JP2009048014A

JP2009048014A - 照明装置

Info

Publication number: JP2009048014A
Application number: JP2007215155A
Authority: JP
Inventors: Yoshiaki Matsuba; 慶暁松葉
Original assignee: Harison Toshiba Lighting Corp
Current assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Priority date: 2007-08-21
Filing date: 2007-08-21
Publication date: 2009-03-05

Abstract

【課題】簡単な構成で、所望の図柄の照明光を照射面上に好適な形態で照射することができる照明装置を提供する。
【解決手段】遮光マスク２４と、投写レンズ１２３と、照射面５０との相対的な位置関係が定義された仮想的な光学系において、投写レンズ１２３のレンズ面の形状を変化させながらシミュレーションを行い、投写レンズ２３のレンズ面の形状を、遮光マスク２４の開口部２４ａ上の各点Ａから広がり角θを有する略平行光を投写レンズ１２３に入射させた際に当該入射光を照射面５０上で対応する各点Ａ’でそれぞれ集光させる非球面形状に設定する。これにより、使用するレンズの枚数等を増加させることなく、簡単な構成で、所望の図柄の照明光を照射面５０上に好適な形態で照射することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、予め設定された照射面に対して所望の図柄の照明光を投写する照明装置に関する。

一般に、発光ダイオード（ＬＥＤ）は、消費電力が小さく長寿命であるという利点を有する。しかも、ＬＥＤは、点光源として扱うことができるため、リフレクタ等を用いることなく平行光に近い光を生成することができる。そこで、近年では、ＬＥＤの高出力化に伴い、特に、比較的小型な各種照明装置の光源としてＬＥＤを適用することが期待されている。

この種の証明装置として、例えば、特許文献１には、コリメーションレンズを一体に備えた所謂砲弾型のＬＥＤを光源とする照明ユニットと、第１，第２の凸レンズ（投写レンズ）が装着された鏡筒との間に、図案が印刷されたフィルムを配設することにより、所望の図案の照明光を投写する携帯用の投影式表示装置（照明装置）が開示されている。
実用新案登録第３１１８６８１号公報

ところで、上述の特許文献１に開示された照明装置のように、比較的小型な簡易型の照明装置では、コスト的、スペース的な制約等により、使用するレンズの枚数等が制限されることが一般的である。従って、ＬＥＤからの出射光を十分に平行度の高い光束に調光して投写レンズに入射させることが困難な場合がある。

しかしながら、所定の広がり角を有する光束を投写レンズに入射させた場合、投写レンズの球面収差等の影響により、特に、投写レンズの縁辺部に入射した光ほど照射面において結像しにくくなり、結果として不鮮明な像となる虞がある。

本発明は、簡単な構成で、所望の図柄の照明光を照射面上に好適な形態で照射することができる照明装置を提供することを目的とする。

本発明は、予め設定された設定位置から照射面上に所望の図柄の照射像を投写する照明装置であって、光源と、前記光源からの出射光を略平行光に変換する光学部材と、前記光学部材で略平行光に変換された所定広がり角を有する光束を前記照射面上に投写する投写レンズと、前記投写レンズの前記光源側に配設され前記図柄に対応する開口部が開口された遮光マスクと、を具備し、前記投写レンズのレンズ面は、設定距離離間して配置された前記遮光マスクの開口部上の点から前記広がり角を有する光を入射させた際に、当該光を、前記開口部上の点に対応する前記照射像上の点で集光させる非球面形状に設定されていることを特徴とする。

本発明の照明装置によれば、簡単な構成で、所望の図柄の照明光を照射面上に好適な形態で照射することができる。

以下、図面を参照して本発明の形態を説明する。図面は本発明の一実施形態に係わり、図１は照明装置の分解斜視図、図２は照明装置の要部断面図、図３は遮光マスクの平面図、図４は照射面に対して照明装置から照射像を投写した際の一例を示す説明図、図５は設計装置の概略構成図、図６はマスク上の点に対応する照射面上の点を演算する際のシミュレーション方法の一例を示す説明図、図７はマスク上の点と照射面上の点との関係に基づいてレンズ面を演算する際のシミュレーション方法の一例を示す説明図、図８は照明装置の変形例を示す要部断面図である。

図１，２に示す照明装置１は、例えば、予め設定された設置位置から照射面５０（図４参照）上に所望の図柄の照射像を投写する設置型の照明装置であり、この照明装置１は、発光ダイオード（ＬＥＤ）１２を光源とする光源ユニット１０と、この光源ユニット１０に冠設する筐体２０とを有する。

光源ユニット１０は、ＬＥＤ基板１１を有する。ＬＥＤ基板１１は、例えば、平面略矩形形状をなし、その略中央部に半田付け等によって、ＬＥＤ１２を保持する。さらに、ＬＥＤ基板１１には、ＬＥＤ１２を図示しない制御装置と電気的に接続するためのコネクタ１３が固設されている。なお、ＬＥＤ１２の発光効率を向上させるため、ＬＥＤ基板１１は、例えば、熱伝導性の高いアルミ基板等で構成されている。また、ＬＥＤ１２は、例えば、出射平面１２ａに片凸レンズが固設された表面実装型のＬＥＤチップで構成されている。

筐体２０は、ＬＥＤ１２の光軸Ｏ方向に沿う筒状形状をなし、その内部に、ＬＥＤ１２からの出射光を調光するためのレンズ光学系２１を収容する。本実施形態において、筐体２０は、略円筒形状をなし、基端部に外向フランジ２０ａが設けられている。そして、この外向フランジ２０ａには、光源ユニット１０のＬＥＤ基板１１が、ネジ止め等によって固設されている。また、筐体２０の先端部外周には、後述するストッパ部材３４を螺合するための雄ネジ部２０ｂが刻設されている。さらに、筐体２０の中途部外周には、予め設定された設置位置に照明装置１を固定するためのブラケット２０ｃが設けられている。

レンズ光学系２１は、ＬＥＤ１２からの出射光を略平行光に変換する光学部材としてのコリメーションレンズ２２と、コリメーションレンズ２２で略平行光に変換された光を照射面５０上に投写する投写レンズ２３とを有する。さらに、レンズ光学系２１は、、コリメーションレンズ２２と投写レンズ２３との間に遮光マスク２４を有する。

コリメーションレンズ２２は、例えば、筐体２０の内周に摺接する環状のフランジ部２２ａの内側に両凸のレンズ部２２ｂが一体形成された光透過性の樹脂成型品で構成されている。このコリメーションレンズ２２の入射側において、フランジ部２２ａには環状のスペーサ３０が当接されており、このスペーサ３０を介して、コリメーションレンズ２２はＬＥＤ１２に対向配置されている。そして、スペーサ３０によって、ＬＥＤ１２との光軸距離が適値に設定されることにより、コリメーションレンズ２２は、ＬＥＤ１２からの出射光を略平行光に変換する。

遮光マスク２４は、例えば、所望の照射像の図柄に対応する開口部２４ａが開口された遮光性フィルム２６が、ガラス基板２５上に貼着されて要部が構成されている。この遮光マスク２４の入射側の縁辺部には、環状のスペーサ３１が当接されており、このスペーサ３１を介して、遮光マスク２４はコリメーションレンズ２２に対向配置されている。そして、遮光マスク２４は、コリメーションレンズ２２で略平行光に変換された光を開口部２４ａ内のみ通過させる。なお、発熱量の小さいＬＥＤ１２を光源として用いた本実施形態においては、ガラス基板２５は必ずしも必要なく、遮光性フィルム２６単体で遮光マスク２４を構成することも可能である。

投写レンズ２３は、例えば、筐体２０の内周に摺接する環状のフランジ部２３ａの内側にレンズ部２３ｂが一体形成された光透過性の樹脂成型品で構成されている。この投写レンズ２３の入射側において、フランジ部２３ａには、環状のスペーサ３２が当接されており、このスペーサ３２を介して、投写レンズ２３は遮光マスク２４に対向配置されている。一方、投写レンズ２３の出射側において、フランジ部２３ａには、環状の弾性部材３３が当接されており、さらに、弾性部材３３には、筐体２０の雄ネジ部２０ｂに螺合する環状のストッパ部材３４が当接されている。

そして、雄ネジ部２０ｂに対するストッパ部材３４の螺合によって弾性部材３３が弾性変形され、コリメーションレンズ２２、遮光マスク２４、及び、投写レンズ２３がスペーサ３０〜３２間に圧接されることにより、筐体２０内において、レンズ光学系２１の光軸Ｏ方向の位置決めが精度よく実現される。

なお、図１〜３に示すように、遮光マスク２４の縁辺部には、光軸Ｏを中心とする非対称位置に、複数（例えば、３個）のピン孔２４ｂが穿設されており、これらピン孔２４ｂに、スペーサ３１から突設するピン３２ａが圧入されることにより、遮光マスク２４（開口部２４ａ）の光軸Ｏ回りの位置決めがなされている。

ここで、上述の照明装置１において、照射面５０上に所望の図柄の照射像５１を投写すべく、遮光マスク２４に開口される開口部２４ａの形状は、目的とする照射像５１の図柄の相似形状に対して所定の補正が加えられた形状となっている。具体的には、本実施形態において、遮光マスク２４の開口部２４ａの形状は、投写レンズ２３のレンズ面の曲率に起因する照射像５１の歪曲を補正するため、緩やかに湾曲補正されている。このような開口部２４ａの形状は、例えば、シミュレーションにおいて、目的とする照射像５１上の各点から、当該照射像５１を形成する各光線の挙動を追跡することにより設定することができる。すなわち、開口部２４ａの形状は、投写レンズ２３の曲率等を考慮した上で、所望の図柄の照射像５１の形状に基づいて逆補正される。

このような開口部２４ａの開口形状の設計は、例えば、図５に示す設計装置１００を用いたシミュレーションによって行われる。この設計装置１００は、設計条件等を入力するための入力部１０５と、入力部１０５からの入力情報等に基づいて各種演算を行う演算部１０６と、演算部１０６で実行される各種シミュレーションプログラム等を格納するとともに、入力部１０５からの入力情報や演算部１０６での演算結果等を適宜記憶する記憶部１０７と、演算部１０６での演算結果等を出力する出力部１０８とを有して構成されている。なお、このような設計装置１００は、例えば、パーソナルコンピュータ等を主体とするコンピュータシステムで実現される。この場合、例えば、マウスやキーボード等が入力部１０５として機能し、コンピュータ本体に内蔵されたＣＰＵ等が演算部１０６として機能する。また、コンピュータ本体に内蔵されたハードディスク等が記憶部１０７として機能するとともに、ディスプレイ装置やプリンタ等が出力部１０８として機能する。

そして、本実施形態において、この開口部２４ａを設計する際のシミュレーションでは、例えば、図６に示すように、球面形状をなすレンズ面を有する片凸或いは両凸の投写レンズ１２３が仮想的に用いられる。また、このシミュレーションにおいて、遮光マスク２４は、投写レンズ１２３の前側焦点に仮想的に配置される。また、遮光マスク２４側から投写レンズ１２３に入射する光は、完全な平行光であると仮定される。また、投写レンズ１２３から所定距離離れた照射面５０上に所望の図柄の照射像が仮想的に設定される。なお、これらの各種条件は、入力部１０５を通じて設定される。そして、演算部１０６は、照射像上のある点Ａ’に到達する光を、シミュレーションによって追跡することにより、点Ａ’で遮光マスク２４上で対応する点Ａを特定する。このようなシミュレーションを照射面５０上の照射像全域に亘って演算することにより、遮光マスク２４上の開口部２４ａの形状が設定される（例えば、図３参照）。

ところで、実際の照明装置１において、遮光マスク２４の開口部２４ａを通過した光束は完全な平行光ではなく所定の広がり角θを有する。そこで、このような光が入射した場合の球面収差等による照射像５１の鮮明度の低下等を改善するため、投写レンズ２３のレンズ面は、例えば、開口部２４ａ設計のシミュレーションで用いた仮想的な投写レンズ１２３のレンズ面を補正することにより設計される。

この投写レンズ２３のレンズ面の設計は、例えば、上述の設計装置１００を用いたシミュレーションによって行われる。具体的には、このレンズ面の設計に際し、設計装置１００には、実際のコリメーションレンズ２２で略平行光に変換される光束の広がり角θ、すなわち、実際の照明装置１において開口部２４ａを通過する光束の広がり角θが、入力部１０５を通じて入力される。広がり角θが入力されると、演算部１０６は、開口部２４ａの形状を設計した際のシミュレーションにおける、遮光マスク２４、投写レンズ１２３、及び、照射面５０の相対関係を有する上述の系に対し、完全な平行光に代えて広がり角θの略平行光を入射させた場合のシミュレーションを行う。そして、演算部１０６は、シミュレーション上で、投写レンズ１２３の形状を変化させながら、開口部２４ａ上の各点Ａを通過した各光の追跡を行うことにより、開口部２４ａ上の各点Ａを通過した光を、対応する照射面５０上の各点Ａ’でそれぞれ集光させることが可能なレンズ面の形状を探索する。これにより、例えば、図７に示すように、レンズ面が非球面形状に設定された投写レンズ２３が設計される。

このような実施形態によれば、遮光マスク２４と、投写レンズ１２３と、照射面５０との相対的な位置関係が定義された仮想的な光学系において、投写レンズ１２３のレンズ面の形状を変化させながらシミュレーションを行い、投写レンズ２３のレンズ面の形状を、遮光マスク２４の開口部２４ａ上の各点Ａから広がり角θを有する略平行光を投写レンズ１２３に入射させた際に当該入射光を照射面５０上で対応する各点Ａ’でそれぞれ集光させる非球面形状に設定することにより、使用するレンズの枚数等を増加させることなく、簡単な構成で、所望の図柄の照明光を照射面５０上に好適な形態で照射することができる。

ここで、例えば、図８に示すように、照明装置１に用いられる投写レンズ２３は、単眼のレンズに限定されるものではなく、例えば、上述と同様のシミュレーションによってレンズ面が非球面形状に設定された複数のレンズ部２３ｃがマトリクス状に配列するフライアイレンズであってもよい。なお、このような構成においては、遮光マスク２４上には、各レンズ部にそれぞれ対応する開口部２４ｃが開口される。

照明装置の分解斜視図照明装置の要部断面図遮光マスクの平面図照射面に対して照明装置から照射像を投写した際の一例を示す説明図設計装置の概略構成図マスク上の点に対応する照射面上の点を演算する際のシミュレーション方法の一例を示す説明図マスク上の点と照射面上の点との関係に基づいてレンズ面の形状を演算する際のシミュレーション方法の一例を示す説明図照明装置の変形例を示す要部断面図

符号の説明

１…照明装置、１０…光源ユニット、１１…ＬＥＤ基板、１２…発光ダイオード（光源）、２０…筐体、２１…レンズ光学系、２２…コリメーションレンズ（光学部材）、２３…投写レンズ、２４…遮光マスク、２４ａ…開口部、２４ｃ…開口部、５０…照射面、５１…照射像、１００…設計装置、１０５…入力部、１０６…演算部、１０７…記憶部、１０８…出力部、Ａ…開口部上の点、Ａ’…開口部上の点に対応する照射像上の点、θ…広がり角

Claims

予め設定された設定位置から照射面上に所望の図柄の照射像を投写する照明装置であって、
光源と、
前記光源からの出射光を略平行光に変換する光学部材と、
前記光学部材で略平行光に変換された所定広がり角を有する光束を前記照射面上に投写する投写レンズと、
前記投写レンズの前記光源側に配設され前記図柄に対応する開口部が開口された遮光マスクと、を具備し、
前記投写レンズのレンズ面は、設定距離離間して配置された前記遮光マスクの開口部上の点から前記広がり角を有する光を入射させた際に、当該光を、前記開口部上の点に対応する前記照射像上の点で集光させる非球面形状に設定されていることを特徴とする照明装置。
前記開口部上の点に対応する前記照射像上の点は、前記開口部から球面レンズに平行光を入射させたと仮定したときの前記照射面上の到達点であることを特徴とする請求項１記載の照明装置。