JP5543157B2 - Optical element and light emitting device - Google Patents
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Description
本発明は、光学素子および発光装置に関する。 The present invention relates to an optical element and a light emitting device.
近年、LED(Light Emitting Diode)のハイパワー化、高効率化により、白熱電球および蛍光灯の代替えとして、LED照明装置が実用化されてきている。白熱電球または蛍光灯に比べて、LEDは大きさが小さく、光束密度が高い。また、白熱電球および蛍光灯が全方位に発光するのに対して、LEDは光線の指向性を高くし易いという特徴を有する。また、最近では、3Wさらには10WというパワーLEDも実用化されている。 In recent years, LED lighting devices have been put into practical use as an alternative to incandescent bulbs and fluorescent lamps due to the high power and high efficiency of LEDs (Light Emitting Diodes). Compared with incandescent bulbs or fluorescent lamps, LEDs are smaller in size and have a higher luminous flux density. Further, incandescent bulbs and fluorescent lamps emit light in all directions, whereas LEDs have a feature that the directivity of light rays is easily increased. Recently, power LEDs of 3W or 10W have been put into practical use.
このようなLEDを光源とする電球として、特許文献1には、透光性のグローブの外表面に拡散シートを具備しているLED電球が提案されている。このLED電球は、その輝度をほぼ均一にできるものとされている。
As a light bulb using such an LED as a light source,
しかしながら特許文献1に提案されているLED電球は、その設計によって配光角を調整できない。そのため、ハイパワーのLEDを用いた場合には、まぶしさ(グレア)の大きいものとなる。
However, the LED light bulb proposed in
本発明は、このような背景の下に行われたものであって、グレアを低減できる光学素子および発光装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made under such a background, and an object thereof is to provide an optical element and a light emitting device capable of reducing glare.
上記目的を達成するため、本発明の光学素子は、内部が充実体とされ、一方の面から入射された光を導光し他方の面から出射する光学素子において、一方の面を三角錐状の凹面とし、他方の面を凸面としたメニスカスレンズとし、メニスカスレンズを光を拡散する光拡散体で形成した。 To achieve the above object, the optical element of the present invention, the internal is a solid body, in the optical element for emitting from the surface of the guided the incident light from one side to the other side, the one side triangular pyramidal of the concave, the other side is a meniscus lens having a convex surface and formed of a light diffuser for diffusing light meniscus lens.
ここで、他方の面側が球形をなし、一方の面と他方の面との境界部となるメニスカスレンズのコバが、球形の面とは反対側に突出した環状の面となっていることが好ましい。 Here, it is preferable that the other surface side has a spherical shape, and the edge of the meniscus lens serving as a boundary portion between the one surface and the other surface is an annular surface protruding to the opposite side of the spherical surface. .
また、一方の面は、光を散乱するシボ状になっていることが好ましい。 Further, it is preferable that one surface has a grain shape that scatters light.
上記目的を達成するため、本発明の発光装置は、発光部材と、内部が充実体とされ、発光部材から発せられる光が一方の面から入射され他方の面から出射する光学素子とを有する発光装置において、光学素子は、一方の面を三角錐状の凹面とし、他方の面を凸面としたメニスカスレンズとされ、このメニスカスレンズは、光を拡散する光拡散体で形成されている。 In order to achieve the above object, a light-emitting device of the present invention includes a light-emitting member and a light-emitting member that is solid inside and has an optical element that emits light emitted from the light-emitting member and is emitted from one surface. In the apparatus, the optical element is a meniscus lens having a concave surface having a triangular pyramid shape on one surface and a convex surface on the other surface, and the meniscus lens is formed of a light diffuser that diffuses light.
ここで、一方の面と他方の面との境界部となるメニスカスレンズのコバが一方の面から進入してきた光を全反射することが好ましい。 Here, it is preferable that the edge of the meniscus lens serving as a boundary portion between the one surface and the other surface totally reflects the light entering from the one surface.
また、光学素子を一方の面側から支える保持具を有し、保持具が、光を光学素子側に反射する反射面を有していることが好ましい。 Moreover, it is preferable to have a holder that supports the optical element from one side, and the holder has a reflecting surface that reflects light toward the optical element.
また、コバまたは保持具によって反射され、メニスカスレンズ内に入射した光であって光散乱体が無いとした場合の光が他方の面に入射する入射角をθとし、他方の面の全反射臨界角をθcとしたとき、(θc×1.7)>θ>(θc×0.9)の範囲となる入射角θのものを20%以上とすることが好ましい。 In addition, if the light is reflected by the edge or the holder and is incident on the meniscus lens and there is no light scatterer, the incident angle at which the light is incident on the other surface is θ, and the total reflection criticality of the other surface When the angle is θc, the incident angle θ in the range of (θc × 1.7)> θ> (θc × 0.9) is preferably 20% or more.
本発明によれば、グレアを低減できる光学素子および発光装置を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the optical element and light-emitting device which can reduce a glare can be provided.
(本発明の第1の実施の形態に係る発光装置1について)
本発明の第1の実施の形態に係る発光装置1および発光装置1に用いられる光学素子としての導光体2の構成について説明する。
(About the
The structure of the
図1は、発光装置1の縦断面概要図である。発光装置1は、発光部材となるチップ型のLEDを円形板状の中央に配置したLED部材3と、LED部材3から発せられる光を導光し内部が充実体とされる導光体2と、導光体2を保持する保持具4を有している。導光体2は、LED部材3から発せられる光が入射する三角錐状にえぐれた凹面11を有している。この凹面11が、一方の面となる。
FIG. 1 is a schematic vertical sectional view of the
そして、導光体2は、一方の面とは反対側に、球形をなしLED部材3から発せられた光を出射するドーム形状の出射面12(他方の面)を有している。すなわち、導光体2は、平滑な凹面11と球形状の出射面12を有するメニスカスレンズである。さらに、導光体2は、凹面11と出射面12とをつなぐために凹面11の周囲を円錐台の周面状に取り囲むコバ13を有している。すなわち、導光体2は、LED部材3から発せられ導光体2内に導光された光であって導光体2の中心軸Mに対して大きな角度(たとえば60から80度)でLED部材3から出射される光を反射する環状の面であるコバ13を有している。このコバ13の面は、導光体2の周方向に若干突出する凸面となっている。すなわち、LED部材3側にわずかに突出する曲面となっている。
The
また、導光体2は、たとえば透明のポリメチルメタクリレート(以下、「PMMA」と略記する。)からなる樹脂成形体である。そして、PMMAには、粒子径が2μm〜10μmの光散乱粒子となる透光性シリコーン粒子を分散させてある。これにより、導光体2は、光拡散体になっている。
The
以下、導光体2のシリコーン粒子について説明する。このシリコーン粒子は、体積的に一様な散乱能が与えられた導光体であり、散乱微粒子としての球形粒子を多数含んでいる。導光体2の内部に光が入射すると、その光は散乱微粒子によって散乱することになる。
Hereinafter, the silicone particles of the
ここで、シリコーン粒子の理論的な基礎を与えるMie散乱理論について説明する。Mie散乱理論は、一様な屈折率を有する媒体(マトリックス)中に該媒体と異なる屈折率を有する球形粒子(散乱微粒子)が存在するケースについてマックスウェルの電磁方程式の解を求めたものである。光散乱粒子に相当する散乱微粒子によって散乱した散乱光の角度に依存した強度分布I(Α、Θ)は下記(1)式で表される。Αは、散乱微粒子の光学的大きさを示すサイズパラメータであり、マトリックス中での光の波長λで規格化された球形粒子(散乱微粒子)の半径rに相当する量である。角度Θは散乱角で、入射光の進行方向と同一方向をΘ=180°にとる。 Here, the Mie scattering theory that gives the theoretical basis of the silicone particles will be described. Mie scattering theory is the solution of Maxwell's electromagnetic equation for the case where spherical particles (scattering fine particles) having a refractive index different from that of the medium exist in a medium (matrix) having a uniform refractive index. . The intensity distribution I (Α, Θ) depending on the angle of the scattered light scattered by the scattering fine particles corresponding to the light scattering particles is expressed by the following equation (1). Α is a size parameter indicating the optical size of the scattering fine particles, and is an amount corresponding to the radius r of the spherical particles (scattering fine particles) normalized by the wavelength λ of light in the matrix. The angle Θ is a scattering angle, and the same direction as the traveling direction of incident light is Θ = 180 °.
また、(1)式中のi1、i2は(4)式で表される。そして、(2)〜(4)式中の下添字ν付のaおよびbは(5)式で表される。上添字1および下添字νを付したP(cosΘ)は、Legendreの多項式、下添字ν付のa、bは1次、2次のRecatti−Bessel関数Ψ*、ζ*(ただし、「*」は下添字νを意味する。)とその導関数とからなる。mはマトリックスを基準にした散乱微粒子の相対屈折率で、m=nscatter/nmatrixである。
Further, i 1 and i 2 in the formula (1) are represented by the formula (4). And a and b with subscript ν in the expressions (2) to (4) are expressed by the expression (5). P (cos Θ) with
図2は、上記(1)〜(5)式に基づいて、単一真球粒子による強度分布I(Α、Θ)を示すグラフである。この図2では、原点Gの位置に散乱微粒子としての真球粒子があり、下方から入射光が入射した場合の散乱光強度の角度分布I(Α、Θ)を示している。そして、原点Gから各曲線S1〜S3までの距離が、それぞれの散乱角方向の散乱光強度である。曲線S1はΑが1.7であるときの散乱光強度、曲線S2はΑが11.5であるときの散乱光強度、曲線S3はΑが69.2であるときの散乱光強度を示している。なお、図2においては、散乱光強度を対数目盛で示している。このため、図2では僅かな強度差として見える部分が、実際には非常に大きな差となる。 FIG. 2 is a graph showing the intensity distribution I (Α, Θ) by a single true spherical particle based on the above equations (1) to (5). FIG. 2 shows an angular distribution I (Α, Θ) of scattered light intensity when there is a true spherical particle as a scattering fine particle at the position of the origin G and incident light is incident from below. And the distance from the origin G to each curve S1-S3 is the scattered light intensity | strength of each scattering angle direction. Curve S1 shows the scattered light intensity when Α is 1.7, curve S2 shows the scattered light intensity when Α is 11.5, and curve S3 shows the scattered light intensity when Α is 69.2. Yes. In FIG. 2, the scattered light intensity is shown on a logarithmic scale. For this reason, the portion that appears as a slight difference in intensity in FIG. 2 is actually a very large difference.
この図2に示すように、サイズパラメータΑが大きくなればなるほど(ある波長λで考えた場合は真球粒子の粒径が大きくなればなるほど)、上方(照射方向の前方)に対して指向性高く光が散乱されていることがわかる。また、実際のところ、散乱光強度の角度分布I(Α、Θ)は、入射光波長λを固定すれば、散乱子の半径rと、媒体および散乱微粒子の相対屈折率mとをパラメータとして制御することができる。なお、導光体2は、前方散乱が大きいものとなっている。
As shown in FIG. 2, the larger the size parameter Α (the larger the particle size of the true spherical particle when considered at a certain wavelength λ), the higher the directivity with respect to the upper side (front of the irradiation direction). It can be seen that light is highly scattered. Actually, the angle distribution I (Α, Θ) of the scattered light intensity is controlled by using the radius r of the scatterer and the relative refractive index m of the medium and the scattered fine particles as parameters if the incident light wavelength λ is fixed. can do. In addition, the
このような、単一真球粒子がN個含まれる光散乱導光体に光を入射させると、光は真球粒子により散乱される。散乱光は光散乱導光体中を進み、他の真球粒子により再度散乱される。ある程度以上の体積濃度で粒子を添加した場合には、このような散乱が逐次的に複数回行われた後、光が光散乱導光体から出射する。このような散乱光がさらに散乱されるような現象を多重散乱現象と呼ぶ。このような多重散乱においては、透明ポリマーでの光線追跡法による解析は容易ではない。しかし、モンテカルロ法により光の挙動を追跡し、その特性を解析することはできる。それによると、入射光が無偏光の場合、散乱角の累積分布関数F(Θ)は下記の(6)式で表される。 When light is incident on such a light scattering light guide containing N single spherical particles, the light is scattered by the spherical particles. Scattered light travels through the light scattering light guide and is again scattered by other spherical particles. When particles are added at a volume concentration of a certain level or more, such scattering is sequentially performed a plurality of times, and then light is emitted from the light scattering light guide. A phenomenon in which such scattered light is further scattered is called a multiple scattering phenomenon. In such multiple scattering, analysis by a ray tracing method with a transparent polymer is not easy. However, the behavior of light can be traced by the Monte Carlo method and its characteristics can be analyzed. According to this, when the incident light is non-polarized light, the cumulative distribution function F (Θ) of the scattering angle is expressed by the following equation (6).
ここで(6)式中のI(Θ)は、(1)式で表されるサイズパラメータΑの真球粒子の散乱強度である。強度Ioの光が光散乱導光体に入射し、距離yを透過した後、光の強度が散乱によりIに減衰したとすると、これらの関係は下記の(7)式で表される。 Here, I (Θ) in the equation (6) is the scattering intensity of the true spherical particle having the size parameter 表 represented by the equation (1). If light of intensity Io enters the light scattering light guide and passes through the distance y, then the intensity of the light is attenuated to I by scattering, and these relationships are expressed by the following equation (7).
この(7)式中のτは濁度と呼ばれ、媒体の散乱係数に相当するものであり、下記の(8)式のように粒子数Nに比例する。なお、(8)式中、σsは散乱断面積である。 Τ in the equation (7) is called turbidity and corresponds to the scattering coefficient of the medium, and is proportional to the number N of particles as in the following equation (8). In the equation (8), σ s is a scattering cross section.
(7)式から長さLの光散乱導光体を散乱せずに透過する確率Pt(L)は下記の(9)式で表される。 From the equation (7), the probability P t (L) of transmitting through the light-scattering light guide of length L without scattering is expressed by the following equation (9).
反対に光路長Lまでに散乱される確率Ps(L)は下記の(10)式で表される。
これらの式からわかるように、濁度τを変えることにより、光散乱導光体内での多重散乱の度合いを制御することができる。 As can be seen from these equations, the degree of multiple scattering in the light scattering light guide can be controlled by changing the turbidity τ.
以上の関係式により、散乱微粒子のサイズパラメータΑと濁度τとの少なくとも1つをパラメータとして、光散乱導光体内での多重散乱を制御可能であり、出射面12における出射光強度と散乱角も適正に設定可能である。
By the above relational expression, it is possible to control the multiple scattering in the light scattering light guide using at least one of the size parameter Α and the turbidity τ of the scattering fine particles as parameters, and the outgoing light intensity and the scattering angle on the
図1に示す樹脂成形体の保持具4は、中央がくり抜かれた円環状の形状をしている。その円環状の内周面は、図1における上側から下側に向かうに従い円環状の径を小さくする傾斜面21となっている。この傾斜面21は、断面形状で直線となり、全体形状では凹面とされている。そして、この傾斜面21には、鏡面となるように鏡面シート(図示省略)が貼付されている。よって、傾斜面21は、凹面鏡の一部となっている。なお、傾斜面21は、曲面状の凹部の一部として形成しても良い。このように傾斜面21は、凹面鏡の一部を形成する構成としているが、傾斜面21は、凹面鏡としなくても良い。
The resin molded
導光体2は、コバ13が保持具4の傾斜面21に対向するように配置されている。また、導光体2のコバ13は、保持具4の上側の外周の縁部22にて保持されている。LED部材3は、図1における保持具4の下側面の円形にくり抜かれたくり抜き部23に対向するように固定されている。その結果、LED部材3の出射位置で導光体2の中心軸Mと交差する位置N1は、凹面11の円錐状の頂点に対向するようにされている。この出射位置N1は、LED部材3の中央位置でもある。また、コバ13と傾斜面21との間は、凹面11側から保持具4の上側の外周の縁部22に向かうに従って隙間の狭くなる間隙25となっている。
The
発光装置1におけるLED部材3から出射された光の光路について説明する。図3から図6に、その光路の各例を示している。図3は、発光装置1において、LED部材3の中央位置N1ではなく、中央の出射位置N1から外周方向にずれた位置、すなわち凹面11の円錐状の周面に向かう出射位置N2から出射された光が凹面11の特定の領域Pに照射された場合の光路を示している。その光は、領域Pから導光体2に透過される光路L1と、領域Pにて反射される反射光の光路L2の2つの光路である。出射位置N1と出射位置N2を想定するのは、LED部材3の光の出射部位が点ではなく所定の面積を有する領域となるためである。
The optical path of the light emitted from the
光路L1は、LED部材3から出射された光が領域Pのある部分に当たり、凹面11から導光体2の内部へと進入し、出射面12から外部へ出射する光路である。光路L2は、LED部材3から出射された光が領域Pの他の部分に当たり、凹面11の領域Pで反射し、その後凹面11の別の領域から導光体2の内部へと進入し、出射面12から外部へ出射する光路である。なお、光が導光体2の内部へと進入し出射面12から外部へ出射するまでの間は、光は光散乱粒子の影響を受け、多重散乱する。光路L1,L2は、共に散乱が生じていないとしたときの経路であると共に多重散乱を受けた場合であっても確率が高い経路でもある。
The optical path L1 is an optical path in which the light emitted from the
図4には、LED部材3の出射位置N2から出射された光のうち、大きく広がった光が凹面11の下部領域に照射された光の光路L3を示している。この下部領域に照射された光は、凹面11から導光体2の内部へと進入し、その後、コバ13にて全反射する。このような経路を取る光は、中心軸Mに対する広がり角度が60度を超えるものとなっている。しかし、凹面11の形状を変えることによって45度以上のものとしたり、65度以上のものとしたりすることができる。コバ13にて全反射した光は、さらに出射面12にて全反射を繰り返す。このとき、光が導光体2の内部へと進入し出射面12にて全反射を繰り返し、最後に導光体2の出射面から出射するまでの間は、光は光散乱粒子の影響を受け、多重散乱する。そのため、出射面12にて全反射を繰り返す過程で、その光の一部は、全反射されずに出射面12から光が出射されることとなる。この出射される光の光路L31,L32,L33を破線で図4に示す。なお、コバ13で全反射する光の全てが出射面12で再度全反射する訳ではない。なお、このコバ13の役割は、LED部材3の出射範囲を見かけ上広くするものである。
FIG. 4 shows an optical path L <b> 3 of light emitted from the emission position N <b> 2 of the
図5には、LED部材3の出射位置N2から出射された光のうち、図4に示す光よりさらに大きく広がった光が傾斜面21の鏡面シートに反射してコバ13の特定の領域Qに照射された光の光路を示している。LED部材3から出射された光が領域Qに照射されると、その光は、2つの光路L4,L5をとる。光路L4は、LED部材3から出射された光が領域Qに当たり、コバ13から導光体2の内部へと進入する光路である。光路L5は、LED部材3から出射された光が領域Qに当たり、コバ13の領域Qで反射し、その後再度傾斜面21の鏡面シートに反射してコバ13の別の領域から導光体2の内部へと進入する光路である。導光体2の内部へと進入した光は、出射面12にて全反射を繰り返す。このとき、光が導光体2の内部へと進入し出射面12にて全反射を繰り返し、最後に出射面12から出射するまでの間は、光は光散乱粒子の影響を受け、多重散乱する。そのため、出射面12にて全反射を繰り返す過程で、その光の一部は、全反射されずに出射面12から出射されることとなる。この出射される光の光路L41,L42,L51,L52を破線で図5に示す。
In FIG. 5, among the light emitted from the emission position N <b> 2 of the
ここで、図4、図5に示すように、コバ13または保持具4によって反射され、導光体2内に入射した光であって光散乱粒子が無いとした場合の光が出射面12に入射する入射角をθとし、出射面12の全反射臨界角をθcとしたとき、(θc×1.7)>θ>(θc×0.9)の範囲となる入射角θのものは、20%以上となっている。
Here, as shown in FIGS. 4 and 5, the light that is reflected by the
図6は、LED部材3から出射される光がLED部材3の外周に近い側となる出射位置N4である場合の光路L6を示している。LED部材3から出射された光がコバ13の特定の領域Rに照射されると、その光は、光路L6をとる。光路L6は、まず、コバ13から導光体2の内部へと透過し、その後凹面11を全反射し、さらにその後出射面12から外部へ出射される。なお、光が導光体2の内部へと透過し出射面12から外部へ出射するまでの間は、光は光散乱粒子の影響を受け、多重散乱する。さらに、LED部材3の出射位置は、凹面11に複数向かうようにされていても良い。
FIG. 6 shows an optical path L6 in the case where the light emitted from the
図7は、発光装置1の上面からの発光状態を示す。また、図8は、発光装置1の側面からの発光状態を示す。図7および図8において、発光状態は、色が白に近づくに従い出射輝度が高くなり、色が黒に近づくに従い出射輝度が低くなるように示している。
FIG. 7 shows a light emission state from the upper surface of the
また、図9は、比較対象の構成例を示す図であり、特許文献1に開示されているLED電球の構成に近づけるべく、円形板状のLED部材91の外表面に拡散シート92を配置した発光装置93の縦断面概要図である。図10は、発光装置93の上面からの発光状態を示す。また、図11は、発光装置93の側面からの発光状態を示す。発光状態は、図7および図8と同様に示している。なお、発光装置1のLED部材3と発光装置93のLED部材91は同一のものを用い、供給電力も同一とした。よって、出射位置N1,N2なども発光装置1のそれと同一である。すなわち、出射範囲をLED部材3,91の全範囲とした場合である。これは、図に示すLED部材3,91の左右方向方向の長さを一辺とした四角形の範囲が出射範囲となることを意味する。
Moreover, FIG. 9 is a figure which shows the structural example of a comparison object, and has arrange | positioned the
図7および図8と、図10および図11とを見比べると、発光装置93よりも発光装置1の方が導光体2全体に光が拡散し、グレアが低減できていることがわかる。すなわち、発光装置93は、図10に示すように中央部に高輝度部分、すなわちLED部材91の出射範囲の中央に相当する部分が明確に現われているこれに対し、発光装置1では、図7に示すように中央には高輝度部分はなく、中央を囲むようにして、リング状の高輝度部分が現われている。
7 and FIG. 8 and FIG. 10 and FIG. 11 show that light is diffused in the entire
(本発明の第2の実施の形態に係る発光装置31について)
本発明の第2の実施の形態に係る発光装置31および発光装置31に用いられる光学素子としての導光体32の構成について説明する。
(About the
The structure of the
図12は、発光装置31の縦断面概要図である。発光装置31は、発光装置1における導光体2の形状が異なる以外は発光装置1と同一の構成である。よって、導光体32以外の部材については発光装置1と同一の符号を付し、その説明を省略する。
FIG. 12 is a schematic vertical sectional view of the
導光体32は、LED部材3から発せられる光を導光し内部が充実体とされるものである。導光体32は、LED部材3から発せられる光が入射する部分の奥側が三角錐状にえぐれ、開口側がその三角錐状の底面から続くように円柱状の空間とされる凹面41を有している。この凹面41が、一方の面となる。
The
そして、導光体32は、一方の面とは反対側に、球形をなしLED部材3から発せられた光を出射する出射面42(他方の面)を有している。すなわち、導光体32は、凹面41と出射面42を有するメニスカスレンズである。さらに、導光体32は、凹面41の周囲を取り囲み凹面41の開口側内周面と直角をなす円環状部43と、発光装置1の導光体2におけるコバ13と同様に円環状部43を円錐台の周面状に取り囲む環状の面である円環状部44を有している。これら円環状部43,44を総称してコバ45ということにする。コバ45は、LED部材3から発せられ導光体2内に導光された光を反射する。
The
発光装置31におけるLED部材3から出射された光の光路は、発光装置1のそれと略同様である。また、コバ45または保持具4によって反射され、導光体32内に入射した光であって光散乱粒子が無いとした場合の光が出射面42に入射する入射角をθとし、出射面42の全反射臨界角をθcとしたとき、(θc×1.7)>θ>(θc×0.9)の範囲となる入射角θのものは、発光装置1同様20%以上となっている。
The optical path of the light emitted from the
図13は、発光装置31の上面からの発光状態を示す。また、図14は、発光装置31の側面からの発光状態を示す。発光状態は、図7および図8と同様に示している。なお、発光装置31のLED部材3と発光装置1のLED装置3は同一のものを用い、供給電力も同一とした。図13および図14と、比較対象の図10および図11とを見比べると、発光装置93よりも発光装置31の方が導光体32全体に光が拡散し、グレアが低減できていることがわかる。
FIG. 13 shows a light emission state from the upper surface of the
(本発明の第3の実施の形態に係る発光装置51について)
本発明の第3の実施の形態に係る発光装置51および発光装置51に用いられる光学素子としての導光体32の構成について説明する。
(About the
The structure of the
図15は、発光装置51の縦断面概要図である。発光装置51は、発光装置31における保持具4の形状が異なり、導光体32の厚みが若干大きいこと以外は発光装置31と同一の構成である。よって、保持具53以外の部材については発光装置31と同一の符号を付し、その説明を省略する。
FIG. 15 is a schematic vertical sectional view of the
保持具53の図15における上側から下側までの高さは、保持具4の3倍である。保持具53は、中央がくり抜かれた円環状の形状をしている。その円環状の内周面は、図14における上側から下側に向かうに従い円環状の径を小さくする凹形状かつ曲面形状の傾斜面61となっている。この傾斜面61には、鏡面となるように鏡面シート(図示省略)が貼付されている。傾斜面61は、発光装置1の傾斜面21と同様に凹面鏡となっている。しかし、傾斜面61は、凹面鏡としなくても良い。
The height of the
導光体32は、コバ45が保持具53の傾斜面61に対向するように配置されている。また、導光体32のコバ45は、保持具53の縁部62にて保持されている。LED部材3は、図15における保持具53の下側面の円形にくり抜かれたくり抜き部63に対向するようにして固定されている。その結果、LED部材3の出射位置N1は、凹面41に向かうように配置されている。また、コバ45と傾斜面61との間は、凹面61側から縁部62に向かうに従って隙間の狭くなる間隙64となっている。
The
発光装置51におけるLED部材3から出射された光の光路は、発光装置1のそれと略同様である。また、コバ45または保持具53によって反射され、導光体32内に入射した光であって光散乱粒子が無いとした場合の光が出射面42に入射する入射角をθとし、出射面42の全反射臨界角をθcとしたとき、(θc×1.7)>θ>(θc×0.9)の範囲となる入射角θのものは、発光装置1同様20%以上となっている。
The optical path of light emitted from the
図16は、発光装置51の上面からの発光状態を示す。また、図17は、発光装置51の側面からの発光状態を示す。発光状態は、図7および図8と同様に示している。なお、発光装置51のLED部材3と発光装置1のLED部材3は同一のものを用い、供給電力も同一とした。図16および図17と、比較対象の図10および図11とを見比べると、発光装置93よりも発光装置51の方が導光部32全体に光が拡散し、グレアが低減できていることがわかる。
FIG. 16 shows a light emission state from the upper surface of the
(本発明の第4の実施の形態に係る発光装置71について)
本発明の第4の実施の形態に係る発光装置71および発光装置71に用いられる光学素子としての導光体2の構成について説明する。
(About the light emitting device 71 according to the fourth embodiment of the present invention)
The structure of the
図18は、発光装置71の縦断面概要図である。発光装置71は、発光装置1における光の出射位置が4箇所となったこと以外は発光装置1と同一の構成である。すなわち、1つのLED部材3に4つのLED3A,3B,3C,3Dが配置される構成となっている。よって、各LED部材3A〜3Dの中心となる出射中心位置P1,P2,P3,P4とLED3A〜3D以外については発光装置1と同一の符号を付し、その説明を省略する。ここで、出射中心位置P1〜P4は、コバ13と凹面11との境界位置に対向する位置である。
FIG. 18 is a schematic vertical sectional view of the light emitting device 71. The light emitting device 71 has the same configuration as that of the
図19は、発光装置71のLED部材3の平面図である。正方形の部位がLED3A〜3Dで、その各中心位置が出射中心位置P1〜P4となる。発光装置71におけるLED部材3から出射された光の光路は、発光装置1のそれと略同様である。
FIG. 19 is a plan view of the
図20は、発光装置71の上面からの発光状態を示す。また、図21は、発光装置71の側面からの発光状態を示す。図20および図21において、発光状態は、色が白に近づくに従い出射輝度が高くなり、色が黒に近づくに従い出射輝度が低くなるように示している。 FIG. 20 shows a light emission state from the upper surface of the light emitting device 71. FIG. 21 shows a light emission state from the side surface of the light emitting device 71. 20 and 21, the light emission state is shown such that the emission luminance increases as the color approaches white and the emission luminance decreases as the color approaches black.
また、図22は、比較例の発光装置93において、図18,図19に示すLED部材3を用いた比較例2を示すもので、発光装置の上面からの発光状態を示す。また、図23は、比較例2の発光装置の側面からの発光状態を示す。発光状態は、図20および図21と同様に示している。なお、比較例2の発光装置では、発光装置71のLED部材3と同一のものを用い、供給電力も同一とした。
FIG. 22 shows Comparative Example 2 using the
図20および図21と、図22および図23とを見比べると、比較例2の発光装置よりも発光装置71の方が導光体2全体に光が拡散し、グレアが低減できていることがわかる。
20 and FIG. 21, and FIG. 22 and FIG. 23, the light emitting device 71 diffuses light throughout the
(本発明の実施の形態によって得られる主な効果)
本発明の実施の形態に係る導光体2,32は、内部が充実体とされ、凹面11,41などから入射された光を導光し出射面12,42から出射するメニスカスレンズとし、メニスカスレンズを光を拡散する光散乱粒子が含有された光拡散体で形成した。このため、凹面11,41の形状を変えることで配光角を簡単に制御でき、しかもグレアを減少させることができる。また、発光装置1,31,51,71は、出射面12,42において光の一部を全反射させ、一方、光の一部を出射させる光路を形成できる。すなわち、出射面12,42にて全反射を繰り返す過程で、全反射されずに出射面12,42から光が出射される光が存在する。また、全反射をせずに出射面12,42から出射する光の方向も拡散される。そのため、出射する光を拡散してグレアを低減できる。
(Main effects obtained by the embodiment of the present invention)
The light guides 2 and 32 according to the embodiment of the present invention are solid inside, and are meniscus lenses that guide the light incident from the
また、出射面12,42側が球形をなし、凹面11,41と出射面12,42とをつなぐ境界部となるコバ13,45が、環状の凸面となっている。そのため、中心軸Mに対して大きな角度で導光体2,32に進入してきた光をコバ13,45の環状の面にて全反射させやすい。
Further, the exit surfaces 12 and 42 side is spherical, and the
また、コバ13,45が凹面11,41から進入してきた光を全反射し、出射面12,42側へ光を導くため、LED部材3の出射部位外からも輝度を発生させ、輝度を均一にし、グレアをより防止する。
Further, since the
また、保持具4,53が、光を導光体2,32側に反射する反射面を有しているため、保持具4,53の方向に漏れる光がある場合でも、その光を導光体2,32へと戻し、発光装置1,31,51,71の発光効率を高める。また、保持具4,53の反射面によって光を全反射し、導光体2,32側に導くため、LED部材3の出射部位外からも輝度を発生させ、輝度を均一にし、グレアをより防止できる。
Moreover, since the
また、発光装置1、31,51,71において、コバ13,45または保持具4,53によって反射され、導光体2,32内に入射した光であって光散乱粒子が無いとした場合の光が出射面12,42に入射する入射角をθとし、出射面12,42の全反射臨界角をθcとしたとき、(θc×1.7)>θ>(θc×0.9)の範囲となる入射角θのものは、20%以上となっている。そのため、出射面12,42における光の全反射の確率が高まり、導光体2,32の出射面12,42の全体から輝度を発生させることができる。この範囲内の光は、導光体2,32内部で全反射する回数を抑えることができ、高い出射効率を維持できる。また、(θc×1.7)>θ>(θc×1.1)の範囲となる入射角θのものが、30%以上となることが、より好ましい。この範囲の光は、散乱を受けた際でも全反射し導光体2,32の側面に出射される確率が高くなり、側面から見た場合でも輝度が均一になる。
Further, in the
また、導光体2,32には、透光性シリコーン粒子からなる光散乱粒子が含有されている。そのため、従来の光拡散シートを用いた場合の発光装置93の全体の明るさ(図10および図11に示す)に比べて、発光装置1,31,51,71の全体の明るさ(それぞれ図7および図8、図13および図14、図16および図17、図20および図21に示す)が明るい。これは、この光散乱粒子による光拡散は、光吸収の程度が低いためである。
The light guides 2 and 32 contain light scattering particles made of translucent silicone particles. Therefore, compared to the overall brightness of the light emitting device 93 (shown in FIGS. 10 and 11) when a conventional light diffusion sheet is used, the overall brightness of the
(他の形態)
以上、本発明の実施の形態における導光体2,32およびそれを用いた発光装置1,31,51,71について説明したが、本発明の要旨を逸脱しない限り種々変更実施可能である。
(Other forms)
The light guides 2 and 32 and the light-emitting
本発明の実施の形態に係る導光体2,32は、内部が充実体とされ、凹面11,41から入射された光を導光し出射面12,42から出射するメニスカスレンズとしている。そして、メニスカスレンズは、光を拡散する光散乱粒子を含有する光拡散体で形成している。しかし、メニスカスレンズは、たとえばポリカーボネート樹脂に光拡散体としてのシリコーン粒子を分散させたもの等としても良い。
The light guides 2 and 32 according to the embodiment of the present invention are solid bodies and are meniscus lenses that guide the light incident from the
また、光拡散体として光散乱粒子を用いる場合には、光散乱粒子の材質、形状、粒径等の諸条件を適宜設定できる。たとえば、光散乱粒子は、その粒子径が2μmから9μmの球状かつ透光性のシリコーン粒子としている。しかし、光散乱粒子は、導光体2内の光を多重散乱するものであれば、その材質、形状、粒子径等を問わず、種々のものを用いることができる。ただし、導光体2,32において入射光の前方散乱を適切な範囲で大きくするためには、粒子径が2μmから9μm、より好ましくは5μmから9μmの球状かつ透光性のシリコーン粒子を用いることが好ましい。
When light scattering particles are used as the light diffuser, various conditions such as the material, shape, and particle size of the light scattering particles can be set as appropriate. For example, the light scattering particles are spherical and translucent silicone particles having a particle diameter of 2 μm to 9 μm. However, as the light scattering particles, various particles can be used regardless of their materials, shapes, particle diameters, etc., as long as they scatter multiple light in the
また、出射面12,42側が球形(ドーム状)をなし、凹面11,41と出射面12,42とをつなぎ、LED部材3側に突出するコバ13,45が、環状の面となっている。しかし、出射面12,42側は楕円球のような形状等としても良い。また、コバ13,45は、環状の面ではなく、たとえば一部環状が途切れていても良い。また、LED部材3側に突出するコバ13,45を設けないようにしても良い。
Further, the emission surfaces 12 and 42 are spherical (dome-shaped), and the
また、凹面11,41は、平滑面とされているが、光を散乱するシボ状になっていても良い。凹面11,41をシボ状とすることによって、導光体2,32内における光の拡散・散乱が促進される。
Moreover, although the
また、凹面11,41と出射面12,42との境界部となるコバ13,45が凹面11,41から導光体2,32へ進入してきた光を全反射している。しかし、たとえばコバ13,45にて光が透過され、保持具4,53によって反射されることとしても良い。
Further, the
また、発光装置1,31,51,71は、導光体2,32を凹面11,41側から支える保持具4,53を有し、保持具4,53が、光を導光体2,32側に反射する反射面(傾斜面21に貼付されている鏡面シート)を有している。しかし、発光装置1,31,51,71は、保持具4,53とその反射面を省略しても良い。たとえば、コバ13,45の面にプリズムを形成して、光を反射することとしても良い。また、傾斜面21,61に鏡面シートを貼付するのではなく、蒸着、磨き加工等によって鏡面を形成しても良い。
The
また、発光装置1、31,53において、コバ13,45または保持具4,53によって反射され、導光体2,32内に入射した光であって光散乱粒子が無いとした場合の光が出射面12,42に入射する入射角をθとし、出射面12,42の全反射臨界角をθcとしたとき、(θc×1.7)>θ>(θc×0.9)の範囲となる入射角θのものは、 20%以上となっている。しかし、その値は20%未満としても良い。
Further, in the
また、LED部材3の出射位置A,Bは、凹面11に向かうようにされている。そして、LED部材3の各LED3A〜3Dの各出射中心位置P1〜P4は、凹面11とコバ13の境界位置に向かうようにされている。しかし、各LED3A〜3Dの出射中心位置は、コバ13,45の部分に向かうようにされていても良い。また、LED部材3の出射位置は、凹面11およびコバ13,45に向かうようにされていても良い。この場合、LEDは、複数個用いられる。
The emission positions A and B of the
また、発光部材はLEDに限定されず、有機エレクトロルミネッセンス(Organic Electro-Luminescence、OEL、有機EL)、無機エレクトロルミネッセンス(Inorganic Electro-Luminescence、IEL、無機EL)、レーザー光等の他の発光部材を用いることができる。さらに、LEDにはチップ型のものを用いているが、レンズ付きのLEDを用いることができる。 In addition, the light emitting member is not limited to LED, and other light emitting members such as organic electroluminescence (Organic Electro-Luminescence, OEL), inorganic electroluminescence (Inorganic Electro-Luminescence, IEL, inorganic EL), laser light, etc. Can be used. Furthermore, although a chip type LED is used, an LED with a lens can be used.
1,31,51,71 発光装置
2,32 導光体(光学素子、メニスカスレンズ)
3 LED部材(発光部材)
4,53 保持具
11,41 凹面(一方の面)
12,42 出射面(他方の面)
13,45 コバ
θ 入射角
θc 全反射臨界角
1, 31, 51, 71 Light-emitting
3 LED members (light emitting members)
4,53
12, 42 Output surface (the other surface)
13,45 edge θ Incident angle θc Total reflection critical angle
Claims (5)
前記一方の面を三角錐状の凹面とし、前記他方の面を凸面としたメニスカスレンズとし、前記メニスカスレンズを前記光を拡散する光拡散体で形成し、
前記他方の面側が球形をなし、
前記一方の面と前記他方の面との境界部となる前記メニスカスレンズのコバが、球形の面とは反対側に突出した環状の面であり、前記一方の面から進入してきた光を全反射する、
ことを特徴とする発光装置。 In the optical element that the inside is a solid body, guides light incident from one surface and emits it from the other surface,
Said one surface a triangular pyramid concave, the other surface is a meniscus lens having a convex surface to form the meniscus lens in the light diffuser for diffusing the light,
The other surface side is spherical,
The edge of the meniscus lens, which is a boundary between the one surface and the other surface, is an annular surface protruding to the opposite side of the spherical surface, and totally reflects light that has entered from the one surface To
A light emitting device characterized by that.
前記一方の面は、前記光を散乱するシボ状になっていることを特徴とする光学素子。 The optical element according to claim 1 , wherein
The one surface has an embossed shape that scatters the light.
前記光学素子は、前記一方の面を三角錐状の凹面とし、前記他方の面を凸面としたメニスカスレンズとされ、このメニスカスレンズは、前記光を拡散する光拡散体で形成され、
前記一方の面と前記他方の面との境界部となる前記メニスカスレンズのコバが前記一方の面から進入してきた光を全反射することを特徴とする発光装置。 A light emitting member, the interior is a solid body, in the light-emitting device having an optical element light emitted from the light emitting member is emitted from the other surface is incident from one surface,
The optical element, the one surface and the triangular pyramid-shaped concave, the is the other side a convex surface was a meniscus lens, the meniscus lens is formed of a light diffuser for diffusing the light,
The light emitting device according to claim 1, wherein the edge of the meniscus lens serving as a boundary portion between the one surface and the other surface totally reflects light entering from the one surface.
前記光学素子を前記一方の面側から支える保持具を有し、前記保持具が、前記光を前記光学素子側に反射する反射面を有していることを特徴とする発光装置。 The light-emitting device according to claim 3 .
A light-emitting device comprising: a holder that supports the optical element from the one surface side; and the holder has a reflecting surface that reflects the light toward the optical element.
前記コバまたは前記保持具によって反射され、前記メニスカスレンズ内に入射した光であって光散乱体が無いとした場合の光が前記他方の面に入射する入射角をθとし、前記他方の面の全反射臨界角をθcとしたとき、(θc×1.7)>θ>(θc×0.9)の範囲となる入射角θのものを20%以上としたことを特徴とする発光装置。 The light-emitting device according to claim 3 or 4 ,
The incident angle at which the light incident on the other surface is reflected by the edge or the holder and is incident on the meniscus lens and has no light scatterer is defined as θ. A light-emitting device having an incident angle θ in a range of (θc × 1.7)>θ> (θc × 0.9) when the total reflection critical angle is θc is 20% or more.
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