JP2013186987A - 発光装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】発光素子の光を出射方向とは反対側に反射させる発光装置において、発光素子の陰となる部分も光らせることで、略均一な面発光を実現できる発光装置を提供すること。
【解決手段】LEDパッケージ12(発光素子)から出射した光がリフレクタ20(反射部材)で反射して、反射された光の一部が、LED10の裏面に設置された保護カバー30(カバー)に入射して、こうして保護カバー30に入射した光が、保護カバー30の中の少なくともLED10の陰となる部分に形成された拡散部32において拡散して外部に出射するため、LED10の陰となる部分から光を出射する。
【選択図】図3

Description

本発明は、発光装置に関する。
近年、光源として発光ダイオード(以下、LEDという。)が広く用いられている。これは、LEDが省電力、長寿命という優れた特徴を有しているためである。
LEDを光源として用いる発光装置としては、例えば、均一な配光特性を発揮するように、反射光を所定の方向に向ける凹面鏡の形状を有する前照灯が提案されている(特許文献1)。
また、LEDから出射した光を、双曲面反射面で反射させて、その反射した光を、LEDの出射方向とは反対方向に設置した回転放物面反射面で再度反射させて、LEDの前方に出射させるとともに、LEDの光軸と双曲面反射面との交点付近に設けた透過部から出射した光をLEDの前方に照射することにより、回転放物面反射面で反射した光のうち、双曲面反射面によって遮られてしまう光によって照明されるべき範囲を、透過部から出射した光で照明することによって、出射光量の低下を防止して、より広い範囲を照明することが可能な車両用LED灯具が提案されている(特許文献2)
特公平8―10561号公報 特開2002−75025号公報
特許文献1に記載された前照灯では、照明光源を点光源として光学設計を行っている。しかし、実際には、照明光源は有限な面積を有し、基板に実装されている。この場合、凹面鏡で反射した光は、照明光源の発光面や基板によって遮られてしまうため、照明光源の裏面からは光が外部に向けて出射されないという問題があった。
また、特許文献2に記載された車両用LED灯具では、独立した2枚の反射面を用いるため、照明の構造が複雑になり、これによって灯具のコストも上昇してしまう。さらに、独立した2枚の反射面を備えるために、灯具の厚みが大きくなってしまうという問題点があった。
本発明は上記事情に鑑みなされたもので、発光素子の光を出射方向とは反対側に反射させる発光装置において、発光素子の陰となる部分も光らせることで、略均一な面発光を実現できる発光装置を提供することを目的とする。
本発明に係る発光装置は、発光素子から出射した光を反射部材で発光素子の裏面側に反射して、こうして反射された光を発光素子の陰となる部分に形成された拡散部を通して外部に出射するものである。
すなわち、本発明に係る発光装置は、透光性を有するカバーと、該カバーの一方側の面に備えられた発光素子と、該発光素子に対し前記カバーと反対側に配置され前記発光素子からの光を反射する反射部材と、を有する発光装置において、前記カバーにおける少なくとも前記発光素子の陰となる部分に光を拡散させる拡散部が形成されており、前記反射部材は、前記発光素子からの光の一部を前記拡散部に導光するように反射させることを特徴とする。
このように構成された本発明に係る発光装置によれば、発光素子から出射した光が反射部材で反射して、こうして反射された光の一部が、発光素子の裏面に設置された透光性を有するカバーに入射して、こうしてカバーに入射した光が、カバーの中の少なくとも発光素子の陰となる部分に形成された拡散部において拡散して外部に出射するため、発光素子の陰となる部分から光を出射することができ、これによって略均一な面発光が可能な発光装置を提供することができる。
本発明に係る発光装置によれば、発光素子からの光が、反射部材によって、カバーにおける少なくとも発光素子の陰となる部分に導かれるため、略均一な面発光を実現できる発光装置を提供することができる。
本発明の実施例1に係るLED発光装置の概略構成を示す構造図を表す。 図1のLED発光装置を利用した交通信号灯器の発光部の構造を示す構造図である。 図1のLED発光装置において、LEDパッケージから出射した光の進路を説明する図である。 図3において、カバーに入射した光の振る舞いを説明する図である。 本発明の実施例2に係るLED発光装置の概略構成を示す構造図を表す。 図5のLED発光装置において、LEDパッケージから出射した光の進路を説明する図である。
以下、本発明に係る発光装置の実施形態について、図面を参照して説明する。
本実施例1は、本発明の発光装置を用いたLED発光装置200を、図2に示す交通信号灯器100に適用した例である。
本実施例1に係るLED発光装置200は、図1に示すように、LED10と、LED10から出射した光を所定の方向に反射するリフレクタ20(反射部材)と、透光性を持つポリカーボネート樹脂などで形成された保護カバー30(カバー)と、を備えている。
本発明のLED発光装置200を利用した交通信号灯器100は、図2に示すように、図1のLED発光装置200が複数個連接して構成されており、LED10で発生した熱を保護カバー30に伝えやすくするためにリフレクタ20の下部に設けられた断熱材60とともにユニットケース40に収容されている。そして、保護カバー30とユニットケース40とは、防水ゴムパッキン50によって封止されている。
以下、本発明のLED発光装置200の構成について、図1を用いて説明する。
図1において、LED10は、さらに、電圧を印加することによって、図1の下方に向けて光を出射するLEDパッケージ12(発光素子)と、LEDパッケージ12が実装されたLED基板14と、LEDパッケージ12とその駆動回路や制御回路とを接続する回路基板16と、を備えており、LED基板14のLEDパッケージ12が実装されていない面と回路基板16とは、それぞれ熱伝導性接着剤によって保護カバー30の裏面に接着されている。
リフレクタ20は、さらに、LEDパッケージ12の発光面に対向する位置に形成されたLEDパッケージ12の発光面に向かって凸形状をなす第1リフレクタ部23(第1反射部)と、点Q2において第1リフレクタ部23と連続する第3リフレクタ部24と、点Q3において第3リフレクタ部24と連続する第2リフレクタ部25(第2反射部)と、から形成されている。
リフレクタ20をLEDパッケージ12の発光面の中心を通り、LEDパッケージ12の発光面に直交する直線である光軸Lを含む面で切った断面形状は、光軸Lに関して回転対称な形状をなしており、このリフレクタ20は、例えば、リフレクタ20の各反射面が形成された基材の表面にアルミ蒸着を行うことによって製造される。
第1リフレクタ部23は、LEDパッケージ12の光軸Lを挟む両側に、それぞれ点Q1から点Q2の範囲に亘って形成されており、LEDパッケージ12から出射して第1リフレクタ部23に到達した光が、第2リフレクタ部25に向けて反射するような反射面の形状を有している。なお、点Q2の位置は、第1リフレクタ部23で反射した光が、LED基板14によって遮られずに、第2リフレクタ部25に向けて反射するように設定される。
第3リフレクタ部24は、LEDパッケージ12の光軸Lを挟む両側に、それぞれ点Q2から点Q3の範囲に亘って形成されており、LEDパッケージ12の光出力の中心位置Fを焦点とし、LEDパッケージ12の光軸Lを軸とする回転放物面の形状を有している。すなわち、第3リフレクタ部24は、LEDパッケージ12から出射して第3リフレクタ部24で反射した光が、平行光となって保護カバー30に入射し、保護カバー30を通過して外部に出射されるように形成されている。点Q3は、例えば、LEDパッケージ12の配光分布において、最大光度の半分の光度の光が出射される角度に対応する位置(半値角に相当する位置)設けられる。なお、点Q3は、光度が半分よりもさらに落ちる角度に対応する位置に設けるのも好適である。
第2リフレクタ部25は、LEDパッケージ12の光軸Lを挟む両側に、それぞれ点Q3から点Q4の範囲に亘って形成されており、第1リフレクタ部23で反射した光を、LED10の裏面が保護カバー30と接する領域を通る方向に反射するような反射面の形状を有している。なお、点Q4は、図2に示す連接する各第2リフレクタ部25の境界の位置に設けられる。
保護カバー30は、その内部に、入射した光を拡散させる、酸化シリコンや酸化チタンなどから構成された拡散粒子を含む拡散部32を有している。
なお、LED発光装置200は、これらの構成要素の他に、LEDパッケージ12を点灯させる駆動回路と、LEDパッケージ12の点消灯や点滅を制御する制御回路と、を有しているが、これらは、本発明の主要な構成要素ではないため、図示は省略する。
以下、本実施例1におけるLED発光装置200の作用について、図3を用いて説明する。
LEDパッケージ12に対して、図示しない制御回路、および駆動回路の指示によって適切な電圧が印加されると、LEDパッケージ12は、その発光面が発光して光を出射する。出射した光のうち、一部の光線Φ1は第1リフレクタ部23に到達して、一部の光線Φ2は第3リフレクタ部24に到達する。
第1リフレクタ部23に到達した光線Φ1は、点P1において、第1リフレクタ部23への入射角と点P1における第1リフレクタ部23の法線方向に応じて決定する方向(入射角と反射角とが等しくなる方向)に反射して、点P2において第2リフレクタ部25に到達し、点P2における第2リフレクタ部25への入射角と点P2における第2リフレクタ部25の法線方向に応じて決定する方向に反射して、図3に示すように、LED10の裏面が保護カバー30と接する領域を通過する方向に進行して、保護カバー30に入射する。
第3リフレクタ部24に到達した光線Φ2は、点P3において、第3リフレクタ部24への入射角と、点P3における第3リフレクタ部24の法線方向に応じて決定する方向に反射して、保護カバー30に入射する。本実施例1では、第3リフレクタ部24は、LEDパッケージ12の中心位置Fを焦点とし、LEDパッケージ12の光軸を軸とする回転放物面の形状を有しているため、第3リフレクタ部24で反射した光は、平行光となって保護カバー30に入射する。
保護カバー30に入射した光は、保護カバー30内部の拡散部32において拡散粒子と衝突して拡散反射や屈折をする。光は、拡散粒子に衝突する度に減衰し、保護カバー30を通過して、外部に出射される。
交通信号灯器100の出力を大きくするために、LEDパッケージ12から出射した光は、極力減衰せずに外部に出射させる必要があるため、拡散粒子として、その屈折率や粒径が、透光性と拡散性とを両立するような粒子が選択されて使用される。
ここで、保護カバー30の内部における光線Φ1の進路を、図4を用いて説明する。光線Φ1は、保護カバー30に対して、LEDパッケージ12の光軸Lに向かう方向に入射する。そして、光線Φ1は、保護カバー30の内部で、LED10の裏面が保護カバー30に接する領域に到達する。このとき、LED10の裏面が保護カバー30に接する領域において、光線Φ1と拡散部32に配合された拡散粒子とが衝突して光線Φ1の進行方向が変わる。このようにして拡散した光は、さらに別の拡散粒子と衝突を繰り返して、さらに拡散する。
光の進路は、衝突が発生する度に角度が広がり、保護カバー30の前面に到達すると、外部に向けて出射する。これによって、外部から見ると、LED10の裏面が保護カバー30に接する領域が光っているように見える。
以上説明したように、このように構成された実施例1に係るLED発光装置200によれば、LEDパッケージ12(発光素子)から出射した光がリフレクタ20(反射部材)で反射して、こうして反射された光の一部が、LEDパッケージ12の裏面に設置された透光性を有する保護カバー30(カバー)に入射して、こうして保護カバー30に入射した光が、保護カバー30の中の少なくともLEDパッケージ12の陰となる部分に形成された拡散部32において拡散して外部に出射するため、LEDパッケージ12の陰となる部分から光を出射することができ、これによって略均一な面発光が可能な発光装置を提供することができる。また、リフレクタ20を1枚のみで構成できるため、構成が簡単な発光装置を提供することができる。
ここで、図3において、第1リフレクタ部23(第1反射部)は、点Q1から点Q2に亘る範囲がLEDパッケージ12の発光面に向かって凹形状となっているが、この形状に限定されるものではなく、LEDパッケージ12の発光面に向かって凸形状や平面であってもよい。第1リフレクタ部23の形状は、LEDパッケージ12を出射して、第1リフレクタ部23で反射した後、さらに第2リフレクタ部25(第2反射部)で反射した光を、LED10の陰となった保護カバー30の拡散部32に導くことができるように、第2リフレクタ部25の形状に応じて光学設計されるものである。
また、本実施例1では、保護カバー30の内部に拡散粒子を配合して拡散性を持たせたが、これは、保護カバー30の前面(外部に露出した面)に拡散性を有するフィルムを貼り付けることによって実現してもよい。これによって、保護カバー30に拡散粒子を配合しなくて済むため、材料費が安くなって、保護カバーの製造コストを低減することができる。
さらに、拡散粒子やフィルムを使用しない方法として、ピラミッド型やサンドブラスト、マイクロレンズアレイ等の表面形状によって、光を拡散させる方法が考えられ、この方法では、フィルムを貼り付ける手間がなくなることや拡散粒子が必要ないため、製造コストを低減することができる。
また、本実施例1では、保護カバー30の内部全体に亘って拡散粒子を配合したが、LEDパッケージ12の裏面が保護カバー30に接していない領域においては、保護カバー30の透光率を高めて交通信号灯器100の輝度を向上させるために、拡散粒子を、LEDパッケージ12の裏面が保護カバー30に接する領域のみ、もしくは、LED基板14の裏面が保護カバー30に接する領域のみに配合するようにしてもよい。これによって、LED発光装置200から外部に出射される光量が増加するため、交通信号灯器100の出力をより一層向上させることができる。
同様の理由で、保護カバー30の前面に拡散性を有するフィルムを貼り付けるときには、LEDパッケージ12の裏面が保護カバー30に接する領域のみ、もしくは、LED基板14の裏面が保護カバー30に接する領域のみに貼り付けるようにしてもよい。これによって、LED発光装置200から外部に出射される光量が増加するため、交通信号灯器100の出力をより一層向上させることができる。さらに、使用するフィルムの量を減らすことができるため、コストを低減することができる。
なお、LED基板14に接続された回路基板16も、リフレクタ20で反射した光が外部へ出射するのを妨げる位置に設けられているため、本実施例1において、第1リフレクタ部23を、回路基板16の延伸方向に沿って延びる単峰性を有する形状とすることによって、第1リフレクタ部23と第2リフレクタ部25とで反射した光を回路基板16の裏面が保護カバー30に接する領域に導き、これによって、リフレクタ20で反射した光が回路基板16で遮光されるのを防止する構成としてもよい。これによって、回路基板16の裏面が保護カバー30に接する領域から外部に向かって光を出射することができるため、より一層均一な輝度の交通信号灯器100を提供することができる。
また、本実施例1にあっては、LED基板14の裏面を保護カバー30に熱伝導性接着剤によって接着しているため、LEDパッケージ12の点灯中に、LEDパッケージ12やLED基板14で発生した熱が、LED基板14から熱伝導性接着剤を経て保護カバー30に伝達される。こうして伝達された熱によって保護カバー30が温められるため、本実施例1のLED発光装置200によって構成された交通信号灯器100を寒冷地で使用する場合であっても、保護カバー30の前面に付着した雪を溶かすことができ、これによって交通信号灯器100の視認性の悪化を防止することができる。
なお、本実施例においては、LEDを光源とする発光素子を例にあげて説明したが、発光素子はLEDに限定されるものではなく、白熱電球やHIDランプなどを発光素子として用いることもできる。
本発明のLED発光装置で使用するリフレクタ(反射部材)の形状は、実施例1で説明したリフレクタ20の形状に限定されるものではない。実施例2に係るLED発光装置210は、図5に示すように、リフレクタ22を、LEDパッケージ12の発光面に対向する位置に形成された第1リフレクタ部26(第1反射部)と、点Q2において第1リフレクタ部26と連続し、LEDパッケージ12の中心位置Fを焦点とし、LEDパッケージ12の光軸Lを軸とする回転放物面の形状を有する第3リフレクタ部27と、点Q3において第3リフレクタ部27と連続し、LEDパッケージ12の光軸Lと軸を共有する円筒の内周面形状を有する第2リフレクタ部28(第2反射部)と、から形成したものである。
第1リフレクタ部26は、LEDパッケージ12の光軸Lを挟む両側に、それぞれ点Q1から点Q2の範囲に亘って形成されており、LEDパッケージ12から出射して第1リフレクタ部26に到達した光が、第2リフレクタ部28に向けて反射するような反射面の形状を有している。なお、点Q2の位置は、第1リフレクタ部26で反射した光が、LED基板14によって遮られずに、第2リフレクタ部28に向けて反射するように設定される。
以下、本実施形態に係るLED発光装置210の作用について図6を用いて説明する。
LEDパッケージ12に対して、図示しない制御回路、および駆動回路の指示によって適切な電圧が印加されると、LEDパッケージ12は、その発光面が発光して光を出射する。出射した光のうち、一部の光線Φ3は第1リフレクタ部26に到達し、一部の光線Φ4は第3リフレクタ部27に到達する。
第1リフレクタ部26に到達した光線Φ3は、点P4において、第1リフレクタ部26への入射角と点P4における第1リフレクタ部26の法線方向に応じて決定する方向(入射角と反射角とが等しくなる方向)に反射して、点P5において第2リフレクタ部28に到達し、点P5における第2リフレクタ部28への入射角と点P5における第2リフレクタ部28の法線方向に応じて決定する方向に反射して、図6に示すように、LED10の裏面が保護カバー30と接する領域を通過する方向に進行して、保護カバー30に入射する。
ここで、本実施例2にあっては、円筒の内周面で形成された第2リフレクタ部28で反射した光を保護カバー30に入射させているため、実施例1と比べて、LED10の裏面が保護カバー30と接する領域に対して、より浅い角度で光を入射させることができる。そして、図6からわかるように、保護カバー30に入射する光線Φ3を、保護カバー30の内部において、LEDパッケージ12の光軸Lと交差させることができる。そして、このような進路をとる光線Φ3は、光軸Lに関して回転対称に発生するため、LED10の裏面が保護カバー30に接する領域に、光を均一に入射させることができる。これにより、LED10とリフレクタ22を近づけることができるため装置の薄型化が図れ、また、暗部へ進行する光量が増えるので暗部と明部のコントラストを小さくすることができる。
一方、第3リフレクタ部27に到達した光線Φ4は、点P6において、第3リフレクタ部27への入射角と点P6における第3リフレクタ部27の法線方向に応じて決定する方向に反射して、保護カバー30に入射する。本実施例2では、第3リフレクタ部27は、LEDパッケージ12の中心位置Fを焦点とし、LEDパッケージ12の光軸を軸とする回転放物面の形状を有しているため、第3リフレクタ部27で反射した光は、平行光となって保護カバー30に入射する。
保護カバー30に入射した光は、保護カバー30の内部の拡散部32において拡散粒子と衝突して拡散する。光は、拡散粒子に衝突する度に減衰し、保護カバー30を通過して、外部に出射される。
そして、本実施例2にあっては、第2リフレクタ部28で反射した光が、LED10の裏面が保護カバー30に接する領域に、均一に入射するため、保護カバー30の内部において、その拡散光は、LED10の裏面が保護カバー30に接する領域から、外部に向けて均一に出射される。そのため、LED10の裏面の輝度をより一層向上させることができる。
以上説明したように、このように構成された実施例2に係るLED発光装置210によれば、LEDパッケージ12(発光素子)から出射した光が、リフレクタ22(反射部材)を構成する、LEDパッケージ12に対向する第1リフレクタ部26(第1反射部)で反射して、さらに、LEDパッケージ12の光軸Lと軸を共有する円筒の内周面形状を有する第2リフレクタ部28(第2反射部)で反射して、LEDパッケージ12の裏面に設置された透光性を有する保護カバー30(カバー)に、より浅い角度で入射するため、保護カバーの内部により多くの光を導くことができ、こうして保護カバー30に入射した光が、保護カバー30の中の少なくともLEDパッケージ12の陰となる部分に形成された拡散部32において拡散して外部に出射するため、より一層均一な面発光が可能な発光装置を提供することができる。また、リフレクタ22を1枚のみで構成できるため、構成が簡単な発光装置を提供することができる。
なお、本実施例2において、LED基板14の保護カバーに接着される面、もしくは、保護カバー30のうちLED基板14が接着される面の内側に反射性を持たせることによって、拡散部32で拡散してLED基板14の裏面に向かう光を、保護カバー30から外部に向かう方向に反射させることができ、こうして反射した光を、保護カバー30の前面から出射することができる。これによって、光のロスを低減して、LED10の裏面が保護カバー30に接する領域の輝度をより向上させることができる。
以上、本発明の実施例1、実施例2を、図面を用いて詳細に説明したが、これらの実施例は本発明の例示にしか過ぎないものであるため、本発明はこれらの実施例の構成にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても、本発明に含まれることは勿論である。
200 LED発光装置
10 LED
12 LEDパッケージ(発光素子)
14 LED基板
16 回路基板
20 リフレクタ(反射部材)
23 第1リフレクタ部(第1反射部)
25 第2リフレクタ部(第2反射部)
24 第3リフレクタ部
30 保護カバー(カバー)
32 拡散部

Claims (9)

  1. 透光性を有するカバーと、該カバーの一方側の面に備えられた発光素子と、該発光素子に対し前記カバーと反対側に配置され前記発光素子からの光を反射する反射部材と、を有する発光装置において、
    前記カバーにおける少なくとも前記発光素子の陰となる部分に光を拡散させる拡散部が形成されており、
    前記反射部材は、前記発光素子からの光の一部を前記拡散部に導光するように反射させることを特徴とする発光装置。
  2. 前記拡散部は、前記カバーの前記発光素子が実装された基板の陰となる部分も含まれることを特徴とする請求項1記載の発光装置。
  3. 前記反射部材は、前記発光素子に対向する第1反射部と、前記第1反射部で反射した光を前記拡散部に導光するように反射させる第2反射部とを有することを特徴とする請求項1または2に記載の発光装置。
  4. 前記第2反射部は、前記発光素子の光軸と軸を共有する円筒の内周面で構成されていることを特徴とする請求項3に記載の発光装置。
  5. 前記反射部材で反射した光の一部が、前記拡散部を、前記発光素子の光軸と交差するように通過することを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の発光装置。
  6. 前記拡散部は、前記カバーの内部に拡散性を有する粒子を配合したものであることを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載の発光装置。
  7. 前記拡散部は、前記カバーの表面に、拡散性を有する部材を貼り付けたものであることを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載の発光装置。
  8. 前記拡散部は、前記カバーの表面に、拡散性を有する形状加工を施したものであることを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載の発光装置。
  9. 前記カバーと前記発光素子が重なる部分において、前記カバー又は前記発光素子が反射性を有することを特徴とする請求項1から8のいずれか1項に記載の発光装置。
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