JP2024031623A - 光学素子および照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光学素子のサイズを小型化することができる。【解決手段】光源２からの光を第１方向における一方側に照射するレンズ１であって、第１方向における他方側の端に開口を有する凹部３と、側面４とを備える。凹部３は、開口から第１方向における一方側に延びており、光源２を囲むように形成された屈折内壁面７と、外周が屈折内壁面７の、第１方向における一方側の端と接続されており、光源２と対向する位置に形成されている透過屈折面６とを備える。側面４は、屈折内壁面７を囲むように配置されており、レンズ１を側方から見たときに、屈折内壁面７は、第１方向と垂直をなす第２方向において、第１方向における他方側の端よりも第１方向における一方側の領域のうちの一部における両側面の間隔が、第１方向における他方側の端における両側面の間隔よりも広い。【選択図】図１

Description

本開示は、光学素子および照明装置に関するものである。

近年、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）などの光源の小型化に伴い、照明装置の小型化が進んでいる。従来より、このような光源を有する照明装置に用いられる光学素子が提案されている。

例えば、特許文献１の発光素子用レンズ（光学素子）は、前方に向って幅径を拡大するレンズの底部に配置される発光素子（光源）からの光をレンズの周壁で全反射してレンズ前方へ放射している。

特開２００５－２２８６２３号公報

特許文献１では、レンズの下部に、発光素子を配設するための略円柱状の中空部が設けられている。この中空部により、中空部の上面に向かう光は、レンズの凸レンズ部で集光され、レンズ前方に照射される。また、中空部の側周面に向かう光は、レンズの周壁によって全反射され、レンズ前方に照射される。これにより、発光素子から照射された光を効率良く集光することができている。

しかしながら、特許文献１の構成では、中空部の側周面に向かう光がレンズ内を斜め前方に透過している。このため、中空部の側周面に向かう光をレンズの周壁によって全反射させるには、レンズの厚みを厚くすることにより、レンズの周壁の長さを長くする必要がある。このため、光学素子のサイズが大きくなってしまう。

そこで、本開示は、集光効率を低下させずに、光学素子のサイズを小型化した光学素子および照明装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本開示の一実施形態に係る光学素子は、光源のからの光を第１方向における一方側に照射する光学素子であって、前記第１方向における他方側の端に開口を有する凹部と、側面とを備え、前記凹部は、前記開口から前記一方側に延びており、前記光源を囲むように形成された屈折内壁面と、外周が前記屈折内壁面の前記一方側の端と接続されており、前記光源と対向する位置に形成されている透過屈折面とを備え、前記側面は、前記屈折内壁面を囲むように配置されており、当該光学素子を側方から見たときに、前記屈折内壁面は、第１方向と垂直をなす第２方向において、前記他方側の端よりも前記一方側の領域のうちの一部における両側面の間隔が、前記他方側の端における両側面の間隔よりも広い。

本開示によると、光学素子のサイズを小型化することができる。

第１実施形態に係る照明装置の断面図。 第１実施形態に係るレンズの斜視図。 第２実施形態に係る照明装置の断面図。 図３の領域Ｔにおける拡大断面図。 第３実施形態に係る照明装置の断面図。 第４実施形態に係る照明装置の断面図。

以下、本開示の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物あるいはその用途を制限することを意図するものでは全くない。なお、以下の説明では、同じ部分については同じ符号を付し、詳細な説明を適宜省略する。

（第１実施形態）
（照明装置の全体構成）
図１は第１実施形態に係る照明装置の断面図であり、図２（ａ）は第１実施形態に係るレンズを下から見たときの斜視図であり、図２（ｂ）は第１実施形態に係る光学レンズを上から見たときの斜視図である。なお、便宜的に、図１における図面上下方向を単に上下方向（第１方向に相当）、図１における図面左右方向を単に左右方向（第２方向に相当）ということがある。また、以下に説明する各図において、光源２から射出される光線を破線で図示している。なお、図１において、図面上方が第１方向における一方側に相当し、図面下方が第１方向における他方側に相当する。

図１に示すように、第１実施形態に係る照明装置は、レンズ１（光学素子）と、光源２とを備える。なお、本照明装置を実際に配置する際には、本照明装置を、図１の図面上下方向が実際の上下方向と一致するように配置してもよいし、一致しないように配置してもよい。例えば、本照明装置は、実際の配置において、レンズ１の照射面が上向き、下向き、横向き、斜め向き等となるように配置してもよい。また、図１では、レンズ１の図面下方に光源２が配置されているが、レンズ１の図面斜め下方などに光源２が配置されてもよい。

レンズ１は、例えば、アクリルに代表される透明な樹脂もしくはガラスなどで構成されており、光源２の発光中心を軸とする軸回転対称形で形成されている。レンズ１は、光源２から照射された光を集光させ上方（第１方向における一方側）に出射する。光源２は、例えば、ＬＥＤなどで構成される小型の光源である。

レンズ１は、凹部３と、側面４と、出射面５とを備える。凹部３がレンズ１の入射面に相当する。

凹部３は、レンズ１の下部に、光源２を囲むように形成されている。凹部３は、レンズ１の入射面に相当する。具体的に、凹部３は、透過屈折面６と、屈折内壁面７とを備える。

透過屈折面６は、レンズ１の内面において、光源２と対向するように形成された凸状の曲面である。透過屈折面６は、光源２から入射した光を屈折させ、上方に透過させる。

屈折内壁面７は、レンズ１の内面において、凹部３の開口（第１方向における他方側の端）から上方（第１方向における一方側）に延びており、光源２の外周を囲むように形成された曲面である。また、屈折内壁面７は、上端（第１方向における一方側の端）が透過屈折面６の外周と接続されている。また、屈折内壁面７は、断面が内側に凸となるように形成されている。屈折内壁面７は、光源２から入射した光を屈折させ、左方向または右方向に透過させる。

側面４は、レンズ１の側面に形成された面である。例えば、側面４は、円錐面または楕円曲面である。具体的に、側面４は、断面が左上方向または右上方向に延びるように形成されている。また、側面４は、屈折内壁面７を囲むように配置されている。側面４は、屈折内壁面７によって屈折された光を、上方向に全反射させる。

出射面５は、レンズ１の上面に形成された平面である。出射面５は、透過屈折面６および側面４から入射した光を上方に出射する。

ここで、図１に示すように、レンズ１の側方断面（レンズ１を側方から見たとき）において、屈折内壁面７は、下端幅Ｓ２が上端幅Ｓ１よりも小さくなるように形成されている。下端幅Ｓ２は、凹部３の左右方向における開口幅、すなわち、レンズ１の側方断面における屈折内壁面７の左右両側面の下端（第１方向における他方側の端）の間隔である。上端幅Ｓ１は、レンズ１の側方断面における透過屈折面６と屈折内壁面７との左右の接点の間隔、すなわち、レンズ１の側方断面における屈折内壁面７の左右両側面の上端（第１方向における一方側の端）の間隔である。このため、屈折内壁面７を側面４と同じ方向に向けて傾斜させることができる。これにより、光源２から屈折内壁面７へ入射した光を、左右方向側に向けて屈折させることができるため、側面４の上下方向における長さを抑えることができる。また、屈折内壁面７が内側に凸状となることにより、屈折内壁面７によって屈折した光が集光され、レンズ１の厚みを小さくすることができる。

また、屈折内壁面７の上端（第１方向における一方側の端）と上下方向とのなす角度θ１が４５°より小さい。また、屈折内壁面７の下端（第１方向における他方側の端）と上下方向とのなす角度θ２が０°以上（好ましくは３°以上）かつ角度θ１半分以下の角度である。例えば、角度θ２が角度θ１の２倍以上大きい場合（以下、比較例とする）、屈折内壁面７へ入射した光は、上下方向に向けて屈折されてしまう。このため、側面４の長さを延ばす必要があり、レンズ１の厚みが厚くなる。例えば、直径２６ｍｍの光学素子において同等の配光分布を持つよう設計した場合、本実施形態のレンズ厚みは７ｍｍ（縦：横＝０．２７：１）となり、比較例では１１．５ｍｍ（縦：横＝０．４４：１）に、先行文献に近い形状では１４ｍｍ（縦：横＝０．５４：１）となる。したがって、本実施形態により、集光効率を維持しつつ、レンズ１の厚みを小さくすることができる。

なお、本実施形態において、光源２はレンズ１の凹部３の開口端と同一面上またはその近傍に配置されれば、集光効率とレンズ１の厚みを薄くする効果を最も得られる。光源２が凹部３の内部に配置されると、集光効率は上がるが、レンズ１を厚くする必要が生じる。光源２が凹部３の外部に配置されると、集光効率が下がる。

また、本実施形態では、屈折内壁面７の形状は、その断面が内側に凸の形状である例を示したが、上下方向に対して軸回転した円錐面であってもよい。また、屈折内壁面７の形状は、複数の平面または曲面で構成された形状であってもよい。例えば、屈折内壁面７は、断面において、複数の直線や複数の曲線によって構成されるように形成されていてもよい。

また、本実施形態では、角度θ２は０°以上である場合を例に説明したが、これに限られず、角度θ２は０°以下であってもよい。なお、角度θ２は０°に近い方が好ましい。

また、本実施形態では、出射面５は平面である場合を例にして説明したが、これに限られない。例えば、出射面５は、その一部が湾曲することにより、レンズとして機能してもよい。

また、本実施形態では、レンズ１の形状が軸回転対称形である場合を例にして説明したが、これに限られない。例えば、レンズ１は、レンズ面がディセンターしていてもよく、アナモルフィック形状であってもよい。

なお、図１では、屈折内壁面７は、下端幅Ｓ２が上端幅Ｓ１よりも小さくなるように形成されている場合を例にしたが、これに限られない。少なくとも、屈折内壁面７は、レンズ１の側方断面において、下端（第１方向における他方側の端）よりも上方（第１方向における一方側）の領域の一部において屈折内壁面７の左右両側面の間隔が、下端幅Ｓ２よりも広くなっていればよい。例えば、屈折内壁面７は、レンズ１の側方断面において、上端よりやや下方における屈折内壁面７の左右両側面の間隔が、下端幅Ｓ２よりも広くなっていてもよい。これにより、第１実施形態の効果を得ることができる。

（第２実施形態）
図３は第２実施形態に係る照明装置の断面図であり、図４は図３の領域Ｔにおける拡大断面図である。第２実施形態では、第１実施形態と比較すると、屈折内壁面７の中央部に段差８が形成されている。なお、図４には、第１実施形態に係る屈折内壁面７を破線で示している。

図３および図４に示すように、屈折内壁面７は、上面７ａ（第２面）と下面７ｂ（第１面）とで構成されている。上面７ａが下面７ｂに対して凹む（外側に配置される）ように形成されている。上面７ａおよび下面７ｂは、左右方向に延びる段差８によって接続される。

図４に示すように、第１実施形態において、光源２から出射した光線Ｌ１は、屈折内壁面７の上面によってフレネル反射され、斜め上方に照射される（光線Ｌ３参照）。このため、光線Ｌ３は無効な光となっていた。これに対して、第２実施形態では、段差８を形成して、上面７ａを下面７ｂに対して凹む（外側に配置される）ように形成することで、光線Ｌ１を透過屈折面６に入射させることが可能となる（光線Ｌ２参照）。このため、光線Ｌ２はレンズ１の上方に照射され、有効な光線となる。したがって、第２実施形態の構成により、レンズ１の集光効率を向上させることができる。

（第３実施形態）
図５は第３実施形態に係る照明装置の断面図である。第３実施形態では、第１実施形態と比較すると、凹部３の上端部（透過屈折面６の外周および屈折内壁面７の上端）の左右方向における外側に、屈折率界面９が形成されている。

具体的には、屈折率界面９は、空気層であってもよいし、レンズ１の屈折率よりも屈折率が低い材料であってもよい。屈折率界面９は、透過屈折面６と屈折内壁面７との接触部に形成されており、光源２の中央部における上下方向を中心に円状に形成されている。

屈折率界面９は、透過屈折面６の上面によってフレネル反射された光線（例えば図５の光線Ｌ１’，Ｌ２’）を全反射させ、側面４に入射させることができる。これにより、光線Ｌ３’に示すように当該光線が上方に照射されるため、有効な光線となる。したがって、第２実施形態の構成により、レンズ１の集光効率を向上させることができる。

なお、屈折率界面９は、レンズ１を後述する中央レンズ部１１と外周レンズ部１２とを同じ材料で作成し、両者を組み合わせることで形成することが可能である。この場合、中央レンズ部１１と外周レンズ部１２との間に形成された空気層１３が屈折率界面９に相当する。

（第４実施形態）
図６は第４実施形態に係る照明装置の断面図である。第４実施形態では、第１実施形態と比較すると、レンズ１が中央レンズ部１１と外周レンズ部１２とによって構成されている。

中央レンズ部１１は、上面の一部に出射面５が形成されており、下面に透過屈折面６が形成されている。外周レンズ部１２は、上面の一部に出射面５が形成されており、内面に屈折内壁面７が形成されており、外面に側面４が形成されている。このため、中央レンズ部１１および外周レンズ部１２を組み合わせることで、レンズ１が構成される。

ここで、中央レンズ部１１と外周レンズ部１２とは、異なる材料で形成されている。たとえば、外周レンズ部１２を耐熱性ある材料で形成することにより、外周レンズ部１２を光源２に近接して配置することが可能となる。これにより、光源２から照射される光の漏れを小さくすることができるため、レンズ１の集光効率を向上させることができる。

なお、中央レンズ部１１と外周レンズ部１２は、２個の分割部品とすることもできる。この場合、中央レンズ部１１と外周レンズ部１２を接着することで一体化することができる。また、中央レンズ部１１と外周レンズ部１２の樹脂成形時に２色成形で成形することもできる。

本開示の光学素子は、照明装置に用いることで、照明装置を小型化することができるため、有用である。

１ レンズ（光学素子）
２ 光源
３ 凹部
４ 側面
５ 出射面
６ 透過屈折面
７ 屈折内壁面
７ａ 上面（第２面）
７ｂ 下面（第１面）
８ 段差
９ 屈折率界面
１１ 中央レンズ部
１２ 外周レンズ部
Ｓ１ 上端幅
Ｓ２ 下端幅

Claims (8)

1. 光源からの光を第１方向における一方側に照射する光学素子であって、
   前記第１方向における他方側の端に開口を有する凹部と、
   側面とを備え、
   前記凹部は、
   前記開口から前記一方側に延びており、前記光源を囲むように形成された屈折内壁面と、
   外周が前記屈折内壁面の前記一方側の端と接続されており、前記光源と対向する位置に形成されている透過屈折面とを備え、
   前記側面は、前記屈折内壁面を囲むように配置されており、
   当該光学素子を側方から見たときに、前記屈折内壁面は、前記第１方向と垂直をなす第２方向において、前記他方側の端よりも前記一方側の領域のうちの一部における両側面の間隔が、前記他方側の端における両側面の間隔よりも広い、光学素子。
2. 当該光学素子を側方から見たときに、前記屈折内壁面は、前記凹部の内側に向けて凸となるように形成されているとともに、前記他方側の端部における当該屈折内壁面と前記第１方向とのなす角度が、前記一方側の端部における当該屈折内壁面と前記第１方向とのなす角度の半分以下である、請求項１に記載の光学素子。
3. 当該光学素子を側方から見たときに、前記屈折内壁面は、第１面と、第２面と、前記第２方向に延びており、前記第１面と前記第２面とを接続する段差とを有し、
   前記第１面は、前記段差よりも前記他方側に形成されており、
   前記第２面は、前記段差よりも前記一方側に形成されている、請求項１に記載の光学素子。
4. 当該光学素子を側方から見たときに、前記第２面は、前記第１面に対して外側に配置されている、請求項３に記載の光学素子。
5. 当該光学素子を側方から見たときに、前記透過屈折面の外側に屈折率界面が形成されている、請求項１に記載の光学素子。
6. 前記屈折率界面は、空気層である、請求項５に記載の光学素子。
7. 前記透過屈折面を含む中央レンズ部と、
   前記屈折内壁面と前記側面とを含む外周レンズ部とをさらに備え、
   前記中央レンズ部と前記外周レンズ部とは、異なる材料で形成されている、請求項１に記載の光学素子。
8. 請求項１～７のいずれかに記載の光学素子と、
   前記光源とを備える照明装置。