(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
ところで、近年の照明装置においては、小型化や多機能化、さらには光源の光出力化等に伴う熱対策の必要性などから、装置内部の部品レイアウトが制限されるようになってきている。そのため、特に光源を好適に配置しようとすると、長尺な導光レンズを光源付近で屈曲せざるを得ない場合がある。
このような場合、屈曲部は光の導光を極力阻害しないように円弧状(コーナー状)に形成されるものの、光源から導光レンズ内に入射した光が制御されていないランダム光であると、そのうちの一部は臨界角未満の角度で屈曲部の外周側の面に入射して導光レンズ外へ漏れてしまう。
また、光源から導光レンズ内に入射した光が、屈曲部までの部分に沿った平行光であったとしても、屈曲部が急峻である場合には、やはり一部の光が臨界角未満の角度で屈曲部の外周側の面に入射して導光レンズ外へ漏れてしまう。
【0005】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、導光レンズの屈曲部での光漏れを抑制することができる照明装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
上記目的を達成するために、請求項1に記載の発明は、LEDと、当該LEDからの光を導光させる導光レンズとを備える照明装置であって、
前記導光レンズは、
所定の延在方向に沿って延在するとともに、前記LEDからの光を当該導光レンズ内に入射させて前記延在方向に導光させる導光部と、
前記導光部の先端から円弧状に屈曲する屈曲部と、
を有し、
前記導光部は、前記屈曲部とは反対
の他端側の端部に、前記LEDからの光を内部に入射させる入射面を有
し、
前記入射面
は、
前記LEDからの光を前記延在方向に略沿った平行光としつつ前記導光部内に入射させるとともに、
前記屈曲部の外周側の面のうち、前記延在方向に沿った光が臨界角以上の入射角で入射する全反射領域に、前記平行光を入射させるように、当該全反射領域に対し前記延在方向の前記他端側に位置するように設けられていることを特徴とする。
ここで、屈曲部の「外周側の面」とは、屈曲円弧の外側の面のことである。
【0008】
請求項2に記載の発明は、
請求項1に記載の照明装置において、
前記LEDと前記導光レンズの前記導光部との間に設けられるとともに、前記LEDからの光を前記入射面に向けて集光させる集光レンズを備えることを特徴とする。
【0009】
請求項3に記載の発明は、
請求項2に記載の照明装置において、
前記導光レンズ及び前記集光レンズは、前記導光部の側面と当該集光レンズの側面とが連結部で連結されるとともに、一体成形されていることを特徴とする。
【0010】
請求項4に記載の発明は、
請求項2または3に記載の照明装置において、
前記導光レンズと前記集光レンズとの間に配置された他のレンズを備えることを特徴とする。
【0011】
請求項5に記載の発明は、
請求項1〜4の何れか一項に記載の照明装置において、
前記導光部は、
前記入射面が当該導光部の外側面に設けられるとともに、
前記入射面から内部に入射した光が臨界角以上の入射角で前記屈曲部の外周側の面に入射するように、当該光を全反射させる全反射面を有することを特徴とする。
【0012】
請求項6に記載の発明は、
請求項1〜5の何れか一項に記載の照明装置において、
前記導光レンズが長尺な棒状の導光棒であることを特徴とする。
【0013】
請求項7に記載の発明は、
請求項1〜6の何れか一項に記載の照明装置において、
前記導光レンズが、前記屈曲部を介した前記導光部の反対側に光出射部を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【0014】
本発明によれば、LEDから出射した光が、導光レンズの導光部のうち、屈曲部とは反対側の端部に設けられた入射面から内部に入射して当該導光部内を導光した後に、臨界角以上の入射角で屈曲部の外周側の面に入射する。
これにより、導光部内を導光してきた光は、導光レンズ外へ漏れることなく屈曲部の外周側の面で好適に全反射されて、その先へ導光される。
したがって、急峻に屈曲する導光レンズを備えるものであっても、当該屈曲部での光漏れを抑制することができる。
【発明を実施するための形態】
【0016】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
図1は、本実施形態における照明装置1の要部の斜視図であり、
図2は、照明装置1の縦断面図(後述のY方向と直交する断面図)であり、
図3は、照明装置1が備える導光レンズ4を後述のZ方向に沿って見た平面図である。
【0017】
図1及び
図2に示すように、照明装置1は、光源であるLED(発光ダイオード)2と、LED2からの光を集光させる集光レンズ3と、集光レンズ3で集光された光によって発光する導光レンズ4とを備えている。
このうち、LED2は、光軸Axを図中の矢印Zに沿った方向(以下、「Z方向」という。)に向けた状態に配置されており、光軸Axを中心とする略放射状にZ方向へ光を出射させる。
【0018】
集光レンズ3は、LED2のものと一致する光軸Axを有しており、当該光軸Axを対称軸とする軸対称形状に形成されてLED2のZ方向に配置され、当該LED2から出射された光を導光レンズ4に向けて集光させる。
【0019】
集光レンズ3のうち、Z方向後側の半部は、LED2から出射した光を当該集光レンズ3内に入射させる入光部31となっている。この入光部31は、光軸Axを回転対称軸としてZ方向後側へ突出する形状に形成されており、その先端には、Z方向後側へ開口する開口部31aが設けられている。
開口部31aの底部には、Z方向後側へ膨出する凸面状(非球面)の第一入射面311が、光軸Axを回転対称軸としてLED2と対向する位置に設けられている。この第一入射面311は、その焦点付近にLED2が位置するように設けられており、LED2から出射した光のうち当該第一入射面311に入射したものを、光軸Axに略沿った平行光としつつ入光部31内に入射させる。
開口部31aの内周面は、第二入射面312となっている。この第二入射面312は、第一入射面311の周縁部からZ方向後側へ広がりつつ立設された面であり、LED2から出射した光のうち第一入射面311よりも側方へ向かうものを入光部31内に入射させる。
入光部31の外周面は、反射面313となっている。この反射面313は、第二入射面312の先端からZ方向前側に向かって外側(光軸Axから遠い側)へ広がるように湾曲した面であり、第二入射面312から入光部31内に入射した光を、光軸Axに略沿うように内部反射(全反射)させる。
このような構成により、入光部31は、LED2から出射した光を、光軸Ax(Z方向)に略沿った平行光としつつ集光レンズ3内に入射させる。
【0020】
集光レンズ3のZ方向前側の面は、当該集光レンズ3内から光を出射させる出射面32となっている。この出射面32は、Z方向前側へ膨出する凸面状に形成されており、そのZ方向前側の光軸Ax上に位置する焦点(後側焦点)F
1を有している。そのため、出射面32は、入光部31から光軸Axに略沿って集光レンズ3内を導光してきた光を、焦点F
1に集光させつつZ方向に出射させる。
【0021】
導光レンズ4は、集光レンズ3よりも小さい直径を有する円形断面の長尺な導光棒であり、集光レンズ3からの光をその長手方向に沿って導光させつつ後述の光出射部44より出射させるものである。
具体的に、導光レンズ4は、Z方向へ延在する第一導光部41と、所定の角度(本実施形態では90°)で屈曲する屈曲部42と、Z方向と直交する図中の矢印Xに沿った方向(以下、「X方向」という。)へ延在する第二導光部43と、光出射部44とが、集光レンズ3側からこの順に連なって構成されている。
【0022】
このうち、第一導光部41は、集光レンズ3のZ方向に配置されている。より詳しくは、第一導光部41は、
図2及び
図3に示すように、その中心軸が、X方向及びZ方向のいずれとも直交する図中の矢印Yに沿った方向(以下、「Y方向」という。)の位置を光軸Axと一致させるとともに、光軸AxよりもややX方向前側に位置するように配置されている。
【0023】
第一導光部41のうち、Z方向後側の後端面411は、Z方向と直交する平面状に形成されており、集光レンズ3からの光を入射させる入射面412を有している。
入射面412は、光軸Axを回転対称軸としてZ方向後側へ膨出する凸面状に形成されており、出射面32の焦点F
1と略一致する位置に焦点(前側焦点)F
2を有している。また、入射面412の焦点距離は、集光レンズ3(出射面32)のものよりも短くなっている。そして、入射面412は、集光レンズ3から焦点F
1に集光させるようにZ方向前側に出射した光を、Z方向に略沿った平行光としつつ第一導光部41(導光レンズ4)内に入射させる。
【0024】
また、入射面412は、第一導光部41の後端面411のうち、第一導光部41の中心軸よりもX方向後側の部分に設けられている。より詳しくは、入射面412は、当該入射面412を通じて第一導光部41内に入射した光(Z方向に沿った平行光)が、当該第一導光部41のZ方向前端に連なる屈曲部42の外周側の面(屈曲円弧の外側の面)に臨界角θc以上の入射角で入射するように、第一導光部41の後端面411のうち、屈曲部42の屈曲方向とは反対側(つまり、X方向後側)の部分に設けられている。言い換えれば、入射面412は、屈曲部42の外周側の面のうち、第一導光部41からの光が臨界角θc以上の入射角で入射する全反射領域RのZ方向後側の位置に設けられている。なお、
図2では、光軸Axを含みY方向と直交する断面での全反射領域Rを示している。
本実施形態においては、第一導光部41内をZ方向に沿って導光する光のうち、当該第一導光部41の中心軸よりもややX方向後側のものが、臨界角θcで屈曲部42の外周側の面に入射する。したがって、屈曲部42の外周側の面のうち、この臨界角θcで屈曲部42の外周側の面に入射する光よりもX方向後側に位置する部分が、全反射領域Rである。
【0025】
屈曲部42は、第一導光部41のZ方向前端と第二導光部43のX方向後端とを連結する部分であり、これら部分の断面形状(本実施形態では円形)を保ったまま、90°の屈曲角及び所定の曲率半径で円弧状に屈曲している。
なお、屈曲部42は断面形状を保ちつつ急峻に屈曲していればよく、その屈曲角や曲率半径は本実施形態のものに限定されない。ここで、「急峻」とは、第一導光部41(断面全域)内をZ方向に沿って導光してきた光のなかに、屈曲部42の外周側の面に臨界角未満の入射角で入射して導光レンズ4外へ漏れてしまう光が存在するような屈曲程度をいう。なお、このような光漏れが生じる屈曲程度は、導光レンズ4の屈折率や入射光の波長に依存する。
【0026】
光出射部44は、第二導光部43のX方向前端に連なっており、第二導光部43と同様にX方向に沿って延在している。この光出射部44は、当該光出射部44の長手方向に沿って並設された複数のレンズカット441,…をZ方向後側の面に有している。そのため、光出射部44では、第二導光部43から当該光出射部44内に導光してきた光が複数のレンズカット441,…で内部反射されてZ方向前側の面から出射する。
【0027】
以上の構成を具備する照明装置1では、LED2からZ方向に出射した光が、集光レンズ3によって光軸Ax上の焦点F
1に集光される。
この光は、導光レンズ4のうち、集光レンズ3の焦点F
1と略同位置の焦点F
2を有する第一導光部41の入射面412を通じて、Z方向に沿った平行光とされつつ第一導光部41内に入射する。
【0028】
第一導光部41内に入射した光は、当該第一導光部41内をZ方向に沿って導光した後に、屈曲部42の外周側の面で内部反射(全反射)され、第二導光部43内に入射する。
このとき、第一導光部41の入射面412が、屈曲部42の外周側の面のうちの全反射領域RのZ方向後側の位置に設けられているため、第一導光部41からの平行光は臨界角θc以上の入射角で屈曲部42の外周側の面に入射し、導光レンズ4外へ漏れることなく当該面で全反射される。
【0029】
屈曲部42で内部反射されて第二導光部43内に入射した光は、当該第二導光部43をランダム光として導光した後に光出射部44に入射する。そして、この光は、光出射部44内で複数のレンズカット441,…によって内部反射されて、当該レンズカット441とは反対側のZ方向前側へ出射する。
【0030】
ここで、上述した屈曲部42での光漏れの抑制効果について、シミュレーション結果を示して説明する。
このシミュレーションでは、光線追跡ソフトを使用して照明装置1の3Dモデルでの光線軌跡を解析した。集光レンズ3及び導光レンズ4はアクリル樹脂(PMMA)製とし、屈曲部42の外周側の面は曲率半径が10mmのものとした。LED2は白色LEDで、積分球での実測データを用いた。
また同時に、従来の照明装置(導光レンズ)での光線軌跡も比較対象として解析した。この解析では、入射面412が無い点以外を本実施形態の導光レンズ4と同様に構成した導光レンズに対し、平行光ではなくランダム光を入射させた場合の光線軌跡を求めた。
【0031】
図4は、このシミュレーション結果を示す図であり、このうち(a)が従来の照明装置(導光レンズ)での光線軌跡を示す図、(b)が本実施形態の照明装置1での光線軌跡を示す図である。なお、
図4ではLED2(光源)の図示を省略している。
図4(a)に示すように、導光レンズに対してランダム光を入射させた場合には、この光が導光レンズ内の断面全域を縦横無尽に導光する。そのため、屈曲部の外周側の面に対して臨界角未満の入射角で入射する光が当然の如く存在し、この光は屈曲部の外周側の面で全反射されることなく導光レンズ外へ漏れてしまう。
一方、本実施形態の照明装置1では、
図4(b)に示すように、入射面412から導光レンズ4の第一導光部41内に入射した平行光が、当該第一導光部41内の断面全域でなく一部のみを導光して臨界角θc以上の入射角で屈曲部42の外周側の面に入射するため、この平行光が導光レンズ4外へ漏れることなく当該面で好適に全反射されている。
【0032】
なお、屈曲部42の外周側の面が、X方向及びZ方向の各方向に対して45°で傾斜した平面状に形成されている場合にも、光漏れなく当該面で光を全反射させることはできる。しかし、この場合には、全反射後の光が平行光のままとなるため、光出射部44のレンズカット441に好適に光を当てることができず、光出射部44から好適に光が出射しなかったり出射光にムラを生じたりしてしまう。
【0033】
以上のように、本実施形態の照明装置1によれば、LED2から出射した光が、導光レンズ4の第一導光部41のうち、Z方向後側の端部に設けられた入射面412から内部に入射して当該第一導光部41内を導光した後に、臨界角θc以上の入射角で屈曲部42の外周側の面に入射する。
これにより、第一導光部41内を導光してきた光は、導光レンズ4外へ漏れることなく屈曲部42の外周側の面で好適に全反射されて、その先の第二導光部43へ導光される。
したがって、急峻に屈曲する導光レンズ4を備えるものであっても、当該屈曲部42での光漏れを抑制することができる。
【0034】
また、第一導光部41の入射面412が、集光レンズ3(LED2)からの光を当該第一導光部41の延在方向(Z方向)に沿った平行光としつつ内部に入射させるので、従来のようにランダム光として入射させる場合に比べ、当該第一導光部41内での光路長を短くすることができる。
これにより、導光レンズ4による光の短波長成分の吸収量を低減させることができ、特に白色光のような広い波長域にパワーを有するものに顕著であった、光の色変化を抑制することができる。
【0035】
また、LED2から出射した光を集光レンズ3によって導光レンズ4の入射面412へ集光させるので、小さな断面形状の導光レンズ4に対しても効率良く光を入射させて光利用効率を向上させることができる。
なお、小さな導光部(出光部)に対して大きな入光部からの光を好適に導く技術としては、例えば特開2014−86333号公報に記載のように、入光部から出光部に向かってテーパー状に狭窄する構造を用いるものがある。しかし、この構造では、入光部と出光部とのサイズ比に応じたテーパー長が必要となり、レンズが大型化しやすい。この点、本実施形態の照明装置1では、集光レンズ3と導光レンズ4との焦点位置・距離の調整等によって、このような大型化を回避することができる。
【0036】
[変形例]
続いて、上記実施形態の変形例について説明する。
【0037】
<変形例1>
導光レンズ4では、入射面412からの光が臨界角θc以上の入射角で屈曲部42の外周側の面に入射すればよく、当該光は屈曲部42の外周側の面に直接入射しなくともよい。
例えば
図5に示すように、入射面412から導光レンズ4内に入射した光が、全反射面を介して屈曲部42の外周側の面に入射するように構成してもよい。具体的には、入射面412を第一導光部41の外側面に設けるとともに、入射面412に対向するようにLED2及び集光レンズ3を配置し、この入射面412から導光レンズ4内に入射した平行光が第一導光部41の後端面411を介して屈曲部42の全反射領域Rに入射するように、当該後端面411を所定の角度で傾斜した平面状の全反射面とすればよい。
このように構成すれば、LED2や集光レンズ3のレイアウトの自由度を向上させることができる。
【0038】
<変形例2>
導光レンズ4では、入射面412からの光が臨界角θc以上の入射角で屈曲部42の外周側の面に入射するように制御されていれば、当該光は平行光でなくともよい。
例えば
図6に示すように、屈曲部42の外周側の面のうちX方向後側の部分に、やや狭窄した光束が入射するように、X方向前側にやや傾斜させた後端面411上に入射面412を形成してもよい。この場合、図示は省略するが、傾斜させた入射面412の向きに合わせてLED2や集光レンズ3の配置を変更する必要があることは勿論である。
また、このような狭窄した光束が、上記変形例1のように、全反射面を介して屈曲部42の外周側の面に入射するように構成してもよい。
【0039】
<変形例3>
集光レンズ3と導光レンズ4とは、
図7に示すように、例えば集光レンズ3の外周面と第一導光部41端部の外周面とを連結部5で繋ぐなどして、一体的に構成(一体成形)されるようにしてもよい。
このように構成すれば、集光レンズ3と導光レンズ4とを製造段階で高精度に位置決めすることができる。
また、従来のように導光レンズ4にランダム光が入射する場合には、この入射光の一部が連結部5内へ導光してロスとなってしまうが、照明装置1では平行光のように制御された光が導光レンズ4内に入射するため、このようなおそれがない。
【0040】
<変形例4>
集光レンズ3と導光レンズ4との間には、他の光学系が設けられていてもよい。例えば
図8に示すように、集光レンズ3と導光レンズ4との間に、収差を補正するダブレットなどのレンズ(またはレンズ群)6が設けられていてもよい。
【0041】
<変形例5>
集光レンズ3の焦点F
1と導光レンズ4の入射面412の焦点F
2とは、互いの位置が略一致していなくともよい。例えば
図9に示すように、集光レンズ3の焦点F
1と入射面412の焦点F
2とをZ方向に離間させ、これら焦点F
1,F
2の間に、前側焦点及び後側焦点が当該焦点F
1,F
2と一致するレンズ7を設けてもよい。
【0042】
<他の変形例>
なお、本発明を適用可能な実施形態は、上述した実施形態及びその変形例に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
【0043】
例えば、上記実施形態では、導光レンズ4が円形断面のものであることとしたが、この導光レンズ4の断面形状は円形に限定されず、例えば多角形状などであってもよいし、
図10(a)〜(c)に示すような円形と多角形との複合的な形状であってもよい。また、入射面412も断面形状は特に限定されない。したがって、例えば
図10(d)に示すように、互いに異なる多角形状断面の導光レンズ4と入射面412とが組み合わせられていてもよい。
【0044】
また、集光レンズ3の第一入射面311,第二入射面312及び出射面32や、導光レンズ4の入射面412には、AR(Anti-Reflection)コートやLR(Low Reflection)コートなどの反射防止膜が形成されていてもよい。これにより、当該面での光のロスを低減させることができる。
【0045】
また、導光レンズ4の入射面412は、LED2からの光を導光レンズ4内に直接入射させるように構成されていてもよい。これにより、集光レンズ3を省いて簡便な部品構成とすることができる。
【0046】
また、導光レンズ4は、急峻な屈曲部を介して光を導光させる長尺なものであれば棒状の導光棒でなくともよく、板状の導光板であってもよい。
また、導光レンズ4は、光出射部44を有していなくともよく、光出射部を有する他の導光体に向けて光を導光させるものであってもよい。