JP3813509B2

JP3813509B2 - Lens-integrated light emitting device and aviation obstacle light

Info

Publication number: JP3813509B2
Application number: JP2001401998A
Authority: JP
Inventors: 昌孝白土; 佳典本宮; 剛志森野; 光三小川
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2001-12-28
Filing date: 2001-12-28
Publication date: 2006-08-23
Anticipated expiration: 2021-12-28
Also published as: JP2003204083A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、集光レンズ、レンズ一体型発光素子及び灯火装置に関し、特に航空障害灯や信号灯等に用いられるのに適したものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
航空機等に対し高層ビルの位置・高さを示すための航空障害灯が従来より用いられている。現在用いられている航空障害灯は電球型ランプを中心に大型レンズにより配光制御を行なうものが主流である。航空障害灯は高層ビルの屋上等、人の近づきにくい場所に設置されるのが通常であり、電球交換等メンテナンスの頻度低下が望まれていた。
【０００３】
一方、近年ＬＥＤ（発光ダイオード）の高輝度化が急速に進み、大光量のパワーＬＥＤが市販化されつつある。ＬＥＤは一般に電球よりも長寿命であるので、メンテナンス間隔を例えば５倍にできる等、非常にメリットが大きいと期待されてきた。
【０００４】
しかしながら、光源を電球からＬＥＤに切り替えると、航空障害灯の設計・構成は大幅に変更しなくてはならなくなる。すなわち、１〜２個の電球の周りに大型の配光レンズを配置する電球タイプに対して、ＬＥＤでははるかに多数（１０００個近く）のＬＥＤを集積しなければ同等の光量を発生することは難しい。
【０００５】
このため、灯体中の発光点の分布領域は電球の場合に比べてはるかに大きくならざるをえない。よって、単体の大型レンズでの配光制御は不可能であり、個々あるいは少数のＬＥＤ毎に小さな配光レンズを取り付けて配光制御しなければならないことから、全体として配光制御は困難になると言える。
【０００６】
従来、より低い光度しか要求されない用途の航空障害灯においては、小型の砲弾型レンズ付ＬＥＤを多数集積して、ある程度の光度を実現していた。この種の航空障害灯としては、例えば実用新案登録第２５５３５１５号あるいは特開平０９−０６９３０４に開示されているような構成が知られている。
【０００７】
図２０はこのようなＬＥＤを用いた航空障害灯１０を一部切欠して示す側面図である。航空障害灯１０は、基体１１と、この基体１１に支持された発光部１２とを備えている。発光部１２は後述する砲弾型レンズ付ＬＥＤ１５を支持する錐体状の支持部１３と、この支持部１３を覆うカバー１４とを備えている。支持部１３の外周には約１０００個の砲弾型レンズ付ＬＥＤ１５が密集して配置されている。
【０００８】
各々の砲弾型レンズ付ＬＥＤ１５は、例えば図２１に示すように構成されており、砲弾型レンズ１５ａと、その内部に収容された発光素子１５ｂとを備えている。これら単体の砲弾型レンズ付ＬＥＤ１５は軸対称な形状をもち、軸方向を中心に３０°程度の円錐形状の範囲に光を発散する。これらを支持部１３の周りに密集して配置することにより、水平方向または水平よりもやや上方を中心に３０°程度の範囲に集中するような配光を実現していた。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上述した航空障害灯であると次のような問題があった。すなわち、より高光度な用途の航空障害灯においては、所定の方向に対しては高い光度が必要とされるとともに、他の方向については高い光度の光が漏れて環境公害を起こさないための配慮が必要となる。
【００１０】
航空障害灯の光度分布配光特性は、例えば、国土交通省航空局管制保安部保安企画課航行視覚援助業務室発行の航空障害灯仕様書第２４３号改６により規定されている。この規則は、近年の生活環境保護の動きにしたがい、かなり技術的に厳しい内容となっている。特に、図２２に示すように、鉛直角度−１°から０°の間は、光度の上限と下限が非常に狭く、かつ、急激に立ち上がっている。
【００１１】
このため、３０°の配光広がりを有している従来の砲弾型レンズ付ＬＥＤ１５を使用することができない。また、遠方で必要とされる急峻な光度変化を実現しようとすると、光の利用効率をある程度以上高く設定することが難しくなる等の問題があった。
【００１２】
そこで本発明は、光源から発生する光を所定の方向に効率的に出射させることで、厳しく規制された配光特性を実現することが可能な集光レンズ、レンズ一体型発光素子及び灯火装置を提供することを目的としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決し目的を達成するために、本発明の航空障害灯は次のように構成されている。
【００１８】
柱状に形成された発光素子保持具と、この発光素子保持具の外周壁に配列されたレンズ一体型発光素子とを備え、前記レンズ一体型発光素子は、微小発光部と、使用波長域において透明な部材からなり、前記微小発光部から出射された光を集光する集光レンズとを有し、前記集光レンズは、前記微小発光部から出射される光を導入する入射面と、この入射面より入射した光を偏向してその出射方向が少なくとも所定方向において所定の角度範囲内に規制され、偏平な光度分布を有する光を出射し、前記所定方向に平行な切断面の外周が楕円に形成された出射面とを有し、前記微小発光部は、少なくとも前記楕円の短軸方向に沿って所定の長さを有し、前記楕円の長軸上にその端部が位置するものであることを特徴とする。
【００２６】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の第１の実施の形態に係るレンズ一体型発光素子１００を示す斜視図、図２は同レンズ一体型発光素子１００を示す縦断面図である。レンズ一体型発光素子１００は、これを後述する図１５及び図１６に示すような筒状の発光素子保持具の外壁面に多数貼りつけ、高層ビル屋上等に配置される航空障害灯等として用いるものである。航空障害灯として用いる場合には、水平方向近傍には全方位に光を発するが、斜め下方または斜め上方等にはほとんど光を発しないような、光を必要な方向にのみ高効率で発し、不要な方向には光を発しない性質が必要とされる。所定面は、鉛直方向(Ｚ軸)と光軸方向(Ｘ軸)を含む平面とする。
【００２７】
レンズ一体型発光素子１００は、発光デバイス１１０と、この発光デバイス１１０に取り付けられた集光レンズ１２０とを備えている。
【００２８】
発光デバイス１１０は、素子基体１１１と、この素子基体１１１に設けられた凹部１１２と、凹部１１２の底面に設けられた例えばＬＥＤチップ等の微小発光部１１３とを備えている。凹部１１２は、微小発光部１１３を保護するために例えばシリコン樹脂等の透明物質１１４で満たされている。この透明物質１１４は、集光レンズ１２０と同じ材料を用いるか、あるいは、集光レンズ１２０の材料の屈折率と同じか、大きく変わらない屈折率をもつ材料のものを用いるのが好ましい。
【００２９】
集光レンズ１２０は柱状レンズであり、出射面（楕円柱面）１２１及び入射面１２２を有する。出射面１２１の断面形状は、微小発光部１１３を焦点Ｑｆ付近に位置するようにした楕円Ｑの半分と長方形を組み合わせた形状である。集光レンズ１２０の材料としては、例えばアクリルやポリカーネイト等の光透過性の高い樹脂、あるいは光透過性の高い光学ガラス等が好ましい。
【００３０】
図２に基づいて、楕円Ｑの具体的な形状について説明をする。楕円Ｑの長軸半長をＬ、レンズ材料の屈折率をｎとした場合に、楕円Ｑの中心点Ｑｃと焦点Ｑｆとの距離ｆは、
ｆ＝Ｌ／ｎ…（１）
と表すことができる。このような楕円Ｑの焦点Ｑｆに点光源を置いた場合、出射面１２１から出射する光線Ｋは、楕円Ｑの長軸と平行になる。したがって、微小発光部１１３を焦点Ｑｆ付近に配置することにより、出射面１２１から出射するほとんどの光線Ｋについて、光線Ｋの伝搬方向と長軸とがなす角度を微小角度以内に偏向するような効果が得られる。
【００３１】
また、図２に示した以外の断面、すなわち微小発光部１１３を含まない断面上においても、前記と同等あるいは類似した効果を得ることが出来る。したがって、微小発光部１１３を含む発光デバイス１１０と集光レンズ１２０により、扁平な光度分布を得ることができる。
【００３２】
上述したように本発明の第１の実施の形態に係るレンズ一体型発光素子１００によれば、光源から発生する光を水平方向に効率的に出射させるとともに、それ以外の方向についてはほとんど光を出射することがなく、厳しく規制された配光特性を実現することが可能である。
【００３３】
図３は本第１の実施の形態に係るレンズ一体型発光素子の第１の変形例に係るレンズ一体型発光素子１００Ａを示す縦断面図である。なお、図３において上述した図１及び図２と同一機能部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００３４】
レンズ一体型発光素子１００Ａの集光レンズ１２０は、上述したレンズ一体型発光素子１００に比べて微小発光部１１３に対する楕円Ｑ′の相対的な大きさが小さく形成されている。遠方における扁平な光度分布の幅は、微小発光部１１３の大きさに対すると楕円Ｑ′との相対的な大きさによって変化することから、本第１の変形例の場合には、光度分布の幅は広くなる。
【００３５】
図４は本第１の実施の形態に係るレンズ一体型発光素子の第２の変形例に係るレンズ一体型発光素子１００Ｂを示す縦断面図である。なお、図４において上述した図１及び図２と同一機能部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００３６】
レンズ一体型発光素子１００Ｂの集光レンズ１２０は、上述したレンズ一体型発光素子１００に比べて微小発光部１１３に対する楕円Ｑ″の相対的な大きさが大きく形成されている。遠方における扁平な光度分布の幅は、微小発光部１１３の大きさに対すると楕円Ｑ″との相対的な大きさによって変化することから、本第２の変形例の場合には、光度分布の幅は狭くなる。
【００３７】
レンズ一体型発光素子１００Ａ，１００Ｂに示すように、楕円Ｑの形状（離心率）を変えずに大きさだけを変えることにより、光度分布の広がりの大きさを所望の角度となるように自在に制御することが可能となる。
【００３８】
図５は本第１の実施の形態に係るレンズ一体型発光素子の第３の変形例に係るレンズ一体型発光素子１００Ｃを示す縦断面図である。なお、図５において上述した図１及び図２と同一機能部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００３９】
レンズ一体型発光素子１００Ｃは、楕円Ｑの長軸上に、微小発光部１１３の端１１３ａが位置するように、出射面１２１を配置している。このように配置すると、楕円Ｑの長軸方向より上と下で光度分布が非常に急峻に変化する効果も得られ、水平方向（長軸方向）より下側にはほとんど光を出さずに、水平方向よりわずかに上方には強い光を発することが可能になる。
【００４０】
図６は本第１の実施の形態に係るレンズ一体型発光素子の第４の変形例に係るレンズ一体型発光素子１００Ｄを示す縦断面図である。なお、図６において上述した図１及び図２と同一機能部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００４１】
レンズ一体型発光素子１００Ｄは、発光デバイス１１０の法線方向から楕円Ｑを傾けて配置し、かつ、楕円Ｑの長軸上に微小発光部１１３の端が位置するように出射面１２１を配置している。これにより、所望の仰角方向よりも下方には光をほとんど発しないが、水平方向よりわずかに上方には強い光を発するような、急峻な光度分布が実現可能である。
【００４２】
図７は本第１の実施の形態に係るレンズ一体型発光素子の第５の変形例に係るレンズ一体型発光素子１００Ｅを示す縦断面図である。なお、図７において上述した図１及び図２と同一機能部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００４３】
レンズ一体型発光素子１００Ｅにあっては、１つの集光レンズ１２０に対して発光デバイス１１０が２個装着されている。なお、２個に限らず発光デバイス１１０が複数個装着されてもよい。本変形例においても同様の効果を得ることができる。
【００４４】
図８は本第１の実施の形態に係るレンズ一体型発光素子の第６の変形例に係るレンズ一体型発光素子１００Ｆを示す縦断面図である。なお、図８において上述した図１及び図２と同一機能部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００４５】
レンズ一体型発光素子１００Ｆにあっては、集光レンズ１２０をリング状に連続して設け、多数の発光デバイス１１０をリングの内側に装着した構成になっている。
【００４６】
このような構成においては、１個あたりの発光デバイス１１０に対して、集光レンズ１２０は、図１に示したレンズ一体型発光素子１００と同様の楕円柱状レンズとみなすことができる。これらのようにすれば、レンズ一体型発光素子を複数個組み合わせて信号灯等を製造するときに、製造工程数を減らしたり、ＬＥＤ素子の集積度を高めたりすることが可能となる。
【００４７】
なお、上述したレンズ一体型発光素子１００，１００Ａ〜１００Ｆを適宜組み合わせることにより、所望の方向と所望の幅を持つ、扁平な光度分布を得ることが可能となる。
【００４８】
図９は本発明の第２の実施の形態に係るレンズ一体型発光素子２００をＹ軸方向から見た側面図、図１０はｚ軸方向から見た平面図である。図９及び図１０に示すように、発光ダイオードチップ２１２の発光面上に座標系の原点Σをとり、発光ダイオードチップ２１２の発光面と垂直な方向にＸ軸を、平行な方向にＹ軸とＺ軸をとる。なお、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸は互いに直交する関係にある。航空障害灯への適用を念頭におくと、Ｚ軸は鉛直方向、Ｘ軸は光軸方向、ＸＹ面は水平面と言える。
【００４９】
レンズ一体型発光素子２００は、これを後述する図１５及び図１６に示すような筒状の発光素子保持具の外壁面に多数貼りつけ、高層ビル屋上等に配置される航空障害灯等として用いるものである。このレンズ一体型発光素子２００についても上述したレンズ一体型発光素子１００と同様の性能が要求されている。
【００５０】
レンズ一体型発光素子２００は、発光デバイス２１０と、この発光デバイス２１０に取り付けられた屈折率１．４９のアクリル材製の集光レンズ２２０とを備えている。発光デバイス２１０は、一辺が６．８ｍｍの正方形状の受け皿部２１１と、この受け皿部２１１の中心部に取り付けられた一辺が５５０μｍの微小な正方形の形状の発光ダイオードチップ２１２とを備えている。
【００５１】
集光レンズ２２０は、Ｚ軸に対して回転対称な面の一部となっており、そのＸ−Ｚ面における断面形状は図９に示すような楕円Ｔの一部となっている。このＸ−Ｚ面内における楕円Ｔは、発光ダイオードチップ２１２の発光面上に位置する原点上に一方の第１焦点Ｔｆ１をもち、他方の第２焦点Ｔｆ２はほぼＸ軸方向に位置する。この楕円の第１焦点Ｔｆ１と第２焦点Ｔｆ２との間の距離δは、この楕円Ｔの長軸全長を集光レンズ２２０の屈折率１．４９で除した値に等しくなっている。また、集光レンズ２２０は、ここに述べたようなＸ−Ｚ面内の楕円Ｔをｚ軸を回転軸２３０として回転させて生成されるような面となっている。但し、ｘ＜０の部分や、その他の不要な部分は取り除いてある。
【００５２】
発光ダイオードチップ２１２を発した光線Ｋは、アクリル媒質中を進行し、集光レンズ２２０の出射面において屈折作用を受け、レンズ外部に出射する。
【００５３】
次に、レンズ一体型発光素子２００の機能について説明する。前述した発光ダイオードチップ２１２及び集光レンズ２２０により、光線Ｋは水平方向にのみ発散されることになる。
【００５４】
図９に示すｘ−ｚ平面内において、第２焦点Ｔｆ２がｘ軸上にある場合、第１焦点Ｔｆ１を発した光線Ｋは集光レンズ２２０の屈折作用によりｘ軸と平行な光線Ｋとなる。すなわち、楕円の焦点距離が長軸半長をレンズ媒体の屈折率ｎで割った値になっている場合、楕円の式は、
【数１】

と表される。このとき、第１焦点Ｔｆ１（ｘ＝０，ｚ＝０）から楕円上の任意の１点（ｘ，ｚ）までの距離√（ｘ^２＋ｚ^２）は、この楕円の式を変形することにより
【数２】

であることがわかる。光路長はｎを掛けて、ｎａ−（ａ／ｎ）＋ｘである。この屈折点（ｘ，ｚ）からｘ軸に平行に面ｘ＝ａ＋（ａ／ｎ）までの距離を測ると、ａ＋（ａ／ｎ）−ｘとなり、両者を足すと、ｘ＝ａ＋（ａ／ｎ）の面は屈折点の位置（ｘ，ｚ）に依存せず、光路長ｎａ＋ａの等位相面となる。つまり、第１焦点Ｔｆ１を発した光線Ｋは、楕円型の集光レンズ２２０で屈折された後、ｘ軸に平行な平行光となることがわかる。
【００５５】
以上のことは、ｚ軸を通る任意の平面による断面内において成り立つことである。したがって、光線Ｋはレンズ面が存在する全方位について、光線方向を水平方向近傍に集中させられる。
【００５６】
なお、本発明は本第２の実施の形態に係るレンズ一体型発光素子２００に限定されるものではない。例えば、レンズ一体型発光素子２００においては、Ｘ−Ｙ平面内の楕円の第２焦点Ｔｆ２をＸ軸上においたが、Ｘ軸よりも上方または下方においたものであってもよい。
【００５７】
例えば、図１１に示すように第２焦点Ｔｆ２をｘ軸よりも５°上方に置いた場合には、出射する光線Ｋの方向は水平方向よりも５°上方を向く。このように、第２焦点Ｔｆ２の位置を調整することで、水平方向から何度上または下に向けて光を発するかを、容易に調整することが可能である。
【００５８】
また、レンズ一体型発光素子２００においては、航空障害灯を念頭に置いて回転軸は垂直上方に向けて設置することとして説明したが、本発明はレンズ一体型発光素子という部品に関するものであり、設置方向はいかなる向きであってもよく、また固定されている必要もない。
【００５９】
さらに、楕円Ｔの第１焦点Ｔｆ１は発光ダイオードチップ２１２の中心に位置していても、端部に位置していても、どこに位置していてもかまわない。発光ダイオードチップ２１２の中心付近に第１焦点Ｔｆ１が位置する場合には、出射光の分布は上下ほぼ対称な安定した分布となる。また、発光ダイオードチップ２１２の端部に楕円の第１焦点Ｔｆ１が位置していた場合には、出射光の分布は第２焦点Ｔｆ２により設定される出射方向を境に急激に増大または減少し、シャープなカットオフ角度を実現することが可能である。
【００６０】
また、図１２に示すように発光ダイオードチップ２１２を楕円の第１焦点Ｔｆ１から外れた位置に置くと、第２焦点Ｔｆ２がX軸上にある場合においても、第２焦点Ｔｆ２をＸ軸上から上方または下方においた場合と同様に、出射光が水平方向から何度下または上向きに向くかを容易に調整することが可能である。この場合、発光ダイオードチップ２１２の端部を楕円の第１焦点Ｔｆ１上に位置させ、楕円の第２焦点をＸ軸上から上方または下方においた場合と比較して、出射光の分布の急激な増大あるいは減少は見られないか、または緩和される。
【００６１】
図１３は第２の実施の形態に係るレンズ一体型発光素子２００の変形例に係るレンズ一体型発光素子２００Ａを示す図、図１２の（ａ）は正面図、図１２の（ｂ）は平面図、（ｃ）は側面図である。なお、図１３及び図１４において、上述した図９及び図１０と同一機能部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００６２】
本変形例における集光レンズ２２０は、楕円と長方形を組み合わせた面を対称軸Ｍを中心に１８０度回転させて形成している。なお、図中２２１は平坦面、２２２は削除した部分を示している。本変形例においても上述したレンズ一体型発光素子２００と同様の効果を得ることができる。
【００６３】
図１５及び図１６の（ａ）は、本発明の第３の実施の形態に係るレンズ一体型発光素子３００の構成を示す模式図である。レンズ一体型発光素子３００は、光源となるＬＥＤ等の発光素子３１０と、この発光素子３１０が取り付けられた集光レンズ３２０とを備えている。
【００６４】
集光レンズ３２０には取付け位置精度を確保できるよう、適当な深さの凹型状の光源取付位置３２１が形成されており、光源取付位置３２１に発光素子３１０を接着材等で取付けることで、プリアセンブル部品としてのレンズ一体型発光素子３００が構成される。また、量産時のコストを低下させる場合には、例えば集光レンズ３２０を樹脂で形成する際に、予め発光素子３１０をレンズ型の所定位置に置き、集光レンズ３２０を形成する際に樹脂と一体となるように構成することも可能である。このように、集光レンズ３２０を単体として作製し、後に一体化するか、最初から一体型素子として作製するかは、作製数量その他の条件により選択することができる。
【００６５】
発光素子３１０が発光すると、光源取付け位置３２１では、集光レンズ３２０と発光素子３１０との接触面を介して集光レンズ３２０内部に光が取り込まれ、レンズ内部を伝搬した後、集光レンズ３２０の出射面３２２を通過してレンズ外部に光が出射される。
【００６６】
図１５中には、レンズ内部での光の伝搬を示す代表的な光線Ｊと、これが集光レンズの出射面３２２により偏向されてレンズ外部で遠方に向かう伝搬を示す光線Ｅとを図示した。また、これらの光線Ｊ，Ｅの伝搬方向を表わすための角度ψ_ｘ，ψ_ｙ，θ_ｘ，θ_ｙを図示した。
【００６７】
出射面３２２は、遠方に所定の偏平な光度分布を実現する具体的な形状を有している。次にこのような具体的な形状を定める方法の例を示す。具体的例を示すため、特定の形状の例を示すが、本発明は本実施例で示される形状に限定されるものではない。
【００６８】
まず、出射面３２２を自由曲面とし、集光レンズ３００の裏面、側面は図のように互いに直交する平面とする。発光素子３１０の接触面は裏面中央付近に設置されるものとする。図１５に示すように、発光素子３１０の接触面面内で水平方向にＸ軸、鉛直上方向にＹ軸、両者に垂直で発光素子３１０のの正面に相当する方向にＺ軸をとる。遠方での光度の仕様は、水平方向の方位角になるべく依存せず一様となるように、また、鉛直方向の仰角に対して急峻なピークをもつようなものである。そうした特性を評価しやすいよう、方位角と仰角で光線の方向を記述することにする。
【００６９】
具体的には図１５で示すように、発光素子３１０から出射し、出射面３２２に入射する光線Ｊの方向を（ψ_ｘ，ψ_ｙ）で、また、出射面３２２で屈折して出射する光線Ｅの方向を（θ_ｘ，θ_ｙ）で表わす。
【００７０】
発光素子３１０中心点から発する何本かのサンプルの光線Ｊに対して、屈折後の出射光Ｋの伝搬方向の目標値を設定する。但し、多数のサンプルの光線Ｊに対して個別に目標値を設定することは、設計手続きとして煩雑であり、設計の改善等を見通しよく進めることが難しい。そこで、マッピングを用いて自動的に目標方向を設定するものとした。
【００７１】
発光素子３１０からの発光光度分布を、Ｉ_Ｓ（ψ_ｘ，ψ_ｙ）とする。また、目標とする光度分布をＩ_Ｆ（θ_ｘ，θ_ｙ）とする。まず、（ψ_ｘ，ψ_ｙ）空間内の領域I：−ｗ_ｘＳ＜ψ_ｘ＜ｗ_ｘＳ，−ｗ_ｙＳ＜ψ_ｙ＜ｗ_ｙＳを考え、領域I内の方向（ψ_ｘ，ψ_ｙ）に対して、出射後の伝搬方向（θ_ｘ，θ_ｙ）を対応させるマッピングを次の様に定義する。
【００７２】
マッピングの第１ステップとして、媒介パラメータｆ_ｒｘ，ｆ_ｒｙを定義する。このｆ_ｒｘ及びｆ_ｒｙの値は、（ψ_ｘ，ψ_ｙ）の値、及び光源の光度分布ＩＳ（ψ_ｘ，ψ_ｙ）から求まり、
【数３】

で定義されるものとする。ここで、ｃｏｓψ_ｙ，ｄψ_ｘ，ｄψ_ｙは微小立体角要素に相当する。
【００７３】
マッピングの第２ステップとしては、この媒介パラメータｆ_ｒｘ，ｆ_ｒｙにしたがって、対応するθ_ｘ，θｙを決定する。まず、ψ_ｘ＝ｃｏｎｓｔのとき、対応する（θ_ｘ，θ_ｙ）は、ｈを定数として、
θ_ｘ＝ｆ（θ_ｙ，η）…（６）
のように、ある関数ｆで与えられる関係になるものとする。但し、ψｘが増加するとともに対応するｈの値も増加し、一般性を失わなずに、ψ_ｘ＝０のときｈ＝０、ψ_ｘ＝ｗ_ｘＳのとき、ｈ＝１であるものとする。まず、媒介パラメータ_ｆｒｘの値に対して、
【数４】

によりｈを求める。さらに、求まったｈを用いて、
【数５】

からθ_ｙを求める。また、式（６）を用いてθ_ｘも定まる。
【００７４】
関数ｆとしては、前記の性質が満たされればよく、特定の関数形に限定されるものではない。今回の実施例では、簡単で扱い易い関数形を採用して、
ｆ（θ_ｙ，η）＝ηｗ_ｘｓ…（９）
とした。設計されたものの特性によっては、θ_ｙに依存する関数にする方がよいということもありうるので、必要に応じてより複雑な関数形を用いればよい。
【００７５】
関数Ｉ_Ｓ（ψ_ｘ，ψ_ｙ）としては、簡単のため恒等的に１とする等してもよいが、微小な完全拡散光源と仮定するなら、
Ｉ_Ｓ（ψ_ｘ，ψ_ｙ）＝cosψ_ｘcosψ_ｙ…（１０）
として、法線方向からの角度の余弦に比例させればよい。
【００７６】
関数Ｉ_Ｆ（θ_ｘ，θ_ｙ）については、物理的に実現可能な形に近いものを設定しないと最適化計算の収束性が悪くなると予想されるが、今回は扁平な形状を単純に表現するように、
【数６】

のように一様な光度の関数を仮定した。
【００７７】
光度分布の幅が光源の大きさで定まる場合は、極力狭くるすように目標を設定する必要があるが、光源の大きさがレンズより十分小さく、配光制御で光度分布の幅が決まる場合は関数Ｉ_Ｆ（θ_ｘ，θ_ｙ）を調整する必要がある。
【００７８】
マッピングを定義した領域Iの範囲の中で、適当な本数のサンプルの光線Ｊを設定する。但し、何回か試行したところ、領域の周辺で発光素子３１０からの出射角度の大きな領域については、出射面３２２への入射角度が大きく、最適化計算の収束性が悪くなる。そこで、出射角度の小さな領域でサンプルの光線Ｊを設定した。具体的には、
【数７】

の範囲からサンプルの光線Ｊを設定した。
【００７９】
出射面３２２は、自由曲面と呼んだが、数学的には有限個の曲面パラメータで記述される曲面とする。適切な関数形を用いて充分な自由度を付与すれば、実質的には自由曲面とした場合の性能に近い機能を実現し得ると考えられる。曲面は、ｚ＝ｇ（ｘ，ｙ）の形で与えるものとする。関数ｇは、関数値とｘ，ｙによる偏微分係数を計算しやすい関数形とすることで、計算負荷を抑制できる。ｘ，ｙの多項式等はその観点からは好ましいが、高次項が周辺で急激に増大するため、やや扱い難く、収束性が悪くなる傾向がある。そこで、今回は、次のような関数形を採用した。
【００８０】
【数８】

【００８１】
【数９】

【００８２】
但し、ｐ_ｓ１はレンズの中心厚とし、ｇ（ｘ，ｙ）は原点で０となる関数とする。なわち、三角関数を基本とするものの、原点での値は０になるように余弦関数にオフセットを付与した。その点を除けば、周期（ｐ_ｘ，ｐ_ｙ）の領域の中でフーリエ級数で定義したような形式になっている。なお、ｘ方向については正負で対称な形とするため、ｘについて反対称となる成分は省略した。
【００８３】
次の条件のもとで、曲面が収束することが確認された。
【００８４】
レンズ中心厚：ｐ_ｓ１＝３５（ｍｍ）
レンズ屈折率：ｎ＝１．４９
関数パラメータ：ｐ_Ｓ＝４０．０（ｍｍ）
関数パラメータ：ｐ_ｙ＝４０．０（ｍｍ）
領域I水平幅：ｗ_ｘＳ＝２９．０（度）
領域I垂直幅：ｗ_ｙＳ＝２９．０（度）
目標水平角：ｗ_ｘ＝２４．０（度）
目標上側仰角：ｗ_ｘＵ＝０．８（度）
目標下側仰角：ｗ_ｘＬ＝０．２（度）
こうして、理論的に所定の特性を有する出射面形状を決定できる場合は、以上の例に示したような最適化計算により面形状を決定する必要はない。しかしながらそのように決定できる場合は比較的限定される。前記のような最適化計算により面形状を決める方法は、所望の特性に厳密に一致するとは限らないものの、自由度の範囲内でなるべく所望の特性に近い特性を実現するものであり、多くの用途に対して柔軟に対応でき、多くの場合に十分な精度で特性を実現できる実用的な方法である。いずれにしろ、用途と必要精度その他の条件に鑑みて設計手法を選択すればよく、曲面を決定する具体的な手法を限定するものではない。
【００８５】
以上の説明では、光源である発光素子３１０は集光レンズ３２０に直接接触した場合について詳述したが、発光素子３１０が集光レンズ３２０外部の所定位置に設置される構成であっても、同様に設計できる。
【００８６】
図１６の（ｂ）はレンズ一体型発光素子３００の変形例に係るレンズ一体型発光素子３００Ａを示す図である。レンズ一体型発光素子３００Ａは、発光部３３０と、この発光部３３０が取り付けられた集光レンズ３４０とを備えている。発光部３３０は、光源保持具３３１と、この光源保持具３３１に支持された発光素子３３２とを備えている。また、集光レンズ３４０は、発光素子３３２に向かって凸形状の入射面３４１と、上述した集光レンズ３２０の出射面３２２と同一形状の出射面３４２とを備えている。入射面３４１が発光素子３３２に向かって凸形状としているため、レンズパワーを大きくすることが可能であるが、周辺の光が反射による損失を被る度合いは増加する場合が多い。
【００８７】
逆に発光素子３３２に向かって凹形状としても構わない。発光素子３３２は集光レンズ３４０外部の所定位置に保持する必要がある。このための手段は特に限定されるものではなく、発光素子３３２と集光レンズ３４０とが別々の独立した部品として装置に設置されてもよい。したがって、図１６の（ｂ）の例では光源保持具３３１を介して所定位置に光源を設置できるようにしている。
【００８８】
（第４の実施形態）
図１７は本発明の第４の実施の形態に係る灯火装置４００を示す横断面図、図１８は同灯火装置４００を一部切欠して示す側面図である。このような灯火装置４００の具体的用途としては、高層ビル屋上等に配置される航空障害灯がある。
【００８９】
灯火装置４００は、台座４０１と、後述する複数のレンズ一体型発光素子４０４を保持する発光素子保持具４０２と、これを覆うカバー４０３と、発光素子保持具４０２に多数取り付けられたレンズ一体型発光素子４０４とを備えている。
【００９０】
台座４０１は、円盤状あるいは円錐形状をしており、図１７に示した実施例においては、内部には回路基板や配線コード等を収納可能な空間部４０１ａが設けられている。なお、回路基板や配線コード等を発光素子保持具４０２の内部に収める構成の場合は、空間部４０１ａを設ける必要はない。また、台座の材料としては、レンズ一体型発光素子４０４から発生し、発光素子保持具４０２より伝導する熱を放熱する放熱器として機能するために、熱伝導性のある材料を用いるのが好ましい。
【００９１】
発光素子保持具４０２は、台座４０１上に設置されるものであり、形状は円筒形をしており、レンズ一体型発光素子４０４の駆動用回路基盤や配線コード等が収めることができる。形状は、図１７のように円筒形に限る必要はなく、六角形や八角形等の多角形あるいは楕円を断面形状にもつ筒形でもよい。また、発光素子保持具４０２の材料としては、レンズ一体型発光素子４０４からの発生熱を放熱する放熱器として機能するために、熱伝導性のある材料を用いるのが好ましい。
【００９２】
カバー４０３は、ドーム上のキャップ部分と筒状部分からなり、全体がガラスやプラスチック等の透明な部材によって構成されている。カバー４０３により、レンズ一体型発光素子４０４、発光素子保持具４０２、台座４０１の上部が保護される。
【００９３】
レンズ一体型発光素子４０４としては上述した第１乃至第３の実施の形態に記述された集光レンズと発光素子とが組み合わされたものである。レンズ一体型発光素子４０４は、発光素子保持具４０２の側面に複数個配置され、周方向に所定の間隔をもって並列される。
【００９４】
このレンズ一体型発光素子４０４の一個につき、鉛直角方向は狭く、水平方向に広がりをもつ扁平な光度分布が得られるため、周方向にレンズ一体型発光素子を配列することで、鉛直角方向は狭く、水平方向の全方向に対しては均一な、光度分布を得ることができる。また、レンズ一体型発光素子４０４の縦方向の配列は、図１７及び図１８に示す実施例においては、鉛直方向に直列に並んでいる。
【００９５】
以上のように構成された灯火装置４００を用いれば、鉛直方向は狭く、水平方向の全方向に対しては一様な、光度分布を得ることができる。例えば、航空障害灯は高層ビルの屋上に設置され、航空機に障害物の存在を、知らせるためのものであり、下方向や上方向に多くの光を発する必要はない。よって本発明の灯火装置４００によって、不必要な方向に光を発せず、必要な方向だけに光を発する高効率な、航空障害灯を構成することが有効である。
【００９６】
図１９は灯火装置４００の変形例に係る灯火装置４００Ａを一部切欠して示す側面図である。図１９において、図１７及び図１８と同一機能部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００９７】
灯火装置４００Ａ直列の配列方向は鉛直方向に限ることはなく、図１７のように、鉛直方向から傾いた斜め方向に配列してもよい。本変形例においては上述した灯火装置４００と同様の効果が得られるとともに、光度分布の水平方向の均一性を高めることができる。
【００９８】
なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施可能であるのは勿論である。
【００９９】
【発明の効果】
本発明によれば、光源で発生した光は有効に所定方向に導かれ、簡便な構成で高効率の配光が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るレンズ一体型発光素子を示す斜視図。
【図２】同レンズ一体型発光素子を示す縦断面図。
【図３】同レンズ一体型発光素子の第１変形例を示す縦断面図。
【図４】同レンズ一体型発光素子の第２変形例を示す縦断面図。
【図５】同レンズ一体型発光素子の第３変形例を示す縦断面図。
【図６】同レンズ一体型発光素子の第４変形例を示す縦断面図。
【図７】同レンズ一体型発光素子の第５変形例を示す縦断面図。
【図８】同レンズ一体型発光素子の第６変形例を示す縦断面図。
【図９】本発明の第２の実施の形態に係るレンズ一体型発光素子を示す縦断面図。
【図１０】同レンズ一体型発光素子を示す横断面図。
【図１１】同レンズ一体型発光素子を示す縦断面図。
【図１２】同レンズ一体型発光素子の変形例を示す縦断面図。
【図１３】同レンズ一体型発光素子の変形例を示す斜視図。
【図１４】同変形例を示す図であって、（ａ）は正面図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は側面図。
【図１５】本発明の第３の実施の形態に係るレンズ一体型発光素子を示す斜視図。
【図１６】（ａ）は同レンズ一体型発光素子を示す縦断面図、（ｂ）は同レンズ一体型発光素子の変形例を示す縦断面図。
【図１７】本発明の第４の実施の形態に係る灯火装置を示す横断面図。
【図１８】同灯火装置を一部切欠して示す側面図。
【図１９】同灯火装置の変形例を一部切欠して示す側面図。
【図２０】従来の灯火装置を一部切欠して示す側面図。
【図２１】同灯火装置に取り付けられた発光素子を示す側面図。
【図２２】航空障害灯の光度分布配光特性の一例を示す図。
【符号の説明】
１００，１００Ａ〜１００Ｆ，２００，２００Ａ，３００…レンズ一体型発光素子
１１０，２１０，３１０，３３０…発光デバイス
１２０，２２０，３２０，３４０…集光レンズ
４００，４００Ａ…灯火装置[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a condensing lens, a lens-integrated light emitting element, and a lighting device, and more particularly, to a lens suitable for use in an aircraft obstacle light, a signal light, and the like.
[0002]
[Prior art]
Aviation obstruction lights for indicating the position and height of high-rise buildings with respect to aircraft and the like have been used conventionally. Currently, air traffic lights that are used are mainly light bulb type lamps that control light distribution using large lenses. Aviation obstruction lights are usually installed in places that are difficult for people to approach, such as the rooftops of high-rise buildings, and it has been desired to reduce the frequency of maintenance such as bulb replacement.
[0003]
On the other hand, in recent years, LEDs (light-emitting diodes) have been rapidly increased in brightness, and large-power LED's are being commercialized. Since an LED generally has a longer life than a light bulb, it has been expected to have a great merit, for example, a maintenance interval can be increased by five times.
[0004]
However, when the light source is switched from the light bulb to the LED, the design and configuration of the aviation obstacle light must be changed significantly. In other words, in contrast to a light bulb type in which a large light distribution lens is arranged around one or two light bulbs, it is possible to generate an equivalent amount of light unless a much larger number of LEDs (nearly 1000) are integrated. difficult.
[0005]
For this reason, the distribution area of the light emitting points in the lamp body must be much larger than that of the light bulb. Therefore, light distribution control with a single large lens is impossible, and light distribution control is difficult because the light distribution control must be performed by attaching a small light distribution lens to each individual or a small number of LEDs. I can say that.
[0006]
Conventionally, in aviation obstruction lights for applications where only a lower light intensity is required, many small LEDs with a bullet-type lens are integrated to achieve a certain light intensity. As this type of aviation obstacle light, for example, a configuration as disclosed in Utility Model Registration No. 2553515 or Japanese Patent Laid-Open No. 09-069304 is known.
[0007]
FIG. 20 is a side view of the aviation obstacle light 10 using such an LED with a part cut away. The aviation obstacle light 10 includes a base 11 and a light emitting unit 12 supported by the base 11. The light emitting unit 12 includes a cone-shaped support unit 13 that supports an LED 15 with a bullet-type lens, which will be described later, and a cover 14 that covers the support unit 13. On the outer periphery of the support portion 13, about 1000 LED 15 with bullet-type lenses are densely arranged.
[0008]
Each LED 15 with a bullet-type lens is configured as shown in FIG. 21, for example, and includes a bullet-type lens 15a and a light emitting element 15b accommodated therein. These single LED 15 with a bullet-type lens have an axisymmetric shape, and emit light in a conical range of about 30 ° around the axial direction. By arranging these closely around the support portion 13, a light distribution that concentrates in a range of about 30 ° centering on the horizontal direction or slightly above the horizontal has been realized.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
The above-mentioned aviation obstacle light has the following problems. In other words, in aviation obstacle lights for higher-luminance applications, high luminosity is required in a given direction, and consideration is given to avoiding environmental pollution due to leakage of high-luminance light in other directions. Is required.
[0010]
The luminous intensity distribution light distribution characteristic of the aviation obstacle light is defined, for example, by the Aviation Obstruction Light Specification No. 243 Rev. 6 issued by the Ministry of Land, Infrastructure, Transport and Tourism, Aviation Bureau Control and Safety Department, Safety Planning Section, Navigation Visual Assistance Business Office. This rule is quite technically strict in accordance with recent movements to protect the living environment. In particular, as shown in FIG. 22, when the vertical angle is between -1 ° and 0 °, the upper and lower limits of luminous intensity are very narrow and rise rapidly.
[0011]
For this reason, the conventional LED 15 with a bullet-type lens having a light distribution spread of 30 ° cannot be used. In addition, there is a problem that it is difficult to set the light utilization efficiency higher than a certain degree in order to realize a steep change in luminous intensity required at a distance.
[0012]
Accordingly, the present invention provides a condensing lens, a lens-integrated light emitting element, and a lighting device that can realize light distribution characteristics that are strictly regulated by efficiently emitting light generated from a light source in a predetermined direction. It is intended to provide.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems and achieve the object, the aircraft obstacle light of the present invention is configured as follows.
[0018]
A light-emitting element holder formed in a columnar shape and a lens-integrated light-emitting element arranged on the outer peripheral wall of the light-emitting element holder, the lens-integrated light-emitting element being transparent in a minute light-emitting portion and in a used wavelength range A condensing lens that condenses the light emitted from the minute light emitting portion, and the condensing lens includes an incident surface for introducing the light emitted from the minute light emitting portion, and the incident surface. The light incident from the surface is deflected, the emission direction is regulated within a predetermined angle range at least in a predetermined direction, light having a flat luminous intensity distribution is emitted, and the outer periphery of the cut surface parallel to the predetermined direction is elliptical possess a formed exit surface, the weak light emission unit are those in which at least along said minor axis direction of the ellipse has a predetermined length, the end portion on the long axis of the ellipse is located It is characterized by that.
[0026]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a perspective view showing a lens-integrated light emitting device 100 according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a longitudinal sectional view showing the lens-integrated light emitting device 100. The lens-integrated light emitting device 100 is used as an aerial obstruction light or the like that is affixed to the outer wall surface of a cylindrical light emitting device holder as shown in FIGS. Is. When used as an aviation obstruction light, it emits light in all directions in the vicinity of the horizontal direction, but emits light only in the necessary direction so that light is hardly emitted obliquely downward or obliquely upward, etc. The property of not emitting light in an unnecessary direction is required. The predetermined plane is a plane including the vertical direction (Z axis) and the optical axis direction (X axis).
[0027]
The lens-integrated light emitting device 100 includes a light emitting device 110 and a condensing lens 120 attached to the light emitting device 110.
[0028]
The light emitting device 110 includes an element base 111, a concave portion 112 provided in the element base 111, and a micro light emitting portion 113 such as an LED chip provided on the bottom surface of the concave portion 112. The concave portion 112 is filled with a transparent substance 114 such as a silicon resin to protect the minute light emitting portion 113. The transparent material 114 is preferably made of the same material as that of the condensing lens 120 or a material having a refractive index that is the same as or substantially the same as the refractive index of the material of the condensing lens 120.
[0029]
The condensing lens 120 is a columnar lens and has an exit surface (ellipsoidal column surface) 121 and an entrance surface 122. The cross-sectional shape of the emission surface 121 is a combination of a half of an ellipse Q and a rectangle in which the minute light emitting portion 113 is positioned near the focal point Qf. As a material of the condensing lens 120, for example, a highly light-transmitting resin such as acrylic or polycarbonate, or a light-transmitting optical glass is preferable.
[0030]
A specific shape of the ellipse Q will be described with reference to FIG. When the major half length of the ellipse Q is L and the refractive index of the lens material is n, the distance f between the center point Qc of the ellipse Q and the focal point Qf is
f = L / n (1)
It can be expressed as. When a point light source is placed at the focal point Qf of the ellipse Q, the light beam K emitted from the emission surface 121 is parallel to the major axis of the ellipse Q. Accordingly, by arranging the minute light emitting portion 113 near the focal point Qf, the effect of deflecting the angle formed by the propagation direction of the light beam K and the major axis within a minute angle for most of the light rays K emitted from the emission surface 121. Is obtained.
[0031]
Further, the same or similar effect as described above can be obtained even on a cross section other than that shown in FIG. Therefore, a flat luminous intensity distribution can be obtained by the light emitting device 110 including the minute light emitting unit 113 and the condenser lens 120.
[0032]
As described above, according to the lens-integrated light emitting device 100 according to the first embodiment of the present invention, the light generated from the light source is efficiently emitted in the horizontal direction, and almost no light is emitted in the other directions. It is possible to realize a strictly regulated light distribution characteristic without emitting light.
[0033]
FIG. 3 is a longitudinal sectional view showing a lens-integrated light emitting device 100A according to a first modification of the lens-integrated light emitting device according to the first embodiment. In FIG. 3, the same functional parts as those in FIGS. 1 and 2 described above are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
[0034]
The condensing lens 120 of the lens-integrated light emitting element 100A is formed so that the relative size of the ellipse Q ′ with respect to the minute light emitting portion 113 is smaller than that of the lens-integrated light emitting element 100 described above. Since the width of the flat luminous intensity distribution in the distance changes depending on the relative size of the ellipse Q ′ with respect to the size of the minute light emitting portion 113, in the case of the first modification, the width of the luminous intensity distribution. Becomes wider.
[0035]
FIG. 4 is a longitudinal sectional view showing a lens-integrated light emitting device 100B according to a second modification of the lens-integrated light emitting device according to the first embodiment. 4 that are the same as those in FIGS. 1 and 2 described above are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
[0036]
The condensing lens 120 of the lens-integrated light emitting device 100B has a larger relative size of the ellipse Q ″ with respect to the minute light-emitting portion 113 than the lens integrated light-emitting device 100 described above. Since the width of the distribution changes depending on the relative size of the ellipse Q ″ with respect to the size of the minute light emitting portion 113, in the case of the second modification, the width of the luminous intensity distribution becomes narrow.
[0037]
As shown in the lens-integrated

light emitting devices

100A and 100B, by changing only the size without changing the shape (eccentricity) of the ellipse Q, the magnitude of the spread of the luminous intensity distribution can be freely set to a desired angle. It becomes possible to control.
[0038]
FIG. 5 is a longitudinal sectional view showing a lens-integrated light emitting element 100C according to a third modification of the lens-integrated light emitting element according to the first embodiment. 5 that are the same as those in FIGS. 1 and 2 described above are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
[0039]
In the lens-integrated light emitting device 100 </ b> C, the emission surface 121 is arranged on the major axis of the ellipse Q so that the end 113 a of the minute light emitting unit 113 is located. This arrangement also provides an effect that the luminous intensity distribution changes very steeply above and below the major axis direction of the ellipse Q, and emits almost no light below the horizontal direction (major axis direction). It becomes possible to emit strong light slightly upward.
[0040]
FIG. 6 is a longitudinal sectional view showing a lens-integrated light emitting element 100D according to a fourth modification of the lens-integrated light emitting element according to the first embodiment. In FIG. 6, the same functional parts as those in FIGS. 1 and 2 described above are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
[0041]
In the lens-integrated light emitting element 100D, the ellipse Q is inclined with respect to the normal direction of the light emitting device 110, and the emission surface 121 is arranged so that the end of the minute light emitting unit 113 is positioned on the long axis of the ellipse Q. ing. As a result, it is possible to realize a steep luminous intensity distribution that emits little light below the desired elevation direction but emits intense light slightly above the horizontal direction.
[0042]
FIG. 7 is a longitudinal sectional view showing a lens-integrated light emitting element 100E according to a fifth modification of the lens-integrated light emitting element according to the first embodiment. In FIG. 7, the same functional parts as those in FIGS. 1 and 2 described above are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
[0043]
In the lens-integrated light emitting element 100 </ b> E, two light emitting devices 110 are attached to one condenser lens 120. Note that the number of light emitting devices 110 is not limited to two, and a plurality of light emitting devices 110 may be attached. Similar effects can be obtained in this modification.
[0044]
FIG. 8 is a longitudinal sectional view showing a lens-integrated light emitting element 100F according to a sixth modification of the lens-integrated light emitting element according to the first embodiment. In FIG. 8, the same functional parts as those in FIGS. 1 and 2 described above are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
[0045]
In the lens-integrated light emitting element 100F, the condensing lens 120 is continuously provided in a ring shape, and a large number of light emitting devices 110 are mounted inside the ring.
[0046]
In such a configuration, the condensing lens 120 can be regarded as an elliptic cylindrical lens similar to the lens-integrated light emitting element 100 shown in FIG. In this way, when a signal lamp or the like is manufactured by combining a plurality of lens-integrated light emitting elements, it is possible to reduce the number of manufacturing processes or increase the degree of integration of LED elements.
[0047]
In addition, a flat luminous intensity distribution having a desired direction and a desired width can be obtained by appropriately combining the lens-integrated

light emitting elements

100 and 100A to 100F described above.
[0048]
FIG. 9 is a side view of the lens-integrated light emitting device 200 according to the second embodiment of the present invention viewed from the Y-axis direction, and FIG. 10 is a plan view viewed from the z-axis direction. As shown in FIGS. 9 and 10, the origin Σ of the coordinate system is taken on the light emitting surface of the light emitting diode chip 212, the X axis is perpendicular to the light emitting surface of the light emitting diode chip 212, and the Y axis is parallel to the light emitting surface. Take the Z axis. Note that the X axis, the Y axis, and the Z axis are orthogonal to each other. With the application to the aviation obstacle light in mind, it can be said that the Z axis is the vertical direction, the X axis is the optical axis direction, and the XY plane is the horizontal plane.
[0049]
The lens-integrated light emitting device 200 is affixed to the outer wall surface of a cylindrical light emitting device holder as shown in FIG. 15 and FIG. Is. The lens-integrated light emitting element 200 is also required to have the same performance as the lens-integrated light emitting element 100 described above.
[0050]
The lens-integrated light emitting element 200 includes a light emitting device 210 and a condensing lens 220 made of an acrylic material having a refractive index of 1.49 attached to the light emitting device 210. The light emitting device 210 includes a square tray portion 211 having a side of 6.8 mm and a light emitting diode chip 212 having a small square shape with a side of 550 μm attached to the center of the tray portion 211.
[0051]
The condensing lens 220 is a part of a rotationally symmetric surface with respect to the Z axis, and the cross-sectional shape in the XZ plane is a part of an ellipse T as shown in FIG. The ellipse T in the XZ plane has one first focus Tf1 on the origin located on the light emitting surface of the light-emitting diode chip 212, and the other second focus Tf2 is positioned substantially in the X-axis direction. A distance δ between the first focal point Tf1 and the second focal point Tf2 of this ellipse is equal to a value obtained by dividing the entire major axis of the ellipse T by the refractive index 1.49 of the condenser lens 220. The condensing lens 220 has a surface that is generated by rotating the ellipse T in the XZ plane as described here with the z axis as the rotation axis 230. However, the part of x <0 and other unnecessary parts are removed.
[0052]
The light beam K emitted from the light emitting diode chip 212 travels through the acrylic medium, undergoes a refracting action on the exit surface of the condenser lens 220, and exits outside the lens.
[0053]
Next, the function of the lens-integrated light emitting element 200 will be described. The light ray K is diverged only in the horizontal direction by the light emitting diode chip 212 and the condenser lens 220 described above.
[0054]
In the xz plane shown in FIG. 9, when the second focal point Tf2 is on the x-axis, the light beam K emitted from the first focal point Tf1 becomes a light beam K parallel to the x-axis by the refraction action of the condenser lens 220. . That is, when the focal length of the ellipse is a value obtained by dividing the major axis half length by the refractive index n of the lens medium, the ellipse formula is
[Expression 1]

It is expressed. At this time, the distance √ (x ² + z ² ) from the first focal point Tf1 (x = 0, z = 0) to an arbitrary point (x, z) on the ellipse is obtained by modifying this ellipse equation. [Expression 2]

It can be seen that it is. The optical path length multiplied by n is na− (a / n) + x. When the distance from the refraction point (x, z) to the surface x = a + (a / n) parallel to the x-axis is measured, it becomes a + (a / n) −x, and when both are added, x = a + (a / N) does not depend on the position (x, z) of the refraction point, and becomes an equiphase surface with an optical path length na + a. That is, it can be seen that the light beam K emitted from the first focal point Tf1 is refracted by the elliptical condenser lens 220 and then becomes parallel light parallel to the x-axis.
[0055]
The above is true in a cross section by an arbitrary plane passing through the z-axis. Therefore, the light ray K can be concentrated in the vicinity of the horizontal direction in all directions where the lens surface exists.
[0056]
The present invention is not limited to the lens-integrated light emitting device 200 according to the second embodiment. For example, in the lens-integrated light emitting device 200, the elliptical second focal point Tf2 in the XY plane is placed on the X axis, but may be placed above or below the X axis.
[0057]
For example, as shown in FIG. 11, when the second focal point Tf2 is placed 5 ° above the x axis, the direction of the outgoing light beam K is 5 ° above the horizontal direction. In this way, by adjusting the position of the second focal point Tf2, it is possible to easily adjust how many times the light is emitted upward or downward from the horizontal direction.
[0058]
Further, in the lens-integrated light emitting device 200, it has been described that the rotating shaft is installed vertically upward with the aviation obstacle light in mind, but the present invention relates to a component called a lens integrated light-emitting device, The installation direction may be any direction and need not be fixed.
[0059]
Further, the first focal point Tf1 of the ellipse T may be located at the center of the light emitting diode chip 212, at the end, or at any location. When the first focal point Tf1 is located near the center of the light emitting diode chip 212, the distribution of the emitted light is a stable distribution that is substantially symmetrical up and down. Further, when the elliptical first focus Tf1 is located at the end of the light emitting diode chip 212, the distribution of the emitted light suddenly increases or decreases with the emission direction set by the second focus Tf2 as a boundary, A sharp cut-off angle can be realized.
[0060]
Also, as shown in FIG. 12, when the light-emitting diode chip 212 is placed at a position deviated from the elliptical first focal point Tf1, the second focal point Tf2 is moved from the X-axis even when the second focal point Tf2 is on the X-axis. As in the case of being placed above or below, it is possible to easily adjust how many times the outgoing light is directed downward or upward from the horizontal direction. In this case, compared with the case where the end of the light emitting diode chip 212 is positioned on the first focal point Tf1 of the ellipse and the second focal point of the ellipse is located above or below the X axis, the distribution of the emitted light is abrupt. No increase or decrease is seen or mitigated.
[0061]
FIG. 13 is a diagram showing a lens-integrated light emitting element 200A according to a modification of the lens integrated light-emitting element 200 according to the second embodiment, FIG. 12 (a) is a front view, and FIG. 12 (b) is a plan view. FIG. 3C is a side view. 13 and 14, the same functional parts as those in FIGS. 9 and 10 described above are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
[0062]
The condensing lens 220 in this modification is formed by rotating a plane combining an ellipse and a rectangle 180 degrees around the symmetry axis M. In the figure, 221 indicates a flat surface, and 222 indicates a deleted portion. Also in this modification, the same effect as the above-described lens-integrated light emitting element 200 can be obtained.
[0063]
FIG. 15 and FIG. 16A are schematic views showing the configuration of a lens-integrated light emitting device 300 according to the third embodiment of the present invention. The lens-integrated light emitting element 300 includes a light emitting element 310 such as an LED serving as a light source, and a condenser lens 320 to which the light emitting element 310 is attached.
[0064]
The condensing lens 320 is provided with a concave light source mounting position 321 having an appropriate depth so as to ensure the mounting position accuracy. The light emitting element 310 is attached to the light source mounting position 321 with an adhesive or the like. A lens-integrated light emitting device 300 as an assembly component is configured. In order to reduce the cost during mass production, for example, when the condenser lens 320 is formed of resin, the light emitting element 310 is previously placed at a predetermined position of the lens mold, and when the condenser lens 320 is formed, resin and It is also possible to configure so as to be integrated. As described above, whether the condenser lens 320 is manufactured as a single unit and integrated later or manufactured as an integrated element from the beginning can be selected depending on the manufacturing quantity and other conditions.
[0065]
When the light emitting element 310 emits light, light is taken into the condensing lens 320 through the contact surface between the condensing lens 320 and the light emitting element 310 at the light source mounting position 321, propagates through the lens, and then condenses the lens 320. Light is emitted to the outside of the lens through the exit surface 322 of the lens.
[0066]
FIG. 15 shows a representative light beam J that indicates the propagation of light inside the lens, and a light beam E that is deflected by the exit surface 322 of the condensing lens and that propagates far away outside the lens. Further, angles ψ _x , ψ _y , θ _x , and θ _y for representing the propagation directions of these rays J and E are illustrated.
[0067]
The emission surface 322 has a specific shape that realizes a predetermined flat light intensity distribution in the distance. Next, an example of a method for determining such a specific shape will be shown. In order to show a specific example, an example of a specific shape is shown, but the present invention is not limited to the shape shown in this embodiment.
[0068]
First, the exit surface 322 is a free-form surface, and the back surface and side surface of the condenser lens 300 are planes orthogonal to each other as shown in the figure. The contact surface of the light emitting element 310 is installed near the center of the back surface. As shown in FIG. 15, the X axis is horizontal in the contact surface of the light emitting element 310, the Y axis is vertically upward, and the Z axis is perpendicular to both directions and corresponds to the front of the light emitting element 310. The specification of the luminous intensity at a distance is such that it is uniform as much as possible without depending on the azimuth angle in the horizontal direction, and has a steep peak with respect to the elevation angle in the vertical direction. To make it easier to evaluate such characteristics, we will describe the direction of the light beam in terms of azimuth and elevation.
[0069]
Specifically, as shown in FIG. 15, the direction of the light beam J emitted from the light emitting element 310 and incident on the output surface 322 is (ψ _x , ψ _y ), and the light beam is refracted and output from the output surface 322. The direction of E is represented by (θ _x , θ _y ).
[0070]
A target value in the propagation direction of the refracted outgoing light K is set for several sample light rays J emitted from the central point of the light emitting element 310. However, individually setting target values for the light rays J of a large number of samples is complicated as a design procedure, and it is difficult to proceed with design improvement and the like with good prospects. Therefore, the target direction is automatically set using mapping.
[0071]
The luminous intensity distribution from the light emitting element 310 is defined as I _S (ψ _x , ψ _y ). Also, _let the target light intensity distribution be I _F (θ _x , θ _y ). First, a region I in (ψ _x , ψ _y ) space: -w _xS <ψ _x <w _xS , -w _yS <ψ _y < _{wy yS} is considered, and a direction (ψ _x , ψ _y ) in region I is considered. On the other hand, a mapping that associates the propagation directions (θ _x , θ _y ) after emission is defined as follows.
[0072]
As the first step of mapping, intermediate parameters f _rx and f _ry are defined. The values of f _rx and f _ry are obtained from the value of (ψ _x , ψ _y ) and the light intensity distribution IS (ψ _x , ψ _y ) of the light source,
[Equation 3]

It shall be defined in Here, cos _{ψ y} , dψ _x , and dψ _y correspond to minute solid angle elements.
[0073]
As a second step of mapping, corresponding θ _x and θy are determined according to the intermediate parameters f _rx and f _ry . First, when ψ _x = const, the corresponding (θ _x , θ _y )
θ _x = f (θ _y , η) (6)
It is assumed that the relationship is given by a certain function f. However, increasing the value of the corresponding h with ψx increases, without such loss of generality, h = 0 when [psi _{x =} 0, when ψ _{x =} w _xS, assumed to be h = 1 . First, for the value of the intermediary parameter _frx ,
[Expression 4]

To obtain h. Furthermore, using the obtained h,
[Equation 5]

To obtain θ _y . Further, θ _x is also determined using Equation (6).
[0074]
The function f is not limited to a specific function form as long as the above properties are satisfied. In this example, a simple and easy-to-use function form is adopted.
f (θ _y , η) = ηw _xs (9)
It was. Depending on the characteristics of the designed one, it may be better to use a function that depends on θ _y , so a more complicated function form may be used as necessary.
[0075]
The function I _S (ψ _x , ψ _y ) may be set to 1 for simplicity, but if it is assumed to be a minute perfect diffuse light source,
I _S (ψ _x , ψ _y ) = cosψ _x cosψ _y (10)
As well as the cosine of the angle from the normal direction.
[0076]
Function _{_{_{I F (θ x, θ y}}} ) about, although convergence of the not set close to physically realizable form optimization calculation is expected to be poor, this time simply represent flat shape Like
[Formula 6]

A uniform light intensity function is assumed as follows.
[0077]
If the width of the luminous intensity distribution is determined by the size of the light source, it is necessary to set the target so that it is as narrow as possible. However, if the size of the light source is sufficiently smaller than the lens and the width of the luminous intensity distribution is determined by light distribution control Needs to adjust the function I _F (θ _x , θ _y ).
[0078]
An appropriate number of sample rays J are set within the range of the region I in which the mapping is defined. However, after several trials, the region where the emission angle from the light emitting element 310 is large around the region has a large incident angle on the emission surface 322, and the convergence of the optimization calculation is deteriorated. Therefore, the sample light beam J was set in a region having a small emission angle. In particular,
[Expression 7]

The light ray J of the sample was set from this range.
[0079]
The exit surface 322 is called a free-form surface, but is mathematically a curved surface described by a finite number of surface parameters. If a sufficient degree of freedom is given using an appropriate function form, it is considered that a function close to the performance of a free-form surface can be realized. The curved surface is given in the form of z = g (x, y). The function g can reduce the calculation load by making the function value and the partial differential coefficient based on x, y easy to calculate. The polynomials of x, y, etc. are preferable from this point of view, but the higher-order terms increase rapidly around the periphery, so they are somewhat difficult to handle and tend to have poor convergence. Therefore, the following function form was adopted this time.
[0080]
[Equation 8]

[0081]
[Equation 9]

[0082]
Here, p _s1 is the lens center thickness, and g (x, y) is a function that becomes 0 at the origin. In other words, an offset was added to the cosine function so that the value at the origin is 0 although it is based on a trigonometric function. Except for this point, the format is defined by the Fourier series in the region of the period (p _x , p _y ). In addition, in order to make it a positive and negative symmetrical shape about the x direction, the component which becomes antisymmetric about x was abbreviate | omitted.
[0083]
It was confirmed that the curved surface converged under the following conditions.
[0084]
Lens center thickness: p _s1 = 35 (mm)
Lens refractive index: n = 1.49
Function parameter: p _S = 40.0 (mm)
Function parameter: p _y = 40.0 (mm)
Area I horizontal width: w _xS = 29.0 (degrees)
Area I vertical width: w _yS = 29.0 (degrees)
Target horizontal angle: w _x = 24.0 (degrees)
Target upper elevation angle: w _xU = 0.8 (degrees)
Target lower elevation angle: w _xL = 0.2 (degrees)
In this way, when it is possible to theoretically determine the exit surface shape having predetermined characteristics, it is not necessary to determine the surface shape by the optimization calculation as shown in the above example. However, the case where such a determination can be made is relatively limited. Although the method for determining the surface shape by the optimization calculation as described above does not necessarily exactly match the desired characteristic, it realizes a characteristic as close to the desired characteristic as possible within the range of degrees of freedom. It is a practical method that can flexibly respond to the application and can realize characteristics with sufficient accuracy in many cases. In any case, the design method may be selected in view of the application, required accuracy, and other conditions, and the specific method for determining the curved surface is not limited.
[0085]
In the above description, the case where the light emitting element 310 that is a light source is in direct contact with the condenser lens 320 has been described in detail, but the same applies to a configuration in which the light emitting element 310 is installed at a predetermined position outside the condenser lens 320. Can be designed.
[0086]
FIG. 16B is a view showing a lens-integrated light emitting element 300 </ b> A according to a modification of the lens-integrated light emitting element 300. The lens-integrated light emitting element 300 </ b> A includes a light emitting unit 330 and a condenser lens 340 to which the light emitting unit 330 is attached. The light emitting unit 330 includes a light source holder 331 and a light emitting element 332 supported by the light source holder 331. The condensing lens 340 includes an incident surface 341 having a convex shape toward the light emitting element 332 and an exit surface 342 having the same shape as the exit surface 322 of the collective lens 320 described above. Since the incident surface 341 has a convex shape toward the light emitting element 332, the lens power can be increased, but the degree to which the surrounding light suffers loss due to reflection often increases.
[0087]
Conversely, a concave shape toward the light emitting element 332 may be used. The light emitting element 332 needs to be held at a predetermined position outside the condenser lens 340. The means for this is not particularly limited, and the light emitting element 332 and the condenser lens 340 may be installed in the apparatus as separate and independent components. Therefore, in the example of FIG. 16B, the light source can be installed at a predetermined position via the light source holder 331.
[0088]
(Fourth embodiment)
FIG. 17 is a cross-sectional view showing a lighting device 400 according to the fourth embodiment of the present invention, and FIG. 18 is a side view showing the lighting device 400 with a part cut away. As a specific application of such a lighting device 400, there is an aviation obstacle light arranged on a high-rise building rooftop or the like.
[0089]
Lighting device 400 includes a base 401, a light emitting element holder 402 for holding a plurality of lens-integrated light-emitting element 404 to be described later, a cover 403 covering the lens-integrated attached a number to the light emitting element holder 40 2 And a light emitting element 404.
[0090]
The pedestal 401 has a disk shape or a conical shape. In the embodiment shown in FIG. 17 , a space portion 401a capable of storing a circuit board, a wiring cord, and the like is provided therein. Note that in the case of a configuration in which a circuit board, a wiring cord, and the like are housed in the light emitting element holder 402 , it is not necessary to provide the space 401a. As the material of the base, the lens without integrated light emitting element 404 or al onset, in order to function as a heat radiator for radiating heat conducted from the light-emitting element holder 402, to use a material that is thermally conductive preferable.
[0091]
The light emitting element holder 402 is installed on the pedestal 401 and has a cylindrical shape. The light emitting element holder 402 can accommodate a driving circuit board, a wiring cord, and the like of the lens integrated light emitting element 404. The shape is not necessarily limited to a cylindrical shape as shown in FIG. 17, and may be a polygonal shape such as a hexagonal shape or an octagonal shape or a cylindrical shape having an elliptical cross section. Further, as the material of the light emitting element holder 402, it is preferable to use a thermally conductive material in order to function as a radiator that dissipates heat generated from the lens-integrated light emitting element 404.
[0092]
The cover 403 is composed of a cap part and a cylindrical part on the dome, and the whole is constituted by a transparent member such as glass or plastic. The cover 403 protects the upper part of the lens-integrated light emitting element 404, the light emitting element holder 402, and the base 401.
[0093]
The lens-integrated light emitting element 404 is a combination of the condensing lens and the light emitting element described in the first to third embodiments described above. Lens-integrated light-emitting element 404 is a plurality arranged on a side surface of the light emitting element holder 40 2, are parallel to the circumferential direction at predetermined intervals.
[0094]
For each of the lens-integrated light emitting elements 404, the vertical angle direction is narrow and a flat luminous intensity distribution having a spread in the horizontal direction is obtained. By arranging the lens integrated light-emitting elements in the circumferential direction, the vertical angle direction is A light intensity distribution that is narrow and uniform in all horizontal directions can be obtained. Further, the vertical arrangement of the lens-integrated light emitting elements 404 is arranged in series in the vertical direction in the embodiment shown in FIGS. 17 and 18.
[0095]
If the lighting device 400 configured as described above is used, a light intensity distribution that is narrow in the vertical direction and uniform in all horizontal directions can be obtained. For example, an aviation obstacle light is installed on the roof of a high-rise building and is used to notify an aircraft of the presence of an obstacle, and it is not necessary to emit a lot of light downward or upward. Therefore, it is effective to construct a high-efficiency aviation obstacle light that emits light only in a necessary direction without emitting light in an unnecessary direction by the lighting device 400 of the present invention.
[0096]
FIG. 19 is a side view showing a lighting device 400A according to a modification of the lighting device 400 with a part cut away. 19, the same functional parts as those in FIGS. 17 and 18 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
[0097]
The arrangement direction of the lighting device 400A in series is not limited to the vertical direction, but may be arranged in an oblique direction inclined from the vertical direction as shown in FIG. In this modification, the same effect as that of the lighting device 400 described above can be obtained, and the uniformity of the luminous intensity distribution in the horizontal direction can be enhanced.
[0098]
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.
[0099]
【The invention's effect】
According to the present invention, light generated by a light source is effectively guided in a predetermined direction, and highly efficient light distribution is possible with a simple configuration.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing a lens-integrated light emitting device according to a first embodiment of the invention.
FIG. 2 is a longitudinal sectional view showing the lens-integrated light emitting device.
FIG. 3 is a longitudinal sectional view showing a first modification of the lens-integrated light emitting device.
FIG. 4 is a longitudinal sectional view showing a second modification of the lens-integrated light emitting device.
FIG. 5 is a longitudinal sectional view showing a third modification of the lens-integrated light emitting device.
FIG. 6 is a longitudinal sectional view showing a fourth modification of the lens-integrated light emitting device.
FIG. 7 is a longitudinal sectional view showing a fifth modification of the lens-integrated light emitting device.
FIG. 8 is a longitudinal sectional view showing a sixth modification of the lens-integrated light emitting device.
FIG. 9 is a longitudinal sectional view showing a lens-integrated light emitting device according to a second embodiment of the invention.
FIG. 10 is a transverse sectional view showing the lens-integrated light emitting device.
FIG. 11 is a longitudinal sectional view showing the lens-integrated light emitting device.
FIG. 12 is a longitudinal sectional view showing a modification of the lens-integrated light emitting element.
FIG. 13 is a perspective view showing a modification of the lens-integrated light emitting device.
14A and 14B are diagrams showing the modification, in which FIG. 14A is a front view, FIG. 14B is a plan view, and FIG. 14C is a side view.
FIG. 15 is a perspective view showing a lens-integrated light emitting device according to a third embodiment of the invention.
16A is a longitudinal sectional view showing the lens-integrated light emitting element, and FIG. 16B is a longitudinal sectional view showing a modification of the lens integrated light-emitting element.
FIG. 17 is a transverse sectional view showing a lighting device according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 18 is a side view showing the lighting device with a part cut away.
FIG. 19 is a side view showing a modification of the lighting device with a part cut away.
FIG. 20 is a side view showing a conventional lighting device with a part cut away.
FIG. 21 is a side view showing a light emitting element attached to the lighting device.
FIG. 22 is a diagram showing an example of a light intensity distribution light distribution characteristic of an aircraft obstacle light.
[Explanation of symbols]
100, 100A to 100F, 200, 200A, 300 ... lens-integrated

light emitting elements

110, 210, 310, 330 ... light emitting

devices

120, 220, 320, 340 ... condensing lenses 400, 400A ... lighting devices

Claims

A light emitting element holder formed in a columnar shape;
A lens-integrated light emitting element arranged on the outer peripheral wall of the light emitting element holder;
The lens-integrated light emitting element is
A micro light emitting part;
Consists of a transparent member in the operating wavelength range, and having a condenser lens that condenses the light emitted from the minute light emitting part,
The condensing lens has an incident surface for introducing light emitted from the minute light emitting unit, and deflects light incident from the incident surface so that the emission direction is restricted within a predetermined angular range at least in a predetermined direction, emits light having a flat intensity distribution, the outer circumference of a sectional plane parallel to said predetermined direction possess an exit surface formed in an oval,
The aviation obstruction light , wherein the minute light emitting portion has a predetermined length at least along the minor axis direction of the ellipse, and an end thereof is located on the major axis of the ellipse .

The aircraft obstruction light according to claim 1 , wherein the ellipse is arranged to be inclined with respect to a normal direction of the minute light emitting unit.

With the first focal point of the ellipse to the end portion is positioned, the second focus of the ellipse, aviation according to claim 1, characterized in that it is spaced apart from the normal of the micro light-emitting portion Obstacle light.