CN101285567B - 光学部件及照明装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种光学部件及照明装置，该光学部件(3)由以下面构成：与LED芯片(1)相对配置、且入射来自该LED芯片(1)的光的入射底面(6)；与该入射底面(6)相对、且将入射的光向外部出射的出射上面(7)；以及配置在入射底面(6)和出射上面(7)之间的外周侧面(8)，该光学部件(3)在外周侧面(8)上形成沿周方向延伸、并且以可以将入射的光向内侧进行全反射的角度设定的截面V字形状的多个沟(9)。

Description

光学部件及照明装置
技术领域
本发明涉及例如可以适用于一般照明、液晶显示装置的背光灯或投影仪的光源等的光学部件及照明装置。 
背景技术
近年来，人们开发出了将LED(发光二极管)作为光源的照明单元、液晶显示装置的背光灯单元或投影仪的光源单元等照明装置，并且已将其实用化。在利用该LED的照明装置中，为了会聚从LED出射的光，通常安装有透镜。一般为了会聚从LED出射的光，采用凸透镜或准直透镜作为该透镜。 
例如，在日本特表2004-516684号中，提出了在LED上方具有碗状的准直透镜的LED模块。在该LED模块中，在准直透镜上形成有接收来自LED的光的凹部、出射光的平面、以及为了进行入射的光的准直而使其向平面侧反射的反射外面，并且在凹部上形成有用于使光入射的2次曲面的入射底面和侧面。 
发明内容
但是，上述的现有技术中存在如下问题。 
即，在现有的准直透镜中，由于对应于一个光源而设计，故存在的问题是无法实现对应于LED阵列等多个光源的没有不均匀的有效的聚光。另外，如日本特表2004-516684号记载的技术那样，存在的问题是，由于需要形成具有2次曲面的凹部等复杂的形状，因此难以加工或成型，从而成本变高。 
本发明是考虑了所述问题而做出的，其目的在于提供一种不仅能够对应于一个光源而且能够对应于排列了多个的光源进行聚光、并且 能够以低成本制造的光学部件和利用该光学部件的照明装置。 
即，本发明的光学部件具有： 
与光源相对配置、且入射来自该光源的光的入射底面； 
与该入射底面相对、且将所述入射的光向外部出射的出射上面；以及 
外周侧面，配置在所述入射底面和所述出射上面之间，且具有设计成接收所述入射的光并向内侧全反射的凹面。 
在该光学部件中，使入射底面不仅与一个光源、而且与多个光源相对，从而可以从出射上面作为一个会聚光出射。 
具体来讲，所述凹面可以是被设计成在所述外周侧面上沿周方向延伸的截面V字形状或截面U字形状的多个沟的面。 
由于截面为V字或U字的沟可以容易地成形，因此可以提供低成本的聚光部件。 
另外，所述沟分别由配置在入射底面侧的底面侧面和配置在所述出射上面侧的上面侧面构成，且底面侧面和上面侧面可以分别相对于入射底面的垂直轴设定成规定角度。 
通过适当地设计底面侧面和上面侧面的角度，可以根据需要使出射的光的指向特性适当。例如，可以获得具有存在两个峰值的指向特性的出射光。特别地，底面侧面的所述角度可以根据设定来控制出射光的宽度，上面侧面的所述角度可以根据设定来进行准直效果的控制。 
更具体来讲，该光学部件可以为长度方向与来自光源的光的入射方向相垂直地配置的大致长方体形状，且所述沟形成在外周侧面中的沿长度方向延伸的一对侧面上。 
这适合于沿该光学部件的长度方向排列多个光源，会聚来自这些光源的光，并作为一个细长的、没有不均匀的光出射。 
上述出射上面可以做成曲面。即，通过用适当地设定的凹面、凸面的曲面形成出射上面，可以与上述沟的聚光效果相结合，进一步获得多种指向特性。 
另外，可以在外周侧面的全周上形成上述沟。这样，可以在出射光的全周上获得扩宽程度小、边界明确的点光。 
本发明还提供一种照明装置，其具有： 
光源；以及 
将入射底面与该光源相对配置的上述的光学部件。 
即，在该照明装置中具有上述光学部件，因此即使是多个光源，也能没有不均匀地进行聚光出射。 
在该照明装置中，使光源为LED，从而可以形成非常小型且低耗电的照明装置。 
另外，可以使光源为将多个LED芯片排列成一列配置的LED阵列，且在上述外周侧面中的沿LED排列方向的侧面上形成上述沟。即，在该照明装置中，可以高效地会聚来自所排列的各LED的光，并作为一个光出射。 
根据本发明，可以提供适用于照明单元、液晶显示装置的背光灯单元或投影仪的光源单元等各种照明用途的装置。 
附图说明
图1是用于说明来自本发明的照明装置的光源的光的会聚出射的图。 
图2是本发明的一个实施例的照明装置的斜视图。 
图3是示出上述照明装置的LED阵列的放大俯视图。 
图4是示出上述照明装置的概要的放大主视图。 
图5是示出上述照明装置的光学部件的要部放大侧视图。 
图6是示出上述照明装置的实际的光强度分布的曲线图。 
图7是示出上述照明装置的光强度分布和照度分布的测量方法的说明图。 
图8是示出上述照明装置的实际的照度分布的曲线图。 
图9是示出上述照明装置的光强度分布的模拟结果(底面侧面的角度为7°)的曲线图。 
图10是示出上述照明装置的光强度分布的模拟结果(底面侧面的角度为11°)的曲线图。 
具体实施方式
以下，根据图1至图10说明本发明的光学部件和照明装置的一个实施方式。另外，在用于下面的说明的各图中，为了使各部件成为可以识别的大小，适当地变更其比例尺。 
本实施方式的照明装置是适用于例如照明单元、液晶显示装置的背光灯单元或投影仪的光源单元等的照明装置，如图1-图4所示，具有：将多个LED芯片(光源)1排列成一列而配置的LED阵列2；以及在该LED阵列2上作为准直透镜而设置的光学部件3。另外，图1为了示出各部件的配置和光的行进方向，与图2的斜视图相比简化了各构成并改变了其比例尺。 
上述LED阵列2例如是白色LED阵列。该白色LED阵列用树脂材料5密封衬底4上的多个LED芯片1，作为LED芯片1，例如是蓝色(波长λ：470～490nm)LED元件或紫外光(波长λ：小于470nm)LED元件，例如是通过在蓝宝石衬底等绝缘性衬底上层叠氮化镓类化合物半导体(例如InGaN类化合物半导体)的多个半导体层而形成的。 
密封该LED芯片1的树脂材料5将硅树脂作为主要材料，例如添加有YAG荧光体。该YAG荧光体将来自LED芯片1的蓝光或紫外光变换为黄光，并利用混色效果来产生白光。另外，作为白色LED阵列，也可以采用上述以外的各种方案。另外，安装在衬底4上的LED芯片1在衬底4的长度方向上隔着规定的间隔而被配置成一列，并且可以任意地设定其个数。 
上述光学部件3是各向异性指向性透镜，并且如图1至图5所示，由面结构的光学材料形成，该光学材料由以下面构成：与LED芯片1相对配置、且来自这些LED芯片1的光被入射的入射底面6；与该入射底面6相对、且将入射的光向外部出射的出射上面7；以及配置在 入射底面6和出射上面7之间的外周侧面8。作为该光学材料，可以根据用途或成本采用丙烯酸类树脂、聚碳酸酯等树脂材料或玻璃材料等各种材料。 
该光学部件3沿LED阵列2的长度方向形成长的大致长方体形状。并且，在光学部件3中，在外周侧面8上形成有被设计成沿周方向延伸的、形成可以有效地将入射的光向内侧全反射的角度的截面V字形状的多个沟9。特别地，在本实施方式中，在外周侧面8中的沿长度方向延伸的一对侧面8a上形成沟9。即，沟9形成在外周侧面8中的沿着LED芯片1的排列方向的侧面8a上。 
如图4所示，用规定曲率的一次曲面形成上述出射上面7。在本实施方式中，将曲率半径设为150mm。 
上述沟9分别由配置在入射底面6侧的底面侧面9a和配置在出射上面7侧的上面侧面9b构成，并且底面侧面9a和上面侧面9b分别相对于入射底面6的垂直轴被设定成规定角度。这些底面侧面9a和上面侧面9b中，为了将内部的光向内侧全反射，其角度被设定成顶角较大。例如，将底面侧面9a的角度α设定为5°，并将上面侧面9b的角度β设定为6°。 
另外，底面侧面9a的角度α最好在3°以上，且上面侧面9b的角度β最好在20°以下。即，其理由在于，若底面侧面9a的角度α小于3°、或上面侧面9b的角度β大于20°，则不能获得充分的聚光效果，从而光的利用效率将被大幅恶化。 
接着，在图6中示出利用本实施方式的照明装置实际测量光强度分布的结果。在该测量中，如图7所示，测量相对于向与光学部件3相距500mm的屏幕出射照明光时的放射角度θ的光的相对强度。另外，使用了底面侧面9a的角度α为5°、且上面侧面9b的角度β为6°的光学部件3。另外，在图6中，x方向为光学部件3的长度方向，y方向为光学部件3的宽度方向。 
从该结果可知，长边侧(长度方向)的光强度分布是较广的分布，而在短边侧(宽度方向)，在放射角度±30°程度内显示出几乎恒定的 高强度，同时在超过该区域时强度急剧地下降，作为整体得到台形形状的指向特性，从而可以获得接近准直光的指向性高的出射光。 
接着，在图8中示出利用本实施方式的照明装置实际测量照度分布的结果。在该测量中，如图7所示，测量相对于向与光学部件3相距500mm的屏幕出射照明光时该光学部件离光轴的距离L的照度。从该结果可知，长度方向上的分布以光轴为峰值、照度以几乎恒定的比例衰减，而在宽度方向上，到200mm左右的距离为止衰减较少，从而作为整体得到台形形状的照度分布。 
将底面侧面9a的角度α设定为7°，并在1～19°范围内以2°间隔改变上面侧面9b的角度β的情况下，对各情况下的宽度方向上的光强度进行了模拟测量，并将结果表示在图9中。在该模拟结果中，在放射角度±30°左右的范围内也显示出几乎恒定的高强度，而在超过该区域时强度急剧地下降，作为整体形成台形形状的指向性。 
另外，将底面侧面9a的角度α设定为11°，并在1～19°范围内以2°间隔改变上面侧面9b的角度β的情况下，对各情况下的宽度方向上的光强度进行了模拟测量，并将结果表示在图10中。从该模拟结果可知，由于上面侧面9b的角度β不同，获得具有两个峰值的光强度分布。获得该具有两个峰值的指向特性的照明装置适用于，例如分为驾驶席和助手席这两个方向且需要高可见性的汽车导航用显示装置、或希望分成两个方向且部分地用强光照明的照明单元等。 
从以上可知，该光学部件3在其宽度方向(即，与设置了沟9的一对侧面8a垂直的方向)上，可以通过控制出射光的行进方向来进行聚光，并且可以得到指向特性在长度方向和宽度方向上不同的光。 
具体来讲，可以得到在宽度方向上较窄地聚光、而在长度方向上变宽一定程度的出射光。特别地，在多个光源沿一个方向排列的LED阵列2的情况下，通过使长度方向与该方向相一致地设置光学部件3，可以进行作为整体长的、没有不均匀的均匀且有效的聚光。 
利用底面侧面9a和上面侧面9b的上述角度的组合，可以获得各 种指向特性。特别地，底面侧面9a的上述角度可以根据设定来控制出射光的宽度，而上面侧面9b的上述角度可以根据设定来控制准直效果。 
另外，本发明并不限于上述实施方式，在不脱离本发明的要义的范围内可以进行各种变更。 
例如，在上述实施方式中，将沟9的纵截面形状设为截面V字形状，但是也可以是截面U字形状。即，虽然分别由平面构成了上面侧面9b和底面侧面9a，但也可以是曲面。另外，也可以是作为梨皮状凹凸的浮凸类型的全息图(浮雕类型)。 
另外，虽然将沟9形成在一对侧面8a上，但是也可以在包含其他侧面的外周侧面8的全周上形成沟9。此时，由于在外周侧面8的全周上形成沟9，从而可以在全周上获得指向性高的出射光，可以获得边界明确的点光。因此，利用大致长方体状的光学部件3可以得到明确的长方形的光。另外，若做成圆柱状或三角柱状的光学部件，则可以获得明确的圆形或三角形的点光。 
在上述实施方式中，上述出射上面7为凸曲面，但也可以根据所期望的指向特性等使其为凹曲面。另外，出射上面7形成在长度方向上具有规定曲率的曲面，但是也可以是相对宽度方向具有规定曲率的曲面。并且，出射上面7也可以为在长度方向和宽度方向的两个方向上具有曲率的2次曲面。另外，出射上面7也可以采用菲涅耳透镜形状。这种情况下，可以获得防止由于出射上面7的边缘而产生的出射光的弯曲的效果。如上所述，通过用适当设定的凹面、凸面等曲面形成出射上面7，可以与基于侧面8a的沟9的聚光效果相结合，进一步实现多种聚光特性。 
上述LED阵列2是白色LED阵列，但也可以是基于其他波长、例如红色、蓝色、绿色以及它们的组合的LED。 
另外，本发明的光学部件3适用于具有多个光源的LED阵列2，但是也适用于安装一个LED芯片1的LED。 
另外，如上所述，适用于将LED用作光源的情况，但是也适用 于例如荧光灯、冷阴极管或电灯泡等其他光源。 
另外，在两个侧面8a上将上述的上面侧面9b和底面侧面9a设定成相同的角度，使其在一对侧面8a上对称，但是也可以针对每个侧面8a个别地设定角度。另外，对于从入射底面6向出射上面7排列的每个沟9，可以暂时改变上面侧面9b和底面侧面9a的角度α、β或宽度等，也可以个别地进行设定。 

Claims (7)

1.一种光学部件，其特征在于，具有：
与光源相对配置、且入射来自该光源的光的入射底面；
与该入射底面相对、且将所述入射的光向外部出射的出射上面；以及
外周侧面，配置在所述入射底面和所述出射上面之间，
其中，所述光学部件具有沿所述光学部件的长度方向长的大致长方体形状，所述光学部件的长度方向与来自所述光源的光的入射方向垂直，并且
其中，所述光学部件具有凹面，所述凹面形成在所述外周侧面的一对侧面上并且沿所述光学部件的长度方向延伸以将所述入射的光向内侧全反射。
2.一种光学部件，其特征在于，具有：
与光源相对配置、且入射来自该光源的光的入射底面；
与该入射底面相对、且将所述入射的光向外部出射的出射上面；以及
外周侧面，配置在所述入射底面和所述出射上面之间，
其中，所述光学部件具有沿所述光学部件的长度方向长的大致长方体形状，所述光学部件的长度方向与来自所述光源的光的入射方向垂直，并且
其中，所述光学部件具有凹面，所述凹面是形成为在所述外周侧面上沿周方向延伸的截面V字形状或截面U字形状的多个沟的面。
3.如权利要求2所述的光学部件，其特征在于，
所述沟分别由配置在入射底面侧的底面侧面和配置在所述出射上面侧的上面侧面构成，
所述底面侧面和所述上面侧面分别相对于所述入射底面的垂直轴设定成规定角度。
4.如权利要求1或2所述的光学部件，其特征在于，
用曲面形成所述出射上面。
5.如权利要求2或3所述的光学部件，其特征在于，
所述沟形成在所述外周侧面的全周上。
6.一种照明装置，其特征在于，具有：
光源，是将多个发光二极管芯片排列成一列而配置的阵列；以及
光学部件，该光学部件具有沿所述阵列的长度方向长的大致长方体形状，并且具有：
与光源相对配置、且入射来自该光源的光的入射底面；
与该入射底面相对、且将所述入射的光向外部出射的出射上面；
外周侧面，配置在所述入射底面和所述出射上面之间；以及
多个凹面，所述多个凹面形成在所述外周侧面上并且沿所述阵列的配置有所述发光二极管芯片的长度方向延伸，并且所述多个凹面构成为将所述入射的光向内侧全反射。
7.如权利要求6所述的照明装置，其特征在于，
所述沟形成在所述外周侧面中的沿着所述发光二极管芯片的排列方向的侧面上。
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