JPH0243281B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は舞台照明等に使用されるフレネルレン
ズを有したスポツトライトの改良に関するもので
ある。

（従来の技術と問題点） 格子状のフイラメントを備えた白熱電球と、球
面反射鏡と、フレネルレンズからなる光学系を有
するスポツトライトは、今日、劇場等の舞台や、
テレビスタジオばかりでなく、学校等の講堂や、
ホテルの宴会場など演出照明を行うあらゆる場所
において多用されている。

かかるスポツトライトの構造は第７図に示す如
く、格子状のフイラメントを有する白熱電球（ハ
ロゲン電球を含む（以下同じ））１と、この白熱
電球１の光中心近傍を曲率中心とし、白熱電球１
より後方へ発した光束を反射する球面反射鏡２
と、この反射光束及び白熱電球１より直接前方に
発した光束を入射し、投光開き角度を変えて前方
へ照射せしめるフレネルレンズ３と、白熱電球１
と球面反射鏡２とを一定関係位置に保持するサド
ル５と、このサドル５と前記フレネルレンズ３と
の関係位置を連続的に変化せしめ、投光開き角度
を調整せしむるフオーカス調整機構６と、これら
光学部品を適性関係位置に保持する灯体７と、上
記白熱電球１に電源と供給する電気回路部品など
から成る。そして、その使用法はフオーカス調整
機構６の操作により、フイラメント４の結像する
位置から白熱電球１とフレネルレンズ３との近接
位置までを変化せしめ、演出上の要求に応じて投
光開き角度を適宜調整し、任意の投光を得るもの
である。

上記光学系において、フレネルレンズ３の代わ
りに平凸レンズを用いた所謂平凸レンズスポツト
ライトも同様の構造を具備するが、前者は比較的
広範囲に柔らかい投光（ソフトエツジ）を得るの
に対し、後者は主に狭い範囲に硬い光質の投光
（ハードエツジ）を得る場合に用いられる。

フレネルレンズの効果は単に光質の相違だけで
なく、平凸レンズスポツトライトにみられる被照
面中心部の所謂「中落ち現象」の発生や、被照面
周辺部の所謂「カボチヤ」が存在すると云う欠点
を改善することが出来、又、レンズの厚みを減少
出来るため器具の軽量化が図れ、さらに、球面平
凸レンズでは原理上設計不可能な大口径短焦点レ
ンズをも、設計する事が出来るため、適用範囲は
平凸レンズスポツトライトよりも広い等の利点が
ある。第１３図ａ〜ｃに球面平凸レンズを使用し
たスポツトライトの照度分布曲線及び被照面の状
態を示す。第１３図ａは最小開き時、ｂは中間開
き時、ｃは最大開き時の状態を示している。「中
落ち現象」とは、第１３図ｂ，ｃに示す如く被照
面での照度分布において、周辺部の照度に対し中
心部の照度が低くなる現象をさし、「カボチヤ」
とは通常縦方向に６折からなる白熱電球の格子フ
イラメントがレンズの色収差による発色を伴い投
影され、あたかも「カボチヤ」（南瓜）の如く見
える現象であるが、第１３図ｂ，ｃに示す如く前
記中落ち現象増大と共にこのフイラメントの像が
周辺に片寄るため非常に強調されて知覚される。
尚、第１３図の照度分布曲線においては、分布状
態を明確にするため、それぞれの最高照度を100
％とする比照度曲線で表したため、本来高照度と
なる最小開き時にも、低照度となる最大開き時に
も、同一レベルで描いてある。

この「中落ち現象」の発生はレンズの球面収差
に起因する。第１４図に球面平凸レンズの球面収
差特性を示す。平行光をレンズの凸面より入射し
たとき、屈折後出射して集光する位置は、光線の
入射位置すなわち光軸からの高さにより変わり、
この関係をグラフに示したものである。

球面平凸レンズにおいては、第１４図に示す如
く、きつい負の球面収差を固有しており、中心部
の焦点距離に比べ外周部の焦点距離は極端に短
く、なおかつ、その変化特性は周辺部の方が著し
いために、第１５図に示すごとく焦点距離の短い
外周部に入射した光線は強く屈折するが、中間部
から中心部にかけて焦点距離が長くなるため、屈
折の度合が低下し、従つて、屈折後の光線は周辺
部に集中し、結果として「中落ち現象」が発生す
るものである。

かかる「中落ち現象」や「カボチヤ」を改善す
る手段として、この球面収差を減少させたフレネ
ルレンズが用いられてきた訳である。

スポツトライト用フレネルレンズとしては、通
常、光源側から見て第２面をステツプ面B′とし、
中心は球面、中心以外の各輪状面は曲率中心を光
軸よりずらせた円弧を光軸の周りに回転して得ら
れる４次曲面よりなり、この各輪状面における曲
率中心位置と曲率半径を適宜に設定することによ
り、球面収差を極力抑制し、前記「中落ち現象」
や「カボチヤ」の発生を改善しているが、各輪状
面を結ぶ面即ち各山の内側の面には有効なレンズ
作用は無く、逆に有効な光の通過を妨害するた
め、被照面に輪状の光むら（影）９′が発生する
原因となつている（第１６図参照）。

又、従来のフレネルレンズの各山の曲率半径及
び曲率中心の設定は、専ら球面平凸レンズにおけ
る「中落ち現象」等の原因である球面収差を改善
するために、各山毎の公称焦点距離が一定になる
ことを目標として設計されたものであり、従つて
点光源を基本として設計されている。しかし、実
用されるスポツトライトの光源は通常は白熱電球
であり、ある一定の発光面積を有しているため、
焦点距離の一定なレンズでは必ずしも理想的な配
光は得られなかつた。

スポツトライト用フレネルレンズの材料として
は耐熱性、強度、透明度等の諸条件からガラス製
の物が実用に供せられているが、従来は比較的粗
いピツチのステツプ面で構成され、従つて各山の
高さも高くなるため、各山の内側の面により発生
する被照面の輪状の光むらは、実用上無視するこ
とが出来ない。このことは各山の曲率半径の小さ
い、所謂焦点距離の短いフレネルレンズ程顕著で
ある。

逆に、焦点距離の長いフレネルレンズにおいて
は、各山の外側の面、即ち有効レンズ部分の面積
が内側の面の面積に比較して十分広くなるため、
被照面における輪状の光むらは大きな障害となら
ないが、各々の輪状面には球面収差が存在するた
め、球面平凸レンズに近い配光となり、フレネル
レンズとするメリツトが減少してしまうという難
点があつた。

この輪状の光むらの発生を解決する手段とし
て、光源側から見たフレネルレンズの第１面
A′を「裏目」と呼称する格子状１０又は亀甲状
１１等の小規模の凹凸を有する拡散面とし、この
「裏目」により第２面の各山の内側部分で発生す
る光線の妨害を実用上支障のない程度に解消して
いる。

しかし、裏目の種類及び目の粗さにより、光質
が左右される丈でなく、同部分での屈折のために
有効照射径より外への投光量も多く有効器具効率
を低下させ、必要以上に散逸した投光の原因とも
なつていた。従つて「裏目」付きのフレネルレン
ズにおいては、平凸レンズスポツトライトにおけ
るが如くハードエツジの投光は得られず、そのた
め「中落ち現象」や「カボチヤ」が発生するにも
かかわらず、また、器具の重量が重くなるにもか
かわらず、平凸レンズスポツトライトが多用され
ているのである。

又、フレネルレンズの製造面から見ると、同レ
ンズの成形金型は「裏目」を成形する下型とステ
ツプ面を成形する上型とから成り、溶融した光学
ガラス塊を下型中央部に置き、上型にて加圧成形
するため、下型に設けた「裏目」成形用彫刻の中
央部が溶融ガラス塊による高熱のため他の部分に
比べて早く消耗若しくは変形等の異状が発生し、
結果として成形後のフレネルレンズの「裏目」中
央部の細部形状に変形が生じるため、安定した
「裏目」形状を有するフレネルレンズを製造する
ことは困難であつた。

従来のフレネルレンズを使用したスポツトライ
トにおける問題点を整理すると、 ステツプのピツチが粗いため、「中落ち現象」
の対策が不十分である。

ステツプのピツチが粗いため、輪状の光むら
が発生し、その対策として「裏目」が必要であ
る。

各山毎の公称焦点距離が一定であるため、実
用光源において必ずしも理想的な配光が得られ
ない。

「裏目」があるため、ハードエツジの投光が
得られない。

「裏目」があるため、必要以上にソフトな投
光となり、有効器具効率が低下する。

「裏目」の品質が不安定であるため、投光の
光質が不安定である。

（発明の目的） 本発明は上述した従来事情に鑑み、フレネルレ
ンズにおいて光源と対向する第１面に、格子状又
は亀甲状等の小規模の凹凸を有した拡散面（裏
目）を形成することなく従来のフレネルレンズス
ポツトライトが有する問題点を解消し得るスポツ
トライトを提供することにある。

（問題点を解決するための手段） 上記問題点を解決するために本発明が講じた技
術的手段は、フレネルレンズにおけるステツプ面
の各山の高さを３mm以下とする。

スポツトライトの使用目的に応じて配光を変え
るには実用光源の大きさを考慮して上記ステツプ
面を構成する各山毎の焦点距離を適宜に変化させ
る。又、ソフトエツジの配光を得るためには、各
山毎に焦点距離はレンズ外周部の焦点距離をレン
ズ中心部の焦点距離に比較して長くすると共に、
外周部から中心部への焦点距離の変化率は漸時減
少させる。

（作用） 上記手段によれば、ステツプ面の各山の高さを
３mm以下にしてあるため、各山の内側面における
通過光線の妨害も小さく、被照面に発生する輪状
の光むらも実用上無視しうる程となる。そして、
各山のピツチが小さくなるため、一山毎に発生す
る球面収差が少なくなり、これに起因して発生す
る「中落ち現象」や「カボチヤ」は事実上無視出
来る状態となる。又、各山毎の焦点距離を変える
ことにより、ある一定の発光面積を有した白熱電
球に対応して実用的な配光が得られ、しかも外周
部から中心部への焦点距離の変化率を漸次減少さ
せた場合は、有効照射範囲外への不必要な散逸光
を防止し、かつソフトエツジの配光を得ることが
出来る。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明す
ると、第１図乃至第４図は本発明に係るスポツト
ライト及びそれに使用するフレネルレンズを示
し、光源１と対向する平滑な面（第１面）Ａと、
反対側のステツプ面（第２面）Ｂとから成り、そ
のステツプ面Ｂは中心部が球面、中心部の外側に
は断面略三角形状をなした環状山８が同心円状に
配置されており、それら環状山８における輪状面
は曲率中心を光軸よりずらせた円弧を光軸の周り
に回転して得られる４次曲面によつて形成されて
いる。又、ステツプ面Ｂを構成する環状山８の山
の高さは３mm以下とし、それによつて細かいピツ
チのステツプ面とされている。それによつて各環
状山８の内側面における通過光線の妨害は小さ
く、被照面に発生する輪状の光むら（影）９も実
用上無視し得る程度となる（第５図参照）。

更に、ステツプ面Ｂを構成する各環状山８毎の
焦点距離は一定でも勿論良いが、実用されるスポ
ツトライトの光源は通常は白熱電球であり、ある
一定の発光面積を有しているため、環状山８毎の
焦点距離を意図的に変化させることにより、実用
上の最適レンズとなり、より均質で、実用的な配
光を得ることが出来る。

更にまた、環状山８毎の焦点距離の変化を、レ
ンズ外周部の焦点距離をレンズ中心部の焦点距離
に比較して５〜15％長くすると共に、外周部から
中心部への焦点距離の変化率を漸次減少せしめる
ことにより、その配光はソフトエツジとなり、尚
かつ従来の「裏目」を有するフレネルレンズスポ
ツトによるが如き有効照射範囲の外への不必要な
散逸光を防止できる。

このことはコンピユータを用いてフレネルレン
ズの各環状山の設計計算を行ない、更に、コンピ
ユータによるフレネルレンズスポツトライトの実
用光源における光線追跡シミユレーシヨンを行な
い、これに基づき製作された各種フレネルレンズ
についてその配光を調べた結果確認することが出
来た。第６図ａ，ｂ，ｃはステツプ面Ｂを構成す
る各環状山８毎の焦点距離を一定、変化させた場
合の配光を示し、第６図ａは各環状山８の焦点距
離を一定とした場合の配光で、一山毎に発生する
球面収差が少なくなり、「中落ち現象」や「カボ
チヤ」を事実上無視し得る程度に押えることがで
きる。又、第６図ｂ及びｃは各環状山８毎の焦点
距離に変化を与えた場合で、第６図ｂは若干負
（−）の球面収差を付与した場合の配光でハード
エツジの光質となり、第６図ｃの如く正（＋）の
球面収差を付与した場合はソフトエツジの光質と
なる。尚、第１図において従来構造（第７図）と
同一部材については同一符号を付し説明を省略し
た。

（発明の効果） 本発明のスポツトライトは以上詳述した如く、
フレネルレンズにおけるステツプ面を構成する各
環状山の高さを３mm以下としたことにより、各山
の内側面における通過光線の妨害も小さく、被照
面に発生する輪状の光むらも実用上無視しうる程
でしかない。従つて、光むら解消のために従来の
フレネルレンズが第１面に設けていた「裏目」を
除去する事ができ、「裏目」により障害となつて
いた器具効率を向上し、ハードエツジの投光を得
ることができる。さらに「裏目」自体の変形等の
心配も無くなり、安定した品質のフレネルレンズ
が容易に得られるようになる。

また、山のピツチが小さくなるため、一山毎に
発生する球面収差が少なくなり、これに起因して
発生する「中落ち現象」や「カボチヤ」は事実上
無視することが出来るまでに改善出来る。

従つて、前述した〜の問題点が解消できる
ばかりでなく、さらに下記の効果が期待できる。

レンズの厚みが薄くなるために、軽量とな
り、スポツトライトとしても構造を簡素化し軽
量化がはかれる。

レンズの厚みが薄くなるために、レンズ内通
過時の光の吸収が少なくなり、器具効率の向上
がはかれる。

レンズの厚みが薄くなるために、レンズの耐
熱性が向上し、熱割れの危険性がさらに減少す
る。

又、上記ステツプ面を構成する各山毎の焦点距
離を変えることにより、ハードエツジの光質から
ソフトエツジの光質まで自由に設定することがで
きる。更に、各山毎の焦点距離の変化を、レンズ
外周部の焦点距離をレンズ中心部の焦点距離に比
較して５〜15％長くすると共に、外周部から中心
部への焦点距離の変化率を漸次減少せしめた場合
は、その配光はソフトエツジとなり尚かつ従来の
「裏目」を有するフレネルレンズスポツトライト
によるが如く有効照射範囲の外への不必要な散逸
光を防止出来るものである。

依つて、実用的な配光を得ることが出来る最適
なフレネルレンズを提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るスポツトライトの断面
図、第２図乃至第４図は本発明に係るフレネルレ
ンズを示し、第２図は正面図、第３図は背面図、
第４図は第２図の３〜３線に沿える断面図、第５
図は本発明フレネルレンズによる影の原理説明
図、第６図ａ，ｂ，ｃは本発明フレネルレンズの
配光を示す照度特性図で、第６図ａは各山の焦点
距離を一定とした場合の照度特性図、第６図ｂは
負の球面収差を付与した場合の照度特性図、第６
図ｃは正の球面収差を付与した場合の照度特性
図、第７図は従来のフレネルレンズを用いたスポ
ツトライトの断面図、第８図乃至第１０図は従来
のフレネルレンズを示し、第８図は正面図、第９
図は背面図、第１０図は断面図、第１１図ａ，ｂ
は従来のフレネルレンズにおける裏目形態を示
し、第１１図ａは格子裏目、第１１図ｂは亀甲裏
目、第１２図ａ，ｂは第１１図ａ，ｂの断面図、
第１３図ａ，ｂ，ｃは球面平凸レンズを用いたス
ポツトライトにおける照度特性図、第１４図は球
面平凸レンズの球面収差の説明図、第１５図は球
面平凸レンズにおける中落ち現象の説明図、第１
６図は従来のフレネルレンズによる影の原理説明
図である。 図中、Ａ：平滑な面（第１面）、Ｂ：ステツプ
面（第２面）、１：電球（光源）、２：球面反射
鏡、３：フレネルレンズ、８：環状山。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 電球と、球面反射鏡と、フレネルレンズから
   なる光学系を有したスポツトライトであつて、上
   記フレネルレンズにおけるステツプ面を構成する
   山の高さを３mm以下とし、且つ各山毎の焦点距離
   を変えたことを特徴とするスポツトライト。 ２ 上記フレネルレンズにおけるステツプ面を構
   成する各山毎の焦点距離を、レンズ外周部の焦点
   距離をレンズ中心部の焦点距離に比較して５〜15
   ％長くすると共に、外周部から中心部への焦点距
   離の変化率を漸次減少せしめたことを特徴とする
   特許請求の範囲第１項に記載のスポツトライト。