JP2011181251A - Led照明装置 - Google Patents

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恵一 望月
Hisashi Iwamoto
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Abstract

【課題】照射対象物の影の発生を抑制する。
【解決手段】光を発光するLEDチップと、LEDチップから出射光を集光するように制御する配光制御用部材を有するLEDユニット12と、LEDユニットが2個以上取り付けられる取付部を有するレールユニットとを有するLED照明装置1において、LEDユニット12の間隔が、LEDユニット12から照射面までの距離、およびLEDユニットの半値半角に基づいて決定された値となっている。
【選択図】図4

Description

本発明は、LED照明装置に関し、特に、照射による対象物の影の発生を抑制することが可能なLED照明装置に関する。
例えば商品を陳列する店舗を始め、美術館や博物館等において、陳列・展示品がある床面を、上方(天井面側)から照明するための照明器具が種々提案されている。たとえば、特許文献1には、複数のLED(Light Emitting Diode:発光ダイオード)光源を用いて、遠方から近傍までの領域における照度を均等に保った状態での照明を可能とする照明装置について開示されている。
特開2008−98088号公報
しかしながら、そのようなLED照明装置で上方(天井面側)から下方(床面側)を照射する場合、LED光源が複数個あることから、照らされる対象物(たとえば、展示品)の影が複数発生してしまうことがあった。このように複数の影が生じてしまうと、たとえば展示品としての見栄えが悪くなってしまうことがある。
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、照射による対象物の影の発生を抑制することが可能なLED照明装置を提供することである。
本発明の一側面は、光を発光するLEDチップと、LEDチップから出射光を集光するように制御する配光制御用部材を有するLEDユニットと、LEDユニットが2個以上取り付けられる取付部とを有し、LEDユニットの間隔が、LEDユニットから照射面までの距離、およびLEDユニットの半値半角に基づく距離であることを特徴とする。
LEDユニット同士の間隔pは、配光制御部材の長辺方向の半値半角をθ、LEDユニットと照射面との距離をLとする場合、L・tanθ/4 ≦p≦2L・tanθを満たす範囲の値であるようにすることができる。
LEDユニットを、取付部に移動可能に取り付けることができる。
配光制御部材が配光制御レンズであって、配光制御レンズは、入射した光を多重散乱させる光散乱粒子を含有している光散乱導光体から構成されているようにすることができる。
配光制御レンズは、透明PMMA樹脂に散乱微粒子として粒径1μm〜9μmの球状かつ透光性のシリコーン粒子が多数含有された光散乱導光体から構成されているようにすることができる。
本発明によれば、照射による対象物の影の発生を抑制することが可能なLED照明装置を提供するこができる。
本発明の実施の形態としてのLED照明装置1の構成例を示す図である。 図1のレールユニット11およびLEDユニット12の構成例を示す図である。 図1のレールユニット11およびLEDユニット12の構成例を示す他の図である。 図1のLED照明装置1の利用例を示す図である。 LEDユニットの配列位置が図4の例とは異なるLED照明装置の利用例を示す図である。 単一真球粒子による強度分布を示す図である。 従来の照射対象物付近の照度分布および照度曲線を表わす図である。 照射対象物付近の照度分布および照度曲線を表わす図である。 リフレクタを用いた場合の利用例における照射対象物付近の照度分布および照度曲線を表わす図である。
以下に本発明の実施の形態を説明するが、本発明の構成要件と、発明の詳細な説明に記載の実施の形態との対応関係を例示すると、次のようになる。この記載は、本発明をサポートする実施の形態が、発明の詳細な説明に記載されていることを確認するためのものである。従って、発明の詳細な説明中には記載されているが、本発明の構成要件に対応する実施の形態として、ここには記載されていない実施の形態があったとしても、そのことは、その実施の形態が、その構成要件に対応するものではないことを意味するものではない。逆に、実施の形態が構成要件に対応するものとしてここに記載されていたとしても、そのことは、その実施の形態が、その構成要件以外の構成要件には対応しないものであることを意味するものでもない。
本発明の一側面は、光を発光するLEDチップ(たとえば、図3のLEDチップ41)と、LEDチップから出射光を集光するように制御する配光制御用部材(たとえば、図3の配光制御用レンズ43)を有するLEDユニット(たとえば、図3のLEDユニット12)と、LEDユニットが2個以上取り付けられる取付部(たとえば、図3のレールユニット11の取付部21)とを有し、LEDユニットの間隔が、LEDユニットから照射面までの距離、およびLEDユニットの半値半角に基づく距離(たとえば、式(1))であることを特徴とする。
LEDユニット同士の間隔pは、配光制御部材の長辺方向の半値半角をθ、LEDユニットと照射面との距離をLとする場合、L・tanθ/4 ≦p≦2L・tanθを満たす範囲の値であるようにすることができる(たとえば、式(1)および式(12))。
LEDユニットを、取付部に移動可能に取り付けることができる(たとえば、図3)。
配光制御部材が配光制御レンズであって、配光制御レンズは、入射した光を多重散乱させる光散乱粒子を含有している光散乱導光体から構成されているようにすることができる(たとえば、図6)。
配光制御レンズは、透明PMMA樹脂に散乱微粒子として粒径1μm〜9μmの球状かつ透光性のシリコーン粒子が多数含有された光散乱導光体から構成されているようにすることができる(たとえば、図6)。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
[本発明の実施の形態としてのLED照明装置1の構成例]
図1は、本発明の実施の形態としてのLED照明装置1の構成例を示す図である。
LED照明装置1は、図1に示すように、レールユニット11および複数のLEDユニット12を有して構成されている、いわゆるLEDを光源とするライン照明装置である。なお図1においては、最も右端のLEDユニット12に符号が付され、他のLEDユニット12の符号は省略されている。LED照明装置1は、たとえば、レールユニット11の背面(LEDユニット12が取り付けられている面と反対の面)が、天井に設置されて、LEDユニット12から出射される光で、LED照明装置1の下方(床面)を照らすように用いられる。
LED照明装置1は、LEDユニット12がレールユニット11内をスライドすることができる構成を有しており、たとえば、個々のLEDユニット12の照明範囲が重ならないようにLEDユニット12の位置が調整可能となっている。
図2および図3は、レールユニット11およびLEDユニット12の構成例を示す図である。なお図2および図3では、レールユニット11の一部と2個のLEDユニット12について図示されているが、レールユニット11の残りの部分、および他のLEDユニット12も同様に構成されている。
レールユニット11は、たとえば、アルミニウムを押出成形することにより断面形状が略コ字状に成形された取付部21の側面部の内側の溝状レール部21Aに、フレキシブル基板22が配置されて構成されている。
LEDユニット12は、大きくは、LED部31およびLED基板32を有して構成されている。
LED部31は、LEDチップ41、レンズ用ホルダー42、および配光制御用レンズ43を有して構成されている。光源であるLEDチップ41は、LED基板32に実装されている。配光制御用レンズ43は、レンズ用ホルダー42に組み込まれて、LEDチップ41が出射する光を配光できるようにLED基板32に取り付けられる。
LED基板32は、レールユニット11の取付部21の一端から溝状レール部21A中に挿入される。LED基板32は、溝状レール部21A中を移動(スライド)可能となっている。すなわちLEDユニット12の位置を調整できる構造となっている。LEDユニット12への給電は、LED基板32およびレールユニット11のフレキシブル基板22を介して行われる。
なおレールユニット11に可動可能に取り付けられたLEDユニット12は、その図示は省略するが、ネジ止めされる構成となっている。
[LEDユニット12の位置調整]
LEDユニット12は、式(1)を満たす位置に配置される。式(1)中、pは、LEDユニット12の間隔(距離)を示し、Lは、LEDユニット12と、その光が照射される面(たとえば、床面)までの距離を示している。θは、LEDユニット12の、LEDユニット12が並ぶ方向(この例の場合、レールユニット11の長手方向)の半値半角を示している。半値半角とは、光度が光源の中心軸上の値の半分になる時の角度のことである。
p=2L・tanθ・・・(1)
図4は、式(1)を満たす位置にLEDユニット12が配置されたLED照明装置1の利用例を示す図である。この例では、LED照明装置1は、レールユニット11の背面(LEDユニット12が取り付けられている面と反対の面)が、天井に設置されて、LEDユニット12から出射される光で、天井から距離Lだけ離れた床面が照らされている。各LEDユニット12は、LEDユニット12の半値半角、および天井から床面までの距離Lにおいて式(1)を満たす距離pの間隔を開けて配置されている。
[実施の形態における効果]
1.以上のように、LEDユニット12の間隔を、LEDユニット12の、LEDユニット12の並び方向の半値半角、および照射距離に基づく所定の距離だけ間隔を開けて配置するようにしたので、照射面に置かれている対象物の影の発生を抑制することができる。
たとえば、LEDユニット12の間隔が、2L・tanθから得られる値より短い場合、図5に示すように、照射される対象物(以下、適宜、照射対象物Wと称する)が複数のLEDユニット12の半値照射範囲(図中、点線で示される範囲)に入り、その照度によっては、影が複数発生する。
一方、LEDユニット12の間隔が、式(1)を満たす距離となっている場合、図4に示すように、照射対象物Wは、1個のLEDユニット12の半値照射範囲に入るので、基本的に影が発生しない。
なお、LEDユニット12の間隔を、2L・tanθから得られる値より大きい値とすれば、当然、照射対象物の影が生じないが、この場合、LEDユニット12からの光がスポット状となり、LED照明装置1全体としては均一の照度分布を得ることができない。照度分布について言及すれば、式(1)を満たす間隔でLEDユニット12が配置されると、各LEDユニット12からの光の照度分布(ガウス分布に近い分布)が合成されて、LED照明装置1全体としては均一の照度分布を得ることができる。
2.また以上のように、LEDユニット12をレールユニット11に対して移動可能に取り付けているので、たとえば、ユーザは、使用する環境の照射面までの距離Lに応じて、LEDユニット12を自由に移動させることができる。またLEDユニット12は、レールユニット11の端から引き抜いて取り出したり、挿入して取り付けることができるので、LEDユニット12の交換等を容易に行うことができる。
[他の実施の形態]
1.以上においては、半値半角を12°の例の場合を例として説明したが、それより大きい、または小さい半値半角のLEDユニット12を用いることができる。半値半角が大きければ、照度範囲が広がるので、その分、LEDユニット12の数を節約することができる。
2.また以上においては、LED部31の配光制御用レンズ43の材質については言及しなかったが、透明樹脂、ガラスを用いることができる。また透明樹脂に散乱能を与えられた光散乱導光体(光を散乱させるための微小な散乱粒子が混錬分散された導光体)を用いることができる。
光散乱導光体に用いられる透明樹脂の材料としては、例えば、PET(ポリエチレンテレフタレート)、PP(ポリプロピレン)、PC(ポリカーボネート)、PMMA(ポリメチルメタクリレート)、ベンジルメタクリレート、MS樹脂、あるいはCOP(シクロオレフィンポリマー)のような光学的に透明な樹脂が挙げられる。光散乱導光体に混錬分散させる散乱微粒子としては、1〜10μmの、トスパール、シリコーン、シリカ、ジルコニア、誘電体ポリマ等の粒子が用いられている。
光散乱導光体は、体積的に一様な散乱能が与えられた導光体であり、散乱微粒子としての球形粒子を多数含んでいる。光学レンズの導光体内部に光が入射すると、その光は散乱微粒子によって散乱することになる。
ここで散乱微粒子の理論的な基礎を与えるMie散乱理論について説明する。Mie散乱理論は、一様な屈折率を有する媒体(マトリックス)中に該媒体と異なる屈折率を有する球形粒子(散乱微粒子)が存在するケースについてマックスウェルの電磁方程式の解を求めたものである。光散乱粒子に相当する散乱微粒子によって散乱した散乱光の角度に依存した強度分布I(Α、Θ)は下記式(2)で表され、散乱効率K(A)は、下記式(3)で表わされる。Αは、散乱微粒子の光学的大きさを示すサイズパラメータであり、マトリックス中での光の波長λで規格化された球形粒子(散乱微粒子)の半径rに相当する量であって、下記式(4)で表わされる。角度Θは散乱角で、入射光の進行方向と同一方向をΘ=180°にとる。
また、式(2)中のi、iは、下記式(5)で表される。そして、式(3)〜式(5)中の下添字ν付のaおよびbは、下記式(6)で表される。上添字1および下添字νを付したP(cosΘ)は、Legendreの多項式、下添字ν付のa、bは、1次、2次のRecatti−Bessel関数Ψ、ζ(ただし、「*」は下添字νを意味する。)とその導関数とからなる。mはマトリックスを基準にした散乱微粒子の相対屈折率で、m=nscatter/nmatrixである。
図6は、上記式(2)〜式(6)に基づいて、単一真球粒子による強度分布I(Α、Θ)を示すグラフである。この図6では、原点Gの位置に散乱微粒子としての真球粒子があり、下方から入射光が入射した場合の散乱光強度の角度分布I(Α、Θ)を示している。そして、原点Gから各曲線S1〜S3までの距離が、それぞれの散乱角方向の散乱光強度である。曲線S1はΑが1.7であるときの散乱光強度、曲線S2はΑが11.5であるときの散乱光強度、曲線S3はΑが69.2であるときの散乱光強度を示している。なお、図6においては、散乱光強度を対数目盛で示している。このため、図6では僅かな強度差として見える部分が、実際には非常に大きな差となる。
この図6に示すように、サイズパラメータΑが大きくなればなるほど(ある波長λで考えた場合は真球粒子の粒径が大きくなればなるほど)、上方(照射方向の前方)に対して指向性が高い光が散乱されていることがわかる。また、実際のところ、散乱光強度の角度分布I(Α、Θ)は、入射光波長λを固定すれば、散乱子の半径rと、媒体および散乱微粒子の相対屈折率mとをパラメータとして制御することができる。
このような、単一真球粒子がN個含まれる光散乱導光体に光を入射させると、光は真球粒子により散乱される。散乱光は光散乱導光体中を進み、他の真球粒子により再度散乱される。ある程度以上の体積濃度で粒子を添加した場合には、このような散乱が逐次的に複数回行われた後、光が光散乱導光体から出射する。このような散乱光がさらに散乱されるような現象を多重散乱現象と呼ぶ。このような多重散乱においては、透明ポリマでの光線追跡法による解析は容易ではない。しかし、モンテカルロ法により光の挙動を追跡し、その特性を解析することはできる。それによると、入射光が無偏光の場合、散乱角の累積分布関数F(Θ)は下記の式(7)で表される。
ここで式(7)中のI(Θ)は、式(2)で表されるサイズパラメータΑの真球粒子の散乱強度である。強度Iの光が光散乱導光体に入射し、距離yを透過した後、光の強度が散乱によりIに減衰したとすると、これらの関係は下記の式(8)で表される。
この式(8)中のτは濁度と呼ばれ、媒体の散乱係数に相当するものであり、下記の式(9)のように粒子数Nに比例する。なお、式(9)中、σは散乱断面積である。
式(8)から長さLの光散乱導光体を散乱せずに透過する確率P(L)は下記の式(10)で表される。
反対に光路長Lまでに散乱される確率P(L)は下記の式(11)で表される。
これらの式からわかるように、濁度τを変えることにより、光散乱導光体内での多重散乱の度合いを制御することができる。この濁度τとレンズ内部の厚さMによって表わされる散乱回数(多重散乱の度合い)nは、0.1<τ・M(=n)<50が選択される。
以上の関係式により、散乱効率K(A)は、散乱子の半径rと波長λの比(r/λ)の関数となっている。すなわち、ある波長の光の散乱効率を、散乱子の粒径によって制御することができる。
この例では、粒子径1μm〜9μmの球状かつ投光性のシリコーン粒子が多数含まれている光散乱導光体を用いるものとする。
このような光散乱導光体の配光制御用レンズ43を用いることにより、配光分布をなめらかにすることができる。
通常の透明レンズを用いた場合、照度分布が高い部分が光源に集まり、照度分布の形状としては台形のような形になる。すなわち、この場合、LEDユニット12の間隔を正確に設定しないと、光の当たらない領域ができてしまう。この点、光散乱導光体を用いた場合、配光分布をなめらかに広がるので、LEDユニット12の配置が容易になる。
3.以上においては、LEDユニット12の間隔を、式(1)を満たす距離としたが、式(12)を満たす範囲の距離とすることもできる。p≦2L・tanθ、のとき、LEDユニット12の半値照射範囲が一部重なるが、その程度の範囲であれば、光の照度が低いことから影の写りが薄く、実質的に問題が生じない可能性がある。
(L・tanθ)/4≦p≦2L・tanθ・・・(12)
図7は、配光制御用部材を使用しないLEDユニット12を用いて照射した場合(半値半角が60°)であって、LEDユニット12の間隔が、(L・tanθ)/4の値より小さいときの照射対象物を真上から見たとき(従来の一般的な仕様)の照射対象物付近の照度分布および照度曲線を表わしている。図中央に照度分布が示され、照度分布の下方および右方に、この照度分布におけるX軸方向の照度曲線とY軸方向の照度曲線がそれぞれ示されている。いまの場合、このLEDユニット12から照射面(床)までの距離が300mmであり、LEDユニット12の間隔が70mmである。すなわち、(L・tanθ)/4=129.9mmとなり、LEDユニット12の間隔はそれより短くなっている。
図7には、照射対象物の影が生じていることによる照度の変化が現れている。
図8は、半値半角が12°のLEDユニット12を用いて照射した場合であって、LEDユニット12の間隔が、(L・tanθ)/4の値より大きいときの照射対象物を真上から見たときの照射対象物付近の照度分布および照度曲線を表わしている。図中央に照度分布が示され、照度分布の下方および右方に、この照度分布におけるX軸方向の照度曲線とY軸方向の照度曲線がそれぞれ示されている。いまの場合も、このLEDユニット12から照射面(床)までの距離が300mmであり、LEDユニット12の間隔が70mmである。すなわち、(L・tanθ)/4=15.9mmとなり、LEDユニット12の間隔はそれよりも大きくなっている。
図8の例では、図7に現れている照度の変化が現れていない。p≦2L・tanθとなり、LEDユニット12の半値照射範囲が一部重なるが、光の照度が低いことから影の写りが薄くなっている。
4.また以上においては、配光制御用部材として配光制御用レンズ43を用いた場合を例として説明したが(図3)、たとえば配光制御用部材としてリフレクタを用いることができる。
図9は、この光素子を用いたLEDユニット12で照射した場合であって、LEDユニット12の間隔が、(L・tanθ)/4の値より大きいときの照射対象物を真上から見たときの照射対象物付近の照度分布および照度曲線を表わしている。図中央に照度分布が示され、照度分布の下方および右方に、この照度分布におけるX軸方向の照度曲線とY軸方向の照度曲線がそれぞれ示されている。この場合も、対象物の影の発生が抑制されている。
5.また以上においては、LEDユニット12が4個の場合を例として説明したが、その数は4個に限らず、2個以上であればよい。
6.また以上においては、LEDユニット12のLED基板32がレールユニット11の溝状レール部21A中を移動して、LEDユニット12の位置を調整できるようにしたが、他の構造によって、LEDユニット12が移動できるようにすることもできる。
7.また以上においては、LEDユニット12がレールユニット11に移動可能に取り付けられる場合を例としたが、式(1)で算出される間隔にLEDユニット12が予め配置されている構造とすることもできる。LEDユニット12がレールユニット11に移動可能に取り付けられる場合、その状態でユーザに提供し、ユーザが使用する環境に応じてLEDユニット12の位置を調整することが想定される。一方、LEDユニット12の半値半角や照射面までの距離が規格化されているような場合、予めその条件に応じた間隔にLEDユニット12が配置されたLED照明装置1をユーザに提供することもできる。
8.また以上においては、LEDユニット12を縦長のレールユニット11に取り付けられている場合を例として説明したが、たとえば円形状のものに取り付けるようにすることもできる。
9.また以上においては、配光制御用レンズ43の照度分布の形状について言及しなかったが、円形でも楕円形でもよい。なお楕円形の場合、長辺方向の配光角が短辺方向の配光角より大きくなるようにすることができる。
10.また以上においては、配光制御用レンズ43の照射面は露出しているが、たとえば、透明カバーが覆うような構成とすることができる。
11.また以上においては、天井から床面を照射する場合を例として説明したが、店舗で用いられる商品に陳列棚や自動販売機内の商品棚の照明等に用いることができる。
1 LED照明装置
11 レールユニット
12 LEDユニット
21 取付部
22 フレキシブル基板
31 LED部
32 LED基板
41 LEDチップ
42 レンズ用ホルダー
43 配光制御用レンズ

Claims (5)

  1. 光を発光するLEDチップと、上記LEDチップから出射光を集光するように制御する配光制御用部材を有するLEDユニットと、
    上記LEDユニットが2個以上取り付けられる取付部と
    を有し、
    上記LEDユニットの間隔が、上記LEDユニットから照射面までの距離、および上記LEDユニットの半値半角に基づく距離である
    ことを特徴とするLED照明装置。
  2. 請求項1に記載のLED照明装置において、
    前記LEDユニット同士の間隔pは、前記配光制御部材の長辺方向の半値半角をθ、前記LEDユニットと照射面との距離をLとする場合、
    L・tanθ/4 ≦p≦2L・tanθ
    を満たす範囲の値である
    ことを特徴とするLED照明装置。
  3. 請求項1または2に記載のLED照明装置において、
    前記LEDユニットは、前記取付部に移動可能に取り付けられている
    ことを特徴とするLED照明装置。
  4. 請求項1から3に記載のいずれかのLED照明装置において、
    前記配光制御部材が配光制御レンズであって、上記配光制御レンズは、入射した光を多重散乱させる光散乱粒子を含有している光散乱導光体から構成されている
    ことを特徴とするLED照明装置。
  5. 請求項4に記載のいずれかのLED照明装置において、
    前記配光制御レンズは、透明PMMA樹脂に散乱微粒子として粒径1μm〜9μmの球状かつ透光性のシリコーン粒子が多数含有された光散乱導光体から構成されている
    ことを特徴とするLED照明装置。
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