JP2012252994A

JP2012252994A - 発光装置及びその複合レンズ

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Publication number: JP2012252994A
Application number: JP2011175081A
Authority: JP
Inventors: Yen-Chun Chou; 彦均周
Original assignee: Aether Systems Inc
Current assignee: Aether Systems Inc
Priority date: 2011-06-03
Filing date: 2011-08-10
Publication date: 2012-12-20
Also published as: TW201250167A; CN102809118A; TWI414727B

Abstract

【課題】出光角度を高めることで、広角度配光を達成する発光装置及び複合レンズを提供することを課題とする。
【解決手段】本発明の発光装置２は、発光モジュール２１及び複合レンズ２２を備える。複合レンズ２２は、発光モジュール２１上方に設置される。複合レンズ２２は、第一〜第四レンズ部を備える。第一レンズ部は、全反射方式によって、発光モジュール２１が発する第一群光線を第一レンズ部から射出する。第二レンズ部は、全反射方式により、発光モジュール２１が発する第二群光線を、第三レンズ部を透過させて、第四レンズ部から射出する。第三レンズ部は、全反射方式により、発光モジュール２１が発する第三群光線を第四レンズ部から射出する。第四レンズ部は、発光モジュール２１が発する第四群光線を第四レンズ部から射出する。本発明は、複合レンズ２２も提供する。
【選択図】図２Ａ

Description

本発明は、発光装置及びその複合レンズに関し、特に、発光ダイオードを光源とする発光装置及びその複合レンズに関する。

近年、発光ダイオード（Light Emitting Diode, LED）の製造工程及び材料面における改良が進んだことで、発光ダイオードの発光効率が大幅に向上している。一般の蛍光灯または省エネランプとは異なり、発光ダイオードは、低消費電力、長寿命、安全性が高い、高速応答及び体積が小さい等の特性を有する。このため、発光ダイオードは、すでに多くの電子製品中に広く応用されている。そのうちの一つが、従来の蛍光管や電球形蛍光灯に取って代わり、発光ダイオードを発光ランプとする例である。

図1に示したように、従来の発光ダイオード照明器具1は、発光ダイオード11及び回路板12を有する。発光ダイオード11は回路板12上に設置されて、発光ダイオード11が駆動されて点灯する。しかしながら、発光ダイオード11が発する光線が方向性を有することで、さらに、基座に設置して放熱させる必要がある。このため、発光ダイオード照明器具1の光線照射範囲はほぼ180度となり、従来のランプのように360度に近い配光角度を得ることは不可能である。また、アメリカのエナジースター（Energy Star）が発光ダイオードランプに対する規格を発表してから、ますます多くの発光ダイオードランプメーカーが、光効率のみならず光の質を重視するようになっている。言い換えれば、発光ダイオードランプの配光角度がさらに重視されていることを意味する。

したがって、本発明は、出光角度を高めることで、広角度配光を達成する発光装置及び複合レンズを提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明は、出光角度を高めることで、広角度配光を達成する発光装置及び複合レンズを提供する。

上記目的を達成するために、本発明の発光装置は、発光モジュール及び複合レンズを備える。複合レンズは、発光モジュール上方に設置される。複合レンズは、第一レンズ部、第二レンズ部、第三レンズ部及び第四レンズ部を備える。第二レンズ部は、第一レンズ部を取り囲むように接続される。第三レンズ部は、第二レンズ部を取り囲むように接続される。第四レンズ部は、第三レンズ部の下方に取り囲むように設置される。第一レンズ部は、全反射方式によって、発光モジュールが発する第一群光線を第一レンズ部から射出する。第二レンズ部は、全反射方式により、発光モジュールが発する第二群光線を、第三レンズ部を透過させて、第四レンズ部から射出する。第三レンズ部は、全反射方式により、発光モジュールが発する第三群光線を第四レンズ部から射出する。第四レンズ部は、発光モジュールが発する第四群光線を第四レンズ部から射出する。

本発明の好適な実施形態において、第一レンズ部、第二レンズ部、第三レンズ部及び第四レンズ部は環状収納空間を形成する。

本発明の好適な実施形態において、発光モジュールはさらに、基板、三個以上の発光ダイオード及び駆動回路を備える。発光ダイオードは、基板上に配列されて、環状収納空間中に設置される。駆動回路は、発光ダイオードに電気的に接続されて、発光ダイオードを点灯させる。

本発明の好適な実施形態において、発光装置はさらに、カバー、ベース及び口金を備える。カバーは、収納空間を有して、発光モジュール及び複合レンズを収納する。ベースとカバーは接合して、ベース上に発光モジュール及び複合レンズを載せる。口金とベースは接合する。このうち、ベースは放熱構造を有する。

本発明の好適な実施形態において、複合レンズの少なくとも一表面はマイクロ構造を有する。

本発明の好適な実施形態において、第一レンズ部、第二レンズ部、第三レンズ部及び第四レンズ部は一体成型される。

本発明の好適な実施形態において、第一レンズ部の配光角度は0から45度及び315から360度、第二レンズ部の配光角度は0から90度及び270から360度、第三レンズ部の配光角度は90から150度及び210から270度、第四レンズ部の配光角度は0から90度及び270から360度である。

本発明の好適な実施形態において、第一群光線は、第一レンズ部の第一表面での屈折、第一レンズ部の第二表面での全反射及び第一レンズ部の第三表面での屈折を経て射出される。

本発明の好適な実施形態において、第二群光線は、第二レンズ部第一表面での屈折、第二レンズ部の第二表面での全反射、第三レンズ部を透過して第四レンズ部の第一表面での屈折を経て射出される。

本発明の好適な実施形態において、第三群光線は、第三レンズ部の第一表面での屈折、第三レンズ部の第二表面での全反射及び第四レンズ部の第一表面での屈折を経て射出される。

本発明の好適な実施形態において、第四群光線は、第四レンズ部の第二表面での屈折及び第四レンズ部の第一表面での屈折を経て射出される。

上記目的を達成するために、本発明の複合レンズは、第一レンズ部、第二レンズ部、第三レンズ部及び第四レンズ部を備える。第二レンズ部は、第一レンズ部を取り囲むように接続される。第三レンズ部は、第二レンズ部を取り囲むように接続される。第四レンズ部は、第三レンズ部の下方に取り囲むように設置される。

このように、本発明の発光装置及びその複合レンズは、第一レンズ部が全反射方式により発光モジュールが発する第一群光線を第一レンズ部から射出し、第二レンズ部が全反射方式により発光モジュールが発する第二群光線を第四レンズ部から射出し、第三レンズ部が全反射方式により発光モジュールが発する第三群光線を第四レンズ部から射出し、第四レンズ部が発光モジュールが発する第四群光線を第四レンズ部から射出することにより、出光角度を高めることを実現することで、広角度配光の発光装置を達成する。

従来の発光ダイオード照明器具を示した図である。本発明の好適な実施形態における発光装置を示した図である。本発明の好適な実施形態における発光装置の断面図である。本発明の好適な実施形態における発光モジュールの一態様を示した図である。本発明の好適な実施形態における発光モジュールの別の態様を示した図である。本発明の好適な実施形態における発光モジュールの更に別の態様を示した図である。本発明の好適な実施形態における複合レンズ及びその作用を示した図である。本発明の好適な実施形態における複合レンズ及びその作用を示した図である。本発明の好適な実施形態における複合レンズ及びその作用を示した図である。本発明の好適な実施形態における複合レンズ及びその作用を示した図である。本発明の好適な実施形態における発光装置を示した図である。

以下、図を参照しながら本発明の好適な実施形態における発光装置及びその複合レンズについて説明する。

まず、図2A及び図2Bを参照しながら説明する。図2A及び図2Bは、それぞれ本発明の好適な実施形態における発光装置2を示した図及びその断面図である。発光装置2は、発光モジュール21及び複合レンズ22を備える。

本実施形態において、発光モジュール21は、基板211、八個の発光ダイオード212及び駆動回路213を有する。ここで、基板211は、回路板であり、さらに、発光ダイオード212は、環状に設置される方式によって基板211の表面2111上に設置される。応用の際には、発光モジュール21の体積を減少させるために、発光ダイオード212はチップ式発光ダイオードを採用するが、当然、発光ダイオード212は、DIP式発光ダイオードでも可能である。また、駆動回路213は、基板211に設置されて、発光ダイオード212に電気的に接続される。駆動回路213は、好適には、発光ダイオード212とは逆の他の表面2112に設置されることが望ましく、基板211上の配線によって、駆動回路213は発光ダイオード212の点滅をコントロールする。

注意すべきは、本実施形態において、発光モジュール21は八個の発光ダイオード212を有する場合を例として説明するが、実際の運用時には、製品のニーズ及び設計上の条件に応じて、異なる数量の発光ダイオードを使用することが可能であるという点である。一般には、本実施形態では、数量が三個以上の発光ダイオードが適用される。また、本発明では発光ダイオード間の接続方式については制限しない。

さらに、複合レンズ22は、発光モジュール21の上方に設置されて、発光ダイオード212を覆う。このうち、複合レンズ22の材質は、例えば、メタクリル酸メチル樹脂（Polymethly Methacrylate, PMMA）、ポリスチレン（Polystyrene, PS）、メタクリル酸メチルスチレン（Methly−methacrylate−Styrene, MS）、ポリカーボネート（Polycarbonate, PC）等の透光高分子物質である。

さらに、図2Bを参照しながら説明する。本実施形態において、複合レンズ22は、第一レンズ部221、第二レンズ部222、第三レンズ部223及び第四レンズ部224を備える。第一レンズ部221は、複合レンズ22の中央部分に位置する。第二レンズ部222は、第一レンズ部221を取り囲むように接続される。第三レンズ部223は、第二レンズ部222を取り囲むように接続される。第四レンズ部224は、第三レンズ部223の下方に取り囲むように設置される。このうち、第一レンズ部221、第二レンズ部222、第三レンズ部223及び第四レンズ部224は、環状収納空間225を形成し、発光ダイオード212は、この環状収納空間225中に設置される。また、第一レンズ部221、第二レンズ部222、第三レンズ部223及び第四レンズ部224は一体成型される。

本実施形態において、第一レンズ部221は、少なくとも一回の全反射（total internal reflection, TIR）によって、発光モジュール21の発光ダイオード212が発する第一群光線を、第一レンズ部221から射出する。第二レンズ部222は少なくとも一回の全反射によって、発光モジュール21が発する第二群光線を、第三レンズ部223を透過させて、第四レンズ部224から射出する。第三レンズ部223は、少なくとも一回の全反射によって、発光モジュール21が発する第三群光線を、第四レンズ部224から射出する。第四レンズ部224は、発光モジュール21が発する第四群光線を、第四レンズ部224から射出する。

また、実際の運用時には、発光モジュール21の発光ダイオード212は、製品のニーズまたは設計上の条件に応じて、異なる設置方式が可能である。以下、図3Aから図3Cに示したのは、例を挙げて説明した発光モジュール21の三種類の実施構造である。

図3Aに示したように、発光モジュール21は、三個の発光ダイオード212を有する。このうち、発光ダイオード212は、基板211上に設置され、三個の発光ダイオード212間の距離は均等ではない。次に、図3Bに示したように、発光モジュール21は、十六個の発光ダイオード212を有し、前述の発光ダイオード212は、位置をずらして設置されることで、二重リング配列を形成する。さらに、図3Cに示したように、発光モジュール21もまた、十六個の発光ダイオード212を有するが、図3Bと異なる点は、二重リング配列の発光ダイオード212が同一の径方向に配列される点である。

本発明の実施形態において、発光モジュール21の発光ダイオード212は、等間隔配列方式、不規則配列方式及び二重リング配列方式によって基板211に設置される外、さらに、三重リングまたは三重リング以上の配列方式によって基板211に設置されることも可能である。

次に、図4Aから図4Dを参照しながら、複合レンズ22の第一レンズ部221、第二レンズ部222、第三レンズ部223及び第四レンズ部224と、第一群光線L₁₁〜L₁₄、第二群光線L₂₁〜L₂₄、第三群光線L₃₁〜L₃₄及び第四群光線L₄₁〜L₄₄の間の関係について説明する。このうち、以下に述べる角度はY軸を基準とする。

図4Aに示したように、本実施形態における第一レンズ部221は、第一表面S₁、第二表面S₂及び第三表面S₃を有する。発光モジュール21の発光ダイオード212が発する第一群光線L₁₁〜L₁₄は、第一表面S₁での屈折を経て、第二表面S₂で全反射され、さらに、第三表面S₃での屈折を経て射出される。このため、第三表面S₃から射出された第一群光線であるL₁₁〜L₁₄は90度の範囲に及ぶ。つまり、第一レンズ部221の配光角度は0から45度及び315から360度であるということである。

図4Bに示したように、第二レンズ部222は、第一表面S₄及び第二表面S₅を有する。発光ダイオード222が発する第二群光線L₂₁〜L₂₄は、第二レンズ部222の第一表面S₄での屈折を経て、第二レンズ部222の第二表面S₅で全反射されて、第三レンズ部223を透過し、さらに第四レンズ部224の第一表面S₆での屈折を経て射出される。このうち、第二群光線L₂₁〜L₂₄の第二レンズ部222を経由する照射範囲は、0から90度及び270から360度である。

図4Cに示したように、第三レンズ部223は、第一表面S₇及び第二表面S₈を有する。発光ダイオード212が発する第三群光線L₃₁〜L₃₄は、第三レンズ部223の第一表面S₇での屈折を経て、第三レンズ部223の第二表面S₈での全反射、さらに、第四レンズ部224の第一表面S₆での屈折を経て射出される。このため、第三レンズ部223が第三群光線L₃₁〜L₃₄に対して配光することで、その照射範囲は90から150度及び210から270度である。また、本実施形態において、第二レンズ部222の第一表面S₄と第三レンズ部223の第一表面S₇は相互に延伸する表面であり、さらに、第二レンズ部222の第二表面S₅と第三レンズ部223の第二表面S₈は、異なる湾曲半径を有する。

図4Dに示したように、第四レンズ部224は、第一表面S₆及び第二表面S₉を備える。発光ダイオード212が発する第四群光線L₄₁〜L₄₄は、第四レンズ部224の第二表面S₉での屈折を経て、さらに、第四レンズ部224の第一表面S₆から屈折して射出される。このため、第四レンズ部224が第四群光線L₄₁〜L₄₄に対して配光することで、その照射範囲は0から90度及び270から360度である。

また、複合レンズ22の少なくとも一表面は、マイクロ構造P(図4Aに示したように)を有する。本実施形態では、第一レンズ部221の第三表面S₃に隣接する周囲の表面S₁₀にマイクロ構造Pを有する場合及び第四レンズ部224の第二表面S₉にマイクロ構造Pを有する場合を例とする。マイクロ構造Pが設置されることで、効果的に発光ダイオード212が発する光線を均等化させる。このうち、前述のマイクロ構造Pは、インク印刷、エッチング方式、レーザーまたは精密機械加工等の方式によって形成される。また、マイクロ構造Pの断面形状は、ウェーブ状、カーブ状、線形、三角形、多辺形及び不規則形のうちの一つから選択される。

したがって、上述に開示された構造により、複合レンズ22は、効果的に発光ダイオード212の出光角度を高めて、発光装置2の発光の質を高める。

次に、図5に示したように、発光装置2はさらに、カバー23、ベース24及び口金25を備える。カバー23は、収納空間231を有して、発光モジュール21及び複合レンズ22を収納する。このうち、カバー23の材質は、ガラスまたは透光の高分子物質である。ベース24とカバー23は接合して、ベース24上に発光モジュール21及び複合レンズ22を載せる。また、ベース24の材質は、金属、プラスチックまたは両者の組合せであり、さらに、ベース24は、一体成型のパーツまたは複数のパーツから構成される。実施の際は、ベース24は、複数の開口部、フィンまたはその他の形式の放熱構造を有することで、熱対流及び熱伝導に用いられる。また、口金25の一端とベース24は結合し、他端は、ソケット（図示されない）に接続されて外部電源を取り入れ、発光モジュール21の発光に提供される。

また、本発明の実施形態において開示される複合レンズは、第一レンズ部、第二レンズ部、第三レンズ部及び第四レンズ部を備える。第二レンズ部は、第一レンズ部を取り囲むように接続される。第三レンズ部は、第二レンズ部を取り囲むように接続される。第四レンズ部は、第三レンズ部の下方に取り囲むように設置される。

本実施形態の複合レンズの特徴及び効果は、前記実施形態の複合レンズの特徴及び効果と同一であるため、ここでは再述しない。

このように、本発明の発光装置及びその複合レンズは、第一レンズ部が全反射方式により、発光モジュールが発する第一群光線を、第一レンズ部から射出させる。第二レンズ部が全反射方式により、発光モジュールが発する第二群光線を、第四レンズ部から射出させる。第三レンズ部が全反射方式により、発光モジュールが発する第三群光線を、第四レンズ部から射出させる。そして、第四レンズ部が発光モジュールが発する第四群光線を、第四レンズ部から射出させる。こうして、出光角度を高めることで、広角度配光の発光装置を達成する。

以上、本発明の実施例を図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成は、これらの実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更などがあっても、本発明に含まれる。

1 発光ダイオード照明器具
11、212 発光ダイオード
12 回路基板
2 発光装置
21 発光モジュール
211 基板
2111、2112 表面
213 駆動回路
22 複合レンズ
221 第一レンズ部
222 第二レンズ部
223 第三レンズ部
224 第四レンズ部
225 環状収納空間
23 カバー
231 収納空間
24 ベース
25 口金
L₁₁〜L₁₄ 第一群光線
L₂₁〜L₂₄ 第二群光線
L₃₁〜L₃₄ 第三群光線
L₄₁〜L₄₄ 第四群光線
P マイクロ構造
S₁、S₄、S₆、S₇ 第一表面
S₂、S₅、S₈、S₉ 第二表面
S₃ 第三表面
S₁₀ 表面

Claims

発光モジュールと、
複合レンズと、を備える発光装置であって、
前記複合レンズは、前記発光モジュール上方に設置されて、
第一レンズ部と、
前記第一レンズ部を取り囲むように接続される第二レンズ部と、
前記第二レンズ部を取り囲むように接続される第三レンズ部と、
前記第三レンズ部の下方に取り囲むように設置される第四レンズ部とを備えて、
前記第一レンズ部は全反射方式によって、前記発光モジュールが発する第一群光線を前記第一レンズ部から射出し、
前記第二レンズ部は全反射方式によって、前記発光モジュールが発する第二群光線を、前記第三レンズ部を透過させて前記第四レンズから射出し、
前記第三レンズ部は全反射方式によって、前記発光モジュールが発する第三群光線を前記第四レンズ部から射出し、
前記第四レンズ部は、前記発光モジュールが発する第四群光線を前記第四レンズ部から射出すること、を特徴とする発光装置。
前記第一レンズ部、前記第二レンズ部、前記第三レンズ部及び前記第四レンズ部は、環状収納空間を形成することを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
前記発光モジュールは、
基板と、
前記基板上に配列されて、前記環状収納空間中に設置される三個以上の発光ダイオードと、
前記発光ダイオードに電気的に接続されて、前記発光ダイオードを点灯させる駆動回路と、をさらに備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の発光装置。
収納空間を有して、前記発光モジュール及び前記複合レンズを収納するカバーと、
前記カバーと接合して、前記発光モジュール及び前記複合レンズを載せるベースと、
前記ベースと接合する口金と、をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
前記ベースは、放熱構造を有することを特徴とする請求項４に記載の発光装置。
前記複合レンズの少なくとも一表面は、マイクロ構造を有することを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
前記第一レンズ部、前記第二レンズ部、前記第三レンズ部及び前記第四レンズ部は、一体成型であることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
前記第一レンズ部の配光角度は0から45度及び315から360度、前記第二レンズ部の配光角度は0から90度及び270から360度、前記第三レンズ部の配光角度は90から150度及び210から270度、前記第四レンズ部の配光角度は0から90度及び270から360度であることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
前記第一群光線は、前記第一レンズ部の第一表面での屈折、前記第一レンズ部の第二表面での全反射及び前記第一レンズ部の第三表面での屈折を経て射出されることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
前記第二群光線は、前記第二レンズ部の第一表面での屈折、前記第二レンズ部の第二表面での全反射、前記第三レンズ部を透過して前記第四レンズ部の第一表面での屈折を経て射出されることを特徴とする請求項９に記載の発光装置。
前記第三群光線は、前記第三レンズ部の第一表面での屈折、前記第三レンズ部の第二表面での全反射及び前記第四レンズ部の前記第一表面での屈折を経て射出されることを特徴とする請求項１０に記載の発光装置。
前記第四群光線は、前記第四レンズ部の第二表面での屈折及び前記第四レンズ部の前記第一表面での屈折を経て射出されることを特徴とする請求項１１に記載の発光装置。
第一レンズ部と、
前記第一レンズ部を取り囲むように接続される第二レンズ部と、
前記第二レンズ部を取り囲むように接続される第三レンズ部と、
前記第三レンズ部の下方に取り囲むように設置される第四レンズ部と、
を備えることを特徴とする複合レンズ。
前記第一レンズ部、前記第二レンズ部、前記第三レンズ部及び前記第四レンズ部は、環状収納空間を形成することを特徴とする請求項１３に記載の複合レンズ。
前記第一レンズ部、前記第二レンズ部、前記第三レンズ部及び前記第四レンズ部は、一体成型であることを特徴とする請求項１３に記載の複合レンズ。