JP2011175735A - 光加算装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
使用する光源から射出される光の波長が限定されることなく、主光軸を基準としたラジアル方向にコンパクトで、高光量の光を作ることができる光加算装置を提供する。
【解決手段】
表面に形成した反射面Ｍ１２の中央に貫通孔Ｍ１１を有する反射鏡Ｍ１を、該貫通孔Ｍ１１の中心軸線が主光軸Ｌに合致し、かつ前記反射面Ｍ１２が主光軸Ｌに対して傾斜するように配置する一方、前記主光軸Ｌと光軸Ｌ１が合致する第１光を前記反射鏡Ｍ１の裏面側から表面側に向かって射出する第１光源１を設けるとともに、中心部に低光量領域が形成され周辺部に高光量領域が形成された第２光を射出する第２光源２を主光軸Ｌから偏位した部位に設け、前記第２光の低光量領域が貫通孔Ｍ１１に、高光量領域が反射面Ｍ１２にそれぞれ照射されるとともに、反射面Ｍ１２で反射した第２光が、その光軸Ｌ２を前記主光軸Ｌと合致させて第１光とともに進行するように構成した。
【選択図】 図１

Description

この発明は、複数の光源から射出された光の光軸を合致させ、ともに進行させる光加算装置に関するものである。

従来、特許文献１に示されるように、複数のＬＥＤを同一面上に密集させて配置し、それぞれのＬＥＤから射出された光の進行方向を同じ方向に揃えて高光量の光源としたものが知られている。

しかしながら、ＬＥＤを密集させて配置すると、ＬＥＤから発生した熱がこもってしまい発光効率が低下したり、故障が発生したりするなどの問題が生じてしまう。また、より高光量の光源とするためには、より多くのＬＥＤを面上に並べて配置する必要があるので、光源自体が光軸を基準としたラジアル方向に大きくなってしまう。そのため、高光量を必要とし、光軸を基準としたラジアル方向のスペースが限られている用途にこのような光源を適用することは難しい。

また、特許文献２に示されるように、ある波長の第１光を射出する第１ＬＥＤと、前記第１ＬＥＤとは異なる波長の第２光を射出し、その光軸が第１ＬＥＤの光軸と直交するように配置された第２ＬＥＤと、それらの光軸の交点に、それぞれの光軸に対して傾けて配置されたダイクロイックミラーとを備えた光加算装置がある。このものは、ダイクロイックミラーによって、第１ＬＥＤからの第１光は透過させ、第２ＬＥＤからの第２光は反射させることによって、第１光と第２光の光軸を合致させ、ともに進行させて高光量の光を作る。

しかしながら、ダイクロイックミラーによって効率よく光を透過させたり、反射させたりするには適切な波長の光をダイクロイックミラーの透過面及び反射面入射させる必要があり、それぞれ異なる波長の光を射出するＬＥＤを複数種類用意しなくてはならない。つまり、同一波長の光を加算させていくことができない。

また、仮に適切な波長の光をダイクロイックミラーに入射させたとしても、透過面に入射した光のかなりの部分は反射され、反射面に入射した光のかなりの部分は透過してしまうので、高効率で高光量の光を作ることは難しい。
特開２００５−１０８５４４号公報 特開２００６−１３９０４４号公報

本願発明は上記のような問題点を鑑み、光源の放熱を好適に行うことができ、使用する光源から射出される光の波長が限定されることなく、主光軸を基準としたラジアル方向にコンパクトで、高光量の光を作ることができる光加算装置を提供することを目的とする。

すなわち、本発明に係る光加算装置は、表面に形成した反射面の中央に貫通孔を有する反射鏡を、該貫通孔の中心軸線が主光軸に合致し、かつ前記反射面が主光軸に対して傾斜するように配置する一方、前記主光軸と光軸が合致する第１光を前記反射鏡の裏面側から表面側に向かって射出する第１光源を設けるとともに、中心部に低光量領域が形成され周辺部に高光量領域が形成された第２光を射出する第２光源を主光軸から偏位した部位に設け、前記第２光の低光量領域が貫通孔に、高光量領域が反射面にそれぞれ照射されるとともに、反射面で反射した第２光が、その光軸を前記主光軸と合致させて第１光とともに進行するように構成していることを特徴とする。

このようなものであれば、前記主光軸と光軸が合致する第１光は、反射鏡の中央の貫通孔を通って、反射鏡の裏面側から表面側へ進行し、前記第２光源から射出された第２光は、前記反射面で反射されて、その光軸を主光軸と合致させて第１光とともに進行するので、第１光と第２光を集めて、高光量の光とすることができる。

さらに、前記主光軸と光軸が合致する第１光を射出する第１光源を設けるとともに、第２光を射出する第２光源を主光軸から偏位した部位に設けているので、それぞれの光源が離れた位置に配置されることになり、光源で発生した熱を放熱しやすくなる。したがって、光源で発生した熱によって発光効率が低下したり、故障が発生したりするなどの問題が生じるのを防止することができる。

加えて、高光量の光にするために、複数の光源を光の射出する方向を揃えて同一面上に並べて配置する必要がないので、主光軸を基準としたラジアル方向にコンパクトに構成することができる。

また、第１光は、反射鏡の中央の貫通孔を通って、反射鏡の裏面側から表面側へ主光軸に沿って進行し、第２光は反射鏡によって反射されるだけなので、第１光源及び第２光源が射出する光の波長が限定されることもなく、第１光源、第２光源ともに同じ波長の光を使用することもできる。したがって、同じ種類の光源を用いることができるのでコストダウンを図ることができる。

さらに、第１光は反射鏡の貫通孔を通過するだけであり、第２光の低光量領域が反射鏡の貫通孔に、高光量領域が反射面に照射されるので、第１光及び第２光の光量をほとんど失う事無く、効率よく光を集めることができる。

第１光源から射出された第１光を反射鏡によって遮られることなく、裏面側から表面側へ通過させて、より効率的に光を集められるようにするには、前記第１光源が、第１発光素子と、前記第１発光素子から射出された前記第１光の光束を前記貫通孔の大きさに収束させる第１光学素子と、を備えたものであればよい。

前記第２光の低光量領域と高光量領域を形成するには、前記第２光源が、第２発光素子と、前記第２発光素子から射出された前記第２光の前記低光量領域と前記高光量領域を形成する第２光学素子と、を備えたものであればよい。

前記第２光学素子の具体的な実施の態様としては、中央部に凹部を有した凸レンズが挙げられる。このようなものであれば、凸レンズに入射した光のうち中央部に入射したものは周辺部へと屈折されるので、中心部に低光量領域を形成し、周辺部には高光量領域を形成することができる。

前記第２光に低光量領域と高光量領域を形成するには、前記第２発光素子の配向特性が、中心部が低光量であり、周辺部が高光量のものであればよい。

最も第２光の光量を無駄にせず、第１光と第２光を集められるようにするには、前記高光量領域に前記第２光の全ての光量があればよい。

さらに高光量の光を作るためには、前記反射鏡が主光軸に沿って複数設けられ、それぞれの反射鏡に対応して、その反射面に光を射出する光源が設けてあり、その光は中心部に低光量領域が形成され周辺部に高光量領域が形成されており、低光量領域は貫通孔に、高光量領域が反射面に照射されるとともに、反射面で反射した光が、その光軸を前記主光軸と合致させて前記第１光とともに進行するように構成していればよい。

前記第１光源及び前記第２光源の具体的な実施の態様としては、前記第１発光素子又は前記第２発光素子がＬＥＤであるものが挙げられる。

光加算装置を１ユニットとして、同一平面上に複数並べた照明装置とすれば、１つのユニットは主光軸を基準としたラジアル方向にコンパクトに構成されているので、高光量の光を作り出しながら、照明装置も主光軸を基準としたラジアル方向にコンパクトに構成することができる。

本発明に係る光加算装置をヘッドライトに用いれば、高光量でありながら、発熱による問題も生じにくいヘッドライトにすることができる。さらに、本発明に係る光加算装置は、主光軸を基準としたラジアル方向をコンパクトに構成することができるので、光軸を基準としたラジアル方向のスペースが限られているヘッドライトにも好適に用いることができる。

このように構成した本発明に係る光加算装置によれば、複数の光源から射出された光の光軸を合致させて、ともに進行させるので、高光量の光を作ることができる。また、第１光は貫通孔を通過するだけであり、第２光も低光量領域を貫通孔に、高光量領域を反射面に照射して、光の大部分を反射させているので、高効率で光を集めることができる。さらに、第１光源と第２光源とが離れた位置に配置されるので、光源の発熱による問題が生じるのを防止することができる。加えて、複数の光源を光の射出する方向を揃えて同一面上に並べて配置する必要がないので、主光軸を基準としたラジアル方向をコンパクトに構成することができる。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。

本実施形態に係る光加算装置１００は、自動車のヘッドライトに光源として用いられるものである。

具体的に本実施形態に係る光加算装置１００は、図１に示すように、主光軸Ｌに対して表面に形成された反射面Ｍ１２が傾斜するように設けられ、中心軸線が主光軸Ｌと合致する貫通孔Ｍ１１を有した第１反射鏡Ｍ１と、主光軸Ｌと光軸Ｌ１が合致する第１光を前記第１反射鏡Ｍ１の裏面側から表面側へ射出する第１光源１と、主光軸Ｌから偏位した部位に設けられ、主光軸Ｌに対して垂直に第２光を射出して、前記反射鏡Ｍ１の反射面Ｍ１２へ第２光を照射する第２光源２とを備えたものである。そして、前記反射面Ｍ１２で反射された第２光は、その光軸Ｌ２を前記主光軸Ｌと合致させて第１光とともに進行するように構成してある。

前記反射鏡Ｍ１は、薄円板形状をしており、その中心に楕円形の貫通孔Ｍ１１が形成してある。また、この反射鏡Ｍ１は、前記反射面Ｍ１２と主光軸Ｌがなす鋭角が４５度となるように傾斜して配置してある。

前記第１光源１は、第１発光素子である第１ＬＥＤ１１と、前記第１ＬＥＤ１１から射出された第１光の光束を前記貫通孔Ｍ１１の大きさに収束させる第１光学素子１２と、を備えたものである。

前記第１光学素子１２は、第１ＬＥＤ１１から射出された光を集光し、光束の大きさを小さくする第１ＬＥＤンズ１２１と、その第１ＬＥＤレンズ１２１の光射出端から離間して設けられ、図２に示すように、第１ＬＥＤレンズ１２１によって集光された第１光を、平行光にして前記貫通孔Ｍ１１を通過させる第１平凸レンズ１２２とを具備するものである。

前記第２光源２は、第２発光素子である第２ＬＥＤ２１と、前記第２ＬＥＤ２１から射出された第２光の中心部に低光量領域Ｌｏを形成し、周辺部に高光量領域Ｈｉを形成する第２光学素子２２と、を備えたものである。なお、第２ＬＥＤ２１は、第１ＬＥＤ１１と同種のＬＥＤであり、同じ波長の光を射出するものである。

前記第２光学素子２２は、前記第２ＬＥＤ２１から射出された第２光を平行光にする第２ＬＥＤレンズ２２１と前記第２ＬＥＤレンズ２２１の光射出端から離間した位置にある第２両凸レンズ２２２と、を備えたものである。この第２両凸レンズ２２２の焦点をずらすことによって、図２に示すように、第２光の中央部に低光量領域Ｌｏを形成し、周辺部に高光量領域Ｈｉを形成し、低光量領域Ｌｏは貫通孔Ｍ１１に照射され、高光量領域Ｈｉは反射面Ｍ１２に照射されるように調整してある。したがって、第２光の光量の大部分を占める高光量領域Ｈｉの光は、反射面Ｍ１２で反射されたのち、光軸Ｌ２を主光軸Ｌに合致させて第１光とともに進行する。

このように、構成された本実施形態に係る光加算装置１００によれば、第１光は、その光軸Ｌ１が主光軸Ｌと合致するように射出されて、第１反射鏡Ｍ１の貫通孔Ｍ１１を通過して行き、第２光は、反射面Ｍ１２で反射されたのちに、その光軸Ｌ２が主光軸Ｌと合致して、第１光とともに進行するように構成されているので、第１光と第２光を集めて、高光量の光とすることができる。

さらに、第１光学素子１２によって、第１光は、その光束の大きさを貫通孔Ｍ１１の大きさに狭められて貫通孔Ｍ１１を通過するので、略全ての光が通過することができる。第２光は、高光量領域Ｈｉの光が反射面Ｍ１２で反射されるので、低光量領域Ｌｏに含まれるごく一部の光のみが貫通孔Ｍ１１から失われて、第１光とともに進行する。したがって、第１ＬＥＤ１１及び第２ＬＥＤ２１から射出されたほぼ全ての光を集めることができるので、高効率で高光量の光をつくることができる。

加えて、第１光は貫通孔Ｍ１１を通過するだけであり、第２光は反射面Ｍ１２で反射されるだけなので、第１光と第２光に使用する波長が限定されることもない。したがって、同じ種類の光源を用いることができるので、コストダウンを図ることができる。

また、第１光源１は、その光軸が主光軸Ｌと合致するように配置してあり、第２光源２は、主光軸Ｌから偏位して、主光軸Ｌに対して垂直に第２光を射出するように配置されているので、第１ＬＥＤ１１と第２ＬＥＤ２１とは、離れた位置に配置されることになり、発生した熱を放熱しやすい。したがって、第１ＬＥＤ１１及び第２ＬＥＤ２１で生じた熱によって発光効率が低下したり、故障が発生したりするなどの問題が生じるのを防ぐことができる。

さらに、高光量の光をつくるために、第１光源１及び第２光源２の光を射出する方向を揃えて同一面上に並べて配置する必要がないので、主光軸Ｌを基準としたラジアル方向にコンパクトに構成することができる。したがって、ヘッドライトのような高光量が必要とされ、光軸を基準としたラジアル方向のスペースが小さい用途にも好適に用いることができる。

次に本発明の別の実施形態について説明する。以下の説明では前記実施形態に対応する部材には同一の符号を付すこととする。

図３に示すように、前記実施形態の光加算装置を１つの光源として、さらに、別の光源の光を集める光加算装置１００であっても構わない。具体的には、光加算装置１００が、主光軸Ｌ上に傾けて設けられた中央部に貫通孔Ｍ２１を有する第２反射鏡Ｍ２と、集められた第１光及び第２光を集光し、その光を貫通孔Ｍ２１を通過させる集光素子Ｃと、主光軸Ｌに対して偏位して設けられて、前記第２反射鏡Ｍ２の反射面Ｍ２２に第３光を入射させる第３光源３と、を備えたものである。

第２反射鏡Ｍ２は、薄円板上のものであり、反射面Ｍ２２と主光軸Ｌのなす鋭角が４５度となるように傾けて設けてあり、中央部の貫通孔Ｍ２１の中心軸線と主光軸Ｌとが合致させてある。第２反射鏡Ｍ１は第１反射鏡Ｍ１と比べて、その直径が大きくなるように構成してある。

前記集光素子Ｃは、２つの平凸レンズＣ１、Ｃ２から構成され、集められた第１光及び第２光を平行光とし、その光束の大きさが前記第２反射鏡Ｍ１の貫通孔Ｍ１１の大きさと同じになるように集光するものである。そのため、第１光と第２光の全ての光は、第２反射鏡Ｍ１の貫通孔Ｍ１１を通過させることができる。

前記第３光源３は、射出されたときの第３光の光軸Ｌ３が主光軸Ｌに対して垂直になるように設けてある。その第３光源３は、第３ＬＥＤ３１と、前記第３ＬＥＤ３１から射出された第３光の中心部に低光量領域Ｌｏを形成し、周辺部に高光量領域Ｈｉを形成する第３光学素子３２と備えたものである。

第３光学素子３２は、前記第３ＬＥＤ３１から射出された第３光を平行光にする第３ＬＥＤレンズ３２１と前記第３ＬＥＤレンズ３２１の光射出端から離間した位置にある第３両凸レンズ３２２と、第３両凸レンズ３２２と第２反射鏡Ｍ１との間に設けられた凹レンズ３２３、を備えたものである。この第３両凸レンズ３２２と凹レンズ３２３の焦点をずらすことによって、第３光の中央部に低光量領域Ｌｏを形成し、周辺部に高光量領域Ｈｉを形成し、低光量領域Ｌｏは貫通孔Ｍ２１に照射され、高光量領域Ｈｉは反射面Ｍ２２に照射されるように調整してある。

このようなものであれば、光軸Ｌ１、Ｌ２が主光軸Ｌに合致してともに進行している第１光と第２光に、さらに、第３光の光軸Ｌ３を主光軸Ｌに合致させてともに進行させることができるので、より高光量の光を作ることができる。

さらに、主光軸Ｌに沿って光源を追加していくので、主光軸Ｌを基準としてラジアル方向には、コンパクトに構成を保ちながら、より高光量の光を作るようにしていくことができる。

その他、本発明は上述した実施形態に限られない。

例えば、光加算装置をユニットとして、そのユニットを同一平面上に複数並べて高光量の光を射出する大光源としてよい。１つのユニットは、主光軸Ｌを基準としたラジアル方向にコンパクトに構成されているので、このように並べても高光量の光を作りつつ、大光源Ｓの主光軸Ｌを基準としたラジアル方向もコンパクトに構成することができる。

また、図４に示すように、第２光学素子２２に、中央部に凹部２２２１を有した両凸レンズ２２２を用いても構わない。このようなものであれば、両凸レンズ２２２に入射した平行光のうち中央部の光は周辺部に屈折されるので、中央部に低光量領域Ｌｏを形成し、周辺部に高光量領域Ｈｉを形成することができる。加えて、光を射出するＬＥＤは面光源であっても構わないし、点光源であっても構わない。

第２光に、中央部に低光量領域を形成し、周辺部に高光量領域を形成するのに、第２ＬＥＤ２１の配光特性が中央部は低光量で、周辺部が高光量のものを用いても構わない。

第２光の中央部の低光量領域Ｌｏには、全く光量がなく、すべての光が周辺部の高光量領域Ｈｉに集まるようにしても構わない。このようにすれば、最も高効率で第１光と第２光を集めて高光量の光とすることができる。

さらに高光量の光を作るためには、第４光源、第５光源・・・第Ｎ光源を第３光源と同様にして設けて、それぞれの光源から射出された光の光軸を主光軸に合致させて、ともに進行させるようにしても構わない。

第２光源や第３光源は、光を射出した時点での光軸の向きが主光軸に対して傾斜するように設けてあっても構わない。このようなものであれば、光加算装置を主光軸を基準としたラジアル方向にさらにコンパクトにすることできる。

反射鏡は、薄円板形状のみに限らず、反射面と貫通孔を備えたものであれば良い。例えば、反射鏡が円筒の側面を斜めに切断した形状をしており、その切断面に反射面を備え、底面の中央部から切断面の中央へと貫通する貫通孔を有したものであっても構わない。
また、反射鏡の貫通孔の形状は楕円形のみに限られない。例えば、長方形状など様々な形状であっても構わない。

光学素子はレンズに限られない。例えば、回折格子を用いて、第１光の光束を貫通孔の大きさにし、第２光の低光量領域及び高光量領域を形成するようにしても構わない。

発光素子としては、ＬＥＤに限られない。有機ＥＬ、キセノンランプ、クリプトンランプ、冷陰極管などであっても構わない。

光加算装置はヘッドライト以外にも、プロジェクタなどの光源として用いても構わない。

なお、本明細書中において、光とは可視光、赤外光、紫外光、電磁波などを含む概念である。

その他、前述した実施形態や変形実施形態の一部又は全部を適宜組み合わせてよいし、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であることは言うまでもない。

本実施形態に係る光加算装置の模式図。 同実施形態における各光源から射出された光の光束を示す模式図 別の実施形態に係る光加算装置の模式図。 さらに別の実施形態に係る第２光源の模式図。

符号の説明

１００・・・光加算装置
１・・・第１光源
２・・・第２光源
Ｍ１・・・反射鏡
Ｍ１１・・・貫通孔
Ｍ１２・・・反射面
Ｌ１、Ｌ２・・・光軸
Ｌ・・・主光軸
１１・・・第１発光素子（第１ＬＥＤ）
１２・・・第１光学素子
２１・・・第２発光素子（第２ＬＥＤ）
２２・・・第２光学素子

Claims (10)

1. 表面に形成した反射面の中央に貫通孔を有する反射鏡を、該貫通孔の中心軸線が主光軸に合致し、かつ前記反射面が主光軸に対して傾斜するように配置する一方、
   前記主光軸と光軸が合致する第１光を前記反射鏡の裏面側から表面側に向かって射出する第１光源を設けるとともに、中心部に低光量領域が形成され周辺部に高光量領域が形成された第２光を射出する第２光源を主光軸から偏位した部位に設け、
   前記第２光の低光量領域が貫通孔に、高光量領域が反射面にそれぞれ照射されるとともに、反射面で反射した第２光が、その光軸を前記主光軸と合致させて第１光とともに進行するように構成していることを特徴とする光加算装置。
2. 前記第１光源が、第１発光素子と、前記第１発光素子から射出された前記第１光の光束を前記貫通孔の大きさに収束させる第１光学素子とを備えたものである請求項１記載の光加算装置。
3. 前記第２光源が、第２発光素子と、前記第２発光素子から射出された前記第２光に前記低光量領域及び前記高光量領域を形成する第２光学素子と、を備えたものである請求項１又は２記載の光加算装置。
4. 前記第２光学素子が、中央部に凹部を有した凸レンズである請求項３記載の光加算装置。
5. 前記第２発光素子の配光特性が、中心部が低光量であり、周辺部が高光量のものである請求項３又は４記載の光加算装置。
6. 前記高光量領域に前記第２光の全ての光量がある請求項１、２、３、４又は５記載の光加算装置。
7. 前記反射鏡が主光軸に沿って複数設けられ、それぞれの反射鏡に対応して、その反射面に光を射出する光源が設けてあり、その光は中心部に低光量領域が形成され周辺部に高光量領域が形成されており、低光量領域は貫通孔に、高光量領域が反射面に照射されるとともに、反射面で反射した光が、その光軸を前記主光軸と合致させて前記第１光とともに進行するように構成している請求項１、２、３、４、５又は６記載の光加算装置。
8. 前記第１発光素子又は前記第２発光素子がＬＥＤである請求項２、３、４、５、６又は７記載の光加算装置。
9. 請求項１乃至８のいずれかに記載の光加算装置を１ユニットとして、同一平面上に複数並べた照明装置。
10. 請求項１乃至９のいずれかに記載の光加算装置を用いたヘッドライト。