JP3153647U - Ledの光学レンズおよびその光学レンズを用いた照明装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】目標領域に、照度が均一で、略矩形のLED配光パターンを形成することができるLEDの光学レンズおよびLED照明装置を提供する。【解決手段】光学レンズ1の照明側光学面10および光源側光学面20は、自由曲面公式により構成する。これにより、照明側光学面10および光源側光学面20は、X軸方向とY軸方向との曲率が異なり、LED2から放出された光線は、固定入射角で光学レンズ1に入射した後、X軸方向とY軸方向との発散角が異なる出射光を生成し、目標領域に照度が均一で、略矩形の配光パターンが生成される。また、ホルダー4上に複数の光学レンズ1を同軸方向に配置することにより、レンズアレイを形成し、レンズアレイとLEDアレイとを組み合わせることにより、LED照明装置3が構成される。【選択図】図6
Description
本考案は、LED(light−emitting diode)の光学レンズおよびその光学レンズを用いた照明装置に関し、特に、自由曲面公式(surface definition of free form)を利用してLEDの第1のレンズまたは第2のレンズの光源側光学面および照明側光学面が設計されることにより、光学レンズは、X軸方向とY軸方向との曲率が異なり、これにより、LED光源は、光学レンズを介し、目標領域に、照度が均一で、略矩形の配光パターン(light distribution pattern)を生成することができるLEDの光学レンズおよびその光学レンズを用いた照明装置に関する。
LEDを照明装置の光源とするのは、従来技術である。その応用領域は、非常に広く、例えば、懐中電灯、デスクランプ、車両用ランプ(例えば、ヘッドライドおよび/またはテールライト)、街灯などに応用されたり、カメラのフラッシュ、スキャナ装置の光源など、電子製品の補助照明装置に応用されたりしている。その多くは、複数のLEDにより、アレイ(array)が形成され、光源が構成される。ここで、LEDアレイとは、照明装置の必要に応じ、複数のLEDが、例えば、直線配列、マトリクス配列、同心円配列など、あるパターン(pattern)状に配列されたものであるが、これらに限定されない。
一般に、LEDは、1つまたは複数のLEDチップが搭載され、電源に接続されるベース台と、一層または複数層の透光樹脂またはガラス材料が成形されてなるカバーレンズ(cover lens)と、を具える。一般に、第1のレンズ(first lens)と称されるものがベース台およびLEDチップの外部を被覆し、LEDアセンブリ(以下、LEDと称す)を構成する。LEDを使用するとき、LEDチップから放出された光線は、第1のレンズを通過し、所定の配光パターン(light distribution pattern)で、目標領域に投射される。
LEDは、応用される照明装置に応じ、使用条件が異なる。本考案においては、街灯を例として説明を行う。一般に、街灯は、目標領域(即ち、路面上)を照射する照度が高く、均一であることが求められる。さらに、照射範囲の横の長さ(即ち、道路に平行の長軸方向)と、幅(即ち、道路に垂直の短軸方向)と、の比率が約3:1の矩形であることが好ましい。また、隣り合う2つの街灯の間隔は、約15m〜30mであり、街灯の高さは、約6m〜20mである。従って、上述の条件を満足させるために、LED光源またはLEDアレイ光源は、各LEDの封止構造上に、基本的な第1のレンズを形成する以外に、一般に、LEDの光照射方向(即ち、LEDの前方)に、さらに第2のレンズ(second lens)を配置する。これにより、例えば、照度、照射領域および照度の均一性など、LED光源の使用効率が高められる。しかし、例えば、高圧ナトリウムランプなど、従来の街灯は、ランプ自体の発光効率は高いが、生成される配光パターンが目標領域を有効に照射することができず、浪費が発生しているため、照度が極めて低かった。
このため、LED光源を街灯へ応用する技術において、略矩形の配光パターンを生成することができ、照度を高め、光線を均一に照射することができる光学レンズを案出し、その光学レンズをLEDの第1のレンズまたは第2のレンズとして使用することが求められていた。
本考案の第1の目的は、自由曲面公式によってLEDの第1のレンズまたは第2のレンズの光源側光学面(光源に対面する面)および照明側光学面(目標に対面する面)を構成することにより、光学レンズのX軸方向とY軸方向との曲率が異なるため、LED光源は、光学レンズを介することにより、目標領域を照射する照度が高まり、さらに、照度が均一で略矩形の配光パターンを形成することができ、街灯、車両用ランプ、カメラのフラッシュなどの照明への使用に適用され、街灯照明に求められる照射範囲の長軸方向(即ち、道路に平行の方向)の長さと、短軸方向(即ち、道路に垂直の方向)の長さと、の比率が約3:1の矩形の配光パターンを生成することができるLEDの光学レンズおよびその光学レンズを用いた照明装置を提供することにある。
本考案の第2の目的は、自由曲面公式中のアナモフィック公式(Anamorphic surface formula)を利用して光学レンズの光源側光学面を構成することにより、光源側光学面に、軸対称であり、長軸に沿った断面が凹陥した形状を形成し、自由曲面公式中のトーリック公式(Toric surface formula)を用いて照明側光学面を構成することにより、照明側光学面に、軸対称であり、長軸に沿った断面の中間が凹陥し、両側が突出したM型形状を形成し、これにより、目標領域を照射する照度が高まり、照度が均一で略矩形の配光パターンを生成することができるLEDの光学レンズおよびその光学レンズを用いた照明装置を提供することにある。
本考案の第3の目的は、複数の光学レンズをLEDの第2のレンズとして用い、ホルダーの同軸方向(即ち、光学レンズのX軸およびY軸の方向)において、レンズアレイを形成し、さらに、このレンズアレイをLED光源アレイに組み合わせてLED照明装置を構成することにより、目標領域を照射する照度が高まり、照度が均一で略矩形の配光パターンを生成し、街灯、車両用ランプ、カメラのフラッシュなどの照明装置への使用に適用されるLEDの光学レンズおよびその光学レンズを用いた照明装置を提供することにある。
本考案の第2の目的は、自由曲面公式中のアナモフィック公式(Anamorphic surface formula)を利用して光学レンズの光源側光学面を構成することにより、光源側光学面に、軸対称であり、長軸に沿った断面が凹陥した形状を形成し、自由曲面公式中のトーリック公式(Toric surface formula)を用いて照明側光学面を構成することにより、照明側光学面に、軸対称であり、長軸に沿った断面の中間が凹陥し、両側が突出したM型形状を形成し、これにより、目標領域を照射する照度が高まり、照度が均一で略矩形の配光パターンを生成することができるLEDの光学レンズおよびその光学レンズを用いた照明装置を提供することにある。
本考案の第3の目的は、複数の光学レンズをLEDの第2のレンズとして用い、ホルダーの同軸方向(即ち、光学レンズのX軸およびY軸の方向)において、レンズアレイを形成し、さらに、このレンズアレイをLED光源アレイに組み合わせてLED照明装置を構成することにより、目標領域を照射する照度が高まり、照度が均一で略矩形の配光パターンを生成し、街灯、車両用ランプ、カメラのフラッシュなどの照明装置への使用に適用されるLEDの光学レンズおよびその光学レンズを用いた照明装置を提供することにある。
上述の課題を解決するため、請求項1の考案は、LED光源に組み合わせて使用される透明の光学レンズであり、光源側光学面および照明側光学面を具え、光源側光学面は、自由曲面公式を用いて構成され、少なくとも1つのLED光源に対面することにより、LED光源から放出された光線は、光源側光学面から光学レンズ内部に入射され、照明側光学面は、自由曲面公式を用いて構成され、目標領域に対面することにより、LED光源から放出された光線は、光源側光学面から光学レンズ内部に入射された後、照明側光学面から前方の目標領域に照射され、光源側光学面および照明側光学面が何れも自由曲面公式を用いて構成されることにより、LED光源から放出された光線は、光学レンズにより屈折された後、目標領域に、長軸方向(X軸)の長さと、短軸方向(Y軸)の幅と、の比率が略矩形の配光パターンを生成することを特徴とするLEDの光学レンズである。
請求項2の考案は、光源側光学面と照明側光学面とは、対応するように設計され、光源側光学面は、数式1
に示す自由曲面公式中のアナモフィック公式(Anamorphic formula)によって構成されることにより、軸対称であり、長軸に沿った断面が凹陥した形状である光源側光学面が形成され、照明側光学面は、数式2
に示す自由曲面公式中のトーリック公式(Toric surface formula)によって構成されることにより、軸対称であり、長軸に沿った断面の中間が凹陥し、両側が突出したM型形状である照明側光学面が形成されることを特徴とする請求項1記載のLEDの光学レンズである。
に示す自由曲面公式中のアナモフィック公式(Anamorphic formula)によって構成されることにより、軸対称であり、長軸に沿った断面が凹陥した形状である光源側光学面が形成され、照明側光学面は、数式2
に示す自由曲面公式中のトーリック公式(Toric surface formula)によって構成されることにより、軸対称であり、長軸に沿った断面の中間が凹陥し、両側が突出したM型形状である照明側光学面が形成されることを特徴とする請求項1記載のLEDの光学レンズである。
請求項3の考案は、光学レンズが目標領域に生成する略矩形の配光パターンの長さ(長軸方向)と幅(短軸方向)との比率は、自由曲面公式の各光学パラメータを変更し、さらに、コンピュータソフトウェアにより、シミュレーションテストを行うことにより、設計されることを特徴とする請求項1記載のLEDの光学レンズである。
請求項4の考案は、光学レンズが目標領域に生成する略矩形の配光パターンの長さ(長軸方向)と幅(短軸方向)との比率は、3:1であることを特徴とする請求項1記載のLEDの光学レンズである。
請求項5の考案は、光学レンズの光源側光画面および照明側光学面の外周の非光学面には、外周部がさらに設置されることを特徴とする請求項1記載のLEDの光学レンズである。
請求項6の考案は、請求項1〜請求項6の任意の一請求項記載の光学レンズから構成され、少なくとも1つの光学レンズ、少なくとも1つのLED光源およびホルダーを具え、光学レンズは、透明のレンズ体であり、ホルダー上に設けられた孔溝中に嵌設され、少なくとも、自由曲面公式によって構成された光源側光学面および照明側光学面を具え、LED光源は、光学レンズの光源側光学面に対面するように配置され、ホルダーは、上部に、光学レンズが嵌設される少なくとも1つの孔溝が設けられ、LED光源から放出された光線は、光学レンズの光源側光学面から光学レンズ内に入射され、照明側光学面から目標領域に照射され、光源側光学面および照明側光学面が自由曲面公式により構成されることにより、LED光源から放出された光線は、目標領域に、長さ(長軸方向)と幅(短軸方向)との比率が略矩形の配光パターンを生成することを特徴とするLED照明装置である。
請求項7の考案は、光学レンズに、ホルダー上の孔溝に対応する外周部が設置されることにより、光学レンズは、孔溝中に嵌設され、一体に接合されることを特徴とする請求項6記載のLED照明装置である。
請求項8の考案は、ホルダー上には、複数の孔溝が設けられることにより、孔溝アレイが形成されることを特徴とする請求項6記載のLED照明装置である。
光学レンズ1の光源側光学面および照明側光学面は、例えば、アナモフィック公式またはトーリック公式などの自由曲面公式を用いることにより、構成される。これにより、光源側光学面および照明側光学面は、X軸方向とY軸方向との曲率が異なり、LEDから放出された光線は、固定入射角で光学レンズに入射した後、X軸方向とY軸方向との発散角が異なる出射光を生成する(例えば、長軸の発散角が短軸の発散角より大きい)。これにより、目標領域に照度が均一で、略矩形の配光パターンが生成される。
本考案の目的、特徴および効果を示す実施形態を図面に沿って詳細に説明する。
図1〜図6を参照する。図1〜図6に示す本考案の一実施形態によるLEDの光学レンズ1は、LEDの第1のレンズまたは第2のレンズとして使用することができる。本実施形態による光学レンズ1は、LEDの第2のレンズに使用する場合を例として説明を行うが、第2のレンズのみに限定されない。図6に示すように、光学レンズ1は、少なくとも1つのLED2に組み合わせて使用される。光学レンズ1は、透明のレンズ体であり、照明側光学面10および光源側光学面20を具える。これにより、LED2から放出された光線は、照明側光学面10から光学レンズ1内に入射され、光源側光学面20から前方の目標領域に放出される。
本実施形態による光学レンズ1の特徴として、光学レンズ1の照明側光学面10および光源側光学面20は、何れも自由曲面公式を用いて構成される。自由曲面公式は、光学領域における従来技術であり、現在、レンズの光学面を設計するとき、様々な公式が適用される。自由曲面公式は、例えば、数式1のアナモフィック公式(Anamorphic formula)および数式2のトーリック公式(Toric formula)がある。
光学レンズ1の照明側光学面10および光源側光学面20を設計するとき、設計者は、必要に応じて、アナモフィック公式およびトーリック公式中の各光学パラメータを変更することができる。さらに、コンピュータソフトウェアにより、設計された光学レンズ1が所定の使用効果を有するか否かのシミュレーションテストを行うことができる。本実施形態では、自由曲面公式(surface definition of free form)を用いて設計することにより、照明側光学面10および光源側光学面20に、連続曲面を形成することができる。これにより、光学レンズ1の成形金型の加工作業を容易にすることができる。さらに、照明側光学面10および光源側光学面20の精度を光学レベルに到達させるのに都合がよい。
図2および図4に示すように、本実施形態による光学レンズ1の照明側光学面10は、アナモフィック公式が利用されて設計されることにより、軸対称で、長軸に沿った断面が凹陥した形状が形成される。また、図1および図4に示すように、本実施形態による光学レンズ1の光源側光学面20は、トーリック公式が利用されて設計されることにより、軸対称で、両側が凸部22であり、中間が凹部21であるM型の形状が形成される。また、照明側光学面10と光源側光学面20とは、対応して組み合わされる。
図3〜図5は、本実施形態による光学レンズ1の実施可能な寸法を示す。本考案の考案者は、街灯照明に求められる照射範囲のX軸(即ち、長軸方向であり、道路に平行の方向)の長さと、Y軸(即ち、短軸方向であり、道路に垂直の方向)の長さとの比率が約3:1の矩形の配光パターンを生成し、目標領域に均一に照射することができる光学レンズ1を設計するために、数式1および数式2の各光学パラメータを変更し、さらに、コンピュータソフトウェアにより、シミュレーションテストを行った後、光学レンズ1の実際の製品を完成させた。図1および図2に示す光学レンズ1の本体上における、照明側光学面10および光源側光学面20に属さない部分(照明側光学面10および光源側光学面20の外周の外周部30)の形状および構造は、限定されず、必要に応じ、設計を変更してもよい。図1〜図5に示す本実施形態による光学レンズ1は、LEDの第2のレンズであり、矩形のレンズ体に設計される。また、外周部30は、主に、照明装置3に使用されるホルダー4上に設けられる孔溝41の形状に基づき、設計される。
本実施形態による光学レンズ1は、主に、照明側光学面10と光源側光学面20との対応関係により、光学レンズ1のX軸(長軸)とY軸(短軸)との曲率が異なる。これにより、LED2から放出された光線201は、X軸とY軸との発散角が異なるように屈折され、長さと幅とが異なる矩形の配光パターンを形成することができる。図8に示すように、LED2から放出された光線201が固定入射角θx、θyで光学レンズ1に入射された後、目標領域Aに放出されるとき、光学レンズ1は、X軸とY軸との曲率が異なるため、X軸方向とY軸方向との発散角が異なる出射光202を生成する。図8に示すように、出射光202のX軸上の発散角θ’xは、Y軸上の発散角θ’yより大きいため、目標領域Aの部分において、出射光202がX軸上に形成する照射範囲Lxは、出射光202がY軸上に形成する照射範囲Lyより大きい。即ち、図9に示すように、目標領域Aの部分に、長さと幅との比率が約Lx:Lyである矩形の配光パターンが生成される。図1〜図6に示す本実施形態による光学レンズ1および照明装置3を例として説明すると、LED2から放出された光線は、光学レンズ1により、屈折された後、一般の街灯で求められるX軸の長さと、Y軸の幅と、の比率が約3:1の略矩形の配光パターンを生成し、目標領域を均一に照射することができる。略矩形の配光パターンの長さと幅との比率関係は、光学レンズ1の必要に応じ、公式中の各光学パラメータを変更し、さらに、コンピュータソフトウェアにより、シミュレーションテストを行うことにより、変更することができる。これにより、設計が完了した光学レンズ1は、最大の使用効果を達成することができる。
図6および図7を参照する。図6および図7に示すように、本実施形態によるLED照明装置3は、少なくとも1つのLED2、少なくとも1つの光学レンズ1およびホルダー(holder)4を具える。LED照明装置3の形状、寸法、組立態様およびLED2と光学レンズ1との対応関係(例えば、1つのLED2または2つのLED2と、光学レンズ1との対応関係)は、限定されず、街灯、車両用ランプ、カメラのフラッシュなど、応用領域に応じ、構成を変更ことができる。図7に示すように、本実施形態においては、街灯または同類の物品を例として説明するが、本実施形態のみに限定されない。図6および図7に示すように、本実施形態による光学レンズ1は、LED2に組み合わされて使用される。光学レンズ1は、図3〜図5に示すような街灯への使用のために設計された光学レンズである。LED2は、照明側光学面10の凹陥した曲面内に配置される。本実施形態では、さらに、大きな寸法のホルダー4上に、複数の光学レンズ1を同軸方向(即ち、光学レンズ1のX軸およびY軸の方向)に配列し、レンズアレイを形成することができる。図7においては、6×6のレンズアレイが示されているが、これに限定されず、レンズアレイを複数のLED2からなるLED光源アレイに組み合わせることができる。図7に示す6×6のLEDアレイは、LED照明装置3を構成し、LED光源のロスを低減し、照度を高め、目標領域に、照度が均一で、略矩形の配光パターンを生成する。図7に示す6×6のレンズアレイを含むLED照明装置3は、街灯への使用のために設計された実施形態であり、レンズの配列方式は、限定されず、使用目的に応じ、変更することができる。例えば、車両用ランプまたはカメラのフラッシュなどの他の照明用途に適用させるために、5×4または2×1のアレイまたは直線配列、同心円配列、交差配列など、他の配列方式を採用することができる。
ホルダー(holder)4の形状、組立態様および寸法などは、限定されず、応用領域に応じ、設計を変更することができる。例えば、図6および図7に示すように、ホルダー4は、プラスチックの射出成形により、一体構造とすることができる。また、複数の部材を組み合わせた構造とすることもできる(図示せず)。図6に示すように、ホルダー4上には、少なくとも1つの孔溝41が設けられる。或いは、図7に示すように、ホルダー4上に複数の孔溝41が設けられ、孔溝からなるアレイが形成される。各孔溝41中には、光学レンズ1が嵌設され、図7に示すような6×6のレンズアレイが形成されるが、これに限定されない。また、各光学レンズ1には、LED2が組み合わされ、LED照明装置3が構成される。また、図1〜図7に示す本実施形態において、光学レンズ1の外形(即ち、外周部30)および寸法は、ホルダー4上に設けられた孔溝41に対応して設計され、光学レンズ1が孔溝41中に嵌設され、さらに、一体に接合される。接合方式は、接着剤による接着であるが、これに限定されず、防水効果に優れた接合方法が好ましい。
本実施形態によるLED照明装置3は、先ず、ホルダー4上に少なくとも1つの孔溝41が設けられ、次に、孔溝41に光学レンズ1が嵌設される。従って、ホルダー4と光学レンズ1とは、別々に製作することができる。また、孔溝41の形状は、基本的に、嵌設される光学レンズ1の外形に対応して設計されるため、本実施形態による光学レンズ1の成形金型の設計、製作および生産工程は、簡易である。また、光学レンズ1の光学面を簡単に好適な設計にすることができる。これにより、光学効率を高めるのに都合が良く、相対的に、LED照明装置3の組立作業が簡素化される。
1 光学レンズ
10 照明側光学面
11 中心軸
20 光源側光学面
21 凹部
22 凸部
23 中心軸
30 外周部
2 LED
201 光線
202 出射光
3 LED照明装置
4 ホルダー
41 孔溝
10 照明側光学面
11 中心軸
20 光源側光学面
21 凹部
22 凸部
23 中心軸
30 外周部
2 LED
201 光線
202 出射光
3 LED照明装置
4 ホルダー
41 孔溝
Claims (8)
- LED光源に組み合わせて使用される透明の光学レンズであり、
光源側光学面および照明側光学面を具え、
前記光源側光学面は、自由曲面公式により構成され、少なくとも1つのLED光源に対面することにより、前記LED光源から放出された光線は、前記光源側光学面から前記光学レンズ内部に入射され、
前記照明側光学面は、自由曲面公式により構成され、目標領域に対面することにより、前記LED光源から放出された光線は、前記光源側光学面から前記光学レンズ内部に入射された後、前記照明側光学面から前方の前記目標領域に照射され、
前記光源側光学面および照明側光学面が何れも自由曲面公式により構成されることにより、前記LED光源から放出された光線は、前記光学レンズにより屈折された後、前記目標領域に、長軸方向(X軸)の長さと、短軸方向(Y軸)の幅と、の比率が略矩形の配光パターンを生成することを特徴とするLEDの光学レンズ。 - 前記光学レンズが前記目標領域に生成する略矩形の配光パターンの長さ(長軸方向)と幅(短軸方向)との比率は、前記自由曲面公式の各光学パラメータを変更し、さらに、コンピュータソフトウェアにより、シミュレーションテストを行って定められることを特徴とする請求項1記載のLEDの光学レンズ。
- 前記光学レンズが前記目標領域に生成する略矩形の配光パターンの長さ(長軸方向)と幅(短軸方向)との比率は、3:1であることを特徴とする請求項1記載のLEDの光学レンズ。
- 前記光学レンズの前記光源側光画面および照明側光学面の外周の非光学面には、外周部がさらに設置されることを特徴とする請求項1記載のLEDの光学レンズ。
- 前記請求項1〜前記請求項6の任意の一請求項記載の光学レンズから構成され、
少なくとも1つの光学レンズ、少なくとも1つのLED光源およびホルダーを具え、
前記光学レンズは、透明のレンズ体であり、前記ホルダー上に設けられた孔溝中に嵌設され、少なくとも、自由曲面公式によって構成された光源側光学面および照明側光学面を具え、
前記LED光源は、前記光学レンズの光源側光学面に対面するように配置され、
前記ホルダーは、上部に、前記光学レンズが嵌設される少なくとも1つの孔溝が設けられ、
前記LED光源から放出された光線は、前記光学レンズの光源側光学面から光学レンズ内に入射されて前記照明側光学面から目標領域に照射され、前記光源側光学面および照明側光学面が自由曲面公式により構成されることにより、LED光源から放出された光線は、前記目標領域に、長さ(長軸方向)と幅(短軸方向)との比率が略矩形の配光パターンを生成することを特徴とするLED照明装置。 - 前記光学レンズに、前記ホルダー上の孔溝に対応する外周部が設置されることにより、前記光学レンズは、前記孔溝中に嵌設され、一体に接合されることを特徴とする請求項6記載のLED照明装置。
- 前記ホルダー上には、複数の孔溝が設けられることにより、孔溝アレイが形成されることを特徴とする請求項6記載のLED照明装置。
Applications Claiming Priority (1)
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