JP4488183B2 - 照明装置 - Google Patents

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本発明は、高照度かつ均一な配光特性を持ったコンパクトな照明装置に関する。

コンパクトで消費電力が少なく、蛍光灯などと比較して寿命が十倍以上にも達する発光ダイオード(LED)は、集光レンズを組み込むことにより、特別なリフレクタなどを追加せずとも発光した光の約90%を前方に出射させることが可能であり、極めて指向性の強い高輝度の光を出射させることができる。しかも、発光面積が従来のものよりも大きく、著しく輝度の高い大型LED(パワーLED)も開発されているため、従来からある白熱灯や蛍光灯などに代わる低消費電力およびコンパクトな照明用の光源として、種々の方面で適用が考えられている。

このような照明用光源として採用可能なLEDに関する技術が特許文献1〜3などで提案されている。特許文献1には、選別された発光ダイオード素子を用い、リード細線のボンディングに起因する特性劣化・特性不良を回避することにより、特性のばらつきがなく、信頼性を高くすることが可能な半導体発光モジュールが開示されている。特許文献2には、LEDチップの配列と対応した配列を持つコリメート用光学素子をマイクロレンズアレイとして配置した平面半導体発光素子が開示されており、個々のLEDチップにて発せられた光の大部分を極めて狭い範囲に出射させることができるようになっている。さらに、特許文献3には、所定間隔で配列する個々の発光ダイオードに対し、これらとそれぞれ対向するアウタレンズを配し、これによって広い領域を照明できるようにした半導体発光モジュールが開示されている。

特開平9−69651号公報 特開2002−49326号公報 特許第3118798号公報

発光面積が従来のLEDよりも大きなパワーLEDは、製品毎の発光輝度のばらつきが比較的大きく、所定の公差に収まる発光輝度を持った製品を得るためには、その製造歩留まりが現在の技術では数十パーセント程度しかない。従って、これを均一な配光特性が要求される照明用の光源として採用した場合には、上述した製造歩留まりの低さのために極めて高価となってしまう欠点がある。

特許文献1に開示された半導体発光モジュールでは、特性のばらつきを回避するため、発光ダイオード素子の選別を行うようにしている。このため、所定の公差に収まらない発光ダイオード素子を用いることが基本的に排除される結果、パワーLEDの場合と同様に、製造される発光ダイオードの歩留まりが悪くなって半導体発光モジュールの製造コストが嵩んでしまう欠点を有する。

特許文献2に開示された平面半導体発光素子は、LEDチップの配列と対応した配列を持つコリメート用光学素子をマイクロレンズアレイとして配置しているため、個々のLEDチップの発光輝度のばらつきに応じた照度むらが発生する欠点がある。しかも、照明領域と対応した面積のLEDチップアレイを必要とするため、広い領域を均一な配光特性にて照明する場合、これに対応した大量のLEDチップを使用しなければならず、コストの点でほとんど実用的ではない。

特許文献3に開示された半導体発光モジュールは、発光ダイオードとアウタレンズとを同軸状に配置していることからも明らかなように、個々の発光ダイオードおよびアウタレンズが全体の照明領域の一部のみを分割照明するようになっている。このため、特許文献2の場合と同様に、個々の発光ダイオードの発光輝度のばらつきがそのまま照明領域の照度むらとなり、均一な配光特性、つまり照度分布を得ることが基本的にできない。また、このような不具合を回避するために発光ダイオードの選別を行った場合には、製造コストが嵩んでしまう欠点を有する。

本発明による照明装置は、電源に対する接続部が形成された配線基板と、この配線基板上に所定の配列パターンにて実装され、それぞれ集光レンズが一体的に組み込まれた複数個のLEDと、これらLEDと所定の空間領域との間に当該LEDに近接して該LEDの配列パターンと相似形の縮小配列パターンにて配され、前記LED側に面する平らな光学面と、前記所定の空間領域側に面する凸光学面とをそれぞれ有し、前記LEDから発せられた光を相互に重ね合わせた状態で前記所定の空間領域に導く複数個の平凸レンズと、これら平凸レンズおよび前記配線基板を収容するハウジングとを具え、前記LEDの集光レンズの光軸と前記平凸レンズの光軸とが相互に平行に設定され、個々の前記平凸レンズの光軸が対応する前記LEDの集光レンズの光軸に対し、前記所定の空間領域の中央側にオフセットされていることを特徴とするものである。

本発明の原理を表す図1において、個々の光源1から発せられた光Lは、照明レンズ2を介して所定の空間領域Zに重畳された状態で導かれる。換言すれば、個々の光源1から発せられた光は、単一の空間領域Zにすべて重ね合わされた状態で集光されることとなる。

本発明による照明装置において、演色性の異なる少なくとも2種類のLEDを配線基板上に所定の割合で混成実装することができる。

少なくとも1つのLEDから発せられる光が通過するフィルタをLED平凸レンズとの間、あるいは平凸レンズと所定の空間領域との間に配置することができる。この場合、フィルタが演色性を調整するための色フィルタまたは光の透過量に分布を持たせたニュートラルフィルタであってよい。

平凸レンズの光軸のオフセット方向がLEDの配列パターンの中心に対して対称となるように設定することができる。

本発明における所定の空間領域は、LEDの光軸に対して交差または平行な2次元の平面であってもよいし、3次元の立体面であってもよい。

複数個の平凸レンズがアレイ状に一体成形され、これら平凸レンズの個々の平らな光学面がLEDの集光レンズの光軸に対して直交する共通平面上にあって良い。

個々の平凸レンズの光軸のオフセット量は、対応するLEDの集光レンズと所定の空間領域との相対的な位置関係に依存して設定することができる。

本発明の照明装置によると、すべてのLEDからの光が相互に重ね合わされるように同一個所へと導かれるため、所定の空間領域を極めて高輝度に照明することができる。また、個々のLED自体の輝度むらがあったとしても、すべての光が同一個所に導かれるため、個々のLED自体の輝度むらの影響が全く発生しない。このため、輝度のばらつきが多い複数のLEDを選別することなく使用することができ、特に製造歩留まりの悪いパワーLEDの有効利用が可能となる。仮に、複数個のうちの1個のLEDが何らかの原因で発光しない状態となっても、その分だけ照明領域の照度が低下するだけであり、照明装置を交換できないような使用形態の場合に極めて都合がよい。

また、複数個のLEDを配線基板に実装しているため、この配線基板に実装された複数個のLEDをモジュール化することが可能となり、照明領域に要求される照度に応じてモジュールの数を増減し、これによって照明装置の照度を容易に変更することができる。

演色性の異なる少なくとも2種類のLEDを配線基板上に所定の割合で混成実装した場合、所望の演色性を持った照明光を得ることができる。このため、例えば色温度が4800Kおよび7200Kの2種類のLEDを用意するだけで、これらの使用する数の組み合わせを変えることにより、4800Kから7200Kまでの間のほぼ任意の色温度を持つ照明光を得ることができ、特定の演色性を持つLEDを使用する必要がなくなる。

少なくとも1つのLEDから発せられる光が通過するフィルタを設けた場合、照明領域の色温度を微妙に修正したり、照明領域の照度分布をより均一に補正することができる。

LEDの光軸を相互に平行に設定した場合、配線基板に対するLEDの実装作業を容易かつ迅速に行うことができる。

個々の平凸レンズの平らな光学面をすべて共通平面上に設定した場合、隣接する平凸レンズの境界部分による影や輝線の発生を防止することが可能である。また、これによってLEDのさらなる高密度実装が可能であり、LEDから個々の平凸レンズの平らな光学面までの距離を狭めることが可能であることと相俟って、照明装置をよりコンパクト化させることができる。

複数個の平凸レンズをアレイ状に一体成形した場合、個々の半導体発光素子に対する平凸レンズの位置合わせが極めて容易となり、照明装置を容易に製造することができる。

本発明による照明装置の実施形態について、図2〜図を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこのような実施形態のみに限らず、特許請求の範囲に記載された本発明の概念に包含されるあらゆる変更や修正が可能であり、従って本発明の精神に帰属する他の任意の技術にも当然応用することができる。

本発明を学習机に組み込まれた読書灯として応用した実施形態の外観を図2に示し、その断面構造を図3に示し、主要部の外観を分解状態で図4に示す。すなわち、本実施形態における読書灯10は、ライティングデスクDの棚板Sの裏面に取り付けられて甲板Tの上を照明することを意図したものであり、複数のLEDチップ11が所定の配列パターンで組み込まれたLEDモジュール12と、このLEDモジュール12の前方に近接状態で配されてLEDモジュール12からの光を甲板Tの表面に向けて照射させる平凸レンズアレイ13と、これらLEDモジュール12および平凸レンズアレイ13を位置決め状態で収容するハウジング14とで主要部が構成されている。

LEDモジュール12は、それぞれ集光レンズ11aをこれらの光軸11bが相互に平行となるように一体的に組み込んだ複数のLEDチップ11と、これらLEDチップ11が所定間隔で実装される電気配線基板15と、この電気配線基板15に設けられたコネクタ15aを介して接続され、個々のLEDチップ11に電力を供給するためのケーブル16など有する。本実施形態におけるLEDチップ11は白色パワーLEDであり、その放熱対策として電気配線基板15のベースやハウジング14などを熱伝導率が比較的高いアルミニウムにて形成している。本実施形態では17個のLEDチップ11を電気配線基板15上に2列に配列し、これらの方向に沿って相互に半ピッチずらした状態で実装しているが、電気配線基板15に対するLEDチップ11の配列状態などは、照明装置に要求される特性などに応じて適宜変更可能であることは言うまでもない。

照明すべき対象に対して特殊な照明効果を意図していないのであれば、本実施形態の場合のように太陽光に近い演色性を持った白色LEDを使用することが一般的である。単一の種類の白色LEDだけで所望の演色性を得られない場合、異なる演色性を持った少なくとも2種類の白色LEDを組み合わせ、色の減算混合を利用して所望の演色性に調整された照明光を得ることができる。例えば、色温度が5600Kの照明光を得ようとした場合、例えば市販の7200Kの色温度を持つ白色LEDと、4800Kの色温度を持つ白色LEDとを1:2の割合で採用することにより、ほぼ5600Kに近い色温度の照明光を得ることができる。つまり、この方法によると5600Kの色温度を持つ白色LEDを製造する必要がなくなり、従来から市販されているものを有効利用することが可能となる。

なお、色度座標上での色温度の軌跡は直線ではなく曲線を描いているため、上述したような色温度の直線補完は限られた領域(例えば4800K〜7200Kの範囲)で可能であり、この範囲外の色温度を持つLEDを用いる場合には、色温度曲線に基づいてLED組み合わせの比率を調整する必要がある。

LEDモジュール12に対し所定距離だけ隔てて近接状態で配される本実施形態における平凸レンズアレイ13は、光学的に透明なアクリル樹脂(PMMA)の成形品であり、個々のLEDチップ11と対応した相似形の縮小配列パターンに設定された平凸レンズ17を有する。個々の平凸レンズ17は、LEDチップ11側に面する平らな光学面17aと、照明領域Z、つまり甲板T側に面する凸光学面17bとを有し、これらの光軸17cはLEDチップ11の集光レンズ11aの光軸11bと平行に設定されているが、これらはLEDチップ11と対応した相似形の縮小配列パターンに設定されているため、隣接する平凸レンズ17の間隔は、隣接する集光レンズ11aの間隔よりも短く設定された状態となり、集光レンズ11aの光軸11bに対し、対応する平凸レンズ17の光軸17cは照明領域Zの中央側にオフセットされた状態となっている。個々の平凸レンズ17のオフセット量は、これらの焦点距離や対応するLEDチップ11と照明領域Zとの相対的な位置関係に依存して設定される。

本実施形態では、LEDチップ11側を向く平らな光学面17aが集光レンズ11aの光軸11bに対してほぼ直交するように、すべて共通平面上に位置させている。これにより、平凸レンズアレイ13を射出成形するための金型の製造が容易となる上、隣接する平凸レンズ17の境界部分の段差により発生するケラレなどが解消されて照明領域Zに暗線や輝線などが生じないようにすることが可能であり、さらなるLEDチップ11の高密度実装を可能とすることができる。しかも、集光レンズ11aと平凸レンズアレイ13との距離を最短に狭められることと相俟って、照明装置のさらなるコンパクト化が可能となる。

平凸レンズ17に要求される機能は、個々のLEDチップ11の集光レンズ11aから出射した光束を可能な限り均一な照度分布にて単一の照明領域Zに拡大状態で導くことである。換言すると、個々の平凸レンズ17は、集光レンズ11aの端面の画像が単一照明領域Z、本実施形態では甲板Tの表面に拡大状態で結像するように設計されている。この目的のため、個々の平凸レンズ17のオフセット量が対応するLEDチップ11と照明領域Zとの相対位置に基づいてそれぞれ設定されている。さらに、照明領域Zにおける光の照度分布が均一となるように、LEDチップ11に組み込まれた集光レンズ11aと併せ、個々の平凸レンズ17の凸光学面17bを球面に限らず、適当な非球面形状に成形することが有効である。

なお、集光レンズ11aの光軸11bに対し、対応する平凸レンズ17の光軸17cを照明領域Zの中央側にオフセットすることにより、照明領域Zに到達する光の照度分布が平凸レンズ17のオフセット方向に沿って不均一となり、このオフセット方向に沿った一端側(対応する集光レンズ11aの光軸11b側)の照度が相対的に高くなるが、すべての平凸レンズ17の光軸17cのオフセット方向がLEDモジュール12の中心に対して対称となるように設定することにより、照度分布の不均一性がすべて相殺される結果、照明領域Zの照度分布をほぼ均一に保つことができる。

このように、個々のLEDチップ11からの光がすべて単一の照明領域Zに集光されるため、甲板Tの表面に対して極めて高照度の照明を行うことができる上、個々のLEDチップ11の製造上のばらつきによってこれらの発光輝度が不均一であっても、従来の照明装置のような照度むらを完全に解消することができる。このため、従来では輝度不足などの理由で不良品として廃棄されていたLEDチップ11も何ら問題なく使用することが可能となり、LEDに対する部品コストを大幅に抑えることができる。しかも、1個のLEDチップ11が何らかの理由で発光しなくなった場合でも、照明領域Zの照度がその分だけ低下するだけであり、格別な理由がない限りそのまま照明し続けることができる。

LEDモジュール12と対向する平凸レンズアレイ13の表面(平らな光学面17a側)には、平凸レンズ17の焦点距離と照明領域Zの大きさ(LEDチップ11の拡大率)とに応じてLEDモジュール12との間隔を予め設定された所定間隔に保持するための複数のスペーサピン18が平らな光学面17a以外の領域から突出状態で形成されている。平凸レンズアレイ13から照明領域Z(甲板Tの表面)までの距離や、照明領域Zの大きさに応じて平凸レンズ17の設計を変える必要があるので、これに応じてスペーサピン18の長さも併せて変更する必要がある。LEDモジュール12と平凸レンズアレイ13との間隔を設計通りに設定することが重要であるので、これらの相対的位置が外力などによって変わってしまわないように、何らかの締結手段を用いてこれらを一体的に組み上げることも有効である。

ハウジング14は、LEDモジュール12および平凸レンズアレイ13の輪郭形状に対応したカップ状断面の本体部14aと、この本体部14aの開口端に嵌合され、図示しない止めねじなどによって一体的に連結されるカバー部14bとを有する。平凸レンズアレイ13は、その配列方向両端縁部がカバー部14bに当接し、ハウジング14から抜け外れないようになっているが、さらに何らかの係止手段によって、平凸レンズアレイ13をより確実にハウジング14内に固定することも可能である。本体部14aには、ケーブル16をハウジング14外に導く穴19が形成されており、ここからハウジング14外に引き出されたケーブル16が図示しないオン/オフスイッチまたは調光スイッチを介して図示しない給電ケーブルに接続される。LEDモジュール12は、電気配線基板15の裏面が本体部14aの底板部14cに当接した状態となり、ハウジング14側に効率良く放熱できるように配慮している。このハウジング14の構造は、ハウジング14内にLEDモジュール12と平凸レンズアレイ13とをそれぞれ位置決め状態で確実に固定できさえすればよく、組み立ての容易性などを考慮して適宜設定することが可能である。

従って、ケーブル16を介してLEDモジュール12に電力が供給されると、甲板Tの表面の照明領域Zが均一な配光特性で照明されることとなる。なお、この照明領域Zの形状は個々の平凸レンズ17の輪郭形状などを変えることにより、必要に応じて矩形や楕円形などに変更することが可能である。

上述した実施形態では、照明光の照射方向に対して照明領域Zがほぼ直交するような読書灯10について説明したが、照明光の照射方向に対して照明領域Zが傾斜するような照明装置にも本発明を応用することができる。

このような本発明による照明装置を壁面照明用のダウンスポットライトに応用した参考例の外観を図5に示し、その断面構造を図6に示すが、先の実施形態と同一機能の要素には、これと同一符号を記すに止め、重複する説明は省略するものとする。すなわち、本参考例におけるダウンスポットライト20は、建物の天井Rなどに埋設されて部屋や廊下などの壁面Wに取り付けられた絵画や写真などの物体Oを照明することを意図したものであり、複数のLEDチップ11が組み込まれたLEDモジュール12と、このLEDモジュール12の前方に配されてLEDモジュール12からの光を壁面Wに固定された物体Oに向けて照射させるホログラム21と、これらLEDモジュール12およびホログラム21を位置決め状態で収容する円筒状のハウジング14とで主要部が構成されている。

LEDモジュール12の電気配線基板15には、放熱フィン22aを形成したアルミニウム製の放熱部材22が一体的に接合され、この放熱部材22はハウジング14の内壁に設けたブラケット23を介してハウジング14に固定された状態となっている。本実施形態では9個のLEDチップ11が電気配線基板15上に同一ピッチで格子状に配列しているが、照明方向がLEDチップ11の集光レンズ11aの光軸11bに対して傾斜しているため、ハウジング14によるケラレが生じないようにLEDモジュール12はハウジング14に対してオフセット状態で収容されている。

カバー部14bによってハウジング14の本体部14a内に保持されるホログラム21は、光学的に透明なアクリル樹脂(PMMA)の成形品であり、光の回折現象を利用して個々のLEDチップ11からの光を同一の照明領域Zに拡大状態で導く作用を有する。換言すると、このホログラム21は図示しない光軸が照明領域Zの中央に向けて傾斜した図6中の二点鎖線で示すような投影レンズ24とほぼ類似した働きを持つものである。

このホログラム21に代え、先の実施形態のような平凸レンズアレイを用いることも可能である。この場合、各平凸レンズのLEDチップ11側を向く光学面を集光レンズ11aの光軸11bに対してほぼ直交するように、すべて共通平面上に位置させることができる。

また、本実施形態ではLEDモジュール12とホログラム21との間に色温度調整用のフィルタ25をホログラム21に重ねて配しており、これは例えば任意の1つのLEDチップ11からの光が導かれる領域にのみ所定の色に着色され、その他の領域を完全に無色透明としたものである。これによって照明領域Zの色温度を市販のLEDチップ11の組み合わせだけでは修正し切れない微妙な程度に調整することが可能である。もちろん、必要に応じて任意の領域を異なる複数の色あいに着色したフィルタを使用することも可能である。

上述した実施形態では、ライティングデスクDに組み込まれた読書灯10や、建物の天井Rに埋め込まれるダウンスポットライト20について説明したが、本発明はこのような照明装置のみに限らず、従来からある白熱灯や蛍光灯などに代わる一般的な照明装置として、例えば複数の関節を持った可動式のアームの先端部に取り付けられるアームライト、あるいは高輝度であるという利点を生かし、舞台照明装置や、地面などに取り付けて屋外における建造物の壁面部分などを照明する屋外用スポットライトなどの他、長寿命であるというLEDの利点を生かして交換やメンテナンスが困難な場所に設ける必要がある照明装置、例えばホテルなどにおいてベッドに組み込まれる足元灯などに利用することも可能である。

なお、本発明をアームライトに応用した場合、照明領域とLEDとの距離に応じて平凸レンズを交換できると共にLED平凸レンズとの間隔を変更できるようにする必要があることは言うまでもない。

本発明の原理図である。 本発明による照明装置をライティングデスクに組み込まれる読書灯に応用した一実施形態の外観を表す立体投影図である。 図2に示した実施形態の主要部の断面図である。 図2に示した実施形態の外観を分解状態で表す立体投影図である。 本発明による照明装置をダウンスポットライトに応用した参考例の利用状況を表す立体投影図である。 図5に示した参考例の断面図である。

符号の説明

D ライティングデスク
F 床面
O 物体
R 天井
S 棚板
T 甲板
W 壁面
Z 照明領域
10 読書灯
11 LEDチップ
11a 集光レンズ
11b 光軸
12 LEDモジュール
13 平凸レンズアレイ
14 ハウジング
14a 本体部
14b カバー部
14c 底板部
15 電気配線基板
15a コネクタ
16 ケーブル
17 平凸レンズ
17a 平らな光学面
17b 凸光学面
17c 光軸
18 スペーサピン
20 ダウンスポットライト
21 ホログラム
22 放熱部材
22a 放熱フィン
23 ブラケット
24 投影レンズ
25 フィルタ

Claims (6)

  1. 電源に対する接続部(15a)が形成された配線基板(15)と、
    この配線基板(15)上に所定の配列パターンにて実装され、それぞれ集光レンズ(11a)が一体的に組み込まれた複数個のLED(11)と、
    これらLED(11)と所定の空間領域(Z)との間に当該LED(11)に近接して該LED(11)の配列パターンと相似形の縮小配列パターンにて配され、前記LED(11)側に面する平らな光学面(17a)と、前記所定の空間領域(Z)側に面する凸光学面(17b)とをそれぞれ有し、前記LED(11)から発せられた光(L)を相互に重ね合わせた状態で前記所定の空間領域(Z)に導く複数個の平凸レンズ(17)と、
    れら平凸レンズ(17)および前記配線基板(15)を収容するハウジング(14)
    を具え、前記LED(11)の集光レンズ(11a)の光軸(11b)と前記平凸レンズ(17)の光軸(17c)とが相互に平行に設定され、個々の前記平凸レンズ(17)の光軸(17c)が対応する前記LED(11)の集光レンズ(11a)の光軸(11b)に対し、前記所定の空間領域(Z)の中央側にオフセットされていることを特徴とする照明装置。
  2. 前記平凸レンズ(17)の光軸(17c)のオフセット方向が前記LED(11)の配列パターンの中心に対して対称となるように設定されていることを特徴とする請求項1に記載の照明装置。
  3. 個々の前記平凸レンズ(17)の光軸(17c)のオフセット量は、対応する前記LED(11)の集光レンズ(11a)と前記所定の空間領域(Z)との相対的な位置関係に依存して設定されていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の照明装置。
  4. 前記複数個の平凸レンズ(17)がアレイ状に一体成形され、これら平凸レンズ(17)個々の平らな光学面(17a)前記LED(11)の集光レンズ(11a)の光軸(11b)に対して直交する共通平面上にあることを特徴とする請求項1から請求項の何れかに記載の照明装置。
  5. 演色性の異なる少なくとも2種類のLED(11)が前記配線基板(15)上に所定の割合で混成実装されていることを特徴とする請求項1から請求項4の何れかに記載の照明装置。
  6. 少なくとも1つの前記LED(11)から発せられる光(L)が通過するフィルタ(25)をさらに具えたことを特徴とする請求項1から請求項5の何れかに記載の照明装置。
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