CN111174118B - 光学装置以及照明装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种光学装置以及照明装置，该光学装置能够使朗伯型配光的光成为光度分布更接近于均匀的线状或方形状的配光。该光学装置具有：壁面，其在第一轴交叉地进行配置，且包括面向由上述壁面夹持的方向的反射面；漏斗状的多个壁体，其在被壁面夹持的区域，以第一轴为中心同心状地在第一轴的方向上多级配置，并在外周面包括反射曲面，经由下级壁体的开口，将光向上级壁体的所述外周面入射。

Description

光学装置以及照明装置
技术领域
本发明涉及适于线状或者方形状的区域的照明的光学装置以及使用该光学装置的照明装置。
背景技术
在专利文献1中，描述了提供一种照明装置，其能够利用少量的光源模块形成长线状的照射范围。专利文献1的照明装置具有每四个配置为两列的光源单元。各光源单元由一对光源模块构成。光源模块将发光元件的发散光分配为经由光源透镜而向基板的前方放射的第一射出光、以及经由光源透镜而使之折射后由第二反射板反射并向基板的前方放射的第二射出光。在光源单元中，在两个光源模块的基板形成锐角的状态下背对背进行配置，光源单元形成有以从一个光源模块的基板至另一个光源模块的基板之间的角度扩展的一定宽度的线状照明光。因此，利用照明装置，能够获得长线状的照射范围。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：(日本)特开2012-074278号公报
发明所要解决的技术问题
从LED发出的光基本上具有光轴上的光度最高(最大)的配光图案即朗伯型配光。因此，当试图利用少量或集中的照明装置照明长线状的照射范围时，需要对配光分布进行控制，集中配置大量的LED，改变大量的光轴的角度，使之沿照明对象的线分散，或者相对于与线倾斜交叉而放置的光轴，对照明线的端侧的光与照明线的中央侧的光进行不同的复杂的处理。因此，需要能够将朗伯型配光简单转换为线状或方形状的配光的光学装置。
发明内容
用于解决技术问题的技术方案
本发明的一个方式为一种光学装置，具有：壁面，其在第一轴交叉地进行配置，且包括面向由这些所述壁面夹持的方向的反射面；漏斗状的多个壁体，其在被壁面夹持的区域，以第一轴为中心而同心状地在第一轴的方向上的多层位置配置，且在外周面包含反射面，经由下层的壁体的开口，将光向上层的壁体的外周面入射。
本发明的另外不同的其它一个方式为一种照明装置，其具有：上述记载的光学装置；光源，其与多个壁体的最下层壁体的下侧的第一轴邻接而配置，并沿第一轴输出光。
发明的效果
在本发明的光学装置中，利用由围绕第一轴多层配置的漏斗状的多个壁体构成的反射曲面、以及夹有反射曲面而配置的反射面，将朗伯型配光的光转换为光度分布更接近于均匀的线状或方形状的配光，射出沿第一轴入射的光。
附图说明
图1是表示照明装置的一个例子的立体图。
图2是从不同角度观察照明装置的图。
图3是将照明装置分割来表示的图。
图4是表示光学装置的成型部件的结构的图。
图5是示意性地表示利用光学装置的反射曲面发射入射光的情况的图。
图6是表示入射光的配光分布的一个例子的图。
图7是表示照明装置的不同例子的图。
图8是表示照明装置的另一不同的例子的图。
图9是表示照明装置的另一不同的例子的图。
附图标记说明
1照明装置；5投射单元；10光学装置。
具体实施方式
图1表示本发明的照明装置的一个例子。该照明装置1包括：投射单元5，其将为了照明桌面等方形状或线状的区域2而控制的光(光束)3向前方19投影或投射；框架(壳体)4，其支承投射单元5；驱动回路8，其驱动作为投射单元5的光源的LED6。投射单元5包括：光学装置(光学系统)10，其包括在作为中心轴(第一轴、Z轴)12的周围18扩展为圆弧状的、俯视(在与Z轴12正交的X-Y平面观察的形状)为大致扇形的多层反射部件50；LED6，其从多层反射部件50的最下层部件54的下侧入射源光(第一光)7。照明装置1通过安装在天花板等上，能够集中照明桌面等方形状、或线状的细长区域2。照明对象只要为方形或细长区域即可，不限于桌面，也可以为墙壁、屋内外的招牌及海报等，照明装置1可以集中照明上述方形或细长区域2。
图2表示从下侧观察照明装置1的情况。图3表示将照明装置1展开后的状态。光学装置10包括：壁面55及56，其在第一轴(Z轴)12交叉地进行配置；漏斗状的多个壁体51～54，其在由壁面55及56夹持的空间即区域58，以第一轴12为中心同心状地多层配置在第一轴12的方向上；底板59。壁面55及56包括面向由上述壁面夹持的方向(区域)58的反射面65及66。在本例子中，除去在壁面(壁体)55及56设置的换气用开口68以外，壁面55及56的内表面、即面向被夹持的区域58的面为反射面65及66。另外，漏斗状的壁体51～54在外周面51a～54a包括反射曲面61～64，构成多层反射部件50。在本例子中，壁体51～54的外周面51a～54a整体分别为反射曲面61～64。
漏斗状的壁体51～54的形状为，在与Z轴12垂直的方向上，在作为中心轴的Z轴12的周围，在与Z轴12正交的平面(X-Y平面)上观察的形状(俯视)及剖面成为外周面51a～54a各自以角度θ(中心角θ、开口角θ)扩展的、大致扇形的薄板状，沿Z轴12的剖面成为外周面51a～54a各自为了形成抛物线、双曲线或与之近似的曲线的非圆锥面(非目标圆锥面)或为了形成自由曲面而形成的薄板状。最上层壁体51的最下部51d为抵达Z轴12而关闭的(闭锁的)形状，其它的壁体52～54的最下部与Z轴12分离而形成开口52c～54c。因此，从光源(LED)6射出的源光7经由各个下层的壁体52～54的开口52c～54c，向上层的壁体51～53的外周面51a～53a入射，利用反射曲面61～63进行反射，从而向前方(径向)19射出。在最下层壁体54的外周面54a设置的反射曲面64将源光7的扩散角(配光角)较大的分量进行反射，向前方19射出。
更具体而言，各个壁体51～54的外周面51a～54a形成为非圆锥面，相对于与壁面55及56邻接的外侧部分57a的曲率半径，其外侧部分57a的内侧的内侧部分57b的曲率半径较大。沿Z轴12入射的源光7利用隔着Z轴12而设置的壁面55及56的反射面65及66，向由上述反射面65及66夹持的区域58反射。因此，在壁面55及56的附近的外侧部分57a中，利用由反射面65及66反射的分量，使光强度相对于内侧部分57b增强。因此，在改变源光7的方向而输出的壁体51～54的外周面51a～54a的外侧部分57a与内侧部分57b改变曲率半径，从而在区域2以更均匀的强度(亮度)生成照明的光(光束)3。
壁体51～54以及壁面55及56也可以为金属原材料、或在表面生成有反射膜的有机原材料或无机原材料。反射膜可以使金属或其自身具有反射特性的原材料通过蒸镀等而成膜，也可以将为了得到规定的反射特性而设置的多个折射率不同的薄膜层压来形成，也可以是能够得到其它的规定的反射特性的结构的薄膜。反射曲面61～64、反射面65及66的反射率可以根据照明装置1的用途等进行选择，可以为镜面反射面，也可以为扩散反射面。
在光学装置10中，因为反射面65及66、反射曲面61～64由薄的壁面55及56或壁体51～54来实现，所以，散热效率高，能够抑制光学装置10及照明装置1内的温度上升。为了进一步提高散热效率，壁面55及56、以及壁体51～54也可以由导热系数为10W/(m·K)左右或大于该值的材料构成。壁面55及56、以及壁体51～54可以由不锈钢、铝等金属构成，也可以是将碳、硅或者导热系数较高的碳纳米管等原材料作为填料等而含有的树脂或者陶瓷。导热系数可以为5W/(m·K)以上，也可以为50W/(m·K)以上，也可以为100W/(m·K)以上，对于碳纳米管等导热系数非常高的材料，有时可以达到2000-5000W/(m·K)左右。在为金属材料或者碳材料的情况下，导热系数也可以为100～400W/(m·K)。导热系数高且容易成型的材料的一个例子为在铸造中使用的压铸材料，导热系数为100～150W/(m·K)。另外，也可以通过塑性加工来使具有上述导热系数的材料成型。
如图3所示，该光学装置10包括壁面55及56的至少一部分与多个壁体51～54的至少一部分一体成型的成型部件71。具体而言，包括：壁面55及56的一部分与壁体51～54一体成型的成型部件71、以及壁面55及56剩下的部分一体成型的成型部件72，上述部件71及72安装在底面设有LED6的框架4上，由此来组装照明装置1。在LED6还安装有透明盖76。
图4表示了成型部件71的主视图(图4(b))、俯视图(图4(a))、仰视图（图4（c））、后视图（图4（e））、右侧视图（图4（d））、以及包括Z轴12并从右侧观察的剖视图（图4（f））。左侧视图与右侧视图对称表示。从模具成型的角度出发，与除去最上层壁体51以外的下层的壁体52～54相对的背面（Z轴向的面）为开口73，通过与成型部件72组合，将开口73的部分的壁面55及56进行组装，作为整体，在Z轴12的两侧设置反射面65及66。另外，在成型部件71的壁面55及56间断地设有开口68，以促进由壁面55及56夹持而包围的区域58的换气，能够减小区域58的温度上升。需要说明的是，在成型部件71的背面，上下间断地设有多个支承部74，以通过安装在沿着Z轴12的方向的剖面为コ状的框架4上而使成型部件71位置结合。图5示意性地表示了利用光学装置10的多层反射部件50将沿Z轴12入射的光（入射光、源光）7向与Z轴12正交的方向19射出的情况。如图6所示，从LED（光源）6输出的光7具有以光轴7a为中心的朗伯型配光分布。该光7在光轴7a的周围的分量利用在Z轴12的周围以角度θ组合的反射面65及66，向中心角θ的扇形区域58的方向反射。另外，如图5所示，该光7相对于光轴7a的配光角的分量利用光学装置10的多个（多层）反射曲面61～64，分为多组（光束），各光束向与光轴7a正交的方向19输出（反射）。即，在具有光学装置10、以及与多个壁体51～54的最下层壁体54的下侧的Z轴（第一轴）12邻接而配置且沿Z轴12输出光7的光源（LED）6的照明装置1中，从LED6沿Z轴12射出的光7利用在Z轴12以中心角θ交叉的反射面65及反射面66，向角度θ的范围（区域）58的多层反射曲面61～64的方向相互反射（折叠）。光学装置10还利用多层反射曲面61～64，向与Z轴12垂直的方向，向Z轴12的周围的角度θ的范围内反射并输出。反射面65及66可以配置为将来自LED6的光7折入角度θ的范围内，也可以至少配置在LED6的附近，即使由于开口68而使反射面积存在少许缺损，但对于利用反射曲面61～64输出的光强度的影响也小。当考虑一个或多个开口68的换气量时，开口68的面积So相对于作为反射面65及66而预定的面积Sr的比率可以为1～20%，也可以为2%以上，也可以为3%以上、10%以下。多层反射曲面61～64各自为圆弧状的反射面，并包括沿Z轴12、相对于与Z轴12垂直的面（X-Y平面）倾斜为锐角而扩展的反射面。从LED6输出的光7的配光角/>较大的分量7b利用最下层的反射曲面64，向与光轴7a正交的方向19输出。源光7的、配光角/>比分量7b小的分量7c、且通过构成最下层反射曲面64的漏斗状壁体54的下侧的开口54c的分量7c的一部分利用上一层反射曲面63，向与光轴7a正交的方向19输出。源光7的、配光角/>比分量7c小的分量7d、且通过构成反射曲面63的漏斗状壁体53的下侧的开口53c的分量7d的一部分利用上一层反射曲面62，向与光轴7a正交的方向19输出。此外，源光7的、配光角/>比分量7d小的分量7e及7f、且通过构成反射曲面62的漏斗状壁体52的下侧的开口52c的分量7e及7f利用最上层反射曲面61，向与光轴7a正交的方向19输出。
因此，该光学装置10利用反射曲面61～64、以及反射面65及66，将具有朗伯型配光的光7向相对于光轴7a正交的方向19圆弧状地进行反射，能够转换为具有适合照明线状或方形状的区域的配光的照明光3。此外，利用多层反射曲面61～64，向与光轴7a正交的方向19反射，将光7转换为与光轴7a正交的方向，由此，能够将光度在光轴7a的周围在配光角内变化的、朗伯型配光的光度所共用的部分从线状或方形状的配光的端部延长至端部。例如，能够将光轴7a上光度最高的光(光束)从线状或方形状的配光的端部延长至端部。另外，通过控制多层反射曲面的曲率或倾斜度，并控制线状或方形状的宽度方向的光度，能够得到光度分布更接近于均匀的线状或方形状的配光。在该例子中，虽然使用了四层反射曲面61～64，但反射曲面的数量不限于四层，可以为三层以下，也可以为五层以上。
图7表示了本发明的照明装置的其它的例子。该照明装置1a具有多个、在本例子中为两个光学装置10与两个光源6，且各光学装置10的第一轴(Z轴)12分开而配置。利用由多个光学装置10得到的线状或方形状的光3，能够照明相同或重复的区域2，能够提高照度。
图8表示了本发明的照明装置的其它的例子。该照明装置1b具有多个、在本例子为两个光学装置10与两个光源6，且各光学装置10的第一轴(Z轴)12邻接或共用而配置。利用由多个光学装置10得到的线状或方形状的光3，能够照明连续的不同区域2，能够扩展可照明的区域。
图9进而表示了不同的照明装置1c。照明装置1c具有三个光学装置10与三个光源6，并使Z轴12共用而配置，能够在360度照明为方形。图9(a)是照明装置1c的立体图，图9(b)是从上方观察照明装置1c的俯视图，图9(c)是表示将照明装置1的光学装置10展开为成型部件71及72的状态的图。需要说明的是，构成壁面55及56的成型部件72兼而用作邻接的光学装置10的成型部件72，壁面55及56两面成为反射面65及66。另外，三个光学装置10也可以各自具有成型部件72。
如上所述，照明装置1包括光学装置10，该光学装置包括：沿光轴交叉、且在交叉的方向上将光相互反射的反射面65及66、以及配置在由反射面65及66夹持的区域58且光轴方向的剖面为圆弧状的多层反射曲面61～64，该照明装置1能够将从作为光源的LED6输出的光向与光轴正交的方向，作为形成为大致方形的光束3而输出。利用光学装置10，能够将来自光源(LED)6的光7有效、且更均匀地转换为线状或方形状的配光，能够提供一种可将线状或方形状的区域更均匀且明亮地照明的照明装置1。
需要说明的是，在上述说明中，虽然以具有四层反射曲面61～64的光学装置10为例进行了说明，但也可以为具有五层以上的反射曲面的光学装置，也可以为具有三层以下的反射曲面的光学装置。虽然表示了组合为扇形的反射面65及66的中心角(开口角)θ是110度的例子，但中心角θ既可以为110度以下，也可以为110度以上，也可以为180度以上。另外，作为光源而配置的LED6的数量不限于一个，作为光源也可以配置多个多色的LED。另外，也可以在反射面65及66不设置开口68，在设有开口68的情况下，开口68的形状也不限于圆形，也可以为椭圆形或方形，开口68的数量也未特别限定。

Claims (13)

1.一种光学装置，其特征在于，具有：
第一壁面和第二壁面，其在第一轴交叉地进行配置，并包括面向由所述第一壁面和所述第二壁面夹持的方向的反射面；
漏斗状且板状的多个壁体，其在被所述第一壁面和所述第二壁面夹持的区域，以所述第一轴为中心同心状地在所述第一轴的方向上的多层位置配置，并在外周面包含反射曲面，经由下层的所述壁体的开口，光向上层的所述壁体的所述外周面入射。
2.如权利要求1所述的光学装置，其特征在于，
向所述外周面入射的光，由所述外周面的所述反射曲面进行反射，向前方射出。
3.如权利要求1所述的光学装置，其特征在于，
所述多个壁体各自为以剖面呈曲线的方式形成的板状。
4.如权利要求1所述的光学装置，其特征在于，
所述第一壁面和所述第二壁面含有金属原材料、或在表面生成有反射膜的有机原材料或无机原材料。
5.如权利要求1所述的光学装置，其特征在于，
所述多个壁体含有金属原材料、或在表面生成有反射膜的有机原材料或无机原材料。
6.如权利要求1所述的光学装置，其特征在于，
包括成型部件，该成型部件由所述第一壁面和所述第二壁面的至少一部分与所述多个壁体的至少一部分一体成型。
7.如权利要求1所述的光学装置，其特征在于，
所述多个壁体的最上层的壁体包括最下部闭锁的所述外周面。
8.如权利要求1所述的光学装置，其特征在于，
所述第一壁面和所述第二壁面包括多个开口。
9.如权利要求1所述的光学装置，其特征在于，
所述第一壁面和所述第二壁面及所述壁体的导热系数至少为5W/(m·K)。
10.如权利要求1所述的光学装置，其特征在于，
所述外周面为非圆锥面，其相对于与所述第一壁面和所述第二壁面邻接的外侧部分的曲率半径，这些所述外侧部分的内侧的内侧部分的曲率半径较大。
11.一种照明装置，其特征在于，具有：
权利要求1至10中任一项所述的光学装置；
光源，其与所述多个壁体的最下层壁体的下侧的所述第一轴邻接而配置，并沿所述第一轴输出光。
12.如权利要求11所述的照明装置，其特征在于，
具有：多个所述光学装置、以及多个所述光源，
各个所述光学装置的所述第一轴分开而配置。
13.如权利要求11所述的照明装置，其特征在于，
具有：多个所述光学装置、以及多个所述光源，
各个所述光学装置的所述第一轴邻接或共用地配置。
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