JPH0359401B2 - - 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。 前掲の第４図や第５図のような従来例の配光パ
ターンが好都合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最適ではない場合
も有る。 例えばこれを自動車用のストツプランプに用い
た場合、レンズの中央部に最大光度部が有るので
後続車の注意を引き易いが、この最大光度区域が
その周囲に比して格段に際立つて明るければ一層
望ましい。 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。 更に、従来この種の照明灯は第１図に示すよう
に、反射鏡１の奥行寸法Ｌに比して前面開口部の
径Ｄが大きく、このため当該照明灯の設置所要面
積が大きい。また、例えば作業灯などに用いた場
合、レンズ面積が大きいので障害物などの衝突に
よつて損傷を蒙る危険率が高い。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
３′の位置まで後退させてレンズ面積を縮小させ
ると、光線２から出射する光束の有効利用率が減
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、特
に、中心付近の任意半径の部分の光度を其他の個
所の光度に比して２倍以上とすることができ、し
かも簡単で面積の小さいレンズを用いても光源か
ら出る光の有効利用率の大きい灯具用反射鏡を提
供するにある。 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I₀と、反射光の
光軸に対する角度αとの関係を鏡面の中央部では
α＞０として I₀cosθ＝Asinα−（Ｂ＋Aα）cosα＋C₁
……（１−１） また周辺部ではα≦０として −I₀cosθ＝Asinα−（Ｂ＋Aα）cosα＋C₂
……（１−２） 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が減少するように構成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
する光について考祭する。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。矢位ヨは、入射点カにおけ
る反射光を示す。この場合、光源から反射面に向
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＋Δα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、矢印ヨと同ソとは完全に
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Ｉ＝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Ｉ＝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Ｚ軸との
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）／cosα−cos（α＋Δ
α）……(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と出射角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，z₀）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Ａ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。考
察の便宜上、先ず本図において光軸Ｚ−Ｚの下方
に描いた光路について述べる。 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９図の横軸に上記の反射角α_a〜α_eを取り、最
大光度I₁と、周辺部の光度I₂とを設定する。中央
部と周辺部とを結ぶラインはＩ＝ｆ（α）＝Aα＋
Ｂで表わされる。本式においてＡは光度の傾斜を
意味し、Ａ＝I₁−I₂／α_e−α_aである。Ｂは周辺におけ
る 最小光度を意味し、Ｂ＝I₁−Aα_eである。 前掲の第（１−１）及び（１−２）式における
I₀は光源光度を表わしている。同式（１−１）の
C₁は、C₁＝I₀cosθ_e−Asinα_e＋（Ｂ＋Aα_e）cosα_e
によつて得られる。ただしθ₀は角度θの初期値、
α₀はその時の反射角である。また（１−２）式の
C₂は、C₂＝−I₀cosθ_K＋Ｂによつて得られる。た
だしθ_K＝cos^-1〔｛（AsinΔα）−（Ｂ＋Ａ×Δα）
cosΔα＋C₁｝／I₀〕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、中央から周辺に向かう
につれて反射角α_a，α_b，〜α_eが小さくなつてい
る。このようにして、反射光束の内で中央に近い
もの（例えばR_a）は光軸Ｚ−Ｚに対して拡散し
ていても、周辺部（例えばR_e）は収束している。
このため、レンズ５を小さく構成しても光源２か
ら発した光の利用効率が高い。 第７図において光軸Ｚ−Ｚよりも下方に示した
反射光R_a〜R_eによつて第８図Ｂのような光度分
布が得られるが、同様にして第７図の上半に示し
た反射光R_a′〜R_e′によつて第８図Ｂと対称形の
第８図Ｃのような光度分布が得られる。 第８図Ｂと第８図Ｃとを重ね合わせると第８図
Ｄの如くになり、斜線を付して示した部分は両方
の反射光が重なつている。上記の重なり部につい
て、その光度カーブの代数和を作図的に求めると
第８図Ａの如くになり、所望の配光パターンが得
られる。 この第８図Ａの配光特性を有する灯具を、例え
ば自動車のストツプランプに適用すると、その中
央部の最大光度区域が、その周囲に比して格段に
明るいので後続車の注意を喚起することができ
る。 上記の原理を適用し、｜α_a｜＝｜α_e｜に設定す
ると照射範囲の全域をほぼ均一に照明することも
できる。 実際問題においては、以上のように設定した反
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。 上述の計算に基づいて本発明の反射鏡を構成し
た具体例について、第１０図を参照しつつ次に述
べる。 第１０図は本発明の反射鏡の設計計算を説明す
るための図表で、Ｚ−Ｚは光軸となる座標軸、Ｘ
−Ｘは上記のＺ−Ｚ軸に直角な座標軸、Ｄは反射
鏡開口部の半径、Ｆは焦点である。 図示の区間Ｖは光源用バルブを挿入する孔を設
けるため反射面を構成しない部分である。 焦点Ｆの座標を（０，０）とする。この焦点Ｆ
に光源を置いた場合、反射面Ｍに入射する光の光
軸に対する角度θの最小値をθ₀，最大値をθ_eodと
する。θ₀のときの反射角（反射光が光軸に対して
為す角）をα₀とし、θ_eodのときの反射角をα_eodと
する。 光源光度I₀＝4cd、α₀方向の目標光度I₀＝40cd、
α_eod方向の目標光度I_eod＝15cd、開口部半径Ｄ＝
150mm以内、α₀＝20゜、α_eod＝−40゜、θ₀＝40゜とし
、
（x₀，z₀）の値を（14.559，−17.351）と設定する。
光源位置から反射面頂点までの距離ｆを20mmと仮
定して前記（１−１），（１−２），(2)，(3)式によ
る計算を行なう。 本例においては上記の諸条件を電算機に入力し
て、α＝20゜からα＝−40゜までの間、1゜ごとに
（ｘ，ｚ）の値、およびθの値を算出させた。そ
の結果は次表のごとくである。

【表】

【表】 この計算結果により、前述の諸条件全部を完全
に満たす解は得られていないが、αの最小値とし
て−38.000゜までが得られており、求めていたα_eod
＝−40゜の近似値として実用上満足し得ると判断
される。 また、前記と異なる実施例として、照射範囲内
の全部についてほぼ均一な光度を得るように設定
した計算例を次に示す。本例においてはI₀＝4cd、
θ₀＝40゜、Ｄ＝200mm以内、α₀＝20゜、α_eod＝−20゜
、
I₀＝60cd、I_eod＝40cd（x₀，z₀）座標値＝（14，
559，−17，351）、ｆ＝20mmと設定して計算した。

【表】

【表】 これらの実施例においては、上述のようにして
は、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
ることを防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。 以上詳述したように、本発明によれば配光特性
を任意に設定することができ、特に、中心付近の
任意半径の部の光度をその他の個所の光度に比し
て２倍以上とすることができ、しかも簡単で面積
の小さいレンズを用いても光源から出る光の有効
利用率の大きい灯具用反射鏡を構成し得るという
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図は所望の光度分布特
性を得るための手順の説明図、第９図は配光パタ
ーンを示す図表である。第１０図は本発明の実施
例における設計々算の説明図表である。 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……レンズ。

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
   の関係を、鏡面の中央部においてα＞０としてI₀
   cosθ＝Asinα−（Ｂ＋Aα）cosα＋C₁なるごとく、
   また鏡面の周辺部ではα≦０として −I₀cosθ＝Asinα−（Ｂ＋Aα）cosα＋C₂なるご
   とく保つと共に、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，
   C₁，C₂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。