JP2013012440A - 照明装置用の光学素子及び照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型化かつ光取り出し効率が高い光学素子並びにそれを用いた照明装置を提供する。
【解決手段】全反射面におけるＺ軸方向原点側の端部が、前記ＬＥＤ光源の発光面よりもＺ軸方向正側に位置していると、発光面から出射した一部の光は、全反射面に入射せず損失を招くが，それは光軸に対して大きな角度で傾いた出射角を持つ光であるため，ランバーシアンタイプの発光分布をもつＬＥＤであれば、かかる光量は非常に少なく無視できる
【選択図】図１

Description

本発明は、照明装置用の光学素子及び照明装置に関する。

近年、省エネ等の観点からＬＥＤを搭載したＬＥＤ照明装置が注目されている。ところで、照明装置の一種にダウンビームを照射するダウンライトがあるが、ダウンライトの仕様として、例えば数ｍから１０数ｍの場所に有効に光が届くよう、配光分布を制御することが望まれる。しかるに、現状では白熱灯に比較してＬＥＤの照度が一般的に低いため、ＬＥＤから出射した光を有効に使用し、更に同一の面積に多くのＬＥＤ並べる必要がある一方で、デザイン性向上の要求から、照明装置をより小型化することも望まれている。

特許文献１には、ＬＥＤから出射した光のうち、光軸となす角度が小さい光を屈折させ，光軸となす角度が大きい光を全反射するレンズが開示されている。

特開２００５−２２９０８２号公報

特許文献１に開示されたレンズでは、レンズ径が比較的大きいという問題がある。しかるに、特許文献１に示されたレンズの効率を高く保ちながらレンズ径を小さくすると、反射面の曲率が制約されてしまい、そして反射面の形状が制約されると,例えばダウンライトに必要な所望の配光分布、特に狭角の配光分布を得ることが困難となる。つまり、レンズの効率と小型化はトレードオフの関係となるから、これらを両立するためには何らかの工夫が必要になる。

本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、小型化かつ光取り出し効率が高い光学素子並びにそれを用いた照明装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載の照明装置用の光学素子は、ＬＥＤ光源から出射した光を透過する透光性部材から形成された光学素子であって、その光軸をＺ軸とし、Ｚ軸と前記ＬＥＤ光源の発光面とが交差する位置を座標の原点として光が出射する側を正としたときに、
前記ＬＥＤ光源の発光面に対向して配置され、Ｚ軸と交差するほぼ平面である中央入射面と、前記中央入射面の周囲に形成されて、Ｚ軸方向正側に向かうに連れて縮径するテーパー状の側方入射面とを備えた第一凹部と、
前記ＬＥＤ光源から出射し前記第一凹部を介して入射した光を全反射する全反射面と、
Ｚ軸と交差する凸形状であって、前記中央入射面から入射した光を出射する中央出射面と、前記中央入射面の周囲に形成されＺ軸方向正側に向かうに連れて拡径し、前記全反射面で反射した光を出射する側方出射面とを備えた第二凹部とを有し、
前記全反射面におけるＺ軸方向原点側の端部は、前記ＬＥＤ光源の発光面よりもＺ軸方向正側に位置していることを特徴とする。

本発明によれば、前記第一凹部の中央入射面をほぼ平面とすることで、前記ＬＥＤ光源の発光面に可能な限り接近させることができ，よって前記ＬＥＤ光源から出射し前記中央入射面に入射する光を増やすことができるから、相対的に、前記側方入射面から入射して前記全反射面に向かう光を減らすことができる。これにより、全反射面の面積を小さく抑えることができるから、光学素子の小型化が実現できる。

又、前記全反射面の光軸に対する傾斜角を小さすることで、前記全反射面で反射された光は，少なくともその一部が、レンズ内を伝搬しｚ座標が大きくなるにつれ光軸に接近しながら前記側方出射面に入射するが、前記側方出射面は、Ｚ軸方向正側に向かうに連れて拡径する面（傾斜面又は凹曲面）であるから、前記側方出射面から出射した光の角度を、ｚ軸正方向に近づけることができる。つまり、前記全反射面の光軸に対する傾斜角を小さくすることで、これにより前記前反射面の最大径を抑えることができ、更に、前記前反射面から出射した光の角度がｚ軸正方向に近づくため、反射面径の小型化により困難になった狭角の配光分布を実現しやすくなり、出射光の配光分布を所望のように調整可能となる。尚、光が前記側方出射面から出射した直後にも、ｚ座標が大きくなるにつれ光軸に接近するという条件を満たしていると、光線を必要な角度以上に曲げずに、より高効率を保ったままレンズを小型化できる。また、前記全反射面で反射しレンズ内で光軸に接近する光のパワーが、前記全反射面で全反射した全ての光パワーの８割以上を占めるという条件を満たしたときに、特に小型化が可能となる。また同様に、前記側方出射面から出射し、出射直後に伝搬するにつれて光軸に接近する光のパワーが、前記側方出射面から出射した全ての光パワーの５割以上をという条件を満たしたときに、特に小型化が可能となる。

又、前記第二凹部の中央出射面は、Ｚ軸と交差する凸形状であって、前記中央入射面から入射した光を屈折させて出射するので、凸レンズ機能によって出射光の配光を制御することができる。即ち、前記中央出射面で屈折させることにより、例えば前記第一凹部の中央入射面から入射した光を収束させ、所望の配光特性を得ることができる。更に、前記中央入射面の周囲に形成した前記側方出射面を、Ｚ軸方向正側に向かうに連れて拡径する形状とすることで、前記中央出射面から出射した光が、再び前記側方出射面からレンズに入射しないようにでき、これにより光の利用効率を高めることができる。

光軸素子の形状を決める場合、まず、光学素子の最大径を所望の値にすると、側方入射面に入射した光のうち最もＺ軸正方向とのなす角が小さい光、またはそれに近い角度の光が全反射面に当たるように、前記全反射面のＺ軸方向の最遠方端部位置が定まる。次に、Ｚ軸方向原点にある前記ＬＥＤ光源の発光面から前記全反射面に進んだ光が全反射条件に従って全反射するという条件の下で、光学素子からの出射光の配光分布が所望の分布となるように，前記全反射面の形状を決定する。このとき、前記全反射面におけるＺ軸方向原点側の端部が、前記ＬＥＤ光源の発光面よりもＺ軸方向正側に位置していると、前記発光面から出射した一部の光は、前記全反射面に入射せず損失を招くが，それは光軸に対して大きな角度で傾いた出射角を持つ光であるため，ランバーシアンタイプの発光分布をもつＬＥＤであれば、かかる光量は非常に少なく無視できるのである。一方、前記全反射面のＺ軸方向原点側の端部を、原点又はそれを超えてＺ軸方向負側まで延長した場合、効率は多少増大するが、光学素子を支持する脚部が薄くなって支持強度が低下する恐れがある。また成形性にも問題が出る恐れがある。そこで、光学素子の強度を上げるため脚部の肉厚を増大させると、ＬＥＤ光源に干渉する恐れがあり、これにより発光面の縮小を招き光量が低下し好ましくない。つまり、前記全反射面におけるＺ軸方向原点側の端部を、前記ＬＥＤ光源の発光面よりもＺ軸方向正側に位置させることで、光学素子の小型化と効率とをバランス良く両立させることができるのである。

請求項２に記載の照明装置用の光学素子は、請求項１に記載の発明において、前記第一凹部の中央入射面のｚ座標の平均値と、前記中央入射面の中で前記平均値からｚ座標が最もずれている点のｚ座標との差Ｓが，前記中央入射面の直径Ｄの１／２０以下であることを特徴とする。

ここでは、「前記第一凹部の中央入射面のほぼ平面」について、一例を示す。つまり、前記第一凹部の中央入射面のｚ座標の平均値と、前記中央入射面の中で前記平均値からｚ座標が最もずれている点のｚ座標との差Ｓが，前記中央入射面の直径Ｄの１／２０以下である場合、前記第一凹部の中央入射面がほぼ平面であるとみなせる。

請求項３に記載の照明装置用の光学素子は、請求項１又は２に記載の発明において、前記第二凹部の中央出射面はコーニック面であり，コーニック定数をｋとするとｋ＜―０．７であることを特徴とする。前記中央出射面を、このような形状とすることで所望の配光分布を得ることができる。ここでコーニック面は以下の式で表わされる。

rは光軸からの垂直に測った距離、Ｒはコーニック面の曲率半径である。

請求項４に記載の照明装置用の光学素子は、請求項１〜３のいずれかに記載の発明において、前記光学素子は一体成形により形成されていることを特徴とする。これにより製造が容易である。

請求項５に記載の照明装置用の光学素子は、請求項１〜４のいずれかに記載の発明において、前記全反射面で反射しレンズ内を伝搬する光は、その大部分が、レンズ内で光軸に接近することを特徴とする。

請求項６に記載の照明装置用の光学素子は、請求項１〜５のいずれかに記載の発明において、前記全反射面で反射しレンズ内で光軸に接近する光のパワーは、前記全反射面で全反射した全ての光パワーの８割以上を占めることを特徴とする。

請求項７に記載の照明装置用の光学素子は、請求項１〜６のいずれかに記載の発明において、前記側方出射面から出射した光は、その大部分が、出射直後に伝搬するにつれて光軸に接近することを特徴とする。これにより、ダウンライトに適した照明を実現できる。

請求項８記載の照明装置用の光学素子は、請求項１〜７のいずれかに記載の発明において、前記側方出射面から出射し、出射直後に伝搬するにつれて光軸に接近する光のパワーが、前記側方出射面から出射した全ての光パワーの５割以上を占めることを特徴とする。

請求項８に記載の照明装置は、請求項１〜７のいずれかに記載の光学素子と、ＬＥＤ光源とを有することを特徴とする。

ここで、ＬＥＤ光源とは、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）を光源として用いるものをいう。

本発明によれば、小型化かつ光取り出し効率が高い光学素子並びにそれを用いた照明装置を提供することができる。

本実施の形態にかかる照明装置の断面図である。 図２（ａ）は、第１実施例にかかる光学素子の断面図であり、図２（ｂ）は、第１参考例にかかる光学素子の断面図である。 図３（ａ）は、第２実施例にかかる光学素子の断面図であり、図３（ｂ）は、第２参考例にかかる光学素子の断面図である。

以下、添付した図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。なお、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張され、実際の比率とは異なる場合がある。

図１は、本実施の形態にかかる照明装置の断面図である。照明装置ＬＧは、ＬＥＤ１０と、光学素子２０とからなる。ＬＥＤ１０は、ベースＢＳに取り付けられた基部１１と、発光面１２とを有する。

光学素子２０は、ガラス又はプラスチックから一体的に成形されてなり、光軸（Ｚ軸）を中心とした回転対称の形状を有する。より具体的には、光学素子２０は、ベースＢＳに取り付けられる中空筒形状の脚部２１を有している。脚部２１は、ＬＥＤ１０の周囲を囲っており、その内側が第一凹部２２を構成している。

ここで、直交するＺ軸とＬＥＤ光源１０の発光面１２との交点を、座標の原点Ｏとして光が出射する側を正とする。第一凹部２２は、ＬＥＤ１０の発光面１２に対向して配置され、Ｚ軸と交差するほぼ平面である円形の中央入射面２２ａと、中央入射面２２ａの周囲から延在し、Ｚ軸方向負側に向かうに連れて拡径するテーパー状の側方入射面２２ｂとを備えている。側方入射面２２ｂは、脚部２１の内周面となる。一方、脚部２１の外周面２１ａは、ストレート（Ｚ軸に平行）でも良いし、テーパー形状であっても良い。

第一凹部２２の中央入射面２２ａのｚ座標の平均値と、中央入射面２２ａの中で平均値からｚ座標が最もずれている点のｚ座標との差Ｓが，中央入射面２２ａの直径Ｄの１／２０以下であると好ましい。

光学素子２０の脚部２１の外周面２１ａの上端から、Ｚ軸方向正側（図２で上方）に向かうに連れて拡径するような形状を有する全反射面２３が設けられている。但し、全反射面２３におけるＺ軸方向原点側の端部２３ｐは、ＬＥＤ１０の発光面１２よりもＺ軸方向正側に位置している。

全反射面２３の上端に接続し、Ｚ軸方向に延在する円筒面をコバ面２４という。コバ面２４は、光学素子２０を外周から保持するために使用できる。

光学素子２０の出射面側に、第二凹部２５が設けられている。具体的には、Ｚ軸と交差する位置を頂点とする凸形状を備えた中央出射面２５ａと、中央入射面２５の周囲に設けられコバ面２４に交差する位置から半径方向内方に向かうテーパー面である第１側方出射面２５ｂと、第１側方出射面２５ｂの内方端から半径方向内方に向かうテーパー面である第２側方出射面２５ｃと、第２側方出射面２５ｃと中央出射面２５ａとを半径方向に連結する連結面２５ｄとを有する。第１側方出射面２５ｂは、Ｚ軸原点側に向かうに連れて縮径する形状を有し、第２側方出射面２５ｃも、Ｚ軸原点側に向かうに連れて縮径する形状を有しているが、Ｚ軸に対する傾斜角は、第２側方出射面２５ｃよりも、第１側方出射面２５ｂの方が大きくなっている。

尚、第２側方出射面２５ｃの傾斜角は、中央出射面２５ａから出射する光の内、最も径方向外側を通過する光の角度と平行であると好ましい。これにより、中央出射面２５ａから出射した光が、第２側方出射面２５ｃを介して光学素子２０内に再度入射することを抑制できる。

次に、本実施の形態にかかる照明装置ＬＧの動作について説明する。ＬＥＤ１０の発光面１２から出射した光の内、第一凹部２２の中央入射面２２ａから入射した光Ａは、光学素子２０内を進行し、中央出射面２５ａから出射するが、その出射光は屈折によりＺ軸から離れる方向に向かう。一方、ＬＥＤ１０の発光面１２から出射した光の内、第一凹部２２の側方入射面２２ｂから入射した光の殆どＢは、光学素子２０内を進行し、全反射面２３で反射した後に、第１側方出射面２５ｂから出射するが、その出射光はＺ軸に近づく方向に向かう。これにより出射光を絞ることができるから、照明装置ＬＧにダウンライト機能を持たせることができる。但し、第１側方出射面２５ｂから出射する光を、Ｚ軸に平行もしくは、Ｚ軸から離れる方向に向かわせるように、第１側方出射面２５ｂの傾斜角を決めても良い。

これに対し、ＬＥＤ１０の発光面１２から出射した光の内、第一凹部２２の側方入射面２２ｂから入射した光の残りＣは、脚部２１を横切って外周面２１ａから出射することとなり、照明に用いることはできないが、かかる光は光量が僅かであるため、効率を大きく低下することはない。

尚、全反射面で反射しレンズ内を伝搬する光は、その大部分が、レンズ内で光軸に接近すると好ましい。又、全反射面で反射しレンズ内で光軸に接近する光のパワーは、前記全反射面で全反射した全ての光パワーの８割以上を占めると好ましい。更に、側方出射面から出射し、出射直後に伝搬するにつれて光軸に接近する光のパワーが、側方出射面から出射した全ての光パワーの５割以上を占めると好ましい。

（実施例）
図２（ａ）は、第１実施例にかかる光学素子の断面図であり、図２（ｂ）は、第１参考例にかかる光学素子の断面図である。図において数値の単位はｍｍである。ＬＥＤ発光面をＬＰで示す。第１実施例の全反射面のＬＥＤ側端部のｚ座標はＬＥＤ発光面のｚ座標より大きく、第１参考例の全反射面のＬＥＤ側端部のｚ座標はＬＥＤ側端部のｚ座標と等しい。この条件のもと、第１実施例、第１参考例は光度分布、効率がほぼ等しくなるように設計されている。第１実施例、第１参考例共に、ＬＥＤはランバーシアン分布で光度の半値全幅（光度が最大値の半分になるときの光軸に対する角度の２倍）は３０度であり、光取り出し効率は８７％である。本実施例ではＳ＝０である。

第１実施例、第１参考例共に、全反射面と中央出射面が、数１式により表されるコーニック（非球面）形状を有するが、全反射面についてはコーニック係数Ｒと円錐係数ｋが異なっている。又、全反射面を延長した場合の頂点の位置は、ベース面よりもＺ軸方向負側に位置する。
［第１実施例］
全反射面
Ｒ＝９．４４ｍｍ
ｋ＝−０．４
（ベース面のｚ座標−頂点位置のｚ座標）＝−１．５２５ｍｍ
全反射面の原点側端部のｚ座標＝１．３４ｍｍ
中央出射面
Ｒ＝５．５５ｍｍ
ｋ＝−１
［第１参考例］
全反射面
Ｒ＝１０．６ｍｍ
ｋ＝−０．４
（ベース面のｚ座標−頂点位置のｚ座標）＝−２．０１ｍｍ
全反射面の原点側端部のｚ座標＝０ｍｍ
中央出射面
Ｒ＝５．５５ｍｍ
ｋ＝−１

ここでコーニック面は以下の式で表わされる。

rは光軸からの垂直に測った距離、Ｒはコーニック面の曲率半径である。

図２より明らかであるが、第１実施例は第１参考例よりも全反射面が小さい。第１実施例の最大外径２３ｍｍと、第１参考例の最大外径２５．６ｍｍよりも、２．６ｍｍ小さくすることができた。

図３（ａ）は、第２実施例にかかる光学素子の断面図であり、図３（ｂ）は、第２参考例にかかる光学素子の断面図である。図において数値の単位はｍｍである。ＬＥＤ発光面をＬＰで示す。第２実施例の全反射面のＬＥＤ側端部のｚ座標はＬＥＤ発光面のｚ座標より大きく、第２参考例の全反射面のＬＥＤ側端部のｚ座標はＬＥＤ側端部のｚ座標と等しい。この条件のもと、第２実施例、第２参考例は光度分布、効率がほぼ等しくなるように設計されている。第２実施例、第２参考例共に、ＬＥＤはランバーシアン分布で光度の半値全幅（光度が最大値の半分になるときの光軸に対する角度の２倍）は１５度であり、光取り出し効率は８３．８％である。本実施例ではＳ＝０である。

第２実施例、第２参考例共に、全反射面と中央出射面が、数１式により表されるコーニック（非球面）形状を有するが、全反射面についてはコーニック係数Ｒと円錐係数ｋが異なっている。又、全反射面を延長した場合の頂点の位置は、ベース面よりもＺ軸方向負側に位置する。
［第２実施例］
全反射面
Ｒ＝８．５２ｍｍ
ｋ＝−０．６
（ベース面のｚ座標−頂点位置のｚ座標）＝−１．２０７ｍｍ
全反射面の原点側端部のｚ座標＝１．９８ｍｍ
中央出射面
Ｒ＝４．１ｍｍ
ｋ＝−１
［第２参考例］
全反射面
Ｒ＝１０．３ｍｍ
ｋ＝−０．６
（ベース面のｚ座標−頂点位置のｚ座標）＝−１．９１ｍｍ
全反射面の原点側端部のｚ座標＝０ｍｍ
中央出射面
Ｒ＝４．１ｍｍ
ｋ＝−１

図３より明らかであるが、第２実施例の全反射面のＬＥＤ側端部のｚ座標は、第２参考例の全反射面のＬＥＤ側端部のｚ座標より大きくなっている。従って、第２実施例の最大外径２３ｍｍと、第２参考例の最大外径２６．８ｍｍよりも、３．８ｍｍ小さくすることができた。

１０ ＬＥＤ光源
１１ 基部
１２ 発光面
２０ 光学素子
２１ 脚部
２１ａ 外周面
２２ 第一凹部
２２ａ 中央入射面
２２ｂ 側方入射面
２３ 全反射面
２３ｐ 端部
２４ コバ面
２５ 中央入射面
２５ 第二凹部
２５ａ 中央出射面
２５ｂ 第１側方出射面
２５ｃ 第２側方出射面
２５ｄ 連結面
ＬＧ 照明装置

Claims (9)

1. ＬＥＤ光源から出射した光を透過する透光性部材から形成された光学素子であって、その光軸をＺ軸とし、Ｚ軸と前記ＬＥＤ光源の発光面とが交差する位置を座標の原点として光が出射する側を正としたときに、
   前記ＬＥＤ光源の発光面に対向して配置され、Ｚ軸と交差するほぼ平面である中央入射面と、前記中央入射面の周囲に形成されて、Ｚ軸方向正側に向かうに連れて縮径するテーパー状の側方入射面とを備えた第一凹部と、
   前記ＬＥＤ光源から出射し前記第一凹部を介して入射した光を全反射する全反射面と、
   Ｚ軸と交差する凸形状であって、前記中央入射面から入射した光を出射する中央出射面と、前記中央入射面の周囲に形成されＺ軸方向正側に向かうに連れて拡径し、前記全反射面で反射した光を出射する側方出射面とを備えた第二凹部とを有し、
   前記全反射面におけるＺ軸方向原点側の端部は、前記ＬＥＤ光源の発光面よりもＺ軸方向正側に位置していることを特徴とする照明装置用の光学素子。
2. 前記第一凹部の中央入射面のｚ座標の平均値と、前記中央入射面の中で前記平均値からｚ座標が最もずれている点のｚ座標との差Ｓが，前記中央入射面の直径Ｄの１／２０以下であることを特徴とする請求項１に記載の照明装置用の光学素子。
3. 前記第二凹部の中央出射面はコーニック面であり，コーニック定数をｋとするとｋ＜―０．７であることを特徴とする請求項１又は２に記載の照明装置用の光学素子。
   ここでコーニック面は以下の式で表わされる。
   rは光軸からの垂直に測った距離、Ｒはコーニック面の曲率半径である。
4. 前記光学素子は一体成形により形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の照明装置用の光学素子。
5. 前記全反射面で反射しレンズ内を伝搬する光は、その大部分が、レンズ内で光軸に接近することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の照明装置用の光学素子。
6. 前記全反射面で反射しレンズ内で光軸に接近する光のパワーは、前記全反射面で全反射した全ての光パワーの８割以上を占めることを特徴とする１〜５のいずれかに記載の照明装置用の光学素子。
7. 前記側方出射面から出射した光は、その大部分が、出射直後に伝搬するにつれて光軸に接近することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の照明装置用の光学素子。
8. 前記側方出射面から出射し、出射直後に伝搬するにつれて光軸に接近する光のパワーが、前記側方出射面から出射した全ての光パワーの５割以上を占めることを特徴とする１〜７のいずれかに記載の照明装置用の光学素子。
9. 請求項１〜８のいずれかに記載の光学素子と、ＬＥＤ光源とを有することを特徴とする照明装置。