(57)【要約】【課題】光の利用効率を高めつつ、配光角を変化させて光を照射するとともに、コリメートされた平行光を得ることができる照明装置及び光学部材を提供する。【解決手段】ＬＥＤ照明装置１００は、ＬＥＤ素子１と、ＬＥＤ素子１から出射される中心光束ｌｃを集光して光軸１１０ａ方向に狭角光を出射する第１の整形レンズ部１３１と、ＬＥＤ素子１から中心光束ｌｃの周辺に出射される周辺光束ｌｏを集光して光軸１１０ａ方向に狭角光を出射する第２の整形レンズ部１３２とを有する第１の光学部材１３０と、第１の光学部材１３０との光軸１１０ａ方向の距離を可変に設けられ、予め定めた距離ｄ０において第１の光学部材１３０から出射される光を集光して平行光にする第２の光学部材１４０とを備える。【選択図】図１
2016219113.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体発光素子と、
前記半導体発光素子から出射される中心光束を集光して光軸方向に狭角光を出射する第１整形部と、前記半導体発光素子から前記中心光束の周辺に出射される周辺光束を集光して前記光軸方向に狭角光を出射する第２整形部とを有する第１の光学部材と、
前記第１の光学部材との前記光軸方向の距離を可変に設けられ、予め定めた距離において前記第１の光学部材から出射される光を集光して平行光にする第２の光学部材とを備える照明装置。
【請求項２】
前記第１整形部及び前記第２整形部は、共通の仮想光源位置を有する請求項１に記載の照明装置。
【請求項３】
前記第１整形部及び前記第２整形部は、それぞれ異なる仮想光源位置を有し、
前記第２の光学部材は、前記予め定めた距離において、前記第１整形部から出射される光を平行光とする中央レンズ部と、前記第２整形部から出射される光を平行光とする周辺レンズ部とを有する請求項１に記載の照明装置。
【請求項４】
前記第１の光学部材の第２整形部は、前記半導体発光素子から出射される前記周辺光束を全反射する全反射面を有する請求項１−３のいずれか１項に記載の照明装置。
【請求項５】
半導体発光素子から出射される中心光束を集光して光軸方向に狭角光を出射する第１整形部と、前記半導体発光素子から前記中心光束の周辺に出射される周辺光束を集光して前記光軸方向に狭角光を出射する第２整形部とを有する第１の光学部材と、
前記第１の光学部材との前記光軸方向の距離を可変に設けられ、予め定めた距離において前記第１の光学部材から出射される光を集光して平行光にする第２の光学部材とを備える光学部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光源からの光を集光し、集光した光の配光角を変化させて照射する照明装置及び光学部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光源からの光を集光し、集光した光の配光角を変化させて照射するものがある（特許文献１参照）。
【０００３】
この照明装置は、広角配光の光源と、光源からの光を集光して平行光とする光学部材と、平行光を焦点Ｆに集光する第１の凸レンズと、焦点Ｆよりも光源から離れた領域に位置する第２の凸レンズとを有して、第２の凸レンズを光源から遠ざける方向に動かすことで、焦点Ｆを仮想光源として第２の凸レンズの焦点Ｆからの距離に応じて、光の配光角を狭角から広角に連続的に変化させる。広角配光の光源からの光を集光してから配光角を変化させるため、光の利用効率が高い。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−５９５７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、従来の照明装置は、光の利用効率を高めつつ、光の配光角を狭角から広角に連続的に変化させるものであるが、平行光を照射するために第２の凸レンズの焦点Ｆからの距離を調整したとしても、焦点Ｆの仮想光源が実際の光源よりも広がりをもったものとなり、十分にコリメートできない、という問題がある。
【０００６】
したがって、本発明の目的は、光の利用効率を高めつつ、配光角を変化させて光を照射するとともに、コリメートされた平行光を得ることができる照明装置及び光学部材を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
［１］半導体発光素子と、
前記半導体発光素子から出射される中心光束を集光して光軸方向に狭角光を出射する第１整形部と、前記半導体発光素子から前記中心光束の周辺に出射される周辺光束を集光して前記光軸方向に狭角光を出射する第２整形部とを有する第１の光学部材と、
前記第１の光学部材との前記光軸方向の距離を可変に設けられ、予め定めた距離において前記第１の光学部材から出射される光を集光して平行光にする第２の光学部材とを備える照明装置。
［２］前記第１整形部及び前記第２整形部は、共通の焦点を有する前記１に記載の照明装置。
［３］前記第１整形部及び前記第２整形部は、それぞれ異なる焦点を有し、
前記第２の光学部材は、前記予め定めた距離において、前記第１整形部から出射される光を平行光とする中央レンズ部と、前記第２整形部から出射される光を平行光とする周辺レンズ部とを有する前記［１］に記載の照明装置。
［４］前記第１の光学部材の第２整形部は、前記半導体発光素子から出射される前記周辺光束を全反射する全反射面を有する前記［１］−［３］に記載の照明装置。
［５］半導体発光素子から出射される中心光束を集光して光軸方向に狭角光を出射する第１整形部と、前記半導体発光素子から前記中心光束の周辺に出射される周辺光束を集光して前記光軸方向に狭角光を出射する第２整形部とを有する第１の光学部材と、
前記第１の光学部材との前記光軸方向の距離を可変に設けられ、予め定めた距離において前記第１の光学部材から出射される光を集光して平行光にする第２の光学部材とを備える光学部材。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、光の利用効率を高めつつ、配光角を変化させて光を照射するとともに、コリメートされた平行光を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、本発明の第１の実施の形態に係る照明装置の概略の構成例を示す縦断面図である。
【図２】図２は、ＬＥＤ光源から出射された光の光路を示す概略図である。
【図３】図３は、第１の光学部材と第２の光学部材との距離を変更した場合のＬＥＤ光源から出射された光の光路を示す概略図である。
【図４】図４は、本発明の第２の実施の形態に係る照明装置の概略の構成例を示す縦断面図である。
【図５】図５は、ＬＥＤ光源から出射された光の光路を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態及び実施例について図面を参照して説明する。なお、各図中、実質的に同一の機能を有する構成要素については、同一の符号を付してその重複した説明を省略する。
【００１１】
［実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る照明装置の概略の構成例を示す縦断面図である。また、図２は、ＬＥＤ光源１１０から出射された光の光路を示す概略図である。また、図３は、第１の光学部材と第２の光学部材との距離を変更した場合のＬＥＤ光源１１０から出射された光の光路を示す概略図である。
【００１２】
（照明装置の構成）
この照明装置１００は、通電方向が縦方向のＬＥＤ素子を用いた広角配光の光源であるＬＥＤ光源１１０と、ＬＥＤ光源１１０から広角の配光角で出射された光を集光して狭角の配光角で光を出射する第１の光学部材１３０と、第１の光学部材１３０との距離を変化させるように移動可能に設置され、第１の光学部材１３０から出射された光の配光角を変化させる第２の光学部材１４０とを備える。なお、ＬＥＤ素子は、半導体発光素子の一例である。第１の光学部材１３０及び第２の光学部材１４０は、光学系の一例である。
【００１３】
（ＬＥＤ光源の構成）
ＬＥＤ光源１１０は、ＬＥＤ素子１と、一例として、銅ブロック１１１及び放熱器１１７を含む放熱構造とを有する。なお、放熱構造は樹脂基板やアルミ基板を用いてもよい。また、ＬＥＤ光源１１０は、ＬＥＤ素子が発する第１の色の光で励起して第２の色の光を発する蛍光体をさらに備えてもよい。蛍光体は、ＬＥＤ素子１の表面に樹脂を介して粉末状のものを付着させてもよく、樹脂に蛍光体を含有させたものをＬＥＤ素子１の表面に形成してもよい。例えば、ＬＥＤ素子１として、青色系の色の光を発するＬＥＤ素子を用い、蛍光体として、青色系の色の光を黄色系の色の光に変換するＹＡＧ系蛍光体、ＢＯＳ系蛍光体等を用いることにより、ＬＥＤ光源１１０は、ＬＥＤ素子が発する青色系の色の光と蛍光体が変換して出力する黄色系の色の光とが混合されて白色光を出射する。また、ＬＥＤ光源１１０から出射する光の色は、青色系の色に限定されず、また混合色も白色に限定されない。
【００１４】
ＬＥＤ素子１は、一例として、ｎ型半導体基板と、ｎ型半導体基板の表面を部分的に分散して覆うように形成され、ｎ型半導体基板との屈折率の差が０．１５以下である誘電体層と、ｎ型半導体基板上に誘電体層を介して形成され、誘電体層、及びｎ型半導体基板の表面の誘電体層に覆われていない部分に接触するｎ型半導体層と、ｎ型半導体層上に形成された発光層と、発光層上に形成されたｐ型半導体層と、ｎ型半導体基板の誘電体層が形成された面と反対側に形成されたｎ型電極と、ｐ型半導体層上に形成されたｐ型電極とを備える。
【００１５】
（第１の光学部材の構成）
第１の光学部材１３０は、ＬＥＤ光源１１０から出射される光束を集光して狭角光とする第１の整形レンズ部１３１と、ＬＥＤ光源１１０から出射される光束が入射される入射面１３２ｂが略円柱状を有し、入射面１３２ｂに入射した光束を集光して狭角光とする第２の整形レンズ部１３２とを備える。
【００１６】
第１及び第２の整形レンズ部１３１、１３２は、例えば、アクリル樹脂等の透明樹脂から形成される。ここで、第１の整形レンズ部１３１は、第１の整形部の一例であり、第２の整形レンズ部１３２は、第２の整形部の一例である。図１中、Ｐは点光源の位置を示す。
【００１７】
第１の光学部材１３０は、光軸１１０ａを中心として回転対称な形状を有しており、最大外径Ｄ４、最小外径Ｄ３、光軸１１０ａに沿う方向の長さＬ０の形状を有する。また、ＬＥＤ素子１が格納される空間は内径Ｄ２、高さＬ３の略円柱形状を有する。
【００１８】
第１の整形レンズ部１３１は、直径Ｄ１、厚みＬ１の凸レンズにより構成され、平坦な入射面１３１ａと、球面状の出射面１３１ｂとを有する。ここで、第１の整形レンズ部を透過して照射される光束を中心光束ｌｃと呼ぶこととする。なお、中心光束ｌｃを狭角とするものであれば、入射面に凸レンズを設けて出射面を平坦としてもよいし、入射面及び出射面に凸レンズを設けてもよい。
【００１９】
第２の整形レンズ部１３２は、ＬＥＤ光源１１０の光軸１１０ａに垂直に配置される基準面１３２ａと、ＬＥＤ光源１１０から出射された光（水平方向の光も含む。）が入射する円柱状の入射面１３２ｂと、入射面１３２ｂに入射して屈折した光を反射させる反射面１３２ｃと、反射面１３２ｃで反射した光が出射する出射面１３２ｄとを備える。ここで、第２の整形レンズ部１３２を透過して照射される光束を周辺光束ｌｏと呼ぶこととする。
【００２０】
第２の整形レンズ部１３２の反射面１３２ｃは、入射面１３２ｂで屈折した光が臨界角より大きい角度で入射できるように設計され、かつ、反射した光が光軸１１０ａと反対側へ傾くように設計されるものであり、光軸１１０ａを中心とし、放物線を回転して得られる回転放物面又はベジェ曲線等の非球面形状を回転して得られる面に近似した面となっている。なお、第２の整形レンズ部１３２の反射面１３２ｃの代わりに金属板等の反射鏡を用いてもよい。
【００２１】
なお、第２の整形レンズ部１３２の出射面１３２ｄは、光軸と直交する環状の平面である。また、第２の整形レンズ１３２の出射面１３２ｄは、光軸と直交する面に対して所定の角度を有する環状の面又は曲面であってもよい。
【００２２】
第１の整形レンズ部１３１と第２の整形レンズ部１３２とは図２に示す共通の仮想光源位置Ｆを有するものとする。つまり、第１の光学部材１３０から出射される中心光束ｌｃと周辺光束ｌｏの見かけ上の光源位置は仮想光源位置Ｆとなる。
【００２３】
（第２の光学部材）
第２の光学部材１４０は、第１の光学部材１３０との距離ｄ０において、第１の光学部材１３０の仮想光源位置と第２の光学部材１４０の焦点を一致させることで、第１の光学部材１３０から出射される中心光束ｌｃ及び周辺光束ｌｏを平行光として配光制御する凸レンズである。なお、第２の光学部材１４０は、入射面に凸レンズを設けて出射面を平坦としてもよいし、入射面及び出射面に凸レンズを設けてもよい。また、仮想光源位置が第１の光学部材１３０と第２の光学部材１４０とのある場合は、第２の光学部材１４０を凹レンズで構成してもよい。
【００２４】
また、図３に示すように、第２の光学部材１４０は、第１の光学部材１３０との距離がｄ０より大きいｄ１において、第１の光学部材１３０から出射される中心光束ｌｃ及び周辺光束ｌｏを平行光（図中破線）より光軸１１０ａ側に配光する。なお、図示していないが同様に、第２の光学部材１４０は、第１の光学部材１３０との距離がｄ０より小さい距離において、第１の光学部材１３０から出射される中心光束ｌｃ及び周辺光束ｌｏを平行光より光軸１１０ａと反対側に配光する。つまり、第２の光学部材１４０を移動することで出射光の配光角が制御される。
【００２５】
なお、第２の光学部材１４０は、光軸１１０ａを中心として回転対称な形状を有する。また、第１の光学部材１３０及び第２の光学部材１４０は、透明樹脂を射出成型してもよく、ガラスを削り出し加工して形成してもよい。
【００２６】
（第１の実施の形態の効果）
上記第１の実施の形態によれば、以下の効果を奏する。
（１）ＬＥＤ素子１の出射する広角配光の光を第１の光学部材１３０により集光して狭角配光とし、第１の光学部材１３０と第２の光学部材１４０との距離を可変として、距離ｄ０において第１の光学部材１３０から出射される光束を第２の光学部材１４０で平行光に整形するよう構成したため第１の光学部材１３０と第２の光学部材１４０との距離を変化させることで、第１の光学部材から出射される光の配光角を変化させることができる。
（２）第１の光学部材１３０により広角配光のＬＥＤ素子１から出射される光を集光したため、光の利用効率の高い照明装置を実現できる。
（３）第１の光学部材１３０は共通化し、第２の光学部材の曲率を変更することで照明装置のバリエーションを容易に増やすことができる。
【００２７】
［第２の実施の形態］
第２の実施の形態は、第１の光学部材１３０Ａの第１の整形レンズ部１３１Ａと第２の整形レンズ部１３２Ａとが共通の仮想光源位置を有しない点で第１の実施の形態と異なる。なお、第１の実施の形態と共通する構成については共通の符号を付している。
【００２８】
図４は、本発明の第２の実施の形態に係る照明装置の概略の構成例を示す縦断面図である。また、図５は、ＬＥＤ光源１１０から出射された光の光路を示す概略図である。
【００２９】
（照明装置の構成）
この照明装置１００Ａは、ＬＥＤ光源１１０と、ＬＥＤ光源１１０から出射された光を集光して狭角の配光角で光を出射する第１の光学部材１３０Ａと、第１の光学部材１３０Ａから出射された光の配光角を変化させる第２の光学部材１４０Ａとを備える。
【００３０】
（第１の光学部材の構成）
第１の光学部材１３０Ａは、ＬＥＤ光源１１０から出射される光束を狭角光に整形する第１の整形レンズ部１３１Ａと、ＬＥＤ光源１１０から出射される光束が入射される入射面１３２ｂ’が略円柱状を有し、入射面１３２ｂ’に入射した光束を集光して狭角光とする第２の整形レンズ部１３２Ａとを備える。
【００３１】
第１の光学部材１３０Ａは、光軸１１０ａを中心として回転対称な形状を有しており、最大外径Ｄ４、最小外径Ｄ３、光軸１１０ａに沿う方向の長さＬ０の形状を有する。また、ＬＥＤ素子１が格納される空間は内径Ｄ２、高さＬ３の略円柱形状を有する。
【００３２】
第１の整形レンズ部１３１Ａは、直径Ｄ１、厚みＬ１の凸レンズにより構成され、平坦な入射面１３１ａと、球面状の出射面１３１ｂとを有する。ここで、第１の整形レンズ部を透過して照射される光束を中心光束ｌｃと呼ぶこととする。なお、中心光束ｌｃを狭角とするものであれば、入射面に凸レンズを設けて出射面を平坦としてもよいし、入射面及び出射面に凸レンズを設けてもよい。
【００３３】
第２の整形レンズ部１３２Ａは、ＬＥＤ光源１１０の光軸１１０ａに垂直に配置される基準面１３２ａ’と、ＬＥＤ光源１１０から出射された光が入射する円柱状の入射面１３２ｂ’と、入射面１３２ｂ’に入射した光を反射させる反射面１３２ｃ’と、反射面１３２ｃ’で反射した光が出射する出射面１３２ｄ’とを備える。ここで、第２の整形レンズ部１３２Ａを透過して照射される光束を周辺光束ｌｏと呼ぶこととする。
【００３４】
第２の整形レンズ部１３２Ａの反射面１３２ｃ’は、入射面１３２ｂ’で屈折した光が臨界角より大きい角度で入射できるように設計され、光軸１１０ａを中心とし、放物線を回転して得られる回転放物面又はベジェ曲線等の非球面形状を回転して得られる面に近似した面となっている。なお、第２の整形レンズ部１３２Ａの反射面１３２ｃ’の代わりに金属板等の反射鏡を用いてもよい。
【００３５】
なお、第２の整形レンズ部１３２Ａの出射面１３２ｄ’は、光軸と直交する面に対して所定の角度を有する環状の面又は曲面である。出射面１３２ｄ’の角度は、出射面１３２ｄ’から出射する光が光軸１１０ａと反対側へ傾くような角度に設計される。また、第２の整形レンズ部１３２Ａの出射面１３２ｄ’は、出射面１３２ｄ’から出射する光が光軸１１０ａと反対側へ傾くものであれば光軸と直交する環状の平面であってもよい。
【００３６】
第１の整形レンズ部１３１Ａと第２の整形レンズ部１３２Ａとは図５に示すようにそれぞれ異なる仮想光源位置Ｆｃと仮想光源位置Ｆｏとを有するものとする。つまり、第１の光学部材１３０Ａから出射される中心光束ｌｃと周辺光束ｌｏの見かけ上の光源位置はそれぞれ仮想光源位置Ｆｃと仮想光源位置Ｆｏとなる。
【００３７】
（第２の光学部材）
第２の光学部材１４０Ａは、周辺レンズ部１４１Ａ及び中心レンズ部１４２Ａを有する。周辺レンズ部１４１Ａは、第１の光学部材１３０Ａと第２の光学部材１４０Ａの距離ｄ２において、第１の光学部材１３０Ａの仮想光源位置Ｆｏと周辺レンズ部１４１Ａの焦点を一致させることで、第１の光学部材１３０Ａから出射される周辺光束ｌｏを平行光に整形する凸レンズである。また、中心レンズ部１４２Ａは、第１の光学部材１３０Ａと第２の光学部材１４０Ａの距離ｄ２において、第１の光学部材１３０Ａの仮想光源位置Ｆｃと中心レンズ部１４２Ａの焦点を一致させることで、第１の光学部材１３０Ａから出射される中心光束ｌｃを平行光に整形する凸レンズである。なお、第２の光学部材１４０Ａは、入射面に凸レンズを設けて出射面を平坦としてもよいし、入射面及び出射面に凸レンズを設けてもよい。また、仮想光源位置が第１の光学部材１３０Ａと第２の光学部材１４０Ａとのある場合は、第２の光学部材１４０Ａを凹レンズで構成してもよい。
【００３８】
第２の光学部材１４０Ａは、第１の光学部材１３０Ａとの距離がｄ２より大きい場合において、第１の光学部材１３０Ａから出射される中心光束ｌｃ及び周辺光束ｌｏを平行光より光軸１１０ａ側に配光する。また、同様に、第２の光学部材１４０Ａは、第１の光学部材１３０Ａとの距離がｄ２より小さい場合において、第１の光学部材１３０Ａから出射される中心光束ｌｃ及び周辺光束ｌｏを平行光より光軸１１０ａと反対側に配光する。
【００３９】
なお、第２の光学部材１４０Ａは、光軸１１０ａを中心として回転対称な形状を有する。また、第１の光学部材１３０Ａ及び第２の光学部材１４０Ａは、透明樹脂を射出成型してもよく、ガラスを削り出し加工して形成してもよい。
【００４０】
（第２の実施の形態の効果）
上記第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態の効果に加えて以下の効果を奏する。
第１の光学部材１３０Ａの第１の整形レンズ部１３１Ａから出射される中心光束ｌｃを第２の光学部材１４０Ａの中心レンズ部１４２Ａで整形し、第１の光学部材１３０Ａの第２の整形レンズ部１３２Ａから出射される周辺光束ｌｏを第２の光学部材１４０Ａの周辺レンズ部１４１Ａで整形するように構成したため、第１の光学部材１３０Ａの設計に制限があり、第１の整形レンズ部１３１Ａと第２の整形レンズ部１３２Ａとが共通の仮想光源位置を有するように第１の光学部材１３０Ａを設計できない場合でも、第１の光学部材１３０Ａから出射される光を超狭角配光から広角配光に変化させて光を照射することができる。
【００４１】
なお、本発明は、上記実施の形態及び上記実施例に限定されず、発明の要旨を変更しない範囲内で種々に変形可能である。
【符号の説明】
【００４２】
１     ＬＥＤ素子
１００、１００Ａ     ＬＥＤ照明装置
１１０ ＬＥＤ光源
１１０ａ      光軸
１１１ 銅ブロック
１１７ 放熱器
１３０、１３０Ａ     光学部材
１３１、１３１Ａ     整形レンズ部
１３１ａ      入射面
１３１ｂ      出射面
１３２、１３２Ａ     整形レンズ部
１３２ａ      基準面
１３２ｂ      入射面
１３２ｃ      反射面
１３２ｄ      出射面
１４０、１４０Ａ     光学部材
１４１Ａ      周辺レンズ部
１４２Ａ      中心レンズ部
ｌｃ   中心光束
ｌｏ   周辺光束
【図１】
2016219113.tif 000003
【図２】
2016219113.tif 000004
【図３】
2016219113.tif 000005
【図４】
2016219113.tif 000006
【図５】
2016219113.tif 000007