WO2019009405A1 - 照明装置 - Google Patents

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WO2019009405A1
WO2019009405A1 PCT/JP2018/025663 JP2018025663W WO2019009405A1 WO 2019009405 A1 WO2019009405 A1 WO 2019009405A1 JP 2018025663 W JP2018025663 W JP 2018025663W WO 2019009405 A1 WO2019009405 A1 WO 2019009405A1
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WO
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design
emission surface
light source
dimensional shape
optical lens
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PCT/JP2018/025663
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元裕 土井
皓介 内田
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佐藤ライト工業株式会社
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    • F21Y2115/10—Light-emitting diodes [LED]

Definitions

  • the present invention relates to a lighting device.
  • the illuminating device which projects the projection image with a pattern is known using the design film in which arbitrary design was given (refer patent document 1).
  • the illumination device of Patent Document 1 transmits light emitted from a light source to a light shielding disc (design film) and a lens, and then reflects the light to a mirror to project a design such as a logo mark.
  • a design film is composed of a light shielding portion and a non-light shielding portion, and the difference in the amount of light passing through the design film appears as a pattern.
  • Such an illumination device is small in size, but is designed to have a high magnification so as to project a large projected image.
  • the present invention has been made to address such problems, and it is an object of the present invention to provide a lighting device capable of displaying a predetermined design (for example, a logo) without using a design film.
  • a predetermined design for example, a logo
  • the illumination apparatus is an illumination apparatus for displaying a predetermined design, and includes a light emitting element, an optical element forming a secondary light source using light emitted from the light emitting element, and the secondary light source emitting light. And an optical lens having a focal point on the secondary light source, the convex surface corresponding to the design and the design corresponding to the design It is characterized in that at least any three-dimensional shape of the recess is formed.
  • the optical element and the exit surface are integrated, and the three-dimensional shape is formed on the exit surface which is a surface of the optical element.
  • the three-dimensional shape connects a plane parallel to the emission surface, which is projected or recessed in a direction orthogonal to the emission surface, the parallel plane parallel to the emission surface, and a predetermined angle with respect to the emission surface And an inclined plane. Further, the three-dimensional shape is characterized by having a plane parallel to the emission surface, which is projected or recessed in a direction orthogonal to the emission surface, and a curved surface connecting the parallel plane and the emission surface. I assume.
  • the three-dimensional shape is characterized by having a portion within the depth of field range of the optical lens and a portion outside the depth of field range.
  • the illumination device does not have a projection surface, and is characterized in that the design is displayed by projecting onto a projection surface outside the device.
  • the illumination device includes a light emitting element, an optical element forming a secondary light source using light emitted from the light emitting element, an emission surface from which the secondary light source is emitted, and an incident secondary light source And an optical lens having a focal point on the secondary light source, and a three-dimensional shape corresponding to the design is formed on the exit surface, so that the secondary light source emitted from the exit surface is three-dimensional corresponding to the design It is intentionally refracted or reflected depending on the shape. As a result, the amount of light incident on the optical lens decreases, and the reduced portion appears as a shadow, so that it is displayed as a predetermined design. As a result, a predetermined design can be displayed without using a design film of high precision processing, and defects caused by the design film can be eliminated.
  • the optical element and the exit surface are integrated, and the three-dimensional shape is formed on the exit surface which is the surface of the optical element, a separately designed part is not necessary, and the number of parts can be reduced. it can. Furthermore, the light utilization efficiency can be increased by reducing the chances of light rays emitted from the secondary light source coming into contact with the interface.
  • the three-dimensional shape is a plane parallel to the emission surface, which protrudes or is recessed in a direction perpendicular to the emission surface, a plane connecting the parallel plane and the emission surface, and inclined at a predetermined angle with respect to the emission surface Have.
  • the amount of light incident on the optical lens is maintained.
  • the light emitted from the inclined plane is refracted or reflected uniformly, the amount of light incident on the optical lens decreases.
  • a portion corresponding to the inclined plane is represented as a shadow of a predetermined thickness in the projected image.
  • it is possible to adjust the shade of shading taking into consideration that the amount of refraction or reflection of light changes according to the inclination angle of the inclined plane.
  • the three-dimensional shape has a plane parallel to the emission surface, which protrudes or is recessed in a direction perpendicular to the emission surface, and a curved surface connecting the parallel plane and the emission surface.
  • the amount of light incident on the optical lens is maintained.
  • the portion corresponding to the curved surface is represented as a gradation of shading in the projected image.
  • the three-dimensional shape has a portion that falls within the depth of field range of the optical lens and a portion that falls outside the depth of field range.
  • the shadow becomes clear in a portion within the depth of field range, and the shadow becomes unclear in the portion outside the depth of field range. This makes it possible to adjust the shade of shades.
  • FIG. 1 It is a schematic block diagram of the illuminating device which is an example of this invention. It is an enlarged view of the outgoing radiation side of a condensing lens. It is the figure which showed the projection figure by the condensing lens of FIG. It is a figure which shows the change of the light ray amount by refraction
  • the lighting device 1 is a substantially cylindrical lighting device.
  • the illumination device 1 includes an LED 3 as a light emitting element, a condenser lens 4 disposed along the optical axis direction of the LED 3 (direction from left to right in the figure), and in a space of a cylindrical housing 2 , And an optical lens 7.
  • an opening 2 a is provided on the front surface of the optical lens 7, and light emitted from the opening 2 a is projected on a projection surface.
  • the outer shape of the lighting device may be a sphere or a rectangle, but a cylinder is relatively preferable.
  • the opening 2 a is set to the best position according to the specification of the optical lens 7.
  • the LED 3 is provided on a substrate.
  • the LEDs 3 for example, monochromatic LEDs such as blue, red, and green, or RGB LEDs including blue LEDs, red LEDs, and green LEDs can be used.
  • a shell type LED can be used in addition to the surface mount type LED. Moreover, it may replace with the said LED and may be LD or a light bulb.
  • the condensing lens 4 is an optical element that condenses the light emitted from the LED 3 to form a secondary light source, and is formed of a transparent material such as polycarbonate, acrylic, or glass.
  • the condenser lens 4 has a lens portion 5 positioned at a central portion in the optical axis direction, and a flange portion 6 expanding in the circumferential direction of the lens portion 5 on the optical lens 7 side.
  • the surface facing the LED 3 constitutes a convex curved surface (hemispherical surface) -like incident surface 5a
  • the surface facing the optical lens 7 constitutes a light emitting surface 5b perpendicular to the optical axis direction. ing.
  • the optical element (condenser lens 4 in FIG. 1) forming the secondary light source may be any optical element forming the secondary light source using light emitted from the light emitting element, for example, from the light emitting element It may be an optical element that diffuses the emitted light to form a secondary light source.
  • the optical lens (projection lens) 7 is a lens for projecting a projected image on a projection surface (screen or the like), and has a focal point on the secondary light source.
  • the optical lens 7 is formed of a transparent material such as polycarbonate, acrylic, or glass.
  • the optical lens 7 may be composed of a single lens or may be composed of a plurality of lenses.
  • the illumination device 1 has, for example, a substantially cylindrical shape with a diameter of 0.1 to 5 cm, and can project a projection image at a magnification of, for example, 50 to 200 times according to the distance to the projection plane.
  • the light emitted from the LED 3 is refracted and condensed by the incident surface 5 a of the condenser lens 4.
  • the condensed light is emitted from the emission surface 5 b toward the optical lens 7 as a secondary light source.
  • the illuminating device 1 can be made into arbitrary shapes according to the shape etc. of the opening part 2a.
  • the illuminating device 1 may be equipped with the wavelength conversion element between LED3 and the condensing lens 4 as needed.
  • the wavelength conversion element is made of, for example, a transparent material such as silicon containing a YAG light emitter, and wavelength-converts the light of the first spectral distribution emitted from the LED 3 into the light of the second spectral distribution. For example, when a part of blue light of the LED 3 is converted into yellow light by the wavelength conversion element, it is emitted as white light.
  • the conventional illuminating device projects a projected image with a pattern using a design film having an arbitrary design.
  • the design film is disposed between the condenser lens 4 and the optical lens 7.
  • design films are very expensive because they are minute but require high precision in design.
  • accurate positioning is required each time, which makes the part difficult to handle as a design film alone.
  • a three-dimensional shape corresponding to the design is provided on the exit surface 5b of the condenser lens 4.
  • a three-dimensional shape at least one of a convex portion and a concave portion is provided. That is, by intentionally refracting the secondary light source emitted from the emission surface 5 b by the convex portion or the concave portion, the amount of light incident on the optical lens 7 is changed to project a predetermined design. Thereby, a predetermined design can be displayed without using a design film.
  • FIG. 2 is an enlarged view of the exit surface 5 b of the condenser lens 4.
  • a plurality of flyback-like convex portions and concave portions are formed on the circular emission surface 5b having a diameter ⁇ of 3 to 10 mm.
  • the convex portion 11 is formed so as to protrude from the emission surface 5 b to the outer side of the condensing lens 4 (toward the optical lens 7), and is a plane parallel to the emission surface 5 b. It has the inclined surface B which connects the surface 5b.
  • the inclined surface B is formed of a plane B1 inclined at a predetermined angle with respect to the emission surface 5b, and a curved surface B2 that smoothly connects the emission surface 5b and the top surface A.
  • the height H1 indicates the distance from the exit surface 5b to the highest point of the convex portion 11, that is, the distance from the exit surface 5b to the top surface A, and is, for example, 5 ⁇ m to 500 ⁇ m.
  • the height H1 may be the same or different between the plurality of convex portions.
  • the concave portion 12 is formed to be recessed from the emission surface 5b to the inner side of the condensing lens 4 (toward the LED 3), and connects the bottom surface C parallel to the emission surface 5b, the bottom surface C and the emission surface 5b Have an inclined surface D.
  • the inclined surface D is configured by at least one of a plane D1 inclined at a predetermined angle with respect to the emission surface 5b and a curved surface D2 that smoothly connects the emission surface 5b and the bottom surface C.
  • the depth H2 indicates the distance from the exit surface 5b to the lowest point of the recess 12, that is, the distance from the exit surface 5b to the bottom surface C, and is, for example, 5 ⁇ m to 500 ⁇ m.
  • the depth H2 may be the same or different between the plurality of recesses.
  • FIG. 3 is a photograph projected on a projection plane 1 m ahead using the condenser lens 4 having the three-dimensional shape shown in FIG.
  • the diameter of a circle corresponding to the circular emission surface 5b is 400400 to 800 mm.
  • a plurality of projected images (fly-back patterns) corresponding to the plurality of fly-back projections and depressions are projected.
  • the outline of each projection image is represented as a shade, and the thickness and shade (including gradation) of each shade are different.
  • This shading corresponds to the inclined surface of the convex portion or the inclined surface of the concave portion. That is, by appropriately adjusting the inclined surface of the convex portion and the inclined surface of the concave portion, it is possible to reflect the thickness and density of the shadow corresponding to the predetermined design.
  • FIG. 4 (a) shows the case where the projection and the recess are not formed on the exit surface 5b
  • FIG. 4 (b) shows the case where the projection is formed on the exit surface 5b.
  • FIG. 4A the light emitted from point P of the emission surface 5b as a secondary light source is incident on the optical lens 7 without refraction.
  • FIG. 4B the light emitted from point P of the emission surface 5b as a secondary light source is refracted by the inclined plane B1.
  • a part of the light beam is separated from the optical lens 7 by refraction, so the amount of light beam incident on the optical lens 7 decreases.
  • shadows occur on the projection surface.
  • the inclination angle formed by the exit surface 5b and the inclined plane B1 is ⁇
  • a preferable inclination angle ⁇ is set to 10 to 80 degrees.
  • FIG. 5 and FIG. 6 show the change in shade of shade according to the inclination angle ⁇ .
  • four planes B1a to B1d having different inclination angles are formed on the emission surface 5b, and the inclination angles of the planes B1a to B1d are taken as ⁇ a to ⁇ d.
  • the magnitudes of the inclination angles ⁇ a to ⁇ d are ⁇ a ⁇ b ⁇ c ⁇ d.
  • the shading of the shadow on the projection plane becomes deeper as the inclination angle ⁇ becomes larger.
  • the brightness of the shade becomes darker as the inclination angle ⁇ becomes larger.
  • the shade of shade is constant, and the shade has a predetermined thickness corresponding to the width of each of the planes B1a to B1d. As described above, the shade and thickness of the shade can be adjusted by the inclination angle ⁇ and the width of the inclined plane B1.
  • a preferable inclination angle ⁇ is set to 10 to 80 degrees.
  • the inclination angle ⁇ increases, the amount of light incident on the optical lens 7 decreases, and the shade of shading becomes darker. That is, the shade and thickness of the shade can be adjusted by the inclination angle ⁇ and the width of the plane D1.
  • FIGS. 7 and 8 show changes in shade of shade when the inclined surface B of the convex portion is the curved surface B2.
  • two curved surfaces B2a and B2b are formed on the exit surface 5b.
  • the light emitted from the emission surface 5b is refracted by the curved surfaces B2a and B2b.
  • the amount of light incident on the optical lens 7 gradually decreases.
  • the inclination angle becomes larger as it gets closer to the exit surface 5b, and the amount of refraction of light increases.
  • shades of shade change continuously and gradation occurs in shades. Further, in FIG.
  • the curved surfaces B2a and B2b have the same curvature, and the heights H1 are different.
  • the curved surface B2a having the larger height H1 has a steeper gradient with respect to the light emitting surface 5b, as shown in FIG. 8, the darker part of the shade becomes larger than the curved surface B2b.
  • the gradation can be adjusted by changing the curvature of the curved surface.
  • the shade can be made to have gradation by variably changing the light amount on the curved face B2.
  • 7 and 8 show refraction of light on the curved surface B2 of the convex portion, the same can be said for the curved surface D2 of the concave portion.
  • the height H1 of the convex portion 11 and the depth H2 of the concave portion 12 in FIG. 2 are set, for example, according to the distance between the condenser lens 4 and the optical lens 7.
  • the height H1 and the depth H2 are preferably set according to the depth of field of the optical lens 7.
  • the depth of field is a distance range in which the occurrence of blurring of the projected image can not be determined with the naked eye. That is, when the uneven surface is in the range of the depth of field, the projected image is clear, and when the uneven surface is out of the range of the depth of field, the projected image is unclear.
  • the three-dimensional shape includes a portion in the range of the depth of field of the optical lens 7 and a portion out of the range of the depth of field of the optical lens 7. Can change the density of
  • FIG. 9 shows the relationship between the depth of field and the height H 1 of the convex portion 11.
  • FIG. 9A shows the case where all the convex portions 11 are within the depth of field. In this case, since the convex portion 11 is within the range Q of the depth of field, the shadow corresponding to the plane B1 is clearly projected.
  • FIG. 9B shows the case where the convex portion 11 has a portion within the range Q of the depth of field and a portion outside the range Q. In this case, the shadow corresponding to the plane B1 is clearly displayed in the range Q of the depth of field and is blurred out of the range Q of the depth of field. As a result, it is possible to incorporate both a sharp part in focus and a blurry out of focus as a design effect.
  • all the convex portions 11 may be out of the range Q of the depth of field. As described above, by adjusting the height H1 of the convex portion 11 with respect to the depth of field of the optical lens 7, the shade of shading can be adjusted.
  • the depth H2 of the recess 12 can also be set with respect to the depth of field of the optical lens 7.
  • the condenser lens 4 having a three-dimensional shape according to the present invention can be formed indirectly by using a die machined by precise cutting or electric casting, or by direct molding such as precise cutting, potting or etching. Can be obtained by The mold used for the former molding (indirect molding) adjusts the parameters (height H1, depth H2, inclination angle ⁇ , inclination angle ⁇ , etc.) of the convex portion and the concave portion according to the predetermined design. Designed.
  • the three-dimensional shape formed on the condenser lens 4 may be only a convex portion or only a concave portion. Further, as shown in FIG. 2, the convex and concave portions may be combined.
  • the molding method is an indirect molding method (for example, injection molding) using a mold, and a direct molding method (for example, cutting of a condenser lens).
  • a direct molding method for example, cutting of a condenser lens.
  • the edge portion is a portion of a three-dimensional shape corresponding to a shaded portion (for example, S1 or S2 in FIG. 3) where the contrast is highest in the shadow, and corresponds to E1 or E2 in FIG.
  • the position of the edge is the position in the shadow of the shadow corresponding to the edge.
  • S1 of FIG. 3 is located outside the shadow
  • S2 of FIG. 3 is located inside the shadow. That is, it corresponds to expressing the shade as being thinner (outside contrast) from the outside to the inside and expressing the shade as being thinner (outside the contrast) from the inside to the outside.
  • the three-dimensional shape of the emitting surface 5 b is formed by an indirect forming method using a mold.
  • the three-dimensional shape according to the edge portion E1 is a convex portion.
  • the three-dimensional shape according to the edge portion E2 is a recess.
  • the convex portion or the concave portion can adjust the direction of the contrast of the shadow.
  • a three-dimensional shape is provided on the surface of the condensing lens 4 made of a transparent member, and light is intentionally refracted by the three-dimensional shape to show shadows.
  • the surface of the condenser lens 4 may be a reflective surface, and a three-dimensional shape may be provided on the surface.
  • the light emitted from the reflection surface as a secondary light source is intentionally reflected by the three-dimensional shape, so that the amount of light incident on the optical lens 7 is reduced.
  • the optical lens 7 may be configured of a reflective surface. Further, in the embodiment shown in FIG.
  • the present invention is not limited thereto.
  • a component of the surface to be a secondary light source may be provided separately from the condenser lens 4 and a three-dimensional shape may be provided on the surface of the component.
  • the illumination device of the present invention does not have a projection plane, but is an illumination device that projects on a projection plane outside the illumination device and displays a predetermined design. Therefore, it differs from a so-called display which has a projection plane by itself and displays a design through the projection plane.
  • the illumination device of the present invention can be used as a logo lamp that projects a logo on the projection surface. Since the lighting device of the present invention can be compactly designed, it can be incorporated into a side mirror of a vehicle when used as a logo lamp. In this case, it is possible to illuminate the ground at the foot and to project the logo.
  • the illumination device does not display the design in a two-dimensional light shielding / non-light shielding state formed on the design film of another part, but three-dimensional shape (second light source)
  • three-dimensional shape second light source
  • light shielding / non-light shielding can be performed to create a shade necessary for forming a design.
  • high precision printing is required, the manufacturing method is also limited, and a design film having a high product price is not necessary.
  • three-dimensional shapes are advantageous in cost because they can be continuously formed by performing nano-processing or the like on one mold piece. Also, since the positioning of the design is fixed at the time of manufacturing the mold, it can always be kept constant. Therefore, it is possible to eliminate the inconvenience such as positioning each time.
  • the lighting device of the present invention can be widely used as a lighting device because a predetermined design can be displayed without using a design film.
  • Lighting device 2 Housing 3 LED (light emitting element) 4 Condenser Lens (Optical Element) 5 lens portion 6 flange portion 7 optical lens 11 convex portion 12 concave portion

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Abstract

本発明は、デザインフィルムを使用しなくても、所定のデザイン（例えばロゴマーク）が表示できる照明装置を提供する。照明装置（１）は、所定のデザインを表示するものであって、ＬＥＤ（３）と、ＬＥＤ（３）から出射された光を用いて二次光源を形成する集光レンズ（４）と、二次光源が出射される出射面（５ｂ）と、出射された二次光源が入射され、該二次光源上に焦点を有する光学レンズ（７）とを備え、出射面（５ｂ）に、デザインに対応した凸部およびデザインに対応した凹部の少なくともいずれかの三次元形状が形成されている。

Description

照明装置
　この発明は、照明装置に関する。
　従来、任意のデザインが施されたデザインフィルムを用いて、模様が付いた投影像を映す照明装置が知られている（特許文献１参照）。例えば、特許文献１の照明装置は、光源から出射される光を遮光円板（デザインフィルム）およびレンズに透過させた後、ミラーに反射させて、ロゴマークなどのデザインを投影する。このようなデザインフィルムは、遮光部と非遮光部で構成されており、デザインフィルムを透過する光の光線量の差が模様となって表れる。このような照明装置は小型でありながら、投影像を大きく映し出せるように高倍率設計となっている。
特表２００６－５００５９９号公報
　ところで、従来の照明装置では、装置の設計上デザインフィルムが微小となるため、デザインフィルムを高精度で作製しなければジャギーがそのまま投影像に表れ、投影品質に影響してしまう。そのため、デザインフィルムのコストが非常に高価になるという問題がある。また、デザインフィルムを照明装置に組み込む際には、その都度正確にデザインフィルムの位置決めをする必要があるため、デザインフィルム単体として扱いにくい部品となっている。
　本発明はこのような問題に対処するためになされたもので、デザインフィルムを使用しなくても、所定のデザイン（例えばロゴマーク）が表示できる照明装置を提供することを目的とする。
　本発明の照明装置は、所定のデザインを表示する照明装置であって、発光素子と、上記発光素子から出射された光を用いて二次光源を形成する光学素子と、上記二次光源が出射される出射面と、出射された上記二次光源が入射され、該二次光源上に焦点を有する光学レンズとを備え、上記出射面に、上記デザインに対応した凸部および上記デザインに対応した凹部の少なくともいずれかの三次元形状が形成されていることを特徴とする。
　上記光学素子と上記出射面とが一体化され、上記光学素子の表面である上記出射面に上記三次元形状が形成されていることを特徴とする。
　上記三次元形状は、上記出射面に直交する方向に突出した又は凹んだ、上記出射面に平行な平面と、該平行な平面と上記出射面とを連結し、上記出射面に対して所定角度傾斜した平面とを有することを特徴とする。また、上記三次元形状は、上記出射面に直交する方向に突出した又は凹んだ、上記出射面に平行な平面と、該平行な平面と上記出射面とを連結する曲面とを有することを特徴とする。
　上記三次元形状は、上記光学レンズの被写界深度の範囲内となる部分と、該被写界深度の範囲外となる部分を有することを特徴とする。
　上記照明装置は、投影面を有しておらず、該装置外の投影面に投射して、上記デザインを表示することを特徴とする。
　本発明の照明装置は、発光素子と、発光素子から出射された光を用いて二次光源を形成する光学素子と、二次光源が出射される出射面と、出射された二次光源が入射され、該二次光源上に焦点を有する光学レンズとを備え、出射面にデザインに対応した三次元形状が形成されているので、出射面から出射される二次光源はデザインに対応した三次元形状によって意図的に屈折または反射される。その結果、光学レンズに入射される光線量が減少し、その減少した部分が陰影となって表れるため、所定のデザインとして表示される。これにより、高精度加工のデザインフィルムを使用しなくても、所定のデザインを表示することができ、デザインフィルムに起因する不具合を解消することができる。
　光学素子と出射面とが一体化され、光学素子の表面である出射面に三次元形状が形成されているので、デザインが施された部品が別途必要にならず、部品点数を少なくすることができる。さらに、二次光源から出た光線が界面に接触する機会を減らすことで、光の利用効率を高くすることができる。
　上記三次元形状は、出射面に直交する方向に突出した又は凹んだ、出射面に平行な平面と、該平行な平面と出射面とを連結し、出射面に対して所定角度傾斜した平面とを有する。この場合、平行な平面から出射される光は屈折または反射しないため、光学レンズに入射される光線量は維持される。一方、傾斜した平面から出射される光は一様に屈折または反射するため、光学レンズに入射される光線量は減少する。その結果、傾斜した平面に相当する部分が、投影像において所定の太さの陰影となって表される。また、傾斜した平面の傾斜角度に応じて光の屈折量または反射量が変化することを加味して、陰影の濃淡を調整することができる。
　上記三次元形状は、出射面に直交する方向に突出した又は凹んだ、出射面に平行な平面と、該平行な平面と出射面とを連結する曲面とを有する。この場合、平行な平面から出射される光は屈折または反射しないため、光学レンズに入射される光線量は維持される。一方、曲面から出射される光は曲面に沿って連続的に屈折または反射するため、光学レンズに入射される光線量は緩やかに減少する。その結果、曲面に相当する部分が、投影像において陰影のグラデーションとなって表される。これにより、デザインフィルムでは表すことが困難な陰影のグラデーションを、簡便な手法で表示することができる。
　上記三次元形状は、光学レンズの被写界深度の範囲内となる部分と、該被写界深度の範囲外となる部分を有する。この場合、被写界深度の範囲内となる部分では陰影が鮮明となり、被写界深度の範囲外となる部分では陰影が不鮮明となる。これにより、陰影の濃淡を調整することができる。
本発明の一例である照明装置の概略構成図である。 集光レンズの出射面の拡大図である。 図２の集光レンズによる投影図を示した図である。 屈折による光線量の変化を示す図である。 傾斜角度を変化させた場合の屈折を示す図である。 図５の傾斜角度を変化させた場合の陰影の濃淡を示す図である。 曲面での屈折を示す図である。 図７の曲面での陰影の濃淡を示す図である。 被写界深度と凸部の高さの関係を示す図である。
　本発明の照明装置の一例を図１に基づいて説明する。図１において、照明装置１は略円柱状の照明装置である。照明装置１は、円筒状のハウジング２の空間内に、発光素子としてのＬＥＤ３と、ＬＥＤ３の光軸方向（図中左から図中右への方向）に沿って配置された集光レンズ４と、光学レンズ７とを備えている。ハウジング２には、光学レンズ７の前面部に開口部２ａが設けられており、開口部２ａから出射された光が投影面に映し出される。ここで、照明装置の外形形状は、球体、長方形でも良いが円筒が比較的好ましい。また、開口部２ａは光学レンズ７の仕様によって最善の位置に設定される。
　図１において、ＬＥＤ３は、基板上に設けられている。ＬＥＤ３としては、例えば、青色、赤色、および緑色などの単色系ＬＥＤ、あるいは青色系ＬＥＤ、赤色系ＬＥＤ、および緑色系ＬＥＤを備えたＲＧＢ型のＬＥＤを使用できる。なお、ＬＥＤ３として、表面実装型ＬＥＤの他に、砲弾型ＬＥＤを用いることができる。また、上記ＬＥＤに代わって、ＬＤもしくは電球でもよい。
　集光レンズ４は、ＬＥＤ３から出射された光を集光して、二次光源を形成する光学素子であり、ポリカーボネートやアクリル、ガラスなどの透明材質によって形成されている。集光レンズ４は、光軸方向中央部に位置するレンズ部５と、光学レンズ７側のレンズ部５の周方向に拡がるフランジ部６とを有している。レンズ部５において、ＬＥＤ３と対向する面は凸曲面（半球面）状の入射面５ａを構成しており、光学レンズ７と対向する面は光軸方向に対する垂直面である出射面５ｂを構成している。この出射面５ｂには、後述する三次元形状が形成されている。なお、二次光源を形成する光学素子（図１では集光レンズ４）としては、発光素子から出射された光を用いて二次光源を形成する光学素子であればよく、例えば、発光素子から出射された光を拡散して、二次光源を形成する光学素子であってもよい。
　光学レンズ（投影レンズ）７は、投影像を投影面（スクリーンなど）に映すレンズであって、二次光源上に焦点を有している。光学レンズ７は、ポリカーボネートやアクリル、ガラスなどの透明材質によって形成されている。光学レンズ７は、単一のレンズから構成されてもよく、複数のレンズから構成されてもよい。
　照明装置１は、例えば直径０．１～５ｃｍの略円柱状をしており、投影面までの距離に応じて、例えば５０～２００倍の倍率で投影像を映すことができる。ＬＥＤ３から出射された光は、集光レンズ４の入射面５ａによって屈折されて集光される。集光された光は、二次光源として出射面５ｂから光学レンズ７に向かって出射される。
　なお、照明装置１は、開口部２ａの形状などに応じて任意の形状とすることができる。また、照明装置１は、必要に応じて、ＬＥＤ３と集光レンズ４の間に波長変換素子を備えていてもよい。波長変換素子は、例えば、ＹＡＧ発光体を含んだシリコンなどの透過性材料などから構成され、ＬＥＤ３から出射された第１の分光分布の光を、第２の分光分布の光に波長変換する。波長変換素子によって、例えば、ＬＥＤ３の青色光の一部が黄色光に変換されると、白色光として出射される。
　ところで、従来の照明装置は、任意のデザインが施されたデザインフィルムを用いて、模様が付いた投影像を映す。この場合、デザインフィルムは集光レンズ４と光学レンズ７の間に配置される。しかしながら、デザインフィルムは、微小でありながらも設計に高い精度が求められることから、非常に高価である。また、照明装置に組み込む際に、その都度正確な位置決めが必要となるため、デザインフィルム単体として扱いにくい部品となっていた。
　そこで、本実施形態では、集光レンズ４の出射面５ｂにデザインに対応した三次元形状を設けた。三次元形状としては、凸部および凹部の少なくともいずれかを設けた。すなわち、出射面５ｂから出射される二次光源を凸部や凹部によって意図的に屈折させることで、光学レンズ７に入射される光線量を変化させ、所定のデザインを投影させる。これにより、デザインフィルムを使用しなくても、所定のデザインを表示することができる。
　三次元形状について、図２に基づいて説明する。図２は、集光レンズ４の出射面５ｂの拡大図である。例えば、直径Φ３～１０ｍｍの円形の出射面５ｂには、フライ返し状の凸部および凹部が複数形成されている。
　図２において、複数の凸部のうち凸部１１について説明する。凸部１１は、出射面５ｂから集光レンズ４外側に（光学レンズ７側に向かって）突出して形成されており、出射面５ｂに平行な平面である頂面Ａと、頂面Ａと出射面５ｂとを連結する傾斜面Ｂを有している。傾斜面Ｂは、出射面５ｂに対して所定角度傾斜した平面Ｂ１、および、出射面５ｂと頂面Ａを滑らかに連結する曲面Ｂ２で構成される。また、高さＨ１は、出射面５ｂから凸部１１の最高点までの距離、つまり出射面５ｂから頂面Ａまでの距離を示しており、例えば５μｍ～５００μｍである。なお、高さＨ１は、複数の凸部間で、同じであってもよく、異なっていてもよい。
　続いて、複数の凹部のうち凹部１２について説明する。凹部１２は、出射面５ｂから集光レンズ４内側に（ＬＥＤ３側に向かって）凹んで形成されており、出射面５ｂに平行な平面である底面Ｃと、底面Ｃと出射面５ｂとを連結する傾斜面Ｄを有している。傾斜面Ｄは、出射面５ｂに対して所定角度傾斜した平面Ｄ１、および、出射面５ｂと底面Ｃを滑らかに連結する曲面Ｄ２の少なくともいずれかで構成される。また、深さＨ２は、出射面５ｂから凹部１２の最低点までの距離、つまり出射面５ｂから底面Ｃまでの距離を示しており、例えば５μｍ～５００μｍである。なお、深さＨ２は、複数の凹部間で、同じであってもよく、異なっていてもよい。
　図３は、図２に示した三次元形状を有する集光レンズ４を用いて、１ｍ先の投影面に投影させた写真である。なお、投影面において、円形の出射面５ｂに対応する円の直径は、Φ４００～８００ｍｍである。図３に示すように、複数のフライ返し状の凸部および凹部に対応する投影像（フライ返し状模様）が、複数映し出される。各投影像の輪郭は、陰影として表されており、各陰影の太さや濃淡（グラデーションを含む）はそれぞれ異なっている。この陰影は、凸部の傾斜面や凹部の傾斜面に対応する。すなわち、凸部の傾斜面や凹部の傾斜面を適宜調整することで、所定のデザインに応じた陰影の太さや濃淡を映すことができる。
　ここで、図４に基づいて屈折による光線量の変化を説明する。図４（ａ）は、出射面５ｂに凸部および凹部が形成されていない場合を示しており、図４（ｂ）は、出射面５ｂに凸部が形成されている場合を示している。図４（ａ）では、二次光源として出射面５ｂのＰ点から出射される光は、屈折することなく光学レンズ７に入射される。一方、図４（ｂ）では、二次光源として出射面５ｂのＰ点から出射される光は、傾斜した平面Ｂ１によって屈折する。この場合、屈折によって光線の一部が光学レンズ７から外れるため、光学レンズ７に入射される光線量が減少する。その結果、投影面に陰影が生じる。ここで、出射面５ｂと傾斜した平面Ｂ１がなす傾斜角度をθとすると、例えば、好ましい傾斜角度θは、１０～８０度に設定される。
　図５および図６に、傾斜角度θに応じた陰影の濃淡の変化を示す。図５において、出射面５ｂには、傾斜角度が異なる４つの平面Ｂ１ａ～Ｂ１ｄが形成されており、各平面Ｂ１ａ～Ｂ１ｄの傾斜角度をθａ～θｄとする。なお、傾斜角度θａ～θｄの大小は、θａ＜θｂ＜θｃ＜θｄとなっている。この場合、傾斜角度θが大きくなるほど光の屈折量が多くなり、光学レンズ７に入射される光線量は減少する。その結果、図６に示すように、投影面での陰影の濃淡は、傾斜角度θが大きくなるほど濃くなる。言い換えると、陰影の明るさは、傾斜角度θが大きくなるほど暗くなる。また、各平面Ｂ１ａ～Ｂ１ｄにおいては陰影の濃淡が一定となっており、各平面Ｂ１ａ～Ｂ１ｄの幅に対応して陰影が所定の太さとなる。このように、傾斜した平面Ｂ１の傾斜角度θや幅によって、陰影の濃淡や太さを調整することができる。
　なお、図４～図６では、凸部の平面Ｂ１における光の屈折を示したが、凹部の平面Ｄ１についても同様のことが言える。具体的には、出射面５ｂと傾斜した平面Ｄ１がなす傾斜角度をαとすると、例えば、好ましい傾斜角度αは、１０～８０度に設定される。そして、傾斜角度αが大きくなるほど光学レンズ７に入射される光線量は減少し、陰影の濃淡が濃くなる。つまり、平面Ｄ１の傾斜角度αや幅によって、陰影の濃淡や太さを調整することができる。
　一方、図７および図８には、凸部の傾斜面Ｂが曲面Ｂ２である場合の陰影の濃淡の変化を示す。図７において、出射面５ｂには、２つの曲面Ｂ２ａ、Ｂ２ｂが形成されている。出射面５ｂから出射する光は、曲面Ｂ２ａ、Ｂ２ｂによって屈折する。このとき、当該光は、曲面に沿って連続的に屈折するため、光学レンズ７に入射される光線量は緩やかに減少する。具体的には、出射面５ｂに近づくほど傾斜角度が大きくなり、光の屈折量が多くなる。その結果、陰影の濃淡が連続的に変化し、陰影にグラデーションが生じる。また、図７において、曲面Ｂ２ａ、Ｂ２ｂは、各曲率が同じであり、各高さＨ１が異なっている。この場合、高さＨ１が大きい曲面Ｂ２ａの方が、出射面５ｂに対して急勾配となるため、図８に示すように、陰影の濃淡が濃い部分が曲面Ｂ２ｂよりも大きくなる。その他、曲面の曲率を変更させることによって、グラデーションを調整することができる。
　このように、凸部において、傾斜した平面Ｂ１では陰影の濃淡が一定であるのに対し、曲面Ｂ２では光線量を可変的に変化させることにより陰影にグラデーションを持たせることができる。なお、図７および図８では、凸部の曲面Ｂ２における光の屈折を示したが、凹部の曲面Ｄ２についても同様のことが言える。
　ところで、図２における凸部１１の高さＨ１や凹部１２の深さＨ２は、例えば、集光レンズ４と光学レンズ７の距離に応じて設定される。この場合、高さＨ１や深さＨ２は、光学レンズ７の被写界深度に応じて設定されることが好ましい。被写界深度は、肉眼で投影像のぼけの発生を判別できない距離範囲である。すなわち、凹凸面が被写界深度の範囲内にある場合は、投影像は鮮明となり、凹凸面が被写界深度の範囲外にある場合は、投影像は不鮮明となる。この現象を考慮して、三次元形状が、光学レンズ７の被写界深度の範囲内となる部分と光学レンズ７の被写界深度の範囲外となる部分を含むようにすることで、陰影の濃淡を変化させることができる。
　図９に、被写界深度と凸部１１の高さＨ１の関係を示す。図９（ａ）は、凸部１１がすべて被写界深度内にある場合を示している。この場合、凸部１１は被写界深度の範囲Ｑ内となるため、平面Ｂ１に対応する陰影は鮮明に映し出される。一方、図９（ｂ）は、凸部１１が被写界深度の範囲Ｑ内の部分と範囲Ｑ外の部分を有する場合を示している。この場合、平面Ｂ１に対応する陰影は、被写界深度の範囲Ｑ内では鮮明に映し出され、被写界深度の範囲Ｑ外ではぼやけて映し出される。これにより、ピントの合った鮮明部とピントから外れ気味のボケといった両方をデザイン効果として取り入れることができる。なお、凸部１１がすべて被写界深度の範囲Ｑ外となるようにしてもよい。このように、光学レンズ７の被写界深度に対して、凸部１１の高さＨ１を調整することで、陰影の濃淡を調整することができる。なお、凹部１２の深さＨ２についても光学レンズ７の被写界深度に対して、設定することができる。
　本発明の三次元形状を有する集光レンズ４は、精密な切削加工や電気鋳造によって加工された金型を用いた間接的な成形や、精密な切削加工、ポッティング、エッチングなどの直接的な成形によって得ることができる。前者の成形（間接的な成形）に用いる金型は、所定のデザインに応じて、凸部や凹部のパラメータ（高さＨ１、深さＨ２、傾斜角度θ、傾斜角度αなど）を調整して設計される。集光レンズ４に形成される三次元形状は、凸部のみでもよく、凹部のみでもよい。また、図２に示すように凸部と凹部を組み合わせてもよい。なお、三次元形状として凸部を設けるのか、凹部を設けるのかについては、成形の際に生じる凸部または凹部の稜線部の加工Ｒとエッジ部の関係から、成形方法と加工時に発生するエッジ部の位置によって設定される。成形方法は、金型を用いた間接的な成形方法（例えば射出成形）、および直接的な成形方法（例えば集光レンズの切削加工）である。一例として、金型やレンズへの切削加工では、一般的安価な方法のエンドミル使用が多く、刃物先端Ｒによって付加される加工Ｒを考慮せざるを得ない場合に適用することが好ましい。
　ここで、エッジ部とは、陰影においてコントラストが最も高くなる陰影部（例えば、図３のＳ１やＳ２）に対応する三次元形状の部分であり、図２のＥ１やＥ２が相当する。エッジ部の位置とは、エッジ部に対応する陰影部の、その陰影における位置である。例えば、図３のＳ１は、陰影の外側に位置しており、図３のＳ２は、陰影の内側に位置している。すなわち、陰影を、外側から内側に向かって薄く（コントラストが低く）なるように表すことと、陰影を、内側から外側に向かって薄く（コントラストが低く）なるように表すことに相当する。ここで、図２では、出射面５ｂの三次元形状を金型による間接的な成形方法で形成している。さらに、図３のＳ１において外側から内側に向かって陰影が薄くなるようにするため、エッジ部Ｅ１に係る三次元形状を凸部としている。一方、図３のＳ２において内側から外側に向かって陰影が薄くなるようにするため、エッジ部Ｅ２に係る三次元形状を凹部としている。このように、凸部または凹部とすることで、陰影のコントラストの向きを調整することができる。
　図１に示す実施形態では、透明な部材からなる集光レンズ４の表面に三次元形状を設け、三次元形状によって意図的に光を屈折させることで陰影を映し出した。これに限らず、例えば、集光レンズ４の表面を反射面とし、その表面に三次元形状を設けてもよい。この場合、二次光源として反射面から出射される光が、三次元形状により意図的に反射されることで、光学レンズ７へ入射する光線量が減少する。その結果、投影面に陰影を映し出すことができる。また、光学レンズ７として反射面で構成されていてもよい。また、図１に示す実施形態では、集光レンズ４の表面、つまり二次光源となる面上に一体的に三次元形状を形成したが、これに限らない。例えば、集光レンズ４とは別に二次光源となる面の部品を設け、この部品の表面に三次元形状を設けてもよい。
　本発明の照明装置は、投影面を有しておらず、照明装置外の投影面に投射して、所定のデザインを表示する照明装置である。そのため、自身で投影面を有し、その投影面を介してデザインを表示する、いわゆる表示器とは異なる。例えば、本発明の照明装置は、投影面にロゴマークを投影するロゴランプとして用いることができる。本発明の照明装置は小型設計が可能であるため、ロゴランプとして使用する場合には、車両のサイドミラーに組み込むことができる。この場合、足元の地面を照射するとともに、ロゴマークを投影することができる。
　以上のように、本発明の照明装置は、別部品のデザインフィルム上に形成された二次元的な遮光・非遮光でデザインを表示するのではなく、二次光源の出射面に三次元形状（凸部や凹部）を設けて屈折、反射効果を利用することで、光の遮光・非遮光を行いデザイン形成に必要な陰影を作り出すことができる。これにより、高精度な印刷を求められ、製作工法も限定され、製品単価が高額であるデザインフィルムが不要となる。また、三次元形状は、ナノ加工などを金型駒１つに実施すれば連続的に形成が可能であるため、コスト面で有利である。また、デザインの位置決めは、金型製作時に固定されるため常に一定を維持することができる。そのため、都度の位置決めといった不都合を解消することができる。
　本発明の照明装置は、デザインフィルムを使用しなくても、所定のデザインが表示できるので、照明装置として広く用いることができる。
　　１　　照明装置
　　２　　ハウジング
　　３　　ＬＥＤ（発光素子）
　　４　　集光レンズ（光学素子）
　　５　　レンズ部
　　６　　フランジ部
　　７　　光学レンズ
　　１１　凸部
　　１２　凹部

Claims (6)

  1. 　所定のデザインを表示する照明装置であって、
    　発光素子と、前記発光素子から出射された光を用いて二次光源を形成する光学素子と、前記二次光源が出射される出射面と、出射された前記二次光源が入射され、該二次光源上に焦点を有する光学レンズとを備え、
    　前記出射面に、前記デザインに対応した凸部および前記デザインに対応した凹部の少なくともいずれかの三次元形状が形成されていることを特徴とする照明装置。
  2. 　前記光学素子と前記出射面とが一体化され、前記光学素子の表面である前記出射面に前記三次元形状が形成されていることを特徴とする請求項１記載の照明装置。
  3. 　前記三次元形状は、前記出射面に直交する方向に突出した又は凹んだ、前記出射面に平行な平面と、該平行な平面と前記出射面とを連結し、前記出射面に対して所定角度傾斜した平面とを有することを特徴とする請求項１記載の照明装置。
  4. 　前記三次元形状は、前記出射面に直交する方向に突出した又は凹んだ、前記出射面に平行な平面と、該平行な平面と前記出射面とを連結する曲面とを有することを特徴とする請求項１記載の照明装置。
  5. 　前記三次元形状は、前記光学レンズの被写界深度の範囲内となる部分と、該被写界深度の範囲外となる部分を有することを特徴とする請求項１記載の照明装置。
  6. 　前記照明装置は、投影面を有しておらず、該装置外の投影面に投射して、前記デザインを表示することを特徴とする請求項１記載の照明装置。
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