JP2007235079A - 発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＬＥＤ素子１からの放射光を高い効率で集光する発光装置を提供する。
【解決手段】稜線が放物線の一部である回転面を基本形状とするところの、前記基本形状に近似した回転曲面反射鏡、または前記基本形状に近似した、コーンの連鎖から成る反射鏡３の後部開口４に、ＬＥＤ素子１から成る面光源を配して、前部開口５から光を放射することにより、高い集光効率の照明を実現する。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光ダイオード（以下、ＬＥＤ）の放射光を適切に偏向、制御して、集光するための発光装置に関する。

ＬＥＤを照明用として使用する場合、レンズまたは反射鏡を用いて、ＬＥＤの放射光を偏向、制御し、集光する必要がある。ＬＥＤ素子の配光（光度分布）は図２のＡのようなランバーチアン型に近似でき、ビーム角（光度が最大光度の半分以上である、放射光の放射角度範囲）で表現するならば約１２０°であるけれども、これに対して、通常の照明用途が要求する配光は、目的照射面を効率良く照明するために、例えば図２のＢのようなビーム角３０°の広角配光、或いは図２のＣのようなビーム角１０°の狭角配光のようにずっと狭いからである。

ＬＥＤ発光装置として、従来もっとも一般的であったものは、図３のように、ＬＥＤ素子１の発光面前方に凸レンズ１２を配置して構成する光学系であり、ＬＥＤを発した光線は球面状の凸レンズにより屈折、偏向して集光する。（例えば、特許文献１参照。）ＬＥＤの設置位置を前方にすればビーム角は広がり、後方に下げれば狭くなる。
特開２００１−３６１４８公報

一方、図４のように放物面鏡などの凹面鏡１３を用いて集光するものもある。（例えば、特許文献２参照。）この場合、ＬＥＤ素子１は凹面鏡１３の焦点近傍に、凹面鏡１３に対向して設置される。
特開平６−２６０６８４公報

然るに、この凸レンズ集光系から成る、従来のＬＥＤ発光装置は、低い集光効率および配光形状不適切という、二つの問題点を抱えている。
この凸レンズ集光系にあっては、図３からわかるように、ＬＥＤ素子１からレンズを見込む角度範囲への放射光のみが照射面に向かうので、例えば１ｍｍ□のＬＥＤ素子と直径５ｍｍφの半球凸レンズの組合せの場合、ビーム角３０°の広角配光で６０％、ビーム角１０°の狭角配光で２０％という集光効率の低さである。
また、レンズ集光系の性格上、配光の中心方向の光度が高くなり過ぎ、照射面の中央部が明る過ぎる照度分布不均一を生ずるという欠点もある。

これに対して、凹面鏡による従来の集光系はＬＥＤ放射光の角度範囲の略全域を反射するので、集光効率は高い。しかしながら、ＬＥＤ素子自身が反射光を遮る構造であり、あまり大きい面積のＬＥＤを用い難い、或いはあまり放熱面積の広い放熱板を付設し難いという欠点がある。

本発明によるＬＥＤ発光装置の典型例を図１に示す。
コーン（円錐筒）の連鎖から成る、前後に開口４と開口５を持つ回転面反射鏡３と、放熱板２に密接された多数のＬＥＤ素子１より成る面光源を組み合わせて成る発光装置である。後部開口４の側に設置されたＬＥＤ素子から前方に（図１右側）発した放射光は、反射鏡内面で反射された後、前部開口５より、或いはダイレクトに前部開口５より射出される。反射鏡３は、曲線弧または折れ線弧を光軸６（照射面中心と発光装置を結ぶ線）の周りに回転して成る回転面反射鏡である。回転させるべき線弧を、以下、回転面の稜線と呼ぶこととするが、本発明によるＬＥＤ発光装置の反射鏡稜線は、下記の反射鏡基本形状の稜線に近似した、或いは近傍に存する曲線弧または折れ線弧であることを特徴とする。
曲線弧の光軸周り回転は回転曲面を、折れ線弧の回転はコーンの連鎖を与える。

即ち、反射鏡３の基本形状は、図５の反射鏡のみの断面図を参照して、以下の通りである。この基本形状は、放物線の一部を稜線とし、この稜線を光軸６の周りに回転させて成るものである。
先ず、円形の後部開口４の大きさは、要求される光出力のＬＥＤ発光面積に見合うように設定する。
次に、円形の前部開口５の大きさは、後部開口４よりも大きくし、後部開口４の両端ＡおよびＢと前部開口５の反対側の端ＤおよびＥを結ぶ直線９ａおよび９ｂが成す角度θ（反射鏡の開き角と呼ぶ。）が、発光装置から所望照射範囲を見込む角度と略一致するように設定する。そして、前部開口の位置は、下記の方法で発生させた放物線１０と、開き角を指示する直線９ａが交差する位置の近傍とする。ここで、この放物線１０は、所望ビーム角（所望光度分布の半値角度幅）の半分をθｉとして、後部開口の一端Ａに焦点を置き、この焦点を通り、光軸６を含む面内にあって、光軸６に対して角度θｉほど傾いた直線７を中心軸とし、そして後部開口の焦点位置と反対側の一端Ｂを通過するものとする。

本発明によるＬＥＤ発光装置においては、後部開口４の全域が、略一定一様の輝度分布で発光することが望ましく、少なくとも後部開口面積の３０％以上のＬＥＤ素子表面積総和である必要がある。ここで、ＬＥＤ素子表面積とは、ＬＥＤ素子の「発光部面積＋発光部を囲んで露出している基板の表面積」と定義する。集光系の光源にあっては、ＬＥＤ素子の間に多少の間隙があっても、一様に光っていると見做して差支えないからである。
単一のＬＥＤ素子、或いは蛍光体付きのＬＥＤで光源を形成する場合は、その形状を後部開口の形状に合わせて、円形または六角形などの円形近似とするのが望ましい。そして複数のＬＥＤ素子を設置する場合は、ＬＥＤ素子を後部開口全域に、格子状などに敷き詰めるのが望ましい。また、赤色、緑色、青色のＬＥＤ素子を組合せて白色光源とする場合は、各色それぞれで、一定一様な輝度分布とする必要がある。
また、敷き詰めたＬＥＤ素子間の隙間は、ＬＥＤ発光装置を照明用として使用する場合は小さい方が良く、表示用、ディスプレー用として使う場合は大きい方が良い。なお、後者の場合、ＬＥＤ素子間の隙間の放熱板表面は黒色に加工し、光線の反射をなるべく抑える必要がある。

図５においてθ＝２θｉとしたときの反射鏡をＣＰＣ（Ｃｏｍｐｏｕｎｄ Ｐａｒａｂｏｌｉｃ Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｏｒ）という。（例えば非特許文献１参照）図６は、このＣＰＣ１１における、光線入射孔である後部開口４の中央Ｃおよび端部Ａから各方向に発した光線の追跡結果である。この図より、殆どの光線が反射鏡の開き角（直線８ａ、８ｂの成す角）の内側に放射されていることがわかる。後部開口面４のいろいろの位置から発する光線、或いは光軸を含む面と交差するいろいろの光線（いわゆるスキューレイ）についても光線追跡を行った結果、殆どの光線が開き角θを見込む円錐内の方向に放射されることがわかった。
図７は、後部開口全面に一定一様の輝度分布の面光源を配した、図６に示したＣＰＣによる、光度分布および遠隔域の（発光装置から十分に離れた位置での）照度分布である。この図からも、大部分の出射光束が、反射鏡の開き角、即ち所望照射角の内側に放射されていることがわかる。
反射鏡を用いた集光系の場合、反射面における光吸収による集光効率の減少が避けられないが、図７の集光系では、反射面の反射率が９０％でも、集光効率８５％という、凸レンズ集光系の従来例よりは大幅に高い集光効率を示している。
Ｗ．Ｔ．Ｗｅｌｆｏｒｄ，Ｒ．Ｗｉｎｓｔｏｎ"Ｈｉｇｈ Ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ Ｎｏｎｉｍａｇｉｎｇ Ｏｐｔｉｃｓ"ｐ５３（Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｒｅｓｓ，Ｉｎｃ．１９８９）

ＣＰＣが示す図７のように、照射面境界が際立っている照度分布は、照明用途分野では一般に歓迎されない。多くの場合、図８のような、照射面境界の照度が外側に向ってフェードアウトする照度分布、即ちビーム角が照射面見込み角より狭い配光が要望される。
この図８は、後部開口全面に一定一様の輝度分布の面光源を配した、図１に示したコーン連鎖反射鏡による、光度分布および照度分布である。大部分の出射光束が、反射鏡の開き角、即ち所望照射角の内側に放射されており、また、光度分布の半値角度幅が、設定したビーム角に略等しくなっている。集光効率（光源放射光束に対する照射範囲入射光束の割合）は、反射鏡反射率が９０％のとき、８７％であった。
凸レンズによる従来の集光系では、山型の照度分布とならざるを得ず、図８のような、ビーム角範囲内の、比較的一様な照度分布を実現できない。

本発明の構成による場合、上記のように、反射鏡の後部開口に配した面光源が開口全域で略一定一様の輝度分布で光っていることが原則である。しかし、面光源の一様発光面積（ＬＥＤ素子を並べた場合、ＬＥＤ素子の占有面積、即ちＬＥＤ素子表面積の総和）が、反射鏡の後部開口面積の３０％以上であれば、一応、滑らかな光度分布ないし照度分布を得ることができる。
例えば、図９は、図８と同じ光学系において、一様輝度発光部面積の反射鏡後部開口面積に占める占有率を２５％としたときの照度分布であるが、図９左側の後部開口中央の円形部のみ発光、図９右側の後部開口周縁の円環部のみ発光、の両ケースとも約２０％の照度ムラを示している。この２０％の照度ムラは、実用上、許容される限界と判断されることから、本発明を構成する光源としては、反射鏡後部開口面積の３０％以上の表面積の、単一のＬＥＤ素子、または敷き詰められた複数のＬＥＤ素子から成る面光源を採用する。

一般のハロゲンランプや蛍光灯などの非面光源を、反射板と拡散透過板で挟んで、一様輝度分布の面光源とすることができるが、しかしこのような構成では、ランプ放射光の５０％近くが中にこもって、拡散透過板を出射する光線が少なく、光学系全体として非常に低い集光効率の発光装置となる。本発明を構成する光源として、高効率の裸のＬＥＤ素子または蛍光体付きＬＥＤを推奨する所以である。

ＬＥＤの照明用途分野への適用においては、光束が大きく、且つ寸法の小さい光源とするのが望ましく、そのためには、ＬＥＤ発光効率が極大となるＬＥＤ動作温度を保ちつつ、できるだけ大きい単位発光面積当り入力電力とする必要がある。照明用のＬＥＤ素子の場合、ＬＥＤ素子が発光面の後背面で密着、付設される放熱板を、できるだけ大きい表面積にして、大きい電力を注入する。
本発明の構成では、先述の凸レンズの従来例と同じで、反射鏡の従来例に比べ、ＬＥＤ後背部に放熱板取り付けの余裕があるが、更には反射鏡を金属製とし、図１に示したように、ＬＥＤ後背部の平面放熱板にこの反射鏡を密着接合することによって、大面積の放熱板が得られる。このようにして、従来例よりもずっと大きい電力、大きい光束の光源を作れる。

本発明の構成に成る発光装置は、照明用途以外に、信号灯や、屋外用大型ディスプレーなどに適用される表示素子としても有用である。前側射出面全域で一様な輝度分布だからである。また、本装置を表示素子に使用する場合、ビーム角が視野角ということになるが、請求項１に従う反射鏡にすれば、視野角内のどの角度から見ても略一定の輝度となるという、優位性もある。このことは、図８において、ビーム角の範囲内で光度が略一定であることから推定できる。
しかし欠点もある。ＬＥＤ素子自体の反射率が結構高いために、外光を反射し易いということである。このため、この表示素子のコントラストは低下する。
反射鏡の後部開口に配置された、後部開口と同じ形状の放熱板の上に並べた、複数のＬＥＤ素子から成る面光源において、充填率（ＬＥＤ素子の発光面積の総和／後部開口の面積）が３０％から７０％の間となるよう、隙間を持って均等にＬＥＤ素子を並べ、このＬＥＤ素子間の隙間の放熱板表面を黒色に加工すれば、この面光源の反射率は減少し、コントラストの低下を防止できる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１のＬＥＤ光源１は、図１０に拡大して示すように、円形放熱板２の全面に、赤色発光（ｒ）、緑色発光（ｇ）、青色発光（ｂ）それぞれのＬＥＤ素子１を多数、配置して成る白色光源である。各色の多数のＬＥＤ素子が円形放熱板１の全面に均等に分散配置されているので、各色それぞれについて、一定一様の輝度分布が得られる。

この反射鏡の反射面形状の設計方法、設計ステップは、図５及び図１を参照して次の如くである。
１．円形面光源の直径と同一の後部開口直径ｄ１を設定する。
２．所望ビーム角を２θｉとして、後部開口の一端Ａを通り、光軸６から角度θｉほど傾いた直線７を中心軸とし、このＡ点に焦点を置く、後部開口のＡ点に対向する一端Ｂを通る放物線１０を描く。なお、この放物線１０の焦点距離ｆは、次式で計算できる。
ｆ＝ｄ１・（１＋ ｓｉｎθｉ）
３．この放物線１０を光軸６の周りに回転して成る回転面を反射鏡の基本形状と設定する。
４．所望照射範囲を見込む頂角をθとして、上記Ａ点を通り、光軸に対してθ／２ほど傾いた直線９ａが、上記放物線１０と交差する点Ｄの光軸方向位置に前部開口を設定し、点Ｄの光軸からの垂直距離の２倍を、前部開口の直径ｄ２とする。
５．以上のステップで生成した、図５の反射鏡１１について、後部開口４に、一定一様輝度の、直径ｄ１の円形面光源を配したときの光度分布を計算し、これが所望の光度分布と一致すれば、ここで設計を終了する。
６．ステップ５で所望の光度分布が得られない場合、図５の反射鏡１１を光軸方向に適当に分割し（稜線の勾配に反比例する間隔で、１０分割程度）、図１のような、前記反射鏡１１に近似した、コーンの連鎖から成る反射鏡を生成する。このコーンの連鎖の稜線は折れ線を成しており、この折れ線の屈曲点は、図５の反射鏡１１の稜線上にある。
７．ステップ６で得られた、コーンの連鎖から成る反射鏡３について光度分布を計算し、これが所望の光度分布と一致しないならば、折れ線の屈曲点を多少移動して、即ちコンの直径を微調整して、再度、光度分布を計算する。
８．ステップ７を繰返し、所望の光度分布が達成されたならば、ここで設計を終了する。

図１は、ビーム角３０°の広角配光で、且つ開き角４０°までフェードアウトする光度分布の、高効率の照明を目的として設計された発光装置の実施例である。
平面光源は、直径４ｍｍの放熱板の上に、赤色発光（ｒ）、緑色発光（ｇ）、青色発光（ｂ）それぞれ６０個のＬＥＤ素子１を敷き詰めている。各ＬＥＤ素子の基板は０．２５ｍｍ□で、即ちＬＥＤ素子表面積の総和は１１．２５ｍｍ^２であり、この面積の反射鏡後部開口面積に占める割合（占有率）は、９０％である。なお、各ＬＥＤ素子の発光部は０．２ｍｍ□、総発光面積は７．２ｍｍ^２となっている。
円形発熱板２はアルミなどの熱伝導性の材質であり、各ＬＥＤ素子がこの放熱板に密着して付設してあるので、放熱板１によってＬＥＤ素子は冷却される。かくして、ＬＥＤ素子全体の電気入力は７Ｗ〜１５Ｗにできる。
ＬＥＤの発光効率は、８０ｌｍ／Ｗであるので、本実施例の面光源の全光束は５６０ｌｍ〜１２００ｌｍである。

図１の反射鏡３は、例えばアルミ板のプレス加工などにて作れる。内面を研磨すれば、約９０％の反射率を実現できる。
本実施例では、上記ステップ５の段階で、十分になだらかにフェードアウトする光度分布が得られなかったために、ステップ８まで進んだ。最終的に、後部開口側の５点の屈曲点の位置を外側に０．１〜０．３ｍｍ移動した。
この最終設計結果が図１のコーン連鎖の反射鏡３であり、ｄ１＝４ｍｍ、ｄ２＝１４．４５ｍｍ、Ｌ＝２１．０６ｍｍである。

この実施例の発光装置が示す光度分布、照度分布が図８である。反射鏡の反射率を９０％として、集光効率は８７％であり、従来のものに比し相当に高い。ピーク光度は、電気入力を７Ｗ〜１５Ｗとして、２１５０ｃｄ〜４６００ｃｄと計算される。

なお、図１の実施例において、アルミ製反射鏡３は、放熱板２と一体となっている。このように放熱面積を広大にすれば、大きい電気入力とすることができ、先述の電気入力の上限１５Ｗは、この処置の結果である。

本発明によるＬＥＤ発光装置の実施形態を示す断面図。 ＬＥＤ素子の配光および発光装置の目標配光を示すグラフ。 ＬＥＤ発光装置の従来例を示す断面図および光路図。 ＬＥＤ発光装置の従来例を示す断面図および光路図。 本発明に関わる反射鏡の基本形状を説明する図。 ＣＰＣの断面図および光路図。 ＣＰＣによる光度分布および照度分布を示すグラフ。 本発明のＬＥＤ発光装置による光度分布および照度分布を示すグラフ。 本発明のＬＥＤ発光装置における、光源形状と照度分布の関係を示すグラフ。 本発明のＬＥＤ発光装置に使用されるＬＥＤ製面光源の一実施例を示す図。

符号の説明

１、１ｒ、１ｇ、１ｂ ＬＥＤ素子
２ 放熱板
３ 反射鏡
４ 反射鏡の後部開口
５ 反射鏡の前部開口
６ 光軸
７ 放物線の中心軸
８ａ、８ｂ ビーム角を示す直線
９ａ、９ｂ 開き角を示す直線
１０ 放物線
１１ 回転面反射鏡の基本形状
１２ 凸レンズ
１３ 凹面反射鏡

Claims (1)

1. 単一の発光ダイオード素子から成る面光源、または複数の発光ダイオード素子を並べて成る面光源と、前後に開口を有する回転面形状の反射鏡とより構成されており、（１）前記面光源が前記反射鏡の後部開口の位置に、そして前記面光源の発光部が後部開口の内側となるように配置されていること、（２）前記発光ダイード素子の表面積の合計が、前記反射鏡の後部開口の面積の３０％以上であること、（３）前記反射鏡の前部開口の直径が、後部開口の直径よりも大きいこと、そして、（４）前記反射鏡の稜線が、前部開口周縁上の、前記稜線とは対向する位置に焦点を置く放物線の近傍に存するところの、曲線弧または折れ線弧であること、を特徴とする発光装置。

Images