JP2020077588A

JP2020077588A - 光学装置および照明装置

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Publication number: JP2020077588A
Application number: JP2018211667A
Authority: JP
Inventors: 博之板花; Hiroyuki Itahana; 輝長橋; Akira Nagahashi
Original assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Current assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Priority date: 2018-11-09
Filing date: 2018-11-09
Publication date: 2020-05-21
Anticipated expiration: 2038-11-09
Also published as: CN111174118B; JP6909393B2; EP3650747A1; US20200149708A1; EP3650747B1; CN111174118A; US10753573B2

Abstract

【課題】ランバーシアン配光の光を、光度分布がより均等に近いライン状または方形状の配光を得ることができる光学装置を提供する。【解決手段】第１の軸で交差するように配置された壁面であって、それらの壁面で挟まれた方向に向いた反射面を含む壁面と、壁面に挟まれた領域に、第１の軸を中心として同心状に第１の軸の方向に多段に配置された漏斗状の複数の壁体であって、外周面に反射曲面を含み、下段の壁体の開口を介して光が上段の壁体の前記外周面に入射される、複数の壁体とを有する、光学装置を提供する。【選択図】図１

Description

本発明は、ライン状または方形状の領域の照明に適した光学装置およびそれを用いた照明装置に関するものである。

特許文献１には、長い線状の照射範囲を少数の光源モジュールによって形成することができる照明装置を提供することが記載されている。特許文献１の照明装置は４個ずつ２列に配置された光源ユニットを備える。各光源ユニットは一対の光源モジュールから構成される。光源モジュールは、発光素子の発散光を、光源レンズを介して基板の前方に放射される第１出射光、光源レンズを介して屈折させられた後に第２反射板で反射されて基板の前方に放射される第２出射光に配光する。光源ユニットでは、２つの光源モジュールの基板が鋭角をなす状態で背中合わせに配置されており、光源ユニットは一方の光源モジュールの基板から他方の光源モジュールの基板までの間の角度で広がる一定幅の線状照明光を形成している。従って、照明装置により、長い線状の照射範囲を得ることができる。

特開２０１２−０７４２７８号公報

ＬＥＤから発せられる光は基本的に光軸上の光度が最も高い（最も大きい）配光パターンであるランバーシアン配光を有する。したがって、長い線状の照射範囲を、少数の、あるいは集中した照明装置により照明しようとすると、多数のＬＥＤを集中配置して、多数の光軸の角度を変えて照明対象のラインに沿って分散させたり、ラインに対して斜めに交差するようにセットされた光軸に対してラインの端側を照明する光とラインの中央側を照明する光とに異なる複雑な処理をして配光分布を制御する必要がある。このため、ランバーシアン配光をライン状あるいは方形状の配光に簡易に変換できる光学装置が求められている。

本発明の一態様は、第１の軸で交差するように配置された壁面であって、それらの壁面で挟まれた方向に向いた反射面を含む壁面と、壁面に挟まれた領域に、第１の軸を中心として同心状に第１の軸の方向に多段に配置された漏斗状の複数の壁体であって、外周面に反射面を含み、下段の壁体の開口を介して光が上段の壁体の外周面に入射される、複数の壁体とを有する、光学装置である。

本発明のさらに異なる他の態様の１つは、上記に記載の光学装置と、複数の壁体の最下段の壁体の下側の第１の軸に隣接して配置された光源であって、第１の軸に沿って光を出力する光源とを有する照明装置である。

本発明の光学装置においては、第１の軸に沿って入射される光を、第１の軸の周りに多段に配置された漏斗状の複数の壁体により構成される反射曲面と、反射曲面を挟み込むように配置された反射面とにより、ランバーシアン配光の光を、光度分布がより均等に近いライン状または方形状の配光に変換して出射することができる。

照明装置の一例を示す斜視図。照明装置を異なる角度から見た図。照明装置を分割して示す図。光学装置の成型部材の構造を示す図。光学装置の反射曲面により入射光が反射される様子を模式的に示す図。入射光の配光分布の一例を示す図。照明装置の異なる例を示す図。照明装置のさらに異なる例を示す図。照明装置のさらに異なる例を示す図。

図１に、本発明に係る照明装置の一例を示している。この照明装置１は、卓上などの方形状またはライン状の領域２を照明するように制御された光（光束）３を前方１９に投影または投射する投射ユニット５と、投射ユニット５をサポートするフレーム（ハウジング）４と、投射ユニット５の光源となるＬＥＤ６を駆動するドライバー回路８とを含む。投射ユニット５は、中心となる軸（第１の軸、Ｚ軸）１２の周り１８に円弧状に広がった、平面視（Ｚ軸１２に直交するＸ−Ｙ平面で見た形状）が略扇形の多段の反射部材５０を含む光学装置（光学システム）１０と、多段の反射部材５０の最下段の部材５４の下側からソース光（第１の光）７を入射するＬＥＤ６とを含む。照明装置１は、天井などに取り付けられることにより、卓上などの方形状、またはライン状の細長い領域２を集中して照明することができる。照明対象は、方形または細長い領域であれば、卓上に限らず、壁、屋内外の看板やポスターなどであってもよく、照明装置１は、それらの方形または細長い領域２を集中して照明できる。

図２に照明装置１を下側から見た様子を示している。図３に、照明装置１を展開した状態で示している。光学装置１０は、第１の軸（Ｚ軸）１２で交差するように配置された壁面５５および５６と、壁面５５および５６に挟まれた空間である領域５８に、第１の軸１２を中心として同心状に第１の軸１２の方向に多段に配置された漏斗状の複数の壁体５１〜５４と、底板５９とを含む。壁面５５および５６は、それらの壁面で挟まれた方向（領域）５８に向いた反射面６５および６６を含む。本例においては、壁面（壁体）５５および５６に設けられた換気用の開口６８を除き、壁面５５および５６の内面、すなわち、挟まれた領域５８を向いた面は反射面６５および６６となっている。また、漏斗状の壁体５１〜５４は外周面５１ａ〜５４ａに反射曲面６１〜６４を含み、多段の反射部材５０を構成している。本例では、壁体５１〜５４の外周面５１ａ〜５４ａの全体が、それぞれ反射曲面６１〜６４となっている。

漏斗状の壁体５１〜５４の形状は、Ｚ軸１２に垂直な方向は、中心軸となるＺ軸１２の周りに、Ｚ軸１２と直交する平面（Ｘ−Ｙ平面）で見た形状（平面視）および断面は、外周面５１ａ〜５４ａのそれぞれが角度θ（中心角θ、開き角θ）で広がった略扇形となる薄い板状で、Ｚ軸１２に沿った断面は、外周面５１ａ〜５４ａのそれぞれが、放物線、双曲線あるいはそれに近似される曲線をなす非円錐面（非対象円錐面）または自由曲面をなすように形成された薄い板状である。最上段の壁体５１の最下部５１ｄは、Ｚ軸１２に達して閉じられた（閉鎖された）形状であり、その他の壁体５２〜５４の最下部は、Ｚ軸１２から離れて開口５２ｃ〜５４ｃを形成している。したがって、光源（ＬＥＤ）６から出射されたソース光７は、それぞれの下段の壁体５２〜５４の開口５２ｃ〜５４ｃを介して上段の壁体５１〜５３の外周面５１ａ〜５３ａに入射され、反射曲面６１〜６３により反射されて前方（半径方向）１９に出射される。最下段の壁体５４の外周面５４ａに設けられた反射曲面６４は、ソース光７の拡散角（配光角）φの大きな成分を反射して前方１９に出射する。

それぞれの壁体５１〜５４の外周面５１ａ〜５４ａは、さらに具体的には、壁面５５および５６に隣接する外側部分５７ａの曲率半径に対して、それら外側部分５７ａの内側の内側部分５７ｂの曲率半径の方が大きな非円錐面となっている。Ｚ軸１２に沿って入射されるソース光７は、Ｚ軸１２を挟むように設けられた壁面５５および５６の反射面６５および６６により、それらの反射面６５および６６により挟まれた領域５８に向かって反射される。したがって、壁面５５および５６の近傍の外側部分５７ａにおいては反射面６５および６６により反射された成分により光強度が内側部分５７ｂに対して高くなる。このため、ソース光７の方向を変えて出力する壁体５１〜５４の外周面５１ａ〜５４ａの外側部分５７ａと内側部分５７ｂとで曲率半径を変え、領域２を、より均等な強度（輝度）で照明する光（光束）３を生成するようにしている。

壁体５１〜５４および壁面５５および５６は、金属素材、または、表面に反射膜が生成された有機素材または無機素材であってもよい。反射膜は金属あるいはそれ自体が反射特性を有する素材を蒸着などにより成膜したものであってもよく、所定の反射特性が得られるように設計された複数の屈折率の異なる薄膜を積層したものであってもよく、その他の所定の反射特性が得られる構造の薄膜であってもよい。反射曲面６１〜６４および反射面６５および６６の反射率は照明装置１の用途などに応じて選択可能であり、鏡面反射面であってもよく拡散反射面であってもよい。

光学装置１０においては、反射面６５および６６、反射曲面６１〜６４が薄い壁面５５および５６あるいは壁体５１〜５４で実現されているので放熱効率が高く、光学装置１０および照明装置１内における温度上昇が抑制されている。放熱効率をさらに向上するためには、壁面５５および５６、および壁体５１〜５４の熱伝導率は１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）前後あるいはそれ以上の材料により構成されていてもよい。壁面５５および５６、および壁体５１〜５４は、ステンレススチール、アルミニウムなどの金属で構成されていてもよく、カーボン、シリコンあるいは熱伝導率の高いカーボンナノチューブなどの素材をフィラーなどとして含む樹脂あるいはセラミックであってもよい。熱伝導率は、５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であってもよく、５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であってもよく、１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であってもよく、カーボンナノチューブなどの熱伝導率の非常に高いものについては、２０００−５０００Ｗ／（ｍ・Ｋ）程度に達するものもある。金属材料あるいはカーボン材料の場合は、熱伝導率は１００〜４００Ｗ／（ｍ・Ｋ）であってもよい。熱伝導率が高く成型が容易な材料の一例は鋳造に用いるダイカスト材であり、熱伝導率は１００〜１５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）である。また、塑性加工により上記の熱伝導率を有する材料を成型してもよい。

図３に示すように、この光学装置１０は、壁面５５および５６の少なくとも一部と複数の壁体５１〜５４の少なくとも一部とが一体で成型された成型部材７１を含む。具体的には、壁面５５および５６の一部と、壁体５１〜５４とが一体で成型された成型部材７１と、壁面５５および５６の残りの部分が一体で成型された成型部材７２とを含み、これらの部材７１および７２が、ＬＥＤ６が底面に設けられたフレーム４に装着されることにより、照明装置１が組み立てられる。ＬＥＤ６には、さらに透明なカバー７６が取り付けられる。

図４に、成型部材７１の正面図（図４（ｂ））、平面図（図４（ａ））、底面図（図４（ｃ））、背面図（図４（ｅ））、右側面図（図４（ｄ））、Ｚ軸１２を含む、右側から見た断面図（図４（ｆ））を示している。左側面図は右側面図と対称に表れる。型成型の都合から、最上段の壁体５１を除く下段の壁体５２〜５４と対峙する背面（Ｚ軸方向の面）は開口７３となり、成型部材７２を組み合わせることにより、開口７３の部分の壁面５５および５６が組み立てられ、全体としてＺ軸１２の両側に反射面６５および６６が設けられる。また、成型部材７１の壁面５５および５６には、断続的に開口６８が設けられており、壁面５５および５６により挟み込まれて囲われる領域５８の換気を促進し、領域５８の温度上昇を低減できるようになっている。なお、成型部材７１の背面には、Ｚ軸１２に沿った方向の断面がコ字形のフレーム４に装着することにより成型部材７１が位置合わせされるように複数の支持部７４が上下に断続的に設けられている。

図５に、光学装置１０の多段の反射部材５０により、Ｚ軸１２に沿って入射された光（入射光、ソース光）７が、Ｚ軸１２と直交する方向１９に出射される様子を模式的に示している。図６に示すように、ＬＥＤ（光源）６から出力された光７は、光軸７ａを中心とするランバーシアン配光分布を備えている。この光７の光軸７ａの周りの成分は、Ｚ軸１２の周りに角度θで組み合わされた反射面６５および６６により中心角θの扇形の領域５８の方向に反射される。また、この光７の光軸７ａに対する配光角φの成分は、図５に示すように、光学装置１０の複数（多段）の反射曲面６１〜６４により複数のグループ（光束）に分けられて、それぞれの光束が光軸７ａと直交する方向１９に出力（反射）される。

すなわち、光学装置１０と、複数の壁体５１〜５４の最下段の壁体５４の下側のＺ軸（第１の軸）１２に隣接して配置された光源（ＬＥＤ）６であって、Ｚ軸１２に沿って光７を出力する光源６とを有する照明装置１においては、ＬＥＤ６から、Ｚ軸１２に沿って出射された光７が、Ｚ軸１２において中心角θで交差する反射面６５および反射面６６により、角度θの範囲（領域）５８の多段の反射曲面６１〜６４の方向に相互に反射される（折り畳まれる）。光学装置１０は、さらに、多段の反射曲面６１〜６４によりＺ軸１２と垂直な方向に、Ｚ軸１２の周りの角度θの範囲に反射して出力する。反射面６５および６６は、ＬＥＤ６からの光７を、角度θの範囲に畳み込めるように配置されていればよく、ＬＥＤ６の近傍に少なくとも配置されていればよく、開口６８により反射面積に多少の欠損があっても反射曲面６１〜６４により出力される光強度に対する影響は少ない。１または複数の開口６８による換気量を考慮すると、反射面６５および６６として予定されている面積Ｓｒに対する開口６８の面積Ｓｏの比率は、１〜２０％であってもよく、２％以上であってもよく、３％以上であってもよく、１０％以下であってもよい。

多段の反射曲面６１〜６４は、それぞれ円弧状の反射面であって、Ｚ軸１２に沿って、Ｚ軸１２に垂直な面（Ｘ−Ｙ平面）に対して鋭角に傾くように広がった反射面を含む。ＬＥＤ６から出力された光７の配光角φが大きい成分７ｂは、最下段の反射曲面６４により光軸７ａと直交する方向１９に出力される。ソース光７の、成分７ｂより配光角φが小さい成分７ｃであって、最下段の反射曲面６４を構成する漏斗状の壁体５４の下側の開口５４ｃを通過する成分７ｃの一部は、上の段の反射曲面６３により光軸７ａと直交する方向１９に出力される。ソース光７の、成分７ｃより配光角φが小さい成分７ｄであって、反射曲面６３を構成する漏斗状の壁体５３の下側の開口５３ｃを通過する成分７ｄの一部は、上の段の反射曲面６２により光軸７ａと直交する方向１９に出力される。さらに、ソース光７の、成分７ｄより配光角φが小さい成分７ｅおよび７ｆであって、反射曲面６２を構成する漏斗状の壁体５２の下側の開口５２ｃを通過する成分７ｅおよび７ｆは、最上段の反射曲面６１により光軸７ａと直交する方向１９に出力される。

したがって、この光学装置１０は、反射曲面６１〜６４、反射面６５および６６により、ランバーシアン配光を備えた光７を、光軸７ａに対して直交する方向１９に円弧状に反射して、ライン状または方形状の領域を照明するのに適した配光を備えた照明光３に変換できる。さらに、多段の反射曲面６１〜６４により、光軸７ａと直交する方向１９に反射して、光７を光軸７ａと直交する方向に変換することにより、光軸７ａの周りに配光角φで光度が変化するランバーシアン配光の光度が共通する部分を、ライン状または方形状の配光の端から端まで引き延ばすことが可能である。例えば、光軸７ａ上の最も光度の高い光（光束）をライン状または方形状の配光の端から端まで引き延ばすことが可能である。また、多段の反射曲面の曲率または傾きを制御し、ライン状または方形状の幅方向の光度を制御することにより、光度分布がより均等に近いライン状または方形状の配光を得ることができる。この例では、４段の反射曲面６１〜６４を用いているが、反射曲面の数は４段に限らず、３段以下であってもよく、５段以上であってもよい。

図７に、本発明の照明装置の他の例を示している。この照明装置１ａは、複数、本例では２つの光学装置１０と２つの光源６とを有し、それぞれの光学装置１０の第１の軸（Ｚ軸）１２が離隔して配置されている。複数の光学装置１０により得られるライン状または方形状の光３により同一または重複した領域２を照明することができ、照度を向上できる。

図８に、本発明の照明装置の他の例を示している。この照明装置１ｂは、複数、本例では２つの光学装置１０と２つの光源６とを有し、それぞれの光学装置１０の第１の軸（Ｚ軸）１２が隣接または共通するように配置されている。複数の光学装置１０により得られるライン状または方形状の光３により、連続する異なる領域２を照明することができ、照明できる領域を拡張できる。

図９に、さらに異なる照明装置１ｃを示している。照明装置１ｃは、３つの光学装置１０と３つの光源６とを有し、Ｚ軸１２が共通するように配置して、３６０度を、方形に照明できるようにしている。図９（ａ）は、照明装置１ｃの斜視図であり、図９（ｂ）は、照明装置１ｃを上から見た平面図であり、図９（ｃ）は、照明装置１の光学装置１０を成型部材７１および７２に展開した状態を示す図である。なお、壁面５５および５６を構成する成型部材７２は、隣接する光学装置１０の成型部材７２を兼ねており、壁面５５および５６の両面が反射面６５および６６となっている。また、３つの光学装置１０が、それぞれ成形部材７２を有していてもよい。

以上に説明したように、照明装置１は、光軸に沿って交差し、交差した方向に光を相互に反射する反射面６５および６６と、反射面６５および６６により挟まれた領域５８に配置された、光軸方向の断面が円弧状の多段の反射曲面６１〜６４とを含む光学装置１０を含み、光源となるＬＥＤ６から出力される光を、光軸と直交する方向にほぼ方形に成形された光束３として出力することができる。光学装置１０により、光源（ＬＥＤ）６からの光７が効率よく、また、より均等に、ライン状または方形状の配光に変換でき、ライン状または方形状の領域を、より均等で明るく照明できる照明装置１を提供できる。

なお、上記においては、４段の反射曲面６１〜６４を備えた光学装置１０を例に説明しているが、５段以上での反射曲面を備えた光学装置であってもよく、３段以下の反射曲面を備えた光学装置であってもよい。扇形に組み合わされた反射面６５および６６の中心角（開き角）θが１１０度の例を示しているが、中心角θは１１０度以下であってもよく、１１０度以上であってもよいし、１８０度以上であってもよい。また、光源として配置されるＬＥＤ６の数は１つに限定されることはなく、光源として複数の多色のＬＥＤを配置してもよい。また、反射面６５および６６に開口６８が設けられていなくてもよく、開口６８が設けられる場合も、開口６８の形状は円形に限らず、楕円形あるいは方形であってもよく、開口６８の数量も特に限定されない。

１照明装置、５投射ユニット
１０光学装置

Claims

第１の軸で交差するように配置された壁面であって、それらの壁面で挟まれた方向に向いた反射面を含む壁面と、
前記壁面に挟まれた領域に、前記第１の軸を中心として同心状に前記第１の軸の方向に多段に配置された漏斗状の複数の壁体であって、外周面に反射曲面を含み、下段の前記壁体の開口を介して光が上段の前記壁体の前記外周面に入射される、複数の壁体とを有する、光学装置。
請求項１において、
前記壁面は、金属素材、または、表面に反射膜が生成された有機素材または無機素材を含む、光学装置。
請求項１または２において、
前記複数の壁体は、金属素材、または、表面に反射膜が生成された有機素材または無機素材を含む、光学装置。
請求項１ないし３のいずれかにおいて、
前記壁面の少なくとも一部と前記複数の壁体の少なくとも一部とが一体で成型された成型部材を含む、光学装置。
請求項１ないし４のいずれかにおいて、
前記複数の壁体の最上段の壁体は、最下部が閉鎖した前記外周面を含む、光学装置。
請求項１ないし５のいずれかにおいて、
前記壁面は、複数の開口を含む、光学装置。
請求項１ないし６のいずれかにおいて、
前記壁面および前記壁体の熱伝導率は少なくとも５Ｗ／（ｍ・Ｋ）である、光学装置。
請求項１ないし７のいずれかにおいて、
前記外周面は、前記壁面に隣接する外側部分の曲率半径に対して、それら外側部分の内側の内側部分の曲率半径の方が大きな非円錐面である、光学装置。
請求項１ないし８のいずれかに記載の光学装置と、
前記複数の壁体の最下段の壁体の下側の前記第１の軸に隣接して配置された光源であって、前記第１の軸に沿って光を出力する光源とを有する、照明装置。
請求項９において、
複数の前記光学装置と複数の前記光源とを有し、
それぞれの前記光学装置の前記第１の軸が離隔して配置されている、照明装置。
請求項９において、
複数の前記光学装置と複数の前記光源とを有し、
それぞれの前記光学装置の前記第１の軸が隣接または共通するように配置されている、照明装置。