JP2007250516A - 反射式投光装置 - Google Patents

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建憲 林
Jian-Chiuan Wang
健全 王
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Chieh-Lung Lai
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    • G02B3/08Simple or compound lenses with non-spherical faces with discontinuous faces, e.g. Fresnel lens

Abstract

【課題】指向性の強い発光ダイオードなどの複数の光源からの反射光を効果的に平行光線として揃える。
【解決手段】
光反射特性を具えた導光フード110及びの指向性光源20,20aを具え、導光フードは底部111上にフレネル状構造30,30aからなる反射面31,31aを具える。フレネル状構造はフレネルレンズの原理を応用して幾何反射面を等価反射面に転換した構造であって、発光ダイオードなどの指向性の強い光源からの光を光軸Lcに平行な反射光L2、L2aとして出射口112から投射する。
【選択図】図7

Description

本発明は、反射式投光装置に関し、特にフレネルレンズの原理を採用し、幾何反射曲面を等価反射面とし、発光角度を制御した光源を組合せて、高効率及び高直進性平行光線を形成できる投光装置に関する。
旧来の照明機器の光源は、点光源と線光源の二種に大別でき、タングステンランプと電球型蛍光灯は点光源に属し、蛍光管は線光源に属する。この二種は発光時に放射状に外向きに光線を発射する。欠点は体積が大きいことである。発光ダイオード(Light Emitting Diode、LED)は小体積であるという主要な長所をもち、近年照明機器への応用が続々と開発され、発光効率の向上により、発光ダイオード照明機器は未来の主要照明具となる趨勢である。発光ダイオードは平面光源に属し、発光角度が限られるため、一般に発光ダイオード照明機器は直下式または反射式発光を採用している。また、現在発光ダイオード一個の輝度では照明機器として不十分なため、多数個の発光ダイオードを使用して充分な輝度を提供している。
図1に示すように、特許文献1の米国特許6502956号「Light emitting diode lamp with individual LED lenses」において、直下式照明機器を提出している。回路基板10上に複数個の発光ダイオード14を設置している。この構造では出射効率は向上できるが、非常にまぶしく、目に不快感を与えてしまう。更に、一個または一部の発光ダイオード14が損傷すると、見た目に分かってしまう。
米国特許第6,502,956号明細書
図2に示すように、特許文献2の米国特許6871993号「Integrating LED illumination system for machine vision systems」において、読み取り機器に使用する照明システムを提出し、バーコード走査システムとしている。商店で使用する価格バーコード・リーダなどの動作原理は発光ダイオードが発射した光線を目標物に照射し、読み取り機器が反射したイメージデータを収集する。図2に示すように、システム10は、リフレクタ12と発光ダイオードアレイ14を具え、リフレクタ12は楕円、放物線、双曲線とすることができる集光反射表面13を具え、発光ダイオードアレイ14は基台26と基台26に設置した複数個の発光ダイオード16を具え、発光ダイオード16はリフレクタ12の焦点エリア内部に位置し且つ集光反射表面13に向って照射する。この特許の主な作用はアレイの複数個の発光ダイオード16が集光光束を形成するようにすることであり、応用範囲は走査システムに限られ、照明機器には適さない。
米国特許第6,871,993号明細書
図3に示すように、特許文献3の米国特許5136483号「Illuminating device」では、車両用照明器具を提案している。反射層16を具え、反射層16内部の環状側壁に複数個の発光ダイオード14を平らに配置し、放熱フィン19を具える。発光ダイオード14が発射する光線は反射層16の曲面底部の反射によって平行光線とされる。発光ダイオード14は、反射層16内部の側壁に平らに配置してあるため、発光角度の一部分だけが反射層16の反射で平行光線となるだけで、他の発光角度の範囲の光線は、必要でない光線角度で反射層16から拡散し、それ以外の光線は反射層16内部で何度も反射し出射されない。そのため、出射効率がよくないうえ、高直進性の平行光線を形成できない。上述の問題は反射層16の設計で改善することができるが、製造上難度が非常に高く、改善の余地も大きくない。
米国特許第5,136,483号明細書
図4に示すように、特許文献4の米国特許5838247号「Solid state light system」で提案している灯具40は、傾斜して設置した複数の発光ダイオード12、傾斜角度Aの反射機構44を具えて構成している。反射機構44は円錐状または角錐状とすることができ、発光ダイオード12と反射機構44の両者の角度を調整することによって、軸方向36に平行な反射光を形成でき、これにより出射効率を向上させている。しかし反射機構44は平面であるため、発光ダイオード12の発光角度と精密に対応することができないため、すべての反射光を完全に軸方向36と平行に発射することはできない。更に、反射機構44の傾斜に対応させるため、大量の発光ダイオード12を設置しなければならず、コストが増大し、エネルギーを浪費するだけでなく、灯具の体積が大きくなり、灯具の外形も固定して変化させられない。
米国特許第5,83,247号明細書 特開2004−214144号公報
本発明は、反射式投光装置を提供し、幾何反射面を等価反射面に転換し、更に発光角度を制御した光源を組み合わせて、高効率で高直進性の平行光線を産出できるようにすることを課題とする。
本発明はまた、反射式投光装置を提供し、光の出射効率を向上させることを課題とする。
本発明は更に、反射式投光装置を提供し、その反射導光フードの外形は制限されず変化性を具えるようにすることを課題とする。
本発明はまた、反射式投光装置を提出し、眩光を与えないようにすることを課題とする。
上述の課題を達成するために、本発明は反射式投光装置を提供し、導光フードを具えてフレネル状構造の反射面を具え、少なくとも一つの光源を具えてその発光方向は前述の反射面のフレネル状構造と一定の対応角度を形成し、反射光を一定の角度で導光フードから射出できるようにする。この対応角度は光の反射原理に基づき、即ち光の投射角度が光の反射角度と等しい原理で設計し、光源の光がフレネル構造に投射する角度を指す。例えば等価放物面のフレネル構造で実施した場合、光源を等価放物面のフレネル放物面の焦点距離に配置し、光源の投射対応角度を調整することによって、光がフレネル構造に投射するようにし、反射光が平行に出力される目的を達成する。
より好ましくは、複数の光源がそれぞれ反射面のフレネル状構造と異なる対応角度を形成するようにして、少なくとも一種の角度の反射光を導光フードから射出できるようにする。
より好ましくは、導光フードは反射特性を具えた材質で構成する。
より好ましくは、導光フードの内側壁に反射層を設ける。
より好ましくは、その反射層はアルミまたは無電解ニッケルなどの金属性皮膜で形成する。
より好ましくは、フレネル状構造を平面とする。
より好ましくは、フレネル状構造を曲面とする。
より好ましくは、フレネル状構造は平面と曲面の組合せとする。
より好ましくは、フレネル状構造は一中心をとりまく形態で設置する。
より好ましくは、フレネル状構造は左右対称に設置する。
より好ましくは、フレネル状構造は平行に延伸して設置する。
より好ましくは、反射面の垂直断面が左右対称の斜面となるようにし、斜面上にフレネル状構造を設ける。
より好ましくは、反射面の垂直断面が左右対称の曲面となるようにし、曲面上にフレネル状構造を設ける。
より好ましくは、反射面の垂直断面が左右対称の斜面及び曲面の組合せとなるようにし、斜面または曲面上にフレネル状構造を設ける。
より好ましくは、光源は指向性光源とする。
より好ましくは、光源を発光ダイオードとする。
より好ましくは、導光フードは底部を含んでフレネル状構造を具えた反射面を設置できるようにし、少なくとも一つの側壁を含んで前述の底部の側辺に設置し、側壁に光源を設置できるようにする。
より好ましくは、側壁は底部周囲をとりまいて設置し、導光フードが多辺形の外周を具えるようにする。
より好ましくは、側壁は底部周囲をとりまいて設置して閉じた環状体にし、導光フードが円柱形の外形を具えるようにする。
本発明は光源の発光角度とフレネル状構造を対応させた光発射方式により、以下の長所を具える。
1.光源が発する光線はすべて導光フードが具えるフレネル状構造によって反射する ことができ、高直進性の平行光線を産出することができる。
2.光源が発する光線はすべて導光フードが具えるフレネル状構造によって反射する ことができ、光の良好な出射効率を具える。
3.導光フードの外形の変化は弾力的である。
4.眩光の産出を防止できる。
5.灯具の体積を縮小できる。
図5に示すように、本発明が提供する反射式投光装置は、導光フード10及び少なくとも一つの光源20を含み、導光フード10は光反射特性を具えた材質で構成する。導光フード10の内側壁に反射層を設置して(図中未表示)、光の反射率を向上させてもよい。反射層の材質は公知の平面ディスプレイに応用される反射性拡散フィルムを採用してもよく、或いは、アルミまたは無電解ニッケルメッキなど金属性皮膜を形成してもよい。光源20は、発光ダイオードなどの一定の発光角度を具えた指向性光源を採用するとよい。導光フード10は、底部11と少なくとも一つの出射口12を具える。本発明の特徴は、導光フード10の底部11にフレネル状構造30を形成し、フレネル状構造30は複数の反射面31で構成し、のこぎり状を呈する。反射面31は、平面としてもよく、カーブのある曲面としてもよく、各反射面31は異なる角度の平面または異なるカーブの曲面を具えるようにすることができる。光源20をある角度θ傾斜させて出射口12外周の導光フード10の側壁13上縁に設置し、光源20が一定の発光角度を具えるようにして、光源20からフレネル状構造30上に投射する発光L1が軸方向Lc(図7)と完全に平行な反射光L2を形成して導光フード10から発射されるようにして、最良の光発射効率を達成する。
前述の光源20とフレネル状構造30の各反射面31の対応角度は、光の反射原理に基づき、即ち光の投射角度が反射角度と等しい原理に基づいて設計する。更に、図6に示すように、主軸に平行な近軸光線(paraxial rays)Raが凹面放物面鏡Paに入射した場合、反射すると必ず焦点Fを通過する。言い換えれば、主軸に平行な光はすべて焦点上に集まり、上述の原理により、放物面鏡の曲率を切り取って、Matlab(Matrix Laboratory:登録商標)数値解析ソフトウェアを用いてこれを等価平板プリズムに転換すると、本発明のフレネル構造となる。その形態は、図5に示すフレネル状構造30に参照するとおりである。これにより、等価放物面のフレネル構造とするとき、光源20をフレネル状構造30の放物面を呈した反射面31の焦点を通る直線上に置いて光源20の投射対応角度を調整し、光源20から光が反射面31上に投射されるようにして、反射光の平行な出力を達成することができる。
光源20の設置位置は、出射口12の位置とフレネル状構造30の構造によって決まり、図に示す導光フード10の側壁13上縁に限らず、また、導光フード10の構造も光源20とフレネル状構造30の設置位置を変えることにより異なってくる。ここで示した導光フード10の構造は、その一例である。
フレネルレンズの構造を簡単に説明すると、一種の平凸レンズまたは平凹レンズの集光または光線拡散透過性のある光学部材であり、表面にのこぎり状の輪帯を形成する。その原理は、従来の球面または非球面鏡の曲面をたくさんの輪帯に分割し、各輪帯を同一平面状に写して形成する。これらの帯状構造を光軸に沿って平行移動すると、平面上に平行なのこぎりの列を形成することができる。最大の長所は、良好な集光能力を具えることであり、そのため広く光学機器に応用されている。本発明は上述のフレネルレンズの集光原理から「フレネル状構造」を発展させ、発光ダイオードの発光角度に対応させることによって、発光ダイオード灯具に応用し、発光ダイオード灯具の光発射効率を向上させることができる。
図5に示す反射原理をもとに、図7に示す構造を派生させることができる。導光フード110は底部111と出射口112を具え、軸方向Lcを中心軸とし、フレネル状構造30、30aと光源20、20aを設置し、軸方向Lc右側の光源20とフレネル状構造30の対応関係は図5に示す実施例と同様とし、軸方向Lcに平行な反射光L2とすることができる。光源20aとフレネル状構造30aの反射面31aの対応を調整し、角度θa傾斜させて出射口112の外周の導光フード110の側壁113上縁に設置すると、光源20aの発光L1aが反射面31aに投射された反射光L2aの方向は軸方向Lcと平行になる。すなわち、異なる角度または位置の光源20、20aはそれに応じた構造であるフレネル状構造30、30aと対応させることによって、反射光L2、L2aが同一の出射口112に向かい導光フード110から出て行き、最良の光発射効率を得ることができる。同様に、フレネル状構造30、30aの構造が同じで、光源20、20aの傾斜角度θ、θaが同じであるとき、軸方向Lcと平行な反射光L2、L2aとすることができる。
図7に示す実施例の反射原理をもとに、図8に示す構造を派生させることができる。導光フード210は底部211と出射口212を具え、軸方向Lcを中心軸にフレネル状構造30b、30cを設置する。本実施例の特徴として、フレネル状構造30b、30cは曲面214、215上に形成し、且つ複数の反射面31b、31cで構成したこぎり状を呈し、反射面31b、31cの方向を対応させて、光源20b、20cを異なる角度θb、θc傾斜させて出射口212外周の導光フード210の側壁213上縁に設置する。同様に、光源20b、20cの発光L1b、L1cがフレネル状構造30b、30cの反射面31b、31cに投射すると、軸方向Lcと平行な反射光L2b、L2cとすることができ、同一の出射口212に向かい導光フード310から出て行く。もちろん、フレネル状構造30b、30cの構造が同じであり、曲面214、215のカーブが同じで、且つ光源20b、20cの傾斜角度θb、θcが同じ場合、軸方向Lcと平行な反射光L2b、L2cとすることができ、その原理は前述の各実施例と同様であるから詳述しない。
図9及び図10に示すように、図7の導光フード110実施例から派生させた2種の異なる実施形態では、図9に示すように、導光フード110aは立体的矩形を呈し、底部111aと出射口112aを具える。出射口112a外側に対称な両側壁113aを設け、光源20、20aは両側壁113aの上縁に設置し、光源20、20aはそれぞれ傾斜角度θ、θaで底部111aに設置したフレネル状構造30d(図中に破線で示す)に対応させる。フレネル状構造30dの構造は、必要に応じて図5から図8に示すフレネル状構造30、30a〜cのように設置してよく、光源20、20aを設置する延伸方向Aに平行に、平行線状に底部111aに設置することができる。
図10に示すように、導光フード110bは立体的円柱形(図は軸断面を示す)を呈し、底部111bと中心軸Lcを取り巻く側壁113bを具える。取り巻く側壁113bの中央に出射口112bを形成し、同様に、光源20を底部111bに設置したフレネル状構造(図中未表示)に対応させ、傾斜角度θで側壁113bの上縁に設置する。フレネル状構造の構造は必要に応じて図5から図8に示すフレネル状構造30、30a〜cのように設置してよく、中心軸Lcをとりまき環状を呈するように底部111bに設置する。
上述の異なる実施例から分かるように、本発明の特徴は、フレネル状構造がどのような形態であっても、光源がフレネル状構造に対応した発光角度を具えていれば、所要の反射光方向を得ることができ、異なる位置の光源を同じ発光角度を具えるように調整するか、または異なる発光角度の光源に異なる反射面のフレネル状構造を対応させることによっても、単一方向、高効率且つ高直進性の平行光線とすることができる。
図11及び図12に示す異なる組合せの実施例では、図11に示すように、図5と図8の構造を組合せ、導光フード310内に異なる構造のフレネル状構造30、30cを設置し、対応する光源20、20cを組合せると、同一出射口312に向って発射する反射光L2、L2cを形成することができる。図12に示すように、導光フード410は多層側壁413を具え、異なる出射口412a〜412cを形成する。側壁413は異なる角度の光源20a〜20dを設置できるようにし、異なる構造のフレネル状構造30a〜30cまたは幾何曲面40を対応させて、平行な反射光L2a〜L2dを得ることができ、単一の光束を形成して導光フード410から発射する。光源20a〜20dの発光方向を変え、異なる構造のフレネル状構造30a〜30cを対応させると、複数の異なる角度の反射光として導光フードから発射することができる。
ここで強調する必要があることは、上述の本発明の異なる好適な実施例の構造は、発明者が専門ソフトウェアによるシミュレーションで確実に実行可能であると実証したものである。Photopia、OptiBPM、OSLOなど光学照明シミュレーション分析プログラムとソフトウェアが数多く市販されているが、なかでもPhotopiaは照明器具設計に広く応用されている光度分析プログラムであり、操作者は実体原型に基づき模擬灯具を作ることができ、レンダリングによって多種の設計をテストでき、模型を作成する必要がなく、非映像光学設計の綜合機能評価を行うことができ、灯具の機能を評価することができる。図13〜図15に示すように、シミュレーション灯具からの距離600mm、700mm、800mm三種の異なる距離における感光スクリーン(detector)照度分布図では、直径290mm、焦点距離100mmの放物面鏡を設定し、放物面鏡の曲率を切り取って等価の平板のこぎり歯型反射フードとし、軽量小型化を実現する。図面から分かるように、灯具の発光から600mm〜800mmの距離の照度分布図は直径250mmであり、このシミュレーションの結果から、光線が直進性発射光であることが予測できる。
公知の発光ダイオード照明装置または灯具の特許の構造略図である。 公知の発光ダイオード照明装置または灯具の特許の構造略図である。 公知の発光ダイオード照明装置または灯具の特許の構造略図である。 公知の発光ダイオード照明装置または灯具の特許の構造略図である。 本発明の第一の好適な実施例の構造略図である。 放物面鏡の反射光の集光の略図である。 本発明の第二の好適な実施例の構造略図である。 本発明の第三の好適な実施例の構造略図である。 本発明の異なる立体実施構造の略図である。 本発明の異なる立体実施構造の略図である。 本発明の第四の好適な実施例の構造略図である。 本発明の第五の好適な実施例の構造略図である。 シミュレーション灯具からの異なる距離における照度分布図である。 シミュレーション灯具からの異なる距離における照度分布図である。 シミュレーション灯具からの異なる距離における照度分布図である。
符号の説明
10 導光フード
110 導光フード
110a 導光フード
110b 導光フード
210 導光フード
310 導光フード
410 導光フード
11 底部
111 底部
111a 底部
111b 底部
211 底部
411 底部
12 出射口
112 出射口
112a 出射口
112b 出射口
212 出射口
312 出射口
412a 出射口
412b 出射口
413c 出射口
13 側壁
113 側壁
113a 側壁
113b 側壁
213 側壁
413 側壁
20 光源
20a 光源
20b 光源
20c 光源
20d 光源
30 フレネル状構造
30a フレネル状構造
30b フレネル状構造
30c フレネル状構造
30d フレネル状構造
31 反射面
31a 反射面
31b 反射面
31c 反射面
214 曲面
215 曲面
40 曲面
A 延伸方向
Lc 軸方向
L1 発光
L1a 発光
L1b 発光
L1c 発光
L2 反射光
L2a 反射光
L2b 反射光
L2c 反射光
L2d 反射光
θ 角度
θa 角度
θb 角度
θc 角度

Claims (20)

  1. 導光フード及び指向性光源からなる反射式投光装置であって、
    該導光フードは、底部及びこれに対抗する出射口、及び出射口を囲む側壁を設けると共に、該底部にフレネル状構造からなる反射面を設け、
    上記指向性光源をその発光方向が該フレネル状構造からなる反射面に対して一定の角度で反射して該出射口から発射されるように上記側壁に配置したこと、
    を特徴とする反射式投光装置。
  2. 上記指向性光源が複数であってその発光方向と上記フレネル状構造の反射面との相対的角度がそれぞれ異なること、
    を特徴とする請求項1記載の反射式投光装置。
  3. 上記指向性光源として複数の発光角度が異なる光源からなり、複数の異なる構造のフレネル状構造の反射面を設け、複数の異なる角度の反射光として該導光フードから発射することを特徴とする請求項1記載の反射式投光装置。
  4. 該導光フードは、光反射特性を具えた材質で構成したことを特徴とする請求項1記載の反射式投光装置。
  5. 該導光フードの内壁に光反射層を設けて成ることを特徴とする請求項1記載の反射式投光装置。
  6. 該光反射層は、反射型の拡散フィルムであることを特徴とする請求項5記載の反射式投光装置。
  7. 該光反射層は、アルミまたは無電解ニッケルメッキなどの金属性皮膜によって形成したことを特徴とする請求項5記載の反射式投光装置。
  8. 該フレネル状構造の反射面は、平面であることを特徴とする請求項1記載の反射式投光装置。
  9. 該フレネル状構造の反射面は、曲面であることを特徴とする請求項1記載の反射式投光装置。
  10. 該フレネル状構造の反射面は、平面と曲面の組合せであることを特徴とする請求項1記載の反射式投光装置。
  11. 該フレネル状構造の反射面は、中心を取り巻くように設置したことを特徴とする請求項1記載の反射式投光装置。
  12. 該フレネル状構造の反射面は、左右対称に設置したことを特徴とする請求項1記載の反射式投光装置。
  13. 該フレネル状構造の反射面は、平行に延長して設置したことを特徴とする請求項1記載の反射式投光装置。
  14. 該反射面の垂直断面は、左右対称の斜面とし、該斜面上に該フレネル状構造の反射面を設けたことを特徴とする請求項1記載の反射式投光装置。
  15. 該反射面の垂直断面は、左右対称の曲面とし、該斜面上に該フレネル状構造の反射面を設けたことを特徴とする請求項1記載の反射式投光装置。
  16. 該反射面の垂直断面は、左右対称の斜面と曲面の組合せとし、該斜面または曲面上に該フレネル状構造の反射面を設けたことを特徴とする請求項1記載の反射式投光装置。
  17. 該指向性光源は、発光ダイオード(Light Emitting Diode、LED)であることを特徴とする請求項1記載の反射式投光装置。
  18. 該側壁は、該底部の周囲を囲んで設置し、該導光フードが多辺形の外周を具えるようにしたことを特徴とする請求項1記載の反射式投光装置。
  19. 該側壁は、該底部の周囲を囲んで設置する閉じた環状体とし、該導光フードが円柱形外形を具えるようにしたことを特徴とする請求項1記載の反射式投光装置。
  20. 該導光フードは、複数の側壁を設けて複数の出射口を形成するようにしたことを特徴とする請求項1記載の反射式投光装置。
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