(57)【要約】      （修正有）【課題】ＬＥＤ照明装置光源の開口部に取り付ける配光変換レンズの具体的な面形状を提供すること。【解決手段】ＬＥＤ光源に対向する位置に装着されるレンズであって、一方の面が平面で、他方の面が下記数式で表わされ、曲率半径Ｒは３５＜｜Ｒ｜＜１５０である回転対称非球面であることを特徴とする配光変換レンズ。2016118691.tif 000011（ここで、Ｚはサグ量、ｘ及びｙは、光軸と垂直な面に直交座標xy系をとったときの座標値、Ｋは円錐定数、aiは非球面係数である。）【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＬＥＤ光源に対向する位置に装着されるレンズであって、一方の面が平面で、他方の面が数１で表わされる回転対称非球面であり、数１における曲率半径Ｒは３５＜｜Ｒ｜＜１５０であることを特徴とする配光変換レンズ。
【数１】
2016118691.tif 000009
（ここで、Ｚはサグ量、ｘ及びｙは、光軸と垂直な面に直交座標x y 系をとったときの座標値、Ｋは円錐定数、aｉは非球面係数である。）
【請求項２】
ＬＥＤ光源に対向する位置に装着されるレンズであって、一方の面が平面で、他方の面が数２で表わされる非球面であることを特徴とする配光変換レンズ。
【数２】
2016118691.tif 000010
（ここで、Ｚはサグ量、ｘ及びｙは、光軸と垂直な面に直交座標x y 系をとったときの座標値、Ｋは円錐定数、ｂｉｊは非球面係数である。）
【請求項３】
数２の係数ｂ０２およびｂ２０は、０．００１＜|ｂ０２|＜０．０１５、または０．００１＜|ｂ２０|＜０．０１５である請求項２に記載の配光変換レンズ。
【請求項４】
数２の係数ｂ２２は、０．００００３＜|ｂ２２|＜０．００１５である請求項２に記載の配光変換レンズ。
【請求項５】
数２の係数ｂ２１およびｂ０３は、０．０００６５＜|ｂ２１|＜０．００１９５、または０．０００２１６＜|ｂ０３|＜０．０００６４８である請求項２に記載の配光変換レンズ。
【請求項６】
前記レンズの軸方向から見た正面形状が略円形状であり、外周には取り付け部が形成されている、請求項１〜５の何れか１項に記載の配光変換レンズ。
【請求項７】
前記レンズはレンズ枠を有し、該レンズ枠の外周には取り付け部が形成されている請求項１〜５の何れか１項に記載の配光変換レンズ。
【請求項８】
前記レンズは単レンズにより構成される、請求項１〜７の何れか１項に記載の配光変換レンズ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光源からの光を所望の配光に変換することのできる配光変換レンズに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より照明装置は、特に暗所における物の形状や模様、色彩を把握するために、人類にとって不可欠なものである。
【０００３】
近年では単に物に光をあてることにより単純に見やすくするというだけにとどまらず、その配光特性を自在に操ることにより、光が照射された物体をより見やすく、或いはより魅力的に見せようという試みもなされている。
【０００４】
このような試みを可能にさせるものの一つとして、光源からの光を、配光変換レンズを介して照射するという方法がある。配光変換レンズは、いわゆる非球面レンズであって、その球面レンズに比べて様々な収差を小さくすることができる性質を利用して、種々の光学製品や眼鏡のレンズに使用されてきた。
【０００５】
照明装置においても、照明装置の用途に応じて所望の配光を得るために、照明装置の持つ配光を変換するための配光変換レンズを照明装置に対向して配置する試みがなされてきた。特にＬＥＤ光源は、経済性において優れているという長所を有している一方で、そこから発せられる光の性質が非常に直線性の強いものであるという短所を有しているため、その直進性の強い配光を、照明装置として最適な配光に変換することのできる技術は、有意義なものである。例えば特許文献１には、ＬＥＤ照明装置の開口部に交換可能にレンズを配置することで、照明装置の配光を変換することが提案されている。
【０００６】
しかし特許文献１には、照明装置に配光変換レンズを装着させる記載はあるものの、配光を変化させるための具体的なレンズの面形状の記載がなく、どのような光学設計をすればよいか課題となっていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１１−４４３３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記のような事情に鑑み、本発明の目的とするところは、ＬＥＤ照明装置光源の開口部に取り付ける配光変換レンズの具体的な面形状を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、ＬＥＤ照明装置光源の開口部に取り付けるレンズを、所定の数式に基づいた面形状に設計することで、光源より入射した光を所望の配光に変換できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１０】
即ち、本発明は、
〔１〕ＬＥＤ光源に対向する位置に装着されるレンズであって、一方の面が平面で、他方の面が数３で表わされる回転対称非球面であり、数３における曲率半径Ｒは３５＜｜Ｒ｜＜１５０であることを特徴とする配光変換レンズ、
【数３】
2016118691.tif 000002
（ここで、Ｚはサグ量、ｘ及びｙは、光軸と垂直な面に直交座標x y 系をとったときの座標値、Ｋは円錐定数、aiは非球面係数である。）
〔２〕ＬＥＤ光源に対向する位置に装着されるレンズであって、一方の面が平面で、他方の面が数４で表わされる非球面であることを特徴とする配光変換レンズ、
【数４】
2016118691.tif 000003
（ここで、Ｚはサグ量、ｘ及びｙは、光軸と垂直な面に直交座標x y 系をとったときの座標値、Ｋは円錐定数、ｂiｊは非球面係数である。）
〔３〕数４の係数ｂ０２およびｂ２０は、０．００１＜|ｂ０２|＜０．０１５、または０．００１＜|ｂ２０|＜０．０１５である前記〔２〕に記載の配光変換レンズ、
〔４〕数４の係数ｂ２２は、０．００００３＜|ｂ２２|＜０．００１５である前記〔２〕に記載の配光変換レンズ、
〔５〕数４の係数ｂ２１およびｂ０３は、０．０００６５＜|ｂ２１|＜０．００１９５、または０．０００２１６＜|ｂ０３|＜０．０００６４８である前記〔２〕に記載の配光変換レンズ、
〔６〕前記レンズの軸方向から見た正面形状が略円形状であり、外周には取り付け部が形成されている、前記〔１〕〜〔５〕のいずれかに記載の配光変換レンズ、
〔７〕前記レンズはレンズ枠を有し、該レンズ枠の外周には取り付け部が形成されている前記〔１〕〜〔５〕のいずれかに記載の配光変換レンズ、
〔８〕前記レンズは単レンズにより構成される、前記〔１〕〜〔７〕のいずれかに記載の配光変換レンズ、
に関する。
【発明の効果】
【００１１】
以上にしてなる本発明に係る配光変換レンズによれば、レンズの面形状を前記数３に基づいたものとすることにより、ＬＥＤ照明からの光束を、発散させるような設計にしたり、収束させるような設計にしたりすることができる。
【００１２】
また、レンズの面形状を前記数４に基づいたものとすることにより、光源からの光束を様々な形状に変換することが可能である。
【００１３】
ここで、前記数４において０．００１＜|ｂ０２|＜０．０１５、または０．００１＜|ｂ２０|＜０．０１５とすることにより、光源からの光束の軸方向横断面形状を、楕円形状としつつも、レンズが厚くなったり重くなったりすることがなく、取り扱いにも好適なレンズを得ることができる。
【００１４】
また、前記数４において０．００００３＜|ｂ２２|＜０．００１５とすることにより、光源からの光束の軸方向横断面形状を、矩形状としつつも、レンズが厚くなったり重くなったりすることがなく、取り扱いにも好適なレンズを得ることができる。
【００１５】
また、前記数４において０．０００６５＜|ｂ２１|＜０．００１９５、または０．０００２１６＜|ｂ０３|＜０．０００６４８とすることにより、光源からの光束の軸方向横断面形状を、三角形状としつつも、レンズが厚くなったり重くなったりすることがなく、取り扱いにも好適なレンズを得ることができる。
【００１６】
またレンズの、軸方向からみた正面形状を略円形状とし、さらにその外周に照明装置本体への取り付け部を形成させることにより、レンズを脱着可能とさせることができる。これにより、レンズの交換のみで、光源からの光の配光を変換させることができる。
【００１７】
ここで、レンズ自体ではなく、レンズを保持させるレンズ枠を設け、該レンズ枠に照明装置本体への取り付け部を形成させることにより、レンズを傷つけたり汚したりするリスクを少なくして、レンズ枠を含めたレンズを脱着させることができる。
【００１８】
さらにこのような本発明に係る配光変換レンズは、いずれか一方の面を上記数３や数４で表現される非球面形状で構成することにより、単レンズとすることが可能であり、これにより製造の際のコスト面や作業面での優位性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明に係る配光変換レンズの説明図。
【図２】実施例１の配光変換効果評価試験結果。
【図３】比較例１の配光変換効果評価試験結果。
【図４】実施例２の配光変換効果評価試験結果。
【図５】比較例２の配光変換効果評価試験結果。
【図６】実施例３の配光変換効果評価試験結果。
【図７】比較例４の配光変換効果評価試験結果。
【図８】実施例４の配光変換効果評価試験結果。
【図９】比較例６の配光変換効果評価試験結果。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図１に示すように、本発明に係る配光変換レンズ１は、ＬＥＤ光源２に対向させた位置に設けて、ＬＥＤ光源２から入射する光の配光を変換させることにより、その照明装置の用途に基づいた所望の配光を得るためのものである。
【００２１】
配光変換レンズ１は、ＬＥＤ光源２に対向する位置に設けることにより、光源から入射した光の配光を所望の配光に変換するレンズである。ＬＥＤ光源からの光は従来の蛍光灯や白熱球といった光源由来の光と比べて、直進性が強すぎるという特性を有している。したがって、配光変換レンズを介して照射することにより、光を照射する空間に適切に光を拡散させることが可能となる。
【００２２】
本発明に係る配光変換レンズ１は、ＬＥＤ光源２に対向する位置に装着される。ＬＥＤ光源に対向するとは、基本的にはレンズ面から略直角方向にＬＥＤ光源が存在する位置関係をいう。
【００２３】
本発明に係る配光変換レンズの第一の実施形態は、一方の面が平面で、他方の面が数５の非球面式で表わされる回転対称非球面であり、数５における曲率半径Ｒは３５＜｜Ｒ｜＜１５０である。
【００２４】
【数５】
2016118691.tif 000004
（ここで、Ｚはサグ量、ｘ及びｙは、光軸と垂直な面に直交座標x y 系をとったときの座標値、Ｋは円錐定数、aiは非球面係数である。）
【００２５】
ここで、配光変換レンズの面については、その得ようとする配光に応じ、ＬＥＤ光源側の面（以下、第１面という。）が平面で、その反対側の面（以下、第２面という。）が非球面であるという態様であってもよいし、第１面が非球面で第２面が平面であってもよい。
【００２６】
第１面が平面であり、第２面の非球面式における曲率半径Ｒ＞０、つまり凹面を形成する場合、ＬＥＤ光源から入射した光束は発散する。そして第１面が平面であり、第２面の非球面式における曲率半径Ｒ＜０、つまり凸面を形成する場合、ＬＥＤ光源から入射した光束は収束する。一方、第２面が平面であり、第１面の非球面式における曲率半径Ｒ＞０、つまり凹面を形成する場合、ＬＥＤ光源から入射した光束は発散する。そして第２面が平面であり、第１面の非球面式における曲率半径Ｒ＜０、つまり凸面を形成する場合、ＬＥＤ光源から入射した光束は収束する。なお、曲率半径Ｒの単位はｍｍである。
【００２７】
曲率半径Ｒは、３５＜｜Ｒ｜＜１５０、つまり−１５０＜Ｒ＜−３５または３５＜Ｒ＜１５０であるが、３５＜｜Ｒ｜＜１００であるとより好ましく、３５＜｜Ｒ｜＜８０であるとさらに好ましい。本発明において第１面または第２面の非球面が凹面を形成する場合、上述のようにＬＥＤ光源から入射した光束は発散し、第１面または第２面の非球面が凸面を形成する場合には、ＬＥＤ光源から入射した光束は収束する。ここで、｜Ｒ｜≦３５、あるいは１５０≦｜Ｒ｜であると配光変換効果が得られない。
【００２８】
Ｌは０以上の整数であるが、適切な配光変換効果を得るという観点から、０〜１０の整数であることが好ましい。
【００２９】
かかる第１の実施形態に係る配光変換レンズにおける非球面は回転対称非球面、つまり放物線をその軸の回りに回転して得られる様な曲面を形成する。これにより、ＬＥＤ光源からレンズを通過した光束のその軸方向横断面形状を回転対称なる形状とすることができ、光束をその進行方向に対して均一に発散又は収束させることが可能となる。
【００３０】
また本発明に係る配光変換レンズの第二の実施形態は、一方の面が平面で、他方の面が数６で表わされる非球面であることを特徴とする配光変換レンズ、である。
【００３１】
【数６】
2016118691.tif 000005
（ここで、Ｚはサグ量、ｘ及びｙは、光軸と垂直な面に直交座標x y 系をとったときの座標値、Ｋは円錐定数、ｂiｊは非球面係数である。）
【００３２】
上記数６に現される形状の非球面を採用することにより、レンズを通過した光束の軸方向横断面形状を所望の形状とすることができ、たとえばショウウィンドウの照明に取り付けるレンズとして好適なレンズを得ることができる。
【００３３】
ここで、数６の係数ｂ０２およびｂ２０を、０．００１＜|ｂ０２|＜０．０１５、または０．００１＜|ｂ２０|＜０．０１５とすることにより、レンズを通過した光束の、円形の軸方向横断面形状を、楕円形状にすることができる。|ｂ０２|または|ｂ２０|の値が０．００１以下であると、光束を円形から楕円形状に変換する効果が得ることができず、一方で|ｂ０２|または|ｂ２０|の値が０．０１５以上であると、レンズが厚くなったり重くなったりして取り扱い上の問題点が発生してしまう。
【００３４】
また、数６の係数ｂ２２を、０．００００３＜|ｂ２２|＜０．００１５とすることにより、レンズを通過した光束の、円形の軸方向横断面形状を、矩形状にすることができる。|ｂ２２|の値が０．００００３以下であると配光変換効果を得ることができず、一方|ｂ２２|の値が０．００１５以上であると、レンズが厚くなったり重くなったりするという問題点が生じうる。
【００３５】
さらに、数６の係数ｂ２１およびｂ０３を、０．０００６５＜|ｂ２１|＜０．００１９５、または０．０００２１６＜|ｂ０３|＜０．０００６４８とすることにより、レンズを通過した光束の、円形の軸方向横断面形状を、三角形状にすることができる。|ｂ２１|および|ｂ０３|のいずれもがこれらの数値範囲以下であると良好な配光変換効果を得ることができず、逆にこれらの数値範囲以上であるとレンズが厚くなったり重くなったりするという問題点が生じうる。
【００３６】
ここで、Ｌ及びＭは０以上の整数であるが、適切な配光変換効果を得るという観点から、０〜１０の整数であることが好ましい。
【００３７】
以上のようにして製造される、第一及び第二の実施形態に係る配光変換レンズの厚みは１０ｍｍ以下となる。重量についてはレンズを構成する材質にもよるが、例えば後述するポリメタクリル酸メチル樹脂を用いた場合、５ｇ以下となる。
【００３８】
これらの第一および第二の実施形態に係る非球面レンズは、公知の非球面レンズ用の材質を広く用いて製造することが可能である。これらの材質としてはたとえば、ポリメタクリル酸メチル樹脂やポリカーボネートなどの有機ガラス、ポリオレフィン系樹脂、光学ガラスなどがあげられるが、もちろんこれらに限定されるものではない。ただし、これらの中でも軽量化可能という観点から、ポリメタクリル酸メチル樹脂をレンズ用の材質として採用するのが好ましく、あるいは、耐熱化という観点から、ポリカーボネートをレンズ用の材質として採用するのが好ましい。
【００３９】
またこうした配光変換レンズの製造方法としても、ガラスモールド法、射出成形などの非球面レンズについての公知の製造方法を広く採用することができるが、もちろんこれらに限定されない。
【００４０】
作製する配光変換レンズの外径（直径）としては、その使用するＬＥＤ光源のサイズにもよるが、２０〜６０ｍｍが好ましく、３０〜５０ｍｍがより好ましい。
【００４１】
またこれらの配光変換レンズは、該レンズの軸方向から見た正面形状を略円形状とし、その外周には取り付け部を設けるのも好ましい。このようにしてレンズを照明装置から容易に着脱可能な構成とすることにより、一度照明装置を設置した後に、光源からの配光を変換する必要が生じた場合においても、照明装置そのものをとりかえる必要がなく、レンズのみを交換することで足り、コスト面や作業面で大きなメリットを得ることが可能である。
【００４２】
このような取り付け部の具体的な構成としては、たとえばレンズを照明装置に対して容易に且つ安定して固定し得る態様であれば特に限定はないが、たとえばねじ形状とするような方法があげられる。
【００４３】
このような取り付け部は、配光変換レンズ自体をそのような、たとえば外周部がねじ形状となるように構成してもよい。またそれ以外でも、図１に示すように配光変換レンズ１に別部材でレンズ枠３を構成させ、そのレンズ枠に取り付け部４を設けるような態様も好ましい。このレンズ枠における取り付け部についても、たとえばねじ形状とする方法があげられ、この場合にはＬＥＤ光源側に螺合用部材５を設けるのも好ましい実施態様であるが、これに限定されない。
【００４４】
さらにこのような本発明に係る配光変換レンズは、第一面または第二面を上記数５や数６で表現される非球面形状で構成することにより、単レンズとすることが可能であり、これにより製造の際のコスト面や作業面での優位性を得ることができる。
【００４５】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこうした例に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【実施例】
【００４６】
以下、実施例に基づき、本発明の実施形態をより具体的に説明するが、本発明がこれらに限定されるものではない。
【００４７】
（実施例１）
第１面について下記数７におけるＲの値を−８０、係数Ｋ、ａｉ、及びＬについては０の面とし、第２面については平面としてポリメタクリル酸メチル樹脂（Ｐｏｌｙｍｅｔｈｙｌ  ｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ／以下、ＰＭＭＡという。）を材質として採用し、射出成形によりレンズを製造した。レンズの外径は３０ｍｍ、中心厚は５ｍｍとした。
【００４８】
【数７】
2016118691.tif 000006
【００４９】
（実施例２）
第１面については下記数８におけるＲの値を無限大、ｂ０２の値は＋０．０１、その他の係数についてはすべて０とする面、第２面については平面としたうえで、ポリメタクリル酸メチル樹脂を材質として採用し、射出成形によりレンズを製造した。レンズの外径は３０ｍｍとした。
【００５０】
【数８】
2016118691.tif 000007
【００５１】
（実施例３）
第１面については上記数８におけるＲの値を無限大、ｂ２２の値は＋０．００００５、その他の係数についてはすべて０とする面、第２面については平面としたうえで、ポリメタクリル酸メチル樹脂を材質として採用し、射出成形によりレンズを製造した。レンズの外径は３０ｍｍとした。
【００５２】
（実施例４）
第１面については上記数８におけるＲの値を無限大、ｂ２１の値を＋０．００１３、ｂ０３の値を−０．０００４３２、その他の係数についてはすべて０とする面、第２面については平面としたうえで、ポリメタクリル酸メチル樹脂を材質として採用し、射出成形によりレンズを製造した。レンズの外径は３０ｍｍとした。
【００５３】
（比較例１）
上記実施例１におけるＲの値を−３００とした以外は実施例１と同様の操作を行い、レンズを製造した。
【００５４】
（比較例２）
上記実施例２におけるｂ０２の値を＋０．００１とした以外は実施例２と同様の操作を行い、レンズを製造した。
【００５５】
（比較例３）
上記実施例２におけるｂ０２の値を＋０．０５とした以外は実施例２と同様の操作を行い、レンズを製造した。
【００５６】
（比較例４）
上記実施例３におけるｂ２２の値を＋０．０００００５とした以外は実施例３と同様の操作を行い、レンズを製造した。
【００５７】
（比較例５）
上記実施例３におけるｂ２２の値を＋０．０５とした以外は実施例３と同様の操作を行い、レンズを製造した。
【００５８】
（比較例６）
上記実施例４におけるｂ２１の値を＋０．０００３２５、ｂ０３の値を−０．０００１０８とした以外は実施例４と同様の操作を行い、レンズを製造した。
【００５９】
（比較例７）
上記実施例４におけるｂ２１の値を＋０．００２８６、ｂ０３の値を−０．０００９５とした以外は実施例４と同様の操作を行い、レンズを製造した。
【００６０】
（配光変換効果評価試験）
実施例１〜４並びに比較例１、２、４及び６のレンズに対し、レンズの第１面側正面６５０ｍｍの距離から光束の軸方向横断面形状が円形状となるＬＥＤ照明を照射し、レンズを透過した光束の軸方向横断面形状をレンズから６５０ｍｍの位置で評価した。尚、ＬＥＤ照明より発せられる光の波長は５５０ｎｍに設定して評価をおこなった。
【００６１】
（レンズ重量・中心厚評価試験）
実施例２〜４及び比較例３、５及び７のレンズの重量及び中心厚の測定をおこなった。
【００６２】
（配光変換効果評価試験結果）
図２に示すように、実施例１のレンズにおいては、光束の軸方向横断面形状が拡大され、良好な配光変換効果が確認された。その一方で比較例１のレンズにおいては図３に示すように、配光変換効果がほとんど確認できなかった。このように上記数７においてＲの値を、３５＜｜Ｒ｜＜１５０の範囲内とすることにより、光束を発散させたり収束させたりすることができることが確認された。
図４に示すように、実施例２のレンズにおいては、光束の軸方向横断面形状が円形から楕円形状へと変換され、良好な配光変換効果が確認された。その一方で比較例２のレンズにおいては図５に示すように、配光変換効果が確認できなかった。このように上記数８の係数ｂ０２およびｂ２０について、０．００１＜|ｂ０２|＜０．０１５、または０．００１＜|ｂ２０|＜０．０１５とすることにより、良好な配光変換効果が得られることが確認された。
図６に示すように、実施例３のレンズにおいては、光束の軸方向横断面形状が円形から矩形状へと変換され、良好な配光変換効果が確認された。その一方で比較例４のレンズにおいては図７に示すように、配光変換効果が確認できなかった。このように上記数８の係数ｂ２２について、０．００００３＜|ｂ２２|＜０．００１５とすることにより、良好な配光変換効果が得られることが確認された。
図８に示すように、実施例４のレンズにおいては、光束の軸方向横断面形状が円形から三角形状へと変換され、良好な配光変換効果が確認された。その一方で比較例６のレンズにおいては図９に示すように、配光変換効果が確認できなかった。このように上記数８の係数ｂ２１およびｂ０３について、０．０００６５＜|ｂ２１|＜０．００１９５、または０．０００２１６＜|ｂ０３|＜０．０００６４８とすることにより、良好な配光変換効果が得られることが確認された。
【００６３】
（レンズ重量・中心厚評価試験結果）
表１に示すように、比較例３、５および７のレンズはその重量が重く、また中心厚も分厚いものであった。
【００６４】
【表１】
2016118691.tif 000008
【符号の説明】
【００６５】
１  配光変換レンズ
２  ＬＥＤ光源
３  レンズ枠
４  取り付け部
５  螺合用部材
【図１】
2016118691.tif 000012
【図２】
2016118691.tif 000013
【図３】
2016118691.tif 000014
【図４】
2016118691.tif 000015
【図５】
2016118691.tif 000016
【図６】
2016118691.tif 000017
【図７】
2016118691.tif 000018
【図８】
2016118691.tif 000019
【図９】
2016118691.tif 000020