JP2012173522A

JP2012173522A - 光学部材及び照明器具

Info

Publication number: JP2012173522A
Application number: JP2011035738A
Authority: JP
Inventors: Kyohei Nakamura; 恭平中村; Tadashi Murakami; 忠史村上; Hiroyuki Sekii; 広行関井
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2011-02-22
Filing date: 2011-02-22
Publication date: 2012-09-10
Also published as: EP2492721A1; US20120212965A1; CN102644897A; CN102644897B; US8591075B2

Abstract

【課題】照射面の見栄えの悪さの原因となる照度ムラや色ムラの発生を低減した光学部材、及びこの光学部材を用いた照明器具を提供する。
【解決手段】光源２からの光を屈折させて光出射面から出射させる光学部材４の光出射面に複数の凹凸４ａを設ける。これら凹凸４ａは、一点を中心とした複数の円周上に同心円状に配置され、隣接する円周上にある凹凸４ａは、この凹凸４ａの中心を通る半径方向線に対して互いに位相が異なる位置に配置される。この凹凸４ａの配置により、光学部材４を用いる照明器具１の照射面での照度ムラや色ムラの発生を低減できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）等の光源から照射された光を反射板やレンズにより屈折させて、光出射面から出射する光学部材、及びこの光学部材を用いる照明器具に関する。

従来より、照明器具などにおいて、光出射面から光が均一に出射されず、照射面の照度の均一化が満たされない照度ムラや色ムラが発生することがあり、この照度ムラを低減するため様々な装置や方法が用いられている。

そして、例えば、図７（ａ）に示すように、照明器具に備わる光学部材７の光出射面にディンプル形状の凹凸７ａを設けることで照射面での照度ムラ、色ムラを低減する方法が知られている。この凹凸７ａは、正六角形状で隙間なく並べたハニカム構造で配置され、このハニカム構造により透過率の異なった光の減光域を作って光を干渉させ、且つ光の透過率を保ちながら照射面における照度ムラを低減する。

ところで、照明器具における照度ムラの発生を抑えるため、光源カバー用の成形体において、樹脂の劣化に強く、かつ輝度ムラが少なく輝度均斉度に優れた光照射面を実現した照明器具が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００９−７６３４３号公報

しかしながら、照明器具において、上記従来の光出射面に凹凸７ａがハニカム配置された光学部材７を用いる場合においても、図７（ｂ）に示すような照射面８に照度ムラが発生するという問題がある。

本発明は、上記問題を解消するものであり、照射面の見栄えの悪さの原因となる照度ムラや色ムラを低減し、照射面の見栄えを良くする光学部材、及びこの光学部材を用いた照明器具を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、光源からの光を屈折させて光出射面から出射させると共に、前記光出射面に複数の凹凸を設けた光学部材において、これら凹凸は、一点を中心とした複数の円周上に同心円状に配置され、隣接する円周上にある凹凸は、前記中心を通る半径方向線に対して互いに位相が異なる位置に配置されることを特徴とする。

この光学部材において、前記隣り合う円周間の間隔は等しいことが好ましい。

また、この光学部材において、前記光学部材の光出射面とは反対側に対向して配置される光源に対して、前記光源に近い凹凸の深さを深く、又は凹凸の高さを高くすることが好ましい。

また、この光学部材において、次式（１）乃至（５）の条件を満たすように前記凹凸の中心座標（ｘ，ｙ）を配置したことが好ましい。
（数１）
０＜Ｄ_ｎ＋１−Ｄ_ｎ≦２・ｄ・・・（１）
ｄ：平面視における凹凸の半径
ｎ：原点からの円周の周番
Ｄ_ｎ：原点からｎ周目の円周の半径
（数２）
０＜ｋ_ｎ＜２・Ｄ_ｎ・π／ｄ・・・（２）
ｋ_ｎ：原点からｎ周目の円周上にある凹凸の数（整数）
（数３）
θ_ｎ＝３６０／ｋ_ｎ・・・（３）
θ_ｎ：隣接する凹凸の中心部間の角度
（数４）
ｘ＝Ｄ_ｎ・cos（θ_ｎ・Ａ_ｍ＋ｂ_ｎ）・・・（４）
Ａ_ｍ：初項１、項差１、末項ｋ_ｎの等差数列
ｂ_ｎ：凹凸の中心部の位相
（数５）
ｙ＝Ｄ_ｎ・sin（θ_ｎ・Ａ_ｍ＋ｂ_ｎ）・・・（５）

また、この光学部材において、次式（６）乃至（８）の条件を満たすように前記凹凸の中心座標（ｘ，ｙ）を配置したことが好ましい。
（数６）
θ_ｎ＝３６０／（６・ｎ）・・・（６）
ｎ：原点からの円周の周番
θ_ｎ：隣接する凹凸の中心部間の角度
（数７）
ｘ＝√３ｄ・ｎ・cos（θ_ｎ・ｋ_ｍ＋ｂ_ｎ）・・・（７）
ｄ：平面視における凹凸の半径
ｂ_ｎ：凹凸の中心部の位相（当該位相はフィボナッチ数列、トリボナッチ数列、テトラナッチ数列、リュカ数列、又は一様乱数のいずれかに従う）
ｋ_ｍ：初項１、項差１、末項６・ｎの等差数列
（数８）
ｙ＝√３ｄ・ｎ・sin（θ_ｎ・ｋ_ｍ＋ｂ_ｎ）・・・（８）

また、本発明に係る照明器具は、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の上記光学部材を備えることを特徴とする。

本発明に係る光学部材及び照明器具によれば、光出射面に形成される凹凸は、一点を中心とした複数の円周上に同心円状に配置され、隣接する円周上にある凹凸は、当該中心を通る半径方向線に対して互いに位相が異なる位置に配置される。このため、この光学部材を通過する光を所定方向に屈折させ、照射面の見栄えの悪さの原因となる照度ムラや色ムラの発生を低減できる。

（ａ）本発明の実施の形態１に係る照明器具の斜視図、（ｂ）同上照明器具の光出射面側の平面図である。（ａ）同上照明器具の断面図、（ｂ）同上実施の形態１に係る光学部材の光出射面に形成される凹凸の配置の説明図である。同上照明器具の照射面の一例を示す図である。（ａ）他の形状の光学部材を用いた照明器具の断面図、（ｂ）他の形状の光学部材を用いた照明器具の断面図である。（ａ）及び（ｂ）同上実施の形態の第１の変形例に係る照明器具の断面図である。（ａ）本発明の実施の形態２及び実施の形態３に係る照明器具に形成される凹凸の中心座標（ｘ，ｙ）を求める数式に用いられる項ｎ，Ｄ_ｎの説明図、（ｂ）同上数式に用いられる項θ_ｎの説明図、（ｃ）及び（ｄ）同上数式に用いられる項ｄの説明図である。（ａ）従来のディンプル形状の凹凸を有する光学部材の平面図、（ｂ）従来の照明器具の照射面の一例を示す図である。

本発明の実施の形態に係る光学部材及び照明器具について図面を参照して説明する。

（実施の形態１）
図１及び図２に示すように、本実施の形態１に係る照明器具１は、光を発散する光源２と、光源２が搭載された基板３と、光源２から出射される光を屈折させて所定方向へ放射させる光学部材４と、反射鏡５とを備えている。

光源２には、例えば、青色発光ダイオード（ＬＥＤ）と、４７０ｎｍ付近にピークを有する青色波長帯域の光を白色光の波長帯域の光へ変換する蛍光体とを組み合わせた高出力の白色発光ダイオードが用いられる。白色発光ダイオードを構成するために青色発光ダイオードチップと組み合わせる蛍光体としては、例えば、黄色蛍光体、黄色蛍光体と赤色蛍光体、緑色蛍光体と赤色蛍光体などを使用する。蛍光体材料には、ＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）系、ＴＡＧ（テルビウム・アルミニウム・ガーネット）系、サイアロン系などがある。白色発光ダイオードは、この蛍光体を樹脂材料に混ぜ合わせて青色発光ダイオードチップを覆うことなどで構成される。

光源２の発光面の形状については、特に制限は無いが、例えば、発光ダイオードチップと蛍光体材料とからなる複数のパッケージをプリント基板（或いは放熱基板）である基板３上に２次元的に配置する。なお、光源２は白色発光ダイオードに限定されるものではなく、小型白熱灯や小型のハロゲン電球等も使用可能である。

基板３は、汎用のプリント基板であり、寸法安定性に優れ、反りやねじれ等のバラツキの少ない基板が用いられる。基板３の材料としては、例えば、ガラスクロス（布）を重ねたものにエポキシ樹脂を含浸させたガラスエポキシ基板等が用いられる。なお、基板３は、要求される耐熱温度において使用可能であれば特に限定されるものではなく、光源２から発せられる熱を効率よく放熱するため、基板３の裏側には、銅等の放熱性の良い材料が用いられた適宜のヒートシングや放熱フィンが装着される。また、基板３上には、台座（図示せず）が配置され、光源２と反射鏡５の位置関係を保ち、設計どおりの配光を得るようにしている。

光学部材４は、例えば反射鏡５とは別体として照明器具１の光出射面に配置され、光源２からの光を所望方向に屈折させて光出射面から出射させる。この光学部材４の光出射面には、平面視で円形（ディンプル形状の窪み）の複数の凹凸４ａが同心円状に配置される。なお、この凹凸４ａの平面視形状は円形に限定されるものではなく、多角形などその他の形状でもよい。

反射鏡５は、光源２からの光を反射させて光出射面から出射させる例えば半楕円回転体形状の光学部品である。この反射鏡５は、光源２の発光面が完全拡散面であって、一部の光が、光源２から基板３の方へ向かうことがあるものに対して使用することが有効である。

次に、本実施の形態１に係る光学部材４の光出射面側に形成される複数の凹凸４ａの配置に関して説明する。

図１（ｂ）又は図２（ｂ）に示すように、光学部材４の光出射面に形成される凹凸４ａは、一点を中心とした複数の円周上に同心円状に配置される。また、隣接する円周上にある凹凸４ａは、この中心を通る半径方向線に対して互いに位相が異なる位置（例えば、図２（ｂ）に示す凹凸Ａ及び凹凸Ｂとでは、位相差αが生じている）に配置される。さらに、図２（ｂ）に示すように、凹凸４ａの中心座標が配置される円周の隣り合う間隔Ｄは等しくなっている。

図３は、本実施の形態１に係る照明器具１によって照らされた照射面６を示し、図７（ｂ）に示す従来の照射面８に比較して、照度ムラが低減できていることが分かる。

以上のように、照明器具１においては、光学部材４の光出射面に形成される凹凸４ａは、一点を中心とした複数の円周上に同心円状に配置され、隣接する円周上にある凹凸４ａは、当該中心を通る半径方向線に対して互いに位相が異なる位置に配置される。このため、従来の光学部材７に凹凸７ａをハニカム配置したものと比較しても凹凸４ａによる照射パターンが出にくく、照度ムラや色ムラを低減して、照射面６での見栄えを向上できる。また、凹凸４ａの中心座標が配置される円周の隣り合う間隔Ｄは等しくなるため、光学部材４の設計を容易化できる。

なお、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、光学部材４に反射鏡を用いずにレンズを用いる場合もある。図４（ａ）に示すレンズ４は、例えば基板３の法線を軸とした大底面や小底面などを有する回転体の外郭を成して、小底面に形成された凹面などが光源２から出射される光の入射面となり、この光を屈折させて光出射面へ出射させる。この大底面側には、凹凸４ａが形成され、照射面における照射ムラの発生を回避している。また、図４（ｂ）に示すレンズ４は、光出射面に凹凸４ａが形成された略半球形状を有している。なお、光学部材（レンズ）４の材料には、アクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂又はガラス等の透明性のある材料が用いられる。

（第１の変形例）
本実施の形態１の第１の変形例について図５を参照して説明する。本変形例では、光学部材４の光出射面とは反対側に対向して配置される光源２に対して、図５（ａ）の場合には光源２に近い凹凸４ａの深さを深く、図５（ｂ）の場合には凹凸４ａの高さを高くした。これは、凹凸４ａの深さが深い、又は凹凸４ａの高さが高い方が光を発散し易く、透過率が低くなるためである。なお、図５（ａ）及び（ｂ）においては、隣接する凹凸４ａの深さや高さが異なっているが、所定パターンで複数の凹凸４ａ毎に深さや高さを変更することなども考え得る。

このように、本変形例に係る照明器具１では、光源２に近い凹凸４ａの深さを深く、又は凹凸４ａの高さを高くして、照度ムラや色ムラの発生し易い光源２付近の拡散率を高くすることができる。従って、照度ムラの発生しにくい光源２から離れた所の拡散率を低く設計できる。その結果、照射面での照度ムラや色ムラの発生を改善し、かつ凹凸４ａによる発光効率の低下を最小限に抑えることができる。

（実施の形態２）
以下、本発明に係る照明器具の実施の形態２に関して図６を参照して説明する。上記実施の形態１に係る照明器具１と同様の構成には同符号を付し、その詳細な説明は省略する（以下同様）。

本実施の形態２に係る照明器具１では、次式（１）乃至（５）の条件を満たすように凹凸４ａの中心座標（ｘ，ｙ）を配置する。
（数１）
０＜Ｄ_ｎ＋１−Ｄ_ｎ≦２・ｄ・・・（１）
ｄ：平面視における凹凸４ａの半径（図６（ｃ）及び（ｄ）参照）
ｎ：原点からの円周の周番（図６（ａ）参照）
Ｄ_ｎ：原点からｎ周目の円周の半径
（数２）
０＜ｋ_ｎ＜２・Ｄ_ｎ・π／ｄ・・・（２）
ｋ_ｎ：原点からｎ周目の円周上にある凹凸の数（整数）
（数３）
θ_ｎ＝３６０／ｋ_ｎ・・・（３）
θ_ｎ：隣接する凹凸の中心部の角度（図６（ｂ）参照）
（数４）
ｘ＝Ｄ_ｎ・cos（θ_ｎ・Ａ_ｍ＋ｂ_ｎ）・・・（４）
Ａ_ｍ：初項１、項差１、末項ｋ_ｎの等差数列
ｂ_ｎ：凹凸の中心部の位相
（数５）
ｙ＝Ｄ_ｎ・sin（θ_ｎ・Ａ_ｍ＋ｂ_ｎ）・・・（５）

これらの式（１）乃至（５）を用いることで、本実施の形態２に係る照明器具１では、凹凸４ａの中心座標配置を容易に演算することができ、設計の容易化を図ることができる。また、上記実施の形態１と同様に、凹凸４ａを、一点を中心とした複数の円周上に同心円状に配置し、隣接する円周上にある凹凸４ａは、当該中心を通る半径方向線に対して互いに位相が異なる位置に配置することができ、照度ムラの発生を低減できる。

（実施の形態３）
以下、本発明に係る照明器具の第３の実施の形態に関して、上記実施の形態２と同様の図６を参照して説明する。本実施の形態３に係る照明器具１では、次式（６）乃至（８）の条件を満たすように凹凸４ａの中心座標（ｘ，ｙ）を配置する。
（数６）
θ_ｎ＝３６０／（６・ｎ）・・・（６）
ｎ：原点からの円周の周番（図６（ａ）参照）
θ_ｎ：隣接する凹凸の中心部の角度（図６（ｂ）参照）
（数７）
ｘ＝√３ｄ・ｎ・cos（θ_ｎ・ｋ_ｍ＋ｂ_ｎ）・・・（７）
ｄ：平面視における凹凸の半径（図６（ｃ）及び（ｄ）参照）
ｂ_ｎ：凹凸の中心部の位相（当該位相は後述するフィボナッチ数列、トリボナッチ数列、テトラナッチ数列、リュカ数列、又は一様乱数のいずれかの数列に従う）
ｋ_ｍ：初項１、項差１、末項６・ｎの等差数列
（数８）
ｙ＝√３ｄ・ｎ・sin（θ_ｎ・ｋ_ｍ＋ｂ_ｎ）・・・（８）

ここでフィボナッチ数列に関して説明する。ｎ番目のフィボナッチ数（Ｆ_ｎ）は下記の式（９）で表される。
（数９）
Ｆ_ｎ＋２＝Ｆ_ｎ＋Ｆ_ｎ＋１（ｎ≧０）・・・（９）
ここで、Ｆ_０＝０、Ｆ_１＝１

このフィボナッチ数列は、2つの初期条件を持つ漸化式であり、どの項もその前の2つの項の和となり、例えば、最初の数項は0,1,1,2,3,5,8,13,21,34,55,89・・となる。なお、フィボナッチ数は自然界の現象に数多く出現し、例えば、花びらの数はフィボナッチ数であることが多く、葉序（植物の葉の付き方）はフィボナッチ数と関連している。

次に、トリボナッチ数列に関して説明する。ｎ番目のトリボナッチ数（Ｆ_ｎ）は、下記の式（１０）に定義される。
（数１０）
Ｆ_ｎ＋３＝Ｆ_ｎ＋Ｆ_ｎ＋１＋Ｆ_ｎ＋２（ｎ≧０）・・・（１０）
ここで、Ｆ_０＝Ｆ_１＝０、Ｆ_２＝１

上記のフィボナッチ数列が「前の２項の和」なのに対し、トリボナッチ数列は「前の３項の和」である。例えば、トリボナッチ数列の最初のいくつかの項は0,1,1,2,4,7,13,24,44,81,149,274,504・・のようになる。

次に、テトラナッチ数列に関して説明する。ｎ番目のテトラナッチ数（Ｆ_ｎ）は、下記の式（１１）に定義される。
（数１１）
Ｆ_ｎ＋４＝Ｆ_ｎ＋Ｆ_ｎ＋１＋Ｆ_ｎ＋２＋Ｆ_ｎ＋３（ｎ≧０）・・・（１１）
ここで、Ｆ_０＝Ｆ_１＝Ｆ_２＝０、Ｆ_３＝１

すなわち、テトラナッチ数列は「前の４項の和」である。例えば、テトラナッチ数列の最初のいくつかの項は、0,0,0,1,1,2,4,8,15,29,56,108,208,401・・となる。なお、フィボナッチ数列の最初の２項を２と１に置き換えた数列の項をリュカ数（Ｌ_ｎ）という。このリュカ数列の一般項は下記の式（１２）で示される。また、一様乱数とはすべての値の出現確率が等しい乱数のことである。
（数１２）
Ｌ_ｎ＝（（１＋√５）／２）^ｎ＋（（１−√５）／２）^ｎ・・・（１２）

以上のように、本実施の形態３に係る照明器具１では、上記実施の形態２と同様に、上記式（６）乃至（１２）に基づいて凹凸４ａの中心座標を配置することで、照度ムラの発生を低減でき、設計の容易化を図ることができる。

なお、本発明は、上記実施の形態の構成に限られず、発明の趣旨を変更しない範囲で種々の変形が可能である。例えば、光学部材４の使用は照明器具１に限定されるものではなく、その他の光学機器に適用することも考え得る。

１照明器具
２光源
３基板
４光学部材
４ａ凹凸
５反射鏡
６照射面

Claims

光源からの光を屈折させて光出射面から出射させると共に、前記光出射面に複数の凹凸を設けた光学部材において、
これら凹凸は、一点を中心とした複数の円周上に同心円状に配置され、
隣接する円周上にある凹凸は、前記中心を通る半径方向線に対して互いに位相が異なる位置に配置されることを特徴とする光学部材。
前記隣り合う円周間の間隔は等しいことを特徴とする請求項１記載の光学部材。
前記光学部材の光出射面とは反対側に対向して配置される光源に対して、前記光源に近い凹凸の深さを深く、又は凹凸の高さを高くしたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光学部材。
次式（１）乃至（５）の条件を満たすように前記凹凸の中心座標（ｘ，ｙ）を配置したことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の光学部材。
（数１）
０＜Ｄ_ｎ＋１−Ｄ_ｎ≦２・ｄ・・・（１）
ｄ：平面視における凹凸の半径
ｎ：原点からの円周の周番
Ｄ_ｎ：原点からｎ周目の円周の半径
（数２）
０＜ｋ_ｎ＜２・Ｄ_ｎ・π／ｄ・・・（２）
ｋ_ｎ：原点からｎ周目の円周上にある凹凸の数（整数）
（数３）
θ_ｎ＝３６０／ｋ_ｎ・・・（３）
θ_ｎ：隣接する凹凸の中心部間の角度
（数４）
ｘ＝Ｄ_ｎ・cos（θ_ｎ・Ａ_ｍ＋ｂ_ｎ）・・・（４）
Ａ_ｍ：初項１、項差１、末項ｋ_ｎの等差数列
ｂ_ｎ：凹凸の中心部の位相
（数５）
ｙ＝Ｄ_ｎ・sin（θ_ｎ・Ａ_ｍ＋ｂ_ｎ）・・・（５）
次式（６）乃至（８）の条件を満たすように前記凹凸の中心座標（ｘ，ｙ）を配置したことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の光学部材。
（数６）
θ_ｎ＝３６０／（６・ｎ）・・・（６）
ｎ：原点からの円周の周番
θ_ｎ：隣接する凹凸の中心部間の角度
（数７）
ｘ＝√３ｄ・ｎ・cos（θ_ｎ・ｋ_ｍ＋ｂ_ｎ）・・・（７）
ｄ：平面視における凹凸の半径
ｂ_ｎ：凹凸の中心部の位相（当該位相はフィボナッチ数列、トリボナッチ数列、テトラナッチ数列、リュカ数列、又は一様乱数のいずれかに従う）
ｋ_ｍ：初項１、項差１、末項６・ｎの等差数列
（数８）
ｙ＝√３ｄ・ｎ・sin（θ_ｎ・ｋ_ｍ＋ｂ_ｎ）・・・（８）
前記請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の光学部材を備えることを特徴とする照明器具。