專利名稱：照明裝置、led照明裝置和帶有照明裝置的成像設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用作投影儀、數(shù)碼相機等的光源的照明裝置以及一種帶有照明裝置的成像設備，尤其涉及一種被設計成即使當輸出相對較低的LED被用作發(fā)光元件時也能夠獲得具有足夠照度的照明的照明裝置。
背景技術：
LED照明裝置使用在其中多個LED元件(發(fā)光元件)安裝在一塊基片上這么一種發(fā)光模塊，并且知道其具有諸如調(diào)節(jié)色調(diào)等各種優(yōu)點。這種LED照明裝置也可以用于室內(nèi)照明、商店照明、和舞臺照明(參照例如特許公開號為2004-22257的日本專利)。這種LED照明裝置也可以用作數(shù)碼相機或含照相機的手機中的LED閃光燈。
例如，如圖17所示，藍光LED102安裝在陶瓷基片100上。來自藍光LED102的光線(未示出)直接發(fā)射，而其中的一部分被反射板104反射以便發(fā)射到外部。此時，該光線穿過黃色的熒光物質106并且變?yōu)槿嗽彀咨Ｔ谶@種情況下，如圖18所示，來自該光源的光呈現(xiàn)出一種方向性特征，其中2θ1/2是110°，這是近似朗伯分布的(Lambertian)。
數(shù)碼相機或含在手機中的照相機的觀察角通常約為60°。因此，上述110°的方向角是太寬了。針對這一點，提出了一種如圖19所示的結構，其中藍光LED112安裝在陶瓷基片10上并且藍光LED112密封在熒光物質113中，由此減小了方向角。在該結構中，來自LED112的光線穿過熒光物質113，并且該光線的一部分被反射板114反射并且其它部分直接發(fā)射到外部。如圖20所示，此時的方向角使得2θ1/2是50°。
將上述LED照明裝置用于照相機引起了下文所述的問題。具體來講，如圖17或18所示的LED照明裝置的照明區(qū)域幾乎是圓的，所以中心亮度最高并且隨方向角增大而逐漸減小。必須對比成像區(qū)域要寬的區(qū)域進行照明以確保該成像區(qū)域上有均勻的照度。然而，用在數(shù)碼相機或含照相機的手機中的LED閃光燈會因電池容量或LED閃光燈的排列而并不具有足夠的照度。同時，和中心相比，邊緣較暗，這導致邊緣處的圖形質量下降。另外，LED發(fā)出的藍光和熒光發(fā)出的黃光一般在發(fā)射位置和方向角方面不相同，結果，被照明的區(qū)域可能在色彩方面并不均勻。
如圖21所示，LED照明裝置的照明區(qū)域P是幾乎圓形的而照相機所拍攝的成像區(qū)域Q是寬長比為4∶3的矩形。沒有落在該矩形之內(nèi)的光線沒有被利用，因此被浪費了。此外，變焦操作中的照相機具有更窄的成像范圍，而被照明的區(qū)域還是相同的尺寸。這意味著沒落在成像區(qū)域中的面積擴展了，從而導致未使用的浪費的面積增大了。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種照明裝置，即使使用諸如輸出相對較低的LED等發(fā)光元件或其它發(fā)光器件，該照明裝置也能夠提供照度充足且均勻的照明。本發(fā)明的目的還在于提供一種LED照明裝置和帶照明裝置的成像設備。
本發(fā)明的一個方面的特征在于它包括光源，使發(fā)光元件排列在其中；準直單元，它使來自光源的光成為平行的光線；以及透鏡陣列，用來使準直單元所產(chǎn)生的平行光線成形。另外，該透鏡陣列的功能在于使準直單元所產(chǎn)生的平行光線成形。
本發(fā)明的另一個方面的特征在于它包括光源，使發(fā)光元件排列在其中；準直單元，它使來自光源的光成為平行的光線；一對透鏡陣列，排列在來自光源的光線的方向上，這對透鏡陣列將準直單元所產(chǎn)生的平行光線成形為矩形；以及調(diào)節(jié)機構，用來調(diào)節(jié)這對透鏡陣列之間的間隔。
本發(fā)明的又一個方面的特征在于它包括成像機構；以及照明裝置，它將照明光發(fā)射到該成像機構的成像區(qū)域，該照明裝置具有光源，使發(fā)光元件排列在其中；準直單元，它使來自光源的光成為平行的光線；一對透鏡陣列，排列在來自光源的光線的方向上，這對透鏡陣列使準直單元所產(chǎn)生的平行光線成形成矩形；以及調(diào)節(jié)機構，它根據(jù)成像機構的成像區(qū)域調(diào)節(jié)這對透鏡陣列之間的間隔。
根據(jù)本發(fā)明，即使使用其輸出相對較低的發(fā)光元件，也可以獲得照度充足且均勻的照明。
本發(fā)明的優(yōu)點將在下文的描述中得到闡明，并且部分地將在該描述中變得明顯，或者可以從本發(fā)明的實踐中獲知。本發(fā)明的優(yōu)點可以通過下文所特別指出的手段和組合來實現(xiàn)和獲得。


被包括在說明書中并構成說明書的一部分的附圖示出了本發(fā)明的各實施例，并且與上文給出的一般描述和下文給出的各實施例的詳細描述一起用來解釋本發(fā)明的原理。
圖1是示出了帶數(shù)碼相機的個人數(shù)字助理的透視圖，該數(shù)碼相機包含根據(jù)本發(fā)明第一實施例的照明裝置；圖2是示意性地示出了該個人數(shù)字助理中所包含的LED閃光燈的示意圖；圖3是示出了該LED閃光燈中所包含的透鏡陣列的平面圖；圖4是示出了該LED閃光燈的發(fā)光區(qū)域的示意圖；圖5是示出了該LED閃光燈的發(fā)光區(qū)域的示意圖；圖6是示出了在該個人數(shù)字助理的照明區(qū)域R和成像區(qū)域Q之間的關系的示意圖；圖7是示出了該LED閃光燈的照度與一般的照明裝置的照度相比較的示意圖；圖8是示出了根據(jù)一比較示例的照明裝置的發(fā)光區(qū)域的示意圖；圖9是示出了該LED閃光燈的發(fā)光區(qū)域的示意圖；圖10是示出了在驅動電流值和光通量之間的關系的示意圖；圖11是示出了在離LED照明裝置1米遠的位置處驅動電流和中心照度之間的關系的示意圖；圖12是示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明第二實施例的手機主要部件的垂直截面圖；圖13是示出了根據(jù)本發(fā)明第三實施例的手機主要部件的垂直截面示意圖；圖14是示出了菲涅珥透鏡的效用的示意圖；圖15是示出了菲涅珥透鏡的效用的示意圖；圖16是示出了使用反射器的修改后的示例的截面圖；圖17是示出了LED照明裝置的一個示例的截面圖；圖18是示出了LED照明裝置的方向性特征的示意圖；圖19是示出了LED照明裝置的一個示例的截面圖；圖20是示出了該LED照明裝置的方向性特征的示意圖；以及圖21是示出了在現(xiàn)有技術中照明區(qū)域P和成像區(qū)域Q之間的關系的示意圖。
具體實施例方式
圖1是示出了帶數(shù)碼相機的個人數(shù)字助理10的透視圖，該數(shù)碼相機含根據(jù)本發(fā)明第一實施例的照明裝置。圖2是示意性地示出了該個人數(shù)字助理10中所包含的LED閃光燈20的示意圖。圖3是該LED閃光燈20中所包含的透鏡陣列23和24的平面圖。圖6是示出了照明區(qū)域R和成像區(qū)域Q之間的關系的示意圖。
個人數(shù)字助理10具有平行六面體外殼11。在該外殼11的表面上排布著顯示LCD12和各種操作按鈕13。在外殼11的背面排布著帶變焦透鏡的CCD照相機(成像設備)14和LED閃光燈(照明裝置)20。
沿光軸C，LED閃光燈20依次包括發(fā)光模塊21；菲涅耳透鏡22，由丙烯酸材料(例如，樹脂材料)制成；一對透鏡陣列23和24，由聚碳酸酯材料制成；以及調(diào)節(jié)機構25，用于基于來自CCD照相機14的距離信號來調(diào)節(jié)透鏡陣列23和24之間的間隔。在本實施例中，丙烯酸樹脂和聚碳酸酯樹脂被用作透鏡陣列23和24的材料。然而，透鏡的材料并不限于此。
發(fā)光模塊21具有一個或兩個LED元件21a?？赏ㄟ^藍色和黃色的組合，來調(diào)節(jié)LED21發(fā)出白光，例如，通過將黃色熒光物質加到500×500微米GaN藍光LED上。從LED元件21a中可獲得30到401m的光通量。注意到，用在發(fā)光模塊21中的LED元件21a并不限于藍光LED。
每一個透鏡陣列23、24包括23×17個半徑為0.4毫米的球形透鏡(每一個球形透鏡都是折射型凸透鏡)，它們排列成使每一個透鏡陣列長為10毫米、寬為10毫米且深為0.5毫米。這些球形透鏡形成復眼光學系統(tǒng)。因此，可以使穿過該復眼光學系統(tǒng)的光在形狀方面變得均勻。調(diào)節(jié)機構25的功能是要基于來自CCD照相機14的距離信號來調(diào)節(jié)透鏡陣列23和24之間的間隔。根據(jù)投影區(qū)域的尺寸來確定透鏡陣列23和24之間的間隔。在本發(fā)明中，透鏡陣列23和24是分離的組件。然而，透鏡陣列23和24可以通過注入模制結合在一起。根據(jù)上述各球形透鏡的設計，可以很容易將光定型為矩形。對于投影區(qū)域固定的情況，調(diào)節(jié)機構25可以省去。
在如此配置的個人數(shù)字助理10中，如果光量不充足無法用CCD照相機14進行成像，則點亮LED閃光燈20。在這種情況下，用緊靠藍光LED21a之后的菲涅耳透鏡22來使藍光LED21a所發(fā)出的光準直(成形為平行光線)成具有30°的發(fā)散角(總角度)。準直后的光進入透鏡陣列23和24。
在這種情況下，透鏡陣列23和24之間的間隔由被照明的區(qū)域來決定。例如，如圖4所示，如果透鏡陣列23和24之間的間隔是0，則在1.5米的距離處獲得了1.2×1.6米的發(fā)光區(qū)域。如圖5所示，如果它們之間的間隔是0.13毫米，則在1.5米的距離處獲得了0.85×1.1.3米的發(fā)光區(qū)域。
通過使透鏡陣列23和24之間的間隔與CCD照相機14的變焦度數(shù)相匹配，效果得到了改善。具體來講，成像區(qū)域是從CCD照相機14的變焦度數(shù)中計算出來的，并且透鏡陣列23和24之間的間隔被調(diào)節(jié)成與該成像區(qū)域相匹配。例如，在上述示例中，透鏡陣列23和24之間的間隔可以被設為0或0.13毫米。
另一方面，如圖6所示，被照明的區(qū)域R的形狀幾乎是矩形的，所以所發(fā)出的光為多余的那些區(qū)域已達到最小化。因此，LED21a的低輸出足夠用于LED閃光燈20。結果，在不增大電池容量的情況下，可以確保足夠亮的照明。
現(xiàn)在將解釋透鏡陣列23和24的效用。例如，對于圖17所示的LED照明裝置而言，例如在離該設備50厘米遠的位置處，光軸上的照明分布是這樣的，中心的照度最高并且朝著邊沿不斷地減小，如圖7的虛線所示。對于使用透鏡陣列23和24的LED照明裝置20而言，從中心到邊沿照度微微地減小，并且在發(fā)光區(qū)域以外突然減至很小，如圖7的實線所示。即，使用透鏡陣列23和24可確保均勻的照明。
接下來，描述將光成形為矩形的效果。圖8是示出了離圖17所示的LED照明裝置(比較示例)1米遠的位置處方向角(＝2θ1/2)為50°的發(fā)光區(qū)域T的示意圖，該發(fā)光區(qū)域T邊沿的照度是其中心照明的一半。此時，該發(fā)光區(qū)域T的直徑是直徑約為93厘米的圓或橢圓的直徑。圖9是示出了離圖2所示的LED閃光燈20有1米遠的發(fā)光區(qū)域K的示意圖。此時，發(fā)光區(qū)域K的對角線約為93厘米。
圖10是示出了驅動電流值和光通量之間的關系的示意圖。圖11是示出了在離LED照明裝置1米遠的位置處驅動電流和中心照度之間的關系的示意圖。在該圖中，α表示LED閃光燈20，β表示比較示例。假定就光使用效率而言，LED照明裝置所發(fā)出的光量(光通量)和要被照明的區(qū)域的中心照度之間的關系被表達為“照度/光通量(1x/1m)”。這種情況下，當用200毫安來驅動時，比較示例的光使用效率和LED閃光燈20的光使用效率分別是0.9和1.6。這意味著LED閃光燈20在光使用效率方面比比較示例要高。換句話說，通過使發(fā)光區(qū)域從圓形變?yōu)榫匦?，光使用效率有所提高?br> 如上所述，即使使用輸出相對較低的LED作為發(fā)光器件，帶有含照明裝置的數(shù)碼相機的個人數(shù)字助理10也可以確保照度充足且均勻的照明。
圖12是示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明第二實施例的手機30的主要部件的垂直截面圖。在圖12中，與圖2所示的相同功能組件仍用相同的標號來標記，并且其詳細描述也省略。手機30在外殼31中含LED閃光燈20。參照圖12，發(fā)光模塊21以及包括菲涅耳透鏡22和透鏡陣列23、24的透鏡模塊都安裝在基片32上。來自發(fā)光模塊21的光線穿過外殼31上部所安裝的透明蓋子33。在這種情況下，發(fā)光模塊21被焊接到基片32上，并且用粘合劑將透鏡模塊連接到基片32上。
也可以使用其它方法，比如在發(fā)光模塊21上開槽口，然后將透鏡模塊安裝到發(fā)光模塊21中。
圖13是示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明第三實施例的個人數(shù)字助理的主要部件的垂直截面圖。在圖13中，與圖12所示的相同功能組件仍用相同的標號來標記，并且其詳細描述也省略。
在手機40中，透鏡模塊被安裝到外殼41中所形成的凹槽42中。
菲涅耳透鏡22和透鏡陣列23、24全都是單獨的透鏡。然而，透鏡陣列23的一面可以是菲涅耳透鏡而另一面可以是透鏡陣列。根據(jù)本發(fā)明，在發(fā)光區(qū)域不是矩形而是圓形的情況下，用透鏡陣列23和24可以獲得更均勻的照明。
圖14是示出了用菲涅耳透鏡22進行準直的效果的示意圖。圖14示出了使用一個在離發(fā)光模塊21有3.1毫米遠的位置處排列的菲涅耳透鏡22的一個示例。圖15示出了一個示例，其中凸透鏡26排列在發(fā)光模塊21的附近，菲涅耳透鏡22排列在離發(fā)光模塊21有6毫米遠的一位置處。與圖14相比，圖15所示的光線被準直得更密，并且效率提高了20％。
上述實施例使用了用菲涅耳透鏡22來準直光線的方法，但是也可以使用另一種方法，其中用曲面反射器28和側向發(fā)光的LED27來準直的光線入射到透鏡陣列23和24。
調(diào)節(jié)透鏡間隔的方法使用電磁傳動裝置、靜電傳動裝置等。在上述實施例中，使用了電磁傳動裝置。
該LED照明裝置使用在帶照相機的手機中，但也可以用在數(shù)碼相機或投影儀中。
應該理解，本發(fā)明并不限于上述實施例，并且本發(fā)明旨在涵蓋在本發(fā)明精神和范圍之內(nèi)的各種修改。另外，上述各實施例的各種元件的適宜組合能夠構成各種發(fā)明。例如，在各實施例的全部結構元件中可以省去一些結構元件，或者不同實施例的結構元件可以適當組合。
對于本領域的技術人員而言，很容易看到另外的優(yōu)點和修改。因此，本發(fā)明在其更寬廣的方面并不限于本文所示出并描述的特定細節(jié)和典型實施例。因此，在不背離所附權利要求書及其等價方案所定義的通用發(fā)明概念的精神和范圍的情況下，可以做出構成修改。
權利要求
1.一種照明裝置，它包括光源，在其中排列有發(fā)光元件；準直單元，它使來自所述光源的光成為平行的光線；以及透鏡陣列，它使所述準直單元所產(chǎn)生的平行光線成形。
2.如權利要求1所述的照明裝置，其特征在于，所述準直單元具有菲涅耳透鏡。
3.如權利要求1所述的照明裝置，其特征在于，所述準直單元具有一種用來反射來自所述發(fā)光元件的光的反射結構。
4.如權利要求1所述的照明裝置，其特征在于，所述透鏡陣列由多個反射型凸透鏡構成。
5.如權利要求1所述的照明裝置，其特征在于，所述發(fā)光元件具有通過組合藍光LED與黃色熒光物質而產(chǎn)生的白光LED。
6.一種LED照明裝置，它包括光源，在其中排列有LED元件；準直單元，它使來自所述光源的光成為平行的光線；一對透鏡陣列，排列在來自所述光源的光線的方向上，所述這對透鏡陣列使所述準直單元所產(chǎn)生的平行光線成形；以及調(diào)節(jié)機構，用于調(diào)節(jié)所述這對透鏡陣列之間的間隔。
7.一種帶照明裝置的成像設備，它包括成像機構；以及照明裝置，所述照明裝置將照明光發(fā)射到所述成像機構的成像區(qū)域中，所述照明裝置具有光源，在其中排列有發(fā)光元件；準直單元，它使來自所述光源的光成為平行的光線；一對透鏡陣列，排列在來自所述光源的光線的方向上，所述這對透鏡陣列使所述準直單元所產(chǎn)生的平行光線成形；以及調(diào)節(jié)機構，用于根據(jù)所述成像機構的成像區(qū)域來調(diào)節(jié)所述這對透鏡陣列之間的間隔。
全文摘要
本發(fā)明包括成像機構14；和LED照明裝置20，用來將照明光發(fā)射到成像機構14的成像區(qū)域。該LED照明裝置20包括發(fā)光模塊21，使發(fā)光元件21排列在其中；菲涅珥透鏡22，使來自發(fā)光模塊21的光成為平行的光線；一對透鏡陣列23和24，排列在來自光源的光線的方向上，這對透鏡陣列使菲涅珥透鏡22所產(chǎn)生的平行光線成形為矩形；以及調(diào)節(jié)機構25，用來根據(jù)成像機構14的成像區(qū)域來調(diào)節(jié)透鏡陣列23和24之間的間隔。
文檔編號G03B15/03GK1916485SQ200610121509
公開日2007年2月21日 申請日期2006年8月16日 優(yōu)先權日2005年8月16日
發(fā)明者岡田直忠, 森三樹 申請人:株式會社東芝