CN103339435A - 光束控制部件及照明装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的照明装置(1)具有发光元件(6b)、以及包括第一透镜(10)和第二透镜(20)的光束控制部件(6c)。第一透镜(10)和第二透镜(20)装配成第一表面(10c)与第二背面(20a)邻接的状态，或者第一表面(10c)与第二背面(20a)之间存在微小的间隙的状态。通过使第一背面(10a)凹陷，形成顶点位于中心轴(C)上的圆锥面形状的第一凹面(10d)。通过使第二表面(20c)凹陷，形成顶点位于中心轴(C)上、而且越远离中心轴则曲率越平缓的曲面形状的第二凹面(20d)。

Description

光束控制部件及照明装置
技术领域
本发明涉及对从发光元件射出的光的配光进行控制的光束控制部件，以及具有该光束控制部件的照明装置。
背景技术
在传统的白炽灯泡中，通过从外部电源向灯丝供电，从灯丝发出广范围且均匀的光线。然而，白炽灯泡具有耗电量高、达到高温、使用寿命短等缺点。
与此相对，发光二极管(LED)灯泡具有寿命长、省电、废弃物不产生环境污染等优点，因此替代白炽灯泡，正要作为新时代的照明设备。但是，LED仅向前方射出光，所以在将以往的LED灯泡安装到天花板时，照射天花板和墙面的光很少。因此感觉到LED灯泡比能够获得同等直下照度的白炽灯泡昏暗。
作为解决此问题的技术，在专利文献1的图4中公开了一种扩展照明角度的LED灯泡，该灯泡将基板形成为圆筒状，并在圆筒的侧面(与LED灯泡的轴平行的面)和圆筒的上面(与LED灯泡的轴垂直的面)两者上安装LED，并且通过在透光性罩的内表面上形成的萤光体层，使来自LED的出射光扩展而向外部射出。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2001-243807号公报
发明内容
发明要解决的问题
然而，上述的专利文献1中记载的以往的LED灯泡中，基板的形状或LED的配置等构造复杂，使得生产成本高。
本发明的目的在于提供能够将从LED射出的光扩展到广范围的光束控制部件、以及具有该光束控制部件的、构造简单且照明角度广的LED灯泡等照明装置。
解决问题的方案
本发明的光束控制部件对从发光元件射出的光的配光进行控制，该光束控制部件采用的结构包括：板状的第一透镜和板状的第二透镜，所述第一透镜具有作为一主面的第一表面、作为另一主面的第一背面、以及构成所述第一透镜的平面外形的第一侧面，所述第二透镜具有作为一主面的第二表面、作为另一主面的第二背面、以及构成所述第二透镜的平面外形的第二侧面，所述第一透镜和所述第二透镜以所述第一表面与所述第二背面相对、而且在所述第一表面与所述第二背面之间存在低折射率层的方式层叠配置，所述低折射率层的折射率低于所述第一透镜和所述第二透镜，所述第一透镜具有通过使所述第一透镜的所述第一背面凹陷来形成的第一凹面，所述第一凹面入射从所述发光元件射出的光而生成被引导到所述第一侧面的光，所述第二透镜具有通过使所述第二透镜的所述第二表面凹陷来形成的第二凹面，所述第二凹面将入射至所述第一凹面后透射过所述第一表面和所述第二背面的光射出或使其全反射。
本发明的照明装置采用的结构具备：发光元件；以及对从所述发光元件射出的光的配光进行控制的上述光束控制部件。
发明的效果
根据本发明，可提供能够将从LED射出的光扩展到广范围，采用了包括一个LED和透镜(光束控制部件)的简单的构造，而且照明角度广的LED灯泡等照明装置。
附图说明
图1是表示具有本发明一实施方式的光束控制部件的LED灯泡的图。
图2A是本发明一实施方式的光束控制部件的俯视图，图2B是光束控制部件的主视剖面图，图2C是光束控制部件的仰视图。
图3A是本发明一实施方式的光束控制部件的俯视图，图3B是光束控制部件的主视剖面图，图3C是光束控制部件的仰视图。
图4A是表示从LED的发光面的中心射出并入射到本发明一实施方式的光束控制部件的光的路径的图，图4B是表示从远离LED的发光面的中心的点射出、并入射到本发明一实施方式的光束控制部件的光的路径的图。
图5是表示以往的LED灯泡的配光分布的图。
图6是表示具有本发明一实施方式的光束控制部件的LED灯泡的配光分布的图。
图7是表示本发明一实施方式的光束控制部件的变形例1的形状的图。
图8是表示具有图7的光束控制部件的LED灯泡的配光分布的图。
图9是表示本发明一实施方式的光束控制部件的变形例2的形状的图。
图10是表示具有图9的光束控制部件的LED灯泡的配光分布的图。
图11是表示本发明一实施方式的光束控制部件的变形例3的形状的图。
图12是表示具有图11的光束控制部件的LED灯泡的配光分布的图。
图13是表示本发明一实施方式的光束控制部件的变形例4的形状的图。
图14是表示具有图13的光束控制部件的LED灯泡的配光分布的图。
图15是表示使用了本发明一实施方式的光束控制部件的LED灯泡的变形例的图。
标记说明
1      LED灯泡
2      罩
3      灯头
4      电源组件
5      基座
6      LED组件
6a     基板
6b     LED
6c     光束控制部件
7      球形灯罩
10     第一透镜
10a    第一背面
10b    第一侧面
10c    第一表面
10d    第一凹面
10e    凸缘部
20     第二透镜
20a    第二背面
20b    第二侧面
20c    第二表面
20d    第二凹面
具体实施方式
以下，参照附图详细地说明本发明的实施方式。在以下的说明中，作为本发明的照明装置的代表例，说明具有LED作为发光元件的LED灯泡。
[LED灯泡的结构]
图1是表示使用了本发明一实施方式的光束控制部件的LED灯泡1的图。
LED灯泡1主要由罩2、灯头3、电源组件4、基座5以及LED组件6构成。
罩2由高热传导性的金属(例如为铝)构成。罩2上形成有圆筒状的灯头固定部2a。在灯头固定部2a的内表面侧，用粘合剂等粘结有圆盘状的支撑部件2b，支撑部件2b的中央部具有孔2c，在支承部件2b的内表面侧设置有电源组件4。
灯头3具有形成为具备螺纹的筒状的金属制的外壳部3a、以及在外壳部3a的一端侧的顶部具有金属制的扣眼部3b，该扣眼部3b经由绝缘部设置于外壳部3a。通过将外壳部3a的另一端侧的开口3c经由绝缘物安装在罩2的灯头固定部2a，从而将灯头3固定在罩2上。
电源组件4大致呈圆柱形状，经由输入电线(未图示)连接到外壳部3a和扣眼部3b的内侧表面，从灯头3接受电力供应。另外，电源组件4经由输出电线4a向LED组件6提供电力。
基座5大致呈圆柱形状，使用传热性粘合材料安装到罩2的内表面。在基座5的中央附近设有贯穿孔5a，其沿着基座5的厚度方向贯穿基座5。与电源组件4连接的输出电线4a通过支撑部件2b的孔2c以及基座5的贯穿孔5a，连接到LED组件6的基板6a。
LED组件6由基板6a、LED6b和光束控制部件6c构成。通过将基板6a的背面粘结到基座5，从而将LED组件6安装到基座5。基板6a由高热传导性的金属(例如为铝)构成。在基板6a的表面上，安装有辐射可视光的LED6b。LED6b连接到由铜箔构成的线路图案(未图示)，该线路图案隔着绝缘层形成在基板6a的表面上。光束控制部件6c以与LED6b相对的方式安装在基板6a上，对从LED6b射出的光的行进方向进行控制。另外，光束控制部件6c的形状等细节将在后面描述。
在将LED灯泡1安装到灯泡用灯座(未图示)时，灯头3的外壳部3a和扣眼部3b接触到灯座内的电极，向电源组件4提供来自市电电源(未图示)的电力。电源组件4例如将160mA的直流电力经由输出电线4a供应到基板6a上的LED6b。供应电力后，LED6b发光。从LED6b射出的光被光束控制部件6c控制其行进方向而射出。
[光束控制部件的形状]
图2A～图2C是表示本发明实施方式的光束控制部件6c的图。图2A是光束控制部件6c的俯视图，图2B是光束控制部件6c的主视剖面图，图2C是光束控制部件6c的仰视图。如图2所示，本实施方式的光束控制部件6c主要由板状的第一透镜10和板状的第二透镜20构成。
第一透镜10及第二透镜20均由例如PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)、PC(聚碳酸酯)、EP(环氧树脂)、COP(环烯烃树脂)等透明树脂材料或透明玻璃形成。此外，第一透镜10和第二透镜20的材质可以互不相同。
第一透镜10形成为薄圆柱形状，具有作为一主面的第一背面10a、构成第一透镜10的平面外形的第一侧面10b、以及作为另一主面的第一表面10c。第一背面10a和第一表面10c是圆形平面，第一侧面10b是凸棱镜形状的圆周曲面。通过使第一背面10a凹陷，从而在第一背面10a的中央部形成有顶点位于中心轴C上的圆锥面形状的第一凹面10d。如后述，第一凹面10d入射从LED6b射出的光而生成被引导到第一侧面10b的光。
第二透镜20形成为薄圆柱形状，具有作为一主面的第二背面20a、构成第二透镜20的平面外形的第二侧面20b、以及作为另一主面的第二表面20c。第二背面20a和第二表面20c是圆形平面，第二侧面20b是直径不变的圆周曲面。通过使第二表面20c凹陷，从而在第二表面20c的中央部形成有第二凹面20d，该第二凹面20d的顶点位于中心轴C上、而且呈越远离中心轴则曲率越平缓的曲面形状。如后述，第二凹面20d将入射至第一凹面10d后透射了第一表面10c和第二背面20a的光射出或使其全反射。
[光束控制部件的透镜装配]
第一透镜10和第二透镜20装配成第一表面10c与第二背面20a邻接的状态，或者第一表面10c与第二背面20a之间存在微小的间隙的状态。在任一情况下，第一透镜10也不与第二透镜20紧密贴合，在第一透镜10c和第二背面20a之间存在空气层。空气层具有折射率低于第一透镜10和第二透镜20的低折射率层的功能。
另外，在本发明中，第一透镜10和第二透镜20的装配方法没有限制。
例如，如图3A～图3C所示，在第一透镜10的第一表面10c的外周部形成其内径与第二透镜20的外形大致相等的圆环状的凸缘部10e，并将第二透镜20嵌合到第一透镜10的凸缘部10e，从而能够将第一透镜10与第二透镜20装配。
或者，通过在第一透镜10的第一表面10c上设置多个微小的凹孔，在第二透镜20的第二背面20a上设置与这些凹孔对应的突起，将各突起嵌合到各凹孔，从而能够将第一透镜10与第二透镜20装配。
或者，通过在第二透镜20的第二背面20a上设置多个突起，该突起的上表面为平面，并使用粘合剂将各突起的上表面粘结到第一透镜10的第一表面10c上，从而能够将第一透镜10与第二透镜20装配。
在任何装配例中，将凹凸嵌合部或粘结部设计成不对光束控制部件6c的光学特性造成大影响。
(光束控制部件的安装)
将第一透镜10和第二透镜20装配而成的光束控制部件6c以第一背面10a与LED6b相对而且光束控制部件6c的中心轴C与LED6b的光轴L一致的方式安装到基板6a上。
所谓的光轴L指的是代表光束的虚拟的光线，是从LED6b的发光面的中心与发光面垂直射出的光，也就是位于从LED6b射出的立体的光束的中心的光的行进方向。
另外，在本发明中，将光束控制部件6c安装到基板6a的方法没有限制。
例如，通过在第一透镜10的第一背面10a上设置多个突起，该突起的上表面为平面，并使用粘合剂将各突起的上表面粘结到基板6a上，从而能够将光束控制部件6c安装到基板6a上。
或者，通过在基板6a上设置多个凹孔或贯穿孔，在第一透镜10的第一背面10a上设置与这些孔对应的突起，将各突起嵌合到各孔，从而能够将光束控制部件6c安装到基板6a上。
[光束控制部件内的光的路径]
图4是表示入射到光束控制部件6c的光的光路的图。图4A是表示从LED6b的发光面的中心射出的光的光路的图，图4B是表示从远离LED6b的发光面的中心的点射出的光的光路的图。另外，在以下的说明中，光的行进方向相对于光轴L(中心轴C）的角度设为θ。
如图4A和图4B所示，LED6b从发光面以辐射状射出光。从LED6b射出的光的大部分从第一透镜10的第一凹面10d射入。另外，从LED6b射出的光的行进方向的角度θ的绝对值小于90°。
如图4A和图4B所示，在从第一凹面10d入射的光中，以依赖于第一透镜10的材料的临界角φ以下的角度到达了第一表面10c的光从第一表面10c射出，并从第二透镜20的第二背面20a入射到第二透镜20内。另一方面，以大于临界角φ的角度达到第一表面10c的光在第一表面10c发生全反射，然后，在第一背面10a和第一表面10c之间反复进行反射而行进，从第一侧面10b射出。另外，在第一透镜10的材料为丙烯酸树脂的情况下，临界角φ为42°左右。
在从LED6b射出的光，从未形成有第一凹面10d的第一背面10a入射到第一透镜10内时，几乎全部的光量从第一表面10c射出，不生成在第一透镜10内被引导的光。因此，需要在第一凹面10d中形成有倾斜面，该倾斜面形成为越接近第一表面10c，凹部空间越缩小。
如图4A所示，在从LED6b的发光面上的一个点(本实施方式中为发光面的中心)射出的光中，从第二背面20a入射到第二透镜20内的光在第二凹面20d上发生全反射，主要从第二侧面20b射出。
另外，如图4B所示，在从LED6b的发光面上的另一个点(本实施方式中为远离中心的点)射出的光中，从第二背面20a入射的一部分光从第二表面20c或第二凹面20d射出，其余的光在第二凹面20d发生全发射，从第二侧面20b射出。如上所述，由于LED6b不是以点状而是以面状发光，所以能够生成在第二凹面20d发生全反射的光以及发生折射后射出的光两者。
如图4A和图4B所示，从第一侧面10b或第二侧面20b射出的光中的一部分光的、行进方向的角度θ的绝对值大于90°。也就是说，光束控制部件6c将从LED6b射出的光扩展到广范围而射出。通过在第一侧面10b形成朝下的倾斜面(越接近第一背面10a则越接近光轴L的倾斜面)，从而能够增加向后方(－90°≥θ、+90°≤θ)射出的光量。
[配光分布的对比]
图5是表示不使用光束控制部件6c的以往的LED灯泡的配光分布的图，图6是表示使用了本实施方式的光束控制部件6c的LED灯泡的配光分布的图。
如图5所示，以往的LED灯泡仅向前方(－90°<θ<+90°)射出光。相对于此，具有本实施方式的光束控制部件6c的LED灯泡还向后方(－180°<θ<－90°以及+90°<θ≤+180°)射出光。
[本实施方式的效果]
如上所述，本实施方式的光束控制部件6c通过将第一透镜10和第二透镜20以在第一表面10c与第二背面20a之间存在空气层(低折射率层)的状态装配而构成，并且具有第一凹面10d和第二凹面20d。由此，光束控制部件6c能够将从LED6b射出的光扩展到广范围。因此，通过使用光束控制部件6c，能够提供构造简单且照明角度广的LED灯泡等照明装置。另外，在本实施方式中，说明了隔着空气层层叠第一透镜10和第二透镜20的情况，但是低折射率层不限于空气层。只要生成在第一表面10c发生全反射的光，则低折射率层没有特别限定。例如，也可以将第一透镜10和第二透镜20利用折射率低于第一透镜10和第二透镜20的低折射率材料进行粘结。
进而，根据本实施方式，构成光束控制部件6c的两枚透镜为板状且薄，因此能够提高各透镜的成形性。
[变形例]
下面，使用图7至图14说明本实施方式的光束控制部件的变形例。
图7是表示本实施方式的光束控制部件的变形例1的形状的图，图8是表示具有图7的光束控制部件的LED灯泡的配光分布的图。另外，在图7中，与基板6a和LED6b一同表示光束控制部件6c-1。
图7所示的光束控制部件6c-1与图2所示的光束控制部件6c相比，第二透镜20的第二侧面20b-1的形状不同。第二侧面20b-1形成为直径从第二背面20a朝着第二表面20c扩大的、锥形状的圆周曲面。由此，对比图6和图8可知，与图2所示的光束控制部件6c相比，能够增加前方(－90°<θ<+90°)的光量。
图9是表示本实施方式的光束控制部件的变形例2的形状的图，图10是表示具有图9的光束控制部件的LED灯泡的配光分布的图。另外，在图9中，与基板6a和LED6b一同表示光束控制部件6c-2。
图9所示的光束控制部件6c-2与图2所示的光束控制部件6c相比，第二透镜20的第二侧面20b-2的形状不同。第二侧面20b-2形成为直径从第二背面20a朝着第二表面20c缩小的、锥形状的圆周曲面。由此，对比图6和图10可知，与图2所示的光束控制部件6c相比，能够增加后方(－180°<θ<－90°以及+90°<θ≤+180°)的光量。
图11是表示本实施方式的光束控制部件的变形例3的形状的图，图12是表示具有图11的光束控制部件的LED灯泡的配光分布的图。另外，在图11中，与基板6a和LED6b一同表示光束控制部件6c-3。
图11所示的光束控制部件6c-3与图2所示的光束控制部件6c相比，第一透镜10的第一侧面10b-3的形状不同。第一侧面10b-3形成为直径从第一背面10a朝着第一表面10c扩大的、锥形状的圆周曲面。由此，对比图6和图12可知，与图2所示的光束控制部件6c相比，能够增加后方(－180°<θ<－90°以及+90°<θ≤+180°)的光量。由于未形成有朝上的倾斜面(直径朝着第一表面10c缩小的锥形状的圆周曲面)，因此相比于形成有朝上的倾斜面的图2所示的光束控制部件6c，向前方(－90°<θ<+90°)射出的光量减少。
图13是表示本实施方式的光束控制部件的变形例4的形状的图，图14是表示具有图13的光束控制部件的LED灯泡的配光分布的图。另外，在图13中，与基板6a和LED6b一同表示光束控制部件6c-4。
图13所示的光束控制部件6c-4与图2所示的光束控制部件6c相比，第一透镜10的第一侧面10b-4的形状不同。第一侧面10b-4形成为直径从第一背面10a朝着第一表面10c缩小的、锥形状的圆周曲面。由此，对比图6和图14可知，与图2所示的光束控制部件6c相比，能够增加前方(－90°<θ<+90°)的光量。而且，第一背面10a的面积大于基板6a的面积，也能够从第一背面10a射出光，因此也能够增加向θ=180°的方向射出的光量。
通过适当地变更第一凹面、第二凹面、第一侧面和第二侧面的形状，本发明的光束控制部件6c能够调整向射出角度θ方向射出的光量，实现全方位射出。
为了使从光束控制部件6c射出的光进一步漫射，或者为了保护LED组件，如图15所示，也可以对本发明的照明装置安装球形灯罩7，该球型灯罩7的表面形成为粗糙面或者内部掺入有散射粒子等。在图15中，在罩2上形成有张开的环状的球形灯罩安装部2d。球形灯罩7由透明树脂材料或透明玻璃，形成为端部7a处有开口的球面状。将端部7a嵌合到罩2的球形灯罩安装部2d的内侧，并使用粘合剂粘结。由此，球形灯罩7以覆盖LED组件6的方式被固定在罩2上。
另外，也可以在无损光束控制部件6c的功能的范围内，在光束控制部件6c内包含散射材料。
本申请主张基于2011年2月3日提交的日本专利申请、特愿2011-021586号的优先权。该申请说明书及附图所记载的内容全部引用于本申请说明书。
工业实用性
本发明的光束控制部件能够广泛应用于LED灯泡等照明装置。

Claims (9)

1.一种光束控制部件，其对从发光元件射出的光的配光进行控制，该光束控制部件包括：
板状的第一透镜和板状的第二透镜，
所述第一透镜具有作为一主面的第一表面、作为另一主面的第一背面、以及构成所述第一透镜的平面外形的第一侧面，
所述第二透镜具有作为一主面的第二表面、作为另一主面的第二背面、以及构成所述第二透镜的平面外形的第二侧面，
所述第一透镜和所述第二透镜以所述第一表面与所述第二背面相对、而且在所述第一表面与所述第二背面之间存在低折射率层的方式层叠配置，所述低折射率层的折射率低于所述第一透镜和所述第二透镜，
所述第一透镜具有通过使所述第一透镜的所述第一背面凹陷来形成的第一凹面，所述第一凹面入射从所述发光元件射出的光而生成被引导到所述第一侧面的光，
所述第二透镜具有通过使所述第二透镜的所述第二表面凹陷来形成的第二凹面，所述第二凹面将入射至所述第一凹面后透射过所述第一表面和所述第二背面的光射出或使其全反射。
2.如权利要求1所述的光束控制部件，其中，
所述第一凹面呈顶点位于所述第一透镜的中心轴上的圆锥面形状。
3.如权利要求1所述的光束控制部件，其中，
所述第二凹面呈顶点位于所述第二透镜的中心轴上而且越远离中心轴曲率越平缓的曲面形状。
4.如权利要求1所述的光束控制部件，其中，
所述第一透镜的侧面具有凸棱镜形状的圆周曲面。
5.如权利要求1所述的光束控制部件，其中，
所述第一透镜的侧面具有锥形状的圆周曲面，该圆周曲面的直径从所述第一背面朝着所述第一表面扩大。
6.如权利要求1所述的光束控制部件，其中，
所述第一透镜的侧面具有锥形状的圆周曲面，该圆周曲面的直径从所述第一背面朝着所述第一表面缩小。
7.如权利要求1所述的光束控制部件，其中，
所述第二透镜的侧面具有锥形状的圆周曲面，该圆周曲面的直径从所述第二背面朝着所述第二表面扩大。
8.如权利要求1所述的光束控制部件，其中，
所述第二透镜的侧面具有锥形状的圆周曲面，该圆周曲面的直径从所述第二背面朝着所述第二表面缩小。
9.照明装置，其具备：
发光元件，以及
对从所述发光元件射出的光的配光进行控制的权利要求1所述的光束控制部件。
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