JP5305508B2 - 発光装置 - Google Patents

Description

本発明は、発光装置に係り、特に屋内外で使用する看板用光源に関するものである。

ＬＥＤ素子は高出力化が進み、省エネルギーで、環境負荷物質を含まないクリーンな光源として、電球や蛍光灯などの光源に代わって、注目されている。
ＬＥＤ素子は半導体製造技術に基づいて製造されることから、量産性、省コスト性に優れた特徴を有している。また、ＬＥＤ素子は点光源であるため、面状発光装置として照度むらを抑制しつつ所望の照度を得るには、複数のＬＥＤ素子を適切に配置する必要がある。

またＬＥＤ素子を用いた面状発光装置の輝度は発光原であるＬＥＤ素子の発光特性に依存するが、ＬＥＤ素子単体の色むら、輝度むらが存在することが知られており、照明の品質が要求される用途においては、発光特性の均一なＬＥＤ素子を揃えることが要求される。

そこで、個々のＬＥＤ素子の発光特性にばらつきがあった場合にも照度の均一化をはかることのできる構成を企図して、図９および図１０に示すように光学素子を当接させた構造が提案されている（特許文献１）。
図９は、ＬＥＤ素子に対向する光学素子２の面をＬＥＤ素子１に平行となるようにしたもの、図１０では全反射面となるように、ＬＥＤ素子１に対して所定の角度をなす面を形成したものである。図１０に示す構成では、光学素子２をＬＥＤ素子１の発光部から出射した光は、入射層を介して光方向変換用光学素子（レンズ部）２の入射面から、光方向変換用光学素子２に入射し、屈折により臨界角内に集光する。そしてその光は反射面２ｂに到達する。そして反射面２ｂはＬＥＤ素子１から到達した光をすべて全反射する角度になっており、全反射した後、側壁面２ｃに到達すると屈折して光方向変換用光学素子２の外に出射される。Ｌｔは透過光、Ｌｒは反射光を示す。

従ってこの構成によれば、側壁面２ｃから出射する光と、入射面と対向する面の中心から出射する光に分割され、そのうち側壁面からの光によって視野角の広い光出力を得ることができる。
ところで、所望の色の光を得るために、レンズ部である光方向変換用光学素子２に、光の分光分布を変化させるような光変換部材（着色材料）を含有させたものを用いる構造も提案されている。
しかしながら、上記構造では、図１０に示すように、ＬＥＤ素子１を封止した発光パッケージから光方向変換用光学素子２への光が入射されて射出するまでの距離は様々であるため、レンズ部である光方向変換用光学素子２に光の分光分布を変化させるような光変換部材を含有する場合においては、光変換部材の含有量が一律であると、光路が長い光は、変換される割合が多くなり（着色が濃くなり）、光路が短い光と比べると見える色の印象が異なり、全体として色ムラを感じやすくなる。

特開２００７−４８８８３号公報

このように、上記特許文献１の発光装置では、光路長にかかわらず光変換部材の含有量が一律であることから、レンズ中心部から射出される透過光と、レンズで反射し側面から射出される反射光とで、色が異なるという現象が生じることがある。
本発明は前記実情に鑑みてなされたもので、光路長が異なる場合にも、同じ着色具合になるようにし、均一で色むらのない光を得ることのできる発光装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の発光装置は、光源と、前記光源を載置する載置面を有する載置部材と、前記載置部材上に設けられる、前記光源からの光の分光分布を変換する光変換部材を含有するレンズと、を有する発光装置であって、前記光源は、前記載置部材の中央に配置されており、前記レンズは、前記光源に対向する面としての第１の光透過面と、側面としての第２の光透過面と、前記レンズの中心近傍部分としての、前記光変換部材の含有量が多い第１の領域と、前記第１の領域の周辺に位置する周辺近傍部分としての、前記第１の領域よりも前記光変換部材の含有量が少ない第２の領域と、を有し、前記第１の領域と前記第２の領域の境界面の断面形状は、前記載置面に垂直な垂線、または、前記載置面から遠くなるほど前記第２の光透過面までの距離が小さくなるように傾斜している斜線であることを特徴としている。

なおここで光変換部材とは蛍光体などの着色量含有光変換部材や、特定の波長の光のみを変換する光変換部材など、分光分布を変化させるものをいうものとする。

また、本発明は、上記発光装置において、前記レンズの前記第１の光透過面の断面形状は、前記光源の中心を通る中心軸上の第１の点と、前記第１の点の左側に位置する前記第２の光透過面の頂点とを結ぶ、前記中心軸から離れるほど前記載置部材からの距離が大きくなるように傾斜している第１の傾斜線と、前記光源の中心を通る中心軸上の第１の点と、前記第１の点の右側に位置する前記第２の光透過面の頂点とを結ぶ、前記中心軸から離れるほど前記載置部材からの距離が大きくなるように傾斜している第２の傾斜線と、を有して構成されるＶ字形状である。

また本発明は、上記発光装置において、前記第１の領域に対する前記第２の領域の光変換部材の含有比率Ｍ２／Ｍ１が以下の関係を有するものを含む。
Ｍ２／Ｍ１＝ｃ／[{(ａ−ｂ)・√（１＋ａ^２）}・ｄ_１]
ただし、
ａ = -tan(θ+θm)
ｂ = -tan(90°-2θ)
ｃ = d₂ + l×tan(90°-2θ)
θ = tan^-1{l/(d₂-d₁)}
θm = sin^-1(l/nw)
ｄ_１：レンズ中心部の高さ
ｄ_２：周辺部の高さ
ｌ：半径
θ：レンズ周辺部の角度
nw：レンズの透過率

以上説明してきたように、上記構成によれば発光ダイオードなどの光源からの光がレンズを透過して射出した光と、反射して側面に射出される光とで光路長が大きく異なる場合にも、レンズ内の光変換部材によって着色される程度が異なるのを軽減でき、透過光と直接光の色をほぼ同じにすることができる。
また上記構成によれば、発光むらおよび色むらを低減でき、看板として用いる場合には、看板面を均一に発光させることができる。
また、製造に際しては、第２の領域に樹脂材料を充填して硬化させた後に、第１の領域に樹脂材料を充填して硬化させることで、レンズ中心近傍の光変換部材の含有率と、周辺近傍の含有率の比率をより精度良く設定することができ、製造過程において試作回数を減少させることができる。

以下、本発明の実施の形態について説明する。
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１の発光パネルを示す説明図である。この発光パネルは、光源としてのＬＥＤ素子１と、前記ＬＥＤ素子からの光の分光分布を変換する着色剤含有光変換部材を含有する光学素子としてのレンズ２と、を有する発光装置であって、このレンズ２は、前記ＬＥＤ素子１からの光路長の相対的に短い箇所での前記光変換部材の含有量が、相対的に長い箇所での前記光変換部材の含有量よりも大きくなるように構成されている。

すなわち、このレンズ２が、前記ＬＥＤ素子１からの光を反射させて前記レンズの側方に射出する反射面と、前記光源からの光を透過させて、前記レンズを挟んで前記光源に相対向する方向に射出する透過面とを有し、少なくとも前記光源と前記透過面との対向する領域における前記光変換部材の含有量が、前記レンズ周縁部における前記光変換部材の含有量よりも大きく構成されている。

ここでは、前記レンズが、ＬＥＤ素子１と透過面２ａとの対向する領域を含み、前記光変換部材の含有量が多い第１の領域２１と、前記第１の領域の周縁に位置し、前記第１の領域よりも前記光変換部材の含有量が少ない第２の領域２２に分割されており、これら第１の領域２１と前記第２の領域２２の境界面は、前記ＬＥＤ素子１の載置面であるプリント配線基板１１の面と垂直となっている。このレンズは光透過性樹脂、たとえばエポキシ樹脂で形成されており、このエポキシ樹脂中に光変換部材としての蛍光体粒子が封入されている。蛍光体粒子としては酸化イットリウムを発光母材とし、ユーロピウムを付活材として添加した無機粒子や、ケイ酸塩にマンガンを付活材として添加した無機粒子などが用いられる。
なお、ＬＥＤ素子１は周辺回路素子の形成されたプリント配線基板１１上に搭載され、発光モジュール１０を構成している。
またＬＥＤ素子１は、図示しないリードフレームにＬＥＤチップが搭載されて構成されている。

この構造によれば、光源としてはＬＥＤ素子あるいはそれに相当する発光面積と発光強度の性能を持つ光源を使用する。またその全面にレンズ２が設置されている。図１に示すように、レンズ２の中心近傍ではＬＥＤ素子１からの光は直接射出され、レンズ周辺近傍ではＬＥＤ素子１からの光は反射されて側面２ｃから射出される。よって、レンズ中心近傍とレンズ周辺近傍を通る光では光路長が大きく異なり、周辺近傍を通る光の方が光路長が長くなる。

一方、ある光の分光分布を変化させるために光変換部材を通る場合、光変換部材の含有比率が高い場合、またはレンズを通過している光路長が長い場合により着色される。よって、ここでは光路長の短い領域であるレンズ中心近傍の第１の領域２１では光変換部材の含有量を光路長の長い領域であるレンズ周辺近傍の第２の領域２２における光変換部材の含有量よりも高くしている。

この構成により、ＬＥＤ素子１からの光がレンズを透過して透過面２ａから射出した光と、反射して側面２ｃに射出される光とで光路長が大きく異なる場合にも、レンズ内の光変換部材によって着色される程度が異なるのを軽減することができ、第１の領域２１を通り透過面２ａから出射する光と、反射して第２の領域２２を通り側面２ｃから出射する光との色をほぼ同じにすることができる。

従って上記構成によれば、発光むらおよび色むらを低減でき、この発光パネルを看板として用いる場合には、看板面を均一に発光させることができる。

また、製造に際しては、第２の領域２２にエポキシ樹脂からなる樹脂材料に蛍光物質をより添加したものを充填して硬化させた後に、第１の領域２１にエポキシ樹脂からなる樹脂材料に蛍光物質をより多く添加した樹脂材料を充填して硬化させることで、レンズ中心近傍の光変換部材の含有率と、周辺近傍の含有率の比率をより精度良く設定することができ、製造過程において試作回数を減少させることができる。

（実施の形態２）
図２は本発明の実施の形態２の発光パネルを示す説明図である。この発光パネルは、図２に示すように、基本的な構成は実施の形態１の発光パネルと同様であるが、光変換部材の含有量の多い第１の領域２１とその周辺の第２の領域２２との境界面が異なり、この境界面は発光モジュール１０に対して垂直面でなく傾斜面を構成している。すなわち、前記第１の領域２１と前記第２の領域２２の境界面が、前記ＬＥＤ素子１から周縁に向けて前記第１の領域２１が拡がるように形成された逆円錐状をなしている。

これは、レンズを通る光はそのレンズを構成する物質と空気の透過率の比によって反射する角度（臨界角）が異なり、その角度よりも大きい場合は透過、小さい場合は反射するためであり、その臨界角θを境界として、レンズの光変換部材の含有量を変えている。

なお本実施の形態２においても、前記実施の形態１の発光パネルと同様、光源としてのＬＥＤ素子１と、前記ＬＥＤ素子からの光の分光分布を変換する着色剤含有光変換部材を含有するレンズ２と、を有する発光装置であって、このレンズ２は、前記ＬＥＤ素子１からの光路長の相対的に短い箇所での前記光変換部材の含有量が、相対的に長い箇所での前記光変換部材の含有量よりも大きくなるように構成されている。

また、実施の形態２のレンズの製造方法については、レンズ中心近傍部分の形状に合わせた成型枠とレンズ外枠の形状に合わせた成型枠を用意し、最初にレンズ中心近傍部分の形状に合わせた成型枠に光変換部材を含んだレンズ材料を流し込み凝固させ、第１の領域を形成する。そしてその後、レンズ外枠にあわせた成型枠にレンズ中心部分のみ凝固した物を固定し、その周りに光変換部材を充填して凝固させることで第２の領域を形成し、容易に製造可能である。
蛍光体の含有量については、適宜変更可能であり、シミュレーションなどを用いて含有量を算出するのが望ましい。

（実施の形態３）
図３は本発明の実施の形態３の発光パネルを示す説明図である。この発光パネルは、図３に示すように、基本的な構成は実施の形態１の発光パネルと同様であるが、この発光装置は、レンズ２が、ＬＥＤ素子１からの光を反射させてレンズ２の側方に射出する反射面２ｒと、ＬＥＤ素子１からの光を透過させて、レンズ２を挟んでＬＥＤ素子１と対向する方向に射出する透過面２ａとを有し、少なくとも透過面２ａを透過する光の一部は、他の部分よりも光変換部材の含有量が大きいものであることを特徴としている。

このように、本実施の形態においても、基本的な構成は実施の形態１と同様であるが、レンズの構造が、ＬＥＤ素子１が配置された面とレンズ２を挟んで対向する面の中心部分が凹んでおり、レンズの周縁に近づくに従ってその凹みの高さが浅くなっている。

この構成により、ＬＥＤ素子１が配置された面とレンズ２をはさんで対向する面の中心部分が窪んだ構造をとるようにしているため、ＬＥＤ素子から出射した光が反射して第２の領域２２を通り側面２ｃから効率よく出射させることができる。このようにＬＥＤ素子１からの光がレンズを透過して射出した光と、反射して側面２ｃに射出される光とで光路長が大きく異なる場合にも、レンズ内の光変換部材によって着色される程度が異なるのを軽減することができ、第１の領域２１を通り透過面２ａから出射する光と、反射して第２の領域２２を通り側面２ｃから出射する光との色をほぼ同じにすることができる。

従って上記構成によれば、発光むらおよび色むらを低減でき、この発光パネルを看板として用いる場合には、看板面を均一に発光させることができる。

（実施の形態４）
図４は本発明の実施の形態４の発光パネルを示す説明図である。この発光パネルは、図４に示すように、基本的な構成は実施の形態２の発光パネルと同様、第１の領域２１と第２の領域２２との境界面が逆円錐状をなすものであるが、レンズの外郭形状が実施の形態３と同様、ＬＥＤ素子１が配置された面とレンズ２をはさんで対向する面の中心部分が窪んだ構造をとるようにしたものである。ここでは、第１の領域２１に対する第２の領域２２の光変換部材の含有比率Ｍ２／Ｍ１が以下の関係を有する。
Ｍ２／Ｍ１＝ｃ／[{(ａ−ｂ)・√（１＋ａ^２）}・ｄ_１]
ａ = -tan(θ+θm)
ｂ = -tan(90°-2θ)
ｃ = d₂ + l×tan(90°-2θ)
θ = tan^-1{l/(d₂-d₁)}
θm = sin^-1(l/nw)
ｄ_１：レンズ中心部の高さ
ｄ_２：周辺部の高さ
ｌ：半径
θ：レンズ周辺部の角度
nw：レンズの透過率

この構成により、より多くの光を側面２ｃから取り出すことができ、かつレンズ内の光変換部材によって着色される程度が異なるのをより効率よく軽減することができ、第１の領域２１を通り透過面２ａから出射する光と、反射して第２の領域２２を通り側面２ｃから出射する光との色をほぼ同じにすることができる。

次に、レンズ中心近傍の光変換部材の含有量とレンズ周辺部分の光変換部材の含有量の比Ｍ２／Ｍ１について説明する。

ＬＥＤ素子から出た光がレンズ２を透過したときの着色度合いは、レンズの光変換部材の含有率τとレンズの厚さtの影響をうけ、光変換部材の含有率τとレンズ厚tの積が等しければ、着色度合いは等しくなることがランベルト・ベールの法則からわかっている。よって、光路長がわかれば、その領域の光変換部材の含有率を決定することができる。ここでは、中心近傍と周辺近傍の２つの領域に分けてそれぞれの光変換部材の含有率の比率を計算する。

計算モデルを図５に示す（レンズは中心軸に対しての回転体であるため、レンズ断面図のうちの半分の形状を用いた）。レンズ中心部の高さをd1、周辺部の高さをd2、半径をl、レンズ周辺部の角度をθとする。また、レンズの透過率をnwとする。また計算上の原点(0、0)は、レンズ中心軸と底面との交点とした。
ここで、θは次のようになる。
θ＝ｔａｎ^−１{ｌ／(ｄ_２−ｄ_１)}
ここで、実施の形態２で述べたように、図６に示すように、発光ダイオードから出た光はレンズ内を通り、ある臨界角より小さい場合は透過光、臨界角よりも大きい場合は反射光となり側面２ｃから射出される。

反射される光の光路長について考えると、臨界角で反射した場合の光路長が最も長くなる。そして、その光路長は図７に示す原点から座標(x、y)までの直線距離となる。よって、この光路長を計算する。

最初に、座標(x、y)を求める。
図８より、座標(x、y)は、原点を通る直線ｙ＝ａｘと、座標(Ｉ、ｄ２)を通る直線ｙ＝ｂｘ＋ｃの交点となる。この交点を計算すると、ｘとｙは次のようになる。
ｘ＝ｃ／（ａ―ｂ）
ｙ＝ａｃ／（ａ―ｂ）
従って、原点(0、0)と座標(c/(a-b)、ac/(a-b))との距離Xは次のようになる。
Ｘ ＝ ｃ／(ａ−ｂ)√(１＋ａ^２)

ここで、式中のa、b、cを図５のモデルで示した値のみで表現しようと計算すると次のようになる。
ａ = -tan(θ+θm)
ｂ = -tan(90°-2θ)
ｃ = d₂ + l×tan(90°-2θ)
θ<45°

ここで、θ、θmは次の式で表される。
θ = tan^-1{l/(d₂-d₁)}
θm = sin^-1(l/nw)

以上により、最大光路長が求められた。一方、最小の光路長はレンズ中心を通り透過する光であるから、光路長はd₁となる。
よって、レンズ中心近傍の光変換部材の含有率は周辺近傍に比べて、
ｃ／[{(ａ−ｂ)・√（１＋ａ^２）}・ｄ_１
倍程度にすると、着色の程度がほぼ等しくなる。
つまり、 Ｍ２／Ｍ１＝ｃ／[{(ａ−ｂ)・√（１＋ａ^２）}・ｄ_１]
とする。

なお、上記結果は実施の形態４だけでなく、前記実施の形態１乃至４のいずれにも適用可能である。前記実施の形態１乃至４においては、第１の領域と第２の領域とで着色材料の含有量を段階的に変化させたが、前記第１の領域から前記第２の領域に向かうに従い、着色材料の含有量が次第に少なくなるように連続的に変化させるようにしてもよい。また、光源から離間するに従い着色材料の含有量が次第に少なくなるように連続的に変化させるようにしてもよい。演算は複雑となるが、シミュレーションにより演算し、設計することで形成可能である。

また、前記実施の形態１乃至４においては、光学素子としてレンズを用いたが、前記プリント配線基板と相対向する面の一部が反射面を構成するようにメタライズ層とするなど、レンズ以外にも複合光学素子などにも適用可能である。

さらにまた、前記実施の形態では、ＬＥＤ素子を光源として用いた例について説明したが、有機ＥＬ素子、無機ＥＬ素子など、他の光源にも適用可能である。

本発明の実施の形態１の発光装置を示す説明図 本発明の実施の形態２の発光装置を示す説明図 本発明の実施の形態３の発光装置を示す説明図 本発明の実施の形態４の発光装置を示す説明図 光路長を求める計算モデルを示す図 臨界角を示す図 最大光路長を示す図 計算過程を示す図 従来例の発光装置を示す説明図 従来例の発光装置を示す説明図

符号の説明

１ ＬＥＤ素子
２ レンズ
２ａ 透過面
２ｂ 反射面
２ｃ 側面
２１ 第１の領域
２２ 第２の領域

Claims (3)

1. 光源と、前記光源を載置する載置面を有する載置部材と、前記載置部材上に設けられる、前記光源からの光の分光分布を変換する光変換部材を含有するレンズと、を有する発光装置であって、
   前記光源は、前記載置部材の中央に配置されており、
   前記レンズは、
   前記光源に対向する面としての第１の光透過面と、
   側面としての第２の光透過面と、
   前記レンズの中心近傍部分としての、前記光変換部材の含有量が多い第１の領域と、
   前記第１の領域の周辺に位置する周辺近傍部分としての、前記第１の領域よりも前記光変換部材の含有量が少ない第２の領域と、
   を有し、
   前記第１の領域と前記第２の領域の境界面の断面形状は、前記載置面に垂直な垂線、または、前記載置面から遠くなるほど前記第２の光透過面までの距離が小さくなるように傾斜している斜線である発光装置。
2. 請求項１に記載の発光装置であって、
   前記レンズの前記第１の光透過面の断面形状は、
   前記光源の中心を通る中心軸上の第１の点と、前記第１の点の左側に位置する前記第２の光透過面の頂点とを結ぶ、前記中心軸から離れるほど前記載置部材からの距離が大きくなるように傾斜している第１の傾斜線と、
   前記光源の中心を通る中心軸上の第１の点と、前記第１の点の右側に位置する前記第２の光透過面の頂点とを結ぶ、前記中心軸から離れるほど前記載置部材からの距離が大きくなるように傾斜している第２の傾斜線と、
   を有して構成されるＶ字形状である発光装置。
3. 請求項２に記載の発光装置であって、
   前記第１の領域に対する前記第２の領域の光変換部材の含有比率Ｍ２／Ｍ１が以下の関係を有する発光装置。
   Ｍ２／Ｍ１＝ｃ／［｛（ａ−ｂ）・√（１＋ａ^２）}・ｄ_１｝］
   ただし、
   ａ＝−ｔａｎ（θ＋θｍ）
   ｂ＝−ｔａｎ（９０°−２θ）
   ｃ＝ｄ_２＋ｌ×ｔａｎ（９０°−２θ）
   θ＝ｔａｎ^−１｛ｌ／（ｄ_２−ｄ_１）｝
   θｍ＝ｓｉｎ^−１（ｌ／ｎｗ）
   ｄ_１：レンズ中心部の高さ
   ｄ_２：周辺部の高さ
   ｌ：半径
   θ：レンズ周辺部の角度
   ｎｗ：レンズの透過率

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