JP5081708B2 - レンズ付発光ユニット - Google Patents

Description

本発明は、赤、青、緑等の複数の色光を出射する複数のＬＥＤ素子からの出射光を１つのレンズで混色させるレンズ付発光ユニットに関する。

従来から、赤青緑（ＲＧＢ）等各色のＬＥＤからの光を導光部材の全反射を利用して一方向から出射させ、拡散層により散乱性を高め、白色に混色する光源素子が知られている（例えば、特許文献１参照）。しかしながら、このような光源素子では、混色性は向上するが、出力光の配光が広角配光となってしまい、狭角配光ができない。また、拡散層によって内部に反射される光が多いため、照射効率が良くない。

一方、各色のＬＥＤ素子からの光を混色し、高効率に色ムラを軽減して照射するものとして、凸入射面と全反射面を組み合わせたハイブリッドレンズが知られている。図４（ａ）（ｂ）（ｃ）は、このようなハイブリッドレンズを用いた光学系を示し、図４（ａ）は照射パターンを、図４（ｂ）は光路を、図４（ｃ）はＬＥＤ素子の配置を示す。図４（ｂ）において、レンズ断面のハッチングは省いており、Ｒ、Ｇ、Ｂは、それぞれ赤色、緑色、青色の光路（光線経路）を示す（以下、同様）。また、同図では、黄色の光路（Ｙ）は、緑色の光路（Ｇ）の背後に重なっている。ハイブリッドレンズ４３は、赤色、緑色、青色、黄色の各色のＬＥＤ素子４２Ｒ、４２Ｇ、４２Ｂ、４２Ｙ（総称してＬＥＤ素子４２という）からのレンズ入射光を、反射面４４ｂでの全反射によってレンズ中心軸（光軸）に対して略平行光として出射させる光路と、凸入射面４４ｄでの屈折によって集光して出射させる光路の２種類の光路を有する。

ＬＥＤ素子４２は、複数であるので、中央に一つを配置することができず、図４（ｃ）に示すように、複数のＬＥＤ素子４２の位置が、レンズ中心軸に対してそれぞれ偏る。図４（ｂ）において、赤色のＬＥＤ素子４２Ｒは左側に、青色のＬＥＤ素子４２Ｂは右側に偏っており、図示しない光軸を含む紙面に垂直な面内では、緑色のＬＥＤ素子４２Ｇは手前側に、黄色のＬＥＤ素子４２Ｙは奥側に偏っている。各色のＬＥＤ素子４２から発せられた光の光路を出射面４４ａを基点に考えると、赤色のＬＥＤ素子４２Ｒから発せられた光の光路は、出射面４４ａを通過した後、右側に偏っており、青色のＬＥＤ素子４２Ｂから発せられた光の光路は、左側に偏っている。このため、図４（ａ）に示すように、照射光は、照射パターン端部の左側で青色（Ｂ）、右側で赤色（Ｒ）になってしまう。光軸を含む紙面に垂直な面内においても同様に、手前側で緑色（Ｇ）、奥側で黄色（Ｙ）になってしまう。このように、ハイブリッドレンズを用いて各色のＬＥＤ素子からの光を混色する光学系では、照射パターン端部が十分に混色されず、色ムラが生じる。
特開２００２−１３３９３２号公報

本発明は、上記問題を解決するものであり、集光機能と混色機能を合わせ持つレンズを有する発光ユニットにおいて、効率低下を抑えて、複数の光色の混色性を向上することを目的とする。

上記目的を達成するために請求項１に記載の発明は、基板と、前記基板上に配置される複数のＬＥＤ素子と、前記複数のＬＥＤ素子の略重心を通る前記基板の法線を回転対称軸とする回転体形状のレンズユニットと、を備え、前記複数のＬＥＤ素子には複数の光色のＬＥＤ素子が含まれ、前記レンズユニットが前記ＬＥＤ素子からの光を混色して出射するレンズ付発光ユニットであって、前記レンズユニットは、前記法線と直交する出射面と、前記出射面から基板に向かって凸状に延びる反射面と、前記反射面の基板側から前記出射面に折り返す側方入射面と、前記側方入射面の前記反射面と接していない端部をつなぐ上方入射面と、を備えると共に、前記側方入射面と前記上方入射面との任意の接点について、前記接点と最も離れたＬＥＤ素子からの光が前記接点で屈折させられてなる光路と該レンズユニット内で交差するように配置される反射部材をさらに備えるものである。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のレンズ付発光ユニットにおいて、前記反射部材は、前記回転対称軸を同軸とした複数の層から成るものである。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載のレンズ付発光ユニットにおいて、前記反射部材は、空気層であるものである。

請求項１に記載の発明によれば、反射部材で反射された各色の光線の組は、各色の進行方向の相対関係が、反射部材で反射されない光線の組と比較して逆転するので、反射部材の適切な配置によって、照射パターン端部の色むらを打ち消して混色性を向上することができる。また、レンズユニットは、高効率で集光機能と混色機能を合わせ持つハイブリッドレンズであり、反射部材によって混色性を向上するので、拡散層による混色と比べて効率低下を抑えることができる。

請求項２に記載の発明によれば、反射部材がレンズユニットの回転対称軸（光軸）を同軸とした複数の層から成ることによって、光軸近辺の光線も反射部材で反射して、進行方向の相対関係を逆転させることができるので、複数の光色の混色性をさらに向上することができる。

請求項３に記載の発明によれば、反射部材における光線の反射に全反射現象を利用するので、反射率は１００％となり、高効率に混色することができる。

以下、本発明の第１の実施形態に係るレンズ付発光ユニットについて説明する。図１（ａ）は本実施形態のレンズ付発光ユニットの照射パターンを、図１（ｂ）は同ユニットにおける光路を、図１（ｃ）は同ユニットのＬＥＤ素子の配置を示す。レンズ付発光ユニット１０は、基板１１と、基板１１上に配置される複数のＬＥＤ素子１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂ、１２Ｙ（総称してＬＥＤ素子１２という）と、複数のＬＥＤ素子１２の略重心を通る基板１１の法線を回転対称軸とする回転体形状であるレンズユニット１３とを備える。複数のＬＥＤ素子１２には複数の光色のＬＥＤ素子１２が含まれ、レンズユニット１３がＬＥＤ素子１２からの光を混色して出射する。

基板１１は、エポキシ樹脂等から成るプリント配線基板等であり、ＬＥＤ素子１２の配線パターンが施されており、ＬＥＤ素子１２の配置面を提供する。ＬＥＤ素子１２は、順方向に電圧を加えた際に発光する半導体素子であり、砲弾型ＬＥＤ、表面実装型ＬＥＤ（ＳＭＤ型ＬＥＤ)等である。複数のＬＥＤ素子１２は、例えば、赤色ＬＥＤ素子１２Ｒ、緑色ＬＥＤ素子１２Ｇ、青色ＬＥＤ素子１２Ｂ、黄色ＬＥＤ素子１２Ｙであり、このように全て互いに異なる光色であってもよいし、同じ光色のＬＥＤ素子が含まれていてもよい。複数のＬＥＤ素子１２を１つのパッケージに収納して、発光ダイオードパッケージを構成したものを用いてもよい。基本的には、各ＬＥＤ素子１２間を等間隔とすると共に、各ＬＥＤ素子１２の重心が基板１１の中心と等間隔となるように配置される。レンズユニット１３は、ガラス、アクリル、ポリカードネード等の概ね屈折率１．３以上の透明材料から成り、光軸が基板１１の中心を通る法線と略一致するようにＬＥＤ素子１２の前面に配置され、ＬＥＤ素子１２からの光を集光する機能と拡散する機能とを有する。

レンズユニット１３は、基板１１の法線と直交する出射面１４ａと、出射面１４ａから基板１１に向かって凸状に延びる反射面１４ｂと、反射面１４ｂの基板１１側から出射面１４ａに折り返す側方入射面１４ｃと、側方入射面１４ｃの反射面１４ｂと接していない端部をつなぐ上方入射面１４ｄとを備えるハイブリッドレンズである。出射面１４ａは、レンズユニット１３に入射した光をレンズユニット１３外部に取り出すように設計した面である。反射面１４ｂは、全反射面、すなわち、屈折率が大きい媒質から小さい媒質に光が入射するときに、入射光が異なる媒質の境界面を透過せず全て反射するように、面の傾斜を入射角が臨界角以上になるように設計した面である。反射面１４ｂには、漏れ光をさらに無くすため、銀蒸着や多層膜処理を施してもよい。側方入射面１４ｃは、ＬＥＤ素子１２の配置面に対して略垂直な面とすることによって、入射した光がほぼ全て反射面１４ｂに到達するように設計した面である。上方入射面１４ｄは、ＬＥＤ素子１２の配置面に対して略平行であり、この面を入射した光はほぼ全て出射面１４ａに到達するよう設計した面である。

レンズユニット１３は、側方入射面１４ｃと上方入射面１４ｄとの任意の接点Ｐｃについて、接点Ｐｃと最も離れたＬＥＤ素子１２からの光が接点Ｐｃで屈折させられてなる光路とレンズユニット１３内で交差するように配置される反射部材１５をさらに備える。

反射部材１５は、アルミ、銀等の高反射率を実現できる材料を使用した高反射表面処理膜であり、２〜３ミクロンの二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）粒子等のマット材を混入して若干の拡散性を持たせることが、混色性向上には好ましい。但し、マット材の混入により、反射部材１５の反射率は下がるので、効率を重視するか混色性を重視するかを考慮してマット材の混入量を決定する。

ここで、本実施形態の光学系の形成方法を説明する。レンズユニット１３内に反射部材１５を配置するために、レンズユニット１３は、反射部材１５より内側（光軸側）のレンズ体（内部レンズ体１３ａ）と、外側のレンズ体（外部レンズ体１３ｂ）とに分けて成形する。成形した内部レンズ体１３ａの側面部に、蒸着、スパッタ等の高反射率表面処理によって反射部材１５を形成する。内部レンズ体１３ａの側面部の下端付近には、反射部材１５が無い領域を設ける。反射部材１５を形成した内部レンズ体１３ａと、外部レンズ体１３ｂとを、反射部材１５が無い境界面における熱融着等によって組み合わせて一体の光学系とする。熱融着した境界面は、歪みなどが残留し易いために、良好な透過率を得難いが、この境界面を通過する光線は少ないので、効率への影響は非常に少ない。

次に、上記のように構成されたレンズ付発光ユニット１０の動作を説明する。各色ＬＥＤ素子１２から発した光線のうち、側方入射面１４ｃに入射した光線は、外部レンズ体１３ｂに屈折入射し、それらほとんどの光線は反射面１４ｂに到達して全反射され、出射面１４ａに到達して屈折出射され、照射面１８に到達する。それに対して、各色ＬＥＤ１２から発した光線のうち、レンズ上方入射面１４ｄに入射した光線は、内部レンズ体１３ａ内に屈折入射する。そのうち光軸近辺の光線は、そのまま出射面１４ａに到達して屈折出射され、照射面１８に到達する。それ以外の光軸から離れた光線は、反射部材１５で反射され、進行方向が変化する。出射面１４ａの各位置を基点とする各色の組の光路において、反射部材１５で反射されない光線の組（実線で図示）では、青色の光路（Ｂ）が図の左側に、赤色の光路（Ｒ）が右側に偏っているが、反射部材１５で反射された光線の組（破線で図示）では、赤色の光路（Ｒ）が左側で青色の光路（Ｂ）が右側と逆転する。図示しない紙面に垂直な面内においても、緑色の光路（Ｇ）と黄色の光路（Ｙ）について同様に、反射によって相対関係が逆転する。従って、進行方向の相対関係が逆転しない光線の組と逆転した光線の組とが重なり合って混色される。

このように、出射面１４ａの各位置を基点とするＲＧＢＹ各色の組の光路において、反射部材１５で反射された光線の組は、各色の進行方向の相対関係が、反射部材１５で反射されない光線の組と比較して逆転するので、反射部材１５の適切な配置によって、照射パターン端部の色むらを打ち消して混色性を向上することができる。また、レンズユニット１３は、高効率で集光機能と混色機能を合わせ持つハイブリッドレンズであり、反射部材１５によって混色性を向上するので、拡散層による混色と比べて効率低下を抑えることができる。

次に、本発明の第２の実施形態に係るレンズ付発光ユニットについて説明する。図２（ａ）は本実施形態のレンズ付発光ユニットの照射パターンを、図２（ｂ）は同ユニットにおける光路を、図２（ｃ）は同ユニットのＬＥＤ素子の配置を示す。本実施形態のレンズ付発光ユニット２０は、第１の実施形態と同様の構成を有すると共に、反射部材２５は、レンズユニット２３の回転対称軸を同軸とした複数の層から成る。例えば、反射部材２５は、第１層の反射部材２５ａと、それよりも回転対称軸に近い側に離間した第２層の反射部材２５ｂとから成る。反射部材２５は、３層以上を設けてもよい。

ここで、本実施形態の光学系の形成方法を説明する。本実施形態では、第１の実施形態の光学系の形成方法とほぼ同じであるが、レンズユニット２３の内部レンズ体を複数段階に分けて成形し、表面処理等を行うことによって、複数の層の反射部材２５ａ、２５ｂを形成する。

次に、上記のように構成されたレンズ付発光ユニット２０の動作を説明する。第１の実施形態と同様に、出射面１４ａの各位置を基点とするＲＧＢＹ各色の組の光路において、反射部材２５で反射された光線の組は、各色の進行方向の相対関係が、反射部材２５で反射されない光線の組と比較して逆転する。従って、進行方向の相対関係が逆転しない光線の組と逆転した光線の組とが重なり合って混色される。レンズユニット２３の回転対称軸近辺の光線は、第１の実施形態では反射されないが、本実施形態では、回転対称軸に近い側の反射部材２５ｂによって反射される。

このように、本実施形態のレンズ付発光ユニット２０は、反射部材２５ａ、２５ｂがレンズユニット２３の回転対称軸（光軸）を同軸とした複数の層から成ることによって、光軸近辺の光線も反射部材２５ｂで反射して、進行方向の相対関係を逆転させることができるので、複数の光色の混色性をさらに向上することができる。

次に、本発明の第３の実施形態に係るレンズ付発光ユニットについて説明する。図３（ａ）は本実施形態のレンズ付発光ユニットの照射パターンを、図３（ｂ）は同ユニットにおける光路を、図３（ｃ）は同ユニットのＬＥＤ素子の配置を示す。本実施形態のレンズ付発光ユニット３０は、第１又は第２の実施形態と同様の構成を有すると共に、反射部材３５は、空気層である。この反射部材３５は、第２の実施形態と同様に、２層から成る。反射部材３５は、１層又は３層以上を設けてもよい。

ここで、本実施形態の光学系の形成方法を説明する。本実施形態では、第１の実施形態の光学系の形成方法とほぼ同じであるが、レンズユニット３３の内部レンズ体を複数段階に分けて成形し、境界面に銀蒸着等の表面処理を行わず、空気層の反射部材３５を形成する。反射部材３５は、レンズと空気層の界面における全反射現象を利用するものである。内部レンズ体を相互に接合するために、境界面の下端付近に空気層が無い領域を設ける。

上記のように構成されたレンズ付発光ユニット３０の動作は、第１又は第２の実施形態と同様であるが、空気層の反射部材３５に入射した光線は、全反射現象によって全反射される。出射面１４ａの各位置を基点とするＲＧＢＹ各色の組の光路において、反射部材３５で反射された光線の組は、各色の進行方向の相対関係が、反射部材３５で反射されない光線の組と比較して逆転する。進行方向の相対関係が逆転しない光線の組と逆転した光線の組とが重なり合って混色される。

このように、本実施形態のレンズ付発光ユニット３０は、反射部材３５における光線の反射に全反射現象を利用するので、反射率は１００％となり、高効率に混色することができる。

なお、本発明は、上記の実施形態の構成に限られず、発明の要旨を変更しない範囲で種々の変形が可能である。例えば、ＬＥＤ素子１２の光色は、４色に限定されるものではなく、３つのＬＥＤ素子１２による３色であってもよい。

（ａ）は本発明の第１の実施形態に係るレンズ付発光ユニットからの照射面の平面図、（ｂ）は同ユニットの断面図、（ｃ）は同ユニットの基板の上面図。 （ａ）は本発明の第２の実施形態に係るレンズ付発光ユニットからの照射面の平面図、（ｂ）は同ユニットの断面図、（ｃ）は同ユニットの基板の上面図。 （ａ）は本発明の第３の実施形態に係るレンズ付発光ユニットからの照射面の平面図、（ｂ）は同ユニットの断面図、（ｃ）は同ユニットの基板の上面図。 （ａ）は従来のレンズ付発光ユニットからの照射面の平面図、（ｂ）は同ユニットの断面図、（ｃ）は同ユニットの基板の上面図。

符号の説明

１０、２０、３０ レンズ付発光ユニット
１１ 基板
１２ ＬＥＤ素子
１３、２３、３３ レンズユニット
１４ａ 出射面
１４ｂ 反射面
１４ｃ 側方入射面
１４ｄ 上方入射面
１５、２５、３５ 反射部材

Claims (3)

1. 基板と、前記基板上に配置される複数のＬＥＤ素子と、前記複数のＬＥＤ素子の略重心を通る前記基板の法線を回転対称軸とする回転体形状のレンズユニットと、を備え、前記複数のＬＥＤ素子には複数の光色のＬＥＤ素子が含まれ、前記レンズユニットが前記ＬＥＤ素子からの光を混色して出射するレンズ付発光ユニットであって、
   前記レンズユニットは、前記法線と直交する出射面と、前記出射面から基板に向かって凸状に延びる反射面と、前記反射面の基板側から前記出射面に折り返す側方入射面と、前記側方入射面の前記反射面と接していない端部をつなぐ上方入射面と、を備えると共に、前記側方入射面と前記上方入射面との任意の接点について、前記接点と最も離れたＬＥＤ素子からの光が前記接点で屈折させられてなる光路と該レンズユニット内で交差するように配置される反射部材をさらに備えることを特徴とするレンズ付発光ユニット。
2. 前記反射部材は、前記回転対称軸を同軸とした複数の層から成ること特徴とする請求項１に記載のレンズ付発光ユニット。
3. 前記反射部材は、空気層であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のレンズ付発光ユニット。

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