JP4344978B2

JP4344978B2 - Interior lighting device

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Publication number: JP4344978B2
Application number: JP2001022188A
Authority: JP
Inventors: 智玉置
Original assignee: LAB Sphere Corp
Current assignee: LAB Sphere Corp
Priority date: 2001-01-30
Filing date: 2001-01-30
Publication date: 2009-10-14
Anticipated expiration: 2021-01-30
Also published as: JP2002231023A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、飛行機やバス、電車などの乗り物の室内に設置される室内照明装置に関する。詳しくは、小さな消費電力で大きな光量が得られる室内照明装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、飛行機の室内には、室内全体を照明する照明装置や、局所的な狭い領域を照明するもの、所謂、スポット照明装置が設置されている。従来、これらの照明装置の光源としては、蛍光灯や白熱電球などが用いられている。
【０００３】
しかしながら、飛行機は、自家発電機、或いはバッテリを照明器具や各種機器の電源としており、より低消費電力が求められている。さらに、室内には、様々な機能を用意しなければならない必要から、照明装置はより単純で、小型で、かつ、交換も容易なものが必要とされる。
【０００４】
飛行機に搭載された各種機器類は技術の進歩により消費電力が低減されてきているが、従来の照明器具に用いられている蛍光灯、或いは発熱電球などの光源は電気から光への変換効率が低いことから、消費電力が大きいだけでなく、発熱量も大きく、また、振動や衝撃にも弱い。
【０００５】
発熱量が大きいということは光源は高い温度に達するということを意味する。このことから、それに触れた人に火傷を負わせてしまうという危険性もある。例えば、座席毎のスポット照明装置には、スポット位置を変更する際に触れる箇所が設けられているが、その箇所が火傷を負わせるほど熱くなることもある。それゆえ、スポット照明位置の調整も行い難いといった問題もある。これらのスポット照明装置では、光源の発熱のため光の集光用レンズにはガラス製のレンズが使われている。そのため、飛行機の重量増をもたらしている。
【０００６】
蛍光灯は、周知のように、安定器やインバーターにより点灯させるようになっている。このため、大きなノイズの発生源となり、他の機器に多大な悪影響を与えることがあり、飛行機のように、信頼性が求められる乗り物には使用しない方がよい。また、蛍光灯には蛍光塗料や水銀が使われているので、環境に悪影響を与えるという一面もある。
【０００７】
このように、乗り物等の室内に設置される従来の照明装置には、上述したような種々の問題点があったことから、小さな消費電力で大きな光量が得られる振動や衝撃に強い頑健な照明装置が強く望まれている。
【０００８】
このような装置として、ＬＥＤやＬＤといった半導体発光素子を光源として用いることは従来から試みられている。しかしながら、ＬＥＤやＬＤといった半導体発光素子は小さな発光体であり、必要な照度を満たす照明光源とするには膨大な数の半導体発光素子を配列しなければならない。また、これらの小さな光源から発する発散角の大きな光束を収束することが必要である。ＬＥＤやＬＤといった半導体発光素子は、蛍光灯に較べればコストが高く、光束を収束するレンズ系の光損失が大きく、また、コストが高いことから、普及していない。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、少ない半導体発光素子で明るい照明が得られる、従って、低コスト、低消費電力の室内照明装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を鑑み、本発明の室内照明装置は、光源の光束を収束し又は発散するのにバルク型レンズを用いる。バルク型レンズは、頂部と、底部と、外周部と、底部から頂部に向かって形成された天井部と内周部とからなる凹部とを有している光学媒体からなり、凹部が光源の収納部であり、天井部及び頂部がレンズ面として、内周部が光入射面として、外周部が全反射面として、そして底部が反射面として機能する。凹部の内部に光源を収納した場合は、天井部がレンズの入射面として、頂部がレンズの出射面として機能する。内周部から光学媒体に入射した光は、全反射して又は底部で反射されて頂部に伝送される。「バルク型」とは、砲弾型、卵型、繭型、蒲鉾型等、ある程度の厚み又は膨らみを有する固形体を意味する。光軸方向に垂直な断面の形状は、真円、楕円、三角形、四角形、多角形等が可能である。バルク型のレンズ本体の外周部は、円柱、角柱の円周部のような光軸に平行な面でも良く、光軸に対してテーパを有していてもかまわない。また、天井部及び頂部のレンズ面は、凸面、凹面、平面、フレネルレンズ面のいずれかを適宜選択できる。
【００１１】
本発明の室内照明装置に用いるバルク型レンズは、レンズ作用及び入射面と出射面とを接続する光伝送作用を有するので、光の波長に対して透明な材料であり、かつ、屈折率が空気の屈折率とは異なる必要がある。このような材料としては、アクリル樹脂等の透明樹脂（透明プラスチック材料）、石英ガラス、ソーダ石灰ガラス、ホウケイ酸ガラス、鉛ガラス等の種々のガラス材料等が使用可能である。或いは、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、硫化亜鉛（ＺｎＳ）、炭化珪素（ＳｉＣ）等の結晶性材料を用いてもよい。又、可とう性、屈曲性や伸縮性のある透明ゴムのような材料でもかまわない。なお、光源として、ハロゲンランプ等の白熱球を用いる場合は、これによる発熱を考慮し、耐熱性光学材料を用いるべきである。耐熱性光学材料としては、石英ガラス、サファイアガラス等の耐熱ガラスが好ましい。或いは、ポリサルホン樹脂、ポリエーテルサルホン樹脂、ポリカーボネイト樹脂、ポリエーテルエステルアミド樹脂、メタクリル樹脂、非晶性ポリオレフィン樹脂、パーフルオロアルキル基を有する高分子材料等の耐熱性樹脂等の耐熱性光学材料が使用可能である。ＳｉＣ等の結晶性材料も耐熱性に優れている。
【００１２】
光源としては、ＬＥＤや半導体レーザ等のように、発光に際して顕著な発熱作用を伴わない光源が好ましい。ＬＥＤ等を用いれば、バルク型レンズの凹部（収納部）の内部に、「光源」を収納した場合において、その発熱作用によって、バルク型レンズに熱的影響を与えることがない。
【００１３】
本発明の室内照明装置に上記のバルク型レンズを使用すれば、光源の数を多数必要とすることなく、所望の照度を簡単に得ることが出来る。この照度は、光源の数を同一として較べれば、従来公知のレンズ等の光学系では達成不可能な照度である。本発明の室内照明装置は、従来の技術では達成出来ない照度を、簡単且つ小型な構成で実現している。
【００１４】
ＬＥＤには内部量子効率と外部量子効率があるが、通常、外部量子効率は内部量子効率よりも低い。本発明の室内照明装置に使用するバルク型レンズは、ＬＥＤを収納部（凹部）に収納することにより、内部量子効率とほぼ等しい効率で、潜在的なＬＥＤの光エネルギを有効に取り出すことが可能となる。
その原理は、（ａ）バルク型レンズの頂部及び天井部であるレンズ面、及び外周部での反射光（迷光）が外周部で全反射することによりバルク型レンズ外にほとんど散逸しない、（ｂ）上記反射光（迷光）の一部が頂部及び天井部であるレンズ面にもどる、（ｃ）上記反射光（迷光）の一部が底部で反射されて頂部及び天井部であるレンズ面にもどる、（ｄ）上記反射光（迷光）の一部がＬＥＤ光源に吸収され再発光する、さらに、（ｅ）内側面に入射する光も全反射により導光し有効利用している、ことなどが考えられる。
【００１５】
また、本発明の室内照明装置に用いるバルク型レンズによれば、ＬＥＤ等の光源それ自身は、何ら手を加えることなく、容易に、光の発散、収束等の光路の変更や焦点の変更が可能である。
すなわち、本発明の第１の特徴である光源の発散角が既知であれば、第１及び第２の湾曲面の曲率半径等の選定が簡単に出来る。なお、第１及び第２の湾曲面のいずれか一方は、曲率半径が無限大、若しくは無限大に近い平坦な面であっても良い。第１及び第２の湾曲面のいずれか一方が、無限大ではない所定の（有限の）曲率半径を有していれば、光の収束、発散の制御が可能である。又、「所定の発散角」は０°、即ち平行光線であっても良い。又、発散角が９０°であっても、収納部が光源の発光部を完全に光学的に覆っているため、有効にその光を集光することが可能である。これは、従来のレンズ等の光学系では不可能な作用である。即ち、天井部以外の収納部の内周部も、有効な光の入射部として機能し得る。
【００１６】
具体的には、本発明の室内照明装置に用いる光源は、チップ状の半導体発光素子、透明材料でモールドされた半導体発光素子又は他の光源から光を導く光ファイバの出射端面である。これらの光源を光学媒質を介して収納部に収納しても良い。屈折率によって光学媒質を適宜選択することによっても、光の発散、収束等の光路の変更や焦点の変更が可能であり、また、内周面から凹部に入射する光の屈折角を変えることができ、凹部の全反射をより効果的にすることもできる。
ここで、光学媒質には、固体、液体、気体、のみならず、ゾル状、コロイド状若しくはゲル状の光の波長に対して透明な物質も含まれる。
【００１７】
またさらに、本発明の室内照明装置に用いるバルク型レンズは、内周部の光入射面が所定の傾きを有する少なくとも光波長以上の大きさの凹凸面で構成されていることを特徴とする。また所定の傾きφは、凹部の屈折率をｎ₁、光学媒体の屈折率をｎ₂、光学媒体内の外周部面における全反射角をθ_t、光源の発散角をθ_dとして、
ｓｉｎ^-1｛ｎ₁／ｎ₂ｃｏｓ（θ_d＋φ）｝＝θ_t
から定まる角度であることを特徴としている。
この構成によれば、例えば、端面発光ＬＥＤのようにほとんどの出射光がチップの側面から出射するようなＬＥＤを使用する場合においても、全ての出射光を集光できる。
【００１８】
本発明の室内照明装置は、飛行機や電車、或いは自動車などの乗り物の室内に設置されることを前提とし、以下の構成を具備する。
【００１９】
複数の発光ダイオード又はレーザーダイオード等の半導体発光素子を光源として備え、光源の光束を収束又は発散する複数のバルク型レンズを備え、複数の半導体発光素子を駆動し発光させる駆動手段と、を備えている。
この構成によれば、光源が半導体発光素子であるから、消費電力が少なく、又ほとんど発熱しない。更に、バルク型レンズで光源の光束を収束又は発散するので、極めて照度が高い。複数の半導体発光素子を駆動し発光させる駆動手段を有するので、広い面積の室内照明としても使用可能である。
このように、消費電力が少ないことが要求される乗り物用の室内照明として適している。
さらに、駆動手段による前記半導体発光素子の駆動を制御する制御手段を、更に具備しており、この制御手段は、複数の半導体発光素子として発光色が異なる複数の種類の半導体発光素子を使用する場合に、駆動手段が駆動を行う条件を半導体発光素子の種類別に設定することができ、照明の色を変化させることができる。この構成によれば、人の好みに応じて、又、必要に応じて照明色を変更できる。
【００２０】
また、バルク型レンズは、前記光源の回りに回転可能に支持されており、さらに、バルク型レンズ前面に装着した光透過率を変化させた、すなわち、光透過部、非透過部のパターンを有する拡散部材を備え、バルク型レンズを回転させて光照射パターンを変更することができる。
この構成によれば、上記したように、本発明の室内照明装置は発熱することが少ないので、素手でバルク型レンズを回転させることができ、手軽に照明パターンを変えることができる。
【００２１】
本発明では、室内照明装置として必要な光量を達成させるために、エネルギー変換効率が高く、すなわち、発熱量が小さく、比較的に小さな消費電力で大きな光量が得られる発光ダイオード、或いは半導体レーザなどの半導体発光素子を光源として採用し、さらに、これらの光源の光束を収束又は発散させるレンズ系として、極めて光損失の少ない、かつ、低コストのバルク型レンズを使用しているから極めて明るく、低コストで製造できる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しながら、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
以下の図面の記載において、同一または類似の部分には同一の符号または類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。従って、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
【００２３】
図１は、本発明の室内照明装置に用いるバルク型レンズを用いた発光体の模式的な断面図である。図１に示すように、この発光体は、所定の波長帯域の光を発するＬＥＤ等の光源１と、この光源１を完全に囲むバルク型レンズ２０とから少なくとも構成されている。そして、このバルク型レンズ２０は、頂部３と底部７と外周部９と、底部７から頂部３に向かって形成された天井部２と内周部５とから成る凹部６とから成る光学媒体であり、この凹部６にスペーサ８を介して光源１がバルク型レンズ２０と同心的に且つ完全に収納、固定され、上記天井部２がレンズの光入射面として、上記頂部３がレンズの出射面として機能するように構成されている。
【００２４】
図１の光源１は、ＬＥＤチップ１３と、このＬＥＤチップ１３を載置する電極を兼ねた支持ピン１１と、ＬＥＤチップ１３のもう一方の電極に電力を供給する電極ピン１２と、チップ１３、支持ピン１１及び電極ピン１２を覆う透明な樹脂モールド１４で構成されている。樹脂モールド１４は、側部が円筒形を成しており、バルク型レンズ２０の凹部６の円筒形を成す内周部５とスペーサ８を介して嵌合している。
【００２５】
樹脂モールド１４の側面は、例えば、直径（２ｒ）が２〜３ｍｍφの円柱形状であり、バルク型レンズ２０の凹部６の内周部５は、例えば直径が２．５〜４ｍｍφの円柱形状となっている。ＬＥＤ１とバルク型レンズ２０とを固定するために、ＬＥＤ１とバルク型レンズ２０の凹部６との間には、厚さ０．２５〜０．５ｍｍ程度のスペーサ８が挿入されている。スペーサ８は、ＬＥＤ１の発光部を除く位置、即ち図１においてＬＥＤチップ１３の底面より底部７側に配置する。
【００２６】
バルク型レンズ２０は、例えば頂部３が凸形状球面を有し、外周部９が円柱形状を成している。この外周部９の直径（２Ｒ₀）は、例えば、１０〜３０ｍｍφであるが、使用目的に応じて任意に選択できる。しかしながら、より集光効率を高くするためには、
１０ｒ＞Ｒ₀＞３ｒ（１）
の関係を満足することが好ましい。バルク型レンズ２０の外周部９の直径（２Ｒ₀）は、凹部６の内周部５の内径（２ｒ）の１０倍以上でも、本発明のバルク型レンズは機能するが、必要以上に大きくなり、小型化を目的とする場合は好ましくない。
【００２７】
上記構成の本発明のバルク型レンズは、以下に説明する理由により、従来の凸型形状の球面レンズを使用した光学系よりも極めて低損失で収束できる。ＬＥＤは発散角の大きな光源であるため、従来の凸型形状の球面レンズによって、ＬＥＤから発する全ての光を平行光線とすると光損失が避けられない。
図２は、従来の凸型形状球面レンズによる集光作用を示す図で、図２（Ａ）は凸型片球面レンズを使用して、ＬＥＤ光源からの光を平行光とする状態を示している。図において、レンズは曲率半径ｒを有し、光源から焦点距離ｆに配置している。片球面レンズの焦点距離は、レンズの屈折率をｎとして、ｆ＝ｒ／（ｎ−１）であるから、屈折率ｎ＝１．５とした場合、ｆ＝２ｒとなる。従って、図から明らかなようにレンズが受光できる発散角の最大は３０°となり、図２（Ｂ）に示す光線は平行光とすることができない。すなわち、従来のレンズを使用したのでは、焦点距離と曲率半径の関係から定まる開口角以上の光は取り込むことができないので、損失が大きい。
ＬＥＤ光源は３０°以上の発散角を有するものが多く、この場合には、上記理由により大きな損失が生じる。従来はこのような場合、高屈折率レンズを使用して改善しているが、コストが高くなる。あるいは、レンズを複雑に組み合わせて対処している例もあるが、この場合には、下記に説明するフレネル反射損が増大してしまう。
【００２８】
図２（Ｂ）は、従来の凸型片球面レンズ入射面における反射の状況を示す図である。図において、矢印のついた線は、ＬＥＤ１から出射し凸型形状球面レンズの光入射面で反射される光線を表す。θ（θ₁、θ₂）はＬＥＤから出射角、すなわち発散角を表し、φ（φ₁、φ₂）はそれぞれの光線のレンズ面での入射角を表す。
【００２９】
図３はフレネルの反射の法則を表した図である。図において、横軸は光線の入射角であり、縦軸は光強度の反射率であり、レンズの屈折率を１．５とし、空気中から光線がレンズ面に入射する場合を表している。図から明らかなように、入射角が５０°あたりまでは反射率が低く一定であるが、５０°を越えたあたりから急激に反射率が増加するのがわかる。
図２（Ｂ）に示した入射角が大きい光線は、図３のフレネルの反射の法則から明らかなように反射される割合が高い。例えば、屈折率１．５の片凸型球面レンズを使用し、このレンズの焦点距離に、発散角３０°の光源をおいて平行光を作る場合には、上記の反射光による損失は全光量の３０％近くに達する。
従って、従来の光学系におけるように、レンズを多段に接続したのでは、フレネル反射が多段に生ずることになり、損失が増えてしまう。これらの反射光は空間に散逸してしまい、収束光として利用することはできない。
【００３０】
一方、本発明の室内照明装置に用いるバルク型レンズにおいては、発散角が大きい光束であっても、全ての光束をレンズ面に入射させることができ、バルク型レンズの幾何学構造の設計により、全ての光束を平行光線にできるから、極めて損失の少ないレンズである。
また、フレネルの反射を起こす反射面は、天井部２及び頂部３であるから、これらの面で反射した反射光（迷光）はバルク型レンズ内に反射される。これらの反射光（迷光）は、外周部９で全反射することによりバルク型レンズ外に散逸せず、一部が頂部３及び天井部２であるレンズ面にもどり収束光となる。また、他の一部は、底部７で反射されて頂部３又は天井部２にもどり、収束光となる。また、他の一部はＬＥＤ光源で吸収されて再発光し、収束光となる。
【００３１】
図４は、ＬＥＤ光源１にもどった光が再発光する過程を示す図である。
図において、もどってきた光はＰＮ接合で吸収されてホールと電子を生じ、このホールと電子が再結合して再発光する。特にこの効果は、ヘテロ構造を有するＬＥＤの場合に大きい。ヘテロ構造のＬＥＤは、発光部であるＰＮ接合部のバンドギャップ・エネルギーが、Ｐ及びＮ領域のバンドギャップ・エネルギーよりも小さく形成されているので、反射光（迷光）はＰ又はＮ領域では吸収されずに、ＰＮ接合部のみで吸収され、再発光する。
さらにまた、本発明の室内照明装置に用いるバルク型レンズにおいては、内周部５に入射する光も外周面９における全反射によって頂部３に導かれ、収束光となって出射する。この効果は、ＬＥＤ光源１を、バルク型レンズの光学媒質よりも屈折率の高い光学媒質を介して収納部に収納するとさらに効果が高まる。
本発明のバルク型レンズにおいては上記に説明した相乗効果により、内部量子効率とほぼ等しい効率で、ＬＥＤ光源の光を有効に収束光として取り出しているため、従来の凸型形状の球面レンズに較べ極めて低損失になると考えられる。
【００３２】
図５は本発明の室内照明装置に用いるバルク型レンズと従来の凸形状の球面レンズとで平行光を作成した場合の特性を比較するための測定系を示す図である。図５（Ａ）は、本発明の室内照明装置に用いるバルク型レンズ２０を用いた場合の、光軸方向に対して垂直方向に光強度（照度）分布を測るための測定系を示す模式図である。バルク型レンズ２０の出射面からの出力光の強度（照度）を、ＬＥＤ１からの測定距離ｘ＝一定とし、照度計１０２をｙ軸方向に移動して測定する。測定距離（ｘ）は、光軸方向に測る。一方、図５（Ｂ）は、同様な測定を従来の両凸レンズを用いて行うことを示す図である。
【００３３】
図５（Ａ）及び（Ｂ）に示す測定においては、本発明の室内照明装置に用いるバルク型レンズ２０の外径は３０ｍｍφとし、比較に用いた両凸レンズ１０１の外径は、この２倍強の６３ｍｍφとした。両凸レンズ１０１は、焦点距離１５０ｍｍのものを用い、ＬＥＤ１からｘ方向に１５０ｍｍの位置に配置した。また、ＬＥＤ光源１の発散角は約１２度のものを使用した。
【００３４】
図６は、本発明の室内照明装置に用いるバルク型レンズと従来の凸形状の球面レンズとで平行光を作成した場合の特性を比較した図であり、本発明のバルク型レンズ２０、従来の薄型レンズ（両凸レンズ）１０１、及びバルク型レンズを用いない裸のＬＥＤのそれぞれの出力光のｙ方向に沿った強度（照度）分布を、測定距離ｘ＝１ｍにおいて測定した場合の結果を示す。本発明の第１の実施の形態に係るバルク型レンズ２０では、従来の薄型レンズ（両凸レンズ）１０１の２倍の照度が得られている。
この結果は、本発明の室内照明装置に用いるバルク型レンズが従来の光学系では実現できない効果を有することを示している。
【００３５】
図７は、本発明の室内照明装置に用いるバルク型レンズと従来の凸形状の球面レンズとで作成した平行光の平行度を評価した図である。
図５と同様にｙ方向に沿った強度（照度）分布を、測定距離ｘを変化させて測定したデータをまとめたものである。図の横軸は、測定距離ｘの逆数の２乗、即ち１／ｘ²を示し、縦軸は測定距離ｘにおける最大強度（ピーク強度）を示す。図から明らかなように、本発明の室内照明装置に用いるバルク型レンズの場合は、逆２乗則、即ち１／ｘ²を示す線上にきれいに測定点がプロットされる。一方、従来の薄型レンズ（両凸レンズ）１０１の場合は、逆２乗則からずれていることがわかる。
この結果は、本発明の室内照明装置に用いるバルク型レンズ２０は、平行度においても十分であり、従来のレンズ系に較べ、勝るとも劣らない性能を実現できることを示している。
【００３６】
図８は本発明の室内照明装置に用いるバルク型レンズの幾何学的構造と集光率の関係を示す図である。ここで「集光率」とは、「バルク型レンズからの±１°以内の発散角における出力光の光量」を、「光源（ＬＥＤ）からの±１２°以内の発散角における光量」で除した量で定義している。すなわち光線ビーム径に対応する量である。頂部３の曲率半径Ｒ、バルク型レンズの全長Ｌ、媒体長（頂部と天井部のレンズ間距離）Ｄ、収納部内径（凹部の内周部系）ｒ、天井部２の曲率部分長さΔをパラメータとして、集光率を測定した。尚ここで、Δの符号は図１に示すように、天井部２が凹である場合を負とし、凸の場合を正と定義する。図９は、作製した本発明のバルク型レンズの幾何学的構造を示す図である。図８から、集光率を向上するためには、
０．９３＜ｋ（Ｒ／Ｌ）＜１．０６・・・・・（２）
ｋ＝１／（０．３５・ｎ −０．１６８）・・・・・（３）
を満足することが好ましいことが実験的にわかる。ここで、ｎは、バルク型レンズの材料である光学媒質の屈折率である。なお、バルク型レンズ２０の円柱形状部分の半径Ｒｏと、頂部３の曲率半径をＲとは、必ずしも等しい必要はない。
【００３７】
次に、本発明の室内照明装置に用いる他の形態のバルク型レンズを説明する。図１０は、天井部２を凸形状にした本発明の室内照明装置に用いるバルク型レンズの構造を示す図である。図１０において、バルク型レンズ２２は、天井部２の形状が異なる外は、図１に示したバルクレンズ２０と同等である。測定に用いたバルク型レンズ２２の円柱形状部分の外径２Ｒｏは１５ｍｍφ、バルク型レンズの全長Ｌは、２５ｍｍ、頂部と天井部のレンズ間距離Ｄは１６ｍｍ、収納部６の内径ｒは５．２ｍｍ、バルク型レンズの屈折率ｎは１．５４である。このバルク型レンズの頂部３の曲率半径Ｒは８．２５ｍｍである。又、測定に用いた樹脂モールドされたＬＥＤ１の外径は５ｍｍφである。
【００３８】
図１１（Ａ）〜（Ｃ）及び図１２（Ａ）〜（Ｃ）は、天井部２の凸部の高さΔと、ビーム強度プロファイルとの関係を示す図である。光源からの距離ｘ＝１ｍで照度を測定した。
図から明らかなように、天井部２を凸形状のレンズとしても集光特性が得られることがわかる。
【００３９】
このようにして、本発明の室内照明装置に用いるバルク型レンズによれば、樹脂モールドされたＬＥＤ１の数を多数必要とすることなく、照明に寄与する光ビームとして所望の照射面積の光束を確保し、且つ所望の照度を簡単に得ることが出来る。この照度は従来公知のレンズ等の光学系では達成不可能な照度である。驚くことに、現在市販されているハロゲンランプを用いた細身の懐中電灯と同程度の照度がたった１個のＬＥＤで実現出来たのである。このように、本発明の第１の実施例に係る発光体によれば、従来の技術では実現できない照度を、図１に示すような簡単な構造で実現できる。
【００４０】
なお、樹脂モールドされたＬＥＤ１としては、種々の色（波長）のＬＥＤが使用可能である。但し、懐中電灯のような照明目的のためには、白色ＬＥＤが人間の目には自然であろう。白色ＬＥＤは種々の構造のものが使用出来る。例えば、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）及び青（Ｂ）の３個のＬＥＤチップを縦に積層して構成しても良い。この場合、樹脂モールド１４から、それぞれの色のＬＥＤチップに対応し、合計６本のピンが導出されても良く、樹脂モールド１４の内部配線として、６本のピンを２本にまとめ、外部ピンとしては２本設けられた構造としてもかまわない。又、一方の電極（接地電極）を共通とすれば、外部ピンは４本でよい。又、赤（Ｒ）色、緑（Ｇ）色及び青（Ｂ）色の３枚のＬＥＤチップの駆動電圧を互いに独立に制御出来るようにしておけば、あらゆる色の混合が可能であるので、色合いの変化を楽しむことが可能である。
【００４１】
本発明の室内照明装置に用いるバルク型レンズ２０としては、アクリル樹脂等の透明プラスチック材料、石英ガラス、ソーダ石灰ガラス、ホウケイ酸ガラス、鉛ガラス等の種々のガラス材料等が使用可能である。或いは、ＺｎＯ、ＺｎＳ、ＳｉＣ等の結晶性材料を用いてもかまわない。又、可とう性、屈曲性や伸縮性のあるゾル、ゲル、ゾル・ゲル混合物、或いは透明ゴムのような材料でもかまわない。また、ゾル、ゲル、ゾル・ゲル混合物等を、透明ゴムやフレキシブルな透明プラスチック材料等に格納して用いても良い。アクリル樹脂等の透明プラスチック材料等は、バルク型レンズ２０を大量生産するのに好適な材料である。即ち、一度金型を作り、この金型により成形加工すればバルク型レンズ２０が簡単に大量生産出来る。
【００４２】
次に、本発明の室内照明装置に用いるバルク型レンズの変形例について説明する。
上記に説明した本発明の室内照明装置に用いるバルク型レンズは、端面放射型ＬＥＤのように、ＬＥＤチップの側面から発光する光源を使用する場合にも使用できるものである。
端面放射型ＬＥＤはＬＥＤチップの側面から発光するものであり、そのため、上記のバルク型レンズにこのＬＥＤチップを装着した場合には、バルク型レンズの内周部５に垂直に入射する成分が多くなるため、全反射されずにバルク型レンズの外部に散逸する光が多くなる。
変形例のバルク型レンズはこのような光源に対しても、極めて低損失で収束光を得ることができる。
【００４３】
図１３は、本発明の室内照明装置に用いるバルク型レンズの内周部５と外周部９とが傾きを有する場合の光線の光路を示す図である。
図において、光源の発散角をθ_d、内周部５と外周部９との傾き角をφ、外周部９の全反射角をθ_t、内周部５における光線の入射角、屈折角をθ₁及びθ₂、そしてバルク型レンズの光学媒質の屈折率、収納部（凹部）６の屈折率をｎ₂及びｎ₁とする。図は、光源の最大出射角、すなわち、発散角の光線が傾き角をφにより、全反射条件を満たし、全反射されている状態を表している。
内周部５において、スネルの屈折の法則より、θ₁とθ₂の間には、
ｓｉｎθ₁／ｓｉｎθ₂＝ｎ₂／ｎ₁ （４）
が成り立ち、また、図から明らかなように、θ_t、φ、θ₂の間には、
θ_t＝φ＋θ₂ （５）
が成り立つ。また、図から明らかなように、θ_d、θ₁、φの間には、
θ_d＝９０°−（θ₁＋φ）（６）
の関係が成り立つ。上記（４）、（５）、（６）式よりθ₁とθ₂を消去すると、バルク型レンズが全反射角θ_tを有し、光源の発散角がθ_dである場合の、全反射するために必要な傾き角φを与える関係式として、
ｓｉｎ^-1｛ｎ₁／ｎ₂ｃｏｓ（θ_d＋φ）｝＝θ_t （７）
が得られる。すなわち、（７）式を満たす傾き角φ以上で内周部５と外周部９が傾いていれば、たとえ、内周部５に垂直に光が入射する場合（θ_d＝９０°）でも全反射され、頂部３へ、あるいは底面７で反射して頂部３へ導かれるから、収束光を得ることができる。
【００４４】
図１４は上記室内照明装置に用いるバルク型レンズの構成を示す図である。
図１４（Ａ）は、バルク型レンズ２０の内周部５の表面に微細な凹凸を設けた例を示している。この凹凸は少なくとも（７）式を満足するφ以上の傾き角を有しており、また、この凹凸の大きさは光波長程度でよい。また、この凹凸は、内周部５の光源近傍に設けるだけでよい。
このような凹凸は、適切な粒径の研磨剤を用いて、内周部５の表面を磨くことによって簡単に形成できる。
図１４（Ｂ）は、ほぼ真横方向に出射した光線がバルク型レンズ内を全反射して、又は底面７で反射してかつ側壁で全反射して、頂部３に導かれる様子を示している。このように、例えば、端面発光ＬＥＤのようにほとんどの出射光がチップの側面から出射するようなＬＥＤを使用する場合においても、全ての出射光を収束できる。
さらにまた、レンズ部と光源を収納する収納部とが一体で形成されているため、従来のレンズ系では必要であったレンズと光源を光学的位置合わせをして保持する保持部を必要とせず、また、光学的位置合わせ工程を必要とせず、ただ光源にかぶせるだけでよいので、極めて低コストである。
【００４５】
図１５は、第１の実施例による室内照明装置の構成を説明する図であり、同図（Ａ）は外観図、同図（Ｂ）は断面図である。
図１５に示す室内照明装置は、飛行機や電車或いは自動車、例えば、バスなどの乗り物の室内に設置されて全体的な照明に用いられるものである。図１５に示すように、この室内照明装置は、筐体３１と、室内に照明装置を取り付けるための取付板３２と、外部の電源と接続される電力供給用の信号線３３と、バルク型レンズ３４と、所用に応じて取り付けられる拡散版３５と、信号線３３が接続されたプリント板３６と、プリント板３６を覆うように取り付けられた板状部材３７と、光源として採用された発光ダイオードＤと、から構成される。
【００４６】
光源として採用された発光ダイオードＤは、電気を光に変える変換効率が高く、乗り物につきものの振動や衝撃にも強い。変換効率が高いということは、発熱量が小さく、小さな電力でも大きな光量が得られるということを意味する。第１の実施の形態では、このような特性を有する発光ダイオードＤを光源として採用することにより、小さな消費電力で大きな光量が得られる頑健な室内照明装置を実現させている。なお、光源としては、発光ダイオードＤではなく、半導体レーザなどの他の半導体発光素子であっても良い。発光ダイオードＤ自体については、市販されているものであっても良く、そうでなくても良い。
【００４７】
発光ダイオードＤを覆うように取り付けられたバルク型レンズ３４は、そのダイオードＤから出射された光を特定の箇所に集光、或いは広範囲に拡散させるためのものである。バルク型レンズ３４により、照明装置として適切に機能するようにしている。なお、１個のバルク型レンズ３４で覆う発光ダイオードＤは１個ではなく複数個であっても良い。
【００４８】
発光ダイオードＤでは発熱を考慮しなくても良い。このため、それを覆うようにバルク型レンズ３４を取り付けるとしても、その材質としてプラスチックやアクリルなどの合成樹脂を採用することができる。このことから、採用する材質を選ぶ上での設計自由度が高くなる。この発光ダイオードＤは、複数、プリント板３６上に配置、例えば、各列に、それぞれ複数の発光ダイオードＤを並べる形で配置しているが、その配置についての設計自由度も高い。配置は必要に応じて様々に変更させることができる。発光ダイオードＤを直流で駆動させた場合には、ノイズの発生を回避させることもできる。
【００４９】
図１６はこの室内照明装置の回路構成図である。図に示すように、この室内照明装置は、外部電源、例えば、乗り物から信号線３を介して供給される電流から所定の電圧を発生させる電源部４１と、発光ダイオードＤを駆動する駆動部４２と、駆動部４２の制御を行う制御部４３と、から構成されている。これら電源部４１、駆動部４２、制御部４３は、図１５（Ｂ）に示すプリント板３６上に搭載されている。
【００５０】
例えば、上記電源部４１は、信号線３３から電流が供給されている間、制御部４３及び駆動部４２の電源として機能する。制御部４３はその間、各発光ダイオードＤが予め定められた輝度で発光するように駆動部４２を制御する。これにより、求められている光量で室内を照らすように室内照明装置は動作するようになっている。
【００５１】
上記の第１の実施例による照明装置は、室内全体を照らすためのものである。これに対し、以下に説明する第２の実施例は、特定箇所を照らすためのスポットライトである。この例においても上記の例と同じ効果を得ることができる。
【００５２】
図１７は、第２の実施例による室内照明装置の構成を説明する図であり、同図（Ａ）は外観図、同図（Ｂ）は断面図である。図に示すように、この室内照明装置は、照明装置を室内に固定・設置するための固定部材５１と、固定部材５１によって支持される回転支持固定部５２と、固定部５２に取り付けられた制御部５３と、図示しない電源部（図１６における電源部４１に対応）から制御部５３に電流を供給するための電源線５４と、制御部５３が発光ダイオードＤの駆動制御用である制御信号を出力するための制御線５５と、内部に発光ダイオードＤを収納し、そのダイオードＤから出射された光を特定箇所に集めるためのバルク型レンズ５６と、バルク型レンズ５６を回転させるために設けられた回転用取手部５７と、所用に応じて取り付けられる拡散部材５８と、バルク型レンズ５６内部に収納された１個或いは複数個の発光ダイオードＤを駆動する駆動部５９と、から構成されている。
【００５３】
上記回転支持固定部５２の端部には、図１７（Ｂ）に示すような内側に向かって突出したと凸部５２ａが数カ所或いはその端部全体に渡って形成されている。他方のバルク型レンズ５６には、その凸部５２ａの形状に合わせて凹部５６ａが全体的に形成されている。このため、凹部５６ａと凸部５２ａが噛み合わさっているような状態でバルク型レンズ５６を３６０度、自由に回転させることができるようになっている。これにより、照らされる特定箇所の微調整を行えるようにしている。発光ダイオードＤを発光させても取手部５７は熱くならないことから、バルク型レンズ５６は常に安全に回転させることができる。
【００５４】
例えば、電源線５４を介しての電流の供給は、発光ダイオードＤを駆動すべき間だけ行われるようになっている。制御部５３はその間、制御線５５を介して各発光ダイオードＤを所定の輝度で発光させるための信号を駆動部５９に送る。それにより、求められている光量で特定箇所を照らすように室内照明装置は動作するようになっている。
【００５５】
なお、第１及び第２の実施例では、室内照明装置の回路について具体的に言及していないが、その回路は、例えば、以下のように実現させても良い。図１８〜図２０を参照して、その回路の実現例について詳細に説明する。
【００５６】
図１８に示す回路は、例えば、第１の実施の形態による室内照明装置用のものである。ＩＣ４１は図１６の制御部４３に対応し、複数の例えばＭＯＳ−ＦＥＴであるトランジスタＴからなる駆動部４２は図１６の駆動部４２に対応する。端子ａ〜ｃには、それぞれ、図１６の電源部４１に対応するものから予め定められた電圧が印加される。端子ｂとトランジスタＴの、例えば、ドレインの間には１個の抵抗Ｒ、及び複数個の発光ダイオードＤが直列に接続され、端子ｃとトランジスタＴの、例えば、ドレインの間には、１個の抵抗Ｒ、及び複数個の発光ダイオードＤが直列に接続されたものが複数、並列に接続されている。
【００５７】
ＩＣ６１は、トランジスタＴのゲートに流れる電流の大きさを制御するか、或いはそれに間欠的に電流を流す、すなわち、パルス駆動を行うことで発光ダイオードＤの明るさの調整を行う。パルス駆動を行うのであれば、そのＩＣ６１として、ワンチップマイクロコンピュータ、ロジックＩＣの組み合わせ或いは抵抗、コンデンサの時定数を利用したアナログ回路を使用することができる。そのパルス駆動を行う方法としては、パルス幅、すなわち、ゲートに電流を流している時間幅が一定で繰り返し周波数を変える方法や、周波数は一定でパルス幅を変える方法などがある。
【００５８】
図１９に示す回路は、例えば、発光ダイオードＤを単に直流駆動する場合のものである。図１９中の６２は電源部であり、６３は電源部６２と発光ダイオードＤの間に挿入されたスイッチである。
【００５９】
図１９に示す回路では、電源部６２、抵抗Ｒ、複数個の発光ダイオードＤ及びスイッチ６３が直列に接続されている。これにより、発光ダイオードＤのオン／オフは、スイッチ６３への操作により行うようになっている。その抵抗Ｒの値は発光ダイオードＤの数により変更する必要がある。
【００６０】
図２０に示す回路は、例えば、様々な色の照明を行えるようにする場合のものである。図２０中の６４は制御回路からなる制御部、６５は複数の例えばＭＯＳ−ＦＥＴであるトランジスタＴからなる駆動部、６６はセンサー、Ｒは抵抗、ＤＲ、ＤＧ、ＤＢ、ＤＷはそれぞれ、赤色、緑色、青色、白色の光を発する発光ダイオードである。端子ｄ、ｅにはそれぞれ、図１６の電源部４１に対応する電源から電力が印加される。
【００６１】
制御部６４は、センサー６６からの信号、或いは装置に組み込んである調整器の状態に応じて、ゲートに電流を流すトランジスタＴ、或いは各トランジスタＴに流す電流の大きさを決定し、その決定した内容に従ってトランジスタＴを駆動する。それにより、照明の色を様々に変化できるようになっている。照明の色を様々に変化させられるようにすることで、用途の幅を広げることができる。
【００６２】
上述した図１８〜図２０の回路の実現例は一例であり、本発明を適用した室内照明装置用の回路はそれらのうちの一つに限定されるものではない。それら以外の構成であっても良い。例えば電源部については、それを乗り物側に用意することで、それを不要とすることもできる。搭載させる機能についても同様に、上述したものに限定されるわけではなく、用途などに合わせて様々な機能を搭載させても良い。それら以外のことについても、本発明の技術思想を越えない範囲で様々な変形を行うことができる。
【００６３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、室内照明装置として必要な光量を達成させるために、変換効率が高く、すなわち発熱量が小さく、比較的に小さな消費電力で大きな光量が得られる発光ダイオード或いは半導体レーザなどの半導体発光素子を光源として採用し、更に、これらの光源の光束を収束又は発散する光学系に極めて効率の高いバルク型レンズを使用しているので、極めて明るく、消費電力の少ない、かつ、低コストの室内照明装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の室内照明装置に使用するバルク型レンズの構成を示す断面図である。
【図２】従来技術のレンズ系による損失の状況を示す図である。
【図３】フレネル反射を示す図である。
【図４】ＬＥＤのＰＮ接合において反射光（迷光）が再発光する過程を示す図である。
【図５】本発明の室内照明装置に使用するバルク型レンズと従来のレンズとの特性比較に用いた測定系を示す図である。
【図６】本発明の室内照明装置に使用するバルク型レンズと従来のレンズの集光特性を比較した図である。
【図７】本発明の室内照明装置に使用するバルク型レンズと従来のレンズの集光特性を比較した図である。
【図８】本発明の室内照明装置に使用するバルク型レンズの幾何学形状の違いによる特性変化の実測値を示す図である。
【図９】図８の測定に用いた本発明の室内照明装置に使用するバルク型レンズの幾何学形状を示す図である。
【図１０】本発明の室内照明装置に使用する他のバルク型レンズの構成を示す断面図である。
【図１１】本発明の室内照明装置に使用する他のバルク型レンズの幾何学形状の違いによる特性変化の実測値を示す図である。
【図１２】本発明の室内照明装置に使用する他のバルク型レンズの幾何学形状の違いによる特性変化の実測値を示す図である。
【図１３】本発明の室内照明装置に使用するバルク型レンズの変形例に係るバルク型レンズの原理を説明する模式図である。
【図１４】本発明の室内照明装置に使用するバルク型レンズの変形例に係るバルク型レンズの構成を示す図である。
【図１５】第１の実施例による室内照明装置の構成を説明する図である。
【図１６】第１の実施例による室内照明装置の回路構成図である。
【図１７】第２の実施例による室内照明装置の構成を説明する図である。
【図１８】本発明を適用した室内照明装置用の回路の実現例を説明する図である。
【図１９】本発明を適用した室内照明装置用の回路の実現例を説明する図である。
【図２０】本発明を適用した室内照明装置用の回路の実現例を説明する図である。
【符号の説明】
１光源
２天井部
３頂部
４光学媒体
５内周部
６凹部
７底部
８スペーサ
９外周部
２０バルク型レンズ
３１筐体
３２取付板
３４、５６バルク型レンズ
３６プリント板
４１、６２電源部
４２、５９、６０、６５駆動部
４３、６４制御部
５２ａ、５６ａ回転支持固定部
６１ＩＣ
６６センサー
Ｄ、ＤＲ、ＤＧ、ＤＢ、ＤＷ発光ダイオード
Ｒ抵抗
Ｔトランジスタ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an interior lighting device installed in a vehicle such as an airplane, a bus, or a train. Specifically, the present invention relates to an indoor lighting device that can obtain a large amount of light with low power consumption.
[0002]
[Prior art]
For example, in a plane of an airplane, an illumination device that illuminates the entire interior, or a device that illuminates a local narrow area, a so-called spot illumination device is installed. Conventionally, fluorescent lamps, incandescent lamps, and the like have been used as light sources for these lighting devices.
[0003]
However, an airplane uses a private generator or a battery as a power source for lighting equipment and various devices, and lower power consumption is required. Furthermore, since it is necessary to prepare various functions in the room, the lighting device is required to be simpler, smaller, and easy to replace.
[0004]
The power consumption of various devices mounted on airplanes has been reduced due to technological advances. However, light sources such as fluorescent lamps or heat-generating bulbs used in conventional lighting fixtures have a conversion efficiency from electricity to light. Since it is low, it not only consumes a large amount of power, but also generates a large amount of heat, and is also susceptible to vibration and shock.
[0005]
A large calorific value means that the light source reaches a high temperature. For this reason, there is also a danger of causing burns to those who touch it. For example, the spot lighting device for each seat is provided with a portion that is touched when the spot position is changed, but the portion may become hot enough to cause a burn. Therefore, there is a problem that it is difficult to adjust the spot illumination position. In these spot illumination devices, a glass lens is used as a light condensing lens because of the heat generated by the light source. Therefore, the weight of the airplane is increased.
[0006]
As is well known, the fluorescent lamp is turned on by a ballast or an inverter. For this reason, it becomes a generation source of a big noise, and it may have a great bad influence on other apparatuses, and it is better not to use it for the vehicle which requires reliability like an airplane. In addition, since fluorescent paint and mercury are used in fluorescent lamps, there is also one aspect that adversely affects the environment.
[0007]
As described above, the conventional lighting device installed in a room such as a vehicle has various problems as described above. Therefore, robust lighting that is strong against vibrations and shocks that can obtain a large amount of light with low power consumption. A device is highly desired.
[0008]
As such an apparatus, it has been attempted to use a semiconductor light emitting element such as an LED or an LD as a light source. However, semiconductor light emitting devices such as LEDs and LDs are small light emitters, and an enormous number of semiconductor light emitting devices must be arranged to provide an illumination light source that satisfies the required illuminance. Further, it is necessary to converge a light beam having a large divergence angle emitted from these small light sources. Semiconductor light-emitting elements such as LEDs and LDs are not widely used because they are more expensive than fluorescent lamps, have a large light loss in the lens system that converges the luminous flux, and are expensive.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
Accordingly, it is an object of the present invention to provide an indoor lighting device that can obtain bright illumination with a small number of semiconductor light emitting elements, and thus has low cost and low power consumption.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In view of the above object, the indoor lighting device of the present invention uses a bulk lens to converge or diverge the luminous flux of the light source. The bulk type lens is composed of an optical medium having a top portion, a bottom portion, an outer peripheral portion, and a concave portion composed of a ceiling portion and an inner peripheral portion formed from the bottom portion toward the top portion, and the concave portion accommodates a light source. The ceiling part and the top part function as a lens surface, the inner peripheral part functions as a light incident surface, the outer peripheral part functions as a total reflection surface, and the bottom part functions as a reflection surface. When the light source is housed inside the recess, the ceiling functions as the lens entrance surface and the top functions as the lens exit surface. The light incident on the optical medium from the inner periphery is totally reflected or reflected at the bottom and transmitted to the top. “Bulk type” means a solid body having a certain degree of thickness or swelling, such as a shell type, egg type, saddle type, saddle type. The cross-sectional shape perpendicular to the optical axis direction can be a perfect circle, an ellipse, a triangle, a quadrangle, a polygon, or the like. The outer peripheral portion of the bulk type lens body may be a surface parallel to the optical axis, such as a circular column or a peripheral portion of a prism, and may have a taper with respect to the optical axis. In addition, the lens surface at the ceiling and the top can be appropriately selected from a convex surface, a concave surface, a flat surface, and a Fresnel lens surface.
[0011]
The bulk type lens used in the indoor lighting device of the present invention has a lens function and an optical transmission function for connecting the entrance surface and the exit surface, and thus is a material transparent to the wavelength of light and has a refractive index of air. Must be different from the refractive index. As such a material, various glass materials such as transparent resin (transparent plastic material) such as acrylic resin, quartz glass, soda-lime glass, borosilicate glass, lead glass, and the like can be used. Alternatively, a crystalline material such as zinc oxide (ZnO), zinc sulfide (ZnS), or silicon carbide (SiC) may be used. Also, a material such as a transparent rubber having flexibility, flexibility and stretchability may be used. When an incandescent bulb such as a halogen lamp is used as the light source, a heat resistant optical material should be used in consideration of the heat generated by this. As the heat resistant optical material, heat resistant glass such as quartz glass and sapphire glass is preferable. Alternatively, a heat-resistant optical material such as a heat-resistant resin such as a polysulfone resin, a polyether sulfone resin, a polycarbonate resin, a polyetheresteramide resin, a methacrylic resin, an amorphous polyolefin resin, or a polymer material having a perfluoroalkyl group It can be used. Crystalline materials such as SiC are also excellent in heat resistance.
[0012]
The light source is preferably a light source that does not cause a significant heat generation effect during light emission, such as an LED or a semiconductor laser. If an LED or the like is used, when the “light source” is housed inside the concave portion (housing portion) of the bulk type lens, the thermal effect is not exerted on the bulk type lens due to its heat generation action.
[0013]
If the above-described bulk lens is used in the indoor lighting device of the present invention, a desired illuminance can be easily obtained without requiring a large number of light sources. This illuminance cannot be achieved by a conventionally known optical system such as a lens if the number of light sources is the same. The indoor lighting device of the present invention realizes illuminance that cannot be achieved by conventional techniques with a simple and compact configuration.
[0014]
An LED has an internal quantum efficiency and an external quantum efficiency. Usually, the external quantum efficiency is lower than the internal quantum efficiency. The bulk type lens used in the indoor lighting device of the present invention can effectively extract the light energy of a potential LED with the efficiency almost equal to the internal quantum efficiency by storing the LED in the storage part (recess). It becomes.
The principle is that (a) the reflected light (stray light) at the top surface and the ceiling portion of the bulk type lens and the outer peripheral portion is totally reflected at the outer peripheral portion, so that it hardly dissipates outside the bulk type lens. ) A part of the reflected light (stray light) returns to the lens surface that is the top part and the ceiling part. (C) A part of the reflected light (stray light) is reflected at the bottom part and returns to the lens surface that is the top part and the ceiling part. (D) A part of the reflected light (stray light) is absorbed by the LED light source and re-emitted, and (e) light incident on the inner surface is also guided by total reflection and used effectively. Conceivable.
[0015]
In addition, according to the bulk type lens used in the indoor lighting device of the present invention, the light source itself such as an LED can easily change the optical path such as light divergence and convergence, and change the focus without any modification. Is possible.
That is, if the divergence angle of the light source, which is the first feature of the present invention, is known, the radius of curvature of the first and second curved surfaces can be easily selected. Note that either one of the first and second curved surfaces may be a flat surface with an infinite curvature radius or near infinity. If either one of the first and second curved surfaces has a predetermined (finite) radius of curvature that is not infinite, light convergence and divergence can be controlled. The “predetermined divergence angle” may be 0 °, that is, a parallel light beam. Further, even if the divergence angle is 90 °, since the storage portion completely covers the light emitting portion of the light source, the light can be effectively collected. This is an operation that is impossible with a conventional optical system such as a lens. That is, the inner peripheral part of the storage part other than the ceiling part can also function as an effective light incident part.
[0016]
Specifically, the light source used in the indoor lighting device of the present invention is a chip-shaped semiconductor light emitting element, a semiconductor light emitting element molded with a transparent material, or an emission end face of an optical fiber that guides light from another light source. These light sources may be stored in the storage unit via an optical medium. By appropriately selecting the optical medium according to the refractive index, it is possible to change the optical path such as light divergence and convergence, and change the focal point, and also to change the refraction angle of light incident on the recess from the inner peripheral surface. It is also possible to make the total reflection of the recess more effective.
Here, the optical medium includes not only solids, liquids, and gases, but also substances that are transparent to the wavelength of light in the form of sol, colloid, or gel.
[0017]
Furthermore, the bulk type lens used for the indoor lighting device of the present invention is characterized in that the light incident surface of the inner peripheral portion is formed of an uneven surface having a predetermined inclination and a size of at least the light wavelength or more. In addition, the predetermined inclination φ represents the refractive index of the recess n.₁, The refractive index of the optical medium is n₂, The total reflection angle at the outer peripheral surface in the optical medium is θ_t, The divergence angle of the light source is θ_dAs
sin^-1{N₁/ N₂cos (θ_d+ Φ)} = θ_t
It is characterized by an angle determined from
According to this configuration, for example, even when an LED in which most of the emitted light is emitted from the side surface of the chip, such as an edge-emitting LED, all the emitted light can be collected.
[0018]
The indoor lighting device of the present invention is provided on the premise that it is installed in the interior of a vehicle such as an airplane, a train, or an automobile, and has the following configuration.
[0019]
A semiconductor light emitting element such as a plurality of light emitting diodes or laser diodes as a light source, a plurality of bulk type lenses for converging or diverging a light beam of the light source, and a driving means for driving the plurality of semiconductor light emitting elements to emit light. Yes.
According to this configuration, since the light source is a semiconductor light emitting element, power consumption is small and little heat is generated. Furthermore, since the light flux of the light source is converged or diverged by the bulk type lens, the illuminance is extremely high. Since it has a driving means for driving a plurality of semiconductor light emitting elements to emit light, it can also be used as indoor lighting over a wide area.
Thus, it is suitable as interior lighting for vehicles that require low power consumption.
Furthermore, it further comprises control means for controlling driving of the semiconductor light emitting element by the driving means, and this control means uses a plurality of types of semiconductor light emitting elements having different emission colors as the plurality of semiconductor light emitting elements. In addition, conditions for driving by the driving means can be set for each type of semiconductor light emitting element, and the color of illumination can be changed. According to this configuration, the illumination color can be changed according to the preference of the person and as required.
[0020]
Further, the bulk type lens is supported so as to be rotatable around the light source, and further, the light transmittance mounted on the front surface of the bulk type lens is changed, that is, has a pattern of a light transmission part and a non-transmission part. A diffusing member is provided, and the light irradiation pattern can be changed by rotating the bulk lens.
According to this configuration, as described above, the indoor lighting device of the present invention hardly generates heat, so the bulk lens can be rotated with bare hands, and the illumination pattern can be easily changed.
[0021]
In the present invention, in order to achieve the amount of light required as an interior lighting device, the energy conversion efficiency is high, that is, a light emitting diode or semiconductor laser that can generate a large amount of light with a small amount of heat generation and relatively low power consumption. Employing semiconductor light-emitting elements as light sources, and using a low-cost bulk lens with extremely low light loss as a lens system for converging or diverging the light flux of these light sources, it is extremely bright and low-cost. Can be manufactured.
[0022]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
In the following description of the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals. However, it should be noted that the drawings are schematic, and the relationship between the thickness and the planar dimensions, the ratio of the thickness of each layer, and the like are different from the actual ones. Accordingly, specific thicknesses and dimensions should be determined in consideration of the following description. Moreover, it is a matter of course that portions having different dimensional relationships and ratios are included between the drawings.
[0023]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a light emitter using a bulk-type lens used in the indoor lighting device of the present invention. As shown in FIG. 1, the light emitter includes at least a light source 1 such as an LED that emits light in a predetermined wavelength band, and a bulk lens 20 that completely surrounds the light source 1. The bulk lens 20 is an optical medium including a top portion 3, a bottom portion 7, an outer peripheral portion 9, and a concave portion 6 including a ceiling portion 2 and an inner peripheral portion 5 formed from the bottom portion 7 toward the top portion 3. The light source 1 is accommodated and fixed concentrically and completely with the bulk type lens 20 through the spacer 8 in the recess 6, the ceiling portion 2 serves as the light incident surface of the lens, and the top portion 3 serves as the exit surface of the lens. Is configured to function as
[0024]
The light source 1 of FIG. 1 includes an LED chip 13, a support pin 11 that also serves as an electrode on which the LED chip 13 is placed, an electrode pin 12 that supplies power to the other electrode of the LED chip 13, a chip 13, It is composed of a transparent resin mold 14 that covers the support pins 11 and the electrode pins 12. The resin mold 14 has a cylindrical side portion, and is fitted to the inner peripheral portion 5 of the concave portion 6 of the bulk lens 20 via the spacer 8.
[0025]
The side surface of the resin mold 14 has, for example, a cylindrical shape with a diameter (2r) of 2 to 3 mmφ, and the inner peripheral portion 5 of the concave portion 6 of the bulk lens 20 has a cylindrical shape with a diameter of 2.5 to 4 mmφ, for example. ing. In order to fix the LED 1 and the bulk lens 20, a spacer 8 having a thickness of about 0.25 to 0.5 mm is inserted between the LED 1 and the concave portion 6 of the bulk lens 20. The spacer 8 is disposed at a position excluding the light emitting portion of the LED 1, that is, on the bottom 7 side from the bottom surface of the LED chip 13 in FIG. 1.
[0026]
In the bulk type lens 20, for example, the top portion 3 has a convex spherical surface, and the outer peripheral portion 9 has a cylindrical shape. The diameter of the outer peripheral portion 9 (2R₀) Is, for example, 10 to 30 mmφ, and can be arbitrarily selected according to the purpose of use. However, in order to increase the light collection efficiency,
10r> R₀> 3r (1)
It is preferable to satisfy this relationship. Diameter (2R) of the outer peripheral portion 9 of the bulk lens 20₀) Is more than 10 times the inner diameter (2r) of the inner peripheral portion 5 of the recess 6, the bulk type lens of the present invention functions, but it becomes unnecessarily large and is not preferable for the purpose of downsizing.
[0027]
The bulk type lens of the present invention having the above configuration can be converged with an extremely low loss compared to an optical system using a conventional convex spherical lens for the following reason. Since an LED is a light source with a large divergence angle, light loss is inevitable if all light emitted from the LED is converted into parallel rays by a conventional convex spherical lens.
FIG. 2 is a diagram showing the light condensing effect of a conventional convex spherical lens, and FIG. 2A shows a state in which light from an LED light source is converted into parallel light using a convex half spherical lens. Yes. In the figure, the lens has a radius of curvature r and is located at a focal length f from the light source. The focal length of the one-spherical lens is f = r / (n−1), where n is the refractive index of the lens, and therefore f = 2r when the refractive index n = 1.5. Therefore, as apparent from the figure, the maximum divergence angle that can be received by the lens is 30 °, and the light beam shown in FIG. 2B cannot be parallel light. That is, when a conventional lens is used, light having an opening angle or more determined from the relationship between the focal length and the radius of curvature cannot be taken in, so that the loss is large.
Many LED light sources have a divergence angle of 30 ° or more. In this case, a large loss occurs due to the above reason. Conventionally, in such a case, improvement is made by using a high refractive index lens, but the cost becomes high. Alternatively, there is an example of dealing with a complicated combination of lenses, but in this case, the Fresnel reflection loss described below increases.
[0028]
FIG. 2B is a diagram showing the state of reflection on the incident surface of a conventional convex half-spherical lens. In the figure, a line with an arrow represents a light beam emitted from the LED 1 and reflected by the light incident surface of the convex spherical lens. θ (θ₁, Θ₂) Represents an emission angle from the LED, that is, a divergence angle, and φ (φ₁, Φ₂) Represents the incident angle of each light beam on the lens surface.
[0029]
FIG. 3 shows Fresnel's law of reflection. In the figure, the horizontal axis represents the incident angle of the light beam, the vertical axis represents the reflectance of the light intensity, the refractive index of the lens is 1.5, and the light beam is incident on the lens surface from the air. As is apparent from the figure, the reflectance is low and constant until the incident angle is around 50 °, but the reflectance increases abruptly when the angle exceeds 50 °.
The light ray having a large incident angle shown in FIG. 2B has a high ratio of being reflected as apparent from the Fresnel reflection law of FIG. For example, when a single-convex spherical lens having a refractive index of 1.5 is used and parallel light is produced by using a light source with a divergence angle of 30 ° at the focal length of the lens, the loss due to the reflected light is the total amount of light. Reaches nearly 30%.
Therefore, if the lenses are connected in multiple stages as in the conventional optical system, Fresnel reflection occurs in multiple stages, increasing the loss. These reflected lights are scattered in space and cannot be used as convergent light.
[0030]
On the other hand, in the bulk type lens used in the indoor lighting device of the present invention, even if the light beam has a large divergence angle, all the light beams can be incident on the lens surface, and by designing the geometric structure of the bulk type lens, Since all light beams can be converted into parallel rays, the lens has extremely low loss.
Further, since the reflecting surfaces that cause Fresnel reflection are the ceiling portion 2 and the top portion 3, the reflected light (stray light) reflected by these surfaces is reflected in the bulk lens. These reflected lights (stray light) are not scattered outside the bulk lens by being totally reflected by the outer peripheral part 9, but return to the lens surface, which is partly the top part 3 and the ceiling part 2, and become convergent light. The other part is reflected by the bottom 7 and returns to the top 3 or the ceiling 2 to become convergent light. The other part is absorbed by the LED light source and re-emitted to become convergent light.
[0031]
FIG. 4 is a diagram illustrating a process in which light returned to the LED light source 1 is re-emitted.
In the figure, the returned light is absorbed by the PN junction to generate holes and electrons, and these holes and electrons recombine to re-emit light. This effect is particularly significant in the case of an LED having a heterostructure. In the heterostructure LED, the band gap energy of the PN junction that is the light emitting part is formed smaller than the band gap energy of the P and N regions, so that reflected light (stray light) is absorbed in the P or N region. Instead, it is absorbed only at the PN junction and re-emits light.
Furthermore, in the bulk type lens used for the indoor lighting device of the present invention, the light incident on the inner peripheral portion 5 is also guided to the top portion 3 by total reflection on the outer peripheral surface 9 and is emitted as convergent light. This effect is further enhanced when the LED light source 1 is housed in the housing portion via an optical medium having a refractive index higher than that of the optical medium of the bulk lens.
In the bulk type lens of the present invention, the light from the LED light source is effectively extracted as the convergent light with the efficiency almost equal to the internal quantum efficiency due to the synergistic effect described above, and therefore compared with the conventional convex type spherical lens. It is thought that the loss will be extremely low.
[0032]
FIG. 5 is a diagram showing a measurement system for comparing characteristics when parallel light is produced by a bulk type lens used in the indoor lighting device of the present invention and a conventional convex spherical lens. FIG. 5A is a schematic diagram showing a measurement system for measuring the light intensity (illuminance) distribution in the direction perpendicular to the optical axis direction when the bulk lens 20 used in the indoor lighting device of the present invention is used. It is. The intensity (illuminance) of the output light from the exit surface of the bulk lens 20 is measured by moving the illuminometer 102 in the y-axis direction with the measurement distance x from the LED 1 being constant. The measurement distance (x) is measured in the optical axis direction. On the other hand, FIG. 5B is a diagram showing that the same measurement is performed using a conventional biconvex lens.
[0033]
In the measurements shown in FIGS. 5A and 5B, the outer diameter of the bulk lens 20 used in the indoor lighting device of the present invention is 30 mmφ, and the outer diameter of the biconvex lens 101 used for comparison is slightly more than twice this. Of 63 mmφ. A biconvex lens 101 having a focal length of 150 mm was used, and was arranged at a position of 150 mm from the LED 1 in the x direction. The LED light source 1 used a divergence angle of about 12 degrees.
[0034]
FIG. 6 is a diagram comparing the characteristics when parallel light is created using a bulk lens used in the indoor lighting device of the present invention and a conventional convex spherical lens. The result at the time of measuring distance x = 1m shows the intensity | strength (illuminance) distribution along the y direction of each output light of the thin lens (biconvex lens) 101 and bare LED which does not use a bulk type lens. In the bulk lens 20 according to the first embodiment of the present invention, an illuminance twice as high as that of the conventional thin lens (biconvex lens) 101 is obtained.
This result shows that the bulk type lens used in the indoor lighting device of the present invention has an effect that cannot be realized by a conventional optical system.
[0035]
FIG. 7 is a diagram in which the parallelism of parallel light created by the bulk type lens used in the indoor lighting device of the present invention and a conventional convex spherical lens is evaluated.
FIG. 6 summarizes data obtained by measuring the intensity (illuminance) distribution along the y direction while changing the measurement distance x in the same manner as in FIG. 5. The horizontal axis in the figure is the square of the reciprocal of the measurement distance x, that is, 1 / x.²The vertical axis indicates the maximum intensity (peak intensity) at the measurement distance x. As is apparent from the figure, in the case of the bulk type lens used in the indoor lighting device of the present invention, the inverse square law, that is, 1 / x.²The measurement points are clearly plotted on the line indicating. On the other hand, it can be seen that the conventional thin lens (biconvex lens) 101 deviates from the inverse square law.
This result shows that the bulk lens 20 used in the indoor lighting device of the present invention is sufficient in parallelism, and can achieve performance that is not inferior to that of a conventional lens system.
[0036]
FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the geometric structure of the bulk lens used in the indoor lighting device of the present invention and the light collection rate. Here, “condensation rate” is obtained by dividing “the amount of output light from the bulk lens at a divergence angle within ± 1 °” by “the amount of light from the light source (LED) at a divergence angle within ± 12 °”. Defined by the amount. That is, the amount corresponds to the beam diameter. The radius of curvature R of the top 3, the total length L of the bulk type lens, the medium length (distance between the lenses of the top and the ceiling) D, the inner diameter of the storage part (inner peripheral part system) r, the length of the curvature part Δ of the ceiling 2 As a parameter, the light collection rate was measured. Here, as shown in FIG. 1, the sign of Δ is defined as negative when the ceiling 2 is concave and defined as positive when convex. FIG. 9 is a diagram showing the geometric structure of the manufactured bulk lens of the present invention. From FIG. 8, in order to improve the light collection rate,
0.93 <k (R / L) <1.06 (2)
k = 1 / (0.35 · n−0.168) (3)
It is experimentally found that it is preferable to satisfy Here, n is the refractive index of the optical medium that is the material of the bulk lens. The radius Ro of the cylindrical portion of the bulk lens 20 and the curvature radius R of the top 3 are not necessarily equal.
[0037]
Next, another type of bulk lens used in the indoor lighting device of the present invention will be described. FIG. 10 is a diagram showing the structure of a bulk lens used in the indoor lighting device of the present invention in which the ceiling portion 2 is convex. In FIG. 10, the bulk lens 22 is the same as the bulk lens 20 shown in FIG. 1 except that the shape of the ceiling portion 2 is different. The outer diameter 2Ro of the cylindrical portion of the bulk type lens 22 used for the measurement is 15 mmφ, the total length L of the bulk type lens is 25 mm, the distance D between the top and ceiling lenses is 16 mm, and the inner diameter r of the storage portion 6 is 5. The refractive index n of the 2 mm bulk lens is 1.54. The radius of curvature R of the top 3 of this bulk lens is 8.25 mm. The resin-molded LED 1 used for the measurement has an outer diameter of 5 mmφ.
[0038]
FIGS. 11A to 11C and FIGS. 12A to 12C are diagrams illustrating the relationship between the height Δ of the convex portion of the ceiling portion 2 and the beam intensity profile. The illuminance was measured at a distance x = 1 m from the light source.
As can be seen from the figure, the light condensing characteristic can be obtained even when the ceiling 2 is a convex lens.
[0039]
Thus, according to the bulk type lens used for the indoor lighting device of the present invention, a light beam having a desired irradiation area is secured as a light beam contributing to illumination without requiring a large number of resin-molded LEDs 1. In addition, desired illuminance can be easily obtained. This illuminance is an illuminance that cannot be achieved by a conventionally known optical system such as a lens. Surprisingly, it could be realized with only one LED having the same illuminance as a thin flashlight using a halogen lamp currently on the market. Thus, according to the light emitter according to the first embodiment of the present invention, illuminance that cannot be realized by the conventional technique can be realized with a simple structure as shown in FIG.
[0040]
As the resin-molded LED 1, LEDs of various colors (wavelengths) can be used. However, for lighting purposes such as a flashlight, white LEDs will be natural to the human eye. White LEDs having various structures can be used. For example, three LED chips of red (R), green (G), and blue (B) may be stacked vertically. In this case, a total of six pins may be derived from the resin mold 14 corresponding to the LED chips of the respective colors. As the internal wiring of the resin mold 14, the six pins are combined into two, and the external pins However, it may be a structure in which two are provided. If one electrode (ground electrode) is used in common, the number of external pins may be four. Also, if the driving voltages of the three LED chips of red (R), green (G) and blue (B) can be controlled independently of each other, any color can be mixed. It is possible to enjoy the change in hue.
[0041]
As the bulk-type lens 20 used in the indoor lighting device of the present invention, various plastic materials such as transparent plastic materials such as acrylic resin, quartz glass, soda-lime glass, borosilicate glass, lead glass, and the like can be used. Alternatively, a crystalline material such as ZnO, ZnS, or SiC may be used. Further, a material such as sol, gel, sol-gel mixture, or transparent rubber having flexibility, flexibility or stretchability may be used. Also, sol, gel, sol-gel mixture, etc. may be stored in a transparent rubber or flexible transparent plastic material. A transparent plastic material such as an acrylic resin is a suitable material for mass-producing the bulk lens 20. That is, once a mold is formed and molded by this mold, the bulk lens 20 can be easily mass-produced.
[0042]
Next, a modification of the bulk type lens used in the indoor lighting device of the present invention will be described.
The bulk type lens used in the indoor lighting device of the present invention described above can be used even when using a light source that emits light from the side surface of the LED chip, such as an edge-emitting LED.
The edge-emitting LED emits light from the side surface of the LED chip. Therefore, when this LED chip is mounted on the above bulk lens, there are many components that are perpendicularly incident on the inner peripheral portion 5 of the bulk lens. Therefore, more light is diffused to the outside of the bulk lens without being totally reflected.
The modified bulk type lens can obtain convergent light with extremely low loss even for such a light source.
[0043]
FIG. 13 is a diagram showing an optical path of a light beam when the inner peripheral portion 5 and the outer peripheral portion 9 of the bulk type lens used in the indoor lighting device of the present invention have an inclination.
In the figure, the divergence angle of the light source is θ_d, The inclination angle between the inner peripheral part 5 and the outer peripheral part 9 is φ, and the total reflection angle of the outer peripheral part 9 is θ_t, The incident angle and refraction angle of the light beam in the inner peripheral part 5 are θ₁And θ₂, And the refractive index of the optical medium of the bulk lens, and the refractive index of the storage portion (concave portion) 6₂And n₁And The figure shows a state in which a light beam having a maximum light emission angle, that is, a divergence angle satisfies a total reflection condition with a tilt angle φ and is totally reflected.
In the inner peripheral part 5, from the Snell's law of refraction, θ₁And θ₂In between
sinθ₁/ Sinθ₂= N₂/ N₁              (4)
And, as is clear from the figure, θ_t, Φ, θ₂In between
θ_t= Φ + θ₂                                  (5)
Holds. As is clear from the figure, θ_d, Θ₁, Φ,
θ_d= 90 °-(θ₁+ Φ) (6)
The relationship holds. From the above formulas (4), (5) and (6), θ₁And θ₂, The bulk lens will have a total reflection angle θ_tAnd the divergence angle of the light source is θ_dAs a relational expression that gives an inclination angle φ necessary for total reflection,
sin^-1{N₁/ N₂cos (θ_d+ Φ)} = θ_t  (7)
Is obtained. That is, if the inner peripheral portion 5 and the outer peripheral portion 9 are inclined at an inclination angle φ satisfying the expression (7) or more, even if light is incident on the inner peripheral portion 5 vertically (θ_d= 90 °), the light is totally reflected, reflected to the top 3 or reflected from the bottom surface 7 and guided to the top 3, so that convergent light can be obtained.
[0044]
FIG. 14 is a diagram showing a configuration of a bulk lens used in the indoor lighting device.
FIG. 14A shows an example in which fine irregularities are provided on the surface of the inner peripheral portion 5 of the bulk lens 20. The unevenness has an inclination angle of φ or more that satisfies at least the expression (7), and the size of the unevenness may be about the light wavelength. Further, the unevenness only needs to be provided in the vicinity of the light source of the inner peripheral portion 5.
Such irregularities can be easily formed by polishing the surface of the inner peripheral portion 5 using an abrasive having an appropriate particle size.
FIG. 14B shows a state in which a light beam emitted in a substantially lateral direction is totally reflected inside the bulk lens, or reflected by the bottom surface 7 and totally reflected by the side wall, and is guided to the top portion 3. . Thus, for example, even when using an LED that emits most of the emitted light from the side surface of the chip, such as an edge-emitting LED, all the emitted light can be converged.
Furthermore, since the lens unit and the storage unit for storing the light source are integrally formed, there is no need for a holding unit for optically aligning and holding the lens and the light source, which is necessary in the conventional lens system. In addition, since the optical alignment process is not required and only the light source is covered, the cost is extremely low.
[0045]
FIGS. 15A and 15B are diagrams for explaining the configuration of the indoor lighting device according to the first embodiment. FIG. 15A is an external view, and FIG. 15B is a cross-sectional view.
The indoor lighting device shown in FIG. 15 is installed in the interior of a vehicle such as an airplane, train or automobile, for example, a bus, and is used for overall illumination. As shown in FIG. 15, this indoor lighting device includes a casing 31, a mounting plate 32 for mounting the lighting device in the room, a signal line 33 for supplying power connected to an external power source, and a bulk lens. 34, a diffusion plate 35 attached according to the purpose, a printed board 36 to which the signal line 33 is connected, a plate member 37 attached to cover the printed board 36, and a light emitting diode D employed as a light source. And.
[0046]
The light emitting diode D employed as a light source has high conversion efficiency for converting electricity into light, and is also resistant to vibrations and shocks inherent to the vehicle. High conversion efficiency means that the amount of heat generated is small and a large amount of light can be obtained with a small amount of power. In the first embodiment, a light-emitting diode D having such characteristics is employed as a light source, thereby realizing a robust indoor lighting device that can obtain a large amount of light with low power consumption. The light source may be other semiconductor light emitting elements such as a semiconductor laser instead of the light emitting diode D. The light emitting diode D itself may or may not be commercially available.
[0047]
The bulk type lens 34 attached so as to cover the light emitting diode D is for condensing the light emitted from the diode D to a specific location or diffusing it in a wide range. The bulk lens 34 functions appropriately as a lighting device. Note that the number of light-emitting diodes D covered by one bulk lens 34 is not limited to one but may be plural.
[0048]
The light emitting diode D need not take heat generation into consideration. For this reason, even if the bulk lens 34 is attached so as to cover it, a synthetic resin such as plastic or acrylic can be employed as the material. This increases the degree of design freedom in selecting the material to be used. A plurality of the light emitting diodes D are arranged on the printed board 36, for example, a plurality of light emitting diodes D are arranged in each row, but the degree of freedom in designing the arrangement is also high. The arrangement can be variously changed as required. When the light emitting diode D is driven with a direct current, the generation of noise can be avoided.
[0049]
FIG. 16 is a circuit configuration diagram of the indoor lighting device. As shown in the figure, this indoor lighting device includes an external power source, for example, a power source unit 41 that generates a predetermined voltage from a current supplied from a vehicle via the signal line 3, and a driving unit 42 that drives the light emitting diode D. And a control unit 43 that controls the drive unit 42. The power supply unit 41, the drive unit 42, and the control unit 43 are mounted on a printed board 36 shown in FIG.
[0050]
For example, the power supply unit 41 functions as a power supply for the control unit 43 and the drive unit 42 while a current is supplied from the signal line 33. In the meantime, the control unit 43 controls the drive unit 42 so that each light emitting diode D emits light with a predetermined luminance. As a result, the indoor lighting device operates so as to illuminate the room with the required light quantity.
[0051]
The lighting device according to the first embodiment is for illuminating the entire room. On the other hand, the 2nd Example demonstrated below is a spotlight for illuminating a specific location. In this example, the same effect as the above example can be obtained.
[0052]
FIGS. 17A and 17B are diagrams for explaining the configuration of the indoor lighting device according to the second embodiment. FIG. 17A is an external view, and FIG. 17B is a cross-sectional view. As shown in the figure, this indoor lighting device includes a fixing member 51 for fixing and installing the lighting device in a room, a rotation support fixing portion 52 supported by the fixing member 51, and a control attached to the fixing portion 52. Unit 53, a power supply line 54 for supplying a current to the control unit 53 from a power supply unit (not shown) (corresponding to the power supply unit 41 in FIG. 16), and a control signal for controlling the drive of the light emitting diode D by the control unit 53. A control line 55 for output, a light emitting diode D inside, a bulk type lens 56 for collecting the light emitted from the diode D at a specific location, and a bulk type lens 56 are provided for rotation. A rotating handle 57, a diffusion member 58 attached according to the purpose, and a drive unit for driving one or a plurality of light-emitting diodes D housed in the bulk lens 56. 9, and a.
[0053]
At the end portion of the rotation support fixing portion 52, convex portions 52a are formed at several places or over the entire end portion when protruding inward as shown in FIG. The other bulk type lens 56 has a concave portion 56a formed entirely in accordance with the shape of the convex portion 52a. For this reason, the bulk lens 56 can be freely rotated 360 degrees in a state where the concave portion 56a and the convex portion 52a are engaged with each other. Thereby, fine adjustment of the specific location illuminated can be performed. Since the handle portion 57 does not heat even when the light emitting diode D is caused to emit light, the bulk lens 56 can always be rotated safely.
[0054]
For example, the supply of current through the power line 54 is performed only while the light emitting diode D is to be driven. In the meantime, the control unit 53 sends a signal for causing each light emitting diode D to emit light with a predetermined luminance via the control line 55 to the drive unit 59. As a result, the indoor lighting device operates so as to illuminate a specific location with the required amount of light.
[0055]
In the first and second embodiments, the circuit of the indoor lighting device is not specifically mentioned, but the circuit may be realized as follows, for example. An implementation example of the circuit will be described in detail with reference to FIGS.
[0056]
The circuit shown in FIG. 18 is, for example, for the indoor lighting device according to the first embodiment. The IC 41 corresponds to the control unit 43 in FIG. 16, and the drive unit 42 including a plurality of transistors T, for example, MOS-FETs, corresponds to the drive unit 42 in FIG. Predetermined voltages from those corresponding to the power supply unit 41 in FIG. 16 are applied to the terminals a to c, respectively. One resistor R and a plurality of light emitting diodes D are connected in series between the terminal b and the transistor T, for example, the drain, and one terminal R is connected between the terminal c and the transistor T, for example, the drain. A plurality of resistors R and a plurality of light emitting diodes D connected in series are connected in parallel.
[0057]
The IC 61 adjusts the brightness of the light-emitting diode D by controlling the magnitude of the current flowing through the gate of the transistor T, or by passing the current intermittently, that is, by performing pulse driving. If pulse driving is performed, as the IC 61, a one-chip microcomputer, a combination of logic ICs, or an analog circuit using a time constant of a resistor and a capacitor can be used. As a method of performing the pulse drive, there are a method of changing the repetition frequency with a constant pulse width, that is, a time width in which a current is passed through the gate, and a method of changing the pulse width with a constant frequency.
[0058]
The circuit shown in FIG. 19 is for the case where the light emitting diode D is simply DC driven, for example. In FIG. 19, 62 is a power supply unit, and 63 is a switch inserted between the power supply unit 62 and the light emitting diode D.
[0059]
In the circuit shown in FIG. 19, a power supply unit 62, a resistor R, a plurality of light emitting diodes D, and a switch 63 are connected in series. Thereby, the light emitting diode D is turned on / off by operating the switch 63. The value of the resistor R needs to be changed depending on the number of light emitting diodes D.
[0060]
The circuit shown in FIG. 20 is, for example, for enabling illumination of various colors. In FIG. 20, 64 is a control unit comprising a control circuit, 65 is a drive unit comprising a plurality of transistors T such as MOS-FETs, 66 is a sensor, R is a resistor, DR, DG, DB, and DW are red, It is a light emitting diode that emits green, blue and white light. Electric power is applied to the terminals d and e from a power supply corresponding to the power supply unit 41 of FIG.
[0061]
The control unit 64 determines the size of the transistor T that supplies current to the gate or the current that flows to each transistor T according to the signal from the sensor 66 or the state of the regulator incorporated in the device. The transistor T is driven according to the contents. Thereby, the color of illumination can be changed variously. By making it possible to change the color of illumination in various ways, the range of applications can be expanded.
[0062]
The implementation examples of the circuits in FIGS. 18 to 20 described above are merely examples, and the circuit for the indoor lighting device to which the present invention is applied is not limited to one of them. Other configurations may be used. For example, the power supply unit can be made unnecessary by preparing it on the vehicle side. Similarly, the functions to be mounted are not limited to those described above, and various functions may be mounted in accordance with the application. Other than these, various modifications can be made without departing from the technical idea of the present invention.
[0063]
【The invention's effect】
As described above, the present invention is a light-emitting diode or semiconductor that has a high conversion efficiency, that is, a small amount of heat generation and a large amount of light with relatively low power consumption, in order to achieve the amount of light necessary for an indoor lighting device. A semiconductor light emitting element such as a laser is used as a light source, and furthermore, an extremely efficient bulk type lens is used in an optical system that converges or diverges the light flux of these light sources, so it is extremely bright and consumes little power. A low-cost indoor lighting device can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a bulk type lens used in an indoor lighting device of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a state of loss due to a lens system of the prior art.
FIG. 3 is a diagram showing Fresnel reflection.
FIG. 4 is a diagram illustrating a process in which reflected light (stray light) is re-emitted in a PN junction of an LED.
FIG. 5 is a diagram showing a measurement system used for comparing characteristics of a bulk lens used in the room lighting device of the present invention and a conventional lens.
FIG. 6 is a diagram comparing the condensing characteristics of a bulk lens used in the room lighting device of the present invention and a conventional lens.
FIG. 7 is a diagram comparing the condensing characteristics of a bulk lens used in the room lighting device of the present invention and a conventional lens.
FIG. 8 is a diagram showing measured values of characteristic changes caused by differences in geometric shapes of bulk lenses used in the indoor lighting device of the present invention.
9 is a diagram showing a geometric shape of a bulk type lens used in the room lighting device of the present invention used in the measurement of FIG.
FIG. 10 is a cross-sectional view showing a configuration of another bulk type lens used in the room lighting device of the present invention.
FIG. 11 is a diagram showing measured values of characteristic changes due to differences in geometric shapes of other bulk lenses used in the room lighting device of the present invention.
FIG. 12 is a diagram showing measured values of characteristic changes due to differences in geometric shapes of other bulk-type lenses used in the room lighting device of the present invention.
FIG. 13 is a schematic diagram for explaining the principle of a bulk lens according to a modification of the bulk lens used in the indoor lighting device of the present invention.
FIG. 14 is a diagram showing a configuration of a bulk type lens according to a modification of the bulk type lens used in the room lighting device of the present invention.
FIG. 15 is a diagram illustrating the configuration of an indoor lighting device according to the first embodiment.
FIG. 16 is a circuit configuration diagram of the room lighting device according to the first embodiment.
FIG. 17 is a diagram illustrating a configuration of an indoor lighting device according to a second embodiment.
FIG. 18 is a diagram illustrating an implementation example of a circuit for an indoor lighting device to which the present invention is applied.
FIG. 19 is a diagram illustrating an implementation example of a circuit for an indoor lighting device to which the present invention is applied.
FIG. 20 is a diagram illustrating an implementation example of a circuit for an indoor lighting device to which the present invention is applied.
[Explanation of symbols]
1 Light source
2 Ceiling
3 Top
4 Optical media
5 Inner circumference
6 recess
7 Bottom
8 Spacer
9 Outer circumference
20 Bulk lens
31 housing
32 Mounting plate
34, 56 Bulk lens
36 Printed board
41, 62 Power supply
42, 59, 60, 65 Drive unit
43, 64 control unit
52a, 56a Rotation support fixing part
61 IC
66 sensors
D, DR, DG, DB, DW Light emitting diode
R resistance
T transistor

Claims

A bottom portion, a columnar outer peripheral portion, a top portion serving as a lens surface, a concave portion including a ceiling portion formed from the bottom portion toward the top portion and a cylindrical inner peripheral portion, and the ceiling portion is As the first lens surface, the inner peripheral portion functions as a light incident surface, the outer peripheral portion functions as a total reflection surface, the bottom portion functions as a reflection surface, and the top portion functions as a second lens surface. A bulk lens,
A light source housed in the concave portion of the bulk lens via an optical medium,
The light source is a semiconductor light emitting element molded with a transparent material, and is concentrically and completely housed in the concave portion via a spacer,
Wherein the light flux of the light source, characterized that you outgoing and convergence at the top using the bulk-shaped lens, interior lighting device.

Bulk lens of the indoor lighting device is characterized in that the first lens surface of the ceiling portion is formed on the convex surface, room lighting device according to claim 1.

Bulk lens of the indoor lighting device is characterized in that the formation of the first lens surface in the plane, room lighting device according to claim 1.

Bulk lens of the indoor lighting device is characterized in that the formation of the first lens surface to a flat Fresnel lens surface, room lighting device according to claim 1.