JPS5942404B2 - 照明装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は光源から出た光を、一定方向へ効率良く投光す
る照明装置に関するものである。

劇場の舞台照明等で使用するスポットライトは灯具の使
用目的により光学系の異なる数種の型式のものが実用化
されているが、現在その中でも最も一般的に普及してい
るのは平凸レンズを使用したスポットライトである。

第１図及び第２図ａ、ｂにその原理を示す。

以下図について説明すると、１は白熱電球等の光源で、
光源１より前方に発した光のうち光軸５の周辺の光はレ
ンズ２に直接入射する。又光源１より後方に発した光の
うち、光軸５の周辺の光は光源１を中心とした球面反射
鏡３により反射し、元の光源位置を通過した後レンズ２
に入射する。レンズ２へ入射した光は屈折してさらに前
方へ投光されるが、投光の開き角は、光源１とレンズ２
の間隔及びレンズ２の焦点距離によつて決まる。第２図
ａは光源１とレン・ズ２の間隔を縮めた場合を示し、レ
ンズ２より投光された光は第１図に比べ拡がつている。
逆に同図ｂは光源１とレンズ２の間隔を延ばした場合を
示し、投光される光の開き角は狭くなつている。光源と
レンズの間隔調整装置は例えば第１図に示すごとく、ガ
イドレール６とランプソケットや反射鏡ホルダーを取付
けた摺動台１、引出し棒８、同握り９からなり、引出し
棒８を前後動させることにより行なえる。

この種のスポットライトは簡単な操作で同一投光距離で
照射径を変えたりあるいは照射径を変えることで中心光
度を変えられる等、投光のコントロールができると云う
利点があるが、光の利用率の面で難点がある。

すなわち、一般にスポットライトで使用されているＣ−
１３型フィラメント（ＪＩＳ−Ｃ７７１１）を使用した
電球について考えてみると、その配光曲線は第３図のよ
うになる。

この電球を第１図に示したスポットライトの光学系で使
用した場合、レンズに入射する光はレンズと電球の位置
関係とレンズの直径によつて定まる光軸附近の光だけで
あつて、それ以外の光はすべて灯体に吸収されてしまう
。

現在一般に使用されているスポットライトではレンズに
入射する光束と電球の総光束の比は３５％以下である。
この光の利用率を上げる方法としては、レンズ及び反射
鏡の直径を増大する方法が考えられるが、次に述べるよ
うな理由によつて、投光される光の均一度が低下し、し
かもスポツトライトが大型化することをまぬがれない。
レンズの直径を大きくすることは第４図に示したように
レンズの平面に対してその入射角の大きな光までレンズ
に照射することになる。

この入射角の大きな光をレンズの周辺部に照射すると周
辺部において光は大きく屈折し、レンズから投光された
光は周辺部の密度が高ぐなり、前方の照射面に卦ける照
度分布は第４図右側に示したように、周辺部が明るく、
中心部が暗い、いわゆる中落現象を生じる。このように
レンズの直径を上げると光の利用率は向上するが照射面
での明りの均一性が損なわれるので、従来のスポツトラ
イトでは光束利用率が３５１：ｆ）以下で使用されてい
るのが現状である。

この光束利用率を向上させる手段として以前に２つの反
射面を有する特殊電球が提案さべ現在でも一部には使用
されている。これは、第５図に示せるように、電球の前
面には開口部を有する円弧反射１４、後面には電球のフ
イラメントを１方の焦点とする楕円反射１５を使用し、
電球の前方に照射された光の内開口部以外に照射された
光は、前方の円弧反射で光源部を経て後部反射に当て、
後部の楕円反射に当つた光は、前方の開口部から、第２
の焦点に向つて集光する光として得ようとするものであ
る。

この特殊な光学系を有す番特殊電球を使用したスポツト
ライトＶＣ訃いては光東利用率の向上は得られるが、次
のような問題が発生した。

すなわち、電球の開口部から照射される光には、１つは
、光源から直接開口部に照射された拡散光であり、他は
後部楕円反射に当つて反射された集束光である。

従つて、この２種の方向の異なる光を、レンズで集光し
た場合には、どちらかを犠性にしなければならず、ここ
で光束の利用率の低下、あるいは照射面に卦ける不均一
性をもたらすものとなり、現在では特殊な小型のスポツ
トライトを除いて使用されていない。

本発明は上述したような事情に鑑みてなされたもので、
新規なスポツトライトの光学系を提供するものであり、
従来の光学系によるスポツトライトの光束利用率を大幅
に向上し得るようにしたものである。

斯る目的を達成せんとする本発明の照射装置は、光源と
、その光源の前後に設けた円弧又は楕円弧又はそれらの
組合せを母線とし光軸のまわりに回転して得られる回転
体からなる反射鏡によつて構成し、前方の反射鏡は中央
部に開口を有し、光源から前方に出た光束の一部を開口
より前方へ照射すると共に、他の光束を後方の反射鏡の
中央部に入射させ、後方の反射鏡は前方の反射鏡によつ
て入射された光を光源位置に集束する中央部と、光源よ
り後方に出た光を前方の反射鏡に入射させる周辺部とを
有していることを特徴とするものである。

以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。

第６図は本発明に係る照明装置を利用した平凸レンズ系
のスポツトライトの一例を示す。

前方の反射鏡１０はその中央部に光線投光用の開口部を
有し、後方の反射鏡１１は中央部１２と周辺部１３から
成り、前方反射鏡１０の開口部から直接投光する光及び
光軸と直角方向又はその近傍に出射した光以外は前方の
反射鏡１０及び後方の反射鏡１１に一度ないし数度反射
し、その多くは前方の反射鏡１０の開口部からレンズ２
へ投光する。

前方の反射鏡１０及び後方の反射鏡１１の光学原理を第
７図に示す。前方の反射鏡１０は光中心０を一方の焦点
とし、光中心より後方で、光軸より若干ずれた点Ｑを他
方の焦点とする楕円弧の第２の焦点Ｑと同じ側で光中心
０より前方の部分を、光軸のまわりに回転せしめて得た
形状で、その光軸付近には光線投光用の開口部を有する
。

上記楕円弧の内端をＰ１、外端をＰ２とし、直線０Ｐ１
が光軸となす角をα、直線０Ｐ２が光軸となす角をβと
する。直線ＰｌＱの延長線が光軸と交わる点をＰ３とし
、Ｐ３を通り点０及びＱを焦点とする楕円弧と、直線Ｐ
２Ｑの延長線が交わる点をＰ４とし、直線０Ｐ４が光軸
となす角をγとすればγ＝αとなるような２つの反射鏡
の楕円弧の形状は無限にあるが、例民ば、α，β，０Ｐ
１，０Ｐ３を決めると、光中心０を原点とし、光軸５を
ｘ軸としたＸｙ座標系上で、上記関係を満足する楕円弧
の第２の焦点Ｑの座標をＸ，ｙ，とすれば楕円の中心点
Ｓ（Ｘ８，ｙｌ）はＸｓ：Ｘｑ／２、Ｙ８＝Ｙ，＝Ｙｑ
／２となり、ａ１＝（０ｐ，屓浜ン２，ｃ，＝！２＋Ｙ
８２，ｈ＝Ｖａｌ２−Ｃｌ２ＶＶ！ル１五〜Ｊ（｛．と
訃けば 第１の楕円は 第２の楕円は でそれぞれ示される。

点Ｐ２は原点から見てｘ軸となす角がβの直線と第１の
楕円との交点であり、該直線はで示されるので、式４，
３より求まり、その座標を（Ｘ２′Ｙ２）とする。

点Ｐ４は直線Ｐ２Ｑの延長線と第２の楕円の交点であり
、直線Ｐ２Ｑはで示されるので、式２，４より求まり、
その座標を（Ｘ４ラＹ４）とする。

しかるに、直線０Ｐ４が原点から見てｘ軸となす角はγ
であるのでγ＝αとなるためには点Ｐ４が原点から見て
ｘ軸となす角αの直線ｙ＝Ｔａｎα・ｘ上にあれば良い
。

すなわち、Ｙ４＝Ｔａｎα・Ｘ４を満足するような点Ｑ
を第２の焦点として選べば良い事になる。

Ｐ４を通り、点０を中心とする円弧と、直線Ｐ２Ｏの延
長線が交わる点をＰ，とすれば、後方の反射鏡１１は、
楕円皿Ｐ３Ｐ４とこれに続く円弧Ｐ４Ｐ５を光軸のまわ
りに回転せしめて得た形状である。光中心０より前方へ
発し、楕円弧Ｐ，Ｐ２上の点Ａに入射した第１の光は反
射して焦点Ｑを通過し、楕円弧Ｐ３Ｐ４上の点Ｂで再反
射し、光中心０を通過して前方ミラーの開口部より投光
される。

光中心０より後方へ発し、円弧Ｐ４Ｐ５上の点Ｃに入射
した第２の光はＯ−＋Ｃ−＋Ａ−＋Ｂと３回反射して前
方ミラーの開口部より投光される。光中心０より後方へ
発し、楕円弧Ｐ３Ｐ４上の点Ｂに入射した第３の光はＯ
−＋Ｂ−＋Ａ−＋Ｃ−＋Ａ−＋Ｂと５回反射して前方ミ
ラーの開口部より投光される。

光中心０より前方へ発し、前方反射鏡１０の開口部より
投光する第４の光は直接光として投光される。

このような光学系にお・いては、開口部から投光される
光はその配光のほぼ全領域を覆つているので光束利用率
が高く、照射角が小さいので開口部の前方に設けるレン
ズの直径が小さくて良く、しかも上記第１〜第４の光は
℃ずれも光軸上のＯ点より発された拡散光として開口部
より投光されるので極めて照射面Ｖｃ訃ける光の均一性
が高いスポツトライトを提供することができる。

これらの効果は特に遠距離照射用スポツトライトに適用
した場合著るしい。

これは遠距離照射用スポツトライトにお一いては焦点距
離の長いレンズを使用するので光源とレンズ間の間隔を
大きく取らなければならず、この為に電球から発した光
のうち、光軸近傍の一部の光のみしか利用できなかつた
が、本発明による光学系を利用すれば光束利用率を低下
させることなく開口部から投光される光は開き角の狭い
ビーム状の光が得られるので従来の長距離照射用スポツ
トライトに比し、光束利用率の向上は著るしい。

上記本発明に係る光学系の第７図による説明に｝いて、
Ｐ４点の設定方法として、Ｐ１点と光源の中心０を結ん
だ延長線上にあるものとし、従つて、光源の中心から見
た開口角αと、Ｐ３Ｐ４を見た角γは同一としたが第８
図の如く、γくαに選んだ場合には反射面に当つた第１
、第２、第３の光の拡り角はγ、光源から直接開口部へ
投光される第４の光の拡りはαとなる所から、この光学
系から得られる光のビームは光軸附近が密で、周辺部が
粗となる光の分布が得られ、開口部の前方に平凸レンズ
を置いたとき、中落現象の少ない均一化された照射面を
得ることができる。しかし、極端にγを小さくした場合
には実用上、光源部の面積を考慮すれば反射面で幾回も
反射する光線の割合が増加し、反射率に基因する損失、
及び電球のフイラメント近傍を通過する光線の増加によ
る電電球への悪影響が生じるので一αくγ〈αの範囲で
適宜選択することによつて、開口部に訃ける光線の分布
が任意に設計できることは本発明の１つの効果である。
以上の説明に｝いて２個のミラーの形状の母線である楕
円弧は近似的に円弧にて設計させても、ほぼ同様の効果
を挙げることは云うまでもない。

又、第７図、第８図の例では後方反射鏡の中央部１２の
母線たる楕円弧を決めるに当つて、直線ＰｌＱの延長線
が光軸と交わる点をＰ３としたが、第９図に示す如く直
線Ｐ２Ｑの延長線が光軸と交わる点をＰ３とし、Ｐ３を
通る楕円弧と、直線Ｐ，Ｑの延長線の交点をＰ４とする
ことにより、後方反射鏡１１１０母線Ｐ３Ｐ４Ｐ５を形
成し、該曲線を光軸のまわりに回転して得られる形状で
あつても同様の効果が得られることは図より明らかであ
る。以上詳細に説明した如く本発明による照明装置によ
れば、或る一定方向への光線の投光光量を増大すること
ができ、該照明装置を利用した平凸レンズ系の７ポーツ
トライトに卦いては、その光束利用率を従来のスポツト
ライトに比べて大巾に改善でき、特に焦点距離の長いレ
ンズを使用する遠距離用スボツトライトに訃いては多大
な効果を発する。

又、本発明の照明装置によれば或る一定方向への光線の
投光光量を増大し、且つその中央部の適当な範囲の配光
密度を高めることが出来るため、該照明装置を利用した
平凸レンズ系のスポツトライトＶｃ訃いては、その光束
利用率を従来のスポツトライトに比べて大巾に改善でき
るばかりでなく、従来平凸レンズ系のスポツトライトの
宿命とされていた中落ち現象をも改善することができる
。

なお本発明の実施形態として上記説明では平凸レンズを
使用したスポツトライトについて行なつたが、この光学
系は効率良く、開き角の狭いビーム光を得る手段として
見ることができるので、例えば開口部の前面に近接して
レンズを置くことによつて、平行光線やあるいは焦点を
結ぶ焦束光線を得る手段として使用できることは勿論で
ある。本件の発明による照明裟置はその形状が単純で、
製作も容易であるため、該照明装置の利用により安価に
各種照明器具の光学性能を向上せしめることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の光学系によるスポツトライトの一例を示
す概略図、第２図Ａ，ｂはその動作説明図、第３図は実
用されている光源の配光を示す図、第４図は中落ち現象
の説明図、第５図は従来提案されている複数の反射鏡の
組合せからなる照明装置の動作原理説明図、第６図は本
発明による照明装置を利用したスポツトライトの一例を
示す概略図、第７図は第６図に示す照明装置の動作原理
説明図、第８図及び第９図は他の実施例を示す動作原理
説明図である。 図中、１０，１『は前方の反射鏡、１１，１１′は後方
の反射鏡である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 光源と、その光源の前後に設けた、円弧又は楕円弧
   又はそれらの組合せを母線とし光軸のまわりに回転して
   得られる回転体からなる反射鏡によつて構成し、前後の
   反射鏡が下記の機能を満足することを特徴とする照明装
   置（ａ）前方の反射鏡は、中央部に開口を有し、光源か
   ら前方に出た光束の一部を開口より前方へ照射すると共
   に、他の光束を後方の反射鏡の中央部に入射させる（ｂ
   ）後方の反射鏡は、前方の反射鏡によつて入射された光
   を光源位置に集束する中央部と、光源より後方に出た光
   を前方の反射鏡に入射させる周辺部を有している。