(57)【要約】【課題】面発光光源からの光線を用いて、平坦な被照射面に対して斜めに照射した場合でも、被照射面をより均一に照明することができる光学素子及びそれを用いた照明装置を提供する。【解決手段】図４に示す第１断面では、極大点ＬＰよりもスクリーンＳＣ側で出射面ＬＳｄの面のパワー変化が緩いため、この領域を通過する際に弱集光作用が生じることとなり、これによりスクリーンＳＣの最遠点ＦＰ側に向かって、一部の光線が向かうこととなる。これに対し、極大点ＬＰよりも反スクリーンＳＣ側では出射面ＬＳｄの面のパワー変化が急なため、この領域を通過する際に集光作用が生じることとなり、これによりスクリーンＳＣの最遠点ＦＰ側に向かって、大部分の光線が向かうこととなる。【選択図】図４
2013122566.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
面発光光源から照射された光を透過することにより、被照射面を均一照度で照明するための光学素子であって、
前記光学素子は単一のレンズからなり、
前記レンズの入射側面は凹部を有し、
前記レンズの出射側面は凸形状であって、極大点から見て被照射面側がゆるく、反被照射面側がそれよりも急なパワー変化をする面を有することを特徴とする光学素子。
【請求項２】
前記レンズは、前記面発光光源の光軸に対して非回転対称な形状を有することを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
【請求項３】
前記被照射面に対して前記面発光光源の光軸が傾いていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学素子。
【請求項４】
前記面発光光源の光軸をＺ軸とし、Ｚ軸に直交し且つ前記被照射面に平行する軸をＹ軸とし、Ｚ軸とＹ軸の両方に直交する軸をＸ軸としたときに、前記レンズの出射側面は、前記極大点を通るＸＺ平面で切断された第１断面において、Ｚ軸に対して非対称な形状を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光学素子。
【請求項５】
前記レンズの出射側面における極大点は、前記第１断面において前記面発光光源の光軸より反被照射面側にあることを特徴とする請求項４に記載の光学素子。
【請求項６】
前記レンズの出射側面における極大点は、前記第１断面において、前記面発光光源中心から見て光軸に対して反被照射面側に角度α（゜）の位置に存在し、以下の式を満たすことを特徴とする請求項４又は５のいずれかに記載の光学素子。
0＜α≦20      （１）
【請求項７】
前記レンズの出射側面における極大点は、前記第１断面において、前記面発光光源中心と前記被照射面の最遠点とを結ぶ線分付近に存在することを特徴とする請求項４〜６のいずれかに記載の光学素子。
【請求項８】
前記面発光光源中心と前記レンズの出射面との距離は、前記第１断面において、前記面発光光源中心と前記被照射面の最遠点とを結ぶ線分付近で最大となることを特徴とする請求項４〜７のいずれかに記載の光学素子。
【請求項９】
前記面発光光源の光軸をＺ軸とし、Ｚ軸に直交し且つ前記被照射面に平行する軸をＹ軸としたときに、前記レンズの出射側面は、前記極大点を通りＹＺ平面に平行な面で切断された第２断面において、Ｚ軸に対して対称な形状を有することを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の光学素子。
【請求項１０】
前記レンズの出射側面は、滑らかにつながっていることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の光学素子。
【請求項１１】
前記レンズの入射側面は、アナモルフィックな面形状を有することを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の光学素子。
【請求項１２】
前記面発光光源の光軸をＺ軸とし、Ｚ軸に直交し且つ前記被照射面に平行する軸をＹ軸とし、Ｚ軸とＹ軸の両方に直交する軸をＸ軸としたときに、前記レンズの入射側面は、前記極大点を通るＸＺ平面で切断された第１断面において、非対称な形状を有することを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の光学素子。
【請求項１３】
前記面発光光源の光軸をＺ軸とし、Ｚ軸に直交し且つ前記被照射面に平行する軸をＹ軸としたときに、前記レンズの入射側面は、前記極大点を通りＹＺ平面に平行な面で切断された第２断面において、Ｚ軸に対して対称な形状を有することを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載の光学素子。
【請求項１４】
前記レンズの入射側面は、二つ以上の面定義式で定義されていることを特徴とする請求項１〜１３のいずれかに記載の光学素子。
【請求項１５】
前記レンズの周辺部に、放物面を基本とした全反射面を設けたことを特徴とする請求項1〜１４のいずれかに記載の光学素子。
【請求項１６】
前記レンズの周辺部に、フランジ部を設けたことを特徴とする請求項1〜１５のいずれかに記載の光学素子。
【請求項１７】
前記レンズは樹脂から成形されていることを特徴とする請求項1〜１６のいずれかに記載の光学素子。
【請求項１８】
請求項１〜１７のいずれかに記載の光学素子と、面発光光源とを有することを特徴とする照明装置。
【請求項１９】
請求項１〜１７のいずれかに記載の光学素子の他に、別な光学素子を設けたことを特徴とする請求項１８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、面発光光源を用いた照明装置に好適な光学素子、及びその光学素子を用いた照明装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えばロードサイドに立設された商業看板や案内標識（看板等という）は、夜間に表示を照明するための照明装置が併設されていることが多い。ここで、比較的高速で道路を走行する車両の運転者が、看板等の表示を視認しやすくするためには、被照射面の輝度差を抑えてなるべく均一に照明することが望ましい。一方、省エネ等の観点から、消費電流が少ないＬＥＤ光源等を用いることが検討されているが、ＬＥＤ光源等は白熱球などとは異なる照度特性を有するため、看板等の上方又は下方より照明を行う場合、何らかの工夫が必要になる。
【０００３】
より具体的には、ＬＥＤ光源等からの直接光だけでは被照射面を均一に照明できないから、照射光を調整する作用を持つ光学素子が必要となるが、特に看板等の被照射面に向かって上下の斜め方向から照明する場合、均一照明の為には光源から遠いところは照射光量を増大し、光源から近いところは照射光量を減少させる必要がある。更に、ＬＥＤのようなランバーシアン型の配光分布で光が出射される光源では、光の利用効率を向上させるためには、光源から見て被照射面に対して反対側に出射される光束を如何に有効に被照射面に集めるかという事が重要となる。
【０００４】
特許文献１には、被照射面の下方に設けられ、ＬＥＤチップからの光線を被照射面に向かって斜めに出射する光学素子が開示されている。しかしながら、特許文献１の光学素子では、被照射面の最遠部の照度が低下するという問題がある。このため、被照射面の最遠部をカールさせて光学素子に近づけることにより照度を稼ぐ工夫がなされている。しかしながら、看板等をこのようにカールさせることは、そのコストの増大を招くため好ましくなく、またカール部の表示が視認しにくくなるという問題もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４２８５９８１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、面発光光源からの光線を用いて、平坦な被照射面に対して斜めに照射した場合でも、被照射面をより均一に照明することができる光学素子及びそれを用いた照明装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に記載の光学素子は、面発光光源から照射された光を透過することにより、被照射面を均一照度で照明するための光学素子であって、
前記光学素子は単一のレンズからなり、
前記レンズの入射側面は凹部を有し、
前記レンズの出射側面は凸形状であって、極大点から見て被照射面側がゆるく、反被照射面側がそれよりも急なパワー変化をする面を有することを特徴とする。
【０００８】
まず、被照射面の照度は、光源からの距離の２乗に比例して低下する。そして、光線の被照射面に入射する角度のコサインに比例する。つまり、周辺光量比的な考え方が出来、光源から被照射面におろした垂線と、光軸とを含む被照射面に垂直な断面内において、被照射面上の任意の点と光源とを結んだ線分と前記垂線との成す角ωのコサイン３乗に比例して被照射面上の照度が低下する。つまり、
I(ω)=1/cos3(ω)
を満たす輝度分布で被照射面を照明すると良い。これは、前記断面内だけでなく被照射面全体に対して適用できる。
例えば看板等の下方より被照射面を照明する場合、最近部と最遠部との距離の差が大きいため、光学素子を単一のレンズで構成するのであれば、面発光光源と被照射面上の任意の点と、光源中心から被照射面におろした垂線との成す角により、角度ごとの出射光輝度を最適化した光学面が必要となる。そのために、本発明においては、前記レンズの出射側面を、極大点から見て被照射面側がゆるく、反被照射面側が急なパワー変化（面の勾配）をする面により構成したので、例えば被照射面側から出射する光線のうち光軸近傍の一部の光線群には光源中心から見て極大点の方向に出射するような作用をし、光軸近傍から離れていくにつれ緩やかに被照射面全体を照明するような弱集光効果を与え、反被照射面側から出射する光線の大部分には光源中心から見て極大点の方向に出射するような集光効果を与えることができ、これにより被照射面の近い領域に照射される光の一部を、被照射面の遠い領域に振り向けることができるので、被照射面が平坦であったとしても被照射面上の照度を均一にすることができる。よって、看板等の照明に好適である。
【０００９】
ここで、「均一照度」とは、被照射面を、光軸を含み被照射面に垂直な断面内で見たときの被照射面上において最も低い照度をｍｉｎ、被照射面の平均照度をａｖｅとしたときに、min/ave≧0.3を満たす状態をいう。但し、より望ましくはmin/ave≧0.5を満たすことである。
或いは、被照射面全体において最も低い照度をｍｉｎ、被照射面の平均照度をａｖｅとしたときに、min/ave≧0.3を満たすとより望ましい。更により望ましくはmin/ave≧0.5を満たすことである。
【００１０】
「面発光光源」とは、0.25mm2以上の発光面を有する光源をいい、ＬＥＤや有機ＥＬなどがある。「光軸」とは、単一の面発光光源の場合は、面発光光源の発光面中心を通り、光源の発光面に垂直な軸（線）をいうが、複数の面発光光源等を用いる場合は、図３２に示すように、面発光光源の外接円ＯＣ（半径Ｒ）の中心Ｏを通る垂線をいうものとする。「極大点」とは、面発光光源の発光面をｚ＝０の平面とし、発光面の中心を座標の原点とした場合に、光軸方向にｚ軸を取り、レンズの出射側面において最も大きなｚの値を取る場所を極大点と呼ぶ。「極大点から見て急なパワー変化をする側」とは、極大点の接線に沿って極大点から等距離（高さ）離れた点における面の法線とｚ軸との成す角の絶対値が大きい方を言うものとする。その逆側が、ゆるいパワー変化の側である。または、極大点からある距離（高さ）離れた点における極大点からのサグ量差が大きい方を言うものとする。
【００１１】
請求項２に記載の光学素子は、請求項１に記載の発明において、前記レンズは、前記面発光光源の光軸に対して非回転対称な形状を有することを特徴とする。
【００１２】
前記レンズが、前記面発光光源の光軸に対して非回転対称な形状を有すると、前記レンズの出射側面を、極大点から見て被照射面側がゆるく、反被照射面側が急なパワー変化をする面により構成できるから、被照射面上の照度を均一に近づけることができる。
【００１３】
請求項３に記載の光学素子は、請求項１又は２に記載の発明において、前記被照射面に対して前記面発光光源の光軸が傾いていることを特徴とする。
【００１４】
前記被照射面に対し前記面発光光源の光軸を傾けて設置することで、最も集光効果の高い極大点を被照射面の遠方側に向けることができ、これにより均一照度での照明が可能となる。
【００１５】
請求項４に記載の光学素子は、請求項１〜３のいずれかに記載の発明において、前記面発光光源の光軸をＺ軸とし、Ｚ軸に直交し且つ前記被照射面に平行する軸をＹ軸とし、Ｚ軸とＹ軸の両方に直交する軸をＸ軸としたときに、前記レンズの出射側面は、前記極大点を通るＸＺ平面で切断された第１断面において、Ｚ軸に対して非対称な形状を有することを特徴とする。
【００１６】
前記レンズの出射側面が、前記第１断面においてＺ軸に対して非対称な形状を有すると、前記被照射面の最も面発光光源から遠い場所を最も強く照明することによって、前記被照射面上の照度バラツキを減少させて均一な照度を実現できる。
【００１７】
請求項５に記載の光学素子は、請求項４に記載の発明において、前記レンズの出射側面における極大点は、前記第１断面において前記面発光光源の光軸より反被照射面側にあることを特徴とする。
【００１８】
前記レンズの出射側面における極大点が、前記第１断面において前記面発光光源の光軸より反被照射面側にあると、前記被照射面の最も面発光光源から遠い場所を最も強く照明することによって、前記被照射面上の照度バラツキを減少させて均一な照度を実現できる。
【００１９】
請求項６に記載の光学素子は、請求項４又は５に記載の発明において、前記レンズの出射側面における極大点は、前記第１断面において、前記面発光光源中心から見て光軸に対して反被照射面側に角度α（゜）の位置に存在し、以下の式を満たすことを特徴とする。
0＜α≦20      （１）
【００２０】
（１）式を満たすことで、前記被照射面の最も前記面発光光源から遠い場所を最も強く照明することができ、前記被照射面上の照度バラツキを減少させて均一な照度を実現できる。
【００２１】
請求項７に記載の光学素子は、請求項４〜６のいずれかに記載の発明において、前記レンズの出射側面における極大点は、前記第１断面において、前記面発光光源中心と前記被照射面の最遠点とを結ぶ線分付近に存在することを特徴とする。
【００２２】
前記レンズの出射側面における極大点が、前記第１断面において、前記面発光光源中心と前記被照射面の最遠点とを結ぶ線分付近に存在すると、前記被照射面の最も光源から遠い場所を最も強く照明することができ、前記被照射面上の照度バラツキを減少させて均一な照度を実現できる。尚、「線分付近」とは、前記面発光光源中心と被照射面の最遠点とを結ぶ線分と、前記面発光光源中心と極大点とを結ぶ線分の成す角β（゜）が以下の式を満たすことを言う。
|β|≦10      （２）
また、前記面発光光源中心と極大点とを結ぶ線分は、前記面発光光源中心と被照射面の最遠点とを結ぶ線分より被照射面側であると好ましい。つまり、前記第１断面内において、前記面発光光源中心と極大点とを結ぶ線分と前記被照射面との成す角＞前記面発光光源中心と被照射面の最遠点とを結ぶ線分と前記被照射面との成す角であると好ましい。
【００２３】
請求項８に記載の光学素子は、請求項４〜７のいずれかに記載の発明において、前記面発光光源中心と前記レンズの出射面との距離は、前記第１断面において、前記面発光光源中心と前記被照射面の最遠点とを結ぶ線分付近で最大となることを特徴とする。
【００２４】
これにより前記被照射面の最も光源から遠い場所を最も強く照明することができ、前記被照射面上の照度バラツキを減少させて均一な照度を実現できる。前記距離は、前記第１断面において、前記面発光光源中心と前記被照射面の最遠点とを結ぶ線分上でほぼ最大となると好ましい。
【００２５】
請求項９に記載の光学素子は、請求項１〜８のいずれかに記載の発明において、前記面発光光源の光軸をＺ軸とし、Ｚ軸に直交し且つ前記被照射面に平行する軸をＹ軸としたときに、前記レンズの出射側面は、前記極大点を通りＹＺ平面に平行な面で切断された第２断面において、Ｚ軸に対して対称な形状を有することを特徴とする。
【００２６】
これにより前記レンズの出射側面を、前記第１断面と前記第２断面とで形状が異なるようなアナモルフィックな形状とすることができ、前記被照射面において光軸を挟んで両側の照度を均一にでき、特に複数の照明装置を並べて単一の被照射面を照明する場合に使い勝手がよい。
【００２７】
請求項１０に記載の光学素子は、請求項１〜９のいずれかに記載の発明において、前記レンズの出射側面は、滑らかにつながっていることを特徴とする。
【００２８】
これにより、更に前記被照射面上の照度バラツキを減少させて均一な照度を実現できる。
【００２９】
請求項１１に記載の光学素子は、請求項１〜１０のいずれかに記載の発明において、前記レンズの入射側面は、アナモルフィックな面形状を有することを特徴とする。
【００３０】
前記レンズの入射側面が、例えば前記第１断面と前記第２断面とで形状が異なるようなアナモルフィックな形状とすることで、前記被照射面において均一な照度分布を得ることが可能となる。
【００３１】
請求項１２に記載の光学素子は、請求項１〜１１のいずれかに記載の発明において、前記面発光光源の光軸をＺ軸とし、Ｚ軸に直交し且つ前記被照射面に平行する軸をＹ軸とし、Ｚ軸とＹ軸の両方に直交する軸をＸ軸としたときに、前記レンズの入射側面は、前記極大点を通るＸＺ平面で切断された第１断面において、非対称な形状を有することを特徴とする。
【００３２】
前記レンズの入射側面が、前記第１断面において、非対称な形状とすることで、前記被照射面の最も光源から遠い場所を最も強く照明することができ、前記被照射面上の照度バラツキを減少させて均一な照度を実現できる。Ｚ軸に対して非対称でも良いし、Ｚ軸に対してじゃなくても良い。尚、前記レンズの入射側面における被照射面側の曲率半径は、反被照射面側の曲率半径以下であるとよい。特に被照射面側は曲率半径が負の値で、反被照射面側は曲率半径が０〜正の値であるとよい。この被照射面側、反被照射面側はＺ＝０を境にしている必要はない。
【００３３】
請求項１３に記載の光学素子は、請求項１〜１２のいずれかに記載の発明において、前記面発光光源の光軸をＺ軸とし、Ｚ軸に直交し且つ前記被照射面に平行する軸をＹ軸としたときに、前記レンズの入射側面は、前記極大点を通りＹＺ平面に平行な面で切断された第２断面において、Ｚ軸に対して対称な形状を有することを特徴とする。
【００３４】
これにより前記被照射面において光軸を挟んで両側の照度を均一にできるから、被照射面全体を均一に照明することが可能となる。特に、複数の照明装置を並べて単一の被照射面を照明する場合に使い勝手がよい。
【００３５】
請求項１４に記載の光学素子は、請求項１〜１３のいずれかに記載の発明において、前記レンズの入射側面は、二つ以上の面定義式で定義されていることを特徴とする。
【００３６】
前記レンズの入射側面を、主に被照射面側と反被照射面側とで定義式の異なる不連続な面で構成することで、より広い範囲を均一に照明することが可能となる。なお、この被照射面側、反被照射面側はＺ＝０を境にしている必要はない。
【００３７】
請求項１５に記載の光学素子は、請求項１〜１４のいずれかに記載の発明において、前記レンズの周辺部に、放物面を基本とした全反射面を設けたことを特徴とする。
【００３８】
前記レンズの周辺部に、放物面を基本とした全反射面を設けることで、前記面発光光源から出た光線を有効に前記被照射面に照射することが可能となる。
【００３９】
請求項１６に記載の光学素子は、請求項１〜１５のいずれかに記載の発明において、前記レンズの周辺部に、フランジ部を設けたことを特徴とする。
【００４０】
このようにフランジ部を設けることで、前記レンズの成形性が向上し、またフランジ部を利用して設置が容易となる。
【００４１】
請求項１７に記載の光学素子は、請求項１〜１６のいずれかに記載の発明において、前記レンズは樹脂から成形されていることを特徴とする。
【００４２】
前記レンズを樹脂製とすることにより、射出成形により大量生産が可能となり、高精度な製品を低コストで提供できる。
【００４３】
請求項１８に記載の照明装置は、請求項１〜１７のいずれかに記載の光学素子と、面発光光源とを有することを特徴とする。
【００４４】
請求項１９に記載の照明装置は、請求項１８に記載の発明であって、請求項１〜１７のいずれかに記載の光学素子の他に、別な光学素子を設けたことを特徴とする。
【００４５】
面発光光源としては、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）や有機ＥＬ等の面状発光素子が好ましく、特に光学素子側の面がフラットであることが望ましく、更には表面実装型が望ましい。
【００４６】
ＬＥＤ光源を用いる場合、様々なタイプを用いることが出来るが、白色ＬＥＤが好ましく用いられる。
【００４７】
白色ＬＥＤとしては、青色ＬＥＤチップと青色ＬＥＤチップから発せられた青色光線によって黄色に発光するＹＡＧ蛍光体等の蛍光体を組み合わせたものが好ましく用いられるが、青色ＬＥＤチップ、緑色ＬＥＤチップ及び赤色ＬＥＤチップとを組み合わせて白色光を形成する白色ＬＥＤであってもよい。白色ＬＥＤとしては、例えば特開２００８−２３１２１８号公報に記載されたものを用いることができるが、これに限られない。
【００４８】
本発明における白色ＬＥＤ光源は、具体的には、ＬＥＤチップと、ＬＥＤチップを覆うようにしてその上に形成された蛍光体層から構成されている。ＬＥＤチップは、第１の所定波長の光を出射するものであり、本実施の形態においては青色光を出射するようになっている。但し、本発明のＬＥＤチップの波長及び蛍光体の出射光の波長は限定されず、ＬＥＤチップによる出射光の波長と、蛍光体による出射光の波長とが補色関係にあり合成された光が白色光となる組合せであればものであれば、使用可能である。
【００４９】
なお、このようなＬＥＤチップとしては、公知の青色ＬＥＤチップを用いることができる。青色ＬＥＤチップとしては、ＩｎxＧａ1-xＮ系をはじめ既存のあらゆるものを使用することができる。青色ＬＥＤチップの発光ピーク波長は４４０〜４８０ｎｍのものが好ましい。また、ＬＥＤチップの形態としては、基板上にＬＥＤチップを実装し、そのまま上方または側方に放射させるタイプ、又は、サファイア基板などの透明基板上に青色ＬＥＤチップを実装し、その表面にバンプを形成した後、裏返して基板上の電極と接続する、いわゆるフリップチップ接続タイプなど、どのような形態のＬＥＤチップでも適用することが可能である。
【００５０】
蛍光体層は、ＬＥＤチップから出射される第１の所定波長の光を第２の所定波長に変換する蛍光体を有している。後述する実施の形態では、ＬＥＤチップから出射される青色光を黄色光に変換するようになっている。
【００５１】
このような蛍光体層に用いられる蛍光体は、Ｙ、Ｇｄ、Ｃｅ、Ｓｍ、Ａｌ、Ｌａ及びＧａの原料として酸化物、又は高温で容易に酸化物になる化合物を使用し、それらを化学量論比で十分に混合して原料を得る。又は、Ｙ、Ｇｄ、Ｃｅ、Ｓｍの希土類元素を化学量論比で酸に溶解した溶解液を蓚酸で共沈したものを焼成して得られる共沈酸化物と、酸化アルミニウム、酸化ガリウムとを混合して混合原料を得る。これにフラックスとしてフッ化アンモニウム等のフッ化物を適量混合して加圧し成形体を得る。成形体を坩堝に詰め、空気中１３５０〜１４５０℃の温度範囲で２〜５時間焼成して、蛍光体の発光特性を持った焼結体を得ることができる。
【００５２】
また、ＬＥＤ光源はレンズに対して単数であると好ましいが、１つのレンズに対して複数のＬＥＤチップを対応づけても良い。かかる場合、複数のＬＥＤチップ各々を、レンズの光軸に対して対称に配置しても良いし、非対称に配置しても良い。ここで、図３２に示すように、複数のＬＥＤ光源を用いた場合、ＬＥＤ光源に外接する最小の円ＯＣの直径Ｒを、ＬＥＤ光源の直径とみなして、レンズの内径内に収めるようにすることが望ましい。
【００５３】
ＬＥＤ光源は、高出力ＬＥＤ光源であることが好ましい。ここで、高出力ＬＥＤ光源としては、出力が０．５ワット以上のＬＥＤにより構成することができる。
【００５４】
レンズは、面発光光源の光放出側に配置されており、入射側面は凹部を有し、前記レンズの出射側面は凸形状であり、樹脂から形成されると好ましいが、それ以外の素材から形成されても良い。
【発明の効果】
【００５５】
本発明によれば、面発光光源からの光線を用いて、平坦な被照射面に対して斜めに照射した場合でも、被照射面をより均一に照明することができる光学素子及びそれを用いた照明装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本実施の形態にかかる照明装置のレンズＬＳと、被照射面であるスクリーンＳＣとを、スクリーンＳＣの正面から見た図である。
【図２】図１の構成を、光軸ＯＡを含むII-II面で切断して矢印方向に見た図である。
【図３】図１の構成において、ＹＺ断面で切断してなる拡大図である。
【図４】図２の構成の矢印IV部を拡大して示す図である。
【図５】本実施の形態にかかる照明装置のＹＺ断面図である。
【図６】本実施の形態にかかる照明装置のＸＺ断面図である。
【図７】本実施の形態において、第１断面に関して光軸からの高さ（距離）を横軸に取り、縦軸に光源中心を原点としたときの出射面の高さをとって示すグラフである。
【図８】本実施の形態において、第１断面に関して光軸を０゜としたときの光源中心からの角度を横軸に取り、縦軸に光源中心を原点としたときの出射面の高さをとって示すグラフである。
【図９】本実施の形態において、第１断面に関して光軸を０゜としたときの光源中心からの角度を横軸に取り、縦軸に光源中心を原点としたときの光源中心から出射側面までの距離をとって示すグラフである。
【図１０】本実施の形態において、第１断面に関して極大点からの高さ（距離）を横軸に取り、縦軸に出射面の法線と光軸とのなす角γ（図６）をとって示すグラフである。
【図１１】実施例１にかかるレンズをＸＺ断面に直交する方向に見た透視図である。
【図１２】実施例１にかかるレンズのＹＺ断面に直交する方向に見た透視図である。
【図１３】実施例１にかかるレンズのＸＺ断面図である。
【図１４】実施例１にかかるレンズのＹＺ断面図である。
【図１５】実施例１のレンズを用いた照明装置により、右方向から照明された場合におけるスクリーン上の照度を示す図（リニアスケール）である。
【図１６】実施例１のレンズを用いた照明装置により、右方向から照明された場合におけるスクリーン上の照度を示す図（ログスケール）である。
【図１７】実施例１の照度分布断面図である。
【図１８】比較例にかかるレンズのＸＺ断面に直交する方向に見た透視図である。
【図１９】比較例にかかるレンズのＹＺ断面に直交する方向に見た透視図である。
【図２０】比較例のレンズを用いた照明装置により、右方向から照明された場合におけるスクリーン上の照度を示す図（リニアスケール）である。
【図２１】比較例のレンズを用いた照明装置により、右方向から照明された場合におけるスクリーン上の照度を示す図（ログスケール）である。
【図２２】比較例の照度分布断面図である。
【図２３】実施例２にかかるレンズのＸＺ断面に直交する方向に見た透視図である。
【図２４】実施例２にかかるレンズのＹＺ断面に直交する方向に見た透視図である。
【図２５】実施例２にかかるレンズのＸＺ断面である。
【図２６】実施例２にかかるレンズのＹＺ断面に対して若干奥側に傾けた断面図である。
【図２７】実施例２の照度分布断面図である。
【図２８】実施例３にかかるレンズのＸＺ断面に直交する方向に見た透視図である。
【図２９】実施例３にかかるレンズのＹＺ断面に直交する方向に見た透視図である。
【図３０】実施例３の照度分布断面図である。
【図３１】他のレンズの一例にかかる断面図である。
【図３２】面発光光源を説明する為の図である。
【発明を実施するための形態】
【００５７】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。図１は、本実施の形態にかかる照明装置の光学素子としてのレンズＬＳと、平面矩形状の被照射面であるスクリーンＳＣとを、スクリーンＳＣの正面から見た図であり、図２は、図１の構成を、光軸ＯＡを含むII-II面で切断して矢印方向に見た図であるが、照明装置を取り付けるホルダ等は省略している。尚、本明細書では、照明装置のＬＥＤ光源（面発光光源）の光軸ＯＡをＺ軸とし、Ｚ軸に直交し且つスクリーンＳＣに平行する軸をＹ軸とし、Ｚ軸とＹ軸の両方に直交する軸をＸ軸とする。図２から明らかなように、スクリーンＳＣの面に対して光軸ＯＡが傾くようにして、照明装置が設置されている。
【００５８】
図３は、図１の構成において、ＹＺ断面で切断してなる拡大図である。図４は、図２の構成の矢印IV部を拡大して示す図である。図５は、本実施の形態にかかる照明装置のＹＺ断面図であり、図６は、本実施の形態にかかる照明装置のＸＺ断面図である。
【００５９】
図５，６において、照明装置は、樹脂製の単一のレンズＬＳと、発光面を上面に有するＬＥＤ光源ＬＥＤとからなる。レンズＬＳの光源側入射面側に、凹部ＬＳａを有する。より具体的には、レンズＬＳは、凹部ＬＳａの上面である主入射面ＬＳｂと、主入射面ＬＳｂの周囲にあってＬＥＤ光源ＬＥＤの発光面を囲っている側面入射面ＬＳｃとを有する。又、レンズＬＳの出射面ＬＳｄは滑らかな曲面からなり、光軸ＯＡに対して非回転対称である凸形状となっている。更に、レンズＬＳの周囲には、光軸ＯＡに直交した平行平板状のフランジ部ＬＳｅが形成されている。フランジ部ＬＳｅの周囲下面には、凸状又は環状の脚部ＬＳｆが形成されており、ＬＥＤ光源ＬＥＤの設けられた基板ＳＴ上に当接するようになっていて、これによりＬＥＤ光源ＬＥＤとレンズＬＳとの位置決めを行うことができる。
【００６０】
図５に示す断面（第２断面又はＹＺ断面という）では、レンズＬＳの凹部ＬＳａと、出射面ＬＳｄは、光軸ＯＡに対して面対称な形状となっており、それぞれ光軸ＯＡより離れるに連れて高さが低くなる形状を有する。
【００６１】
一方、図６に示す断面（第１断面又はＸＺ断面という）では、レンズＬＳの凹部ＬＳａの主入射面ＬＳｂは、光軸ＯＡを挟んで非面対称な形状を有する。より具体的には、光軸ＯＡよりスクリーンＳＣ側（図６で左側）では、光軸ＯＡから離れるに連れて主入射面ＬＳｂの高さが低くなり、光軸ＯＡより反スクリーンＳＣ側（図６で右側）では、光軸ＯＡの距離に関わらず高さは一定である。つまり、主入射面ＬＳｂはアナモルフィックな面形状を有する。レンズの凹部ＬＳａは、二つ以上の面定義式で定義されている。
【００６２】
更に、図６に示すように、レンズＬＳの出射面ＬＳｄは、光軸ＯＡを挟んで非面対称な形状を有している。更にその極大点ＬＰは、第１断面内にあり且つ光軸ＯＡより反被照射面側にある。
【００６３】
極大点ＬＰについて説明する。図７は、本実施の形態において、第１断面に関して光軸からの高さ（距離）を横軸に取り、縦軸に光源中心を原点としたときの出射面の高さ（本明細書で、「サグ量」とは出射面における極大点の高さから任意の位置の高さを減じた値とする）をとって示すグラフであり、図８は、本実施の形態において、第１断面に関して光軸を０゜としたときの光源中心からの角度を横軸に取り、縦軸に光源中心を原点としたときの出射面の高さをとって示すグラフであり、図９は、本実施の形態において、第１断面に関して光軸を０゜としたときの光源中心からの角度を横軸に取り、縦軸に光源中心を原点としたときの光源中心から出射側面までの距離をとって示すグラフであるが、いずれもスクリーン側を正として示している。図７〜９から、グラフが最も高くなる位置が極大点ＬＰになるので、本実施の形態では、光軸ＯＡから反スクリーン側に約１．７ｍｍの位置で、また光源中心からの角度約９゜の位置に極大点ＬＰがあることが分かる。
【００６４】
更に図６において、極大点ＬＰを基準として出射面ＬＳｄは、スクリーンＳＣ側がゆるく、反スクリーンＳＣ側がそれよりも急なパワー変化をする面である。
【００６５】
パワー変化について説明する。図１０は、本実施の形態において、第１断面に関して極大点からの高さ（距離）を横軸に取り、縦軸に出射面の法線と光軸とのなす角γ（図６）をとって示すグラフであり、スクリーン側を正として示している。図１０に示すように、極大点ではγ＝０となり、そこから離れるに連れてスクリーンＳＣ側、反スクリーンＳＣ側共々、角度γが増大するが、その増大量は反スクリーンＳＣ側の方が大きい。つまり、この出射面ＬＳｄは、スクリーンＳＣ側がゆるく、反スクリーンＳＣ側がそれよりも急なパワー変化をする面といえる。
【００６６】
更に、レンズＬＳの出射面ＬＳｄにおける極大点ＬＰは、図４に示す第１断面において、光源中心ＯＣから見て光軸ＯＡに対して反スクリーンＳＣ側に角度α（゜）の位置に存在し、以下の式を満たす。
0＜α≦20      （１）
【００６７】
又、図４に示す第１断面において、光源中心ＯＣと極大点ＬＰとを通過する直線ＳＬと、光源中心ＯＣとスクリーンＳＣの最遠点ＦＰ（図２参照）とを結ぶ線分ＤＬとの角度βは、±１０゜以内であると好ましい。つまり、極大点ＬＰは、光源中心ＯＣとスクリーンＳＣの最遠点ＦＰを結ぶ線分ＤＬ付近に存在すると好ましい。又、光源中心ＯＣとレンズＬＳの出射面ＬＳｄとの距離は、図４に示す第１断面において、光源中心ＯＣとスクリーンＳＣの最遠点ＦＰとを結ぶ線分ＤＬ付近で最大となると好ましい。
【００６８】
次に、本実施の形態の動作について説明する。ＬＥＤ光源ＬＥＤの発光面から出射された光線は、主入射面ＬＳｂと、側面入射面ＬＳｃとからレンズＬＳ内に入射する。ここで、図３に示す第２断面では、レンズＬＳは対称形状であるので、出射面ＬＳｄから出射する光線も、光軸ＯＡを挟んで両側に等しく振り分けられ、スクリーンＳＣを照明することとなる（図１参照）。
【００６９】
一方、図４に示す第１断面では、極大点ＬＰよりもスクリーンＳＣ側で出射面ＬＳｄの面のパワー変化が緩いため、この領域を通過する際に弱集光作用が生じることとなり、これによりスクリーンＳＣの最遠点ＦＰ側に向かって、一部の光線が向かうこととなる。これに対し、極大点ＬＰよりも反スクリーンＳＣ側では出射面ＬＳｄの面のパワー変化が急なため、この領域を通過する際に集光作用が生じることとなり、これによりスクリーンＳＣの最遠点ＦＰ側に向かって、大部分の光線が向かうこととなる。つまり、極大点ＬＰを挟んで、スクリーンＳＣ側、反スクリーンＳＣ側のいずれを通過する光線も、最遠点ＦＰ側に向かうようになるため、ランバーシアンの照射特性を持つＬＥＤ光源を用いた場合でも、最も照度が低下しやすい最遠点ＦＰの近傍の照度を高めることができる。
【００７０】
以下、本実施の形態の実施例にかかるレンズついて説明する。以下の実施例における非球面の形状は、面の頂点を原点とし、光軸方向にＺ軸をとり、光軸に対しＸ軸方向の高さをｘ、Ｙ軸方向の高さをｙとして、表に示す数値を代入した以下の数１式で表すものとする。尚、実施例ではフランジ部は省略している。
【００７１】
【数１】
2013122566.tif 000003
但し、
αｉ、βｉ：ｉ次の非球面係数（ｉ＝３，４，５，６，・・・・２０）
Ｒ（レンズデータ表で、Ｘ方向半径はＲｘ、Ｙ方向半径はＲｙ）：曲率半径
ｋ（レンズデータ表で、Ｘ方向半径はｋｘ、Ｙ方向半径はｋｙ）：コーニック係数
また、非球面係数において、１０のべき乗数（例えば２．５×１０-02）を、Ｅ（例えば２．５Ｅ−０２）を用いて表している。
【００７２】
（実施例１）
表１に実施例１のレンズデータを示す。図１１は、実施例１にかかるレンズをＸＺ断面に直交する方向に見た透視図であり、図１２は、実施例１にかかるレンズのＹＺ断面に直交する方向に見た透視図であり、それぞれレンズの表面をワイヤにより表している。図１３は、実施例１にかかるレンズのＸＺ断面図であり、図１４は、実施例１にかかるレンズのＹＺ断面図であり、それぞれ図１１，１２に対応している。図１５、１６は、実施例１のレンズを用いた照明装置により、右方向から照明された場合におけるスクリーン上の照度をモノクロ濃淡で示す（白い方が照度が高い）図であり、図１５はリニアスケールで示し、図１６はログスケールで示している。人間の視覚を通して感じる照度は、ログスケールの方が近いとされる。図１７は、実施例１の照度断面図であり、ＸＺ断面におけるスクリーンＣの中心をゼロとしたときの照度分布を示しており、ｍｉｎ／ａｖｅ＝０．５６である。
【００７３】
【表１】
2013122566.tif 000004
【００７４】
実施例１において、入射面の光軸上の光源からの高さは、３．５ｍｍであり、入射面径はφ８ｍｍであり、出射面の光軸上の光源からの高さは、１０ｍｍであり、出射面径はφ２１ｍｍである。又、第１断面における光軸とスクリーンとのなす角度は３４．７２゜である。又、α＝１１．２５゜、β＝７．０８゜である。
【００７５】
図１８は、比較例にかかるレンズのＸＺ断面に直交する方向に見た透視図であり、図１９は、比較例にかかるレンズのＹＺ断面に直交する方向に見た透視図であり、レンズの表面をワイヤにより表している。図２０、２１は、比較例のレンズを用いた照明装置により、右方向から照明された場合におけるスクリーン上の照度を示す図であり、図２０はリニアスケールで示し、図２１はログスケールで示している。図２２は、比較例の照度断面図であり、ＸＺ断面におけるスクリーンＣの中心をゼロとしたときの照度分布を示しており、ｍｉｎ／ａｖｅ＝０．０７である。
【００７６】
比較例では、レンズの出射面がＸＺ断面でもＹＺ断面でも、光軸を中心として面対称な形状である。又、レンズの入射面は、ＸＺ断面で高さが一様であり、ＹＺ断面では光軸から離れるに連れて高さが低くなる、いわゆる蒲鉾形である。
【００７７】
一方、実施例１では、レンズの出射面がＹＺ断面では、光軸を中心として面対称な形状であるが、ＸＺ断面では、光軸を挟んで非面対称な形状を有しており、極大点から見てスクリーン側（図１１で左側）がゆるく、反スクリーン面側がそれよりも急なパワー変化をする面である。又、レンズの入射面は、ＸＺ断面で高さが一様であり、ＹＺ断面では光軸付近が最も高く、それから離れるに連れて高さが低くなった後、変曲点を挟んで、高さが増大する形状である。これは一例であり、変曲点から先は無くても良い。それ以外の仕様は、比較例と実施例１とは共通する。
【００７８】
図１５，１６、１７と、図２０，２１、２２を比較すると明らかであるが、比較例の場合、スクリーンの右側中央（照明装置の近傍）のみが明るくなり、偏りのある照度となっている。これに対し、実施例１の場合、スクリーン全体の照度が均一となっていることがわかる。
【００７９】
（実施例２）
表２に実施例２のレンズデータを示す。図２３は、実施例２にかかるレンズのＸＺ断面に直交する方向に見た透視図であり、図２４は、実施例２にかかるレンズのＹＺ断面に直交する方向に見た透視図であり、レンズの表面をワイヤにより表している。図２５は、実施例２にかかるレンズのＸＺ断面であり、図２６は、実施例２にかかるレンズのＹＺ断面に対して若干奥側に傾けた断面図であり、それぞれ図２３，２４に対応している。図２７は、実施例２の照度断面図であり、ＸＺ断面におけるスクリーンＣの中心をゼロとしたときの照度分布を示しており、ｍｉｎ／ａｖｅ＝０．４７である。
【００８０】
【表２】
2013122566.tif 000005
【００８１】
実施例２において、入射面の光軸上の光源からの高さは、５ｍｍであり、入射面径はφ１０ｍｍであり、出射面の光軸上の光源からの高さは、１０ｍｍであり、出射面径はφ２１ｍｍである。又、第１断面における光軸とスクリーンとのなす角度は３５．７２゜である。又、α＝１３．１０゜、β＝５．５８゜である。
【００８２】
実施例２では、レンズの入射面が、光軸ＯＡより反スクリーン側（図２３で左側）のみ、ＸＺ断面及びＹＺ断面で高さが一様である。一方、光軸ＯＡよりスクリーン側では、ＸＺ断面では高さが一様であるのに対し、ＹＺ断面では光軸付近が最も高く、それから離れるに連れて高さが低くなった後、変曲点を挟んで、高さが増大する形状である。出射面については、実施例１と同様である。
【００８３】
（実施例３）
表３に実施例３のレンズデータを示す。図２８は、実施例３にかかるレンズのＸＺ断面に直交する方向に見た透視図であり、図２９は、実施例３にかかるレンズのＹＺ断面に直交する方向に見た透視図であり、レンズの表面をワイヤにより表している。図３０は、実施例１の照度断面図であり、ＸＺ断面におけるスクリーンＣの中心をゼロとしたときの照度分布を示しており、ｍｉｎ／ａｖｅ＝０．６７である。
【００８４】
【表３】
2013122566.tif 000006
【００８５】
実施例３において、入射面の光軸上の光源からの高さは、３．５ｍｍであり、入射面径はφ１０ｍｍであり、出射面の光軸上の光源からの高さは、９．５ｍｍであり、出射面径はφ１８ｍｍである。又、第１断面における光軸とスクリーンとのなす角度は３０゜である。又、α＝８．２１゜、β＝５．４０゜である。
【００８６】
実施例３では、実施例１の面形状を基本とし、入射面を構成する凹部の周囲に、放物面を基本とした全反射面を設けている。不図示のＬＥＤ光源から出射した光線は、レンズの凹部から入射した後に、一部が全反射面で反射して、出射面から出射するようになっている。スクリーン上の照度の均一性を重視する場合には、実施例１，２のように全反射面を設けないのが好ましいが、スクリーン上の照度の絶対値を確保したい場合、実施例３が有効である。
【００８７】
尚、照明装置としては、上述した実施の形態にかかるレンズと面発光光源の組み合わせからなるものに限らず、その組み合わせに加えて、別のレンズと面発光光源を組み合わせたものを併設しても良い。このようなレンズとしては、図３１に示すレンズＬＳ’を好適に用いることができる。より具体的には、レンズＬＳ’は、光源側入射面としての凹部ＬＳａと、出射面ＬＳｄと、凹部ＬＳａと出射面ＬＳｄとの間に設けられた放物面状の全反射面ＬＳｇとを有する。例えば、上述した実施の形態にかかるレンズＬＳと面発光光源の組み合わせからなる照明装置を、スクリーンの下方に一列に並べてスクリーン上を照明すると共に、その並びの両端に、レンズＬＳ’を含む照明装置を配置して、暗くなりがちなスクリーンの四隅をスポット的に照明すると、よりスクリーン全体の照度が均一化されて好ましい。
【符号の説明】
【００８８】
ＤＬ 線分
ＦＰ 最遠点
ＬＥＤ ＬＥＤ光源
ＬＰ 極大点
ＬＳ レンズ
ＬＳａ 凹部
ＬＳｂ 主入射面
ＬＳｃ 側面入射面
ＬＳｄ 出射面
ＬＳｅ フランジ部
ＬＳｆ 脚部
ＯＡ 光軸
ＯＣ 光源中心
ＳＣ スクリーン
ＳＬ 直線
ＳＴ 基板
【図３】
2013122566.tif 000007
【図４】
2013122566.tif 000008
【図５】
2013122566.tif 000009
【図６】
2013122566.tif 000010
【図７】
2013122566.tif 000011
【図８】
2013122566.tif 000012
【図９】
2013122566.tif 000013
【図１０】
2013122566.tif 000014
【図１１】
2013122566.tif 000015
【図１２】
2013122566.tif 000016
【図１３】
2013122566.tif 000017
【図１４】
2013122566.tif 000018
【図１７】
2013122566.tif 000019
【図１８】
2013122566.tif 000020
【図１９】
2013122566.tif 000021
【図２２】
2013122566.tif 000022
【図２３】
2013122566.tif 000023
【図２４】
2013122566.tif 000024
【図２５】
2013122566.tif 000025
【図２６】
2013122566.tif 000026
【図２７】
2013122566.tif 000027
【図２８】
2013122566.tif 000028
【図２９】
2013122566.tif 000029
【図３０】
2013122566.tif 000030
【図３１】
2013122566.tif 000031
【図３２】
2013122566.tif 000032
【図１】
2013122566.tif 000033
【図２】
2013122566.tif 000034
【図１５】
2013122566.tif 000035
【図１６】
2013122566.tif 000036
【図２０】
2013122566.tif 000037
【図２１】
2013122566.tif 000038