JP3214118U - 色分散を解消できる直射式ｌｅｄ照明モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】配光の空間的色ずれ現象を低減し、色分散を解消できる、直射式ＬＥＤ照明モジュールを提供する。【解決手段】色分散を解消できる直射式ＬＥＤ照明モジュールは、車両用ＬＥＤ灯具に改良を加え、関連法定基準を満たすようにしたものであり、ＬＥＤ（発光ダイオード）光源１０と平凸レンズ２０を含み、ＬＥＤ光源１０は平凸レンズ２０の焦点上に設置され、ＬＥＤ光源１０が発する光線は平面２１の一方側から入射し凸面２２の一方側から出射し、平凸レンズ２２によりＬＥＤ光源１０の光線を前方に集束して所望の配光を形成し、平凸レンズ２２の平面２１上には微細構造２３を設ける。【選択図】図２

Description

本考案は照明モジュールに関し、特に車等の乗り物に応用され、色分散を解消できる直射式ＬＥＤ（発光ダイオード）照明モジュールに関する。

ＬＥＤは半導体素子の一種であり、体積が小さい、高効率、寿命が長い、破損しにくい等、従来の光源とは比べ物にならない利点を有し、順電圧を印加すると、ＬＥＤは単色かつ不連続の光源を発し、蛍光体の組成を変えることにより、ＬＥＤが異なる色の光源を発することが可能になる。しかし、光束と耐熱劣化性に先天的な問題があり、車両用灯具への応用が難しい。

近年では、製造工程と技術の改良に伴い、ＬＥＤの光束と耐熱劣化性は大幅に向上し、その体積が小さく光度が高い特性は、限られた空間内にある車両用灯具の設計に非常に適しているため、自動車用前照灯として取り入れられる傾向にある。しかし、従来の自動車用前照灯のほとんどは双曲面鏡または放物面鏡を採用した設計であり、いかなる構造でもＬＥＤ自体の特性（発光面積が小さくかつ集中している、光源の指向性が高い、光熱分離）を発揮するのは難しい。このため、従来の前照灯の光学構造はＬＥＤ光源には適さない。

ＬＥＤ自体は蛍光体を採用しているため、ある程度の空間的色ずれ現象をもたらす。屈折素子（例えば、レンズ）を有する光学システムに応用する場合、色分散現象が発生し、全体的な配光の空間的色ずれはさらに深刻になる。したがって、どのように一定の光度を維持した状況下で色ずれ現象を解消するかが、ＬＥＤを車両用灯具に応用する際の最も難渋な問題といえる。

特許文献１では、２種類の異なる屈折率のレンズを組み合わせた単一レンズを利用し、２種類のレンズの屈折率の差により、異なる波長の光路差を近づけて、ＬＥＤ光源の車両用灯具の色ずれを解消している。しかし、２種類の材質のレンズを組み合わせて結合する製造工程技術は難易度が高く、コストも高く、また材料の選択も限られ、応用レベルは高くない。特許文献２では、特定の領域にサンドブラスト処理を施すことにより、特定領域の色分散現象を解消しているが、光線透過率が大幅に低下し、全体的な光学効率に重大な影響を与えることにつながる。

したがって、ＬＥＤを車両用灯具に応用する際の問題点をどのように克服し、一定の光度を維持した状況下で色ずれ現象を解消するかは、実用的な価値のある技術的課題である。

中国特許第２０４６１１６６３号明細書 中国特許第１０３６７２７３３号明細書

以上の問題に鑑みて、本考案の主な目的は、微細構造により配光の空間的色ずれ現象を低減することで色分散を解消することができ、関連法定基準を満たし、各種車両への搭載に適し、製造コストが低く、量産が容易で、製品の市場競争力を高めるのに役立つ、色分散を解消できる直射式ＬＥＤ照明モジュールを提供することである。

上述の目的を達成するため、本考案が開示する色分散を解消できる直射式ＬＥＤ照明モジュールは、ＬＥＤ光源および平凸レンズを含み、ＬＥＤ光源は平凸レンズの焦点上に設置され、平凸レンズの構成により所望の配光に調整し、平凸レンズは凸面および平面を有し、ＬＥＤ光源は平面の一方側に設置され、そのＬＥＤ光源が発する光線は平面から入射して凸面から出射する。さらに平面上には微細構造を有し、微細構造の各寸法は０．８〜４．０ｍｍであり、ＬＥＤ光源の光軸との夾角が１５度より大きい外側の領域に配置され、これによりレンズ自体がもたらす空間的色ずれ現象を解消して色分散を解消できる。

本考案で使用される微細構造の配置の領域は、平凸レンズの平面全体の４０％以内である。微細構造は、平面に沿って延伸し外向きに突起する柱状物が好ましく、柱状物の断面形状は例えば円弧形状または三角形であり、上述の寸法はその幅と高さを指す。このようにすることで、色分散の解消が効果的に達成できる。

本考案が提案する色分散を解消できる直射式ＬＥＤ照明モジュールは、微細構造を平凸レンズの平面上に設置し、ＬＥＤ光源を平面の一方側の焦点に設置し、ＬＥＤ光源の光線が平面から入射して凸面から出射するようにすることで、ＬＥＤ光源自体がもたらす空間的色ずれ現象を解消し、色分散解消の目的を達成できる。さらに、微細構造を平凸レンズの平面上に設置することにより、加工難易度が大幅に低減され、コスト削減にも有効であり、凸面部分は使用状態に合わせて調整して所望の配光を形成することができ、複数のレンズを組み合わせる方式を採用する以外にも、凸面の表面にさまざまな溝やパターンを形成することもでき、車両用灯具装置に適用できるだけでなく、さまざまな照明のニーズに合わせて応用し、製品に高い付加価値を提供するとともに、市場に新たな商機を創り出すことが可能となる。

本考案の詳細内容および技術は、以下の図面を参照しながら説明する。

本考案第一実施例における色分散を解消できる直射式ＬＥＤ照明モジュールを示す図。 本考案第二実施例における色分散を解消できる直射式ＬＥＤ照明モジュールを示す図。 本考案の色分散を解消できる直射式ＬＥＤ照明モジュールの微細構造の配置範囲を示す図。 本考案の色分散を解消できる直射式ＬＥＤ照明モジュールの微細構造の配置範囲を示す図。 本考案の色分散を解消できる直射式ＬＥＤ照明モジュールの微細構造の局部拡大図。 本考案の色分散を解消できる直射式ＬＥＤ照明モジュールの微細構造の断面図。 本考案の色分散を解消できる直射式ＬＥＤ照明モジュールの微細構造の断面図。

本考案の色分散を解消できる直射式ＬＥＤ照明モジュールの技術的特徴を明確に開示するため、以下に幾つかの実施例を挙げると同時に図面を用いて本考案の技術的特徴を詳細に説明する。

本考案の第一実施例における色分散を解消できる直射式ＬＥＤ照明モジュールを示す図１を参照されたい。

本実施例の色分散を解消できる直射式ＬＥＤ照明モジュールは、図１に示すように、ＬＥＤ光源１０および平凸レンズ２０を含み、ＬＥＤ光源１０は１個以上のＬＥＤチップを備えることができ、平凸レンズ２０の焦点上に設置される。平凸レンズ２０は平面２１および凸面２２を有し、ＬＥＤ光源１０は平面２１の一方側に設置され、そこから発せられる光線は平面から入射して凸面から出射する。

平凸レンズ２０の凸面２２の構成は、主に所望の配光を形成するのに用いられ、応用する製品によって設計に変更を加えられる。例えば、車両用前照灯に応用する場合、車両用照明の法規には中心領域から外れた部分にも要求される最低光度の基準があるため、多重焦点レンズを利用して角度が大きい領域の配光を調節することができる。図２は本考案の第二実施例における色分散を解消できる直射式ＬＥＤ照明モジュールを示す図である。平凸レンズ２０は複数の共焦点レンズ２０１が水平方向に組み合わされて成り、これらの共焦点レンズ２０１の焦点設計は共通であり、ＬＥＤ光源１０はその共通焦点の位置に設置される。各共焦点レンズ２０１は調整が必要な光源や配光等に基づいて、異なる構成または曲率により共焦点レンズ２０１をカットでき、各共焦点レンズ２０１の垂直方向の曲率も非対称にできる。図に示すのは４組の共焦点レンズ２０１を組み合わせた構成であるが、これは例示に過ぎず、４組を採用する構成に限定するものではなく、その組数、曲率、対称性、構成等はいずれも調整を必要とする光源や配光に基づき変更可能である。

車両用前照灯の法定基準について、主にＥＣＥＲ１１２ＣｌａｓｓＢを参照し、車両用前照灯の各位置の光度基準と上述した図２の実施形態によりシミュレートした数値を比較した詳細が次の表１である。

このように、この形態のシミュレーション数値を見ると、その光度はいずれも法定基準を満たしている。

ＬＥＤ光源の波長、光路差等の原因により色分散の状況が起こる。例えば、一般的な白色ＬＥＤに関していえば、その白色を生成する方式は、青色ＬＥＤチップにより黄色蛍光体を励起して白色白光を作り出すものであるため、その発光スペクトルは主に短波長の青色光と長波長の黄色光の２大部分に集中し、この２色の光はレンズに対する屈折率が異なる。ＰＣ材質であれば、黄色光の屈折率は１．５８９であり、青色光の屈折率は１．６０８であるため、黄色光の偏向程度は青色光よりも低く、例えば２５ｍ先の配光も異なることから、この物理的現象により色分散が起こる。このように、車両用灯具の配光分布は色空間の分布が不均等になるという問題を抱えている。

レンズの中央領域ではその黄色光と青色光は入射角度が小さく、配光の中間領域はほぼ平行光で出射するため、中央領域におけるその色度分布は均等な白色光である。しかし、配光の辺縁領域部分では、黄色光と青色光がレンズを離れた時の角度の差が大きいため、問題がより深刻になる。したがって、上部と下部の両側で生じる色分散が最も顕著であり、中でもＬＥＤ発光面の光軸との夾角が１５度を超える領域で最も顕著になる。

本考案の色分散を解消できる直射式ＬＥＤ照明モジュールの微細構造の配置範囲を示す図３Ａ、図３Ｂを参照されたい。

加工の難易度を低減するために、本考案は微細構造２３を平凸レンズ２０の平面２１の一方側に設置する。前述したように、微細構造２３は色分散の問題を解消するのに用いられるため、ＬＥＤ光源１０の光軸との夾角が１５度より大きい外側の領域、つまり色分散が最も顕著な領域に配置される。微細構造２３の各寸法の好ましい値は０．８〜４．０ｍｍであり、これにより色分散解消の目的が達成できる。また、微細構造２３を加えると光線の透過率が低下するため、灯具の光度に影響が出る。したがって、微細構造２３の配置領域は平凸レンズ２０の平面２１の４０％を超えないことが好ましい。

図４を参照されたい。ここにおける微細構造２３は平凸レンズ２０の平面２１から外向きに突起した複数の柱状物を含み、微細構造２３の寸法はその柱状物の幅と高さを指す。また、柱状物の断面形状は円弧形状（図５Ａ参照）または三角形（図５Ｂ参照）であり、円弧形状の場合はその弦長および矢高が０．８〜４．０ｍｍとなり、三角形の場合はその底辺および高さが０．８〜４．０ｍｍとなり、このようにすることで色分散の問題を有効に解消できる。

前述の図２の実施形態を併せて参照すると、微細構造２３は、平凸レンズ２０の平面２１の上部と下部の両側において、水平縦向きに配置され、その断面形状は半円形を例とし、その関連シミュレーション数値は次の表２のとおりである。

このように、微細構造２３を加えた後も、シミュレーション数値は依然として法定基準を満たしているだけでなく、灯具装置に取り付けた後を考慮すると、５〜８％の光損失があり、さらに、シミュレーション数値が最も基準値に近いＩｍａｘを見ると、基準値を３８％だけ上回る。つまり、全体の光度維持率がいずれも７０％以上であることから、微細構造を灯具装置に取り入れても法定基準を満たせることがわかる。

また、前述の微細構造の配置例は図２の実施形態に合わせた設計であり、実際の使用ニーズに基づいて配置領域を非対称の設計にすることも可能であり、当然各柱状物の高さや幅が異なってもよく、配置角度を水平にしなくてもよい。図中に示した形態は説明のための例示に過ぎず、本考案の応用方式と範囲を限定するものではない。

本考案の好ましい実施例を前述のとおり開示したが、これは本考案を限定するためのものではなく、当該技術を熟知する者であれば誰でも、本考案の精神および範囲を逸脱しない限り、多少の変更や潤色を加えることができる。したがって、本考案の保護範囲は、実用新案登録請求の範囲で指定した内容を基準とする。

１０ ＬＥＤ光源
２０ 平凸レンズ
２０１ 共焦点レンズ
２１ 平面
２２ 凸面
２３ 微細構造

Claims (11)

1. 光線を発することができるＬＥＤ（発光ダイオード）光源と、
   凸面および平面を有し、前記ＬＥＤ光源に近接設置される平凸レンズであって、前記ＬＥＤ光源は前記平凸レンズの焦点上に位置し、前記ＬＥＤ光源が発した光線は前記平面から入射するとともに、前記凸面から出射し、前記平面上には微細構造をさらに有し、前記微細構造の各寸法は０．８〜４．０ｍｍであり、かつ前記微細構造は前記ＬＥＤ光源の光軸との夾角が１５度より大きい外側の領域に配置される、平凸レンズと、
   を含む、色分散を解消できる直射式ＬＥＤ照明モジュール。
2. 前記ＬＥＤ光源は１個以上のＬＥＤチップを含む、請求項１に記載の色分散を解消できる直射式ＬＥＤ照明モジュール。
3. 前記平凸レンズは複数の共焦点レンズから構成され、前記ＬＥＤ光源はこれらの前記共焦点レンズの共通焦点上に設置される、請求項１に記載の色分散を解消できる直射式ＬＥＤ照明モジュール。
4. これらの前記共焦点レンズは水平方向に組み合わせて配置される、請求項３に記載の色分散を解消できる直射式ＬＥＤ照明モジュール。
5. 前記微細構造が配置される前記領域は前記平凸レンズの前記平面の４０％以内である、請求項１に記載の色分散を解消できる直射式ＬＥＤ照明モジュール。
6. 前記微細構造は前記平凸レンズの前記平面から外向きに突起する複数の柱状物を含む、請求項１に記載の色分散を解消できる直射式ＬＥＤ照明モジュール。
7. 前記柱状物の断面形状は円弧形状である、請求項６に記載の色分散を解消できる直射式ＬＥＤ照明モジュール。
8. 前記柱状物の断面形状は三角形である、請求項６に記載の色分散を解消できる直射式ＬＥＤ照明モジュール。
9. 前記微細構造の前記寸法は前記柱状物の幅と高さを指す、請求項６に記載の色分散を解消できる直射式ＬＥＤ照明モジュール。
10. 前記微細構造の前記柱状物は前記平凸レンズの前記平面の上部と下部の両側に配置される、請求項６に記載の色分散を解消できる直射式ＬＥＤ照明モジュール。
11. 前記柱状物は上下方向に沿って配置され、かつ前記微細構造の配列方向は前記柱状物の配置方向に垂直である、請求項１０に記載の色分散を解消できる直射式ＬＥＤ照明モジュール。