(57)【要約】【課題】  軽量化され、均一な照度分布を得られるＬＥＤ照明装置【解決手段】  中央部が薄い凸レンズ２Ａ、外周部がそれより曲率の大きい透明環状体２Ｂで成る集光レンズ２を具える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板とその１面に設けられた発光ダイオード等の半導体発光素子から成る光源と、この半導体発光素子に対面して同軸に設けたレンズ等の透過性光学素子とから成る照明装置において、
前記透過性光学素子は、第一の円周を外縁とする凸レンズと、
前記第一の円周と同心で直径がそれより大きい第二の円周を外縁とし、前記凸レンズの周りを囲む透明な環状体とから成り、
この環状体は、前記半導体発光素子に臨む底面、前記第一の円周と同心で、同じまたはそれに近くそれより小さい直径の円断面を有する円管状の内壁、および側面から成り、
前記環状体の軸（前記第二の円周の中心を通る）を含む断面は、前記内壁に対応する第一の直線と、前記底面に対応する第二の直線または外に向かって凹の円弧等の第一の曲線と、前記側面に対応する第三の直線または外に向かって凸の円弧等の第二の曲線とで主として囲まれる、三角形またはそれに類似の三角図形で成り、
前記凸レンズは前記環状体の前記内壁の光源側の端またはこの端に近い中間部に設けられ
前記環状体の前記底面は、その外縁から内縁に向かい前記基板の面から遠ざかる傾斜を有することを特徴とする照明装置。
【請求項２】
前記断面が前記第一の直線と、前記第一の曲線と、前記第二の曲線または前記第三の直線とで主として囲まれる、請求項１の照明装置。
【請求項３】
前記第一の曲線が円弧である、請求項１または２の照明装置。
【請求項４】
前記半導体発光素子が発光ダイオードである、請求項１の照明装置。
【請求項５】
基板上に複数の前記発光素子を有し、各発光素子に対し個別に前記透過性光学素子を設けた、請求項１の照明装置。
【請求項６】
１以上の前記発光素子に対して異なる前記透過性光学素子を設けた、請求項５の照明装置。
【請求項７】
第一の円周を外縁とする凸レンズと、
前記第一の円周と同心で、直径がそれより大きい第二の円周を外縁とし、前記凸レンズの周りを囲む、透明な環状体とから成り、
この環状体は、光を入射させる底面、前記第一の円周と同心で、同じまたはそれに近いがそれより小さい直径の、円断面を有する円管状の内壁、および側面から成り、
前記環状体の軸（前記第二の円周の中心を通る）を含む断面は、外周が前記内壁に対応する第一の直線と、前記底面に対応する、外に向かって凹の円弧等の第一の曲線と、前記側面に対応する、外に向かって凸の円弧等の第二の曲線とから成る、三角形に類似の三角図形の１対から成り、
前記底面は、内縁が外縁を含む平面に対し負の高さを有し、
前記凸レンズは、前記環状体の前記内壁の底面に近い端、またはこの端に近い中間部に、設けられることを特徴とする、光学素子。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は照明装置に関し、特に所要の円内でほぼ均一な照度を得られる、エネルギー効率のすぐれた照明装置に関する。
【背景技術】
【０００２】  半導体発光素子を光源とする照明装置は、光源から前面に放出された光の一部が拡散するため、照射野内での照度が不均一になる傾向がある。照度の均一化のために多くの工夫がなされ、特許情報として開示されている。【０００３】  特許公開２００６−２４３６０３号（特許文献１）に開示されている照明装置は、発光ダイオードと照射角度制御のためのレンズから成り、回転対称な透明部材から成るレンズが、機能の異なる４つの領域を有する。４つの領域とは、光源側の中央部に位置する光入射領域と、その周囲の反射領域と、光源から遠い側の中央部の第一の光射出領域と、それを囲む第二（内側）、第三（外側）の光射出領域である。光入射領域は凹曲面から成り、第三の光射出領域は円錐面または凹曲面、その他の三者は凸曲面から成る。【０００４】  光入射領域から光軸に近い方向に入射した光は、第一の光射出領域を通り収束されて正面に進む。光軸から離れた方向に入射した光は、一部は反射領域で反射（大部分は全反射と思われる）され、第三の光射出領域から前方へ放出され、光軸にやや近い他の部分は直接第二の光射出領域に達し、前方へ放出される。【０００５】  図５は、特許文献１に記載された従来の照明装置を示す。照明装置８０は半球形状のＬＥＤ素子８２とレンズ（集光素子）８１から成る。レンズ８１は軸Ｘに関して回転対称な形状の透明部材から成る。レンズ８１は中央部の凸曲面領域Ａ、周辺側の曲面領域Ｂ、曲面反射領域Ｃ、中央部の凹曲面入射領域Ｄ、領域Ａと領域Ｂの間に設けた凸曲面領域Ｅを有する。ＬＥＤ素子８２は凹曲面入射領域Ｄに向かい合って配置されている。ＬＥＤ素子８２とレンズ８１は光軸を一致させてある。【０００６】  ＬＥＤ８２から凹曲面入射領域Ｄに入射した光のうち、凸曲面領域Ａに達した光は前方正面に放出される。曲面反射領域Ｃに向かった光は、この領域で反射され、周辺側の曲面領域Ｂを経て前方に放出される。レンズ８１の屈折率と曲面領域の曲率はそのように選ばれている。これら２方向の光の間に相当する部分の光は、領域ＡとＢの間の凸曲面領域Ｅを経て前方に放出される。【０００７】  特許第４３７７２１１号（特許文献２）には、軸に近い第一の部分からは比較的大きい拡散角度で前方に光を射出させ、その周りの第二の部分からは比較的小さい拡散角度で放出させるようにした集光レンズを用い、被照射面に矩形状の配光パターンを形成させる照明灯が記載されている。【０００８】  図６は、特許文献２に記載された照明装置の要部を示す。照明装置９０は発光ダイオード９２とレンズ９３で構成され、それらの光軸は一致させてある。両者の間には透明な保護板９４を具える。レンズ９３は平凸レンズで、光軸に近い第一領域９３Ａと周辺の第二領域９３Ｂに分かれており、第一領域９３Ａの凸面は比較的小さい曲率（平均的）を有し、第二領域９３Ｂの凸面はそれより大きい曲率（平均的）を有している。【０００９】  発光ダイオード９２からレンズ９３に入射した光は、光軸に近い第一領域９３Ａでは光軸に対し比較的大きい角度に放射され、一方、光軸から離れた第二領域９３Ｂでは比較的小さい角度に収束される。その結果、図中に代表的軌跡Ｌ１，Ｌ２で示すように、第一領域９３Ａからの��Ｌ１のうち外寄りのものと、第二領域９３Ｂからの光Ｌ２のうち光軸寄りのものとが重なり、光軸に対する角度のやや大きい位置での照度低下が補われ、角度の広い範囲で全体に均等化された照度が得られるとされる。【００１０】
【特許文献１】  特許公開２００６−２４３６０３号公報
【特許文献２】  特許第４３７７２１１号公報
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】  特許文献１に記載されたレンズは、光軸方向の厚さが大きく、さらに横（光軸から離れる方向）に張り出した反射領域を有するので、重量が大きい。
【００１２】  特許文献２に記載されたレンズも、全体として光軸方向の厚さが大であるため、重量が大きい。レンズの重量が大きいことは照明装置全体を重くし、使用時に問題がなくても、設置や交換のため多数を持ち運ぶ際作業者の負担が大きい。
【００１３】  また、この構造では入射面から射出面までの距離が第一の部分で特に長いため、レンズ内での光吸収が大きくなり、光量の損失が少なくない。
【００１４】  さらに特許文献１、２のいずれについても、発光素子の前面に設けられたレンズが厚いため、レンズを介しての放熱が妨げられ、長時間使用したとき発光素子自体およびレンズ背面（光源側）の温度上昇が大きくなる。特に特許文献１の照明装置は、発光素子と集光レンズが密着している構造であるため、レンズの光源側部分の温度上昇が大きい。
【００１５】  本発明の目的は、半導体発光素子を光源とする照明装置において、軽量のレンズを用いて被照射面の照度が均一化された照明装置を得ることにある。
【００１６】  本発明の他の目的は、半導体発光素子を光源とする照明装置において、被照射面の照度が均一化され、しかもレンズ内での光吸収が少なく、効率のよい照明装置を得ることにある。
【００１７】  さらに本発明の目的は、被照射面の照度が均一化され、しかもレンズを介しての放熱が改善された照明装置を得ることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】  上記目的を達するため本発明の照明装置は、基板とその１面に設けられた発光ダイオード等の半導体発光素子と、この半導体発光素子に対面して同軸に設けたレンズ等の透過性光学素子とから成る照明装置において、透過性光学素子は、第一の円周を外縁とする凸レンズと、第一の円周と同心で直径がそれより大きい第二の円周を外縁とし、凸レンズの周りを囲む環状体とから成り、この環状体は、半導体発光素子に臨む底面、第一の円周と同心で、同じ又はそれに近くそれより小さい直径の円断面を有する円管状の内壁、および側面から成り、環状体の軸（第二の円周の中心を通る）を含む断面は、内壁に対応する第一の直線と、底面に対応する第二の直線または外に向かって凹の円弧等の第一の曲線と、側面に対応する第三の直線または外に向かって凸の円弧等の第二の曲線とで主として囲まれる、三角形またはそれに類似の三角図形で成り、凸レンズは環状体の内壁の光源側の端またはその端に近い中間部に設けられ、環状体の底面は、その外縁から内縁に向かい基板の面から遠ざかる傾斜を有することを特徴とする。
【００１９】  半導体発光素子の典型例は発光ダイオードである。透過性光学素子は、凸レンズと、その周りを囲む環状の凸レンズ（以下、環状体）である。
【００２０】  環状体は、半導体発光素子を設けた基板に対面する底面、第一の円周と同心で、同じ直径又はそれに近くそれより小さい直径の円断面を有する円管状の内壁、および側面から成る。環状体の中心を通る軸を含む断面は、第一、第二、第三の直線で囲まれた三角形であってもよいし、円管状の内壁に対応する直線と、底面に対応する外（そと）に凹の曲線（第一の）と、側面に対応する外に凸の曲線（第二の）で囲まれる図形でもよい。側面に対応する外に凸の曲線を直線に替えてもよい。環状体は、そのような断面を軸の回りに回転させて成る回転体に相当する。いわば、底に孔の開いた盃を伏せたような形状である。環状体の上端（光源から遠い端）の一部に平面の部分を有してもよい。
【００２１】  円管状の内壁の光源側の端に凸レンズが設けられる場合、環状体の底面の内側（中心に近い側）の部分に凸レンズの外縁部分が貫入してもよい。このとき凸レンズの直径は環状体の内壁の直径より大きい。
【００２２】  環状体は、軸を含む断面が三角形である場合には環状プリズムであり、光収束作用は小さいが、照射野の中心部の明るさを向上させる効果がある。
【００２３】  環状体は、ガラス、アクリル樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリカーボネート、スチロール樹脂、エポキシ樹脂、その他の透明な固体材料で構成することができる。原則的には無色であるが、色相調節等のため着色してもよい。表面の一部をマット化してもよい。
【００２４】  光源が基板上に複数の発光素子を有する場合には、発光素子の前面に個別に光学素子を設けてもよい。必要に応じ、複数の発光素子に対して異なる形状の光学素子を用いてもよい。基板上に同心円状あるいは放射状等に複数の発光素子を配列した照明装置では、外側寄りの発光素子に中心付近のものより集光作用の強い光学素子を用いてもよい。発光素子と光学素子は厳密に同軸とは限らず、前者が後者の光軸から若干ずれていてもよい。
【発明の効果】
【００２５】  本発明によると、発光ダイオード等の半導体発光素子を光源とする照明装置において、軽量のレンズを用いて被照射面の照度を均一化することができる。また本発明によれば、半導体発光素子を光源とする照明装置において、レンズ内での光吸収による照度低下を招くことなく、被照射面の照度を均一化することができる。さらに本発明によれば、レンズを介しての放熱を妨げることなしに、被照射面の照度を均一化することができ、長時間使用したときの温度上昇を抑えることができる。
【００２６】  本発明で用いる透過性光学素子は、中央部の凸レンズに特に厚いレンズを用いる必要がなく、通常の厚さの凸レンズを用いているから、従来の照明装置と異なり、照明装置の重量を大きくせずに被照射面の照度を均一化することができる。そればかりでなく、厚いレンズ内での光吸収による照度低下も避けられる。さらに、レンズを介しての放熱も妨げられないので、長時間使用したときの温度上昇を抑えて、均一な照度分布を得ることができる。
【００２７】  本発明の照明装置において環状体は、その底面が外縁から内縁に向かい基板面から遠ざかる傾斜を有するようになっているため、環状体の底部も、その軸寄りに配置される凸レンズも、高温になる光源から離れるから、光源に密接する場合に比し温度が上昇しにくい。
【００２８】  本発明の装置において中央部に配置される凸レンズは、環状体を貫通する円筒管の底部または中間部に位置するから、凸レンズを通った光は管の内壁で反射されて、広角の散乱が妨げられ、照射野の中央付近の照度が向上する。すなわち、環状体は凸レンズに対してフードの役割をする。
【発明の実施のための最良の形態】
【００２９】（第一の実施形態の構成）
図１および図２は、本発明の第一の実施形態である照明装置を示す。図１は平面図、図２は光軸を含む平面での断面図である。照明装置１０は、発光ダイオード素子１と、その上を覆うレンズ部２で構成される。発光ダイオード素子１は基板１ｂの上に、スペース３を利用して搭載されている。レンズ部２は、凸レンズ部２Ａと環状レンズ部２Ｂから成る。凸レンズ部２Ａは光源側（背面）の球面２ａと光源から遠い側（前面）の球面２ｂとで形成されている。環状レンズ部２Ｂは、軸方向には主として前面側の球面２ｅと背面側の球内面２ｄで、半径方向には円筒内面２ｃで、それぞれ規定される環状体である。環状レンズ部２Ｂの外周には連結部２ｇを有している。
【００３０】（第一の実施形態の動作）
発光ダイオード素子１から出た光のうち、レンズ部２の光軸に近い部分は、球面２ａから凸レンズ部２Ａに入り、その前面の球面２ｂを経てレンズ部の前方に向かい、被照射面の中央付近を照明する。球面２ｂから光軸に対してやや大きい角度に進む光は、大部分が円筒内面２ｃで１回以上反射され、被照射面中央付近の照明を補強する。
【００３１】  発光ダイオード素子１から出て、レンズ部２の光軸から離れた方向に向かう光は、球内面２ｄから環状レンズ部２Ｂに入り、前面の球面２ｅを経て環状レンズ部の前方に向かい、被照射面の外寄りの領域を主に照明する。そのほか、一部の光は環状レンズ部前端の平坦部２ｆを経て放出される。
【００３２】（第一の実施形態の効果）
光軸に近い部分の凸レンズの厚みが小さいから、集光レンズ全体、従って照明装置全体が軽くなり、レンズ内での光吸収による照度低下も極めて小さい。すなわち、従来の照明装置のような厚い（軸長の大きい）レンズ内での光吸収を避け、被照射面の照度が均一化された、軽量のＬＥＤ照明装置を実現することができる。また、全体が厚いレンズを用いる場合のように、レンズを介しての放熱が妨げられることがないため、長時間使用したときの発光素子周辺の温度上昇を抑えて、被照射面の照度の均一化を実現することができる。
【００３３】（第二の実施の形態）
図３は第二の実施の形態による照明装置を示し、レンズ側からの平面図である。この照明装置２０は、２つの円周に沿って配置された９個および３個のＬＥＤ照明ユニット２１および２２で構成されている。これらの照明ユニットは図１および図２に示す照明装置１０と同じ構造を有する。図１の連結部２ｇの延長がベース４に相当する。
【００３４】  図４は図３中の切断線Ａ−Ａに沿った断面を示す。ＬＥＤ照明ユニット２１および２２の構造および作用（動作、効果）は第一の実施形態の照明装置１０と同じであるため、説明は省略する。
【実施例】
【００３５】  第二の実施の形態における照明装置２０を、ＬＥＤ照明ユニット２１に消費電力１Ｗ、色温度３４００°ＫのＬＥＤ発光素子、ＬＥＤ照明ユニット２２に消費電力１Ｗ、色温度６５００°ＫのＬＥＤ素子を、それぞれ用いて製作した。レンズ部の各部寸法は表１の通りとした。
【表１】
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【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第一の実施形態である照明装置を示す平面図
【図２】  同上断面説明図
【図３】  第二の実施の形態による照明装置の平面図
【図４】  同上断面説明図
【図５】  従来の照明装置を示す断面説明図（特許文献１対応）
【図６】  従来の照明装置を示す断面説明図（特許文献２対応）
【符号の説明】１      発光ダイオード素子
１ｂ    基板
２      レンズ部
２Ａ    凸レンズ部
２Ｂ    環状レンズ部
２ａ，２ｂ    球面
２ｃ    円筒内面
２ｄ    球内面
２ｅ    球面
２ｆ    平坦部
２ｇ    連結部
３      スペース
４      ベース
１０    照明装置
２０    照明装置
２１，２２    ＬＥＤ照明ユニット
８０    照明装置
８１    レンズ
８２    ＬＥＤ素子
Ａ      凸曲面領域
Ｂ      曲面領域
Ｃ      曲面反射領域
Ｄ      凹曲面入射領域
Ｅ      凸曲面領域
９０    照明装置
９２    発光ダイオード
９２ａ  発光点
９３    レンズ
９３Ａ  第一領域
９３Ｂ  第二領域
９４    保護板
【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図３】
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【図５】
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【図６】
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