JP6706183B2

JP6706183B2 - 光学素子

Info

Publication number: JP6706183B2
Application number: JP2016184518A
Authority: JP
Inventors: 晃由若藤; 雄三岡野
Original assignee: Nichia Corp
Current assignee: Nichia Corp
Priority date: 2016-09-21
Filing date: 2016-09-21
Publication date: 2020-06-03
Anticipated expiration: 2036-09-21
Also published as: JP2018049748A

Description

本発明は、反射面を含む透光性の光学素子に関するものである。

特許文献１には、所望の配光の照射パターンを適切に照射することができる車両用照明装置が記載されている。特許文献１の車両用照明装置は、ＬＥＤからの入射光を屈折により変化させて出射するレンズ部と、ＬＥＤからの入射光をレンズ部の上方に形成した上側反射面で反射して出射する上側リフレクタ部と、ＬＥＤからの入射光をレンズ部の下方に形成した下側反射面で反射して出射する下側リフレクタ部とを備えた光学部材を有する。そして、レンズ部の入射面の下部には、ＬＥＤからの入射光を下方に屈折させて照明光路外に導く屈折部が設けられている。さらにレンズ部の入射面及び出射面の屈折により、上下方向の放射角を平行光に近づけるよう変化させて出射させ、この際、光軸の傾斜によりレンズ部からの出射光は、そのほとんどが車両前方斜め下方に指向され、照明装置の水平位置以下の領域を照射する構成を有している。これにより、フォグランプ等に要求される所望の領域を適切に照射することができる。

特開２０１０−２１２０２１号公報

しかしながら、レンズ部の屈折を利用した照明装置では配光の制御には限界があった。

近年、配光をさらにフレキシブルに制御できる光学素子が求められている。

本発明の一態様は、後方から進入する光を前方に反射する反射面を含む透光性の光学素子である。この光学素子の反射面は、前方から見たときに一の方向に延伸し、光が光学素子に進入するまでの領域における光の光軸から離れる方向に光を反射する第１の反射面と、前方から見たときに一の方向に延伸し、その光軸と交差する方向に光を反射する第２の反射面と、を含む、ことを特徴とする。

光源からの光を、この光学素子を通すことにより、配光をさらにフレキシブルに制御することができる。

照明システムの概略構成を示す図。照明装置の構成を長手方向に直交する方向から示す断面図。光学素子と光源とを抜き出して示す斜視図。照射面の一部にプリズムを含む光学素子を示す斜視図。照射面の別の例を示す図であり、図５（ａ）は、照射面がレンチキュラーを含み、図５（ｂ）は、照射面がシボを含む。異なる照明装置の構成を示す断面図。

図１に、照明システムの一例を示している。この照明システム１は、外照看板などに用いられる看板照明システムであり、比較的面積の広い（大きな）看板を照度ムラが少ない状態で照明することができる。照明システム１は、図１において垂直に立てられた看板３を照射するように看板３の上方に配置された照明装置１０と、それらを支持するフレーム６とを含む。フレーム６は地面５に固定されている。照明装置１０は、光源１１と、光源１１の前方に配置された光学素子２０とを含む。図１は、照明装置１０を側面（端面）の方向から示しており、照明装置１０は、図１の紙面に垂直な方向に延びた（長い）棒状の、あるいは柱状の装置である。照明装置１０は、光源１１から前方に延びた光軸１９が、看板３と平行に地面５の方向を向くように下向きに配置されており、看板３を全体として下向きの光１５で照明する。本実施の形態において、また他の実施の形態においても、光１５の出射される方向、すなわち図１や図２などの下側を前方と称し、上側を後方と称する。

照明装置１０から出力される光（光束）１５は、照明装置１０の中心２１から光軸１９に沿って前方（下側）に向かって拡散する中心成分１６と、照明装置１０の看板３に近い側（内側）２２から看板３の上半部３ａに向かって出力される第１の成分１７と、照明装置１０の看板３に遠い側（外側）２３から光軸１９を横切って看板３の下部（下半部）３ｂに向かって出力される第２の成分１８とを含む。したがって、看板３は、照明装置１０に近い上半部３ａ、特にその上側は、光束１５の第１の成分１７により照明され、上半部３ａから下半部３ｂにかけては中心成分１６により照明され、照明装置１０から遠く、中心成分１６が弱くなる下半部３ｂは中心成分１６および第２の成分１８により照明される。したがって、照明装置１０により看板３の全面、すなわち、上から下までをほぼ均等な照度で照明できる。

看板照明としては、スポットライトを複数灯設置する方式が知られている。この方式であると、スポットライトの中心部が明るく周囲が暗くなるので照射対象の面全体を均一に照明することは非常に難しく照度ムラが発生する。また、暗部の照度を稼ぐ必要があるため、照明装置のワット数を高く設定する必要があり、照射効率が悪い。

看板の上端に沿って蛍光灯と反射板とを配置して看板を照射対象面として照明する方式も知られている。反射板は蛍光灯の上部に反射板と防水対策とを兼ねたカサ状であり、反射板により蛍光灯の上方に照射される光束が下側の照射対象の面に向けて反射される。この方式では蛍光灯により蛍光灯の周囲全方位に光が出るためスポットライトを複数灯並べる方式よりも照度ムラは少ない。しかしながら、蛍光灯に近い照射対象面の上側と、蛍光灯から遠い照射対象面の下側との照度差が大きく、照射対象面を均一な照度で照明することができない。

近年、光源としてＬＥＤの採用が進んでおり、看板などの面を照明する装置の光源としてＬＥＤを採用することが検討されている。光源としてＬＥＤを一列に配置した場合は、蛍光灯を用いた照明装置と同様の照度ムラがある。ＬＥＤは蛍光灯のように全方位に光束を放出しないので、反射板の寄与はほとんどなく、その点では、蛍光灯と反射板との組み合わせによる照明装置よりも照射ムラが大きいこともある。

これらの方式に対し、図１に示した照明システム１においては、ＬＥＤを一列、多列、千鳥あるいはマトリクス状に並べられた光源１１からの光束を照明装置１０から、光軸１９に対して非対称で、片側（看板３の側、内側）に畳み込まれた（偏向された）２つの成分１７および１８を含む光束１５として出力することができる。このため、看板３を、より照度ムラの少ない状態で照明できる。

図２に、照明装置１０の構造を、照明装置１０の長手方向に直交する方向であり、照明対象面である看板３の主面に垂直な方向となる方向Ｘにおける断面により示している。図３に、照明装置１０に含まれる光学素子２０と光源であるＬＥＤ１１とを抜き出して示している。照明装置１０は、Ｘ方向の断面がほぼ台形で下側が開口１３ｂとなったハウジング１３と、ハウジング１３の天井面１３ａに、照明装置１０の長手方向（Ｙ方向）に一列に配置されたＬＥＤ（光源）１１と、光源１１の前方に、開口１３ｂに面して配置された光学素子２０とを含む。光学素子２０は、断面がほぼ台形状に近いシリンドリカルな光学素子であって、後方（上方）２０ａから進入する光１２（光源１１からの光１２）を前方２０ｂに反射する反射面２７を含む透光性の樹脂製またはガラス製の光学素子である。反射面２７は、前方から見たときに一の方向（Ｙ方向）に延伸し、光１２が光学素子に進入するまでの領域における光の光軸１９から離れる方向に光１２を反射する第１の反射面（内側の反射面）２５と、前方から見たときに一の方向（Ｙ方向）に延伸し、光軸１９と交差する方向に光１２を反射する第２の反射面（外側の反射面）２６とを含む。さらに、第１の反射面２５は、一の方向に垂直な断面（Ｘ方向の断面）において、放物線に沿った部分または双曲線に沿った部分２５ａを含み、第２の反射面２６は、Ｘ方向の断面において楕円に沿った部分２６ａを含むことができる。

光学素子２０は、光源１１に対向する位置に凹部２８を有する。凹部２８は光学素子２０の後方に設けられており、光源１１からの光１２が凹部２８の内面に照射されることにより、光１２が凹部２８を介して光学素子２０の内部に効率よく導入される。光学素子２０の内側に位置する第１の反射面２５および外側に位置する第２の反射面２６は、全反射面であってもよく、反射率の高い素材（例えばアルミニウムなどの金属）によりコーディングされた面であってもよい。後方２０ａから進入する光１２のうち、凹部２８の内底面２８ａを介して出射側となる前面２９に直に達した光（光束）は、主に出射側となる前面２９の中央部分２１から、光軸１９に沿って拡散する光束１６として出力される。

光軸１９の内側（看板側）の反射面２５は、前方２０ｂに対して凹の反射面であり、光軸１９上の後方２０ａに配置された光源１１から反射面２５に到達した光１２を光軸１９に平行な方向ではなく、光軸１９に対して離れる方向、すなわち前方２０ｂに光軸１９よりも内側（看板側）に反射するように設けられている。特に、第１の反射面２５のうち放物線または双曲線に沿って凹んだ部分２５ａは、光軸１９の後方２０ａに配置された光源１１から到達した光１２を全体的に前方２０ｂに光軸１９よりも内側に反射するのに適している。したがって、光源１１から出力された光１２のうち、凹部２８の内側面２８ｂを介して内側の反射面２５に達した光は、第１の反射面２５のうち放物線または双曲線に沿って凹んだ部分２５ａで反射され、出射側となる前面２９の内側の部分２２から光軸１９に対して内側に離れる方向の成分（光束、第１の成分）１７として出力される。本例においては第１の反射面２５には双曲線に沿った部分２５ａが設けられている。

光軸１９に対して外側（看板を観察する側、人が立つ側）に位置する第２の反射面２６は、前方２０ｂに対して凹の反射面であり、光軸１９上の後方２０ａに配置された光源１１から反射面２６に到達した光１２を光軸１９に平行な方向ではなく、前方２０ｂに光軸１９よりも内側（看板側）であって、光軸１９と交差する方向に反射するように設けられている。特に、楕円に沿って凹んだ部分２６ａは、光軸１９の後方２０ａに配置された光源１１から到達した光１２を全体的に前方２０ｂに光軸１９と交差する方向に大きな角度で反射するのに適している。したがって、光源１１から出力された光１２のうち、凹部２８の内側面２８ｃを介して外側の反射面２６に達した光は、第２の反射面２６のうち楕円に沿った部分２６ａにより前方２０ｂに反射され、出射側となる前面２９の外側の部分２３から光軸１９と交差する方向、すなわち、光軸１９の外側から内側へ向かう成分（光束、第２の成分）１８として出力される。

このように光学素子２０は、後方２０ａから進入した光１２を光軸１９に対して平行ではなく、偏った方向に反射する、光軸１９に対して非対象な反射面２５および２６を含む。このため、光源１１からの光１２が光学素子２０を通過して出射される光束１５は、上記のように、反射面２５および２６を介さずに、出射面２９のほぼ中央２１から光軸１９に沿って出射される成分（中心成分）１６と、第１の反射面２５により出射面２９の内側（看板側）２２から光軸１９に対して看板３の側に離れる第１の成分１７と、第２の反射面２６により出射面２９の外側（光軸１９を基準として看板と反対側）２３から光軸１９と交差して看板３の側に向かう第２の成分１８とを含む。

さらに第１の反射面２５には放物線または双曲線の部分２５ａを設けることにより、反射角度を小さくしながら反射する成分１６に含まれる光線の角度を揃えずに適度な配光分布が得られるようにしている。第２の反射面２６においては、楕円の部分２６ａを設けることにより、反射角度を大きくしながら反射する成分１７に含まれる光線の角度を揃えずに適度な配光分布が得られるようにしている。

したがって、光学素子２０を通すことにより光源１１から出力される光１２の中のより多くの成分を、光軸１９に対する一方の側に向けて照射できるので、光軸１９に対して一方の側に配置されている看板３を効率よく照明できる。また、この光学素子２０は、反射面２５および２６の設計により、出射面２９の内側２２から出力される第１の成分１７の中心軸１９に対する角度と、出射面２９の外側２３から出力される第２の成分１８の光軸１９に対する角度とをそれぞれ独立に制御できる。本例の光学素子２０においては、第１の成分１７を照明装置１０に近い看板３の上半部３ａに向けて照射し、看板３の上部の照度を確保するようにしている。一方、第２の成分１８を照明装置１０から遠い看板３の下半部３ｂに向けて照射し、看板３の下部の照度を確保している。

看板３は照明装置１０の中央２１から照射される中心成分１６によっても照明されるが、看板３の上部で中心成分１６が角度的に届きにくく照度が低下する部分の照度を第１の成分１７で補助できる。また、照明装置１０から遠く照度が不足する下部の照度を第２の成分１８で補助できる。したがって、看板３を上から下まで、より均等な照度で照明することが可能となり照度ムラの少ない照明装置１０を提供できる。

なお、第１の反射面２５と第２の反射面２６とで看板３の狙う位置を変えることが可能であり、第１の反射面２５で看板３の下側を狙って第１の成分１７を出力し、第２の反射面２６で看板３の上側を狙って第２の成分１８を出力することも可能である。

図４に示すように、光学素子２０は、さらに、出射側となる前面２９の一部に設けられたプリズム３１を含むことができる。この例では、光学素子２０の出射側となる前面２９の内側の面２２に、単位レンズ３１ａの稜線３１ｂの方向がＹ方向と垂直なＸ方向のプリズム３１が設けられている。出射側となる前面２９の他方の領域である外側の面２３は平坦な面３９を含む。プリズム３１は、Ｙ方向に断続的に配置された複数の光源（ＬＥＤ）１１からの光１２をＹ方向に拡散することにより点光源を断続的に長手方向に並べた光源１１による照度ムラを抑制することができる。

図５（ａ）に示すように、プリズム３１の代わりにレンチキュラー３２であってもよい。照射面２９に、単位レンズ３２ａの稜線３２ｂの方向がＹ方向と垂直なＸ方向のレンチキュラー３２を設けることにより光源１１の照度ムラを抑制できる。また、図５（ｂ）に示すように、シボ３３を出射面２９に設けることによっても、光源１１による照度ムラを抑制できる。

出射側となる前面２９のうち、内側の反射面である第１の反射面２５側に位置する領域（内側の領域）２２と、外側の反射面である第２の反射面２６側に位置する領域（外側の領域）２３とに分けたとき、いずれか一方の領域が、単位レンズ３１ａ、３２ａの稜線方向３１ｂ、３２ｂ（Ｙ方向）と垂直なプリズム３１またはレンチキュラー３２を有し、他方の領域が平坦な面３９を有することが望ましい。また、出射側となる前面２９のうち、内側の反射面である第１の反射面２５側に位置する領域（内側の領域）２２と、外側の反射面である第２の反射面２６側に位置する領域（外側の領域）２３とに分けたとき、いずれか一方の領域が、シボ３３を有し、他方の領域が平坦な面３９を有するものであってもよい。

照明装置１０から出射される光束１５に含まれる成分のうち、照明装置１０に近い看板３の領域を照明する成分には、照明装置１０に遠い看板３の領域を照明する成分と比べると、光源１１の照度ムラが少なからず含まれる。したがって、図３に示した光学素子２０のように、出射側となる前面２９のうち、内側の面２２を通過する第１の成分１７が照明装置１０の近傍を照明するように設計される光学素子２０においては、前面２９のうち、近傍を照明する第１の成分１７が通過する内側の面２２にプリズム３１、レンチキュラー３２またはシボ３３の少なくともいずれかひとつを設けることが望ましい。外側の面２３は、照度を確保するために平坦な面３９であることが望ましく、光源１１の照度ムラを低減するために拡散度合いを変えたプリズム３１、レンチキュラー３２またはシボ３３を設けてもよい。

出射側となる前面２９のうち、外側の面２３を通過する第２の成分１８が照明装置１０の近傍を照明するように設計される光学素子２０においては、近傍を照明する第２の成分１８が通過する外側の面２３にプリズム３１、レンチキュラー３２またはシボ３３を設けることが望ましく、内側の面２２は、照度を確保するために平坦な面３９であることが望ましい。内側の面２２に、光源１１の照度ムラを低減するために拡散度合いを変えたプリズム３１、レンチキュラー３２またはシボ３３を設けてもよいことは同様である。

図６に、異なる照明装置１０を示している。この照明装置１０も、光源１１と、光源１１の前方に配置された光学素子４０とを含み、看板３の照明に用いられる。光学素子４０は、上述した光学素子２０とほぼ同じ構成であり、光源１１と対向する凹部２８が、光源１１からの光１２を第１の反射面（内側の反射面）２５に向かって屈折する第１の内側面２８ｂと、光源１１からの光１２を第２の反射面（外側の反射面）２６に向かって屈折する第２の内側面２８ｃと、第１の内側面２８ｂと第２の内側面２８ｃとを繋ぐ面であって、後方（光源１１）に向かって凸をなすことにより光１２を集光する内底面２８ａとを含む。

凹部２８に、光源１１からの光１２を集光する内底面２８ａを設けることにより、出射面２９の中央２１から出力される中央成分１６の拡散を抑制することができる。このため、照明装置１０から出射される光束１５の遠方における照度の低下を抑制することが可能となり、看板３の下側をより明るく照明できる。したがって、面積のより大きな看板３の照明に適した照明装置１０を提供できる。

この光学素子４０においては、凹部２８の内底面２８ａは凸面であるが、光軸１９に対して傾けた面であってもよく、例えば、内側に向けて傾けた面にすることにより、出射面２９の中央部分２１から出力される中央成分１６の向きを光軸１９に対して内側（看板３の側）に傾けることも可能である。

以上に説明したように、照明装置１０は、後方に配置される光源１１からの光１２を、光源１１の光軸１９に対して一方の側に折りたたんで（畳み込んで）光軸１９に対して非対称で不均一な強度分布（配光特性）を備えた光束１５を出力できる。したがって、照明装置１０と、照明装置１０の光が折りたたまれる内側の第１の反射面２５の側方に配置され、照明装置１０により照明される看板３とを有する看板照明システム１においては、看板３をより均等に、照度ムラが少ない状態で照明することができる。

照明装置１０は、看板３に限らず、広い壁面を均等に照明するのに適しており、美術館における絵画などの照明設備として、展示会等におけるポスターの照明設備として、また、照明ムラが少ないので屋外の壁面の防犯用の照明設備などとしての数多くの目的で使用できる。

１看板照明システム、３看板
１０照明装置、１１光源
２０光学素子、２５第１の反射面、２６第２の反射面、２７反射面、２８凹部

Claims

後方から進入する光を前方に反射する反射面と、出射側となる前面と、を含む透光性の光学素子であって、
前記反射面は、前方から見たときに一の方向に延伸し、前記光が前記光学素子に進入するまでの領域における前記光の光軸から離れる方向に前記光を反射する第１の反射面と、前方から見たときに前記一の方向に延伸し、前記光軸と交差する方向に前記光を反射する第２の反射面と、を含み、
前記前面は、前記第１の反射面側に位置する領域と、前記第２の反射面側に位置する領域とに分けたとき、いずれか一方の領域がシボを有し、他方の領域が平坦な面を有する、光学素子。
後方から進入する光を前方に反射する反射面と、出射側となる前面と、を含む透光性の光学素子であって、
前記反射面は、前方から見たときに一の方向に延伸し、前記光が前記光学素子に進入するまでの領域における前記光の光軸から離れる方向に前記光を反射する第１の反射面と、前方から見たときに前記一の方向に延伸し、前記光軸と交差する方向に前記光を反射する第２の反射面と、を含み、
前記前面は、前記第１の反射面側に位置する領域と、前記第２の反射面側に位置する領域とに分けたとき、いずれか一方の領域が、単位レンズの稜線方向が前記一の方向と垂直なプリズム、レンチキュラーを有し、他方の領域が平坦な面を有する、光学素子。
請求項１または２において、
前記一の方向に垂直かつ前記光軸を含む断面において、前記第１の反射面が放物線の部分または双曲線の部分を含み、前記第２の反射面が楕円の部分を含む、光学素子。
請求項１ないし３のいずれかにおいて、
後方に設けられた凹部であって、光源からの光がその内面に照射される凹部を有する、光学素子。
請求項４において、
前記凹部の内面は、
前記光源からの光を前記第１の反射面に向かって屈折する第１の内側面と、
前記光源からの光を前記第２の反射面に向かって屈折する第２の内側面と、
前記第１の内側面と前記第２の内側面とを繋ぐ面であって、後方に向かって凸をなすことにより前記光を集光する内底面と、を有する、光学素子。
請求項１ないし５のいずれかの光学素子と、
前記光学素子の後方に配置される光源と、を有する照明装置。
請求項６の照明装置と、
前記照明装置の前記第１の反射面の側方に配置され、前記照明装置により照明される看板と、を有する看板照明システム。