JP6146793B2 - 発光装置用レンズ、発光装置及び照明装置 - Google Patents

Description

本発明は、発光装置用レンズ、発光装置及び照明装置に関する。

近年、省電力、且つ、長寿命なＬＥＤ発光装置が開発され、実用化されている。その中でも、出射光を狭角に集光可能なものとして、レンズを備えたＬＥＤ発光装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開昭６０−１３０００１号公報

しかしながら、前述のＬＥＤ発光装置では、ＬＥＤから出射し、レンズに当たった光の全てがレンズに入射するわけではなく、レンズの入射面でレンズ外部へと反射する光が存在する。また、レンズの出射面では、レンズ内部に反射する光が存在する。このように、前述のＬＥＤ発光装置には、レンズから出射するに至らない反射光が存在しており、光の利用効率が低い。

そこで、本発明は、光の利用効率が向上した発光装置用レンズ、発光装置及び照明装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明の発光装置用レンズは、
発光素子の発光部を配置するための凹部、光を出射する出射面、及び、光を反射する反射面を含み、
前記凹部の底面に第１の入射面を含み、
前記凹形状の側面に第２の入射面を含み、
前記反射面は、前記第２の入射面から入射した光を反射し、
前記出射面は、前記第１の入射面から入射した光、及び、前記第２の入射面から入射して前記反射面で反射した光を、出射し、
前記第１の入射面及び前記第２の入射面の少なくとも一方、及び、前記出射面に、反射防止処理がされていることを特徴とする。

本発明の発光装置は、
発光素子及び発光装置用レンズを含み、
前記レンズが、前記本発明のレンズであり、
前記レンズの凹部に、前記発光素子の発光部が配置されていることを特徴とする。

本発明の照明装置は、前記本発明の発光装置を含むことを特徴とする。

本発明によれば、光の利用効率が向上した発光装置用レンズ、発光装置及び照明装置を提供することが可能である。

図１は、実施形態１の発光装置用レンズを示す断面図である。 図２は、実施形態２の発光装置用レンズを示す断面図である。 図３は、実施形態３の発光装置用レンズを示す断面図である。 図４は、実施形態４の発光装置を示す断面図である。 図５は、実施形態５の照明装置を示す模式図である。 図６は、実施形態６の照明装置を示す斜視図である。 図７は、実施形態６の照明装置の使用例を示す斜視図である。

本発明の発光装置において、前記発光素子は、ＬＥＤであることが好ましい。

本発明の発光装置において、前記ＬＥＤは、白色ＬＥＤであることが好ましい。

本発明の照明装置において、前記発光装置を複数含み、前記複数の発光装置が、面上に配置されているという態様であってもよい。

以下、本発明の発光装置用レンズ、発光装置及び照明装置について、図面を参照して詳細に説明する。ただし、本発明は、以下の実施形態に限定及び制限されない。なお、以下の図１から図７において、同一部分には、同一符号を付し、その説明を省略する場合がある。また、図面においては、説明の便宜上、各部の構造は適宜簡略化して示す場合があり、各部の寸法比等は、実際とは異なり、模式的に示す場合がある。

［実施形態１］
本実施形態は、第１の入射面及び出射面に、反射防止処理がされている発光装置用レンズの一例である。図１は、本実施形態の発光装置用レンズを示す断面図である。なお、図１には、説明の便宜上、本実施形態の発光装置用レンズ１に加えて、発光素子２を示している。発光素子２の詳細については、下記実施形態４において説明する。また、図１では、説明の便宜上、発光装置用レンズ１の平行斜線（ハッチング）を省略し、反射防止処理がされているレンズ面を、波線で示している。これらの点は、図２及び図３において同様である。図１に示すように、本実施形態の発光装置用レンズ１は、発光素子２の発光部２ａを配置するための凹部７、光を出射する出射面５、及び、光を反射する反射面６を含む。凹部７には、発光素子２の発光部２ａの全部が配置されてもよいし、発光素子２の発光部２ａに一部のみが配置されてもよい。図１では、凹部７に１つの発光素子２の発光部２ａが配置されているが、本実施形態の発光装置用レンズ１は、これに限定されない。本実施形態の発光装置用レンズ１において、凹部７に、複数の発光素子２の発光部２ａが配置されていてもよく、後述の実施形態２〜６においても同様である。凹部７の底面は、第１の入射面３を含む。前記凹形状の側面は、第２の入射面４を含む。反射面６は、第２の入射面４から入射した光Ｌ２ｂを反射する。出射面５は、第１の入射面３から入射した光Ｌ１ｂ、及び、第２の入射面４から入射して反射面６で反射した光Ｌ２ｃを、出射する。第１の入射面３及び出射面５には、反射防止処理がされている。第１の入射面３に施された反射防止処理は、発光素子２から入射した光Ｌ１ａの発光装置用レンズ１外部への反射防止である。出射面５に施された反射防止処理は、発光装置用レンズ１内部への反射防止である。発光装置用レンズ１の各面での光の動きの詳細については、後述する。

発光装置用レンズ１は、透光性材料で形成されている。前記透光性材料としては、例えば、樹脂材料、ガラス、セラミックス等があげられる。前記樹脂材料としては、例えば、ポリメタクリル酸メチル、ポリカーボネート、アクリル、ポリオレフィン等があげられる。

第１の入射面３は、発光素子２側に凸になるように形成された略球面を有しており、発光素子２から入射した光Ｌ１ａを出射面５に向けて屈折させる。第２の入射面４は、凹部７の開口が凹部７の底面（第１の入射面３）より広くなるようにテーパ―状に形成されており、発光素子２から入射した光Ｌ２ａを反射面６に向けて屈折させる。反射面６は、第２の入射面４の凹部７の開口側の端部から出射面５の端部に至る曲面を有しており、第２の入射面４から入射した光Ｌ２ｂを略全反射するように形成されている。

前述のとおり、第１の入射面３及び出射面５には、反射防止処理がされている。前記反射防止処理としては、入射光の反射を防止可能なものであればいかなる処理であってもよいが、例えば、フロスト処理、反射防止フィルムの貼り付け、フッ化マグネシウム等の反射防止剤の塗布等があげられる。前記反射防止フィルムとしては、例えば、市販品を用いてもよい。前記市販品としては、例えば、東レ株式会社製の商品名「ルミクリア（登録商標）」、富士フイルム株式会社製の商品名「ＣＶフィルム」等があげられる。なお、第１の入射面３及び出射面５には、前記反射防止処理に加えて、シボ加工が施されていてもよく、マイクロレンズアレイ状とされていてもよい。

図１を参照して、発光装置用レンズ１の各面での光の動きを、発光素子２から第１の入射面３に入射する光と発光素子２から第２の入射面４に入射する光とに分けて説明する。

発光素子２から第１の入射面３に入射した光Ｌ１ａは、前述のとおり、出射面５に向けて屈折し、光Ｌ１ｂとなる。ここで、第１の入射面３には、反射防止処理がされているので、破線の矢印で示した反射光Ｌ１ｄが生じるのが防止され、光Ｌ１ａの略全てが第１の入射面３を透過し、光Ｌ１ｂとなる。この結果、光の利用効率が向上する。光Ｌ１ｂは、出射面５で屈折し、発光装置用レンズ１外部へと出射する（出射光Ｌ１ｃ）。ここで、出射面５には、反射防止処理がされているので、破線の矢印で示した反射光Ｌ１ｅが生じるのが防止され、光Ｌ１ｂの略全てが出射面５を透過し、出射光Ｌ１ｃとなる。この結果、光の利用効率が向上する。なお、光Ｌ１ａは、第１の入射面３に垂直に入射した場合には、そのまま第１の入射面３を透過するが、そのような光はまれである。光Ｌ１ａは、略全てが図１に示すように第１の入射面３に垂直な方向に対し角度をもって入射するため、第１の入射面３で反射しようとするが、本実施形態の発光装置用レンズ１では、これが防止される。これらの点については、発光装置用レンズ１の反射防止処理がされた各面において同様である。

発光素子２から第２の入射面４に入射した光Ｌ２ａは、前述のとおり、反射面６に向けて屈折し、光Ｌ２ｂとなる。ここで、光Ｌ２ａの第２の入射面４での反射光Ｌ２ｅが生じることとなるが、第１の入射面３及び出射面５で反射光が生じるのが防止されているため、充分な光の利用効率向上効果が得られる。光Ｌ２ｂは、前述のとおり、反射面６で略全反射して、光Ｌ２ｃとなる。光Ｌ２ｃは、出射面５で屈折し、発光装置用レンズ１外部へと出射する（出射光Ｌ２ｄ）。ここで、出射面５には、反射防止処理がされているので、破線の矢印で示した反射光Ｌ２ｆが生じるのが防止され、光Ｌ２ｃの略全てが出射面５を透過し、出射光Ｌ２ｄとなる。この結果、光の利用効率が向上する。

発光素子２が、後述の白色ＬＥＤである場合、出射面５から出射した光の照射面で生じる色ムラを低減可能であることから、第２の入射面４及び反射面６の少なくとも一方に、光拡散処理がされていることが好ましい。前記光拡散処理としては、例えば、酸化チタン等を拡散物質とするアクリル白色塗料の塗布、周期的なプリズムの形成、所定曲率を有する凹面又は凸面の形成等があげられる。なお、前記凹面又は凸面とは、第２の入射面４又は反射面６を、光が入射する側から見たときの凹面又は凸面をいう。このような光拡散処理は、必ずしも第２の入射面４又は反射面６の全域に亘って施す必要はなく、少なくとも各面の発光素子２側端部近傍の領域を含んで施されればよい。なお、出射面５に、前記反射防止処理に加えて、前記光拡散処理を施してもよい。

［実施形態２］
本実施形態は、第２の入射面及び出射面に、反射防止処理がされている発光装置用レンズの一例である。図２は、本実施形態の発光装置用レンズを示す断面図である。図２に示すように、本実施形態の発光装置用レンズ１は、第１の入射面３に代えて、第２の入射面４に、反射防止処理がされている点を除き、図１に示した実施形態１の発光装置用レンズと同様である。

図２を参照して、発光装置用レンズ１の各面での光の動きを、発光素子２から第１の入射面３に入射する光と発光素子２から第２の入射面４に入射する光とに分けて説明する。

発光素子２から第１の入射面３に入射した光Ｌ１ａは、出射面５に向けて屈折し、光Ｌ１ｂとなる。ここで、光Ｌ１ａの第１の入射面３での反射光Ｌ１ｄが生じることとなるが、後述のように、第２の入射面４及び出射面５で反射光が生じるのが防止されているため、充分な光の利用効率向上効果が得られる。光Ｌ１ｂは、出射面５で屈折し、発光装置用レンズ１外部へと出射する（出射光Ｌ１ｃ）。ここで、出射面５には、反射防止処理がされているので、破線の矢印で示した反射光Ｌ１ｅが生じるのが防止され、光Ｌ１ｂの略全てが出射面５を透過し、出射光Ｌ１ｃとなる。この結果、光の利用効率が向上する。

発光素子２から第２の入射面４に入射した光Ｌ２ａは、反射面６に向けて屈折し、光Ｌ２ｂになる。ここで、第２の入射面４には、反射防止処理がされているので、破線の矢印で示した反射光Ｌ２ｅが生じるのが防止され、光Ｌ２ａの略全てが第２の入射面４を透過し、光Ｌ２ｂとなる。この結果、光の利用効率が向上する。光Ｌ２ｂは、反射面６で略全反射して、光Ｌ２ｃとなる。光Ｌ２ｃは、出射面５で屈折し、発光装置用レンズ１外部へと出射する（出射光Ｌ２ｄ）。ここで、出射面５には、反射防止処理がされているので、破線の矢印で示した反射光Ｌ２ｆが生じるのが防止され、光Ｌ２ｃの略全てが出射面５を透過し、出射光Ｌ２ｄとなる。この結果、光の利用効率が向上する。

発光素子２が、後述の白色ＬＥＤである場合、出射面５から出射した光の照射面で生じる色ムラを低減可能であることから、反射面６に、光拡散処理が施されていることが好ましい。前記光拡散処理は、実施形態１と同様である。なお、第２の反射面４及び出射面５の少なくとも一方に、前記反射防止処理に加えて、前記光拡散処理を施してもよい。

［実施形態３］
本実施形態は、第１の入射面、第２の入射面及び出射面の三面に、反射防止処理が施されている発光装置用レンズの一例である。図３は、本実施形態の発光装置用レンズを示す断面図である。図３に示すように、本実施形態の発光装置用レンズ１は、第２の入射面４にも反射防止処理が施されている点を除き、図１に示した実施形態１の発光装置用レンズと同様である。

図３を参照して、発光装置用レンズ１の各面での光の動きを、発光素子２から第１の入射面３に入射する光と発光素子２から第２の入射面４に入射する光とに分けて説明する。

発光素子２から第１の入射面３に入射した光Ｌ１ａは、出射面５に向けて屈折し、光Ｌ１ｂとなる。ここで、第１の入射面３には、反射防止処理がされているので、破線の矢印で示した反射光Ｌ１ｄが生じるのが防止され、光Ｌ１ａの略全てが第１の入射面３を透過し、光Ｌ１ｂとなる。この結果、光の利用効率が向上する。光Ｌ１ｂは、出射面５で屈折し、発光装置用レンズ１外部へと出射する（出射光Ｌ１ｃ）。ここで、出射面５には、反射防止処理がされているので、破線の矢印で示した反射光Ｌ１ｅが生じるのが防止され、光Ｌ１ｂの略全てが出射面５を透過し、出射光Ｌ１ｃとなる。この結果、光の利用効率が向上する。

発光素子２から第２の入射面４に入射した光Ｌ２ａは、反射面６に向けて屈折し、光Ｌ２ｂになる。ここで、第２の入射面４には、反射防止処理がされているので、破線の矢印で示した反射光Ｌ２ｅが生じるのが防止され、光Ｌ２ａの略全てが第２の入射面４を透過し、光Ｌ２ｂとなる。この結果、光の利用効率が向上する。光Ｌ２ｂは、反射面６で略全反射して、光Ｌ２ｃとなる。光Ｌ２ｃは、出射面５で屈折し、発光装置用レンズ１外部へと出射する（出射光Ｌ２ｄ）。ここで、出射面５には、反射防止処理がされているので、破線の矢印で示した反射光Ｌ２ｆが生じるのが防止され、光Ｌ２ｃの略全てが出射面５を透過し、出射光Ｌ２ｄとなる。この結果、光の利用効率が向上する。

発光素子２が、後述の白色ＬＥＤである場合、出射面５から出射した光の照射面で生じる色ムラを低減可能であることから、反射面６に、光拡散処理が施されていることが好ましい。前記光拡散処理は、実施形態１と同様である。なお、第２の反射面４及び出射面５の少なくとも一方に、前記反射防止処理に加えて、前記光拡散処理を施してもよい。

［実施形態４］
本実施形態は、本発明の発光装置の一例である。図４は、本実施形態の発光装置１０の断面図である。図４に示すように、本実施形態の発光装置１０は、発光素子２、本発明の発光装置用レンズ１及び筐体１１を含む電球である。図４では、本発明の発光装置用レンズ１を簡略化しているが、実際には、図１から図３に波線で示したように、第１の入射面及び第２の入射面の少なくとも一方、及び、出射面に、反射防止処理がされている。また、図４には、筐体１１を含む発光装置（電球）１０を例示したが、本発明の発光装置はこれに限定されない。本発明の発光装置は、発光素子及び本発明の発光装置用レンズを含みさえすれば、いかなる形態であってもよい。

発光素子２としては、例えば、ＬＥＤ、有機ＥＬ、無機ＥＬ等があげられ、ＬＥＤであることが好ましい。ＬＥＤは、特に限定されず、従来公知のものを使用できるが、白色ＬＥＤであることが好ましい。図４において、発光素子２は、例えば、筐体１１の底部において、熱導電率の優れた基板（図示せず）に形成された配線パターン上に実装されている。本実施形態の発光装置（電球）１０では、発光素子２が、例えば、シリコーン樹脂等に内包され、前記シリコーン樹脂中に蛍光体が分散されていてもよい。このような形態において、例えば、発光素子２を、青色ＬＥＤとし、前記蛍光体を、黄色蛍光体又は赤・緑蛍光体の組み合わせとすることで、白色光を得ることができる。また、発光素子２を、近紫外ＬＥＤ（ＵＶ−ＬＥＤ）とし、前記蛍光体を赤・緑・青蛍光体の組み合わせ（ＲＧＢ蛍光体）とすることでも、白色光を得ることができる。図４に示す発光装置（電球）１０では、筐体１１の底部外側に、その内部に点灯回路等が収容されたケースが固定されているが、本発明の発光装置は、この例に限定されない。

［実施形態５］
本実施形態は、本発明の照明装置の一例である。図５は、本実施形態の照明装置２０を示す模式図である。図５に示すように、本実施形態の照明装置２０は、図４に示した実施形態４の発光装置（電球）１０を、アーム付ライトに使用したものであり、例えば、読書灯、ベッドライト等として用いられる。この照明装置（アーム付ライト）２０は、発光装置（電球）１０に加えて、発光装置（電球）１０に電力を供給する電源回路（図示せず）と、発光装置（電球）１０を移動自在に支持するアームとを備えている。前記アームは、複数のパイプ２１と、複数のパイプ２１を連結する複数の関節部２２と、連結された複数のパイプ２１及び複数の関節部２２を回転自在に支持する軸部２３とを備えている。

［実施形態６］
本実施形態は、本発明の照明装置のその他の例である。図６は、本実施形態の照明装置３０を示す斜視図である。図６に示すように、本実施形態の照明装置３０は、図４に示した実施形態４の発光装置（電球）１０を複数（図６では、３行×８列の２４個）含み、前記複数の発光装置（電球）１０が、電球ケース３１の面上に配置された構成である。電球ケース３１は、例えば、ポリカーボネート、アクリル等から形成された複数の電球１０を内包し得る複数の空洞部を有する板状体である。本発明の照明装置において、本発明の発光装置の配置個数は図６に示す例に限定されず、適宜増減できる。

図７を参照して、図６に示した照明装置３０の使用例について説明する。図７に示すように、この照明装置４０では、図６に示した照明装置３０の電球ケース３１底部外側に、その内部に点灯回路等が収容されたパネル基板４２が固定されている。また、図７に示す照明装置４０では、図６に示した照明装置３０が、パネル基板４２に固定されたカバー４１で覆われている。図７では、カバー４１の内部を示すために、カバー４１の一部を取り除いた状態を図示している。カバー４１は、例えば、アクリル製の半円筒形部材である。図７に示す照明装置４０は、例えば、室内照明、街路灯等に用いられる。

実施形態５及び６は、本発明の照明装置の例示に過ぎない。本発明の照明装置は、本発明の発光装置を含みさえすれば、いかなる形態であってもよい。

つぎに、本発明の実施例について比較例と併せて説明する。なお、本発明は、下記の実施例及び比較例により限定及び制限されない。

（実施例１）
図１に示す、第１の入射面及び出射面に、反射防止処理が施されている発光装置用レンズを作製した。発光装置用レンズは、ポリメタクリル酸メチルを用いて形成した。第１の入射面及び出射面の反射防止処理は、フロスト処理により行った。

（実施例２）
図２に示す、第２の入射面及び出射面に、反射防止処理が施されている発光装置用レンズを作製した。発光装置用レンズの形成材料及び反射防止処理方法は、実施例１と同様とした。

（実施例３）
図３に示す、第１の入射面、第２の入射面及び出射面の三面に、反射防止処理が施されている発光装置用レンズを作製した。発光装置用レンズの形成材料及び反射防止処理方法は、実施例１と同様とした。

（比較例１）
第１の入射面及び出射面に、反射防止処理を施さなかったこと以外は、実施例１と同様にして、発光装置用レンズを作製した。

実施例１〜３及び比較例１の発光装置用レンズの凹部にＬＥＤを配置し、実施例１〜３及び比較例１の発光装置用レンズの光利用率（ＬＥＤの全光束に対する発光装置用レンズの出射面より出射した全光速の割合）を測定した。その結果を、表１に示す。

（表１）
光利用率
実施例１ ９３％
実施例２ ９２％
実施例３ ９４％
比較例１ ９０％

表１に示すとおり、実施例１〜３の発光装置用レンズは、反射防止処理を施さなかった比較例１の発光装置用レンズと比べて、光利用率が高かった。

本発明によれば、光の利用効率が向上した発光装置用レンズ、発光装置及び照明装置を提供することが可能である。本発明の発光装置用レンズ、発光装置及び照明装置は、幅広い用途に用いることが可能である。

１ 発光装置用レンズ
２ 発光素子
２ａ 発光部
３ 第１の入射面
４ 第２の入射面
５ 出射面
６ 反射面
７ 凹部
１０ 発光装置
２０、３０、４０ 照明装置

Claims (5)

1. 発光素子の発光部を配置するための凹部、光を出射する出射面、及び、光を反射する反射面を含み、
   前記凹部の底面に第１の入射面を含み、
   前記凹形状の側面に第２の入射面を含み、
   前記反射面は、前記第２の入射面から入射した光を反射し、
   前記出射面は、前記第１の入射面から入射した光、及び、前記第２の入射面から入射して前記反射面で反射した光を、出射し、
   前記第１の入射面及び前記第２の入射面の少なくとも一方、及び前記出射面に、反射防止処理がされ、
   前記第１の入射面及び前記出射面に、シボ加工が施され、又は、前記第１の入射面及び前記出射面がマイクロレンズアレイ状とされ、
   前記発光素子が、白色ＬＥＤであり、且つ、前記反射面及び前記出射面の少なくとも一方に、光拡散処理が施されていることを特徴とする発光装置用レンズ。
2. 前記第１の入射面は、前記発光素子側に凸になるように形成された略球面を有しており、
   前記第２の入射面は、前記凹部の開口が、前記凹部の底面である前記第１の入射面より広くなるようにテーパ―状に形成されている、請求項１記載の発光装置用レンズ。
3. 発光素子及び発光装置用レンズを含み、
   前記レンズが、請求項１又は２記載のレンズであり、
   前記レンズの凹部に、前記発光素子の発光部が配置されていることを特徴とする発光装置。
4. 請求項３記載の発光装置を含むことを特徴とする照明装置。
5. 前記発光装置を複数含み、前記複数の発光装置が、面上に配置されている請求項４記載の照明装置。

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