JP2013115079A - Ｌｅｄ用光学素子及びｌｅｄ照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】狭い配光角で出射した光線において、混色を促進できるＬＥＤ照明装置用の光学素子及びそれを用いたＬＥＤ照明装置を提供する。
【解決手段】複数のＬＥＤ光源２の光放出側に配置され、ＬＥＤ光源２からの発光光が入射する凹状の入射面３と、入射面３から入射した光を反射する反射面８と、発光光を外部に放出する出射面５とを備えたＬＥＤ用光学素子は、出射面５は、複数のマイクロレンズを並べたレンズアレイＬＡを形成しており、以下の式を満たす。
５＜φ２／φ１≦１０ （１）
２．２≦Ｒ／Ｄ≦２．５ （２）
２≦Ｌ／φ１≦３ （３）
但し、
φ１：ＬＥＤ光源２の直径（ｍｍ）
φ２：出射面３の直径（ｍｍ）
Ｒ：マイクロレンズＭＳの曲率半径（ｍｍ）
Ｄ：隣接するマイクロレンズＭＳの光軸間距離（ｍｍ）
Ｌ：入射面３の深さ（ｍｍ）
【選択図】図３

Description

本発明は、ＬＥＤ用光学素子及びＬＥＤ照明装置に関する。

近年、ＬＥＤを搭載したＬＥＤ照明装置が注目されている。ところで、ＬＥＤには、赤、青、緑などの単色ＬＥＤがあるが、これらからの出射光を混色することで、例えば白色光源として用いたいという要請がある。これに対し特許文献１には、出射面に複数の凹凸を配置してなる光学素子が示されている。この特許文献１の光学素子によれば、狭角配光を実現しながらも、拡散手段としての複数の凹凸が、各色ＬＥＤ光を混色して出射するようにしている。

特開2009-266523号公報

ところで、特許文献１の光学素子は、出射面に複数の凹凸を設けているが、本発明者の検討結果によれば、例え凹凸を設けた場合でも、その形状次第で、混色が促進されず、出射光の品質が劣ることが分かった。

本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、狭い配光角で出射した光線において、混色を促進できるＬＥＤ照明装置用の光学素子及びそれを用いたＬＥＤ照明装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載のＬＥＤ用光学素子は、異なる色の光を出射する複数のＬＥＤ光源の光放出側に配置され、前記ＬＥＤ光源からの発光光が入射する凹状の入射面と、前記入射面から入射した光を反射する反射面と、前記発光光を外部に放出する出射面とを備えたＬＥＤ用光学素子であって、
前記出射面は、複数のマイクロレンズを並べたレンズアレイを形成しており、以下の式を満たすことを特徴とする。
５＜φ２／φ１≦１０ （１）
２．２≦Ｒ／Ｄ≦２．５ （２）
２≦Ｌ／φ１≦４ （３）
但し、
φ１：前記ＬＥＤ光源の直径（ｍｍ）
φ２：前記出射面の直径（ｍｍ）
Ｒ：前記マイクロレンズの曲率半径（ｍｍ）
Ｄ：隣接する前記マイクロレンズの光軸間距離（ｍｍ）
Ｌ：前記入射面の深さ（ｍｍ）

本発明者の検討結果によれば、（１）式を満たすように、前記出射面の直径φ２に対して前記ＬＥＤ光源の直径φ１が比較的小さい場合、前記ＬＥＤ光源の面積が比較的狭いので、その出射光の配光角が狭くなりがちになる。よって、配光角よりも混色を優先して光学素子を設計できる。ここで、（３）式の下限以上となるように、前記ＬＥＤ光源の直径φ１に対して、凹状である前記入射面の深さＬを深くすることで、凹部側面側の入射面から入射した後、光学素子側面の前記反射面で反射する光の量を増大させることができ、これにより混色を促進できるのである。但し、前記入射面の深さＬが深すぎると、前記ＬＥＤ用光学素子の全長が長くなりすぎて、小型化を図ることができない。よって、（３）式の上限以下が望ましいのである。

更に本発明者による鋭意研究の結果、前記出射面に形成したマイクロレンズの曲率半径Ｒが大きく、複数のマイクロレンズ間の光軸間隔が広いと配光角を狭く保てるが、混色を促進できず、更には複数のＬＥＤチップの像が写り込んでしまうという課題が発生することがわかった。そこで、（２）式を満たすことで、配光角を狭くしすぎることがなく、混色を促進させ、更には複数のＬＥＤチップの像が写り込んでしまうことを抑制できるようにしたのである。また、光利用効率も大きく低下させることなく、高効率を維持できる。

請求項２に記載のＬＥＤ用光学素子は、請求項１に記載の発明において、前記出射面の全面に、前記マイクロレンズを配置したことを特徴とする。

前記出射面の全面に、前記マイクロレンズを配置することで、更に有効に混色を促進できる。

請求項３に記載のＬＥＤ用光学素子は、請求項１又は２に記載の発明において、各マイクロレンズの形状は等しいことを特徴とする。これにより均質な光を出射できる。

請求項４に記載のＬＥＤ用光学素子は、請求項１〜３のいずれかに記載の発明において、以下の式を満たすことを特徴とする。
φ１≦φ３ （４）
φ３：前記入射面の入口直径（ｍｍ）

（４）式を満たすことで、前記ＬＥＤ光源から出射した光線を、前記入射面より効率的に入射させることができる。

請求項５に記載のＬＥＤ照明装置は、請求項１〜４のいずれかに記載のＬＥＤ用光学素子と、異なる色の光を出射する複数のＬＥＤ光源とを有することを特徴とする。

本発明に係るＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）照明装置は、ＬＥＤ光源と、レンズと、を有するものである。

ＬＥＤ光源としては、様々なものを用いることが出来るが、赤色ＬＥＤ、緑色ＬＥＤ、青色ＬＥＤが好ましく用いられる。これ以外に黄色ＬＥＤや白色ＬＥＤを用いても良い。

白色ＬＥＤとしては、青色ＬＥＤチップと青色ＬＥＤチップから発せられた青色光線によって黄色に発光するＹＡＧ蛍光体等の蛍光体を組み合わせたものが好ましく用いられる。白色ＬＥＤとしては、例えば特開２００８−２３１２１８号公報に記載されたものを用いることができるが、これに限られない。

白色ＬＥＤは、具体的には、ＬＥＤチップと、ＬＥＤチップを覆うようにしてその上に形成された蛍光体層から構成されている。ＬＥＤチップは、第１の所定波長の光を出射するものであり、本実施の形態においては青色光を出射するようになっている。但し、本発明のＬＥＤチップの波長及び蛍光体の出射光の波長は限定されず、ＬＥＤチップによる出射光の波長と、蛍光体による出射光の波長とが補色関係にあり合成された光が白色光となる組合せであればものであれば、使用可能である。

なお、このようなＬＥＤチップとしては、公知の青色ＬＥＤチップを用いることができる。青色ＬＥＤチップとしては、ＩｎxＧａ1-xＮ系をはじめ既存のあらゆるものを使用することができる。青色ＬＥＤチップの発光ピーク波長は４４０〜４８０ｎｍのものが好ましい。また、ＬＥＤチップの形態としては、基板上にＬＥＤチップを実装し、そのまま上方または側方に放射させるタイプ、又は、サファイア基板などの透明基板上に青色ＬＥＤチップを実装し、その表面にバンプを形成した後、裏返して基板上の電極と接続する、いわゆるフリップチップ接続タイプなど、どのような形態のＬＥＤチップでも適用することが可能である。

蛍光体層は、ＬＥＤチップから出射される第１の所定波長の光を第２の所定波長に変換する蛍光体を有している。後述する実施の形態では、ＬＥＤチップから出射される青色光を黄色光に変換するようになっている。

このような蛍光体層に用いられる蛍光体は、Ｙ、Ｇｄ、Ｃｅ、Ｓｍ、Ａｌ、Ｌａ及びＧａの原料として酸化物、又は高温で容易に酸化物になる化合物を使用し、それらを化学量論比で十分に混合して原料を得る。又は、Ｙ、Ｇｄ、Ｃｅ、Ｓｍの希土類元素を化学量論比で酸に溶解した溶解液を蓚酸で共沈したものを焼成して得られる共沈酸化物と、酸化アルミニウム、酸化ガリウムとを混合して混合原料を得る。これにフラックスとしてフッ化アンモニウム等のフッ化物を適量混合して加圧し成形体を得る。成形体を坩堝に詰め、空気中１３５０〜１４５０℃の温度範囲で２〜５時間焼成して、蛍光体の発光特性を持った焼結体を得ることができる。

また、複数のＬＥＤチップ各々を、レンズの光軸に対して対称に配置しても良いし、非対称に配置しても良い。ここで、図１（ａ）は、赤色光を出射する赤色ＬＥＤチップＣＰＲと、緑色光を出射する緑色ＬＥＤチップＣＰＧと、青色光を出射する青色ＬＥＤチップＣＰＢとを、互いに等間隔に配置した例を示している。図１（ｂ）は、赤色光を出射する赤色ＬＥＤチップＣＰＲと、黄色光を出射する緑色ＬＥＤチップＣＰＹと、緑色光を出射する緑色ＬＥＤチップＣＰＧと、青色光を出射する青色ＬＥＤチップＣＰＢとを、正方形の四隅に配置した例を示している。図１（ｃ）は、赤色光を出射する赤色ＬＥＤチップＣＰＲと、白色光を出射する緑色ＬＥＤチップＣＰＷと、緑色光を出射する緑色ＬＥＤチップＣＰＧと、青色光を出射する青色ＬＥＤチップＣＰＢとを、正方形の四隅に配置した例を示している。図１（ｄ）は、赤色光を出射する赤色ＬＥＤチップＣＰＲと、青色光を出射する緑色ＬＥＤチップＣＰＢとを対角線上に配置し、緑色光を出射する２つの緑色ＬＥＤチップＣＰＧを対角線上に配置した例を示している。図１において、各ＬＥＤチップＣＰに外接する最小の円の直径φ１を、ＬＥＤ光源の直径とする。

ＬＥＤ光源は、高出力ＬＥＤ光源であることが好ましい。ここで、高出力ＬＥＤ光源としては、出力が０．５ワット以上のＬＥＤにより構成することができる。

ＬＥＤ用光学素子は、ＬＥＤ光源の光放出側に配置されており、ＬＥＤ光源からの発光光が入射する入射面と、入射面から入射した光を反射する反射面と、ＬＥＤ光源からの発光光を外部に出射する出射面を有する。また、レンズの入射面とＬＥＤ光源は非接触となっている。入射面とＬＥＤ光源との間は空気により充填されていることが好ましい。

入射面は凹状であって、好ましくは対面入射面と側面入射面とを有し、これらは平滑面であることが望ましいが、光拡散処理を施してもよい。ここで、対面入射面は、光学素子の光軸方向に対してＬＥＤ光源と対向するように形成されており、側面入射面は、光学素子の光軸垂直方向に対してＬＥＤ光源側を向くように形成されている。また、対面入射面及び側面入射面とＬＥＤ光源は非接触とすることが好ましい。また、ＬＥＤ光源が凹部により囲まれていることが好ましく、これにより、ＬＥＤ光源から出射された光を光学素子によって効率良く取り出すことができる。さらに、光学素子に凹部を設けることにより、光学素子の配線基板への取り付けをより容易にすることが可能となる。

対面入射面は、正の屈折力を有するレンズ面により構成されていることが好ましいが、平面であってもよい。さらに、対面入射面の形状を非球面形状としても良い。側面入射面は、円筒形状であって良いが、好ましくは対面入射面に近づくに連れて漸次縮径する円錐形状であると良い。

出射面は、複数のマイクロレンズを並べたレンズアレイを形成した領域からなる。好ましくは、全出射面にレンズアレイを形成していると良い。反射面は、入射面と出射面の間に配置され、例えば全反射を利用して、入射面から入射した光を反射して出射面から出射させる形状を有すると好ましい。反射面は、側面入射面から入射した光を反射できるように、光学素子の側面であることが好ましい。反射面に反射膜等を成膜しても良い。

光学素子は配線基板への位置決めのための形状を有していても良い。位置決めのための形状として、上述したような光学素子に凹部を設けた形状や、凸部を設けた形状が挙げられる。このような、配線基板への位置決めのための形状を光学素子に設けることにより、光学素子の配線基板への取り付けをより容易にすることができる。また、配線基板への位置決めのための形状を光学素子に設けることにより、光学素子の配線基板への取り付け方向を視覚的に判断することができるので、取り付けの作業性を向上させることができる。

光学素子の凹部の一部の面に、光学素子に入射した光の一部を全反射してレンズの先端側に光を導くような面を形成しても良い。このような面を光学素子の凹部を形成する一部の面に設ける、つまりは、ＬＥＤ光源近傍に設けることにより、ＬＥＤ光源から出射した光の取り出し効率を高めることができる。

光学素子は、プラスチックで構成されていると好ましい。光学素子を構成するプラスチックとしては、例えばポリカーボネートやアクリルを用いることができる。ポリカーボネートやアクリルを用いることで、射出成形により製造でき、製造コストを大幅に低減させることができる。

ＬＥＤ照明装置としては、ＬＥＤ光源とＬＥＤ用光学素子との間にリフレクタを配置しても良い。ここで、リフレクタとは、ＬＥＤ光源から出射された光を反射するものであり、リフレクタとしては、反射面を有することが好ましい。

ＬＥＤ照明装置から出射された光の強度を測定したときに、光学素子の光軸上の光強度に対して、半分の光強度になる、光軸に対する角度を半値半角といい、その角度の２倍を半値全角という。本明細書で配光角と言うときは、半値全角をいう。

ＬＥＤ照明装置を搭載した照明器具としては、室内や室外で用いられる、特にダウンライト用照明に好適であるが、それ以外の用途としては、一般照明用器具（レーザーポインター、インジケーターなど）、住宅用照明器具、オフィス用照明器具、店装・展示用照明器具、街路灯用照明器具、誘導灯器具及び信号装置、広告塔、照明用ポール、水中照明用ライト、ストロボ用ライト、スポットライト、懐中電灯、電光掲示板（サインボード）、調光器、自動点滅器、ディスプレイ等のバックライト、動画装置、照光式スイッチ、光センサ、医療用ライト、車載ライト等が挙げられる。

本発明によれば、狭い配光角で出射した光線において、混色を促進できるＬＥＤ照明装置用の光学素子及びそれを用いたＬＥＤ照明装置を提供することができる。

ＬＥＤ光源の直径を示す図である。 本実施の形態にかかるＬＥＤ照明装置を、出射面側から見た図である。 図２の構成をIII-III線で切断して矢印方向に見た図である。 マイクロレンズを拡大して示す断面図である。 実施例にかかるＬＥＤ用光学素子の出射面側から見た図である。 図５の構成をVI-VI線で切断して矢印方向に見た図である。 本実施例の配光特性を示すグラフである。 マイクロレンズアレイの構造による混色の違いを色差で示した図である。

以下、添付した図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。

図２は、本実施の形態にかかるＬＥＤ照明装置を、出射面側から見た図である。図３は、図２の構成をIII-III線で切断して矢印方向に見た図である。図４は、マイクロレンズを拡大して示す断面図である。本実施の形態にかかるＬＥＤ照明装置は、ＬＥＤ用光学素子１と、ＬＥＤ光源２を有している。

図３に示すように、回路基板ＣＢは、アルミニウムからなる基板本体ＢＳと、基板本体ＢＳ上に積層された絶縁層ＩＬと、絶縁層ＩＬ上に形成されたＣｕ等の導体からなる配線パターンＨＰとから概略構成されている。配線パターンＨＰには、出射光の色が異なる複数のＬＥＤチップＣＰがそれぞれ接続されている。

複数のＬＥＤチップＣＰは、例えば図１に示すように配置され、以上によりＬＥＤ光源２を構成する。

ＬＥＤ用光学素子１は、プラスチックとしてポリカーボネート又はアクリルを用いている。さらに、ＬＥＤ用光学素子１は、ＬＥＤ光源２の光放出側に配置されており、ＬＥＤ光源２からの発光光が入射する凹状の入射面３と、入射面から入射した光の一部を反射する放物面状の反射面８と、発光光を外部に放出する出射面５を有している。入射面３は、ＬＥＤ光源２に対向する対面入射面３ａと、その周囲の側面入射面３ｂとからなる。対面入射面３ａ及び側面入射面３ｂとＬＥＤ光源２は非接触であるとともに、ＬＥＤ光源２の周囲は側面入射面３ｂにより囲まれている。出射面５の全面は、複数のマイクロレンズＭＳを並べたレンズアレイＬＡを形成した領域からなる。反射面８の上端は、半径方向外側に張り出したフランジ部９に接合している。フランジ部９の上面が出射面５となっている。

ＬＥＤ光源２の直径をφ１（ｍｍ）、出射面５の直径をφ２（ｍｍ）、入射面３の入口直径をφ３（ｍｍ）、入射面３の深さをＬ（ｍｍ）とすると、以下の式を満足する。尚、入射面３の深さは、対面入射面が凸面である場合は、光源からの距離が最も大きくなる場所の深さをＬとする。
５＜φ２／φ１≦１０ （１）
２≦Ｌ／φ１≦４ （３）
φ１≦φ３ （４）

図２に示すように、隣接するマイクロレンズＭＳ同士は接しており、その外形は六角形状である。

図４は、レンズアレイの断面を拡大して示す図である。各マイクロレンズＭＳの形状は等しく、マイクロレンズＭＳは同じ曲率半径Ｒ（ｍｍ）を有する。マイクロレンズが非球面を有する場合、曲率半径は軸上（最も凸の部分）の曲率半径を指すものとする。又、隣接するマイクロレンズＭＳの光軸間距離はＤ（ｍｍ）である。このとき、以下の式を満足する。Ｒ／Ｄが１／２より大きいため、隣接するマイクロレンズが重なることになり、六角形状となる。
２．２≦Ｒ／Ｄ≦２．５ （２）

本実施の形態では、ＬＥＤ光源２から出射した光は、側面入射面３ｂ又は対面入射面３ａから入射する。更に、対面入射面３ａから入射した光は、その凸面で屈折して集光されて出射面５へと向かい、また側面入射面３ｂから入射した光は、反射面８で反射され混色されつつ出射面５へと向かう。その後、光の一部は、凸形状の出射面５のレンズアレイＬＡで適度に散らされて外部に出射され、これにより混色が更に促進され、ＬＥＤチップの像が明瞭に写り込まず、更には配光角が狭く制御され、ＬＥＤ用光学素子１の外部に出射される。

図５は、実施例にかかるＬＥＤ用光学素子の出射面側から見た図であり、図６は、図５の構成をVI-VI線で切断して矢印方向に見た図である。図５，６に示すように、φ１＝φ３＝５．２（ｍｍ）、φ２＝３５（ｍｍ）、Ｌ＝１１（ｍｍ）であるから、φ２／φ１＝６．７３、Ｌ／φ１＝２．１２である。又、ＬＥＤ用光学素子の高さは１６（ｍｍ）、フランジ厚は２（ｍｍ）である。又、Ｒ／Ｄ＝２．３（ｍｍ）である。

図７は、本実施例の配光特性を示す図である。図７から明らかなように、本実施例では、配光角２０度（半値半角１０度）でありながら、上述の効果を得ることができる。

図８は、本発明者が行った検討結果を示す図である。本発明者は、Ｒ／Ｄの値のみを変えて同じ仕様のＬＥＤ用光学素子について、赤色光と青色光を入射した場合における出射光の色差チャートを比較した。図８（ａ）は、Ｒ／Ｄ＝２．３のときの色差チャートであり、図８（ｂ）は、Ｒ／Ｄ＝１．９のときの色差チャートであって、同じ色を等高線で示している。両者を比較してみると、Ｒ／Ｄ＝２．３の方が、等高線の間隔が広いので、Ｒ／Ｄ＝１．９よりも混色が促進されていることが分かる。また等高線の形が円形に近いことから、混色された部分がより円形に近づき高品位なスポットであることがわかる。

１ レンズ
２ ＬＥＤ光源
３ 入射面
３ａ 対面入射面
３ｂ 側面入射面
５ 出射面
６ 凹部
８ 反射面
９ フランジ部

Claims (5)

1. 異なる色の光を出射する複数のＬＥＤ光源の光放出側に配置され、前記ＬＥＤ光源からの発光光が入射する凹状の入射面と、前記入射面から入射した光を反射する反射面と、前記発光光を外部に放出する出射面とを備えたＬＥＤ用光学素子であって、
   前記出射面は、複数のマイクロレンズを並べたレンズアレイを形成しており、以下の式を満たすことを特徴とするＬＥＤ用光学素子。
   ５＜φ２／φ１≦１０ （１）
   ２．２≦Ｒ／Ｄ≦２．５ （２）
   ２≦Ｌ／φ１≦４ （３）
   但し、
   φ１：前記ＬＥＤ光源の直径（ｍｍ）
   φ２：前記出射面の直径（ｍｍ）
   Ｒ：前記マイクロレンズの曲率半径（ｍｍ）
   Ｄ：隣接する前記マイクロレンズの光軸間距離（ｍｍ）
   Ｌ：前記入射面の深さ（ｍｍ）
2. 前記出射面の全面に、前記マイクロレンズを配置したことを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ用光学素子。
3. 各マイクロレンズの形状は等しいことを特徴とする請求項１又は２に記載のＬＥＤ用光学素子。
4. 以下の式を満たすことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のＬＥＤ用光学素子。
   φ１≦φ３ （４）
   φ３：前記入射面の入口直径（ｍｍ）
5. 請求項１〜４のいずれかに記載のＬＥＤ用光学素子と、異なる色の光を出射する複数のＬＥＤ光源とを有することを特徴とするＬＥＤ照明装置。