(57)【要約】【課題】単レンズにおいて大きい発散角が得られる照明用レンズを提供する。【解決手段】光源１と、光源１側に配置され、光源１からの光を平行光に近づけるためのコリメータ面３と、コリメータ面３と対向し、光を集光して発散させる発散側集光領域４１、及び光を全反射後、屈折して発散させる発散側全反射領域４２を含む発散面４とを有する照明用レンズ２とを備える。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、
前記光源側に配置され、前記光源からの光を平行光に近づけるためのコリメータ面と、前記コリメータ面と対向し、前記光を集光して発散させる発散側集光領域、及び前記光を全反射後、屈折して発散させる発散側全反射領域を含む発散面とを有する照明用レンズ
とを備えることを特徴とする照明装置。
【請求項２】
前記発散面において、前記発散側集光領域、及び前記発散側全反射領域の組み合わせをユニットとして、該ユニットが、複数個マトリクス状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
【請求項３】
前記発散側全反射領域は、
前記光を全反射する発散側全反射部と、
前記発散側集光領域と前記発散側全反射部との間に配置され、前記発散側全反射部で全反射した光を屈折して発散させる発散側屈折部
とを備えることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
【請求項４】
前記発散側屈折部が、更に前記光を全反射し、
前記発散側全反射部が、更に前記発散側屈折部で全反射した光を屈折することを特徴とする請求項３に記載の照明装置。
【請求項５】
前記コリメータ面が、
前記光源からの光を屈折させる入射側屈折領域と、
前記入射側屈折領域の周囲に配置され、前記光源からの光を屈折後、全反射する入射側全反射領域
とを備えることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
【請求項６】
前記コリメータ面が、フレネルレンズ面であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の照明装置。
【請求項７】
前記コリメータ面及び前記発散面のいずれかの少なくとも一部が、プリズムからなることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の照明装置。
【請求項８】
前記コリメータ面及び前記発散面のいずれかが、円柱レンズ面であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の照明装置。
【請求項９】
前記光源が、発光ダイオードであることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の照明装置。
【請求項１０】
光源からの光で照明するときに使用する照明用レンズであって、
前記光源側に配置され、前記光源からの光を平行光に近づけるためのコリメータ面と、
前記コリメータ面と対向し、前記光を集光して発散させる発散側集光領域、及び前記光を全反射後、屈折して発散させる発散側全反射領域を含む発散面
とを備えることを特徴とする照明用レンズ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、照明用レンズ、及び照明用レンズを用いた照明装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、白色発光ダイオード（ＬＥＤ）照明器具等の照明装置において、所望の外観、光の利用効率、照度分布の均一性を得るには、光源からの光を平行光にするコリメーション光学系と、平行光を発散させる発散光学系とを用いることが効果的であることが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
例えば、従来の照明装置では、１枚の照明用レンズ（単レンズ）の光源側に光源からの光を平行光にするコリメータ面を設け、コリメータ面と対向する面に平行光を発散させる発散面を設けている。コリメータ面は、光源からの光を屈折するか、或いは屈折した後にレンズ内部で全反射して平行光にする。一方、発散面は、複数個の凸レンズ領域を有し、凸レンズ領域で平行光を屈折させて発散させる。
【０００４】
発散面においては、各凸レンズ領域の曲率により発散角が決まる。しかしながら、凸レンズ領域に対する平行光の入射角の値が臨界角を超えると、平行光が凸レンズ領域により全反射してしまい、発散されない場合がある。このため、単レンズにおいて、高い効率で発散角を大きくとることができなかった。
【特許文献１】特開２００１―２６４８５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、単レンズにおいて大きい発散角を取る場合でも光の利用効率が高い照明用レンズ及びこれを用いた照明装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本願発明の一態様によれば、（イ）光源と、（ロ）光源側に配置され、光源からの光を平行光に近づけるためのコリメータ面と、コリメータ面と対向し、光を集光して発散させる発散側集光領域、及び光を全反射後、屈折して発散させる発散側全反射領域を含む発散面とを有する照明用レンズとを備える照明装置が提供される。
【０００７】
本願発明の他の態様によれば、光源からの光で照明するときに使用する照明用レンズであって、（イ）光源側に配置され、光源からの光を平行光に近づけるためのコリメータ面と、（ロ）コリメータ面と対向し、光を集光して発散させる発散側集光領域、及び光を全反射後、屈折して発散させる発散側全反射領域を含む発散面とを備える照明用レンズが提供される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、単レンズにおいて大きい発散角を取る場合でも光の利用効率が高い照明用レンズ及びこれを用いた照明装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。また、以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の技術的思想は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。なお、本明細書中に記載する「全反射」とは、光技術分野における「全反射」、すなわち臨界角を越えて光が入射した際の反射作用を意味する。
【００１０】
本発明の実施の形態に係る照明装置は、図１に示すように、光源（発散光源）１、光源１からの光を平行光にする（近づける）コリメータ面３と、平行光を集光して発散させる発散側集光領域４１、及び平行光を全反射後、屈折させて発散させる発散側全反射領域４２を含む発散面４とを有する照明用レンズ２とを備える。
【００１１】
光源１としては、例えばＬＥＤが使用可能である。照明用レンズ２の材料としては、アクリル樹脂、ポリカーボネート、又は高密度ポリエチレン等が使用可能である。
【００１２】
コリメータ面３としては、例えば、小レンズを輪帯状に配列したフレネルレンズ面が使用可能である。コリメータ面３は、図１及び図２に示すように、中央に配置された入射側屈折領域３１と、入射側屈折領域３１の周囲に同心円状に配置された入射側全反射領域３２を備える（図２に示すＡ−Ａ方向に沿った断面図が図１に対応する。）。中央の入射側屈折領域３１は、光源１からの光を屈折させて平行化する。周囲の入射側全反射領域３２は、光源１からの光を屈折させて、屈折した光をレンズ内部で全反射することにより、平行化する。入射側全反射領域３２は、光源１からの光を屈折させる入射側屈折部３２ａと、入射側屈折部３２ａに連続して配置され、入射側屈折部３２ａにより屈折した光をレンズ内部で全反射する入射側全反射部３２ｂを備える。入射側屈折部３２ａ及び入射側全反射部３２ｂは、交互に周期的に配置されている。
【００１３】
図１に示した発散面４は、例えば、図３及び図４に示すように、発散側集光領域４１、及び発散側全反射領域４２の組み合わせからなるユニットが、複数個マトリクス状に配置されている。図３に示すように、発散側集光領域４１が平面上からみて円形であり、発散側全反射領域４２が発散側集光領域４１の周囲を取り囲むように配置されていても良い（図３に示すＢ−Ｂ方向に沿った断面図が図１に対応する。）。或いは、図４に示すように、発散側集光領域４１が平面状からみて矩形であり、発散側全反射領域４２が発散側集光領域４１の周囲を取り囲むように配置されていても良い（図４に示すＣ−Ｃ方向に沿った断面図が図１に対応する。）。
【００１４】
発散側集光領域４１は、凸レンズ面である。発散側集光領域４１に対する平行光の入射角θ1は、臨界角よりも小さい。発散側集光領域４１は、平行光を屈折させて集光点Ｐに集光させて、発散させる。発散側集光領域４１を複数個、マトリクス状に周期的配置することで照度ムラを低減できる。
【００１５】
発散側全反射領域４２は、平行光を全反射してから屈折させて、各発散側全反射領域４２が取り囲む発散側集光領域４１の集光点Ｐに集光させて発散させる。発散側全反射領域４２により発散させた光は、発散側集光領域４１により発散させた光よりも発散角が大きい。
【００１６】
発散側全反射領域４２は、発散側全反射部４２ａと、発散側集光領域４１と発散側全反射部４２ａとの間に配置された発散側屈折部４２ｂを備える。発散側全反射部４２ａに対する平行光の入射角θ2は、臨界角よりも大きい。発散側全反射部４２ａは、平行光を全反射する。発散側屈折部４２ｂは、平行光に略平行な面であり、発散側全反射部４２ａにより全反射した光を屈折する。
【００１７】
次に、本発明の実施の形態に係る照明装置を用いた照明方法を、図１を用いて説明する。
【００１８】
（イ）光源１からの光のうち、コリメータ面３の入射側屈折領域３１に入射した光は屈折作用により平行化される。
【００１９】
（ロ）他方、光源１からの光のうち、コリメータ面３の入射側全反射領域３２に入射した光は屈折し、レンズ内部で全反射されて、平行化される。
【００２０】
（ハ）平行光のうち、発散面４の発散側集光領域４１に達した光は屈折し、集光点Ｐに集光されて、発散する。
【００２１】
（ニ）他方、平行光のうち、発散面４の発散側全反射部４２ａに入射した光は、レンズ内部で全反射される。全反射した光は、発散側屈折部４２ｂにより屈折して集光点Ｐに集光され、発散する。
【００２２】
本発明の実施の形態によれば、発散面４において、発散側全反射領域４２の発散側全反射部４２ａにより平行光を全反射させてから、発散側屈折部４２ｂで屈折させて発散させるので、発散側集光領域４１よりも大きい発散角を得ることが可能となる。
【００２３】
更に、発散側全反射領域４２の発散側全反射部４２ａにより全反射してから発散側屈折部４２ｂで屈折して発散することができるので、複数の凸レンズのみ配置した場合と比べて、発散されない平行光がなくなり、光の利用効率を向上することができる。
【００２４】
（第１の変形例）
本発明の実施の形態の第１の変形例として、照明用レンズ２の他の一例を説明する。本発明の実施の形態の第１の変形例に係る照明用レンズ２は、図５に示すように、発散面４の発散側全反射領域４２の断面形状が、図１に示した照明装置と異なる一例を説明する。第１の変形例においては、発散側全反射領域４２の発散側全反射部４２ａ及び発散側屈折部４２ｂのそれぞれは、略対称構造をなし、全反射作用及び屈折作用を共有する。即ち、発散側全反射部４２ａは、コリメータ面３からの平行光を全反射すると共に、発散側屈折部４２ｂにより全反射した光を屈折して発散させる。発散側屈折部４２ｂは、発散側全反射部４２ａにより全反射された光を屈折して発散させると共に、コリメータ面３からの平行光を全反射する。他の構成は、図１に示した照明装置の構成と実質的に同様であるので、重複した説明を省略する。
【００２５】
本発明の実施の形態の第１の変形例に係る照明方法を、図５を用いて説明する。
【００２６】
（イ）光源１からの光のうち、コリメータ面３の入射側屈折領域３１に入射した光は、屈折作用により平行化される。
【００２７】
（ロ）他方、光源１からの光のうち、コリメータ面３の入射側全反射領域３２に入射した光は屈折し、レンズ内部で全反射して、平行化される。
【００２８】
（ハ）平行光のうち、発散面４の発散側集光領域４１に達した光は屈折して集光点Ｐに集光され、発散する。
【００２９】
（ニ）他方、平行光のうち、発散側全反射領域４２の発散側全反射部４２ａに達した光は全反射され、全反射された光は発散側屈折部４２ｂにより屈折して、集光点Ｐに集光され、発散する。また、平行光のうち、発散側全反射領域４２の発散側屈折部４２ｂに達した光は全反射され、全反射された光は発散側全反射部４２ａにより屈折して、集光点Ｐに集光され、発散する。
【００３０】
本発明の実施の形態の第１の変形例によれば、各発散側全反射領域４２の発散側全反射部４２ａ及び発散側屈折部４２ｂのそれぞれに、全反射作用及び屈折作用を共用させることで、発散面４の形状を単純化することができ、成形性を向上させることができる。
【００３１】
（第２の変形例）
本発明の実施の形態の第２の変形例として、照明用レンズ２の他の一例を説明する。本発明の実施の形態の第２の変形例に係る照明用レンズ２は、発散側集光領域４１及び発散側全反射領域４２の周期的配置のトポロジーが、図３及び図４とは異なり、図６に示すように、円柱レンズ（シリンドリカルレンズ）を用いて１次元の周期的配置をなしている。ここで、シリンドリカルレンズとは、入射光に対し、レンズの幅方向（曲率方向）に変化を与え、長さ方向には変化を与えずに線状の光線を形成するレンズである。光源１は、蛍光灯等の円柱状の光源１であり、照明用レンズ２の長さ方向に沿って延伸している。他の構成は、図５に示した照明装置と実質的に同様であるので、重複した説明を省略する。
【００３２】
本発明の実施の形態の第２の変形例に係る照明方法を、図６を用いて説明する。
【００３３】
（イ）光源１からの光のうち、コリメータ面３の入射側屈折領域３１に入射した光は、屈折作用によりレンズ内部で幅方向に平行化される。
【００３４】
（ロ）他方、コリメータ面３の入射側全反射領域３２に入射した光は屈折し、全反射されて、レンズ内部で幅方向に平行化される。
【００３５】
（ハ）平行光のうち、発散側集光領域４１に達した光は、屈折作用により幅方向に発散する。
【００３６】
（ニ）他方、発散側全反射領域４２に達した光は全反射され、屈折されて発散する。
【００３７】
本発明の実施の形態の第２の変形例によれば、照明用レンズ２としてシリンドリカルレンズを用いることが可能である。シリンドリカルレンズは、蛍光灯等の円柱状の光源１を用いた照明器具に対して有効であり、一方向のみに発散させたい場合に有効である。
【００３８】
（第３の変形例）
本発明の実施の形態の第３の変形例として、照明用レンズ２のコリメータ面３の種々の変形例を説明する。
【００３９】
例えば、図７に示すように、コリメータ面３が、１つの曲面からなる入射側屈折領域（凸レンズ面）３１であっても良い。また、図８に示すように、コリメータ面３が、屈折作用のみを利用するフレネルレンズからなる入射側屈折領域３１であっても良い。また、図９及び図１０に示すように、コリメータ面３が、全反射作用を利用したレンズ面であっても良い。図１０に示すＤ−Ｄ方向に沿った断面図が図９に対応する。コリメータ面３が、光源からの光を屈折させて平行光にする入射側屈折領域３１と、入射側屈折領域３１の周囲に配置され、光源からの光を屈折し全反射して平行光とする入射側全反射領域３２とを備える。
【００４０】
本発明の実施の形態の第３の変形例によれば、コリメータ面３としては、光源１からの発散光を平行化可能な形状であれば、フレネルレンズ面に限定されず、種々のレンズ面を使用可能である。
【００４１】
（第４の変形例）
本発明の実施の形態の第４の変形例として、コリメータ面３及び発散面４は、必ずしも断面形状が曲面でなくても良い。照明装置の光学系は、高精度に像を作ることよりも、一様に光で照らすことを目的とする。このため、コリメータ面３及び発散面４の少なくともいずれかの、少なくとも一部の断面形状の曲面を、多角形のポリゴンやプリズムに置き換えることで、レンズとしての機能よりも成形性を優先させることができる。
【００４２】
例えば、図１１に示すように、コリメータ面３の入射側全反射領域３２に、断面形状が線分からなるプリズムを利用しても良い。各線分はレンズ全体に比べて小さいため、置き換えたことによる照明特性への影響は小さく、成形性を大幅に向上することができる。更に、照明装置では、曲面を線分に置き換えることで照度ムラを低減する効果もある。
【００４３】
本発明の実施の形態の第４の変形例によれば、コリメータ面３及び発散面４の曲面形状を、ポリゴンやプリズムで近似することができる。
【００４４】
（第５の変形例）
本発明の実施の形態の第５の変形例として、図１に示した照明用レンズ２の他の照明装置への適用例を説明する。本発明の実施の形態の第５の変形例に係る照明装置は、図１２に示すように、光源１１、光源１１を覆う光源（蛍光体）１２、第１の照明用レンズ２及び第２の照明用レンズ５とを備える。
【００４５】
光源１１は、第１の光を発光する。光源１１としては、半導体発光素子が使用可能である。例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）又はセレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）等の青色光ＬＥＤが使用可能である。光源１２は、第１の光を、異なる波長に変換する。光源１２としては、蛍光体が使用可能である。蛍光体は、例えばイットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）等が使用可能である。
【００４６】
第１の照明用レンズ２は、第１の光源１１からの第１の光、及び第２の光源１２からの第２の光を平行光にする第１のレンズ面（コリメータ面）３、及び平行光を発散させる第２のレンズ面（発散面）４を備える。
【００４７】
第２の照明用レンズ５は、第１の照明用レンズ２と同様に、アクリル樹脂、ポリカーボネート、又は高密度ポリエチレン等で形成されている。第２の照明用レンズ５は、第３のレンズ面（フライアイレンズ面）６と、第４のレンズ面（平面レンズ面）７を備える。第４のレンズ面７からの光は、照明対象８を照明して照明領域８１，８２を形成する。
【００４８】
図１２に示した照明装置は、店舗照明、オフィス照明、住宅照明等、大光量を必要とする照明装置として構築されている。本発明の実施の形態の第５の変形例によれば、照明用レンズ２を、種々の照明装置に適用可能である。
【００４９】
（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。例えば、発散側集光領域４１及び発散側全反射領域４２の数は特に限定されない。このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の実施の形態に係る照明装置の一例を示す断面図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る照明用レンズのコリメータ面の一例を示す平面図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る照明用レンズの発散面の一例を示す平面図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る照明用レンズの発散面の他の一例を示す平面図である。
【図５】本発明の実施の形態の第１の変形例に係る照明装置の一例を示す断面図である。
【図６】本発明の実施の形態の第２の変形例に係る照明装置の一例を示す斜視図である。
【図７】本発明の実施の形態の第３の変形例に係る照明装置の一例を示す断面図である。
【図８】本発明の実施の形態の第３の変形例に係る照明装置の他の一例を示す断面図である。
【図９】本発明の実施の形態の第３の変形例に係る照明装置の更に他の一例を示す断面図である。
【図１０】本発明の実施の形態の第３の変形例に係る照明用レンズのコリメータ面の一例を示す平面図である。
【図１１】本発明の実施の形態の第４の変形例に係る照明装置の一例を示す断面図である。
【図１２】本発明の実施の形態の第５の変形例に係る照明装置の一例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００５１】
１…光源
２…照明用レンズ
３…コリメータ面
４…発散面
３１…入射側屈折領域
３２…入射側全反射領域
３２ａ…入射側屈折部
３２ｂ…入射側全反射部
４１…発散側集光領域
４２…発散側全反射領域
４２ａ…発散側全反射部
４２ｂ…発散側屈折部
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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