JP6054182B2

JP6054182B2 - 照明装置

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Publication number: JP6054182B2
Application number: JP2013001866A
Authority: JP
Inventors: 別井　圭一; 圭一別井; 誠治村田
Original assignee: Hitachi Appliances Inc
Current assignee: Hitachi Appliances Inc
Priority date: 2013-01-09
Filing date: 2013-01-09
Publication date: 2016-12-27
Anticipated expiration: 2033-01-09
Also published as: JP2014135172A

Description

本発明は、光源からの光を所望のビーム角度に集光して出射する照明装置に関する。

ランプからの光をミラーやレンズなどを用いて集光し、対象物の一部を集中的に照射するスポットライト、ダウンライトなどの照明装置が知られている。これらのスポット照明では、ランプからの光を効率良く所望のエリア内に照射できることが要求される。これに関し次の提案がなされている。

例えば特許文献１には、灯具の薄型化を図り周辺光量の低下を抑えるために、「灯具発光面を短冊状に分割し長辺方向に沿う焦点線を有する複数の放物面柱反射鏡と、この放物面柱反射鏡の夫々の前記焦点線近傍に配設される光源と、前記発光面を覆うフレネルレンズは、前記放物面柱反射鏡に反射される前記光源の虚像に焦点を持つリニアフレネルカットと、前記光源に焦点を持つ同芯円フレネルカットで成る」車両用信号灯具が開示されている。

また特許文献２には、ＬＥＤランプの前方以外の方向から出た光を有効に利用するために、「ＬＥＤランプの側面光を前方に反射させるためのレンズであって反射面が放物面又はその近似曲線にされた反射器本体を有しており、前記反射器本体の反射面中心部には、前記ＬＥＤランプが入れられる凹部が形成されている」ＬＥＤランプ用反射器が開示されている。さらにこのＬＥＤランプ用反射器では、「前記凹部内であり且つ前記ＬＥＤランプの前方位置には、前記ＬＥＤランプから前方に向けて出た光の進行方向を補正するためのレンズが設けられている」構成としている。

特開平２−１４４８０１号公報特開２００３−２８１９０９号公報

図９は、従来のスポット照明装置の一般的な構造を示す図である。光源１１より発生した光は、放物面形状の反射ミラー１９で反射し、所望の配光特性を有する照明光に集光されて対象物に照射される。所望の配光特性とは、スポットライトの場合は出射光（出射ビーム）の光強度が半分になる角度幅（以下、ビーム角度と呼ぶ）で定義され、照明用途により１０ｄｅｇ、２０ｄｅｇ、３０ｄｅｇ（すべて全角２θの値）などと指定されている。このような反射ミラー１９を有する照明装置では、反射ミラー１９で反射した光線２１（破線で示す、以下、反射光と呼ぶ）についてはビーム角度内に出射される。

一方、光源１１より発生し反射ミラー１９に当たらず、ミラー１９の開口部から直接出射する光線２０（実線で示す、以下、直射光と呼ぶ）が存在する。直射光２０についてはミラー１９の開口部の大きさで決まる範囲一杯に光が出射するため、所定のビーム角度より外に漏れる光が存在する。その結果、光源で発生する全光束のうちビーム角度内に出射する光束の割合（ビーム光利用効率、又は単にビーム効率と呼ぶ）が低下し、また所望の配光特性を実現するのが困難となる。この場合、ミラー１９の鏡筒を長くすれば漏れ光は減少するが、装置が大型化し実用的な解決法とは言えない。

前記特許文献１では、フレネルレンズの焦点位置をレンズ中央部と周辺部とで切り替えることで、中央部では主に光源からの直射光を、周辺部では主に反射鏡からの反射光（すなわち光源の虚像からの放射光）を利用するものである。これにより、直射光がレンズ周辺部で減衰するのを反射光で補い、光束の利用効率を向上させようとしている。しかし特許文献１では、フレネルレンズ周辺部を通過する光源からの直射光の影響、すなわち周辺部を通過する直接光がビーム角度より外に漏れることついては考慮されておらず、ビーム効率の向上は必ずしも期待できない。

前記特許文献２では、ＬＥＤランプの周辺に反射面を設けてランプ側面から出射した光を前方に集光させ、ランプ側面光を有効に利用するものである。またＬＥＤランプの前方に設けたレンズによりランプ前方に出射した光の進行方向を補正することで、ランプの前方の輝度を大きくしようとしている。しかし特許文献２では、前方レンズは凹部内に設けられそのサイズ（径）はランプと同程度であるため、ランプ側面から出射した光の中には前方レンズを通過せず、且つ反射面にも当たらない直射光が存在する。そのためビーム角度より外に漏れる直射光が存在し、ビーム効率を低下させる。

図９において、光源から反射ミラーに当たらずに出射する直射光をビーム角度内に入れるためには、ミラー開口部全体に渡る収束用のレンズを設けることが考えられる。特許文献２においても、そのようなレンズで置き換えることが考えられる。しかしながらその場合には、反射ミラーからの反射光もこのレンズを通過する訳であるから、そのとき余分な屈折を受けてしまい、レンズ周辺部を通過する反射光がビーム角度の外に漏れる恐れがある。つまり従来の構造では、反射ミラーからの反射光と光源からの直射光の両方を、所定のビーム角度内に集光して出射させることは極めて困難であった。

本発明は上記課題に鑑み、反射光と直射光の両方をビーム角度内に集光して出射する光利用効率の高い照明装置を提供することを目的とする。

本発明は、光源から出射された光を所定の角度内に集光して照射する照明装置であって、前記光源を囲み該光源から出射された光を照射方向に反射する曲面形状の反射ミラーと、該反射ミラーで反射された光（以下、反射光）と、前記光源から出射され前記反射ミラーで反射されなかった光（以下、直射光）の両方を収束して出射する出射レンズとを備え、前記反射ミラーは前記光源に対する虚像光源を形成し、前記反射光は該虚像光源から出射された光と等価であり、前記出射レンズは、前記反射光と前記直射光を略同一角度内に収束して出射する構成とした。

好ましくは、前記反射ミラーは双曲面形状又はその近似曲面形状であり、前記出射レンズは前記反射ミラーの開口部に配置され、該開口部の大きさに略等しい径を有する凸面形状とする。また、前記光源を前記反射ミラーの双曲面形状又はその近似曲面形状の略焦点位置に配置する。

本発明によれば、光源から出射する光の大部分を所定のビーム角度内に集光することができるので、ビーム光利用効率が高い照明装置を提供できる。

本発明に係る照明装置の実施例を示す全体構成図。実施例１にかかる照明部の基本構成を示す図。図２の光学系の解析を説明する図。実施例２にかかる照明部の基本構成を示す図。実施例３にかかる照明部の基本構成を示す図。実施例１における光線図。実施例１における配光分布を示す図。実施例１の変形例における配光分布を示す図。従来の照明装置の一般的な構造を示す図。従来の光学系による配光分布を示す図。

図１は、本発明に係る照明装置の実施例を示す全体構成図である。ここでは、一例としてＬＥＤ光源を用いたスポットライト装置を示す。

照明部１は、光源（ＬＥＤ光源）１１から出射した光を光学系（ミラー、レンズ）で集光して対象物に照射する。定電圧ＤＣ電源２はＡＣ電源を光源駆動用の所定のＤＣ電圧に変換し、スイッチング回路３はＤＣ電圧を所定のデューティー比の矩形波（駆動信号）に変換して光源１１に供給する。点灯制御回路４は、定電圧ＤＣ電源２のＤＣ電圧とスイッチング回路３のデューティー比を制御して、光源１１の発光強度、すなわち照明部１の照度を制御する。ここでは、ＬＥＤ光源１１に好適な駆動回路を説明したが、光源の種類が変わればそれに適した駆動回路を用いることは言うまでもない。以下、照明部１の構成を実施例１〜３に分けて説明する。

図２は、実施例１にかかる照明部の基本構成を示す図である。照明部１は、光源１１、反射ミラー１２、出射レンズ１３を備えている。光源１１の発光素子にはＬＥＤを用いているが、その他に白熱電球、ハロゲンランプ、蛍光ランプ、放電管なども適用可能である。反射ミラー１２は光源１１を囲むように配置し、光源から出射された光を照射方向に反射する。反射面は、銀、アルミなどの金属表面、金属薄膜や誘電体薄膜を形成した反射面、ダイクロイックミラーなど特定の波長のみ反射する反射面などを用いる。出射レンズ１３は、入射光を収束して出射するよう所定の凸面形状に加工され、ガラス、プラスチックなどの透明材料を用いる。出射レンズ１３は反射ミラー１２の開口部に配置し、その径はほぼ開口部の大きさに等しくしている。

光源１１からは様々な方向に光が出射されるが、反射ミラー１２で反射する光線２１（破線で示す、反射光）と、反射ミラー１２で反射せず直接出射レンズ１３に向かう光線２０（実線で示す、直射光）のいずれかに分類される。そして、反射光２１は反射ミラー１２で反射した後、出射レンズ１３を通過する。つまり、反射ミラー１２で反射せず、且つ出射レンズ１３を通過しない光線は存在しない。

本実施例の特徴は、反射ミラー１２の反射面を双曲面形状（又はその近似曲面形状）とし、その焦点位置Ｆに光源１１を配置したことである。双曲面ミラー１２では、一方の焦点位置Ｆから出射した光が反射することで他方の焦点位置Ｆ’に虚像を形成し、あたかもその位置Ｆ’に光源１１’が存在するような鏡像を形成する性質がある。従って、双曲面ミラー１２を用いて光学系を構成すると、実際の光源１１と虚像光源１１’の２つの光源が存在するのと等価になる。以下、実際の光源１１を実光源とも呼ぶことにする。なお、反射ミラー１２の形状が双曲面以外の形状、例えば放物面形状や楕円面形状の場合には、虚像光源１１’が所望位置に形成されないので、本実施例の動作を実現できない。

さらに出射レンズ１３では、この２つの光源１１，１１’からの出射光２０，２１が通過するが、いずれも同一出射角度内に収束させるようにレンズ形状を設定した。後述するように、出射レンズ１３の焦点距離ｆは、レンズ１３から実光源１１までの距離ｓ２よりも大きく、且つレンズ１３から虚像光源１１’までの距離ｓ１よりも小さく設定する。これにより、実光源１１からの直射光２０を光軸方向に近付け、また虚像光源１１’からの反射光２１を光軸中心方向に進行させることができる。

このように、虚像光源１１’の得られる双曲面形状の反射ミラー１２と所定の収束機能を持つ出射レンズ１３を組み合わせることで、直射光２０、反射光２１ともに所望の出射角度（ビーム角度）で出射する照明装置を実現できる。

図３は、図２の光学系の解析を説明する図である。反射ミラー１２の双曲面の方程式は、図面横軸をｘ、縦軸をｙとすると、
（ｘ／ａ）^２−（ｙ／ｂ）^２＝１（１）
で表わされ、ａ，ｂは双曲面形状の定数である。双曲面の焦点Ｆ，Ｆ’間の距離２ｃは、
２ｃ＝２（ａ^２＋ｂ^２）^{（１／２）} （２）
で与えられる。

出射レンズ１３の焦点距離をｆとし、焦点位置をＥで表わす。出射レンズ１３から実光源１１までの距離をｓ２、虚像光源１１’までの距離をｓ１とする。出射レンズ１３による虚像光源１１’の実像位置をＧとし、出射レンズ１３による実光源１１の虚像位置をＧ’とする。実像位置Ｇと虚像位置Ｇ’は、出射レンズ１３を挟んで互いに反対側に生じる。

反射ミラー１２の開口部の高さ（すなわち出射レンズ１３の半径）をｈとし、出射レンズ１３からの直射光２０及び反射光２１の出射角度（ビーム角度）を、上下方向に同一角度±θとする。よって、出射レンズ１３から反射光２１の実像位置Ｇまでの距離Ｌと、出射レンズ１３から直射光２０の虚像位置Ｇ’までの距離Ｌは等しく、
Ｌ＝ｈ／ｔａｎθ （３）
で表わされる。

出射レンズ１３（焦点距離ｆ）を挟んで、距離Ｌの位置Ｇに反射光２１の実像ができ、距離ｓ１にその虚像光源１１’が形成されることから、
（１／Ｌ）＋（１／ｓ１）＝１／ｆ（４）
の関係を満足する。また、出射レンズ１３（焦点距離ｆ）の入射側において、距離Ｌの位置Ｇ’に直射光２０の虚像ができ、距離ｓ２に実光源１１が配置されることから、
−（１／Ｌ）＋（１／ｓ２）＝１／ｆ（５）
の関係を満足する。

実光源１１と虚像光源１１’の位置（距離ｓ２，ｓ１）は、反射ミラー１２の２つの焦点Ｆ，Ｆ’（焦点間距離２ｃ）に一致させる条件より、
ｓ１−ｓ２＝２ｃ（６）
となるような双曲面形状２ｃを選べば良い。

つまり、出射角度θと開口部半径ｈの条件を与えたとき、（３）式で決まるＬを用いて、（４），（５），（６）式を満足するように寸法パラメータｓ１，ｓ２，ｃ，ｆを決定することで、所望の配光特性（ビーム角度）を有する照明装置を実現することができる。

ここで、上記解析に基づく具体的な数値例を示す。スポットライト装置の条件として、ビーム角度（全角）２θ＝２０ｄｅｇ、レンズ通過高さｈ＝６ｍｍと与える。出射レンズ１２の焦点距離ｆ＝１０ｍｍとしたときの各パラメータは、
Ｌ＝３４．０３ｍｍ、
ｓ１＝１４．１６ｍｍ、
ｓ２＝７．７３ｍｍ、
ｃ＝３．２２ｍｍ、
ａ＝２．８０ｍｍ、
ｂ＝１．５９ｍｍ、
とすることで、所望の特性が得られる。以下、本実施例の効果を具体例で示す。

図６は、本実施例における光線図を示す。直射光２０は光源１１から反射ミラー１２に当たらずに出射レンズ１３から出射するもの、反射光２１は反射ミラー１２で反射した後出射レンズ１３から出射するものである。出射光のうち、出射レンズ１３の外周部を通過する光線（マージナル光線）は、直射光２０と反射光２１が光軸方向に対し上下方向に同じ角度±θで出射していることが分かる。なお、反射光２１は、この後図３の実像位置Ｇで交差した後、角度±θで拡散し直射光２０と同一の方向に進む。

図７は、本実施例における配光分布を示す図である。出射角に対する出射光強度の分布を計算で求めたものである。光学系のパラメータは、反射ミラー１２の定数ａ＝２．８、ｂ＝１．５９、出射レンズ１３の焦点距離ｆ＝１０とした。光源１１のサイズは１．８φの円形で、光源１１から出射する全光束を４００ルーメン（ｌｍ）として計算した。その結果、出射光の最大強度は２４０４カンデラ（ｃｄ）、出射強度が半減する半値ビーム角度２θ（全角）は２５．７ｄｅｇとなった。また、ビーム角度内の光束は３１３ルーメンで、全光束に対する割合（ビーム効率）は７８％と非常に高い値が得られた。

図８は、実施例１の変形例における配光分布を示す図である。光学系のパラメータのうち、反射ミラー１２の双曲線定数ｂを１．５９から１．５に変えた場合の配光分布である。虚像光源１１’の位置を焦点位置Ｆ’からずらすことにより、直射光２０と反射光２１の分布が変わり、合成後の配光分布はビーム角度内でほぼフラットになっている。この場合の最大強度は２２１３カンデラ、半値ビーム角度は２６．４ｄｅｇで、ビーム効率は８３％まで向上した。このように、光学系のパラメータ設定にはマージンがあり、実光源と虚像光源の関係が概略満たされていれば、光源を厳密に焦点位置に配置しなくても、所望の配光分布を得ることができる。

図１０は、比較のために従来の光学系による配光分布を示す図である。光学系は、図９に示すような放物面ミラー１９のみとし、光源１１は図７、図８と同じ条件で計算した。その結果、最大強度は１７３２カンデラ、半値ビーム角度２２．７ｄｅｇで、ビーム角度が狭いにも関わらず、最大強度が低下している。これはビーム角度の外側の範囲への直射光の漏れが多く、配光分布を悪化させているからである。その結果、ビーム角度内の光束は１５４ルーメン、ビーム効率は３８％で、実施例（図７、図８）の場合と比較して効率が半分程度に低下している。

これに対し図７、図８の本実施例によれば、従来構造ではビーム角度の外側に漏れていた直射光２０についてもビーム角度内側に出射させることができ、スポット照明時の光の利用効率が向上する。その結果、照明装置の省エネルギー化に寄与するものとなる。

なお、上記説明では、解析式を用いて光学系の理想的な形状寸法を求めた。本実施例の光学系は寸法や形状のマージンが広く、理想値からのずれ量が約２０％以内であれば、ほぼ同等の特性を有している。例えば、反射ミラーの形状は厳密な双曲面形状でなく、その近似曲面形状でも良い。また、実像位置Ｇと虚像位置Ｇ’は出射レンズ１３に対して等距離Ｌの位置から上記許容値だけずれていても、スポットライトとして所望の配光特性を得ることができる。

前記実施例１では、反射ミラー１２と出射レンズ１３を独立した構成とした。この場合には、ハロゲンランプや放電管のように大型の光源を用いることができる。これに対し実施例２では、反射ミラー１２と出射レンズ１３を一体化して構成している。この構成は、特にＬＥＤのような小型の光源を用いる場合に適している。

図４は、実施例２にかかる照明部の基本構成を示す図である。一体化レンズ１４は、前記図３における反射ミラー１２と出射レンズ１３をプラスチックやガラスなどの透明誘電体材料で一体化して構成したものである。一体化レンズ１４のレンズ背面１４ａは図３の反射ミラー１２に、レンズ前面１４ｂは図３の出射レンズ１３に対応している。そして、レンズ背面１４ａの中心部には凹部を形成して、光源１１を挿入している。

レンズ背面１４ａでは、透明誘電体材料の屈折率と空気の屈折率の差によって生じる全反射を利用することで、金属などの反射膜を設けることなく反射ミラー１２として機能する。また、レンズ前面１４ｂを所定の曲面形状にすることで、出射レンズ１３として機能する。

この場合の光学系の解析式も、基本的には実施例１の（１）〜（５）式と同様である。ただし、一体化レンズ１４を構成する誘電体の屈折率ｎを導入し、光源１１，１１’の距離ｓ１，ｓ２に関する（４），（５）式は、
（１／Ｌ）＋（ｎ／ｓ１）＝ｎ／ｆ’ （４’）
−（１／Ｌ）＋（ｎ／ｓ２）＝ｎ／ｆ’ （５’）
と修正して用いる。ここでｆ’は、レンズ前面１４ｂの誘電体中での焦点距離である。なお、パラメータｈは一体化レンズ１４の外周部の高さとする。

実施例２においても、一体化レンズ１４の外周部を通過する直射光２０と反射光２１は、上下方向に同一角度±θで出射する。すなわち、光源１１から発した光はいずれも所望のビーム角度内で出射されるので、スポット照明時の光の利用効率が向上する。さらに実施例２では、反射ミラーと出射レンズを一体化して構成したので、光学部品数が減少し組み立て作業が容易になる効果がある。

前記実施例１では、出射レンズ１３として凸面形状レンズを用いた。これに対し実施例３の照明部１では、出射レンズ１３としてフレネルレンズを用いて構成した。この構成は、特に放電管のような大型の光源を用いる場合に適している。

図５は、実施例３にかかる照明部の基本構成を示す図である。反射ミラー１２の開口部には、出射側レンズとしてフレネルレンズ１５を配置している。フレネルレンズ１５は、実施例１の出射レンズ（凸レンズ）１３を同心円状の複数の領域に分割し、厚みを減らして同じ曲率を有する鋸状の断面としたものである。よってその出射光線２０，２１は実施例１と同様であり、所望のビーム角度内に出射される。

実施例３ではフレネルレンズ１５を用いることで、出射側レンズの厚みを薄くすることができる。特に光源１１として大口径の放電管などを用いる場合には、これに対応する通常の凸面形状レンズは厚くかつ重くなる欠点があった。これに対しフレネルレンズを用いることで、レンズを薄型化し、照明装置の軽量化に寄与するものとなる。

１：照明部、
２：定電圧ＤＣ電源、
３：スイッチング回路、
４：点灯制御回路、
１１：光源、
１１’：反射ミラー１２による光源１１の虚像（虚像光源）、
１２：反射ミラー（双曲面形状）、
１３：出射レンズ（凸レンズ）、
１４：一体化レンズ、
１５：フレネルレンズ、
１９：反射ミラー（放物面形状）、
２０：直射光、
２１：反射光、
Ｆ，Ｆ’：反射ミラー１２の焦点位置、
Ｅ：出射レンズ１３の焦点位置、
Ｇ：出射レンズ１３による虚像光源１１’の実像位置、
Ｇ’：出射レンズ１３による光源１１の虚像位置、
θ：ビーム角度、
ｈ：ミラー１２の開口部高さ（出射レンズ１３の半径）。

Claims

光源から出射された光を所定の角度内に集光して照射する照明装置において、
前記光源を囲み該光源から出射された光を照射方向に反射する曲面形状の反射ミラーと、
該反射ミラーで反射された光（以下、反射光）と、前記光源から出射され前記反射ミラーで反射されなかった光（以下、直射光）の両方を収束して出射する出射レンズとを備え、
前記反射ミラーは前記光源に対する虚像光源を形成し、前記反射光は該虚像光源から出射された光と等価であり、
前記出射レンズは、前記直射光が所定の角度内に収斂されて出射し第１の光束を成し、前記反射光が前記出射レンズを透過した後に前記出射レンズの光軸上で収斂しその後出射し第２の光束を成し、前記第１の光束の外縁部の光と前記第２の光束の外縁部の光とが前記光軸に対して略同一角度となる範囲内に出射されるように構成されていることを特徴とする照明装置。
請求項１に記載の照明装置において、
前記反射ミラーは双曲面形状又はその近似曲面形状であり、
前記出射レンズは前記反射ミラーの開口部に配置され、該開口部の大きさに略等しい径を有する凸面形状としたことを特徴とする照明装置。
請求項２に記載の照明装置において、
前記光源を前記反射ミラーの双曲面形状又はその近似曲面形状の略焦点位置に配置したことを特徴とする照明装置。
請求項２に記載の照明装置において、
前記出射レンズによる前記虚像光源の実像、及び前記出射レンズによる前記光源の虚像は、前記出射レンズを挟んで略等しい距離Ｌに存在することを特徴とする照明装置。
請求項４に記載の照明装置において、
前記距離Ｌは、前記出射レンズの半径をｈ、前記出射レンズからの出射角度をθとするとき、Ｌ＝ｈ／ｔａｎθなる関係としたことを特徴とする照明装置。
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の照明装置において、
前記反射ミラーと前記出射レンズを透明誘電体材料により一体化して構成し、前記反射ミラーの反射面では全反射を利用したことを特徴とする照明装置。
請求項１乃至６のいずれか１項に記載の照明装置において、
前記出射レンズとしてフレネルレンズを用いたことを特徴とする照明装置。