JPWO2015020229A1 - 照明装置および広配光レンズ - Google Patents

Abstract

［課題］配光角を十分に確保しつつコンパクト化することのできる広配光レンズおよび証明装置を提供する。［解決手段］中心軸に対して回転対称な形状を有し可視光に対して透明な第１光学素子であって、前記第１光学素子は、第１部分と、前記第１部分に接続する第２部分を有し、前記第１部分は、凹面および平坦な面の一方の形状を有する底面と、前記底面に接続する側面と、を有し、前記第２部分は、上面と、前記上面に接続する側面と、を有し、前記第１部分の前記側面と前記第２部分の前記側面は、接合部を有し、前記接合部は前記底面から前記接合部へ向かって広がる形状を有する、第１光学素子を、備え、前記中心軸と交差する中心を有する第１領域と、前記第１領域の外側の第２領域と、を有する部材が前記第１部分の底面に対向して配置され、かつ前記中心軸を含む平面で前記第１光学素子の断面を取ったとき、前記断面において、前記第１部分の前記側面は、この側面上の第１の点が、前記部材上の点のうち前記中心軸に対して前記第１の点側に位置する点でかつ前記第１領域内の点を第２の点とし、前記第１の点における前記第１部分の外向き法線ベクトルと、前記第１の点から前記第２の点に向かう第１ベクトルとの成す角θＰが、前記第１部分における全反射角θＣよりも大きくなるように構成され、前記断面において、前記第２部分の側面は、この側面上の第３の点が、前記部材上の点のうち前記中心軸に対して前記第３の点側に位置する点でかつ前記第２領域内の点を第４の点とし、前記第３の点における前記第２部分の内向き法線ベクトルと、前記第３の点から前記第４の点に向かうベクトルとの成す角θQが、前記第２部分における全反射角θＣよりも大きい。

Description

本発明の実施形態は、照明装置および広配光レンズに関する。

一般照明用のＬＥＤ(Light-emitting Diode )ランプは，光の指向性が強く、配光角が約１２０°と狭い。このため、照明器具に取り付けて点灯させた時の光の広がり方が白熱電球と異なるといった課題がある。

この課題を解決するために，ＣＯＢ(Chip On Board)型の発光モジュール（以下、発光素子とも云う）の上に広配光レンズを配置したＬＥＤランプが知られている。従来の広配光レンズは、入射面と、この入射面と向かい合う第１の出射面と、上記入射面の外周縁と上記第１の出射面の外周縁との間を結ぶ第２の出射面と、を備えている。

第１の出射面は、入射面の中心部に向けて円錐状に窪むような形状を有し、その円錐の先端が入射面の中心を通る光軸上に位置されている。第２の出射面は、光軸を同軸状に取り囲むとともに、入射面の外周縁から第１の出射面の外周縁に向けて、光軸の径方向に広がっている。

発光素子からの光が広配光レンズの入射面に入射されると、入射された光の一部が第１の出射面で全反射されて第２の出射面に向かい、さらに第２の出射面から広配光レンズの側方および後方に向けて放射される。したがって、第２の出射面から出る光がＬＥＤランプの後方に向かう配光成分となり、ＬＥＤランプの配光角が広くなる。

従来の広配光レンズにおいては、ＬＥＤランプの側方および後方に向けて光を拡散させる第２の出射面は、入射面の外周縁から第１の出射面の外周縁に向けて中心軸の径方向に広がっている。

このような構成では，広配光レンズが大型化するのを避けられず、この広配光レンズを例えばシャンデリア球に類似した形状のグローブを有する小型のＬＥＤランプに適用しようとしても、広配光レンズをグローブ内に収めることができなくなる。

特許第４６６０６５４号公報

本実施形態は、配光角を十分に確保しつつコンパクト化することのできる広配光レンズおよび証明装置を提供する。

本実施形態による広配光レンズは、中心軸に対して回転対称な形状を有し可視光に対して透明な第１光学素子であって、前記第１光学素子は、第１部分と、前記第１部分に接続する第２部分を有し、前記第１部分は、凹面および平坦な面のうちの一方の形状を有する底面と、前記底面に接続する側面と、を有し、前記第２部分は、上面と、前記上面に接続する側面と、を有し、前記第１部分の前記側面と前記第２部分の前記側面は、接合部を有し、前記接合部は前記底面から前記接合部へ向かって広がる形状を有する、第１光学素子を、備え、前記中心軸と交差する中心を有する第１領域と、前記第１領域の外側の第２領域と、を有する部材が記第１部分の底面に対向して配置され、かつ前記中心軸を含む平面で前記第１光学素子の断面を取ったとき、前記断面において、前記第１部分の前記側面は、この側面上の第１の点が、前記部材上の点のうち前記中心軸に対して前記第１の点側に位置する点でかつ前記第１領域内の点を第２の点とし、前記第１の点における前記第１部分の外向き法線ベクトルと、前記第１の点から前記第２の点に向かう第１ベクトルとの成す角θ_Ｐが、前記第１部分における全反射角θ_Ｃよりも大きくなるように構成され、前記断面において、前記第２部分の側面は、この側面上の第３の点が、前記部材上の点のうち前記中心軸に対して前記第３の点側に位置する点でかつ前記第２領域内の点を第４の点とし、前記第３の点における前記第２部分の内向き法線ベクトルと、前記第３の点から前記第４の点に向かうベクトルとの成す角θ_Qが、前記第２部分における全反射角θ_Ｃよりも大きくなるように構成される。

第１実施形態に係る広配光レンズを示す鳥観図。 第１実施形態による照明装置を示す断面図。 第１実施形態の照明装置の機能を説明する断面図。 第１実施形態の照明装置の機能を説明する断面図。 第１実施形態の照明装置の機能を説明する断面図。 第１実施形態の照明装置の配光分布を示す図。 第２実施形態による照明装置を示す鳥観図。 第２実施形態に係る広配光レンズを示す鳥観図。 第２実施形態による照明装置を示す断面図。 第２実施形態の照明装置の機能を説明する断面図。 第２実施形態の照明装置の機能を説明する断面図。 第２実施形態の照明装置の機能を説明する断面図。 第２実施形態の照明装置の機能を説明する断面図。 第３実施形態による照明装置を示す鳥観図。 第３実施形態に係る広配光レンズを示す鳥観図。 第３実施形態による照明装置を示す断面図。 第３実施形態の照明装置の機能を説明する断面図。 第３実施形態の照明装置の機能を説明する断面図。 第４実施形態による照明装置の断面図。 第４実施形態の第１変形例による照明装置の断面図。 第４実施形態の第２変形例による照明装置の断面図。

以下、図面を参照して実施形態を説明する。

（第１実施形態）
第１実施形態による照明装置は、発光モジュール（発光素子）と、広配光レンズと、を備えている。この広配光レンズの鳥観図を図１に示す。この広配光レンズ７は、光学素子８０と、接合柱８２と、基本光学素子９０と、を備えている。

基本光学素子９０は、第１部分９１ａと、この第１部分に接続する第２部分９１ｂと、を備えている。第１部分９１ａの底面は平坦で発光素子からの光が入射する入射面となる。第１部分９１ａの側面は、第２部分９１ｂの側面に接し、同じサイズと形状を有する接合面で接続されており、この接合面は上記入射面よりも大きい。ここで、接合面は、中心軸に直交する平面で切断した断面を意味する。第１部分９１ａの側面は、第１部分９１ａの中心軸に向かって凹むような形状を有している。すなわち、第１部分９１ａは、その底面から接合面に向かうに連れてすなわち下方から上方に向かうに連れて、断面積が増大し、かつ側面が第１部分９１ａの中心軸に向かって凹むような形状を有している。ここで、「上方」および「下方」とはそれぞれ、中心軸５の正方向および負方向に対応する。正方向は、発光モジュールから光りが取り出される方向とする。また、断面積とは、中心軸に直交する平面で切断した面積を意味する。第２部分９１ｂの上面（全反射面）９３は中心軸に向かって凹むような形状を有し、側面は下方から上方に向かうにつれて第２部分９１ｂの断面積が減少するテーパー形状を有している。そして、基本光学素子９０の中央部には、中心軸に沿って貫通孔１１が設けられている。この貫通孔１１は、第１部分９１ａにおいては入射面９２から上方に向かうに連れて断面積が減少する形状を有し、第２部分９１ｂにおいては下方から上方に向かうにつれて断面積が増大する形状を有している。図示しない発光素子から貫通孔１１に入射した光は直進し、貫通孔１１を通らずに第１部分９１ａに入射した光は上面（全反射面）９３で全反射される。

光学素子８０は、第１部分８１ａと、この第１部分８１ａに接続する第２部分８１ｂと、を備えている。第１部分８１ａの底面８５は凹面であり、側面８４は基本光学素子９０の全反射面９３に接続する接続面となる。また、第1部分８１aの側面８４と、第２部分８１ｂの側面８３は、同じサイズと形状を有する接合面で接続し、この接合面は前記底面よりも大きい。第２部分８１ｂの側面８３は、光学素子８０を通過してきた光を全反射または屈折透過する全反射／屈折透過面となる。第２部分８１ｂの上面（中心軸の正方向側の面）は、側面８３に接続し、中央部に向かって凸となる形状を有している。接合柱８２は、第１部分８１ａの側面に設けられる。この接合柱８２により、光学素子８０と基本光学素子９０は接合される。その際、接合柱８２が基本光学素子９０に接する面は、接着剤などで接着してもよい。接合柱８２の柱の長さは、光学素子８０と基本光学素子９０の間に空気層ができるように定められる。

本実施形態の広配光レンズ７においては、基本光学素子９０および光学素子８０はいずれも、アクリルで形成される。しかし、かならずしもこの限りではなく、可視光に対して透明な材料であれば何でもよい。例えば、基本光学素子９０はガラスとし、光学素子８０はポリカーボネートとしてもよい。このように材料を選べば、アクリルを用いるものよりも耐熱性を高くできる。以下では、アクリルの屈折率をｎとする。この屈折率ｎの値は、約１．４９である。これに対する全反射角θcは、

と表わされる。

次に、基本光学素子９０および光学素子８０の断面形状について、図２を参照して説明する。

まず、本実施形態の照明装置９に用いられる発光素子１およびそれを基準とする座標系について説明する。発光素子１の発光面２は、基本光学素子９０の入射面９２に対向するように配置される。ここで、発光面２の中心Ｏ’を発光面２の重心とする。広配光レンズの中心軸５は、中心Ｏ’を通り、発光面２に直交する。中心軸５の原点Ｏは、中心軸５と入射面９２が交わる点とする。

発光素子１は面光源であり、発光素子１の発光面２は、例えば直径１４ｍｍの円形状である。ただし、発光面２の寸法と形状はこれに限るものではない。発光面２の面積をＣとすると、発光面２の面積の半分を有する仮想的な円の半径ｒ_Ａは、

となる。発光面の直径を１４ｍｍとすると、ｒ_Ａは約４．９ｍｍとなる。点Ａを中心軸５からの距離がｒ_Ａとなる、発光面２上の点とする。ただし、点Ａはこれに限るものではなく、中心軸５からの距離がｒ_Ａ以下となる点ならばなんでもよい。

（基本光学素子９０の断面形状）
次に、基本光学素子９０の断面形状について説明する。基本光学素子９０は、中心軸５に沿って貫通穴１１が設けられている。

原点Ｏから中心軸５に沿って光が取り出される方向をｚ方向とし、ｚ方向と直交する方向をｘ方向とし、入射面上９２で中心軸５に対する距離が最短となる点の、中心軸５からの距離をｌとする。すると、全反射面９３の形状は、

で表すことができる。式（３）および式（４）において、媒介変数Θは、
０≦Θ＜π (５)
の範囲内に含まれる有限領域である。式（３）および式（４）において、実数定数θ_ａは、

のとき、全反射面９３を最もコンパクトにできる。

このとき、全反射面９３の有限領域の各点Ｐは、点Ｐにおける全反射面９３の内向き法線ベクトル、すなわち材料の内部に向かうベクトルを内向き法線ベクトルとすると、点Ｐと点Ａを結ぶベクトルＰＡとの成す角θ_Ｐが
θ_Ｐ＞θ_Ｃ （８）
を満たす。

式（３）および式（４）において、実数定数ｌは、
ｌ＜ｒ_Ａ (９)
である。また、全反射面９３が中心軸５に最も近づく点の座標は、

である。このとき、この点における法線ベクトルは中心軸５と直交する。

（光学素子８０の断面形状）
次に光学素子８０の断面形状について説明する。光学素子８０は、全反射面９３に沿って接続面８４が設けられている。接続面８４は、全反射／屈折透過面８３と繋がっている。接続面８４は底面８５にも繋がっている。この接続面８４は、基本光学素子９０の全反射面９３に沿った形状を有しているので、全反射面９３と同様に（８）式を満たす。底面８５は、凹面になっている。

これらの面はいずれも、中心軸５に対して回転対称である。ここで回転対称とは、中心軸５に対して対象物を回転したときに、３６０度回転するまでにもとの形状と一致することを意味する。例えば、円柱や四角柱も回転対称である。

接続面８４には、接続柱８２が３つ設けられている。この接続柱８２は、基本光学素子９０の全反射面９３に設けられた３つの穴（図示せず）に差し込まれる。この接続柱８２の接合面は接着剤により上記穴に接着してもよい。接続柱８２の柱の長さは、接続面８４と全反射面９３の面間隔が０．１ｍｍとなるように定められる。ただし、面間隔は、可視光の波長以上であればよく、これに限るものではない。

接続面８４の、中心軸５からの距離の最大値は、発光素子１の端点の中心軸５からの距離に等しい。つまり、ここでは７ｍｍである。ただし、この限りではない。

全反射／屈折透過面８３は、中心軸５上において上に凸の頂点８６を持つ。全反射／屈折透過面８３の面上に点Ｑをとり、発光面２上の点のうち、中心軸５に対して点Ｑ側の点で、かつ中心軸５からの距離がｒ_Ａよりも大きい点をＢとする。ここでは、中心軸５から点Ｂまでの距離は約５．０ｍｍである。点Ｑにおける内向き法線ベクトルと、点Ｑと点Ｂを結ぶベクトルＱＢとの成す角をθ_Ｑとしたとき、θ_Ｑは、
θ_Ｑ＞θ_Ｃ （１２）
を満たす。ここでは、θ_Ｑは約５３度である。

次に、本実施形態の広配光レンズ７の機能について図３乃至図５を参照して説明する。図３乃至図５は中心軸５を含む断面図である。なお、これらの図に、発光素子１の発光面２から発せられた光の光線を付加している。

まず、図３を参照して説明する。発光面２から、中心軸５に沿った方向に発せられ、かつ貫通孔１１を通る光線３１は、底面８５に入射し、屈折によって光線３１は広がる方向に向かう。さらに、全反射／屈折透過面８３によって屈折透過され、中心軸５の正方向側に射出される。つまり、前方側（中心軸５の正方向側）の光線はこのようにして作り出される。

次に、図４を参照して説明する。発光面２の、点Ａあるいはそれよりも中心軸５に近い領域から発せられ、かつ入射面９２に入射した光線３２は、全反射面９３によって全反射される。そして、基本光学素子の射出面より、中心軸５の負の方向側に最終的に射出される。つまり、後方側（中心軸５の負方向側）の光線３２はこのようにして作り出される。

点Ａの、中心軸５からの距離は、式（２）で表わされる距離に等しい。つまり、発光面２の面積の半分を有する仮想的な円の外縁に位置する。これにより、発光面２から発光される全光線のうち半分近くの光線が、このように後方側に最終的に射出されることになる。

最後に、図５を参照して説明する。発光面２の、点Ｂよりも中心軸５から遠い領域から発せられ、かつ入射面９２に入射した光線３３は、全反射面９３を透過する。透過した直後の光線３３は、接続面８４に入射され、光学素子８０内を伝搬する。そして、全反射／屈折透過面８３によって一旦全反射される。そしてさらに、同じ全反射／屈折透過面８３によって、屈折透過される。すなわち、全反射／屈折透過面８３は、屈折透過面ともなる。このようにして、光線３３は、光学素子８０より、中間側（前方側と後方側の間）に最終的に射出される。

以上述べたように、発光素子１の発光面２の３つの領域から発せられた光線は、それぞれ前方側、後方側、中間側へと最終的に射出される。このようにして、光線が全方位へと射出され、広配光が実現される。

実際、シミュレーションによって配光分布を計算した結果を図６に示す。この図６は、各配光角に対する光度（規格化されたもの）をレーダーチャートで示したものである。この図６より、配光角の１／２が約３００度であることがわかる。

以上で述べた構成は、この限りではない。また、平行や直交といった記述は、製品の精度も考え、０度より大きく２度以下の角度のずれは誤差の範囲と見なす。

全反射／屈折透過面８３の、発光面２に近い側の端点の中心軸５からの距離は、基本光学素子９０の射出面９３の、発光面２から最も遠い側の端点の、中心軸５からの距離よりも小さい。これにより、照明装置９の全体の高さを抑えることができ、コンパクトにすることができる。

以上説明したように、第１実施形態によれば、配光角を十分に確保しつつコンパクト化することのできる広配光レンズおよび証明装置を提供することが可能となる。

（第２実施形態）
第２実施形態による照明装置を図７に示す。この第２実施形態の照明装置９は、発光素子１と、広配光レンズ７と、を備えている。この広配光レンズ７は、光学素子８０と、基本光学素子９０とを備えている。この広配光レンズ７の光学素子８０と基本光学素子９０を分離したときの鳥観図を図８に示す。広配光レンズ７は、図７に示す中心軸５に対して回転対称な形状を有している。

基本光学素子９０は、丸い形状の平坦な底面９２と、中心に向かって凹む形状の上面９３と、側面９４とを備えている。基本光学素子９０の上面（全反射面）９３は、凹面である。底面９２は、発光素子１からの光が入射する入射面となる。側面９４は、射出面となる。側面９４は、中心軸５に対して凸形状を有するとともに底面９２から上面９３に向かうにつれて断面積が増大する形状を有している。また、基本光学素子９０の中央部には、中心軸に沿って貫通孔１１が設けられている。この貫通孔１１は、入射面９２から上面に向かうに連れて断面積が一旦減少し、その後断面積が増大する形状を有している。

光学素子８０は、第１部分８１ａと、この第１部分８１ａに接続する第２部分８１ｂと、第１部分８１ａの底面８５の中央部に接続する接合柱８２と、を備えている。接合柱８２により、光学素子８０と基本光学素子９０は接合される。本実施形態においては、接合柱８２の先端はオスネジになっており、基本光学素子９０の貫通孔１１はメスネジになっている。これにより、光学素子８０と基本光学素子９０は接着剤を用いることなく、簡便に接合可能となる。接合柱８２の柱の長さは、光学素子８０と基本光学素子９０の間に空気層ができるように定められる。このように、光学素子８０と、基本光学素子９０は、接合柱８２によって着脱可能である。なお、接合柱８２および貫通孔１１をネジ形状にせずに接着剤により接着し固定してもよい。

光学素子８０の第１部分８１ａの底面８５は平坦であり、側面８４は基本光学素子９０の全反射面９３に接続する接続面となる。また、第1部分８１aの側面８４と、第２部分８１bの側面８３は、同じサイズと形状を有する接合面で接続し、この接合面は底面８５よりも大きい。第２部分８１ｂの側面８３は、光学素子８０を通過してきた光を全反射または屈折透過する全反射／屈折透過面となる。第２部分８１ｂの上面８８は中心に向かって凹む形状を有している。すなわち、第２部分８１ｂの上面８８は凹面となっている。この上面８８を内面ともいう。また、光学素子８０の中央部には、中心軸５に沿って空孔８７が設けられている。この空孔８７は、上面８８から下方に向かって断面積が減少するが、底面８５には達しない形状を有する。

本実施形態においては、発光素子１は面光源であり、発光素子１の発光面２は長方形であり、そのサイズは１０ｍｍ×１６ｍｍである。ただし、発光面２の寸法と形状はこれに限るものではない。発光面２の面積をＣとすると、発光面２の面積の半分を有する仮想的な円の半径ｒ_Ａは、

となる。発光面２のサイズを１０ｍｍ×１６ｍｍであるとすると、ｒ_Ａは約５．０ｍｍとなる。点Ａは中心軸５からの距離がｒ_Ａとなる発光面２上の点とする。

（基本光学素子９０および光学素子８０の断面形状）
次に、基本光学素子９０と光学素子８０の断面形状について、図９を参照して説明する。

まず、基本光学素子９０について説明する。中心軸５からの距離がｒ_Ａで、かつ発光面２上の点をＡおよびＢとする。つまり、ここでは点Ａと点Ｂは同じものとする。中心軸５を含む平面で断面をとったとき、射出面９４上の点Ｘにおいて、点Ｘにおける内向き法線ベクトルと、点Ｘと点Ｂを結ぶベクトルＸＢとの成す角をθ_Ｘとしたとき、θ_Ｘは、 θ_Ｘ＞θ_Ｃ
を満たす。

（光学素子の断面形状）
光学素子８０について説明する。光学素子８０は、全反射面９３に沿って接続面８４が設けられている。接続面８４は、全反射／屈折透過面８３とつながっている。接続面８４は底面８５にもつながっている。この接続面８４は、基本光学素子９０の全反射面９３に沿った形状を有しているので、全反射面９３と同様に（８）式を満たす。底面８５は、平坦であり、その中央部において接続柱８２が接続されている。全反射／屈折透過面８３の、発光素子１の発光面２に近い側の端点の中心軸５からの距離は、基本光学素子９０の射出面９４の発光面２から最も遠い側の端点の、中心軸５からの距離と等しい。

中心軸５を含む平面で断面をとったとき、全反射／屈折透過面８３上の点Ｘ‘において、点Ｘ’における内向き法線ベクトルと、点Ｘ‘と点Ｂを結ぶベクトルＸ’Ｂとの成す角をθ_Ｘ’としたとき、θ_Ｘ’は、
θ_Ｘ’＞θ_Ｃ
を満たす。

光学素子８０には、上述したように、空孔８７が設けられている。中心軸５を含む平面で断面をとったとき、空孔８７の内面８８上の点をＹとする。発光素子１の発光面２上の端点のうち、中心軸５に対して点Ｙ側の点をＥとする。このとき、点Ｙにおける内向き法線ベクトルと、点Ｙと点Ｅを結ぶベクトルＹＥとの成す角をθ_Ｙとしたとき、θ_Ｙは、 θ_Ｙ＞θ_Ｃ
を満たす。

次に、第２実施形態の照明装置９の機能について図１０乃至図１３を参照して説明する。図１０乃至図１３は、中心軸５を含む断面図である。なお、これらの図に、発光素子１の発光面２から発せられた光の光線を付加している。

まず、図１０を参照して説明する。発光素子１の発光面２上の中心付近から発せられた光線３４は、接続柱８２に入射し、接続柱８２に設けられているネジ部によって、ほぼ拡散透過され、最終的に全方位に射出される。つまり、発光面２の中心付近から発せられた光線３４は、第１実施形態と異なり、前方に射出されない。そのため、最終的に前方に射出される成分は他で生み出す必要がある。

次に、図１１を参照して説明する。発光素子１の発光面２上の、点Ｂから点Ｅの間の領域から発せられ、かつ入射面９２に入射する光線３５は、射出面９４で全反射される。さらに全反射面９３を透過し、接続面８４に入射し、空孔８７の内面８８から屈折透過され、前方側に射出される。

次に、図１２を参照して説明する。発光面２上の点Ｅから発せられ、かつ入射面９２に入射する光線３６は、全反射面９３を透過し、接続面８４に入射する。その後、空孔８７の内面８８によって全反射される。さらに、全反射／屈折透過面８３より屈折透過され、中心軸５の中間側に射出される。

最後に、図１３を参照して説明する。発光面２上の、点Ｂから点Ｅの間の領域から発せられ、かつ入射面９２に入射する光線３７は、全反射面９３を透過し、接続面８４に入射する。その後、全反射／屈折透過面８３で全反射される。さらに空孔８７の内面８８で屈折透過され、中間側から前方側に射出される。

なお、後方側に射出されることについては、第１実施形態の図４に示す場合と同様となる。すなわち、発光素子１の発光面２から出射され、入射面９２に入射し、基本光学素子９０の全反射面９３によって全反射された光が後方側に射出される。

以上説明したように、発光素子１の発光面２から発せられた光線は、それぞれ前方側、中間側、後方側へと最終的に射出される。

このようにして、光線が全方位へと射出され、広配光が実現される。また、全反射／屈折透過面８３と基本光学素子９０の射出面９４は、滑らかにつながっている。このようにすることで、最終的に光射出される面が滑らかとなり、配光分布を滑らかにすることができる。

以上説明したように、第１実施形態によれば、配光角を十分に確保しつつコンパクト化することのできる広配光レンズおよび照明装置を提供することが可能となる。

（第３実施形態）
第３実施形態による照明装置について図１４乃至図１６を参照して説明する。図１４は、第３実施形態による照明装置の鳥観図である。この第３実施形態の照明装置９は、発光素子１と、広配光レンズ７と、を備えている。この広配光レンズ７は、光学素子８０と、基本光学素子９０とを備えている。この広配光レンズ７の光学素子８０と基本光学素子９０を分離したときの鳥観図を図１５に示す。広配光レンズ７は、図１４に示す中心軸５に対して回転対称な形状を有している。図１６は、第３実施形態の照明装置９の断面図である。

基本光学素子９０は、凹部形状を有する底面９２と、中心に向かって凹む形状の上面９３と、側面９４とを備えている。基本光学素子９０の上面（全反射面）９３は、凹面である。底面９２は、発光素子１からの光が入射する入射面となる。側面９４は、射出面となる。側面９４は、中心軸５に対して凸形状を有するとともに底面９２から上面９３に向かうにつれて断面積が一旦増大し、その後断面積が減少する形状を有している。また、基本光学素子９０の中央部には、中心軸に沿って貫通孔１１が設けられている。この貫通孔１１は、入射面９２から上面に向かうに連れて断面積が一旦減少し、その後断面積が増大する形状を有している。

光学素子８０は、第１部分８１ａと、この第１部分８１ａに接続する第２部分８１ｂと、第１部分８１ａの底面８１ａ１の中央部に接続する接合柱８２と、を備えている。接合柱８２により、光学素子８０と基本光学素子９０は接合される。本実施形態においては、接合柱８２の先端はオスネジになっており、基本光学素子９０の貫通孔１１はメスネジになっている。これにより、光学素子８０と基本光学素子９０は接着剤を用いることなく、簡便に接合可能となる。接合柱８２の柱の長さは、光学素子８０と基本光学素子９０の間に空気層ができるように定められる。このように、光学素子８０と、基本光学素子９０は、接合柱８２によって着脱可能である。なお、接合柱８２および貫通孔１１をネジ形状にせずに接着剤により接着し固定してもよい。

光学素子８０の第１部分８１ａの側面８４は基本光学素子９０の全反射面９３に接続する接続面となる。また、第1部分８１aの側面８４と、第２部分８１bの側面８３は、同じサイズと形状を有する接合面で接続し、この接合面は底面よりも大きい。第２部分８１ｂの側面８３は、発光面２から発せられた光を全反射または屈折透過する全反射／屈折透過面となる。第２部分８１ｂの上面８８には、中心軸５に沿って第２の部分８１ｂの接合面に通じる空孔８７が設けられている。この空孔８７の側面８８を内面ともいう。この空孔８７は、上方から下方に向かって断面積は、ほぼ同じであり、円柱形状を有する。この空孔８７は、第１部分８１ａに続いており、第１部分８１ａにおいて下方に向かうにつれて断面積が減少する形状を有している。

発光素子１は、基板１０１の上に載置されている。基板１０１と発光素子１は熱的に接続されている。本実施形態においては、発光素子１は面光源であり、発光素子１の発光面２は、長方形であり、そのサイズは１０ｍｍ×１６ｍｍである。ただし、発光面２の寸法と形状はこれに限るものではない。発光面２の面積をＣとすると、発光面２の面積の半分を有する仮想的な円の半径ｒ_Ａは、

となる。発光面２のサイズを１０ｍｍ×１６ｍｍであるとすると、ｒ_Ａは約５．０ｍｍとなる。点Ａは中心軸５からの距離がｒ_Ａとなる発光面２上の点とする。ただし、点Ａはこれに限るものではなく、中心軸５からの距離がｒ_Ａ以下となる点ならばなんでもよい。

（基本光学素子９０および光学素子８０の断面形状）
次に、基本光学素子９０と光学素子８０の断面形状について、図１６を参照して説明する。

まず、基本光学素子９０について説明する。中心軸５からの距離がr_Ａで、かつ発光面２上の点をＡおよびＢとする。つまり、ここでは点Ａと点Ｂは同じものとする。

中心軸５を含む平面で断面をとったとき、射出面９４上の点Ｘにおいて、点Ｘにおける内向き法線ベクトルと、点Ｘと点Ｂを結ぶベクトルＸＢとの成す角をθ_Ｘとしたとき、θ_Ｘは、
θ_Ｘ＞θ_Ｃ
を満たす。
次に、光学素子８０について説明する。光学素子８０は、全反射面９３に沿って接続面８４が設けられている。接続面８４は、全反射／屈折透過面８３とつながっている。接続面８４は、底面８１ａ１に接続されており、その底面８１ａ１の中央部において接続柱８２が接続されている。接続面８４は、基本光学素子９０の全反射面９３に沿った形状を有しているので、全反射面９３と同様に（８）式を満たす。底面８１ａ１は、平坦である。

全反射／屈折透過面８３の、発光面２に近い側の端点の中心軸５からの距離は、基本光学素子９０の射出面９４の発光面２から遠い側の端点の、中心軸５からの距離と等しい。
中心軸５を含む平面で断面をとったとき、全反射／屈折透過面８３上の点Ｘ‘において、点Ｘ’における内向き法線ベクトルと、点Ｘ‘と点Ｂを結ぶベクトルＸ’Ｂとの成す角をθ_Ｘ’としたとき、θ_Ｘ’は、
θ_Ｘ＞θ_Ｃ
を満たす。
光学素子８０には、上述したように空孔８７が設けられている。中心軸５を含む平面で断面をとったとき、空孔８７の内面８８上の点をＹとする。このとき、点Ｙにおける内向き法線ベクトルと、中心軸５は直交する。つまり、内面８８は中心軸５に平行な有限領域を持つ。内面８８上の点は、発光面２に近づくほど、中心軸５からの距離が小さくなる。

次に、本実施形態の照明装置９の機能について図１７および図１８を参照して説明する。図１７および図１８は、中心軸５を含む断面図である。なお、これらの図に、発光素子１の発光面２から発せられた光の光線を付加している。

まず、図１７を参照して説明する。発光面２上の、点Ｂから点Ｅの間の領域から発せられ、かつ入射面９２に入射する光線３８は、基本光学素子９０の全反射面９３を透過し、光学素子８０の接続面８４に入射し、全反射／屈折透過面８３で全反射される。さらに空孔８７の内面８８を通り、最終的に全反射／屈折透過面８３から中間側に射出される。

次に、図１８を参照して説明する。発光面２上の、点Ｂから点Ｅの間の領域から発せられ、かつ入射面９２に入射する光線３９は、射出面９４で全反射される。さらに基本光学素子９０の全反射面９３を透過し、光学素子８０の接続面８４に入射し、空孔８７の内面８８で全反射され、最終的に全反射／屈折透過面８３から前方側に射出される。

このように、空孔８７で全反射されて、最終的に射出されることにより、観測者からは空孔８７が光るように見える。つまり、光学素子８０の内部が光るように見えるため、より点光源に近く、白熱電球のような点光源に近い発光に似せることができる。すなわち、レトロフィット感が増す。

なお、発光素子１の発光面２から発せられた光線が後方側に射出されることは、第１実施形態の図４に示す場合と同様となる。すなわち、発光素子１の発光面２から出射され、入射面９２に入射し、基本光学素子９０の全反射／屈折透過面９３によって全反射された光が後方側に射出される。

以上述べたように、発光素子１の発光面２から発せられた光線は、それぞれ前方側、中間側、後方側へと最終的に射出される。このようにして、光線が全方位へと射出され、広配光を実現することができる。

また、入射面９２は凹部が設けてある。このようにすることにより、入射面９２でのフレネル反射を低減し、器具効率を増加することができる。

また、内面８８は中心軸５に平行な有限領域を持つことにより、中心軸５に沿って光るため、フィラメントが光るように見える、すなわち白熱電球へのレトロフィット感が増すとともに、逆テーパー形状でないために切削しやすく、製造する際に金型で抜きやすいという利点がある。

以上説明したように、第３実施形態によれば、配光角を十分に確保しつつコンパクト化することのできる広配光レンズおよび証明装置を提供することが可能となる。
（第４実施形態）
第４実施形態の照明装置について図１９を参照して説明する。この第４実施形態の照明装置２０１は、広配光レンズ７と、ＬＥＤ１と、放熱筐体２０２と、口金２０３と、グローブ３０１と、を備えている。この第４実施形態においては、広配光レンズ７として、第１実施形態の広配光レンズ７が用いられる。しかし、第２または第３実施形態で説明した広配光レンズ７を用いてもよい。
グローブ３０１は、透明な材料から形成されており、内部が空洞でかつ外径がシャンデリア型形状、すなわち先端がやや尖った形状を有している。また、グローブ３０１は、一端に開口部を有し、この開口部にベース８を介して放熱筐体２０２が接続される。このグローブ３０１のシャンデリア型形状は、グローブ３０１の中心軸に沿って開口部から上方に向かうに連れて、上記中心軸に垂直な断面におけるグローブ３０１の周長が次第に増加し、グローブ３０１の周長が最大値ｄをとった後、次第に縮小する形状である。そして、軸方向の長さｈに比べて最大幅ｄが狭くなっている。また、このグローブ３０１は、グローブ３０１内に内包されるＬＥＤ１および広配光レンズ７から射出される光を表面から外部に射出する。ＬＥＤ１は、ベース８上に設けられ、発光面を有している。この発光面は広配光レンズ７の底面９２に対向するように配置される。
放熱筐体２０２は、グローブ３０１の上記開口部に接続される端部と反対側の端部が口金２０３に接続されている。この放熱筐体２０２はＬＥＤ１に熱的に接続されている。また、放熱筐体２０２内に交流電圧を直流電圧に変換する電源回路２０４が内包されている。電源回路２０４は、配線２０５によってＬＥＤ１に電気的に接続されるとともに配線２０６によって口金２０３に電気的に接続される。口金２０３は、電球用のソケットに接続可能である。
次に、第４実施形態の照明装置２０１の機能について説明する。例えば、室内の天井や、灯具に設けられるソケットに照明装置２０１の口金２０３が装着された状態を考える。室内の電源等によりソケットに対して給電されると、口金２０３、電源回路２０４を介してＬＥＤ１に定電流が供給される。これにより、ＬＥＤ１が光を照射する。ＬＥＤ１の発光面から発せられた光線群は広配光レンズ７の底面９２に入射する。底面９２に入射した光線群は、広配光レンズ７によって広配光に広げられる。これにより、白熱電球並みの広配光を有するＬＥＤ照明が実現される。さらに、グローブ３０１は透明であり、広配光レンズ７も透明である。それゆえ、消灯時には透明性特有の美観を持ち、点灯時には広配光レンズ７に光源があるかのように見える。これにより、あたかもフィラメントを光源とする照明のように見えるため、レトロフィット電球として使用することができる。
特に、グローブ３０１がシャンデリア型形状であるので、一般的に最大径ｄが４０ｍｍ以下になる。そのため、広配光レンズ７はグローブ３０１に内包されるほどコンパクトでなければならない。そこで、この第４実施形態においては、広配光レンズ７として、第１実施形態の広配光レンズを用いている。第１実施形態の広配光レンズ７は最大径が４０ｍｍ以下にすることができるため、十分にグローブ３０１内に収まる。これにより、グローブ３０１によって、広配光レンズ７およびＬＥＤ１が防塵されるという効果がある。
この第４実施形態の照明装置は、第１実施形態の広配光レンズを用いているので、配光角を十分に確保しつつコンパクト化することができる。なお、第２乃至第３実施形態の広配光レンズを用いた場合も、同様に、配光角を十分に確保しつつコンパクト化することができる。
（第１変形例）
第４実施形態の第１変形例による照明装置を図２０に示す。この第１変形例の照明装置２０１は、図１９に示す第４実施形態の照明装置において、グローブ３０１をグローブ３０１Ａに置き換えた構造を有している。グローブ３０１Ａは一般の電球型形状である。この電球型形状のグローブ３０１Ａは、グローブの中心軸に沿って開口部から上方に向かうに連れて、上記中心軸に垂直な断面におけるグローブ３０１Ａの周長が次第に増加し、グローブ３０１Ａの周長が最大値ｄをとった後は、外形形状は半球型となる。この第１変形例においては、ＬＥＤ１が設けられるベース８は、グローブ３０１Ａ内に収容される。この第１変形例の照明装置は、コンパクトな広配光光源を得ることができる。
この第１変形例の照明装置は、第１実施形態の広配光レンズを用いているので、配光角を十分に確保しつつコンパクト化することができる。なお、第２乃至第３実施形態の広配光レンズを用いた場合も、同様に、配光角を十分に確保しつつコンパクト化することができる。
（第２変形例）
第４実施形態の第２変形例による照明装置を図２１に示す。この第２変形例の照明装置２０１は、図１９に示す第４実施形態の照明装置において、グローブ３０１をグローブ３０１Ｂに置き換えた構造を有している。グローブ３０１Ｂはボール電球型である。このボール型電球型グローブ３０１Ｂは、内部は空洞の球状であって一部が平面で切断された形状を有している。この第２変形例の照明装置２０１においては、ＬＥＤ１が設けられるベース８だけでなく、放熱筐体２０２の一部もグローブ３０１Ｂ内に収容される。この第２変形例の照明装置もコンパクトな広配光光源を得ることができる。
この第２変形例の照明装置は、第１実施形態の広配光レンズを用いているので、配光角を十分に確保しつつコンパクト化することができる。なお、第２乃至第３実施形態の広配光レンズを用いた場合も、同様に、配光角を十分に確保しつつコンパクト化することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

本実施形態は、配光角を十分に確保しつつコンパクト化することのできる広配光レンズおよび照明装置を提供する。

以上説明したように、第１実施形態によれば、配光角を十分に確保しつつコンパクト化することのできる広配光レンズおよび照明装置を提供することが可能となる。

以上説明したように、第３実施形態によれば、配光角を十分に確保しつつコンパクト化することのできる広配光レンズおよび照明装置を提供することが可能となる。

Claims (23)

1. 中心軸に対して回転対称な形状を有し可視光に対して透明な第１光学素子であって、前記第１光学素子は、第１部分と、前記第１部分に接続する第２部分を有し、前記第１部分は、凹面および平坦な面のうちの一方の形状を有する底面と、前記底面に接続する側面と、を有し、前記第２部分は、上面と、前記上面に接続する側面と、を有し、前記第１部分の前記側面と前記第２部分の前記側面は、接合部を有し、前記接合部は前記底面から前記接合部へ向かって広がる形状を有する、第１光学素子を、備え、
   前記中心軸と交差する中心を有する第１領域と、前記第１領域の外側の第２領域と、を有する部材が記第１部分の底面に対向して配置され、かつ前記中心軸を含む平面で前記第１光学素子の断面を取ったとき、前記断面において、前記第１部分の前記側面は、この側面上の第１の点が、前記部材上の点のうち前記中心軸に対して前記第１の点側に位置する点でかつ前記第１領域内の点を第２の点とし、前記第１の点における前記第１部分の外向き法線ベクトルと、前記第１の点から前記第２の点に向かう第１ベクトルとの成す角θ_Ｐが、前記第１部分における全反射角θ_Ｃよりも大きくなるように構成され、
   前記断面において、前記第２部分の側面は、この側面上の第３の点が、前記部材上の点のうち前記中心軸に対して前記第３の点側に位置する点でかつ前記第２領域内の点を第４の点とし、前記第３の点における前記第２部分の内向き法線ベクトルと、前記第３の点から前記第４の点に向かうベクトルとの成す角θ_Qが、前記第２部分における全反射角θ_Ｃよりも大きくなるように構成された、広配光レンズ。
2. 前記部材は発光面を備えた面光源であり、前記第１領域は、前記面光源の発光面の面積の半分の面積を有する請求項１記載の広配光レンズ。
3. 前記中心軸に対して回転対称な形状を有し前記第１光学素子の前記第１部分に接続される第２光学素子を更に備え、
   前記第２光学素子は、第３部分と、前記第３部分に接続する第４部分を有し、前記第３部分は、平坦な底面と、前記底面に接続する側面と、を有し、前記第４部分は、上面と、前記上面に接続する側面と、を有し、前記第３部分の前記側面と前記第４部分の前記側面は、同じサイズと形状を有する接合面で接続し、前記接合面は前記底面よりも大きく、前記第４部分の上面は、前記中心軸に向かって凹みかつ前記第１光学素子の前記第１部分の前記側面に沿う形状を有する、請求項１記載の広配光レンズ。
4. 前記部材は発光面を備えた面光源であり、
   前記第１光学素子の前記第１部分の前記底面または前記側面に、前記第１光学素子と前記第２光学素子を接続する接続部材が設けられ、
   前記第２光学素子の前記第４部分の前記上面に前記接続部材が挿入される凹部が設けられ、
   前記第１光学素子の前記第１部分の前記側面と、前記第２光学素子の前記第４部分の前記上面との間の距離は、前記面光源から射出される光の波長以上である請求項３記載の広配光レンズ。
5. 前記第１光学素子には、前記中心軸に沿って回転対称な空孔が設けられ、前記空孔の前記中心軸に直交する面によって切断された断面積は、前記第２部分から前記第１部分に向かうにつれて小さくなる請求項１記載の広配光レンズ。
6. 前記第２光学素子は、前記中心軸に沿って貫通孔が設けられている請求項３記載の広配光レンズ。
7. 前記第１光学素子の前記接続部材にオスネジが設けられ、前記第２光学素子の前記貫通孔にメスネジが設けられ、前記オスネジと前記メスネジが結合する請求項４記載の広配光レンズ。
8. 前記断面において、前記第２部分の前記側面上の点は、前記中心軸からの距離が、前記第１部分と接続する点から前記第２部分の前記上面に向かうにつれて単調に減少する請求項１記載の広配光レンズ。
9. 前記断面における、前記第２部分の前記上面は、凸形状の頂点を持ち、前記頂点は前記中心軸上にある請求項８記載の広配光レンズ。
10. 前記断面において、前記空孔の内面上の第５の点は、前記部材上の点のうち、前記中心軸に対して前記第５の点の側に位置する点でかつ前記第２領域上の点を第６の点とし、前記第５の点における前記内面の内向き法線ベクトルと、前記第５の点から前記第６の点に向かうベクトルとの成す角θ_Ｖが、前記第２部分における全反射角よりも大きい請求項５記載の広配光レンズ。
11. 前記第２部分の前記側面の端部のうち、前記部材に近い側の前記中心軸からの距離は、前記第２光学素子の第４部分の前記上面の、前記中心軸からの距離の最大値よりも小さい請求項１記載の広配光レンズ。
12. 前記第２部分の前記側面の端部のうち、前記部材に近い側の前記中心軸からの距離は、前記第２光学素子の前記第４部分の前記上面の端部のうち、前記発光面から遠い側の前記中心軸からの距離に等しい請求項１記載の広配光レンズ。
13. 前記空孔の前記内面は拡散面である請求項５記載の広配光レンズ。
14. 前記第２光学素子の面上において、前記中心軸に対する距離が最短となる点の法線ベクトルが前記中心軸と直交する請求項１記載の広配光レンズ。
15. 前記部材は発光面を備えた面光源であり、
    前記第２光学素子の前記中心軸を含む断面上において、前記発光面から前記中心軸に沿って光が放射される方向をｚ方向とし、前記ｚ方向と直交する方向をｘ方向としたとき、前記第１領域上の点から前記中心軸までの距離をｒ_Ｂとし、前記ｘ軸上の、前記貫通孔の半径をｌとし、
    前記上面は、
    

    

    で規定され、ここで媒介変数Θは、
    

    

    の範囲の値であり、実数定数θ_ａは、
    

    

    を満たし、ｒ_Ｂは、
    ｌ＜ｒ_Ｂ
    を満たす請求項１記載の広配光レンズ。
16. 前記θ_ａは、全反射角に等しい請求項１５記載の広配光レンズ。
17. 前記断面において、前記空孔の前記内面の点の法線ベクトルは、前記中心軸と直交する請求項５記載の広配光レンズ。
18. 請求項１記載の広配光レンズと、
    前記広配光レンズの前記部材である発光面を有する発光素子と、
    前記広配光レンズおよび前記面光源を内包するグローブと、
    を備えた照明装置。
19. 前記グローブに接続されるとともに前記発光素子に熱的に接続される放熱筐体と、
    前記放熱筐体に内包され交流を直流に変換する電源回路と、
    前記放熱筐体に接続され、外部からの電力が供給される口金と、
    を更に備えた請求項１８記載の照明装置。
20. 前記グローブは透明である請求項１８記載の照明装置。
21. 前記グローブは外形がシャンデリア型である請求項１８記載の照明装置。
22. 前記グローブは外形が電球型である請求項１８記載の照明装置。
23. 前記グローブは外形がボール型である請求項１８記載の照明装置。

Images