照明装置的制作方法

1.本发明涉及照明装置。


背景技术：

2.以往,公开了一种照明装置(参照专利文献1),其具有光源、用于进行平行光束化的准直器光学系统、用于使光束的光强度分布均匀化的集成器光学系统、光圈(aperture)、以及具有正的光焦度的光学系统。
3.该照明装置是能够对与海报、广告牌、绘画、板等比较大的矩形形状等的被照明面的形状对应的照明区域进行照明的照明装置。在该照明装置中,集成器光学系统具有复眼透镜和聚光透镜。来自光源的发散性的光束通过准直器光学系统被平行光束化而入射至复眼透镜,并且通过各个复眼透镜而成为独立的小直径的光束。这些小直径的光束通过聚光透镜相互重叠,在光圈的开口部的位置被合成为光强度均匀化的光束。根据上述照明装置,能够区别照射区域和非照射区域而均匀地进行照射。
4.《现有技术文献》
5.《专利文献》
6.专利文献1：日本国特开2018-006250号公报


技术实现要素：

7.《本发明要解决的问题》
8.但是,近年,期望能够更清晰地区分照射区域和非照射区域而均匀地进行照射,并且进一步轻量且小型的照明装置。
9.《用于解决问题的手段》
10.为了解决上述课题,本发明提供一种照明装置,具有:光源；准直器,其供上述光源的光入射；以及复眼透镜,其供通过上述准直器的光入射,该复眼透镜包括在光的入射侧二维排列的多个透镜单元、以及以与入射侧的各个上述透镜单元相对的方式二维排列的多个出射侧的透镜单元,入射侧以及出射侧的各个上述透镜单元的一边的尺寸为500μm以下,在相邻的透镜单元间,一个透镜单元的透镜有效部与另一透镜单元的透镜有效部之间的距离为10μm以下。
11.优选排列为一列的透镜单元和排列为与上述一列相邻的列的透镜单元之间的间隙在与上述列排列的方向正交的方向的位置偏差为3μm以下。
12.上述透镜单元的排列间距可以不均匀。
13.优选上述透镜单元的一边的尺寸为上述复眼透镜的一边的大小的1/50～1/100。
14.上述光源可以为产生可见光的光源。
15.上述光源可以为产生红外光的光源。
16.上述光源可以为产生紫外光的光源。
17.《发明的效果》
18.根据本发明,能够提供一种能够清晰地区分照射区域和非照射区域而均匀地进行照射,并且进一步轻量且小型的照明装置。
附图说明
19.图1是示出照明装置1的基本光学系统的概略图。
20.图2是用于说明复眼透镜4的图,(a)是主视图,(b)是侧视图,(c)是(b)的部分放大图。
21.图3中的(a)是实施方式的复眼透镜4的放大照片,(b)是比较方式的复眼透镜4
′
的放大照片。
22.图4是图2的(c)的b部的放大图,图中实线是实施方式,虚线是比较方式。
23.图5是对相邻的透镜单元40间的间隙的位置的偏差(直线性)进行测定的图表。
24.图6中的(a)是使用实施方式的照明装置1的情况下的照射至屏幕的光的照度模式的照片,(b)是使用比较方式的照明装置的情况下的照射至屏幕的光的照度模式的照片。
25.图7是用256灰度表示图6的照度模式的照片的长度方向中央部的亮度的图表,粗线是实施方式,细线是比较方式。
26.图8是用于说明实施方式的第一变形例的图,(a)是示出透镜单元40的形状、排列间距为矩形且均匀的情况的图,(b)和(c)是示出使透镜单元40的形状、排列间距
±
10％随机再排列的第一变形方式的图。
27.图9是示出自照明装置1出射的光的xy方向各自的亮度的图,图9的(a)是图8的(a)的情况,图9的(b)是图8的(b)的情况。
28.图10是用于说明实施方式的第二变形例的图,(a)是示出将透镜单元40的排列设定为均匀的六边稠密排列的形状的情况的图,(b)是示出使透镜单元40的形状
±
10％随机再排列后的第二变形例的图。
29.图11是示出自照明装置1出射的光的xy方向各自的亮度的图表,图11的(a)是图10的(a)的情况,图11的(b)是图10的(b)的情况。
30.附图标记说明
[0031]1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
照明装置
[0032]2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
光源
[0033]3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
准直器
[0034]4ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
复眼透镜
[0035]
40
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
透镜单元
[0036]
40a
ꢀꢀꢀꢀꢀ
入射侧透镜单元
[0037]
40b
ꢀꢀꢀꢀꢀ
出射侧透镜单元
具体实施方式
[0038]
以下，对本发明的实施方式的照明装置1进行说明。图1是示出照明装置1的基本光学系统的概略图。照明装置1例如是手电筒等的小型的照明装置1。但是,本发明的照明装置1不限于手电筒,也可以为其他的照明装置。照明装置1包括光源2、准直器3、以及复眼透镜4。需要说明的是,实施方式的照明装置1作为整体发散角为横40
°
、纵27
°
。
[0039]
(光源2)
[0040]
光源2例如为产生可见光、红外线、紫外线等的光源、发光二极管等的固体光源、以及灯等。
[0041]
(准直器3)
[0042]
准直器3是透镜或反射镜,其使自光源2出射的光成为大致平行光。在实施方式中准直器3是反射镜兼透镜,具有杯状的镜面,其使用反射和聚光,使自光源2出射的光成为恒定范围的大致平行光。
[0043]
(复眼透镜4)
[0044]
图2是用于说明复眼透镜4的图,图2的(a)是主视图,图2的(b)是侧视图,图2的(c)是图2的(b)的部分a的放大图。
[0045]
如图2的(c)所示,复眼透镜4包括在来自准直器3的光的入射侧二维排列的多个透镜单元40a、以及以与入射侧的各个透镜单元40相对的方式在出射侧二维排列的多个透镜单元40b。透镜单元40a和透镜单元40b为相同形状,在不需要区分进行说明的情况下,作为透镜单元40进行说明。
[0046]
复眼透镜4通过入射侧的透镜单元40a对光束进行分割,并且通过出射侧的透镜单元40b将各个光束引导至照射区域。通过使用复眼透镜4,能够使光源的亮度不均分散,从而能够在照射面获得同样的照度分布。另外,在照射区域的光束的形状成为与透镜单元40的形状对应的矩形形状。
[0047]
复眼透镜4例如由低熔点玻璃的k-vc82制造。在实施方式中,对于复眼透镜4,制作凹透镜的透镜间间隙为10μm以下的模,通过玻璃模制成形装置进行成形。
[0048]
(复眼透镜4的尺寸)
[0049]
如图2的(a)所示,实施方式的复眼透镜4作为整体形状为大致矩形,一边的大小为10mm～30mm,在实施方式中为20mm。
[0050]
以下,将以往的一般的复眼透镜4作为比较方式进行说明。
[0051]
比较方式的复眼透镜4的一边也为约20mm。但是,比较方式的单元尺寸为1.2mm
×
0.7mm,与此相对,实施方式的复眼透镜4与比较方式相比单元尺寸较小为0.3mm
×
0.2mm。因此,在配置为20mm四边形的情况下,在比较方式中能够配置448个单元,在实施方式中能够配置6600个单元。如此,由于能够以相同尺寸配置10倍以上的单元,因此实施方式的复眼透镜4即使用于手电筒等的小型的照明装置1,也能够实现充分的照度均匀化。此时,对于单元尺寸,比较方式相对于一边的大小能够取1/15～1/30的值,实施方式相对于一边的大小能够取1/50～1/100的值。
[0052]
以往,虽然比较方式的复眼透镜4那样的产品作为投影仪的光源用途被制作,但是使用时在光学系统中并用扩散板、光通道来提高光的均匀度,或者通过使光圈的棱线成像来形成矩形外周的边缘。因此,即使复眼透镜4的单元尺寸不是特别小,在功能上也足够。与此相对,在实施方式的照明装置1中,应用单元尺寸较小的复眼透镜4,构成为实现照射光的照度均匀化以及边缘清晰化。由此,能够以轻量且小型的方式实现期望的光学性能的照明装置。
[0053]
在图3的(a)中示出实施方式的复眼透镜4的放大照片,在图3的(b)中示出比较方式的复眼透镜4
′
的放大照片。实施方式的复眼透镜4以及比较方式的复眼透镜4
′
以例如纵
横比6:4的多个矩形的透镜单元40,40
′
纵横二维排列配置的方式构成。
[0054]
(透镜单元40的尺寸)
[0055]
实施方式的复眼透镜4的各个透镜单元40的尺寸为一边500μm以下,优选为400μm以下,在实施方式中为300μm
×
200μm。并且,透镜单元40的一边的尺寸为复眼透镜4的一边的大小的1/50～1/100。
[0056]
另一方面,比较方式的复眼透镜4
′
各个透镜单元40
′
的尺寸例如为1200μm
×
800μm这样的至少一边为700mm以上。
[0057]
如此,由于在实施方式中,各个透镜单元40的尺寸为500μm以下,因此为了即使为了用于手电筒等的小型的照明装置1而将复眼透镜4整体的大小设定为较小,也能够搭载较多的透镜单元40。
[0058]
如图2的(c)所示,入射侧的透镜单元40a的凸部的顶点和与该入射侧的透镜单元40a相对的出射侧的透镜单元40b的凸部顶点之间的距离(轴上厚度)优选为1000μm以下,在实施方式中为800μm。另外,透镜的曲率半径r为344μm。
[0059]
另一方面,比较方式的入射侧的透镜单元的凸部的顶点和与该入射侧的透镜单元相对的出射侧的透镜单元的凸部顶点之间的距离为约5mm(5,000μm)。
[0060]
图4是图2的(c)的b部的放大图,图中实线为实施方式,虚线为比较方式。在实施方式中,在入射侧或出射侧的各个面内相邻的透镜单元40间,一个透镜单元40的透镜有效部与另一透镜单元40的透镜有效部之间的宽度d、即透镜非有效部的宽度d为10μm以下。
[0061]
透镜有效部是指,透镜单元40中的有助于聚光的部分,透镜非有效部是指,在透镜有效部的外周部对透镜单元40中的聚光无贡献,光进行发散、散射的部分。
[0062]
例如,在比较方式中,在图4所示通过各个透镜单元40
′
的顶点的剖面中,宽度d
′
是一个透镜单元40
′
的轮廓形成的线的拐点p与其相邻的透镜单元40
′
的轮廓形成的线的拐点p之间的宽度d
′
(距离),但是实施方式中拐点p的存在为不能确认的程度,光散射的部分的宽度为10μm以下。
[0063]
(直行性)
[0064]
图5是如图3所示将透镜单元40排列的方向设定为xy方向时,对例如在y方向中相邻的透镜单元40和透镜单元40之间的在x方向延伸的间隙的、y方向的位置的偏差(直行性)进行测定的图表。
[0065]
图5的图中黑点为图3的(a)所示实施方式的复眼透镜4的透镜单元40间的间隙d即线c的直行性,叉号为图3的(b)所示比较方式的复眼透镜4
′
的透镜单元40
′
间的间隙即线c
′
的直行性。将在图5的左侧端部的间隙的位置设定为y坐标的零,对于在图中x方向朝向约1200μm右侧时的间隙d的y方向的位置进行制图。
[0066]
如图表所示,在比较方式中,间隙d
′
的位置为约负1.0μm～+5.5μm的范围。即,y方向的位置的振幅m
′
为约6.5μm。
[0067]
与此相对,在实施方式中,间隙d的位置为约负1.0～+0.5μm的范围。即,y方向的位置的振幅m为1.5μm。需要说明的是,在实施方式中,不限于1.5μm,为3μm以下即可,更优选为2μm以下。
[0068]
(实施方式的效果)
[0069]
如此,在实施方式中,一个透镜单元40的透镜有效部与另一透镜单元40的透镜有
效部之间的宽度d、即透镜非有效部的宽度d为10μ以下,与比较方式的50μm相比相当小。
[0070]
而且,在一个方向延伸的间隙d的、在与该一个方向正交的方向的位置偏移为1.5μm,与比较方式的6.5μm相比相当小。即,相邻的透镜单元40间的间隙d的直行性较高。
[0071]
因此,在实施方式中,因复眼透镜4的间隙d的影响而产生的散射光的产生与比较方式相比被抑制为非常小。由此,能够使照明装置1的照射光的最外周部的照度下降变得急剧。
[0072]
图6是在自照明装置1距离2m的位置配置屏幕时在屏幕照射的光的照度模式的照片,(a)是使用实施方式的照明装置1的情况,(b)是使用比较方式的照明装置的情况。图7是用256灰度表示图6的照度模式的照片的长度方向中央部的亮度的图表,粗线是实施方式,细线是比较方式。
[0073]
如图6的照片所示,在图6的(b)的比较方式的情况下,周围的轮廓模糊。但是,在图6的(a)的实施方式的情况下,与比较方式相比,周围的轮廓清晰。
[0074]
图7的图中,在中央部的高亮度区域中,在比较方式中存在亮度的改变,特别是在附图标记31所示位置处产生亮度不均。但是,在实施方式中,在高亮度区域中,与比较方式相比亮度的变动较少,为大致均匀。
[0075]
图7的图中,在高亮度区域的右端部,在比较方式中,存在自大致恒定的高亮度区域暂时亮度进一步上升的边缘部异常聚光部分32。但是,在实施方式中,亮度自大致恒定的高亮度区域一下子降低。
[0076]
图7的图中,在右侧的图中自右向左的亮度的上升部分中,在比较方式中,如附图标记33的部分所示,亮度的上升缓慢。但是,在实施方式中,与比较方式相比亮度的上升急剧。
[0077]
如上所述,在比较方式中,照明范围的轮廓比实施方式模糊。认为这是由于相邻的透镜单元40间的间隙的宽度较宽且直行性较低,因此易于产生散射光。由此,在这样的比较方式中,在希望使照明范围的轮廓清晰的情况下,配置有光圈等。
[0078]
但是,在实施方式中,相邻的透镜单元40间的间隙d较窄,直行性较高。因此,难以产生散射光,照明范围的轮廓清晰。由此,不需要设置光圈。因此,照明装置1的轻量化成为可能,还能够削减成本。
[0079]
而且,复眼透镜的每一个透镜的棱线是清晰的,不需要使光圈的轮廓成像,因此能够实现自由对焦。
[0080]
因此,通过将实施方式的照明装置1用于例如手电筒,通过均匀的照度分布,能够使利用者的可视性提高。另外利用照射范围最外周部的照度降低急剧,能够只照射对面的人的自脸向下,从而能够确保对面的人不感到炫目的状态,并且能够清楚确认人的存在。
[0081]
而且,通过将照射光的发散角设定为横30
°
至40
°
、纵20
°
至30
°
的矩形,能够使人作为视野范围能够在脑内一并处理的范围与照射范围一致。由此,能够在警卫业务、搜索活动中制造有效的照明。
[0082]
另外,在用于标识、广告牌的照明的情况下,被照射物的可视性提高,同时照射到被照射物之外的光基本不存在,因此有助于基于降低漏光的光损害的降低、能量的利用效率提高。
[0083]
由于单元尺寸为500μm以下,因此也能够应用于内视镜那样的出射端为数毫米的
超小型尺寸的照明。
[0084]
而且,通过扩大红外线的利用范围,例如实现红外线摄像机的视野内的光量分布均匀化,即使是动态范围较小的摄像机,也不会引起光晕,能够得到高分辨率图像。
[0085]
通过扩大紫外线的利用范围,例如能够以简便的光学系统实现均匀的杀菌、在工业用途中的曝光、粘接工序的uv照度均匀化。特别是由于紫外线使被照射物劣化,因此能够防止在清晰的被照射区域中照射部位周边的劣化。
[0086]
以上,对本发明的优选实施方式进行了说明,但是本发明不限于此。例如,以下的变形例是可能的。
[0087]
(第一变形例)
[0088]
在实施方式中,将透镜单元40的形状设定为恒定形状。但是,不限于此,可以将透镜单元40的形状、排列间距设定为不均匀。图8是用于说明实施方式的第一变形例的图,图8的(a)是示出透镜单元40的形状、排列间距为横330μm、纵220μm的矩形且均匀的情况的图,图8的(b)是示出将透镜单元40的形状、排列间距设定为横330μm、纵220μm作为基础且使其
±
10％随机再排列的第一变形方式的图,图8的(c)是图8的(b)的部分c的放大图。随机再排列的各透镜单元40的形状为4边形至8边形的形状,在图8的(c)中示出的透镜单元40为8边形。
[0089]
图9是示出将自照明装置1出射的光的长度方向设定为x且将宽度方向设定为y时的、xy方向各自的亮度(w/mm2)的图表,图9的(a)是图8的(a)的情况,图9的(b)是图8的(b)的情况。
[0090]
如图所示,通过如图8的(b)那样使透镜单元40的形状、排列间距不均匀而带有随机性,能够使照射范围外周的边缘模糊。
[0091]
(第二变形例)
[0092]
图10是用于说明实施方式的第二变形例的图,图10的(a)是示出将透镜单元40的排列设定为均匀的六边稠密排列的形状的情况的图,图10的(b)是示出将透镜单元40的形状设定为均匀的六边稠密排列作为基础且使其
±
10％随机再排列的第二变形例的图。
[0093]
图11是示出将自照明装置1出射的光的长度方向设定为x且将宽度方向设定为y时的、xy方向各自的亮度(w/mm2)的图表,图11的(a)是图10的(a)的情况,图11的(b)是图10的(b)的情况。
[0094]
如图10的(a)那样,其是示出将透镜单元40的排列设定为六边稠密排列的例子的图。通过如此将透镜单元40的排列设定为六边稠密排列,能够将照射范围设定为6边形。另外,如图10的(b)所示,与第一变形例相同,通过使透镜单元40的形状、排列间距不均匀而带有随机性,能够使照射范围外周的边缘模糊。
[0095]
第一变形例、第二变形例在以下情况下使用,即,在景色、鉴赏用途的情况下在照射范围存在边缘则存在不适感,期望照射范围和被照射范围平滑过渡的照明的情况。在该情况下,如图8的(b)、图10的(b)所示,通过将透镜单元40的形状、排列间距设定为不均匀而带有随机性,能够对外周的模糊程度进行调整,从而能够提供一种适合景色照明、鉴赏用途等的用途的照明装置1。