JP6097166B2 - 光束制御部材、発光装置および照明装置 - Google Patents

光束制御部材、発光装置および照明装置 Download PDF

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Description

本発明は、発光素子から出射された光の配光を制御する光束制御部材に関する。また、本発明は、前記光束制御部材を有する発光装置、および前記発光装置を有する照明装置に関する。
近年、省エネルギーの観点から、照明用の光源として、蛍光灯やハロゲンランプなどに代わり、発光ダイオード(以下「LED」という)が使用されるようになってきている。このようなLEDを光源とする発光装置は、用途によっては被照射面の直上ではなく、被照射面に対して斜めに配置されることがある。
たとえば、屋内に設置した栽培棚を使用して植物を栽培する場合、棚板に対して斜めに発光装置を配置して、棚板の上に配置された植物を照らすことがある。このように発光装置を平面状の被照射面に対して斜めに配置する場合、発光装置としてLEDをそのまま使用すると、LEDから出射される光の多くは被照射面に向かわない不要光となってしまうため、被照射面を効率的に照らすことができない。また、作業者の目に不要光が入るため、作業者が作業しにくくなる。上記問題を解消する手段としては、LEDから出射された光の配光を制御するレンズをLEDと組み合わせて使用することが考えられる(例えば、特許文献1参照)。
特許文献1には、平面状の被照射面と、被照射面に平行な直線上に一列に配置された複数のLEDと、複数のLEDを覆う1つの複合レンズとを有する照明装置が記載されている。特許文献1の照明装置では、LEDの発光面および複合レンズの出射面がいずれも被照射面に対して垂直になるように、複数のLEDおよび複合レンズが配置されている。LEDの配列方向に直交する方向の複合レンズの断面形状は、複合レンズのどの点においても同じである。また、複合レンズの入射領域(LEDと対向する領域)の形状は、LEDの光軸を通り、かつLEDの配列方向に平行な平面に対して非対称である。このように、特許文献1に記載の照明装置は、複合レンズの形状が被照射面側と反被照射面側とで非対称であるため、被照射面の直上に配置されていなくても、被照射面をある程度均一に照らすことができる。
特開2008−153154号公報
一方、当該照明装置は、照明装置の構造上の理由や被照射物の性質などの理由により、発光装置を被照射面に対して上記の垂直の位置関係に配置できない場合がある。この場合、発光装置は、被照射面に対して斜めに配置されることがある。特許文献1の照明装置を被照射面に対して斜めに配置した場合では、被照射面の光源近傍の部分が明るくなり過ぎ、かつ被照射面の光源から遠い部分の明るさが不十分となるおそれがある。
本発明の目的は、被照射面に対して斜めに配置されている場合に、被照射面のより遠くに光を出射することが可能であるとともに、被照射面に光を均一に照射することが可能な光束制御部材を提供することである。また、本発明の目的は、当該光束制御部材を有する発光装置および照明装置を提供することである。
本発明の光束制御部材は、発光素子から出射された光の配光を制御する光束制御部材であって、前記発光素子から出射された光を入射させる入射領域と、前記入射領域から入射した光を出射させる出射領域と、を有し、前記入射領域は、平面視形状がそれぞれ扇形である、第一レンズ領域と第二レンズ領域とを含み、前記第一レンズ領域は、前記発光素子から出射された光の一部を入射させる第一傾斜面および前記第一傾斜面から入射した光を前記出射領域に向けて反射させる第二傾斜面を有する、平面視形状が弧状の突起を含み、前記第二レンズ領域は、前記発光素子から出射された光の他の一部を入射させ、入射した光を前記出射領域に向かわせ、前記第一レンズ領域の前記扇形および前記第二レンズ領域の前記扇形のそれぞれの半径の交点を通り、前記入射領域を平面視する方向に平行な直線を前記光束制御部材の中心軸とし、前記中心軸を含み前記突起の弧の中心を通る第一平面で前記突起を一箇所で切断したときの断面を第一断面とし、前記中心軸を含み前記第一平面と交わる第二平面で前記突起を切断したときの断面を第二断面とし、前記第一断面において、前記中心軸に平行な直線によって分けられた前記突起の頂角のうち、前記直線に対して前記第一傾斜面がなす角をθ11、前記第二傾斜面がなす角をθ12とし、前記第二断面において、前記直線によって分けられた前記突起の頂角のうち、前記直線に対して前記第一傾斜面がなす角をθ21、前記第二傾斜面がなす角をθ22としたときに、前記θ11の角度および前記θ21の角度は、いずれも、0°よりも大きく、前記θ12の角度は、前記θ22の角度よりも大きい。
本発明の発光装置は、上記の光束制御部材と、発光素子とを有し、前記発光素子の光軸は、前記中心軸と一致する。
本発明の照明装置は、上記の発光装置と、平面状の被照射面と、を有し、前記発光装置は、前記発光素子の光軸と前記被照射面とが鋭角に交わり、かつ前記第一レンズ領域よりも前記第二レンズ領域が前記被照射面に近くなるように配置されている。
本発明の光束制御部材は、被照射面に対して斜めに配置されている場合に、発光素子から入射した光を、出射領域から被照射面のより遠くに、均一に出射することができる。また、本発明の発光装置は、被照射面に対して斜めに配置されている場合に、被照射面を、より遠くまで、均一に照らすことができる。さらに、本発明の照明装置は、被照射面のより遠くに光を出射することができ、かつ、被照射面に光を均一に照射することができる。
図1Aは、本発明の一実施形態の照明装置の構成を模式的に示す図であり、図1Bは、上記照明装置の平面視したときの構成を模式的に示す図である。 本発明の一実施形態の発光装置の構成を示す図である。 図3Aは、本発明の一実施形態の光束制御部材の平面図であり、図3Bは、上記光束制御部材の底面図であり、図3Cは、上記光束制御部材の、図3BのC−C線に沿っての断面を示す図であり、図3Dは、上記光束制御部材の、図3BのD−D線に沿っての断面を示す図であり、図3Eは、上記光束制御部材の、図3BのE−E線に沿っての断面を示す図である。 図4Aは、図3Cの破線部を拡大して示す図であり、図4Bは、本実施形態の光束制御部材の、図3BのD−D線に沿っての断面を拡大して示す図であり、図4Cは、本実施形態の光束制御部材の、図3BのE−E線に沿っての断面を拡大して示す図である。 本実施形態の発光装置の出射方向の照度を相対強度で示すグラフである。 図6Aは、本実施形態の照明装置における、片側に配置された発光装置の出射光の光路を模式的に示す図であり、図6Bは、上記照明装置における、両側に配置された発光装置の出射光の光路を模式的に示す図である。 図7Aは、本実施形態の照明装置の、発光装置の高さがh1となる位置の被照射面の照度分布を示す図であり、図7Bは、本実施形態の照明装置の、発光装置の高さがh2となる位置の被照射面の照度分布を示す図である。 図8Aは、比較用光束制御部材の平面図であり、図8Bは、上記光束制御部材の底面図であり、図8Cは、上記光束制御部材の、図8BのC−C線に沿っての断面を示す図であり、図8Dは、上記光束制御部材の、図8BのD−D線に沿っての断面を示す図である。 比較用発光装置の出射方向の照度を相対強度で示すグラフである。 図10Aは、比較用の照明装置の、発光装置を高さがh1となる位置の被照射面の照度分布を示す図であり、図10Bは、比較用の照明装置の、発光装置を高さがh2となる位置の被照射面の照度分布を示す図である。 図11Aは、本実施形態の照明装置および比較用照明装置における、発光装置を高さh1に配置したときの被照射面の、発光装置の対向方向の照度分布を示す図であり、図11Bは、本実施形態の照明装置および比較用照明装置における、発光装置を高さh2に配置したときの被照射面の、発光装置の対向方向の照度分布を示す図である。 図12Aは、本発明の実施形態に含まれる照明装置における、第一レンズ領域の傾きが異なる発光装置のそれぞれの高さをh1としたときの被照射面の、発光装置の対向方向の照度分布を示す図であり、図12Bは、本発明の実施形態に含まれる照明装置における、第一レンズ領域の傾きが異なる発光装置のそれぞれの高さをh2としたときの被照射面の、発光装置の対向方向の照度分布を示す図である。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図1は、本実施の形態における照明装置190の構成を示す図である。図1Aは、照明装置190の側面図であり、図1Bは、照明装置190の平面図である。図1に示されるように、照明装置190は、複数の発光装置100と、平面状の被照射面192とを有する。発光装置100は、光束制御部材160および不図示の発光素子を含む。
発光装置100は、被照射面192の一対の辺の直上に、一列に配置されている。当該列には、六個の発光装置100が配置されている。各列の発光装置100は、等間隔で配置されている。なお、発光装置100が配列する方向をX方向とし、発光装置100が対向する方向をY方向とする。
各発光装置100は、被照射面192から所定の高さとなるように、かつ被照射面192および発光素子(図2中の符号140)の光軸LAが角度θ(例えば45°)で交わるように、基板120によって支持される。各発光装置100の被照射面192からの高さは、自在に調整可能である。なお、被照射面192と、光軸LAとが交わる角度θは、特に限定されず、0°超かつ90°未満であって、被照射面192の照度の均一性が高くなるような角度に調整される。
図2は、発光装置100の断面図である。図2では、発光装置100が基板120上に固定されている様子を図示している。
図2に示されるように、発光装置100は、発光素子140と、光束制御部材160とを有する。発光素子140は、例えば白色発光ダイオードなどの発光ダイオード(LED)である。光束制御部材160は、発光素子140から出射された光の配光を制御する。光束制御部材160は、発光素子140に対して、発光素子140の光軸LAが光束制御部材160の中心軸CAと一致するように、配置される。
図3および図4は、本実施の形態における光束制御部材160の構成を示す図である。図3Aは、光束制御部材160の平面図であり、図3Bは、光束制御部材160の底面図である。図3Cは、図3BにおけるC−C線に沿っての光束制御部材160の断面図であり、図3Dは、図3BにおけるD−D線に沿っての光束制御部材160の断面図であり、図3Eは、図3BにおけるE−E線に沿っての光束制御部材160の断面図である。図4Aは、図3Cの破線部を拡大して示す図であり、図4Bは、光束制御部材160の、D−D線に沿っての断面を拡大して示す図であり、図4Cは、光束制御部材160の、E−E線に沿っての断面を拡大して示す図である。
図3および図4に示されるように、光束制御部材160は、発光素子140から出射された光を入射させる入射領域162と、入射領域162の反対側に位置し、入射領域162から入射した光を出射させる出射領域164と、入射領域162および出射領域164を位置決めする筒部166とを有する。
光束制御部材160は、有底の円筒のような形状をしている。底板に相当する円形の板状部の一方の面(円筒の内部に対向する面)が入射領域162であり、他方の面が出射領域164である。筒部166の形状は、略円筒形状である。筒部166は、上記板状部を入射領域162側から支持している。
光束制御部材160は、一体成形により形成されている。光束制御部材160の材料は、所望の波長の光を通過させるものであれば特に限定されない。たとえば、光束制御部材160の材料は、ポリメタクリル酸メチル(PMMA)やポリカーボネート(PC)、エポキシ樹脂(EP)などの光透過性樹脂、またはガラスである。
入射領域162は、発光素子140から出射された光の一部を光束制御部材160に入射させる領域である。入射領域162は、発光装置100において発光素子140と対向する光束制御部材160の対向部(出射領域164の反対側に位置する)に形成される。
光束制御部材160の中心軸CAは、光束制御部材160の幾何学的な中心軸である。たとえば、本実施形態における中心軸CAは、入射領域162の平面視形状(円形)の中心を通り、また、筒部166の中心軸でもある。
入射領域162は、第一レンズ領域10および第二レンズ領域50を含む。第一レンズ領域10および第二レンズ領域50の平面視形状は、それぞれ扇形である。中心軸CAは、光束制御部材160の平面視形状の正投影面に直交し、前記扇形の二辺の交点を通る直線である。すなわち、中心軸CAは、第一レンズ領域10の上記扇形および第二レンズ領域50の上記扇形のそれぞれの半径の交点を通り、入射領域162を平面視する方向に平行な直線である。本実施の形態において、第一レンズ領域10の平面視形状における扇形の中心角は、220°である。第二レンズ領域50の平面視形状における扇形の中心角は、140°である。
第一レンズ領域10は、平面視形状が弧状の複数の第一突起172を含む。第一突起172のそれぞれは、発光素子140から出射された光の一部を入射させる第一傾斜面174と、第一傾斜面174から入射した光を出射領域164に向けて反射させる第二傾斜面176とを有する。
ここで、図3Cおよび図4Aに示される、光束制御部材160の図3BのC−C線に沿う断面を第一断面とする。第一断面は、中心軸CAおよび第一突起172の弧の中央を含む。また、図3Dおよび図4Bに示される、光束制御部材160の図3BのD−D線に沿う断面を第二断面(I)とする。第二断面(I)は、中心軸CAを含みC−C線に直交する。第一断面および第二断面(I)は、中心軸CAを含み、互いに直交する。さらに、図3Eおよび図4Cに示される、光束制御部材160の図3EのE−E線に沿う断面を第二断面(II)とする。第二断面(II)は、中心軸CAを含みC−C線とで交わる。第二断面(II)とC−C線との交差角度は45°である。第一断面および第二断面(II)は、中心軸CAを含み、互いに45°で交わる。第二断面(I)および第二断面(II)も、中心軸CAを含み、互いに45°で交わる。
また、図4Aに示されるように、上記第一断面において、第一突起172の頂角を、θ11およびθ12の二つの角に、中心軸CAに平行な直線Lによって分ける。θ11は、直線Lに対して第一傾斜面174がなす角であり、θ12は、直線Lに対して第二傾斜面176がなす角である。また、図4Bに示されるように、上記第二断面(I)において、第一突起172の頂角を、θ21およびθ22の二つの角に、中心軸CAに平行な直線Lによって分ける。さらに、図4Cに示されるように、上記第二断面(II)においても同様に、第一突起172の頂角を、θ21およびθ22の二つの角に、中心軸CAに平行な直線Lによって分ける。上記第二断面(II)においても、θ21は、直線Lに対して第一傾斜面174がなす角であり、θ22は、直線Lに対して第二傾斜面176がなす角である。
このとき、θ11の角度およびθ21の角度は、いずれも、0°よりも大きい。たとえば、θ11の角度は2°であり、第二断面(II)におけるθ21の角度は5°であり、第二断面(I)におけるθ21の角度は14°である。また、θ12の角度は、θ22の角度よりも大きい。たとえば、θ12の角度は44°であり、第二断面(II)におけるθ22の角度は41°であり、第一断面(I)におけるθ22の角度は32°である。なお、第一突起172の湾曲する方向において、第一突起172の頂角の角度は、一定である。すなわち、θ11とθ12の和は、θ21とθ22の和に等しい。
また、第一傾斜面174と第二傾斜面176との間には、稜線178が形成されている。稜線178は、図4Aに示されるように、上記第二断面(I)に沿って見たときに互いに平行であり、かつ、中心軸CAに直交する直線Lに対して斜めである。たとえば、上記第一断面を示す図4Aにおいて、直線Lに対して稜線178がなす角θの角度は10°である。
さらに、第一レンズ領域10は、第一突起172よりも上記扇形における中心側に、第一屈折部173を含む。第一屈折部173の形状は、第二レンズ領域50側に中心軸が10°傾いている略円錐体を、当該略円錐体の頂点を残して第二レンズ領域50の上記扇形で鉛直方向に切り欠いた形状である。したがって、平面視したときに、第一屈折部173の頂点175は、第一屈折部173内にある。すなわち、頂点175は、中心軸CA上になく、第一レンズ領域10の扇形の二辺の交点とは一致しない。
また、頂点175は、上記第一断面に含まれている。このように、第一レンズ領域10は、平面上に屈折部および当該屈折部を囲む反射型フレネルレンズ部を備える光束制御部材(以後、「プレ光束制御部」とも言う)を、あたかも、10°傾け、かつ、当該プレ光束制御部の上記屈折部の頂点が平面視したときに当該プレ光束制御部内に残るように、第二レンズ領域50の上記扇形で鉛直方向に切り欠いたような構造を有している。プレ光束制御部の屈折部および反射型フレネルレンズ部が形成される上記の平面は、プレ光束制御部の平面視形状を図示するための正投影面に平行な面である。たとえば、当該平面は、有底の円筒容器の内底面上に上記プレ光束制御部を配置して、光束制御部材160のごとき構造物を構築したときの、上記内底面に該当する。
したがって、第一レンズ領域10の第一突起172の平面視形状(弧)の曲率中心は、頂点175を通る前述した略円錐体の中心軸にあり、平面視したときに第一レンズ領域10内にある。このように、第一レンズ領域10の第一突起172および第一屈折部173は、いずれも、水平面、例えば、出射領域164、に対して斜めに配置されており、第一突起172の稜線178も水平面に対して斜めとなるように形成されている。
第二レンズ領域50は、発光素子140から出射された光の他の一部を入射させ、入射した光を出射領域164に、例えば反射などにより、向かわせる。本実施の形態では、第二レンズ領域50は、平面視形状が弧状の複数の第二突起182を含む。第二突起182は、発光素子140から出射された光の他の一部を入射させる第三傾斜面184と、第三傾斜面から入射した光を出射領域164に向けて反射させる第四傾斜面186とを有する。
第二突起182の平面視形状は、いずれも、中心軸CAを第二突起182の平面視形状の曲率中心とする円弧状である。上記第二断面(I)を示す図3Dおよび図4Bにおいて、いずれの第二突起182の稜線も、水平な直線である。各第二突起182の底辺は、それぞれ、当該底辺のいずれの位置においても、当該底辺から出射領域164までの距離が一定である。このように、第二レンズ領域50の第二突起182は、水平面、例えば、出射領域164、に対して平行に、当該水平面上に配置されており、第二突起182の稜線も、当該水平面上に位置している。
第二レンズ領域50は、第二突起182よりも上記扇形における中心側に、第二屈折部183をさらに含む。第二屈折部183の形状は、円錐を、その頂点から中心軸に沿って、第一レンズ領域10における扇形で切り欠いた形状である。そして上記円錐の上記中心軸は、中心軸CAに一致する。このように、第二レンズ領域50の第二突起182および第二屈折部183は、いずれも、水平面、例えば、出射領域164、に対して平行に配置されている。
第一屈折部173と第二屈折部183は、入射領域162の中心部で合体している。上記合体した屈折部は、一体的に成形されている。当該屈折部の表面の形状は、特に限定されず、平面、球面または非球面を含んでいてもよい。また、上記合体した屈折部は、屈折型フレネルレンズであってもよい。
出射領域164は、入射領域162から入射した光を出射させる領域である。出射領域164は、発光素子140とは反対側の、被照射面側に形成された平面である。本実施の形態において、出射領域164は、発光素子140の光軸LAと直交するように形成されている。
筒部166は、光束制御部材160を発光素子140に対して位置決めする部材である。本実施の形態では、筒部166は、入射領域162および出射領域164が形成される、光制御機能を有する部分と一体に形成されている。筒部166は、光束制御部材160の外周部に位置し、略円筒形状に形成されている。筒部166は、入射領域162および出射領域164が形成された円形の板状部を支持すると共に、入射領域162に入射しなかった発光素子140からの光を外部に透過させる。筒部166の下端部には、基板120に対する設置面積を広くするフランジ部167が設けられている(図3参照)。フランジ部167は、筒部166の一端から径方向に延在した環状板である。
フランジ部167は、三つのボス168を有している。ボス168は、フランジ部167の平面から突出する円柱体であり、フランジ部167の外周に沿って、C−C線上の二点と、D−D線上の一点の計三箇所に配置されている。このように、ボス168は、D−D線上では非対称に配置されている。ボス168は、光束制御部材160を発光素子140に対して設置する際に、第二レンズ領域50を被照射面192側に配置するなど、特定の向きに光束制御部材160を迷わずに設置することを可能としている。
[光束制御部材の光学特性]
光束制御部材160は、基本的には、斜めに配置されたときに、より遠方に光を出射するために、第一レンズ領域10および第二レンズ領域50に入射した光を、出射領域164から、光軸LAよりも第一レンズ領域10側に出射するように構成されている。
特に、前述したように、第一レンズ領域10は、第一突起172および第一屈折部173を有する。第一突起172は、発光素子140から出射された光の一部を光束制御部材160内に入射させ、入射した光を出射領域164に向けて反射させる。
光束制御部材160の上記第一断面を示す図4Aにおいて、第一突起172は、例えば、前述したプレ光束制御部の反射型フレネルレンズ部を第二レンズ領域50側に10°の角度で傾けられた状態で配置されている。よって、第一傾斜面174の傾斜角は、より垂直に近くなる(θ11はより小さくなる)。このため、第一断面に沿う方向(図3BのC−C線に沿う方向)では、第一傾斜面174には、光軸LAに対してより大きな角度で発光素子140から出射した光も入射しやすい。また、第一断面に沿う方向では、第二傾斜面176の傾斜角は、より水平に近くなる(θ12はより大きくなる)。このため、第一傾斜面174から入射した光は、第二傾斜面176においてより大きな反射角で反射する。その結果、出射領域164から、光軸LAに対してより大きな角度で出射される。このように、第一突起172は、第一断面に沿う方向では、発光素子140の出射光をより一層入射させやすく、かつ光軸LAに対してより一層大きな出射角で出射領域164から出射させている。これは、傾けて配置されたプレ光束制御部の反射型フレネルレンズ部に特徴的な効果である。
一方、上記第二断面(I)では、第一突起172は、プレ光束制御部を第二レンズ領域50側に10°の角度で傾けたときの反射型フレネルレンズ部に相当するが、プレ光束制御部が傾けられる前の反射型フレネルレンズ部に近い状態で配置される。これは、第二断面(I)が、プレ光束制御部を10°傾ける際の回転軸に平行であり、かつ第二断面(I)から当該回転軸までの距離が近いので、プレ光束制御部を傾けたことによる第一傾斜面174の傾斜角θ21および第二傾斜面の傾斜角θ22の角度変化の影響が小さいためである。よって、第一突起172は、上記反射型フレネルレンズ部として通常設計されるように、第一傾斜面174からの入射光を第二傾斜面176で反射させ、光軸LAに対する所望の角度で出射領域164から出射させる。これは、通常のように水平に配置されたプレ光束制御部の反射型フレネルレンズ部による効果と同等である。
さらに、第一屈折部173は、平面視したときにその頂点175を含む。したがって、光束制御部材160は、発光素子140に対して正対するプレ光束制御部の屈折部の中心を含む大部分を、第二レンズ領域50側に10°の角度で傾いているものの、含む。このため、第一屈折部173には、光軸LAに沿ってまたは光軸LAに対して小さな角度で発光素子140から出射された光の多くが入射する。そして、第一屈折部173に入射した光は、第一屈折部173の設計された光学特性によって、出射領域164から、光軸LAに対して所望の大きな角度で出射される。これは、傾けられたプレ光束制御部の屈折部の特定の配置に特徴的な効果である。
第一レンズ領域10は、上記回転軸近傍の第一突起172が示す通常の水平配置のプレ光束制御部に近い光学特性から、上記回転軸から離れた第一突起172(例えば第一断面における第一突起172)が示す傾けられたプレ光束制御部の光学特性までの種々の光学特性を、連続的に呈する。このような特殊な光学特性を呈する第一レンズ領域10は、平面視された光束制御部材160において、本実施の形態では第二レンズ領域50より広い面積を占めている。このため、第二断面(I)の方向においては光を広げすぎず、第一断面において遠方に向けて出射する光の出射量を多くすることが可能になり、後述する照明装置190において、被照射面192を十分な照度で均一に照らすことができる、と考えられる。
[変形例]
光束制御部材160は、前述した光学特性を有する範囲において、前述した構成要件を適宜に設定することが可能である。
たとえば、第一レンズ領域10の平面視形状(扇形)の中心角は、プレ光束制御部の傾斜角度や発光装置100の配列のピッチなどによって決められる。当該中心角が小さすぎると、発光装置100から遠方の被照射面192において十分な照度を得られないことがあり、当該中心角が大きすぎると、第一断面における第一突起172の高さをより大きくすることが可能になるが、第一突起172の両端部およびその近傍の部分を光束制御に十分な大きさにすることができないことがあり、出射領域164からの光の出射方向の適切な制御が難しくなることがある。このような観点から、少なくとも第一レンズ領域10の中心角は30°以上300°以内であることが好ましい。
また、本実施の形態では、第一レンズ領域10の形状および第二レンズ領域50の形状は、いずれも、中心軸CAおよびC−C線を含む平面(「第一平面」とも言う)に対して面対称の形状である。光束制御部材160の出射領域164は、中心軸CAに直交する平面(すなわち、当該第一平面に対して面対称)であるため、光束制御部材160は、第一平面に対して対称な光束を出射する。光束制御部材160では、上記第一平面で二分した出射光束の集光具合や出射量のバランスを変えるために、第一レンズ領域10の形状および第二レンズ領域50の形状の少なくとも一方が、上記第一平面に対して非対称な形状であってもよい。
また、第一レンズ領域10における第一突起172の数は、光束制御部材160に要求されるサイズ(径サイズや厚みなど)によって光束制御機能を発揮するのに十分な数に決められる。第一突起172の数が少なすぎると、光束制御部材160の要求される厚みを満たすことができず、第一突起172の数が多すぎると、製造が困難になり、第一突起172を精度よく形成することができない。また、第一レンズ領域10では、発光素子140の出射光に対する集光効率の観点から、第一突起172は、大きいほど外側に配置される。第二レンズ領域50における第二突起182の数も、第一突起172と同じ理由による最適値に決められる。また、第二突起182も、大きいほど外側に配置される。
また、第一突起172における第一傾斜面174の傾斜角度(第一断面であればθ11)は、生産性の観点から、0°より大きい角度であることがより好ましい。当該傾斜角度が0°より小さいとアンダーカット部が形成され、成形時に製品の金型からの取出しが困難になり、当該傾斜角度が大きすぎると、第一傾斜面174からの入射光を第二傾斜面176へ向かわせることができない。複数の第一突起172において、上記傾斜角度θ11およびθ21は、同一であってもよいし、異なっていてもよい。
また、第一突起172における第二傾斜面176の傾斜角度(第一断面であればθ12)は、第一傾斜面174からの入射光を所期の方向へ全反射させることができる範囲から決められる。複数の第一突起172において、上記傾斜角度θ12およびθ22は、同一であってもよいし、異なっていてもよい。
また、光束制御部材160の第二断面(I)における、第一突起172や第二突起182などの上記突起で形成される部分(以下、「第二断面(I)における反射フレネル」とも言う)の形状は、発光装置100の配列方向における発光装置100間の距離(ピッチ)によって決められる。すなわち、発光装置100のピッチによって、発光装置100一灯当たりに求められる光束制御部材160の集光能力が設定される。これに合わせて、例えば、第一レンズ領域10の扇形の中心角度が、所期の集光能力を発揮できる角度に決められる。上記第二断面(I)における反射フレネルは、上記実施の形態のように第一レンズ領域10で構成してもよく、プレ光束制御部の傾斜に影響されない第二レンズ領域50で構成してもよく、さらに第一レンズ領域10および第二レンズ領域50とは別の第三レンズ領域で構成してもよい。
第一レンズ領域10の上記第二断面(I)における反射フレネルでは、第一断面における第一突起172が被照射面192において発光装置100から離れた位置を照射するに適当な角度となるまでプレ光束制御部が傾けられたとしても、傾斜させる際の回転軸に近い位置であれば、上記第二断面(I)における反射フレネルの形状は、プレ光束制御部での設計値から大きく変化することはない。また、上記第二断面(I)における反射フレネルが第二レンズ領域50で構成される場合には、被照射面192における発光装置100の近傍(例えば、発光装置100の直下)の明るさや、発光装置100一灯当たりに求められる光束制御部材160の横方向(上記配列方向)への集光度合(隣接する発光装置100による被照射領域との干渉度合)が考慮されて、当該部分の形状が決められる。上記第二断面(I)における反射フレネルが第三レンズ領域で構成される場合には、発光装置100一灯当たりに求められる光束制御部材160の上記横方向への集光度合が主に考慮されて、当該部分の形状が決められる。この場合、光束制御部材160の設計の自由度がさらに高まる。
また、第一突起172におけるθの角度(第一突起172の稜線178が直線Lに対してなす角度)は、上記集光効率の観点から、3〜30°であることが好ましく、6〜15°であることがより好ましい。θの角度が小さすぎると、出射領域164からの光の出射角度が小さくなり、被照射面192における遠方の照度が低下することがあり、θの角度が大きすぎると、出射領域164から出射される光の光軸LAに対する出射角度が大きくなるため被照射面192に向かう光が減少し、被照射面192における所期の照度が得られないことがある。複数の第一突起172において、θは、同一であってもよいし、異なっていてもよい。
また、例えば、第一断面における第二突起182の形状は、被照射面192における発光装置100近傍を効率的に照らすように従来知られている反射フレネルの形状として適当な形状に設計される。複数の第二突起182において、第三傾斜面184の傾斜角度および第四傾斜面186の傾斜角度は、いずれも、同一であってもよいし、異なっていてもよい。
また、出射領域164は、平らな面であってもよいし、入射領域162によって制御された配光を大きく崩すことなく被照射面192の照度ムラを小さくするために、粗面化された面であってもよい。粗面化された出射領域164の表面粗さは、十点平均粗さRzJIS、算術平均粗さRaおよび最大高さ粗さRz(いずれもJIS B0601:2013に規定される粗さパラメータ)などで規定することができる。たとえば、被照射領域の外形を崩さない程度の出射領域164の十点平均粗さRzJISは、3μm以下が好ましく、かつ適度な拡散効果を得るためには1μm以上が好ましい。
なお、本実施の形態では、前述したように、第二レンズ領域50は、第一レンズ領域10と同様に、突起182によって、発光素子140から出射された光の他の一部を入射させ、入射した光を出射領域164に向けて反射させる手段とされている。第二レンズ領域50は、発光素子140から出射された光の他の一部を、反射以外の別の方法、例えば屈折、によって出射領域164に向ける手段であってもよい。
また、光束制御部材160は、前述した光学特性を有する範囲において、さらなる構成要件を含んでいてもよい。
たとえば、各第一突起172において、第一傾斜面174と第二傾斜面176とは、連続していなくてもよい。この場合、第一傾斜面174と第二傾斜面176との間に別の面が形成される。第一傾斜面174と第二傾斜面176との間に別の面を設け、鋭角部分(稜線部分)を無くすことで、製造性を向上させることができる。
第一傾斜面174の母線(第一突起172の断面(中心軸CAを含む光束制御部材160の断面)における第一傾斜面174)は、直線であってもよいし、曲線であってもよい。発光素子140の光軸LAに対する第一傾斜面174の角度(前述したθ11)は、第一傾斜面174から入射した光を第二傾斜面176側に屈折させることができれば特に限定されず、発光素子140の大きさや位置などに応じて適宜設定されうる。なお、第一傾斜面174の母線が曲線の場合、「第一傾斜面174の角度」とは、第一傾斜面174の母線の接線の角度をいう。同様に、前述した第二傾斜面176、第三傾斜面184および第四傾斜面186においても、上記の観点から、これらの傾斜面の母線は、それぞれ、直線であってもよいし曲線であってもよい。
また、入射領域162は、第一レンズ領域10および第二レンズ領域50以外の、例えば平面視形状が扇形である他のレンズ領域、をさらに含んでいてもよい。当該他のレンズ領域は、フレネルレンズ部を含んでいてもよいし、含んでいなくてもよい。前述の第三レンズ領域は、他のレンズ領域の一例である。
[発光装置および照明装置の光学特性]
図5は、発光装置100の出射方向の照度を相対強度で示すグラフである。図6Aは、照明装置190における、片側に配置された発光装置100の出射光の光路を、出射光の主なベクトルが存在する領域として概略的に示す図であり、図6Bは、照明装置190における、両側に配置された発光装置100の出射光の光路を、出射光の主なベクトルが存在する領域として概略的に示す図である。図7Aは、照明装置190の、発光装置100の高さがh1となる位置の被照射面192の照度分布を示す図であり、図7Bは、照明装置190の、発光装置100の高さがh2となる位置の被照射面192の照度分布を示す図である。
なお、図7Aおよび図7Bでは、対向する発光装置100の一方の発光装置100の直下の点から450mmの点を基準位置(O)とし、当該基準位置を中心として、X方向およびY方向に±800mmの範囲内で照度(L:lux)をシミュレーションによって求めた。前述したように、X方向は、発光装置100が配列する方向であり、Y方向は、上記対向方向である。また、図11A、図11B、図12Aおよび図12Bでは、一方の発光装置100の直下の点を基準位置(O)とし、当該基準位置からのY方向の所定の距離(D:mm)の照度(L:lux)をシミュレーションによって求めた。
光束制御部材160は、図5に示されるように、光軸LAよりも被照射面192側にも一部光を出射するが、より多くの光を、光軸LAよりも被照射面192とは反対側に、比較的広い出射角度の範囲(例えば、光軸LAに対して約15〜30°)で出射する。この広範囲で光束制御部材160が出射する光は、出射光のピーク値と同等の強さを有している。このように、発光装置100は、光軸LA近傍の出射角度の光が被照射面の入射する位置からより遠方まで、ピーク値に近い強い光を出射する。
その結果、図6Aに示されるように、発光装置100からの出射光の、光軸LAよりも反被照射面側への出射方向をベクトルで表示したときに、当該ベクトルで表示された当該出射光は、被照射面192における、光軸LAと被照射面192との交点よりもより遠くの広い部分まで到達する。当該ベクトルには、図5に示される、相対強度がピーク値に相当する強い光のベクトルも、前述した比較的広い出射角度の範囲で含まれる。このため、照明装置190では、被照射面192は、より遠い部分がより広く十分な照度で均一に照らされる。
また、図6Bに示されるように、発光装置100を両側に配置すると、被照射面192のより広い部分で均一かつ強い照度で照らされる照明装置190が構成される。たとえば、両側の発光装置100のそれぞれは、図6Bに示されるように、発光装置100の高さがh1となる被照射面192では、被照射面192を半分ずつ照らす。その結果、図7Aに示されるように、被照射面192の全体が十分な照度で均一に照射される。
また、両側の発光装置100のそれぞれは、図6Bに示されるように、発光装置100の高さがh2となる被照射面192では、互いの発光装置100の出射光の被照射面192における到達領域が、被照射面192の中央部で重なるように、被照射面192を照らす。その結果、図7Bに示されるように、被照射面192の全体が十分な照度でより一層均一に照射される。
ここで、前述した第一突起を有さない比較用の光束制御部材の光学特性を検証する。図8は、比較用の光束制御部材800の構造を示す図である。図8Aは、光束制御部材800の平面図であり、図8Bは、光束制御部材800の底面図であり、図8Cは、図8BにおけるC−C線に沿っての光束制御部材800の断面図であり、図8Dは、図8BにおけるD−D線に沿っての光束制御部材800の断面図である。
光束制御部材800は、平面視したときに、入射領域に形成されている突起802の形状が全て円弧状であり、第一断面におけるθ11の角度と第二断面(I)におけるθ21の角度とが同じであり、第一断面におけるθ12の角度と第二断面(I)におけるθ22の角度とが同じである。また、平面視したときの第一レンズ領域810における扇形の中心、第二レンズ領域820における扇形の中心、およびそれぞれのレンズ領域における突起の曲率中心が、いずれも、中心軸CAと重なっている。さらに、第一レンズ領域810および第二レンズ領域820の突起802の全ての稜線は、光軸LAと直交する直線(前述の直線L)と平行であり、第一レンズ領域810および第二レンズ領域820のいずれも、直線Lに対して平行に(水平に)形成されている。これらの点で、光束制御部材800は、前述した光束制御部材160と主に相違している。
図9は、光束制御部材800を装着した比較用の発光装置の出射方向の照度を相対強度で示すグラフである。図10Aは、比較用の照明装置の、発光装置を高さがh1となる位置の被照射面の照度分布を示す図であり、図10Bは、比較用の照明装置の、発光装置を高さがh2となる位置の被照射面の照度分布を示す図である。図10Aおよび図10Bでは、対向する比較用の発光装置の一方の発光装置の直下の点から450mmの点を基準位置(O)とし、当該基準位置を中心として、X方向およびY方向に±800mmの範囲内で照度(L:lux)をシミュレーションによって求めた。
光束制御部材800は、図9に示されるように、光軸LAよりも被照射面側にも一部光を出射するが、より多くの光を、光軸LAよりの反被照射面側に出射する点で、光束制御部材160と同じである。しかしながら、光束制御部材800では、ピーク値相当の照度の光の出射角の範囲が、光束制御部材160のそれに比べて明らかに狭い。また、光軸LAよりも反被照射面側に向かう出射角(約20°)が、光束制御部材160のそれに比べて明らかに小さい。このように、光束制御部材800は、より遠方に、より広い範囲を、十分強度の光で照射する点で、光束制御部材160よりも劣る。
その結果、図10Aに示されるように、発光装置までの高さがh1となる位置の被照射面では、両側の発光装置の出射光の被照射面における到達領域が十分に重ならず、被照射面に照度のムラを生じさせている。また、図10Bに示されるように、発光装置までの高さがh2となる位置の被照射面でも、それぞれの発光装置の出射光の被照射面における到達領域での照度の強弱の差が大きく、被照射面192に照度のムラを生じさせている。
図11は、本実施の形態の照明装置と比較用の照明装置における被照射面の照度分布を示す図である。図11Aは、照明装置190および比較用照明装置における、発光装置を高さh1に配置したときの被照射面のY方向の照度分布を示す図であり、図11Bは、照明装置190および比較用照明装置における、発光装置を高さh2に配置したときの被照射面のY方向の照度分布を示す図である。なお、図11中、「E1」(実線)は、照明装置190を意味し、「CE1」(短破線)は、比較用の照明装置を意味する。
図11Aおよび図11Bから明らかなように、照明装置190は、比較用の照明装置と比べたときに、発光装置の高さに関わらず、被照射面の照度が同等であり、被照射面の照度がより均一である。
図12は、光束制御部材160の第一レンズ領域10の、出射領域164の平面に対する第二レンズ領域50側への傾き(稜線178の傾き)を変えたときの被照射面192のY方向の照度分布を示す図である。図12Aは、照明装置における、第一レンズ領域10の当該傾きが異なる発光装置の被照射面192からのそれぞれの高さをh1としたときの被照射面192のY方向の照度分布を示す図であり、図12Bは、照明装置における、第一レンズ領域10の上記傾きが異なる発光装置の被照射面192からのそれぞれの高さをh2としたときの被照射面192のY方向の照度分布を示す図である。図12中、「E1」(実線)は、第一レンズ領域10の上記傾きが10°である照明装置を意味し、「E2」(中破線)は、上記傾きが6°である照明装置を意味し、「E3」(長破線)は、上記傾きが15°である照明装置を意味し、「E4」(一点鎖線)は、上記傾きが30°である照明装置を意味する。なお、「CE1」(短破線)における上記傾きは、0°である。
図12Aに示されるように、発光装置の設置高さがh1のときは、照明装置E1〜E4は、いずれも、照明装置CE1に比べて、被照射面の照度が同等であり、かつより一層均一であった。また、上記傾きの角度の範囲(6〜30°)において、当該傾きが大きくなるにつれて、被照射面の照度の均一性がより一層向上した。これは、発光装置から被照射面192までの距離が近いほど、第一レンズ領域10における第一傾斜面172による、発光素子140の出射光に対する集光効果がより顕著に現れるため、と考えられる。また、図12Bに示されるように、発光装置の設置高さがh2のときは、照明装置E1〜E4は、いずれも、照明装置CE1に比べて、被照射面の照度がさらに近くなり、かつ当該照度の均一性がより一層向上した。
[効果]
光束制御部材160は、第一レンズ領域10に第一突起172を含み、第一突起172のθ11およびθ21は、いずれも、0°よりも大きく、第一突起172のθ12は、θ22よりも大きい。このため、第一突起172に入射した光を、光軸LAに対して反被照射面側により大きな角度の向きで、出射領域164から出射することが可能である。よって、被照射面192に対して斜めに配置されたときに、発光素子140から入射した光を、出射領域164から、被照射面192のより遠くに向けて均一に出射することができる。
また、第一レンズ領域10の扇形の中心角は、180°よりも大きく、第二レンズ領域50の扇形の中心角は、180°よりも小さいことが、被照射面192のより遠くに向かう光の強度を高める観点からより一層効果的である。
また、第一レンズ領域10の形状および第二レンズ領域50の形状は、いずれも、上記第一平面に対して面対称の形状であることが、当該第一平面に対して対称に光を出射する観点からより一層効果的である。
また、第一突起172の湾曲する方向において、第一突起172の頂角の角度は、一定であることが、光軸LAから反被照射面側により大きな角度までの出射角の範囲で、ピーク値相当の強い光を出射領域164から出射させる観点からより一層効果的である。
また、第二レンズ領域50が複数の第二突起182を有することが、発光素子140の出射光を、光軸LAよりも反被照射面側に大きな角度で出射領域164から出射するようにもれなく集光する観点からより一層効果的である。
また、第二レンズ領域50の第二突起182が出射領域164に対して平行に配置され、第一レンズ領域10の第一突起172が出射領域164に対して斜めに配置されていることが、発光素子140から出射された光をもれなく集光し、出射領域164から出射される光を光軸LAよりも反被照射面側により大きな出射角で出射させる観点からより一層効果的である。
また、第二レンズ領域50の第二突起182の平面視形状が、中心軸CAを第二突起182の曲率中心とする円弧状であり、第一レンズ領域10の第一突起172の曲率中心が、平面視したときの第一レンズ領域10内にあることが、光軸LAに対して反被照射面側により大きな角度で出射領域164から出射される光を強める観点からより一層効果的である。
また、発光装置100は、光束制御部材160および発光素子140を有し、発光素子140の光軸LAが中心軸CAと一致することから、被照射面192に対して斜めに配置されたときに、発光素子140からの出射光を、被照射面192のより遠くに向けて均一に出射することができる。
また、照明装置190が発光装置100および平面状の被照射面192と、を有し、発光装置100は、発光素子140の光軸LAと被照射面192とが鋭角に交わり、かつ第一レンズ領域10よりも第二レンズ領域50が被照射面192に近くなるように配置されていることから、被照射面192のより遠くに均一に光が照射される照明装置190が提供される。
本発明の光束制御部材、発光装置および照明装置は、平面形状の被照射面に発光素子から出射された光を均一かつ効率的に照射することができる。本発明の発光装置および照明装置は、例えば、植物栽培用の照明やタスクライト(卓上照明)、読書灯など、被照射面に対して斜めの方向から均一な光の照射を要する用途に有用である。
10、810 第一レンズ領域
50、820 第二レンズ領域
100 発光装置
120 基板
140 発光素子
160、800 光束制御部材
162 入射領域
164 出射領域
166 筒部
167 フランジ部
168 ボス
172 第一突起
173 第一屈折部
175 頂点
174 第一傾斜面
176 第二傾斜面
178 稜線
182 第二突起
183 第二屈折部
184 第三傾斜面
186 第四傾斜面
190 照明装置
192 被照射面
802 突起
CA 中心軸
LA 光軸

Claims (9)

  1. 発光素子から出射された光の配光を制御する光束制御部材であって、
    前記発光素子から出射された光を入射させる入射領域と、
    前記入射領域から入射した光を出射させる出射領域と、を有し、
    前記入射領域は、平面視形状がそれぞれ扇形である、第一レンズ領域と第二レンズ領域とを含み、
    前記第一レンズ領域は、前記発光素子から出射された光の一部を入射させる第一傾斜面および前記第一傾斜面から入射した光を前記出射領域に向けて反射させる第二傾斜面を有する、平面視形状が弧状の突起を含み、
    前記第二レンズ領域は、前記発光素子から出射された光の他の一部を入射させ、入射した光を前記出射領域に向かわせ、
    前記第一レンズ領域の前記扇形および前記第二レンズ領域の前記扇形のそれぞれの半径の交点を通り、前記入射領域を平面視する方向に平行な直線を前記光束制御部材の中心軸とし、
    前記中心軸を含み前記突起の弧の中心を通る第一平面で前記突起を一箇所で切断したときの断面を第一断面とし、前記中心軸を含み前記第一平面と交わる第二平面で前記突起を切断したときの断面を第二断面とし、
    前記第一断面において、前記中心軸に平行な直線によって分けられた前記突起の頂角のうち、前記直線に対して前記第一傾斜面がなす角をθ11、前記第二傾斜面がなす角をθ12とし、
    前記第二断面において、前記直線によって分けられた前記突起の頂角のうち、前記直線に対して前記第一傾斜面がなす角をθ21、前記第二傾斜面がなす角をθ22としたときに、
    前記θ11の角度および前記θ21の角度は、いずれも、0°よりも大きく、
    前記θ12の角度は、前記θ22の角度よりも大きい、
    光束制御部材。
  2. 前記第一レンズ領域の前記扇形の中心角は、180°よりも大きく、前記第二レンズ領域の前記扇形の中心角は、180°よりも小さい、請求項1に記載の光束制御部材。
  3. 前記第一レンズ領域の形状および前記第二レンズ領域の形状は、いずれも、前記第一平面に対して面対称の形状である、請求項1に記載の光束制御部材。
  4. 前記突起の湾曲する方向において、前記頂角の角度は、一定である、請求項1に記載の光束制御部材。
  5. 前記第二レンズ領域は、前記発光素子から出射された光の他の一部を入射させる第三傾斜面および前記第三傾斜面から入射した光を前記出射領域に向けて反射させる第四傾斜面を有する、平面視形状が弧状の突起を含む、請求項1に記載の光束制御部材。
  6. 前記第二レンズ領域の前記突起は、前記出射領域に対して平行に配置され、
    前記第一レンズ領域の前記突起の稜線は、前記出射領域に対して斜めに配置されている、
    請求項5に記載の光束制御部材。
  7. 前記第二レンズ領域の前記突起の平面視形状は、前記中心軸を前記突起の平面視形状の曲率中心とする円弧状であり、
    前記第一レンズ領域の前記突起の平面視形状の曲率中心は、平面視したときの前記第一レンズ領域内にある、
    請求項6に記載の光束制御部材。
  8. 請求項1〜7のいずれか一項に記載の光束制御部材と、発光素子とを有し、
    前記発光素子の光軸は、前記中心軸と一致する、
    発光装置。
  9. 請求項8に記載の発光装置と、平面状の被照射面と、を有し、
    前記発光装置は、前記発光素子の光軸と前記被照射面とが鋭角に交わり、かつ前記第一レンズ領域よりも前記第二レンズ領域が前記被照射面に近くなるように配置されている、
    照明装置。
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