JP5313181B2

JP5313181B2 - 照明装置

Info

Publication number: JP5313181B2
Application number: JP2010014692A
Authority: JP
Inventors: 哲也西; 忠史村上
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2010-01-26
Filing date: 2010-01-26
Publication date: 2013-10-09
Anticipated expiration: 2030-01-26
Also published as: JP2011154831A

Description

本発明は、発光部からから出射された光をレンズで集光して所定の照射領域を照明する照明装置に関する。

従来から、発光ダイオード（ＬＥＤ）を発光部として有する照明装置がある。ＬＥＤを有する照明装置には、シーリングライトやベースライト等、発光部から出射された光を拡散して照明するもの、ダウンライトやスポットライト等、光を集光して照明するもの、景観照明や街路灯等、拡散と集光を併用して照明するもの等がある。図１４（ａ）（ｂ）（ｃ）に示されるように、拡散と集光を併用した照明装置１０１は、発光部１０３と平面視で長方形のレンズ１０４とを有する。レンズ１０４の幅方向（短辺方向）では、発光部１０３から出射された光がレンズ１０４によって集光され、レンズ１０４の長手方向（長辺方向）では、発光部１０３から出射された光がレンズ１０４によって集光されずに拡散する。なお、同図では、光が集光される方向をｘ方向、光が拡散する方向をｙ方向、光軸１３１の方向をｚ方向としている（以下の図でも同様）。レンズ１０４の長手方向（ｙ方向）が有限長の直線状であるので、図１５に示されるように、照明装置１０１の配光特性は、拡散方向（ｙ方向）の角度が狭い。

拡散方向の角度を拡大した配光特性を有する照明装置として、図１６（ａ）（ｂ）（ｃ）に示されるように、レンズ１１４の形状をｙｚ平面において発光部１０３を中心とする半円弧状とした照明装置１１１がある。この照明装置１１１の配光特性は、図１７に示されるように、拡散方向（ｙ方向）の角度が比較的広い。しかしながら、上述したような照明装置１１１は、拡散方向における光軸１３１からの角度θ（以下、視野角という）が大きくなると、光度が低くなる。このような照明装置１１１は、景観照明器具に用いた場合、視野角が大きくなると照明装置１１１の点灯が見え難い。また、この照明装置１１１は、街路灯に用いた場合、照明装置１１１から距離が離れた場所では視野角が大きいので地面照度が低くなる。

集光レンズと拡散レンズとを有し、視野角が大きい領域の光度を高くした照明光学系が知られている（例えば、特許文献１参照）。しかしながら、このような照明光学系を有する照明装置を景観照明器具に用いた場合、視野角が大きい領域では光度が高く、視野角が小さい領域では光度が低くなり、視野角によって光度が変化して美観が損なわれる。

また、図１８乃至図２０示されるように、このような照明光学系を有する照明装置１２１を街路灯に用いた場合、照明装置１２１は、人Ｈの頭よりも高い位置に配置され、歩道や通路等に沿った方向（ｙ方向）に長い照射領域に照明する。照明装置１２１を真下から見上げるたとき、視野角θは０であり、歩道等に沿って真下からｙ方向に離れるにつれて視野角θが大きくなる。照明装置１２１から照射面までの照射距離は、照射領域の遠端領域ほど遠い。また、視野角θが大きい（θ＝θ３）照射面に対するビーム角αは、視野角θが小さい（θ＝θ４）照射面に対するビーム角と比べ、同程度又はそれ以下である。このため、照射領域において、視野角θが大きい領域の集光方向（ｘ方向）の幅Ｗ３が、視野角θが小さい領域の幅Ｗ４よりも広がってしまい、歩道等を一定の幅で照明することができない。

特開２００９−９９４９３号公報

本発明は、上記問題を解決するものであり、照明装置において、視野角が大きくなるにつれて光度が低下することを防ぐことを目的とする。

上記目的を達成するために請求項１の発明は、取付基板と、前記取付基板に取り付けられ、該取付基板と略直交する光軸を有する発光部と、前記発光部から出射された光を配光制御するレンズと、を備えた照明装置であって、前記レンズは、前記光軸を含む面での断面形状、及び、前記面を視点軸周りに任意の視野角だけ回転させた面での断面形状が連続的に変化する凸レンズ形状であり、かつ、該凸レンズ形状のレンズ径は前記視野角が大きくなるにつれて増加するものである。

請求項２の発明は、請求項１に記載の照明装置において、前記視野角をθ、視野角θにおける前記凸レンズ形状のレンズ径をｄ（θ）、焦点距離をｆ（θ）、ｋを正の定数とすると、前記凸レンズ形状は、下記式を満たすものである。

請求項３の発明は、請求項１に記載の照明装置において、視野角が所定の角度より小さいとき、前記凸レンズ形状の焦点距離を前記発光部から前記レンズまでの距離と異ならせ、かつ、前記凸レンズ形状のレンズ径を所望の光束が得られるように設定したものである。

請求項１の発明によれば、視野角が大きくなるにつれて発光部から出射される光の光度が低下しても、凸レンズ形状のレンズ径の増加によって光度低下が補償されるので、照明装置から出射される光の光度が低下することを防ぐことができる。

請求項２の発明によれば、レンズに入射する光束が視野角によらず一定となるので、照明装置から出射される光の光度が視野角によらず一定となる。

請求項３の発明によれば、視野角が小さいときレンズによる集光作用が弱くなるので、照射領域において、視野角が小さい領域の集光方向の幅を広げ、視野角が大きい領域の幅との差を低減することができる。

本発明の第１の実施形態に係る照明装置の斜視図。（ａ）は同照明装置におけるレンズの断面図、（ｂ）は同レンズの別断面における断面図。（ａ）は同レンズの平面図、（ｂ）は同レンズの側面図、（ｃ）は同レンズの正面図、（ｄ）は同レンズの背面図。（ａ）は上記照明装置における発光部の空間中の配光特性を表す図、（ｂ）は同配光特性を平面視した図、（ｃ）は同配光特性を別方向から平面視した図。同発光部の光度の角度依存性を示す図。上記レンズのある視野角における断面図。上記照明装置の配光特性を表す図。本発明の第２の実施形態に係る照明装置における小さい視野角でのレンズの断面図。同レンズの変形例における小さい視野角での断面図。上記照明装置における大きい視野角でのレンズの断面図。同照明装置の配光特性を示す図。同照明装置から照射される光のビーム角を説明する図。同照明装置を用いた街路灯の斜視図。（ａ）は従来の照明装置の斜視図、（ｂ）は同照明装置の断面図、（ｃ）は同照明装置の別断面における断面図。同照明装置の配光特性を表す図。（ａ）は従来の別の照明装置の斜視図、（ｂ）は同照明装置の断面図、（ｃ）は同照明装置の別断面における断面図。同照明装置の配光特性を表す図。従来のさらに別の照明装置用いた街路灯の斜視図。同照明装置の配光特性を表す図。同照明装置から照射される光のビーム角を説明する図。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る照明装置を図１乃至図７を参照して説明する。図１乃至図３（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）に示されるように、本実施形態の照明装置１は、取付基板２と、取付基板２に取り付けられた発光部３と、レンズ４とを有する。発光部３は、取付基板と略直交する光軸３１を有する。レンズ４は、発光部３から出射された光を配光制御する。このレンズ４は、光軸３１を含む面Ｓ（０）での断面形状、及び、面Ｓ（０）を視点軸３２周りに任意の視野角θだけ回転させた面Ｓ（θ）での断面形状が連続的に変化する凸レンズ形状４１である。その凸レンズ形状４１のレンズ径ｄ（θ）は視野角θが大きくなるにつれて増加する。視点軸３２は、光軸３１に直交し、発光部３の発光面３３に接する。図において、光軸３１方向をｚ方向、視点軸３２方向をｘ方向とし、それらに直交する方向をｙ方向とした。レンズ４は、光軸３１及び視点軸３２を含む面について面対称である。なお、照明装置１は発光部３より前方の空間（ｚ＞０）に光を出射するので、視野角θは９０°を超えない。

取付基板２は、発光部３を取り付けるための基板であり、照明装置１外の電源に接続され、発光部３に電力を供給する。発光部３は、発光面３３が完全拡散面で、かつ、高輝度な点に近い大きさで発光することが望ましく、例えば発光ダイオードから成る。有機ＥＬは、完全拡散面で発光するが、発光部の面積が大きいので発光部３には適さない。

レンズ４は、アクリル、ポリカーボネート等のプラスチックや、一般的な光学ガラス等の透明材料を成形したものである。レンズ４の凸レンズ形状４１は、片凸のものを図示したが、両凸であってもよい。レンズ４における光が入射する入射面４２は、平面視（ｙｚ面）で発光部３の発光面３３を中心とする半径Ｒの円弧形状とされる。レンズ４は、例えば、金型を用いて射出成形により作成される。

取付基板２、発光部３、及びレンズ４は、適宜の構成によって固定される。照明装置１は、例えば有底無蓋の筺体（図示せず）を備え、取付基板２及び発光部３は、筺体の底部に配置され、レンズ４は、筺体の開口に設けられる。照明装置１は、視野角θを変えて配光計測を行い、各視野角θにおける光度値を比較することによって評価される。

上記のように構成された照明装置１において、発光部３から出射された光は、レンズ４に入射する。レンズ４に入射した光は、視点軸３２方向（ｘ方向）については凸レンズ形状４１によって集光され、光軸３１及び視点軸３２に直交する方向（ｙ方向）については集光されず、入射方向のまま拡散する。発光部３から出射されレンズ４に入射する光は、視野角θが大きくなるにつれて低下する。レンズ４において、光軸を含む面Ｓ（０)に対して視野角θをなして交差する面Ｓ（θ）における凸レンズ形状４１は、視野角θが大きくなるにつれてレンズ径ｄ（θ）が増加する。このため、視野角θが大きくなっても、発光部３からの光度の低下をレンズ径ｄ（θ）の増加によって補償し、レンズ４に入射する光束を小さくすることなく、視野角θが大きくなるにつれて照明装置１から出射される光の光度が低下することを防ぐことができる。

レンズ４による光度低下の補償について詳述する。図４（ａ）（ｂ）（ｃ）は、発光部３単体の配光特性を示し、（ａ）はｘｙｚ空間内の配光特性、（ｂ）はｙｚ面の配光特性、（ｃ）はｚｘ面の配光特性を表している。矢印Ｌで示す光の出射方向と光軸３１とがなす角を、ｙｚ面で視野角θ、ｚｘ面で角度φとすると、その出射方向における光度Ｉ（θ，φ）（矢印Ｌの大きさ）は、ランベルトの余弦則により、次式で表される。
Ｉ（θ，φ）＝Ｉｃｏｓθｃｏｓφ
図５に示されるように、Ｉｃｏｓθｃｏｓφは、最大値がＩｃｏｓθであるコサインカーブの角度φにおける値である。
この光度Ｉ（θ，φ）の光が発光部３から出射され、レンズ４に入射される。

照明装置１から出射される光の光度が視野角θによらず一定となる条件は、発光部３から出射されてレンズ４に入射する光束が視野角θによらず一定となることである。光束とは、ある面積を通過する放射束である。レンズ４の入射面において、視野角θ乃至θ＋Δθ（Δθは微小増分）間の面積は、視野角θにおけるレンズ径ｄ（θ）に比例し、ｄ（θ）×Δθとなる。この面積を通過する光束は、面積ｄ（θ）×Δθにおける光度Ｉ（θ，φ）の面積分である。レンズ４に入射する光束が視野角θによらず一定となる条件は、Δθが微小であるので、視野角θにおける光度Ｉ（θ，φ）をレンズ径ｄ（θ）方向で積分した積分値が一定となることであると近似される。

レンズ４の視野角θ＝θａにおけるジオメトリを図６に示す。視野角θ＝θａにおいて、凸レンズ形状４１のレンズ径はｄ（θ＝θａ）、焦点距離はｆ（θ＝θａ）である。発光部３からレンズ４の入射面４２を臨む角度は＋φａ及び−φａである。視野角θ＝θａにおけるレンズ４に入射される光の光度Ｉ（θ＝θａ，φ）は、下記式で表される。
Ｉ（θ＝θａ，φ）＝Ｉｃｏｓθａｃｏｓφ

視野角θ＝θａにおけるレンズ４の入射角内［−φａ，＋φａ］の光度Ｉ（θ＝θａ，φ）の積分値は、下記式のように求められる。

したがって、光度Ｉ（θ＝θａ，φ）の積分値が視野角θによらず一定となる条件は、ｋを正の定数として、下記式で表される。

ここで、ｓｉｎφは、焦点距離ｆ（θ）とレンズ径ｄ（θ）により下記式で表される。

上記２式を展開してｓｉｎφを消去し、レンズ径ｄ（θ）を求めると、下記式が得られる。

レンズ４は、視野角θにおける凸レンズ形状４１が上記式（数５）を満たすように形成される。これにより、レンズ４に入射する光束が視野角θによらず一定となり、図７に示されるように、照明装置１から出射される光の光度が視野角θによらず略一定となる。なお、レンズ４は、同式を満たせば、視野角θによって焦点距離ｆ（θ）が変化するように形成してもよい。焦点距離ｆ（θ）は、レンズ４の断面形状が球面レンズの場合、屈折率、曲率半径、及び厚みから算出される。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態に係る照明装置１を図８乃至図１３を参照して説明する。本実施形態の照明装置１は、第１の実施形態と同様の構成を有し、視野角θが所定の角度より小さいとき、図８及び図９に示されるように、凸レンズ形状４１の焦点距離ｆ（θ）を発光部３からレンズ４までの距離Ｒと異ならせ（ｆ（θ）＞Ｒ又はｆ（θ）＜Ｒ）、かつ、凸レンズ形状４１のレンズ径ｄ（θ）を所望の光束が得られるように設定した。視野角θが所定の角度以上のときは、図１０に示されるように、凸レンズ形状４１の焦点距離ｆ（θ）を発光部３からレンズ４までの距離Ｒと同じに設定している（ｆ（θ）＝Ｒ）。所定の角度は、照明装置１の設置状況等に応じて適宜に定められる。図８及び図９は焦点距離ｆ（θ）を変える場合を示しているが、発光部３からレンズ４までの距離Ｒを変えることによって、焦点距離ｆ（θ）を距離Ｒと異ならせてもよい。レンズ径ｄ（θ）は、例えば、第１の実施形態と同様に、レンズ４に入射する光束が視野角θによらず一定となるように設定される。

上記のように構成された照明装置１は、視野角が小さいときレンズ４による集光作用が弱くなる。このため、この照明装置１は、従来の照明装置の配光特性（図１９参照）と比べると、図１１に示されるように、視野角が小さいときのビーム角が大きくなってｘ方向に広がった配光特性を有する。図１２に示されるように、視野角θが小さい（θ＝θ１）照射面に対するビーム角α１は、視野角θが大きい（θ＝θ２）照射面に対するビーム角α２と比べて大きくなる（α１＞α２）。このため、照射領域において、視野角θが小さい領域の集光方向（ｘ方向）の幅Ｗ１を広げ、視野角θが大きい領域の幅Ｗ２との差を低減することができる。レンズ４は、照射領域の集光方向の幅が視野角θによらず一定となるように焦点距離ｆ（θ）を設定することが望ましい。照明装置１は、例えば、照射面の照度分布を計測し、その形状と均斉度により評価される。

この照明装置１を例えば街路灯に用いた場合、図１３に示されるように、照射領域１１において、視野角θが小さい（θ＝θ１）領域の集光方向の幅Ｗ１と、視野角θが大きい（θ＝θ２）領域の幅Ｗ２との差が低減され、歩道等を略一定の幅で照明することが可能となる。レンズ４は、照射領域１１の集光方向の幅が視野角θによらず一定となるように焦点距離ｆ（θ）を設定し、照射領域１１の形状、すなわち照度分布形状を四角形とすることが望ましい。これにより、照射領域１１において、視野角θが大きい領域の幅Ｗ２が、視野角θが小さい領域の幅Ｗ１よりも広がらず、必要な範囲だけに光を照射することができる。

なお、本発明は、上記の実施形態の構成に限られず、発明の要旨を変更しない範囲で種々の変形が可能である。例えば、第１の実施形態の照明装置１は、景観照明器具に用いてもよく、これにより、視野角によって光度が変化することが防がれる。

１照明装置
２取付基板
３発光部
３１光軸
３２視点軸
４レンズ
４１凸レンズ形状
ｄレンズ径
ｆ焦点距離
ｋ定数
Ｓ面
θ 視野角

Claims

取付基板と、前記取付基板に取り付けられ、該取付基板と略直交する光軸を有する発光部と、前記発光部から出射された光を配光制御するレンズと、を備えた照明装置であって、
前記レンズは、前記光軸を含む面での断面形状、及び、前記面を視点軸周りに任意の視野角だけ回転させた面での断面形状が連続的に変化する凸レンズ形状であり、かつ、該凸レンズ形状のレンズ径は前記視野角が大きくなるにつれて増加することを特徴とする照明装置。
前記視野角をθ、視野角θにおける前記凸レンズ形状のレンズ径をｄ（θ）、焦点距離をｆ（θ）、ｋを正の定数とすると、
前記凸レンズ形状は、下記式を満たすことを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
視野角が所定の角度より小さいとき、前記凸レンズ形状の焦点距離を前記発光部から前記レンズまでの距離と異ならせ、かつ、前記凸レンズ形状のレンズ径を所望の光束が得られるように設定したことを特徴とする請求項１に記載の照明装置。