JPH0358482B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は照明灯具用の反射鏡に係り、特に、そ
の焦点を光源位置に一致せしめて設置し、該光源
から出射した光束の一部を前方に向けて反射する
ために用いられる反射鏡に関するものである。

第１図はこの種の従来の反射鏡１を備えた照明
灯の、光軸Ｚ−Ｚを含む断面図である。従来一般
に、上記の反射鏡１は回転放物面状に構成され、
その焦点Ｆに設けられた光源２から出射した光束
の１部を、光軸Ｚ−Ｚと平行に反射する。

上記のようにして反射された平行光束を調光し
て所望の配光パターンを得るため、反射鏡１の前
方開口部を覆つてレンズ３が取り付けられる。第
２図は上記レンズ３の部分的正面図である。

第１図には、光源２から出射して反射鏡２で反
射された光を矢印イ，ロ〜ト及びイ′，ロ′〜ト′
で示してある。図示を省略したが上記矢印の他
に、光源２から直接前方（図の左方）に出射する
光もある。

前記のレンズ３として、一般に多数の凹形球面
を形成した球面プリズム、若しくは多数の凹形円
柱面を形成したカマボコ形プリズムが用いられ
る。第１図に示した矢印チ〜ヲは、光軸Ｚ−Ｚに
平行に反射された光束がプリズム面３ａで散光さ
れる状態を示している。

第３図は、球面プリズムを形成したレンズを用
いた場合、光軸Ｚ−Ｚと垂直にスクリーン（図示
せず）を置いたときの配光パターンを示し、Ｈ−
Ｈは水平軸、Ｖ−Ｖは垂直軸である。

上記の水平軸Ｈ−Ｈ上における光度分布は第４
図に示すごとく中央部で最大光度となり、周辺へ
近づくにつれて光度が減少する。こうした傾向は
従来一般に用いられているこの種の照明灯に共通
しているが、この光度分布カーブを設計的意図に
基づいて所望の如く制御することは困難である。

第５図はカマボコ形プリズムを形成したレンズ
を用いた場合の配光パターンを示す。カマボコ形
プリズムを用いた場合も、その光度分布カーブを
所望の如く制御することは困難である。

従来、この種の照明灯の配光を所望のパターン
に近づけるため、レンズ３に設けるプリズムの設
計に関して種々の工夫が試みられているが、肉厚
のプリズムや複雑な形状のプリズムは製造コスト
が高く、また、プリズム形状によつて配光パター
ンを意のままに制御することは不可能である。前
掲の第４図や第５図のような従来例の配光パター
ンが好適であるような灯具も有るが、また、この
ような配光パターンが望ましくない場合も有る。

例えばこれを作業灯に用いた場合、中央部に照
度の大きい区域が有るため、照明範囲内の周辺部
が実際よりも暗く感じられる。

更に、従来この種の照明灯は第１図に示すよう
に奥行寸法Ｌが大きいため設置所要容積が大き
く、設置に関して制約を受け易いという不具合も
ある。こうした不具合を解消するため、実線で示
したレンズ３を仮想線で示した３′の位置まで後
退させると、レンズの発光面積が減少する。

本発明は上述の事情に鑑み、従来装置の欠点を
解消すべく為されたもので、その目的とするとこ
ろは配光特性を任意に設定することができ、しか
もレンズ構成が簡単で発光面積を広く設定するこ
とができ、その上、照明灯の奥行を浅く構成し得
る灯具用反射鏡を提供しようとするものである。

上記の目的を達成するため、本発明の灯具用反
射鏡は、光源から反射面に向けて入射する光の光
軸に対する角度θと、光源の光度₀と、反射光
の光軸に対する角度αとを ₀cosθ＝Asinα−（Ｂ＋Aα）cosα＋Ｃ ……(1) なる関係に保つと共に、光源から出射した光が光
軸に対して角度θで入射する点の座標（x₁、z₁）
と、同じく角度θ＋Δθで入射する点の座標（x₂、
z₂）との関係が、 x₂＝x₁tan（θ−α／２）−z₁／cot（θ＋Δθ）＋tan
（θ−α／２）……(2) z₂＝−｛x₁tan（θ−α／２）−z₁｝／１＋tan（θ＋Δ
θ）＋tan（θ−α／２）……(3) によつて表わされる連続曲線をＺ軸の回りに回転
せしめてなる曲面を有し、かつ、前記の角度θを
θ≧０、角度αをα≧０に設定すると共に、角度
θの増加に伴つて角度αが減少するように設定し
たことを特徴とする。

第６図は上記の数式に示された角度θおよび角
度αの説明図である。

光源位置Ｆから矢印ワの如く反射鏡面Ｍに入射
する光について考察する。点カは入射点であり、
１点鎖線で示したZ′は入射点カを通つて光軸Ｚ−
Ｚに平行な線である。矢印ヨは、入射点カにおけ
る反射光を示す。この場合、光源から反射鏡に向
けて入射する光（矢印ワ）の光軸に対する角度
θ、並びに、反射光（矢印ヨ）の光軸に対する角
度αはそれぞれ図示の如くである。

上記の角度θが更に微小角Δθだけ増加すると、
入射光は矢印タの如くになり、入射点レで矢印ソ
の如く反射される。Z″は入射点レを通つて光軸
Ｚ−Ｚに平行な線である。

仮想線矢印ヨ′は、説明の便宜上付記したもの
で、入射点レを通つて前記の反射光矢印ヨに平行
に描いた仮想の線であつて、線Z″に対して角α
を為している。

前記の如く、反射面Ｍに入射する光が矢印ワか
ら同タに変化し、これに伴つて光軸と為す角がθ
からθ＋Δθに増加したとき、反射光矢印ヨが光
軸に対して為す角αに比して、反射光矢印ソが光
軸に対して為す角はα＋Δθとなり、Δαだけ変化
する。本発明の反射鏡において、角θ、角αは、
光軸Ｚ−Ｚに対して外向き方向を正とし、内向き
方向を負として表わすものとする。本発明の構成
において、角度θの増加に伴つて角度αが減少す
るとは、第６図においてΔαの値が負であること
を意味している。即ち、矢印ヨと同ソは完全に平
行とならず、僅かに収束方向になる。

なお、一般に、凹面鏡における焦点とは、入射
した平行光束が交わる点を言うが、本発明の反射
面Ｍは上述のように構成してあるため、平行光束
が入射しても完全に１点に集光しない。従つて本
発明の反射鏡において焦点とは、平行に入射した
光束が集束されて最大密度になる点を言うものと
する。

次に、本発明の１実施例を第６図ないし第９図
について説明する。

第６図に示すようには角度θの入射点カの座標
を（x₁、z₁）とし、角度θ＋Δθの入射点レの座
標を（x₂、z₂）とする。そして、これらの座標の
関係を前掲の(2)式、(3)式に示すように保ち、以下
に詳述するように解析数学的手法を用いて曲線Ｍ
を求める。この曲線Ｍは、後にＺ軸の回りに回転
させて反射面の立体的形状を求めるための、Ｚ−
Ｘ面上の図形である。

即ち、いま光度分布I₀＝ｆ（α）の円形配光パ
ターンを得るためのリフレクタ形状を求める場合
について考えると、 上記のI₀＝ｆ（α）は、所望の配光をαの関数
として表わしたものであつて、このようにして先
ずαの値を設計的に決定し、次いで後述のように
してθを求める。このθを使用して、前述の(2)，
(3)式から反射鏡の形状が求められる。

光源は焦点Ｆに位置せしめた点光源であるとす
る。

図示の角θは変数であるが、その最小値は零で
はない。

その理由は、曲線ＭとＺ軸との交点付近には光
源バルブを装着するためのバルブソケツト（図示
省略）が設けられるので、上記曲線ＭとのＺ軸の
交点（リフレクタの中心部）は反射鏡として機能
し得ないからである。

上記θの最小値をθ₀とし、これを初期値とし
て、微小角度Δθずつ増大させつつ曲線Ｍを順次
に描いてゆく。

本発明を適用してリフレクタの形状を設計的に
求める場合、入射角θの初期値θ₀は tan^-1（x₀／z₀） となる。点（x₀，z₀）は、Ｘ−Ｚ面上のリフレク
タの初期値である。

実際の設計業務においては、上記の角θ₀の値は
設計条件として与えられる。

またΔθの値は設計者が任意に設定し得る微小
値であつて、この微小角度Δθずつ入射角を増加
させつつ、点カ、点レの順に曲線Ｍを求めてゆ
く。この場合の角Δθは例えば0.01°といつた微小
角とすることが適正である。

入射角をΔθ＝0.01°ずつ増加させつつ例えばθ
＝60°をカバーしようとすると、約6000回の計算
を繰り返すことになる。

こうした計算を手計算で行なうことは極めて困
難であるが、電子計算機によれば迅速かつ容易に
行い得る。

第６図の焦点Ｆに位置せしめた光源からリフレ
クタ上の微小部分（カ〜レ）に入射する光の立体
角をΔWinとすると、該立体角ΔWinは、 ΔWin＝2π（cosθ−cos（θ＋Δθ）） ……(4) となる。

また、リフレクタ上の微小部分（カ〜レ）で反
射される光の立体角ΔWoutは、 ΔWout＝2π（cosα−cos（α＋Δα）） ……(5) そこで、光源光度I₀と配光光度分布Ｉ＝ｆ（α）
との関係は、(4)，(5)式から Ｉ＝I₀ΔWin／ΔWout＝I₀cosθ−cos（θ＋Δθ）／c
osα−cos（α＋Δα）……(6) ここでΔθおよびΔαを無限小ならしめると Ｉ＝I₀sinθ／sinα×dθ／dα ……(7) が得られる。

配光光度分布Ｉを、出射光の出射角αの１次関
数 ｆ（α）＝Aα＋Ｂ ……(8) とする。

上掲の(7)，(8)式から入射角θと射射角αとの関
係を求めると −I₀cosθ＝Asinα−（Ｂ＋Aα）cosα＋Ｃ ……(9) が得られる。ただしＣは積分常数であつて、設計
の初期条件によつて定める。

上掲の(8)，(9)式を用いて、第６図に示した点カ
の座標（x₁、z₁）および点レの座標（x₂、z₂）を
求めると、前掲の(2)，(3)式が得られる。

この(2)，(3)式に基づいて曲線Ｍを求め、この曲
線Ｍを光軸Ｚ−Ｚの回りに回転させると光軸を中
心軸とする回転面が得られる。

この回転面の全部若しくは一部を反射面とする
反射鏡４（第７図）を構成する。同図に示した５
は、上記反射鏡４の前面に装着したレンズであ
る。

そして、第８図に示したように所望の配光曲線
を設定する。第９図はその配光パターンである。
これらの図表に示した所望の配光特性を得るため
には、前記の曲線Ｍを次のようにして算出する。

第７図に示したａ，ｂ〜ｅの各点は、それぞれ
光源２から出射した光の入射点である。矢印R_a
〜R_eは上記各入射点における反射光を示す。

上記の反射光R_a〜R_eが光軸Ｚ−Ｚに対して為
す角度をそれぞれα_a〜α_eとする。

第８図は、灯具前方に設けたスクリーン上にお
ける光度分布を示す図表である。

Ｈ−Ｈはスクリーン上の水平線で、その上に前
記の角度α_a〜α_eをとつてある。

中心の縦軸は光度Ｉを表わしている。この中心
縦軸とＨ−Ｈ線との交点に、仮想の反射角α₀を想
定する。

この第８図に表わされている光度分布曲線は設
計者の意図を１次関数（直線）で表わしたもので
あつて、 Ｉ＝ｆ（α）＝Aα＋Ｂ である。

ｆ（α₀）＝I₀ ｆ（α_e）＝Iend と表わしてある。

α−α₀／α₀−α_e＝ｆ（α）−I₀／I₀−I
end ｆ（α）＝I₀−Iend／α₀−α_e（α−α₀）＋I
₀ ∴Ａ＝I₀−Iend／α₀−αend この定数Ａは光度の傾斜を意味し、定数Ｂは次
の式で表わされる。

Ｂ＝−Aα₀＋I₀ この第８図に示した光度分布図表は水平線Ｈ−
Ｈに沿つて表わしたものであるが、本発明に係る
反射鏡は回転面によつて構成されているので、図
示の線Ｈ−Ｈを傾斜させても光度分布は同様であ
る。その結果、第９図のような円形の配光パター
ンが得られる。

前掲の第(1)式における₀は光源光度を表わし
ている。同式(1)のＣは、Ｃ＝−₀cosθ₀−Asinα₀
＋（Ｂ＋Aα₀）cosα₀によつて得られる。ただしθ₀
は角度θの初期値、α₀はその時の反射角（即ち、
反射角の初期値）である。

上述のようにして構成した反射鏡４を用いて照
明灯を構成すると、第７図に示した反射光矢印
R_a，R_b，〜R_eのごとく、中央から周辺に向うに
つれて反射角α_a，α_b，〜α_eが小さくなつている。
即ち、投射光束の周辺部はほとんど平行光束とな
り、中央部に近づくにつれて拡散傾向となる。こ
の結果第９図に例示した所望の光度分布が得られ
る。この第９図のような配光特性を有する灯具
を、例えば作業灯に適用すると、中央部に最大光
度の点が有つて大切な所を明るく照明することが
でき、しかも「最大光度の区域」が無くて「最大
光度の点」から周囲に向けて一定の割合で暗くな
つているので異和感が無い。

しかも、周辺部でも光度Iendを有していて作業
に支障を及ぼさない。

実際問題において、第９図に示した反射光の光
度分布と、光源から直接前方に投射される光の光
度分布とが重複することになる。従つて、本発明
を実施する場合に、所望の反射光分布特性を設定
する段階で直接投射光を考慮に入れておくことが
望ましい。

本実施例においては、上述のようにして反射鏡
４（第７図）による反射光がほぼ所望の配光パタ
ーンとなつているので、レンズ５による調光の必
要度が低い。このため該レンズ５は素通しの平面
レンズで構成してある。本発明の反射鏡に併用す
るレンズとしてプリズムレンズを用いることを妨
げるものではないが、プリズムレンズを用いると
しても厚肉のレンズや複雑な形状のプリズムを用
いる必要が無い。

また、第７図から容易に理解されるように、本
実施例の反射鏡４は中央部における反射角αを大
きくした形状であるため、中央部においても平行
光束を作る回転放物面鏡に比して凹面形状が浅く
なり、照明灯の奥行寸法L′を短縮することがで
き、しかもレンズの発光面積を大きく設定でき
る。

第７図に示した実施例の反射鏡４を用い、その
前面開口部に第１０図に示すようなプリズムレン
ズ５′を装着して用いることもできる。

第７図に示したように、周辺部の反射光はほぼ
平行光束であるため、上記のプリズムレンズ５′
はその周辺部を素通しの平面レンズとし、中央部
にのみプリズム５ａを形成してある。このような
プリズムレンズ５′を併用すると、第８図に示し
た基本的な光度分布を更に細かく調整することが
できる。この実施例においても反射鏡４による反
射光の特性がほぼ所望のパターンをなしているの
で、調光用のプリズム５ａの構成が容易である。

以上詳述したように、本発明の灯具用反射鏡
は、反射光の配光特性を任意所望の如く設定する
ことができ、しかもレンズ構成を簡単ならしめて
発光面積を大きく取ることができ、その上、照明
灯の奥行寸法を短縮し得るという優れた実用的効
果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第４図は従来の照明灯の１例を示
し、第１図は断面図、第２図は部分的正面図、第
３図は球面プリズムを用いた場合の配光パターン
を示す図表、第４図は同じく光度分布を示す図表
である。第５図は従来の照明灯にカマボコ形プリ
ズムを用いた場合の配光パターンの１例を示す図
表である。第６図乃至第９図は本発明の灯具用反
射鏡の１実施例を示し、第６図は曲面設定の説明
図、第７図は断面図、第８図は光度分布を示す図
表、第９図は配光パターンを示す図表である。第
１０図は上記と異なる実施例のレンズの正面図で
ある。 １……従来の反射鏡、２……光源、３……レン
ズ、３ａ……レンズのプリズム面、４……反射
鏡、５，５′……レンズ、５ａ……プリズム。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 照明灯の光源から出射した光束の一部を前方
   に向けて反射するための反射鏡において、 前記光源の位置を基準として、該光源から反射
   面に向けて入射する光の光軸に対する角度θと、
   光源の光度I₀と、反射光の光軸に対する角度αと
   を、 I₀cosθ＝Asinα−（Ｂ＋Aα）cosα＋Ｃ なる関係に保つと共に、光源から出射した光が光
   軸に対して角度θで入射する点の座標（x₁、z₁）
   と、同じく角度θ＋Δθで入射する点の座標（x₂、
   z₂）との関係が、 x₂＝x₁tan（θ−α／２）−z₁／cos（θ＋Δθ）＋tan
   （θ−α／２） および z₂＝−｛x₁tan（θ−α／２）−z₁｝／１＋tan（θ＋Δ
   θ）×tan（θ−α／２） によつて表わされる連続曲線をＺ軸の回りに回転
   せしめてなる連続曲面を有し、かつ、前記の角度
   θをθ≧０、角度αをα≧０に設定すると共に、
   角度θの増加に伴つて角度αが減少するように設
   定したことを特徴とする灯具用反射鏡。ただし、
   前記のＡ，Ｂ，Ｃはそれぞれ反射光の配光特性を
   決定するため設計的に選択し得る定数である。