(57)【要約】【課題】ＬＥＤ照明装置において、発光面の大きなチップオンボード（ＣＯＢ）方式のＬＥＤにおいても、狭角から広角までの任意のビーム広がり角の配光を、高い正面光度、高い光の利用効率で得たい。【解決手段】ＬＥＤの正面に２枚の透明なレンズを備えたＬＥＤ照明装置であって、レンズ３（第一のレンズ）をチップオンボード（ＣＯＢ）方式のＬＥＤ１に近接して配置し、レンズ４（第二のレンズ）をＬＥＤ１からレンズ３（第一のレンズ）より遠方に配置し、前記レンズ４（第二のレンズ）が光軸方向に移動可能で、レンズ３（第一のレンズ）との間隔を調節可能であり、レンズ３（第一のレンズ）のＬＥＤ側の面の近似曲率をＣ１、出光側の面の近似曲率をＣ２、およびレンズ４（第二のレンズ）のＬＥＤ側の面の近似曲率をＣ３、出光側の面の近似曲率をＣ４とした場合、Ｃ１＜Ｃ２かつＣ３＜Ｃ４の関係が満たされていることを特徴とする。【選択図】図１
2012174601.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一のレンズと、
第二のレンズと、
光源を取り付け、光源からの光の出光方向に、第一のレンズを配置し、さらに、第二のレンズを配置する固定筒とを備え、
第一のレンズの光源側の面の近似曲率をＣ１とし、
第一のレンズの出光側の面の近似曲率をＣ２とし、
第二のレンズの光源側の面の近似曲率をＣ３とし、
第二のレンズの出光側の面の近似曲率をＣ４とした場合、
Ｃ１＜Ｃ２、かつ、Ｃ３＜Ｃ４
であることを特徴とする照明装置。
【請求項２】
前記第一のレンズの出光側の面の近似曲率Ｃ２と、第二のレンズの出光側の面の近似曲率Ｃ４との関係は、Ｃ２／Ｃ４＝１．５〜５．０であることを特徴とする請求項１記載の照明装置。
【請求項３】
第一のレンズの焦点距離ｆ１と第二のレンズの焦点距離ｆ２とは以下の関係があることを特徴とする請求項１又は２記載の照明装置。
ｆ１＝（ｓ×（ｆ２−ｄ））／（ｆ２−ｓ−ｄ）
ｆ２＝ｄ／（１−ｓ×θ／Ｄ）
ｆ１：第一のレンズの焦点距離
ｆ２：第二のレンズの焦点距離
ｄ：第一のレンズと第二のレンズの間隔
ｓ：光源の発光面から第一のレンズまでの距離
Ｄ：光源の発光面の直径
θ：ビーム広がり角
【請求項４】
上記光源はチップオンボード（ＣＯＢ）方式のＬＥＤであることを特徴とする請求項１〜３いずれかに記載の照明装置。
【請求項５】
前記固定筒は、第一のレンズと第二のレンズとの間隔を変更する可動セルを備えたことを特徴とする請求項１〜４いずれかに記載の照明装置。
【請求項６】
前記第二のレンズの出光側の面を、フレネルレンズ化したことを特徴とする請求項１〜５いずれかに記載の照明装置。
【請求項７】
前記フレネルレンズの各輪帯におけるレンズ高さを２ｍｍ以上としたことを特徴とする請求項６記載の照明装置。
【請求項８】
前記第二のレンズの光源側の面を、小さな球面レンズを正方格子状、もしくは六方格子状に配列し、レンズアレイとしたことを特徴とする請求項１〜７いずれかに記載の照明装置。
【請求項９】
前記第二のレンズの光源側の面を、直径が順次異なるドーナツ面を、同心円状に何重にも並べたレンズアレイとしたことを特徴とする請求項１〜７いずれかに記載の照明装置。
【請求項１０】
前記第二のレンズの出光側に、絞りを備えたことを特徴とする請求項１〜９いずれかに記載の照明装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＬＥＤ（エルイーディー：Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）光源の正面に２枚の透明なレンズを備え、任意のビーム広がり角の配光を得られるようにした照明装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
スポットライトの光源は従来ハロゲン等の電球であったが、近年、消費電力や寿命に優れた発光ダイオードが用いられるようになった。他にも、発光ダイオードは光源サイズが小さく、器具の大型化を招かなかったことが、光源の置き換えが進んだ理由に挙げられる。以降、発光ダイオードをＬＥＤと称す。
【０００３】
ＬＥＤの発光効率や光束は年々向上しているものの、現時点ではＬＥＤ１個あたりの光束は１００［ｌｍ］程度で、１台あたり数１００［ｌｍ］〜数１０００［ｌｍ］を必要とするスポットライトには複数個のＬＥＤが搭載される。光源がＬＥＤのスポットライトでは、例えば特許文献１で示されるような、ＬＥＤを内包する凹部を有し、屈折と反射の双方を利用した複合型レンズが一般に用いられている。この複合型レンズはＬＥＤ１個ずつに被せられるため、スポットライト１台あたり、搭載されるＬＥＤと同数のレンズが必要である。
【０００４】
一方、近年、低コストと大光量を狙った、プリント基板上に直接半導体発光素子を実装、配線し、蛍光体粉末を含有した透明樹脂で封止するチップオンボード（ＣＯＢ）方式のＬＥＤが登場してきた。一般に、ＣＯＢとはＣｈｉｐＯｎＢｏａｒｄの略であり、集積回路チップをパッケージに加工することなく、直接、回路基板などに集積回路チップを取り付け、集積回路チップの回路を基板の回路パターンと接続する実装技術である。
【０００５】
以降、半導体発光素子をチップと称し、チップオンボード方式のＬＥＤを単にＣＯＢと称す。ＣＯＢではチップを多数密集配置するため、発光面積は従来よりも大きいが、１個のＣＯＢで１０００［ｌｍ］を超える光束も可能である。このため、比較的低出力のスポットライトならば、１台分の光束を１個のＣＯＢで満足できる。
【０００６】
照明用途に用いられるＬＥＤでは、ＣＯＢでも従来同様、青色光を発すチップを黄色の蛍光体粉末を含有した封止樹脂で覆うことで、擬似白色光を生成している。すなわち、発光面を観察すると、チップ間や密集配置されたチップの外周部には、黄色蛍光体しか存在していない領域がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−５２１８号公報
【特許文献２】特開２００９−２０５８７３号公報
【特許文献３】特開２００８−０８０３４８号公報
【特許文献４】特開２００４−１４５２６９号公報
【特許文献５】特開２００３−２２２７９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
個々のＬＥＤに前述した複合型レンズを被せるのは、レンズがＬＥＤの個数分必要となるので、コスト高である。ＣＯＢならば、レンズは１個で済むが、ＣＯＢは発光面が大きいため、本来微小な発光面を想定している本複合型レンズを適用すると、レンズを大型化しなければならず、厚肉化する。本複合型レンズは射出成形によって製造されるため、厚肉レンズでは成形時間がかかり、やはりコスト高である。
【０００９】
また、スポットライトでは、１０［ｄｅｇ］前後の狭角から４０［ｄｅｇ］前後の広角まで、複数のビーム広がり角が求められる。前述した複合型レンズでは、ズームが効かないため、略一つのビーム広がり角に固定される。このため、異なるビーム広がり角を持った複数種のレンズラインナップが必要となり、管理が煩雑であるとか、より多くの在庫を持たなければならないといった課題がある。さらに、ＣＯＢではレンズの大型化を必要最小限に抑えようとすると、狭角のレンズの設計そのものも困難である。
【００１０】
またさらに、透明なレンズを用いたスポットライトでは、ＬＥＤの発光面が被照射面に投影され、チップのイメージが見えるといった課題がある。黄色蛍光体の下に青色発光のチップが存在する箇所では、擬似白色光が投影されるが、チップの存在しない黄色蛍光体のみの箇所では黄色光が投影されることになる。このため、被照射面に薄っすらと黄色の格子模様が見えるなど、色むらが出易い。
【００１１】
本発明は、たとえば発光面が大きいチップオンボード方式のＬＥＤ等の光源に対応した照明装置を提供することを目的としている。また、狭角から広角まで任意のビーム広がり角を選択でき、被照射面の色むらを抑えた照明装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の照明装置は、
第一のレンズと、
第二のレンズと、
光源を取り付け、光源からの光の出光方向に、第一のレンズを配置し、さらに、第二のレンズを配置する固定筒とを備え、
第一のレンズの光源側の面の近似曲率をＣ１とし、
第一のレンズの出光側の面の近似曲率をＣ２とし、
第二のレンズの光源側の面の近似曲率をＣ３とし、
第二のレンズの出光側の面の近似曲率をＣ４とした場合、
Ｃ１＜Ｃ２、かつ、Ｃ３＜Ｃ４
であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明による照明装置は、発光面の大きな光源においても配光を、高い正面光度、高い光の利用効率で得られる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】（ａ）は、本発明の実施の形態１に係る照明装置１０の、狭角側のレンズ配置を表す側面視断面図である。（ｂ）は、本発明の実施の形態１に係る照明装置１０の、広角側のレンズ配置を表す側面視断面図である。
【図２】（ａ）は、図１（ａ）の時の配光を表す図である。（ｂ）は、図１（ｂ）の時の配光を表す図である。
【図３】（ａ）は、第一の比較例の、狭角側のレンズ配置を表す側面視断面図である。（ｂ）は、第一の比較例の、広角側のレンズ配置を表す側面視断面図である。
【図４】（ａ）は、図３（ａ）の時の配光を表す図である。（ｂ）は、図３（ｂ）の時の配光を表す図である。
【図５】（ａ）は、第二の比較例の、狭角側のレンズ配置を表す側面視断面図である。（ｂ）は、第二の比較例の、広角側のレンズ配置を表す側面視断面図である。
【図６】（ａ）は、図５（ａ）の時の配光を表す図である。（ｂ）は、図５（ｂ）の時の配光を表す図である。
【図７】（ａ）は、本発明の実施の形態２に係る照明装置１０の、狭角側のレンズ配置を表す側面視断面図である。（ｂ）は、本発明の実施の形態２に係る照明装置１０の、広角側のレンズ配置を表す側面視断面図である。
【図８】（ａ）は、本発明の実施の形態１に係る照明装置１０における、被照射面の色味を表す図である。（ｂ）は、本発明の実施の形態２に係る照明装置１０において、絞り７を配置しない場合の被照射面の色味を表す図である。（ｃ）は、本発明の実施の形態２に係る照明装置１０において、絞り７を配置した場合の被照射面の色味を表す図である。
【図９】（ａ）は、本発明の実施の形態２に係るレンズ４のＳ３面に設けられた、球面レンズを正方格子状に並べたフライアイレンズを表す図である。（ｂ）は、本発明の実施の形態２に係るレンズ４のＳ３面に設けられた、球面レンズを六方格子状に並べたレンズアレイを表す図である。（ｃ）は、本発明の実施の形態２に係るレンズ４のＳ３面に設けられた、直径の異なるドーナツ面を同心円状に並べたレンズアレイを表す図である。
【図１０】本発明の本実施の形態１の２枚のレンズからなる光学系の、パワー配置と光線の軌跡を表す模式図である。
【図１１】本発明の本実施の形態１のＣＯＢ１とレンズ３の曲率半径との関係を示す図である。
【図１２】本発明の本実施の形態１のレンズ３の焦点距離ｆ１とレンズ４の焦点距離ｆ２との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、添付の図面を用いて、本発明の実施の一形態を説明する。
【００１６】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る照明装置１０の側面視断面図である。照明装置１０は、２枚のレンズ、つまりレンズ３とレンズ４を用いたズームレンズを備えている。図１（ａ）は狭角側のレンズ配置を表す断面図で、図１（ｂ）は広角側のレンズ配置を表す断面図である。
【００１７】
光源であるチップオンボード方式のＬＥＤ（以下、ＣＯＢという）１は、アルミニウム等の金属、ガラスエポキシ樹脂やセラミックなどから成る基板２上に形成されている。基板２には、複数の半導体発光素子すなわち複数のＬＥＤチップが、円状（直径Ｄ）に配列されている。基板２は図示を省略するヒートシンクに固定され、同じく図示を省略する電源よりコネクタやケーブルを介して給電され、ＣＯＢ１は点灯する。
【００１８】
ＣＯＢ１の正面には、近接してレンズ３が配置され、レンズ３より遠方にレンズ４が配置されている。レンズ３とレンズ４は、アクリルやポリカーボネート等の透明樹脂、あるいはガラスなどＣＯＢ１が放射した光を透過する透明な材料で形成されている。
【００１９】
固定筒５は、中空の有底円筒形・有底筒形をしている。固定筒５の底の中央には、ＣＯＢ１と基板２とレンズ３が配置されている。
固定筒５は、レンズ３を保持し、可動セル６はレンズ４を保持するための部材である。可動セル６は、電動又は手動により、固定筒５に対して光軸Ｚの方向に移動可能であり、これによりレンズ４をレンズ３に対して、近づけたり遠ざけたりできるようになっている。固定筒５と可動セル６はアルミニウムやマグネシウム等のダイキャスト製、もしくはプラスチック成形品である。固定筒５の内筒面は、黒染め、さらには遮光旋が施され、内筒面で散乱もしくは正反射される光が、レンズ３とレンズ４により制御される本来の光とは異なる方向へ出射されることで、グレアが発生するのを防いでいる。
【００２０】
以降、レンズ３とレンズ４について記す。
ＣＯＢ１より完全拡散型の配光（どの方向から見ても輝度が等しい配光）で放射された光は、ＣＯＢ１に近接配置されたレンズ３により、そのビーム広がり角が絞られ、次にレンズ４によって再度絞られ、最終的な照明装置１０のビーム広がり角となって出射される。
【００２１】
図１（ａ）のように、レンズ４がレンズ３より遠くに配置された時、狭角ビームが得られ、図１（ｂ）のように、レンズ４がレンズ３の近くに配置された時、広角ビームが得られる。
【００２２】
図２（ａ）に図１（ａ）の時の配光を示し、図２（ｂ）に図１（ｂ）の時の配光を示す。ビーム広がり角は、図２（ａ）で約１０［ｄｅｇ］、図２（ｂ）で４０［ｄｅｇ］弱となっている。ここではビーム広がり角を、最大ピーク光度、通常は放射角０ｄｅｇの、つまり正面光度の、１／２の光度となる２箇所の角度の幅（半値全幅）で定義している。以降、ビーム広がり角は、この角度の幅を指すとする。また、この時、ＣＯＢ１の光束は１４５０［ｌｍ］で、ＣＯＢ１の発光面の大きさは直径φ１０［ｍｍ］であった。
【００２３】
図示は省略するが、図１（ａ）に示すレンズ４の位置と図１（ｂ）に示すレンズ４の位置との間の適当な位置にレンズ４を配置した場合、２０［ｄｅｇ］や３０［ｄｅｇ］の中間的なビーム広がり角が得られる。すなわち、レンズ４を光軸Ｚに沿って可動することで、約１０［ｄｅｇ］の狭角から４０［ｄｅｇ］弱の広角までの任意のビーム広がり角を得ることができる。
【００２４】
レンズ３のＣＯＢ１側の面をＳ１面とし、Ｓ１面の反対側、つまり出射側の面をＳ２面とする。同様にレンズ４のＣＯＢ１側の面をＳ３面とし、Ｓ３面の反対側、つまり出射側の面をＳ４面とする。Ｓ１面〜Ｓ４面は非球面であっても構わないが、Ｓ１面〜Ｓ４面を球面で近似した場合の曲率半径をＲ１〜Ｒ４とし、曲率（近似曲率）をそれぞれＣ１〜Ｃ４とおく。曲率Ｃは、近似球面の曲率半径Ｒの逆数である。Ｃ１〜Ｃ４はＳ１面〜Ｓ４面が凸面の場合、正の値を取り、凹面の場合、負の値を取るとする。これらの曲率（又は近似曲率）Ｃ１〜Ｃ４には次の関係がある。
レンズ３の光源側の面の近似曲率をＣ１とし、
レンズ３の出光側の面の近似曲率をＣ２とし、
レンズ４の光源側の面の近似曲率をＣ３とし、
レンズ４の出光側の面の近似曲率をＣ４とした場合、
Ｃ１＜Ｃ２  かつ  Ｃ３＜Ｃ４      （式１）
【００２５】
ここで、Ｓ１面は凹面でもよく、Ｃ１は負の値でもよい。
Ｓ２面は凸面でなければならず、Ｃ２は常に正の値である。
Ｓ３面は凹面でもよく、Ｃ３は負の値でもよい。
Ｓ４面は凸面でなければならず、Ｃ４は常に正の値である。
【００２６】
（式１）の関係の必要性を説明するため、第一の比較例を図３に示す。第一の比較例ではＣＯＢ１に近接したレンズ３が無く、レンズ４のみによって狭角から広角までの配光が作られている。図３（ａ）が狭角側のレンズ配置を表す断面図で、図３（ｂ）が広角側のレンズ配置を表す断面図である。
【００２７】
さらに、第一の比較例で得られる配光を図４に示す。図４（ａ）に図３（ａ）の時の配光を示し、図４（ｂ）に図３（ｂ）の時の配光を示す。本実施の形態１の配光である図２では、狭角、広角の正面光度がそれぞれ１９０００［ｃｄ］、３２００［ｃｄ］であるのに対し、図４では１４０００［ｃｄ］、２２００［ｃｄ］と大幅に低くなっている。すなわち、ＣＯＢ１から放射される光束のうち照明対象物を照らす光束の割合、つまり光の利用効率が悪いことが分かる。
【００２８】
一枚のレンズ４のみによって配光を作る場合、光源であるＣＯＢ１からレンズ４（第一の比較例の場合、主たるパワーを持つＳ４面）までの距離Ｌは、ＣＯＢ１の発光面の大きさ（直径Ｄ）と、狙いのビーム広がり角θからおよそ次式で決定される。
Ｌ≒Ｄ／２×ｔａｎ（９０［ｄｅｇ］−θ／２）      （式２）
【００２９】
例えば、ＣＯＢ１の発光面の直径Ｄ＝φ１０［ｍｍ］、ビーム広がり角θ＝１０［ｄｅｇ］とした場合、Ｌ≒６０［ｍｍ］となり、レンズ４（Ｓ４面）はＣＯＢ１より６０［ｍｍ］前後の距離に配置されなければならない。また、レンズ４の大きさは、例えば照明装置１０が設置される天井面の穴の大きさなどから制限されることが多く、レンズ４の大きさを、本実施の形態１と第一の比較例の場合では、共にφ７０［ｍｍ］としている。
【００３０】
このように、ＣＯＢ１からレンズ４までの距離とレンズ４の大きさとは共に制約があるため、一枚のレンズ４のみを用いる第一の比較例では、おのずとレンズ４におけるＣＯＢ１からの光の取り込み立体角が決められ、光の利用効率も低く制限されてしまう。例えば、ＣＯＢ１の発光面の直径Ｄが、従来のＬＥＤのように小さければ、レンズ４をもっと光源に近づけられ、光の利用効率を高めることができる。しかし、ＣＯＢ１のように発光面が大きい場合、レンズ４を光源に近づけると、（式２）からも分かるように、ビーム広がり角が狙いの値よりも大きく広がってしまう。
【００３１】
一方、本実施の形態１では、ＣＯＢ１に近接配置されたレンズ３により、ＣＯＢ１から放射された光は一旦絞られ、効率良くレンズ４に入射する。前述したように、ＣＯＢ１より放射される光は完全拡散型の配光であるため、ビーム広がり角は１２０［ｄｅｇ］もある。このため、レンズ３はＳ１面の表面が溶融、変形や焼き付けを起こさない範囲で可能な限りＣＯＢ１に近接配置し、ＣＯＢ１から放射される光が広がる前に絞るのが良い。もし、これら溶融等の問題が生じないのであれば、Ｓ１面とＣＯＢ１の表面とを密着させてしまっても構わない。ＣＯＢ１の表面は略平坦面なので、レンズ３のＳ１面は平面又は凹面が望ましく、凸面であっても、少なくとも、Ｓ２面に比べ緩い曲率の方が好ましい。よって、Ｃ１＜Ｃ２とするのが良い。
【００３２】
このように、本実施の形態１では、Ｃ１＜Ｃ２であるレンズ３をＣＯＢ１に近接配置することで、図２と図４で示したように、第一の比較例よりも高い正面光度、かつ、高い光の利用効率を実現できている。
【００３３】
また、第二の比較例を図５に示す。図５（ａ）が狭角側のレンズ配置を表す断面図で、図５（ｂ）が広角側のレンズ配置を表す断面図である。
第二の比較例では、レンズ４のＳ４面の曲率がＳ３面の曲率よりも緩くなるように、つまり敢えてＣ３＞Ｃ４とした状態で、狭角側の配光を満たすように設計したものである。第二の比較例で得られる配光を図６に示す。図６（ａ）に図５（ａ）の時の配光を示し、図６（ｂ）に図５（ｂ）の時の配光を示す。図６（ｂ）に示すとおり広角側の配光の正面光度が落ち込み、いわゆる中抜けが発生していることが分かる。この現象は、２０［ｄｅｇ］や３０［ｄｅｇ］の中間的なビームの広がり角を持つ場合においても見られ、被照射面の中央が周囲より暗くなるといった問題を引き起こす。このため、Ｃ３＜Ｃ４の関係が必要である。
【００３４】
すなわち、本実施の形態１に係る照明装置１０によれば、光源であるＣＯＢ１に近接配置されたレンズ３と、レンズ３より遠方に配置されたレンズ４、そして、レンズ４をレンズ３に近づけたり遠ざけたりすることで、発光面の大きなチップオンボード方式のＬＥＤにおいても、約１０［ｄｅｇ］の狭角から約４０［ｄｅｇ］の広角までの任意のビーム広がり角の配光を、高い正面光度、高い光の利用効率で実現することができる。
【００３５】
図１０に、本実施の形態１の２枚のレンズからなる光学系の、パワー配置と光線の軌跡を表す模式図を示す。図１０は、狭角側の配置を示したものである。広角側の図示は省略する。
【００３６】
レンズ３とレンズ４は、厚みゼロの薄肉レンズとして考え、それぞれの焦点距離をｆ１、ｆ２とする。レンズ３とレンズ４の間隔はｄ、ＣＯＢ１の発光面からレンズ３までの距離はｓとする。図中実線の光線は、ＣＯＢ１の発光中心、つまり光軸Ｚ上の点より放射された光の軌跡を表している。一方、破線の光線は、ＣＯＢ１の端、つまり発光面の直径をＤとした時、Ｄ／２の位置から光軸Ｚに平行に放射された光の軌跡を表している。
【００３７】
前述したように、特に発光面の大きいチップオンボード方式のＬＥＤでは、ビームを細く絞る狭角側の配光を得るのが困難である。狭角側の配光が得られれば、広角側は、先述した第二の比較例のようなＣ３＞Ｃ４の場合を除き、レンズ３とレンズ４の間隔ｄを狭め、レンズ４をレンズ３に近づけることで、自然と得られることが多い。図１０より、レンズ４をレンズ３に近づけていくと、実線の光線、破線の光線ともに、レンズ４から出射後、光軸Ｚに対してより広がる方向に角度を持つことになる。
【００３８】
ビームを細く絞り、かつ光の利用効率を高め、高い正面光度を得るためには、実線で表したＣＯＢ１の一点より発せられた光を、レンズ３とレンズ４とにより略平行とするのが良い。すなわち、ＣＯＢ１の発光中心より放射された光は、レンズ４通過後に、光軸Ｚに略平行とするのが良い。
【００３９】
そして、破線で表したＣＯＢ１の端より、光軸Ｚに平行に発せられた光（ＣＯＢ１は完全拡散型の配光なので、その正面方向、光軸Ｚに平行な方向が最も光度が高い）は、レンズ３通過後、レンズ４に入射するまでに光軸Ｚと一度交差し、レンズ４通過後は、光軸Ｚに対して略ビーム広がり角θの半分θ／２の方向に放射されるようにするのが良い。
【００４０】
以上、図１０では、ｆ１＜ｆ２だが、もしｆ１≒ｆ２等で、破線の光線がレンズ３通過後、レンズ４入射までに光軸Ｚと交差しないような場合、破線の光線のレンズ４通過後の放射方向は、光軸Ｚに対して大きな角度を有することになり、狭角の配光が得られなくなる。
【００４１】
以上のような条件を満たそうとした時、以下の式が成り立つ。（式３）では、レンズ３とレンズ４の合成パワーをΦ、レンズ４のパワーをΦ２としている。パワーΦは、焦点距離ｆの逆数である。
θ／２＝Φ×Ｄ／２
ｓ×Φ＝１−ｄ×Φ２      （式３）
（式３）を変形することで、次の（式４）が得られる。
ｆ１＝（ｓ×（ｆ２−ｄ））／（ｆ２−ｓ−ｄ）
ｆ２＝ｄ／（１−ｓ×θ／Ｄ）      （式４）
【００４２】
前述したように、図１０より明らかにｆ１＜ｆ２だが、以下、ｆ１とｆ２のおよその比率について説明する。ｆ１とｆ２の関係式は上の（式４）のとおりで、各パラメータの範囲について以下に記述する。
【００４３】
まず、レンズ３はＣＯＢ１に近接配置するため、ｓはおよそ０．１〜３［ｍｍ］とする。（式４）では、ｓ＝０［ｍｍ］が計算できないため、便宜上０．１［ｍｍ］からとする。ビーム広がり角θは、配光の分布形状をトップハット（矩形）型にするか、ガウシアン（正規分布）型にするかにも依存するため、およそ０．１７５〜０．３４９［ｒａｄ］（１０〜２０［ｄｅｇ］）とする。ＣＯＢ１の発光面の直径Ｄは、およそφ９〜１３［ｍｍ］であるとする。
【００４４】
残ったレンズ３とレンズ４の間隔ｄは未定であるため、ｆ１の方を先に決定し、それからｄとｆ２を求めることにする。レンズ３の主たる目的は、ＣＯＢ１から放射された光を絞り効率良くレンズ４に入射させ、高い正面光度、光の利用効率を得ることにある。このため、レンズ３の焦点距離ｆ１は短ければ短いほど良いことになり、Ｃ１＜Ｃ２よりレンズ３のパワーは実質Ｓ２面が支配していることから、Ｓ２面の曲率半径は小さければ小さいほど良いことになる。しかし、実際には、図１１に示すように、ＣＯＢ１の半径Ｄ／２よりも小さい曲率半径にすると、レンズ３がＣＯＢ１より小さくなり、ＣＯＢ１の周辺部から放射される光を集められなくなる。また、Ｓ２面の曲率半径がちょうどＤ／２の場合でも、レンズ３の保持などに困難が生じる。そこで、Ｓ２面の曲率半径Ｒ２はＤ／２〜Ｄを妥当とし、レンズ３の屈折率ｎが約１．５であるから、ｆ１はおよそＤ〜２Ｄの値を取るとする。
【００４５】
以上述べたパラメータは以下のとおりである。
ｆ１：レンズ３の焦点距離＝Ｄより大きく２Ｄ以下
ｆ２：レンズ４の焦点距離
ｄ：レンズ３とレンズ４の間隔
ｓ：ＣＯＢ１の発光面からレンズ３までの距離＝０．１以上３．０以下［ｍｍ］
Ｄ：ＣＯＢ１の発光面の直径＝φ９以上φ１３以下［ｍｍ］
θ：ビーム広がり角＝０．１７５以上０．３４９以下［ｒａｄ］（１０以上２０以下［ｄｅｇ］）
Φ：レンズ３とレンズ４の合成パワー＝Φ１＋Φ２−ｄ×Φ１×Φ２
Φ１：レンズ３のパワー＝１／ｆ１
Φ２：レンズ４のパワー＝１／ｆ２
Ｒ２：Ｓ２面の曲率半径＝Ｄ／２以上Ｄ以下
ｎ：レンズ３とレンズ４の屈折率＝約１．５
【００４６】
図１２に、上記のようにパラメータを設定し、（式４）から導かれた、レンズ３の焦点距離ｆ１とレンズ４の焦点距離ｆ２の関係を示す。横軸がｆ１／Ｄ（つまり、１〜２の値を取る）で、縦軸がｆ２／ｆ１である。
【００４７】
図１２より、ｆ１が長くなるにつれ、ｆ２が短くなることが分かる。
図１１で示したように、ｆ１がＤと等しい場合、つまりｆ１／Ｄ＝１の場合、レンズ３の保持に困難がある、またＣＯＢ１の周辺部から放射される光のうちレンズ３に入射できず、周辺部で光がこぼれる分が存在するので、ｆ１／Ｄ＝１は採用しにくく、ｆ１／Ｄ＞１．０が望ましい。ｆ１／Ｄ＞１．０の場合で、ビームを細く絞り、かつ光の利用効率を高め、高い正面光度を得るためのｆ１とｆ２のおよその比率は以下のようになる。
ｆ１／Ｄ＝１．２５〜２．０の場合、ｆ２／ｆ１は、１．５〜６．８である。
ｆ１／Ｄ＝１．５０〜２．０の場合、ｆ２／ｆ１は、１．５〜５．０である。
ｆ１／Ｄ＝２．０の場合、ｆ２／ｆ１は、１．５〜３．５である。
レンズ３の保持や周辺部の光のこぼれを考慮すると、ｆ１／Ｄ＝１．５０以上が好ましく、ｆ２／ｆ１は、およそ１．５〜５．０が好適な比率であることが分かる。
【００４８】
また、レンズ３のパワーは実質Ｓ２面が支配しており、レンズ４のパワーは実質Ｓ４面が支配していること、レンズ３とレンズ４の屈折率ｎが約１．５であることから、ｆ１≒２／Ｃ２，ｆ２≒２／Ｃ４となっている。よって、Ｃ２とＣ４の間には次の関係が成り立つ。
Ｃ２／Ｃ４＝１．５〜５．０      （式５）
【００４９】
さらに、図１２より、以下のことが分かる。
１．ＣＯＢ１の発光面からレンズ３までの距離ｓが小さいほど、ｆ２／ｆ１は小さい。
２．ビーム広がり角θが大きいほど、ｆ２／ｆ１は小さい。
３．ｆ１／Ｄが大きいほど、ｆ２／ｆ１は小さい。
【００５０】
以上のように、本実施の形態１に係るＬＥＤ照明装置は、ＬＥＤの正面に２枚の透明なレンズを備えたＬＥＤ照明装置であって、レンズ３（第一のレンズ）をＬＥＤに近接して配置し、レンズ４（第二のレンズ）をＬＥＤからレンズ３（第一のレンズ）より遠方に配置し、前記レンズ４（第二のレンズ）が光軸方向に移動可能で、レンズ３（第一のレンズ）との間隔を調節可能であり、レンズ３（第一のレンズ）のＬＥＤ側の面の近似曲率をＣ１、出光側の面の近似曲率をＣ２、およびレンズ４（第二のレンズ）のＬＥＤ側の面の近似曲率をＣ３、出光側の面の近似曲率をＣ４とした場合、Ｃ１＜Ｃ２かつＣ３＜Ｃ４の関係が満たされていることを特徴とする。
【００５１】
本実施の形態１によるＬＥＤ照明装置は、近接配置されたレンズ３（第一のレンズ）により、高い正面光度、高い光の利用効率が得られる。凸面が出射側を向いているレンズ４（第二のレンズ）により、中抜けが発生しない。
【００５２】
本実施の形態１によるＬＥＤ照明装置は、発光面の大きなＣＯＢにおいても、狭角から広角までの任意のビーム広がり角の配光を、高い正面光度、高い光の利用効率で得られる効果がある。
【００５３】
実施の形態２．
図７は、本発明の実施の形態２に係る照明装置１０の側面視断面図である。図７（ａ）が狭角側のレンズ配置を表す断面図で、図７（ｂ）が広角側のレンズ配置を表す断面図である。
本実施の形態２は、前記実施の形態１に係る照明装置１０において厚肉であったレンズ４を、フレネルレンズ化したものである。以降、前記実施の形態１と異なる点についてのみ記す。
【００５４】
アクリルやポリカーボネート等の透明樹脂を射出成形してレンズ４を製作する場合、厚肉レンズではヒケが発生する、また成形時間がかかるなどの課題がある。そこで、フレネルレンズ化し薄肉かつ均肉化することで、これらの課題を解消することができる。
レンズ４をフレネルレンズ化する場合、曲率の大きいＳ４面の方をフレネル面とする。フレネル面を球面で近似すると曲率は緩やかになってしまうが、前記（式１）のＣ１〜Ｃ４は当然、フレネル面の段差を解消し、フレネル化していない状態の曲率を指すとすれば、本実施の形態２のフレネルレンズにおいても、（式１）と（式５）の関係は成立している。なお、本実施の形態２では、Ｓ３面を後述する別の目的のため、Ｃ３＝０とし、略平面化している。
【００５５】
また、レンズ４をフレネルレンズとした場合、フレネル面が照明装置１０の最外面となるため、アルコールなどによる清掃時にフレネル面の谷の部分４Ｖが起点となって割れが発生することがある。この割れを防止するため、谷の部分４Ｖには曲率半径０．２［ｍｍ］以上の丸みをもったフィレット面を設ける必要がある。また、山の部分４Ｐは、金型においては谷となるため、金型を加工する刃具先端の曲率が残ることになる。これら谷の部分４Ｖや山の部分４Ｐを通過する光線は、本来のレンズ面を通過する制御された光線とは異なり、無秩序に様々な方向へ散乱される。これらの光線が多ければ多い程、正面光度および光の利用効率は低下する。このため、フレネル面の各輪帯では、谷の部分４Ｖや山の部分４Ｐの占める割合が小さくなるように、フレネルレンズ面の高さＨを、これら谷の部分４Ｖや山の部分４Ｐの曲率半径より十分高くするのが望ましく、好適には２［ｍｍ］以上とするのが良い。また、たとえば、フレネルレンズ面の高さＨを、谷の部分４Ｖや山の部分４Ｐの曲率半径より５倍以上高くするのが望ましく、好適には１０倍以上とするのが良い。
【００５６】
本実施の形態２では、図９（ａ）に示すように、レンズ４のフレネル面の裏面、つまりＳ３面を、小さな球面レンズを３［ｍｍ］以下のピッチで、互いに直交する２軸の方向に正方格子状に並べたフライアイレンズとしている。個々の球面レンズの高さは等しく、０．１〜０．２［ｍｍ］程度である。本フライアイレンズは、前述したＣＯＢ１内のチップのイメージが被照射面に投影される現象を防ぐための手段である。
【００５７】
図８（ａ）に、前記実施の形態１に係る照明装置１０における被照射面の色味を示す。照明装置１０から被照射面までの距離は１［ｍ］、ビーム広がり角は約２０［ｄｅｇ］、被照射面のサイズは０．５［ｍ］角とした。図中、白色で表した領域は、擬似白色からわずかに青味がかった白色で見える領域で、灰色で示した領域は、薄っすら黄色に見える領域で、濃い灰色ほど黄色が強いことを表している。図８（ａ）より、被照射面の中央部分にチップのイメージ（中央部分の白色部分）がはっきり見えるのが分かる。
【００５８】
一方、図８（ｂ）に、本実施の形態２に係るフライアイレンズを用いた照明装置１０における被照射面の色味を示す。照明装置１０から被照射面までの距離など各条件は、図８（ａ）と同じである。被照射面中央部分のチップのイメージが消えて、色むらが抑えられているのが分かる。
このように、Ｓ３面のフライアイレンズは、レンズ４を通過する光を弱く拡散することで、ＣＯＢ１内のチップのイメージが被照射面に投影されるのを防いでいる。
【００５９】
なお、Ｓ３面はレンズ４を通過する光を弱く拡散できれば良いので、小さな球面レンズを、互いに直交する２軸の方向に正方格子状に並べるのではなく、図９（ｂ）に示すように、互いの成す角が６０［ｄｅｇ］の３軸の方向に六方格子状、つまり蜂の巣状に並べるのであっても良い。
【００６０】
あるいは、小さな球面レンズではなく、図９（ｃ）に示すように、例えば直径が３［ｍｍ］以下のピッチで順次異なるドーナツ面を、同心円状に何重にも並べたレンズアレイであっても良い。この場合、Ｓ３面のレンズ面に相当する金型の入れ子は、一般的なＮＣ旋盤で加工できる。
【００６１】
またさらには、これらのような形状を施すのではなく、Ｓ３面を単なる平面にし、サンドブラストで面肌を荒らすだけであっても良い。
【００６２】
チップオンボード方式のＬＥＤをスポットライトに用いる場合、被照射面において、明るく白い照射領域の周辺に黄色いリングが発生することがある。前述した図８（ａ）と図８（ｂ）においても、発生していることが分かる。図７において、レンズ４の出射側に破線で示した絞り７は、この黄色いリングを遮光し、発生を抑止する部材である。絞り７も、固定筒５や可動セル６と同じく、アルミニウムやマグネシウム等のダイキャスト製、もしくはプラスチック成形品である。やはり、黒染めするのが好ましい。
【００６３】
図８（ｂ）では、絞り７を配置していない場合の被照射面の色味を示していた。図８（ｃ）に、絞り７を配置した場合の、本実施の形態２に係る照明装置１０における被照射面の色味を示す。絞り７によって、黄色いリングが消え、被照射面の色むらがさらに抑えられたのが分かる。
【００６４】
すなわち、本実施の形態２に係る照明装置１０によれば、厚肉のレンズ４をフレネルレンズ化して薄肉かつ均肉化することにより、成形時間を短く、ヒケの発生を防止し、安価かつ安定に製造することができる。
【００６５】
また、レンズ４のフレネル面の裏面側にフライアイレンズを設けることにより、被照射面に投影されたＣＯＢ１内のチップのイメージが解消されて、色むらを抑えることができる。
【００６６】
さらに、レンズ４の出射側に配置された絞り７により、被照射面に黄色いリングが発生することを防止し、より一層色むらを抑えることができる。
【００６７】
以上のように、本実施の形態２のＬＥＤ照明装置は、本実施の形態１のＬＥＤ照明装置の構成に加えて、レンズ４（第二のレンズ）の出光側の面をフレネルレンズ化したことを特徴とする。このため、レンズ４（第二のレンズ）が薄肉かつ均肉化することで、レンズ４（第二のレンズ）を安価安定に射出成形できる。
【００６８】
また、前記フレネルレンズの各輪帯におけるレンズ高さを２［ｍｍ］以上としたことを特徴とする。このため、フレネルレンズ化に伴う光の利用効率の低下を抑制できる。
【００６９】
あるいは、本実施の形態２のＬＥＤ照明装置は、前記レンズ４（第二のレンズ）のＬＥＤ側の面を、小さな球面レンズを正方格子状、もしくは六方格子状に配列し、レンズアレイとしたことを特徴とする。このため、ＣＯＢ１内のチップのイメージが被照射面に投影されることを抑制できる。
【００７０】
あるいは、また、本実施の形態２のＬＥＤ照明装置は、前記レンズ４（第二のレンズ）のＬＥＤ側の面を、直径が順次異なるドーナツ面を、同心円状に何重にも並べたレンズアレイとしたことを特徴とする。このため、ＣＯＢ１内のチップのイメージが被照射面に投影されることを抑制できる。
【００７１】
またさらに、本実施の形態２のＬＥＤ照明装置は、前記レンズ４（第二のレンズ）の出光側に、絞りを備えたことを特徴とする。このため、被照射面における黄色いリングの発生を抑制できる。
【００７２】
上記実施の形態１と２においては、光源としてＣＯＢ１を用いたが、ＣＯＢ方式ではなく、アレイ状に配列されたＬＥＤを光源として用いてもよい。また、ＬＥＤでなくてもよい。また、ＬＥＤの配置は円状でなくてもよく、多角形状でもよい。
【符号の説明】
【００７３】
１  ＣＯＢ、２  基板、３  レンズ、４  レンズ、４Ｐ  フレネル面の山の部分、４Ｖ  フレネル面の谷の部分、５  固定筒、６  可動セル、７  絞り、１０  照明装置。
【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９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図８】
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