JP2010129202A

JP2010129202A - Ｌｅｄ照明装置

Info

Publication number: JP2010129202A
Application number: JP2008299568A
Authority: JP
Inventors: Yuki Shirakawa; 友樹白川
Original assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2008-11-25
Filing date: 2008-11-25
Publication date: 2010-06-10
Anticipated expiration: 2028-11-25
Also published as: JP5380052B2

Abstract

【課題】ＬＥＤ照明装置において、集光性の確保と色むらの低減を両立させると共に、ＬＥＤの大きさの違いや位置ずれによる配光特性の違いを軽減する。
【解決手段】ＬＥＤ照明装置１は、ＬＥＤ２と、ＬＥＤ２から照射される光を受けて、その一部の光の波長を変換する波長変換部材３と、波長変換部材３から出てくる光を集光するレンズ４とを備える。レンズ４は、ＬＥＤ２に臨む凹部をなし、波長変換部材３からの光がレンズ４内部に入射する、全面に光拡散処理４５が施された光入射面４１と、光入射面４１より入射した光のうち一部の光が全反射される、レンズ４側面にある反射面４２と、反射面４２で反射された光が出射する、ＬＥＤ２に面しないレンズ４端面にある平面出射面４３と、光入射面４１より入射された光のうち反射面４２で反射されない光が出射する凸状出射面４４とを有する。これにより、光入射面４１の全面が擬似光源になる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＬＥＤと集光レンズを有するＬＥＤ照明装置に関する。

従来から、ＬＥＤ（発光ダイオード）とＬＥＤから照射される光を集光するためのレンズを有するＬＥＤ照明装置が知られている。図４は、このようなＬＥＤ照明装置１０１の構成を示す。なお、レンズ１０４の断面を表す斜線は図示を省いている。ＬＥＤ照明装置１０１は、ＬＥＤ１０２とレンズ１０４とを有する。レンズ１０４は、ＬＥＤ１０２の発光面を取り囲むように凹部１４０が形成されており、凹部１４０の側面に位置する第１の入射面１４１と、第１の入射面１４１よりレンズ１０４内に入射した光を全反射する反射面１４３と、凹部１４０の底面に位置する第２の入射面１４２と、第２の入射面１４２よりレンズ１０４内部に入射した光と反射面１４３で反射された光を出射する出射面１４４を有している。ＬＥＤ１０２から照射された光は、第２の入射面１４２で屈折される光路と、反射面１４３で反射される光路の２種類の光路によって集光される。

ＬＥＤ１０２から照射された光は、波長変換部材１０３に入射する。波長変換部材１０３に入射した光は、その一部が波長変換部材１０３の蛍光体に吸収される。蛍光体は、吸収した光よりも長い波長の光を放出することによって波長を変換する。波長変換された光は、波長変換部材１０３から照射される。波長変換部材１０３に入射した光のうち、蛍光体に吸収されなかった光は、波長変換されずに波長変換部材１０３を透過する。すなわち、波長変換部材１０３から出てくる光には、ＬＥＤ１０２から照射されて波長変換されずに波長変換部材１０３を透過した光Ｌ２と、波長変換されて波長変換部材１０３から照射される光Ｌ３とがある。ＬＥＤ１０２として青色ＬＥＤを用い、ＬＥＤ１０２から照射される青色光の一部を波長変換する波長変換部材１０３とを組み合わせると、波長変換されなかった光Ｌ２と波長変換された光Ｌ３が混色されて白色光が得られる。

ここで、光Ｌ２は、ＬＥＤ１０２を発光部として照射され、光Ｌ３は、波長変換部材１０３を発光部として照射される。従って、それぞれの光Ｌ２、Ｌ３は、発光部の大きさが違い、配光特性に違いがある。このため、波長変換部材１０３から出てくる光Ｌ２、Ｌ３をレンズ１０４で集光すると、照射面１０９において色むらが発生する虞がある。図５は、ＬＥＤ照明装置１０１の照射面１０９における色むらの例を示す。照射面１０９は、例えば、照射範囲の中心部１９１が青白く、周辺部１９２が黄色みを帯びる。

このような照射面１０９の色むらを低減する対策として、レンズ１０４に光拡散処理を施すことが知られている（例えば、特許文献１参照）。図６（ａ）（ｂ）（ｃ）は、レンズ１０４に光拡散処理１４５を施したＬＥＤ照明装置１０１の断面を示し、光拡散処理１４５を施した面を太い点線で表している。図６（ａ）に示すように、出射面１４４に光拡散処理１４５を施した場合、波長変換部材１０３で波長変換されなかった光と波長変換された光の配光特性の違いが小さくなって色むらが低減されるが、集光性が低下する。

図６（ｂ）に示すように、反射面１４３に光拡散処理１４５を施した場合、反射面１４３で反射される光は、波長変換されなかった光と波長変換された光の配光特性の違いが小さくなって色むらが低減されるが、集光性が低下する。

図６（ｃ）に示すように、第１の入射面１４１に光拡散処理１４５を施した場合、第１の入射面１４１に入射する光は、波長変換されなかった光と波長変換された光の配光特性の違いが小さくなって色むらが低減され、また、第１の入射面１４１が反射面１４３と比べて十分小さい場合は、集光性も高くなる。しかし、第２の入射面１４２は、集光性を確保するためには、光拡散処理を施すことが困難である。このため、第２の入射面１４２に入射する光の配光特性の違いを小さくすることができず、トータルの色むらを十分に小さくすることができない。以上のように、従来のレンズ１０４に光拡散処理１４５を施しても、いずれの場合も、集光性の確保と色むらの低減の両立は困難である。

一方、照射面の色むらを低減する別の対策として、波長変換部材１０３の外側に光拡散部材を設けるものが考えられる。図７（ａ）は光拡散部材を設けていない場合、図７（ｂ）は光拡散部材１０５を設けた場合を示す。図７（ａ）に示すように、光拡散部材１０５を設けていない場合、波長変換されなかった光Ｌ２と波長変換された光Ｌ３は、それぞれの発光部の大きさが異なり、配光特性に違いがある。従って、ＬＥＤ１０２と波長変換部材１０３とレンズ１０４を組み合わせると、照射面に色むらが生じる。

一方、図７（ｂ）に示すように、波長変換部材１０３の外側に光拡散部材１０５を設けた場合、波長変換されなかった光Ｌ２と波長変換された光Ｌ３は、発光部の大きさが、いずれも擬似的に光拡散部材１０５の大きさになり、また、光拡散部材１０５で拡散されることにより、配光特性の違いが小さくなる。このため、波長変換部材１０３の外側に光拡散部材１０５を設けることによって、ＬＥＤ照明装置１０１の集光性の確保と色むらの低減が両立する可能性がある。

図８（ａ）（ｂ）は、異なる大きさのＬＥＤ１０２を有するＬＥＤ照明装置１０１を示す。図８（ｂ）に示すＬＥＤ照明装置１０１は、図８（ａ）に示すものよりもＬＥＤ１０２が大きく、それに伴い光拡散部材１０５が大きい。これらのＬＥＤ照明装置１０１では、光拡散部材１０５が擬似光源となっていることから、擬似光源の大きさ、すなわち発光部の大きさが違うことになる。このため、これらのＬＥＤ照明装置１０１は、レンズ１０４が同じであっても、ＬＥＤ２すなわち光拡散部材１０５の大きさの違いによって配光特性が大きく異なる。一般的に、発光部の大きさが小さい方が点光源に近くなるため、集光性が高くなる。

図９（ａ）（ｂ）は、ＬＥＤ１０２とレンズ１０４との位置関係が相異するＬＥＤ照明装置１０１を示す。図８（ｂ）に示すＬＥＤ照明装置１０１は、図９（ａ）に示すものよりもＬＥＤ１０２がレンズ１０４から遠い位置にずれている。ＬＥＤ１０２の位置ずれに伴って光拡散部材１０５の位置ずれが生じる。光拡散部材１０５が擬似光源となっていることから、擬似光源とレンズ１０４との位置関係が相異することになる。このため、ＬＥＤ照明装置１０１は、レンズ１０４が同じであっても、ＬＥＤ２すなわち光拡散部材１０５とレンズ１０４との位置関係の相異によって配光特性が大きく異なる。

上述の理由により、光拡散部材１０５を波長変換部材１０３の外側に設けると、ＬＥＤ照明装置１０１の集光性の確保と色むらの低減が両立する可能性はあるが、ＬＥＤ１０２の大きさの違いや位置ずれによる配光特性の違いを軽減することができない。
特開２００７−５２１８号公報

本発明は、上記問題を解決するものであり、ＬＥＤと波長変換部材とレンズを有するＬＥＤ照明装置において、集光性の確保と色むらの低減を両立させると共に、ＬＥＤの大きさの違いや位置ずれによる配光特性の違いを軽減することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、ＬＥＤと、前記ＬＥＤから照射される光を受けて、その一部の光の波長を変換する波長変換部材と、前記波長変換部材から出てくる光を集光するレンズと、を備えたＬＥＤ照明装置であって、前記レンズは、前記ＬＥＤに臨む凹部をなし、前記波長変換部材からの光がレンズ内部に入射する、全面に光拡散処理が施された光入射面と、前記光入射面より入射した光のうち一部の光が全反射される、レンズ側面にある反射面と、前記反射面で反射された光が出射する、前記ＬＥＤに面しないレンズ端面にある平面出射面と、前記光入射面より入射された光のうち前記反射面で反射されない光が出射する凸状出射面とを有するものである。

本発明によれば、波長変換部材で波長変換されなかった光と波長変換された光は、いずれも光拡散処理が施された光入射面によって拡散されるため、光入射面が擬似光源となり、光源の大きさが同じとみなすことができ、また、光入射面の全面に光拡散処理が施されているため、配光特性の違いが小さくなり、色むらが低減される。また、反射面によって反射されない光が凸状出射面で集光されるのでトータルの集光性が向上し、集光性の確保と色むらの低減を両立させることができる。また、擬似光源である光入射面がレンズ自身にあるため、ＬＥＤの大きさが違ったり、ＬＥＤとレンズの位置関係にずれが生じても、擬似光源の大きさ及びレンズと擬似光源の位置関係は変わらないため、配光特性の違いが軽減される。

本発明の実施形態に係るＬＥＤ照明装置を図１乃至図３を参照して説明する。図１は本実施形態のＬＥＤ照明装置１の構成を示す。ＬＥＤ照明装置１は、ＬＥＤ２と、ＬＥＤ２から照射される光を受けて、その一部の光の波長を変換する波長変換部材３と、波長変換部材３から出てくる光を集光するレンズ４とを備える。レンズ４は、波長変換部材３からの光がレンズ４内部に入射する光入射面４１と、光入射面４１より入射した光のうち一部の光が全反射される反射面４２と、反射面４２で反射された光が出射する平面出射面４３と、光入射面４１より入射された光のうち反射面４２で反射されない光が屈折されて出射する凸状の凸状出射面４４とを有する。光入射面４１には、全面に光拡散処理４５が施されている。

レンズ４は、例えば、透明樹脂又はガラスを成型して作製される。透明樹脂を削って作製してもよい。透明樹脂としては、例えば、アクリル樹脂が用いられる。

レンズ４の光入射面４１は、波長変換部材３から出てくる光をレンズ４内部に入射させる面であり、ＬＥＤ２を臨む凹部をなしている。この凹部は、例えば凹状の略半球形状である。光入射面４１の光拡散処理４５は、例えばレンズ４表面に凹凸を設けたり、酸化チタン等の拡散物質を含む塗料を塗布したり、拡散フィルムをコーティングしたりすることにより施される。

反射面４２は、レンズ４側面にあって、光入射面４１から入射した光のうち一部の光が入射し、反射面４２に入射した光が略全反射され、反射された光が所望のビーム角に集光されるような曲面形状に形成されている。

平面出射面４３は、反射面４２で反射された光を出射する面であり、ＬＥＤ２に面しないレンズ４端面にあり、レンズ４及ぶＬＥＤ２の中心を通る光軸４６に対して略垂直な略平面とされている。平面視では、平面出射面４３は、光軸４６を中心とする幅を有する環状である。

凸状出射面４４は、光入射面４１から入射し、反射面４２に入射しない光を屈折によって所望のビーム角に集光して出射させる面であり、屈折により所望のビーム角が得られるような凸状の曲面形状に形成されている。なお、凸状出射面４４の周縁と平面出射面４３の内周は、筒状の面４９で接続されており、その面４９からの光の出射がないように形成されている。

図２は、ＬＥＤ２と波長変換部材３の断面を示す。ＬＥＤ２は、例えば基板２１と、基板２１上にマウント部材２２を介して実装されたＬＥＤ素子２３を有する。基板２１は、例えばアルミナ又はシリコンであり、マウント部材２２は、例えば窒化アルミニウムである。ＬＥＤ素子２３は、例えばＩｎＧａＮ（窒化インジウムガリウム）系材料が用いられる。導体２４、２５がそれぞれ絶縁層２６、２７を介して基板２１上に配置されており、ＬＥＤ素子２３は、ワイヤ２８によって導体２４、２５に接続される。導体２４、２５は、ＬＥＤ２外部の点灯回路（図示せず）に接続される。波長変換部材３は、蛍光体を含む樹脂等であり、中空の略半球状に形成され、ＬＥＤ素子２３の発光面を取り囲むように配置される。蛍光体には、例えば（Ｙ，Ｇｄ）_３（Ａｌ，Ｇａ）_５Ｏ_１２：Ｃｅ^３＋系蛍光体が用いられる。ＬＥＤ２と波長変換部材３とによって白色ＬＥＤが構成される。

上記のように構成されたＬＥＤ照明装置１の動作について説明する。図３は、ＬＥＤ照明装置１の光路を示し、波長変換部材３で波長変換されなかった光Ｌ２を実線で、波長変換された光Ｌ３を破線で表す。光Ｌ２と光Ｌ３は、いずれも光拡散処理４５が施された光入射面４１によって拡散されるため、光入射面４１が擬似光源となり、光源の大きさが同じとみなすことができる。また、光入射面４１の全面に光拡散処理４５が施されているため、光Ｌ２と光Ｌ３は、いずれも拡散され、配光特性の違いが小さくなる。このため、光Ｌ２と光Ｌ３の集光特性が近くなり、照射面９における色むらが低減される。また、反射面４２によって反射されない光が凸状出射面４４で集光されるのでトータルの集光性が向上する。光入射面４１と比べて反射面４２並びに平面出射面４３及び凸状出射面４４を大きくすることにより、ＬＥＤ照明装置１の集光性を高くすることができる。

また、擬似光源である光拡散処理４５が施された光入射面４１がレンズ４自身にあるため、ＬＥＤ２の大きさが違ったり、ＬＥＤ２とレンズ４の位置関係にずれが生じても、擬似光源（光入射面４１）の大きさ及びレンズ４と擬似光源の位置関係は変わらないため、配光特性の違いが軽減される。

なお、本発明は、上記の実施形態の構成に限られず、発明の要旨を変更しない範囲で種々の変形が可能である。例えば、ＬＥＤ２は、ワイヤ２８を用いずにＬＥＤ素子２３をフリップチップ実装してもよい。

本発明の実施形態に係るＬＥＤ照明装置の断面図。同装置におけるＬＥＤ及び波長変換部材の断面図。同装置における光路を示す図。従来のＬＥＤ照明装置の断面図。同装置による照射面を示す平面図。（ａ）は出射面に光拡散処理を施した同装置の断面図、（ｂ）は反射面に光拡散処理を施した同装置の断面図、（ｃ）は第１の入射面に光拡散処理を施した同装置の断面図。（ａ）は光拡散部材を設けていない場合の同装置におけるＬＥＤ及び波長変換部材の断面図、（ｂ）は光拡散部材を設けた場合のＬＥＤ及び波長変換部材の断面図。（ａ）（ｂ）は異なる大きさのＬＥＤを有する同装置の断面図。（ａ）（ｂ）はＬＥＤとレンズの位置関係が相異する同装置の断面図。

符号の説明

１ＬＥＤ照明装置
２ＬＥＤ
３波長変換部材
４レンズ
４１光入射面
４２反射面
４３平面出射面
４４凸状出射面
４５光拡散処理

Claims

ＬＥＤと、前記ＬＥＤから照射される光を受けて、その一部の光の波長を変換する波長変換部材と、前記波長変換部材から出てくる光を集光するレンズと、を備えたＬＥＤ照明装置であって、
前記レンズは、
前記ＬＥＤに臨む凹部をなし、前記波長変換部材からの光がレンズ内部に入射する、全面に光拡散処理が施された光入射面と、
前記光入射面より入射した光のうち一部の光が全反射される、レンズ側面にある反射面と、
前記反射面で反射された光が出射する、前記ＬＥＤに面しないレンズ端面にある平面出射面と、
前記光入射面より入射された光のうち前記反射面で反射されない光が出射する凸状出射面とを有することを特徴とするＬＥＤ照明装置。