JP4968784B2 - 光学部材の作製方法及び照明装置の作製方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば一般照明、液晶表示装置のバックライト又はプロジェクターの光源などに適用可能な光学部材及び照明装置に関する。

近年、ＬＥＤ（発光ダイオード）を光源とした照明ユニット、液晶表示装置のバックライトユニット又はプロジェクターの光源ユニットなどの照明装置が開発され、実用化されているものもある。このＬＥＤを用いた照明装置では、ＬＥＤから出射された光を集光させるためにレンズが通常搭載されている。このレンズとしては、一般に、ＬＥＤから出射された光を集光させるために、凸レンズやコリメータレンズが採用される。

例えば、特許文献１には、ＬＥＤ上方にボウル形状のコリメータレンズを備えたＬＥＤモジュールが提案されている。このＬＥＤモジュールでは、コリメータレンズに、ＬＥＤからの光を受ける凹部と、光を出射する平面と、入射された光のコリメーションを行うために平面側に反射させる反射外面とが形成されており、凹部に光を入射させるための２次曲面の入射底面及び側面が形成されている。

特表２００４−５１６６８４号公報

しかしながら、上記従来の技術には、以下の課題が残されている。
すなわち、従来のコリメータレンズでは、一つの光源に対応して設計されているため、ＬＥＤアレイなどの複数の光源に対応したムラのない効率的な集光を図ることができない不都合があった。また、特許文献１に記載の技術のように、２次曲面を有する凹部を形成するなど複雑な形状を必要とするため、加工又は成型が難しく高コストになってしまう問題があった。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、一つの光源だけでなく複数並んだ光源にも対応して集光可能であると共に低コストで作製することができる光学部材及びこれを用いた照明装置を提供することを目的とする。

本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、本発明の光学部材は、光源に対向配置され該光源からの光が入射される入射底面と、該入射底面に対向し前記入射された光を外部に出射する出射上面と、前記入射底面と前記出射上面との間に配された外周側面とで面構成された光学部材であって、前記外周側面に、周方向に延在すると共に前記入射された光を内側に全反射可能な角度で設定された断面Ｖ字状又は断面Ｕ字状の複数の溝が形成されていることを特徴とする。

この光学部材では、外周側面に、周方向に延在すると共に入射された光を内側に全反射可能な角度で設定された断面Ｖ字状又は断面Ｕ字状の複数の溝が形成されているので、入射された光が外周側面の溝により反射されて出射上面から集光されて出射される。これにより、一つの光源だけでなく並べられた複数の光源であっても外周側面に延在する溝で反射して効率的に集光することができると共に、外周側面に溝を形成するシンプルな形状であるため容易にかつ低コストで作製することができる。また、溝の角度、配置、形状及び本数などの条件を適宜変更することで、多様な指向性を得ることが可能である。さらに、溝の角度などの条件によっては、２以上のピークを有する指向性を得ることも可能であり、多様な用途への適用も可能になる。

また、本発明の光学部材は、前記出射上面が曲面で形成されていることを特徴とする。すなわち、この光学部材では、出射上面が適宜設定された凹面、凸面又はこれらの２次曲面などの曲面で形成されているので、側面の溝による集光効果に併せてさらに多様な集光特性を図ることができる。

また、本発明の光学部材は、前記溝が、前記入射底面側に配された底面側壁面と前記出射上面側に配された上面側壁面とで構成され、前記底面側壁面及び前記上面側壁面は、互いに前記入射底面の垂直軸に対する角度が個別に設定されていることを特徴とする。すなわち、この光学部材では、底面側壁面及び上面側壁面において、互いに入射底面の垂直軸に対する角度が個別に設定されているので、底面側壁面及び上面側壁面の上記角度の組合せで種々の指向性を得ることができる。特に、底面側壁面の上記角度は、設定に応じて出射光の幅を制御することができ、上面側壁面の上記角度は、設定に応じてコリメータ効果の制御を行うことが可能である。

また、本発明の光学部材は、前記光源からの光の入射方向に対して長尺方向が垂直に配された略直方体形状とされ、前記溝が、前記外周側面のうち長尺方向に延在する一対の側面に形成されていることを特徴とする。すなわち、この光学部材では、略直方体形状とされ、長尺方向の一対の側面に溝が形成されているので、短尺方向に幅狭に集光されると共に長尺方向にはある程度広がった出射光を得ることができる。特に、複数の光源が一方向に並んでいる場合にも、その方向に長尺方向を併せて本発明の光学部材を設置することで、ムラのない効率的な集光を行うことができる。また、この光学部材を長尺方向に所定間隔で複数並べることにより、全体として長く均一な照明光を得ることができる。

また、本発明の光学部材は、前記溝が、前記外周側面の全周にわたって形成されていることを特徴とする。すなわち、この光学部材では、外周側面の全周にわたって溝が形成されているので、全周方向において出射光の急峻な光強度分布を得ることができ、境界の明確なスポット光を得ることができる。

本発明の照明装置は、光源と、該光源に対して入射底面を対向させて配置された上記本発明のいずれか一つの光学部材とを備えていることを特徴とする。すなわち、この照明装置では、上記本発明の光学部材を備えているので、複数の光源であってもムラなく集光可能であると共に低コストで多様な指向性に設定可能な装置を得ることができる。

また、本発明の照明装置は、前記光源が、ＬＥＤであることを特徴とする。すなわち、この照明装置では、光源としてＬＥＤを採用するので、非常に小型で低消費電力の照明装置を得ることができる。

さらに、本発明の照明装置は、前記光源が、複数のＬＥＤチップを一方向に並べて配置したＬＥＤアレイであり、前記溝が、前記外周側面のうち前記ＬＥＤの並ぶ方向に沿った側面に形成されていることを特徴とする。すなわち、この照明装置では、溝がＬＥＤの並ぶ方向に沿った側面に形成されているので、並んだ各ＬＥＤからの光を溝によりそれぞれ効率的に反射させて集光させることができる。

本発明によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明に係る光学部材によれば、外周側面に、周方向に延在すると共に入射された光を内側に全反射可能な角度で設定された断面Ｖ字状又は断面Ｕ字状の複数の溝が形成されているので、複数の光源であっても効率的にムラなく集光することができると共に、多様な指向性をシンプルな形状により低コストで得ることができる。したがって、これを用いた照明装置によれば、効率的で所望の指向性を有する照明光を低コストで得ることができ、照明ユニット、液晶表示装置のバックライトユニット又はプロジェクターの光源ユニットなどの種々の照明用途に好適な装置を得ることが可能である。

以下、本発明に係る光学部材及び照明装置の一実施形態を、図１から図１０に基づいて説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能な大きさとするために縮尺を適宜変更している。

本実施形態における照明装置は、例えば照明ユニット、液晶表示装置のバックライトユニット又はプロジェクターの光源ユニットなどに適用されるものであって、図１から図４に示すように、複数のＬＥＤチップ（光源）１を一列に並べて配置したＬＥＤアレイ２と、該ＬＥＤアレイ２上にコリメータレンズとして設置された光学部材３とを備えている。なお、図１は、各部材の配置及び光の進行方向を示すために、図２の斜視図に比べて各構成を簡易的にかつ縮尺を変えて図示している。

上記ＬＥＤアレイ２は、例えば白色ＬＥＤアレイである。この白色ＬＥＤアレイは、基板４上の複数のＬＥＤチップ１を樹脂材５で封止したものであり、ＬＥＤチップ１として、例えば青色（波長λ：４７０〜４９０ｎｍ）ＬＥＤ素子又は紫外光（波長λ：４７０ｎｍ未満）ＬＥＤ素子であって、例えばサファイア基板などの絶縁性基板上に窒化ガリウム系化合物半導体（例えばＩｎＧａＮ系化合物半導体）の複数の半導体層が積層されて形成されたものである。

このＬＥＤチップ１を封止する樹脂材５は、シリコーン樹脂を主剤とし、例えばＹＡＧ蛍光体が添加されている。このＹＡＧ蛍光体は、ＬＥＤチップ１からの青色光又は紫外光を黄色光に変換させて混色効果により白色光を生じさせるものである。なお、白色ＬＥＤアレイとしては、上記以外でも種々のものが採用可能である。また、基板４上に実装されたＬＥＤチップ１は、基板４の長尺方向に一列に所定の間隔を空けて配置され、その個数は任意に設定される。

上記光学部材３は、異方指向性レンズであって、図１から図５に示すように、ＬＥＤチップ１に対向配置されこれらＬＥＤチップ１からの光が入射される入射底面６と、該入射底面６に対向し入射された光を外部に出射する出射上面７と、入射底面６と出射上面７との間に配された外周側面８とで面構成された光学材料で形成されている。この光学材料としては、用途やコストなどに応じてアクリル樹脂、ポリカーボネート等の樹脂材料やガラス材料など種々の材料が採用可能である。

この光学部材３は、ＬＥＤアレイ２からの光の入射方向に対して長尺方向が垂直に配された略直方体形状とされている。そして、光学部材３では、外周側面８に、周方向に延在すると共に入射された光を内側に全反射可能な角度で設定された断面Ｖ字状の複数の溝９が形成されている。特に、本実施形態では、溝９が、外周側面８のうち長尺方向に延在する一対の側面８ａに形成されている。すなわち、溝９は、外周側面８のうちＬＥＤチップ１の並ぶ方向に沿った側面８ａに形成されている。

上記出射上面７は、長尺方向に対して所定の曲率の一次曲面で形成されている。なお、本実施形態では、曲率１５０ｍｍの出射上面７に設定している。
上記溝９は、入射底面６側に配された底面側壁面９ａと出射上面７側に配された上面側壁面９ｂとで構成され、底面側壁面９ａ及び上面側壁面９ｂは、互いに入射底面６の垂直軸に対する角度が個別に設定されている。これらの底面側壁面９ａ及び上面側壁面９ｂは、内部の光を内側に全反射させるために頂角が大きい溝９となるように角度が設定される。例えば、底面側壁面９ａの角度αが、５°に設定されると共に、上面側壁面９ｂの角度βが６°に設定される。

なお、底面側壁面９ａの角度αは、３°以上が好ましく、上面側壁面９ｂの角度βは、２０°以下が好ましい。すなわち、底面側壁面９ａの角度αが３°未満であったり、上面側壁面９ｂの角度βが２０°を超えると、集光効果が十分に得られず光の幅を制御し難く、光の利用効率が大幅に悪化してしまうためである。

次に、本実施形態の照明装置によって実際に光強度分布を測定した結果を、図６に示す。この測定では、図７に示すように、光学部材３から５００ｍｍ離間したスクリーンに照明光を出射した際の放射角度θに対する光の相対強度を測定した。また、底面側壁面９ａの角度αが５°であると共に、上面側壁面９ｂの角度βが６°の光学部材３を使用した。なお、図６において、ｘ方向が光学部材３の長尺方向であり、ｙ方向が光学部材３の短尺方向である。

この結果からわかるように、長辺側（長尺方向）の光強度分布は、広く分布しているのに対し、短辺側（短尺方向）では、放射角度±３０°程度までほぼ一定の高い強度を示すと共に、その領域を超えると急激に強度が低下した全体として台形形状の指向性が得られている。このように略直方体の光学部材３の中心軸に集光され、コリメート光に近い指向性の出射光を得ることができる。

次に、本実施形態の照明装置によって実際に照度分布を測定した結果を、図８に示す。この測定では、図７に示すように、光学部材３から５００ｍｍ離間したスクリーンに照明光を出射した際のレンズ光軸からの距離Ｌに対する照度を測定した。この結果からわかるように、長辺側の分布は、レンズ光軸をピークにほぼ一定に照度が減衰しているのに対し、短辺側では、２００ｍｍ程度までの距離まで照度の減衰が少なく全体として台形形状の照度分布が得られている。

次に、本実施形態の照明装置に関し、底面側壁面９ａ及び上面側壁面９ｂの角度βを多段的に変えて、放射角度に対する光強度を短尺方向においてシミュレーションした結果について、代表的なものを図９及び図１０に示す。なお、光学部材３の短尺方向における光強度をシミュレーションした。
図９は、底面側壁面９ａの角度αを５°に設定し、上面側壁面９ｂの角度βを１〜１９°まで２°間隔でシミュレーションした結果のグラフである。このシミュレーション結果でも、放射角度±３０°程度までほぼ一定の高い強度を示すと共に、その領域を超えると急激に強度が低下した全体として台形形状の指向性となっている。

また、図１０は、底面側壁面９ａの角度αを１１°に設定し、上面側壁面９ｂの角度βを１〜１９°まで２°間隔でシミュレーションした結果のグラフである。このシミュレーション結果からわかるように、上面側壁面９ｂの角度βによっては、２つのピークを有する光強度分布が得られている。この２つのピークを持った指向性が得られる照明装置は、例えば運転席と助手席との２方向に分けて高い視認性を必要とするカーナビゲーション用表示装置や２方向に分けて部分的に強い光で照明したい照明ユニットなどに好適である。
したがって、溝９を設けた一対の側面８ａに垂直な方向のみ、出射光の進行方向を制御することができ、長尺方向と短尺方向とで異なる異方的な指向性の光を得ることができる。

このように本実施形態では、光学部材３において、側面８ａに、周方向に延在すると共に入射された光を内側に全反射可能な角度で設定された断面Ｖ字状の複数の溝９が形成されているので、入射された光が側面８ａの溝９により反射されて出射上面７から集光されて出射される。これにより、複数のＬＥＤチップ１からの光であっても側面８ａに延在する溝９で反射して効率的に集光することができると共に、側面８ａに溝９を形成するシンプルな形状であるため容易にかつ低コストで作製することができる。また、溝９の角度、配置、形状及び本数などの条件を適宜変更することで、多様な指向性を得ることが可能である。さらに、溝９の角度などの条件によっては、２以上のピークを有する指向性を得ることも可能であり、多様な用途への適用も可能になる。

また、底面側壁面９ａ及び上面側壁面９ｂにおいて、互いに入射底面６の垂直軸に対する角度が個別に設定されているので、底面側壁面９ａ及び上面側壁面９ｂの上記角度の組合せで種々の指向性を得ることができる。特に、底面側壁面９ａの上記角度は、設定に応じて出射光の幅を制御することができ、上面側壁面９ｂの上記角度は、設定に応じてコリメータ効果の制御を行うことが可能である。

さらに、光学部材３が略直方体形状とされ、長尺方向の一対の側面８ａに溝９が形成されているので、短尺方向に幅狭に集光されると共に長尺方向にはある程度広がった出射光を得ることができる。特に、複数の光源が一方向に並んでいるＬＥＤアレイ２の場合にも、その方向に長尺方向を併せて光学部材３を設置することで、ムラのない効率的な集光を行うことができる。また、この光学部材３を長尺方向に所定間隔で複数並べることにより、全体として長く均一な照明光を得ることができる。
したがって、本実施形態の照明装置では、上記光学部材３を備えているので、ＬＥＤアレイ２に適用してもムラなく集光可能であると共に低コストで多様な指向性に設定可能な装置を得ることができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることができる。

例えば、上記実施形態では、溝９の縦断面形状を断面Ｖ字状としているが、断面Ｕ字状としても構わない。すなわち、上面側壁面９ｂ及び底面側壁面９ａをそれぞれ平面で構成したが、曲面で構成しても構わない。
また、溝９を一対の側面８ａに形成しているが、他の側面を含む外周側面８の全周にわたって形成しても構わない。この場合、外周側面８の全周にわたって溝９が形成されているので、全周方向において出射光の急峻な光強度分布を得ることができ、境界の明確なスポット光を得ることができる。したがって、略直方体状の光学部材３では、明確な長方形状のスポット光を得ることができる。また、円柱状や三角柱状とした光学部材とすれば、明確な円形状や三角形状のスポット光を得ることができる。

上記実施形態では、上記出射上面７は、凸曲面とされているが、要望される指向性などに応じて凹曲面としても構わない。また、出射上面７は、長尺方向に所定の曲率を持つ曲面とされているが、短尺方向に対して所定の曲率を持つ曲面であってもよい。さらに、出射上面７は、長尺方向及び短尺方向の両方向に曲率を有する２次曲面であってもよい。また、出射上面７に、フレネルレンズ形状を採用しても構わない。この場合、出射上面７の縁のために生じる出射光の湾曲を防ぐ効果が得られる。このように、出射上面７が適宜設定された凹面、凸面又はこれらの２次曲面などの曲面で形成されることで、側面８ａの溝９による集光効果に併せて、さらに多様な集光特性を図ることができる。

上記ＬＥＤアレイ２は、白色ＬＥＤアレイであるが、他の波長、例えば赤色、青色、緑色及びこれらの組合せによるＬＥＤでも構わない。
また、本発明の光学部材３は、複数の光源を有するＬＥＤアレイ２に好適だが、一つのＬＥＤチップ１を搭載するＬＥＤに適用して構わない。
また、上述したように、ＬＥＤを光源に用いたものに好適であるが、例えば蛍光灯、冷陰極管又は電球などの他の光源に適用しても構わない。

また、上記の上面側壁面９ｂ及び底面側壁面９ａでは、一対の側面８ａで対称となるように両側面８ａで同一の角度に設定しているが、側面８ａ毎に個別に角度を設定しても構わない。また、入射底面６から出射上面７に向かって並んだ溝９毎に上面側壁面９ｂ及び底面側壁面９ａの角度α、βや幅などを暫時変化させたり、個別に設定しても構わない。

本発明に係る光学部材及び照明装置の一実施形態において、照明装置を示す簡易的な側面図である。 本実施形態において、照明装置を示す斜視図である。 本実施形態において、ＬＥＤアレイを示す拡大上面図である。 本実施形態において、照明装置を示す拡大正面図である。 本実施形態において、光学部材を示す拡大した要部側面図である。 本実施形態の照明装置による実際の光強度分布を示すグラフである。 本実施形態において、光強度分布及び照度分布の測定方法を示す説明図である。 本実施形態の照明装置による実際の照度分布を示すグラフである。 本実施形態の照明装置による光強度分布のシミュレーション結果（底面側壁面の角度７°）を示すグラフである。 本実施形態の照明装置による光強度分布のシミュレーション結果（底面側壁面の角度１１°）を示すグラフである。

符号の説明

１…ＬＥＤチップ（光源）、２…ＬＥＤアレイ、３…光学部材、４…基板、５…樹脂材、６…入射底面、７…出射上面、８…外周側面、８ａ…一対の側面、９…溝、９ａ…底面側壁面、９ｂ…上面側壁面

Claims (7)

1. 光源に対向配置され該光源からの光が入射される入射底面と、
   該入射底面に対向し前記入射された光を外部に出射する出射上面と、
   前記入射底面と前記出射上面との間に配された外周側面とで面構成された光学部材の作製方法であって、
   前記外周側面に、周方向に延在すると共に前記入射された光を内側に全反射可能な角度で設定された断面Ｖ字状又は断面Ｕ字状の複数の溝を形成し、
   前記溝が、前記入射底面側に配された底面側壁面と前記出射上面側に配された上面側壁面とで構成され、
   前記底面側壁面及び前記上面側壁面は、互いに前記入射底面の垂直軸に対する角度が個別に設定され、
   前記底面側壁面の前記入射底面の垂直軸に対する角度が３°以上であると共に、前記上面側壁面の前記入射底面の垂直軸に対する角度が２０°以下であることを特徴とする光学部材の作製方法。
2. 請求項１に記載の光学部材の作製方法であって、
   前記出射上面を曲面で形成することを特徴とする光学部材の作製方法。
3. 請求項１又は２に記載の光学部材の作製方法であって、
   前記光源からの光の入射方向に対して長尺方向が垂直に配された略直方体形状とし、
   前記溝を、前記外周側面のうち長尺方向に延在する一対の側面に形成することを特徴とする光学部材の作製方法。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の光学部材の作製方法であって、
   前記溝を、前記外周側面の全周にわたって形成することを特徴とする光学部材の作製方法。
5. 光源に対して入射底面を対向させて請求項１から４のいずれか一項に記載の光学部材の作製方法で作製された光学部材を配置させることを特徴とする照明装置の作製方法。
6. 請求項５に記載の照明装置の作製方法において、
   前記光源が、ＬＥＤであることを特徴とする照明装置の作製方法。
7. 請求項６に記載の照明装置の作製方法において、
   前記光源が、複数のＬＥＤチップを一方向に並べて配置したＬＥＤアレイであり、
   前記溝を、前記外周側面のうち前記ＬＥＤの並ぶ方向に沿った側面に形成することを特徴とする照明装置の作製方法。