JP5095000B1 - Led照明装置 - Google Patents

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    • F21Y2115/10Light-emitting diodes [LED]

Abstract

【課題】光取り出し効率を低下させずに、円環状に配置されたLEDからの光が眩しくならないように発光面積を広げることができ、かつ、光を集光させるスポット配光から、広い範囲を照らす広角配光まで、必要に応じてさまざまな配光を持つLED照明装置を提供する。
【解決手段】LED照明装置10は、円環状に配置されたLED22と、LED22の配置に対応させて円環状に形成されたレンズ30と、レンズ30の周囲を囲う反射体40とを備えている。レンズ30には、LED22から前方へ向かう光を外周方向へ全反射する突条第1面351および突条第1面351からの光を透過する突条第2面352と、LED22から内周方向へ向かう光を前方へ全反射する内周側第1面331と、内周側第1面331からの光を透過する内周側第2面332とが設けられている。反射体40は、突条第2面352からの光を前方へ反射する反射面が形成されている。
【選択図】図1

Description

本発明は、円環状に配置されたLEDと、このLEDに対応させて配置された円環状のレンズと、レンズ周囲を囲う反射体とを有するLED照明装置に関するものである。
従来のLED照明装置として、複数のLEDを一括して配光制御する配光光学系のレンズを、円環状に並べたLEDに対応させたものが知られている。
例えば、特許文献1には、底面の環状溝、外周側の内側面に入射された光を投光面側へ全反射させる全反射面、および内周側の内側面に入射された光を投光面側へ全反射させる全反射面を有する円環状レンズと、この円環状レンズの環状溝の周方向に所要の間隔をおいて配置された複数の発光ダイオード装置(LED)とを具備した発光ダイオード照明装置が記載されている。
特開2009−9926号公報
特許文献1に記載の発光ダイオード照明装置では、発光ダイオード装置(LED)からの光が、円環状のレンズの内周面および外周面に全反射して、レンズの前面から出射するため、レンズの前面が出射面となる。一方、照明装置の眩しさを緩和するには発光面積を広くする必要があるが、この円環状のレンズは、出射面であるレンズの前面の面積を広くすることで、発光面積を広くして眩しさを緩和させたくても、半径方向の断面がLEDを中心として内側方向(円環の中心側方向)と外側方向とで対称的に形成されているので、円環状に配置されたLEDの配置半径の2倍までしか広げることができない。
発光面積を増やすために、レンズの直径を大きくすると、必然的にLEDの配置半径も大きくなるので、周方向に並ぶLED同士の間隔(ピッチ)が広がってしまうため、粒々感が増し、眩しい灯具となってしまう。そうなると、対象物の影がそれぞれのLEDに対応して多重となりやすい。
対象物の影が多重にならないようにLEDの粒々感を消し、かつ発光面積を広げる方法として光を拡散させる透過拡散板を用いる方法があるが、透過拡散板は光の透過率が低いため、光取り出し効率が低下してしまうし、透過拡散板は配光を広げてしまうので、光を集光させるスポット配光が実現できない。
そこで本発明は、光取り出し効率を低下させずに、円環状に配置されたLEDからの光が眩しくならないように発光面積を広げることができ、かつ、光を集光させるスポット配光から、広い範囲を照らす広角配光まで、必要に応じてさまざまな配光を持つLED照明装置を提供することを目的とする。
本発明のLED照明装置は、円環状に配置されたLEDと、前記LEDの配置に対応させて円環状に形成されたレンズと、前記レンズの周囲を囲う反射体とを備え、前記レンズは、前記LEDから前方へ向かう光を外周方向へ全反射する突条第1面および前記突条第1面からの外周方向へ向かう光を透過する突条第2面が設けられた突条部と、前記LEDから内周方向へ向かう光を前方へ全反射する内周側第1面および前記内周側第1面から前方へ向かう光を透過する内周側第2面が設けられた内周部とを備え、前記反射体は、前記突条第2面から透過した光を前方へ反射する反射面を備えたことを特徴とする。
本発明のLED照明装置は、LEDから内周方向へ向かう光を前方へ全反射する内周側第1面と、内周側第1面から前方へ向かう光を透過する内周側第2面とが設けられた内周部がレンズに設けられているため、内周方向に向かう光を前方へ向かう光とすることができる。また、レンズには、LEDから前方へ向かう光を外周方向へ全反射する突条第1面と、突条第1面からの外周側へ向かう光を透過する突条第2面とが設けられた突条部が設けられているため、LEDからの光を前方だけでなく、外周方向へ広げることができる。突条第2面から透過して外周方向へ向かう光は、反射体により前方へ反射することができるので、LEDから離れた位置から前方へ光を配光させることができる。
この突条第1面と突条第2面とは突条部としてレンズに設けられているため、円環状に並べられたLEDの配置半径を変えずに、突出量を照明装置のサイズに応じて大きくすることで、反射体へ向けての照射範囲を広げることができる。
前記レンズは、前記LEDから外周方向へ向かう光を前方へ全反射する外周側第1面を備えているのが望ましい。外周側第1面が、LEDから外周方向へ向かう光を前方へ全反射することによりLEDからの光を無駄なく対象物への光とすることができる。
前記レンズが、前記外周側第1面から前方へ向かう光を透過する外周側第2面を備えていれば、外周側第1面から前方へ向かう光を透過するので、前方側の光量を増加させることができるので、反射体のサイズを小さくすることができる。
前記外周側第2面に、凹凸が形成されていれば、出射面にて光を広げて照射できるので、広角配光に適したレンズとすることができる。
前記突条第1面が、前記LEDから前方へ向かう光を外周方向へ全反射しつつ、前記外周側第1面からの光を外周方向へ全反射すると、LEDからの光と合わせて外周方向へ反射することにより、外周方向へ向かう光量、すなわち、反射体により反射する光量を増加させることができるので、光量に応じて反射体のサイズを大きくすれば、反射体により反射する発光面積を広くでき、眩しさを緩和することができる。
前記レンズが、前記LEDから外周方向へ向かう光を前記突条第2面へ向けて全反射する外周側第1面を備え、前記突条第2面が、前記突条第1面からの外周方向へ向かう光を透過しつつ、前記外周側第1面からの光を前方へ屈折させると、前方側の光量を増加させることができるので、反射体のサイズを小さくすることができる。
前記レンズが、前記LEDから外周方向へ向かう光を内周方向へ全反射する外周側第1面を備え、前記突条第1面が、前記LEDから前方へ向かう光を外周方向へ全反射しつつ、前記外周側第1面からの光を前方へ屈折させると、前方側の光量を増加させることができるので、反射体のサイズを小さくすることができる。
前記反射体は、反射面が鏡面とした平坦面に形成され、前記レンズからの光を前記レンズの中心軸と平行な光として反射すると、スポット配光に適した反射体とすることができる。
前記反射体は、反射面が前記レンズからの光を拡散反射すると、広角配光に適した反射体とすることができる。
前記反射体は、反射面全体が基端から先端にかけてレンズ側に膨らんだ鏡面の円弧面か、反射射面が出っ張った円弧面による凸部と窪んだ円弧面による凹部とが連続した微小な凹凸か、または反射射面が出っ張った円弧面による凸部が連続した微小な凹凸により形成されていると、反射面全体で扇状に広げて反射させたり、それぞれの凸部で扇状に広げて反射させたりすることができ、広角配光に適した反射体とすることができる。
前記突条第2面または前記内周側第2面のいずれか一方、または両方に、凹凸が形成されていると、出射面にて光を広げて照射できるので、広角配光に適したレンズとすることができる。
本発明は、透過拡散板を設けることなく発光面積を広くすることができ、光取り出し効率を低下させずに、円環状に配置されたLEDからの光が眩しくならないように発光面積を広げながら、光を集光させるスポット配光から、広い範囲を照射する広角配光まで、必要に応じたさまざまな照明装置とすることができる。
本発明の実施の形態1に係るLED照明装置の端面図であり、レンズの中心軸とLEDを含む仮想平面での光の進行を示す図である。 図1に示すLED照明装置のLED基板を示す平面図である。 図1に示すLED照明装置のレンズを示す図であり、(A)は背面側から見た斜視図、(B)は前方側から見た斜視図、(C)は背面図、(D)は正面図、(E)は側面図である。 本発明の実施の形態2に係るLED照明装置の端面図であり、レンズの中心軸とLEDを含む仮想平面での光の進行を示す図である。 図4に示すLED照明装置のレンズを示す図であり、(A)は背面側から見た斜視図、(B)は前方側から見た斜視図、(C)は背面図、(D)は正面図、(E)は側面図である。 本発明の実施の形態3に係るLED照明装置の端面図であり、レンズの中心軸とLEDを含む仮想平面での光の進行を示す図である。 図6に示すLED照明装置のレンズを示す図であり、(A)は背面側から見た斜視図、(B)は前方側から見た斜視図、(C)は背面図、(D)は正面図、(E)は側面図である。 本発明の実施の形態4に係るLED照明装置の端面図であり、レンズの中心軸とLEDを含む仮想平面での光の進行を示す図である。 図8に示すLED照明装置のレンズを示す図であり、(A)は背面側から見た斜視図、(B)は前方側から見た斜視図、(C)は背面図、(D)は正面図、(E)は側面図である。 本発明の実施の形態5に係るLED照明装置の端面図であり、レンズの中心軸とLEDを含む仮想平面での光の進行を示す図である。 図10に示すLED照明装置のレンズを示す図であり、(A)は背面側から見た斜視図、(B)は前方側から見た斜視図、(C)は背面図、(D)は正面図、(E)は側面図である。 本発明の実施の形態6に係るLED照明装置の端面図であり、レンズの中心軸とLEDを含む仮想平面での光の進行を示す図である。 図12に示すLED照明装置のレンズを示す図であり、(A)は背面側から見た斜視図、(B)は前方側から見た斜視図、(C)は背面図、(D)は正面図、(E)は側面図である。 本発明の実施の形態7に係るLED照明装置の端面図であり、レンズの中心軸とLEDを含む仮想平面での光の進行を示す図である。 図14に示すLED照明装置のレンズを示す図であり、(A)は背面側から見た斜視図、(B)は前方側から見た斜視図、(C)は背面図、(D)は正面図、(E)は側面図である。 本発明の実施の形態8に係るLED照明装置のレンズの端面図である。 図16に示すLED照明装置のレンズの配光を説明するための一部拡大端面図である。 本発明の実施の形態8に係る他のLED照明装置のレンズの端面図である。 図18に示すLED照明装置のレンズの配光を説明するための一部拡大端面図である。 本発明の実施の形態9に係るLED照明装置の反射体を示す端面図であり、(A)は出っ張った円弧面が連続した反射面を示す図、(B)は(A)の一部拡大図である。 本発明の実施の形態9に係るLED照明装置の反射体を示す端面図であり、レンズ側に膨らんだ円弧面に形成された反射面を示す図である。 本発明の実施の形態9に係るLED照明装置の反射体を示す端面図であり、拡散反射面が形成された反射面を示す図である。 光線追跡のシミュレーションにおけるLEDからの光の傾斜角度を説明するための図である。 図2に示すLED基板単体の配光曲線のシミュレーション結果を示す図である。 図2に示すLED基板単体をシミュレーションして得られた発光状態を画像化した図である。 実施例1において、LEDからの光が0°の場合の光線追跡のシミュレーション結果を示すLED照明装置を側面から見た図である。 実施例1において、LEDからの光が15°の場合の光線追跡のシミュレーション結果を示す図であり、(A)はLED照明装置を側面から見た図、(B)はLED照明装置を正面から見た図である。 実施例1において、LEDからの光が30°の場合の光線追跡のシミュレーション結果を示す図であり、(A)はLED照明装置を側面から見た図、(B)はLED照明装置を正面から見た図である。 実施例1において、LEDからの光が45°の場合の光線追跡のシミュレーション結果を示す図であり、(A)はLED照明装置を側面から見た図、(B)はLED照明装置を正面から見た図である。 実施例1において、LEDからの光が60°の場合の光線追跡のシミュレーション結果を示す図であり、(A)はLED照明装置を側面から見た図、(B)はLED照明装置を正面から見た図である。 実施例1において、LEDからの光が90°の場合の光線追跡のシミュレーション結果を示す図であり、(A)はLED照明装置を側面から見た図、(B)はLED照明装置を正面から見た図である。 実施例1において、配光曲線のシミュレーション結果を示す図である。 実施例1において、シミュレーションして得られた発光状態を画像化した図である。 実施例2において、光線追跡のシミュレーション結果を示すLED照明装置を側面から見た図である。 実施例3において、光線追跡のシミュレーション結果を示すLED照明装置を側面から見た図である。 実施例4において、光線追跡のシミュレーション結果を示すLED照明装置を側面から見た図である。 実施例5において、光線追跡のシミュレーション結果を示すLED照明装置を側面から見た図である。 実施例6において、光線追跡のシミュレーション結果を示すLED照明装置を側面から見た図である。 実施例7において、光線追跡のシミュレーション結果を示すLED照明装置を側面から見た図である。 実施例2において、配光曲線のシミュレーション結果を示す図である。 実施例3において、配光曲線のシミュレーション結果を示す図である。 実施例4において、配光曲線のシミュレーション結果を示す図である。 実施例5において、配光曲線のシミュレーション結果を示す図である。 実施例6において、配光曲線のシミュレーション結果に示す図である。 実施例7において、配光曲線のシミュレーション結果に示す図である。 実施例8において、光線追跡のシミュレーション結果を示すLED照明装置を側面から見た図である。 実施例8において、配光曲線のシミュレーション結果を示す図である。 実施例9における光線追跡のシミュレーション結果を示すLED照明装置を側面から見た図である。 実施例9において、配光曲線のシミュレーション結果を示す図である。
本実施の形態に係るLED照明装置を図面に基づいて説明する。なお、本明細書では、LED照明装置を基準に光が照射される対象物への方向を前方、LEDからLEDの配置中心に向かう方向を内周方向、反対方向であるLEDから外側に向かう方向を外周方向と称する。また、図面においては、主要な部品構成のみを図示しており、LEDを点灯させるための電源部、壁面や天井に取り付けたり、吊り下げたりするための取付金具等は図示していない。
(実施の形態1)
まず、本発明の実施の形態1に係るLED照明装置を図1から図3に基づいて説明する。図1に示すLED照明装置10は、LED基板20と、レンズ30と、反射体40とを主要な構成としている。
LED基板20は、図2に示すように、円盤状に形成されたベース基板21にLED22が円環状に配置されたものである。
ベース基板21には、LED22を直列接続するための配線パターン211が設けられている。また、ベース基板21の中心には、ねじ止用の貫通孔212が設けられている。
LED22は、この貫通孔212を中心とした円周上に、所定間隔ごとに配置されている。本実施の形態では、ベース基板21に12個のLEDが30°ごとに配置されている。
図3(A)から同図(E)に示すレンズ30は、透光性樹脂により中心軸O(図1参照)を円の中心とした略円環状に成形され、LED22(図1参照)からの光を前方または外側方向へ配光するものである。
レンズ30には、中央部に、ねじを挿通させるためのガイド孔311が設けられている。レンズ30には、LED22からの光が進入する入射面と、レンズ30内を進行した光が出射する出射面および反射して進行方向を変更させる全反射面が設けられている。
まず、入射面であるが、レンズ30には、LED22を配置するための溝312が設けられており、入射面を構成している。この溝312は、内周側の壁面である入射第1面321と、外周側の壁面である入射第2面322と、LED22側に膨らむ底面となる入射第3面323とから構成されている。
次に、出射面および全反射面を説明する。
LED22が配置される位置(溝312の位置)を基準にしてレンズ30の内周側には、内周側の壁面である入射第1面321の基端から中心に向かって傾斜する内周側第1面331と、中心軸Oと直交する仮想面と平行となる内周側第2面332とによる内周部33が設けられている。
レンズ30の外周側には、前方へ向かうに従って中心軸Oからの距離が徐々に短くなり、かつ外周方向に膨らむ円弧面により形成された外周側第1面341による外周部34が設けられている。また、レンズ30の内周側と外周側との間の中央部には、突条第1面351と突条第2面352とにより稜線が円形状となり、内周側第2面332より前方に位置する突条部35が設けられている。
図1に示す反射体40は、カップ状に形成され、レンズ30からの光を反射するものである。反射体40は、LED基板20が配置され、ねじ止めされる貫通孔が形成された平板状の底部401と、前方へ向かうに従って徐々に開口面積が広くなるように形成された周壁部402と、反射体40の開口縁部に設けられたバッフル部403とを備えている。周壁部402は、内周面を鏡面とした反射面が形成されている。
バッフル部403は、リング状の凹凸を持ち、黒色または白色塗装されている。バッフル部403は、黒色塗装されていれば、光を反射させず吸収し、白色塗装されていれば、光を拡散反射させることができる。
以上のように構成された本発明の実施の形態1に係るLED照明装置の配光について、図1に基づいて詳細に説明する。
LED22から内周方向へ向かう光は、入射第1面321よりレンズ30に入射して、内周側第1面331へ進行する。内周側第1面331は、LED22からの光を中心軸Oと平行な光に全反射するように形成されているため、LED22からの光は内周側第1面331にて全反射して前方へ向かう光となる。内周側第1面331により全反射した光は内周側第2面332をそのまま透過して前方へ向かう。このように、内周部33は、LED22から内周方向へ向かう光を前方へ向かう中心軸Oと平行な光とすることができる。
LED22から外周方向へ向かう光は、入射第2面322よりレンズ30に入射して、外周側第1面341を透過する際に屈折して照射範囲を広げ、反射体40へ向かう光となる。反射体40では、外周側第1面341からの光を中心軸Oと平行な光に反射するように形成されているため、外周側第1面341からの光は周壁部402にて反射して前方へ向かう光となる。このように、外周部34は、LED22から外周方向へ向かう光を前方へ向かう中心軸Oと平行な光とすることができる。
LED22から前方へ向かう光は、入射第3面323によりレンズ30に入射して、突条第1面351へ進行する。突条第1面351は、外周側第1面341を透過した光が到達する反射体40の位置より遠い位置へ、かつ範囲を広げて照射するように、LED22からの光を外周方向へ向けて全反射するように形成されている。従って、LED22からの光は突条第1面351にて全反射して外周方向へ向かう光となる。突条第1面351により全反射した光は突条第2面352をそのまま透過して反射体40へ向かう。
反射体40では、突条第2面352からの光を中心軸Oと平行な光に反射するように形成されているため、突条第2面352からの光は周壁部402にて反射して前方へ向かう光となる。このように、突条部35は、LED22から前方へ向かう光をLED22から離れた位置から前方へ光を配光させることができる。
以上のように本実施の形態1に係るLED照明装置10のレンズ30は、LED22からの光を前方だけでなく、外周方向へ広げることができる。この外周方向へ向かう光は、反射体40により前方へ反射することができるので、LED22から離れた位置から前方へ光を配光させることができる。また、レンズ30に突条第1面351と突条第2面352とが突条部35として、前方に突出させて設けられているため、円環状に並べられたLED22の配置半径rを変えずに、突出量を照明装置のサイズに応じて大きくすることで、透過拡散板などを用いることなく、反射体40へ向けての照射範囲を広げることができる。
また、反射体40は、中心軸Oに平行な光に反射しておりスポット配光に適している。
このように、LED照明装置10は、光取り出し効率を低下させずに、円環状に配置されたLED22からの光が眩しくならないように発光面積を広げることができ、かつ、光を集光させるスポット配光を持つ照明装置とすることができる。
更に、突条第2面352から透過して反射体40へ向かう光は、外周側第1面341から透過して反射体40へ向かう光より反射体40の遠い位置に到達することで、反射面上で重ならないようにすることができる。従って、反射体40の傾斜角度を設計するに当たり、それぞれ光が到達する位置で検討することができるため、反射体40の設計を容易とすることができる。
(実施の形態2)
本発明の実施の形態2に係るLED照明装置を図4および図5に基づいて説明する。なお、図4および図5においては、図1から図3と同じ構成のものは同符号を付して説明を省略する。
図4および図5に示すLED照明装置11のレンズ30aは、外周部34aの外周側第1面341aが、前方へ向かうに従って中心軸Oからの距離が徐々に長くなり、かつ外周方向に膨らむ円弧面により形成されている。この外周側第1面341aにより、LED22から入射第2面322に入射した光を、全反射して前方へ向かう光とすることができる。
また、外周部34aに、中心軸Oと直交する仮想面と平行となる外周側第2面342aが設けられていることにより、外周側第2面342aは外周側第1面341aから前方へ向かう光をそのまま透過させることができる。
外周部34aにLED22からの光を全反射する外周側第1面341aが設けられたことにより、反射体41の底部411は底板の周縁に周壁が立設された円形トレイ状とすることができ、周壁部402は底部411の周壁の先部から設けられている。
このように、レンズ30aの外周部34aに、全反射する外周側第1面341aと、そのまま透過させる外周側第2面342aとを設けることで、LED22から外周方向へ向かう光をレンズ30a内で前方へ向かう光とすることができる。また、反射体41の周壁部402は、突条第2面352からの光を反射させるだけでよいので、反射体41をコンパクトに形成することができる。
LED基板20には、配線パターン211(図2参照)の両端に接続され、LED22へ電源を供給するためのコネクタ23が、レンズ30aの外周側第1面341aの側方となる位置に設けられている。しかし、レンズ20aの外周側第1面341aは全反射面であるため、コネクタ23をLED22が配置されているベース基板21の実装面側に実装していても、コネクタ23が配光に影響を与えることない。従って、コネクタ23だけでなく、他の電気部品なども、レンズ30aの外周側第1面341の側方となる位置であれば、ベース基板21の実装面側に実装することができる。
(実施の形態3)
本発明の実施の形態3に係るLED照明装置を図6および図7に基づいて説明する。なお、図6および図7においては、図1から図5と同じ構成のものは同符号を付して説明を省略する。
図6および図7に示すLED照明装置12のレンズ30bは、外周部34aの外周側第1面341aの最外周端より、突条部35の突条第2面352が外周側に位置していることで、外周側第1面341aにより全反射した前方へ向かう光が突条部35内を進行するようにしている。従って、外周側第1面341aにより全反射した光は、突条第1面351に全反射して外周方向へ向かう光となる。
このように、突条第1面351がLED22から前方へ向かう光と共に、外周側第1面341aが全反射した光を全反射して、外周方向へ反射するので、外周方向へ向かう光量、すなわち、反射体41により反射する光量を増加させることができる。従って、光量に応じて反射体41のサイズを大きくすれば、反射体41により反射する発光面積を広くでき、眩しさを緩和することができる。
また、突条第1面351の基側(内周側)にてLED22から前方へ向かう光を全反射し、突条第1面351の先側(外周側)にて外周側第1面341aが全反射した光を全反射しているので、反射体41のそれぞれ違う範囲を重ならず照射することができる。従って、反射体41の傾斜角度を設計するに当たり、それぞれ光が到達する位置で検討することができるため、反射体41の設計を容易とすることができる。
(実施の形態4)
本発明の実施の形態4に係るLED照明装置を図8および図9に基づいて説明する。なお、図8および図9においては、図1から図7と同じ構成のものは同符号を付して説明を省略する。
図8および図9に示すLED照明装置13のレンズ30cは、外周部34bの外周側第1面341bが、透過面と全反射面とから形成されている。また、反射体42の底部421の周壁は、反射面として機能させるために、前方へ向かうに従って徐々に開口面積が広くなるような傾斜面に形成されており、この底部421の周壁の先端から開口度合いが広くなった周壁部402が設けられている。
LED22から外周方向へ向かう光は入射第2面322から入射し、外周側第1面341bへ到達する。このとき、外周側第1面341bでは、LED22から外周方向へ向かう光の中でも、外周側第1面341bの基端から中間位置まで(透過面3411)の光(LED22の側方からやや前方に向けた光)を透過し、中間位置から先側の光を全反射している。
外周側第1面341bの透過面3411を透過した光は、突条第1面351からの光より反射体42の底部421の周壁で反射されることで、周壁部402により反射する突条第1面351からの光と照射範囲が重ならずに、前方へ向かう光となる。従って、反射体42の傾斜角度を設計するに当たり、それぞれ光が到達する位置で検討することができるため、反射体42の設計を容易とすることができる。
また、反射体42の周壁部402は、突条第2面352からの光を反射させるだけでよいので、反射体42のサイズを図1に示す反射体40よりコンパクトに形成することができる。
(実施の形態5)
本発明の実施の形態5に係るLED照明装置を図10および図11に基づいて説明する。なお、図10および図11においては、図1から図9と同じ構成のものは同符号を付して説明を省略する。
図10および図11に示すLED照明装置14のレンズ30dには、外周側第1面341bが全反射した光を透過する外周側第2面342bが突条部35aの先端に設けられている。この外周側第2面342bの幅を、外周側第1面341bが全反射する照射範囲以上とすることで、外周側第1面341bが全反射した前方へ向かう光を、そのまま前方へ出射することができる。
このようにレンズ30dが形成されていることで、外周側第1面341bが全反射した光を、外周側第2面342bを透過させて前方へ向かわせることができ、反射体42の周壁部402は、突条第2面352からの光を反射させるだけでよいので、反射体42のサイズを図1に示す反射体40よりコンパクトに形成することができる。また、外周側第2面342bから前方へ向かう光を、内周側第2面332と反射体42との間から光らせることができる。
(実施の形態6)
本発明の実施の形態6に係るLED照明装置を図12および図13に基づいて説明する。なお、図12および図13においては、図1から図11と同じ構成のものは同符号を付して説明を省略する。
図12および図13に示すLED照明装置15のレンズ30eは、突条第2面352aへ向けて全反射する外周部34cの外周側第1面341cと、突条第1面351からの外周方向へ向かう光を透過しつつ、外周側第1面341cからの光を前方へ屈折させる突条部35bの突条第2面352aとを備えている。そして、レンズ30eでは、LED22からの光を、前方に位置する突条第1面351だけでなく、外周方向へ向けて進行させるために、入射第3面323aが内周側から外周側へ向かうに従って徐々にLED22と入射第3面323aと間の隙間が狭くなるように形成されている。
このようにレンズ30eが形成されていることで、外周側第1面341cが全反射した光を突条第2面352aから前方へ向かわせることができ、反射体41の周壁部402は、突条第1面351で全反射し、突条第2面352aから透過した光を反射させるだけでよいので、前方側の光量を増加させることができると共に、反射体41のサイズを図1に示す反射体40よりコンパクトに形成することができる。
(実施の形態7)
本発明の実施の形態7に係るLED照明装置を図14および図15に基づいて説明する。なお、図14および図15においては、図1から図13と同じ構成のものは同符号を付して説明を省略する。
図14および図15に示すLED照明装置16のレンズ30fは、LED22から外周方向へ向かう光を内周方向へ全反射する外周部34dの外周側第1面341dと、LED22から前方へ向かう光を外周方向へ全反射しつつ、外周側第1面341dからの光を前方へ屈折させる突条部35cの突条第1面351aとを備えている。
このようにレンズ30fが形成されていることで、外周側第1面341dが全反射した内周方向への光を突条第1面351aから前方へ向かわせることができ、反射体40の周壁部402は、突条第2面352からの光を反射させるだけでよいので、前方側の光量を増加させることができると共に、反射体40のサイズを図1に示す反射体40よりコンパクトに形成することができる。
(実施の形態8)
本発明の実施の形態8に係るLED照明装置を図16から図19に基づいて説明する。なお、図16から図19においては、図10および図11と同じ構成のものは同符号を付して説明を省略する。
図16に示すLED照明装置のレンズ30gは、図10に示す実施の形態5に係るレンズ30dの突条第2面352と、内周側第2面332と、外周側第2面342bと、外周側第1面341bの透過面3411との全ての出射面に、凹凸を形成したものである。
レンズ30gの突条第2面352bと内周側第2面332aと外周側第2面342cと外周側第1面341bの透過面3412とには、出っ張った円弧面による凸部と窪んだ円弧面による凹部とが連続した微小な凹凸が形成されている。このような凹凸を形成することで、図16および図17に示すように、出射面にて光を広げて照射できるので、レンズ30gを広角配光に適したものとすることができる。
また、図18に示すLED照明装置のレンズ30hも、図10に示す実施の形態5に係るレンズ30dの突条第2面352と、内周側第2面332と、外周側第2面342bと、外周側第1面341bの透過面3411との全ての出射面に、凹凸を形成したものである。
このレンズ30hでは、突条第2面352cと内周側第2面332bと外周側第2面342dと外周側第1面341bの透過面3412とには、出っ張った円弧面による凸部が連続した微小な凹凸が形成されている。このような凹凸としても、図18および図19に示すように、出射面にて光を広げて照射できるので、レンズ30hを広角配光に適したものとすることができる。
特に、レンズ30hの突条第2面352cと内周側第2面332bと外周側第1面341bの透過面3412の凹凸面は、図16に示すレンズ30gの突条第2面352bと内周側第2面332aと外周側第1面341bの透過面3412の凹凸面と比較して、凸部のピッチを細かく形成できるため、より効果的に出射光を広げて照射することができる。
(実施の形態9)
本発明の実施の形態9に係るLED照明装置を図20から図22に基づいて説明する。なお、図20から図22においては、図1から図19と同じ構成のものは同符号を付して説明を省略する。
実施の形態1〜7に係るLED照明装置10〜16は、鏡面とした平坦面の反射体40〜42の反射面によりレンズからの光を中心軸Oと平行な光として鏡面反射するものであるが、図20から図22に示すLED照明装置の反射体43〜45は、レンズ30jからの光を広げた光として反射するものである。
また、レンズ30jの各出射面(突条第2面352c,内周側第2面332b)には出っ張った円弧面による凸部が連続した微小な凹凸が形成されている。
図20(A)および同図(B)に示す反射体43の周壁部432は、反射面に凹凸を設けたものである。この凹凸は、鏡面の出っ張った円弧面による微小な凸部が連続して形成されている。レンズ30jの出射面に微小な凹凸が形成されていることで、突条第2面352cからの光を、出射面にて光を広げて照射でき、更に反射体43の周壁部432の反射面のそれぞれの凸部で扇状に広げて反射させることができる。また、内周側第2面332bからの光を、広がった光として対象物を直接照射することができる。これらにより広角配光を持つ照明装置とすることができる。また、この反射体43の反射面の凹凸は、鏡面の出っ張った円弧面による凸部と窪んだ円弧面による凹部とが連続した微小な凹凸としてもよい。
図21に示す反射体44の周壁部442は、反射面全体が基端から先端にかけてレンズ30j側に膨らんだ鏡面の円弧面により形成されている。この周壁部442の反射面により、レンズ30jの突条第2面352からの光を、反射面全体で扇状に広げて反射させることができる。また、内周側第2面332bからの光を、広がった光として対象物を直接照射することができ、これらにより広角配光を持つ照明装置とすることができる。
図22に示す反射体45の周壁部452は、反射面を拡散反射面としたものである。例えば、反射性の白色塗料を塗布したり、ブラスト処理して梨地面としたりすることができる。この周壁部452の反射面により、レンズ30jの突条第2面352cからの光を、乱反射させることで、拡散反射させることができ、広角配光を持つ照明装置とすることができる。
このように、反射体を、図20から図22に示す反射体43〜45のように、反射面を凹凸面としたり、反射面全体を円弧面としたり、反射面を拡散反射面としたりすることができるが、実施の形態1〜7に係る反射体においても、反射体40〜42の代わりに、反射面を凹凸面としたり、反射面全体を円弧面としたり、反射面を拡散反射面としたりした反射体43〜45とすることができる。また、反射体41〜45の開口度合いを大きくすれば、広角配光に対応させることができる。
実施の形態1〜9に係るLED照明装置について、光線追跡のシミュレーションを行った。シミュレーションは、図23に示すようにレンズ30の中心軸OとLED22とを結ぶ仮想直線Lを基準として、この仮想直線Lとの傾斜角度が0°,15°,30°,45°,60°,90°にて、LED22からの光が、どのような軌跡を描くかを追跡したものである。
また、実施の形態1〜9に係るLED照明装置について、配光曲線のシミュレーションも行った。ここで配光曲線とは、光束1000lmの光源を使用した場合における、光軸からの角度とその角度方向の光度をプロットしたものである。また、実施の形態1に係るLED照明装置10については、発光状態の画像化のシミュレーションも行った。
シミュレーションは、発明者がC言語で開発した自作のコンピュータープログラムを使用した。このプログラムは光源の位置をデータに持ち、その光源から任意の方向に光線を飛ばせるよう、光線に方向ベクトルが与えられている。レンズや反射体は、透過屈折、または鏡面反射の特性を持つ面として定義されており、反射や屈折のシミュレーションが可能なように、面上のすべての点で、法線ベクトルが算出可能にモデル化されている。
レンズおよび反射体の形状については、レンズまたは反射体を所定位置で切断したときの切断面である端面図での各位置を座標で指定して入力し、回転体としてモデル化している。なお、光線追跡のシミュレーションにおいては、LED22は点光源として周囲に均等に出射するものとしてシミュレーションを行っている。
プログラムは、まず、光線を指定の方向に伸ばし、モデル化されたレンズまたは反射体の面に衝突するかを計算で確認する。光線が衝突しなければ、計算を終了し、次の光線のシミュレーション計算に移る。光線が衝突すれば、衝突地点の位置座標と衝突地点の面の法線ベクトルを計算する。更に光線が衝突した面が、レンズか反射体かを識別し、反射体なら、光線の方向ベクトルと衝突地点の法線ベクトルから、反射した光線の方向ベクトルを計算する。この反射は鏡面反射なので、衝突した光線の入射角と反射する光線の出射角が等しくなるように計算される。また、光線が衝突した面がレンズであれば、光線の方向ベクトルと衝突地点の法線ベクトルとから、スネルの法則に従い、屈折後の光線の方向ベクトルを計算する。この計算後の方向ベクトルを光線の衝突地点の座標から新たな光線の方向として伸ばしていき、再度衝突判定が行われる。光線が衝突した場合には、衝突地点と衝突後の新たな方向ベクトルが計算される。
光線がレンズに衝突した場合は、レンズに入射するのか、それともレンズから出射されるのかも正しく判定する。レンズから出射される場合には臨界角チェックも行い、レンズ面に臨界角を超えて光線が衝突した場合には全反射するようになっている。こうして、光線がレンズにも反射体にも衝突しなくなるまで繰り返し計算することで光線追跡シミュレーションを行うことができる。
また、このプログラムには、このような追跡結果データをランダムに数多く集積し、統計処理するモンテカルロ法の処理ルーチンが組み込まれている。そのため、LED光源をモデル化し、実際のLEDの配光に合わせたランダム光線を数多く追跡計算し、最終出射光線の方向をモンテカルロ法で統計処理することで、配光曲線のシミュレーションが可能である。
配光曲線のシミュレーションにおいては、LED22を実際のLEDに極力近づけるため、点光源ではなく、微小な面積を持たせ、また、実際の配置に置いてモデル化している。具体的には、2.6mm×1.0mmの微小面積を持つ光源を、図2のLED22の位置に12個配置している。
モンテカルロ法においては、乱数にて、ランダムに12個のLEDモデルのうち1個を選び、そのLEDモデルの2.6mm×1.0mmの微小面積内を、0.2mm角で13個×5個に分割し、その中の一つを、同じく乱数にてランダムに1個選び、その座標を光源座標とする。光線の方向については実際のLED配光特性に合わせた上でのランダムな方向を、これも乱数で与えている。こうした統計処理をランダムな光線を4,194,304(2の22乗)本で行うことで、配光曲線を計算した。
図24は、こうしてモデル化した図2のLED基板単体での配光曲線のシミュレーション結果で、正円状に前方にのみ配光される一般にランバート分布と呼ばれる配光結果が得られている。
また、このプログラムに組み込まれたモンテカルロ法のルーチンは、配光曲線だけでなく、モデル化された照明装置を正面から見たとき、どのように見えるか、つまり照明装置の発光状態を画像化する処理も具備している。
図25は図2のLED基板単体の発光状態をシミュレーションにより画像化したものである。12個のLEDがほぼ点光源として発光している画像が得られるが、LEDの粒々感がはっきり感じられ、発光面積も非常に小さく眩しいものとなっているのがわかる。
(実施例1)
実施例1では、実施の形態1に係るLED照明装置10(図1参照)について、光線追跡のシミュレーションを行った。シミュレーション結果を図26から図31に示す。
図26に示す「0°」では、図1に示す軌跡と同じものが得られた。図27(A)および同図(B)に示す「15°」では、図1に示す軌跡より広がりのある軌跡となっているが、ずれは微小である。突条第1面351により全反射して突条第2面352から出射した光は、反射体40の反射面へ扇状に広がりながら進行している。
図28(A)および同図(B)に示す「30°」では、「0°」の場合と比較して、ずれが大きくなるが、外周方向への光のずれは小さい。突条第1面351により全反射して突条第2面352から出射した光は、扇状に広がって反射体40へ到達するが、内周方向へ向かう一部の光は、透過面である突条第2面352で全反射して大きくずれ、最終的に反射体40の周壁部402の反射面で反射している。
図29(A)および同図(B)に示す「45°」では、「0°」の場合と比較して、ずれが更に大きくなるが、外周方向への光のずれは小さい。突条第1面351により全反射して突条第2面352から出射した光は、扇状に広がって反射体40へ到達する。内周方向への光の一部は、透過面である突条第2面352で全反射し、以後、レンズ30内で全反射を繰り返し、最終的にはレンズ30外へ出射して反射体40の周壁部402の反射面で反射し、ごく一部はバッフル部403に到達している。
図30(A)および同図(B)に示す「60°」では、LED22から内周方向へ向かう光が、入射面第1面321から入射しなくなっている。突条第1面351により全反射して突条第2面352から出射した光は、扇状に広がって反射板40へ到達する。一部の光は、突条第1面351に到達せず、そのまま外周方向の透過面である突条第2面352で屈折されて出射し、「0°」の場合よりずれた軌跡を通るが、バッフル部403に到達している。
図31(A)および同図(B)に示す「90°」では、LED22から内周方向へ向かう光が、入射面第1面321から入射しなくなっている。突条第1面351では、全反射して突条第2面352から出射して「60°」の場合より、更に大きい扇状に広がって反射体40に到達する光と、そのまま突条第1面351を透過して、反射体40に到達する光となっている。
仮想直線Lとの傾斜角度が45°〜60°の光の軌跡(光線)の中には、ずれが大きくなり反射体40へ到達しないものがあり、スポット配光を乱してしまう。この光線をバッフル部403でカットすることにより良好なスポット配光を保つことができる。
また、実施の形態1に係るLED照明装置10(図1参照)について、配光曲線のシミュレーションを行った。シミュレーション結果を図32に示す。図32を見て判るとおり、非常に細長い鋭い配光曲線であり、軸上光度は14000cdに達し、良好なスポット配光を形成することが示されている。
また、実施の形態1に係るLED照明装置10(図1参照)について、発光状態を画像化するシミュレーションを行った。シミュレーション結果を図33に示す。図33に示すシミュレーション結果と、図25に示す12個のLEDを配置したLED基板単体のシミュレーション結果とを比較して判るとおり、反射体により発光面積が広く大幅に増加している。また、レンズの発光面に僅かにLEDの粒々感が残るが、反射体の発光はほぼ均一で、LEDの粒々感はほとんど感じられない。
(実施例2から実施例7)
実施例2から7では、実施の形態2から7に係るLED照明装置11〜16(図4,図6,図8,図10,図12,図14参照)について、光線追跡のシミュレーションを行った。光線追跡のシミュレーション結果を、図34から図39に示す。なお、これらのシミュレーションは、図23に示す仮想直線Lとの傾斜角度が0°のものである。
図34から図39に示すシミュレーション結果から、LED照明装置11〜16の軌跡と同様の軌跡が得られたことがわかる。
また、実施の形態2から7に係るLED照明装置11〜16(図4,図6,図8,図10,図12,図14参照)について、配光曲線のシミュレーションを行った。配光曲線のシミュレーション結果を、図40から図45に示す。
実施の形態3に係るLED照明装置12の配光曲線のシミュレーション結果である図41は、実施の形態1に係るLED照明装置10のシミュレーション結果である図32と同様のスポット配光が得られており、その他は、スポット配光の程度に差はあるが、いずれも細長いきれいな配光曲線で、軸上光度も図24の10倍以上になっており、良好なスポット配光が得られている。
(実施例8)
実施例8では、実施の形態8に係るLED照明装置について、光線追跡のシミュレーションを行った。レンズとしては図16に示すレンズ30gをモデル化し、反射体としては図10に示す実施の形態5に係るLED照明装置の反射体42をモデル化して使用している。光線追跡のシミュレーション結果を、図46に示す。なお、これらのシミュレーションは、図23に示す仮想直線Lとの傾斜角度が0°のものである。
図46に示す光線追跡のシミュレーション結果から、レンズ30g(図17参照)の出射面に形成された凹凸により光が広がって出射されており、反射体42(図10参照)により反射された光も広がっているのがわかる。
また、実施の形態8に係るLED照明装置の配光曲線のシミュレーションを行った。配光曲線のシミュレーション結果を図47に示す。図47では、軸上光度は1900cdとLED基板(図2参照)単体での配光曲線のシミュレーション結果(図24参照)の6倍程度で、スポット配光から少し広がった配光が得られているのがわかる。
(実施例9)
実施例9では、実施の形態9に係るLED照明装置についてシミュレーションを行った。レンズと反射体は図20に示すものをモデル化して使用した。光線追跡のシミュレーション結果を、図48に示す。なお、これらのシミュレーションは、図23に示す仮想直線Lとの傾斜角度が0°のものである。
図48に示す光線追跡のシミュレーション結果から、レンズ出射面に形成された凹凸により光が広がって出射されており、反射体により反射された光は、反射体表面に形成された凹凸で更に広がって反射されているのがわかる。
また、実施の形態9に係るLED照明装置の配光曲線のシミュレーションを行った。シミュレーション結果を図49に示す。軸上光度は1400cdとLED基板(図2参照)単体での配光曲線のシミュレーション結果(図24参照)の4.4倍程度で、スポット配光から広がった広角配光が得られているのがわかる。
本発明は、円環状に配置されたLEDと、このLEDに対応させて配置された円環状のレンズと、レンズ周囲を囲う反射体とを有するダウンライトやペンダント、スポットライトなどのLED照明装置に好適である。
10〜16 LED照明装置
20 LED基板
21 ベース基板
211 配線パターン
212 貫通孔
22 LED
23 コネクタ
30,30a〜30j レンズ
311 ガイド孔
312 溝
321 入射第1面
322 入射第2面
323,323a 入射第3面
33 内周部
331 内周側第1面
332,332a,332b 内周側第2面
34,34a〜34d 外周部
341,341a〜341d 外周側第1面
3411,3412 透過面
342a〜342d 外周側第2面
35,35a〜35c 突条部
351,351a 突条第1面
352,352a〜352c 突条第2面
40〜45 反射体
401,411,421 底部
402,432,442,452 周壁部
403 バッフル部
O 中心軸
r 配置半径

Claims (11)

  1. 円環状に配置されたLEDと、前記LEDの配置に対応させて円環状に形成されたレンズと、前記レンズの周囲を囲う反射体とを備え、
    前記レンズは、
    前記LEDから前方へ向かう光を外周方向へ全反射する突条第1面および前記突条第1面からの外周方向へ向かう光を透過する突条第2面が設けられた突条部と、
    前記LEDから内周方向へ向かう光を前方へ全反射する内周側第1面および前記内周側第1面から前方へ向かう光を透過する内周側第2面が設けられた内周部とを備え、
    前記反射体は、前記突条第2面から透過した光を前方へ反射する反射面を備えたことを特徴とするLED照明装置。
  2. 前記レンズは、前記LEDから外周方向へ向かう光を前方へ全反射する外周側第1面を備えた請求項1記載のLED照明装置。
  3. 前記レンズは、前記外周側第1面から前方へ向かう光を透過する外周側第2面を備えた請求項2記載のLED照明装置。
  4. 前記外周側第2面に、凹凸が形成されている請求項3記載のLED照明装置。
  5. 前記突条第1面は、前記LEDから前方へ向かう光を外周方向へ全反射しつつ、前記外周側第1面からの光を外周方向へ全反射する請求項2記載のLED照明装置。
  6. 前記レンズは、前記LEDから外周方向へ向かう光を前記突条第2面へ向けて全反射する外周側第1面を備え、
    前記突条第2面は、前記突条第1面からの外周方向へ向かう光を透過しつつ、前記外周側第1面からの光を前方へ屈折させる請求項1記載のLED照明装置。
  7. 前記レンズは、前記LEDから外周方向へ向かう光を内周方向へ全反射する外周側第1面を備え、
    前記突条第1面は、前記LEDから前方へ向かう光を外周方向へ全反射しつつ、前記外周側第1面からの光を前方へ屈折させる請求項1記載のLED照明装置。
  8. 前記反射体は、反射面が鏡面とした平坦面に形成され、前記レンズからの光を前記レンズの中心軸と平行な光として反射する請求項1から7のいずれかの項に記載のLED照明装置。
  9. 前記反射体は、反射面が前記レンズからの光を拡散反射する請求項1から7のいずれかの項に記載のLED照明装置。
  10. 前記反射体は、反射面全体が基端から先端にかけてレンズ側に膨らんだ鏡面の円弧面か、反射射面が出っ張った円弧面による凸部と窪んだ円弧面による凹部とが連続した微小な凹凸か、または反射射面が出っ張った円弧面による凸部が連続した微小な凹凸により形成されている請求項1から7のいずれかの項に記載のLED照明装置。
  11. 前記突条第2面または前記内周側第2面のいずれか一方、または両方に、凹凸が形成されている請求項1から10のいずれかの項に記載のLED照明装置。
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