JPH07225790A - 発光素子を使った灯具の光学設計方法 - Google Patents

発光素子を使った灯具の光学設計方法

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JPH07225790A
JPH07225790A JP3927394A JP3927394A JPH07225790A JP H07225790 A JPH07225790 A JP H07225790A JP 3927394 A JP3927394 A JP 3927394A JP 3927394 A JP3927394 A JP 3927394A JP H07225790 A JPH07225790 A JP H07225790A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 発光素子を使った灯具において精度の高い配
光設計を行う。 【構成】 ＬＥＤ素子の内部構造についてチップ部１、
チップリフレクタ（凹部１０）、レンズ部１５の形状や
特性をモデル化することによって、ＬＥＤ素子の照射光
をチップ部１による直接光とチップリフレクタによる反
射光とに区分するとともに、モデル化に必要な未知定数
を実測によって規定する。そして、レンズステップ１６
の原形状をその透過光の狙い方向や拡散角に基づいて粗
い精度で決め、チップ部１から発光する直接光やチップ
リフレクタによる反射光がレンズ部１５やレンズステッ
プ１６を透過する様子を光線追跡によりシミュレートす
るとともに、配光分布を求めてこれが所望の分布になる
か否かについて評価し、その結果に応じてレンズステッ
プ１６の形状に修正を加えて所望の配光分布を得る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、発光素子を使った灯具
において精度の高い配光設計を行うことができる新規な
光学設計方法を提供しようとするものである。
【０００２】
【従来の技術】近時、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔ
ｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）はその高光束化が進み、白熱電球
に比べて長寿命、省電力、低発熱量等の点で有利である
ことから室内外に亘る各種の表示装置に使用されてい
る。
【０００３】例えば、ＬＥＤランプの車輌用灯具への適
用例としては、後続車の追突事故防止対策として設けら
れるハイマウントストップランプや、リヤサイドマーカ
ーランプ等を挙げることができる。
【０００４】図１０は、ハイマウントストップランプの
構成例を概略的に示す垂直断面図である。
【０００５】ハイマウントストップランプａは凹部を有
するレンズ体ｂを有し、該レンズ体ｂの開口をカバー体
ｃによって覆うことによって形成される灯具空間ｄ内に
ＬＥＤ素子ｅ、ｅ、・・・（図ではその一つだけを示
す。）が横一列に配置された基板ｆが配置された構成と
なっている。
【０００６】そして、レンズ体ｂの内面のうちＬＥＤ素
子ｅ、ｅ、・・・に対向した面にはＬＥＤ素子ｅ、ｅ、
・・・の発光光線を制御するためのレンズステップｇ、
ｇ、・・・（図ではその一つだけを示す。）が形成され
ており、これらのレンズステップについてはランプの配
光分布が所定の配光規格に適合するように光学設計が行
われる。
【０００７】このような灯具の配光設計にあたっては、
ＬＥＤ素子ｅ、ｅ、・・・の発光源であるチップ部ｈを
ほぼ点光源とみなしてＬＥＤ素子ｅから出た光について
光線追跡が行われ、レンズステップｇ、ｇ、・・・の形
状設計による配光制御に主たる関心が向けられる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】ところで、従来の光学
設計方法にあっては、ＬＥＤ素子の内部構造について考
慮しておらず、ＬＥＤ素子から出射した後の光だけを測
定して解析しているため、詳細な配光設計を行うことが
困難であり、配光分布において光量の無駄が生じてしま
うという問題がある。
【０００９】図１１（ａ）はＬＥＤ素子ｅの構造を示す
ものである。
【００１０】ＬＥＤ素子ｅは、その内部にチップ部ｈを
有し、該チップ部ｈが樹脂製のレンズ部ｉよって保護さ
れている。そして、チップ部ｈはリードフレームｊ、
ｊ′の一方ｊの凹部ｋに取り付けられており、凹部ｋの
内周面はチップ部ｈからの光に対する反射面としての機
能をもっている。
【００１１】チップ部ｈは、その大きさが凹部ｋやレン
ズ部ｉの大きさに比べて無視し得る程には小さくないた
め、配光シミュレーションにおいてチップ部ｈの形状や
リードフレームｊの凹部ｋの内周面での反射光の影響を
精度良く処理することが困難である。
【００１２】また、ＬＥＤ素子ｅの光度分布は、光軸回
りに略回転対称性を有するため、球面レンズや魚眼レン
ズステップを使った従来の光学設計方法では、回転対称
性を有しない光度分布を精度良く得ることが困難であ
る。
【００１３】図１１（ｂ）は、ＬＥＤ素子の光軸に直交
し、かつ互いに直交する２軸Ａ−Ａ及びＢ−Ｂに位置座
標軸を設定するとともに、これら２軸に直交する軸ＣＤ
を光度軸をとり等カンデラ曲線によって光度分布を概略
的に表したものである。
【００１４】図示するようにＬＥＤ素子の光度分布は円
錐状に近い分布であり、光軸に近い中央部において光度
が高く、光軸から離れて周辺部に行くにつれて光度が低
くなっていく。
【００１５】図１２及び図１３はこのようなＬＥＤ素子
を使った従来の灯具の光度分布を示すものである。尚、
図１２は配光パターンの鉛直線に沿う照射角度を縦軸に
とり（「ＵＰ」が上方、「ＤＷ」が下方を示す。）、光
度軸ＣＤを横軸にとって両者の関係を示しており、ま
た、図１３は配光パターンの水平線に沿う照射角度を横
軸にとり（「ＲＨ」が右方、「ＬＦ」が左を示す。）、
光度軸ＣＤを縦軸にとって両者の関係を示している。こ
れらの図において、実線で示すグラフ曲線が光度分布特
性を示し、１点鎖線で示すグラフ曲線が規格で定められ
た特性を示している。
【００１６】図示するように、従来のように粗い光学設
計方法ではＬＥＤ素子の光度分布特性がそのまま配光パ
ターンの光度分布に反映されてしまうため、水平線や鉛
直線に近接したところで光度が高く、周辺部にいくにつ
れて光度が低下していく傾向がみられる。よって、図に
斜線を付した領域では光度が規格値を越えてしまい光量
に無駄が生じることになる。
【００１７】以上のように、発光素子の内部構造に立ち
入ることなくレンズステップの配光予測を行うには精度
上の限界がある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】そこで、本発明は上記し
た課題を解決するために、発光素子とその前方に配置さ
れるレンズステップとを有する灯具について発光素子か
ら出てレンズステップを透過する光の配光シミュレーシ
ョン結果をレンズステップの形状設計にフィードバック
するようにした発光素子を使った灯具の光学的設計方法
であって、以下の（イ）乃至（ホ）の手順により灯具の
光学設計を行うものである。
【００１９】（イ）先ず、発光素子の内部構造について
チップ部及び／又はチップ部の周囲に設けられる反射部
及び／又はチップ部を保護するレンズ部の形状や特性を
モデル化することによって、発光素子の照射光をチップ
部による直接光とチップ部の周囲に設けられる反射部に
よる反射光とに区分するとともに、モデル化に必要な未
知定数を実測によって予め規定しておき、（ロ）レンズ
ステップの原形状をその透過光の狙い方向や拡散角に基
づいて決め、（ハ）発光素子の内部から発光してそのレ
ンズ部、そしてレンズステップを通した光の光線追跡を
行ってその結果に応じてレンズステップの形状に修正を
施した後、（ニ）配光分布を求めてこれが所望の分布に
なるか否かについて評価し、その結果に応じてレンズス
テップの形状に修正を施し、（ホ）所望の配光分布が得
られるまで（ハ）、（ニ）の手順を繰り返す。
【００２０】
【作用】本発明によれば、発光素子の内部構造について
実測に裏付けられたモデル化を行って発光素子の照射光
を直接光と反射光とに区分し、これらの光についての光
線追跡や配光分布のシミュレーション結果をレンズステ
ップの形状設計に反映させることによって、詳細な配光
制御を行うことができる。
【００２１】よって、ＬＥＤ素子のように光軸回りに略
回転対称性を有する光度分布をもつ発光素子を使って回
転対称性を有しない配光分布を得ようとする場合でも発
光素子の光量を効率的に利用して所望の配光分布を得る
ことができる。
【００２２】
【実施例】以下に、本発明発光素子を使った灯具の光学
設計方法を図１乃至図９に従って説明する。
【００２３】本発明では、ＬＥＤ素子の内部構造、つま
り、チップ部の形状や、リードフレームの凹部により形
成される反射鏡（以下、「チップリフレクタ」とい
う。）、チップ部を保護している樹脂製レンズ部の特性
や形状を考慮してこれらをモデル化するとともに、実測
により裏付けられたモデルに基づいて配光予測を行なう
ことによって、配光制御の高精度化を図ることを目的と
している。
【００２４】チップ部の材質にはＧａ−Ａｌ−Ａｓ系、
Ｉｎ−Ｇａ−Ａｌ−Ｐ系のもの等が知られており、例え
ば、図１に示すダブルヘテロ構造のチップ部１はｎ型ク
ラッド層２とｐ型クラッド層３との間に発光層４が挟ま
れた構造になっている。
【００２５】そして、ｐ型クラッド層３の一端面３ａが
ダイボンディング側の面とされており、金系材料を用い
てオーミックコンタクトによる電極５、５、・・・が形
成されている。
【００２６】６はワイヤボンディング側の金系電極であ
り、ｎ型クラッド層２の端面に部分的に形成されてい
る。
【００２７】このようなチップ部１をモデル化するに
は、その発光面の形状や発光面の輝度分布によって分類
する方法がある。前者の場合にはチップ構造が主要因と
なり、また、後者については材質の特性が主要因とな
る。例えば、図２に示すように発光層４を含む明るい部
分７とそれ以外の暗い部分８とに２分した場合に、暗い
部分８の材質が光を通すか全く光を通さないか等によっ
てチップ部１を数種類に分類することができる。
【００２８】上記のモデル化はチップ部１の直接光の解
析にあたって前提となるものであるが、この他にチップ
リフレクタによる反射光の影響を考慮する必要がある。
【００２９】９はリードフレームであり、その凹部１０
内に上記チップ部１が銀ペースト１１を用いたダイボン
ディングにより固定される。尚、凹部１０の内周面１０
ａがチップリフレクタの反射面としての作用を有してい
る。
【００３０】図では、チップ部１の取付面１０ｂが平坦
面とされ、該取付面１０ｂに対して内周面１０ａが所定
の傾斜角をもって傾斜している例を示している。
【００３１】チップリフレクタによる反射強度について
は、下式のようにモデル化することができる。
【００３２】
【数１】
【００３３】尚、数１における諸量の定義は下表１に示
すとおりである。
【００３４】
【表１】
【００３５】［数１］式において右辺第１項は指向性反
射成分の強度を示し、右辺第２項は完全拡散反射成分の
強度を示している。
【００３６】図３は［数１］をグラフ化したものであ
り、内周面１０ａに固定した位置座標Ｘを設定してこれ
を横軸とし、それ上の特定の点を原点Ｏとしてチップ部
１から原点Ｏに入射した後の反射光の強度Ｉを縦軸にと
って強度分布を示したものである。
【００３７】原点Ｏを通り右上りに傾斜した半直線Ｌｉ
が入射光線の方向指示線を示し、原点Ｏを通り左上りに
傾斜した半直線Ｌｏが反射光線の方向指示線を示してい
る。
【００３８】実線で示すグラフ曲線１２が反射光の強度
分布を表しており、該グラフ曲線１２上に点Ｐをとった
場合に、線分ＯＰが半直線Ｌｏに対してなす角度がθで
あり、また、線分ＯＰが縦軸に平行な直線に対してなす
角度がφである（反射面の法線はグラフの縦軸に平行で
ある。）。
【００３９】半直線Ｌｏに沿って花弁状に延びるグラフ
曲線１３（１点鎖線で示す。）が指向性反射成分の強度
分布を示し、原点Ｏを通り縦軸に平行な直線上に中心を
有しかつ原点を通る円状のグラフ曲線１４（破線で示
す）が完全拡散反射成分の強度分布を示しており、両グ
ラフ曲線の合成によってグラフ曲線１２が得られる。つ
まり、グラフ曲線１２上の点Ｐでの反射光線の強度は線
分ＯＰとグラフ曲線１３、１４とのそれぞれの交点にお
ける強度を加算した値に等しい。
【００４０】［数１］式のうち未知定数はＲとｍであ
り、これらは実測により決定される。即ち、これらは複
数個のＬＥＤ素子について得られる測定値に基づいて統
計的手法により決定することができる。
【００４１】チップ部１の直接光やチップリフレクタの
反射光は樹脂製のレンズ部を通って外部に照射されるの
で、樹脂の屈折率や屈折境界面の形状が必要である。
【００４２】図４はレンズ部１５の形状を概略的に示す
ものであり、ＬＥＤ素子の光軸と屈折境界面との交点を
原点Ｏとして光軸に直交する軸（これをｘ軸とする。）
を設定した場合に、屈折境界面においてｘ１の範囲に示
す近軸領域では球面状とされているため荒い近似ではこ
れを球面とみなすことができるが、ｘ１＜ｘ＜ｘ２の範
囲に示す周辺領域では一般に非球面となる。よって、こ
の領域の正確な形状データを用いるようにすれば、より
高精度な解析を行い、現象に忠実な配光シミュレーショ
ンを実現することができる。
【００４３】以上のようなＬＥＤ素子の内部構造に関す
るモデリングを行った後にレンズステップの設計を行う
ことになるが、光軸回りに略回転対称性を有するＬＥＤ
素子の光度分布を配光規格に定められた配光パターンの
光度分布に適合させるには、レンズステップの形状設計
において基本的に非球面の光学設計技術が必要であり、
１つのＬＥＤ素子に対向するレンズステップの数が多い
ほど光量の無駄を少なくすることができる。
【００４４】図５は１つのＬＥＤ素子に対して９つで一
組みのレンズステップを設けた例を示すものである。
【００４５】レンズステップ１６はセグメント１６Ａ乃
至１６Ｉから構成されており、各セグメントの透過光は
その狙い方向がそれぞれ異なっている。
【００４６】図６はレンズステップ１６の遠方に配置さ
れたスクリーン上に映し出されるセグメント１６Ａ乃至
１６Ｉのそれぞれのパターン１７Ａ乃至１７Ｉを概略的
に示すものであり、Ｈ−Ｈ線が水平線を示し、Ｖ−Ｖ線
が鉛直線を示しており、両線の交点ＨＶはＬＥＤ素子の
光軸の延長線とスクリーン面との交点である。
【００４７】全体のパターンの中央にセグメント１６Ｅ
のパターン１７Ｅが位置し、その周囲にそれ以外のパタ
ーンが配置されている。
【００４８】これらセグメントについての形状設計の段
階では、上記のように内部構造がモデル化されたＬＥＤ
素子の照射光に関してセグメント毎の光線追跡がなさ
れ、それから配光シミュレーションが行われる。
【００４９】図７はレンズステップ１６の設計の手順を
示すものであり、そのソフトウェアはＣＡＤ（Ｃｏｍｐ
ｕｔｅｒ Ａｉｄｅｄ Ｄｅｓｉｇｎ）システムに組み
込まれている。
【００５０】最初のステップＳ１ではセグメントに関す
るパラメータ値を入力する。つまりセグメントの透過光
の狙い方向や拡散角を粗い精度でもって指定する。
【００５１】次ステップＳ２では、上記の設計要求を満
たすようにＣＡＤシステムによりセグメントの形状設計
を行う。
【００５２】そして、ステップＳ３で光線追跡を行い、
セグメントが予定した光学的作用を有するか否かを判断
し、修正を要するならばステップＳ１に戻る。
【００５３】ステップＳ４ではセグメントに関する光度
分布を評価し、修正を要する場合にはステップＳ１に戻
る。
【００５４】以上のステップＳ１乃至Ｓ４に至る手順は
全てのセグメントについて行われ、繰り返しの試行によ
り最初の粗い設計から詳細な設計へと進んでいく。
【００５５】そして、ステップＳ５ではレンズステップ
１６による配光パターンが配光規格に対して適切なもの
であるか否かを判断する。即ち、セグメントに係る等照
度曲線の総和を求めてその分布傾向を評価し、満足すべ
き結果が得られた場合には次ステップＳ６に進み、不満
足な結果が得られた場合にはステップＳ１に戻ってパラ
メータ値に修正を加える。
【００５６】ステップＳ６では全セグメントについてレ
ンズステップ面を結合してＣＡＭ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ
Ａｉｄｅｄ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）用データを
生成、加工装置に送出する。
【００５７】図８及び図９は以上の過程を経て設計され
たハイマウントストップランプの配光分布を示すもので
ある。尚、図８は配光パターンの鉛直線に沿う照射角度
を縦軸にとり（「ＵＰ」が上方、「ＤＷ」が下方を示
す。）、光度軸ＣＤを横軸にとって両者の関係を示して
おり、また、図９は配光パターンの水平線に沿う照射角
度を横軸にとり（「ＲＨ」が右方、「ＬＦ」が左を示
す。）、光度軸ＣＤを縦軸にとって両者の関係を示して
いる。これらの図において、実線で示すグラフ曲線が光
度分布特性を示し、１点鎖線で示すグラフ曲線が規格で
定められた特性を示している。
【００５８】グラフ曲線はいづれも水平線や鉛直線に近
接したところで平坦になっており、それから周辺部にい
くにつれて光度が大きく減衰していくという傾向をもっ
ている。よって、ＬＥＤ素子の光量を効率的に利用して
配光規格の光度分布に近い分布をもった配光パターンを
得ることができる。
【００５９】以上の光学設計方法をまとめると下記のよ
うになる。 （１）ＬＥＤ素子の内部構造についてチップ部１、チッ
プリフレクタ（凹部１０）、レンズ部１５の形状や特性
をモデル化することによって、ＬＥＤ素子の照射光をチ
ップ部１による直接光とチップリフレクタによる反射光
とに区分するとともに、モデル化に必要な未知定数を実
測によって予め規定する。その際、チップリフレクタに
よる反射光についてはその反射強度を反射方向に沿う指
向性反射成分の強度と完全拡散反射成分の強度との加算
式によってモデル化することにより高精度の配光予測を
行うことができる。 （２）レンズステップ１６の原形状をその透過光の狙い
方向や拡散角に基づいて粗い精度で決める。 （３）ＬＥＤ素子のチップ部１から発光する直接光やチ
ップリフレクタによる反射光がレンズ部や１５レンズス
テップ１６を透過する様子を光線追跡によりシミュレー
トし、その結果に応じてレンズステップ１６の形状に修
正を加える。 （４）配光分布を求めてこれが所望の分布になるか否か
について評価し、その結果に応じてレンズステップ１６
の形状に修正を加える。 （５）最終的に満足すべき配光分布が得られるまで
（３）、（４）の手順を繰り返す。
【００６０】
【発明の効果】以上に記載したところから明らかなよう
に、本発明によれば、発光素子の内部構造についてモデ
ル化を行って発光素子の照射光を直接光と反射光とに区
分し、これらの光についてレンズステップに係る光線追
跡や配光分布のシミュレーションを行い、その結果をレ
ンズステップの形状設計に反映させているので、詳細な
配光制御を行うことができ、発光素子の光量を効率的に
利用して所望の配光分布を得ることができる。
【００６１】よって、ＬＥＤ素子のように光軸回りに略
回転対称性を有する光度分布をもつ発光素子を使って回
転対称性を有しない配光分布を得ようとする場合でも発
光素子の光量を効率的に利用して所望の配光分布を得る
ことができ、また、灯具の開発に要する時間を短縮する
ことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＬＥＤ素子の構成の要部を示す概略図である。
【図２】チップ部のモデル化についての説明図である。
【図３】チップリフレクタのモデル式について説明する
ためのグラフ図である。
【図４】レンズ部の形状について説明するための図であ
る。
【図５】レンズステップの構成を示す斜視図である。
【図６】レンズステップを構成する各セグメントによる
照射パターンを概略的に示す図である。
【図７】レンズステップの設計の手順を示すフローチャ
ート図である。
【図８】本発明に係る光学設計方法を使って開発された
ハイマウントストップランプの配光分布を概略的に示す
図であり、鉛直線に沿う光度分布を示す。
【図９】本発明に係る光学設計方法を使って開発された
ハイマウントストップランプの配光分布を概略的に示す
図であり、水平線に沿う光度分布を示す。
【図１０】ハイマウントストップランプの構成例を概略
的に示す縦断面図である。
【図１１】（ａ）はＬＥＤ素子の構成例を概略的に示す
斜視図であり、（ｂ）はＬＥＤ素子の光度分布を概略的
に示す図である。
【図１２】従来の光学設計方法によって作られたハイマ
ウントストップランプの配光について鉛直線に沿う光度
分布を示す図である。。
【図１３】従来の光学設計方法によって作られたハイマ
ウントストップランプの配光について水平線に沿う光度
分布を示す図である。。
【符号の説明】
１ チップ部 １０ 凹部（反射部） １５ レンズ部 １６ レンズステップ

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 発光素子とその前方に配置されるレンズ
    ステップとを有する灯具について発光素子から出てレン
    ズステップを透過する光の配光シミュレーション結果を
    レンズステップの形状設計にフィードバックするように
    した発光素子を使った灯具の光学的設計方法であって、
    （イ）先ず、発光素子の内部構造についてチップ部及び
    ／又はチップ部の周囲に設けられる反射部及び／又はチ
    ップ部を保護するレンズ部の形状や特性をモデル化する
    ことによって、発光素子の照射光をチップ部による直接
    光とチップ部の周囲に設けられる反射部による反射光と
    に区分するとともに、モデル化に必要な未知定数を実測
    によって予め規定しておき、（ロ）レンズステップの原
    形状をその透過光の狙い方向や拡散角に基づいて決め、
    （ハ）発光素子の内部から発光してそのレンズ部、そし
    てレンズステップを通した光の光線追跡を行ってその結
    果に応じてレンズステップの形状に修正を施した後、
    （ニ）配光分布を求めてこれが所望の分布になるか否か
    について評価し、その結果に応じてレンズステップの形
    状に修正を施し、（ホ）所望の配光分布が得られるまで
    （ハ）、（ニ）の手順を繰り返す、ことを特徴とする発
    光素子を使った灯具の光学設計方法。
  2. 【請求項２】 請求項１の発光素子を使った灯具の光学
    設計方法において、手順（イ）の反射光についてはその
    反射強度を反射方向に沿う指向性反射成分の強度と完全
    拡散成分の強度との加算式によってモデル化するように
    したことを特徴とする発光素子を使った灯具の光学設計
    方法。
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