JP4099538B2

JP4099538B2 - Lighting device

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Publication number: JP4099538B2
Application number: JP2001023541A
Authority: JP
Inventors: 智玉置
Original assignee: LAB Sphere Corp
Current assignee: LAB Sphere Corp
Priority date: 2001-01-31
Filing date: 2001-01-31
Publication date: 2008-06-11
Anticipated expiration: 2021-01-31
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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、発光部としてＬＥＤ等の小型の光源を使用して、光の照射範囲を調整することができる照明装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、このような照明装置は、発光部としての電球とこの光源の後方に配設された凹状の反射部材とから構成されており、光源から出射した光を反射部材により反射させると共に集光して、前方に向かって光を照射するようになっている。そして、反射部材を発光部の光源に対して相対的に光軸方向に移動させることにより、反射部材の焦点位置を光源に対して変化させ、光の照射範囲を調整するようになっている。このような構成の照明装置においては、光源として電球を使用しているため、消費電力が比較的大きく、電源として乾電池を使用するような場合には、乾電池の寿命が比較的短くなってしまう。
【０００３】
これに対して、発光部の光源として例えばＬＥＤを使用した照明装置も開発されてきており既に実用化されている。このようなＬＥＤを使用した照明装置は、ＬＥＤとＬＥＤの前方に配設されたレンズ特に凸レンズとから構成されており、ＬＥＤから出射した光をレンズにより集光させて、前方に向かって光を照射するようになっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようなＬＥＤを使用した照明装置においては、ＬＥＤの発光分布特性によりＬＥＤから発光する全ての光を収束することができないため、ＬＥＤから出射した光の利用効率が低くなってしまう。このため、十分な光量の光を照射することが困難である。
【０００５】
この発明は、以上の点にかんがみ、消費電力が小さく、低コストで構成され得ると共に、十分な光量の光を照射することができるようにした、照明装置を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の照明装置は、底部と、外周部と、レンズ面となる頂部と、底部から頂部に向かって形成され天井部及び内周部から成る凹部と、を有し、天井部が第１のレンズ面として、内周部が光入射面として、外周部及び底部が反射面として、そして頂部が第２のレンズ面として機能するバルク型レンズと、バルク型レンズの凹部内に収納されて該バルク型レンズに完全に囲まれた少なくとも一個の光源と、発光部を駆動する駆動部と、駆動部に給電する電源部と、電源部から駆動部への給電をオンオフするスイッチ部と、バルク型レンズ、光源、駆動部及び電源部を収容するケースと、を含み、バルク型レンズが光軸方向に移動可能に支持されていることを特徴とする。
【０００７】
前記照明装置は、好ましくは、バルク型レンズの発光部の光源より後方の領域に、第一のネジ部が一体的に設けられており、この第一のネジ部に螺合するようにケースに第二のネジ部が形成されていて、バルク型レンズを回転させることによりバルク型レンズが光軸方向に移動される。
前記照明装置は、好ましくは、第一のネジ部が、バルク型レンズに回転可能に装着される回転リングに形成されている。
前記照明装置は、好ましくは、バルク型レンズの発光部の光源より後方の領域に第三のネジ部が一体的に設けられており、この第三のネジ部に螺合するように発光部に第四のネジ部が形成されていて、バルク型レンズを発光部に対して相対的に回転させることにより、バルク型レンズが発光部に対して相対的に光軸方向に移動される。
前記照明装置は、好ましくは、バルク型レンズの後方に、光源からの光をバルク型レンズの後端面に向かって反射させる反射部材が備えられている。
前記照明装置は、好ましくは、バルク型レンズの前方に、バルク型レンズの光源からバルク型レンズを介して出射する光を反射させる反射ミラーが備えられている。
前記照明装置のバルク型レンズは、好ましくは、外周部の外径が、内周部の内径の３倍以上１０倍以下である。
前記照明装置のバルク型レンズは、好ましくは、第１のレンズ面を、凸面、凹面、平面、平フレネルレンズ面の何かに形成する。
前記光源は、好ましくは、光学媒質を介して凹部に収納されている。
前記光源は、好ましくは、樹脂材料でモールドされた半導体発光素子からなる。
前記照明装置のバルク型レンズは、好ましくは、第２のレンズ面の曲率半径をＲ、バルク型レンズの光軸方向に測った全長をＬ、バルク型レンズの屈折率をｎとして、
０．９３＜ｋ（Ｒ／Ｌ）＜１．０６
ｋ＝１／（０．３５・ｎ − ０．１６８）
の関係を満足する。
前記照明装置のバルク型レンズは、好ましくは、第１のレンズ面の突き出し量をΔ、前記外周部の外径を２Ｒｏとして、
０．０２５＜ Δ／Ｒｏ＜０．０７５
の関係を満足する。
【０００８】
上記構成によれば、本発明の照明装置に使用するバルク型レンズは、凹部が光源の収納部として、天井部及び頂部がレンズ面として、内周部が光入射面として、外周部が全反射面として、そして底部が反射面として機能する。凹部の内部に光源を収納した場合は、天井部がレンズの入射面として、頂部がレンズの出射面として機能する。内周部から光学媒体に入射した光は、全反射して又は底部で反射されて頂部に伝送される。「バルク型」とは、砲弾型、卵型、繭型、蒲鉾型等、ある程度の厚み又は膨らみを有する固形体を意味する。光軸方向に垂直な断面の形状は、真円、楕円、三角形、四角形、多角形等が可能である。バルク型のレンズ本体の外周部は、円柱、角柱の円周部のような光軸に平行な面でも良く、光軸に対してテーパを有していてもかまわない。また、天井部及び頂部のレンズ面は、凸面、凹面、平面、フレネルレンズ面のいずれかを適宜選択できる。
【０００９】
バルク型レンズは、レンズ作用及び入射面と出射面とを接続する光伝送作用を有するので、光の波長に対して透明な材料であり、かつ、屈折率が空気の屈折率とは異なる必要がある。このような材料としては、アクリル樹脂等の透明樹脂（透明プラスチック材料）、石英ガラス、ソーダ石灰ガラス、ホウケイ酸ガラス、鉛ガラス等の種々のガラス材料等が使用可能である。酸化亜鉛（ＺｎＯ）、硫化亜鉛（ＺｎＳ）、炭化珪素（ＳｉＣ）等の結晶性材料を用いてもよい。又、可とう性、屈曲性や伸縮性のある透明ゴムのような材料でもかまわない。なお、光源として、ハロゲンランプ等の白熱球を用いる場合は、これによる発熱を考慮し、耐熱性光学材料を用いるべきである。耐熱性光学材料としては、石英ガラス、サファイアガラス等の耐熱ガラスが好ましい。或いは、ポリサルホン樹脂、ポリエーテルサルホン樹脂、ポリカーボネイト樹脂、ポリエーテルエステルアミド樹脂、メタクリル樹脂、非晶性ポリオレフィン樹脂、パーフルオロアルキル基を有する高分子材料等の耐熱性樹脂等の耐熱性光学材料が使用可能である。ＳｉＣ等の結晶性材料も耐熱性に優れている。
【００１０】
光源としては、ＬＥＤや半導体レーザ等のように、発光に際して顕著な発熱作用を伴わない光源が好ましい。ＬＥＤ等を用いれば、本発明の第１の特徴に係るバルク型レンズの凹部（収納部）の内部に、「光源」を収納した場合において、その発熱作用によって、バルク型レンズに熱的影響を与えることがない。
【００１１】
本発明の照明装置にバルク型レンズを使用すれば、光源の数を多数必要とすることなく、所望の照度を有する照明器具を簡単に得ることが出来る。この照度は、光源の数を同一として較べれば、従来公知のレンズ等の光学系では達成不可能な照度である。本発明は、従来の技術では達成出来ない照度を、簡単且つ小型な構成で実現出来る。詳細は後述するが、従来の「両凸レンズ」、「平凸レンズ」、「メニスカス凸レンズ」、「両凹レンズ」、「平凹レンズ」、「メニスカス凹レンズ」等の薄型レンズでは、直径が無限大の大型なレンズを用いなければ、本発明のバルク型レンズに等価な機能を達成出来ない。
【００１２】
ＬＥＤには内部量子効率と外部量子効率があるが、通常、外部量子効率は内部量子効率よりも低い。ＬＥＤをバルク型レンズの収納部（凹部）に収納することにより、内部量子効率とほぼ等しい効率で、潜在的なＬＥＤの光エネルギを有効に取り出すことが可能となる。
その原理は、（ａ）バルク型レンズの頂部及び天井部であるレンズ面、及び外周部での反射光（迷光）が外周部で全反射することによりバルク型レンズ外にほとんど散逸しない、（ｂ）上記反射光（迷光）の一部が頂部及び天井部であるレンズ面にもどる、（ｃ）上記反射光（迷光）の一部が底部で反射されて頂部及び天井部であるレンズ面にもどる、（ｄ）上記反射光（迷光）の一部がＬＥＤ光源に吸収され再発光する、さらに、（ｅ）内側面に入射する光も全反射により導光し有効利用している、ことなどが考えられる。
【００１３】
また、本発明に用いるバルク型レンズによれば、ＬＥＤ等の光源それ自身は、何ら手を加えることなく、容易に、光の発散、収束等の光路の変更や焦点の変更が可能である。すなわち、光源の発散角が既知であれば、第１及び第２の湾曲面の曲率半径等の選定が簡単に出来る。なお、第１及び第２の湾曲面のいずれか一方は、曲率半径が無限大、若しくは無限大に近い平坦な面であっても良い。第１及び第２の湾曲面のいずれか一方が、無限大ではない所定の（有限の）曲率半径を有していれば、光の収束、発散の制御が可能である。又、「所定の発散角」は０°、即ち平行光線であっても良い。又、発散角が９０°であっても、収納部が光源の発光部を完全に光学的に覆っているため、有効にその光を集光することが可能である。これは、従来のレンズ等の光学系では不可能な作用である。即ち、天井部以外の収納部の内周部も、有効な光の入射部として機能し得る。
【００１４】
具体的には、バルク型レンズに用いる光源は、チップ状の半導体発光素子、透明材料でモールドされた半導体発光素子、又は他の光源から光を導く光ファイバの出射端面である。これらの光源を光学媒質を介して収納部に収納しても良い。屈折率によって光学媒質を適宜選択することによっても、光の発散、収束等の光路の変更や焦点の変更が可能であり、また、内周面から凹部に入射する光の屈折角を変えることができ、凹部の全反射をより効果的にすることもできる。
ここで、光学媒質には、固体、液体、気体、のみならず、ゾル状、コロイド状若しくはゲル状の光の波長に対して透明な物質も含まれる。
【００１５】
さらに、上記バルク型レンズは、頂部と、底部と、外周部と、この底部から頂部に向かって形成されて天井部と内周部からなる凹部とを有している光学媒体であり、凹部が光源若しくは光検知器の収納部として、天井部及び頂部がレンズ面として、内周部が光入射面として、外周部が全反射面として、底部が反射面として機能し、内周部の光入射面が外周部との傾きφを有する少なくとも光波長以上の大きさの凹凸面で構成されている。また前記傾きφは、前記凹部の屈折率をｎ_１、前記光学媒体の屈折率をｎ_２、前記光学媒体内の外周部面における全反射角をθ_ｔ、前記光源の発散角をθ_ｄとして、
ｓｉｎ^−１｛ｎ_１／ｎ_２ｃｏｓ（θ_ｄ＋φ）｝＝θ_ｔ
から定まる角度であることが好ましい。
例えば、端面発光ＬＥＤのようにほとんどの出射光がチップの側面から出射するようなＬＥＤを使用する場合においても、全ての出射光を集光できる。
【００１６】
さらにまた、バルク型レンズは、レンズ部と光源を収納する収納部とが一体で形成されているため、従来のレンズ系では必要であったレンズと光源を光学的位置合わせをして保持する保持部を必要とせず、また、光学的位置合わせ工程を必要とせず、ただ光源にかぶせるだけでよいので、極めて低コストである。
【００１７】
従って、電源部からの給電により駆動部が光源の一個もしくは複数個の光源を発光させ、各光源から出射した光は、一部がバルク型レンズに設けられた凹部内にて内周面から光学部材内に入射し、また他の一部が上記凹部内の天井面から光学媒体に入射する。光学媒体内に入射した光は、光学媒体内にて一部が直接に前端面から出射し、また他の一部が光学部材の外周面の内側で反射されて前端面から出射する。これにより、光学媒体の頂部から出射する光は、光学媒体の天井部である第一のレンズ面と頂部である第二のレンズ面によるレンズ効果に基づいて屈折され、前方に向かって照射される。更に、頂部、天井部で生じるフレネル反射光は、バルク型レンズ内で全反射して頂部にもどり出射する。さらに、ＬＥＤにもどった反射光は、ＬＥＤのＰＮ接合に吸収されて再発光する。
このように、バルク型レンズを用いることにより、照明装置の照射光強度を大幅に高めることができる。
【００１８】
ここで、バルク型レンズを光源に対して相対的に光軸方向に移動させると、光源からバルク型レンズの凹部の天井部である第一のレンズ面までの距離が変動することにより、バルク型レンズの第一のレンズ面及び第二のレンズ面により構成されるレンズの焦点位置が光源に対して移動する。したがって、光源から出射する光に対するレンズ効果が変化して、バルク型レンズの頂部から出射する光の照射範囲が調整される。例えば、バルク型レンズ頂部から出射する光は、レンズ効果により拡散されて、広い角度範囲に照射され、あるいはレンズ効果により集光されて、狭い角度範囲に照射されるようになる。
【００１９】
このようにして、本発明によれば、発光部の光源としてＬＥＤ等の小型の光源から出射する光を、上述した特別の構成のバルク型レンズを使用することによって、効率良く集光して、十分な光量の光を照射することができると共に、バルク型レンズを光源に対して相対的に光軸方向に移動させることにより、光の照射範囲を調整することができる。
【００２０】
上記バルク型レンズの発光部の光源より後方の領域に、第一のネジ部が一体的に設けられており、この第一のネジ部に螺合するようにケースに第二のネジ部が形成されていて、バルク型レンズを回転させることによりバルク型レンズが光軸方向に移動される場合には、バルク型レンズに一体的に設けられた第一のネジ部をケースに形成された第二のネジ部に螺合させることによって、バルク型レンズの回転によりバルク型レンズがケースに対して光軸方向に移動するので、ケースに取り付けられた発光部に対しても光軸方向に移動する。従って、バルク型レンズの回転により、バルク型レンズを発光部に対して光軸方向に移動調整することができる。
【００２１】
第一のネジ部が、バルク型レンズに回転可能に装着される回転リングに形成されている場合には、バルク型レンズの形状に制限されることなく、バルク型レンズに回転可能に装着される回転リングに形成された第一のネジ部をケースに形成された第二のネジ部に螺合させることによって、回転リングが回転してバルク型レンズがケースに対して光軸方向に移動する。その際、バルク型レンズ自体は、回転リングに対して回転可能に支持されているので、回転せずに光軸方向に移動する。
【００２２】
バルク型レンズの発光部の光源より後方の領域に、第三のネジ部が一体的に設けられており、この第一のネジ部に螺合するように発光部に第四のネジ部が形成されていて、バルク型レンズを発光部に対して相対的に回転させるてバルク型レンズが発光部に対して相対的に光軸方向に移動される場合には、バルク型レンズに一体的に設けられた第三のネジ部を、発光部に形成された第四のネジ部に螺合させることによって、バルク型レンズが発光部に対して光軸方向に移動する。従って、バルク型レンズを回転させてバルク型レンズを発光部に対して光軸方向に移動調整することができる。
【００２３】
バルク型レンズの後方に、光源からの光をバルク型レンズの底部に向かって反射させる反射部材が備えられている場合には、底部に反射膜が無くとも、光源からバルク型レンズの後方に漏れた光は、反射部材により反射されて再び光学部材の後端面からバルク型レンズ内に入射して、バルク型レンズの頂部から照射される。このため、前方に向かって照射される光の利用効率がさらに上昇し、照射光度がより一層向上する。
【００２４】
上記バルク型レンズの前方に、光源からバルク型レンズを介して出射する光を反射させる反射ミラーが備えられている場合には、バルク型レンズから前方に向かって照射される光が、反射ミラーにより反射されて光軸が折曲げられるので、所望の方向に光を照射することができる。その際、反射ミラーの表面に曲率を付与することによって、反射部材による反射光を任意に拡散させ、あるいは集束させることができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、図面に示した実施形態に基づいて、この発明を詳細に説明する。
図１は本発明の照明装置に用いるバルク型レンズの模式的な断面図である。バルク型レンズは、図１に示すように、所定の波長帯域の光を発するＬＥＤ等の光源１０１と、この光源１０１を完全に囲むバルク型レンズ１２０とから少なくとも構成されている。そして、このバルク型レンズ１２０は、頂部１０３と底部１０７と外周部１０９と、底部１０７から頂部１０３に向かって形成された天井部１０２と内周部１０５とから成る凹部１０６とから成る光学媒体１０４であり、この凹部１０６に光源１０１が配置され、天井部１０２がレンズの光入射面として、頂部１０３がレンズの出射面として機能するように構成されている。
【００２６】
図１の光源１０１は、ＬＥＤチップ１１３と、このＬＥＤチップ１１３を載置する電極を兼ねた支持ピン１１１と、ＬＥＤチップ１１３のもう一方の電極に電力を供給する電極ピン１１２と、チップ１１３、支持ピン１１１及び電極ピン１１２を覆う透明な樹脂モールド１１４で構成されている。樹脂モールド１１４は側部が円筒形を成しており、バルク型レンズ１２０の凹部１０６の円筒形を成す内周部１０５とスペーサ１０８を介して嵌合している。
樹脂モールド１１４の側面は、例えば、直径（２ｒ）が２〜３ｍｍφの円柱形状であり、バルク型レンズ１２０の凹部１０６の内周部１０５は、例えば、直径が２．５〜４ｍｍφの円柱形状となっている。ＬＥＤ１０１とバルク型レンズ１２０とを固定するために、ＬＥＤ１０１とバルク型レンズ１２０の凹部１０６との間には、厚さ０．２５〜０．５ｍｍ程度のスペーサ１０８が挿入されている。スペーサ１０８は、ＬＥＤ１０１の発光部を除く位置、即ち、図１においてＬＥＤチップ１１３の底面より底部１０７側に方に配置する。
【００２７】
バルク型レンズ１２０は、例えば頂部１０３が凸形状球面を有し、外周部１０９が円柱形状を成している。この外周部１０９の直径（２Ｒ₀）は、例えば、１０〜３０ｍｍφであるが、使用目的に応じて任意に選択できる。しかしながら、より集光効率を高くするためには、
１０ｒ＞Ｒ₀＞３ｒ（１）
の関係を満足することが好ましい。バルク型レンズ１２０の外周部１０９の直径（２Ｒ₀）は、凹部１０６の内周部１０５の内径（２ｒ）の１０倍以上でも、本発明のバルク型レンズは機能するが、必要以上に大きくなり、小型化を目的とする場合は好ましくない。
【００２８】
本発明の照明装置に用いるバルク型レンズは、以下に説明する理由により、従来の凸型形状の球面レンズを使用した光学系よりも極めて低損失で収束できる。ＬＥＤは発散角の大きな光源であるため、従来の凸型形状の球面レンズによっては、ＬＥＤから発する全ての光を平行光線とすると光損失が避けられない。
図２は、従来の凸型形状球面レンズによる集光作用を示す図で、図２（Ａ）は凸型片球面レンズを使用して、ＬＥＤ光源からの光を平行光とする状態を示している。図において、レンズは曲率半径ｒを有し、光源から焦点距離ｆに配置している。片球面レンズの焦点距離は、レンズの屈折率をｎとして、ｆ＝ｒ／（ｎ−１）であるから、屈折率ｎ＝１．５とした場合、ｆ＝２ｒとなる。従って、図から明らかなように、レンズが受光できる発散角の最大は３０°となり、図２（Ｂ）に示す光線は平行光とすることができない。すなわち、従来のレンズを使用したのでは、焦点距離と曲率半径の関係から定まる開口角以上の光は取り込むことができないので、損失が大きい。
ＬＥＤ光源は３０°以上の発散角を有するものが多く、この場合には、上記理由により、大きな損失が生じる。従来はこのような場合、高屈折率レンズを使用して改善しているが、コストが高くなる。あるいは、レンズを複雑に組み合わせて対処している例もあるが、この場合には、下記に説明するフレネル反射損が増大してしまう。
【００２９】
図２（Ｂ）は、従来の凸型片球面レンズ入射面における反射の状況を示す図である。図において、矢印のついた線は、ＬＥＤ１から出射し、凸型形状球面レンズの光入射面で反射される光線を表す。θ（θ₁、θ₂）はＬＥＤから出射角、すなわち発散角を表し、φ（φ₁、φ₂）はそれぞれの光線のレンズ面での入射角を表す。
図３はフレネルの反射の法則を表した図である。図において、横軸は光線の入射角であり、縦軸は光強度の反射率であり、レンズの屈折率を１．５とし、空気中から光線がレンズ面に入射する場合を表している。図から明らかなように、入射角が５０°あたりまでは反射率が低く一定であるが、５０°を越えたあたりから急激に反射率が増加するのがわかる。
図２（Ｂ）に示した入射角が大きい光線は、図３のフレネルの反射の法則から明らかなように反射される割合が高い。例えば、屈折率１．５の片凸型球面レンズを使用し、このレンズの焦点距離に発散角３０°の光源をおいて平行光を作る場合には、上記の反射光による損失は全光量の３０％近くに達する。
従って、従来の光学系におけるようにレンズを多段に接続したのでは、フレネル反射が多段に生ずることになり、損失が増えてしまう。これらの反射光は空間に散逸してしまい、収束光として利用することはできない。
【００３０】
一方、本発明の照明装置に用いるバルク型レンズにおいては、発散角が大きい光束であっても全ての光束をレンズ面に入射させることができ、バルク型レンズの幾何学構造の設計により全ての光束を平行光線にできるから、極めて損失の少ないレンズである。
また、フレネルの反射を起こす反射面は、天井部２及び頂部３であるから、これらの面で反射した反射光（迷光）はバルク型レンズ内に反射される。これらの反射光（迷光）は、外周部９で全反射することによりバルク型レンズ外に散逸せず、一部が頂部３及び天井部２であるレンズ面にもどり収束光となる。また、他の一部は底部７で反射されて頂部３又は天井部２にもどり収束光となる。また、他の一部はＬＥＤ光源で吸収されて再発光し収束光となる。
【００３１】
図４はＬＥＤ光源１０１にもどった光が再発光する過程を示す図である。
図において、もどってきた光はＰＮ接合で吸収されてホールと電子を生じ、このホールと電子が再結合して再発光する。特にこの効果は、ヘテロ構造を有するＬＥＤの場合に大きい。ヘテロ構造のＬＥＤは、発光部であるＰＮ接合部のバンドギャップ・エネルギーが、Ｐ及びＮ領域のバンドギャップ・エネルギーよりも小さく形成されているので、反射光（迷光）はＰ又はＮ領域では吸収されずに、ＰＮ接合部のみで吸収され、再発光する。
さらにまた、本発明の照明装置に用いるバルク型レンズにおいては、内周部１０５に入射する光も外周面１０９における全反射によって頂部１０３に導かれ、収束光となって出射する。この効果は、ＬＥＤ光源１０１を、バルク型レンズの光学媒質よりも屈折率の高い光学媒質を介して収納部に収納するとさらに効果が高まる。
本発明の照明装置に用いるバルク型レンズにおいては上記に説明した相乗効果により、内部量子効率とほぼ等しい効率で、ＬＥＤ光源の光を有効に収束光として取り出しているため、従来の凸型形状の球面レンズに較べ極めて低損失になると考えられる。
【００３２】
図５は本発明の照明装置に用いるバルク型レンズと従来の凸形状の球面レンズとで平行光を作成した場合の特性を比較するための測定系を示す図である。図５（Ａ）は、本発明の照明装置に用いるバルク型レンズ１２０を用いた場合の、光軸方向に対して垂直方向に光強度（照度）分布を測るための測定系を示す模式図である。バルク型レンズ１２０の出射面からの出力光の強度（照度）を、ＬＥＤ１０１からの測定距離ｘ＝一定とし、照度計２０２をｙ軸方向に移動して測定する。測定距離（ｘ）は、光軸方向に測る。一方、図５（Ｂ）は、同様な測定を従来の両凸レンズを用いて行うことを示す図である。
【００３３】
図５（Ａ）及び（Ｂ）に示す測定においては、本発明の第１の実施例に係るバルク型レンズ２０の外径は３０ｍｍφとし、比較に用いた両凸レンズ２０１の外径はこの２倍強の６３ｍｍφとした。両凸レンズ２０１は、焦点距離１５０ｍｍのものを用い、ＬＥＤ１０１からｘ方向に１５０ｍｍの位置に配置した。また、ＬＥＤ光源１０１の発散角は約１２度のものを使用した。
【００３４】
図６は、本発明の照明装置に用いるバルク型レンズと従来の凸形状の球面レンズとで平行光を作成した場合の特性を比較した図であり、本発明の照明装置に用いるバルク型レンズ１２０、従来の薄型レンズ（両凸レンズ）２０１及びバルク型レンズを用いない裸のＬＥＤのそれぞれの出力光のｙ方向に沿った強度（照度）分布を、測定距離ｘ＝１ｍにおいて測定した場合の結果を示す。本発明の照明装置に用いるバルク型レンズ１２０は、従来の薄型レンズ（両凸レンズ）２０１の２倍の照度が得られている。この結果は、本発明の照明装置に用いるバルク型レンズが従来の光学系では実現できない効果を有することを示している。
【００３５】
図７は、本発明の照明装置に用いるバルク型レンズと従来の凸形状の球面レンズとで作成した平行光の平行度を評価した図である。
図５と同様にｙ方向に沿った強度（照度）分布を、測定距離ｘを変化させて測定したデータをまとめたものである。図の横軸は、測定距離ｘの逆数の２乗、即ち１／ｘ²を示し、縦軸は測定距離ｘにおける最大強度（ピーク強度）を示す。図から明らかなように、本発明のバルク型レンズの場合は、逆２乗則、即ち１／ｘ²を示す線上にきれいに測定点がプロットされる。一方、従来の薄型レンズ（両凸レンズ）２０１の場合は、逆２乗則からずれていることがわかる。
この結果は、本発明の第１の実施例に係るバルク型レンズ１２０は、平行度においても十分であり、従来のレンズ系に較べ、勝るとも劣らない性能を実現できることを示している。
【００３６】
図８は本発明の照明装置に用いるバルク型レンズの幾何学的構造と集光率の関係を示す図である。ここで「集光率」とは、「バルク型レンズからの±１°以内の発散角における出力光の光量」を、「光源（ＬＥＤ）からの±１２°以内の発散角における光量」で除した量で定義している。すなわち光線ビーム径に対応する量である。頂部１０３の曲率半径Ｒ、バルク型レンズの全長Ｌ、媒体長（頂部と天井部のレンズ間距離）Ｄ、収納部内径（凹部の内周部系）ｒ、天井部１０２の曲率部分長さΔをパラメータとして、集光率を測定した。なお、ここで、Δの符号は図１に示すように、天井部１０２が凹である場合を負とし、凸の場合を正と定義する。
図９は、作製した本発明のバルク型レンズの幾何学的構造を示す図である。図８から、集光率を向上するためには、
０．９３＜ｋ（Ｒ／Ｌ）＜１．０６・・・・・（２）
ｋ＝１／（０．３５・ｎ −０．１６８）・・・・・（３）
を満足することが好ましいことが実験的にわかる。ここで、ｎは、バルク型レンズの材料である光学媒質の屈折率である。なお、バルク型レンズ１２０の円柱形状部分の半径Ｒｏと頂部３の曲率半径をＲとは必ずしも等しい必要はない。
【００３７】
次に、本発明の照明装置に用い他のバルク型レンズを説明する。
図１０は、天井部１０２を凸形状にした本発明のバルク型レンズの構造を示す図である。図１０において、バルク型レンズ１２２は、天井部１０２の形状が異なる外は、図１に示したバルクレンズ１２０と同等である。測定に用いたバルク型レンズ１２２の円柱形状部分の外径２Ｒｏは１５ｍｍφ、バルク型レンズの全長Ｌは２５ｍｍ、頂部と天井部のレンズ間距離Ｄは１６ｍｍ、収納部６の内径ｒは５．２ｍｍ、バルク型レンズの屈折率ｎは１．５４である。このバルク型レンズの頂部１０３の曲率半径Ｒは８．２５ｍｍである。又、測定に用いた樹脂モールドされたＬＥＤ１の外径は５ｍｍφである。
【００３８】
図１１（Ａ）〜（Ｃ）及び図１２（Ａ）〜（Ｃ）は、天井部１０２の凸部の高さΔと、ビーム強度プロファイルとの関係を示す図である。光源からの距離ｘ＝１ｍで照度を測定した。図から明らかなように、天井部１０２を凸形状のレンズとしても集光特性が得られることがわかる。
【００３９】
このようにして、本発明の照明装置に用いるバルク型レンズによれば、ＬＥＤの数を多数必要とすることなく、照明に寄与する光ビームとして所望の照射面積の光束を確保し、且つ所望の照度を簡単に得ることが出来る。この照度は従来公知のレンズ等の光学系では達成不可能な照度である。驚くことに、現在市販されているハロゲンランプを用いた細身の懐中電灯と同程度の照度がたった１個のＬＥＤで実現出来たのである。このように、本発明の照明装置に用いるバルク型レンズによれば、従来の技術では実現できない照度を、図１に示すような簡単な構造で実現できる。
【００４０】
本発明の照明装置に用いるバルク型レンズ１２０の材料は、アクリル樹脂等の透明プラスチック材料、石英ガラス、ソーダ石灰ガラス、ホウケイ酸ガラス、鉛ガラス等の種々のガラス材料等が使用可能である。或いは、ＺｎＯ、ＺｎＳ、ＳｉＣ等の結晶性材料を用いてもかまわない。又、可とう性、屈曲性や伸縮性のあるゾル、ゲル、ゾル・ゲル混合物或いは透明ゴムのような材料でもよい。また、ゾル、ゲル、ゾル・ゲル混合物等を、透明ゴムやフレキシブルな透明プラスチック材料等に格納して用いても良い。アクリル樹脂等の透明プラスチック材料等は、バルク型レンズ１２０を大量生産するのに好適な材料である。即ち、一度金型を作り、この金型により成形加工すればバルク型レンズ１２０が簡単に大量生産出来る。
【００４１】
次に、本発明の照明装置に用いるバルク型レンズの変形例について説明する。バルク型レンズは、端面放射型ＬＥＤのように、ＬＥＤチップの側面から発光する光源を使用する場合にも使用することができる。
端面放射型ＬＥＤはＬＥＤチップの側面から発光するものであり、そのため、上記のバルク型レンズにこのＬＥＤチップを装着した場合には、バルク型レンズの内周部１０５に垂直に入射する成分が多くなるため、全反射されずにバルク型レンズの外部に散逸する光が多くなる。変形例のバルク型レンズはこのような光源に対しても、極めて低損失で収束光を得ることができる。
【００４２】
図１３は、本発明のバルク型レンズの内周部１０５と外周部１０９とが傾きを有する場合の光線の光路を示す図である。図において、光源の発散角をθ_d、内周部１０５と外周部１０９との傾き角をφ、外周部１０９の全反射角をθ_t、内周部１０５における光線の入射角、屈折角をθ₁及びθ₂、そしてバルク型レンズの光学媒質の屈折率、収納部（凹部）６の屈折率をｎ₂及びｎ₁とする。図は、光源の最大出射角、すなわち発散角の光線が傾き角をφにより、全反射条件を満たし、全反射されている状態を表している。
内周部１０５において、スネルの屈折の法則より、θ₁とθ₂の間には、
ｓｉｎθ₁／ｓｉｎθ₂＝ｎ₂／ｎ₁ （４）
が成り立ち、また、図から明らかなように、θ_t、φ、θ₂の間には、
θ_t＝φ＋θ₂ （５）
が成り立つ。また、図から明らかなように、θ_d、θ₁、φの間には、
θ_d＝９０°−（θ₁＋φ）（６）
の関係が成り立つ。上記（４）、（５）、（６）式よりθ₁とθ₂を消去すると、バルク型レンズが全反射角θ_tを有し、光源の発散角がθ_dである場合の、全反射するために必要な傾き角φを与える関係式として、
ｓｉｎ^-1｛ｎ₁／ｎ₂ｃｏｓ（θ_d＋φ）｝＝θ_t （７）
が得られる。すなわち、（７）式を満たす傾き角φ以上で内周部１０５と外周部１０９が傾いていれば、たとえ、内周部１０５に垂直に光が入射する場合（θ_d＝９０°）でも全反射され、頂部１０３へ、あるいは底面１０７で反射して頂部１０３へ導かれるから、収束光を得ることができる。
【００４３】
図１４は、上記の変形例のバルク型レンズの構成を示す図である。
図１４（Ａ）は、バルク型レンズ１２０の内周部１０５の表面に微細な凹凸を設けた例を示している。この凹凸は少なくとも（７）式を満足するφ以上の傾き角を有しており、また、この凹凸の大きさは光波長程度でよい。また、この凹凸は内周部１０５の光源近傍に設けるだけでよい。このような凹凸は、適切な粒径の研磨剤を用いて内周部１０５の表面を磨くことによって簡単に形成できる。
図１４（Ｂ）は、ほぼ真横方向に出射した光線がバルク型レンズ内を全反射して又は底面１０７で反射してかつ側壁で全反射して、頂部１０３に導かれる様子を示している。このように、例えば、端面発光ＬＥＤのようにほとんどの出射光がチップの側面から出射するようなＬＥＤを使用する場合においても、全ての出射光を収束できる。さらにまた、レンズ部と光源を収納する収納部とが一体で形成されているため、従来のレンズ系では必要であったレンズと光源を光学的位置合わせをして保持する保持部を必要とせず、また、光学的位置合わせ工程を必要とせず、ただ光源にかぶせるだけでよいので、極めて低コストである。
【００４４】
図１５及び図１６は本発明による照明装置の第一の実施形態を示している。
図１５及び図１６において、照明装置１０は、発光部１１と、この発光部１１に対向して配設されたバルク型レンズ１２と、発光部１１の光源を駆動する駆動部１３と、この駆動部１３に給電する電源部１４と、電源部１４からの駆動部１３への給電をオンオフするスイッチ部１５と、これら発光部１１，光学部材１２，駆動部１３，電源部１４及びスイッチ部１５を内蔵するケース１６と、を含んでいる。
【００４５】
上記発光部１１は、ケース１６内に収容されており、光源１１ａ、例えば一つのＬＥＤと、この光源１１ａが実装される絶縁基板１１ｂと、光源１１ａのリード線を覆う補強筒１１ｃと、から構成されている。なお、上記光源１１ａは、ＬＥＤに限らず半導体レーザ素子等の各種光源を使用することができる。
また、上記絶縁基板１１ｂの表面には、後述する駆動部１３が構成されていると共に、側縁にはケース内面と接触する端子部１１ｄが、また裏面には電源としての電池の＋極が接触する接点部１１ｅがそれぞれ形成されている。
【００４６】
上記バルク型レンズ１２は、例えばアクリル樹脂，ガラス等の透光性材料から構成されており、後端が上記発光部１１に対向していると共に、前端部がケース１６から外側に向かって突出している。
ここで、バルク型レンズ１２は凸状の頂部１２ａと円筒状の外周部１２ｂと平坦な後端面１２ｃとを有しており、後端面１２ｃの中心付近には中心軸（光軸）に沿って前方に向かって延びる凹部１２ｄを備えている。
この凹部１２ｄは、天井部１２ｅと円筒状の内周面１２ｆとを有している。
そして、発光部１１の光源１１ａは、バルク型レンズ１２の凹部１２ｄ内に嵌入して保持されるようになっている。
なお、発光部１１から見て、天井部１２ｅは第一のレンズ面として、また頂部１２ａは第二のレンズ面として機能することにより、バルク型レンズ１２がレンズとして作用する。また、内周部１２ｆは、光源１１ａからの光入射面として作用する。
【００４７】
上記外周部１２ｂは、発光部１１の光源１１ａより後方の領域にて、表面に第一のネジ部１２ｇを備えている。さらに、外周部１２ｂは、内側にて反射面として作用するようになっている。この反射面としての作用を向上させるために、外周部１２ｂの表面に反射部材が備えられてもよい。同様に、後端面１２ｃの表面に反射部材が備えられてもよい。
【００４８】
上記駆動部１３は、前述したように発光部１１の絶縁基板１１ｂ上に形成されており、電源部１４から給電されて発光部１１の光源１１ａに対して駆動電流を供給するように構成されている。なお、上記駆動部１３の具体的構成は、使用する光源１１ａに対応して適宜に選定されるようになっている。
上記電源部１４はケース１６内に収容されており、図示の場合、３個の直列に配置された電池１４ａから構成されている。最前の電池１４ａは、その＋極が発光部１１の絶縁基板１１ｂの接点部１１ｅに当接している。
【００４９】
上記スイッチ部１５は、図１７に示すように、ケース１６の後端に着脱可能に取り付けられるキャップ１５ａと、キャップ１５ａ内に軸方向に移動可能に嵌合する環状の導電部材１５ｂと、導電部材１５ｂに挿通される摺動部材１５ｃと、を含んでいる。
上記キャップ１５ａは導電材料から形成されており、ケース１６の後端に螺合するように構成されている。
上記導電部材１５ｂは、導電材料から形成されており、中心に貫通孔１５ｄを備えていると共に、この貫通孔１５ｄの後端がテーパ状に拡大されている。
上記摺動部材１５ｃは、導電部材１５ｂの貫通孔１５ｄに絶縁ブッシング１５ｅを介して挿通されており、その後端が貫通孔１５ｄの後端の形状に対応して、テーパ状に拡大されている。
【００５０】
さらに、上記摺動部材１５ｃは、その前端付近に、例えばＥリング等の環状のストッパ１５ｆを備えている。
ここで、上記摺動部材１５ｃが導電部材１５ｂの貫通孔１５ｄに挿通された状態で、摺動部材１５ｃのストッパ１５ｆと導電部材１５ｂの前端面との間に、圧縮コイルバネ１７が介挿されている。これに対して、上記導電部材１５ｂの後端面とキャップ１５ａの内端面との間には、同様に圧縮コイルバネ１８が介挿されている。
したがって、キャップ１５ａがケース１６の後端に螺合された状態で、摺動部材１５ｃの前端が、電源部１４の最後部の電池１４ａの−極に当接する。
そして、図１７（Ａ）に示すように、キャップ１５ａがケース１６の後端に対して十分にねじ込まれた状態では、キャップ１５ａ及び導電部材１５ｂが前方に向かって進んで、圧縮コイルバネ１７が圧縮される。これにより、摺動部材１５ｃのテーパ状の後端部が導電部材１５ｂの貫通孔１５ｄのテーパ状の後端部から離反してスイッチがオフされる。
【００５１】
これに対して、図１７（Ｂ）に示すように、キャップ１５ａがケース１６の後端に対して螺合が緩められると、キャップ１５ａ及び導電部材１５ｂが僅かに後退する。このとき、摺動部材１５ｃは、圧縮コイルバネ１７の張力に基づいてその前端が電源部１４の最後部の電池１４ａの−極に当接した状態に保持される。このようにして、摺動部材１５ｃのテーパ状の後端部が、導電部材１５ｂの貫通孔１５ｄのテーパ状の後端部に当接して、スイッチがオフされる。
なお、キャップ１５ａは、図示の場合、ケース１６の後端にねじ込まれた状態で、ケース１６の外周面に沿って延びるクリップ１５ｅを備えている。
【００５２】
上記ケース１６は、図示の場合、所謂ペンシルタイプとして細長い円筒状に形成されていると共に、発光部１１，光学部材１２，駆動部１３，電源部１４及びスイッチ部１５を収容している。
ここで、上記ケース１６は、導電材料から構成されており、その内周面には、前述したように絶縁基板１１ｂに設けられた端子部１１ｄが当接している。これにより、電源部１４の電池１４ａによる電圧が、スイッチ部１５及びケース１６を介して発光部１１の絶縁基板１１ｂの端子部１１ｄ及び接点部１１ｅから、駆動部１３に印加されるようになっている。なお、上記ケース１６の内面には、電池１４ａの出し入れを容易にすると共に、絶縁性を確保するために、例えばデルリン（商標名）等の潤滑性樹脂の薄膜を設けるようにしてもよい。
【００５３】
さらに、上記ケース１６は、その前方領域の内周面に、バルク型レンズ１２の外周部１２ｂに形成された第一のネジ部１２ｇに対応して形成された第二のネジ部１６ａと、前端付近にて、バルク型レンズ１２を包囲するよう配設されるＯリング１９を受容する環状溝１６ｂと、さらにバルク型レンズ１２の後方への移動を規制する環状のストッパ１６ｃと、を備えている。
【００５４】
したがって、ケース１６の前端から突出しているバルク型レンズ１２の前部を回転されることにより、その第一のネジ部１２ｇとケース１６の第二のネジ部１６ａとの螺合に基づいて、バルク型レンズ１２が軸方向に移動する。その際、バルク型レンズ１２の軸方向の移動方向は、バルク型レンズ１２の回転方向によって決まる。例えば、第一のネジ部１２ｇとケース１６の第二のネジ部１６ａが右ネジである場合には、バルク型レンズ１２を光軸の周りに右回転させることにより、バルク型レンズ１２は光軸に沿って後方（図１６にて左方）に移動する。これにより、バルク型レンズ１２の第一のレンズ面及び第二のレンズ面である天井部１２ｅ及び頂部１２ａによるレンズの焦点位置が、発光部１１の光源１１ａに対して相対的に移動調整される。
【００５５】
この実施形態による照明装置１０は以上のように構成されており、使用する場合には、先ずスイッチ部１５を操作して、具体的には図１７（Ａ）に示した状態からキャップ１５ａを緩めて図１７（Ｂ）に示す状態にして、スイッチ部１５をオンにすると、電源部１４の各電池１４ａからの駆動電圧がスイッチ部１５及びケース１６を介して発光部１１の絶縁基板１１ｂ上の駆動部１３に供給され、駆動部１３が動作して、発光部１１の光源１１ａに駆動電流を流す。
【００５６】
これにより光源１１ａが発光し、光源１１ａから出射した光は、一部が直接にバルク型レンズ１２の凹部１２ｄ内にてバルク型レンズ１２内に入射し、また他の一部がバルク型レンズ１２の凹部１２ｄ内の内周部１２ｅからバルク型レンズ１２内に入射する。このとき、光源１１ａがバルク型レンズ１２の凹部１２ｄ内に嵌入しているので、光源１１ａより前方にて、バルク型レンズ１２内に入射した光はバルク型レンズ１２の屈折率に基づいて前方に向かって屈折することになり、バルク型レンズ１２の前方に向かって導かれ、バルク型レンズ１２の外周部１２ｂで反射されて、バルク型レンズ１２の頂部１２ａに達する。
【００５７】
また、上記光源１１ａより後方にて、バルク型レンズ１２の内周部１２ｅに入射した光は、バルク型レンズ１２の屈折率に基づいて後方に向かって屈折して、バルク型レンズ１２の後端面１２ｃから出射するが、この後端面１２に反射部材が設けられている場合にはこの反射部材により反射され、再びバルク型レンズ１２の後端面１２ｃから光学部材１２内に入射して、前方に向かって導かれる。
【００５８】
これにより、光源１１ａから出射した光は、側方や後方に向かう光もバルク型レンズ１２内に取り込まれると共に、光源１１ａからバルク型レンズ１２内に入射した光は、バルク型レンズ１２の頂部１２ａに導かれて、この頂部１２ａから前方に向かって出射して、対象物を照明する。
そして、バルク型レンズ１２が光軸の周りに回転されることによって、バルク型レンズ１２が光軸に沿って移動調整されるので、バルク型レンズ１２の第一のレンズ面としての天井部１２ｅと第二のレンズ面としての頂部１２ａによりレンズの焦点位置が、発光部１１の光源１１ａに対して調整される。
【００５９】
したがって、光源１１ａから出射する光に対するバルク型レンズ１２によるレンズ効果が変化することになる。具体的には、例えばバルク型レンズ１２が後方に移動することにより、発光部１１の光源１１ａがバルク型レンズ１２の接近するので、バルク型レンズ１２から出射する光の照射角度範囲が広くなる。また、バルク型レンズ１２が前方に移動して、発光部１１の光源１１ａがバルク型レンズ１２から離反し、バルク型レンズ１２のレンズ効果により光が絞り込まれることにより、バルク型レンズ１２から出射する光の照射角度範囲が狭くなる。
【００６０】
このようにして、発光部１１の光源１１ａからの光は、側方または後方に向かって出射した光を含めて高効率でバルク型レンズ１２内に入射し、バルク型レンズ１２のレンズ効果により拡散または集束されて、対象物を照明する。従来の光学レンズを使用した場合と比較して、バルク型レンズ１２を使用することにより大幅に明るい照明光で照明されると共に、バルク型レンズ１２の光軸方向の移動によって、照明光の照射角度範囲が調整され、より広い角度範囲を照明したり、特定の対象物に対して照明光を絞り込んで照明することができる。
【００６１】
図１８は本発明による照明装置の第二の実施形態の要部を示している。図１８において、照明装置２０は、基本的には図１５乃至図１７に示した照明装置１０とほぼ同様の構成であり、バルク型レンズ１２のケース１６に対する移動機構のみが異なる構成になっている。即ち、図１８に示した照明装置２０において、バルク型レンズ１２は、回転リング２１を介して、ケース１６に対して光軸方向に移動可能に支持されている。
【００６２】
上記回転リング２１は、バルク型レンズ１２の外周面１２ｂを包囲するように円筒状に形成された内周面２１ａを備えている。この内周部２１ａは、ケース１６の前端の外周面に形成された第二のネジ部１６ｄに螺合するように形成された第一のネジ部２１ｂと、バルク型レンズ１２の光源１１ａより後方の領域に設けられた環状溝１２ｈに係合する環状突起２１ｃと、を備えている。これにより、回転リング２１は、その第一のネジ部２１ｂがケース１６の第二のネジ部１６ｄと螺合すると共に、その環状突起２１ｃがバルク型レンズ１２の環状溝１２ｈに係合することにより、光学部材１２に対して回転可能である。
【００６３】
このような構成の照明装置２０によれば、図１５乃至図１７に示した照明装置１０と同様に作用して、発光部１１の光源１１ａが点灯すると共に、回転リング２１を回転させることにより、回転リング２１がケース１６に対して光軸方向に移動することになり、これに伴って、バルク型レンズ１２もケース１６に対して光軸方向に移動することになる。これにより、バルク型レンズ１２の頂部１２ａから出射する光の照射角度範囲を変化させることができる。その際、バルク型レンズ１２は、回転リング２１に対して回転可能に支持されているので、光軸の周りには回転せず、単に光軸方向に移動する。
【００６４】
図１９は本発明による照明装置の第三の実施形態の要部を示している。図１９において、照明装置３０は、基本的には図１５乃至図１７に示した照明装置１０とほぼ同様の構成であり、バルク型レンズ１２の移動機構のみが異なる構成になっている。図１９に示した照明装置３０において、バルク型レンズ１２は、その天井部１２ｅ近傍に位置する光源１１ａより後方の領域に、第三のネジ部１２ｉを備えており、この第三のネジ部１２ｉに対応して、発光部１１の補強筒１１ｃの外周面に第四のネジ部１１ｆが形成されている。これにより、バルク型レンズ１２は、その第三のネジ部１２ｉが発光部１１の第四のネジ部１１ｆと螺合し、バルク型レンズ１２の回転によって、バルク型レンズ１２が発光部１１に対して光軸方向に移動調整可能に構成されている。
【００６５】
このような構成の照明装置３０によれば、図１５乃至図１７に示した照明装置１０と同様に作用して、発光部１１の光源１１ａが点灯すると共に、バルク型レンズ１２を回転させることにより、バルク型レンズ１２が光軸方向に移動する。これにより、バルク型レンズ１２の光軸方向の移動によって、バルク型レンズ１２の頂部１２ａから出射する光の照射角度範囲を変化させることができる。
【００６６】
図２０は本発明による照明装置の第四の実施形態の要部を示している。図２０において、照明装置４０は、基本的には図１５乃至図１７に示した照明装置１０とほぼ同様の構成であり、反射ミラー４１を備えていると共に、光学部材１２の移動機構のみが異なる構成になっている。反射ミラー４１は、凹状のミラーであって、例えば回転放物面として形成されている。さらに、バルク型レンズ１２は、ケース１６に固定された少なくとも一本（図示の場合、二本）のガイド部材４２に沿って光軸方向に摺動可能な支持部材４３により支持されていると共に、光軸方向に延びていて上記支持部材４３に螺合するようにケース１６に対して回転可能に支持された調整ネジ４４を備えている。
この調整ネジ４４は、その一端に調整つまみ４５を備えており、調整つまみ４５を回転させることにより、調整ネジ４４が回転して支持部材４３を光軸方向に移動させる。これによりバルク型レンズ１２は、発光部１１に対して光軸方向に移動調整可能に構成されている。
【００６７】
このような構成の照明装置４０によれば、図１５乃至図１７に示した照明装置１０と同様に作用して、発光部１１の光源１１ａが点灯すると共に、調節つまみ４５を回転させることにより、バルク型レンズ１２が光軸方向に移動する。これにより、バルク型レンズ１２の光軸方向の移動によってバルク型レンズ１２の頂部１２ａから出射して反射ミラー４１により反射される光の照射角度範囲を変化させることができる。
【００６８】
図２１は本発明による照明装置の第五の実施形態の要部を示している。図２１において、照明装置５０は、基本的には図１５乃至図１７に示した照明装置１０とほぼ同様の構成であり、複数個の光源５１ａを備えた発光部５１と、これらの光源５１ａに対応した凹部を有するバルク型レンズ５２とを備えていると共に、スイッチ部１５が省略され、その代わりに、発光部５１と一体に構成された駆動部１３がケース１６内で光軸方向に移動可能に配設されることにより、スイッチ機能を有する点で異なる構成になっている。
【００６９】
上記発光部５１は、複数個（図示の場合、３個）の光源５１ａ、例えばＬＥＤを備えており、各光源５１ａは、それぞれバルク型レンズ５２の後端面５２ｃに設けられた凹部５２ｄ内に嵌入している。さらに、発光部５１は、駆動部１３と共にケース１６内で光軸方向に摺動可能に支持されており、ケース１６に設けられた孔１６ｅから突出する操作部５１ｂを備えている。
この操作部５１ｂを手で操作して光軸方向に移動させると、電源部１４の電池１４ａの駆動部１３に対する給電のオンオフと、発光部５１の各光源５１ａの光軸方向への移動が行なわれる。なお、この場合、電源部１４の最前の電池１４ａは、ケース１６内の後端に設けられたバネ部材（図示せず）により前方に向かって付勢されることにより、常に接点部１１ｅに当接するようになっている。
また、発光部５１及び駆動部１３の移動による給電のオンオフは、例えば操作部５１ｂが孔１６ｅ内で最後端に移動されたとき、端子部１１ｄとケース１６の内面との電気的接触が遮断されることにより行なわれる。
上記バルク型レンズ５２は、前述したバルク型レンズ１２と同様に構成されており、ケース１６の前端に固定されていると共に、後端面５２ｃに複数個の凹部５２ｄを備えている点でのみ異なる構成になっている。
【００７０】
このような構成の照明装置５０によれば、操作部５１ｂを前方に移動させることにより、電源部１４の電池から駆動部１３に対する給電が開始されると共に、操作部５１ｂの移動に伴って、発光部５１の各光源５１ａが光軸方向にて前方に向かって移動することになる。これにより、バルク型レンズ５２の光源５１ａに対する相対的な光軸方向の移動によって、バルク型レンズ５２の前端面から出射する光の照射角度範囲を変化させることができる。
【００７１】
上述した実施形態において、発光部を構成する光源１１ａ，５１ａは、１個または３個のみが使用されているが、これに限らず２個または４個以上の光源を備えていてもよいことは明らかである。
また、上述した実施形態において、電源部１４から駆動部１３への給電のオンオフのためにスイッチ部１５が備えられ、あるいは発光部５１がケース１６内で摺動可能に構成されているが、これに限らず、任意の種類のスイッチ部が備えられてもよい。
【００７２】
さらに、上述の実施形態において、バルク型レンズ１２の第一のレンズ面である前端面１２ａは凸面として、また第二のレンズ面である内端面１２ｅは凹面としてそれぞれ形成されているが、これに限らず頂部１２ａ，天井部１２ｅはそれぞれ凸面，凹面または平面あるいはフレネルレンズ面として形成されてもよい。また、上述した実施形態において、バルク型レンズ１２の外周部１２ｂ及び内周面１２ｆは、それぞれ円筒状に形成されているが、これに限らず、例えば楕円柱状，多角形状等に形成されてもよく、さらには前方に向かって先細になるようなテーパを有していてもよい。
【００７３】
【発明の効果】
以上述べたように、この発明によれば、電源部からの給電により駆動部が発光部の一個もしくは複数個の光源を発光させる。これにより、発光部の各光源から出射した光は、一部がバルク型レンズの凹部の天井部から光学媒体内に入射し、また他の一部が内周面から光学媒体内に入射する。したがって、光学媒体内に入射した光は、光学媒体内にて一部が直接に頂部から出射し、また他の一部がバルク型レンズの外周面の内側で反射されて頂部から出射する。これにより、バルク型レンズ頂部から出射する光は、バルク型レンズの天井部である第一のレンズ面と頂部である第二のレンズ面によるレンズ効果に基づいて、屈折され、前方に向かって照射される。すなわち、上記発光部の光源が、バルク型レンズの凹部に嵌入しているので、光源から出射した光が、高い効率で収束され、照明装置の照射光度を高めることができる。
【００７４】
ここで、バルク型レンズを発光部に対して相対的に光軸方向に移動させると、発光部の光源からバルク型レンズの凹部の天井部である第一のレンズ面までの距離が変動することにより、バルク型レンズの第一のレンズ面及び第二のレンズ面により構成されるレンズの焦点位置が光源に対して移動する。したがって、光源から出射する光に対するレンズ効果が変化して、バルク型レンズの頂部から出射する光の照射範囲が調整される。例えば、バルク型レンズの頂部から出射する光は、レンズ効果により拡散されて、広い角度範囲に照射され、あるいはレンズ効果により集光されて、狭い角度範囲に照射されるようになる。
このようにして、本発明によれば、消費電力が小さく、低コストで構成され得ると共に、十分な光量の光を照射することができるようにした、焦点距離が任意又は適宜に調整可能な照明装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の照明装置に用いるバルク型レンズの構成を示す断面図である。
【図２】従来技術のレンズ系による損失の状況を示す図である。
【図３】フレネル反射を示す図である。
【図４】ＬＥＤのＰＮ接合において反射光（迷光）が再発光する過程を示す図である。
【図５】本発明の照明装置に用いるバルク型レンズと従来のレンズとの特性比較に用いた測定系を示す図である。
【図６】本発明の照明装置に用いるバルク型レンズと従来のレンズの集光特性を比較した図である。
【図７】本発明の照明装置に用いるバルク型レンズと従来のレンズの集光特性を比較した図である。
【図８】本発明の照明装置に用いるバルク型レンズの幾何学形状の違いによる特性変化の実測値を示す図である。
【図９】図８の測定に用いた本発明の照明装置に用いるバルク型レンズの幾何学形状を示す図である。
【図１０】本発明の照明装置に用いる他のバルク型レンズの構成を示す断面図である。
【図１１】本発明の照明装置に用いるバルク型レンズの幾何学形状の違いによる特性変化の実測値を示す図である。
【図１２】本発明の照明装置に用いる他のバルク型レンズの幾何学形状の違いによる特性変化の実測値を示す図である。
【図１３】本発明の照明装置に用いるバルク型レンズの変形例に係る原理を説明する模式図である。
【図１４】本発明の照明装置に用いるバルク型レンズの変形例の構成を示す図である。
【図１５】本発明による照明装置の一実施形態の構成を示す概略斜視図である。
【図１６】図１の照明装置の内部構成を示す概略断面図である。
【図１７】図１の照明装置におけるスイッチ部の（Ａ）オフ時及び（Ｂ）オン時の状態を示す部分断面図である。
【図１８】本発明による照明装置の第二の実施形態の要部を示す部分断面図である。
【図１９】本発明による照明装置の第三の実施形態の要部を示す部分断面図である。
【図２０】本発明による照明装置の第四の実施形態の要部を示す部分断面図である。
【図２１】本発明による照明装置の第五の実施形態の要部を示す部分断面図である。
【符号の説明】
１０１、１１ａ、５１ａ光源
１０２、１２ｅ天井部
１０３、１２ａ頂部
１０４光学媒体
１０５、１２ｆ内周部
１０６、１２ｄ凹部
１０７、１２ｃ底部、後端面
１０８スペーサ
１０９、１２ｂ外周部
１２０、１２、５２バルク型レンズ
２０１両凸レンズ
２０２照度計
１０照明装置
１１発光部
１１ｂ絶縁基板
１１ｃ補強筒
１１ｄ端子部
１１ｅ接点部
１１ｆ第四のネジ部
１２ｇ第一のネジ部
１２ｈ環状溝
１２ｉ第三のネジ部
１３駆動部
１４電源部
１４ａ電池
１５スイッチ部
１６ケース
１６ａ，１６ｄ第二のネジ部
１６ｂ環状溝
１６ｃストッパ
１７，１８圧縮コイルバネ
１９Ｏリング
２０照明装置
２１回転リング
２１ｂ第一のネジ部
２１ｃ環状突起
３０，４０，５０照明装置
４１反射ミラー
４２ガイド部材
４３支持部材
４４調整ネジ
４５調整つまみ
５１発光部
５１ｂ操作部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a lighting device that can adjust a light irradiation range by using a small light source such as an LED as a light emitting unit.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, such an illuminating device is composed of a light bulb as a light emitting section and a concave reflecting member disposed behind the light source, and reflects and collects light emitted from the light source by the reflecting member. Then, light is emitted toward the front. Then, by moving the reflecting member in the optical axis direction relative to the light source of the light emitting unit, the focal position of the reflecting member is changed with respect to the light source, and the light irradiation range is adjusted. In the illumination device having such a configuration, since a light bulb is used as a light source, power consumption is relatively large. When a dry battery is used as a power source, the life of the dry battery is relatively short.
[0003]
On the other hand, an illumination device using, for example, an LED as a light source of the light emitting unit has been developed and already put into practical use. An illumination device using such an LED is composed of an LED and a lens arranged in front of the LED, particularly a convex lens, and condenses the light emitted from the LED by the lens and directs the light forward. It comes to irradiate.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, in an illumination device using such an LED, all the light emitted from the LED cannot be converged due to the light emission distribution characteristics of the LED, so that the utilization efficiency of the light emitted from the LED is lowered. For this reason, it is difficult to irradiate with a sufficient amount of light.
[0005]
In view of the above points, an object of the present invention is to provide an illumination device that can be configured at low cost with low power consumption and that can emit a sufficient amount of light.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
  In order to achieve the above object, the lighting device of the present invention has a bottom portion, an outer peripheral portion, a top portion serving as a lens surface, and a concave portion formed from the bottom portion toward the top portion and including a ceiling portion and an inner peripheral portion. A bulk type lens in which the ceiling portion serves as the first lens surface, the inner circumference portion serves as the light incident surface, the outer circumference portion and the bottom portion serve as the reflection surface, and the top portion serves as the second lens surface; At least one light source housed inside and completely surrounded by the bulk lens, a drive unit for driving the light emitting unit, a power supply unit for supplying power to the drive unit, and power supply from the power supply unit to the drive unit are turned on / off A switch unit and a case for accommodating a bulk type lens, a light source, a drive unit, and a power source unit, wherein the bulk type lens is supported so as to be movable in the optical axis direction..
[0007]
  In the lighting device, preferably, a first screw portion is integrally provided in a region behind the light source of the light emitting portion of the bulk type lens, and the case is fitted to the first screw portion. A second thread portion is formed, and the bulk lens is moved in the optical axis direction by rotating the bulk lens.
  In the illumination device, preferably, the first screw portion is formed on a rotating ring that is rotatably attached to the bulk lens.
  In the lighting device, preferably, a third screw portion is integrally provided in a region behind the light source of the light emitting portion of the bulk lens, and the light emitting portion is screwed into the third screw portion. A fourth screw part is formed, and the bulk type lens is moved in the optical axis direction relative to the light emitting part by rotating the bulk type lens relative to the light emitting part.
  Preferably, the illumination device includes a reflection member that reflects light from the light source toward the rear end surface of the bulk lens behind the bulk lens.
  Preferably, the illumination device includes a reflection mirror that reflects light emitted from the light source of the bulk lens through the bulk lens in front of the bulk lens.
  In the bulk type lens of the illumination device, preferably, the outer diameter of the outer peripheral portion is not less than 3 times and not more than 10 times the inner diameter of the inner peripheral portion.
In the bulk type lens of the illumination device, the first lens surface is preferably formed to be a convex surface, a concave surface, a flat surface, or a flat Fresnel lens surface.
The light source is preferably housed in the recess through an optical medium.
The light source is preferably a semiconductor light emitting element molded with a resin material.
The bulk type lens of the illumination device is preferably configured such that the radius of curvature of the second lens surface is R, the total length measured in the optical axis direction of the bulk type lens is L, and the refractive index of the bulk type lens is n.
0.93 <k (R / L) <1.06
k = 1 / (0.35 · n-0.168)
Satisfy the relationship.
The bulk type lens of the illumination device is preferably configured such that the protrusion amount of the first lens surface is Δ and the outer diameter of the outer peripheral portion is 2Ro.
0.025 <Δ / Ro <0.075
Satisfy the relationship.
[0008]
According to the above configuration, the bulk type lens used in the lighting device of the present invention has a concave part as a light source storage part, a ceiling part and a top part as a lens surface, an inner peripheral part as a light incident surface, and an outer peripheral part as total reflection. The surface and the bottom function as a reflecting surface. When the light source is housed inside the recess, the ceiling functions as the lens entrance surface and the top functions as the lens exit surface. The light incident on the optical medium from the inner periphery is totally reflected or reflected at the bottom and transmitted to the top. “Bulk type” means a solid body having a certain degree of thickness or swelling, such as a shell type, egg type, saddle type, saddle type. The cross-sectional shape perpendicular to the optical axis direction can be a perfect circle, an ellipse, a triangle, a quadrangle, a polygon, or the like. The outer peripheral portion of the bulk type lens body may be a surface parallel to the optical axis, such as a circular column or a peripheral portion of a prism, and may have a taper with respect to the optical axis. In addition, the lens surface at the ceiling and the top can be appropriately selected from a convex surface, a concave surface, a flat surface, and a Fresnel lens surface.
[0009]
The bulk type lens has a lens function and an optical transmission function for connecting the entrance surface and the exit surface. Therefore, the bulk lens is a material transparent to the wavelength of light, and the refractive index needs to be different from the refractive index of air. is there. As such a material, various glass materials such as transparent resin (transparent plastic material) such as acrylic resin, quartz glass, soda-lime glass, borosilicate glass, lead glass, and the like can be used. A crystalline material such as zinc oxide (ZnO), zinc sulfide (ZnS), or silicon carbide (SiC) may be used. Also, a material such as a transparent rubber having flexibility, flexibility and stretchability may be used. When an incandescent bulb such as a halogen lamp is used as the light source, a heat resistant optical material should be used in consideration of the heat generated by this. As the heat resistant optical material, heat resistant glass such as quartz glass and sapphire glass is preferable. Alternatively, a heat-resistant optical material such as a heat-resistant resin such as a polysulfone resin, a polyether sulfone resin, a polycarbonate resin, a polyetheresteramide resin, a methacrylic resin, an amorphous polyolefin resin, or a polymer material having a perfluoroalkyl group It can be used. Crystalline materials such as SiC are also excellent in heat resistance.
[0010]
The light source is preferably a light source that does not cause a significant heat generation effect during light emission, such as an LED or a semiconductor laser. If an LED or the like is used, when the “light source” is housed in the concave portion (housing portion) of the bulk type lens according to the first feature of the present invention, the thermal effect is exerted on the bulk type lens by the heat generation action. Never give.
[0011]
If a bulk type lens is used for the lighting device of the present invention, a lighting fixture having a desired illuminance can be easily obtained without requiring a large number of light sources. This illuminance cannot be achieved by a conventionally known optical system such as a lens if the number of light sources is the same. The present invention can realize illuminance that cannot be achieved by conventional techniques with a simple and compact configuration. Although details will be described later, conventional thin lenses such as “biconvex lens”, “planoconvex lens”, “meniscus convex lens”, “biconcave lens”, “planoconcave lens”, “meniscus concave lens”, etc., have large infinite diameters. Unless a lens is used, a function equivalent to the bulk type lens of the present invention cannot be achieved.
[0012]
An LED has an internal quantum efficiency and an external quantum efficiency. Usually, the external quantum efficiency is lower than the internal quantum efficiency. By storing the LED in the storage portion (concave portion) of the bulk type lens, it becomes possible to effectively extract the light energy of the potential LED with an efficiency substantially equal to the internal quantum efficiency.
The principle is that (a) the reflected light (stray light) at the top surface and the ceiling portion of the bulk type lens and the outer peripheral portion is totally reflected at the outer peripheral portion, so that it hardly dissipates outside the bulk type lens. ) A part of the reflected light (stray light) returns to the lens surface that is the top part and the ceiling part. (C) A part of the reflected light (stray light) is reflected at the bottom part and returns to the lens surface that is the top part and the ceiling part. (D) A part of the reflected light (stray light) is absorbed by the LED light source and re-emitted, and (e) light incident on the inner surface is also guided by total reflection and used effectively. Conceivable.
[0013]
Further, according to the bulk type lens used in the present invention, the light source itself such as LED can easily change the optical path such as light divergence and convergence and change the focal point without any modification. That is, if the divergence angle of the light source is known, the radius of curvature of the first and second curved surfaces can be easily selected. Note that either one of the first and second curved surfaces may be a flat surface with an infinite curvature radius or near infinity. If either one of the first and second curved surfaces has a predetermined (finite) radius of curvature that is not infinite, light convergence and divergence can be controlled. The “predetermined divergence angle” may be 0 °, that is, a parallel light beam. Further, even if the divergence angle is 90 °, since the storage portion completely covers the light emitting portion of the light source, the light can be effectively collected. This is an operation that is impossible with a conventional optical system such as a lens. That is, the inner peripheral part of the storage part other than the ceiling part can also function as an effective light incident part.
[0014]
Specifically, the light source used for the bulk type lens is a chip-shaped semiconductor light emitting element, a semiconductor light emitting element molded with a transparent material, or an emission end face of an optical fiber that guides light from another light source. These light sources may be stored in the storage unit via an optical medium. By appropriately selecting the optical medium according to the refractive index, it is possible to change the optical path such as light divergence and convergence, and change the focal point, and also to change the refraction angle of light incident on the recess from the inner peripheral surface. It is also possible to make the total reflection of the recess more effective.
Here, the optical medium includes not only solids, liquids, and gases, but also substances that are transparent to the wavelength of light in the form of sol, colloid, or gel.
[0015]
  Further, the bulk type lens is an optical medium having a top portion, a bottom portion, an outer peripheral portion, and a concave portion formed from the bottom portion toward the top portion and including a ceiling portion and an inner peripheral portion. As a light source or light detector housing, the ceiling and top function as a lens surface, the inner periphery functions as a light incident surface, the outer periphery functions as a total reflection surface, and the bottom functions as a reflection surface. FaceInclination with outer periphery φIt is comprised by the uneven | corrugated surface of the magnitude | size more than the light wavelength which has this. AlsoSaidThe inclination φ is the refractive index of the recess n₁ , The refractive index of the optical medium is n₂ , The total reflection angle at the outer peripheral surface in the optical medium is θ_t , The divergence angle of the light source is θ_d As
    sin^-1{N₁/ N₂ cos (θ_d + Φ)} = θ_t
It is preferable that the angle is determined by
  For example, even when using an LED that emits most of the emitted light from the side surface of the chip, such as an edge-emitting LED, all the emitted light can be collected.
[0016]
Furthermore, since the lens unit and the storage unit for storing the light source are integrally formed in the bulk type lens, the lens and the light source that are necessary in the conventional lens system are optically aligned and held. No part is required, no optical alignment process is required, and it is only necessary to cover the light source, so that the cost is extremely low.
[0017]
Therefore, the drive unit causes one or more light sources to emit light by power supply from the power supply unit, and the light emitted from each light source is optically transmitted from the inner peripheral surface within the concave portion provided in the bulk type lens. The light enters the member, and another part enters the optical medium from the ceiling surface in the recess. A part of the light incident on the optical medium is directly emitted from the front end face in the optical medium, and the other part is reflected on the inner side of the outer peripheral surface of the optical member and is emitted from the front end face. Thereby, the light emitted from the top of the optical medium is refracted based on the lens effect by the first lens surface that is the ceiling portion of the optical medium and the second lens surface that is the top portion, and is irradiated forward. . Further, the Fresnel reflected light generated at the top and the ceiling is totally reflected within the bulk lens and returns to the top. Further, the reflected light returning to the LED is absorbed by the PN junction of the LED and re-emitted.
Thus, by using a bulk type lens, the irradiation light intensity of an illuminating device can be raised significantly.
[0018]
Here, when the bulk type lens is moved relative to the light source in the optical axis direction, the distance from the light source to the first lens surface that is the ceiling of the concave portion of the bulk type lens varies, thereby causing the bulk type lens to change. The focal position of the lens constituted by the first lens surface and the second lens surface of the lens moves with respect to the light source. Therefore, the lens effect on the light emitted from the light source changes, and the irradiation range of the light emitted from the top of the bulk lens is adjusted. For example, the light emitted from the top of the bulk type lens is diffused by the lens effect and irradiated to a wide angle range, or condensed by the lens effect and irradiated to a narrow angle range.
[0019]
Thus, according to the present invention, the light emitted from a small light source such as an LED as the light source of the light emitting unit is efficiently condensed by using the bulk type lens having the special configuration described above, A sufficient amount of light can be irradiated, and the light irradiation range can be adjusted by moving the bulk lens in the optical axis direction relative to the light source.
[0020]
A first screw portion is integrally provided in a region behind the light source of the light emitting portion of the bulk type lens, and a second screw portion is formed in the case so as to be screwed into the first screw portion. If the bulk type lens is moved in the optical axis direction by rotating the bulk type lens, the first screw part integrally provided in the bulk type lens is formed in the case. Since the bulk type lens is moved in the optical axis direction with respect to the case by the rotation of the bulk type lens, the light emitting unit attached to the case is also moved in the optical axis direction. Therefore, the bulk lens can be moved and adjusted in the optical axis direction with respect to the light emitting portion by the rotation of the bulk lens.
[0021]
When the first threaded portion is formed on a rotating ring that is rotatably attached to the bulk lens, the first screw portion is rotatably attached to the bulk lens without being limited by the shape of the bulk lens. By screwing the first threaded portion formed on the rotating ring into the second threaded portion formed on the case, the rotating ring rotates and the bulk type lens moves in the optical axis direction with respect to the case. At this time, the bulk type lens itself is supported so as to be rotatable with respect to the rotating ring, and thus moves in the optical axis direction without rotating.
[0022]
A third screw portion is integrally provided in a region behind the light source of the light emitting portion of the bulk lens, and a fourth screw portion is formed in the light emitting portion so as to be screwed into the first screw portion. If the bulk type lens is rotated relative to the light emitting part and moved in the optical axis direction relative to the light emitting part, the bulk type lens is provided integrally with the bulk type lens. The bulk type lens moves in the optical axis direction with respect to the light emitting part by screwing the third screw part thus formed into a fourth screw part formed in the light emitting part. Therefore, the bulk lens can be rotated and adjusted in the optical axis direction with respect to the light emitting unit.
[0023]
If a reflective member that reflects the light from the light source toward the bottom of the bulk lens is provided behind the bulk lens, the light leaks from the light source to the back of the bulk lens even if there is no reflective film on the bottom. The reflected light is reflected by the reflecting member, enters the bulk lens again from the rear end surface of the optical member, and is irradiated from the top of the bulk lens. For this reason, the utilization efficiency of the light irradiated toward the front further increases, and the irradiation light intensity is further improved.
[0024]
When a reflection mirror that reflects light emitted from the light source through the bulk lens is provided in front of the bulk lens, the light irradiated forward from the bulk lens is reflected by the reflection mirror. Since it is reflected and the optical axis is bent, light can be irradiated in a desired direction. At that time, by giving a curvature to the surface of the reflecting mirror, the reflected light from the reflecting member can be arbitrarily diffused or focused.
[0025]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The present invention will be described in detail below based on the embodiments shown in the drawings.
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a bulk type lens used in the illumination device of the present invention. As shown in FIG. 1, the bulk lens includes at least a light source 101 such as an LED that emits light in a predetermined wavelength band, and a bulk lens 120 that completely surrounds the light source 101. The bulk lens 120 includes an optical medium 104 including a top portion 103, a bottom portion 107, an outer peripheral portion 109, and a concave portion 106 including a ceiling portion 102 and an inner peripheral portion 105 formed from the bottom portion 107 toward the top portion 103. The light source 101 is disposed in the concave portion 106, and the ceiling portion 102 functions as a light incident surface of the lens, and the top portion 103 functions as an exit surface of the lens.
[0026]
1 includes an LED chip 113, a support pin 111 that also serves as an electrode on which the LED chip 113 is placed, an electrode pin 112 that supplies power to the other electrode of the LED chip 113, a chip 113, It is composed of a transparent resin mold 114 that covers the support pins 111 and the electrode pins 112. The resin mold 114 has a cylindrical side portion, and is fitted via a spacer 108 to the inner peripheral portion 105 that forms the cylindrical shape of the concave portion 106 of the bulk lens 120.
The side surface of the resin mold 114 has, for example, a cylindrical shape with a diameter (2r) of 2 to 3 mmφ, and the inner peripheral portion 105 of the concave portion 106 of the bulk lens 120 has a cylindrical shape with a diameter of 2.5 to 4 mmφ, for example. It has become. In order to fix the LED 101 and the bulk lens 120, a spacer 108 having a thickness of about 0.25 to 0.5 mm is inserted between the LED 101 and the concave portion 106 of the bulk lens 120. The spacer 108 is disposed at a position excluding the light emitting portion of the LED 101, that is, toward the bottom 107 side from the bottom surface of the LED chip 113 in FIG.
[0027]
In the bulk lens 120, for example, the top portion 103 has a convex spherical surface, and the outer peripheral portion 109 has a cylindrical shape. The diameter (2R) of the outer periphery 109₀) Is, for example, 10 to 30 mmφ, and can be arbitrarily selected according to the purpose of use. However, in order to increase the light collection efficiency,
10r> R₀> 3r (1)
It is preferable to satisfy this relationship. The diameter (2R) of the outer periphery 109 of the bulk lens 120₀) Is 10 times or more the inner diameter (2r) of the inner peripheral portion 105 of the concave portion 106, the bulk type lens of the present invention functions, but becomes larger than necessary, and is not preferable for the purpose of downsizing.
[0028]
The bulk type lens used in the illumination device of the present invention can converge with an extremely low loss compared to an optical system using a conventional convex spherical lens for the following reason. Since the LED is a light source with a large divergence angle, depending on the conventional convex spherical lens, light loss is unavoidable when all the light emitted from the LED is made into parallel rays.
FIG. 2 is a diagram showing the light condensing effect of a conventional convex spherical lens, and FIG. 2A shows a state in which light from an LED light source is converted into parallel light using a convex half spherical lens. Yes. In the figure, the lens has a radius of curvature r and is located at a focal length f from the light source. The focal length of the one-spherical lens is f = r / (n−1), where n is the refractive index of the lens, and therefore f = 2r when the refractive index n = 1.5. Therefore, as is apparent from the figure, the maximum divergence angle that the lens can receive is 30 °, and the light beam shown in FIG. 2B cannot be parallel light. That is, when a conventional lens is used, light having an opening angle or more determined from the relationship between the focal length and the radius of curvature cannot be taken in, so that the loss is large.
Many LED light sources have a divergence angle of 30 ° or more, and in this case, a large loss occurs for the above reason. Conventionally, in such a case, improvement is made by using a high refractive index lens, but the cost becomes high. Alternatively, there is an example of dealing with a complicated combination of lenses, but in this case, the Fresnel reflection loss described below increases.
[0029]
FIG. 2B is a diagram showing the state of reflection on the incident surface of a conventional convex half-spherical lens. In the figure, a line with an arrow represents a light ray emitted from the LED 1 and reflected by the light incident surface of the convex spherical lens. θ (θ₁, Θ₂) Represents an emission angle from the LED, that is, a divergence angle, and φ (φ₁, Φ₂) Represents the incident angle of each light beam on the lens surface.
FIG. 3 shows Fresnel's law of reflection. In the figure, the horizontal axis represents the incident angle of the light beam, the vertical axis represents the reflectance of the light intensity, the refractive index of the lens is 1.5, and the light beam is incident on the lens surface from the air. As is apparent from the figure, the reflectance is low and constant until the incident angle is around 50 °, but the reflectance increases abruptly when the angle exceeds 50 °.
The light ray having a large incident angle shown in FIG. 2B has a high ratio of being reflected as apparent from the Fresnel reflection law of FIG. For example, when a single-convex spherical lens having a refractive index of 1.5 is used and parallel light is produced by using a light source with a divergence angle of 30 ° at the focal length of the lens, the loss due to the reflected light is the total amount of light. It reaches nearly 30%.
Therefore, if the lenses are connected in multiple stages as in the conventional optical system, Fresnel reflection occurs in multiple stages, increasing the loss. These reflected lights are scattered in space and cannot be used as convergent light.
[0030]
On the other hand, in the bulk type lens used in the lighting device of the present invention, all the light beams can be incident on the lens surface even if the light beam has a large divergence angle. Is a lens with extremely low loss.
Further, since the reflecting surfaces that cause Fresnel reflection are the ceiling portion 2 and the top portion 3, the reflected light (stray light) reflected by these surfaces is reflected in the bulk lens. These reflected lights (stray light) are not scattered outside the bulk lens by being totally reflected by the outer peripheral part 9, but return to the lens surface, which is partly the top part 3 and the ceiling part 2, and become convergent light. The other part is reflected at the bottom 7 and returns to the top 3 or the ceiling 2 to become convergent light. The other part is absorbed by the LED light source and re-emitted to become convergent light.
[0031]
FIG. 4 is a diagram showing a process in which the light returned to the LED light source 101 is re-emitted.
In the figure, the returned light is absorbed by the PN junction to generate holes and electrons, and these holes and electrons recombine to re-emit light. This effect is particularly significant in the case of an LED having a heterostructure. In the heterostructure LED, the band gap energy of the PN junction that is the light emitting part is formed smaller than the band gap energy of the P and N regions, so that reflected light (stray light) is absorbed in the P or N region. Instead, it is absorbed only at the PN junction and re-emits light.
Furthermore, in the bulk-type lens used in the illumination device of the present invention, light incident on the inner peripheral portion 105 is also guided to the top portion 103 by total reflection at the outer peripheral surface 109 and is emitted as convergent light. This effect is further enhanced when the LED light source 101 is housed in the housing portion via an optical medium having a refractive index higher than that of the optical medium of the bulk lens.
In the bulk type lens used in the illumination device of the present invention, the light of the LED light source is effectively extracted as the convergent light with an efficiency substantially equal to the internal quantum efficiency due to the synergistic effect described above. It is considered that the loss is extremely low compared to a spherical lens.
[0032]
FIG. 5 is a diagram showing a measurement system for comparing characteristics when parallel light is produced by a bulk lens used in the illumination device of the present invention and a conventional convex spherical lens. FIG. 5A is a schematic diagram showing a measurement system for measuring the light intensity (illuminance) distribution in the direction perpendicular to the optical axis direction when the bulk lens 120 used in the illumination device of the present invention is used. is there. The intensity (illuminance) of the output light from the exit surface of the bulk lens 120 is measured by moving the illuminometer 202 in the y-axis direction with the measurement distance x from the LED 101 being constant. The measurement distance (x) is measured in the optical axis direction. On the other hand, FIG. 5B is a diagram showing that the same measurement is performed using a conventional biconvex lens.
[0033]
5A and 5B, the outer diameter of the bulk lens 20 according to the first embodiment of the present invention is 30 mmφ, and the outer diameter of the biconvex lens 201 used for comparison is twice this. The strength was 63 mmφ. A biconvex lens 201 having a focal length of 150 mm was used and arranged at a position of 150 mm in the x direction from the LED 101. The LED light source 101 has a divergence angle of about 12 degrees.
[0034]
FIG. 6 is a diagram comparing the characteristics when parallel light is created using a bulk lens used in the illumination device of the present invention and a conventional convex spherical lens, and the bulk lens 120 used in the illumination device of the present invention. The results of measuring the intensity (illuminance) distribution along the y direction of the output light of the conventional thin lens (biconvex lens) 201 and the bare LED not using the bulk type lens at the measurement distance x = 1 m are shown. Show. The bulk lens 120 used in the illumination device of the present invention has twice the illuminance as the conventional thin lens (biconvex lens) 201. This result shows that the bulk type lens used in the illumination device of the present invention has an effect that cannot be realized by a conventional optical system.
[0035]
FIG. 7 is a diagram in which the parallelism of parallel light created by the bulk type lens used in the illumination device of the present invention and a conventional convex spherical lens is evaluated.
FIG. 6 summarizes data obtained by measuring the intensity (illuminance) distribution along the y direction while changing the measurement distance x in the same manner as in FIG. 5. The horizontal axis in the figure is the square of the reciprocal of the measurement distance x, that is, 1 / x.²The vertical axis indicates the maximum intensity (peak intensity) at the measurement distance x. As is apparent from the figure, in the case of the bulk type lens of the present invention, the inverse square law, that is, 1 / x²The measurement points are clearly plotted on the line indicating. On the other hand, the conventional thin lens (biconvex lens) 201 deviates from the inverse square law.
This result shows that the bulk type lens 120 according to the first example of the present invention has sufficient parallelism, and can achieve performance that is not inferior to that of the conventional lens system.
[0036]
FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the geometric structure of the bulk lens used in the illumination device of the present invention and the light collection rate. Here, “condensation rate” is obtained by dividing “the amount of output light from the bulk lens at a divergence angle within ± 1 °” by “the amount of light from the light source (LED) at a divergence angle within ± 12 °”. Defined by the amount. That is, the amount corresponds to the beam diameter. The radius of curvature R of the top portion 103, the total length L of the bulk lens, the medium length (distance between the lenses of the top portion and the ceiling portion) D, the inner diameter of the storage portion (inner peripheral portion system of the concave portion) r, the curvature portion length Δ of the ceiling portion 102 As a parameter, the light collection rate was measured. Here, as shown in FIG. 1, the sign of Δ is defined as negative when the ceiling 102 is concave and defined as positive when convex.
FIG. 9 is a diagram showing the geometric structure of the manufactured bulk lens of the present invention. From FIG. 8, in order to improve the light collection rate,
0.93 <k (R / L) <1.06 (2)
k = 1 / (0.35 · n−0.168) (3)
It is experimentally found that it is preferable to satisfy Here, n is the refractive index of the optical medium that is the material of the bulk lens. The radius Ro of the cylindrical portion of the bulk lens 120 and the radius of curvature of the top 3 are not necessarily equal to R.
[0037]
Next, another bulk lens used in the illumination device of the present invention will be described.
FIG. 10 is a diagram showing the structure of the bulk lens of the present invention in which the ceiling 102 is convex. 10, the bulk lens 122 is the same as the bulk lens 120 shown in FIG. 1 except that the shape of the ceiling 102 is different. The outer diameter 2Ro of the cylindrical part of the bulk type lens 122 used for the measurement is 15 mmφ, the total length L of the bulk type lens is 25 mm, the distance D between the top and ceiling lenses is 16 mm, and the inner diameter r of the storage part 6 is 5.2 mm. The refractive index n of the bulk lens is 1.54. The radius of curvature R of the top 103 of this bulk lens is 8.25 mm. The resin-molded LED 1 used for the measurement has an outer diameter of 5 mmφ.
[0038]
FIGS. 11A to 11C and FIGS. 12A to 12C are diagrams illustrating the relationship between the height Δ of the convex portion of the ceiling portion 102 and the beam intensity profile. The illuminance was measured at a distance x = 1 m from the light source. As can be seen from the figure, the condensing characteristic can be obtained even if the ceiling 102 is a convex lens.
[0039]
Thus, according to the bulk type lens used in the illumination device of the present invention, a light beam having a desired irradiation area is secured as a light beam contributing to illumination without requiring a large number of LEDs and Illuminance can be easily obtained. This illuminance is an illuminance that cannot be achieved by a conventionally known optical system such as a lens. Surprisingly, it could be realized with only one LED having the same illuminance as a thin flashlight using a halogen lamp currently on the market. Thus, according to the bulk type lens used for the illuminating device of the present invention, illuminance that cannot be realized by the conventional technique can be realized with a simple structure as shown in FIG.
[0040]
As the material of the bulk type lens 120 used in the lighting device of the present invention, various plastic materials such as transparent plastic materials such as acrylic resin, quartz glass, soda lime glass, borosilicate glass, lead glass, and the like can be used. Alternatively, a crystalline material such as ZnO, ZnS, or SiC may be used. Also, a material such as sol, gel, sol-gel mixture or transparent rubber having flexibility, flexibility and stretchability may be used. Also, sol, gel, sol-gel mixture, etc. may be stored in a transparent rubber or flexible transparent plastic material. A transparent plastic material such as an acrylic resin is a suitable material for mass-producing the bulk lens 120. That is, once a mold is made and molded by this mold, the bulk lens 120 can be easily mass-produced.
[0041]
Next, a modification of the bulk type lens used in the illumination device of the present invention will be described. The bulk lens can also be used when using a light source that emits light from the side surface of the LED chip, such as an edge-emitting LED.
The edge-emitting LED emits light from the side surface of the LED chip. Therefore, when this LED chip is mounted on the above bulk lens, there are many components that are perpendicularly incident on the inner peripheral portion 105 of the bulk lens. Therefore, more light is diffused to the outside of the bulk lens without being totally reflected. The modified bulk type lens can obtain convergent light with extremely low loss even for such a light source.
[0042]
FIG. 13 is a diagram showing an optical path of a light beam when the inner peripheral portion 105 and the outer peripheral portion 109 of the bulk type lens of the present invention have an inclination. In the figure, the divergence angle of the light source is θ_d, The inclination angle between the inner periphery 105 and the outer periphery 109 is φ, and the total reflection angle of the outer periphery 109 is θ_t, The incident angle and refraction angle of the light beam at the inner peripheral portion 105 are θ₁And θ₂, And the refractive index of the optical medium of the bulk lens, and the refractive index of the storage portion (concave portion) 6₂And n₁And The figure shows a state in which a light beam having a maximum light emission angle, that is, a divergence angle satisfies the total reflection condition and is totally reflected by the inclination angle φ.
From the Snell's law of refraction, θ₁And θ₂In between
sinθ₁/ Sinθ₂= N₂/ N₁              (4)
And, as is clear from the figure, θ_t, Φ, θ₂In between
θ_t= Φ + θ₂                                  (5)
Holds. As is clear from the figure, θ_d, Θ₁, Φ,
θ_d= 90 °-(θ₁+ Φ) (6)
The relationship holds. From the above formulas (4), (5) and (6), θ₁And θ₂, The bulk lens will have a total reflection angle θ_tAnd the divergence angle of the light source is θ_dAs a relational expression that gives an inclination angle φ necessary for total reflection,
sin^-1{N₁/ N₂cos (θ_d+ Φ)} = θ_t  (7)
Is obtained. That is, if the inner peripheral portion 105 and the outer peripheral portion 109 are inclined at an inclination angle φ satisfying the expression (7) or more, even if light is incident on the inner peripheral portion 105 vertically (θ_d= 90 °), and is totally reflected and reflected to the top 103 or reflected from the bottom face 107 and guided to the top 103, so that convergent light can be obtained.
[0043]
FIG. 14 is a diagram illustrating a configuration of a bulk type lens according to the above modification.
FIG. 14A shows an example in which fine irregularities are provided on the surface of the inner peripheral portion 105 of the bulk type lens 120. The unevenness has an inclination angle of φ or more that satisfies at least the expression (7), and the size of the unevenness may be about the light wavelength. Further, it is only necessary to provide the unevenness in the vicinity of the light source of the inner peripheral portion 105. Such irregularities can be easily formed by polishing the surface of the inner peripheral portion 105 using an abrasive having an appropriate particle diameter.
FIG. 14B shows a state in which a light beam emitted in a substantially lateral direction is totally reflected inside the bulk lens or reflected by the bottom surface 107 and totally reflected by the side wall and guided to the top 103. Thus, for example, even when using an LED that emits most of the emitted light from the side surface of the chip, such as an edge-emitting LED, all the emitted light can be converged. Furthermore, since the lens unit and the storage unit for storing the light source are integrally formed, there is no need for a holding unit for optically aligning and holding the lens and the light source, which is necessary in the conventional lens system. In addition, since the optical alignment process is not required and only the light source is covered, the cost is extremely low.
[0044]
15 and 16 show a first embodiment of a lighting device according to the present invention.
15 and 16, the illumination device 10 includes a light emitting unit 11, a bulk type lens 12 disposed to face the light emitting unit 11, a driving unit 13 that drives a light source of the light emitting unit 11, and this driving. A power supply unit 14 for supplying power to the unit 13; a switch unit 15 for turning on / off the power supply from the power supply unit 14 to the drive unit 13; A built-in case 16.
[0045]
The light emitting unit 11 is housed in a case 16 and includes a light source 11a, for example, one LED, an insulating substrate 11b on which the light source 11a is mounted, and a reinforcing cylinder 11c that covers the lead wire of the light source 11a. Has been. The light source 11a is not limited to an LED, and various light sources such as a semiconductor laser element can be used.
The insulating substrate 11b has a driving portion 13 which will be described later on the surface, a terminal portion 11d which contacts the inner surface of the case on the side edge, and a positive electrode of a battery as a power source on the back surface. Each contact portion 11e is formed.
[0046]
The bulk lens 12 is made of a translucent material such as acrylic resin or glass, and has a rear end facing the light emitting unit 11 and a front end protruding outward from the case 16. Yes.
Here, the bulk lens 12 has a convex top portion 12a, a cylindrical outer peripheral portion 12b, and a flat rear end surface 12c, and a central axis (optical axis) in the vicinity of the center of the rear end surface 12c. A recess 12d extending forward is provided.
The recess 12d has a ceiling portion 12e and a cylindrical inner peripheral surface 12f.
The light source 11 a of the light emitting unit 11 is fitted and held in the recess 12 d of the bulk lens 12.
When viewed from the light emitting unit 11, the ceiling 12 e functions as a first lens surface and the top 12 a functions as a second lens surface, so that the bulk lens 12 functions as a lens. Further, the inner peripheral portion 12f acts as a light incident surface from the light source 11a.
[0047]
The outer peripheral part 12b is provided with a first screw part 12g on the surface in a region behind the light source 11a of the light emitting part 11. Furthermore, the outer peripheral part 12b acts as a reflecting surface on the inner side. In order to improve the action as the reflecting surface, a reflecting member may be provided on the surface of the outer peripheral portion 12b. Similarly, a reflective member may be provided on the surface of the rear end surface 12c.
[0048]
The drive unit 13 is formed on the insulating substrate 11b of the light emitting unit 11 as described above, and is configured to supply power to the light source 11a of the light emitting unit 11 by being supplied with power from the power supply unit 14. Yes. The specific configuration of the drive unit 13 is appropriately selected according to the light source 11a to be used.
The power supply unit 14 is accommodated in a case 16 and is composed of three batteries 14a arranged in series in the illustrated case. In the foremost battery 14 a, the positive electrode is in contact with the contact part 11 e of the insulating substrate 11 b of the light emitting part 11.
[0049]
As shown in FIG. 17, the switch portion 15 includes a cap 15a that is detachably attached to the rear end of the case 16, an annular conductive member 15b that is movably fitted in the cap 15a in the axial direction, and a conductive member. And a sliding member 15c inserted through 15b.
The cap 15a is made of a conductive material and is configured to be screwed to the rear end of the case 16.
The conductive member 15b is made of a conductive material, and has a through hole 15d at the center, and the rear end of the through hole 15d is enlarged in a tapered shape.
The sliding member 15c is inserted into the through hole 15d of the conductive member 15b via an insulating bushing 15e, and the rear end thereof is enlarged in a taper shape corresponding to the shape of the rear end of the through hole 15d.
[0050]
Further, the sliding member 15c is provided with an annular stopper 15f such as an E-ring near the front end thereof.
Here, with the sliding member 15c inserted through the through hole 15d of the conductive member 15b, the compression coil spring 17 is inserted between the stopper 15f of the sliding member 15c and the front end surface of the conductive member 15b. Yes. On the other hand, a compression coil spring 18 is similarly inserted between the rear end surface of the conductive member 15b and the inner end surface of the cap 15a.
Therefore, the front end of the sliding member 15 c comes into contact with the negative electrode of the battery 14 a at the rearmost part of the power supply unit 14 in a state where the cap 15 a is screwed to the rear end of the case 16.
As shown in FIG. 17A, when the cap 15a is sufficiently screwed into the rear end of the case 16, the cap 15a and the conductive member 15b advance forward, and the compression coil spring 17 is compressed. Is done. As a result, the tapered rear end portion of the sliding member 15c is separated from the tapered rear end portion of the through hole 15d of the conductive member 15b, and the switch is turned off.
[0051]
On the other hand, as shown in FIG. 17B, when the screwing of the cap 15a is loosened with respect to the rear end of the case 16, the cap 15a and the conductive member 15b are slightly retracted. At this time, the sliding member 15 c is held in a state where its front end is in contact with the negative pole of the battery 14 a at the rearmost part of the power supply unit 14 based on the tension of the compression coil spring 17. In this manner, the tapered rear end portion of the sliding member 15c comes into contact with the tapered rear end portion of the through hole 15d of the conductive member 15b, and the switch is turned off.
In the illustrated case, the cap 15 a includes a clip 15 e that extends along the outer peripheral surface of the case 16 while being screwed into the rear end of the case 16.
[0052]
In the illustrated case, the case 16 is formed as a so-called pencil type in an elongated cylindrical shape, and houses the light emitting unit 11, the optical member 12, the drive unit 13, the power supply unit 14, and the switch unit 15.
Here, the case 16 is made of a conductive material, and the terminal portion 11d provided on the insulating substrate 11b is in contact with the inner peripheral surface thereof as described above. Thereby, the voltage by the battery 14a of the power supply part 14 is applied to the drive part 13 from the terminal part 11d and the contact part 11e of the insulating substrate 11b of the light emission part 11 through the switch part 15 and the case 16. Yes. Note that a thin film of a lubricating resin such as Delrin (trade name) may be provided on the inner surface of the case 16 in order to facilitate the insertion and removal of the battery 14a and to ensure insulation.
[0053]
Furthermore, the case 16 has a second screw portion 16a formed on the inner peripheral surface of the front region thereof corresponding to the first screw portion 12g formed on the outer peripheral portion 12b of the bulk lens 12, and a front end. In the vicinity, an annular groove 16b that receives an O-ring 19 disposed so as to surround the bulk lens 12 and an annular stopper 16c that restricts the rearward movement of the bulk lens 12 are provided. .
[0054]
Accordingly, when the front part of the bulk lens 12 protruding from the front end of the case 16 is rotated, the bulk screw 12g and the second screw part 16a of the case 16 are screwed together. The mold lens 12 moves in the axial direction. At that time, the axial movement direction of the bulk lens 12 is determined by the rotation direction of the bulk lens 12. For example, when the first screw portion 12g and the second screw portion 16a of the case 16 are right-handed screws, the bulk-type lens 12 is rotated to the right around the optical axis, whereby the bulk-type lens 12 is moved to the optical axis. And move backward (to the left in FIG. 16). Thereby, the focal position of the lens by the ceiling part 12e and the top part 12a which are the first lens surface and the second lens surface of the bulk type lens 12 is moved and adjusted relative to the light source 11a of the light emitting part 11. .
[0055]
The lighting device 10 according to this embodiment is configured as described above. When the lighting device 10 is used, first, the switch unit 15 is operated, and specifically, the cap 15a is loosened from the state shown in FIG. 17B, when the switch unit 15 is turned on, the drive voltage from each battery 14a of the power source unit 14 is applied to the insulating substrate 11b of the light emitting unit 11 via the switch unit 15 and the case 16. The driving unit 13 is supplied to the driving unit 13 and operates to pass a driving current through the light source 11 a of the light emitting unit 11.
[0056]
As a result, the light source 11 a emits light, and a part of the light emitted from the light source 11 a is directly incident on the bulk lens 12 in the concave portion 12 d of the bulk lens 12, and the other part is in the bulk lens 12. It enters into the bulk type lens 12 from the inner peripheral part 12e in the concave part 12d. At this time, since the light source 11a is fitted in the recess 12d of the bulk lens 12, the light incident on the bulk lens 12 is forward based on the refractive index of the bulk lens 12 in front of the light source 11a. It is refracted toward the front, guided toward the front of the bulk lens 12, reflected by the outer peripheral portion 12 b of the bulk lens 12, and reaches the top portion 12 a of the bulk lens 12.
[0057]
Further, the light incident on the inner peripheral portion 12e of the bulk lens 12 behind the light source 11a is refracted rearward based on the refractive index of the bulk lens 12, and the rear end surface of the bulk lens 12 When the rear end surface 12 is provided with a reflecting member, the light is reflected by the reflecting member, enters the optical member 12 from the rear end surface 12c of the bulk lens 12 again, and travels forward. Be guided.
[0058]
As a result, the light emitted from the light source 11 a is also taken into the bulk type lens 12 as the light is directed to the side and the rear, and the light incident from the light source 11 a into the bulk type lens 12 is the top portion 12 a of the bulk type lens 12. Then, the light is emitted forward from the top 12a to illuminate the object.
Since the bulk lens 12 is moved and adjusted along the optical axis by rotating the bulk lens 12 around the optical axis, the ceiling portion 12e as the first lens surface of the bulk lens 12 and The focal position of the lens is adjusted with respect to the light source 11 a of the light emitting unit 11 by the top portion 12 a as the second lens surface.
[0059]
Therefore, the lens effect by the bulk type lens 12 with respect to the light emitted from the light source 11a changes. Specifically, for example, when the bulk lens 12 moves backward, the light source 11a of the light emitting unit 11 approaches the bulk lens 12, so that the irradiation angle range of the light emitted from the bulk lens 12 is widened. Further, the bulk type lens 12 moves forward, the light source 11 a of the light emitting unit 11 is separated from the bulk type lens 12, and the light is focused by the lens effect of the bulk type lens 12, so that the light is emitted from the bulk type lens 12. The light irradiation angle range is narrowed.
[0060]
In this way, the light from the light source 11 a of the light emitting unit 11 is incident on the bulk lens 12 with high efficiency including the light emitted sideways or rearward, and is diffused by the lens effect of the bulk lens 12. Or it is focused to illuminate the object. Compared with the case of using a conventional optical lens, the illumination light is illuminated with a significantly brighter illumination light by using the bulk lens 12 and the illumination angle of the illumination light is moved by the movement of the bulk lens 12 in the optical axis direction. The range is adjusted, and a wider angle range can be illuminated, or illumination light can be focused on a specific object.
[0061]
FIG. 18 shows a main part of a second embodiment of the lighting device according to the present invention. In FIG. 18, the illuminating device 20 has basically the same configuration as that of the illuminating device 10 shown in FIGS. 15 to 17, and only the moving mechanism for the bulk type lens 12 with respect to the case 16 is different. . That is, in the illuminating device 20 shown in FIG. 18, the bulk lens 12 is supported via the rotating ring 21 so as to be movable in the optical axis direction with respect to the case 16.
[0062]
The rotating ring 21 includes an inner peripheral surface 21 a formed in a cylindrical shape so as to surround the outer peripheral surface 12 b of the bulk lens 12. The inner peripheral portion 21 a is behind the first screw portion 21 b formed so as to be screwed into the second screw portion 16 d formed on the outer peripheral surface of the front end of the case 16 and the light source 11 a of the bulk type lens 12. And an annular protrusion 21c that engages with an annular groove 12h provided in the region. As a result, the first ring 21b of the rotating ring 21 is screwed with the second thread 16d of the case 16, and the annular protrusion 21c is engaged with the annular groove 12h of the bulk lens 12. The optical member 12 can be rotated.
[0063]
According to the illuminating device 20 having such a configuration, the light source 11a of the light emitting unit 11 is turned on and the rotating ring 21 is rotated by acting in the same manner as the illuminating device 10 illustrated in FIGS. The rotating ring 21 moves in the optical axis direction with respect to the case 16, and accordingly, the bulk lens 12 also moves in the optical axis direction with respect to the case 16. Thereby, the irradiation angle range of the light emitted from the top portion 12a of the bulk lens 12 can be changed. At this time, the bulk type lens 12 is supported so as to be rotatable with respect to the rotating ring 21, so that it does not rotate around the optical axis but simply moves in the optical axis direction.
[0064]
FIG. 19 shows a main part of a third embodiment of the lighting device according to the present invention. In FIG. 19, the illumination device 30 has basically the same configuration as that of the illumination device 10 shown in FIGS. 15 to 17, and only the moving mechanism of the bulk lens 12 is different. In the illumination device 30 shown in FIG. 19, the bulk lens 12 includes a third screw portion 12i in a region behind the light source 11a located in the vicinity of the ceiling portion 12e, and the third screw portion 12i. Corresponding to the above, a fourth screw portion 11 f is formed on the outer peripheral surface of the reinforcing cylinder 11 c of the light emitting portion 11. As a result, the bulk type lens 12 has its third screw portion 12i screwed into the fourth screw portion 11f of the light emitting portion 11, and the bulk type lens 12 is rotated relative to the light emitting portion 11 by the rotation of the bulk type lens 12. Thus, it can be moved and adjusted in the optical axis direction.
[0065]
According to the illuminating device 30 having such a configuration, the light source 11a of the light emitting unit 11 is turned on and the bulk lens 12 is rotated by acting in the same manner as the illuminating device 10 shown in FIGS. The bulk lens 12 moves in the optical axis direction. Thereby, the irradiation angle range of the light emitted from the top portion 12a of the bulk type lens 12 can be changed by the movement of the bulk type lens 12 in the optical axis direction.
[0066]
FIG. 20 shows a main part of a fourth embodiment of the lighting device according to the present invention. 20, the illuminating device 40 has basically the same configuration as that of the illuminating device 10 shown in FIGS. 15 to 17, and includes a reflecting mirror 41 and only the moving mechanism of the optical member 12 is different. It is configured. The reflection mirror 41 is a concave mirror, and is formed as a rotating paraboloid, for example. Further, the bulk type lens 12 is supported by a support member 43 slidable in the optical axis direction along at least one (two in the illustrated case) guide member 42 fixed to the case 16. An adjustment screw 44 that extends in the optical axis direction and is rotatably supported with respect to the case 16 so as to be screwed into the support member 43 is provided.
The adjustment screw 44 includes an adjustment knob 45 at one end thereof. When the adjustment knob 45 is rotated, the adjustment screw 44 is rotated to move the support member 43 in the optical axis direction. Accordingly, the bulk lens 12 is configured to be movable and adjustable in the optical axis direction with respect to the light emitting unit 11.
[0067]
According to the illumination device 40 having such a configuration, the light source 11a of the light emitting unit 11 is turned on and the adjustment knob 45 is rotated by acting in the same manner as the illumination device 10 shown in FIGS. The bulk lens 12 moves in the optical axis direction. Thereby, the irradiation angle range of the light emitted from the top portion 12a of the bulk type lens 12 and reflected by the reflection mirror 41 can be changed by the movement of the bulk type lens 12 in the optical axis direction.
[0068]
FIG. 21 shows an essential part of a fifth embodiment of the lighting device according to the present invention. In FIG. 21, an illuminating device 50 has basically the same configuration as that of the illuminating device 10 shown in FIGS. 15 to 17, and includes a light emitting unit 51 having a plurality of light sources 51a and these light sources 51a. In addition to the bulk type lens 52 having a corresponding concave portion, the switch unit 15 is omitted, and instead, the drive unit 13 configured integrally with the light emitting unit 51 can move in the optical axis direction within the case 16. By being arranged in, it has a different configuration in that it has a switch function.
[0069]
The light emitting section 51 includes a plurality of (in the illustrated case, three) light sources 51a, for example, LEDs, and each light source 51a is fitted into a recess 52d provided on the rear end face 52c of the bulk lens 52, respectively. is doing. Further, the light emitting unit 51 is supported so as to be slidable in the optical axis direction in the case 16 together with the driving unit 13, and includes an operation unit 51 b protruding from a hole 16 e provided in the case 16.
When the operation unit 51b is operated by hand and moved in the optical axis direction, power supply to the drive unit 13 of the battery 14a of the power supply unit 14 is turned on and off, and each light source 51a of the light emitting unit 51 is moved in the optical axis direction. It is. In this case, the foremost battery 14a of the power supply unit 14 is always urged toward the contact part 11e by being biased forward by a spring member (not shown) provided at the rear end in the case 16. It comes to touch.
In addition, on / off of power feeding by the movement of the light emitting unit 51 and the driving unit 13 is performed, for example, when the operation unit 51b is moved to the rearmost end in the hole 16e, the electrical contact between the terminal unit 11d and the inner surface of the case 16 is blocked. It is done by doing.
The bulk lens 52 is configured in the same manner as the bulk lens 12 described above, and is different only in that it is fixed to the front end of the case 16 and has a plurality of recesses 52d on the rear end surface 52c. It has become.
[0070]
According to the illuminating device 50 having such a configuration, by moving the operation unit 51b forward, power supply from the battery of the power supply unit 14 to the drive unit 13 is started, and light emission is performed as the operation unit 51b moves. Each light source 51a of the unit 51 moves forward in the optical axis direction. Thereby, the irradiation angle range of the light emitted from the front end face of the bulk lens 52 can be changed by the movement of the bulk lens 52 in the optical axis direction relative to the light source 51a.
[0071]
In the embodiment described above, only one or three light sources 11a and 51a constituting the light emitting unit are used. However, the present invention is not limited to this, and it may include two or four or more light sources. it is obvious.
In the above-described embodiment, the switch unit 15 is provided to turn on and off the power supply from the power supply unit 14 to the drive unit 13, or the light emitting unit 51 is configured to be slidable in the case 16. Not limited to this, any type of switch unit may be provided.
[0072]
Furthermore, in the above-described embodiment, the front end surface 12a, which is the first lens surface of the bulk lens 12, is formed as a convex surface, and the inner end surface 12e, which is the second lens surface, is formed as a concave surface. Not only the top 12a and the ceiling 12e may be formed as a convex surface, a concave surface, a flat surface, or a Fresnel lens surface, respectively. In the above-described embodiment, the outer peripheral portion 12b and the inner peripheral surface 12f of the bulk lens 12 are each formed in a cylindrical shape. However, the present invention is not limited to this, and the bulk lens 12 may be formed in an elliptical column shape, a polygonal shape, or the like. Furthermore, it may have a taper that tapers forward.
[0073]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the drive unit causes one or a plurality of light sources to emit light by power supply from the power supply unit. Thereby, a part of the light emitted from each light source of the light emitting unit enters the optical medium from the ceiling of the concave portion of the bulk lens, and the other part enters the optical medium from the inner peripheral surface. Therefore, part of the light incident on the optical medium is directly emitted from the top in the optical medium, and the other part is reflected on the inner side of the outer peripheral surface of the bulk lens and is emitted from the top. As a result, the light emitted from the top of the bulk lens is refracted based on the lens effect of the first lens surface that is the ceiling of the bulk lens and the second lens surface that is the top, and radiates forward. Is done. That is, since the light source of the light emitting unit is fitted in the concave part of the bulk lens, the light emitted from the light source is converged with high efficiency, and the illumination intensity of the illumination device can be increased.
[0074]
Here, when the bulk type lens is moved in the optical axis direction relative to the light emitting part, the distance from the light source of the light emitting part to the first lens surface that is the ceiling part of the concave part of the bulk type lens varies. As a result, the focal position of the lens constituted by the first lens surface and the second lens surface of the bulk type lens moves with respect to the light source. Therefore, the lens effect on the light emitted from the light source changes, and the irradiation range of the light emitted from the top of the bulk lens is adjusted. For example, the light emitted from the top of the bulk lens is diffused by the lens effect and irradiated to a wide angle range, or condensed by the lens effect and irradiated to a narrow angle range.
As described above, according to the present invention, the power consumption is small, the illumination can be configured at a low cost, and the focal length can be arbitrarily or appropriately adjusted so that a sufficient amount of light can be emitted. An apparatus is provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a bulk type lens used in an illumination device of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a state of loss due to a lens system of the prior art.
FIG. 3 is a diagram showing Fresnel reflection.
FIG. 4 is a diagram illustrating a process in which reflected light (stray light) is re-emitted in a PN junction of an LED.
FIG. 5 is a diagram showing a measurement system used for characteristic comparison between a bulk lens used in the illumination device of the present invention and a conventional lens.
FIG. 6 is a diagram comparing the condensing characteristics of a bulk lens used in the illumination device of the present invention and a conventional lens.
FIG. 7 is a diagram comparing the condensing characteristics of a bulk lens used in the illumination device of the present invention and a conventional lens.
FIG. 8 is a diagram showing measured values of characteristic changes due to differences in geometric shapes of bulk lenses used in the illumination device of the present invention.
9 is a diagram showing a geometric shape of a bulk type lens used in the illumination device of the present invention used in the measurement of FIG.
FIG. 10 is a cross-sectional view showing the configuration of another bulk type lens used in the illumination device of the present invention.
FIG. 11 is a diagram showing measured values of characteristic changes due to differences in the geometric shapes of bulk lenses used in the illumination device of the present invention.
FIG. 12 is a diagram showing measured values of characteristic changes due to differences in geometric shapes of other bulk type lenses used in the illumination device of the present invention.
FIG. 13 is a schematic diagram for explaining the principle according to a modification of the bulk lens used in the illumination device of the present invention.
FIG. 14 is a diagram showing a configuration of a modified example of a bulk type lens used in the illumination device of the present invention.
FIG. 15 is a schematic perspective view showing a configuration of an embodiment of a lighting device according to the present invention.
16 is a schematic cross-sectional view showing an internal configuration of the illumination device of FIG. 1. FIG.
FIGS. 17A and 17B are partial cross-sectional views showing a state of the switch unit in the lighting device of FIG. 1 when it is off (A) and (B).
FIG. 18 is a partial cross-sectional view showing a main part of a second embodiment of a lighting device according to the present invention.
FIG. 19 is a partial cross-sectional view showing a main part of a third embodiment of a lighting device according to the present invention.
FIG. 20 is a partial cross-sectional view showing a main part of a fourth embodiment of a lighting device according to the present invention.
FIG. 21 is a partial cross-sectional view showing a main part of a fifth embodiment of a lighting device according to the present invention.
[Explanation of symbols]
101, 11a, 51a
102, 12e Ceiling
103, 12a Top
104 Optical media
105, 12f Inner circumference
106, 12d recess
107, 12c Bottom, rear end face
108 Spacer
109, 12b Outer periphery
120, 12, 52 Bulk type lens
201 Biconvex lens
202 Illuminance meter
10 Lighting device
11 Light emitting part
11b Insulating substrate
11c Reinforcing cylinder
11d terminal
11e Contact part
11f Fourth screw part
12g First screw part
12h annular groove
12i Third screw part
13 Drive unit
14 Power supply
14a battery
15 Switch part
16 cases
16a, 16d Second screw part
16b annular groove
16c stopper
17, 18 Compression coil spring
19 O-ring
20 Lighting device
21 Rotating ring
21b First screw part
21c annular projection
30, 40, 50 Lighting device
41 reflection mirror
42 Guide member
43 Support member
44 Adjustment screw
45 Adjustment knob
51 Light emitter
51b Operation unit

Claims

A bottom portion, an outer peripheral portion, a top portion serving as a lens surface, and a concave portion formed from the bottom portion toward the top portion and including a ceiling portion and an inner peripheral portion, and the ceiling portion as a first lens surface, A bulk type lens in which the inner peripheral portion serves as a light incident surface, the outer peripheral portion and the bottom portion serve as a reflecting surface, and the top portion serves as a second lens surface;
At least one light source housed in a recess of the bulk lens and completely surrounded by the bulk lens;
A drive unit for driving the light source ;
A power supply unit for supplying power to the drive unit;
A switch unit for turning on and off the power supply from the power supply unit to the drive unit;
A case for accommodating the bulk lens, the light source, the drive unit, and the power supply unit;
And the bulk lens is supported so as to be movable in the optical axis direction.

A first screw portion is integrally provided in a region behind the light source of the bulk lens, and a second screw portion is formed on the case so as to be screwed into the first screw portion. The illumination apparatus according to claim 1, wherein the bulk lens is moved in the optical axis direction by rotating the bulk lens.

The lighting device according to claim 2, wherein the first screw portion is formed on a rotating ring that is rotatably attached to the bulk lens.

A third screw portion is integrally provided in a rear region of the bulk lens, and a fourth screw portion is formed in the light emitting portion that supports the light source so as to be screwed into the third screw portion. The bulk-type lens is moved in the optical axis direction relative to the light-emitting portion by rotating the bulk-type lens relative to the light-emitting portion. The lighting device described.

Behind the light source, wherein the reflecting member for reflecting towards the light from the light source to the rear end surface of the bulk-shaped lens is provided, the lighting device according to claim 1, 2 or 4.

Wherein in front of the bulk lens, wherein the reflection mirror for reflecting the light emitted through the bulk type lens is provided from the light source, the illumination apparatus according to any one of claims 1 to 5.

2. The lighting device according to claim 1, wherein the bulk type lens of the lighting device has an outer diameter of the outer peripheral portion that is not less than 3 times and not more than 10 times an inner diameter of the inner peripheral portion.

The illuminating device according to claim 1, wherein the bulk type lens of the illuminating device has a first lens surface formed of a convex surface, a concave surface, a flat surface, or a flat Fresnel lens surface.

The lighting device according to claim 1, wherein the light source is housed in the recess through an optical medium.

The lighting device according to claim 1, wherein the light source includes a semiconductor light emitting element molded with a resin material.

In the bulk type lens of the illumination device, the radius of curvature of the second lens surface is R, the total length measured in the optical axis direction of the bulk type lens is L, and the refractive index of the bulk type lens is n.
0.93 <k (R / L) <1.06
k = 1 / (0.35 · n−0.168)
The lighting device according to claim 1, wherein the following relationship is satisfied.

The bulk type lens of the illumination device has a protrusion amount of the first lens surface as Δ, an outer diameter of the outer peripheral portion as 2 Ro,
0.025 <Δ / Ro <0.075
The lighting device according to claim 1, wherein the following relationship is satisfied.

The lighting device according to claim 1, wherein the bulk type lens of the lighting device further includes a rear mirror at the bottom.

The lighting device according to claim 1, wherein another concave portion is arranged in parallel inside the bulk type lens of the lighting device.

The illuminating device according to claim 1, wherein the bulk type lens of the illuminating device is made of a material having flexibility or flexibility.

The bulk type lens of the illuminating device is characterized in that the light incident surface of the inner peripheral portion is constituted by an uneven surface having an inclination φ with respect to the outer peripheral portion and a size of at least a light wavelength or more. Item 2. The lighting device according to Item 1.

The inclination φ is such that the refractive index of the recess is n ₁ , the refractive index of the bulk lens is n ₂ , the total reflection angle at the outer peripheral surface is θ _t , and the divergence angle of the light source is θ _d
sin ⁻¹ {n ₁ / n ₂ cos (θ _d + φ)} = θ _t
The illumination device according to claim 16 , wherein the illumination device has an angle determined by