(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の発光ダイオードを並列状に並べて各発光ダイオードの照射光が前方へ照射されるよう形成したＬＥＤ配列部と、
該ＬＥＤ配列部の前方に設置され、前記ＬＥＤ配列部から照射された光束を平行光にして前方へ照射するアレイレンズと、
該アレイレンズの前方に設置され、前記アレイレンズを通過した光を集光して仮想焦点に集める非球面平凸レンズである集光レンズと、
該集光レンズの前方に設置され、前記仮想焦点を通過した光の照射角を制御して被照射面に向けて照射する凸レンズである照射角制御レンズと、
該照射角制御レンズを前記仮想焦点に対し光軸に沿って移動可能とすると共に、該照射角制御レンズを前記仮想焦点に対し所望位置で固定させる手段と、
前記ＬＥＤ配列部、アレイレンズ、集光レンズ、照射角制御レンズを保持する灯体と、から構成されることを特徴とするＬＥＤスポットライト。
【請求項２】
複数の発光ダイオードを並列状に並べて各発光ダイオードの照射光が前方へ照射されるよう形成したＬＥＤ配列部と、
該ＬＥＤ配列部の前方に設置され、前記ＬＥＤ配列部から照射された光束を平行光にして前方へ照射するアレイレンズと、
該アレイレンズの前方に設置され、前記アレイレンズを通過した光を集光して仮想焦点に集める非球面平凸レンズである集光レンズと、
該集光レンズの前方で光軸に沿って移動可能に設置された凸レンズである結像レンズと、
前記集光レンズと結像レンズの間に設けられ光束の通過範囲を制御する手段と、
前記結像レンズを所望位置で固定させる手段と、
前記ＬＥＤ配列部、アレイレンズ、集光レンズ、結像レンズを保持する灯体と、から構成され、
前記光束の通過範囲を制御する手段に対する前記結像レンズの相対的位置関係を変化させることにより、照射光の結像状態を選択的に調整可能としたことを特徴とするＬＥＤスポットライト。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばテレビスタジオ、舞台、展示会場、宴会場などの各種演出空間において照明器具として用いられるスポットライトに関し、詳しくは、複数の発光ダイオード（ＬＥＤ）を光源とするスポットライトに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、白熱電球を光源とするスポットライトが知られているが、白熱電球はフィラメントが高温になるため電球寿命が短く、思わぬ電球切れにより照明演出に支障をきたしたり、電球交換の手間がかかる、電球切れに伴うコストが嵩むなどの問題があった。また、スポットライトの運搬中に振動や衝撃がかかると、フィラメントの断線や管球の破損が起きるなどの問題もあった。
【０００３】
このような従来のスポットライトが有する問題を解消するために、近年、白熱電球に代えてＬＥＤを光源とするスポットライトが提案されている（例えば特許文献１、２参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−３０７５０２号公報
【特許文献２】特開２００５−１５８６９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、従来のＬＥＤスポットライトは、複数のＬＥＤを曲面上に並べることで各ＬＥＤからの照射光を前方に集光させて仮想光源を形成したり、平面上に並べた複数のＬＥＤからの照射光をアパーチャに集光して仮想光源を形成している。このため、各ＬＥＤからの照射光を一点に集中させることができず仮想光源が大きくなるため、被照射面への照射光として利用できない余分な光が生じ光の利用効率が低いという問題がある。
また、仮想光源が大きくなる結果、照射光のムラが生じ、被照射面において明度の違いが発生するという問題がある。
本発明はこのような従来事情に鑑みてなされたものであり、その目的とする処は、白熱電球に代えて、複数のＬＥＤを光源として用いるに際し、各ＬＥＤからの照射光を一点に集中させ、白熱電球のフィラメントと同程度の大きさの仮想光源を形成して、光利用効率に優れると共に、ムラの無い均一な照射光を得ることができる新規なＬＥＤスポットライトを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
以上の目的を達成するために、本発明に係るスポットライトは、複数の発光ダイオードを並列状に並べて各発光ダイオードの照射光が前方へ照射されるよう形成したＬＥＤ配列部と、該ＬＥＤ配列部の前方に設置され、前記ＬＥＤ配列部から照射された光束を平行光にして前方へ照射するアレイレンズと、該アレイレンズの前方に設置され、前記アレイレンズを通過した光を集光して仮想焦点に集める非球面平凸レンズである集光レンズと、該集光レンズの前方に設置され、前記仮想焦点を通過した光の照射角を制御して被照射面に向けて照射する凸レンズである照射角制御レンズと、該照射角制御レンズを前記仮想焦点に対し光軸に沿って移動可能とすると共に、該照射角制御レンズを前記仮想焦点に対し所望位置で固定させる手段と、前記ＬＥＤ配列部、アレイレンズ、集光レンズ、照射角制御レンズを保持する灯体と、から構成されることを特徴とする。
【０００７】
光源としての発光ダイオードは、小型で振動、衝撃に強く、堅牢で信頼性があり、発熱が少なく、長寿命で、白熱電球に匹敵する発光効率を持ち、演色性が良く、指向性が狭角（例えば１０〜２０度）である一般的な発光ダイオード、例えばパワー型ＬＥＤ、砲弾型ＬＥＤを用いることができる。また、要求される照明効果に応じて、白色発光ダイオード、青色発光ダイオード、赤色発光ダイオードなどを選択的に用いることができるが、汎用性や明るさなどを考慮すると、白色発光ダイオードを用いることが好ましい。
白色発光ダイオードは、材料にＩｎＧａＮ／ＹＡＧを使った化合物半導体のＰＮ接合ダイオードの一種であり、電流を流し接合部にキャリアを注入することで材料自身が白色の光を放つ。例えば、明るさ：４０ルーメン（ｌｍ）以上、動作電圧：３．８Ｖ以上の白色発光ダイオードを好ましく用いることができる。
【０００８】
このような発光ダイオードを、平面板上で縦横、縦横斜め、千鳥状、ハニカム状などの配列形態になるよう並列状に複数並べ、各発光ダイオードの照射光が前方へ照射されるようにして、所望の光量を備えたＬＥＤ配列部を形成する。用いる発光ダイオードとその数、配列パターンなどは、スポットライトの使用状況に対応して要求される明るさ、照射距離範囲、照射径などの各種条件に応じて適宜選択される。
【０００９】
アレイレンズは、各発光ダイオードから照射される狭角拡散光を平行光に変換する（コリメートする）ためのレンズで、各発光ダイオードの正面前方に位置するレンズを、各発光ダイオードの配列パターンに合わせて整列してなるレンズ集合体である。
該アレイレンズにおける各レンズのレンズ径、レンズ厚さなどは、スポットライトの使用状況に対応して要求される明るさ、照射距離範囲、照射径、焦点距離などの各種条件に応じて適宜選択される。
アレイレンズを構成する各レンズは、平凸レンズ、両凸レンズ、メニスカスレンズなどで形成することができる。
【００１０】
集光レンズは、各発光ダイオードから照射されアレイレンズで平行光に変換された照射光を集光して仮想焦点（仮想光源）に集めるためのレンズで、球面平凸レンズ、非球面平凸レンズ、両凸レンズ、メニスカスレンズなどで構成することができる。前記仮想焦点を、白熱電球のフィラメントと同程度の大きさの仮想光源とするためには、収差の影響などを考慮し、非球面平凸レンズを用いることが好ましい。
該集光レンズのレンズ径、レンズ厚さなどは、スポットライトの使用状況に対応して要求される明るさ、照射距離範囲、照射径、焦点距離、ＬＥＤ配列部における各発光ダイオードの配列パターン、ＬＥＤ配列部からの照射光束の照射径などの各種条件に応じて適宜選択される。
【００１１】
照射角制御レンズは、前記仮想焦点（仮想光源）を通過した光の照射角を制御して被照射面に向けて照射するためのレンズで、球面平凸レンズ、非球面平凸レンズ、両凸レンズ、フレネルレンズ、メニスカスレンズなどで構成することができる。収差の影響などを考慮すれば、非球面平凸レンズを用いることが好ましい。
該照射角制御レンズのレンズ径、レンズ厚さなどは、スポットライトの使用状況に対応して要求される明るさ、照射距離範囲、照射径、焦点距離などの各種条件に応じて適宜選択される。
【００１２】
これらＬＥＤ配列部、アレイレンズ、集光レンズ、照射角制御レンズの相対的位置関係は、スポットライトの使用状況に対応して要求される明るさ、照射距離範囲、照射径、焦点距離などの各種条件に応じて適宜選択され、灯体内において適正関係位置に保持される。
【００１３】
灯体は、スポットライトで通常用いられる耐熱性、放熱性をもった軽量材料、例えばアルミニウムなどの金属材料や耐熱性合成樹脂などで成形される。灯体の外径や長さなどは、スポットライトの使用状況に対応して要求される明るさ、照射距離範囲、照射径、焦点距離などの各種条件に応じて適宜選択される。
ＬＥＤ配列部の放熱性を考慮すれば、灯体の後部に放熱フィンなどの放熱手段を設けることが好ましい。
【００１４】
スポットライトから照射される照射光の照射角を選択的に調整可能とするために、前記照射角制御レンズを光軸に沿って移動可能とすると共に、該照射角制御レンズを前記仮想焦点（仮想光源）に対し所望位置で固定させる手段を備え、前記照射角制御レンズと前記仮想焦点の相対的位置関係を変化し得るよう構成することが好ましい。
ここで、照射角制御レンズを仮想焦点に対し光軸に沿っての移動及び所望位置で固定させる手段の具体的態様として、光軸方向に沿って前後摺動自在としたレンズホルダにより照射角制御レンズを保持すると共に、該レンズホルダを前後摺動させる機構として、灯体側に固定したラックと、レンズホルダ側に設けた歯車の組み合わせからなり、その歯車の回転を手動で操作する機構又は自動で操作する機構などの、スポットライトにおける周知のレンズ摺動機構をあげることができる。
【００１５】
本発明に係るＬＥＤスポットライトは、以上説明したように構成することで、白熱電球を光源とする従来の単レンズスポットライト（例えば特許文献１の図１参照）の代用として提供することができる。また、以下のように構成することで、白熱電球を光源とする従来の結像系スポットライトの代用として提供することができる。
結像系スポットライトとする場合、複数の発光ダイオードを並列状に並べて各発光ダイオードの照射光が前方へ照射されるよう形成したＬＥＤ配列部と、該ＬＥＤ配列部の前方に設置され、前記ＬＥＤ配列部から照射された光束を平行光にして前方へ照射するアレイレンズと、該アレイレンズの前方に設置され、前記アレイレンズを通過した光を集光して仮想焦点に集める非球面平凸レンズである集光レンズと、該集光レンズの前方で光軸に沿って移動可能に設置された凸レンズである結像レンズと、前記集光レンズと結像レンズの間に設けられ光束の通過範囲を制御する手段と、前記結像レンズを所望位置で固定させる手段と、前記ＬＥＤ配列部、アレイレンズ、集光レンズ、結像レンズを適正関係位置に保持する灯体とから構成し、前記光束の通過範囲を制御する手段に対する前記結像レンズの相対的位置関係を変化させることにより、照射光の結像状態を選択的に調整可能とする。
光束の通過範囲を制御する手段としては、アパーチャやカッターなどの、スポットライトにおける周知の手段を用いることができる。また、結像レンズは、一枚である場合と複数枚である場合を含む。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係るＬＥＤスポットライトは以上説明したように構成したので、発光ダイオードを光源として有効利用し、白熱電球を光源とした従来の単レンズスポットライト、結像系スポットライトと同様の照射光を得ることができ、且つ白熱電球式スポットライトが有する各種問題点を解消した新規な照明器具として、テレビスタジオ、舞台、展示会場、宴会場、その他の各種演出空間において有効に用いることができた。
また、集光レンズで集光された仮想焦点が光源となるので、単レンズスポットライトとして提供した場合、照射角制御レンズを光源（仮想焦点）の位置まで後退させることができる。よって、白熱電球を光源とする従来の単レンズスポットライトに比べ、より照射径の広い光（フラッドフォーカス光）を得ることができ、灯体長さを短くして従来よりコンパクトなスポットライトの提供も可能になるなど、多くの効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明に係るＬＥＤスポットライトの実施形態の例について、図面を参照しながら説明する。
図１〜図６には、本発明のＬＥＤスポットライトを、従来の単レンズスポットライトの代用として実施した例を示す。すなわち、本例のＬＥＤスポットライトａは、ＬＥＤ配列部１と、アレイレンズ２と、非球面集光レンズ３と、照射角制御レンズ４と、該照射角制御レンズ４を仮想焦点Ｆに対し光軸Ｌに沿っての移動及び所望位置で固定させる手段５と、これら光学系を適正関係位置に保持する灯体６から構成されている。
【００１８】
ＬＥＤ配列部１は、複数の白色発光ダイオード１０を、灯体６の内部後端に設置した印刷配線基板１１の前面に縦横に並列状に並べて、各白色発光ダイオード１０の照射光が前方へ照射されるよう形成したもので、印刷配線基板１１の後面側には、各白色発光ダイオード１０の発光時の熱を逃がすための放熱フィン１２ａを多数備えた放熱板１２が設置されている。放熱板１２の各放熱フィン１２ａは灯体６の外側に突出している。
放熱板１２の前面におけるＬＥＤ配列部１の外側の領域部分から灯体６の内部前端に向けては、アレイレンズ２、非球面集光レンズ３、照射角制御レンズ４を前記適正関係位置に保持するためのガイドバー７が複数本架設されている。
【００１９】
アレイレンズ２は、各白色発光ダイオード１０からの照射光を平行光に変換する平凸レンズ２ａ（図３に拡大して示す）が、各白色発光ダイオード１０の正面前方に位置するよう、複数の平凸レンズ２ａを各白色発光ダイオード１０の配列パターンに合わせて整列してなる平凸レンズ集合体である。
アレイレンズ２は、四角形状のレンズホルダ２１で保持され、このレンズホルダ２１の角部に突設した一対の支持片２２，２２の通孔に挿通したガイドバー７を該支持片２２に対しビス止めするなどして、前記適正関係位置に保持されている。
【００２０】
非球面集光レンズ３は、各白色発光ダイオード１０から照射されアレイレンズ２で平行光に変換された照射光を集光して仮想焦点（仮想光源）Ｆに集めるための非球面平凸レンズからなる。
非球面集光レンズ３は、円形状のレンズホルダ３１で保持され、このレンズホルダ３１の直径延長線上に突設した一対の支持片３２，３２の通孔に挿通したガイドバー７を該支持片３２に対しビス止めするなどして、前記適正関係位置に保持されている。
【００２１】
照射角制御レンズ４は、仮想焦点Ｆを通過した光の照射角を制御して被照射面に向けて照射するための平凸レンズからなる。
照射角制御レンズ４は、円形状のレンズホルダ４１で保持され、このレンズホルダ４１の直径延長線上に突設した一対の支持片４２，４２の通孔にガイドバー７を摺動自在に挿通して、前記適正関係位置に保持され且つ、仮想焦点Ｆに対し光軸Ｌに沿っての移動及び所望位置での固定を自在とされている。
【００２２】
これらＬＥＤ配列部１、アレイレンズ２、非球面集光レンズ３、照射角制御レンズ４の光学系の相対的位置関係は、スポットライトの使用状況に対応して要求される明るさ、照射距離範囲、照射径、焦点距離などの各種条件に応じて適宜選択され、灯体６内において適正関係位置に保持される。
【００２３】
灯体６は、アルミニウムなどの金属又は耐熱合成樹脂などにより、耐熱性と軽量性を具備すると共に、前記光学系を適正関係位置に保持し得る径と長さを備えるよう成形されている。
【００２４】
照射角制御レンズ４を仮想焦点Ｆに対し光軸Ｌに沿っての移動及び所望位置で固定させる手段５として、本例では、スポットライトにおける周知のレンズ摺動機構を採用しており、該機構について簡単に説明すれば、光軸Ｌに沿って灯体６の内部に固定したラック５１と、レンズホルダ４１と一体に摺動するようレンズホルダ４１に回転自在に保持され且つラック５１に噛合する歯車５２と、灯体６の外側に摺動可能に装備され歯車５２を回転操作するための操作レバー（不図示）を備え、該操作レバーの回転操作でレンズホルダ４１が光軸Ｌに沿って移動し、且つ所望位置で固定させることができる機構である。
【００２５】
これにより、仮想焦点Ｆを通過した光の照射角を、図４に示すスポットフォーカス状態（照射角が最も狭い状態）から、図５に示すミディアムフォーカス状態（スポットフォーカスとフラッドフォーカスの間の状態）を経て、図６に示すフラッドフォーカス状態（照射角が最も広い状態）までの間で、任意角度に調整することができる。
【００２６】
尚、図示は省略するが、灯体６前面の投光開口部６ａに、カラーフィルターなどの部材を適宜装着し得るようにしたり、該投光開口部６ａの外側にバンドアを設置するなど、スポットライトにおける周知の照明演出効果手段を付加することは任意である。
【００２７】
このような構成になる本例のＬＥＤスポットライトａは、複数の白色発光ダイオード１０からの照射光をアレイレンズ２で平行光に変換し、その光束を非球面集光レンズ３で仮想焦点Ｆに集光してこれを仮想光源とし、該仮想焦点Ｆを通過した光の照射角を照射角制御レンズ４で制御して被照射面に向けて照射する。よって、白熱電球を光源とする従来の単レンズスポットライトと同様の照射光を得ることができ、テレビスタジオ、舞台、展示会場、宴会場、その他の各種演出空間において有効に用いることができた。
また、図６に示すように、照射角制御レンズ４を光源（仮想焦点Ｆ）の位置まで後退させることができるので、白熱電球を光源とする従来の単レンズスポットライトに比べ、より照射径の広い光（フラッドフォーカス光）を得ることができ、その分だけ灯体長さを短くして従来よりコンパクトなスポットライトとして提供することができた。
【００２８】
以下、より詳細な実施の一例について説明する。
図１に示す構成のＬＥＤスポットライトにおいて、日亜化学工業社のパワー型の白色ＬＥＤ「ＮＣＣＷ（明るさ：４２ルーメン）」を、縦８列、横８列になるよう合計６４個並べてＬＥＤ配列部１を形成すると共に、アレイレンズ２として１００ｍｍ×１００ｍｍのサイズのアレイレンズを、集光レンズ３として厚さ６０ｍｍ、直径１５０ｍｍの非球面平凸レンズを、照射角制御レンズ４として厚さ４７ｍｍ、直径９４ｍｍの平凸レンズを夫々用い、各白色ＬＥＤから照射角制御レンズ４の前面（出射面）までの距離を２８０ｍｍとした試験機を製作した。
【００２９】
この試験機を用いて、図４に示すスポットフォーカス状態で、ＬＥＤ実装面（ＬＥＤ配列部１における印刷配線基板１１の前面）から被照射面までの距離：３．５ｍ、被照射面の照射径約１ｍの条件で照射を行った。この被照射面の照度を測定したところ、最高照度１６００ｌｘ、最高照度の１／２以上の範囲が被照射面中心から半径４０ｃｍの範囲であり、周辺部に向けて徐々に照度が落ちていくが、ムラの無い均一な照度分布であることが確認できた。該被照射面の中心点を通過する鉛直断面の照度測定結果を図７（イ）に、水平断面の照度測定結果を図７（ロ）に夫々示す。
【００３０】
同試験機を用いて、図５に示すミディアムフォーカス状態で、ＬＥＤ実装面から被照射面までの距離：３．５ｍ、被照射面の照射径約２ｍの条件で照射を行った。この被照射面の照度を測定したところ、最高照度８９０ｌｘ、最高照度の１／２以上の範囲が被照射面中心から半径５５ｃｍの範囲であり、周辺部に向けて徐々に照度が落ちていくが、ムラの無い均一な照度分布であることが確認できた。該被照射面の中心点を通過する鉛直断面の照度測定結果を図８（イ）に、水平断面の照度測定結果を図８（ロ）に夫々示す。
【００３１】
同試験機を用いて、図６に示すフラッドフォーカス状態で、ＬＥＤ実装面から被照射面までの距離：３．５ｍ、被照射面の照射径約２．４ｍの条件で照射を行った。この被照射面の照度を測定したところ、最高照度４０５ｌｘ、最高照度の１／２以上の範囲が被照射面中心から半径７５ｃｍの範囲であり、周辺部に向けて徐々に照度が落ちていくが、ムラの無い均一な照度分布であることが確認できた。該被照射面の中心点を通過する鉛直断面の照度測定結果を図９（イ）に、水平断面の照度測定結果を図９（ロ）に夫々示す。
【００３２】
以上の結果から、本発明に係るＬＥＤスポットライトにより、従来の白熱電球式スポットライトと同様の照射光が得られることが確認できた。
【００３３】
次に、本発明のＬＥＤスポットライトを、従来の結像系スポットライトの代用として実施した場合について、図１０を参照しながら説明する。
この例のスポットライトは、図１における照射角制御レンズ４が結像レンズ４’になり、該結像レンズ４’と非球面集光レンズ３の間にアパーチャ６０が形成され、レンズ摺動機構５の操作で結像レンズ４’を前後摺動させ、アパーチャ６０に対する結像レンズ４’の相対的位置関係を変化させることにより、照射光の結像状態を選択的に調整可能に構成したものである。
アパーチャ６０は、非球面集光レンズ３と結像レンズ４’の間に配設したアパーチャ板６１の中心に開設され、非球面集光レンズ３で集光されて仮想焦点（仮想光源）Ｆに集まる光束の通過範囲を制御する。アパーチャ６０に代えて、アパーチャ板６１の配設箇所に、複数枚のカッター羽根を摺動自在に配設したカッターを形成して、同様の機能を得ることもできる。
それ以外の構成要素、すなわち、ＬＥＤ配列部１、アレイレンズ２、集光レンズ３、レンズ摺動機構５、灯体６、ガイドバー７などに係る構成については、図１〜図３に示す前述の説明と同様のため、重複する図示及び説明を省略する。
この例においては、結像レンズ４’の前後摺動により、照射光の結像状態を任意に調整することは言うまでもない。またこの例においても、図７〜図９に示す結果と同様の効果が得られることは確認済みである。
【００３４】
以上、実施形態の例を図面と実施例に基づき説明したが、本発明に係るＬＥＤスポットライトはこれらの例に限定されず、特許請求範囲に記載された技術的思想の範疇において種々の変更が可能であることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明に係るスポットライトの実施形態の一例を簡略して示す縦断側面図。
【図２】（イ）は図１の（Ｉ）−（Ｉ）線に沿う断面図、（ロ）は同（II）−（II）線に沿う断面図、（ハ）は同（III）−（III）線に沿う断面図、（ニ）は同（IV）−（IV）線に沿う断面図である。
【図３】アレイレンズを構成する平凸レンズの拡大斜視図。
【図４】図１に係るスポットライトのスポットフォーカス状態を示す模式図。
【図５】図１に係るスポットライトのミディアムフォーカス状態を示す模式図。
【図６】図１に係るスポットライトのフラッドフォーカス状態を示す模式図。
【図７】図４に係る照射状態の被照射面の照度を表し、（イ）は該被照射面の鉛直断面、（ロ）は同水平断面を示す。
【図８】図５に係る照射状態の被照射面の照度を表し、（イ）は該被照射面の鉛直断面、（ロ）は同水平断面を示す。
【図９】図６に係る照射状態の被照射面の照度を表し、（イ）は該被照射面の鉛直断面、（ロ）は同水平断面を示す。
【図１０】本発明に係るスポットライトの実施形態の他例を簡略して示す縦断側面図。
【符号の説明】
【００３６】
ａ：ＬＥＤスポットライト
１：ＬＥＤ配列部
２：アレイレンズ
３：集光レンズ
４：照射角制御レンズ
４’：結像レンズ
５：レンズ摺動機構
【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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