JP5313181B2 - Lighting device - Google Patents
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Description
本発明は、発光部からから出射された光をレンズで集光して所定の照射領域を照明する照明装置に関する。 The present invention relates to an illumination device that illuminates a predetermined irradiation area by collecting light emitted from a light emitting unit with a lens.
従来から、発光ダイオード(LED)を発光部として有する照明装置がある。LEDを有する照明装置には、シーリングライトやベースライト等、発光部から出射された光を拡散して照明するもの、ダウンライトやスポットライト等、光を集光して照明するもの、景観照明や街路灯等、拡散と集光を併用して照明するもの等がある。図14(a)(b)(c)に示されるように、拡散と集光を併用した照明装置101は、発光部103と平面視で長方形のレンズ104とを有する。レンズ104の幅方向(短辺方向)では、発光部103から出射された光がレンズ104によって集光され、レンズ104の長手方向(長辺方向)では、発光部103から出射された光がレンズ104によって集光されずに拡散する。なお、同図では、光が集光される方向をx方向、光が拡散する方向をy方向、光軸131の方向をz方向としている(以下の図でも同様)。レンズ104の長手方向(y方向)が有限長の直線状であるので、図15に示されるように、照明装置101の配光特性は、拡散方向(y方向)の角度が狭い。
Conventionally, there is an illumination device having a light emitting diode (LED) as a light emitting unit. Lighting devices having LEDs include those that diffuse and illuminate light emitted from the light emitting part such as ceiling lights and base lights, those that condense and illuminate light such as downlights and spotlights, landscape lighting, There are street lights that illuminate using both diffusion and light collection. As shown in FIGS. 14A, 14B, and 14C, an
拡散方向の角度を拡大した配光特性を有する照明装置として、図16(a)(b)(c)に示されるように、レンズ114の形状をyz平面において発光部103を中心とする半円弧状とした照明装置111がある。この照明装置111の配光特性は、図17に示されるように、拡散方向(y方向)の角度が比較的広い。しかしながら、上述したような照明装置111は、拡散方向における光軸131からの角度θ(以下、視野角という)が大きくなると、光度が低くなる。このような照明装置111は、景観照明器具に用いた場合、視野角が大きくなると照明装置111の点灯が見え難い。また、この照明装置111は、街路灯に用いた場合、照明装置111から距離が離れた場所では視野角が大きいので地面照度が低くなる。
As an illumination device having a light distribution characteristic in which the angle in the diffusion direction is enlarged, as shown in FIGS. 16A, 16B, and 16C, the shape of the
集光レンズと拡散レンズとを有し、視野角が大きい領域の光度を高くした照明光学系が知られている(例えば、特許文献1参照)。しかしながら、このような照明光学系を有する照明装置を景観照明器具に用いた場合、視野角が大きい領域では光度が高く、視野角が小さい領域では光度が低くなり、視野角によって光度が変化して美観が損なわれる。 An illumination optical system that includes a condensing lens and a diffusing lens and has a high luminous intensity in a region with a large viewing angle is known (for example, see Patent Document 1). However, when a lighting device having such an illumination optical system is used for a landscape lighting fixture, the luminous intensity is high in a region with a large viewing angle, the luminous intensity is low in a region with a small viewing angle, and the luminous intensity changes depending on the viewing angle. The beauty is impaired.
また、図18乃至図20示されるように、このような照明光学系を有する照明装置121を街路灯に用いた場合、照明装置121は、人Hの頭よりも高い位置に配置され、歩道や通路等に沿った方向(y方向)に長い照射領域に照明する。照明装置121を真下から見上げるたとき、視野角θは0であり、歩道等に沿って真下からy方向に離れるにつれて視野角θが大きくなる。照明装置121から照射面までの照射距離は、照射領域の遠端領域ほど遠い。また、視野角θが大きい(θ=θ3)照射面に対するビーム角αは、視野角θが小さい(θ=θ4)照射面に対するビーム角と比べ、同程度又はそれ以下である。このため、照射領域において、視野角θが大きい領域の集光方向(x方向)の幅W3が、視野角θが小さい領域の幅W4よりも広がってしまい、歩道等を一定の幅で照明することができない。
As shown in FIGS. 18 to 20, when the
本発明は、上記問題を解決するものであり、照明装置において、視野角が大きくなるにつれて光度が低下することを防ぐことを目的とする。 The present invention solves the above-described problem, and an object of the present invention is to prevent the luminous intensity from decreasing as the viewing angle increases in an illumination device.
上記目的を達成するために請求項1の発明は、取付基板と、前記取付基板に取り付けられ、該取付基板と略直交する光軸を有する発光部と、前記発光部から出射された光を配光制御するレンズと、を備えた照明装置であって、前記レンズは、前記光軸を含む面での断面形状、及び、前記面を視点軸周りに任意の視野角だけ回転させた面での断面形状が連続的に変化する凸レンズ形状であり、かつ、該凸レンズ形状のレンズ径は前記視野角が大きくなるにつれて増加するものである。
In order to achieve the above object, the invention of
請求項2の発明は、請求項1に記載の照明装置において、前記視野角をθ、視野角θにおける前記凸レンズ形状のレンズ径をd(θ)、焦点距離をf(θ)、kを正の定数とすると、前記凸レンズ形状は、下記式を満たすものである。
請求項3の発明は、請求項1に記載の照明装置において、視野角が所定の角度より小さいとき、前記凸レンズ形状の焦点距離を前記発光部から前記レンズまでの距離と異ならせ、かつ、前記凸レンズ形状のレンズ径を所望の光束が得られるように設定したものである。 According to a third aspect of the present invention, in the illumination device according to the first aspect, when the viewing angle is smaller than a predetermined angle, the focal length of the convex lens shape is different from the distance from the light emitting unit to the lens, and the The lens diameter of the convex lens shape is set so that a desired light beam can be obtained.
請求項1の発明によれば、視野角が大きくなるにつれて発光部から出射される光の光度が低下しても、凸レンズ形状のレンズ径の増加によって光度低下が補償されるので、照明装置から出射される光の光度が低下することを防ぐことができる。 According to the first aspect of the present invention, even if the luminous intensity of the light emitted from the light emitting portion decreases as the viewing angle increases, the decrease in luminous intensity is compensated by the increase in the lens diameter of the convex lens shape. It is possible to prevent the brightness of the emitted light from decreasing.
請求項2の発明によれば、レンズに入射する光束が視野角によらず一定となるので、照明装置から出射される光の光度が視野角によらず一定となる。 According to the second aspect of the present invention, since the light beam incident on the lens is constant regardless of the viewing angle, the luminous intensity of the light emitted from the illumination device is constant regardless of the viewing angle.
請求項3の発明によれば、視野角が小さいときレンズによる集光作用が弱くなるので、照射領域において、視野角が小さい領域の集光方向の幅を広げ、視野角が大きい領域の幅との差を低減することができる。
According to the invention of
(第1の実施形態)
本発明の第1の実施形態に係る照明装置を図1乃至図7を参照して説明する。図1乃至図3(a)(b)(c)(d)に示されるように、本実施形態の照明装置1は、取付基板2と、取付基板2に取り付けられた発光部3と、レンズ4とを有する。発光部3は、取付基板と略直交する光軸31を有する。レンズ4は、発光部3から出射された光を配光制御する。このレンズ4は、光軸31を含む面S(0)での断面形状、及び、面S(0)を視点軸32周りに任意の視野角θだけ回転させた面S(θ)での断面形状が連続的に変化する凸レンズ形状41である。その凸レンズ形状41のレンズ径d(θ)は視野角θが大きくなるにつれて増加する。視点軸32は、光軸31に直交し、発光部3の発光面33に接する。図において、光軸31方向をz方向、視点軸32方向をx方向とし、それらに直交する方向をy方向とした。レンズ4は、光軸31及び視点軸32を含む面について面対称である。なお、照明装置1は発光部3より前方の空間(z>0)に光を出射するので、視野角θは90°を超えない。
(First embodiment)
A lighting apparatus according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. As shown in FIGS. 1 to 3A, 3B, 3C, and 3D, the
取付基板2は、発光部3を取り付けるための基板であり、照明装置1外の電源に接続され、発光部3に電力を供給する。発光部3は、発光面33が完全拡散面で、かつ、高輝度な点に近い大きさで発光することが望ましく、例えば発光ダイオードから成る。有機ELは、完全拡散面で発光するが、発光部の面積が大きいので発光部3には適さない。
The attachment substrate 2 is a substrate for attaching the
レンズ4は、アクリル、ポリカーボネート等のプラスチックや、一般的な光学ガラス等の透明材料を成形したものである。レンズ4の凸レンズ形状41は、片凸のものを図示したが、両凸であってもよい。レンズ4における光が入射する入射面42は、平面視(yz面)で発光部3の発光面33を中心とする半径Rの円弧形状とされる。レンズ4は、例えば、金型を用いて射出成形により作成される。
The
取付基板2、発光部3、及びレンズ4は、適宜の構成によって固定される。照明装置1は、例えば有底無蓋の筺体(図示せず)を備え、取付基板2及び発光部3は、筺体の底部に配置され、レンズ4は、筺体の開口に設けられる。照明装置1は、視野角θを変えて配光計測を行い、各視野角θにおける光度値を比較することによって評価される。
The mounting substrate 2, the
上記のように構成された照明装置1において、発光部3から出射された光は、レンズ4に入射する。レンズ4に入射した光は、視点軸32方向(x方向)については凸レンズ形状41によって集光され、光軸31及び視点軸32に直交する方向(y方向)については集光されず、入射方向のまま拡散する。発光部3から出射されレンズ4に入射する光は、視野角θが大きくなるにつれて低下する。レンズ4において、光軸を含む面S(0)に対して視野角θをなして交差する面S(θ)における凸レンズ形状41は、視野角θが大きくなるにつれてレンズ径d(θ)が増加する。このため、視野角θが大きくなっても、発光部3からの光度の低下をレンズ径d(θ)の増加によって補償し、レンズ4に入射する光束を小さくすることなく、視野角θが大きくなるにつれて照明装置1から出射される光の光度が低下することを防ぐことができる。
In the
レンズ4による光度低下の補償について詳述する。図4(a)(b)(c)は、発光部3単体の配光特性を示し、(a)はxyz空間内の配光特性、(b)はyz面の配光特性、(c)はzx面の配光特性を表している。矢印Lで示す光の出射方向と光軸31とがなす角を、yz面で視野角θ、zx面で角度φとすると、その出射方向における光度I(θ,φ)(矢印Lの大きさ)は、ランベルトの余弦則により、次式で表される。
I(θ,φ)=Icosθcosφ
図5に示されるように、Icosθcosφは、最大値がIcosθであるコサインカーブの角度φにおける値である。
この光度I(θ,φ)の光が発光部3から出射され、レンズ4に入射される。
The compensation for the decrease in luminous intensity by the
I (θ, φ) = I cos θ cos φ
As shown in FIG. 5, I cos θ cos φ is a value at an angle φ of a cosine curve whose maximum value is I cos θ.
Light having this luminous intensity I (θ, φ) is emitted from the
照明装置1から出射される光の光度が視野角θによらず一定となる条件は、発光部3から出射されてレンズ4に入射する光束が視野角θによらず一定となることである。光束とは、ある面積を通過する放射束である。レンズ4の入射面において、視野角θ乃至θ+Δθ(Δθは微小増分)間の面積は、視野角θにおけるレンズ径d(θ)に比例し、d(θ)×Δθとなる。この面積を通過する光束は、面積d(θ)×Δθにおける光度I(θ,φ)の面積分である。レンズ4に入射する光束が視野角θによらず一定となる条件は、Δθが微小であるので、視野角θにおける光度I(θ,φ)をレンズ径d(θ)方向で積分した積分値が一定となることであると近似される。
The condition that the luminous intensity of the light emitted from the
レンズ4の視野角θ=θaにおけるジオメトリを図6に示す。視野角θ=θaにおいて、凸レンズ形状41のレンズ径はd(θ=θa)、焦点距離はf(θ=θa)である。発光部3からレンズ4の入射面42を臨む角度は+φa及び−φaである。視野角θ=θaにおけるレンズ4に入射される光の光度I(θ=θa,φ)は、下記式で表される。
I(θ=θa,φ)=Icosθacosφ
FIG. 6 shows the geometry of the
I (θ = θa, φ) = Icos θacosφ
視野角θ=θaにおけるレンズ4の入射角内[−φa,+φa]の光度I(θ=θa,φ)の積分値は、下記式のように求められる。
したがって、光度I(θ=θa,φ)の積分値が視野角θによらず一定となる条件は、kを正の定数として、下記式で表される。
ここで、sinφは、焦点距離f(θ)とレンズ径d(θ)により下記式で表される。
上記2式を展開してsinφを消去し、レンズ径d(θ)を求めると、下記式が得られる。
(第2の実施形態)
本発明の第2の実施形態に係る照明装置1を図8乃至図13を参照して説明する。本実施形態の照明装置1は、第1の実施形態と同様の構成を有し、視野角θが所定の角度より小さいとき、図8及び図9に示されるように、凸レンズ形状41の焦点距離f(θ)を発光部3からレンズ4までの距離Rと異ならせ(f(θ)>R又はf(θ)<R)、かつ、凸レンズ形状41のレンズ径d(θ)を所望の光束が得られるように設定した。視野角θが所定の角度以上のときは、図10に示されるように、凸レンズ形状41の焦点距離f(θ)を発光部3からレンズ4までの距離Rと同じに設定している(f(θ)=R)。所定の角度は、照明装置1の設置状況等に応じて適宜に定められる。図8及び図9は焦点距離f(θ)を変える場合を示しているが、発光部3からレンズ4までの距離Rを変えることによって、焦点距離f(θ)を距離Rと異ならせてもよい。レンズ径d(θ)は、例えば、第1の実施形態と同様に、レンズ4に入射する光束が視野角θによらず一定となるように設定される。
(Second Embodiment)
A
上記のように構成された照明装置1は、視野角が小さいときレンズ4による集光作用が弱くなる。このため、この照明装置1は、従来の照明装置の配光特性(図19参照)と比べると、図11に示されるように、視野角が小さいときのビーム角が大きくなってx方向に広がった配光特性を有する。図12に示されるように、視野角θが小さい(θ=θ1)照射面に対するビーム角α1は、視野角θが大きい(θ=θ2)照射面に対するビーム角α2と比べて大きくなる(α1>α2)。このため、照射領域において、視野角θが小さい領域の集光方向(x方向)の幅W1を広げ、視野角θが大きい領域の幅W2との差を低減することができる。レンズ4は、照射領域の集光方向の幅が視野角θによらず一定となるように焦点距離f(θ)を設定することが望ましい。照明装置1は、例えば、照射面の照度分布を計測し、その形状と均斉度により評価される。
The illuminating
この照明装置1を例えば街路灯に用いた場合、図13に示されるように、照射領域11において、視野角θが小さい(θ=θ1)領域の集光方向の幅W1と、視野角θが大きい(θ=θ2)領域の幅W2との差が低減され、歩道等を略一定の幅で照明することが可能となる。レンズ4は、照射領域11の集光方向の幅が視野角θによらず一定となるように焦点距離f(θ)を設定し、照射領域11の形状、すなわち照度分布形状を四角形とすることが望ましい。これにより、照射領域11において、視野角θが大きい領域の幅W2が、視野角θが小さい領域の幅W1よりも広がらず、必要な範囲だけに光を照射することができる。
When this illuminating
なお、本発明は、上記の実施形態の構成に限られず、発明の要旨を変更しない範囲で種々の変形が可能である。例えば、第1の実施形態の照明装置1は、景観照明器具に用いてもよく、これにより、視野角によって光度が変化することが防がれる。
In addition, this invention is not restricted to the structure of said embodiment, A various deformation | transformation is possible in the range which does not change the summary of invention. For example, you may use the illuminating
1 照明装置
2 取付基板
3 発光部
31 光軸
32 視点軸
4 レンズ
41 凸レンズ形状
d レンズ径
f 焦点距離
k 定数
S 面
θ 視野角
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記レンズは、前記光軸を含む面での断面形状、及び、前記面を視点軸周りに任意の視野角だけ回転させた面での断面形状が連続的に変化する凸レンズ形状であり、かつ、該凸レンズ形状のレンズ径は前記視野角が大きくなるにつれて増加することを特徴とする照明装置。 An illumination device comprising: a mounting substrate; a light emitting unit attached to the mounting substrate and having an optical axis substantially orthogonal to the mounting substrate; and a lens for controlling light distribution of light emitted from the light emitting unit. ,
The lens is a convex lens shape in which a cross-sectional shape on a surface including the optical axis, and a cross-sectional shape on a surface obtained by rotating the surface by an arbitrary viewing angle around a viewpoint axis, continuously change, and The illumination device characterized in that the lens diameter of the convex lens shape increases as the viewing angle increases.
前記凸レンズ形状は、下記式を満たすことを特徴とする請求項1に記載の照明装置。
The illumination device according to claim 1, wherein the convex lens shape satisfies the following formula.
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