JP3813509B2

JP3813509B2 - レンズ一体型発光素子及び航空障害灯

Info

Publication number: JP3813509B2
Application number: JP2001401998A
Authority: JP
Inventors: 昌孝白土; 佳典本宮; 剛志森野; 光三小川
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2001-12-28
Filing date: 2001-12-28
Publication date: 2006-08-23
Anticipated expiration: 2021-12-28
Also published as: JP2003204083A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、集光レンズ、レンズ一体型発光素子及び灯火装置に関し、特に航空障害灯や信号灯等に用いられるのに適したものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
航空機等に対し高層ビルの位置・高さを示すための航空障害灯が従来より用いられている。現在用いられている航空障害灯は電球型ランプを中心に大型レンズにより配光制御を行なうものが主流である。航空障害灯は高層ビルの屋上等、人の近づきにくい場所に設置されるのが通常であり、電球交換等メンテナンスの頻度低下が望まれていた。
【０００３】
一方、近年ＬＥＤ（発光ダイオード）の高輝度化が急速に進み、大光量のパワーＬＥＤが市販化されつつある。ＬＥＤは一般に電球よりも長寿命であるので、メンテナンス間隔を例えば５倍にできる等、非常にメリットが大きいと期待されてきた。
【０００４】
しかしながら、光源を電球からＬＥＤに切り替えると、航空障害灯の設計・構成は大幅に変更しなくてはならなくなる。すなわち、１〜２個の電球の周りに大型の配光レンズを配置する電球タイプに対して、ＬＥＤでははるかに多数（１０００個近く）のＬＥＤを集積しなければ同等の光量を発生することは難しい。
【０００５】
このため、灯体中の発光点の分布領域は電球の場合に比べてはるかに大きくならざるをえない。よって、単体の大型レンズでの配光制御は不可能であり、個々あるいは少数のＬＥＤ毎に小さな配光レンズを取り付けて配光制御しなければならないことから、全体として配光制御は困難になると言える。
【０００６】
従来、より低い光度しか要求されない用途の航空障害灯においては、小型の砲弾型レンズ付ＬＥＤを多数集積して、ある程度の光度を実現していた。この種の航空障害灯としては、例えば実用新案登録第２５５３５１５号あるいは特開平０９−０６９３０４に開示されているような構成が知られている。
【０００７】
図２０はこのようなＬＥＤを用いた航空障害灯１０を一部切欠して示す側面図である。航空障害灯１０は、基体１１と、この基体１１に支持された発光部１２とを備えている。発光部１２は後述する砲弾型レンズ付ＬＥＤ１５を支持する錐体状の支持部１３と、この支持部１３を覆うカバー１４とを備えている。支持部１３の外周には約１０００個の砲弾型レンズ付ＬＥＤ１５が密集して配置されている。
【０００８】
各々の砲弾型レンズ付ＬＥＤ１５は、例えば図２１に示すように構成されており、砲弾型レンズ１５ａと、その内部に収容された発光素子１５ｂとを備えている。これら単体の砲弾型レンズ付ＬＥＤ１５は軸対称な形状をもち、軸方向を中心に３０°程度の円錐形状の範囲に光を発散する。これらを支持部１３の周りに密集して配置することにより、水平方向または水平よりもやや上方を中心に３０°程度の範囲に集中するような配光を実現していた。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上述した航空障害灯であると次のような問題があった。すなわち、より高光度な用途の航空障害灯においては、所定の方向に対しては高い光度が必要とされるとともに、他の方向については高い光度の光が漏れて環境公害を起こさないための配慮が必要となる。
【００１０】
航空障害灯の光度分布配光特性は、例えば、国土交通省航空局管制保安部保安企画課航行視覚援助業務室発行の航空障害灯仕様書第２４３号改６により規定されている。この規則は、近年の生活環境保護の動きにしたがい、かなり技術的に厳しい内容となっている。特に、図２２に示すように、鉛直角度−１°から０°の間は、光度の上限と下限が非常に狭く、かつ、急激に立ち上がっている。
【００１１】
このため、３０°の配光広がりを有している従来の砲弾型レンズ付ＬＥＤ１５を使用することができない。また、遠方で必要とされる急峻な光度変化を実現しようとすると、光の利用効率をある程度以上高く設定することが難しくなる等の問題があった。
【００１２】
そこで本発明は、光源から発生する光を所定の方向に効率的に出射させることで、厳しく規制された配光特性を実現することが可能な集光レンズ、レンズ一体型発光素子及び灯火装置を提供することを目的としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決し目的を達成するために、本発明の航空障害灯は次のように構成されている。
【００１８】
柱状に形成された発光素子保持具と、この発光素子保持具の外周壁に配列されたレンズ一体型発光素子とを備え、前記レンズ一体型発光素子は、微小発光部と、使用波長域において透明な部材からなり、前記微小発光部から出射された光を集光する集光レンズとを有し、前記集光レンズは、前記微小発光部から出射される光を導入する入射面と、この入射面より入射した光を偏向してその出射方向が少なくとも所定方向において所定の角度範囲内に規制され、偏平な光度分布を有する光を出射し、前記所定方向に平行な切断面の外周が楕円に形成された出射面とを有し、前記微小発光部は、少なくとも前記楕円の短軸方向に沿って所定の長さを有し、前記楕円の長軸上にその端部が位置するものであることを特徴とする。
【００２６】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の第１の実施の形態に係るレンズ一体型発光素子１００を示す斜視図、図２は同レンズ一体型発光素子１００を示す縦断面図である。レンズ一体型発光素子１００は、これを後述する図１５及び図１６に示すような筒状の発光素子保持具の外壁面に多数貼りつけ、高層ビル屋上等に配置される航空障害灯等として用いるものである。航空障害灯として用いる場合には、水平方向近傍には全方位に光を発するが、斜め下方または斜め上方等にはほとんど光を発しないような、光を必要な方向にのみ高効率で発し、不要な方向には光を発しない性質が必要とされる。所定面は、鉛直方向(Ｚ軸)と光軸方向(Ｘ軸)を含む平面とする。
【００２７】
レンズ一体型発光素子１００は、発光デバイス１１０と、この発光デバイス１１０に取り付けられた集光レンズ１２０とを備えている。
【００２８】
発光デバイス１１０は、素子基体１１１と、この素子基体１１１に設けられた凹部１１２と、凹部１１２の底面に設けられた例えばＬＥＤチップ等の微小発光部１１３とを備えている。凹部１１２は、微小発光部１１３を保護するために例えばシリコン樹脂等の透明物質１１４で満たされている。この透明物質１１４は、集光レンズ１２０と同じ材料を用いるか、あるいは、集光レンズ１２０の材料の屈折率と同じか、大きく変わらない屈折率をもつ材料のものを用いるのが好ましい。
【００２９】
集光レンズ１２０は柱状レンズであり、出射面（楕円柱面）１２１及び入射面１２２を有する。出射面１２１の断面形状は、微小発光部１１３を焦点Ｑｆ付近に位置するようにした楕円Ｑの半分と長方形を組み合わせた形状である。集光レンズ１２０の材料としては、例えばアクリルやポリカーネイト等の光透過性の高い樹脂、あるいは光透過性の高い光学ガラス等が好ましい。
【００３０】
図２に基づいて、楕円Ｑの具体的な形状について説明をする。楕円Ｑの長軸半長をＬ、レンズ材料の屈折率をｎとした場合に、楕円Ｑの中心点Ｑｃと焦点Ｑｆとの距離ｆは、
ｆ＝Ｌ／ｎ…（１）
と表すことができる。このような楕円Ｑの焦点Ｑｆに点光源を置いた場合、出射面１２１から出射する光線Ｋは、楕円Ｑの長軸と平行になる。したがって、微小発光部１１３を焦点Ｑｆ付近に配置することにより、出射面１２１から出射するほとんどの光線Ｋについて、光線Ｋの伝搬方向と長軸とがなす角度を微小角度以内に偏向するような効果が得られる。
【００３１】
また、図２に示した以外の断面、すなわち微小発光部１１３を含まない断面上においても、前記と同等あるいは類似した効果を得ることが出来る。したがって、微小発光部１１３を含む発光デバイス１１０と集光レンズ１２０により、扁平な光度分布を得ることができる。
【００３２】
上述したように本発明の第１の実施の形態に係るレンズ一体型発光素子１００によれば、光源から発生する光を水平方向に効率的に出射させるとともに、それ以外の方向についてはほとんど光を出射することがなく、厳しく規制された配光特性を実現することが可能である。
【００３３】
図３は本第１の実施の形態に係るレンズ一体型発光素子の第１の変形例に係るレンズ一体型発光素子１００Ａを示す縦断面図である。なお、図３において上述した図１及び図２と同一機能部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００３４】
レンズ一体型発光素子１００Ａの集光レンズ１２０は、上述したレンズ一体型発光素子１００に比べて微小発光部１１３に対する楕円Ｑ′の相対的な大きさが小さく形成されている。遠方における扁平な光度分布の幅は、微小発光部１１３の大きさに対すると楕円Ｑ′との相対的な大きさによって変化することから、本第１の変形例の場合には、光度分布の幅は広くなる。
【００３５】
図４は本第１の実施の形態に係るレンズ一体型発光素子の第２の変形例に係るレンズ一体型発光素子１００Ｂを示す縦断面図である。なお、図４において上述した図１及び図２と同一機能部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００３６】
レンズ一体型発光素子１００Ｂの集光レンズ１２０は、上述したレンズ一体型発光素子１００に比べて微小発光部１１３に対する楕円Ｑ″の相対的な大きさが大きく形成されている。遠方における扁平な光度分布の幅は、微小発光部１１３の大きさに対すると楕円Ｑ″との相対的な大きさによって変化することから、本第２の変形例の場合には、光度分布の幅は狭くなる。
【００３７】
レンズ一体型発光素子１００Ａ，１００Ｂに示すように、楕円Ｑの形状（離心率）を変えずに大きさだけを変えることにより、光度分布の広がりの大きさを所望の角度となるように自在に制御することが可能となる。
【００３８】
図５は本第１の実施の形態に係るレンズ一体型発光素子の第３の変形例に係るレンズ一体型発光素子１００Ｃを示す縦断面図である。なお、図５において上述した図１及び図２と同一機能部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００３９】
レンズ一体型発光素子１００Ｃは、楕円Ｑの長軸上に、微小発光部１１３の端１１３ａが位置するように、出射面１２１を配置している。このように配置すると、楕円Ｑの長軸方向より上と下で光度分布が非常に急峻に変化する効果も得られ、水平方向（長軸方向）より下側にはほとんど光を出さずに、水平方向よりわずかに上方には強い光を発することが可能になる。
【００４０】
図６は本第１の実施の形態に係るレンズ一体型発光素子の第４の変形例に係るレンズ一体型発光素子１００Ｄを示す縦断面図である。なお、図６において上述した図１及び図２と同一機能部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００４１】
レンズ一体型発光素子１００Ｄは、発光デバイス１１０の法線方向から楕円Ｑを傾けて配置し、かつ、楕円Ｑの長軸上に微小発光部１１３の端が位置するように出射面１２１を配置している。これにより、所望の仰角方向よりも下方には光をほとんど発しないが、水平方向よりわずかに上方には強い光を発するような、急峻な光度分布が実現可能である。
【００４２】
図７は本第１の実施の形態に係るレンズ一体型発光素子の第５の変形例に係るレンズ一体型発光素子１００Ｅを示す縦断面図である。なお、図７において上述した図１及び図２と同一機能部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００４３】
レンズ一体型発光素子１００Ｅにあっては、１つの集光レンズ１２０に対して発光デバイス１１０が２個装着されている。なお、２個に限らず発光デバイス１１０が複数個装着されてもよい。本変形例においても同様の効果を得ることができる。
【００４４】
図８は本第１の実施の形態に係るレンズ一体型発光素子の第６の変形例に係るレンズ一体型発光素子１００Ｆを示す縦断面図である。なお、図８において上述した図１及び図２と同一機能部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００４５】
レンズ一体型発光素子１００Ｆにあっては、集光レンズ１２０をリング状に連続して設け、多数の発光デバイス１１０をリングの内側に装着した構成になっている。
【００４６】
このような構成においては、１個あたりの発光デバイス１１０に対して、集光レンズ１２０は、図１に示したレンズ一体型発光素子１００と同様の楕円柱状レンズとみなすことができる。これらのようにすれば、レンズ一体型発光素子を複数個組み合わせて信号灯等を製造するときに、製造工程数を減らしたり、ＬＥＤ素子の集積度を高めたりすることが可能となる。
【００４７】
なお、上述したレンズ一体型発光素子１００，１００Ａ〜１００Ｆを適宜組み合わせることにより、所望の方向と所望の幅を持つ、扁平な光度分布を得ることが可能となる。
【００４８】
図９は本発明の第２の実施の形態に係るレンズ一体型発光素子２００をＹ軸方向から見た側面図、図１０はｚ軸方向から見た平面図である。図９及び図１０に示すように、発光ダイオードチップ２１２の発光面上に座標系の原点Σをとり、発光ダイオードチップ２１２の発光面と垂直な方向にＸ軸を、平行な方向にＹ軸とＺ軸をとる。なお、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸は互いに直交する関係にある。航空障害灯への適用を念頭におくと、Ｚ軸は鉛直方向、Ｘ軸は光軸方向、ＸＹ面は水平面と言える。
【００４９】
レンズ一体型発光素子２００は、これを後述する図１５及び図１６に示すような筒状の発光素子保持具の外壁面に多数貼りつけ、高層ビル屋上等に配置される航空障害灯等として用いるものである。このレンズ一体型発光素子２００についても上述したレンズ一体型発光素子１００と同様の性能が要求されている。
【００５０】
レンズ一体型発光素子２００は、発光デバイス２１０と、この発光デバイス２１０に取り付けられた屈折率１．４９のアクリル材製の集光レンズ２２０とを備えている。発光デバイス２１０は、一辺が６．８ｍｍの正方形状の受け皿部２１１と、この受け皿部２１１の中心部に取り付けられた一辺が５５０μｍの微小な正方形の形状の発光ダイオードチップ２１２とを備えている。
【００５１】
集光レンズ２２０は、Ｚ軸に対して回転対称な面の一部となっており、そのＸ−Ｚ面における断面形状は図９に示すような楕円Ｔの一部となっている。このＸ−Ｚ面内における楕円Ｔは、発光ダイオードチップ２１２の発光面上に位置する原点上に一方の第１焦点Ｔｆ１をもち、他方の第２焦点Ｔｆ２はほぼＸ軸方向に位置する。この楕円の第１焦点Ｔｆ１と第２焦点Ｔｆ２との間の距離δは、この楕円Ｔの長軸全長を集光レンズ２２０の屈折率１．４９で除した値に等しくなっている。また、集光レンズ２２０は、ここに述べたようなＸ−Ｚ面内の楕円Ｔをｚ軸を回転軸２３０として回転させて生成されるような面となっている。但し、ｘ＜０の部分や、その他の不要な部分は取り除いてある。
【００５２】
発光ダイオードチップ２１２を発した光線Ｋは、アクリル媒質中を進行し、集光レンズ２２０の出射面において屈折作用を受け、レンズ外部に出射する。
【００５３】
次に、レンズ一体型発光素子２００の機能について説明する。前述した発光ダイオードチップ２１２及び集光レンズ２２０により、光線Ｋは水平方向にのみ発散されることになる。
【００５４】
図９に示すｘ−ｚ平面内において、第２焦点Ｔｆ２がｘ軸上にある場合、第１焦点Ｔｆ１を発した光線Ｋは集光レンズ２２０の屈折作用によりｘ軸と平行な光線Ｋとなる。すなわち、楕円の焦点距離が長軸半長をレンズ媒体の屈折率ｎで割った値になっている場合、楕円の式は、
【数１】

と表される。このとき、第１焦点Ｔｆ１（ｘ＝０，ｚ＝０）から楕円上の任意の１点（ｘ，ｚ）までの距離√（ｘ^２＋ｚ^２）は、この楕円の式を変形することにより
【数２】

であることがわかる。光路長はｎを掛けて、ｎａ−（ａ／ｎ）＋ｘである。この屈折点（ｘ，ｚ）からｘ軸に平行に面ｘ＝ａ＋（ａ／ｎ）までの距離を測ると、ａ＋（ａ／ｎ）−ｘとなり、両者を足すと、ｘ＝ａ＋（ａ／ｎ）の面は屈折点の位置（ｘ，ｚ）に依存せず、光路長ｎａ＋ａの等位相面となる。つまり、第１焦点Ｔｆ１を発した光線Ｋは、楕円型の集光レンズ２２０で屈折された後、ｘ軸に平行な平行光となることがわかる。
【００５５】
以上のことは、ｚ軸を通る任意の平面による断面内において成り立つことである。したがって、光線Ｋはレンズ面が存在する全方位について、光線方向を水平方向近傍に集中させられる。
【００５６】
なお、本発明は本第２の実施の形態に係るレンズ一体型発光素子２００に限定されるものではない。例えば、レンズ一体型発光素子２００においては、Ｘ−Ｙ平面内の楕円の第２焦点Ｔｆ２をＸ軸上においたが、Ｘ軸よりも上方または下方においたものであってもよい。
【００５７】
例えば、図１１に示すように第２焦点Ｔｆ２をｘ軸よりも５°上方に置いた場合には、出射する光線Ｋの方向は水平方向よりも５°上方を向く。このように、第２焦点Ｔｆ２の位置を調整することで、水平方向から何度上または下に向けて光を発するかを、容易に調整することが可能である。
【００５８】
また、レンズ一体型発光素子２００においては、航空障害灯を念頭に置いて回転軸は垂直上方に向けて設置することとして説明したが、本発明はレンズ一体型発光素子という部品に関するものであり、設置方向はいかなる向きであってもよく、また固定されている必要もない。
【００５９】
さらに、楕円Ｔの第１焦点Ｔｆ１は発光ダイオードチップ２１２の中心に位置していても、端部に位置していても、どこに位置していてもかまわない。発光ダイオードチップ２１２の中心付近に第１焦点Ｔｆ１が位置する場合には、出射光の分布は上下ほぼ対称な安定した分布となる。また、発光ダイオードチップ２１２の端部に楕円の第１焦点Ｔｆ１が位置していた場合には、出射光の分布は第２焦点Ｔｆ２により設定される出射方向を境に急激に増大または減少し、シャープなカットオフ角度を実現することが可能である。
【００６０】
また、図１２に示すように発光ダイオードチップ２１２を楕円の第１焦点Ｔｆ１から外れた位置に置くと、第２焦点Ｔｆ２がX軸上にある場合においても、第２焦点Ｔｆ２をＸ軸上から上方または下方においた場合と同様に、出射光が水平方向から何度下または上向きに向くかを容易に調整することが可能である。この場合、発光ダイオードチップ２１２の端部を楕円の第１焦点Ｔｆ１上に位置させ、楕円の第２焦点をＸ軸上から上方または下方においた場合と比較して、出射光の分布の急激な増大あるいは減少は見られないか、または緩和される。
【００６１】
図１３は第２の実施の形態に係るレンズ一体型発光素子２００の変形例に係るレンズ一体型発光素子２００Ａを示す図、図１２の（ａ）は正面図、図１２の（ｂ）は平面図、（ｃ）は側面図である。なお、図１３及び図１４において、上述した図９及び図１０と同一機能部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００６２】
本変形例における集光レンズ２２０は、楕円と長方形を組み合わせた面を対称軸Ｍを中心に１８０度回転させて形成している。なお、図中２２１は平坦面、２２２は削除した部分を示している。本変形例においても上述したレンズ一体型発光素子２００と同様の効果を得ることができる。
【００６３】
図１５及び図１６の（ａ）は、本発明の第３の実施の形態に係るレンズ一体型発光素子３００の構成を示す模式図である。レンズ一体型発光素子３００は、光源となるＬＥＤ等の発光素子３１０と、この発光素子３１０が取り付けられた集光レンズ３２０とを備えている。
【００６４】
集光レンズ３２０には取付け位置精度を確保できるよう、適当な深さの凹型状の光源取付位置３２１が形成されており、光源取付位置３２１に発光素子３１０を接着材等で取付けることで、プリアセンブル部品としてのレンズ一体型発光素子３００が構成される。また、量産時のコストを低下させる場合には、例えば集光レンズ３２０を樹脂で形成する際に、予め発光素子３１０をレンズ型の所定位置に置き、集光レンズ３２０を形成する際に樹脂と一体となるように構成することも可能である。このように、集光レンズ３２０を単体として作製し、後に一体化するか、最初から一体型素子として作製するかは、作製数量その他の条件により選択することができる。
【００６５】
発光素子３１０が発光すると、光源取付け位置３２１では、集光レンズ３２０と発光素子３１０との接触面を介して集光レンズ３２０内部に光が取り込まれ、レンズ内部を伝搬した後、集光レンズ３２０の出射面３２２を通過してレンズ外部に光が出射される。
【００６６】
図１５中には、レンズ内部での光の伝搬を示す代表的な光線Ｊと、これが集光レンズの出射面３２２により偏向されてレンズ外部で遠方に向かう伝搬を示す光線Ｅとを図示した。また、これらの光線Ｊ，Ｅの伝搬方向を表わすための角度ψ_ｘ，ψ_ｙ，θ_ｘ，θ_ｙを図示した。
【００６７】
出射面３２２は、遠方に所定の偏平な光度分布を実現する具体的な形状を有している。次にこのような具体的な形状を定める方法の例を示す。具体的例を示すため、特定の形状の例を示すが、本発明は本実施例で示される形状に限定されるものではない。
【００６８】
まず、出射面３２２を自由曲面とし、集光レンズ３００の裏面、側面は図のように互いに直交する平面とする。発光素子３１０の接触面は裏面中央付近に設置されるものとする。図１５に示すように、発光素子３１０の接触面面内で水平方向にＸ軸、鉛直上方向にＹ軸、両者に垂直で発光素子３１０のの正面に相当する方向にＺ軸をとる。遠方での光度の仕様は、水平方向の方位角になるべく依存せず一様となるように、また、鉛直方向の仰角に対して急峻なピークをもつようなものである。そうした特性を評価しやすいよう、方位角と仰角で光線の方向を記述することにする。
【００６９】
具体的には図１５で示すように、発光素子３１０から出射し、出射面３２２に入射する光線Ｊの方向を（ψ_ｘ，ψ_ｙ）で、また、出射面３２２で屈折して出射する光線Ｅの方向を（θ_ｘ，θ_ｙ）で表わす。
【００７０】
発光素子３１０中心点から発する何本かのサンプルの光線Ｊに対して、屈折後の出射光Ｋの伝搬方向の目標値を設定する。但し、多数のサンプルの光線Ｊに対して個別に目標値を設定することは、設計手続きとして煩雑であり、設計の改善等を見通しよく進めることが難しい。そこで、マッピングを用いて自動的に目標方向を設定するものとした。
【００７１】
発光素子３１０からの発光光度分布を、Ｉ_Ｓ（ψ_ｘ，ψ_ｙ）とする。また、目標とする光度分布をＩ_Ｆ（θ_ｘ，θ_ｙ）とする。まず、（ψ_ｘ，ψ_ｙ）空間内の領域I：−ｗ_ｘＳ＜ψ_ｘ＜ｗ_ｘＳ，−ｗ_ｙＳ＜ψ_ｙ＜ｗ_ｙＳを考え、領域I内の方向（ψ_ｘ，ψ_ｙ）に対して、出射後の伝搬方向（θ_ｘ，θ_ｙ）を対応させるマッピングを次の様に定義する。
【００７２】
マッピングの第１ステップとして、媒介パラメータｆ_ｒｘ，ｆ_ｒｙを定義する。このｆ_ｒｘ及びｆ_ｒｙの値は、（ψ_ｘ，ψ_ｙ）の値、及び光源の光度分布ＩＳ（ψ_ｘ，ψ_ｙ）から求まり、
【数３】

で定義されるものとする。ここで、ｃｏｓψ_ｙ，ｄψ_ｘ，ｄψ_ｙは微小立体角要素に相当する。
【００７３】
マッピングの第２ステップとしては、この媒介パラメータｆ_ｒｘ，ｆ_ｒｙにしたがって、対応するθ_ｘ，θｙを決定する。まず、ψ_ｘ＝ｃｏｎｓｔのとき、対応する（θ_ｘ，θ_ｙ）は、ｈを定数として、
θ_ｘ＝ｆ（θ_ｙ，η）…（６）
のように、ある関数ｆで与えられる関係になるものとする。但し、ψｘが増加するとともに対応するｈの値も増加し、一般性を失わなずに、ψ_ｘ＝０のときｈ＝０、ψ_ｘ＝ｗ_ｘＳのとき、ｈ＝１であるものとする。まず、媒介パラメータ_ｆｒｘの値に対して、
【数４】

によりｈを求める。さらに、求まったｈを用いて、
【数５】

からθ_ｙを求める。また、式（６）を用いてθ_ｘも定まる。
【００７４】
関数ｆとしては、前記の性質が満たされればよく、特定の関数形に限定されるものではない。今回の実施例では、簡単で扱い易い関数形を採用して、
ｆ（θ_ｙ，η）＝ηｗ_ｘｓ…（９）
とした。設計されたものの特性によっては、θ_ｙに依存する関数にする方がよいということもありうるので、必要に応じてより複雑な関数形を用いればよい。
【００７５】
関数Ｉ_Ｓ（ψ_ｘ，ψ_ｙ）としては、簡単のため恒等的に１とする等してもよいが、微小な完全拡散光源と仮定するなら、
Ｉ_Ｓ（ψ_ｘ，ψ_ｙ）＝cosψ_ｘcosψ_ｙ…（１０）
として、法線方向からの角度の余弦に比例させればよい。
【００７６】
関数Ｉ_Ｆ（θ_ｘ，θ_ｙ）については、物理的に実現可能な形に近いものを設定しないと最適化計算の収束性が悪くなると予想されるが、今回は扁平な形状を単純に表現するように、
【数６】

のように一様な光度の関数を仮定した。
【００７７】
光度分布の幅が光源の大きさで定まる場合は、極力狭くるすように目標を設定する必要があるが、光源の大きさがレンズより十分小さく、配光制御で光度分布の幅が決まる場合は関数Ｉ_Ｆ（θ_ｘ，θ_ｙ）を調整する必要がある。
【００７８】
マッピングを定義した領域Iの範囲の中で、適当な本数のサンプルの光線Ｊを設定する。但し、何回か試行したところ、領域の周辺で発光素子３１０からの出射角度の大きな領域については、出射面３２２への入射角度が大きく、最適化計算の収束性が悪くなる。そこで、出射角度の小さな領域でサンプルの光線Ｊを設定した。具体的には、
【数７】

の範囲からサンプルの光線Ｊを設定した。
【００７９】
出射面３２２は、自由曲面と呼んだが、数学的には有限個の曲面パラメータで記述される曲面とする。適切な関数形を用いて充分な自由度を付与すれば、実質的には自由曲面とした場合の性能に近い機能を実現し得ると考えられる。曲面は、ｚ＝ｇ（ｘ，ｙ）の形で与えるものとする。関数ｇは、関数値とｘ，ｙによる偏微分係数を計算しやすい関数形とすることで、計算負荷を抑制できる。ｘ，ｙの多項式等はその観点からは好ましいが、高次項が周辺で急激に増大するため、やや扱い難く、収束性が悪くなる傾向がある。そこで、今回は、次のような関数形を採用した。
【００８０】
【数８】

【００８１】
【数９】

【００８２】
但し、ｐ_ｓ１はレンズの中心厚とし、ｇ（ｘ，ｙ）は原点で０となる関数とする。なわち、三角関数を基本とするものの、原点での値は０になるように余弦関数にオフセットを付与した。その点を除けば、周期（ｐ_ｘ，ｐ_ｙ）の領域の中でフーリエ級数で定義したような形式になっている。なお、ｘ方向については正負で対称な形とするため、ｘについて反対称となる成分は省略した。
【００８３】
次の条件のもとで、曲面が収束することが確認された。
【００８４】
レンズ中心厚：ｐ_ｓ１＝３５（ｍｍ）
レンズ屈折率：ｎ＝１．４９
関数パラメータ：ｐ_Ｓ＝４０．０（ｍｍ）
関数パラメータ：ｐ_ｙ＝４０．０（ｍｍ）
領域I水平幅：ｗ_ｘＳ＝２９．０（度）
領域I垂直幅：ｗ_ｙＳ＝２９．０（度）
目標水平角：ｗ_ｘ＝２４．０（度）
目標上側仰角：ｗ_ｘＵ＝０．８（度）
目標下側仰角：ｗ_ｘＬ＝０．２（度）
こうして、理論的に所定の特性を有する出射面形状を決定できる場合は、以上の例に示したような最適化計算により面形状を決定する必要はない。しかしながらそのように決定できる場合は比較的限定される。前記のような最適化計算により面形状を決める方法は、所望の特性に厳密に一致するとは限らないものの、自由度の範囲内でなるべく所望の特性に近い特性を実現するものであり、多くの用途に対して柔軟に対応でき、多くの場合に十分な精度で特性を実現できる実用的な方法である。いずれにしろ、用途と必要精度その他の条件に鑑みて設計手法を選択すればよく、曲面を決定する具体的な手法を限定するものではない。
【００８５】
以上の説明では、光源である発光素子３１０は集光レンズ３２０に直接接触した場合について詳述したが、発光素子３１０が集光レンズ３２０外部の所定位置に設置される構成であっても、同様に設計できる。
【００８６】
図１６の（ｂ）はレンズ一体型発光素子３００の変形例に係るレンズ一体型発光素子３００Ａを示す図である。レンズ一体型発光素子３００Ａは、発光部３３０と、この発光部３３０が取り付けられた集光レンズ３４０とを備えている。発光部３３０は、光源保持具３３１と、この光源保持具３３１に支持された発光素子３３２とを備えている。また、集光レンズ３４０は、発光素子３３２に向かって凸形状の入射面３４１と、上述した集光レンズ３２０の出射面３２２と同一形状の出射面３４２とを備えている。入射面３４１が発光素子３３２に向かって凸形状としているため、レンズパワーを大きくすることが可能であるが、周辺の光が反射による損失を被る度合いは増加する場合が多い。
【００８７】
逆に発光素子３３２に向かって凹形状としても構わない。発光素子３３２は集光レンズ３４０外部の所定位置に保持する必要がある。このための手段は特に限定されるものではなく、発光素子３３２と集光レンズ３４０とが別々の独立した部品として装置に設置されてもよい。したがって、図１６の（ｂ）の例では光源保持具３３１を介して所定位置に光源を設置できるようにしている。
【００８８】
（第４の実施形態）
図１７は本発明の第４の実施の形態に係る灯火装置４００を示す横断面図、図１８は同灯火装置４００を一部切欠して示す側面図である。このような灯火装置４００の具体的用途としては、高層ビル屋上等に配置される航空障害灯がある。
【００８９】
灯火装置４００は、台座４０１と、後述する複数のレンズ一体型発光素子４０４を保持する発光素子保持具４０２と、これを覆うカバー４０３と、発光素子保持具４０２に多数取り付けられたレンズ一体型発光素子４０４とを備えている。
【００９０】
台座４０１は、円盤状あるいは円錐形状をしており、図１７に示した実施例においては、内部には回路基板や配線コード等を収納可能な空間部４０１ａが設けられている。なお、回路基板や配線コード等を発光素子保持具４０２の内部に収める構成の場合は、空間部４０１ａを設ける必要はない。また、台座の材料としては、レンズ一体型発光素子４０４から発生し、発光素子保持具４０２より伝導する熱を放熱する放熱器として機能するために、熱伝導性のある材料を用いるのが好ましい。
【００９１】
発光素子保持具４０２は、台座４０１上に設置されるものであり、形状は円筒形をしており、レンズ一体型発光素子４０４の駆動用回路基盤や配線コード等が収めることができる。形状は、図１７のように円筒形に限る必要はなく、六角形や八角形等の多角形あるいは楕円を断面形状にもつ筒形でもよい。また、発光素子保持具４０２の材料としては、レンズ一体型発光素子４０４からの発生熱を放熱する放熱器として機能するために、熱伝導性のある材料を用いるのが好ましい。
【００９２】
カバー４０３は、ドーム上のキャップ部分と筒状部分からなり、全体がガラスやプラスチック等の透明な部材によって構成されている。カバー４０３により、レンズ一体型発光素子４０４、発光素子保持具４０２、台座４０１の上部が保護される。
【００９３】
レンズ一体型発光素子４０４としては上述した第１乃至第３の実施の形態に記述された集光レンズと発光素子とが組み合わされたものである。レンズ一体型発光素子４０４は、発光素子保持具４０２の側面に複数個配置され、周方向に所定の間隔をもって並列される。
【００９４】
このレンズ一体型発光素子４０４の一個につき、鉛直角方向は狭く、水平方向に広がりをもつ扁平な光度分布が得られるため、周方向にレンズ一体型発光素子を配列することで、鉛直角方向は狭く、水平方向の全方向に対しては均一な、光度分布を得ることができる。また、レンズ一体型発光素子４０４の縦方向の配列は、図１７及び図１８に示す実施例においては、鉛直方向に直列に並んでいる。
【００９５】
以上のように構成された灯火装置４００を用いれば、鉛直方向は狭く、水平方向の全方向に対しては一様な、光度分布を得ることができる。例えば、航空障害灯は高層ビルの屋上に設置され、航空機に障害物の存在を、知らせるためのものであり、下方向や上方向に多くの光を発する必要はない。よって本発明の灯火装置４００によって、不必要な方向に光を発せず、必要な方向だけに光を発する高効率な、航空障害灯を構成することが有効である。
【００９６】
図１９は灯火装置４００の変形例に係る灯火装置４００Ａを一部切欠して示す側面図である。図１９において、図１７及び図１８と同一機能部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００９７】
灯火装置４００Ａ直列の配列方向は鉛直方向に限ることはなく、図１７のように、鉛直方向から傾いた斜め方向に配列してもよい。本変形例においては上述した灯火装置４００と同様の効果が得られるとともに、光度分布の水平方向の均一性を高めることができる。
【００９８】
なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施可能であるのは勿論である。
【００９９】
【発明の効果】
本発明によれば、光源で発生した光は有効に所定方向に導かれ、簡便な構成で高効率の配光が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るレンズ一体型発光素子を示す斜視図。
【図２】同レンズ一体型発光素子を示す縦断面図。
【図３】同レンズ一体型発光素子の第１変形例を示す縦断面図。
【図４】同レンズ一体型発光素子の第２変形例を示す縦断面図。
【図５】同レンズ一体型発光素子の第３変形例を示す縦断面図。
【図６】同レンズ一体型発光素子の第４変形例を示す縦断面図。
【図７】同レンズ一体型発光素子の第５変形例を示す縦断面図。
【図８】同レンズ一体型発光素子の第６変形例を示す縦断面図。
【図９】本発明の第２の実施の形態に係るレンズ一体型発光素子を示す縦断面図。
【図１０】同レンズ一体型発光素子を示す横断面図。
【図１１】同レンズ一体型発光素子を示す縦断面図。
【図１２】同レンズ一体型発光素子の変形例を示す縦断面図。
【図１３】同レンズ一体型発光素子の変形例を示す斜視図。
【図１４】同変形例を示す図であって、（ａ）は正面図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は側面図。
【図１５】本発明の第３の実施の形態に係るレンズ一体型発光素子を示す斜視図。
【図１６】（ａ）は同レンズ一体型発光素子を示す縦断面図、（ｂ）は同レンズ一体型発光素子の変形例を示す縦断面図。
【図１７】本発明の第４の実施の形態に係る灯火装置を示す横断面図。
【図１８】同灯火装置を一部切欠して示す側面図。
【図１９】同灯火装置の変形例を一部切欠して示す側面図。
【図２０】従来の灯火装置を一部切欠して示す側面図。
【図２１】同灯火装置に取り付けられた発光素子を示す側面図。
【図２２】航空障害灯の光度分布配光特性の一例を示す図。
【符号の説明】
１００，１００Ａ〜１００Ｆ，２００，２００Ａ，３００…レンズ一体型発光素子
１１０，２１０，３１０，３３０…発光デバイス
１２０，２２０，３２０，３４０…集光レンズ
４００，４００Ａ…灯火装置

Claims

柱状に形成された発光素子保持具と、
この発光素子保持具の外周壁に配列されたレンズ一体型発光素子とを備え、
前記レンズ一体型発光素子は、
微小発光部と、
使用波長域において透明な部材からなり、前記微小発光部から出射された光を集光する集光レンズとを有し、
前記集光レンズは、前記微小発光部から出射される光を導入する入射面と、この入射面より入射した光を偏向してその出射方向が少なくとも所定方向において所定の角度範囲内に規制され、偏平な光度分布を有する光を出射し、前記所定方向に平行な切断面の外周が楕円に形成された出射面とを有し、
前記微小発光部は、少なくとも前記楕円の短軸方向に沿って所定の長さを有し、前記楕円の長軸上にその端部が位置するものであることを特徴とする航空障害灯。
前記楕円は、前記微小発光部の法線方向に対し傾けて配置されるものであることを特徴とする請求項１に記載の航空障害灯。
前記端部に前記楕円の第１焦点が位置するとともに、前記楕円の第２焦点は、前記微小発光部の法線上から離間して配置されていることを特徴とする請求項１に記載の航空障害灯。