JP2012209142A

JP2012209142A - 照明灯具

Info

Publication number: JP2012209142A
Application number: JP2011074307A
Authority: JP
Inventors: Morihisa Yoshino; 森久吉野; Katsuya Mochizuki; 克也望月
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 2011-03-30
Filing date: 2011-03-30
Publication date: 2012-10-25

Abstract

【課題】照明装置において、光学レンズの小型化を図りつつ色調ムラを緩和する技術を提供する。
【解決手段】光学レンズ３が、発光面の中心から延びる発光ダイオード光軸を含むその近傍に設けられ、該光学レンズ３に入射した発光ダイオード２からの光を屈折させて発光ダイオード２光軸方向に向かう光とする第一入射面３１と、第一入射面３１の周囲に設けられる第二入射面３２と、第二入射面３２の外方に設けられ、当該第二入射面３２から入射した光を内面反射させて発光ダイオード２光軸方向に向かう光とする全反射面３３と、光軸方向における第一入射面３１及び第二入射面３２からの入射光に対応する位置に設けられる面であり、光軸に鉛直な面から見て凹凸曲断面をなし、この凹凸曲断面を光軸上の一点を中心に揺動させながら当該光軸を中心に回転させることにより形成されるレンズカットを施した出射面３４と、を有する照明灯具１。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光ダイオードを光源とする照明灯具に関する。

近年、発光ダイオード（以下、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）とも称する）を光源として用いた一般照明装置（以下、白色ＬＥＤ照明装置とも称する）が広く用いられつつある。

発光ダイオードは、その性質上素子そのものから複数の波長を含む白色光を得られない。このため、白色発光ダイオードの場合は、例えば波長変換物質である蛍光体を使用するなどの方法により白色光を得ている。

蛍光体を用いて白色光を得る白色発光ダイオードでは、青色光を発する（例えばＺｎＳｅ系、ＩｎＧａＮ系、ＧａＮ系、ＺｎＯ系などの半導体材料で構成される）青色発光ダイオードが、その青色光を青色の補色となる黄色光あるいは黄緑色光に波長変換する蛍光体（例えば、ＹＡＧ、ＴＡＧ、オルトシリケート系など）に光を照射する。そうすると、青色光により蛍光体が励起されてその励起光よりも長波長の黄色光を得られる。つまり、白色発光ダイオードは、この黄色光と青色発光ダイオード本来の青色光との加法混色によって、擬似的に白色光を生成する。

ところで、蛍光体を使用して擬似的に白色光を得る白色発光ダイオードでは、発光ダイオード本来の色（青色光）を発するＬＥＤチップと蛍光体を通過した発光面（外部に露出した表面）までの距離（光路長）が一様ではないことにより、発光色調に相違（いわゆる色調ムラや色ムラ）が生じることがある。

なお、上述のような色調ムラの問題を解決しようとする白色ＬＥＤ照明装置の一例として、凸面を有する凸形状の光入射面と、中央部と外周部とが異なる形状または異なる曲率で形成された凸形状の光放出面とを有する光学レンズにより、ＬＥＤの発光面の中央部から出射した青みがかった白色光及びＬＥＤの発光面の周辺部から出射した黄色みがかった白色光のそれぞれの白色光のうち、光学レンズの光入射面側の凸面からレンズ内に導入されたそれぞれの白色光が発光面側の凸形状部から外部に放出されて混合される、という技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００７−１４２１７８号公報

しかしながら、上記特許文献１の技術では、光学レンズ内部で青みがかった白色光及び黄色みがかった白色光それぞれの反射光の光路を混合して色調ムラを緩和しようとしているため、光学レンズの光照射方向の長さが長くなってしまい、光学レンズが肉厚になってしまっていた。

つまり、光学レンズが肉厚になってしまうことで、色調ムラを解消する照明装置の小型化が図りにくいという問題が考えられた。

以上より、本発明は、青色発光ダイオードと黄色蛍光体とにより白色光を発する白色発光ダイオードを光源として用いる照明装置において、装置構成の小型化を図りつつ色調ムラを緩和する技術を提供することを、その解決しようとする課題とする。

以上の課題に鑑み、本発明は以下の手段とした。
すなわち、本発明は、青色光を発する発光チップ、及び、発光チップを出射方向から覆う黄色蛍光体層を備え、黄色蛍光体層外方の平面を発光面として白色光を発する発光ダイオードと、発光面を正面から覆うように配置された光学レンズと、を備える照明灯具であり、光学レンズが、発光面の中心から延びる発光ダイオード光軸を含むその近傍に設けられ、該光学レンズに入射した発光ダイオードからの光を屈折させて発光ダイオード光軸方向に向かう光とする第一入射面と、第一入射面の周囲に設けられる第二入射面と、第二入射面の外方に設けられ、当該第二入射面から入射した光を内面反射させて発光ダイオード光軸方向に向かう光とする全反射面と、光軸方向における第一入射面及び第二入射面からの入射光に対応する位置に設けられる面であり、光軸に鉛直な面から見て凹凸曲断面をなし、この凹凸曲断面を光軸上の一点を中心に揺動させながら当該光軸を中心に回転させることにより形成されるレンズカットを施した出射面と、を有する。

本発明は、青色発光ダイオードと黄色蛍光体とを用いて擬似的に白色光を発するいわゆる擬似白色発光ダイオードを光源として用いる照明灯具であり、発光チップから蛍光体層を透過した発光面までの距離の相違によって生じる色調ムラを解消することに鑑み、以下の構成を採った。

まず、発光ダイオードからの放射光の放射方向に対応して、第一入射面、または第二入射面及び全反射面により、当該放射光を発光ダイオード光軸方向に集光（発光ダイオード光軸に平行な光、または発光ダイオード光軸にまたは平行光に対して角度がついている光（平行光より広がっている光や狭まっている光））して基本的な照射方向に光を制御する。

そして、第一入射面と第二入射面及び全反射面を経た光について出射する出射面は、光軸に鉛直な面から見て凹凸曲断面をなし、この凹凸曲断面を光軸上の一点を中心に揺動させながら当該光軸を中心に回転させることにより形成されるレンズカットを施す。

そのため、本発明では、出射面で屈折した出射光の方向が様々な方向（出射面に沿った方向だけでなく鉛直方向にも変化した照射方向）となり、色調ムラの原因となる、様々な色調の光を効率良く混色することが出来る。特に、本発明では、第一入射面と第二入射面及び全反射面により光線の方向を整えた後に出射面により拡散させて様々な色調の光線を混ぜ合わせるため、光学レンズの構成を小型化しつつ効率よく様々な色調の色光による色調ムラを低減できる。

また、本発明は、凹凸曲断面が、接線連続した曲断面であってもよい。

このような出射面の形状を採ることにより、本発明は、光学レンズ内部で光が極端な（大きな・急激な）屈折をしないため、連続的かつ徐々に様々な色調の色光を分散して混ぜ合わせることができ、その結果として色調ムラを低減できる。また、本発明によれば、全反射面から出射面に向かう光が内部反射してしまうことを防ぎ、光の取り出し効率を高めることができる。

以上のように、本発明によれば、青色発光ダイオードと黄色蛍光体とを用いて白色光を発する白色発光ダイオードを光源とする照明装置において、光学レンズの小型化を図りつつ色調ムラを緩和する技術を提供することができる。

本発明の一実施の形態に係る照明灯具の斜視図である。本実施形態に係る照明灯具の側断面図である。本実施形態に係る照明灯具の上面視図である。本実施形態に係る照明灯具の光学レンズの側断面図である。本実施形態に係る照明灯具の光学レンズのレンズカット形状、及び光学レンズからの出射光を示す図である。本実施形態に係る照明灯具の光学レンズの出射面を拡大した斜視図である。本実施形態に係る照明灯具において、白色発光ダイオードからの出射光に色調ムラが生じる原理を説明する図である。

以下、本発明の一実施の形態に係る照明灯具について説明する。

なお、本実施の形態は、本発明の一実施の形態にすぎないため、本発明には他の実施の形態も含まれることはいうまでもない。

図１は、本実施形態に係る照明灯具１の斜視図である。図２は、本実施形態に係る照明灯具の側面図である。図３は、本実施形態に係る照明灯具の上面視図である。図４は、本実施形態に係る照明灯具の光学レンズの側断面図である。

本実施形態に係る照明灯具１は、白色発光ダイオード２と光学レンズ３とを備える。
ここで、本実施の形態では、白色発光ダイオード２の光照射方向を上面（正面）とし、そこから鉛直な面を側面として説明する。

図１，２にも示されるように、光学レンズ３は、白色発光ダイオード２の発光面２３を上面から（光照射方向に対向して）覆うように配置される。光学レンズ３は、発光面２３から延びる発光ダイオード光軸Ｚを含むその近傍を中心として設けられる。

本実施形態において、光学レンズ３は、図３に示すように上面視円形をなし、第一入射面３１と第二入射面３２と全反射面３３と出射面３４とを有する。なお、本実施形態では、第二入射面３２と全反射面３３の組み合わせは、白色発光ダイオード２からの放射光の取り込みを考慮し、二組設けられる。光学レンズ３の第二入射面３２と全反射面３３との組み合わせは、本実施の形態のように二組に限らず、その組数は適宜設定可能である。

第一入射面３１は、発光ダイオード光軸Ｚを中心とした領域に設けられ、入射した白色発光ダイオード２からの光を屈折させて、その光を光学レンズ３内部で発光ダイオード光軸Ｚ方向に集光とすることができる凸面である。ここで、第一入射面３１により屈折された白色発光ダイオード２からの光の集光度合いは、発光ダイオード光軸Ｚに平行な光であっても、または平行光に対して角度がついている光（平行光より広がっている光や狭まっている光）であってもよい。

第二入射面３２は、第一入射面３１の周囲（上面視外側）に設けられ、発光ダイオード２からの光のうち第一入射面３１に入射しなかった光が光学レンズ３内部に入射することができるように、発光ダイオード光軸Ｚに沿った方向に延びる面（発光ダイオード光軸Ｚに対して角度を有しても良い）を有する。

全反射面３３は、第二入射面３２の発光ダイオード光軸Ｚから見て外方に設けられる。全反射面３３は、第二入射面３２から入射した光を内面反射させて第一入射面３１の反対側へ向かって集光した光（発光ダイオード光軸に平行な光、または発光ダイオード光軸に対して角度がついている光（平行光より広がっている光や狭まっている光）でも良い）にする。

図５は、本実施形態に係る照明灯具の光学レンズ３のレンズカット形状、及び光学レンズ３からの出射光を示す側断面図である。図６は、本実施形態に係る照明灯具の光学レンズ３の出射面３４を拡大した斜視図である。

出射面３４には、図５に示すように光軸に鉛直な面から見て凹凸曲断面（波を打っているような接線連続した断面形状）をなすレンズカットが施されている。レンズカットは、図６に示すように図５の凹凸曲断面を光軸上の一点を中心に揺動させながら当該光軸を中心に回転させることにより形成される。

以上のような構成をなす本実施形態の照明灯具１について、より詳細に説明する。
図７は、本実施形態に係る照明灯具１において、白色発光ダイオード２からの出射光に色調ムラが生じる原理を説明する図である。

図７のように、照明灯具１で用いる白色発光ダイオード２は、青色光を発する発光チップ（発光素子）２１と発光チップ２１を覆う黄色蛍光体層２２を有する。この構成により、白色発光ダイオード２は、発光チップ２１が給電されて青色光を発し、その青色光により黄色蛍光体層２２が励起されて生じた黄色光ともとの青色光とが混色して白色光を照射する。

その際、発光チップ２１から発光面２３に到達するまでの距離（光路長）が光の方向により異なるため、光路長の短い箇所では比較的青白い光Ｌ３が照射され光路長の長い箇所では比較的黄色い光Ｌ４が照射される。

この白色発光ダイオード２による色ムラを解決するには、白色発光ダイオード２からの光を光学レンズの入射面の形状によって略平行化し、出射面の凹凸形状（ここで、凹凸形状とは、凹凸形状を繰り返すものの他に接線不連続に凸形状や凹形状が連続するものをも含む）によって、配光制御を行うことが考えられる。

特に、上述のような凸形状又は凹形状を繰り返す出射面形状の光学レンズの場合、そのレンズカットが連続的につながっていないため、そのレンズカット間の角の部分の周辺において極端な（大きな・急激な）屈折が生じ、様々な色調の光が互いに混じり合いにくく、その結果として色調ムラが解消されない。
また、上述のような単純な凹凸形状を持つ出射面形状の光学レンズの場合、出射面の凹凸断面形状があるものの、その凹凸断面形状が発光ダイオード光軸Ｚを中心とした回転対称や光学レンズの出射面に平行な方向（X方向とY方向）に限定されてしまうため、色ムラの問題は若干改善されるものの一部に見受けられたり、照度ムラが生じたり、あるいは配光エリアが四角形となってしまうという問題がある。

これは、本実施形態の照明灯具１の光学系を検討するにあたり、そのレンズや光源のサイズ、光源とレンズの距離を考慮するが、その光学系における光源が点とみなすことが困難であるということによる。

詳述すると、通常、光学系の検討を行う場合には、光源は点として考えるため図５のようになる。

しかし、実際の光源は、レンズとの相対的な大きさによって面としてみなされる。それにより、屈折のみで略平行化される光は、他に放たれる光と比較して光路長が短いため、光源からの光が出射される場所によって屈折する角度に差が出てしまう。

以上の結果を踏まえ、本実施形態の照明灯具１の光学レンズ３における出射面の断面は、以下のように設定している。

すなわち、第一入射面３１と第二入射面３２及び全反射面３３を経て略平行化される光については、接線連続を保った凹凸曲断面を持つレンズカットで、角を持った形状ではない。このため、本実施形態の光学レンズ３は、光学レンズ内部で光が極端な（大きな・急激な）屈折をしないため、連続的かつ徐々に様々な色調の色光を分散して混ぜ合わせることができ、その結果として色調ムラを低減できる。また、本実施形態の光学レンズ３は、角の部分による内部反射による光の取り出し効率の低下が生じない。

また、出射面３４のレンズカットの形状は、光軸を中心にその断面の曲線を同心円状にスイープ（回転）させたような（いわゆる波紋のような）形状ではない。具体的には、出射面３４のレンズカットの形状は、光軸Ｚを中心に同心円状に回転させているが、断面の曲線を光軸Ｚ上の点を中心に出射面３４に鉛直な方向（Z方向）へ揺動させた（振幅のある）曲線（例えば、その曲線は図５に示す断面のような曲線）でスイープさせている。

以上の検討に基づいて形成された光学レンズ３によれば、白色発光ダイオード２を照明灯具１の光源として用いるにあたって照射光の色調ムラ（照射光に例えば中心部に青白い光や外周部に黄色い光などの光が偏在した状態）を緩和するために、第一入射面３１第二入射面３２と全反射面３３とにより様々な色調を有する光が平行光または白色発光ダイオード光軸Ｚ方向に集光した光に整えられたのち、レンズカットにより図５に示すように縦（Ｚ方向）横（Ｘ，Ｙ方向）様々な方向に連続的に拡散される。

以上の構成と作用により、本実施形態の照明灯具１は、レンズ内部で平行光や平行光より角度がついた発光ダイオード光軸Ｚ方向とした様々な色調の光をレンズカットにより出射面で屈折した出射光の方向が様々な方向（出射面に沿った方向（Ｘ，Ｙ方向）だけでなく鉛直方向（Ｚ方向）にも変化した照射方向）となり、色調ムラの原因となる、様々な色調の光を効率良く拡散して混色するため、装置（光学レンズ３）の構成を小型化しつつ、色調ムラを緩和することができる。

また、本実施形態の照明灯具１によれば、様々な方向に光を拡散制御するため、照明灯具として求められている円形の配光を実現できる。

そして、出射面３４の形状を接線連続した曲面からなる断面形状を採ることにより、本実施形態の照明灯具１の光学レンズ３は、連続的かつ徐々に様々な色調の色光を分散して混ぜ合わせることができ、その結果として色調ムラを低減でき、角の部分による全反射面から出射面に向かう光が内部反射してしまうことを防ぎ、光の取り出し効率を高めることができる。

なお、光学レンズが肉厚になってしまうことで、レンズ製作に多くの原材料が必要になる、あるいは、成型時にヒケが生じやすくなるなどして、コスト上昇の要因になるおそれがあったが、本実施形態の照明灯具１の光学レンズ３によれば、これらの課題も解決することができる。

１照明灯具
２白色発光ダイオード
２１発光チップ
２２黄色蛍光体層
２３発光面
３光学レンズ
３１第一入射面
３２第二入射面
３３全反射面
３４出射面

Claims

青色光を発する発光チップ、及び、前記発光チップを出射方向から覆う黄色蛍光体層を備え、前記黄色蛍光体層外方の平面を発光面として白色光を発する発光ダイオードと、
前記発光面を正面から覆うように配置された光学レンズと、を備える照明灯具であり、
前記光学レンズが、
前記発光面の中心から延びる発光ダイオード光軸を含むその近傍に設けられ、該光学レンズに入射した前記発光ダイオードからの光を屈折させて発光ダイオード光軸方向に向かう光とする第一入射面と、
前記第一入射面の周囲に設けられる第二入射面と、
前記第二入射面の外方に設けられ、当該第二入射面から入射した光を内面反射させて前記発光ダイオード光軸方向に向かう光とする全反射面と、
前記発光ダイオード光軸方向における第一入射面及び前記第二入射面からの入射光に対応する位置に設けられる面であり、前記光軸に鉛直な面から見て凹凸曲断面をなし、この凹凸曲断面を前記光軸上の一点を中心に揺動させながら当該光軸を中心に回転させることにより形成されるレンズカットを施した出射面と、を有する、照明灯具。
前記凹凸曲断面が、
接線連続した曲断面である、請求項１に記載の照明灯具。