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JP6635111B2 - Lighting optical unit and lighting device - Google Patents
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Description

本発明は、複数の光源から放射される光を被照明物体に照射するための照明用光学ユニット及び当該照明用光学ユニットを組み込んだ照明装置に関する。  The present invention relates to an illumination optical unit for irradiating an object to be illuminated with light emitted from a plurality of light sources, and an illumination device incorporating the illumination optical unit.

近年、エネルギー問題の高まりの中で省エネルギーかつ長寿命である発光ダイオード(LED)を光源として用いたLED照明装置が注目され、実際に利用されている。一般に、LEDは指向性が強いため、例えば看板照明や液晶のバックライト等に使用される場合、照射範囲を拡大する目的でレンズや拡散板等が用いられる。より強く、より広範囲を照射したい場合においては、複数のLEDチップが配置された基板と、それぞれのLEDからの放射光を集光、コリメート、または拡散するレンズとを用いる手法がとられている。このような光源を使用する場合、複数のLEDチップのうち特定のLEDチップを消灯することにより、特定の方向に光を照らさなかったり、あるいは特定のLEDチップを点灯することにより文字や形等を模って光を照らしたりすることもできる。ここで、一般に、光源から放射される光を、光学手段によって集光、またはコリメートした場合、照射面における光強度分布は光源の形がそのまま像として投射される。つまり複数の光源を使用する場合、それらが高密度に配列されていたとしても、物理的制約のため光源と光源との隙間を完全に無くすのは難しく、例えば矩形の光源を高密度に配列した場合、照射面上の光強度分布にはグリッド状の強弱が発生してしまう。このような現象は照明装置としては回避すべき問題である。  2. Description of the Related Art In recent years, an LED lighting device using a light-emitting diode (LED) that is energy-saving and has a long life as a light source has attracted attention and has been actually used in response to an increasing energy problem. In general, since LEDs have strong directivity, when they are used for, for example, signboard lighting or liquid crystal backlights, lenses, diffusers, and the like are used for the purpose of expanding the irradiation range. When it is desired to irradiate a stronger and wider area, a method using a substrate on which a plurality of LED chips are arranged and a lens for condensing, collimating, or diffusing light emitted from each LED has been adopted. When using such a light source, by turning off a specific LED chip among a plurality of LED chips, light is not illuminated in a specific direction, or characters or shapes are formed by turning on a specific LED chip. You can also imitate light. Here, in general, when light emitted from a light source is condensed or collimated by optical means, the light intensity distribution on the irradiation surface is projected as an image in the form of the light source as it is. In other words, when using multiple light sources, it is difficult to completely eliminate the gap between the light sources due to physical restrictions, even if they are arranged at high density. For example, rectangular light sources are arranged at high density. In this case, the light intensity distribution on the irradiation surface has grid-like intensities. Such a phenomenon is a problem to be avoided as a lighting device.

特許文献1には、面形状(アレイ状)に高密度に配列された複数の光源から放射される照明光を、光学手段を用いて面形状被照明物体に照明する照明装置が開示されている。上記特許文献1では、光源を光学手段のベストフォーカス位置ではなく、ベストフォーカス位置から少し遠ざけた位置に設定し(デフォーカスし)、あえて光源の像をピンボケさせることにより、隣接する光源の強度分布を重ね合わせて照射強度分布の均一化を図っている。  Patent Literature 1 discloses an illumination device that illuminates illumination light emitted from a plurality of light sources arranged at high density in a planar shape (array) onto a planar-shaped illuminated object using an optical unit. . In Patent Document 1, the light source is set not at the best focus position of the optical means but at a position slightly deviated from the best focus position (defocused), and the image of the light source is deliberately defocused, so that the intensity distribution of the adjacent light source is adjusted. Are superimposed to make the irradiation intensity distribution uniform.

しかしながら、特許文献1のようなデフォーカスによる手法は、個々の光源から放射される光の照射面上での強度を落として照射範囲を広げるということであるため、照射面においては複数光源の重ね合わせにより、ある程度の照射強度を得ることはできる。しかしながら、デフォーカスによる手法を前提として、特定の領域を照らさない、または文字や形を模る(かたどる)といった照明法を実現する場合、このような手法では明暗の境界があいまいになってしまうおそれがある。さらに、デフォーカスによる手法は、光源と光学手段との組み立て誤差、振動等による外乱に対する感度が高く、光軸方向にずれが生じた際の光学特性(以下、デフォーカス特性)が簡単に悪くなってしまうおそれがある。また、光学手段にプラスチックレンズ等を用いた場合は、光源の発熱等による温度変化によって焦点距離等の光学仕様に変化が生じ、結果として照射強度分布の均一性が失われるおそれもある。特にLEDが高密度でアレイ状に並んでいて高い光量を要求される分野(例えば、車載用照明装置等)においてはこの問題が非常に顕著なものとなる。  However, since the technique based on defocusing as in Patent Literature 1 is to reduce the intensity of light emitted from each light source on the irradiation surface to expand the irradiation range, a plurality of light sources are overlapped on the irradiation surface. By the combination, a certain irradiation intensity can be obtained. However, when an illumination method that does not illuminate a specific area or imitates (or simulates) a character or shape is realized on the premise of a defocus method, such a method may blur the boundary between light and dark. There is. Further, the defocusing method has high sensitivity to disturbances due to assembly errors between the light source and the optical means, vibrations, and the like, and easily deteriorates optical characteristics (hereinafter, defocus characteristics) when there is a shift in the optical axis direction. There is a risk that it will. Further, when a plastic lens or the like is used as the optical unit, optical specifications such as a focal length change due to a temperature change due to heat generation of the light source, and as a result, the uniformity of the irradiation intensity distribution may be lost. In particular, in a field where LEDs are arranged in a high-density array and a high light amount is required (for example, a vehicle-mounted lighting device, etc.), this problem becomes very remarkable.

特開2002−268001号公報JP 2002-268001 A

本発明は、上記背景技術に鑑みてなされたものであり、高密度に配列された複数の光源からの放射光を、照射面上に均一かつ高い強度で投射でき、デフォーカス特性に優れた照明用光学ユニットを提供することを目的とする。  The present invention has been made in view of the above background art, and is capable of projecting radiated light from a plurality of light sources arranged at high density onto an irradiation surface with uniform and high intensity and having excellent defocusing characteristics. It is an object to provide an optical unit for use.

また、本発明は、上記照明用光学ユニットを組み込んだ照明装置を提供することを目的とする。  Another object of the present invention is to provide a lighting device incorporating the above-mentioned lighting optical unit.

上記目的を達成するため、本発明に係る照明用光学ユニットは、光軸方向に配列された複数のレンズを有し、光軸に垂直な方向に配置された複数の光源からの入射光を照明用の出射光に変換する照明用光学系と、照明用光学系を保持する鏡胴と、を備え、照明用光学系は、出射側から光源側に向かって平行光を通したときに、レンズ開口部の中心領域、中間領域、及び周辺領域を通過する光の集光位置α(mm)、β(mm)、及びγ(mm)が、以下の条件式を満足する。
|γ−α|>0.5 … (1)
|(α+γ)/2−β|<|(γ−α)/3| … (2)
ただし、レンズ開口部の中心領域とは光軸から径方向に10%以下の領域であり、中間領域とは光軸から径方向に45%以上55%以下の領域であり、周辺領域とは光軸から径方向の90%以上の領域である。ここで、光源からの入射光を照明用の出射光に変換するとは、光の進む方向を変えるもの、例えば、集光、コリメート、または発散光とすることを意味する。また、レンズ開口部とは、鏡胴の出射側の開口部であり、照明用光学系の最も出射側のレンズの有効径に対応する。中心領域、中間領域、及び周辺領域は、例えばレンズ開口部の外形を円形で近似した形状を有する。レンズ開口部の外形が円形でない場合、各領域の形状は、外形の外接円としてもよい。また、これらの領域は、光軸に垂直な方向の高さ位置で考えて規定しており、集光位置α、β、及びγは、各領域の面積比に応じて平均をとったものとなる。
In order to achieve the above object, an illumination optical unit according to the present invention has a plurality of lenses arranged in an optical axis direction, and illuminates incident light from a plurality of light sources arranged in a direction perpendicular to the optical axis. An illumination optical system that converts the light into emission light for illumination, and a lens barrel that holds the illumination optical system. The illumination optical system has a lens when parallel light passes from the emission side toward the light source side. The light condensing positions α (mm), β (mm), and γ (mm) of the light passing through the central region, the intermediate region, and the peripheral region of the opening satisfy the following conditional expressions.
| Γ-α |> 0.5 (1)
| (Α + γ) / 2−β | <| (γ−α) / 3 | (2)
However, the central region of the lens opening is a region of 10% or less in the radial direction from the optical axis, the intermediate region is a region of 45% or more and 55% or less in the radial direction from the optical axis, and the peripheral region is light. This area is 90% or more in the radial direction from the axis. Here, converting incident light from a light source into outgoing light for illumination means changing the traveling direction of light, for example, condensing, collimating, or diverging light. The lens opening is an opening on the emission side of the lens barrel, and corresponds to the effective diameter of the lens on the most emission side of the illumination optical system. The central region, the intermediate region, and the peripheral region have, for example, a shape in which the outer shape of the lens opening is approximated by a circle. When the outer shape of the lens opening is not circular, the shape of each region may be a circumscribed circle of the outer shape. In addition, these regions are defined by considering height positions in the direction perpendicular to the optical axis, and the light condensing positions α, β, and γ are averaged according to the area ratio of each region. Become.

上記照明用光学ユニットは、上記条件式(1)及び(2)を満たす照明用光学系を有することにより、球面収差を意図的に発生させる。これにより、照明光の無駄な発散を抑えて照射強度を確保しつつ強度分布を均一化できる準フォーカス範囲(照明強度維持と後述する暗線抑制とのバランスが丁度よい範囲であり、その光学系のベストフォーカス時を含む)を広くすることができる。そのため、光源と光学手段である照明用光学ユニット等との組み立て誤差や温度等の外乱の影響に対して強くなる。また、個々の光源からの放射光の照射面上での強度が確保できるため、特定の領域を照らさない場合、あるいは文字や形を模る場合において、明領域内に光源間の隙間に対応する暗線が生じるのを防ぎつつ明領域外縁において明暗の境界を明確にすることができる。  The illumination optical unit intentionally generates spherical aberration by having an illumination optical system that satisfies the conditional expressions (1) and (2). Thereby, a quasi-focus range in which the intensity distribution can be made uniform while suppressing the unnecessary divergence of the illumination light and ensuring the irradiation intensity (the balance between the maintenance of the illumination intensity and the suppression of the dark line described below is just a good range. (Including the best focus). Therefore, the light source and the illumination optical unit or the like, which is an optical unit, are more resistant to assembly errors and the influence of disturbance such as temperature. In addition, since the intensity of the radiated light from each light source on the irradiation surface can be secured, when not illuminating a specific area, or when simulating a character or a shape, it corresponds to the gap between the light sources in the bright area The boundary between light and dark can be clarified at the outer edge of the light area while preventing the occurrence of dark lines.

本発明に係る照明装置は、上述の照明用光学ユニットと、複数の光源を有するアレイ光源と、を備える。  A lighting device according to the present invention includes the above-described lighting optical unit and an array light source having a plurality of light sources.

上記照明装置は、上述のような照明用光学ユニットを組み込むことで、照射強度を確保しつつ強度分布を均一化できる準フォーカス範囲が広くなる。そのため、光源と光学手段である照明用光学ユニット等との組み立て誤差や温度等の外乱の影響に対して強くなる。また、個々の光源からの放射光の照射面上での強度が確保できるため、特定の領域を照らさない場合、あるいは文字や形を模る場合において、明領域内に暗線が生じるのを防ぎつつ明領域外縁において明暗の境界を明確にすることができる。  By incorporating the above-mentioned illumination optical unit in the above-described illumination device, the quasi-focus range in which the intensity distribution can be made uniform while the illumination intensity is secured is widened. Therefore, the light source and the illumination optical unit or the like, which is an optical unit, are more resistant to assembly errors and the influence of disturbance such as temperature. In addition, since the intensity of the radiated light from each light source on the irradiation surface can be ensured, when a specific area is not illuminated, or when simulating a character or a shape, a dark line is prevented from occurring in a bright area. The boundary between light and dark can be defined at the outer edge of the light area.

図1Aは、第1実施形態の照明用光学ユニットを備える照明装置等を説明する概念図であり、図1Bは、照明装置のうちアレイ光源の平面図である。FIG. 1A is a conceptual diagram illustrating an illumination device and the like including the illumination optical unit according to the first embodiment, and FIG. 1B is a plan view of an array light source in the illumination device. 図2A及び2Bは、照明用光学アレイが満たす条件式を説明する図である。2A and 2B are diagrams illustrating conditional expressions satisfied by the illumination optical array. 図3Aは、実施例1の照明装置のうち照明用光学ユニット等を示す断面図であり、図3B及び3Cは、図3Aの照明用光学ユニットの球面収差及び非点収差を示す図である。3A is a cross-sectional view illustrating an illumination optical unit and the like in the illumination device according to the first embodiment, and FIGS. 3B and 3C are diagrams illustrating spherical aberration and astigmatism of the illumination optical unit in FIG. 3A. 図4Aは、実施例2の照明装置のうち照明用光学ユニット等を示す断面図であり、図4B及び4Cは、図4Aの照明用光学ユニットの球面収差及び非点収差を示す図である。4A is a cross-sectional view illustrating an illumination optical unit and the like in the illumination device according to the second embodiment, and FIGS. 4B and 4C are diagrams illustrating spherical aberration and astigmatism of the illumination optical unit in FIG. 4A. 図5Aは、実施例3の照明装置のうち照明用光学ユニット等を示す断面図であり、図5B及び5Cは、図5Aの照明用光学ユニットの球面収差及び非点収差を示す図である。5A is a cross-sectional view illustrating an illumination optical unit and the like in the illumination device according to the third embodiment, and FIGS. 5B and 5C are diagrams illustrating spherical aberration and astigmatism of the illumination optical unit in FIG. 5A. 図6Aは、比較例1の照明装置のうち照明用光学ユニット等を示す断面図であり、図6B及び6Cは、図6Aの照明用光学ユニットの球面収差及び非点収差を示す図である。6A is a cross-sectional view illustrating an illumination optical unit and the like in the illumination device of Comparative Example 1, and FIGS. 6B and 6C are diagrams illustrating spherical aberration and astigmatism of the illumination optical unit of FIG. 6A. 図7A及び7Bは、実施例の照明装置に関するシミュレーション結果を示す図である。7A and 7B are diagrams illustrating simulation results of the lighting device according to the example. 図8A及び8Bは、比較例の照明装置に関するシミュレーション結果を示す図である。8A and 8B are diagrams illustrating simulation results of the lighting device of the comparative example. 第2実施形態の照明装置のうちアレイ光源を説明する平面図である。It is a top view explaining an array light source among the lighting devices of a 2nd embodiment. 図10Aは、第2実施形態における実施例の照明装置に関するシミュレーション結果を示す図であり、図10B〜10Dは、比較例の照明装置に関するシミュレーション結果を示す図である。FIG. 10A is a diagram illustrating a simulation result of the lighting device of the example in the second embodiment, and FIGS. 10B to 10D are diagrams illustrating a simulation result of the lighting device of the comparative example.

〔第1実施形態〕
以下、図1A等を参照して、本発明の第1実施形態である照明用光学ユニット及び照明装置について説明する。なお、図1Aで例示した照明用光学ユニット10は、後述する実施例1の照明用光学ユニット10Aと同一の構成となっている。
[First Embodiment]
Hereinafter, an illumination optical unit and an illumination device according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 1A and the like. Note that the illumination optical unit 10 illustrated in FIG. 1A has the same configuration as an illumination optical unit 10A according to a first embodiment described later.

図1A及び1Bに示すように、照明装置100は、アレイ状に配列された複数の光源から放出される光を、後述する照明用光学ユニット10を用いて被照明物体SBに照射するものである。照明装置100は、照明用光学ユニット10と、アレイ光源20と、制御装置30とを備える。照明装置100の用途としては、例えば映像装置、顕微鏡照明装置等が挙げられる。ここで、映像装置は、室内照明装置、建築物照明装置、車載用照明装置、拡大投影装置その他であって、照明や投影を可能にするものを意味する。  As shown in FIGS. 1A and 1B, the illumination device 100 irradiates light emitted from a plurality of light sources arranged in an array to an illuminated object SB by using an illumination optical unit 10 described later. . The illumination device 100 includes an illumination optical unit 10, an array light source 20, and a control device 30. The application of the illumination device 100 includes, for example, a video device, a microscope illumination device, and the like. Here, the image device means an indoor lighting device, a building lighting device, an in-vehicle lighting device, a magnifying projection device, or the like, which enables illumination and projection.

照明用光学ユニット10は、照明用光学系11と、鏡胴12とを備える。照明用光学ユニット10は、明るさに関する前提として、以下の条件式(4)を満足する。
Fno<1.0 … (4)
ただし、Fnoは照明用光学系11のFナンバーである。これにより、照明用光学ユニット10の取り込み光量が多くなり、光利用効率が高くなる。
The illumination optical unit 10 includes an illumination optical system 11 and a lens barrel 12. The illumination optical unit 10 satisfies the following conditional expression (4) as a premise regarding brightness.
Fno <1.0 (4)
Here, Fno is the F number of the illumination optical system 11. Thereby, the amount of light taken in by the illumination optical unit 10 increases, and the light use efficiency increases.

照明用光学系11は、アレイ光源20からの入射光を照明用の出射光に変換するものであり、光軸OA方向に配列された複数のレンズL1〜Ln(nは自然数)で構成される。ここで、アレイ光源20(光源)からの入射光を照明用の出射光に変換するとは、光の進む方向を変えるもの、例えば、集光、コリメート、または発散光とすることを意味する。照明用光学系11は、3枚〜5枚のレンズで構成されることが好ましい。照明用光学系11のうち少なくとも1枚のレンズは負の屈折力を有している。また、最も出射側のレンズ(図1Aでは第1レンズL1)と最も光源側のレンズ(図1Aでは第5レンズL5)とは正の屈折力をそれぞれ有している。これにより、照明用光学ユニット10は、色収差を抑えつつ、小さく明るいFナンバーとすることができるため、色むらが小さく、高い光利用効率を実現できる。最も光源側のレンズ(図1Aでは第5レンズL5)は出射側において曲率が比較的大きい面を有することが好ましい。これにより、アレイ光源20からの光をできるだけ多く確保することができる。また、照明用光学系11は、少なくとも1枚のプラスチック又は樹脂製の非球面レンズを含む。これにより、照明用光学ユニット10の低コスト化及び軽量化を図ることができる。プラスチックとしては、例えばアクリルやポリカーボネート等の高耐熱性を有する材料であることが好ましい。  The illumination optical system 11 converts incident light from the array light source 20 into emission light for illumination, and includes a plurality of lenses L1 to Ln (n is a natural number) arranged in the direction of the optical axis OA. . Here, converting incident light from the array light source 20 (light source) into outgoing light for illumination means changing the traveling direction of light, for example, condensing, collimating, or diverging light. It is preferable that the illumination optical system 11 includes three to five lenses. At least one lens of the illumination optical system 11 has a negative refractive power. The lens on the most exit side (first lens L1 in FIG. 1A) and the lens on the light source side (fifth lens L5 in FIG. 1A) each have a positive refractive power. Thus, the illumination optical unit 10 can have a small and bright F-number while suppressing chromatic aberration, so that color unevenness is small and high light use efficiency can be realized. It is preferable that the lens closest to the light source (the fifth lens L5 in FIG. 1A) has a surface with a relatively large curvature on the exit side. Thereby, the light from the array light source 20 can be secured as much as possible. The illumination optical system 11 includes at least one plastic or resin aspheric lens. Thereby, cost reduction and weight reduction of the illumination optical unit 10 can be achieved. As the plastic, for example, a material having high heat resistance such as acrylic or polycarbonate is preferable.

また、照明用光学系11は、複数あるレンズのうち、負の屈折力を有するレンズが1枚だけであることが好ましい。この場合、照明用光学系11は、色収差を抑えつつ、小さく明るいFナンバーを達成する観点で、以下の条件式(3)を満足する。
Pr>Pf … (3)
ただし、Prは負レンズ(図1Aでは第3レンズL3)より出射側に配置されるレンズの合成屈折力であり、Pfは負レンズより光源側に配置されるレンズの合成屈折力である。
It is preferable that the illumination optical system 11 has only one lens having a negative refractive power among a plurality of lenses. In this case, the illumination optical system 11 satisfies the following conditional expression (3) from the viewpoint of achieving a small and bright F-number while suppressing chromatic aberration.
Pr> Pf (3)
Here, Pr is the combined refractive power of the lens disposed on the emission side of the negative lens (the third lens L3 in FIG. 1A), and Pf is the combined refractive power of the lens disposed on the light source side of the negative lens.

照明用光学系11は、出射側から光源22側に向かって平行光(光軸OAに平行な光)を通したときに、レンズ開口部13aの中心領域AR1、中間領域AR2、及び周辺領域AR3をそれぞれ通過する光の集光位置α(mm)、β(mm)、及びγ(mm)が、以下の条件式(1)及び(2)を満足する。
|γ−α|>0.5 … (1)
|(α+γ)/2−β|<|(γ−α)/3| … (2)
ただし、図2A及び2Bに示すように、レンズ開口部13aの中心領域AR1とは光軸OAから径方向に距離的に10%以下の領域であり、中間領域AR2とは光軸OAから径方向に距離的に45%以上55%以下の領域であり、周辺領域AR3とは光軸OAから径方向の距離的として90%以上の領域である。これらの集光位置α、β、及びγは、光軸OA上の任意の位置を共通の基準点としている。レンズ開口部13aとは、鏡胴12の出射側の開口部であり、照明用光学系11の最も出射側のレンズ(第1レンズL1)の有効径に対応する。中心領域AR1、中間領域AR2、及び周辺領域AR3は、例えばレンズ開口部13aの外形が円である場合は円形の輪郭を有し、多角形その他の円でない場合はレンズ開口部13aの外形を円形で近似した形状を有する。また、これらの領域AR1,AR2,AR3の大きさは、円形の輪郭を与える半径の値、つまり光軸に垂直な高さ位置で考えて規定しており、第1レンズL1の有効径の範囲内であれば、100%以下の領域となる。さらに、集光位置α、β、及びγは、各領域AR1,AR2,AR3を構成する輪帯状領域の面積比に応じて平均をとったものとなる。
When passing parallel light (light parallel to the optical axis OA) from the emission side to the light source 22 side, the illumination optical system 11 transmits the central area AR1, the intermediate area AR2, and the peripheral area AR3 of the lens opening 13a. The light condensing positions α (mm), β (mm), and γ (mm) of the light passing through each satisfy the following conditional expressions (1) and (2).
| Γ-α |> 0.5 (1)
| (Α + γ) / 2−β | <| (γ−α) / 3 | (2)
However, as shown in FIGS. 2A and 2B, the central area AR1 of the lens opening 13a is an area that is 10% or less in the radial direction from the optical axis OA, and the intermediate area AR2 is the radial direction from the optical axis OA. The peripheral area AR3 is an area that is 90% or more in the radial direction from the optical axis OA. These light condensing positions α, β, and γ use an arbitrary position on the optical axis OA as a common reference point. The lens opening 13a is an opening on the emission side of the lens barrel 12, and corresponds to the effective diameter of the lens (first lens L1) on the most emission side of the illumination optical system 11. The central area AR1, the intermediate area AR2, and the peripheral area AR3 have, for example, a circular outline when the outer shape of the lens opening 13a is a circle, and a circular outer shape when the outer shape of the lens opening 13a is not a polygon or any other circle. Has a shape similar to Further, the size of these areas AR1, AR2, AR3 is defined by considering the value of the radius giving a circular contour, that is, the height position perpendicular to the optical axis, and the range of the effective diameter of the first lens L1. Within the range, the area is 100% or less. Furthermore, the light condensing positions α, β, and γ are obtained by averaging the areas AR1, AR2, and AR3 in accordance with the area ratio of the annular zones.

照明用光学系11は、上記条件式(1)及び(2)を満たすことにより、球面収差を意図的に発生させている。これにより、照明光の無駄な発散を抑えて照射強度を確保しつつ強度分布を均一化できる準フォーカス範囲(照明強度維持と後述する暗線抑制とのバランスが丁度よい範囲であり、その光学系のベストフォーカス時を含む)を広くすることができる。そのため、光源22と光学手段である照明用光学ユニット10等との組み立て誤差や温度等の外乱の影響に強くなる。また、個々の光源22からの放射光の照射面(具体的には被照明物体SB)上での強度が確保できるため、特定の領域を照らさない場合、あるいは文字や形を模る場合において、暗線が生じるのを防ぎつつ明暗の境界を明確にすることができる。  The illumination optical system 11 intentionally generates spherical aberration by satisfying the conditional expressions (1) and (2). Thereby, a quasi-focus range in which the intensity distribution can be made uniform while suppressing the unnecessary divergence of the illumination light and ensuring the irradiation intensity (the balance between the maintenance of the illumination intensity and the suppression of the dark line described below is just a good range. (Including the best focus). For this reason, the light source 22 and the illumination optical unit 10 or the like, which are optical means, are more susceptible to assembly errors and disturbances such as temperature. In addition, since the intensity of the radiated light from the individual light sources 22 on the irradiation surface (specifically, the illuminated object SB) can be secured, when not illuminating a specific area or when imitating a character or shape, The boundary between light and dark can be clarified while preventing the occurrence of dark lines.

鏡胴12は、照明用光学系11を収納し保持するものである。鏡胴12は、光源22側からの光束を入射させるレンズ開口部13aと、照明用光学系11を通過した光束を出射させるレンズ開口部13bとを有する。  The lens barrel 12 stores and holds the illumination optical system 11. The lens barrel 12 has a lens opening 13a through which a light beam from the light source 22 is incident, and a lens opening 13b through which the light beam that has passed through the illumination optical system 11 is emitted.

アレイ光源20は、基板21と複数の光源22とを有する。基板21は、複数の光源22を支持するとともに、光源22に電力を供給する配線等を有する。光源22は、光軸OAに垂直な方向に配置されている。つまり、光源22は、基板21の面上にアレイ状に配置されている。複数の光源22として、例えば複数のLEDチップその他の固体光源がある。図1Bに示すように、複数の光源22は、直線状に配列されている。各光源22は、略正方形の輪郭を有し、同一サイズとなっている。このため、隣接する光源22間には、細い線状の隙間GAが形成されている。また、全体としては、細長い矩形領域が照射面(具体的には被照明物体SB)上の明領域に対応する発光領域となっている。照明用光学系11は、その直線状に配列された複数の光源22の像を投影する。この場合、隙間GAに対応する暗線の発生を防ぎつつ明領域外縁において明暗の境界を明確にした直線状の照明をすることができる。隣接する光源22の隙間の距離Ldは50μm以下となっており、球面収差によるデフォーカス特性等の改善がより確実となっている。アレイ光源20は、例えば同色のLEDチップで構成してもよいし、異なる色のLEDチップで構成してもよい。  The array light source 20 has a substrate 21 and a plurality of light sources 22. The substrate 21 supports the plurality of light sources 22 and has wiring and the like for supplying power to the light sources 22. The light source 22 is arranged in a direction perpendicular to the optical axis OA. That is, the light sources 22 are arranged in an array on the surface of the substrate 21. Examples of the plurality of light sources 22 include a plurality of LED chips and other solid-state light sources. As shown in FIG. 1B, the plurality of light sources 22 are linearly arranged. Each light source 22 has a substantially square outline and is the same size. Therefore, a thin linear gap GA is formed between adjacent light sources 22. As a whole, the elongated rectangular area is a light emitting area corresponding to a bright area on the irradiation surface (specifically, the illumination target SB). The illumination optical system 11 projects the images of the plurality of light sources 22 arranged linearly. In this case, it is possible to perform linear illumination in which the boundary between light and dark is clarified at the outer edge of the light area while preventing generation of a dark line corresponding to the gap GA. The distance Ld between the gaps between the adjacent light sources 22 is 50 μm or less, and the improvement of the defocus characteristic and the like due to the spherical aberration is more reliable. The array light source 20 may be composed of, for example, LED chips of the same color or of different colors.

制御装置30は、アレイ光源20を駆動するものである。制御装置30は、アレイ光源20を構成する各光源22の点灯状態を制御する。例えば、制御装置30は、光源22であるLEDチップ又はその付属回路の1つ1つと配線で繋がっており、LEDチップは間欠的に又は連続的に点灯する。特定の光源22のみを選択的に点灯することによって所望の点灯パターンを形成することもできる。制御装置30は、オペレーターの操作によって動作してもよいし、プログラムによって動作してもよい。  The control device 30 drives the array light source 20. The control device 30 controls the lighting state of each light source 22 constituting the array light source 20. For example, the control device 30 is connected to the LED chip as the light source 22 or each of the attached circuits by wiring, and the LED chip lights up intermittently or continuously. A desired lighting pattern can be formed by selectively lighting only a specific light source 22. The control device 30 may operate by an operation of an operator or may operate by a program.

以下、照明装置100の使用状態の一例について説明する。まず、オペレーターまたはプログラムによって制御装置30を動作させアレイ光源20のうち点灯される光源22が選択される。次に、制御装置30を動作させ選択された光源22を点灯させる。光源22から放出された光線は、照明用光学ユニット10に入射し、照明用の出射光に変換される。照明用光学ユニット10を通過した光線は、被照明物体SBに個々の光源22の輪郭又は暗線を目立たなくした準フォーカス状態で照明される。被照明物体SBの照射面上には、アレイ光源20の明暗に対応した像が照明強度の高い状態で投影される。この際、個々の光源22の輪郭を目立たなくしつつ点灯された光源22の群に対応する明領域の外縁において明暗の境界が明確な状態とできる。  Hereinafter, an example of a use state of the lighting device 100 will be described. First, the control device 30 is operated by an operator or a program, and the light source 22 to be turned on among the array light sources 20 is selected. Next, the control device 30 is operated to turn on the selected light source 22. The light emitted from the light source 22 enters the illumination optical unit 10 and is converted into illumination emission light. The light beam that has passed through the illumination optical unit 10 is illuminated on the illuminated object SB in a quasi-focus state in which the contours or dark lines of the individual light sources 22 are inconspicuous. An image corresponding to the brightness of the array light source 20 is projected on the irradiation surface of the illuminated object SB with a high illumination intensity. At this time, the boundary between light and dark can be made clear at the outer edge of the light area corresponding to the group of light sources 22 turned on while making the outline of each light source 22 inconspicuous.

以上説明した照明用光学ユニット10及び照明装置100は、球面収差を意図的に発生させることにより、照明強度を確保しつつ強度分布を均一化できる準フォーカス範囲を広くすることができ、デフォーカス特性に優れたものとなる。つまり、照明用光学ユニット10の全体又は一部が光軸OA方向に多少ずれても、高密度に配列された複数の光源22からの放射光を、照射面上に均一かつ高い強度で投射できる。これにより、光源と光学手段である照明用光学ユニット10等との組み立て誤差や温度等の外乱等の影響に強くなる。また、個々の光源22からの放射光の照射面上での強度が確保できるため、光源間の境界があいまいになってしまうこと抑制し、特定の領域を照らさない、または文字や形を模るといった照明法に適したものとなる。  The illumination optical unit 10 and the illumination device 100 described above can intentionally generate spherical aberration, thereby increasing the quasi-focus range in which the intensity distribution can be made uniform while maintaining the illumination intensity, and the defocus characteristic can be improved. It will be excellent. In other words, even if the whole or a part of the illumination optical unit 10 is slightly displaced in the direction of the optical axis OA, it is possible to project the radiated light from the plurality of light sources 22 arranged at high density onto the irradiation surface with uniform and high intensity. . As a result, an influence of an assembly error between the light source and the illumination optical unit 10 or the like as the optical means, a disturbance such as a temperature, or the like becomes strong. In addition, since the intensity of the radiated light from each light source 22 on the irradiation surface can be ensured, the boundary between the light sources is suppressed from being ambiguous, and a specific area is not illuminated or characters or shapes are imitated. It is suitable for such an illumination method.

一方、デフォーカスによってピンボケ状態とする従来の手法を用いた照明系では、照明強度を確保しつつ強度分布均一化を達成できる準フォーカス範囲が極端に狭くなり、上述の外乱により所望の特性を得られない可能性が高くなる。  On the other hand, in the illumination system using the conventional method of defocusing due to defocus, the quasi-focus range in which the intensity distribution can be uniformized while securing the illumination intensity is extremely narrow, and the desired characteristics are obtained by the above-described disturbance. Is more likely not to be available.

〔実施例〕
以下、本発明に係る照明用光学ユニット等の実施例を示す。各実施例に使用する記号は下記の通りである。
Fno:Fナンバー
R:近軸曲率半径
D:軸上面間隔
n:レンズ材料のd線に対する屈折率
eff.rad.:レンズの有効半径
その他、記号Surf.Nは、面番号を意味し、記号INFは、無限大又は∞を意味し、記号P-Sは、出射側または照射面側を意味し、記号L-Sは、光源側を意味し、記号STOPは、開口絞りSを意味する。
〔Example〕
Hereinafter, examples of an optical unit for illumination and the like according to the present invention will be described. The symbols used in each example are as follows.
Fno: F number R: Paraxial radius of curvature D: Axis upper surface distance n: Refractive index for d-line of lens material
eff.rad .: Effective radius of the lens In addition, the symbol Surf.N means the surface number, the symbol INF means infinity or ∞, the symbol PS means the emission side or the irradiation surface side, and the symbol. LS means the light source side, and the symbol STOP means the aperture stop S.

各実施例において、各面番号の後に「*」が記載されている面が非球面形状を有する面であり、非球面の形状は、面の頂点を原点とし、光軸方向にZ軸をとり、光軸と垂直方向の高さをhとして以下の「数1」で表す。

Figure 0006635111
ただし、
Ai:i次の非球面係数
R :曲率半径
K :円錐定数 In each embodiment, the surface indicated by “*” after each surface number is a surface having an aspherical surface shape. The aspherical surface shape has the origin at the vertex of the surface and the Z axis in the optical axis direction. , And the height in the direction perpendicular to the optical axis is represented by h, and is represented by the following “Equation 1”.
Figure 0006635111
However,
Ai: i-th order aspherical coefficient R: radius of curvature K: conic constant

〔実施例1〕
実施例1の照明用光学系の光学諸元値を以下に示す。
Fno:0.55
[Example 1]
The optical parameters of the illumination optical system according to the first embodiment are shown below.
Fno: 0.55

実施例1の照明用光学系のレンズ面等のデータを以下の表1に示す。
〔表1〕
Surf.N R(mm) D(mm) n eff.rad.(mm)
P-S INF INF
1* 59.193 12.084 1.488 28.836
2* -50.631 0.500 27.884
3* 75.748 12.810 1.488 25.000
4* -49.801 1.852 24.829
5* -29.598 5.000 1.579 23.641
6* 18.284 18.317 18.650
7(STOP) INF 0.100 16.102
8* 17.869 12.764 1.488 15.813
9* -72.208 0.500 15.648
10 13.247 11.000 1.593 12.000
11 42.708 6.032 9.677
L-S INF 0.000
Table 1 below shows data on the lens surface and the like of the illumination optical system according to the first embodiment.
[Table 1]
Surf.NR (mm) D (mm) n eff.rad. (Mm)
PS INF INF
1 * 59.193 12.084 1.488 28.836
2 * -50.631 0.500 27.884
3 * 75.748 12.810 1.488 25.000
4 * -49.801 1.852 24.829
5 * -29.598 5.000 1.579 23.641
6 * 18.284 18.317 18.650
7 (STOP) INF 0.100 16.102
8 * 17.869 12.764 1.488 15.813
9 * -72.208 0.500 15.648
10 13.247 11.000 1.593 12.000
11 42.708 6.032 9.677
LS INF 0.000

実施例1の照明用光学系の非球面係数を以下の表2に示す。なお、これ以降(表のレンズデータを含む)において、10のべき乗数(例えば2.5×10−02)をE(例えば2.5E−02)を用いて表すものとする。
〔表2〕
第1面
R=59.193, K=-6.460, A4=4.878E-06, A6=-2.015E-08,
A8=1.194E-11, A10=0.000E+00
第2面
R=-50.631, K=-20.000, A4=3.977E-08, A6=-8.508E-09,
A8=9.648E-12, A10=0.000E+00
第3面
R=75.748, K=0.543, A4=-2.033E-06, A6=8.642E-09,
A8=-7.758E-12, A10=-2.094E-14
第4面
R=-49.801, K=1.352, A4=1.280E-05, A6=-3.272E-08,
A8=2.937E-11, A10=0.000E+00
第5面
R=-29.598, K=-10.464, A4=-1.565E-06, A6=-1.398E-08,
A8=3.831E-11, A10=0.000E+00
第6面
R=18.284, K=-2.668, A4=4.055E-06, A6=-2.219E-08,
A8=8.537E-11, A10=-2.019E-13
第8面
R=17.869, K=0.000, A4=-3.915E-05, A6=-1.312E-07,
A8=1.266E-09, A10=-4.896E-12
第9面
R=-72.208, K=0.000, A4=-6.859E-09, A6=2.274E-07,
A8=-1.630E-09, A10=2.492E-12
Table 2 below shows the aspheric coefficients of the illumination optical system of the first embodiment. In the following (including the lens data in the table), a power of 10 (for example, 2.5 × 10 −02 ) is represented by E (for example, 2.5E-02).
[Table 2]
First side
R = 59.193, K = -6.460, A4 = 4.878E-06, A6 = -2.015E-08,
A8 = 1.194E-11, A10 = 0.000E + 00
Second side
R = -50.631, K = -20.000, A4 = 3.977E-08, A6 = -8.508E-09,
A8 = 9.648E-12, A10 = 0.000E + 00
Third side
R = 75.748, K = 0.543, A4 = -2.033E-06, A6 = 8.642E-09,
A8 = -7.758E-12, A10 = -2.094E-14
Fourth side
R = -49.801, K = 1.352, A4 = 1.280E-05, A6 = -3.272E-08,
A8 = 2.937E-11, A10 = 0.000E + 00
Fifth surface
R = -29.598, K = -10.464, A4 = -1.565E-06, A6 = -1.398E-08,
A8 = 3.831E-11, A10 = 0.000E + 00
Side 6
R = 18.284, K = -2.668, A4 = 4.055E-06, A6 = -2.219E-08,
A8 = 8.537E-11, A10 = -2.019E-13
Side 8
R = 17.869, K = 0.000, A4 = -3.915E-05, A6 = -1.312E-07,
A8 = 1.266E-09, A10 = -4.896E-12
9th page
R = -72.208, K = 0.000, A4 = -6.859E-09, A6 = 2.274E-07,
A8 = -1.630E-09, A10 = 2.492E-12

図3Aは、実施例1の照明用光学ユニット10A等の断面図である。照明用光学ユニット10Aは、5枚のレンズで構成されており、第1レンズL1と、第2レンズL2と、第3レンズL3と、第4レンズL4と、第5レンズL5とを有する。この照明用光学ユニット10Aのように5枚のレンズで構成する場合、高性能な照明用光学ユニットとなる。第1レンズL1側が出射側または照射面側であり、第5レンズL5側が光源側となっている。第3レンズL3と第4レンズL4との間には、開口絞りSが設けられている。なお、符号Iは、アレイ光源20の表面(又は発光面)を示す(以下の実施例も同様)。  FIG. 3A is a cross-sectional view of the illumination optical unit 10A and the like according to the first embodiment. The illumination optical unit 10A includes five lenses, and includes a first lens L1, a second lens L2, a third lens L3, a fourth lens L4, and a fifth lens L5. When the illumination optical unit 10A includes five lenses as in the illumination optical unit 10A, the illumination optical unit has a high performance. The first lens L1 side is the emission side or the irradiation surface side, and the fifth lens L5 side is the light source side. An aperture stop S is provided between the third lens L3 and the fourth lens L4. In addition, the code | symbol I shows the surface (or light emitting surface) of the array light source 20 (the same also in the following Examples).

図3B及び3Cは、図3Aに示す実施例1の照明用光学ユニット10Aの球面収差及び非点収差を示している。なお、球面収差については、波長486,588,656nmにおけるものを示している。  3B and 3C show the spherical aberration and the astigmatism of the illumination optical unit 10A according to the first embodiment shown in FIG. 3A. The spherical aberration is shown at wavelengths of 486, 588 and 656 nm.

(実施例2)
実施例2の照明用光学系の光学諸元値を以下に示す。
Fno:0.88
(Example 2)
The optical specifications of the illumination optical system of the second embodiment are shown below.
Fno: 0.88

実施例2の照明用光学系のレンズ面等のデータを以下の表3に示す。
〔表3〕
Surf.N R(mm) D(mm) n eff.rad.(mm)
P-S INF INF
1* 32.966 17.889 1.488 23.979
2* -35.128 3.279 26.000
3* -18.264 5.000 1.579 20.963
4* 100.000 5.408 15.841
5(STOP) INF 0.100 15.478
6* 31.018 13.686 1.488 16.000
7* -37.128 7.480 15.917
8 18.401 11.000 1.593 14.000
9 26.911 8.923 11.964
L-S INF 0.000
Table 3 below shows data on the lens surface and the like of the illumination optical system according to the second embodiment.
[Table 3]
Surf.NR (mm) D (mm) n eff.rad. (Mm)
PS INF INF
1 * 32.966 17.889 1.488 23.979
2 * -35.128 3.279 26.000
3 * -18.264 5.000 1.579 20.963
4 * 100.000 5.408 15.841
5 (STOP) INF 0.100 15.478
6 * 31.018 13.686 1.488 16.000
7 * -37.128 7.480 15.917
8 18.401 11.000 1.593 14.000
9 26.911 8.923 11.964
LS INF 0.000

実施例2の照明用光学系の非球面係数を以下の表4に示す。
〔表4〕
第1面
R=32.966, K=-0.867, A4=1.552E-06, A6=4.346E-09,
A8=-3.161E-11, A10=0.000E+00
第2面
R=-35.128, K=-0.192, A4=1.609E-05, A6=-2.542E-08,
A8=2.629E-11, A10=0.000E+00
第3面
R=-18.264, K=-3.523, A4=1.278E-05, A6=-1.840E-08,
A8=4.954E-11, A10=0.000E+00
第4面
R=100.000, K=-1.226, A4=4.674E-05, A6=-1.639E-07,
A8=5.504E-10, A10=-3.865E-13
第6面
R=31.018, K=0.000, A4=2.398E-06, A6=-4.605E-08,
A8=7.552E-11, A10=1.322E-13
第7面
R=-37.128, K=0.000, A4=2.005E-05, A6=-4.399E-08,
A8=-1.022E-10, A10=4.603E-13
Table 4 below shows the aspheric coefficients of the illumination optical system of the second embodiment.
[Table 4]
First side
R = 32.966, K = -0.867, A4 = 1.552E-06, A6 = 4.346E-09,
A8 = -3.161E-11, A10 = 0.000E + 00
Second side
R = -35.128, K = -0.192, A4 = 1.609E-05, A6 = -2.542E-08,
A8 = 2.629E-11, A10 = 0.000E + 00
Third side
R = -18.264, K = -3.523, A4 = 1.278E-05, A6 = -1.840E-08,
A8 = 4.954E-11, A10 = 0.000E + 00
Fourth side
R = 100.000, K = -1.226, A4 = 4.674E-05, A6 = -1.639E-07,
A8 = 5.504E-10, A10 = -3.865E-13
Side 6
R = 31.018, K = 0.000, A4 = 2.398E-06, A6 = -4.605E-08,
A8 = 7.552E-11, A10 = 1.322E-13
Surface 7
R = -37.128, K = 0.000, A4 = 2.005E-05, A6 = -4.399E-08,
A8 = -1.022E-10, A10 = 4.603E-13

図4Aは、実施例2の照明用光学ユニット10B等の断面図である。照明用光学ユニット10Bは、4枚のレンズで構成されており、第1レンズL1と、第2レンズL2と、第3レンズL3と、第4レンズL4とを有する。この照明用光学ユニット10Bのように4枚のレンズで構成する場合、コスト、サイズ、性能のバランスがとれた照明用光学ユニットとなる。第1レンズL1側が出射側であり、第4レンズL4側が光源側となっている。第2レンズL2と第3レンズL3との間には、開口絞りSが設けられている。  FIG. 4A is a cross-sectional view of the illumination optical unit 10B and the like according to the second embodiment. The illumination optical unit 10B includes four lenses, and has a first lens L1, a second lens L2, a third lens L3, and a fourth lens L4. When the optical unit is composed of four lenses as in the illumination optical unit 10B, the illumination optical unit balances cost, size, and performance. The first lens L1 side is the emission side, and the fourth lens L4 side is the light source side. An aperture stop S is provided between the second lens L2 and the third lens L3.

図4B及び4Cは、図4Aに示す実施例2の照明用光学ユニット10Bの球面収差及び非点収差を示している。  4B and 4C show the spherical aberration and the astigmatism of the illumination optical unit 10B according to the second embodiment shown in FIG. 4A.

(実施例3)
実施例3の照明用光学系の光学諸元値を以下に示す。
Fno:0.89
(Example 3)
The optical parameters of the illumination optical system of the third embodiment are shown below.
Fno: 0.89

実施例3の照明用光学系のレンズ面等のデータを以下の表5に示す。
〔表5〕
Surf.N R(mm) D(mm) n eff.rad.(mm)
P-S INF INF
1*(STOP) 22.553 15.047 1.492 18.000
2* -40.189 5.774 17.435
3* -6.073 5.496 1.584 16.846
4* -32.050 1.000 14.938
5* 7.606 24.901 1.492 15.000
6* 141.114 6.000 12.909
L-S INF 0.000
Table 5 below shows data on the lens surface and the like of the illumination optical system according to the third embodiment.
[Table 5]
Surf.NR (mm) D (mm) n eff.rad. (Mm)
PS INF INF
1 * (STOP) 22.553 15.047 1.492 18.000
2 * -40.189 5.774 17.435
3 * -6.073 5.496 1.584 16.846
4 * -32.050 1.000 14.938
5 * 7.606 24.901 1.492 15.000
6 * 141.114 6.000 12.909
LS INF 0.000

実施例3の照明用光学系の非球面係数を以下の表6に示す。
〔表6〕
第1面
R=22.553, K=-0.882, A4=-1.233E-06, A6=7.158E-08,
A8=-1.894E-10, A10=0.000E+00
第2面
R=-40.189, K=-11.897, A4=3.168E-05, A6=-1.812E-07,
A8=2.828E-10, A10=0.000E+00
第3面
R=-6.073, K=-3.727, A4=3.864E-05, A6=-1.365E-07,
A8=3.001E-10, A10=0.000E+00
第4面
R=-32.050, K=-1.330, A4=8.238E-05, A6=-1.504E-07,
A8=2.983E-10, A10=0.000E+00
第5面
R=7.606, K=-3.622, A4=5.643E-05, A6=-1.054E-07,
A8=1.017E-10, A10=0.000E+00
第6面
R=141.114, K=12.761, A4=-5.889E-05, A6=4.635E-07,
A8=-1.698E-09, A10=0.000E+00
Table 6 below shows the aspheric coefficients of the illumination optical system of the third embodiment.
[Table 6]
First side
R = 22.553, K = -0.882, A4 = -1.233E-06, A6 = 7.158E-08,
A8 = -1.894E-10, A10 = 0.000E + 00
Second side
R = -40.189, K = -11.897, A4 = 3.168E-05, A6 = -1.812E-07,
A8 = 2.828E-10, A10 = 0.000E + 00
Third side
R = -6.073, K = -3.727, A4 = 3.864E-05, A6 = -1.365E-07,
A8 = 3.001E-10, A10 = 0.000E + 00
Fourth side
R = -32.050, K = -1.330, A4 = 8.238E-05, A6 = -1.504E-07,
A8 = 2.983E-10, A10 = 0.000E + 00
Fifth surface
R = 7.606, K = -3.622, A4 = 5.643E-05, A6 = -1.054E-07,
A8 = 1.017E-10, A10 = 0.000E + 00
Side 6
R = 141.114, K = 12.761, A4 = -5.889E-05, A6 = 4.635E-07,
A8 = -1.698E-09, A10 = 0.000E + 00

図5Aは、実施例3の照明用光学ユニット10C等の断面図である。照明用光学ユニット10Cは、3枚のレンズで構成されており、第1レンズL1と、第2レンズL2と、第3レンズL3とを有する。この照明用光学ユニット10Cのように3枚のレンズで構成する場合、レンズ枚数が比較的少ないため、低コストかつ小型の照明用光学ユニットとなる。第1レンズL1側が出射側であり、第3レンズL3側が光源側となっている。第1レンズL1の出射側には、開口絞りSが設けられている。  FIG. 5A is a cross-sectional view of the illumination optical unit 10C and the like according to the third embodiment. The illumination optical unit 10C includes three lenses, and has a first lens L1, a second lens L2, and a third lens L3. When the illumination optical unit 10C is configured by three lenses as in the illumination optical unit 10C, the number of lenses is relatively small, so that the illumination optical unit is low-cost and small. The first lens L1 side is the emission side, and the third lens L3 side is the light source side. An aperture stop S is provided on the emission side of the first lens L1.

図5B及び5Cは、図5Aに示す実施例3の照明用光学ユニット10Cの球面収差及び非点収差を示している。  5B and 5C show the spherical aberration and the astigmatism of the illumination optical unit 10C according to the third embodiment shown in FIG. 5A.

(比較例1)
比較例1の照明用光学系の光学諸元値を以下に示す。
Fno:0.55
(Comparative Example 1)
The optical parameters of the illumination optical system of Comparative Example 1 are shown below.
Fno: 0.55

比較例1の照明用光学系のレンズ面等のデータを以下の表7に示す。
〔表7〕
Surf.N R(mm) D(mm) n eff.rad.(mm)
P-S INF INF
1* 65.827 12.348 1.488 28.874
2* -47.072 0.500 27.575
3* 66.806 13.000 1.488 24.000
4* -49.680 1.824 23.608
5* -30.391 5.565 1.579 22.342
6* 15.597 15.082 17.531
7(STOP) INF 0.100 16.141
8* 17.800 13.257 1.488 15.906
9* -57.459 0.500 15.593
10 13.279 11.000 1.593 12.000
11 45.093 5.951 9.716
L-S INF 0.000
Table 7 below shows data on the lens surface and the like of the illumination optical system of Comparative Example 1.
[Table 7]
Surf.NR (mm) D (mm) n eff.rad. (Mm)
PS INF INF
1 * 65.827 12.348 1.488 28.874
2 * -47.072 0.500 27.575
3 * 66.806 13.000 1.488 24.000
4 * -49.680 1.824 23.608
5 * -30.391 5.565 1.579 22.342
6 * 15.597 15.082 17.531
7 (STOP) INF 0.100 16.141
8 * 17.800 13.257 1.488 15.906
9 * -57.459 0.500 15.593
10 13.279 11.000 1.593 12.000
11 45.093 5.951 9.716
LS INF 0.000

比較例1の照明用光学系の非球面係数を以下の表8に示す。
〔表8〕
第1面
R=65.827, K=-8.461, A4=6.802E-06, A6=-2.515E-08,
A8=1.647E-11, A10=0.000E+00
第2面
R=-47.072, K=-19.999, A4=-2.891E-07, A6=-8.284E-09,
A8=1.053E-11, A10=0.000E+00
第3面
R=66.806, K=1.616, A4=-1.169E-06, A6=8.712E-09,
A8=-1.050E-11, A10=-2.912E-14
第4面
R=-49.680, K=1.266, A4=1.184E-05, A6=-3.256E-08,
A8=3.145E-11, A10=0.000E+00
第5面
R=-30.391, K=-9.513, A4=-1.217E-06, A6=-1.260E-08,
A8=4.087E-11, A10=0.000E+00
第6面
R=15.597, K=-2.137, A4=6.258E-06, A6=-2.375E-08,
A8=6.587E-11, A10=-2.737E-13
第8面
R=17.800, K=0.000, A4=-2.836E-05, A6=-1.497E-07,
A8=1.222E-09, A10=-4.658E-12
第9面
R=-57.459, K=0.000, A4=5.041E-06, A6=2.362E-07,
A8=-1.642E-09, A10=2.524E-12
Table 8 below shows the aspheric coefficient of the illumination optical system of Comparative Example 1.
[Table 8]
First side
R = 65.827, K = -8.461, A4 = 6.802E-06, A6 = -2.515E-08,
A8 = 1.647E-11, A10 = 0.000E + 00
Second side
R = -47.072, K = -19.999, A4 = -2.891E-07, A6 = -8.284E-09,
A8 = 1.053E-11, A10 = 0.000E + 00
Third side
R = 66.806, K = 1.616, A4 = -1.169E-06, A6 = 8.712E-09,
A8 = -1.050E-11, A10 = -2.912E-14
Fourth side
R = -49.680, K = 1.266, A4 = 1.184E-05, A6 = -3.256E-08,
A8 = 3.145E-11, A10 = 0.000E + 00
Fifth surface
R = -30.391, K = -9.513, A4 = -1.217E-06, A6 = -1.260E-08,
A8 = 4.087E-11, A10 = 0.000E + 00
Side 6
R = 15.597, K = -2.137, A4 = 6.258E-06, A6 = -2.375E-08,
A8 = 6.587E-11, A10 = -2.737E-13
Side 8
R = 17.800, K = 0.000, A4 = -2.836E-05, A6 = -1.497E-07,
A8 = 1.222E-09, A10 = -4.658E-12
9th page
R = -57.459, K = 0.000, A4 = 5.041E-06, A6 = 2.362E-07,
A8 = -1.642E-09, A10 = 2.524E-12

図6Aは、比較例1の照明用光学ユニット10U等の断面図である。照明用光学ユニット10Uは、5枚のレンズで構成されており、第1レンズL1と、第2レンズL2と、第3レンズL3と、第4レンズL4と、第5レンズL5とを有する。第1レンズL1側が出射側であり、第5レンズL5側が光源側となっている。第3レンズL3と第4レンズL4との間には、開口絞りSが設けられている。  FIG. 6A is a cross-sectional view of the illumination optical unit 10U and the like of Comparative Example 1. The illumination optical unit 10U includes five lenses, and includes a first lens L1, a second lens L2, a third lens L3, a fourth lens L4, and a fifth lens L5. The first lens L1 side is an emission side, and the fifth lens L5 side is a light source side. An aperture stop S is provided between the third lens L3 and the fourth lens L4.

図6B及び6Cは、図6Aに示す比較例1の照明用光学ユニット10Uの球面収差及び非点収差を示している。  6B and 6C show the spherical aberration and astigmatism of the illumination optical unit 10U of Comparative Example 1 shown in FIG. 6A.

(実施例についてのシミュレーション)
図7A及び7Bは、実施例1に関するシミュレーション結果を示す。本シミュレーションにおいて、照明用光学ユニットは、照明用光学系が5枚のレンズで構成されており、Fナンバーが0.55のものを想定している。個々の光源は一辺が0.4mmの正方形であり、光源の隙間の距離又は幅は0.01mmとした。
(Simulation of the embodiment)
7A and 7B show simulation results for the first embodiment. In this simulation, the illumination optical unit is assumed to have an illumination optical system including five lenses and an F number of 0.55. Each light source was a square having a side of 0.4 mm, and the distance or width of the gap between the light sources was 0.01 mm.

図7Aは、実施例1の照明用光学ユニット10Aを想定した場合における単光源の点灯例である。この場合、ベストフォーカス時も輪郭はぼやけているが照明強度は高くなっている。ここで、強度比は0.85以上が理想となっている。照明強度の高い準フォーカス範囲は後述する球面収差が出ていない設計にくらべると広くなっている。図7Bは、実施例1の照明用光学ユニット10Aを想定した場合における光源5個の点灯例である。つまり、図7Bの例は、図7Aに示す実施例1の照明用光学ユニット10Aを前提として、光源を一直線状に配列した場合に相当する。この場合、ベストフォーカス時の−0.10mm〜+0.15mmの範囲で照明強度維持と暗線抑制(暗線をぼかして目立たなくすること)とのバランスが丁度よく、外乱による位置ずれや取り付け誤差等に強いと言える。なお、具体的な説明は省略するが、実施例2及び3に関するシミュレーション結果は、実施例1に関するシミュレーション結果と同様になる。  FIG. 7A is a lighting example of a single light source when assuming the illumination optical unit 10A of the first embodiment. In this case, even at the time of the best focus, the outline is blurred, but the illumination intensity is high. Here, the ideal intensity ratio is 0.85 or more. The quasi-focus range where the illumination intensity is high is wider than a design in which spherical aberration, which will be described later, does not appear. FIG. 7B is a lighting example of five light sources when assuming the illumination optical unit 10A of the first embodiment. That is, the example of FIG. 7B corresponds to a case where the light sources are arranged in a straight line on the premise of the illumination optical unit 10A of the first embodiment shown in FIG. 7A. In this case, the balance between the illumination intensity maintenance and the dark line suppression (to make the dark lines inconspicuous) within the range of -0.10 mm to +0.15 mm at the time of the best focus is just right, and the position shift and the mounting error due to the disturbance can be prevented. It can be said that it is strong. Although a specific description is omitted, the simulation results regarding the second and third embodiments are the same as the simulation results regarding the first embodiment.

(比較例についてのシミュレーション)
図8A及び8Bは、比較例1に関するシミュレーション結果を示す。本シミュレーションの条件は、実施例1に関するシミュレーションの条件と同様である。
(Simulation for comparative example)
8A and 8B show simulation results for Comparative Example 1. FIG. The conditions of this simulation are the same as those of the simulation according to the first embodiment.

図8Aは、比較例1の照明用光学ユニット10Uを想定した場合における単光源の点灯例である。この場合、ベストフォーカス時は強度が強く、輪郭もはっきりしているが、デフォーカスとともに強度が低下し、輪郭もぼやけてくる。  FIG. 8A is a lighting example of a single light source when assuming the illumination optical unit 10U of Comparative Example 1. In this case, the intensity is strong and the outline is clear at the time of the best focus, but the intensity decreases with defocus and the outline becomes blurred.

図8Bは、比較例1の照明用光学ユニット10Uを想定した場合における光源5個の点灯例である。つまり、図8Bの例は、図8Aに示す比較例1の照明用光学ユニット10Uを前提として、光源を一直線状に配列した場合に相当する。この場合、ベストフォーカス時の±0.05mmの範囲では光源の間隙の暗線がはっきり見えてしまっている。一方、±0.1〜±0.15mmの範囲では照明強度維持と暗線抑制とのバランスとが丁度よいが、外乱による位置ずれや取り付け誤差等に弱い状態となる。  FIG. 8B is a lighting example of five light sources when assuming the illumination optical unit 10U of Comparative Example 1. That is, the example of FIG. 8B corresponds to a case where the light sources are arranged in a straight line, based on the illumination optical unit 10U of Comparative Example 1 shown in FIG. 8A. In this case, in the range of ± 0.05 mm at the time of the best focus, the dark line in the gap between the light sources is clearly visible. On the other hand, in the range of ± 0.1 to ± 0.15 mm, the balance between the maintenance of the illumination intensity and the suppression of the dark line is just right, but the state is weak against a positional shift due to a disturbance, an installation error and the like.

以下、表9に本実施例と比較例とをまとめた結果を示す。表9中の網掛け部分が、照明強度維持及び暗線抑制のバランスが丁度よい準フォーカス範囲となっている。
〔表9〕

Figure 0006635111
表9からわかるように、実施例において、準フォーカス範囲が広くなっているのがわかる。Hereinafter, Table 9 shows the results obtained by summarizing the present example and the comparative example. The shaded portion in Table 9 is a quasi-focus range in which the balance between the maintenance of the illumination intensity and the suppression of dark lines is just right.
[Table 9]
Figure 0006635111
As can be seen from Table 9, in the example, the quasi-focus range is widened.

〔第2実施形態〕
以下、第2実施形態の照明用光学ユニット及び照明装置について説明する。第2実施形態の照明用光学ユニット等は、第1実施形態の照明用光学ユニット等を部分的に変更したものであり、特に説明しない事項は、第1実施形態の照明用光学ユニット等と同様である。
[Second embodiment]
Hereinafter, the illumination optical unit and the illumination device according to the second embodiment will be described. The illumination optical unit and the like according to the second embodiment are partially modified from the illumination optical unit and the like according to the first embodiment, and items not particularly described are the same as those of the illumination optical unit and the like according to the first embodiment. It is.

図9に示すように、本実施形態の照明装置100において、アレイ光源20を構成する複数の光源22は、2次元的にマトリックス状に配列され、図示を省略する照明用光学系11は、複数の光源22の像を投影する。この場合、暗線の発生を防ぎつつ明暗の境界を明確にした文字や形を模ることができる。  As shown in FIG. 9, in the illumination device 100 of the present embodiment, the plurality of light sources 22 constituting the array light source 20 are two-dimensionally arranged in a matrix, and the illumination optical system 11 not shown The image of the light source 22 is projected. In this case, it is possible to imitate a character or shape with a clear boundary between light and dark while preventing the occurrence of dark lines.

図10A〜10Dに本実施形態のシミュレーション結果を示す。シミュレーションの条件は、第1実施形態の実施例1等と同様である。図10A〜10Dは、漢字2文字を投影した時の例である。図10Aは、実施例としての球面収差を出している設計における2次元配列光源の点灯例である。図10Aに示すように、実施例では、基準状態で強度維持と暗線抑制とがバランスできている。図10B〜10Dは、比較例としての球面収差が出ていない設計における2次元配列光源の点灯例である。図10Bに示すように、デフォーカスが小さい比較例では、基準状態で暗線がはっきり見えてしまっている。また、図10Dに示すように、デフォーカスが大きい比較例では、強度比が弱いものとなっており、暗線は見えないものの文字の輪郭もはっきりしなくなる。図10Cに示すように、中間の比較例では、デフォーカス状態で暗線が多少残るものの、文字の輪郭がはっきりしている。以上のことから、照明強度維持と暗線抑制とのバランスが重要ということがわかる。  10A to 10D show simulation results of the present embodiment. The simulation conditions are the same as those in Example 1 of the first embodiment. 10A to 10D are examples when two Chinese characters are projected. FIG. 10A is a lighting example of a two-dimensional array light source in a design that produces spherical aberration as an example. As shown in FIG. 10A, in the embodiment, the intensity maintenance and the dark line suppression can be balanced in the reference state. 10B to 10D are lighting examples of a two-dimensional array light source in a design with no spherical aberration as a comparative example. As shown in FIG. 10B, in the comparative example in which the defocus is small, the dark line is clearly visible in the reference state. Further, as shown in FIG. 10D, in the comparative example in which the defocus is large, the intensity ratio is weak, and although the dark line is not visible, the outline of the character is not clear. As shown in FIG. 10C, in the intermediate comparative example, the outline of the character is clear although some dark lines remain in the defocused state. From the above, it is understood that the balance between maintaining the illumination intensity and suppressing the dark line is important.

以上、実施形態に係る照明用光学ユニット及び照明装置について説明したが、本発明に係る照明用光学ユニット等は、上記例示のものには限られない。例えば、上記実施形態において、照明用光学ユニット10の出射側に折り曲げミラーを設けてもよい。  The illumination optical unit and the illumination device according to the embodiment have been described above, but the illumination optical unit and the like according to the present invention are not limited to the above-described examples. For example, in the above embodiment, a bending mirror may be provided on the emission side of the illumination optical unit 10.

Claims (14)

光軸方向に配列された複数のレンズを有し、光軸に垂直な方向に配置された複数の光源からの入射光を照明用の出射光に変換する照明用光学系と、
前記照明用光学系を保持する鏡胴と、
を備え、
前記照明用光学系は、前記出射側から前記光源側に向かって平行光を通したときに、レンズ開口部の中心領域、中間領域、及び周辺領域を通過する光の集光位置α(mm)、β(mm)、及びγ(mm)が、以下の条件式を満足する照明用光学ユニット。
|γ−α|>0.5 … (1)
|(α+γ)/2−β|<|(γ−α)/3| … (2)
ただし、前記レンズ開口部の前記中心領域とは前記光軸から径方向に10%以下の領域であり、前記中間領域とは前記光軸から径方向に45%以上55%以下の領域であり、前記周辺領域とは前記光軸から径方向の90%以上の領域である。
An illumination optical system that has a plurality of lenses arranged in the optical axis direction and converts incident light from a plurality of light sources arranged in a direction perpendicular to the optical axis into emission light for illumination,
A lens barrel that holds the illumination optical system,
With
The illumination optical system is configured such that, when parallel light passes from the emission side toward the light source side, a light condensing position α (mm) of light passing through a central area, an intermediate area, and a peripheral area of the lens opening. , Β (mm) and γ (mm) satisfy the following conditional expressions:
| Γ-α |> 0.5 (1)
| (Α + γ) / 2−β | <| (γ−α) / 3 | (2)
However, the central region of the lens opening is a region of 10% or less in the radial direction from the optical axis, and the intermediate region is a region of 45% or more and 55% or less in the radial direction from the optical axis; The peripheral region is a region that is 90% or more in the radial direction from the optical axis.
前記照明用光学系は、3枚のレンズで構成される、請求項1に記載の照明用光学ユニット。  The illumination optical unit according to claim 1, wherein the illumination optical system includes three lenses. 前記照明用光学系は、4枚のレンズで構成される、請求項1に記載の照明用光学ユニット。  The illumination optical unit according to claim 1, wherein the illumination optical system includes four lenses. 前記照明用光学系は、5枚のレンズで構成される、請求項1に記載の照明用光学ユニット。  The illumination optical unit according to claim 1, wherein the illumination optical system includes five lenses. 前記照明用光学系のうち少なくとも1枚のレンズは負の屈折力を有し、最も出射側のレンズと最も光源側のレンズとは正の屈折力をそれぞれ有する、請求項2から4までのいずれか一項に記載の照明用光学ユニット。  The lens according to any one of claims 2 to 4, wherein at least one lens of the illumination optical system has a negative refractive power, and the lens on the most exit side and the lens on the light source side have a positive refractive power. The optical unit for illumination according to claim 1. 負の屈折力を有するレンズは1枚のみで構成され、
以下の条件式を満足する、請求項5に記載の照明用光学ユニット。
Pr>Pf … (3)
ただし、
Pr:前記負レンズより出射側に配置されるレンズの合成屈折力
Pf:前記負レンズより光源側に配置されるレンズの合成屈折力
The lens having negative refractive power is composed of only one lens,
The illumination optical unit according to claim 5, wherein the following conditional expression is satisfied.
Pr> Pf (3)
However,
Pr: combined refractive power of a lens arranged on the emission side from the negative lens Pf: combined refractive power of a lens arranged on the light source side of the negative lens
以下の条件式を満足する、請求項1から6までのいずれか一項に記載の照明用光学ユニット。
Fno<1.0 … (4)
ただし、
Fno:前記照明用光学系のFナンバー
The illumination optical unit according to any one of claims 1 to 6, which satisfies the following conditional expressions.
Fno <1.0 (4)
However,
Fno: F number of the illumination optical system
前記照明用光学系は、少なくとも1枚のプラスチック非球面レンズを含む、請求項1から7までのいずれか一項に記載の照明用光学ユニット。  The illumination optical unit according to any one of claims 1 to 7, wherein the illumination optical system includes at least one plastic aspheric lens. 映像装置及び顕微鏡照明装置のいずれかに用いられる、請求項1から8までのいずれか一項に記載の照明用光学ユニット。  The illumination optical unit according to any one of claims 1 to 8, which is used in any of a video device and a microscope illumination device. 請求項1から9のいずれか一項に記載の照明用光学ユニットと、
前記複数の光源を有するアレイ光源と、
を備える照明装置。
An illumination optical unit according to any one of claims 1 to 9,
An array light source having the plurality of light sources,
A lighting device comprising:
前記照明用光学系は、直線状に配列された前記複数の光源の像を投影する、請求項10に記載の照明装置。  The illumination device according to claim 10, wherein the illumination optical system projects images of the plurality of light sources arranged in a straight line. 前記照明用光学系は、2次元的に配列された前記複数の光源を投影する、請求項10に記載の照明装置。  The illumination device according to claim 10, wherein the illumination optical system projects the plurality of light sources arranged two-dimensionally. 前記光源はLEDチップである、請求項10から12までのいずれか一項に記載の照明装置。  The lighting device according to any one of claims 10 to 12, wherein the light source is an LED chip. 前記複数の光源は所定平面に略沿って配列され、隣接する光源の隙間は50μm以下である、請求項10から13までのいずれか一項に記載の照明装置。  The lighting device according to claim 10, wherein the plurality of light sources are arranged substantially along a predetermined plane, and a gap between adjacent light sources is 50 μm or less.
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