JP5562177B2 - 発光装置 - Google Patents
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Description
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。
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200は、発光装置100と同様に色むらが生ずる。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
(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。
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。
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)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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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)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。
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。
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(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。
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(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。
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。
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)
- 請求項1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。 - 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。 - 請求項1ないし請求項3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。 - 請求項1ないし請求項4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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