JP2014107051A

JP2014107051A - ライトパイプ

Info

Publication number: JP2014107051A
Application number: JP2012257432A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Yokota; 浩之横田
Original assignee: Tokyo Metropolitan Industrial Technology Research Instititute (TIRI)
Current assignee: Tokyo Metropolitan Industrial Technology Research Instititute (TIRI)
Priority date: 2012-11-26
Filing date: 2012-11-26
Publication date: 2014-06-09

Abstract

【課題】発光の形状を点状に近似させ、発光の位置を任意とすることで、ＬＥＤを光源としつつフィラメント素子との相違を解消させてフィラメント素子の配光に近似させることができるライトパイプを提供する。
【解決手段】略柱状に形成された導光部材であり、ＬＥＤ素子１から発光した光が、基端縁１２側から入射して内部で反射し先端部１３から射出するライトパイプ１０において、先端縁１４に向けて傾斜する外面部１７と、先端縁１４から基端縁１２側に向けて形成した錐状凹部１９であり錐状の頂点部１５から先端縁１４に向けて傾斜する内面部１６と、から先端部１３を構成する。先端部１３は、ＬＥＤ素子１を一次光源として発光した光を集光して内面部１６で反射させて外面部１７を透過させる二次光源である。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＬＥＤ（発光ダイオード）を光源とするライトパイプに関するものである。

今日、例えば照明器具やプロジェクタなどに用いられる光源は、省電力、長寿命などの利点からフィラメント素子に代ってＬＥＤが主流になりつつある。ここで、ＬＥＤの光度や指向性を調節するために、ライトパイプが用いられている。

ＬＥＤを光源とした一般的なライトパイプとして、例えば下記特許文献１に記載のロッドインテグレータが提案されている。このロッドインテグレータは筒状に形成され、光入射開口部にＬＥＤが取り付けられている。ＬＥＤから放射された光は筒内で内面反射を繰り返して伝搬され、光射出開口部から均一な光度で射出される。

特開２００５−２８３９１８号公報

ところで、照明器具などは、フィラメント素子に代えてＬＥＤを用いる場合、これらの相違が問題となる。すなわち、一般的に、フィラメント素子は形状が線形状（フィラメント状）であることから発光の形状が点状に近似しており、周囲の光度が均一である。フィラメント素子は照明器具に用いられる場合、透光ケースの中央近傍に配置され、また、プロジェクタの光源としてリフレクタの焦点位置に配置して発光させることもできる。なお、発光の形状に関し「点状」とは、例えば照明器具のフィラメントのように光源から次の光学部材までの距離が光源の最大寸法の五倍以上ある光源のことをいう。

これに対し、特に照明用のパワーＬＥＤなどは発光の形状が面形状であり、配光がランバーシアン放射に近似している。また、パワーＬＥＤは発熱量が多いため放熱の観点から放熱部材に接触させる必要があり、例えば照明器具の透光ケースの中央や、プロジェクタの光源としてリフレクタの焦点位置など、放熱部材から離した位置に配置することが困難である。

したがって、フィラメント素子の光源をＬＥＤで代替するためには、ＬＥＤの放熱を考慮しつつ、発光の形状を点状に近似させ、発光の位置を任意とする必要がある。

本発明は、上記の実情に鑑みて提案されたものである。すなわち、発光の形状を点状に近似させ、発光の位置を任意とすることで、ＬＥＤを光源としつつフィラメント素子との相違を解消させてフィラメント素子の配光に近似させることができるライトパイプの提供を目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係るライトパイプは、略柱状に形成された導光部材であり、ＬＥＤから発光された光が基端縁側から入射されて内部で反射し、先端部から射出されるライトパイプにおいて、前記先端部が、先端縁に向けて傾斜する外面部と、前記先端縁から前記基端縁側に向けて形成された錐状の凹部であり錐状の頂点部から前記先端縁に向けて傾斜する内面部と、から構成され、前記先端部が、前記ＬＥＤを一次光源として発光された前記光を集光して前記内面部で反射させて前記外面部を透過させる二次光源である、ことを特徴としている。

本発明に係るライトパイプは、前記先端部の先端縁の直径が、前記先端部のうち前記基端縁側の直径よりも小さく形成された、ことを特徴としている。

本発明に係るライトパイプは、前記先端部の先端縁の直径が、前記基端縁の直径よりも大きく形成された、ことを特徴としている。

本発明に係るライトパイプは、前記基端縁近傍の外周面が放物面状に形成され、この放物面状の焦点位置に前記ＬＥＤが配置された、ことを特徴としている。

本発明に係るライトパイプは、前記内面部が鏡面である、ことを特徴としている。

本発明に係るライトパイプは、前記内面部が半透明鏡面である、ことを特徴としている。

本発明に係るライトパイプは、上記した構成である。この構成により、ＬＥＤから発光された光が内側で反射させられながら先端部に集光される。光は内面部の傾斜と外面部の傾斜とで入射角が小さくさせられて臨界角を超え、内面部で反射させられて外面部を透過し、先端部を二次光源として放射状に射出される。

すなわち、二次光源における発光の形状は、光が先端部に集光され射出させられることでフィラメント素子の点状に近似する。発光の位置は、一次光源であるＬＥＤから発光された光が先端部に集光されて射出されるため、先端部である。この先端部が二次光源となるため、先端部の位置がフィラメント素子と同様に任意である。

したがって、発光の形状を点状としてライトパイプの中心軸に対して均一な光度で発光させることができ、発光の位置を任意とすることでＬＥＤ（一次光源）を基板で放熱させるとともに発光の位置を先端部（二次光源）に移すことができる。これにより配光をフィラメント素子に近似させることができる。

本発明に係るライトパイプは、先端部の先端縁の直径が、先端部のうち基端縁側の直径よりも小さく形成されている。この構成により、ライトパイプは先端部が基端縁側から先端部に向けて徐々に細く形成される。したがって、発光の形状を点状としてライトパイプの中心軸に対して均一な光度で発光させることができる。

本発明に係るライトパイプは、先端部の先端縁の直径が、基端縁の直径よりも大きく形成されている。この構成により、ライトパイプは外面部と内面部とが基端縁よりも外側に張り出したラッパ状に形成される。基端縁よりも外側に張り出した分、内面部で反射させられた反射光が外面部を透過して基端縁側（後方）にも射出される。したがって、光を全方位に射出させることができる。

本発明に係るライトパイプは、基端縁近傍の外周面が放物面状に形成され、この放物面状の焦点位置にＬＥＤが配置されている。この構成により、ＬＥＤから発光された光が放物面で反射させられて基端縁近傍で水平な光線となる。したがって、ライトパイプの全長を長くしつつ基端縁の直径を小さくすることができる。

本発明に係るライトパイプは、内面部が鏡面である。この構成により、光が鏡面で効率よく反射させられる。したがって、周囲に均一な光度で発光させることができる。

本発明に係るライトパイプは、内面部が半透明鏡面である。この構成により、光の一部が半透明鏡面を透過して先端部の先端縁側（前方）にも射出される。したがって、光を全方位に射出せることができる。

本発明の第一実施形態に係るライトパイプの概略を示した概略斜視図である。本発明の第一実施形態に係るライトパイプの傾斜角、寸法の関係を説明する図であり、（ａ）が傾斜角を説明する説明図、（ｂ）が寸法を説明する説明図である。本発明の第一実施形態に係るライトパイプの概略を示すと共にＬＥＤの光路を示して説明する概略側面説明図である。本発明の第二実施形態に係るライトパイプの概略を示すと共にＬＥＤの光路を示して説明する概略側面説明図である。本発明の第三実施形態に係るライトパイプの概略を示すと共にＬＥＤの光路を示して説明する概略側面説明図である。本発明の第四実施形態に係るライトパイプの概略を示すと共にＬＥＤの光路を示して説明する概略側面説明図である。

以下に、本発明の第一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本実施形態に係るライトパイプ１０の概略が示されている。

図１において、本発明の第一実施形態に係るライトパイプ１０は中実の略円柱状に形成された導光部材であり、例えばガラス、ポリカーボネートなどのプラスチックなどの透明部材である。ライトパイプ１０は、一次光源であるＬＥＤ素子１から発光された光２が入射される一端側である基端縁１２、入射光が反射を繰り返して進む本体部１１、本体部１１で反射された反射光が射出される他端側である先端部１３から構成され、基端縁１２から先端部１３にかけて徐々に細く形成されている。すなわち、先端部１３の先端縁１４の直径が、基端縁１２の直径よりも小さく形成されている。なお、ライトパイプの形状は略円柱状に限られず、例えば略多角柱状、略楕円柱状などであってもよい。後述する他の実施形態においても同様である。

基端縁１２は基板（図示せず）に実装されたＬＥＤ素子１が近接して配置される。ＬＥＤ素子１は、例えば通常のＬＥＤの他、パワーＬＥＤ、ハイパワーＬＥＤなどであり、複数のＬＥＤから発光面が形成されている。すなわち、発光の形状が面形状である。本体部１１は、先端部１３にかけて徐々に細く形成されている。なお、先端部１３が徐々に細く形成されていれば、本体部が真っ直ぐな円柱状であってもよい。

先端部１３は、軸方向に略円錐状の円錐状凹部１９が形成され、この円錐状凹部１９の周面である内面部１６と、この内面部１６と対面し、先端縁１４に向け徐々に細く形成された縮径外面部１７とから構成されている。円錐状凹部１９は円錐の頂点である頂点部１５が基端縁１２の中心に向けられ、円錐の底面側が先端縁１４で開放されている。縮径外面部１７は先端縁１４に向けて直径が縮小することによって傾斜し、一方、内面部１６は頂点部１５から先端縁１４に向けて直径が拡大することによって傾斜している。すなわち、先端部１３は先端縁１４が縮径外面部１７と内面部１６とが連なって形成され、縮径外面部１７の傾斜角（すなわちライトパイプ１０の本体部１１の傾斜角θａ）よりも内面部１６の傾斜角θｂが大きく形成されている（図２参照）。

先端部１３は二次光源である。すなわち、光２はＬＥＤ素子１を一次光源として発光され、本体部１１で反射を繰り返して先端部１３を二次光源として射出する。光２は先端部１３に集光され、光源が点状に近似する。

内面部１６は鏡面加工が施されている。鏡面加工は、例えば研磨機による研磨やメッキ処理である。なお、半鏡面加工でもよい。

次に、ライトパイプ１０（本体部１１）の傾斜角、および寸法について図面に基づいて説明する。図２（ａ）が第一実施形態に係るライトパイプ１０（本体部１１）の傾斜角θａを説明する説明図であり、図２（ｂ）が第一実施形態に係るライトパイプ１０の寸法を説明する説明図である。

図２（ａ）において、補助線と本体部１１の外周面１８とのなす角を傾斜角θａ、補助線とＬＥＤ素子１から発光された光２とのなす角（放射角）をθｓ、光２が外部（空気）に進むときの入射角をθｉ、ライトパイプ１０の屈折率をｎ_１、外部の屈折率をｎ_２とする。

入射角θｉは次式１で求まる。

本体部１１の傾斜角θａは、入射角θｉを臨界角とすれば式１およびスネルの法則により次式２で求まる。

すなわち、ライトパイプ１０は、本体部１１の傾斜角θａがＬＥＤ素子１の放射角θｓに依拠する。したがって、本体部１１の傾斜角θａはＬＥＤ素子１の仕様に応じて決定される。ＬＥＤ素子１の放射角θｓが大きいほど傾斜角θａは本体部１１が先端部１３に向って太くなる向きに変化し、放射角θｓが小さいほど本体部１１が先端部１３に向って細くなる向きに変化する（式２参照）。

図２（ｂ）において、ライトパイプ１０の基端縁１２の直径をｌ_２、先端部１３の先端縁１４の直径をｌ_１、全長をＬとする。これらの関係式は次式３である。

すなわち、基端縁１２の直径ｌ_２、先端部１３の先端縁１４の直径ｌ_１、および全長Ｌは、本体部１１の傾斜角θａに依拠する。本体部１１の傾斜角は、θａより小さい角度の範囲内で任意であり、ライトパイプ１０の全長Ｌによって決定される。先端部１３は円錐状凹部１９の深さが任意である。浅ければ内面部１６の傾斜角θｂが大きく、深ければ内面部１６の傾斜角θｂが小さい。先端部１３の二次光源としての形状は、浅いほど点状に近似し、深いほど線状となる。ライトパイプ１０の寸法は、例えば、基端縁１２の直径ｌ_２が約１２ｍｍ、先端縁１４の直径ｌ_１が約３ｍｍ、全長Ｌが約２８ｍｍである。

次に、ライトパイプ１０の作用について図面に基づいて説明する。図３は、第一実施形態に係るライトパイプ１０の外観と光路を示した概略説明図である。

図３において、ＬＥＤ素子１から発光された光２が本体部１１の外周面１８に向けて進む。本体部１１の傾斜角θａは式２により、ＬＥＤ素子１から発光される光２の、外部（空気）に進むときの入射角θｉが、臨界角よりも大きくなるよう決定されている（図２参照）。光２は本体部１１の内側で全反射を繰り返し、先端部１３に集光する。先端部１３の内面部１６は、内面部１６の傾斜角θｂが縮径外面部１７の傾斜角（本体部１１の傾斜角）θａよりも大きく（図２参照）、鏡面加工が施されている。光は内面部１６での入射角が本体部１１の内側での反射角よりも小さくなり、鏡面によって透過されずに効率よく反射する。入射角に応じて反射角が小さくなった光２が縮径外面部１７で反射し、内面部１６との間で反射を繰り返す。光２の入射角と反射角とが徐々に小さくなり、縮径外面部１７から外部（空気）に進む入射角が臨界角を超えて縮径外面部１７を透過する。光２は先端部１３から放射状に射出され、発光の形状が点状の二次光源として先端部１３がライトパイプの中心軸に対して均一な光度で発光する。

次に、上記した第一実施形態の効果を説明する。

第一実施形態によれば、ライトパイプ１０は、先端部１３が、円錐状凹部１９の周面である内面部１６と、この内面部１６と対面し、先端縁１４に向け徐々に細く形成された縮径外面部１７とから構成されている。縮径外面部１７は先端縁１４に向けて直径が縮小することによって傾斜し、一方、内面部１６は頂点部１５から先端縁１４に向けて直径が拡大することによって傾斜し、縮径外面部１７の傾斜角（本体部１１の傾斜角）θａよりも内面部１６の傾斜角θｂが大きく形成されている。

この構成により、ＬＥＤ素子１から発光された光２が本体部１１の内側で全反射させられながら先端部１３に集光される。光２は内面部１６の傾斜と縮径外面部１７の傾斜とで入射角が小さくさせられて臨界角を超え、内面部１６で反射させられて縮径外面部１７を透過し、先端部１３を二次光源として放射状に射出される。

すなわち、二次光源における発光の形状は、光２が先端部１３に集光され射出させられることでフィラメント素子の点状に近似する。したがって、発光の形状を点状としてライトパイプの中心軸に対して均一な光度で発光させることができる。

発光の位置は、一次光源であるＬＥＤ素子１から発光された光２が集光されて先端部１３から射出されることで、先端部１３である。この先端部１３が二次光源となり、ライトパイプ１０の全長Ｌを調節することで先端部１３の位置を調節することができるため、光源の位置はフィラメント素子と同様に任意である。したがって、発光の位置を任意とすることでＬＥＤ素子１（一次光源）を基板で放熱させるとともに発光の位置を先端部１３（二次光源）に移すことができる。

第一実施形態によれば、発光の形状が点状であり、発光の位置が任意であるため、配光をフィラメント素子に近似させることができる。

第一実施形態によれば、ライトパイプ１０は、内面部１６に鏡面加工が施されている。鏡面加工は、例えば研磨機による研磨やメッキ処理である。この構成により、光２が鏡面で効率よく反射させられる。したがって、ライトパイプの中心軸に対して均一な光度で発光させることができる。

第一実施形態によれば、ライトパイプ１０は傾斜角および寸法が上記した式２および式３により決定され、ＬＥＤ素子１の放射角θｓに応じて調節される。したがって、一次光源に様々なＬＥＤ素子を応用することができる。

またライトパイプ１０は円錐状凹部１９の深さに応じて発光の形状が変形する。したがって、用途に応じて発光の形状を例えば点状、線状などに変形することができる。

次に、第二実施形態に係るライトパイプ２０を図面に基づいて説明する。図４は、第二実施形態に係るライトパイプ２０の概略が示されている。なお、以下では上記したライトパイプ１０と異なる構成のみの説明がなされ、同一の構成に関する説明が省略されている。

図４において、第二実施形態に係るライトパイプ２０は本体部２１が略円柱状に形成されている。なお、本体部２１は先端部２３にかけて徐々に細く形成されていてもよい。

先端部２３は、先端縁２４の直径が基端縁２２よりも大きく、内面部２６と、先端縁２４に向けて徐々に太く形成された拡径外面部２７とが外側に張り出してラッパ状に形成されている。拡径外面部２７は先端縁２４に向けて直径が拡大することによって傾斜している。内面部２６で反射して拡径外面部２７を透過した光２は、拡径外面部２７が基端縁２２よりも外側に張り出した分、基端縁２２側にも射出する。先端部２４は基端縁２２側を含めて光２が全方位に射出し、二次光源として発光する。

次に、上記した第二実施形態の効果を説明する。

第二実施形態によれば、ライトパイプ２０の先端部２３は、先端縁２４の直径が基端縁２２よりも大きく、内面部２６と、先端縁２４に向けて徐々に太く形成された拡径外面部２７とが外側に張り出したラッパ状に形成されている。拡径外面部２７は先端縁２４に向けて直径が拡大することによって傾斜している。この構成により、基端縁２２よりも外側に張り出した分、内面部２６で反射させられた反射光が拡径外面部２７を透過して基端縁２２側にも射出される。したがって、光２を全方位に射出させることができる。

次に、本発明の第三実施形態を図面に基づいて説明する。図５は第三実施形態に係るライトパイプ３０の概略が示されている。なお、以下では上記したライトパイプ１０と異なる構成のみの説明がなされ、同一の構成に関する説明が省略されている。

図５において、第三実施形態に係るライトパイプ３０は、本体部３１が略円柱状に形成されている。なお、本体部３１は先端部３３にかけて徐々に細く形成されていてもよい。

先端部３３は、先端縁３４の直径が基端縁３２よりも大きく、内面部３６と、先端縁３４に向けて徐々に太く形成された拡径外面部３７とが外側に張り出したラッパ状に形成されている。拡径外面部３７は先端縁３４に向けて直径が拡大することによって傾斜している。内面部３６は半鏡面加工が施されている。内面部３６で反射して拡径外面部３７を透過した光２は、拡径外面部３７が基端縁３２よりも外側に張り出した分、基端縁３２側にも射出する。光２は一部が半鏡面を透過し先端縁３４側にも射出する。先端部３３は、光２が先端縁３４側を含めて全方位に射出し、二次光源として発光する。

次に、上記した第三実施形態の効果を説明する。

第三実施形態によれば、ライトパイプ３０は、先端部３３の先端縁３４の直径が基端縁３２よりも大きく、内面部３６と拡径外面部３７とが外側に張り出したラッパ状に形成されている。拡径外面部３７は、先端縁３４に向けて徐々に太く形成されている。拡径外面部３７は先端縁３２に向けて直径が拡大することによって傾斜している。内面部３６に半鏡面加工が施されている。この構成により、基端縁３２よりも外側に張り出した分、内面部３６で反射させられた反射光が拡径外面部３７を透過し、また、光２の一部が半透明鏡面を透過し、基端縁３２側、および先端縁３３側に射出する。したがって、光２を全方位に射出させることができる。

次に、本発明の第四実施形態を図面に基づいて説明する。図６は第四実施形態に係るライトパイプ４０の概略が示されている。なお、以下では上記したライトパイプ１０と異なる構成のみの説明がなされ、同一の構成に関する説明が省略されている。

図６において、第四実施形態に係るライトパイプ４０は、基端縁４２の直径が小さく、本体部４１の直径が基端縁４２よりも大きく、先端部４３にかけて徐々に細くなっている。具体的には、本体部４１は基端縁４２近傍が放物面状の放物外周面４８が形成されている。ＬＥＤ素子１は、放物面の焦点位置に配置されている。ＬＥＤ素子１から発光された光２が本体部４１の放物外周面４８に向けて進み、放物面で反射して水平な光線となる。

ライトパイプは本体部の傾斜角が光の放射角によって決定されるため（式２参照）、全長を長くして二次光源の位置を基端縁から遠ざけると、基端縁の直径が大きくなる（式３参照）。第四実施形態に係るライトパイプ４０は放物外周面４８により光２が基端縁４２近傍で平行化され、基端縁４２の直径にかかわらず全長を長くすることができる。

次に、上記した第四実施形態の効果を説明する。

第四実施形態によれば、ライトパイプ４０は、基端縁４２の直径が小さく、本体部４１の基端縁４２近傍が放物面状の放物外周面４８である。ＬＥＤ素子１は、放物面の焦点位置に配置されている。この構成により、ＬＥＤ素子１から発光された光２が本体部４１の放物外周面４８に向けて進み、基端縁４２の近傍の放物面で反射して水平な光線となる。したがって、ライトパイプ４０の全長を長くしつつ基端縁４２の直径を小さくするこができる。

以上、本発明の実施形態を詳述したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明は、特許請求の範囲に記載された事項を逸脱することがなければ、種々の設計変更を行うことが可能である。例えば、照明器具、プロジェクタや乗り物の照明に用いられるライトバルブなど様々な光学系に応用することができる。

１ＬＥＤ素子
２光
１０、２０、３０、４０ライトパイプ
１１、２１、３１、４１本体部
１２、２２、３２、４２基端縁
１３、２３、３３、４３先端部
１４、２４、３４、４４先端縁
１５頂点部
１６、２６、３６、４６内面部
１７縮径外面部（外面部）
１８外周面
１９円錐状凹部（錐状の凹部）
２７、３７拡径外面部（外面部）
４８放物外周面
θｉ入射角
θｓ放射角
θａ本体部（外面部）の傾斜角
θｂ内面部の傾斜角

Claims

略柱状に形成された導光部材であり、ＬＥＤから発光された光が基端縁側から入射されて内部で反射し、先端部から射出されるライトパイプにおいて、
前記先端部が、先端縁に向けて傾斜する外面部と、前記先端縁から前記基端縁側に向けて形成された錐状の凹部であり錐状の頂点部から前記先端縁に向けて傾斜する内面部と、から構成され、
前記先端部が、前記ＬＥＤを一次光源として発光された前記光を集光して前記内面部で反射させて前記外面部を透過させる二次光源である、
ことを特徴とするライトパイプ。
前記先端部の先端縁の直径が、前記先端部のうち前記基端縁側の直径よりも小さく形成された、
ことを特徴とする請求項１に記載のライトパイプ。
前記先端部の先端縁の直径が、前記基端縁の直径よりも大きく形成された、
ことを特徴とする請求項１に記載のライトパイプ。
前記基端縁近傍の外周面が放物面状に形成され、この放物面状の焦点位置に前記ＬＥＤが配置された、
ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のライトパイプ。
前記内面部が鏡面である、
ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のライトパイプ。
前記内面部が半透明鏡面である、
ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のライトパイプ。