JP4883063B2 - プリズム及び照明装置 - Google Patents

Description

本発明は、各種装置に用いられる照明装置を構成するプリズムに関するものである。

照明装置を、例えば内蔵する装置が、広く一般に利用されており、多くの技術が提案されている。

例えば、一様な散乱能が与えられた楔形状断面を有する体積領域を含む指向出射性の光散乱導光素子を用いて光の伝播方向を揃えた上で、その光散乱導光素子と相補的な位置関係を以て配置された楔形出射方向特性調整素子を備える面光源装置が提案されており、これによれば、光出射方向を修正して明るく均一な光束の出射、また、光束出射時の方向特性のシャープさの度合を、該楔形出射方向特性調整素子を構成する材料の散乱能に応じて調整することができるとされている。なお、光散乱導光素子の光取出面に対向する楔形出射方向特性調整素子の光取入面あるいはその光取入面と相反する側の光出射面の少なくとも一方には、光出射方向修正用のプリズム状起伏が形成されている。（例えば、特許文献１参照）。

特開平７−２７０７０８号公報（例えば、請求項１、段落００１２及び図１参照）

照明に関して提案される技術の中には、広範囲の照明を実現できる技術も数多くある。

本発明は、広範囲を照らすことが可能であって、広範囲を照らした場合においても、照らされた範囲で照度むらの発生を抑制することができる照明を実現可能な、新たなプリズム及び照明装置を提供することを目的とする。

上記従来の課題に鑑みなされた本発明のプリズムは、このプリズムを構成する光射出面を３つの面で、全体として凹状にするとともに、この凹状を形成する３つ面のうち、両端側の第１光射出面及び第２光射出面を連結する第３光射出面を、特に、凹状曲面としたものである。

本発明を反映した第１の課題解決手段は、光線が入射する光入射面と、光入射面から入射した光線を射出する凹状光射出面と、光入射面から入射した光線を屈曲反射する反射面と、前記反射面によって反射された光線を射出する反射光射出面と、を有する楔形状の屈曲反射部と、を有し、前記光入射面は、入射される光線を前記凹状光射出面と、前記反射面と、の少なくとも２方向に屈曲可能な凸状面で形成され、前記凹状光射出面は、第１光射出面と、第２光射出面と、前記第１光射出面と前記第２光射出面とを水平方向に連結する第３光射出面と、により形成され、前記第３光射出面は、凹状曲面である、ことを特徴とするプリズムである。これによれば、複数の光射出面から光線を射出することができるとともに、凹状光射出面から射出される光線に関し、第１光射出面と第２光射出面が交わる線分部分周辺の光線の分布を、第３光射出面の凹状曲面で略均一化することができる。

第２の課題解決手段は、第１の課題解決手段のプリズムであって、前記光入射面は、少なくとも２つの凸状面を有し、前記凸状面の一方から入射した光線は前記凹状光射出面方向に屈曲され、前記凸状面の他方から入射した光線は前記反射面方向へ屈曲されることを特徴とする。これによれば、光入射面へ入射した光線について、２つの凸状面が交わる線分部分前後で、凹状光射出面及び反射面の方向に分岐させることができる。

第３の課題解決手段は、第１又は第２の課題解決手段のプリズムであって、前記光入射面を形成する凸状面は、曲面であることを特徴とする。これによれば、光入射面に入射した光線について、光線の発散角を抑えて分岐することが可能となり、反射面、反射光射出面、及び凹状光射出面を小さくすることができる。

第４の課題解決手段は、第１乃至第３の課題解決手段のうちいずれか１つのプリズムであって、前記第３光射出面は、曲率半径を有する凹状曲面であることを特徴とする。これによれば、第３光射出面の凹状曲面で射出光線の分布を制御することができる。

第５の課題解決手段は、第１乃至第４の課題解決手段のうちいずれか１つのプリズムであって、前記第１光射出面は、曲率半径を有する凸状曲面であり、前記第２光射出面は、曲率半径を有する凸状曲面であることを特徴とする。これによれば、第１光射出面と第２光射出面で射出する光線を照明の範囲が広がる方向に屈折させることができる。

第６の課題解決手段は、第１乃至第３の課題解決手段のうちいずれか１つのプリズムであって、前記第１光射出面は、第１曲率半径の凸状曲面であり、前記第２光射出面は、第２曲率半径の凸状曲面であり、前記第３光射出面は、第１曲率半径及び第２曲率半径より小さい第３曲率半径の凹状曲面であることを特徴とする。これによれば、第１光射出面と第２光射出面が交わる線分部分周辺の光線の射出角度について照度むらを抑制するように制御することができる。なお、第３光射出面の曲率半径を、第１光射出面等の曲率半径より大きくした場合、第３光射出面での光発散効果が小さくなり照明均一性の低下が生じ得る。

第７の課題解決手段は、第６の課題解決手段のプリズムであって、前記第１曲率半径及び前記第２曲率半径は等しいことを特徴とする。これによれば、光線の広がりを第１光射出面側と第２光射出面側とに均等にすることができる。

第８の課題解決手段は、第１乃至第７の課題解決手段のうちいずれか１つのプリズムであって、前記第１光射出面と、前記第２光射出面と、前記第３光射出面とに略対向する前記光入射面上の領域に、光拡散処理が施されていることを特徴とする。これによれば、入射される光を散乱させ、照射面における照度分布の不均一さを抑制することができる。

第９の課題解決手段は、第１乃至第７の課題解決手段のうちいずれか１つのプリズムであって、前記第１光射出面と、前記第２光射出面と、前記第３光射出面とに略対向する前記光入射面上の領域に、光拡散板又は光拡散シートを配置したことを特徴とする。これによれば、入射した光線を拡散させ、照射面における照度分布の不均一さを抑制することができる。

第１０の課題解決手段は、第１乃至第９の課題解決手段のうちいずれか１つのプリズムと、光源と、を備えることを特徴とする照明装置である。これによれば、上記機能を奏する照明装置とすることができる。

本発明によれば、従来のプリズム及び照明装置とは異なるものによって、広範囲を照らした場合においても、照らされた部分の照度むらを抑制した照明を実現可能な新たなプリズム及び照明装置を得ることができる。

本発明を反映した上記課題解決手段を実施するための実施形態について、図面を用いて以下に詳細に説明する。なお、上記課題解決手段は以下に記載の構成に限定されるものではなく、同一の技術的思想において種々の構成を採用することができる。

図１は、本実施形態のプリズム１０の全体構造を示す図である。プリズム１０は、ベース部１００、屈曲反射部２００及び上段部３００から構成されている。このプリズム１０は、ポリカーボネイトによって形成されている。プリズム１０の表面は、後述するシボ加工が施される部分を除き、例えば、鏡面仕上げとなっている。ここで、プリズム１０は、アクリル等の樹脂材料により形成することもできる。なお、ベース部１００の一部（光入射下面１１０ｃに係る部分（図２参照））及び上段部３００は、本発明の課題解決手段とは、直接関連しない部分であるため、以下、ベース部１００（光入射下側凸状面１１１に係る部分（図２参照））及び屈曲反射部２００を中心に説明する。

プリズム１０において、符号１１０で示される領域は光源（例えば、図２参照）からの光が入射する光入射面である。図２はプリズム内を通過する光線の経路（光線図）を示す図である。詳細には、プリズム１０及び光源２０を備える照明装置１において、光源２０から射出された光が光入射面１１０に入射し、プリズム１０に形成された複数の光射出面から射出される態様（シミュレーション結果）を示すものである。この図２から明らかなとおり、光入射面１１０は、光入射凸状面１１０ａと、光入射上面１１０ｂと、光入射下面１１０ｃから形成されている。光入射凸状面１１０ａは、ベース部１００に形成された光入射下側凸状面１１１と、屈曲反射部２００に形成された光入射上側凸状面１１２と、の上下２段で形成される。なお、上下２段の配置は、光入射下側凸状面１１１から入射された光線２０Ａが射出される凹状光射出面１２０と、光入射上側凸状面１１２から入射された光線２０Ｂを屈曲反射する反射面２０２との位置関係に合致する。すなわち、凹状光射出面１２０を基準とすれば、反射面２０２は垂直方向上側に配置されている。光入射下側凸状面１１１及び光入射上側凸状面１１２は、曲面、例えば、所定の曲率半径の凸状曲面で形成される。なお、照明装置１の光源２０は白色ＬＥＤにより構成されている。光源２０は、光源として複数光源（例えばＲ（赤）Ｇ（緑）Ｂ（青）の組み合わせ等）を用いた白色照明装置であってもよい。なお、照明装置１の光源２０は複数の白色ＬＥＤにより構成することもできる。また、単独若しくは複数の単色ＬＥＤにより構成することもできる。

光入射凸状面１１０ａで入射される光線は、ベース部１００を形成する凹状光射出面１２０側と、屈曲反射部２００を形成する反射面２０２側との２方向に屈曲する。より具体的に説明すると、光入射下側凸状面１１１から入射した光線は、光入射下側凸状面１１１で凹状光射出面１２０側に屈曲した上で、凹状光射出面１２０から射出される（図２において符号２０Ａ参照）。光入射上側凸状面１１２に入射した光線は、光入射上側凸状面１１２で反射面２０２側に屈曲した上で（図２において符号２０Ｂ参照）、反射面２０２で屈曲反射し（図２において符号２０Ｃ参照）、反射光射出面２０４から射出される。

図３は、ベース部１００を示す図である。ベース部１００は、光源２０からの光が入射する光入射下側凸状面１１１と、光が射出する凹状光射出面１２０と、から構成されている。凹状光射出面１２０は、第１光射出面１２２と、第２光射出面１２４と、これら２面を水平方向（水平方向について、例えば、図４を正面視した場合、横方向）に連結する第３光射出面１２６と、により形成されている。

図４は、ベース部１００を上面視した図である（図３においてハッチングされた部分を示す。）。第１光射出面１２２を形成する第１曲線１２２ａ及び第２光射出面１２４を形成する第２曲線１２４ａは、第３光射出面１２６を形成する第３曲線１２６ａによって滑らかに連結されている。具体的に説明する。第１曲線１２２ａ及び第２曲線１２４ａ各々は、所定の曲率半径の曲線を中心で切断して形成された２つの曲線を左右入れ替え、２つの曲線の反中心側端各々を接続して形成された曲線の一部を成すものである。第３曲線１２６ａは、このように形成された第１曲線１２２ａと第２曲線１２４ａとの接続部分を滑らかに連結する凹状曲線である。

第１曲線１２２ａ、第２曲線１２４ａ及び第３曲線１２６ａの３つの曲線によって形成される１つの曲線は、全体として凹状を成している。したがって、凹状光射出面１２０は、凸状曲面である第１光射出面１２２及び第２光射出面１２４を、凹状曲面である第３光射出面１２６で水平方向に滑らかに連結した曲面であって、全体として凹状に形成されている。

第３光射出面１２６（第３曲線１２６ａ）は、所定の曲率半径の凹状曲面である。第３光射出面１２６（第３曲線１２６ａ）の曲率半径は、第１光射出面１２２（第１曲線１２２ａ）及び第２光射出面１２４（第２曲線１２４ａ）の曲率半径と比較し小さく設定されている。なお、「第３光射出面１２６（第３曲線１２６ａ）の曲率半径＜４×第１光射出面１２２（第１曲線１２２ａ）の曲率半径（第２光射出面１２４（第２曲線１２４ａ）の曲率半径）」のような条件を満たす第３光射出面１２６であってもよい。

第１曲線１２２ａ及び第２曲線１２４ａは、上記関係にある第１曲線１２２ａと第２曲線１２４ａに基づくものであるから、その曲率半径は同一である。なお、第１光射出面１２２（第１曲線１２２ａ）及び第２光射出面１２４（第２曲線１２４ａ）の曲率半径を異なるものとすることもできる。第１光射出面１２２（第１曲線１２２ａ）及び第２光射出面１２４（第２曲線１２４ａ）の曲率半径は、照明すべき範囲を考慮して定められる。また、第１光射出面１２２（第１曲線１２２ａ）、第２光射出面１２４（第２曲線１２４ａ）及び第３光射出面１２６（第３曲線１２６ａ）のいずれかは、自由曲面で形成してもよい。

図５は図２とは異なるプリズムを備える照明装置を示す図である。照明装置１Ａは、プリズム１０Ａ（プリズムの構成については、後述するシボ加工に係る構成を除き、上述のプリズム１０と同一である。）、及び光源２０により構成されている。光源２０の構成については照明装置１と同一である。光源２０からの光が入射する、プリズム１０Ａの光入射面１１０を形成する光入射凸状面１１０ａと、光入射上面１１０ｂと、光入射下面１１０ｃと、にはシボ加工が施されている。ただし、シボ加工は、この３面全てに施す必要はなく、その一部、例えば、光入射凸状面１１０ａのみ、又は光入射凸状面１１０ａ及び光入射上面１１０ｂのみであっても良い。この場合、ベース部１００及び屈曲反射部２００に入射する光線は、光入射凸状面１１０ａによって散乱され、上段部３００に入射する光線（図２参照）は光入射上面１１０ｂよって散乱される。

ベース部１００のみを考慮した場合、光入射凸状面１１０ａへのシボ加工は、最低限、第１光射出面１２２、第２光射出面１２４及び第３光射出面１２６に対向する光入射下側凸状面１１１上の領域に施されていれば良い。ここで、プリズム１０Ａにおいて、第１光射出面１２２、第２光射出面１２４及び第３光射出面１２６に対向する光入射下側凸状面１１１上の領域とは、凹状光射出面１２０から射出される光線が入射される光入射下側凸状面１１１上の領域を指す。

図６は他の照明装置を示す図である。照明装置１Ｂは、プリズム１０Ｂ（プリズムの構成については、後述する拡散シート４００に係る構成を除き、上述のプリズム１０と同一である。）、及び光源２０により構成されている。光源２０の構成については照明装置１と同一である。照明装置１Ｂのプリズム１０Ｂは、照明装置１Ａのプリズム１０Ａとは異なり、光入射面１１０に空気層を介して拡散シート４００が配置されている。光源２０からの光は、拡散シート４００により拡散される。なお、図５において拡散シート４００は、光入射凸状面１１０ａに対して配置されている。例えば、光入射凸状面１１０ａ及び光入射上面１１０ｂに対して、また、３面（１１０ａ、１１０ｂ及び１１０ｃ）全てに配置する構成としても良い。また、ベース部１００のみを考慮した場合、光入射凸状面１１０ａへの拡散シート４００の配置は、最低限、第１光射出面１２２、第２光射出面１２４及び第３光射出面１２６に略対向する光入射凸状面１１０ａ上の領域に配置されていれば良い。ここで、第１光射出面１２２等に略対向する光入射凸状面１１０ａ上の領域とは、上述したシボ加工の場合と同じである。

図１、図５及び図６のプリズム１０，１０Ａ及び１０Ｂを含む照明装置１等は、例えば、ミシンによる縫製の対象となる布を照らす照明装置として利用することができる。

本実施形態のプリズム１０及び比較対象プリズムに基づいたシミュレーション結果を示す。なお、比較対象プリズムは、所定の曲率半径の曲線を中心で切断して形成された２つの曲線を左右入れ替え、２つの曲線の反中心側端各々を接続して形成された曲線で形成された光射出面を有するものであって、その他の形状については、プリズム１０と同一である。プリズム１０の第１光射出面１２２及び第２光射出面１２４の曲率半径はともに５０ｍｍ、第３光射出面１２６の曲率半径は１５ｍｍである。比較対象プリズムの両曲面の曲率半径は、プリズム１０の第１光射出面１２２等と同一である。

なお、比較対象プリズムの光射出面を形成する２つの曲面各々は、プリズム１０の凹状光射出面１２０を形成する第１光射出面１２２及び第２光射出面１２４各々に対応するものである。したがって、以下の説明では、比較対象プリズムの光射出面を形成する２つの面各々についても、第１光射出面１２２（第１曲線１２２ａ）及び第２光射出面１２４（第２曲線１２４ａ）という。

（プリズムのベース部を通過する光線をシミュレーションした結果）
図７は、プリズム１０のベース部１００及び比較対象プリズムのベース部における光線図を示す図である。なお、図７のプリズム１０のベース部１００は、図２のＡ−Ａ断面を示したものである。また、比較対象プリズムについてもプリズム１０と同じ位置の断面を示す。

先ず、比較対象プリズムについて説明する（図７（ｉ）参照）。この図から明らかなとおり、比較対象プリズムでは、光射出面の中心部分（第１光射出面１２２と第２光射出面１２４が交わる線分部分）において、光線が分割され、中心部において光線の射出が認められない。このような現象は、第１光射出面１２２と第２光射出面１２４が交わる線分部分前後において、この部分を通過する光線の射出角度が大きく変化することに起因し，生じるものである。換言すれば、かかる形状（第１光射出面１２２及び第２光射出面１２４による形状）で形成される光射出面を有するプリズムによれば、凸状曲面の第１光射出面１２２及び第２光射出面１２４において光線をプリズム外側（図７（ｉ）の図面において左右両側）に屈折させることが可能で、これにより、プリズムから離れた極めて広い範囲を照らすことができる。

次に、プリズム１０について説明する（図７（ｉｉ）参照）。この図から明らかなとおり、プリズム１０では、比較対象プリズムにおいて発生していた光射出面中心部分における光線の射出角度の大きな変化が防止、換言すれば、光線の射出角度がゆるやかに変化することで、凹状光射出面１２０全体から光線が射出されている。すなわち、プリズム１０は、凸状曲面の第１光射出面１２２と第２光射出面１２４によってもたらされる広範囲の照明特性を維持しつつ、これによるデメリット（凹状光射出面１２０の中心部分（前後）における光線の射出角度の大きな変化）を、第１光射出面１２２及び第２光射出面１２４を水平方向に連結する凹状曲面の第３光射出面１２６を採用することで解決している。

（各プリズムによる照度分布をシミュレーションした結果）
図８は、プリズム１０（図１参照）、プリズム１０Ａ（図５参照）、プリズム１０Ｂ（図６参照）及び比較対象プリズムを用いた場合の照度分布をシミュレーションした結果を示す図である。なお、このシミュレーションの設定条件を表１に示す。

比較対象プリズムによる照度分布を図８（ｉ）に示す。比較対象プリズムでは、第１光射出面１２２と第２光射出面１２４が交わる線分部分前後において、この部分を通過する光線の射出角度が大きく変化することは上述したとおりである。比較対象プリズムでは、この光線の射出角度の変化に起因する陰９０の発生が認められる。また、光射出面によって異なる光の指向性に起因する帯状の光９２も認められる。

プリズム１０による照度分布を図８（ｉｉ）に示す。プリズム１０では、比較対象プリズムにおいて発生していた陰９０の発生が認められない。陰９０の発生が防止されていることは、図７（ｉｉ）のプリズム１０の光線図に合致する結果であり、第３光射出面１２６を採用したことに基づくものである。したがって、比較対象プリズムと同じく、光射出面によって異なる光の指向性に起因する帯状の光９２の発生は認められるものの、プリズム１０は、比較対象プリズムと比べ、陰９０の発生を防止することで照度むらを抑制することができている。

プリズム１０Ａによる照度分布を図８（ｉｉｉ）に示す。プリズム１０Ａでは、陰９０及び帯状の光９２の発生が防止されている。

プリズム１０Ｂによる照度分布を図８（ｉｖ）に示す。プリズム１０Ｂにおいても、プリズム１０Ａと同じく陰９０及び帯状の光９２の発生が防止されている。なお、シミュレーションにおける拡散シート４００の設定条件は、炭酸カルシウムを両面コートしたポリエチレンテレフタラート樹脂フィルム「ライトアップ 75PBA（株式会社きもと製）」について、BSDF（Bidirectional scattering distribution function）にて表現された実散乱特性を設定した。

（本実施形態の構成に基づく有利な効果）
上述した構成に基づく有利な効果について列挙する。
（１）本実施形態のプリズム１０（１０Ａ及び１０Ｂを含む）は、凹状光射出面１２０を全体として凹状に形成するとともに、この凹状を形成する、所定の曲率半径の凸状曲面の第１光射出面１２２及び第２光射出面１２４を、第１光射出面等の曲率半径より小さい曲率半径の凹状曲面の第３光射出面１２６によって連結する構成を採用した。これによれば、凸状曲面の第１光射出面１２２及び第２光射出面１２４による光線の射出角度の大きな変化を利用し、極めて広い範囲への光の射出を実現しつつ、凹状曲面の第３光射出面１２６によって凹状光射出面１２０の中心部分での光線の射出を実現することができる。したがってプリズム１０によれば、極めて広い範囲の全体を、照度むらを抑制しつつ照明することができる。

（２）本実施形態のプリズム１０Ａ及び１０Ｂは、光入射面１１０にシボ加工を施す構成、又は拡散シートを配置する構成を採用した。これによれば、光入射面１１０に入射される光を散乱又は拡散させることができる。したがって、帯状の光９２の発生を防止することができる。

本発明の実施形態におけるプリズム全体を示す図 本発明の実施形態における照明装置において光源からの光線がプリズム内を通過するシミュレーション結果（第１のプリズム側面視）を示す図 本発明の実施形態におけるプリズムのベース部を示す図 本発明の実施形態におけるベース部上面図 本発明の実施形態における他の照明装置を示す図 本発明の実施形態におけるさらに他の照明装置を示す図 （ｉ）及び（ｉｉ）は本発明の実施形態におけるプリズム及び比較対象プリズムのベース部を通過する光線のシミュレーション結果を示す図 （ｉ）乃至（ｉｖ）は本発明の実施形態におけるプリズム及び比較対象プリズムによる照度分布のシミュレーション結果を示す図

符号の説明

１，１Ａ，１Ｂ…照明装置、１０，１０Ａ，１０Ｂ…プリズム、１００…ベース部、１１０…光入射面、１１０ａ…光入射凸状面、１２０…凹状光射出面、１２２…第１光射出面、１２２ａ…第１曲線、１２４…第２光射出面、１２４ａ…第２曲線、１２６…第３光射出面、１２６ａ…第３曲線、２０…光源

Claims (10)

1. 光線が入射する光入射面と、
   光入射面から入射した光線を射出する凹状光射出面と、
   光入射面から入射した光線を屈曲反射する反射面と、前記反射面によって反射された光線を射出する反射光射出面と、を有する楔形状の屈曲反射部と、を有し、
   前記光入射面は、入射される光線を前記凹状光射出面と、前記反射面と、の少なくとも２方向に屈曲可能な凸状面で形成され、
   前記凹状光射出面は、第１光射出面と、第２光射出面と、前記第１光射出面と前記第２光射出面とを水平方向に連結する第３光射出面と、により形成され、
   前記第３光射出面は、凹状曲面である、ことを特徴とするプリズム。
2. 前記光入射面は、少なくとも２つの凸状面を有し、前記凸状面の一方から入射した光線は前記凹状光射出面方向に屈曲され、前記凸状面の他方から入射した光線は前記反射面方向へ屈曲されることを特徴とする請求項１に記載のプリズム。
3. 前記光入射面を形成する凸状面は、曲面であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のプリズム。
4. 前記第３光射出面は、曲率半径を有する凹状曲面であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のプリズム。
5. 前記第１光射出面は、曲率半径を有する凸状曲面であり、
   前記第２光射出面は、曲率半径を有する凸状曲面であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のプリズム。
6. 前記第１光射出面は、第１曲率半径の凸状曲面であり、
   前記第２光射出面は、第２曲率半径の凸状曲面であり、
   前記第３光射出面は、第１曲率半径及び第２曲率半径より小さい第３曲率半径の凹状曲面であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のプリズム。
7. 前記第１曲率半径及び前記第２曲率半径は等しいことを特徴とする請求項６に記載のプリズム。
8. 前記第１光射出面と、前記第２光射出面と、前記第３光射出面とに略対向する前記光入射面上の領域に、光拡散処理が施されていることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載のプリズム。
9. 前記第１光射出面と、前記第２光射出面と、前記第３光射出面とに略対向する前記光入射面上の領域に、光拡散板又は光拡散シートを配置したことを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載のプリズム。
10. 請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載のプリズムと、光源と、を備えることを特徴とする照明装置。