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発明の名称 照明装置
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2007−134316(P2007−134316A)
公開日 平成19年5月31日(2007.5.31)
出願番号 特願2006−258632(P2006−258632)
出願日 平成18年9月25日(2006.9.25)
代理人 【識別番号】100083806
【弁理士】
【氏名又は名称】三好 秀和
発明者 白土 昌孝 / 戸田 雅宏 / 廣野 方敏
要約 課題
光の有効利用効率を増加しつつ、大光量化を実現することができ、色斑や輝度斑を減少することができ、配光制御レンズの製作を容易に実現する照明装置を提供する。

解決手段
照明装置1において、半導体発光素子(第1の光源)10と、蛍光体(第2の光源)20と、平行光に近づける第1のレンズ面31と、第1の縮小レンズ面321をその面方向に複数並列に配設した第2のレンズ面32と、第1の縮小レンズ面321に対応する第2の縮小レンズ面411をその面方向に複数並列に配設した第3のレンズ面41とを備えている。
特許請求の範囲
【請求項1】
第1の光を発光する第1の光源と、
その発光する位置の少なくとも一部が前記第1の光源と異なり、前記第1の光とは異なる波長を有する第2の光を発光する第2の光源と、
前記第1の光及び前記第2の光を屈折させて平行光に近づける第1のレンズ面と、
前記第1のレンズ面において屈折される前記第1の光及び前記第2の光を屈折させる第1の縮小レンズ面をその面方向に複数並列に配設した第2のレンズ面と、
前記第2のレンズ面において屈折される前記第1の光及び前記第2の光を屈折させ、前記第1の縮小レンズ面に対応する第2の縮小レンズ面をその面方向に複数並列に配設した第3のレンズ面と、を備え、
前記第1の縮小レンズ面はそれに対応する第2の縮小レンズ面に前記第1の光及び前記第2の光を集光し、
1つの前記第1の縮小レンズ面及び1つの前記第2の縮小レンズ面によって屈折される前記第1の光及び前記第2の光の第1の照射領域の一部は、他の1つの前記第1の縮小レンズ面及び他の1つの前記第2の縮小レンズ面によって屈折される前記第1の光及び前記第2の光の第2の照射領域の一部に重なることを特徴とする照明装置。
【請求項2】
前記第1の光源は半導体発光素子であり、前記第2の光源は、前記半導体発光素子の前記第1の光の発光する領域を覆い、前記第1の光を受けて前記第2の光を発光する蛍光体であることを特徴とする請求項1に記載の照明装置。
【請求項3】
前記第1のレンズ面は、前記半導体発光素子に対向配置され、前記半導体発光素子側に突出する凸レンズ面であることを特徴とする請求項2に記載の照明装置。
【請求項4】
前記第1のレンズ面は、前記半導体発光素子に対向配置され、前記半導体発光素子側に突出するフレネルレンズ面であることを特徴とする請求項2又は請求項3に記載の照明装置。
【請求項5】
前記第2のレンズ面は、前記第1のレンズ面と前記第3のレンズ面との間に、前記第1のレンズ面及び前記第3のレンズ面に対向配置され、前記第1の縮小レンズ面は前記第3のレンズ面側に突出する凸レンズ面であることを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれかに記載の照明装置。
【請求項6】
前記第3のレンズ面は前記第2のレンズ面に対向配置され、前記第2の縮小レンズ面は前記第2のレンズ面側に突出する凸レンズ面であることを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれかに記載の照明装置。
【請求項7】
前記第1の縮小レンズ面はフレネルレンズ面であり、前記第2のレンズ面はフライアイレンズ面であることを特徴とする請求項5に記載の照明装置。
【請求項8】
前記第2の縮小レンズ面はフレネルレンズ面であり、前記第3のレンズ面はフライアイレンズ面であることを特徴とする請求項6に記載の照明装置。
【請求項9】
前記半導体発光素子は青色波長を有する前記第1の光を発光する発光ダイオードであることを特徴とする請求項2乃至請求項8のいずれかに記載の照明装置。
【請求項10】
前記蛍光体は黄色波長、又は黄色光と赤色光とを合成した波長を有する前記第2の光を発光することを特徴とする請求項2乃至請求項9のいずれかに記載の照明装置。
【請求項11】
青色光を発光する発光ダイオードと、
前記発光ダイオードの前記青色光を受けて黄色光を発光する蛍光体と、
前記青色光及び前記黄色光を屈折させて平行光に近づけるフレネルレンズ面と、
前記フレネルレンズ面を透過する前記青色光及び前記黄色光を屈折させ、複数の凸面を有する第1のフライアイレンズ面と、
前記第1のフライアイレンズ面を透過する前記青色光及び前記黄色光を屈折させ、複数の凸面を有する第2のフライアイレンズ面と、
を備えたことを特徴とする照明装置。
【請求項12】
1つの面に前記フレネルレンズ面を有し、他の1つの面に前記第1のフライアイレンズ面を有する第1のレンズと、
1つの面に前記第2のフライアイレンズ面を有する第2のレンズと、を備えたことを特徴とする請求項11に記載の照明装置。
【請求項13】
前記第2のレンズの他の1つの面が平面であることを特徴とする請求項12に記載の照明装置。
【請求項14】
前記第2のレンズの平面に光を拡散させる光拡散処理が施されていることを特徴とする請求項13に記載の照明装置。
【請求項15】
前記発光ダイオードを表面の中央部に実装する基板と、
前記基板表面の周辺部に配設され、前記発光ダイオードから発光される前記青色光を反射する反射体と、
前記基板表面の中央部及び前記反射体に囲まれた窪みに充填され、前記発光ダイオードを埋設する前記蛍光体と、を更に備えたことを特徴とする請求項11乃至請求項14のいずれかに記載の照明装置。
【請求項16】
前記発光ダイオード、前記蛍光体、前記反射体、前記第1のレンズ及び第2のレンズを備えた照明ユニットを、前記基板に複数個集積し、モジュール化したことを特徴とする請求項15に記載の照明装置。
【請求項17】
前記第1のレンズ面は、前記第1の光及び前記第2の光を屈折させて平行光に近づける屈折領域と前記第1の光及び前記第2の光を反射させて平行光に近づける反射領域とを有することを特徴とする請求項1乃至請求項10のいずれかに記載の照明装置。
【請求項18】
前記第1のレンズ面において、前記第1の光及び前記第2の光の光軸中心部分に屈折作用を利用する前記屈折領域を有し、前記屈折領域の周辺部分に全反射作用を利用する前記反射領域を有することを特徴とする請求項17に記載の照明装置。
【請求項19】
前記第1のレンズ面は、前記屈折領域において、前記第1の光源側及び第2の光源側に突出する突出面、前記光軸に対して交差する平面、又は前記第1の光及び前記第2の光を屈折させる屈折面と段差面とを前記光軸に対し交差する方向に交互に連続配列させた第1のプリズム連続面を有し、前記反射領域において、前記第1の光及び前記第2の光を入射する入射面とこの入射された前記第1の光及び前記第2の光を反射する反射面とを前記光軸に対して交差する方向に交互に連続配列させた第2のプリズム連続面を有するフレネルレンズ面であることを特徴とする請求項17又は請求項18に記載の照明装置。
【請求項20】
前記第1のレンズ面において、前記屈折領域の前記第1のプリズム連続面の前記屈折面と前記段差面とがなす最上点と、前記反射領域の前記第2のプリズム連続面の前記入射面と前記反射面とがなす最上点とが、同一平面上に存在することを特徴とする請求項19に記載の照明装置。
【請求項21】
前記第1のレンズ面において、前記屈折領域の前記第1のプリズム連続面の前記屈折面と前記段差面とがなす最下点と、前記反射領域の前記第2のプリズム連続面の前記入射面と前記反射面とがなす最下点とが、同一平面上に存在することを特徴とする請求項19に記載の照明装置。
【請求項22】
前記第1のレンズ面において、前記反射領域の前記第2のプリズム連続面の前記入射面と前記反射面とがなす頂角がすべてにおいて同一であることを特徴とする請求項19乃至請求項21のいずれかに記載の照明装置。
【請求項23】
前記第1のフライアイレンズ面又は前記第2のフライアイレンズ面は、フライアイピッチa、フライアイ曲率半径r、フライアイ高さhと定義したとき、下記式を満たすことを特徴とする請求項11に記載の照明装置。
【数1】


発明の詳細な説明
【技術分野】
【0001】
本発明は、照明装置に関し、特に半導体発光素子及びその配光制御を行う光学系を備えた照明装置に関する。更に詳細には、本発明は、発光ダイオード及びその配光制御を行う光学系を備え、店舗照明、オフィス照明、住居照明等の照明装置に適用して有効な技術に関する。
【背景技術】
【0002】
白色LED(発光ダイオード:light emitting diode)を光源とする照明装置において、配光制御レンズには、砲弾型レンズ、全反射複合レンズ又はフライアイレンズが一般的に使用されている。
【0003】
砲弾型レンズはインジケータ用途に最も多く用いられるタイプである。例えば、下記特許文献1に記載されているように、砲弾型レンズは楕円形状或いは球と円柱とを組み合わせた形状を有する樹脂製レンズである。図25に示すように、照明装置(LEDランプ)100は、砲弾型レンズ101の内部に発光ダイオードチップ102を埋め込むことによって製作されている。発光ダイオードチップ102はリード103のインナー部において実装され、発光ダイオードチップ102の一方の主電極端子とリード103との間は電気的に接続されている。発光ダイオードチップ102の他方の主電極端子はリード104にワイヤ105を通して電気的に接続されている。砲弾型レンズ101は、発光ダイオードチップ(光源)102から発せられる光の大半を前方(照射方向D1)の狭角内に集中させ、狭い配光特性を有する照明装置100を容易に製作することができる。
【0004】
ところが、この種の砲弾型レンズ101を使用する照明装置100においては、発光ダイオードチップ102の照射方向D1の周囲方向D2に発せられた光を有効に利用することができず、これらの光は損失となって光の利用効率を十分に得ることができない。また、砲弾型レンズ101を使用する照明装置100においては、発光ダイオードチップ102を樹脂製レンズである砲弾型レンズ101の内部に埋め込んでしまうので放熱性が悪くなり、消費電力が大きく、発熱量の大きな大光量発光ダイオードを使用することが難しい。このような技術的な課題から、店舗照明、オフィス照明、住居照明等、大光量を必要とする照明装置として、弾丸型レンズ101を使用する照明装置100は不向きである。
【0005】
このような砲弾型レンズ101に代えて、大光量を必要とする照明装置には、下記特許文献2乃至特許文献4に記載されている全反射複合レンズ、又は下記特許文献5に記載されている発光ダイオードから発せられた光を単レンズや単ミラー等によってコリメートさせる方式が採用される傾向にある。図26に示すように、照明装置200は、屈折レンズとその周囲に全反射面とを組み合わせた形状を有する全反射複合レンズ201を基板203に実装された発光ダイオードチップ202上に搭載することによって製作されている。この全反射複合レンズ201を使用する照明装置200においては、発光ダイオードチップ202から照射方向D1に発せられた光は屈折レンズによってコリメートされ、照射方向D1の周囲方向D2に発せられた光は全反射面によって照射方向D1に向かって反射させることができる。すなわち、発光ダイオードチップ202から発せられたあらゆる方向の光の大半が照射方向D1にコリメートされるので、光の有効利用効率が非常に高い。また、全反射複合レンズ201を採用する照明装置200においては、発光ダイオードチップ202の発光動作によって発生する熱を基板203を通して放熱することができるので、大光量発光ダイオードを使用することができ、大光量を必要とする照明装置への応用が期待されている。
【0006】
フライアイレンズを使用する照明装置は例えば下記特許文献6に記載されている。この照明装置においては、フライアイレンズを使用することによって特定の被照射範囲にのみ光照射を行うことができるとともに、装置全体の薄型化を実現することができる特徴がある。
【特許文献1】特許第3065263号公報
【特許文献2】特公平4−36588号公報
【特許文献3】特開2003−281909号公報
【特許文献4】米国特許第5,757,557号
【特許文献5】米国特許第6,896,381号
【特許文献6】特開2005−190954号公報
【特許文献7】特開平5−152609号公報
【特許文献8】特開平7−99345号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
しかしながら、前述の全反射複合レンズ201を採用する照明装置200においては、以下の点について配慮がなされていなかった。この種の照明装置200は基本的には光源像を無限遠に投影するクリティカル照明の光学系を採用しているので、光源上に色斑や輝度斑が存在すると、この色斑や輝度斑はそのまま被照射面上に投影されてしまう。白色発光ダイオードの代表的な発光方式は下記の通りである。
(1)上記特許文献7、特許文献8等に記載されているように、青色光発光ダイオードチップの周囲に黄色蛍光層を配設し、発光ダイオードから発せられた青色光の一部を黄色光に変換し、青色光と黄色光とを混合させて白色光を発する方式
(2)赤色光、緑色光、青色光の3色の発光ダイオードを発光させ、これら3色光を混合させて白色光を発する方式
(3)近紫外光発光ダイオードチップの周囲にRGBの蛍光層を配設し、発光ダイオードから発せられた近紫外光を蛍光層を通して白色光に変換する方式
これらの発光方式のうち、上記(1)の発光方式は、他の発光方式に比べて発光効率が約3割以上高く、店舗照明、オフィス照明、住居照明等、大光量を必要とする照明装置において現実的な選択肢となっている。ところが、全反射複合レンズ201を採用する照明装置200において、上記(1)の発光方式を採用した結果、発光ダイオードチップ202から発せられる青色光とその周囲の黄色蛍光層から発せられる黄色光との色斑や輝度斑が全反射複合レンズ201を通してそのまま被照射面に投影されてしまい、均一な白色光を得ることが難しかった。また、上記(2)の発光方式を採用しても同様に均一な白色光を得ることが難しかった。
【0008】
また、全反射複合レンズ201は屈折レンズと全反射面とを組み合わせた立体的形状を有するレンズであり、この全反射複合レンズ201の製作コスト(成型コスト)が高く、照明装置200の製品価格の上昇を避けることが難しかった。また、全反射複合レンズ201は複雑な立体的形状を有するレンズであるために、複数の全反射複合レンズ201を一体的に製作するモジュール化に適していない。
【0009】
更に、前述の特許文献6に記載されたフライアイレンズを採用する照射装置は、発光ダイオードとフライアイレンズとの間にコリメーションレンズを配置し、このコリメーションレンズによって発光ダイオードから発せられる光を平行光に屈折し、フライアイレンズを出射後の光の配光角度を30度未満に設定している。ところが、設定された配光角度以上の光は拾わられずに損失になってしまうので、光の有効利用効率を十分に得ることができなった。
【0010】
また、フライアイレンズのレンズ表面は細かな凹凸が存在しているので、汚れや埃が溜まり易く、この汚れや埃は光を遮ってしまうので、光の有効利用効率を低下する要因になっている。
【0011】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、色斑を減少することができる照明装置を提供することである。
【0012】
更に、本発明の目的は、色斑を減少しつつ、光の有効利用効率を向上することができる照明装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0013】
本発明の実施の形態に係る第1の特徴は、照明装置において、第1の光を発光する第1の光源と、その発光する位置の少なくとも一部が第1の光源と異なり、第1の光とは異なる波長を有する第2の光を発光する第2の光源と、第1の光及び第2の光を屈折させて平行光に近づける第1のレンズ面と、第1のレンズ面において屈折される第1の光及び第2の光を屈折させる第1の縮小レンズ面をその面方向に複数並列に配設した第2のレンズ面と、第2のレンズ面において屈折される第1の光及び第2の光を屈折させ、第1の縮小レンズ面に対応する第2の縮小レンズ面をその面方向に複数並列に配設した第3のレンズ面と、を備え、第1の縮小レンズ面はそれに対応する第2の縮小レンズ面に第1の光及び第2の光を集光し、1つの第1の縮小レンズ面及び1つの第2の縮小レンズ面によって屈折される第1の光及び第2の光の第1の照射領域の一部は、他の1つの第1の縮小レンズ面及び他の1つの第2の縮小レンズ面によって屈折される第1の光及び第2の光の第2の照射領域の一部に重なることである。
【0014】
本発明の実施の形態に係る第2の特徴は、照明装置において、青色光を発光する発光ダイオードと、発光ダイオードの青色光の発光する領域を覆い、青色光を受けて黄色光を発光する蛍光体と、青色光及び黄色光を屈折させて平行光に近づけるフレネルレンズ面と、フレネルレンズ面を透過する青色光及び黄色光を屈折させ、複数の凸面を有する第1のフライアイレンズ面と、第1のフライアイレンズ面を透過する青色光及び黄色光を屈折させ、複数の凸面を有する第2のフライアイレンズ面と、を備えたことである。
【0015】
本発明の実施の形態に係る第3の特徴は、照明装置において、第1の光を発光する第1の光源と、その発光する位置の少なくとも一部が第1の光源と異なり、第1の光とは異なる波長を有する第2の光を発光する第2の光源と、第1の光及び第2の光を屈折させて平行光に近づける屈折領域と第1の光及び第2の光を反射させて平行光に近づける反射領域とを有する第1のレンズ面と、第1のレンズ面において屈折並びに反射される第1の光及び第2の光を屈折させる第1の縮小レンズ面をその面方向に複数並列に配設した第2のレンズ面と、第2のレンズ面において屈折される第1の光及び第2の光を屈折させ、第1の縮小レンズ面に対応する第2の縮小レンズ面をその面方向に複数並列に配設した第3のレンズ面と、を備え、第1の縮小レンズ面はそれに対応する第2の縮小レンズ面に第1の光及び第2の光を集光し、1つの第1の縮小レンズ面及び1つの第2の縮小レンズ面によって屈折される第1の光及び第2の光の第1の照射領域の一部は、他の1つの第1の縮小レンズ面及び他の1つの第2の縮小レンズ面によって屈折される第1の光及び第2の光の第2の照射領域の一部に重なることである。
【発明の効果】
【0016】
本発明によれば、色斑を減少することができる照明装置を提供することができる。
【0017】
更に、本発明によれば、色斑を減少しつつ、光の有効利用効率を向上することができる照明装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0018】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【0019】
(第1の実施の形態)
[照明装置の構成]
図1に示すように、本発明の第1の実施の形態に係る照明装置1は、第1の光を発光する半導体発光素子10(第1の光源)と、半導体発光素子10の第1の光の発光する領域を覆い、第1の光を受けて第1の光とは異なる波長を有する第2の光を発光する蛍光体20(第2の光源)と、第1の光及び第2の光を屈折させて平行光に近づける第1のレンズ面31と、第1のレンズ面31において屈折される第1の光及び第2の光を屈折させる第1の縮小レンズ面321をその面方向に複数並列に配設した第2のレンズ面32と、第2のレンズ面32において屈折される第1の光及び第2の光を屈折させ、第1の縮小レンズ面321に対応する第2の縮小レンズ面411をその面方向に複数並列に配設した第3のレンズ面42とを備えている。照明装置1において、第2のレンズ面32の第1の縮小レンズ面321は、それに対応する第3のレンズ面41の第2の縮小レンズ面411に第1の光及び第2の光を集光する。更に、照明装置1においては、第2のレンズ面32の1つの第1の縮小レンズ面321及び第3のレンズ面41の1つの第2の縮小レンズ面411によって屈折される第1の光及び第2の光の第1の照射領域51の一部は、他の1つの第1の縮小レンズ面321及び他の1つの第2の縮小レンズ面411によって屈折される第1の光及び第2の光の第2の照射領域52の一部に重なる。第1の照射領域51、第2の照射領域52はいずれも照明装置1から発せられた第1の光及び第2の光が無限遠において被照射面50に投影された領域である。
【0020】
ここで、無限遠とは、点光源から発した光線が平行になると考えられる極限点を意味し、実際には室内天井に照明装置1を設置した場合に照明装置1から十分離れた面、例えば机上や床面、壁面に相当する。
【0021】
第1の実施の形態に係る照明装置1は、店舗照明、オフィス照明、住居照明等、大光量を必要とする照明装置として構築されている。従って、照明装置1には、他の白色光の発光方式に比べて発光効率が高い、青色光(波長=400nm〜500nm)を発する半導体発光素子10とそれから発する青色光の一部を波長が異なる黄色光(波長=500nm〜700nm)に変換する黄色蛍光層により形成された蛍光体20とを備え、青色光と黄色光とを混合させて白色光を発する方式が採用されている。図6には青色光並びに黄色光について波長と発光強度との関係を示す。図中、横軸は波長(nm)、縦軸は発光強度である。なお、蛍光体20は、黄色光と赤色光とを合成した波長を有する第2の光を発するようにしてもよい。
【0022】
半導体発光素子10には第1の実施の形態において青色光発光ダイオード(半導体チップ)が使用されている。具体的には、窒化ガリウム(GaN)を主組成とする青色光発光ダイオード、酸化亜鉛(ZnO)を主成分とする青色光発光ダイオード又はセレン化亜鉛(ZnSe)を主組成とする青色光発光ダイオードを実用的に使用することができる。
【0023】
図2に示すように、半導体発光素子10は基板11上に実装され、この実装された半導体発光素子10上には蛍光体20が配設されている。蛍光体20は、半導体発光素子10の上面及び側面を覆い、半導体発光素子10を埋設するように設けられている。基板11は、ベース110と、ベース110上の絶縁体111と、絶縁体111上の回路パターン112と、反射面113Rを有する反射体113と、反射面113Rによって側面周囲を取り囲みベース110の一部の表面(実質的には回路パターン112の一部の表面)を底面とする窪み(凹部)114とを備えている。
【0024】
基板11のベース110は、半導体発光素子10の発光動作によって発生する熱をその裏面から効率良く放熱することができるように、高熱伝導率材料、具体的にはアルミニウム基板により形成されている。また、ベース110には、ガラスエポキシ樹脂、エンジニアリングプラスチック、窒化アルミニウム等の高熱伝導率材料を実用的に使用することができる。
【0025】
絶縁体111は回路パターン112とベース110との間の電気的短絡を防止する。絶縁体111は、ベース110までの熱抵抗を減少するために薄膜化しても十分な絶縁耐圧を確保することができるシリコン酸化膜やシリコン窒化膜により形成されている。
【0026】
回路パターン112は、その平面レイアウトを示していないが、半導体発光素子10の表面の主電極端子にワイヤを通して電気的に接続される第1の配線経路と、半導体発光素子10の裏面の主電極端子に接合材を通して電気的に接続される第2の配線経路とを構築する。回路パターン112は、第1の実施の形態において、3層の金属層により構成されている。回路パターン112の最下層は、絶縁体112上に直接形成され、高電気伝導率材料並びに高熱伝導率を有する例えば銅箔により形成されている。中間層は、銅箔表面上に形成され、高光反射率を有する例えばニッケルめっき層により形成されている。最上層は、ニッケルめっき層上に形成され、高電気伝導率並びに高熱伝導率を有し更に半導体発光素子10の裏面との接合性の良い銅めっき層により形成されている。また、回路パターン112は、金、銀等の貴金属材料により形成してもよい。
【0027】
反射体113は、半導体発光素子10を実装する領域となる窪み114を生成するとともに、基板11の表面に対して垂直な照射方向D1に向かって、半導体発光素子10から周囲方向D2に向かって発せられる光を反射する反射面113Rを生成する。反射体113は、反射面113R並びに窪み114を成型法によって容易に製作することができ、光反射率が高い、ポリブチレンテレフタレート(PBT)、ポリカーボネート(PC)等の樹脂材料によって形成されている。
【0028】
蛍光体20は、蛍光材料例えばイットリウムアルミニウムガーネット(YAG)等をシリコーン樹脂、エポキシ樹脂、変形エポキシ樹脂等の透明性の高い樹脂中に分散したものを窪み114に充填し硬化させることにより形成されている。図3(A)、図3(B)及び図3(C)に示すように、例えば半導体発光素子10のサイズ(発光ダイオードチップの一辺の長さ)が0.3mm〜1.0mmのとき、蛍光体20は、直径Lが2.5mm〜3.5mmの円形上面と、高さHが0.5mm〜1.0mmの傾斜側面(テーパ面)と、上面に比べて直径が小さい円形下面とを有する円柱形状(正確には、頂点側の一部を底面に対して平行に切り落とした逆円錐形状)により形成されている。
【0029】
図1に示すように、第1の実施の形態において、照明装置1の配光制御レンズつまり光学系を構築する第1のレンズ面31及び第2のレンズ面32は第1のレンズ30の対向面にそれぞれ配設され、第3のレンズ面41は第2のレンズ40の1面に配設されている。第2のレンズ40の第3のレンズ面41に対向する他の一面には第4のレンズ面42が配設されている。
【0030】
第1のレンズ面31は、半導体発光素子10に対向配置され、半導体発光素子10側に突出した凸レンズの作用を持つ面である。第1のレンズ面31は、半導体発光素子10から発せられた第1の光並びに蛍光体20から発せられた第2の光をより多く集光し、照射方向D1に向かって平行光に近づける機能を有する。図1及び図4に示すように、第1のレンズ面31は、更に第1のレンズ30自体の薄型化を実現するために、フレネルレンズ面により構築されている。フレネルレンズ面は、図5に示すように、同心円とする縞状に1つの凸レンズ面31Bをレンズ面の曲率半径はそのままとして細分化して複数の輪帯状のレンズ面を生成し、中心位置の輪帯状のレンズ面に向かって周縁の輪帯状のレンズ面をレンズの厚さ方向に平行移動させるような断面形状を有する。
【0031】
第2のレンズ面32は、第1のレンズ30の第1のレンズ面31に対向配置される。また、第1の縮小レンズ321は、第2のレンズ40の第3のレンズ面41側に向かって突出する凸レンズ面である。すなわち、第2のレンズ面32は、第1のレンズ面31と第3のレンズ面41との間に配設され、第1のレンズ面31及び第3のレンズ面41の双方に対向配置されている。第2のレンズ面32は、図1に示すように、第1のレンズ面31において屈折され平行光に近づけられた第1の光及び第2の光を集光し、第3のレンズ面41に光源像を結ぶ機能を有する。図1及び図4に示すように、第2のレンズ面32は、開口値を狭くし、第1のレンズ30の厚さを薄くするために、平面方形形状の第1の縮小レンズ321をレンズ面方向に行列状に配列したフライアイレンズ面において構成されている。
【0032】
このような第1のレンズ面31及び第2のレンズ面32を有する第1のレンズ30は、光透過率が高く、成型加工が容易に行えるアクリル、ポリカーボネート等の樹脂材料により形成されている。
【0033】
第3のレンズ面41は、第2のレンズ40の第4のレンズ面に対向配置される。また、第2の縮小レンズ面411は、第2のレンズ面32に向かって突出する凸レンズ面である。第3のレンズ面41は、図1に示すように、第2のレンズ面32において屈折され集光された第1の光及び第2の光を被照射面50に向かって無限遠方に放出する。すなわち、第3のレンズ面41は、コンデンサレンズと等価であり、配光制御を行う。第3のレンズ面41は、図1及び図4に示すように、第2のレンズ面32の複数の第1の縮小レンズ面321に、各々、一対一対応において配設された複数の第2の縮小レンズ面411をレンズ面方向に行列状に配列したフライアイレンズ面において構成されている。前述の第1の縮小レンズ面321は、第2の縮小レンズ面411までの間の短い距離において光源像を結ぶために、レンズ面の曲率半径を小さく設定してある。これに対して、第2の縮小レンズ面411は、レンズ面上に結ばれた光源像を無限遠方に放出するために、レンズ面の曲率半径を第1の縮小レンズ面321に比べて大きく設定してある。
【0034】
第4のレンズ面42は、図1に示すように、第3のレンズ面41に対向配置されるとともに、被照射面50に対向配置される。図1及び図4に示すように、第4のレンズ面42は平面レンズである。平面レンズの表面には汚れや埃が付着しにくいので、照明装置1の長時間の使用に伴う、汚れや埃の付着に起因する光有効利用率の低下を防止することができる。更に、必要に応じて第4のレンズ面42には光を拡散させる光拡散処理を施すことができる。具体的には、レンズ面42の表面粗さを大きくする処理や光拡散処理を目的とするコーティング材のコーティング処理、光拡散処理を目的とするフィルムのラミネート処理であり、第4のレンズ面42に入射した第1の光及び第2の光を拡散することを目的としている。
【0035】
このような第3のレンズ面41及び第4のレンズ面42を有する第2のレンズ40は、第1のレンズ30と同様に、光透過率が高く、成型加工が容易に行えるアクリル、ポリカーボネート等の樹脂材料により形成されている。
【0036】
[照明装置の配光制御方法]
次に、前述の照明装置1において、配光制御方法を説明する。まず最初に、前述の図23に示す全反射複合型レンズ201を採用する照明装置200は、青色光発光ダイオード202と黄色蛍光層とを組み合わせて白色光を発しており、光有効利用効率に優れている。図7はこの照明装置200から照射される光の配光分布を示す。図中、横軸は配光角度、縦軸は光強度を示す。図7に示すように、中心付近の配光角度が狭い領域において青色光の光強度が強く、青色光の周囲の配光角度が広い領域において黄色味を帯びている。レンズ形状により数値は変化するが、例えば青色光の光強度は黄色光の光強度に対して2倍〜4倍程度強い。このような配光分布を有する光を全反射型複合レンズ201のようなクリティカル照明タイプのレンズを用いて配光制御を行うと、特定方向に青味が強い照明となり、被照射面上に強い色斑や輝度斑が発生する。
【0037】
これは、青色発光ダイオード202のサイズが蛍光体20のサイズに比べて非常に小さい、すなわち第1の光(青色光)の発光する部分の位置と第2の光(黄色光)の発光する位置とに異なる部分があることに起因する。従って、第1の光源において発光される第1の光と第2の光源において発光される第2の光とを混合する照明装置であって、第1の光の発光する部分の位置と第2の光(黄色光)の発光する位置とに異なる部分がある照明装置に、全反射複合レンズ201のようなクリティカル照明タイプのレンズを用いて配光制御を行うと、特定方向に第1の光または第2の光の成分が強い照明となり、被照射面上に強い色斑や輝度斑が発生する。
【0038】
これに対して、第1の実施の形態に係る照明装置1においては、図1に示すように、半導体発光素子10から発せられた第1の光(青色光)及び第1の光を受けて蛍光体20から発せられる第2の光(黄色光)は第1のレンズ面(フレネルレンズ面)31によって屈折され平行光に近づけられ、この平行光は第2のレンズ面(フライアイレンズ面)32の全体的に照射される。第2のレンズ面32は、このように全体的に照射された平行光を更に屈折させかつ集光させ、第3のレンズ面(フライアイレンズ面)41又は第3のレンズ面41付近に光源像を結ぶ。第3のレンズ面41は、第2のレンズ面32上の各第1の宿小レンズ面321のややボケた像を無限遠に投影し、結果的に第1の光及び第2の光をほぼ同じ分布形状で被照射面50に照射することができる。
【0039】
また、第2のレンズ面32の第1の縮小レンズ面321によって集光された光源像を対応する第3のレンズ面41の第2の縮小レンズ面411の開口中に結ぶように制御すると、第1の縮小レンズ面321を透過した光は第2の縮小レンズ面411を透過する。従って、第1の縮小レンズ面321と第2の縮小レンズ面411との間において、光損失が減少し、光有効利用率を向上することができる。
【0040】
また、図8に示すフライアイレンズを使用した配光制御レンズにおいては、第1の縮小レンズ面321(2)及びそれに対応する第2の縮小レンズ面411(2)の共通の光軸(中心軸)La上に光源15が存在しない場合、光源15から発せられた光は第1の縮小レンズ面321(2)を透過し双方の延長上の他の第2の縮小レンズ面411(1)に光源像を結ぶ。このような場合には光の損失になる。これに対して、第1の実施の形態に係る照明装置1においては、光源15(半導体発光素子10)と第2のレンズ面32の第1の縮小レンズ面321との間に第1のレンズ面(フレネルレンズ面)31を配設し、第1の縮小レンズ面321(1)及びそれに対応する第2の縮小レンズ面411(1)の共通の光軸La上、第1の縮小レンズ面321(2)及びそれに対応する第2の縮小レンズ面411(2)の共通の光軸La上、…のすべての光軸La上に半導体発光素子10が見かけ上存在するように設定されている。すなわち、半導体発光素子10から発せられた光は第1の縮小レンズ面321を透過しそれに一対一対応の第2の縮小レンズ面411に光源像を結ぶ。従って、第1の縮小レンズ面321と第2の縮小レンズ面411との間において、光損失が減少し、光有効利用率を向上することができる。
【0041】
ここで、前述の全反射複合レンズ201を採用する照明装置200において利用するクリティカル照明と第1の実施の形態に係る照明装置1において利用するケーラー照明との違いについて、簡単に説明する。なお、ここでは説明の都合上、後述するコンタクトレンズやコンデンサレンズ、平行化レンズの各レンズにおける乱反射や減衰等の外乱をゼロと仮定した、理想状態の光学系を前提として説明する。すなわち、第1の実施の形態に係る照明装置1では、外乱による光有効利用効率の減少や光の損失が存在する。
【0042】
まず、クリティカル照明は、図9に示すように、光源15と被照射面50とが光学的に共役な関係(結像関係)になる照明方式であり、光源15と被照射面50との間にコンデンサレンズ45が配置されている。光源15の発光面内に色斑や輝度斑が存在する場合には、被照射面50にも同様の色斑や輝度斑が発生する。前述の図23に示す全反射複合型レンズ201を使用する照明装置200はこのクリティカル照明に近い構成である。
【0043】
一方、ケーラー照明は、図10に示すように、コレクタレンズ35及びコンデンサレンズ45の2枚のレンズを使用し、光源15とコンデンサレンズ45とが光学的に共役な関係になり、コレクタレンズ35と被照射面50とが光学的に共役な関係になる照明方式である。光源15において発光位置毎に色斑や輝度斑が存在する場合であっても、色や輝度の方向依存性は比較的緩やかに変化する場合が多い。コレクタレンズ35は、細かな斑を持たないように、光源によって比較的一様に照明される。このコレクタレンズ35の開口内の照度分布が被照射面50に投影されるので、被照射面50はコレクタレンズ35と同様にほぼ一様に照明される。また、コレクタレンズ35によって光源15の像がコンデンサレンズ45の開口内に結ばれる場合には、コレクタレンズ35を通過した光はすべてコンデンサレンズ45を通過することになる。従って、光の損失を減少することができるので、光有効利用効率を向上することができる。
【0044】
そして、このケーラー照明を更に高度化した照明方式がフライアイインテグレータと呼ばれる照明方式であり、第1の実施の形態に係る照明装置1に利用されている照明方式である。図11に示すように、フライアイインテグレータ照明においては、コンタクトレンズ35に相当するフライアイレンズの個々の縮小レンズ351と、それに対応するコンデンサレンズ45に相当するフライアイレンズの個々の縮小レンズ451との組が各々ケーラー照明方式を担っている。光源15から発せられた光は平行化レンズ36によって屈折され平行に近づけられる。この平行に近づけられた光は縮小レンズ351によって屈折かつ集光され、縮小レンズ451に光源像が結ばれる。この光源像は縮小レンズ451によって無限遠に投影される。
【0045】
このフライアイインテグレータ照明方式を採用する照明装置の全体の大きさに比べて、被照射面50に投影される照射領域の大きさは充分に大きい。従って、各組の縮小レンズ451から無限遠方に投影される照射領域は互いに重なり合い、被照射面50において同一領域を照明することができる。
【0046】
[照明装置の利点]
図12は図1等に示す第1の実施の形態に係る照明装置1から照射される光の配光分布を示す。図中、横軸は配光角度、縦軸は光強度を示す。図12に示すように、半導体発光素子(青色光発光ダイオード)10から発せられる青色光の光強度並びに配光角度は、蛍光体(黄色蛍光層)20から発せられる黄色光の光強度並びに配光角度とほぼ一致する。つまり、双方の配光分布は一致しており、結果として、色斑や輝度斑が殆ど発生しない、すなわち色温度の照射位置によるばらつきの少ない店舗照明、オフィス照明、住居照明等、大光量を必要とする照明装置1を実現することができる。
【0047】
更に、第1の実施の形態に係る照明装置1においては、第1のレンズ面31をフレネルレンズ面とし、第2のレンズ面32をフライアイレンズ面としているので、第1のレンズ30を薄肉板状に製作することができ、第3のレンズ面41をフライアイレンズ面とし、第4のレンズ面42を平面レンズとしているので、第2のレンズ40を同様に薄肉板状に製作することができる。すなわち、照明装置1の配光制御レンズを薄肉板状のレンズのみにより構成することができるので、照明装置1の製作コスト特に第1のレンズ30及び第2のレンズ40の製作コストを減少することができる。また、照明装置1を複数個配列したモジュール化を実現することができる。
【0048】
例えば、第1のレンズ30、第2のレンズ40のそれぞれを射出成形法によって製作する場合、樹脂製レンズは表面から内部に向かって徐々に硬化する。樹脂製レンズが薄肉板状であれば、硬化の際に発生する収縮や歪みが小さくなり、樹脂製レンズの形状に歪みが発生しにくく、更に複屈折の発生を防止することができる。また、成形性が向上し、モジュール化が容易になる。
【0049】
また、樹脂製レンズの内部の硬化が完了するまでに要する時間は、例えば樹脂製レンズの厚みの二乗に略比例する。前述の全反射複合型レンズ201は厚みがあるので樹脂の硬化に時間を必要とする。これに対して、第1の実施の形態に係る照明装置1の第1のレンズ30、第2のレンズ40はいずれも薄肉板状に製作されているので、樹脂の硬化時間が短くなり、射出成形装置の製作時間が短くなる。従って、照明装置1の製作コストの低減並びに製作時間の短縮に寄与する。
【0050】
更に、第4のレンズ面42は平面レンズであるので、汚れや埃が付着しにくく、又付着しても拭き取り易い。従って、照明装置1の汚れや埃に起因する光有効利用効率の低下を防止することができる。
【0051】
(第2の実施の形態)
本発明の第2の実施の形態は、前述の第1の実施の形態に係る照明装置1を複数個集積してモジュール化した例を説明するものである。なお、第2の実施の形態並びに後述する実施の形態において、前述の第1の実施の形態において説明した構成要素と同一の構成要素には同一符号を付け、その同一の構成要素の説明は重複するので省略する。
【0052】
第2の実施の形態に係る照明装置1は、図13に示すように、半導体発光素子(発光ダイオード)10、蛍光体20、反射体113、第1のレンズ30及び第2のレンズ40を備えた照明ユニット1A〜1Fを基板11に複数個集積し、モジュール化されている。第2の実施の形態においては合計6個の照明ユニット1A〜1Fが行列状に配列されているが、本発明はこの照明ユニット数に限定されるものではなく、必要とする光量や用途に応じて照明ユニット数を変更することができる。
【0053】
基板11は各々の照明ユニット1A〜1Fに共通である。また、図13、図14及び図15に示すように、各々の照明ユニット1A〜1Fの、第1のレンズ面(フレネルレンズ面)31及び第2のレンズ面(フライアイレンズ面)32を有する第1のレンズ30は一体成型されている。更に、図13、図15及び図16に示すように、各々の照明ユニット1A〜1Fの、第3のレンズ面(フライアイレンズ面)41及び第4のレンズ面(平面レンズ)42を有する第2のレンズ40は同様に一体成型されている。第1のレンズ30、第2のレンズ40は、いずれも薄肉板状に製作することができるので、各々の照明ユニット1A〜1F間において一体成型により製作することができる。第1のレンズ30及び第2のレンズ40は、基板11の周縁部に取り付けられた枠体60に取り付けられ、支持されている。
【0054】
第2の実施の形態に係る照明装置1においては、店舗照明、オフィス照明、住居照明等、必要な光量に応じて、照明ユニット1A〜1Fを容易にモジュール化することができる。
【0055】
(第3の実施の形態)
本発明の第3の実施の形態は、前述の第1の実施の形態に係る照明装置1又は第2の実施の形態に係る照明装置1の光有効利用効率を向上する例を説明するものである。
【0056】
[照明装置の第1の構成]
図17に示すように、第3の実施の形態に係る照明装置1は、基本的には前述の図1に示す照明装置1と同様の構造を備え、第1の光を発光する半導体発光素子10(第1の光源)と、半導体発光素子10の第1の光の発光する領域を覆い、第1の光を受けて第1の光とは異なる波長を有する第2の光を発光する蛍光体20(第2の光源)と、第1の光及び第2の光を屈折させて平行光に近づける屈折領域311と第1の光及び第2の光を反射させて平行光に近づける反射領域312とを有する第1のレンズ面31と、第1のレンズ面31において屈折並びに反射される第1の光及び第2の光を屈折させる第1の縮小レンズ面321をその面方向に複数並列に配設した第2のレンズ面32と、第2のレンズ面32において屈折される第1の光及び第2の光を屈折させ、第1の縮小レンズ面321に対応する第2の縮小レンズ面411をその面方向に複数並列に配設した第3のレンズ面42とを備えている。第2のレンズ面32の第1の縮小レンズ面321は、それに対応する第3のレンズ面41の第2の縮小レンズ面411に第1の光及び第2の光を集光する。更に、照明装置1においては、第2のレンズ面32の1つの第1の縮小レンズ面321及び第3のレンズ面41の1つの第2の縮小レンズ面411によって屈折される第1の光及び第2の光の第1の照射領域51の一部は、他の1つの第1の縮小レンズ面321及び他の1つの第2の縮小レンズ面411によって屈折される第1の光及び第2の光の第2の照射領域52の一部に重なる(図1参照。)。第1の照射領域51、第2の照射領域52はいずれも照明装置1から発せられた第1の光及び第2の光が無限遠において被照射面50に投影された領域である。
【0057】
第1のレンズ30の第1のレンズ面31においては、第1の光及び第2の光の光軸La中心部分に屈折作用を利用する屈折領域311が配設され、この屈折領域311の周辺部分に全反射作用を利用する反射領域312が配設されている。第3の実施の形態に係る屈折領域311には、更に光軸La中心及びその周囲に半導体発光素子10及び蛍光体20側に突出する突出面3111と、この突出面3111の周囲であって光軸Laに対し交差する方向(ここでは垂直方向)に第1の光及び第2の光を屈折させる屈折面3112bと段差面3112aとを交互に連続配列させた第1のプリズム連続面3112とが配設されている。
【0058】
屈折領域311の突出面3111は、光軸Laと光源(半導体発光素子10及び蛍光体20)から発せられる第1の光及び第2の光とのなす角度θが例えば10度以下と小さく、略平行光に近い領域に配設されている。突出面3111は、第1の構造において、例えば150度〜180度の範囲内の頂角を有する円錐形状により構成されている。
【0059】
屈折領域311の第1のプリズム連続面3112はフレネルレンズ面である。この第1のプリズム連続面3112は、図18に示すように、光源を中心に光軸Laに対して屈折面3112bがなす角度を30度以下に設定している。つまり、光源から発せられる第1の光及び第2の光は屈折面3112bに入射され、この入射された第1の光及び第2の光は平行光に近づけられる。段差面3112aは前述の図5に示す理論に従い光軸Laに一致させている。
【0060】
図19に示す屈折面3112bの傾き角度θは、光源中心から屈折面3112bに至る光線と光軸との成す角度θ、レンズの屈折率nに対して、下記に示す(1)式を満たすように決めることが理想的である。
【数2】


【0061】
これに対して、反射領域312には、同図18に示すように、光源から30度以上の角度をもって発せられる第1の光及び第2の光を有効に利用するために、光軸Laに対して交差する方向(ここでは垂直方向)に、第1の光及び第2の光を入射する入射面3121aとこの入射された第1の光及び第2の光を反射する反射面3121bとを交互に連続配列させた第2のプリズム連続面3121が配設されている。第2のプリズム連続面3121はフレネルレンズ面である。第2のプリズム連続面3121の入射面3121aには第1の光及び第2の光が光源から入射され、光軸Laから屈折領域311側に向かって若干の傾斜面を備えている。反射面3121bの角度は30度以上に設定されており、この反射面3121bは入射面3121aを透過した第1の光及び第2の光を平行光に近づける。反射面3121bは全反射面である。
【0062】
上述の通り、光源から発せられる第1の光及び第2の光は入射面3121aに入射され、屈折したあと、反射面3121bにて全反射され、光軸La方向の平行光に近づけられる。このときの図20に示す入射面3121aと反射面3121bの傾き角θとθは、光源中心から入射面3121aに至る光線と光軸との成す角度θ、レンズの屈折率nに対して、下記に示す(2)式を満たすように決めることが理想的である。
【数3】


【0063】
こうすることで、屈折後の第1の光及び第2の光ははほぼ光軸Laに近い方向に進む平行光に近づけられる。
【0064】
ここで、全反射とは、以下のように定義される。光は、屈折率の異なる2つの透明な媒質間を通過するとき、その媒質間の境界面において屈折する。例えば、一方の媒質の屈折率をn1、他方の媒質の屈折率をn2(但し、n1>n2)とし、境界面への光の入射角をθとすると、θが小さいとき(すなわち、入射角θが臨界角より小さいとき)、光は境界面において屈折して進む。入射角θが大きくなるに従って屈折角は90°に近づき、sinθ=n2/n1のとき、屈折角は90°になる。このときの入射角は臨界角という。更に、入射角θが大きくなると、(すなわち、入射角θを臨界角より大きくする)と、光は境界面においてすべて反射される。このような現象を全反射という。第3の実施の形態において、屈折率n2には屈折率「1」の空気が使用されるので、上記条件式はsinθ=1/n1になる。
【0065】
また、反射領域312の第2のプリズム連続面3121の入射面3121aと反射面3121bとがなす頂角はすべてにおいて同一角度である。図21に前述の(2)式の関係を示す。
【0066】
光線の入射角θに応じて、多数の曲線が描かれている。このグラフから分かるように、θとnを与えただけではθとθの値は一意には決まらず、1つ自由度が余っている。この式にさらにバイト角一定の条件、すなわちθ=一定という条件を付加することで、θとθの値は一意に決まる。図21ではθ=45°という直線を書き込んである。あるθに対応する曲線と、バイト角45°に対応する直線との交点により、θとθが両方とも決まる。θの値は0〜90°のいずれであっても、任意のθに対して解をもつ。したがって、バイト角は0〜90°の任意の角度に揃えることが可能である。
【0067】
更に、屈折領域311の第1のプリズム連続面3112の屈折面3112bと段差面3112aとがなす最下点と、反射領域312の第2のプリズム連続面3121の入射面3121aと反射面3121bとがなす最下点とが、同一平面上(光軸Laに対して垂直な平面上)に存在する。
【0068】
このような構造を有する第1のレンズ30においては、光軸Laの位置を中心に切削工具例えば1本の高価なダイヤモンド切削工具を回転させることにより、容易に製作することができる。ここでの回転とは、相対的なことを意味し、切削工具を回転させること、第1のレンズ30を回転させることのいずれも含む意味において使用される。ダイヤモンド切削工具の刃先の形状は、例えば反射領域312の第2のプリズム連続面3121の1つの入射面3121aと1つの反射面3121bとを削り取る三角形状を備えていればよい。このダイヤモンド切削工具は、切削角度を調節することにより、屈折領域311の突出面3111並びに第1のプリズム連続面3112の加工にも代用することができる。
【0069】
更に、このような構造を有する第1のレンズ30においては、屈折領域311の突出面3111、第1のプリズム連続面3112、反射領域312の第2のプリズム連続面3121の断面の輪郭形状がすべて直線であるため、金型が製作し易く、射出成型により製作することができる。
【0070】
このように構成される第3の実施の形態の第1の構造に係る照明装置1においては、第1の実施の形態に係る照明装置1により得られる効果と同様の効果を得ることができるとともに、第1のレンズ30の第1のレンズ面31に屈折領域311及び反射領域312を配設し、第1のレンズ面31の周辺部分のフレネルレンズ面であるがゆえに屈折しきれない第1の光及び第2の光を反射により平行光に近づけることができるので、第1のレンズ面31の周辺部分の光有効利用効率を高めることができる。
【0071】
[照明装置の第2の構成]
第3の実施の形態に係る照明装置1は、図22に示すように、第1のレンズ30の第1のレンズ面31において、屈折領域311の突出面3111を凸レンズのように光源側に突出する曲面とし、第1のプリズム連続面3112の屈折面3112bと段差面3112aとがなす最上点(頂角の位置)と、反射領域312の第2のプリズム連続面3121の入射面3121aと反射面3121bとがなす最上点(頂角の位置)とが同一平面上に存在する構成としてもよい。この第1のレンズ30においては、特に射出成型の金型が製作し易い。
【0072】
このように構成される第3の実施の形態の第2の構造に係る照明装置1においては、第1の構造に係る照明装置1により得られる効果と同様の効果を得ることができる。
【0073】
[照明装置の第3の構成]
第3の実施の形態に係る照明装置1は、図23に示すように、第1のレンズ30の第1のレンズ面31において、屈折領域311の第1のプリズム連続面3112の屈折面3112bと段差面3112aとがなす最上点(頂角の位置)と、反射領域312の第2のプリズム連続面3121の入射面3121aと反射面3121bとがなす最上点(頂角の位置)とが同一平面上に存在しつつ、光軸La(中心)から周辺に向かって最上点と最下点との間の距離が徐々に増加する構成としてもよい。この第1のレンズ30においては、反射領域312の第2のプリズム連続面3121の入射面3121aの面積及び入射角度、並びに反射面3121bの面積を周辺に行くほど大きくすることができるので、光有効利用効率を更に向上することができる。
【0074】
このように構成される第3の実施の形態の第2の構造に係る照明装置1においては、第1の構造に係る照明装置1により得られる効果と同様の効果を得ることができる。
【0075】
なお、第3の実施の形態に係る照明装置1においては、第1のレンズ30の第1のレンズ面31の屈折領域311の突出面3111を、平行光に近づけられる範囲内において平面としてもよい。
【0076】
(第4の実施の形態)
本発明の第4の実施の形態は、前述の第1の実施の形態に係る照明装置1乃至第3の実施の形態に係る照明装置1の光有効利用効率を向上する例を説明するものである。
【0077】
図24(A)及び図24(B)に示すように、第4の実施の形態に係る照明装置1は、第1のレンズ30の第2のレンズ面(フライアイレンズ面)32の第1の縮小レンズ面321、又は第2のレンズ面40の第3のレンズ面(フライアイレンズ面)41の第2の縮小レンズ面411のそれぞれの配設密度を高めいている。すなわち、第2のレンズ面32においては、第1の縮小レンズ面321間のデッドスペース(平面領域)をできる限り縮小し、第1の縮小レンズ面321そのものの配設密度を高めている。同様に、第3のレンズ面40においては、第2の縮小レンズ面411間のデッドスペース(平面領域)をできる限り縮小し、第2の縮小レンズ面411そのものの配設密度を高めている。第1の縮小レンズ面321の配設密度が高いほど、光の有効利用効率を向上することができる。同様に、第2の縮小レンズ面411の配設密度が高いほど、光の有効利用効率を向上することができる。
【0078】
このような第2のレンズ面32並びに第3のレンズ面41を製作には、フライアイピッチ(縮小レンズ間ピッチ)a、フライアイ曲率半径r、フライアイ高さhと定義したとき、下記に示す(3)式を満たせばよい。
【数4】


【0079】
このように構成される第4の実施の形態に係る照明装置1においては、第2のレンズ面32の第1の縮小レンズ面321の配設密度を向上することができ、又第3のレンズ面41の第2の縮小レンズ面411の配設密度を向上することができるので、光の有効利用効率を向上することができる。
【0080】
(その他の実施の形態)
なお、本発明は前述の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において、変更可能である。
【0081】
例えば、前述の実施の形態において、照明装置1の半導体発光素子10には青色光発光ダイオードが使用されているが、本発明は、発光する位置の異なる複数の光源を組み合わせて、例えば半導体発光素子10に赤色光、緑色光及び青色光の各色の発光ダイオードを組み合わせて白色光を発するようにしてもよい。また、本発明は、半導体発光素子10に半導体レーザを使用してもよい。
【0082】
更に、前述の実施の形態において、第1の縮小レンズ面321及び第2の縮小レンズ面411には凸レンズを採用したが、本発明は第1の縮小レンズ面321及び第2の縮小レンズ面411のいずれか一方又は両方にフレネルレンズ面を採用しても良い。具体的には、曲率半径の小さい凸レンズに代えて第1の縮小レンズ面321を等価のフレネルレンズ、第2の縮小レンズ面411に凸レンズを使用することができる。この場合、第1のレンズ30をより薄肉板状に製作することができ、更なる歩留まりの向上、製作コスト並びに製作時間を短縮することができる。
【0083】
更に、前述の実施の形態において、照明装置1の第1のレンズ面31には単純なフレネルレンズ面を採用したが、本発明は、より複雑なフレネルレンズ面を採用してもよい。また、本発明は、各輪帯状毎のレンズ面を個別に設計するフレネルレンズを使用してもよい。
【0084】
更に、本発明は、前述の第1の実施の形態に係る照明装置1乃至第4の実施の形態に係る照明装置1のいずれか2以上を組み合わせてもよい。
【図面の簡単な説明】
【0085】
【図1】本発明の第1の実施の形態に係る照明装置の概略構成図である。
【図2】図1に示す照明装置の半導体発光素子及び蛍光体を搭載する基板の拡大断面図である。
【図3】(A)は図1に示す照明装置の蛍光体の斜視図、(B)は蛍光体の断面図、(C)は蛍光体の平面図である。
【図4】図1に示す照明装置の配光制御レンズ(光学系レンズ)の斜視図である。
【図5】図1及び図4に示す配光制御レンズのフレネルレンズ面の製作法を示す断面図である。
【図6】図1に示す照明装置の半導体発光素子並びに蛍光体の波長と発光強度との関係を示す図である。
【図7】第1の実施の形態に係る照明装置の比較例の配光分布を示す図である。
【図8】第1の実施の形態に係る照明装置の比較例の配光制御レンズ(フライアイレンズ)の概略構造図である。
【図9】第1の実施の形態に係る照明装置の比較例のクリティカル照明を利用する配光制御レンズの概略構成図である。
【図10】第1の実施の形態に係る照明装置に利用されるケーラー照明を説明する配光制御レンズの概略構成図である。
【図11】第1の実施の形態に係る照明装置に利用されるフライアイインテグレータ照明を説明する配光制御レンズの概略構成図である。
【図12】第1の実施の形態に係る照明装置の配光分布を示す図である。
【図13】本発明の第2の実施の形態に係る照明装置の概略構成図である。
【図14】図13に示す照明装置の配光制御レンズ(フレネルレンズ)の平面図である。
【図15】図13に示す照明装置の配光制御レンズ(フライアイレンズ)の平面図である。
【図16】図13に示す照明装置の配光制御レンズ(平面レンズ)の平面図である。
【図17】本発明の第3の実施の形態の第1の構成に係る照明装置の概略構成図である。
【図18】図17に示す照明装置の要部拡大構成図である。
【図19】屈折型フレネルコリメータの光線角度とレンズ面傾き角度の関係を示す平面図である。
【図20】全反射フレネルコリメータの光線入射角とレンズ面傾き角の関係を示す平面図である。
【図21】バイト角一定の場合の全反射フレネルレンズの角度の決め方の説明に供する特性曲線図である。
【図22】第3の実施の形態の第2の構成に係る照明装置の概略構成図である。
【図23】第3の実施の形態の第3の構成に係る照明装置の概略構成図である。
【図24】(A)は本発明の第4の実施の形態に係る照明装置の配光制御レンズの要部平面図、(B)は(A)の21B−21B切断線で切った配光制御レンズの要部断面図である。
【図25】本発明の先行技術に係る砲弾型レンズを採用した照明装置の構成図である。
【図26】本発明の先行技術に係る全反射型複合レンズを採用した照明装置の構成図である。
【符号の説明】
【0086】
1 照明装置
1A〜1F 照明ユニット
11 基板
113 反射体
113R 反射面
10 半導体発光素子
20 蛍光体
30 第1のレンズ
31 第1のレンズ面(フレネルレンズ面)
311 屈折領域
3111 突出面
3112 第1のプリズム連続面
3112a 段差面
3112b 屈折面
312 反射領域
3121 第2のプリズム連続面
3121a 入射面
3121b 反射面
32 第2のレンズ面(フライアイレンズ面)
321 第1の縮小レンズ面
40 第2のレンズ
41 第3のレンズ面(フライアイレンズ面)
411 第2の縮小レンズ面
42 第4のレンズ面(平面レンズ)
50 被照射面
51 第1の照射領域
52 第2の照射領域




 

 


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