JP6827301B2

JP6827301B2 - 光学レンズ、光源装置および照明装置

Info

Publication number: JP6827301B2
Application number: JP2016222894A
Authority: JP
Inventors: 絵里桑原; 米田　俊之; 俊之米田; 祐芽白石; 振一郎奥村
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp; Mitsubishi Electric Lighting Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp; Mitsubishi Electric Lighting Corp
Priority date: 2016-11-16
Filing date: 2016-11-16
Publication date: 2021-02-10
Anticipated expiration: 2036-11-16
Also published as: JP2018081806A

Description

本発明は、光学レンズ並びに光学レンズを備える光源装置および照明装置に関するものであり、特にオフィス、店舗または車両用の照明に適したものである。

従来の光源装置において、光源として発光素子（ＬＥＤ；ＬｉｇｈｔＥｍｉｔｔｉｎｇＤｉｏｄｅ）を使用し、レンズ等の光学部品により、光源からの光を所定の方向に放射するように配光制御するものが知られている。例えば、光成分を屈折により集光する屈折レンズ部と、レンズ内部に導き反射面で全反射させることで集光する反射体部とを組み合わせて配光制御する光源装置がある（特許文献１参照）。特許文献１に開示される光学レンズは、光源から出射された光のうち所定の角度範囲の光を受光する入力面と、入力面から入射した光を全反射により出射面側へ方向転換させる反射面とを有するレンズが、複数組み合わされて構成される。各レンズは、他のレンズの視角とは異なる視角内に放射される光をその入力面で受光するよう配置され、光学レンズ全体として制御できない光を低減する構成となっている。

特表２０１５−５２９８４９号公報

しかしながら、特許文献１の光学レンズにおいて、各レンズの入力面は、光源を中心とする推定球面の一部を形成する凹面で形成されており、また各レンズの反射面は、隣接するレンズの反射面と、光軸方向において重ならないよう配置されている。このため、特許文献１の光学レンズは、各レンズの入力面に入射した光の方向を隣接するレンズに妨げられずに制御できるが、光学レンズの径方向のサイズが大きくなるという課題がある。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、光源から出射される光の配光制御を行い、小型で、かつ光利用効率がよい光学レンズ、光源装置および照明装置の提供を目的とする。

本発明に係る光学レンズは、光源の出射側に配置される第１レンズ部と、前記第１レンズ部の光軸側に配置された第２レンズ部とを有し、前記光源から出射された光の進行方向を変える光学レンズであって、前記第１レンズ部は、前記光軸に沿って貫通した入光穴の内側面であって、前記光源からの光が入射する入光内側面と、前記入光内側面に入射した光を出射させる第１出射面と、前記入光内側面の前記光源側から前記第１出射面へ延び、前記入光内側面から入射した光を照射側に反射する第１反射面と、前記入光内側面の照射側から前記第１出射面へ延びる接続面と、を有し、前記第２レンズ部は、前記光源側に開口した凹形状を有し、前記第１レンズ部の前記入光穴を通過した前記光源からの光が入射する入光凹部と、前記入光凹部に入射した光を出射させる第２出射面と、前記入光凹部の内側面の前記光源側から前記第２出射面へ延び、前記入光凹部の内側面から入射した光を照射側に反射する第２反射面と、を有し、前記第１レンズ部の前記接続面は、前記第２レンズ部の前記第２反射面と対向するように配置され、前記第２反射面の傾きは、前記第１反射面の傾きよりも小さく、前記入光内側面および前記入光凹部の内側面はそれぞれ、照射側ほど前記光軸に近づく傾きを有しており、前記入光凹部の内側面の傾きは、前記入光内側面の傾きよりも大きく、前記入光内側面および前記入光凹部の内側面は、前記光源から入射する光の進行方向が前記第１反射面または前記第２反射面に近づくように、光を屈折させるものである。
また、本発明に係る光学レンズは、光源の出射側に配置される第１レンズ部と、前記第１レンズ部の光軸側に配置された第２レンズ部とを有し、前記光源から出射された光の進行方向を変える光学レンズであって、前記第１レンズ部は、前記光軸に沿って貫通した入光穴の内側面であって、前記光源からの光が入射する入光内側面と、前記入光内側面に入射した光を出射させる第１出射面と、前記入光内側面の前記光源側から前記第１出射面へ延び、前記入光内側面から入射した光を照射側に反射する第１反射面と、前記入光内側面の照射側から前記第１出射面へ延びる接続面と、を有し、前記第２レンズ部は、前記光源側に開口した凹形状を有し、前記第１レンズ部の前記入光穴を通過した前記光源からの光が入射する入光凹部と、前記入光凹部に入射した光を出射させる第２出射面と、前記入光凹部の内側面の前記光源側から前記第２出射面へ延び、前記入光凹部の内側面から入射した光を照射側に反射する第２反射面と、を有し、前記第１レンズ部の前記接続面は、前記第２レンズ部の前記第２反射面と対向するように配置され、前記入光内側面および前記入光凹部の内側面は、前記光源から入射する光の進行方向が前記第１反射面または前記第２反射面に近づくように、光を屈折させるものであり、前記第１レンズ部は、前記光源から出射された光のうち、前記入光穴を通る途中で前記入光内側面に到達した第１の光を、前記入光内側面から入射させ、前記光軸から離れる方向に屈折し、前記第１反射面で全反射した後に出射するように制御し、前記第２レンズ部は、前記光源から出射された光のうち、前記第１の光よりも前記光源からの出射角が小さい第２の光を、前記入光凹部の前記内側面から入射させ、前記光軸から離れる方向に屈折して前記第２反射面で全反射した後、出射するように制御し、前記光源から出射された光のうち、前記第２の光よりも前記出射角が小さい第３の光を、前記入光凹部の上面から入射させて前記光軸に沿う方向に屈折し、出射するように制御するものである。

本発明によれば、第１レンズ部の入光内側面および第２レンズ部の入光凹部の内側面に入射した光はそれぞれ、入射面での屈折作用および反射面での反射により進行方向が制御される。また第１レンズ部と第２レンズ部とは接続面と第２反射面とが対向するように配置されている。これより、レンズを大型化することなく、レンズの光利用効率を高めることができる。

実施の形態１に係る光源装置を示す分解斜視図である。実施の形態１に係る光源装置の光の経路を示す断面図である。完全拡散光源の出射角と光束量の割合とを示す図である。実施の形態２に係る光源装置を示す分解斜視図である。実施の形態２に係る光源装置の光の経路を示す断面図である。実施の形態３に係る光源装置を示す分解斜視図である。実施の形態３に係る光源装置の光の経路を示す断面図である。実施の形態４に係る光源装置を示す分解斜視図である。実施の形態４に係る光源装置の光の経路を示す断面図である。実施の形態５に係る照明装置を示す斜視図である。

以下、本発明に係る光学レンズ、光源装置および照明装置の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下に説明する実施の形態によって本発明が限定されるものではない。また、図１を含め、以下の図面では各構成部材の大きさの関係が実際のものとは異なる場合がある。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る光源装置を示す分解斜視図である。図２は、実施の形態１に係る光源装置の光の経路を示す断面図である。図１および図２に基づき、実施の形態１の光源装置１について説明する。光源装置１は、光を出射する光源１０と、光源１０から出射された光の進行方向を変える光学レンズ２０とを備えている。また光源装置１は、基板１１、ワイヤ１２、コネクタ１３、およびレンズホルダ１５等を備えている。

光源１０は、例えばＬＥＤ等で構成される。ＬＥＤは、４４０ｎｍ〜４８０ｎｍ程度の青色光を発光するＬＥＤチップ上に、青色光を黄色光に波長変換する蛍光体が設けられ、青色光と変換された黄色光との合成光である白色光を発光する発光素子である。光源１０は基板１１上に実装されており、基板１１は例えば、板状のアルミニウム基板である。基板１１には、電力供給用の回路パターンが形成されており、光源１０として用いられるＬＥＤの他に図示しないダイオード等の素子が実装されている。基板１１は、ワイヤ１２およびコネクタ１３を介し、図示しない電源に接続されている。

光学レンズ２０は、例えば釣鐘形状の外形を有しており、光源１０が光を出射する出射側に配置されている。光学レンズ２０は、アクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂またはガラス等の透明な材料で構成される。図２に示されるように、光源１０と光学レンズ２０とは、レンズホルダ１５により位置決めされ、光源１０の光軸と光学レンズ２０の光軸とが一致またはほぼ一致するように配置される。実施の形態１では、光源１０と光学レンズ２０とはそれぞれの光軸が一致するように配置されているものとして説明する。図中、矢印ｙ方向は光軸１４と平行な方向を示し、矢印ｘ方向および矢印ｚ方向は光軸１４と垂直な方向を示す。また、矢印ｙ方向の正方向を照射側および負方向を光源１０側とし、また矢印ｘ方向において光軸１４から離れる方向を外周側とする。

光学レンズ２０は、第１レンズ部３０と第２レンズ部４０とを有している。第１レンズ部３０は光源１０の出射側に配置され、入光内側面３２と、第１出射面３４と、第１反射面３３と、接続面３５等とを有している。また第１レンズ部３０は、光軸１４に沿って貫通した入光穴３１が設けられている。入光内側面３２は入光穴３１の内側面である。また入光内側面３２は、光軸１４を回転軸とし、光源１０側から遠ざかるにつれて径が小さくなる円錐形の一部の形状を有している。第１出射面３４は、光軸１４に対し略垂直な平面であり、入光内側面３２から第１レンズ部３０内に入射した光を第１レンズ部３０外へ出射させる。第１反射面３３は、入光内側面３２の光源１０側から第１出射面３４へ延び、光軸１４を回転軸とした回転体形状を有している。第１反射面３３は、入光内側面３２から入射した光を反射し第１出射面３４の方へ導く。具体的には、第１反射面３３は、入光内側面３２から入射した光を全反射し光軸１４と略平行な光にする。接続面３５は、入光内側面３２の照射側から第１出射面３４へ延び、光軸１４を回転軸とした回転体形状を有している。なお、実施の形態１においては、例えば、第１レンズ部３０を出射する光の大半が光軸１４方向と成す角度αが０°〜１０°の範囲となるように、入光内側面３２および第１反射面３３の形状が決定されている。

第２レンズ部４０は、第１レンズ部３０の光軸１４側に配置され、入光凹部４１と、第２出射面４５と、第２反射面４４等とを有している。入光凹部４１は、光源１０側に開口した凹形状を有し、入光凹部４１は、光源１０から出射されて入光穴３１を通過した光が入射する、第２レンズ部４０の入射面である。入光凹部４１は、側面を形成する内側面４２と、上面を形成する凸レンズ部４３とにより構成されている。内側面４２は、光源１０の光軸１４を回転軸とし、光源１０側から遠ざかるにつれて径が小さくなる円錐形の一部の形状からなる。凸レンズ部４３は、光軸１４を回転軸とし、光源１０側に凸の回転体形状からなる。また第２出射面４５は、光軸１４に対し略垂直な平面で構成されており、入光凹部４１から第２レンズ部４０内に入射した光を第２レンズ部４０外へ出射させる。第２反射面４４は、内側面４２の光源１０側から第２出射面４５へ延び、光軸１４を回転軸とした回転体形状を有している。第２反射面４４は、入光凹部４１の内側面４２から入射した光を反射して第２出射面の方へ導く。具体的には、第２反射面４４は、内側面４２から入射した光を全反射し、また第２レンズ部４０は、第２出射面４５の外周側に延出した支持部４６を有している。支持部４６は、第１レンズ部３０の第１出射面３４の照射側に配置され、第１出射面３４からの光を通過させ光学レンズ２０外へ出射させる。

第１レンズ部３０と第２レンズ部４０とは、接続面３５と第２反射面４４とが対向するように配置され位置決めされている。上述したように、接続面３５および第２反射面４４はそれぞれ、光軸１４を回転軸とした回転体形状を有しているが、第２反射面４４は接続面３５と略同一曲率を有している。つまり第２反射面４４の形状は、接続面３５を光軸１４に沿って照射側へ平行移動した回転体形状となっている。第１レンズ部３０と第２レンズ部４０とが組み合わされた状態では、接続面３５と第２反射面４４との間には空気層が形成されている。光源１０からの光が光学レンズ２０に入射する際、この空気層に入射した光は制御できないため、空気層の幅はできるだけ狭く設けることが望ましい。

また、入光内側面３２と入光凹部４１の内側面４２とはそれぞれ、上述したように光軸１４を回転軸とした円錐形の一部の形状となっているが、光軸１４に対する傾きの大きさは互いに異なっている。具体的には、入光凹部４１の内側面４２においては、光源１０から遠ざかるにつれ光軸１４に近づく傾きが、入光内側面３２における傾きより大きく形成されており、第２反射面４４で制御される光の量が確保されている。

また、第１レンズ部３０および第２レンズ部４０の光軸方向（矢印ｙ方向）における相対的な位置は、支持部４６の光源１０側の面が第１出射面３４の照射側に接することで決まる。第１出射面３４と支持部４６とは、空気層を介して接していてもよいが、実施の形態１では、接着または溶着等により光学的に一体となっている場合を例に説明する。このように一体構成とすることで、第２レンズ部の支持部４６と第１レンズ部の第１出射面３４との間の界面反射を抑制でき、光のロスを低減できる。また図２に示されるように、光学レンズ２０は、支持部４６の外周においてレンズホルダ１５に支持される構成であってもよい。

図２には、光源１０の中心Ｐｏから出射され光源装置１を通る複数の光の経路が示されている。以下、光軸１４に垂直（矢印ｘ方向）な、中心Ｐｏを通る基準線１６を角度０度の線として、基準線１６からの角度がそれぞれ異なる方向に出射された光の経路について説明する。なお光軸１４方向（矢印ｙ方向）は、基準線１６から９０度の方向となる。

まず、基準線１６からの角度が小さい小角度光Ｓ１の経路について説明する。小角度光Ｓ１は第１レンズ部３０で制御される。小角度光Ｓ１は、入光穴３１を通る途中で入光内側面３２に到達し、第１レンズ部３０に入射する。このとき、入光内側面３２に入射する小角度光Ｓ１は、光軸１４から離れる方向に屈折作用を受け第１レンズ部３０内に入射する。第１レンズ部３０に入射した小角度光Ｓ１は、第１反射面３３に到達し、全反射された後に第１出射面３４へ到達する。第１出射面３４の照射側と支持部４６の光源１０側とは、光学的に一体となっているため、第１出射面３４に到達した小角度光Ｓ１は反射または屈折作用を受けずに支持部４６に到達し、支持部４６から、光軸１４に略平行な角度で出射する。

次に、基準線１６からの角度が中程度の中角度光Ｍ１の経路について説明する。中角度光Ｍ１は第２レンズ部４０で制御される。中角度光Ｍ１は、入光凹部４１の内側面４２から第２レンズ部４０に入射する。このとき、入光凹部４１の内側面４２に入射する中角度光Ｍ１は、光軸１４から離れる方向に屈折作用を受け第２レンズ部４０内に入射する。第２レンズ部４０に入射した中角度光Ｍ１は、第２反射面４４に到達し全反射された後、光軸１４に略平行な角度で第２出射面４５から光学レンズ２０外へ出射する。

次に、基準線１６からの角度が大きい大角度光Ｌ１の経路について説明する。大角度光Ｌ１は、入光凹部４１の凸レンズ部４３から第２レンズ部４０に入射する。このとき、大角度光Ｌ１は、凸レンズ部４３において光軸１４に沿う方向に屈折される、第２レンズ部４０内に入射する。第２レンズ部４０に入射した大角度光Ｌ１は、光軸１４に略平行な角度で第２出射面４５から光学レンズ２０外へ出射する。

図３は、完全拡散光源の出射角と光束量の割合とを示す図である。一般的なＬＥＤ光源は、完全拡散に近い配光特性を有しているため、図３に示されるような光束量の分布を示す。図３によれば、光源１０からの光は、出射角が大きい光すなわち小角度光の光束量に比べ、出射角が中程度の光すなわち中角度光の光束量が多いことがわかる。実施の形態１では、例えば図２に示されるように、光学レンズ２０は、第１反射面３３を設ける範囲と第２反射面４４を設ける範囲とが、光軸１４方向（矢印ｙ方向）の投影において一部重複するように構成されていてもよい。光学レンズ２０をこのように構成した場合、基準線１６からの角度が小さい小角度光の一部は、第１反射面３３で反射された後に接続面３５で再び反射されるため、小角度光の制御性が低下する。しかし、第２反射面４４を大きく採ることができるため、入光凹部４１の内側面４２が光源１０からの光を受光する立体角を大きくし、第２反射面４４で制御される中角度光の角度範囲を広げることができる。また先述したように、中角度光の光束量は小角度光の光束量より多いので、内側面４２の立体角を広げることにより第２反射面４４で制御される光の量を効率的に増加させることができる。したがって光学レンズ２０全体としては、照射光の方向を制御できる光の割合が増す。

以上のように実施の形態１において、光学レンズ２０は、光源１０の出射側に配置される第１レンズ部３０と、第１レンズ部３０の光軸１４側に配置された第２レンズ部４０とを有し、光源１０から出射された光の進行方向を変える光学レンズ２０であって、第１レンズ部３０は、光軸１４に沿って貫通した入光穴３１の内側面であって、光源１０からの光が入射する入光内側面３２と、入光内側面３２に入射した光を出射させる第１出射面３４と、入光内側面３２の光源１０側から第１出射面３４へ延び、入光内側面３２から入射した光を照射側に反射する第１反射面３３と、入光内側面３２の照射側から第１出射面３４へ延びる接続面３５とを有し、第２レンズ部４０は、光源１０側に開口した凹形状を有し、第１レンズ部３０の入光穴３１を通過した光源１０からの光が入射する入光凹部４１と、入光凹部４１に入射した光を出射させる第２出射面４５と、入光凹部４１の内側面４２の光源１０側から第２出射面４５へ延び、入光凹部４１の内側面４２から入射した光を照射側に反射する第２反射面４４とを有し、第１レンズ部３０の接続面３５は、第２レンズ部４０の第２反射面４４と対向するように配置され、入光内側面３２および入光凹部４１の内側面４２は、光源１０から入射する光の進行方向が第１反射面３３または第２反射面４４に近づくように、光を屈折させる形状を有するものである。

これより、入光内側面３２および入光凹部４１の内側面４２はそれぞれ、光源１０から光学レンズ２０に入射する光を、第１反射面３３または第２反射面４４に近づくように屈折させる。そして、入射した光の方向は各反射面により制御される。

ところで、光が入射面でほぼ直進して取り込まれる従来のレンズ（例えば特許文献１参照）では、入射した光を反射面に導くために径または厚みが大きくなる。これに対し、実施の形態１の光学レンズ２０は上記の構成により、レンズを大型化することなく、反射面に達する光の量を増加させることができる。その結果、光学レンズ２０は、所定の方向に放射するよう制御できる光の割合を増やすことができ、高効率化を実現できる。また、第２反射面４４と接続面３５とは対向するように配置されているが、間に形成される空気層を狭く設定した場合には、空気層に入射する光すなわちレンズで制御されない光を低減できる。したがって、光学レンズ２０および光源装置１は、光学レンズ２０の集光性能を大きく損なわずに小型化が実現できる。

また、入光内側面３２および入光凹部４１の内側面４２はそれぞれ、照射側ほど光軸１４に近づく傾きを有しており、入光凹部４１の内側面４２の傾きは、入光内側面３２の傾きよりも大きいものである。

これより、光軸１４に略平行な反射光を得るための第２反射面４４の傾きを、第１反射面３３の傾きよりも小さくすることができる。このため、第２反射面４４と第１反射面３３との径の差を大きく採ることができ、第１反射面３３で反射された光が接続面３５で妨げられることを抑制できるので、光学レンズ２０の光利用効率を高めることができる。

また、第２レンズ部４０は、第２出射面４５から外周側に延出して第１出射面３４の照射側に配置され、第１出射面３４と光学的に接着された支持部４６を有するものである。

これより、第１レンズ部３０の第１出射面３４と第２レンズ部４０とが光学的に貼り合わされると境界の空気層がなくなり、空気層による反射または屈折が抑えられる。そのため、光学レンズ２０の光利用効率が高められる。

また、光源装置１は、光を出射する光源１０と、光学レンズ２０とを備えるものである。これより、高効率でかつ小型の光源装置１を提供することができる。

実施の形態２．
図４は、実施の形態２に係る光源装置を示す分解斜視図である。図５は、実施の形態２に係る光源装置の光の経路を示す断面図である。図４および図５に基づき、実施の形態２の光源装置１００について説明する。なお実施の形態２では、光学レンズ１２０の第１レンズ部１３０の形状が、実施の形態１のものとは異なる。実施の形態１と共通する部分は同一の符号を付して説明を省略し、実施の形態１との相違点を中心に説明する。

実施の形態２において、第１レンズ部１３０は、入光内側面１３２と、第１出射面１３４と、第１反射面１３３と、接続面１３５等とを有している。また第１レンズ部１３０は光軸１４に沿って貫通した入光穴１３１が設けられている。第１レンズ部１３０において各構成は、第１反射面１３３を除き、実施の形態１とほぼ同様の構成となっている。

第１反射面１３３は、光源１０の光軸１４を回転軸とした回転体形状を有している。図５に示されるように、第１レンズ部１３０の第１反射面１３３と第２レンズ部４０の第２反射面４４とは、光軸１４方向（矢印ｙ方向）の投影において、領域Ｑで重なるように配置されている。第１反射面１３３の領域Ｑと他の領域とは、面の傾斜が異なるように形成されている。第１反射面１３３の領域Ｑは、入光内側面１３２から第１レンズ部１３０内に入射した光の一部を反射し、第１出射面１３４の方へ導く。具体的には、領域Ｑは、領域Ｑに到達した光を全反射し、光軸１４方向（矢印ｙ方向）よりも外周側へ角度β傾いた光にする。また第１反射面１３３の他の領域は、入光内側面１３２から第１レンズ部１３０内に入射した光を反射し、第１出射面１３４の方へ導く。具体的には、他の領域は、他の領域に到達した光を全反射し、光軸１４と略平行な光にする。

上記の角度βは、矢印ｘ方向における、第１反射面１３３の最も光源１０側の位置と接続面１３５の最も照射側の位置との距離Ｄ１と、矢印ｙ方向における、第１レンズ部１３０の厚みＴ１を用いて表される（式１）を満たす角度である。

［数１］
β＞ａｒｃｔａｎ（Ｄ１／Ｔ１）・・・（式１）

図５には、光源１０の中心Ｐｏから出射され光源装置１００を通る複数の光の経路が示されている。以下、光軸１４に垂直（矢印ｘ方向）な、中心Ｐｏを通る基準線１６を角度０°の線として、基準線１６からの角度がそれぞれ異なる方向に出射された光の経路について説明する。

まず、基準線１６からの角度が小さい小角度光Ｓ２の経路について説明する。小角度光Ｓ２は第１レンズ部１３０で制御される。小角度光Ｓ２は、入光穴１３１を通る途中で入光内側面１３２に到達し、第１レンズ部１３０に入射する。このとき、入光内側面１３２に入射する小角度光Ｓ２は、光軸１４から離れる方向に屈折作用を受け第１レンズ部１３０内に入射する。第１レンズ部１３０に入射した小角度光Ｓ２は、第１反射面１３３の他の領域に到達し、反射された後に第１出射面１３４へ到達する。そして第１出射面１３４に到達した小角度光Ｓ２は、支持部４６に進み、支持部４６から光軸１４に略平行な角度で出射する。

次に、基準線１６からの角度が上記の小角度光Ｓ２よりもさらに小さい極小角度光ＳＳ２の経路について説明する。極小角度光ＳＳ２も第１レンズ部１３０で制御される。極小角度光ＳＳ２は、入光内側面１３２から第１レンズ部１３０に入射する。このとき、入光内側面１３２に入射する極小角度光ＳＳ２は、光軸１４から離れる方向に屈折作用を受け第１レンズ部１３０内に入射する。第１レンズ部１３０に入射した極小角度光ＳＳ２は、第１反射面１３３の領域Ｑに到達する。極小角度光ＳＳ２は、領域Ｑで反射され、光軸１４に対し角度β外周側へ傾いた光となって第１出射面１３４に到達する。第１出射面１３４に到達した極小角度光ＳＳ２は、支持部４６を通過し、光軸１４に対しわずかに傾いた角度で光学レンズ１２０外へ出射する。つまり、極小角度光ＳＳ２は、第１レンズ部１３０内において、光軸１４方向よりも外周側に進むため、接続面１３５を介さずに出射される。

中角度光Ｍ１および大角度光Ｌ１については、実施の形態１の場合と同様の経路となるため、説明を省略する。

以上のように実施の形態２においても、入光内側面１３２および入光凹部４１の内側面４２はそれぞれ、光源１０から光学レンズ１２０に入射する光を、第１反射面１３３または第２反射面４４に近づくように屈折させ、入射した光の方向は、各反射面で制御される。そのため、光学レンズ１２０および光源装置１００は、レンズを大型化することなく光利用効率を高めることができる。

また、第１反射面１３３は、光軸１４方向の投影において第２反射面４４と重複する領域Ｑでは、入射した光を、光軸１４から離れる方向へ反射するものである。これより、第１反射面１３３で反射された光が接続面１３５に到達するのを回避できる。

ところで、比較例として、一つのレンズに空気層を設けることで反射面を複数形成し、径を小さくしたレンズがある（例えば特許第５１８７３４２号公報）。このようなレンズでは、例えば、外側の反射面で反射された光が、空気層を形成する外周面でさらに反射され、制御できない光が出射される場合がある。一方、実施の形態２において、第１レンズ部１３０に入射し領域Ｑに到達した光は、光軸１４方向よりわずかに外周側へ反射されるため接続面１３５に到達せず、制御性が維持される。その結果、光学レンズ１２０は、制御性が低下して出射される光の割合を低減でき、コリメート性能を高めることができる。

実施の形態３．
図６は、実施の形態３に係る光源装置を示す分解斜視図である。図７は、実施の形態３に係る光源装置の光の経路を示す断面図である。図６および図７に基づき、実施の形態３の光源装置２００について説明する。本実施の形態３では、光学レンズ２２０の第１レンズ部２３０の形状と、配光制御プレート６０を追加した点とが実施の形態１と異なる。実施の形態１と共通する部分は同一の符号を付して説明を省略し、実施の形態１との相違点を中心に説明する。

実施の形態３において、第１レンズ部２３０は、入光内側面２３２と、第１出射面２３４と、第１反射面２３３と、接続面２３５等とを有している。また第１レンズ部２３０には、光軸１４に沿って貫通した入光穴２３１が設けられている。第１レンズ部２３０の各構成は、第１反射面２３３を除き、実施の形態１とほぼ同様の構成となっている。

第１反射面２３３は、光源１０の光軸１４を回転軸とし、光源１０から遠ざかるにつれ径が大きくなる回転体形状を有している。第１反射面２３３は、入光内側面２３２の光源１０側から第１出射面２３４に延び、入光内側面２３２から入射した光を反射し、第１出射面２３４の方へ導く。具体的には、第１反射面２３３は、入光内側面２３２から入射した光を全反射し、光軸１４方向（矢印ｙ方向）よりも外周側へ角度γ傾いた光にする。そのため、例えば、実施の形態３の第１反射面２３３は、実施の形態１の第１反射面３３よりも、光軸と垂直な方向（矢印ｘ方向）に広がった形状となっている。また図７に示されるように、第１反射面２３３と第２反射面４４とは、光軸１４方向（矢印ｙ方向）の投影において、一部の領域で重複するように配置されている。

上記の角度γは、矢印ｘ方向における、第１反射面２３３の最も光源１０側の位置と接続面２３５の最も照射側の位置との距離Ｄ２と、矢印ｙ方向における、第１レンズ部２３０の厚みＴ２とを用いて表される（式２）を満たす角度である。

［数２］
γ＞ａｒｃｔａｎ（Ｄ２／Ｔ２）・・・（式２）

光学レンズ２２０の照射側には、光学レンズ２２０から出射された光の方向を制御する配光制御プレート６０が配置されている。光学レンズ２２０と配光制御プレート６０とは、レンズホルダ１５により位置決めされている。

配光制御プレート６０は、第２反射面４４の外径と略同等の内径を有するリング形状に形成されている。配光制御プレート６０は、アクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂またはガラス等の透明な材料から生成されている。配光制御プレート６０は、光学レンズ２２０からの光が入射するプリズム入射面６１と、プリズム入射面６１から入射した光を配光制御プレート６０外へ出射するプリズム出射面６２と、プリズム入射面６１とプリズム出射面６２とを接続するプリズム境界面６３とからなる。プリズム入射面６１は、光軸１４に対し略垂直な面で構成され、プリズム出射面６２は、光軸１４に近づくにつれ配光制御プレート６０の厚みが厚くなるような傾きを有する傾斜面で構成されている。またプリズム境界面６３は、配光制御プレート６０のリング形状の内周を構成している。

実施の形態３において、入光内側面２３２と第１反射面２３３とは、角度γが（式２）を満たすよう構成されているが、角度γを大きく採った場合、光軸１４と略平行な配光を得るために配光制御プレート６０の厚みを厚くする必要が生じる。したがって、角度γは、（式２）を満たす範囲で小さく設定するのが望ましい。

図７には、光源１０の中心Ｐｏから出射され光源装置２００を通る複数の光の経路が示されている。配光制御プレート６０に入射する光は、図７に示される小角度光Ｓ３のような、第１レンズ部２３０を通って光学レンズ２２０外へ出射した光である。

基準線１６からの角度が小さい小角度光Ｓ３の経路について説明する。小角度光Ｓ３は第１レンズ部２３０で制御される。小角度光Ｓ３は、入光穴２３１を通る途中で入光内側面２３２に入射し、第１レンズ部２３０に入射する。このとき、入光内側面１３２に入射する小角度光Ｓ３は、光軸１４から離れる方向に屈折作用を受け第１レンズ部２３０内に入射する。第１レンズ部２３０に入射した小角度光Ｓ３は、第１反射面２３３に到達し反射されて、光軸１４に対し角度γ外周側へ傾いた光となって第１出射面２３４に到達する。第１出射面２３４に到達した小角度光Ｓ３は、支持部４６を通過し、光軸１４に対しわずかに傾いた角度で光学レンズ２２０外へ出射する。そして、支持部４６から光学レンズ２２０外に出射した小角度光Ｓ３は、プリズム入射面６１から配光制御プレート６０内に入射する。小角度光Ｓ３は、プリズム入射面６１およびプリズム出射面６２によりそれぞれ屈折作用を受け、光軸１４と略平行な角度で配光制御プレート６０外へ出射する。

一方、光学レンズ２２０から出射した光のうち、配光制御プレート６０に入射しない中角度光Ｍ１および大角度光Ｌ１は、実施の形態１の経路と同様の経路で光学レンズ２２０外へ出射し、照射される。

なお、実施の形態３においては、配光制御プレート６０により光軸１４と略平行な角度で光が出射するよう制御しているが、これに限られるものではなく、所望の配光に合わせてプリズム入射面６１およびプリズム出射面６２の形状を適宜変更しても良い。また本実施の形態３において、配光制御プレート６０はリング状に形成されているが、これに限られたものではなく、例えば第２レンズ部４０の照射側全体を覆うように、リング状または格子状の複数のプリズムを配置してもよく、あるいは粗面等を形成してもよい。さらに、配光制御プレート６０は光学レンズ２２０と光学的に一体化して構成されていてもよく、このような構成により、境界面での反射ロスが軽減され、光の利用効率を高めることができる。

以上のように実施の形態３においても、入光内側面２３２および入光凹部４１の内側面４２はそれぞれ、光源１０から光学レンズ２２０に入射する光を、第１反射面２３３または第２反射面４４に近づくように屈折させ、入射した光の方向は、各反射面で制御される。そのため、光学レンズ２２０および光源装置２００は、レンズを大型化することなく光利用効率を高めることができる。

また、第１反射面２３３の少なくとも一部は、入射した光を、光軸１４から離れる方向へ反射する。これより、第１反射面２３３で反射した光が接続面２３５に到達することを回避して、制御性が低下することを抑制できる。したがって光学レンズ２２０は、第１レンズ部２３０から配光が揃った光を効率良く出射させることができる。

また、光源装置２００は、光学レンズ２２０の照射側に配置され、光軸１４から離れる方向に傾いて光学レンズ２２０を出射した光を、光軸１４側へ屈折させる配光制御プレート６０をさらに備えるものである。

これより、光源装置２００は、配光制御プレート６０を備えることで所望の配光を作ることができ、所望の範囲へ出射する光の量を増加させ高効率に照射できる。

また、光源装置２００は、第１レンズ部２３０の照射側に配置され、第１反射面２３３で反射されて出射した光の進行方向を、入光凹部４１に入射して出射した光の進行方向と揃える配光制御プレート６０をさらに備えるものである。

これより、配光制御プレート６０を設けることで所望の配光を作ることができ、所望の範囲へ入る光を増やすことができ、高効率化につながる。特に、実施の形態３において光学レンズ２２０は、第１反射面２３３を備えることにより高い指向性を有するが、このような光学レンズ２２０とともに配光制御プレート６０を用いることで、配光制御性が高い照射光を取り出すことができる。

実施の形態４．
図８は、実施の形態４に係る光源装置を示す分解斜視図である。図９は、実施の形態４に係る光源装置の光の経路を示す断面図である。図８および図９に基づき、実施の形態４の光源装置３００について説明する。本実施の形態４では、光学レンズ３２０の形状が実施の形態１と異なる。実施の形態１と共通する部分は同一の符号を付して説明を省略し、実施の形態１との相違点を中心に説明する。

光学レンズ３２０は、第１レンズ部３３０と第２レンズ部３４０とにより構成されている。実施の形態４においても、第１レンズ部３３０には入光穴３３１が設けられ、第１レンズ部３３０は、入光内側面３３２と、第１出射面３３４と、第１反射面３３３と、接続面３３５等とを有している。

第２レンズ部３４０は、光源１０側に入光凹部３４１および入射屈折面３４７、照射側に出射凹部３４８、第２出射平面３４５、および支持部３４６、並びに、入射屈折面３４７から第２出射平面３４５に延びる第２反射面３４４を有している。実施の形態４では、入光凹部３４１の開口幅は入光内側面３３２の開口幅より狭く形成されており、入光凹部３４１と第２反射面３４４とは、入射屈折面３４７により接続されている。入射屈折面３４７は、光軸１４を回転軸とし、光源１０から遠ざかるにつれて径が大きくなる回転形状を有している。入光凹部３４１および入射屈折面３４７は、光源１０から出射され入光穴３３１を通過した光が入射する。入射屈折面３４７は、光源１０から入射する光の一部を、光軸１４に沿う方向に屈折される。

実施の形態１において入光凹部４１は、内側面４２および凸レンズ部４３で構成されていたが、実施の形態４において入光凹部３４１は、内側面３４２と、光軸１４に対し略垂直な平面状の上面３４３とにより構成されている。上面３４３は、光源１０から入射する光を、光軸１４方向（矢印ｙ方向）に近づく方向に屈折させる。

出射凹部３４８は、第２レンズ部３４０の照射側の中央に設けられ、照射側に開口した凹形状を有している。３４８の外側の周辺部は平面になっている。出射凹部３４８は、凹形状の側面を形成する内側面３４９と、底面を形成する出射屈折面３５０とにより構成されている。出射屈折面３５０は、出射面側に凸形状であり、光軸１４から離れるにつれ第２レンズ部３４０の厚みが薄くなるよう構成されている。第２出射平面３４５は、出射凹部３４８の外周側に設けられ、光軸１４に対し略垂直なリング状の平面で構成されている。第２出射平面３４５は、入射屈折面３４７および入光凹部３４１の内側面３４２から入射した光を、光学レンズ３２０外へ出射させる。出射屈折面３５０は、入光凹部３４１の上面３４３に入射し光軸１４方向に近づくように屈折された光をさらに屈折させ、光軸１４に略平行な光として光学レンズ３２０外へ出射する。

また第１レンズ部３３０と第２レンズ部３４０とは、実施の形態１と同様に配置され組み合わされている。つまり、接続面３３５と第２反射面３４４とは間に空気層を有して対向するように配置されており、第１出射面３３４の照射側と支持部３４６の光源１０側とは、光学的に一体となるよう接着されている。

図９には、光源１０の中心Ｐｏから出射された光源装置３００を通る複数の光の経路が示されている。以下、光軸１４に垂直（矢印ｘ方向）な、中心Ｐｏを通る基準線１６を０°の線として、基準線１６からの角度がそれぞれ異なる方向に出射された光の経路について説明する。

まず、基準線１６からの角度が小さい小角度光Ｓ４の経路について説明する。小角度光Ｓ４、第１レンズ部３３０で制御される。小角度光Ｓ４は、入光穴３３１を通る途中で入光内側面３３２に到達し、第１レンズ部３３０に入射する。このとき、入光内側面３３２に入射する小角度光Ｓ４は、光軸１４から離れる方向に屈折作用を受け第１レンズ部３３０内に入射する。第１レンズ部３３０に入射した小角度光Ｓ４は、第１反射面３３３で全反射されて光軸１４に略平行な光となる。第１出射面３３４に到達した小角度光Ｓ４は、支持部３４６に到達し、光学レンズ３２０外へ出射する。

次に、基準線１６からの角度が中程度の光のうち、小角度光Ｓ４に近い中角度光Ｍ４と、中角度光Ｍ４よりも角度が大きい中角度光ＭＭ４とについてそれぞれ説明する。

中角度光Ｍ４は第２レンズ部３４０で制御される。中角度光Ｍ４は、入射屈折面３４７から第２レンズ部３４０に入射する。このとき、中角度光Ｍ４は、入射屈折面３４７において光軸１４に沿う方向に屈折され、第２レンズ部３４０内に入射する。第２レンズ部３４０に入射した中角度光Ｍ４は、第２出射平面３４５から光学レンズ３２０外へ出射する。

中角度光ＭＭ４は第２レンズ部３４０で制御される。中角度光ＭＭ４は、入光凹部３４１の内側面３４２から第２レンズ部３４０内に入射する。このとき、中角度光ＭＭ４は、入光凹部３４１の内側面３４２において光軸１４から離れる方向に屈折作用を受け、第２レンズ部３４０内に入射する。第２レンズ部３４０に入射した中角度光ＭＭ４は、第２反射面３４４に到達し全反射された後、光軸１４に略平行な角度で第２出射平面３４５から光学レンズ３２０外へ出射する。

次に、基準線１６からの角度が大きい大角度光Ｌ４の経路について説明する。大角度光Ｌ４は、入光凹部３４１の上面３４３から第２レンズ部３４０に入射する。大角度光Ｌ４は、上面３４３において光軸１４方向に近づく方向に屈折され、出射屈折面３５０に導かれる。大角度光Ｌ４は、出射屈折面３５０でさらに屈折され、光軸１４に略平行な光として光学レンズ３２０外へ出射する。

以上のように実施の形態４においても、入光内側面３３２および入光凹部４１の内側面４２はそれぞれ、光源１０から光学レンズ３２０に入射する光を、第１反射面３３３または第２反射面４４に近づくように屈折させ、入射した光の方向は、各反射面で制御される。そのため、光学レンズ３２０および光源装置３００は、レンズを大型化することなく光利用効率を高めることができる。

また、第２レンズ部３４０は、入光凹部３４１と第２反射面３４４との間に設けられ、光源１０から入射する光を照射側に屈折させる入射屈折面３４７を有するものである。

これより、入光凹部３４１の周りに入射屈折面３４７を設けることで、出射屈折面３５０の径を小さくすることができる。実施の形態４では、入光凹部３４１の上面３４３と出射凹部３４８の出射屈折面３５０とにより、大角度光が光軸１４方向に沿うように方向転換されている。このような構成においても、入射屈折面３４７により出射屈折面３５０と第２反射面３４４との距離が確保されているので、第２反射面３４４の反射光が出射屈折面３５０に妨げられることを抑制できる。その結果、光学レンズ３２０は、光源１０からの光を所望の配光角度範囲内へ効率良く制御でき、所定の範囲を効率良く照明できる。

実施の形態５．
図１０は、実施の形態５に係る照明装置を示す斜視図である。図１０に基づき、実施の形態５の照明装置４００について説明する。実施の形態５に係る照明装置４００は、実施の形態１に係る光源装置１をスポットライトに使用したものである。実施の形態１と共通する部分は同一の符号を付して説明を省略し、実施の形態１との相違点を中心に説明する。

照明装置４００は、光源装置１に加えて、光源装置１が設置される筐体４０２と、電源４０１と、天井に取り付けるための固定金具等とを備えている。電源４０１は、光源装置１とケーブル４０３で接続され、光源装置１に所定の電力を供給するものである。放熱性能を上げるために、筐体４０２には、例えばアルミダイカスト製のヒートシンク等が設けられてもよい。

なお、照明装置４００の光源装置として、実施の形態２〜４に係る光源装置１００、２００、３００を適用してもよい。また、照明装置４００は、天井に取り付けられるものに限定されない。例えば、照明装置４００は、卓上に設置されるもの、もしくは壁に固定具を介して取り付けられるものであってもよく、または、車両のヘッドライト等他の場所あるいは用途で用いられるものであってもよい。

以上のように実施の形態５において、照明装置４００は、光源装置１と、光源装置１が設置される筐体４０２と、光源装置１に電力を供給する電源４０１とを備えるものである。これより、照明装置４００は小型で高効率な光源装置１を備えているので、照明範囲を明るく照射することができ、かつコンパクトな照明装置４００を提供することができる。

なお、本発明の実施の形態は上記実施の形態に限定されず、種々の変更を行うことができる。また上記実施の形態は、複数組み合わせることができる。例えば、上記実施の形態において光源１０の発光素子は、ＬＥＤを用いて構成されていたが、ＬＤ（ＬａｓｅｒＤｉｏｄｅ）等で構成されたものでもよく、また発光面面積が大きい１つの発光素子で構成されたものであってもよい。また光源１０の配置は、光学レンズ２０の光軸１４を回転軸とする配置に限定されず、複数個の光源が、矩形または多角形に配置されてもよい。

また、光源装置１の基板１１としてアルミニウム基板が用いられたが、鉄等の金属基板、または、より安価なガラスエポキシ樹脂もしくは紙フェノール材等で構成された基板が用いられてもよい。また、筐体４０２に設けられるヒートシンクの材質は、アルミダイカスト材に限られたものではなく、鉄等の金属、さらには高熱伝導樹脂等でもよい。

また、光源装置１において、基板１１とレンズホルダ１５との間に熱伝導グリースまたは熱伝導シート等の熱伝導材または接着材を介在させてもよい。そして、これらの接着材を使用するか否かは、使用するＬＥＤおよび回路素子等の耐熱温度、寿命および強度等に基づいて適宜決定されればよい。

また、入光凹部４１、入光穴３１、第１反射面３３および第２反射面４４等の形状は特に限定されない。例えば、入光凹部４１の一部は、光源１０を中心とした半球形状、回転放物面形状、回転楕円面形状、または回転多項式面形状等に形成されてもよい。また、出射屈折面３５０の形状も特に限定されず、例えば、凹形状、平面、または円錐台等とであってもよい。

また、光学レンズ２０の表面および一部の表面は、例えば、照射イメージの緩和、または照射面の色むらを低減するため、シボ加工等の光拡散処理が施されていてもよい。

１，１００，２００，３００光源装置、１０光源、１１基板、１２ワイヤ、１３コネクタ、１４光軸、１５レンズホルダ、１６基準線２０，１２０，２２０，３２０光学レンズ、３０，１３０，２３０，３３０第１レンズ部、３１，１３１，２３１，３３１入光穴、３２，１３２，２３２，３３２入光内側面、３３，１３３，２３３，３３３第１反射面、３４，１３４，２３４，３３４第１出射面、３５，１３５，２３５，３３５接続面、４０，３４０第２レンズ部、４１，３４１入光凹部、４２，３４２内側面、４３凸レンズ部、４４，３４４第２反射面、４５第２出射面、４６，３４６支持部、３４３上面、３４５第２出射平面、３４７入射屈折面、３４８出射凹部、３４９内側面、３５０出射屈折面、６０配光制御プレート、６１プリズム入射面、６２プリズム出射面、６３プリズム境界面、４００照明装置、４０１電源、４０２筐体、４０３ケーブル。

Claims

光源の出射側に配置される第１レンズ部と、前記第１レンズ部の光軸側に配置された第２レンズ部とを有し、前記光源から出射された光の進行方向を変える光学レンズであって、
前記第１レンズ部は、
前記光軸に沿って貫通した入光穴の内側面であって、前記光源からの光が入射する入光内側面と、
前記入光内側面に入射した光を出射させる第１出射面と、
前記入光内側面の前記光源側から前記第１出射面へ延び、前記入光内側面から入射した光を照射側に反射する第１反射面と、
前記入光内側面の照射側から前記第１出射面へ延びる接続面と、を有し、
前記第２レンズ部は、
前記光源側に開口した凹形状を有し、前記第１レンズ部の前記入光穴を通過した前記光源からの光が入射する入光凹部と、
前記入光凹部に入射した光を出射させる第２出射面と、
前記入光凹部の内側面の前記光源側から前記第２出射面へ延び、前記入光凹部の内側面から入射した光を照射側に反射する第２反射面と、を有し、
前記第１レンズ部の前記接続面は、前記第２レンズ部の前記第２反射面と対向するように配置され、
前記第２反射面の傾きは、前記第１反射面の傾きよりも小さく、
前記入光内側面および前記入光凹部の内側面はそれぞれ、照射側ほど前記光軸に近づく傾きを有しており、前記入光凹部の内側面の傾きは、前記入光内側面の傾きよりも大きく、
前記入光内側面および前記入光凹部の内側面は、前記光源から入射する光の進行方向が前記第１反射面または前記第２反射面に近づくように、光を屈折させる
光学レンズ。
光源の出射側に配置される第１レンズ部と、前記第１レンズ部の光軸側に配置された第２レンズ部とを有し、前記光源から出射された光の進行方向を変える光学レンズであって、
前記第１レンズ部は、
前記光軸に沿って貫通した入光穴の内側面であって、前記光源からの光が入射する入光内側面と、
前記入光内側面に入射した光を出射させる第１出射面と、
前記入光内側面の前記光源側から前記第１出射面へ延び、前記入光内側面から入射した光を照射側に反射する第１反射面と、
前記入光内側面の照射側から前記第１出射面へ延びる接続面と、を有し、
前記第２レンズ部は、
前記光源側に開口した凹形状を有し、前記第１レンズ部の前記入光穴を通過した前記光源からの光が入射する入光凹部と、
前記入光凹部に入射した光を出射させる第２出射面と、
前記入光凹部の内側面の前記光源側から前記第２出射面へ延び、前記入光凹部の内側面から入射した光を照射側に反射する第２反射面と、を有し、
前記第１レンズ部の前記接続面は、前記第２レンズ部の前記第２反射面と対向するように配置され、
前記入光内側面および前記入光凹部の内側面は、前記光源から入射する光の進行方向が前記第１反射面または前記第２反射面に近づくように、光を屈折させるものであり、
前記第１レンズ部は、前記光源から出射された光のうち、前記入光穴を通る途中で前記入光内側面に到達した第１の光を、前記入光内側面から入射させ、前記光軸から離れる方向に屈折し、前記第１反射面で全反射した後に出射するように制御し、
前記第２レンズ部は、前記光源から出射された光のうち、前記第１の光よりも前記光源からの出射角が小さい第２の光を、前記入光凹部の前記内側面から入射させ、前記光軸から離れる方向に屈折して前記第２反射面で全反射した後、出射するように制御し、前記光源から出射された光のうち、前記第２の光よりも前記出射角が小さい第３の光を、前記入光凹部の上面から入射させて前記光軸に沿う方向に屈折し、出射するように制御する
光学レンズ。
前記第２レンズ部は、
前記入光凹部と前記第２反射面との間に設けられ、前記光源から入射する光を照射側に屈折させる入射屈折面を有する請求項１または２記載の光学レンズ。
前記第１反射面の少なくとも一部は、入射した光を、光軸から離れる方向へ反射する請求項１〜３のいずれか一項記載の光学レンズ。
前記第１反射面は、光軸方向の投影において前記第２反射面と重複する領域では、入射した光を、光軸から離れる方向へ反射する請求項１〜３のいずれか一項記載の光学レンズ。
前記第２レンズ部は、
前記第２出射面から外周側に延出して前記第１出射面の照射側に配置され、前記第１出射面と光学的に接着された支持部を有する請求項１〜５のいずれか一項記載の光学レンズ。
光を出射する光源と、
請求項１〜６のいずれか一項記載の光学レンズと、を備える
光源装置。
前記光学レンズの照射側に配置され、光軸から離れる方向に傾いて前記光学レンズを出射した光を、光軸側へ屈折させる配光制御プレートをさらに備える請求項７記載の光源装置。
前記第１レンズ部の照射側に配置され、前記第１反射面で反射されて出射した光の進行方向を、前記入光凹部に入射して出射した光の進行方向と揃える配光制御プレートをさらに備える請求項７記載の光源装置。
請求項７〜９のいずれか一項記載の光源装置と、
前記光源装置が設置される筐体と、
前記光源装置に電力を供給する電源と、を備える
照明装置。