特許 5732157 光照射装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】5732157

(24)【登録日】2015年4月17日

(45)【発行日】2015年6月10日

(54)【発明の名称】光照射装置

(51)【国際特許分類】

   A01G 7/00 20060101AFI20150521BHJP

   F21S 2/00 20060101ALI20150521BHJP

   F21V 5/00 20150101ALI20150521BHJP

   H01L 33/58 20100101ALI20150521BHJP

   H01L 33/00 20100101ALI20150521BHJP

   F21Y 101/02 20060101ALN20150521BHJP

【ＦＩ】

   A01G7/00 601A

   F21S2/00 482

   F21V5/00 510

   H01L33/00 430

   H01L33/00 L

   F21Y101:02

【請求項の数】6

【全頁数】20

(21)【出願番号】特願2014-44574(P2014-44574)

(22)【出願日】2014年3月7日

【審査請求日】2014年5月9日

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】514058636

【氏名又は名称】株式会社環境フォトニクス

(74)【代理人】

【識別番号】100095407

【弁理士】

【氏名又は名称】木村 満

(74)【代理人】

【識別番号】100109449

【弁理士】

【氏名又は名称】毛受 隆典

(74)【代理人】

【識別番号】100132883

【弁理士】

【氏名又は名称】森川 泰司

(74)【代理人】

【識別番号】100162259

【弁理士】

【氏名又は名称】末富 孝典

(72)【発明者】

【氏名】木原 敏彦

(72)【発明者】

【氏名】河野 智謙

【審査官】 石田 佳久

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００５−０９８９２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−０６７４１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−０２１３５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−１６４０２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特許第５２８６４７１（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】 米国特許出願公開第２０１２／０３１９６１６（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２０１３−１４３２５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１３／００２１７９７（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ２１Ｓ ２／００

Ｆ２１Ｖ ５／００−５／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

所定の平面領域に等間隔に２次元配列され、同一の指向特性を有する複数の表面実装型の発光ダイオードと、
前記各発光ダイオードに１つずつ取り付けられ、前記各発光ダイオードから発せられる出射光の指向角を調整する凸レンズである複数のレンズキャップと、
前記各発光ダイオードに同じパルス電流が流れるように電流制御を行う制御部と、
を備え、
被照射面における放射照度を均一にするために、前記平面領域の中心から外周側に向かって、前記出射光の指向角が狭くなるように、前記各レンズキャップが配置されている、
光照射装置。

【請求項2】

前記平面領域は、
前記平面領域の中央側の第１の領域と、前記平面領域の外周側の第２の領域に分割され、
前記第１の領域、前記第２の領域の順に、前記レンズキャップから出射される出射光の指向角が狭くなるように、前記各レンズキャップが配置されている、
請求項１に記載の光照射装置。

【請求項3】

前記平面領域は矩形状であり、
前記平面領域を、前記平面領域の中央の第１の領域と、前記平面領域の外辺の第２の領域と、前記平面領域の四隅の第３の領域とに分割した場合に、
前記第１の領域、前記第２の領域、前記第３の領域の順に、前記レンズキャップから出射される出射光の指向角が狭くなるように、前記各レンズキャップが配置されている、
請求項１に記載の光照射装置。

【請求項4】

前記平面領域は矩形状であり、
前記平面領域を、前記平面領域の中央の第１の領域と、前記平面領域の外辺の第２の領域と、前記平面領域の四隅の第３の領域とに分割した場合に、
前記第２の領域に配置された前記レンズキャップでは、
前記平面領域の外辺に沿った方向の出射光の第１の指向角が、前記第１の領域に配置された前記レンズキャップの出射光の指向角と同じで、前記平面領域の外辺に直交する方向に沿った方向の出射光の第２の指向角が、前記第１の指向角よりも狭く、
前記第３の領域に配置された前記レンズキャップでは、
出射光の指向角が、前記第２の指向角と同じである、
請求項１に記載の光照射装置。

【請求項5】

前記各レンズキャップでは、
その厚み、光が出射される曲面の形状、材質、出射点の位置の少なくとも１つにより、指向角が調整されている、
請求項１乃至４のいずれか一項に記載の光照射装置。

【請求項6】

前記レンズキャップは、
金型成形により、形成されている、
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の光照射装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光照射装置に関する。

【背景技術】

【0002】

人工光源としての光照射装置が従来より用いられている。光照射装置では、反応物質が載置された載置面における放射照度の均一化が求められている。しかしながら、通常、載置面における放射照度は、中心部では高くなり、周縁部では低くなるのが通常である。このような光照射装置（人工光源）を用いた植物育成装置では、光源面から苗床（載置面）までの距離が近いため、苗床の中央部に対する外周部の放射照度の低下は、より顕著になる。このため、中央部と外周部での植物の育成に差が生じてしまう。

【0003】

そこで、例えば、特許文献１には、液晶ディスプレイ等の照明装置として利用されている技術を利用して、光を出射する出射面において、載置面の中央部よりも周辺部の方が高輝度になるようにして放射照度を均一化する光照射装置が開示されている。この光照射装置は、導光板端部に配置された光源と、導光板の裏面にパターン印刷で形成された開口部（６０％、７０％、８５％、１００％）と導光板裏面に拡散反射シートとを備える。出射面の中央部から周縁部に向かって、開口部を大きくすることにより、出射面の周縁部の光の透過割合が多くなっている。

【0004】

また、特許文献２には、冷陰極蛍光ランプとこの光を反射するリフレクタ、導光板、反射シート及び拡散シートとを備える照射装置が開示されている。この照射装置では、特許文献１と同様なパターン印刷で導光板に開口部を設け、拡散シートで照射面の均一化を図っている。

【0005】

特許文献３には、液晶ディスプレイ等の照明装置として利用されている技術を利用して、導光板の縁部に沿った光出射面の一部の領域にプリズムシートを配置した植物育成用照明装置が開示されている。プリズムシートが配置されていない中央部から拡散される光は、光量を減じることなくプリズムシートが配置された領域で、導光板の光出射面と直交する方向を向くように制御される。これにより、照明装置の縁部及び四隅部から出射した光を下方に多く出射するようにして周辺部の照度低下が防止されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２００１−２８９４６号公報

【特許文献2】特開２００４−４９２１１号公報

【特許文献3】特開２０１１−１９３８３２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

特許文献１に記載の光照射装置を用いれば、縁部の光の透過割合を多くして、載置面の放射照度を均一化することはできる。しかしながら、この光は、載置面の外側、反応物質が載置されていない載置面の外側にも照射されてしまい、放射効率が悪くなるという不都合があった。

【0008】

特許文献２には、ＬＥＤは点光源であり、放射光の出射角が小さく指向性が強いことから、照射面の光密度の分布バラツキを抑制するために、冷陰極管蛍光ランプを使用したと記載されている。すなわち、特許文献２では、放射光の出射角が小さいＬＥＤのみを光源として使用するのは困難であるとなっている。

【0009】

特許文献３に記載の植物育成用照明装置では、光の屈折を利用して縁部の光を多くして、載置面の放射照度を均一化することはできる。しかしながら、ＬＥＤは、導光板の縁部に設置され、設置個数が制限されるので、照射量を増やすのに限界があった。

【0010】

このような背景から、被照射面における放射効率、放射照度及びその平坦度（均一度）を同時に向上させる光照射装置の登場が見込まれている。そこで、複数の発光ダイオード（ＬＥＤ）が等間隔で配列された光照射装置について考える。このような構成の光照射装置でも、光源面から苗床（載置面）までの距離が近ければ、苗床の中央部に対する外周部の放射照度は低下する。一方、ＬＥＤが配列された光の出射面（光源面）と苗床（載置面）までの距離を長くすれば、載置面における照度をある程度均一化することは可能であるが、苗床における放射照度は低下する。

【0011】

距離を長くしつつ放射照度を向上させる最も単純な方法として、ＬＥＤの配列間隔を短くすることが考えられる。しかしながら、配列間隔を短くすると、ＬＥＤの数が増えて、結果的に、装置コストが増大し、消費電力が高くなる。

【0012】

また、放射照度の平坦度（均一度）を向上するために、光源面の中央部よりも外周側でＬＥＤを密に配置することも考えられるが、同様に、ＬＥＤの数が増えて、結果的に、装置コストが増大し、消費電力が高くなる。

【0013】

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、被照射面における放射効率の向上、放射照度の平坦度（均一度）及び放射照度の向上の両立を、低コストかつ低消費電力で実現することができる光照射装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0014】

上記目的を達成するために、本発明の光照射装置は、
所定の平面領域に等間隔に２次元配列され、同一の指向特性を有する複数の表面実装型の発光ダイオードと、
前記各発光ダイオードに１つずつ取り付けられ、前記各発光ダイオードから発せられる出射光の指向角を調整する凸レンズである複数のレンズキャップと、
前記各発光ダイオードに同じパルス電流が流れるように電流制御を行う制御部と、
を備え、
被照射面における放射照度を均一にするために、前記平面領域の中心から外周側に向かって、前記出射光の指向角が狭くなるように、前記各レンズキャップが配置されている。

【発明の効果】

【0015】

本発明によれば、所定の平面領域に等間隔に２次元配列された複数の表面実装型の発光ダイオードは、指向特性が同一である。しかしながら、各発光ダイオードには、それぞれレンズキャップが取り付けられている。レンズキャップとは、発光ダイオードから発せられた光を出射するために発光ダイオードを覆うように取り付けられている。レンズキャップは、レンズカバーともいうべきものである。レンズキャップから出射される出射光の指向角は、平面領域の中心から外周側に向かって狭くなっている。指向角が狭くなれば、そのレンズキャップの光軸上の光強度は大きくなる。このため、レンズキャップから出射される出射光の指向角を、平面領域の中心から外周側に向かって狭くしていくことによって、被照射体が載置された載置面の外部に放射されるムダな光を少なくして、放射効率を高めることができるうえ、載置面における放射照度の平坦化を図ることができる。さらには、光源面と載置面との距離を短くして放射照度を向上させることができる。

【0016】

また、この発明によれば、発光ダイオードは、あくまで等間隔に２次元配列されているので、装置コストが増大し、消費電力が高くなることもない。

【0017】

また、この発明によれば、指向特性の異なる発光ダイオードを使用するのではなく、指向特性の同一な発光ダイオードを使用して、製造容易なレンズキャップの方で出射角を調整する。このため、装置の製造がより容易になるうえ、低コストで製造することが可能になる。また、レンズキャップを交換するだけで、搭置面における被照射面における放射効率の向上、放射照度の平坦度（均一度）及び放射照度を調整しやすくなる。以上のように、この発明によれば、被照射面における放射効率の向上、放射照度の平坦度（均一度）及び放射照度の向上の両立を、低コストかつ低消費電力で実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】（Ａ）は、本発明の実施の形態１に係る光照射装置の構成を示す側断面図である。（Ｂ）は、実施の形態１に係る光照射装置の構成を示す平面図である。

【図2】（Ａ）は、発光ダイオードの構成を示す断面図である。（Ｂ）はレンズキャップの構成を示す断面図である。（Ｃ）は、発光ダイオードにレンズキャップを取り付けた場合の断面図である。

【図3】レンズキャップの他の構成を示す断面図である。

【図4】（Ａ）は、中央の発光領域に配置される光源の構成を示す図である。（Ｂ）は、周辺の発光領域に配置される光源の構成が示されている。

【図5】（Ａ）は、中央の発光領域に配置される光源の配光特性の一例を示す図である。（Ｂ）は、中央の発光領域に配置される光源の放射照度分布の一例を示す図である。（Ｃ）は、周辺の発光領域に配置される光源の配光特性の一例を示す図である。（Ｄ）は、周辺の発光領域に配置される光源の放射照度分布の一例を示す図である。

【図6】２つの発光領域の放射照度分布の関係を示す図である。

【図7】（Ａ）および（Ｂ）は、ＬＥＤをライン上に６個配置した場合の各ＬＥＤから出射した光の重なりを説明するための図である。

【図8】本実施の形態に係る光照射装置の具体的な構成を示す模式図である。

【図9】（Ａ）及び（Ｂ）は、数値計算で求めた従来の光照射装置での放射照度分布を示す図である。

【図10】（Ａ）及び（Ｂ）は、本発明の実施の形態に係る光照射装置の放射照度分布を示す図である。

【図11】（Ａ）は、本発明の実施の形態２に係る光照射装置の構成を示す断面図である。（Ｂ）は、実施の形態２に係る光照射装置の構成を示す平面図である。

【図12】（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、３つの発光領域に配置された光源の構成を示す図である。

【図13】（Ａ）は、実施の形態１に係る光照射装置の放射照度分布を示す図である。（Ｂ）は、実施の形態２に係る光照射装置の放射照度分布を示す図である。

【図14】本発明の実施の形態３に係る光照射装置の構成を示す平面図である。

【図15】（Ａ）及び（Ｂ）は、平面領域の四辺の発光領域に配置された光源の構成を示す図である。

【図16】平面領域における光源の指向角を模式的に示す図である。

【図17】（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ厚みの異なるレンズキャップの光路図を示す図である。

【図18】（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）は、レンズキャップの製造方法（その１）を示す図である。

【図19】（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）は、レンズキャップの製造方法（その２）を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

本発明の実施形態に係る光照射装置について図面を参照して、説明する。

【0020】

本実施形態の光照射装置は、発光ダイオード（ＬＥＤ）を利用している。この光照射装置は、例えば植物・藻類・昆虫等の育成用光照射、化学物質分解用光照射、集魚灯、殺菌用光照射等に用いられる。

【0021】

これらの光照射装置は、ＬＥＤを用いることによって、光の波長・強度・光エネルギー等を最適化する事が出来るうえ、高速なパルス点滅動作や長寿命化が可能になる。近年発光効率の向上で、低消費電力照明としてのＬＥＤの用途が拡大している。現在市場で入手可能なＬＥＤの光の波長は、紫外線ＬＥＤ（３６０ｎｍ〜４００ｎｍ）・可視光ＬＥＤ（３８０ｎｍ〜７８０ｎｍ）・赤外ＬＥＤ（７８０ｎｍ〜１３００ｎｍ）に大方区分される。

【0022】

光を受ける載置面の光量は、純物理量で表す例えば放射照度・放射強度・放射束等と、人間の視感度で補正した心理物理量で表す例えば照度・光度・光束等がある。本明細書では紫外光から赤外光を対象とする為、便宜的に放射照度(単位：Ｗ／ｍ^２)を用いグラフ図の目盛は相対値で示す。

【0023】

実施の形態１．
まず、本発明の実施の形態１について説明する。

【0024】

図１（Ａ）には、実施の形態１に係る光照射装置１００の側断面図が示されている。図１（Ｂ）には、光照射装置１００の平面図が示されている。図１（Ａ）及び図１（Ｂ）に示すように、光照射装置１００は、回路基板３と、筐体天板４と、筐体側板５と、光透過性カバー６とを備える。光照射装置１００は、複数の光源１Ａ、１Ｂをさらに備える。

【0025】

回路基板３は、筐体天板４、筐体側板５に取付けられている。光照射装置１００は、金属材・プラスチック材等を使用した筐体天板４と筐体側板５によってその外観が形成されている。

【0026】

筐体側板５の開口部に光透過性カバー６が取付けられている。回路基板３の一方の平面領域３Ａは、光透過性カバー６と対向するように設置されている。平面領域３Ａが所定の平面領域に対応する。筐体天板４、筐体側板５及び光透過性カバー６により、回路基板３及び光源１Ａ、１Ｂが、外気に直接触れない様に形成されている。

【0027】

光源１Ａ、１Ｂは、回路基板３の平面領域３Ａに２次元配列、すなわちマトリクス状に配列されている。光源１Ａ、１Ｂのマトリクスは、１１×１１である。光源１Ａ、１Ｂが配列されている平面領域３Ａは、光照射装置１００における光源面（光出射面）となっている。各光源１Ａ、１Ｂの配置間隔は等間隔である。

【0028】

図１（Ｂ）に示すように、光源１Ａ、１Ｂが配設された平面領域３Ａは、発光領域７（第１の領域）と、発光領域８（第２の領域）とに分割されている。発光領域７は、光源面の中央側の領域であり、発光領域８は、光源面の外周側の領域である。発光領域７には、光源１Ａが配置されており、発光領域８には、光源１Ｂが配置されている。

【0029】

光源１Ａ、１Ｂは、発光ダイオードと、レンズキャップとの組み合わせで構成される。以下では、光源というときには、発光ダイオードとレンズキャップとの組み合わせのことを指す。図２（Ａ）には、光源１Ａ、１Ｂを構成する発光ダイオード１の構造が示されている。図２（Ａ）に示すように、発光ダイオード１は、表面実装型の発光ダイオードである。発光ダイオード１は、基板６０と、半導体素子としてのＬＥＤチップ６１と、導電性樹脂６２と、リード６３と、金ワイヤ６４と、外囲器６５と、光透過性樹脂６６と、を備える。基板６０上には、ＬＥＤチップ６１が、導電性樹脂６２を介して固定されている。ＬＥＤチップ６１には、基板６０に実装されたリード６３及び金ワイヤ６４を介して電力を供給可能となっている。基板６０には、ＬＥＤチップ６１を囲むように外囲器６５が実装されている。外囲器６５の内壁には、反射板が形成されている。外囲器６５内にＬＥＤチップ６１を封止するように、光透過性樹脂６６が充填されている。ＬＥＤチップ６１から発せられた光は、光透過性樹脂６６を透過して、あるいは反射板を反射して、発光ダイオード１から出射する。発光ダイオード１の構成は、表面実装型として一般的なものであり、市販されたものを用いることができる。

【0030】

図２（Ｂ）には、光源１Ａを構成するレンズキャップ２Ａの構造が示されている。図２（Ｂ）に示すように、レンズキャップ２Ａには、凸レンズの部分が形成されるとともに、発光ダイオード１に嵌め込まれるカバーの部分とが形成されている。以下では、「レンズキャップ」とは、発光ダイオード１に取り付けられる屈折光学系のことを指す。

【0031】

図２（Ｃ）には、発光ダイオード１にレンズキャップ２Ａを取り付けたときの構造が示されている。図２（Ｃ）に示すように、レンズキャップ２Ａは、発光ダイオード１にかぶせるように取り付けられる。これにより、発光ダイオード１から発せられた光は、レンズキャップ２Ａを介して外部に射出される。

【0032】

最も、レンズキャップ２Ａは、図３に示されるような形状を有していてもよい。

【0033】

図４（Ａ）には、発光領域７に配置される光源１Ａの構成が示され、図４（Ｂ）には、発光領域８に配置される光源１Ｂの構成が示されている。図４（Ａ）に示すように、発光領域７に配置された光源１Ａは、発光ダイオード（ＬＥＤ）１と、レンズキャップ２Ａとを備える。図４（Ｂ）に示すように、発光領域８に配置された光源１Ｂは、ＬＥＤ１と、レンズキャップ２Ｂとを備える。

【0034】

光源１Ａと光源１Ｂとは、同一のＬＥＤ１を備えている。ＬＥＤ１は、上述のように、表面実装型の、すなわち表面実装対応の外囲器を有する発光ダイオードである。全てのＬＥＤ１は、指向特性が同一であり、指向角は同一である。言い換えると、光照射装置１００では、平面領域３Ａに指向特性が同一な複数のＬＥＤ１が、等間隔に２次元配列されているとすることができる。

【0035】

各ＬＥＤ１には、レンズキャップ２Ａ又はレンズキャップ２Ｂがそれぞれ取り付けられている。レンズキャップ２Ａから出射される出射光の指向角は、発光領域８に配置されたレンズキャップ２Ｂから出射される出射光の指向角よりも狭くなるように、各レンズキャップ２Ａ、２Ｂが形成されている。例えば、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）に示すように、レンズキャップ２Ａとレンズキャップ２Ｂとは、光の出射面の曲率が変えてある。このため、ＬＥＤ１では、同じ方向に出射した光が、レンズキャップ２Ａでは、光軸ＡＸに対してθ１の方向に出射され、レンズキャップ２Ｂでは、光軸ＡＸに対してθ１よりも小さいθ２の方向に出射されるようになる。実施の形態１では、レンズキャップ２Ａ、２Ｂの光出射面の曲率の違いにより、出射光の指向角に差が付けられている。

【0036】

図５（Ａ）には、発光領域７に配置される光源１Ａ（ＬＥＤ１及びレンズキャップ２Ａの組）の配光特性１４の一例が示されている。図５（Ｂ）には、発光領域７に配置される光源１Ａの配光特性に対応した載置面の放射照度分布１６が示されている。

【0037】

図５（Ｃ）には、発光領域８に配置される光源１Ｂ（ＬＥＤ１及びレンズキャップ２Ｂの組）の配光特性１３の一例が示されている。図５（Ｄ）には、発光領域８に配置される光源１Ｂの配光特性に対応した載置面の放射照度分布１５が示されている。

【0038】

なお、指向角は簡易的に使用されている俗称である。光軸上の光量を１００％とした場合に、−５０％から５０％になる角度範囲を指向性半値角として定義している。記号は２θ1/2が使用されている。

【0039】

図５（Ａ）乃至図５（Ｄ）に示すように、発光領域７に配置された光源１Ａの照射範囲は広く、光軸上の放射照度は低い。一方、発光領域８に配置された光源１Ｂの照射範囲は狭い反面、光軸上の放射照度は高い。この指向角と放射照度の関係は公知である。

【0040】

図６には、発光領域７、８の放射照度分布の関係が示されている。図６では、発光領域７での光源１Ａの放射照度分布１６が破線で表され、発光領域８での光源１Ｂの放射照度分布１５が実線で表されている。

【0041】

図６に示すように、光源１Ｂについては、光軸上の放射照度は高く照射領域は狭くなっている。一方、光源１Ａについては、光軸上の放射照度は低く放射領域は広がっている。光源１Ｂより指向角が広く光源１Ａより指向角が狭い光源では、放射照度及び照射領域はその中間の値を示す。点光源から放射される光はランバート分布（ｃｏｓθ）で配光分布する事が知られている。このランバート分布の計算式を用いて照度分布等の光学シミュレーション等が実行される。

【0042】

なお、数値計算に頼らずに、配光分布の軸上の放射照度に角度毎の載置面迄の距離と軸上の載置面距離の１／２乗比に配光比率を掛け合せる事によって、机上計算でも放射照度を算出することができる。

【0043】

図７（Ａ）および図７（Ｂ）は、ＬＥＤをライン上に６個配置した場合の光源１Ｂ、１Ａから出射した光の重なりを説明するための図である。図７（Ａ）および図７（Ｂ）に示すように、１個目のＬＥＤ軸上直下の載置面（Ｘ軸０ｍ点）における放射照度は、光源１Ａ、１Ｂから出射した光が到達加算されたものとなる。

【0044】

図７（Ａ）には、光源１Ｂを６個等間隔で並べて作成した各ＬＥＤの放射照度分布が示されている。また、図７（Ｂ）には、光源１Ａを６個等間隔で並べたときの放射照度分布が示されている。

【0045】

載置面（Ｘ軸０ｍ点）の放射照度は、複数のＬＥＤからＸ軸中央部への配光の重なりによる放射照度の合計となる。図７（Ａ）に示すように、光源１Ｂの指向角であれば、Ｘ軸０ｍ点には、３個のＬＥＤ１からの光のみが到達している。一方、図７（Ｂ）に示すように、光源１Ａの指向角であれば、Ｘ軸０ｍ点には、６個全てからの光が到達するようになる。

【0046】

また、光源１Ｂでは、その放射照度は高く、照射領域は狭くなっている。一方、光源１Ａでは、放射照度は低いが照射領域は広くなっている。以上のことから、指向角の異なるレンズキャップ２Ａ、２Ｂの配置によって、放射照度分布の平坦化と放射照度増加とが可能となる。

【0047】

図８には、この実施の形態に係る光照射装置１００の具体的な構成が示されている。図８に示すように、光照射装置１００は、筐体天板４、筐体側板５により筐体が構成されている。筐体には、電源コネクタ５０及び給排気口５１が設けられている。パルス制御基板５２及び基板３は、支柱５３を介して筐体天板４に取り付けられている。実際には、基板３は接着シート５４及びアルミ板５５を介して支柱５３に接続されている。

【0048】

パルス制御基板５２は、電源コネクタ５０を介して外部から供給される電力に基づいて、光源１Ａ、１Ｂ（ＬＥＤ１）を制御する。パルス制御基板５２は、原則として、全てのＬＥＤ１に同じパルス電流が流れるような電流制御を行う。これにより、内部の回路構成を簡単なものとすることができる。給排気口５１では、必要に応じてＬＥＤ１から発せられる熱を含む空気を排出し、冷気を供給する空冷に用いられる。

【0049】

図９（Ａ）及び図９（Ｂ）には、シミュレーションにより得られる従来の光照射装置での放射照度分布が示されている。この光照射装置は、同一の指向角を有する光源を、間隔１８ｍｍで１１個×１１個を格子状に配置したものである。ここでは、載置面の距離を１７ｃｍとして数値計算が行われた。放射照度値は、前記条件以外に光源の光出力及び発光波長等によって値が異なる為に相対値として示されている。図９（Ａ）には、２次元配列された光源の出射光の指向角を全て４５°とした場合の載置面での２次元の放射照度分布が等高線マップとして示されている。図９（Ｂ）には、光源の指向角を、それぞれ４５°、８０°、１００°とした場合の載置面の対角線上の放射照度分布が示されている。

【0050】

図９（Ｂ）に示すように、指向角１００°の場合には、放射照度分布は、他に比べてフラットとなり、放射照度も少ない値となった。また、指向角４５°の場合には、載置面中央部の放射照度は高いが載置面の放射照度は大きくなった。指向角８０°の場合には、指向角４５°と１００°の中間程度の放射照度となり、分布の平坦度も中くらいとなった。

【0051】

図１０（Ａ）及び図１０（Ｂ）には、光照射装置１００における載置面の放射照度分布が示されている。図１０（Ａ）には、ＬＥＤ光源の回路基板上に指向角４５°の光源１Ｂを外側に３周配置し、内側に指向角１００°の光源１Ａを配置した場合の放射照度を数値計算で求めた等高線分布が示されている。図１０（Ａ）に示すように、指向角４５°の光源のみを使用した従来の光照射装置（図９（Ａ）参照）に対して、載置面における放射照度分布がより平坦になっている。すなわち、指向角の組合せ配置によって、放射照度分布の平坦化と周辺部の放射照度の増加を確認することができる。

【0052】

図１０（Ｂ）には、図１０（Ａ）が等高線分布図であるのに対し、対角線上の二次元放射照度分が示されている。指向角４５°の光源１Ｂを外側に３周配置し指向角８０°の光源１Ａを内側に配置した場合と、指向角４５°の光源１Ｂを外側に３周に配置し指向角１００°の光源１Ａを内側に配置した場合と、指向角８０°の光源１Ｂを外側３周に配置し指向角１００°の光源１Ａを内側に配置した場合の対角線上の二次元放射照度分布が重ねて示されている。このグラフから、光源１Ａと光源１Ｂとが、互いのＬＥＤの特性を補完しているのがわかる。すなわち、光照射装置１００では、載置面の中央部の放射照度が抑えられ、載置面の外側の放射照度が増加している。すなわち、光源１Ａ、１Ｂにより、放射照度平坦化と周辺部の放射照度増加が図られたことになる。

【0053】

以上詳細に説明したように、本実施の形態によれば、所定の平面領域３Ａに等間隔に２次元配列された複数の表面実装型のＬＥＤ１は、指向特性が同一である。しかしながら、各ＬＥＤ１には、それぞれレンズキャップ２Ａ、２Ｂが取り付けられている。レンズキャップ２Ａ、２Ｂは、ＬＥＤ１から発せられた光を出射するためにＬＥＤ１を覆うように取り付けられている。レンズキャップ２Ａ、２Ｂは、レンズカバーともいうべきものである。レンズキャップ２Ａ、２Ｂから出射される出射光の指向角は、平面領域３Ａの中心から外周側に向かって狭くなっている。指向角が狭くなれば、そのレンズキャップ２Ａ、２Ｂの光軸上の光強度は大きくなる。このため、レンズキャップ２Ａ、２Ｂから出射される出射光の指向角を、平面領域３Ａの中心から外周側に向かって狭くしていくことによって、被照射体が載置された載置面の外部に放射されるムダな光を少なくして、放射効率を高めることができるうえ、載置面における放射照度の平坦化を図ることができる。さらには、光源面と載置面との距離を短くして放射照度を向上させることができる。

【0054】

この実施の形態によれば、光源１Ａ、１Ｂは、あくまで等間隔に２次元配列されており、光源１Ａ、１Ｂを密に配置すべく光源１Ａ、１Ｂの数を増やしたりしていないので、装置コストが増大し、消費電力が高くなることもない。

【0055】

また、この実施の形態によれば、指向特性の異なるＬＥＤ１を使用するのではなく、指向特性の同一な市販のＬＥＤ１を使用して、製造容易なレンズキャップ２Ａ、２Ｂの方で出射角を調整する。このため、装置の製造がより容易になるうえ、低コストで製造することが可能になる。また、レンズキャップ２Ａ、２Ｂを交換するだけで、搭置面における被照射面における放射照度の平坦度（均一度）及び放射照度を調整しやすくなる。以上のように、この実施の形態によれば、被照射面における放射効率の向上、放射照度の平坦度（均一度）及び放射照度の向上の両立を、低コストかつ低消費電力で実現することができる。

【0056】

実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２について説明する。

【0057】

図１１（Ａ）には、本実施形態に係る光照射装置１００の断面図が示されている。図１１（Ｂ）には、本実施形態に係る光照射装置１００の平面図が示されている。図１１（Ｂ）に示されるように、光照射装置１００では、照射面が、中央の発光領域２７と、外辺の発光領域２８と、四隅の発光領域２９とに分割されている。

【0058】

図１２（Ａ）には、発光領域２７に配置された光源１Ａの構成が示されている。また、図１２（Ｂ）には、発光領域２８に配置された光源１Ｂの構成が示されている。図１２（Ｃ）には、発光領域２９に配置された光源１Ｃの構成が示されている。図１２（Ａ）、図１２（Ｂ）、図１２（Ｃ）を比較するとわかるように、発光領域２７、発光領域２８、発光第領域２９の順で、光源１Ａ、１Ｂ、１Ｃから出射される出射光の指向角が狭くなるように、レンズキャップ２Ａ、２Ｂ、２Ｃが形成されている。

【0059】

本実施の形態では、発光領域の中央、四辺、四隅の順に、光源１Ａ、１Ｂ、１Ｃの出射角が狭くなり、放射強度が大きくなっている。図１３（Ａ）には、上記実施の形態１に係る光照射装置１００の載置面における放射照度分布が示されており、図１３（Ｂ）には、この実施の形態２に係る光照射装置１００の載置面における放射照度分布が示されている。図１３（Ａ）及び図１３（Ｂ）は、載置面を上から見た場合の放射照度分布である。図中、Ａの領域は、光照度が２００〜２５０（Ｗ／ｍ^２）の領域であり、Ｂの領域は、光照度が１５０〜２００（Ｗ／ｍ^２）の領域であり、Ｃの領域は、１００〜１５０（Ｗ／ｍ^２）の領域であり、Ｄの領域は、１００〜１５０（Ｗ／ｍ^２）の領域である。上記実施の形態１に係る光照射装置１００では、図１３（Ａ）に示すように、載置面の四隅の放射強度が四辺の放射強度よりも低くなっていたが、図１３（Ｂ）に示すように、本実施の形態に係る光照射装置１００では、四辺の光源１Ｂと、四隅の光源１Ｃとの間で、指向角を狭くして、放射強度を異ならしめることにより、四隅の強度を持ち上げて、全体の放射強度を均一化することができる。

【0060】

実施の形態３．
次に、本発明の実施の形態３について説明する。

【0061】

本実施形態に係る光照射装置１００では、上記実施の形態２と同様に、図１４に示されるように、照射面が、中央の発光領域２７と、四辺の発光領域２８と、四隅の発光領域２９とに分割されている。発光領域２７に光源１Ａが配列され、発光領域２９に光源１Ｃが配置される点は、上記実施の形態２と同じであるが、発光領域２８には、光源１Ｄが配置される。

【0062】

図１５（Ａ）、図１５（Ｂ）には、発光領域２８に配置された光源１Ｄの構成が示されている。図１５（Ａ）及び図１５（Ｂ）は、光源１Ｄにおける互いに直交する方向の指向角が示されている。図１５（Ａ）及び図１５（Ｂ）に示すように、発光領域２８に配置された光源１Ｄは、方向によって指向角が異なる。図１５（Ａ）に示すように、光源１Ｄにおいて最も広い指向角は、第１の指向角θ１と同じである。第１の指向角θ１は、発光領域２７に配置された光源１Ａの出射光の指向角である。図１５（Ｂ）に示すように、光源１Ｄにおいて最も狭い指向角は、第２の指向角θ２となっている。第２の指向角θ２は、発光領域２９に配置された光源１Ｃの出射光の指向角である。光源１Ｄでは、互いに直交する方向の指向角が異なるように、レンズキャップ２Ｄが形成されている。この場合、例えば、互いに直交する方向の曲面の曲率が異なるように、レンズキャップ２Ｄを形成すればよい。

【0063】

図１６では、平面領域３Ａに配置された光源１Ａ、１Ｃ、１Ｄにおける３６０度方向に関する指向角がそれぞれ円の直径で模式的に示されている。図１６に示すように、光源１Ａでは、Ｘ軸方向及びＹ軸方向ともに指向角がθ１となっているので、指向角を示す円の直径は、すべての方向で大きくなる。また、光源１Ｃでは、Ｘ軸方向及びＹ軸方向ともに指向角がθ２となっているので、指向角を示す円の直径は、すべての方向で小さくなる。一方、発光領域２８に配置される光源１Ｄでは、平面領域３Ａの最寄りの外辺に直交する方向に関する指向角はθ２と狭くなっており、外辺に沿った方向に関する指向角はθ１と広くなっている。したがって、光源１Ｄでは、指向角を示す図形は、楕円となる。このようにすれば、平面領域３Ａ内の任意の直線について、その直線の中央付近では、指向角を広く維持するとともに、その直線の両端部では指向角を狭くすることができる。このようにしても、載置面の中央、四辺、四隅において、放射照度をきめ細かく調整し、載置面の放射照度をより均一化することができる。

【0064】

なお、上記各実施の形態において、レンズキャップ２Ａ等は、その厚みを変えることにより、出射角を調整するようにしてもよい。図１７（Ａ）及び図１７（Ｂ）には、それぞれ厚みの異なるレンズキャップ２Ａ、２Ｂが示されている。図１７（Ａ）及び図１７（Ｂ）には、ＬＥＤ１のＬＥＤチップ６１から所定の角度で発せられた光線が示されている。図１７（Ａ）では、その光線は、レンズキャップ２Ａ上の点Ａから出射される。また、図１７（Ｂ）では、その光線は、レンズキャップ２Ｂ上の点Ｂから出射される。点Ａよりも点Ｂの方が、レンズキャップの外側であり、レンズ面の傾斜が大きいため、点Ａよりも点Ｂから出射された光線の方が、光軸ＡＸ上に近づくようになる。すなわち、レンズキャップ２の厚みが厚くすれば、出射角を狭く調整することができる。また、レンズキャップ２Ａ、２Ｂの材質を変えたり、ＬＥＤ１内におけるＬＥＤチップ６１の位置（光の出射点の位置）によって、レンズキャップ２Ａ、２Ｂから出射される指向角を調整するようにしてもよい。すなわち、レンズキャップの厚み、光が出射される曲面の形状、材質、出射点の位置の少なくとも１つにより、指向角を調整すればよい。

【0065】

なお、レンズキャップ２Ａ等は、金型成形により形成することができる。より具体的には、特許第５２８６４７１号公報に開示された技術を用いてレンズキャップ２Ａ等を製造することができる。具体的には、例えば、図１８（Ａ）に示すように、ダイヤモンド工具による切削加工を行って、１２００℃を超える高温で高強度、高硬度、かつ難変形性を示す素材を用いて、離型性を有する製品と同一形状の原型１０が平板１１上に形成されたマスター型１２を作製する（第１工程）。続いて、図１８（Ｂ）に示すように、高温で軟化性を示す金型素材で構成された所定形状のブロック２３をマスター型１２に対向させて加熱炉の収納部材２１内に配置し、真空中又は不活性ガス雰囲気中で金属素材を９００℃以上１２００℃以下の温度域まで加熱してマスター型１２及びブロック２３同士を加圧部材２０で押圧しブロック２３にマスター型１２の反転形状を転写する（第２工程）。さらに、図１８（Ｃ）に示すように、マスター型１２の反転形状が転写されたブロック２３を冷却してマスター型１２から離型し、ブロック２３に形成されたマスター型１２の平板１１の反転形状部分の基準高さ位置がモールドベース３４の表面の高さ位置に一致するようにブロック２３をモールドベース３４に固定して転写金型を形成する（第３工程）。このような製造方法を採用すれば、レンズキャップ２Ａ等を高精度、低価格かつ短期間に製造することができる。

【0066】

また、特開２０１０−２１４６２４号公報に開示された技術を用いてレンズキャップ２Ａ等を製造することも可能である。具体的には、図１９（Ａ）に示すように、ダイヤモンド工具による切削加工を行って、１２００℃を超える高温で高い強度、硬度及び耐変形性を有する素材を用いて、製品と同一形状の原型１０が平板上１１に形成されたマスター型１２を作製する（第１工程）。続いて、図１９（Ｂ）に示すように、１２００℃以下の温度で軟化性を示す金型素材で構成され、マスター１２の形状が転写される転写面から所定の距離を隔てた内部に、マスター型１２の反転形状を転写する際に排除される金型素材の収容が可能な空間部が形成された柱状の入れ子部材３５を転写面側でマスター型１２に対向させて加熱炉内の収納部材２１内に配置し、金型素材が軟化性を示す温度域まで入れ子部材３５を加熱してマスター型１２及び入れ子部材３５同士を加圧部材２０で押圧し、入れ子部材３５の転写面側にマスター型１２の反転形状を転写する（第２工程）。さらに、図１９（Ｃ）に示すように、マスター型１２の反転形状が転写された入れ子部材１５を冷却してマスター型１２から離型し、入れ子部材３５をモールドベース３４に固定して転写金型を形成する（第３工程）。このような製造方法を採用すれば、レンズキャップ２Ａ等を高精度、低価格かつ短期間に製造することができる。

【0067】

また、上記各実施形態では、照射面を矩形状としたが、本発明はこれには限られない。照射面は円状でも、楕円状であってもよいし、四角形以外の多角形状であってもよい。照射面が円状、楕円状、多角形状であった場合でも、中心から外周側に向かって、出射角が狭くなるようにレンズキャップを配置するようにすればよい。

【0068】

レンズキャップからの出射角は、要は、載置面の１点の光強度に何個の光源が寄与しているかに基づいて定めるようにしてもよい。例えば、載置面の中心の１点に、６個の光源が寄与しているものとする。この場合、載置面の中心から外周に向かうにつれて、光強度に寄与する光源の数が６個→５個→４個→３個・・・と少なくなるのに合わせて、光源からの光の出射角度を徐々に狭くしていくようにしてもよい。

【0069】

この発明は、この発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施の形態は、この発明を説明するためのものであり、この発明の範囲を限定するものではない。すなわち、この発明の範囲は、実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。そして、特許請求の範囲内及びそれと同等の発明の意義の範囲内で施される様々な変形が、この発明の範囲内とみなされる。

【産業上の利用可能性】

【0070】

本発明は、植物育成用光照射光源、藻類の光合成促進用光源、科学物質分解用光源、有害菌の殺菌光源、魚類養殖の孵卵・プランクトンの飼育光源等、載置面の放射照度が均一且つ有効に光を活用することが期待される場合の光源として好適である。例えば、集魚灯では、魚の種類によって光に集まる魚と、光の近傍の暗い所に集まる魚の習性があると報告されている。広い指向角を持った集魚灯では、光の分散で光の境目が曖昧となるため、光の近傍の暗い所に集まる魚、例えば烏賊等に関しては、指向角を狭くし光の境目をより明確にした集魚灯が望まれる。本発明は、このような集魚灯への応用も可能である。

【符号の説明】

【0071】

１…発光ダイオード、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ…光源、２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄ…レンズキャップ、３…回路基板、３Ａ…平面領域、４…筐体天板、５…筐体側板、６…光透過性カバー、７、８…発光領域、１０…原型、１１…平板、１２…マスター型、１３，１４…配光特性、１５、１６…放射照度分布、２０…加圧部材、２１…収納部材、２３…ブロック、２７、２８、２９…発光領域、３４…モールドベース、３５…入れ子部材、５０…電源コネクタ、５１…給排気口、５２…パルス制御基板、５３…支柱、５４…接着シート、５５…アルミ板、１００…光照射装置、６０…基板、６１…ＬＥＤチップ、６２…導電性樹脂、６３…リード、６４…金ワイヤ、６５…外囲器、６６…光透過性樹脂。

【要約】

【課題】被照射面における放射効率の向上、放射照度の平坦度（均一度）及び放射照度の向上の両立を、低コストかつ低消費電力で実現する。
【解決手段】ＬＥＤ１は、発光領域７、８に等間隔に２次元配列され、仕様が同一の複数の表面実装型の発光ダイオードである。レンズキャップは、各ＬＥＤ１に１つずつ取り付けられている。発光領域７、８の中心から外周側に向かって、出射光の指向角が狭くなるように、各レンズキャップが配置されている、
【選択図】図１

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図11】

【図12】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図9】

【図10】

【図13】