JP2005174685A

JP2005174685A - 局部照明灯

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Publication number: JP2005174685A
Application number: JP2003411798A
Authority: JP
Inventors: Yasuo Nakamura; 安男中村; Yorihiko Matsumoto; 頼彦松本
Original assignee: Koito Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Koito Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2003-12-10
Filing date: 2003-12-10
Publication date: 2005-06-30
Anticipated expiration: 2023-12-10
Also published as: JP4377211B2

Abstract

【課題】発光素子及びレンズを用いた局部照明灯において、発光強度分布に応じた拡散角度の制御により被照射面の中央を広い範囲に亘って均一に照明するとともに、そのために構成の複雑化等を伴わないようにする。
【解決手段】局部照明灯において、発光ダイオード１２とその前方に配置されるレンズ１３を備え、レンズ１３が発光ダイオード１２の発光強度分布に応じた複数のレンズ部１３Ａ、１３Ｂに区分されている。発光ダイオード１２から発した光のうち、光強度の強い光がレンズ部１３Ａを透過することで大きな拡散角度をもって被照射面に向けて照射されるようにし、被照射面上にほぼ矩形状の配光パターンを形成する。
【選択図】図２

Description

本発明は読書灯やベッドランプ、マップランプ等への適用において、被照射面全体を均一に照明するための技術に関する。

読書灯等の局部照明灯においては、想定される被照射面上に均整度の高い光を照射する性能が求められる。

そして、白熱電球と反射鏡を用いた構成形態（例えば、特許文献１参照。）や、反射鏡を用いない構成形態、例えば、発光ダイオードを光源とし、平凸レンズ等の投影レンズを用いて前方に照射する構成等が知られている。

米国特許第３５８８４９３号明細書

ところで、従来の局部照明灯では、想定される照射距離をもって被照射面上に均一な照度分布を得ることが難しいか、あるいは複雑な構成を必要とする等の問題がある。

例えば、点光源を仮定し、前面（出射面）が非球面であって背面が平面とされる平凸レンズを配置して光学設計を行う場合において、実際に使用する光源が面光源であることや、光軸回りの角度依存性をもつ発光強度分布が問題となる。発光ダイオード等では、発光強度の強い中心部から発した光がそのまま被照射面に向けて照射された場合に、照射範囲の中心部が明るくなり過ぎたり、周辺部が暗くなるといった分布傾向をもたらす。

そこで、本発明は、発光素子を用いた光源及び該光源の前方に配置されるレンズを用いた局部照明灯において、発光強度分布に応じた拡散角度の制御により被照射面の中央部を広い範囲に亘って均一に照明するとともに、そのために構成の複雑化等を伴わないようにすることを課題とする。

本発明は、上記した課題を解決するために、発光素子を用いた光源と、該光源の前方に配置されるレンズとを備え、被照射面上にほぼ矩形状（正方形状を含む。）の配光パターンを形成するための局部照明灯において、下記に示す構成を有するものである。

・上記レンズが、発光素子の発光強度分布に応じた複数のレンズ部に区分されていること
・上記発光素子から発した光のうち、光強度の強い光ほど大きな拡散角度をもってレンズ部から上記被照射面に向けて照射されること。

従って、本発明では、発光強度分布に応じたレンズ部の区分により、光強度に応じた光拡散角度の制御を行うことができる。

本発明によれば、被照射面への均一な照明を実現することができ、そのために著しい構成の複雑化を伴うことがない。

そして、レンズを第一レンズ部及び第二レンズ部の２区分とすることで構成が簡素化され、光強度の強い光について大きな拡散角度をもって、被照射面に向けて照射することができる。

また、各レンズ部の出射面を非球面とすることで効率を高めることが可能であり、また該出射面をフレネルレンズ面にすることで薄肉化が可能である。

被照射面の外径を「Ｗ」、該被照射面までの照射距離を「Ｌ」と記すとき、光源から発した後に第一レンズ部を透過した光については、光軸を中心軸とする角度「２・θ＝２・ａｒｃｔａｎ（（Ｗ／２）／Ｌ）」（但し、「ａｒｃｔａｎ（）」は逆正接関数を示す。）の範囲内に拡がって照射されるように構成する。これにより、光軸付近を通る発光強度の強い光を充分に拡散させることで、被照射面上の中心部の照度が高くなり過ぎないようにすることができる。

発光素子の位置を光軸上に沿って調整し又は設定する機構を設けることにより、被照射面に対する照射範囲を自由に設定することができる。その場合には、発光素子の基板及びレンズ部材に対する支持部材に設けられた複数の取付用座面のうち、第一の取付用座面に基板を取り付けて該基板上にレンズ部材の取付部を取り付けるか又は第二の取付用座面にレンズ部材の取付部を取り付けるかを、レンズ部材を光軸回りに回転させることで選択できるようにすると構成が簡単化され、また、レンズ部材の取付作業が容易となる。

さらには、発光素子として発光ダイオードを用いるとともに、その発光部の形状をレンズにより投影することで、発光部の形状を利用して照射範囲の形状を規定することができる。

本発明は、読書灯等の局所照明に適した灯具として、発光素子を用いた光源による光を、その前方に配置されるレンズを介して被照射面上に照射する構成を提供するものであり、被照射面上にほぼ矩形状の配光パターン（例えば、ほぼ同心正方形状の配光分布等）を形成することができる。

図１は、本発明を航空機用読書灯に適用した構成例を示したものである。

局部照明灯１は、光源２を構成する複数の発光素子２ａ、２ａ、…が実装された基板３と、複数のレンズ素子４ａ、４ａ、…を有するレンズ部材４と、基板３及びレンズ部材４の支持部材５を備えている。

基板３上には、複数の発光素子２ａが光軸回りに回転対称性をもって配置されており、本例では、発光素子２ａとして４つの発光ダイオード（ＬＥＤ）が、光軸に直交する面上の正方形の各頂点にそれぞれ位置されている。尚、光軸方向からみてほぼ正方形状をした基板３において、一方の対角線上の角隅には取付用孔３ａ、３ａがそれぞれ形成され、他方の対角線上の角隅に切欠３ｂ、３ｂがそれぞれ形成されている。また、基板３の中央には円孔３ｃが形成されている。

透明合成樹脂等で形成されるレンズ部材４は、各発光素子２ａのそれぞれに対応したレンズ素子４ａを有しており、本例では、各発光ダイオードに対応した４つのレンズ素子が、光軸に直交する面上の正方形の各頂点にそれぞれ位置されている。そして、取付部４ｂ、４ｂが他の部分（周縁部）と一体に形成されており、それらは光軸回りの対称な位置（本例では、光軸を挟んで互いに反対側の位置）に設けられていて、その中央に取付用孔４ｃ、４ｃをそれぞれ有する。

レンズ部材４や基板３は、２分割型の球体部６内に配置される。球体部６は、２つの部分６ａ、６ａ（図にはそれらの一部を切り欠いて示す。）を組み合わせることで構成され、リング部材７及びフランジ付リング部材８によって形成される空間内において回動自在な状態で収容される。そして、球状部６の一方の開口部に前面リング９が取り付けられて、フランジ付リング部材８を通して前面リング９が外部に露出した状態とされる。

支持部材５は、光軸方向からみてほぼ正方形の板状をなし、基板３及びレンズ部材４に対する複数の取付用座面５ａ、５ｂを有している。第一の取付用座面５ａと、第二の取付用座面５ｂとは、光軸に沿う方向における位置がそれぞれ異なっており、本例では、平坦面とされる第一の取付用座面５ａに対して第二の取付用座面５ｂが段差面として形成され、その形状はレンズ部材４の取付部４ｂに対応した形状（本例では四角形）とされている。第一の取付用座面５ａには孔５ａｈ、５ａｈ（図にはその一方だけを示す。）が形成され、第二の取付用座面５ｂ、５ｂには孔５ｂｈ、５ｂｈが形成されている。また、支持部材５の中央には円孔５ｃが形成されている。

支持部材５は、その背面のヒートシンク１０に取り付けられており、発光素子２ａの熱が基板３から支持部材５を介してヒートシンク１０に伝達されて外部に放散される。

基板３上の発光素子２ａへの給電については、図示しない回路部から配線部材１１を用いて行われ、各発光素子２ａから発した後、レンズ素子４ａを透過した光が、前面リング９を通して外部に照射される。その際、使用者は前面リング９及び球体部６の姿勢を回動により変化させることで照射方向を所望の方向に変更することができる。

図２は、光学系の要部の構成例を示す図であり、発光ダイオード１２及びレンズ１３を示す。

発光ダイオード１２の発光部１２ａから出射された光は、レンズ１３に向けて照射されるが、その発光強度分布については中心部で強く、周辺部へいくにつれて弱くなる。尚、発光部１２ａには、ＬＥＤチップやチップリフレクタ等が含まれる。

上記レンズ素子４ａを構成するレンズ１３は、本例において平凸レンズとされる（入射面が平面であり、出射面が凸曲面である。）。

レンズ１３は、発光ダイオード１２の発光強度分布に応じた複数のレンズ部に区分されており、本例では光軸近傍に位置する第一レンズ部１３Ａと、その周囲に隣接する第二レンズ部１３Ｂを有している。

そして、各レンズ部の出射面の形状については、発光ダイオードから発した光強度の強い光ほど大きな拡散角度をもって、想定される被照射面に向けて照射されるように設計されている。発光ダイオード１２から発した光強度の強い光は、図２の光線Ｌ１、Ｌ１、…に示すように、第一レンズ部１３Ａを透過し、図２に「θ」で示す角度範囲をもって前方に照射される。また、光線Ｌ１の光に比して光強度の弱い光は、図２の光線Ｌ２、Ｌ２、…に示すように、第二レンズ部１３Ｂを透過して前方に照射される。この場合、光線Ｌ１の方が光線Ｌ２よりも大きな拡散角度をもって、被照射面に向けて照射される。

第一レンズ部１３Ａ、第二レンズ部１３Ｂの各出射面の形状は、それぞれ曲率の異なる非球面とされており、各レンズ部の焦点距離が異なっている。つまり、各面の焦点位置から発したと仮定した光がレンズを通って平行光となるものと想定した場合において、第一レンズ部１３Ａの出射面に係る焦点距離を「ｆA」、第二レンズ部１３Ｂの出射面に係る焦点距離を「ｆB」と記すとき、「ｆA＞ｆB」とされている。尚、出射面の曲率半径については、概ね第一レンズ部１３Ａの方が第二レンズ部１３Ｂよりも大きい。

このような非球面に限らず、フレネルレンズ面を用いた形態も可能である。つまり、非球面レンズの場合には、フレネルレンズに比して効率が高いが、ある程度の肉厚を必要とし成型性に劣る等の短所を有するので、薄肉化等が必要とされる場合にはフレネルレンズの使用が好ましい（尚、フレネルレンズの各輪帯の傾斜については、上記と同様に発光ダイオード１２の発光強度分布に基いて光線の拡散角度から既知の方法で決定すれば良い。）。また、成型性を考慮した場合、プラスチックレンズの使用が好ましい。

図３は、上記光学系による被照射面「Ｓ」への照射範囲について説明するための光線追跡図であり、代表的な照射光線を選らんで示したものである。

図中に示す記号の意味は下記の通りである。

・「Ｌ」＝被照射面Ｓまでの照射距離
・「Ｗ」＝被照射面Ｓの外径。

照射距離Ｌとしては、例えば、１．１１７６ｍ（４４ｉｎｃｈ）や１．５２４ｍ（６０ｉｎｃｈ）とされ、また、想定される被照射面Ｓは１辺がＷ＝０．４５７２ｍ（１８ｉｎｃｈ）の正方形とされる。

角度「θ」を「ｔａｎθ＝（Ｗ／２）／Ｌ」で定義するとき、発光ダイオード１２からから発した後に第一レンズ部１３Ａを透過した光は、光軸を中心軸とする角度「２・θ」の範囲内に拡がって照射される。つまり、光軸付近の発光強度の強い光を第一レンズ部１３Ａによって充分に拡散させることで、被照射面Ｓにおいて中心部の照度が高くなり過ぎないようにすることができる。

図４は、被照射面上の配光パターンの概略図を（Ａ）図に示し、その下方の（Ｂ）図に照度分布例を概略的に示した説明図である。

図中の「Ｘ」、「Ｙ」は互いに直交する２軸を示しており、両者の交点は、被照射面Ｓと光軸との交点に一致する。

被照射面上には、ほぼ矩形状をした配光パターンが形成され、本例では正方形状のパターンを示している。つまり、ほぼ同心矩形状の配光分布が得られる。

また、照度分布については、横軸にＸ軸又はＹ軸上の位置（あるいは、配光中心位置からの距離）をとり、縦軸に照度「Ｅ」をとって示した場合のグラフ曲線「Ｇ」に示すように、配光パターンの中心部における均整度を高めることができ、中心から広い範囲に亘って均一な照明光を得ることができる。

尚、破線で示すグラフ曲線「ｇ」は、従来のレンズ構成として、前面が非球面とされ、単一焦点をもつ平凸レンズを用いた場合の照度分布例を概略的に示したものである。この場合、発光ダイオードの発光部から発してレンズを透過した光の拡散角に関して、光軸に近い光線が小さく、外周部にいくにつれて大きくなる傾向をもつ。つまり、発光部の中心部から出る強い光がレンズの近軸領域を透過するため、被照射面に向けてそれ程拡がらずに照射されることになる。その結果、配光パターンの中心部では明るいが、周辺部では相対的に暗くなってしまい、明るさにムラが生じる。

次に、光軸上における発光素子の位置設定について説明する。

レンズに対する発光素子の設定位置が光軸上で固定された構成では、想定される照射距離に位置する被照射面上での照射範囲が常に一定となるが、発光素子の位置を光軸上に沿って調整し又は設定する機構を設けることにより、被照射面に対する照射範囲を規定することができる。

図５及び図６は、発光素子とレンズとの距離を２段階に亘って設定できるようにした構成例を概略的に示したものであり、これらの図において上方に示す（Ａ）図が光軸方向からみたレンズ部材等の正面図、下方に示す（Ｂ）図は光軸に直交する側方からみた概略図である。

図５の（Ａ）図において、レンズ部材４の取付部４ｂ、４ｂは、右斜め上方に延びる対角線上に位置しており、また、図中に一点鎖線で示す矩形枠（左上隅及び右下隅を参照）は、基板３のうち取付用孔３ａが形成された部分及び支持部材５のうち第一の取付用座面５ａの部分を表している。

前記したように、支持部材５には、第一の取付用座面５ａ及び第二の取付用座面５ｂが形成されており、図５では、取付部４ｂ、基板３の切欠３ｂ、第二の取付用座面５ｂが、光軸に平行な同一軸上に位置された状態で、レンズ部材４及び基板３が支持部材５に取り付けられている。

つまり、図５の（Ｂ）図に示すように、基板３の取付用孔３ａ、３ａにネジ等の締結部材１４、１４がそれぞれ挿通され、該部材を用いて基板３が第一の取付用座面５ａ、５ａ上に取り付けられている。そして、レンズ部材４の取付部４ｂ、４ｂが基板３の切欠３ｂ、３ｂを通して第二の取付用座面５ｂ、５ｂ上に位置されて、取付用孔４ｃ、４ｃ及び孔５ｂｈ、５ｂｈに挿通される締結部材１５、１５を用いて支持部材５に取り付られている（以下、この状態を、「第一の取付状態」という。）。

これに対して、図６の（Ａ）図は、レンズ部材４を図５の（Ａ）図に示す状態から反時計回り方向に９０°の角度をもって回転させた状態を示している。つまり、レンズ部材４の取付部４ｂ、４ｂは、左斜め上方に延びる対角線上に位置しており、図中に一点鎖線で示す矩形枠（右上隅び左下隅を参照）は、基板３の切欠３ｂ及び支持部材５のうち第二の取付用座面５ｂの部分を表している。

図６では、取付部４ｂ、基板３の取付用孔３ａ、第一の取付用座面５ａの孔５ａｈが、光軸に平行な同一軸上に位置された状態で、レンズ部材４及び基板３が支持部材５に取り付けられている。

つまり、図６の（Ｂ）図に示すように、レンズ部材４の取付用孔４ｃ、４ｃ及び基板３の取付用孔３ａ、３ａにネジ等の締結部材１６、１６がそれぞれ挿通され、該部材を用いて基板３及びレンズ部材４が支持部材５に取り付けられている（以下、この状態を、「第二の取付状態」という。）。

以上のように、４つの締結部材を用いた第一の取付状態では、第二の取付用座面５ｂを基準として、レンズと発光ダイオードとの間隔（図５の「ｄ１」参照。）が規定される。また、２つの締結部材を用いた第二の取付状態では、第一の取付用座面５ａ上に取り付けられた基板３の表面を基準として、レンズと発光ダイオードとの間隔（図６の「ｄ２」参照。）が規定される。従って、両取付状態を比較した場合に、レンズと発光ダイオードとの間隔については、第二の取付状態の方が第一の取付状態より大きい（ｄ１＜ｄ２）。

レンズ部材４、基板３、支持部材５の３者の結合において、第一の取付状態と、該状態から光軸回りにレンズ部材４を回転させた状態で該レンズ部材４を基板３上に取り付けた第二の取付状態とを、簡単な構成で任意に選択することができる。つまり、第一の取付用座面５ａに取り付けられた基板３上にレンズ部材４の取付部４ｂを取り付けるか又は第二の取付用座面５ｂにレンズ部材４の取付部４ｂを取り付けるかを、レンズ部材４を光軸回りに回転させることで選べるので、照射距離に応じて照射範囲（面積）を変更することができる。

尚、本例では、レンズと発光ダイオードとの間隔について、２段階の設定が可能であるが、３以上の多段階の設定を行えるようにした構成形態への適用も勿論可能である（例えば、支持部材５に、３種類以上の取付用座面を形成すれば良い。）。

また、上記の説明では、ほぼ矩形状をした配光パターンを被照射面上に形成する例を挙げたが、被照射面上の範囲を任意の形状（例えば、円形や多角形等）で照射したい場合には、下記に示す構成形態が挙げられる。

・レンズをその光軸に直交する平面で切断した場合の断面形状を、所望の形状（例えば、多角形や星形等）に合わせて形成した形態、あるいは、各種断面形状のレンズを予め作成しておき、該レンズを選択して使用する形態等
・レンズの入射側又は出射側に所定の形状をもったマスク部材を配置した形態。

・発光部（ＬＥＤチップやチップリフレクタ）を所望の形状にして、レンズによって投影する形態。

尚、マスク部材を用いる場合には、該部材の開口部がアパーチャーとして機能するので、遮光による光量低下に注意する必要がある。

また、発光ダイオードにおけるＬＥＤチップの発光強度ムラに起因する照度分布への影響を低減するためには、例えば、例えば、下記に示す構成形態が挙げられる。

（Ｉ）レンズの焦点に対して、ＬＥＤの発光部の位置を意図的に光軸方向にずらした形態
（ＩＩ）レンズの表裏両面又は一方の面に、梨地加工等を施こして粗面化した形態
（ＩＩＩ）レンズの出射面側又は入射面側、あるいは両方の側に光拡散板を配置した形態
（ＩＶ）光拡散材を含有するレンズ材料を用いる形態。

尚、（Ｉ）では発光部の位置設定だけで対応できるので、追加部品等が不要であるが、照度分布の均一化を優先させたい場合には、（ＩＩ）の加工や（ＩＩＩ）の部品追加等、積極策も場合によっては必要となる。また、（ＩＶ）では、例えば、プラスチックレンズにおいて、ガラス粉末を混入させた合成樹脂材料等が用いられる（屈折率の異なる材料の組み合わせを使用する。）。

本発明を適用した構成例を示す分解斜視図である。本発明に係る光学系の一例について要部を示す図である。図２の光学系による被照射面への照射範囲について説明するための光線追跡図である。（Ａ）図は被照射面上の配光パターンの概略図を示し、（Ｂ）図は照度分布例を概略的に示したグラフ図である。図６とともに発光素子とレンズとの間隔を２段階に亘って設定できるようにした構成例を示す図であり、本図は第一の取付状態を示す図である。第二の取付状態を示す図である。

符号の説明

１…局部照明灯、２…光源、２ａ…発光素子、３…基板、４…レンズ部材、４ａ…レンズ素子、４ｂ…取付部、５…支持部材、５ａ…第一の取付用座面、５ｂ…第二の取付用座面、１２…発光ダイオード、１２ａ…発光部、１３…レンズ、１３Ａ、１３Ｂ…レンズ部、１３Ａ…第一レンズ部、１３Ｂ…第二レンズ部

Claims

発光素子を用いた光源と、該光源の前方に配置されるレンズとを備え、被照射面上にほぼ矩形状の配光パターンを形成するための局部照明灯において、
上記レンズが、上記発光素子の発光強度分布に応じた複数のレンズ部に区分されており、上記発光素子から発した光のうち、光強度の強い光ほど大きな拡散角度をもって上記レンズ部から上記被照射面に向けて照射される
ことを特徴とする局部照明灯。
請求項１に記載した局部照明灯において、
上記レンズが光軸近傍に位置する第一レンズ部と、該第一レンズ部の周囲に隣接する第二レンズ部を有しており、
上記発光素子から発した光強度の強い光が上記第一レンズ部を透過するとともに、該光に比して光強度の弱い光が上記第二レンズ部を透過する
ことを特徴とする局部照明灯。
請求項２に記載した局部照明灯において、
上記第一レンズ部及び第二レンズ部の出射面がそれぞれ非球面又はフレネルレンズ面とされ、上記第一レンズ部の出射面に係る焦点距離の方が上記第二レンズ部の出射面に係る焦点距離よりも長い
ことを特徴とする局部照明灯。
請求項２又は請求項３に記載した局部照明灯において、
上記被照射面の外径を「Ｗ」、該被照射面までの照射距離を「Ｌ」と記し、「ｔａｎθ＝（Ｗ／２）／Ｌ」とするとき、
上記光源から発した後に上記第一レンズ部を透過した光が、光軸を中心軸とする角度「２・θ」の範囲内に拡がって照射される
ことを特徴とする局部照明灯。
請求項１乃至４のいずれか一項記載の局部照明灯において、
上記発光素子の位置を光軸上に沿って調整又は設定する機構を設けることにより、上記被照射面に対する照射範囲を規定する
ことを特徴とする局部照明灯。
請求項５に記載した局部照明灯において、
複数の発光素子を光軸回りに回転対称に配置した基板と、各発光素子のそれぞれに対応した複数のレンズ素子を有しかつ光軸回りの対称な位置に取付部を有するレンズ部材と、基板及びレンズ部材に対する複数の取付用座面を有する支持部材を備えており、
第一の取付用座面と第二の取付用座面とは、光軸に沿う方向における位置がそれぞれ異なるとともに、該第一の取付用座面に取り付けられた基板上に上記レンズ部材の取付部を取り付けるか又は該第二の取付用座面に上記レンズ部材の取付部を取り付けるかを選択できるようにした
ことを特徴とする局部照明灯。
請求項１乃至６のいずれか一項記載の局部照明灯において、
上記発光素子として発光ダイオードを用い、その発光部の形状を上記レンズにより投影する
ことを特徴とする局部照明灯。