JP2013089291A - 光学レンズ、光学モジュール、光学システム、灯具 - Google Patents

Abstract

【課題】 レンズの重量を従来に比べて軽くでき、かつ、遠くにおいても光の広がりを小さく抑えることが可能な光学レンズを提供する。
【解決手段】 この光学レンズ２は、光学レンズ２の光軸Ｘ１上に頂点Ｃを有する凹部により構成され、光源１からの光が入射される入光面３と、該入光面３からの光を外部に出射させる出光面４とを有し、前記入光面３は、該入光面３に入射した光を前記光学レンズ２の光軸Ｘ１に対して外側方向に屈折させ、前記出光面４は、前記光学レンズ２の光軸Ｘ１の方向を垂直方向とするとき、前記入光面３からの光をより一層水平方向に屈折させる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、光学レンズ、光学モジュール、光学システム、灯具に関する。

図１は特許文献１に示されているＬＥＤ照明装置（スポットライト）を示す図である。

図１に示すＬＥＤ照明装置（スポットライト）は、ＬＥＤ光源としてのＬＥＤ素子１１０と、光学系としてのレンズ１１５などから構成されている。ここで、レンズ１１５は、反射面１１５ａと、出射面１１５ｂと、ＬＥＤ包囲面１１５ｃとを有しており、ＬＥＤ包囲面１１５ｃは、ＬＥＤ素子１１０から発せられた光が入射する入射面であり、ＬＥＤ素子１１０を囲むように円筒形状のものとなっている。

図２は上記ＬＥＤ照明装置（スポットライト）の光学特性を説明するための図である。上記のようにＬＥＤ素子１１０とレンズ１１５を配置したスポットライトにおいて、ＬＥＤ素子１１０から発光された光は、ほとんどがＬＥＤ包囲面１１５ｃに入射され、このうち、光軸に近い第１の面１２１に入射した光は、境界面で屈折してレンズ１１５内を透過して出射面１１５ｂで屈折して出射されて光路Ｒ０をたどる。また、ＬＥＤ素子１１０から発光された光のうち、光軸から遠い第２の面１２２に入射した光は、境界面で屈折してレンズ１１５内を透過して反射面１１５ａで全反射して出射面１１５ｂで屈折して出射されて光路Ｒ２をたどる。

特開２００５−１２９３５４号公報

特許文献１のＬＥＤ照明装置（スポットライト）は、図２の光路Ｒ０、Ｒ２からわかるように、ＬＥＤ素子１１０から発光された光のうち、光軸に近い第１の面１２１（光軸付近の面）に入射した光は、光路Ｒ０をたどり、その範囲が３０°以下となるように設定されていても、遠くに行くに従い、光が広がってしまうという問題があった。

また、特許文献１のＬＥＤ照明装置（スポットライト）は、レンズ１１５が肉厚であり、レンズ１１５の重量が重いという問題があった。

本発明は、レンズの重量を従来に比べて軽くすることができ、かつ、遠くにおいても光の広がりを小さく抑えることが可能な光学レンズ、光学モジュール、光学システム、灯具を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、光学レンズの光軸上に頂点を有する凹部により構成され、光源からの光が入射される入光面と、該入光面からの光を外部に出射させる出光面とを有し、前記入光面は、該入光面に入射した光を前記光学レンズの光軸に対して外側方向に屈折させ、前記出光面は、前記光学レンズの光軸の方向を垂直方向とするとき、前記入光面からの光をより一層水平方向（光学レンズの光軸方向に対して垂直な方向）に屈折させるようになっていることを特徴とする光学レンズである。

また、請求項２記載の発明は、光を出射する光源と、請求項１記載の光学レンズとを備え、前記光源の光軸と前記光学レンズの光軸とを一致させ、前記光学レンズの入光面に前記光源からの光を入射させるようになっていることを特徴とする光学モジュールである。

また、請求項３記載の発明は、請求項２記載の光学モジュールと、該光学モジュールからの出射光を制御するリフレクタ（反射面）または全反射レンズとを有していることを特徴とする光学システムである。

また、請求項４記載の発明は、請求項３記載の光学システムが用いられていることを特徴とする灯具である。

請求項１乃至請求項４記載の発明によれば、光学レンズの光軸上に頂点を有する凹部により構成され、光源からの光が入射される入光面と、該入光面からの光を外部に出射させる出光面とを有し、前記入光面は、該入光面に入射した光を前記光学レンズの光軸に対して外側方向に屈折させ、前記出光面は、前記光学レンズの光軸の方向を垂直方向とするとき、前記入光面からの光をより一層水平方向（光学レンズの光軸方向に対して垂直な方向）に屈折させるようになっている光学レンズであって、この光学レンズからの出射光をリフレクタ面（反射面）または全反射レンズで制御するようになっているので、従来に比べて軽量化を図ることができ、かつ、遠くにおいても光の広がりを小さく抑えることが可能となる。

特許文献１に示されているＬＥＤ照明装置（スポットライト）を示す図である。 図１のＬＥＤ照明装置（スポットライト）の光学特性を説明するための図である。 本発明の光学モジュールの一構成例を示す図（断面図）である。 本発明の光学レンズの指向特性の一例を示す図である。 本発明の光学モジュールを用いた光学システムの一例を示す図である。 図５の光学システムにおける光学モジュールからの光の光路を示す図である。 リフレクタ（反射面）からの光の指向特性の一例を示す図である。 本発明の光学モジュールを用いた光学システムの他の例を示す図である。 図８の光学システムにおける光学モジュールからの光の光路を示す図である。 光学レンズの入光面の変形例を示す図である。 光学レンズの出光面の変形例を示す図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図３は本発明の光学モジュールの一構成例を示す図（断面図）である。

図３を参照すると、この光学モジュール１０は、光を出射する光源１と、光学レンズ２とを備えている。なお、図３において、Ｘは光源１の光軸であり、Ｘ１は光学レンズ２の光軸であり、この光学モジュール１０では、光源１の光軸Ｘと光学レンズ２の光軸Ｘ１とを一致させている。

ここで、光源１には、例えばランバーシアンの指向特性を有する発光ダイオード（ＬＥＤ）等を用いることができる。

また、光学レンズ２は、光学レンズ２の光軸Ｘ１上に頂点Ｃを有する凹部により構成され、光源１からの光が入射される入光面３と、該入光面３からの光を外部に出射させる出光面４とを有し、前記入光面３は、該入光面３に入射した光を前記光学レンズ２の光軸Ｘ１に対して外側方向に屈折させ、前記出光面４は、前記光学レンズ２の光軸Ｘ１の方向を垂直方向とするとき、前記入光面３からの光をより一層水平方向（光学レンズ２の光軸Ｘ１方向に対して垂直な方向）に屈折させるようになっている。なお、入光面３、出光面４は、光学レンズ２の光軸Ｘ１に対し例えば回転体となっている。

より詳細に、図３の例では、入光面３は、頂点Ｃを有する例えば円錐形状の凹部により構成され、入光面３の光軸Ｘ１とのなす角度θは、光源１からの光に対して臨界角未満の角度（例えば２°〜３０°程度）である。なお、入光面３の光軸Ｘ１とのなす角度θが小さい程、光源１からの光に対する屈折角は大きくなり、入光面３の光軸Ｘ１とのなす角度θが大きい程、光源１からの光に対する屈折角は小さくなっていくので、入光面３の光軸Ｘ１とのなす角度θは、光源１の発光面のサイズ（光源１が面光源の場合は大きく、光源１が点光源の場合は小さい）などとのバランスによって決められる。

また、光源１（発光面）から入光面３の頂点Ｃまでの距離は、光源１の発光面のサイズが大きい程（光源１が面光源の場合程）、遠くに設定し、光源１の発光面のサイズが小さい程（光源１が点光源の場合程）、近くに設定される。

また、出光面４は、図３において、点Ａと点Ｂを結ぶ直線Ｌと入光面３の光軸Ｘ１とのなす角度αが４５°〜臨界角未満（例えば８５°）であり（すなわち、角度αが大きい程、入光面３からの光はより屈折角が大きく、入光面３からの光をより一層水平方向（光学レンズ２の光軸Ｘ１方向に対して垂直な方向）に屈折させるが、角度αが臨界角を超えると全反射してしまうので、角度αは、入光面３からの光を全て屈折させるような最適な角度に設定される）、点Ａと点Ｂを通る所定半径Ｒの円弧の曲面（例えば回転体）のものとなっている。

このような構成の光学モジュール１０では、入光面３を経て出光面４にて屈折した光は、図３に光路Ｒ１で示すように、全てロスすることなく光学モジュール１０の前方（光学レンズ２の光源１とは反対側の方向）へと制御され、なおかつ、真ん中に行く光はなく、左右に放射状に分割された光へと制御される。つまり、光学レンズ２の光軸Ｘ１を回転軸とし、真ん中部分の光をなくした（真ん中部分の光を左右方向に分けた）回転形状の光へと制御される。

図４には、ランバーシアンの指向特性を有する光源１からの光を、光学レンズ２により、真ん中部分（角度−３０°〜３０°）が抜けて、左右方向に分けたような指向特性が示されている。

このように、本発明の光学モジュール１０は、光源１からの光を、光学レンズ２により、真ん中部分が抜けて、左右方向に分けたような指向特性に変えるので、後述のように、この光学モジュール１０からの出射光をリフレクタ（反射面）または全反射レンズで制御するとき、光学レンズ２からの出射光において真ん中部分が抜けていることにより、従来技術（図２参照）における光路Ｒ０の部分がなくなり、遠くにおいても光の広がりを小さく抑えることが可能となる。

また、本発明の光学モジュール１０では、光学レンズ２のサイズを小さくできるので、光学レンズの重量を従来に比べて軽くすることができる。

図５は本発明の光学モジュール１０を用いた光学システムの一例を示す図である。図５を参照すると、この光学システムは、光学モジュール１０と、該光学モジュール１０からの出射光を制御するリフレクタ（反射面）１１とを有している。

図５の光学システムでは、図６に示すように、光学モジュール１０からの光（真ん中部分が抜けて、左右方向に広がった指向特性になった光路Ｒ１の光）をリフレクタ（反射面）１１によって前方に向けて（光源１が設けられている側とは反対側の方向に向けて）反射し光学レンズ２の光軸Ｘ１方向へと集光させることにより（図６の例では、光学レンズ２の光軸Ｘ１と平行な光にすることにより）、遠方においても光の広がりを抑えることができる。図７には、リフレクタ（反射面）１１からの光の指向特性の一例が示されており、図７から、光学モジュール１０からの光をリフレクタ（反射面）１１によって光軸Ｘ１とほぼ平行な光にすることができることがわかる。

また、図５の光学システムでは、光学レンズ２のサイズを小さくでき、リフレクタ（反射面）１１は肉抜き化できるので、軽量化を図ることができる。

なお、図５の光学システムにおいて、リフレクタ（反射面）１１は、ハウジング（筐体）を兼ねてもよく、これを例えばアルミダイキャストで作製すれば、ヒートシンク等の放熱部材にもなる。このように、リフレクタ（反射面）１１は、ハウジング（筐体）やヒートシンク等の放熱部材も兼ねることができ、この場合には、部品点数を削減し、組立て性能を向上させることができる。

図８は本発明の光学モジュール１０を用いた光学システムの他の例を示す図である。図８を参照すると、この光学システムは、光学モジュール１０と、光学モジュール１０（光学レンズ２）の周りに設けられ、該光学モジュール１０からの出射光を制御する全反射レンズ１２とを有している。

図８の光学システムでは、図９に示すように、光学モジュール１０からの光（真ん中部分が抜けて、左右方向に広がった指向特性になった光）を全反射レンズ１２によって前方に向けて（光源１が設けられている側とは反対側の方向に向けて）反射し光学レンズ２の光軸Ｘ１方向へと集光させることにより（図９の例では、光学レンズ２の光軸Ｘ１と平行な光にすることにより）、遠方においても光の広がりを抑えることができる。

なお、上述の各例では、光学レンズ２の入光面３は、図３に示すように、頂点Ｃを有する例えば円錐形状の凹部により構成されるとしたが、真ん中部分が抜けて、左右方向に分けたような指向特性をもたらすものであれば、円錐形状に限らず、例えば図１０（ａ）、（ｂ）に示すような断面形状の凹部により構成することもできる。また、光学レンズ２の出光面４は、真ん中部分が抜けて、左右方向に分けたような指向特性をもたらすものであれば、図３に示すような形状に限らず、例えば図１１（ａ）、（ｂ）に示すような断面形状のものにすることもできる。

また、上述の各例では、光学レンズ２の入光面３、出光面４は、光学レンズ２の光軸Ｘ１を回転軸とした回転体形状であるとしたが、光学レンズ２の入光面３、出光面４を多角形形状（例えば８角形形状など）のものにすることも可能である。

また、上述した光学システムを用いて、灯具（例えば、スポットライト）を構成することができ、この場合、スポットの広がりを抑えることができ、また、灯具の軽量化などを図ることができる。

本発明は、スポットライト照明、ビームライト照明、ライトアップ照明等の一般照明全般に利用可能である。

１ 光源
２ 光学レンズ
３ 入光面
４ 出光面
１０ 光学モジュール
１１ リフレクタ（反射面）
１２ 全反射レンズ

Claims (4)

1. 光学レンズの光軸上に頂点を有する凹部により構成され、光源からの光が入射される入光面と、該入光面からの光を外部に出射させる出光面とを有し、前記入光面は、該入光面に入射した光を前記光学レンズの光軸に対して外側方向に屈折させ、前記出光面は、前記光学レンズの光軸の方向を垂直方向とするとき、前記入光面からの光をより一層水平方向（光学レンズの光軸方向に対して垂直な方向）に屈折させるようになっていることを特徴とする光学レンズ。
2. 光を出射する光源と、請求項１記載の光学レンズとを備え、前記光源の光軸と前記光学レンズの光軸とを一致させ、前記光学レンズの入光面に前記光源からの光を入射させるようになっていることを特徴とする光学モジュール。
3. 請求項２記載の光学モジュールと、該光学モジュールからの出射光を制御するリフレクタ（反射面）または全反射レンズとを有していることを特徴とする光学システム。
4. 請求項３記載の光学システムが用いられていることを特徴とする灯具。

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