JPWO2006129570A1 - 光照射装置 - Google Patents

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Abstract

光照射エリアの拡縮調整が可能で、ＬＥＤ素子からでるほとんどの光をロス無く光照射エリアに導くことができる光照射装置を提供する。ＬＥＤ素子１１と、そのＬＥＤ素子１１からの光を通過させて先端面２１から射出する光学ユニット２とを備えたものであって、ＬＥＤ素子１１を先端面に保持する素子保持体１Ａと、前記光学ユニット２のＬＥＤ素子１１に対する相対位置を光軸Ｃ方向に沿って調整するための位置調整機構とをさらに備えてなり、その位置調整機構により、前記光学ユニット２を、その基端凹部２５に前記素子保持体１Ａの一部又は全部が収容される接近位置Ｐ１と、素子保持体１Ａの略全てが基端凹部２５から出て当該素子保持体１Ａの先端面と光学ユニット２の基端面２２とが略同じ高さとなる離間位置Ｐ２との間でＬＥＤ素子１１に対し相対的に移動させるようにした。

Description

本発明は、ＬＥＤを光源とする光照射装置であって、製品検査や植物育成、あるいは展示物（絵画や食品等）のためのスポット照明として好適に用いられるものに関する。
近時、パワーＬＥＤと称される高輝度ＬＥＤや青色ＬＥＤ等が開発されるに伴い、ＬＥＤの用途が大きく拡大しつつある。例えば、製品の傷検出やマーク読み取りのために用いられる製品検査用のスポット光照射装置として従来はハロゲンランプを光源とするものが用いられていたが、近時では寿命、光度安定性、速応性、効率等において優れたＬＥＤを光源とするものが開発されてきている。さらにＬＥＤは放出する熱量が少なく、制御性にも優れていることから新たに植物育成用の光源としても注目されてきている。
一方、ＬＥＤ素子からでた光を無駄なく前方に導くために、以下の特許文献１、２に記載されているような光学ユニットが開発されている。
特許文献１の光学ユニット（光学カプラ−と称している）は、ＬＥＤ素子から射出された光をできるだけ無駄なく透明ロッド等のライトガイドに導くためのもので主として歯科医療に用いられる。この光学カプラーは透明中実な椀状のボディを備えており、そのボディの基端面には凹部が設けられている。そして前記凹部内に配設したＬＥＤ素子から出た光が、ボディの湾曲側面で全反射し、あるいは直接、ボディの先端面から射出される。ボディの先端面は平坦になっていて、その先端面をライトガイドの光導入面に密着接続し、ＬＥＤ素子から出る略全ての光がライトガイドに導入されるように構成してある。
特許文献２記載の光学ユニット（レンズ体と称されている）は、中央プリズム部と外輪プリズム部とを備えており、ＬＥＤ素子からの光をすべてレンズ体で受光して所定方向に投光するようにしたものである。
ところで、このような光学ユニットをスポット光照射装置に内蔵させれば、さらに光照射効率が向上するが、前述したものはいずれもＬＥＤ素子からの光を前方へ投光するための効率性にのみ主眼がおかれており、ＬＥＤ素子と光学ユニットとの間の距離を可変にして光照射エリアの大きさを調整可能にするといったことができない。
特開２００３−２２７９７４号公報 特開２００２−４３６２９号公報
そこで本発明は、スポット照明等に好適なように、光照射エリアの拡縮調整が可能で、しかもＬＥＤ素子からでるほとんど全ての光をロス無く光照射エリアに導くことができる光照射装置を提供することをその主たる所期課題としたものである。
すなわち本発明に係る光照射装置は、ＬＥＤ素子と、そのＬＥＤ素子からの光を内部を通過させて先端面から射出する光透過性を有した一体型の光学ユニットとを備え、前記光学ユニットが、ＬＥＤ素子から射出される光の光軸を中心とする回転体形状をなし、その基端面の中央部分に前記ＬＥＤ素子を収容する基端凹部を開口させるとともに、その側面にＬＥＤ素子からの光を略全反射する反射面を形成したものであって、
ＬＥＤ素子を先端面に保持する素子保持体と、前記光学ユニットのＬＥＤ素子に対する相対位置を光軸方向に沿って調整するための位置調整機構とをさらに備えてなり、その位置調整機構が、前記光学ユニットを、その基端凹部に前記素子保持体の一部又は全部が収容される接近位置と、素子保持体の略全てが基端凹部から出て当該素子保持体の先端面と光学ユニットの基端面とが略同じ高さとなる離間位置との間でＬＥＤ素子に対し相対的に移動させるものであることを特徴とする。
このようなものであれば、位置調整機構により光照射エリアを拡縮できるため、ワークによって照射光径の拡縮を要求される製品検査や、照射対象物が生育して大きさの変わる植物育成のためのものとして非常に好適である。
しかも、位置調整機構によりＬＥＤ素子がどの位置に移動しようが、光学ユニットの反射面がＬＥＤ素子の側方に必ず位置するため、最大でも光軸から±９０°の範囲で出るＬＥＤ素子からの光を確実に反射して有効に活用することができる。
前記位置調整機構を簡単な構成で実現するには、位置調整機構が、前記素子保持体と基端凹部とを前記光軸と垂直な方向に略がたなく嵌合させ、かつ光軸方向にスライド可能に構成したものであることが好ましい。
具体的な実施態様としては、前記ＬＥＤ素子が２００ｍＡ以上の電流を連続して流すことのできる超高輝度タイプのものを挙げることができる。
光学ユニットのコンパクト化を図るとともに、光学ユニットの反射面で反射される光と、それ以外の光の通過領域を区成し、光学設計を容易にするためには、前記光学ユニットが、中央部に中央屈折部を有してなり、ＬＥＤ素子から出る光のうち、前記反射面で全反射する略全ての光を、前記中央屈折部を通過させることなく射出するとともに、それ以外の略全ての光を、中央屈折部を通過させて射出するように構成しているものが好ましい。
特に集光型スポット照明に適したものとしては、前記光学ユニットが、その先端面中央部に中央凸レンズ部を形成するとともに、その中央凸レンズ部の周囲先端面に異なった曲率のリング状凸レンズ部を形成し、側面には反射面である湾曲膨出面を形成してなるものであり、前記ＬＥＤ素子から射出された光のうち、前記基端凹部の側面を通過する略全ての光を、前記湾曲膨出面で全反射させて前記リング状凸レンズ部を介し互いに相寄る向きの光として外部に射出する一方、前記凹部の底面を通過する略全ての光を、前記中央凸レンズ部を介し互いに相寄る向きの光として外部に射出するように構成しているものを挙げることができる。
この構成において、前記基端凹部の底面に凸レンズ部を形成しておけば、中央凸レンズ部での屈折度を小さくすることができ、無理のない光学設計が容易になる。
植物育成等に用いることができる拡散型スポット照明に適したものとしては、前記光学ユニットが、その先端面中央部に先端凹部を開口させるとともに、その先端凹部の周囲先端面にリング状凹レンズ部を形成し、側面には反射面である湾曲膨出面を形成してなるものであり、前記ＬＥＤ素子から射出された光のうち、前記先端凹部を通過する光の略全てを、前記凹レンズ部を通過させることなく外側に拡がる光として外部に放射する一方、前記先端凹部を通過しない光の略全てを、前記湾曲膨出面で全反射し、前記凹レンズ部を通過させて外側に拡がる光として外部に射出するように構成しているものが望ましい。
この構成において、前記先端凹部の底面に中央凸レンズ部を形成しておけば、やはり無理のない光学設計が容易になる。なお、レンズ部又はレンズとは、通常のレンズの他にフレネルレンズ等を含むレンズ効果を有するもののことである。
前記パワーＬＥＤに好ましい態様としては、前記素子保持体が、本体部と、その本体部上に設けた導電性を有する突出部とを備えたものであり、前記突出部上に前記ＬＥＤ素子を金−すず合金を用いて接合するとともに、前記突出部を前記本体部上に半田付けして接合するようにしているものを挙げることができる。
前記本体部が先端面から配線層、絶縁層、熱伝導層の順で重ねた層構造をなすものであり、前記突出部が、前記ＬＥＤ素子の熱膨張係数と前記熱伝導層の熱膨張係数との間の熱膨張係数を有するものであることが好ましい。
また、本発明に係る光照射装置は、ＬＥＤ素子と、前記ＬＥＤ素子から射出される光の光軸を中心とする末広がりの回転体形状をなし、当該ＬＥＤ素子からの光を内部を通過させて先端面から射出する光透過性を有した中実の光学ユニットと、その光学ユニットのさらに先端側に配置した凹レンズとを備え、前記光学ユニットが、その側面にＬＥＤ素子からの光を略全反射する反射面を形成したものであって、前記凹レンズと光学ユニットとの光軸方向に沿った離間距離を変更可能に設定するための位置調整機構をさらに備えていることを特徴とする。
さらに具体的には、前記光学ユニットが、その基端面の中央部分には、前記ＬＥＤ素子を収容する基端凹部を開口させ、その先端面には、その中央部に中央凸レンズ部を形成するとともに周囲に前記中央凸レンズ部とは異なった曲率のリング状凸レンズ部を形成し、その側面には、ＬＥＤ素子からの光を略全反射する反射面である湾曲膨出面を形成し、前記ＬＥＤ素子から射出された光のうち、前記基端凹部の側面を通過する略全ての光を、前記湾曲膨出面で全反射させて前記リング状凸レンズ部を介し互いに相寄る向きの光として外部に射出する一方、前記凹部の底面を通過する略全ての光を、前記中央凸レンズ部を介し互いに相寄る向きの光として外部に射出するように構成したものであることが好ましい。
このようなものでも、光照射エリアの拡縮と光の効率的な活用との両方を満足できるため、前記同様の効果を奏し得、特に製品検査用や植物育成用等に用いて好ましいものとなる。また位置調整のための可変範囲を広くとれ、これにより微調することも容易になる。
植物育成や植物ライトアップ等を考えた場合には、広範囲を照射できるものが要求される。そのためには、並べ設けた複数のＬＥＤと、それらＬＥＤにそれぞれ対応する複数の光学ユニットと、それら光学ユニットに対応する複数の凹レンズとを備え、前記位置調整機構が各凹レンズと各光学ユニットとの離間距離を一律に変更するものであることが望ましい。
好適な位置調整機構の態様としては、前記位置調整機構が、光学ユニットから射出される光の径が最小となる位置又はその近傍位置である離間位置と、その離間位置よりもさらに光学ユニット側に設定した接近位置との間で、凹レンズを光学ユニットに対して相対的に移動させるものを挙げることができる。
前記離間位置では、光学ユニットから射出された光の径がほぼ最小となって、凹レンズの中心付近の曲率が小さく、屈折パワーが最小となる範囲に集光され、そこから凹レンズを屈折の影響をほとんど受けることなく通過しながらクロスし、最も広がる光となる。したがって凹レンズの中央付近は、平らな等厚形状であってもよいし、あるいはその中央付近に貫通孔が形成されていてもよい。特に貫通孔が形成されていると、上述したように光が最も広がって照度が小さくなる離間位置での光の減衰を抑制でき、その効果が顕著なものとなる。
具体的には、前記凹レンズの中央に貫通孔又は等厚部を設け、前記離間位置において、光学ユニットから出た光の略全てが、当該貫通孔を通過するように設定しておけばよい。
中央凸レンズ部をでた光の強度ロスを可及的に減少させたい場合や、凹レンズによる制御が不要である場合は、前記凹レンズの中央に貫通孔又は等厚部を設け、少なくとも前記中央凸レンズ部から出た光の略全てが、前記貫通孔又は等厚部を通過するように設定しておけばよい。
一つの光学ユニットに発光色の異なる複数のＬＥＤ素子を集合させて装着したり、あるいは複数の光学ユニットを有する場合は、各光学ユニットに対応するＬＥＤ素子の色を異ならせたりして、照明対象により各ＬＥＤ素子の発光強度比率を変え、例えば複数段階に照明色を調整できるようにしてもよい。このようなものであれば、例えば同じ白でも、照明対象によって無機質な白色と、暖色系の白色とに色を若干変化させるなど、照明対象に応じた最適な照明を行えるようになり、スポット照明器として特に好適なものとなる。
このように、本発明によれば、光照射エリアの拡縮調整が可能であり、しかもＬＥＤ素子からでるほとんど全ての光をロス無く光照射エリアに導くことが可能な光照射装置を提供することができる。
本発明の第１実施形態におけるＬＥＤパッケージ及び光学ユニットを別個に示す斜視図。 同実施形態における光学ユニットの内部構造を主として示す中央縦断面図 同実施形態におけるＬＥＤパッケージを示す拡大断面図。 同実施形態における基板の平面図。 同実施形態において光学ユニットを接近位置とした場合の光線図。 同実施形態において光学ユニットを接近位置とした場合の照度分布図。 同実施形態において光学ユニットを離間位置とした場合の光線図。 同実施形態において光学ユニットを離間位置とした場合の照度分布図。 本発明の第２実施形態における光照射装置を示す中央縦断面図。 同実施形態における光照射装置を示す斜視図。 同実施形態において凹レンズを離間位置とした場合の光線図。 同実施形態において凹レンズを接近位置とした場合の光線図。 本発明の第３実施形態における光照射装置を示す中央縦断面図。 同実施形態における光照射装置を示す平面図。 本発明の第４実施形態における光照射装置を示す中央縦断面図。 同実施形態における光照射装置を示す平面図。 同実施形態における光照射装置を示す側面図。 同実施形態における光照射装置を示す底面図。 本発明のさらに他の実施形態における光学ユニットを示す中央縦断面図。 本発明のさらに他の実施形態における光学ユニットを示す中央縦断面図。 本発明のさらに他の実施形態における凹レンズを示し、その凹レンズを離間位置にした場合の光線図。 同実施形態において凹レンズを接近位置にした場合の光線図。
符号の説明
１１・・・ＬＥＤ素子
１Ａ・・・素子保持体
２・・・光学ユニット
２１・・・先端面
２１ａ・・・中央凸レンズ部
２１ｂ・・・リング状凸レンズ部
２１ｃ・・・先端凹部
２１ｄ・・・リング状レンズ部
２２・・・基端面
２５・・・基端凹部
２６・・・湾曲膨出面
７１・・・凹レンズ
９・・・位置調整機構
Ｐ１、Ｐ３・・・接近位置
Ｐ２、Ｐ４・・・離間位置
以下に本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
＜第１実施形態＞
本実施形態に係る光照射装置は、図１、図２に示すように、光源であるＬＥＤ素子１１を有したＬＥＤパッケージ１と、前記ＬＥＤ素子１１から射出される光を受光して、先端面２１から射出する光学ユニット２と、これらＬＥＤパッケージ１及び光学ユニット２を収容保持する図示しないケーシングとを備えたものである。
各部を詳述する。ＬＥＤパッケージ１は、素子保持体１Ａと、その素子保持体１Ａの先端面１Ａ１に保持されたＬＥＤ素子１１とを具備し、前記ケーシングに固定されたものである。
素子保持体１Ａは、図３及び図４に示すように、等厚板状をなす本体部１Ａ２とその本体部１Ａ２上に設けた突出部であるマウント部材１Ａ３とからなるもので配線基板４上に搭載されている。本体部１Ａ２は、例えば平面視略円形状をなす所定厚みを有したもので、先端面から配線層Ｓ１、絶縁層Ｓ２、熱伝導層Ｓ３の順で重ねた層構造をなす。配線層Ｓ１は、銅箔に金（銀）メッキを施してなる数μｍの薄いもので、正負一対の配線パターンＳ１（１）、Ｓ１（２）からなり、各パターンがそれぞれ前記ＬＥＤ素子１１のＰ層及びＮ層に接続してある。絶縁層Ｓ２は、ポリイミド樹脂やエポキシ系樹脂等を素材とした数十μｍの薄いものである。熱伝導層Ｓ３はアルミニウムを素材とするもので、前記配線層Ｓ１や絶縁層Ｓ２に比して十分に厚く、ＬＥＤ素子１１から放出される熱を例えば図示しないケーシングに伝達する。なお、符号Ｓ５は、この素子保持体１Ａの厚み方向に貫通するスルーホールで、前記配線パターンＳ１（１）、Ｓ１（２）を配線基板４に導通させるためのものである。
マウント部材１Ａ３は、ＬＥＤ素子１１よりも平面視面積が大きい例えば銅を素材とする導電性を有したブロック体状のもので、本体部１Ａ２の中央において、配線パターンＳ１（１）に、第１の接合材である例えばクリーム半田により接合してある。
ＬＥＤ素子１１は、例えば連続して２００ｍＡ以上の電流を流すことが可能ないわゆるパワーＬＥＤと称される表面実装型のもので、ＰＮ接合構造をなし、一方の半導体層（例えばＰ層）の底面に、極めて薄い（数十μｍ）他方の半導体層（例えばＮ層）を設けてなるものである。一般的にＬＥＤ素子は、Ｐ層とＮ層との境界部分ＫＢが発光し、かつその部分ＫＢで発熱も生じるが、このＬＥＤ素子１１は、通常のＬＥＤ素子に比べ消費電力や発生熱量が多いことから、放熱を効率よく行うため、通常のＬＥＤ素子とは逆に、前記境界部分ＫＢに近い面、すなわちこの実施形態では底面ＴＭを接合面にして前記マウント部材１Ａ３の先端面中央に第１接合材とは異なってより表面張力が小さい第２の接合剤である金−スズ合金を用いて密着接合している。なお符号２７は、ＬＥＤ素子１１を保護するために取り付けられた半球状の透明中実樹脂カバーである。
光学ユニット２は、図２に示すように、その基端面２２から先端面２１に向かうに連れ徐々に断面積が拡がるように形成した回転体形状をなす中実透明なボディ２３と、そのボディ２３の先端面２１外周に一体に設けた鍔部２４とを備えたものである。
ボディ２３の基端面２２には、前記ＬＥＤ素子１１を収容するための凹部２５（以下基端凹部という）が開口させてある。この基端凹部２５は断面が円形状をなし、前記素子保持体１Ａ（より具体的にはその本体１Ａ１）の外径と略同一径を有するものである。そしてその底面２５ａを、前記基端面２２側に向かって膨らませた凸レンズ形状にしてある。一方、このボディ２３の先端面２１には、その中央部を膨出させることにより中央凸レンズ部２１ａを形成するとともに、その周囲に中央凸レンズ部２１ａとは異なる曲率のリング状凸レンズ部２１ｂを形成している。前記鍔部２４はこのリング状凸レンズ部２１ｂの外側２１ｂ１に連続させて設けてある。また前記ボディ２３の側面２３ａには、基端２２から鍔部２４に亘って断面輪郭が放物線をなすように形成した反射面である湾曲膨出面２６を設けている。
ところで、ＬＥＤ素子は実際にはある程度の面積を有し、面発光するものであるが、この実施形態では、図５、図７に特に示すように、ＬＥＤ素子１１の面から出た光のうち、凹部２５の側面２５ｂを通過した略全ての光が、前記湾曲膨出面２６に到達し、そこで全反射されて前記リング状凸レンズ部２１ｂを介し、光軸Ｃに向かって互いに相寄る向きの光として外部に放射されるようにしてある。また一方で、前記ＬＥＤ素子１１から射出された光のうち、凹部２５の底面２５ａを通過した略全ての光が、前記中央凸レンズ部２１ａを介し、やはり光軸Ｃに向かって互いに相寄る向きの光として外部に放射されるように設計してある。
なお、設計通りの経路を通らず、上述と異なった経路、例えば湾曲膨出面２６で反射し、中央凸レンズ部２１ａを通過して外側に拡がっていくような経路を通る光も実際には、ごくわずかであるが存在する。
しかして本実施形態では、前記光学ユニット２のＬＥＤ素子１１に対する相対位置を光軸Ｃ方向に沿って調整するための位置調整機構をさらに設けている。
この位置調整機構は、前記光学ユニット２をＬＥＤ素子１１に対し、その基端凹部２５に前記素子保持体１Ａの全部が収容される接近位置Ｐ１（図５に示す）と、素子保持体１Ａの略全てが基端凹部２５から出て当該素子保持体１Ａの先端面１Ａ１と光学ユニット２の基端面２２とが略同じ高さとなる離間位置Ｐ２（図７に示す）との間で移動させるものである。
具体的にこの位置調整機構は、光学ユニット２の中心軸ＣをＬＥＤ素子１１の光軸Ｃに一致させる位置決め部３１と、その位置決め状態を保ちつつ光学ユニット２を光軸Ｃ方向に進退させる進退部とを備えている。位置決め部３１は、前記素子保持体１Ａ（より正確には本体部１Ａ２）の外周と基端凹部２５の内周との略がたのない嵌合により形成したもので、光軸Ｃ方向の光学ユニット２の移動は阻害しない。進退部は、図示しないが、光学ユニット２を外部からの操作力により前記接近位置Ｐ１と離間位置Ｐ２との間の範囲内で移動させるもので、ケーシングと光学ユニット２との間に形成してある。
このような構成において、光学ユニット２を前記接近位置Ｐ１に位置づけた場合には、図５、図６に示すように、ＬＥＤ素子１１から所定距離離間させた面Ｍ１において光照射エリアの面積が大きく、かつ単位面積あたりの照度は低くなり（より正確には、一定照度以上のエリアが大きくなり）、光学ユニット２を前記離間位置Ｐ２に位置づけた場合には、図７、図８に示すように、ＬＥＤ素子１１から所定距離離間させた面Ｍ１において光照射エリアの面積が小さく、かつ単位面積あたりの照度は高くなる（より正確には、一定照度以上のエリアが小さくなる）。
したがって、本実施形態によれば、光照射エリアの拡縮を要求される製品検査用のスポット光照明に非常に好適なものになり、また照射対象物が生育して大きさの変わる植物育成用としても好ましいものとなる。
しかも、いずれの場合も、ＬＥＤ素子１１が常に基端凹部２５内にあってその側方に湾曲膨出面２６が位置付けられることから、ＬＥＤ素子１１からでる略全ての光（光軸Ｃから±９０°の範囲ででる光の略全て）が、リング状凸レンズ部２１ｂ乃至中央凸レンズ部２１ａを通り、前方へ射出されることとなり、効率を大幅に向上させることができる。
なお、光学ユニット２を固定し、ＬＥＤ素子１１を移動させるようにしてもよい。
＜第２実施形態＞
以下に第２実施形態を図面を参照して説明する。なお、前記第１実施形態における部材と対応する部材には同一の符号を付している。
本実施形態に係る光照射装置は、図９、図１０に示すように、基体５と、その基体５に支持させた複数の光照射ブロック６及び同数の凹レンズ７１と、前記光照射ブロック６及び凹レンズ７１間の距離を設定するための位置調整機構９とを備えている。
基体５は、一方の端面を厚肉の底板５１で閉塞した概略円筒状の金属製のものであり、底板５１には、放熱フィンＦが一体に設けてある。
光照射ブロック６は、ＬＥＤパッケージ１と、そのＬＥＤパッケージ１に固定した光学ユニット２とを備えたもので、複数が、配線基板４に円周状に等間隔に取り付けられている。これらＬＥＤパッケージ１及び光学ユニット２に関しては、前記第１実施形態同様であるので説明は省略する。またＬＥＤパッケージ１に対する光学ユニット２の取付態様は、前記実施形態における接近位置Ｐ１における場合（図５に示す）と同じであり、光の射出経路も同じである。一方、前記配線基板４は、円形状をなすもので、前記基体５の底板５１上に熱伝導部材５Ａ等を介して保持されている。なお、熱伝導部材５Ａは各光照射ブロック６の直下に設けてある。
凹レンズ７１は、光照射ブロック６の光照射側に離間させて配置してあり、複数（光学ユニット２と同数）が単一のレンズ保持体７に一体に形成されている。このレンズ保持体７は、複数の凹レンズ７１を円周状に等間隔に一体に形成する円盤状の板体７５と、板体７５の周縁部から垂直に起立する側壁体７６とからなるものである。
位置調整機構９は、レンズ保持体７の位置、すなわち凹レンズ７１及び光学ユニット２間の光軸Ｃ方向に沿った相対離間距離を一律に変更するためのものであり、レンズ保持体７（凹レンズ７１）を光軸Ｃ方向に沿って平行移動可能に支持するスライド機構９１と、そのスライド機構９１によって移動するレンズ保持体７（凹レンズ７１）を、所望の位置で固定する固定機構９２からなる。
スライド機構９１は、レンズ保持体７を構成する側壁体７６を、基体５の側周壁５２の内周面にガタなくかつスライド自在に嵌合させて、当該レンズ保持体７を、前記配線基板４と平行かつ中心軸を一致させた状態で、光軸Ｃ方向に沿って進退移動可能に支持するものである。なお、符号Ｋ１、Ｋ２は、レンズ保持体７の回転を抑止し、各凹レンズ７１を、それぞれ対応する光照射ブロック６と光軸を一致させてスライド移動させるためのキー溝とキーである。
固定機構９２は、レンズ保持体７と基体５との間に設けられて、レンズ保持体７を光射出方向側に弾性付勢する弾性体（コイルばね）９２３と、レンズ保持体７の周縁部に係合し、弾性体９２３との間で挟み込むことでレンズ保持体７を保持する、内向き鍔を有した円筒状の係合部材９２１と、この係合部材９２１を光軸Ｃ方向に沿って進退移動させるねじ送り機構９２２とを備えている。ねじ送り機構９２２は、係合部材９２１の内周と前記基体側周壁５２とにそれぞれ設けたねじ部を螺合させたもので、係合部材９２１を正逆回転させることでその高さを変え、前記レンズ保持体７を所望の位置で固定することができる。なお、弾性体（コイルばね）９２３は、基体側周壁５２の内側で、光照射ブロック群の外側を取り囲む位置に設けられている。
この位置調整機構９によるレンズ保持体７の可動範囲は、図１１（ａ）、図１２（ａ）に示すように、光学ユニット２から射出される光の径が最小となる位置又はそれよりもやや光学ユニット側の位置である離間位置Ｐ４（スポット径最大）と、その離間位置Ｐ４よりもさらに光学ユニット側に設定した接近位置Ｐ３（スポット径最小）との間である。なお、同図（ｂ）４にさらに遠方での光照射エリアの違いを図示する。
このように構成した本実施形態に係る光照射装置によれば、光照射エリアの拡縮と光の効率的な活用との両方を満足できるため、製品検査用や植物育成用等に非常に好適なものとなる。また、複数のＬＥＤパッケージ１を平面上に並べ設けているので、広範囲を照射でき、特に植物育成や植物ライトアップ等に用いてその効果が顕著なものとなる。しかも位置調整機構９が、各凹レンズ７１と各光学ユニット２との離間距離を一律に変更できるため、一つ一つ調整するものと比べ、照射エリアの調整作業の利便性が向上する。
＜第３実施形態＞
以下に第３実施形態を図面を参照して説明する。なお、前記第１、第２実施形態における部材と対応する部材には同一の符号を付している。
本実施形態に係る光照射装置は、図１３、図１４に示すように、基体５と、その基体５に支持させた複数の光照射ブロック６及び同数の凹レンズ７１と、前記光照射ブロック６及び凹レンズ７１間の距離を設定するための位置調整機構９とを備えている。
基体５は、例えば、熱伝導性及び放熱性を有する金属製の円板状をなすものある。
光照射ブロック６は、ＬＥＤパッケージ１と、そのＬＥＤパッケージ１に固定した光学ユニット２とを備えたもので、複数が、１枚の配線基板４に円周状に等間隔に取り付けられている。これらＬＥＤパッケージ１及び光学ユニット２に関しては、前記第１実施形態同様であるので説明は省略する。またＬＥＤパッケージ１に対する光学ユニット２の取付態様は、前記実施形態における接近位置Ｐ１における場合（図５に示す）と同じであり、光の射出経路も同じである。一方、前記配線基板４は、円形状をなすもので、前記基体５の底板５１上に熱伝導部材５Ａ等を介して保持されている。
凹レンズ７１は、光照射ブロック６の光照射側に離間させて配置してあり、複数（光学ユニット２と同数）が、前記基体５から光軸Ｃ方向と平行に立設した複数本（例えば４本）の支柱９１１に支えられた、例えば円盤状のレンズ保持体７に保持されている。
レンズ保持体７は、その複数箇所（ここでは６つが等間隔放射状に設けてある）にレンズ嵌合孔７２を貫通させてあり、凹レンズ７１は、このレンズ嵌合孔７２に嵌め込まれて支持される。この例では、レンズ嵌合孔７２の側面に段部が設けてあり、凹レンズ７１は、その周縁部における一方の面を前記段部に当接させるとともに、レンズ保持体７に取り付けたリング状の押さえ部材７３によって、周縁部における他方の面を押さえつけられることによって、固定される。各レンズ嵌合孔７２の位置は、前記各光学ユニット２の光軸Ｃにそれぞれその中心軸が一致するように設定してある。
位置調整機構９は、レンズ保持体７の位置、すなわち凹レンズ７１及び光学ユニット２間の光軸Ｃ方向に沿った相対離間距離を一律に変更するためのものであり、レンズ保持体７（凹レンズ７１）を光軸Ｃ方向に沿って平行移動可能に支持するスライド機構９１と、そのスライド機構９１によって移動するレンズ保持体７（凹レンズ７１）を、所望の位置で固定する固定機構９２からなる。
スライド機構９１は、レンズ保持体７の周縁部に設けた厚み方向に貫通する支柱挿通孔９１２に、前記各支柱９１１をスライド自在に挿通させ、当該レンズ保持体７を、前記配線基板４と平行かつ中心軸を一致させた状態で、光軸Ｃ方向に沿って進退移動可能に支持するものである。
固定機構９２は、レンズ保持体７の周縁部に係合するリング状の係合部材９２１と、この係合部材９２１を光軸Ｃ方向に沿って進退移動させるねじ送り機構９２２とを備えており、前記係合部材９２１を回転させることでその高さを変え、前記レンズ保持体７を所望の位置で固定することができる。この実施形態では、前記レンズ保持体７に対し、光照射方向に向かう力を付与する弾性部材９２３をさらに設け、前記係合部材９２１とこの弾性部材９２３との間で、レンズ保持体７をガタなく挟み込むようにしている。弾性部材９２３は、各支柱９１１にそれぞれ外嵌させたコイルばねである。
この位置調整機構９によるレンズ保持体７の可動範囲は、前記第２実施形態と同様であり、その光線図も図１１、図１２と同様であるので、これに関する詳細な説明は省略する。
＜第４実施形態＞
以下に第４実施形態を図面を参照して説明する。なお、前記第１、第２、第３実施形態における部材と対応する部材には同一の符号を付している。
本実施形態に係る光照射装置は、図１５〜図１８に示すように、基体５と、その基体５に支持させた複数の光照射ブロック６及び同数の凹レンズ７１と、前記光照射ブロック６及び凹レンズ７１間の距離を設定するための位置調整機構９とを備えている。
基体５は、一方の端面を厚肉の底板５１で閉塞した概略円筒状の金属製のものであり、ここでは底板５１に放熱フィンを設けていないが、第２実施形態のように、必要に応じて設けてもよい。
光照射ブロック６は、第２実施形態同様、ＬＥＤパッケージ１と、そのＬＥＤパッケージ１に固定した光学ユニット２とを備えたもので、複数が、配線基板４に円周状に等間隔に取り付けられている。これらＬＥＤパッケージ１、光学ユニット２及び配線基板４の構造や配置関係等に関する詳細は、前記第２実施形態とほぼ同様であるので説明は省略する。
凹レンズ７１は、各光照射ブロック６に１対１に対応させて複数が光照射側に離間させて配置してある。これら凹レンズ７１はレンズ保持体７に保持されている。
このレンズ保持体７は、概略円盤状をなすもので、その複数箇所（ここでは６つが等間隔放射状に設けてある）にレンズ嵌合孔７２を貫通させてあり、凹レンズ７１は、このレンズ嵌合孔７２に嵌め込まれて支持される。この例では、レンズ嵌合孔７２の内周面に段部が設けてあり、レンズ嵌合孔７２に反光照射方向から嵌め込んだ凹レンズ７１が、その段部に当接することにより、他方に抜けないようにしてある。このようにしてレンズ嵌合孔７２に嵌め込まれた凹レンズ７１は、レンズ保持体７と略同径の円盤状をなし、各凹レンズ７１に対応する部位に、それぞれ凹レンズ７１より若干小径の貫通孔７３ａを設けた押さえ部材７３によって、周縁部をＯリング等の防水手段ＯＲ１を介して押さえつけられ固定される。
位置調整機構９は、レンズ保持体７の位置、すなわち凹レンズ７１及び光学ユニット２間の光軸Ｃ方向に沿った相対離間距離を一律に変更するためのものであり、レンズ保持体７（凹レンズ７１）を光軸Ｃ方向に沿って平行移動可能に支持するスライド機構９１と、そのスライド機構９１によって移動するレンズ保持体７（凹レンズ７１）を、所望の位置で固定する固定機構９２からなる。
スライド機構９１は、基体５の中央から突出させた円柱体９１１に対し、レンズ保持体７の中央から基体側に向かって一体に延出した円筒体９１２がガタなく外嵌することにより、当該レンズ保持体７を、前記配線基板４と平行かつ中心軸を一致させた状態で、光軸Ｃ方向に沿って進退移動可能に支持するものである。なお、符号Ｋ１、Ｋ２は、レンズ保持体７の回転を抑止し、各凹レンズ７１を、それぞれ対応する光照射ブロック６と光軸を一致させてスライド移動させるためのキー溝とキーである。
固定機構９２は、レンズ保持体７と基体５との間に設けられて、レンズ保持体７を光射出方向側に弾性付勢する弾性体（コイルばね）９２３と、レンズ保持体７の周縁部に係合し、弾性体９２３との間で挟み込むことでレンズ保持体７を保持する、内向き鍔９２１ａを有した円筒状の係合部材９２１と、この係合部材９２１を光軸Ｃ方向に沿って進退移動させるねじ送り機構９２２とを備えている。ねじ送り機構９２２は、係合部材９２１の内周と前記基体側周壁５２とにそれぞれ設けたねじ部を螺合させたもので、係合部材９２１を正逆回転させることでその高さを変え、前記レンズ保持体７を所望の位置で固定することができる。弾性体（コイルばね）９２３は、基体５の軸線に沿って中央に配置してある。より具体的には、円柱体９１１の周囲であって各光照射ブロック６よりも内側に配置してある。なお、係合部材９２１の内周と基体側周壁５２の外周との間には、Ｏリング等の防水部材ＯＲ２が設けてあり、前記防水部材ＯＲ１と併せて、光照射ブロック６が収容される内部空間に外部から水等が侵入しないように構成している。この例では電気ケーブルＣＡの導入部分にも防水タイプのものを用いている。
この位置調整機構９によるレンズ保持体７の可動範囲は、前記第２実施形態と同様であり、その光線図も図１１、図１２と同様であるので、これに関する詳細な説明は省略する。
なお、本発明は前記各実施形態に限られるものではない。
まず、光学ユニット２に関して言えば、図１９に示すように、ボディ２３の先端面２１中央部に先端凹部２１ｃを開口させるとともに、その先端凹部２１ｃの周囲に中央に行くほど徐々に凹むリング状凹レンズ部２１ｄを形成し、前記ＬＥＤ素子１１から射出された光のうち、前記先端凹部２１ｃを通過する光の略全てを、前記凹レンズ部２１ｄを通過させることなく外側に拡がる光として外部に射出する一方、前記先端凹部２１ｃを通過しない光の略全てを、前記湾曲膨出面２６で全反射し、前記凹レンズ部２１ｄを通過させて外側に拡がる光として外部に射出するように構成しているものでもよい。
この構成において基端凹部２５は例えば概略半球状をなすものとしているが、前記実施形態のような形状でもよい。また、前記先端凹部２１ｃの底面２１ｃ１の略全体を先端面２１側に向かって膨らませ、凸レンズ部として機能させるとともに、この先端凹部２１ｃの側面２１ｃ２を先端面側に向かうにつれ徐々に拡がるテーパ面としている。
また、例えば図２０に示すように、光学ユニット２を、平坦な先端面２１、湾曲膨出面２６、基端面２２を有した単純な椀型形状にし、その基端面２２に基端凹部２５を開口させたようなものにしても前記実施形態と同様の効果を奏し得る。
さらに、図示しないが、突出部であるマウント部材と基端凹部とを嵌合させるようにしてもよい。
また、凸レンズ部２１ａにフレネルレンズ構造を採用してもよいし、例えば湾曲膨出面２６に金属薄膜等を蒸着するなどしてミラー面を形成し、光を内向きに反射するようにしてもよい。
次に、第２、第３実施形態で適用した凹レンズ７１について言えば、図２１（ａ）、図２２（ａ）に示すように、中央に貫通孔７１ａを設け、前記離間位置Ｐ４において、光学ユニットから出た光の略全てが、当該貫通孔７１ａを通過するように設定してもよい。
前記離間位置Ｐ４では、たとえ貫通孔７１ａが形成されていなくとも、光学ユニット２から射出された光の径がほぼ最小となって、凹レンズ７１の中心付近の曲率が小さく、屈折パワーが最小となる範囲に集光され、そこから凹レンズ７１を屈折の影響をほとんど受けることなく通過しながらクロスし、最も広がる光となる。したがって、凹レンズ７１の中央付近に前記貫通孔７１ａが形成されていても特段の不具合はなく、逆に、貫通孔７１ａが形成されていると、上述したように光が最も広がって照度が小さくなる離間位置Ｐ４での光の減衰を抑制できるという格別な効果を得ることができる。もちろん、光の減衰を抑制できる効果は得られないものの、この貫通孔７１ａの代わりに等厚部を設けておいてもよい。同図（ｂ）では、さらに遠方での光照射エリアの違いを図示している。
また、貫通孔の径を、凹レンズが可動できる全範囲に亘って、少なくとも前記中央凸レンズ部から出た光の略全てが、当該貫通孔を通過するように設定してもよい。ＬＥＤ素子から出た光軸近傍の光は、光照射エリアで望まれる照度分布の関係から、光学ユニットの中央凸レンズ部での制御で十分な場合に有効となる。
その他、本発明は、前記実施形態を含む前述した各構成を適宜組み合わせるようにしてもよく、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。
本発明によれば、光照射エリアの拡縮調整が可能であり、しかもＬＥＤ素子からでるほとんど全ての光をロス無く光照射エリアに導くことが可能な光照射装置を提供することができる。

Claims (17)

  1. ＬＥＤ素子と、そのＬＥＤ素子からの光を内部を通過させて先端面から射出する光透過性を有した光学ユニットと、前記ＬＥＤ素子を先端面に配設した素子保持体とを備え、前記光学ユニットが、ＬＥＤ素子から射出される光の光軸を中心とする回転体形状をなし、その基端面の中央部分に前記ＬＥＤ素子を収容する基端凹部を開口させるとともに、その側面にＬＥＤ素子からの光を略全反射する反射面を形成したものであって、
    前記ＬＥＤ素子と光学ユニットとの相対位置を光軸方向に沿って調整するための位置調整機構とをさらに備えてなり、
    その位置調整機構が、前記光学ユニットを、その基端凹部に前記素子保持体の一部又は全部が収容される接近位置と、素子保持体の略全てが基端凹部から出て当該素子保持体の先端面と光学ユニットの基端面とが略同じ高さとなる離間位置との間でＬＥＤ素子に対し相対的に移動させるものであることを特徴とする光照射装置。
  2. 位置調整機構が、前記素子保持体と基端凹部とを前記光軸と垂直な方向に略がたなく嵌合させ、かつ光軸方向にスライド可能に構成したものである請求項１記載の光照射装置。
  3. 前記ＬＥＤ素子が２００ｍＡ以上の電流を連続して流すことのできる超高輝度タイプのものである請求項１乃至２いずれかに記載の光照射装置。
  4. 前記光学ユニットが、中央部に中央屈折部を有してなり、ＬＥＤ素子から出る光のうち、前記反射面で全反射する略全ての光を前記中央屈折部を通過させることなく射出するとともに、それ以外の略全ての光を中央屈折部を通過させて射出するように構成している請求項１記載の光照射装置。
  5. 前記光学ユニットが、その先端面中央部に中央凸レンズ部を形成するとともに、その中央凸レンズ部の周囲先端面に異なった曲率のリング状凸レンズ部を形成し、側面には反射面である湾曲膨出面を形成してなるものであり、少なくとも前記接近位置において、前記ＬＥＤ素子から射出された光のうち、前記基端凹部の側面を通過する略全ての光を、前記湾曲膨出面で全反射させて前記リング状凸レンズ部を介し互いに相寄る向きの光として外部に射出する一方、前記凹部の底面を通過する略全ての光を、前記中央凸レンズ部を介し互いに相寄る向きの光として外部に射出するように構成している請求項１記載の光照射装置。
  6. 前記基端凹部の底面に凸レンズ部を形成している請求項５記載の光照射装置。
  7. 前記光学ユニットが、その先端面中央部に先端凹部を開口させるとともに、その先端凹部の周囲先端面にリング状凹レンズ部を形成し、側面には反射面である湾曲膨出面を形成してなるものであり、前記ＬＥＤ素子から射出された光のうち、前記先端凹部を通過する光の略全てを、前記凹レンズ部を通過させることなく外側に拡がる光として外部に放射する一方、前記先端凹部を通過しない光の略全てを、前記湾曲膨出面で全反射し、前記凹レンズ部を通過させて外側に拡がる光として外部に射出するように構成している請求項１記載の光照射装置。
  8. 前記先端凹部の底面に中央凸レンズ部を形成している請求項７記載の光照射装置。
  9. ＬＥＤ素子と、前記ＬＥＤ素子から射出される光の光軸を中心とする末広がりの回転体形状をなし、当該ＬＥＤ素子からの光を内部を通過させて先端面から射出する光透過性を有した中実の光学ユニットと、その光学ユニットのさらに先端側に配置した凹レンズとを備え、前記光学ユニットが、その側面にＬＥＤ素子からの光を略全反射する反射面を形成したものであって、前記凹レンズと光学ユニットとの光軸方向に沿った離間距離を変更可能に設定するための位置調整機構をさらに備えていることを特徴とする光照射装置。
  10. 前記光学ユニットが、
    その基端面の中央部分には、前記ＬＥＤ素子を収容する基端凹部を開口させ、
    その先端面には、その中央部に中央凸レンズ部を形成するとともに周囲に前記中央凸レンズ部とは異なった曲率のリング状凸レンズ部を形成し、
    その側面には、ＬＥＤ素子からの光を略全反射する反射面である湾曲膨出面を形成し、
    前記ＬＥＤ素子から射出された光のうち、前記基端凹部の側面を通過する略全ての光を、前記湾曲膨出面で全反射させて前記リング状凸レンズ部を介し互いに相寄る向きの光として外部に射出する一方、前記凹部の底面を通過する略全ての光を、前記中央凸レンズ部を介し互いに相寄る向きの光として外部に射出するように構成したものである請求項９記載の光照射装置。
  11. 複数のＬＥＤと、それらＬＥＤにそれぞれ対応する複数の光学ユニットと、それら光学ユニットに対応する複数の凹レンズとを備え、前記位置調整機構が各凹レンズと各光学ユニットとの離間距離を一律に変更するものである請求項９記載の光照射装置。
  12. 前記位置調整機構が、光学ユニットから射出される光の径が最小となる位置又はその近傍である離間位置と、その離間位置よりもさらに光学ユニット側に設定した接近位置との間で、凹レンズを光学ユニットに対して相対的に移動させるものである請求項９記載の光照射装置。
  13. 前記凹レンズの中央に貫通孔を設け、前記離間位置において、光学ユニットから出た光の略全てが、当該貫通孔を通過するように設定している請求項１２記載の光照射装置。
  14. 前記凹レンズの中央に貫通孔を設け、少なくとも前記中央凸レンズ部から出た光の略全てが、当該貫通孔を通過するように設定している請求項１０記載の光照射装置。
  15. 前記凹レンズの中央に等厚部を設け、前記離間位置において、光学ユニットから出た光の略全てが、当該等厚部を通過するように設定している請求項１２記載
  16. 前記凹レンズの中央に等厚部を設け、少なくとも前記中央凸レンズ部から出た光の略全てが、当該等厚部を通過するように設定している請求項１０記載の光照射装置。
  17. 発光色の異なる複数のＬＥＤ素子を有している請求項１又は９記載の光照射装置。

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