JP2011044315A

JP2011044315A - 光学レンズおよびこれを用いた照明器具

Info

Publication number: JP2011044315A
Application number: JP2009191276A
Authority: JP
Inventors: Tadashi Murakami; 忠史村上
Original assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2009-08-20
Filing date: 2009-08-20
Publication date: 2011-03-03
Also published as: CN101994989A; EP2287653A1; CN101994989B

Abstract

【課題】高出力の光源を用いて広い範囲の配光を可能とし、小型、且つ光源の発熱による劣化を抑制することができる光学レンズ、及びこれを用いる照明器具を提供する。
【解決手段】光源１０から放射され、光軸Ｘに対して対称に形成された凹状入射面２１のＡ〜Ｂの個所に入射した光は、光学レンズ２０の断面におけるＡ、Ａ’、Ｂ、Ｂ’で囲まれる部分が凸レンズの形状をしているため、白抜き矢印α、α’で示す方向に集光される。また、凹状入射面２１のＣ〜Ｄの個所に入射した光は、断面内のＣ、Ｃ’、Ｄ、Ｄ’で囲まれる部分が凹レンズの形状をしているため、白抜き矢印βで示す鉛直方向に拡散される。更に、凹状入射面２１と端部を共有し、光軸Ｘに対して対称に形成された２つのＶ状入射面２２に入射した光は、光学レンズ２０の断面におけるＥ、Ｅ’、Ｆ、Ｆ’で囲まれる部分が凸レンズの形状をしているため、光軸Ｘと十分な開き角θをもった白抜き矢印γ、γ’で示す方向に集光される。
【選択図】図５

Description

本発明は、光学レンズおよびこれを用いた照明器具に係り、特に光源から放射された光を広い範囲に拡散して効率よく照明するために使用される光学レンズに関する。

従来、道路の側縁等でほぼ等間隔に立設したポールに取り付けられ、比較的広い領域を照明する照明器具が知られている。このような照明器具として、発光ダイオード（以下、「ＬＥＤ」と略記する）から放射された光が所望の方向に照射されるように、光学レンズによって制御するものが提案されている。

例えば、特許文献１に記載された照明器具は、図１４に示すように、ＬＥＤ光源１１０と、照明領域の長手方向Ｘに拡がる扇形の集光光束を出射するサブレンズ１２１と、凹状の光入射面及び凸状の光出射面からなり、Ｘ方向に光を集光するメインレンズ１２２から構成されている。これにより、Ｘ−Ｘ方向に広い配光、即ちバットウィング配光特性を有する照明器具を実現している。

また、本出願人は図１５に示すように、ＬＥＤ光源２１０及び光学レンズ２２０を備え、光学レンズ２２０は、ＬＥＤ光源２１０に対向する凹状の入射面２２１と、α及びα’方向に光を集光し、β方向に光を拡散する凸状の出射面２２２とから構成した照明器具を提案している（特許文献２）。これにより、α、β及びα’の各方向に渡り、均一な照明を行うことができる照明器具を得ることができる。

上記した従来の照明器具は、照射範囲において目標とする照度値が低い場合には、ＬＥＤが小形、かつ低出力であり、且つ、使用する光学レンズもさほど大形にしなくてもよいが、目標とする照度値が高く、高出力のＬＥＤ、又は多数個のＬＥＤで構成されるＬＥＤアレイ等を光源とする場合は、光源を完全に覆う光学レンズが必要となるため、光学レンズが大型化してしまうという課題がある。

比較的小型のレンズを用いて上記の課題を解決しようとした場合の照明器具は、例えば図１６に示すように、ＬＥＤ３１０が光学レンズ３２０の上面に近接した構成となる。しかしながら、この構成では、光学レンズ３２０がＬＥＤ３１０の発熱によって長期の間に劣化してしまう虞がある。

このような光学レンズの熱劣化の問題は、図１７及び図１８に示すように、ＬＥＤと光学レンズの間に距離をおくことで一応回避可能である。しかしながら、図１７及び図１８に示す場合は、ＬＥＤ４１０、５１０から出射した光の一部が、光学レンズ４２０、５２０の各上面４２３、５２３に入射してそれぞれＢ及びＣで示す光路をとり、意図する方向とは別の方向に照射されてしまう。

これに対して、図１９に示す照明器具の例は、比較のために従来の技術で問題とならない場合を示したものであり、ＬＥＤ６１０から放射される光は、光学レンズ６２０の凹状入射面６２１にのみ入射して光路Ｄとなり、所望の方向へ出射される。

図２０及び図２１は、それぞれ図１８、１９に示す構成の照明器具の配光特性をシミュレーションした結果を示したものである。これらを見ると、図２０に示す照明器具の場合は、バットウィング配光の一部の光が斜め下方向や直下方向に偏向されて、配光が乱れていることが分かる。

特開２００９-９９４９３号公報特願２００９-１８１９７号公報

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、高出力の光源を用いて広い範囲の配光を可能とし、小型、且つ光源の発熱による劣化を抑制することのできる光学レンズ、及びこれを用いる照明器具を提供することを目的とする。

本発明の光学レンズは、光源から放射される光を入射する入射面と、前記入射面に入射した光を出射する出射面を有し、前記光源からの光を照明領域に拡散して照射する光学レンズであって、前記入射面は、前記光源に対向し、且つ前記光源の光軸に対して対称な凹状に形成された凹状入射面と、前記凹状入射面と端部を共有し、前記光源の光軸に対して対称に形成された２つのＶ状入射面と、からなり、前記出射面は、前記光源の光軸に対して対称に形成された２つの凸状出射面からなることを特徴とするものである。

この構成により、高出力の光源を用いて広い範囲におけるバットウィング配光を行うことができ、小型、且つ光源の発熱による劣化を抑制することが可能な光学レンズを提供できる。

また、本発明は、上記の光学レンズにおいて、前記Ｖ状入射面は、前記凹状入射面と端部を共有する面が、前記光源の端部と、前記凹状入射面と共有する端部とを結ぶ仮想面の延長面より内側に形成されることを特徴とするものを含む。

この構成により、光源から放射される光が、Ｖ状入射面の凹状入射面と端部を共有する面に入射しないようにすることが可能となり、バットウィング配光の乱れを回避することができる。

更に、本発明は、上記の光学レンズにおいて、前記Ｖ状入射面は、前記凹状入射面と端部を共有する面が、前記光源の一方の端部と前記凹状入射面と共有する端部とを結ぶ仮想面の延長面と、前記光源の他方の端部から前記凹状入射面の前記端部近傍に入射して、前記Ｖ状入射面と端部を共有する面から出射する光の方向と、でなす角を２等分した角度で形成されることを特徴とするものを含む。

この構成により、光源から放射される光が、Ｖ状入射面の凹状入射面と端部を共有する面に入射しないようにすることが可能となり、バットウィング配光の乱れを最小化することができる。

また、本発明は、上記の光学レンズにおいて、前記Ｖ状入射面は、前記凹状入射面と端部を共有する面に対向する他方の面が、凸状に形成されることを特徴とするものを含む。

この構成により、バットウィング配光で必要とされるピーク光度値を照明器具の使用目的に応じて決定することができる。

また、本発明は、上記の光学レンズにおいて、前記Ｖ状入射面は、前記凹状入射面と端部を共有する面に対向する他方の面が、凹状に形成されることを特徴とするものを含む。

また、本発明は、上記の光学レンズにおいて、前記Ｖ状入射面は、前記光源の光軸に対して対称に、それぞれ複数個形成されることを特徴とするものを含む。

本発明の照明器具は、上記の光学レンズと、光軸が、前記凹状入射面を対称に分割する位置にくるように配置された光源とを具備したのである。

この構成により、高出力の光源を用いて広い範囲の配光を可能とし、小型、且つ光源の発熱による劣化を抑制することが可能な光学レンズを備える照明器具を提供できる。

本発明によれば、高出力の光源を用いて広い範囲の配光を可能とし、小型、かつ光源の発熱による劣化を抑制することのできる光学レンズ、及びこれを用いる照明器具を提供することが可能となる。

本発明の実施の形態に係る照明器具の概略構成を示す断面図本発明の実施の形態において、光源の配光特性を示す図（ａ）〜（ｃ）本発明の実施の形態において、ＬＥＤ光源の概略構成を示す断面図本発明の実施の形態に係る光学レンズの形状を説明するための断面図本発明の実施の形態に係る光学レンズの機能を説明するための光路断面図本発明の実施の形態に係る光学レンズの変形例を示す断面図本発明の実施の形態に係る光学レンズの変形例を示す要所拡大断面図本発明の実施の形態に係る光学レンズの他の変形例を示す断面図本発明の実施の形態に係る光学レンズの別の変形例を示す断面図本発明の実施の形態に係る光学レンズの更に別の変形例を示す要所拡大断面図本発明の実施の形態に係る回転体形状光学レンズを備える照明器具の概略構成を示す斜視図本発明の実施の形態に係るシリンドリカル形状光学レンズを備える照明器具の概略構成を示す斜視図本発明の実施の形態に係る回転楕円体形状光学レンズを備える照明器具の概略構成を示す斜視図従来の照明器具の概略構成を示す断面図従来の照明器具の概略構成を示す断面図従来の照明器具の概略構成を示す断面図従来の照明器具の概略構成を示す断面図従来の照明器具の概略構成を示す断面図従来の技術で問題ない場合の照明器具の概略構成を示す断面図従来の照明器具の配光特性をシミュレーションした結果を示す図従来の技術で問題のない場合の照明器具の配光特性をシミュレーションした結果を示す図

以下、本発明の実施の形態に係る光学レンズ、及びこれを用いる照明器具について、図面を参照しつつ詳細に説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る照明器具の概略構成を示す断面図である。図１において、照明器具１は、光源１０と光学レンズ２０から構成される。
この光学レンズ２０は、光源１０からの熱の影響を回避しつつ、拡散性および集光性を高め、良好なバットウイング配光を得ることを企図し、図１に示すように、凹状入射面２１と、２つのＶ状入射面２２、２２と、２つの凸状出射面とを具備したものである（詳細については後述する）。

本実施の形態の光源１０は、ＬＥＤなどの略面状光源であり、光軸Ｘの方向に発光する。ＬＥＤとしては、図２に示す配光特性のように略無指向性のものが使用可能であり、例えば反射面などの光学系を備えた基板に実装した白色ＬＥＤなどが使用される。

、
図３（ａ）〜（ｃ）は、光源１０の構成例を示すもので、いずれも基板１１上に青色ＬＥＤチップ１２を実装し、その上を、拡散材料などを含有する樹脂層あるいはガラス層からなる蛍光体層１３で覆った構成である。なお、図３（ｃ）のみレンズ層１４を有する構成であるが、蛍光体層１３とレンズ層１４の大きさはさほど変わらないので、凸レンズであっても集光効果はほとんどなく、図２で示した無指向性の配光に影響を及ぼすことはない。従って、本実施の形態の光学レンズ２０による配光の拡散効果が低下することはない。

光学レンズ２０は、図１に断面図を示すように、光源１０の直下で光軸Ｘに対して対称な凹状に形成された凹状入射面２１と、凹状入射面２１と端部を共有し、光軸Ｘに対して対称に形成された２つのＶ状入射面２２、２２と、Ｖ状入射面２２、２２の他の端部からそれぞれ外方に延伸するフラットな底面部２３、２３と、光軸Ｘに対して対称に形成され、凹状入射面２１及びＶ状入射面２２、２２に入射した光源１０の光を屈折し、下方に拡散して放射する２つの凸状出射面２４、２４からなる筒状体を構成するものである。

なお、本実施の形態の光学レンズ２０は、アクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、シリコン樹脂、ポリオレフィン樹脂、及びガラス等、光源が発する光の放射スペクトルに対して、屈折率が略１．３〜１．８である透明な材料が使用可能である。

Ｖ状入射面２２は、図４に示すように、凹状入射面２１と端部ｔ１を共有するフラットな一方の面２２ａと、これに対向するフラットな他方の面２２ｂから形成されている。

一方の面２２ａは、光源１０の一方の端部ｅ１と、凹状入射面２１の端部ｔ１（一方の面２２ａと共有）を結ぶ線分を延伸した直線ｌ_１の内側となるように形成されている。

これにより、光源１０から放射される光は、Ｖ状入射面２２の他方の面２２ｂにのみ入射し、一方の面２２ａには入射しないので、凸状出射面２４、２４から放射されるバットウィング配光の乱れを回避することができる。

次に、このように構成された光学レンズ２０の機能について説明する。図５は、光学レンズ２０の機能を説明するための光路図である。

光源１０の中央から放射され、凹状入射面２１におけるＡ〜Ｂの個所に入射した光は、光学レンズ２０の断面におけるＡ、Ａ’、Ｂ、Ｂ’で囲まれる部分が凸レンズの形状をしているので、白抜き矢印αで示す方向に集光される。なお、白抜き矢印α’で示す方向は、光源１０の光軸Ｘに対して矢印αで示す方向と対称であり、光源１０から放射された光は矢印α’で示す方向にも集光される。

また、凹状入射面２１におけるＣ〜Ｄの個所に入射した光は、断面内のＣ、Ｃ’、Ｄ、Ｄ’で囲まれる部分が凹レンズの形状をしているので、白抜き矢印βで示す鉛直方向の両側に拡散される。

一方、Ｖ状入射面２２の他方の面２２ｂに入射した光は、光学レンズ２０の断面におけるＥ、Ｅ’、Ｆ、Ｆ’で囲まれる部分が凸レンズの形状をしているので、光軸Ｘと十分な開き角θをもった白抜き矢印γで示す方向に集光される。なお、白抜き矢印γ’で示す方向は、光源１０の光軸Ｘに対して矢印γで示す方向と対称であり、光源１０から放射された光は矢印γ’で示す方向にも集光される。

以上の説明では、光源１０から放射される光がＶ状入射面２２の他方の面２２ｂにのみ入射するように、一方の面２２ａの形状を定めたものであったが、光源１０のサイズや光学レンズ２０との位置関係によっては、バットウィング配光を乱す別の光が光学レンズ２０に入射することがある。

図６は、光源１０の他方の端部ｅ２から放射された光によって、バットウィング配光が乱されることを最小化するように形成したＶ状入射面の変形例を示すものである。

図６において、光源１０の他方の端部ｅ２から出射する光ｌ_２が凹状入射面２１の端部ｔ１近傍に入射し、図７に示す拡大断面図のように、Ｖ状入射面３２の一方の面３２ａの内面で反射する光ｌ_３と直進する光ｌ_４がある。これらの光は、バットウィング配光を乱す原因となる。

そこで、図７では、表面から入射する光と内面で全反射する光の量が過大とならないように、光源１０の一方の端部ｅ１と凹状入射面２１の端部ｔ１とを結ぶ仮想面の延長面ｌ５と前述した直進する光ｌ_４がなす角を２等分する方向ｌ_５となるように、Ｖ状入射面３２の一方の面３２ａの角度を定める。これによって、一方の面３２ａにおけるバットウィング配光の乱れを最小化することができる。

図８及び図９は、Ｖ状入射面の更に別の変形例を示す図であり、Ｖ状入射面の他方の面を、これまでのフラットに対してそれぞれ凸状及び凹状に形成したものである。

図８において、Ｖ状入射面４２の他方の面４２ｂは凸状に形成されている。光源１０から放射され、Ｖ状入射面４２の他方の面４２ｂに入射した光は、光学レンズ４０の断面におけるＥ、Ｅ’、Ｆ、Ｆ’で囲まれる部分が凸レンズの形状をしているので、光軸Ｘと十分な開き角θをもった白抜き矢印γで示す方向に集光される。

また、図９において、Ｖ状入射面５２の他方の面５２ｂは凹状に形成され、凸状出射面２４と組み合わさってレンズを形成している。従って、他方の面５２ｂがたとえ凹面であっても、凸状出射面２４の曲率半径よりも他方の面５２ｂの曲率半径の方が大きければ、組み合わせた場合に凸レンズになる。

光学レンズを適用する照明器具において、バットウィング配光の目標ピーク光度値が大きい場合には、図９に示す光学レンズ５０を使用することにより、さらに光度値を上げることができる。また、バットウィング配光の目標ピーク光度値が小さい場合には、図８に示す光学レンズ４０を使用すればよい。

図１０は、これまで説明したＶ状入射面が１個であったのに対して、複数個形成した例を示すものである。この場合、Ｖ状入射面の溝の深さを小さくすることができるので、図７において示したように、凹状入射面２１の端部ｔ１近傍に入射して屈折し、Ｖ状入射面２２の一方の面２２ａから出射する事態を回避できる。

図１０において、Ｖ状入射面６２の個々の形状は、図４で示したように、一方の面に光源１０から放射された光が入射しないように決定されるので、厳密には１個ごとに形状が異なる。しかしながら、それぞれに入射する光量は少ないので、光源１０に最も近いＶ状入射面と同じ形状を繰り返すものであってもよい。

図１１〜図１３は、本発明の実施の形態に係る照明器具の概略構成例を示す斜視図である。

図１１に示す照明器具６は、光源１０と、光源１０の光軸Ｘを回転中心とし、断面形状が前述した光学レンズ２０〜６０のいずれかである回転体形状の光学レンズ６０から構成された例を示したものであり、これによれば全方位に渡ってバットウィング配光が可能である。

図１２に示す照明器具７は、光源１０と、断面形状が前述した光学レンズ２０〜６０のいずれかであり、同一断面が延伸するシリンドリカル状の光学レンズ７０から構成された例を示したものである。この場合は、光学レンズ７０のシリンドリカル延伸方向と直交する方向に帯状のバットウィング配光が可能である。

図１３に示す照明器具８は、光源１０と、断面形状が前述した光学レンズ２０〜６０のいずれかであり、凸状出射面が回転楕円体形状である光学レンズ８０から構成された例を示したものであって、光学レンズ８０の回転楕円体長軸方向にバットウィング配光が可能である。

以上説明したように、このような本実施の形態の光学レンズによれば、光源に高出力のＬＥＤを用いてバットウィング配光を可能とし、小型、かつ光源の発熱による劣化を抑制することができる。また、この光学レンズを用いることによって、バットウィング配光が可能な照明器具を提供できる。

１〜８照明器具
１０光源
２０〜８０光学レンズ
２１凹状入射面
２２〜５２Ｖ状入射面
２４凸状出射面
ｅ１、ｅ２光源の端部
ｔ１凹状入射面の端部
２２ａ〜５２ａＶ状入射面の凹状入射面と端部を共有する面
２２ｂ〜５２ｂＶ状入射面の凹状入射面と端部を共有しない面

Claims

光源から放射される光を入射する入射面と、前記入射面に入射した光を出射する出射面を有し、前記光源からの光を照明領域に拡散して照射する光学レンズであって、
前記入射面は、
前記光源に対向し、且つ前記光源の光軸に対して対称な凹状に形成された凹状入射面と、
前記凹状入射面と端部を共有し、前記光源の光軸に対して対称に形成された２つのＶ状入射面と、
からなり、
前記出射面は、
前記光源の光軸に対して対称に形成された２つの凸状出射面からなる、
ことを特徴とする光学レンズ。
請求項１に記載の光学レンズであって、
前記Ｖ状入射面は、
前記凹状入射面と端部を共有する面が、
前記光源の端部と、前記凹状入射面と共有する端部とを結ぶ仮想面の延長面より内側に形成される、
ことを特徴とする光学レンズ。
請求項１に記載の光学レンズであって、
前記Ｖ状入射面は、
前記凹状入射面と端部を共有する面が、
前記光源の一方の端部と前記凹状入射面と共有する端部とを結ぶ仮想面の延長面と、
前記光源の他方の端部から前記凹状入射面の前記端部近傍に入射して、前記Ｖ状入射面と端部を共有する面から出射する光の方向と、
でなす角を２等分した角度で形成される、
ことを特徴とする光学レンズ。
請求項１乃至３のいずれかに記載の光学レンズであって、
前記Ｖ状入射面は、
前記凹状入射面と端部を共有する面に対向する他方の面が、
凸状に形成される、
ことを特徴とする光学レンズ。
請求項１乃至３のいずれかに記載の光学レンズであって、
前記Ｖ状入射面は、
前記凹状入射面と端部を共有する面に対向する他方の面が、
凹状に形成される、
ことを特徴とする光学レンズ。
請求項１乃至５のいずれかに記載の光学レンズであって、
前記Ｖ状入射面は、
前記光源の光軸に対して対称に、それぞれ複数個形成される、
ことを特徴とする光学レンズ。
請求項１乃至６のいずれかに記載の光学レンズと、
前記光軸が、前記凹状入射面を対称に分割する位置にくるように配置された光源とを具備した照明器具。