JP2014116107A - 光学素子及び照明機器 - Google Patents

Abstract

【課題】発光素子の配置数を削減した場合であっても、配向斑の発生を抑制し得る光学素子を提案する。
【解決手段】発光素子の発光面を被覆する光学素子において、光学素子は、発光素子から発光される等方性の配光特性を有する光を異方性の配光特性を有する光に変換する形状を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、光学素子及び照明機器に関する。

近年、照明に用いられる発光素子として、例えばＬＥＤ（Light Emitting Diode）が普及している。ＬＥＤは、生産コストが低く、耐衝撃性に優れ、更には長寿命であるという利点がある。これに対し、ＬＥＤは照射範囲が狭いため、照明用として用いるのであれば数多くのＬＥＤを基板上に配置しなければならないという欠点がある。ＬＥＤの配置数が少ない場合、一のＬＥＤと他のＬＥＤとの間の領域が輝度の低い暗部になり、全体として配向斑が発生するためである。なお配向斑とは、輝度ムラとも呼ばれ、輝度が不均一な状態をいう。

図１６〜図１９を参照して、配向斑が発生するメカニズムについて説明する。
図１６は、ＬＥＤを数多く配置した場合の配置構成を示す。配置構成Ｓｔ１は、ＬＥＤを１０ｍｍ間隔で同一直線上に配置した場合の一部を示す。また配置構成Ｓｔ１１は、配置構成Ｓｔ１に対して、ＬＥＤの上面からＬＥＤを覆うようにして保護光学素子を配置した場合の一部を示す。

配置構成Ｓｔ１のように数多くのＬＥＤを短い間隔で配置し、配置構成Ｓｔ１１のように保護光学素子を配置した場合、保護光学素子上には、輝度が均一な投射光が形成される。この場合、配向斑は発生しない。

図１７は、ＬＥＤの数を少なくして配置した場合の配置構成を示す。配置構成Ｓｔ２は、ＬＥＤを３０ｍｍ間隔で同一直線上に配置した場合の一部を示す。また配置構成Ｓｔ２２は、配置構成Ｓｔ２に対して、ＬＥＤの上面からＬＥＤを覆うようにして保護光学素子を配置した場合の一部を示す。

配置構成Ｓｔ２のように少ないＬＥＤを大きな間隔で配置し、配置構成Ｓｔ２２のように保護光学素子を配置した場合、保護光学素子上には、輝度が不均一な投射光が形成される。この場合、ＬＥＤ間の領域が輝度の低い暗部になり、全体として配向斑が発生する。

このように配向斑は、ＬＥＤの照射範囲が狭いことから、複数のＬＥＤを同一直線上又は同一平面上に配置したとき、観察対象のＬＥＤと、この観察対象のＬＥＤに隣接するＬＥＤとの間の投射光が重なり合わない配光となり、この重なり合わない非重複領域の輝度が他の領域と比較して低くなることより発生する。

図１８は、同一平面上に配置したＬＥＤの配光分布を示す。ここでは４個のＬＥＤが同一平面上に配置されており、これら４個のＬＥＤを覆うようにして保護光学素子（図示省略）が配置されている。保護光学素子上には、それぞれのＬＥＤから発光されて投射された投射光により、円形状の配光領域が形成される。また形成されたこれら円形状の配光領域と、隣接する配光領域とが重複することにより、重複領域が形成される。同時に、配光領域が全く重複しない非重複領域も形成される。

図１９は、図１８のＡ１−Ａ２断面における輝度分布Ｌ１〜Ｌ３を示す。輝度分布Ｌ１及びＬ２は、Ａ１−Ａ２断面に配置された２つのＬＥＤによる輝度分布である。輝度分布Ｌ１及びＬ２によれば、ＬＥＤの配置位置を頂点とした凸形状の輝度分布がそれぞれ形成され、ＬＥＤの配置位置から離れるに連れて輝度が低下していくことが示されている。また輝度分布Ｌ３は、輝度分布Ｌ１及びＬ２を合成した輝度分布である。輝度分布Ｌ３によれば、輝度分布Ｌ１及びＬ２を合成したことにより、２つの凸形状と１つの凹形状とを有する輝度分布が形成されることが示されている。

凸形状と凹形状とにおける輝度を比較すると、凸形状においては輝度が高く（明部）、これに対して凹形状においては輝度が低い（暗部）。この輝度の格差によって、保護光学素子上に配向斑が生じることとなる。配向斑を生じないようにするため、現在では数多くのＬＥＤを配置しているが、この場合、コストが高くなるという問題がある。一方でコスト削減のためにＬＥＤの配置数を削減すると、上述してきたように配向斑が生じる。

ここで、コストを削減しつつも配向斑を生じさせないための手法として、例えばＬＥＤの照射範囲を広くする手法が検討されている。ＬＥＤの照射範囲を広くすれば、ＬＥＤの配置数を削減しても非重複領域を生じさせないようにすることができるため、コストを削減しつつ配向斑を抑制することができるとされる。ＬＥＤの照射範囲を広くする技術は、例えば以下の特許文献１及び２並びに非特許文献１に開示されている。

特許文献１には、ＬＥＤランプの発光方向前方に楕円系反射面を設け、またＬＥＤランプの発光方向後方に放物系反射面を設けたＬＥＤ車両用灯具が開示されている。このＬＥＤ車両用灯具によれば、ＬＥＤランプから発光した光が直接前方に投射されるのではなく、楕円系反射面及び放物系反射面を介して前方に投射されるようにした。このように楕円系反射面及び放物系反射面を介して光を前方に投射させることにより、ＬＥＤランプの光が直接投射された場合よりも照射範囲を広くすることができるとしている。

特許文献２には、ＬＥＤランプから発光された光の明るさを均一化する拡散カット部と、この明るさを均一化した光を放射するガイド部レンズと、ガイド部レンズから放射された光を更に拡散させる発光面部レンズとを備えて構成される面発光装置が開示されている。この面発光装置によれば、極めて均一性の高い発光を行うことができるとしている。

非特許文献１には、照射範囲が広範囲の投射光を形成することのできるフリーフォームＬＥＤレンズが開示されている。このフリーフォームＬＥＤレンズによれば、照射範囲が広範囲であるとともに、均一な照明条件を満たす円形状の光パターンを形成することができるとしている。

特開２００２−１８４２１２号公報 特開２００５−２８５６６７号公報

Analysis of condition foruniform lighting by array of light emitting diodes with large view angle.Optical Society of America (2010).

しかし、これら特許文献１及び２に記載の技術は、ＬＥＤランプから発光される光の照射範囲を広げるだけの技術である。また非特許文献１に記載の技術も同様に、照射範囲を広げるだけの技術である。そしてこれらの技術では共通して、ＬＥＤランプから円形状の光が発光される。円形状の光が発光される以上、いくら照射範囲を広げてみたところで、またその光の明るさを均一化したところで、ＬＥＤランプの配置数を削減して配置した場合には非重複領域が形成される。よってＬＥＤの配置数を削減しても配向斑が生じるという問題を解決することはできない。

本発明は以上の点を考慮してなされたもので、発光素子の配置数を削減した場合であっても、配向斑の発生を抑制し得る光学素子及び照明機器を提案することを目的とするものである。

かかる課題を解決するために、本発明において光学素子は、透過性を有する部材により形成され、発光素子から発光される等方性の配光領域を形成する光を同一面上において隣接する他の発光素子の配置方向に屈折させて、異方性の配光領域を形成する光に変換する輪郭形状を有することを特徴とする。

またかかる課題を解決するために、本発明において照明機器は、同一面上に配置された複数の発光素子と、発光素子の発光面を被覆する光学素子と、光学素子を被覆する保護光学素子とを備え、発光素子は、点光源であり、等方性の配光領域を形成する光を発し、光学素子は、透過性を有する部材により形成され、発光素子から発光される等方性の配光領域を形成する光を同一面上において隣接する他の発光素子の配置方向に屈折させて、異方性の配光領域を形成する光に変換する輪郭形状を有し、保護光学素子は、外面又は内面に拡散剤又は蛍光剤が塗布されていることを特徴とする。

本発明によれば、発光素子の配置数を削減した場合であっても、配向斑の発生を抑制することができる。

光学素子の外観構成を示す概念図である。 光学素子を正面から見たときの断面構成を示す概念図である。 光学素子を正面から見たときの配光分布を示す概念図である。 光学素子を上面から見たときの配光分布を示す概念図である。 シミュレーション結果を示す図である。 複数の光学素子を配置した場合の配置構成を示す概念図である。 複数の光学素子を配置した場合の配光分布を示す概念図である。 複数の光学素子を配置した場合の配光分布を示す概念図である。 変形例の光学素子を正面から見たときの断面構成を示す概念図である。 光学素子の変形例を示す概念図である。 変形例の光学素子を上面から見たときの配光分布を示す概念図である。 光学素子の変形例を示す概念図である。 変形例の光学素子を上面から見たときの配光分布を示す概念図である。 他の変形例の光学素子を上面から見たときの配光分布を示す図である。 他の変形例の光学素子を上面から見たときの配光分布を示す図である。 多数のＬＥＤを配置した配置構成及び配光分布を示す外観図である。 少数のＬＥＤを配置した配置構成及び配光分布を示す外観図である。 光学素子を上面から見たときの従来の配光分布を示す概念図である。 従来の輝度分布を示す概念図である。

以下図面について、本発明の一実施の形態を詳述する。

図１は、光学素子１の外観構成を示す。光学素子１は、上面及び底面から見ると、外形がひょうたんに類似する形状を有する。また正面及び背面から見ると、２つの緩やかな凸部と、この２つの緩やかな凸部の間に１つの緩やかな凹部とを有する。また左側面及び右側面から見ると、半円形状を有する。

図２は、光学素子１を正面から見たときの断面構成を示す。光学素子１は、発光素子２から発光された光を覆うようにして配置され、発光素子２から発光された光の光軸を主として直上方向Ｄ１と斜め方向Ｄ２とに分割して配光する。直上方向Ｄ１とは、発光素子２から発光された光のうち、０次光の方向を基準（０°）とした場合、０°の方向である。また斜め方向Ｄ２とは、発光素子２から発光された光のうち、０次光の方向を基準（０°）とした場合、０°より大きく９０°より小さい範囲内の方向である。分割配光された光は、保護光学素子３上にそれぞれ投射される。なお光学素子１は、１次光学面ＳＦ１又は２次光学面ＳＦ２の表面に、光を拡散させるための拡散剤又は蛍光剤が塗布されている。

図３は、光学素子１を正面から見たときの配光分布を示す。上述したように、光学素子１は、発光素子２から発光された光を直上方向Ｄ１と斜め方向Ｄ２とに分割配光する。発光素子２から発光された光が斜め方向Ｄ２に配光されることにより、直上方向Ｄ１のみに配光される場合と比較して、保護光学素子３上における配光範囲Ｒ１を広くすることができる。

図４は、光学素子１を上面から見たときの配光分布を示す。上面から見た場合、光学素子１は、直上方向Ｄ１に配光した光により、直上配光領域Ｓ１を形成する。また光学素子１は、斜め方向Ｄ２に配光した光により、斜め配光領域Ｓ２を形成する。この結果、光学素子１は、これら直上配光領域Ｓ１及び斜め配光領域Ｓ２により、配光領域Ｓ１０を形成することになる。この配光領域Ｓ１０の形状は、図示するように、略矩形となる。本実施の形態における光学素子１よれば、保護光学素子３上に投射される投射光の形状（配光領域）を従来の円形から略矩形に変換することができる。言い換えれば、光学素子１は、等方性の配光特性を有する光を異方性の配光特性を有する光に変換することができる。

図５は、シミュレーション結果を示す。シミュレーション結果は、図４のＡ１１−Ａ１２断面における輝度分布Ｌ１１〜Ｌ１４を示す。輝度分布Ｌ１１及び１３は、斜め方向Ｄ２に配光された光の輝度分布である。また輝度分布Ｌ１２は、直上方向Ｄ１に配光された光の輝度分布である。また輝度分布Ｌ１４は、輝度分布Ｌ１１〜１３を合成した輝度分布である。保護光学素子３上に実際に投射される光の輝度分布は、輝度分布Ｌ１４となる。この輝度分布Ｌ１４によれば、Ａ１１−Ａ１２断面における輝度に大きな凹凸はなく、およそ一定であることが示されている。

図６は、複数の光学素子１を一体成型加工により形成した光学素子群１Ｇを示す。光学素子群１Ｇは、複数の光学素子１を同一直線上に等間隔に配置した状態を維持する。上述してきた光学素子１を実際に照明用として用いる場合、単体で用いるのではなく、図示するように複数の光学素子１を予め固定配置して１つのプレートにした光学素子群１Ｇを用いる方が、設置する場合の手間を省くことができる。なお光学素子群１Ｇにおける光学素子１の配置構成は、必ずしもこれに限らず、例えば同一平面上に等間隔に配置してもよいし、同一直線上又は同一平面上に不規則に配置してもよい。

図７は、複数の光学素子１を同一直線上に配置して上面から見たときの配光分布を示す。このように光学素子１を同一直線上に配置した場合、配光領域Ｓ１０におけるＡ２１−Ａ２２断面の輝度はそれぞれ、図４及び図５において上述したように、一定となる。よって同一直線上に光学素子１を配置する場合、隣接区間Ｉを従来よりも広くして光学素子１の配置数を削減しても、配向斑を抑制することができる。

図８は、複数の光学素子１を同一平面上に配置して上面から見たときの配光分布を示す。このように光学素子１を同一平面上に配置した場合であっても、配光領域Ｓ１０におけるＡ３１−Ａ３２断面及びＡ４１−Ａ４２断面の輝度はそれぞれ、一定となる。よって同一平面上に光学素子１を配置する場合、隣接区間Ｉを従来よりも広くして光学素子１の配置数を削減しても、配向斑を抑制することができる。

図９は、光学素子１の変形例である光学素子１０を正面から見たときの断面構成を示す。光学素子１０は、１次光学面ＳＦ１の形状が２次光学面ＳＦ２と同様の形状に加工形成されている点及びレンズが薄肉化されている点で、光学素子１と異なる。１次光学面ＳＦ１の形状が２次光学面ＳＦ２と同様の形状に加工形成されていることにより、１次光学面ＳＦ１及び２次光学面ＳＦ２の両方で配光制御することができる。またレンズが薄肉化されていることにより、成型サイクルを短縮することができ、量産コストを削減することができ、更にはヒケやウェルドを低減することができるという利点がある。

図１０は、光学素子１の変形例である光学素子２０の外観構成を示す。光学素子２０は、上面及び底面から見ると、外形がほぼ円形の形状を有する。また正面及び背面並びに左側面及び右側面から見ると、何れも同一形状であり、２つの緩やかな凸部と、この２つの緩やかな凸部の間に１つの緩やかな凸部を有する。

この図１０に示す光学素子２０は、発光素子２から発光される光を覆うようにして配置される点及び発光素子２から発光された光を分割して配光する点で、光学素子１と同様の機能及び構成を有する。特に分割して配光する機能に関し、光学素子１及び２０は共通して、保護光学素子３上に投射される配光領域Ｓ１０に異方性を持たせるように設計される。具体的には、光学素子２０は光学素子１と比較して、合計で４方向に分割配光する形状を有する。

図１１は、光学素子２０を上面から見たときの配光分布を示す。上面から見た場合、光学素子１０は、直上方向に配光した光により、正面直上配光領域Ｓ１１及び側面直上配光領域Ｓ１２を形成する。この結果、光学素子１０は、これら正面直上配光領域Ｓ１１及び側面直上配光領域Ｓ１２により、配光領域Ｓ１１０を形成することになる。この配光領域Ｓ１１０の形状は、図示するように、略正方形となる。本実施の形態における光学素子２０よれば、保護光学素子３上に投射される投射光の形状を従来の円形から略正方形に変換することができる。言い換えれば、光学素子２０は、等方性の配光特性を有する光を異方性の配光特性を有する光に変換することができる。

図１２は、光学素子１の変形例である光学素子３０の外観構成を示す。光学素子３０は、上面及び底面から見ると、外形がほぼ円形の形状を有する。また正面及び背面並びに左側面及び右側面から見ると、何れも同一形状であり、２つの緩やかな凸部と、この２つの緩やかな凸部の間に１つの緩やかな凸部を有するものの、ほぼ半円形状を有する。

この図１２に示す光学素子３０は、発光素子２から発光される光を覆うようにして配置される点及び発光素子２から発光された光を分割して配光する点で、光学素子１と同様の機能及び構成を有する。特に分割して配光する機能に関し、光学素子１及び３０は共通して、保護光学素子３上に投射される配光領域Ｓ１０に異方性を持たせるように設計される。具体的には、光学素子３０は光学素子１と比較して、合計で６方向に分割配光する形状を有する。

図１３は、光学素子３０を上面から見たときの配光分布を示す。上面から見た場合、光学素子３０は、直上方向に配光した光により、正面直上配光領域Ｓ１１及び側面直上配光領域Ｓ１２を形成する。また光学素子３０は、直上方向以外の他方向に配光した光により、斜め配光領域Ｓ１３を形成する。この結果、光学素子３０は、これら正面直上配光領域Ｓ１１、側面直上配光領域Ｓ１２及び斜め配光領域Ｓ１３により、配光領域Ｓ１２０を形成することになる。この配光領域Ｓ１２０の形状は、図示するように、略正方形となる。本実施の形態における光学素子３０よれば、保護光学素子３上に投射される投射光の形状を従来の円形から略正方形に変換することができる。言い換えれば、光学素子３０は、等方性の配光特性を有する光を異方性の配光特性を有する光に変換することができる。

なお発光素子２から発光される光を分割して配光し、保護光学素子３上に投射される配光領域に異方性を持たせるように設計した光学素子は、必ずしも上述してきた光学素子１、１０、２０及び３０に限られない。

図１４及び図１５は、配光領域に異方性を持たせるように設計された光学素子を上面から見たときの配光分布を示す。ここでは実際の光学素子の形状は図示しておらず、光学素子の配置位置として正方形を図示している。このように配光領域に異方性を持たせることにより、光学素子の配置数を削減した場合であっても、或いは、光学素子の配置場所が不規則であっても、輝度の明暗部をなくして配向斑が発生することを抑制することができる。

以上のように、本実施の形態による光学素子によれば、発光素子２から発光される光を分割して配光し、配光領域に異方性を持たせるように設計された形状を有しているので、発光素子２の配置数が少ない場合であっても、その発光素子２の上面から覆うようにして光学素子を配置することで、配向斑の発生を抑制することができる。

１、１０、２０、３０ 光学素子
２ 発光素子
３ 保護光学素子

Claims (7)

1. 点光源である複数の発光素子を同一面上に配置した場合に前記発光素子の発光面を被覆する光学素子において、
   前記光学素子は、
   透過性を有する部材により形成され、
   前記発光素子から発光された等方性の配光領域を形成する光を前記同一面上において隣接する他の発光素子の配置方向に屈折させて、異方性の配光領域を形成する光に変換する輪郭形状を有する
   ことを特徴とする光学素子。
2. 前記光学素子は、
   前記発光素子から発光される等方性の配光特性を有する光の光軸を、０次光方向を基準とした場合、０°の方向である直上方向と、０°より大きく９０°より小さい方向である斜め方向とに分割することにより、異方性の配光特性を有する光に変換する外面形状を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
3. 前記光学素子は、
   前記発光素子を同一直線上に複数配置した場合の配置方向を軸として、回転対称となる光学面を外面に有する
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光学素子。
4. 前記光学素子は、
   上面及び底面から見ると、２つの楕円が一部重複して結合した外面形状を有し、
   左側面及び右側面から見ると、半円の外面形状を有し、
   正面及び背面から見ると、２つの凸部が形成された外面形状を有する
   ことを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の光学素子。
5. 前記光学素子は、
   外面又は内面に拡散剤又は蛍光剤が塗布されている
   ことを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の光学素子。
6. 前記光学素子は、
   同一直線上又は同一平面上に複数配置されて一体成型加工により形成されている
   ことを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の光学素子。
7. 同一面上に配置された複数の発光素子と、前記発光素子の発光面を被覆する光学素子と、前記光学素子を被覆する保護光学素子とを備えた照明機器において、
   前記発光素子は、
   点光源であり、等方性の配光特性を有する光を発し、
   前記光学素子は、
   透過性を有する部材により形成され、
   前記発光素子から発光される等方性の配光領域を形成する光を前記同一面上において隣接する他の発光素子の配置方向に屈折させて、異方性の配光領域を形成する光に変換する輪郭形状を有し、
   前記保護光学素子は、
   外面又は内面に拡散剤又は蛍光剤が塗布されている
   ことを特徴とする照明機器。
   

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