JP4208325B2 - Illumination device and photographing device using the same - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、照明装置及びそれを用いた撮影装置に関し、例えばビデオカメラ,フィルムカメラ,デジタルカメラ等においてカメラ本体(撮影本体)の一部に装着して、カメラ本体の撮影動作と連動させて照明光(閃光)を被写体側へ効率よく照射し、撮影させる際に好適なものである。
【0002】
【従来の技術】
従来のカメラ等の撮影装置に用いられている照明装置は、光源と、この光源から発せられた光束を前方(被写体側)に導く反射鏡やフレネルレンズ等の光学部品とで構成されている。
【0003】
このような照明装置のうち、光源から様々な方向に射出した光束を、効率よく必要照射画角内に集光させるようにした照明装置が、従来より種々の提案されている。
【0004】
特に、近年、光源の前側(被写体側)に配置されていたフレネルレンズのかわりに、プリズム・ライトガイド等の全反射を利用した光学部材を配置することによって、集光効率の向上、小型化を図ったものが提案されている。
【0005】
本出願人は例えば、特開平4−138438で示したように、光源から前方に射出された光束を正の屈折力を有するレンズによって、又光源から側方へ射出する光束を光学部材に入射後前方に向けて反射させる全反射面によってそれぞれ集光させ、同一の射出面から(すなわち、光源からの光学部材への入射面位置で光路分割された光束を同一射出面から)射出させる小型で集光効率の高いプリズムを用いた照明光学系を提案している。
【0006】
また、この改良の提案として、特開平8−262537号公報において、プリズムを光源よりも前側に配置し、照明光学系の全体形状を小型化したものや、プリズムの全反射光に対応する射出面を光軸に対して傾斜させたものが提案されている。
【0007】
さらに、本出願人は、特開平8−234277号公報において、光源の近傍でライトガイドを利用した光束を光学部材に取り込み、その後この光学部材内で全反射を繰り返すことによって集光かつ均一な配光に変換する、全反射を利用した光損失の少ない照明光学系を提案している。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
近年、カメラ等の撮影装置においては、装置自体の小型・軽量化が進む一方、撮影レンズは、高付加価値を持たせるために高倍率ズーム化の傾向にある。一般的に、このような撮影装置の小型化かつ高倍率化によって撮影レンズは徐々に暗くなる傾向にあり、補助光源を使用しないで今までと同じ明るさの条件で撮影をしようとすると、手ぶれを起こしやすく、思い通りの写真にならない場合が多かった。
【0009】
この状況を補う為、通常、カメラ等の撮影装置では、補助光源として照明装置(以下ストロボ装置)が内臓されているが、上記のような状況からこの補助照明装置の使用頻度が従来までに比べて大幅に増加すると共に一回の撮影に必要とされる発光量も増える傾向にあった。すなわち、通常カメラ等の撮影装置において、2回に1回の割でストロボを発光させると仮定すると、この照明の為に消費されるエネルギは、カメラ全体の消費量の80%を占めるとも言われている。
【0010】
上記のようなストロボの使用頻度の増加は、装置全体に占めるストロボ部での消費電力の割合の増加に更に拍車をかけるものになっている。また、撮影レンズが暗くなっているため、同じ距離の被写体を同じ明るさで撮影するためには、より多くの光量が必要とされる反面、撮影装置の小型化に伴って照明装置の形状そのものは小型化しなければならないなど、この種の照明装置に課せられた課題は今までになく厳しいものになっていた。
このような背景から、先の特開平4−138438号公報では、閃光発光装置の前面に、主に光源の側方に射出した光束を光学部材に入射させた後、全反射させ一定方向に集光させる上下二つの面と、これとは別に正面に形成した正の屈折力を持ち集光させる面で構成し、それぞれの面によって集光させた後、同一射出面から被写体側に効率良く射出させる形態の照明光学系を提案した。
【0011】
しかし、この提案では、照明を行う被写体の中心部付近の照度を向上させるのに大変効果がある。
【0012】
また、特開平8−262537号公報においては、先の提案の照明装置を改良した照明装置が開示されている。又、特開平8−234277号公報では、光源の長手方向の集光を、ライトガイド内部で全反射を繰り返すことによって得られるように構成し、均一で光損失の少ない照明光学系を形成している。
【0013】
本発明は、本出願人が先に種々と提案した照明装置を更に改良し、撮影装置の照明光学系の全体形状を極端に小型化しつつ、そのときの必要照射範囲の配光特性を均一に保つこと、さらに、光学特性を低下させず、むしろ画角内に照射される有効エネルギを増加させることのできる照明装置及びそれを用いた撮影装置の提供を目的とする。
【0014】
本発明の更なる目的は、今までの照明光学系に比べて極端に小型、薄型化、そして軽量化を図ると共に、光源からのエネルギを高い効率で利用し、照射面上で均一な配光特性を保った照明ができるスチルカメラ、ビデオカメラ等に好適な照明装置及びそれを用いた撮影装置を提供することにある。
【0015】
【課題を解決するための手段】
請求項1の発明の照明装置は、光源手段と、該光源手段からの光束を被照射方向に照射する為の光学プリズムとを有した照明装置において、該光学プリズムは該光源手段からの光束のうち、射出光軸近傍に射出した光束を入射させる第1入射面と、該第1入射面からの光束を直接入射させる射出面と、該光源手段からの光束のうち、該射出光軸近傍より大きな角度で射出した一部の光束を入射させる第2の入射面と、該第2の入射面からの光束を傾斜させて該射出面より射出させる全反射面とを有し、これらの各面は該光源手段の光源中心から射出した光線が該射出光軸に対してなす角度と該射出面からの通過後の射出光軸に対する射出角度との間にある一定の相関関係を持たせると共に、第一入射面で制御された最大射出角度成分αmaxと第二入射面及び全反射面で制御された最大射出角度成分βmaxとの間に
0.8≦|βmax/αmax|≦1.2
の関係を満たすような形状で構成したことを特徴としている。
【0016】
請求項2の発明の照明装置は、光源手段と、該光源手段からの光束を被照射方向に照射する為の光学プリズムとを有した照明装置において、該光学プリズムは該光源手段からの光束のうち、射出光軸近傍に射出した光束を入射させる第1入射面と、該第1入射面からの光束を直接入射させる射出面と、該光源手段からの光束のうち、該射出光軸近傍より大きな角度で射出した一部の光束を入射させる第2の入射面と、該第2の入射面からの光束を傾斜させて該射出面より射出させる全反射面とを有し、これらの各面は該光源手段の光源中心から射出した光線が射出光軸に対してなす角度と上記光学プリズム通過後の射出光軸に対する射出角度との間にある一定の相関関係を持たせかつ、第一入射面からの光束を射出光軸近傍の成分に対応させ、第二入射面から入射した光束を必要照射範囲の周辺部分に対応させると共に、第一入射面で制御された最大射出角度成分αmaxと第二入射面及び全反射面で制御された最小射出角度成分のうち射出光軸と交わる成分βmin、それとは逆方向の成分γminとの間に
0.8≦|βmin/αmax|≦1.2
0.8≦|γmin/αmax|≦1.2
の関係が成立するような形状で構成したことを特徴としている。
【0017】
請求項3の発明は請求項1又は2の発明において、前記第一入射面の形状は前記光源手段からの光束が、該第1入射面に入射時の該射出光軸となす角度をθ、射出面から射出する射出角度をα、必要照射角に応じた比例定数kとすると、α=k・θ及び前記第二入射面及び全反射面の形状は該光源手段からの光束が該第2入射面に入射時の該射出光軸となす角度θ、射出面から射出する射出角度をβ、必要照射角に応じた比例定数hとすると、
β=h・(θ−90°)
の関係にあることを特徴としている。
【0018】
請求項4の発明は請求項1、2又は3の発明において、前記第一入射面の形状は前記光源手段からの光束が、該第1入射面に入射時の該射出光軸となす角度をθ、射出面から射出する射出角度をα、必要照射角に応じた比例定数kとすると、
α=k・θ
及び前記第二入射面及び全反射面の形状は該光源手段からの光束が該第2入射面に入射時の該射出光軸となす角度θ、射出面から射出する射出角度をβ,第一入射面と第二入射面の境界と光源中心とを結ぶ角度をθbdr、必要照射角に応じた比例定数hとすると、
β=h・{θ−(45°+θbdr/2)}
の関係にあることを特徴としている。
【0019】
請求項5の発明は請求項1乃至4のいずれか1項の発明において、前記光学プリズムの第一入射面の形状または全反射面の形状を、光源中心からの射出角度と相関関係を持った連続非曲面形状を近似する面形状の組み合わせによって形成したことを特徴としている。
【0020】
請求項6の発明は請求項1乃至5のいずれか1項の発明において、前記光学プリズムの第一入射面と第二入射面との境界線と、光源中心とを結ぶ線分の射出光軸に対する傾きθbdrが、
25°≦θbdr≦45°
の範囲にあること特徴としている。
【0021】
請求項7の発明は請求項1乃至6のいずれか1項の発明において、前記光学プリズムの全反射面は、射出光軸方向に関して前記光源手段の光源中心と略一致する方向まで伸びていることを特徴としている。
【0022】
請求項8の発明は請求項1乃至7のいずれか1項の発明において、前記光源手段は、直管状の閃光放電管であることを特徴としている。
【0023】
請求項9の発明は請求項1乃至8のいずれか1項の発明において、前記光源手段の射出光軸に沿った後方に、該光源手段からの射出光束を反射させる反射傘を配置すると共に、該反射傘は光源手段の中心を中心とするほぼ同心形状の反射面を少なくとも一部に形成していることを特徴としている。
【0024】
請求項10の発明は請求項1乃至8のいずれか1項の発明において、前記光源手段の射出光軸に沿った後方に、該光源手段からの射出光束を反射させる反射傘を配置すると共に、該反射傘は、前記光学プリズムの全反射面の少なくとも一部の背面に回り込むように配置して構成したことを特徴としている。
【0025】
請求項11の発明の撮影装置は、請求項1乃至10のいずれか1項記載の照明装置を有することを特徴としている。
【0031】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態1を説明する。図1,図2は本発明の閃光発光装置の実施形態1の要部断面図、図3から図6は、本発明の実施形態1による照明装置、本実施例では閃光発光装置を示し、図3は本発明の閃光発光装置をカメラに適用したカメラの斜視図、図4は図3の閃光発光装置のみを前方からみた斜視図、図5は図3の閃光発光装置のみを前方からみた分解斜視図、図6は図3の閃光発光装置を背面からみた分解者斜視図である。
【0032】
なお、図1,図2は形状は同一形状であり、光源の中心から射出した光線が光学部材の各入射面に入射した場合に、その後どのような光の軌跡を描くかを示したものである。
【0033】
図3において、11は閃光発光装置の光学プリズムであり、照射光が出射する出射窓に相当している。21はレリーズボタン、22はカメラの各種のモードを切り替えるための操作スイッチ、23はカメラの動作をユーザーに知らせる為の液晶表示窓、24は外光の明るさを測定する測光装置の覗き窓(測光窓)、25はファインダーの覗き窓(観察窓)、26はカートリッジ型のフィルムを装填するためのカートリッジ装填蓋、27は撮影レンズを備えるレンズ鏡筒、28はカメラ本体である。
【0034】
なお、閃光発光装置を除くそれぞれの機能については公知の技術であるので、ここでは詳しい説明は省略する。なお、本発明の機械的構成要素は前述の構成に限定されるものではない。
【0035】
また、図4において、15は閃光発光装置をカメラに取り付ける為の固定部材、16は固定部材15の蓋、17はキセノン管や反射傘に取り付けるリード線である。図5及び図6は、図3に示した閃光発光装置101の内部構造を説明するために分解斜視図で示したものであり、簡単化するため、図4の上面の蓋16とリード線17は示していない。
【0036】
図5,図6において、11は光学プリズムであり、閃光発光装置101の射出方向に配置された上下・左右を一部材で同時に制御するのに最適な形状としている。光学プリズム11は、アクリル樹脂等の透過率の高い光学用樹脂材料で構成され、閃光発光装置からの照明光の配光特性を制御するためのプリズム部材より成っている。
【0037】
光学プリズム11の被写体側の前面には、左右方向(X方向)の配光特性を制御するプリズム面11dが形成されている。また、上下方向(Y方向)の配光特性の制御は、主に照射光軸前方に射出された光束を入射させ屈折によって所望の配光特性に変換させる正面入射面11aと、主に照射光軸に対して上下方向に射出された成分を入射させる上方入射面11b、上方入射面11bから入射した光束を全反射させる全反射面11cによって行われている。形状に関しては後で詳しく説明する。
【0038】
同図において、12は閃光を発する直管状の閃光放電管(キセノン管)であり、13は該閃光放電管12から射出した光束のうち光射出方向の後方に射出された成分を射出方向に反射させる反射傘であり、内面が高反射率を有する光輝アルミ等の金属材料で形成されている。
【0039】
14は反射傘13を閃光放電管12に押しつけ位置規制をすると共に閃光放電管12のネサコート部と端子半田付け部とのリークを防止するための弾性部材である。
【0040】
上記構成において、カメラ本体28は、従来公知の技術であるように、たとえば「ストロボオートモード」にカメラ本体28がセットされている場合には、レリーズボタン21がユーザーによって押された後に、前述の測光装置で測定された外光の明るさと装填されたフィルムの感度によって、閃光発光装置101を発光させるか否かをカメラ本体28内の中央演算装置が判断する。
【0041】
中央演算装置が撮影状況下において「閃光発光装置を発光させる」と判定した場合には、中央演算装置が発光信号を出し、反射傘に取り付けられてトリガーリード線17を介して閃光放電管12を発光させる。発光された光は、照射光軸と反対方向に射出された光束は、後方に配置された反射傘13を介して、また、照射方向に射出した光束は直接、前面に配置した光学プリズム11の入射面11aに入射し、所定の配光特性に変換後、被写体側に照射される。
【0042】
このとき、被写体に対して上下方向は光学プリズム11の入射面11a、11b、及び全反射面11cによって、また、左右方向には、被写体側に形成したプリズム面11dによってそれぞれ制御され、所望の配光特性に成るように変更される。
【0043】
本実施形態は、この上下方向(Y方向)の配光特性を最適化させるため光学プリズムの形状を適切に設定している。以下図1,図2を用いて光学プリズム11の最適形状の設定方法に関して詳しく説明する。
【0044】
図1,図2は閃光発光装置101の閃光放電管12の径方向(X方向)の縦断面図である。1は配光を制御するための光学プリズムであり、図3〜図6の光学プリズム11に相当している。
【0045】
2は円筒形状の閃光放電管、3は閃光放電管と同心の略半円筒の反射傘を示す。また、図1,図2には、同時に閃光放電管3の内径中心部より射出させた代表光線の追跡も同時に示しており、図1では射出光軸(照明光軸,光軸)1Zに近い成分を光学プリズム1で屈折のみによって制御する成分の光線トレースを示し、図2は閃光放電管2の中心部から射出光軸1Zに対して主に上下方向に大きな角度で射出した成分の光線レースを示している。
【0046】
なお、図1,図2では光線以外のすべての光学系の構成および形状は同一である。ここに示す実施形態1は、上下方向(Y方向)の配光特性を均一に保ちつつ、上下方向の開口高さを最小にできるという特徴がある。以下、その形状の特性、及びそのときの光線がどのような挙動を示すかを詳細に説明する。
【0047】
まず、図1において、閃光放電管2はガラス管の内外径が示されている。この種の閃光発光装置の実際の閃光放電管の発光現象としては、効率を向上させるため、内径一杯に発光させる場合が多く、閃光放電管の内径一杯にほぼ均一に発光していると考えて差し支えない。
【0048】
しかし、設計段階では、この閃光放電管(光源)2から射出される光を効率よく制御させるためには、この内径全部の光束を同時に考えるより、理想的に光源中心に点光源があることを仮定し、光学系の形状を設計し、その後に、光源が有限の大きさを持っていること考慮した補正を行うと効率よく設計することが可能となる。
【0049】
本発明もこの考え方に基づき、光源2の発光部中心を形状決定の基準値と考え、以下のような光学プリズム1の各部の形状を設定している。
【0050】
まず、光学プリズム1の材料としては、成形性の面、コストの面、さらには光学特性の面からもアクリル樹脂等の光学樹脂材料を用いることが最適である。しかし、この種の閃光発光装置においては、光源から光の発生と同時に多量の熱が発生される。この熱の影響を、一回の発光に発生する熱エネルギと最短発光周期とを考慮して、光学材料の選定および放熱空間の設定を行う必要がある。
【0051】
このとき、実際に最も熱の影響を受けやすいのは、光源から最も近く位置する光学プリズムの各入射面であり、光源とこの入射面との最少距離をまず最初に決める必要がある。実施形態1では、光源中心からの射出角度が射出光軸に近い角度成分を直接屈折によって制御する第1の入射面1aと光源との最少距離をd、射出光軸(光軸)1Zから離れた角度成分で全反射によって制御される光を入射させる第2の入射面1bと光源との最少距離をeとしてその間隔を規制する。
【0052】
次に、光学プリズム1の全反射面1cに入射光を導く第2の入射面1bの形状を決定する。この第2の入射面1bの形状として、光学プリズムの形状を最小にするためには、光軸1Zと平行な平面であることが望ましい。
【0053】
すなわち、光源から射出した光束のうち、射出光軸とは異なった方向に進む成分は、この入射面1bで一度屈折するが、この面の角度が光軸の方向に近いほど屈折の効果が大きく、屈折によって入射光が一度光軸から離れる方向に導くことができ、光学プリズムの全長を短く抑えることができるためである。
【0054】
この第2の入射面1bの光軸1Zに対する傾きは、光学プリズムの成形条件によって決定される。この角度が少ないほど実際の成形条件としては厳しくなるが、この入射面1bの角度の最大値の角度φの理想形状としては、この入射面1bが平面か曲面かに関わらず以下の範囲に存在することが望ましい。
【0055】
0≦φ<2° ……(1)
ここで角度φ=0は入射面1bが光軸1Zと平行のときを示している。
【0056】
上記範囲は、一見厳しそうな設定値だが、上記第2の入射面の距離が短いこと、また、面形状が平滑面であることから、十分可能な数値である。このように第2の入射面1bの傾きを規制することによって、上下方向の開口面積を最小にかつ効率低下を招くことなく実現している。
【0057】
次に、第1の入射面1aの入射面形状を決定する。本実施形態では、最小形状で必要照射範囲を均一な配光とする為、以下のような方法でこの第1の入射面1aの形状を規定している。
【0058】
実施形態1では、光束の光源の中心からの射出角度と光学プリズム1を通過後の射出角度との間にある一定の相関関係を持たせるような形状、すなわち、光源中心Oからの射出角度をθ、屈折面1aによって制御後の光学プリズム1からの射出後の照射角度をαとすると、
α=f(θ) ……(2)
で表わされる連続非球面形状で光学プリズムの入射面1aの形状を規定している。
【0059】
特に本実施形態では、その相関関係の中でも、比例関係にあるように設定を行っている。
【0060】
すなわち、入射面1aの入射時の光軸1Zとなす角度をθ、射出面1dから射出する射出角度をα、必要照射角に応じた比例定数をkとすると、
α=k・θ ……(3)
であらわされるような形状としている。
【0061】
一方、第2の入射面1bの面形状及び、全反射面1cの形状は、本実施形態では最小形状で必要照射範囲を均一な配光とする為、以下のような方法で規定している。
【0062】
実施形態1では、光束の光源の中心からの射出角度と光学プリズム1を通過後の射出角度との間にある一定の相関関係を持たせるような形状、すなわち、光源中心からの射出角度をθ、全反射面1cによって制御後の光学プリズム1から射出後の照射角度をβとすると、
β=g(θ) ……(4)
で表わされる連続非球面形状で形成されている。
【0063】
特に本実施形態では、その相関関係の中でも、比例関係にあるように設定されいる。
【0064】
すなわち、入射時の光軸となす角度θ、射出面1dから射出する射出角度をβ、必要照射角に応じた比例定数をhとすると、
であらわされるような形状としている。
【0065】
本実施形態では、射出面から射出する射出角度をβ,第一入射面と第二入射面の境界と光源中心とを結ぶ角度をθbdr、必要照射角に応じた比例定数hとすると、
β=h・{θ−(45°+θbdr/2)}
の関係にあるようにしている。
【0066】
上式(2)の意味するところは、まず射出光軸1Z近傍の角度成分を入射させる入射面1aから入射した光束は、まず、光源中心から射出光軸に向かう光線は、そのまま光学プリズム1を通過する。
【0067】
ここを基点として、光源中心からの射出角度θに応じて光学プリズムの射出面1dからある比例定数k倍されて射出面から射出される。ここで、比例定数kは0から1までの定数である。
【0068】
ここで、k=0は射出光束がすべて射出光軸と平行に変換された最も集光された状態を意味し、k=1は、光学プリズムへの入射時の角度θと射出時の角度αが等しい角度変換のない形状、すなわち、光学プリズムへの入射出前後で屈折率の影響を受けないそれぞれの面のパワーをキャンセルするような形状、たとえば入射出面をそれぞれ平面とするような形状を意味する。
【0069】
一方、(5)式は以下のような意味を持っている。まず、光源中心から照射光軸に対して上方に射出した光束が、入射面1bから入射した後、全反射面1cで反射後、光射出面1dから射出される。このとき、光源からの光学プリズム1に入射する射出角度の最も大きい成分、すなわち射出光軸1Zに対して垂直方向の成分が照射光軸とほぼ平行の最も光軸の方向に近い成分に変換される。
【0070】
一方、入射面1aとの交点に近い部分から入射した光線は、射出光軸1Zに対して最も大きな角度βをもって交錯する成分に変換される。この中間の領域は射出角度に比例して上記角度範囲内を徐々に変化する。この場合も上記同様、比例定数hは0から1まで変化し、h=0は射出光すべてが射出光軸と平行に変換されることを意味し最も集光した状態となる。また、h=1は、入射角の変化量と射出角度の変化量のない面、すなわち、光学プリズム内で集光効果を持たない照射方向のみを変化させることを意味する。すなわち、空気中に置かれた平面鏡のような効果を持たせる面構成である。
【0071】
次に、上記方法で形成された入射面1aによる屈折光による配光分布と、入射面1b、全反射面1cによる全反射光による配光分布との関係について説明する。上記説明のように、この両者の配光分布はそれぞれの面形状によって独立に制御できる。そして、光源の内径が十分に小さい場合や、光源に対して、光学プリズムが十分に大きいとみなせる場合には、上記方法で、かなり効率よく配光分布の制御が可能となる。
【0072】
しかし、実際の配光特性を考えてみた場合、光源の有効発光部である内径の大きさは無視できるほどには小さくない場合が多く、この影響が全体の配光特性に与える影響は大きい。特に、光源の近くにある制御面、例えば、光軸近傍の角度成分を入射させる入射面1aや、全反射面1cでも光源に近いプリズム後端部での反射光束は、この光源が有限の大きさを持つことによって配光に一定の広がりを生じるため、この要因をある程度加味して形状設定を行う必要がある。
【0073】
一方、全反射面1cでも射出部に近い成分は光源から遠く離れた位置で射出方向が制御される為、このブレが少なく、かなり効率良く意図する範囲に配光制御することができる。このような特性を考慮しつつ、上記、各入射面、および全反射面の形状を定義する必要がある。
【0074】
上記理由から各入射面によって制御される配光の特性は各々異なり独立に制御可能であるが、上記実施形態1では、この特性のうち光源の上側に向かった光束は、入射面1bに入射後、全反射面1cで反射後、射出光軸1Zから下側へ必要照射角まで均一に角度変換し、逆に光源の下側に向かった光束は、入射面1b′に入射後、全反射面1c′で反射後、射出光軸1Zから上側に必要照射角まで均一に角度変換したものである。
【0075】
また、射出光軸付近に向かった光束は、上記側方から入射した成分による配光分布とほぼ一致するように入射面1aの形状を設定してある。このように、上記各入射面からの配光分布は特殊な配光分布を必要されるとき以外は、ある程度一致させると小型で効率の良い配光分布に変換することができる。このことから、一般に上記配光特性の実用的な規制方法としては、各入射面での制御角度の最大角を規定する以下の領域内に各値が存在することが望ましい。
【0076】
入射面1aで屈折光による最大角度成分;αmax、全反射面1cで全反射光による最大射出角度成分;βmaxとしたとき、
0.8≦|βmax/αmax|≦1.2 ……(5)
とすることである。
次に、上記入射面の境界面の位置について説明する。上述したように、上記入射面の樹脂材料に対する熱の影響を考慮した上で効率良く、また最小の光学系を形成するための条件としては、第1の入射面1aと第2の入射面1bの交点の座標と光源の中心を結ぶ直線の角度がある一定の範囲内にあることが望ましい。
【0077】
すなわち、この角度が所定角度より小さいと第1の入射面1aへの距離が離れ、光源の大きさによる影響を受けにくくなるため屈折による集光効率は上がるが、第2の入射面1bへの入射角度が大きくなり入射面での表面反射によるロスが生じやすくなる。
【0078】
一方、この角度が所定角度より大きいと光源に近い面で制御が必要な第1入射面1aからの入射光束が増え、光源の大きさによっては、十分な集光効果が得られにくい。そこで、上記直線の角度が、以下のような数値範囲に収まることが望ましい。すなわち、上記光学プリズム1の正面に向かった光を屈折のみによって制御する入射面1aと主に光源から斜め前方に射出した光を全反射面1cに導く入射面1bとの境界線と、光源中心とを結ぶ線分の傾きθbdrとすると、
25°≦θbdr≦45° ……(6)
の範囲にあることが、効率面や集光制御の観点から望ましい。
【0079】
次に、光学プリズム1の入射面1bと全反射面1cとの交点の形状について説明する。
【0080】
本発明の実施形態1では、この交点が直接交わって鋭角を形成するような形状とし、かつ、この交点と光源の中心位置とが前後方向にほぼ一致するように構成されている。
【0081】
このような構成は、光学プリズムの形状を最小にしつつ配光制御を効率良く行うのに有効な手段である。すなわち、例えば、この入射面1bと全反射面1cとの間に異なった特性の面、例えば、特開平8−262537号公報に示されるように光軸に垂直な面を形成するとすると、その面は、光学系としては機能しないばかりでなく、光学プリズムの上下方向また、奥行き方向の大型化につながる。
【0082】
一方、本実施形態ではこの交点の位置と光源中心の前後方向の位置とを一致させているが、これは、光学系全体を小型化すると共に、効率アップに必要な形状であり、プリズム内での全反射角度との関係、及び光源に応じた反射傘の形状とも密接な関係があり形状を規制しているものである。
【0083】
すなわち、プリズム内での全反射を入射面1bの角度を0°付近に設定し、光学プリズムを樹脂材料とするとその屈折率は1.5前後であり、これより後方までプリズム面の交点を伸ばすと、全反射しきれずにプリズムの後方に射出する成分が生じる。これは、光源の内径が大きいほど生じやすく、光源中心より前方から射出した成分の一部が全反射面1cから抜け出ることになる。
【0084】
本実施形態ではこの全反射面1cの後方に抜け出る光を再度、光学プリズム1内に戻す反射傘3を一部全反射面1cの後方まで伸ばした構成をとっている。そして、反射傘として有効に機能する最大の大きさまで反射傘3を伸ばし、あとは光学プリズム1の入射面に入射させるように構成している。
【0085】
その最適な反射傘の形状とは、光源である閃光放電管2と同心の半円筒状の反射傘を採用し、この反射傘の開口部の前端を光源中心の前後方向とほぼ一致させ、かつ光学プリズムの後端もほぼ光源の中心と一致させることである。
【0086】
反射傘の形状を光源中心と同心とし、その前端を光源中心と一致させる理由としては、まず、閃光放電管のガラス部分での影響が挙げられる。今回の実施例のような極めて小型の発光光学系においては、光源から後方に向かった光束を反射傘で反射させて、照射方向に向かわせる必要があるが、光学系全体が小型化である為、反射傘での反射光をすべて、閃光放電管の内部を介さずに閃光放電管の外側をまわして配光制御を行う為のスペース的な余裕がない為、閃光放電管のガラス管内に再入射させる光路を利用する必要がある。
【0087】
このとき、閃光放電管へ再入射した成分は閃光放電管のガラス部での屈折や全反射により影響を受け、光学プリズムへの入射成分にも大きな影響を与える。特にこのガラス厚が厚いほど顕著であり、光源形状と反射傘の形状が適切に対応していないと反射傘からの反射光の分布が必要以上に広がってしまうことになる。
【0088】
このことから、反射傘を光源形状に対応した円筒状にし、かつ上記閃光放電管の円筒形状のガラス部と同心形状にすると、閃光放電管への再入射時の入射角度が小さくなり、ガラス管表面での表面反射によるロスが少なく、また、再入射後の光束のガラス管内で全反射する成分が少なくなり効率がよい。
【0089】
特に、光源2に対して隙間が少ないと反射傘3での反射後の角度変化が少なく特に有効である。また、反射傘を、光源中心の位置とほぼ一致する半円筒状にする理由としては、反射傘をこれ以上長くすると反射傘が前まで回り込んでしまい、反射傘内に光がこもるので効率が低下してしまうこと、また、反射傘を光源中心よりも短くしてしまうと、前述のように光学プリズムの後端が後方まで延び、光量ロスとなるばかりでなく、光学系全体が大きくなってしまい好ましい構成とはならない。
【0090】
次に、実施形態1における光源からの光束の射出角度と光学プリズム1を通過後の射出面1dからの射出角度の関係について具体的な数値を用いて説明する。
【0091】
まず、上記発光の際に生じる熱の影響を考慮し、閃光放電管2(外径φ2.0、内径φ1.3)に対して光学プリズム1の入射面1a,1bの距離d,eをそれぞれ0.5mm離して配置した。
【0092】
また、簡単の為、全反射面1cに導く上面の入射面1bの形状は、射出光軸1Zの後方側に広がる傾き1°の平面とした。この値は条件式(1)を満たす範囲内に存在する値である。
【0093】
また、光源中心部から射出された光束が、各入射面及び全反射面での全反射によって制御され光射出面1dから射出される、配光分布が均一でかつ照射角αmax,βmaxの最大値がそれぞれ20°となるような形状を例にとって説明する。
【0094】
すなわち、|βmax/αmax|=1であり条件式(5)の関係を満たしている。まず、この条件で最適化された形状において、入射面1aと入射面1bの境界線と光源中心とを結ぶ線分の傾きθbdr、上下方向の集光に寄与する反射傘を含めた深さf、上下方向の集光に寄与する上下開口g、はそれぞれ、
θbdr=37.44° 、 f=4.40 、 g=6.70
であり、傾きθbdrは上記(6)式を満たす範囲内にある。また、上記値に示すように従来タイプの閃光発光装置の発光光学系に比べて極めて小型に構成することができる。
【0095】
また、同図においては、実際の製品を想定して、光学プリズムの前側部分に光学プリズムを外観部に出す為の形状、すなわち光学プリズムの全反射面の延長上に全周にわたる細いリブ1e,1e′が一体的に形成されている。
【0096】
これは、不図示の外観部材との合わせの形状であり、光学プリズムと外観部品の隙間から不要な内部部品が見えるのを防止すると共に以下の目的で付加したものである。
【0097】
すなわち、金属でできた反射傘と外装部品として使用される金属カバーとの間、または、光学プリズムと外観部品との隙間の延長上に配された導伝性の物との間で、トリガーリークが発生し発光ができなくなることを未然に防止する為である。
【0098】
一般に、本発明のような閃光発光装置においては、閃光放電管に高電圧トリガー信号を反射傘に直接与え、この反射傘に接触した放電管のネサコート部を介して発光を開始させているが、本発明のように小型化した光学系ではこの反射傘と金属で成形された外装部品や製品外部の導電性の物との距離が近い為、トリガーリーク現象を起こしやすかった。
【0099】
上述のように光学プリズムの全反射面延長部にリブ1e、1e′を付加することで縁面距離を伸ばすことができ、上記トリガーリーク現象を未然に防止することができる。
【0100】
またこれと同時に、外部からのゴミや水滴の侵入の防止、特に水滴は、内部の高圧部品との間での感電の危険性があるが、このような危険性も同時に未然に防止することができる。この付加部分の長さi、及び外観開口部の長さjとすると、
i=1.0 j=6.5
であり、外観開口部の長さjは、上下方向の集光に寄与する上下開口gより若干狭くなっている。
【0101】
これは、全反射面1c,1c′の先端付近で全反射した成分は射出光軸の方向にかなり大きな角度で交錯する成分であり、このことから外観開口部の長さを狭めることが十分に可能になる。
【0102】
また、上記付加部分の先端部には、左右方向の配光制御を行う為の縦プリズムが図3に示すように形成されている。
【0103】
一方、同図における光線トレースからも明らかなように、本発明の一つの目的である均一配光特性に関しても十分に特性をみたしていることがわかる。まず、図1に示されるように、光源中心から射出し、射出光軸1Zに近い角度で射出した光束は、入射面1aで屈折制御されるが、この時の変換は、入射角θと光射出面1dからの射出角αとの間に(3)式が成り立ち、その時の係数kは、
k=amax/θbdr=20.0°/37.44°=0.534
であるから、一般式は、
α=0.534・θ (ただし−37.44°≦θ≦37.44°)
で表わされ、光源からの射出成分が射出角度に応じて均等に割り振られ、光学プリズム1の射出面1dから射出していることがわかる。
【0104】
一方、図2に示されるように、光源中心Oから射出し、射出光軸1Zに対して上方に進む光束は、入射面1bで屈折後、全反射面1cで全反射によって制御されるが、この時の変換は、入射角θと光射出面1dからの射出角βとの間に(5)式が成り立ち、その時の係数hは、
h=βmax/(90°−θbdr)=20.0°/52.56°=0.381
であるから、一般式は、
β=−0.381・{(90°*|θ|−θ**2)/θ}
(ただし37.44°≦|θ|≦90°)
で表わされ、光源からの射出成分が射出角度に応じて均等に割り振られ、先に示した射出光軸に近い角度で射出した成分の分布とは異なる密度分布で、均一に光学プリズム1の射出面1dから射出していることがわかる。
【0105】
一方、図示していないが、閃光放電管2の射出光軸1Zの後方に進んだ光束の光路について説明する。射出光軸後方には光源中心Oと同心の円筒状の反射傘3があり、また、閃光放電管2のガラス管も光源中心に対して同心形状である為、光源中心から後方に射出した光束はすべてガラス管による屈折の影響を受けずに再度光源中心に戻って来ることになる。
【0106】
また、光源中心に戻って来た後の光線の振る舞いについては、図1及び図2に示した光線トレースとほぼ同等の特性を持って照射すべき被写体に均一に照射される。
【0107】
また、反射傘3は、光学プリズム1の全反射面1cの後方、光源である閃光放電管のほぼ前端まで回り込み、かつその形状は、反射面1cとほぼ同一形状としているが、この理由は、閃光放電管の発光部であるガラス管内径部は光源中心から前側にも存在するが、この前側から射出した光束の一部が全反射面1cで全すべて全反射しきれずに外部に出てしまうのを防止する為である。
【0108】
このように、全反射面とほぼ同一形状とし、全反射面のすぐ後方に配置することにより、全反射面1cの効果とほぼ同等となり、必要照射範囲に効率よく均一な分布にすることが可能となる。
【0109】
次に、上記定義に基づく光学プリズムの非球面形状の近似値について説明する。まず、入射面1aの形状は頂点をPとしここを原点とした場合、以下の式でほぼ近似できる。
【0110】
また、全反射面1cも同様にして近似式で表わすと、原点を光源中心Oとすると、
で表される。
【0111】
しかし、光源を点光源と仮定すると上記形状に一致させることが望ましいが、実際には光源は閃光放電管の内径部にあたるような有限の大きさを持っているため、ここまで厳密に形状を規制しなくてもほぼ同等の配光特性が得ることができる。
【0112】
たとえば、上記形状を近似した単一もしくは複数の円筒面、さらには楕円等の2次曲面を用いても、上記形状で得られる配光特性とほぼ同等の効果が得られる形状が存在する。
【0113】
このため、本発明における上記入射面1a,1b及び全反射面1cの形状は、上記式を厳密に満足する形状に限定するわけではなく、光学プリズムの各面の形状を近似的に満たすような形状を含めて規定するするものとする。
【0114】
また、このような近似形状で光学プリズムを形成することによって、実際加工されたものが設計値通りできているかの測定が、面形状が非球面である場合に比べて極めて容易にできる、という利点がある。
【0115】
実際、このような近似形状で製作した光学プリズムを用いても上式に示した形状とそれほど大きな配光特性の相違は生じていない。
【0116】
次に、上記実施形態1の考え方に基づいて光学プリズムの形状を規制したいくつかの他の実施形態について説明する。
【0117】
図7,図8は、本発明の閃光発光装置の実施形態2の要部平面図である。同図は比較的広い照射範囲を均一に照明するための光学系の主要断面図と、この形状における光線トレース図を示したものである。
【0118】
同図において、4は光学プリズム、5は反射傘であり、各図は光学系の形状は同一で、光線トレース部のみをそれぞれの入射面4aと入射面4bと別に示している。
【0119】
特に、実施形態2は、光源から上下方向に射出した光束を反射させる全反射面4c,4c′の角度が(1)に示す範囲の最小値、また、各入射面で制御される光学プリズムの通過後のそれぞれ射出最大角度の関係を示す(5)式に示す範囲の中心値、さらに、全反射面4c,4c′に入射面4bの境界線と光源中心とを結んだ線分と射出光軸となす角度が(6)で示した範囲の中で最大値、すなわち
φ=0°
|βmax/αmax|=1.0
θbdr=45°
の状態を示したものである。
【0120】
また、光源中心Oから照射光軸1Zに近い角度成分を入射させる入射面4aは、射出光軸に垂直な平面とし、また、全反射面4cは、(5)式を満たし、かつ、光学プリズム4を通過することによって光線の方向のみを変換しての角度分布は変化させないような、すなわち、空気中に置かれた平面鏡のような特性を持たせるような面構成となっている。
【0121】
すなわち、(3)式の係数k、(4)式の係数hはそれぞれ、以下の値をとったときの形状である。
【0122】
k=1.0 h=1.0
また、実施形態1と同様、反射傘5は、光源2と同心形状の円筒面5aと、光学プリズム4の全反射面4c,4c′の後方に回り込む曲面形状部5bとによって構成されている。
【0123】
上記構成において、各状態の光線の振る舞いについて説明する。まず、図7に示す光源2から入射面4aに入射した光束は、図示のように入射面4aと射出面4dが共に射出光軸1Zに対して垂直なお互い平行な平面である為、光学プリズム4で入射、射出時に屈折はするものの、光線の角度自体は変化していない。
【0124】
すなわち、光学プリズム4を通過することによって、厳密には各面での表面反射によって幾分光量ロスは生じるものの、光学プリズム4の通過前後で基本的には集光、拡散の効果はなく、光源2からの配光特性がそのまま照射面上に反映される。
【0125】
一方、入射面4b,4b′から入射した光束は、前述のように、全反射面4cによって光学プリズム4からの射出後の角度分布は一定で照射方向のみを変えるように変換されている。
【0126】
すなわち、光源中心Oから光学プリズム4の後方の頂点付近に向かった光束はほぼ射出光軸の方向に変換され、また、入射面4aとの交点付近に向かった光束は、入射面4aからの射出光の最大角度と一致し、方向は照射光軸1Zに対してちょうど対称形となるような方向に変換されるように構成している。
【0127】
また図示はしていないが、光源中心Oから射出光軸1Zの後方に向かった光束は、光源と同心状に形成されて反射傘5によって、再度光源中心Oに戻るように構成されている。この為、光源中心Oにもどされた光束は、図7,図8に示すような光線トレースを描いて、均一な配光分布に変換される。
【0128】
上記構成の光学系を使用することによって、ほぼ光源中心から射出した光束は、−45°から45°にわたる90°の範囲を均一に照射することができる。また、実際には、光源の発光点は光源中心だけではなく光源の内径全体で発光している。この為、実際の配光特性は、上記範囲より幾分広がることになる。
【0129】
また、このように、光源が光学系全体の形状に対して無視できないくらい大きい場合には、ここで設定した光源中心より前側の部分から前方に射出した光束の一部が、全反射面4cで全反射しきれずに光学プリズム4外に射出してしまう成分がありえる。
【0130】
この全反射面4cからの射出光束を光学プリズム4へ再入射させる為の反射面が、反射傘2の全反射面4cの後方に配置した反射面5bであり、図示のように全反射面4cとほぼ同一形状とし至近位置に配置することによって、全反射面4cによる配光分布とほぼ同等の均一な配光特性が得られる。
【0131】
上記実施形態2の構成は、光源中心Oから射出した光束を均一な配光特性に変換する光学系のうち、特に最小形状を示したものであり、この時の具体的数値を以下に示す。閃光放電管の内径、外径は実施形態1と同様それぞれ、φ1.3、φ2.0とすると、光源と光学プリズムの各入射面までの最短距離をそれぞれd,e、また、光学系全体の奥行きf、光学プリズムの上下の開口をgはそれぞれ以下のようである。
【0132】
d=0.3 e=0.3 f=3.3 g=4.7
光学プリズムをこのように光源に対して極めて小型に構成することが可能となる。また、この時の配光特性は均一で、光源中心から360°の方向に射出された光束をその約1/4の90°の角度範囲に狭めることが可能になる。
【0133】
次に、本発明の実施形態3について説明する。図9,図10は、本発明の実施形態3の要部断面図である。実施形態2に対しての変更点は、光源中心Oからの光学プリズム6の通過後の射出光束の範囲を約半分に狭めたことである。同図において、6は光学プリズム、7は反射傘であり、各構成要素は実施形態2と同様であり、閃光放電管2に対する反射傘7の関係は、光学プリズム6で制御しきれない光束を効率よく利用するような構成となっている。
【0134】
また、入射面6b,6b′の光軸1Zに対する角度φ、各入射面で制御後のそれぞれ射出最大角度の関係、さらに、入射面の境界線と光源中心とを結んだ線分と射出光軸となす角度θbdrとすると、本実施例はそれぞれ以下の値をとった時の状態を示したものである。
【0135】
φ=0°|βmax/αmax|=1.0 θbdr=38.7°
一方、本実施形態においても、入射面6a,6bは、(3)式、(4)式に基づいて形成され、各係数k,hは、以下の数値になるように各形状を規制している。
【0136】
k=0.60 h=0.45
また、光学系の全体形状としては、閃光放電管の内径、外径は実施形態1と同様それぞれ、φ1.3、φ2.0とすると、光源と光学プリズム6の各入射面までの最短距離をそれぞれd,e、また、光学系全体の奥行きf、光学プリズムの上下の開口をgはそれぞれ以下のようである。
【0137】
d=0.3 e=0.3 f=3.9 g=5.7
このように光学プリズム6の各形状を設定することによって、配光特性は均一で、光源中心から360°の方向に射出された光束をその約1/8の46°の角度範囲に狭めることが可能になる。
【0138】
実際には、光源には、ある有限の大きさを持っている為、光源の発光部の大きさに応じて、配光特性も全体に広がることになる。
【0139】
次に、本発明の実施形態4について説明する。
【0140】
図11,図12は、本発明の実施形態4の要部断面図である。実施形態2に対しての変更点は、光源中心Oからの光学プリズム8の通過後の射出光束の範囲を極端に狭めたことである。同図において、8は光学プリズム、9は反射傘であり、各構成要素は実施形態2と同様であり、閃光放電管2に対する反射傘9の関係は、光学プリズム8で制御しきれない光束を効率よく利用するような構成となっている。
【0141】
また、入射面8b,8b′の角度φ、各入射面で制御後のそれぞれ射出最大角度の関係、さらに、入射面の境界線と光源中心とを結んだ線分と射出光軸となす角度θbdrとすると、本実施形態はそれぞれ以下の値をとった時の状態を示したものである。
φ=0°|β max /α max |=1.0 θ bdr =38.6°
【0142】
一方、本実施例においても、入射面8a,8bは、(3)式,(4)式に基づいて形成され、各係数k、hは、以下の数値になるように各形状を規制している。
【0143】
k=0.15 h=0.089
また、光学系の全体形状としては、閃光放電管の内径、外径は実施形態1と同様それぞれ、φ1.3、φ2.0とすると、光源と光学プリズムの各入射面までの最短距離をそれぞれd,eまた、光学系全体の奥行きf、光学プリズムの上下の開口をgはそれぞれ以下のようである。
【0144】
d=0.3 e=0.3 f=4.8 g=7.1
このように光学プリズムの各形状を設定することによって、配光特性は均一で、光源中心から360°の方向に射出された光束をその約1/36の10°の角度範囲に狭めることが可能になる。
【0145】
実際には、光源には、ある有限の大きさを持っている為、光源の発光部の大きさに応じて、配光特性も全体に広がることになる。
【0146】
次に、本発明の実施形態5について説明する。図13,図14は、本発明の実施形態5の要部断面図である。図中31は光学プリズム、32は閃光放電管、33は反射傘である。反射傘33は閃光放電管32と同心形状の反射部33aと、光学プリズム31の全反射面31c、31c′の後方にほぼ光学プリズム31の形状に近似した形状からなる反射部33b、33b′とから構成され、その他の各部の形状は、ほぼ上記実施例と同様で、対応箇所は同一の記号で示している。
【0147】
また、図13と図14は形状は同一形状であり、図中に示した光線トレース部のみが異なっており、図13は光軸1Z近傍に進んだ光束を入射させる入射面31aから入射した成分を、図14は全反射面31c、31c′に導く入射面31b、31b′に入射した成分をそれぞれ示している。
【0148】
本実施形態は、実施形態1とほぼ同等の配光特性をもたせつつ、全反射面31c,31c′の形状を工夫し、均一配光を得られるようにした変形光学系であり、実施形態1で示したような光学プリズム31の全周に設けたリブ形状や光射出部の段差等は示していない。
【0149】
本実施形態の最大の特徴は、光源中心Oから射出される成分のうち特に全反射面31c,31c′によって制御される成分を、それぞれの全反射面に対して必要最大角から最小角までの範囲に、均一に分配していることである。
【0150】
すなわち、全反射面31cと31c′のそれぞれの面で制御された成分が、光源中心Oからの射出角度に対応してある一定の割合で変換され、照射面上で必要とされる最大角度から最小角度に対応する分布に変換されていることである。
【0151】
まず、図13を用いて、光学系の構成を説明する。実施形態1と同様各部の形状を実際の数値で示すと図中d,e,f,g,αmax,θbdrはそれぞれ以下の値をとる。
【0152】
d=0.5, e=0.5 f=4.65 g=7.48
αmax=20° θbdr=37.44°
また、この時の光源中心Oから射出した主に射出光軸1Zに近い成分については、図示のように実施形態1とほぼ同一の分布を示し、光源32から74.88°に広がった光束を、約半分の範囲である40°の分布に変換することができる。
【0153】
実際の配光特性は、実施形態1でも説明したように光源の大きさが有限である為、光源の大きさによって広がるが、上記値を基に光源の大きさの補正を加えることによって必要とされる配光特性が得られる形状に変換することができる。
【0154】
次に、本実施形態の最も特徴的な全反射光の配光分布について、図14を用いて説明する。まず、光源32の上方に進んだ光束は、実施形態1同様1°の平面で構成された入射面31b,31b′を介して入射する。
【0155】
この入射面から入射した光束は、全反射面31c,31c′に導かれ、光学プリズム31の後端の反射成分が光源から離れる方向の最大成分に対応し、射出部付近で反射した光束が射出光軸と交わる最大成分に対応するように変換される。
【0156】
特に、この時の変換が、射出光軸1Zから離れる方向の成分の最大値γmax、射出光軸と交わる方向の成分の最大値βmaxがそれぞれ以下関係の角度となり、また光源中心からの射出角度に応じて、一定の割合で変換されるように形状を規制し、全体として均一な配光となるような形状を工夫している。
【0157】
αmax=βmax=γmax=20°
一方、図示していないが、光源中心Oから射出光軸1Z後方に向かった光束は、上記実施例同様、後方に配置した反射傘33が光源32に対して同心形状に配置されている為、基本的に光源中心の光束は反射後再度光源中心に戻り、光源のガラス管の悪影響を最小限にして、所望の配光特性を得られるような構成を達成することができる。
【0158】
また、上記実施形態5の構成では、光源中心Oから射出される光束が、それぞれの入射面及び全反射面によってそれぞれ最大角が一致するように規制したが、必ずしも完全に一致させる必要はなく、(5)式で規制される角度、または
0.8≦|γmax/αmax|≦1.2 ……(7)
の範囲にあれば、十分に均一で効率の良い配光特性をえることが可能である。
【0159】
このように、照射角度の最大値の範囲をある一定の範囲を持たせている理由として、上述のように光源がある一定の大きさを持っていることに起因している。
【0160】
すなわち、光源がある大きさを持っていることによって、全体の配光は広がる方向にブレるが、このブレは、光源から近い位置に光線の射出方向を規制する面が存在するほど大きくなる。すなわち、光源から近い入射面31aや、全反射面31cの後方で配光制御される成分は光源の大きさによるブレが生じ易やすく、実際現象では上記規制では配光が広がりやすい成分である。
【0161】
一方、光源から遠い位置で制御された、全反射面31c,31c′の射出面近傍で反射した成分は光源からの立体角が十分に小さくブレを生じにくい成分であり、光源が大きくても上記全反射面の形状規制によって効率良く必要照射角に変換できる部分である。
【0162】
このようなことから、上記広がりやすい成分の最大照射角、例えば、γmax,αmaxを必要照射角度よりも狭めに設定することで、更に効率の良い角度変換を行うことができる。
【0163】
このことを関係式で示すと以下のようになる。
【0164】
γmax≦βmax , αmax≦βmax
実施形態1と同様、上記光学プリズム31の各面の形状を上記定義式にのっとって求めた形状の近似式は以下のようである。ただし、入射面31aの形状に関しては、ほぼ実施形態1の形状と同一の為省略する。
【0165】
全反射面31cを、近似式で表わすと、原点を光源中心Oとすると、
で表わされる。
【0166】
上記形状は実施形態1同様、厳密に上記近似式に一致させた形状に限定されるわけではなく、上記形状を近似する円筒面形状の組み合わせ等の近似形状でもほぼ同一の効果を得ることができ、光源の大きさに伴う許容範囲として、光学系の全体形状に対する光源の大きさ程度の誤差範囲まで含むものとする。
【0167】
また、上記実施例では、上下入射面31b,31b′、及び全反射面31c,31c′は上下対称形状としているが、特に対称形状に限定されるわけではなく、上下非対称形状としても良い。
【0168】
この理由として、例えば、上記閃光発光装置をカメラ等の撮影装置に装着して使用する場合、撮影光軸と照明系の照明光軸が異なる為、被写体面上で視差を生じるが、この場合照明系の照射光軸を被写体の距離に応じてある一定量撮影光軸に傾ける必要がある。
【0169】
この場合、上下の照射範囲の分布を上下非対称として対応させた方が上記光学系では有効である。また、上記説明のように、同一全反射面でも光源から離れて位置に存在する面の方が、指向性が高く狭い範囲に効率良く集光制御できる性質を利用して、光源付近に存在する入射面や全反射面は所定量やや狭目に集光させるようにやや集光性を強めて構成することによって、各面での配光分布を一致させ全体の配光特性を均一に、かつ照射範囲外に照射される成分を最小にした効率の良い集光光学系を形成することができる。
【0170】
上記説明のように、実施形態1の考え方とは異なる本実施形態のような光学プリズムの各面形状の設定方法でも、光源中心からの射出光束を必要照射範囲に対して均一に配分することができる。上記実施例の形状は上下方向の開口部の高さgや光学系全体の奥行きfは大型化するものの以下のような利点がある。
【0171】
すなわち、上記説明のように各入射面毎の照射範囲がほぼ一定であり、かつ連続した面形状となっている為、不連続点が生じず、むらのない均一な配光特性が得やすいこと、また、射出光軸中心に向かう成分、すなわち中心光量を規定する成分が、各入射面、全反射面の中心部付近の最も安定した領域を使用して指向させている為、各面の周辺部分で中心方向に指向させる場合に比べて中心光量変化に対する敏感度が低い、すなわち、光学プリズムの加工精度のばらつきや、部品間の寸法精度による位置関係の誤差等のによる部品間のばらつきが生じにくいので、安定して高い中心光量が得られるという点が挙げられる。
【0172】
次に、本発明の実施形態6について説明する。図15,図16は、本発明の実施形態6の要部断面図である。41は光学プリズム、42は閃光放電管、43は反射傘である。
【0173】
反射傘43は閃光放電管42と同心形状の反射部43aと、光学プリズム41の全反射面41c,41c′の後方にほぼ光学プリズムの形状に近似した形状からなる反射部43b,43b′とから構成され、その他の各部の形状は、ほぼ上記実施例と同様で、対応箇所は同一の記号で示している。
【0174】
また、図15と図16は各構成部品の形状は同一であり、図中に示した光線トレース部のみが異なっており、図15は光軸近傍に進んだ光束を入射させる入射面41aから入射した成分を、図16は全反射面41c,41c′に導く入射面41b,41b′に入射した成分をそれぞれ示している。
【0175】
本実施形態は、実施形態1とほぼ同等の配光特性をもたせつつ、入射面及び全反射面の形状を工夫し均一配光を得られるようにした変形光学系であり、実施形態1で示したような光学プリズム全周に設けたリブ形状や光射出部の段差等は示していない。
【0176】
本実施形態の最大の特徴は、光源中心Oから射出される成分のうち、射出光軸1Zに近い角度成分は必要照射範囲の中心部分に集光させ、光源中心Oから照射光軸1Zに対し上下方向に照射されたは必要照射角度範囲の周辺部分に照射されるように各面形状を設定したものである。
【0177】
特に、光源中心Oから照射光軸1Zに対し上下方向に照射されたは成分のうち、光源42に近い側の成分は光学プリズム41の通過後射出光軸1Zから離れる方向に、射出面に近い側で全反射した成分は光学プリズム41の通過後射出光軸1Zに交わる方向に、それぞれ光源からの射出角に応じて射出角度を変換している点である。
【0178】
そして、このように構成することによって、上記複数の入射面から入射した光束が合成されて、必要照射範囲に対して均一に照射されることになり、実施形態1及び、実施形態5とほぼ同等の配光特性をえることができる。
【0179】
まず、図15を用いて、光学系の構成を説明する。実施形態1と同様各部の形状を実際の数値で示すと図中d,e,f,g,αmax,θbdrはそれぞれ以下の値をとる。
【0180】
d=0.5 ,e=0.5 ,f=5.05 ,g=7.87
αmax=10° θbdr=34.65°
また、この時の光源中心から射出した主に射出光軸1Zに近い成分については、図示のようにこの入射面のパワーを強め、実施形態1の半分の約10°に狭めている。この為、光源中心Oからこの入射面41aに入射する成分の最大値θbdrは3°程度狭くなっている。この為、光源中心から69.3°に広がった光束を、約1/3の範囲である20°の分布に変換することができる。
【0181】
実際の配光特性は、実施形態1でも説明したように光源の大きさが有限である為、光源の大きさによって広がるが、上記値を基に光源の大きさの補正を加えることによって必要とされる配光特性が得られる形状に変換することができる。
【0182】
次に、本実施形態の最も特徴的な全反射光の配光分布について、図16を用いて説明する。まず、光源の上下方向に進んだ光束は、実施形態1同様1°の平面で構成された入射面41b,41b′を介して入射する。
【0183】
この入射面から入射した光束は、全反射面41c,41c′に導かれ、光学プリズム41の後端の反射成分が光源から離れる方向の最大成分に対応し、射出部付近で反射した光束が射出光軸1Zと交わる最大成分に対応するように変換される。ここまでは、実施形態5と同様である。
【0184】
しかし、その照射角度範囲が異なっている。すなわち、この時の変換が、射出光軸から離れる方向の成分の最小値γmin,最大値γmaxであり、また射出光軸と交わる方向の成分の最小値βmin、最大値βmaxがそれぞれ図示のようであり、実施形態5では存在した光軸中心付近に向かう成分が抜けていることである。
【0185】
実際に本実施例で採用した図中の各パラメータは、以下のような数値設定を行ったものである。
【0186】
αmax=βmin=γmin=10° , βmax=γmax=20°
また、上記区画された成分は、それぞれ各面で光源中心Oからの射出角度に応じて一定の割合で変換されるような形状で規制されている為、光源中心Oから射出される光束は、全体として中心部と周辺部で重ね合わせが行われ、全照射範囲にわたって均一な配光に制御することができる。
【0187】
一方、図示していないが、光源中心Oから射出光軸1Zの後方に向かった光束は、上記実施例同様、後方に配置した反射傘43が光源42に対して同心形状に配置されている為、基本的に光源中心の光束は反射後再度光源中心に戻り、光源のガラス管の悪影響を最小限にして、所望の配光特性を得られるような構成を達成することができる。
【0188】
また、上記実施形態6の構成では、光源中心Oから射出される光束を、それぞれの入射面に応じて制御し、境界線すなわち図中の光軸から10°の角度成分で一致させるように構成しているが、必ずしもこの角度で一致するように規制する必要はなく、両者の配光分布を一部重ねあわせたり、光源が有限の大きさを持っていることを考慮して各照射分布を狭めに設定し重ねあわせによって配光ムラが生じないような角度設定に便宜変更してもかまわない。
【0189】
実際に有効に機能する重ね合わせ量としては、以下で規定される程度の設定を行うことが望ましい。
【0190】
0.8≦|βmin/αmax|≦1.2 ……(8)
0.8≦|γmin/αmax|≦1.2 ……(9)
上記説明のように、実施形態1の考え方とは異なる本実施形態のような光学プリズムの各面形状の設定方法でも、光源中心からの射出光束を必要照射範囲に対して均一に配分することができる。
【0191】
上記実施例の形状は上下方向の開口部の高さgや光学系全体の奥行きfはさらに大型化するものの以下のような利点がある。すなわち、上記説明のように各入射面毎の照射範囲を任意の角度範囲に設定することができる為、照射面上での配光分布を任意の分布に変換できること、例えば、中心光量のみを上昇させたり、周辺の配光を意図的に明るくするなど、照射面上での任意の配光特性をえることができ、その応用範囲は広い。
【0192】
上記各実施形態では、全反射面での配光分布特性の制御を照射光軸1Zを挟む、上下2種の全反射面で構成した例を示したが、必ずしも分割数はこの2面に限定されるわけではなく異なる特性3面以上の面で構成しても良い。
【0193】
例えば、照射光軸近傍の成分を増やす為、全反射面を3分割し、全反射光の一部を射出光軸中心に向かわせるように構成しても良い。このようにすることによって、例えば、中心光量のみが不足した場合、全体配光を大きくいじらずこのポイントのみ集光性を上げられる為、必要配光特性を補正する際に特に有効である。
【0194】
一方、逆にこの全反射によって制御される成分を射出光軸から離れる方向または、射出光軸に交わる方向のどちらか1種類のみで構成し、射出光軸近傍に向かった成分との合成で必要照射角範囲をカバーするように構成しても良い。
【0195】
このように構成することによって開口部の高さを狭くすることができ、光学系の全体形状をさらに小型化することが可能となる。
【0196】
また、上記各実施例では、光学プリズムからの射出角度が、光源中心から射出する角度θに比例するように各入射面、全反射面形状を設定してきたが、必ずしも上記比例関係にあるように変換させるような面形状に限定されるわけではない。
【0197】
例えば、プリズム面に入射される際に生じる表面反射によりプリズム面入射出時に光量損失を生じるが、この光量損失をあらかじめ考慮した補正関数で規定した各面構成として定義したり、照明光学系の照射すべき被照射体が平面である場合、周辺部では光源中心から距離が離れる為中心部に対して光量不足となるが、この光量不足を解消するように、あらかじめ、周辺光量を高めるような配光特性が得られるような各面形状を設定を行っても良い。
【0198】
さらに、以上の各実施形態では、プリズムの材料として光学樹脂材料、特にアクリル樹脂を想定して説明してきたが、プリズムの材料としては、この材料に限定されるものではなく、ガラス等の透過率の高い材料や、透過率の高い液体を封入したような材料を用いてもよく、上記材料に限定されるものではない。
【0199】
【発明の効果】
本発明によれば、本出願人が先に種々と提案した照明装置を更に改良し、撮影装置の照明光学系の全体形状を極端に小型化しつつ、そのときの必要照射範囲の配光特性を均一に保つこと、さらに、光学特性を低下させず、むしろ画角内に照射される有効エネルギを増加させることのできる照明装置及びそれを用いた撮影装置を達成することができる。
【0200】
又本発明によれば、今までの照明光学系に比べて極端に小型、薄型化、そして軽量化を図ると共に、光源からのエネルギを高い効率で利用し、照射面上で均一な配光特性を保った照明ができるスチルカメラ、ビデオカメラ等に好適な照明装置及びそれを用いた撮影装置を達成することができる。
【0201】
この他本発明によれば、照明光学系の集光制御を光学プリズム内で行わせるため、所望の配光特性を持たせた照明光学系を極端に小型化できると共に、そのときの必要照射範囲に対する配光特性を均一に保つことが容易にできる。
【0202】
また、光学プリズム内での集光を全反射を利用して行っている為、同一光源に対するエネルギの利用効率が高く、小型しても光学特性を低下させずむしろ画角内に照射される有効エネルギを増加させることが可能になる。
【0203】
さらには、光学プリズムの各入射面及び全反射面を本発明の手法によって最適化することにより、必要画角内での照度分布を自由にコントロールすることが可能な照明装置及びそれを用いた撮影装置を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態1の光線分布を示す閃光発光装置の閃光放電管径方向の縦断面図
【図2】本発明の実施形態1の他の光線分布を示す閃光発光装置の閃光放電管径方向の縦断面図
【図3】本発明の実施形態1の閃光発光装置を適用したカメラの斜視図
【図4】本発明の実施形態1の閃光発光装置を前方からみた斜視図
【図5】本発明の実施形態1の閃光発光装置を前方からみた分解斜視図
【図6】本発明の実施形態1の閃光発光装置を背面からみた分解者斜視図
【図7】本発明の実施形態2の光線分布を示す閃光発光装置の閃光放電管径方向の縦断面図
【図8】本発明の実施形態2の他の光線分布を示す閃光発光装置の閃光放電管径方向の縦断面図
【図9】本発明の実施形態3の光線分布を示す閃光発光装置の閃光放電管径方向の縦断面図
【図10】本発明の実施形態3の他の光線分布を示す閃光発光装置の閃光放電管径方向の縦断面図
【図11】本発明の実施形態4の光線分布を示す閃光発光装置の閃光放電管径方向の縦断面図
【図12】本発明の実施形態4の他の光線分布を示す閃光発光装置の閃光放電管径方向の縦断面図
【図13】本発明の実施形態5の光線分布を示す閃光発光装置の閃光放電管径方向の縦断面図
【図14】本発明の実施形態5の他の光線分布を示す閃光発光装置の閃光放電管径方向の縦断面図
【図15】本発明の実施形態6の光線分布を示す閃光発光装置の閃光放電管径方向の縦断面図
【図16】本発明の実施形態6の他の光線分布を示す閃光発光装置の閃光放電管径方向の縦断面図
【符号の説明】
1,4,6,8、11,31,41 光学プリズム
2,12,32,42 閃光放電管(光源手段)
3,5,7,9,33,43………反射傘
21 レリーズボタン
22 カメラのモード切り替えスイッチ
23 液晶表示窓
24 測光装置の覗き窓
25 ファインダー覗き窓
26 カートリッジ装填蓋
27 レンズ鏡筒
28 カメラ本体[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an illuminating device and a photographing device using the same, for example, a video camera, a film camera, a digital camera or the like that is attached to a part of a camera body (photographing body) and illuminates in conjunction with a photographing operation of the camera body. This is suitable for efficiently irradiating light (flash) to the subject side and photographing.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art An illumination device used in a conventional photographing apparatus such as a camera is composed of a light source and optical components such as a reflector and a Fresnel lens that guide a light beam emitted from the light source forward (subject side).
[0003]
Among such illuminating devices, various illuminating devices have been conventionally proposed in which light beams emitted in various directions from a light source are efficiently condensed within a necessary irradiation angle of view.
[0004]
In particular, in place of the Fresnel lens that has been placed on the front side (subject side) of the light source in recent years, optical components using total reflection such as prisms and light guides can be placed to improve light collection efficiency and reduce size. What has been proposed has been proposed.
[0005]
For example, as shown in Japanese Patent Application Laid-Open No. 4-138438, the present applicant uses a lens having a positive refractive power for a light beam emitted forward from a light source, and a light beam emitted sideways from the light source to an optical member. The light is collected by a total reflection surface that reflects toward the front, and is emitted from the same exit surface (that is, the light beam that has been split in the optical path at the position of the entrance surface from the light source to the optical member is emitted from the same exit surface). We have proposed an illumination optical system using prisms with high light efficiency.
[0006]
Further, as a proposal for this improvement, in JP-A-8-262537, a prism is arranged in front of the light source, the overall shape of the illumination optical system is reduced, and the exit surface corresponding to the total reflected light of the prism Has been proposed that is inclined with respect to the optical axis.
[0007]
Further, the present applicant has disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-234277 that a light beam using a light guide is taken into an optical member in the vicinity of the light source, and then total reflection is repeated in the optical member to collect and uniformly distribute the light. We have proposed an illumination optical system that converts light into light and uses less total light loss.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
In recent years, in a photographing apparatus such as a camera, the apparatus itself has been reduced in size and weight, while the photographing lens tends to have a high magnification zoom in order to provide high added value. In general, the photographic lens tends to gradually become darker due to the downsizing and higher magnification of such a photographic device. If you try to shoot under the same brightness conditions as before without using an auxiliary light source, camera shake will occur. In many cases, the photos did not look as expected.
[0009]
In order to compensate for this situation, in general, an imaging device such as a camera has a built-in illumination device (hereinafter referred to as a strobe device) as an auxiliary light source. As a result, the amount of light emission required for one shooting tends to increase. That is, if it is assumed that a strobe light is emitted once every two times in a photographing device such as a normal camera, the energy consumed for this illumination is said to account for 80% of the total consumption of the camera. ing.
[0010]
The increase in the use frequency of the strobe as described above further accelerates the increase in the ratio of power consumption in the strobe unit in the entire apparatus. In addition, since the taking lens is dark, more light is required to shoot subjects at the same distance with the same brightness, but the shape of the lighting device itself has become smaller with the downsizing of the taking device. The challenges imposed on this type of lighting device have become more severe than ever.
From such a background, in Japanese Patent Laid-Open No. 4-138438, a light beam emitted mainly to the side of a light source is incident on the optical member on the front surface of the flash light emitting device, and then totally reflected and collected in a certain direction. Consists of two upper and lower surfaces that illuminate and a surface that has a positive refractive power and condenses separately from the front surface. After condensing light from each surface, the light exits efficiently from the same exit surface to the subject. The illumination optical system of the form to make was proposed.
[0011]
However, this proposal is very effective in improving the illuminance near the center of the subject to be illuminated.
[0012]
Japanese Laid-Open Patent Publication No. 8-262537 discloses a lighting device obtained by improving the previously proposed lighting device. Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-234277 discloses a configuration in which light in the longitudinal direction of a light source is obtained by repeating total reflection inside a light guide to form a uniform illumination optical system with little light loss. Yes.
[0013]
The present invention further improves the illuminating device previously proposed by the present applicant and makes the overall shape of the illuminating optical system of the photographing apparatus extremely small while making the light distribution characteristics of the required irradiation range uniform at that time. It is another object of the present invention to provide an illumination device and an imaging device using the illumination device that can maintain, and further increase the effective energy irradiated within the angle of view without degrading the optical characteristics.
[0014]
A further object of the present invention is to achieve extremely small, thin, and light weight compared to the conventional illumination optical system, and use the energy from the light source with high efficiency, and uniform light distribution on the irradiation surface. An object of the present invention is to provide an illumination device suitable for a still camera, a video camera, and the like that can perform illumination with characteristics maintained, and a photographing device using the illumination device.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
The illuminating device of the invention of claim 1 is an illuminating device comprising a light source means and an optical prism for irradiating a light beam from the light source means in an irradiated direction. Among the light beams from the first incident surface on which the light beam emitted near the emission optical axis is incident, the emission surface on which the light beam from the first incident surface is directly incident, and the light beam from the light source means, Each of these surfaces has a second incident surface on which a part of the light beam emitted at a large angle is incident, and a total reflection surface on which the light beam from the second incident surface is inclined and emitted from the emission surface. Has a certain correlation between the angle formed by the light beam emitted from the light source center of the light source means with respect to the emission optical axis and the emission angle with respect to the emission optical axis after passing through the emission surface, Maximum emission angle component α controlled at the first entrance surfacemaxAnd the maximum emission angle component β controlled by the second entrance surface and the total reflection surfacemaxBetween
0.8 ≦ | βmax/ Αmax| ≦ 1.2
It is characterized by having a shape that satisfies this relationship.
[0016]
The illuminating device of the invention of
0.8 ≦ | βmin/ Αmax| ≦ 1.2
0.8 ≦ | γmin/ Αmax| ≦ 1.2
It is characterized by having a shape that satisfies the above relationship.
[0017]
According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect of the present invention, the shape of the first incident surface is such that the angle formed by the light beam from the light source means and the exit optical axis when incident on the first incident surface is θ, Assuming that the exit angle emitted from the exit surface is α and the proportional constant k according to the required irradiation angle, α = k · θ and the shapes of the second entrance surface and the total reflection surface are as follows. When the angle θ formed with the exit optical axis at the time of incidence on the entrance surface, β the exit angle exiting from the exit surface, and a proportional constant h corresponding to the required irradiation angle,
β = h · (θ−90 °)
It is characterized by having a relationship.
[0018]
According to a fourth aspect of the present invention, in the first, second, or third aspect of the invention, the shape of the first incident surface is an angle formed by the light beam from the light source means and the exit optical axis when incident on the first incident surface. If θ is an emission angle emitted from the emission surface and α is a proportional constant k corresponding to the required irradiation angle,
α = k · θ
The shapes of the second incident surface and the total reflection surface are defined as an angle θ formed by the light beam from the light source means and the exit optical axis when incident on the second incident surface, and an exit angle emitted from the exit surface by β, The angle connecting the boundary between the incident surface and the second incident surface and the light source center is θbdrIf the proportional constant h is set according to the required irradiation angle,
β = h · {θ− (45 ° + θbdr/ 2)}
It is characterized by having a relationship.
[0019]
According to a fifth aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the shape of the first incident surface or the total reflection surface of the optical prism has a correlation with the emission angle from the center of the light source. It is characterized by being formed by a combination of surface shapes that approximate a continuous non-curved surface shape.
[0020]
A sixth aspect of the present invention is the optical axis according to any one of the first to fifth aspects, wherein the output optical axis is a line connecting the boundary line between the first incident surface and the second incident surface of the optical prism and the light source center. Slope θ with respect tobdrBut,
25 ° ≦ θbdr≦ 45 °
It is characterized by being in the range of.
[0021]
The invention of
[0022]
The invention of
[0023]
The invention of claim 9 is the invention of any one of claims 1 to 8, wherein a reflector that reflects the emitted light beam from the light source means is disposed behind the light source means along the optical axis of the light source means, and The reflector is characterized in that at least a part of a substantially concentric reflecting surface centering on the center of the light source means is formed.
[0024]
According to a tenth aspect of the present invention, in the invention according to any one of the first to eighth aspects, a reflector that reflects the emitted light beam from the light source means is disposed behind the light source means along the optical axis of the light source means. The reflecting umbrella is characterized by being arranged so as to wrap around at least a part of the total reflection surface of the optical prism.
[0025]
An imaging device according to an eleventh aspect of the invention includes the illumination device according to any one of the first to tenth aspects.
[0031]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiment 1 of the present invention will be described below with reference to the drawings. 1 and 2 are cross-sectional views of the main part of the first embodiment of the flash light emitting device of the present invention. FIGS. 3 to 6 show the illumination device according to the first embodiment of the present invention, and this example shows the flash light emitting device. 3 is a perspective view of a camera in which the flash light emitting device of the present invention is applied to the camera, FIG. 4 is a perspective view of only the flash light emitting device of FIG. 3 from the front, and FIG. 5 is an exploded view of only the flash light emitting device of FIG. FIG. 6 is an exploded perspective view of the flash light emitting device of FIG. 3 as viewed from the back.
[0032]
1 and 2 show the same shape, and shows what kind of light trajectory is drawn after that when the light beam emitted from the center of the light source enters each incident surface of the optical member. is there.
[0033]
In FIG. 3,
[0034]
Since each function except the flash light emitting device is a known technique, detailed description thereof is omitted here. In addition, the mechanical component of this invention is not limited to the above-mentioned structure.
[0035]
In FIG. 4, 15 is a fixing member for attaching the flash light emitting device to the camera, 16 is a lid of the fixing
[0036]
5 and 6,
[0037]
A prism surface 11d that controls light distribution characteristics in the left-right direction (X direction) is formed on the front surface of the
[0038]
In the figure, 12 is a straight tubular flash discharge tube (xenon tube) that emits flash light, and 13 reflects a component emitted backward from the light emission direction of the light beam emitted from the
[0039]
[0040]
In the above configuration, the
[0041]
When the central processing unit determines that “flash light emitting device emits light” under the shooting conditions, the central processing unit outputs a light emission signal, is attached to the reflector, and the
[0042]
At this time, the vertical direction with respect to the subject is controlled by the incident surfaces 11a and 11b and the
[0043]
In the present embodiment, the shape of the optical prism is appropriately set in order to optimize the light distribution characteristic in the vertical direction (Y direction). Hereinafter, a method for setting the optimum shape of the
[0044]
1 and 2 are longitudinal sectional views in the radial direction (X direction) of the
[0045]
[0046]
1 and 2, the configuration and shape of all optical systems other than the light beam are the same. Embodiment 1 shown here is characterized in that the opening height in the vertical direction can be minimized while keeping the light distribution characteristic in the vertical direction (Y direction) uniform. Hereinafter, the characteristics of the shape and the behavior of the light beam at that time will be described in detail.
[0047]
First, in FIG. 1, the
[0048]
However, at the design stage, in order to efficiently control the light emitted from the flash discharge tube (light source) 2, it is ideal that there is a point light source at the center of the light source, rather than considering all the luminous fluxes of this inner diameter at the same time. Assuming that the shape of the optical system is designed and then correction is made in consideration of the fact that the light source has a finite size, it is possible to design efficiently.
[0049]
Based on this idea, the present invention also considers the center of the light emitting part of the
[0050]
First, as the material of the optical prism 1, it is optimal to use an optical resin material such as an acrylic resin from the viewpoint of moldability, cost, and optical characteristics. However, in this type of flash light emitting device, a large amount of heat is generated simultaneously with the generation of light from the light source. It is necessary to select the optical material and set the heat dissipation space in consideration of the heat energy generated in one light emission and the shortest light emission period.
[0051]
At this time, it is the respective incident surfaces of the optical prism that are closest to the light source that are actually most susceptible to heat, and it is necessary to first determine the minimum distance between the light source and the incident surface. In the first embodiment, the minimum distance between the light source and the first incident surface 1a that directly controls the angle component whose exit angle from the light source center is close to the exit optical axis is d, and is separated from the exit optical axis (optical axis) 1Z. The distance between the second incident surface 1b on which the light controlled by the total reflection with the selected angle component is incident and the light source is defined as e, and the interval is regulated.
[0052]
Next, the total reflection surface 1 of the optical prism 1cThe shape of the second incident surface 1b that guides incident light is determined. In order to minimize the shape of the optical prism, the second incident surface 1b is preferably a plane parallel to the
[0053]
That is, the component of the luminous flux emitted from the light source that travels in a direction different from the exit optical axis is refracted once at the incident surface 1b. The closer the angle of this surface is to the optical axis direction, the greater the refraction effect. This is because the incident light can be guided once away from the optical axis by refraction, and the total length of the optical prism can be kept short.
[0054]
The inclination of the second incident surface 1b with respect to the
[0055]
0 ≦ φ <2 ° …… (1)
Here, the angle φ = 0 indicates that the incident surface 1b is parallel to the
[0056]
The above range is a set value that seems to be severe at first glance, but is a sufficiently possible value because the distance of the second incident surface is short and the surface shape is a smooth surface. By regulating the inclination of the second incident surface 1b as described above, the opening area in the vertical direction is minimized and the efficiency is not reduced.
[0057]
Next, the shape of the incident surface of the first incident surface 1a is determined. In the present embodiment, in order to make the necessary irradiation range uniform light distribution with the minimum shape, the shape of the first incident surface 1a is defined by the following method.
[0058]
In the first embodiment, a shape that gives a certain correlation between the exit angle of the light beam from the center of the light source and the exit angle after passing through the optical prism 1, that is, the exit angle from the light source center O is set. θ and the irradiation angle after exiting from the optical prism 1 controlled by the refractive surface 1a is α,
α = f (θ) (2)
The shape of the incident surface 1a of the optical prism is defined by a continuous aspheric shape represented by
[0059]
In particular, in the present embodiment, the correlation is set so as to have a proportional relationship.
[0060]
That is, if the angle formed with the
α = k · θ (3)
The shape is expressed as
[0061]
On the other hand, the surface shape of the second incident surface 1b and the shape of the
[0062]
In the first embodiment, a shape that gives a certain correlation between the exit angle of the light beam from the center of the light source and the exit angle after passing through the optical prism 1, that is, the exit angle from the center of the light source is θ. When the irradiation angle after emission from the optical prism 1 controlled by the
β = g (θ) (4)
It is formed by the continuous aspherical shape represented by these.
[0063]
In particular, in the present embodiment, the correlation is set so as to be proportional.
[0064]
That is, if the angle θ formed with the optical axis at the time of incidence, β the exit angle exiting from the exit surface 1d, and h the proportionality constant according to the required illumination angle,
The shape is expressed as
[0065]
In this embodiment, β is an exit angle emitted from the exit surface, and θ is an angle connecting the boundary between the first entrance surface and the second entrance surface and the light source center.bdrIf the proportional constant h is set according to the required irradiation angle,
β = h · {θ− (45 ° + θbdr/ 2)}
To be in a relationship.
[0066]
The meaning of the above equation (2) is that the light beam incident from the incident surface 1a that makes the angle component near the exit
[0067]
With this as the base point, the light is emitted from the exit surface after being multiplied by a proportional constant k from the exit surface 1d of the optical prism in accordance with the exit angle θ from the light source center. Here, the proportionality constant k is a constant from 0 to 1.
[0068]
Here, k = 0 means the most condensed state in which all the emitted light beams are converted in parallel with the emission optical axis, and k = 1 means the angle θ when incident on the optical prism and the angle α when emitted. Means a shape without equal angle conversion, that is, a shape that cancels the power of each surface that is not affected by the refractive index before and after entering and exiting the optical prism, for example, a shape that makes the entrance and exit surfaces flat. To do.
[0069]
On the other hand, equation (5) has the following meaning. First, the light beam emitted upward from the center of the light source with respect to the irradiation optical axis is incident from the incident surface 1b, reflected by the
[0070]
On the other hand, a light beam incident from a portion close to the intersection with the incident surface 1a is converted into a component that intersects with the largest angle β with respect to the emission
[0071]
Next, the relationship between the light distribution by the refracted light by the incident surface 1a formed by the above method and the light distribution by the total reflected light by the incident surface 1b and the
[0072]
However, when considering the actual light distribution characteristics, the size of the inner diameter, which is the effective light emitting portion of the light source, is often not small enough to be ignored, and this influence has a large influence on the overall light distribution characteristics. In particular, the reflected light flux at the control surface near the light source, for example, the incident surface 1a on which the angle component near the optical axis is incident, or the prism rear end near the light source even on the
[0073]
On the other hand, in the
[0074]
For the above reasons, the characteristics of the light distribution controlled by the respective incident surfaces are different and can be controlled independently. In the first embodiment, the luminous flux directed toward the upper side of the light source among these characteristics is incident on the incident surface 1b. Then, after being reflected by the
[0075]
Further, the shape of the incident surface 1a is set so that the light beam directed toward the vicinity of the exit optical axis substantially coincides with the light distribution by the component incident from the side. In this way, the light distribution distribution from each incident surface can be converted into a small and efficient light distribution distribution if they are matched to some extent except when a special light distribution is required. Therefore, in general, as a practical method for regulating the light distribution characteristics, it is desirable that each value exists in the following region that defines the maximum control angle at each incident surface.
[0076]
Maximum angle component due to refracted light at the incident surface 1a; αmax, The maximum emission angle component by the total reflection light on the
0.8 ≦ | βmax/ Αmax| ≦ 1.2 …… (5)
It is to do.
Next, the position of the boundary surface of the incident surface will be described. As described above, the first incident surface 1a and the second incident surface 1b can be used efficiently and in consideration of the influence of heat on the resin material of the incident surface. It is desirable that the angle of the straight line connecting the coordinates of the intersection of the light source and the center of the light source is within a certain range.
[0077]
That is, if this angle is smaller than the predetermined angle, the distance to the first incident surface 1a is increased, and the light collection efficiency is increased because the distance to the first incident surface 1a is less affected by the size of the light source. Incidence angle increases and loss due to surface reflection at the incident surface is likely to occur.
[0078]
On the other hand, if this angle is larger than the predetermined angle, the incident light flux from the first incident surface 1a that needs to be controlled on the surface close to the light source increases, and it is difficult to obtain a sufficient light collecting effect depending on the size of the light source. Therefore, it is desirable that the angle of the straight line be within the following numerical range. That is, the boundary between the incident surface 1a that controls light directed toward the front of the optical prism 1 only by refraction and the incident surface 1b that mainly guides light emitted obliquely forward from the light source to the
25 ° ≦ θbdr≦ 45 ° …… (6)
It is desirable from the viewpoint of efficiency and light collection control to be in this range.
[0079]
Next, the shape of the intersection of the incident surface 1b of the optical prism 1 and the
[0080]
In the first embodiment of the present invention, the intersections are formed so as to form an acute angle by directly intersecting with each other, and the intersections and the center position of the light source are substantially aligned in the front-rear direction.
[0081]
Such a configuration is an effective means for efficiently performing light distribution control while minimizing the shape of the optical prism. That is, for example, when a surface having different characteristics is formed between the incident surface 1b and the
[0082]
On the other hand, in this embodiment, the position of this intersection and the position in the front-rear direction of the center of the light source coincide with each other, but this is a shape necessary for reducing the size of the entire optical system and increasing efficiency, and within the prism. There is a close relationship with the relationship with the total reflection angle and the shape of the reflector according to the light source, and the shape is regulated.
[0083]
That is, when the angle of the incident surface 1b is set to around 0 ° for the total reflection in the prism and the optical prism is made of a resin material, the refractive index is around 1.5, and the intersection of the prism surfaces extends to the rear. As a result, a component that is not completely reflected and exits behind the prism is generated. This is more likely to occur as the inner diameter of the light source is larger, and a part of the component emitted from the front of the light source center escapes from the
[0084]
In the present embodiment, a configuration is adopted in which the
[0085]
The optimum shape of the reflector is a semi-cylindrical reflector that is concentric with the
[0086]
The reason why the shape of the reflector is concentric with the center of the light source and the front end thereof coincides with the center of the light source is, first, the influence on the glass portion of the flash discharge tube. In the extremely small light emitting optical system as in the present embodiment, it is necessary to reflect the light beam directed backward from the light source by the reflector and direct it in the irradiation direction, but the entire optical system is downsized. Because there is not enough room to control the light distribution by turning the outside of the flash discharge tube without passing through the inside of the flash discharge tube, all the light reflected by the reflector is re-entered in the glass tube of the flash discharge tube. It is necessary to use an incident optical path.
[0087]
At this time, the component re-incident on the flash discharge tube is affected by refraction and total reflection at the glass portion of the flash discharge tube, and has a great influence on the incident component on the optical prism. In particular, the thicker the glass, the more conspicuous. If the shape of the light source and the shape of the reflecting umbrella do not correspond appropriately, the distribution of reflected light from the reflecting umbrella will spread more than necessary.
[0088]
Therefore, if the reflector is made into a cylindrical shape corresponding to the shape of the light source and concentric with the cylindrical glass portion of the flash discharge tube, the incident angle when re-entering the flash discharge tube becomes small, and the glass tube There is little loss due to surface reflection on the surface, and the component that is totally reflected in the glass tube of the light beam after re-incidence is reduced, which is efficient.
[0089]
In particular, if the gap with respect to the
[0090]
Next, the relationship between the emission angle of the light beam from the light source in Embodiment 1 and the emission angle from the exit surface 1d after passing through the optical prism 1 will be described using specific numerical values.
[0091]
First, in consideration of the influence of heat generated during the light emission, the distances d and e of the incident surfaces 1a and 1b of the optical prism 1 are set to the flash discharge tube 2 (outer diameter φ2.0, inner diameter φ1.3), respectively. They were placed 0.5 mm apart.
[0092]
For simplicity, the shape of the incident surface 1b on the upper surface leading to the
[0093]
Further, the light beam emitted from the central portion of the light source is controlled by total reflection at each incident surface and total reflection surface and is emitted from the light emission surface 1d, the light distribution is uniform, and the irradiation angle αmax, βmaxA description will be given by taking as an example a shape in which the maximum value of each becomes 20 °.
[0094]
That is, | βmax/ Αmax| = 1 and the conditional expression (5) Is satisfied. First, in the shape optimized under this condition, the slope θ of the line segment connecting the boundary line between the incident surface 1a and the incident surface 1b and the light source centerbdr, The depth f including the reflector that contributes to the vertical focusing, and the upper and lower openings g that contribute to the vertical focusing, respectively,
θbdr= 37.44 °, f = 4.40, g = 6.70
And the inclination θbdrIs the above (6) Is in a range that satisfies the equation. Further, as shown in the above values, it can be made extremely small compared with the light emitting optical system of the conventional type flash light emitting device.
[0095]
Also, in the figure, assuming an actual product, a shape for projecting the optical prism to the external portion on the front side portion of the optical prism, that is, a thin rib 1e extending over the entire circumference on the extension of the total reflection surface of the optical prism, 1e 'is integrally formed.
[0096]
This is a combined shape with an external member (not shown), and is added for the following purpose while preventing unnecessary internal parts from being seen through the gap between the optical prism and the external parts.
[0097]
That is, a trigger leak between a reflector made of metal and a metal cover used as an exterior part, or a conductive object placed on the extension of the gap between the optical prism and the exterior part. This is to prevent the occurrence of light emission and the inability to emit light.
[0098]
In general, in a flash light emitting device such as the present invention, a high voltage trigger signal is directly applied to a flashlight discharge tube to a reflector, and light emission is started via a nesacoat portion of the discharge tube in contact with the reflector. In a miniaturized optical system as in the present invention, a trigger leak phenomenon is likely to occur because the distance between the reflector and a metal-made exterior part or a conductive material outside the product is short.
[0099]
As described above, by adding the ribs 1e and 1e 'to the total reflection surface extension portion of the optical prism, the edge surface distance can be extended, and the trigger leak phenomenon can be prevented in advance.
[0100]
At the same time, the invasion of dust and water droplets from the outside, especially water droplets, has a risk of electric shock with internal high-voltage components, but this risk can be prevented at the same time. it can. Assuming that the length i of this additional portion and the length j of the appearance opening are:
i = 1.0 j = 6.5
The length j of the appearance opening is slightly narrower than the upper and lower openings g that contribute to light collection in the vertical direction.
[0101]
This is because the component totally reflected in the vicinity of the tips of the total reflection surfaces 1c and 1c 'is a component that intersects at a considerably large angle in the direction of the emission optical axis. From this, it is sufficient to reduce the length of the external opening. It becomes possible.
[0102]
Further, a vertical prism for performing light distribution control in the left-right direction is formed at the tip of the additional portion as shown in FIG.
[0103]
On the other hand, as can be seen from the ray trace in the figure, it can be seen that the uniform light distribution characteristic, which is one of the objects of the present invention, is sufficiently satisfactory. First, as shown in FIG. 1, a light beam emitted from the center of the light source and emitted at an angle close to the emission
k = amax/ Θbdr= 20.0 ° / 37.44 ° = 0.534
Therefore, the general formula is
α = 0.534 · θ (however, −37.44 ° ≦ θ ≦ 37.44 °)
It can be seen that the emission components from the light source are evenly allocated according to the emission angle and are emitted from the emission surface 1d of the optical prism 1.
[0104]
On the other hand, as shown in FIG. 2, the light beam emitted from the light source center O and traveling upward with respect to the emission
h = βmax/ (90 ° -θbdr) = 20.0 ° / 52.56 ° = 0.382
Therefore, the general formula is
β = −0.381 · {(90 ° * | θ | −θ ** 2) / θ}
(However, 37.44 ° ≦ | θ | ≦ 90 °)
The emission components from the light source are uniformly allocated according to the emission angle, and the optical prism 1 is uniformly distributed with a density distribution different from the distribution of the components emitted at an angle close to the emission optical axis shown above. It can be seen that the light is emitted from the exit surface 1d.
[0105]
On the other hand, although not shown, the optical path of the light beam traveling behind the emission
[0106]
Further, regarding the behavior of the light beam after returning to the center of the light source, the subject to be irradiated is irradiated with uniform characteristics having substantially the same characteristics as the ray tracing shown in FIGS.
[0107]
In addition, the
[0108]
In this way, by making the shape almost the same as the total reflection surface and disposing it immediately behind the total reflection surface, the effect of the
[0109]
Next, an approximate value of the aspherical shape of the optical prism based on the above definition will be described. First, the shape of the incident surface 1a can be approximately approximated by the following expression when the apex is P and this is the origin.
[0110]
Similarly, when the
It is represented by
[0111]
However, assuming that the light source is a point light source, it is desirable to match the above shape, but in reality the light source has a finite size that corresponds to the inner diameter of the flash discharge tube, so the shape is strictly regulated so far. Even if not, almost the same light distribution characteristics can be obtained.
[0112]
For example, even if a single or a plurality of cylindrical surfaces approximating the above shape or a quadratic curved surface such as an ellipse are used, there is a shape that can obtain substantially the same effect as the light distribution characteristic obtained by the above shape.
[0113]
For this reason, the shapes of the incident surfaces 1a and 1b and the
[0114]
In addition, by forming an optical prism with such an approximate shape, it is extremely easy to measure whether the actually processed product is as designed, compared to when the surface shape is aspherical. There is.
[0115]
In fact, even when an optical prism manufactured in such an approximate shape is used, the difference between the shape shown in the above formula and the light distribution characteristic is not so great.
[0116]
Next, some other embodiments in which the shape of the optical prism is regulated based on the concept of the first embodiment will be described.
[0117]
7 and 8 are plan views of the essential portions of
[0118]
In the same figure, 4 is an optical prism, 5 is a reflector, and each figure has the same optical system shape, and only the ray tracing portion is shown separately for each of the
[0119]
Particularly, in the second embodiment, the angle of the total reflection surfaces 4c and 4c ′ for reflecting the light beam emitted from the light source in the vertical direction is the minimum value in the range shown in (1), and the optical prism controlled by each incident surface is used. Shows the relationship of each injection maximum angle after passing (5) And the angle between the line segment connecting the boundary line of the
φ = 0 °
| βmax/ Αmax| = 1.0
θbdr= 45 °
This shows the state.
[0120]
Further, the
[0121]
That is, the coefficient k in equation (3), (4The coefficient h in the equation (1) is a shape when the following values are taken.
[0122]
k = 1.0 h = 1.0
Similarly to the first embodiment, the
[0123]
In the above configuration, the behavior of light rays in each state will be described. First, the light beam incident on the
[0124]
That is, passing through the
[0125]
On the other hand, as described above, the light beams incident from the incident surfaces 4b and 4b 'are converted by the
[0126]
That is, the light beam from the light source center O toward the vicinity of the vertex at the back of the
[0127]
Although not shown in the figure, the light beam directed from the light source center O toward the rear of the emission
[0128]
By using the optical system having the above-described configuration, the light beam emitted from the center of the light source can be uniformly irradiated in a range of 90 ° ranging from −45 ° to 45 °. Actually, the light emitting point of the light source emits light not only at the center of the light source but also at the entire inner diameter of the light source. For this reason, the actual light distribution characteristic is somewhat wider than the above range.
[0129]
Further, in this way, when the light source is so large that it cannot be ignored with respect to the shape of the entire optical system, a part of the light beam emitted forward from the portion in front of the light source center set here is reflected on the
[0130]
The reflection surface for re-entering the light beam emitted from the
[0131]
The configuration of the second embodiment shows a minimum shape among optical systems that convert a light beam emitted from the light source center O into a uniform light distribution characteristic. Specific numerical values at this time are shown below. When the inner diameter and outer diameter of the flash discharge tube are φ1.3 and φ2.0, respectively, as in the first embodiment, the shortest distances between the light source and each incident surface of the optical prism are d and e, respectively, and the entire optical system Depth f and upper and lower openings g of the optical prism are as follows.
[0132]
d = 0.3 e = 0.3 f = 3.3 g = 4.7
Thus, the optical prism can be configured to be extremely small with respect to the light source. In addition, the light distribution characteristic at this time is uniform, and the light beam emitted in the direction of 360 ° from the center of the light source can be narrowed to an angle range of 90 °, which is about ¼.
[0133]
Next, a third embodiment of the present invention will be described. 9 and 10 are cross-sectional views of main parts of
[0134]
Further, the relationship between the angle φ of the incident surfaces 6b and 6b ′ with respect to the
[0135]
φ = 0 ° | βmax/ Αmax| = 1.0 θbdr= 38.7 °
On the other hand, also in the present embodiment, the incident surfaces 6a and 6b are expressed by Equation (3), (4) And the respective coefficients k and h regulate each shape so as to have the following numerical values.
[0136]
k = 0.60 h = 0.45
Further, as the overall shape of the optical system, if the inner diameter and outer diameter of the flash discharge tube are φ1.3 and φ2.0, respectively, as in the first embodiment, the shortest distance between the light source and each incident surface of the
[0137]
d = 0.3 e = 0.3 f = 3.9 g = 5.7
By setting each shape of the
[0138]
Actually, since the light source has a certain finite size, the light distribution characteristic spreads over the whole according to the size of the light emitting portion of the light source.
[0139]
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described.
[0140]
11 and 12 are cross-sectional views of main parts of
[0141]
In addition, the incident surface8b, 8b 'Angle φ, the relationship between the maximum emission angle after control at each entrance plane, and the angle θ between the line segment connecting the boundary line of the entrance plane and the light source center and the exit optical axisbdrThen, this embodiment shows the state when taking the following values, respectively.
φ = 0 ° | β max / Α max | = 1.0 θ bdr = 38.6 °
[0142]
On the other hand, also in the present embodiment, the incident surfaces 8a and 8b are represented by the formula (3), (4) And each coefficient k, h regulates each shape so as to have the following numerical values.
[0143]
k = 0.15 h = 0.089
Further, as the overall shape of the optical system, if the inner diameter and outer diameter of the flash discharge tube are φ1.3 and φ2.0, respectively, as in the first embodiment, the shortest distances to the incident surfaces of the light source and the optical prism are respectively set. d, e, the depth f of the entire optical system, and g of the upper and lower openings of the optical prism are as follows.
[0144]
d = 0.3 e = 0.3 f = 4.8 g = 7.1
By setting each shape of the optical prism in this way, the light distribution characteristics are uniform, and the light beam emitted in the direction of 360 ° from the center of the light source can be narrowed to an angular range of 10 ° that is about 1/36 of that. become.
[0145]
Actually, since the light source has a certain finite size, the light distribution characteristic spreads over the whole according to the size of the light emitting portion of the light source.
[0146]
Next, a fifth embodiment of the present invention will be described. 13 and 14 are cross-sectional views of the essential parts of
[0147]
13 and FIG. 14 are the same in shape, and only the ray tracing portion shown in the figure is different. FIG. 13 shows the component incident from the
[0148]
This embodiment is a modified optical system in which uniform light distribution can be obtained by devising the shapes of the total reflection surfaces 31c and 31c ′ while providing light distribution characteristics substantially equivalent to those of the first embodiment. The rib shape provided on the entire circumference of the
[0149]
The greatest feature of this embodiment is that the components controlled by the total reflection surfaces 31c and 31c 'among the components emitted from the light source center O are from the necessary maximum angle to the minimum angle with respect to each total reflection surface. The distribution is evenly distributed over the range.
[0150]
That is, the component controlled on each of the total reflection surfaces 31c and 31c ′ is converted at a certain ratio corresponding to the emission angle from the light source center O, and from the maximum angle required on the irradiation surface. It is converted into a distribution corresponding to the minimum angle.
[0151]
First, the configuration of the optical system will be described with reference to FIG. Similarly to the first embodiment, when the shapes of the respective parts are shown by actual numerical values, d, e, f, g, α in the figure.max, ΘbdrEach takes the following values:
[0152]
d = 0.5, e = 0.5 f = 4.65 g = 7.48
αmax= 20 ° θbdr= 37.44 °
Further, the component mainly emitted from the light source center O at this time and mainly close to the emission
[0153]
The actual light distribution characteristic is widened by the size of the light source because the size of the light source is finite as described in the first embodiment, but is necessary by correcting the size of the light source based on the above values. It can be converted into a shape that provides the light distribution characteristics.
[0154]
Next, the most characteristic light distribution of total reflected light of this embodiment will be described with reference to FIG. First, the light beam that has traveled above the
[0155]
The light beam incident from the incident surface is guided to the total reflection surfaces 31c and 31c ', and the reflected light component at the rear end of the
[0156]
In particular, the conversion at this time is the maximum value γ of the component in the direction away from the emission optical axis 1Z.max, The maximum value β of the component in the direction intersecting the exit optical axismaxThe angles are related to each other below, and the shape is regulated so as to be converted at a constant rate according to the emission angle from the center of the light source, and the shape is designed so that the light distribution is uniform as a whole.
[0157]
αmax= Βmax= Γmax= 20 °
On the other hand, although not shown in the drawing, the luminous flux directed from the light source center O to the rear of the emission
[0158]
Further, in the configuration of the fifth embodiment, the light beams emitted from the light source center O are regulated so that the maximum angles coincide with each other by the respective incident surfaces and total reflection surfaces. (5) Angle regulated by the formula, or
0.8 ≦ | γmax/ Αmax| ≦ 1.2 (7)
In this range, it is possible to obtain sufficiently uniform and efficient light distribution characteristics.
[0159]
As described above, the reason why the range of the maximum value of the irradiation angle has a certain range is that the light source has a certain size as described above.
[0160]
That is, when the light source has a certain size, the overall light distribution blurs in the spreading direction, but this blur becomes larger as there is a surface that regulates the light emission direction at a position closer to the light source. That is, the component whose light distribution is controlled behind the
[0161]
On the other hand, the component reflected near the exit surface of the total reflection surfaces 31c and 31c ′, which is controlled at a position far from the light source, is a component that has a sufficiently small solid angle from the light source and hardly causes blurring. This is a part that can be efficiently converted to the required irradiation angle by regulating the shape of the total reflection surface.
[0162]
For this reason, the maximum irradiation angle of the component that tends to spread, for example, γmax, ΑmaxIs set to be narrower than the necessary irradiation angle, it is possible to perform more efficient angle conversion.
[0163]
This is represented by the following relational expression.
[0164]
γmax≦ βmax, Αmax≦ βmax
As in the first embodiment, an approximate expression of the shape obtained by following the above definition formula for the shape of each surface of the
[0165]
If the
It is represented by
[0166]
As in the first embodiment, the shape is not limited to a shape that exactly matches the approximate expression, and almost the same effect can be obtained with an approximate shape such as a combination of cylindrical surface shapes that approximate the shape. The allowable range according to the size of the light source includes an error range of about the size of the light source with respect to the overall shape of the optical system.
[0167]
In the above embodiment, the upper and lower incident surfaces 31b and 31b 'and the total reflection surfaces 31c and 31c' have a vertically symmetrical shape, but are not limited to a symmetrical shape, and may be vertically asymmetrical.
[0168]
The reason for this is that, for example, when the flash light emitting device is used by being mounted on a photographing device such as a camera, the photographing optical axis and the illumination optical axis of the illumination system are different, so that parallax occurs on the subject surface. It is necessary to tilt the irradiation optical axis of the system to a certain amount of photographing optical axis according to the distance of the subject.
[0169]
In this case, it is more effective in the above optical system to correspond to the distribution of the upper and lower irradiation ranges as asymmetrical in the vertical direction. In addition, as described above, even if the same total reflection surface is located away from the light source, the surface is located near the light source by utilizing the property that the directivity is high and the light can be efficiently controlled in a narrow range. The incident surface and the total reflection surface are configured with slightly increased light condensing properties so that the light is condensed in a predetermined amount and narrowly, so that the light distribution distribution on each surface is matched and the overall light distribution characteristics are uniform. An efficient condensing optical system that minimizes the components irradiated outside the irradiation range can be formed.
[0170]
As described above, even with the method for setting the shape of each surface of the optical prism as in the present embodiment, which is different from the concept of the first embodiment, the emitted light beam from the center of the light source can be uniformly distributed over the required irradiation range. it can. The shape of the above embodiment has the following advantages although the height g of the opening in the vertical direction and the depth f of the entire optical system are increased.
[0171]
That is, as described above, the irradiation range for each incident surface is almost constant and has a continuous surface shape, so that there is no discontinuity and it is easy to obtain uniform light distribution characteristics without unevenness. In addition, since the component toward the center of the exit optical axis, that is, the component that defines the central light amount is directed using the most stable region near the center of each incident surface and total reflection surface, the periphery of each surface Compared to directing in the center direction, the sensitivity to changes in the center light intensity is low.In other words, variations in the processing accuracy of the optical prism and variations in the positional relationship due to dimensional accuracy between the components occur. Since it is difficult, a high central light quantity can be obtained stably.
[0172]
Next, a sixth embodiment of the present invention will be described. 15 and 16 are cross-sectional views of the essential parts of
[0173]
The
[0174]
15 and FIG. 16 are the same in the shape of each component, and only the ray tracing portion shown in the figure is different. FIG. 15 is incident from the
[0175]
The present embodiment is a modified optical system that has a light distribution characteristic substantially the same as that of the first embodiment, and that has a uniform light distribution by devising the shapes of the incident surface and the total reflection surface. The rib shape provided on the entire circumference of the optical prism, the step of the light emitting portion, and the like are not shown.
[0176]
The greatest feature of the present embodiment is that, among the components emitted from the light source center O, the angle component close to the emission
[0177]
In particular, among the components irradiated vertically from the light source center O to the irradiation
[0178]
And by comprising in this way, the light beam which injected from the said several entrance plane is synthesize | combined, and it will irradiate uniformly with respect to a required irradiation range, and is substantially equivalent to Embodiment 1 and
[0179]
First, the configuration of the optical system will be described with reference to FIG. Similarly to the first embodiment, when the shapes of the respective parts are shown by actual numerical values, d, e, f, g, α in the figure.max, θbdrEach takes the following values:
[0180]
d = 0.5, e = 0.5, f = 0.05, g = 7.87
αmax= 10 ° θbdr= 34.65 °
In addition, for the component mainly emitted from the light source center at this time and mainly close to the emission
[0181]
The actual light distribution characteristic is widened by the size of the light source because the size of the light source is finite as described in the first embodiment, but is necessary by correcting the size of the light source based on the above values. It can be converted into a shape that provides the light distribution characteristics.
[0182]
Next, the most characteristic light distribution of total reflected light of this embodiment will be described with reference to FIG. First, the light beam traveling in the up and down direction of the light source is incident through the incident surfaces 41b and 41b ′ configured by a 1 ° plane as in the first embodiment.
[0183]
The light beam incident from this incident surface is guided to the total reflection surfaces 41c and 41c ', and the reflected light component at the rear end of the
[0184]
However, the irradiation angle range is different. That is, the conversion at this time is the minimum value γ of the component in the direction away from the emission optical axis.min, Maximum value γmaxAnd the minimum value β of the component in the direction intersecting the exit optical axismin, Maximum value βmaxThese are as shown in the figure. In the fifth embodiment, the component toward the vicinity of the center of the optical axis is missing.
[0185]
Each parameter in the figure actually employed in the present embodiment is a numerical value set as follows.
[0186]
αmax= Βmin= Γmin= 10 °, βmax= Γmax= 20 °
Further, since the divided components are regulated in a shape that is converted at a certain ratio according to the emission angle from the light source center O on each surface, the light beam emitted from the light source center O is As a whole, superposition is performed at the central portion and the peripheral portion, and uniform light distribution can be controlled over the entire irradiation range.
[0187]
On the other hand, although not shown in the drawing, the luminous flux directed from the light source center O to the rear of the emission
[0188]
Further, in the configuration of the sixth embodiment, the light beam emitted from the light source center O is controlled according to the respective incident surfaces, and is matched with the boundary line, that is, the angle component of 10 ° from the optical axis in the drawing. However, it is not always necessary to regulate to match at this angle, and each irradiation distribution is considered considering that the light distributions of both are partially overlapped or that the light source has a finite size. For convenience, the angle may be set so that unevenness in light distribution does not occur due to the setting being narrow and overlapping.
[0189]
It is desirable to set the amount of superposition that actually functions effectively to the extent specified below.
[0190]
0.8 ≦ | βmin/ Αmax| ≦ 1.2...... (8)
0.8 ≦ | γmin/ Αmax| ≦ 1.2...... (9)
As described above, even with the method for setting the shape of each surface of the optical prism as in the present embodiment, which is different from the concept of the first embodiment, the emitted light beam from the center of the light source can be uniformly distributed over the required irradiation range. it can.
[0191]
The shape of the above embodiment has the following advantages although the height g of the opening in the vertical direction and the depth f of the entire optical system are further increased in size. That is, as described above, the irradiation range for each incident surface can be set to an arbitrary angle range, so that the light distribution on the irradiation surface can be converted into an arbitrary distribution, for example, only the central light amount is increased. It is possible to obtain arbitrary light distribution characteristics on the irradiated surface, such as making the surrounding light distribution intentionally bright, and its application range is wide.
[0192]
In each of the above-described embodiments, the example in which the control of the light distribution characteristics on the total reflection surface is configured with the two upper and lower total reflection surfaces sandwiching the irradiation
[0193]
For example, in order to increase the component in the vicinity of the irradiation optical axis, the total reflection surface may be divided into three, and a part of the total reflection light may be directed toward the center of the emission optical axis. By doing so, for example, when only the central light quantity is insufficient, the light collecting property can be increased only at this point without greatly changing the overall light distribution, and this is particularly effective in correcting the necessary light distribution characteristics.
[0194]
On the other hand, the component controlled by this total reflection is composed of only one of the direction away from the emission optical axis or the direction intersecting the emission optical axis, and is necessary for the synthesis with the component toward the vicinity of the emission optical axis. You may comprise so that an irradiation angle range may be covered.
[0195]
With this configuration, the height of the opening can be reduced, and the overall shape of the optical system can be further reduced.
[0196]
In each of the above-described embodiments, the shape of each incident surface and total reflection surface is set so that the emission angle from the optical prism is proportional to the angle θ emitted from the center of the light source. It is not limited to the surface shape to be converted.
[0197]
For example, light loss occurs when the prism surface enters and exits due to surface reflection that occurs when the light is incident on the prism surface. When the object to be irradiated is a flat surface, the peripheral part is far from the center of the light source, so the light quantity is insufficient with respect to the central part. Each surface shape may be set so that optical characteristics can be obtained.
[0198]
Further, in each of the above embodiments, the optical resin material, particularly acrylic resin, has been described as the material of the prism, but the material of the prism is not limited to this material, and the transmittance of glass or the like. A material having a high density or a material in which a liquid having a high transmittance is sealed may be used, and the present invention is not limited to the above materials.
[0199]
【The invention's effect】
According to the present invention, the illumination device previously proposed by the applicant is further improved, and the overall shape of the illumination optical system of the photographing apparatus is extremely reduced, while the light distribution characteristics of the necessary irradiation range at that time are reduced. It is possible to achieve an illuminating device that can be kept uniform, and that can increase the effective energy irradiated within the angle of view, and an imaging device using the same, without deteriorating optical characteristics.
[0200]
In addition, according to the present invention, it is extremely small, thin, and lightweight as compared with the conventional illumination optical system, and the energy from the light source is utilized with high efficiency, and the uniform light distribution characteristic on the irradiation surface. It is possible to achieve an illumination device suitable for a still camera, a video camera, and the like capable of illuminating the image and a photographing device using the illumination device.
[0201]
In addition, according to the present invention, since the condensing control of the illumination optical system is performed in the optical prism, the illumination optical system having a desired light distribution characteristic can be extremely miniaturized, and the necessary irradiation range at that time It is easy to keep the light distribution characteristic for the same.
[0202]
In addition, since the light is condensed in the optical prism using total reflection, the energy use efficiency for the same light source is high, and even if it is compact, the optical characteristics are not deteriorated, but it is effectively irradiated within the angle of view. Energy can be increased.
[0203]
Furthermore, by optimizing each incident surface and total reflection surface of the optical prism by the method of the present invention, an illumination device capable of freely controlling the illuminance distribution within the required angle of view, and photographing using the same An apparatus can be achieved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a longitudinal sectional view in the radial direction of a flash discharge tube of a flash light emitting device showing a light distribution according to Embodiment 1 of the present invention.
FIG. 2 is a longitudinal cross-sectional view in the flash discharge tube radial direction of the flash light emitting device showing another light distribution according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a perspective view of a camera to which the flash light emitting device according to the first embodiment of the invention is applied.
FIG. 4 is a perspective view of the flash light emitting device according to the first embodiment of the present invention as viewed from the front.
FIG. 5 is an exploded perspective view of the flash light emitting device according to the first embodiment of the present invention as viewed from the front.
FIG. 6 is an exploded perspective view of the flash light emitting device according to the first embodiment of the present invention as viewed from the back side.
FIG. 7 is a longitudinal sectional view in the radial direction of the flash discharge tube of the flash light emitting device showing the light distribution according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a longitudinal sectional view in the radial direction of the flash discharge tube of a flash light emitting device showing another light distribution according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a longitudinal sectional view in the radial direction of the flash discharge tube of the flash light emitting device showing the light distribution according to the third embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a longitudinal sectional view in the radial direction of the flash discharge tube of a flash light emitting device showing another light distribution according to the third embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a longitudinal sectional view of the flash discharge tube radial direction of the flash light emitting device showing the light distribution according to the fourth embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a longitudinal sectional view in the radial direction of the flash discharge tube of the flash light emitting device showing another light distribution according to the fourth embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a longitudinal sectional view in the radial direction of the flash discharge tube of the flash light emitting device showing the light distribution according to the fifth embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a longitudinal sectional view in the radial direction of the flash discharge tube of a flash light emitting device showing another light distribution according to the fifth embodiment of the present invention.
FIG. 15 is a longitudinal sectional view in the radial direction of the flash discharge tube of the flash light emitting device showing the light distribution according to the sixth embodiment of the present invention.
FIG. 16 is a longitudinal sectional view in the radial direction of the flash discharge tube of a flash light emitting device showing another light distribution according to the sixth embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1, 4, 6, 8, 11, 31, 41 Optical prism
2, 12, 32, 42 Flash discharge tube (light source means)
3, 5, 7, 9, 33, 43 ......... Reflective umbrella
21 Release button
22 Camera mode selector switch
23 LCD display window
24 Photometry device viewing window
25 Viewfinder viewing window
26 Cartridge loading lid
27 Lens barrel
28 Camera body
Claims (11)
0.8≦|βmax/αmax|≦1.2
の関係を満たすような形状で構成したことを特徴とする照明装置。In an illuminating device having a light source means and an optical prism for irradiating a light beam from the light source means in an irradiation direction, the optical prism emits a light beam emitted in the vicinity of an emission optical axis out of the light beams from the light source means A first incident surface on which the light is incident, an exit surface on which the light beam from the first incident surface is directly incident, and a part of the light beam from the light source means that is emitted at a larger angle than the vicinity of the emission optical axis. A second incident surface for incidence, and a total reflection surface for inclining a light beam from the second incident surface to be emitted from the emission surface, each of these surfaces being emitted from the light source center of the light source means. The maximum emission controlled by the first incident surface while having a certain correlation between the angle formed by the light beam with respect to the emission optical axis and the emission angle with respect to the emission optical axis after passing through the emission surface angle component alpha max and control of the second incident plane and the total reflection surface Β max / α max | | 0.8 ≦ between the maximum exit angle component beta max was ≦ 1.2
The lighting device is characterized by being configured in a shape that satisfies the above relationship.
0.8≦|βmin/αmax|≦1.2
0.8≦|γmin/αmax|≦1.2
の関係が成立するような形状で構成したことを特徴とする照明装置。In an illuminating device having a light source means and an optical prism for irradiating a light beam from the light source means in an irradiation direction, the optical prism emits a light beam emitted in the vicinity of an emission optical axis out of the light beams from the light source means A first incident surface on which the light is incident, an exit surface on which the light beam from the first incident surface is directly incident, and a part of the light beam from the light source means that is emitted at a larger angle than the vicinity of the emission optical axis. A second incident surface for incidence, and a total reflection surface for inclining a light beam from the second incident surface to be emitted from the emission surface, each of these surfaces being emitted from the light source center of the light source means. There is a certain correlation between the angle formed by the light beam with respect to the exit optical axis and the exit angle with respect to the exit optical axis after passing through the optical prism, and the light beam from the first incident surface is placed near the exit optical axis. Light flux incident from the second incident surface corresponding to the component Together to correspond to the peripheral portion of the required irradiation range, component intersecting the exit optical axis of the maximum exit angle component alpha max and the minimum emission angle component that is controlled by the second incidence surface and the total reflection surface which is controlled by the first incidence plane Between β min and the component γ min in the opposite direction, 0.8 ≦ | β min / α max | ≦ 1.2
0.8 ≦ | γ min / α max | ≦ 1.2
A lighting device characterized by having a shape that satisfies the above relationship.
β=h・(θ−90°)
の関係にあることを特徴とする請求項1又は2の照明装置。The shape of the first incident surface is such that the angle between the light beam from the light source means and the exit optical axis when incident on the first incident surface is θ, the exit angle exiting from the exit surface is α, and the required illumination angle When the proportionality constant k is set, α = k · θ and the shapes of the second incident surface and the total reflection surface are the angle θ formed by the light beam from the light source means and the exit optical axis when incident on the second incident surface, If the injection angle emitted from the emission surface is β and the proportional constant h according to the required irradiation angle,
β = h · (θ−90 °)
The lighting device according to claim 1 or 2 , wherein
α=k・θ
及び前記第二入射面及び全反射面の形状は該光源手段からの光束が該第2入射面に入射時の該射出光軸となす角度θ、射出面から射出する射出角度をβ,第一入射面と第二入射面の境界と光源中心とを結ぶ角度をθbdr、必要照射角に応じた比例定数hとすると、
β=h・{θ−(45°+θbdr/2)}
の関係にあることを特徴とする請求項1、2又は3の照明装置。The shape of the first incident surface is such that the angle between the light beam from the light source means and the exit optical axis when incident on the first incident surface is θ, the exit angle exiting from the exit surface is α, and the required illumination angle If the proportionality constant k is
α = k ・ θ
The shapes of the second incident surface and the total reflection surface are defined as an angle θ formed by the light beam from the light source means and the exit optical axis when incident on the second incident surface, and an exit angle emitted from the exit surface by β, Assuming that the angle connecting the boundary between the incident surface and the second incident surface and the light source center is θ bdr , and a proportional constant h corresponding to the required irradiation angle,
β = h · {θ− (45 ° + θ bdr / 2)}
The lighting device according to claim 1, 2, or 3 .
25°≦θbdr≦45°
の範囲にあること特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項の照明装置。The inclination θ bdr with respect to the emission optical axis of the line segment connecting the boundary line between the first incident surface and the second incident surface of the optical prism and the light source center,
25 ° ≦ θ bdr ≦ 45 °
The illumination device according to any one of claims 1 to 5 , wherein the illumination device is in the range.
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