JP5951626B2 - Ｌｅｄ光拡散用拡張型アイシクルタイプ光調整レンズ - Google Patents

Description

本発明は、ＬＥＤから発生される光を拡散させるための光調整レンズに関し、より詳しくは、ＬＥＤ特有のぎらつきを最小化させると共に、内部反射と屈折の二重処理を通して光拡散を誘導し、拡散される光が均等な明るさを有するように均一にコントロールでき、ＬＥＤが公園灯またはバックライトの用途として使用できるように、光拡散の拡張型ディフューザー（diffuser）として機能するＬＥＤ光拡散用拡張型アイシクルタイプ（icicle type）光調整レンズに関する。

最近、照明装置をはじめとする産業全般にわたって光源としてＬＥＤを使う場合が多くなっており、よって、ＬＥＤを効果的且つ効率的に使用するための各産業分野における研究も活発に進行されている。

一方、ＬＥＤから発生される光は、直進性の特性を有し、周辺に比べて中心部分に光分布が集中する光学特性があるため、ぎらつきによる眩しさ現象をもたらすという短所がある。

このような光分布集中及び眩しさの短所を補うために、ＬＥＤの光分布を調整する光拡散調整レンズが開発されて、ＬＥＤと結合されて使われている。

しかし、ＬＥＤの光を拡散させるようにコントロールする従来の光拡散調整レンズは、光損失が発生するとの問題点はもちろん、ぎらつきによる眩しさ現象を取り除くことができず、均等な明るさを誘導できないなど、全般的に光調整効率が劣るとの問題点があり、光拡散などＬＥＤの発散光調整に相当な困難があった。

特に、ＬＥＤは、室内照明用、室外照明用、バックライト用など各産業分野に多様に使われているが、各々の用途別光分布調整による安定した光学特性が求められるにもかかわらず、単純に光調整レンズのみを結合して使用することにとどまって産業発展を期待できないばかりか、各々の用途に合った照明効率を最大限引き出すことができていない。

本発明は、上記のような問題点などを勘案して案出されたもので、その目的は、ＬＥＤ特有のぎらつきを最小化させると共に、内部反射と屈折の二重処理を通して光拡散を誘導し、拡散される光が均等な明るさを有するように均一にコントロールでき、光拡散の拡張型ディフューザー（diffuser）として機能することにより、ＬＥＤの発散光に対して広い画角（８０〜１００度）を形成するように光分布を調整でき、これを通してＬＥＤを室外照明装置の公園灯またはバックライト用として使用可能にする光学特性及び安定感を付与できるＬＥＤ光拡散用拡張型アイシクルタイプ（icicle type）光調整レンズを提供することにある。

特に、本発明の目的は、ＬＥＤ発散光に対して中長距離照射に合った広い画角を形成するように光拡散を調整し、全体的に光均一度を維持できるようにすることにより、公園灯をはじめとする室外照明としての照明効率を極大化できるＬＥＤ光拡散用拡張型アイシクルタイプ光調整レンズを提供することにある。

本発明は、ＬＥＤの発散光を調整するための光調整レンズにおいて、
ガラス材質またはＰＣ、ＰＭＭＡ、ＣＯＣのうちから選択される１種の非結晶性ポリマー材質からなり、中実の胴体を有する左右対称構造のレンズ構造体であり；
上記レンズ構造体は、胴体の内側ラインを形成し、山と谷が深く設けられた形態で中心部分に光調整突部が形成されるアイシクル内面と、
胴体の外側ラインを形成し、半球形の構造配置において中心部分を緩やかに陷沒させて光拡散の拡張を誘導するための光拡散拡張誘導部が形成される光拡散外面とを含み；
上記アイシクル内面及び光拡散外面による屈折と内部反射の二重処理で光拡散を調整できるように構成することを特徴とする。

望ましくは、上記レンズ構造体は、アイシクル内面の中心に形成されている光調整突部の先端が、レンズ構造体に装着されるＬＥＤの上面に直接接するか又は最大限近接するように突出形成することを特徴とする。

望ましくは、上記アイシクル内面と光拡散外面は、各々非球面に構成されることを特徴とする。

本発明は、内部反射と屈折作用の二重処理を行なうように設計することにより、ＬＥＤ発散光に対して光拡散を誘導するのはもちろん、拡散される光を均等な明るさが形成されるように均一にコントロールし、これを通して光拡散の拡張型ディフューザー（diffuser）として機能して、ＬＥＤ発散光に対して８０〜１００度程度の広い画角が形成されるように光分布を調整し、ＬＥＤを室外照明装置の公園灯や街路灯またはバックライト用として有用に使用可能にする光学特性及び安定感を提供するばかりか、ＬＥＤ特有のぎらつきを最小化できることから、眩しさ現象まで防ぐことができる。

本発明は、ＬＥＤ発散光に対して中長距離照射に合った広い画角を形成すると共に、全体的に光均一度を維持するため、公園灯をはじめとする室外照明としての照明効率を極大化させることができ、非球面を活用するため、光拡散角度を任意且つ自由に調律できる。

本願出願人による未公開の出願技術であるＬＥＤ照明装置用アイシクル形光調整レンズを示す断面図である。 本発明によるＬＥＤ光拡散用拡張型アイシクルタイプ光調整レンズを示す断面構成図である。 本発明によるＬＥＤ光拡散用拡張型アイシクルタイプ光調整レンズを示す構成及び部分光線追跡図である。 図２による本発明と図１の技術とを比較した、ＬＥＤ発散光の入射による同一のある一つのフィールドにおける光線追跡図であって、（ａ）と（ｂ）は、図１の技術による光線図であり、（ｃ）と（ｄ）は、本発明のＬＥＤ光拡散用拡張型アイシクルタイプ光調整レンズによる光線図である。 図２による本発明と図１の技術とを比較した、光拡散が調整された配光曲線を示す放射パターングラフであって、（ａ）は、図１の技術による放射パターンであり、（ｂ）は、本発明のＬＥＤ光拡散用拡張型アイシクルタイプ光調整レンズによる放射パターンである。 図２による本発明と図１の技術とを比較した、同一条件の下での各フィールド別エネルギ分布を示す照度ラスターチャートであって、（ａ）は、本発明のＬＥＤ光拡散用拡張型アイシクルタイプ光調整レンズによる照度ラスターチャートであり、（ｂ）は、図１の技術による照度ラスターチャートである。 図２による本発明と図１の技術とを比較した、同一条件の下での光調整された光分布密度及びパターン安定性を示すデータであって、（ａ）は、図１の技術によるシュミレーションデータであり、（ｂ）は、本発明のＬＥＤ光拡散用拡張型アイシクルタイプ光調整レンズによるシュミレーションデータである。 図２による本発明を適用してＬＥＤを室外公園灯として使用した時の全体光分布密度を示す図である。

本発明の添付図面を参照して望ましい実施例を説明すると次の通りであり、このような詳細説明を通して本発明の目的と構成及びそれによる特徴をよりよく理解できるはずである。

本発明によるＬＥＤ光拡散用拡張型アイシクルタイプ光調整レンズ２００は、本願出願人が図１に示すような構造を有する光拡散アイシクル形光調整レンズ１００の未公開の出願技術［ＬＥＤの発散光に対して光損失なしに室内照明装置に合う安定した光学特性を発揮するように特化させた光分布調整技術に関する構成］を改善設計することにより、ＬＥＤの発散光に対してより広い画角を形成するようにし、７〜１５ｍの中長距離照射に伴う安定した照明効率を発揮しなければならない室外照明装置の公園灯、または全体的な均等な明るさを維持しなければならないＬＣＤパネルなどのバックライト用ディフューザー（diffuser）として機能できるようにしたものである。

本発明によるＬＥＤ光拡散用拡張型アイシクルタイプ光調整レンズ２００は、図２及び図３に示されているように、ガラス材質または非結晶性ポリマー（Amorphous Polymer）材質からなり、中実の胴体を有するレンズ構造体２１０で構成される。

この時、上記非結晶性ポリマー材質としては、ポリカーボネート(Poly Carbonate；PC）、ポリメチルメタクリレート（Poly Methyl Methacrylate；PMMA）、シクロオレフィンコポリマー（Cyclo Olefin Copolymer；COC）のうちから選択される１種を使用可能である。

上記レンズ構造体２１０は、左右対称構造に形成されるものであり、胴体の内側ラインを形成し、アイシクル（icicle）形構造を有するアイシクル内面２２０と、胴体の外側ラインを形成し、中心部が陷沒したドーム（dome）形構造を有する光拡散外面２３０とを含んでなる。

上記アイシクル内面２２０は、非球面に構成され、山と谷が深く設けられた形態で、略“Ｍ”字形構造配置を有するようにすることにより、中心部分につららのような光調整突部２２１が形成されるように構成される。

上記光拡散外面２３０は、球面または非球面に構成されることができ、半球形の構造配置において中心部分を緩く陷沒させて光拡散の拡張を誘導するための光拡散拡張誘導部２３１が形成されるように構成される。

この時、図示されていないが、光源として用いるＬＥＤを収容して配置するためのものとして使用できるように、ＬＥＤの発散光が入射される法線方向下側端部に中心を基準として左右対称に形成された凹溝構造のＬＥＤ収容部をレンズ構造体２１０の下側方向へ延びるように備えることができ、このＬＥＤ収容部は、チップ型または発光ダイオード型のＬＥＤを収容できる形態であれば、どのような構造的形態でも構わない。

上記レンズ構造体２１０のアイシクル内面２２０は、レンズ構造体の内側表面を形成するものであって、ＬＥＤの発散光が入射されはじめる部分であり、且つＬＥＤの発散光に対して拡散光ユニットとして機能することになる光分布調整部分であり、１次光拡散を通して眩しさ現象を最小化するためのもので、上記つららのような形態に形成された光調整突部２２１を通してＬＥＤの発散光に対して内部反射（reflection）と屈折（refraction）の同時作用を誘導し、光調整突部２２１を除いたＬＥＤ側方向で凹面を有する左右側部２２２，２２３内面ではＬＥＤの発散光を屈折させることによりＬＥＤの発散光を面光源になるように均等に光拡散させるように調整する。

ここで、上記レンズ構造体２１０に装着される装着ＬＥＤの上面が位置される部分を水平基準面Ａというとき、上記アイシクル内面２２０の中心に形成される光調整突部２２１は、下側方向に突出する長さの先端が水平基準面Ａに直接接するか又は最大限近接して位置するように突出させることが望ましい。

より詳しくは、水平基準面Ａとレンズ構造体２１０の光調整突部２２１の先端との間には０〜０.３ｍｍの間隔があるように配置することが最も望ましく、これは、ＬＥＤの中心部発散光が必ず光調整突部２２１のある一点を経由するかぶつかるようにすることにより反射及び屈折を誘導して光分布調整効率を高めるようにし、これを通して全体的に均等な明るさを誘導できるようにするためである。

また、上記アイシクル内面２２０は、非球面に形成することにより、内面の屈曲角を調整するなど、形状構造を容易に設計変更できることから、ＬＥＤの発散光に対して光分布を任意且つ自由に調律できるようになる。

上記レンズ構造体２１０の光拡散外面２３０は、レンズ構造体の外側表面を形成し、アイシクル内面２２０を通して１次光拡散され光調整された状態のＬＥＤ光源を２次にわたる内部反射及び屈折作用を通して２次光拡散させることにより、１次光拡散に比べて画角をより広げる機能を担い、より広い面積へ均一な面光源分布を誘導して線形的光分布をなすように調整する。

この時、上記光拡散外面２３０についても球面よりは非球面に形成することがより望ましいと言え、非球面を通して外面に対する屈曲角を調整するなど、形状構造を容易に設計変更できるようにし、ＬＥＤの発散光の光分布を自由に任意調律できるようにする。

このような構成からなる本発明によるＬＥＤ光拡散用拡張型アイシクルタイプ光調整レンズ２００は、光源であるＬＥＤの発散光に対して光分布を拡散調整して点光源ではない面光源処理を行い、眩しさ現象を極小化すると共に、２次にわたる内部反射及び屈折作用の二重処理により光拡散を誘導し、これを通してより広い面積へ画角を広げ、光分布が調整される光源の光均一度を維持して均等な明るさを有するようにする光調整ユニットとして機能することになり、室外照明またはバックライト用途として適した活用が可能である。

一方、下記表１は、本発明による拡張型アイシクルタイプ光調整レンズ２００に関する非球面データを示すものであり、理解を促すために、光調整レンズ２００の形状を非球面データと共に概略的に示し、アイシクル内面２２０と光拡散外面２３０は両方とも非球面処理したものである。

ここで、表１は、アイシクル内面２２０と光拡散外面２３０に該当するＲ１とＲ２が、各々非球面曲率値を有するばかりか、非球面コーニック定数（conic constant）及び非球面係数を有することを示している。

これにより、アイシクル内面２２０と光拡散外面２３０は、非球面コーニック定数及び非球面係数などを調整することにより、ＬＥＤの発散光に対して放射経路及び光分布を任意且つ自由に調律できることを示している。

一方、図４は、図２の構成を有する本発明と図１の技術とを比較した、ＬＥＤ発散光の入射による同一のある一つのフィールドにおける光線追跡図であって、（ａ）と（ｂ）は、図１の技術による光線図であり、（ｃ）と（ｄ）は、本発明のＬＥＤ光拡散用拡張型アイシクルタイプ光調整レンズによる光線図を示している。

ここで、本発明による（ｃ）と（ｄ）から分かるように、本発明は、本願出願人による図１の技術［（ａ）と（ｂ）参照］と比較する時、光調整を行うにあたって、本発明の光拡散外面２３０が図１の外面１１３に比べて外側方向へ光拡散をより拡大させて誘導していることを示しており、より広い面積へ均一な面光源分布が可能なように光拡散を誘導することを示している。

図５は、図２の構成を有する本発明と図１の技術とを比較した、光拡散が調整された配光曲線を示す放射パターングラフであって、（ａ）は図１の技術による放射パターンであり、（ｂ）は本発明のＬＥＤ光拡散用拡張型アイシクルタイプ光調整レンズによる放射パターンを示している。

ここで、本発明による（ｂ）での放射パターンが図１の技術による（ａ）での放射パターンよりもより広く分布していることを確認でき、このような放射パターンから配光角度を確認できるように、図１の技術に比べて本発明による技術が内部反射と屈折の二重処理によって８０〜１００度の画角にして光拡散を更に誘導していることを示している。

図６は、図２の構成を有する本発明と図１の技術とを比較した、同一条件の下での各フィールド別エネルギ分布を示す照度ラスターチャートであって、（ａ）は本発明のＬＥＤ光拡散用拡張型アイシクルタイプ光調整レンズによる照度ラスターチャートであり、（ｂ）は図１の技術による照度ラスターチャートを示している。

ここで、本発明による（ａ）は、各フィールド別に光をコントロールしていることを示しており、各フィールドのデータが重畳しながら、（ｂ）に比べて光均一度を向上できることを示しており、（ｂ）は室内照明灯に適した拡散光ユニットとしての機能を示しているのに対して、本発明による（ａ）はＬＥＤ発散光に対して室外照明またはバックライトとしての効率を最大に引き出すことができる光拡散用光拡張ユニットとして光を均一に調整していることを示している。

図７は、図２の構成を有する本発明と図１の技術とを比較した、同一条件の下での光調整された光分布密度及びパターン安定性を示すデータであって、（ａ）は図１の技術によるシュミレーションデータであり、（ｂ）は本発明のＬＥＤ光拡散用拡張型アイシクルタイプ光調整レンズによるシュミレーションデータである。

ここで、上側の２つの光分布密度を考察するとき、両方とも面光源の放射形態をなしているが、右側に位置された（ｂ）の本発明に関する光分布密度がＸ軸線上とＹ軸線上の両方で（ａ）の図１の技術に比べて中央集中現象なしにより広い領域にわたって面光源の放射形態を形成しているばかりか、より広い領域にわたって均一に光分布を形成していることから、本発明は室外照明用やバックライト照明用に更に適した光拡散用拡張型ユニットとして機能していることを示している。

また、下側は、６０ｍｍ、５００ｍｍ、１０００ｍｍ、２０００ｍｍなどの距離変化による光分布パターン安定性をシュミレーションしたデータであって、実使用距離変化によるパターン安定性を比較したとき、（ｂ）の本発明に関するデータが（ａ）の図１の技術に比べてより広い面積に分布していて、非常に安定的に且つ同一の類型に光調整を行なっており、距離が遠くなるほど均一度が遥かに優れていることを示している。

図８は、図２の構成を有する本発明を適用してＬＥＤを室外公園灯として用いたときの全体光分布密度を示すデータであって、高さ１０ｍに設け灯間隔を横と縦２０ｍとしたとき、受光面積が８０ｍ×８０ｍとなり、受光面積の効率は全体の９９％を有し、４０ｍの光均一度を備えることを示している。

また、上部の左側のＸ軸線上の光分布密度と右側のＹ軸線上の光分布密度とを考察するとき、全体的に広い領域にわたる光拡散及び光均一度を備えていることを示している。

２１０ レンズ構造体
２２０ アイシクル内面
２２１ 光調整突部
２３０ 光拡散外面
２３１ 光拡散拡張誘導部

Claims (1)

1. ＬＥＤの発散光を調整するための光調整レンズにおいて、
   ガラス材質またはＰＣ、ＰＭＭＡ、ＣＯＣのうちから選択される１種の非結晶性ポリマー材質からなり、中実の胴体を有する左右対称構造のレンズ構造体であり；
   上記レンズ構造体は、胴体の内側ラインを形成し、山と谷が深く設けられた形態で中心部分に光調整突部が形成されるアイシクル内面と、
   胴体の外側ラインを形成し、半球形の構造配置において中心部分を緩やかに陷沒させて光拡散の拡張を誘導するための光拡散拡張誘導部が形成される光拡散外面とを含み；
   上記アイシクル内面及び光拡散外面による屈折と内部反射の二重処理で光拡散を調整できるように構成されており、
   上記レンズ構造体は、アイシクル内面の中心に形成されている光調整突部の先端が、レンズ構造体に装着されるＬＥＤの上面に直接接するか又は最大限近接するように突出形成され、
   上記アイシクル内面と光拡散外面は、各々非球面に構成される、
   ことを特徴とするＬＥＤ光拡散用拡張型アイシクルタイプ光調整レンズ。