JP2012048205A - 光学レンズ、これを備えるｌｅｄモジュール及び照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は光学レンズとこれを備えるＬＥＤモジュール、及びこのようなＬＥＤモジュールを備える街灯のような照明装置に関する。
【解決手段】本発明の実施例による光学レンズは、縦方向（第１の方向）に延長された外面を有し、横方向（第２の方向）に対称をなすように形成されたレンズボディと、内部面が縦方向に非対称をなすように前記レンズボディの下部に形成されたキャビティと、を含む。
【選択図】図３

Description

本発明は、光学レンズとこれを備えるＬＥＤモジュール、及びこのようなＬＥＤモジュールを備える街灯のような照明装置に関する。

近年、環境親和性やエネルギー効率の面で有利な照明技術の開発が重要な問題として台頭している。そのため、他の競争相手である光源に比べて高い効率と長い寿命を有する発光ダイオード（ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ：ＬＥＤ）が、既存の白熱灯や蛍光灯などの光源に代わる代案として提示されている。このＬＥＤは適用分野によって適した配光分布のために適切な光学系を必要とする。

一般の街灯照明は、通常の室内照明や他の一般照明に比べ対称型の配光ではない、車道の車線軸方向に広く広がる形態の配光特性を有する。街灯が設置される道路の幅や車両の移動量と制限速度などに応じて、配光基準とこれによる照度及び輝度均斉度基準を満たさなければならない。一般ランプ（メタルハライドランプ、白熱球、蛍光ランプなど）は３６０°の配光を有するため、このような一般ランプを使用する街灯は後面のリフレクター（ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）を用いて側面配光の拡張を具現している。

ＬＥＤを光源とする街灯はＬＥＤの出射面の前方に光が出るため、一般街灯に使用されるリフレクターを用いても配光を調節することはできない。この場合には、レンズなどの光学系を用いることで配光を調節できるようになる。ＬＥＤ光源を使用する通常の一般照明装置では回転対称型のレンズが主に用いられている。このような形態のレンズは特別な配光を必要とする街灯には通常に適用されず、集束または均一配光を必要とする照明に使用できる。街灯に使用されるＬＥＤ照明用レンズは非対称型の配光特性を必要とするため、非球面による非対称型のレンズが使用される。しかし、既存の非球面、非対称型のレンズは、レンズの製造において金型の製作が困難で、製造コストも高くなる。

本発明の実施例は、レンズ製作上の問題を減らし、非対称的な目標配光特性を容易に達成できる光学レンズを提供する。

また、本発明の実施例は、レンズ製作上の問題を減らし、非対称的な目標配光特性を容易に達成できる光学レンズを備えるＬＥＤ光源モジュールを提供する。

さらに、本発明の実施例は、レンズ製作上の問題を減らし、非対称的な目標配光特性を容易に達成できる光学レンズを備える照明装置を提供する。

本発明の実施例による光学レンズは、縦方向（第１の方向）に延長された外面を有し、横方向（第２の方向）に対称をなすように形成されたレンズボディ（ｌｅｎｓ ｂｏｄｙ）と、内部面が縦方向に非対称をなすように上記レンズボディの下部に形成されたキャビティ（ｃａｖｉｔｙ）とを含む。

上記レンズボディは、上記横方向に互いに対称をなすように配置され、それぞれ柱面を形成する一対の側面（ｓｉｄｅ ｓｕｒｆａｃｅｓ）と、上記縦方向に延長され互いに平行となるように配置され、それぞれ平面を形成する一対の端部面（ｅｎｄ ｓｕｒｆａｃｅｓ）とを含むことができる。

上記キャビティの内部面（ｉｎｎｅｒ ｓｕｒｆａｃｅｓ）は、横方向に左右対称をなすことができる。上記キャビティの内部面は、上記縦方向の一側に配置され、一側壁をなす平面、縦方向の他側に配置された球面、及びこれらを連結する柱面を含むことができる。上記キャビティは、ＬＥＤ光源部が内部に配置されるように構成されることができる。

上記レンズボディは、上部にＶ字状の突出部をさらに含むことができる。上記突出部は、対向する一対の内側面と一対の外側面とを有し、上記レンズボディの上部に上記横方向に左右対称をなすように形成されることができる。上記突出部の一対の内側面は柱面であり、上記突出部の一対の外側面は平面であることができる。

本発明の実施例によるＬＥＤ光源モジュールは、縦方向（第１の方向）に延長された外面を有し、横方向（第２の方向）に対称をなすように形成されたレンズボディと内部面が縦方向に非対称をなすように上記レンズボディの下部に形成されたキャビティを含む光学レンズと、上記光学レンズのキャビティ内に配置されたＬＥＤ光源とを含む。上記ＬＥＤ光源は、ＬＥＤチップと上記ＬＥＤチップを封止するドーム状のレンズ部を含むことができる。上記ＬＥＤ光源は、上記光学レンズの中央部からずれるように配置されることができる。

上記ＬＥＤ光源モジュールは、上記縦方向に沿って切断した垂直断面において、垂直軸から上記縦方向の一側に６０〜７５°の前方向の配光角度を有し、上記垂直軸から上記縦方向の他側に１０〜３５°の後方向の配光角度を有することができる。

上記ＬＥＤ光源モジュールは、上記横方向に沿って切断した垂直断面において、垂直軸から上記横方向の一側に６５〜７５°の側方向の配光角度を有し、上記垂直軸から上記横方向の他側に６５〜７５°の側方向の配光角度を有することができる。

本発明の実施例による照明装置は、１つ以上の上述のＬＥＤ光源モジュールを含むことができる。この照明装置は街灯に適用できるが、上記光学レンズの縦方向の一側が車道側方向に配置され、上記縦方向の他側が歩道側に配置され、上記光学レンズの横方向が車道の進行方向に沿って配置されることができる。

本発明の実施例によると、レンズ内に形成された非対称的な形態のキャビティを備えることで所望する非対称的な配光を容易に具現できる。また、キャビティ内に配置されるＬＥＤ光源の位置を変化させることで配光分布を調節できる。また、レンズ製作上の問題が減少し、製造コストを節減することができる。本発明の実施例による光学レンズは、照明用ＬＥＤ光源モジュールの非対称配光のための光学素子として有用であり、特にＬＥＤ光源を用いた街灯などの照明装置に効果的に使用できる。

本発明の実施例による光学レンズの斜視図である。 図１の光学レンズの平面図である。 図１の光学レンズの横方向ラインＡ−Ａ'に沿って切断した断面図である。 図１の光学レンズの縦方向ラインＢ−Ｂ'に沿って切断した断面図である。 図１の光学レンズの底面図である。 本発明の実施例によるＬＥＤ光源モジュールの縦方向ラインに沿って切断した断面図である。 本発明の実施例によるＬＥＤ光源モジュールの横方向ラインに沿って切断した断面図である。 本発明の実施例によるＬＥＤ光源モジュールの配光分布を示す図面である。 ＬＥＤ光源の位置を変えた場合の本発明の実施例によるＬＥＤ光源モジュールの配光分布を示す図面である。

以下、添付された図面を参照し本発明の実施形態について説明する。しかし、本発明の実施形態は様々な他の形態に変形されることができ、本発明の範囲が以下で説明する実施形態に限定されるものではない。なお、図面における要素の形状及びサイズ等はより明確な説明のために誇張されることもあり、図面中、同一要素には同一符号を付し、その説明は省略する。

図１は、本発明の実施例による光学レンズの斜視図であり、図２ａは、図１の光学レンズの平面図である。図１を参照すると、光学レンズは上部にＶ字状の突出部を有する概略的に半円筒状のレンズボディ１５０を含む。レンズボディ１５０は、縦方向（ｘ方向）に延長された外面を有し、横方向（ｙ方向）に左右対称或いは軸対称をなすように形成されている。より詳しくは、レンズボディ１５０は、図１及び２ａに示されたように、横方向（ｙ方向）に互いに対称をなすように配置され、それぞれ柱面を形成する一対の側面１１０と、縦方向（ｘ方向）に延長され互いに平行となるように配置され、それぞれ平面を形成する一対の端部面１１５ａ、１１５ｂとを有する。

また、レンズボディ１５０は、上部にＶ字状の突出部を有する。この突出部は、対向する一対の内側面１３０と一対の外側面１２０を有する。上記Ｖ字状突出部は、横方向（ｙ方向）に左右対称をなすように形成され、縦方向（ｘ方向）に沿って延長されている。Ｖ字状の突出部の一対の内側面１３０は柱面となり、一対の外側面１２０は平面となることができる。柱面をなす一対の内側面１３０は、後述するように、光の正面透過をある程度維持して照度の向上に寄与できる。特に、突出部の一対の内側面１３０は円柱面となることができる。即ち、垂直軸（ｚ軸）と横方向の軸（ｙ軸）により定義される面（ｘ軸に垂直な面）による断面形状において、突出部の一対の内側面１３０は円弧（円の一部）を描くことができる。

図２ｂは、図１の光学レンズの横方向ラインＡ−Ａ'に沿って切断した断面図であり、図２ｃは、図１の光学レンズの縦方向ラインＢ−Ｂ'に沿って切断した断面図であり、図２ｄは、図１の光学レンズの底面図である。

図１〜図２ｄを参照すると、光学レンズは、レンズボディ１５０の下部に形成された空間部、即ち、キャビティ（ｃａｖｉｔｙ，１４０）を含む。このキャビティ１４０の内部面１４５、１４１、１４３は縦方向（ｘ方向）に非対称をなすように形成されている。このようなキャビティ１４０は、後述するように、ＬＥＤパッケージのようなＬＥＤ光源がその内部に配置され、キャビティ内に配置されたＬＥＤ光源からの光を非対称的に屈折させる。図２ｂと図２ｄに示されたように、キャビティ１４０は、横方向（ｙ方向）には対称（左右対称或いは軸対称）をなすように形成できる。

図２ｂ〜２ｄを参照すると、キャビティ１４０の内部面は、平面１４１、球面１４３及び柱面１４５を有する。キャビティ１４０の内部面のうち平面１４１は、縦方向（ｘ方向）の一側（端部面１１５ｂに隣接する側）に配置されて側壁（例えば、垂直の側壁）となる。キャビティ１４０の内部面の球面１４３は、縦方向の他側（端部面１１５ａに隣接する側）に配置されている。キャビティ１４０の内部面の柱面１４５は、平面１４１と球面１４３を連結する。キャビティ１４０の柱面１４３は、図２ｂに示されたように、縦方向（ｘ方向）に垂直な断面上において左右対称の曲面（例えば、円柱面）を形成することができる。

キャビティ１４０の内部面は、縦方向の一側面１４１と他側面１４３が互いに非対称的に形成されており、キャビティ１４０は縦方向に非対称構造を有する。キャビティ１４０内にはＬＥＤ光源が配置されることができる。キャビティ１４０に内蔵されたＬＥＤ光源からの光は縦方向に非対称的なキャビティの内部面で屈折し、縦方向に非対称的な配光分布を示すようになる。

後述するように、キャビティ１４０内に配置されるＬＥＤ光源は光学レンズの中央部（ｃｅｎｔｅｒ）に配置されてもよいが、中央部からずれた位置に配置されてもよい。図２ｄを参照すると、光学レンズの底面図において、キャビティ１４０内に配置される光源は光学レンズの中央部（Ｐ）に位置することができる。しかし、他の例として、光源は光学レンズの中央部（Ｐ）から縦方向にずれた位置（例えば、Ｑ、Ｑ'）にその光源の中心が位置されてもよい。後述するように、縦方向に非対称構造を有するキャビティ１４０内で光源の位置を変化させることで、配光角度を調節できるという長所が得られる。

図３は、上述の光学レンズ（図１〜２ｄ参照）のキャビティ内にＬＥＤ光源を配置して得られるＬＥＤ光源モジュールの縦方向ライン（図２ａのラインＢ−Ｂ'）に沿って切断した断面図を示す。ＬＥＤ光源モジュールはレンズボディの下部に設けられたキャビティ１４０内に配置されたＬＥＤ光源９０を含む。ＬＥＤ光源９０は、例えば、サブマウント８０上に実装されたＬＥＤチップ７０と、ＬＥＤチップ７０を封止するドーム状のレンズ部８５とを含むＬＥＤパッケージであってもよい。このドーム状のレンズ部８５は、例えば、シリコン樹脂やエポキシ樹脂で形成されてもよい。このようなＬＥＤ光源９０、特にＬＥＤチップ７０は、上述のように、レンズボディの中央部に配置されてもよく、その中央部からずれた位置に配置されてもよい。ＬＥＤ光源９０の位置調節によって全体ＬＥＤ光源モジュールの配光分布を調節できる。

縦方向に切断した断面図である図３を参照すると、キャビティ１４０の平面１４１での屈折角、レンズボディの端部面１１５ｂでの屈折角及びＬＥＤ光源部９０の位置などを利用して前方向の配光角度（ｃ）を６０〜７５°に維持させることができる。例えば、前方向の配光角度（ｃ）は約６５°以上７５°以下に維持できる。ここで、前方向の配光角度（ｃ）は、図３のように、縦方向に沿って切断した垂直断面において垂直光軸（ｚ軸）から縦方向の一側（−ｘ方向）に測定した配光角度に該当する。

また、図３を参照すると、キャビティ１４０の球面１４３での屈折角、及びレンズボディの端部面１１５ａでの屈折角、並びにＬＥＤ光源部９０の位置などを利用して後方向の配光角度ｄを１０〜３５°に維持させることができる。例えば、後方向の配光角度ｄは約３０°に制限できる。ここで、後方向の配光角度ｄは、図３のように、縦方向に沿って切断した垂直断面において、垂直光軸（ｚ軸）から縦方向の他側（＋ｘ方向）に測定した配光角度に該当する。

上述のように、縦方向（ｘ方向）に非対称構造を有するキャビティをレンズボディ１５０の下部に形成することで、ＬＥＤ光源９０からの光は光学レンズを介して縦方向或いは前後方向に非対称的な配光分布を有するようになる。

図４は、図３のＬＥＤ光源モジュールの横方向ライン（図２ａのラインＡ−Ａ'）に沿って切断した断面図を示す。図４を参照すると、左右対称なキャビティ１４０の柱面（例えば、円柱面）１４５と、同様に左右対称なレンズボディの側面１１０の曲面構造を用いて１３０〜１５０°の側面配光を維持できる。図４に基づき、より具体的に説明すると、キャビティ１４０内にＬＥＤ光源９０が配置されたＬＥＤ光源モジュールは横方向に切断した垂直断面において、垂直光軸（ｚ軸）から横方向の一側（＋ｙ方向）に６５〜７５°の側方向の配光角度を有することができる。また、ＬＥＤ光源モジュールは横方向に切断した垂直断面において、垂直光軸（ｚ軸）から横方向の他側（−ｙ方向）に６５〜７５°の側方向の配光角度を有することができる。これにより、ＬＥＤ光源モジュールは左側から右側に１３０〜１５０°の側面配光を維持できる。例えば、ＬＥＤ光源モジュールは上述の曲面構造１４５、１１０を用いて側面配光を１４０°以上に拡張させることができる。

このようなＬＥＤ光源モジュール（図３及び４参照）は、照明装置の光源モジュールとして使用されることができ、特に、街灯などの照明装置に有用に適用できる。光学レンズの縦方向の一側（−ｘ方向）、即ち、光学レンズの前方向側を車道側に向けて配置し、光学レンズの縦方向の他側（＋ｘ方向）、即ち、光学レンズの後方向側を歩道側に向けて配置することができる。この場合、車道側に十分な配光角度（例えば、６５°以上の前方向の配光角度）を有する照明を提供すると共に、歩道側にも適当な配光角度（例えば、約３０°の後方向の配光角度）の照明を提供することができる。また、光学レンズの横方向（ｙ軸方向）が車道の進行方向に沿って配置されることで、車道の進行方向に沿って１３０°以上または１４０°以上の広い角度の側面配光を提供することができる。街灯照明をはじめとした照明装置に適用するとき、上述のＬＥＤ光源モジュールは回路基板（図示せず）上に複数個設けることができる。

図５は、本発明の実施例によるＬＥＤ光源モジュールの配光分布を示す図面である。上述の構成を有するＬＥＤ光源モジュールから得られる配光分布は、図５に示されたように、２つの曲線（ａ、ｂ）で示すことができる。曲線ａは、ＬＥＤ光源モジュールを横方向に切断した垂直断面図（図４参照）における配光分布を示したものである。図５の曲線ａに示されたように、横方向の配光分布は左右対称（或いは、軸対称）となっており、約１４０°（−７０°〜７０°）の比較的に広い側面配光を維持している。曲線ｂは、ＬＥＤ光源モジュールを縦方向に切断した垂直断面図（図３参照）における配光分布を示したものである。図５の曲線ｂに示されたように、縦方向の配光分布は非対称的となっており、前方向に約６０°（−６０°）の配光角度と後方向に約１０°の配光角度を維持している。

ＬＥＤ光源モジュールは、上述のように、縦方向に非対称的な配光分布を形成するが、前後方向の配光角度を調節するためにＬＥＤ光源９０の位置に変化を与えることができる。このような配光角度の調節は、光学レンズを変更することなくＬＥＤ光源９０の設置位置を変化させるだけで得られるという長所がある。例えば、ＬＥＤ光源９０の位置を変更するだけで前後方向の配光角度に約５〜１０°程度の変化を与えることができる。

図６は、ＬＥＤ光源の位置を変えた場合の本発明の実施例によるＬＥＤ光源モジュールの配光分布を示す図面である。図５の配光分布と比較するとき、ＬＥＤ光源９０が光学レンズの中央部に配置された場合には、図６の曲線ｂに示されたように前方向の配光角度が６５〜７０°となり、配光角度に変化を与え得ることが確認された。参考として、図６の曲線ａはＬＥＤ光源モジュールを横方向に切断した垂直断面図における配光分布を示したものである。

上述の実施例によると、縦方向に非対称構造を有するキャビティを光学レンズの下部に形成することで、既存の非球面による非対称な外形を有するレンズ製作の問題を最小限に抑え、目標とする非対称が配光分布を容易で効果的に具現できるようになる。実施例の光学レンズのキャビティ内にＬＥＤ光源を内蔵させることで、左右側面において対称的な配光を形成し、かつ前後面において配光の非対称性を具現する。実施例のＬＥＤ光源モジュールは光学レンズの製作を容易にすることで光源モジュールの製造コストを節減することができ、特に、街灯のような非対称的な配光分布特性を要する照明装置に有用に適用できる。

本発明は上述した実施形態及び添付された図面により限定されるものではなく、添付された請求範囲により限定される。従って、請求範囲に記載された本発明の技術的思想を外れない範囲内において多様な形態の置換、変形及び変更が可能であることは当技術分野の通常の知識を有する者には自明である。

１１０ レンズボディの側面
１１５ａ、１１５ｂ レンズボディの端部面
１２０ 突出部の外側面
１３０ 突出部の内側面
１４０ キャビティ
１４１ キャビティの平面
１４３ キャビティの球面
１４５ キャビティの柱面
９０ ＬＥＤ光源
７０ ＬＥＤチップ

Claims (20)

1. 縦方向に延長された外面を有し、横方向に対称をなすように形成されたレンズボディと、
   内部面が縦方向に非対称をなすように前記レンズボディの下部に形成されたキャビティと
   を含む光学レンズ。
2. 前記レンズボディは、前記横方向に互いに対称をなすように配置され、それぞれ柱面を形成する一対の側面と、前記縦方向の端部の各々に互いに平行となるように配置され、それぞれが平面を形成する一対の端部面と、を含むことを特徴とする請求項１に記載の光学レンズ。
3. 前記キャビティの内部面は、横方向に左右対称をなすことを特徴とする請求項１または２に記載の光学レンズ。
4. 前記キャビティの内部面は、前記縦方向の一方の側に配置され、一方の側壁をなす平面、前記縦方向の他方の側に配置された球面、並びに前記平面及び前記球面を連結する柱面を含むことを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の光学レンズ。
5. 前記キャビティは、ＬＥＤ光源部が内部に配置されるように構成されることを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の光学レンズ。
6. 前記レンズボディは、上部にＶ字状の突出部を含むことを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の光学レンズ。
7. 前記突出部は、対向する一対の内側面と一対の外側面とを有し、前記レンズボディの上部に前記横方向に左右対称に形成されたことを特徴とする請求項６に記載の光学レンズ。
8. 前記突出部の一対の内側面は柱面であり、前記突出部の一対の外側面は平面であることを特徴とする請求項７に記載の光学レンズ。
9. 縦方向に延長された外面を有し、横方向に対称をなすように形成されたレンズボディ、及び内部面が縦方向に非対称をなすように前記レンズボディの下部に形成されたキャビティを含む光学レンズと、
   前記光学レンズのキャビティ内に配置されたＬＥＤ光源と
   を含むＬＥＤ光源モジュール。
10. 前記ＬＥＤ光源は、ＬＥＤチップと前記ＬＥＤチップを封止するドーム状のレンズ部を含むことを特徴とする請求項９に記載のＬＥＤ光源モジュール。
11. 前記ＬＥＤ光源は、前記光学レンズの中央部からずれるように配置されたことを特徴とする請求項９または１０に記載のＬＥＤ光源モジュール。
12. 前記ＬＥＤ光源モジュールは、前記縦方向に沿って切断した垂直断面において、垂直軸から前記縦方向の一方の側に６０〜７５°の前方向の配光角度を有し、前記垂直軸から前記縦方向の他方の側に１０〜３５°の後方向の配光角度を有することを特徴とする請求項９から１１の何れか１項に記載のＬＥＤ光源モジュール。
13. 前記ＬＥＤ光源モジュールは、前記横方向に沿って切断した垂直断面において、垂直軸から前記横方向の一方の側に６５〜７５°の側方向の配光角度を有し、前記垂直軸から前記横方向の他方の側に６５〜７５°の側方向の配光角度を有することを特徴とする請求項９から１２の何れか１項に記載のＬＥＤ光源モジュール。
14. 前記レンズボディは、前記横方向に互いに対称をなすように配置され、それぞれ柱面を形成する一対の側面と、前記縦方向に延長され互いに平行となるように配置され、それぞれ平面を形成する一対の端部面と、を含むことを特徴とする請求項９から１３の何れか１項に記載のＬＥＤ光源モジュール。
15. 前記キャビティの内部面は、前記縦方向の一方の側に配置され、一方の側壁をなす平面、前記縦方向の他方の側に配置された球面、並びに前記平面及び前記球面を連結する柱面を含むことを特徴とする請求項９から１４の何れか１項に記載のＬＥＤ光源モジュール。
16. 前記レンズボディは、上部にＶ字状の突出部をさらに含むことを特徴とする請求項９から１５の何れか１項に記載のＬＥＤ光源モジュール。
17. 前記突出部は、対向する一対の内側面と一対の外側面とを有し、前記レンズボディの上部に前記横方向に左右対称に形成されたことを特徴とする請求項１６に記載のＬＥＤ光源モジュール。
18. 前記突出部の一対の内側面は柱面であり、前記突出部の一対の外側面は平面であることを特徴とする請求項１７に記載のＬＥＤ光源モジュール。
19. １つ以上のＬＥＤ光源モジュールを備え、
    前記ＬＥＤ光源モジュールは、
    縦方向に延長された外面を有し、横方向に対称をなすように形成されたレンズボディ、及び内部面が縦方向に非対称をなすように前記レンズボディの下部に形成されたキャビティを含む光学レンズと、
    前記光学レンズのキャビティ内に配置されたＬＥＤ光源と
    を含むことを特徴とする照明装置。
20. 前記照明装置は、街灯に適用されることを特徴とする請求項１９に記載の照明装置。

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