JP5839686B2 - 光束制御部材および発光装置 - Google Patents

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Description

本発明は、発光素子から出射された光の配光を制御する光束制御部材、および前記光束制御部材を有する発光装置に関する。
近年、省エネルギーや小型化の観点から、撮像カメラ用の発光装置として、発光ダイオード(以下「LED」ともいう)を光源とする発光装置(LEDフラッシュ)が使用されるようになってきた。このような発光装置としては、LEDと、フレネルレンズとを組み合わせたものがよく知られている(例えば、特許文献1参照)。
図1Aは、特許文献1に記載の発光装置の断面図である。図1Aに示されるように、特許文献1に記載の発光装置10は、基板20と、光源用基板21と、発光素子および蛍光体を含む光源30と、フレネルレンズ40とを有する。フレネルレンズ40は、光源30の発光面と対向するように基板20上に配置されている。
図1Bは、フレネルレンズ40の断面図である。図1Bに示されるように、フレネルレンズ40の一方の面には、屈折型フレネルレンズ部41および反射型フレネルレンズ部42が形成されている。屈折型フレネルレンズ部41は、光源30と対向する位置に形成されている。反射型フレネルレンズ部42は、屈折型フレネルレンズ部41の周囲に、光源30を取り囲むように形成されている。フレネルレンズ40において、屈折型フレネルレンズ部41および反射型フレネルレンズ部42が形成されている面は、入射領域43として機能し、入射領域43の反対側の面は出射領域44として機能する。
図1Aに示される発光装置10では、光源30から前方方向(図中上方向)に出射された光は、屈折型フレネルレンズ部41において所定の方向に屈折されて、出射領域44から出射される。一方、光源30から側方方向(図中左右方向)に出射された光は、反射型フレネルレンズ部42の入射面45から入射し、反射面46で所定の方向に反射されて、出射領域44から出射される。このように、特許文献1に記載の発光装置10は、屈折型フレネルレンズ部41および反射型フレネルレンズ部42を有するフレネルレンズ40を用いて、光源30から出射された光の配光を制御している。
特開2011−192494号公報
特許文献1に記載のフレネルレンズ40は、光源30から前方方向に出射された光だけでなく、光源30から側方方向に出射された光も利用することで、被照射領域を明るく照らすことができる。しかしながら、特許文献1に記載のフレネルレンズ40には、反射型フレネルレンズ部42からの漏れ光を有効に利用することができないという問題がある。
一般的に、反射型フレネルレンズ部42の形状は、光源30の発光中心からの光を所望の配光に制御できるように最適化されている。しかし、光源30は面発光しているため、光源30の周縁部からも光が出射される。このため、図2に示されるように、光源30の周縁部からの光の一部は、反射型フレネルレンズ部42の入射面45から入射した後、反射面46において反射されることなく漏れ光となってしまう。その結果、図2において矢印で示されるように、光源30の周縁部からの光の一部は、迷光50となってしまう。このような迷光は、フレネルレンズ40の光利用効率を低下させる。すなわち、特許文献1に記載のフレネルレンズ40には、迷光の発生を抑制して、光利用効率を改善する余地がある。
反射型フレネルレンズ部を有する光束制御部材(レンズ)において、反射型フレネルレンズ部からの漏れ光に由来する迷光の発生を抑制する手段としては、光源に対して光束制御部材を相対的に大きくすること、または反射型フレネルレンズ部の形状を微細化することが挙げられる。いずれの手段においても、反射型フレネルレンズ部からの漏れ光の発生を抑制することで、迷光の発生を抑制することができる。しかしながら、前者は小型化の要求に反し、後者は製造性を低下させてしまう。このように、漏れ光の発生を抑制することで光束制御部材の光利用効率を向上させることは、容易ではない。
一方で、反射型フレネルレンズ部から漏れ光が発生したとしても、この漏れ光を利用することができれば、光束制御部材の光利用効率を向上させることができると期待される。
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、反射型フレネルレンズ部を有する光束制御部材であって、反射型フレネルレンズ部からの漏れ光も有効に利用することができる光束制御部材を提供することを目的とする。また、本発明は、この光束制御部材を有する発光装置を提供することも目的とする。
本発明の光束制御部材は、発光素子から出射された光の配光を制御する光束制御部材であって、発光素子から出射された光を入射させる入射領域と、前記入射領域から入射した光を出射させる出射領域とを有し、前記入射領域は、前記発光素子から出射された光の一部を入射させるとともに、入射した光を前記出射領域に向けて屈折させる屈折部と、前記屈折部の外側に位置し、前記発光素子から出射された光の一部を入射させるとともに、入射した光を前記出射領域に向けて反射させる反射型フレネルレンズ部と、前記反射型フレネルレンズ部の外側に位置し、前記反射型フレネルレンズ部において入射し、かつ反射されなかった光を前記出射領域に向けて反射させる反射面とを有し、前記反射型フレネルレンズ部は、前記発光素子から出射された光の一部を入射させる第1傾斜面および前記第1傾斜面から入射した光を前記出射領域に向けて反射させる第2傾斜面を有する、同心円状に配置された円環状の突起を複数有し、前記発光素子の光軸に対する前記反射面の角度は、最も外側に位置する前記第2傾斜面の前記発光素子の光軸に対する角度よりも小さい、構成を採る。
本発明の発光装置は、発光素子と、上記の光束制御部材とを有する、構成を採る。
本発明の光束制御部材は、反射面により反射型フレネルレンズ部からの漏れ光も有効に利用することができるため、光利用効率に優れている。また、本発明の光束制御部材は、反射型フレネルレンズ部からの漏れ光が迷光とならないため、迷光による他の部材への影響を抑制することができる。したがって、本発明の光束制御部材を有する発光装置は、他の部材への影響が小さく、かつ光利用効率に優れている。
図1Aは、特許文献1に記載の発光装置の断面図であり、図1Bは、特許文献1に記載のフレネルレンズの断面図である。 特許文献1に記載の発光装置において迷光が発生する様子を示す図である。 図3Aは、実施の形態の光束制御部材の平面図であり、図3Bは、実施の形態の光束制御部材の側面図であり、図3Cは、実施の形態の光束制御部材の底面図である。 図4Aは、図3Aおよび図3Cに示されるA−A線の断面図であり、図4Bは、図4Aにおいて破線で囲まれた領域の部分拡大断面図である。 実施の形態の発光装置の構成を示す断面図である。 図6Aは、反射面と第2傾斜面とが不連続である光束制御部材の断面図であり、図6Bは、図6Aにおいて破線で囲まれた領域の部分拡大断面図である。 図7Aは、比較例の光束制御部材の平面図であり、図7Bは、比較例の光束制御部材の側面図であり、図7Cは、比較例の光束制御部材の底面図である。 図8Aは、図8Aおよび図8Cに示されるB−B線の断面図であり、図8Bは、図8Aにおいて破線で囲まれた領域の部分拡大断面図である。 実施の形態の光束制御部材と比較例の光束制御部材との形状の違いを説明するための断面図である。 比較例の発光装置の光路図である。 比較例の発光装置の光路図である。 実施の形態の発光装置の光路図である。 実施の形態の発光装置の光路図である。 全光束についての照度分布のシミュレーション結果を示すグラフである。 漏れ光についての照度分布のシミュレーション結果を示すグラフである。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
[光束制御部材および発光装置の構成]
図3および図4は、本発明の一実施の形態に係る光束制御部材100の構成を示す図である。図3Aは、光束制御部材100の平面図であり、図3Bは、光束制御部材100の側面図であり、図3Cは、光束制御部材100の底面図である。図4Aは、図3Aおよび図3Cに示されるA−A線の断面図であり、図4Bは、図4Aにおいて破線で囲まれた領域の部分拡大断面図である。図5は、本発明の一実施の形態に係る発光装置200の構成を示す断面図である。
図5に示されるように、本実施の形態の光束制御部材100は、発光素子210と組み合わせて使用される。発光素子210は、発光装置200の光源である。発光素子210は、例えば白色発光ダイオードなどの発光ダイオード(LED)である。図5に示されるように、光束制御部材100は、光束制御部材100の入射領域110(屈折部120)と発光素子210の発光面とが対向するように配置される。
光束制御部材100は、発光素子210から出射された光の進行方向を制御する。すなわち、光束制御部材100は、発光素子210から出射された光の配光を制御する。光束制御部材100の形状は、その中心軸CAを中心とする回転対称である。光束制御部材100は、その中心軸CAが発光素子210の光軸LAに合致するように配置される(図5参照)。
光束制御部材100は、射出成形により形成されている。光束制御部材100の材料は、所望の波長の光を通過させ得るものであれば特に限定されない。たとえば、光束制御部材100の材料は、ポリメタクリル酸メチル(PMMA)やポリカーボネート(PC)、エポキシ樹脂(EP)などの光透過性樹脂、またはガラスである。
図4Aに示されるように、光束制御部材100は、発光素子210から出射された光を入射させる入射領域110と、入射領域110の反対側に位置し、入射領域110から入射した光を出射させる出射領域150とを有する。入射領域110と出射領域150との間には、フランジ160が設けられていてもよい。
入射領域110は、入射領域110の中央部に位置する屈折部120と、屈折部120の外側に位置する反射型フレネルレンズ部130と、反射型フレネルレンズ部130の外側に位置する反射面140とを有する。
屈折部120は、発光素子210と対向する位置に、光束制御部材100の中心軸CAと交わるように形成された平面である。屈折部120は、発光素子210から出射された光の一部(主として前方方向に出射された光)を光束制御部材100内に入射させるとともに、入射した光を出射領域150に向けて屈折させる(図12参照)。なお、屈折部120の形状は、上記機能を実現できれば平面でなくてもよい。たとえば、屈折部120は、球面または非球面であってもよいし、屈折型フレネルレンズであってもよい。本実施の形態における屈折部120の形状は、光束制御部材100の中心軸CAを中心とする回転対称である(図3C参照)。
反射型フレネルレンズ部130は、発光素子210から出射された光の一部(主として側方方向に出射された光)を光束制御部材100内に入射させるとともに、入射した光を出射領域150に向けて反射させる(図12参照)。反射型フレネルレンズ部130の形状は、光束制御部材100の中心軸CAを中心とする回転対称であり、反射型フレネルレンズ部130は、同心円状に配置された円環状の突起131を複数有する(図3C参照)。図3Cおよび図4Bに示されるように、本明細書では、複数の円環状の突起131のうち、最も外側に位置する突起131を第1突起131aと呼び、以降外側から順に第2突起131b、…、第6突起131f、第7突起131gと呼ぶこととする。発光素子210から側方方向に出射された光を取り込むために、第1突起131aは、他の突起131b〜gよりも大きく形成されている。
複数の突起131は、それぞれ、発光素子210から出射された光を入射させる入射面である第1傾斜面132と、第1傾斜面132から入射した光を出射領域150に向けて反射させる反射面である第2傾斜面133とを有する。各突起131において、第1傾斜面132は内側(中心軸CA側)に位置し、第2傾斜面133は外側に位置する。また、各突起131において、第1傾斜面132と第2傾斜面133とは、連続していてもよいし、不連続であってもよい。前者の場合、第1傾斜面132と第2傾斜面133との間に稜線が形成される。後者の場合、第1傾斜面132と第2傾斜面133との間に別の面が形成される。図4Bに示される例では、第1傾斜面132と第2傾斜面133との間に第3傾斜面134が形成されている。第1傾斜面132と第2傾斜面133との間に第3傾斜面134を設け、鋭角部分(稜線部分)を無くすことで、製造性を向上させることができる。ただし、第3傾斜面134が形成された突起131による光束制御効率は、第3傾斜面134が形成されていない突起131に比べて低い。これは、第3傾斜面134が形成された突起131に入射せず漏れ光となる光が増加することに起因する。後述する反射面140は、この漏れ光の進行方向の制御を可能にし、光利用効率を向上させることができる。
第1傾斜面132の母線は、直線であってもよいし、曲線であってもよい。発光素子210の光軸LAに対する第1傾斜面132の角度は、第1傾斜面132から入射した光を第2傾斜面133側に屈折させることができれば特に限定されず、発光素子210の大きさや位置などに応じて適宜設定されうる。なお、第1傾斜面132の母線が曲線の場合、「第1傾斜面132の角度」とは、第1傾斜面132の母線の接線の角度をいう。製造性の観点からは、第1傾斜面132は、入射領域110側よりも出射領域150側が光軸に近くなるように、発光素子210の光軸LAに対して3〜5°程度傾斜していることが好ましい。なお、各突起131の第1傾斜面132の角度は、同一であってもよいし、異なっていてもよい。
第2傾斜面133の母線は、直線であってもよいし、曲線であってもよい。発光素子210の光軸LAに対する第2傾斜面133の角度は、第1傾斜面132から入射した光を出射領域150側に反射させることができれば特に限定されず、目的とする配光特性などに応じて適宜設定されうる。なお、第2傾斜面133の母線が曲線の場合、「第2傾斜面133の角度」とは、第2傾斜面133の母線の接線の角度をいう。通常は、出射領域150側よりも入射領域110側が光軸に近くなるように、光軸に対して20〜50°程度傾斜している。各突起131の第2傾斜面133の角度は、同一であってもよいし、異なっていてもよい。
反射面140は、反射型フレネルレンズ部130の外縁から出射領域150の外縁に延びる面である。反射面140の外縁と出射領域150の外縁との間には、フランジ160が設けられていてもよい。反射面140は、反射型フレネルレンズ部130の第1傾斜面132から光束制御部材100内に入射し、かつ反射型フレネルレンズ部130の第2傾斜面133で反射されなかった光(すなわち、反射型フレネルレンズ部130からの漏れ光)を出射領域150に向けて反射させる(図13参照)。
反射面140は、光束制御部材100の中心軸CAを取り囲むように形成された回転対称面である(図3C参照)。反射面140の直径は、入射領域110(発光素子210)側から出射領域150側に向けて漸増している。反射面140の母線は、直線であってもよいし、曲線であってもよい。発光素子210の光軸LA(光束制御部材100の中心軸CA)に対する反射面140の角度は、0より大きく、かつ最も外側に位置する第2傾斜面133aの発光素子210の光軸LAに対する角度よりも小さい。ここで「反射面140の角度」とは、反射面140の母線の接線の角度の最大値を意味する。また、「最も外側に位置する第2傾斜面133aの角度」とは、第2傾斜面133aの母線の接線の角度の最小値を意味する。
反射面140の位置は、反射型フレネルレンズ部130からの漏れ光を出射領域150に向けて反射させることができれば特に限定されない。たとえば、反射面140は、発光素子210の発光中心212と、第1突起131aと第2突起131bとの間に位置する谷底135とを通る直線Lよりも、出射領域150側に形成されている(図9参照)。このようにした場合、反射面140には、小型の突起131b〜g(第1突起131a以外の突起)の第1傾斜面132b〜gから入射し、第2傾斜面133b〜gに到達しなかった光(漏れ光)のみが到達する(第1突起131aの第1傾斜面132aから入射した光は到達しない)。なお、反射面140は、第1突起131aの第2傾斜面133aと連続していてもよいし(図4Aおよび図4B参照)、不連続であってもよい(図6Aおよび図6B参照)。
出射領域150は、発光素子210とは反対側の、被照射領域側に形成された平面である。出射領域150は、光束制御部材100の中心軸CAと交わるように形成されている。図3Aに示されるように、出射領域150は、光束制御部材100の中心軸CAを中心とする回転対称面である。出射領域150は、1)屈折部120から入射した光、2)反射型フレネルレンズ部130の第1傾斜面132から入射し、第2傾斜面133で反射した光、および3)反射型フレネルレンズ部130の第1傾斜面132から入射し、反射面140で反射した光を被照射領域に向けて出射させる。
[光路シミュレーション]
図5に示される本実施の形態の光束制御部材100を有する発光装置200について、発光素子210から出射された光の光路をシミュレーションした。また、比較のため、図7および図8に示される比較例の光束制御部材100’を有する発光装置200’についても、発光素子210から出射された光の光路をシミュレーションした。
図7Aは、比較例の光束制御部材100’の平面図であり、図7Bは、比較例の光束制御部材100’の側面図であり、図7Cは、比較例の光束制御部材100’の底面図である。図8Aは、図7Aおよび図7Cに示されるB−B線の断面図であり、図8Bは、図8Aにおいて破線で囲まれた領域の部分拡大断面図である。これらの図に示されるように、比較例の光束制御部材100’は、反射型フレネルレンズ部130の外縁に反射面140を有していない点で本実施の形態の光束制御部材100と異なる。
図9は、実施の形態の光束制御部材100と比較例の光束制御部材100’との形状の違いを示すために、これら2つの光束制御部材100,100’の部分拡大断面図を重ね合わせた図である。この図に示されるように、実施の形態の光束制御部材100では、発光素子210の発光中心212と、反射型フレネルレンズ部130の第1突起131aと第2突起131bとの間に位置する谷底135とを通る直線Lよりも、出射領域150側に反射面140が形成されている。一方、比較例の光束制御部材100’では、反射面140の代わりに、光軸LAと平行なフランジ外周面162が形成されている。なお、図9に示されるように、今回のシミュレーションでは、出射領域150の外側に絞り220を配置した。
図10および図11は、比較例の発光装置200’の光路図である。図10は、発光素子210の発光中心から出射された光の光路図であり、図11は、発光素子210の周縁部から出射された光の光路図である。
図10に示されるように、発光素子210の発光中心から前方方向に出射された光は、屈折部120から光束制御部材100内に入射し、出射領域150から出射される。また、発光素子210の発光中心から側方方向に出射された光は、反射型フレネルレンズ部130の各突起131a〜gの第1傾斜面132a〜gから光束制御部材100内に入射する。第1傾斜面132a〜gから入射した光は、各突起131a〜gの第2傾斜面133a〜gにおいて反射されて、出射領域150から出射される。
一方、図11に示されるように、発光素子210の周縁部から側方方向に出射された光は、反射型フレネルレンズ部130の各突起131a〜gの第1傾斜面132a〜gから光束制御部材100内に入射する。第1傾斜面132a〜gから入射した光の一部は、各突起の第2傾斜面133a〜gにおいて反射されて、出射領域150から出射される。しかしながら、第1傾斜面132a〜gから入射した光の残部は、各突起131a〜gの第2傾斜面133a〜gに到達することができず、漏れ光となる。このような漏れ光は、迷光となり、フランジ外周面162から外部に出射される。このように、反射型フレネルレンズ部130からの漏れ光は、被照射領域の照明に利用されない。
図12および図13は、実施の形態の発光装置200の光路図である。図12は、発光素子210の発光中心から出射された光の光路図であり、図13は、発光素子210の周縁部から出射された光の光路図である。
図12に示されるように、発光素子210の発光中心から前方方向に出射された光は、屈折部120から光束制御部材100内に入射し、出射領域150から出射される。また、発光素子210の発光中心から側方方向に出射された光は、反射型フレネルレンズ部130の各突起131a〜gの第1傾斜面132a〜gから光束制御部材100内に入射する。第1傾斜面132a〜gから入射した光は、各突起131a〜gの第2傾斜面133a〜gにおいて反射されて、出射領域150から出射される。
また、図13に示されるように、実施の形態の発光装置200でも、発光素子210の周縁部から側方方向に出射された光の一部は、反射型フレネルレンズ部130からの漏れ光となる。しかしながら、実施の形態の発光装置200では、このような漏れ光は、反射面140において反射され、出射領域150から出射される。したがって、漏れ光も、被照射領域の照明に利用される。
これらの光路図から、本実施の形態の発光装置200は、反射型フレネルレンズ部130からの漏れ光を被照射領域の照明に利用できることがわかる。
[照度シミュレーション]
本実施の形態の発光装置200と、比較例の発光装置200’について、被照射面の照度分布をシミュレーションした。発光素子210から1m離れた位置に、発光素子210の光軸LAに対して垂直に配置された平面を被照射面とした。なお、光束制御部材100,100’の直径は、10mmである。
図14は、全光束についての被照射面の照度分布を示すグラフである。また、図15は、反射型フレネルレンズ部130からの漏れ光についての、被照射面の照度分布を示すグラフである。グラフの横軸は、被照射面の中心(発光素子210の光軸と交わる点)からの距離を示し、縦軸は、照度を示している。破線は、比較例の発光装置200’のシミュレーション結果を示し、実線は、実施の形態の発光装置200のシミュレーション結果を示す。
図15のグラフから、本実施の形態の発光装置200は、比較例の発光装置200’に比べて被照射面をより明るく照らせることがわかる。また、図15のグラフから、本実施の形態の発光装置200は、反射型フレネルレンズ部130からの漏れ光を被照射面の周縁部に配光していることがわかる。
[効果]
本実施の形態の光束制御部材100は、屈折部120により屈折された光および反射型フレネルレンズ部130により反射された光に加えて、反射型フレネルレンズ部130からの漏れ光も被照射領域の照明に利用することができる。したがって、本実施の形態の光束制御部材100は、光利用効率に優れている。また、本実施の形態の光束制御部材100は、反射型フレネルレンズ部130からの漏れ光が迷光とならないため、迷光による他の部材への影響を抑制することができる。したがって、本実施の形態の光束制御部材100を有する発光装置200は、他の部材への影響が小さく、かつ光利用効率に優れている。
本発明の光束制御部材は、例えば撮像カメラの発光装置(フラッシュ)用のレンズなどに有用である。
10 発光装置
20 基板
21 光源用基板
30 光源
40 フレネルレンズ
41 屈折型フレネルレンズ部
42 反射型フレネルレンズ部
43 入射領域
44 出射領域
45 入射面
46 反射面
100 光束制御部材
110 入射領域
120 屈折部
130 反射型フレネルレンズ部
131 突起
132 第1傾斜面
133 第2傾斜面
134 第3傾斜面
135 谷底
140 反射面
150 出射領域
160 フランジ
162 フランジ外周面
200 発光装置
210 発光素子
212 発光中心
220 絞り
CA 光束制御部材の中心軸
L 発行中心と谷底とを通る直線
LA 発光素子の光軸

Claims (6)

  1. 発光素子から出射された光の配光を制御する光束制御部材であって、
    発光素子から出射された光を入射させる入射領域と、
    前記入射領域から入射した光を出射させる出射領域と、を有し、
    前記入射領域は、
    前記発光素子から出射された光の一部を入射させるとともに、入射した光を前記出射領域に向けて屈折させる屈折部と、
    前記屈折部の外側に位置し、前記発光素子から出射された光の一部を入射させるとともに、入射した光を前記出射領域に向けて反射させる反射型フレネルレンズ部と、
    前記反射型フレネルレンズ部の外側に位置し、前記反射型フレネルレンズ部において入射し、かつ反射されなかった光を前記出射領域に向けて反射させる反射面と、
    を有し、
    前記反射型フレネルレンズ部は、前記発光素子から出射された光の一部を入射させる第1傾斜面および前記第1傾斜面から入射した光を前記出射領域に向けて反射させる第2傾斜面を有する、同心円状に配置された円環状の突起を複数有し、
    前記発光素子の光軸に対する前記反射面の角度は、最も外側に位置する前記第2傾斜面の前記発光素子の光軸に対する角度よりも小さい、
    光束制御部材。
  2. 前記反射面は、前記発光素子の発光中心と、前記反射型フレネルレンズ部において最も外側に位置する第1突起と前記第1突起に隣接する第2突起との間に位置する谷底と、を通る直線よりも、前記出射領域側に形成されている、請求項1に記載の光束制御部材。
  3. 前記屈折部は、平面、球面もしくは非球面、または屈折型フレネルレンズである、請求項1に記載の光束制御部材。
  4. 前記反射面と、前記反射型フレネルレンズ部において最も外側に位置する第1突起の第2傾斜面とは、連続している、請求項1に記載の光束制御部材。
  5. 前記反射面と、前記反射型フレネルレンズ部において最も外側に位置する第1突起の第2傾斜面とは、不連続である、請求項1に記載の光束制御部材。
  6. 発光素子と、請求項1〜5のいずれか一項に記載の光束制御部材とを有する、発光装置。
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