JP2016207615A - 照明装置及び光学部材 - Google Patents
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Abstract
【課題】設計に制限がある場合であっても光源からの光を集光し、光軸に平行な光又は距離の二乗に反比例した照度の光を照射することができる照明装置及び光学部材を提供する。【解決手段】LED照明装置100は、LED素子1と、LED素子1から出射される中心光束lcを整形して狭角光を出射する第1の整形レンズ部131と、周辺光束loを整形して狭角光を出射する第2の整形レンズ部132とを有する光学部材130とを備え、光学部材130の第2の整形レンズ部132は、反射面132cと出射面132dとを有し、光学部材130の最大外径D4を予め定めた径より小さく、光軸に沿う方向の長さL0を予め定めた長さより大きくする制限において反射面132cが設計され、反射面132cで反射されたことで光軸110a側に傾いた周辺光束loを光軸110aと平行又は光軸110aと反対側に傾くよう屈折させるよう出射面132dが設計される。【選択図】図1
Description
本発明は、光源からの光を集光して照射する照明装置及び光学部材に関する。
光源からの光を集光して照射するものであって、照射光の色ムラが少なく、光源の直下照度の低下を抑制するものが知られている(特許文献1参照)。
この照明装置は、光源と、光源からの出射光を集光する第1のレンズと、集光された光を平行光とする第2のレンズとを有する。第1のレンズは、入射した光を集光面に集光する断面形状が放物線形状の第1の反射面を有する。また、第2のレンズは、集光面との連接面から入射した光を反射して平行光として出射する断面形状が放物線形状の第2の反射面を有する。この構成により、第1の反射面が集光面に光を集光させて混色することで色ムラを少なくし、集光面を疑似光源として、集光面からの光を第2の反射面で平行光とすることで光源の直下照度の低下を抑制する。
しかし、従来の照明装置は、第2の反射面の断面形状を放物線形状とすることで集光面からの光を平行光とするが、例えば、小型化のために光軸を法線とする面に対する第2の反射面の角度が大きくなる場合には、第2の反射面で反射された光が光軸に平行な方向から光軸側に傾くとともに、出射面による屈折によって出射光がさらに光軸側に傾いてしまう、という問題がある。
したがって、本発明の目的は、設計に制限がある場合であっても光源からの光を集光し、光軸に平行な光又は距離の二乗に反比例した照度の光を照射することができる照明装置及び光学部材を提供することにある。
[1]半導体発光素子と、
前記半導体発光素子から出射される中心光束を整形して光軸の方向に狭角光を出射する第1整形部と、前記半導体発光素子から前記中心光束の周辺に出射される周辺光束を整形して前記光軸の方向に狭角光を出射する第2整形部とを有する光学部材とを備え、
前記光学部材の前記第2整形部は、前記周辺光束を反射する反射面と、当該反射面で反射された前記周辺光束を出射する出射面とを有し、前記出射面は、前記反射面で反射されたことで前記光軸側に傾いた周辺光束を前記光軸と平行又は反対側に傾くよう屈折させる照明装置。
[2]前記光学部材は、最大外径を予め定めた径より小さく、前記光軸に沿う方向の長さを予め定めた長さより大きく、最小外径を予め定めた径より大きくする制限において設計される前記[1]に記載の照明装置。
[3]前記光学部材の前記第1整形部は、凸レンズ形状を有し、
前記光学部材の前記第2整形部は、前記光軸と直交する面に対して所定の角度を有する環状の平面又は曲面形状を有し、前記第1整形部の周辺に設けられる前記[1]−[3]のいずれかに記載の照明装置。
[4]半導体発光素子から出射される中心光束を整形して光軸の方向に狭角光を出射する第1整形部と、前記半導体発光素子から前記中心光束の周辺に出射される周辺光束を整形して前記光軸の方向に狭角光を出射する第2整形部とを有し、
前記光学部材の前記第2整形部は、前記周辺光束を反射する反射面と、当該反射面で反射された前記周辺光束を出射する出射面とを有し、前記出射面は、前記反射面で反射されたことで前記光軸側に傾いた周辺光束を前記光軸と平行又は反対側に傾くよう屈折させる光学部材。
前記半導体発光素子から出射される中心光束を整形して光軸の方向に狭角光を出射する第1整形部と、前記半導体発光素子から前記中心光束の周辺に出射される周辺光束を整形して前記光軸の方向に狭角光を出射する第2整形部とを有する光学部材とを備え、
前記光学部材の前記第2整形部は、前記周辺光束を反射する反射面と、当該反射面で反射された前記周辺光束を出射する出射面とを有し、前記出射面は、前記反射面で反射されたことで前記光軸側に傾いた周辺光束を前記光軸と平行又は反対側に傾くよう屈折させる照明装置。
[2]前記光学部材は、最大外径を予め定めた径より小さく、前記光軸に沿う方向の長さを予め定めた長さより大きく、最小外径を予め定めた径より大きくする制限において設計される前記[1]に記載の照明装置。
[3]前記光学部材の前記第1整形部は、凸レンズ形状を有し、
前記光学部材の前記第2整形部は、前記光軸と直交する面に対して所定の角度を有する環状の平面又は曲面形状を有し、前記第1整形部の周辺に設けられる前記[1]−[3]のいずれかに記載の照明装置。
[4]半導体発光素子から出射される中心光束を整形して光軸の方向に狭角光を出射する第1整形部と、前記半導体発光素子から前記中心光束の周辺に出射される周辺光束を整形して前記光軸の方向に狭角光を出射する第2整形部とを有し、
前記光学部材の前記第2整形部は、前記周辺光束を反射する反射面と、当該反射面で反射された前記周辺光束を出射する出射面とを有し、前記出射面は、前記反射面で反射されたことで前記光軸側に傾いた周辺光束を前記光軸と平行又は反対側に傾くよう屈折させる光学部材。
本発明によれば、設計に制限がある場合であっても光源からの光を集光し、光軸に平行な光又は距離の二乗に反比例した照度の光を照射することができる。
以下、本発明の実施の形態及び実施例について図面を参照して説明する。なお、各図中、実質的に同一の機能を有する構成要素については、同一の符号を付してその重複した説明を省略する。
[実施の形態]
図1は、本発明の実施の形態に係る照明装置の概略の構成例を示す縦断面図である。また、図2は、LED光源110から出射された光の光路を示す概略図である。
図1は、本発明の実施の形態に係る照明装置の概略の構成例を示す縦断面図である。また、図2は、LED光源110から出射された光の光路を示す概略図である。
(照明装置の構成)
この照明装置100は、通電方向が縦方向のLED素子を用いたLED光源110と、LED光源110から出射された光を整形して狭角の光を出射する光学部材130とを備える。なお、LED素子は、半導体発光素子の一例であり、レーザーダイオード等の素子を用いてもよい。光学部材130は、光学系の一例である。
この照明装置100は、通電方向が縦方向のLED素子を用いたLED光源110と、LED光源110から出射された光を整形して狭角の光を出射する光学部材130とを備える。なお、LED素子は、半導体発光素子の一例であり、レーザーダイオード等の素子を用いてもよい。光学部材130は、光学系の一例である。
(LED光源の構成)
LED光源110は、LED素子1と、一例として、銅ブロック111及び放熱器117を含む放熱構造とを有する。なお、放熱構造は樹脂基板やアルミ基板を用いてもよい。また、LED光源110は、LED素子が発する第1の色の光で励起して第2の色の光を発する蛍光体をさらに備えてもよい。蛍光体は、LED素子1の表面に樹脂を介して粉末状のものを付着させてもよく、樹脂に蛍光体を含有させたものをLED素子1の表面に形成してもよい。例えば、LED素子1として、青色系の色の光を発するLED素子を用い、蛍光体として、青色系の色の光を黄色系の色の光に変換するYAG系蛍光体、BOS系蛍光体等を用いることにより、LED光源110は、LED素子が発する青色系の色の光と蛍光体が変換して出力する黄色系の色の光とが混合されて白色光を出射する。また、LED光源110から出射する光の色は、青色系の色に限定されず、また混合色も白色に限定されない。
LED光源110は、LED素子1と、一例として、銅ブロック111及び放熱器117を含む放熱構造とを有する。なお、放熱構造は樹脂基板やアルミ基板を用いてもよい。また、LED光源110は、LED素子が発する第1の色の光で励起して第2の色の光を発する蛍光体をさらに備えてもよい。蛍光体は、LED素子1の表面に樹脂を介して粉末状のものを付着させてもよく、樹脂に蛍光体を含有させたものをLED素子1の表面に形成してもよい。例えば、LED素子1として、青色系の色の光を発するLED素子を用い、蛍光体として、青色系の色の光を黄色系の色の光に変換するYAG系蛍光体、BOS系蛍光体等を用いることにより、LED光源110は、LED素子が発する青色系の色の光と蛍光体が変換して出力する黄色系の色の光とが混合されて白色光を出射する。また、LED光源110から出射する光の色は、青色系の色に限定されず、また混合色も白色に限定されない。
LED素子1は、一例として、n型半導体基板と、n型半導体基板の表面を部分的に分散して覆うように形成され、n型半導体基板との屈折率の差が0.15以下である誘電体層と、n型半導体基板上に誘電体層を介して形成され、誘電体層、及びn型半導体基板の表面の誘電体層に覆われていない部分に接触するn型半導体層と、n型半導体層上に形成された発光層と、発光層上に形成されたp型半導体層と、n型半導体基板の誘電体層が形成された面と反対側に形成されたn型電極と、p型半導体層上に形成されたp型電極とを備える。
(光学部材の構成)
光学部材130は、LED光源110から出射される光束を例えば平行光又は狭角光に整形する第1の整形レンズ部131と、LED光源110から出射される光束が入射される入射面132bが円柱状を有し、入射面132bに入射した光束を平行光又は狭角光に整形する第2の整形レンズ部132とを備える。第1及び第2の整形レンズ部131、132は、例えば、アクリル樹脂等の透明樹脂から形成される。ここで、第1の整形レンズ部131は、第1の整形部の一例であり、第2の整形レンズ部132は、第2の整形部の一例である。図1中、Pは点光源の位置を示す。
光学部材130は、LED光源110から出射される光束を例えば平行光又は狭角光に整形する第1の整形レンズ部131と、LED光源110から出射される光束が入射される入射面132bが円柱状を有し、入射面132bに入射した光束を平行光又は狭角光に整形する第2の整形レンズ部132とを備える。第1及び第2の整形レンズ部131、132は、例えば、アクリル樹脂等の透明樹脂から形成される。ここで、第1の整形レンズ部131は、第1の整形部の一例であり、第2の整形レンズ部132は、第2の整形部の一例である。図1中、Pは点光源の位置を示す。
光学部材130は、光軸110aを中心として回転対称な形状を有しており、最大外径D4、最小外径D3、光軸110aに沿う方向の長さL0の形状を有する。
第1の整形レンズ部131は、直径D1、厚みL1の凸レンズにより構成され、平坦な入射面131aと、球面状の出射面131bとを有する。ここで、第1の整形レンズ部を透過して照射される光束を中心光束lcと呼ぶこととする。なお、中心光束lcを平行光又は狭角光とするものであれば、入射面に凸レンズを設けて出射面を平坦としてもよいし、入射面及び出射面に凸レンズを設けてもよい。
第2の整形レンズ部132は、LED光源110の光軸110aに垂直に配置される基準面132aと、基準面132aに対してLED光源110の光軸110aに平行に形成され、LED光源110から出射された光(水平方向の光も含む。)が入射する円柱状の入射面132bと、入射面132bに入射した光を反射させる反射面132cと、反射面132cで反射した光が出射する出射面132dとを備える。ここで、第2の整形レンズ部132を透過して照射される光束を周辺光束loと呼ぶこととする。
第2の整形レンズ部132の反射面132cは、光軸110aを中心とし、放物面又はベジェ曲線等の非球面形状を回転して得られる面に近似した面となっている。反射面132cの設計方法については後述する。なお、第2の整形レンズ部132の反射面132cの代わりに金属板等の反射鏡を用いてもよい。
なお、第2の整形レンズ部132の出射面132dは、光軸110aを中心とし、光軸110aと直交する面に対して所定の角度を有する直線又は曲線を回転させた形状を有する。つまり、光軸110aと直交する面に対して所定の角度を有する環状の平面又は曲面である。出射面132dの設計方法については後述する。
なお、第1及び第2の整形レンズ部131、132は、透明樹脂を削り出し加工して形成してもよく、ガラスから形成してもよい。
(光学部材の設計の制限)
なお、前提として照明装置100は、設計に制限があるものとし、少なくとも光学部材130の最大外径D4を予め定めた内径より小さく、入射面132bを構成する円柱空間の直径D2をLED素子1に干渉しないように予め定めた内径より大きく、また、円柱空間の直径D2の制限に伴い最小外径D3を大きく、入射面132bを構成する円柱空間の光軸110aに沿う方向の長さL3をLED素子1に干渉しないように予め定めた長さより大きくする必要があるものとする。
なお、前提として照明装置100は、設計に制限があるものとし、少なくとも光学部材130の最大外径D4を予め定めた内径より小さく、入射面132bを構成する円柱空間の直径D2をLED素子1に干渉しないように予め定めた内径より大きく、また、円柱空間の直径D2の制限に伴い最小外径D3を大きく、入射面132bを構成する円柱空間の光軸110aに沿う方向の長さL3をLED素子1に干渉しないように予め定めた長さより大きくする必要があるものとする。
まず、上記したように最大外径D4、入射面132bを構成する円柱空間の直径D2及び最小外径D3に制限があることで反射面132cの水平に対する角度θが大きくなり、反射面132cで反射した光線が光学部材130内において光軸110a側に傾くこととなる。
上記問題を解決するため、光学部材130の光軸110aに沿う方向の長さL0を小さくすることで反射面132cの水平に対する角度θを小さくできるが、第一に長さL3による制約があるためこれには限度がある。また、第二に長さL0を小さくすると反射面132cの面積が小さくなり、LED素子1から放射された光を反射する割合が小さくなって集光の効率が低下するという問題がある。従って、一定の効率を維持するためにはL0には制限がある。
以上の制限を前提として、以下の光学部材130の設計を説明する。
(光学部材の設計)
図3(a)及び(b)は、第2の整形レンズ部132の反射面132c及び出射面132dの設計方法の一例を説明するための図である。
図3(a)及び(b)は、第2の整形レンズ部132の反射面132c及び出射面132dの設計方法の一例を説明するための図である。
(1)反射面132cの設計
LED素子1の光源は厳密には点光源でないが、例えばLED素子1の厚さの中心に点光源Pが存在するものとして以下説明する。LED素子1の点光源Pから入射面132bに入射する光線loi(loiは周辺光束loの任意の光線である)は、出射角度に応じて異なる方向に屈折し、各光線loiは反射面132cへと入射する。入射する光線loiの全てが全反射するべく臨界角以上の入射角となるように反射面132cが形成される。第2の整形レンズ部132は、例えば金型を形成し、金型にアクリル樹脂の溶融材を注入することで形成される。
LED素子1の光源は厳密には点光源でないが、例えばLED素子1の厚さの中心に点光源Pが存在するものとして以下説明する。LED素子1の点光源Pから入射面132bに入射する光線loi(loiは周辺光束loの任意の光線である)は、出射角度に応じて異なる方向に屈折し、各光線loiは反射面132cへと入射する。入射する光線loiの全てが全反射するべく臨界角以上の入射角となるように反射面132cが形成される。第2の整形レンズ部132は、例えば金型を形成し、金型にアクリル樹脂の溶融材を注入することで形成される。
しかし、上記した設計の制限により、図3(a)に示すように、反射面132cの法線132cnに対し角度αで反射した光線loiは光軸110aに平行な方向(110a’)より光学部材130内において光軸110a側(光学部材130の中心側)に傾くこととなる。当該傾きを補正するために以下の出射面132dを設計する。なお、図3(a)の補助線110a’は、光軸110aに平行な線である。
なお、反射面132cで反射した光線loiを光軸110aに平行な方向とする又は光軸110aに平行な方向より光学部材130内において光軸110aと反対側(光学部材130の外側)に傾く方向とするよう反射面132cを設計できる場合は考慮しない。
(2)出射面132dの設計
図3(b)に示すように、反射面132cで反射した光線loiは、光軸110aに平行な方向より光学部材130内において光軸110a側(光学部材130の中心側)に傾いているため、出射面132dの法線132dnに対し入射角β1、屈折角β2で屈折した場合に、屈折した光線loiが光軸110aに平行な方向となるよう又は光軸110aに平行な方向より光軸110aと反対側(光学部材130の外側)に傾く方向となるような面を作成して出射面132dが形成される。
図3(b)に示すように、反射面132cで反射した光線loiは、光軸110aに平行な方向より光学部材130内において光軸110a側(光学部材130の中心側)に傾いているため、出射面132dの法線132dnに対し入射角β1、屈折角β2で屈折した場合に、屈折した光線loiが光軸110aに平行な方向となるよう又は光軸110aに平行な方向より光軸110aと反対側(光学部材130の外側)に傾く方向となるような面を作成して出射面132dが形成される。
(3)出射光
図4は、光学部材130から出射される光束の例を示す概略図である。
図4は、光学部材130から出射される光束の例を示す概略図である。
以上のように反射面132c及び出射面132dを設計することにより、出射光の周辺光束loは、少なくとも光軸110aと平行又は反対側に傾くものとなり、周辺光束loの任意の光線の見かけ上の光源位置をP’とすると、P’からの距離d1、d2、d3に応じて照射される光の照度が距離の二乗に反比例したものとなる。これは、距離d1、d2、d3において光が照射される面積S1、S2、S3が距離d1、d2、d3の二乗に比例したものとなるためである。
一方、出射面132dを上記のように設計せずに、基準面が出射面に平行であった場合を比較例として以下に説明する。
[比較例]
図5は、第2の整形レンズ部の出射面が基準面に平行である場合に出射される光束の例を示す図である。図6は、第2の整形レンズ部の出射面が基準面に平行である場合に出射される周辺光束loの例を示す図である。
図5は、第2の整形レンズ部の出射面が基準面に平行である場合に出射される光束の例を示す図である。図6は、第2の整形レンズ部の出射面が基準面に平行である場合に出射される周辺光束loの例を示す図である。
図5に示すように、光学部材130’は、光学部材130と出射面以外は共通の構成を有するものとし、従って、中心光束lcは実施の形態と同様となる。
一方、図6に示すように、出射面132d’が出射面132dのように傾斜を有していないため、出射面132d’の法線方向が光軸110aと平行(110a’)となり、周辺光束loの任意の光線lojは、出射面132d’に入射角γ1、屈折角γ2で屈折した場合、屈折した光線lojが光軸110a側(光学部材130’の中心側)に傾く。
図7は、第2の整形レンズ部の出射面が基準面に平行である場合に出射される光束の例を示す図である。
以上のように出射面132d’を設けた場合、出射光の周辺光束loは、少なくとも光軸110a側に傾くものとなり、図4で定めた見かけ上の光源位置P’からの距離d1、d2、d3に応じて照射される光の照度が距離の二乗に反比例したものとならない。これは、距離d1とd2との間の距離において光が照射される面積が最小となり、その後単調増加して、距離d1、d2、d3において光が照射される面積S1’、S2’、S3’が距離d1、d2、d3の二乗に比例したものとならないためである。
以上のように出射面132d’を設けた場合、出射光の周辺光束loは、少なくとも光軸110a側に傾くものとなり、図4で定めた見かけ上の光源位置P’からの距離d1、d2、d3に応じて照射される光の照度が距離の二乗に反比例したものとならない。これは、距離d1とd2との間の距離において光が照射される面積が最小となり、その後単調増加して、距離d1、d2、d3において光が照射される面積S1’、S2’、S3’が距離d1、d2、d3の二乗に比例したものとならないためである。
(実施の形態の効果)
上記実施の形態によれば、以下の効果を奏する。
(1)レンズの設計の制限により反射面132cで光軸110a側に傾いて反射された光線を出射面132dにおいて光軸110aと平行又は光軸110aと反対側に傾くように設計したため、レンズの設計に制限がある場合であっても光源からの光を集光し、光軸に平行な光又は距離の二乗に反比例した照度の光を照射することができる。
(2)従来の光学部材よりも小さい外径で同等の性能が得られるため、省スペース化、材料費の低減に貢献する。
(3)距離の二乗に反比例した照度の光を照射することができるため、LED照明装置100から照射面の適用距離の範囲が広いスポットライト照明に適用することができる。
上記実施の形態によれば、以下の効果を奏する。
(1)レンズの設計の制限により反射面132cで光軸110a側に傾いて反射された光線を出射面132dにおいて光軸110aと平行又は光軸110aと反対側に傾くように設計したため、レンズの設計に制限がある場合であっても光源からの光を集光し、光軸に平行な光又は距離の二乗に反比例した照度の光を照射することができる。
(2)従来の光学部材よりも小さい外径で同等の性能が得られるため、省スペース化、材料費の低減に貢献する。
(3)距離の二乗に反比例した照度の光を照射することができるため、LED照明装置100から照射面の適用距離の範囲が広いスポットライト照明に適用することができる。
なお、本発明は、上記実施の形態及び上記実施例に限定されず、発明の要旨を変更しない範囲内で種々に変形可能である。
1 LED素子
100 照明装置
110 LED光源
110a 光軸
111 銅ブロック
117 放熱器
130 光学部材
131 第1の整形レンズ部
131a 入射面
131b 出射面
132 第2の整形レンズ部
132a 基準面
132b 入射面
132c 反射面
132d 出射面
lc 中心光束
lo 周辺光束
loi 光線
loj 光線
100 照明装置
110 LED光源
110a 光軸
111 銅ブロック
117 放熱器
130 光学部材
131 第1の整形レンズ部
131a 入射面
131b 出射面
132 第2の整形レンズ部
132a 基準面
132b 入射面
132c 反射面
132d 出射面
lc 中心光束
lo 周辺光束
loi 光線
loj 光線
Claims (4)
- 半導体発光素子と、
前記半導体発光素子から出射される中心光束を整形して光軸の方向に狭角光を出射する第1整形部と、前記半導体発光素子から前記中心光束の周辺に出射される周辺光束を整形して前記光軸の方向に狭角光を出射する第2整形部とを有する光学部材とを備え、
前記光学部材の前記第2整形部は、前記周辺光束を反射する反射面と、当該反射面で反射された前記周辺光束を出射する出射面とを有し、前記出射面は、前記反射面で反射されたことで前記光軸側に傾いた周辺光束を前記光軸と平行又は反対側に傾くよう屈折させる照明装置。 - 前記光学部材は、最大外径を予め定めた径より小さく、前記光軸に沿う方向の長さを予め定めた長さより大きく、最小外径を予め定めた径より大きくする制限において設計される請求項1に記載の照明装置。
- 前記光学部材の前記第1整形部は、凸レンズ形状を有し、
前記光学部材の前記第2整形部は、前記光軸を中心として前記光軸と直交する面に対して所定の角度を有する直線又は曲線を回転させた形状を有し、前記第1整形部の周辺に設けられる請求項1又は2に記載の照明装置。 - 半導体発光素子から出射される中心光束を整形して光軸の方向に狭角光を出射する第1整形部と、前記半導体発光素子から前記中心光束の周辺に出射される周辺光束を整形して前記光軸の方向に狭角光を出射する第2整形部とを有し、
前記光学部材の前記第2整形部は、前記周辺光束を反射する反射面と、当該反射面で反射された前記周辺光束を出射する出射面とを有し、前記出射面は、前記反射面で反射されたことで前記光軸側に傾いた周辺光束を前記光軸と平行又は反対側に傾くよう屈折させる光学部材。
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