特許 6106872 バルク型レンズ及びそれを用いた発光体並びに照明装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6106872

(24)【登録日】2017年3月17日

(45)【発行日】2017年4月5日

(54)【発明の名称】バルク型レンズ及びそれを用いた発光体並びに照明装置

(51)【国際特許分類】

   G02B 3/04 20060101AFI20170327BHJP

   F21V 5/00 20150101ALI20170327BHJP

   F21V 5/04 20060101ALI20170327BHJP

   F21V 7/00 20060101ALI20170327BHJP

   F21S 2/00 20160101ALI20170327BHJP

   H01L 33/58 20100101ALI20170327BHJP

【ＦＩ】

   G02B3/04

   F21V5/00 320

   F21V5/00 510

   F21V5/04 100

   F21V5/04 400

   F21V7/00 510

   F21S2/00 250

   H01L33/58

【請求項の数】6

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2012-192715(P2012-192715)

(22)【出願日】2012年9月1日

(65)【公開番号】特開2014-48547(P2014-48547A)

(43)【公開日】2014年3月17日

【審査請求日】2015年8月25日

(73)【特許権者】

【識別番号】599104299

【氏名又は名称】ラボ・スフィア株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100082876

【弁理士】

【氏名又は名称】平山 一幸

(72)【発明者】

【氏名】玉置 智

(72)【発明者】

【氏名】大塚 晃

【審査官】 廣田 健介

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許第０２２５４９６２（ＵＳ，Ａ）

【文献】 特開２００６−１１４８６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−２２８９２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−１１１１１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００８−５４７１６８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０２Ｂ ３／００−３／１４

Ｆ２１Ｓ ２／００

Ｆ２１Ｖ ５／００−５／０４；７／００

Ｈ０１Ｌ ３３／００；３３／４８−３３／６４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

頂部と、底部と、側壁部と、該底部から該頂部に向かって形成された天井部及び内周部からなる凹部と、からなるバルク型レンズと、
前記凹部に該凹部と間隔をあけて収容されるＬＥＤと、
を備え、
前記ＬＥＤの発光面の直径は、前記側壁部の直径の１／６以上であり、
前記天井部は、第１のレンズ面を構成し、
前記頂部は、中央部と該中央部から前記側壁部へ接続される接続部とから成り、該頂部が第２のレンズ面を構成し、
前記接続部は、前記中央部と同じ方向に傾斜して連続し前記中央部とは異なる曲率半径の湾曲面又は円錐状の面を有し、前記中央部より光放射角が大きく設定され、
前記ＬＥＤの出射光は、前記天井部の第１のレンズ面に入射して前記中央部と前記接続部とで構成される前記頂部の前記第２のレンズ面から外部へ放射され、
前記バルク型レンズの光軸から最も外側に位置する前記ＬＥＤの出射光は前記第１のレンズ面から前記第２のレンズ面の前記接続部へ到達し、該接続部に到達した光は全反射しないようなレンズ出射面角度で放射される、発光体。

【請求項2】

前記天井部の光入射面が平面又は曲面である、請求項１に記載の発光体。

【請求項3】

前記接続部は、前記中央部の端部の接線から形成される直線で成り、全体として円錐状である、請求項１又は２に記載の発光体。

【請求項4】

前記側壁部の表面は粗面又は光散乱体で被覆されている、請求項１〜３の何れかに記載の発光体。

【請求項5】

請求項１〜４の何れかに記載のバルク型レンズの前記凹部に、該バルク型レンズより小さな屈折率を有する気体又は流体を介して平面型ＬＥＤが配置される、発光体。

【請求項6】

請求項１〜５の何れかに記載の少なくとも１つ以上の発光体と、該発光体に接続された電源部と、から成る、照明装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、バルク型レンズ及びそれを用いた発光体並びに照明装置に関し、さらに詳しくは、大出力ＬＥＤ等の大面積で発光する平面発光体からの発光を効率良く集光して放射するためのバルク型レンズ、バルク型レンズと大面積平面発光体を組み合わせた発光体及びこの発光体を用いた照明装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

ＬＥＤは発光効率が良いため家庭用照明器具、街路灯、スポット照明装置等の多くの分野で使われるようになってきたが、蛍光灯や水銀灯などと比べて輝度が低く、価格が高いため、効率良く集光して必要な部分だけを照明する技術が開発されてきた。

【0003】

特許文献１及び２等には、ＬＥＤなどの発光を効率良く集光するバルク型レンズが開示されている。バルク型レンズは、ＬＥＤ等の光源からの光を効率良く集光するため、街路灯やスポット照明機器として適している。

【0004】

図１３は、従来のバルク型レンズ１００の構造を示す断面図である。図１３に示すように、従来のバルク型レンズ１００（特許文献１参照）は、頂部１０２とレンズ内部にＬＥＤ等の光源１０７を収納する凹部１０５とから構成されている光学媒体である。凹部１０５は天井部分の第１湾曲面１０５ａ（光入射部）と内周部１０５ｂとから構成されている。頂部１０２は、第１湾曲面１０５ａから入射した光を光軸方向に出射する第２湾曲面１０２ａからなる出射面を有している。凹部１０５の内周部１０５ｂは光源１０７の迷光成分の入射面として機能する。

【0005】

従来のレンズ状の樹脂コートしたＬＥＤ１０７に特許文献１及び２等で公知のバルク型レンズ１００を装着すると、第１湾曲面１０５ａ（凹部天井）、第２湾曲面１０２ａ（凹部天井）、光伝送路長さ（第１湾曲面１０５ａと第２湾曲面間１０２ａの光軸上の距離）等の設計により、１／２ビーム角が７度〜４０度で光利用効率が約９０％という非常に優れた特性が実現できる。

【0006】

図１４は、従来のバルク型レンズ１１０とレンズ状の樹脂コートしたＬＥＤ１０７を組み合わせた発光体の光放射特性の一例を示す図である。バルク型レンズ１１０は、頂部１０２と底部１０３との間にさらに側壁部１０４を備えている。
バルク型レンズ１１０の第２湾曲面１０２ａの曲率半径８．２５ｍｍ、第１湾曲面１０５ａの曲率半径５ｍｍ、第１湾曲面１０５ａと第２湾曲面１０２ａとの間の光軸上の長さ（導光路長さ）１０.６ｍｍ、外径１５ｍｍのアクリル樹脂製（ｎ＝１.４９）のバルク型レンズ１１０に、レンズ状の樹脂コートしたＬＥＤ１０７を組み合わせたものである。

【0007】

レンズ状のＬＥＤ１０７の光放射相対強度は、出射角０度：１、±２０度：０．９、±４０度：０．５５、±６０度：０．０９、±７０度：０．０５であり、バルク型レンズ１１０を装着した時の光放射相対強度は出射角０度：２．７、±２０度：１．３５、±４０度：０．０９、±６０度：０．０５、±７０度：０．０３であった。１／２ビーム角は、ＬＥＤ単体で約８５度であったものが、バルク型レンズ１１０を付けると約４０度となった。バルク型レンズ１１０を付けた場合の１／２ビーム角内の光束は、ＬＥＤ１０７単体の光束の約９０％を集光しているという非常に優れた集光性を有している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】特開２００１−４４５１５号公報

【特許文献2】特開２００２−２２１６５８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

ＬＥＤ１０７は蛍光灯や水銀灯などと比べて発光効率が良いが、まだ出力が小さく、大出力ＬＥＤの開発や製品化が進められている。最近の大出力ＬＥＤでは、多くのＬＥＤチップを一枚の基板に並べるなどして、発光面の直径が５ｍｍ〜１５ｍｍや更に大きなものもあり、レンズ状の樹脂コートがなく、ほぼ均一に面発光し、光放射角度が非常に広い。このような大出力ＬＥＤに従来のバルク型レンズ１００、１１０を付けると、光放射角はあまり小さくならず、光利用効率も低くなる。

【0010】

レンズ状の樹脂コートがないＬＥＤ１０７では、放射光強度はほぼ放射角度のｓｉｎに比例し、放射角度０度、２０度、４０度、６０度、７０度の光放射相対強度は、約１、０．９４、０．７７、０．５、０．３４と放射角度が広い上に、レンズ光軸からのズレも大きくなる。バルク型レンズ１１０の光軸から大きく外れた光線は、レンズ外壁で全反射したり、光軸方向から大きく外れた方向へ放射したりして光利用効率が低下すると考えられる。

【0011】

従来の直径１５ｍｍ程度の大きさのバルク型レンズ１００、１１０では、発光面の直径を大きくした場合、発光点の光軸からのズレが２．５ｍｍ、光源の直径５ｍｍでも全反射による光損失が大きくなり、さらに光放射角が大きくなる。

【0012】

大型化するために、単に小型のＬＥＤ素子１０７を平面上に並べて実装した光源の場合も、１つの大きなバルク型レンズ１００、１１０に収納すると光軸から離れた部分のＬＥＤからの放射光がレンズ放射面で全反射して損失になり、また光軸から離れた方向に放射されるという課題がある。

【0013】

本発明は上記課題に鑑み、大出力ＬＥＤ等の大面積で発光する平面発光体からの発光を効率良く集光して放射するためのバルク型レンズと大面積平面発光体を組み合わせた発光体を提供することを第１の目的とし、この発光体を用いた照明装置を提供することを第２の目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0014】

本発明者等は、ＬＥＤのような大面積で発光する光源の最も外側の発光部分からの、有効に集光したい放射角度に対して、レンズ頂部光出射面の角度が、全反射しない条件で、かつ求める光指向性に合った方向に出射する角度にし、具体的には、従来方法でバルク型レンズを設計し、発光面の光軸から最も離れた位置で光放射角度を変えて光軌跡を計算し、レンズ光出射面で全反射条件に近づいた光放射角度より外側のレンズ出射面の曲率あるいはレンズ出射面と光軸との角度を徐々に大きくする、又は、レンズ光出射面の曲率を無限大（円錐形）にする、さらには、垂直に近い外壁での全反射を防止するため、有効に集光したい放射角度の光は側壁ではなく、レンズ頂部光出射面に当たるようにすることにより、平面型ＬＥＤの集光効率を向上できることを見出し、本発明に至った。

【0015】

上記第１の目的を達成するため、本発明の発光体は、頂部と、底部と、側壁部と、底部から該頂部に向かって形成された天井部及び内周部からなる凹部と、からなるバルク型レンズと、凹部に該凹部と間隔をあけて収容されるＬＥＤと、を備え、ＬＥＤの発光面の直径は、側壁部の直径の１／６以上であり、天井部は、第１のレンズ面を構成し、頂部は、中央部と該中央部から側壁部へ接続される接続部とから成り、該頂部が第２のレンズ面を構成し、接続部は、中央部と同じ方向に傾斜して連続し中央部とは異なる曲率半径の湾曲面又は円錐状の面を有し、中央部より光放射角が大きく設定され、ＬＥＤの出射光は、天井部の第１のレンズ面に入射して中央部と接続部とで構成される頂部の第２のレンズ面から外部へ放射され、バルク型レンズの光軸から最も外側に位置するＬＥＤの出射光は第１のレンズ面から第２のレンズ面の接続部へ到達し、該接続部に到達した光は、全反射しないようなレンズ出射面角度で放射されることを特徴とする。

【0016】

上記構成において、天井部の光入射面は、好ましくは平面又は曲面である。接続部は、好ましくは、中央部の端部の接線から形成される直線で成り、全体としては円錐状である。
側壁部の表面は、好ましくは、粗面又は光散乱体で被覆されている。
バルク型レンズの凹部に、バルク型レンズより小さな屈折率を有する気体又は流体を介して平面型ＬＥＤが配置されてもよい。

【0019】

上記第２の目的を達成するため、本発明の照明装置は、上記の何れかに記載の少なくとも１つ以上の発光体と発光体に接続された電源部とから成る。

【発明の効果】

【0021】

本発明によれば、大面積で発光する光源の発光を有効に集光し、光照射角度の狭い、損失の少ないバルク型レンズ、発光体及び照明装置が実現できる。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】本発明の第１の実施形態に係るバルク型レンズの構成を示す断面図である。

【図2】本発明のバルク型レンズを用いた発光体の構成を示す断面図である。

【図3】第１の実施形態に係るバルク型レンズの光放射特性を示す図である。

【図4】比較例のバルク型レンズの光軸上の光線の軌跡を示す図である。

【図5】比較例のバルク型レンズの光軸から５ｍｍ離れた光源面から放射した光線の軌跡を示す図である。

【図6】比較例のバルク型レンズの光軸から１０ｍｍ離れた光源面から放射した光線の軌跡を示す図である。

【図7】本発明のバルク型レンズを用いた発光体の変形例の構成を示す断面図である。

【図8】本発明の第２の実施形態に係るバルク型レンズの構成を示す断面図である。

【図9】本発明のバルク型レンズを用いた発光体の構成を示す断面図である。

【図10】第２の実施形態に係るバルク型レンズの光放射特性を示す図である。

【図11】本発明のバルク型レンズを用いた発光体の変形例の構成を示す断面図である。

【図12】本発明の第３の実施形態に係る照明装置を模式的に示すブロック図である。

【図13】従来のバルク型レンズの構造を示す断面図である。

【図14】従来のバルク型レンズとレンズ状に樹脂コートしたＬＥＤを組み合わせた発光体の光放射特性を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0023】

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を具体的に説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係るバルク型レンズ１の構成を示す断面図であり、図２は、本発明のバルク型レンズ１を用いた発光体１０の構成を示す断面図である。
図１に示すように、本発明のバルク型レンズ１は、頂部２と、底部３と、側壁部４と、底部３から頂部２に向かって形成された天井部５ａと内周部５ｂとからなる凹部５と、を有している。バルク型レンズ１は、光学媒体からなる。凹部５は、図２に示すＬＥＤ等からなる光源７の収納部となる。

【0024】

図２に示すように、本発明のバルク型レンズ１を用いた発光体１０には、バルク型レンズ１の凹部５にＬＥＤ等からなる光源７が収容されている。凹部５には、バルク型レンズ１とは異なる屈折率を有している空気８、空気以外の流体若しくは流動体９の何れかを介して収納されるようになっている。バルク型レンズ１の材料である光学媒体の屈折率（ｎ₁）は、空気８等の流体の屈折率（ｎ₀）よりも大きい。ＬＥＤ７ａは、平面型ＬＥＤであり、基板上に複数のＬＥＤチップが多数配設されている。図２では、平面型ＬＥＤ７ａが、さらに、放熱板１２に搭載されている。バルク型レンズ１の底部３は放熱板１２に接着剤等で固定されている。平面型ＬＥＤ７ａの形状は、円形、楕円形又は四角形等である。平面型ＬＥＤ７ａの面積は、例えば直径が５ｍｍ〜３０ｍｍである。以下の説明では、平面型ＬＥＤ７ａは直径が２０ｍｍとして、バルク型レンズ１の凹部５には、空気８を介して収納されているものとして説明する。

【0025】

凹部５の天井部５ａは、第１湾曲面となり、平面型ＬＥＤ７ａの光入射部となる。凹部５の天井部５ａと平面型ＬＥＤ７ａとの間には、バルク型レンズ１より屈折率が低い空気８が挿入されているので、第１湾曲面が平面であっても、平面型ＬＥＤ７ａから出射した光は光軸方向に屈折して集光し、第１のレンズ面として作用する。凹部５の天井部５ａの第１湾曲面（光入射面）は、平面又は曲面とすればよい。平面型ＬＥＤ７ａから出射した光を光軸方向により収束させたい場合には、曲率を大きくすればよい。凹部５の天井部５ａの光入射面を平面とすれば、曲率が無限大（∞）となるので、光軸方向の集光性を高くすることができる。逆に、凹部５の天井部５ａの光入射面を曲面とすれば集光性を低くすることができる。

【0026】

側壁部４及び底部３は反射面として作用し、平面型ＬＥＤ７ａから出射した光の内光軸からずれ側壁部４及び底部３方向への光（迷光）を頂部２へ伝送する、つまり光伝送作用を有しているので、側壁部４及び底部３は迷光を頂部２に集光する作用を有している。

【0027】

頂部２は、光軸側の中央部２ａと中央部２ａから側壁部４に接続する接続部２ｂとからなる。中央部２ａは第２湾曲面となる。図１のバルク型レンズ１では、中央部２ａは球面又は楕円球面である。図１に示すように、接続部２ｂは、光軸に対して角度θで中央部２aの曲面に接する直線からなる曲面であり、光軸に頂点がある円錐形状を有している。
中央部２ａ及び接続部２ｂは、第１湾曲面から入射する光、側壁部４及び底部３から反射してくる光源７から光束を、バルク型レンズ１の光軸方向に収束して出射する。つまり、バルク型レンズ１の外側は空気８であるので、頂部２の中央部２ａ及び接続部２ｂは、第２のレンズ面として作用する。

【0028】

バルク型レンズ１の頂部２の光軸に近いレンズ出射面、つまり、中央部２ａの断面は、ほぼ円形又は楕円形で全体としては球状である。バルク型レンズ１の頂部２、つまり、接続部２ｂにおいて、光軸から所定の距離以上離れたレンズ出射面の断面は前記円形又は楕円形の端部の接線から形成される直線で全体としては円錐状である。頂部２の端部は、中央部２ａと接続部２ｂとが接続される境界部分である。

【0029】

本発明のバルク型レンズ１では、例えば直径が５ｍｍ以上の平面型ＬＥＤ７ａからなる光源７をバルク型レンズ１の内部の光軸を中心として設置した場合について説明する。平面型ＬＥＤ７ａからなる光源７の光軸から最も外側の位置から放射した光で有効に前方に集光したい所定の照射角度の光は、凹部５の天井部５ａの光入射面からレンズ内部に入射し、球状及び円錐状のレンズ出射面に到達するようになっている。このレンズ出射面に到達した光がレンズ出射面で全反射しないようなレンズ出射面角度になっている。

【0030】

第１の実施形態では、円形の発光面の光源７を想定しているが、長方形や楕円形の発光面の光源７の場合は光軸と垂直方向のレンズ断面を楕円形にすると良い。

【0031】

楕円形レンズの場合もレンズ出射面の断面形状を同様に設計すれば良く、レンズの光軸断面の光軸付近、つまり中央部２ａを楕円形とし、接続部２ｂを光軸付近の楕円形の境界部分の接線となる直線にする。

【0032】

また、光軸付近のレンズ出射面の光軸断面形状が完全な円形でなくとも、周辺部のレンズ出射面の光軸との角度が小さいと光軸から外れた発光面からの放射光が全反射するので、レンズ出射面の周辺部断面を直線にして光軸との角度を大きくし、全反射を防止して光集光率を高くすることができる。

【0033】

バルク型レンズ１は、レンズ作用及び入射面（凹部５の天井部５ａ）と出射面（頂部２）とを接続する光伝送作用を有するので、バルク型レンズ１に用いる光学媒体の材料は、光の波長に対して透明な材料である。光学媒体としては、アクリル樹脂等の透明樹脂、つまり、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、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かまわない。また、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。

【0034】

（バルク型レンズの光放射特性）
バルク型レンズ１の光放射特性について説明する。
図１のバルク型レンズ１は、アクリル樹脂で作製した。バルク型レンズ１の各部の寸法を以下に示す。
第１湾曲面５ａの曲率半径：∞（平面）
頂部２の中央部２ａ（第２湾曲面）：曲率半径３０ｍｍで角度θが４６度以下の部分（図１参照）
頂部２の接続部２ｂ：第２湾曲面の角度θ４６度で接線となる円錐形状（図１参照）
導光路長さ：５５ｍｍ
側壁部４の直径：６６ｍｍ
平面型ＬＥＤ７ａの寸法：直径２０ｍｍ
平面型ＬＥＤ７ａと第１湾曲面５ａとの距離：約２ｍｍ

【0035】

平面型ＬＥＤ７ａから放射した光（出射角度０、±２０度、±４０度、±６０度、±７０度）の光放射を試算した。平面型ＬＥＤ７ａの発光面７ｂの位置が光軸から外れるほどレンズ出射面で全反射し、出射光が光軸から外れるので、以下では光軸から１０ｍｍの位置の発光で説明する。

【0036】

図３は、第１の実施形態に係るバルク型レンズ１の光放射特性を示す図である。図３に示すように、光軸から１０ｍｍの発光面７ｂから外側２０°、４０°、６０°、７０°で出射した光は、レンズ入射面から約１３度、２６度、３６度、３９度で入射する。レンズ出射面で全反射となる入射角度は約４２度であるので、全反射臨界角になるレンズ面の光軸との角度は、それぞれ約３５度、２２度、１２度、９度となる。

【0037】

光軸から外側２０度に出射した光はレンズ入射面から約１３度で入射し、レンズ出射面の中心角約４６度の位置で光軸の反対方向約８度で出射する（光放射の軌跡１６参照）。

【0038】

後述する比較例の図５等に示すように、ＬＥＤからの出射角がより大きくなるとレンズ出射面で全反射するので、図３に示すように、レンズ出射面の球面中心角θが約４６度以上のレンズ表面の角度を光軸に対して４４度（球面中心角４６度の接線）の円錐状にすれば、より大きな出射角の光に対しても全反射臨界角より小さな入射角となるため、全反射は防止できる。

【0039】

図３に示すように、光軸から外側４０度、６０度、７０度で出射した光はレンズ入射面から約２６度、３６度、３９度で入射する。光軸に４４度の円錐状表面２bでの入射角はそれぞれ約２０度、１０度、７度で全反射の臨界角以下で、屈折角はそれぞれ約３１度、１６度、１０度であり、光軸に対する光放射角はそれぞれ約１５度、３０度、３６度となる。

【0040】

光軸から１０ｍｍの発光面７ｂから外側７０度に出射した光は、光軸から６６ｍｍの位置で円錐上のレンズ出射面２bに到達するので、この光を有効に放射するレンズの直径としては、６６ｍｍ以上が必要となることが分かる（光放射の軌跡１７参照）。本実施例では、レンズ直径をなるべく小さくするために、ＬＥＤ放射光強度が光軸の約３４％となる放射角７０度までの放射光を有効に集光するレンズ直径６６ｍｍとした。

【0041】

本発明のバルク型レンズ１によれば、図３に示すように、直径２０ｍｍの発光面７ｂを有する平面型ＬＥＤ１７ａからの光がレンズ出射面２ｂで全反射せず、損失が少ないレンズが得られる。

【0042】

（比較例）
次に、本発明のバルク型レンズ１に対する比較例として、従来型のバルク型レンズ１２０の光放射特性について説明する。
平面型ＬＥＤを使用した場合に光軸からのズレの影響を小さくするため、比較例のバルク型レンズ１２０を、従来の砲弾型ＬＥＤ用のバルクレンズ１１０（図１４参照）よりも比較的大きな口径として、光放射特性を調べた。

【0043】

比較例のバルク型レンズ１２０は、アクリル樹脂で作製した。比較例のバルク型レンズ１２０における各部の寸法を以下に示す（図４参照）。
第１湾曲面１０５ａの曲率半径：∞（平面）
第２湾曲面１０２ａの曲率半径：３０ｍｍ
導光路長さ：５５ｍｍ
平面型ＬＥＤの寸法：直径２０ｍｍ
平面型ＬＥＤと第１湾曲面３５との距離：約２ｍｍ
側壁部１０４の直径：６０ｍｍ

【0044】

図４〜６は、比較例のバルク型レンズ１２０で、それぞれ、光軸上の発光面１０７ａからの光線の軌跡、光軸から５ｍｍ離れた発光面１０７ａから放射した光線の軌跡、及び、光軸から１０ｍｍ離れた発光面１０７ａから放射した光線の軌跡を示す図である。図には、平面型ＬＥＤ１０７の発光面１０７ａから放射した光の出射角度を、光軸に対して０、±２０度、±４０度、±６０度、±７０度として計算した光線の軌跡を示している。

【0045】

図４に示すように、レンズ光軸上の発光面１０７ａから放射した光線の軌跡１１２は、集光性が優れているが、６０度以上の光線ではやや内側方向へ光が放射する傾向がある。

【0046】

図５に示すように、レンズ光軸から５ｍｍ離れた発光面１０７ａから放射した光線の軌跡１１３は、垂直放射の光もレンズ境界で内側方向に曲げられ、光軸の外方向に６０度以上で放射する光は、レンズ出射面で全反射し、その後はレンズ光軸から大きく外れた方向に放射して照明に有効な光とはならない。

【0047】

図６に示すように、レンズ光軸から１０ｍｍ離れた発光面１０７ａから放射した光線の軌跡１１４においては、光軸の外方向に４０度以上で放射する光は、レンズ出射面で全反射するため、照明としての損失がより大きくなる。

【0048】

従来の直径１５ｍｍ程度の大きさのバルク型レンズ１１０では、レンズ光軸からの発光点のズレが上記試算の４倍となるため、発光点の光軸からのズレが２．５ｍｍ、光源の直径が５ｍｍでも光損失が大きく、かつ光放射角が大きくなった。

【0049】

発光体を大型化するために、平面型ＬＥＤを使用しないで単に小型のＬＥＤ素子を平面上に並べて実装した光源も検討した。この場合も、従来の１つの大きなバルク型レンズに収納すると、光軸から離れた部分の小型のＬＥＤからの放射光が、レンズ放射面で全反射して損失になり、また光軸から離れた方向に放射された。

【0050】

以上のように、本発明のバルク型レンズ１では、図３に示すように、従来の頂部２と側壁部４との間にさらに円錐形状の接続部２ｂを備えているので、レンズ光軸から１０ｍｍ離れた発光面７ｂから放射した±７０度の光を光軸方向に幅約７０度程度の放射角に集光して出射できる。
一方、比較例に示す従来のバルク型レンズ１２０では、大面積で発光するＬＥＤ１０７を従来のバルク型レンズ１２０で集光すると、光軸から外れた発光部からの放射角度の大きい光がレンズ出射面で全反射して損失が大きくなり、光放射角が大きくなることがわかる。

【0051】

第１の実施形態では、光源７のレンズ光軸からのズレが１０ｍｍ、光源７の直径が２０ｍｍで説明しているが、直径１５ｍｍ程度の従来のバルク型レンズ１１０では直径５ｍｍの発光面の光源でも収束性が低下した。このため、直径５ｍｍの発光面の光源の光を有効に集光するためには、第１の実施形態のバルク型レンズ１と同様な設計が必要である。

【0052】

第１の実施形態では、ＬＥＤ７ａからのレンズへの入射角をできるだけ光軸方向に近づけるため、凹部５の第１湾曲面（天井の光入射部）５ａは平面としたが、より広角の放射特性を実現するためには球面であっても良い。

【0053】

第１湾曲面（天井の光入射部）５ａが球面の場合は、レンズへの入射角が平面の場合と比べて少しだけ小さくなり、屈折角も少し小さいので、円錐状のレンズ出射面へのＬＥＤ７ａの放射光の到達位置がより外側に、光放射角が少し大きく、必要なレンズ直径も少し大きくなる。

【0054】

また、第１の実施形態では、第２湾曲面（光出射部）２ａの中心角θ以上の周辺部２ｂを円錐形状にしたが、円錐状の場合、図３のように、光出射角が大きくなると光放射角も大きくなり、またレンズ外形も大きくなる。

【0055】

（第１の実施形態の変形例）
図７は、本発明のバルク型レンズ１を用いた発光体の変形例の構成を示す断面図である。図７に示すように、本発明のバルク型レンズ１を用いた発光体２０が図２のバルク型レンズ１を用いた発光体１０と異なるのは、バルク型レンズ１の凹部５に空気８を介してＬＥＤを配置しないで、凹部５の空隙、つまり、凹部５と平面型ＬＥＤ７ａとの間に、レンズ媒体の屈折率より小さな屈折率を有する透明な樹脂やゲル２２を介して平面型ＬＥＤ７ａを配置している点である。

【0056】

バルク型レンズ１の凹部５と平面型ＬＥＤ７ａとの間に、透明な樹脂やゲル２２を挿入すると、バルク型レンズ１とジェル２２の屈折率の差が小さくなるので、入射面となる第１湾曲面５ａで光軸方向に屈折させる効果は小さくなる。しかしながら、バルク型レンズ１への入射面での反射が非常に小さくなり、さらに、平面型ＬＥＤ７ａの発熱をバルク型レンズ１により放熱し易くなるという効果が生じる。

【0057】

光軸方向に角度の狭い光照射を行わない場合などには、透明な樹脂やゲル２２を介して平面型ＬＥＤ７ａを配置する方が良い。例えば、シリコーン製のゲル２２は透明で耐熱性や信頼性も優れている。

【0058】

（第２の実施形態）
図８は、本発明の第２の実施形態に係るバルク型レンズ３０の構成を示す断面図で、図９は、本発明のバルク型レンズ３０を用いた発光体４０の構成を示す断面図である。
図８に示すバルク型レンズ３０が、図１のバルク型レンズ１と異なる点は、頂部３２の接続部３２ｂであり、円錐状の面としていない点である。

【0059】

具体的には、図８に示すバルク型レンズ３０の接続部３２ｂは、光軸から所定の距離離れたレンズ出射面の断面が円形の端部の接線から形成される直線からなる面、つまり、これらの直線が集まって全体としては円錐状の面Ａと、断面の円形の延長線上の垂直の接線Ｂからなる円柱との間に形成される面からなる。この円柱は、第２湾曲面に接続される。接続部３２ｂは、レンズ出射面の光軸との角度が、レンズ出射面が光軸から離れるにつれて徐々に小さくなるように形成されている。他の構成は、図１のバルク型レンズ１と同様に構成されているので説明は省略する。

【0060】

図８に示すバルク型レンズ３０では、直径５ｍｍ以上の大面積平面発光の光源７をバルク型レンズ３０の内部の光軸を中心として設置した時に、光源７の光軸から最も外側の位置から放射した光で有効に前方に集光したい所定の放射角度の光は、凹部３５の天井部３５ａの光入射面からレンズ内部に入射し、レンズ出射面に到達するようになっており、レンズ出射面に到達した光がレンズ出射面で全反射せず、レンズからの出射光が光軸に近い方向に出射するようなレンズ出射面角度になっている。

【0061】

（第２の実施形態に係るバルク型レンズの光放射特性）
バルク型レンズ３０の光放射特性について説明する。
バルク型レンズ３０は、アクリル樹脂で作製した。バルク型レンズ３０の各部の寸法を以下に示す。
第１湾曲面３５ａの曲率半径：∞（平面）
頂部３２の中央部３２ａ（第２湾曲面）：曲率半径３０ｍｍで角度θが４６度以下の部分
頂部３２の接続部３２ｂ：第２湾曲面の角度θが４６度で接線となる円錐形状と、第２湾曲面の延長線との間で、周辺ほど徐々に光軸との角度が小さくなる形状
導光路長さ：５５ｍｍ
側壁部３４の直径：６３ｍｍ
平面型ＬＥＤ７ａの寸法：直径２０ｍｍ
平面型ＬＥＤ７ａと第１湾曲面３５ａとの距離：約２ｍｍ

【0062】

図１０は、第２の実施形態に係るバルク型レンズ３０の光放射特性を示す図である。図１０に示すように、レンズ出射面で全反射臨界角とならない中央部の中心角度θ以上では、レンズ出射面の接続部３２ｂから光を出射させることができる。第２湾曲面の延長線に接続する垂直接線Ｂと中央部３２ａの端部の接線Ａとの間に接続部３２ｂを設けることにより、この接続部３２ｂの形状を調整することで中心角度θを徐々に大きくすることができる。これにより、従来のバルク型レンズ１２０で生じた全反射を防止し、光放射角度もより小さくすることができる。

【0063】

例えば、光軸から１０ｍｍの発光面７ｂから外側２０度、４０度、６０度、７０度で出射した光は、レンズ入射面から約１３度、２６度、３６度、３９度で入射する。レンズ出射面の光軸との角度をそれぞれ約４４度、３８度、３０度、２６度にすれば、レンズ出射面の入射角はそれぞれ約３３度、２６度、２４度、２５度となり全反射の臨界角以下であり、屈折角は、それぞれ約５３度、４２度、３８度、３９度となる。
光放射角の光軸との角度は、それぞれ約−８度（光軸と逆方向、図１０の光放射の軌跡３６参照）、１０度、２２度、２５度（図１０の光放射の軌跡３７参照）となり、図３に示すバルク型レンズ１の接続部２ｂが円錐状の場合と比べてより光軸方向に近い光放射となることが分かる。

【0064】

図１０に示すように、第２の実施形態に係るバルク型レンズ３０によれば、より集光性が良くなるとともに、必要なレンズ直径も小さくすることができる。

【0065】

（第２の実施形態の変形例）
図１１は、本発明のバルク型レンズ３０を用いた発光体の変形例の構成を示す断面図である。
図１１に示すように、このバルク型レンズ３０を用いた発光体４５が図９に示したバルク型レンズ１を用いた発光体１０と異なるのは、バルク型レンズ３０の凹部３５に空気８を介してＬＥＤを配置しないで、凹部３５の空隙、つまり、凹部３５と平面型ＬＥＤ７ａとの間に、光学媒体の屈折率より小さな屈折率を有する透明な樹脂やゲル２２を介して平面型ＬＥＤ７ａを配置した点である。透明な樹脂やゲル２２を介して平面型ＬＥＤ７ａを配置することによる効果は、第１の実施形態の変形例のバルク型レンズ１を用いた発光体１０と同じであるので、説明は省略する。

【0066】

以上の説明では大面積平面発光の光源７は均一な面発光として説明した。光源７としては、平面型ＬＥＤ７ａの代わりに、小型のＬＥＤ素子を平面上に並べた光源を本実施例のバルク型レンズ１、３０に収納した場合も同様な効果がある。この場合には、光軸から離れた部分の小型のＬＥＤからの放射光がレンズ放射面で全反射することがなく、光軸から離れた方向に放射されることがなくなる。大面積平面発光の光源７としては、小型のＬＥＤ素子を平面上に並べたような均一な面発光でない光源も含む。

【0067】

本発明のバルク型レンズ１、３０の効果や各部の変形例について説明する。以下の説明では、バルク型レンズ３０で説明するが、バルク型レンズ１にも適用できる。
バルク型レンズ３０の凹部３５の内周部３５ｂ及び外壁を形成する側壁部３４は、有効に集光するＬＥＤ放射光の主な経路とはなり得ず、第１に、バルク型レンズ３０と平面型ＬＥＤ７ａを近接して位置決めする構造物として、第２に、平面型ＬＥＤ７やバルク型レンズ３０内部で乱反射した光を外に取り出す透明体として、第３に、バルク型レンズ３０が平面型ＬＥＤ７ａから受けた熱を基板や放熱板１２に逃がす熱伝導体として、の効果がある。

【0068】

第２の実施形態では、凹部３５の内周部３５ｂとレンズの側壁部３４は光軸と平行になっている。しかし、バルク型レンズ１、３０の主な光放射の経路は、凹部３５の天井部３５ａから頂部３２のレンズ出射面を通ることから、凹部３５の内周部３５ｂとレンズの側壁部３４は、特に光軸と平行である必要はない。

【0069】

バルク型レンズ３０の側壁部３４には、バルク型レンズ３０と平面型ＬＥＤ７ａを固定させる溝や穴を設けても良い。

【0070】

バルク型レンズ３０において、凹部３５の内周部３５ｂと外壁３４がほぼ光軸と並行になっていると、バルク型レンズ３０の製造が容易である。さらに、バルク型レンズ３０がＬＥＤ７ａから受けた熱を有効に放熱板１２に逃がすことができるという利点がある。

【0071】

また、バルク型レンズ３０の側壁部３４が円柱に近い場合は、平面型ＬＥＤ７ａから直接側壁部３４に当たる光は非常に大きな角度で放射するか、全反射して後方散乱や損失となるので、外壁表面を荒らすか、酸化チタン粉末などを含む塗料などで塗装して光を散乱させれば、光がより有効に前方に放射するようにできる。

【0072】

第２の実施形態では、バルク型レンズ１、３０の材質を一般的なアクリル樹脂製としたが、透明であれば何でも良く、例えば、ポリカーボネートは耐熱性に優れており、また、ガラスは耐熱性も信頼性も優れている。

【0073】

（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態に係る照明装置５０について説明する。
図１２は、本発明の第３の実施形態に係る照明装置５０を模式的に示すブロック図である。図１２に示すように、照明装置５０は、上記の何れかに記載の少なくとも１つ以上の発光体１０と、発光体１０に接続された電源部５２と、から成る。照明装置５０は、発光体１０の光照射がされる側や、さらに放熱板１２側に樹脂等からなるカバー部５４を備えていてもよい。

【0074】

本発明の発光体１０は、大面積ＬＥＤ光源７の発光を有効に集光することができ、且つ様々な放射特性が実現できるので、複数の発光体１０の特性、設置位置、設置角度を調整することにより、均一な広範囲の照明や、道路面に沿って細長い均一な照明など幅広い照明特性を実現できる。照明装置５０は、従来のＬＥＤを用いた照明装置と同様に、バルク型レンズの底部３に、更に背面鏡５３を備えて構成されてもよい。背面鏡５３としては、鏡板、金属や樹脂材料に金属薄膜を蒸着やメッキで被覆した構造等の種々の鏡が使用できる。
なお、発光体１０は図２の構成の他に、図７に示す発光体２０、図９に示す発光体４０、図１１に示す発光体４５を用いてもよい。

【0075】

平面型ＬＥＤ７ａはＬＥＤ単体を直列接続したユニットをさらに並列接続して構成されている。平面型ＬＥＤ７ａの順電圧は、例えば９．６Ｖ〜５０Ｖ程度の製品が市販されている。発光体１０に接続された電源部５２は、平面型ＬＥＤ７ａの順電圧に応じた電圧及び順電流を供給できる電源であればよい。このような電源部５２は、商用電源（１００Ｖ〜２００Ｖ）又は蓄電池等を電源とする。

【0076】

照明装置５０は、さらに、センサ５６を備えていてもよい。センサ５６が日照を検知する照度センサの場合には、照度センサ５６で電源５２を駆動するような電源制御回路５８を備えていてもよい。この場合には、照明装置５０を夜間だけ照明することができる。

【0077】

本発明の照明装置５０によれば、大出力ＬＥＤの光を効率良く集光することができ、光利用効率が向上することにより、大出力ＬＥＤの高発光効率の特性を活かした照明装置、街路灯、灯光器等が実現できる。

【0078】

本発明は上記実施例に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれることはいうまでもない。

【符号の説明】

【0079】

１、２０：バルク型レンズ
２、３２：頂部
２ａ、３２ａ：中央部
２ｂ、３２ｂ：接続部
３、３３：底部
４、３４：側壁部
５、３５：凹部
５ａ、３５ａ：天井部
５ｂ、３５ｂ：内周部
７：光源
７ａ：平面型ＬＥＤ
７ｂ：発光面
８：空気
９：流動体
１０、２０、４０、４５：発光体
１２：放熱板
１６、１７、３６、３７：光放射の軌跡
２２：ゲル
５０：照明装置
５２：電源部
５３：背面鏡
５４：カバー部
５６：センサ
５８：電源制御回路

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】