JP2008016303A - 発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光の放射角が狭くしかも異なる波長成分の混在した光を放射する光源を適用する場合であっても、光の利用効率を向上させて照度分布の一様性を高めることができると共に照射面での色ムラの発生を抑制できる発光装置を提供する。
【解決手段】本発明の発光装置１は、異なる波長成分の混在した光を放射するＬＥＤランプ３と、ＬＥＤランプ３から放射された光を光軸に対して平行光にする光学部品ユニット１２と、光学部品ユニット１２から放出された平行光を入射側レンズ部７ａで集光すると共にこの集光された光を無限遠面上に出射側レンズ部７ｂにより投影するフライアイレンズ７とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば照明用として利用される発光装置に関する。

反射板が設けられた凹部内に発光ダイオード素子を埋設して構成される発光装置が知られている（例えば、特許文献１、２参照）。

この種の発光装置は、例えば黄色発光蛍光体を樹脂中に含有させた蛍光体層を凹部内に充填すると共に、青色光を発光する発光ダイオード素子を適用することで、発光ダイオード素子が発光する青色光とこの青色光で励起された黄色発光体から発光する黄色光とを混色させて白色光を出射させる。

また、このような発光装置には、凹部に対向する位置にレンズが配置され、配光制御を可能にしている。さらに、この凹部と対向配置するレンズとして、一枚又は二枚のフライアイレンズを用い、このフライアイレンズを複数の発光ダイオード素子に対し、所定の間隔を空けて配置する技術なども提案されている。（例えば、特許文献１参照）。

また、従来、照明法として、クリティカル照明法が知られている。このクリティカル照明法は、光源像を被照射面に形成する。このため、光源表面の輝度分布がそのまま被照射面の輝度分布となるので、輝度分布を均一にすることが難しく、また、被照射面上にも光源像を形成するので、照度むらが発生する。

また、クリティカル照明法は、照明効率が高いことと、光源系が比較的簡易な構造であることから、光源系全体の大きさやレンズの枚数に制限がある場合などに有用である。つまり、特許文献１、２のように、凹部内に発光ダイオード素子を埋設した構成の発光装置で用いられるレンズは、クリティカル照明法を適用したものがほとんどである。
特開昭６１−１４７５８５号公報 特開２００３−２８１９０８号公報 特開２００５−１９０９５４号公報

上記のように、従来のクリティカル照明法では、光源の輝度分布が一様でない場合には、被照射面上に一様な輝度分布を得ることが困難である。また、凹部内中央の発光ダイオード素子から青色光が発光すると共に凹部内全域の蛍光体層から黄色光が発光され、これらの光が混色して白色光を放射する光源では、凹部を外方からみた場合、光源の輝度分布が一様にならない。すなわち、被照射面の中央域では青色光の照度が高い分布となり、一方、被照射面の周縁域では黄色光の照度が高い分布となる色ムラが生じる。

また、特許文献３の発光装置では、発光ダイオード素子に対して所定の間隔を空けてフライアイレンズが配置されているので、発光ダイオード素子から光軸方向へ放出された平行光は、フライアイレンズに対しては効率良く入射するものの、発光ダイオード素子から光軸方向に対して交差する方向へ放射された光は、フライアイレンズに入射しなかったり、またレンズ面で反射されてしまい、光源の光を効率良く取り出すことができない場合がある。

さらに、特許文献３の発光装置では、上述したように、発光ダイオード素子及び蛍光体層を設けた凹部に対してフライアイレンズが所定の間隔を空けて配置されているので、発光ダイオード素子から光軸方向へ放出される青色光は、フライアイレンズに対しては入射し易く、光の取出効率が良好である。しかしながら、蛍光体層から放出される黄色光は、青色光に比べて平行光の放出される割合が少ないので、フライアイレンズに入射する量が少なく、光の取出効率が低下する。このため、被照射面では、青色光の光度が高く、黄色光の光度が低くなり、色ムラが発生し易くなる。

さらに、特許文献３の装置の場合、光源とフライアイレンズとをより離間させるほど、配光制御が容易となるものの、一方で光の取出効率の低下を招くことになる。

本発明は、異なる波長成分の混在した光を放射する光源において、光の取出効率を向上させるとともに照度分布を均一にすることができ、さらに照射面での色ムラの発生を抑制できる発光装置の提供を目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、異なる波長成分の混在した光を放射する光源と；前記光源から放射された光を光軸に対して平行光にする光制御手段と；前記平行光を集光させる第１のレンズ及び前記第１のレンズにより集光された光を無限遠面上に投影する第２のレンズを有してなるレンズ体と；を具備することを特徴とする発光装置である。

すなわち、請求項１記載の発明では、光源から放出されて例えば放射状に拡がる光を、まず光制御手段を通じて光軸に平行な光束として集め、さらにこの平行光を第１のレンズで結像した後、第２のレンズで無限遠面上に投影するので、光の集光率を高めることができる。

詳述すると、請求項１記載の発明では、第２のレンズの前段、すなわち投影レンズの前段に光源像を形成するので、光源と共役(conjugate)の位置関係にある結像部分から後段側にずれた位置が被照射面となる。これにより、異なる波長成分の混在した光を放射する光源を適用した場合であっても、光源自体の輝度分布のばらつきの影響が被照射面に直接的に表れないため、被照射面上の照度ムラの影響が低減され、被照射面上では均一な照度分布を得ることができる。
ここで、レンズ体が有する第１のレンズ及び第２のレンズは、各々が一体又は別体のいずれの構造であってもよい。

また、請求項２記載の発光装置は、請求項１記載の発光装置において、前記光制御手段が、前記第１のレンズと所定の焦点位置に配置された前記光源との間に設けられ、前記光源から放射された光を入射して平行光を出射する第３のレンズと；前記光源及び前記第１のレンズを前記焦点位置を基準とした放物面で包囲すると共に前記第１のレンズ側に開口する開口部を有し、前記光源から放射され且つ前記第３のレンズを非通過の光を前記放物面で反射して平行光とする反射部材と；を備えることを特徴とする。
つまり、請求項２記載の発光装置では、第３のレンズと反射部材とが協働しつつ、光源から放出される全ての光を平行光にして第１のレンズに入射させることができる。

また、請求項３記載の発光装置は、請求項１又は２記載の発光装置において、前記第３のレンズが、前記反射部材の前記開口部の内周縁と前記焦点位置とを結ぶ円錐状の仮想面と接する位置に配置されていることを特徴とする。
請求項３記載の発光装置では、第３のレンズの後段から放出される平行光を反射部材の開口部を通じて第１のレンズに適切に入射させることができる。

さらに、請求項４記載の発光装置は、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の発光装置において、前記第３のレンズは、前記光源と対向する側の面が平面状で、且つ前記第１のレンズと対向する側の面が凸形状又はフレネル形状に形成されていることを特徴とする。
請求項４記載の発光装置では、第３のレンズとして例えばフレネルレンズを適用することで、第１のレンズに入射させるべき平行光を好適につくり出すことができる。

さらに、請求項５記載の発光装置は、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の発光装置において、前記第１のレンズと前記第２のレンズとは、単一のフライアイレンズで構成されていることを特徴とする。
請求項５記載の発光装置では、レンズ体の第１及び第２のレンズで得られる二種類の光学的機能が単一のフライアイレンズで実現されるので、発光装置本体の薄型化を図れることに加え、所望の範囲に対して適切に光を照射させることができる。

請求項１記載の発明によれば、光源から放射される光を、光軸に平行な光束として揃え、この平行光を結像した後、無限遠面上に投影するので、光の利用効率を向上させることができる。さらに、請求項１記載の発明によれば、投影レンズとして機能する第２のレンズの前段に光源像を形成するので、第２のレンズと共役の位置関係にある光源の輝度分布のばらつきの影響が、被照射面に直接的に表れず、被照射面上の照度ムラの影響を低減できると共に、被照射面での照度分布を均一にすることができる。

また、請求項２記載の発明によれば、第３のレンズと反射部材とが協働しつつ、光源から放出される全ての光を平行光にして第１のレンズに効率的に入射させ、これを第２のレンズを介して出射させることができるので、光の取出効率の向上を図ることができる。

さらに、請求項３記載の発光装置によれば、第３のレンズの後段から放出される平行光を反射部材の開口部を通じて第１のレンズに適切に入射させることができるので、請求項２記載の発明と同様、光の取出効率を向上させることができる。

請求項４記載の発光装置によれば、第３のレンズとして例えばフレネルレンズを適用することで、第１のレンズに入射させるべき平行光を好適につくり出すことができ、得られた平行光を第１及び第２のレンズ側に導光することができる。

請求項５記載の発光装置によれば、第１及び第２のレンズで得られる二種類の光学的機能が単一のフライアイレンズで実現されるので、所望の範囲に対して適切に光を照射させることができる共に装置本体の薄形化を図ることができ、これにより、有用な発光装置を得ることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面に基づき説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る発光装置の構成を示す断面図であり、また、図２は、この発光装置が備えるＬＥＤランプの断面図である。さらに、図３は、この発光装置内で導光される光の導光路を示す図であり、また、図４は、この発光装置の各構成部分のレイアウトを説明するための図である。

図１に示すように、本実施形態の発光装置１は、ＬＥＤランプ３と、光制御手段として機能する光学部品ユニット１２と、単一のフライアイレンズ７と、から主に構成される。フライアイレンズ７は、第１のレンズとして機能するセル（マトリックス）状に並ぶ複数の入射面側レンズ部７ａと、第２のレンズとして機能するセル状に並ぶ複数の出射面側レンズ部７ｂとを備える。

ＬＥＤランプ３は、異なる波長成分の混在した光を放射する光源であって、図２に示すように、凹部２２が形成された基材２３及び発光素子（発光ダイオード素子）２８を有する。基材２３は、例えば基板２４、絶縁層２５、一対の電極層２６（２６ａ、２６ｂ）及び凹部形成部材２７が順次積層されたものである。

発光素子２８は、基材２３の凹部２２内に設けられており、一対の電極層６のうちの一方の電極層２６ａ上に銀ペーストなどの導電性接着剤により接着（ダイボンド）されている。これにより、発光素子２８の下部電極は、電極層２６ａに接続されている。また、発光素子２８の上部電極は、金線などのボンディングワイヤ２９により他方の電極層２６ｂに接続されている。

発光素子２８は、その放出した光で蛍光体を励起して可視光を発光させるものであって、青色光を発光するＬＥＤチップである。一方、内側に反射面を有する上記凹部２２内には、蛍光体層３１が形成されている。蛍光体層３１は、発光素子２８からの青色光により励起され黄色光を発光する黄色系蛍光体粒子蛍光体（粒子）を含有する。すなわち、ＬＥＤランプ３は、発光素子２８から発光される青色光と、蛍光体層３１の励起により発光される黄色光との混色によって白色光を放射面３ａから放射する。ここで、図２に示すように、このようなＬＥＤランプ３では、発光素子２８の放射角度によって蛍光体層３１を通過する青色光の経路長が異なるため、放射面３ａからは、白色光の周辺の波長の光が僅かに混在して放射される。

光学部品ユニット１２は、ＬＥＤランプ３から放射された光を光軸に対して平行な光束に揃えるものであって、第３のレンズとして機能するフレネルレンズ５と反射部材２とで構成される。フレネルレンズ５は、図１、図２及び図４に示すように、上述したフライアイレンズ７の入射面側レンズ部７ａと焦点位置３ｂ上に放射面３ａの中央位置が重なるように配置された上記ＬＥＤランプ３との間に設けられている。フレネルレンズ５は、ＬＥＤランプ３と対向する側の面がフラットであり、一方、フライアイレンズ７の入射面側レンズ部７ａと対向する側の面５ａが細い輪状のフレネル形状で形成されている。これにより、ＬＥＤランプ３から放射された光を入射して平行光を出射する。なお、このように平行光が得られるレンズであれば、フライアイレンズ７の入射面側レンズ部７ａと対向する側の面を、凸形状により形成してもよい。

一方、反射部材２は、図１、図２及び図４に示すように、フライアイレンズ７の入射面側レンズ部７ａ及びＬＥＤランプ３を、焦点位置３ｂを基準とした放物面２ａで包囲すると共に入射面側レンズ部７ａ全体に対して開口する開口部２ｂを有する。また、前記ＬＥＤランプ３は、光の放射面３ａと逆側の部位が光源支持部を通じて反射部材２に取り付けられている。さらに、フレネルレンズ５は、その周縁部分を透光性の高いアクリルやガラスなどの材料で構成されたレンズ支持部材８により保持されつつ反射部材２に対して取り付けられている。また、反射部材２は、ＬＥＤランプ３から放射され且つフレネルレンズ５を通過していない光（例えばレンズ支持部材８を通過した光）を鏡面仕上げされた放物面２ａで反射して平行光とする。

ここで、フレネルレンズ５は、図４に示すように、反射部材２の開口部２ｂの内周縁と焦点位置３ｂとを結ぶ円錐状の仮想面５ｂと接する位置に配置されており、これにより、フライアイレンズ７の入射面側レンズ部７ａへ光軸に対して平行な光束を適切に入射させることができる。

フライアイレンズ７は、上述したように入射面側レンズ部７ａと出射面側レンズ部７ｂとで構成される。入射面側レンズ部７ａは、光学部品ユニット１２から放出された平行光を集光（結像）する。一方、出射面側レンズ部７ｂは、入射面側レンズ部７ａにより集光された光を無限遠面上に投影する。すなわち、図３に示すように、出射面側レンズ部７ｂの個々のセル状レンズ部分から出射される光は、放射状に拡がって隣接するセル状レンズ部分の光束どうしが重なりつつ投影面９に照射される。

ここで、本実施形態の発光装置１では、ＬＥＤランプ３の放射面３ａからは、白色光の周辺の波長の光が僅かに混在して放射（黄色光と青色光の混在した光が放射）され、色ムラが生じているものの、出射面側レンズ部７ｂの前段、すなわち投影レンズの前段に光源像を形成するので、ＬＥＤランプ３と共役の位置関係にある結像部分（入射面側レンズ部７ａの結像位置）から後段側にずれた位置が被照射面（投影面９）となる。これにより、ＬＥＤランプ３自体の輝度分布のばらつきの影響が被照射面に直接的に表れないため、被照射面上の照度ムラの影響が低減され、投影面９上では均一な照度分布を得ることができる。

既述したように、本実施形態に係る発光装置１では、ＬＥＤランプ３から放出されて放射状に拡がる光を、まず光学部品ユニット１２を通じて光軸に平行な光束として集め、さらにこの平行光をフライアイレンズ７の入射面側レンズ部７ａで結像した後、無限遠面上に投影するので、上記のように照度ムラの影響を低減できると共に、光の取出効率を高めることができる。

以上、本発明を実施の形態により具体的に説明したが、本発明は前記実施形態にのみ限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。例えば、上述した実施形態では、青色光を発光する発光素子と青色光に励起されて黄色光を発光する蛍光体層とを備えたＬＥＤランプにより白色光を得ていたが、これに代えて、例えばＲＧＢ蛍光体層と紫外発光タイプの発光素子とから白色発光を得るＬＥＤランプを本発明の発光装置の光源として適用してもよい。

本発明の実施形態に係る発光装置の構成を示す断面図。 図１に示す発光装置が備えるＬＥＤランプの断面図。 図１の発光装置内で導光される光の光路を示す図。 図１に示す発光装置の各構成部分のレイアウトを説明するための図。

符号の説明

１…発光装置、２…反射部材、２ａ…放物面、２ｂ…開口部、３…ＬＥＤランプ、３ａ…発光面、３ｂ…焦点位置、５…フレネルレンズ、５ｂ…仮想面、６…光源支持部、７…フライアイレンズ、７ａ…入射側レンズ部、７ｂ…出射側レンズ部、９…投影面、１２…光学部品ユニット、２８…発光素子、３１…蛍光体層。

Claims (5)

1. 異なる波長成分の混在した光を放射する光源と；
   前記光源から放射された光を光軸に対して平行光にする光制御手段と；
   前記平行光を集光させる第１のレンズ及び前記第１のレンズにより集光された光を無限遠面上に投影する第２のレンズを有してなるレンズ体と；
   を具備することを特徴とする発光装置。
2. 前記光制御手段は、
   前記第１のレンズと所定の焦点位置に配置された前記光源との間に設けられ、前記光源から放射された光を入射して平行光を出射する第３のレンズと；
   前記光源及び前記第１のレンズを前記焦点位置を基準とした放物面で包囲すると共に前記第１のレンズ側に開口する開口部を有し、前記光源から放射され且つ前記第３のレンズを非通過の光を前記放物面で反射して平行光とする反射部材と；
   を備えることを特徴とする請求項１記載の発光装置。
3. 前記第３のレンズは、前記反射部材の前記開口部の内周縁と前記焦点位置とを結ぶ円錐状の仮想面に接する位置に配置されていることを特徴とする請求項１又は２記載の発光装置。
4. 前記第３のレンズは、前記光源と対向する側の面が平面状で、且つ前記第１のレンズと対向する側の面が凸形状又はフレネル形状に形成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の発光装置。
5. 前記第１のレンズと前記第２のレンズとは、単一のフライアイレンズで構成されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の発光装置。

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