(57)【要約】【課題】広い照射距離範囲において所望の照射パターンの光束を照射することができる照明装置を提供する。【解決手段】光源として反射型のＬＥＤ１２を採用し、反射面１４の第１焦点Ｆ１に配設された発光素子１７から放射される光を、第２焦点Ｆ２で一旦集光させた後、レンズ部材３３に入射させて平行光に変換する。これにより、精度のよい平行光を生成することができる。そして、平行光に変換された光束をシリンドリカルレンズ３５に入射させ、一軸方向のみを拡散方向に変化させて線状の照明光を形成する。これにより、照射距離に関係なく一定のパターン幅の線状光を照射することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
凹状の反射面の第１焦点に配設された発光素子からの光を前記反射面で反射して第２焦点に集光する反射型発光ダイオードと、
前記反射型発光ダイオードからの光を平行光に変換するレンズ部材と、を備えたことを特徴とする照明装置。
【請求項２】
前記レンズ部材からの平行光を一軸方向のみ拡散方向に変化させて線状の照明光を形成すシリンドリカルレンズを備えたことを特徴とする請求項１記載の照明装置。
【請求項３】
前記レンズ部材は、凸レンズ面で構成された入射面と、凹レンズ面で構成された出射面と、を具備し、前記入射面によって入射光を集光方向に屈折した後、前記出射面によって平行光に変換して出射することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の照明装置。
【請求項４】
前記反射型発光ダイオードの反射面を多項式非球面で構成したことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の照明装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオードを光源として用いて所望形状の光束を形成する照明装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、各種所望形状の光束を照明光として照射する照明装置においては、光源として発光ダイオード（ＬＥＤ）を採用したものが広く普及している。例えば、特許文献１には、発光素子を埋設する光学部材の先端部に集光レンズを一体形成した所謂砲弾型ＬＥＤと、この砲弾型ＬＥＤから所定の指向特性で放射される光を一軸方向のみ集光方向に変化させて線状の照明光を形成するシリンドリカルレンズと、を備えた照明装置が開示されている。
【特許文献１】特開２００１−１５５１１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上述の特許文献１に開示された技術は、シリンドリカルレンズの焦点近傍では所望幅の線状光を得ることが可能であるものの、シリンドリカルレンズの焦点から遠方に離間した位置では線状のパターン幅が大きくなる等して、シャープで明るい照射パターンを得ることが困難となる虞がある。
【０００４】
本発明は、広い照射距離範囲において所望の照射パターンの光束を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。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、凹状の反射面の第１焦点に配設された発光素子からの光を前記反射面で反射して第２焦点に集光する反射型発光ダイオードと、前記反射型発光ダイオードからの光を平行光に変換するレンズ部材と、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明の照明装置によれば、広い照射距離範囲において所望の照射パターンの光束を照射することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、図面を参照して本発明の形態を説明する。図１乃至図５は本発明の第１の実施形態に係わり、図１は照明装置の要部を示す分解斜視図、図２（ａ）は図１のＩ−Ｉ線に沿って照明装置を示す要部断面図であり（ｂ）は図１のII−II線に沿って照明装置を示す要部断面図、図３は反射型ＬＥＤの要部断面図、図４（ａ）は図２（ａ）の断面における照明光の挙動を示す説明図であり（ｂ）は図２（ｂ）の断面における照明光の挙動を示す説明図、図５は反射型ＬＥＤの反射面の構成を示す説明図である。
【０００８】
図１，２に示す照明装置１は、例えば、線状の光束を照明光として照射する線状照明装置であり、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３０とを有する。
【０００９】
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。ここで、ＬＥＤ１２は、反射型発光ダイオードで構成されている。
【００１０】
具体的に説明すると、図２，３に示すように、ＬＥＤ１２は、反射部材１３を有する。本実施形態において、反射部材１３は、扁平な略立方体形状をなし、この反射部材１３の一の面（頂面）１３ａには、部分回転楕円面形状をなす反射面１４が凹設されている。本実施形態において、反射部材１３は、例えば、頂面１３ａ側に部分回転楕円面形状の凹面が形成された樹脂材料で構成されている。そして、この凹面上にアルミニウム等の金属膜が形成されることにより、反射面１４が形成されている。ここで、反射面１４の形状を規定する回転楕円の一方の焦点（第１焦点Ｆ１）は、反射部材１３の頂面に対して面一な位置よりもやや内方に偏倚して設定されている。一方、回転楕円面の他方の焦点（第２焦点Ｆ２）は、反射部材１３の頂面１３ａに対して垂直方向外方に所定距離離間した位置に設定されている。これにより、反射面１４は、反射部材１３内方の第１焦点Ｆ１から放射される光を反射して、反射部材１３外方の第２焦点Ｆ２に集光させることが可能となっている。
【００１１】
また、反射部材１３には、例えば、互いに対向する側壁に沿って、一対のリードフレーム１５，１６が配設されている。各リードフレーム１５，１６の一端側の中途は、反射部材１３の頂面１３ａ側に折曲され、これにより、各リードフレーム１５，１６の一端部は反射面１４に臨まされている。これらリードフレーム１５，１６のうち、一方のリードフレーム１５は、その一端部が第１焦点Ｆ１に対応する位置まで延設され、この延設されたリードフレーム１５の一端部には、反射面１４に対向する面側に、発光素子１７がマウントされている。これにより、リードフレーム１５は、反射面１４の第１焦点Ｆ１と一致する位置に発光素子１７を保持する。また、他方のリードフレーム１６の一端部は、リード線１８を介して発光素子１７に電気接続されている。一方、各リードフレーム１５，１６の他端側の中途は、例えば、頂面１３ａと対向する面側に折曲されて端子部１５ａ，１６ａを構成し、これら各端子部１５ａ，１６ａが、半田付け等によってＬＥＤ基板１１に電気接続されている。これにより、リードフレーム１５，１６は、発光素子１７のアノード及びカソードをＬＥＤ基板１１に電気的に接続し、発光素子１７を発光させることが可能となっている。
【００１２】
また、反射部材１３の反射面１４で囲繞された凹部内には光透過性材料１９が充填され、この光透過性材料１９により、発光素子１７が凹部内に封止されている。この光透過性材料１９としては、例えば、空気の屈折率「１」よりも高く且つ発光素子１７の屈折率（例えば、「３」前後）よりも低い屈折率の材料が用いられ、具体的には、屈折率が「１．６」〜「１．７」程度の透明樹脂材料が好適に用いられている。
【００１３】
筐体３０は、ＬＥＤ１２からの出射光を制御するためのレンズ光学系３１を内部に収容する。本実施形態において、筐体３０は、略角筒形状をなし、先端部に内向フランジ３０ａが形成されている。また、筐体３０の基端部は、光源ユニット１０のＬＥＤ基板１１に対する当接部として設定されている。そして、筐体３０の基端部は、ＬＥＤ基板１１に対し、接着或いはネジ止め等によって固定されている。
【００１４】
レンズ光学系３１は、ＬＥＤ１２からの出射光を平行光に変換するレンズ部材３３と、レンズ部材３３で平行光に変換された光を一軸方向のみ拡散方向に変化させて線状の照明光を形成するシリンドリカルレンズ３５とを有する。
【００１５】
レンズ部材３３は、例えば、筐体３０の内周に摺接する環状のフランジ部３３ａの内側に両凸のレンズ部３３ｂ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。このレンズ部材３３の入射側において、フランジ部３３ａには環状のスペーサ３８が当接されており、このスペーサ３８を介して、レンズ部材３３はＬＥＤ１２に対向配置されている。ここで、図２に示すように、レンズ部材３３は、レンズ部３３ｂの光軸がＬＥＤ１２の光軸Ｏと一致するよう配置されている。さらに、スペーサ３８により、レンズ部３３ｂの入射面は、ＬＥＤ１２の第２焦点Ｆ２よりも遠方にオフセットする位置に位置決めされている。
【００１６】
シリンドリカルレンズ３５は、例えば、筐体３０の内周に摺接する環状のフランジ部３５ａの内側に、出射側に突出する略半円柱形状をなす片凸のレンズ部３５ｂ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。このシリンドリカルレンズ３５の入射側において、フランジ部３５ａには、レンズ部材３３の出射側でフランジ部３３ａに当接する環状のスペーサ３９が連設されている。一方、シリンドリカルレンズ３５の出射側において、フランジ部３５ａには、筐体３０の内向フランジ３０ａが当接されている。
【００１７】
このような構成の照明装置１において、ＬＥＤ１２の発光素子１７から放射された光は、反射面１４で反射されることにより第２焦点Ｆ２で一旦集光された後、レンズ部材３３のレンズ部３３ｂに入射される。そして、レンズ部３３ｂに入射された光束は、その屈折により、平行光に変換される。さらに、レンズ部材３３で平行光に変換された光束は、シリンドリカルレンズ３５のレンズ部３５ｂに入射され、一軸方向のみが拡散方向に屈折されることにより、線状の光束へと変換される。これにより、例えば、バーコード読取機等に好適な線状光が形成される。
【００１８】
このような実施形態によれば、光源として反射型のＬＥＤ１２を採用し、反射面１４の第１焦点Ｆ１に配設された発光素子１７から放射される光を、第２焦点Ｆ２で一旦集光させた後、レンズ部材３３に入射させて平行光に変換することにより、精度のよい平行光を生成することができる。そして、このように平行光に変換された光束をシリンドリカルレンズ３５に入射させ、平行光に変換された光束の幅を維持したまま一軸方向のみを拡散方向に変化させて線状の照明光を形成することにより、照射距離に関係なく一定のパターン幅で、シャープで明るい照射パターンの線状光を照射することができる。
【００１９】
ここで、光透過性材料１９での屈折等による影響を考慮して反射型ＬＥＤ１２から出射される光の集光精度を向上させ、レンズ部材３３によって変換される平行光の精度をより向上するため、例えば、図５（ａ）に示すように、ＬＥＤ１２の反射部材１３に形成される反射面１４を多項式非球面で構成することも可能である。
【００２０】
この多項式非球面は、例えば、図５（ａ）に示すようにＸ−Ｙ−Ｚ座標系を定義すると、以下の式により表すことができる。
【数１】
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【００２１】
ここで、式中において、ｚはＺ軸に平行な面のザグ量、ｃは頂点曲率、ｋはコーニック定数、Ｃ２ｎは２ｎ次の非球面定数を示す。
【００２２】
なお、図５（ａ）に示す多項式非球面は、例えば、
半径：５．０８０００［ｍｍ］
コーニック定数：−０．３７１６９
４次（すなわち、ｎ＝２）の非球面定数Ｃ４＝０．００９１４
６次（すなわち、ｎ＝３）の非球面定数Ｃ６＝−０．００３５６
８次（すなわち、ｎ＝４）の非球面定数Ｃ８＝０．０００６４
１０次（すなわち、ｎ＝５）の非球面定数Ｃ１０＝−０．００００５
１２次（すなわち、ｎ＝６）の非球面定数Ｃ１２＝０．０００００
１４次（すなわち、ｎ＝７）の非球面定数Ｃ１４＝０．０００００
１６次（すなわち、ｎ＝８）の非球面定数Ｃ１６＝０．０００００
１８次（すなわち、ｎ＝９）の非球面定数Ｃ１８＝０．０００００
２０次（すなわち、ｎ＝１０）の非球面定数Ｃ２０＝０．０００００
として設計された多項式非球面である。
【００２３】
このような多項式非球面によって反射面１４を最適化することにより、特に、反射面１４の外輪付近で反射された光等についても、精度よく第２焦点に集光させることができる。また、多項式非球面によって反射面１４を最適化することにより、発光素子１７を厳密な意味での第１焦点Ｆ１に配置する必要がなく、ＬＥＤ１２の設計の自由度を向上させることができる。なお、比較例として、部分回転楕円面に沿って形成した反射面１４での光の挙動についてのシミュレーション結果を図５（ｂ）に示す。
【００２４】
次に、図６，７は本発明の第２の実施形態に係わり、図６は照明装置の要部断面図、図７は図６の断面における照明光の挙動を示す説明図である。なお、本実施形態において、上述の第１の実施形態と同様の構成については、同符号を付して説明を省略する。
【００２５】
図６に示すように、本実施形態のレンズ部材３３はレンズ部３３ｂに代えてレンズ部３４を有し、このレンズ部３４は、凸レンズ曲面で構成された入射面３４ａと、凹レンズ曲面で構成された出射面３４ｂとを有する。
【００２６】
具体的には、入射面３４ａは、例えば、球面を基本形状とした凸レンズ面で構成されている。この入射面３４ａは、ＬＥＤ１２の第２焦点Ｆ２よりも手前側（第１焦点Ｆ１側）に配設され、ＬＥＤ１２からの入射光を更なる集光方向に屈折する。一方、出射面３４ｂは、例えば、入射面３４ａよりも小径の球面を基本形状とした凹レンズ面で構成されている。この出射面３４ｂは、入射面３４ａによる合焦位置よりも手前側（入射面３４ａ側）に配設され、入射面３４ａによって集光された光を屈折により平行光に変換する。ここで、入射面３４ａ及び出射面３４ｂの諸元や配置等については、実験やシミュレーション等に基づいて設定されている。この場合、特に、出射面３４ｂの諸元や入射面３４ａに対する相対位置等が、必要とされる平行光のパターン幅や密度等に応じて任意に設定される。すなわち、例えば、パターン幅が狭く高密度な平行光が要求される程、出射面３４ｂは、入射面３４ａによる合焦位置の近傍に設定される。
【００２７】
さらに、本実施形態において、レンズ部材３３とシリンドリカルレンズ３５との間には、遮光マスク４５がスペーサ４６を介して介装されている。この遮光マスク４５には、レンズ部材３３の出射面３４ｂに対向するスリット４５ａが設けられており、これにより、遮光マスク４５は、迷光をカットし、好適な平行光のみ通過を許容する。
【００２８】
このような実施形態によれば、入射面３４ａが凸レンズ面で構成されるとともに出射面３４ｂが凹レンズ面で構成された凸凹レンズによってレンズ部材３３のレンズ部３４を構成することにより、ＬＥＤ１２の第２焦点Ｆ２よりも手前側にレンズ部材３３を配設した場合にも、パターン幅の小さい高密度な平行光を形成することができる。従って、ＬＥＤ  １２からレンズ部材３３までの光軸方向の距離を大幅に短縮することができ、照明装置１を有効に小型化することができる。
【００２９】
なお、上述の第１，第２の実施形態においては、線状の光束を形成するため、レンズ部材３３の出射側にシリンドリカルレンズ３５を配設した一例について説明しているが、例えば、シリンドリカルレンズ３５を省略して照明装置を構成することにより、点状の光束によって対象を指標するポインタ用の光源として利用することも可能である。この場合においても、発光素子１７からの放射光を反射面１４によって一旦集光方向に制御し、レンズ部材３３で平行光に変換することにより、幅広い照射距離範囲においてシャープで明るい照射パターンの光束を照射することができる。
【００３０】
次に、図８，９は本発明の第３の実施形態に係わり、図８は照明装置及び照射像の説明図、図９は遮光マスクの平面図である。なお、上述の第１の実施形態と同様の構成については、同符号を付して説明を省略する。
【００３１】
図８に示すように、本実施形態の照明装置１において、光源ユニット１０は、ＬＥＤ基板１１上に複数（例えば２個）のＬＥＤ１２が実装されて要部が構成されている。ここで、これらＬＥＤ１２のうち、一方のＬＥＤ１２は、例えば、発光素子１７が青色発光する青色ＬＥＤで構成され、他方のＬＥＤ１２は、例えば、発光素子１７が赤色発光する赤色ＬＥＤで構成されている。
【００３２】
また、レンズ部材３３には、各ＬＥＤ１２に対向する複数のレンズ部３３ｂが設けられ、各レンズ部３３ｂは、対向するＬＥＤ１２からの入射光をそれぞれ平行光に変換する。
【００３３】
また、レンズ部材３３の出射側には、投影レンズ５０が設けられている。本実施形態において、この投影レンズ５０は、フランジ部５０ａの内側に、レンズ部材３３の各レンズ部３３ｂにそれぞれ対向するレンズ部５０ｂを有し、レンズ部材３３の各レンズ部３３ｂで平行光に変換された光を、対応する各レンズ部５０ｂによってそれぞれ投影する。この場合において、投影レンズ５０は、各レンズ部５０ｂで投影される光束の一部が、所定の投影距離以上において重畳するよう設定されている。
【００３４】
また、レンズ部材３３と投影レンズ５０との間には、遮光マスク５２がスペーサ５３を介して介装されている。図９に示すように、この遮光マスク５２には、各レンズ部３３ｂとの対向領域に、所定形状の光束の通過のみを許容する透光孔５２ａが設けられている。そして、各透光孔５２ａを通過した光束が投影レンズ５０の各レンズ部５０ｂで投影されることにより、所望の照射パターンの光束を照射することが可能となる。
【００３５】
この場合において、特に、図８に示すように、照明装置１から予め設定された投影距離離間した対象５５に照明光を照射する場合、各レンズ部５０ｂからの投影光の一部を好適に重畳させてバリエーションに富んだ投影像を形成することができる。
【００３６】
次に、図１０，１１は本発明の第４の実施形態に係わり、図１０は照明装置及び照射像の説明図、図１１は遮光マスクの平面図である。なお、上述の第３の実施形態と同様の構成については、同符号を付して説明を省略する。
【００３７】
図１０に示すように、本実施形態の照明装置１において、投影レンズ５０には、レンズ部材３３の各レンズ部３３ｂに跨って対向する単一のレンズ部５１が設けられている。
【００３８】
また、レンズ部材３３と投影レンズ５０との間に介装される遮光マスク５２には、図１１に示すように、各レンズ部３３ｂとの対向領域に、所定形状の光束の通過のみを許容する透光孔５２ａが設けられている。そして、各透光孔５２ａを通過した光束が投影レンズ５０のレンズ部５１で投影されることにより、所望の照射パターンの光束を照射することが可能となる。この場合、図１０に示すように、照明装置１からは、各レンズ部３３ｂに対応する透光孔５２ａ毎の照射像がそれぞれ独立して対象５５に投影される。
【００３９】
なお、上述の各実施形態においては、各レンズ部を球面等を基本形状として設計した一例について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各レンズ部を非球面設計することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の第１の実施形態に係わり、照明装置の要部を示す分解斜視図
【図２】同上、（ａ）は図１のＩ−Ｉ線に沿って照明装置を示す要部断面図であり（ｂ）は図１のII−II線に沿って照明装置を示す要部断面図
【図３】同上、反射型ＬＥＤの要部断面図
【図４】同上、（ａ）は図２（ａ）の断面における照明光の挙動を示す説明図であり（ｂ）は図２（ｂ）の断面における照明光の挙動を示す説明図
【図５】同上、反射型ＬＥＤの反射面の構成を示す説明図
【図６】本発明の第２の実施形態に係わり、照明装置の要部断面図
【図７】同上、図６の断面における照明光の挙動を示す説明図
【図８】本発明の第３の実施形態に係わり、照明装置及び照射像の説明図
【図９】同上、遮光マスクの平面図
【図１０】本発明の第４の実施形態に係わり、照明装置及び照射像の説明図
【図１１】同上、遮光マスクの平面図
【符号の説明】
【００４１】
１…照明装置、１０…光源ユニット、１１…ＬＥＤ基板、１２…反射型発光ダイオード、１３…反射部材、１３ａ…頂面、１４…反射面、１５…リードフレーム、１５ａ…端子部、１６…リードフレーム、１６ａ…端子部、１７…発光素子、１８…リード線、１９…光透過性材料、３０…筐体、３０ａ…内向フランジ、３１…レンズ光学系、３３…レンズ部材、３３ａ…フランジ部、３３ｂ…レンズ部、３４…レンズ部、３４ａ…入射面、３４ｂ…出射面、３５…シリンドリカルレンズ、３５ａ…フランジ部、３５ｂ…レンズ部、３８…スペーサ、３９…スペーサ、４５…遮光マスク、４５ａ…スリット、４６…スペーサ、５０…投影レンズ、５０ａ…フランジ部、５０ｂ…レンズ部、５１…レンズ部、５２…遮光マスク、５２ａ…透光孔、５３…スペーサ、５５…対象、Ｆ１…第１焦点、Ｆ２…第２焦点、Ｏ…光軸
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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