JP6753244B2 - 照明装置 - Google Patents

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Description

本発明の実施形態は、例えば、フルカラーの演出照明に用いる照明装置に関する。
従来、劇場やテレビスタジオにおける演出照明に用いる照明装置として、複数個の砲弾型LED(SMD:surface mount device)、絞り開口、およびレンズを備えたスポットライトが知られている。複数個の砲弾型LEDは、それぞれの光軸が絞り開口の中心に向かうように角度をつけて取り付けられている。レンズは、絞り開口の砲弾型LEDと反対側に対向して配置されている。
このように、複数個の砲弾型LEDを絞り開口に向けて角度をつけて配置することで、配光ムラを低減でき、発光効率を高めることができる。
特開2005−158699号公報
しかし、上述した従来のスポットライトでは、複数個の砲弾型LEDを絞り開口に向けて傾斜させて取り付ける必要があり、且つ個々の砲弾型LEDの取付角度を高精度に調整する必要がある。このため、スポットライトの製造に手間がかかり製造コストが高くなる。
また、取付角度を調整可能な砲弾型LEDを用いるため、発光面が大型化し、スポットライトの小型化が難しい。
よって、比較的安価に製造でき、色ムラを低減することができ、小型化が可能な照明装置の開発が望まれている。
第1の実施形態に係る照明装置は、互いに波長の異なる光を射出する第1の発光素子および第2の発光素子を含む複数の発光素子を基板の表面に並べて設けた光源と;基板の表面に対向して設けた集光レンズと;集光レンズの光源と反対側に対向し、集光レンズの光軸と直交する絞り面において全ての発光素子から射出された光が重なる領域の内側に開口を有する絞りと;絞りの集光レンズと反対側に対向し、光軸を一致させて光軸に沿って移動可能に設けた結像レンズと;を有する。集光レンズから絞りまでの距離は、絞りから結像レンズまでの距離よりも短い。そして、光源の発光領域の径をD1とし、絞りの開口の径をD2とし、集光レンズの径をD3とした場合、D1<D2<D3の関係が成り立つ。
第2の実施形態に係る照明装置は、互いに波長の異なる光を射出する第1の発光素子および第2の発光素子を含む複数の発光素子を基板の表面と直交する光軸を中心に表面に並べて設けた光源と;光軸を一致させて基板の表面に対向して設けた第1の集光レンズと;光軸を一致させて第1の集光レンズの光源と反対側に対向して設けた、第1の集光レンズより大径の第2の集光レンズと;第2の集光レンズの第1の集光レンズと反対側に対向し、光軸と直交する絞り面において全ての発光素子から射出された光が重なる領域の内側に開口を有する絞りと;絞りの第2の集光レンズと反対側に対向し、光軸を一致させて光軸に沿って移動可能に設けた結像レンズと;を有する。第2の集光レンズから絞りまでの距離は、絞りから結像レンズまでの距離よりも短い。そして、光源の発光領域の径をD1とし、絞りの開口の径をD2とし、第1の集光レンズの径をD3とし、第2の集光レンズの径をD4とした場合、D1<D2<D4の関係およびD1<D3の関係が成り立つ。
第3の実施形態に係る照明装置によると、複数の発光素子のうち外側の発光素子を同じ波長の光を射出する発光素子にした。
本実施の形態によると、基板の表面に複数の発光素子を並べて設けたため、発光面を小さくでき、装置を小型化できるとともに、色ムラを低減することができ、装置を安価に製造できる。
図1は、実施形態に係るLEDカッターライトを示す外観斜視図である。 図2は、図1のLEDカッターライトの内部構造を示す斜視図である。 図3は、図2の要部を別の角度から見た斜視図である。 図4は、図1のLEDカッターライトの光学系を透過する光の一部を示す光線図である。
以下、図面を参照しながら実施形態について詳細に説明する。
図1は、照明装置の一実施形態に係るLEDカッターライト100の外観斜視図である。LEDカッターライト100は、略矩形ブロック状の筐体101を有し、筐体101を前後に傾倒可能に支持した支持フレーム102を有する。このLEDカッターライト100は、例えば、絵画の演出照明として用いられるフルカラースポットライトであり、支持フレーム102を介して天井から吊下げたり、配線ダクトに取り付けたりすることもできる。LEDカッターライト100は、例えば、絵画の額縁に合わせてスポット形状を矩形にできる。
図2は、LEDカッターライト100の内部構造を示す斜視図である。図3は、図2の要部を別の方向から見た斜視図である。LEDカッターライト100は、光源1、第1の集光レンズ2、第2の集光レンズ3、絞り4、および2枚の結像レンズ5、6を同軸に有する。複数枚のレンズ2、3、5、6、および絞り4は、光源1に最も近い第1の集光レンズ2から、第2の集光レンズ3、絞り4、結像レンズ5、結像レンズ6の順に光の射出方向に沿って並んで光軸を一致させて設けられている。結像レンズ6の前方には、筐体101に設けた投光レンズ103(図1参照)が同軸に配置されている。図2および図3では、後述するカッター機構の図示を省略してある。
図2に示すように、光源1は、板状の放熱部材11を介して放熱フィン12の前面側にある金属板14の表面14aに取り付けられている。光源1は、基板の平らな表面に図示しない複数個のLED素子(発光素子)を並べて設けた構造の面状光源である。光源1は、基板の裏面を放熱部材11の表面に接触させて取り付けられている。各LED素子は、例えば、LEDのベアチップを基板表面に実装して蛍光体を含む透明樹脂により封止した構造(COB:chip on board)を有する。光源1の発光領域の径D1は、複数個のLED素子を囲む最小の疑似円の直径であるものと定義する。光軸は、光源1の発光領域の中心を通って発光面に垂直な軸であるものと定義する。
本実施形態では、基板の表面に5行×5列でマトリックス状に25個のLED素子を取り付けた。この場合、光源1の発光領域の径は、25個マトリックス状に並んだLED素子の対角線の長さに相当する。25個のLED素子は、例えば、赤色光を射出する6個の赤色LED素子、緑色光を射出する6個の緑色LED素子、青色光を射出する6個の青色LED素子、および白色光を射出する7個の白色LED素子からなる。
25個のLED素子は、発光領域の中心に対して概ね点対称となる位置に同じ波長の光(同じ色の光)を射出するLED素子を配置するようにレイアウトしている。本実施形態では、特に、発光領域の外周部に同じ色のLED素子を配置した。本実施形態では、集光レンズ2、3を透過することで最も大きく屈折する青色LED素子を発光領域の外周部近くに配置した。
放熱フィン12は、上下方向および前後方向に平行な複数枚の金属板13を左右方向に間隔を開けて並べた構造を有する。複数枚の金属板13の光源1側の端部は、1枚の金属板14によって連結されている。本実施形態では、放熱フィン12をアルミニウムにより形成した。
光源1は、放熱部材11を間に挟んで放熱フィン12の金属板14の表面14aに熱的に接続されている。このため、複数個のLED素子の熱が基板を介して放熱部材11に伝えられ、放熱部材11を介して放熱フィン12に伝えられる。放熱フィン12に伝えられたLED素子の熱は、複数枚の金属板13の間を通る空気に伝えられ、放熱フィン12の上方の筐体101に設けた複数の通気孔104(図1)を介して筐体101の外部へ放出される。
第1の集光レンズ2は、光軸を一致させて光源1の基板の表面に対向して設けられている。第1の集光レンズ2の径D3は、光源1の発光領域の径D1より大きい。第2の集光レンズ3は、光軸を一致させて第1の集光レンズ2の光源1と反対側に対向して設けられている。第2の集光レンズ3の径D4は、第1の集光レンズ2の径D3より大きい。また、第2の集光レンズ3の径D4は、後述する絞り4の開口4aの径D2より大きい。第1および第2の集光レンズ2、3は、レンズホルダ15を介して光源1に対して固定的に取り付けられている。
本実施形態において、第1の集光レンズ2は、両凸レンズである。第1の集光レンズ2は、この他に、平凸レンズやフレネルレンズを用いることができる。いずれにしても、第1の集光レンズ2の径D3を光源1の発光領域の径D1より大きくすることで、光源1から射出される光の多くを第1の集光レンズ2に導くことができ、発光効率を高めることができる。また、発光効率を高めるため、第1の集光レンズ2を光源1に近付けることが望ましい。一方、第1の集光レンズ2を光源1に近付け過ぎると、透過する光を十分に集光できなくなる。このため、本実施形態では、第1の集光レンズ2として焦点距離の比較的短い両凸レンズを用いた。
本実施形態において、第2の集光レンズ3は、第1の集光レンズ2に平らな面を向けた平凸レンズである。発光効率を高めるため、第2の集光レンズ3は、第1の集光レンズ2に近付けて配置することが望ましい。第1の集光レンズ2を透過した光源1からの光は十分に集光されずに拡散する。言い換えると、本実施形態では、第1の集光レンズ2を透過した光がわずかに拡散するように、第1の集光レンズ2の焦点距離を選択し且つ光源1からの距離を設定した。このため、第2の集光レンズ3の径D4は、第1の集光レンズ2の径D3より大きくされている。
また、第1の集光レンズ2を透過した光源1からの光の多くを第2の集光レンズ3に導くため、平凸レンズの平らな面を第1の集光レンズ2に対向させている。仮に、平凸レンズを逆向き(平らな面を絞り4側に向かわせる向き)に取り付けると、第2の集光レンズ3の外周部近くを通る光が平凸レンズの曲面に沿ってレンズ外を通過して、発光効率がわずかに低下する。しかし、第2の集光レンズ3の向きは、本実施形態の向きに限定されるものではなく、逆向きであってもよい。
本実施形態では、2枚の集光レンズ2、3を重ねて光源1からの光を集光させているが、集光レンズを1枚にすることもできる。この場合、第2の集光レンズ3を省略して、第1の集光レンズ2の焦点距離を少し短くしたり、第1の集光レンズ2を光源1から僅かに遠ざけたりすることが考えられる。集光レンズの枚数を少なくすることで、透過する光のレンズ表面における反射の回数を少なくでき、発光効率を高めることができることに加え、部品点数を少なくでき、LEDカッターライト100の製造コストを低減することができる。
一方、本実施形態のように、2枚の集光レンズ2、3を用いることで、各集光レンズ2、3の選択の自由度を高めることができ、レンズの組み合わせを比較的自由に選択することができる。言い換えると、2枚の集光レンズ2、3を用いることで、後述する絞り4の開口4aの径D2に合わせて光源1からの光を所望する領域に集光させ易くなる。
絞り4は、第2の集光レンズ3の光源1と反対側に対向して設けられている。絞り4は、光軸と直交する面に沿って配置された板状体であり、複数本の連結ロッド16を介して放熱フィン12の金属板14に対して固定されている。また、絞り4は、光軸と同軸に形成した円形の開口4aを有する。発光効率を高めるため、絞り4は、第2の集光レンズ3に近付けて配置することが望ましい。絞り4の開口4aの径D2は、光源1の発光領域の径D1より大きく、第2の集光レンズ3の径D4より小さい。本実施形態では、絞り4の開口4aの径D2は、第1の集光レンズ2の径D3と同等或いはわずかに小さい。
絞り4の開口4aは、光軸と直交する仮想の絞り面に配置され、光源1の全てのLED素子から射出された光が絞り面で重なる領域の内側に収まる円形の開口である。言い換えると、本実施形態では、光源1の全てのLED素子から射出された光が絞り面で重なる領域内に絞り4の開口4aが配置される位置に絞り4を配置した。つまり、絞り4の開口4aを通過した光は、全てのLED素子から射出された光を開口4aの全面積で重ねた光となり、混色をよくすることができ、色ムラを無くすことができる。絞り4の機能については後に詳細に説明する。
絞り4の光源1側には、図示しないカッター機構が設けられている。カッター機構は、絞り4の開口4aを上下方向から部分的に塞ぐ2枚の遮光板および開口4aを左右方向から部分的に塞ぐ2枚の遮光板を有する。これら4枚の遮光板の図示は省略してあるが、開口4aの上方から重ねる遮光板のタブ8a、および開口4aの右側から重ねる遮光板のタブ8bを図1に例示してある。つまり、LEDカッターライト100は、筐体101の外に突出した4つのタブを有し、4枚の遮光板を筐体101の外から移動させることができるようになっている。よって、本実施形態では、絞り4の開口4aの縁にそれぞれの遮光板を部分的に重ねることで、開口4aの形状、すなわちスポット光の断面形状を矩形にすることもできる。なお、カッター機構の遮光板は少なくとも1枚あればよく、その枚数は任意に変更可能である。
2枚の結像レンズ5、6は、それぞれ、レンズホルダ21、22によって保持されて、光軸を一致させて取り付けられている。各レンズホルダ21、22の下端には、スライダ23、24が固設されている。各スライダ23、24は、光軸と平行に延設されたレール25、26に沿って光軸方向にスライド可能に取り付けられている。つまり、2枚の結像レンズ5、6は、光軸方向に移動可能に取り付けられている。なお、スライダ23、24は、図示しないアクチュエータによって移動される。本実施形態では、2枚の結像レンズ5、6を用いたが、1枚の結像レンズのみを用いてもよい。
ここでは図示していないが、光軸に沿って絞り4に隣接して、透明フィルムを配置することもできる。この場合、例えば、柄付の透明フィルムを光軸と直交する姿勢で取り付けることで、スポット光の演出効果を高めることができる。
図4は、上述したLEDカッターライト100の光学系を透過する光の一部を示す光線図である。ここでは、光源1、第1の集光レンズ2、第2の集光レンズ3、絞り4、結像レンズ5、および結像レンズ6のレイアウトを示し、レンズホルダなど光学系以外の部材の図示を省略してある。
図4では、光源1の発光領域の中心に設けたLED素子から射出された光を実線で示し、発光領域の外周部近く(図示下端)に設けたLED素子から射出された光を破線で示した。発光領域の中心に設けたLED素子から射出された光は、光軸を中心とした軸対称な光線プロファイルを有する。一方、中心から外れた位置に設けたLED素子から射出された光は、光軸を中心とした軸対称な光線プロファイルをもたない。つまり、発光領域内におけるLED素子の配置位置によって光線プロファイルが異なることになる。
このため、本実施形態のLEDカッターライト100のように、基板の平らな表面に複数個のLED素子を並べて設けた面発光タイプの光源1を用いた場合、絞り4を設けないと、照射面Oにおけるスポット光の輪郭がぼやけて周辺部で色ムラを生じる。本実施形態では、輪郭をはっきりさせ、色ムラが無く混色のよいスポット光を得るため、集光レンズ2、3と結像レンズ5、6の間に絞り4を設けた。
第1の集光レンズ2および第2の集光レンズ3を順に透過した光源1からの光は、赤色、緑色、青色、白色の光を含む。上述したように、各色の光(各LED素子から射出した光)は、発光領域内におけるLED素子の配置位置に応じて個別の光線プロファイルを有するため、複数の色の光が重なる部分と重ならない部分が存在する。具体的には、光軸の近くを通過する光線は全ての色が重なり、光軸から離れた外側を通る光は発光領域の外周部近くに配置したLED素子からの光であり単色である。
よって、全ての色の光が重なった混色のよい光を射出するためには、光軸の近くを通る全ての色の光が重なった光だけを射出することが望ましい。このため、本実施形態では、光軸と直交する仮想の絞り面を通過する光のうち全ての色の光が重なった領域の内側に絞り4の開口4aが配置されるように、絞り4の開口4aの径D2を決め、且つ絞り4の光軸方向に沿った配置位置を決めた。なお、発光効率を高めるため、絞り4は第2の集光レンズ3に近付けて配置することが望ましい。
また、本実施形態では、LEDカッターライト100の発光効率を高めるため、光源1の発光領域の外側に青色の光を射出するLED素子を配置した。青色の光は、レンズを透過したとき、青色光より波長の長い光と比べて、屈折する角度が大きくなる。このため、青色光を射出するLED素子を発光領域の外側に配置することで、絞り4によってけられる光を少なくすることができ、発光効率を高めることができる。
さらに、本実施形態のLEDカッターライト100は、スポット光の形状を変えるカッター機構を有する。カッター機構は、絞り4の開口4aを部分的に遮光板で塞ぐことでスポット光の形状を変える。つまり、カッター機構は、混色のよい光だけを通過させる開口4aよりさらに狭い領域で光を通過させるため、カッター機構の遮光板を通過する光は必然的に混色のよい均一な光となる。見方を変えて、カッター機構によってスポット光の形状を矩形にすることを前提に考えると、絞り4の開口4aを理想的な径より少し大きくしても、スポット光の外周部をカッター機構によりカットすることができるため、その分、発光効率を高くすることができる。
以上のように、本実施形態のLEDカッターライトによると、集光レンズ2、3と絞り4と結像レンズ5、6の組み合わせにより色ムラの無い混色のよいスポット光を得ることができ、比較的安価な構成により小型化も可能となる。
例えば、本実施形態のLEDカッターライト100は、光学系にミラーを含まないため、反射による混色が無く、光学系の設計を単純にできる。
また、本実施形態によると、COBタイプの光源1を用いて発光面を小さくし、集光レンズ2、3も比較的小径のものを使うことで、絞り4の開口4aを小さくすることができ、装置全体の小型化が可能となる。特に、本実施形態のように、絞り4の開口4aを小さくすることで、結像レンズも小型化することができ、装置の小型化に寄与することができる。
また、外周側の発光素子を同色にすることで効率を高めつつ、色ムラを低減することができる。特に、屈曲率の大きい青色の発光素子を外周近くに配置することで比較的焦点距離の長い集光レンズを選択することができるので、光学系を小さくすることができる。
上述した実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。上述した実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。上述した実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
例えば、上述した実施形態では、絞り4に隣接してカッター機構を設けたLEDカッターライト100に本発明を適用した場合について説明したが、これに限らず、カッター機構を持たないスポットライトに本発明を適用しても良い。
以下、本願の出願当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
[1]
互いに波長の異なる光を射出する第1の発光素子および第2の発光素子を含む複数の発光素子を基板の表面に並べて設けた光源と;
前記表面に対向して設けた集光レンズと;
前記集光レンズの前記光源と反対側に対向し、前記集光レンズの光軸と直交する絞り面において前記全ての発光素子から射出された光が重なる領域の内側に開口を有する絞りと;
前記絞りの前記集光レンズと反対側に対向し、光軸を一致させて該光軸に沿って移動可能に設けた結像レンズと;を有し、
前記光源の発光領域の径をD1とし、前記絞りの前記開口の径をD2とし、前記集光レンズの径をD3とした場合、D1<D2<D3の関係が成り立つ照明装置。
[2]
互いに波長の異なる光を射出する第1の発光素子および第2の発光素子を含む複数の発光素子を基板の表面と直交する光軸を中心に該表面に並べて設けた光源と;
光軸を一致させて前記表面に対向して設けた第1の集光レンズと;
光軸を一致させて前記第1の集光レンズの前記光源と反対側に対向して設けた、前記第1の集光レンズより大径の第2の集光レンズと;
前記第2の集光レンズの前記第1の集光レンズと反対側に対向し、前記光軸と直交する絞り面において前記全ての発光素子から射出された光が重なる領域の内側に開口を有する絞りと;
前記絞りの前記第2の集光レンズと反対側に対向し、光軸を一致させて該光軸に沿って移動可能に設けた結像レンズと;を有し、
前記光源の発光領域の径をD1とし、前記絞りの前記開口の径をD2とし、前記第1の集光レンズの径をD3とし、前記第2の集光レンズの径をD4とした場合、D1<D2<D4の関係およびD1<D3の関係が成り立つ照明装置。
[3]
前記複数の発光素子のうち外側の発光素子を同じ波長の光を射出する発光素子にした、
[1]または[2]の照明装置。
1…光源、2…第1の集光レンズ、3…第2の集光レンズ、4…絞り、4a…開口、5、6…結像レンズ、8a、8b…タブ、12…放熱フィン、100…LEDカッターライト、101…筐体。

Claims (3)

  1. 互いに波長の異なる光を射出する第1の発光素子および第2の発光素子を含む複数の発光素子を基板の表面に並べて設けた光源と;
    前記表面に対向して設けた集光レンズと;
    前記集光レンズの前記光源と反対側に対向し、前記集光レンズの光軸と直交する絞り面において前記全ての発光素子から射出された光が重なる領域の内側に開口を有する絞りと;
    前記絞りの前記集光レンズと反対側に対向し、光軸を一致させて該光軸に沿って移動可能に設けた結像レンズと;を有し、
    前記集光レンズから前記絞りまでの距離は、前記絞りから前記結像レンズまでの距離よりも短く、
    前記光源の発光領域の径をD1とし、前記絞りの前記開口の径をD2とし、前記集光レンズの径をD3とした場合、D1<D2<D3の関係が成り立つ照明装置。
  2. 互いに波長の異なる光を射出する第1の発光素子および第2の発光素子を含む複数の発光素子を基板の表面と直交する光軸を中心に該表面に並べて設けた光源と;
    光軸を一致させて前記表面に対向して設けた第1の集光レンズと;
    光軸を一致させて前記第1の集光レンズの前記光源と反対側に対向して設けた、前記第1の集光レンズより大径の第2の集光レンズと;
    前記第2の集光レンズの前記第1の集光レンズと反対側に対向し、前記光軸と直交する絞り面において前記全ての発光素子から射出された光が重なる領域の内側に開口を有する絞りと;
    前記絞りの前記第2の集光レンズと反対側に対向し、光軸を一致させて該光軸に沿って移動可能に設けた結像レンズと;を有し、
    前記第2の集光レンズから前記絞りまでの距離は、前記絞りから前記結像レンズまでの距離よりも短く、
    前記光源の発光領域の径をD1とし、前記絞りの前記開口の径をD2とし、前記第1の集光レンズの径をD3とし、前記第2の集光レンズの径をD4とした場合、D1<D2<D4の関係およびD1<D3の関係が成り立つ照明装置。
  3. 前記複数の発光素子のうち外側の発光素子を同じ波長の光を射出する発光素子にした、
    請求項1または請求項2の照明装置。
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