专利名称：照明装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及使用面光源的照明装置。
背景技术：
最近，亮度大幅提高的发光二极管(LED)由于能量消耗量小，因而取代以往的白炽灯泡，开始用作照明装置(LED灯泡)用的光源。此时，作为LED灯泡的配光分布特性，要求与以往的白炽灯泡相同。然而，由于蓝色LED的芯片具有接近朗伯(Lambertian)的发光分布特性，因而蓝色LED和利用荧光体的白色或灯泡色等的LED光源也具有大致接近朗伯的配光分布特性。 这里，朗伯是指，发光强度针对观测角的分布与观测角的cos (余弦)成正比的发光分布。因此，在使用LED作为光源的情况下，不能向白炽灯那样进行光绕入到光源的后侧的照射，即
以上的立体角的照射，并且发光面的正面方向的光强度增强。因此，为了使用LED，针对 2 π以上的立体角，朝各种方向照射充分量的光，考虑大致分为2种方法。第一种方法是将 LED芯片朝各种方向立体配置的方法，然而制造成本增加，并且在LED的热设计方面也产生问题。第二种方法是在光源的正面配置用于控制光的方向的光学元件的方法，然而不存在效率良好地形成理想配光分布的光学元件。另一方面，在现有技术中，开发出通过光学元件变更从光源射出的光的路径的照明装置。然而，现有的照明装置无论是使用点光源的照明装置(例如，专利文献1和2)，还是使用面光源的照明装置，都是针对光源大小使用充分大的光学元件，将焦距设定得尽可能长来提高准直性能，从而朝一定方向照射光的照明装置(例如，专利文献3)。并且，一般，尽管是准直以外的(例如使光线分散的)目的，也是光学元件的大小针对光源的大小越大，越容易控制光线方向。这是因为，光学元件的光学面越处于远离光源的位置，就越唯一决定入射到光学面上的任意位置的光线的方向，因而可自由控制全部光线。反之，光学元件的大小与光源的大小相同的情况下，由于光学元件的光学面在光源附近，因而入射到光学面上的任意位置的光线的方向朝向各种方向，不能自由控制全部的结构。这样，未开发出这样的紧凑型的照明装置使用光学元件，对从LED等的面光源射出的光进行配光，以便对2 π以上的立体角朝各种方向照射充分量的光。专利文献1 :US6543911B1专利文献2 :US6899443B2专利文献3 日本特开2008-2^702号公报
发明内容
因此，需要这样的紧凑的照明装置使用光学元件，对从LED等的面光源射出的光进行配光，以便照射2 π以上的立体角。本发明的一个方式的照明装置，该照明装置包括面光源和光学元件，该光学元件具有与该面光源的发光面相对配置的入射面、与该入射面相对的第1出射面以及连接该入射面和第1出射面的第2出射面。设该发光面的中心为第1点，设该发光面的边缘的点为第2点，设通过第1点且垂直于该发光面的轴为该光学元件的光轴，该光学元件的第1出射面具有该光轴附近相对于周缘凹陷的形状，在包含该光轴和第2点的该光学元件的截面中，设相对于第1点距所述光轴为15度视角的位置处的第1出射面上的点为第3点，设从第2点射出且平行于光轴行进的光线与第1出射面交叉的点为第4点，设连接第1点和第 2点的轴为X轴，第1出射面的离该光轴最远的点的X坐标是第2点的值的1.5倍以上，第 1出射面构成为，在X坐标是第3点的值以上的区域的80%以上的区域中，从第1点射出的光的入射角是临界角以上，在X坐标是第4点的值以下的区域的80%以上的区域中，从第2 点射出的光的入射角小于临界角。在本方式的照明装置中，第1出射面的X轴方向的大小是发光面的X轴方向的大小的1. 5倍以上。从发光面的第1点射出、且到达第1出射面的、X坐标是第3点的值以上的区域的光的大部分被全反射，从发光面的第2点射出、且到达第1出射面的、X坐标是第 4点的值以下的区域的光的大部分折射。从发光面的第1点Pl与第2点P2之间的点射出的光，根据其X坐标决定被第1出射面全反射的光和折射的光的比率。一般，当射出光的点的X坐标接近第1点时，被第1出射面全反射的光的比例变高，当射出光的点的X坐标接近第2点时，在第1出射面折射的光的比例变高。因此，通过按上述构成第1出射面，可适当决定从面光源上的各种点射出的光中在第1出射面全反射的光和折射的光的比率。另外，本说明书及权利要求书中，发光面的边缘的点是指在包括光轴的截面中，离光轴最远的发光面上的点。另外，本发明是基于获得这样的紧凑的照明装置的新知识的发明，S卩，通过着眼于从第1点和第2点射出的光的路径来适当决定出射面的形状，而且适当决定光学元件的X 轴方向的大小与面光源的X轴方向的大小之比，对从面光源射出的光进行配光以便照射 2 π以上的立体角。本发明的一个方式的照明装置，该照明装置包括面光源和光学元件，该光学元件具有与该面光源的发光面相对配置的入射面、与该入射面相对的第1出射面以及连接该入射面和第1出射面的第2出射面。设该发光面的中心为第1点，设该发光面的边缘的点为第2点，设通过第1点且垂直于该发光面的轴为该光学元件的光轴，该光学元件的第1出射面具有该光轴附近相对于周缘凹陷的形状，在包含该光轴和第2点的该光学元件的截面中，在相对于第1点距该光轴为25度至60度视角的区域内，第1出射面具有相对于连接第 1点和第2点的直线的角度为20度以下的角度的区域，设相对于第1点距所述光轴为15度视角的位置处的第1出射面上的点为第3点，设从第2点射出且平行于光轴行进的光线与第1出射面交叉的点为第4点，设从第1点射出且到达第3点的光线对第1出射面的入射角为θ 13，设从第2点射出且到达第3点的光线对第1出射面的入射角为θ 23，设从第3点射出且到达第4点的光线对第1出射面的入射角为θ 24，设临界角为Θ。，[数学式1]15° 彡 θ 13- θ 23 ^ 70°(1)15° 彡 Θ14-Θμ<65°(2)0.2 彡(θ14-θ24)/(θ13-θ23)彡 1(3)
通过满足式(1)至(3)，可在第1出射面中，适当决定全反射的光和折射的光的比率，不仅可在前方方向，而且可在横方向和后方方向均勻照射光。
在本发明的一个实施方式中，并且，[数学式2]θ13(4)θ。(5)根据本实施方式，在第1出射面中，全反射的光和折射的光的比率更适当。在本发明的一个实施方式中，在包含该光轴和第2点的该光学元件的截面中，设连接第1点和第2点的轴为X轴，在X坐标是第3点的值以上的区域中，第1出射面构成为使从第1点射出的光全部全反射。根据本实施方式，不仅可在前方方向，而且可在横方向和后方方向更均勻地照射光。在本发明的一个实施方式中，在包含该光轴和第2点的该光学元件的截面中，设连接第1点和第2点的轴为X轴，在X轴方向的第3点与第4点之间的区域中，第1出射面构成为使从第2点射出的光全部折射。根据本实施方式，不仅可在前方方向，而且可在横方向和后方方向更均勻地照射光。在本发明的一个实施方式中，在包含该光轴和第2点的该光学元件的截面中，设连接第1点和第2点的轴为X轴，在X轴方向的第3点与第4点之间的区域中，第1出射面对于连接第3点和第4点的直线，位于该面光源的相反侧。根据本实施方式，不仅可在前方方向，而且可在横方向和后方方向更均勻地照射光。在本发明的一个实施方式中，设该发光面的面积为Α，设第1出射面的面积为B，[数学式3]3 彡 Β/Α 彡 60(6)根据本实施方式，不仅可在前方方向，而且可在横方向和后方方向更均勻地照射光。在本发明的一个实施方式中，设该发光面的面积为Α，设第1出射面的朝该光源面的投影面积为C，[数学式4]1 ^ C/A ^ 20(7)根据本实施方式，不仅可在前方方向，而且可在横方向和后方方向更均勻地照射光。在本发明的一个实施方式中，设该发光面的面积为Α，设该光学元件的高度为D，[数学式5]
权利要求
1.ー种照明装置，其包括面光源和光学元件，该光学元件具有与该面光源的发光面相 对配置的入射面、与该入射面相对的第1出射面以及连接该入射面和第1出射面的第2出 射面，其中，设该发光面的中心为第1点，设该发光面的边缘的点为第2点，设通过第1点且垂直于 该发光面的轴为该光学元件的光轴，该光学元件的第1出射面具有该光轴附近相对于周缘 凹陷的形状，在该光学元件的包含该光轴和第2点的截面中，设相对于第1点距所述光轴为 15度视角的位置处的第1出射面上的点为第3点，设从第2点射出且平行于光轴行进的光 线与第1出射面交叉的点为第4点，设第1点为原点，设连接第1点和第2点的轴为X轴， 第1出射面的离该光轴最远的点的X坐标是第2点的值的1. 5倍以上，第1出射面构成为， 在X坐标是第3点的值以上的区域的80%以上的区域中，从第1点射出的光的入射角是临 界角以上，在X坐标是第4点的值以下的区域的80%以上的区域中，从第2点射出的光的入 射角小于临界角。
2.ー种照明装置，其包括面光源和光学元件，该光学元件具有与该面光源的发光面相 对配置的入射面、与该入射面相对的第1出射面以及连接该入射面和第1出射面的第2出 射面，其中，设该发光面的中心为第1点，设该发光面的边缘的点为第2点，设通过第1点且垂直于 该发光面的轴为该光学元件的光轴，该光学元件的第1出射面具有该光轴附近相对于周缘 凹陷的形状，在该光学元件的包含该光轴和第2点的截面中，在相对于第1点距该光轴为25 度至60度视角的区域内，第1出射面具有相对于连接第1点和第2点的直线的角度为20 度以下的角度的区域，设相对于第1点距所述光轴为15度视角的位置处的第1出射面上的 点为第3点，设从第2点射出且平行于光轴行进的光线与第1出射面交叉的点为第4点，设 从第1点射出且到达第3点的光线对第1出射面的入射角为e 13，设从第2点射出且到达第 3点的光线对第1出射面的入射角为e 23，设从第2点射出且到达第4点的光线对第1出射 面的入射角为e24，设临界角为e。，满足[数学式1]15° く 013- e 23 ^ 70°⑴15° 彡 0 14- 0 24 ^ 65°(2)0.2^ ( 6 14- 0 24)/( 0 13- 6 23) ^ 1(3)。
3.根据权利要求2所述的照明装置，其中，还满足，[数学式2]Qc^ 013(4)Q23^ 0C⑶。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的照明装置，其中，在该光学元件的包含该光轴 和第2点的截面中，设连接第1点和第2点的轴为X轴，在X坐标是第3点的值以上的区域 中，第1出射面构成为使从第1点射出的光全部全反射。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的照明装置，其中，在该光学元件的包含该光轴和 第2点的截面中，设连接第1点和第2点的轴为X轴，在X轴方向的第3点与第4点之间的 区域中，第1出射面构成为使从第2点射出的光全部折射。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的照明装置，其中，在该光学元件的包含该光轴和第2点的截面中，设连接第1点和第2点的轴为X轴，在X轴方向的第3点与第4点之间的区域中，第1出射面关于连接第3点和第4点的直线，位于该面光源的相反侧。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的照明装置，其中，设该发光面的面积为A，设第 1出射面的面积为B，满足[数学式3]3 彡 B/A 彡 60(6)。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的照明装置，其中，设该发光面的面积为A，设第 1出射面对该光源面的投影面积为C，满足[数学式4]1 ^ C/A ^ 20(7)。
9.根据权利要求1至6中任一项所述的照明装置，其中，设该发光面的面积为A，设该光学元件的高度为D，满足[数学式5]I<D/VA77t <ιο(8)。
10.根据权利要求1至6中任一项所述的照明装置，其中，设该发光面的面积为A，设第 1出射面的凹陷处的深度为EdiS[数学式6]0.25 <E/ λ/ΑΤτγ < 4(9)。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的照明装置，其中，第1出射面在比该第3点接近该光轴的区域内具有光漫射用的突起结构。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的照明装置，其中，该发光面和该入射面隔开间隔而分离。
13.根据权利要求12所述的照明装置，其中，设该发光面的面积为Α，设该发光面与该入射面之间的间隔为F，满足[数学式7]0<F/VATtt <0.2(10)。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的照明装置，其中，在该光学元件的包含该光轴和第2点的截面中，设连接第1点和第2点的轴为X轴，第1出射面关于X的导函数是连续的。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的照明装置，其中，对第1出射面和第2出射面的至少一部分的区域实施了微小凹凸形状。
16.根据权利要求1至15中任一项所述的照明装置，其中，在该光学元件的包含该光轴和第2点的截面中，第2出射面具有直线状的部分。
17.根据权利要求16所述的照明装置，其中，该光学元件在第1出射面与第2出射面之间的边界附近具有光漫射用光学面。
18.根据权利要求17所述的照明装置，其中，该光漫射用光学面是曲率半径R的凹形状，设该发光面的面积为A，满足[数学式8]R/VA/π <0.5(11)。
19.根据权利要求16所述的照明装置，其中，该光学元件在第1出射面与第2出射面之间的边界附近具有延伸到外侧的导光部。
20.根据权利要求19所述的照明装置，其中，该照明装置具有覆盖该光源和该光学元件的盖，该盖通过该导光部与该光学元件连接。
21.根据权利要求1至20中任一项所述的照明装置，其中，该光学元件是以该光轴为中心的无限次旋转对称体。
22.根据权利要求21所述的照明装置，其中，该照明装置利用了从该光轴的周围的旋转对称的形状切出为180°以下的扇形形状的部分。
23.根据权利要求22所述的照明装置，其中，该光学元件的切出为该扇形形状的切断面是曲面。
24.根据权利要求1至20中任一项所述的照明装置，其中，该光学元件的垂直于该光轴的截面的形状构成为根据以该光轴为中心的放射方向而不同，以进行根据放射方向而不同的照射。
25.一种照明装置，其包括面光源和光学元件，该光学元件具有与该面光源的发光面相对配置的入射面、与该入射面相对的第1出射面以及连接该入射面和第1出射面的第2出射面，其中，第2出射面的接近该入射面的区域构成为，通过内部全反射对向如下方向射出的光线的一部分进行导光，该方向为从垂直于该发光面的方向偏离的方向，从而在该光学元件内部，形成距该发光面的距离是H、且将该发光面投影到平行于该发光面的平面而得到的形状的假想发光面，设该发光面的面积为A，H满足[数学式9]2<H/VA7ti<15(12)H是存在通过该假想发光面的中心且距所述光轴为15度视角的光线的范围的值，设该假想发光面的中心为第1点，设该假想发光面的边缘的点为第2点，设通过第1点且垂直于该假想发光面的轴为该光学元件的光轴，该光学元件的第1出射面具有该光轴附近相对于周缘凹陷的形状，在该光学元件的包含该光轴和第2点的截面中，设相对于第1点距所述光轴为15度视角的位置处的第1出射面上的点为第3点，设通过第2点且平行于光轴行进的光线与第1出射面交叉的点为第4点，设第1点为原点，设连接第1点和第2点的轴为X轴，第1出射面的离该光轴最远的点的X坐标是第2点的值的1. 5倍以上，第1出射面构成为，在X坐标是第3点的值以上的区域的80%以上的区域中，通过第1点的光的入射角是临界角以上，在X坐标是第4点的值以下的区域的80%以上的区域中，通过第2点的光的入射角小于临界角。
26.一种照明装置，其包括面光源和光学元件，该光学元件具有与该面光源的发光面相对配置的入射面、与该入射面相对的第1出射面以及连接该入射面和第1出射面的第2出射面，其中，第2出射面的接近该入射面的区域构成为，通过内部全反射对向如下方向射出的光线的一部分进行导光，该方向为从垂直于该发光面的方向偏离的方向，从而在该光学元件内部，形成距该发光面的距离是H、且将该发光面投影到平行于该发光面的平面而得到的形状的假想发光面，设该发光面的面积为A，H满足 [数学式10]2<H/VA7ti <15(12)H是存在通过该假想发光面的中心且距所述光轴为15度视角的光线的范围的值， 设该假想发光面的中心为第1点，设该假想发光面的边缘的点为第2点，设通过第1点且垂直于该假想发光面的轴为该光学元件的光轴，该光学元件的第1出射面具有该光轴附近相对于周缘凹陷的形状，在该光学元件的包含该光轴和第2点的截面中，设相对于第1点距该光轴为25度至60度视角的区域内，第1出射面具有相对于连接第1点和第2点的直线的角度为20度以下的角度的区域，设相对于第1点距所述光轴为15度视角的位置处的第1出射面上的点为第3点，设通过第2点且平行于光轴行进的光线与第1出射面交叉的点为第4点，设通过第1点和第3点的线段与通过第2点和第3点的线段形成的角度为θ 132， 设通过第1点和第4点的线段与通过第2点和第4点的线段形成的角度为θ 142，设临界角为Θ。，满足[数学式11]15°θ⑶彡70°(13)15°θ他彡65°(14)0. 2θ \ J θ 132 1(15) ο
全文摘要
本发明的照明装置包括面光源(101)和光学元件(103)，光学元件(103)具有入射面(203)以及第1和第2出射面(205，207)。设发光面(201)的中心为P1，设缘的点为P2，设通过P1且垂直于该发光面的轴为光轴，该光学元件具有该光轴附近相对于边缘凹陷的形状。在该光学元件的截面中，设相对于P1距该光轴为15度的视角的位置处的第1出射面上的点为P3，设从P2射出且平行于光轴行进的光线与第1出射面交叉的点为P4，设使P1和P2连接的轴为X轴，第1出射面的最远离该光轴的点的X坐标是P2的值的1.5倍以上，第1出射面构成为，在X坐标是P3的值以上的区域的80％以上的区域中，从P1射出的光的入射角是临界角以上，在X坐标是P4的值以下的区域的80％以上的区域中，从P2射出的光的入射角小于临界角。
文档编号F21Y101/02GK102282416SQ20108000447
公开日2011年12月14日 申请日期2010年4月9日 优先权日2009年11月4日
发明者金井纪文 申请人:纳卢克斯株式会社