JP2017216061A - 照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】配光角を維持しつつ色むらを低減することができる照明装置を提供することである。【解決手段】実施形態に係る照明装置は、光を出射する光源と、前記光源の前記光が出射される側に設けられ、前記光を拡散する第１の光学素子が形成された第１の光学部材と、前記第１の光学部材の前記光源とは反対側に設けられ、前記第１の光学部材により拡散された光の配光角を制御する第２の光学素子が形成された第２の光学部材と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、照明装置に関する。

フルカラーの光源（ＲＧＢ３色のＬＥＤ）と、配光制御部材（フレネルレンズ）とを組み合わせた場合に発生する色むらを低減する従来の照明装置がある。例えば、従来の照明装置は、フレネルレンズの入射面に光拡散部を設けることにより、色むらを低減する。

特開２００９−１５８４７３号公報

しかしながら、上述した従来の照明装置では、フレネルレンズの入射面に光拡散部が設けられているため、フレネルレンズから出射する光の配光角（配光分布）が広がってしまい、配光角の制御が困難であるという問題がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、配光角を維持しつつ色むらを低減することができる照明装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の一態様に係る照明装置は、光を出射する光源と、前記光源の前記光が出射される側に設けられ、前記光を拡散する第１の光学素子が形成された第１の光学部材と、前記第１の光学部材の前記光源とは反対側に設けられ、前記第１の光学部材により拡散された光の配光角を制御する第２の光学素子が形成された第２の光学部材と、を備える。

本発明の一態様によれば、配光角を維持しつつ色むらを低減することができる。

図１は、実施形態に係る照明装置の分解図である。 図２は、実施形態に係るＬＥＤの正面図である。 図３Ａは、ドーム形状の光学素子の一例について説明するための図である。 図３Ｂは、ドーム形状の光学素子の一例について説明するための図である。 図３Ｃは、ドーム形状の光学素子の一例について説明するための図である。 図４は、ピラミッド形状の光学素子の一例について説明するための図である。 図５は、ピラミッド形状の光学素子の他の例について説明するための図である。 図６は、実施形態に係る照明装置と、従来の照明装置との比較結果について説明するための図である。 図７は、実施形態に係る照明装置と、従来の照明装置との比較結果について説明するための図である。 図８は、実施形態に係る照明装置と、従来の照明装置との比較結果について説明するための図である。 図９は、実施形態に係る照明装置と、比較例に係る照明装置との比較結果について説明するための図である。 図１０は、実施形態に係る照明装置と、比較例に係る照明装置との比較結果について説明するための図である。

以下、実施形態に係る照明装置について図面を参照して説明する。なお、図面における各要素の寸法の関係、各要素の比率などは、現実と異なる場合がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。

（実施形態）
図１は、実施形態に係る照明装置の分解図である。図１の例に示すように、実施形態に係る照明装置１０は、ヒートシンク部材１１と、光源であるＬＥＤ１２と、載置部材１３と、プレート１４と、カバー１５と、拡散レンズ１６と、キャップ１７と、リフレクタ（反射体）１８と、フレネルレンズ１９とを備える。

ヒートシンク部材１１によりＬＥＤ１２により発生された熱が放熱される。

ＬＥＤ１２は、ＲＧＢフルカラーのＣＯＢ（Chip On Board）タイプのＬＥＤである。図２は、実施形態に係るＬＥＤ１２の正面図である。図２の例に示すように、ＬＥＤ１２は、赤色（Red）のＬＥＤチップ１２ａ、青色（Blue）のＬＥＤチップ１２ｂ、及び、緑色(Green)のＬＥＤチップ１２ｃが基板１２ｄに実装されている。ＬＥＤチップ１２ａ〜１２ｃは、配線を介して電源に接続されており、電源からの電力の供給を受けて点灯する。ＬＥＤチップ１２ａは、赤色の光を出射し、ＬＥＤチップ１２ｂは、青色の光を出射し、ＬＥＤチップ１２ｃは、緑色の光を出射する。

また、ＬＥＤ１２から黄色（Yellow）の光を出射させる場合には、ＬＥＤチップ１２ａとＬＥＤチップ１２ｃとを点灯させて、赤色の光と緑色の光とが混ぜられた結果、黄色の光が出射される。また、ＬＥＤ１２から青緑色（Cyan）の光を出射させる場合には、ＬＥＤチップ１２ｂとＬＥＤチップ１２ｃとを点灯させて、青色の光と緑色の光とが混ぜられた結果、青緑色の光が出射される。また、ＬＥＤ１２から紅紫色（Magenda）の光を出射させる場合には、ＬＥＤチップ１２ａとＬＥＤチップ１２ｂとを点灯させて、赤色の光と青色の光とが混ぜられた結果、紅紫色の光が出射される。また、ＬＥＤ１２から白色（White）の光を出射させる場合には、ＬＥＤチップ１２ａとＬＥＤチップ１２ｂとＬＥＤチップ１２ｃとを点灯させて、赤色の光と青色の光と緑色の光とが混ぜられた結果、白色の光が出射される。

載置部材１３には、ＬＥＤ１２及びプレート１４が載置される。プレート１４の材質は、例えば、ステンレス鋼である。

カバー１５は、ＬＥＤ１２を覆ってＬＥＤ１２を保護する部材である。カバー１５の材質は、例えば、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）樹脂である。カバー１５は、ＬＥＤ１２と、拡散レンズ１６との間に設けられる。

カバー１５は、筒状の部材である筒状部１５ａを有する。筒状部１５ａには、内孔１５ｂが形成されている。筒状部１５ａは、本実施形態では、内径が一定の円筒状に形成されている。筒状部１５ａは、内孔１５ｂ内を、ＬＥＤ１２から出射された光が拡散レンズ１６に向けて進むことが可能な姿勢で設けられている。また、筒状部１５ａは、内孔１５ｂ内を、ＬＥＤ１２から出射された光が拡散レンズ１６に向けて進むことが可能な位置に設けられている。

また、筒状部１５ａには、拡散レンズ１６をはめ込み可能な溝１５ｃが形成されている。

拡散レンズ１６は、ＬＥＤ１２の光が出射される側に設けられている。拡散レンズ１６は、シリコーンレンズであり、シリコーン樹脂を含む材料で形成されている。拡散レンズ１６は、ＬＥＤ１２の発光径と同程度の大きさのレンズである。本実施形態では、拡散レンズ１６とＬＥＤ１２との距離が、例えば、最も短い場合で１０ｍｍである。このように、拡散レンズ１６は、ＬＥＤ１２と非常に近い位置に設けられている。このため、拡散レンズ１６は、ＬＥＤ１２が発する熱に耐性を有するシリコーン樹脂を含んで形成されている。このため、シリコーン樹脂を含む材料で形成された拡散レンズ１６は、ポリカーボネート樹脂などの熱に耐性を有さない樹脂により形成された場合と比較して、熱に耐性を有し、劣化しにくい。

拡散レンズ１６には、ＬＥＤ１２から出射された光を拡散する光学素子が形成されている。例えば、拡散レンズ１６の光が入射される入射面には、後述するピラミッド形状の光学素子が形成されている。拡散レンズ１６の光が出射される出射面には、後述するドーム形状の光学素子が形成されている。

図３Ａ、図３Ｂ及び図３Ｃは、ドーム形状の光学素子の一例について説明するための図である。図３Ａの例に示すように、拡散レンズ１６の出射面には、ドーム形状の光学素子３１が千鳥格子状に形成されている。ドーム形状の光学素子３１は、光軸に対して曲面を外形面に有する凸状の光学素子である。複数のドーム形状の光学素子３１は、全体としてフライアイレンズを構成している。図３Ａに示すドーム形状の光学素子３１のＸ方向ピッチは、例えば、０．０８３ｍｍであり、Ｙ方向ピッチは、例えば、０．０７２ｍｍである。また、図３Ｂに示すドーム形状の光学素子３１を形成するためのバイトＲは、例えば、０．１ｍｍであり、最大深さは、例えば、０．０１２３ｍｍである。また、図３Ｃに示すドーム形状の光学素子３１の出射面に対する接触角θは、例えば、２４．５°である。

図４は、ピラミッド形状の光学素子の一例について説明するための図であり、図５は、ピラミッド形状の光学素子の他の例について説明するための図である。図４の例に示すように、ピラミッド形状の光学素子３２は、光軸に対して傾斜する傾斜平面を有し、回転対称に配置された４つの傾斜平面を外形面に有するピラミッド（接頭四角錐）形状を成し、凹状または凸状に形成されている。なお、図４の例では、接頭四角錐のピラミッド形状の例について説明したが、図５の例に示すように、光学素子３２は、尖頭四角錐のピラミッド形状であってもよい。拡散レンズ１６の入射面には、ピラミッド形状の光学素子３１が格子状に形成されている。

図５に示すように、光学素子３２が、尖頭四角錐のピラミッド形状である場合について説明する。この場合において、図５に示す三角形の角度は、例えば、６０度である。すなわち、本実施形態では、例えば、回転対称に配置された４つの傾斜平面は、正三角形である。また、図５に示す高さは、例えば、０．０１７ｍｍであり、底面幅は、例えば、０．０５ｍｍである。

本実施形態では、上述したようなピラミッド形状の光学素子３２が入射面に形成され、ドーム形状の光学素子３１が出射面に形成された拡散レンズ１６が、ＬＥＤ１２の光が出射される側に配置される。ここで、ピラミッド形状の光学素子３２により各ＬＥＤチップ１２ａ〜１２ｃの光軸を基準として光が拡散されるが、光軸近傍には殆ど光が認められない。各ＬＥＤチップ１２ａ〜１２ｃの光軸を中心とする所定の径の円周上の４つに等分割された各位置に光が分散される。このような輝度分布は、ピラミッド形状の光学素子３２の外形面に含まれる４つの傾斜平面のそれぞれに入射する光線の入射角度に応じた屈折・反射作用によって生じているものと考えられる。なお、光学素子３２は、４つの傾斜平面以外の複数の傾斜平面を外形面に含む形状の光学素子であってもよい。

また、ここで、ドーム形状の光学素子３１により各ＬＥＤチップ１２ａ〜１２ｃの光軸を中心として周囲に光が均等に拡散される。

このように、ドーム形状の光学素子３１における輝度分布と、ピラミッド形状の光学素子３２における輝度分布とを比較すると、互いに相補的な領域から光が出射されていると考えられる。そのため、ピラミッド形状の光学素子３２が入射面に形成され、ドーム形状の光学素子３１が出射面に形成された拡散レンズ１６により、色度分布及び輝度分布が均一となるように、ＬＥＤ１２から出射された光が拡散される。

拡散レンズ１６は、筒状部１５の溝１５ｃにはめ込まれる。そして、拡散レンズ１６がはめ込まれた筒状部１５を覆うように、キャップ１７がはめられる。キャップ１７は、開口部を有し、拡散レンズ１６の出射面から出射された光が、キャップ１７の開口部及びリフレクタ１８の後述する開口部１８ｂを通って、フレネルレンズ１９の入射面に入射される。

なお、拡散レンズ１６の出射面に、ピラミッド形状の光学素子３２が形成され、入射面に、ドーム形状の光学素子３１が形成されてもよい。

リフレクタ１８には、ＬＥＤ１２に対応した位置、すなわち、リフレクタ１８の中央位置に開口部１８ｂが設けられている。リフレクタ１８のフレネルレンズ１９側は、開口部１８ｂに向かって円錐形状に凹んだ形状に形成されており、ＬＥＤ１２からの光をフレネルレンズ１９側に反射する反射面１８ｃを有する。反射面１８ｃの色は、光を反射することを目的としているので、光の反射率が高くなる白色や銀色といった色であることが好ましい。

また、リフレクタ１８の外周面（周面）には、螺旋状のガイド溝１８ａが形成されている。ここで、図示は省略するが、照明装置１０は、リフレクタ１８の外周を覆うように配置される移動体と、この移動体の外周を覆うように配置され、移動体を支持する支持体とを備えている。移動体の内周面には、リフレクタ１８の螺旋状のガイド溝１８ａに摺動可能に係合する係合突起が設けられている。移動体は、係合突起をリフレクタ１８のガイド溝１８ａに係合させて、リフレクタ１８を覆うように配置される。

移動体には、フレネルレンズ１９が取り付けられている。したがって、移動体の係合突起をガイド溝１８ａに沿って摺動させることで、移動体がリフレクタ１８に対して回転し、移動体が、ＬＥＤ１２から離れる方向又はＬＥＤ１２に近づく方向に移動する。すなわち、移動体をリフレクタ１８に対して回転させることで、フレネルレンズ１９とＬＥＤ１２との距離を調整することができる。本実施形態では、フレネルレンズ１９とＬＥＤ１２との距離は、所定の範囲内で調整可能である。フレネルレンズ１９とＬＥＤ１２との距離が、最も短い場合には、例えば、１０ｍｍであり、最も長い場合には、例えば、２５ｍｍや３２ｍｍである。

フレネルレンズ１９は、拡散レンズ１６のＬＥＤ１２とは反対側に設けられる。フレネルレンズ１９は、拡散レンズ１６により拡散された光の配光角を制御する光学素子が形成されている。例えば、フレネルレンズ１９の光が入射される入射面には、光の配光角を所定の配光角にするプリズムが形成されている。なお、フレネルレンズ１９の光が出射される出射面には、光を拡散する拡散ドットが形成されていてもよい。

フレネルレンズ１９の出射面から出射される光のビーム角は、フレネルレンズ１９とＬＥＤ１２との距離に応じて変化する。例えば、フレネルレンズ１９とＬＥＤ１２との距離が、所定の範囲内において最も短い距離（例えば１０ｍｍ）である場合には、ビーム角は、最も広くなる。このときの最も広いビーム角を広角と呼ぶ。また、フレネルレンズ１９とＬＥＤ１２との距離が、所定の範囲内において最も長い距離（例えば２５ｍｍや３２ｍｍ）である場合には、ビーム角は、最も狭くなる。このときのビーム角を狭角と呼ぶ。狭角は、例えば、１２°から１８°が好ましい。

次に、実施形態に係る照明装置１０が出射する光の色ごとの狭角と広角との関係の一例を表１に示す。

なお、表１の例では、ＬＥＤ１２とフレネルレンズ１９との距離が３２ｍｍの場合のビーム角、及び、２５ｍｍの場合のビーム角を広角と呼ぶ。

例えば、拡散レンズ１６を有さずフレネルレンズを有する従来の照明装置では、狭角が１３．５°であり、広角が２１°であるが、拡散レンズ１６及びフレネルレンズ１９を有する照明装置１０においても、狭角は１°程度しか広がっておらず、どの色を点灯させても、ほぼ同程度の配光分布となる。これは、ＬＥＤ１２の発光径と同程度の大きさの拡散レンズ１６を有することによって、オリジナルの発光径、配光の変化を極力抑えられたためではないかと考えられる。

次に、図６を参照して、拡散レンズ１６及びフレネルレンズ１９を有する照明装置１０と、拡散レンズ１６を有さずフレネルレンズ１９を有する照明装置（従来の照明装置）との比較結果について説明する。図６は、実施形態に係る照明装置１０と、従来の照明装置との比較結果について説明するための図である。

図６の例において、「拡散レンズなし」が、拡散レンズ１６を有さずフレネルレンズ１９を有する従来の照明装置に対応し、「拡散レンズあり」が、実施形態に係る照明装置１０に対応する。

従来の照明装置により、赤色の光と緑色の光が混合されて、ビーム角が狭角である黄色の光が照射された照射面４１、及び、ビーム角が広角である黄色の光が照射された照射面４３の見栄えについて説明する。拡散レンズ１６を有さないため、照射面４１及び照射面４３ともに、混色されておらず、ＬＥＤチップの数が多い赤色が目立ってしまう。

次に、実施形態に係る照明装置１０により、赤色の光と緑色の光が混合されて、ビーム角が狭角である黄色の光が照射された照射面４２、及び、ビーム角が広角である黄色の光が照射された照射面４４の見栄えについて説明する。拡散レンズ１６を有するため、照射面４２及び照射面４４ともに、しっかりと混色され、赤色のむらが抑制され、照射面４２及び照射面４４には、むらがない黄色の光が照射されている。

また、従来の照明装置により、赤色の光と緑色の光と青色の光とが混合されて、ビーム角が狭角である白色の光が照射された照射面４５、及び、ビーム角が広角である白色の光が照射された照射面４７の見栄えについて説明する。白色の場合においても、照射面４５及び照射面４７ともに、混色されておらず、ＬＥＤチップの数が多い赤色が目立ってしまう。

次に、実施形態に係る照明装置１０により、赤色の光と緑色の光と青色の光とが混合されて、ビーム角が狭角である白色の光が照射された照射面４６、及び、ビーム角が広角である白色の光が照射された照射面４８の見栄えについて説明する。白色の場合においても、照射面４６及び照射面４８ともに、しっかりと混色され、赤色のむらが抑制され、照射面４６及び照射面４８には、むらがない白色の光が照射されている。

ここで、図６の例に示すように、従来の照明装置により白色の光が出射された場合の狭角が１３．４°であり、広角が２０．９°であり、狭角と広角との差が７°程度である。これに対して、実施形態の照明装置１０により白色の光が出射された場合の狭角が１５．１°であり、広角が４３．４°であり、狭角と広角との差が約２８°となる。このように、実施形態の照明装置１０によれば、狭角と広角との差を大きくすることができる。

次に、図７を参照して、拡散レンズ１６及びフレネルレンズ１９を有する照明装置１０と、拡散レンズ１６を有さずフレネルレンズを有する照明装置（従来の照明装置）との他の比較結果について説明する。図７は、実施形態に係る照明装置１０と、従来の照明装置との比較結果について説明するための図である。

図７の例には、照明装置１０により出射された、ビーム角が狭角である白色の光の色度Ｘの角度分布（配光分布）５１、色度Ｙの角度分布５２が示されている。また、図７の例には、従来の照明装置により出射された、ビーム角が狭角である白色の光の色度Ｘの角度分布５３、色度Ｙの角度分布５４が示されている。

角度分布５１〜５４から、角度が−３０°から３０°までの範囲において、従来の照明装置の光のほうが、照明装置１０の光よりも、色度変化が激しいことが分かる。

また、角度分布５１及び角度分布５２は、角度が０°付近で青みを帯び、その周辺で黄色となる光であることを示す。このような角度分布は、白色ＬＥＤから出力される光の角度分布と類似する。したがって、本実施形態に係る照明装置１０は、白色ＬＥＤから出力される白色の光に角度分布が類似する白色の光を出射することができる。

次に、図８を参照して、拡散レンズ１６及びフレネルレンズ１９を有する照明装置１０と、拡散レンズ１６を有さずフレネルレンズを有する照明装置（従来の照明装置）との他の比較結果について説明する。図８は、実施形態に係る照明装置１０と、従来の照明装置との比較結果について説明するための図である。

図８の例は、従来の照明装置により出射された、ビーム角が狭角である白色の光の色度Ｘの角度分布５３において、角度が−３０°から３０°までの範囲における最大の色度と最小の色度との差が０．０２７９であることを示す。また、図８の例は、従来の照明装置により出射された、ビーム角が狭角である白色の光の色度Ｙの角度分布５４において、角度が−３０°から３０°までの範囲における最大の色度と最小の色度との差が０．０１６６であることを示す。

また、図８の例は、照明装置１０により出射された、ビーム角が狭角である白色の光の色度Ｘの角度分布５１において、角度が−３０°から３０°までの範囲における最大の色度と最小の色度との差が０．０１８７であることを示す。また、図８の例は、照明装置１０により出射された、ビーム角が狭角である白色の光の色度Ｙの角度分布５２において、角度が−３０°から３０°までの範囲における最大の色度と最小の色度との差が０．０１０１であることを示す。

図８に示す結果から、従来の照明装置よりも実施形態に係る照明装置１０のほうが、色度分布が安定していることが分かる。

次に、図９及び図１０を参照して、拡散レンズ１６及びフレネルレンズ１９を有する照明装置１０と、比較例に係る照明装置との比較結果について説明する。図９及び図１０は、実施形態に係る照明装置１０と、比較例に係る照明装置との比較結果について説明するための図である。

図９及び図１０に示すように、照明装置１０の構成からフレネルレンズ１９を省略した構成の照明装置を比較例の照明装置（１）とする。また、比較例の照明装置（１）の構成から更に筒状部１５ａを省略し、拡散レンズ１６の径を大きくした拡散レンズ１６‘がリフレクタ１０上に配置された構成の照明装置を比較例の照明装置（２）とする。また、実施形態に係る照明装置１０を照明装置（３）とする。また、照明装置（２）の構成に、フレネルレンズ１９を設けた構成の照明装置を比較例の照明装置（４）とする。また、フレネルレンズ１９を有する従来の照明装置を比較例の照明装置（５）とする。

図９には、照明装置（１）の配光分布６１、照明装置（２）の配光分布６２、照明装置（３）の配光分布６３、照明装置（４）の配光分布６４、及び、照明装置（５）の配光分布６５が示されている。

配光分布６１と配光分布６２とを比較すると、矢印７１及び矢印７２が示すように、配光分布６１のほうが５０°付近の配光及び−５０°付近の配光が絞られていることが分かる。また、配光分布６３と配光分布６４とを比較すると、矢印７３及び矢印７４が示すように、配光分布６３のほうが３０°付近の配光及び−３０°付近の配光が絞られていることが分かる。また、絞られた結果、配光分布６３は、配光分布６５と同等の分布となる。以上のことから、筒状部１５ａにより、配光が絞られて、スポット感を高めることができると言える。

また、図１０に示すように、従来の照明装置と照明装置（３）のビーム角は略同程度となる。

以上、本実施形態に係る照明装置１０について説明した。上述した内容から、本実施形態に係る照明装置１０によれば、配光角を維持しつつ色むらを低減することができる。

また、上記実施の形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。

１０ 照明装置
１２ ＬＥＤ
１５ａ 筒状部
１６ 拡散レンズ
１８ リフレクタ
１９ フレネルレンズ

Claims (7)

1. 光を出射する光源と、
   前記光源の前記光が出射される側に設けられ、前記光を拡散する第１の光学素子が形成された第１の光学部材と、
   前記第１の光学部材の前記光源とは反対側に設けられ、前記第１の光学部材により拡散された光の配光角を制御する第２の光学素子が形成された第２の光学部材と、
   を備える、照明装置。
2. 内孔が形成され、前記光源から出射された光が前記第１の光学部材に向けて前記内孔内を進むように、前記光源と前記第１の光学部材との間に設けられた筒状部を更に備える、請求項１に記載の照明装置。
3. 前記第１の光学部材は、前記光源からの光が入射される入射面、又は、当該光が出射される出射面のうちの少なくとも１つの面に、前記第１の光学素子が形成される、請求項１又は２に記載の照明装置。
4. 前記第１の光学部材は、前記第１の光学素子として、ピラミッド形状の光学素子が前記入射面又は前記出射面に形成される請求項１〜３のいずれか１つに記載の照明装置。
5. 前記第１の光学部材は、更に、前記第１の光学素子として、ドーム形状の光学素子が、前記ピラミッド形状の光学素子が形成された面とは反対側の面に形成される、請求項４に記載の照明装置。
6. 前記光源と前記第２の光学部材との距離は、所定の範囲内で調整可能であり、
   前記光源と前記第２の光源との距離が、前記所定の範囲内において、最も長い距離である場合に、前記第２の光学部材から出射される光のビーム角が、１２度〜１８度の範囲内である、請求項１〜５のいずれか１つに記載の照明装置。
7. 前記第１の光学部材は、シリコーン樹脂を含む材料で形成されている、請求項１〜６のいずれか１つに記載の照明装置。