JPS59204815A - 照明用照度平均化レンズ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、照度平均化レンズに関し、特に、照射面での
照射密度を一様にで詐るようにした照明用照度平均化レ
ンズに関する。

従来の照明器具では、反射かさ、かさ、グローブまたは
反射さら等をつけることによって、電球やその他の光源
を配光していて、その照射面において、光源に近い所は
照度が強く、遠い所は照度が弱い等の大ざっばな配光な
行なっている。

しかしながら、このような従来の照明器具では、照射面
での一様な配光を得ることかで外ない。

本発明は、このような問題点を解決しようとするもので
・Ｒｇｙ　−ｔｈｅｏｒｙの原理を利用して、レンズを
設計することにより、照射面での照射密度の平均化を行
なうことができ、より高度な照射効果、照射の省エネル
ギー化および経済的な照明システムを得られるようにし
た、照明用照度平均化レンズを提供することを目的とす
る。

このため、本発明の照明用照度平均化レンズは、照明光
源と、同照明光源からの光ベクトルを照射面へ照射する
レンズとをそなえ、同レンズの内面が上記光ベクトルを
その法線方向に受ける連続面として形成されるとともに
、上記照射面での光の一様な照射′密度を得るべく、上
記照射面への照射方向に直交する基準平面からの角度φ
に対して、上記レンズの外面の上記照明光源からの距離
ｒ（φ）が、次の関係式を満足することを特徴としてい
る。

ｒ（φ）＝ｒ（φ、）ｅＸｐｉ／φ−φ’　ｔａｎθｉ
ｄφｌ　　　−−−（１）φ１ ここで、φ１　：上記基準平面から上記外面の周縁まで
の角度。

φ２　：上記基準平面から上記外面の中央までの角度。

θｉ　：上記外面の法線に対する上記光ベクトルの入射
角。

θ（φ）二上記外面の法線に対する上記光ベクトルの屈
折角。

θ、　：φ＝φ１における上記光ベクトルの屈折角度。

θ２　：φ＝φ２における上記光ベクトルの屈折角度。

ｎ　　二上記レンズの屈折率。

■（φ）二上記照明光源からの照度分布パタ−ン。

また、本発明の照明用照度平均化レンズは、点状照明光
源と、同照明光源からの光ベクトルを照射面へ照射する
レンズとをそなえ、同レンズの内面が上記光ベクトルを
その法線方向に受ける球面として形成されるとともに、
上記照射面での光の均一な照射密度を得るべく、上記照
射面への照射方向に直交する基準平面からの角度φに対
して、上記レンズの外面の上記電磁波発生源からの距離
ｒ（φ）が、次の関係式を満足することを特徴としてい
る。

ここで、φ１　：上記基準平面から上記外面の周縁まで
の角度。

φ２　：上記基準平面から上記外面の中央までの角度。

θｉ　：上記外面の法線に対する上記光ベクトルの入射
角。

θ（φ）二上記外面の法線に対する上記光ベクトルの屈
折角。

θ１　：φ＝φ１における上記光ベクトルの屈折角度。

θ２　：φ＝φ２における上記光ベクトルの屈折角度。

ｎ　　：上記レンズの屈折率。

■（φ）：上記点状照明光源からの照度分布パターン。

以下図面により本発明の一実施例としての照明用照度平
均化レンズについて説明すると、第１図はその全体構成
を示す断面図、第２図はその作用を説明するための拡大
断面図、第３図は第２図の要部拡大図、第４図はその模
式図である。

第１，２図に示すように、水平に平面状反射かさ１が設
けられており、その中央部に照明光源としての線状光源
２が取付けられていて、この光源２を覆うように、光源
２からの光を配光する配光レンズ３が設けられている。

この配光レンズ３の内面３ａは、光源２を中心線とした
半径Ｒの半円筒面として形成されている。

また、配光レンズ３の外面３ｂは、照射面５での一様な
照度を得るべく、光源２からの距離ｒ（φ）を次式とな
るように形成されており、ここで角度φは、内面３ａの
中心点Ａと光源２とを結ぶ垂線に直交する水平な基準平
面Ｐがら垂線方向へとった角度である。

ただしｔａｎθｉは次式（２）、（３）からθ（φ）を
消去することにより得られる。

ここで、第２図に示すように、φ１は配光レンズ３の周
縁における基準平面Ｐからの角度（ただし、本実施例で
はＯｏ）φ２はＡ点の基準平面Ｐからの角度、つまり９
０°、θｉは配光レンズ３の外面３ｂ上における角度φ
の位置Ｃ（ｒ、φ）での法線Ｎに対する入射光の角度（
入射角）、θは位置Ｃ（ｒ、φ）での入射光方向に対す
る出射光の角度、θ１はφ＝φ１＝０°におけるθの角
度、θ２はφ＝φ２−９０°におけるθの角度であり、
このθ１は、ここでは９０９　となる。また、■（φ）
は光源２の照度分布関数、ｎは配光レンズの屈折率セあ
る。

なお、第１〜４図中の符号４は光路を示しており、θ。

はＣ（ｒ、φ）での法線Ｎに対する出射光の角度（出射
角）を示している。この角度θ。は、第２図から明らか
なように、角度θｉとθとによって、θ。＝θｉ−θと
表わすことができる。

上記の構成により、光源２から発し、基準平面Ｐと角φ
をなす方向に進む光は、常に配光レンズ３の内面３ａに
対し垂直な角度を保ったまま外面３ｂ上の、光源２から
距離がｒである位置Ｃ（ｒ、φ）に入射する。ここで、
この位置Ｃ（ｒ、φ）における外面３ｂの法線Ｎに対し
、入射した光は角θｉをなす。

外面３ｂに入射した光は点Ｃ（ｒ、φ）で屈折し、上記
法線Ｎに対し角θ。をなす方向に出射する。ここで入射
光に対する出射光のなす角度θは、 θ＝θｉ・−〇。

と表わされる。

一方、上述のような、光源２から光し、基準平面Ｐに対
し角度φをなして進む光１５対し、微小角度ｄφをなす
方向に進む光が外面３ｂに達するとき、この外面３ｂ上
の点の光源からの距離を（ｒ＋ｃ４ｒ）（ｄｒは微小な
距離）とする。

ここで、第４図に示すように外面３ｂ、半径ｒの円弧お
よび基準平面Ｐと角度（φ＋ｄφ）をなす方向に光源を
発した光の光路が囲む図形を、第３図に示すように頂点
なＣ（ｒ、φ）とする直角三角形と近似的に考えると、
次の関係式が得られる。

ｔａｎθ１＝ｄｒ／ｒｄφ ここで、積分区間は〔φ３．φ〕であるから、上式は、
（ただし、本実施例ではφ、＝ｏ’　）となり、（１）
式が得られる。

すなわち、光が基準平面と角度φをなし、入射角θｉで
入射するとき、外面３ｂの光源２からの距離ｒはφとθ
ｉで表わされることになる。

ところで、第４図に示すように、光源２を基準平面Ｐと
角φをなして発した光が配光レンズ３の外面３ｂを、基
準平面Ｐに対し、角度θをなして出射すると、そのまま
直進して光路４ｂを辿り、基準平面Ｐ（反射かさ１）に
対して平行な照射面５を照らすことになるが、このと外
この照射面が、一様に照らされねばならない。

そこで次のように考えられる。

第４図かられかるように、基準平面Ｐに対し角度φ。

（本実施例では０°）をなして光源を発した光は、基準
平面Ｐに対し角θ１をなして配光レンズ３を出射し、光
路４ａを辿って照射面５に至る。

基準平面Ｐに対し角度φ２（本実施例では９０゛）をな
して光源を発した光は、配光レンズ３の外面３ｂで屈折
せず、光路４ｃを辿って直進し、垂直な方向から照射面
５を照らす。

すなわち、この光路４ｃは、光源２がら照射面５におろ
した垂線と一致し、このときの外面３ｂにおけるθ（θ
、）は９０゛である。

ここで、光が光路４ａ、４ｂ、、４ｃを辿って照射面５
を照射する照射面５上の位置の、光源２から照射面５に
おろした垂線からの距離は、同垂線の長さをｈとし、配
光レンズの大きさを高さｈより十分小さいとして、それ
ぞれ、ｈ　ｃｏｔθ２．ｈ　ｃｏｔθ、ｈ　ｃｏｔθ２
（＝０）と表わされるが、光路４ａと４０で囲まれた円
状の範囲（照射全域）での光の総量をり。、光路４ｂと
４ｃで囲まれた円環状の範囲での光量なＬとすると、照
射面５が一様に照らされるために、Ｌ（ｌとＬの比が、
光路４ａと４ｃ、光路４ｂ、４ｅのそれぞれが囲む面積
の比に一致しなくてはならない。

すなわち Ｌｏ　：　Ｌ”（ｈ　ｃｏｔθ、−１＋ｃｏｔθ２）：
　（ｌ＋　、ｃｏｔθ−ｈ　ｃｏｔθ２）＝（ｃｏｔθ
−ｃｏｔθ２１：（Ｃｔθ−ｃｏｔθ２）ここで、光源
２の照度分布関数Ｉ（φ）を用いてり。。

Ｌを表わすと、 となるから、（４）式は結局次式のように表わされ、（
２）式が得られる。

なお、スネルの法則か呟外面３ｂにおける入射角θｉと
、入射光および出射光の基準平面Ｐに対する角度φ、θ
との間に屈折率ｎを用いて次の関係式がなりたつことか
ら（３）式が得られる。

ｔａｎθ１＝ｉｓｉｎ（θ−φ））／ｉｎ　　ｃｏｓ（
θ−φ））このように、配光レンズ゛３を、内面を円筒
形とし、（１）〜（３）式を満たすように配光レンズ３
の外面３ｂを設計すれば、光源２を発した光は、光源２
から任意の距離にある照射面５を一様な明るさで照らす
ことができるのである。

このように、照射面での照度の平均化を行なうことがで
た、より高度な配光効果、照明の省エネルギー化、およ
び経済的な照明を得ることができ、また、例えば、道路
の照明灯に本発明の照明用照度平均化レンズを用いるこ
とによって、むらのない照度一定で快適な照明が得られ
、交通安全にも役立つという利点がある。

また、照明光源として、点光源を用いることがで外、上
記（１）、（２）式が成立して、この場合は、第１〜４
図に示すように、線状光源２の場合と同様の断面を有し
ていて、照射面５における均一な照度を得ることができ
る。

すなわち、（４）式に対応する円周に囲まれた面積の比
は、次式のようになる。

Ｌｏ　：　Ｌ＝（ｈ２ｃｏｔ”θ＋　　ｈ”ｃｏｔ”θ
２）：　（１＋２ｃｏｔ２θ−ｈ”ｃｏｔ２θ２）”（
ｃｏｔ２θ１　　ｃｏｔ２θ２）：（ｃｏｔ２θ−ｃｏ
ｔ２θ２）ここで、光源２の照度分布関数工（φ）を用
いてり。。

Ｌを表わすと、 Ｌ、＝／”Ｉ（φ）ｄφ φ２ となるから、（５）式は結局次式のように表わされ、（
３）なお、配光レンズの最薄部分の厚さは、光のレンズ
通過時における損失を配慮して、破壊強度を算定した上
で最小限の厚さに留めることが望ましい。

以上詳述したように、本発明の照明用照度平均化レンズ
によれば、照明光源と、同照明光源からの光ベクトルを
照射面へ照射するレンズとをそなえ、同レンズの内面が
上記光ベクトルをその法線方向に受ける連続面として形
成されるとともに、上記照射面での光の一様な照射密度
を得るべく、上記照射面への照射方向に直交する基準平
面からの角度φに対して、上記レンズの外面の上記照明
光源からの距離ｒ（φ）が、上記第（１）〜（３）式を
満足するという構成で、照射面での照度の一様化を行な
うことができ、より高度な照射効果、照射および経済的
な照射を得ることができる利点がある。

また、本発明の照明用照度平均化レンズによれば、点状
照明光源と、同照明光源からの光ベクトルを照射面へ照
射するレンズとをそなえ、同レンズの内面が上記光ベク
トルをその法線方向に受ける球面として形成されるとと
もに、上記照射面での光の均一な照射密度を得るべく、
上記照射面への照射方向に直交する基準平面からの角度
φに対して、上記レンズの外面の上記電磁波発生源から
の距離ｒ（φ）が、上記第（１′）〜（３′）式を満足
するという構成で、電球等の点状光源においても、照射
面での照度の一様化を行なうことができ、より高度な照
明効果、効率のよい照射および経済的な照明を得ること
ができる利点がある。

【図面の簡単な説明】

図は本発明の一実施例としての照射面における照射密度
平均化レンズ示すもので、第１図はその全体構成を示す
断面図、第２図はその作用を説明するための拡大断面図
、第３図は第２図の要部拡大図、第４図はその模式図で
ある。 １・・反射かさ、２・・照明光源としての線状光源、３
・・円筒状配光レンズ、３ａ・・配光レンズの内面、３
ｂ・・配光レンズの外面、４．４ａ、４ｂ、４ｃ・・光
路、５・・照射面、Ａ・・配光レンズ内面の中心、？、
・・基準平面。 代理人　弁理士　飯沼義彦 第１図 第２図 第３図 °Ｉ φ２＝９０” １　　　　φ１・０゜ ｅ２＝９００ ４ｏ　　佃 ”ｃ（ｒｅφ） 随

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）照明光源と、同照明光源からの光ベクトルを照射
   面へ照射するレンズとをそなえ、同レンズの内面が上記
   光ベクトルをその法線方向に受ける連続面として形成さ
   れるとともに、上記照射面での光の一様な照射密度を得
   るべく、上記照射面への照射方向に直交する基準平面か
   らの角度φに対して、上記レンズの外面の上記照明光源
   からの距離ｒ（φ）が、次の関係式を満足することを特
   徴とする、照明用照度平均化レンズ。 「（φ）＝ｒ（φ、）ｅｘｐ（／φ−φ１　ｔａｎθｉ
   ｄφ）φ１ ここで、φ１　：上記基準平面から上記外面の周縁まで
   の角度。 φ２　：上記基準平面から上記外面の中央までの角度。 θｉ　：上記外面の法線に対する上記光ベクトルの入射
   角。 θ（φ）：上記外面の法線に対する上記光ベクトルの屈
   折角。 θ、　：φ＝φ１における上記光ベクトルの屈折角度。 θ２　：φ＝φ２における上記光ベクトルの屈折角度。 ｎ　　二上記レンズの屈折率。 Ｉ’（φ）二上記照明光源からの照度分布パターン。
2. （２）上記照明光源が線状光源として構成され、上記連
   続面が円筒面として形成されるとともに、上記レンズが
   透明物質により形成された、特許請求の範Ｈ第１項に記
   載の照明用照度平均化レンズ。
3. （３）点状照明光源と、同照明光源からの光ベクトルを
   照射面へ照射するレンズとをそなえ、同レンズの内面が
   上記光ベクトルをその法線方向に受ける球面として形成
   されるとともに、上記照射面での光の均一な照射密度を
   得るべく、上記照射面への照射方向に直交する基準平面
   からの角度φに対して、上記レンズの外面の上記電磁波
   発生源からの距離ｒ（φ）が、次の関係式を満足するこ
   とを特徴とする、照明用照度平均化レンズ。 ここで、φ１　：上記基準平面から上記外面の周縁まで
   の角度。 φ２　：上記基準平面から上記外面の中央までの角度。 θｉ　：上記外面の法線に対する上記光ベクトルの入射
   角。 θ（φ）二上記外面の法線に対する上記光ベクトルの屈
   折角。 θ１　：φ＝φ１における上記光ベクトルの屈折角度。 θ２　：φ＝φ２における上記光ベクトルの屈折角度。 ｎ　　二上記レンズの屈折率。 ■（φ）二上記点状照明光源からの照度分布パターン。
4. （４）上記レンズが透明物質により形成された、特許請
   求の範囲第３項に記載の照明用照度平均化レンズ。