JP2012212047A - 光学レンズ及び照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】トンネル用の照明装置に用いられる光学レンズにおいて、光源から放射された光を所定方向に配光制御して、効率的に光を照射できるものとする。
【解決手段】光学レンズ３は、光源２０からの光が入射される入射面３１と、入射面３１に入射された光を出射する出射面３２とを有する。出射面３２は、凸状の外郭形状を成し、入射面３１の中央部を通る法線ＮＬを含む一平面に沿う出射面３２の断面形状が、曲率半径Ｒ１，Ｒ２の異なる連続した複数の曲線Ｃ１，Ｃ２から成り、法線ＮＬに対して非対称である。この構成によれば、出射面３２のうち、曲率半径が小さい方の曲線Ｃ２によって模られる箇所から、曲率半径が大きい方の曲線Ｃ１によって模られる箇所よりも多くの光が出射されるように配光制御されるので、光源２０から放射された光を曲線Ｃ２の方向に配光制御して、効率的に光を照射することができる。
【選択図】図４

Description

本発明は、光源から放射された光の配光を制御する光学レンズ及びそれを用いた照明装置に関する。

発光ダイオード（以下、ＬＥＤ）は、低電力で高輝度の発光が可能であり、表示等や照明器具等の様々な電気機器の光源として使用されている。近年では、赤色ＬＥＤ及び緑色ＬＥＤに加えて、青色ＬＥＤが実用化され、これらＲＧＢ３色のＬＥＤを組み合わせることにより、様々な光色を発光することができる。また、青色ＬＥＤと黄色系蛍光体とを組み合わせた、いわゆる白色ＬＥＤが他分野で利用されている。

ＬＥＤは、蛍光灯等の従来の光源に比べて長寿命であり、交換やメンテナンスの手間が少ないことから、信号機や各種表示灯の光源として利用されている。また、ＬＥＤを、高速道路や一般道路等のトンネル内を照らすトンネル用照明装置の光源として用いたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

この種の照明装置においては、多数のＬＥＤをマトリクス状に配置したＬＥＤユニットが用いられる。ところが、ＬＥＤは、一般的に、点状光源であり、出射光の指向性が高いので、広い範囲を照明するには適しておらず、複数のＬＥＤをマトリクス状に配置しても、光の照射範囲は限定される。そこで、上記特許文献１に記載の照明装置は、ＬＥＤからの光を配光制御する光学レンズを用いることにより、トンネル内の広い範囲に光が照射されるようになされている。

特開２０１０−２６２８１８号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の照明装置は、トンネルの天井の中央領域に取り付けられ、天井から直下方向に光を照射して、主として道路の中央領域に光を照射することが想定されている。この場合、ある程度の車幅の広いトンネルにおいては、道路の路肩近傍まで十分に光が届かなくなる虞がある。そのため、車幅の広いトンネルにおいては、複数の照明装置が、トンネルの両側壁の天井付近に取り付けられる。例えば、一方の片側壁に設けられた照明装置が、その片側壁に近い路肩から車道の中央領域までを照明し、他方の片側壁に設けられた照明装置が、上記と同様に、その片側壁に近い路肩から車道の中央領域までを照明することにより、道路全体を照明することができる。

ところが、上記特許文献１に記載の照明装置は、光学レンズによって、広い範囲に均等に光が照射されるので、これがトンネルの側壁に取り付けられた場合、単位面積あたりの輝度が低くなり、路面周囲の明るさが不十分となる虞がある。また、この種の照明装置をトンネルの側壁に取り付けると、トンネルの天井方向へ光が無駄に照射されることがある。そのため、この種の照明装置においては、照明装置自体を、トンネルの側壁に対して傾斜するように配置する、又は光学レンズの取付角度を最適な角度に調整する等の作業をして、施工現場で配光を制御する必要があり、施工性が良くない。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、主としてトンネル用照明に用いられ、光源から放射された光を所定方向に配光制御して、効率的に光を照射することができる光学レンズ及びそれを用いた照明装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る光学レンズは、光源からの光が入射される入射面と、前記入射面に入射された光を出射する出射面とを有し、前記光源からの光を拡散して出射する光学レンズであって、前記出射面は、凸状の外郭形状を成し、前記入射面の中央部を通る法線を含む一平面に沿う前記出射面の断面形状が、曲率半径の異なる連続した複数の曲線から成り、前記法線に対して非対称であることを特徴とする。

上記光学レンズにおいて、前記曲線のうち、曲率半径が小さい曲線における前記入射面と連続する端部が、前記入射面の中央部寄りに屈曲していることが好ましい。

上記光学レンズにおいて、前記入射面は、その中央部に形成された凹部を有し、前記一平面と直交する平面に沿う前記凹部の断面形状が、曲率半径の異なる複数の曲線から成ることが好ましい。

上記光学レンズにおいて、前記曲率半径の異なる複数の曲線の境界が、滑らかに連続していることが好ましい。

上記光学レンズ、照明装置に用いられることが好ましい。

本発明によれば、出射面のうち、曲率半径が小さい方の曲線によって模られる箇所からは、曲率半径が大きい方の曲線によって模られる箇所よりも多くの光が出射されるように配光制御されるので、光源から放射された光を曲線の方向に配光制御して、効率的に光を照射することができる。

本発明の一実施形態に係る光学レンズ及びそれを用いた照明装置の側断面図。 トンネルにおけるＡ断面及びＢ断面を説明するための斜視図。 （ａ）は同光学レンズのＢ断面に沿う裏面図、（ｂ）は同光学レンズのＢ断面に沿う下面斜視図、（ｃ）は同光学レンズのＡ断面方向から見た上面斜視図、（ｄ）は同光学レンズのＡ断面方向から見た下面斜視図。 同光学レンズのＡ断面に沿う側面図。 同光学レンズのＢ断面に沿う一部側断面図。 本実施形態の光学レンズの構成とそれによる配光曲線を示す図。 （ａ）は同光学レンズを備えた照明装置を用いたトンネルにおけるＡ断面の配光を示す図、（ｂ）は同Ｂ断面の配光を示す模式図。 比較例としての光学レンズの構成とそれによる配光曲線を示す図。 （ａ）は比較例の光学レンズを備えた照明装置を用いたトンネルにおけるＡ断面の配光を示す模式図、（ｂ）は同Ｂ断面の配光を示す模式図。

本発明の一実施形態に係る照明装置について、図１乃至図７を参照して説明する。本実施形態の照明装置１は、図１に示すように、光源２０を有する光源ユニット２と、この光源ユニット２上に配置される光学レンズ３と、光源ユニット２及び光学レンズ３とを保持する保持板４と、を備える。なお、照明装置１は、街路灯等の種々の照明装置として用いられ得るが、以下、トンネル用照明装置として利用される例に基いて説明する。また、図２に示すように、トンネルＴにおいて、車両等が走行する方向に平行な面をＢ断面といい、このＢ断面に直交するする面をＡ断面という。本例においては、上記図１に示したように、光源ユニット２及び光学レンズ３が、長手方向及び短手方向を有するように形成され、その長手方向がトンネルＴのＢ断面に沿うように配置された構成に基いて説明する。

光源ユニット２は、上記光源２０に加えて、光源２０を搭載するベース部材２１と、ベース部材２１が取り付けられる取付枠２２と、を備える。光源２０は、複数のＬＥＤチップ（不図示）がマトリクス状に配置され、それらＬＥＤチップの光出射面に蛍光体を含有する波長変換部材が被覆されたものである。ＬＥＤチップには、例えば、青色光を放射するＧａＮ系青色ＬＥＤチップ等が用いられる。波長変換部材には、例えば、シリコーン樹脂等の透光性樹脂に、ＹＡＧ系黄色蛍光体が含有されたもの等が用いられる。ベース部材２１は、その中央領域に掘り込み形成された凹状部と、この凹状部の底面にはＬＥＤチップのアノード電極及びカソード電極に電気的に接続される配線パターン（不図示）とを備える。この配線パターンは、ベース部材２１の裏面側に設けられた電極取出部（不図示）に接続される。ベース部材２１は、ネジ止め又は接着等により取付枠２２に固定される。取付枠２２は、ベース部材２１の取付位置に、ベース部材２１の電極取出部に接続された配線を収納する収納部（不図示）と、上記配線を照明装置１外に取り出す配線口（不図示）とを備える。また、取付枠２２のベース部材２１の取付位置の周縁部、本例においては、当該周縁部の長手方向の両端部に、光源ユニット２を保持板４に固定するネジ５１を挿通させるためのネジ孔２３が形成されている。

光学レンズ３は、光源２０からの光が入射される入射面３１と、この入射面３１に入射された光を出射する出射面３２とを有する。出射面３２は、入射面３１に入射された光を拡散して出射できるように、凸状の外郭形状を成す。これら入射面３１及び出射面３２が、光学レンズ３のレンズ本体部３０を構成する。レンズ本体部３０は、図３（ａ）（ｂ）に示すＢ断面に沿う幅が、図３（ｃ）（ｄ）に示すＡ断面に沿う幅より大きくなるように形成されている。なお、後述する取付脚部３５を含め、光学レンズ３は、アクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂又はガラス等、透光性に優れた材料から形成される。

入射面３１には、光源ユニット２のベース部材２１を収容する光源収納部３３が掘り込まれ、光源収納部３３の中央部における光源２０と対向する箇所に、凹部３４が更に掘り込み形成されている（特に図３（ｂ）参照）。また、レンズ本体部３０の長手方向の両端部には、取付脚部３５が夫々延設されている。取付脚部３５は、レンズ本体部３０から水平に延びた延設部３５ａと、保持板４に固定される固定部３５ｂと、これらを接続する垂辺部３５ｃとを有し、延設部３５ａと固定部３５ｂとが垂辺部３５ｃを介して段違い構造となるように形成されている。延設部３５ａの長さ及び垂辺部３５ｃの高さは、取付枠２２の長手方向の長さ及び取付枠２２の厚さに対応するように形成されている。延設部３５ａには、ネジ５１のネジ頭を収納する凹部３６が形成されている。固定部３５ｂには、光学レンズ３を保持板４に固定するネジ５２を挿通させるためのネジ孔３７が形成されている。保持板４は、ネジ５１，５２が挿通される固定孔４１，４２と、トンネルの側壁又は天井等に固定するための任意の保持構造（不図示）とを備える。

光学レンズ３は、図４に示すように、入射面３１の中央部を通る法線ＮＬを含む一平面、本例では、トンネルＴのＡ断面に沿う出射面３２の断面形状が、曲率半径の異なる連続した複数の曲線Ｃ１，Ｃ２から成り、法線ＮＬに対して非対称となるように形成される。

曲線Ｃ１は、入射面３１の中心部から外れた位置を中心Ｐ１とする半径Ｒ１の円弧である。一方、曲線Ｃ２は、曲線Ｃ１の中心Ｐ１と曲線Ｃ１と法線ＮＬの交点Ｐ３とを結ぶ線分上の点を中心Ｐ２とする半径Ｒ２の円弧である。曲線Ｃ１の中心Ｐ１は、光源２０の位置よりも低い位置に配置され、曲線Ｃ２の中心Ｐ２は、光源２０の位置よりも高い位置に配置される。また、本例においては、曲線Ｃ１の中心Ｐ１と交点Ｐ３とを結ぶ線分が、曲線Ｃ１の半径Ｒ１に相当し、曲線Ｃ１の半径Ｒ１上に曲線Ｃ２の中心Ｐ２が存在している。つまり、曲線Ｃ２の半径Ｒ２は、曲線Ｃ１と法線ＮＬの交点Ｐ３を結ぶ線分、つまり曲線Ｃ２の半径Ｒ２の全長内に収まるので、曲線Ｃ１の半径Ｒ１よりも小さくなる。

また、出射面３２を模る曲線は、出射面３２と入射面３１との一方の境界（以下、始点Ｃ１’）から法線ＮＬとの交点Ｐ３までの間が、半径Ｒ１の曲線Ｃ１によって描かれる。また、交点Ｐ３を始点として、出射面３２と入射面３１との他方の境界（以下、終点Ｃ２’）までの間が、半径Ｒ２の曲線Ｃ２によって描かれる。すなわち、交点Ｐ３は、曲線Ｃ１の終点であり、且つ曲線Ｃ２の始点であり、これら曲線Ｃ１と曲線Ｃ２とを、その境界において段差等を生じることなく、滑らかに連続する曲線として結合する。出射面３２は、これら曲率半径の異なる連続した曲線によって模られるので、これら曲線の境界によって、照射面に光ムラ等が生じることを抑制することができる。

一般的な、入射面の中心部を通る法線に対して左右対称な光学レンズにおいては、光学レンズの頂点部は、出射面と上記法線との交点と一致する。これに対して、本実施形態の光学レンズ３においては、光学レンズ３の頂点部Ｐ４は、出射面３２と法線ＮＬの交点とは一致せず、曲率半径の小さい曲線Ｃ２上に存在する。つまり、光学レンズ３の出射面３２は、曲線Ｃ２によって模られる箇所の方が突出した形状となっている。

曲率半径の大きい曲線Ｃ１によって模られる出射面は、曲率半径の小さい曲線Ｃ２によって模られる出射面よりも、入射面３１（凹部３４）からレンズ本体部３０に入射した光の入射角が大きなる。従って、曲線Ｃ１によって模られる出射面においては、その界面に入射した光が全反射され易い。そして、この全反射された光は、曲率半径小さい曲線Ｃ２によって模られる出射面へ向かう。一方、曲線Ｃ２によって模られる出射面は、その界面に入射した光を屈折して透過し易い。その結果、出射面３２のうち、曲率半径が小さい方の曲線Ｃ２によって模られる箇所からは、曲率半径が大きい方の曲線Ｃ１によって模られる箇所よりも、多くの光が出射されるように配光制御される。

また、曲線Ｃ２は、曲線Ｃ１との境界にあたる交点Ｐ３とは反対側の端部、すなわち、曲線Ｃ２における入射面３１（光源収納部３３）と連続する端部（上記終点Ｃ２’）は、入射面３１の中央部寄りに屈曲している。この構成によれば、入射面３１（凹部３４）から入射した光のうち、出射面３２の端部（終点Ｃ２’）近傍へ向かう光の、その近傍に対する入射角が大きくなるので、この界面において全反射され易くなる。そのため、この端部（終点Ｃ２’）近傍を透過して、光学レンズ３の短手方向への漏れる光が少なくなり、光源２０からの光を効率的に利用することができる。

曲線Ｃ１，Ｃ２の始点Ｃ１’及び終点Ｃ２’は、法線ＮＬに対して左右対称の位置となるように、曲線Ｃ１の中心Ｐ１の位置及び半径Ｒ１、曲線Ｃ２の中心Ｐ２の位置及び半径Ｒ２が決定されることが好ましい。仮に、曲線Ｃ１の半径Ｒ１に比べて、曲線Ｃ２の半径Ｒ２が小さ過ぎると、始点Ｃ１’及び終点Ｃ２’は、法線ＮＬに対して対称な位置とはならず、終点Ｃ２’が法線ＮＬ寄りの位置となる。この場合、光源収納部３３のスペースを確保できなくなると共に、凹部３４と出射面３２との間の厚みが薄くなり、光学レンズ３の強度バランスが損なわれてしまう虞がある。また、曲線Ｃ２に模られる出射面３２の面積が小さくなり、入射光を不自然に配光制御するような設計となる虞がある。

図５に示すように、上述した入射面３１の中央部を通る法線ＮＬを含む一平面と直交する平面、本例では、Ｂ断面に沿う凹部３４の断面形状は、曲率半径の異なる複数の曲線Ｃ３，Ｃ４から構成される。すなわち、凹部３４の外周側の面は、曲率半径の大きな曲線Ｃ３に基いて模られ、凹部３４の中央側の面は、曲率半径の小さな曲線Ｃ４に基いて模られる。この構成によれば、出射面３２における光の屈折に加えて、入射面３１における光の屈折を制御して、より詳細に配光を制御することができる。

また、これら曲率半径の異なる曲線Ｃ３，Ｃ４の境界は、斜辺Ｍによって滑らかに連続するように加工が施されることが好ましい。こうすれば、曲線Ｃ３，Ｃ４の境界によって生じる光ムラを抑制することができ、より自然な配光制御が可能となる。

上述のように構成された本実施形態の光学レンズ３を用いた照明装置１の配光曲線を図６に示す。すなわち、照明装置１によれば、光源２０から出射された光は、光学レンズ３により配光制御されて、Ｂ断面方向へは、左右対称に光が照射される（図中の破線で示す）。一方、Ａ断面方向へは、左右非対称に、具体的には、曲率半径の小さい曲線Ｃ２を含む出射面３２側へ出射される光が多くなるように、配光制御される（図中の実線で示す）。

つまり、光学レンズ３を用いた照明装置１によれば、図７（ｂ）に示すように、トンネルＴのＢ断面方向、つまり路面Ｒにおける車両の方向方向へ広く光Ｌを照射できる。また、図７（ａ）に示すように、トンネルＴのＡ断面方向においては、天井側へは光を照射せずに、路面Ｒを効果的に光Ｌを照射することができる。

ここで、本実施形態のような構成を有していない比較例としての光学レンズ１０３、及びそれを備えた照明装置１０１について、図８及び図９を参照して説明する。この光学レンズ１０３は、Ａ断面に沿う断面形状が半円形状であり、Ｂ断面に沿う断面形状が半楕円形状であり、いずれの断面においても左右対称である。これによる照明装置１０１の配光曲線を図８に示す。この光学レンズ１０３によれば、Ｂ断面方向には広い範囲に光が照射され、Ａ断面方向には、Ｂ断面方向に比べて狭い範囲に光が照射される。しかしながら、Ａ断面方向には、光源１２０の正面に向かって集中的に光が照射される。その結果、図９（ｂ）に示すように、トンネルＴのＢ断面方向には、広く光Ｌを照射できる。ところが、図９（ａ）に示すように、トンネルＴのＡ断面方向においては、路面Ｒに効果的に光Ｌを照射するには、照明装置１０１を保持具１０４等を用いて傾けて設置する必要があり、施工性が良くない。

これに対して、本実施形態の照明装置１においては、上記図７（ａ）に示したように、照明装置１自体を、トンネルＴの側壁に対して傾斜するように配置する、又は光学レンズ３の取付角度を最適な角度に調整する等の作業をする必要がない。従って、装置取付における施工性を向上させることができる。

なお、本発明は、上記実施形態に限らず、種々の変形が可能である。例えば、光学レンズ３の出射面は、Ａ断面のみならず、Ｂ断面においても非対称となるように形成されていてもよい。また、入射面３１の中央部を通る法線ＮＬを含む一平面に沿う出射面３２の断面形状が、曲率半径が異なる３つ以上の連続する曲線よって構成されていてもよい。

１ 照明装置
２０ 光源
３ 光学レンズ
３１ 入射面
３２ 出射面
３４ 凹部
Ｃ１ 曲率半径が大きい曲線
Ｃ２ 曲率半径が小さい曲線
ＮＬ 入射面の中央部を通る法線

Claims (5)

1. 光源からの光が入射される入射面と、前記入射面に入射された光を出射する出射面とを有し、前記光源からの光を拡散して出射する光学レンズであって、
   前記出射面は、凸状の外郭形状を成し、
   前記入射面の中央部を通る法線を含む一平面に沿う前記出射面の断面形状が、曲率半径の異なる連続した複数の曲線から成り、前記法線に対して非対称であることを特徴とする光学レンズ。
2. 前記曲線のうち、曲率半径が小さい曲線における前記入射面と連続する端部が、前記入射面の中央部寄りに屈曲していることを特徴とする請求項１に記載の光学レンズ。
3. 前記入射面は、その中央部に形成された凹部を有し、
   前記一平面と直交する平面に沿う前記凹部の断面形状が、曲率半径の異なる複数の曲線から成ることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光学レンズ。
4. 前記曲率半径の異なる複数の曲線の境界が、滑らかに連続していることを特徴とする請求項３に記載の光学レンズ。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の光学レンズを備えた照明装置。