JP5562177B2 - 発光装置 - Google Patents

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Description

本発明は、複数のLED素子と光学素子とを備える発光装置に関する。
従来より、導光部材と、導光部材に収容された赤色LED素子、緑色LED素子および青色LED素子と、導光部材の出射面に設けられて出射面から出射される光を拡散する拡散層とを備えた発光装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。
また、従来より、基板の法線と直交する出射面と、出射面から基板に向かって凸状に延びる反射面と、反射面の基板側から出射面に折り返す側方入射面と、側方入射面の反射面と接していない端部をつなぐ上方入射面とを有するレンズユニットを備え、青色光および黄色光を平行光に変換すると共に、レンズユニット内に備えた反射部材により光を拡散させる発光装置が知られている(例えば、特許文献2参照)。
特開2002−133932号公報(図1、請求項1) 特開2009−266516号公報(図1、段落0014)
近年、光源部に発光ダイオードであるLED素子を用いた製品が多くなっている。そのような傾向において、照明器具においてもシーリングライトやベースライトのように光を拡散させるタイプや、ダウンライトやスポットライトのように光を集光させるタイプ等、多種多様な照明器具にLED素子が用いられている。
光源として用いられるLED素子としては、単色LED素子を用いるタイプ、単色LEDを複数色組み合わせたRGB素子の組み合わせ等からなる白色LED素子を用いるタイプ、単色LEDと蛍光体とを組み合わせた青色LEDと黄色蛍光体との組み合わせからなる白色LED素子のタイプ等がある。
本発明は、前述した3個のタイプのうち、単色LEDを複数色組み合わせた白色LED素子を用いるタイプに該当する。
単色LEDを複数色組み合わせた白色LED素子は、組み合わせる色を任意に変更できるために、光源全体の発光スペクトル分布を任意に変更できる。それにより、単色LED素子を用いるタイプや、単色LEDと蛍光体とを組み合わせた白色LED素子のタイプと比べて演色性を高くできるために優位である。
また、単色LEDを複数色組み合わせた白色LED素子は、各単色の発光強度を変化させることにより、発光の色を調色したりして変えることができる点においても、単色LED素子を用いるタイプや、単色LEDと蛍光体とを組み合わせた白色LED素子のタイプの光源と比べて優位である。
ところで、図31(A)および図31(B)に示すように、2色の単色LED101,102を組み合わせた白色LED素子を光源として、屈折レンズ103により集光して平行光に変換する発光装置100が提案されている。
このような従来の発光装置100は、屈折レンズ103により照射面104に円形状に集光する。
しかし、このような従来の発光装置100は、各単色LED101,102の基板105上の座標が距離L100だけ異なるために、照射面104において、LED101の集光の中心106と、LED102の集光の中心107との位置が異なるために円形状の中心106,107が各色により異なって照射面104に色むら108が生ずる。
また、図32(A)および図32(B)に示すように、3色の単色LED201,202,203を組み合わせた白色LED素子を光源とした発光装置200が提案されている。
しかし、このような従来の発光装置200は、発光装置100と同様に色むらが生ずる。
一方、前述した特許文献1に記載された発光装置は、拡散層により光を拡散させて色むらを改善した。
しかし、前述した特許文献1に記載された発光装置は、拡散層の透過率が低いために効率が低いうえに集光できない。
また、前述した特許文献2に記載された発光装置は、集光時にレンズから斜めに出射される光線の方向を一部反射させて混色できる。
しかし、前述した特許文献2に記載された発光装置は、レンズ形状が複雑になる。
本発明は、前述した課題を解決するためになされたものであり、その目的は、単色LED素子を光源として効率良く集光および拡散でき、大型化することなく簡易に色むらを低減できる発光装置を提供することにある。
本発明に係る発光装置は、異なる分光分布の光を照射する複数のLED素子が同一の円上に等間隔に配置されてなる発光ユニットと、発光ユニットの複数のLED素子からの光を集光する光学素子とを備え、光学素子は、LED素子の数に応じて均等に分割された領域を有する回折レンズであり、各領域は、その重心からの距離が最も遠いLED素子からの光を集光し、他の光を拡散させ、LED素子の分光分布のピーク波長をλ、LED素子の重心からの距離が最も遠い領域の回折レンズの格子高さをh、回折レンズ材料の屈折率をn、回折次数をmとした場合に、格子高さhが、実質的に式(1)を満たす。
Figure 0005562177
本発明に係る発光装置は、回折次数が、1または2である。
本発明に係る発光装置は、各領域の中央の格子高さhが式(1)を満たし、かつ各領域の境界において格子高さhが滑らかに変化する。
本発明に係る発光装置は、回折レンズが、屈折および全反射を利用したレンズの入射面に形成される。
本発明に係る発光装置は、回折レンズが、屈折および全反射を利用したレンズの出射面に形成される。
本発明に係る発光装置によれば、単色LED素子を光源として効率良く集光および拡散でき、大型化することなく簡易に色むらを低減できるという効果を奏する。
(A)は回折レンズの概念を説明する断面図、(B)は(A)の回折レンズの正面図 図1の回折レンズの位相形状の変化を説明する断面図 図2の回折レンズの拡大図 図1の回折レンズの設計時のパラメータ 図1の回折レンズの概要図 図1の回折レンズの照射面における光強度分布図 図1の回折レンズの設計波長と同じ波長図 図1の回折レンズの設計波長と異なる波長図 (A)は本発明に係る第1実施形態の発光装置に適用される白色を得るBlueLED素子とYellowLED素子との組み合わせの側面図、(B)は(A)の正面図、(C)は本発明に係る第1実施形態の発光装置に適用される白色を得るBlueLED素子とGreenLED素子とRedLED素子との組み合わせの正面図、(D)は本発明に係る第1実施形態の発光装置に適用される白色を得るBlueLED素子とGreenLED素子とAmberLED素子とRedLED素子との組み合わせの正面図 RedLED素子とGreenLED素子とBlueLED素子との分光分布図 (A)は本発明に係る第1実施形態の発光装置に適用される設計波長Blueと設計波長Yellowとが設定された回折レンズの断面図、(B)は(A)の回折レンズの正面図 回折レンズの拡大断面図 設計波長Blueと設計波長Greenと設計波長Redとを有する回折レンズの正面図 設計波長Blueと設計波長Greenと設計波長Redと設計波長Amberとを有する回折レンズの正面図 (A)はBlueLED素子とYellowLED素子との組み合わせの発光装置においてBlueが発光した場合の光路図、(B)は(A)による照射面の状態図 (A)はBlueLED素子とYellowLED素子との組み合わせの発光装置においてYellowが発光した場合の光路図、(B)は(A)による照射面の状態図 (A)はBlueLED素子とYellowLED素子との組み合わせの発光装置においてBlueおよびYellowが発光した場合の光路図、(B)は(A)による照射面の状態図 (A)はBlueLED素子とRedLED素子とGreenLED素子との組み合わせの発光装置においてBlueが発光した場合の照度分布図、(B)はBlueLED素子とRedLED素子とGreenLED素子との組み合わせの発光装置においてGreenが発光した場合の照度分布図、(C)はBlueLED素子とRedLED素子とGreenLED素子との組み合わせの発光装置においてRedが発光した場合の照度分布図、(D)はBlueLED素子とRedLED素子とGreenLED素子との組み合わせの発光装置における照射面の状態図、(E)はBlueLED素子とRedLED素子とGreenLED素子との組み合わせの発光装置における屈折レンズを用いた場合の照射面の状態図 (A)はBlueLED素子とRedLED素子とGreenLED素子とAmberLED素子の組み合わせの発光装置においてBlueが発光した場合の照度分布図、(B)はBlueLED素子とRedLED素子とGreenLED素子とAmberLED素子の組み合わせの発光装置においてGreenが発光した場合の照度分布図、(C)はBlueLED素子とRedLED素子とGreenLED素子とAmberLED素子との組み合わせの発光装置においてAmberが発光した場合の照度分布図、(D)はBlueLED素子とRedLED素子とGreenLED素子とAmberLED素子との組み合わせの発光装置においてRedが発光した場合の照度分布図、(E)はBlueLED素子とRedLED素子とGreenLED素子とAmberLED素子の組み合わせの発光装置における照射面の状態図、(F)はBlueLED素子とRedLED素子とGreenLED素子とAmberLED素子との組み合わせの発光装置における屈折レンズを用いた場合の照射面の状態図 発光装置において設計波長を550nmとし、設計次数mを1とした場合の各次数の回折効率図 発光装置において設計波長を550nmとし、設計次数mを2とした場合の各次数の回折効率図 発光装置において設計波長を550nmとし、設計次数mを3とした場合の各次数の回折効率図 発光装置において設計波長を550nmとし、設計次数mを4とした場合の各次数の回折効率図 発光装置においてBlueが発光した場合の設計波長で集光した照度分布図 (A)は第1実施形態の回折レンズの外観斜視図、(B)は(A)の回折レンズを用いた発光装置においてBlueが発光した場合の照度分布図 (A)は本発明に係る第2実施形態の発光装置に適用される回折レンズの外観斜視図、(B)は(A)の回折レンズを用いた発光装置においてBlueが発光した場合の照度分布図 (A)は従来の発光装置における照射面の状態図、(B)は第1実施形態の発光装置における照射面の状態図、(C)は第2実施形態の発光装置における照射面の状態図 (A)は回折レンズを有さない発光装置の光路図、(B)は回折レンズを有さない発光装置における照射面の状態図 (A)は本発明に係る第3実施形態の発光装置において屈折および全反射を利用したレンズの入射面に回折レンズを形成した場合の光路図、(B)は本発明に係る第3実施形態の発光装置において屈折および全反射を利用したレンズの入射面に回折レンズを形成した場合における照射面の状態図 (A)は本発明に係る第3実施形態の発光装置において屈折および全反射を利用したレンズの出射面に回折レンズを形成した場合の光路図、(B)に本発明に係る第3実施形態の発光装置において屈折および全反射を利用したレンズの出射面に回折レンズを形成した場合における照射面の状態図 (A)は従来の発光装置の光路図、(B)は(A)の照射面の状態図 (A)は図31とは異なる従来の発光装置の断面図、(B)は(A)の照射面の状態図
まず、回折レンズの概念について説明する。
図1(A)に回折レンズの概念を説明する断面図を示し、図1(B)に図1(A)の回折レンズの正面図を示す。
図1(A)および図1(B)に示すように、回折レンズ500は、回折現象を利用したレンズである。屈折率が1以上の物質を通過する光の速度は、真空中の光の速度に比べて遅く、屈折率に反比例する。屈折率が1以上の透過部材の形状が平坦ではない場合、形状の各点における単位時間あたりの光の進んだ距離が異なり、位相形状に相当する波形が変化する。
図2に回折レンズ500の位相形状の変化を説明する断面図を示し、図3に回折レンズ500の拡大図を示す。
図2および図3に示すように、透過部材である回折レンズ500に、波長オーダーの形状をつけることにより、光の位相形状を制御することができる。ホイヘンスの定理より、位相形状が変化すると光の進む方向が変化することになる。つまり、回折レンズ500は、光の位相形状を制御して、光の進む方向を変化させる。また、回折レンズ500は、狙った方向で光が強め合うようにするために、隣り合う形状から出た光の位相は1周期分または整数の周期分ずれるように形状設計される。このとき、光路差は1波長または1波長の整数倍となる。
図4に回折レンズ500の設計時のパラメータを示す。
図4に示すように、光路差が1波長または1波長の整数倍となるように光の位相を1周期分または整数の周期分ずれるように形状設計されるときの形状は、レンズの半径距離をrとし、距離をL1〜L3とし、光の位相差が何周期分かをmとした場合、下記の式で表される。
Figure 0005562177
Figure 0005562177

ここで、mは回折次数と呼ばれる。
式(1)および式(2)から判るように、回折レンズ500の形状は制御したい光の波長、および回折次数によって決まる。
本発明においては、回折レンズ500の形状を決定する波長および回折次数を、設計波長、設計次数と定義する。
なお、上記から判るように、回折レンズ500の形状は、使用される光源の波長や光源からレンズまでの焦点距離に相当する距離に依存するために、レンズ形状の具体的な数値は設計事項となる。
図5に回折レンズ500の概要図を示し、図6に回折レンズ500の照射面における光強度分布図を示す。
ここでは、形状設計された回折レンズ500に設計波長とは異なる波長の光が入射されたときの光の振る舞いについて説明する。なお、波長460nm/520nm/630nmは、RGB表示での代表的な波長である。
図5に示す設計波長が520nm/設計次数m=1で形状設計された回折レンズ500に、波長460nm/波長630nmの光を入射したときの概要図、および、図6に示す照射面の光強度分布図から明らかなように、設計波長である波長520nmの光が入射されると、光は平行光化して集光される。
図7に回折レンズ500の設計波長と同じ波長図を示し、図8に回折レンズ500の設計波長と異なる波長図を示す。
図7および図8に示すように、設計波長とは異なる光が入射されると、図8中に示す位置A500において光が集光されずにわずかに広がった光となる。
本発明においては、設計波長と同じ波長の光が入射された時に光が平行光化して集光することを、回折レンズによる集光、と定義する。また、設計波長と異なる光が入射された時に光が集光しきれずにわずかに広がることを、回折レンズによる拡散、と定義する。
このような回折レンズ500による拡散が生ずる原因としては、設計波長と異なる波長の光が回折レンズ500を通過した際に、回折レンズ500の形状による光の位相差が1または整数倍にならずに、位相が揃わないことが挙げられる。
そのため、制御したい方向で光を強め合うことができない。
以下、本発明に係る複数の実施形態の発光装置について図面を参照して説明する。
(第1実施形態)
図9に示すように、本発明に係る第1実施形態の発光装置10は、異なる分光分布の光を照射するBlueLED素子11,YellowLED素子12,GreenLED素子13,RedLED素子14,AmberLED素子15の組み合わせが同一の円上に等間隔に配置されてなる発光ユニット16と、発光ユニット16のBlueLED素子11,YellowLED素子12,GreenLED素子13,RedLED素子14,AmberLED素子15の組み合わせからの光を集光する光学素子17とを備え、光学素子17が、BlueLED素子11,YellowLED素子12,GreenLED素子13,RedLED素子14,AmberLED素子15の数に応じて均等に分割された領域を有する回折レンズ17であり、各領域は、その重心からの距離が最も遠いBlueLED素子11,YellowLED素子12,GreenLED素子13,RedLED素子14,AmberLED素子15のうちのいずれかからの光を集光し、他の光を拡散させる。
また、本発明に係る第1実施形態の発光装置10は、BlueLED素子11,YellowLED素子12,GreenLED素子13,RedLED素子14,AmberLED素子15の分光分布のピーク波長をλ、BlueLED素子11,YellowLED素子12,GreenLED素子13,RedLED素子14,AmberLED素子15の重心からの距離が最も遠い領域の回折レンズ17の格子高さをh、回折レンズ17の材料の屈折率をn、回折次数をmとした場合に、格子高さhが、実質的に式(1)を満たす。
Figure 0005562177
図9(A)に白色を得るBlueLED素子11とYellowLED素子12との組み合わせの側面図、図9(B)に図9(A)の正面図を示す。
図9(A)および図9(B)に示すように、白色を得るBlueLED素子11とYellowLED素子12とは、異なる分光分布の光を照射するLED素子であって、基板18上に、例えば1mmの距離L10を介して同一の円上に等間隔に実装されている。
図9(C)に白色を得るBlueLED素子11とGreenLED素子13とRedLED素子14との組み合わせの正面図を示す。
図9(C)に示すように、白色を得るBlueLED素子11とGreenLED素子13とRedLED素子14とは、異なる分光分布の光を照射するLED素子であって、基板18上の同一の円上に等間隔に実装されている。
図9(D)に白色を得るBlueLED素子11とGreenLED素子13とRedLED素子14とAmberLED素子15との組み合わせの正面図を示す。
図9(D)に示すように、白色を得るBlueLED素子11とGreenLED素子13とRedLED素子14とAmberLED素子15とは、異なる分光分布の光を照射するLED素子であって、基板18上の同一の円上に等間隔に実装されている。
なお、これらの組み合わせ以外で白色を得られる組み合わせでもよい。また、BlueLED素子11,YellowLED素子12,GreenLED素子13,RedLED素子14,AmberLED素子15の分光分布の半値幅は数nm〜数十nmの間でよい。
図10にRedLED素子14とGreenLED素子13とBlueLED素子11との分光分布図を示す。
図10に示すように、RedLED素子14とGreenLED素子13とBlueLED素子11は代表的なLED素子であり、それぞれが分光分布のピーク波長を有する。
図11(A)に発光装置10に適用される回折レンズ17の断面図を示し、図11(B)に回折レンズ17の正面図を示し、図12に回折レンズ17の拡大断面図を示す。
図11(A)および図11(B)に示すように、回折レンズ17は、回折現象を利用したレンズであり、アクリル,ポリカーボネート等のプラスチックや一般的な光学ガラスが基材として用いられる。製造方法としては、射出成形や切削加工等が適用される。回折レンズ17は、円周上の上半分の180度の領域を有する設計波長Blueと、設計波長Blueに対向する円周上の下半分の180度の領域を有する設計波長Yellowとが設定されている。
図12に示すように、回折レンズ17は、屈折率nが設定されており、格子高さhが設定されている。
このとき、設計波長をλ、回折レンズ17の格子高さをh、回折レンズ17の屈折率をn、回折次数をmとした場合に、格子高さhが式(1)で表わされる。ただし、整数mは1〜数十の値の範囲であり、より好ましくは1または2である。
Figure 0005562177
図13に設計波長Blueと設計波長Greenと設計波長Redとを有する回折レンズ17の正面図を示す。
図13に示すように、回折レンズ17は、円周上の上部の120度の領域を有する設計波長Blueと、設計波長Blueに隣り合う円周上の左下の120度の領域を有する設計波長Greenと、設計波長Greenに隣り合う円周上の右下の120度の領域を有する設計波長Redとが設定されている。
図14に設計波長Blueと設計波長Greenと設計波長Amberと設計波長Redとを有する回折レンズ17の正面図を示す。
図14に示すように、回折レンズ17は、円周上の左上の90度の領域を有する設計波長Blueと、設計波長Blueに隣り合う円周上の左下の90度の領域を有する設計波長Greenと、設計波長Greenに隣り合う円周上の右下の90度の領域を有する設計波長Amberと、設計波長Amberに隣り合う円周上の右上の90度の領域を有する設計波長Redとが設定されている。
各領域の設計波長は、その重心からの距離が最も遠いLED素子のピーク波長である。そのため、回折レンズ17に設定される領域によって設計波長が異なるために、式(1)により異なる値の高さhが算出される。
回折レンズ17は、設計波長の光が入射されれば、理論上、設計次数の回折光を効率100%で出射する。しかし、設計波長以外の光が入射されると、設計次数以外の回折光も出射する。
なお、高さhは、実質的に、10%程度の誤差を有してよい。これは、LED素子の分光分布の半値幅がピーク波長の10%程度の広がりを有するからである。また、回折レンズ17の生産時における精度誤差も、その程度である。
図15(A)にBlueLED素子11とYellowLED素子12との組み合わせの発光装置10においてBlueが発光した場合の光路図を示し、図15(B)に照射面19の平面図を示す。
図15(A)に示すように、回折レンズ17は、図15(A)中の上半分の領域に照射されるBlue光が、その分光分布のピーク波長が回折レンズ17の設計波長と同じであるために、回折レンズ17によって集光される。
これとは異なり、回折レンズ17の図15(A)中の下半分の領域に照射されるBlue光は、その分光分布のピーク波長が回折レンズ17の設計波長、つまり設計波長Yellowと異なるために、狙った次数以外の回折光が発生されて拡散され、複数の次数の回折光が出射される。そのため、光源から出射される光が角度広がりを有するために、Blue光は拡散される。
図15(B)に示すように、Blue光は、照射面19において、集光および拡散の中心位置A11を有し、図15(B)中の上半分の領域において集光されるために照射面積が縮小され、図15(B)中の下半分の領域において拡散されるために照射面積が拡大される。
図16(A)にBlueLED素子11とYellowLED素子12との組み合わせの発光装置10においてYellowが発光した場合の光路図を示し、図16(B)に照射面19の平面図を示す。
図16(A)に示すように、回折レンズ17は、図16(A)中の下半分の領域に照射されるYellow光が、その分光分布のピーク波長が回折レンズ17の設計波長と同じであるために、回折レンズ17によって集光される。
これとは異なり、回折レンズ17の図16(A)中の上半分の領域に照射されるYellow光は、その分光分布のピーク波長が回折レンズ17の設計波長、つまり設計波長Blueと異なるために、狙った次数以外の回折光が発生されて拡散され、複数の次数の回折光が出射される。そのため、光源から出射される光が角度広がりを有するために、Yellow光は拡散される。
図16(B)に示すように、Yellow光は、照射面19において、集光および拡散中心位置A12を有し、図16(B)中の下半分の領域において集光されるために照射面積が縮小され、図16(B)中の上半分の領域において拡散されるために照射面積が拡大される。
図17(A)にBlueLED素子11とYellowLED素子12との組み合わせの発光装置10においてBlueおよびYellowが発光した場合の光路図を示し、図17(B)に照射面19の平面図を示す。
図17(A)に示すように、回折レンズ17は、図17(A)中の下半分の領域に照射されるBlue光およびYellow光が足し合わされる。同じく、回折レンズ17の図17(A)中の上半分の領域に照射されるBlue光およびYellow光が足し合わされる。
図17(B)に示すように、照射面19において、波長が異なる光が、集光された分布と、拡散された分布とが足し合わされ、足し合わされないBlueのみとYellowのみが外側の小さい面積を照射する。
このように、照射面19において単一の分光分布の光が照射される面積が小さくなり、かつ、その照度値が小さいために、視認される色むらを低減できる。
図18(A)に図9(C)および図13に示したBlueLED素子11とRedLED素子14とGreenLED素子13との組み合わせの発光装置10においてBlueが発光した場合の照度分布図を示し、図18(B)に図9(C)および図13に示したBlueLED素子11とRedLED素子14とGreenLED素子13との組み合わせの発光装置10においてGreenが発光した場合の照度分布図を示し、図18(C)に図9(C)および図13に示したBlueLED素子11とRedLED素子14とGreenLED素子13との組み合わせの発光装置10においてRedが発光した場合の照度分布図を示し、図18(D)に図9(C)および図13に示したBlueLED素子11とRedLED素子14とGreenLED素子13との組み合わせの発光装置10における照射面19の状態図を示し、図18(E)にBlueLED素子11とRedLED素子14とGreenLED素子13との組み合わせの発光装置における屈折レンズを用いた場合の照射面301の状態図を示す。
図18(A)に示すように、BlueLED素子11とRedLED素子14とGreenLED素子13との組み合わせの発光装置10においてBlueが発光した場合、Blue光は、図13に示した設計波長Blueにおいて集光されるために、照射面19において、集光および拡散の中心位置A13を有し、図18(A)中の上部の3分の1の領域において集光されるために照射面積が縮小され、図18(A)中の残りの3分の2の領域において拡散されるために照射面積が拡大される。
図18(B)に示すように、BlueLED素子11とRedLED素子14とGreenLED素子13との組み合わせの発光装置10においてGreenが発光した場合、Green光は、図13に示した設計波長Greenにおいて集光されるために、照射面19において、集光および拡散の中心位置A14を有し、図18(B)中の斜め左下の3分の1の領域において集光されるために照射面積が縮小され、図18(B)中の残りの3分の2の領域において拡散されるために照射面積が拡大される。
図18(C)に示すように、BlueLED素子11とRedLED素子14とGreenLED素子13との組み合わせの発光装置10においてRedが発光した場合、Red光は、図13に示した設計波長Redにおいて集光されるために、照射面19において、集光および拡散の中心位置A15を有し、図18(C)中の斜め右下の3分の1の領域において集光されるために照射面積が縮小され、図18(C)中の残りの3分の2の領域において拡散されるために照射面積が拡大される。
図18(D)に示すように、BlueLED素子11とRedLED素子14とGreenLED素子13との組み合わせの発光装置10は、照射面19において、波長が異なる光が、集光された分布と、拡散された分布とが足し合わされ、足し合わされないBlueのみとGreenのみとRedのみが外側の小さい面積を照射する。
このように、照射面19において単一の分光分布の光が照射される面積が小さくなり、かつ、その照度値が小さいために、視認される色むらを低減できる。
図18(E)に示すように、BlueLED素子11とRedLED素子14とGreenLED素子13との組み合わせの発光装置において、従来のもののように屈折レンズを用いた場合、回折レンズ17を用いた場合と比べて、照射面301において、屈折レンズにより色むらの領域が拡大される。
図19(A)に図9(D)および図14に示したBlueLED素子11とRedLED素子14とGreenLED素子13とAmberLED素子15との組み合わせの発光装置10においてBlueが発光した場合の照度分布図を示し、図19(B)に図9(D)および図14に示したBlueLED素子11とRedLED素子14とGreenLED素子13とAmberLED素子15との組み合わせの発光装置10においてGreenが発光した場合の照度分布図を示し、図19(C)に図9(D)および図14に示したBlueLED素子11とRedLED素子14とGreenLED素子13とAmberLED素子15との組み合わせの発光装置10においてAmberが発光した場合の照度分布図を示し、図19(D)に図9(D)および図14に示したBlueLED素子11とRedLED素子14とGreenLED素子13とAmberLED素子15との組み合わせの発光装置10における照度分布図を示し、図19(E)にBlueLED素子11とRedLED素子14とGreenLED素子13とAmberLED素子15との組み合わせの発光装置10における照射面19の状態図を示し、図19(F)にBlueLED素子11とRedLED素子14とGreenLED素子13とAmberLED素子15との組み合わせの発光装置における屈折レンズを用いた場合の照射面301の状態図を示す。
図19(A)に示すように、BlueLED素子11とRedLED素子14とGreenLED素子13とAmberLED素子15との組み合わせの発光装置10においてBlueが発光した場合、Blue光は、図14に示した設計波長Blueにおいて集光されるために、照射面19において、集光および拡散の中心位置A16を有し、図19(A)中の上方左の4分の1の領域において集光されるために照射面積が縮小され、図19(A)中の残りの4分の3の領域において拡散されるために照射面積が拡大される。
図19(B)に示すように、BlueLED素子11とRedLED素子14とGreenLED素子13とAmberLED素子15との組み合わせの発光装置10においてGreenが発光した場合、Green光は、図14に示した設計波長Greenにおいて集光されるために、照射面19において、集光および拡散の中心位置A17を有し、図19(B)中の下方左の4分の1の領域において集光されるために照射面積が縮小され、図19(B)中の残りの4分の3の領域において拡散されるために照射面積が拡大される。
図19(C)に示すように、BlueLED素子11とRedLED素子14とGreenLED素子13とAmberLED素子15との組み合わせの発光装置10においてAmberが発光した場合、Amber光は、図14に示した設計波長Amberにおいて集光されるために、照射面19において、集光および拡散の中心位置A18を有し、図19(C)中の下方右の4分の1の領域において集光されるために照射面積が縮小され、図19(C)中の残りの4分の3の領域において拡散されるために照射面積が拡大される。
図19(D)に示すように、BlueLED素子11とRedLED素子14とGreenLED素子13とAmberLED素子15との組み合わせの発光装置10においてRedが発光した場合、Red光は、図14に示した設計波長Redにおいて集光されるために、照射面19において、集光および拡散の中心位置A19を有し、図19(D)中の上方右の4分の1の領域において集光されるために照射面積が縮小され、図19(D)中の残りの4分の3の領域において拡散されるために照射面積が拡大される。
図19(E)に示すように、BlueLED素子11とRedLED素子14とGreenLED素子13とAmberLED素子15との組み合わせの発光装置10は、照射面19において、波長が異なる光が、集光された分布と、拡散された分布とが足し合わされ、足し合わされないBlueのみとGreenのみとAmberのみとRedのみが外側の小さい面積を照射する。
このように、照射面19において単一の分光分布の光が照射される面積が小さくなり、かつ、その照度値が小さいために、視認される色むらを低減できる。
図19(F)に示すように、BlueLED素子11とRedLED素子14とGreenLED素子13とAmberLED素子15との組み合わせの発光装置において、従来のもののように屈折レンズを用いた場合、回折レンズ17を用いた場合と比べて、照射面301において、屈折レンズにより色むらの領域が拡大される。
図20に発光装置10において設計波長を550nmとし、設計次数mを1とした場合の各次数の回折効率図を示す。
図20に示すように、発光装置10において設計波長を550nmとし、設計次数mを1とした場合、可視光波長領域における設計波長と異なる波長が入射された場合に集光されることが無いために、設計波長と異なる波長が入射された場合に常に回折レンズ17による拡散が起こる。
図21に発光装置10において設計波長を550nmとし、設計次数mを2とした場合の各次数の回折効率図を示す。
図21に示すように、発光装置10において設計波長を550nmとし、設計次数mを2とした場合、可視光波長領域における設計波長と異なる波長が入射された場合に集光されることがないために、設計波長と異なる波長が入射された場合に常に回折レンズ17による拡散が起こる。
図22に発光装置10において設計波長を550nmとし、設計次数mを3とした場合の各次数の回折効率図を示す。
図22に示すように、発光装置10において設計波長を550nmとし、設計次数mを3とした場合、可視光波長領域である波長440nmの光が入射された場合、図22に矢印で示す設計波長以外の位置B10および位置B11において集光が起こる。
図23に発光装置10において設計波長を550nmとし、設計次数mを4とした場合の各次数の回折効率図を示す。
図23に示すように、発光装置10において設計波長を550nmとし、設計次数mを4とした場合、可視光波長領域である波長440nmの光が入射された場合、回折次数m´=5で回折効率が100%になるために、図23に矢印で示す設計波長以外の位置B12および位置B13において集光が起こる。
図24(A)に発光装置10においてBlueが発光した場合の設計次数1または2の回折レンズ17で集光した照度分布図を示し、図24(B)に発光装置10においてBlueが発光した場合の設計次数3以上の回折レンズ17で集光した照度分布図を示す。
図24(A)および図24(B)に示すように、発光装置10においてBlueが発光した場合の設計次数1または2の回折レンズ17で集光した場合、図18(A)を参照して、Blue光は、照射面19において、集光および拡散の中心位置A20を有し、図24(A)中の上部の3分の1の領域において集光されるために照射面積が縮小され、図24(A)中の残りの3分の2の領域において拡散されるために照射面積が拡大される。
これとは異なり、発光装置10においてBlueが発光した場合の設計次数3以上の回折レンズ17で集光した場合、拡散したい領域A21において拡散されずに集光してしまう。そのため、拡散によって混色した領域A21に照射できずに色むらが低減しない。
以上、説明した本発明に係る第1実施形態の発光装置10は、光学素子17がLED素子の数に応じて均等に分割された領域を有する回折レンズ17であり、各領域が、その重心からの距離が最も遠いLED素子からの光を集光し、他の光を拡散させる。
従って、本発明に係る第1実施形態の発光装置10は、従来のもののように屈折レンズを用いた場合に被照射面に周縁で色むらとして現れていなかった各LED素子からの照射領域の面積を拡大することにより、色むらを低減でき、単色LED素子を光源として効率良く集光および拡散でき、大型化することなく簡易に色むらを低減できる。
また、本発明に係る第1実施形態の発光装置10は、LED素子の分光分布のピーク波長をλ、LED素子の重心からの距離が最も遠い領域の回折レンズ17の格子高さをh、回折レンズ17の材料の屈折率をn、回折次数をmとした場合に、格子高さhが、実質的に式(1)を満たすことにより、各LED素子からの照射領域の面積を拡大することにより、色むらを低減できる。
Figure 0005562177
また、本発明に係る第1実施形態の発光装置10は、回折次数が、1または2であるために、可視光波長領域における設計波長と異なる波長が入射された場合に集光されることがないために、設計波長と異なる波長が入射された場合に常に回折レンズ17による拡散が起こる。
(第2実施形態)
次に、本発明に係る第2実施形態の発光装置について説明する。
なお、以下の各実施形態において、上述した第1実施形態と重複する構成要素や機能的に同様な構成要素については、図中に同一符号あるいは相当符号を付することによって説明を簡略化あるいは省略する。
本発明に係る第2実施形態の発光装置20は、各領域の中央の格子高さhが式(1)を満たし、かつ各領域の境界において格子高さhが滑らかに変化する。
図25(A)に第1実施形態の回折レンズ17の外観斜視図を示し、図25(B)に図25(A)の回折レンズ17を用いた第1実施形態の発光装置10においてBlueが発光した場合の照度分布図を示し、図26(A)に本発明に係る第2実施形態の発光装置20に適用される回折レンズ21の外観斜視図を示し、図26(B)に図26(A)の回折レンズ21を用いた発光装置20においてBlueが発光した場合の照度分布図を示す。
図25(A)に示すように、第1実施形態のBlueLED素子11とRedLED素子14とGreenLED素子13との組み合わせの発光装置10における回折レンズ17は、各領域により格子高さhが異なる。
図25(B)に示すように、第1実施形態の発光装置10は、図18(A)を参照して、図25(A)中の上部の3分の1の領域において集光されるために照射面積が縮小され、図25(A)中の残りの3分の2の領域において拡散されるために照射面積が拡大される。このとき、集光される領域と拡散される領域とが位置A22において急激に変化する。
これに対して、図26(A)に示すように、発光装置20に適用される回折レンズ21は、領域の中央では、格子高さhが式(1)を満たし、かつ各領域の境界において格子高さhが滑らかに変化する。
図26(B)に示すように、発光装置20は、集光される照射径と拡散される照射径とが滑らかな変化線A23を有する。
図27(A)に例えばBlueLED素子とRedLED素子とGreenLED素子との組み合わせの従来の発光装置における照射面301の状態図を示し、図27(B)に第1実施形態のBlueLED素子11とRedLED素子14とGreenLED素子13との発光装置10における照射面19の状態図を示し、図27(C)に第2実施形態のBlueLED素子11とRedLED素子14とGreenLED素子13との発光装置20における照射面19の状態図を示す。
図27(A)に示すように、従来の発光装置における照射面301は、色むらの発生する領域が大きい。
図27(B)および図27(C)に示すように、第1実施形態のBlueLED素子11とRedLED素子14とGreenLED素子13との発光装置10の照射面19において色むらの低減される領域よりも、発光装置20の照射面19において色むらの低減される領域の方がはるかに大きいことが判る。これは、照射面19に丸みが得られるために、領域の境界が、より混色されるからである。
本発明に係る第2実施形態の発光装置20は、回折レンズ21の高さが急激に変わらないので、領域の境界を、より混色できる。
(第3実施形態)
次に、本発明に係る第3実施形態の発光装置について説明する。
本発明に係る第3実施形態の発光装置30は、回折レンズ31が、屈折および全反射を利用したレンズ32の入射面33または出射面34に形成される。
図28(A)に回折レンズを有さない発光装置の光路図を示し、図28(B)に回折レンズを有さない発光装置における照射面の状態図を示し、図29(A)に本発明に係る第3実施形態の発光装置において屈折および全反射を利用したレンズの入射面に回折レンズを形成した場合の光路図を示し、図29(B)に本発明に係る第3実施形態の発光装置において屈折および全反射を利用したレンズの入射面に回折レンズを形成した場合における照射面の状態図を示し、図30(A)に本発明に係る第3実施形態の発光装置において屈折および全反射を利用したレンズの出射面に回折レンズを形成した場合の光路図を示し、図30(B)に本発明に係る第3実施形態の発光装置において屈折および全反射を利用したレンズの出射面に回折レンズを形成した場合における照射面の状態図を示す。
図28(A)および図28(B)に示すように、回折レンズを有さない発光装置400は、屈折部分が凸レンズであるレンズ401を備えている。そのため、発光装置400は、レンズ401の屈折部分が凸レンズであるために、照射面402において色むら403を生ずる。
図29(A)および図29(B)に示すように、回折レンズ31が、屈折および全反射を利用したレンズ32の入射面33に形成される発光装置30は、レンズ32において制御できる光量が大きいために光利用効率をよくできる。そして、回折レンズ31が屈折および全反射を利用したレンズ32の入射面33に形成される発光装置30は、レンズ32の回折レンズ31により照射面19における色むらを低減できる。
図30(A)および図30(B)に示すように、回折レンズ31が、屈折および全反射を利用したレンズ32の出射面34に形成される発光装置30は、レンズ32において制御できる光量が大きいために光利用効率をよくできる。そして、回折レンズ31が屈折および全反射を利用したレンズ32の出射面34に形成される発光装置30は、レンズ32の回折レンズ31により照射面19における色むらを低減できる。
本発明に係る第3実施形態の発光装置30は、レンズ32において制御できる光量が大きいために光利用効率をよくできるとともに、回折レンズ31が屈折および全反射を利用したレンズ32の入射面33に形成されることにより、レンズ32の回折レンズ31により照射面19における色むらを低減できる。
本発明に係る第3実施形態の発光装置30は、レンズ32において制御できる光量が大きいために光利用効率をよくできるとともに、回折レンズ31が屈折および全反射を利用したレンズ32の出射面34に形成されることにより、レンズ32の回折レンズ31により照射面19における色むらを低減できる。
なお、本発明の発光装置において発光ユニット等は前述した実施形態に限定されるものでなく、適宜な変形や改良等が可能である。
10,20,30 発光装置
11 BlueLED素子(LED素子)
12 YellowLED素子(LED素子)
13 GreenLED素子(LED素子)
14 RedLED素子(LED素子)
15 AmberLED素子(LED素子)
16 発光ユニット
17,21,31 光学素子,回折レンズ
32 レンズ
33 入射面
34 出射面

Claims (5)

  1. 異なる分光分布の光を照射する複数のLED素子が同一の円上に等間隔に配置されてなる発光ユニットと、
    前記発光ユニットの前記複数のLED素子からの光を集光する光学素子とを備え、
    前記光学素子は、前記LED素子の数に応じて均等に分割された領域を有する回折レンズであり、前記各領域は、その重心からの距離が最も遠い前記LED素子からの光を集光し、他の光を拡散させ
    前記LED素子の分光分布のピーク波長をλ、前記LED素子の重心からの距離が最も遠い領域の前記回折レンズの格子高さをh、前記回折レンズ材料の屈折率をn、回折次数をmとした場合に、前記格子高さhが、実質的に式(1)を満たす発光装置。
    Figure 0005562177
  2. 請求項に記載の発光装置において、
    前記回折次数が、1または2である発光装置。
  3. 請求項1または請求項2に記載の発光装置において、
    前記各領域の中央の前記格子高さhが前記式(1)を満たし、かつ前記各領域の境界において前記格子高さhが滑らかに変化する発光装置。
  4. 請求項1ないし請求項のうちのいずれか1項に記載の発光装置において、
    前記回折レンズが、屈折および全反射を利用したレンズの入射面に形成される発光装置。
  5. 請求項1ないし請求項のうちのいずれか1項に記載の発光装置において、
    前記回折レンズが、屈折および全反射を利用したレンズの出射面に形成される発光装置。
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