(57)【要約】【課題】複数の発光ダイオードを用いた照明装置において、照明装置全体の容量を小型化しつつ、単一の光源を用いて得られる光束の制御性とほぼ同等の制御性能を実現する。【解決手段】照明装置は、発光ダイオードアレイからの出力光を反射させると共に収束させる集光反射鏡３と、収束により結像されようとする光束の伝搬方向を、照明装置全体の光軸４に略沿う方向に偏向させるための光束伝搬方向偏向素子５とを備える。これにより、発光ダイオードからの出射光の進行方向を制御するために必要なスペースを低減して、光の進行方向を高精度に制御可能な光束が得られる。【選択図】図１
2011171122.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の発光ダイオード(11a;11b)を面状に配列した発光ダイオードアレイ光源(1)と、
前記発光ダイオードアレイ光源(1)からの光の進行方向において、前記発光ダイオードアレイ光源(1)の前方に各発光ダイオード(11a;11b)に対応して配置された、各発光ダイオード(11a;11b)から出た光束を平行光に近付けるように変換するためのマイクロレンズ(21a;21b)の集合体であるレンズアレイ(2)と、
光の進行方向において前記レンズアレイ(2)の前方に配置され、前記レンズアレイ(2)を通過する光束群を反射させると共に収束させて、前記発光ダイオードアレイ光源(1)の像を形成させるための、前記マイクロレンズ(21a;21b)よりも相対的に口径の大きい集光反射鏡(3)と、
前記レンズアレイ(2)と前記集光反射鏡(3)とを介して、照明装置全体の光軸(4)の上もしくは光軸(4)の近傍に結像されようとする光束の伝搬方向を、照明装置全体の光軸(4)に略沿う方向に偏向させるための光束伝搬方向偏向素子(5)と、
を備えることを特徴とする照明装置。
【請求項２】
請求項１に記載の照明装置であって、
前記集光反射鏡(3)は、光進行方向において前記レンズアレイ(2)の前方に配置された複数の結像反射鏡(81a;81b)の集合体からなる結像反射鏡アレイ(8)であり、
前記結像反射鏡(81a;81b)は、前記各発光ダイオード(11a;11b)から出射されて前記マイクロレンズ(21a;21b)で略平行光にされた各光束を反射させると共に収束可能としており、
前記結像反射鏡アレイ(8)は、前記各結像反射鏡(81a;81b)によるそれぞれの像を仮想点光源(PS)に集めるように該結像反射鏡(81a;81b)の角度を設定してなることを特徴とする照明装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の照明装置であって、
前記集光反射鏡(3)で反射され集光される光の仮想点光源(PS)と、前記集光反射鏡(3)の中心を結ぶ線が、照明装置全体の光軸(4)と一致されており、かつ、各発光ダイオード(11a;11b)から出射されて前記マイクロレンズ(21a;21b)で略平行光にされた各光束とが平行となるよう構成されてなることを特徴とする照明装置。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか一に記載の照明装置であって、
前記光束伝搬方向偏向素子(5)が、任意の一の発光ダイオードから出射された光束を、照明装置全体の光軸(4)に略沿う方向に偏向可能なプリズムの集合体であることを特徴とする照明装置。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか一に記載の照明装置であって、
前記光束伝搬方向偏向素子(5)が、前記集光反射鏡(3)によって結像された後に発散する光束の伝搬方向を、照明装置全体の光軸(4)に略沿う方向に偏向させるよう構成してなることを特徴とする照明装置。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか一に記載の照明装置であって、
前記発光ダイオードアレイ光源(1)からの光の進行方向において、前記集光反射鏡(3)によって結像される光束の仮想点光源(PS)よりも前方に、前記光束伝搬方向偏向素子(5)が配置されてなることを特徴とする照明装置。
【請求項７】
請求項１ないし４のいずれか一に記載の照明装置であって、
前記光束伝搬方向偏向素子(5)が、前記レンズアレイ(2)と前記集光反射鏡(3)とによって、照明装置全体の光軸(4)の上もしくは光軸(4)の近傍に結像される前段で、光束の伝搬方向を、照明装置全体の光軸(4)に略沿う方向に偏向するよう構成してなることを特徴とする照明装置。
【請求項８】
請求項１ないし４のいずれか一または７に記載の照明装置であって、
前記光束伝搬方向偏向素子(5)が、前記集光反射鏡(3)によって結像される仮想点光源(PS)と、前記集光反射鏡(3)との間に配置されてなることを特徴とする照明装置。
【請求項９】
請求項１ないし８のいずれか一に記載の照明装置であって、
前記発光ダイオードアレイ光源(1)が、多数の発光ダイオードが同心円状に配列されたものであり、前記光束伝搬方向偏向素子(5)が、角錐プリズム状であることを特徴とする照明装置。
【請求項１０】
請求項１ないし８のいずれか一に記載の照明装置であって、
前記発光ダイオードアレイ光源(1)が、多数の発光ダイオードが同心円状に配列されたものであり、前記光束伝搬方向偏向素子(5)が、円錐プリズム状であることを特徴とする照明装置。
【請求項１１】
請求項１ないし１０のいずれか一に記載の照明装置であって、さらに、
光の進行方向において、前記光束伝搬方向偏向素子(5)の前方に配置され、出力光の発散角を制御するための出力レンズ(6)を備えてなることを特徴とする照明装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、照明装置に関し、より詳しくは複数の発光ダイオードを用いて、スポットライトのように光束を制御した照明装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車のヘッドライト、劇場のスポットライトなど光束を投射する投射照明装置には、従来白熱電球やハロゲンランプが用いられてきた。また、液晶プロジェクタなど画像を投写する投射装置には、ハロゲンランプ、キセノンランプ、メタルハライドランプ、超高圧水銀灯などが用いられている。しかしながらこれらの光源からの光には、必要とされる光の他に熱線とも呼ばれる赤外線が含まれているため、その除去が必要となる。また、白熱電球やハロゲンランプは寿命が数百時間以下と短い。一方キセノンランプ、メタルハライドランプ、超高圧水銀灯は、白熱電球やハロゲンランプよりは寿命が長いものの、常に予備のランプを用意しておく必要があり、さらに寿命が尽きるときに破裂する虞もあった。
【０００３】
このような従来の投射照明装置用ランプあるいは画像投射装置用ランプが有する問題を解消するために、近年、低消費電力で長寿命である発光ダイオード（ＬＥＤ）が注目され、発光ダイオードを光源とする投射照明装置が提案されている（例えば特許文献１〜４参照）。
【０００４】
発光ダイオードは、低消費電力で長寿命であるが、投射照明装置用光源として用いる際の最大の問題点は、１個の発光ダイオード素子から得られる光量が少ないという点である。そのため、発光ダイオードを光源とする投射照明装置の場合、白熱電球やハロゲンランプを用いた投射照明装置と同等の光量を得るためには、多数の発光ダイオード素子を使用し、これらの光を統合して、１本の光束、あるいは１本の光束とみなせる光束にする必要がある。しかしながら従来の発光ダイオードを光源とする投射照明装置では、多数の発光ダイオードを曲面上に並べることにより発光ダイオード光を統合したり、多数の発光ダイオードを、放出する光の方向を変えて、平面上に配列することにより発光ダイオード光の統合を試みている。このような構成では、各発光ダイオードからの光束を同一点に十分集中させ難く、その結果、投射照明装置の光利用効率が低く、投射光束を制御するのが困難という問題があった。また、これらの投射照明装置の光利用効率を改善するために、複数の発光ダイオードを並列状に並べ、各発光ダイオードから放射された光をそれぞれレンズアレイでほぼ平行光にした後、集光レンズで収束することによって発光ダイオード光を統合する方法も提案されているが、この方法においても投射光束を十分制御するのが難しいという問題があった。
【０００５】
本出願人は、上記問題を解決するために、特許文献５に示す照明装置を開発した。この照明装置は、複数の発光ダイオードからの光束を統合して比較的小さな領域に収束させた後、各発光ダイオードからの光束の伝搬方向を偏向させることにより、性能的には投射光束を容易に制御するといった所期の目的を達成したものの、光路長に従って装置の全長も長くなり、装置の大型化によって設置し難くなるなど、使い勝手が悪くなるという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−３０７５０２号公報
【特許文献２】特開２００５−３８６０５号公報
【特許文献３】特開２００５−１５８６９９号公報
【特許文献４】特開２００７−５２９５７号公報
【特許文献５】特願２００９−１９５９８９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、従来のこのような問題点を解決するためになされたものである。すなわち本発明の主な目的は、複数の発光ダイオードを用いて、光利用効率を改善し、投射光束を制御可能で、さらに装置を小型化して使いやすい照明装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成するために、本発明の第１の側面に係わる照明装置は、複数の発光ダイオード１１ａ、１１ｂが面状に配列された発光ダイオードアレイ光源１と、前記発光ダイオードアレイ光源１からの光の進行方向において、前記発光ダイオードアレイ光源１の前方に各発光ダイオード１１ａ、１１ｂに対応して配置された、各発光ダイオード１１ａ、１１ｂから出た光束を平行光に近付けるように変換するためのマイクロレンズ２１ａ、２１ｂの集合体であるレンズアレイ２と、光の進行方向において前記レンズアレイ２の前方に配置され、前記レンズアレイ２を通過する光束群を反射すると共に収束させて、前記発光ダイオードアレイ光源１の像を形成するための相対的に口径の大きい集光反射鏡３と、前記レンズアレイ２と前記集光反射鏡３を介して、照明装置全体の光軸４の上もしくは光軸４の近傍に結像されようとする光束の伝搬方向を、照明装置全体の光軸４に略沿う方向に偏向させるための光束伝搬方向偏向素子５とを備えることができる。これにより、指向性の強い発光ダイオード素子を利用した照明装置において、出力光を偏向させてスポットライトのように光束を制御した照明光を得ることが可能となる。また、上記の集光反射鏡３を有する照明装置は、発光ダイオードアレイ光源１からの出力光の進行方向を、集光反射鏡３でもって折り返しながら収束させるため、発光ダイオード１１ａ、１１ｂからの出射光の進行方向を制御するために必要な距離を短くでき、照明装置全体の容量を小さくできる。さらに、本発明による装置は、集光素子として集光反射鏡を用いるため、集光レンズを用いる場合より色分散を軽減させることができる。また、集光反射鏡の材料としてガラスではなく、金属を用いることにより強度を増すことができる。
【０００９】
また照明装置は、集光反射鏡３の口径をマイクロレンズ２１ａ、２１ｂの口径よりも相対的に大きくすることで、単一の集光反射鏡３でもって複数の発光ダイオード１１ａ、１１ｂからの光束を受光することができ、照明装置の部品点数を低減して製造を容易にできる。
【００１０】
また照明装置は、集光反射鏡３を、光進行方向において前記レンズアレイ２の前方に配置された複数の相対的に口径の小さい凹面鏡（本明細書においては、以後「結像反射鏡」と呼ぶことがある。）８１ａ、８１ｂの集合体からなる結像反射鏡アレイ８としてもよい。この結像反射鏡８１ａ、８１ｂは、各発光ダイオード１１ａ、１１ｂから出射されて前記マイクロレンズ２１ａ、２１ｂで略平行光にされた各光束を反射すると共に収束可能としており、また結像反射鏡アレイ８は、各結像反射鏡８１ａ、８１ｂによるそれぞれの像を仮想点光源ＰＳに収束するように結像反射鏡８１ａ、８１ｂの角度を設定する。この構造により、各発光ダイオード１１ａ、１１ｂの光束毎に対応する結像反射鏡８１ａ、８１ｂでもって、より精密に光束の進行方向を制御することができる。
【００１１】
また照明装置は、集光反射鏡３で反射され集光される光の仮想点光源ＰＳと、集光反射鏡３の中心を結ぶ線が、照明装置全体の光軸４と一致されており、かつ、各発光ダイオード１１ａ、１１ｂから出射されて前記マイクロレンズ２１ａ、２１ｂで略平行光にされた各光束とが平行となるよう構成してもよい。これにより、集光反射鏡３の入射光と反射光の光軸を一致させて、集光反射鏡３の大きさの範囲内に光軸を収めて照明装置を小型化できる。
【００１２】
さらに照明装置は、前記光束伝搬方向偏向素子５を、任意の一の発光ダイオードから出射された光束の伝搬方向を、照明装置全体の光軸４に略沿う方向に偏向させるためのプリズムの集合体とできる。これにより、レンズなどの光学素子に比べ容易に構成可能なプリズムを、光束伝搬方向偏向素子５として用いて出力光の偏向を行うため、簡素で安価なＬＥＤ照明を実現できる。
【００１３】
さらにまた照明装置は、前記光束伝搬方向偏向素子５が、前記集光反射鏡３によって結像された後に発散する光束の伝搬方向を、照明装置全体の光軸４に略沿う方向に偏向させるよう構成できる。これにより、一旦結像された光束を光束伝搬方向偏向素子５で偏向できるため、光束の制御が容易となる。
【００１４】
さらにまた照明装置は、発光ダイオードアレイ光源１からの光の進行方向において、集光反射鏡３によって結像される光束の仮想点光源ＰＳよりも前方に、前記光束伝搬方向偏向素子を配置できる。これにより、仮想点光源ＰＳよりも前方に配置した光束伝搬方向偏向素子５で光束を容易に制御できる。
【００１５】
さらにまた照明装置は、光束伝搬方向偏向素子５が、集光反射鏡３によって、照明装置全体の光軸４の上もしくは光軸４の近傍に結像される前段で、光束の伝搬方向を、照明装置全体の光軸４に略沿う方向に偏向させるようできる。
【００１６】
さらにまた照明装置は、前記光束伝搬方向偏向素子５を、集光反射鏡３によって結像される仮想点光源ＰＳと、前記集光反射鏡３との間に配置できる。
【００１７】
さらにまた照明装置は、前記発光ダイオードアレイ光源１が、多数の発光ダイオード１１ａ、１１ｂを同心円状に配列したものとでき、前記光束伝搬方向偏向素子５を、角錘プリズム状とできる。
【００１８】
さらにまた照明装置は、前記発光ダイオードアレイ光源１が、多数の発光ダイオード１１ａ、１１ｂを同心円状に配列したものとでき、前記光束伝搬方向偏向素子５を、円錐プリズム状とできる。
【００１９】
さらにまた照明装置は、さらに光の進行方向において、前記光束伝搬方向偏向素子５の前方に配置され、出力光の発散角を制御するための出力レンズ６を備えることができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、発光ダイオードを用いる投射型の照明装置において小型としつつ、複数の発光ダイオードを用いながら、単一の発光ダイオードを用いて得られる光束の制御性とほぼ同等の制御性能が得られる照明装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施形態１に係わる照明装置の光学系を示す説明図である。
【図２】図１の光学系で仮想点光源近傍を拡大した拡大図である。
【図３】図１の光学系で発光ダイオードを同心円状に配列した発光ダイオードアレイ光源を示す平面図である。
【図４】図３の発光ダイオードアレイ光源に対応する角錐プリズムを示す斜視図である。
【図５】発光ダイオードを同心円状に２重に配列した発光ダイオードアレイ光源を示す平面図である。
【図６】図５の発光ダイオードアレイ光源に対応する角錐プリズムを示す斜視図である。
【図７】発光ダイオードを同心円状に配列した発光ダイオードアレイ光源に対応する円錐プリズムを示す斜視図である。
【図８】発光ダイオードを同心円状に２重に配列した発光ダイオードアレイ光源に対応する円錐プリズムを示す斜視図である。
【図９】実施形態１において、発光ダイオードアレイ光源の像が集光反射鏡を通る光軸の上に形成されない例を示す説明図である。
【図１０】実施形態２に係わる照明装置の光学系を示す説明図である。
【図１１】図１０の光学系で仮想点光源近傍を拡大した拡大図である。
【図１２】図１の光学系で、光束伝搬方向偏向素子を発光ダイオードアレイ光源の像が形成される前の位置に挿入した例を示す説明図である。
【図１３】図１０の光学系で、光束伝搬方向偏向素子を発光ダイオードアレイ光源の像が形成される前の位置に挿入した例を示す説明図である。
【図１４】図１２の光束伝搬方向偏向素子の形状を示す説明図である。
【図１５】図１３の光束伝搬方向偏向素子の形状を示す説明図である。
【図１６】図３の発光ダイオードアレイ光源を用いた例で、光束伝搬方向偏向素子として利用可能な凹型の角錐プリズムの斜視図である。
【図１７】図３の発光ダイオードアレイ光源を用いた例で、光束伝搬方向偏向素子として利用可能な凹型の円錐プリズムの斜視図である。
【図１８】図５の発光ダイオードアレイ光源を用いた例で、光束伝搬方向偏向素子として利用可能な凹型の角錐プリズムの斜視図である。
【図１９】図５の発光ダイオードアレイ光源を用いた例で、光束伝搬方向偏向素子として利用可能な凹型の円錐プリズムの斜視図である。
【図２０】図２の光束伝搬方向偏向素子の姿勢を逆向きとした配置例を示す説明図である。
【図２１】図１１の光束伝搬方向偏向素子の姿勢を逆向きとした配置例を示す説明図である。
【図２２】図１４の光束伝搬方向偏向素子の姿勢を逆向きとした配置例を示す説明図である。
【図２３】図１５の光束伝搬方向偏向素子の姿勢を逆向きとした配置例を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するための、照明装置を例示するものであって、本発明は、照明装置を以下のものに特定しない。なお、特許請求の範囲に示される部材を、実施の形態の部材に特定するものでは決してない。特に実施の形態に記載されている構成部材の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。また、一部の実施例、実施形態において説明された内容は、他の実施例、実施形態等に利用可能なものもある。なお、光学系においては一般に光源側すなわち光の来る方向を前方と呼び、光源から離れる側すなわち光の進む方向を後方と呼ぶが、本明細書では光の進行方向において、光の進行先を前方、光源側を後方と呼ぶ。
【００２３】
（実施の形態１）
図１は、本発明の一実施形態に係わる照明装置１００の光学系を示す説明図である。この照明装置１００は、発光ダイオードアレイ光源１と、レンズアレイ２と、光の進行方向において前記レンズアレイ２の前方に配置され、レンズアレイ２から出射された光束群を反射させると共に収束させて、発光ダイオードアレイ光源１の中の各発光ダイオードの像を形成するための相対的に口径の大きい集光反射鏡３と、レンズアレイ２と集光反射鏡３とにより、集光反射鏡３を通る、照明装置全体の光軸４（図１の場合は、説明を容易にするために、装置全体の光軸を集光反射鏡３の光軸に一致させてある）の上もしくは光軸の近傍に結像され、その後発散する光束の伝搬方向を、光軸４にほぼ沿う方向に偏向するための光束伝搬方向偏向素子５とで構成されている。光束伝搬方向偏向素子５を通過した光束の発散角は、出力レンズ６により制御できる。この出力レンズ６は、必要に応じて光束伝搬方向偏向素子５を通過した光束の発散角を制御するためのものであって、省略してもよい。また、照明装置全体の光軸４とは、照明装置１００から投影される光の投光面において、投光面の略中心を通過する投光面の垂線に略等しい。
【００２４】
図１の照明装置１００は、集光反射鏡３で反射され集光される光の仮想点光源ＰＳと、集光反射鏡３の中心を結ぶ線が、照明装置全体の光軸４と一致している。さらに図１の照明装置１００は、各発光ダイオード１１ａ、１１ｂから出射されてマイクロレンズ２１ａ、２１ｂで略平行光にされた各光束とが平行となるよう構成している。
【００２５】
実施の形態１の発光ダイオードアレイ光源１は、複数の発光ダイオードが２次元に配列された光源であって、中心部に開口を有する光源であり、原理的には発光ダイオードはどのように配列されても構わない。なお、この実施形態では、発光ダイオードアレイ光源１は、中心部を光束が通過する構造になっているが、これは光学系の構成を簡略化して説明を容易にするためであって、集光反射鏡で収束された光束が発光ダイオードアレイ光源１の中心部を通らない構成にすることもできる。
【００２６】
発光ダイオードは、一般に市販されている砲弾型発光ダイオードや表面実装型発光ダイオードが利用できる。好ましくは、投射光束の制御性を向上させるため、チップをプラスチックレンズで覆っていない形態や、プラスチックレンズ内に拡散剤を混入していないタイプのＬＥＤ素子を利用する。
【００２７】
レンズアレイは、光の進行方向において各発光ダイオードの前方（図１では下側）に配置され、各発光ダイオードから出た発散光束をほぼ平行光にするためのマイクロレンズ２１ａ、２１ｂの集合体である。またレンズアレイ２は、各発光ダイオードに対応するように配列される。
【００２８】
集光反射鏡は、光進行方向において前記レンズアレイの前方に配置され、レンズアレイから出射された光束群を反射させると共に収束させる。また集光反射鏡は、発光ダイオードアレイ光源の像を、集光反射鏡を通る光軸の上もしくは光軸の近傍に形成するための凹面鏡である。図１の集光反射鏡３は、レンズアレイ２と比較して相対的に口径の大きい凹面鏡としている。集光反射鏡３は、光を反射して、実質上一か所に集める機能を有することができれば、材質については特に限定しない。例えば、凹面に加工したガラスの表面にアルミニウムの薄膜をコーティングしたものや、誘電体の薄膜を多層にコーティングしたもの、あるいはアルミニウム等の金属（バルク）を凹面に加工し、研磨したものを用いることができる。また反射率は９０％以上とすることが好ましい。これにより高光利用率で色分散の少ない収束光が得られる。
【００２９】
結像反射鏡アレイ８は、実施の形態２で後述するが、前記レンズアレイの前方に配置され、発光ダイオードから出射されてマイクロレンズ２１ａ、２１ｂでほぼ平行光にされた光束を反射させると共に収束させて、発光ダイオードの像を、結像反射鏡アレイを通る光軸の上もしくは光軸の近傍に形成するための相対的に口径の小さい凹面鏡の集合体である。
【００３０】
光束伝搬方向偏向素子は、発光ダイオードアレイ光源のなかの任意の一つの発光ダイオードから出射されて、その任意の発光ダイオードに対応させられているマイクロレンズ２１ａ、２１ｂと相対的に口径の大きい集光反射鏡もしくは発光ダイオードアレイ光源のなかの任意の一つの発光ダイオードから出射されて、その任意の発光ダイオードに対応させられている結像反射鏡８１ａ、８１ｂの集合体である結像反射鏡アレイにより決定される方向に進む光束の伝搬方向を、前記集光反射鏡もしくは前記結像反射鏡アレイを通る、照明装置全体の光軸に略沿う方向に偏向させための小さなプリズムの集合体である。発光ダイオードアレイ光源が、多数の発光ダイオードが同心円状に配列されたものである場合は、光束伝搬方向偏向素子として角錘プリズムを用いることができ、偏向される光束の質が若干低下しても構わない場合には、円錐プリズムを用いることもできる。
【００３１】
発光ダイオードアレイ光源１、レンズアレイ２及び集光反射鏡３は、本例の場合は、光学系の構築を容易にするために、次のように配置されている。すなわち、発光ダイオードアレイ光源１の中の、例えば、左端に位置する発光ダイオード１１ａに注目すると、この発光ダイオード１１ａから出る光束は、集光反射鏡３を通りつつ照明装置全体の光軸４に平行な方向に放射されるよう調整される。発光ダイオード１１ａに対応するマイクロレンズ２１ａは、集光反射鏡３を介して照明装置１００全体の光軸４に平行な方向に伝搬するよう、光束をほぼ平行な光に変換する。集光反射鏡３はその光束を反射させると共に収束させて、光軸４の上もしくは近傍に結像する。このようにして、発光ダイオードアレイ光源１から放射される全ての光束は、凹面状の反射鏡３を介して照明装置全体の光軸４の上もしくは近傍に収束し、仮想点光源ＰＳを形成する。ただ、このままでは、収束した後、各発光ダイオードからの光束は再び別々の方向に発散して行く。光束は仮想点光源ＰＳから離間するほど広範囲に拡散してしまうので、そのままでは所定の領域において略均一な照度を提供できない。そこで、光束伝搬方向偏向素子５を用いて、発散する光束の伝搬方向を、凹面部を有する集光反射鏡３を介して照明装置全体の光軸４にほぼ沿う方向に偏向する。
【００３２】
実施の形態１の照明装置１００は、上述のように、発光ダイオードアレイ光源１からの出力光の進行方向を光束伝搬方向偏向素子５でもって制御して、照明装置１００から外方へ投光される照明光を、光軸４にほぼ平行として出力できる。この照明装置１００は、従来の照明装置と比較して、発光ダイオードアレイ光源１と光束伝搬方向偏向素子５とを近接して配置することができる。具体的に図１の照明装置１００の部品の配置位置を図面を参照しながら以下に説明する。照明装置１００は、投光側（図１の上側）と反対方向の後方（図１の下側）に集光反射鏡３を配置し、この集光反射鏡３よりも中央域に発光ダイオードアレイ光源１を設けるとともに、発光ダイオードの出力方向を集光反射鏡３の反射面に対向する姿勢とする。つまり発光ダイオードアレイ光源１からの出力光は、後方に配置された集光反射鏡３に進行し、この集光反射鏡３の鏡面でもって略反対方向すなわち前方に折り返しながら収束される。さらに収束した光束は光束伝搬方向偏向素子５を通過した後、前方へと進行しながら最終的に外部へと放出される。したがって照明装置１００は、発光ダイオードアレイ光源１から光束伝搬方向偏向素子５までの光路において、光路途中に介在する集光反射鏡３でもって進行方向をＵターンさせることで、発光ダイオードアレイ光源１から光束伝搬方向偏向素子５までの空間的な距離を省スペースとしながら光路を稼ぐことができる。この結果、照明装置１００全体の容量を小型化でき、照明装置１００を便利に使用できる。
【００３３】
また照明装置１００は、光進行方向において発光ダイオードアレイ光源１と集光反射鏡３との間にレンズアレイ２を介入させることで、発散する出力光を略平行光としながら集光反射鏡３へと効率良く集光させることができ好ましい。また集光反射鏡３による収束の光軸は、必ずしも照明装置全体の光軸４と一致しなくてもよい。ただ、集光反射鏡３と照明装置全体の光軸４とを略一致させることで、光束伝搬方向偏向素子５の分散、偏角、偏向などの制御成分を簡素にすることができ好ましい。集光反射鏡３の光軸と照明装置全体の光軸４とが相違する場合は、光束伝搬方向偏向素子５あるいは出力レンズ６によって光の進行方向を調整する。
【００３４】
さらに図２に、図１の仮想点光源ＰＳ近傍を拡大して光の進行方向を模式化した説明図を示す。この図に基づいて、光束伝搬方向偏向素子の動作原理を説明する。図２に示すように、光の進行方向において、仮想点光源ＰＳの前方に配置された光束伝搬方向偏向素子５は、仮想点光源ＰＳ側より入光した光の進行方向を屈折させる。具体的に光束伝搬方向偏向素子５は、発光ダイオードアレイ光源１の中の任意の一つの発光ダイオード、例えば発光ダイオード１１ａから出射されて、発光ダイオード１１ａに対応して設けられたマイクロレンズ２１ａと集光反射鏡３により決定される方向に進む光束の伝搬方向を、集光反射鏡３を通る、照明装置１００全体の光軸４にほぼ沿う方向に偏向させる。この光束伝搬方向偏向素子５は、複数の発光ダイオードからの光束の伝搬方向を、光軸４に平行な方向に偏向するプリズム５１ａから構成される。プリズム５１ａは、光が入光される領域と、自身を通過後に誘導させたい屈折方向に応じて、その形状が決定される。光束伝搬方向偏向素子５は、そのようなプリズムを全ての発光ダイオードからの光束に対して設計製作し、それらを集合させることによって製作できる。
【００３５】
光束伝搬方向偏向素子５は、種々の形状とできる。例えば、発光ダイオードアレイ光源１として発光ダイオードを同心円状に配列したものを用いることによって、製作容易な光学素子とできる。すなわち、図３に示すように、発光ダイオードを同心円状に配列したものにすれば、光束伝搬方向偏向素子５は、図４に示すように、角錐プリズムとできる。このような角錐プリズムは製造が比較的容易である。なお、図３において、発光ダイオードアレイ光源１の中央に開けられている孔７は、集光反射鏡３により反射された光束を通過させるために開けられているが、前述したように、これは光学系の構成を簡略化して説明を容易にするためであって、集光反射鏡で収束された光束が発光ダイオードアレイ光源１の中心部を通らない構成にすることもできる。また、図３および図４には、発光ダイオードアレイ光源１が６個の発光ダイオードから成る例を示したが、該構成に限らず、発光ダイオードを５個以下、あるいは７個以上とすることも可能であることは言うまでもない。
【００３６】
孔７は発光ダイオードを配置する場所を回避して設けられる。あるいは、孔７の形成領域を除いて発光ダイオードアレイ光源１を設ける。発光ダイオードアレイ光源１を基台に固定し、この基台に貫通した孔７を設ける形態としてもよい。基台はその主面が集光反射鏡３の主面と略平行な姿勢に設けられ、また集光反射鏡３の凹面と対向する一方の主面に発光ダイオードアレイ光源１が配置される。基台の一方の主面から出力された光束は、集光反射鏡３に進行し、凹面状の鏡面で反射された後、孔７を通過して投光側に進行する。
【００３７】
孔７は、集光反射鏡３により収束させる光の焦点を通過する光軸を少なくとも包含できる位置に形成される。孔７の形成位置を、集光反射鏡３の光軸が通過する位置に位置決めすることで、進行方向を矯正する他の部材を介在させる必要がなく、集光率を高めることができ好ましい。さらに孔７の中心軸と照明装置全体の光軸４とが略一致するように孔７を位置決めすることで、照明装置の後方から前方まで進行する光束の光軸を略直線状とでき、したがって収束や拡散などの光の矯正を対称に制御しやすくでき好ましい。
【００３８】
また基台の少なくとも一方の主面を非透光性とすることで、光束の通過を孔７に限定することもできる。孔７を通過できない光は、基台の一方の主面に吸収あるいは反射されて集光反射鏡３側への戻り光となる。いわば基台がフィルターの役割を果たし、集光反射鏡３を介した光が万一所望としない方向へ進行した場合であっても、この迷光を基台でもって遮断できる。孔７を通過した光のみが投光側に進行される形態とすることで、より統制された光を光束伝搬方向偏向素子５へ進行させることができ、この結果、最終的に得られる照明の進行方向が一層制御されて見切りのよいスポットを得ることができる。したがって所望とする照明スポットの径や通過する光束量を考慮して、形成する孔の径を調節すればよい。
【００３９】
特に、凹面状の集光反射鏡３と、一方の主面を非透過とする基台とを組み合わせることで、孔７を通過せずに集光反射鏡３側へと戻った迷光であっても、再び集光反射鏡３でもって光軸に集光させて孔７へと進行させることができるため、光損失を低減できる。また、戻り光の進行方向を再度光軸方向に収束させることで、発光ダイオードへと光が進行するのを回避でき、この結果ダイオードの劣化を防止でき好ましい。
【００４０】
あるいは基台を透光性として、集光反射鏡３を介する反射光を遮断することなく投光側に通過させる形態としてもよい。この場合は孔７の形成を省略できる。
【００４１】
また他の例として、発光ダイオードを図５に示すように、同心円状に２重に配列した場合は、光束伝搬方向偏向素子５は、図６に示すような二段に屈曲した形状の角錐プリズムとできる。これによって、発光ダイオードアレイ光源１からの光束の伝搬方向を、集光反射鏡３を通り、かつ照明装置全体の光軸４にほぼ沿う方向に偏向することができる。なお、図５および図６には、発光ダイオードアレイ光源１が内側に６個、外側に６個の計１２個の発光ダイオードから成る例を示したが、これも例示であって、発光ダイオードの数や配置例は、この構成に限定されるものでない。例えば、発光ダイオードを内周側と外周側で千鳥状となるようオフセット配置することもできる。
【００４２】
さらに他の例として、図示しないが、発光ダイオードを同心円状に３重以上に配列した場合も、同様の光束伝搬方向偏向素子を用いることによって、発光ダイオードアレイ光源１からの光束の伝搬方向を、集光反射鏡３を通り、かつ照明装置全体の光軸４にほぼ沿う方向に偏向することができる。もちろん、４重以上の同心円状に配置したり、あるいは円状でなく、三角形、四角形、六角形状などの多角形状に配置することも可能であることは言うまでもない。
【００４３】
一方でさらに他の例として、発光ダイオードアレイ光源１として発光ダイオードを同心円状に配列したものを用いた場合、光束伝搬方向偏向素子５として、図７に示すような円錐プリズムを用いても、実用上十分な程度に発光ダイオードアレイ光源１からの光束の伝搬方向を、集光反射鏡３を通り、かつ照明装置全体の光軸４にほぼ沿う方向に偏向することができる。
【００４４】
また発光ダイオードを、図５に示すように、同心円状に２重に配列した場合は、図８に示すような二段に折曲した形状の円錐プリズムを用いることによって、発光ダイオードアレイ光源１からの光束の伝搬方向を、集光反射鏡３を通り、かつ照明装置全体の光軸４にほぼ沿う方向に偏向することができる。
【００４５】
以上のようにして、発光ダイオードアレイ光源１からの光束を、光束伝搬方向偏向素子５で集光反射鏡３を通り、かつ照明装置全体の光軸４にほぼ沿う方向に偏向させることが可能となる。偏向された光はさらに、出力レンズ６により発散角を制御できる。
【００４６】
図１に示した実施形態では、発光ダイオードアレイ光源１からの出射光が、レンズアレイ２と集光反射鏡３により集光反射鏡３を通り、かつその像が照明装置全体の光軸４の上に形成する構成を示したが、これは必須ではない。すなわち、各発光ダイオードからの光束が光軸４の少なくとも近傍で交わっておればよく、各発光ダイオードの像が光軸４の上に形成されている必要はない。例えば、図９に示すように、発光ダイオードアレイ光源１の像が、レンズアレイ２と集光反射鏡３により、集光反射鏡３を通りつつも照明装置全体の光軸４の上に形成されず、集光反射鏡３を通りながら照明装置全体の光軸４の近傍に形成された場合であっても、何ら支障なく、光束伝搬方向偏向素子５を通過した光束を、光軸４にほぼ沿う方向に伝搬させることができる。
【００４７】
すなわちこの照明装置１００は、厳密に集光する点光源を得る必要がないため、発光ダイオードや集光反射鏡３、光束伝搬方向偏向素子５の配置位置を高精度に制御する必要がないという優れた利点を有する。言い換えると、焦点を定位置に結ぶような象の形成が不要であることから、光学設計を柔軟に行うことができ、設計の労力や製造コストを大幅に低減できるという極めて実用的な利点を有する。例えば照明装置１００は、集光反射鏡３と光束伝搬方向偏向素子５とを、それぞれの中心軸が離間するよう配置させてもよい。すなわち、照明装置１００の光束伝搬方向偏向素子５は、集光反射鏡３の中心軸から偏位して配置できる。この集光反射鏡３と光束伝搬方向偏向素子５との偏位は、集光反射鏡３を傾けることで、光束伝搬方向偏向素子５が、少なくとも集光反射鏡３を通過した略全ての光を入光できる程度とする。これにより最終的に得られる光束領域の照度をほぼ均一にしながら、所定の領域における光束量を高められる。
【００４８】
（実施の形態２）
また図１０に、本発明の実施形態２に係わる照明装置２００の光学系を示す。この照明装置２００は、従来の発光ダイオードを用いた投射照明装置が抱えていた問題点をより確実に解決することを可能とすることができる光学系である。すなわち、この照明装置２００は、発光ダイオードアレイ光源１と、レンズアレイ２と、発光ダイオードから出射されてマイクロレンズでほぼ平行光にされた光束を反射させると共に収束させて、発光ダイオードの像を形成するための相対的に口径の小さい凹面鏡（結像反射鏡）の集合体である結像反射鏡アレイ８と、マイクロレンズと結像反射鏡とにより結像反射鏡アレイ８の中心部を通りつつ、照明装置２００全体の光軸４１の上もしくは近傍に結像され、その後発散する光束の伝搬方向を光軸４１にほぼ沿う方向に偏向するための光束伝搬方向偏向素子５とを備える。この照明装置２００も、図１ないし図９に示した照明装置１００とほぼ同様の構成であり、同じ部材については同じ符号を付して詳細説明を省略する。
【００４９】
図１０の照明装置２００では、発光ダイオードから出射されてマイクロレンズでほぼ平行光にされた光束を反射させると共に収束させて、発光ダイオードの像を形成するための光学素子が異なる。図１等の例では、発光ダイオードアレイ光源１の中の、例えば発光ダイオード１１ａから出る光束は、レンズアレイ２の中の発光ダイオード１１ａに対応するマイクロレンズ２１ａによりほぼ平行な光に変換され、集光反射鏡３により反射されると共に収束されて、光軸４の上もしくは近傍に結像されていた。これに対して図１０の照明装置２００では、発光ダイオードアレイ光源１の中の、例えば発光ダイオード１１ａから出た光束は、レンズアレイ２の中の発光ダイオード１１ａに対応するマイクロレンズ２１ａによりほぼ平行な光に変換された後、結像反射鏡アレイ８の中の、発光ダイオード１１ａに対応する結像反射鏡８１ａにより、結像反射鏡アレイ８の中心部を通る、照明装置全体の光軸４１の方向に反射されると共に収束され、光軸４１の上もしくはその近傍に結像される。このような図１０の構成では、図１等に比べ各発光ダイオードからの光束をより多く光軸４１の上で交わせることができる。すなわち、図１等では、相対的に口径の大きい１枚の集光反射鏡により、発光ダイオードから出射されてマイクロレンズでほぼ平行光にされた光束を反射すると共に収束して、発光ダイオードの像を形成しており、集光反射鏡の光学収差のために各発光ダイオードからの光束が光軸４の上で交わらなくなるのを避けるため、集光反射鏡の焦点距離を固定した場合、集光反射鏡の直径に制限があり、その結果使用できる発光ダイオードの数にも制限があった。これに対して、図１０の照明装置２００の場合は、相対的に口径の小さい凹面鏡（結像反射鏡）の集合体である結像反射鏡アレイ８により、発光ダイオードから出射されてマイクロレンズでほぼ平行光にされた光束を反射すると共に収束して、発光ダイオードの像を形成しており、結像反射鏡の焦点距離を固定した場合でも、各結像反射鏡の傾きを調節することにより、各発光ダイオードからの光束を光軸４１の上で交わらせることができるため、この点に関して、使用できる発光ダイオードの数に制限がないというメリットがある。
【００５０】
実施の形態２に係る集光反射鏡は、上述の通り複数の結像反射鏡８１ａ、８１ｂの集合体とする結像反射鏡アレイ８に相当する。結像反射鏡８１ａ、８１ｂは、各発光ダイオードから出射されてマイクロレンズで略平行光にされた各光束を反射させると共に収束させる。結像反射鏡アレイ８は、各結像反射鏡８１ａ、８１ｂによるそれぞれの像を仮想点光源ＰＳに集めるように結像反射鏡８１ａ、８１ｂの角度を設定する。詳しくは、各結像反射鏡は、発光ダイオード毎に対応した受光位置に配置され、かつ各結像反射鏡によってそれぞれ収束された像が全体として仮想点光源ＰＳを形成するようそれぞれ位置決めされる。これにより各発光ダイオード毎の光の進行方向をより精密に制御することができる。結像反射鏡アレイ８は、各結像反射鏡を一体に連結して照明装置全体の部品点数を低減することができる。ただ図１０に示すように、各結像反射鏡を離間して配設してもよい。結像反射鏡を個別とする照明装置２００は、各結像反射鏡の配設角度を発光ダイオード毎に調節しやすくできる。
【００５１】
この実施形態２に係わる照明装置２００においても、上述した図１に対する図２と同様、発光ダイオードから放射されて、マイクロレンズと結像反射鏡アレイによって決定される方向に進む光束の伝搬方向を、光束伝搬方向偏向素子により照明装置全体の光軸にほぼ沿う方向に偏向させることができる。この様子を図１１の拡大図に示す。この図においては、図１０の仮想の点光源ＰＳ近傍を拡大して、光の進行方向を模式化して説明している。この動作原理は、図２で説明したものと基本的に同じであるので、動作原理の説明は省略する。
【００５２】
上記実施形態１及び２の例では、光束伝搬方向偏向素子５は、発光ダイオードアレイ光源１の像が、レンズアレイ２と集光反射鏡３により、集光反射鏡３を通りつつ照明装置全体の光軸４の上もしくは近傍に形成された後に、あるいはレンズアレイ２と結像反射鏡アレイ８により光軸４１の上もしくは近傍に形成された後に、光束が入射するように挿入されている。ただ、この構成に限られず、例えば図１２及び図１３に示すように、発光ダイオードアレイ光源１の像が形成される手前の位置に光束伝搬方向偏向素子５を挿入しても構わない。この場合は、光束伝搬方向偏向素子５の形状を、それぞれ図１４及び図１５に示すように入射面側を凹状とする。
【００５３】
発光ダイオードアレイ光源１として発光ダイオードを同心円状に配列したものを、図１２及び図１３の構成に用いる場合も同様となる。例えば図４に示す角錐プリズムに代えて、図１６に示す凹型の角錐プリズム、あるいは図７に示す円錐プリズムの代わりに図１７に示す凹型の円錐プリズムを用いる。また、発光ダイオードを同心円状に２重に配列した発光ダイオードアレイ光源１の場合は、図６に示す角錐プリズムに代えて図１８に示す凹型の角錐プリズム、あるいは図８に示す円錐プリズムの代わりに図１９に示す凹型の円錐プリズムを用いることができる。
【００５４】
なお、上記実施形態１および２の例では、光束伝搬方向偏向素子５の動作原理の説明において、光束伝搬方向偏向素子５の形状として、受光側（図２や図１１などで示す光束伝搬方向偏向素子５の下側）が凸状もしくは凹状になる場合を示した。ただ、光束伝搬方向偏向素子５の形状は、受光側で凸状もしくは凹状とした構成に限定するものではなく、例えば出力側（図２や図１１などで示す光束伝搬方向偏向素子５の上側）を凸状もしくは凹状になるように設計製作しても同様に動作できることは言うまでもない。一例として、図２の光束伝搬方向偏向素子５に対して、出力側に凹凸を設けた例を図２０に示す。この場合において、光束伝搬方向偏向素子５の受光面と出力面とを単に反転させた構成のみに限定するものでなく、光束の集束効果の得られる形状に適宜修正できる。同様に、図１１の光束伝搬方向偏向素子５に対して図２１、図１４の光束伝搬方向偏向素子５に対して図２２、図１５の光束伝搬方向偏向素子５に対して図２３に示すように構成することもできる。このように、光束伝搬方向偏向素子５として角錐プリズムもしくは円錐プリズムを使用する場合、それらの凸面あるいは凹面が受光面側、出力面側のいずれの姿勢としてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明の照明装置は、自動車のヘッドライト、劇場のスポットライト等に好適に利用できる。
【符号の説明】
【００５６】
１…発光ダイオードアレイ光源
２…レンズアレイ
３…集光反射鏡
４…光軸
５…光束伝搬方向偏向素子
６…出力レンズ
７…孔
８…結像反射鏡アレイ
１１ａ、１１ｂ…発光ダイオード
２１ａ、２１ｂ…マイクロレンズ
４１…光軸
５１ａ…プリズム
８１ａ、８１ｂ…結像反射鏡（凹面鏡）
１００、２００…照明装置
ＰＳ…仮想点光源
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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