JP2016207615A - 照明装置及び光学部材 - Google Patents

Abstract

【課題】設計に制限がある場合であっても光源からの光を集光し、光軸に平行な光又は距離の二乗に反比例した照度の光を照射することができる照明装置及び光学部材を提供する。【解決手段】ＬＥＤ照明装置１００は、ＬＥＤ素子１と、ＬＥＤ素子１から出射される中心光束ｌｃを整形して狭角光を出射する第１の整形レンズ部１３１と、周辺光束ｌｏを整形して狭角光を出射する第２の整形レンズ部１３２とを有する光学部材１３０とを備え、光学部材１３０の第２の整形レンズ部１３２は、反射面１３２ｃと出射面１３２ｄとを有し、光学部材１３０の最大外径Ｄ４を予め定めた径より小さく、光軸に沿う方向の長さＬ０を予め定めた長さより大きくする制限において反射面１３２ｃが設計され、反射面１３２ｃで反射されたことで光軸１１０ａ側に傾いた周辺光束ｌｏを光軸１１０ａと平行又は光軸１１０ａと反対側に傾くよう屈折させるよう出射面１３２ｄが設計される。【選択図】図１

Description

本発明は、光源からの光を集光して照射する照明装置及び光学部材に関する。

光源からの光を集光して照射するものであって、照射光の色ムラが少なく、光源の直下照度の低下を抑制するものが知られている（特許文献１参照）。

この照明装置は、光源と、光源からの出射光を集光する第１のレンズと、集光された光を平行光とする第２のレンズとを有する。第１のレンズは、入射した光を集光面に集光する断面形状が放物線形状の第１の反射面を有する。また、第２のレンズは、集光面との連接面から入射した光を反射して平行光として出射する断面形状が放物線形状の第２の反射面を有する。この構成により、第１の反射面が集光面に光を集光させて混色することで色ムラを少なくし、集光面を疑似光源として、集光面からの光を第２の反射面で平行光とすることで光源の直下照度の低下を抑制する。

特開２０１３−４５５３０号公報

しかし、従来の照明装置は、第２の反射面の断面形状を放物線形状とすることで集光面からの光を平行光とするが、例えば、小型化のために光軸を法線とする面に対する第２の反射面の角度が大きくなる場合には、第２の反射面で反射された光が光軸に平行な方向から光軸側に傾くとともに、出射面による屈折によって出射光がさらに光軸側に傾いてしまう、という問題がある。

したがって、本発明の目的は、設計に制限がある場合であっても光源からの光を集光し、光軸に平行な光又は距離の二乗に反比例した照度の光を照射することができる照明装置及び光学部材を提供することにある。

［１］半導体発光素子と、
前記半導体発光素子から出射される中心光束を整形して光軸の方向に狭角光を出射する第１整形部と、前記半導体発光素子から前記中心光束の周辺に出射される周辺光束を整形して前記光軸の方向に狭角光を出射する第２整形部とを有する光学部材とを備え、
前記光学部材の前記第２整形部は、前記周辺光束を反射する反射面と、当該反射面で反射された前記周辺光束を出射する出射面とを有し、前記出射面は、前記反射面で反射されたことで前記光軸側に傾いた周辺光束を前記光軸と平行又は反対側に傾くよう屈折させる照明装置。
［２］前記光学部材は、最大外径を予め定めた径より小さく、前記光軸に沿う方向の長さを予め定めた長さより大きく、最小外径を予め定めた径より大きくする制限において設計される前記［１］に記載の照明装置。
［３］前記光学部材の前記第１整形部は、凸レンズ形状を有し、
前記光学部材の前記第２整形部は、前記光軸と直交する面に対して所定の角度を有する環状の平面又は曲面形状を有し、前記第１整形部の周辺に設けられる前記［１］−［３］のいずれかに記載の照明装置。
［４］半導体発光素子から出射される中心光束を整形して光軸の方向に狭角光を出射する第１整形部と、前記半導体発光素子から前記中心光束の周辺に出射される周辺光束を整形して前記光軸の方向に狭角光を出射する第２整形部とを有し、
前記光学部材の前記第２整形部は、前記周辺光束を反射する反射面と、当該反射面で反射された前記周辺光束を出射する出射面とを有し、前記出射面は、前記反射面で反射されたことで前記光軸側に傾いた周辺光束を前記光軸と平行又は反対側に傾くよう屈折させる光学部材。

本発明によれば、設計に制限がある場合であっても光源からの光を集光し、光軸に平行な光又は距離の二乗に反比例した照度の光を照射することができる。

図１は、本発明の実施の形態に係る照明装置の概略の構成例を示す縦断面図である。 図２は、ＬＥＤ光源から出射された光の光路を示す概略図である。 図３（ａ）及び（ｂ）は、第２の整形レンズ部の反射面及び出射面の設計方法の一例を説明するための図である。 図４は、光学部材から出射される光束の例を示す概略図である。 図５は、第２の整形レンズ部の出射面が基準面に平行である場合に出射される光束の例を示す図である。 図６は、第２の整形レンズ部の出射面が基準面に平行である場合に出射される周辺光束の例を示す図である。 図７は、第２の整形レンズ部の出射面が基準面に平行である場合に出射される光束の例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態及び実施例について図面を参照して説明する。なお、各図中、実質的に同一の機能を有する構成要素については、同一の符号を付してその重複した説明を省略する。

［実施の形態］
図１は、本発明の実施の形態に係る照明装置の概略の構成例を示す縦断面図である。また、図２は、ＬＥＤ光源１１０から出射された光の光路を示す概略図である。

（照明装置の構成）
この照明装置１００は、通電方向が縦方向のＬＥＤ素子を用いたＬＥＤ光源１１０と、ＬＥＤ光源１１０から出射された光を整形して狭角の光を出射する光学部材１３０とを備える。なお、ＬＥＤ素子は、半導体発光素子の一例であり、レーザーダイオード等の素子を用いてもよい。光学部材１３０は、光学系の一例である。

（ＬＥＤ光源の構成）
ＬＥＤ光源１１０は、ＬＥＤ素子１と、一例として、銅ブロック１１１及び放熱器１１７を含む放熱構造とを有する。なお、放熱構造は樹脂基板やアルミ基板を用いてもよい。また、ＬＥＤ光源１１０は、ＬＥＤ素子が発する第１の色の光で励起して第２の色の光を発する蛍光体をさらに備えてもよい。蛍光体は、ＬＥＤ素子１の表面に樹脂を介して粉末状のものを付着させてもよく、樹脂に蛍光体を含有させたものをＬＥＤ素子１の表面に形成してもよい。例えば、ＬＥＤ素子１として、青色系の色の光を発するＬＥＤ素子を用い、蛍光体として、青色系の色の光を黄色系の色の光に変換するＹＡＧ系蛍光体、ＢＯＳ系蛍光体等を用いることにより、ＬＥＤ光源１１０は、ＬＥＤ素子が発する青色系の色の光と蛍光体が変換して出力する黄色系の色の光とが混合されて白色光を出射する。また、ＬＥＤ光源１１０から出射する光の色は、青色系の色に限定されず、また混合色も白色に限定されない。

ＬＥＤ素子１は、一例として、ｎ型半導体基板と、ｎ型半導体基板の表面を部分的に分散して覆うように形成され、ｎ型半導体基板との屈折率の差が０．１５以下である誘電体層と、ｎ型半導体基板上に誘電体層を介して形成され、誘電体層、及びｎ型半導体基板の表面の誘電体層に覆われていない部分に接触するｎ型半導体層と、ｎ型半導体層上に形成された発光層と、発光層上に形成されたｐ型半導体層と、ｎ型半導体基板の誘電体層が形成された面と反対側に形成されたｎ型電極と、ｐ型半導体層上に形成されたｐ型電極とを備える。

（光学部材の構成）
光学部材１３０は、ＬＥＤ光源１１０から出射される光束を例えば平行光又は狭角光に整形する第１の整形レンズ部１３１と、ＬＥＤ光源１１０から出射される光束が入射される入射面１３２ｂが円柱状を有し、入射面１３２ｂに入射した光束を平行光又は狭角光に整形する第２の整形レンズ部１３２とを備える。第１及び第２の整形レンズ部１３１、１３２は、例えば、アクリル樹脂等の透明樹脂から形成される。ここで、第１の整形レンズ部１３１は、第１の整形部の一例であり、第２の整形レンズ部１３２は、第２の整形部の一例である。図１中、Ｐは点光源の位置を示す。

光学部材１３０は、光軸１１０ａを中心として回転対称な形状を有しており、最大外径Ｄ_４、最小外径Ｄ_３、光軸１１０ａに沿う方向の長さＬ_０の形状を有する。

第１の整形レンズ部１３１は、直径Ｄ_１、厚みＬ_１の凸レンズにより構成され、平坦な入射面１３１ａと、球面状の出射面１３１ｂとを有する。ここで、第１の整形レンズ部を透過して照射される光束を中心光束ｌ_ｃと呼ぶこととする。なお、中心光束ｌ_ｃを平行光又は狭角光とするものであれば、入射面に凸レンズを設けて出射面を平坦としてもよいし、入射面及び出射面に凸レンズを設けてもよい。

第２の整形レンズ部１３２は、ＬＥＤ光源１１０の光軸１１０ａに垂直に配置される基準面１３２ａと、基準面１３２ａに対してＬＥＤ光源１１０の光軸１１０ａに平行に形成され、ＬＥＤ光源１１０から出射された光（水平方向の光も含む。）が入射する円柱状の入射面１３２ｂと、入射面１３２ｂに入射した光を反射させる反射面１３２ｃと、反射面１３２ｃで反射した光が出射する出射面１３２ｄとを備える。ここで、第２の整形レンズ部１３２を透過して照射される光束を周辺光束ｌ_ｏと呼ぶこととする。

第２の整形レンズ部１３２の反射面１３２ｃは、光軸１１０ａを中心とし、放物面又はベジェ曲線等の非球面形状を回転して得られる面に近似した面となっている。反射面１３２ｃの設計方法については後述する。なお、第２の整形レンズ部１３２の反射面１３２ｃの代わりに金属板等の反射鏡を用いてもよい。

なお、第２の整形レンズ部１３２の出射面１３２ｄは、光軸１１０ａを中心とし、光軸１１０ａと直交する面に対して所定の角度を有する直線又は曲線を回転させた形状を有する。つまり、光軸１１０ａと直交する面に対して所定の角度を有する環状の平面又は曲面である。出射面１３２ｄの設計方法については後述する。

なお、第１及び第２の整形レンズ部１３１、１３２は、透明樹脂を削り出し加工して形成してもよく、ガラスから形成してもよい。

（光学部材の設計の制限）
なお、前提として照明装置１００は、設計に制限があるものとし、少なくとも光学部材１３０の最大外径Ｄ_４を予め定めた内径より小さく、入射面１３２ｂを構成する円柱空間の直径Ｄ_２をＬＥＤ素子１に干渉しないように予め定めた内径より大きく、また、円柱空間の直径Ｄ_２の制限に伴い最小外径Ｄ_３を大きく、入射面１３２ｂを構成する円柱空間の光軸１１０ａに沿う方向の長さＬ３をＬＥＤ素子１に干渉しないように予め定めた長さより大きくする必要があるものとする。

まず、上記したように最大外径Ｄ_４、入射面１３２ｂを構成する円柱空間の直径Ｄ_２及び最小外径Ｄ_３に制限があることで反射面１３２ｃの水平に対する角度θが大きくなり、反射面１３２ｃで反射した光線が光学部材１３０内において光軸１１０ａ側に傾くこととなる。

上記問題を解決するため、光学部材１３０の光軸１１０ａに沿う方向の長さＬ_０を小さくすることで反射面１３２ｃの水平に対する角度θを小さくできるが、第一に長さＬ_３による制約があるためこれには限度がある。また、第二に長さＬ_０を小さくすると反射面１３２ｃの面積が小さくなり、ＬＥＤ素子１から放射された光を反射する割合が小さくなって集光の効率が低下するという問題がある。従って、一定の効率を維持するためにはＬ_０には制限がある。

以上の制限を前提として、以下の光学部材１３０の設計を説明する。

（光学部材の設計）
図３（ａ）及び（ｂ）は、第２の整形レンズ部１３２の反射面１３２ｃ及び出射面１３２ｄの設計方法の一例を説明するための図である。

（１）反射面１３２ｃの設計
ＬＥＤ素子１の光源は厳密には点光源でないが、例えばＬＥＤ素子１の厚さの中心に点光源Ｐが存在するものとして以下説明する。ＬＥＤ素子１の点光源Ｐから入射面１３２ｂに入射する光線ｌ_ｏｉ（ｌ_ｏｉは周辺光束ｌ_ｏの任意の光線である）は、出射角度に応じて異なる方向に屈折し、各光線ｌ_ｏｉは反射面１３２ｃへと入射する。入射する光線ｌ_ｏｉの全てが全反射するべく臨界角以上の入射角となるように反射面１３２ｃが形成される。第２の整形レンズ部１３２は、例えば金型を形成し、金型にアクリル樹脂の溶融材を注入することで形成される。

しかし、上記した設計の制限により、図３（ａ）に示すように、反射面１３２ｃの法線１３２ｃｎに対し角度αで反射した光線ｌ_ｏｉは光軸１１０ａに平行な方向（１１０ａ’）より光学部材１３０内において光軸１１０ａ側（光学部材１３０の中心側）に傾くこととなる。当該傾きを補正するために以下の出射面１３２ｄを設計する。なお、図３（ａ）の補助線１１０ａ’は、光軸１１０ａに平行な線である。

なお、反射面１３２ｃで反射した光線ｌ_ｏｉを光軸１１０ａに平行な方向とする又は光軸１１０ａに平行な方向より光学部材１３０内において光軸１１０ａと反対側（光学部材１３０の外側）に傾く方向とするよう反射面１３２ｃを設計できる場合は考慮しない。

（２）出射面１３２ｄの設計
図３（ｂ）に示すように、反射面１３２ｃで反射した光線ｌ_ｏｉは、光軸１１０ａに平行な方向より光学部材１３０内において光軸１１０ａ側（光学部材１３０の中心側）に傾いているため、出射面１３２ｄの法線１３２ｄｎに対し入射角β_１、屈折角β_２で屈折した場合に、屈折した光線ｌ_ｏｉが光軸１１０ａに平行な方向となるよう又は光軸１１０ａに平行な方向より光軸１１０ａと反対側（光学部材１３０の外側）に傾く方向となるような面を作成して出射面１３２ｄが形成される。

（３）出射光
図４は、光学部材１３０から出射される光束の例を示す概略図である。

以上のように反射面１３２ｃ及び出射面１３２ｄを設計することにより、出射光の周辺光束ｌ_ｏは、少なくとも光軸１１０ａと平行又は反対側に傾くものとなり、周辺光束ｌ_ｏの任意の光線の見かけ上の光源位置をＰ’とすると、Ｐ’からの距離ｄ_１、ｄ_２、ｄ_３に応じて照射される光の照度が距離の二乗に反比例したものとなる。これは、距離ｄ_１、ｄ_２、ｄ_３において光が照射される面積Ｓ_１、Ｓ_２、Ｓ_３が距離ｄ_１、ｄ_２、ｄ_３の二乗に比例したものとなるためである。

一方、出射面１３２ｄを上記のように設計せずに、基準面が出射面に平行であった場合を比較例として以下に説明する。

［比較例］
図５は、第２の整形レンズ部の出射面が基準面に平行である場合に出射される光束の例を示す図である。図６は、第２の整形レンズ部の出射面が基準面に平行である場合に出射される周辺光束ｌ_ｏの例を示す図である。

図５に示すように、光学部材１３０’は、光学部材１３０と出射面以外は共通の構成を有するものとし、従って、中心光束ｌ_ｃは実施の形態と同様となる。

一方、図６に示すように、出射面１３２ｄ’が出射面１３２ｄのように傾斜を有していないため、出射面１３２ｄ’の法線方向が光軸１１０ａと平行（１１０ａ’）となり、周辺光束ｌ_ｏの任意の光線ｌ_ｏｊは、出射面１３２ｄ’に入射角γ_１、屈折角γ_２で屈折した場合、屈折した光線ｌ_ｏｊが光軸１１０ａ側（光学部材１３０’の中心側）に傾く。

図７は、第２の整形レンズ部の出射面が基準面に平行である場合に出射される光束の例を示す図である。
以上のように出射面１３２ｄ’を設けた場合、出射光の周辺光束ｌ_ｏは、少なくとも光軸１１０ａ側に傾くものとなり、図４で定めた見かけ上の光源位置Ｐ’からの距離ｄ_１、ｄ_２、ｄ_３に応じて照射される光の照度が距離の二乗に反比例したものとならない。これは、距離ｄ_１とｄ_２との間の距離において光が照射される面積が最小となり、その後単調増加して、距離ｄ_１、ｄ_２、ｄ_３において光が照射される面積Ｓ_１’、Ｓ_２’、Ｓ_３’が距離ｄ_１、ｄ_２、ｄ_３の二乗に比例したものとならないためである。

（実施の形態の効果）
上記実施の形態によれば、以下の効果を奏する。
（１）レンズの設計の制限により反射面１３２ｃで光軸１１０ａ側に傾いて反射された光線を出射面１３２ｄにおいて光軸１１０ａと平行又は光軸１１０ａと反対側に傾くように設計したため、レンズの設計に制限がある場合であっても光源からの光を集光し、光軸に平行な光又は距離の二乗に反比例した照度の光を照射することができる。
（２）従来の光学部材よりも小さい外径で同等の性能が得られるため、省スペース化、材料費の低減に貢献する。
（３）距離の二乗に反比例した照度の光を照射することができるため、ＬＥＤ照明装置１００から照射面の適用距離の範囲が広いスポットライト照明に適用することができる。

なお、本発明は、上記実施の形態及び上記実施例に限定されず、発明の要旨を変更しない範囲内で種々に変形可能である。

１ ＬＥＤ素子
１００ 照明装置
１１０ ＬＥＤ光源
１１０ａ 光軸
１１１ 銅ブロック
１１７ 放熱器
１３０ 光学部材
１３１ 第１の整形レンズ部
１３１ａ 入射面
１３１ｂ 出射面
１３２ 第２の整形レンズ部
１３２ａ 基準面
１３２ｂ 入射面
１３２ｃ 反射面
１３２ｄ 出射面
ｌ_ｃ 中心光束
ｌ_ｏ 周辺光束
ｌ_ｏｉ 光線
ｌ_ｏｊ 光線

Claims (4)

1. 半導体発光素子と、
   前記半導体発光素子から出射される中心光束を整形して光軸の方向に狭角光を出射する第１整形部と、前記半導体発光素子から前記中心光束の周辺に出射される周辺光束を整形して前記光軸の方向に狭角光を出射する第２整形部とを有する光学部材とを備え、
   前記光学部材の前記第２整形部は、前記周辺光束を反射する反射面と、当該反射面で反射された前記周辺光束を出射する出射面とを有し、前記出射面は、前記反射面で反射されたことで前記光軸側に傾いた周辺光束を前記光軸と平行又は反対側に傾くよう屈折させる照明装置。
2. 前記光学部材は、最大外径を予め定めた径より小さく、前記光軸に沿う方向の長さを予め定めた長さより大きく、最小外径を予め定めた径より大きくする制限において設計される請求項１に記載の照明装置。
3. 前記光学部材の前記第１整形部は、凸レンズ形状を有し、
   前記光学部材の前記第２整形部は、前記光軸を中心として前記光軸と直交する面に対して所定の角度を有する直線又は曲線を回転させた形状を有し、前記第１整形部の周辺に設けられる請求項１又は２に記載の照明装置。
4. 半導体発光素子から出射される中心光束を整形して光軸の方向に狭角光を出射する第１整形部と、前記半導体発光素子から前記中心光束の周辺に出射される周辺光束を整形して前記光軸の方向に狭角光を出射する第２整形部とを有し、
   前記光学部材の前記第２整形部は、前記周辺光束を反射する反射面と、当該反射面で反射された前記周辺光束を出射する出射面とを有し、前記出射面は、前記反射面で反射されたことで前記光軸側に傾いた周辺光束を前記光軸と平行又は反対側に傾くよう屈折させる光学部材。
   

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