KR20110020191A

KR20110020191A - Ｌｅｄ 조명장치

Info

Publication number: KR20110020191A
Application number: KR1020100080071A
Authority: KR
Inventors: 아키 히라모토; 히로유키 가노
Original assignee: 스탄레 덴끼 가부시키가이샤
Priority date: 2009-08-21
Filing date: 2010-08-19
Publication date: 2011-03-02
Also published as: JP2011044610A; EP2287932A2; JP5264650B2; EP2287932B1; EP2287932A3

Abstract

본 발명은 형광체층의 색이 주위로부터 시인되기 어렵고, 또한, LED로부터의 발광의 배광 제어도 달성할 수 있는 조명장치를 제공하는 것을 과제로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해 본 발명의 LED 조명장치는, 기판(1) 상에 탑재된 LED(2)와, LED(2) 상에 배치된 형광체 함유층(3)과, LED(2)와 소정의 공극을 사이에 두고 대향배치된 투명체(5)를 구비하고, 투명체(5)의 LED(2)와 대향하는 면의 소정영역에는, 복수의 볼록조(凸條)를 평행하게 늘어놓은 프리즘(6)이 배치되어 있으며, 볼록조는 적어도 투명체(5)의 상방으로부터 기판의 법선방향을 따라 투명체에 입사하는 외광을 투명체의 상방으로 반사하는 구조인 것을 특징으로 한다. 이것에 의해, 외광이 프리즘에서 반사되기 때문에, 비발광시에 형광체의 색이 외부로부터 시인되는 것을 억제한다. 또한, 프리즘(6)은, LED(2)의 발광의 배광을 제어하기 때문에, 이를 이용하여 스트로보장치로서의 배광을 제어할 수 있다.

Description

ＬＥＤ 조명장치{LED lighting apparatus}

본 발명은 발광소자(LED)를 광원으로 하고, 형광체층에서 색변환을 행하는 조명장치에 관한 것으로, 특히, 스트로보의 용도에 적합한 조명장치에 관한 것이다.

휴대전화에는, 카메라기능용 소형 스트로보로서 LED를 광원으로 한 발광장치가 탑재되어 있는 것이 있다(특허문헌 1 참조). 특허문헌 1에 기재된 발광장치는, 청색광을 발하는 LED와, 청색광에 의해 여기되어 황색의 형광을 발하는 형광체층을 구비하여, 청색광과 황색 형광이 혼합된 백색광을 피사체를 향해 조사한다. 이 형광체층은 외광에 의해서도 여기되어 황색으로 발광하기 때문에, 발광장치를 점등시키지 않은 상태에서, 발광장치가 주위의 빛에 의해 황색으로 보여, 미관이 좋지 않다. 그 때문에, 특허문헌 1에서는, 형광체층 위에, 광확산재를 분산시킨 수지층을 배치하는 것을 제안하고 있다.

일본국 특허공개 제2009-16779호 공보

특허문헌 1에 기재된 기술과 같이, 광확산재를 분산한 수지층을 형광체층 위에 배치하면, 외광이 광확산재에서 난반사되어 흰 빛을 띠게 보이기 때문에, 형광체층의 황색이 시인(視認)되기 어려워진다. 그러나, 광확산재의 층은, LED로부터의 발광 및 형광체층으로부터의 형광을 확산하여, 투과율을 저하시키는 작용을 갖기 때문에, 스트로보에 필요한 배광(配光) 및 밝기를 얻기 어렵다는 문제가 있다.

본 발명의 목적은, 형광체층의 색이 주위로부터 시인되기 어렵고, 또한, LED로부터 필요한 배광 및 밝기의 빛을 얻을 수 있는 조명장치를 제공하는 것에 있다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에서는, 이하와 같은 조명장치를 제공한다. 즉, 기판과, 기판 상에 탑재된 LED와, LED 상에 배치된 형광체 함유층과, LED와 소정의 공극을 사이에 두고 대향배치된 투명체를 갖고, 투명체의 LED와 대향하는 면의 소정영역에는, 복수의 볼록조(凸條)를 평행하게 늘어놓은 프리즘이 배치되어 있다. 볼록조는, 적어도 투명체의 상방으로부터 기판의 법선방향을 따라 투명체에 입사하는 외광을 투명체의 상방으로 반사하는 구조이다. 볼록조를 늘어놓은 프리즘은, 외광을 반사하기 때문에, 비발광시에 형광체의 색이 외부로부터 시인되는 것을 억제한다. 또한, 프리즘은, LED의 발광의 배광을 제어하기 때문에, 이를 이용하여 스트로보장치로서의 배광을 제어할 수 있다.

투명체의 프리즘이 형성되어 있는 영역은, 형광체 함유층 전체와 겹쳐 있는 것이 바람직하다.

LED의 주위에는, 예를 들면, 소정의 개구를 갖는 리플렉터를 배치한다. 투명체는 리플렉터의 개구를 덮듯이 배치되어 있는 것이 바람직하다.

리플렉터의 개구가 긴 방향(長手方向)과 짧은 방향(短手方向)을 갖는 형상인 경우, 프리즘의 볼록조의 긴 방향은, 개구의 짧은 방향에 평행한 것이 바람직하다.

리플렉터의 개구 내측의 투명체에는, 프리즘이 형성되어 있는 영역의 주위에, 프리즘이 형성되어 있지 않은 영역이 존재하는 것이 바람직하다.

리플렉터의 선단은 투명체의 프리즘보다도 LED로부터 떨어진 위치에 있는 구성으로 하는 것이 가능하다.

그 경우, 투명체는 리플렉터의 선단과 프리즘 사이의 영역에 경사면을 구비하는 구성으로 할 수 있다.

복수의 볼록조는, 단면이 삼각형이고, 선단의 꼭지각(頂角)의 크기는 복수 종류에 상이한 것이 바람직하다.

복수의 볼록조는, 단면이 삼각형이고, 볼록조 중 적어도 일부는, 선단의 꼭지각이 상기 기판의 법선에 대해 좌우 비대칭인 구성으로 하는 것도 가능하다.

투명체의 상면에는, 굴절타입의 프레넬렌즈를 구비하는 것이 가능하다.

투명체의 LED와 대향하는 면에는, 프리즘이 형성되어 있는 영역의 주위에 반사타입의 프레넬렌즈를 구비하는 것도 가능하다.

본 발명의 조명장치는, 볼록조를 늘어놓은 프리즘에 의해 외광이 반사되기 때문에, LED 비발광시에 형광체의 색이 외부로부터 시인되는 것을 억제할 수 있다. 또한, 프리즘은 LED의 발광을 스트로보장치에서 요구되는 바와 같은 배광(균일면조사, 촬상범위에 맞춘 횡장배광)으로 하는데 유효하게 작용한다. 따라서, 형광체층의 색이 주위로부터 시인되고 어렵고, 또한, LED로부터의 발광의 배광 제어도 달성할 수 있는 스트로보용 조명장치를 제공할 수 있다.

도 1(a)는 실시형태 1의 LED 조명장치의 상면도이고, 도 1(b)는 실시형태 1의 LED 조명장치에서 스트로보 조명되는 촬상영역의 형상을 나타내는 설명도이다.
도 2는 실시형태 1의 LED 조명장치의 단면도이다.
도 3(a)는 실시형태 1의 LED 조명장치의 프리즘의 형상을 나타내는 단면도이고, 도 3(b) 및 (c)는 실시형태 2의 LED 조명장치의 곡면 또는 평면을 설치한 프리즘의 형상을 나타내는 단면도이다.
도 4는 실시형태 1의 프리즘 꼭지각(θ), 시야각(ø) 및 광선의 반사를 나타내는 설명도이다.
도 5(a), (b) 및 (c)는 실시형태 1의 LED 조명장치의 프리즘(6)의 꼭지각(θ)이 100°, 90°, 80°인 경우의 프리즘(6)의 배광 특성을 나타내는 구면 촬영도이다.
도 6은 실시형태 1의 LED 조명장치에서 얻어지는 배광 특성을 나타내는 (a) 구면 촬영도, (b) 면조사 광량 분포도이다.
도 7은 실시형태 2의 LED 조명장치의 단면도이다.
도 8은 실시형태 3의 굴절타입의 프레넬렌즈를 구비한 LED 조명장치의 단면도이다.
도 9는 실시형태 3의 반사타입의 프레넬렌즈를 구비한 LED 조명장치의 단면도이다.
도 10은 실시형태 4의 LED 조명장치의 단면도이다.

본 발명의 일실시형태의 LED 조명장치에 대해서 도면을 사용해서 설명한다.

본 실시형태의 조명장치는 LED를 사용하고 있기 때문에, 소형의 스트로보 발광장치로서 적합하고, 특히 휴대전화나 컴팩트 카메라용 스트로보로서 사용한 경우, 외부로부터 형광체 수지층의 색이 시인되기 어려워 미관도 우수하면서, 배광 특성도 우수하기 때문에 매우 적합하다.

(실시형태 1)

실시형태 1의 조명장치의 구성을, 도 1(a)에 나타낸 상면도, 도 2에 나타낸 A-A' 단면도를 사용해서 설명한다. 조명장치는, 기판(1)과, 기판(1)에 실장(mounting)된 LED(2)와, LED(2)를 덮는 형광체 수지층(3)과, 기판(1)에 탑재된 리플렉터(4)와, 렌즈(5)를 구비하고 있다.

LED(2)는, 예를 들면, 청색광 또는 자외광을 출사하는 것을 사용한다. 형광체 수지층(3)은, 형광체를 분산한 투명한 수지에 의해 구성되어 있다. 형광체로서는, 청색광 또는 자외광을 여기광으로 하여, 청, 녹, 등(橙), 적색의 형광을 발하는 것을 단품 또는 혼합해서 사용한다. 이들 형광체는, 비발광시의 외관색이 황색 또는 등색을 나타낸다. 본 실시형태에서는 후술하는 프리즘(6)의 작용에 의해, 비발광시에 형광체의 색이 외부로부터 보이기 어렵다.

리플렉터(4)는, 직사각형의 개구(7)를 갖고, 그 내벽멱은 소정의 열림각(α)으로 경사져 있다. LED(2)는 리플렉터(4)의 개구(7)의 중앙에 배치되어 있다. 형광체 수지층(3)은 리플렉터(4)의 기판(1)에 접하는 측의 개구를 충전하듯이 배치되어 있다.

렌즈(5)는, 리플렉터(4)의 상부 개구(7)를 덮듯이 탑재되어 있다. 렌즈(5)의 형광체 수지층(3)과 대향하는 측의 면은, 소정의 영역에 프리즘(6)이 형성되어 있다. 프리즘(6)이 형성되어 있는 영역의 범위는, 형광체 수지층(3)의 형상 및 크기와 거의 동일하여, 형광체 수지층(3)을 덮고 있다. 프리즘(6)의 형성영역 주위의 프리즘(6)이 형성되어 있지 않은 영역은, 기판(1)의 주평면과 평행하다. 렌즈(5)의 상면(외부측 면)은, 탑재되는 휴대전화나 컴팩트 카메라 등의 상자체의 개구 등의 형상에 대응한 볼록형상을 가지고 있다. 렌즈(5) 상면의 적어도 형광체 수지층(3)과 대향하는 영역은, 기판(1)의 주평면과 평행하다. 렌즈(5)와 형광체 수지층(3) 사이에는 공기층(11)이 개재한다.

프리즘(6)은, 도 3(a)에 나타내는 바와 같이 단면이 삼각형인 볼록조를, 도 1(a)와 같이 복수 개 평행하게 늘어놓은 구조이고, 볼록조의 긴 방향은, 리플렉터(4)의 직사각형의 개구의 짧은 방향에 일치하고 있다. 즉, 리플렉터(4)의 직사각형의 개구(7)의 형상은, 도 1(b)에 나타낸 바와 같이, 그 긴 방향이, 카메라의 촬상화면(촬상영역)의 긴 방향과 일치하고 있기 때문에, 프리즘(6)의 볼록조의 긴 방향은, 촬상화면의 짧은 방향과 일치하도록 향하여 있다.

프리즘(6)의 꼭지각(θ)은, 볼록조의 긴 방향의 직교하는 방향(개구(7)의 긴 방향)에 있어서, 도 4에 나타내는 바와 같이, 정면시(기판(1)의 주평면의 법선방향) 및 정면시로부터 소정의 시야각범위(-ø~+ø)에서, 외부로부터 렌즈(5)를 통해 프리즘(6)에 입사한 빛을, 프리즘(6)의 2개의 사면에서 전반사하여 재차 외부로 출사하도록 정해져 있다. 즉, 외부로부터 렌즈(5)에 입사하고, 소정의 시야각에서 프리즘(6)에 입사한 빛을 재귀반사(렌즈(5)의 상방으로 반사)한다. 또한, 본원에 있어서 재귀반사란, 반사광이 완전히 입사방향으로 반사되는 것 뿐 아니라, 렌즈(5)의 상방으로 반사되는 것이라면, 입사방향으로부터 조금 벗어난 방향으로 반사되는 것을 포함한다. 이것에 의해, 외부로부터 렌즈(5)에 입사한 빛이 전반사되어, 형광체 수지층(3)에 도달하지 않기 때문에, 형광체 자신의 색(형광체에 의한 외광의 반사광)이 외부로부터 보이지 않는 효과(차폐효과)가 얻어진다. 이 프리즘(6)의 작용은, 프리즘(6)의 볼록조의 긴 방향에 직교하는 방향으로 입사하는 빛의 성분에 대해서 발생한다. 볼록조의 긴 방향에 평행한 방향으로 입사하는 빛의 성분에 대해서는, 프리즘(6)은 프리즘효과를 가지고 있지 않기 때문에 차폐효과는 발생하지 않는다.

프리즘(6)의 꼭지각(θ)은, 렌즈(5)를 구성하는 재료의 굴절률(n)과, 차폐를 바라는 시야각범위(-ø~+ø)에 따라 설계되어 있다. 프리즘(6)은, 적어도 정면시(ø=0)에 있어서 차폐효과를 갖는 것이 바람직하다.

또한, 꼭지각(θ)은, 반드시 기판의 법선방향에 대해 대칭인 형상이 아니어도 되고, 비대칭이어도 된다. 즉, 도 4에 나타내는 바와 같이 꼭지각(θ) 중 법선을 사이에 둔 각도를 θ1, θ2로 한 경우(θ=θ1+θ2), θ1과 θ2가 동일하지 않아도 된다.

소정의 시야각(-ø~+ø)에서 재귀반사를 달성하는 프리즘(6)의 꼭지각(θ)은, 하기 식(1)~(4)에 의해 결정할 수 있다.

특히, 꼭지각(θ)이 좌우 대칭(θ1=θ2)이고, 정면시(ø=0)에 있어서 차폐효과를 발생하는 꼭지각(θ)은, 하기 식(5), (6)에 의해 구해진다.

상기 식(1)~(6)은, 도 4에 나타낸 광선 추적도로부터 기하학적으로 산출된다. 예를 들면, 식(5)는, 꼭지각(θ)이 좌우 대칭(θ1=θ2)이고, 정면시(ø=0)인 경우에, 프리즘(6)에 입사한 광선이, 프리즘(6)의 한쪽 반사면에서 전반사되기 위한 조건식이고, 식(6)은, 한쪽 반사면에서 전반사된 광선이 다른 한쪽의 반사면에서 전반사되기 위한 조건식이 된다. 식(5), (6) 쌍방의 식을 충족시킬 때, 입사한 빛은 렌즈(5)에 입사해 온 방향으로 반사된다. 이것에 의해, 형광체 수지층(3)에 외광을 도달시키지 않는다는 차폐효과를 얻을 수 있다.

한편, LED(2)로부터 발하여진 빛은, 프리즘(6)을 통과함으로써, 개구(7)의 긴 방향, 즉 촬상화면의 긴 방향에 대해서, 배광이 이극화(二極化)된다. 꼭지각(θ)이 100°, 90°, 80°(θ=θ1+θ2, θ1=θ2)인 경우, LED(2)로부터 출사되어, 프리즘(6)을 통과한 빛의 배광 특성을 도 5(a), (b), (c)의 구면 촬영도에 나타낸다. 도 5(a), (b), (c)로부터 명확한 바와 같이, 프리즘(6)의 꼭지각(θ)이 클수록 분산각(이극화된 배광의 열림각)이 작은 것을 알 수 있다. 따라서, 촬상화면의 짧은 방향에 대한 긴 방향의 비의 값에 따라 프리즘(6)의 꼭지각(θ)을 설정함으로써 분산각을 제어할 수 있어, 촬상화면 전체에 빛을 조사할 수 있다. 구체적으로는, 프리즘(6)의 꼭지각(θ)을 작게 설정함으로써, 커다란 분산각으로 되어, 짧은 방향에 대한 긴 방향의 비가 큰 촬상화면 전체에 분산시켜서 빛을 조사하는 것이 가능하다.

이상의 사실로부터, 프리즘(6)의 꼭지각(θ)은, 외부로부터 소정의 시야각(-ø~+ø)에서 렌즈(5)에 입사하는 외광의 재귀반사를 달성하는 각도로서, 또한, LED(2)로부터 발하여지는 빛을 소정의 촬상화면 전체에 분산시킬 수 있는 각도로 설정하는 것이 바람직하다.

리플렉터(4)는, LED(2)로부터 발하여진 빛을 정면방향으로 입상(立上)하여, 렌즈(5)의 프리즘(6) 형성범위의 주위의 영역으로부터 외부를 향해 출사하는 작용을 한다. 이것에 의해, 프리즘(6)에 의해 이극화된 배광 특성에, 리플렉터(4)에 의한 정면방향으로 입상된 빛의 배광 특성이 중첩되어, 도 6(a)에 나타낸 구면 촬영도와 같은 배광 특성이 얻어진다. 즉, LED(2)로부터 출사되어 프리즘(6)을 통과하는 빛은, 도 5(a)~(c)와 같이 정면방향으로 배광되는 광강도가 제로에 가까우나, 리플렉터(4)에 의해 정면방향으로 입상되는 빛이 가해짐으로써, 도 6(a)와 같이 정면방향으로 배광되는 광강도가 커져, 프리즘(6)에 의해 이극화된 배광 특성의 정면방향으로의 배광을 리플렉터(4)에 의해 보충할 수 있다. 또한, 리플렉터(4)의 열림각(α)은, 목적하는 배광을 실현하기 위해 필요한 입상각도에 맞추어 설정한다. 예를 들면, 열림각(α)은 20°~40°로 설정한다.

따라서, 도 6(a)와 같은 배광 특성의 조명장치의 빛이 조명된 면의 광량분포는, 도 6(b)에 나타내는 바와 같이, 개구(7)의 긴 방향(촬상화면의 긴 방향)의 넓은 범위에 걸쳐 균일해진다. 비교로서, 프리즘(6)을 사용하지 않고, 프레넬렌즈 등을 사용하여 배광 제어한 경우의 LED(2)의 구면 촬영의 배광 특성을, 도 6(a)에 나타내었다. 정면방향의 배광이 가장 큰 것을 알 수 있다. 이 비교예의 LED(2)의 빛을 조사한 면의 광량분포는, 도 6(b)에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태의 프리즘(6)과 리플렉터(4)를 구비한 조명장치보다도, 광량분포가 한결같아지는 범위가 좁다. 이 사실로부터 본 실시형태의 조명장치는, 촬상범위의 광범위에서 한결같은 광량분포를 얻을 수 있기 때문에, 짧은 방향에 대한 긴 방향의 비가 큰 촬상영역에 한결같은 빛을 조사할 수 있는 것이 명확하다.

또한, 본 실시형태에서는, 프리즘(6)은 볼록조이고, 볼록조의 긴 방향에 직교하는 방향(리플렉터(4)의 개구(7)의 장변방향)에만 프리즘형상을 가지며, 볼록조의 긴 방향은 프리즘형상이 아니다. 이 때문에, LED(2)로부터의 빛은, 개구(7)의 장변방향에 대해서는 배광이 이극화되나, 단변방향으로는 이극화되지 않기 때문에, 두방향으로 프리즘형상을 갖는 프리즘(예를 들면 피라미드형상)과 비교하여, 프리즘(6)은 LED(2)로부터의 빛의 축상(軸上)방향(정면방향)으로의 빛의 취출 효율이 높다는 장점이 있다.

동시에, 외부로부터의 빛이 형광체 수지층(3)으로 도달하는 것을 차폐하는 효과는, 프리즘(6)의 볼록조의 긴 방향으로는 얻어지지 않고, 긴 방향에 직교하는 방향으로만 차폐효과가 발휘되나, 긴 방향에 직교하는 방향으로 차폐효과가 있기 때문에, 형광체에 도달하는 외부로부터의 광량은 대폭 저감된다. 이 때문에, 외부로부터 형광체 수지층(3)의 형광체의 외관색이 보이는 현상을 대폭 완화할 수 있다.

LED(2)의 발광한 빛의 외부로의 취출 효율과, LED(2) 비발광시의 형광체의 색이 외부로부터 보이는 현상을 억제하는 효과의 양립을 생각하면, 일방향으로만 프리즘형상을 갖는 볼록조형 프리즘(6)으로 하는 것이 바람직하다.

프리즘(6)의 볼록조의 간격(프리즘 폭, 도 3(a) 참조)은, 100 ㎛ 이하인 경우, 인간의 눈의 분해능의 한계 이하가 된다. 따라서, 볼록조를 육안으로 인식할 수 없기 때문에 미관이 향상되어 바람직하다.

구체적으로는, 렌즈(5)의 재질로서는, 일반적으로 사용되는 투명한 수지, 실리콘, 에폭시, 아크릴(n=1.48), 폴리카보네이트(n=1.58) 등을 사용할 수 있다. 이때, θ1=θ2=45°로 하면, 상기 중 어느 렌즈 재질에 있어서도, 정면시(ø=0)에서 외광을 재귀반사하기 때문에 차폐효과가 있다. 또한 상기 렌즈재질에 있어서, θ1=θ2인 경우의, θ와 ø를 변화시켜서, 차폐효과의 유무를 확인한 바, θ1=θ2=45°인 경우가, 차폐효과가 발휘되는 시야각도(ø)의 범위가 가장 넓은 것을 알 수 있었다. 외광을 차폐하고, 형광체의 색의 시인을 억제하는 것만을 생각하는 경우에는, 이 각도의 프리즘을 연속해서 렌즈에 구비하는 것은, 차폐 측면에서는 유리하다. 그러나, 전술한 바와 같이, 외광의 차폐효과에 더하여, LED(2)로부터 출사되는 빛의 분산에 대해서도 고려하면 이하와 같이 된다.

즉, 예를 들면, 렌즈(5)의 재질로서 굴절률 n=1.58의 폴리카보네이트를 사용하는 경우, 프리즘(6)의 볼록조의 꼭지각 θ=θ1+θ2는,

로 설정하는 것이 바람직하다. 프리즘(6)의 꼭지각(θ)의 값은, 1종류여도 되나, 복수 종류의 상이한 복수의 볼록조로 구성되어 있는 경우에는, 도 5(a)~(c)에 나타낸 분산각(이극화된 배광의 열림각)이 복수 종류 생기기 때문에, LED(2)로부터 출사되어 프리즘(6)에서 이극화되는 배광의 균일성이 높아지기 때문에 바람직하다. 이 경우, 동시에, 외부로부터 렌즈(5)에 입사하고, 프리즘(6)에서 재귀반사되는 시야각이 복수 종류 생기기 때문에, 시야각을 넓히는 효과도 얻어진다. 마찬가지로, θ1≠θ2이고, 또한, 각각 복수 종류의 값인 경우에도, LED(2)로부터 출사되어 프리즘(6)에서 이극화되는 빛의 배광의 균일성이 높아져, 외부로부터 렌즈(5)에 입사한 빛이 차폐되는 시야각을 넓히는 효과가 얻어지기 때문에 바람직하다.

또한, 차폐효과만을 생각하면, 개구(7)에 있어서의 프리즘(6)의 형성범위에 대해서는, 형성범위가 넓은 쪽이 그 효과는 높다. 그러나, LED(2)의 출사광으로부터 출사된 빛의 일부는, 전술한 바와 같이 리플렉터(4)에서 정면방향으로 입상되어, 프리즘(6)의 비형성영역으로부터 출사되고, 이를 프리즘(6)에서 이극화된 빛과 중첩함으로써, 도 6(a), (b)에 나타낸 균일한 배광 특성을 얻고 있다. 이 때문에, 필요로 되는 촬상영역의 크기와 균일성을 고려하여 프리즘(6)의 형성범위를 설정하는 것이 바람직하다. 여기에서는, 일례로서는, 전술한 바와 같이, 형광체 수지층(3)이 배치되어 있는 범위와 동등한 범위로 형성하고 있다.

리플렉터(4)는, 금속제, 또는 수지제의 호른형상의 리플렉터의 반사면에 은이나 알루미늄의 금속층을 갖는 것을 매우 적합하게 사용할 수 있다. 특히, 반사면의 광택도가 높은 경우에는, 정규반사성분이 많기 때문에 바람직하다. 예를 들면, 반사면의 광택도가 0.6 이상인 경우에는, 파장 600 nm의 빛의 정규반사성분이 10% 이상이 되기 때문에, 특히 바람직하다.

전술한 본 실시형태의 조명장치의 각 부의 동작에 대해서 정리하여 설명한다.

LED(2)로부터 출사된 청색광은, 그 일부가 형광체 수지층(3)의 형광체에 흡수되어, 형광(황색광 등)이 발하여진다. 청색광과 황색광이 혼합된 백색광은 렌즈(5)를 통과하여 출사된다. 이때, 렌즈(5)의 프리즘(6)이 형성된 범위를 통과하는 백색광은, 촬상영역의 장변방향에 대해서 프리즘에 의해 도 5(a)~(c)와 같이 이극화된다. 한편, 렌즈(5)의 프리즘(6)의 비형성범위를 직접 통과하는 백색광과, 리플렉터(4)에서 반사되어 프리즘(6)의 비형성범위에 입사하는 백색광은, 이극화되지 않고, 정면방향을 향해 출사된다. 이것에 의해, 프리즘(6)에서 이극화된 빛과 프리즘(6)을 통과하지 않고 정면방향을 향하는 빛이 중첩된다. 따라서, 찰상영역의 장변방향에 대해서, 도 6(a), (b)와 같은 넓은 범위에 걸쳐 균일한 배광 특성이 얻어진다.

촬상영역의 단변방향에 대해서는, 프리즘(6)은 프리즘작용을 가지고 있지 않기 때문에, 프리즘 형성범위에 상관없이, 정면방향으로 가장 광강도가 큰 배광 특성으로 출사된다. 출사된 빛 중 배광각이 큰 빛은, 리플렉터(4)에 의해 반사되고, 정면방향으로 입상되어 출사된다. 이것에 의해, 촬상영역의 단변방향에 대해서 균일한 배광 특성이 얻어진다. 따라서, 촬상영역의 장변방향 및 단변방향 어느쪽으로도 균일한 빛을 조사할 수 있다.

한편, LED(2) 비발광시의 조명장치는, 형광체 수지층(3)의 형광체의 외관색이 황색빛을 띠고 있으나, 외광은, 프리즘(6)에 의해 정면으로부터 소정의 시야범위에 있어서 재귀반사되기 때문에, 형광체에는 도달하지 않는다. 이 때문에, 렌즈(5)에 있어서의 프리즘(6)의 비형성영역이나, 프리즘(6)의 볼록조의 긴 방향으로부터는 형광체에 빛이 도달하더라도, 전체적으로는, 형광체에 도달하는 광량은 대폭 저감된다. 따라서, 외광에 의해 여기되어, 형광체가 발광하는 황색의 광량은 저감되기에, 형광체의 황색빛이 시인되는 것을 완화할 수 있다.

이와 같이, 본 실시형태의 조명장치는, 형광체 수지층의 황색빛이 시인되기 어려운 미관이 우수한, LED 조명장치를 제공할 수 있다. 또한, 조명장치로부터 발하여지는 빛은, 찰상범위의 장변방향에 대해서 광범위하게 균일하기 때문에, 단변에 대한 장변의 비가 1 이상인 촬상영역을 조명하는 장치, 예를 들면 스트로보장치로서 사용하기에 적합하다. 본 실시형태의 LED 조명장치는, 소형으로 미관이 우수하기 때문에, 휴대전화나 컴팩트 카메라의 스트로보로서 탑재하는데 매우 적합하다.

또한, 본 실시형태는, 일축방향으로만 프리즘형상을 갖는 볼록조의 프리즘(6)을 사용하고 있기 때문에, 프리즘(6)을 구비한 렌즈(5)를 금형을 사용한 사출성형으로 용이하게 제조할 수 있다.

본 실시형태에서는, 리플렉터(4)의 개구가 직사각형이고, 프리즘(6)의 볼록조의 긴 방향을 개구의 단변방향에 일치시켰으나, 리플렉터(4)의 개구의 형상은 직사각형에 한정되지 않고, 정사각형, 원형, 타원형, 긴 구멍형상이어도 된다. 타원형, 긴 구멍형상과 같은, 긴 방향과 짧은 방향이 있는 개구형상의 경우에는, 볼록조의 긴 방향은, 개구의 짧은 방향에 평행, 또는, 카메라의 촬상화면(촬상영역)의 짧은 방향에 평행하게 배치한다. 이것에 의해, 스트로보용 광원으로서 사용하면, 찰상영역의 장변방향 및 단변방향 어느 쪽으로도 균일한 빛을 조사할 수 있는 스트로보장치를 제공할 수 있다.

(실시형태 2)

전술한 실시형태 1에서는, 프리즘(6)으로서, 단면이 삼각형인 프리즘(볼록조)을 연속해서 배치하고 있으나(도 3(a) 참조), 실시형태 2에서는, 본 실시형태에서는, 정면방향으로 출사되는 광량을 증가시키기 위해, 프리즘(6)의 형상 및/또는 배치를 도 3(b) 또는 (c)와 같이 변경하고 있다.

구체적으로는, 도 3(b) 또는 (c)와 같이, 프리즘의 볼록조의 꼭지각부(산의 부분)(6a), 및 볼록조와 볼록조의 인접부(골짜기 부분)(6b)에 곡면부분 또는 평면부분을 각각 설치하고 있다. 다른 구조는, 실시형태 1의 도 1(a), 도 2와 동일하기 때문에 설명을 생략한다.

이와 같이, 곡면부분 또는 평면부분을 설치함으로써, 프리즘을 솎아내, 연속성을 완화하는 것과 동일한 작용이 얻어지기 때문에, LED(2)로부터 출사된 빛 중 정면방향으로 프리즘(6)을 통과하는 빛이 발생한다. 따라서, 도 6(a)의 구면 촬영도에 있어서, 정면방향(0°)의 배광하는 광강도를 증가시킬 수 있다.

또한, 도 3(b)에서는, 꼭지각부(6a)와 인접부(6b) 양쪽에 곡면부분을 설치하고 있으나, 한쪽에만 설치하는 것도 가능하다. 이 경우, 꼭지각부(6a)에 곡면형상을 설치하는 것이 바람직하다. 꼭지각부(6a)는, 입사광의 집광에 기여하기 때문에, 이 부분을 곡면형상으로 가공함으로써, 정면방향으로 배광하는 빛을 증가시키는 효과가 크기 때문이다.

또한, 도 3(c)의 구조에서는, 꼭지각부(6a)와 인접부(6b) 양쪽에 평면부분을 설치하고 있으나, 한쪽에만 설치하는 것도 가능하다. 예를 들면, 도 7과 같이, 인접부(6b)에만 평면부를 설치하는 구조로 할 수 있다.

(실시형태 3)

실시형태 3으로서, 실시형태 1의 조명장치의 리프렉터(4) 대신에, 프레넬렌즈를 배치한 조명장치에 대해서 도 8 및 도 9를 사용해서 설명한다.

도 8의 조명장치는, 리플렉터(4)를 구비하지 않고, 렌즈(5)의 외측 표면에 굴절타입의 프레넬렌즈(8)를 형성하고 있다. 다른 구성은, 실시형태 1의 조명장치와 동일하다. 굴절타입의 프레넬렌즈(8)에 의해, LED(2)로부터 출사되어 프리즘(6)에 의해 이극화된 빛의 일부 및, 프리즘(6)을 통과하지 않은 빛을 정면방향(축상방향)으로 입상할 수 있다.

도 9의 조명장치는, 리플렉터(4)를 구비하지 않고, 렌즈(5)의 프리즘(6) 형성범위의 주위에 반사타입의 프레넬렌즈(9)를 배치하고 있다. 예를 들면, 프레넬렌즈(9)의 꼭지각은 20°~40°정도로 설정하는 것이 바람직하다. 다른 구성은, 실시형태 1의 조명장치와 동일하다.

반사타입의 프레넬렌즈(9)는, LED(2)로부터 출사되어, 프리즘(6)에 입사하지 않는 빛을 정면방향(축상방향)으로 입상할 수 있다. 반사타입의 프레넬렌즈(9)는, 렌즈(5)의 법선방향에 평행한 면과, 경사지는 면의, 2면으로 구성되어 있다.

굴절타입의 프레넬렌즈도, 렌즈(5)의 법선방향에 평행한 면과, 경사지는 면의, 2면으로 구성되어 있다. 굴절타입에서는, 경사면만을 이용하여, 경사면에 입사한 빛을 굴절시킴으로써, 빛을 정면방향으로 입상한다. 이에 대해, 반사타입의 프레넬렌즈는, 법선방향에 평행한 면에서 빛을 굴절하고, 경사지는 면에서 빛을 전반사함으로써, 빛을 정면방향으로 입상한다.

굴절타입의 프레넬렌즈는, 프리즘(6)의 주위에 배치하면, LED(2)로부터의 빛의 입사각도(프레넬렌즈의 경사면의 법선방향과, LED로부터의 입사광이 이루는 각도)가 크나, 반사타입에서는, 법선방향에 평행한 면에 대한 LED(2)로부터의 빛의 입사각도가 작다. 이 때문에, 빛이 정면방향으로 입상될 때, 굴절에 의한 빛의 감쇠는, 굴절타입의 프레넬렌즈보다도 반사타입의 프레넬렌즈 쪽이 작다는 장점이 있다. 단, 반사타입의 프레넬렌즈는, 법선방향에 평행한 면에 있어서의 빛의 굴절만으로는, 빛은 정면방향으로 입상되지 않기 때문에, 경사면으로의 전반사와 조합함으로써, 빛의 감쇠를 억제하여, 빛을 정면방향으로 입상하고 있다.

(실시형태 4)

실시형태 4의 조명장치를 도 10을 사용해서 설명한다.

도 10과 같이 실시형태 4의 조명장치는, 리플렉터(40)와 렌즈(50)의 구성이, 실시형태 1의 조명장치와는 상이하다.

본 실시형태 4에서는, 리플렉터(40)의 선단이, 프리즘(6)보다도 높은(LED(2)로부터 떨어진) 위치에 있다. 이 때문에, 렌즈(50)의 LED(2)측 표면에는, 프리즘(6)의 주위에, 프리즘(6)과 리플렉터(40)의 선단을 연결하는 테이퍼부(10)가 형성되어 있다.

이와 같이 프리즘(6)보다도 높은 위치까지 리플렉터(40)를 형성한 것으로 인해, 프리즘(6)에 의해 이극화된 빛의 일부는, 렌즈(50)를 통과하여 리플렉터(40) 상부(41)에 도달하고, 리플렉터 상부(41)에 의해 반사된다. 이것에 의해, 이극화된 빛의 일부를 정면방향(축상방향)으로 입상할 수 있다.

또한, 프리즘(6)에 의해 이극화된 빛의 일부는, 테이퍼부(10)에 의해 반사되어, 정면방향으로 입상된다.

리플렉터(40)의 하부(42)는, 실시형태 1과 동일하게, LED(2)로부터 출사되어, 프리즘(6)에는 입사하지 않고, 리플렉터(40)의 하부에 도달하는 빛을 정면방향으로 입상한다.

이와 같이, 도 10의 조명장치는, 리플렉터(40)의 하부(42)에 LED(2)로부터 직접 입사한 빛 뿐 아니라, 프리즘(6)에 의해 이극화된 빛의 일부를 리플렉터(40)의 상부(41) 및 테이퍼부(10)에 의해 정면방향으로 입상하는 효과가 얻어진다. 이 때문에, 리플렉터(40)의 높이가 작더라도 커다란 입상효과가 얻어져, 리플렉터(40)의 높이를 작게 박형화할 수 있다. 따라서, 박형의 조명장치이면서, 촬상영역에 균일한 빛을 조사할 수 있다.

또한, 프리즘(6)이 배치되어 있는 것으로 인해, 실시형태 1과 동일하게, 형광체 수지층(3)의 황색빛이 외부로부터 시인되기 어려운 미관이 우수한 조명장치를 제공할 수 있다.

또한, 본 실시형태 4에서는, 렌즈(50)에 테이퍼부(10)를 설치하여, 테이퍼부(10)에 의한 반사작용을 이용하고 있으나, 리플렉터(40)의 상부(41) 및 하부(42)만으로 충분한 입상효과가 얻어지는 경우에는, 테이퍼부(10)는 반드시 설치하지 않아도 된다. 예를 들면, 테이퍼부(10) 대신에, 기판(1)의 주평면에 평행한 면과 수직인 렌즈면을 조합한 계단형상의 면을 배치하여, 리플렉터(40)의 선단과 프리즘(6)을 접속하는 구성으로 해도 된다.

또한, 도 10에서는, 형광체 수지층(3)을 LED(2) 위에 쌓아올린 구조를 도시하고 있으나, 본 실시형태는 이 구조에 한정되는 것은 아니고, 실시형태 1의 도 2와 같이 평탄한 막형상이어도 된다. 도 10의 다른 구조는, 실시형태 1과 동일하기 때문에 설명을 생략한다.

전술한 각 실시형태와 같이, 본 발명의 조명장치는, 직사각형의 촬상영역의 전체에 균일한 빛을 조사할 수 있다. 프리즘(6)이 배치되어 있는 것으로 인해, 형광체 수지층(3)의 황색빛이 외부로부터 시인되기 어려운 미관이 우수한 조명장치를 제공할 수 있다. 특히, 렌즈(5)의 LED(2)측 면에, 프리즘(6)을 형성함으로써, 조명장치의 디자인성을 저해하지 않는 광반도체 조명장치로 되어 있다. 렌즈(5)의 프리즘(6)의 형상, 형성범위, 밀도를 조정함으로써, 차폐효과와 균일 배광성(특히 축상방향으로의 빛의 취출)을 조정하는 것이 가능한 광반도체 조명장치로 되어 있다. 프리즘(6)에 더하여, 리플렉터(4)를 부가함으로써, 차폐효과와 균일 배광을 겸비한, 광반도체 조명장치를 제공할 수 있다.

실시예

(실시예 1)

실시예 1로서, 실시형태 2의 도 7의 조명장치를 제조하였다.

기판(1)으로서, 유리 에폭시 기판, 세라믹 기판, 금속 기판, 프레임 인서트 사출성형품 등으로부터 목적하는 것을 준비하고, LED(2)를 실장하였다. LED(2)로서는, 발광 스펙트럼의 피크 파장이 380~500 nm인 것을 사용하였다. 실장방법은, 금속 필러가 든 도전성 접착제나, 절연타입의 투명 접착제를 사용한 접착, 또는 납땜 접합, 금범프 접합 등을 사용한다.

상기 기판(1)에, 리플렉터(4)를 첩합(貼合)하였다. 기판과 리플렉터의 첩합방법으로서는 접착 등을 들 수 있다. 리플렉터(4)에는, 정규반사성분이 많은, 금속 광택조의 것을 사용하였다. 구체적으로는, 파장 600 nm의 빛의 정규반사성분이 10% 이상을 나타내는, 광택도 0.6 이상의 것을 사용하였다. 여기에서는 반사면이 은도금되어 있는 것을 사용하였다. 리플렉터 각도는 20~40°, 리플렉터 높이는 1.5~2.0 ㎜로 하였다. 리플렉터 높이를 1.0 ㎜ 이상으로 하면, 광취출 효율이 높다.

다음으로, 형광체로서 황색 발광의 YAG를 준비하였다. 이것을 실리콘 수지에 분산시켰다.

이 리플렉터(4)의 개구를 이용하여, 형광체가 든 수지를, LED(2) 상면으로부터 0.1 ㎜~0.3 ㎜ 정도의 높이까지 주입한 후, 경화시켜서, 형광체 수지층(3)을 형성하였다.

다음으로 렌즈(5)를 준비한다. 렌즈(5)의 재질로서는, 차폐효과를 높이기 위해, 굴절률이 높고, 또한, 내열성이 높으며, 투명성이 우수하고, 비용이 낮은 재료로서, 폴리카보네이트를 사용하였다. 렌즈(5)의 LED(2)측 면에는, 형광체 수지층(3)과 동면적의 프리즘(6)을 형성하였다. 프리즘(6)의 형상은, 도 7과 같이 단면이 삼각형이고, 볼록조와 볼록조 사이(골짜기 부분)에 평평한 부분이 존재하는 형상으로 하였다. 프리즘 형성영역에 있어서의, 프리즘(6)의 점유면적(평평한 부분을 제외한 면적)은 50% 정도로 하였다. 또한, 프리즘(6)의 볼록조의 꼭지각의 선단에만, R=5~50 ㎛의 곡면을 설치하였다. 프리즘(6)의 꼭지각(θ)은 90°와 100°인 것을 혼재시켰다. 프리즘(6)의 깊이는 30 ㎛이고, 폭은 100 ㎛ 이하로 하였다. 렌즈(5)는 접착제 등으로 리플렉터(4)와 접착하였다.

본 실시예의 조명장치는, 외관으로부터는 형광체 수지층(3)의 황색을 인식할 수 없었다. 또한, 지향 특성은, 도 1(b)와 같은 X(긴 방향)=±30°, Y(짧은 방향)=±20°의 비의 촬상영역을 조명하는 스트로보광으로서 최적의 배광이었다. 광학 특성에 있어서도, 하기 식(7)에 의해 정의되는 광취출 효율이 2 이상으로 양호하였다.

A: 리플렉터+렌즈+형광체+LED일 때의, 축상(정면방향)강도

B: 형광체+LED일 때의, 축상(정면방향)강도

또한, 형광체는 YAG 형광체에 한정되지 않고, MAlSiN₃:Eu로 표시되는 형광체(단, M은 Mg, Ca, Sr, Ba, Zn 중에서 선택되는 1 이상의 원소), (Ba, Sr, Ca)₂SiO₄:Eu로 표시되는 오르토실리케이트계 형광체, 사이알론 형광체 등을 사용해도, 본 발명의 효과를 얻는 것이 가능하다.

1…기판, 2…LED, 3…형광체 수지층, 4…리플렉터, 5…렌즈, 6…프리즘, 7…개구, 8…굴절타입의 프레넬렌즈, 9…반사타입의 프레넬렌즈, 10…테이퍼부, 11…공기층.

Claims

기판과, 그 기판 상에 탑재된 LED와, 상기 LED 상에 배치된 형광체 함유층과, 상기 LED와 소정의 공극을 사이에 두고 대향배치된 투명체를 갖고,
상기 투명체의 상기 LED와 대향하는 면의 소정영역에는, 복수의 볼록조(凸條)를 평행하게 늘어놓은 프리즘이 배치되고, 상기 볼록조는, 적어도 상기 투명체의 상방으로부터 상기 기판의 법선방향을 따라 상기 투명체에 입사하는 외광을 당해 투명체의 상방으로 반사하는 구조인 것을 특징으로 하는 LED 조명장치.
제1항에 있어서,
상기 투명체의 프리즘이 형성되어 있는 영역은 상기 형광체 함유층 전체와 겹쳐 있는 것을 특징으로 하는 LED 조명장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 LED 주위에는 소정의 개구를 갖는 리플렉터가 배치되고, 상기 투명체는 상기 리플렉터의 개구를 덮듯이 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 LED 조명장치.
제3항에 있어서,
상기 리플렉터의 개구는 긴 방향과 짧은 방향을 갖는 형상이고, 상기 프리즘의 볼록조의 긴 방향은 상기 개구의 짧은 방향에 평행한 것을 특징으로 하는 LED 조명장치.
제3항 또는 제4항에 있어서,
상기 개구 내측의 상기 투명체에는, 상기 프리즘이 형성되어 있는 영역의 주위에, 프리즘이 형성되어 있지 않은 영역이 존재하는 것을 특징으로 하는 LED 조명장치.
제5항에 있어서,
상기 리플렉터의 선단은 상기 투명체의 프리즘보다도 LED로부터 떨어진 위치에 있는 것을 특징으로 하는 LED 조명장치.
제6항에 있어서,
상기 투명체는 상기 리플렉터의 선단과 프리즘 사이의 영역에 경사면을 갖는 것을 특징으로 하는 LED 조명장치.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 복수의 볼록조는, 단면이 삼각형이고, 선단의 꼭지각(頂角)의 크기는 동일 또는 복수 종류에 상이한 것을 특징으로 하는 LED 조명장치.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 복수의 볼록조는, 단면이 삼각형이고, 상기 볼록조 중 적어도 일부는, 선단의 꼭지각이 상기 기판의 법선에 대해 좌우 비대칭인 것을 특징으로 하는 LED 조명장치.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 투명체의 상면에는 굴절타입의 프레넬렌즈가 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 LED 조명장치.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 투명체의 상기 LED와 대향하는 면에는, 상기 프리즘이 형성되어 있는 영역의 주위에 반사타입의 프레넬렌즈가 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 LED 조명장치.
스트로보 광원으로서 LED 조명장치를 구비하고, 그 LED 조명장치는 제4항 내지 제11항 중 어느 한 항의 것인 것을 특징으로 하는 스트로보 기능을 구비한 장치.