(57)【要約】【課題】小さな配光角を持つ略平行の光を効率良く大きな配光角を持つ光へ変換する光学部材及び照明機器を提案する。【解決手段】略平行の光を入射させ、入射した光を全反射させる第１の面と、第１の面で全反射させた光を屈折させて出射させる第２の面とを備え、入射した光を第１の面で全反射させてから第２の面で屈折させて出射させることで、入射した光を屈折させて出射させるだけの形状を有するプリズムよりも、効率良く大きな配光角を持つ光へ変換することを特徴とする。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
略平行に入射してきた光を全反射及び屈折させて出射させることにより、大きな配光角を持つ光に変換する光学部材であって、
略平行の光が入射してきた場合、入射角が全反射可能な臨界角よりも大きくなるように傾斜して形成される第１の面と、
前記第１の面により全反射した光が入射してきた場合、入射してきた光を屈折させて出射させることができるように、入射角が前記臨界角以下となるように傾斜して形成される第２の面とを備え、
前記第２の面から出射された光の配光角を前記第１の面で全反射させることなく屈折させて出射させるとした場合よりも大きな配光角を持つ光へ変換する
ことを特徴とする光学部材。
【請求項２】
前記光学部材は、
前記第１の面に対して光の入射側の屈折率をｎ１とし、全反射しないとした場合の光の出射側の屈折率をｎ２とし、前記第１の面に対する入射角をθ１とした場合、
θ１≧ａｒｃｓｉｎ（ｎ２／ｎ１）
を満たす三角形状を有するプリズムである
ことを特徴とする請求項１に記載の光学部材。
【請求項３】
前記第１の面及び前記第２の面により形成される頂角は、
入射してきた光を全反射させずに屈折させて出射させるプリズムの頂角よりも小さい
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光学部材。
【請求項４】
略平行に入射してきた光を全反射及び屈折させて出射させることにより、大きな配光角を持つ光に変換する光学部材であって、略平行の光が入射してきた場合、入射角が全反射可能な臨界角よりも大きくなるように傾斜して形成される第１の面と、前記第１の面により全反射した光が入射してきた場合、入射してきた光を屈折させて出射させることができるように、入射角が前記臨界角以下となるように傾斜して形成される第２の面とを備え、前記第２の面から出射された光の配光角を前記第１の面で全反射させることなく屈折させて出射させた場合よりも大きな配光角を持つ光へ変換する第１の光学部材と、
略平行の光が入射してきた場合、入射してきた光を全反射させずに屈折させて出射させる第２の光学部材と、
前記第１の光学部材を用いて入射してきた光を出射させる場合と、前記第２の光学部材を用いて入射してきた光を出射させる場合とを切り替える切り替え部と
を備えることを特徴とする照明機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学部材及び照明機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）を用いた照明機器が普及している。ＬＥＤは、生産コストが低く、耐衝撃性に優れ、更には長寿命であるという利点がある。一方で、ＬＥＤは点光源であるため、白熱電球や蛍光灯などの照明機器と比較すると、一般に光の拡がり角（配光角）が狭くなるという問題がある。よってＬＥＤによる照明機器を設計する場合には、ＬＥＤとともにレンズ（光学部材）やリフレクタなどを用いて広範な配光角が得られるように設計する必要がある。光学部材を用いて配光角を切り替える技術は、例えば以下の特許文献１〜３に開示されている。
【０００３】
特許文献１には、ＡＦ補助光と撮影補助光とを同一の光源で賄うため、ＡＦ補助光を照射する場合には光源の照射方向前面にレンズを配置し、撮影補助光を照射する場合には光源の照射方向前面のレンズを退避させる技術が開示されている。また他の実施の形態として、光源と、光源の照射方向前面に配置したレンズとの間の距離を制御する技術や可変焦点レンズを用いる技術が開示されている。この特許文献１によれば、同一の光源から照射される光の照射角を切り替えることができるとしている。
【０００４】
特許文献２には、光源からの入射光を略平行光に変換する複数種類のコリメーションレンズ群と、コリメーションレンズ群からの透過光（屈折光）を互いに重畳させる複数種類のフライアイレンズ群とを備え、これらコリメーションレンズ群とフライアイレンズ群との組み合わせを切り替える照明装置が開示されている。この特許文献２によれば、コリメーションレンズ群とフライアイレンズ群との組み合わせを切り替えて、ロービームの配光パターン及びハイビームの配光パターンを形成することができるとしている。
【０００５】
特許文献３には、光の出射面に挟角レンズが形成された複数の挟角ＬＥＤと光の出射面に広角レンズが形成された複数の広角ＬＥＤとを放射状に配置し、挟角ＬＥＤのグループと広角ＬＥＤのグループのそれぞれのグループごとに所定の電流を流すように配線された照明装置が開示されている。この特許文献３によれば、照明光の配光分布を広範囲にわたって対称性よく容易に調整することができるとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−９１６０６号公報
【特許文献２】特開２００７−１４９５５２号公報
【特許文献３】特開２０１１−２２２１８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、これら引用文献１〜３に開示された技術は何れも、ＬＥＤから発光された光をレンズにより屈折（透過）させることで配光角を切り替える技術であり、これら引用文献１〜３に開示された技術では、特に大きな配光角を持つ光に変換する際、屈折するときに生じるフレネル反射により光量ロスが発生する。よって、効率良く大きな配光角を持つ光に変換することができないという問題がある。
【０００８】
本発明は、以上の点を考慮してなされたもので、効率良く大きな配光角を持つ光に変換することのできる光学部材及び照明機器を提案することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
かかる課題を解決するために、本発明において光学部材は、略平行に入射してきた光を全反射及び屈折させて出射させることにより、大きな配光角を持つ光に変換する光学部材であって、略平行の光が入射してきた場合、入射角が全反射可能な臨界角よりも大きくなるように傾斜して形成される第１の面と、第１の面により全反射した光が入射してきた場合、入射してきた光を屈折させて出射させることができるように、入射角が臨界角以下となるように傾斜して形成される第２の面とを備え、第２の面から出射された光の配光角を第１の面で全反射させることなく屈折させて出射させるとした場合よりも大きな配光角を持つ光に変換することを特徴とする。
【００１０】
またかかる課題を解決するために、本発明において照明機器は、略平行に入射してきた光を全反射及び屈折させて出射させることにより、大きな配光角を持つ光に変換する光学部材であって、略平行の光が入射してきた場合、入射角が全反射可能な臨界角よりも大きくなるように傾斜して形成される第１の面と、第１の面により全反射した光が入射してきた場合、入射してきた光を屈折させて出射させることができるように、入射角が臨界角以下となるように傾斜して形成される第２の面とを備え、第２の面から出射された光の配光角を第１の面で全反射させることなく屈折させて出射させるとした場合よりも大きな配光角を持つ光に変換する第１の光学部材と、略平行の光が入射してきた場合、入射してきた光を全反射させずに屈折させて出射させる第２の光学部材と、第１の光学部材を用いて入射してきた光を出射させる場合と、第２の光学部材を用いて入射してきた光を出射させる場合とを切り替える切り替え部とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、効率良く大きな配光角を持つ光に変換することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】照明機器の分解斜視図である。
【図２】光学部材の斜視構成図である。
【図３】他の光学部材の斜視構成図である。
【図４】反射プリズムの断面構成図である。
【図５】反射プリズムの断面構成図である。
【図６】屈折プリズムの断面構成図である。
【図７】屈折プリズムの断面構成図である。
【図８】シミュレーション結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下図面について、本発明の一実施の形態を詳述する。
【００１４】
図１は、照明機器１の分解斜視図を示す。また分解斜視図とともに、各部材の正面構成及び照明機器１の断面構成を示す。照明機器１は、ヒートシンク１０、ＬＥＤ基板２０、コリメータ３０及びディフューザ４０等を備えて構成される。
【００１５】
ヒートシンク１０は、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）が発光することにより生じる熱を空気中に放熱する機能を有する。一般にヒートシンク１０は、放熱性能を向上させるため、その素材としてアルミニウムや銅等の金属が用いられる。また表面積が広くなる形状を有する。
【００１６】
ＬＥＤ基板２０は、複数のＬＥＤを同時又はランダムに発光させる機能を有する。ここでのＬＥＤ基板２０は、４個のＬＥＤ２１が基板上に配置されて構成され、電源が投入されると、この４個のＬＥＤ２１を同時に発光させる。
【００１７】
コリメータ３０は、ＬＥＤ２１から発光された光を略平行光に変換する機能を有する。ここでのコリメータ３０は、４つの第１の集光光学部材３１ａと、３つの第２の集光光学部材３１ｂとを備えて構成される。
【００１８】
第１の集光光学部材３１ａと、第２の集光光学部材３１ｂとは、種類の異なる集光光学部材である。例えば第１の集光光学部材３１ａにより変換された平行光の方が、第２の集光光学部材３１ｂにより変換された平行光よりも平行の度合い（平行度）が高い。
【００１９】
またコリメータ３０は、軸回転可能に照明機器１に装着される。コリメータ３０を軸回転すると、第１の集光光学部材３１ａだけを用いて平行光に変換する場合と、第１の集光光学部材３１ａ及び第２の集光光学部材３１ｂの両方を用いて平行光に変換する場合とを切り替えることができる。すなわちコリメータ３０を軸回転することにより、平行度の異なる２種類の平行光に変換することができる。
【００２０】
ディフューザ４０は、コリメータ３０により変換された平行光を拡散する機能を有する。ここではディフューザ４０は、３つの第１の光学部材４１ａと、第１の光学部材４１ａ以外の他の領域を形成する第２の光学部材４１ｂとを備えて構成される。この第１の光学部材４１ａ及び第２の光学部材４１ｂにより、コリメータ３０からの小さな配光角を持つ平行光を大きな配光角を持つ光に変換することができる。
【００２１】
第１の光学部材４１ａと、第２の光学部材４１ｂとは、種類の異なる光学部材である。例えば第１の光学部材４１ａの方が、第２の光学部材４１ｂよりも大きな配光角を持つ光へ変換できる。
【００２２】
またディフューザ４０は、軸回転可能に照明機器１に装着される。ディフューザ４０を軸回転すると、第１の光学部材４１ａ及び第２の光学部材４１ｂを用いて大きな配光角を持つ光に変換する場合と、第２の光学部材４１ｂだけを用いて大きな配光角を持つ光に変換する場合とを切り替えることができる。すなわちディフューザ４０を軸回転することにより、コリメータ３０からの光を配光角の異なる２種類の光に変換することができる。
【００２３】
本実施の形態においては、ＬＥＤ２１から発光された光をコリメータ３０により平行度の異なる２種類の平行光に変換することができ、更にディフューザ４０により配光角の異なる２種類の光に変換することができる。よってコリメータ３０及びディフューザ４０をそれぞれ軸回転させたときの組み合わせにより、配光角の異なる４種類の光に変換することができることになる。具体的には、平行光の主光軸を基準（０°）とした場合、主光軸からの角度（配光角）が（１）約５°、（２）約１０°、（３）約２０°及び（４）約３０°の合計４種類の光に変換することができる。
【００２４】
図２は、第１の光学部材４１ａの全体斜視図を示す。第１の光学部材４１ａは、全体として円形状を有し、一方の面には複数の凸形状が形成されて構成される。この複数の凸形状の部材をここでは特に反射プリズム４１１ａと呼ぶ。なおここでの第１の光学部材４１ａは円形状としたが必ずしもこれに限らず、例えば楕円形状や正方形であってもよい。
【００２５】
また第２の光学部材４１ｂは、ここでは図示を省略するが、第１の光学部材４１ａと同様に一方の面には複数の凸形状が形成されて構成される。この複数の凸形状の部材をここでは特に屈折プリズム４１１ｂ（図６及び図７参照）と呼ぶ。屈折プリズム４１１ｂは、その頂角が反射プリズム４１１ａの頂角よりも鈍角である点で、反射プリズム４１１ａと異なる。第２の光学部材４１ｂのその他の形状又は構成は、第１の光学部材４１ａと同様である。
【００２６】
図３は、第３の光学部材４１ｃの全体斜視図を示す。第３の光学部材４１ｃは、第１の光学部材４１ａ又は第２の光学部材４１ｂの変形例であり、頂角の異なる反射プリズム４１１ａ及び屈折プリズム４１１ｂが混在した形状を有して構成される。本実施の形態の照明機器１において、例えば第１の光学部材４１ａ又は第２の光学部材４１ｂに代えて、この第３の光学部材４１ｃを用いるとしてもよい。
【００２７】
図４及び図５は、反射プリズム４１１ａの断面構成を示す。特に図４は、平行度の高い平行光が反射プリズム４１１ａに入射した場合の断面構成及び光路を示しており、一方図５は、平行度の低い平行光が反射プリズム４１１ａに入射した場合の断面構成及び光路を示している。本実施の形態における反射プリズム４１１ａは、コリメータ３０からの平行光を一方のプリズム面で全反射させた後、対向するプリズム面で屈折させて出射する機能を有する。
【００２８】
反射プリズム４１１ａの頂角α１及び底角α２は、上述したように入射してきた光を一方のプリズム面で全反射させ、他方のプリズム面で屈折させるように規定される。一般に、異なる媒質間の境界面における光の屈折角と媒質の屈折率との関係は、スネルの法則に従う。スネルの法則によれば、屈折率ｎ１の媒質１（ここでは反射プリズム４１１ａ）から屈折率ｎ２の媒質２（ここでは空気）に光が進行する場合、入射角θ１と屈折角θ２の間に、ｎ１ｓｉｎθ１＝ｎ２ｓｉｎθ２という関係式が成り立つ。この関係式において、ｎ１＞ｎ２が成り立つ場合、θ２＝９０°となる入射角θ１は、θ１＝ａｒｃｓｉｎ（ｎ２／ｎ１）と定まり、臨界角と呼ばれる。入射角がこの臨界角よりも大きい場合、光は媒質１と媒質２との間の境界面において全反射されることとなる。
【００２９】
本実施の形態においては、底角α２＝入射角θ１であるから、スネルの法則により、底角α２は、α２≧ａｒｃｓｉｎ（ｎ２／ｎ１）と定まる。また頂角α１は、α１＝１８０°−（α２×２）と定まる。具体的な数値として、例えば反射プリズム４１１ａは、α２≧３９°を満たす場合に全反射する。なおここでは２つの底角α２を同一に定めて説明しているが必ずしもこれに限らず、入射してきた平行光を一方の面で全反射させ、対向する面で屈折させるように定めればよく、所望の配光に応じて異なるものとしてもよい。
【００３０】
反射プリズム４１１ａによる配光角α３は、平行光の光軸を基準（０°）とした場合に反射プリズム４１１ａから出射される光の角度である。後述のシミュレーション結果（図８参照）によれば、およそ２０°以上の配光角を得ようとする場合、この反射プリズム４１１ａを用いることで、小さな配光角を持つ平行光を効率良く大きな配光角を持つ光に変換して出射させることができる。
【００３１】
図６及び図７は、屈折プリズム４１１ｂの断面構成を示す。特に図６は、平行度の高い平行光が屈折プリズム４１１ｂに入射した場合の断面構成及び光路を示しており、一方図７は、平行度の低い平行光が反射プリズム４１１ｂに入射した場合の断面構成及び光路を示している。本実施の形態における屈折プリズム４１１ｂは、コリメータ３０からの平行光を一方のプリズム面で屈折させて出射する機能を有する。
【００３２】
屈折プリズム４１１ａの頂角β１及び底角β２は、上述したように入射してきた光を一方のプリズム面で屈折させるように規定される。
【００３３】
本実施の形態においては、底角β２＝入射角θ１であるから、スネルの法則により、底角β２は、β２＜ａｒｃｓｉｎ（ｎ２／ｎ１）と定まる。また頂角β１は、β１＝１８０°−（β２×２）と定まる。なおここでは２つの底角β２を同一に定めて説明しているが必ずしもこれに限らず、入射してきた平行光を全反射させずに屈折させるように定めればよく、所望の配光に応じて異なるものとしてもよい。
【００３４】
屈折プリズム４１１ｂによる配光角β３は、平行光の光軸を基準（０°）とした場合に屈折プリズム４１１ｂから出射される光の角度である。後述のシミュレーション結果（図８参照）によれば、およそ２０°未満の配光角を得ようとする場合、この屈折プリズム４１１ｂを用いることで、効率良く配光角を広げて光を出射させることができる。
【００３５】
図８は、シミュレーション結果を示す。このシミュレーション結果によれば、およそ２０°以上の配光角を得ようとする場合、反射プリズム４１１ａを用いることで、小さな配光角を持つ平行光を効率良く大きな配光角を持つ光に変換して出射させることができる。一方、およそ２０°未満の配光角を得ようとする場合、屈折プリズム４１１ｂを用いることで、小さな配光角を持つ平行光を効率良く大きな配光角を持つ光に変換して出射させることができる。なお４５°以上の配光角を得ようとする場合、屈折プリズム４１１ｂを用いるだけでは得ることができず、反射プリズム４１１ａを用いることで得ることができる。
【００３６】
以上のように、本実施の形態による反射プリズム４１１ａによれば、入射してきた光を全反射させる手法を採用することにより、小さな配光角を持つ光を大きな配光角を持つ光に変換することができると同時に、効率良く光を出射させることができる。また反射プリズム４１１ａと屈折プリズム４１１ｂとの切り替えにより、大きな配光角を得ようとする場合と小さな配光角を得ようとする場合とで効率良く切り替えることができる。
【符号の説明】
【００３７】
１        照明機器
１０      ヒートシンク
２０      ＬＥＤ基板
３０      コリメータ
３１ａ    第１の集光光学部材
３１ｂ    第２の集光光学部材
４０      ディフューザ
４１ａ    第１の光学部材
４１１ａ  反射プリズム
４１ｂ    第２の光学部材
４１１ｂ  屈折プリズム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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