WO2012060319A1 - 光学素子及び照明装置 - Google Patents

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light source
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小野雄樹
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コニカミノルタオプト株式会社
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    • H01L33/58—Optical field-shaping elements

Definitions

  • the present invention relates to an optical element and an illuminating device, and more particularly to an illuminating device having excellent light distribution characteristics and an optical element used therefor.
  • street lights or security lights are required to be widely illuminated in the longitudinal direction along the road, while it is sufficient to illuminate narrowly in the width direction of the road.
  • a point light source such as an incandescent bulb spreads radially, so if you try to illuminate a wide range with a street light using such a light source, illumination in the width direction of the road is useless. Energy saving.
  • a method such as lowering the installation height of the lighting device, but in this case, a large number must be arranged along the road.
  • the cost increases.
  • Patent Document 1 discloses a lighting device having a light distribution characteristic suitable for use in a street lamp by devising the shape and arrangement of a reflector.
  • the present invention has been made in view of the problems of the prior art, can ensure a relatively wide but limited range of illumination and effective use of the emitted light, and can be manufactured at a simple and inexpensive structure, It is an object of the present invention to provide an illumination device and an optical element that can be miniaturized and that are particularly suitable when an LED is used as a light source.
  • the illumination device is an optical element for an illumination device including a light source and an optical element disposed on at least a light emission side of the light source, An incident surface on which light from the light source is incident; An exit surface for emitting light incident from the entrance surface;
  • the cross section of the optical element cut along the YZ plane is different from the cross section of the optical element cut along the XZ plane perpendicular to the YZ plane, In the cross section of the YZ plane, having a reflecting surface that reflects at least a part of the light incident from the incident surface, The cross section of the XZ plane does not have a reflecting surface that reflects light incident from the incident surface.
  • optical elements having different light distribution characteristics on the YZ plane and light distribution characteristics on the XZ plane can be obtained. More specifically, according to the present invention, when the optical axis of the light source is overlapped with the Z axis, the optical element is cut along the cross section of the optical element cut along the YZ plane and the XZ plane orthogonal to the YZ plane.
  • the cross section of the optical element is different from the cross section of the YZ plane, and the cross section of the YZ plane has a reflection plane that reflects at least a part of the light incident from the incident plane.
  • the light distribution angle is set using the reflected light from the reflecting surface.
  • the optical element is single, it does not require assembling work and is suitable for an LED light source. It is preferable that the cross section is the same in a range of 90 degrees on both sides of the YZ plane and the cross section is the same in a range of 90 degrees on both sides of the XZ plane.
  • the optical element of the present invention preferably comprises only a lens and does not have a separate reflector other than the lens. Moreover, it is preferable that the illumination device of the present invention also does not have a reflector separate from the lens from the viewpoint of miniaturization and thickness reduction. In addition, you may make it raise a reflectance by providing a metal film in a reflective surface.
  • the optical element according to claim 2 is the optical element according to claim 1, wherein the exit surface has a convex shape in the cross section of the YZ plane, and the exit surface has a concave shape in the cross section of the XZ surface. It is characterized by being. Thereby, for example, in the direction along the YZ plane, the light distribution angle can be further reduced by the emission surface, and in the direction along the XZ plane, the illumination can be obtained such that the light distribution angle is further increased by the emission surface. Can do.
  • the exit surface In the cross section of the XZ plane, the exit surface may be concave in the vicinity of the Z axis, and may be convex in the vicinity away from the Z axis.
  • the optical element according to claim 3 is the optical element according to claim 1, wherein the exit surface is concave in the cross section of the YZ plane, and the exit surface is concave in the cross section of the XZ plane. It is characterized by being. Thereby, for example, in the direction along the XZ plane, the light distribution angle can be made larger by the emission surface. On the other hand, in the direction along the YZ plane, the light distribution angle cannot be reduced by the exit surface, but since the light distribution angle is reduced by the reflection surface, a certain degree of light distribution angle can be obtained, This is suitable when it is not desired to make the light distribution angle too small. And since the shape of an output surface can be made rotationally symmetrical, the optical element which is easy to manufacture an output surface can be obtained. In the cross section of the YZ plane and the cross section of the XZ plane, the exit surface may be concave in the vicinity of the Z axis, and may be convex in the vicinity away from the Z axis.
  • the optical element according to claim 4 is characterized in that, in the invention according to claim 3, the exit surface has a rotationally symmetric shape.
  • the optical element has a concave portion at a central portion, and a surface constituting the concave portion is the incident surface.
  • the optical element has a concave portion in the central portion (incident surface side) of the optical element.
  • the light source can be accommodated in the recess. For this reason, most of the light beam emitted from the light source is incident on the incident surface constituting the recess, so that the light utilization efficiency can be improved. In this case, it has an incident surface (for example, 11f in FIGS.
  • the incident surface intersecting the Z axis has a refractive power that reduces the light distribution angle in the cross section of the YZ plane, and does not have a refractive power or increases the light distribution angle in the cross section of the XZ plane. It is preferable to have For example, it is preferable that the incident surface intersecting the Z-axis has a convex shape in the cross section of the YZ plane and a concave shape or a planar shape in the cross section of the XZ surface.
  • An optical element is the invention according to any one of the first to fifth aspects, wherein the incident surface intersecting the Z-axis is a part of a cylindrical surface whose vertical axis is the YZ plane. It is characterized by being.
  • the incident surface intersecting the Z axis in the direction along the YZ plane has a refractive power that reduces the light distribution angle, so that the light distribution angle can be made smaller, and in the direction along the XZ plane, Z Since the incident surface intersecting the axis does not have refractive power, the light distribution angle of the incident light beam is not decreased, and illumination that increases the light distribution angle can be obtained.
  • the optical element according to claim 7 is the optical element according to any one of claims 1 to 6, wherein the reflection surface is a surface provided around the incident surface, and a perpendicular to the reflection surface is the light source. Further, the light beam crosses the Z-axis on the light emission direction side. Note that “the light emission direction side of the light source” means, for example, above the Y axis in FIG. 3 above the Z axis direction.
  • the reflecting surface is provided around the incident surface and the perpendicular to the reflecting surface intersects the Z axis on the light emission direction side from the light source (that is, the reflecting surface faces the Z axis)
  • the incident surface in particular, Z A light beam incident from an incident surface that does not intersect the axis is preferably reflected by the reflecting surface so as to reduce the light distribution angle.
  • the perpendicular of the reflecting surface is not parallel to the Z axis, and the perpendicular of the reflecting surface does not intersect the Z axis on the side opposite to the light emission direction from the light source.
  • the side opposite to the light emission direction from the light source means, for example, below the Y axis in FIG.
  • the reflecting surface may be a flat surface or a curved surface, but is preferably a curved surface.
  • the optical element according to claim 8 is characterized in that, in the invention according to any one of claims 1 to 7, the reflecting surface is a part of a paraboloid. It is more preferable that the reflecting surface is a part of a paraboloid surface among curved surfaces in that the light distribution angle is reduced by the reflecting surface.
  • An optical element according to a ninth aspect is the optical element according to any one of the first to eighth aspects, wherein a light beam reflected by the reflecting surface and emitted from the emitting surface is not reflected by the reflecting surface.
  • the light distribution angle is smaller than the light beam emitted from the emission surface.
  • the optical element according to claim 10 is the invention according to any one of claims 1 to 9, wherein the light source is a light emitting diode, and a maximum length of the optical element in a direction perpendicular to the Z axis is 30 mm or less. The maximum length in the Z-axis direction is 20 mm or less.
  • the light source is a light emitting diode
  • a maximum length of the optical element in a direction perpendicular to the Z axis is 30 mm or less.
  • the maximum length in the Z-axis direction is 20 mm or less.
  • the maximum length of the optical element in the direction perpendicular to the Z axis may be 20 mm or less, and the maximum length in the Z axis direction may be 15 mm or less. preferable.
  • the illumination device according to claim 11 is characterized by using a light source and the optical element according to any one of claims 1 to 10 disposed at least on a light emission side of the light source.
  • the illumination device according to claim 12 is characterized in that, in the invention according to claim 11, the light source is a light emitting diode.
  • a lighting device is the invention according to claim 11 or 12, wherein one optical element is provided for one light source, and the lighting device has a plurality of light sources and optical elements. It is characterized by. This makes it possible to combine a plurality of optical elements having different light distribution characteristics, and conversely, to combine a plurality of optical elements having the same light distribution characteristics.
  • the plurality of optical elements include optical elements having different light distribution characteristics. This makes it possible to easily obtain light distribution characteristics that are difficult to achieve with only one optical element.
  • the illumination range can be changed by changing the number and position of the light sources to be turned on depending on the time zone, which is also effective from the viewpoint of saving energy consumption.
  • the illumination device according to claim 15 is characterized in that, in the invention according to claim 13, all of the plurality of optical elements are optical elements having the same light distribution characteristics. In this case, the light distribution characteristics do not change even if the number of light sources to be lit changes. Therefore, it is possible to change only the brightness without changing the light distribution characteristic of the illumination according to the weather and time zone. Therefore, it is also effective from the viewpoint of saving energy consumption.
  • the lighting device according to claim 16 is the invention according to any one of claims 11 to 15, wherein the lighting device is a street lamp that illuminates a road.
  • the illumination device of the present invention is preferably composed of a combination of a single light source and a single optical element, but may be a combination of a plurality of light sources and a single optical element.
  • the light source according to the present invention is preferably an LED (Light Emitting Diode) from the viewpoint of miniaturization and thickness reduction, but may be other light sources such as an incandescent bulb.
  • the optical element is preferably formed by injection molding using a mold, and is disposed at least on the light emission side of the light source.
  • the optical element and the light source may be in contact or non-contact.
  • the cross section of the optical element cut along the YZ plane is different from the cross section of the optical element cut along the XZ plane, that is, has an anamorphic shape. More specifically, the cross section of the YZ plane has a reflective surface that reflects at least part of the light incident from the incident plane, and the cross section of the XZ plane reflects the light incident from the incident plane. Does not have.
  • the reflecting surface is preferably a part of a paraboloid.
  • the exit surface is preferably convex in the cross section of the YZ plane, and the exit surface is preferably concave in the cross section of the XZ plane.
  • the incident surface is preferably cylindrical with the vertical line of the YZ plane as the axis.
  • the optical element is preferably made of glass or plastic.
  • the plastic constituting the optical element include thermoplastics such as cyclic polyolefin and polycarbonate, thermosetting plastics, photocurable plastics, and UV curable plastics.
  • thermoplastics such as cyclic polyolefin and polycarbonate
  • thermosetting plastics such as thermosetting plastics
  • photocurable plastics such as thermocurable plastics
  • UV curable plastics such as cyclic polyolefin or polycarbonate
  • a thermoplastic such as cyclic polyolefin or polycarbonate
  • polycarbonate can be used more preferably.
  • a plurality of illumination devices according to the present invention may be arranged on the same plane and used as one illumination.
  • Preferable applications include street lamps and outdoor lamps, which have been found by the inventor's investigation that it is desired to irradiate light over a wide range.
  • the street light may be mounted on a column, or may be mounted on the ceiling or wall of a building or tunnel.
  • an illumination device and an optical element that can ensure a relatively wide but limited range of illumination and effective use of emitted light, and have a simple structure and can be manufactured at low cost.
  • FIG. 1 is a schematic view of a street light that also serves as a security light using the lighting device of the present embodiment.
  • FIGS. 2A and 2B are perspective views of a single optical element of the lighting device, where FIG. 2A is a view from above, and FIG. 2B is a view from below.
  • 3 is a cross-sectional view showing the lighting device cut along the YZ plane
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing the lighting device cut along the XZ plane.
  • a street light SL is arranged at the upper end of a bowl-shaped support PL installed beside the road RD.
  • a single lighting device 10 is arranged in one street light SL, when a plurality of lighting devices 10 are attached, they are preferably arranged in a direction perpendicular to the paper surface.
  • the light distribution characteristics of the optical elements of the respective illumination devices 10 may be the same or different.
  • the illumination device 10 according to the present embodiment includes an optical element 11 and a light source 12, and one optical element 11 is associated with one light source 12.
  • the optical axis of the light source is assumed to overlap the Z axis.
  • the X axis and the Y axis are defined so as to be orthogonal to the above.
  • the optical element 11 includes a recess 11 a that covers the light source 12, a light exit surface 11 b that has a concave shape at the position intersecting the optical axis Z, and a periphery that is convex. It has a pair of reflective surfaces 11c provided around the recess 11a and between the recess 11a and the exit surface 11b.
  • the reflecting surface 11c is a part of a paraboloid having the optical axis Z as an axis.
  • the exit surface 11b has an inflection point.
  • the lower end of the optical element 11 is in contact with a substrate (not shown) on which the light source 12 is formed.
  • the surface constituting the recess 11a has a side incident surface 11e that is rotationally symmetric with respect to the optical axis Z, and an upper surface incident surface 11f that intersects the optical axis Z.
  • the top incident surface 11f is a part of a cylindrical surface having an axis extending in the direction perpendicular to the paper surface in FIG.
  • the reflection surface 11c is a surface provided around the entrance surfaces 11e and 11f, and a perpendicular to the reflection surface 11c intersects the Z axis on the light emission direction side from the light source 12.
  • the side incident surface 11e is inclined with respect to the optical axis Z at an angle that ensures a draft angle.
  • the mold release direction is parallel to the optical axis Z.
  • the optical element 11 does not have a reflecting surface. Accordingly, the exit surface 11b extends to the lower end of the optical element 11, and the surface around the recess 11a is a surface perpendicular to the optical axis Z (a curved surface may be used as long as it does not reflect incident light). It has become. However, the circumferential end of the reflecting surface 11c in FIG. 3 is smoothly connected to the emitting surface 11b. Further, the emission surface 11b has a concave shape at a position intersecting with the optical axis Z, and has a shape in which the periphery is convex. That is, in the XZ section, the exit surface 11b has an inflection point.
  • the emission surface 11b is smoothly connected all around.
  • the emission surface 11b may be point symmetric.
  • the exit surface 11b may have a convex shape in the YZ section, and the exit surface 11b may have a concave shape in the XZ section.
  • the maximum length of the optical element 11 in the orthogonal direction to the Z axis is 30 mm or less, and the maximum length in the Z axis direction is 20 mm or less.
  • a part of the light emitted from the light source 12 is incident on the optical element 11 from the side surface incident surface 11e, and the rest is incident on the upper surface incident surface 11f.
  • the passing position is different between the YZ cross section and the XZ cross section. More specifically, in the YZ cross section shown in FIG. 3, the light beam ⁇ incident from the side incident surface 11e at a position relatively far from the optical axis Z is reflected by the reflecting surface 11c and then emitted from the emitting surface 11b.
  • the inclination angle (light distribution angle) with respect to the optical axis Z at this time is relatively small.
  • the light ray ⁇ incident from the upper surface incident surface 11f at a position relatively close to the optical axis Z is in a direction along the optical axis Z in a state where the light distribution angle is further reduced because the upper surface incident surface 11f is a cylindrical surface. Since the light travels and exits from the exit surface 11b, the tilt angle (light distribution angle) with respect to the optical axis Z at this time is relatively small. Therefore, the light distribution angle of the light beam emitted from the entire emission surface of the YZ section is also reduced.
  • the light ray ⁇ ′ incident from the side incident surface 11 e at a position relatively far from the optical axis Z is not reflected by the reflecting surface but exits to the periphery.
  • the inclination angle (light distribution angle) with respect to the optical axis Z becomes very large.
  • the light distribution angle does not decrease and the direction away from the optical axis Z Further, since the light exits from the concave exit surface 11b, the tilt angle (light distribution angle) with respect to the optical axis Z at this time becomes large. Therefore, the light distribution angle emitted from the entire emission surface of the XZ section is also large.
  • the lighting device 10 when the lighting device 10 is attached to the street light SL, if the XZ section is along the longitudinal direction of the road and the YZ section is along the width direction of the road, the width is narrow in the road direction. Wide illumination can be realized in the longitudinal direction. Thereby, compared with the illuminating device using the conventional reflector, size reduction and thickness reduction are attained, and the freedom degree of installation improves. Further, since the optical element 11 can be formed by molding a mold, it can be mass-produced while having a highly accurate shape, and can be easily assembled simply by bonding to the substrate (not shown) on which the light source 12 is formed. It is.
  • the light distribution characteristic does not change depending on the number of lighting devices 10, so that the energy can be saved by changing the lighting number of the lighting devices 10 so that the brightness can be adjusted according to the weather and time zone. I can plan. Further, by arranging a plurality of lighting devices 10 in which light sources 12 of different colors are combined with optical elements 11 having the same light distribution characteristics, for example, yellow illumination at dusk and blue illumination at night, The light sources of different colors may be emitted by switching according to time. In addition, a plurality of lighting devices including optical elements having different light distribution characteristics are arranged so that the lighting device is switched according to time, for example, a wide range of lighting at dusk and a narrow range of lighting at night. May be.
  • the lighting device of the present invention can be used not only as a street light or a security light but also as a room light, or can be installed on the ceiling of a tunnel.

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Abstract

比較的広いが限られた範囲の照明と出射光の有効活用とを確保でき、しかも構造が単純で安価に製造できる照明装置及び光学素子を提供する。ＸＺ断面において反射面を有しないので、照明装置１０を街路灯ＳＬに取り付ける際に、道路の長手方向にＸＺ断面を沿わせるようにし、道路の幅方向にＹＺ断面を沿わせるようにすれば、道路の幅方向には狭く、長手方向には広い照明を実現することができる。

Description

光学素子及び照明装置
　本発明は、光学素子及び照明装置に関し、特に配光特性に優れた照明装置及びそれに用いる光学素子に関する。
　例えば街路灯或いは防犯灯などは、道路に沿って長手方向に広く照明することが要求される一方で、道路の幅方向には狭く照明すれば足りるとされる。ところが、一般的に白熱球などの点光源から出射される光線は放射状に広がるため、このような光源を用いた街路灯等で広い範囲で照明しようとすると、道路の幅方向の照明が無駄になり省エネが図れない。これに対し、道路の幅に合わせて狭い範囲で照明する場合は、照明装置の設置高さを低くするなどの方法があるが、この場合は道路に沿って多くの数を並べなくてはならず、コストが増大するという問題がある。
　このような問題に対し、特許文献１には、リフレクタの形状と配置を工夫してなり、街路灯に用いるのに好適な配光特性を有する照明装置が開示されている。
特開２０１０－１５３４０１号公報
　しかるに、特許文献１の技術では、所望の配光特性を得るためにリフレクタを用い光源を道路の通行方向に傾けて設置しているために、照明装置が大型化するという課題がある。加えて、組み立ての手間がかかり、コストが増大する。又、光源もリフレクタに合わせて傾けて設置する必要があるが、例えばＬＥＤ光源を用いる場合など、基板自体を傾けなくてはならず、更に組み付けの手間がかかる。
　本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、比較的広いが限られた範囲の照明と出射光の有効活用とを確保でき、しかも構造が単純で安価に製造でき、小型化も可能な、特に光源としてＬＥＤを用いたときに好適な照明装置及び光学素子を提供することを目的とする。
　請求項１に記載の照明装置は、光源と、前記光源の少なくとも光放出側に配置された光学素子と、を有する照明装置用の光学素子であって、
　前記光源からの光を入射する入射面と、
　前記入射面から入射した光を出射する出射面とを有し、
　前記光源の光軸をＺ軸に重ねたときに、ＹＺ面で切断された前記光学素子の断面と、前記ＹＺ面に直交するＸＺ面で切断された前記光学素子の断面とは異なっており、
　前記ＹＺ面の断面において、前記入射面から入射した光の少なくとも一部を反射する反射面を有し、
　前記ＸＺ面の断面においては、前記入射面から入射した光を反射する反射面を有しないことを特徴とする。
　上記によって、ＹＺ面の配光特性とＸＺ面の配光特性が異なる光学素子を得ることができる。より具体的には、本発明によれば、前記光源の光軸をＺ軸に重ねたときに、ＹＺ面で切断された前記光学素子の断面と、前記ＹＺ面に直交するＸＺ面で切断された前記光学素子の断面とは異なっており、前記ＹＺ面の断面において、前記入射面から入射した光の少なくとも一部を反射する反射面を有し、前記ＸＺ面の断面においては、前記入射面から入射した光を反射する反射面を有しないので、この方向により異なる形状を用いた光学素子を用いることで、例えばＹＺ面に沿った方向では反射面からの反射光を用いて配光角を小さくし、ＸＺ面に沿った方向では反射面からの反射光を用いないことで配光角を大きくするような照明を容易に得ることができる。光学素子は単一であるから組み立ての手間がかからず、ＬＥＤ光源などにも適している。尚、ＹＺ面を挟んで両側に９０度の範囲で断面が同じであり、且つＸＺ面を挟んで両側に９０度の範囲で断面が同じであると好ましい。
又、本発明の光学素子は、レンズのみからなり、レンズ以外に別体のリフレクタを有さないことが好ましい。また、本発明の照明装置も、レンズとは別体のリフレクタを有さないことが、小型化、薄型化の観点から好ましい。尚、反射面に金属膜を設けることにより、反射率を高めるようにしてもよい。
　請求項２に記載の光学素子は、請求項１に記載の発明に対し、前記ＹＺ面の断面において、前記出射面は凸形状であり、前記ＸＺ面の断面において、前記出射面は凹形状であることを特徴とする。これにより、例えばＹＺ面に沿った方向では出射面によっても配光角をより小さくすることができ、ＸＺ面に沿った方向では配光角を出射面によってもより大きくするような照明を得ることができる。尚、ＸＺ面の断面において、出射面はＺ軸付近で凹形状となっており、Ｚ軸から離れた周辺では凸形状となっていてもよい。
　請求項３に記載の光学素子は、請求項１に記載の発明に対し、前記ＹＺ面の断面において、前記出射面は凹形状であり、前記ＸＺ面の断面においても前記出射面は凹形状であることを特徴とする。これにより、例えばＸＺ面に沿った方向では配光角を出射面によってもより大きくできる。一方、ＹＺ面に沿った方向では出射面によって配光角を小さくすることはできないが、反射面によって配光角が小さくなっているので、ある程度の配光角の小ささは得ることができ、配光角を小さくし過ぎたくない場合に好適である。そして、出射面の形状を回転対称にできるので、出射面を製造し易い光学素子を得ることができる。尚、ＹＺ面の断面及びＸＺ面の断面において、出射面はＺ軸付近で凹形状となっており、Ｚ軸から離れた周辺では凸形状となっていてもよい。
　請求項４に記載の光学素子は、請求項３に記載の発明において、前記出射面は、回転対称形状であることを特徴とする。
　請求項５に記載の光学素子は、請求項１乃至４の何れかに記載の発明において、前記光学素子は中央部分に凹部を有し、当該凹部を構成する面が前記入射面であることを特徴とする。光学素子は、図３や図４に示すように、光学素子の中央部分（入射面側）に凹部を有する。その凹部に光源を収容することが可能となる。そのため、光源から出射された光束の殆どが凹部を構成する入射面に入射するため、光の利用効率を高めることができる。この場合、Ｚ軸と交差する入射面（例えば、図３、４の１１ｆ）と、Ｚ軸を取り囲みＺ軸とは交差しない入射面（例えば、図３，４の１１ｅ）とを有することになる。尚、Ｚ軸と交差する入射面は、ＹＺ面の断面では配光角を小さくするような屈折力を持ち、ＸＺ面の断面では屈折力を持たないか配光角を大きくするような屈折力を持つことが好ましい。例えば、Ｚ軸と交差する入射面が、ＹＺ面の断面では凸形状であって、ＸＺ面の断面では凹形状か平面形状であることが好ましい。
　請求項６に記載の光学素子は、請求項１乃至５の何れかに記載の発明において、前記Ｚ軸と交差する前記入射面は、前記ＹＺ面の垂直線を軸線とする円筒面の一部であることを特徴とする。これにより、例えばＹＺ面に沿った方向ではＺ軸と交差する入射面が、配光角を小さくするような屈折力を持つため、配光角をより小さくでき、ＸＺ面に沿った方向ではＺ軸と交差する入射面が、屈折力を持たないため、入射した光束の配光角を小さくすることはせず、配光角をより大きくするような照明を得ることができる。
　請求項７に記載の光学素子は、請求項１乃至６の何れかに記載の発明において、前記反射面は、前記入射面の周囲に設けられた面であり、前記反射面に対する垂線が前記光源より光線の出射方向側で前記Ｚ軸と交わることを特徴とする。尚、「光源より光線の出射方向側」とは、例えば図３でいうところのＹ軸よりもＺ軸方向上方を意味する。反射面が入射面の周囲に設けられ、反射面に対する垂線が光源より光線の出射方向側でＺ軸と交わる（即ち、反射面がＺ軸の方を向いている）ため、入射面（特にＺ軸と交差しない入射面）から入射した光束が配光角を小さくするように反射面で反射されるので好ましい。反射面の垂線がＺ軸と平行であったり、反射面の垂線が光源より光線の出射方向と逆側でＺ軸と交わることはない。尚、「光源より光線の出射方向と逆側」とは、例えば図３でいうところのＹ軸よりもＺ軸方向下方を意味する。尚、反射面は平面でも曲面でもよいが、曲面であることが好ましい。
　請求項８に記載の光学素子は、請求項１乃至７のいずれかに記載の発明において、前記反射面は放物面の一部であることを特徴とする。反射面は、曲面の中でも放物面の一部であることが、反射面によって配光角を小さくするという点でより好ましい。
　請求項９に記載の光学素子は、請求項１乃至８のいずれかに記載の発明において、前記反射面で反射されて前記出射面から出射される光線は、前記反射面で反射されずに前記出射面から出射される光線よりも配光角が小さいことを特徴とする。
　請求項１０に記載の光学素子は、請求項１乃至９のいずれかに記載の発明において、前記光源が、発光ダイオードであって、前記光学素子のＺ軸の直交方向の最大長さが３０ｍｍ以下であり、Ｚ軸方向の最大長さが２０ｍｍ以下であることを特徴とする。光源として発光ダイオードを用いた場合、光源自体が小型で薄いため、別体のリフレクタを用いずに単体の光学素子のみで所定の配光特性を与えることによって、光源と光学素子を合わせた構造を非常に小さく薄くでき、結果として照明装置の小型化、薄型化が可能となる。特に、単一の発光ダイオードに対して単一の光学素子を組み合わせる場合、光学素子のＺ軸の直交方向の最大長さを２０ｍｍ以下とし、Ｚ軸方向の最大長さを１５ｍｍ以下とすることが好ましい。
　請求項１１に記載の照明装置は、光源と、前記光源の少なくとも光放出側に配置された請求項１～１０のいずれかに記載の光学素子を用いたことを特徴とする。
　請求項１２に記載の照明装置は、請求項１１に記載の発明において、前記光源が、発光ダイオードであることを特徴とする。
　請求項１３に記載の照明装置は、請求項１１又は１２に記載の発明において、一つの前記光源に対して、一つの前記光学素子が設けられており、前記光源と前記光学素子を複数有することを特徴とする。これによって、異なる配光特性を有する複数の光学素子を組み合わせることや、逆に、同一の配光特性を有する複数の光学素子を組み合わせることが可能となる。
　請求項１４に記載の照明装置は、請求項１３に記載の発明において、前記複数の光学素子は、互いに配光特性が異なる光学素子を含む事を特徴とする。これによって、１つの光学素子のみでは達成困難な配光特性を容易に得られるようになる。また、時間帯によって、点灯する光源の数・位置を変えることにより照明範囲を変えることが可能となるため、消費エネルギーの節約という観点でも有効である。
　請求項１５に記載の照明装置は、請求項１３に記載の発明において、前記複数の光学素子は、全て配光特性が同じ光学素子である事を特徴とする。この場合、点灯する光源の数が変わっても、配光特性が変わらない。従って、天気、時間帯に合わせて、照明の配光特性を変えずに、明るさだけを変えることが可能となる。従って、消費エネルギーの節約という観点でも有効である。
　請求項１６に記載の照明装置は、請求項１１乃至１５のいずれかに記載の発明において、前記照明装置は、道路を照らす街路灯であることを特徴とする。
　本発明の照明装置は、単一の光源と単一の光学素子との組み合わせからなると好ましいが、複数の光源と単一の光学素子との組み合わせとしても良い。本発明に係る光源はＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ　Ｅｍｉｔｔｉｎｇ　Ｄｉｏｄｅ）であると小型化、薄型化の観点で好ましいが、白熱球など他の光源でも良い。
　光学素子は望ましくは金型を用いた射出成形により形成され、光源の少なくとも光放出側に配置されており、光源からの発光光を入射する入射面と、入射光の少なくとも一部を反射する反射面と、入射光を外部に出射する出射面を有する。また、光学素子と光源は接触していても、非接触でも良い。
　光源の光軸をＺ軸に重ねたときに、ＹＺ面で切断された光学素子の断面と、ＸＺ面で切断された光学素子の断面とは異なっており、すなわちアナモフィック形状を有する。より具体的には、ＹＺ面の断面において、入射面から入射した光の少なくとも一部を反射する反射面を有し、ＸＺ面の断面においては、前記入射面から入射した光を反射する反射面を有しない。反射面は放物面の一部であると好ましい。
　又、ＹＺ面の断面において、出射面は凸形状であると好ましく、更にＸＺ面の断面において、出射面は凹形状であると好ましい。入射面はＹＺ面の垂直線を軸線とする円筒形状であることが望ましい。
　光学素子は、ガラス又はプラスチックで構成されていると好ましい。光学素子を構成するプラスチックとしては、環状ポリオレフィン、ポリカーボネート等の熱可塑性プラスチック、熱硬化性プラスチック、光硬化性プラスチック、ＵＶ硬化性プラスチックなどを用いることができる。環状ポリオレフィンやポリカーボネート等の熱可塑性プラスチックを用いる場合、射出成形により製造でき、製造コストを大幅に低減させることができるため、より好ましく用いることができる。特に、ポリカーボネートをより好ましく用いることができる。
　また、本発明に係る照明装置を、複数同一平面上に配置し、一つの照明として用いても良い。好ましい用途としては、光を広範囲に照射することが望まれるということが本発明者の検討の結果わかった街路灯や屋外灯等が挙げられる。街路灯は図１に示すように支柱の上に取り付けられても良いし、建物やトンネルの天井や壁面に取り付けられても良い。
　本発明によれば、比較的広いが限られた範囲の照明と出射光の有効活用とを確保でき、しかも構造が単純で安価に製造できる照明装置及び光学素子を提供することができる。
本実施の形態の照明装置を用いた街路灯の概略図である。 照明装置の光学素子単体の斜視図であり、（ａ）は上方から見た図、（ｂ）は下方から見た図である。 照明装置をＹＺ面で切断して示す断面図である。 照明装置をＸＺ面で切断して示す断面図である。
　以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は、本実施の形態の照明装置を用いた防犯灯を兼ねる街路灯の概略図である。図２は、照明装置の光学素子単体の斜視図であり、（ａ）は上方から見た図であり、（ｂ）は下方から見た図である。図３は、照明装置をＹＺ面で切断して示す断面図であり、図４は、照明装置をＸＺ面で切断して示す断面図である。
　図１において、道路ＲＤの脇に設置された鈎状の支柱ＰＬの上端には、街路灯ＳＬが配置されている。１つの街路灯ＳＬには、単一の照明装置１０が配置されているが、複数の照明装置１０を取り付ける場合、紙面垂直方向に並べるのがよい。このとき、各照明装置１０の光学素子の配光特性は同じでも良いし、異ならせても良い。本実施の形態によれば、例えば光源１２としてＬＥＤを用いた場合、複数の照明装置１０における基板を共通に用いることができる。図３，図４に示すように、本実施の形態にかかる照明装置１０は、光学素子１１と光源１２を有しており、一つの光源１２に一つの光学素子１１を対応させている。
　図２において、光源の光軸をＺ軸に重ねるものとする。それに直交するようにＸ軸とＹ軸とを定義する。ここで、図３に示すＹＺ断面において、光学素子１１は、光源１２を覆う凹部１１ａと、光軸Ｚと交差する位置で凹状に窪み、周辺が凸状になった形状の出射面１１ｂと、凹部１１ａの周囲であって、凹部１１ａと出射面１１ｂとの間に設けられた一対の反射面１１ｃとを有する。反射面１１ｃは、光軸Ｚを軸線とする放物面の一部である。ＹＺ断面では、出射面１１ｂは変曲点を持つ。
　光学素子１１の下端は、光源１２が形成された基板（不図示）に当接していると好ましい。凹部１１ａを構成している面は、光軸Ｚに対して回転対称な側面入射面１１ｅと、光軸Ｚに交差する上面入射面１１ｆとを有する。上面入射面１１ｆは、図３で紙面垂直方向に延在する軸線を持つ円筒面の一部である。反射面１１ｃは、入射面１１ｅ、１１ｆの周囲に設けられた面であり、反射面１１ｃに対する垂線が光源１２より光線の出射方向側でＺ軸と交わるようになっている。
　尚、光学素子１１が金型から形成される場合、側面入射面１１ｅは、光軸Ｚに対して抜き勾配を確保する角度で傾いていることが望ましい。このとき、金型の離型方向は光軸Ｚに平行となる。
　一方、図４に示すＸＺ断面において、光学素子１１は反射面を有しない。従って、出射面１１ｂが、光学素子１１の下端まで延在し、凹部１１ａの周囲の面は光軸Ｚに対して垂直な面（入射光を反射しなければ、曲面であってもよい）となっている。但し、図３の反射面１１ｃの周方向端部は、出射面１１ｂと滑らかに接続している。又、出射面１１ｂは、光軸Ｚと交差する位置で凹状に窪み、周辺が凸状になった形状を有する。つまり、ＸＺ断面では、出射面１１ｂは変曲点を持つ。但し、出射面１１ｂは全周で滑らかに接続している。本例では、出射面１１ｂは点対称であって良い。尚、図示していないがＹＺ断面で出射面１１ｂを凸形状とし、ＸＺ断面で出射面１１ｂを凹形状としても良い。ここで、光学素子１１のＺ軸の直交方向の最大長さが３０ｍｍ以下であり、Ｚ軸方向の最大長さが２０ｍｍ以下である。
　光源１２から出射した光の一部は、側面入射面１１ｅから光学素子１１に入射し、残りは上面入射面１１ｆから入射する。ここで、ＹＺ断面とＸＺ断面とでは、通過位置が異なる。より具体的には、図３に示すＹＺ断面において、比較的光軸Ｚから遠い位置で側面入射面１１ｅから入射した光線αは、反射面１１ｃで反射された後、出射面１１ｂから出射するが、このときの光軸Ｚに対する傾き角（配光角）は比較的小さくなる。比較的光軸Ｚに近い位置で上面入射面１１ｆから入射した光線βは、上面入射面１１ｆが円筒面であることから、配光角をより小さくされた状態で光軸Ｚに沿った方向に進行し、出射面１１ｂから出射するため、このときの光軸Ｚに対する傾き角（配光角）は比較的小さくなる。従って、ＹＺ断面の出射面全体から出射される光束の配光角も小さめになる。
　これに対し、図４に示すＸＺ断面において、比較的光軸Ｚから遠い位置で側面入射面１１ｅから入射した光線α’は、反射面で反射されることなく、周辺まで回り込んだ出射面１１ｂから直接出射するため、このときの光軸Ｚに対する傾き角（配光角）は非常に大きくなる。一方、比較的光軸Ｚに近い位置で上面入射面１１ｆから入射した光線β’は、入射面によって集光されることがないため、配光角が小さくなることはなく光軸Ｚから離れる方向に進行し、更に、凹形状の出射面１１ｂから出射するため、このときの光軸Ｚに対する傾き角（配光角）は大きなものとなる。従って、ＸＺ断面の出射面全体から出射される配光角も大きめとなる。
　つまり、照明装置１０を街路灯ＳＬに取り付ける際に、道路の長手方向にＸＺ断面を沿わせるようにし、道路の幅方向にＹＺ断面を沿わせるようにすれば、道路の幅方向には狭く、長手方向には広い照明を実現することができるのである。これにより従来のリフレクタを用いた照明装置に比べ、小型化、薄形化が可能になり、設置の自由度が向上する。又、光学素子１１は金型の成形により形成できるから、高精度な形状を有しながらも大量生産が可能であり、光源１２が形成された基板（不図示）へ接着するだけで組み付けも容易である。
　同じ照明装置１０を複数設ける場合、照明装置１０の点灯数によって配光特性が変わらないので、天気や時間帯に応じて明るさを調整できるよう、照明装置１０の点灯数を変えることで省エネが図れる。又、配光特性の同じ光学素子１１に異なる色の光源１２を組み合わせた照明装置１０を複数個並べて配置することで、例えば夕暮れ時は黄色系の照明とし、夜間は青色の照明というように、時間に応じて切り換えて異なる色の光源を発光するようにしても良い。更に、配光特性を異ならせた光学素子を含む照明装置を複数個並べて、例えば夕暮れ時は広い範囲の照明とし、夜間は狭い範囲の照明というように、時間に応じて照明装置を切り換えるようにしても良い。
　本発明は、明細書に記載の実施形態に限定されるものではなく、他の実施形態・変形例を含むことは、本明細書に記載された実施形態や技術思想から本分野の当業者にとって明らかである。例えば本発明の照明装置を、街路灯や防犯灯に限らず室内灯としても勿論用いることができるし、トンネルの天井などに設置することもできる。
 １０ 照明装置
 １１ 光学素子
 １１ａ 凹部
 １１ｂ 出射面
 １１ｃ 反射面
 １１ｅ 側面入射面
 １１ｆ 上面入射面
 １２ 光源
α、α’ 光線
β、β’ 光線
ＰＬ 支柱
ＲＤ 道路
ＳＬ 街路灯

Claims (16)

  1. 　光源と、前記光源の少なくとも光放出側に配置された光学素子と、を有する照明装置用の光学素子であって、
    　前記光源からの光を入射する入射面と、
    　前記入射面から入射した光を出射する出射面とを有し、
    　前記光源の光軸をＺ軸に重ねたときに、ＹＺ面で切断された前記光学素子の断面と、前記ＹＺ面に直交するＸＺ面で切断された前記光学素子の断面とは異なっており、
    　前記ＹＺ面の断面において、前記入射面から入射した光の少なくとも一部を反射する反射面を有し、
    　前記ＸＺ面の断面においては、前記入射面から入射した光を反射する反射面を有しないことを特徴とする光学素子。
  2. 　前記ＹＺ面の断面において、前記出射面は凸形状であり、前記ＸＺ面の断面において、前記出射面は凹形状であることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
  3. 　前記ＹＺ面の断面において、前記出射面は凹形状であり、前記ＸＺ面の断面においても前記出射面は凹形状であることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
  4. 　前記出射面は、回転対称形状であることを特徴とする請求項３に記載の光学素子。
  5. 　前記光学素子は中央部分に凹部を有し、当該凹部を構成する面が前記入射面であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光学素子。
  6. 　前記Ｚ軸と交差する前記入射面は、前記ＹＺ面の垂直線を軸線とする円筒面の一部であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光学素子。
  7. 　前記反射面は、前記入射面の周囲に設けられた面であり、前記反射面に対する垂線が前記光源より光線の出射方向側で前記Ｚ軸と交わることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光学素子。
  8. 　前記反射面は放物面の一部であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光学素子。
  9. 　前記反射面で反射されて前記出射面から出射される光線は、前記反射面で反射されずに前記出射面から出射される光線よりも配光角が小さいことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の光学素子。
  10. 　前記光源が、発光ダイオードであって、
    　前記光学素子のＺ軸の直交方向の最大長さが３０ｍｍ以下であり、Ｚ軸方向の最大長さが２０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の光学素子。
  11. 　光源と、前記光源の少なくとも光放出側に配置された請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の光学素子を用いたことを特徴とする照明装置。
  12. 　前記光源が、発光ダイオードであることを特徴とする請求項１１に記載の照明装置。
  13. 　一つの前記光源に対して、一つの前記光学素子が設けられており、
    　前記光源と前記光学素子を複数有することを特徴とする請求項１１又は１２に記載の照明装置。
  14. 　前記複数の光学素子は、互いに配光特性が異なる光学素子を含む事を特徴とする請求項１３に記載の照明装置。
  15. 　前記複数の光学素子は、全て配光特性が同じ光学素子である事を特徴とする請求項１３に記載の照明装置。
  16. 　前記照明装置は、道路を照らす街路灯であることを特徴とする請求項１１乃至１５のいずれか１項に記載の照明装置。
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