JP2014002951A - Lighting apparatus - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a lighting apparatus that suitably lights up a panel from behind, suppresses color unevenness of white light although being relatively thin, and further attains higher light taking-in efficiency and a wider light distribution angle, and is equipped with an optical element which can be manufactured at low cost.SOLUTION: An LED light source 2 is a white LED whose light emission surface 2a is plane and the light emission surface 2a has an external diameter of 2.3 mm or more and 3.0 mm or less. An optical element 1 has an incidence plane 1a on which luminous flux from the LED light source 2 is made incident and an emission plane 1b opposed to the incidence surface 1a and emitting the luminous flux, The incidence plane 1a has an effective diameter of 3.2 mm or more and 4.0 mm or less and an optical axial depth of 1.0 φmm or more and 1.5 φmm or less, and the emission plane 1b has an effective diameter of 10 or more and 20 mm or less, and includes a recessed part in the center and a projection part at its periphery, and an inflection point of the emission plane 1b is at a position which is 33% or more and 40% or less of an effective radius of the mission surface 1b from the center of the optical axis in a direction orthogonal to the optical axis. The optical element 1 has an on-axis thickness of 0.5 mm or more and 1.0 mm or less.

Description

本発明は、比較的大面積の面部材の背面側に設置され、前記面部材を介して光が通過するように照明を行う照明装置に関する。   The present invention relates to an illuminating device that is installed on the back side of a surface member having a relatively large area and performs illumination so that light passes through the surface member.

従来の大型の液晶ディスプレイ装置では、液晶パネル背面に配置された多数の冷陰極管からの光を拡散板や反射板等を介して、液晶パネルの背面側に導光し、バックライトとして均一に照明することで明瞭に画像が視認できるようにしていた。これに対し近年では、省エネの観点から、バックライトの光源としてLED光源が使用されるようになってきた。また、液晶ディスプレイ装置に表示される画像に応じて明暗を制御することができるという観点からも、LED光源は使いやすく、これにより更に液晶ディスプレイ装置の消費電力を下げることができる。   In a conventional large-sized liquid crystal display device, light from a number of cold-cathode tubes arranged on the back side of the liquid crystal panel is guided to the back side of the liquid crystal panel via a diffusion plate, a reflector, etc., and is uniformly used as a backlight. By illuminating, the image was clearly visible. On the other hand, in recent years, an LED light source has been used as a light source of a backlight from the viewpoint of energy saving. Further, from the viewpoint that brightness and darkness can be controlled according to the image displayed on the liquid crystal display device, the LED light source is easy to use, thereby further reducing the power consumption of the liquid crystal display device.

このように液晶ディスプレイ装置のバックライトとしてLED光源を用いる場合、LED光源のチップ自体が小さく配光が狭いため、かかるチップを液晶パネルの背面側に直接配置しようとすると、均一な照度を確保するためには、無数のチップが必要になって現実的でない。そこで、LEDチップから放出された光を均一照度の照明光に変換する光学素子が必要になる。特許文献1,2には、LED光源からの光を入射してなるべく均一照度な照明光に変換することができる、液晶用バックライト用の光学素子が開示されている。   As described above, when an LED light source is used as a backlight of a liquid crystal display device, the LED light source chip itself is small and the light distribution is narrow. Therefore, if such a chip is arranged directly on the back side of the liquid crystal panel, uniform illuminance is ensured. For this purpose, countless chips are required, which is not realistic. Therefore, an optical element that converts light emitted from the LED chip into illumination light with uniform illuminance is required. Patent Documents 1 and 2 disclose an optical element for a backlight for liquid crystal that can convert light from an LED light source into illumination light with as uniform illuminance as possible.

特開2010-211246号公報JP 2010-211246 特開2009-43628号公報JP 2009-43628

ところで、一般的な液晶ディスプレイ装置は、大画面の割には薄形であることを長所とするので、そのバックライトも薄形(低背)であることが要求される。このため、光学素子も光軸方向の厚みを極力薄くすることが好ましく、従って特許文献1,2でも薄型の光学素子を開示している。   By the way, since a general liquid crystal display device has an advantage of being thin for a large screen, the backlight is also required to be thin (low profile). For this reason, it is preferable to reduce the thickness of the optical element in the optical axis direction as much as possible. Therefore, Patent Documents 1 and 2 disclose a thin optical element.

一方で、液晶パネルで表示される画像を自然な色で発色させるために、白色光を発光させるLED光源が用いられる。このように白色光を発光させるLED光源としては、現在のところ、青色光線を放出する青色LEDチップと、青色LEDチップから発せられた青色光線によって黄色に発光する蛍光体を組み合わせたものが広く用いられている。   On the other hand, an LED light source that emits white light is used to develop an image displayed on the liquid crystal panel with a natural color. As the LED light source that emits white light in this manner, at present, a combination of a blue LED chip that emits blue light and a phosphor that emits yellow light by blue light emitted from the blue LED chip is widely used. It has been.

しかるに、青色LEDチップと蛍光体とを用いた白色LED光源の特性として、蛍光体を通過した白色光において光軸を中心としたイエローリングと呼ばれる色ムラが生じる恐れがあり、このような色ムラが生じた白色光を液晶パネルの背面に照射すると、液晶パネルに表示される画像の自然な発色を損なう恐れがある。但し、このようなLED光源からの白色光であっても、光軸方向の厚みが比較的厚い光学素子に入射させた場合には、拡散効果により或る程度の混色が生じて色ムラが目立たなくなる場合もあるが、特に薄形の光学素子では、光学素子内の光路長が短いため、そのような拡散効果を本来的に期待できない。しかしながら特許文献1,2のいずれも、配光角を広げ輝度ムラを低減するものであって、白色光における色ムラをどのようにして解消するか、全く言及していない。   However, as a characteristic of a white LED light source using a blue LED chip and a phosphor, color unevenness called a yellow ring centering on the optical axis may occur in white light that has passed through the phosphor. When the white light with the generated light is irradiated on the back surface of the liquid crystal panel, there is a risk that natural color development of an image displayed on the liquid crystal panel is impaired. However, even when white light from such an LED light source is incident on an optical element having a relatively large thickness in the optical axis direction, a certain amount of color mixing occurs due to the diffusion effect, and color unevenness is conspicuous. However, in particular, in a thin optical element, since the optical path length in the optical element is short, such a diffusion effect cannot be originally expected. However, neither of Patent Documents 1 and 2 is intended to widen the light distribution angle and reduce luminance unevenness, and does not mention at all how to eliminate color unevenness in white light.

加えて、バックライトとして用いられる照明装置においては、光の取り込み効率を高め、配光角の広角化を実現でき、しかも低コストで製造できる光学素子が必要とされる。しかしながら、引用文献1,2では、そのような光学素子については言及されていない。   In addition, an illuminating device used as a backlight requires an optical element that can increase the light capturing efficiency, realize a wide light distribution angle, and can be manufactured at low cost. However, cited documents 1 and 2 do not mention such an optical element.

本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、パネルの背後から照明するのに好適であり、比較的薄形でありながら白色光の色ムラを抑制でき、更に光の取り込み効率を高め、配光角の広角化を実現でき、しかも低コストで製造できる光学素子を備えた照明装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the problems of the prior art, and is suitable for illuminating from behind the panel. It is possible to suppress color unevenness of white light while being relatively thin. It is an object of the present invention to provide an illuminating device provided with an optical element that can improve the capture efficiency, realize a wide light distribution angle, and can be manufactured at low cost.

請求項1に記載の照明装置は、光源と、光学素子とを有する照明装置であって、
前記光源は出射面が平面の白色LEDであり、
前記光源の発光面の外径φは2.3mm以上、3.0mm以下であり、
前記光学素子はプラスチックからなり、
前記光学素子は、前記光源からの光束が入射する入射面と、前記入射面に対向し、前記光束を前記光学素子から出射する出射面とを有し、
前記入射面の有効径は3.2mm以上、4.0mm以下であり、
前記入射面の光軸方向深さは、1.0φmm以上、1.5φmm以下であり、
前記出射面の有効径は10mm以上、20mm以下であり、
前記出射面は、中央に凹部、その周辺に凸部を有し、
前記出射面の変曲点は、光軸中心から光軸直交方向、前記出射面の有効半径の33%以上、40%以下の位置にあり、
前記光学素子の軸上厚は、0.5mm以上、1.0mm以下であることを特徴とする。
The lighting device according to claim 1 is a lighting device having a light source and an optical element,
The light source is a white LED having a flat emission surface,
The outer diameter φ of the light emitting surface of the light source is 2.3 mm or more and 3.0 mm or less,
The optical element is made of plastic,
The optical element has an incident surface on which a light beam from the light source is incident, and an exit surface that faces the incident surface and emits the light beam from the optical element,
The effective diameter of the incident surface is 3.2 mm or more and 4.0 mm or less,
The depth in the optical axis direction of the incident surface is 1.0φmm or more and 1.5φmm or less,
The effective diameter of the emission surface is 10 mm or more and 20 mm or less,
The emission surface has a concave portion at the center and a convex portion at the periphery thereof.
The inflection point of the exit surface is in the direction orthogonal to the optical axis from the center of the optical axis, at a position of 33% or more and 40% or less of the effective radius of the exit surface,
The on-axis thickness of the optical element is 0.5 mm or more and 1.0 mm or less.

前記光源として現在入手しやすい白色LEDは、その発光面の外径φが2.3mm以上、3.0mm以下であるものが多い。このような白色LEDを用いた場合に、前記光学素子の入射面の有効径を3.2mm以上、4.0mm以下とすると、色ムラの発生を防止でき、前記光源からの光の取り込み効率を大きくでき、光量ロスを防止できると共に、前記光学素子の大径化を防止できる。この点について詳述する。   Many of white LEDs that are currently available as the light source have an outer diameter φ of 2.3 mm or more and 3.0 mm or less on the light emitting surface. In the case where such a white LED is used, if the effective diameter of the incident surface of the optical element is set to 3.2 mm or more and 4.0 mm or less, the occurrence of color unevenness can be prevented, and the efficiency of capturing light from the light source can be improved. The optical element can be increased in size and the loss of light quantity can be prevented, and the diameter of the optical element can be prevented from increasing. This point will be described in detail.

まず、前記光源からの光の取り込み効率を大きくするという観点では、前記光源からの光を余すところなく光学素子に取り込む為に、前記光学素子の入射面の大きさを発光面の外径より大きくする必要がある。しかし、前記入射面の大きさを大きくし過ぎると、今度はそれにつれて前記出射面を大きくせざるを得ず、前記光学素子が大径化してしまう。そこで、前記入射面の大きさを前記発光面の外径より、僅かに大きくすることが好ましいと考え、その様な設計を行ったところ、今度は色ムラが発生してしまう事に、本発明者は気づいた。このような知見から本発明者は、前記光源の光を十分に取り込むことで取り込み効率を大きく確保でき、それでいて、色ムラを発生させず、前記光学素子の大径化を抑制するのに、前記入射面の有効径のサイズを上述のように規定することが有効であることを見出したのである。   First, from the viewpoint of increasing the efficiency of capturing light from the light source, the size of the incident surface of the optical element is larger than the outer diameter of the light emitting surface in order to capture the light from the light source into the optical element. There is a need to. However, if the size of the incident surface is made too large, the exit surface has to be enlarged accordingly, and the optical element becomes larger in diameter. Therefore, it is considered preferable to make the size of the incident surface slightly larger than the outer diameter of the light emitting surface, and when such a design is performed, color unevenness will occur this time. Noticed. From such knowledge, the present inventor can secure a large capture efficiency by sufficiently capturing the light of the light source, yet does not cause color unevenness, and suppresses an increase in the diameter of the optical element. It has been found that it is effective to define the size of the effective diameter of the incident surface as described above.

一方、照明装置をバックライトとして用いるには、配光角の広角化という課題もクリアしなくてはならないが、色ムラを発生させず、大きな配光角を持つ光学素子を得るためには、透過光量が最も多くなる光軸付近の成形精度を高く保つ必要がある。しかるに、前記光学素子の軸上厚を薄くし過ぎると、樹脂成形時に樹脂が適切に充填されず、金型の転写精度が低くなってしまい、重要な光軸付近の成形精度が低下してしまい、色ムラの発生や配光角の狭角化を招く恐れがある。これに対し、前記光学素子の軸上厚を厚くすると、金型内へ樹脂が充填されやすくなるが、樹脂の冷却が不十分だとヒケ・ソリが発生し易く、一方、樹脂を十分に冷却するためにはサイクルタイムが長くなり、成形効率が低下してしまう。   On the other hand, in order to use the lighting device as a backlight, the problem of widening the light distribution angle must be cleared, but in order to obtain an optical element having a large light distribution angle without causing color unevenness, It is necessary to keep the molding accuracy near the optical axis where the amount of transmitted light is the highest. However, if the on-axis thickness of the optical element is too thin, the resin is not properly filled during resin molding, and the transfer accuracy of the mold is lowered, and the molding accuracy near the important optical axis is reduced. In addition, there is a risk of causing color unevenness and narrowing of the light distribution angle. On the other hand, if the axial thickness of the optical element is increased, the resin is easily filled into the mold, but if the resin is not sufficiently cooled, sinking or warping is likely to occur, while the resin is sufficiently cooled. In order to do so, the cycle time becomes longer, and the molding efficiency is lowered.

そこで、本発明者は、色ムラの問題や配光角の問題を起こさない程度に成形精度を高めつつ、サイクルタイムを短くでき、大量の量産に適した形状として、前記光学素子の軸上厚を0.5mm以上、1.0mm以下とすることが好ましいことを見出したのである。   Therefore, the present inventor can reduce the cycle time while improving the molding accuracy to such an extent that the problem of uneven color and the problem of light distribution angle are not caused, and the on-axis thickness of the optical element as a shape suitable for mass production. Has been found to be preferably 0.5 mm or more and 1.0 mm or less.

配光角を大きくするためには、前記光学素子の入射面と出射面が共にパワーを有することが好ましく、その観点から前記入射面はある程度深くすることが好ましく、例えば、前記入射面の光軸方向深さは、前記光源の発光面の外径をφmmとしたときに、1.0φmm以上、1.5φmm以下とすることが好ましい。更に、好ましい配光分布を得るために、前記出射面の変曲点は、光軸中心から光軸直交方向、出射面の有効半径の33%以上、40%以下の位置にあることが望ましいこともまた、本発明者は見出したのである。   In order to increase the light distribution angle, it is preferable that both the entrance surface and the exit surface of the optical element have power. From this viewpoint, the entrance surface is preferably deepened to some extent, for example, the optical axis of the entrance surface. The depth of the direction is preferably 1.0 mm or more and 1.5 mm or less when the outer diameter of the light emitting surface of the light source is φ mm. Furthermore, in order to obtain a preferable light distribution, it is desirable that the inflection point of the exit surface is in the direction perpendicular to the optical axis from the center of the optical axis and at a position of 33% or more and 40% or less of the effective radius of the exit surface. Also, the present inventor has found out.

本発明に係る照明装置は、光源と、光学素子と、を有するものである。光源は、出射面がフラットな形状を有する白色LED(Light Emitting Diode)である。   The lighting device according to the present invention includes a light source and an optical element. The light source is a white LED (Light Emitting Diode) having a flat emission surface.

白色LEDとしては、青色LEDチップと青色LEDチップから発せられた青色光線によって黄色に発光するYAG蛍光体等の蛍光体を組み合わせたものが好ましく用いられる。白色LEDとしては、例えば特開2008−231218号公報に記載されたものを用いることができるが、これに限られない。   As the white LED, a combination of a blue LED chip and a phosphor such as a YAG phosphor that emits yellow light by blue light emitted from the blue LED chip is preferably used. As white LED, what was described, for example in Unexamined-Japanese-Patent No. 2008-231218 can be used, However, It is not restricted to this.

白色LEDは、具体的には、LEDチップと、LEDチップを覆うようにしてその上に形成された蛍光体層から構成されている。LEDチップは、第1の所定波長の光(第1の色の光)を出射するものであり、本実施の形態においては青色光を出射するようになっている。但し、本発明のLEDチップの波長及び蛍光体の出射光の波長は限定されず、LEDチップによる出射光の波長と、蛍光体による出射光の波長とが補色関係にあり合成された光が白色光となる組合せであればものであれば、使用可能である。   Specifically, the white LED includes an LED chip and a phosphor layer formed on the LED chip so as to cover the LED chip. The LED chip emits light of a first predetermined wavelength (light of the first color), and emits blue light in the present embodiment. However, the wavelength of the LED chip of the present invention and the wavelength of the emitted light from the phosphor are not limited, and the wavelength of the emitted light from the LED chip and the wavelength of the emitted light from the phosphor are in a complementary color relationship and the synthesized light is white. Any combination that provides light can be used.

なお、このようなLEDチップとしては、公知の青色LEDチップを用いることができる。青色LEDチップとしては、InxGa1-xN系をはじめ既存のあらゆるものを使用することができる。青色LEDチップの発光ピーク波長は440〜480nmのものが好ましい。また、LEDチップの形態としては、基板上にLEDチップを実装し、そのまま上方または側方に放射させるタイプ、又は、サファイア基板などの透明基板上に青色LEDチップを実装し、その表面にバンプを形成した後、裏返して基板上の電極と接続する、いわゆるフリップチップ接続タイプなど、どのような形態のLEDチップでも適用することが可能である。   In addition, as such an LED chip, a well-known blue LED chip can be used. As the blue LED chip, any existing one including InxGa1-xN can be used. The emission peak wavelength of the blue LED chip is preferably 440 to 480 nm. In addition, as a form of the LED chip, the LED chip is mounted on the substrate and directly radiated upward or sideward, or the blue LED chip is mounted on a transparent substrate such as a sapphire substrate, and bumps are formed on the surface thereof. Any form of LED chip, such as a so-called flip chip connection type, in which it is formed and turned over and connected to an electrode on a substrate, can be applied.

蛍光体層は、LEDチップから出射される第1の所定波長の光を第2の所定波長の光(第2の色の光)に変換する蛍光体を有している。後述する実施の形態では、LEDチップから出射される青色光を黄色光に変換するようになっている。   The phosphor layer includes a phosphor that converts light having a first predetermined wavelength emitted from the LED chip into light having a second predetermined wavelength (light of a second color). In an embodiment described later, blue light emitted from the LED chip is converted into yellow light.

このような蛍光体層に用いられる蛍光体は、Y、Gd、Ce、Sm、Al、La及びGaの原料として酸化物、又は高温で容易に酸化物になる化合物を使用し、それらを化学量論比で十分に混合して原料を得る。又は、Y、Gd、Ce、Smの希土類元素を化学量論比で酸に溶解した溶解液を蓚酸で共沈したものを焼成して得られる共沈酸化物と、酸化アルミニウム、酸化ガリウムとを混合して混合原料を得る。これにフラックスとしてフッ化アンモニウム等のフッ化物を適量混合して加圧し成形体を得る。成形体を坩堝に詰め、空気中1350〜1450℃の温度範囲で2〜5時間焼成して、蛍光体の発光特性を持った焼結体を得ることができる。   The phosphor used for such a phosphor layer uses an oxide or a compound that easily becomes an oxide at a high temperature as a raw material of Y, Gd, Ce, Sm, Al, La and Ga, and converts them into a stoichiometric amount. The raw material is obtained by thoroughly mixing in a theoretical ratio. Alternatively, a coprecipitated oxide obtained by calcining a solution obtained by coprecipitation of oxalic acid with a solution obtained by dissolving a rare earth element of Y, Gd, Ce, and Sm in an acid at a stoichiometric ratio, and aluminum oxide and gallium oxide. Mix to obtain a mixed raw material. An appropriate amount of fluoride such as ammonium fluoride is mixed with this as a flux and pressed to obtain a molded body. The compact can be packed in a crucible and fired in air at a temperature range of 1350 to 1450 ° C. for 2 to 5 hours to obtain a sintered body having the phosphor emission characteristics.

LEDの光源は、高出力LED光源であることが好ましい。ここで、高出力LED光源としては、出力が0.5ワット以上のLEDにより構成することができる。   The LED light source is preferably a high-power LED light source. Here, the high-power LED light source can be constituted by an LED having an output of 0.5 watts or more.

光源の発光面の外径φは、2.3mm以上、3.0mm以下である。ここで、発光面の外径とは、発光面が多角形である場合、その内接円の直径をいうものとする。   The outer diameter φ of the light emitting surface of the light source is 2.3 mm or more and 3.0 mm or less. Here, the outer diameter of the light emitting surface means the diameter of the inscribed circle when the light emitting surface is a polygon.

光学素子は、光源の光放出側に配置されており、光源からの発光光が入射する凹状の入射面と、光源からの発光光を外部に出射する全体的に凸状の出射面を有すると好ましい。また、光学素子の凹状の入射面は、光放出面の中心における法線が通過する非球面の屈折面を有すると好ましい。レンズの入射面と光源の光放出面は非接触となっていると好ましく、また入射面と光源との間は空気により充填されていることが好ましい。入射面の有効径は3.2mm以上、4.0mm以下であると好ましい。又、入射面の光軸方向深さは、1.0φmm以上、1.5φmm以下であることが望ましい。   The optical element is disposed on the light emission side of the light source, and has a concave incident surface on which light emitted from the light source is incident and a generally convex emission surface that emits light emitted from the light source to the outside. preferable. Further, it is preferable that the concave incident surface of the optical element has an aspherical refracting surface through which a normal line at the center of the light emitting surface passes. The entrance surface of the lens and the light emission surface of the light source are preferably not in contact with each other, and the space between the entrance surface and the light source is preferably filled with air. The effective diameter of the incident surface is preferably 3.2 mm or more and 4.0 mm or less. In addition, the depth of the incident surface in the optical axis direction is desirably 1.0 mm or more and 1.5 mm or less.

光学素子の底面は拡散面であると好ましい。拡散面としては、例えば金型の転写面の一部にショットピーニングやシボ加工などの粗し加工を施して面粗度を荒くした上で、樹脂等を転写成形することで得ることができる。   The bottom surface of the optical element is preferably a diffusing surface. The diffusion surface can be obtained, for example, by subjecting a part of the transfer surface of the mold to roughing processing such as shot peening or embossing to roughen the surface roughness and then transfer molding a resin or the like.

光学素子の底面は、光源を設けた基板に当接する脚部を有し、この脚部の高さは前記光源の高さより低いと好ましい。この脚部は、周方向に不連続に形成されていると好ましい。   The bottom surface of the optical element has a leg portion that comes into contact with a substrate provided with a light source, and the height of the leg portion is preferably lower than the height of the light source. This leg is preferably formed discontinuously in the circumferential direction.

光学素子の出射面の有効径は、10mm以上、20mm以下である。出射面は、中央に凹部、その周辺に凸部を有していると好ましく、出射面の変曲点は、光軸中心から光軸直交方向、前記出射面の有効半径の33%以上、40%以下の位置にあると好ましい。出射面における有効径位置でのサグ量は2.61mm以上であると好ましい。又、入射面も変曲点を持つと好ましい。光学素子の軸上厚は、0.5mm以上、1.0mm以下である。   The effective diameter of the exit surface of the optical element is 10 mm or more and 20 mm or less. The exit surface preferably has a concave portion at the center and a convex portion at the periphery thereof. The inflection point of the exit surface is in the direction orthogonal to the optical axis from the center of the optical axis, 33% or more of the effective radius of the exit surface, 40 % Or less is preferable. The amount of sag at the effective diameter position on the exit surface is preferably 2.61 mm or more. Moreover, it is preferable that the incident surface also has an inflection point. The axial thickness of the optical element is 0.5 mm or more and 1.0 mm or less.

光学素子は、プラスチックで構成されていると好ましい。光学素子を構成するプラスチックとしては、例えばポリカーボネートやアクリルを用いることができる。ポリカーボネートやアクリルを用いることで、射出成形により製造でき、製造コストを大幅に低減させることができる。   The optical element is preferably made of plastic. As a plastic constituting the optical element, for example, polycarbonate or acrylic can be used. By using polycarbonate or acrylic, it can be manufactured by injection molding, and the manufacturing cost can be greatly reduced.

本発明によれば、パネルの背後から照明するのに好適であり、比較的薄形でありながら白色光の色ムラを抑制でき、更に光の取り込み効率を高め、配光角の広角化を実現でき、しかも低コストで製造できる光学素子を備えた照明装置を提供することができる。   According to the present invention, it is suitable for illuminating from behind the panel, and can suppress uneven color of white light while being relatively thin, further increase the light capture efficiency, and realize a wider light distribution angle. In addition, it is possible to provide an illumination device including an optical element that can be manufactured at low cost.

本実施の形態にかかるLED照明装置を出射面側から見た図である。It is the figure which looked at the LED illuminating device concerning this Embodiment from the output surface side. 図1の構成をII-II線で切断して矢印方向に見た図である。It is the figure which cut | disconnected the structure of FIG. 1 by the II-II line | wire, and looked at the arrow direction. 本実施の形態にかかるLED照明装置を入射面側から見た図である。It is the figure which looked at the LED lighting apparatus concerning this Embodiment from the entrance plane side. 図4(a)は、横軸に有効半径、縦軸に入射面のサグ量(面頂点からの光軸方向変位量)をとって示す図であり、図4(b)は、横軸に有効半径、縦軸に入射面のサグ量の1階微分値をとって示す図である。4A is a diagram showing the effective radius on the horizontal axis and the sag amount (displacement amount in the optical axis direction from the surface apex) on the vertical axis, and FIG. 4B is the horizontal axis. It is a figure which takes the 1st-order differential value of the effective radius and the sag amount of the incident surface on the vertical axis. 図5(a)は、横軸に有効半径、縦軸に出射面のサグ量(面頂点からの光軸方向変位量)をとって示す図であり、図5(b)は、横軸に有効半径、縦軸に出射面のサグ量の1階微分値をとって示す図である。FIG. 5A is a diagram showing the effective radius on the horizontal axis and the sag amount (displacement amount in the optical axis direction from the surface apex) on the vertical axis, and FIG. 5B is the horizontal axis. It is a figure which takes the effective radius and the vertical axis | shaft taking the 1st-order differential value of the sag amount of an output surface.

以下、添付した図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。図1は、本実施の形態にかかる照明装置を出射面側から見た図である。図2は、図1の構成をII-II線で切断して矢印方向に見た図である。図3は、本実施の形態にかかる照明装置を入射面側から見た図である。図中の数字は、寸法(mm)である。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a view of the illumination device according to the present embodiment as viewed from the exit surface side. FIG. 2 is a view of the configuration of FIG. 1 taken along the line II-II and viewed in the direction of the arrow. FIG. 3 is a view of the illumination device according to the present embodiment as viewed from the incident surface side. The numbers in the figure are dimensions (mm).

本実施の形態にかかる照明装置は、光学素子1と、回路基板3上に形成されたLED光源2を有している。図示していないが、LED光源2は、青色光を放出するLEDチップと、その光放出側に設けられた黄色蛍光体とを積層してなり、全体的に正方形板状を有し、光放出面(出射面)2aはフラットになっている。   The lighting device according to the present embodiment includes an optical element 1 and an LED light source 2 formed on a circuit board 3. Although not shown, the LED light source 2 is formed by laminating an LED chip that emits blue light and a yellow phosphor provided on the light emission side, and has a square plate shape as a whole, and emits light. The surface (outgoing surface) 2a is flat.

光学素子1は、プラスチックとしてポリカーボネート又はアクリルを用いている。さらに、光学素子1は、LED光源2の光放出側に配置されており、LED光源2からの発光光が入射する凹状の入射面1aと、入射面1aに対向し入射した光を外部に放出する全体的に凸状の出射面1bと、基板3に対向する底面1dと、出射面1bの外周に設けられた円筒面もしくは円錐面である外周面1fとを有する。外周面1fは、光学素子1を射出成形する際に、ゲートが設けられる部位である。   The optical element 1 uses polycarbonate or acrylic as plastic. Further, the optical element 1 is disposed on the light emission side of the LED light source 2, and emits light incident from the concave incident surface 1a on which light emitted from the LED light source 2 is incident, and the incident surface 1a. And a bottom surface 1d facing the substrate 3, and an outer peripheral surface 1f which is a cylindrical surface or a conical surface provided on the outer periphery of the output surface 1b. The outer peripheral surface 1f is a part where a gate is provided when the optical element 1 is injection-molded.

凹状の入射面1aは、LED光源2の光放出面2aの中心における法線が通過する非球面の屈折面である。   The concave incident surface 1a is an aspherical refracting surface through which the normal line at the center of the light emitting surface 2a of the LED light source 2 passes.

底面1dは、拡散面1hと同様に、金型の対応する転写面の粗度を高めることで、拡散作用を持つ粗し面とできる。また、外周面1fも、金型の対応する転写面の粗度を高めることで、拡散作用を持つ粗し面とできる。   Similarly to the diffusion surface 1h, the bottom surface 1d can be a rough surface having a diffusion action by increasing the roughness of the corresponding transfer surface of the mold. The outer peripheral surface 1f can also be a roughened surface having a diffusion action by increasing the roughness of the corresponding transfer surface of the mold.

本実施の形態では、図3に示すように、底面1dが、周方向に等間隔に3つの脚部1jを有しており、脚部1jを基板3の表面に直接当接させて、もしくは間接的に台座(図2では不図示)を介して取り付けられている。脚部1jを周方向に不連続に配置することで、LED光源2を密封することが抑制され、LED光源2の配線の引き出しや通気性の確保を行える。脚部1j全体は、拡散面1hと同様に、金型の対応する転写面の粗度を高めることで、拡散作用を持つ粗し面とできる。   In the present embodiment, as shown in FIG. 3, the bottom surface 1d has three leg portions 1j at equal intervals in the circumferential direction, and the leg portions 1j are in direct contact with the surface of the substrate 3, or It is indirectly attached via a pedestal (not shown in FIG. 2). By disposing the legs 1j discontinuously in the circumferential direction, sealing the LED light source 2 can be suppressed, and the wiring of the LED light source 2 can be pulled out and air permeability can be ensured. The entire leg 1j can be a roughened surface having a diffusing action by increasing the roughness of the corresponding transfer surface of the mold, like the diffusing surface 1h.

光学素子1をLED光源2に対して取り付けたとき、底面1dと、LED光源2の光放出面2aとの間には、光軸方向にスキマが形成される。これにより、光放出面2aから放出された光が、底面1d側に回り込むようにできる。   When the optical element 1 is attached to the LED light source 2, a gap is formed in the optical axis direction between the bottom surface 1 d and the light emission surface 2 a of the LED light source 2. Thereby, the light emitted from the light emitting surface 2a can be turned to the bottom surface 1d side.

光学素子1の外径が10〜20mmであり、LED光源2の光放出面2aの外径φは2.3〜3.0mmであり、光学素子1の入射面1aの有効径は3.2〜4.0mmであり、入射面1aの光軸方向深さは、1.0φ〜1.5φmmであり、光学素子1の軸上厚は、0.5〜1.0mmである。出射面1bは、中央に凹部、その周辺に凸部を有し、出射面1bの変曲点は、光軸中心から光軸直交方向、前記出射面の有効半径の33%以上、40%以下の位置にある。   The outer diameter of the optical element 1 is 10 to 20 mm, the outer diameter φ of the light emitting surface 2a of the LED light source 2 is 2.3 to 3.0 mm, and the effective diameter of the incident surface 1a of the optical element 1 is 3.2. The depth in the optical axis direction of the incident surface 1a is 1.0φ to 1.5φ mm, and the axial thickness of the optical element 1 is 0.5 to 1.0 mm. The exit surface 1b has a concave portion at the center and a convex portion at the periphery thereof, and the inflection point of the exit surface 1b is in the direction orthogonal to the optical axis from the center of the optical axis, 33% or more and 40% or less of the effective radius of the exit surface. In the position.

本実施の形態では、LED光源2の光放出面2aから出射した光のうち中心付近の混色された光は、入射面1aから入射する一方で、周辺の光は底面1dから入射する。光学素子1に入射した光は、75〜85度の位置に配光角のピークを持った状態で出射面1bより出射する。ここで、黄色成分を含むことが多い周辺の光を、拡散作用を備えた底面1dを介して入射させることで拡散効果が生じ、黄色成分の偏りが消失する。これにより、高品質な白色光を出射できる。   In the present embodiment, mixed light in the vicinity of the center of the light emitted from the light emitting surface 2a of the LED light source 2 is incident from the incident surface 1a, while the peripheral light is incident from the bottom surface 1d. The light incident on the optical element 1 is emitted from the emission surface 1b with a peak of the light distribution angle at a position of 75 to 85 degrees. Here, by allowing ambient light, which often contains a yellow component, to enter through the bottom surface 1d having a diffusing action, a diffusion effect occurs, and the yellow component bias disappears. Thereby, high-quality white light can be emitted.

次に、光学素子の好適な実施例について説明する。本実施例は、図1〜3に記載の形状を有する。入射面(S1とする)と出射面(S2とする)は、非球面形状である。非球面の形状は、面の頂点を原点とし、光軸方向にX軸をとり、光軸と垂直方向の高さをhとして以下の「数1」で表す。   Next, a preferred embodiment of the optical element will be described. This embodiment has the shape shown in FIGS. The entrance surface (referred to as S1) and the exit surface (referred to as S2) are aspherical. The aspherical shape is expressed by the following “Equation 1” where the vertex of the surface is the origin, the X axis is taken in the optical axis direction, and the height in the direction perpendicular to the optical axis is h.

Figure 2014002951
ただし、
Ai:i次の非球面係数
R :曲率半径
K :円錐定数
Figure 2014002951
However,
Ai: i-order aspheric coefficient R: radius of curvature K: conic constant

表1に、非球面形状係数を示す。なお、これ以降(表のレンズデータを含む)において、10のべき乗数(たとえば2.5×10-02)を、E(たとえば2.5E−02)を用いて表すものとする。 Table 1 shows the aspheric shape factor. In the following (including the lens data in the table), a power of 10 (for example, 2.5 × 10 −02 ) is expressed using E (for example, 2.5E-02).

Figure 2014002951
Figure 2014002951

本実施例において、光源の光放出面の外径φは2.5mm、光学素子の外径は15.40mm、入射面の有効径は3.79mm、入射面の底面からの光軸方向深さは2.95(1.18φ)mm、軸上厚さは0.81mm、配光角は77°である。   In this embodiment, the outer diameter φ of the light emitting surface of the light source is 2.5 mm, the outer diameter of the optical element is 15.40 mm, the effective diameter of the incident surface is 3.79 mm, and the depth in the optical axis direction from the bottom surface of the incident surface. Is 2.95 (1.18φ) mm, the on-axis thickness is 0.81 mm, and the light distribution angle is 77 °.

図4(a)は、横軸に有効半径、縦軸に入射面のサグ量(面頂点からの光軸方向変位量)をとって示す図であり、図4(b)は、横軸に有効半径、縦軸に入射面のサグ量の1階微分値をとって示す図である。図5(a)は、横軸に有効半径、縦軸に出射面のサグ量(面頂点からの光軸方向変位量)をとって示す図であり、図5(b)は、横軸に有効半径、縦軸に出射面のサグ量の1階微分値をとって示す図である。サグ量の1階微分値の符号が逆転する位置が変曲点になる。出射面の変曲点は2.75mm(出射面の有効半径の36%)の位置である。   4A is a diagram showing the effective radius on the horizontal axis and the sag amount (displacement amount in the optical axis direction from the surface apex) on the vertical axis, and FIG. 4B is the horizontal axis. It is a figure which takes the 1st-order differential value of the effective radius and the sag amount of the incident surface on the vertical axis. FIG. 5A is a diagram showing the effective radius on the horizontal axis and the sag amount (displacement amount in the optical axis direction from the surface apex) on the vertical axis, and FIG. 5B is the horizontal axis. It is a figure which takes the effective radius and the vertical axis | shaft taking the 1st-order differential value of the sag amount of an output surface. The position at which the sign of the first-order differential value of the sag is reversed becomes the inflection point. The inflection point of the exit surface is 2.75 mm (36% of the effective radius of the exit surface).

本発明は、明細書に記載の実施例に限定されるものではなく、他の実施例・変形例を含むことは、本明細書に記載された実施例や思想から本分野の当業者にとって明らかである。例えば、本発明は液晶パネルの照明用だけでなく、看板照明用の照明装置としても用いることができる。   The present invention is not limited to the embodiments described in the specification, and other embodiments and modifications are apparent to those skilled in the art from the embodiments and ideas described in the present specification. It is. For example, the present invention can be used not only for illumination of a liquid crystal panel but also as an illumination device for signboard illumination.

1 光学素子
1a 入射面
1b 出射面
1d 底面
1f 外周面
1j 脚部
2 LED光源
2a 光放出面
3 回路基板
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Optical element 1a Incident surface 1b Output surface 1d Bottom surface 1f Outer peripheral surface 1j Leg part 2 LED light source 2a Light emission surface 3 Circuit board

Claims (1)

光源と、光学素子とを有する照明装置であって、
前記光源は出射面が平面の白色LEDであり、
前記光源の発光面の外径φは2.3mm以上、3.0mm以下であり、
前記光学素子はプラスチックからなり、
前記光学素子は、前記光源からの光束が入射する入射面と、前記入射面に対向し、前記光束を前記光学素子から出射する出射面とを有し、
前記入射面の有効径は3.2mm以上、4.0mm以下であり、
前記入射面の光軸方向深さは、1.0φmm以上、1.5φmm以下であり、
前記出射面の有効径は10mm以上、20mm以下であり、
前記出射面は、中央に凹部、その周辺に凸部を有し、
前記出射面の変曲点は、光軸中心から光軸直交方向、前記出射面の有効半径の33%以上、40%以下の位置にあり、
前記光学素子の軸上厚は、0.5mm以上、1.0mm以下であることを特徴とする照明装置。
An illumination device having a light source and an optical element,
The light source is a white LED having a flat emission surface,
The outer diameter φ of the light emitting surface of the light source is 2.3 mm or more and 3.0 mm or less,
The optical element is made of plastic,
The optical element has an incident surface on which a light beam from the light source is incident, and an exit surface that faces the incident surface and emits the light beam from the optical element,
The effective diameter of the incident surface is 3.2 mm or more and 4.0 mm or less,
The depth in the optical axis direction of the incident surface is 1.0φmm or more and 1.5φmm or less,
The effective diameter of the emission surface is 10 mm or more and 20 mm or less,
The emission surface has a concave portion at the center and a convex portion at the periphery thereof.
The inflection point of the exit surface is in the direction orthogonal to the optical axis from the center of the optical axis, at a position of 33% or more and 40% or less of the effective radius of the exit surface,
An on-axis thickness of the optical element is not less than 0.5 mm and not more than 1.0 mm.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2016091901A (en) * 2014-11-07 2016-05-23 パナソニックIpマネジメント株式会社 Lighting system and luminaire equipped therewith
JP2018142506A (en) * 2017-02-28 2018-09-13 本田技研工業株式会社 Lens structure for lamp unit

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