JP2013251105A - 照明用レンズおよび照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】出射光の指向性が広い照明用レンズを得る。
【解決手段】照明用レンズ３０の各部３１〜３３は光透過性材料で一体形成される。レンズ部３１は、非球面状の入射面３１ａと、入射面３１ａに正対した平面状の出射面３１ｂとを備えた円形非球面凸レンズである。広角屈折部３２は、レンズ部３１を囲繞するリング状を成し、光軸Ｌから離れるほど背面側に向けて傾斜する略平面状の傾斜面である入射面３２ａと、入射面３２ａに正対した平面状の出射面３２ｂとを備え、入射面３２ａの内周縁がレンズ部３１の入射面３１ａの外周縁に連接される。リフレクタ部３３は、広角屈折部３２を囲繞するリング状を成し、略円錐内面状の入射面３３ａと、入射面３３ａに正対した平面状の出射面３３ｂと、入射面３３ａからの入射光を反射して出射面３３ｂ方向に導く反射面３３ｃとを備え、入射面３３ａの内周縁が広角屈折部３２の入射面３２ａの外周縁に連接される。
【選択図】 図１

Description

本発明は照明用レンズおよび照明装置に係り、詳しくは、光源の出射光を制御する照明用レンズと、その照明用レンズを備えた照明装置とに関するものである。

特許文献１には、光軸が水平方向に設定された光源と、前記光源からの出射光を制御する光学部材とを備えた車両用照明装置であって、前記光学部材は、前記光源の光軸上に配設され当該光源からの入射光を屈折により変化させて出射するレンズ部と、前記レンズ部と一体の光透過性材料で構成され前記光源からの入射光を前記レンズ部の上方に形成した上側反射面で反射して出射する上側リフレクタ部と、前記レンズ部と一体の光透過性材料で構成され前記光源からの入射光を前記レンズ部の下方に形成した下側反射面で反射して出射する下側リフレクタ部と、を備え、前記レンズ部の入射面の下部に、前記光源からの入射光を下方に屈折させて照明光路外に導く屈折部を形成したものが開示されている。

特開２０１０−２１２０２１号公報

従来より、照明装置にて光源の出射光を制御するための照明用レンズには、出射光を集束させる集光レンズが用いられてきたが、近年、集光レンズの中でも特に高精度の平行光を生成するコリメータレンズ（コリメートレンズ）が用いられるようになってきた。
特許文献１には、「コリメータレンズ」または「コリメートレンズ」という記載はないものの、「レンズ部」「上側リフレクタ部」「下側リフレクタ部」について、入射光を「平行光に近づけるよう変化させて出射する」という記載があるため、「光学部材」はコリメータレンズであるといえる。

従来のコリメータレンズは、出射光の指向性が狭く（集光度が高く）、レンズの光軸から所定角度（ビーム角）の範囲内に出射光が集束され、ビーム角の範囲外には出射光がほとんど無いという特性を有する。
しかし、屋内照明において複数個の照明装置を設置した場合には、高い均斉度および内壁の均一な照明を得るために、出射光の指向性が広い（集光度が低い）コリメータレンズが要求されている。
すなわち、屋内照明において複数個の照明装置を設置した場合、個々の照明装置からの出射光の指向性が狭いと、照明装置の間の輝度ムラが大きくなるため、均斉度が低くなる上に、内壁を均一に照明できないという問題がある。
また、出射光の指向性が広いコリメータレンズを用いれば、１個の照明装置で広い範囲を照明可能になるため、屋内に設置する照明装置の個数を減らすことができる。
尚、コリメータレンズに限らず、どのような形式の照明用レンズであっても、出射光の指向性を広くすることが要求されている。

本発明は前記要求を満足させるためになされたものであって、以下の目的を有するものである。
（１）出射光の指向性を広くすることが可能な照明用レンズを提供する。
（２）前記（１）の照明用レンズを用いた屋内照明に好適な照明装置を提供する。

本発明者らは前記課題を解決するために鋭意検討を重ねた結果、下記のように本発明の各局面に想到した。

＜第１の局面＞
第１の局面は、
入射面が背面側に設けられると共に、出射面が正面側に設けられ、レンズ部と広角屈折部とリフレクタ部とを備えた照明用レンズであって、
前記レンズ部は、非球面状の入射面と、当該入射面に正対した平面状の出射面とを備えた円形非球面凸レンズであり、
前記広角屈折部は、前記レンズ部を囲繞するリング状を成し、照明用レンズの光軸から離れるほど背面側に向けて傾斜する略平面状の傾斜面である入射面と、当該入射面に正対した平面状の出射面とを備え、当該入射面の内周縁が前記レンズ部の入射面の外周縁に連接されており、
前記リフレクタ部は、前記広角屈折部を囲繞するリング状を成し、略円錐内面状の入射面と、当該入射面に正対した平面状の出射面と、当該入射面からの入射光を反射して当該出射面の方向に導く反射面とを備え、当該入射面の内周縁が前記広角屈折部の入射面の外周縁に連接されており、
前記レンズ部と前記広角屈折部と前記リフレクタ部とが光透過性材料によって一体形成されている照明用レンズである。

第１の局面において、レンズ部は、照明用レンズに光を出射する光源の出射光のうち、主として、光源の光軸に対して所定の第１放射角以下で放射される出射光を入射面で入射し、入射面および出射面における屈折により、光源の光軸を囲繞する円周方向の放射角を平行光に近づけるよう変化させて出射する。
広角屈折部は、光源の出射光のうち、主として、光源の光軸に対して所定の第１放射角を超えると共に所定の第２放射角未満で放射される出射光を入射面で入射し、入射面および出射面における広角の屈折により、照明用レンズの外方に向けて広角に出射する。
リフレクタ部は、光源の出射光のうち、主として、光源の光軸に対して所定の第２放射角以上で放射される出射光を入射面で入射し、入射面および出射面における屈折や、反射面における全反射などにより、光源の光軸を囲繞する円周方向の放射角を平行光に近づけるよう変化させて出射する。
そして、レンズ部と広角屈折部とリフレクタ部とのそれぞれの出射面において、リフレクタ部の出射光はレンズ部の出射光を囲繞するように放射され、広角屈折部の出射光はリフレクタ部の出射光を囲繞するように放射される。

従って、第１の局面によれば、広角屈折部の出射光を照明用レンズの外方に向けて広角に出射することが可能になるため、レンズ部とリフレクタ部だけを設けた場合に比べて、出射光の指向性を広くすることができる。
尚、第１放射角および第２放射角については、実験やシミュレーション等に基づいて適値に設定すればよい。

＜第２の局面＞
第２の局面は、第１の局面において、前記レンズ部と前記広角屈折部と前記リフレクタ部のそれぞれの前記出射面が連接して同一平面を形成する照明用レンズである。
第２の局面によれば、照明用レンズの出射面を構成する前記各部の出射面が同一平面を形成するため、照明用レンズの出射面の表面上に微細な凹凸加工を施すことが容易になる上に、照明用レンズの出射面にフィルタを取り付けることも容易になる。

＜第３の局面＞
第３の局面は、第１または第２の局面において、前記レンズ部と前記広角屈折部と前記リフレクタ部のそれぞれの前記入射面の連接部分が緩やかに連続するように曲面が形成された照明用レンズである。
第３の局面によれば、光源の出射光が前記各部の入射面の連接部分の曲面により、屈折・反射を起こすことで出射光の境界がぼやけるため、照明用レンズの出射光の照射箇所に輝線や見切り線が発生するのを防止可能になるため、第１または第２の局面の前記作用・効果をより確実に得ることができる。

＜第４の局面＞
第４の局面は、第１〜３の局面において、前記レンズ部と前記広角屈折部と前記リフレクタ部のそれぞれの前記入射面の表面上に、光源の出射光の反射を防止するための反射防止層が形成された照明用レンズである。
第４の局面によれば、光源の出射光が前記各部の入射面に入射する際に、フレネル反射成分による迷光の発生を抑制し、照明用レンズの出射光の照射箇所の周縁部などに迷光による輝線が発生するのを防止可能になるため、視認性の高い配光パターンを実現できる。

＜第５の局面＞
第５の局面は、第１〜４の局面の照明用レンズと、前記照明用レンズにおける前記レンズ部と前記広角屈折部と前記リフレクタ部のそれぞれの前記入射面に正対するように配設された光源とを備えた照明装置であって、前記照明用レンズの光軸と前記光源の光軸とが合致し、前記照明用レンズは前記光源の出射光を制御する照明装置である。
第５の局面によれば、屋内照明に好適な照明装置を得ることができる。

図１（Ａ）は、本発明を具体化した一実施形態の照明装置１０の概略構成を示す要部縦断面図であり、図１（Ｂ）に示すＸ−Ｘ矢示断面図。図１（Ｂ）は、照明装置１０の背面図であり、照明装置１０に用いられる照明用レンズ３０の入射面側から見た状態を示す背面図（図１（Ａ）に示す矢印Ｙ方向から見た図）。 照明装置１０の一部縦断面図。 本発明を具体化した別の実施形態の照明装置１００の一部縦断面図。 本発明を具体化した別の実施形態の照明装置２００の一部縦断面図。

以下、本発明を具体化した各実施形態について図面を参照しながら説明する。尚、各実施形態において、同一の構成部材および構成要素については符号を等しくすると共に、同一内容の箇所については重複説明を省略する。

図１に示すように、一実施形態の照明装置１０は、光源２０（発光部２０ａ）と、光源２０の出射光を制御する照明用レンズ３０（レンズ部３１、広角屈折部３２、リフレクタ部３３、凹部３０ａ）とを備え、主に天井や頭上の構造物に取付固定されて屋内照明に用いられる。
光源２０は１個のＬＥＤから成り、ＬＥＤ基板（図示略）に搭載されており、当該ＬＥＤ基板は照明装置の筺体（図示略）内に取付固定されている。
尚、光源２０は、ＬＥＤに限らず、電球、半導体発光素子（有機ＥＬなど）など、どのような形式の光源であってもよい。

照明用レンズ（光学部材）３０は、レンズ部３１、広角屈折部３２、リフレクタ部３３、凹部３０ａを備えた円形レンズであり、ガラスや合成樹脂（例えば、アクリル樹脂）などの光透過性材料によって一体形成されたコリメータレンズであり、照明装置の筺体（図示略）に取付固定されている。
照明用レンズ３０の入射面は、照明用レンズ３０の背面側に設けられ、光源２０の出射光が入射される。
照明用レンズ３０の出射面は、照明用レンズ３０の正面側に設けられ、光源２０の出射光を制御して出射する。

レンズ部３１は、光源２０側に膨らんだ非球面状の入射面３１ａと、入射面３１ａに正対した平面状の出射面３１ｂとを備えた円形非球面凸レンズであり、入射面３１ａが光源２０に正対し、レンズ部３１の中心軸である光軸と光源２０の光軸Ｌとが合致するように、光源２０に対して位置決めされた状態で配設されている。
図１（Ａ）および図２の矢印α１〜α６に示すように、レンズ部３１は、光源２０の出射光のうち、主として、光軸Ｌに対して所定の第１放射角θａ以下で放射される出射光を入射面３１ａで入射し、入射面３１ａおよび出射面３１ｂにおける屈折により、光軸Ｌを囲繞する円周方向（３６０゜方向）の放射角を平行光に近づけるよう変化させて出射する。

広角屈折部３２は、レンズ部３１を囲繞するリング状を成し、光軸Ｌから離れるほど照明用レンズ３０の背面側（光源２０側）に向けて傾斜する略平面状の傾斜面である入射面３２ａと、入射面３１ａに正対した平面状の出射面３２ｂとを備えており、入射面３２ａが光源２０に正対すると共に、入射面３２ａの内周縁がレンズ部３１の入射面３１ａの外周縁に連接され、広角屈折部３２の中心軸である光軸と光源２０の光軸Ｌとが合致している。
図１（Ａ）および図２の矢印β１〜β４に示すように、広角屈折部３２は、光源２０の出射光のうち、主として、光軸Ｌに対して第１放射角θａを超えると共に所定の第２放射角θｂ未満で放射される出射光を入射面３２ａで入射し、入射面３２ａおよび出射面３２ｂにおける広角の屈折により、照明用レンズ３０の外方に向けて広角に出射する。

リフレクタ部３３は、広角屈折部３２を囲繞するリング状を成し、光軸Ｌ方向に対して僅かに所定角度傾斜して外周縁が広がる略円錐内面状の入射面３３ａと、入射面３３ａに正対した平面状の出射面３３ｂと、入射面３３ａからの入射光を反射して出射面３３ｂ方向に導く反射面３３ｃとを備えており、入射面３３ａが光源２０に正対すると共に、入射面３３ａの内周縁が広角屈折部３２の入射面３２ａの外周縁に連接され、リフレクタ部３３の中心軸である光軸と光源２０の光軸Ｌとが合致している。

図１（Ａ）および図２の矢印γ１〜γ４に示すように、リフレクタ部３３は、光源２０の出射光のうち、主として、光軸Ｌに対して第２放射角θｂ以上で放射される出射光を入射面３３ａで入射し、入射面３３ａおよび出射面３３ｂにおける屈折や、反射面３３ｃにおける全反射などにより、光軸Ｌを囲繞する円周方向の放射角を平行光に近づけるよう変化させて出射する。

図１（Ａ）に示すように、照明用レンズ３０の各部３１〜３３の光軸は光源２０の光軸Ｌと合致し、照明用レンズ３０の各部３１〜３３の出射面３１ｂ，３２ｂ，３３ｂは連接して同一平面を形成している。
また、各部３１〜３３の入射面３１ａ，３２ａ，３３ａによって囲まれた空間は、照明用レンズ３０の背面側（入射面側）に凹部３０ａを形成している。
そして、各部３１〜３３の出射面３１ｂ，３２ｂ，３３ｂにおいて、リフレクタ部３３の出射光（γ１〜γ４）はレンズ部３１の出射光（α１〜α６）を囲繞するように放射され、広角屈折部３２の出射光（β１〜β４）はリフレクタ部３３の出射光（γ１〜γ４）を囲繞するように放射される。

［照明装置１０の作用・効果］
本実施形態の照明装置１０によれば、以下の作用・効果を得ることができる。

［１］広角屈折部３２の出射光を照明用レンズ３０の外方に向けて広角に出射することが可能になるため、レンズ部３１とリフレクタ部３３だけを設けた場合に比べて、照明用レンズ３０の出射光の指向性を広くすることができる。
尚、第１放射角θａおよび第２放射角θｂについては、実験やシミュレーション等に基づいて適値に設定すればよい。

［２］特許文献１の技術は、車両用照明装置の規格で定められた出射光の配光パターンを得ることが目的であるため、屋内照明用の照明装置についての記載は無く、「光学部材」の出射光の指向性を広くすることについても一切記載されていない。
特許文献１に記載の「屈折部」は、「光源からの入射光を下方に屈折させる」ことにより「下側リフレクタ」内に導き、「レンズ部」「上側リフレクタ部」「下側リフレクタ部」の出射面以外から出射させて「照明光路外に導く」ものであり（段落［００２０］［００２３］、図５（ａ）を参照）、出射光が広角に放射されるのを防止するために設けられている。
そして、特許文献１には、「屈折部」を設けることにより「光学部材」の出射光の指向性を広くすることについて示唆すらもされていない。

加えて、特許文献１に記載の「レンズ部」はシリンドリカルレンズであり、「上側リフレクタ部」および「下側リフレクタ部」は長尺物である。そして、特許文献１には、「レンズ部」を円形凸レンズにすることや、「上側リフレクタ部」および「下側リフレクタ部」をドーナツ状にすることについても一切記載されていない。
そのため、特許文献１に基づいて、照明用レンズ３０の広角屈折部３２を想到することは、たとえ当業者といえども困難であり、また、広角屈折部３２の前記作用・効果についても予測し得るものではない。

［３］照明用レンズ３０の出射面を構成する各部３１〜３３の出射面３１ｂ，３２ｂ，３３ｂが同一平面を形成するため、照明用レンズ３０の出射面の表面上に微細な凹凸加工を施すことが容易になる上に、照明用レンズの出射面にフィルタを取り付けることも容易になる。

＜別の実施形態＞
本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、以下のように具体化してもよく、その場合でも、前記実施形態と同等もしくはそれ以上の作用・効果を得ることができる。

［Ａ］図３に示す照明装置１００のように、照明用レンズ３０の各部３１〜３３の入射面３１ａ，３２ａ，３３ａにおける連接部分が緩やかに連続するように曲面１０１，１０２を形成してもよい。
照明装置１００によれば、光源２０の出射光が各部３１〜３３の入射面３１ａ，３２ａ，３３ａの連接部分の曲面１０１，１０２により、屈折・反射を起こすことで出射光の境界がぼやけるため、照明用レンズの出射光の照射箇所に輝線や見切り線が発生するのを防止可能になるため、照明装置１０の前記作用・効果をより確実に得ることができる。

［Ｂ］図４に示す照明装置２００のように、照明用レンズ３０の各部３１〜３３の入射面３１ａ，３２ａ，３３ａの表面上に、光源２０の出射光の反射を防止するための反射防止層２０１を形成してもよい。
反射防止層２０１は、所定の屈折率を有する光透過性材料を用いた反射防止膜によって形成されており、光源２０の出射光が各部３１〜３３の入射面３１ａ，３２ａ，３３ａに入射する際に、フレネル反射成分による迷光の発生を抑制する。
その結果、照明装置２００の出射光の照射箇所の周縁部などに迷光による輝線が発生するのを防止可能になるため、視認性の高い配光パターンを実現できる。

また、反射防止層２０１を形成することにより、照明用レンズ３０の入射効率が高くなるため、照明装置２００の輝度を向上できる。
さらに、各部３１〜３３の入射面３１ａ，３２ａ，３３ａで反射された可視光の一部はＬＥＤ基板（図示略）などに吸収されて熱に変化するが、反射防止層２０１によってフレネル反射を抑制することにより、反射によるＬＥＤ基板などへの戻り光を低減可能になるため、特に、光源２０を高出力化した場合においても、ＬＥＤ基板などが過熱されて照明用レンズ３０にダメージを与えたり、光源２０の発光効率を低下させる等の不具合を防止できる。
尚、反射防止層２０１は、反射防止膜に限定されるものではなく、例えば、各部３１〜３３の入射面３１ａ，３２ａ，３３ａの表面上に微細な凹凸加工を施すことによって形成してもよい。

［Ｃ］光源２０の周囲を光不透過性材料から成る取付部材（図示略）によって囲繞し、当該取付部材を照明用レンズ３０の凹部３０ａの外周縁に取付固定してもよい。
このようにすれば、光源２０の出射光を漏れのない状態で効率よく照明用レンズ３０に入射させることができる。

［Ｄ］照明用レンズ３０は、コリメータレンズに限らず、どのような形式の照明用レンズであってもよい。

［Ｅ］前記各実施形態を適宜組み合わせて実施してもよく、その場合には組み合わせた実施形態の作用・効果を合わせもたせたり、相乗効果を得ることができる。

本発明は、前記各局面および前記各実施形態の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様も本発明に含まれる。本明細書の中で明示した論文、公開特許公報、特許公報などの内容は、その全ての内容を援用によって引用することとする。

１０，１００，２００…照明装置
２０…光源
２０ａ…発光部
３０…照明用レンズ
３１…レンズ部
３２…広角屈折部
３３…リフレクタ部
３０ａ…照明用レンズ３０の凹部
３１ａ，３２ａ，３３ａ…入射面
３１ｂ，３２ｂ，３３ｂ…出射面
３３ｃ…反射面
１０１，１０２…曲面
２０１…反射防止層
Ｌ…光軸
Ｆ…焦点

Claims (5)

1. 入射面が背面側に設けられると共に、出射面が正面側に設けられ、レンズ部と広角屈折部とリフレクタ部とを備えた照明用レンズであって、
   前記レンズ部は、非球面状の入射面と、当該入射面に正対した平面状の出射面とを備えた円形非球面凸レンズであり、
   前記広角屈折部は、前記レンズ部を囲繞するリング状を成し、照明用レンズの光軸から離れるほど背面側に向けて傾斜する略平面状の傾斜面である入射面と、当該入射面に正対した平面状の出射面とを備え、当該入射面の内周縁が前記レンズ部の入射面の外周縁に連接されており、
   前記リフレクタ部は、前記広角屈折部を囲繞するリング状を成し、略円錐内面状の入射面と、当該入射面に正対した平面状の出射面と、当該入射面からの入射光を反射して当該出射面の方向に導く反射面とを備え、当該入射面の内周縁が前記広角屈折部の入射面の外周縁に連接されており、
   前記レンズ部と前記広角屈折部と前記リフレクタ部とが光透過性材料によって一体形成されている照明用レンズ。
2. 前記レンズ部と前記広角屈折部と前記リフレクタ部のそれぞれの前記出射面が連接して同一平面を形成する、請求項１に記載の照明用レンズ。
3. 前記レンズ部と前記広角屈折部と前記リフレクタ部のそれぞれの前記入射面の連接部分が緩やかに連続するように曲面が形成された、請求項１または請求項２に記載の照明用レンズ。
4. 前記レンズ部と前記広角屈折部と前記リフレクタ部のそれぞれの前記入射面の表面上に、光源の出射光の反射を防止するための反射防止層が形成された、請求項１〜３のいずれか１項に記載の照明用レンズ。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の照明用レンズと、
   前記照明用レンズにおける前記レンズ部と前記広角屈折部と前記リフレクタ部のそれぞれの前記入射面に正対するように配設された光源と
   を備えた照明装置であって、
   前記照明用レンズの光軸と前記光源の光軸とが合致し、
   前記照明用レンズは前記光源の出射光を制御する照明装置。

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