JP2009158177A - 照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光源と、該光源の出射光を集光して出射するレンズとを備えるとともに、該出射光の照射強度を均一にすることができる照明装置を提供する。
【解決手段】 照明装置１は、光源２と、光源２の出射光を集光して出射するレンズ３とを備える。レンズ３は、第１の放物線Ｌ_ｐの一部を形成する曲線ＳＴを光源２の光軸Ｌ_ｃに対して回転させてなる回転体と、光源２の出射光が入射する入射側端面３ａと、入射側端面３ａよりも面積が大きく、光源２の出射光が出射する出射側端面３ｂとを備える。第１の放物線Ｌ_ｐは、入射側端面３ａ上の光源２の最大幅の長さを有する線分ＰＱの第１の端点Ｐを通り且つ光軸Ｌ_ｃに対して角度θで交わる直線を対称軸Ｌ_ｓとし、第１の端点Ｐを焦点とするとともに、線分ＰＱの第２の端点を通る曲線を第２の放物線Ｌ_ｐ´とし、該第２の放物線Ｌ_ｐ´を光軸Ｌ_ｃから離間する方向に所定距離Ｘだけ平行移動して得られる曲線である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば発光ダイオードのような微小光源と、該光源の出射光を集光して出射するレンズとを備える照明装置に関するものである。

従来、図６に示すように、発光ダイオードのような微小光源１０１と、該光源１０１の出射光を集光して出射するレンズ１０２とを備え、指向性をもって照射を行う照明装置１０３が知られている（例えば特許文献１参照）。

前記レンズ１０２は、前記光源１０１の出射光が入射する入射側端面１０２ａと、該入射側端面１０２ａに対向するとともに該入射側端面１０２ａより面積の大きな出射側端面１０２ｂと、該入射側端面１０２ａと該出射側端面１０２ｂとを接続する放物面１０２ｃとを備えている。そして、前記放物面１０２ｃは、図７に示すように、前記光源１０１の直径の長さを有する線分ＰＱの第１の端点Ｐを通り前記光源１０１の出射光の光軸Ｌ_ｃに対し所定の角度θで交わる直線Ｌ_ｓを対称軸とし、該第１の端点Ｐを焦点とするとともに、線分ＰＱの第２の端点Ｑを通る放物線Ｌ_ｐ´の一部を形成する曲線ＱＲを、該光軸Ｌ_ｃを回転軸として３６０°回転させたものである。

前記従来の照明装置１０３によれば、前記光源１０１の出射光が前記放物面１０２ｃの内面で反射し反射光が前記出射側端面１０２ｂから出射するので、該出射光の利用について優れた効率を得ることができるとともに、該出射光の照射方向について優れた指向性を得ることができる。

しかしながら、前記従来の照明装置１０３によれば、前記レンズ１０２の出射側端面１０２ｂからの照射による被照射面での照射強度分布において、図８に示すように、周辺部の照射強度Ｉ_ｍが中心部の照射強度Ｉ_ｃより大きくなり、結果として前記光源１０１の出射光の照射強度が不均一になるという不都合がある。
特開２００６−１２８０４１号公報

本発明は、かかる不都合を解消して、光源と、該光源の出射光を集光して出射するレンズとを備えるとともに、該出射光の照射強度を均一にすることができる照明装置を提供することを目的とする。

本発明者らの検討によれば、前記従来の照明装置１０３において、前記レンズの放物面からなる側面１０２ｃで反射し出射面１０２ｂから出射した光束が、最大照射角付近において鋭い指向特性を有することにより、前記光源１０１の出射光の照射強度が不均一になることが判明した。

本発明は、前記知見に基づいてなされたものであり、前記目的を達成するために、光源と、該光源の出射光を集光して出射するレンズとを備える照明装置において、該レンズは、第１の放物線の一部を形成する曲線を該光源の出射光の光軸を回転軸として回転させてなる回転体と、該回転体の２つの端面のうち面積が小さい側の端面であって、該光源に臨む位置に配置され、該光源の出射光が入射する入射側端面と、該２つの端面のうち面積が大きい側の端面であって、該入射側端面に対向して配置され、該光源の出射光が出射する出射側端面とを備え、該レンズの縦断面において、該入射側端面上の該光源の最大幅の長さを有する線分の第１の端点を通り且つ該光源の出射光の光軸に対して所定の角度で交わる直線を対称軸とし、該第１の端点を焦点とするとともに、該線分の第２の端点を通る曲線を第２の放物線とし、該第２の放物線を、該線分を該第２の端点方向に延長した延長線に沿って該光軸から離間する方向に所定距離平行移動して得られる曲線を第１の放物線とするときに、該回転体は、該第１の放物線の一部を形成する曲線を該光源の出射光の光軸を回転軸として回転させてなることを特徴とする。

本発明によれば、前記レンズは、前記曲線を回転させることにより形成された２つの端面を有する前記回転体からなり、面積が小さい側の端面が前記入射側端面となり、面積が大きい側の端面が前記出射側端面となっている。前記回転体は、第２の放物線を前記光源の出射光の光軸から離間する方向に平行移動して得られた第１の放物線の一部を形成する曲線を回転させたものであるので、該回転体の側面に入射される該光源の出射光の入射角度は、第２の放物線の一部を形成する曲線を回転させた回転体の場合と比較して大きくなる。この結果、前記回転体の側面で全反射された反射光の反射角度が大きくなり、最大照射角付近において鋭い指向性を有する光成分を減少させることとなるので、本発明によれば、前記従来の照明装置と比較して、前記光源の出射光の照射方向について優れた指向性を得ることができ、出射光の照射強度を均一にすることができる。

また、本発明において、前記入射側端面に該回転体の内方に没入する凹部を備えるものとすることができる。

本発明によれば、前記レンズが前記凹部を備えることにより、前記光源の出射光の一部は、該凹部で屈折して前記回転体の側面に入射し該側面で全反射される。この結果、本発明によれば、前記光源から直接出射する光成分が減少するので、前記従来の照明装置と比較して、光源の出射光の照射強度の均一性を向上することができる。

また、本発明において、前記凹部は、前記レンズの前記入射側端面を底面とし、該底面の端点をＳ、該凹部の最先端をＵ、制御点をＶ、曲率重みをｗとするときに、次式（１）で表される曲線を、前記光源の出射光の光軸を回転軸として回転させてなる回転体とすることができる。前記曲線は、いわゆるベジエ曲線である。

また、本発明において、前記レンズは、例えば、前記入射側端面の直径が前記光源の発光部の寸法の２．９倍であり、前記出射側端面が前記出射側端面は、直径が該光源の発光部の寸法の３．６倍であり、前記第２の放物線の対称軸が前記光軸に対し３２．５°の角度で交わるように構成することができる。このとき、前記第２の放物線の平行移動距離は、例えば前記光源の発光部の寸法に相当する長さとすることができる。また、前記第２の放物線の平行移動距離をＸとし、前記凹部の高さをＹとするときに、例えばＹ＝Ｘ−０．７であるようにすることができる。

ところで、前記レンズの回転体を構成する前記放物線の一部を形成する曲線を、出射する光束の妨げとならないような傾斜面を有する形状とし、この曲線を回転させると、得られた前記回転体の出射側端面の面積が大きくなり、結果として前記レンズ全体が幅広になってしまう。そこで、本発明において、前記レンズは、前記出射側端面を含む面を有するとともに該出射側端面から外方に突出し、前記光源の出射光を該出射側端面よりも外方に導く導光部材を備えることが好ましい。

本発明によれば、前記レンズは、前記出射側端面よりも外方に突出する前記導光部材を備えていて、該導光部材は、該出射側端面を含む面すなわち該出射側端面に対向し該出射側端面を含む面積を有する面を備えているので、該レンズの出射側端面から出射した光は該導光部材に入射することとなる。そして、前記導光部材に入射した光のうち拡散角度の大きい光は、該導光部材を透過し、該導光部材の側面で反射することにより、該導光部材の該出射側端面を含む面に対向する面から出射することとなる。したがって、前記レンズ全体を幅広にすることなく、前記光源の出射光の利用について優れた効率を得ることができる。

前記導光部材は、前記光源の出射光の光軸に対して平行な側面を有する中実体であることが好ましい。前記中実体は、例えば円柱体、直方体、多角柱体とすることができる。

本発明によれば、前記導光部材を透過する光が外方に拡散することを防ぎ、前記導光部材の前記出射側端面を含む面に対向する面から出射する前記光源の出射光の指向性を、前記レンズの出射側端面から出射する出射光と同程度にすることができる。

また、本発明は、複数の前記光源と、各出射側端面が同一平面上に配置された複数の前記レンズとを備え、該複数のレンズは、該同一平面を含む面を有するとともに該同一平面から外方に突出し、該光源の出射光を該出射側端面よりも外方に導く導光部材を備えるようにしてもよい。

本発明によれば、１つの前記導光部材にて複数の前記レンズに対応することができるので、各該レンズに対応する複数の導光部材を用いる場合と比較して、部品数を減らすことができる。

次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。図１は本実施形態の照明装置を示す説明図であり、図１（ａ）は本実施形態の照明装置を示す斜視図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。図２は本実施形態の照明装置に係るレンズの放物面を説明する説明図であり、図３は本実施形態の照明装置における出射光の照射強度を示すグラフである。図４及び図５は導光部材を備えた本実施形態の照明装置を示す正面図である。

図１に示す本実施形態の照明装置１は、例えば発光ダイオードのような微小光源２と、該光源２の出射光を集光して出射する例えばガラス、プラスチック、石英製のレンズ３とを備えている。

光源２は、例えば、素子外形が６．７ｍｍ×５．４ｍｍであって、発光部の直径が１．４ｍｍである白色発光ダイオードである。

レンズ３は、第１の放物線Ｌ_ｐの一部を形成する曲線ＳＴを光源２の出射光の光軸Ｌ_ｃを回転軸として回転させてなる回転体からなる。前記回転体の２つの端面のうち面積が小さい側の端面は、光源２に臨む位置に配置され、光源２の出射光が入射する入射側端面３ａとなっていて、入射側端面３ａの直径Ｄ_１は前記白色発光ダイオードの発光部の直径の約２．９倍であり、例えば４ｍｍである。一方、前記回転体の面積が大きい側の端面は、入射側端面３ａに対向して配置され、光源２の出射光が出射する出射側端面３ｂとなっていて、出射側端面３ｂの直径Ｄ_２は前記白色発光ダイオードの発光部の直径の約３．６倍であり、例えば５ｍｍである。入射側端面３ａと出射側端面３ｂとの距離すなわちレンズ３全体の高さＨは前記白色ダイオードの発光部の直径の約２．６倍であり、例えば３．７ｍｍである。

また、レンズ３は、入射側端面３ａに形成され、前記回転体の内方に没入する凹部３ｃを備える。凹部３ｃは、入射側端面３ａを底面とし、前記底面の端点をＳ、凹部３ｃの最先端をＵ、制御点をＶ、曲率重みをｗとするときに、次式（２）で表されるベジエ曲線を母線とし、該母線を光源２光軸Ｌ_ｃを回転軸として回転させてなる回転体である。本実施形態では、凹部３ｃの最先端Ｕは光源２の光軸Ｌ_ｃ上に位置していて、曲率重みｗは０．０５となっている。

前記回転体は、例えば図２に示す第１の放物線Ｌ_ｐを用いて得ることができる。まず、入射側端面３ａ上で光源２の発光部の直径の長さを有する線分ＰＱの中点Ｍを通り且つ線分ＰＱに直交する直線を、光源２の出射光の光軸Ｌ_ｃとする。次に、線分ＰＱの第１の端点Ｐを通り且つ光軸Ｌ_ｃに対し所定の角度θ（例えばθ＝３２．５°）で交わる直線Ｌ_ｓを対称軸とし、該第１の端点Ｐを焦点とするとともに、線分ＰＱの第２の端点Ｑを通る第２の放物線をＬ_ｐ´とする。次に、前記第２の放物線Ｌ_ｐ´を、線分ＰＱを延長した延長線Ｌ_ｅに沿って、光軸Ｌ_ｃから離間する方向であって且つ第２の端点Ｑ方向に所定距離Ｘ（例えばＸ＝１．４ｍｍ）だけ平行移動することにより、前記第１の放物線Ｌ_ｐとする。

次に、第２の放物線Ｌ_ｐ´において、線分ＰＱの第１の端点Ｐから出射された出射光がθ以上の角度で照射されることがない点をＲとする。次に、点Ｒを第１の放物線Ｌ_ｐに投影して得られる点をＴとし、得られた第１の放物線Ｌ_ｐと延長線Ｌ_ｅとの交点Ｓと該点Ｔとから、第１の放物線Ｌ_ｐの一部である曲線ＳＴを得る。そして、曲線ＳＴを光源２の出射光の光軸Ｌ_ｃを回転軸として３６０°回転することにより、前記回転体を得ることができる。このとき、第１の放物線Ｌ_ｐ上の点Ｔから延長線Ｌ_ｅに下ろした垂線の長さが、レンズ３全体の高さＨとなる。

本実施形態の照明装置１によれば、前記回転体が、第２の放物線Ｌ_ｐ´を光源２の出射光の光軸Ｌ_ｃから離間する方向に平行移動して得られた第１の放物線Ｌ_ｐの一部を形成する曲線ＳＴを回転させたものであるので、該回転体の側面３ｄに入射される光源２の出射光の入射角度は、第２の放物線Ｌ_ｐ´の一部を形成する曲線ＱＲを回転させた回転体の場合と比較して大きくなる。この結果、レンズ３の前記回転体（曲線ＳＴを回転させた回転体）の側面３ｄで全反射された反射光の反射角度が大きくなり、最大照射角付近において鋭い指向性を有する光成分を減少させることとなるので、本実施形態の照明装置１によれば、前記従来の照明装置１０３と比較して、光源２の出射光の照射方向について優れた指向性を得ることができ、光源２の出射光の照射強度の均一性を向上することができる。

また、本実施形態の照明装置１は、レンズ３が、入射側端面３ａに形成されて前記回転体の内方に没入する凹部３ｃを備えているので、光源２の出射光の一部は凹部３ｃで屈折して前記回転体の側面３ｄに入射し該側面３ｄで全反射される。この結果、光源２から直接出射する光成分が減少することにより、図３に示すように、出射側端面３ｂの中心部の照射強度Ｉ_ｃと周辺部の照射強度Ｉ_ｍとの差が小さくなる。したがって、本実施形態の照明装置１によれば、前記従来の照明装置１０３と比較して、光源２の出射光の照射強度の均一性を向上することができる。

本実施形態の照明装置１において、凹部３は、上述のベジエ曲線の曲率重みがｗ＝０．０５である母線を回転して形成してなる回転体であるとしたが、曲率重みがｗ＝０である母線を用いることもでき、この場合に得られる回転体は円錐形となる。

また、本実施形態においては、第２の放物線Ｌ_ｐ´の平行移動距離Ｘ及び凹部３の高さＹは、Ｙ＝Ｘ−０．７を満たす任意の値とすることができる。

次に、図４を参照して、導光部材を備えた本実施形態の照明装置１１について説明する。照明装置１１は、図１の照明装置１のレンズ３の出射側端面３ｂの外方に中実体からなる導光部材１４を設けたものである。導光部材１４は、レンズ３の出射側端面３ｂを含む面、例えば該出射側端面３ｂに対向し該出射側端面３ｂと同一の面積を有する面を底面とし、前記光源の出射光の光軸に対して平行な面を側面とし、出射側端面３ｂから外方に突出する円柱体であり、光源２の出射光を出射側端面２ｂよりも外方に導くものである。

照明装置１１によれば、光源２からの出射光は、レンズ３の出射側端面３ｂから導光部材１４の出射側端面３ｂを含む入射側端面１４ａへ入射する。導光部材１４の入射側端面１４ａへ入射した光のうち拡散角度の大きい光は、導光部材１４を透過し、導光部材１４の側面１４ｃで反射することにより、導光部材１４の入射側端面１４ａに対向する出射側端面１４ｂから出射することとなる。したがって、レンズ３全体を幅広にすることなく、前記光源の出射光の利用について優れた効率を得ることができる。また、本実施形態においては、導光部材１４は円柱体であるので、該導光部材１４を透過する光が外方に拡散することを防ぎ、導光部材１４の出射側端面１４ｂから出射する光源２の出射光の指向性を、レンズ３の出射側端面３ｂから出射する出射光と同程度にすることができる。

本実施形態においては、導光部材１４は円柱体であるとしたが、他の形状であってもよく例えば直方体、多角柱体であってもよい。また、導光部材１４は、レンズ３と一体成形されたものであってもよいし、レンズ３とは別体に成形され、該レンズ３の出射側端面１４ｂに接着されたものであってもよい。

また、照明装置が複数の光源と該光源に対応する複数のレンズを備える場合には、各レンズに対向する導光部材を複数設けてもよいし、複数のレンズに対向して、各１個ずつの導光部材を設けてもよい。例えば、図５に示す照明装置２１は、６個の光源２と、各光源２に臨む６個のレンズ３と、１個の導光部材２４とを備えている。６個の光源２は、１列につき３個ずつ２列に配列されている。６個のレンズ３は、各出射側端面３ｂが同一平面上に位置するように配置されている。導光部材２４は、各レンズ３の出射側端面３ｂを含む面を底面とし、出射側端面３ｂから外方に突出する直方体である。導光部材２４は、出射側端面３ｂを含む面を、光源２の出射光が入射する入射側端面２４ａとし、入射側端面２４ａに対向する面を、光源２の出射光が出射する出射側端面２４ｂとする。照明装置２１によれば、複数のレンズ３に対向して各レンズ３に共通の１個の導光部材２４を用いることにより、各レンズ３に対向して複数の導光部材を設ける場合と比較して、部品数を減らすことができる。

本実施形態の照明装置を示す斜視図。 本実施形態の照明装置に係るレンズの放物面を説明する説明図。 実施形態の照明装置における出射光の照射強度を示すグラフ 導光部材を備えた本実施形態の照明装置を示す正面図。 導光部材を備えた本実施形態の照明装置を示す正面図。 従来技術の照明装置を示す正面図。 従来技術の照明装置に係るレンズの放物面を説明する説明図。 従来技術の照明装置における出射光の照射強度を示すグラフ。

符号の説明

１，１１，２１…照明装置、 ２…光源、 ３…レンズ、 ３ａ…入射側端面、 ３ｂ…出射側端面、 ３ｃ…凹部、 １４、２４…導光部材、 Ｌ_ｅ…延長線、 Ｌ_ｃ…光源の出射光の光軸、 Ｌ_ｐ…第１の放物線、 Ｌ_ｐ´…第２の放物線、 Ｌ_ｓ…対称軸、 Ｐ…第１の端点、 ＰＱ…線分、 Ｑ…第２の端点、 ＳＴ…曲線、 Ｘ…第２の放物線の平行移動距離、 Ｙ…凹部の高さ。

Claims (9)

1. 光源と、該光源の出射光を集光して出射するレンズとを備える照明装置において、
   該レンズは、第１の放物線の一部を形成する曲線を該光源の出射光の光軸を回転軸として回転させてなる回転体と、
   該回転体の２つの端面のうち面積が小さい側の端面であって、該光源に臨む位置に配置され、該光源の出射光が入射する入射側端面と、
   該２つの端面のうち面積が大きい側の端面であって、該入射側端面に対向して配置され、該光源の出射光が出射する出射側端面とを備え、
   該レンズの縦断面において、該入射側端面上の該光源の最大幅の長さを有する線分の第１の端点を通り且つ該光源の出射光の光軸に対して所定の角度で交わる直線を対称軸とし、該第１の端点を焦点とするとともに、該線分の第２の端点を通る曲線を第２の放物線とし、
   該第２の放物線を、該線分を該第２の端点方向に延長した延長線に沿って該光軸から離間する方向に所定距離平行移動して得られる曲線を第１の放物線とするときに、
   該回転体は、該第１の放物線の一部を形成する曲線を該光源の出射光の光軸を回転軸として回転させてなることを特徴とする照明装置。
2. 前記レンズは、前記入射側端面に該回転体の内方に没入する凹部を備えることを特徴とする請求項１記載の照明装置。
3. 前記凹部は、前記レンズの前記入射側端面を底面とし、該底面の端点をＳ、該凹部の最先端をＵ、制御点をＶ、曲率重みをｗとするときに、次式（１）
   
   で表される曲線を、前記光源の出射光の光軸を回転軸として回転させてなる回転体であることを特徴とする請求項２記載の照明装置。
4. 前記入射側端面は、直径が前記光源の発光部の寸法の２．９倍であり、前記出射側端面は、直径が該光源の発光部の寸法の３．６倍であり、前記第２の放物線の対称軸は前記光軸に対し３２．５°の角度で交わることを特徴とする請求項２又は請求項３記載の照明装置。
5. 前記第２の放物線の平行移動距離は、前記光源の発光部の寸法に相当する長さであることを特徴とする請求項４記載の照明装置。
6. 前記第２の放物線の平行移動距離をＸとし、前記凹部の高さをＹとするときに、Ｙ＝Ｘ−０．７であることを特徴とする請求項４又は請求項５記載の照明装置。
7. 前記レンズは、前記出射側端面を含む面を有するとともに該出射側端面から外方に突出し、前記光源の出射光を該出射側端面よりも外方に導く導光部材を備えることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載の照明装置。
8. 前記導光部材は、前記光源の出射光の光軸に対して平行な側面を有する中実体であることを特徴とする請求項７記載の照明装置。
9. 複数の前記光源と、各出射側端面が同一平面上に配置された複数の前記レンズとを備え、
   該複数のレンズは、該同一平面を含む面を有するとともに該同一平面から外方に突出し、該光源の出射光を該出射側端面よりも外方に導く導光部材を備えることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載の照明装置。