(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
底部と、外周部と、レンズ面となる頂部と、上記底部から上記頂部に向かって形成され天井部及び内周部から成る凹部と、を有し、上記天井部が第１のレンズ面として、上記内周部が光入射面として、上記外周部及び上記底部が反射面として、そして上記頂部が第２のレンズ面として機能するバルク型レンズと、
上記バルク型レンズの凹部内に収納されて該バルク型レンズに完全に囲まれた少なくとも一個の光源と、
上記光源を駆動する駆動部と、
この駆動部に給電する電源部と、
上記電源部から上記駆動部への給電をオンオフするスイッチ部と、
上記バルク型レンズ、光源、駆動部及び電源部を収容するケースと、
を含み、上記バルク型レンズが光軸方向に移動可能に支持されていることを特徴とする、照明装置。
【請求項２】
前記バルク型レンズの光源より後方の領域に、第一のネジ部が一体的に設けられており、この第一のネジ部に螺合するように、ケースに第二のネジ部が形成されていて、バルク型レンズを回転させることによりバルク型レンズが光軸方向に移動され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】
前記第一のネジ部が、バルク型レンズに回転可能に装着される回転リングに形成されていることを特徴とする、請求項２に記載の照明装置。
【請求項４】
前記バルク型レンズの後方の領域に、第三のネジ部が一体的に設けられており、第三のネジ部に螺合するように、光源を支持する発光部に第四のネジ部が形成されていて、バルク型レンズを発光部に対して相対的に回転させることにより、バルク型レンズが発光部に対して相対的に光軸方向に移動されることを特徴とする、請求項１に記載の照明装置。
【請求項５】
前記光源の後方に、該光源からの光を前記バルク型レンズの後端面に向かって反射させる反射部材が備えられていることを特徴とする、請求項１，２又は４に記載の照明装置。
【請求項６】
前記バルク型レンズの前方に、光源からバルク型レンズを介して出射する光を反射させる反射ミラーが備えられていることを特徴とする、請求項１から５の何れかに記載の照明装置。
【請求項７】
前記照明装置のバルク型レンズは、前記外周部の外径が、前記内周部の内径の３倍以上１０倍以下であることを特徴とする、請求項１に記載の照明装置。
【請求項８】
前記照明装置のバルク型レンズは、第１のレンズ面を、凸面、凹面、平面、平フレネルレンズ面の何かに形成したことを特徴とする、請求項１に記載の照明装置。
【請求項９】
前記光源は、光学媒質を介して前記凹部に収納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１０】
前記光源は、樹脂材料でモールドされた半導体発光素子からなることを特徴とする、請求項１に記載の照明装置。
【請求項１１】
前記照明装置のバルク型レンズは、前記第２のレンズ面の曲率半径をＲ、前記バルク型レンズの光軸方向に測った全長をＬ、バルク型レンズの屈折率をｎとして、
０．９３  ＜  ｋ（Ｒ／Ｌ）  ＜  １．０６
ｋ  ＝  １／（０．３５・ｎ  −  ０．１６８）
の関係を満足することを特徴とする、請求項１に記載の照明装置。
【請求項１２】
前記照明装置のバルク型レンズは、前記第１のレンズ面の突き出し量をΔ、前記外周部の外径を２Ｒｏとして、
０．０２５  ＜  Δ／Ｒｏ  ＜  ０．０７５
の関係を満足することを特徴とする、請求項１に記載の照明装置。
【請求項１３】
前記照明装置のバルク型レンズは、前記底部に、更に背面鏡を備えたことを特徴とする、請求項１に記載の照明装置。
【請求項１４】
前記照明装置のバルク型レンズの内部に、更に他の凹部を並列配置したことを特徴とする、請求項１に記載の照明装置。
【請求項１５】
前記照明装置のバルク型レンズは、可とう性、若しくは屈曲性を有する材料からなることを特徴とする、請求項１に記載の照明装置。
【請求項１６】
前記照明装置のバルク型レンズは、前記内周部の光入射面が、前記外周部との傾きφを有する少なくとも光波長以上の大きさの凹凸面で構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１７】
前記傾きφは、前記凹部の屈折率をｎ１ 、前記バルク型レンズの屈折率をｎ２、前記外周部面における全反射角をθｔ 、前記光源の発散角をθｄ として、
ｓｉｎ−１｛ｎ１／ｎ２ ｃｏｓ（θｄ ＋φ）｝＝θｔ
から定まる角度であることを特徴とする、請求項１６に記載の照明装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、発光部としてＬＥＤ等の小型の光源を使用して、光の照射範囲を調整することができる照明装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、このような照明装置は、発光部としての電球とこの光源の後方に配設された凹状の反射部材とから構成されており、光源から出射した光を反射部材により反射させると共に集光して、前方に向かって光を照射するようになっている。そして、反射部材を発光部の光源に対して相対的に光軸方向に移動させることにより、反射部材の焦点位置を光源に対して変化させ、光の照射範囲を調整するようになっている。このような構成の照明装置においては、光源として電球を使用しているため、消費電力が比較的大きく、電源として乾電池を使用するような場合には、乾電池の寿命が比較的短くなってしまう。
【０００３】
これに対して、発光部の光源として例えばＬＥＤを使用した照明装置も開発されてきており既に実用化されている。このようなＬＥＤを使用した照明装置は、ＬＥＤとＬＥＤの前方に配設されたレンズ特に凸レンズとから構成されており、ＬＥＤから出射した光をレンズにより集光させて、前方に向かって光を照射するようになっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようなＬＥＤを使用した照明装置においては、ＬＥＤの発光分布特性によりＬＥＤから発光する全ての光を収束することができないため、ＬＥＤから出射した光の利用効率が低くなってしまう。このため、十分な光量の光を照射することが困難である。
【０００５】
この発明は、以上の点にかんがみ、消費電力が小さく、低コストで構成され得ると共に、十分な光量の光を照射することができるようにした、照明装置を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の照明装置は、底部と、外周部と、レンズ面となる頂部と、底部から頂部に向かって形成され天井部及び内周部から成る凹部と、を有し、天井部が第１のレンズ面として、内周部が光入射面として、外周部及び底部が反射面として、そして頂部が第２のレンズ面として機能するバルク型レンズと、バルク型レンズの凹部内に収納されて該バルク型レンズに完全に囲まれた少なくとも一個の光源と、発光部を駆動する駆動部と、駆動部に給電する電源部と、電源部から駆動部への給電をオンオフするスイッチ部と、バルク型レンズ、光源、駆動部及び電源部を収容するケースと、を含み、バルク型レンズが光軸方向に移動可能に支持されていることを特徴とする。
【０００７】
前記照明装置は、好ましくは、バルク型レンズの発光部の光源より後方の領域に、第一のネジ部が一体的に設けられており、この第一のネジ部に螺合するようにケースに第二のネジ部が形成されていて、バルク型レンズを回転させることによりバルク型レンズが光軸方向に移動される。
前記照明装置は、好ましくは、第一のネジ部が、バルク型レンズに回転可能に装着される回転リングに形成されている。
前記照明装置は、好ましくは、バルク型レンズの発光部の光源より後方の領域に第三のネジ部が一体的に設けられており、この第三のネジ部に螺合するように発光部に第四のネジ部が形成されていて、バルク型レンズを発光部に対して相対的に回転させることにより、バルク型レンズが発光部に対して相対的に光軸方向に移動される。
前記照明装置は、好ましくは、バルク型レンズの後方に、光源からの光をバルク型レンズの後端面に向かって反射させる反射部材が備えられている。
前記照明装置は、好ましくは、バルク型レンズの前方に、バルク型レンズの光源からバルク型レンズを介して出射する光を反射させる反射ミラーが備えられている。
前記照明装置のバルク型レンズは、好ましくは、外周部の外径が、内周部の内径の３倍以上１０倍以下である。
前記照明装置のバルク型レンズは、好ましくは、第１のレンズ面を、凸面、凹面、平面、平フレネルレンズ面の何かに形成する。
前記光源は、好ましくは、光学媒質を介して凹部に収納されている。
前記光源は、好ましくは、樹脂材料でモールドされた半導体発光素子からなる。
前記照明装置のバルク型レンズは、好ましくは、第２のレンズ面の曲率半径をＲ、バルク型レンズの光軸方向に測った全長をＬ、バルク型レンズの屈折率をｎとして、
０．９３  ＜  ｋ（Ｒ／Ｌ）  ＜  １．０６
ｋ  ＝  １／（０．３５・ ｎ  −  ０．１６８）
の関係を満足する。
前記照明装置のバルク型レンズは、好ましくは、第１のレンズ面の突き出し量をΔ、前記外周部の外径を２Ｒｏとして、
０．０２５  ＜  Δ／Ｒｏ  ＜  ０．０７５
の関係を満足する。
【０００８】
上記構成によれば、本発明の照明装置に使用するバルク型レンズは、凹部が光源の収納部として、天井部及び頂部がレンズ面として、内周部が光入射面として、外周部が全反射面として、そして底部が反射面として機能する。凹部の内部に光源を収納した場合は、天井部がレンズの入射面として、頂部がレンズの出射面として機能する。内周部から光学媒体に入射した光は、全反射して又は底部で反射されて頂部に伝送される。「バルク型」とは、砲弾型、卵型、繭型、蒲鉾型等、ある程度の厚み又は膨らみを有する固形体を意味する。光軸方向に垂直な断面の形状は、真円、楕円、三角形、四角形、多角形等が可能である。バルク型のレンズ本体の外周部は、円柱、角柱の円周部のような光軸に平行な面でも良く、光軸に対してテーパを有していてもかまわない。また、天井部及び頂部のレンズ面は、凸面、凹面、平面、フレネルレンズ面のいずれかを適宜選択できる。
【０００９】
バルク型レンズは、レンズ作用及び入射面と出射面とを接続する光伝送作用を有するので、光の波長に対して透明な材料であり、かつ、屈折率が空気の屈折率とは異なる必要がある。このような材料としては、アクリル樹脂等の透明樹脂（透明プラスチック材料）、石英ガラス、ソーダ石灰ガラス、ホウケイ酸ガラス、鉛ガラス等の種々のガラス材料等が使用可能である。酸化亜鉛（ＺｎＯ）、硫化亜鉛（ＺｎＳ）、炭化珪素（ＳｉＣ）等の結晶性材料を用いてもよい。又、可とう性、屈曲性や伸縮性のある透明ゴムのような材料でもかまわない。なお、光源として、ハロゲンランプ等の白熱球を用いる場合は、これによる発熱を考慮し、耐熱性光学材料を用いるべきである。耐熱性光学材料としては、石英ガラス、サファイアガラス等の耐熱ガラスが好ましい。或いは、ポリサルホン樹脂、ポリエーテルサルホン樹脂、ポリカーボネイト樹脂、ポリエーテルエステルアミド樹脂、メタクリル樹脂、非晶性ポリオレフィン樹脂、パーフルオロアルキル基を有する高分子材料等の耐熱性樹脂等の耐熱性光学材料が使用可能である。ＳｉＣ等の結晶性材料も耐熱性に優れている。
【００１０】
光源としては、ＬＥＤや半導体レーザ等のように、発光に際して顕著な発熱作用を伴わない光源が好ましい。ＬＥＤ等を用いれば、本発明の第１の特徴に係るバルク型レンズの凹部（収納部）の内部に、「光源」を収納した場合において、その発熱作用によって、バルク型レンズに熱的影響を与えることがない。
【００１１】
本発明の照明装置にバルク型レンズを使用すれば、光源の数を多数必要とすることなく、所望の照度を有する照明器具を簡単に得ることが出来る。この照度は、光源の数を同一として較べれば、従来公知のレンズ等の光学系では達成不可能な照度である。本発明は、従来の技術では達成出来ない照度を、簡単且つ小型な構成で実現出来る。詳細は後述するが、従来の「両凸レンズ」、「平凸レンズ」、「メニスカス凸レンズ」、「両凹レンズ」、「平凹レンズ」、「メニスカス凹レンズ」等の薄型レンズでは、直径が無限大の大型なレンズを用いなければ、本発明のバルク型レンズに等価な機能を達成出来ない。
【００１２】
ＬＥＤには内部量子効率と外部量子効率があるが、通常、外部量子効率は内部量子効率よりも低い。ＬＥＤをバルク型レンズの収納部（凹部）に収納することにより、内部量子効率とほぼ等しい効率で、潜在的なＬＥＤの光エネルギを有効に取り出すことが可能となる。
その原理は、（ａ）バルク型レンズの頂部及び天井部であるレンズ面、及び外周部での反射光（迷光）が外周部で全反射することによりバルク型レンズ外にほとんど散逸しない、（ｂ）上記反射光（迷光）の一部が頂部及び天井部であるレンズ面にもどる、（ｃ）上記反射光（迷光）の一部が底部で反射されて頂部及び天井部であるレンズ面にもどる、（ｄ）上記反射光（迷光）の一部がＬＥＤ光源に吸収され再発光する、さらに、（ｅ）内側面に入射する光も全反射により導光し有効利用している、ことなどが考えられる。
【００１３】
また、本発明に用いるバルク型レンズによれば、ＬＥＤ等の光源それ自身は、何ら手を加えることなく、容易に、光の発散、収束等の光路の変更や焦点の変更が可能である。すなわち、光源の発散角が既知であれば、第１及び第２の湾曲面の曲率半径等の選定が簡単に出来る。なお、第１及び第２の湾曲面のいずれか一方は、曲率半径が無限大、若しくは無限大に近い平坦な面であっても良い。第１及び第２の湾曲面のいずれか一方が、無限大ではない所定の（有限の）曲率半径を有していれば、光の収束、発散の制御が可能である。又、「所定の発散角」は０°、即ち平行光線であっても良い。又、発散角が９０°であっても、収納部が光源の発光部を完全に光学的に覆っているため、有効にその光を集光することが可能である。これは、従来のレンズ等の光学系では不可能な作用である。即ち、天井部以外の収納部の内周部も、有効な光の入射部として機能し得る。
【００１４】
具体的には、バルク型レンズに用いる光源は、チップ状の半導体発光素子、透明材料でモールドされた半導体発光素子、又は他の光源から光を導く光ファイバの出射端面である。これらの光源を光学媒質を介して収納部に収納しても良い。屈折率によって光学媒質を適宜選択することによっても、光の発散、収束等の光路の変更や焦点の変更が可能であり、また、内周面から凹部に入射する光の屈折角を変えることができ、凹部の全反射をより効果的にすることもできる。
ここで、光学媒質には、固体、液体、気体、のみならず、ゾル状、コロイド状若しくはゲル状の光の波長に対して透明な物質も含まれる。
【００１５】
さらに、上記バルク型レンズは、頂部と、底部と、外周部と、この底部から頂部に向かって形成されて天井部と内周部からなる凹部とを有している光学媒体であり、凹部が光源若しくは光検知器の収納部として、天井部及び頂部がレンズ面として、内周部が光入射面として、外周部が全反射面として、底部が反射面として機能し、内周部の光入射面が外周部との傾きφを有する少なくとも光波長以上の大きさの凹凸面で構成されている。また前記傾きφは、前記凹部の屈折率をｎ１ 、前記光学媒体の屈折率をｎ２ 、前記光学媒体内の外周部面における全反射角をθｔ 、前記光源の発散角をθｄ として、
ｓｉｎ−１｛ｎ１／ｎ２ ｃｏｓ（θｄ ＋φ）｝＝θｔ
から定まる角度であることが好ましい。
例えば、端面発光ＬＥＤのようにほとんどの出射光がチップの側面から出射するようなＬＥＤを使用する場合においても、全ての出射光を集光できる。
【００１６】
さらにまた、バルク型レンズは、レンズ部と光源を収納する収納部とが一体で形成されているため、従来のレンズ系では必要であったレンズと光源を光学的位置合わせをして保持する保持部を必要とせず、また、光学的位置合わせ工程を必要とせず、ただ光源にかぶせるだけでよいので、極めて低コストである。
【００１７】
従って、電源部からの給電により駆動部が光源の一個もしくは複数個の光源を発光させ、各光源から出射した光は、一部がバルク型レンズに設けられた凹部内にて内周面から光学部材内に入射し、また他の一部が上記凹部内の天井面から光学媒体に入射する。光学媒体内に入射した光は、光学媒体内にて一部が直接に前端面から出射し、また他の一部が光学部材の外周面の内側で反射されて前端面から出射する。これにより、光学媒体の頂部から出射する光は、光学媒体の天井部である第一のレンズ面と頂部である第二のレンズ面によるレンズ効果に基づいて屈折され、前方に向かって照射される。更に、頂部、天井部で生じるフレネル反射光は、バルク型レンズ内で全反射して頂部にもどり出射する。さらに、ＬＥＤにもどった反射光は、ＬＥＤのＰＮ接合に吸収されて再発光する。
このように、バルク型レンズを用いることにより、照明装置の照射光強度を大幅に高めることができる。
【００１８】
ここで、バルク型レンズを光源に対して相対的に光軸方向に移動させると、光源からバルク型レンズの凹部の天井部である第一のレンズ面までの距離が変動することにより、バルク型レンズの第一のレンズ面及び第二のレンズ面により構成されるレンズの焦点位置が光源に対して移動する。したがって、光源から出射する光に対するレンズ効果が変化して、バルク型レンズの頂部から出射する光の照射範囲が調整される。例えば、バルク型レンズ頂部から出射する光は、レンズ効果により拡散されて、広い角度範囲に照射され、あるいはレンズ効果により集光されて、狭い角度範囲に照射されるようになる。
【００１９】
このようにして、本発明によれば、発光部の光源としてＬＥＤ等の小型の光源から出射する光を、上述した特別の構成のバルク型レンズを使用することによって、効率良く集光して、十分な光量の光を照射することができると共に、バルク型レンズを光源に対して相対的に光軸方向に移動させることにより、光の照射範囲を調整することができる。
【００２０】
上記バルク型レンズの発光部の光源より後方の領域に、第一のネジ部が一体的に設けられており、この第一のネジ部に螺合するようにケースに第二のネジ部が形成されていて、バルク型レンズを回転させることによりバルク型レンズが光軸方向に移動される場合には、バルク型レンズに一体的に設けられた第一のネジ部をケースに形成された第二のネジ部に螺合させることによって、バルク型レンズの回転によりバルク型レンズがケースに対して光軸方向に移動するので、ケースに取り付けられた発光部に対しても光軸方向に移動する。従って、バルク型レンズの回転により、バルク型レンズを発光部に対して光軸方向に移動調整することができる。
【００２１】
第一のネジ部が、バルク型レンズに回転可能に装着される回転リングに形成されている場合には、バルク型レンズの形状に制限されることなく、バルク型レンズに回転可能に装着される回転リングに形成された第一のネジ部をケースに形成された第二のネジ部に螺合させることによって、回転リングが回転してバルク型レンズがケースに対して光軸方向に移動する。その際、バルク型レンズ自体は、回転リングに対して回転可能に支持されているので、回転せずに光軸方向に移動する。
【００２２】
バルク型レンズの発光部の光源より後方の領域に、第三のネジ部が一体的に設けられており、この第一のネジ部に螺合するように発光部に第四のネジ部が形成されていて、バルク型レンズを発光部に対して相対的に回転させるてバルク型レンズが発光部に対して相対的に光軸方向に移動される場合には、バルク型レンズに一体的に設けられた第三のネジ部を、発光部に形成された第四のネジ部に螺合させることによって、バルク型レンズが発光部に対して光軸方向に移動する。従って、バルク型レンズを回転させてバルク型レンズを発光部に対して光軸方向に移動調整することができる。
【００２３】
バルク型レンズの後方に、光源からの光をバルク型レンズの底部に向かって反射させる反射部材が備えられている場合には、底部に反射膜が無くとも、光源からバルク型レンズの後方に漏れた光は、反射部材により反射されて再び光学部材の後端面からバルク型レンズ内に入射して、バルク型レンズの頂部から照射される。このため、前方に向かって照射される光の利用効率がさらに上昇し、照射光度がより一層向上する。
【００２４】
上記バルク型レンズの前方に、光源からバルク型レンズを介して出射する光を反射させる反射ミラーが備えられている場合には、バルク型レンズから前方に向かって照射される光が、反射ミラーにより反射されて光軸が折曲げられるので、所望の方向に光を照射することができる。その際、反射ミラーの表面に曲率を付与することによって、反射部材による反射光を任意に拡散させ、あるいは集束させることができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、図面に示した実施形態に基づいて、この発明を詳細に説明する。
図１は本発明の照明装置に用いるバルク型レンズの模式的な断面図である。バルク型レンズは、図１に示すように、所定の波長帯域の光を発するＬＥＤ等の光源１０１と、この光源１０１を完全に囲むバルク型レンズ１２０とから少なくとも構成されている。そして、このバルク型レンズ１２０は、頂部１０３と底部１０７と外周部１０９と、底部１０７から頂部１０３に向かって形成された天井部１０２と内周部１０５とから成る凹部１０６とから成る光学媒体１０４であり、この凹部１０６に光源１０１が配置され、天井部１０２がレンズの光入射面として、頂部１０３がレンズの出射面として機能するように構成されている。
【００２６】
図１の光源１０１は、ＬＥＤチップ１１３と、このＬＥＤチップ１１３を載置する電極を兼ねた支持ピン１１１と、ＬＥＤチップ１１３のもう一方の電極に電力を供給する電極ピン１１２と、チップ１１３、支持ピン１１１及び電極ピン１１２を覆う透明な樹脂モールド１１４で構成されている。樹脂モールド１１４は側部が円筒形を成しており、バルク型レンズ１２０の凹部１０６の円筒形を成す内周部１０５とスペーサ１０８を介して嵌合している。
樹脂モールド１１４の側面は、例えば、直径（２ｒ）が２〜３ｍｍφの円柱形状であり、バルク型レンズ１２０の凹部１０６の内周部１０５は、例えば、直径が２．５〜４ｍｍφの円柱形状となっている。ＬＥＤ１０１とバルク型レンズ１２０とを固定するために、ＬＥＤ１０１とバルク型レンズ１２０の凹部１０６との間には、厚さ０．２５〜０．５ｍｍ程度のスペーサ１０８が挿入されている。スペーサ１０８は、ＬＥＤ１０１の発光部を除く位置、即ち、図１においてＬＥＤチップ１１３の底面より底部１０７側に方に配置する。
【００２７】
バルク型レンズ１２０は、例えば頂部１０３が凸形状球面を有し、外周部１０９が円柱形状を成している。この外周部１０９の直径（２Ｒ0 ）は、例えば、１０〜３０ｍｍφであるが、使用目的に応じて任意に選択できる。しかしながら、より集光効率を高くするためには、
１０ｒ＞Ｒ0 ＞３ｒ                                  （１）
の関係を満足することが好ましい。バルク型レンズ１２０の外周部１０９の直径（２Ｒ0 ）は、凹部１０６の内周部１０５の内径（２ｒ）の１０倍以上でも、本発明のバルク型レンズは機能するが、必要以上に大きくなり、小型化を目的とする場合は好ましくない。
【００２８】
本発明の照明装置に用いるバルク型レンズは、以下に説明する理由により、従来の凸型形状の球面レンズを使用した光学系よりも極めて低損失で収束できる。ＬＥＤは発散角の大きな光源であるため、従来の凸型形状の球面レンズによっては、ＬＥＤから発する全ての光を平行光線とすると光損失が避けられない。
図２は、従来の凸型形状球面レンズによる集光作用を示す図で、図２（Ａ）は凸型片球面レンズを使用して、ＬＥＤ光源からの光を平行光とする状態を示している。図において、レンズは曲率半径ｒを有し、光源から焦点距離ｆに配置している。片球面レンズの焦点距離は、レンズの屈折率をｎとして、ｆ＝ｒ／（ｎ−１）であるから、屈折率ｎ＝１．５とした場合、ｆ＝２ｒとなる。従って、図から明らかなように、レンズが受光できる発散角の最大は３０°となり、図２（Ｂ）に示す光線は平行光とすることができない。すなわち、従来のレンズを使用したのでは、焦点距離と曲率半径の関係から定まる開口角以上の光は取り込むことができないので、損失が大きい。
ＬＥＤ光源は３０°以上の発散角を有するものが多く、この場合には、上記理由により、大きな損失が生じる。従来はこのような場合、高屈折率レンズを使用して改善しているが、コストが高くなる。あるいは、レンズを複雑に組み合わせて対処している例もあるが、この場合には、下記に説明するフレネル反射損が増大してしまう。
【００２９】
図２（Ｂ）は、従来の凸型片球面レンズ入射面における反射の状況を示す図である。図において、矢印のついた線は、ＬＥＤ１から出射し、凸型形状球面レンズの光入射面で反射される光線を表す。θ（θ1 、θ2 ）はＬＥＤから出射角、すなわち発散角を表し、φ（φ1 、φ2 ）はそれぞれの光線のレンズ面での入射角を表す。
図３はフレネルの反射の法則を表した図である。図において、横軸は光線の入射角であり、縦軸は光強度の反射率であり、レンズの屈折率を１．５とし、空気中から光線がレンズ面に入射する場合を表している。図から明らかなように、入射角が５０°あたりまでは反射率が低く一定であるが、５０°を越えたあたりから急激に反射率が増加するのがわかる。
図２（Ｂ）に示した入射角が大きい光線は、図３のフレネルの反射の法則から明らかなように反射される割合が高い。例えば、屈折率１．５の片凸型球面レンズを使用し、このレンズの焦点距離に発散角３０°の光源をおいて平行光を作る場合には、上記の反射光による損失は全光量の３０％近くに達する。
従って、従来の光学系におけるようにレンズを多段に接続したのでは、フレネル反射が多段に生ずることになり、損失が増えてしまう。これらの反射光は空間に散逸してしまい、収束光として利用することはできない。
【００３０】
一方、本発明の照明装置に用いるバルク型レンズにおいては、発散角が大きい光束であっても全ての光束をレンズ面に入射させることができ、バルク型レンズの幾何学構造の設計により全ての光束を平行光線にできるから、極めて損失の少ないレンズである。
また、フレネルの反射を起こす反射面は、天井部２及び頂部３であるから、これらの面で反射した反射光（迷光）はバルク型レンズ内に反射される。これらの反射光（迷光）は、外周部９で全反射することによりバルク型レンズ外に散逸せず、一部が頂部３及び天井部２であるレンズ面にもどり収束光となる。また、他の一部は底部７で反射されて頂部３又は天井部２にもどり収束光となる。また、他の一部はＬＥＤ光源で吸収されて再発光し収束光となる。
【００３１】
図４はＬＥＤ光源１０１にもどった光が再発光する過程を示す図である。
図において、もどってきた光はＰＮ接合で吸収されてホールと電子を生じ、このホールと電子が再結合して再発光する。特にこの効果は、ヘテロ構造を有するＬＥＤの場合に大きい。ヘテロ構造のＬＥＤは、発光部であるＰＮ接合部のバンドギャップ・エネルギーが、Ｐ及びＮ領域のバンドギャップ・エネルギーよりも小さく形成されているので、反射光（迷光）はＰ又はＮ領域では吸収されずに、ＰＮ接合部のみで吸収され、再発光する。
さらにまた、本発明の照明装置に用いるバルク型レンズにおいては、内周部１０５に入射する光も外周面１０９における全反射によって頂部１０３に導かれ、収束光となって出射する。この効果は、ＬＥＤ光源１０１を、バルク型レンズの光学媒質よりも屈折率の高い光学媒質を介して収納部に収納するとさらに効果が高まる。
本発明の照明装置に用いるバルク型レンズにおいては上記に説明した相乗効果により、内部量子効率とほぼ等しい効率で、ＬＥＤ光源の光を有効に収束光として取り出しているため、従来の凸型形状の球面レンズに較べ極めて低損失になると考えられる。
【００３２】
図５は本発明の照明装置に用いるバルク型レンズと従来の凸形状の球面レンズとで平行光を作成した場合の特性を比較するための測定系を示す図である。図５（Ａ）は、本発明の照明装置に用いるバルク型レンズ１２０を用いた場合の、光軸方向に対して垂直方向に光強度（照度）分布を測るための測定系を示す模式図である。バルク型レンズ１２０の出射面からの出力光の強度（照度）を、ＬＥＤ１０１からの測定距離ｘ＝一定とし、照度計２０２をｙ軸方向に移動して測定する。測定距離（ｘ）は、光軸方向に測る。一方、図５（Ｂ）は、同様な測定を従来の両凸レンズを用いて行うことを示す図である。
【００３３】
図５（Ａ）及び（Ｂ）に示す測定においては、本発明の第１の実施例に係るバルク型レンズ２０の外径は３０ｍｍφとし、比較に用いた両凸レンズ２０１の外径はこの２倍強の６３ｍｍφとした。両凸レンズ２０１は、焦点距離１５０ｍｍのものを用い、ＬＥＤ１０１からｘ方向に１５０ｍｍの位置に配置した。また、ＬＥＤ光源１０１の発散角は約１２度のものを使用した。
【００３４】
図６は、本発明の照明装置に用いるバルク型レンズと従来の凸形状の球面レンズとで平行光を作成した場合の特性を比較した図であり、本発明の照明装置に用いるバルク型レンズ１２０、従来の薄型レンズ（両凸レンズ）２０１及びバルク型レンズを用いない裸のＬＥＤのそれぞれの出力光のｙ方向に沿った強度（照度）分布を、測定距離ｘ＝１ｍにおいて測定した場合の結果を示す。本発明の照明装置に用いるバルク型レンズ１２０は、従来の薄型レンズ（両凸レンズ）２０１の２倍の照度が得られている。この結果は、本発明の照明装置に用いるバルク型レンズが従来の光学系では実現できない効果を有することを示している。
【００３５】
図７は、本発明の照明装置に用いるバルク型レンズと従来の凸形状の球面レンズとで作成した平行光の平行度を評価した図である。
図５と同様にｙ方向に沿った強度（照度）分布を、測定距離ｘを変化させて測定したデータをまとめたものである。図の横軸は、測定距離ｘの逆数の２乗、即ち１／ｘ2 を示し、縦軸は測定距離ｘにおける最大強度（ピーク強度）を示す。図から明らかなように、本発明のバルク型レンズの場合は、逆２乗則、即ち１／ｘ2 を示す線上にきれいに測定点がプロットされる。一方、従来の薄型レンズ（両凸レンズ）２０１の場合は、逆２乗則からずれていることがわかる。
この結果は、本発明の第１の実施例に係るバルク型レンズ１２０は、平行度においても十分であり、従来のレンズ系に較べ、勝るとも劣らない性能を実現できることを示している。
【００３６】
図８は本発明の照明装置に用いるバルク型レンズの幾何学的構造と集光率の関係を示す図である。ここで「集光率」とは、「バルク型レンズからの±１°以内の発散角における出力光の光量」を、「光源（ＬＥＤ）からの±１２°以内の発散角における光量」で除した量で定義している。すなわち光線ビーム径に対応する量である。頂部１０３の曲率半径Ｒ、バルク型レンズの全長Ｌ、媒体長（頂部と天井部のレンズ間距離）Ｄ、収納部内径（凹部の内周部系）ｒ、天井部１０２の曲率部分長さΔをパラメータとして、集光率を測定した。なお、ここで、Δの符号は図１に示すように、天井部１０２が凹である場合を負とし、凸の場合を正と定義する。
図９は、作製した本発明のバルク型レンズの幾何学的構造を示す図である。図８から、集光率を向上するためには、
０．９３  ＜  ｋ（Ｒ／Ｌ）  ＜  １．０６    ・・・・・ （２）
ｋ  ＝  １／（０．３５・ ｎ  −０．１６８）  ・・・・・ （３）
を満足することが好ましいことが実験的にわかる。ここで、ｎは、バルク型レンズの材料である光学媒質の屈折率である。なお、バルク型レンズ１２０の円柱形状部分の半径Ｒｏと頂部３の曲率半径をＲとは必ずしも等しい必要はない。
【００３７】
次に、本発明の照明装置に用い他のバルク型レンズを説明する。
図１０は、天井部１０２を凸形状にした本発明のバルク型レンズの構造を示す図である。図１０において、バルク型レンズ１２２は、天井部１０２の形状が異なる外は、図１に示したバルクレンズ１２０と同等である。測定に用いたバルク型レンズ１２２の円柱形状部分の外径２Ｒｏは１５ｍｍφ、バルク型レンズの全長Ｌは２５ｍｍ、頂部と天井部のレンズ間距離Ｄは１６ｍｍ、収納部６の内径ｒは５．２ｍｍ、バルク型レンズの屈折率ｎは１．５４である。このバルク型レンズの頂部１０３の曲率半径Ｒは８．２５ｍｍである。又、測定に用いた樹脂モールドされたＬＥＤ１の外径は５ｍｍφである。
【００３８】
図１１（Ａ）〜（Ｃ）及び図１２（Ａ）〜（Ｃ）は、天井部１０２の凸部の高さΔと、ビーム強度プロファイルとの関係を示す図である。光源からの距離ｘ＝１ｍで照度を測定した。図から明らかなように、天井部１０２を凸形状のレンズとしても集光特性が得られることがわかる。
【００３９】
このようにして、本発明の照明装置に用いるバルク型レンズによれば、ＬＥＤの数を多数必要とすることなく、照明に寄与する光ビームとして所望の照射面積の光束を確保し、且つ所望の照度を簡単に得ることが出来る。この照度は従来公知のレンズ等の光学系では達成不可能な照度である。驚くことに、現在市販されているハロゲンランプを用いた細身の懐中電灯と同程度の照度がたった１個のＬＥＤで実現出来たのである。このように、本発明の照明装置に用いるバルク型レンズによれば、従来の技術では実現できない照度を、図１に示すような簡単な構造で実現できる。
【００４０】
本発明の照明装置に用いるバルク型レンズ１２０の材料は、アクリル樹脂等の透明プラスチック材料、石英ガラス、ソーダ石灰ガラス、ホウケイ酸ガラス、鉛ガラス等の種々のガラス材料等が使用可能である。或いは、ＺｎＯ、ＺｎＳ、ＳｉＣ等の結晶性材料を用いてもかまわない。又、可とう性、屈曲性や伸縮性のあるゾル、ゲル、ゾル・ゲル混合物或いは透明ゴムのような材料でもよい。また、ゾル、ゲル、ゾル・ゲル混合物等を、透明ゴムやフレキシブルな透明プラスチック材料等に格納して用いても良い。アクリル樹脂等の透明プラスチック材料等は、バルク型レンズ１２０を大量生産するのに好適な材料である。即ち、一度金型を作り、この金型により成形加工すればバルク型レンズ１２０が簡単に大量生産出来る。
【００４１】
次に、本発明の照明装置に用いるバルク型レンズの変形例について説明する。バルク型レンズは、端面放射型ＬＥＤのように、ＬＥＤチップの側面から発光する光源を使用する場合にも使用することができる。
端面放射型ＬＥＤはＬＥＤチップの側面から発光するものであり、そのため、上記のバルク型レンズにこのＬＥＤチップを装着した場合には、バルク型レンズの内周部１０５に垂直に入射する成分が多くなるため、全反射されずにバルク型レンズの外部に散逸する光が多くなる。変形例のバルク型レンズはこのような光源に対しても、極めて低損失で収束光を得ることができる。
【００４２】
図１３は、本発明のバルク型レンズの内周部１０５と外周部１０９とが傾きを有する場合の光線の光路を示す図である。図において、光源の発散角をθd 、内周部１０５と外周部１０９との傾き角をφ、外周部１０９の全反射角をθt 、内周部１０５における光線の入射角、屈折角をθ1 及びθ2 、そしてバルク型レンズの光学媒質の屈折率、収納部（凹部）６の屈折率をｎ2 及びｎ1 とする。図は、光源の最大出射角、すなわち発散角の光線が傾き角をφにより、全反射条件を満たし、全反射されている状態を表している。
内周部１０５において、スネルの屈折の法則より、θ1 とθ2 の間には、
ｓｉｎθ1 ／ｓｉｎθ2 ＝ｎ2 ／ｎ1               （４）
が成り立ち、また、図から明らかなように、θt 、φ、θ2 の間には、
θt ＝φ＋θ2                                   （５）
が成り立つ。また、図から明らかなように、θd 、θ1 、φの間には、
θd ＝９０°−（θ1 ＋φ）                      （６）
の関係が成り立つ。上記（４）、（５）、（６）式よりθ1 とθ2 を消去すると、バルク型レンズが全反射角θt を有し、光源の発散角がθd である場合の、全反射するために必要な傾き角φを与える関係式として、
ｓｉｎ-1｛ｎ1 ／ｎ2 ｃｏｓ（θd ＋φ）｝＝θt   （７）
が得られる。すなわち、（７）式を満たす傾き角φ以上で内周部１０５と外周部１０９が傾いていれば、たとえ、内周部１０５に垂直に光が入射する場合（θd ＝９０°）でも全反射され、頂部１０３へ、あるいは底面１０７で反射して頂部１０３へ導かれるから、収束光を得ることができる。
【００４３】
図１４は、上記の変形例のバルク型レンズの構成を示す図である。
図１４（Ａ）は、バルク型レンズ１２０の内周部１０５の表面に微細な凹凸を設けた例を示している。この凹凸は少なくとも（７）式を満足するφ以上の傾き角を有しており、また、この凹凸の大きさは光波長程度でよい。また、この凹凸は内周部１０５の光源近傍に設けるだけでよい。このような凹凸は、適切な粒径の研磨剤を用いて内周部１０５の表面を磨くことによって簡単に形成できる。
図１４（Ｂ）は、ほぼ真横方向に出射した光線がバルク型レンズ内を全反射して又は底面１０７で反射してかつ側壁で全反射して、頂部１０３に導かれる様子を示している。このように、例えば、端面発光ＬＥＤのようにほとんどの出射光がチップの側面から出射するようなＬＥＤを使用する場合においても、全ての出射光を収束できる。さらにまた、レンズ部と光源を収納する収納部とが一体で形成されているため、従来のレンズ系では必要であったレンズと光源を光学的位置合わせをして保持する保持部を必要とせず、また、光学的位置合わせ工程を必要とせず、ただ光源にかぶせるだけでよいので、極めて低コストである。
【００４４】
図１５及び図１６は本発明による照明装置の第一の実施形態を示している。
図１５及び図１６において、照明装置１０は、発光部１１と、この発光部１１に対向して配設されたバルク型レンズ１２と、発光部１１の光源を駆動する駆動部１３と、この駆動部１３に給電する電源部１４と、電源部１４からの駆動部１３への給電をオンオフするスイッチ部１５と、これら発光部１１，光学部材１２，駆動部１３，電源部１４及びスイッチ部１５を内蔵するケース１６と、を含んでいる。
【００４５】
上記発光部１１は、ケース１６内に収容されており、光源１１ａ、例えば一つのＬＥＤと、この光源１１ａが実装される絶縁基板１１ｂと、光源１１ａのリード線を覆う補強筒１１ｃと、から構成されている。なお、上記光源１１ａは、ＬＥＤに限らず半導体レーザ素子等の各種光源を使用することができる。
また、上記絶縁基板１１ｂの表面には、後述する駆動部１３が構成されていると共に、側縁にはケース内面と接触する端子部１１ｄが、また裏面には電源としての電池の＋極が接触する接点部１１ｅがそれぞれ形成されている。
【００４６】
上記バルク型レンズ１２は、例えばアクリル樹脂，ガラス等の透光性材料から構成されており、後端が上記発光部１１に対向していると共に、前端部がケース１６から外側に向かって突出している。
ここで、バルク型レンズ１２は凸状の頂部１２ａと円筒状の外周部１２ｂと平坦な後端面１２ｃとを有しており、後端面１２ｃの中心付近には中心軸（光軸）に沿って前方に向かって延びる凹部１２ｄを備えている。
この凹部１２ｄは、天井部１２ｅと円筒状の内周面１２ｆとを有している。
そして、発光部１１の光源１１ａは、バルク型レンズ１２の凹部１２ｄ内に嵌入して保持されるようになっている。
なお、発光部１１から見て、天井部１２ｅは第一のレンズ面として、また頂部１２ａは第二のレンズ面として機能することにより、バルク型レンズ１２がレンズとして作用する。また、内周部１２ｆは、光源１１ａからの光入射面として作用する。
【００４７】
上記外周部１２ｂは、発光部１１の光源１１ａより後方の領域にて、表面に第一のネジ部１２ｇを備えている。さらに、外周部１２ｂは、内側にて反射面として作用するようになっている。この反射面としての作用を向上させるために、外周部１２ｂの表面に反射部材が備えられてもよい。同様に、後端面１２ｃの表面に反射部材が備えられてもよい。
【００４８】
上記駆動部１３は、前述したように発光部１１の絶縁基板１１ｂ上に形成されており、電源部１４から給電されて発光部１１の光源１１ａに対して駆動電流を供給するように構成されている。なお、上記駆動部１３の具体的構成は、使用する光源１１ａに対応して適宜に選定されるようになっている。
上記電源部１４はケース１６内に収容されており、図示の場合、３個の直列に配置された電池１４ａから構成されている。最前の電池１４ａは、その＋極が発光部１１の絶縁基板１１ｂの接点部１１ｅに当接している。
【００４９】
上記スイッチ部１５は、図１７に示すように、ケース１６の後端に着脱可能に取り付けられるキャップ１５ａと、キャップ１５ａ内に軸方向に移動可能に嵌合する環状の導電部材１５ｂと、導電部材１５ｂに挿通される摺動部材１５ｃと、を含んでいる。
上記キャップ１５ａは導電材料から形成されており、ケース１６の後端に螺合するように構成されている。
上記導電部材１５ｂは、導電材料から形成されており、中心に貫通孔１５ｄを備えていると共に、この貫通孔１５ｄの後端がテーパ状に拡大されている。
上記摺動部材１５ｃは、導電部材１５ｂの貫通孔１５ｄに絶縁ブッシング１５ｅを介して挿通されており、その後端が貫通孔１５ｄの後端の形状に対応して、テーパ状に拡大されている。
【００５０】
さらに、上記摺動部材１５ｃは、その前端付近に、例えばＥリング等の環状のストッパ１５ｆを備えている。
ここで、上記摺動部材１５ｃが導電部材１５ｂの貫通孔１５ｄに挿通された状態で、摺動部材１５ｃのストッパ１５ｆと導電部材１５ｂの前端面との間に、圧縮コイルバネ１７が介挿されている。これに対して、上記導電部材１５ｂの後端面とキャップ１５ａの内端面との間には、同様に圧縮コイルバネ１８が介挿されている。
したがって、キャップ１５ａがケース１６の後端に螺合された状態で、摺動部材１５ｃの前端が、電源部１４の最後部の電池１４ａの−極に当接する。
そして、図１７（Ａ）に示すように、キャップ１５ａがケース１６の後端に対して十分にねじ込まれた状態では、キャップ１５ａ及び導電部材１５ｂが前方に向かって進んで、圧縮コイルバネ１７が圧縮される。これにより、摺動部材１５ｃのテーパ状の後端部が導電部材１５ｂの貫通孔１５ｄのテーパ状の後端部から離反してスイッチがオフされる。
【００５１】
これに対して、図１７（Ｂ）に示すように、キャップ１５ａがケース１６の後端に対して螺合が緩められると、キャップ１５ａ及び導電部材１５ｂが僅かに後退する。このとき、摺動部材１５ｃは、圧縮コイルバネ１７の張力に基づいてその前端が電源部１４の最後部の電池１４ａの−極に当接した状態に保持される。このようにして、摺動部材１５ｃのテーパ状の後端部が、導電部材１５ｂの貫通孔１５ｄのテーパ状の後端部に当接して、スイッチがオフされる。
なお、キャップ１５ａは、図示の場合、ケース１６の後端にねじ込まれた状態で、ケース１６の外周面に沿って延びるクリップ１５ｅを備えている。
【００５２】
上記ケース１６は、図示の場合、所謂ペンシルタイプとして細長い円筒状に形成されていると共に、発光部１１，光学部材１２，駆動部１３，電源部１４及びスイッチ部１５を収容している。
ここで、上記ケース１６は、導電材料から構成されており、その内周面には、前述したように絶縁基板１１ｂに設けられた端子部１１ｄが当接している。これにより、電源部１４の電池１４ａによる電圧が、スイッチ部１５及びケース１６を介して発光部１１の絶縁基板１１ｂの端子部１１ｄ及び接点部１１ｅから、駆動部１３に印加されるようになっている。なお、上記ケース１６の内面には、電池１４ａの出し入れを容易にすると共に、絶縁性を確保するために、例えばデルリン（商標名）等の潤滑性樹脂の薄膜を設けるようにしてもよい。
【００５３】
さらに、上記ケース１６は、その前方領域の内周面に、バルク型レンズ１２の外周部１２ｂに形成された第一のネジ部１２ｇに対応して形成された第二のネジ部１６ａと、前端付近にて、バルク型レンズ１２を包囲するよう配設されるＯリング１９を受容する環状溝１６ｂと、さらにバルク型レンズ１２の後方への移動を規制する環状のストッパ１６ｃと、を備えている。
【００５４】
したがって、ケース１６の前端から突出しているバルク型レンズ１２の前部を回転されることにより、その第一のネジ部１２ｇとケース１６の第二のネジ部１６ａとの螺合に基づいて、バルク型レンズ１２が軸方向に移動する。その際、バルク型レンズ１２の軸方向の移動方向は、バルク型レンズ１２の回転方向によって決まる。例えば、第一のネジ部１２ｇとケース１６の第二のネジ部１６ａが右ネジである場合には、バルク型レンズ１２を光軸の周りに右回転させることにより、バルク型レンズ１２は光軸に沿って後方（図１６にて左方）に移動する。これにより、バルク型レンズ１２の第一のレンズ面及び第二のレンズ面である天井部１２ｅ及び頂部１２ａによるレンズの焦点位置が、発光部１１の光源１１ａに対して相対的に移動調整される。
【００５５】
この実施形態による照明装置１０は以上のように構成されており、使用する場合には、先ずスイッチ部１５を操作して、具体的には図１７（Ａ）に示した状態からキャップ１５ａを緩めて図１７（Ｂ）に示す状態にして、スイッチ部１５をオンにすると、電源部１４の各電池１４ａからの駆動電圧がスイッチ部１５及びケース１６を介して発光部１１の絶縁基板１１ｂ上の駆動部１３に供給され、駆動部１３が動作して、発光部１１の光源１１ａに駆動電流を流す。
【００５６】
これにより光源１１ａが発光し、光源１１ａから出射した光は、一部が直接にバルク型レンズ１２の凹部１２ｄ内にてバルク型レンズ１２内に入射し、また他の一部がバルク型レンズ１２の凹部１２ｄ内の内周部１２ｅからバルク型レンズ１２内に入射する。このとき、光源１１ａがバルク型レンズ１２の凹部１２ｄ内に嵌入しているので、光源１１ａより前方にて、バルク型レンズ１２内に入射した光はバルク型レンズ１２の屈折率に基づいて前方に向かって屈折することになり、バルク型レンズ１２の前方に向かって導かれ、バルク型レンズ１２の外周部１２ｂで反射されて、バルク型レンズ１２の頂部１２ａに達する。
【００５７】
また、上記光源１１ａより後方にて、バルク型レンズ１２の内周部１２ｅに入射した光は、バルク型レンズ１２の屈折率に基づいて後方に向かって屈折して、バルク型レンズ１２の後端面１２ｃから出射するが、この後端面１２に反射部材が設けられている場合にはこの反射部材により反射され、再びバルク型レンズ１２の後端面１２ｃから光学部材１２内に入射して、前方に向かって導かれる。
【００５８】
これにより、光源１１ａから出射した光は、側方や後方に向かう光もバルク型レンズ１２内に取り込まれると共に、光源１１ａからバルク型レンズ１２内に入射した光は、バルク型レンズ１２の頂部１２ａに導かれて、この頂部１２ａから前方に向かって出射して、対象物を照明する。
そして、バルク型レンズ１２が光軸の周りに回転されることによって、バルク型レンズ１２が光軸に沿って移動調整されるので、バルク型レンズ１２の第一のレンズ面としての天井部１２ｅと第二のレンズ面としての頂部１２ａによりレンズの焦点位置が、発光部１１の光源１１ａに対して調整される。
【００５９】
したがって、光源１１ａから出射する光に対するバルク型レンズ１２によるレンズ効果が変化することになる。具体的には、例えばバルク型レンズ１２が後方に移動することにより、発光部１１の光源１１ａがバルク型レンズ１２の接近するので、バルク型レンズ１２から出射する光の照射角度範囲が広くなる。また、バルク型レンズ１２が前方に移動して、発光部１１の光源１１ａがバルク型レンズ１２から離反し、バルク型レンズ１２のレンズ効果により光が絞り込まれることにより、バルク型レンズ１２から出射する光の照射角度範囲が狭くなる。
【００６０】
このようにして、発光部１１の光源１１ａからの光は、側方または後方に向かって出射した光を含めて高効率でバルク型レンズ１２内に入射し、バルク型レンズ１２のレンズ効果により拡散または集束されて、対象物を照明する。従来の光学レンズを使用した場合と比較して、バルク型レンズ１２を使用することにより大幅に明るい照明光で照明されると共に、バルク型レンズ１２の光軸方向の移動によって、照明光の照射角度範囲が調整され、より広い角度範囲を照明したり、特定の対象物に対して照明光を絞り込んで照明することができる。
【００６１】
図１８は本発明による照明装置の第二の実施形態の要部を示している。図１８において、照明装置２０は、基本的には図１５乃至図１７に示した照明装置１０とほぼ同様の構成であり、バルク型レンズ１２のケース１６に対する移動機構のみが異なる構成になっている。即ち、図１８に示した照明装置２０において、バルク型レンズ１２は、回転リング２１を介して、ケース１６に対して光軸方向に移動可能に支持されている。
【００６２】
上記回転リング２１は、バルク型レンズ１２の外周面１２ｂを包囲するように円筒状に形成された内周面２１ａを備えている。この内周部２１ａは、ケース１６の前端の外周面に形成された第二のネジ部１６ｄに螺合するように形成された第一のネジ部２１ｂと、バルク型レンズ１２の光源１１ａより後方の領域に設けられた環状溝１２ｈに係合する環状突起２１ｃと、を備えている。これにより、回転リング２１は、その第一のネジ部２１ｂがケース１６の第二のネジ部１６ｄと螺合すると共に、その環状突起２１ｃがバルク型レンズ１２の環状溝１２ｈに係合することにより、光学部材１２に対して回転可能である。
【００６３】
このような構成の照明装置２０によれば、図１５乃至図１７に示した照明装置１０と同様に作用して、発光部１１の光源１１ａが点灯すると共に、回転リング２１を回転させることにより、回転リング２１がケース１６に対して光軸方向に移動することになり、これに伴って、バルク型レンズ１２もケース１６に対して光軸方向に移動することになる。これにより、バルク型レンズ１２の頂部１２ａから出射する光の照射角度範囲を変化させることができる。その際、バルク型レンズ１２は、回転リング２１に対して回転可能に支持されているので、光軸の周りには回転せず、単に光軸方向に移動する。
【００６４】
図１９は本発明による照明装置の第三の実施形態の要部を示している。図１９において、照明装置３０は、基本的には図１５乃至図１７に示した照明装置１０とほぼ同様の構成であり、バルク型レンズ１２の移動機構のみが異なる構成になっている。図１９に示した照明装置３０において、バルク型レンズ１２は、その天井部１２ｅ近傍に位置する光源１１ａより後方の領域に、第三のネジ部１２ｉを備えており、この第三のネジ部１２ｉに対応して、発光部１１の補強筒１１ｃの外周面に第四のネジ部１１ｆが形成されている。これにより、バルク型レンズ１２は、その第三のネジ部１２ｉが発光部１１の第四のネジ部１１ｆと螺合し、バルク型レンズ１２の回転によって、バルク型レンズ１２が発光部１１に対して光軸方向に移動調整可能に構成されている。
【００６５】
このような構成の照明装置３０によれば、図１５乃至図１７に示した照明装置１０と同様に作用して、発光部１１の光源１１ａが点灯すると共に、バルク型レンズ１２を回転させることにより、バルク型レンズ１２が光軸方向に移動する。これにより、バルク型レンズ１２の光軸方向の移動によって、バルク型レンズ１２の頂部１２ａから出射する光の照射角度範囲を変化させることができる。
【００６６】
図２０は本発明による照明装置の第四の実施形態の要部を示している。図２０において、照明装置４０は、基本的には図１５乃至図１７に示した照明装置１０とほぼ同様の構成であり、反射ミラー４１を備えていると共に、光学部材１２の移動機構のみが異なる構成になっている。反射ミラー４１は、凹状のミラーであって、例えば回転放物面として形成されている。さらに、バルク型レンズ１２は、ケース１６に固定された少なくとも一本（図示の場合、二本）のガイド部材４２に沿って光軸方向に摺動可能な支持部材４３により支持されていると共に、光軸方向に延びていて上記支持部材４３に螺合するようにケース１６に対して回転可能に支持された調整ネジ４４を備えている。
この調整ネジ４４は、その一端に調整つまみ４５を備えており、調整つまみ４５を回転させることにより、調整ネジ４４が回転して支持部材４３を光軸方向に移動させる。これによりバルク型レンズ１２は、発光部１１に対して光軸方向に移動調整可能に構成されている。
【００６７】
このような構成の照明装置４０によれば、図１５乃至図１７に示した照明装置１０と同様に作用して、発光部１１の光源１１ａが点灯すると共に、調節つまみ４５を回転させることにより、バルク型レンズ１２が光軸方向に移動する。これにより、バルク型レンズ１２の光軸方向の移動によってバルク型レンズ１２の頂部１２ａから出射して反射ミラー４１により反射される光の照射角度範囲を変化させることができる。
【００６８】
図２１は本発明による照明装置の第五の実施形態の要部を示している。図２１において、照明装置５０は、基本的には図１５乃至図１７に示した照明装置１０とほぼ同様の構成であり、複数個の光源５１ａを備えた発光部５１と、これらの光源５１ａに対応した凹部を有するバルク型レンズ５２とを備えていると共に、スイッチ部１５が省略され、その代わりに、発光部５１と一体に構成された駆動部１３がケース１６内で光軸方向に移動可能に配設されることにより、スイッチ機能を有する点で異なる構成になっている。
【００６９】
上記発光部５１は、複数個（図示の場合、３個）の光源５１ａ、例えばＬＥＤを備えており、各光源５１ａは、それぞれバルク型レンズ５２の後端面５２ｃに設けられた凹部５２ｄ内に嵌入している。さらに、発光部５１は、駆動部１３と共にケース１６内で光軸方向に摺動可能に支持されており、ケース１６に設けられた孔１６ｅから突出する操作部５１ｂを備えている。
この操作部５１ｂを手で操作して光軸方向に移動させると、電源部１４の電池１４ａの駆動部１３に対する給電のオンオフと、発光部５１の各光源５１ａの光軸方向への移動が行なわれる。なお、この場合、電源部１４の最前の電池１４ａは、ケース１６内の後端に設けられたバネ部材（図示せず）により前方に向かって付勢されることにより、常に接点部１１ｅに当接するようになっている。
また、発光部５１及び駆動部１３の移動による給電のオンオフは、例えば操作部５１ｂが孔１６ｅ内で最後端に移動されたとき、端子部１１ｄとケース１６の内面との電気的接触が遮断されることにより行なわれる。
上記バルク型レンズ５２は、前述したバルク型レンズ１２と同様に構成されており、ケース１６の前端に固定されていると共に、後端面５２ｃに複数個の凹部５２ｄを備えている点でのみ異なる構成になっている。
【００７０】
このような構成の照明装置５０によれば、操作部５１ｂを前方に移動させることにより、電源部１４の電池から駆動部１３に対する給電が開始されると共に、操作部５１ｂの移動に伴って、発光部５１の各光源５１ａが光軸方向にて前方に向かって移動することになる。これにより、バルク型レンズ５２の光源５１ａに対する相対的な光軸方向の移動によって、バルク型レンズ５２の前端面から出射する光の照射角度範囲を変化させることができる。
【００７１】
上述した実施形態において、発光部を構成する光源１１ａ，５１ａは、１個または３個のみが使用されているが、これに限らず２個または４個以上の光源を備えていてもよいことは明らかである。
また、上述した実施形態において、電源部１４から駆動部１３への給電のオンオフのためにスイッチ部１５が備えられ、あるいは発光部５１がケース１６内で摺動可能に構成されているが、これに限らず、任意の種類のスイッチ部が備えられてもよい。
【００７２】
さらに、上述の実施形態において、バルク型レンズ１２の第一のレンズ面である前端面１２ａは凸面として、また第二のレンズ面である内端面１２ｅは凹面としてそれぞれ形成されているが、これに限らず頂部１２ａ，天井部１２ｅはそれぞれ凸面，凹面または平面あるいはフレネルレンズ面として形成されてもよい。また、上述した実施形態において、バルク型レンズ１２の外周部１２ｂ及び内周面１２ｆは、それぞれ円筒状に形成されているが、これに限らず、例えば楕円柱状，多角形状等に形成されてもよく、さらには前方に向かって先細になるようなテーパを有していてもよい。
【００７３】
【発明の効果】
以上述べたように、この発明によれば、電源部からの給電により駆動部が発光部の一個もしくは複数個の光源を発光させる。これにより、発光部の各光源から出射した光は、一部がバルク型レンズの凹部の天井部から光学媒体内に入射し、また他の一部が内周面から光学媒体内に入射する。したがって、光学媒体内に入射した光は、光学媒体内にて一部が直接に頂部から出射し、また他の一部がバルク型レンズの外周面の内側で反射されて頂部から出射する。これにより、バルク型レンズ頂部から出射する光は、バルク型レンズの天井部である第一のレンズ面と頂部である第二のレンズ面によるレンズ効果に基づいて、屈折され、前方に向かって照射される。すなわち、上記発光部の光源が、バルク型レンズの凹部に嵌入しているので、光源から出射した光が、高い効率で収束され、照明装置の照射光度を高めることができる。
【００７４】
ここで、バルク型レンズを発光部に対して相対的に光軸方向に移動させると、発光部の光源からバルク型レンズの凹部の天井部である第一のレンズ面までの距離が変動することにより、バルク型レンズの第一のレンズ面及び第二のレンズ面により構成されるレンズの焦点位置が光源に対して移動する。したがって、光源から出射する光に対するレンズ効果が変化して、バルク型レンズの頂部から出射する光の照射範囲が調整される。例えば、バルク型レンズの頂部から出射する光は、レンズ効果により拡散されて、広い角度範囲に照射され、あるいはレンズ効果により集光されて、狭い角度範囲に照射されるようになる。
このようにして、本発明によれば、消費電力が小さく、低コストで構成され得ると共に、十分な光量の光を照射することができるようにした、焦点距離が任意又は適宜に調整可能な照明装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の照明装置に用いるバルク型レンズの構成を示す断面図である。
【図２】従来技術のレンズ系による損失の状況を示す図である。
【図３】フレネル反射を示す図である。
【図４】ＬＥＤのＰＮ接合において反射光（迷光）が再発光する過程を示す図である。
【図５】本発明の照明装置に用いるバルク型レンズと従来のレンズとの特性比較に用いた測定系を示す図である。
【図６】本発明の照明装置に用いるバルク型レンズと従来のレンズの集光特性を比較した図である。
【図７】本発明の照明装置に用いるバルク型レンズと従来のレンズの集光特性を比較した図である。
【図８】本発明の照明装置に用いるバルク型レンズの幾何学形状の違いによる特性変化の実測値を示す図である。
【図９】図８の測定に用いた本発明の照明装置に用いるバルク型レンズの幾何学形状を示す図である。
【図１０】本発明の照明装置に用いる他のバルク型レンズの構成を示す断面図である。
【図１１】本発明の照明装置に用いるバルク型レンズの幾何学形状の違いによる特性変化の実測値を示す図である。
【図１２】本発明の照明装置に用いる他のバルク型レンズの幾何学形状の違いによる特性変化の実測値を示す図である。
【図１３】本発明の照明装置に用いるバルク型レンズの変形例に係る原理を説明する模式図である。
【図１４】本発明の照明装置に用いるバルク型レンズの変形例の構成を示す図である。
【図１５】本発明による照明装置の一実施形態の構成を示す概略斜視図である。
【図１６】図１の照明装置の内部構成を示す概略断面図である。
【図１７】図１の照明装置におけるスイッチ部の（Ａ）オフ時及び（Ｂ）オン時の状態を示す部分断面図である。
【図１８】本発明による照明装置の第二の実施形態の要部を示す部分断面図である。
【図１９】本発明による照明装置の第三の実施形態の要部を示す部分断面図である。
【図２０】本発明による照明装置の第四の実施形態の要部を示す部分断面図である。
【図２１】本発明による照明装置の第五の実施形態の要部を示す部分断面図である。
【符号の説明】
１０１、１１ａ、５１ａ  光源
１０２、１２ｅ  天井部
１０３、１２ａ  頂部
１０４    光学媒体
１０５、１２ｆ  内周部
１０６、１２ｄ  凹部
１０７、１２ｃ  底部、後端面
１０８    スペーサ
１０９、１２ｂ  外周部
１２０、１２、５２    バルク型レンズ
２０１  両凸レンズ
２０２  照度計
１０    照明装置
１１    発光部
１１ｂ  絶縁基板
１１ｃ  補強筒
１１ｄ  端子部
１１ｅ  接点部
１１ｆ  第四のネジ部
１２ｇ  第一のネジ部
１２ｈ  環状溝
１２ｉ  第三のネジ部
１３    駆動部
１４    電源部
１４ａ  電池
１５    スイッチ部
１６    ケース
１６ａ，１６ｄ  第二のネジ部
１６ｂ  環状溝
１６ｃ  ストッパ
１７，１８  圧縮コイルバネ
１９    Ｏリング
２０    照明装置
２１    回転リング
２１ｂ  第一のネジ部
２１ｃ  環状突起
３０，４０，５０    照明装置
４１    反射ミラー
４２    ガイド部材
４３    支持部材
４４    調整ネジ
４５    調整つまみ
５１    発光部
５１ｂ  操作部
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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