JP4725176B2 - 光学部品及び光学部品を用いた照明器具 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、発光ダイオードを光源とする照明器具の集光用の光学部品に関するものであり、詳しくは、二つの屈折率の異なる屈折体の一方で他方の屈折体を覆うことにより、集光性と防水性を高めた光学部品に関する。

従来より発光ダイオードは、その発光面積が従来のランプに比べ極めて小さく、配光制御が容易であることから照明器具の光源として多く使用されてきている。そして、このような照明器具では、発光ダイオードの光を集光して配光制御する光学部品により、照明器具の指向性及び照明効率を高めると共に、発光ダイオードのコンパクト性を生かした照明器具の小型化も要望され、このため光学部品もできるだけ小さくすることが求められている。光学部品の小型化を考える場合、ミクロな視点から、発光ダイオードは、光学部品に対して十分な大きさを有する発光体と見なし、その配光は発光面のほぼ全体立体角度方向に向いていることに考慮する必要がある。そして、これらの全方向の光線をできるだけ多く所定の方向に向けることができれば照明器具としての効率を高めることが可能になる。

従来の発光ダイオードを光源を集光する光学部品として、反射面が光源を焦点とする楕円曲線をなすように形成された凸レンズがよく用いられている。しかし、このレンズでは、光源から水平方向に近い光が入射した場合、レンズ表面で屈折の臨界角度を超えるため、全反射されて垂直方向に配光できない。また、少しでも多く光線を垂直方向に制御するためには、楕円の長軸方向を光源に対して垂直に配置する必要がある。従って、光源からレンズが突出した楕円形状となり、照明器具が大きくなるという問題があった。このため、従来より、これらに対応する光学部品が種々提案されている。

例えば、特許文献１に示されるように、円錐台形状をなす光学部品として、円錐台形状の大底面に円筒状の凹部を持ち、その底に凸レンズを設け、円錐台形状の小底面の空間内に発光ダイオードを配設し、凸レンズと円錐台形状の反射面により、配光制御する投光レンズが知られている。

この従来例では、屋外使用のための防水構成において、光源と光学部品を合わせて充填材で固めて外気を遮断する防水処置を施す際、充填材が光源と光学部品の空隙に毛細管現象で浸透する虞があった。このため、空隙に浸透された状態の充填材が硬化すると、硬化により光学部品の形状が実質的に変化し、光学部品の所期の屈折特性が得られなくなる問題があった。また、防水のため、光学部品の周囲を充填材で覆った場合、充填材の屈折率が光学部品に使用される樹脂材の屈折率と近いため、反射面で必要な全反射が起こらないという問題があった。さらに、レンズ表面に凹部を持つ、へこんだ形状であるため、雨水やゴミが溜まって光学性能の劣化を招く虞があった。

また、他の従来例として、例えば、特許文献２に示されるように、レンズ媒体の内部に収納部を持ち、この収納部に樹脂モールドされたＬＥＤ光源を収納する砲弾型や卵型等のバルク型レンズが知られている。しかし、この光学部品は、バルク型レンズの収納部に別レンズで覆われた光源を収納するので、二つの独立したレンズを持つ構成になっている。このため、二つのレンズの間に空隙が存在し、防水のため両者を充填材で覆った場合、空隙に充填材が浸透し、上記と同様に充填材の硬化後に、光学部品の形状が実質的に変化し、光学特性が劣化する。また、独立した二つのレンズの位置合わせが難しいという問題があった。

さらに、他の従来例として、例えば、特許文献３に示されるように、基板内に空洞となる切欠部の底面にＬＥＤが設けられ、このＬＥＤを覆う凸面状表面を有した透明材料充填部を有し、この凸面状表面と形状結合して密着される凹面状下側面を持つレンズとで構成されるレンズ付ＬＥＤ光源が知られている。この場合において、充填部の屈折率がレンズの屈折率に近いため、充填部とレンズの合わせ面では、大きな光の屈折が生じない。そのため、光を効率よく配光制御するには、レンズでの屈折を強める必要があり、形状的にレンズの突出量を増やす必要がある。しかし、レンズの突出量を増やす形状にすると照明器具自体が大きくなり、又汚れが付き易いという問題があった。
特開平８−１０７２３５号公報 特開２００２−２２１６５８号公報 特開２００２−５４３５９４号公報

本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、光源から入射された光を屈折させる光学部品において、光学部品全体を構成する光学レンズの中に光学レンズと屈折率の異なる内部レンズを構成することにより、通過する光の屈折回数を増やし、コンパクトで効率の良い、防水に強い光学部品を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために請求項１の発明は、拡散放射される光を発する光源の前方に位置して、該光源からの拡散光が入射され、その光を屈折させて平行光線として前方に出射させる光学部品であって、光源の前面に位置され、光源からの光が一面から入射され、他面から出射される光学レンズと、前記光学レンズと同じ光軸上にあって、前記光学レンズの内部に屈折率が該光学レンズと異なる屈折率を持つ媒質でなる内部レンズを形成するための空洞と、を有し、前記内部レンズは、前記光学レンズの一面から入射された光が入射する入射界面と、この入射界面から入った光を前記光学レンズに出射する出射界面とを有した凹又は凸レンズ形状を成し、光源からの光を前記入射界面及び出射界面で屈折して前記光学レンズに再び入射させるものであり、前記光学レンズは、前記内部レンズを経て再び入射された光を全反射して該光学レンズの光軸方向に集光させるための反射面と、前記内部レンズを経て再び入射された光及び前記反射面で反射された光を該光学レンズの光軸方向に集光して出射させる出射面とを有しているものである。

請求項２の発明は、請求項１に記載の発明において、前記光学レンズは、前記反射面に全反射を起こすための反射膜を有し、充填材で覆われているものである。

請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記光学レンズの屈折率（ｎ１）が前記内部レンズの屈折率（ｎ２）よりも大きい（ｎ１＞ｎ２）場合に、前記内部レンズの前記入射界面及び出射界面は凹レンズの両面を形成し、光源からの光を前記光学レンズに向って集光するものである。

請求項４の発明は、請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記光学レンズの屈折率（ｎ１）が前記内部レンズの屈折率（ｎ２）よりも大きい（ｎ１＞ｎ２）場合に、前記内部レンズの前記入射界面及び出射界面は凸レンズの両面を形成し、光源からの光を前記光学レンズに向って拡散するものである。

請求項５の発明は、請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記空洞内に、前記光学レンズの屈折率（ｎ１）より大きい屈折率（ｎ２）の光学部材を充填して内部レンズを形成し、前記内部レンズの前記入射界面及び出射界面は凸レンズの両面を形成し、光源からの光を前記光学レンズに向って集光するものである。

請求項６の発明は、請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記空洞内に、前記光学レンズの屈折率（ｎ１）より大きい屈折率（ｎ２）の光学部材を充填して内部レンズを形成し、前記内部レンズの前記入射界面及び出射界面は凹レンズの両面を形成し、光源からの光を前記光学レンズに向って拡散するものである。

請求項７の発明は、請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の光学部品と光源を組合わせた照明器具である。

請求項１の発明によれば、光学レンズの中に光学レンズと屈折率の異なる内部レンズを構成したことにより、光源からの光の屈折を少なくとも２回以上増やすことができ、入射光を照射光軸方向に揃える配光制御を効率よく行うことができる。また、光学レンズで内部レンズを覆うことができるので、内部レンズの露出を防ぐことが可能となり、内部レンズに対する外部環境の影響を軽減することができる。

請求項２の発明によれば、反射膜付き光学レンズを充填材の中に封入することができる。これにより、充填材で覆われて保護された状態で光を反射させることができるので、屋外環境でも十分に使用が可能な光学部品を得ることができる。また、反射膜が密着性の弱い蒸着で形成されていても、充填材で覆われることにより密着性の問題をなくすことができる。

請求項３の発明によれば、光学レンズの屈折率（ｎ１）が内部レンズの屈折率（ｎ２）よりも大きくし（ｎ１＞ｎ２）、内部レンズの少なくとも１面を凹形状にすることにより、内部レンズにおける光源からの入射光の反射光又は透過光を光軸方向に集めることができ、この一旦集めた光を光学レンズで反射させることにより、光源からの光を光軸に平行な方向に効率よく放射することができ、コンパクト化が図れる。

請求項４の発明によれば、光学レンズの屈折率（ｎ１）が内部レンズの屈折率（ｎ２）よりも大きくし（ｎ１＞ｎ２）、内部レンズの少なくとも１面を凸形状にすることにより、内部レンズにおける光源からの入射光の反射光又は透過光を光軸方向から広げることができ、この一旦広げた光を光学レンズで反射させることができるので、光源からの光を光軸に平行な方向に効率よく放射することができる。

請求項５の発明によれば、光学レンズの屈折率（ｎ１）が内部レンズの屈折率（ｎ２）よりも小さくし（ｎ１＜ｎ２）、内部レンズの少なくとも１面を凸形状にすることにより、内部レンズにおける光源からの入射光に対する反射光又は透過光を光軸方向から広げることができ、この一旦広げた光を光学レンズで反射させることにより、光源からの光を光軸に平行な方向に効率よく放射することができる。

請求項６の発明によれば、光学レンズの屈折率（ｎ１）が内部レンズの屈折率（ｎ２）よりも小さくし（ｎ１＜ｎ２）、内部レンズの少なくとも１面を凹形状にすることにより、内部レンズにおける光源からの入射光の反射光又は透過光を光軸方向に集めることができ、この一旦集めた光を光学レンズで反射させることができるので、光源からの光を光軸に平行な方向に効率よく放射することができる。また、屈折率ｎ２を大きくすることにより、内部レンズからの透過光を大きく曲げられるので、光学レンズの反射面を小さくすることができる。

請求項７の発明によれば、光学レンズの周囲を覆う充填材との間に空気層を設けたことにより、光学レンズの側面と充填材が離れて配設されるので、光学レンズの側面で光を全反射させることが可能となる。これにより、光学部品の防水性と集光性を高めることができる。

請求項８の発明によれば、内部レンズが光軸に沿って、光源から離れる方向に向けて末広がりとなる断面形状とすることにより、光学レンズと内部レンズとの境界面を全反射の反射面とし、反射膜を付けずに全反射することができる。

請求項９の発明によれば、請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の特徴を持った光学部品と光源を組合わせることにより、コンパクトで配光効率の高い、防水性の良い照明器具を得ることができる。

以下、本発明の第１の実施形態に係る光学部品について図１（ａ）、（ｂ）と図２及び図３（ａ）、（ｂ）を参照して説明する。図１（ａ）は、本実施形態による光学部品の構成を示し、図１（ｂ）は、図１（ａ）におけるＡ部の拡大を示す。

図１（ａ）、（ｂ）において、光学部品１ａは、外部レンズ（光学レンズ）２と、外部レンズ２の屈折率（ｎ１）と異なる屈折率（ｎ２）を有する曲面を含む多面体である内部レンズ（空洞）３から構成される。そして、この光学部品１ａと発光ダイオード４により照明器具が構成される。内部レンズ３は、入射界面３１と出射界面３２と側面３３から形成される。

発光ダイオード４から出力された光は、一旦、１８０度の範囲に拡散放射されるが、その一部は、発光ダイオード４の前方に位置する内部レンズ３の入射界面３１から入り、出射界面３２から出る間で２回屈折され、続いて外部レンズ２の側面２１で反射されて中心の光軸７（Ｙ方向）の平行光線となり、前方へ進む。このようにして、発光ダイオード４から出力された光は、ほぼ全て光学部品１ａから平行光線として所定方向に放射される。例えば、発光ダイオード４から出た光線Ｌ１、Ｌ２は内部レンズ３のＰ１点、Ｐ２点で屈折されて内部レンズ３内に入り、Ｐ３点、Ｐ４点で屈折されて外部レンズ２に入り、外部レンズ２の側面のＴ１点、Ｔ２点で反射されて平行光線となる。

図２及び図３は、上記実施形態における内部レンズ３の形成例を説明する図を示す。図２は、光学部品１ａの具体構成を示し、図３は、図２の光学部品１ａが外部レンズ２と光源部１１に分離された状態を示す。

これらの図において、光学部品１ａは、外部レンズ２と光源部１１から構成される。外部レンズ２は、その内部に内部レンズ３を形成する空洞９を有し、空洞９は内部レンズ３を構成する各面のうち、入射界面３１以外の面を含んで構成される。一方、光源部１１は、基板５の上に装着された発光ダイオード４（光源）と、発光ダイオード４を覆う屈折部品８より構成される。この屈折部品８は、外部レンズ２と同じ屈折率を持ち、その表面８ａは内部レンズ３の入射界面３１の曲面となるように形成されている。そして、光源部１１は、外部レンズ２の内部の空洞９に嵌合され、合わせ面６で接合されることにより、屈折部品８で空洞９を密封する。これにより、屈折部品８の表面８ａ（入射界面３１となる）による空洞９の密封により、気体を屈折媒体とする内部レンズ３が形成される。

この嵌め込み形成においては、外部レンズ２と屈折部品８の合わせ面６を確実に固定するため、接着材を用いる方法や、超音波溶着で材料を融着させる方法、又は、外部レンズ２や屈折部品８の部品自体の温度を上げておいて、合わせ面６での融着を起こす方法などが可能である。しかし、発光ダイオード４からの光が合わせ面６に入射する場合、合わせ面６をできるだけ融着して、光学的に透過性を高めた状態にしたとしても、完全に制御することは難しい。このため、外部レンズ２と屈折部品８の合わせ面６を発光ダイオード４からの光の届く範囲Ｂ外に設けるか、できるだけ光軸７から離れた部分に設けることが望ましい。そこで図２では、より確実な光が内部レンズ３に届く範囲Ｂ外に合わせ面６を形成している。これにより、発光ダイオード４からの光を合わせ面６に影響されずスムーズに透過させるようにできる。

上記内部レンズ３は、外部レンズ２の中に完全に内包するように構成されるので、内部レンズ３を気体又は真空で形成することが可能となる。この場合、内部レンズ３の屈折率ｎ２は１となり、外部レンズ２の屈折率ｎ１は、一般の光学部品用の樹脂の屈折率１．４９付近の値を持つので、両者の界面で大きな屈折を得られる。また、内部レンズ３を気体又は真空で形成することにより材料コストも極めて安価にできる。さらに、内部レンズ３の屈折体として気体を用いる場合は、組立て時に気体の温度を十分に上げておくことにより、水蒸気などを含まないようにすることが可能である。

このように光学部品１ａによれば、外部レンズ２の中に外部レンズ２と屈折率の異なる内部レンズ３を有して、内部レンズ３を曲面を含む多面体で構成したことにより、光源の発光ダイオード４よりの入射光が内部レンズ３を通過する際、光源側からの入射界面３１と出射界面３２とで屈折するため、従来の光学部品を通過する場合よりも光の屈折する回数を少なくとも２回以上増やすことができる。これにより、発光ダイオード４の入射光を照射方向に揃える設計の自由度が増え、配光制御を効率よく行え、その結果、照度も上げることができる。また、外部レンズ２で内部レンズ３を覆うことができるので、内部レンズ３の露出を防ぐことが可能となり、内部レンズ３に対する外部環境の影響を除くことができる。

また、図１（ｂ）に示すように、外部レンズ２と内部レンズ３（ここでは、凹レンズとしている）との界面において、光はスネルの法則に基いた屈折を起こせるので、光路を目標の光軸方向に向けるように形状を決めることができる。さらに、内部レンズ３は、外部レンズ２によって完全に拘束された状態なので位置合わせは必要としない。

さらに、外部レンズ２と内部レンズ３の形状については、ほぼ任意に構成できるため、光学部品の使用目的に応じて、その形状を設計し、所定の配光を得ることが可能となる。

次に、本発明の第２の実施形態に係る光学部品について図４を参照して説明する。図４は、本実施形態による光学部品１ｂの構成を示し、外部レンズ２の全反射を起こす側面２１に反射膜１２を設けた点で前記実施形態と異なる。

光学部品１ｂは、外部レンズ２と、外部レンズ２の屈折率（ｎ１）と異なる屈折率（ｎ２）を有する曲面を含む多面体である内部レンズ３から構成される。そして、この光学部品１ｂと基板５に装着された発光ダイオード４により照明器具が構成される。発光ダイオード（光源）４は、外部レンズ２と同じ屈折材質からなる屈折部品８で覆われ、屈折部品８の表面８aは、内部レンズ３の入射界面３１となるように構成される。外部レンズ２の側面２１には全反射を起こす反射膜１２を設けられている。内部レンズ３は、内部レンズ３を形成する入射界面３１と出射界面３２と側面３３から形成される。この入射界面３１は、屈折部品８の表面８ａで形成される。

上記光学部品１ｂにおいて、発光ダイオード４から出力された光は、一旦、１８０度の範囲に拡散放射されるが、その一部は、発光ダイオード４の前方に位置する内部レンズ３の入射界面３１から入り、出射界面３２から出る間で２回屈折される。さらに外部レンズ２の側面２１に形成された反射膜１２で全反射され、光軸７（Ｙ方向）の平行な方向に集光され、前方へ進む。このようにして、発光ダイオード４から出力された光は、ほぼ全て光学部品１ｂから平行光として所定方向に放射される。例えば、発光ダイオード４から出た光線Ｌ１、Ｌ２は、内部レンズ３で入射界面３１及び出射界面３２又は側面３３で屈折される。そして、外部レンズ２に入射され、さらに外部レンズ２の側面２１の反射膜１２のＴ１点、Ｔ２点で反射されて光軸７方向に集光された光線となって出力される。

この光学部品１ｂでは、反射膜１２を形成したことにより、側面２１に対しての入射光の角度がスネルの法則における臨界角度を超えない場合においても、反射膜１２により光を全反射させることができるために、屈折を大きくでき光学部品１ｂを小さくできて設計も容易になる。この反射膜１２は、金属（アルミニウム、銀など）の蒸着膜などの正反射率が高い膜によって形成することにより、光の反射を効率良くすることができる。

次に、本発明の第３の実施形態に係る光学部品について図５を参照して説明する。図５は、本実施形態による光学部品１ｃの構成を示し、反射膜１２付の外部レンズ２を充填材１３の中に封入した点で前記実施形態と異なっている。

光学部品１ｃは、反射膜１２付の外部レンズ２と、外部レンズ２の屈折率（ｎ１）と異なる屈折率（ｎ２）を有する曲面を含む多面体である内部レンズ３から構成される。そして、この光学部品１ｃと基板５に装着された発光ダイオード４により照明器具が構成される。発光ダイオード（光源）４は、外部レンズ２と同じ屈折材質からなる屈折部品８で覆われ、屈折部品８の表面８aは、内部レンズ３の入射界面３１となるように構成される。外部レンズ２の側面２１には全反射を起こす反射膜１２を設けられている。内部レンズ３は、内部レンズ３を形成する入射界面３１と出射界面３２と側面３３から形成される。この入射界面３１は、屈折部品８の表面８ａで形成される。

この光学部品１ｃにおいて、発光ダイオード４から出力された光は、一旦、１８０度の範囲に拡散放射されるが、内部レンズ３を通過する間で２回屈折され、さらに、外部レンズ２の側面２１に設けられた反射膜１２で反射され、中心の光軸７（Ｙ方向）の平行方向に集光された光線となる。このように、発光ダイオード４から出力された光は、ほぼ全て光学部品１ｃからの光軸７（Ｙ方向）と平行な方向に集光され所定方向に出力される。

この光学部品１ｃによれば、充填材１３の屈折率が外部レンズ２の屈折率とほぼ等しいため、反射膜１２がなければ外部レンズ２の側面２１では全反射を起こせないが、本構成では、外部レンズ２の側面２１に反射膜１２を形成しているので、充填材１３で覆われても側面２１で反射させることができる。また、反射膜１２の形成においては、蒸着などで形成された膜は極めて薄いため、密着性が弱い欠点がある。しかし、本実施形態では、外部レンズ２の反射膜１２を充填材１３によって覆っているので密着性が弱いという欠点を回避することができる。また、発光ダイオード４を含めて充電部（図示なし）を光学用樹脂等の充填材１３によって保護しており、電気的にも安全である。また、結露を起こすような空隙もないため、結露による劣化も発生しない。そして、光学的に配光の制御を行いながら、ある程度、熱伝導性の良い充填材を用い、発熱体でもある光源の発光ダイオード４を覆うことができるので、発光ダイオード４の熱を拡散させることができる。従って、発光ダイオード４の温度を下げることができ、発光ダイオード４の劣化などを抑えることができる。

次に、本発明の第４の実施形態に係る光学部品について図６を参照して説明する。図６は、本実施形態による光学部品１ｄの断面を示し、本実施形態は、外部レンズ２ａの屈折率ｎ１より小さい屈折率ｎ２の凹レンズ（内部レンズ）３ａを有し、外部レンズ２ａと凹レンズ３ａと光源４は、同じ光軸上に順に配置され、凹レンズ３ａの入射界面３１a及び出射界面３２aを凹形状にすることにより、光源からの光を外部レンズ２ａに向って集光するようにした点で前記実施形態と異なっている。

光学部品１ｄは、開口径Ｄ１を有する外部レンズ２ａと、外部レンズ２ａの屈折率（ｎ１）より小さい屈折率（ｎ２）を有する曲面を含む多面体の一部を凹面とする凹レンズ３ａから構成される。そして、この光学部品１ｄと発光ダイオード４により照明器具が構成される。凹レンズ３ａは、入射界面３１ａと出射界面３２ａと側面３３ａから形成される。外部レンズ２ａの材料として、光学用樹脂やガラスを用いることができ、凹レンズ３ａには気体を用いることができる。

この光学部品１ｄにおいて、発光ダイオード４から出力された光のうち、例えばＬ１は、内部レンズ３に入射されると、先ず、入射界面３１ａにおいて、ｎ１＞ｎ２により、入射方向が入射界面３１ａに近づく方向に屈折され、出射界面３２aにおいては出射界面３２aから遠ざかる方向に屈折される。そして、凹レンズ３ａを透過した光線Ｌ１は、外部レンズ２ａの側面２１ａで全反射されて、全体に矢印Ｒ１の方向に曲げられ、光軸に平行な方向に集光することができる。

この光学部品１ｄによれば、発光ダイオード４からの光は、内部レンズ３と外部レンズ２を通過する光学部品１ｄにより集光されて所定方向に放射される。例えば、発光ダイオード４から出た光線Ｌ１は凹レンズ３ａで入射界面３１ａと出射界面３２ｂで２回屈折され、再度、外部レンズ２ａの側面２１ａで反射されて光軸と平行方向に集光され出力される。このように凹レンズ３ａを設けて、発光ダイオード４（光源）を傘で覆うように構成できるので、発光ダイオード４からの光を殆ど逃さず凹レンズ３ａに入射することができる。これにより、外部レンズ２ａを連続曲線の側面２１ａで形成することができる。このため、発光ダイオード４の光源からの光を、外部レンズ２ａの比較的小さい開口径Ｄ１に集めることができる。これにより、構成が簡単になると共に、集光効率と、照明度の高い光学部品を得ることができる。

次に、本発明の第５の実施形態に係る光学部品について図７を参照して説明する。図７は、本実施形態による光学部品１ｅの断面を示し、本実施形態は外部レンズ２ｂの屈折率ｎ１が凸レンズ（内部レンズ）３ｂの屈折率ｎ２よりも大きく（ｎ１＞ｎ２）、凸レンズ３ｂの入射界面３１ｂ及び出射界面３２ｂを凸形状にすることにより、発光ダイオード４からの光を外部レンズ２ｂに向って拡散するようにした点で前記実施形態と異なっている。

光学部品１ｅは、外部レンズ２ｂと、外部レンズ２ｂの屈折率（ｎ１）より小さい屈折率（ｎ２）を有する曲面を含む多面体の一部を凸面とする凸レンズ３ｂから構成される。そして、この光学部品１ｅと発光ダイオード４により照明器具が構成される。凸レンズ３ｂは、入射界面３１ｂと出射界面３２ｂと側面３３ｂから形成される。外部レンズ２ｂの側面２１ｂの断面は、複数の曲線２２、曲線２３、曲線２４を繋げた不連続曲線で形成され、外部レンズ２ｂの開口部の開口径Ｄ２を有する。外部レンズ２ｂの材料として、光学用樹脂やガラスを用いることができ、凸レンズ３ｂには気体を用いることができる。凸レンズ３ｂは、レンズの端部を薄くする形状なので比較的形成し易い。

この光学部品１ｅにおいて、発光ダイオード４から出力された光のうち、例えばＬ２が、凸レンズ３ｂに入射されると、先ず、入射界面３１において、ｎ１＞ｎ２により、入射方向が入射界面３１ｂに近づく方向に屈折され、出射界面３２ｂにおいては出射界面３２ｂから遠ざかる方向に屈折される。そして、凸レンズ３ｂを透過した光線Ｌ２は、外部レンズ２ｂの側面２１ｂの曲線２２で全反射されて中心の光軸に平行な方向（Ｙ方向）に集光される。また、凸レンズ３ｂへの入射角の大きい光線Ｌ４は、入射界面３１ｂの表面で全反射され、外部レンズ２ｂの側面２１ｂの曲線２４で全反射され、中心の光軸の方向に屈折される。。これにより、発光ダイオード４からの光は、全体として矢印Ｒ２の方向へ曲げられ、中心の光軸に平行な方向に集光される。

この光学部品１ｅによれば、発光ダイオード４からの光は、光線Ｌ２乃至光線Ｌ４に示されるように凸レンズ３ｂで広げられた光を不連続曲線の外部レンズ２ｂの反射面２１ｂを形成することにより全反射される。これにより、発光ダイオード４からの光線を光軸の方向に効率よく集光することができ、コンパクトな集光性の良い光学部品を形成できる。

次に、本発明の第６の実施形態に係る光学部品について図８を参照して説明する。図８は、本実施形態による光学部品１ｆの構成を示し、外部レンズ２ｃの空洞（図３参照）内に、外部レンズ２ｃの屈折率（ｎ１）より大きい屈折率（ｎ２）の光学部材を充填して凸レンズ（内部レンズ）３ｃを形成し、外部レンズ２ｃの屈折率ｎ１を凸レンズ３ｃの屈折率ｎ２よりも小さい場合に、凸レンズ３ｃの入射界面３１ｃ及び出射界面３２ｃを凸形状にすることにより、発光ダイオード（光源）４からの光を外部レンズ２ｃに向って集光するようにした点で前記実施形態と異なっている。

光学部品１ｆは、開口径Ｄ３を有する外部レンズ２ｃと、外部レンズ２ｃの屈折率（ｎ１）より大きい屈折率（ｎ２）を有する曲面を含む多面体の一部を凸面とする凸レンズ３ｃから構成される。そして、この光学部品１ｆと発光ダイオード４により照明器具が構成される。凸レンズ３ｃは、入射界面３１ｃと出射界面３２ｃと側面３３ｃから形成される。外部レンズ２ｃの反射面となる側面２１ｃの断面は、複数の曲線２５、曲線２６を繋げた不連続曲線となっており、外部レンズ２ｃの開口部は開口径Ｄ３を有している。外部レンズ２ｃの材料として、光学用樹脂（アクリル樹脂、ｎ１＝１．４９）等を用いることができ、凸レンズ３ｃにはフリントガラス（ｎ２＝２．０）等を用いることができる。

この光学部品１ｆにおいて、発光ダイオード４から出力された光のうち、例えばＬ４は、凸レンズ３ｃに入射されると、先ず、入射界面３１ｃにおいて、ｎ１＜ｎ２により、入射方向が入射界面３１ｃから遠ざかる方向に屈折され、出射界面３２ｃにおいては、出射界面３２ｃに近づく方向に屈折される。そして、凸レンズ３ｃを透過した光線Ｌ４は、中心の光軸に平行な方向に集光される。一方、凸レンズ３ｃへの入射角の大きい光線Ｌ２、Ｌ３は、入射界面３１ｃの表面で全反射され、外部レンズ２ｃの側面２１ｃの曲線２５及び曲線２６で全反射され、光軸方向（Ｙ方向）に屈折される。これにより、発光ダイオード４からの光は、全体として矢印Ｒ３の方向へ曲げられ、中心の光軸と平行な方向に集光される光線となり、前方へ進む。

この光学部品１ｆによれば、発光ダイオード４からの光は、光線Ｌ２と光線Ｌ３のように凸レンズ３ｃ表面で反射されて一旦広げられ、傾斜の大きい不連続曲線の側面２１ｃを形成することにより全反射される。このことにより、発光ダイオード４からの光をできるだけ多く光軸と平行方向に集光し、放射範囲を集中して送出することができる。従って、照明器具の開口径を比較的小さくでき、集光を効率良くでき明るい照明が得られる。

次に、本発明の第７の実施形態に係る光学部品について図９を参照して説明する。図９は、本実施形態による光学部品１ｇの断面を示し、本実施形態は外部レンズ２ｄの屈折率ｎ１が凹レンズ（内部レンズ）３ｄの屈折率ｎ２よりも小さく、凹レンズ３ｄの入射界面３１ｄ及び出射界面３２ｄを凹形状にすることにより、発光ダイオード（光源）４からの光を外部レンズ２ｄに向って拡散するようにした点で前記実施形態と異なっている。

光学部品１ｇは、開口径Ｄ４を有する外部レンズ２ｄと、外部レンズ２ｄの屈折率（ｎ１）より大きい屈折率（ｎ２）を有する曲面を含む多面体の一部を凹面とする凹レンズ３ｄと、発光ダイオード（光源）４から構成される。凹レンズ３ｄは、入射界面３１ｄと出射界面３２ｄと側面３３ｄとから形成される。外部レンズ２ｄの反射面となる側面２１ｄの断面は、連続曲線となっている。外部レンズ２ｄの材料として、例えば、光学用樹脂（アクリル樹脂、ｎ１＝１．４９）等を用いることができ、凹レンズ３ｄにはフリントガラス（ｎ２＝２．０）等を用いることができる。

この光学部品１ｇにおいて、発光ダイオード４から出力された光線は、凹レンズ３ｄに入射されると、先ず、入射界面３１ｄにおいて、ｎ１＜ｎ２により、入射方向が入射界面３１ｄから遠ざかる方向に屈折され、出射界面３２ｄにおいては、出射界面３２ｄに近づく方向に屈折される。この光線は、凹レンズ３ｄで大きく曲げられ外部レンズ２ｄを通して光軸７（Ｙ方向）の平行光線として放射される。これにより、発光ダイオード４からの光線は、全体として矢印Ｒ４の方向へ曲げられ、中心の光軸の平行方向に集光される。

この光学部品１ｇによれば、凹レンズ３ｄの屈折率ｎ２を大きくすることにより、発光ダイオード４からの光線は大きく曲げられることにより、外部レンズ２ｄの側面２１ｄの反射面を小さく、又は無くすことができる。

次に、本発明の第８の実施形態に係る光学部品について図１０及び図１１を参照して説明する。図１０は、本実施形態による光学部品２０ａの概要構造を示す。本実施形態は、外部レンズ２ｅの中にある内部レンズ３ｅの一部が光軸７に対して末広がりとなる形状を有する点で前記実施形態と異なっている。

光学部品２０ａは、外部レンズ２ｅと、内部レンズ３ｅと、基板５の上に装着された発光ダイオード４（光源）とで構成される。外部レンズ２ｅは、その内部に内部レンズ３ｅを含み、発光ダイオード４の上に凸レンズ部２７を持ち、凸レンズ部２７は、発光ダイオード４の直ぐ近傍に、発光ダイオード４を殆ど覆う形で形成される。内部レンズ３ｅは、末広がりとなる反射部２８と、凸レンズ部２７の表面部２７ａとで囲まれる空洞で形成され、同時に外部レンズ２ｅの内壁となる。内部レンズ３ｅの光軸７（Ｙ方向）に垂直な断面は、光軸７の出力側（Ｙ方向）に向かって、その面積が大きくなる末広がりになっている。また、末広がりとなる形状の内部レンズ３ｅのレンズの形状は、発光ダイオード４からの光線が、外部レンズ２ｅと内部レンズ３ｅの屈折率によって決定される光反射条件の臨界角度以上の角度を持つように形成されている。また、発光ダイオード４は、外部レンズ２ｅの側壁内に含まれる。

図１１は、光学部品２０ａの具体構成を示す。この構成では、外部レンズ２ｅは、外部レンズ側壁部２ｆと、外部レンズ側壁部２ｆと同じ屈折体からなる蓋部２ｋから構成され、蓋部２ｋは、光線が出射する外部レンズ側壁部２ｆの表面側を覆うカバーとなる。これにより、外部レンズ２ｅの内部に内部レンズ３ｅが形成される。また、外部レンズ側壁部２ｆの底面部には、凸レンズ部２７が設けられ、その側壁の中には、発光ダイオード４と基板５等が含まれて、その側壁の外部は、充填材１３で覆われる。

この光学部品２０ａによれば、発光ダイオード４からの光線は、殆ど凸レンズ部２７に入射され、さらに反射部２８で全反射されて光軸７方向に集光され、光軸７に平行な方向に集光される。また、内部レンズ３ｅを空気又は真空とすれば、外部レンズ側壁部２ｆの側壁上端と蓋部２ｋを張り合わすことにより、接着剤などを使用せずに外部レンズ２ｅ及び内部レンズ３ｅを簡単に、同時に形成することができる。

また、図１１に示すように、外部レンズ２ｅの外部側面２１ｅに反射膜を付けなくても内部レンズ３ｅの反射部２８で全反射でき、また発光ダイオード４の光源部分を外部レンズ２ｅで覆うことにより、発光ダイオード４付近の充電部（図示なし）の保護ができ、電気的な信頼性を高めることができる。そして、外部レンズ２の外部を充填材１３でモールドすることにより、屋外使用に耐えられる信頼性の高い光学部品を形成することができる。

次に、本発明の第９の実施形態に係る光学部品について図１２を参照して説明する。図１２は、本実施形態による光学部品２０ｂの断面を示し、外部レンズ２ｇの外部に発光ダイオード（光源）４と基板５を有し、外部レンズ２ｇと基板５の間を充填材１３で充填した点で前記実施形態と異なっている。

光学部品２０ｂは、外部レンズ２ｇと、内部レンズ３ｆから構成される。そして、光学部品２０ｂと基板５の上に装着された発光ダイオード４（光源）とにより照明器具が構成される。外部レンズ２ｇは、その内部に内部レンズ３ｆを含み、発光ダイオード４の上に凸レンズ部２７を持ち、凸レンズ部２７は、発光ダイオード４の直ぐ近傍に、発光ダイオード４を殆ど覆う形で形成される。内部レンズ３ｆは、末広がりとなる反射部２８と、凸レンズ部２９の表面部２９ａとで囲まれる空洞で形成され、同時に外部レンズ２ｇの内壁となる。内部レンズ３ｆの光軸７（Ｙ方向）に垂直な断面は、光軸７の出力側（Ｙ方向）に向かって、その面積が大きくなる末広がりになっている。また、末広がりとなる形状の内部レンズ３ｆのレンズの形状は、反射部２８における光線の反射角が、外部レンズ２ｇと内部レンズ３ｆの屈折率によって決定される光反射条件の臨界角度以上の角度を持つように形成されている。

外部レンズ２ｇの内部に形成される内部レンズ３ｆは、外部レンズ側壁部２ｈを、外部レンズ側壁部２ｈと同じ屈折体からなる蓋部２ｋで蓋をされて構成される。また、外部レンズ側壁部２ｈは、底辺部に凸レンズ部２９が設けられ、外部レンズ側壁部２ｈと基板５の間には、充填材１３が、発光ダイオード４を覆い、外部レンズ側壁部２ｈの周辺を覆っている。

このような光学部品２０ｂによれば、充填材１３で発光ダイオード４と外部レンズ側壁部２ｈの周辺を覆ったことにより、確実な防水構造が得られる。また、発光ダイオード４や充電部（図示なし）で発生する熱を広い基板５を通して放熱し易くでき、電気的安定化を図ることができる。

次に、本発明の第１０の実施形態に係る光学部品について図１３を参照して説明する。図１３は、本実施形態による光学部品２０ｃが筐体に実装された状態の構成を示し、光学部品２０ｃの外部レンズは、筐体内に実装された状態で、そのレンズの周囲が充填材１３により、充填材１３との間に空気層を保って覆われている点で前記実施形態と異なっている。同図において、光学部品２０ｃは、筐体１４の中の壁１６で仕切られた空気層１８となる空間１５内に嵌着され、空間１５の底面の基板５上に発光ダイオード４が配設されている。この光学部品２０ｃの装着された筐体１４の周辺部１７は、充填材１３で充填されている。

上記光学部品２０ｃによれば、その外部レンズに充填材１３が直接接触しないように、光学部品２０ｃの外部レンズの側面に空気層１８を設けたことにより、光学部品２０ｃの外部レンズの側面で全反射を起こすことが可能となる。これにより、光学部品２０ｃの防水性との集光性を高めることができる。

次に、本発明の第１１の実施形態に係る光学器具について図１４を参照して説明する。図１４は、本実施形態の光学器具１０の構成を示し、本実施形態は、上記実施形態１〜７のいずれかの特徴を少なくとも１つ以上有した光学器具である点で前記実施形態と異なっている。

同図において、光学器具１０は、側面に反射膜を持つ光学部品１ｃ（図５参照）と、発光ダイオード（光源）４と、発光ダイオード４を支持する基板５と、光学部品１ｃを嵌着する筐体１４及び筐体１４内に充填された充填材１３から構成される。

このような光学器具１０では、筐体１４内部に嵌着された光学部品１ｃと、発光ダイオード４と及び充電部（図示なし）とを充填材１３によって防水されて一体化される。これにより、光学器具としての取り扱いが簡便になる。また、外気や直射日光にさらすことによる種々の劣化から内部の部品を保護することができ、部品の品質確保ができ、信頼性を高めることができる。

以上述べたように、本実施形態に係る光学部品１ａ〜１ｇ及び２０ａ〜２０ｃによれば、外部レンズ２の中に外部レンズ２と屈折率の異なる内部レンズ３を有し、内部レンズ３を曲面を含む多面体で構成したことにより、光源からの光線の屈折を少なくとも２回以上増やすことができ、発光ダイオード４からの入射光を照射方向に揃える配光制御の効率が高まり、コンパクト化できる。また、外部レンズ２で内部レンズ３を覆うことができるので、内部レンズ３の露出を防ぐことが可能となり、光学部品１に対する外部環境の影響を軽減することができる。

また、発光ダイオードを光源とする照明器具は、光源の長寿命により、高所や危険な場所に設置される器具に使用され、特に屋外での使用が多い。そのため照明器具には防水性が必要とされ、光源など充電部を全て絶縁物で覆って外気から遮断する防水方法が取られる。このような場合、本構成の光学部品によれば、光源と光学部品を合わせて充填材で固める際、充填材が不必要に流れ込む隙間がなので、光学部品と光源の位置関係をずれなく固めることができる。同時に、周囲温度が降下し、露点より下がってしまう場合でも、器具内部での結露の発生を防ぐことができる。

また、外部レンズの一部に反射膜を設けることにより、外部レンズの反射面に対しての入射角度がスネルの法則における臨界角度を超えない場合においても、光線を反射させることができるため、配光制御を最適にでき、光学部品を小さくでき、設計をやり易くできる。

また、光学部品の周囲の全体又は部分を充填材で覆い、反射膜の全体又は一部の周囲を充填材で覆うことにより、反射膜付き屈折体を充填材の中に封入することができる。これにより、充填材で覆われて保護された状態で光線を反射させることができるので、屋外環境でも十分に使用が可能な光学部品を得ることができる。また、反射膜が密着性の弱い蒸着膜で形成され場合でも、充填材で覆われることにより蒸着膜の密着性の問題をなくすことができる。

また、外部レンズの屈折率（ｎ１）が内部レンズの屈折率（ｎ２）よりも大きい（ｎ１＞ｎ２）場合に、内部レンズの少なくとも１面を凹状の形状にすることにより、内部レンズにおける光源からの入射光の反射光又は透過光を光軸方向に集めることができる。そして、この一旦集めた光線を外部レンズで反射させることにより、光源からの光線を光軸に平行な方向に効率よく集光することができ、光学部品のコンパクト化が図れる。

また、外部レンズの屈折率（ｎ１）が内部レンズの屈折率（ｎ２）よりも大きい（ｎ１＞ｎ２）場合に、内部レンズの少なくとも１面を凸状の形状にすることにより、内部レンズにおける光源からの入射光に対する反射光又は透過光を光軸方向から広げることができる。そして、この一旦広げた光線を外部レンズで反射させることにより、光源からの光線を光軸に平行な方向に効率よく集光することができ、光学部品のコンパクト化が図れる。

また、外部レンズの屈折率（ｎ１）が内部レンズの屈折率（ｎ２）よりも小さい（ｎ１＜ｎ２）場合に、内部レンズの少なくとも１面を凹状の形状にすることにより、内部レンズにおける光源からの入射光に対する反射光又は透過光を光軸方向に集めることができる。そして、この一旦集めた光線を外部レンズで反射させることにより、光源からの光線を光軸に平行な方向に効率よく放射することができる。

また、外部レンズの屈折率（ｎ１）が内部レンズの屈折率（ｎ２）よりも小さい（ｎ１＜ｎ２）場合に、内部レンズの少なくとも１面を凸状の形状にすることにより、内部レンズにおける光源からの入射光に対する反射光又は透過光を光軸方向から広げることができる。そして、この一旦広げた光線を外部レンズで反射させることにより、光源からの光線を光軸に平行な方向に効率よく集光することができる。

また、外部レンズの周囲とその一部又は全体を覆う充填材との間に空気層を設けたことにより、光学部品の側面と充填材が離れて配設できるので、光学部品の側面で反射膜なしで光線を全反射させることが可能となり、防水性の良い集光性の高い光学部品が得られる。

さらに、内部レンズの一部が光軸に沿って、光源から離れる方向に向けて末広がりとなる断面形状とすることにより、反射部に反射膜を付けずに外部レンズで全反射させることができる。また、光源を外部レンズで覆うことにより、電気的な信頼性を高めることができる。また、内部レンズを空気などの気体、又は真空にすることも可能であり、材料的なコストを削減することができる。

さらにまた、上記各実施形態の光学部品の少なくともいずれかの特徴を持った光学部品と光源を組合わせることにより、コンパクトで配光効率の高い、防水性の良い照明器具を得ることができる。

（ａ）は本発明の第１の実施形態に係る光学部品の概要断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ部の拡大図。 上記光学部品の具体構成図。 図２の分解構成図。 本発明の第２の実施形態に係る光学部品の断面構成図。 本発明の第３の実施形態に係る光学部品の断面構成図。 本発明の第４の実施形態に係る光学部品の断面構成図。 本発明の第５の実施形態に係る光学部品の断面構成図。 本発明の第６の実施形態に係る光学部品の断面構成図。 本発明の第７の実施形態に係る光学部品の断面構成図。 本発明の第８の実施形態に係る光学部品の断面構成図。 上記光学部品の具体構成図。 本発明の第９の実施形態に係る光学部品の断面構成図。 本発明の第１０の実施形態に係る光学部品の断面構成図。 本発明の第１１の実施形態に係る照明器具の断面構成図。

符号の説明

１ａ〜１ｇ、２０ａ〜２０ｃ 光学部品
２ 外部レンズ（光学レンズ）
３ 内部レンズ（空洞）
４ 発光ダイオード（光源）
１０ 照明器具
１２ 反射膜
１３ 充填材
１８ 空気層

Claims (7)

1. 拡散放射される光を発する光源の前方に位置して、該光源からの拡散光が入射され、その光を屈折させて平行光線として前方に出射させる光学部品であって、
   光源の前面に位置され、光源からの光が一面から入射され、他面から出射される光学レンズと、
   前記光学レンズと同じ光軸上にあって、前記光学レンズの内部に屈折率が該光学レンズと異なる屈折率を持つ媒質でなる内部レンズを形成するための空洞と、を有し、
   前記内部レンズは、前記光学レンズの一面から入射された光が入射する入射界面と、この入射界面から入った光を前記光学レンズに出射する出射界面とを有した凹又は凸レンズ形状を成し、光源からの光を前記入射界面及び出射界面で屈折して前記光学レンズに再び入射させるものであり、
   前記光学レンズは、前記内部レンズを経て再び入射された光を全反射して該光学レンズの光軸方向に集光させるための反射面と、前記内部レンズを経て再び入射された光及び前記反射面で反射された光を該光学レンズの光軸方向に集光して出射させる出射面とを有していることを特徴とする光学部品。
2. 前記光学レンズは、前記反射面に全反射を起こすための反射膜を有し、充填材で覆われていることを特徴とする請求項１に記載の光学部品。
3. 前記光学レンズの屈折率（ｎ１）が前記内部レンズの屈折率（ｎ２）よりも大きい（ｎ１＞ｎ２）場合に、前記内部レンズの前記入射界面及び出射界面は凹レンズの両面を形成し、光源からの光を前記光学レンズに向って集光することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光学部品。
4. 前記光学レンズの屈折率（ｎ１）が前記内部レンズの屈折率（ｎ２）よりも大きい（ｎ１＞ｎ２）場合に、前記内部レンズの前記入射界面及び出射界面は凸レンズの両面を形成し、光源からの光を前記光学レンズに向って拡散することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光学部品。
5. 前記空洞内に、前記光学レンズの屈折率（ｎ１）より大きい屈折率（ｎ２）の光学部材を充填して内部レンズを形成し、前記内部レンズの前記入射界面及び出射界面は凸レンズの両面を形成し、光源からの光を前記光学レンズに向って集光することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光学部品。
6. 前記空洞内に、前記光学レンズの屈折率（ｎ１）より大きい屈折率（ｎ２）の光学部材を充填して内部レンズを形成し、前記内部レンズの前記入射界面及び出射界面は凹レンズの両面を形成し、光源からの光を前記光学レンズに向って拡散することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光学部品。
7. 前記請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の光学部品と光源を組合わせたことを特徴とする照明器具。

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