JP2024002170A - レンズ - Google Patents

Abstract

【課題】ＬＥＤ光源から発光された光を発光方向の側面および後方に出射し、全方向にバランスよく光を出射するレンズを提供する。【解決手段】本発明におけるレンズ２０は、光源１の発光面１３側に配置されるレンズであって、レンズ２０は、光源１の発光面１３に対向し光源１の光軸２と直交する入射面５と、入射面５の上部に設けられ光源１の光軸２を囲むように形成され光軸２方向に延びた反射導光部３と、反射導光部３の上部に設けられ光源１の光軸２を囲むように形成され光軸２方向に延び反射導光部３よりも大径な光出力部４とを備え、光出力部４は、上面に上部反射面８を有し、反射導光部３の一部には光軸２の上方側に向かって光軸２側に傾斜した第１傾斜面６が形成され、第１傾斜面６が入射面５から入射した光の一部を光軸２を超えて上部反射面８に導く。【選択図】図３

Description

本発明は、光源の光軸方向の光を反射させて、広範囲に光を出射できるレンズに関する。

ＬＥＤ光源の発光面からは発光面前方を中心として光が発せられるため光度分布が狭くなる傾向がある。このＬＥＤ光源から発光された光を、従来の白熱電球の配光に近づけ広範囲にわたって発光させるため方法として、複数のＬＥＤを立体的に配置する方法が知られている。しかし、構造が複雑になりコストが高くなるという問題があった。特許文献１には、より簡素な構造により上記の課題を解決する手段として、漏斗状に形成された反射面によりＬＥＤ光源から発光された光を受光し、光の一部を光軸に対して直交する方向へ出射させることにより、狭い光度分布を有する光源からの光を幅広い範囲に出射させる発光デバイスが開示されている。

特許第５８２３９４８号広報

しかしながら、特許文献１に記載された発光デバイスにあっては、光源から発光される光のうち、漏斗状の反射面の中心付近に小さい入射角で光が当たり、この光が反射面で全反射せずに透過することにより発光面前方の発光強度が増加するという問題があった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、ＬＥＤ光源から発光された光を発光方向の側面および後方に出射し、全方向にバランスよく光を出射するレンズを提供する。

本発明におけるレンズは、光源の発光面側に配置されるレンズであって、レンズは、光源の発光面に対向し光源の光軸と直交する入射面と、入射面の上部に設けられ光源の光軸を囲むように形成され光軸方向に延びた反射導光部と、反射導光部の上部に設けられ光源の光軸を囲むように形成され光軸方向に延び反射導光部よりも大径な光出力部とを備え、光出力部は、上面に上部反射面を有し、反射導光部の一部には光軸の上方側に向かって光軸側に傾斜した第１傾斜面が形成され、第１傾斜面が入射面から入射した光の一部を光軸を超えて上部反射面に導く。

本発明の照明装置によれば、反射導光部の一部が光軸の上方側に向かって光軸側に傾斜しており、反射導光部に当たった光の一部が光軸を超えて上部反射面に導かれ全反射し、レンズの側方への光の出射量が増すため、レンズの全方向にバランスよく光を出射することができる。

本発明の第１実施形態に係るレンズの斜視図である。 本発明の第１実施形態に係るレンズを説明する断面図である。 本発明の第２実施形態に係るレンズを説明する断面図である。 第１傾斜面の傾斜角を説明するための断面図である。 第１傾斜面による反射経路を説明する断面図である。 第２傾斜面の傾斜角を説明するための断面図である。 本発明に係るレンズを光学製品に応用する説明図である。 本発明に係るレンズの発光分布の説明図である。 従来のレンズを説明する断面図である。

以下、本発明のレンズについて、図面を参照しながら各実施形態に基づいて説明する。なお、図面は、レンズ、レンズの構成部材およびレンズの周辺部材を模式的に表したものであり、これらの実寸の寸法および寸法比は、図面上の寸法および寸法比と必ずしも一致していない。また、特に断らない限り、便宜上、図１に示すレンズの向きを基準に、上下などの方向を表わす。重複説明は適宜省略し、同一部材には同一符号を付与することがある。

（第１実施形態）
図１に示されるように、本発明の第１実施形態に係るレンズ１０は、光源１の発光面１３側に配置されるレンズである。光源１の真上に配置された反射導光部３のさらに上部に、反射導光部３よりも直径が大径で径方向に突出した光出力部４が同軸に設けられている。光源１から発光された光は反射導光部３の下方から入射し、反射導光部３の内部で光出力部４方向に導かれる。反射導光部３により光出力部４に導かれた光は、光出力部４から全方向に出射される。

次に図２によりレンズ１０の構造をさらに詳しく説明する。図２には代表的な光線が記入されている。反射導光部３の下部には光源１の発光面１３に対向する入射面５が光源１の光軸２と直交して設けられている。

反射導光部３の上部に設けられた光出力部４は、光源１の光軸２を囲むように形成され光軸２方向に延び反射導光部３よりも大径である。光出力部４の上面には入射面５と対向するように上部反射面８が設けられている。

上部反射面８は、中心部分が外縁部分よりも低い凸曲面１７により形成されている。凸曲面１７は、光源１と反対方向に突出した凸曲面である。凸曲面１７には、反射導光部３からの反射光が小さい入射角で当たりやすい内周側の内周領域２６が設けられている。内周領域２６では、凸曲面１７の軸方向断面視における曲線の接線方向が、光軸２と直交する方向よりもレンズ１０の中心から離れる程光源１から離れる側に傾いている。このため反射導光部３から内周領域２６に導かれる光の入射角が大きくなり、内周領域２６で透過せずに反射される。

また凸曲面１７には、反射導光部３からの反射光が大きい入射角で当たりやすい外周側の外周領域２７が設けられている。外周領域２７では、凸曲面１７の軸方向断面視における曲線の接線方向が、光軸２と直交する方向に近くなるように傾いている。このため反射導光部３から外周領域２７に導かれる光は、外周領域２７により全反射され、光出力部４の側方または光軸２と直交する方向よりもややレンズ１０の中心から離れる程光源１に近づく方向に出射される。反射導光部３から上部反射面８に向かって大きな入射角で進む光は、内周領域２６よりも径方向で外側に到達する。このため上部反射面８は、反射導光部３から大きな入射角で進む光を凸曲面１７に照射させるために、外周領域２７を内周領域２６よりも径方向外側へ円盤状に広がるように配置させている。

入射面５の上部に設けられ、入射面５と光出力部４との間に挟まれた反射導光部３は、光源１の光軸２を囲む断面円状に形成され光軸２方向に延びている。反射導光部３には、光源１から発光された光が入射面５を通して入射される。入射面５に入射した光は反射導光部３内部を上部反射面８に向かって導かれる。

反射導光部３の一部は、底面である入射面５付近から光出力部４との境となる角部１６に向かうにつれて直径が小さくなる円錐台状に形成されている。円錐台状の反射導光部３は、側面に第１傾斜面６を有している。第１傾斜面６は、光軸２の上方側に向かって光軸２側に傾斜している。第１傾斜面６が光軸２側に傾斜していることにより、光源１の光軸２側から反射導光部３の外周側に向かって入射した光は、図２に光線Ｘで示したように、反射導光部３によって再び光軸２方向へ反射され、さらに光軸２を超えた上部反射面８の内周領域２６または外周領域２７に導かれる。第１傾斜面６で反射した光は、光軸２を超えて内周領域２６または外周領域２７に導かれることにより、全反射されるやすくなり正面方向に漏れる光を減少させることができる。特に、内周領域２６よりも外周側に位置し、反射導光部３からの反射光が大きい入射角で当たりやすい外周領域２７は、光を全反射させやすい。このため正面に抜ける光を抑制する効果が大きい。さらに、円錐台状に形成された反射導光部３の底面である入射面５の直径を光源１の直径よりも大きくし、角部１６における反射導光部３の直径を光源１の直径と同等まで小さくすることもできる。光源１から発光された光を確実に反射導光部３に入射させるとともに第１傾斜面６に反射した光を上部反射面８の外周側まで導くためである。

以下、第１傾斜面６の光軸２側に傾斜した傾斜角γについて具体的に詳述する。図４に示されるように、第１傾斜面６の光軸２側に傾く最初の傾斜開始位置を点Ｐとし、点Ｐの半径をｒ₁、上部反射面の半径をＲ_１、光軸２上の上部反射面８の中心を点Ｔ、点Ｐと点Ｔの光軸２方向の距離をｈとし、点Ｔから上部反射面８の最外周までの光軸２方向の距離をｈ’としたとき、光源１の中心から角度β₁で発された光線が、入射面５で屈折して、角度α₁で点Ｐに到達するとき、第１傾斜面６の傾斜角γは、下記の式１で表すことができる。
ｒ₁／ｈ≦ｔａｎ（α₁＋２γ）≦（Ｒ₁＋ｒ₁）／（ｈ＋ｈ’）・・・（式１）

前記距離ｈおよび前記距離をｈ’と、光が光軸２と直角方向に導かれる距離ＬおよびＬ’との関係が図５に示されている。屈折角α_１の変化に伴い角度α_１＋２γの大きさが変化し、第１傾斜面６が上部反射面８に反射させる光の光軸２方向の高さが変化する。最も低い上部出射部の中心部に光が反射される場合は、光軸２方向の光の高さがｈとなる（図５（ａ））。この場合であっても傾斜角γは式２を満たすように設定されている。
ｒ_１≦ｈ×ｔａｎ（α_１＋２γ）＝Ｌ・・・（式２）
すなわち、第１傾斜面から反射された光は距離Ｌまで到達するため、光軸２を超えて上部反射面８に導かれる。

反射面８の最外周に光が反射される場合は、光軸２方向の光の高さが最も高いｈ＋ｈ’となる（図５（ｂ））。この場合であっても前記傾斜角γは、式３を満たすように設定されている。
（ｈ＋ｈ’）×ｔａｎ（α１＋２γ）≦Ｒ_１＋ｒ_１＝Ｌ’・・・（式３）
すなわち第１傾斜面６が上部反射面８に反射させる光は距離Ｌ’まで到達して、光軸２を超えて上部反射面８の最外周まで導かれるが、外周出射面１１には当たらないように前記傾斜角γが設定されている。

前述のように第１傾斜面６が光軸２側に傾斜していることで、図２に示される光線Ｘは、光軸２を超えて上部反射面８に反射される。光軸２を超えて上部反射面８に当たる光は、全反射されやすい。このため、正面方向に漏れる光が少なく、横方向の光が多くなる（図８（ａ）I部）。これと比較して従来例の場合は、図９に光線Ｇで示されるように正面方向に光が出射されており、正面方向に漏れる光が多い（図８（ｆ）VII部）。

図２に示されるように、上部反射面８の中心部には、光源１に向かって窪んだ凹曲面状の上部出射部９が設けられている。上部出射部９は上部反射面８の外縁から形成される凸曲面１７と連続した凹曲面である。上部反射面８には、凸曲面１７と上部出射部９の凹曲面との凹凸の状態を変える点である変曲点２５が形成されている。上部反射面８のうち、変曲点２５から内周側が上部出射部９であり、変曲点２５から外周側が凸曲面１７である。上部出射部９が凹曲面状に形成されていることにより、図２に光線Ｗで示されるように、光源１から照射されて直接上部反射面８の中央部に当たる光を拡散して出射することができる。光を拡散させることにより正面方向を均一に照射することができ、全方向のバランスが改善されている（図８（ｄ）V部）。

光出力部４には、上部反射面８の外周に光軸２と略平行に設けられた外周出射面１１と、上部反射面８と対向して設けられ上部反射面８もしくは上部出射部９から反射された光をさらに外周出射面１１方向に反射する下部反射面１２とが設けられている。外周出射面１１からは、上部反射面８および下部反射面１２からの反射光が出射される。

下部反射面１２は、光源１の光軸２に対して略直角に形成されている。下部反射面１２を設けることにより、図２に光線Ｙ２で示されるように、上部反射面８により反射された光を、光軸２と直交する方向よりもややレンズ１０の中心から離れる程光源１から離れる方向に反射させることができる。このため全体の配光バランスが向上する（図８（ｂ）II部）。また、下部反射面１２は、光源１の光軸２に対して８０度～９６度の範囲に形成されることが好ましい。下部反射面１２の角度が上記の範囲を超えると正面方向の配光が凹形状となり（図８（ｅ）VI部）、中心が暗く見栄えが悪くなるからである。

（第２実施形態）
図３～図６には本発明の第２実施形態に係るレンズ２０が示されている。このレンズ２０は、以下に説明する点で第１実施形態に係るレンズ１０と相違し、その他の点では、第１実施形態に係るレンズ１０と同一の構成からなる。したがって、同一の構成には同一の符号を用いることで詳細な説明を省略する。

図３に示されるように、下部反射面１２と連結される反射導光部３の上部には光軸２の上方側に向かって、光軸２の反対側に傾斜する第２傾斜面７が形成されている。第２傾斜面７は、光軸２の上方側に向かって光軸２側に傾斜している第１傾斜面６と連なることにより、くびれ部１８を有し反射導光部３を鼓状に形成している。反射導光部３は、くびれ部１８を境に上方側および下方側に向けて直径が拡大している。くびれ部１８の直径は光源１の直径と同等かそれ以下であってもよい。

第２傾斜面７は、光軸２の上方側に向かって光軸２側の反対側に傾斜しているため、図３に光線Ｙ１で示されるように、上部出射部９で反射された光を光軸２と直交する方向よりもややレンズ１０の中心から離れる程光源１に近づく方向に出射させることができ、全体の配光バランスが向上する（図８（ｂ）III部）。鼓状の反射導光部３と光出力部４との境になる角部２１は光源１の直径よりも大きく形成されている。第１傾斜面６から上部反射面８に反射される光を妨げないためである。入射面５においても光源１の直径よりも大きく形成されている。光源１から発光される光を確実に入射させるためである。

第１傾斜面６と入射面５の間には面取部２２が形成されている。面取部２２における反射導光部３の直径は、入射面５に向かって小さくなっている。面取部２２を設けることにより他部品との組付性が向上する。面取部２２と第１傾斜面６との境には下部凸部１９が設けられている。下部凸部１９は、径方向に突出しており、下部凸部１９を境に上方側および下方側に向けて反射導光部３の直径が縮小していく。また前述のように、くびれ部１８を境に上方側および下方側に向けて反射導光部３の直径が拡大していく。このように反射導光部３の外径は、入射面５から上方に向かって拡大と縮小を繰り返している。反射導光部３の外径が拡大と縮小を繰り返すことにより面取部２２や第１傾斜面６および第２傾斜面７を連続して形成している。

図６（ｂ）に示されるように、第２傾斜面７と光軸２とのなす角度α_２’を、光源１から入射面５に入射した光の屈折角α_２よりも大きく設定することもできる。角度α_２’を屈折角α_２よりも大きく設定することにより、入射面５から入射した光の第２傾斜面７での反射を防ぐことができる。入射面５から入射した光が第２傾斜面７に当たり、上部反射面８方向に反射されてしまうと、上部反射面８に対して浅い入射角で入射するため、図３に光線Ｚで示されるように、上部反射面８では反射せずに屈折して正面方向へ出射してしまい、配光バランスが悪くなってしまう（図８（ｃ）、IV部）。

以下、第２傾斜面７について更に具体的に詳述する。図６（ａ）に示されるように、第１傾斜面６と第２傾斜面７との交点をＡとし、入射面５から点Ａまでの距離をａとし、光源１から入射面５までの距離をｂとし、点Ａにおける反射導光部３の半径をｒ_２とし、光源１の半径をｒとし、第２傾斜面７と光源１の光軸２とのなす角をα_２とし、レンズ２０の屈折率をｎとしｓｉｎ（β_２)＝ｎ×ｓｉｎ(α_２)となる光源１から入射面５に入射する光の入射角β_２を定義したとき、第２傾斜面７と光源１の光軸２とのなす角をα_２は、下記の式４で表すことができる。
ａ×ｔａｎ（α_２）＋ｂ×ｔａｎ（β_２）≧r＋ｒ_２・・・（式４）
式４の関係を成立させることにより、光源１の外縁部２３から入射位置２４までの距離を限定し、入射角β_２を制限することにより、入射角β_２に比例して大きくなる屈折角α_２の角度を、角度α^２’よりも小さくすることができる。

図７（ａ）に示されるように、反射導光部３の一部をレンズ３０が固定される筐体構造１４と一体に形成することもできる。レンズ３０を筐体構造１４と一体に形成することにより、光学製品として構成され、関連部品への組み込みが容易になる。

図７（ｂ）に示されるように、レンズ３０の外側を透明なカバー１５で覆うこともできる。カバー１５は、透明な樹脂またはガラスからなる光学ケースであり、クリアバルブとして用いることができる。

図７（ｃ）に示されるように、光学製品４０を含むＬＥＤ電球５０とすることもできる。従来の電球と同一規格とすることにより、例えば白熱電球との互換性があるＬＥＤ電球を提供することができる。

１ 光源
２ 光軸
３ 反射導光部
４ 光出力部
５ 入射面
６ 第１傾斜面
７ 第２傾斜面
８ 上部反射面
９ 上部出射部
１０ レンズ
１１ 外周出射面
１２ 下部反射面
１３ 発光面
１４ 筐体構造
１５ カバー
１６ 角部
１７ 凸曲面
１８ くびれ部
１９ 下部凸部
２０ レンズ
２１ 角部
２２ 面取部
２３ 外縁部
２４ 入射位置
２５ 変曲点
２６ 内周領域
２７ 外周領域
３０ レンズ
４０ 光学製品
５０ ＬＥＤ電球

Claims (9)

1. 光源の発光面側に配置されるレンズであって、
   前記レンズは、
   前記光源の発光面に対向し前記光源の光軸と直交する入射面と、
   該入射面の上部に設けられ前記光源の光軸を囲むように形成され光軸方向に延びた反射導光部と、
   該反射導光部の上部に設けられ前記光源の光軸を囲むように形成され光軸方向に延び前記反射導光部よりも大径な光出力部と、を備え、
   前記光出力部は、上面に上部反射面を有し、前記反射導光部の一部には光軸の上方側に向かって光軸側に傾斜した第１傾斜面が形成され、該第１傾斜面が前記入射面から入射した光の一部を光軸を超えて前記上部反射面に導くレンズ。
2. 前記第１傾斜面の光軸側に傾斜した傾斜角γは、
   前記第１傾斜面の傾斜開始位置を点Ｐとし、点Ｐの半径をｒ₁、前記上部反射面の半径をＲ１、光軸上の前記上部反射面の中心を点Ｔ、点Ｐと点Ｔの光軸方向の距離をｈとし、点Ｔから前記上部反射面最外周までの光軸方向の距離をｈ’としたとき、
   前記光源の中心から角度β₁で発された光線が、前記入射面で屈折して、角度α₁で点Ｐに到達するとき、前記第１傾斜面の傾斜角γは、
   ｒ₁／ｈ≦ｔａｎ（α₁＋２γ）≦（Ｒ₁＋ｒ₁）／（ｈ＋ｈ’）
   を満たす請求項１に記載のレンズ。
3. 前記上部反射面の中心部に凹曲面状の上部出射部を有する請求項１に記載のレンズ。
4. 前記光出力部は、前記上部反射面の外周に光軸と略平行に設けられた外周出射面と、前記上部反射面と対向して設けられ該上部反射面もしくは前記上部出射部から反射された光をさらに前記外周出射面方向に反射する下部反射面とを有する請求項１に記載のレンズ。
5. 前記下部反射面と連結される前記反射導光部の上部には光軸の上方側に向かって反光軸側に傾斜する第２傾斜面が形成され、該第２傾斜面が前記上部出射部で反射された光を斜め下方に出射する請求項４に記載のレンズ。
6. 前記下部反射面は、前記光源の光軸に対して略直角に形成される請求項４に記載のレンズ。
7. 前記下部反射面は、前記光源の光軸に対して９０度+6度/-10度に形成される請求項６に記載のレンズ。
8. 前記第２傾斜面と前記光源の光軸とのなす角度が前記光源から前記入射面に入射した光の屈折角よりも大きい請求項５に記載のレンズ。
9. 前記第１傾斜面と前記第２傾斜面との交点を点Ａとし、前記入射面から点Ａまでの距離をａとし、前記光源から前記入射面までの距離をｂとし、点Ａにおける前記反射導光部の半径をＲとし、前記光源の半径をｒとし、前記第２傾斜面と前記光源の光軸とのなす角をα２とし、
   前記レンズの屈折率をｎとしｓｉｎ（β２)＝ｎ×ｓｉｎ(α２)となる前記光源から前記入射面に入射する光の入射角β２を定義したとき、
   a×ｔａｎ（α２）＋ｂ×ｔａｎ（β２）≧r＋ｒ２
   をみたす請求項８に記載のレンズ。
   

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