特許 6705152 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】6705152

(24)【登録日】2020年5月18日

(45)【発行日】2020年6月3日

(54)【発明の名称】照明装置

(51)【国際特許分類】

   F21V 5/04 20060101AFI20200525BHJP

   F21V 5/00 20180101ALI20200525BHJP

   G02B 3/02 20060101ALI20200525BHJP

   G02B 3/06 20060101ALI20200525BHJP

   G02B 5/02 20060101ALI20200525BHJP

   F21Y 115/10 20160101ALN20200525BHJP

【ＦＩ】

   F21V5/04 100

   F21V5/00 510

   G02B3/02

   G02B3/06

   G02B5/02 C

   F21Y115:10

【請求項の数】8

【全頁数】18

(21)【出願番号】特願2015-212794(P2015-212794)

(22)【出願日】2015年10月29日

(65)【公開番号】特開2017-84644(P2017-84644A)

(43)【公開日】2017年5月18日

【審査請求日】2018年7月23日

(73)【特許権者】

【識別番号】000006013

【氏名又は名称】三菱電機株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】390014546

【氏名又は名称】三菱電機照明株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100108431

【弁理士】

【氏名又は名称】村上 加奈子

(74)【代理人】

【識別番号】100153176

【弁理士】

【氏名又は名称】松井 重明

(74)【代理人】

【識別番号】100109612

【弁理士】

【氏名又は名称】倉谷 泰孝

(72)【発明者】

【氏名】山田 旭洋

(72)【発明者】

【氏名】奥村 振一郎

【審査官】 竹中 辰利

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許出願公開第２０１４／０２４７５９２（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２０１２−１６０６６６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ２１Ｖ ５／０４

Ｆ２１Ｖ ５／００

Ｇ０２Ｂ ３／０２

Ｇ０２Ｂ ３／０６

Ｇ０２Ｂ ５／０２

Ｆ２１Ｙ １１５／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

光源と前記光源から出射された光を入射する光学素子とを備え、
前記光学素子は、入射面、出射面及び側面を有し、
前記入射面は、前記光源から出射された光を屈折させて前記光学素子に入射させ、
前記側面は、凹形状であり、前記入射面から入射した光の一部を屈折させて、前記光源が出射する光の光軸と垂直な方向よりも前記光の進行方向側の方向に進行する光を含む拡散光にして出射し、
前記光学素子の前記入射面と前記出射面とが四角形又は六角形であり、
前記出射面は、一方向にのみ曲率を有し、かつ前記曲率を有する方向の端部を前記出射面の対向する２辺とする曲面形状であって、中心が凹形状で、中心から前記２辺に近づくにしたがって凸形状となる曲面形状を有し、
前記側面は、前記出射面の前記２辺に接続する面である
照明装置。

【請求項2】

前記側面は、前記側面の出射面側において、前記入射面から入射した光の一部を反射して拡散光にして前記光学素子内を伝搬させる
請求項１に記載の照明装置。

【請求項3】

前記側面で反射されて前記光学素子内を伝搬する拡散光には、前記側面の出射面側に到達する前に前記出射面で反射される光、前記側面の出射面側で反射された後に前記出射面に到達して前記出射面から出射される光、及び前記側面の出射面側で反射された後に前記出射面に到達して前記出射面で反射される光のうちの少なくともいずれかが含まれる
請求項２に記載の照明装置。

【請求項4】

光源と前記光源から出射された光を入射する光学素子とを備え、
前記光学素子は、入射面、出射面及び側面を有し、
前記入射面は、前記光源から出射された光を屈折させて前記光学素子に入射させ、
前記側面は、凹形状であり、前記側面の出射面側において、前記入射面から入射した光の一部を反射して拡散光にして前記光学素子内を伝搬させ、
前記側面で反射されて前記光学素子内を伝搬する拡散光には、前記側面の出射面側に到達する前に前記出射面で反射される光、及び前記側面の出射面側で反射された後に前記出射面に到達して前記出射面で反射される光のうちの少なくともいずれかが含まれ、
前記光学素子の前記入射面と前記出射面とが四角形又は六角形であり、
前記出射面は、一方向にのみ曲率を有し、かつ前記曲率を有する方向の端部を前記出射面の対向する２辺とする曲面形状であって、中心が凹形状で、中心から前記２辺に近づくにしたがって凸形状となる曲面形状を有し、
前記側面は、前記出射面の前記２辺に接続する面である
照明装置。

【請求項5】

光源と前記光源から出射された光を入射する光学素子とを備え、
前記光学素子は、入射面、出射面及び側面を有し、
前記入射面と前記出射面とが四角形又は六角形であり、
前記出射面は、一方向にのみ曲率を有し、かつ前記曲率を有する方向の端部を前記出射面の対向する２辺とする曲面形状であって、中心が凹形状で中心から前記２辺に近づくにしたがって凸形状となる曲面形状を有し、
前記出射面の前記２辺に接続する側面が拡散面又は凹形状である
照明装置。

【請求項6】

前記光学素子は、前記光源から出射された光を前記入射面で屈折し、前記出射面の前記２辺以外の辺に接続する側面で反射した後に前記出射面で屈折して出射する
請求項１から５のうちのいずれか１項に記載の照明装置。

【請求項7】

前記光学素子の前記入射面と前記出射面とが四角形であり、
前記出射面は、四角形の縦方向あるいは横方向に曲率を有する曲面形状である
請求項１から６のうちのいずれか１項に記載の照明装置。

【請求項8】

前記出射面の前記２辺以外の辺に接続する側面が光学研磨面の平面である
請求項１から７のいずれか１項に記載の照明装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

発光ダイオードと光学素子とを用いた照明装置に関する。

【背景技術】

【0002】

発光ダイオードと光学素子とを用いた照明装置において、近年、天井に照明装置を配置し、壁面又は床面の広い範囲を照明する照明装置が求められている。例えば、特許文献１には、出射面が入射面側に凹の摺り鉢状の曲面を有することにより広い範囲を照明する照明装置が示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１１−４４３１５号公報（第１５図）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、特許文献１に記載されているような照明装置に用いられるレンズには、レンズ表面に無反射コートされていないことが一般的である。このため、レンズの出射面等でフレネル反射又は全反射した光が、出射面から出射された光と重畳して、壁面等の被照射物上で局所的な照度むらを発生させるという課題があった。なお、「無反射コート」とは、反射を防ぐために、光がレンズの入射面から入射する、あるいは出射面から出射する際のフレネル反射を抑制するためのコーティングであり、真空蒸着又はスパッタリングなどの方法を用いて、界面に薄膜を形成している。

【課題を解決するための手段】

【0005】

上記課題を解決するために、本発明における照明装置は、光源と光源から出射された光を入射する光学素子とを備え、光学素子は、入射面、出射面及び側面を有し、入射面は、光源から出射された光を屈折させて光学素子に入射し、側面は、凹形状であり、入射面から入射した光の一部を屈折させて、光源が出射する光の光軸と垂直な方向よりもこの光（光源から出射された光）の進行方向側の方向に進行する光を含む拡散光にして出射し、光学素子の入射面と出射面とが四角形又は六角形であり、出射面は、一方向にのみ曲率を有し、かつ曲率を有する方向の端部を出射面の対向する２辺とする曲面形状であって、中心が凹形状で、中心から前記２辺に近づくにしたがって凸形状となる曲面形状を有し、側面は、出射面の２辺に接続する面であることを特徴とする。

【発明の効果】

【0006】

照度むらの発生を抑えた照明を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】本発明に係る実施の形態１の照明装置の主要構成を概略的に示す構成図である。

【図2】実施の形態１の照明装置１の光の進行を示す説明図である。

【図3】壁面を照射する照明装置の配置の一例を示す説明図である。

【図4】実施の形態１の照明装置１の光の進行を示す説明図である。

【図5】壁面４を照明する照明装置２１の配置の一例を示す説明図である。

【図6】本実施の形態１のシミュレーション結果を示すコンター図である。

【図7】本実施の形態１の効果を確認するシミュレーション結果を示す説明図である。

【図8】本実施の形態１の効果を確認するシミュレーション結果を示す説明図である。

【図9】本発明に係る実施の形態１の照明装置の別の構成を概略的に示す構成図である。

【図10】実施の形態１の照明装置１の光の進行を示す説明図である。

【図11】実施の形態２の照明装置７１の主要構成を概略的に示す構成図である。

【図12】本実施の形態２のシミュレーション結果を示すコンター図である。

【図13】実施の形態３の照明装置９１の主要構成を概略的に示す構成図である。

【図14】本実施の形態３を説明するためのシミュレーション結果を示すコンター図である。

【図15】本実施の形態３を説明するためのシミュレーション結果を示すコンター図である。

【図16】本実施の形態３を説明するためのシミュレーション結果を示すコンター図である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

以下の説明を容易にするために、図面にはＸＹＺ座標を示す。Ｘ軸方向は、照明装置１の左右方向である。＋Ｘ軸方向は、照明装置１が光を照射する被照射物側から見て右方向である。−Ｘ軸方向は、照明装置１が光を照射する被照射物側から見て左方向である。Ｙ軸方向は、照明装置１の上下方向である。＋Ｙ軸方向は、照明装置１の上方向である。−Ｙ軸方向は、照明装置１の下方向である。Ｚ軸方向は、前後方向である。＋Ｚ軸方向は、照明装置１が光を照射する被照射物側から見て奥側（後ろ）方向である。−Ｚ軸方向は、照明装置１が光を照射する被照射物側から見て手前側（前）方向である。

【0009】

実施の形態１．
図１は、本発明に係る実施の形態１の照明装置１の主要構成を概略的に示す構成図である。図１（Ａ）は、照明装置１を＋Ｚ軸方向側から見た構成図である。図１（Ｂ）は、−Ｙ軸方向側から見た構成図である。図１に示されるように、照明装置１は、光を発する光源２と光源２から出射された光の配光を制御する光学素子３とを備えている。

【0010】

光源２は、例えば、発光ダイオードである。発光ダイオードは、赤色、緑色又は青色の単色光を出射する。また、発光ダイオードは、青色の発光ダイオードに黄色の蛍光体を用いて白色光を生成してもよい。また、発光ダイオードは、複数配列されていても構わない。また、発光ダイオードは、直径がφ６ｍｍ以上の大きなサイズでも構わない。

【0011】

次に、光学素子３の説明をする。

【0012】

光学素子３は、光軸Ｃ１に対して回転対称の形状を有している。つまり、光学素子３のＺＸ平面における断面は円形である。

【0013】

光源２の光軸は、光源２の発光面２ｂの中心から、発光面２ｂに対して垂直な軸である。光源２の発光面は、レンズ側に位置する−Ｙ軸方向の面全面である。

【0014】

入射面３ａは、例えば、平面形状である。また、光源２は、入射面３ａに対向して配置されている。

【0015】

出射面３ｂは、入射面３ａに対向して配置されている。

【0016】

出射面３ｂは、光軸Ｃ１を回転軸とした回転体の形状をしている。出射面３ｂは、例えば、ＸＹ平面上に描いた曲線を、光軸Ｃ１まわりに回転させた形状をしている。出射面３ｂは、中心が凹形状であり、中心から外周に進むに従い凸形状となっている。出射面３ｂは凹面から徐々に凸面となることにより、光線を広げて出射させる効果がある。また、凹部が＋Ｙ軸方向に大きいほど、光線を広げる効果が高いが、光線が光軸Ｃ１から離れる方向に分離し、光軸Ｃ１方向に出射する光線が少なくなるため、凹部が＋Ｙ軸方向に大きすぎると好ましくない。

【0017】

側面３ｃは、入射面３ａと出射面３ｂとを接続する面である。側面３ｃは、光軸Ｃ１側に突出した凹形状を有している。側面３ｃは、光軸Ｃ１を回転軸とした回転体の形状をしている。つまり、側面３ｃは、光軸Ｃ１を含む平面上では、光軸Ｃ１側に突出した形状をしている。

【0018】

入射面３ａから入射した光線の一部は、出射面３ｂに到達する。出射面３ｂに到達した光線は、出射面３ｂで屈折して−Ｙ軸方向に進行する。つまり、光学素子３の入射面３ａに入射した光は、出射面３ｂで屈折して被照射物に照射される。

【0019】

図２は、実施の形態１の照明装置１の光の進行を示す説明図である。光学素子３の入射面３ａから入射した光線の一部は、側面３ｃに到達する。側面３ｃに到達した光線は、側面３ｃで反射して出射面３ｂに到達する。または、側面３ｃを屈折して、−Ｙ軸方向に進行する。屈折した光線は、光線８０１のような拡散光となる。出射面３ｂに到達した光線は、出射面３ｂで全反射して、光線８０２のように＋Ｙ軸方向に進行し、入射面３ａに到達する。または、出射面３ｂに到達した光線は、出射面３ｂで屈折して、−Ｙ軸方向に進行する。入射面３ａに到達した光線は、反射あるいは屈折する。入射面３ａを反射した光線は、−Ｙ軸方向に進行する。入射面３ａを屈折した光線は、＋Ｙ軸方向に進行する。入射面３ａを反射し、出射面３ｂを反射し、そして、側面３ｃを反射した光線も、入射面３ａに到達する。このように、光線は出射面３ｂを屈折して、−Ｙ軸方向に進行する、あるいは、入射面３ａを屈折して＋Ｙ軸方向に進行する。側面３ｃで反射あるいは屈折された光線は広がるため、局所的に明るさが変化することで照度分布が不均一となる箇所の発生は抑制される。上述した全反射は、全反射の際に、光の角度によって、全てが全反射するとは限らず、一部屈折、一部フレネル反射する場合もあるため、全て全反射された光には限らない。

【0020】

また、出射面３ｂでフレネル反射された光線が側面３ｃで反射される。側面３ｃで反射された光は、側面３ｃの凹形状によって広がった光となるため、局所的に明るさが変化することで照度分布が不均一となる箇所の発生は抑制される。

【0021】

なお、側面３ｃを直線形状の拡散面とすることにより、同様に明るい箇所を発生することを抑制できる。しかし、本実施の形態１では、側面３ｃで屈折した光線が、被照射物に到達する構成としている。このため、光の利用効率を向上させることができる。また、側面３ｃを拡散面とするための加工工程を削減できる。ただし、側面３ｃを凹形状としてサンドブラスト加工等を施すことにより、照度分布が不均一で局所的に明るさが変化する箇所の発生をさらに抑制できる。

【0022】

図３は、被照射物に光を照射する場合の照明装置１の構成図である。図３では、被照射物は壁面４である。

【0023】

照明装置１からの光を効率よく壁面４の上部（＋Ｙ軸方向）から床面まで照射するには、光軸Ｃ１は、壁面４側に傾いていることが好ましい。図３では、光軸Ｃ１はＹ軸に平行である。そして、壁面４は、照明装置１に対して、−Ｚ軸方向に位置して、Ｙ軸に平行である。このため、光軸Ｃ１は、−Ｚ軸方向に傾いていることが好ましい。図３では、光軸Ｃ１の傾き角は、角αである。例えば、角αが２０°である。照明装置１の配置の一例として後の記載にもこの配置を適用する。

【0024】

光学素子３の出射面３ｂは、曲面形状を有している。このため、出射面３ｂでフレネル反射した光は、側面３ｃへ集光した光となって到達する。従って、出射面３ｂから側面３ｃに到達した光を、側面３ｃで拡散させることが好ましい。図４は、実施の形態１の照明装置１の光の進行を示す説明図である。光学素子３の入射面３ａでフレネル反射した光線の一部は、光線８０４のように＋Ｙ軸方向に進行する。光学素子３の入射面３ａから入射した光線の一部は、光線８０５のように出射面３ｂを屈折して、−Ｙ軸方向に進行する。また、光学素子３の入射面３ａから入射した光線の一部は、出射面３ｂでフレネル反射し、側面３ｃで全反射した後、入射面３ａでフレネル反射し、光線８０６のように＋Ｙ軸方向に進行する。さらに、光学素子３の入射面３ａから入射した光線の一部は、出射面３ｂでフレネル反射し、側面３ｃで全反射した後、入射面３ａで屈折し、光線８０３のように＋Ｙ軸方向に進行する。

【0025】

図５は、壁面４を照明する照明装置２１の配置の一例を示す説明図である。図５では、壁面４は、ＸＹ平面に平行である。また、照明装置２１は、壁面４に対して＋Ｚ軸方向側に配置されている。また、照明装置２１は＋Ｙ軸方向側に配置され、床面（図示せず）は、−Ｙ軸方向側に配置されている。図５（Ａ）は、−Ｘ軸方向側から見た説明図である。図５（Ｂ）は、−Ｚ軸方向側から見た説明図である。

【0026】

照明装置２１は、光源及び光学素子等を含む。しかし、照明装置２１から光が出射するものとして詳細構造は省略する。

【0027】

照明装置２１は、壁面４に対して角度αだけ傾いて設置されている。ここで、角度αは、例えば、２０度［°］である。なお、Ｙ軸方向は、照明装置２１を傾けないときの照明装置２１の上下方向である。

【0028】

図６は、本実施の形態１のシミュレーション結果を示すコンター図である。図６は、図１の照明装置１が図５に示す配置で、壁面４を照明した場合の照度分布を示す。

【0029】

図５に示すように、長さ４ｈは、壁面４のＸ軸方向の長さである。また、長さ４ｖは、壁面４のＹ軸方向の長さである。ここで、長さ４ｈは４８００ｍｍとし、長さ４ｖは２７００ｍｍとする。

【0030】

図６における横軸は、Ｘ軸方向の位置を示している。図６における縦軸は、Ｙ軸方向の位置を示している。

【0031】

また、図６における等高線は、最大照度値で正規化した相対照度比を１０分割している。周辺から中心に進むに従って明るくなっている。

【0032】

本実施の形態１の照明装置１の場合には、図６に示したよう照度むらの少ない分布となっている。そして、局所的な照度むらは、発生していない。つまり、局所的に明るい箇所は、発生していない。

【0033】

ただし、光学素子３の側面３ｃの入射面３ａ側の曲率を大きくすると、入射面３ａから直接側面３ｃに到達した光の一部が側面３ｃで屈折して出射する。このため、特に入射面３ａに近い側（側面３ｃの＋Ｙ軸方向）から屈折して−Ｙ軸方向に進行する光線は、光線の広がりが小さく照度分布上に、不均一で局所的に明るい箇所が発生する可能性がある。側面３ｃの曲率は、適宜設定される必要がある。

【0034】

また、光源２と光学素子３の入射面３ａとの間隔は、近いことが好ましい。それにより、光学素子３の小型化が図れる。また、側面３ｃから屈折して出射される光線を抑制することが可能となる。

【0035】

さらに、例えば、光軸Ｃ１に対して８０°以上の角度を有して出射する光線に対しては、光源２をソケット等で覆うことで、これらの光線をソケットで反射または散乱させることができる。そして、光源２から出射する光線の光軸Ｃ１に対する角度を小さくすることができる。

【0036】

ただし、直接側面３ｃから出射される光線があっても、本実施の形態１の光学素子３の側面３ｃの形状を用いることにより、照度分布が不均一で局所的に明るさが変化する箇所の発生を抑制する効果はなくならない。

【0037】

図７は、側面３ｃが光軸Ｃ１に対して平行な場合のシミュレーション結果を示すコンター図である。つまり、図７は、図１に示す光学素子１の側面３ｃが、２つの底面の直径が等しい円柱の側面の形状をしている場合である。

【0038】

図７における横軸は、Ｘ軸方向の位置を示している。図７における縦軸は、Ｙ軸方向の位置を示している。また、図７における等高線は、最大照度値で正規化した相対照度比を１０分割している。周辺から中心に進むに従って明るくなっている。

【0039】

図７において、領域５００と領域５０１とにおいて、光の分布に不均一な箇所があることが確認される。

【0040】

領域５００における照度分布の不均一性に影響している光線は、光学素子３の入射面３ａから入射し、光学素子３の側面３ｃで全反射して、出射面３ｂから出射した光線または光学素子３内で多重反射して出射面３ｂから屈折して出射した光線である。また、領域５０１における光の分布の不均一性に影響している光線は、光学素子３内で多重反射して側面３ｃから屈折して出射した光線である

【0041】

図７に示すように、側面３ｃを円柱形状とすると、光の分布の不均一な箇所の発生が確認される。そして、本実施の形態１の光学素子３の側面３ｃの形状の効果が確認できる。

【0042】

図８（Ａ）及び図８（Ｂ）は、側面３ｃが円錐台の側面の形状をしている場合のシミュレーション結果を示すコンター図である。入射面３ａの直径は、出射面３ｂの直径よりも大きい。つまり、光軸Ｃに垂直な平面上で、側面３ｃは、入射面３ａ側から出射面３ｂ側にいくにつれて直径が小さくなる。図８（Ａ）は、側面３ｃが光軸Ｃ１に対して１０度傾いている場合のシミュレーション結果である。図８（Ｂ）は、側面３ｃが光軸Ｃ１に対して３度傾いている場合のシミュレーション結果である。なお、図９は、側面３ｃの断面の輪郭線が直線となる場合の、実施の形態１の照明装置の構成図であり、光軸Ｃ１に対する傾きβを図中に示す。つまり、図８（Ａ）及び図８（Ｂ）の照明装置の構成図を示しており、図８（Ａ）はβが１０度、図８（Ｂ）はβが３度の場合である。

【0043】

図８（Ａ）及び図８（Ｂ）における横軸は、Ｘ軸方向の位置を示している。図８（Ａ）及び図８（Ｂ）における縦軸は、Ｙ軸方向の位置を示している。

【0044】

また、図８（Ａ）及び図８（Ｂ）における等高線は、最大照度値で正規化した相対照度比を１０分割している。周辺から中心に進むに従って明るくなっている。

【0045】

図８（Ａ）に示すように、領域６００と領域６０１とにおいて照度分布に不均一な箇所がある。領域６００は、度合いとしては小さい。しかし、領域６０１は、図７の領域５０１と比較しても照度分布の不均一性の度合いが大きい。

【0046】

図１０は、実施の形態１の図８（Ａ）の場合の照明装置１の光の進行を示す説明図である。光学素子３の入射面３ａでフレネル反射した光線は、光線８１０のように＋Ｙ軸方向に進行する。また、光学素子３の入射面３ａから入射した光線の一部は、側面３ｃでフレネル反射した後、出射面３ｂで全反射し、入射面３ａでも全反射し、光線８０８のように−Ｙ軸方向に進行する。光線８０８は、光が広がっていないため、領域６００における局所的な照度ムラの原因となる。また、光学素子３の入射面３ａから入射した光線の一部は、側面３ｃで屈折し、光線８０９のように−Ｙ軸方向に進行する。光線８０９は、領域６０１における照度ムラの原因となる。側面３ｃを光軸Ｃ１に対して１０度傾ける場合には、側面３ｃを凹面の曲面形状とすることが好ましい。

【0047】

ここで、入射面３ａから直接側面３ｃに到達して出射する光線を減らすために、側面３ｃが光軸Ｃに対して３度傾いた場合を図８（Ｂ）に示す。

【0048】

図８（Ｂ）では、図８（Ａ）における領域６０１の照度分布の不均一性の度合いが、大幅に軽減していることが領域６０３から確認できる。領域６０３の照度不均一性に影響している光線は、光学素子３内で多重反射し、側面３ｃから屈折して出射した光線であるため、図８（Ａ）のように側面３ｃを直接出射する光線より光量が少なくなることから、大幅に照度分布の不均一性の度合いが軽減している。ただし、図８（Ａ）の領域６００と同様の位置の領域６０２に、照度分布の不均一な箇所が観察される。領域６０２における照度分布の不均一の度合いは、図７よりも少ない。しかし、本実施の形態１に比べて効果が小さいことが確認できる。

【0049】

領域６０２における照度分布の不均一性に影響している光線は、入射面３ａで屈折後、出射面３ｂでフレネル反射した後に側面３ｃで全反射され、さらに入射面３ａでフレネル反射して、出射面３ｂから出射した光線である。これより、側面３ｃを光軸Ｃに対して傾ける効果は確認できたが、側面３ｃを凹面形状とする方が、より効果的であることが確認できた。

【0050】

実施の形態２．
図１１は、本発明に係る実施の形態２の照明装置７１の主要構成を概略的に示す構成図である。図１１（Ａ）は、照明装置７１を＋Ｚ軸方向側から見た構成図である。図１１（Ｂ）は、−Ｙ軸方向側から見た構成図である。図７に示されるように、照明装置７１は、光を発する光源２と光源２から出射された光の配光を制御する光学素子３とを備えている。

【0051】

実施の形態１で説明した照明装置７１の構成要素と同様の構成要素には、同一符号を付し、その説明を省略する。実施の形態１と同様の構成要素は光源２である。

【0052】

光学素子７３の説明をする。

【0053】

光学素子７３のＺＸ平面における断面は円形である。

【0054】

入射面７３ａは、例えば、平面形状である。また、光源２は、入射面７３ａに対向して配置されている。

【0055】

出射面７３ｂは、入射面７３ａに対向して配置されている。

【0056】

出射面７３ｂは、光軸Ｃ７を回転軸とした回転体の形状ではない。この点で実施の形態２の光学素子７３は、実施の形態１の光学素子３と相違する。出射面７３ｂは、例えば、円筒形状のように、一方向にのみ曲率を有する形状をしている。図１１では、Ｘ軸方向に曲率を有している。

【0057】

出射面７３ｂは、Ｘ軸方向の端部よりも中心部が入射面７３ａ側に位置している。つまり、出射面７３ｂは、凹形状をしている。また、出射面７３ｂは、中心部からＸ軸方向の端部に向けて凸形状をしている。つまり、出射面７３ｂの中心部は、凹形状をしている。また、出射面７３ｂの周辺部は、凸形状をしている。周辺部は、中心部から端部までの部分である。

【0058】

側面７３ｃは、入射面７３ａと出射面７３ｂとを接続する面である。なお、側面７３ｃと入射面７３ａとの間に、例えば、Ｃ面取り等の他の面が形成されていても構わない。側面７３ｃは、実施の形態１で示した側面３ｃと同様の形状をしている。

【0059】

入射面７３ａから入射した光線の一部は、出射面７３ｂに到達する。出射面７３ｂに到達した光線は、出射面７３ｂで屈折して−Ｙ軸方向に進行する。つまり、光学素子７３の入射面７３ａに入射した光は、出射面７３ｂで屈折して被照射物に照射される。

【0060】

また、出射面７３ｂでフレネル反射された光線が側面７３ｃで反射される。側面７３ｃで反射された光は、側面７３ｃの凹形状によって広がった光となるため、局所的に明るさが変化することで照度分布が不均一となる箇所の発生は抑制される。

【0061】

また、光学素子７３の入射面７３ａから入射した光線の一部は、側面７３ｃに到達する。側面７３ｃに到達した光線は、側面７３ｃで反射して出射面７３ｂに到達する。出射面７３ｂに到達した光線は、出射面７３ｂで全反射して、＋Ｙ軸方向に進行する。入射面３ａに到達した光線は、反射あるいは屈折する。従って、光線は側面７３ｃを屈折して、−Ｙ軸方向に進行するあるいは、入射面７３ａを屈折して＋Ｙ軸方向に進行する。側面７３ｃで反射あるいは屈折された光線は広がるため、局所的に明るさが変化することで照度分布が不均一となる箇所の発生は抑制される。上述した全反射は、全反射の際に、光の角度によって、全てが全反射するとは限らず、一部屈折、一部フレネル反射する場合もあるため、全て全反射された光には限らない。

【0062】

ここで、側面７３ｃは凹形状を有している。このため、出射面７３ｂでフレネル反射された光は、側面７３ｃの凹形状の部分で広がった光となって反射される。そして、光が広がっているため、局所的に明るさが変化することで照度分布が不均一となる箇所の発生は抑制される。

【0063】

なお、側面７３ｃを直線形状の拡散面とすることにより、同様に明るい箇所を発生することを抑制できる。しかし、本実施の形態２では、側面７３ｃで屈折した光線が、被照射物に到達する構成としている。このため、光の利用効率を向上させることができる。また、側面７３ｃを拡散面とするための加工工程を削減できる。ただし、側面７３ｃを凹形状としてサンドブラスト加工等を施すことにより、照度分布が不均一で局所的に明るさが変化する箇所の発生をさらに抑制できる。

【0064】

図１２は、本実施の形態２のシミュレーション結果を示すコンター図である。図１２は、図１１の照明装置７１が図５に示す配置で、壁面４を照明した場合の照度分布を示す。

【0065】

また、図１２における等高線は、最大照度値で正規化した相対照度比を１０分割している。周辺から中心に進むに従って明るくなっている。

【0066】

本実施の形態２の照明装置７１の場合には、図１２に示したよう均一な照度分布となっている。つまり、局所的な照度むら（照度分布の不均一な箇所）は発生していない。

【0067】

ただし、光学素子７３の側面７３ｃの入射面７３ａ側の曲率を大きくすると、入射面７３ａから直接側面７３ｃに到達した光の一部が側面７３ｃ（特に入射面７３に近い＋Ｙ軸方向）で屈折して出射する。このため、照度分布上に、不均一で局所的に明るい箇所が発生する可能性がある。側面７３ｃの曲率は、適宜設定される必要がある。

【0068】

また、光源２と光学素子７３の入射面７３ａとの間隔は、近いことが好ましい。それにより、光学素子３の小型化が図れる。また、側面７３ｃから屈折して出射される光線を抑制することが可能となる。

【0069】

さらに、例えば、光軸Ｃ７に対して８０°以上の角度を有して出射する光線に対しては、光源２をソケット等で覆うことで、これらの光線をソケットで反射または散乱させることができる。そして、光源２から出射する光線の光軸Ｃ７に対する角度を小さくすることができる。

【0070】

ただし、直接側面７３ｃから出射される光線があっても、本実施の形態１の光学素子７３の側面７３ｃの形状を用いることにより、照度分布が不均一で局所的に明るさが変化する箇所の発生を抑制する効果はなくならない。

【0071】

図１２に示す照度分布を、図６に示す照度分布と比較すると、Ｙ軸方向の照度分布の広がりが大きくなっている。

【0072】

出射面７３ｂにＸ軸方向のみの曲面形状を持たせることにより、壁面４上での照度分布のＹ軸方向の均一性が向上する。つまり、出射面７３ｂにＸ軸方向のみの曲面形状を持たせることで、さらなる効果が得られることが確認された。

【0073】

また、図１２に示す照度分布を、図６に示す照度分布と比較すると、Ｘ軸方向にも照度分布の拡がりが大きくなっている。つまり、壁面４上での照度分布のＸ軸方向の均一性も向上していることが確認される。

【0074】

これは、光軸Ｃ７を含む中心部分の光強度をＸ軸方向に広げることにより、照度分布の均一性が向上している。また、図６に示す照度分布は、出射面が光軸Ｃ１に対して回転対称であるため、＋Ｚ軸方向に進行する光線は、図３の＋Ｚ軸方向へ±Ｘ軸方向に広がりながら光が出射する傾向が高いが、図１２に示す照度分布は、出射面が光軸Ｃ１に対してＸ軸方向に曲率を有するため、Ｙ軸方向の光は、角度α傾けた分、−Ｚ軸方向へ±Ｘ軸方向に広がりながら進行する傾向が高くなることにより、Ｙ軸方向への照度分布を広げる効果があると考えられる。

【0075】

つまり、特に図５に示すように壁面４に対して傾けて照射する照明装置においては、実施の形態１のように回転対称に配光を広げるよりも、Ｘ軸方向又はＹ軸方向等の一方向に配光を広げる形状とする方が、被照射物上の照度分布の均一性を向上することができる。

【0076】

なお、実施の形態２は、壁面４に照射した際に、中心が最も明るく、かつ、光が広がるように出射面７３ｂを形成している。このため、特許文献１とは異なる形状を採用している。

【0077】

本実施の形態２は、光学素子７３の形状及び大きさを一例として示している。例えば、光学素子７３の直径を大きくすれば、本実施の形態２を使用しない際の照度分布の不均一の発生は軽減される。しかし、照明装置７１の大型化を招く。つまり、本実施の形態２を用いることにより、照明装置７１の大型化を抑えて、照度むらの発生を抑制することが可能となる。

【0078】

なお、出射面７３ｂにＺ軸方向のみの曲面形状を持たせた場合は、Ｘ軸方向に照度分布は狭くなるが、Ｙ軸方向へは強度の強い箇所の照度分布が広がる。つまり、出射面が光軸Ｃ１に対して回転対称である場合と比較すると、照度分布の均一性が向上するが、傾き角αの回転軸であるＸ軸方向に曲面形状を持たせた場合が最も照度分布の均一性が向上する。

【0079】

実施の形態３．
図１３は、本発明に係る実施の形態３の照明装置９１の主要構成を概略的に示す構成図である。

【0080】

図１３（Ａ）は、照明装置９１を＋Ｚ軸方向側から見た構成図である。図１３（Ｂ）は、照明装置９１を−Ｙ軸方向側から見た構成図である。図１３に示されるように、照明装置９１は、光を発する光源２と光源２から出射された光の配光を制御する光学素子９３とを有している。

【0081】

光学素子９３の説明をする。

【0082】

光学素子９３のＺＸ平面における断面は四角形である。つまり、ＺＸ平面における断面が円形でない点において、光学素子９３は、光学素子７３と異なる。

【0083】

入射面９３ａは、例えば、平面形状である。また、光源２は、入射面９３ａに対向して配置されている。

【0084】

出射面９３ｂは、入射面９３ａに対向して配置されている。

【0085】

出射面９３ｂは、例えば、円筒形状のように、一方向にのみ曲率を有する形状をしている。図１３では、Ｘ軸方向に曲率を有している。出射面９３ｂの曲面形状は、出射面７３ｂと同様の形状をしている。つまり、光軸Ｃ９に対して回転対称でない点において、出射面９３ｂの曲面形状は実施の形態１と異なる。

【0086】

側面９３ｃは、入射面９３ａと出射面９３ｂとを接続する面である。なお、側面９３ｃと入射面９３ａとの間に、例えば、Ｃ面取り等の他の面が形成されていても構わない。

【0087】

側面９３ｃは、４つの側面９３ｃ_１，９３ｃ_２，９３ｃ_３，９３ｃ_４を備えている。図１３では、側面９３ｃ_１，９３ｃ_３は、ＹＺ平面に面している。また、側面９３ｃ_２，９３ｃ_４は、ＸＹ平面に面している。

【0088】

図１３では、側面９３ｃ_１，９３ｃ_３は、曲面形状をしている。側面９３ｃ_１，９３ｃ_３の曲面形状は、ＸＹ平面上で、光学素子７３の側面７３ｃと同様である。

【0089】

図１３では、側面９３ｃ_２，９３ｃ_４は、平面形状をしている。側面９３ｃ_２，９３ｃ_４は、ＸＹ平面に平行な面である。つまり、側面９３ｃ_２，９３ｃ_４は、光軸Ｃ９に対して平行である。

【0090】

入射面９３ａから入射した光線の一部は、出射面９３ｂに到達する。出射面９３ｂに到達した光線は、出射面９３ｂで屈折して−Ｙ軸方向に進行する。つまり、光学素子９３の入射面９３ａに入射した光は、出射面９３ｂで屈折して被照射物に照射される。

【0091】

また、入射面９３ａで屈折後、出射面９３ｂでフレネル反射された光線が側面９３ｃ_１，９３ｃ_３で反射される。側面９３ｃ_１，９３ｃ_３で反射された光は、側面９３ｃ_１，９３ｃ_３の凹形状によって広がった光となるため、局所的に明るさが変化することで照度分布が不均一となる箇所の発生は抑制される。

【0092】

光学素子９３の入射面９３ａから入射した光線の一部は、側面９３ｃ_１，９３ｃ_３に到達する。側面９３ｃ_１，９３ｃ_３に到達した光線は、側面９３ｃ_１，９３ｃ_３で反射して出射面９３ｂに到達する。または、側面９３ｃ_１，９３ｃ_３を屈折して−Ｙ軸方向に進行する。出射面９３ｂに到達した光線は、全反射して、＋Ｙ軸方向に進行する。入射面９３ａに到達した光線は、全反射あるいは屈折する。従って、光線は側面９３ｃ_１，９３ｃ_３を屈折して、−Ｙ軸方向に進行するあるいは、入射面９３ａを屈折して＋Ｙ軸方向に進行する。側面９３ｃ_１，９３ｃ_３で屈折された光線は広がるため、局所的に明るさが変化することで照度分布が不均一となる箇所の発生は抑制される。

【0093】

また、光学素子９３の入射面９３ａから入射した光線の一部は、側面９３ｃ_２，９３ｃ_４に到達する。側面９３ｃ_２，９３ｃ_４は平面である。側面９３ｃ_２，９３ｃ_４は、出射面９３ｂの曲面が形成されているＸ軸方向に延びる面である。このため、側面９３ｃ_２，９３ｃ_４で反射した光線は、Ｘ軸方向に進行方向を変化させない。つまり、側面が円筒面の場合のように、光線が側面で反射した際に、Ｘ軸方向の進行方向を変化させることはない。このため、照度分布の不均一な箇所が発生することを抑制できる。

【0094】

なお、側面９３ｃ_１，９３ｃ_３を平面の拡散面とすることにより、同様に明るい箇所を発生することを抑制できる。しかし、本実施の形態３では、側面９３ｃ_１，９３ｃ_３で屈折した光線が、被照射物に到達する構成としている。このため、光の利用効率を向上させることができる。また、側面９３ｃ_１，９３ｃ_３を拡散面とするための加工工程を削減できる。ただし、側面９３ｃ_１，９３ｃ_３を凹形状としてサンドブラスト加工等を施すことにより、照度分布が不均一で局所的に明るさが変化する箇所の発生をさらに抑制できる。

【0095】

図１４、図１５及び図１６は、本実施の形態３を説明するためのシミュレーション結果を示すコンター図である。

【0096】

図１４は、図１３の照明装置９１の側面９３ｃ_１，９３ｃ_３が光軸Ｃ９に平行な平面形状の光学研磨面の照明装置で、その照明装置が図５に示す配置で、壁面４を照明した場合の照度分布を示す。

【0097】

図１５は、図１３の照明装置９１の側面９３ｃ_１，９３ｃ_３が光軸Ｃ９に平行な平面形状の拡散面の照明装置で、その照明装置が図５に示す配置で、壁面４を照明した場合の照度分布を示す。

【0098】

図１６は、図１３の照明装置９１が図５に示す配置で、壁面４を照明した場合の照度分布を示す。

【0099】

光学素子９３は、側面９３ｃ_２，９３ｃ_４が壁面４と平行に配置された位置から、Ｘ軸に平行な回転軸を中心として、角度αだけ傾いている。

【0100】

また、図１４、図１５及び図１６における等高線は、最大照度値で正規化した相対照度比を１０分割している。周辺から中心に進むに従って明るくなっている。

【0101】

図１４に示すように、側面９３ｃ_１，９３ｃ_３が光軸Ｃ９に平行な平面形状の場合には、領域１０００に局所的な照度むらが観察される。これは、側面９３ｃ_１，９３ｃ_３で反射された光が被照射物（壁面４）に到達することによって生じる。

【0102】

また、今回、側面９３Ｃ_２，９３Ｃ_４も光学研磨面としている。このため、側面９３Ｃ_２，９３Ｃ_４による影響も考えられる。そこで、側面９３Ｃ_２，９３Ｃ_４による影響が小さいことを確認するため、図１５に、側面９３ｃ_１，９３ｃ_３に拡散面として、側面９３Ｃ_２，９３Ｃ_４を光学研磨面とした場合のシミュレーション結果を示す。

【0103】

図１５に示すように、局所的な照度むら（照度分布の不均一な箇所）は発生していないことが確認できる。これより、側面９３ｃ_１，９３ｃ_３を拡散面として、側面９３ｃ_２，９３ｃ_４を光学研磨面の平面である場合には、照度むらが抑制されることが分かる。

【0104】

さらに、側面９３ｃ_２，９３ｃ_４を光学研磨面の平面とすることで、反射により被照射物に到達する光が多くなる。このため、光利用効率が向上するという効果がある。

【0105】

なお、今回は、側面９３ｃ_１，９３ｃ_２，９３ｃ_３，９３ｃ_４は矩形形状としている。つまり、光学素子は、入射面９３ａの形状と出射面９３ｂの形状とが等しい四角柱の場合の効果を示した。しかし、側面９３ｃ_１，９３ｃ_３が光軸Ｃ９に対して傾いて、側面９３ｃ_２，９３ｃ_４が光軸Ｃ９に平行な四角錘台の場合でも同様の効果がある。また、側面９３ｃ_２，９３ｃ_４が光軸Ｃ９に対して傾いていた場合でも同様の効果がある。

【0106】

図１６に示す照度分布は、図１３の照明装置９１を適用した場合のシミュレーション結果である。側面９３ｃ_１，９３ｃ_３は凹面形状の光学研磨面である。また、側面９３ｃ_２，９３ｃ_４は平面形状の光学研磨面である。

【0107】

図１６に示すように、局所的な照度むら（照度分布の不均一な箇所）は発生していないことが確認できる。これより、側面９３ｃ_１，９３ｃ_３を凹面形状として、側面９３ｃ_２，９３ｃ_４を光学研磨面の平面とした場合には、照度分布の不均一な箇所が抑制されることが確認できる。さらに、側面９３ｃ_１，９３ｃ_３を拡散面としないため、製造工程が削減できる。

【0108】

以上から、光学素子９１の光軸Ｃ２に垂直な平面上での形状が四角形状であり、出射面９３ｂが一方向のみに曲面形状を有する場合には、この曲面形状を有する方向の端部に位置する側面９３を凹面形状とするか、拡散面とすることにより、照度分布むらを抑制することができる。図１３では、この曲面形状を有する方向の端部に位置する側面９３は、側面９３ｃ_１，９３ｃ_３である。

【0109】

さらに、残りの側面９３を光学研磨面の平面としても、照度分布むらへの影響は小さい。図１３では、この残りの側面９３は、側面９３ｃ_２，９３ｃ_４である。残りの側面９３（側面９３ｃ_２，９３ｃ_４）を配光制御面として使用することができる。このため、図１または図１１に示す光学素子１，７１の円筒形状の場合と比較して、光学素子９１は光利用効率を向上させることができる。

【0110】

なお、本実施の形態２では、光学素子９１を四角柱形状の場合として示したが、これに限るものではない。例えば、底面が六角形形状の六角柱の場合には、曲面形状を有する方向の端部を底面の対向する２辺とすることができる。この２辺の位置の側面のみを凹面形状とするか、または、拡散面とすれば、光学素子９１と同様の効果が得られる。

【0111】

本実施の形態３は、光学素子９３の形状及び大きさを一例として示している。例えば、光学素子９３の直径を大きくすれば、本実施の形態３を採用しない際の照度分布の不均一の発生は軽減される。しかし、照明装置９１の大型化を招く。つまり、本実施の形態３を用いることにより、照明装置９１の大型化を抑えて、照度むらの発生を抑制することが可能となる。

【0112】

本実施の形態の図２、図４及び図１０の光学素子の出射面の形状は、あくまで一例であり、凹部がさらに＋Ｙ軸方向に位置していても局所的な照度むらの発生を抑制するという効果は得られる。

【0113】

なお、以上のように本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限るものではない。

【符号の説明】

【0114】

１ 照明装置
２ 光源
３ 光学素子
３ａ 入射面
３ｂ 出射面
Ｃ１ 光軸

【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】

【図15】

【図16】