JPS63160101A - スポツトライト - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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
たスポッ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） 格子状のフィ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ットラ
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。

かかるスポットライトの構造は第６図に示す如く、格子
状のフィ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！）ｌ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ォ
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
を供給Ｊ−る電気回路部品などから成る。そして、その
使用法はフォーカス調整機構（６）の操作により、フィ
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聞き角度を連室調整し、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ットライトも同
様の構造を具備づ−るが、前者は比較的広範囲に柔らか
い投光（ラフ１〜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（）でなく、
平凸レンズスポッ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１カ
ポチヤ」が存在づ−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ｌ〜ライトよりも広い等の利点
がある。第１２図（ａ）〜（Ｃ）に球面平凸レンズを使
用したスポットライ１〜の照度分布曲線及び被照面の状
態を示す。第１２図（ａ）は最小聞き時、（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１２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、「カポチャ」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１へ
がレンズの色収差による発色を伴い投影され、あたかも
「カポチャ」　（南瓜）の如く見える現象であるが、第
１２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１〜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１２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
高照度となる最小聞き時にも、低照度となる最大開き時
にも、同一レベルで描いである。

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１３図に球面平凸レンズの球面収差特性を示覆。

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ＩＣもので
ある。

球面平凸レンズにおいては、第１３図に示ず如く、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１４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、従って、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
＝　５　− ある。

かかる「中落ち現象」や「カポチャ」を改善する手段ど
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。

スポラ１〜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面をステップ面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次画面ｊ：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「カポチャ」の発生を改善しているが、各
輪状面を結ぶ面即ち冬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っている
。

又、従来のフレネルレンズの冬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、従って点光源を基本として設計されている
。しかし、実用されるスポッ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
られなかった。。

スポッ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ッチのステップ面
で構成され、従って冬山の高さも高くなるため、冬山の
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。このことは冬山の曲率半径
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、冬山
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ットが減少してしまうと
いう難点があった。

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而八−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面の冬山の内側
部分で発生ず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っていた。従って「裏目」
付きのフレネルレンズにおいては、平凸レンズスポット
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Ｕ中薄ち現象Ｊや「カポチャｊ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、平凸レンズスポラ［〜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ップ面を成形す
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Ｊ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Ｊ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
った。

従来のフレネルレンズを使用したスポットライトにおけ
る問題点を整理すると、 ■ステップのピッチが粗いため、「中落ち現象」の対策
が不十分である。

■ステップのピッチが粗いため、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。

■冬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〈
従来のフレネルレンズスポットライトが有する問題点を
解消し得るスポッ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ップ面の冬山の高さを
３ｍｍ以下とする。

スポッ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ップ面を構成する各
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、各山毎の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、ステップ面の冬山の高さを３　ｍｍ
以下にしであるため、冬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、冬山のピッチが小さくな
るため、−山毎に発生する球面収差が少なくなり、これ
に起因して発生ずる「中落ち現象」や「カポチャ」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ットライト及びそれ
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）△と、反対側のステップ面（第２面）
Ｂとから成り、そのステップ面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用８が同心円
状に配置されており、それら環状用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次曲面によって形成されている。

又、ステップ面Ｂを構成する環状用８の山の高さは３　
ｍｍ以下とし、それによって細かいピッチのステップ面
とされている。それによって各環状用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、ステップ面Ｂを構成する各環状用８毎の焦点距離
は一定でも勿論良いが、実用されるスポットライトの光
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、環状用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、環状用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
ネルレンズスポッ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。

このことはコンピュータを用いてフレネルレンズの各環
状用の設計計算を行ない、更に、コンピュータによるフ
レネルレンズスポットライトの実用光源における光線追
跡シミュレーションを行ない、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）
はステップ面Ｂを構成する各環状用８毎の焦点距離を一
定、変化さぜた場合の配光を示し、第６図（ａ）は各環
状用８の焦点距離を一定とした場合の配光で、−山毎に
発生する球面収差が少なくなり、［中落ち現象１や「カ
ポチャ］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）は各環状用１１ｊ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。

（発明の効果） 本発明のスポラ１〜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ップ面を構成する各環状用の高さ
を３　ｍｍ以下としたことにより、冬山の内側面にお１
プ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つる程でしかない。従って、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（プ
でいた「裏目」を除去する事ができ、「裏目」により障
害となっ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、山のピッチが小さくなるため、−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「カポチャ」は事実上無視することが出来る
までに改善出来る。

従って、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、スポッ
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、上記ステッ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かできる。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ットラ
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。

依って、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ットライトの断面図、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）は冬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
を用いたスポットライトの断面図、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
）　（７）断面図、第１３図（ａ）　、（ｂ）　、（ｃ
）は球面平凸レンズを用いたスポッ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１６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ニステラプ面（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 手続補正用 昭和６２年　４月　９日 昭和６１年特許願第３１０４７０号 ２、発明の名称 スポットライト ３、補正をする者 事イ１どの関係　　　　　特許出願人 氏名（名称）　　　　丸茂電機株式会社４、代理人 ５、補正命令の日イ」（自発補正） 昭和　　年　　月　　日 ６、補正の対象 別紙の通り 補　　　正　　　書 １、明細書第２頁の第１３行目の「第６図」を［第７図
−１と訂正ザる。 ２、明細書第４頁の第８行１」、第１０行目、第１２行
目、第１８行目、及び第５頁第１行目の「第１２図」を
「第１３図」と訂正する。 ３、明細書第５頁の第７行目及び第１２行目の［第１３
図−１を「第１４図」と訂正する。 ４、明細書第５頁の第１６行目の「第１４図１を１第１
５図」と訂正する。 ５、明細書第６頁の＃第１６行目を下記の如く訂正する
。 ［となっている。（第１６図参照）」 ６、明細書第１４頁の第１０行目を下記の如く補正づる
。 「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。」 以　　上

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （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ットライトであって、各山の高さが
   ３ｍｍ以下のステップ面からなるフレネルレンズを備え
   たことを特徴とするスポットライト。
2. （２）上記フレネルレンズにおけるステップ面を構成す
   る各山毎の焦点距離を変えたことを特徴とする特許請求
   の範囲第１項に記載のスポットライト。
3. （３）上記フレネルレンズにおけるステップ面を構成す
   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
   のスポットライト。