JP2013127944A - 照明器、及び、照明方法 - Google Patents

Abstract

【課題】小型軽量等の特徴を持つLED素子を光源とし、数１００メートル先の目標物に対して、均一な光量を照射することが可能な照明器を実現する。
【解決手段】ＬＥＤ発光素子と、リフレクターと、ハウジングとで構成されたＬＥＤ照明器において、前記リフレクターの反射面に曲面の凹部を有する複数の段差を配置することにした。段差のある反射面により反射光の反射角分布が適度な拡がりを持ち、照射面における照度均一性が向上した。
【選択図】図１

Description

本発明は、LED素子を光源とする照明器に関し、特に、遠方に位置する対象物に対し均一な光量を照射できる照明器、及び、照明方法に関する。

近年、高輝度の白色LED（発光ダイオード）の実用化に伴い、LEDの照明用途への応用が期待されている。LEDには、小型軽量、低消費電力という特徴があり、従来の光源をLEDで置き換える研究が盛んに進められている。例えば、監視カメラ用の照明器には、現在、光源としてハロゲンランプが広く用いられているが、小型化が困難で重く、さらに、消費電力が大きいという欠点があった。この光源をハロゲンランプからLEDに置き換えることにより大幅な消費電力の低減が期待される。一方、LEDは光の指向性が強い点光源であり、照射面の照度均一性が悪いという問題があった。
従来、小型のLEDを多数組み合わせて照度均一性を改善する試みがなされていたが、多数のLED素子を用いるために、部品コストが高くなるという問題があった。

特許文献１には、LED光源と、リフレクターと、レンズとから監視装置用の照明装置を構成し、リフレクターに対してレンズを、あるいは、光源に対してレンズを移動制御することにより配光特性の変更を迅速に行う技術が開示されている。しかし、特許文献１に開示された照明装置では、LED光源の光の指向性が強いために、上記したように、照射面の照度均一性が悪いという問題があった。

特開２０１１−６５７６６号公報 特開２００９−８７５９６号公報

本発明は、照射面における照度の面内均一性の高い光照射が可能で、小型軽量化、消費電力の低減が可能な照明器の提供を目的とする。

本発明（１）は、少なくとも、一つ又は複数のLED素子からなる光源と、前記光源から出射された光を反射するリフレクターとから構成され、前記リフレクターの反射面に複数のリング状の凹部が設けられ、前記凹部の断面形状が曲線であることを特徴とする照明器である。
本発明（２）は、少なくとも、一つ又は複数のLED素子からなる光源と、前記光源から出射された光を透過するレンズと、前記レンズを透過した光を反射するリフレクターとから構成され、前記リフレクターの反射面に複数のリング状の凹部が設けられ、前記凹部の断面形状が曲面であることを特徴とする照明器である。
本発明（３）は、前記リフレクターの光軸に平行な断面の形状が放物線形状であることを特徴とする前記発明（１）又は前記発明（２）の照明器である。
本発明（４）は、前記リフレクターの開口部に近い凹部の断面形状の曲線の曲率半径が、前記リフレクターの基部に近い凹部の断面形状の曲線の曲率半径よりも大きいことを特徴とする前記発明（１）乃至前記発明（３）の照明器である。
本発明（５）は、一つ又は複数のLED素子からなる光源から出射された光をリフレクターにより反射することにより対象物又は対象空間に照明光を出射する照明方法であり、前記リフレクターの反射面に複数のリング状の凹部が設けられ、前記凹部の断面形状が曲線であることを特徴とする照明方法である。
本発明（６）は、前記リフレクターに対し前記光源を移動制御することにより配光特性を制御することを特徴とする前記発明（５）の照明方法である。
本発明（７）は、一つ又は複数のLED素子からなる光源から出射された光をレンズにより透過して発散又は収束させ、リフレクターにより前記レンズを透過した光を反射することにより対象物又は対象空間に照明光を出射する照明方法であり、前記リフレクターの反射面に複数のリング状の凹部が設けられ、前記凹部の断面形状が曲面であることを特徴とする照明方法である。
本発明（８）は、前記リフレクターに対し前記レンズを移動制御することにより配光特性を制御することを特徴とする前記発明（７）の照明方法である。
本発明（９）は、前記リフレクターの光軸に平行な断面の形状が放物線形状であることを特徴とする前記発明（５）乃至前記発明（８）の照明方法である。
本発明（１０）は、前記リフレクターの開口部に近い凹部の断面形状が曲線の曲率半径が、前記リフレクターの基部に近い凹部の断面形状が曲線の曲率半径よりも大きいことを特徴とする前記発明（５）乃至前記発明（９）の照明方法である。

本発明（１）〜（５）、（７）、（９）、（１０）によれば、照射面における照度均一性の向上、小型軽量化、消費電力の低減に効果がある。
本発明（６）、（８）によれば、照射面における照度均一性の向上し、かつ配光特性の迅速な制御が可能である。

本発明の実施の形態に係るLED照明器の斜視図である。 (a)は、本発明の実施の形態に係るLED照明器に用いるリフレクターの断面図である。(b)及び(c)は、段差形状を説明する図である。 本発明の実施の形態に係るLED照明器に用いるリフレクターの正面図と断面図である。 (a)乃至(c)は、本発明のLED照明器に係る配光特性の制御方法の第一の具体例の説明図である。 (a)乃至(c)は、本発明のLED照明器に係る配光特性の制御方法の第二の具体例の説明図である。 (a)は、本発明の実施例に係るLED照明器のリフレクターの正面写真である。 (b)は、本発明の実施例に係るLED照明器による照射面のシミュレーションデータである。 (a)は、従来のLED照明器のリフレクターの正面写真である。 (b)は、従来のLED照明器による照射面のシミュレーションデータである。 (a)は、段差無しリフレクターの光線追跡図である。 (b)は、段差付きリフレクターの光線追跡図である。 段差付きリフレクターの光線追跡図において、一つの段差に入射する光線の様子を示す図である。 (a)、(b)、(c)は、本発明の実施例に係る照明器の写真である。 (a)、(b)、(c)は、本発明の実施例に係る照明器の写真である。 本発明の実施例に係る照明器の六面図である。 本発明の実施例に係る照明器の組立図である。 本発明の別の実施例に係る照明器の組立図である。

本願発明者等は、光源としてLED素子を用い、面内均一性の高い光照射が可能な照明器を実現すべく鋭意検討を行った結果、光源から出射される光をリフレクターで反射させて目標物に照射し、その際、リフレクターの反射面にリング状の複数の段差を設けることで、反射光が適切に拡散し、照射面が均一に照射されることを初めて見出した。
図１は、本発明の実施の形態に係るLED照明器の斜視図である。図１に示すLED照明器は、LED素子からなる光源１と、光源１から出射される光を反射するリフレクター２と、光源１、リフレクター２を収納するハウジング３と、光源１に電力を供給する配線部５とから構成される。リフレクター２の反射面には、リング状の複数の段差４１、４２、４３、４４が設けられている。リフレクター２により反射された光６は目標物に向けて照射される。ここで、光源１を通り、反射光の照射方向に向かう直線を光軸と呼ぶことにする。

（リフレクターの反射面の形状）
リフレクターの反射面の光軸に直交する断面の形状は、特定の形状に限定されるものではないが、照度均一性向上のためには円形又は楕円形が好ましい。また、リフレクターの反射面の光軸に平行な断面の形状は、照射光の利用効率が高ければ特定の形状に限定されるものではないが、特に、放物線形状とするが好ましい。光源を放物線の焦点位置近辺に置くことにより、リフレクターからの反射光が略平行に目標物に照射されるので、照射光の利用効率を特に向上することが可能である。

（リフレクターの反射面の段差）
図２(a)は、本発明の実施の形態に係るLED照明器に用いるリフレクターの断面図である。リフレクター２０の反射面８には、リフレクターの光軸に垂直な面内で連続したリング状の凹部、或いは、溝部が複数形成されている。本願明細書では、これらのリング状の凹部を、リフレクターの反射面に形成された「段差」と呼ぶ。
図２(a)では、段差１０と段差１１の２つの段差が描かれているが、実際に本発明に係るLED照明器に用いるリフレクターでは、リフレクターの基部７から開口部まで、より多数の段差が形成されている。LEDから照射された指向性の強い光は、リフレクターの反射面に形成された段差により光の照射角度の分布が適度な拡がりを持つため、照射面の照度均一性が大きく向上する。この効果は、光源と目標物の距離によらない。遠方の目標物に対し面内均一性の高い光照射が可能になるだけでなく、近距離にある目標物を均一性の高い照度で照らすことも可能になる。従って、監視カメラ等の照明器だけでなく、通常の照明器具に用いても有用である。

また、実験の結果、段差の溝の断面形状は、なめらかな曲線とするのが好ましいことがわかった。図２(b)は、段差３１と段差３２が図示されているが、それぞれの段差の断面形状は連続した単一の曲線となっている。それに対し、図２(c)は、段差３３と段差３４が図示されているが、断面形状は複数の直線の組み合わせである。図２(b)に示す断面形状が連続した曲線の場合は、照度均一性の向上に大きな効果があった。それに対し、図２(c)に示す複数の直線の組み合わせの場合は、照度均一性があまり改善されなかった。その理由として、断面形状が連続した曲線の場合は、反射角が反射位置に応じて連続して変化し、反射角分布が適度な拡がりを示すのに対し、複数の直線の組み合わせの場合は、反射面になめらかでない不連続な部分があるため、反射角度に強い指向性が残るということが考えられる。
さらに、図２(a)において、段差がリフレクターの基部から離れた位置にあるほど、段差の曲率半径を大きくするのが、照射面の照度均一性の向上に大きく寄与することがわかった。具体的に図２(a)により説明すると、リフレクターの基部からより遠い段差１０の曲率半径R_Bをリフレクターの基部により近い段差１１の曲率半径R_Aより大きくするのが好ましい。係る形状のリフレクターを用いない場合でも、断面形状が曲線の凹部を備えた複数の段差をリフレクターの反射面に形成することにより、照射面の照度均一性が大きく改善されたが、さらに、段差の曲率半径を係る形状とするリフレクターを用いることにより照射面の照度均一性がさらに顕著に向上することがわかった。
図３は、本発明の実施の形態に係るLED照明器に用いるリフレクターの正面図と断面図である。図３に示すリフレクターは、約１０個の段差が形成されており、正面図では、段差の境界線が複数の同心円に見える。リフレクターの基部には、LED光源が配置されている。

（リフレクターの材質）
リフレクター本体の材質は、例えば、ガラスをＰＰＳ樹脂に対して２０パーセント（重量パーセント）混合した材料を用いる。リフレクターの反射面は、例えば、クロムメッキ処理により形成するのが好ましい。

（LED光源）
LED光源は、特に遠方を照射する用途では、ハイパワーのLED素子を用いるのが好ましい。LEDの色としては、白色LED又は電球色のLEDを用いるのが好ましい。夜間照明や監視カメラ用の照明で白色光を用い金属面を照らす場合は、カメラで撮影すると対象物が真っ白になってしまうので、このような用途の場合は、電球色のLEDを用いるのがより好ましい。金属面を撮影する際に撮影画像が白くなる問題を防止可能である。
上記した本発明に係る段差を備えたリフレクターを用いることにより、照射面の照度均一性が向上する効果は、LED光源の数が1個の場合に限定されない。LED光源の数が複数個、例えば、４個の場合においても、係るリフレクターを用いない場合と比較し照度均一性の顕著な向上が確認された。また、段差付きリフレクターとLED光源を組み合わせることにより、LED独特の眩しさ（グレア）を抑制できることが光学シミュレーション結果により確認できた。

（照度の広がりの調整）
リフレクターに対する光源の位置を駆動手段により移動制御可能とすることにより、照射光の反射角を制御して、照射面の大きさ等の配光特性を制御することが可能である。図４(a)乃至(c)は、本発明のLED照明器に係る配光特性の制御方法の第一の具体例の説明図である。リフレクター１０１に対し、光源１０２がある所定の位置に置かれて、遠方の目標物を所定の照射範囲で照らしている（４(a)）。これに対し、図４(b)では、光源１０２が、光軸上をリフレクター１０１の開口部に向かって移動している。この場合、反射角が大きくなるので、照射範囲が広くなる。一方、図４(c)では、光源１０２が、光軸上をリフレクター１０１の基部に向かって移動している。この場合、反射角が小さくなるので、照射範囲が狭くなる。これにより、目標物に対し照明光をスポットライトのように絞ったり、照明範囲を広げて広範囲の監視を行う等の配光特性の制御が可能になる。
図５(a)乃至(c)は、本発明のLED照明器に係る配光特性の制御方法の第二の具体例の説明図である。リフレクター１０１に対し、光源１０２がある所定の位置に置かれており、さらに光源１０２に対しリフレクター１０１の開口部側にレンズ１０３が配置されている。レンズは光源１０２から出射した光を透過して、その広がりを収束又は発散させる特性を持つものを用いる。例えば、凹レンズ、凸レンズ、回折レンズ、フレネルレンズ等を好適に用いることができる。レンズ１０３を透過した光はリフレクター１０１で反射して、遠方の目標物を所定の照射範囲で照らしている（５(a)）。リフレクター１０１に対し光源１０２の位置は固定されており、レンズ１０３は移動制御可能である。図５(b)では、レンズ１０３が、光軸上をリフレクター１０１の開口部に向かって移動している。一方、図５(c)では、レンズ１０３が、光軸上をリフレクター１０１の基部に向かって移動している。レンズの移動により、光源の位置を移動しなくても、図４(a)乃至(c)の場合と同様に、目標物に対し照明光をスポットライトのように絞ったり、照明範囲を広げて広範囲の監視を行う等の配光特性の制御が可能になる。本発明に係るLED照明器は、特許文献１に開示された照明装置と異なり、照射面の照度均一性に優れているので、配光特性の制御をより精密に行うことが可能になる。

（類似技術との比較）
特許文献２には、段差状の反射面を有するリフレクターを備えた照明器具が開示されている。段差状の反射面を有するリフレクターを用いているという点では、本願発明に係る照明器に類似している。しかし、その目的は、照度均一性の向上ではなく、リフレクターの反射面を蒸着により作製する際の蒸着均一性の向上であり、本願発明の目的とは異なる。また、特許文献２の図１や図２を見ると、反射面の段差の断面形状が複数の直線の組み合わせとなっている。このような断面形状のリフレクターを用いた場合に照度均一性が改善しないことは上記した通りである。よって、特許文献２に開示された技術を参照して本願発明を考案することは容易とは言えない。

（照明器の応用）
以上のように、本発明に係る照明器は、例えば、遠方の目標物を照らす照明器に用いて有用であるが、その他にも、街路灯や室内灯、ITVシステムでのカメラ用照明、無人発電所構内の照明等単品でのスポット照明、例えば太陽光パネルと連携した非常災害時の照明、バッテリーと併用した作業照明灯、可搬式照明灯等の単体の照明器や、侵入警戒センサシステム、鉄塔監視カメラシステム、車両と連結した仮設照明システムに組み込まれた照明器としての応用も可能であり、照度均一性の向上等の優れた効果を得ることができる。

（実施例）
以下に、実施例を用いて本発明の照明器について説明する。

（照度均一性の評価）
図７(a)は、従来の段差無しのリフレクターの反射面の正面写真である。図６(a)は、本発明の実施例に係る段差付きの照明器のリフレクターの反射面の正面写真である。図６(a)に示すリフレクターでは、反射面を正面から見ると段差の境界線を示す複数の同心円が見える。
図７(b)は、図７(a)に示す従来のリフレクターを用いたLED照明器による照射面のシミュレーションデータである。図６(b)は、本発明の実施例に係るLED照明器による照射面のシミュレーションデータである。いずれも照明から照射面までの距離は２ｍである。距離が１００ｍのシミュレーションも行った。２ｍと１００ｍの照度分布では、段差無しの場合には、中心から端に向かって照度値が減衰していく傾向を確認できた。一方、段差付きの場合には、段差無しと比べて半分以下に減衰している。
また、段差ピッチが小さくなるほど中心照度は小さくなることも確認できた。さらに、段差付きは段差無しと比べて、中心付近で照度値が一様になる傾向があることも確認できた。これらの照度分布の傾向の違いは、リフレクターに段差を設けた効果によると考えられる。

（光線追跡図）
図８(a)は、段差無しリフレクターの光線追跡図であり、図８(b)は、段差付きリフレクターの光線追跡図である。図９は、段差付きリフレクターの光線追跡図において、一つの段差に入射する光線の様子を示す図である。段差無しリフレクターでは、光線がほぼ平行に出射していることが確認できる。光が平行に伝搬するため、２ｍと１００ｍのどちらの位置でも中心に高い照度が現れている。これに対し、図８(b)に示す段差付きリフレクターでは、図９からもわかるように、段差によって光が拡散している。そのため、光のエネルギーも拡散し、中心照度が低くなり比較的一様な照度分布が得られたと考えられる。
以上をまとめると、段差無しリフレクターの場合は、中心照度が高く、照度分布は中心からの照度の減衰が大きくなるのに対し、段差付きリフレクターの場合は、中心照度が低く、照度分布は中心付近で照度が一様になった。照射面の拡がりは、いずれも同程度であった。
また、段差無しリフレクターの場合は、LEDの位置がずれると中心照度が低くなるのに対し、段差付きリフレクターの場合は、LEDの位置ずれに強く、LEDの位置がずれても安定した照度が得られることがわかった。LEDの位置は組立て時にずれが生じる場合があるので、この効果は製品性能を維持する上で非常に重要である。
リフレクターの形状は、放物線又は放物線に近い形状とした。放物線リフレクターでは、焦点に光源があれば反射光は平行光になるが、光源が焦点からずれた場合には、今回のシミュレーション結果のように照射面上に同心円状に大きく照度が変化するような照度分布となる。段差付きリフレクターの場合も、LED位置のずれにより、同様の現象が起きているはずであるが、リフレクターの段差による光の拡散効果によって、上記のような変化が現れにくくなっていると考えられる。

本発明に係る照明器の外観写真を示す。図１０(a)、(b)、(c)は、本発明の実施例に係る照明器の写真である。図１１(a)、(b)、(c)も、本発明の実施例に係る照明器の写真である。図１１(a)、(b)、(c)は、図１０(a)、(b)、(c)に示す照明器本体をフード付きの筐体の中に格納した照明器の写真である。
図１２は、本発明の実施例に係る照明器の六面図である。図１３は、本発明の実施例に係る照明器の組立図である。図１４は、本発明の別の実施例に係る照明器の組立図である。

以上詳述したように、本発明に係る照明器は、照明器の小型軽量化、部品コストの低減、照度均一性の向上が可能であり、照明装置の利用分野で大きく寄与する。

１ ＬＥＤ発光素子
２、２０ リフレクター
３ ハウジング
４１，４２，４３、４４ リフレクター反射面内の段差部
５ 配線部
６ 投射光
７ リフレクターの基部
８ リフレクターの反射面
９ リフレクターの外部面
１０、１１ 段差
１０１ リフレクター
１０２ ＬＥＤ発光素子
１０３ レンズ

Claims (10)

1. 少なくとも、一つ又は複数のLED素子からなる光源と、前記光源から出射された光を反射するリフレクターとから構成され、前記リフレクターの反射面に複数のリング状の凹部が設けられ、前記凹部の断面形状が曲線であることを特徴とする照明器。
2. 少なくとも、一つ又は複数のLED素子からなる光源と、前記光源から出射された光を透過するレンズと、前記レンズを透過した光を反射するリフレクターとから構成され、前記リフレクターの反射面に複数のリング状の凹部が設けられ、前記凹部の断面形状が曲面であることを特徴とする照明器。
3. 前記リフレクターの光軸に平行な断面の形状が放物線形状であることを特徴とする請求項１又は２のいずれか１項記載の照明器。
4. 前記リフレクターの開口部に近い凹部の断面形状の曲線の曲率半径が、前記リフレクターの基部に近い凹部の断面形状の曲線の曲率半径よりも大きいことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の照明器。
5. 一つ又は複数のLED素子からなる光源から出射された光をリフレクターにより反射することにより対象物又は対象空間に照明光を出射する照明方法であり、前記リフレクターの反射面に複数のリング状の凹部が設けられ、前記凹部の断面形状が曲線であることを特徴とする照明方法。
6. 前記リフレクターに対し前記光源を移動制御することにより配光特性を制御することを特徴とする請求項５記載の照明方法。
7. 一つ又は複数のLED素子からなる光源から出射された光をレンズにより透過して発散又は収束させ、リフレクターにより前記レンズを透過した光を反射することにより対象物又は対象空間に照明光を出射する照明方法であり、前記リフレクターの反射面に複数のリング状の凹部が設けられ、前記凹部の断面形状が曲面であることを特徴とする照明方法。
8. 前記リフレクターに対し前記レンズを移動制御することにより配光特性を制御することを特徴とする請求項７記載の照明方法。
9. 前記リフレクターの光軸に平行な断面の形状が放物線形状であることを特徴とする請求項５乃至８のいずれか１項記載の照明方法。
10. 前記リフレクターの開口部に近い凹部の断面形状が曲線の曲率半径が、前記リフレクターの基部に近い凹部の断面形状が曲線の曲率半径よりも大きいことを特徴とする請求項５乃至９のいずれか１項記載の照明方法。

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