CN101994938A - 发光装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种发光装置，在使用了具有较窄的发散光角特性的点光源的情况下，能够使出射光收敛于规定的角度内，并且能够按照较高的均匀度对照射范围进行照射。由点光源(12)和实心透明的导光体(14)构成发光装置(10)，用通过在包含中心轴(CL)的平面(M)中通过一个受光面侧周缘点(A)以及另一个出光面侧周缘点(D)、并且将另一个受光面侧周缘点(B)作为焦点的抛物线(P)而得到的旋转面来规定导光体(14)的反射侧面(22)，在导光体(14)的受光面(20)的中央部中，设置其表面是凹透镜(28)的凹部(26)，从而能够解决技术问题。

Description

发光装置
技术领域
本发明涉及能够使出射光的照射范围收敛于一定角度内，并且能够使用点光源，按照较高的均匀度对照射面进行照射的发光装置。
背景技术
通过使从光源出射的受限的光聚光而高效地对照射面进行照射是在开发发光装置时非常重要的课题，为了实现该课题，以往以来开发出了各种各样的发光装置(例如，专利文献1)。
专利文献1的发光装置1如其附图8所示，大致包括：面光源2；以及碗状的反射镜6，具有将来自该面光源2的光收入内侧空间的入射侧开口3、与该入射侧开口3对向的出射侧开口4、以及使从入射侧开口3收进内侧空间的光向着出射侧开口4反射的反射面5。
此处，反射镜6的反射面5是如下的旋转面：在包括中心轴CL的平面M中显现的入射侧开口3的两个周缘点7a、7b、以及出射侧开口4的两个周缘点9a、9b中，以与通过周缘点7a和9b的直线X平行、并且通过周缘点7b的直线为横轴的坐标系中，使通过周缘点7a以及周缘点9a、并且将另一个周缘点7b作为焦点的抛物线8以中心轴CL为中心轴进行旋转，从而得到的旋转面。
基于该发光装置1，从面光源2出射的光，在通过周缘点7a和9b的直线X与通过周缘点7b和9a的直线Y所成的角度θ(＝张角θ)内出射。其原因为，例如如果考虑从入射侧开口3的周缘点7b出射的光，则在反射面5上不反射地从直线出射侧开口4出射的情况下，该光与中心轴CL所成的角度和直线Y相同(＝1/2θ)，在反射面5上反射的情况下，周缘点7b位于抛物线8的焦点，所以从周缘点7b出射而在反射面5上反射的光全部与直线X平行地前进(这是指从入射侧开口3的周缘输出的所有光。原因是，入射侧开口3的周缘被规定成通过平面M中的抛物线8的焦点即周缘点7b且以中心轴CL为中心的圆)。另外，从入射侧开口3的周缘的内侧出射的光由反射面5反射了之后，全部相对中心轴CL以小于1/2θ的角度照射。
因此，从面光源2出射的光的照射范围S通过反射镜6被聚光在规定的角度θ内。
专利文献1：日本特开2006-128041号公报
发明内容
在所述发光装置1中，能够使从面光源2出射的光的照射范围S聚光在规定的角度θ内。但是，在光源中使用了以LED(发光二极管)为代表的点光源体2a的情况下(图9)，存在均匀度变低这样的问题。
即，从LED2a出射的光如从图10所示的发散光角特性的极坐标所示可知具有狭窄的(＝指向性强)发散光角特性，从该LED2a出射的光如图9所示，其大部分不在反射镜6的反射面5中反射而从出射侧开口4直接出射，结果，照射范围S的中央部S1被明亮地照射，其周缘部S2变暗。
本发明是鉴于这样的以往技术的问题点而开发出的。因此，本发明的主要的课题在于提供一种发光装置，在使用了具有较窄的发散光角特性的点光源的情况下，能够使出射光收敛在规定的角度内，并且能够以较高的均匀度来对照射范围进行照射。
第1方面记载的发明提供一种发光装置10，其特征在于，具备：
点光源12，具有狭窄的发散光角特性；以及实心透明的导光体14，具有将来自所述点光源12的光收进内部的受光面20、使从所述受光面20收进的光进行内面反射的反射侧面22、以及与所述受光面20对向地配置并使在所述反射侧面22上反射的光出光的出光面24，其中，
所述反射侧面22是通过将与所述点光源12的光轴L一致的中心轴CL作为旋转轴而使抛物线P旋转时的轨迹规定的旋转面，
所述抛物线P是如下的抛物线的一部分(线段AD)，即在假想了包含所述中心轴CL且截断所述导光体14的平面M时，在被表现为所述受光面20的周缘与所述平面M的交点的两个受光面侧周缘点A、B以及两个出光面侧周缘点C、D中，以与通过一个所述受光面侧周缘点A和与其相对地夹着所述中心轴CL的一个所述出光面侧周缘点C的直线W平行、并且通过另一个所述受光面侧周缘点B的直线X为横轴的坐标系中，通过一个所述受光面侧周缘点A以及另一个所述出光面侧周缘点D、并且将另一个所述受光面侧周缘点B作为焦点的抛物线的一部分(线段AD)，
在所述受光面20的中央部中与所述点光源12对向地设置有凹部26，所述凹部26的表面是凹透镜28。
在本发明的发光装置10中，实心透明的导光体14的反射侧面22是由使与专利文献1的反射面5同样的抛物线P以中心轴CL旋转了时的轨迹规定的旋转面，所以从点光源12出射的光通过导光体14被聚光在规定的角度内。
此处，在该发光装置10中，在具有与点光源12的光轴L一致的中心轴CL的导光体14中的受光面20的中央部，与点光源12对向地设置有其表面成为凹透镜28的凹部26。
一般的“凹透镜U”具有图4所示那样的特性。即，与该凹透镜U的中心轴CL平行的光PL(在图中，中心轴CL的上侧的光)通过凹透镜U折射，而在连接处于中心轴CL上的入射侧的焦点F1、和凹透镜U以及光PL的交点的直线上，恰如从焦点F1出射那样展宽行进(发散)。另外，向着处于中心轴CL上的出射侧的焦点F2的光OL(在图中，中心轴CL的下侧的光)通过凹透镜U折射，而成为与中心轴CL平行地行进的光。
因此，从点光源12出射的指向性强的光在通过形成于受光面20中的凹部26的表面(＝凹透镜28)时，以中心轴CL为中心而发散。
从点光源12出射的光通过凹透镜28而发散，从而如图5所示，如果是以往的发光装置，则在反射面中不反射而直接出射的光R1内，与中心轴CL所成的角度比较大的光Rla通过凹透镜28发散，从而其角度进一步变大，所以照射到导光体14的反射侧面22，在该反射侧面22中反射了之后，从出光面24出光而照射到照射范围S中的周缘部S2。
另一方面，在直接出射的光R1内，与中心轴CL所成的角度比较小的光Rlb也同样地通过凹透镜28发散，而其角度变大，不在导光体14的反射侧面22上反射而从出光面24直接出射，虽然在所述点中没有变化，但与没有凹透镜28的情况相比，照射更宽的照射范围S。
对于点光源12是小光量/小型且配设在凹部26的内侧，从该点光源12出射的光全部从凹部26的表面(＝凹透镜28)向导光体14内入光的情况，如上所述，但在点光源12是大光量/大型，且点光源12与导光体14的受光面20相离的情况下，从点光源12出射的光的一部分(＝光R2)从受光面20中的凹部26以外的部分向导光体14内入光。
该光R2在入光到导光体14时，折射到与中心轴CL所成的角进一步变小(即，聚光)的方向。然后，入光到导光体14内的光R2在反射侧面22进行了内面反射之后，从出光面24出光而朝向照射范围S。
通过这样在导光体14中的受光面20的中央部中设置其表面是凹透镜28的凹部26，照射到照射范围S的中央部S1的光减少，与此同时照射到周缘部S2的光增加。
另外，在整个本说明书中，“点光源”不限于完全的点状光源，而是例如还包括如LED这样具有较小的发光面的光源。
第2方面记载的发明在第1方面记载的发光装置10中，其特征在于，至少在所述受光面20中的所述凹部26的表面上，设置有多个微细的凹凸。
根据本发明，至少在受光面20中的凹部26的表面设置有多个微细的凹凸，使从点光源12出射的光如上所述通过凹透镜28发散，并且通过多个微细的凹凸进一步进行乱反射，从而恰如使凹部26的表面以较宽的出光角进行面发光，而从该凹部26的表面向导光体14内出射更均一的光，所以能够进一步提高从发光装置10出射的光所照射到的照射范围S中的均匀度。当然，也可以在包括凹部26的受光面20的整个表面中设置微细的凹凸。
第3方面记载的发明在第1或者第2方面记载的发光装置10中，其特征在于，所述点光源12出射蓝色的光，
至少在所述凹部26的表面上，设置有包括接收所述蓝色的光而出射黄色或者橙黄色的光的YAG(yttrium aluminum garnet，钇铝石榴石)荧光体29的荧光体膜30。
根据本发明，在从点光源12出射的蓝色的光通过荧光体膜30内时，该蓝色的光的一部分碰撞到包含在荧光体膜30中的YAG荧光体29而对其进行激励，从而射出与蓝色处于补色的关系的黄色或者橙黄色的光。然后，该黄色或者黄橙色的光与没有碰撞到YAG荧光体29的剩余的蓝色的光混色，从而成为白色的光，而能够从发光装置10出射白色的光。
第4方面记载的发明在第1至第3方面中的任意一个记载的发光装置10中，其特征在于，所述点光源12配设在所述受光面20的所述凹部26的内侧。
第5方面记载的发明在第1至第3方面中的任意一个记载的发光装置10中，其特征在于，还具备在内侧具有反射凹面52的反射器50，
所述导光体14使所述受光面20与所述反射器50的底部对向地，从所述反射器50的开口部50a插入设置到其内侧，
所述点光源12远离所述导光体14的所述受光面20而安装在所述反射器50的所述底部。
如上所述，根据本发明的发光装置，能够降低照射到照射面的照射范围中的中心部的光的量，并与其对应地使照射到该照射范围中的周缘部的光增加，所以能够使用具有狭窄的发散光角特性的点光源，同时能够使出射光聚光在规定的角度内，并且能够提高照射范围中的均匀度。
附图说明
图1是示出应用了本发明的发光装置的剖面图。
图2是示出应用了本发明的发光装置的导光体的立体图。
图3是基于包括中心轴并且切断导光体的平面的导光体的剖面图。
图4是用于说明凹透镜的特性的图。
图5是示出从点光源出射并导入到导光体的内部的光的轨迹的图(为了易于观察光的轨迹，省略了影线)。
图6是示出具有反射器的发光装置的剖面图。
图7是示出具有反射器的其他发光装置的剖面图。
图8是示出以往技术的图。
图9是示出以往技术的图。
图10是对一般的LED的发散光角特性进行了极坐标表示的图。
(符号说明)
10：发光装置；12：点光源；14：导光体；16：出光部；18：出光部保持部件；20：受光面；22：反射侧面；24：出光面；26：凹部；28：凹透镜；29：YAG荧光体；30：荧光体膜；50：反射器；51：透明罩；52：反射凹面；54：点光源保持板。
具体实施方式
以下，对应用了本发明的图示实施例进行说明。图1是示出应用了本发明的发光装置10的剖面图，图2是示出该发光装置10的导光体14的立体图。这样，应用了本发明的发光装置10包括点光源12和导光体14。
点光源12是具有狭窄的发散光角特性的LED(发光二极管)，在本实施例中，具备：出射蓝色光的出光部16；以及保持该出光部16，并印刷了用于向出光部16供给电力的供电电路(未图示)的出光部保持部件18。另外，点光源12如果是具有狭窄的发散光角特性的点光源，则不限于LED，能够使用其他种类的光源，所出射的光的颜色也不限于蓝色，但在如本实施例那样使用YAG荧光体29来生成白色光的情况下(后述)，需要使用蓝色光。
另外，点光源12既可以如图1(a)所示，远离导光体14中的后述受光面20地配设(点光源12是大光量/大型的情况)，也可以如图1(b)所示，配设在该受光面20的凹部26的内侧(点光源12是小光量/小型的情况)。在以下的说明中，基本上使用图1(a)，仅在需要的情况下使用图1(b)。
导光体14是聚碳酸酯制(当然，材质不限于此，也可以使用其他树脂、石英玻璃)的实心透明体，具有：将来自点光源12的光收进内部的圆形形状的受光面20；在从受光面20收进之后，使在导光体14的内部前进的光进行内面反射的反射侧面22；以及与受光面20的中心轴CL正交并且与该受光面20对向，射出在反射侧面22中反射的光的圆形形状的出光面24。另外，导光体14的中心轴CL被定位成与点光源12的光轴L一致。
反射侧面22是以中心轴CL为旋转轴的旋转面，在假想了包括导光体14的中心轴CL(＝点光源12的光轴L)、并且截断导光体14的平面M时，由使在平面M中显现的抛物线P绕中心轴CL旋转时的轨迹来规定。
对于该抛物线P，在使用图3来详细说明时，在平面M内，将在受光面20的两端中出现的两个周缘点分别设为“一个受光面侧周缘点A”以及“另一个受光面侧周缘点B”。另外，在出光面24的两端中出现的两个周缘点中，将夹着中心轴CL与“一个受光面侧周缘点A”对向的周缘点设为“一个出光面侧周缘点C”，将剩下的设为“另一个出光面侧周缘点D”。
接下来，画出连接一个受光面侧周缘点A、和一个出光面侧周缘点C的直线W，设与该直线W平行、并且通过另一个受光面侧周缘点B的直线为横轴X。然后，设与该横轴X正交的直线为纵轴Y。另外，将直线W与中心轴CL所成的角度θ1称为导光体14的“1/2张角”。另外，连接另一个受光面侧周缘点B、和另一个出光面侧周缘点D的直线V与中心轴CL所成的角度也成为与所述角度θ1相同的角度。
在设定了这样的横轴X以及纵轴Y时，抛物线P被规定成以另一个受光面侧周缘点B为焦点，通过一个受光面侧周缘点A以及另一个出光面侧周缘点D的抛物线的一部分(＝线段AD)。这样，通过确定横轴X以及纵轴Y、1个焦点(在所述例子中，是一个受光面侧周缘点A)、以及1个通过点(另一个受光面侧周缘点B)，能够唯一地规定抛物线P。
在受光面20的中央部中，与点光源12对向地设置有凹部26(图1、图2)，凹部26的表面成为凹透镜28。
此处，一般的“凹透镜U”具有图4所示那样的特性。即，与该凹透镜U的中心轴CL平行的光PL(在图中，中心轴CL的上侧的光)被凹透镜U折射，在连接处于中心轴CL上的入射侧的焦点F1、和凹透镜U以及光PL的交点的直线上，恰如从焦点F1出射那样展宽地行进(发散)。另外，朝向处于中心轴CL上的出射侧的焦点F2的光OL(在图中，中心轴CL的下侧的光)被凹透镜U折射，而成为与中心轴CL平行地行进的光。因此，从点光源12出射的光在通过形成于受光面20中的凹部26的表面(＝凹透镜28)时以中心轴CL为中心而发散(因此，通过凹透镜形成的虚像始终是正立虚像)。
这样，凹透镜28具有“使入光的光发散”这样的特性，在从点光源12出射并入射到实心透明的导光体14内时通过受光面20的凹透镜28的光如图5所示，以其中心轴CL(＝光轴L)为中心而发散。
另外，在本实施例中，在包括凹部26的受光面20的整个表面，设置了包括通过接收从点光源12出射的蓝色光来出射黄色或者橙黄色光的YAG荧光体29的荧光体膜30。另外，在如图1(b)所示，将点光源12配设于凹部26的内侧的情况下，仅在该凹部26的表面上设置荧光体膜30即可。另外，该荧光体膜30并不是必需的，在使从点光源12出射的光按照原来的颜色从导光体14出射的情况下，无需设置荧光体膜30。
另外，虽然未图示，但也可以用全反射膜来覆盖导光体14中的反射侧面22的外侧面。据此，从受光面20进入的光，不在反射侧面22中进行内面反射，能够防止从该反射侧面22向导光体14的外部跑出。
如果对本实施例的发光装置10中的点光源12的出光部16，经由印刷在出光部保持部件18中的供电电路(未图示)供给了电力，则从出光部16向导光体14的受光面20出射蓝色的光(图5)。然后，该蓝色的光在通过设置在受光面20的表面中的荧光体膜30内之后，进入到导光体14内。
在蓝色的光通过荧光体膜30内时，该蓝色的光的一部分碰撞到包含在荧光体膜30中的YAG荧光体29而对其进行激励，从而射出与蓝色处于补色的关系的黄色或者橙黄色的光。然后，该黄色或者黄橙色的光、与没有碰撞到YAG荧光体29的剩下的蓝色的光混色，从而成为白色的光，如上所述进入到导光体14内。
此处，在将点光源12配设于导光体14的凹部26的内侧的情况下(参照图1(b))，从该点光源12出射的光全部成为从凹部26的表面(＝凹透镜28)进入到导光体14内的光R1。另外，在点光源12与导光体14的受光面20远离的情况下(参照图1(a))，从该点光源12出射的光除了所述光R1以外，还有从受光面20中的凹部26以外的部分入光的光R2，所以对这些光R1以及R2依次进行说明。
若说明“从设置在受光面20上的凹部26进入的光R1”，由于凹部26的表面成为凹透镜28，且如上所述凹透镜28具有“使所进入的光发散”这样的特性，所以从凹部26进入到导光体14的内部的光R1在通过凹部26(＝凹透镜28)时以中心轴CL为中心而发散(与中心轴CL所成的角度变大)。因此，在以往的发光装置中，在反射面中不反射而从出射侧的端面直接出射的光内，与光轴所成的角度较大的光Rla的该角度进一步变大而在导光体14的反射侧面22上被内面反射之后，从出光面24出光而照射到照射范围内的周缘部。
另一方面，虽然在直接出射的光内，与中心轴CL所成的角度较小的光R1b也同样地通过凹透镜28发散而其角度变大，但不会在导光体14的反射侧面22上反射而直接出射，但与没有凹透镜28的情况相比，照射到更宽的照射范围，所以照射到中心部分的光减少，与此同时照射到周缘部分的光增加。
接下来，在说明“从受光面20中的凹部26以外的部分进入的光R2”时，该光R2在进入到导光体14内时，折射到与中心轴CL所成的角比较小的(即，聚光的)方向。然后，进入到导光体14内的光R2在反射侧面22上进行内面反射之后，从出光面24出光而朝向照射范围S。
这样，在从点光源12出射时与中心轴CL所成的角小的光(即，光轴方向的光R1)折射到通过设置在受光面20中的凹部26(＝凹透镜28)而发散的方向。另外，与中心轴CL所成的角大的光R2折射到由于凹部26以外的受光面20而聚光的方向。
总之，在本实施例的发光装置10中，即使是从具有光轴L(＝中心轴CL)方向的指向性强的发散光角特性的点光源12出射的光，也可以降低照射到照射面的照射范围S中的中央部S1的光的量，与此同时增加照射到该照射范围中的周缘部S2的光，所以能够提高照射范围S中的均匀度。
另外，在所述实施例中，平滑地形成了包含凹部26的受光面20的表面，但也可以在该表面中设置多个微细的凹凸(例如，考虑通过喷沙处理而将表面形成为磨砂玻璃状)。在该情况下，从点光源12出射的光如上所述被折射而其均匀度提高，并且该光通过多个微细的凹凸进一步产生乱反射，从而恰如包括凹部26的受光面20以较宽的出光角θ进行面发光那样，更均匀的光出射到导光体14的内侧，所以能够进一步提高从发光装置10出射的光所照射的照射范围中的均匀度。
另外，在所述实施例中，由1个点光源12和1个导光体14构成了发光装置10，但当然也可以组合多个点光源12和与其相同数量的导光体14来构成发光装置10。据此，能够将从多个点光源12出射的光集中成一个而射出，所以能够构成紧凑并且高输出(＝大光量)的发光装置10。
进而，也可以如图6所示，通过点光源12、导光体14、以及反射器50来构成发光装置10。
反射器50是在其内侧具有使从点光源12出射并从导光体14的受光面20脱离的光(即，与中心轴CL所成的角度大的光)反射的反射凹面52的碗状的部件。作为该反射器50的材质，使用玻璃、铝或者树脂等，在铝的情况下，对反射凹面52进行了金属蒸镀(或者，并非金属蒸镀，而也可以进行耐酸铝处理)。另外，在玻璃的情况下，除了铝等金属膜以外，还可以使用通过多层膜涂层形成的可见光反射膜。对反射器50的开口部50a，以使其受光面20与反射器50的底部(＝底部开口50b)对向地插入设置了导光体14，并安装了覆盖该开口部50a的透明罩51，并且在反射器50的底部开口50b上，以覆盖该底部开口50b方式，安装了用于使点光源12处于该点光源12的光轴L与导光体14的中心轴CL一致的位置、并且使该点光源12远离导光体14的受光面20地保持的点光源保持板54。
透明罩51是聚碳酸酯制(当然，材质不限于此，也可以使用其他树脂、石英玻璃)的板状件，在本实施例中，在导光体14中的出光面24侧的端部，与该导光体14一体地形成。
另外，对于透明罩51和导光体14，既可以独立地构成，也可以例如如图7所示，从导光体14的出光面24侧的端的外周面一体地突出设置凸缘部14a，并且在透明罩51的中央部，设置比该导光体14的外径稍微大、并且比凸缘部14a的外径小的导光体插通孔51a，将导光体14插通到导光体插通孔51a直到凸缘部14a抵接到透明罩51，并使用粘接剂等(未图示)来固定透明罩51和凸缘部14a。
反射凹面52是形成在反射器50的内面，且以中心轴CL为中心的旋转抛物面，在本实施例中，设定成该旋转抛物面的焦点FR与点光源12的出光部16一致。另外，反射凹面52的形状不限于旋转抛物面，而也可以是旋转椭圆面，并且，旋转抛物面的焦点FR不与出光部16一致也可，但优选如本实施例那样使反射凹面52的焦点FR与出光部16一致。其原因为，在反射凹面52是旋转抛物面的情况下，如图6所示，在反射凹面52上反射后的光成为与中心轴CL平行的光，在旋转椭圆面的情况下，通过如图7所示，使反射凹面52的焦点FR与点光源12的出光部16一致，以使由反射凹面52反射的光成为聚光到处于反射器50的外部中的中心轴CL上的聚光点(未图示)的光，从而能够使在反射凹面52上反射的光具有规则性，能够容易地在照射范围S中实现期望的照度分布。

Claims (5)

1.一种发光装置，其特征在于，具备：
点光源，具有狭窄的发散光角特性；以及
实心透明的导光体，具有将来自所述点光源的光收进内部的受光面、使从所述受光面收进的光进行内面反射的反射侧面、以及与所述受光面对向地配置并使在所述反射侧面反射的光出光的出光面，
其中，所述反射侧面是由将与所述点光源的光轴一致的中心轴作为旋转轴而使抛物线旋转时的轨迹规定的旋转面，
所述抛物线是如下的抛物线的一部分，即在假想了包含所述中心轴且截断所述导光体的平面时，在被表现为所述受光面的周缘与所述平面的交点的两个受光面侧周缘点以及两个出光面侧周缘点中，以与通过一个所述受光面侧周缘点和相对该一个所述受光面侧周缘点夹着所述中心轴的一个所述出光面侧周缘点的直线平行、并且通过另一个所述受光面侧周缘点的直线为横轴的坐标系中，通过一个所述受光面侧周缘点以及另一个所述出光面侧周缘点、并且将另一个所述受光面侧周缘点作为焦点的抛物线的一部分，
在所述受光面的中央部中与所述点光源对向地设置有凹部，所述凹部的表面是凹透镜。
2.根据权利要求1所述的发光装置，其特征在于，至少在所述受光面中的所述凹部的表面上，设置有多个微细的凹凸。
3.根据权利要求1或2所述的发光装置，其特征在于，所述点光源出射蓝色的光，
至少在所述凹部的表面上，设置有包括接收所述蓝色的光而出射黄色或者橙黄色的光的YAG荧光体的荧光体膜。
4.根据权利要求1～3中的任意一项所述的发光装置，其特征在于，所述点光源配设在所述受光面的所述凹部的内侧。
5.根据权利要求1～3中的任意一项所述的发光装置，其特征在于，还具备在内侧具有反射凹面的反射器，
所述导光体以所述受光面与所述反射器的底部对向的方式，从所述反射器的开口部插入设置到其内侧，
所述点光源远离所述导光体的所述受光面地安装在所述反射器的所述底部。
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