KR20140015477A

KR20140015477A - 조명 장치

Info

Publication number: KR20140015477A
Application number: KR1020137027409A
Authority: KR
Inventors: 다이스케 세키; 가츠모토 이케다
Original assignee: 나럭스 컴퍼니 리미티드
Priority date: 2011-03-25
Filing date: 2011-08-09
Publication date: 2014-02-06
Also published as: US20140063816A1; JP5050149B1; KR101615799B1; WO2012132043A1; CN103443664B; JPWO2012132043A1; US9404638B2; CN103443664A

Abstract

면광원의 발광면을 덮는 입사면과, 상기 입사면에 대향하는 위치에 배치되는 반사면과, 상기 반사면의 둘레 가장자리에 접속되는 출사면을 구비한 광학 소자로서, 상기 발광면의 중심을 점(O)으로 하고, 점(O)을 지나서 상기 발광면에 수직인 축을 상기 광학 소자의 광축으로 하고, 상기 광학 소자의 상기 반사면은, 둘레 가장자리에 대하여 상기 광축 부근이 움푹 패인 형상을 가지며, 상기 광축을 포함하고, 상기 발광면에 수직인 상기 광학 소자의 임의의 단면에 있어서, 상기 반사면은, 80% 이상의 영역에서, 점(O)으로부터 방사된 광이 반사되고, 상기 입사면이 상기 발광면을 포함하는 제1 면과 교차하는 점(P)에서의 상기 입사면의 법선의, 제1 면에 대한 기울기를 θp, 점(P)과 상기 반사면 및 상기 출사면이 교차하는 점을 연결하는 직선의, 제1 면에 대한 기울기를 ω, 상기 광학 소자의 재료의 굴절률을 n으로 했을 때, 이하의 식을 만족하도록, 상기 입사면의 제1 면에 대한 기울기를 정하고 있다.

Description

조명 장치{ILLUMINATION DEVICE}

본 발명은, 조명 유닛용의 광학 소자 및 조명 유닛에 관한 것이다.

텔레비젼의 백라이트 등의 대형 면발광 조명 유닛의 광원으로서 발광 다이오드(LED)가 사용되고 있다. 이러한 조명 유닛에 대해서는, 얇기와 조도의 균일성이 요구되고 있다.

도 1은, LED를 사용한 백라이트용 조명 유닛의 구성의 일례를 나타낸 도면이다. 조명 유닛은, LED 광원(200)과, 광학 소자(100)와, 반사판(300)과, 확산판(400)을 포함한다. LED 광원(200)은 광학 소자(100)로 덮여 있다. LED 광원(200)을 덮는 복수의 광학 소자(100)가, 소정의 간격으로 반사판(300) 상에 배치되어 있다. 반사판(300) 및 광학 소자(100) 위에는 확산판(400)이 배치되어 있다.

LED 광원(200)으로부터 방사된 광은, 광학 소자(100)에 의해 후방(반사판(300)의 방향)으로 반사된다. 후방으로 반사된 광은, 또한 반사판(300)에 의해 반사되고, 확산판(400)에 의해 확산되어 피조사면에 도달하여, 피조사면에서의 균일한 조도가 실현된다. 이러한 반사판 및 확산판을 사용하는 여러가지 타입의 조명 유닛이 개발되어 있다(특허문헌 1 내지 3). 특허문헌 1에 기재된 면형 발광 장치는, 광학 소자가 광원을 수납하는 형상이 아니기 때문에 조명 장치를 충분히 얇게 할 수 없다. 한편, 특허문헌 2에 기재된, 렌즈 중앙부에 광원 칩을 매립하는 측면 발광형의 광학 소자나, 특허문헌 3에 기재된 입사측에 광원을 배치하는 오목부를 형성한 측면 발광형의 렌즈에서는, 광원으로부터의 광의 일부가 렌즈에 반사되지 않고, 직접 측면으로부터 피조사면의 측으로 조사되기 때문에, 피조사면에 있어서, 렌즈에 대응하는 위치에 렌즈의 윤곽 형상의 조도 불균일이 생긴다고 하는 문제점이 있다.

이와 같이, 얇기 및 피조사면에서의 조도의 높은 균일성을 동시에 실현할 수 있는 조명 유닛용의 광학 소자 및 조명 유닛은 개발되어 있지 않다.

특허문헌 1 : 일본 특허 공개 제2007-048883호 공보 특허문헌 2 : 일본 특허 공개 제2003-158302호 공보 특허문헌 3 : 일본 특허 공개 제2006-309242호 공보

따라서, 얇기 및 피조사면에서의 조도의 높은 균일성을 동시에 실현할 수 있는 조명 유닛용의 광학 소자 및 조명 유닛에 대한 필요성이 있다.

본 발명의 제1 양태의 광학 소자는, 면광원의 발광면을 덮는 입사면과, 상기 입사면에 대향하는 위치에 배치되는 반사면과, 상기 반사면의 둘레 가장자리에 접속하는 출사면을 구비한 광학 소자로서, 상기 발광면의 중심을 점(O)으로 하고, 점(O)을 지나서 상기 발광면에 수직인 축을 그 광학 소자의 광축으로 하고, 그 광학 소자의 상기 반사면은, 둘레 가장자리에 대하여 상기 광축 부근이 움푹 패인 형상을 가지며, 상기 광축을 포함하고, 상기 발광면에 수직인 상기 광학 소자의 임의의 단면에 있어서, 상기 반사면은, 80% 이상의 영역에서, 점(O)으로부터 방사된 광이 반사되고, 상기 입사면이 상기 발광면을 포함하는 제1 면과 교차하는 점(P)에서의 상기 입사면의 법선의, 제1 면에 대한 기울기를 θp, 점(P)과 상기 반사면 및 상기 출사면이 교차하는 점을 연결하는 직선의, 제1 면에 대한 기울기를 ω, 상기 광학 소자의 재료의 굴절률을 n으로 했을 때, 이하의 식을 만족하도록, 상기 입사면의 제1 면에 대한 기울기를 정한 광학 소자이다.

[수1]

[수2]

본 양태의 광학 소자에 따르면, 면광원의 발광면을 따라서 방사되는 광이, 반사면에 의해 반사되지 않고 직접 출사면으로부터 출사되지는 않는다. 따라서, 피조사면에 있어서, 렌즈(광학 소자)에 대응하는 위치에 렌즈의 윤곽 형상의 조도 불균일이 생긴다고 하는 문제점이 해소되어, 박형이며 조도의 균일성이 높은 조명 유닛을 실현할 수 있다.

본 발명의 제1 실시형태에 의한 광학 소자는, 제1 양태의 광학 소자로서, 또한 이하의 식을 만족하도록, 상기 입사면의 제1 면에 대한 기울기를 정한 것이다.

[수3]

본 실시형태에 따르면, 소형의 광학 소자에 의해 조도 불균일을 해소할 수 있다. 따라서, 소형의 광학 소자에 의해 박형이며 조도의 균일성이 높은 조명 유닛을 실현할 수 있다.

본 발명의 제2 실시형태에 의한 광학 소자는, 제1 양태 또는 제1 실시형태의 광학 소자 중의 어느 것으로서, 상기 광축을 포함하고, 상기 발광면에 수직인 상기 광학 소자의 임의의 단면에 있어서, 점(O)을 지나서 제1 면과의 기울기가 α인 직선이 상기 입사면과 교차하는 점을 Q로 하고, 점(Q)에서의 상기 입사면의 법선의, 제1 면에 대한 기울기를 θ로 했을 때,

[수4]

의 범위에서 이하의 식을 만족하도록, 상기 입사면의 제1 면에 대한 기울기를 정한 것이다.

[수5]

본 실시형태에 의한 광학 소자에 따르면, 점(O)으로부터 면광원의 발광면에 대하여

[수6]

인 작은 각도 α로 방사되는 광이, 반사면에 의해 반사되지 않고 직접 출사면으로부터 출사되지는 않는다. 따라서, 피조사면에 있어서, 렌즈(광학 소자)에 대응하는 위치에 렌즈의 윤곽 형상의 조도 불균일이 생긴다고 하는 문제점이 해소되어, 박형이며 조도의 균일성이 높은 조명 유닛을 실현할 수 있다.

본 발명의 제3 실시형태에 의한 광학 소자는, 제2 실시형태의 광학 소자로서,

[수7]

[수8]

본 발명의 제4 실시형태에 의한 광학 소자는, 제1 양태, 제1 내지 제3 실시형태의 광학 소자 중의 어느 것으로서, 상기 출사면은, 상기 광축으로부터의 거리가, 제1 면으로부터의 거리에 따라서 증가하도록 구성되고, 상기 광축을 포함하고, 상기 발광면에 수직인 상기 광학 소자의 임의의 단면에 있어서, 상기 출사면이 외측으로 오목한 곡선에 의해 표시되는 것이다.

본 실시형태에 따르면, 출사면으로부터 출사되는 광선이 멀리 도달하도록 할 수 있고, 조도의 균일성을 보다 높일 수 있다.

본 발명의 제5 실시형태에 의한 광학 소자는, 제1 양태, 제1 내지 제4 실시형태의 광학 소자 중의 어느 것으로서, 상기 반사면과 상기 광축의 교점을 포함하는 영역에 반사 부재를 구비한 것이다.

본 실시형태에 따르면, 반사 부재에 의해서, 면광원으로부터 방사되고, 반사면의 광축의 주변으로부터 직접 출사되는 광선을 없앨 수 있다. 따라서, 조도의 균일성이 보다 높은 조명 유닛을 실현할 수 있다. 여기서, 반사 부재는, 반사성 도료나 금속막 등을 포함한다.

본 발명의 제2 양태의 조명 유닛은, 면광원과, 상기 면광원에 사용되는 제1 양태, 제1 내지 제3 실시형태의 광학 소자 중의 어느 것을 구비하고, 상기 광학 소자의 출사면으로부터 출사한 광을 전방으로 반사하도록 구성된 조명 유닛이다.

본 양태에 의한 조명 유닛은, 제1 양태, 제1 내지 제3 실시형태의 광학 소자 중의 어느 것을 사용하기 때문에, 박형이며 조도의 균일성이 높은 것으로 할 수 있다.

도 1은 LED를 사용한 백라이트용 조명 유닛의 구성의 일례를 나타낸 도면이다.
도 2는 측면 발광형 렌즈의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 광학 소자를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 각도 θ와 각도 α와 각도 θmin 사이의 관계를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예 1의 렌즈의 광선 경로를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예 2의 렌즈의 광선 경로를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예 3의 렌즈의 광선 경로를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예 4의 렌즈의 광축을 포함하는 단면을 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예 4의 렌즈의 광선 경로를 나타낸 도면이다.
도 10은 실시예 1에 대응하는 비교예 1의 렌즈의 광선 경로를 나타낸 도면이다.
도 11은 실시예 4에 대응하는 비교예 2의 렌즈의 광선 경로를 나타낸 도면이다.
도 12는 실시예 1의 렌즈를 사용한 경우의 피조사면에서의 조도를 나타낸 도면이다.
도 13은 비교예 1의 렌즈를 사용한 경우의 피조사면에서의 조도를 나타낸 도면이다.
도 14는 도 12 및 도 13에서의 X축 방향의 상대 조도의 분포를 나타낸 도면이다.
도 15는 실시예 4의 렌즈의 입사면에 관한 것으로, 식(5)에서의 각도 α, 각도 θ 및 각도 θmin 사이의 관계를 나타낸 도면이다.
도 16은 비교예 2의 렌즈의 입사면에 관한 것으로, 식(5)에서의 각도 α, 각도 θ 및 각도 θmin 사이의 관계를 나타낸 도면이다.
도 17은 본 발명의 실시예 5의 렌즈의 구성을 나타낸 도면이다.
도 18은 본 발명의 실시예 5의 렌즈의 광선 경로를 나타낸 도면이다.
도 19는 본 발명의 실시예 6의 렌즈의 구성을 나타낸 도면이다.

도 2는 측면 발광형 렌즈(100)의 구조를 설명하기 위한 도면이다. 렌즈(100)는, 예를 들면 LED 광원인, 도 2에는 도시하지 않은 면광원(200)을 덮도록 배치되어 있다. 면광원(200)의 발광면의 중심을 점(O)으로 한다. 점(O)을 지나서, 면광원(200)의 발광면에 수직인 축을 렌즈(100)의 광축(OA)으로 한다. 도 2는, 렌즈(100)의 광축(OA)을 포함하는 단면을 나타낸 도면이다. 렌즈(100)는, 입사면(101)과, 반사면(103)과, 출사면(105)을 구비한다. 반사면(103) 및 출사면(105)의 경계를 이루는 선을 능선(107)으로 호칭한다. 점(O)으로부터 방사된 광선은, 입사면(101)을 굴절 투과하고, 반사면(103)에 의해 반사되어, 출사면(105)으로부터 출사된다. 도 2에서, 점(O)으로부터 방사된 광선(R)이 면광원(200)의 발광면(도 2의 수평 방향)과 이루는 각도를 α로 나타내고, 입사면(101)에서 굴절된 후의 광선이 상기 발광면과 이루는 각도를 β로 나타낸다. 또, 점(O)으로부터 방사된 광선이 입사면(101)과 교차하는 점을 점 Q로 한다.

반사면(103)은, 입사면(101)에 대향하는 위치에 배치된다. 반사면(103)은, 둘레 가장자리에 대하여 광축(OA) 부근이 움푹 패인 형상을 가지며, 80% 이상의 영역에서, 점(O)으로부터 방사된 광이 반사되도록 구성된다. 여기서, 「80% 이상의 영역」이란, 반사면(103)을 발광면에 투영한 경우의 면적에서 80% 이상의 영역이다. 또, 「80% 이상의 영역」이라고 한 것은, 예를 들면, 반사면과 광축의 교점을 포함하는 특이점의 주변의 영역이나, 이후에 설명하는 광선을 투과시키기 위한 영역 등의 일부의 예외적 영역을 제외한다는 취지이다. 일반적으로, 광축을 포함하는 단면에서의 반사면의 형상을 상측으로 볼록한 적절한 곡선으로 함으로써, 광원으로부터의 광이 반사면의 대부분의 영역에서 전(全)반사되도록 할 수 있다. 혹은, 반사면(103)의 일부, 특히 광축의 주변 부분에 알루미 증착 등을 실시하여 그 부분에 입사한 광이 반사되도록 해도 좋다.

여기서, 렌즈를 소형화하기 위해, 광축(OA)으로부터 능선(107)까지의 거리(L)를 작게 해 가면, 점(O)으로부터 작은 각도 α로 방사된 광선은, 입사면(101)을 굴절 투과한 후, 반사면(103)에 반사되지 않고 직접 출사면(105)으로부터 출사된다. 이러한 직접 출사면(105)으로부터 출사되는 광선은, 도 1에 나타낸 조명 유닛의 반사판(300)에 반사되지 않고 확산판(400)으로 향해진다. 본원의 발명자들은, 이러한 점(O)으로부터 작은 각도 α로 방사된 광선에 의해 피조사면에서의 조도 불균일이 생긴다는 지견을 얻었다. 따라서 피조사면에서의 조도의 높은 균일성을 얻기 위해서는, 점(O)으로부터 작은 각도 α로 방사된 광선 중, 렌즈(100)의 반사면(103)에 반사되지 않고 직접 출사면(105)으로부터 출사되는 광선을 가능한 한 적게 할 필요가 있다. 본원의 발명자들은, 점(O)으로부터 작은 각도 α로 방사된 광선 중, 렌즈(100)의 반사면(103)에 반사되지 않고 직접 출사면(105)으로부터 출사되는 광선을 없애도록 연구함으로써 본 발명을 완성했다.

도 3은, 본 발명의 광학 소자를 설명하기 위한 도면이다. 렌즈(100)의 반사면(103)에 반사되지 않고 직접 출사면(105)으로부터 출사되는 광선을 없애기 위해서는, 점(O)으로부터 수평 방향으로 방사된 광선이 입사면(101)과 교차하는 점(P)에서 굴절된 후, 점(P)과 능선(107)을 나타내는 점을 연결하는 선보다 광축(OA) 근처로 진행되도록 렌즈(100)를 구성하면 된다. 구체적으로, 렌즈(100)의 재료의 굴절률을 n, 점(P)에서의 입사면(101)의 법선이 입사 광선의 방향(수평 방향)과 이루는 각도를 θp, 점(P)과 능선(107)을 나타내는 점을 연결하는 직선이 수평 방향과 이루는 각도를 ω, 입사면(101)에서 굴절된 후의 광선(R)이 수평 방향과 이루는 각도를 βp로 했을 때, 이하의 식을 만족하도록 입사면(101)의 형상을 정하면 된다.

[수9]

상기 식을 변형하여 이하의 식을 얻을 수 있다.

[수10]

동시에, 렌즈의 외경을 이하의 식을 만족하도록 크게 할 필요가 있다. 이것은, 직접 출사면(105)으로부터 출사되는 광선을 없애는 입사면 형상이 존재하기 위한 조건이다.

[수11]

각도 θp를 작게 하면, 점(O)으로부터 점(P)까지의 거리(xp)가 커지고, 식(2)를 만족하도록 광축(OA)으로부터 능선(107)까지의 거리(L)를 크게 할 필요가 있다. 그 결과, 렌즈가 대형화하고 제조 비용도 증가한다. 따라서, 렌즈를 대형화하지 않고서 조도 불균일을 해소하기 위해, 각도 θp가 이하의 조건을 만족하도록 하는 것이 바람직하다.

[수12]

다음으로, 점(P)의 위치 이외의 위치에서의 입사면(101)의 형상을 고려하기 위해, 도 2에 나타낸 바와 같이 점(O)으로부터 수평 방향에 대하여 각도 α로 방사된 광선이, 반사면(103)에 반사되지 않고 직접 출사면(105)으로부터 출사되도록 하는 조건에 관해서 검토한다. 상기 광선과 입사면(101)의 교점을 점 Q로 한다. 점(Q)에서 입사면(101)에 입사하여 굴절된 후의 광선이 수평 방향과 이루는 각도를 β로 한다. 점(Q)에서 입사면(101)에 입사하여 굴절된 후의 광선(R)이, 반사면(103)에 반사된 후에 직접 출사면(105)으로부터 출사되도록 하기 위해서는, 점(P)과 능선(107)을 나타내는 점을 연결하는 선보다 광축(OA) 근처로 진행되도록 하면 충분하다. 따라서, 점(Q)에서의 입사면(101)의 법선이 입사 광선의 방향(수평 방향)과 이루는 각도를 θ로 하고, 점(P)과 능선(107)을 나타내는 점을 연결하는 직선이 수평 방향과 이루는 각도를 ω로 하여 이하의 조건이 만족되면 된다.

[수13]

여기서, θmin은 각도 θ의 최소치를 나타낸다.

도 4는, 식(4)로 표시되는 각도 θmin과 각도 α 사이의 관계를 나타낸 도면이다. 도 4에서, 각도 α가 작아짐에 따라서 각도 θmin은 커진다. 이것은 입사면(101)의, 발광면을 포함하는 수평면에 가까운 부분일수록, 입사면(101)의, 수평 방향에 대한 기울기를 작게 할 필요가 있는 것을 의미한다.

렌즈를 대형화하지 않고서 조도 불균일을 해소하기 위해, 각도 θ가, 식(3)의 조건에 대응하는 이하의 조건을 만족하도록 하는 것이 바람직하다.

[수14]

이와 같이 본 발명에 따르면, 점(O)으로부터 작은 각도 α로 방사된 광선이, 렌즈(100)의 반사면(103)에 반사되지 않고 직접 출사면(105)으로부터 출사되지 않도록 할 수 있다. 한편, 점(O)으로부터 작은 각도 α로 방사된 광선이, 직접 출사면으로부터 출사되는 렌즈에서, 출사면의 광축으로부터의 거리가, 발광면을 포함하는 면으로부터 멀어질수록 커지도록, 즉, 출사면이 외측으로 기울도록 출사면을 형성하면, 출사면에 입사한 광선의 일부가, 발광면에 거의 수직인 방향으로 반사되고, 피조사면에 있어서 특히 강한 링형의 조도 불균일이 발생한다. 따라서, 점(O)으로부터 작은 각도 α로 방사된 광선이, 직접 출사면으로부터 출사되는 렌즈에서는, 출사면을 외측으로 크게 기울일 수 없다. 이에 비해, 본 발명의 실시형태에 의한 렌즈에서는, 점(O)으로부터 작은 각도 α로 방사된 광선이, 렌즈(100)의 반사면(103)에 반사되지 않고 직접 출사면(105)으로부터 출사되지 않기 때문에, 출사면을 외측으로 기울일 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시형태에 의한 렌즈에서는, 출사면을 외측으로 기울이고 외측으로 오목해지도록 형성함으로써, 출사되는 광선이 멀리 도달하도록 할 수 있어, 조도의 균일성을 보다 높일 수 있다.

이하에 본 발명의 실시예 및 비교예에 관해서 설명한다. 실시예 및 비교예의 렌즈는 아크릴제이며, d선에 대한 굴절률은 1.49이다.

도 5는, 본 발명의 실시예 1의 렌즈(100A)의 광선 경로를 나타낸 도면이다. 렌즈(100A)의 입사면(101A)은, 광축과의 교점을 정점으로 하는 돔형이다. 반사면(103A)은, 광축과의 교점을 바닥부로 하는 움푹 패인 형상이다. 반사면(103A)은, 광축을 포함하는 단면에 있어서 상측으로 볼록한 곡선으로 표시된다. 출사면(105A)은 외측으로 기울어져 있다.

점(O)을 원점으로 하고, 광축을 Z축으로 하는 좌표에서, Z축으로부터의 거리를 r로 하여, 입사면(101A) 및 반사면(103A)은 이하의 식으로 나타낼 수 있다.

[수15]

표 1은 식(6)의 계수를 나타낸다. 표에서 E-03은 10^-3을 나타낸다.

[표 1]

출사면(105A)은, z=0.1에서의 직경이 10.0이고, z-4.0의 직경이 11.0인 원추면이다.

도 5에서, RA는, 점(O)으로부터 방사되어 반사면(103A)에 반사되고 나서 출사면(105A)으로부터 출사되는 광선을 나타낸다. RC는, 점(O)으로부터 큰 각도 α로 방사되어 반사면(103A)으로부터 출사되는 광축 주변의 광선을 나타낸다. 점(O)으로부터 작은 각도 α로 방사되어 반사면(103A)에 반사되지 않고 직접 출사면(105A)으로부터 출사되는 광선은 존재하지 않는다.

도 10은, 실시예 1에 대응하는 비교예 1의 렌즈(100a)의 광선 경로를 나타낸 도면이다. 렌즈(100a)의 입사면(101a)은, 광축과의 교점을 정점으로 하는 돔형이다. 입사면(101a)의 발광면을 포함하는 면에 대한 기울기는, 실시예 1의 입사면(101A)의 발광면을 포함하는 면에 대한 기울기보다 크다. 비교예 1의 반사면(103a) 및 출사면(105a)의 형상은, 실시예 1의 반사면(103A) 및 출사면(105A)의 형상과 동일하다.

점(O)을 원점으로 하고, 광축을 Z축으로 하는 좌표에서, Z축으로부터의 거리를 r로 하여, 입사면(101a) 및 반사면(103a)은 식(6)으로 나타낼 수 있다.

표 2는 식(6)의 계수를 나타낸다. 표에서 E-03은 10^-3을 나타낸다.

[표 2]

도 10에서, RA는, 점(O)으로부터 방사되어 반사면(103a)에 반사되고 나서 출사면(105a)으로부터 출사되는 광선을 나타낸다. RB는, 점(O)으로부터 작은 각도 α로 방사되어 반사면(103a)에 반사되지 않고 직접 출사면(105a)으로부터 출사되는 광선을 나타낸다. 입사면(101a)의 발광면을 포함하는 면에 대한 기울기는, 실시예 1의 입사면(101A)의 발광면을 포함하는 면에 대한 기울기보다 크기 때문에 RB가 존재한다. RC는, 점(O)으로부터 큰 각도 α로 방사되어 반사면(103a)으로부터 출사되는 광축 주변의 광선을 나타낸다.

도 12는, 실시예 1의 렌즈를 사용한 경우의 피조사면에서의 조도를 나타낸 도면이다.

도 13은, 비교예 1의 렌즈를 사용한 경우의 피조사면에서의 조도를 나타낸 도면이다. 도 13에서는, 도 12에서는 관찰할 수 없는 둥근 띠모양의 밝은 부분, 즉 조도 불균일이 관찰된다. 이러한 조도 불균일은, 도 10에 나타낸 RB, 즉, 점(O)으로부터 방사되어 반사면(103A)에 반사되지 않고 직접 출사면(105A)으로부터 출사되는 광선에 의해 생기는 것이다.

도 14는, 도 12 및 도 13에서의 X축 방향의 상대 조도의 분포를 나타낸 도면이다. 비교예 1의 조도 분포에서는, 둥근 띠모양의 조도가 높은 부분, 즉 조도 불균일이 나타나 있다.

도 6은, 본 발명의 실시예 2의 렌즈(100B)의 광선 경로를 나타낸 도면이다. 렌즈(100B)의 입사면(101B)은, 광축과의 교점을 정점으로 하는 거의 원추형이다. 반사면(103B)은, 광축과의 교점을 바닥부로 하는 움푹 패인 형상이다. 반사면(103B)은, 광축을 포함하는 단면에 있어서 상측으로 볼록한 곡선으로 표시된다. 출사면(105B)은 외측으로 기울어져 있다. 출사면(105B)은, 광축을 포함하는 단면에 있어서 외측으로 오목한 곡선으로 표시된다.

점(O)을 원점으로 하고, 광축을 Z축으로 하는 좌표에서, Z축으로부터의 거리를 r로 하여, 입사면(101B) 및 반사면(103B)은 식(6)으로 나타낼 수 있다.

표 3은 식(6)의 계수를 나타낸다. 표에서 E-03은 10^-3을 나타낸다.

[표 3]

출사면(105B)은, z=0.1의 Z축 상의 점을 중심으로 하는 내경 3.8, 회전 직경 11.5의 토러스면이다.

도 6에서, RA는, 점(O)으로부터 방사되어 반사면(103B)에 반사되고 나서 출사면(105B)으로부터 출사되는 광선을 나타낸다. RC는, 점(O)으로부터 큰 각도 α로 방사되어 반사면(103B)으로부터 출사되는 광축 주변의 광선을 나타낸다. 점(O)으로부터 작은 각도 α로 방사되어 반사면(103B)에 반사되지 않고 직접 출사면(105B)으로부터 출사되는 광선은 존재하지 않는다.

도 7은, 본 발명의 실시예 3의 렌즈(100C)의 광선 경로를 나타낸 도면이다. 렌즈(100C)의 입사면은, 광축을 중심축으로 하는 원추대의 상면에 상기 상면을 바닥면으로 하고, 광축을 중심축으로 하는 돔을 겹친 형상이다. 반사면(103C)은, 광축과의 교점을 바닥부로 하는 움푹 패인 형상이다. 광축을 포함하는 단면에 있어서, 돔의 측면(101C1)을 나타내는 선의 수평 방향에 대한 기울기는, 원추대의 측면(101C2)을 나타내는 선의 수평 방향에 대한 기울기보다 크다. 이와 같이, 광축 근방의 입사면의 기울기를 크게 하면, 광축 근방의 광선이 입사면에서 크게 측면측으로 굴절되고, 반사면으로의 입사각이 작아지기 때문에, 반사면의 움푹 패인 곳을 얕게 할 수 있다. 반사면(103C)은, 광축을 포함하는 단면에 있어서 상측으로 볼록한 곡선으로 표시된다. 출사면(105C)은 외측으로 기울어져 있다. 출사면(105C)은, 광축을 포함하는 단면에 있어서 외측으로 오목한 곡선으로 표시된다.

점(O)을 원점으로 하고, 광축을 Z축으로 하는 좌표에서, Z축으로부터의 거리를 r로 하여, 입사면(101C1, 101C2) 및 반사면(103C)은 식(6)으로 나타낼 수 있다.

표 4는 식(6)의 계수를 나타낸다. 표에서 E-03은 10^-3을 나타낸다.

[표 4]

출사면(105C)은, z=0.1의 Z축 상의 점을 중심으로 하는 내경 3.8, 회전 직경 11.5의 토러스면이다.

도 7에서, RA는, 점(O)으로부터 방사되어 반사면(103C)에 반사되고 나서 출사면(105C)으로부터 출사되는 광선을 나타낸다. RC는, 점(O)으로부터 큰 각도 α로 방사되어 반사면(103C)으로부터 출사되는 광축 주변의 광선을 나타낸다. 점(O)으로부터 작은 각도 α로 방사되어 반사면(103C)에 반사되지 않고 직접 출사면(105C)으로부터 출사되는 광선은 존재하지 않는다.

도 8은, 본 발명의 실시예 4의 렌즈(100D)의 광축을 포함하는 단면을 나타낸 도면이다. 렌즈(100D)의 입사면은, 광축을 중심축으로 하는 거의 원추대형의 형상의 상면에 상기 상면을 바닥면으로 하고, 광축을 중심축으로 하는 돔을 겹친 형상이다. 광축을 포함하는 단면에 있어서, 돔의 측면(101D1)을 나타내는 선의 수평 방향에 대한 기울기는, 원추대형의 형상의 측면(101D2)을 나타내는 선의 수평 방향에 대한 기울기보다 크다. 반사면은, 광축 주변의 평탄한 반사면(103D1)과 반사면(103D1)을 바닥부로 하는 움푹 패인 부분을 형성하는 반사면(103D2)으로 구성된다. 반사면(103D2)은, 광축을 포함하는 단면에 있어서 상측으로 볼록한 곡선으로 표시된다. 반사면(103D1)에는 반사성 도료가 도포되어 있다. 출사면(105D)은 외측으로 기울어져 있다. 출사면(105D)은, 광축을 포함하는 단면에 있어서 외측으로 오목한 곡선으로 표시된다.

점(O)을 원점으로 하고, 광축을 Z축으로 하는 좌표에서, Z축으로부터의 거리를 r로 하여, 입사면(101D1, 101D2) 및 반사면(103D2)은 식(6)으로 나타낼 수 있다.

표 5는 식(6)의 계수를 나타낸다. 표에서 E-03은 10^-3을 나타낸다.

[표 5]

출사면(105D)은, z=-0.36의 Z축 상의 점을 중심으로 하는 내경 5.2, 회전 직경 12.5의 토러스면이다.

도 9는, 본 발명의 실시예 4의 렌즈(100D)의 광선 경로를 나타낸 도면이다. 도 9에서, RA는, 점(O)으로부터 방사되어 반사면(103D2)에 반사되고 나서 출사면(105D)으로부터 출사되는 광선을 나타낸다. 점(O)으로부터 작은 각도 α로 방사되어 반사면(103D2)에 반사되지 않고 직접 출사면(105D)으로부터 출사되는 광선은 존재하지 않는다. 또, 평탄 부분(103D1)에 도포된 반사성 도료에 의해 반사면(103D1)으로부터 광선이 출사되지는 않는다. 반사성 도료 대신에 금속막 등을 형성해도 좋다.

도 11은, 실시예 4에 대응하는 비교예 2의 렌즈(100d)의 광선 경로를 나타낸 도면이다. 렌즈(100d)의 입사면(101d)은, 광축과의 교점을 정점으로 하는 돔형이다. 입사면(101d)의 발광면을 포함하는 면에 대한 기울기는, 실시예 4의 입사면(101D2)의 발광면을 포함하는 면에 대한 기울기보다 크다. 비교예 2의 반사면(103d) 및 출사면(105d)의 형상은, 실시예 4의 반사면(103D) 및 출사면(105D)의 형상과 동일하다.

점(O)을 원점으로 하고, 광축을 Z축으로 하는 좌표에서, Z축으로부터의 거리를 r로 하여, 입사면(101d) 및 반사면(103d2)은 식(6)으로 나타낼 수 있다.

표 6은 식(6)의 계수를 나타낸다. 표에서 E-03은 10^-3을 나타낸다.

[표 6]

도 11에서, RA는, 점(O)으로부터 방사되어 반사면(103d2)에 반사되고 나서 출사면(105d)으로부터 출사되는 광선을 나타낸다. RB는, 점(O)으로부터 작은 각도 α로 방사되어 반사면(103d2)에 반사되지 않고 직접 출사면(105d)으로부터 출사되는 광선을 나타낸다. 입사면(101d)의 발광면을 포함하는 면에 대한 기울기는, 실시예 4의 입사면(101D2)의 발광면을 포함하는 면에 대한 기울기보다 크기 때문에 RB가 존재한다.

표 7은, 실시예 1 내지 실시예 4, 비교예 1 및 비교예 2의 렌즈의 형상에 관한 파라미터를 나타내는 표이다.

[표 7]

표 7에서 분명한 바와 같이, 실시예 1 내지 실시예 4는, 이하의 식(3)을 만족하지만, 비교예 1 및 2는 이하의 식(3)을 만족하지 않는다.

[수16]

도 15는, 실시예 4의 렌즈의 입사면(101D2)에 관한 것으로, 식(5)에서의 각도 α, 각도 θ 및 각도 θmin 사이의 관계를 나타낸 도면이다. 도 15에서 분명한 바와 같이, 실시예 4의 렌즈의 입사면(101D2)은,

[수17]

의 범위에서 식(5)를 만족하고 있다.

도 16은, 비교예 2의 렌즈의 입사면(101d)에 관한 것으로, 식(5)에서의 각도 α, 각도 θ 및 각도 θmin 사이의 관계를 나타낸 도면이다. 도 16에서 분명한 바와 같이, 비교예 2의 렌즈의 입사면(101d)은, 식(5)를 만족하지 않는다.

이와 같이, 각도 α가 작은 경우에 식(5)가 만족하도록 렌즈의 입사면을 형성하면, 점(O)으로부터 작은 각도 α로 방사되어 반사면에 반사되지 않고 직접 출사면으로부터 출사되는 광선을 없앨 수 있다.

도 17은, 본 발명의 실시예 5의 렌즈(100E)의 구성을 나타낸 도면이다. 도 17의 (a)는, 렌즈(100E)의 광축을 포함하는 단면을 나타낸 도면이다. 도 17의 (b)는, 렌즈(100E)의 투시도이다. 도 17의 (c)는, 렌즈(100E)의 평면도이다. 렌즈(100E)는, 실시예 4의 렌즈(100D)와 거의 동일한 형상을 갖는다. 단, 반사면(103E2) 상의 광축으로부터 일정 거리의 위치에 V홈(1031)을 마련한 점이 렌즈(100D)와 상이하다. 렌즈(100D)에서는, 반사면(103D1 및 103D2)을 투과하는 광선이 거의 존재하지 않기 때문에, 렌즈의 바로 위의 피조사면의 조도가 낮아지는 경우가 있다. 이 경우에, V홈(1031)을 형성하여, 광원으로부터의 광의 일부를 투과시켜 렌즈의 바로 위의 조도를 증가시킨다. 일례로서, V홈(1031)의 폭은 0.2 밀리미터, 깊이는 0.3 밀리미터이고, 광축으로부터의 거리는 5 밀리미터이다. 광축을 중심으로 하여 동심형으로 복수개의 V홈을 형성해도 좋다.

도 18은, 본 발명의 실시예 5의 렌즈(100E)의 광선 경로를 나타낸 도면이다. 렌즈(100E)의 광선 경로는, 도 9에 나타낸 실시예 4의 렌즈(100D)의 광선 경로와 거의 동일하다. 단, V홈(1031)을 투과하여 렌즈(100E)의 바로 위로 진행되는 광선(RC)이 존재한다.

도 19는, 본 발명의 실시예 6의 렌즈(100F)의 구성을 나타낸 도면이다. 도 19의 (a)는, 렌즈(100F)의 광축을 포함하는 단면을 나타낸 도면이다. 도 19의 (b)는, 렌즈(100F)의 투시도이다. 도 19의 (c)는, 렌즈(100F)의 평면도이다. 렌즈(100F)는, 실시예 4의 렌즈(100D)와 거의 동일한 형상을 갖는다. 단, 반사면(103F2) 상에 방사형으로 배치된, 미세한 요철을 형성한 영역(1033)을 마련한 점이 렌즈(100D)와 상이하다. 실시예 5의 경우와 마찬가지로, 영역(1033)을 설치하여 광원으로부터의 광의 일부를 투과시켜 렌즈의 바로 위의 조도를 증가시킨다. 일례로서, 영역(1033)은, 광축으로부터의 거리가 2 밀리미터 내지 6 밀리미터의 범위로 연장되고, 폭은 0.2 밀리미터이다. 미세한 요철은 블러스트 가공에 의해 형성해도 좋다. 그 경우의 요철의 사이즈는, 수 마이크로미터 내지 수십 마이크로미터이다.

Claims

면광원의 발광면을 덮는 입사면과, 상기 입사면에 대향하는 위치에 배치되는 반사면과, 상기 반사면의 둘레 가장자리에 접속되는 출사면을 구비한 광학 소자로서,
상기 발광면의 중심을 점(O)으로 하고, 점(O)을 지나서 상기 발광면에 수직인 축을 상기 광학 소자의 광축으로 하고, 상기 광학 소자의 상기 반사면은, 둘레 가장자리에 대하여 상기 광축 부근이 움푹 패인 형상을 가지며, 상기 광축을 포함하고, 상기 발광면에 수직인 상기 광학 소자의 임의의 단면에 있어서, 상기 반사면은, 80% 이상의 영역에서, 점(O)으로부터 방사된 광이 반사되고, 상기 입사면이 상기 발광면을 포함하는 제1 면과 교차하는 점(P)에서의 상기 입사면의 법선의, 제1 면에 대한 기울기를 θp, 점(P)과 상기 반사면 및 상기 출사면이 교차하는 점을 연결하는 직선의, 제1 면에 대한 기울기를 ω, 상기 광학 소자의 재료의 굴절률을 n으로 했을 때, 이하의 식을 만족하도록, 상기 입사면의 제1 면에 대한 기울기를 정한 광학 소자.
[수1]

[수2]
제1항에 있어서, 또한 이하의 식을 만족하도록, 상기 입사면의 제1 면에 대한 기울기를 정한 광학 소자.
[수3]
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 광축을 포함하고, 상기 발광면에 수직인 상기 광학 소자의 임의의 단면에 있어서, 점(O)을 지나서 제1 면과의 기울기가 α인 직선이 상기 입사면과 교차하는 점을 Q로 하고, 점(Q)에서의 상기 입사면의 법선의, 제1 면에 대한 기울기를 θ로 했을 때,
[수4]

의 범위에서 이하의 식을 만족하도록, 상기 입사면의 제1 면에 대한 기울기를 정한 광학 소자.
[수5]
제3항에 있어서,
[수6]

의 범위에서 이하의 식을 만족하도록, 상기 입사면의 제1 면에 대한 기울기를 정한 광학 소자.
[수7]
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 출사면은, 상기 광축으로부터의 거리가 제1 면으로부터의 거리에 따라서 증가하도록 구성되고, 상기 광축을 포함하고, 상기 발광면에 수직인 상기 광학 소자의 임의의 단면에 있어서, 상기 출사면이 외측으로 오목한 곡선에 의해 표시되는 것인 광학 소자.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반사면과 상기 광축의 교점을 포함하는 영역에 반사 부재를 구비한 광학 소자.
면광원과, 상기 면광원에 사용되는 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 기재된 광학 소자를 구비하고, 상기 광학 소자의 출사면으로부터 출사한 광을 전방으로 반사하도록 구성된 조명 유닛.