JP4976218B2 - 発光ユニット - Google Patents

Description

本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）等の光源から放射状に照射された光をレンズにより屈折させて集光し、所定方向に出射する発光ユニットに関する。

従来から、ＬＥＤ等の光源から照射された光を屈折させて拡散することにより、光源からの光を所定方向に広角な配光に変換する光学レンズが知られている。この種の光学レンズの例を、図６（ａ）（ｂ）に示す。光学レンズ１０１は、レンズ出射面１０５が、ディンプル加工又は樋状加工によって凹凸形状に形成されていて、光源１０３からの光を凹凸形状の長手方向と略直交する方向に拡散して出射することができる。

このような光学レンズでは、例えば、図７（ａ）に示されるように、レンズ出射面１０５の形状が、光の入射角度が比較的小さくなるように形成されていれば、レンズ出射面１０５に入射した光Ｌ１（図中の点線矢印）は屈折してレンズ出射面１０５を透過する。また、図７（ｂ）に示されるように、レンズ出射面１０５の形状が、光の入射角度が比較的大きくなるように形成されると、出射光の配光を広角にすることができる。

また、例えば、特許文献１に示されるように、広角配光の光を出射する光学レンズを備えた照明装置が知られており、その例を図８（ａ）に示す。この照明装置２０２は、翼状突起部２０４、Ｖ字状凹部２０５を有する樋状レンズ２０１を備え、光源２０３から出射された光が、樋状レンズ２０１の凹部２０５で全反射されて、翼状突起部２０４へ導かれ、翼状突起部２０４内で全反射を繰り返させることにより、突起部上面２５３から拡散光を出射する。また、図８（ｂ）に示されるように、樋状レンズ２０１は、その下部光入射面２１１が集光レンズとなるように設計されてもよい。
特開２００６−９３１４８号公報

しかしながら、図７（ａ）に示されるように、レンズ出射面１０５が、光の入射角度が小さくなる形状であると、屈折角も小さくなるので、出射光の配光を広角にすることができない。また、図７（ｂ）に示されるように、レンズ出射面１０５が、光の入射角度が大きくなる形状であると、レンズ出射面１０５に対する入射角が臨界角を越えたときに、レンズ出射面１０５に入射した光ＬＲ（図中の破線矢印）が複数回全反射して、光源１０３方向へ配光制御され、光の利用効率が低下してしまう。かつ本来の目的である広角配光が不可能となる。そのため、この種の光学レンズでは、配光角度に限界がある。

また、特許文献１に示されるレンズは、主に液晶ディスプレイのバックライトモジュールに適用されるため、出射面から均一な拡散光を放射することを目的として設計されており、照明として利用されるような任意の配光設計を行うには適していない。また、翼状突起部２０４内で繰り返し全反射する光の一部は、光源２０３の方向へ出射され、光の利用効率が低かった。図８（ｂ）に示したように、下部光入射面２１１に集光レンズを設置したものであっても、照明として用いるには光の利用効率が不十分であった。

本発明は、上記課題を解決するものであり、配光が広角な光を出射することができ、しかも、光の利用効率が低下することもない光学ユニットを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１の発明は、基板と、前記基板に搭載される光源と、前記光源からの光を前記基板と略直交する方向に配光制御する第１の光学部材と、前記第１の光学部材からの略平行光と直交する方向に偏向拡散する第２の光学部材と、を備えた発光ユニットであって、前記第２の光学部材は、前記第１の光学部材の略平行光が入射する入射面と、該略平行光の中心近傍にあって、略平行光が透過して出射する透過部と、前記透過部の周辺にあって、前記略平行光が該略平行光と略直交する外側方向へ全反射する反射部と、を有する光学作用面と、前記入射面と光学作用面とを連接し、かつ前記全反射された光を出射する出射側面と、を含むものである。

請求項２の発明は、請求項１に記載の発光ユニットにおいて、前記反射部は、全反射面と非反射面とが繰り返されて鋸歯状に形成されているものである。

請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載の発光ユニットにおいて、前記第１の光学部材は、前記基板の法線を軸として大底面と小底面と接続面とを有する回転体の外郭を成し、前記小底面は、前記光源に対向するように凹面が設けられ、光源からの光を屈折によって略平行光に変換し、前記接続面は、前記小底面から入射した光を全反射によって略平行光に変換し、前記大底面は、前記略平行光を透過するものである。

請求項４の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の発光ユニットにおいて、前記第１の光学部材と第２の光学部材とが一体的に成型されているものである。

請求項５の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の発光ユニットにおいて、前記第１の光学部材と第２の光学部材とが夫々別部材により構成されるものである。

請求項６の発明は、請求項１又は請求項２に記載の発光ユニットにおいて、第１の光学部材を反射鏡としたものである。

請求項７の発明は、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の発光ユニットを備えた照明装置である。

請求項１の発明によれば、基板と略直交する方向又は略平行光と直交する方向に光が出射されるので、出射光の配光を広角にすることができる。また、略平行光の中心近傍に透過部が設けられ、反射部は透過部の周囲に設けられているので、かつ出射側面を持つので、反射部で全反射した光は、基板方向へは反射されず、光の利用効率は低下しない。更に、透過部から光が出射されるので、発光ユニット全体から均一な光が出射しているように見える。

請求項２の発明によれば、全反射面で全反射され、非反射面又は出射側面を透過した光が、略平行光と直交する方向に出射されるので、出射光の配光を広角とすることができ、しかも、第２の光学部材の光出射方向に対する厚みを薄くすることができる。

請求項３の発明によれば、第２の光学部材に入射する光の入射角度は、第１の光学部材によって予め定められているので、第２の光学部材を設計するときに、所望の配光角度を実現する反射部の角度を予測することができ、発光ユニットの生産性が向上する。

請求項４の発明によれば、第１の光学部材と第２の光学部材とを正確に接着させるような高度な加工技術が不要になるので、発光ユニットの生産性が向上する。

請求項５の発明によれば、配光の異なる様々な第２の光学部材と第１の光学部材とを適宜に組み合わせることにより、発光ユニットの汎用性が向上する。

請求項６の発明によれば、第２の光学部材を反射鏡と組み合わせて用いることができ、発光ユニットの汎用性が向上する。

請求項７の発明によれば、基板と略直交する方向に対して広角な配光の光を出射する照明装置が得られる。

本発明の第１の実施形態に係る発光ユニットについて、図１（ａ）（ｂ）を参照して説明する。本実施形態の発光ユニット１は、基板２と、基板２に搭載される光源３と、光源３からの光を基板２と略直交する方向に配光制御する第１の光学部材４と、第１の光学部材４からの略平行光と直交する方向に偏向拡散する第２の光学部材５と、を備える。また、第２の光学部材５は、第１の光学部材４と一体的に形成されてもよいし、第１の光学部材４とは別々に形成された後、第１の光学部材４及び第２の光学部材５を構成する材料と同じ接着材料で接着されてもよい。

基板２は、汎用のプリント基板であり、寸法安定性に優れ、反りやねじれ等のバラツキの少ない基板が用いられる。基板２の材料としては、例えば、ガラスクロス（布）を重ねたものにエポキシ樹脂を含浸させたガラスエポキシ基板等が用いられる。光源３には、汎用の発光ダイオード（ＬＥＤ）が用いられ、例えば、青色ＬＥＤと、３８０ｎｍ〜４８０ｎｍの波長帯域の光を４８０ｎｍ〜７８０ｎｍの光へ変換するＹＡＧ系蛍光体やＢＯＳ系蛍光体等を含むシートと、を組み合わせた白色ＬＥＤが用いられる。

第１の光学部材４は、基板２の法線ＮＬを軸として大底面４１と小底面４２と接続面４３とを有する回転体の外郭から成る、いわゆるハイブリッドレンズが用いられる。小底面４２には、光源３に対向するように凹面４２ａが設けられ、凹面４２ａは光源３からの光を屈折によって基板２の法線ＮＬと略平行な光（以下、略平行光）に変換する。接続面４３は、小底面４２から入射した光を全反射によって略平行光に変換する。また、大底面４１は、凹面４２ａで屈折又は接続面４３で全反射することによって変換された略平行光を透過する。

第１の光学部材４は、基板２上に搭載され、基板２上に固定される光源３を凹面４２ａが覆うように固定される。この第１の光学部材４の材料には、例えば、アクリル、ポリカーボネード、シリコン、エポキシ等の透光性プラスチック又はガラス等が用いられる。また、第１の光学部材４は、一般的には射出成形法により製造されるが、切削により製造されてもよい。

第２の光学部材５は、第１の光学部材４の略平行光が入射する入射面５１と、この略平行光の中心近傍にあって、略平行光が透過する透過部５２と、この透過部５２の周辺にあって、上記略平行光を全反射する反射部５３と、を有する光学作用面５４と、入射面５１と光学作用面５４とを連接し、かつ反射部５３で全反射された光を出射する出射側面５５と、を含む。

一般に、光が屈折率の高い材質から低い材質へ伝播するとき、光の入射角度によって透過する場合と全反射する場合とがあり、この光が透過するか全反射するかの境になる入射角度を臨界角という。入射角度が臨界角に満たない場合には、光は屈折透過し、臨界角を超える場合には全反射する。すなわち、本実施形態の光学作用面５４において、透過部５２は、略平行光の入射角が臨界角未満となるように形成され、反射部５３は、略平行光の入射角が臨界角以上となるように形成される。また、反射部５３は、透過部５２側から出射側面５５側へ略平行光を全反射し、一度全反射された光が再度反射部５３に入射しないように形成される。出射側面５５は、反射部５３で全反射された光と入射角が臨界角未満となるよう形成される。

第２の光学部材５は、第１の光学部材４と同じ材料を用いて、押し出し成型又は切削等により製造される。上述のように、第２の光学部材５は、第１の光学部材４と一体的に形成されているとき、第１の光学部材４の大底面４１及び第２の光学部材５の入射面５１は、実質的には存在しないが、以下の説明においては概念的に存在するものとする。これに対して、第１の光学部材４とは別々に形成された後、第１の光学部材４及び第２の光学部材５を構成する同じ接着材料で接着されているとき、第１の光学部材４、第２の光学部材５及び接着材料が同一の透光性材料であれば、それらの接着面においても屈折率は変化しないので、大底面４１及び入射面５１に入射又は出射した略平行光は、屈折又は全反射することなく、第２の光学部材５に入射する。

第２の光学部材５に入射した略平行光のうち、図１（ｂ）の点線矢印Ｌ１に示されるように、光学作用面５４の中心近辺に設けられた透過部５２の内表面に入射した光は、全反射することなく透過部５２の外表面から出射する。また、略平行光のうち、図１（ｂ）の破線矢印Ｌ２に示されるように、反射部５３の内表面に入射した光は、反射部５３を透過することなく全反射され、略平行光と直交する方向に配光制御されて、出射側面５５から出射する。

上述のように構成された本実施形態の発光ユニット１は、光学作用面２の法線ＬＮ方向又はこれに略直交する方向に光が出射されるので、出射光の配光を、法線ＮＬ方向に広角にすることができる。また、透過部５２又は反射部５３に入射した光はいずれも基板２方向へ全反射されないので、光利用効率が低下することもない。更に、透過部５２から光が出射されるので、発光ユニット１全体から均一な光が出射しているように見える。また、透過部５２と反射部５３との面積比率を変化させることにより、出射光が任意の配光角度で光度ピークとなるように発光ユニット１の配光設計を行うことができる。

次に、本実施形態の光学作用面５４の形状の変形例について、図２（ａ）乃至（ｄ）を参照して説明する。光学作用面５４の形状には、透過部５２と反射部５３とが滑らかな曲面となるもの（図２（ａ）参照）、透過部５２が略平行光の出射方向に対して凸面となるもの（図２（ｂ）参照）、透過部５２と反射部５３とが夫々入射面５１に対して傾きの異なる複数の平面が連続した面となるもの（図２（ｃ）参照）、又は、対称性がない面となるもの（図２（ｄ）参照）がある。このように、光学作用面５４は、透過部５２又は反射部５３の形状、面積比等を意図的に使い分けて設計されることにより、発光ユニット１を使用用途に応じて使い分けることができ、より効果的な配光制御を実現することができる。

次に、本発明の第２の実施形態に係る発光ユニットについて、図３（ａ）（ｂ）及び図４（ａ）（ｂ）を参照して説明する。本実施形態の発光ユニット１は、反射部５３が、全反射面５３ａと非反射面５３ｂとが繰り返されて鋸歯状に形成されている点が上記第１の実施形態と異なる。全反射面５３ａは、第１の実施形態の反射部５３と同様に、略平行光の入射角が臨界角以上となるように形成され、非反射面５３ｂは、出射側面５５と同様に、全反射面５３ａで全反射された光の入射角が臨界角未満となるよう形成される。なお、図３（ａ）（ｂ）は、略平行光の中心近傍に透過部５２が形成され、その外側に向かって非反射面５３ｂと全反射面５３ａとが夫々２面形成された例を示しているが、発光ユニット１の大きさによっては、非反射面５３ｂと全反射面５３ａとが２面以上形成されてもよい。

上述のように構成された本実施形態の発光ユニット１は、全反射面５３ａで全反射され、非反射面５３ｂ又は出射側面５５を透過した光が、光学作用面２の法線ＮＬと略直交する方向に出射されるので、第１の実施形態と同様に、出射光の配光を広角とすることができ、しかも、第２の光学部材の光出射方向に対する厚みを薄くすることができる。そのため、本実施形態の発光ユニット１は、厚さの限定された照明装置や発光モジュール等にも適用可能となる。

また、本実施形態の第２の光学部材５は、上述と同様、第１の光学部材の光出射方向に設けられているので、第２の光学部材に入射する光は、基板２の法線ＮＬと平行な略平行光に変換されている。すなわち、光学作用面に入射する光の入射角は予め定められているので、第２の光学部材を設計するときに、所望の配光角度を実現する全反射面５３ａ及び非反射面５３ｂの角度を予測することができ、発光ユニットの生産性が向上する。

第２の光学部材５は、図４（ａ）に示されるように、第１の光学部材４と一体的に形成されてもよいし、図４（ｂ）に示されるように、第１の光学部材４とは別々に形成された後、第１の光学部材４及び第２の光学部材５を構成する同じ接着材料で接着されてもよい。上述したように、第２の光学部材５は、その透過部５２及び反射部５３の面積比や反射部５３の角度等を適宜に設計することにより、任意の配光が得られる。そのため、別々に形成された第１の光学部材４と第２の光学部材５とを接着するのであれば、配光の異なる様々な第２の光学部材と第１の光学部材４とを適宜に組み合わせることにより、発光ユニット１の汎用性が向上する。ただし、第１の光学部材４の大底面４１と第２の光学部材５の入射面５１とが正確に接着されなければ、この接着面に入射した光が拡散等して、光利用効率が低下する。そのため、大底面４１及び入射面５１の形状を正確に成形し、これらを接着する高度な加工技術が必要であり、生産性において効率的とは言えない。これに対して、第１の光学部材４と第２の光学部材５とが一体的に形成されると、上述した高度な加工技術が不要になるので、生産性において効率的である。

次に、本発明の第１及び第２の実施形態の発光ユニット１の変形例について、図５を参照して説明する。上述の第１及び第２の実施形態において、第１の光学部材は、第２の光学部材５の入射面５１に略平行光を出射できれば、必ずしもハイブリッドレンズである必要はない。すなわち、発光ユニット１は、第１の光学部材として、光源３から出射した光を略平行光に変換できる反射鏡６を用いても、上述の第１及び第２の実施形態と同様の配光を得ることができる。すなわち、第２の光学部材５に対して、適宜にハイブリッドレンズ又は反射鏡を組み変えることができ、発光ユニット１の汎用性が向上する。なお、この変形例において、反射鏡６は放物線形状に形成され、その焦点に光源３が基板２によって配置される。また、反射鏡６は、例えば、所定形状に形成された樹脂構造体に、光反射率の高いアルミニウム等を蒸着させたものが用いられる。なお、反射鏡６の表面には、光源３から出射された光のうち特定波長の光成分をカットする樹脂等が製膜されてもよい。

また、上述の実施形態及び変形例において説明した発光ユニットを照明装置に適用することにより、基板２の法線ＮＬ方向に対する出射光の配光が広角な照明装置が得られる。

なお、本発明は、上記構成に限られることなく種々の変形が可能である。上述の実施形態及び変形例では、第２の光学部材５にハイブリッドレンズ又は反射鏡を用いた例を示したが、第２の光学部材５の入射面５１に略平行光を入射できるものであれば、第１の光学部材は適宜の部材を適用することができる。

（ａ）は本発明の第１の実施形態に係る発光ユニットの斜視図、（ｂ）は同発光ユニットの側断面図。 （ａ）乃至（ｄ）は同発光ユニットの光学作用面の変形例を示す側断面図。 （ａ）は本発明の第２の実施形態に係る発光ユニットの斜視図、（ｂ）は同発光ユニットの側断面図。 （ａ）は第１の光学部材と第２の光学部材とが一体的に形成された発光ユニットを示す斜視図、（ｂ）は第１の光学部材と第２の光学部材とが別々に形成された発光ユニットを示す斜視図。 本発明の第１及び第２の実施形態に係る発光ユニットの変形例を示す側断面図。 （ａ）は従来の発光ユニットの斜視図、（ｂ）は同発光ユニットの側断面図。 （ａ）（ｂ）は従来の発光ユニットにおける光の屈折又は全反射の例を示す部分断面図。 （ａ）は従来の発光ユニットを備えた照明装置の側断面図、（ｂ）は同発光ユニットの斜視図。

符号の説明

１ 発光ユニット
２ 基板
３ 光源
４ 第１の光学部材
４１ 大底面
４２ 小底面
４２ａ 凹面
４３ 接続面
５ 第２の光学部材
５１ 入射面
５２ 透過部
５３ 反射部
５３ａ 全反射面
５３ｂ 非反射面
５４ 光学作用面
５５ 出射側面
６ 反射鏡
ＮＬ 法線

Claims (7)

1. 基板と、前記基板に搭載される光源と、前記光源からの光を前記基板と略直交する方向に配光制御する第１の光学部材と、前記第１の光学部材からの略平行光と直交する方向に偏向拡散する第２の光学部材と、を備えた発光ユニットであって、
   前記第２の光学部材は、
   前記第１の光学部材の略平行光が入射する入射面と、
   該略平行光の中心近傍にあって、略平行光が透過して出射する透過部と、前記透過部の周辺にあって、前記略平行光が該略平行光と略直交する外側方向へ全反射する反射部と、を有する光学作用面と、
   前記入射面と光学作用面とを連接し、かつ前記全反射された光を出射する出射側面と、を含むことを特徴とする発光ユニット。
2. 前記反射部は、全反射面と非反射面とが繰り返されて鋸歯状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の発光ユニット。
3. 前記第１の光学部材は、前記基板の法線を軸として大底面と小底面と接続面とを有する回転体の外郭を成し、
   前記小底面は、前記光源に対向するように凹面が設けられ、光源からの光を屈折によって略平行光に変換し、
   前記接続面は、前記小底面から入射した光を全反射によって略平行光に変換し、
   前記大底面は、前記略平行光を透過するものであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の発光ユニット。
4. 前記第１の光学部材と第２の光学部材とが一体的に成型されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の発光ユニット。
5. 前記第１の光学部材と第２の光学部材とが夫々別部材により構成されることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の発光ユニット。
6. 第１の光学部材は反射鏡であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の発光ユニット。
7. 請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の発光ユニットを備えた照明装置。

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