便携式照明装置的制作方法

1.本发明涉及便携式照明装置。


背景技术：

2.以往,提出了使用特定形状的掩模(mask)使光的照射范围成为特定形状,并且使用透镜阵列使其照射范围内的光的照度大致均匀的便携式照明装置(参照专利文献1)。
3.《现有技术文献》
4.《专利文献》
5.专利文献1：日本国发明专利4625837号公报


技术实现要素：

6.《本发明要解决的问题》
7.但是,现有技术的便携式照明装置为了使照射范围成为特定形状,在光路中配置掩模,而且使用用于使掩模的像成像的成像透镜。因此,在自便携式照明装置的距离不同的照射位置照射特定形状的光的情况下,需要使成像透镜的位置移动。
8.本发明的目的在于,提供一种便携式照明装置,其使照射范围成为特定形状,并且使照射范围内的照度大致均匀,而且自近距离至远距离不需要聚焦调整。
9.《用于解决问题的手段》
10.为了解决上述问题,本发明提供一种便携式照明装置,包括: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,并且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,各个透镜单元为矩形或六边形,并且照射形状为矩形或六边形。
11.优选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。
12.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。
13.优选自便携式照明装置出射的光所照射的位置中,在将照度为最大值的75％以上的范围设定为主照射范围时,照度为最大值的5％至上述主照射范围的宽度为上述主照射范围的宽度的20％以内。
14.优选上述主照射范围为矩形,并且上述矩形的一边方向的发散角为30
°
～45
°
,另一边方向的发散角为20
°
～30
°
。
15.优选在上述复眼透镜的光的出射侧不包括对在上述复眼透镜成形的光施加光学作用的光学部件。
16.优选在上述复眼透镜的光的出射侧不包括用于使光成形或均匀化的光学部件。在不包括用于使光成形或均匀化的光学部件的情况下,能够提供更小型化的便携式照明装
置。
17.优选上述光源、上述准直器、以及上述复眼透镜被保持在壳体内,并且在上述壳体中的上述复眼透镜的光的出射侧配置有防尘盖。
18.可以在上述复眼透镜的光的出射侧包括与上述光源之间的距离可变的透镜,并且具有通过改变上述透镜与上述光源之间的距离而能够使发散角扩大的变焦功能。通过具有变焦功能,能够使照射范围可变,从而能够提供进一步符合用途的便携式照明装置。
19.优选伴随上述变焦功能的工作,照度改变。
20.优选上述光源为产生可视光、红外线或紫外线的光源。
21.《发明的效果》
22.根据本发明,能够提供一种便携式照明装置,其使照射范围成为特定形状,并且使照射范围内的照度大致均匀,而且自近距离至远距离不需要聚焦调整。
附图说明
23.图1是示出第一实施方式的便携式照明装置1的基本光学系统的概略图。
24.图2是说明复眼透镜4的图,(a)是主视图,(b)是侧视图,(c)是(b)的部分a的扩大图。
25.图3是复眼透镜4的扩大照片,(a)是实施方式,(b)是比较方式。
26.图4是示出通过折射率不同的各种材料设计复眼透镜4的情况下的、轴上厚度、透镜单元40的曲率半径、以及上升角度的表。
27.图5是图2的(c)的b部的扩大图,图中实线是实施方式,点线是比较方式。
28.图6是测定了相邻的透镜单元40间的间隙的直行性的图表。
29.图7是在自便携式照明装置1距离2m的位置配置屏幕时的照射至屏幕的光的照度模式的照片,(a)是使用实施方式的便携式照明装置1的情况,(b)是比较方式的便携式照明装置的情况。
30.图8是示出不同尺寸的便携式照明装置1的透镜单元的曲率半径r、透镜尺寸、轴上厚度的表。
31.图9是示出在自实施方式的便携式照明装置1向前4m的屏幕上照射的光的照射模式的模拟结果的图。
32.图10是示出图9的x方向的照度的图表。
33.图11是示出变形方式的透镜单元40的图。
34.图12是示出第二实施方式的便携式照明装置201的基本光学系统的概略图。
35.图13的(a)示出了第一实施方式中的照射模式的模拟结果,(b)至(d)示出了使复眼透镜4的外表面与变焦透镜210的内表面之间的距离l在5～50mm范围内改变的情况下的屏幕之上的照射模式的模拟结果。
36.附图标记说明
37.1 便携式照明装置
38.2 光源
39.3 准直器
40.4 复眼透镜
41.40 透镜单元
42.40a 入射侧透镜单元
43.40b 出射侧透镜单元
具体实施方式
44.(第一实施方式)
45.以下,对本发明的第一实施方式的便携式照明装置1进行说明。图1是示出第一实施方式的便携式照明装置1的基本光学系统的概略图。
46.便携式照明装置1是所谓的手电筒,在光轴方向依次包括光源2、准直器3、复眼透镜4、以及盖板5,这些保持在壳体10内。另外,在壳体10内设有用于供给光源2电力的电池容纳部6。
47.(光源2)
48.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。
49.(准直器3)
50.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。
51.(盖板5)
52.盖板5是透明树脂制,其设于壳体10的出射侧的开口。通过盖板5,防止尘埃、水进入壳体内,确保了便携式照明装置1的耐久性和耐环境性。
53.(复眼透镜4)
54.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的扩大图。在图3的(a)中示出了实施方式的复眼透镜4的扩大照片,在图3的(b)中示出了比较方式的复眼透镜4
′
的扩大照片。
55.(复眼透镜4的构成)
56.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分别配置于1片板状的部件两面,其为相同形状,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。
57.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。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。
58.通过使用复眼透镜4,能够使光源的亮度不均分散,因此能够在照射面获得一样的照度分布。
59.(复眼透镜4的材料)
60.图4是示出在通过折射率不同的各种材料设计复眼透镜4情况下的、轴上厚度(μm)、透镜单元40的曲率半径r、在成为突状的透镜单元40的缘部的上升角度(θ
°
)(日文原文：立上
がり
角度)的表。
61.如图4所示,若折射率不同,则透镜单元40的形状改变,折射率越低,则上升角度θ越大。在实施方式中,考虑到在玻璃成形中的模具制作的容易性、成形时的脱模性、模具耐久性,作为透镜单元40(复眼透镜4)的材料使用上升角度θ较小的低熔点玻璃即vc82。
62.(复眼透镜4的尺寸)
63.如图3的(a)所示,实施方式的复眼透镜4以例如纵横比6:4的多个矩形的透镜单元40纵横二维排列配置的方式构成。并且,实施方式的复眼透镜4是尺寸较小的、所谓微复眼透镜,其如在图2的(a)中所示那样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。
64.(透镜单元40的尺寸)
65.优选复眼透镜4内的各个透镜单元40的尺寸(间距)为500μm以下,更优选为400μm以下,在实施方式中为330μm
×
220μm。若将透镜单元40设定为横330μm纵220μm的纵横比6:4,则在φ26的光束内配置7300个透镜单元。需要说明的是,透镜单元40的一边的尺寸在实施方式中为复眼透镜4的一边的大小的1/50～1/100。
66.(复眼透镜4的轴上厚度)
67.如图2的(c)所示,优选入射侧的透镜单元40a的凸部的顶点与和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)为1000μm以下。
68.在实施方式中作为材料使用vc82,如图4所示,轴上厚度为800μm,透镜的曲率半径r为344μm。
69.(比较方式的复眼透镜4的尺寸)
70.以下,将以往的一般的复眼透镜作为比较方式进行说明。
71.如图3的(b)所示,比较方式的复眼透镜4
′
与实施方式相同,以例如纵横比6:4的多个矩形的透镜单元40
′
纵横二维排列配置的方式构成。
72.但是,比较方式的各个复眼透镜4
′
的透镜单元40
′
的尺寸比实施方式大,例如为1200μm
×
800μm这样的至少一边为700μm以上。
73.比较方式的入射侧的透镜单元的凸部的顶点与和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(轴上厚度)为约5mm(5,000μm)。
74.这样的比较方式的透镜单元40
′
以往作为投影仪的光源用途被制作,并且在使用时在光学系统之中并用扩散板、光导管而使光的均匀度提高、或者通过使光圈的棱线成像来形成矩形外周的边缘。因此,即使透镜单元40
′
的尺寸不是特别小,在功能上也足够。
75.(配置许多个)
76.但是,在便携式照明装置1等的小型的照明装置中,复眼透镜4的尺寸较小为例如20mm四边形。在该20mm四边形内能够配置的复眼透镜的数量在比较方式中较少为448个。与此相对,在实施方式中能够配置6600个单元。
77.透镜单元40的数量也影响照射光的照度均匀化,越多越有利于照度均匀化。根据实施方式,即使复眼透镜4的尺寸相同,与比较方式相比能够配置10倍以上的透镜单元40。另外,透镜单元40的尺寸也较小。因此,能够实现轻量化、小型化,并且能够实现照射光的照度均匀化和边缘清晰化。
78.(宽度d10μm以下)
79.图5是图2的(c)的b部的扩大图,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。
80.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。
81.例如,在比较方式中,在图5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。
82.(宽度d10μm以下的效果:直行性)
83.图6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。
84.图6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6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。
85.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。
86.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。
87.图7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。
88.如图7的照片所示,在图7的(b)的比较方式的情况下,周围的轮廓模糊。但是,在图7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。
89.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。
90.(免调焦)
91.但是,在实施方式中,由于相邻的透镜单元40间的间隙d较窄,直行性较高,因此复眼透镜的每一个透镜的棱线是清晰的。
92.因此,难以产生散射光散乱光,照明范围的轮廓清晰。由此,不需要设置光圈,也不需要使轮廓成像的聚焦透镜。由此,便携式照明装置1的轻量化成为可能,也能够削减成本。
93.(发散角)
94.在实施方式中,便携式照明装置1的照射光为矩形,优选照射光的发散角为横30
°
～45
°
、纵20
°
～30
°
。
95.人类的信息接受能力优异的有效视野为水平30
°
、垂直20
°
。但是,考虑存在个体差异、一边扫描一边确认视野,以水平30
°
、垂直20
°
为基础,在实施方式中,比该值更广地将发散角设计值设定为横40
°
、纵27
°
。
96.在实施方式中,由于照射光如上所述为横40
°
、纵27
°
的矩形模式,因此人类作为视野范围能够在脑内一并处理的、上述有效视野与照射范围大致一致。由此,能够在警戒业务、搜索活动中形成有效的照明。
97.需要说明的是,实施方式的照射光的发散角的优选范围即横30
°
～45
°
、纵20
°
～30
°
是不存在移动的、例如构造物的异常检测那样的静止的情况下优选的范围。
98.另一方面,在希望确认的对象物相对周围移动的情况下,优选更广的照射范围即40
°
～90
°
。对于该情况的方式后述。
99.(复眼透镜4的制造)
100.在制造复眼透镜4的情况下,首先,最开始由期望的发散角和使用的材料决定折射率。折射率决定后,复眼透镜4的曲率半径r、透镜尺寸、轴上厚度的可取组合确定,能够在各自保持比例关系的状态下,决定复眼透镜4的形状。
101.然后,制作透镜单元40的透镜间间隙为10μm以下的模具,通过玻璃模制成形装置使复眼透镜4成形。
102.需要说明的是,图8是示出由与实施方式的便携式照明装置1相同的材料制造的情况下的、不同尺寸的便携式照明装置的透镜单元的曲率半径r、透镜尺寸、轴上厚度的例子的表。表的中央为实施方式,上下为变形方式a以及变形方式b。
103.(试验结果)
104.图9是示出在自实施方式的便携式照明装置1向前4m的屏幕上照射的光的照射范围的模拟结果的图。图10是示出图9的x方向的照度的实测结果的图表。
105.如图9所示,在自实施方式的便携式照明装置1向前4m的屏幕上照射的光的照射范围为横3200mm、纵2.1m,成为与透镜单元40相同的6
×
4的大致矩形形状。
106.另外,如图10所示,对于在自便携式照明装置1向前4m的屏幕上照射的光,光的強度在x方向距中心约1600mm的位置开始下降,能够获得图9所示模拟结果的横3200m的一半即按照设计值的值。
107.根据实施方式,如图10所示,将照度的最大值为100％时的约70％以上的范围设定为主照射范围p时,照度为最大值的约5％至主照射范围p的宽度x1为约300mm。由于在实施方式中主照射范围p的宽度的一半为1600mm,因此照度为最大值的5％至主照射范围p的宽度x1为主照射范围p的宽度的约19％,为20％以内。
108.(实施方式的效果)
109.(基于透镜单元40的尺寸较小的效果)
110.以上,实施方式的便携式照明装置1中,透镜单元40的尺寸为330μm
×
220μm。透镜单元40的尺寸越小,均化(均匀化)效果约提高。由此,根据实施方式,透镜单元40的1个的尺寸如上所述较小,因此即使搭载于便携式照明装置1等的小型的装置,也能够充分地使出射光均匀化。
111.另外,由于透镜单元40的尺寸较小,因此能够在有限的范围内配置较多的透镜单元40,通过透镜单元40的数量较多,也能够实现照射光的照度均匀化。
112.(可视性提高)
113.如此,便携式照明装置1在照射范围内的照度的均匀性较高。这里,在应对视野内的明暗的情况下,进行一边切换瞳孔的大小、感受光的细胞一边应对亮度的改变的所谓“适
应”。适应较暗场所至较亮场所的反应为亮适应。适应较亮场所至较暗场所的反应为暗适应。在需要亮适应的情况下,成为直至适应结束为止炫目而看不到视野内的状态。在需要暗适应的情况下,成为直至适应结束为止较暗而看不到视野内的状态。
114.亮适应能够较快反应,与此相对,暗适应为了适应5倍不同的暗度花费0.1至1秒。并且,在需求更快改变的情况下感到不舒服。即,在视野范围内有5倍以上的亮度分布时,如果想要确认到各个角落,则由于在想要确认的视野内需要适应反应,所以成为无意识中一边感到不舒服一边进行的作业。特别是由于暗适应较慢,因此在相同视野内较亮部位的适应优先,其结果,导致看不见照度较低的部位。若将该情况在警戒业务、搜索活动那样的确认行为关系到人命、盈亏的情况下进行考虑,则期望在更短时间内实施不存在看漏的确认。
115.由于在实施方式中照度均匀,因此不需要使眼睛适应。由此,能够使利用者的可视性提高。如此,通过避免在视野内需要暗适应,能够进行更可靠且容易的确认活动。
116.另外,若照射范围内的照度均匀,则中央部的照度与照射范围中的其他的区域相比并不是特别高,从而中央部并不感到特别炫目。由此,在对人进行照射时,能够确保被照射的人不感到炫目的状态,并且清楚地确认人的存在。
117.(无压力)
118.另外,若视野之中全部为相同亮度,则能够引起适应反应地观察全部的范围。因此,不感到压力。
119.而且,在完成暗适应的状态下的目视作业为可能的情况下,即使在整体较低的照度下也能够可靠地确认视野内的样子。
120.(间隙的宽度d较小)
121.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相比非常小。
122.(直行性)
123.在实施方式中,如图3所示,将透镜单元40排列的方向设定为xy方向时,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。即,相邻的透镜单元40间的间隙d的直行性较高。
124.(免调焦)
125.如此,在实施方式中,由于相邻的透镜单元40间的间隙d较窄,直行性较高,因此复眼透镜的每一个透镜的棱线是清晰的。
126.因此,与比较方式相比,因复眼透镜4的间隙d的影响而产生的散射光的产生被抑制为非常小。由此,能够使便携式照明装置1的照射光的最外周部的照度急剧降低。
127.如此,由于难以产生散射光散乱光,照明范围的轮廓清晰,因此不需要设置光圈,也不需要使轮廓成像的聚焦透镜。由此,便携式照明装置1的轻量化成为可能,也能够削减成本。并且,能够清晰地用眼睛确认照明范围的轮廓，从而能够作为能量利用效率较高的照明进行利用。
128.利用照射范围最外周部的照度急剧降低,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。
129.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。
130.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。
131.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。
132.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。图11是用于说明实施方式的变形方式c的透镜单元40的图,其是示出了将透镜单元40的排列设定为均匀的6边稠密排列的形状的情况的图。如图所示,通过将透镜单元40的排列设定为6边稠密排列,能够将照射范围设定为6边形。
133.(第二实施方式)
134.图12是示出第二实施方式的便携式照明装置201的基本光学系统的概略图。便携式照明装置201是与第一实施方式相同的例如手电筒等的小型的便携式照明装置201。
135.便携式照明装置201在光轴方向依次包括光源2、准直器3、复眼透镜4、以及盖板5,这些部件在壳体10内被保持。另外,在壳体10内设有用于向光源2供给电力的电池容纳部6。
136.第二实施方式与第一实施方式不同的点在于,便携式照明装置201在盖板5的光轴方向内侧还具有变焦透镜210。除此之外与第一实施方式相同,省略对于与第一实施方式相同的部分的说明。
137.对于变焦透镜210,作为一个例子其是材料为光学玻璃的bk7,曲率半径r＝-25毫米的单面凹透镜。变焦透镜210能够在光轴方向移动,从而能够改变相对于复眼透镜4的光轴方向的相对距离。
138.如在第一实施方式中说明的那样,照射光的发散角为横30
°
～45
°
、纵20
°
～30
°
的范围是对于不移动的、例如构造物的异常检测那样的静止的异常检测优选的范围。
139.另一方面,在想要确认的对象物相对于周围移动的情况下,需求更广的照射范围,优选发散角为40
°
～90
°
的范围。
140.在第二实施方式中,变焦透镜210能够在光轴方向移动,通过在光轴方向移动来改变与复眼透镜4的相对距离,从而能够使发散角在40
°
～90
°
的范围改变。
141.图13的(b)至(d)示出了使在图12所示光轴中心之上的复眼透镜4的外表面与变焦透镜210的内表面之间的距离l在5～50mm范围内改变的情况下的、在前方4米的屏幕之上的照射模式的模拟结果。
142.需要说明的是,图13的(a)作为比较示出了不包括变焦透镜210的第一实施方式中的照射模式的模拟结果。
143.在将照射模式中的最大光量的20％以上的范围设定为照射范围的情况下,对于前方4米的屏幕之上的照射范围的横尺寸,在图13的(a)所示无变焦透镜的第一实施方式的情况下为3200mm。需要说明的是,最大光量的20％由需要适应反应的光量差5倍进行设定。
144.在第二实施方式的便携式照明装置201中,若将复眼透镜4与变焦透镜210之间的距离l改变为5mm、20mm、50mm,则照射范围的横尺寸扩大为400mm、5200mm、7500mm。
145.若换算为视野角,则在第一实施方式的无变焦透镜的便携式照明装置1的情况下,
发散角为40
°
,若在第二实施方式的便携式照明装置201中将距离l改变为5mm、20mm、50mm,则发散角分别扩大为53
°
、66
°
、86
°
。
146.根据第二实施方式,如此,由于能够扩大发散角,因此在想要确认的对象物相对于周围移动的情况下,能够扩大光的照射范围。由此,能够获得符合状况的照射范围。