JP6740171B2 - 照明装置 - Google Patents

Description

本発明は、照明装置に関する。

従来から、スポットライト等の種々の照明装置が提供される。例えば、スポットライトとして用いられる照明装置として、出射面から矩形状に光を出射するものがある。

特開２００６−２８６６１５号公報

しかしながら、従来の照明装置では、光を遮断することで矩形状に光を出射していた。すなわち、従来の照明装置では、光を遮断する分だけ出射効率が低下する課題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、矩形状に光を出射することができる照明装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の一態様に係る照明装置は、光を出射する光源と、略格子状に配列された光学素子を前記光源と反対側の面である出射面に有するレンズとを備え、前記光学素子は、第１方向に筋状に延伸する複数の第１プリズムと、前記第１方向と交差する第２方向に筋状に延伸する複数の第２プリズムとを組み合わせた表面形状であり、前記レンズの前記出射面側に配置され、第３方向に筋状に延伸する複数の第３プリズムを主面の一方に有するカバーをさらに備え、前記カバーは、前記第３方向が前記第１方向または前記第２方向と略直交する向きに配置される。

本発明の一態様によれば、矩形状に配光を制御することができる。

図１は、実施形態に係る照明装置の模式的な分解斜視図である。 図２は、実施形態に係るレンズの模式図である。 図３Ａは、実施形態に係るレンズの出射面の模式図である。 図３Ｂは、実施形態に係る光学素子の模式図である。 図３Ｃは、実施形態に係る光学素子の模式図である。 図４は、実施形態に係る照明装置から出射される光の配光を示す図である。 図５は、実施形態に係るカバーレンズの模式図である。 図６は、実施形態に係る第１プリズム、第２プリズムおよび第３プリズムの向きを示す図である。 図７は、実施形態に係るカバーレンズの有無による比較結果を示す図である。

以下、実施形態に係る照明装置について図面を参照して説明する。なお、以下に示す実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、図面における各要素の寸法の関係、各要素の比率等は、現実と異なる場合がある。また、図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。

まず、図１を用いて、実施形態に係る照明装置の構成について説明する。図１は、実施形態に係る照明装置の模式的な分解斜視図である。なお、図１には、説明を分かりやすくするために、光が出射する側の面を正方向とするＺ軸を含む３次元の直交座標系を図示している。かかる直交座標系は、以下の説明で用いる他の図面においても示す場合がある。

図１に示す照明装置１は、いわゆるスポットライトであり、例えば、美術館などの展示品を照らすために使用される。なお、図１の例では、照明装置１は、Ｚ軸正方向側に光を出射することができる。

実施形態に係る照明装置１は、図１に示すように、ヒートシンク部材１１と、筐体１２と、光源であるＬＥＤ（Light Emitting Diode）１３と、ＬＥＤホルダー１４と、調整部材１５と、リフレクタ―１６と、レンズホルダー１７と、レンズ１８と、カバーレンズ１９と、レンズストッパー２０とを備える。

ヒートシンク部材１１は、ＬＥＤ１３により発生された熱を放熱する。筐体１２は、調整部材１５と、リフレクタ―１６と、レンズホルダー１７と、レンズ１８と、カバーレンズ１９を収容し、ヒートシンク部材１１と連結させる。

ＬＥＤ１３は、例えば、ＲＧＢフルカラーのＣＯＢ（Chip On Board）タイプのＬＥＤである。ＬＥＤホルダー１４は、ＬＥＤ１３を覆ってＬＥＤ１３を保護する部材である。調整部材１５は、レンズ１８の位置を調整し、ＬＥＤ１３とレンズ１８との距離を調整する。例えば、調整部材１５を周方向に摺動させることで、ＬＥＤ１３とレンズ１８との距離を近づけたり、遠ざけたりすることができる。

リフレクタ―１６は、中央位置に開口部が設けれ、開口部に向かって円錐形状に凹んだ形状に形成されており、ＬＥＤ１３からの光をレンズ１８側に反射させる。

レンズホルダー１７は、レンズ１８およびカバーレンズ１９を収容する部材である。レンズ１８は、いわゆるフレネルレンズであり、ＬＥＤ１３から出射された光の配光角を制御する。なお、実施形態に係る照明装置１は、レンズ１８のＬＥＤ１３と反対側の主面である出射面に光学素子を設けることで、矩形状に配光を制御することができる。この点の詳細については、図２以降を用いて後述する。

カバーレンズ１９は、レンズ１８を覆ってレンズ１８を保護する部材である。なお、実施形態に係る照明装置１は、カバーレンズ１９の主面の一方にレンズ１８から出射した光の配光を制御するプリズムを設けることで、出射する光をより矩形状に近づけることができる。この点の詳細については、図５以降の図面を用いて後述する。

レンズストッパー２０は、レンズ１８およびカバーレンズ１９をレンズホルダー１７に固定するための部材である。レンズストッパー２０をレンズホルダー１７に押し付けた状態で周方向に摺動させることでレンズ１８およびカバーレンズ１９を固定したり、取り外したりすることができる。

次に、図２を用いてレンズ１８の詳細について説明する。図２は、レンズ１８の構成を示す断面模式図である。なお、図２では、図１に示したレンズ１８のＸ軸に沿った断面を模式的に示す。図２に示すように、レンズ１８のＬＥＤ１３と反対側の主面である出射面は、光学素子１８ａを有する。

かかる光学素子１８ａは、出射面と対向する主面である入射面に設けられたプリズム１８ｂ、１８ｃによって配光が制御された光に対してさらに配光を矩形状に制御する。なお、レンズ１８の入射面側にＬＥＤ１３が設置される。

ここで、従来の照明装置では、色ムラを低減させるために、例えば、レンズの出射面に光を拡散する拡散素子を備えるものが知られている。一方、実施形態に係る照明装置１では、レンズ１８の入射面および出射面の両面で配光を制御することで矩形状の配光制御を可能とする。これにより、実施形態に係る照明装置１では、出射する光を遮る部材を用いることなく矩形状に配光を制御することができる。なお、光学素子１８ａの詳細については図３Ａ〜図３Ｃを用いて後述する。

また、実施形態に係る照明装置１は、レンズ１８のＬＥＤ１３側の主面である入射面にプリズム１８ｂ、１８ｃを有する。プリズム１８ｂが屈折型プリズムであり、プリズム１８ｃが全反射型プリズム（ＴＩＲ（Total Internal Reflection）プリズム）であり、それぞれ同心円状に構成されている。

ＬＥＤ１３から入射された光は、プリズム１８ｂでは屈折され、プリズム１８ｃでは内部で全反射させる。これにより、プリズム１８ｂおよびプリズム１８ｃを通過する光は、出射面に対して例えば略垂直となるように、入射角が制御される。なお、レンズ１８は、プリズム１８ｂ、１８ｃを有さない構成とすることにしてもよい。

次に、図３Ａ〜図３Ｃを用いてレンズ１８の光学素子１８ａの詳細について説明する。図３Ａは、実施形態に係るレンズ１８の出射面の模式図である。また、図３Ｂおよび図３Ｃは、実施形態に係る光学素子１８ａの模式図である。なお、図３Ａは、レンズ１８をＺ軸正方向側から見た模式図である。また、図３Ｂは、第１プリズム１８ｄの頂点１８ｄａを含むＹ軸に沿ったレンズ１８の断面模式図であり、図３Ｃは、第２プリズム１８ｅの頂点１８ｅａを含むＸ軸に沿ったレンズ１８の断面模式図である。なお、図３Ｂおよび図３Ｃでは、上記のプリズム１８ｂ、１８ｃの記載を省略している。

図３Ａに示すように、レンズ１８の出射面には、光学素子１８ａが形成される。光学素子１８ａは、Ｘ軸方向に筋状に延伸する複数の第１プリズム１８ｄと、Ｙ軸方向に筋状に延伸する複数の第２プリズム１８ｅとからなる略格子状のプリズムである。つまり、光学素子１８ａは、第１プリズム１８ｄと第２プリズム１８ｅとを組み合わせた表面形状である。また、第１プリズム１８ｄおよび第２プリズム１８ｅの短手方向の断面形状は、それぞれ２つの円弧とそれらを接続する傾斜部とからなる略波型形状であり、レンズ１８の出射面からＺ軸正方向に凸となるよう形成される。

ところで、実施形態に係る照明装置１では、第１プリズム１８ｄおよび第２プリズム１８ｅのそれぞれの頂点１８ｄａ、１８ｅａからそれぞれの底面１８ｄｂ、１８ｅｂまでの高さや、第１プリズム１８ｄおよび第２プリズム１８ｅの間隔を調整することで、配光を調整することが可能である。

具体的には、図３Ｂおよび図３Ｃに示すように、第１プリズム１８ｄの頂点１８ｄａから第１プリズム１８ｄの底面１８ｄｂまでの高さｈ１が、第２プリズム１８ｅの頂点１８ｅａから第２プリズム１８ｅの底面１８ｅｂまでの高さｈ２よりも低い場合、Ｙ軸方向側に比べて、Ｘ軸方向側に光をより広く拡散することができる。

これは、高さｈ１や高さｈ２を高くするほど、第１プリズム１８ｄまたは第２プリズム１８ｅの表面積または接触角が大きくなるためであると考えられる。例えば、表面積を大きくすることで、第１プリズム１８ｄまたは第２プリズム１８ｅが延伸する方向と略直交する向きに光をより広く拡散すると考えられる。なお、上記の例では、高さｈ２が高さｈ１よりも高いため、第２プリズム１８ｅと直交する向きを長手方向とする略長方形状に光を出射することができる。

なお、以下の手法により金型を形成し、かかる金型の形状をレンズ１８の出射面に転写することで光学素子１８ａを形成することができる。具体的には、まず、金型に対して第１プリズム１８ｄに対応する溝をレーザ照射により形成する。かかる場合に、溝の深さが略均一となるように金型に対してレーザ照射を行う。続いて、第１プリズム１８ｄに対応する溝が形成された金型に対して第１プリズム１８ｄと略直交する向きに第２プリズム１８ｅに対応する溝をレーザ照射により形成する。なお、金型に形成される第１プリズムと第２プリズムに対応する溝の形状（深さ）は、レーザ加工時のレーザ照射条件等を変えることで調整できる。

つまり、かかる金型をレンズ１８の出射面に転写することで、高さｈ１および高さｈ２が異なる光学素子１８ａが形成される。ただし、第２プリズム１８ｅに対応するレーザ加工工程において、先に加工された第１プリズム１８ｄに対応する溝と重なる部分が部分的に深くなる。すなわち、第１プリズム１８ｄの頂部と第２プリズム１８ｅの頂部とが重なる部分が部分的に高くなる。

次に、図４を用いて第１プリズム１８ｄまたは第２プリズム１８ｅのピッチ、高さｈ１、高さｈ２と、レンズ１８から出射される光の配光の相関について説明する。図４は、実施形態に係る照明装置１から出射される光の配光を示す図である。なお、図４には、ＬＥＤ１３とレンズ１８との距離を２５ｍｍにした場合の結果を示す。

また、ピッチとは、隣り合う第１プリズム１８ｄの頂点１８ｄａの間隔を示す。なお、光学素子１８ａが略格子状に配置されることより、かかる間隔と、隣り合う第２プリズム１８ｅの頂点１８ｅａの間隔とは略等しいものとする。

図４に示すように、ピッチが長いほど、略十字状の配光を有する。具体的には、ピッチが、１００μｍでは、略十字状の配光であり、ピッチを８０、６４、５０μｍと短くするほど、十字状から矩形状に近い配光となる。

そして、ピッチを３２μｍとする場合に、略矩形状の配光を有する。すなわち、実施形態に係る照明装置１では、ピッチを短くすることで、矩形状に配光を制御することが可能となる。

これは、ピッチを短くすることで、図３Ｂや図３Ｃ等に示したように、光学素子１８ａの底面が湾曲した形状となるためである。換言すると、実施形態に係る照明装置１ではピッチを短くすることで、光学素子１８ａの底面に平らな部分を形成しないようにしている。

これは、ピッチが長くなると、光学素子１８ａの底面に平らな部分が形成され、かかる平らな部分を通過する光が、光学素子１８ａで制御されず、配向が円形状に近づくためである。このため、実施形態に係る照明装置１では、光学素子１８ａの底面に平らな部分が形成されない程度にピッチが短いことが好ましい。

なお、本実施形態に係る光学素子１８ａの形状は、断面が２つの円弧とそれらを接続する傾斜部とからなる略波型形状であるが、本発明はかかる形状に限られず、断面が三角形状やなどその他の形状であってもよい。また、ＬＥＤ１３とレンズ１８との距離等によっては、光学素子１８ａの底面に平らな部分を設けることにしてもよい。また、上記の例では、第１プリズム１８ｄのピッチと、第２プリズムのピッチとが略等しい場合について例示したが、双方のピッチが異なる長さであってもよい。

次に、図５〜図７を用いて、実施形態に係るカバーレンズ１９について説明する。まず、図５を用いて実施形態に係るカバーレンズ１９の概要について説明する。図５は、実施形態に係るカバーレンズ１９の概要を示す図である。

なお、図５では、カバーレンズ１９をＺ軸負方向側から見た図である。すなわち、図５は、カバーレンズ１９のＬＥＤ１３側の主面である入射面を模式的に示す図である。

図５に示すように、カバーレンズ１９は、Ｘ軸方向に筋状に延伸する複数の第３プリズム１９ａを有する。かかる第３プリズム１９ａは、例えば、レーザ照射された金型の形状をカバーレンズ１９の入射面に転写することで形成される。なお、第３プリズム１９ａは、短手方向の断面が略円弧状で、カバーレンズ１９の入射面からＺ軸負方向に凸となるように形成される。

ここで、各第３プリズム１９ａの高さは、Ｘ軸座標に応じて異なる高さとなるように形成される。具体的には、各第３プリズム１９ａは、同図に示すように、カバーレンズ１９の中央部における高さが最も低く、両端部に行くにしたがって徐々に高くなる。換言すると、第３プリズム１９ａは、カバーレンズ１９の中央部から端部に行くにつれて、高さが高く形成される。

これにより、第３プリズム１９ａは、端部に行くにつれて、第３プリズム１９ａと直交する向きであるＹ軸方向に光を広く拡散させることができると考えられる。すなわち、第３プリズム１９ａは、図５に示すエリアＡにおいてＹ軸方向に光を効果的に拡散することができる。

なお、第３プリズム１９ａを全て均一の高さにすることにしてもよいし、あるいは、カバーレンズ１９の一方向の端部（例えば、エリアＡに囲まれる領域）のみに形成することにしてもよい。

また、カバーレンズ１９の出射面側に第３プリズム１９ａを設けることにしてもよいし、カバーレンズ１９の出射面および入射面の両面に第３プリズム１９ａを形成することにしてもよい。また、カバーレンズ１９に代えて、第３プリズム１９ａを有する他の部材を用いることにしてもよい。

なお、カバーレンズ１９に第３プリズム１９ａを設けることで、他の部材を用いる場合に比べて部品点数の削減や、かかる他の部材を削減する分だけ、出射効率の低下を抑制することができる。

次に、図６を用いて第１プリズム１８ｄ、第２プリズム１８ｅおよび第３プリズム１９ａの向きについて説明する。図６は、第１プリズム１８ｄ、第２プリズム１８ｅおよび第３プリズム１９ａの向きを説明する図である。

なお、図６では、説明を分かりやすくするため、第１プリズム１８ｄ、第２プリズム１８ｅおよび第３プリズム１９ａのみを示している。なお、上述したように、第１プリズム１８ｄ、第２プリズム１８ｅは、レンズ１８の出射面に形成され、第３プリズム１９ａは、カバーレンズ１９の入射面に形成される。

また、以下では、第１プリズム１８ｄが延伸する方向を第１方向と記載し、第２プリズム１８ｅが延伸する方向を第２方向と記載する。そして、第３プリズム１９ａが延伸する方向を第３方向と記載する。

図６に示すように、第１方向と、第２方向とが略直交し、図３Ｂおよび図３Ｃに示したように、高さｈ１が高さｈ２より低い場合、第３プリズム１９ａは、第３方向が第２方向と直交する向きに配置される。

すなわち、第３プリズム１９ａは、第１プリズム１８ｄおよび第２プリズム１８ｅのうち、高さが高いプリズムと直交する向きに配置される。これにより、第３プリズム１９ａを通過する光は、第１方向と略直交する向きに効果的に拡散される。

なお、第１プリズム１８ｄおよび第２プリズム１８ｅは、必ずしも略直交している必要はなく、交差していればよい。かかる場合であっても、カバーレンズ１９は、第３プリズム１９ａが第２プリズム１８ｅと略直交した向きに配置することとすればよい。なお、第３プリズム１９ａの形状によっては、第３方向と、第１方向とが直交する向きにレンズ１８およびカバーレンズ１９を配置することにしてもよい。また、第１方向または第２方向と第３方向とは、必ずしも略直交していなくてもよい。

次に、図７を用いて第３プリズム１９ａを有するカバーレンズ１９の有無における光の配光の比較結果について説明する。図７は、実施形態に係るカバーレンズ１９の有無による比較結果を示す図である。

図７に示すように、カバーレンズ１９が無い場合、中央部に凹み部を有する形状の配光となり、カバーレンズ１９を有する場合、カバーレンズが無い場合に比べてより矩形状に近い配光となる。

これは、第３プリズム１９ａによって、凹み部を無くす向きに光が拡散されるためであると考えられる。すなわち、カバーレンズ１９は、第１方向と直交する向きに光を拡散することで、凹み部を解消し、配光を矩形状により近づけることができる。

換言すると、実施形態に係る照明装置１では、第３方向が第２方向と略直交する向きとなるようにレンズ１８およびカバーレンズ１９を配置することで、カバーレンズ１９から出射する光をより矩形状に近づけることができる。

上述したように、実施形態に係る照明装置１において、光源（ＬＥＤ１３）は、光を出射する。レンズ１８は、略格子状に配列された光学素子１８ａを光源と反対側の面である出射面に有する。これにより、矩形状に光を出射することができる。

また、上述したように、実施形態に係る照明装置１において、光学素子１８ａは、底面が湾曲した形状である。これにより、矩形状に光を拡散することができる。

また、上述したように、実施形態に係る照明装置１において、光学素子１８ａは、第１方向に筋状に延伸する複数の第１プリズム１８ｄと、第１方向と交差する第２方向に筋状に延伸する複数の第２プリズム１８ｅとを組み合わせた表面形状である。これにより、効率よく矩形状に光を照射することができる。

また、上述したように、実施形態に係る照明装置１において、レンズ１８の出射面側に配置され、第３方向に筋状に延伸する複数の第３プリズム１９ａを主面の一方に有するカバー（カバーレンズ１９）をさらに備える。これにより、レンズ１８から出射された光の配光をカバーレンズ１９によってさらに制御することができる。

また、上述したように、実施形態に係る照明装置１において、カバーは、第３方向が第１方向または第２方向と略直交する向きに配置される。これにより、第１方向または第２方向と直交する向きに光を拡散することができる。

また、上述したように、実施形態に係る照明装置１において、第１方向と第２方向とが略直交し、第１プリズム１８ｄの頂点１８ｄａから第１プリズム１８ｄの底面１８ｄｂまでの高さｈ１が第２プリズム１８ｅの頂点１８ｅａから第２プリズム１８ｅの底面１８ｅｂまでの高さｈ２よりも低い場合に、第３方向が第２方向と略直交する向きに配置される。これにより、出射する光をより矩形状に近づけることができる。

また、上述したように、実施形態に係る照明装置１において、第３プリズム１９ａは、第３方向に沿ってカバーの中央から端部に向かうにつれて高さが徐々に高くなる。これにより、出射する光をより効果的に矩形状に近づけることができる。

また、上述したように、実施形態に係る照明装置１において、カバーは、レンズ１８を保護するカバーレンズ１９である。これにより、部品点数を抑えるとともに、出射効率の低下を抑制することができる。

ところで、上述した実施形態では、レンズ１８の出射面が円形状である場合について説明したが、これに限定されるものではない。すなわち、レンズ１８の出射面は、楕円形状、矩形状、三角形状等の他の形状であってもよい。また、レンズ１８は、平板状に限られず、例えば、球面上など厚みが不均一であってもよい。

また、上記実施の形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。

１ 照明装置
１１ ヒートシンク部材
１２ 筐体
１３ ＬＥＤ（光源の一例）
１４ ＬＥＤホルダー
１５ 調整部材
１６ リフレクタ―
１７ レンズホルダー
１８ レンズ
１８ａ 光学素子
１８ｂ、ｃ プリズム
１８ｄ 第１プリズム
１８ｅ 第２プリズム
１９ カバーレンズ
１９ａ 第３プリズム
２０ レンズストッパー

Claims (6)

1. 光を出射する光源と、
   略格子状に配列された光学素子を前記光源と反対側の面である出射面に有するレンズとを備え、
   前記光学素子は、第１方向に筋状に延伸する複数の第１プリズムと、前記第１方向と交差する第２方向に筋状に延伸する複数の第２プリズムとを組み合わせた表面形状であり、
   前記レンズの前記出射面側に配置され、第３方向に筋状に延伸する複数の第３プリズムを主面の一方に有するカバーをさらに備え、
   前記カバーは、前記第３方向が前記第１方向または前記第２方向と略直交する向きに配置される、
   照明装置。
2. 光を出射する光源と、
   略格子状に配列された光学素子を前記光源と反対側の面である出射面に有するレンズとを備え、
   前記光学素子は、第１方向に筋状に延伸する複数の第１プリズムと、前記第１方向と交差する第２方向に筋状に延伸する複数の第２プリズムとを組み合わせた表面形状であり、
   前記レンズの前記出射面側に配置され、第３方向に筋状に延伸する複数の第３プリズムを主面の一方に有するカバーをさらに備え、
   前記カバーは、前記レンズを保護するカバーレンズである、
   照明装置。
3. 光を出射する光源と、
   略格子状に配列された光学素子を前記光源と反対側の面である出射面に有するレンズとを備え、
   前記光源は点光源であり、
   前記光学素子は、第１方向に筋状に延伸する複数の第１プリズムと、前記第１方向と交差する第２方向に筋状に延伸する複数の第２プリズムとを組み合わせた表面形状であり、
   前記第２プリズムは、前記第１プリズムとは高さが異なり、
   前記レンズは前記光源側の入射面に同心円状の第４プリズムを有する、
   照明装置。
4. 前記光学素子は、
   底面が湾曲した形状である請求項１〜３のいずれか一つに記載の照明装置。
5. 前記レンズは、
   前記第１方向と前記第２方向とが略直交し、
   前記カバーは、
   前記第１プリズムの頂点から前記第１プリズムの底面までの高さが前記第２プリズムの頂点から前記第２プリズムの底面までの高さよりも低い場合に、前記第３方向が前記第２方向と略直交する向きに配置される請求項１または２に記載の照明装置。
6. 前記第３プリズムは、
   前記第３方向に沿って前記カバーの中央から端部に向かうにつれて高さが徐々に高くなる請求項１または２に記載の照明装置。