を測定するための結像レンズと測光センサである。結像レンズ６は、ペンタプリズム４内の反射光路を介してピント板３と測光センサ７とを共役に関係付けている。８は感光部材９の前側に配置されたフォーカルプレーンシャッタである。

焦点検出ユニット２６は、２次結像ミラー２７、２次結像レンズ２８及びラインセンサ２９等により構成されている。２次結像ミラー２７及び２次結像レンズ２８は、撮影レンズ１１からの光束の２次結像面をラインセンサ２９上に形成する。焦点検出ユニット２６は、例えば、位相差検出法によって撮影レンズ１１の焦点状態を検出し、その検出結果を撮影レンズ１１の焦点調節制御を行う不図示のカメラコントローラに出力する。

カメラ１と撮影レンズ１１とは、不図示のレンズマウントに設けられた接点群を介して通信可能に接続されている。

撮影レンズ１１において、１２〜１４は撮影光学系を構成するレンズであり、１５は絞りである。第１レンズ１２は光軸方向に移動してピント調整を行うフォーカスレンズである。第２レンズ１３は、光軸方向に移動して変倍を行うズームレンズである。第３レンズ１４は固定されたレンズである。

１６は第１レンズ１２を光軸方向に移動させるフォーカス駆動モータであり、上記コントローラからの指令信号に応じて作動する。１７は絞り駆動モータであり、カメラコントローラからの指令信号に応じて絞り１５の開口径を変化させるようにこれを駆動する。第１及び第２レンズ１２，１３の位置はそれぞれ、不図示のエンコーダ又は位置検出器によって検出される。カメラコントローラは、第２レンズ１３の位置から得られる焦点距離情報と第１レンズ１２の位置から得られるピント位置情報とに基づいて被写体距離を得ることができる。

３０はカメラ１に対して着脱可能な本実施例の照明装置である。該照明装置は、カメラコントローラからの信号に応じて発光及び照射角変更制御を行う照明コントローラを有する。

照明装置３０において、３１は閃光を発する閃光発光管（キセノン管）であり、不図示のコンデンサに蓄積された電気エネルギを放電することで光を発する。３２は閃光発光管３１の前方（被写体側又は光照射方向）に配置された第１の光学部材である。３３は照明装置３０の外観の一部である発光窓を構成する第２の光学部材である。３４は第１の光学部材３２と第２の光学部材３３の間に配置された第３の光学部材である。３５は閃光発光管３１の後方に配置された反射傘である。これら光学部品３２〜３５の作用によって、閃光放電管３１からの光を効率良く被写体に向けて照射する。

３９はカメラ１と照明装置３０との通信インターフェイスとなるホットシューに設けられた接点群である。

なお、照明装置３０の光学系を除く各部の構成及び機能については公知であるので、ここでは詳しい説明は省略する。また、本発明は、本実施例にて説明する機械的構成要素以外の構成要素を有する場合でも適用することができる。

次に、照明装置３０の光学系を構成する要素について、図４を用いてさらに詳しく説明する。図４において、閃光放電管３１は、その有効発光部が円筒形状を有し、該有効発光部から放射状に発散光を発する。

第１の光学部材３２は、閃光放電管３１から発せられた発散光を、そのうちの複数の角度成分が別々の光路を辿るように分割すると共に、各光路を経て射出面から射出した光を所定距離の位置にて収斂させる作用を有する。収斂して集光点（収斂領域）を形成した後の光は、所定の拡がり角を有する光となる。第１の光学部材３２は、後述するように、複数の面により構成される入射面と、複数の反射面と、複数のシリンドリカルレンズ面（光学部）が形成された射出面とを有する。

第２の光学部材３３は、第１の光学部材３２から射出した光を集光する作用を有し、該光を必要とされる所定の配光特性を有する光に変換する。第２の光学部材３３は、複数のシリンドリカルレンズ面（光学部）が形成された入射面と、フレネルレンズ面が形成された射出面とを有する。

反射傘３５は、閃光放電管３１から後方に発せられた光を前方に向けて反射する。反射傘３５は、内面が高反射率を有する光輝アルミ等の金属材料又は内面に高反射率の金属蒸着面が形成された部材により形成されている。

閃光放電管３１、反射傘３５及び第１の光学部材３２は、不図示の保持ケースによって一体的に保持されている。該保持ケースを不図示の駆動機構によって、該照明装置の照射光軸ＡＸＬに平行な方向である照射光軸方向に移動させることで、閃光放電管３１、反射傘３５及び第１の光学部材３２と第２の光学部材３３との間の距離が変化する。これら第１及び第２の光学部材３２，３３間の距離変化と第３の光学部材３４の移動とによって、照明装置３０からの射出光の集光度合いを連続的に変化させることができる。

また、第３の光学部材３４は、その射出面に複数のシリンドリカルレンズ面（光学部）を有する集光作用を持った光学部材である。第３の光学部材３４を、第１及び第２の光学部材３２，３３の間に配置して有効に機能させることにより、限られたスペースに収まる小型の照明光学系としながらも照射角の可変範囲を大きくすることができる。

なお、第１、第２及び第３の光学部材３２〜３４は、アクリル樹脂等の透過率の高い光学用樹脂材料又はガラス材料で構成されている。

カメラ１において照明装置３０の発光が可能なモードがセットされている場合には、レリーズボタンの操作に応じて測光センサ７で測定された外光の明るさと、感光部材９の感度とに基づいて、照明装置３０を発光させるか否かをカメラコントローラが判断する。カメラコントローラが「照明装置３０を発光させる」と判断した場合には、該カメラコントローラは照明装置３０に対して発光信号を出力する。発光信号を受けた照明コントローラは、トリガーリード線を介して閃光放電管３１を発光させる。

閃光放電管３１から発せられた光は、反射傘３５を介して又は直接、第１の光学部材３２に入射し、第３の光学部材３４及び第２の光学部材３３を通過して被写体に照射される。このとき、第２の光学部材３３から射出される光は、撮影レンズ１１の焦点距離情報に応じた配光特性を有する光に変換される。この配光特性は、本実施例では、第１、第２及び第３の光学部材３２〜３４の相対移動によって変更される。

特に、本実施例では、撮影レンズ１１が超広角レンズである場合、望遠レンズである場合、又は超広角から望遠の焦点距離を設定可能なズームレンズである場合を含めて、焦点距離に応じて第１、第２及び第３の光学部材３２〜３４の相対位置関係を変化させる。これにより、主として上下方向（図１及び図４における上下方向）の照射角を撮影レンズ１１の焦点距離に対応させて可変設定することができる。

次に、図１〜図３を用いて、本実施例の照明装置において照射角を変更するための基本的な考え方について説明する。なお、図１〜図３は、閃光放電管３１の長手方向に対して直交する断面を示している。

ここで、本実施例の照明装置の説明に先立って、従来の照明装置の構成について図１４〜図１６を用いて簡単に説明する。該従来の照明装置では、２つの光学部材の相対位置関係を変更することで照射角を変更する。

これらの図において、１０１は閃光放電管、１０２は第１の光学部材、１０３は第２の光学部材である。また、１０５は反射傘である。

図１４には、収斂作用を有する第１の光学部材１０２による集光点と第２の光学部材１０３の射出面に形成された凸レンズ面の焦点位置とをほぼ一致させた状態を示す。この状態は、第１の光学部材１０２から射出する光が最も集光した状態である。すなわち、図示のように、第１の光学部材１０２の入射面及び反射面によって照射光軸方向に平行となるように変換された光は、射出面の凸レンズ面で３つの点に集光する。そして、これらの集光点から第２の光学部材１０３の凸レンズ面までの距離が、この凸レンズ面の焦点距離に一致する。これにより、光源中心から射出した光を全て照射光軸方向に平行に進む光に変換する最も指向性の高い照明光学系が構成される。

次に、図１５には、第２の光学部材１０３の入射面が第１の光学部材１０２による集光点の位置に一致するように配置した状態を示す。この場合、図１４の状態に比べて広い照射角に対して均一な分布の配光特性で光を照射することができる。ここで、図１４から図１５の状態に移る間は、上下方向の配光特性を均一に保ったまま照射角を連続的に広げる（すなわち徐々に増加させる）ことができる。

さらに、図１６には、第１及び第２の光学部材１０２，１０３を図１５の状態よりもさらに接近させた状態を示す。第１及び第２の光学部材１０２，１０３をより接近させることで、本来は照射角をさらに広げることができるはずである。しかし、図１５の状態と図１６の状態とでは、第１及び第２の光学部材１０２，１０３間の距離は大きく変化しているにもかかわらず、照射角はそれほど大きく変化していない。また、配光特性についても、図１６の状態では、中心部の光量が低下した不均一な配光特性となり易く、必ずしも理想的な配光特性が得られない。このため、超広角レンズに対応した広い照射角を得るためには不十分な構成であり、配光特性も改善する必要がある。

なお、超広角レンズに対応する照射角を得る方法として、第１の光学部材１０２の射出面（凸レンズ面）のパワーを強くすることが考えられる。しかし、実際には、凸レンズ面のパワーを強めると、第１の光学部材１０２内での全反射によって不要な迷光が増えるだけで、効率良く照射角を広げることはできない。また、第２の光学部材１０３の射出面の前に拡散パネルを配置することも可能であるが、前述したような問題がある。

そこで、本実施例の照明装置３０では、限られた光学部材の移動空間の中で、拡散パネル等の特別な部材を用いることなく、超広角レンズから望遠レンズまで対応可能な、照射角変化量が大きく、かつ均一な配光分布が得られるようにしている。また、本実施例は、反射作用と屈折作用とを用いた効率の良い照明装置を実現すると共に、望遠レンズに対応する集光状態においても集光度合いを低下させない照明装置を実現する。

次に、本実施例の照明装置３０における照明光学系の特徴的な形状を、図１から図３を用いて説明する。

反射傘３５における閃光放電管３１の後面に近接する部分は、閃光放電管３１とほぼ同心の半円筒形状を有する。これは、該部分での反射光を閃光放電管３１の中心付近に戻すのに有効な形状である。また、このような形状によって、閃光放電管３１のガラスの屈折による悪影響を受けにくくすることができる。そして、この形状を有する反射傘による反射光は、閃光放電管３１から直接、前方に射出する光とほぼ同一点からの射出光として扱えるため、前方の光学系の全体形状を小型化することに有効である。また、半円筒形状を採用した理由は、これよりも小さいと、閃光放電管３１から側方に向かった光束を集光するために反射傘が大型化し、逆にこれ以上大きいと、反射傘の内部にこもる光束が増えて効率が低下するためである。

第１の光学部材３２は、その上下方向中央部分（照射光軸ＡＸＬを含む部分）に、第１の入射面３２ａと、該第１の入射面３２ａからの光を射出する第１の射出面３２ｂとを有する。これら両面には、図１〜図３の断面において正の屈折力を有するシリンドリカルレンズ面が形成されている。閃光放電管３１の中心から第１の入射面３２ａに入射し、第１の射出面３２ｂから収斂するように射出した光は、この断面において集光点Ｐにて集光する。なお、集光点Ｐは、１つの点という意味だけでなく、ある高さ及び長さを有する領域としての意味も有する。また、集光点Ｐは、図１〜図３に対して直交する断面で見た場合、閃光放電管３１の長手方向に延びる直線状の集光線（又は集光帯）となる。

第１の光学部材３２における照射光軸ＡＸＬから上下に離れた部分には、２つの第２の入射面３２ｃ，３２ｃ′と、該第２の入射面３２ｃ，３２ｃ′からの光を前方に向けて反射する反射面３２ｄ，３２ｄ′とが形成されている。また、該反射面３２ｄ，３２ｄ′からの光を射出する第２の射出面３２ｅ，３２ｅ′も形成されている。

平面形状の第２の入射面３２ｃ，３２ｃ′から第１の光学部材３２内に入射した光は、反射面３２ｄ，３２ｄ′で反射することで、照射光軸ＡＸＬと平行な光に変換されて第２の射出面３２ｅ，３２ｅに入射する。第２の射出面３２ｅ，３２ｅには、正の屈折力を有するシリンドリカルレンズ面が形成されている。このため、閃光放電管３１の中心から射出した光束は、この断面では集光点Ｑ，Ｑ′にてそれぞれ集光する。なお、集光点Ｑも、１つの点という意味だけでなく、ある高さ及び長さを有する領域としての意味も有する。また、集光点Ｑは、図１〜図３に対して直交する断面で見た場合、閃光放電管３１の長手方向に延びる直線状の集光線（又は集光帯）となる。

第２の光学部材３３は、その上下方向中央部分に第１の入射面３３ａを、また照射光軸ＡＸＬから上下に離れた部分に２つの第２の入射面３３ｂ，３３ｂ′を有する。これら３つの入射面３３ａ，３３ｂ，３３ｂ′は、図１〜図３の断面において正の屈折力を有するシリンドリカルレンズ面が形成されている。入射面３３ａ，３３ｂ，３３ｂ′はそれぞれ、第１の光学部材３２の射出面３２ｂ，３２ｅ，３２ｅ′及び後述する第３の光学部材３４の３つの射出面３４ａ，３４ｂ，３４ｂ′を介した光束が入射する位置に設けられている。つまり、入射面３３ａ，３３ｂ，３３ｂ′の数は、第１及び第３の光学部材３２，３４の射出面の数と同じである。

また、第２の光学部材３３の射出面３３ｃには、入射面のシリンドリカルレンズ面の母線方向（閃光放電管３１の長手方向）に平行な断面において集光作用を有するフレネルレンズ面が形成されている。

第３の光学部材３４は、平面形状の入射面３４ｃを有するとともに、上下方向中央部分に第１の射出面３４ａを、また照射光軸ＡＸＬから上下に離れた部分に２つの第２の射出面３４ｂ，３４ｂ′を有する。これら３つの射出面３４ａ，３４ｂ，３４ｂ′には、図１〜図３の断面において正の屈折力を有するシリンドリカルレンズ面が形成されている。射出面３４ａ，３４ｂ，３４ｂ′はそれぞれ、第１の光学部材３２の射出面３２ｂ，３２ｅ，３２ｅ′からの光束が入射する位置に設けられている。

次に、第１〜第３の光学部材３２〜３４の位置関係と光学作用との関係について説明する。

図１に示すように、超望遠レンズに対応する最も集光した状態と図２に示す標準レンズに対応した集光度合いの状態との間で位置関係を変更する場合について説明する。

この場合、第１の光学部材３２と第３の光学部材３４は、互いの距離を一定に保ったまま第２の光学部材３３に対して照射光軸方向に移動する。このときの第１の光学部材３２に対する第３の光学部材３４の照射光軸方向での位置（特に、射出面の位置）は、第１の光学部材３２の射出面３２ｂ，３２ｅ，３２ｅ′に形成されたシリンドリカルレンズ面により形成される集光点Ｐ，Ｑ，Ｑ′の位置に一致する。なお、ここにいう「一致」は、完全な一致だけでなく、光学的に一致しているとみなせる範囲でずれている場合も含む。このことは、後述する他の実施例でも同じである。

このように、第３の光学部材３４を、その射出面を第１の光学部材３２によって形成される集光点に一致する位置に配置した場合、第３の光学部材３４の射出面３４ａ，３４ｂ，３４ｂ′に形成されたシリンドリカルレンズ面のうち最も屈折力の弱い部分、すなわち中央部を光束が通る。このため、第３の光学部材３４のシリンドリカルレンズ面による屈折作用を最少に抑えることができる。また、この移動の間、第１の光学部材３２と第２の光学部材３３との間の距離は連続的に変化する。このため、第１の光学部材３２によって形成された３つの集光点Ｐ，Ｑ，Ｑ′から前方に進む光束は、第２の光学部材３３の入射面部３３ａ，３３ｂ，３３ｂ′に形成されたシリンドリカルレンズ面の作用によって、その照射角が変更される。このようにして、照明装置３０からの照射角を、超望遠レンズの画角に対応する照射角と標準レンズの画角に対応する照射角との間で連続的に、かつ光の利用効率が良いまま変化させることができる。

次に、図２に示す標準レンズに対応する状態の位置から、図３に示す超広角レンズに対応した状態に位置関係を変更する場合について説明する。

この場合、第２の光学部材３３と第３の光学部材３４とは最も接近（又は当接）した状態のまま位置が固定され、第１の光学部材３２が第３の光学部材３４に対して徐々に接近する。これにより、第１の光学部材３２によって形成される集光点よりも第１の光学部材３２に近い側に、第３及び第２の光学部材３４，３３に形成された正の屈折力を有するシリンドリカルレンズ面（３４ａ，３４ｂ，３４ｂ′，３３ａ，３３ｂ，３３ｂ′）が位置する。このため、各光束成分は、これら２つの正レンズ面の合成屈折力によって、光束に対して大きな拡散力を与えることができる。この結果、超広角レンズに対応した広い照射角を得ることができる。

この図２の状態から図３の状態への変化は連続的であり、照明装置３０からの照射角を、標準レンズの画角に対応する照射角から超広角レンズの画角に対応する照射角に至るまで滑らかに変化させることができる。

一方、この照射角の変化は、第３の光学部材３４に着目して見た場合には、以下のような動作として説明することができる。

図２の状態では、第３の光学部材３４における各射出面の中央部のみを光束が通っており、第１の光学部材３２と第３の光学部材３４とが接近するにつれて、第３の光学部材３４を通る光束の領域が徐々に広がっていく。このことから、第３の光学部材３４における利用領域が大きくなるほど、照射角を広げるのに有効であると言える。

このように、本実施例では、第３の光学部材３４を第１及び第２の光学部材３２，３３の間に介在させて、その位置を第１及び第２の光学部材３２，３３の相対的な移動（位置関係）に応じて変化させて第３の光学部材３４における光束が通る領域を変化させる。これにより、大きな照射角可変動作を行わせることができる。また、このとき照明光学系全体の体積は変化しておらず、大きな照射角可変動作を限られたスペースの中で効率良く行わせることができる。

さらに、本実施例では、第３の光学部材３４の移動方向が、第１の光学部材３２と同様に照射光軸方向であるため、第３の光学部材３４を移動させる機構の構成を簡素化できる。また、各光学部材間の間隔のみを変化させれば良いため、第１及び第３の光学部材３２，３４を精度良く移動させることができる。

また、広い照射角に対応した照明光学系を実現するために、極端な拡散作用を有する拡散面を用いる必要がないため、必要照射角外に照射される光束、すなわち光のロスが少ない効率の良い照明光学系を実現できる。

以下、第１〜第３の光学部材３２〜３４の形状により得られる光学的な特性と光線の具体的な挙動について、光線トレース図を用いて詳細に説明する。

図１〜図３には、閃光放電管３１として、その有効発光部としてのガラス管の内外径線を示している。閃光放電管３１の実際の発光現象としては、効率を向上させるため、ガラス管の内側全体から発光させる場合が多く、ガラス管の内側全体に存在する発光点からほぼ均一に発光していると考えて差し支えない。しかし、説明を容易にするため、ガラス管の中心（以下、光源中心という）から射出した光束を代表光束と考え、光線トレース図でも該代表光束のみを示している。実際には、図に示したような代表光束に加え、ガラス管内の周辺部の発光点から射出した光束によって、配光特性は全体として若干広がる方向に変化するが、配光特性の傾向としてはほとんど一致するため、以下、この代表光束について説明する。

まず、第１の光学部材３２の各面の形状と光線の挙動について説明する。図１及び図２に示すように、光源中心から照射光軸ＡＸＬに対して第１の角度θ１より小さい角度をなすように射出した光束成分は、非球面シリンドリカルレンズ面として形成された第１の入射面３２ａによって照射光軸ＡＸＬに対して平行な光束となる。なお、ここにいう「平行」とは照射光軸ＡＸＬに対して完全に平行である場合だけでなく、平行とみなせる範囲で完全な平行からずれている場合も含む。このことは、本実施例の他の光束及び後述する他の実施例でも同じである。そして、該平行光束は、非球面シリンドリカルレンズ面として形成された第１の射出面３２ｂにより収斂（収束）光束に変換され、第１の射出面３２ｂからの射出後に集光点Ｐにて集光する。

また、光源中心から照射光軸ＡＸＬに対して第１の角度θ１より大きな角度をなすように射出した光束成分は、平面である第２の入射面３２ｃ，３２ｃ′で屈折した後、反射面３２ｄ，３２ｄ′で反射することで、照射光軸ＡＸＬに対して平行な光束となる。そして、該平行光束は、非球面シリンドリカルレンズ面として形成された第２の射出面３２ｅ，３２ｅ′により収斂（収束）光束に変換され、第２の射出面３２ｅ，３２ｅ′からの射出後に集光点Ｑ，Ｑ′にて集光する。

第１の光学部材３２の反射面３２ｄ，３２ｄ′に入射光束を導く第２の入射面３２ｃ，３２ｃ′は、第１の光学部材３２の形状を最小化するために、照射光軸ＡＸＬと平行な平面とすることが望ましい。これは以下の理由による。第２の入射面３２ｃ，３２ｃ′に入射する光束成分に対する屈折の効果は、該第２の入射面３２ｃ，３２ｃ′の照射光軸ＡＸＬに対する角度が小さいほど大きく、該光束成分を照射光軸ＡＸＬに対してより大きな角度をなすように屈折させることができる。このため、第１の光学部材３２の全長をより短くすることができる。また、第２の入射面３２ｃ，３２ｃ′は、曲面であってもよい。この場合、該曲面の接線の照射光軸ＡＸＬに対する最大角度ができるだけ小さい方がよい。

但し、実際には、第２の入射面３２ｃ，３２ｃ′の照射光軸ＡＸＬに対する傾き角度は、第１の光学部材３２の成形条件によってほぼ決定される。この傾き角度が小さいほど成形条件は厳しくなるが、この第２の入射面３２ｃ，３２ｃ′の傾き角度の最大値Φは、この面が平面か曲面かにかかわらず、以下の範囲に存在することが望ましい。

０≦Φ＜２° …（１）
第２の入射面３２ｃ，３２ｃ′の照射光軸方向の長さが短く、かつその面形状が平滑面であるため、上記範囲を達成することは容易である。このように、第２の入射面３２ｃ，３２ｃ′の傾き角度を制限することによって、効率低下を招くことなく第１の光学部材３２の入射部の上下方向の開口面積を最小とすることができる。

次に、反射面３２ｄ，３２ｄ′の形状について説明する。図に示すように、反射面３２ｄ，３２ｄ′で全反射した光束は、照射光軸ＡＸＬに平行に導かれる。この場合、射出面３２ｅ，３２ｅ′に入射する光線の分布は上下方向外側ほど粗になるが、反射面３２ｄ，３２ｄ′を上下で対をなすように設けているため、全体としての配光分布は上下で対称となり、全体としての配光分布に偏りは生じない。

また、射出面３２ａ，３２ｅ，３２ｅ′から射出した３つの光束成分は、非球面シリンドリカルレンズ面の屈折力によって、集光点Ｐ，Ｑ，Ｑ′に集光（収斂）する。ここで、３つの非球面シリンドリカルレンズ面は、それぞれにより形成する集光点Ｐ，Ｑ，Ｑ′が照射光軸方向において同一位置に位置するように、すなわち照射光軸ＡＸＬに対して直交する同一平面上に位置するように屈折力が設定されている。なお、ここにいう「同一位置」は、完全な同一の位置だけでなく、光学的に一致しているとみなせる範囲でずれている場合も含む。このことは、後述する他の実施例でも同じである。

一方、図示しないが、閃光放電管３１からの射出光のうち反射傘３５の半円筒部に向かった光束は、該半円筒部が閃光放電管３１に対して同心形状を有するため、該半円筒部で反射した後、再度閃光放電管３１に入射する。そして、該閃光放電管３１のほぼ中心を通って前方に導かれる。この光源中心に戻った後の光束は、上述した光源中心から直接、第１の光学部材３２に入射した光束と同様の挙動を示す。

なお、本実施例では、光源中心から射出した光束を一度第１の光学部材３２の中で照射光軸ＡＸＬに平行な光束に変換しているが、必ずしも照射光軸ＡＸＬに対して平行にする必要はない。言い換えれば、照射光軸ＡＸＬに対して直交する同一平面内に複数の集光点が形成され、かつそれぞれの最大射出角度を一致させることができれば、各面への屈折力の与え方は特に限定されない。このため、必ずしも射出面３２ａ，３２ｅ，３２ｅ′を非球面シリンドリカルレンズ面としなくてもよく、球面レンズ面や円筒レンズ面を組み合わせてもよい。

次に、第２の光学部材３３の形状について説明する。この第２の光学部材３３は、このまま照明装置３０の外観部材としても使用可能な板状の部材であり、３つの入射面３３ａ，３３ｂ，３３ｂ′のそれぞれに正の屈折力を有するレンズ面が形成されている。これら３つのレンズ面は、前述した第１の光学部材３２における３つの正の屈折力を持つレンズ面（３２ａ，３２ｅ，３２ｅ′）によって集光された光束の集光度合いをそれぞれ一定の割合で変えることができる形状を有する。これにより、第１の光学部材３２と第２の光学部材３３の離間距離に応じて、第２の光学部材３３から射出される３つの光束成分の照射角が同じように変化する。

また、各レンズ面の形状は、図１に示すように、集光点Ｐ，Ｑ，Ｑ′から射出した光束を、該レンズ面で屈折させることで照射光軸ＡＸＬと平行にするような非球面シリンドリカルレンズである。このような形状とすることで、図１に示すように、最も集光された状態（最集光状態）を達成することができる。

このように、第２の光学部材３３の開口面積を許され得る最大限の大きさで利用して光束を制御することにより最集光状態を得ることは、大光量の照明装置を得る上で重要な要件である。これにより、小型で効率の良い照明光学系及び照明装置を実現することができる。

なお、第１〜第３の光学部材３２〜３４の材料としては、成形性やコスト、さらには光学特性の観点から、アクリル樹脂等の光学樹脂材料を用いることが最も適している。

また、本実施例の特徴は、超広角レンズに対応したきわめて広い照射角の状態から超望遠レンズに対応したきわめて狭い照射角の状態まで、連続的に均一な光量分布が得られること、すなわち配光特性が良好であることである。さらに、従来の照射角可変照明装置に比べて、照射角の可変範囲に対する光学部材の必要移動量が小さいことも特徴である。

まず、照射角がきわめて広い状態からきわめて狭い状態まで連続的に配光特性が良好に維持されるのは以下の理由による。すなわち、超望遠レンズ対応状態から標準レンズ対応状態までは第３の光学部材３４を機能しにくい位置に配置し、標準レンズ対応状態から超広角レンズ対応状態に至る過程では、第３の光学部材３４を、第２の光学部材３３とともに有効に機能する位置に配置していることである。

また、移動量が小さい理由は、光源からの光束が辿る光路を複数に分け、それぞれの光路において形成される光学系を互いに独立した小型の光学系としているため、照射角変更のための必要移動量も縮小できるからである。

以上のように構成することで、必要照射角外に照射される光、つまりは光のロスを最小限に抑えつつ、良好な配光特性を得ることができる。

そして、これにより、小型の照明装置３０に適したスペース効率の良い照明光学系を実現することができ、また従来に比べて大幅な追加部品を必要とせず、安価に構成することができる。

なお、本実施例では、第２の光学部材３３の入射面に正の屈折力を有するレンズ面を形成した場合について説明したが、射出面に正の屈折力を有するレンズ面を形成してもよい。このように構成することによって、全体形状のさらなる小型化を図ることができる。

また、第２の光学部材３３の入射面と射出面のうち一方にのみ正の屈折力を有するレンズ面を形成するのではなく、両面にレンズ面を形成してもよい。このように入射面と射出面とに屈折力を配分することによって、光学性能の向上と小型化の両方に対して有効な照明光学系とすることができる。

図６から図９には、本発明の実施例２である照射角可変照明装置の照明光学系の構成を示している。本実施例は、実施例１において説明した第３の光学部材の形状を一部変更した例であり、特に標準レンズ対応状態から超望遠レンズ対応状態における効率の改善を図った例である。

図６〜図８は、本実施例の照明光学系の縦断面図である。図６は、第１の光学部材と第２の光学部材が離れた最も照射角の狭い状態（最集光状態）を示し、図８は第１及び第２の光学部材が最も接近した照射角の広い状態を示している。また、図７は、標準レンズに対応した図６と図８の中間の照射角が設定された状態を示している。図９は、本実施例の照明光学系を示す斜視図である。なお、図６〜図８には、光源中心から射出した光線をトレースした光線トレース図も併せて示している。また、本実施例において、実施例１と共通する構成要素には、実施例１と同符号を付している。

上述した実施例１では、光源からの光は常に３つの光学部材に入射する。しかし、本来、超望遠レンズに対応した最集光状態は、図１４にも示したように、２つの光学部材で実現することができる。そして、３つの光学部材を用いることによって、かえって表面反射による光量ロスが増加し、高効率を得るためには理想的ではない。

このため、本実施例では、超広角レンズに対応したきわめて広い照射角が得られるととともに、超望遠レンズに対応したきわめて狭い照射角に集光した状態でも高い効率が得られる照明光学系を実現している。

図６〜図９において、４４は第１及び第２の光学部材３２，３３の間に配置された第３の光学部材である。他の構成は、実施例１と同じである。

第３の光学部材４４は、実施例１とは異なり、射出面４４ａ，４４ｂ，４４ｂ′をシリンドリカルレンズ面とする３つのレンズ部の中心領域に、スリット状の開口４４ｃ，４４ｄ，４４ｄ′を有する。各スリット開口は、シリンドリカルレンズ面の母線方向、すなわち閃光放電管３１の長手方向（図の紙面に垂直な方向）に平行に延びている。

以下、光線トレース図を用いて、本実施例における各光学部材の機能について説明する。

図６に示すように、超望遠レンズに対応した最集光状態では、光源である閃光放電管３１の中心（光源中心）から射出した光束は、第１の光学部材３２の収斂作用によって、３つの集光点Ｐ，Ｑ，Ｑ′に集光する。

この状態では、第３の光学部材４４は、スリット開口４４ｃ，４４ｄ，４４ｄ′の位置が集光点Ｐ，Ｑ，Ｑ′の位置にそれぞれ一致するように配置される。したがって、第１の光学部材３２からの光束は、集光点Ｐ，Ｑ，Ｑ′及びその付近においてスリット開口４４ｃ，４４ｄ，４４ｄ′内を通過（素通り）して、第３の光学部材４４による屈折を受けることなく第２の光学部材３３に向かう。

このように、第１の光学部材３２と第２の光学部材３３との間に第３の光学部材４４を配置しているにもかかわらず、第３の光学部材４４の影響を受けずに第２の光学部材３３から光束を射出する。したがって、超望遠レンズに対応した照射角の狭い状態においても、効率良く集光することができる。

この状態は、第１の光学部材３２と第３の光学部材４４との間隔を第１の光学部材３２におけるシリンドリカルレンズ面の焦点距離に一致させることで維持することで可能である。このため、図６に示す状態から図７に示す状態までは、この状態が保されつつ、第１及び第３の光学部材３２，４４が第２の光学部材３３に対して照射光軸方向に移動する。これにより、超望遠レンズ対応のきわめて狭い照射角が得られるとともに、効率の良い照明光学系を実現することができる。

一方、図７に示す標準レンズ対応状態と図８に示す超広角レンズ対応状態との間では、第２の光学部材３３と第３の光学部材４４が近接（又は当接）し、第１の光学部材３２と第３の光学部材４４との距離が連続して徐々に変化する。

そして、図７に示す状態から図８に示す状態に移行する過程では、第３の光学部材４４における光束が入射する領域、すなわちレンズ部として機能する領域の面積が徐々に増加する。つまり、図７に示す状態で第３の光学部材４４における機能領域の面積が最も狭く、図８に示す状態で該機能領域の面積が最も広くなる。

図８に示す状態では、光束が３つの光学部材３２，３３，４４の入射面及び射出面を通過するため、表面反射による光量ロスが多少大きくなるものの、きわめて広い照射角を得ることができる。

一般に、超広角レンズに対応する照射角を得るためには、拡散度合いの強い拡散板を使用して光量ロスよりも照射角を広げることを優先する場合が多い。このため、必要照射角外に向かう光束が多くなり、必ずしも効率の良い照明光学系ではない。

これに対し、本実施例では、３つの光学部材を介して光束を照射するため、表面反射による光量ロスは発生するが、拡散板のように必要照射角外まで光束を拡散させずに、屈折によって効率良く必要照射角に対応した照射角を得ている。このため、拡散板を用いる場合に比べて効率が良く、しかも連続的に照射角を変化させることができる。

このように、本実施例では、標準レンズに対応する集光状態から超望遠レンズに対応した最集光状態まで、効率の良い集光を行うことができる。また、超広角レンズに対応したきわめて広い照射角を得る状態でも、良好な効率を確保することができる。

また、最集光状態から照射角がきわめて広い状態まで、照射角を連続的に変化させることができるので、様々な焦点距離の撮影レンズを使用する場合に都合が良い。

図１０から図１３には、本発明の実施例３である照射角可変照明装置の照明光学系の構成を示している。本実施例は、実施例１において説明した第３の光学部材の移動形態を変更した例であり、効率と光学特性の改善を図った例である。

図１０〜図１２は、本実施例の照明光学系の縦断面図である。図１０は、第１の光学部材と第２の光学部材が離れた最も照射角の狭い状態（最集光状態）を示し、図１２は第１及び第２の光学部材が最も接近した照射角の広い状態を示している。また、図１１は、標準レンズに対応した図１０と図１２の中間の照射角が設定された状態を示している。図１３は、本実施例の照明光学系を示す斜視図である。なお、図１０〜図１２には、光源中心から射出した光線をトレースした光線トレース図も併せて示している。また、本実施例において、実施例１と共通する構成要素には、実施例１と同符号を付している。

実施例２でも説明したように、光源からの光が常に３つの光学部材に入射する実施例１では、２つの光学部材でも実現可能な最集光状態における表面反射による光量ロスの増加が問題となる可能性がある。

このため、本実施例では、超広角レンズに対応したきわめて広い照射角が得られるととともに、超望遠レンズに対応したきわめて狭い照射角に集光した状態でも高い効率が得られる照明光学系を実現している。

一方、実施例２では、超広角レンズに対応したきわめて広い照射角が得られるとともに、最集光状態でも効率良く光束を利用することができる。しかし、実施例２において、閃光放電管３１が実際にはその中心付近の狭い領域からだけでなく、その内側の全体から発光することを考慮すると、全ての光束が集光点Ｐ，Ｑ，Ｑ′に集光するわけではなく、ある程度の広がりを持って集光する。この場合、最集光状態においても、一部の光束は第３の光学部材４４に形成されたスリット開口４４ｃ，４４ｄ，４４ｄ′以外の部分に入射し、実施例２のように制御しきれない可能性がある。

このため、本実施例では、最集光状態から標準レンズ対応状態までは第３の光学部材が完全に機能せず、超広角レンズ対応状態でのみ、効率良く照射角を広げることができる構成を採用している。

図１０〜図１３において、５４，５５，５６は本実施例における第３の光学部材である。他の構成は、実施例１と同じである。

第３の光学部材５４，５５，５６の入射面にはそれぞれ、正の屈折力を有するフレネルレンズ面が形成されている。

そして、これら第３の光学部材５４，５５，５６は、第１の光学部材３２と第２の光学部材３３間の距離の変化に応じて、第１の光学部材３２から第２の光学部材３３への光路に対して出入りする。

第３の光学部材５４，５５，５６が光路外に退避することで、第３の光学部材５４，５５，５６の光束への影響を排除でき、表面反射による光のロスを低減することができる。一方、第３の光学部材５４，５５，５６を光路内に配置することで、第３の光学部材５４，５５，５６の機能による照射角の拡大作用を得ることができる。

特に、第３の光学部材５４，５５，５６に正の屈折力を有するフレネルレンズ面を形成することにより、狭い空間の中でより大きな屈折力を与えることができ、小型でありながらも超広角レンズに最適な配光特性を得ることができる。

具体的には、図１０に示す超望遠レンズ対応の最集光状態から図１１に示す標準レンズ対応状態までは、第３の光学部材５４，５５，５６は、第１の光学部材３２と第２の光学部材３３の各レンズ面の境界を結んだライン上又はその付近に、照射光軸ＡＸＬと平行になるように退避している。但し、退避した状態の第３の光学部材５４，５５，５６は、必ずしも照射光軸ＡＸＬと平行でなくてもよい。

一方、図１１に示す標準レンズ対応状態から図１２に示す超広角レンズ対応状態に変化する過程では、第３の光学部材５４，５５，５６は、閃光放電管３１の長手方向（図の紙面に垂直な方向）に平行な軸回りで回動し、光路内に挿入される。光路内に挿入された第３の光学部材５４，５５，５６は、第２の光学部材３３に近接（又は当接）する。そして、前述したように、第３の光学部材５４，５５，５６に設けられた正の屈折力を有するフレネルレンズ面と第２の光学部材３３のレンズ面との合成屈折力によって、実施例１，２と同様に、超広角レンズに対応したきわめて広い照射角を得ることができる。

３つの第３の光学部材５４，５５，５６を回動させる不図示の駆動機構は、第１の光学部材３２と第２の光学部材３３とが図１１に示す距離だけ離れた状態で、これらを互いに同期させて回動させるように構成されている。また、該駆動機構は、図１０及び図１１に示すように光路から退避した状態及び図１２に示す光路内に挿入された状態で、それ以上の回動が行われないようにするためのストッパを有する。

以上のように構成することで、図１０から図１１の状態では、効率良く、かつ連続的に照射角を変更することができる。また、図１２の状態では、限られた空間の中で効率良く照射角を広げることができる。

なお、本実施例では、第３の光学部材にフレネルレンズ面を形成した場合について説明したが、フレネルレンズ面に代えて、実施例１，２と同様に、シリンドリカルレンズ面を形成してもよい。

以上説明したように、上記各実施例によれば、従来のように２つの光学部材を用いる場合に比べて、光学部材を追加することよる光量ロスなどの悪影響を小さく抑えつつ、より広い照射角を得ることができる。したがって、超広角レンズから超望遠レンズに至る幅広い焦点距離の撮影レンズに対応した照射角が得られる効率の良い照明光学系及び照明装置を実現することができる。

また、超広角レンズに対応した照射角を得るための光学配置が、従来の照明光学系と同様のスペース内で実現できるため、より広い照射角を小型の照明光学系及び照明装置で得ることができる。

さらに、拡散板を用いなくてもきわめて広い照射角が得られるため、拡散板の着脱の手間をなくすることができ、拡散板の紛失や撮影画角と照射角とのミスマッチによる失敗撮影を未然に防止することができる。

また、第１の光学部材の反射面での全反射を利用するため、光の利用効率が高く、小型化しても光学特性は低下しない。これにより、従来と同じ発光量の光源を用いた場合でも、必要照射角内に照射される光量を増加させることができる。

なお、上記各実施例では、第１の光学部材の３つのレンズ面によって３つの集光点を形成し、第２及び第３の光学部材に該集光点と同数のレンズ面を形成する場合について説明した。しかし、本発明では、各光学部材に１つのレンズ面を形成する場合にも適用することができる。さらに、本発明は、各光学部材に４つ以上のレンズ面（集光点）を形成する場合にも適用することができる。特に、集光点の数を増やすと、照射角変更に伴う光学部材の移動量を減少させることができ、照明光学系及び照明装置のさらなる小型化を実現することができる。

さらに、上記各実施例では、撮像装置に対して着脱可能な照明装置について説明したが、本発明は、撮像装置に内蔵される照明装置にも適用することができる。

本発明の実施例１である照射角可変照明装置の照明光学系（最集光状態）を示す断面図。 実施例１の照明光学系（標準レンズ対応状態）を示す断面図。 実施例１の照明光学系（超広角レンズ対応状態）を示す断面図。 実施例１の照明光学系の分解斜視図。 実施例１の照射角可変照明装置を含む撮像システムの構成を示す模式図。 本発明の実施例２である照射角可変照明装置の照明光学系（最集光状態）を示す断面図。 実施例２の照明光学系（標準レンズ対応状態）を示す断面図。 実施例２の照明光学系（超広角レンズ対応状態）を示す断面図。 実施例２の照明光学系の分解斜視図。 本発明の実施例３である照射角可変照明装置の照明光学系（最集光状態）を示す断面図。 実施例３の照明光学系（標準レンズ対応状態）を示す断面図。 実施例３の照明光学系（超広角レンズ対応状態）を示す断面図。 実施例３の照明光学系の分解斜視図。 従来の照射角可変照明装置の照明光学系（最集光状態）を示す断面図。 従来の照明光学系（標準レンズ対応状態）を示す断面図。 従来の照明光学系（超広角レンズ対応状態）を示す断面図。

符号の説明

３１ 閃光放電管
３２ 第１の光学部材
３３ 第２の光学部材
３４、４４、５４、５５、５６ 第３の光学部材
３５ 反射傘

Claims (13)

1. 光源と、
   収斂作用を有する第１の光学部材と、
   集光作用を有する第２の光学部材と、
   集光作用を有する、前記第２の光学部材とは異なる第３の光学部材と、を有する照明装置であって、
   当該照明装置の光照射方向に、前記光源側から順に前記第１の光学部材、前記第３の光学部材、前記第２の光学部材が配置されていて、
   前記第１の光学部材と前記第３の光学部材とが第１の距離離れていて、かつ、前記第１の光学部材と前記第２の光学部材とが第２の距離離れている当該照明装置の照射角が最も狭い状態である第１の状態から、前記第１の光学部材と前記第３の光学部材との距離よりも前記第２の光学部材と前記第３の光学部材との距離を優先的に短くすることで、前記照射角を前記第１の状態よりも広くすることを特徴とする照明装置。
2. 前記第１の状態よりも前記照射角を広くする場合、前記第２の光学部材と前記第３の光学部材とが略当接してから前記第１の光学部材と前記第３の光学部材との距離を短くすることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
3. 前記第１の距離は、前記第１の光学部材から当該第１の光学部材によって前記光源からの光が収斂される位置までの距離であることを特徴とする請求項１または２に記載の照明装置。
4. 前記第２の距離は、前記第１の光学部材から射出された光が前記第２の光学部材の入射面全体に入射する距離であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の照明装置。
5. 前記第１の光学部材は、それぞれ収斂作用を有する複数の光学部を有し、
   前記第２の光学部材は、それぞれ集光作用を有する複数の光学部を、前記第１の光学部材の光学部と同数有することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の照明装置。
6. 前記第１の光学部材は、正の屈折力を有するレンズ部と入射光の少なくとも一部を反射する反射部とを有することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の照明装置。
7. 前記第２の光学部材は、当該第２の光学部材の入射面及び射出面のうち少なくとも一方に、正の屈折力を有するレンズ部を有することを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の照明装置。
8. 前記第３の光学部材は、正の屈折力を有する光学部を、前記第１及び第２の光学部材のそれぞれに設けられた光学部と同数有することを特徴とする請求項５に記載の照明装置。
9. 前記第３の光学部材は、正の屈折力を有するレンズ部を有することを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項に記載の照明装置。
10. 前記第１の光学部材と前記第３の光学部材との距離を変更する場合、前記第１の光学部材を移動させることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１項に記載の照明装置。
11. 前記第１の光学部材と前記第３の光学部材との距離を変更する場合、前記光源を前記第１の光学部材と一体的に移動させることを特徴とする請求項１０に記載の照明装置。
12. 前記第２の光学部材と前記第３の光学部材との距離を変更する場合、前記第３の光学部材を移動させることを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の照明装置。
13. 請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の照明装置と、
    当該照明装置により照明された被写体を撮像する撮像系とを有することを特徴とする撮像装置。