JP5060059B2 - 光学部品及びそれを用いた照明装置 - Google Patents

Description

本発明は、光源からの光を取り出す光学部品及びそれを用いた照明装置に関する。

近年、ディスプレイ等の照明装置として表面実装型の発光ダイオードが広く用いられている。従来の表面実装型の発光ダイオードには、セラミック等から成り正負の外部接続電極が形成されたパッケージ内にＬＥＤチップが設けられ、ＬＥＤチップの発光面側に透光性の封止樹脂が充填されて、該封止樹脂を介してＬＥＤチップが発光した光を外部に出射するものがある。このような表面実装型の発光ダイオードには、光の取り出し効率を高めるために、封止樹脂の表面において、ＬＥＤチップと対向する部位を平滑面とし且つ平滑面を除く周辺部分を粗面としたものがある。具体的には、封止樹脂の表面において、ＬＥＤチップの発光面の中心部から出力された光の入射角が臨界角以下となる範囲を平滑面とし、臨界角以上となる範囲を粗面とすることで全反射が生じるのを防ぎ、粗面とした部分から効果的に光を取り出すことができるものである（特許文献１参照）。
特開平１１−２０４８４０号公報

ところで、上記特許文献１に記載されているような発光ダイオードでは、封止樹脂が柔らかいので、封止樹脂を保護するために封止樹脂の表面にアクリル等の耐候性の高い樹脂から成る光学部品を積層する必要がある。しかしながら、このような光学部品を積層すると、該光学部品の表面で光が全反射してしまい、光源からの光の取り出し効率が低下するという問題があった。

本発明は、上記の点に鑑みて為されたもので、光源からの光の取り出し効率を高めることのできる光学部品及びそれを用いた照明装置を提供することを目的とする。

請求項１の発明は、上記目的を達成するために、光源の発光面に対向して設けられて、光源からの光が入射する略平面状の光入射面と、光入射面から入射した光を外部に取り出す略平面状の光出射面とを有する光学部品であって、光入射面及び光出射面は、各々の面に入射する光の入射角が臨界角以上となる範囲において多数の凹凸が設けられた粗面をそれぞれ備え、光の入射角が臨界角未満となる範囲では、平滑な平面をそれぞれ備えたことを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、粗面は、その凹凸が各々フレネルレンズ状に形成されたことを特徴とする。
請求項３の発明は、請求項２の発明において、凹凸は、光の出射方向に沿って形成された立ち上がり面と、立ち上がり面と交差して傾斜する有効面とから成る複数の谷部であって、有効面は、発光面中心を中心とし且つ谷部の上側の頂点と発光面中心とを結ぶ線分を半径とした円弧状に形成されたことを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１の発明において、粗面は、その凹凸が各々プリズム状に形成されたことを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項１乃至４の何れかの光学部品と、光源と、光源に電力を供給する点灯装置とを備えたことを特徴とする。

請求項１の発明によれば、光源の発光面に対向して設けられて、光源からの光が入射する略平面状の光入射面と、光入射面から入射した光を外部に取り出す略平面状の光出射面とを有する光学部品であって、光入射面及び光出射面は、各々の面に入射する光の入射角が臨界角以上となる範囲において多数の凹凸が設けられた粗面をそれぞれ備え、光の入射角が臨界角未満となる範囲では、平滑な平面をそれぞれ備えたので、光入射面及び光出射面の臨界角以上の範囲で全反射が生じることなく光を外部に取り出すことができ、したがって光源からの光の取り出し効率を高めることができる。

請求項２，３の発明によれば、粗面は、その凹凸が各々フレネルレンズ状に形成されたので、単なる凹凸の場合と比べて全反射をほぼ無くすことができ、光の取り出し効率を更に高めることができる。また、粗面の凹凸が入射する光に対して略垂直となるため、光源からの光の配光特性を損なうことなく光を外部に取り出すことができる。

請求項４の発明によれば、粗面は、その凹凸が各々プリズム状に形成されたので、請求項１と同様に光の取り出し効率を高めることができる。

請求項５の発明によれば、請求項１乃至４の何れかの効果を奏する照明装置を実現することができる。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。尚、以下の説明における上下左右方向は、図１における上下左右を基準と定める。本実施形態の照明装置は、図１に示すように、光源となるＬＥＤチップ２と、ＬＥＤチップ２を封止する封止樹脂３と、封止樹脂３の上面に設けられてＬＥＤチップ２の発光面と対向する光学部品１と、ＬＥＤチップ２に電力を供給する点灯装置（図示せず）とから構成される。光学部品１は、ＬＥＤチップ２からの光が入射する略平面状の光入射面１０と、光入射面１０から入射した光を外部に取り出す略平面状の光出射面１１とを有し、光入射面１０及び光出射面１１は、各々の面に入射する光の入射角が臨界角α以上となる範囲において多数の凹凸が設けられた粗面１２、１３をそれぞれ備えている。
ＬＥＤチップ２は、例えば基板４にダイボンド固着され、図示しないが外部の正負の電極とそれぞれワイヤボンディングで接続される。光学部品１とＬＥＤチップ２との間には、ＬＥＤチップ２を覆うように、例えばシリコーン等の透光性の封止樹脂３が充填されている。ＬＥＤチップ２は、点灯装置から電力を供給されることで発光し、その光は封止樹脂２及び光学部品１を介して外部に取り出される。尚、ＬＥＤチップ２の発光面の面積は、光学部品１の光入射面１０及び光出射面１１の面積に比べて十分に小さいものであるので、以下ではＬＥＤチップ２の発光面中心２ａから出射される光について説明する。
光学部品１は、例えばアクリル樹脂等の透光性の樹脂材料で形成され、封止樹脂３の表面に積層することで封止樹脂３を保護する。光学部品１の光入射面１０及び光出射面１１は、ＬＥＤチップ２の発光面中心２ａから出射される光に対して、入射角が臨界角α以下となる範囲では各々平滑な平面となっており、入射角が臨界角α以上となる範囲では多数の凹凸を設けた粗面１２、１３がそれぞれ形成されている。
光入射面１０における粗面１２は、図２（ａ）に示すように、ＬＥＤチップ２の発光面中心２ａから出射される光の入射角が臨界角α以上となる範囲において、上方へと傾斜する立ち上がり面５ａと、立ち上がり面５ａと交差して下方へと傾斜する有効面５ｂとから成る谷部５が多数形成されている。また、光出射面１１における粗面１３にも、光入射面１０における粗面１２と同様に、ＬＥＤチップ２の発光面中心２ａから出射される光に対して入射角が臨界角α以上となる範囲において、上方へと傾斜する立ち上がり面６ａと、立ち上がり面６ａと交差して下方へと傾斜する有効面６ｂとから成る谷部６が多数形成されている。尚、図２（ａ）ではＬＥＤチップ２の右側断面図のみを図示しているが、断面左側においても同様の粗面１２、１３が形成されているのは言うまでもない。
谷部５は、光学部品１の光入射面１０において、各々上下方向における一定の幅ｔの長さ分切り欠いて形成されるもので、立ち上がり面５ａは、ＬＥＤチップ２の発光面中心２ａからの光の出射方向に沿って形成されており、有効面５ｂは、発光面中心２ａを中心とし且つ谷部５の上側の頂点と発光面中心２ａとを結ぶ線分を半径とした円弧状に形成されている。
例えば、図２（ｃ）に示すように、最もＬＥＤチップ２に近い谷部５０では、発光面中心２ａから光入射面１０に対して入射角αで出射される光Ｌ１に沿って立ち上がり面５ａが形成されており、有効面５ｂは、発光面中心２ａを中心とし且つ発光面中心２ａと谷部５０の上側の頂点５０ａとを結ぶ線分ｒ１を半径として円弧状に形成されている。また、ＬＥＤチップ２から２番目に近い谷部５１では、発光面中心２ａから谷部５０の下側の頂点５０ｂを通るように出射される光Ｌ２に沿って立ち上がり面５ａが形成されており、有効面５ｂは、発光面中心２ａを中心とし且つ発光面中心２ａと谷部５１の上側の頂点５１ａとを結ぶ線分ｒ２を半径として円弧状に形成されている。以下、同様に谷部５が粗面１２に多数形成されている。このように、谷部５はＬＥＤチップ２の発光面中心２ａを中心とした同心円状、所謂フレネルレンズ状に切り欠いて形成されている。
谷部６は、光学部品１の光出射面１１において、各々上下方向における一定の幅Ｔの長さ分切り欠いて形成されるもので、谷部５と同様にフレネルレンズ状に形成されている。例えば、図２（ｂ）に示すように、最もＬＥＤチップ２に近い谷部６０では、光Ｌ１の軌道と光出射面１１との交点６０ａと発光面中心２ａとを結ぶ線分Ｒ１を半径として発光面中心２ａを中心とした円弧状に有効面６ｂが形成され、立ち上がり面６ａは、光Ｌ２の軌道に沿って形成されている。また、ＬＥＤチップから２番目に近い谷部６１では、光Ｌ２の軌道と光出射面１１との交点６１ａと発光面中心２ａとを結ぶ線分Ｒ２を半径として発光面中心２ａを中心とした円弧状に有効面６ｂが形成され、立ち上がり面６ａは、発光面中心２ａから谷部６１の下側の頂点６１ｂを通るように出射される光Ｌ３に沿って形成されている。以下、同様に谷部６が粗面１３に多数形成されている。
上述のように、入射角が臨界角α以上の範囲においてフレネルレンズ状に形成された谷部５、６を多数設けた粗面１２、１３を光入射面１０及び光出射面１１それぞれに備えたので、光入射面１０に臨界角α以上で入射する光に対して各谷部５の有効面５ｂが略垂直となるために、入射光がほぼ全反射することなく光入射面１０を通過し、さらに光出射面１１に臨界角α以上で入射する光に対して各谷部６の有効面６ｂが略垂直となるために、ほぼ全反射することなく光が外部に取り出される。したがって、封止樹脂３の上面に光学部品１を積層した場合にも、ほぼ全反射を生じることなく外部に光を取り出すことができ、光の取り出し効率を高めることができる。また、有効面５ｂ、６ｂが入射光に対して略垂直であるために、ほぼ屈折させることなく光を外部に取り出すことができるため、ＬＥＤチップ２の配光特性を活かすことができる。
ところで、光入射面１０及び光出射面１１の粗面１２、１３の凹凸の形状は、本実施形態のようなフレネルレンズ状に限定されるものではなく、例えばプリズム状や、シボ加工等による単なる凹凸形状であってもよい。この場合にも粗面１２、１３によってある程度全反射を抑えることができ、ＬＥＤチップ２からの光の取り出し効率を高める効果が得られる。
また、封止樹脂３には、光学部品１の屈折率とほぼ等しい屈折率を有する透光性の樹脂材料を用いてもよい。この場合、封止樹脂３の上面と光学部品１の光入射面１０との界面では全反射が生じないので、図３に示すように、光出射面１１のみに粗面１３を設けることで、ＬＥＤチップ２からの光の取り出し効率を高める効果が得られる。

本発明の実施形態の照明装置を示す断面図である。 同上の粗面の形状を示す断面図で、（ａ）はＬＥＤチップを含む右側の断面図で、（ｂ）は光出射面の一部拡大図で、（ｃ）は光入射面の一部拡大図である。 同上の光学部品の屈折率とほぼ等しい屈折率を有する封止樹脂を用いた場合を示す断面図の一部である。

符号の説明

１ 光学部品
１０ 光入射面
１１ 光出射面
１２、１３ 粗面
２ ＬＥＤチップ
２ａ 発光面中心

Claims (5)

1. 光源の発光面に対向して設けられて、光源からの光が入射する略平面状の光入射面と、光入射面から入射した光を外部に取り出す略平面状の光出射面とを有する光学部品であって、光入射面及び光出射面は、各々の面に入射する光の入射角が臨界角以上となる範囲において多数の凹凸が設けられた粗面をそれぞれ備え、光の入射角が臨界角未満となる範囲では、平滑な平面をそれぞれ備えたことを特徴とする光学部品。
2. 前記粗面は、その凹凸が各々フレネルレンズ状に形成されたことを特徴とする請求項１記載の光学部品。
3. 前記凹凸は、光の出射方向に沿って形成された立ち上がり面と、立ち上がり面と交差して傾斜する有効面とから成る複数の谷部であって、有効面は、発光面中心を中心とし且つ谷部の上側の頂点と発光面中心とを結ぶ線分を半径とした円弧状に形成されたことを特徴とする請求項２記載の光学部品。
4. 前記粗面は、その凹凸が各々プリズム状に形成されたことを特徴とする請求項１記載の光学部品。
5. 請求項１乃至４の何れかの光学部品と、光源と、光源に電力を供給する点灯装置とを備えたことを特徴とする照明装置。

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