JP3162092U - 光学素子及びｌｅｄ発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】出射光の利用効率を高め、色ムラを抑制しつつも、薄形化を図ることができるＬＥＤ発光装置及び光学素子を提供する。【解決手段】円盤部１１ａの下面を粗し面としたことで、上面から出射する光の量を増大させることができる。又、粗し面で反射させることで、反射している間に混色が促進され、ＬＥＤ発光光固有の色ムラを低減できる。【選択図】図１

Description

本考案は、ＬＥＤ光源を用いたＬＥＤ発光装置及びそれに用いる光学素子に関する。

近年、環境保護が叫ばれている中、発光装置に用いている旧来の光源をＬＥＤ光源に代替しようとする動きがある。ＬＥＤ光源を用いた代替の発光装置は、例えば汎用の白熱電球や蛍光灯に比べ、熱を持たない、電力消費量が少ない、寿命が長い等の特長がある反面、要求される照度水準が単体では未だ充分でないという問題がある。一方、十分な照度を確保するためにＬＥＤ光源の数を増やすと、発光装置全体として高価になりコスト的な問題が生じてしまう。

これに対し、特許文献１、２に示すように、ＬＥＤ光源からの光を通過させる光学素子の出射面形状を工夫して、ＬＥＤ光源からの照射光を有効に利用しようとする考えもある。

特表２００２−５２８８６１号公報 特開２００７−１４２１７８号公報

ここで、例えばＬＥＤ発光装置を屋内照明に用いるような場合、インテリアデザインの自由度を高めるためには、ＬＥＤ発光装置を極力薄形化することが望まれる。ところが、特許文献１，２のような光学素子の形状では、或る程度出射光の利用効率を高めることはできるが、光学素子の光軸方向の厚みが大きく、ＬＥＤ発光装置の薄形化が図れないという問題がある。更に、ＬＥＤ光源を用いた場合に生じやすい出射光の色ムラを抑制したいという要請もある。

本考案は、かかる従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、出射光の利用効率を高め、色ムラを抑制しつつも、薄形化を図ることができるＬＥＤ発光装置及びＬＥＤ発光装置用の光学素子を提供することを目的とする。

請求項１に記載の光学素子は、ＬＥＤ光源と、前記ＬＥＤ光源から出射された光を透過する光学素子とを有するＬＥＤ発光装置用の光学素子であって、
前記光学素子は、板状部と、前記板状部の一方の面に一体的に形成された凸部とを備え、前記ＬＥＤ光源から出射された光は、前記凸部から入射して、前記板状部の他方の面から出射するようになっており、
前記一方の面における空気と接する面は粗し面となっていることを特徴とする。

本考案によれば、板状部と、前記板状部の一方の面に一体的に形成された凸部とを備えた光学素子を用いることで、ＬＥＤ発光装置の薄形化を図ることができる。又、前記ＬＥＤ光源から出射された光は、前記凸部から入射して、前記板状部内に進入した後、全反射してしまい、板状部材の外部に取り出されず光利用効率が低減してしまう場合があるが、一方の面における空気と接する面が粗し面となっているので、一度全反射した光も粗し面にて散乱され、板状部材の外部へと放出されるため、光利用効率の低減を防止でき、更に、粗し面の散乱を利用して、混色が促進され色ムラを抑制することも可能となる。

請求項２に記載の光学素子は、請求項１に記載の考案において、前記ＬＥＤ光源は複数個設けられ、前記光学素子は、前記ＬＥＤ光源の数に対応する複数個の前記凸部を有することを特徴とする。これにより、出射光の光強度を任意に設定できる。

請求項３に記載の光学素子は、請求項１又は２に記載の考案において、前記板状部の他方の面には、色ムラ低減構造が形成されていることを特徴とする。これにより、更なる色ムラ低減効果が期待できる。

請求項４に記載の光学素子は、請求項１〜３のいずれかに記載の考案において、前記板状部の一方の面における粗し面の面積は、前記一方の面と前記凸部とが接する面積の合計よりも大きいことを特徴とする。これにより、更に色ムラを抑制しつつ出射光の利用効率を高めることができる。

請求項５に記載のＬＥＤ発光装置は、請求項１〜４のいずれかに記載の光学素子を有することを特徴とする。

本考案に係るＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）発光装置は、ＬＥＤ光源と、光学素子と、を有するものである。

ＬＥＤ光源は、単色のＬＥＤで構成しても良い。また、複数のＬＥＤ各々を、光学素子の中心に対して対称に配置しても良いし、非対称に配置しても良い。さらに、ＬＥＤ光源に複数色のＬＥＤを用いる場合において、光学素子の中心に対してＬＥＤの色を対称に配置しても良いし、非対称に配置しても良い。

ＬＥＤ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。

光学素子は、ＬＥＤ光源の出射側に配置されており、板状部と、板状部の一方の面に一体的に形成された凸部とを備え、ＬＥＤ光源から出射された光は、凸部から入射して、板状部の他方の面から出射するようになっており、板状部の一方の面における空気と接する面は粗し面となっている。

光学素子は、プラスチックを金型で一体成形することにより形成できる。光学素子を構成するプラスチックとしては、環状ポリオレフィン、ポリカーボネート等の熱可塑性プラスチック、熱硬化性プラスチック、光硬化性プラスチック、ＵＶ硬化性プラスチックなどを用いることができる。環状ポリオレフィンやポリカーボネート等の熱可塑性プラスチックを用いる場合、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ため、より好ましく用いることができる。特に、ポリカーボネートをより好ましく用いることができる。

板状部は、好ましくは円盤形状であり、板状部の直径Ｄと厚みｔとの比率（ｔ／Ｄ）は、１／５〜１／２０であると更に好ましい。凸部は、入射面径より出射面径が大きな円錐形状又は紡錘形状であると好ましい。板状部の一方の面（凸部が設けられた面）には、好ましくは凸部以外の全面を粗し面とするのが望ましい。「粗し面」とは表面粗さＲｚ（十点平均粗さ）の値が１μｍ以上１００μｍ以下の面をいう。凸部の外周や、粗し面に銀やアルミのメッキや蒸着などで反射膜を形成しても良い。

また、板状部の他方の面である出射面に、色ムラ防止構造を設けても良い。色ムラ防止構造とは、例えばハニカム形状、粗し面、輪帯形状などの小さい凹凸構造である。

ＬＥＤ発光装置を搭載した発光器具としては、室内や室外で用いられる、一般発光用器具（レーザーポインター、インジケーターなど）、住宅用照明器具、オフィス用照明器具、店装・展示用照明器具、街路灯用照明器具、誘導灯器具及び信号装置、広告塔、照明用ポール、水中照明用ライト、ストロボ用ライト、スポットライト、ダウンライト、懐中電灯、電光掲示板（サインボード）、調光器、自動点滅器、ディスプレイ等のバックライト、静止画表示装置、動画表示装置、照光式スイッチ、光センサ、医療用ライト、車載ライト等が挙げられる。

本考案によれば、出射光の利用効率を高め、色ムラを抑制しつつも、薄形化を図ることができるＬＥＤ発光装置及びＬＥＤ発光装置用の光学素子を提供することができる。

本実施の形態にかかるＬＥＤ発光装置の断面図である。 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。 本実施の形態の変形例にかかる図２と同様な図である。 光学素子の円盤部のみを切り取って示す断面図であり、（ａ）は下面を鏡面とした比較例であり、（ｂ）は下面を粗し面とした本実施の形態である。 本実施の形態の変形例にかかる光学素子の上面斜視図である。

以下、添付した図面を参照しながら、本考案の実施形態を説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。

図１は、本実施の形態にかかるＬＥＤ発光装置の断面図であるが、光学素子は側面図としている。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１において、ＬＥＤ発光装置１０は、光学素子１１と、光学素子１１を保持する中空円筒状の鏡枠１２と、３つのＬＥＤ発光部１３ａを備えた基板１３とを有する。

光学素子１１は、板状部である円盤部１１ａと、円盤部１１ａの下面に設けられた３つの凸部である円錐部１１ｂとからなり、プラスチックを素材として金型から一体的に成形される。本実施の形態では、円盤部１１ａの上面は鏡面としている。一方、円錐部１１ｂ以外の円盤部１１ａの下面（空気に接する面）には、金型に凹凸を形成することで転写形成された粗し面１１ｃが形成されている。

粗し面の総面積をＳ１（図２、図３における網かけ部）とし、円盤部１１ａと円錐部１１ｂの接触面の総面積をＳ２（図２、図３における白抜き部）とすると、Ｓ１＞Ｓ２であることが、後述する光の利用効率を高める上で望ましい。尚、変形例である図３に示すように、円錐部１１ｂの一部同士が互いに重なっていても良いが、かかる場合にもＳ１＞Ｓ２とすることが望ましい。

鏡枠１２の上端は、円盤部１１ａの下面に当接するようにして接着され、鏡枠１２の下端は、基板１３の上面に接着される。基板１３の上面には、円錐部１１ｂの中央に位置するようにして、ＬＥＤ発光部１３ａが形成されている。尚、白色光を出射する仕様では、ＬＥＤ発光部１３ａとして白色ＬＥＤ素子を用いても良いが、その代わりに青色ＬＥＤ素子を用いる場合には、青色ＬＥＤ素子と円錐部１１ｂとの間に黄色蛍光体を配置しても良い。これにより発光した青色光が黄色蛍光体を通して白色光に変化する。

本実施の形態では、ＬＥＤ発光部１３ａから出射した光は、円錐部１１ｂの下端面から入射し、円錐部１１ｂ内を進行して円盤部１１ａ内に進入する。ここで一部の光は、円盤部１１ａの上面（出射面）から出射するが、残りは上面で反射して円盤部１１ａの下面側に向かう。

図４を参照して、比較例と比較して本実施の形態の効果を説明する。図４（ａ）に示すように、円盤部１１ａの下面が粗し面でなく鏡面となっている場合、上面で反射された光は、矢印で示すように下面に向かい、下面で反射されて再び上面に向かうというように、円盤部１１ａ内で反射を繰り返す。このように円盤部１１ａ内を全反射してしまう光線は出射されず効率の低下の一因となる。

これに対し、本実施の形態によれば、図４（ｂ）に示すように、円盤部１１ａの下面が粗し面であるので、上面で反射された光は、矢印で示すように下面に向かい、下面で反射されたとき、点線で示すように、一部の光は出射角が変化する。従って、円盤部１１ａの上面に対して深い入射角で入射した光は、そこから出射することとなる。一方、円盤部１１ａの上面に浅い角度で入射して全反射した光も、その一部は再度下面で反射した際に出射角が変化するため、次に上面から出射することが期待される。

このように、本実施の形態によれば、円盤部１１ａの下面を粗し面としたことで、上面から出射する光の量を増大させることができる。又、粗し面で反射させることで、反射している間に混色が促進され、ＬＥＤ発光光固有の色ムラを低減できる。

図５は、本実施の形態の変形例を示す図である。図５においては、円盤部１１ａ’の上面に色ムラ防止構造として、微細なセルを持つハニカム構造体１１ｄ’を形成している。それ以外の構成については、上述した実施の形態と同様である。色ムラ防止構造としては、これ以外にも、粗し面や輪帯構造や微小なレンズアレイを設けても良い。

本考案により、出射光の利用効率を高め、色ムラを抑制しつつも、薄形化を図ることができるＬＥＤ発光装置を提供することができるので、一般照明用のＬＥＤ発光装置の普及を促進することができる。

１０ ＬＥＤ発光装置
１１ 光学素子
１１ａ、１１ａ’ 円盤部
１１ｂ 円錐部
１１ｃ 粗し面
１１ｄ’ ハニカム構造体
１２ 鏡枠
１３ 基板
１３ａ 発光部

Claims (5)

1. ＬＥＤ光源と、前記ＬＥＤ光源から出射された光を透過する光学素子とを有するＬＥＤ発光装置用の光学素子であって、
   前記光学素子は、板状部と、前記板状部の一方の面に一体的に形成された凸部とを備え、前記ＬＥＤ光源から出射された光は、前記凸部から入射して、前記板状部の他方の面から出射するようになっており、
   前記一方の面における空気と接する面は粗し面となっていることを特徴とする光学素子。
2. 前記ＬＥＤ光源は複数個設けられ、前記光学素子は、前記ＬＥＤ光源の数に対応する複数個の前記凸部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. 前記板状部の他方の面には、色ムラ低減構造が形成されてい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. 前記板状部の一方の面における粗し面の面積は、前記一方の面と前記凸部とが接する面積の合計よりも大きいことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光学素子。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の光学素子を有することを特徴とするＬＥＤ発光装置。