JP6678524B2

JP6678524B2 - 照明装置

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Publication number: JP6678524B2
Application number: JP2016118462A
Authority: JP
Inventors: 好文關口; 金子　浩規; 浩規金子; 恵一藤森; 宏介住吉; 孝享丸山
Original assignee: Hitachi Global Life Solutions Inc
Current assignee: Hitachi Global Life Solutions Inc
Priority date: 2016-06-15
Filing date: 2016-06-15
Publication date: 2020-04-08
Anticipated expiration: 2036-06-15
Also published as: TWI624622B; TW201800697A; JP2017224462A; CN107524988A

Description

本発明は、照明装置に関するものである。

近年、照明装置の光源として、ＬＥＤ（ＬｉｇｈｔＥｍｍｉｔｔｉｎｇＤｉｏｄｅ、発光ダイオード）の使用が多くなっている。天井に取り付けるタイプの室内照明装置用の光源としても蛍光管に代わってＬＥＤが使われ始めている。ＬＥＤ照明装置は水銀レスであることが特徴であり、環境を配慮した光源である。さらに、ＬＥＤ照明装置として、ＬＥＤからの出射光に指向性を付与することがある。特許文献１から特許文献４にＬＥＤからの出射光に指向性を付与した光学系に関して開示されている。

特開２０１４‐１５４４６１号公報特開２０１４‐１３５２３３号公報特開２０１１‐２０４３９７号公報特開２０１４‐１３７４４号公報

ＬＥＤから出射した光を散乱して広げる拡散カバーが、ＬＥＤを覆うように備えられている照明装置において、デザイン性の観点で拡散カバーが均一に光ることが望まれる。従来は、ＬＥＤを拡散カバーの下に広範囲に配置し、さらに、ＬＥＤからの光をＬＥＤに対応して配置されるレンズで広げることで、拡散カバーを均一に光らせていた。しかしながら、近年ではＬＥＤの効率が向上し、照明装置として必要なＬＥＤ数が少なくなったことから、隣接ＬＥＤ間の距離が広がり個々のＬＥＤからの光をより広範囲に出射するレンズが必要となった。一方で、広範囲に光を出射するレンズは、拡散カバー上に輝線など局所的に発生する局所ムラを形成することがあり、デザイン性を損なうことがある。本発明は、局所ムラを抑制して拡散カバー全体が均一に光る照明装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、複数の環状列に配置されたＬＥＤ光源と、前記ＬＥＤ光源を実装する基板と、前記ＬＥＤ光源を覆う広角レンズと、前記ＬＥＤ光源と前記広角レンズと、を覆い、曲面を有する拡散カバーと、を有し、前記広角レンズは、前記ＬＥＤ光源の列の内、外側に配置された列のＬＥＤ光源を覆う外広角レンズと、前記ＬＥＤ光源の列の内、内側に配置された列のＬＥＤ光源を覆う内広角レンズと、前記ＬＥＤ光源の列の内、前記外広角レンズに対応するＬＥＤ光源の列と前記内広角レンズに対応するＬＥＤ光源の列の間に配置された列のＬＥＤ光源を覆う中広角レンズと、を備え、前記広角レンズの外形の横幅に対する高さの比は、前記内広角レンズ、前記中広角レンズ、前記外広角レンズの順に小さくなり、前記基板の法線からの角度を極角θ、前記ＬＥＤ光源の放射強度Ｉ（θ）、前記ＬＥＤ光源を前記広角レンズで覆ったときの放射強度Ｉ _Ｌ（θ）とし、その放射強度比をＲＩ（θ）＝（Ｉ _Ｌ（θ）／Ｉ（θ））とした場合に、放射強度比のピークが、前記内広角レンズ、前記中広角レンズ、前記外広角レンズの順に大きくなる。

本発明によれば、レンズおよびそのレンズ群の構成により、局所的なムラを抑制して拡散カバー全体に光を照射し、デザイン性の良い照明装置を提供するという効果を奏する。

本発明の第１の実施形態に係る照明装置の構成を説明するための正面図本発明の第１の実施形態に係る照明装置の構成を説明するための断面図本発明の第１の実施形態に係る照明装置のレンズの放射強度分布を示す図 (ａ)本発明の第１の実施形態に係る照明装置のレンズの放射強度比を示す図（ｂ）放射強度の比が２以下を拡大した図 (ａ)（ｂ）の点線の断面図 (ｂ)内広角レンズ４の正面図 (ａ)（ｂ）の点線の断面図 (ｂ)中広角レンズ５の正面図 (ａ)（ｂ）の点線の断面図 (ｂ)外広角レンズ６の正面図 (ａ)拡散カバーを近似的に平面とした場合の光源から極角θに出射した光を示す図（ｂ）拡散カバーを近似的に曲面とした場合の光源から極角θに出射した光を示す図

《第１の実施形態》
図１は、本発明の第１の実施形態に係る照明装置の構成を説明するための正面図であって、ＬＥＤ光源３を実装する基板２を基板２の法線方向から見た図である。本実施形態において、基板２は略環状の板形状の部材である。基板２において、ＬＥＤ光源３が実装されている面を実装面と呼ぶことにする。ＬＥＤ光源３は複数の環状列に配置され、各ＬＥＤ光源３を広角レンズ（内広角レンズ４、中広角レンズ５、外広角レンズ６）が覆う構成である。

ＬＥＤ光源３の環状列の内、外側に配置された列のＬＥＤ光源３を覆う広角レンズを外広角レンズ６とし、内側に配置された列のＬＥＤ光源３を覆う広角レンズを内広角レンズ４とし、それら（外広角レンズ６に対応するＬＥＤ光源３の列と内広角レンズ４に対応するＬＥＤ光源３の列の）の間に配置された列のＬＥＤ光源３を覆う広角レンズを中広角レンズ５とする。本実施形態では、外広角レンズ６が最外列のＬＥＤ光源３を覆い、中広角レンズ５が外側から２列目（内側から３列目）のＬＥＤ光源３を覆い、内広角レンズ４が最内列とその次に内側にある列(内側から２列目)のＬＥＤ光源３を覆う構成である。基板２の中心Ｃから各広角レンズ中心までの距離は、内広角レンズ４、中広角レンズ５、外広角レンズ６の順に大きくなっている。

図２は、第１の実施形態に係る照明装置の断面図である。当該断面は、ＬＥＤ光源３が実装されている基板２の法線に平行な面における断面図である。図２中に矢印で示すように、照明装置１が主に光を照射する方向を正面方向Ｚとする。照明装置１が主に光を照射する方向は、例えば天井に設置して室内を照明するタイプの照明装置であれば、天井の法線方向、または天井から床に向かう方向（照明装置１の直下方向）が正面方向Ｚである。正面方向Ｚと略垂直な方向を側面方向とする。

照明装置１は、筐体としてのフレーム１１が有り、フレーム１１は例えば鉄製である。フレーム１１の一部の平面１１Ａには基板２がネジ止めなどで取り付けられている。フレーム１１は中空部を有し、中空部にはＬＥＤ光源３を駆動する点灯回路９が設置されている。基板２の端部２Ｅ付近でフレーム１１は折れ曲がって傾斜し、傾斜部１１Ｂを有する。フレーム１１には、拡散カバー８が取り付けられる。図２に示す本実施形態では、フレーム１１は、基板２が取り付けられる部材と、拡散カバー８が取り付けられる部材の２部材で構成されているが、この限りではなく１部材でも複数部材でも良い。

照明装置１は、固定具５１によって天井５０に固定される。固定具５１があるために、照明装置１の中心にはＬＥＤ光源３が置けない。固定具５１の正面方向Z側には中心カバー１０が設置されており、固定具５１が配置されている溝に光が入らないようになっている。当該溝に向かって伝播して来る光は、中心カバー１０で正面方向Ｚに反射散乱される。中心カバー１０は反射率が高い部材が好ましい。さらに、基板２や、フレーム１１の内側は、白色塗装、白色レジスト、白色シートなどを用いて、白色の物質で覆うので、中心カバー１０も白色散乱反射する部材が好ましい。

本実施形態では、内広角レンズ４、中広角レンズ５、外広角レンズ６に対応するＬＥＤ光源３を、必要な場合には区別して、それぞれＬＥＤ光源３Ａ、ＬＥＤ光源３Ｂ、ＬＥＤ光源３Ｃと呼ぶことにする。これらＬＥＤ光源３は、同じ種類や色のＬＥＤ光源でも、異なる種類や色のＬＥＤ光源でも良い。ＬＥＤ光源３の例としては、青色発光のＬＥＤと黄色の蛍光体を用いる白色ＬＥＤモジュールなどがあげられる。なお、本実施形態では光源をＬＥＤ光源としたが、ＬＥＤ光源に限定されない。

内広角レンズ４、中広角レンズ５、外広角レンズ６は、平坦部７にて接続され、レンズカバー１２を形成する。本実施の形態では、レンズカバー１２は一括成型される。レンズカバー１２の材料としては、ポリカーボネート、ポリスチレン、アクリルなどの樹脂を材料としている。

本実施形態においては、拡散カバー８は全てのＬＥＤ光源３及びレンズカバー１２を覆うような形状であって、ＬＥＤ光源３が発光した光を拡散反射・透過させる。説明のために、拡散カバー８を、拡散カバー８の表面の法線が正面方向Ｚにおおよそ向いている正面部８Ａと、拡散カバー８の表面の法線が側面方向におおよそ向いている側面部８Ｂに大別する。拡散カバー８は、多くの場合、樹脂であって、樹脂内にシリカなどの拡散材を含有している。拡散カバー８の全光線透過率は、拡散材の種類や濃度で制御できる。拡散カバー８に入射した光は、ある散乱角度分布を持って拡散カバー８から照明装置１の外へ出射する。なお、本発明は、拡散カバー８の形状を限定せず、全てのＬＥＤ光源３を覆わない形状であってもよく、拡散カバー８の全域に拡散性が付与されて無くても良い。

次に、広角レンズに関して説明する。一般的には、ＬＥＤ光源３からの発光光の光度分布は、実装面の法線方向を最大とするランバーシアン（法線からの角度θ（極角と呼ぶことにする）と光度（放射強度）Ｉ(θ)と法線方向の光度（放射強度）Ｉ(０)との関係が、次の関係にある。Ｉ(θ)＝Ｉ(０)cosθ）である。なお、ここで示す光度[cd]とは、ＬＥＤ光源３やレンズから十分に離れた位置で測定した光度を意味する。以下、ＬＥＤ光源３の光度（または、放射強度）をＩ(θ)と表記する。光度は分光放射強度に視感度を乗じて波長を変数として積分した量であり、本発明においては、何れを用いても誤解が生じないので、同等のものとして取り扱う。例えば、両者は概ね比例関係にあるので、角度θが８０度の場合に、光度のピークがあるという場合は、放射強度も同様に８０度にピークがあるという意味である。ランバーシアンの場合には、角度θが０度の角度にピークがある。

広角レンズは、ＬＥＤ光源３から発光された光が入射してきた際に屈折させ、より広い範囲（角度）となるように出射するレンズである。例えば、広角レンズからの出射光の光度をＩ_L（θ）（または、放射強度）とした場合に、θ=０度におけるＬＥＤ光源３に対するレンズの光度（または、放射強度）の比Ｒ_Ｉ(０)＝（Ｉ_L(０)/Ｉ(０)）が、ある角度θ（θ＞０）における光度（または、放射強度）の比Ｒ_Ｉ(θ)＝（Ｉ_L(θ)/Ｉ(θ)）よりも小さくなるレンズが広角レンズである。本実施形態においては、少なくとも４５度よりも大きな角度θで、Ｒ_Ｉ(０)＜Ｒ_Ｉ(θ)を部分的には満たすレンズを広角レンズとする。

図３に、本実施形態の内広角レンズ４、中広角レンズ５、外広角レンズ６に関して、シミュレーションで計算した放射強度分布を示す。計算に用いた光学系は、ＬＥＤ光源３を各広角レンズで覆った系であり、各広角レンズからの出射光の放射強度を測定した。図３の縦軸は放射強度[W/sr]、横軸は出射角度θ[deg]を示す。破線、鎖線（一点鎖線、二点鎖線）、実線は、それぞれ、内広角レンズ４、中広角レンズ５、外広角レンズ６の放射強度であり、点線はＬＥＤ光源３の放射強度である。なお、図１では、中広角レンズ５の正面から見た形状を、等方的に簡略化して描いたが、実際は長円であり、短軸と長軸方向の放射強度（５a、５ｂ）も示した。何れの分布もピークを有し、内広角レンズ４、中広角レンズ短軸５aと長軸５ｂ、外広角レンズ６のピークＩpに対応する角度θpは、６１．５度、６８．５度、６９．５度、８０．５度であり、レンズの位置が外側になるにつれて角度θpも大きくなる。

図４は、放射強度の比Ｒ_Ｉ(θ)を示す図であり、図の縦軸は放射強度の比Ｒ_Ｉ(θ)、横軸は出射角度θ[deg]を示す。図４（ｂ）は放射強度の比が２以下を拡大した図である。何れのレンズも広角レンズであり、放射強度の比Ｒ_Ｉ(θ)がＲ_Ｉ(０)よりも大きくなる領域が４５度以上に必ず存在し、角度θpにおける放射強度の比Ｒ_Ｉ(θp)も必ずＲ_Ｉ(０)よりも大きくなる。

本実施形態の広角レンズの形状と配置は、拡散カバー８が均一に光る構成であり、広角レンズを用いた場合に拡散カバー上に輝線など局所的に発生する恐れのある局所ムラを抑制する構成でもある。それらについて順次説明する。

図２に示すように、拡散カバー８は、中央でＬＥＤ光源３Ａからの距離が最も大きく、照明装置１の端部に向かうにつれてＬＥＤ光源３Ｃに近づくような、断面が曲線形状の構成である。本実施形態の例としては、基板２から拡散カバー８までの垂直距離が、中心部のＬＥＤ光源３付近で約８０ｍｍ、端部２Ｅで約６０ｍｍである。広角レンズからの出射光が拡散カバー８上に形成する照度分布は、広角レンズと拡散カバー８の距離が大きくなるほど、広くなだらかな分布となる。ＬＥＤ光源３Ｃは、ＬＥＤ光源３Ｃの直上は拡散カバー８との距離が小さい上に、ＬＥＤ光源３Ｃより外側に位置する拡散カバー８を照射する主な光源である。それゆえ、ＬＥＤ光源３Ｃに対応する外広角レンズ６は直上への出射光を少なくし、できるだけ多くの光を広範囲に出射するレンズである必要がある。したがって、外広角レンズ６は、拡散カバー８との距離が大きく、かつ、光を照射すべき領域が狭い内広角レンズ４よりも光を広げる必要がある。

中広角レンズ５は、内広角レンズ４と外広角レンズ６の光度分布が大きく異なる場合に、拡散カバー８上に局所ムラが発生することがあるので、光度分布の変化を緩やかにするために、光を広げる性能を内広角レンズ４と外広角レンズ５の間の性能として、性能変化を緩衝することが望ましい。

また、ＬＥＤ光源３は環状列に配置されており、環状列内におけるＬＥＤ光源３間の距離に比べて、実装面内において器具中心から外側に向かう動径方向のＬＥＤ光源３間の距離の方が大きいことが多いので、動径方向の光の広がりが重要であり、以下、動径方向の光の広がりに着目して各広角レンズに関して説明する。

図５は、内広角レンズ４を説明するための図で、図５(ｂ)は正面図、図５(ａ)は図５（ｂ）の点線の断面図を示す。照明装置１において、当該点線に平行となる方向が動径方向である。

本実施形態では外形が３×５ｍｍのＬＥＤ光源の場合を示す。ＬＥＤ光源３Ａに対向するレンズ内面４iは楕円面であり、外側のレンズ外面４ｏはレンズ内面４iからの光を所定の方向に屈折する面である。内広角レンズ４の形状の寸法を、レンズ内面の高さ４Ｈiと幅４Ｗi、レンズ外面の高さ４Ｈと幅４Ｗ、レンズ中心肉厚（４Ｈ−４Ｈi）、レンズ端部肉厚（４Ｗ−４Ｗi）とする。

図６は、中広角レンズ５を説明するための図で、図６(ｂ)は正面図、図６(ａ)は図６（ｂ）の点線の断面図を示す。照明装置１において、当該点線に平行となる方向が動径方向である。中広角レンズ５は、正面から見た場合に、動径方向が短軸で、動径方向と垂直方向に長軸を持つ長円形状である。長軸の方が短軸より約1ｍｍ長い構成である。内広角レンズと同様に、ＬＥＤ光源３Ｂに対向するレンズ内面５iは楕円面であり、外側のレンズ外面５ｏはレンズ内面５iからの光を所定の方向に屈折する面である。中広角レンズ５の形状の寸法を、レンズ内面の高さ５Ｈiと幅５Ｗi、レンズ外面の高さ５Ｈと幅５Ｗ、レンズ中心肉厚（５Ｈ−５Ｈi）、レンズ端部肉厚（５Ｗ−５Ｗi）とする。

図７は、外広角レンズ６を説明するための図で、図７(ｂ)は正面図、図７(ａ)は図７（ｂ）の点線の断面図を示す。照明装置１において、当該点線に平行となる方向が動径方向である。内広角レンズと同様に、ＬＥＤ光源３Ｃに対向するレンズ内面６iは楕円面であり、外側のレンズ外面６ｏはレンズ内面６iからの光を所定の方向に屈折する面である。外広角レンズ６の形状の寸法を、レンズ内面の高さ６Ｈiと幅６Ｗi、レンズ外面の高さ６Ｈと幅６Ｗ、レンズ中心肉厚（６Ｈ−６Ｈi）、レンズ端部肉厚（６Ｗ−６Ｗi）とする。なお、本実施形態のように、ＬＥＤ光源３の外形が長方形の場合には、ＬＥＤ光源３の短軸方向が動径方向と略平行になるようにすることで、動径方向のレンズからの出射光を広げる効果を奏する。なぜならば、レンズは光源が点光源に近づくほど、本来の性能を発揮するためであり、動径方向の光源の大きさを小さくした方が、動径方向においてレンズの光を広げる性能が得られやすいためである。

それぞれのレンズの寸法例を下記表に示す。なお、中広角レンズ５に関しては、短軸方向（動径方向）の寸法を示している。中広角レンズ５に関しては動径方向に着目して説明する。なお、本実施形態において、広角レンズ外面の中心は平らな面である。その理由は次の通りである。広角レンズ外面の中心を凹まして、レンズ外面の中心付近からの光も広角に出射させようとすると、ＬＥＤ光源３の中心とレンズの中心とが高精度に一致しない場合、当該中心位置ずれに応じて局所的なムラが発生する。それゆえ、広角レンズが複数あるレンズカバー１２の場合には、広角レンズ外面の中心を、当該中心位置ずれに最も強い平らな面とすることで、局所的なムラの発生を抑制するという効果を奏する。

何れの広角レンズにおいても、レンズ内面は幅より高さが大きく、断面は基板２の法線方向に長い楕円面となっている。レンズ中心付近のレンズ内面の傾斜は大きい方がより光を広げられる。図６(a)を用いて説明する。ある角度θに出射した光がレンズ内面に到達した際に、レンズ内面の接平面の傾斜が、レンズ内面が球面の場合の接平面の傾斜よりも大きい場合は、レンズ内面で光はレンズの中心から遠ざかる方向に屈折する。

レンズ内面が球面の場合には接平面の法線は光線と平行となるが、本実施形態の広角レンズの場合には図のように接平面の法線５Ｎｉが光線Ｒａｙ５ａの角度θよりも外側に傾くので、レンズ内の光線の角度も屈折により角度θより大きくなり光が広がる。レンズ内面の高さを幅より大きくすることで光を広げる効果を奏する。なお、この効果はレンズ内面が楕円面に限らず、曲線、折れ線、それらの組み合わせなどでも得られる。また、各レンズのＬＥＤ光源３に対向するレンズ内面の横幅に対する高さの比は、内広角レンズ４の比よりも外広角レンズ６の比の方が大きい。これは、外広角レンズ６の方が内広角レンズ４よりも光を大幅に広げるためである。

但し、レンズ内面は、楕円面などの滑らかな曲面であることが望ましい。滑らかさとしては、レンズ内面の断面形状を曲線または折れ線で近似した時に、１階微分が連続（ある点を基準として、正側からの微分値と負側からの微分値が略等しい。）であることが望ましい。なぜならば、広角レンズは中心に置かれた点光源からの光に対して所定の方向に光を出射するが、ＬＥＤ光源３の発光面は３ｍｍ程度の大きさがあり完全な点光源ではない。それゆえ、発光面の中心からずれた位置から発光した光は所定の出射方向からずれる。レンズ内面形状（傾斜）がある点で不連続に変わると、当該不連続点の前後の位置にレンズ中心以外から光が入射した場合、入射した光のレンズからの出射方向は入射位置に応じて所定の出射方向とは大きく変化し、当該不連続点の前後を通る光線がレンズから出射後に交差したりするため、当該出射光が拡散カバー８上に局所的なムラを形成することがあるためである。

レンズ外面の幅に対する高さの比（高さ／幅）は、レンズの位置が外側になるにつれて小さくなっている。つまり、内、中、外広角レンズの順に小さくなっている。これは、均一性の観点で、外側のレンズは光を広げる必要があるためと、光を広げるレンズは後述するようにレンズの幅を広げる必要があり全てのレンズを幅が広いレンズとすると、レンズが制約となって必要な数のＬＥＤ光源３が基板２に実装できない点から、均一性の観点で幅を小さくしても問題の無い内広角レンズ４は小さくし、外広角レンズ６は幅が大きなレンズとしているためである。

中広角レンズ５は、内広角レンズ４と外広角レンズ６の性能差が大きい場合に、その差を緩和するために配置している。例えば、図２において、基板２の中心から端部２Ｅまでの距離が２００ｍｍで、拡散カバーの正面部８Ａの中心から端部までの距離が３００ｍｍの場合、外広角レンズ６は、拡散カバー８の端部までの約１００ｍｍの範囲に光を照射する必要があるので、光度（放射強度）のピークＩpに対応する角度θpが７５度よりも大きな角度をとる広角レンズとなる。一方で、内広角レンズ４は角度θpが６０度程度のレンズとなる。この場合、中広角レンズ５が無いと、内広角レンズ４と外広角レンズ６の境界で、それぞれのレンズが拡散カバー８に形成する照度分布が異なるため、局所的なムラが発生する恐れがある。そのため、両者が拡散カバー８に形成する照度分布の差を緩和するために、中広角レンズ５を実装した方が良い。その際には、中広角レンズ５の角度θpが、内広角レンズ４と外広角レンズ６の角度θpの間にある方が良く、そのためには、レンズ外面の横幅に対する高さの比は、レンズの位置が外側になるにつれて小さくなる、つまり、ＬＥＤ光源３を点灯させた状態で、拡散カバー８にムラが生じることを抑制することができるように、内広角レンズ４、中広角レンズ５、外広角レンズ６の順に小さくなる必要がある。これにより、拡散カバー８にムラが生じることを抑制することができるようになる。レンズ外面の幅に対する高さの比と光の広がりの関係に関して説明する。図５(ａ)および図７(ｂ)に示す光線Ｒａｙ４およびＲａｙ６は、ＬＥＤの中心から極角θが４５度の方向に出射し、広角レンズによって屈折した光線を示している。内広角レンズ４の外面に光線Ｒａｙ４が入射する入射角度（法線４Ｎｏと入射光線の角度）よりも、外広角レンズ６の外面に光線Ｒａｙ６が入射する入射角度（法線６Ｎｏと入射光線の角度）の方が大きい。そのため、内広角レンズ４より外広角レンズ６の方が、レンズ外面６から出射する出射光線の極角が大きくなる。つまり、光をより広い角度に出射する。

ある極角θに出射した光のレンズ外面への入射角度を大きくすることで、光をより広い範囲に出射できる。外面が球面の場合に比べて光を広げる場合は、ある極角θに出射した光のレンズ外面への入射角度を、球面が外面の場合に比べて大きくすることで、外面が球面の場合よりも光を広げられる。これは、ある極角θに出射した光がレンズ外面に入射する位置の接平面と基板２の法線と垂直な面（実装面）との角度が、外面が球面の場合に比べて、小さいことを意味する。そのため、より広角に光を出射するレンズほど、当該接平面と基板２の実装面との角度が小さくなる。レンズ外面の各位置における接平面と基板２の実装面との角度が、外面が球面の場合に比べて小さいということは、レンズ外面の各面素の横方向の成分が大きくなるので、レンズ外面が球面の場合よりも横方向に長くなる、つまり、幅が長くなるということである。したがって、レンズ外面の幅に対する高さの比（高さ／幅）が小さくなるほど、レンズは光を広げるという効果を奏する。

また、レンズ中心肉厚に対するレンズ端部肉厚の比（レンズ端部肉厚／レンズ中心肉厚）は、レンズの位置が外側になるにつれて大きくなる、つまり、内、中、外広角レンズの順に大きくなる。レンズの光を広げる性能が大きくなるにつれて、レンズの幅が広がることに起因して、レンズ肉厚比も大きくなるためである。

ピークに対応する角度θｐが１０度以上異なる２つの広角レンズを用いる場合に、角度θpが２つの広角レンズの角度θpの間に入る中広角レンズ５を有し、レンズ外面の幅に対する高さの比をレンズの位置が外側になるにつれて小さくなるようにすることで、拡散カバー８の全体の照度を均一にし、さらに、局所的なムラを抑制するという効果を奏する。

また、同様に中広角レンズ５を有し、レンズ中心肉厚に対するレンズ端部肉厚の比を、レンズの位置が外側になるにつれて大きくすることで、拡散カバー８の全体の照度を均一にし、さらに、局所的なムラを抑制するという効果を奏する。

次に、レンズ単体が拡散カバー８上に形成する局所的なムラの抑制に関して詳細に説明する。ＬＥＤ間隔が広いことにより、ＬＥＤ直上が明るくなり隣接ＬＥＤ間が暗くなるというムラは、レンズからの光を広げることで抑制可能であり、光を広げるレンズ形状に関しては上述した通りであるが、ある一つのＬＥＤ光源３と対応するレンズに着目した場合に、そのレンズの出射光が拡散カバー８上に局所的なムラを形成する場合がある。とりわけ、明るい線状（曲線状）のムラ（輝線）を発生させることがあり、光度分布にピークを有する広角レンズで発生しやすい。これら輝線を抑制する方法としては、レンズ外面に凹凸形状（所謂、シボ）を付与して光散乱により抑制することが考えられるが、多くの場合、シボを付けるとレンズの光を広げる性能が低下する。さらに、シボで周辺の基板などに向けて散乱反射して光線が損失し、効率を下げるという課題がある。

我々の実験によれば、その様な局所的なムラは、レンズから出射した光が拡散カバー８上に形成する照度分布が、ＬＥＤ光源３の直上から離れるにつれて単調減少すれば抑制できることが分かった。好ましくは、ＬＥＤ光源３の直上を最大値として離れるにつれて滑らかに低下した方が良い。滑らかにとは位置に対する照度分布の１次微分が略連続であれば良い。また、例えば、照度分布がガウス分布など単調減少する曲線でフィッティングできる分布であれば、照度分布の不連続性に依存したムラは発生しない。

したがって、レンズが広角レンズであっても、レンズ単体が拡散カバー８上に形成する照度分布を、ＬＥＤ光源３の直上から単調減少する構成とし、好ましくは、ＬＥＤ光源３の直上を最大値として連続的に低下させる構成、または、ガウス分布など滑らかな任意の関数でフィッティングできる分布とすることで局所ムラを抑制するという効果を奏する。さらに、レンズ外面に凹凸形状を付与して局所ムラ抑制をしないで済むので、損失を低減するという効果も奏する。

特に、外広角レンズ６は、ＬＥＤ光源３を単体で点灯させた状態において、拡散カバー８上の照度がＬＥＤ光源３から離れるにつれて緩やかに減衰するような形状である。

本実施形態のレンズ外面は、二乗平均平方根粗さがＬＥＤ光源３の主たる波長（例えば４５０ｎｍ）よりも小さく光学的に鏡面であり、光がほとんど散乱されない面である。

特に、外広角レンズ６は、光度のピークが大きすぎると、図２に示すように拡散カバー８は外側になるほど基板２の方向に近づくように曲がっているため、角度θp方向に出射した光が到達する拡散カバー８の部位付近に輝線を生じることがある。輝線を抑制する放射強度分布は、図３に示す構成であり、外広角レンズ６のピークＩpは、内広角レンズ４や中広角レンズ５のいずれのピークＩpよりも小さいことが分かる。上述したが、光度分布は放射強度分布とおおよそ比例関係（プロファイルが相似形状）になるので、外広角レンズ６の光度分布のピークも、内広角レンズ４や中広角レンズ５のいずれの光度分布のピークよりも小さくなる。したがって、以下述べる特徴や効果も放射強度だけでなく、光度でも成り立つ。

外広角レンズ６は、出射角度８０度以上にも光を出射するレンズでありながら、放射強度の出射角度依存性は他の分布に比べて緩やかに増加し、ピークＩpは内側に配置されるレンズよりも小さい構成となっている。外広角レンズ６の放射強度分布を、角度θpが他の全てのレンズの分布よりも大きくなるようにし、そのピークＩpは他のレンズのピークＩpよりも小さくすることで、光を広げ、かつ、局所的なムラを抑制する効果を奏する。さらに、レンズ外面に凹凸形状を付与して局所ムラ抑制をしないで済むので、損失を低減するという効果も奏する。別の観点で言い換えると、特に、凹凸形状をレンズ外面に付与しない鏡面のレンズの場合に、放射強度分布または光度分布において、外広角レンズ６の角度θpが他の全てのレンズの分布よりも大きくなるようにし、そのピークは他のレンズのピークよりも小さくすることで、光を広げ、かつ、局所的なムラを抑制する効果を奏する。鏡面とは、凹凸による散乱の少ない面である。凹凸による散乱の少ない面の目安としては、二乗平均平方根粗さがＬＥＤ光源３の主たる波長（例えば４５０ｎｍ）よりも小さい面と言え、さらに、二乗平均平方根粗さが２００ｎｍ未満の場合にはほとんど散乱が発生しないので鏡面と言え、１００ｎｍ未満の場合には散乱が著しく小さく完全な鏡面と言える。

ここで、光を広げる性能に関して再度説明する。図４に示した放射強度比Ｒ_Ｉ(θ)より、角度θpにおいて、ＬＥＤ光源３に対して、外広角レンズ６は十分に大きな放射強度比となっており、角度θpにおける放射強度比は３種の広角レンズの中で最も大きな値となっている。ここで、ＬＥＤ光源の光度Ｉ_C（θ）、ＬＥＤ光源３を広角レンズで覆ったときの光度Ｉ_CL（θ）とし、その光度比をＲＩ_C（θ）＝（Ｉ_CL（θ）／Ｉ_C（θ））としたときも、光度比ＲＩ_C（θ）は、放射強度比と概ね同じ分布となるので、放射強度比と同様のことが言えて、ＬＥＤ光源３に対して、外広角レンズ６は十分に大きな光度比となり、角度θpにおける光度比は３種のレンズの中で最も大きな値となる。つまり、外広角レンズ６の光度分布（放射強度分布）を、角度θpと光度比（放射強度比）のピークが他のレンズの、好ましくは他の全てのレンズの、分布よりも大きくなるようにし、光度分布（放射強度分布）のピークは他のレンズのピークよりも小さくすることで、光を広げ、かつ、局所的なムラを抑制する効果を奏する。さらに、レンズ外面に凹凸形状を付与して局所ムラ抑制をしないで済むので、損失を低減するという効果も奏する。つまり、ＲＩ_C（θ）＝（Ｉ_CL（θ）／Ｉ_C（θ））とした場合に、光度比のピークが、内広角レンズ４、中広角レンズ５、外広角レンズ６の順に大きくなることで、上記効果を奏する。さらに、外広角レンズ６の光度のピークが、内広角レンズ４または中広角レンズ５の光度のピークよりも低いことで更なる効果を奏する。この際、外広角レンズ６は光を大きく広げる形状であり、外側の多くのＬＥＤ光源３を有する環状列に対応する広角レンズなので、特に外広角レンズのレンズ外面６ｏを鏡面とすることで、損失を低減し、光を広げる性能を向上させるという効果を奏する。

また、放射強度比をＲＩ（θ）＝（Ｉ_Ｌ（θ）／Ｉ（θ））とした場合に、放射強度比のピークが、内広角レンズ４、中広角レンズ５、外広角レンズ６の順に大きくなることで、上記効果を奏する。さらに、外広角レンズ６の放射強度のピークが、内広角レンズ４または中広角レンズ５の放射強度のピークよりも低いことで更なる効果を奏する。この際、外広角レンズ６は光を大きく広げる形状であり、外側の多くのＬＥＤ光源３を有する環状列に対応する広角レンズなので、特に外広角レンズのレンズ外面６ｏを鏡面とすることで、損失を低減し、光を広げる性能を向上させるという効果を奏する。

なお、このような光度分布を持つレンズが拡散カバー８に形成する照度分布は、基本的には、上述したＬＥＤ光源の直上から単調減少する分布となる。

また、図３において、極角が０度の放射強度に対する角度θpの放射強度の比（角度θpの放射強度／極角０度の放射強度）は、内広角レンズ４、中広角レンズ５、外広角レンズ６の順に、２．１１、４．２７、２．８０である。中広角レンズの比４．２７は、局所ムラが発生しない上限に近い値である。したがって、極角が０度に対する角度θpの放射強度比は４．２７未満にすることが望ましい。当該放射強度比を４.２７未満にすることで、局所ムラを抑制するという効果を奏する。再度述べるが、光度比と放射強度比は概ね一致するので、光度比を４.２７未満とすることで、同様に、局所ムラを抑制するという効果を奏する。

次に、広角レンズ単体が拡散カバー８に形成する照度分布として好ましいプロファイルを説明する。前述したように、拡散カバー８の照度はＬＥＤ光源の直上から離れるにつれて単調減少し、望ましくは滑らかに照度が低下することが望ましい。そのような分布として、ガウス分布を用いると、局所ムラを抑制して拡散カバー全体に光を照射することが容易に実現できるという効果を奏する。

図８(ａ)を用いて説明する。拡散カバー８を近似的に平面とし、ＬＥＤ光源３Ａから拡散カバー８までの距離をｔｚ、内広角レンズ４の中心軸Ｃａｘからの距離をρとした場合、拡散カバー８上の照度分布を、距離ρに関するガウス分布（Exp(-1/2*(ρ/σ)²、σは広がりを表す定数）とする場合、光源から極角θに出射した光が、拡散カバー８の到達するべき距離ρは、次式１で与えられる。

式１を用い、レンズ内面を任意の形状（本実施形態では、楕円面）に設定すれば、レンズ外面は一義的に決まる。拡散カバー８を平面と仮定して、この方法で作製したレンズであっても、拡散カバー８の曲面の曲率が大きければ、局所ムラは発生しない。したがって、ある平面を仮定し、そこに単一のレンズが形成する照度分布がガウス分布となるとき、局所ムラは抑制される。当該ガウス分布を形成するレンズは、式(1)の関係を満たす。なお、ρとθの関係は必ずしも式(1)で表されなくても、ρとθの関係が決まり、それによりレンズ出射光の光度分布（放射強度分布）が決まり、レンズ内面形状が決まれば、レンズ外面は一義的に決まる。

また、平面だけではなく、曲面の場合にも上記考え方は適用可能である。図８(ｂ)を用いて説明する。ＬＥＤ光源３Ａから極角θ方向に光が出射し、基板２に平行方向における内広角レンズ４の中心軸Ｃａｘからの光線到達位置までの距離をρとし、基板２の法線方向におけるＬＥＤ光源３Ａと光線到達位置との距離をｔｚとし、基板２の法線とレンズ外面４ｏからの出射光線の角度をδとした場合に、ｔｚとρは角度δの関数として与えられ、式１に対応する関係式は、曲面形状を反映した極角θと角度δの微分方程式で与えられる。当該関係と、レンズ内面形状を設定すればレンズ外面形状は一義的に決まる。したがって、照度分布を決めれば、レンズの光度分布（距離ρと極角θの関係や角度δと極角θの関係）が決まり、レンズ内面を設定すれば対応するレンズ形状が決まる。つまり、例えば、ＬＥＤ光源の直上を最大値として離れるにつれて滑らかに低下する照度分布を設定した場合、レンズ内面を設定すれば対応するレンズ形状が決まるということである。

図８(ａ)（ｂ）では、広角レンズ単体が拡散カバー８に形成する照度分布として好ましいプロファイルとそれを実現するレンズの作製方法を、ＬＥＤ光源３Ａと、内広角レンズ４と、拡散カバー８およびそれに形成する照度分布との関係で説明したが、ＬＥＤ光源３ＢやＬＥＤ光源３Ｃと、中広角レンズ５や外広角レンズ６と、拡散カバー８およびそれに形成する照度分布との関係からも、同様に対応するレンズ形状を作製することが可能である。

上述したが、本実施形態の一部の説明は、本実施形態の広角レンズから出射する光の放射強度[W/sr]を用いて、放射強度の特徴やその特徴による効果を説明したが、それらは本実施形態の広角レンズから出射する光の光度[cd]でも同様に成り立つ。

また、本発明はＬＥＤ光源に限定されず、例えば、あるＬＥＤ光源の環状列が、色や種類の異なるＬＥＤ光源で構成されていても良い。

１・・・照明装置
２・・・基板
３・・・ＬＥＤ光源
４・・・内広角レンズ
５・・・中広角レンズ
６・・・外広角レンズ
７・・・平坦部
８・・・拡散カバー
９・・・点灯回路
１０・・・中心カバー
１１・・・フレーム
１２・・・レンズカバー
５０・・・天井
５１・・・固定具

Claims

複数の環状列に配置されたＬＥＤ光源と、前記ＬＥＤ光源を実装する基板と、前記ＬＥＤ光源を覆う広角レンズと、前記ＬＥＤ光源と前記広角レンズと、を覆い、曲面を有する拡散カバーと、を有し、
前記広角レンズは、
前記ＬＥＤ光源の列の内、外側に配置された列のＬＥＤ光源を覆う外広角レンズと、前記ＬＥＤ光源の列の内、内側に配置された列のＬＥＤ光源を覆う内広角レンズと、前記ＬＥＤ光源の列の内、前記外広角レンズに対応するＬＥＤ光源の列と前記内広角レンズに対応するＬＥＤ光源の列の間に配置された列のＬＥＤ光源を覆う中広角レンズと、を備え、前記広角レンズの外形の横幅に対する高さの比は、前記内広角レンズ、前記中広角レンズ、前記外広角レンズの順に小さくなり、
前記基板の法線からの角度を極角θ、前記ＬＥＤ光源の放射強度Ｉ（θ）、前記ＬＥＤ光源を前記広角レンズで覆ったときの放射強度Ｉ _Ｌ（θ）とし、その放射強度比をＲＩ（θ）＝（Ｉ _Ｌ（θ）／Ｉ（θ））とした場合に、放射強度比のピークが、前記内広角レンズ、前記中広角レンズ、前記外広角レンズの順に大きくなることを特徴とする照明装置。
請求項１において、
前記強度比のピークに対応する角度が、前記内広角レンズ、前記中広角レンズ、前記外広角レンズの順に大きくなることを特徴とする照明装置。
複数の環状列に配置されたＬＥＤ光源と、前記ＬＥＤ光源を実装する基板と、前記ＬＥＤ光源を覆う広角レンズと、前記ＬＥＤ光源と前記広角レンズと、を覆い、曲面を有する拡散カバーと、を有し、
前記広角レンズは、
前記ＬＥＤ光源の列の内、外側に配置された列のＬＥＤ光源を覆う外広角レンズと、前記ＬＥＤ光源の列の内、内側に配置された列のＬＥＤ光源を覆う内広角レンズと、前記ＬＥＤ光源の列の内、前記外広角レンズに対応するＬＥＤ光源の列と前記内広角レンズに対応するＬＥＤ光源の列の間に配置された列のＬＥＤ光源を覆う中広角レンズと、を備え、前記広角レンズの外形の横幅に対する高さの比は、前記内広角レンズ、前記中広角レンズ、前記外広角レンズの順に小さくなり、
前記基板の法線からの角度を極角θ、前記ＬＥＤ光源の光度Ｉ _C （θ）、前記ＬＥＤ光源を前記広角レンズで覆ったときの光度Ｉ _CL （θ）とし、その光度比をＲＩ _C （θ）＝（Ｉ _CL （θ）／Ｉ _C （θ））とした場合に、光度比のピークが、前記内広角レンズ、前記中広角レンズ、前記外広角レンズの順に大きくなることを特徴とする照明装置。
複数の環状列に配置されたＬＥＤ光源と、前記ＬＥＤ光源を実装する基板と、前記ＬＥＤ光源を覆う広角レンズと、前記ＬＥＤ光源と前記広角レンズと、を覆い、曲面を有する拡散カバーと、を有し、
前記広角レンズは、
前記ＬＥＤ光源の列の内、外側に配置された列のＬＥＤ光源を覆う外広角レンズと、前記ＬＥＤ光源の列の内、内側に配置された列のＬＥＤ光源を覆う内広角レンズと、前記ＬＥＤ光源の列の内、前記外広角レンズに対応するＬＥＤ光源の列と前記内広角レンズに対応するＬＥＤ光源の列の間に配置された列のＬＥＤ光源を覆う中広角レンズと、を備え、前記広角レンズの外形の横幅に対する高さの比は、前記内広角レンズ、前記中広角レンズ、前記外広角レンズの順に小さくなり、
前記広角レンズの光度分布において、前記基板の法線からの角度を極角θとし、光度のピークに対応する極角をθpとした場合に、
極角が０度の光度に対する角度θpの光度の比（極角θpの光度／極角０度の光度）が、４．２７よりも低いことを特徴とする照明装置。
請求項1又は３において、
前記広角レンズの光度分布において、前記基板の法線からの角度を極角θとし、光度のピークに対応する極角をθpとした場合に、
極角が０度の光度に対する角度θpの光度の比（極角θpの光度／極角０度の光度）が、４．２７よりも低いことを特徴とする照明装置。
複数の環状列に配置されたＬＥＤ光源と、前記ＬＥＤ光源を実装する基板と、前記ＬＥＤ光源を覆う広角レンズと、前記ＬＥＤ光源と前記広角レンズと、を覆い、曲面を有する拡散カバーと、を有し、
前記広角レンズは、
前記ＬＥＤ光源の列の内、外側に配置された列のＬＥＤ光源を覆う外広角レンズと、前記ＬＥＤ光源の列の内、内側に配置された列のＬＥＤ光源を覆う内広角レンズと、前記ＬＥＤ光源の列の内、前記外広角レンズに対応するＬＥＤ光源の列と前記内広角レンズに対応するＬＥＤ光源の列の間に配置された列のＬＥＤ光源を覆う中広角レンズと、を備え、前記広角レンズの外形の横幅に対する高さの比は、前記内広角レンズ、前記中広角レンズ、前記外広角レンズの順に小さくなり、
前記基板の法線からの角度を極角θとし、
前記基板に平行で、前記広角レンズの上に位置する平面において、
前記平面における前記広角レンズの中心直上を原点とし、
前記ＬＥＤ光源から極角θ方向に光線が出射し、
該光線が前記平面に到達した位置と前記原点の距離をρとし、
前記平面における前記広角レンズが形成する照度分布を最大値で規格化した規格化照度分布を次式で表されるガウス分布で、定数σを用いてフィッティングした場合に、

極角θと距離ρが次式の関係を満たす前記広角レンズを有することを特徴とする照明装置。
複数の環状列に配置されたＬＥＤ光源と、前記ＬＥＤ光源を実装する基板と、前記ＬＥＤ光源を覆う広角レンズと、前記ＬＥＤ光源と前記広角レンズと、を覆い、曲面を有する拡散カバーと、を有し、
前記広角レンズは、
前記ＬＥＤ光源の列の内、外側に配置された列のＬＥＤ光源を覆う外広角レンズと、前記ＬＥＤ光源の列の内、内側に配置された列のＬＥＤ光源を覆う内広角レンズと、前記ＬＥＤ光源の列の内、前記外広角レンズに対応するＬＥＤ光源の列と前記内広角レンズに対応するＬＥＤ光源の列の間に配置された列のＬＥＤ光源を覆う中広角レンズと、を備え、前記広角レンズの外形の横幅に対する高さの比は、前記内広角レンズ、前記中広角レンズ、前記外広角レンズの順に小さくなり、
前記外広角レンズの光度のピークが、前記内広角レンズまたは前記中広角レンズの光度のピークよりも低く、
前記外広角レンズのレンズ外面が、鏡面であることを特徴とする照明装置。
請求項1又は３において、
前記外広角レンズの光度のピークが、前記内広角レンズまたは前記中広角レンズの光度のピークよりも低く、
前記外広角レンズのレンズ外面が、鏡面であることを特徴とする照明装置。