JP4287459B2 - 均一な光量分布のためのレンズ及びこれを用いた発光装置 - Google Patents

Description

本発明は、光源から発光される光を均一に分布させるためのレンズ及びこれを用いた発光装置に関し、より詳しくは光軸が通る部位の外側面に凹面を形成し上記凹面の中心部に突出部を形成することで暗部発生を防止することが可能なレンズ及びこれを用いた発光装置に関する。

一般的に発光装置では光源から発散される光を一定の範囲に分布させるためのレンズが設けられるが、この際レンズは外側面、即ち光源と向かい合う反対側の側面が凸状に勾配されるように形成される。

このようにレンズの外側面が凸状に勾配されるように形成されると、光源の光はレンズを通る間に一定の角度で屈折するので、ユーザの所望の範囲内に分布する。しかし、上記のようなレンズを用いる場合、レンズの中間部、即ち、光軸の周辺に光が集中され光量が均一に分布されなくなるという短所がある。

上記のような短所を解決するために光軸の周辺を通る光を広く分布させることができるように構成されるレンズを具備する発光装置が提案されている。

以下、添付された図面を参照して従来の発光装置について詳しく説明する。

図１は、従来の発光装置の垂直断面図であり、図２は従来の発光装置に適用されるレンズの断面図である。

図１に示すように従来の発光装置は、上面が凹状に形成されるＬＥＤパッケージベース１０と、上記ＬＥＤパッケージベース１０の上面に安着され光を発散する光源の役目をするＬＥＤ２０と、上記ＬＥＤ２０を覆うように上記ＬＥＤパッケージベース１０の上面に結合されるレンズ３０とを含んで構成される。

ＬＥＤパッケージベース１０に安着されたＬＥＤ２０は上側に向かって、即ち、レンズ３０の底面に向かって光を発散し、レンズ３０は垂直中心軸がＬＥＤ２０の光軸と一致するように位置されており、ＬＥＤ２０から発散される光を一定の角度に屈折させＬＥＤ２０の光が一定の範囲内に分布するようにする。この際、レンズ３０の上面、即ち、ＬＥＤ２０と向かい合う反対側の側面は外側に膨らんだ凸面３２が形成され、凸面３２の中間部では凹面３４が形成されている。レンズ３０の上面全体が凸面３２のみが形成される場合にはＬＥＤ２０の光が光軸の周辺に集中されるので外部に発散される光量分布が均一になるが、図１に示すように、レンズ３０の上面の中間部、即ち、光軸が通る部位に凹面３４が形成されると、光軸の周辺を通る光が広く広がるように発散されるので光軸周辺の光度を低めることで光量分布を均一にすることができる。

また、従来の発光装置に適用されるレンズ３０は、図２に示すように凸面３２が４．５ｍｍ及び１．６ｍｍの曲率半径を有するように形成され、凹面３４が０．６ｍｍの曲率半径を有するように形成され、上記凸面３２と凹面３４の間に境界線が生じないように凹面３４は凸面３２と連結される周縁部が３．３ｍｍの曲率半径を有し、外側に膨らんだ形状に形成される。

このとき、図２に示すレンズ３０の各部の曲率はレンズ３０の大きさに応じて変更され得る。また、凸面３２及び凹面３４によって光が屈折される角度は凸面３２及び凹面３４の曲率半径に応じて決まるので、ユーザは発光装置の用途に応じて凸面３２及び凹面３４の曲率半径を適切に変更することができる。

このように従来の発光装置に含まれるレンズ３０は、上面に境界線が形成されず全体が曲面を成すように製作されるため、ＬＥＤ２０から発光される光は均一に分布される。

しかし、上記のような構造で構成される従来のレンズ３０を使用すると、凹面３４を通る光が側方に分散されるので光軸の周辺がむしろ暗くなる現象、つまり、暗部発生の現象が起こってしまう。

このように暗部が発生される従来の発光装置は、照明用として使用する場合ユーザが所望の地点に光を照らした際、光が照らされる地点の中間部が暗くなるため使用に不便であり、表示用として使用する場合は正面から見た時明るく見えないという問題点があった。

本発明は上記のような問題点を解決するために提案されたものであり、本発明の目的は発光される範囲の中間部に光が集中されないように光量を均一に分布させることができ、光軸の周辺に暗部が発生されないように構成されるレンズ及び発光装置を提供することである。

上記のような目的を達成するための本発明によるレンズは、光源から発散される光を均一に分布させることができるように、上記光源と向かい合う反対側の外側面が凸面に形成され、上記凸面の中間部では光軸Ａを中心線にして内側に凹んだ形状の凹面が形成されるレンズであって、上記凹面中光軸Ａが通る地点に外側に膨らんだ凸部が形成され、光軸Ａ周辺の光量を増大させるように構成される。

上記凸部は球面状に形成することが好ましい。

上記凸部の径は上記凹面の径の１０〜５０％に設定することが好ましい。

上記凸部の径は上記レンズの全体径の２〜２０％に設定してもよい。

上記凸部は焦点距離が曲率半径の５０〜５００％に設定することが好ましい。

上記凸部と上記凹面の間に境界線が形成されないように、上記凸部は、上記凹面と連結される周縁部が凹んだ方向に曲率半径を有するように形成してもよい。

本発明による発光装置は、光源の役目をするＬＥＤが安着されるＬＥＤパッケージベースと、上記のような構造で構成され、上記ＬＥＤを覆うように上記ＬＥＤパッケージベースに結合されるレンズとを含んで構成される。

この時、レンズは上記ＬＥＤと対応する面が平面状に形成することが好ましい。

本発明によるレンズは、各部に入射される光を互いに異なる角度に屈折させることにより一定の発光範囲内に均一な光量を分布させることが可能で、かつ光軸の周辺に暗部を発生させないという長所がある。

また、本発明による発光装置を使用すれば、光が特定部位に集中的に集まる現象を防止することにより照明効率を増大させることが可能であり、角度にかかわらず発光される光の光量が均一になるため表示効率を増大させることができるという長所がある。

以下、添付された図面を参照して本発明によるレンズ及びこれを用いた発光装置の実施例を説明する。

図３は本発明による発光装置の垂直断面図であり、図４は本発明によるレンズの部分断面図である。

図３に示すように本発明による発光装置は、光源の役目をするＬＥＤ２０（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）と、上記ＬＥＤ２０が安着されるＬＥＤパッケージベース１０と、上記ＬＥＤ２０を覆うように上記ＬＥＤパッケージベース１０に結合されるレンズ１００とを含んで構成される。

上記ＬＥＤパッケージベース１０はＬＥＤ２０が安着される上面が凹んだ形状に形成されており、上記ＬＥＤ２０から発光される光はＬＥＤパッケージベース１０の溝の側壁傾斜角でレンズ１００を向かって発散される。

上記ＬＥＤ２０とＬＥＤパッケージベース１０の動作及び構成は、従来の発光装置に適用されるＬＥＤ２０及びＬＥＤパッケージベース１０と同一であるので、これに対する詳細な説明は省略する。

本実施例では、光源としてＬＥＤ２０が適用される場合を説明しているが、本発明によるレンズはＬＥＤ２０のみならず様々な種類の光源から発散される光を屈折させるように使用することができ、これを利用した発光装置も光源の種類を変更して構成することがでる。

上記レンズ１００は、光源から発散される光を均一に分布させることができるように上記光源と向かい合う反対側の外側面、即ち、上面が凸面１１０に形成され、上記凸面１１０の中間部では光軸Ａを中心線にして内側に凹んだ形状の凹面１２０が形成され、上記凹面１２０の中心部、即ち、上記光軸Ａが通る地点に上側に膨らんだ凸部１３０が形成される。また光源と向かい合うレンズ１００の内側面は上記ＬＥＤ２０から発散される光がレンズ１００に引き込まれる際、不規則に屈折されないように平面状に形成することが好ましい。

上記ＬＥＤ２０の光はレンズ１００の凸面１１０、凹面１２０及び凸部１３０に伝達され、各部位の曲率に応じて屈折された後、上側に発光される。凸面１１０はＬＥＤ２０の光が一定の範囲内に分布するようにＬＥＤ２０の光を屈折させ、凹面１２０はＬＥＤ２０の光が光軸Ａの周辺に集中されないように、つまりＬＥＤ２０の光が分散するようにＬＥＤ２０の光を屈折させる役目を果たす。

このとき、凸面１１０の中央部に凹面１２０のみが形成されている場合凹面１２０の光分散によって光軸Ａの周辺に暗部が発生されるので、上記凹面１２０の中間部では光軸Ａの周辺に沿ってレンズ１００に入射される光を屈折させ集める凸部１３０が設けられる。

このように光軸Ａの周辺に伝達される光は上記凸部１３０によって集められるようになるため、光軸Ａの周辺の光量が増大され、これにより光軸Ａの周辺に暗部が発生されなくなる。

この際、上記凸部１３０は本実施例に示すように光軸Ａの周辺に入射される光を均一に屈折させることができるように、球面状に形成することもでき、特定の角度で入射される光のみを屈折させることができるように一部分だけが球面状に形成することもできる。このような凸部１３０の形状はユーザの選択に応じて自由に変更することができる。

また、上記凸部１３０が過度に小さく形成されると光量増大の効果が微々し暗部発生を防止する役目ができなくなり、過度に大きく形成されるとそれだけ凹面１２０の光分散効果が減少するようになるので光軸Ａの周辺に光量が集中され、これにより全体的な光量分布が不均一になるという問題点がある。従って、上記凸部１３０の径は上記凹面１２０の径の１０〜５０％に設定することが好ましい。

また上記凸部１３０の径は上記レンズ１００の全体径を基準に比べた時、上記レンズ１００の径の２〜２０％に設定することもできる。

上記凸部１３０の焦点距離が長く形成される場合、凸部１３０が拡大鏡の役目を果たすようになり上記凸部１３０によって光軸Ａの周辺に光量が集中する恐れがある。このように光軸Ａの周辺に光量が集中すると光量の分布が不均一になるため、上記凸部１３０は、周縁部に入射する光がレンズ１００の上面近辺において交差した後上側に放出されるように、焦点距離が短く形成される。図４に示すように凸部１３０の周縁を介して屈折された光が相互交差して上面に放出されると光軸Ａの周辺に光量が過度に集中される現象なしに暗部発生が防止される。

また、凸部１３０の焦点距離が短すぎる場合には凸部１３０によって屈折された光が焦点を通った後広い角度で広がるようになるので、光軸Ａの周辺の光量を増大させる効果が低下されるという問題点がある。

従って、凸部１３０の焦点距離は一定の範囲内に設定されなければならず、本発明によるレンズは、太陽光が入射される場合のように各部に平行した光が入射されるものではなく放射形に発散されるＬＥＤ２０の光が入射されるので、凸部１３０の焦点距離は、凸部１３０の曲率半径に応じて一定値に決まらず、ＬＥＤ２０、即ち、光源との距離及び光源の大きさなどに応じて変更され得る。従って、本発明に適用される凸部１３０の焦点距離は凸部１３０の曲率半径を基準に設定することが好ましく、さらに好ましくは凸部１３０の曲率半径の５０〜５０％に設定する。

図５は本発明によるレンズの各部の寸法を示す断面図である。図５に示すように、本発明によるレンズ１００は、凸面１１０が４．５ｍｍ及び１．６ｍｍの曲率半径を有するように形成され、凹面１２０が０．６ｍｍの曲率半径を有するように形成され、凸部１３０が０．２ｍｍの曲率半径を有するように形成される。

この際、上記凸面１１０と凹面１２０の間や凹面１２０と凸部１３０の間に境界線が形成されると、ＬＥＤ２０から発光される光が上記境界線に集中されたり、不規則に屈折されたりすることにより光量が均一に分布されなくなる。

上記のような問題点を解決するために、上記凸面１１０と凹面１２０の間に境界線が生じないように凹面１２０は凸面１１０と連結される周縁部が３．３ｍｍの曲率半径を有し、外側に膨らんだ形状に形成され、上記凹面１２０と凸部１３０の間に境界線が生じないように凸部１３０は凹面１２０と連結される周縁部が０．２８ｍｍの曲率半径を有し、内側に凹んだ形状に形成される。

従って、本発明によるレンズ１００は各部の曲率半径方向が相違しても各部の間に境界面が形成されずＬＥＤ２０の光が特定部位に集中されたり、不規則に屈折されたりしないため、ＬＥＤ２０の光をより均一に分布させることが可能となる。

本発明によるレンズ１００の各部の曲率半径は、図５に示した大きさに限定されず、レンズ１００の大きさ及び用途に応じて自由に変更することができる。

図６は従来の発光装置の指向角分布を示すグラフであり、図７は本発明による発光装置の指向角分布を示すグラフである。

図６及び図７において、円形で表した寸法はレンズ１００を介して発光される光の角度を示しており、左側に垂直に表した寸法は各図別の光分布度を示す。

従来の発光装置の指向角分布を測定した結果、図６に示すように、０度と約１０度の間、そして１７０度と１８０度の間ではＬＥＤ２０の光がＬＥＤパッケージベース１０に干渉されることにより光分布度が非常に低く表れ、約３０度と１５０度の周辺では光分布度が０．５以上と最も高く表れ、光軸Ａの周辺、即ち、９０度の周辺は光分布度が０．２以下と上記３０度及び１５０度の周辺に比べて比較的低く表れる。このような結果により、従来の発光装置は光軸Ａの周辺において暗部が発生されることが分かる。

これに比べて、本発明による発光装置の指向角分布を測定して見ると、図７に示すように０度と約１０度の間、そして約１７０度と１８０度の間では従来の発光装置と同様に光の分布度が非常に低く表れるが、約３０度から１５０度の間では光の分布度が均一に表れる。従って、本発明による発光装置は光軸Ａの周辺に暗部が発生されなくなることが分かる。

従って、本発明による発光装置は、照明用として使用する場合特定部位に光量が集中されないため効率が増大され、表示用として使用される場合ユーザがあらゆる角度でも容易に明りを感知することができるという長所がある。

図８は従来の発光装置の光量分布を示すグラフであり、図９は本発明による発光装置の光量分布を示すグラフである。

図８及び図９に示すグラフは、光軸Ａ上の形状がどのような影響を与えるかをみるために、レンズ１００の形状以外の全ての条件を同一にし、光軸Ａの周辺以外の表面を全て吸収体で置いた後シミュレーションした結果である。

従来の発光装置を使用する場合は光がより広く広がるが、光軸Ａの周辺の中心部の光量が周りより大幅に減少され暗部が発生されることが分かる。これに反して、本発明による発光装置を使用した場合光の広がる効果は若干減少するが、光量が中心部において減少せず均一に分布することが分かる。

上述した本発明を好適な実施例を使用して詳しく説明したが、本発明の範囲は特定の実施例に限定されるものではなく、添付された特許請求範囲によって解釈されるべきである。さらに、この技術分野において通常の知識を有する者であれば、本発明の範囲から外れないながらも、多様な修正及び変更が可能であることを理解すべきである。

従来の発光装置の垂直断面図である。 従来の発光装置に適用されるレンズの断面図である。 本発明による発光装置の垂直断面図である。 本発明によるレンズの部分断面図である。 本発明によるレンズの各部の寸法を示す断面図である。 従来の発光装置の指向角分布を示すグラフである。 本発明による発光装置の指向角分布を示すグラフである。 従来の発光装置の光量分布を示すグラフである。 本発明による発光装置の光量分布を示すグラフである。

符号の説明

１０ ＬＥＤパッケージベース
２０ ＬＥＤ
１００ レンズ
１１０ 凸面
１２０ 凹面
１３０ 凸部
Ｈ 形成高さ

Claims (7)

1. 光源の役目をするＬＥＤが安着されるＬＥＤパッケージベースと、
   前記ＬＥＤを覆うように前記ＬＥＤパッケージベースに結合されるレンズと、
   を含んで構成され、
   前記レンズは、前記ＬＥＤから発散される光を均一に分布させることができるよう、前記ＬＥＤと向かい合う反対側の外側面に形成された凸面と、
   前記凸面の中間部では光軸を中心線にして内側に凹んだ形状の凹面と、
   前記光軸の周辺の光量を増大させるように前記凹面中光軸が通る地点に外側に膨らんで形成された凸部と、を有することを特徴とする、発光装置。
2. 前記レンズは、前記ＬＥＤと対応する面が平面状に形成されることを特徴とする、請求項１に記載の発光装置。
3. 前記凸部は球面状に形成されることを特徴とする、請求項１に記載の発光装置。
4. 前記凸部の径は前記凹面の径の１０〜５０％であることを特徴とする、請求項１に記載の発光装置。
5. 前記凸部の径は前記レンズの全体径の２〜２０％であることを特徴とする、請求項１に記載の発光装置。
6. 前記凸部は焦点距離が曲率半径の５０〜５００％であることを特徴とする、請求項１に記載の発光装置。
7. 前記凸部と前記凹面の間に境界線が形成されないよう、前記凸部は前記凹面と連結される周縁部が凹んだ方向に曲率半径を有するように形成されることを特徴とする、請求項１に記載の発光装置。

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