JP5150047B2 - 照明パッケージ - Google Patents

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Description

本発明は、照明パッケージに関し、具体的に、光を照明パッケージの水平表面を通過する縦軸に約垂直する方向に導向可能な光学レンズに結合される発光体に関する。
図１は、従来の発光体ダイオード（Light Emitting Diode：LED）パッケージ１０を示す図である。LEDパッケージ１０は、光学レンズ１１、パッケージ台１２及びLEDチップ１３を含む。LEDパッケージ１０は、光学レンズ１１の中心を通過する縦軸１５を有する。LEDチップ１３は、パッケージ台１２に設置される。パッケージ台１２は、LEDチップの底部と側面からの光を反射する反射鏡（図示せず）を含むカップ（図示せず）を有する。
光学レンズ１１は、LEDチップ１３と結合され、LEDチップ１３からの光を導向する。光学レンズ１１は、LEDチップ１３にあわせる凹部１４を含む。光学レンズ１１の凹部１４に入射する光束は、主に二つの光路を有する。第一の光路LP1には、LEDチップ１３からの光が表面１１０２に入射し、縦軸１５と約９０度成す角度で全反射により側壁１１０１から射出する。第二の光路LP2には、LEDチップ１３からの光が、全反射が可能になるような角度で側壁１１０１に入射し、或いは、縦軸１５と垂直する角度に近くない角度で、側壁１１０１から反射され、光学レンズ１１から射出する。第一の光路LP1が効率的なサイド光を生成するので、好ましい光路である。一方、第二の光路LP2がライトスポットを生成する恐れがあるので、好ましくない光路である。
ゆえに、LEDパッケージ或いは照明装置において、浅いレンズを用いて全体のサイズを減らし、また、ライトスポットを抑え、均一な照明を提供することが要求される。
本発明の目的は、光学レンズを有する照明パッケージを提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明の照明パッケージは、光学素子、パッケージ台と発光体を含む。発光体は、パッケージ台の表面に設置される。光学素子は、パッケージ台及び／または発光体に付着される。光学素子は、照明部とベース部を含む。照明部は、上面、側面と底面に形成される。上面は、照明部の凹部を形成する。側面は、上面に隣接し、ベース部の水平表面と実質的に垂直する縦軸と傾斜し、一定な角度を成す。また、側面は、曲面であり、凹面に形成されることが好ましい。底面は、側面に隣接し、ベース部と接続される。光学素子は、縦軸に対し放射対称であっても良い。前記凹部は、頂点を有する凹状に形成される。
また、光学素子は、縦方向に形成され、好ましくは、光学素子を通過する縦面に対し左右対称である。また、凸面レンズは、上面に形成される。特に、上面は、凹凸状に形成される。上面に形成される凹凸状の波の伝搬方向は、縦方向と平行する。凸面レンズの半径は、実質的に５０〜６０μｍである。発光体は、伝搬方向に沿って配置されることが好ましい。
本発明は、光学レンズを有する照明パッケージを提供する。
次に、添付した図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態を詳細に説明する。
図２Aは、本発明の実施形態における照明パッケージ２０の一例を示す図である。照明パッケージ２０は、光学素子２１、パッケージ台２２と縦軸２４を含む。光学素子２１は、例えばレンズであり、パッケージ台２２に結合され、光束をその中に導向する。縦軸２４は、光学素子２１の中心を通過する或いは通過しない。好ましくは、縦軸２４がパッケージ台２２の水平表面と大体垂直する。
図２Bは、図２Aの照明パッケージ２０を示す断面図である。発光体２３は、パッケージ台２２の表面に設置される。発光体２３は、LEDチップ、レーザダイオード、白熱灯、蛍光灯、冷陰極蛍光灯であり、或いは、光学素子２１に結合され、光を発することができるデバイスである。しかし、発光体２３は、それらに限られない。
光学素子２１は、独立な要素であってもよく、ねじ固定、スナップ嵌め、摩擦嵌め、接着剤ボンディング、熱堆積、或いは超音波溶接によりパッケージ台２２に取り付けられる（これらの方法に限られない）。また、光学素子２１は、射出成型とキャスティングにより、パッケージ台２２及び／或いは発光体２３に形成しても良い（これらの方法に限られない）。
光学素子２１は、光透過材料からなる。光透過材料は、透明材料、或いは、発光体２３からの光の全部又は部分が透過可能の不透明材料である。光透過材料は、アクリル樹脂、COC、PMMA、PC、PC／PMMA、ポリエーテルイミド（PEI）、フッ素樹脂、或いは、シリコンである。なお、それらの材料に限られない。所望の色の光束を生成するために、光透過材料を着色し、フィルターのように機能する光学素子２１を形成しても良い。
照明パッケージ２０は屈折率が１である空気に設置される場合、本発明の所望の照明領域を生成するために、光学素子２１の屈折率を1.4〜1.8に設定する。光学素子２１を設置又は使用する環境に応じて、光学素子２１の屈折率は、前述の範囲以外の値であっても良い。好ましくは、光学素子２１とその環境の物質との屈折率の差が、0.45〜0.5である。
図２Bに示すように、光学素子２１は、照明部とベース部２１０６を含む。照明部は、光透過材料に凹部２１０５を生成する上面２１０１、上面２１０１に隣接する側面２１０２、及び、側面２１０２に隣接する底面２１０３を含む。ベース部２１０６は、発光体２３からの光束を受け、発光体２３を収納するキャビティ２１０７を含んでも良い。光学素子２１は、発光体２３からの光の大部分を導向し、縦軸２４と約垂直する方向に、或いは、観察方向と異なる方向に沿って光学素子２１から射出する。また、光学素子２１の上に暗いスポットの生成を防止するために、発光体２３からの光束の少数は、縦軸２４と平行する方向に、或いは、観察方向に沿って射出する。
凹部２１０５は、上面２１０１を形成する。好ましくは、凹部２１０５が頂点をもち、そこで、上面２１０１が発光体２３に向って凹む。その頂点は、縦軸２４に通過されてもよく、通過されなくでもよい。例えば、反射材料或いは構造が、凹部２１０５に形成され、上面２１０１に入射した光束の全部或いは一部を反射する。反射材料或いは構造は、Ag、Al、Cu、Au、Cr、反射ペンキ、或いは分布型ブラッグレフレクター（DBR）である。しかし、これらに限られない。紫外線防止材料は、凹部２１０５に形成され、パッケージの構成要素を、特に、紫外線に反応しやすく、紫外線により傷つけられやすい構成要素を保護する。
上面２１０１は、全反射表面として形成され、ベース２１０６から入射した光束を反射し、凹部２１０５から射出することを避ける。しかし、一部の光が所定の入射角度で凹部２１０５を通過し、射出することがある。この入射角度は、照明パッケージの全体設計によって変化する。例えば、上面２１０１は、平面、或いは、一定の半径或いは一つ以上の半径を持つ曲面である。具体的に、曲面は、上面２１０１の湾曲経路に沿って変化する半径を有する。好ましくは、頂点から遠い半径は、頂点に近い半径よい大きい。
側面２１０２は、上面２１０１に隣接し、縦軸２４に対して傾斜し角度をなし、光を光学素子２１のサイドに導向し、例えば、縦軸２４と約垂直する方向に導向する。側面２１０２と縦軸２４との間の角度は約９０度である場合、側面２１０２から射出する光束の大部分は下方へ進行する。一方、側面２１０２の法線ベクトルは縦軸２４に対して傾斜し角度をなし、好適に上方へ向く場合、図２Bに示すように、下方へ進行する光束が少ない。側面２１０２は、平面、粗い或いは湾曲な面に形成される。湾曲な面は、凹面又は凸面、或いは、それらの組み合わせを含む。凹面の側面は、入射した光束を発散し、逆に、凸面の側面は、入射した光を集光する。また、粗い側面は、光を散乱することができる。
底面２１０３は、側面２１０２に隣接し、ベース部２１０６に接続される。上面２１０１、側面２１０２と底面２１０３は、ベース部２０６の上に照明部を形成する。
凹面２１０４が、底面２１０３とベース部２１０６との間に形成されることができる。発光体２３からの光束は、凹面２１０４に入射し、凹部２１０５に反射され、凹部２１０５から射出する光束の量を増やすことができる。この場合、照明パッケージ２０の光学素子２１の凹部２１０５の上に、暗いスポットが形成される可能性が低い。
キャビティ２１０７は、ベース部２１０６に形成され、発光体２３を収納する。キャビティ２０１７は、コーン或いはピラミッド状に形成されることが好ましい。例えば、コーン或いはピラミッドの頂点は、凹部２１０５の頂点に向う。ベース部２１０６のテラス２１０８は、例えば、水平面、曲面或いは斜面に形成される。所定の角度で斜面を通過する光は、屈折され、縦軸２４と実質的に垂直する方向に沿って射出する。
図２Cは、本発明の実施形態に係る光学素子２１を示す断面図である。図２Cに示すように、光学素子２１は、縦軸２４に対し放射対称であり、その直径Dは１０５mmであり、高さHは１４mmである。凹部２１０５の頂点の角度は、角度A1とA2の間であり、A１は、３０度であり、A２は、１８０度である。好ましくは、A１は、５０度であり、A２は、１４５度である。側面２１０２と縦軸２４との間の角度は、５度〜２０度である。キャビティ２１０７の頂点の角度A４は、１８０度以下であり、好ましくは、９０度〜１４０度である。テラス２１０８の斜面の角度A5は、６０度以下であり、好ましくは、１０度以下である。側面２１０２の半径R１は、２０mm以下であり、好ましくは、１０mm以下である。凹面２１０４の半径R2は、１０ｍｍ以下である。なお、前述の寸法は、光学素子２１の設計に基づき、調整することができる。
図２Dは、ベース部内部にある発光点Pから、光学素子２１を通過する光の光線軌跡を示す図である。発光点Pから、上面２１０１に入射する光線軌跡L１は、全反射により湾曲され、湾曲の側面２１０２による屈折により水平に光学素子２１から射出する。発光点Pから、凹面２１０４に湾曲され、上面２１０１に入射する光線軌跡L2は、全反射により２回導向され、湾曲の側面２１０２による屈折により水平的に光学素子２１から射出する。発光点Pから、テラス２１０８の斜面に入射する光線軌跡L3は、屈折され、水平的に光学素子２１から射出する。
上から観察する場合は、光学素子１２の形状は、例えば楕円、円、或いは矩形である。光学素子２１は、光学素子２１の中心を通過する縦軸２４に対し放射対称である場合、上から見た光学素子２１の形状は円形である。この場合、縦軸２４は、凹部２１０５の頂点を通過しても良い。光学素子２１は、光学素子２１を二つの全く同じ部分を分割する中心面に対し左右対称でる場合、上から見た光学素子２１の形状は、例えば楕円、円、或いは矩形である。この場合、縦軸２４は中心面にあり、凹部２１０５の頂点を通過しても良い。
図３A〜図３Dは、本発明の他の実施形態に係る光学素子２１を示す図である。この実施形態において、光学素子２１の上面２１０１は、凹凸状の表面に形成される。上面の凹凸２１０９は、図３Aのように、縦軸２４に対し広がり、或いは、図３Cに示すように、凹部２１０５の一番深い部分から半径方向に沿って外へ延伸する。図３Bと図３Dは、それぞれ凹凸状の表面における二つの種類の光学素子２１の上面図である。凹凸２１０９は、複数の凸面レンズに形成されることができる。凸面レンズの半径は、５０〜６０μｍであっても良い。
図４は、本発明の他の実施形態に係る斜視図である。この実施形態において、照明パッケージ３０は、光学素子３１、パッケージ台３２、発光体３３と縦面３４を含む。光学素子３１は、前述の光学素子２１とほぼ同じ断面を有する。光学素子３１と光学素子２１との相違は、光学素子３１が縦方向３５に形成され、縦面３４に通過する。縦方向３５は、光学素子３１の断面と垂直する。縦面３４は、光学素子３１の中心線を通過してもよく、通過しなくでも良い。好ましくは、縦面３４が、パッケージ台３２の水平面と大体垂直する。
図５Aは、本発明の一実施形態において、凹凸状の上部表面を持つ照明パッケージの斜視図である。図５Bは、図５Aの照明パッケージの上面図である。図５Aに示すように、照明パッケージ３１は、図４の照明パッケージ２１とほぼ同じ構成要素を有する。しかし、照明パッケージ３１は、上面に形成される凹凸３１０９を含む。図５Bに示すように、凹凸３１０９が伝搬方向３１１０にそって配置される。伝搬方向３１１０は、凹凸が移動する方向であり、好ましくは、縦方向３５と約平行する。その他の方向であっても良い。発光体３３は、例えば、光学素子３１の下方に設置され、好ましくは、伝搬方向３１１０とほぼ平行する方向に配置される。
以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、本発明はこの実施形態に限定されず、本発明の趣旨を離脱しない限り、本発明に対するあらゆる変更は本発明の範囲に属する。
従来のLEDパッケージを示す図である。 本発明の一実施形態に係る図である。 図２Aの照明パッケージの断面図である。 図２Aの照明パッケージに結合される光学素子断面図である。 本発明の実施形態における光線軌跡を示す図である。 本発明の他の実施形態における照明装置の断面図である。 図３Aの照明パッケージの上面図である。 本発明の他の実施形態における照明パッケージの断面図である。 図３Cの照明パッケージの上面図である。 本発明の他の実施形態に係る斜視図である。 本発明の他の実施形態に係る斜視図である。 図５Aの照明パッケージの上面図である。
符号の説明
１０ LEDパッケージ
１１ 光学レンズ
１２ パッケージ台
１３ LEDチップ
１４ 凹部
１５ 縦軸
１１０１ 側壁
１１０２ 表面
LP1、LP2、LP3 光路
２０ 照明パッケージ
２１ 光学素子
２２ パッケージ台
２３ 発光体
２４ 縦軸
２１０１ 上面
２１０２ 側面
２１０３ 底面
２１０４ 凹面
２１０５ 凹部
２１０６ ベース部
２１０７ キャビティ
２１０８ テラス
２１０９ 凹凸
L1、L2、L3 光線軌跡
３０ 照明パッケージ
３１ 光学素子
３２ パッケージ台
３３ 発光体
３４ 縦面
３５ 縦方向
３１０９ 凹凸
３１１０ 伝搬方向

Claims (17)

  1. 光透過材料を含む光学素子であって、
    屈折率界面により形成され、発光体からの光を反射し、前記光透過材料に凹部を形成する上面と、
    前記上面と隣接し、前記光学素子を通過する縦軸に対して傾斜し、前記縦軸と垂直である方向に沿って前記光の一部を前記光学素子の側方に導向する側面であって、前記側面は、曲面であり、上方を向く側面と、
    前記側面に隣接する底面と
    を有し、
    前記側面は、凹面状に湾曲される、
    光学素子。
  2. 前記上面は、曲面に形成される、
    請求項１に記載の光学素子。
  3. 前記上面は、半径が前記凹部の一番深い部分から外側へ増大するように形成される、
    請求項１に記載の光学素子。
  4. 前記凹部は、頂点を有する凹状に形成される、
    請求項１に記載の光学素子。
  5. 前記側面は、前記縦軸に対し傾斜し角度をなす、
    請求項１に記載の光学素子。
  6. 前記上面と前記側面は、前記縦軸に対し放射対称である、
    請求項１に記載の光学素子。
  7. 前記上面と側面は、前記光学素子を通過する縦面に対し左右対称である、
    請求項１に記載の光学素子。
  8. 前記屈折率界面は、異なる屈折率を有する材料の間に形成される、
    請求項１に記載の光学素子。
  9. 前記材料の屈折率の差は、0.45〜0.5である、
    請求項８に記載の光学素子。
  10. 前記上面は、凹凸状に形成される、
    請求項１に記載の光学素子。
  11. 凸面レンズが、前記上面に形成される、
    請求項１に記載の光学素子。
  12. 前記凸面レンズの半径は、５０〜６０μｍである、
    請求項１１に記載の光学素子。
  13. 前記発光体は、発光ダイオード、レーザダイオード、白熱灯、蛍光灯、或いは、冷陰極蛍光灯である、
    請求項１に記載の光学素子。
  14. 前記光透過材料は、アクリル樹脂、COC、PMMA、PC、PC／PMMA、ポリエーテルイミド（PEI）、フッ素樹脂、或いは、シリコンである、
    請求項１に記載の光学素子。
  15. 光透過材料を含む光学素子であって、
    屈折率界面により形成され、発光体からの光を反射し、前記光透過材料に凹部を形成する上面と、
    前記上面と隣接し、前記光学素子を通過する縦軸に対して傾斜し、前記縦軸と垂直である方向に沿って前記光の一部を前記光学素子の側方に導向する側面であって、前記側面は、凹曲面であり、上方を向く側面と、
    前記側面に隣接する底面と
    前記発光体を収納するキャビティと、
    を有し、
    前記キャビティは、コーン或いはピラミッド状に形成される、
    光学素子。
  16. 光透過材料を含む光学素子であって、
    屈折率界面により形成され、発光体からの光を反射し、前記光透過材料に凹部を形成する上面と、
    前記上面と隣接し、前記光学素子を通過する縦軸に対して傾斜し、前記縦軸と垂直である方向に沿って前記光の一部を前記光学素子の側方に導向する側面であって、前記側面は、凹曲面であり、上方を向く側面と、
    前記側面に隣接する底面と
    前記上面、前記側面及び前記底面の下方に設置されるベース部と、
    を有し、
    前記ベース部は、斜面を有するテラスを含む、
    光学素子。
  17. 前記底面と前記ベース部との間に形成される凹面を更に含む、
    請求項１６に記載の光学素子。
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