JP3708108B2 - 光照射装置及び光学ユニット - Google Patents

Description

本発明は、ＬＥＤを光源とする光照射装置であって、製品検査や植物育成のためのスポット照明器として好適に用いられるものに関する。

近時、パワーＬＥＤと称される高輝度ＬＥＤや青色ＬＥＤ等が開発されるに伴い、ＬＥＤの用途が大きく拡大しつつある。またそれに応じてＬＥＤの光を無駄なく前方に導く光照射装置も種々開発されてきている。例えば、特許文献１には、ＬＥＤから射出された光をできるだけ無駄なく透明ロッド等のライトガイドに導くための光学カプラーが開示されている。この光学カプラーは透明中実な椀状のボディを備えており、そのボディの基端面には凹部が設けられている。そして前記凹部内に配設したＬＥＤから出た光が、ボディの湾曲側面で全反射し、あるいは直接、ボディの先端面から射出される。一方、ボディの先端面は平坦になっていて、その先端面をライトガイドの光導入面に密着接続し、ＬＥＤから出る略全ての光がライトガイドに導入されるように構成してある。

また、特許文献２に示すようにレンズ体に中央プリズム部と外輪プリズム部とを設け、ＬＥＤからの光をすべてレンズ体で受光して所定方向に投光するようにしたものも知られている。
特開２００３−２２７９７４号公報 特開２００２−４３６２９号公報

ところが、ＬＥＤからの光を前方へ投光するための前記光学ユニットあるいはレンズ体と称されるものは効率性にのみ主眼がおかれ、その光で照射される光照射エリアでの照度の均一性には考慮が払われていない。製品検査や植物育成のためのスポット照明を考えた場合には、このように光照射エリアでの照度ムラの生じるおそれのあるものでは不適当である。加えてＬＥＤというコンパクトな素子の特性を活かして装置そのものを小型化したいという要請もある。

本発明はかかる問題点に鑑みなされたものであって、コンパクトな構成でありながら、ＬＥＤからでた光を効率よく光照射エリアに導き、なおかつその光照射エリアでの照度の均一性を担保できる光学ユニット及びその光学ユニットを用いた光照射装置を提供することをその主たる所期課題としたものである。

すなわち本発明に係る光照射装置は、ＬＥＤと、ＬＥＤからの光を通過させて先端部から射出する光透過性を有した光学ユニットとを具備するものであって、以下に示す（１）〜（８）の各要件を備えていることを特徴とする。
（１）前記光学ユニットが、ＬＥＤから射出される光の光軸を中心とする回転体形状をなす。
（２）前記光学ユニットの基端面には、中央部にＬＥＤを収容するための基端凹部を開口させている。
（３）前記光学ユニットの先端面には、中央部に先端凹部を開口させるとともにその先端凹部の周囲に凹レンズ部を形成している。
（４）前記光学ユニットの側面にはＬＥＤからの光を略全反射する湾曲膨出面を形成している。
（５）前記基端凹部が、円柱状をなすものであり、その基端凹部の底面を基端面側に向かって膨らませ凸レンズとして機能するようにし、さらに、基端凹部の壁面が基端面側に向かうにつれ徐々に拡がるテーパ面である。
（６）前記ＬＥＤから射出された光のうち、前記先端凹部を通過する光である第１の光が前記基端凹部の底面を通過したものであり、当該第１の光の略全てが、前記凹レンズ部を通過することなく外側に拡がる光として射出されるように構成している。
（７）前記ＬＥＤから射出された光のうち、前記先端凹部を通過しない光である第２の光が前記基端凹部の壁面で外側に屈折し、前記湾曲膨出面に導かれ、当該第２の光の略全てが、前記湾曲膨出面で内向きに全反射した後、前記凹レンズ部を通過して外側に拡がる光として射出されるように構成している。
（８）前記光学ユニットから所定距離離れた光照射エリアにおいて、前記第１の光と第２の光との境界近傍での照度が略均一になるように構成している。

ここで「内」とは光軸に近づく方向をいい、「外」とは光軸から遠ざかる方向をいう。

このようなものであれば、ＬＥＤから射出された光のほぼ全てが光学ユニットの先端部から射出されるため、ＬＥＤの光を非常に効率よく光照射エリアに照射することができる。

また、湾曲膨出面で光が内向きに反射されるため、光学ユニットの先端面の外径を小さくすることができ、コンパクト化を図れる。

さらに、第１の光と第２の光との境界近傍の照度を略均一に構成していることから、光照射エリア全体での照度も均一に保つことができ、しかも第１及び第２の光が進行するに連れ外側に拡がる光であるため、検査用のスポット照明等に特に好適なものとなる。

加えて、ＬＥＤからでた光のうち、一定角度以上拡がる光（前記先端凹部を通過する光）の経路とそうでない光（前記湾曲膨出面で反射する光）の経路とを、前記光学ユニット内で完全に分離するようにしているため、光学ユニット先端部から射出される光の方向や光量の均一性までをも考慮した設計が非常に容易になり、上述した効果を無理なく実現できる。

前記第１の光の拡がり角を調整するには、前記基端凹部を形成する壁面における第１の光の通過領域又は前記先端凹部を形成する壁面における第１の光の通過領域の少なくともいずれか一方に凸レンズ部を形成しているものが好ましい。特に双方に凸レンズ部を形成しておけば、屈折時のロスを減少させることができる。

光学ユニットの製造を容易にするとともに、第１の光の方向制御性を良好にするには、前記先端凹部が、第１の光が通過する底面と、その底面周縁から起立する側面とから形成されるものであって、前記側面が先端に向かうに連れ外側に拡がるテーパ面であり、当該側面と前記第１の光とが略干渉しないように構成しているものが望ましい。

光軸方向の長さ寸法をも縮小できるようにするには、前記第２の光が、前記基端凹部を形成する壁面でさらに外側に屈折し、前記湾曲膨出面に至るように構成しているものが好ましい。

砲弾型モールドタイプのものやカンステムタイプのものようにプリント基板に搭載できるようにしたパッケージ型の従来の光射出装置では、ＬＥＤの後方にリフレクタが設けられている。これに対し、本発明に係る光学ユニットによれば、上述したように、ＬＥＤからの光を無駄なく先端部から射出できるためリフレクタが不要である。この長所を応用した本発明に係るパッケージ型の光射出装置としては、前記光学ユニットの基端面から連続させて一体に柱状をなすリード保持部を設け、そのリード保持部に、ＬＥＤ及びそのＬＥＤのアノード及びカソードにそれぞれ接続された一対のリードを埋設保持させているものや、ＬＥＤを表面に搭載し、底面からそのＬＥＤのアノード及びカソードにそれぞれ接続された一対のリードを延出するＬＥＤ搭載部材を備え、そのＬＥＤ搭載部材に前記光学ユニットを取り付けているものを挙げることができる。

以下に参考例の一実施形態について図面を参照して説明する。

本実施形態に係る光照射装置１は、図１に示すように、光源であるＬＥＤ２１を有したＬＥＤパッケージ２と、前記ＬＥＤ２１から射出される光を受光して、先端部から射出する光学ユニット４と、これらＬＥＤパッケージ２及び光学ユニット４を収容保持する図示しないケーシングとを備えたものである。

各部を詳述する。ＬＥＤ２１は、図５〜図７に示すように、２００ｍＡ以上の電流を流すことが可能ないわゆるパワーＬＥＤと称される面実装タイプのもので、基板２２上にスペーサＳＰを介して搭載されてＬＥＤパッケージ２を形成している。なお、符号２４は、ＬＥＤ２１を保護するために取り付けられた半球状の透明中実樹脂カバーである。

具体的にこのＬＥＤ２１は、例えば表面実装型の非常に小さい矩形ブロック状をなすもので、ＰＮ接合構造をなし、一方の半導体層（例えばＰ層）２１１の底面に、極めて薄い（数十μｍ）他方の半導体層（例えばＮ層）２１２を設けてなる。一般的にＬＥＤは、Ｐ層とＮ層との境界部分が発光し、かつその部分で発熱も生じるが、このＬＥＤ２１は、通常のＬＥＤに比べ消費電力や発生熱量が多いことから、放熱を効率よく行うため、通常のＬＥＤとは逆に、前記境界部分に近い面、すなわちこの実施形態では底面を、基板２２側に密着させる接合面にしている。

基板２２は、平面視略円形状をなす板状のもので、アルミニウムを素材とする放熱部材２２１と、その放熱部材２２１の頂面を被覆する薄層状をなす絶縁体２２２と、その絶縁体２２２上に形成した配線パターンＣをとを備えたものである。絶縁体２２２は、例えばポリイミド樹脂やエポキシ系樹脂等を素材としたものであり、熱伝導を阻害しないように、数十μｍの極めて薄い層にしている。配線パターンＣは銅箔に金（銀）メッキを施してなるやはり数μｍの薄いもので、本実施形態では、正負一対の配線パターンＣ（１）、Ｃ（２）を設け、それぞれをワイヤＷを介して前記Ｐ層２１１及びＮ層２２２に接続している。

光学ユニット４は、図１〜図４に示すように、基端面４ａから先端面４ｂに向かうに連れ徐々に輪郭断面積が拡がるように形成した回転体形状をなす中実透明なもので、その中心軸がＬＥＤ２１の光軸Ｃと合致するようにしてＬＥＤパッケージ２の基板２２に取り付けられている。

この光学ユニット４の基端面４ａには、前記ＬＥＤ２１を収容するための凹部４２（以後、基端凹部４２という）が開口させてある。この基端凹部４２は半球状をなすもので、前記ＬＥＤパッケージ２の樹脂カバー２４がこの基端凹部４２にわずかな隙間をあけて嵌め込まれる。この隙間には、例えば樹脂カバー２４乃至光学ユニット４と屈折率の近似する樹脂を充填して光が通過する際のロスを軽減するようにしてもよい。

一方、光学ユニット４の先端面４ｂには、中央に行くほど徐々に凹む湾曲面を設けて凹レンズ部４４を形成するとともに、この先端面４ｂの中央部には、概略円柱状をなす凹部４３（以後、先端凹部４３という）を設けている。そして、この先端凹部４３の底面４３ａの略全体を先端面４ｂ側に向かって膨らませ、凸レンズ部として機能させるとともに、この先端凹部４３の側面４３ｂを先端面４ｂ側に向かうにつれ徐々に拡がるテーパ面としている。

光学ユニット４の側面には、断面輪郭が放物線をなすように形成した湾曲膨出面４５が設けてある。

しかして本実施形態では、図４に示すように、前記ＬＥＤ２１から射出された光のうち、先端凹部４３の底面（凸レンズ部）を屈折しつつ通過する光、すなわち光軸とのなす角度が所定角度以内の光である第１の光Ｌ１の略全てが、先端凹部４３内をその側面４３ｂに略干渉しないように進んで外側に拡がる光として射出されるように構成している。

一方、前記ＬＥＤ２１から射出された光のうち、先端凹部４３の底面（凸レンズ部）を通過しない光、すなわち光軸Ｃとのなす角度が前記所定角度を超える光である第２の光Ｌ２の略全てが、前記湾曲膨出面４５で内向きに全反射され、前記凹レンズ部４４を外向きに屈折しつつ通過して外側に拡がる光として射出されるように構成している。

そして、前記光学ユニット４から所定距離離れた光照射エリア（図示しない）において、前記第１の光Ｌ１と第２の光Ｌ２との境界近傍での照度が略均一になり、光照射エリア全体としての照度の均一度が所定範囲内に保たれるようにしている。なお、この図４では、ＬＥＤ２１から出た光線のうち、側方に進むものほど、光学ユニット４を出たときの間隔が狭くなっているが、ＬＥＤ２１から出る光は、側方のものほど強度が弱いため、実際の照度は、前述したように略均一なものとなる。

したがってこのようなものであれば、ＬＥＤ２１から射出された光のほぼ全てが光学ユニット４の先端部から射出されるため、ＬＥＤ２１の光を非常に効率よく光照射エリアに照射することができ、しかも光照射エリアでの照度均一性が得られる。しかも第１及び第２の光が進行するに連れ外側に拡がる光であるため、植物育成や観賞用あるいは検査用のスポット照明等に極めて好適なものとなる。

また、湾曲膨出面４５で光Ｌ２が内向きに全反射されるため、光学ユニット４の先端面４ｂの外径を小さくすることができ、コンパクト化を図れる。そしてこのことにより、例えば多数の光照射装置１を並べ設けるといったことも無理なくできるようになり、より多様な照明への適用可能性が拡大する。

加えて、ＬＥＤ２１から出る光のうち、第１の光Ｌ１の経路とそうでない光Ｌ２（第２の光）の経路とを、前記光学ユニット４内で完全に分離するようにしているため、光学ユニット４から射出される光の方向や光量の均一性までをも考慮した設計が非常に容易になり、上述した効果を無理なく実現できる。

本発明に係る光照射装置に用いる光学ユニット４は、例えば、図８に示すように、基端凹部４２を円柱状をなすものとし、第１の光Ｌ１の略全てがその底面４２ａを通過するとともに第２の光Ｌ２の略全てがその側面４２ｂを通過するようにしてもよい。なお、同図中、前記参考例に対応するものには同一の符号を付すこととする。

このようなものであれば、第２の光Ｌ２が基端凹部４２の壁面の一部である側面４２ｂを通過する際に、さらに外側に屈折するため、湾曲膨出面４５の光軸方向の寸法を小さくすることができ、装置全体としての光軸Ｃ方向の寸法を縮小することが可能になる。なお、この図では、基端凹部４２の底面４２ａを基端面４ａ側に向かって膨らませ、第２凸レンズ部を形成している。そして第１の光Ｌ１が、前記凸レンズ部及び第２凸レンズ部で２段階に屈折するようにして屈折の際のロスを軽減するようにしている。またこの基端凹部４２の側面４２ｂは、基端面４ａ側に向かうにつれ徐々に拡がるテーパ面としてある。

なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。プリント基板等に半田付け等で搭載可能な光照射装置として、図９に一体モールドタイプのもの、図１０にカンステムタイプのものを示す。なお、これらの図中、前記実施形態に対応するものには同一の符号を付すこととする。

図９に示す光照射装置１は、前記光学ユニット４の基端から連続させて一体に円柱状をなすリード保持部６を設けている。このリード保持部６は、ＬＥＤ２１及びそのＬＥＤ２１のアノードとカソードにそれぞれ接続された一対のリード７１、７２を埋設保持（モールド）するもので、光学ユニット４と同一素材で形成してある。なお、前記実施形態における基端凹部４２は、この例ではリード保持部６が埋めた形態となって見かけ上は存在しない。各リード７１、７２は、リード保持部６の基端面から外部にさらに延長させてあり、その延長部分を例えば基板（図示しない）のスルーホールに嵌め入れ半田付けすることにより、この光照射装置１を当該基板上に起立させて取り付けることができる。ＬＥＤ２１の配設位置は前記実施形態と同一である。かかる光照射装置１は、例えば複数の型を利用して射出成型等により製造する。

図１０に示す光照射装置１は、ＬＥＤ２１を表面に搭載する円盤状の搭載板８１及びその搭載板８１の周囲から立ち上がる側板８２を有するカップ状のＬＥＤ搭載部材８と、ＬＥＤ２１のアノードとカソードにそれぞれ接続され前記搭載板８１の底面から延出する一対のリード７１、７２と、前記搭載板８１の表面に基端面を固定した前記光学ユニット４とを備えている。そして、前記リード７１、７２を例えば基板（図示しない）のスルーホールに嵌め入れ半田付けすることにより、この光照射装置１を当該基板上に取り付けることができるようにしてある。

図１１には、この図１０の変形例を示している。この光照射装置１は、光学ユニット４の基端から連続させて一体に円筒状をなす脚部９を設けている。一方、ＬＥＤ搭載部材８は概略円盤状をなすもので、その中央には、ＬＥＤ２１を表面中央に載せた凸部８ａが設けてある。そして、その凸部８ａに脚部９の内周を嵌合させ、周囲から接着剤ＧＬで固定することで、光学ユニット４をＬＥＤ搭載部材８に取り付けるようにしている。

これら、図９、図１０、図１１に示す光照射装置１によれば、従来の一体モールドタイプのものやカンステムタイプのものに必要であるＬＥＤの後方に配置したリフレクタが不要になる。

もちろん、光源には通常のＬＥＤを用いても構わないし、１枚の基板上に複数のＬＥＤを配置し、それぞれに光学ユニットを取り付けても構わない。

また、凸レンズ部にフレネルレンズ構造を採用してもよいし、各凹部の側面を湾曲させてレンズ面としてもよい。

さらに前記実施形態における湾曲膨出面では、光学ユニットと外気との屈折率差を利用して光を全反射させていたが、例えば湾曲膨出面に金属薄膜等を蒸着するなどしてミラー面を形成し、光を反射するようにしてもよい。

その他、本発明は前記実施形態等に限られないし、前述した種々の構成の一部又は全部を適宜組み合わせて構成してもよい。

このように本発明によれば、コンパクトな構成でありながら、ＬＥＤからでた光を効率よく光照射エリアに導くことができ、なおかつその光照射エリアでの照度の均一性を担保することができる。したがって植物育成や観賞用あるいは検査用のスポット照明に極めて好適なものとなる。

参考例の一実施形態における光照射装置の模式的全体断面図。 同実施形態における光学ユニットの斜視図。 同実施形態における光学ユニットの断面図。 同実施形態における光学ユニット内を進行する光線を示す動作説明図。 同実施形態におけるＬＥＤパッケージを示す部分縦断面図。 同実施形態におけるＬＥＤパッケージを示す平面図。 同実施形態におけるＬＥＤを示す拡大部分縦断面図。 本発明の一実施形態における光学ユニット内を進行する光線を示す動作説明図。 本発明の他の実施形態における光照射装置の全体断面図。 本発明のさらに他の実施形態における光照射装置の全体断面図。 本発明のさらに他の実施形態における光照射装置の全体断面図。

符号の説明

Ｌ１…第１の光
Ｌ２…第２の光
２１…ＬＥＤ
４…光学ユニット
４２…基端凹部
４２ａ…基端凹部を形成する壁面（底面）
４２ｂ…基端凹部を形成する壁面（底面）
４３…先端凹部
４３ａ…先端凹部を形成する壁面（底面）
４３ｂ…先端凹部を形成する壁面（底面）
４４…リング状凸レンズ部
４５…湾曲膨出面
４ａ…基端面
４ｂ…先端面

Claims (9)

1. ＬＥＤと、ＬＥＤからの光を通過させて先端部から射出する光透過性を有した光学ユニットとを具備する光照射装置であって以下に示す各要件を備えていることを特徴とする光照射装置。
   （１）前記光学ユニットが、ＬＥＤから射出される光の光軸を中心とする回転体形状をなす。
   （２）前記光学ユニットの基端面には、中央部にＬＥＤを収容するための基端凹部を開口させている。
   （３）前記光学ユニットの先端面には、中央部に先端凹部を開口させるとともにその先端凹部の周囲に凹レンズ部を形成している。
   （４）前記光学ユニットの側面にはＬＥＤからの光を略全反射する湾曲膨出面を形成している。
   （５）前記基端凹部が、円柱状をなすものであり、その基端凹部の底面を基端面側に向かって膨らませ凸レンズとして機能するようにし、さらに、基端凹部の壁面が基端面側に向かうにつれ徐々に拡がるテーパ面である。
   （６）前記ＬＥＤから射出された光のうち、前記先端凹部を通過する光である第１の光が前記基端凹部の底面を通過したものであり、当該第１の光の略全てが、前記凹レンズ部を通過することなく外側に拡がる光として射出されるように構成している。
   （７）前記ＬＥＤから射出された光のうち、前記先端凹部を通過しない光である第２の光が前記基端凹部の壁面で外側に屈折し、前記湾曲膨出面に導かれ、当該第２の光の略全てが、前記湾曲膨出面で内向きに全反射した後、前記凹レンズ部を通過して外側に拡がる光として射出されるように構成している。
   （８）前記光学ユニットから所定距離離れた光照射エリアにおいて、前記第１の光と第２の光との境界近傍での照度が略均一になるように構成している。
2. 前記ＬＥＤが、Ｐ型半導体とＮ型半導体とを接合してなり、平坦な基板上に搭載されている請求項１記載の光照射装置。
3. 前記先端凹部を形成する壁面における第１の光の通過領域に凸レンズ部を形成している請求項１又は２記載の光照射装置。
4. 前記ＬＥＤが、スペーサを介し前記基板上に搭載され、前記ＬＥＤの側面のうち、前記Ｐ型半導体と前記Ｎ型半導体との境界部分に近い面を前記基板側となるようにしている請求項２又は３記載の光照射装置。
5. 前記ＬＥＤが２００ｍＡ以上の電流を連続して流すことのできるパワーＬＥＤである請求項１、２、３又は４記載の光照射装置。
6. 前記先端凹部が、第１の光が通過する底面と、その底面周縁から起立する側面とから形成されるものであって、前記側面が先端に向かうに連れ外側に拡がるテーパ面であり、当該側面と前記第１の光とが略干渉しないように構成している請求項１、２、３、４又は５記載の光照射装置。
7. 前記光学ユニットの基端面から連続させて一体に柱状をなすリード保持部を設け、そのリード保持部に、ＬＥＤ及びそのＬＥＤのアノード及びカソードにそれぞれ接続された一対のリードを埋設保持させている請求項１、２、３、４、５又は６記載の光照射装置。
8. ＬＥＤを表面に搭載し、底面からそのＬＥＤのアノード及びカソードにそれぞれ接続された一対のリードを延出するＬＥＤ搭載部材を備え、そのＬＥＤ搭載部材に前記光学ユニットを取り付けている請求項１、２、３、４、５、６又は７記載の光照射装置。
9. ＬＥＤからの光を内部を通過させて先端部から射出する光透過性を有したものであって以下に示す各要件を備えていることを特徴とする光学ユニット。
   （１）ＬＥＤから射出される光の光軸を中心とする回転体形状をなす。
   （２）基端面には、中央部にＬＥＤを収容するための基端凹部が開口させてある。
   （３）先端面には、中央部に先端凹部が開口させてあるとともにその先端凹部の周囲に凹レンズ部が形成してある。
   （４）側面にはＬＥＤからの光を全反射する湾曲膨出面が形成してある。
   （５）前記基端凹部が、円柱状をなすものであり、その基端凹部の底面を基端面側に向かって膨らませ凸レンズとして機能するようにし、さらに、基端凹部の壁面が基端面側に向かうにつれ徐々に拡がるテーパ面である。
   （６）前記ＬＥＤから射出された光のうち、前記先端凹部を通過する光である第１の光が前記基端凹部の底面を通過したものであり、当該第１の光の略全てが、前記凹レンズ部を通過することなく外側に拡がる光として射出されるように構成している。
   （７）前記ＬＥＤから射出された光のうち、前記先端凹部を通過しない光である第２の光が前記基端凹部の壁面で外側に屈折し、前記湾曲膨出面に導かれ、当該第２の光の略全てが、前記湾曲膨出面で内向きに全反射した後、前記凹レンズ部を通過して外側に拡がる光として射出されるように構成している。
   （８）先端面から所定距離離れた光照射エリアにおいて、前記第１の光と第２の光との境界近傍での照度が略均一に保たれるように構成している。