CN104508356A - 照明装置 - Google Patents

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    • F21Y2115/10—Light-emitting diodes [LED]

Abstract

照明装置(100)具备：面光源(1)；第1透镜(L1)，其具有第1焦点(F1)，配置于面光源的光出射面侧；以及第2透镜(L2)，其具有第2焦点(F2)，配置于第1透镜的光出射面侧，面光源、第1透镜和第2透镜配置成由第1透镜形成第1虚像(I1)且由第2透镜形成第2虚像(I2)，第1虚像(I1)形成于第2焦点(F2)与第1透镜之间，第2焦点(F2)位于规定焦点位置f’的光源侧的相反一侧的位置，第1透镜和第2透镜的光入射面和光出射面中的至少任一个面包含作为透镜面的非旋转面(SO)，在该非旋转面上设置有曲率不连续地变化的多个边界线(B1～B4)。

Description

照明装置
技术领域
本发明涉及具备面发光元件的照明装置。
背景技术
作为一般的照明装置，例如已知图54所示的照明装置900。
如图54所示，上述照明装置900的构成如下：具有包含弯月形透镜L1和非球面透镜L2的准直光学系统LC，在该光学系统的焦点位置配置有LED光源10。
在此，如图54所示，从存在于LED光源10的光轴AX上的一点出射的光是作为与上述光轴AX平行的准直光取出的。另一方面，LED光源10是点光源而不是面光源，因此，也存在从偏离光轴AX的位置出射的光。从偏离光轴AX的位置出射的光照射到与光轴AX不同的方向，因此，会照射到与从存在于上述的光轴AX上的一点出射的光不同的位置。因此，产生无法得到照射面内的照度均匀性的问题。
而且，由于弯月形透镜L1与LED光源10是分开的，因此，从LED光源10以较大的角度发出的光有可能不会入射到弯月形透镜L1。
在专利文献1和2中公开了能够利用从LED发光体出射的几乎全部的光的光源。
专利文献1所记载的光源具有LED发光体、内含LED发光体的内部透镜以及覆盖它们的弯月形透镜。另外，专利文献2所记载的光源具有LED发光体和空开空隙地覆盖发光体的弯月形透镜。在这些光源中，由弯月形透镜的内侧面形成的虚像Vl1生成于比LED发光体进一步靠外侧(透镜的光出射面侧)。
在如上所述由弯月形透镜内侧面形成的虚像Vl1生成于比LED发光体进一步靠外侧的情况下，从LED发光体出射的光几乎全部入射到弯月形透镜。由此，能够提高从LED发光体出射的光的利用效率。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：美国专利第7,798,678号说明书
专利文献2：国际公开第2008/016908号
专利文献3：特开2009-4276号公报
发明内容
发明要解决的问题
然而，在专利文献1和2的光源中，虽然如上所述，能够利用从LED发光体出射的几乎全部的光，但未考虑实现照射面的均匀性。例如，可能产生如下问题：从偏离透镜的光轴的位置发出的光会照射到与从光轴上发出的光不同的区域，无法得到照射面的均匀性。
另外，存在使用照明装置对圆形以外的形状的区域照射光的用途，以往大多是通过局部遮挡住从光源出射的光来调节照射区域的形状。具体地说，为了得到圆形以外的形状(四边形等)的照射区域，而使用例如设置有孔部(开口部)的遮光板或设置于照明装置的出光部附近的叶片部件。但是，在这样的方式中，存在光的利用效率下降的问题。
例如，在专利文献3中公开了使用四边形或梯形的面光源使得照射区域的形状成为圆形以外的形状的聚光灯。但是，在该聚光灯中，在光源中设置有具有与光点形状匹配的开口部的遮蔽板，因此，光的利用效率会下降。
因此，要求尽可能不使光利用效率下降地形成圆形以外的照射区域。这样的照明装置例如在舞台照明领域中适合用于照射四边形、三角形等异形(圆形以外)的聚光灯。
本发明是为了解决上述问题而完成的，其目的在于，提供既能够提高光的利用效率又能够形成异形的照射区域的照明装置。
用于解决问题的方案
根据本发明的实施方式的照明装置具备：面光源，其具有光出射面；第1透镜，其具有第1焦点，配置于上述面光源的上述光出射面侧；以及第2透镜，其具有第2焦点，配置于上述第1透镜的光出射面侧，上述面光源、上述第1透镜和上述第2透镜配置成由上述第1透镜形成第1虚像且由上述第2透镜形成第2虚像，其中，上述第1虚像形成于上述第2焦点与上述第1透镜之间，上述第2焦点位于从上述第2透镜的主点离开规定焦距f’的位置的与上述面光源相反的一侧的位置，当将上述第2透镜的主点与上述第1虚像的位置之间的距离设为l’，将上述第2透镜的有效口径设为D，将光源尺寸因子设为ε时，上述规定焦距f’满足l’＝(D/(ε+D))·f’，上述光源尺寸因子是上述面光源的光出射面的尺寸或者上述面光源所包含的多个发光元件的排列间距，上述第1透镜和第2透镜的光入射面和光出射面中的至少任一个面包含作为透镜面的非旋转面，在上述非旋转面上设置有曲率不连续地变化的非同心圆状的多个边界线。
在某实施方式中，上述多个边界线中的至少1个边界线从上述非旋转面的中心朝向外侧延伸。
在某实施方式中，上述非旋转面具有被上述多个边界线分割而成的3个以上的单位面，上述3个以上的单位面以相对于通过上述非旋转面的中心的轴具有旋转对称性的方式配置。
在某实施方式中，在与光轴方向正交的平面内规定了相互正交的x方向和y方向，在上述3个以上的单位面中的至少1个单位面中，上述x方向的曲率与上述y方向的曲率不同。
在某实施方式中，上述3个以上的单位面中的至少1个单位面是自由曲面。
在某实施方式中，在上述非旋转面构成上述第1透镜或者第2透镜的光出射面时，上述非旋转面包含隔着上述多条边界线中的1条而相邻的2个凸曲面，且形成于上述2个凸曲面之间的上述边界线为谷线，在上述非旋转面构成上述第1透镜或者第2透镜的光入射面时，上述非旋转面包含隔着上述多条边界线中的1条而相邻的2个凹曲面，形成于上述2个凹曲面之间的上述边界线为棱线。
在某实施方式中，上述ε大于或等于上述光出射面的面内强度不均的最小间距。
在某实施方式中，上述第1虚像形成于上述第1焦点与上述第1透镜之间，且上述第2虚像形成于上述第2焦点与上述第2透镜之间。
在某实施方式中，上述第1虚像和上述第2虚像形成于上述第1透镜和上述第2透镜的合成焦点与上述第1透镜之间。
在某实施方式中，在包含上述第1透镜和上述第2透镜的第1光学系统的光出射侧还设置有第2光学系统。
在某实施方式中，上述第2光学系统包含最接近上述第1光学系统的凹透镜和继上述凹透镜之后接近上述第1光学系统的凸透镜。
上述非旋转面设置于上述第2透镜的光出射面，上述第1透镜的光出射面与上述第2透镜的光入射面相接合。
在某实施方式中，上述第1透镜和上述第2透镜是利用树脂一体成型的。
在某实施方式中，上述第1透镜的与上述面光源相对的一侧的透镜面为凹曲面，在将光轴上的从上述面光源的光出射面至上述第1透镜的凹曲面的距离设为d，将上述第1透镜的上述凹曲面所具有的曲率半径设为R时，可配置上述光出射面的位置范围h由h≤2√(d(2R-d))表示。
在某实施方式中，在将从包含上述第1透镜和第2透镜的光学透镜部的主点至上述光出射面的距离设为a，将从上述光学透镜部的主点至焦点位置的距离设为f时，满足a＜f/2。
另外，在根据某实施方式的照明装置中，在发光部的光取出侧配置有包括多个光学透镜的光学透镜部，在上述光学透镜部中，各光学透镜各自的焦点位置存在于由上述各光学透镜产生的各个虚像的与上述发光部相对的面的相反侧。根据该构成，能够在靠近发光部的位置产生由各透镜形成的虚像。
由此，能使得从存在于光学透镜部的光轴上的发光部中心射出的光和从偏离发光部中心的位置射出的光以大致相等的角度分布从光学透镜部射出。因此，从发光部中心射出的光和从偏离发光部中心的位置射出的光均能够同样地照射规定的照射区域的整个区域，因此，能飞跃性地提高照射区域的均匀性。
而且，由于从发光部中心射出的光和从偏离发光部中心的位置射出的光能以大致相等的角度分布从光学透镜部射出，因此，能够使得几乎没有不出射到该光学透镜部的光，其结果是，能够实现高的光利用效率。
因此，能够利用从发光部射出的光中的几乎全部的光，能实现高的光利用效率并且使从发光部的不同位置射出的光向大致相等的照射区域照射，取得能够飞跃性地提高照射区域的均匀性的显著效果。
为了取得与上述同样的效果，例如也可以是：在发光部的光照射面侧配置有包括多个光学透镜的透镜部的照明装置中，由构成上述光学透镜部的各光学透镜的焦点合成而得到的合成焦点位置，相对于由上述各光学透镜产生的各个虚像，存在于所述全部虚像的与上述发光部相对的面的相反侧。
根据上述构成，也能够在靠近发光部的位置产生由各透镜形成的虚像，因此，能够利用从发光部射出的光中的几乎全部的光，能实现高的光利用效率并且使从发光部的不同位置射出的光向大致相等的照射区域照射，取得能够飞跃性地提高照射区域的均匀性的显著效果。
而且，根据上述构成，由构成光学透镜部的各光学透镜的焦点合成而得到的合成焦点位置，相对于由上述各光学透镜产生的各个虚像，存在于所述全部虚像的与上述发光部相对的面的相反侧，从而能够在进一步靠近发光部的位置产生由各透镜形成的虚像。由此，能够扩大从光学透镜部射出的光的角度，因此，能飞跃性地提高更广照射区域的均匀性。
在将上述光学透镜部作为第1光学透镜部时，也可以在上述第1光学透镜部的光射出侧设置有第2光学透镜部。
根据上述构成，能够利用第2光学透镜部来变更从第1光学透镜部射出的光的射出角。也就是说，通过调整第2光学透镜部的光学特性，能缩小或扩大从第1光学透镜部射出的光的射出角。
由此，能够根据第2光学透镜部的设计方式，自由地变更光的照射区域的面积。
在上述第2光学透镜部中，也可以是离第1光学透镜部最近的透镜由凹透镜构成，离第1光学透镜部第二近的透镜由凸透镜构成。
这样，通过凹透镜和凸透镜的组合，能够互相校正各透镜所产生的像差，因此，能够不破坏从第1光学透镜部射出的光的特性。
由此，能调整从第1光学透镜部射出的光的射出角，且能够利用从发光部射出的光中的几乎全部的光，能实现高的光利用效率并且使从发光部的不同位置射出的光向大致相等的照射区域照射，取得能够飞跃性地提高照射区域的均匀性的显著效果。
在上述光学透镜部中，上述各透镜界面的一部分也可以一体地形成。
这样，通过使构成光学透镜部的各透镜的一部分一体地形成，能够使发光部的发光面与光学透镜部的对位变得简单。
另外，也能够简单地进行发光部与光学透镜部的固定。
作为2枚透镜的一体形成方法，可以考虑利用树脂的一体成型、利用粘接剂的粘接。上述2枚透镜也可以是利用树脂一体成型的。
在该情况下，通过利用树脂将2枚透镜一体成型，能够将形成光学透镜部时的成型次数从2次(透镜为2枚的情况下)减少为1次，因此，能够谋求制造成本的下降。
对于构成上述光学透镜部的透镜中的将离上述发光部最近的透镜面设为朝向该发光部凹陷的凹面的第1光学透镜，在将从上述发光部的发光面至光轴上的第1光学透镜的界面的距离设为d，将上述第1光学透镜的内侧透镜曲率半径设为R，将上述发光部的上述光轴上的配置范围设为h时，可以是h≤2√(d(2R-d))。这样，通过如上所述地设定发光部的配置范围h，从该发光部射出的光会全部进入第1光学透镜，能够提高光利用效率。
也可以是在将从上述光学透镜部的主点至发光部的发光面的距离设为a，将从上述光学透镜部的主点至焦点位置的距离设为f时，满足a＜f/2。
这样，通过使从光学透镜部的主点至发光部的发光面的距离a小于从光学透镜部的主点至焦点位置的距离f的一半，总是能够使虚像位置比光学透镜部的焦点位置相对靠近光学透镜部。
上述发光部也可以包含多个发光体。在该情况下，在发光部的发光面上会配置多个发光体，但即使各发光体的发光量有偏差，在照射面上也能以将这些偏差吸收的方式照射光。也就是说，任一发光体均对相同照射区域照射光，因此，即使发光体的发光量有偏差，该偏差也会被吸收。
发明效果
通过根据本发明的实施方式的照明装置，对具有圆形以外的形状的区域，能够在提高照度的均匀性的同时照射光。
附图说明
图1是本发明的实施方式所涉及的照明装置的概略构成图。
图2是本发明的实施方式所涉及的照明装置的概略构成图。
图3是示出图2所示的照明装置的光线情形的图。
图4(a)是示出图2所示的照明装置的概略构成的图，图4(b)是示出比较例的照明装置的概略构成的图。
图5(a)是示出图4(a)所示的照明装置的光线情形的图，图5(b)是示出图3(b)所示的照明装置的光线情形的图。
图6是示出在从照明装置离开1m的距离设置有评价面的例子的图。
图7是示出图6所示的评价面的照射强度分布的图。
图8是示出图7所示的照射强度分布中的相对照度与照射位置的关系的坐标图。
图9(a)是示出配置有多个微小发光面的例子的图，图9(b)是示出微小发光面的一部分较暗的情况下的例子的图，图9(c)是示出该图9(b)时的照射强度分布的图。
图10是示出照明装置与评价面的关系的图。
图11(a)是示出图10所示的评价面a的二维照度分布的图，图11(b)是示出图10所示的评价面b的二维照度分布的图。
图12(a)是示出实际制作图1所示的照明装置的光学透镜条件的图，图12(b)是示出实际制作图1所示的照明装置的情况下所得到的照射区域的照度状态的图。
图13(a)是示出实际制作图2所示的照明装置的光学透镜条件的图，图13(b)是示出实际制作图2所示的照明装置的情况下所得到的照射区域的照度状态的图。
图14是本发明的另一实施方式所涉及的照明装置的概略构成图。
图15是图14所示的照明装置的主要部分B的放大图。
图16是示出图14所示的照明装置的照射强度分布的图。
图17是本发明的又一实施方式所涉及的照明装置的概略构成图。
图18是图17所示的照明装置的主要部分B的放大图。
图19是示出图17所示的照明装置的照射强度分布的图。
图20是本发明的又一实施方式所涉及的照明装置的概略构成图。
图21是本发明的又一实施方式所涉及的照明装置的概略构成图。
图22是示出照明装置与评价面的关系的图。
图23是示出图22所示的评价面的照射强度分布的图。
图24是示出照明装置与评价面的关系的图。
图25是示出图24所示的评价面的照射强度分布的图。
图26是用于说明本发明的照明装置的发光部的配置范围的图。
图27是示出第1透镜及第2透镜的焦点与各透镜所形成的虚像的位置的关系的图，(a)～(e)分别示出不同的配置关系。
图28是示出面光源的光出射面上产生的照度不均的图。
图29是示出基准焦点f’与第2透镜的焦点F2的位置关系的图。
图30(a)是用于说明泛焦状态的图，图30(b)是用于说明应用于照明装置的情况的图。
图31是用于说明基准焦点f’的位置随光源尺寸因子(容许弥散圆)ε的大小而变化的图。
图32是用于说明面光源的重复间距的图，(a)示出使用3种颜色的LED的情况，(b)示出设置特性不同的2种LED列的情况。
图33是示出本发明的又一实施方式的照明装置的图，(a)是示出照明装置的光源部附近的立体图，(b)是截面图(侧视图)，(c)是第2透镜的立体图。
图34(a)示出由图33所示的照明装置得到的照度分布，(b)和(c)示出照射区域的形状。
图35是示出本发明的又一实施方式的照明装置的图，(a)是示出照明装置的光源部附近的立体图，(b)是截面图(侧视图)，(c)是第2透镜的立体图。
图36(a)示出由图35所示的照明装置得到的照度分布，(b)和(c)示出照射区域的形状。
图37是示出本发明的又一实施方式的照明装置的图，(a)是示出照明装置的光源部附近的立体图，(b)是截面图(侧视图)，(c)是第2透镜的立体图。
图38(a-1)和(b-1)是示出图37所示的照明装置的具体的透镜形状的立体图，(a-2)和(b-2)分别示出使用(a-1)和(b-1)所示的透镜的情况下的照射区域的形状。
图39是示出本发明的又一实施方式的照明装置的图，(a)是示出照明装置的光源部附近的立体图，(b)是截面图(侧视图)，(c)是第2透镜的立体图。
图40(a)示出由图39所示的照明装置得到的照度分布，(b)示出照射区域的形状。
图41是示出本发明的又一实施方式的照明装置的图，(a)是示出照明装置的光源部附近的立体图，(b)是截面图(侧视图)，(c)是第2透镜的立体图。
图42(a)示出由图41所示的照明装置得到的照度分布，(b)示出照射区域的形状。
图43是示出本发明的又一实施方式的照明装置的图，(a)是示出照明装置的光源部附近的立体图，(b)是截面图(侧视图)。
图44(a)示出由图43所示的照明装置得到的照度分布，(b)示出照射区域的形状。
图4、图5是示出图43所示的实施方式的变形例的照明装置的图，(a)是示出照明装置的光源部附近的立体图，(b)是截面图(侧视图)。
图46(a)示出由图4、图5所示的照明装置得到的照度分布，(b)示出照射区域的形状。
图47是示出本发明的又一实施方式的照明装置的图，(a)是示出照明装置的光源部附近的立体图，(b)是截面图(侧视图)。
图48(a)示出由图47所示的照明装置得到的照度分布，(b)和(c)示出照射区域的形状。
图49是示出图47所示的实施方式的变形例的照明装置的图，(a)是示出照明装置的光源部附近的立体图，(b)是截面图(侧视图)，(c)是示出第2透镜的俯视图。
图50(a)示出由图49所示的照明装置得到的照度分布，(b)和(c)示出照射区域的形状。
图51是示出本发明的又一实施方式的照明装置的图，(a)是示出照明装置的光源部附近的立体图，(b)是截面图(侧视图)，(c)是第2透镜的立体图。
图52是示出图51所示的光学透镜的示例性设计尺寸的侧视图，(a)示出整个透镜，(b)放大示出配置于光源侧的第1透镜部分。
图53(a)示出由图51所示的照明装置得到的照度分布，(b)示出照射区域的形状。
图54是现有的照明装置的概略构成图。
具体实施方式
以下，参照附图来说明本发明的实施方式，但本发明不限于这些实施方式。
＜实施方式1＞
图1和图2是示出本实施方式所涉及的照明装置11的概略构成的图。
图3是示出图2所示的照明装置11的光照射状态的图。
(照明装置的构成)···图1、图2、图3
如图1所示，上述照明装置11包含光源(发光部)1和配置在该光源1的光取出侧即光出射面侧的光轴AX上的光学透镜部2，配置成由上述光源1发出的光通过光学透镜部2进行照射。
上述光源1包含作为进行面发光的面发光体的LED发光体。此外，只要是进行面发光的面发光体即可，不限于LED发光体。
上述光学透镜部2具备2枚光学透镜L1、L2，结构如下：从靠近上述光源1的一侧按顺序配置有光学透镜L1(有时称为第1透镜L1)、光学透镜L2(有时称为第2透镜L2)。此外，光学透镜L1、L2以各自的中心通过上述光轴AX的方式配置。
上述光学透镜L1包括具有至少比上述光源1的发光面的最大宽度大的直径，上述光源1侧的面为凹面形状的光学透镜。
上述光学透镜L2包括具有至少比作为第1枚光学透镜的光学透镜L1的最大直径大的直径，光射出面侧为凸形状的透镜。
在此，对上述光学透镜L1、L2的焦点位置和通过各光学透镜L1、L2后产生的虚像进行说明。
将上述光学透镜L1的焦点位置设为f1(有时称为焦点F1)，将来自光源1的光通过光学透镜L1从而产生的虚像设为L1虚像(有时称为虚像I1)。另外，将上述光学透镜L2的焦点位置设为f2(有时称为焦点F2)，将来自由光学透镜L1产生的L1虚像的光通过光学透镜L2从而产生的虚像设为L2虚像(有时称为虚像I2)。而且，将上述光学透镜L1、L2的合成焦点位置设为f1+f2(有时称为合成焦点F(1+2))。
在图1所示的照明装置11中，按如下方式设计光学透镜部2：构成光学透镜部2的光学透镜L1、L2的焦点f1、f2相对于由上述光学透镜L1、L2产生的各个虚像(L1虚像、L2虚像)，存在于各个虚像(L1虚像、L2虚像)的与上述光源1相对的面的相反侧。在该构成中，第1虚像I1形成于焦点f1与透镜L1之间，且第2虚像I2形成于焦点f2与透镜L2之间。
另外，如图2所示，根据本实施方式的另一设计的上述照明装置11包含光源(发光部)1和配置在该光源1的光出射面侧的光轴AX上的光学透镜部2，配置成由上述光源1发出的光通过光学透镜部2进行光照射。
上述光源1包含作为进行面发光的面发光体的LED发光体。此外，只要是进行面发光的面发光体即可，不限于LED发光体。
上述光学透镜部2具备2枚光学透镜L1(第1光学透镜)、L2，结构如下：从靠近上述光源1的一侧按顺序配置有光学透镜L1、光学透镜L2。此外，光学透镜L1、L2以各自的中心通过上述光轴AX的方式配置。
上述光学透镜L1包括具有至少比上述光源1的发光面的最大宽度大的直径，上述光源1侧的面为凹面形状的光学透镜。
上述光学透镜L2包括具有至少比作为第1枚光学透镜的光学透镜L1的最大直径大的直径，光射出面侧为凸形状的透镜。
在此，对上述光学透镜L1、L2的焦点位置和通过各光学透镜L1、L2后产生的虚像进行说明。
将上述光学透镜L1的焦点位置设为f1，将来自光源1的光通过光学透镜L1从而产生的虚像设为L1虚像。另外，将上述光学透镜L2的焦点位置设为f2，将来自由光学透镜L1产生的L1虚像的光通过光学透镜L2从而产生的虚像设为L2虚像。而且，将上述光学透镜L1、L2的合成焦点位置设为f1+f2。
在图2所示的照明装置11中，按如下方式设计光学透镜部2：由构成光学透镜部2的光学透镜L1、L2的焦点f1、f2合成而得到的合成焦点位置f1+f2相对于由上述光学透镜L1、L2产生的各个虚像(L1虚像、L2虚像)，存在于所述全部虚像(L1虚像、L2虚像)的与上述光源1相对的面的相反侧。在该构成中，L1虚像和L2虚像形成于透镜L1和透镜L2的合成焦点位置f1+f2与透镜L1之间。
在上述光学透镜L1、L2的焦点位置和通过各光学透镜L1、L2后产生的虚像具有图2所示的关系的照明装置11中，如图3所示，能将来自光源1的发光面的光线全部引导到光学透镜部2，对照射面高效地进行光照射。也就是说，根据上述构成的照明装置11，能够谋求兼顾高的光利用效率和照射面的均匀性的提高。
以下详细说明上述构成的照明装置11的上述效果。
(本实施方式的要点)····图4、图5
图4(a)示出关于图2的照明装置11的透镜构成(2枚透镜构成)中的各光学透镜L1、L2的焦点位置和通过各光学透镜L1、L2后产生的L1虚像、L2虚像的模型图，图4(b)示出关于另一方式中的各光学透镜L1、L2的焦点位置和通过各光学透镜L1、L2后产生的L1虚像、L2虚像的模型图。
在上述构成的照明装置11中，如图4(a)所示，按如下方式设计光学透镜部2：相对于光源的位置，各光学透镜L1、L2的焦点位置f1、f2和合成焦点位置f1+f2存在于由各光学透镜L1、L2产生的虚像(L1虚像、L2虚像)的位置的光源侧的相反一侧的位置。
在上述构成中，各光学透镜L1、L2产生的虚像(L1虚像、L2虚像)形成于离光源较近的地方。在此，通过多个透镜(光学透镜L1、L2)后的光可视为从由最后的透镜产生的虚像(图4(a)中为L2虚像)出射的光，因此，通过在光源附近产生L2虚像，能够期待如图5(a)所示的效果。
图5(a)示出图4(a)所示的透镜构成的情况下的从光源中心射出的光(图5(a)中的细线)和从光源上端发出的光(图5(a)中的粗线)的路径。在此，所谓光源的中心，是指通过光轴AX的部分，上述光轴AX通过光学透镜部2的中心。
如图5(a)所示，可知在图4(a)所示的透镜构成的情况下，从光源中心出射的光和从光源上端出射的光以大致相等的角度分布从光学透镜部2出射。由此，根据图4(a)所示的透镜构成，从光源中心出射的光和从光源上端部出射的光均能够同样地照射规定的照射区域的整个区域，能提高照射区域的均匀性。
另一方面，在另一方式的透镜构成中，如图4(b)所示，L2虚像由第2枚光学透镜L2形成于相对较远的位置，与上述图4(a)所示的方式不同，L2虚像未配置于光学透镜L2与其焦点位置f2之间。另外，光学透镜L2的焦点位置f2配置于相对靠近L1虚像的位置。在该构成中，有时L2虚像产生于比光学透镜L2的焦点位置f2离光源远的位置，成为如图5(b)所示的结果。
不过，如后所述，在配置成在至少比光学透镜L2的焦点位置f2靠光源侧形成L1虚像且光学透镜L1所形成的虚像I1和光学透镜L2的焦点位置f2如后所述从光源1离开规定的距离以上的光学系统的情况下，即使是L2虚像远离光源1，也能提高照射区域的照度的均匀性。
此外，图5(b)示出在采用图4(b)的透镜构成时L1虚像形成于光源的附近的情况下的从光源中心出射的光(图5(b)中的细线)和从光源上端出射的光(图5(b)中的粗线)的路径的一例。在图5(b)所示的例子中，与图5(a)所示的情况不同，从光源中心出射的光和从光源上端出射的光分别以不同的角度分布从光学透镜L2出射。在这样的特性下，从光源的不同位置出射的光会照射不同的范围，有可能无法得到照射区域的均匀性。
如以上所说明的那样，在上述的图4(a)所示的实施方式中，将配置于光源的光出射面侧的光学透镜L1、L2的焦点位置f1、f2配置为在后侧(透镜射出侧的相反方向)比各光学透镜L1、L2所形成的L1虚像、L2虚像远。由此，能够使光源和虚像位置相对靠近光学透镜L1、L2。
在这样的构成中，能使得从存在于光学透镜部的光轴上的光源中心出射的光和从偏离光源中心的位置出射的光以大致相等的角度分布出射到光学透镜部2尤其是光学透镜L1。由此，从光源中心出射的光和从偏离光源中心的位置出射的光均能够同样地照射规定的照射区域的整个区域，因此，能提高照射区域的照度均匀性。
而且，由于从光源中心出射的光和从偏离光源中心的位置出射的光能以大致相等的角度分布出射到光学透镜部，因此，能够使得几乎没有不出射到该光学透镜部2的光，其结果是，能够实现高的光利用效率。
因此，能够利用从光源出射的光中的几乎全部的光，能实现高的光利用效率并且使从光源的不同位置出射的光向大致相等的照射区域照射。由此，能够飞跃性地提高照射区域的均匀性。
而且，各光学透镜L1、L2的焦点位置f1、f2和合成焦点位置f1+f2相对于由上述光学透镜L1、L2产生的各个虚像(L1虚像、L2虚像)，存在于所述全部虚像(L1虚像、L2虚像)的与上述光源1相对的面的相反侧，由此，能够在进一步靠近发光部的位置产生由各透镜形成的虚像。由此，能够扩大从光学透镜部射出的光的角度，因此，能飞跃性地提高更广照射区域的均匀性。
不过，由透镜L2形成的虚像I2的位置不需要一定形成于光源1的附近，虚像I2也可以形成于离光源相对较远的位置。在该情况下，照明装置相对小角度地照射光。不过，在这样小角度地照射光的方式中，为了提高照射区域的照度均匀性，优选第2透镜L2的焦点F2设置于从L1虚像I1或者光源离开规定的距离以上的位置。
图27(a)～(e)示出各透镜L1、L2的焦点F1、F2的位置与虚像I1、I2的各种位置关系。在图27(a)～(e)中的任一方式中，均是在第1透镜L1与其焦点F1之间配置有光源1，由第1透镜L1形成光源的虚像I1。另外，该虚像I1存在于比第2透镜L2的焦点F2靠内侧(光源侧)。由此，由第2透镜L2形成虚像I2。
不过，本发明的发明人发现：在虚像I1位于第2透镜的焦点F2的附近的情况下，面光源1的发光面上的强度和色度不均、发光面的形状本身有可能也会反映到屏幕上的照射区域。
图28示出在如图27(a)所示由第1透镜L1形成的光源1的虚像I1处于第2透镜L2的焦点F2的附近的情况下的屏幕上的照射区域的状况。若焦点F2与虚像I1过近，则虚像I1仿佛是由第2透镜L2成像在屏幕上，在面光源1的发光面上由多个元件LED形成的强度和色度不均有可能在屏幕上的照射区域中也容易被观察到。
为了避免产生这种仿佛成像的状态，使得发光面上的强度和色度不均不易反映到照射区域，优选焦点F2位于比虚像I1远了一定程度的距离以上的较远位置侧(与光源侧相反的一侧)。而且，优选第2透镜L2的焦点F2的焦距为规定的大小以上。如后所述，第2透镜L2的焦点F2的位置例如也可以根据面光源1的尺寸来决定。另外，例如在面光源1包含多个发光元件的情况下，第2透镜L2的焦点F2的位置也可以根据发光元件的排列间距来决定。
图29示出第2透镜L2的焦点F2相对于光轴上的规定的基准位置f’(有时称为基准焦点f’)处于较远位置侧的情况(F2＜f’)和相对于规定的基准位置f’处于较近位置侧的情况(F2≥f’：包含焦点F2处于基准位置f’的情况)。在根据本发明的实施方式的照明装置中，按如下方式设计光学系统：焦点F2存在于比基准位置f’靠较远位置侧。
在此，对基准位置(或者基准焦点)f’进行说明。基准位置f’是在第2透镜的焦点F2存在于比该位置f’靠较远位置侧的情况下，在光照射区域中面光源的形状、强度和色度不均不易被视觉识别的位置。
相反地，若焦点F2存在于与基准位置f’相同的位置或者比基准位置f’靠近前的位置，则第2透镜L2会将虚像I1以焦点大致对准的状态投射到像面上。其结果是，产生发光面的形状、发光面的强度和色度不均反映到照射区域的现象。
考虑该现象是根据与在照相机等摄像装置中使用广角透镜(焦距相对较短的透镜)而通过光圈的调节将F值设定得较大的情况下等，后侧景深深至无限远的现象(被称为泛焦或者深焦)类似的原理产生的。
图30(a)是用于说明上述的泛焦的图。在此，假设忽略透镜的厚度，使用具有孔径D且具有焦点f’的透镜(F值由Fno.＝f’/D赋予)。另外，将被摄体与透镜之间的距离设为s，将透镜与像面之间的距离设为s’。一般来说，在使用某透镜使某被摄体成像于像面的情况下，焦点会对准到该像面的被摄体的位置仅为1个，在被摄体处于其前后的情况下，应该会因焦点未对准而模糊。但是，在如图30(a)所示的情况下，即使是使平面上的被摄体在光轴上的范围内前后移动，在像面上看上去仿佛焦点也是对准的。这是因为，虽然实际在像面上焦点并未对准因而是模糊的，但一定程度以下的模糊无法作为模糊被检测出来，从而看上去仿佛焦点是对准的。在此，若在像面的位置中将模糊的容许极限的大小设定为容许弥散圆ε，则具有容许弥散圆ε以下的尺寸的点也可以视为未产生焦点模糊的点。
另外，从高斯的成像公式1/s’-1/s＝1/f’可导出s’＝f’·s/(f’+s)。在此，实现泛焦的条件是焦点对准到透镜至被摄体的距离s＝f’2/εFno.(超焦距)时。
当将该超焦距s改写为透镜与像面之间的距离s’时，可得到s’＝(D/ε+D)·f’，在满足该关系式时可实现泛焦。本发明的发明人发现，本实施方式的照明装置也能实现这样的摄像装置的泛焦。
图30(b)是用于说明在本实施方式的照明装置中，通过与上述泛焦同样的原理使得面光源的像不模糊地以焦点仿佛已对准的状态形成于照射区域(即，面光源的形状、强度和色度不均反映到照射区域)的条件的图。
在照明装置中，能够将从第2透镜L2(在考虑透镜的厚度的情况下为光源侧主点)至虚像I1的距离设为l’，用l’＝(D/ε+D)·f’来表示上述的s’＝(D/ε+D)·f’。通过在该关系式中决定l’、D和ε，能够求出关于第2透镜L2的基准焦点f’。
在此，有效口径D是第2透镜L2的有效口径。另外，能够根据从光源1至第2透镜L2的距离和从光源1至虚像I1的距离来计算从第2透镜L2至虚像I1的距离l’。另外，能够根据光源1与第1透镜L1的位置关系和第1透镜L1的折射率、透镜面的形状等来计算从光源1至虚像I1的距离。
另外，泛焦中的容许弥散圆ε在应用于本实施方式的照明装置的情况下，能够视为根据面光源的发光面尺寸设定的因子。或者，容许弥散圆ε在面光源包含空开间隔排列的多个发光元件的情况下，也能够视为根据它们的排列间距(强度和色度不均的间距)设定的因子。这样，在应用于本实施方式的照明装置的情况下，泛焦中的容许弥散圆ε是根据发光面的尺寸或发光元件的排列间距规定的，因此，有时将他们称为“光源尺寸因子ε”。从上述关系式可以理解，根据设定光源尺寸因子ε的方式的不同，基准焦点f’的位置也会发生变化。
图31示出基准焦点f’随光源尺寸因子ε的大小而变化的状况。如图案(A)所示，在将LED芯片的间距作为光源尺寸因子ε来考虑的情况下，作为间距的量级上的强度和色度不均在屏幕上被视觉识别的条件的基准焦点f’设定于相对靠近光源侧。另外，如图案(B)所示，在将比LED芯片的间距大而比整个光源的尺寸小的尺寸作为光源尺寸因子ε来考虑的情况下，基准焦点f’与图案(A)的情况相比设定于较远位置。而且，如图案(C)所示，在将整个光源的尺寸作为光源尺寸因子ε来考虑的情况下，基准焦点f’与图案B的情况相比进一步设定于较远位置。
也就是说，若将光源尺寸因子ε(以下，称为因子ε)设定得较大，则基准焦点f’会远离光源，第2透镜L2的焦点F2设定于比基准焦点进一步远离光源的较远位置。另外，在图中，如由2个圆示出的那样，发光面上的与因子ε对应的区域集中到屏幕上的规定的区域。
在上述的构成中，对满足第2焦点F2＝f‘的情况下形成的像进行考察。
如图案(A)所示，在因子ε比LED发光面的强度和色度不均(LED元件的配置的最小间距)小的情况下，该强度和色度不均的像会反映到屏幕上。在发光面上的2个圆分别包围的区域中光出射特性不同，因此，分别到达屏幕上的2个圆的特性也不同，这会作为LED芯片的像而映出。
另外，作为优选的例子，如图案(B)所示，在因子ε的范围内存在多个上述的强度和色度不均的情况下(大于或等于LED元件的配置的最小间距)，发光面上的2个圆所包围的区域的光出射特性被平均化，即使在屏幕上也不会视觉识别到强度和色度不均的像。但是，若LED发光面的尺寸超过因子ε的范围，则有时LED发光面与其外侧的区域之间的强度和色度的差(也就是说，LED发光面的形状)会被反映出来，在屏幕上映出具有LED发光面的形状的像而成为问题。
另外，作为更优选的例子，如图案(C)所示，在因子ε为包含整个发光面的大小的情况下，发光面形状不易被反映出来，在屏幕上可实现良好的照射。
不过，光源尺寸因子ε也可以通过其它方式设定。以下说明通过其它方式设定光源尺寸因子ε的例子。
图32(a)示出红色LED、蓝色LED以及绿色LED以规定的图案排列的方式。在该情况下，如图所示，不同的3种颜色的LED作为1组，以重复最小间距Pa排列有3种颜色的LED。在该情况下，选择重复间距最小Pa作为光源尺寸因子ε，由此，可防止照射区域中的上述3种颜色的LED的全部排列所导致的不均被观察到。
另外，图32(b)示出种类、浓度、厚度等不同的2种荧光体纵向延伸的区域按以列为单位重复的图案形成发光面的情况。各个发光元件的特性可以是相同的，但由于荧光体的种类不同，因此，在2种区域中从发光面射出的波长分光特性不同。在该情况下，可以将每2列的排列的重复间距最小Pb设定为光源尺寸因子ε。由此，能够防止在照射区域中产生波长分光特性不同的2种区域所形成的条纹状不均。此外，图32(a)(b)是排列的一例，在面内存在发光强度、波长分光特性不同的区域的其它排列中，也能够将重复最小间距作为光源尺寸因子ε。
另外，如图27(a)～(e)所示，根据第2透镜的焦点F2与由第1透镜L1形成的虚像I1的位置关系的不同，照射的光的角度范围(照射区域的宽窄)会改变。一般来说，光学透镜在发光源存在于焦点位置的情况下能够使射出角度最窄小，发光源与焦点位置相比越靠近透镜侧，则射出角度越扩大。换言之，第2透镜的焦点F2与由第1透镜L1形成的虚像I1的位置越近，则照射角度越窄小，虚像I1越远，则照射角度越扩大。
该照射角度例如能够由配向角来表示。在此，所谓配向角，是指在形成于屏幕上的照射区域中将其中心的照度设为100％时，根据与照射区域的中心的照度相比具有50％以上的照度的区域的宽度以及光源与屏幕之间的距离算出的角度。配向角较小的情况意味着照明装置小角度(窄角)地照射光，配向角较大的情况意味着照明装置大角度(广角)地照射光。
在本实施方式的照明装置中，如上所述，第2透镜的焦点F2与基准位置f’相比设置于较远位置，在该情况下，例如可得到照射具有8度以上的配向角的照射光的照明装置。
此外，在图27(a)～(c)所示的方式中，第2透镜L2的焦点F2存在于由第1透镜L1形成的虚像I1与由第2透镜L2形成的虚像I2之间。不过，焦点F2位于比焦点F1靠光源侧的位置。在这些方式中，只要焦点F2与上述的基准位置f’相比设置于较远位置，就也能够形成均匀的照度分布的照度区域。
另一方面，如图27(d)和(e)所示，在焦点F1位于比焦点F2靠光源侧的位置的情况下，也能够形成均匀的照度分布的照度区域。此外，图27(e)分别示出图1所示的实施方式中的各透镜的焦点f1、f2(F1、F2)、各虚像的位置(I1、I2)和合成焦点f1+f2(F(1+2))的位置关系。从图27(e)可知，在图1所示的方式中，能够以较大的配向角大角度地照射光从而使得发光面上的强度和色度不均不醒目。
如以上所说明的那样，通过将第2透镜的焦点与根据上述发光面的尺寸因子ε、第2透镜的有效口径D等求出的基准焦点f’相比设定于较远位置，能够实现降低了不均即均匀性高的照明。
此外，也可以设置有用于调节第2透镜F2的有效口径D的机构。在该情况下，优选以对于可采取的任意的有效口径D，发光面的形状、强度和色度不均不会反映到照射区域的方式来设定第2透镜的焦距。
以上，对包括第1透镜和第2透镜的情况下的光学设计进行了说明，但也可以使用更多的透镜来构成光学系统。在该情况下，若假定n个透镜从光源侧排列，则只要将上述所说明的第1透镜作为具有第1个～第n-1个的透镜组整体上所具有的特性的透镜来考虑，将第2透镜作为第n个透镜来考虑即可。
(关于透镜形状的设计)
上述照明装置11的光学透镜部2所包含的光学透镜形状可以由焦点位置、虚像位置在光轴附近的配置来决定。不过，对于也包含光轴外的透镜形状，更优选由以下的设计方针来决定。
具体地说，为了最大限度地发挥从具有有限大小的光源1射出的光的利用效率，确保照射区域面内的照度均匀性，以如下方式形成透镜系统：使光源1尽可能靠近光源1附近的光学透镜，维持在近轴理论上大致等倍系的虚像关系，并且针对面光源的大小来校正轴外的彗差，且使光点直径对轴上像点和轴外像点来说均为同型。
上述彗差是指从偏离光轴的1点发出的光在像面上不是会聚到1点，而是成为如拖尾的彗星那样的像的现象，将像面上的聚光状态称为光点形状(光点图)。
上述的轴是指透镜的光轴，轴上是指通过透镜的光轴的位置，轴外是指偏离光轴的位置。
在此，所谓“在近轴理论上大致等倍系的虚像关系”，是指使图4(a)中的L1虚像、L2虚像的大小相对于光源为1～数倍且在光源附近产生L1虚像、L2虚像的条件。
另外，所谓“校正轴外的彗差”，是指以使得从偏离光轴的位置发出的光在像面上会聚到1点的方式改变轴外的透镜形状来进行校正。
另外，所谓“使光点直径对轴上像点和轴外像点来说均为同型”，是指以使得从轴上发出的光和从轴外发出的光在像面上的光点形状的范围成为同等程度的方式改变轴外的透镜形状来进行校正。
(本实施方式的效果)····图6～图11
以下，参照图6～图11来说明上述构成的照明装置11的效果的详细内容。
在如图6所示在从如图2那样的照明装置11离开1m的距离设置有评价面的情况下，该评价面上的照度分布成为图7所示的结果。在图7中，与照度强度相应地用黑白示出了面内分布，黑显示部表示照度最小，白显示部表示照度最大。
另外，如图7所示，对中心部的照度分布的截面轮廓进行了确认，结果是，如图8所示，能够确认照射区域内成为大致均匀的照度。
在本实施方式的照明装置中，不仅是在光源1的发光面的全部区域均匀发光的情况下，如图9(a)所示，例如，在光源1的发光面上配置有多个微小发光面的情况下，也能对规定的照明区域均匀地进行照明。例如，可以考虑在光源1的发光面上配置多个LED发光体。
另外，如图9(b)所示，在配置于光源1的发光面上的多个微小发光面中一部分的发光面上发光量少的情况下，也能对规定的照明区域均匀地进行照明。这是因为，如使用图5(a)所说明的情况那样，在光源1的发光面中，即使是来自偏离光轴位置的光，也能够对与来自光轴上的光相同的照射区域照射光。也就是说，这是因为：来自发光面的任何位置的光均能够对相同照射区域照射光，因此，即使是在发光面的一部分中存在发光量少的位置，也不会对照射区域的照射的均匀性带来影响。
图9(c)示出图9(b)所示的光源1的发光面时的照度分布。从该照度分布也可知未对照射区域的照射的均匀性带来影响。
另外，图9(a)中的多个微小发光面如图32(a)、图32(b)所示，可以是分别出射不同的主波长的光，也可以是组合多个出射不同的主波长的光的发光物。在该情况下，通过使各自不同的颜色的光大致均匀地照射同一照明区域，能实现具有较广的颜色再现性的照明装置。
这样，通过组合多个出射不同的主波长的光的发光物，能再现较广范围的色度坐标上的颜色。
然而，LED光源由于发光体的制造过程中的各种偏差而在发光量、发光主波长、发光波段等发光特性上具有较大的偏差。现状是，在使用LED光源的情况下挑选发光特性相似的LED光源来使用，但该挑选作业成为成本上升的主要原因。
在此，在设想用一个LED光源实现图9(a)所示的光源1的一个发光面的情况下，如图9(b)所示，即使构成发光面的LED光源的发光特性存在偏差，如图9(c)所示，也不会对照射区域的照射的均匀性带来影响，因此，能将LED光源的偏差在照射区域内平均化。由此，无需进行LED光源的挑选，能实现低成本化。
另外，根据这些结果，能配置多个发光物，因此，即使1个发光物因故障而无法点亮的情况下，照射区域的均匀性也不会发生变化。因此，无需更换整个照明设备，有望延长照明设备的使用时间。
如图10所示从照明装置11离开1m的距离、离开5m的距离时各自的截面照度分布如图11(a)和(b)所示。
图11(a)示出从照明装置11离开1m的位置的截面照度分布，图11(b)示出从照明装置11离开5m的位置的截面照度分布。
此外，虽未图示，但关于从照明装置11离开2m、3m、除此以外的任意的距离的位置的截面照度分布，也与图11(a)和(b)同样地均具有均匀的照度分布。
由以上可知，从照明装置11射出的光的截面照度分布只要是离开一定距离以上，则在任何位置均具有均匀的照度分布。在此，所谓一定距离以上，是设为构成照明装置11的光学透镜部2的光学透镜L1、L2的最大直径的2倍以上。
(实施例)·····图12、图13
在此，图12(a)示出图1所示的照明装置11的试制例。
作为光源1，是使用约6mm×6mm的白色LED封装体。
作为光学透镜部2的第1枚光学透镜L1，是使用如下制作的光学透镜：以折射率nd＝约1.585的聚碳酸酯为材料，使配置于光源侧的光入射面的曲率半径为9.2mm，光出射面的曲率半径为6.0mm，透镜外形为12mm，透镜厚度为5mm。
作为第2枚光学透镜L2，是使用如下制作的光学透镜：以折射率nd＝约1.49的PMMA为材料，使光入射面为平面，光出射面的曲率半径为20.966mm，圆锥常数为0.28119，4次、6次、8次、10次、12次的高次的非球面系数分别为-5.2×10-7、-1.8914×10-8、3.4858×10-10、-9.7419×10-13、2.6235×10-16，透镜外形为35mm，透镜厚度为10.5mm。
以白色LED封装体、第1枚光学透镜L1以及第2枚光学透镜L2的中心分别与光轴上一致的方式配置，且配置为光轴上的白色LED封装体的发光面与第1枚光学透镜L1的光入射面的距离为1.5mm，另外，光轴上的第1枚光学透镜L1的光射出面与第2枚光学透镜L2的入射面的距离为2.0mm。
此时，光学透镜L2、L1的焦距分别是18.52mm、42.47mm，透镜L1，合成焦距是14.12mm。另外，各光学透镜L1、L2的焦点位置f1、f2以及合成焦点位置f1+f2的位置在以光源部的发光面为0(原点)，以出射方向为+方向来设定轴的情况下，分别是-11.30mm、-26.94mm、-5.14mm。
另一方面，通过计算导出了由各光学透镜L1、L2产生的虚像(L1虚像、L2虚像)的位置，结果是，L1虚像为-1.61mm，L2虚像为-9.74mm。
由此，确认了：在上述构成的照明装置11中，各光学透镜构成光学透镜部2的各光学透镜L1、L2的焦点f1、f2，相对于由上述光学透镜L1、L2产生的各个虚像(L1虚像、L2虚像)，存在于各个虚像(L1虚像、L2虚像)的与上述光源1相对的面的相反侧，是以图1所示的方式设计的。
进行了上述构成的照明装置11的照度实验。
图12(b)示出该实验结果。从图12(b)可知以均匀的照度照射了规定的照明区域。
另外，图13(a)示出图2所示的照明装置11的试制例。
作为光源1，是使用直径2mm的白色LED封装体。
作为光学透镜部2的第1枚光学透镜L1，是使用如下制作的光学透镜：以折射率nd＝约1.806的玻璃材料SLAH53为材料，使配置于光源侧的光入射面的曲率半径为2.96mm，光出射面的曲率半径为2.69mm，透镜外形为5mm，透镜厚度为1.6mm。
作为第2枚光学透镜L2，是以折射率nd＝约1.49的PMMA为材料，使配置于光源侧的光入射面的曲率半径为65.4mm，圆锥常数为-5.0，4次、6次、8次的高次的非球面系数分别为-5.97×10-5、-7.927×10-6、-7.278×10-7。另外，使用了如下制作的光学透镜：使光出射面的曲率半径为8.0mm，圆锥常数为0.73，4次、6次、8次、10次、12次的高次的非球面系数分别为1.225×10-4、-3.777×10-6、-1.054×10-7、-1.83×10-9、4.2397×10-11，透镜外形为10mm，透镜厚度为3.0mm。
以白色LED封装体、第1枚光学透镜L1以及第2枚光学透镜L2的中心分别与光轴上一致的方式配置，且配置为光轴上的白色LED封装体的发光面与第1枚光学透镜L1的光入射面的距离为0.5mm，另外，光轴上的第1枚光学透镜L1的光射出面与第2枚光学透镜L2的入射面的距离为0.1mm。
此时，光学透镜L2、L1的焦距分别是9.899mm、14.69mm，透镜L1，合成焦距是5.81mm。另外，各光学透镜L1、L2的焦点位置f1、f2以及合成焦点位置f1+f2的位置在以光源部的发光面为0(原点)，以射出方向为+方向设定轴的情况下，分别是-6.76mm、-10.68mm、-2.85mm。
另一方面，通过计算导出了由各光学透镜L1、L2产生的虚像(L1虚像、L2虚像)的位置，结果是，L1虚像为-0.10mm，L2虚像为-0.75mm。
由此，确认了：在上述构成的照明装置11中，各光学透镜L1、L2的焦点位置f1、f2和合成焦点位置f1+f2，相对于由上述光学透镜L1、L2产生的各个虚像(L1虚像、L2虚像)，存在于所述全部虚像(L1虚像、L2虚像)的与上述光源1相对的面的相反侧，是以图2所示的方式设计的。
图13(b)示出使用上述构成的照明装置11进行的照度实验的结果。从图13(b)可知，根据照明装置11，能够以均匀的照度照射规定的照明区域。
＜实施方式2＞
如下说明本发明的另一实施方式。此外，为了便于说明，对具有与上述实施方式1相同的功能的部件标注相同的附图标记，省略详细的说明。
(照明装置的构成)···图14、图15
图14是示出本实施方式所涉及的照明装置12的概略构成的图。
图15是图14所示的主要部分A的放大图。
如图14所示，上述照明装置12具有在上述实施方式1的光学透镜部2的出射侧进一步追加了光学透镜3、4的结构。
也就是说，上述照明装置12在将上述光学透镜部2作为第1光学透镜部时，具有在上述第1光学透镜部的光射出侧设置有至少包括2枚光学透镜的第2光学透镜部(光学透镜3、4)的结构。
上述光学透镜3为凹透镜，离光学透镜部2最近，且配置为凹面侧朝向光学透镜部2。
上述光学透镜4为凸透镜，配置于比上述光学透镜3离光学透镜部2远的位置。
这样，通过在光学透镜部2的外侧进一步配置光学透镜3、4，如图15所示，能够缩小从照明装置12照射的光的射出角度。
(本实施方式的效果)···图16～图19
在上述构成的照明装置12中，通过将追加的光学透镜3、4的透镜形状最佳化，如图16所示，能对照射区域内均匀地进行照明。
在该情况下，为了兼顾出射角度的小角度化和照明区域的均匀化，如上所述，更优选将凹透镜和凸透镜组合使用。这是因为，通过将凹透镜和凸透镜组合使用，能互相校正各透镜所产生的像差，实现照射区域的均匀性。
另外，追加的透镜的配置不限于图14的配置位置，也可以是其它位置。
图17是示出在与图14所示的光学透镜3、4的配置位置不同的位置配置光学透镜3、4的情况下的照明装置12的概略构成的图。
图18是图17所示的主要部分B的放大图。
如图17所示，通过将在图14中追加配置的光学透镜3、4的一部分配置到不同的位置，能够改变从该照明装置12出射的光的角度分布。
此外，即使在改变了角度分布的情况下，如图19所示，也能对照射区域内大致均匀地进行照明。
如上所示，通过对上述实施方式1中所说明的照明装置11在光出射侧进一步追加光学透镜3、4，能缩小出射角度。另外，通过改变追加的光学透镜的配置，还能调整(控制)出射角度。
这样，即使追加光学透镜3、4，控制出射角度，如图16、图19所示，在每种情况下，也均能保持照射区域内的照度均匀性。
此外，第2光学透镜部不限于图14所示的光学透镜3、4，例如，也可以取代光学透镜3，而使用以具有与光学透镜3同样的光学特性的方式组合的多个光学透镜。对构成第2光学透镜部的光学透镜的枚数没有设置特别的限制。
但是，当光学透镜的枚数增加时，虽然面内均匀性的提高、照射角度控制变得容易，但需要考虑伴随透镜界面增加的光透射率的下降、伴随透镜枚数增加的成本上升等问题。
＜实施方式3＞
如下说明本发明的又一实施方式。此外，为了便于说明，对具有与上述实施方式1、2相同的功能的部件标注相同的附图标记，省略详细的说明。在此，说明将光学透镜部2的2枚构成的光学透镜一体化的例子。
(照明装置的构成)···图20、图21
图20是示出本实施方式所涉及的照明装置13a的概略构成的图。
图21是示出本实施方式所涉及的照明装置13b的概略构成的图。
在图20所示的照明装置13a中，示出将光学透镜L1、L2一体成型来构成光学透镜部22的例子。
具体地说，使用丙烯酸材质等的树脂作为材料，利用模具将光学透镜L1、L2一体成型而作为光学透镜部22。
另一方面，在图21所示的照明装置13b中，示出将光学透镜L1、L2粘接而作为光学透镜部23的例子。
具体地说，在使离光源1的发光面近的透镜(光学透镜L1)和离发光面远的透镜(光学透镜L2)分别成型后，在各透镜的中心附近将它们粘接而作为光学透镜部23。
在此，将上述实施方式1中示出的光学透镜部2(图1)和图20所示的光学透镜部22的光学透镜形状进行比较时，对于从光源1大角度地出射的光，两者均同样地通过4个空气界面的折射，大大改变了光的行进方向。
另一方面，图1中的向与光源面垂直的方向出射的光在光学透镜部2的各空气界面上是大致垂直地入射。因此，即使如图20这样，使光学透镜部22的中央附近的一部分接触或者接合，也不会对射出角度分布带来大的影响，能实现照射区域的均匀性。
(本实施方式的效果)···图22、图23
在如图20所示使用将光学透镜一体成型的情况下的光学透镜部22的照明装置13a中，在如图22所示，在从照明装置13a离开1m的位置以与发光面平行的方式配置评价面的情况下，如图23所示，照射区域的照度分布大致均匀。
这样，作为将构成光学透镜的2枚透镜粘接的情况下的优点，可举出发光面与光学透镜的对位的简化所带来的低成本化。另外，还能简化使用中的发光面与光学透镜的固定方法。
而且，作为将光学透镜一体成型的情况下的优点，不仅可举出上述的对位/固定方法的简化所带来的低成本化，还可举出成型次数从2次减少为1次所带来的低成本化。另外，还能将粘接2枚透镜的过程省略，有助于低成本化。
＜变形例＞···图24、图25
图24示出在上述实施方式1的照明装置11的光出射侧设置有六边形的开口(光阑)部5的情况。从上述照明装置11出射的光中，仅去往六边形的开口部5的光会透射过开口部5，除此以外的光会被反射/吸收。
图25示出在从照明装置11离开1m的位置配置有评价面的情况下的二维照度分布，仍能以与大致开口部5相同的形状进行照明且对照射区域内以均匀的照度进行照明。即使评价面进一步远离面光源照明装置，也能在保持照射区域的形状、均匀性的同时进行照明。
＜补充说明＞···图26
(1)使用图26来说明光源1的配置范围的限制。
更优选上述光源1的配置范围被限制在满足下式的范围内。
h≤2√(d(2R-d))
在此，h表示发光部的配置范围的宽度，d表示从光源到光轴上的光学透镜L1界面的距离，R表示光学透镜L1的内侧透镜曲率半径。
通过在上述范围内配置光源1，能使得从光源1射出的光全部进入作为第1枚透镜的光学透镜L1，能够提高光利用效率。
(2)说明光学透镜部2的焦点位置与虚像位置、光源位置的关系。
通过如上述构成那样，将配置于光源1的射出面侧的光学透镜部2的焦点位置配置为在后侧(透镜射出侧的相反方向)比由各光学透镜L1、L2产生的L1虚像、L2虚像的位置远，能够使光源1和虚像(L1虚像、L2虚像)位置相对靠近光学透镜部2。
此时，当将光学透镜部2的透镜主点至焦点位置的距离假定为f，将透镜主点至光源的距离假定为a，将透镜主点至虚像的距离假定为b时，以下的关系式成立。在此，所谓透镜主点，是指仅以入射到透镜的光线和出射的光线的情形为代表，置换为透镜厚度能够忽略的薄透镜的情况下的薄透镜的位置。
1/a-1/b＝1/f···(1)
在上述构成的照明装置11中，使虚像位置离光学透镜部2比离光学透镜L1、L2的焦点位置f1、f2相对近些，因此，以下的关系式成立。
f＞b···(2)
在此，根据上述式(1)，可导出以下的关系式。
1/a＝1/b+1/f＝(b+f)/bf···(3)
进一步将式(3)展开时，成为以下的关系式。
a＝bf/(b+f)＝f/(1+f/b)···(4)
在此，根据式(2)，可导出以下的关系式。
f/b＞1···(5)
从而，将式(5)的关系式代入到式(4)时，以下的关系式成立。
a＜f/2
也就是说，通过使透镜主点至光源的距离a小于透镜主点至焦点位置的距离f的一半，总是能够使虚像位置比光学透镜部的焦点位置相对靠近光学透镜部。
(3)由于在光学透镜部2的透镜界面上一部分的光会发生反射，因此更优选对各光学透镜的透镜表面进行用于防反射的表面处理。作为一般的用于防反射的表面处理，可举出形成多个折射率不同的薄膜来降低表面反射的防反射膜。另外，作为其它方法，还可举出在各光学透镜的透镜表面上形成1微米以下的微小凹凸形状(蛾眼结构)来降低界面反射的方法。
降低各光学透镜的透镜表面上的界面反射的方法不限于上述所列举的方法。
(4)光源部的发光波长不限于可见光。也可以使用发出紫外区域、红外区域的波长的发光元件。
(5)在以上说明的实施方式中，透镜形状均设为旋转对称系统的形状，但不限于此，在可以是在附图纵深方向上设为一样的形状的双凸透镜(lenticular)状。由此，仅在与双凸透镜状的透镜截面方向平行的方向上产生效果。例如，适于将冷阴极管、串联配置的LED灯用作光源的情况。通过将棒状的光源部和双凸透镜状的光学透镜组合，能使得均匀照明区域为带有圆度的矩形。
[形成非圆形的照射区域的照明装置(实施方式4-1～4-7)]
以下，对使用透镜面中包含多个单位面的光学透镜而形成圆形以外的照射区域的照明装置进行说明。
＜实施方式4-1＞
图33(a)和图33(b)是示出本实施方式4-1的照明装置100的立体图和截面图。另外，图33(c)是示出第2透镜L2的光出射侧面的形状的立体图。
如图33(b)所示，照明装置100具备：面光源1；第1透镜L1，其配置于面光源1的光出射侧；以及第2透镜L2，其配置于第1透镜L1的光出射侧。面光源1的中心与各透镜L1、L2的透镜面中心沿着1条直线(光轴)排列。面光源1的光出射面与第1透镜L1的主点之间的距离例如设定为在使第1透镜L1的入射面为凹面的情况下的凹面的深度～第1透镜L1的厚度的程度。另外，第1透镜L1的主点与第2透镜L2的主点之间的距离例如设定为在第1透镜L1与第2透镜L2相接触的情况下的主点间距离～将从第1透镜L1出射的光线角度设为α，使用第2透镜L2的透镜的孔径D，根据D/(2·tan(α))计算出的距离。
此外，照明装置100中设置的光学系统也可以以还包含第1透镜L1和第2透镜L2以外的光学元件的方式构成，但以下说明面光源1、第1透镜L1和第2透镜L2的构成。
面光源1可以与上述的实施方式同样，以包含排列于发光面的多个发光元件(例如多个LED)的方式构成。在该情况下，面光源1的发光面的平面形状可以由配置有多个发光元件的区域的外周形状规定，例如为四边形，但不限于此，也可以是圆形等。另外，面光源1的发光面的尺寸例如是将第1透镜L1的入射面为凹面的情况下的凹面的有效口径作为最大来设定的。
在本实施方式中，第1透镜L1是以覆盖整个面光源1的方式设置的凸弯月形透镜。第1透镜L1的光入射面由凹曲面构成，光出射面由凸曲面构成。这些光入射面和光出射面也可以是球面、非球面或者自由曲面中的任何一种。
另外，第2透镜L2大致为平凸透镜的形状，其光入射面为平面。另外，第2透镜L2的光出射面S0大致为凸面形状。不过，在本实施方式中，第2透镜L2的光出射面S0以包含非旋转面作为透镜面的方式构成。
在此，对本说明书中使用的“非旋转面”的用语进行说明。在本说明书中，所谓“非旋转面”，是指不是“旋转面”的任意曲面。另外，所谓“旋转面”，是指使作为母线的线段(直线或者曲线)绕旋转轴旋转时形成的旋转体的表面。光学系统所具备的透镜的表面一般是以形成将光轴作为旋转轴的旋转面的方式形成。这样的旋转面(透镜面)有时也被称为光轴对称旋转面。
“旋转面”在包含旋转轴的任意的截面中均为相同形状的线段(母线)。而另一方面，“非旋转面”有时在包含旋转轴的不同的截面中为不同形状的线段。
另外，在本说明书中，还使用“旋转对称体”和“旋转对称性”的用语。所谓“旋转对称体”，是指相对于规定的轴旋转对称的立体，例如，立方体是关于通过面中心的轴四重对称的旋转对称体。“旋转对称体”的表面相对于上述的规定的轴具有“旋转对称性”。
以下说明的各种实施方式中，例如，用于形成正方形状的照射区域的透镜在其透镜面上形成有“非旋转面”，另一方面，具有相对于光轴四重对称的“旋转对称性”。另外，例如，用于形成正三角形状的照射区域的透镜在其透镜面上形成有“非旋转面”，另一方面，具有相对于光轴三重对称的“旋转对称性”。
再次对本实施方式的第2透镜L2进行说明。第2透镜L2是作为相对于通过透镜面的中心O并与透镜面垂直的轴(典型的是与光轴一致)四重对称的旋转对称体设置的。在该构成中，第2透镜L2的光出射面S0具有4个单位面S1～S4。4个单位面S1～S4被从配置于光轴上的透镜面的中心O朝向外侧延伸的4条边界线B1～B4分割。在本实施方式的照明装置100中，使用形成有包含这样的4个单位面S1～S4的非旋转面的透镜，实现照射区域为大致正方形状的照射区域。
此外，通过第1透镜L1后的光会从第2透镜L2的透镜面中心O入射到规定范围内的区域，典型的是，不会入射到透镜面SO的外周附近。因此，在本实施方式中，对透镜面SO的外周形状没有特别限定，无需一定是四边形形状。
4个单位面S1～S4均为自由曲面。各自由曲面在图33(a)和(c)所示的x方向和y方向(相互正交)分别具有不同的曲率。另外，4个单位面S1～S4相对于通过透镜面的中心O并与z方向(与x方向和y方向正交的方向)平行的轴对称地配置，均是具有实质上相同的曲率分布的面。
如上所述的4个单位面S1～S4之间所设置的边界线B1～B4对应于曲率不连续地变化的部分。此外，作为具有曲率不连续地变化的边界线的透镜，已知同心圆状地形成有边界线的菲涅尔透镜。但是，本发明的实施方式的照明装置的透镜中所形成的边界线B1～B4与菲涅尔透镜的表面所形成的边界线是有区别的，不是同心圆状地配置的边界线。
接着，更具体地说明单位面S1～S4。以下，仅对图33(c)所示的4个单位面中的1个单位面S1进行说明，但对于其它单位面S2～S4也适用同样的说明。
在单位面S1上，存在排列于图33(c)所示的y方向的3点P1、P2、P3。在此，当将在3点P1、P2、P3各自的位置在x方向所设定的曲率半径分别设为Rx1、Rx2、Rx3时，单位面S1形成为满足下面的关系式。
Rx1≠Rx2≠Rx3
此外，在图示的方式中，以满足Rx1＞Rx2＞Rx3的方式决定了曲面，但该关系是示例性的，不限于此，根据情况，也可以满足Rx1＜Rx2＜Rx3的关系。
另外，3点P1、P2、P3位于在y方向上具有同一曲率的曲线上，在各点上，y方向的曲率都相等。
另一方面，如图33(c)所示，在单位面S1上存在排列于x方向的3点Q1、Q2、Q3。在此，当将在3点Q1、Q2、Q3各自的位置在y方向所设定的曲率半径分别设为Ry1、Ry2、Ry3时，单位面S1形成为满足下面的关系式。
Ry1≠Ry2≠Ry3
在图示的方式中，以满足Ry1＞Ry2＞Ry3的方式决定了曲面，但该关系是示例性的，不限于此，根据情况，也可以满足Ry1＜Ry2＜Ry3的关系。
另外，3点Q1、Q2、Q3都位于在x方向上具有同一曲率的曲线上，在各点上，x方向的曲率都相等。
也就是说，在图所示的y方向延伸的粗的曲线(例如，通过P1、P2、P3的曲线)分别表示在x方向上曲率不同且在y方向上具有相同的曲率的点的集合。另外，在图所示的x方向延伸的粗的曲线(例如，通过Q1、Q2、Q3的曲线)分别表示在y方向上曲率不同且在x方向具有相同的曲率的点的集合。
接着，描述上述的透镜面的具体的设计。
下述的表1示出在包含图33(c)的x方向和y方向的xy平面(与光轴正交的平面)中，单位面S1上的各x、y坐标在z方向的高度(在各点的透镜厚度)。此外，各x、y坐标处的透镜高度z＝f(x，y)例如由下式规定。
f(x，y)＝-cyx2/(1+(1-(1+k)cy 2x2)1/2)-cxy2/(1+(1-cx 2y2)1/2)
在此，cy为1/Ry，cx为1/Rx，k为圆锥常数(下述的表1中作为圆锥Cy示出)。另外，透镜高度z是以透镜中心O的高度为0而求出的值。
[表1]
此外，以上说明的透镜设计是示例性的，当然可以使用其它算式来规定自由曲面。例如，单位面S1～S4也分别可以是使用还包含高次项的非球面函数、包含与此对应的高次的非球面系数的非球面算式决定了x方向和y方向的曲率的自由曲面。
另外，自由曲面的形状也可以根据所希望的照射区域的形状恰当地决定。例如，通过将上述的曲率半径Rx和Ry的值设定得相对较小(即，将曲率设定得较大)，能够使照射区域的纵横的尺寸相对较小。
在如以上所说明的构成的照明装置100中，从面光源1出射的光在作为凸弯月形透镜的第1透镜L1中聚敛，然后，被透镜面包含4个单位面S1～S4的第2透镜L2折射，由此，照射到屏幕上的大致正方形的区域。
另外，如图27(b)～图27(f)所示，通过以在比由第1透镜L1形成的虚像I1靠较远位置且比基准焦点f’靠较远位置处配置第2透镜L2的焦点F2的方式设计光学系统，能够实现照度不均不易醒目的均匀的照射区域。
图34(a)示出被照明装置100照射光的区域的照度分布，图34(b)和图34(c)示出照射区域的平面形状(光点形状LS)。此外，图34(b)示出根据光学系统的设计值求出的光点形状，图34(c)示出使用实际制作的光学系统得到的光点形状。
如图所示，通过在第2透镜L2的光出射面S0设置上述的包括4个自由曲面的非旋转面的透镜面，能够实现大致正方形的光点形状LS。在本实施方式中，不是用遮光部件等将来自光源的光的一部分遮断，而是通过利用透镜面使来自光源的光折射而聚敛为四边形形状，因此，能够提高光的利用效率。
通过模拟进行了计算，结果确认了：根据本实施方式的照明装置100，到达前方1m处的照射区域的光利用效率约为80％。在此，所谓光利用效率，是指通过透镜后到达前方1m处的照射面的光量相对于从光源部出射到空气中的光量的比率。可以认为本实施方式的照明装置100包括光源部和2枚透镜的所需最低限度的基本要素，且在这些基本要素中未包含吸收/截断光的要素，因此，达到了如此高的光利用效率。
另外，从图34(a)可知，使用本实施方式的照明装置100能够提高照度的均匀性。因此，能够适合用作能够以均匀的照度照射的异形的聚光灯。
第1透镜L1或者第2透镜L2例如由树脂材料形成，但不限于此。优选第1透镜L1或者第2透镜L2是透射可见光的透明折射率介质。另外，根据用途，也能够使用透射紫外区域、红外区域的折射率介质。作为透镜材料的代表性的例子，可举出PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯树脂)、PC(聚碳酸酯)、PS(聚苯乙烯)、COP(环烯烃聚合物)、有机硅等树脂、玻璃等无机材料。第1透镜L1或者第2透镜L2的折射率例如设定为1.3～2.0。
以上，说明了在第2透镜L2的射出面侧SO配置非旋转面的方式，但本发明的实施方式不限于此。即使将作为透镜面的非旋转面仅配置于第1透镜L1的射出面侧，也能够实现大致同样的照明分布。另外，也可以在第1透镜L1的光源侧透镜面(光入射面)或者第2透镜L2的光源侧透镜面(光入射面)上配置上述的非旋转面。此外，在第1透镜L1和/或者第2透镜L2的光入射面上设置作为透镜面的非旋转面的情况下，典型的是，非旋转面形成为凹面。在该情况下，上述的边界线B1～B4形成为透镜面上的谷线。
这样，在根据本发明的实施方式的照明装置100中，只要在第1透镜L1和第2透镜L2的光入射面和光出射面中的至少任一个透镜面上形成有非旋转面即可。此外，也可以将所有的透镜面设为非旋转面，但这有可能招致成本增大，因此，优选仅在第1透镜L1或者第2透镜L2的光射出面侧设置非旋转面。另外，至少在第2透镜L2的光射出面配置非旋转面这一点对实现大致四边形的照明分布是有利的。
＜实施方式4-2＞
图35(a)和图35(b)是示出本实施方式4-2的照明装置200的立体图和截面图。另外，图35(c)是示出第2透镜L2的光出射侧面的形状的立体图。
照明装置200与照明装置100同样地具备：面光源1；第1透镜L1，其设置于面光源1的光出射侧；以及第2透镜L2，其设置于第1透镜L1的光出射侧。面光源1的中心与各透镜L1、L2的透镜面中心沿着光轴排列。
在照明装置200中，形成于第2透镜L2的光出射面的非旋转面的形状与上述实施方式4-1的照明装置100是不同的。面光源1、第1透镜L1的方式与照明装置100是同样的，因此，在此省略说明，以下对第2透镜L2的透镜面进行说明。
在本实施方式中，第2透镜L2也大致为平凸透镜的形状，其光入射面为平面。另外，第2透镜L2的光出射面大致为凸面形状。不过，在本实施方式中，第2透镜L2的光出射面以包含与实施方式4-1不同的非旋转面作为透镜面的方式构成。
第2透镜L2形成为相对于通过透镜面的中心O并与透镜面垂直的轴(典型的是与光轴一致)三重对称的旋转对称体。在该构成中，第2透镜L2的光出射面SO具有3个单位面S1～S3。3个单位面S1～S3被从配置于光轴上的透镜面的中心O朝向外侧延伸的3条边界线B1～B3分割。在本实施方式中，使用这样的包含3个单位面的非旋转面，实现照射区域为大致正三角形形状的聚光灯。
3个单位面S1～S3均为自由曲面，在该自由曲面上，在图35(c)所示的x轴方向和y轴方向，曲率分别不同。3个单位面S1～S3是具有实质上相同的曲率分布的面，相对于通过透镜面的中心O并与图35(a)所示的z轴方向平行的轴对称地配置。
接着，更具体地说明单位面S1～S3。以下，仅对图35(c)所示的1个单位面S1进行说明，但对于其它单位面S2～S3也适用同样的说明。
在单位面S1上，存在排列于图35(c)所示的y方向的3点P1、P2、P3。在此，当将在3点P1、P2、P3各自的位置在x方向所设定的曲率半径分别设为Rx1、Rx2、Rx3时，单位面S1形成为满足下面的关系式。
Rx1≠Rx2≠Rx3
此外，在图示的方式中，以满足Rx1＞Rx2＞Rx3的方式决定了曲面，但该关系是示例性的，不限于此，根据情况，也可以满足Rx1＜Rx2＜Rx3的关系。
另外，3点P1、P2、P3位于在y方向上具有同一曲率的曲线上，在各点上，y方向的曲率都相等。
另一方面，在图35(c)中，在单位面S1上，存在排列于x方向的3点Q1、Q2、Q3。在此，当将在3点Q1、Q2、Q3各自的位置在y方向所设定的曲率半径分别设为Ry1、Ry2、Ry3时，单位面S1形成为满足下面的关系式。
Ry1≠Ry2≠Ry3
在图示的方式中，以满足Ry1＞Ry2＞Ry3的方式决定了曲面，但该关系是示例性的，不限于此，根据情况，也可以满足Ry1＜Ry2＜Ry3的关系。
另外，3点Q1、Q2、Q3都位于x方向的曲率具有同一曲率的曲线上，x方向的曲率都相等。
也就是说，延伸于图所示的y方向的粗的曲线(例如，通过P1、P2、P3的曲线)分别表示在x方向上曲率不同且在y方向上具有相同的曲率的点的集合。另外，延伸于图所示的x方向的粗的曲线(例如，通过Q1、Q2、Q3的曲线)分别表示在y方向上曲率不同且在x方向上具有相同的曲率的点的集合。
接着，描述上述的透镜面的更具体的设计。
下述的表2示出在包含图35(c)的x方向和y方向的xy平面(与光轴正交的平面)中单位面S1上的各x、y坐标处的z方向的高度(各点的透镜厚度)。此外，各x、y坐标的透镜高度z＝f(x，y)例如由下式规定。
f(x，y)＝-cyx2/(1+(1-(1+k)cy 2x2)1/2)-cxy2/(1+(1-cx 2y2)1/2)
在此，cy为1/Ry，cx为1/Rx，k为圆锥常数(下述的表中作为圆锥示出)。此外，高度z是将透镜中心O的高度设为0而求出的值。
[表2]
图36(a)示出由照明装置200得到的照射区域的照度分布，图36(b)和图36(c)示出所照射的光的平面形状(照射到屏幕上的光点形状)。此外，图36(b)示出根据光学系统的设计值求出的光点形状，图36(c)示出使用实际制作的光学系统得到的光点形状。
如图所示，通过在第2透镜L2的光出射面设置上述的包括3个自由曲面的非旋转面的透镜面，能够实现大致正三角形的光点形状。在本实施方式中，不是用遮光部件等将来自光源的光的一部分遮断，而是通过利用透镜面使来自光源的光折射而聚敛为正三角形状，因此，能够提高光的利用效率。
通过模拟进行了计算，结果确认了：根据本实施方式的照明装置，到达前方1m处的照明区域的光利用效率约为80％。
在本实施方式中，上述的第1透镜L1或者第2透镜L2也可以由与与实施方式1同样的材料形成。另外，以上说明了在第2透镜L2的射出面侧SO配置有非旋转面的方式，但不限于此。只要在第1透镜L1和第2透镜L2的光入射面和光出射面中的至少任一个透镜面上形成有非旋转面即可。
＜实施方式4-3＞
图37(a)和图37(b)是示出本实施方式4-3的照明装置300的立体图和截面图。另外，图37(c)是示出第2透镜L2的光出射侧面的形状的立体图。
照明装置300与照明装置100同样地具备：面光源1；第1透镜L1，其设置于面光源1的光出射侧；以及第2透镜L2，其设置于第1透镜L1的光出射侧。面光源1的中心与各透镜L1、L2的透镜面中心沿着光轴排列。
在照明装置300中，形成于第2透镜L2的光出射面的非旋转面的形状与上述实施方式4-1的照明装置100是不同的。面光源1、第1透镜L1的方式与照明装置100是同样的，因此，以下仅对第2透镜L2的透镜面进行说明。
在本实施方式中，第2透镜L2也大致为平凸透镜的形状，其光入射面为平面。另外，第2透镜L2的光出射面大致为凸面形状。
第2透镜L2形成为相对于通过透镜面的中心O并与透镜面垂直的轴(典型的是与光轴一致)五重对称的旋转对称体。在该构成中，第2透镜L2的光出射面SO具有被从透镜面的中心O朝向外侧延伸的5条边界线(棱线)B1a～B5a和同样从别的透镜面的中心O朝向外侧延伸的5条边界线(谷线)B1b～B5b分割而成的10个单位面。5条边界线(棱线)与5条边界线(谷线)交错配置，各单位面形成于1条边界线(棱线)与1条边界线(谷线)之间。在本实施方式中，使用这样的包含10个单位面的非旋转面，实现照射区域为大致星形形状的聚光灯。
10个单位面均为自由曲面，在该自由曲面上，在与透镜面平行的面内规定的相互正交的2个轴方向，曲率分别不同。10个单位面中的隔着边界线而相邻的2个面(例如，图37(c)中隔着边界线B1a而相邻的2个面S1和S2)具有相对于通过该边界线并与z方向平行的面对称的形状。当将该2个面作为1对单位面来考虑时，在本实施方式中，5对单位面相对于通过透镜面的中心并与Oz方向平行的轴对称地配置。
图38(a-1)和图38(b-1)示出具有10个单位面(自由曲面)但单位面的曲面形状分别不同的2种第2透镜L2。另外，图38(a-2)和图38(b-2)分别示出使用第2透镜L2的情况下的照射区域的形状。如图38(a-2)和图38(b-2)所示，在任一透镜的情况下，均能够实现大致星形形状的光点形状。此外，通过模拟进行了计算，结果确认了：根据本实施方式的照明装置，到达前方1m处的照明区域的光利用效率约为77％。
另外，从图38(a-2)和(b-2)可知，通过改变形成单位面的自由曲面的形状，能够改变照射区域的形状(照射光的分布)。因此，为了能得到所希望的照射区域的形状，也可以适当调节自由曲面的形状。
另外，如上述的实施方式4-1、4-2和本实施方式4-3所示，在照射区域为大致正方形、大致正三角形和大致星形的任一情况下，均能够通过在非旋转面中以透镜中心O为中心对称地设置曲面，使照射区域的形状同样地成为对称性高的形状。
此外，在本实施方式中，上述的第1透镜L1或者第2透镜L2也可以由与实施方式1同样的材料形成。另外，以上说明了在第2透镜L2的射出面侧SO配置有作为透镜面的非旋转面的方式，但不限于此。只要在第1透镜L1和第2透镜L2的光入射面和光出射面中的至少任一个透镜面上形成有非旋转面即可。
＜实施方式4-4＞
图39(a)和图39(b)是示出本实施方式4-4的照明装置400的立体图和截面图。另外，图39(c)是示出第2透镜L2的光出射侧面的形状的立体图。
照明装置400与照明装置100同样地具备：面光源1；第1透镜L1，其设置于面光源1的光出射侧；以及第2透镜L2，其设置于第1透镜L1的光出射侧。面光源1的中心与各透镜L1、L2的透镜面中心沿着光轴排列。
在照明装置400中，形成于第2透镜L2的光出射面的非旋转面的形状与上述实施方式4-1的照明装置100是不同的。面光源1、第1透镜L1的方式与照明装置100是同样的，因此，以下仅对第2透镜L2的透镜面进行说明。
在本实施方式中，第2透镜L2也大致为平凸透镜的形状，其光入射面为平面。另外，第2透镜L2的光出射面大致为凸面形状。
第2透镜L2形成为相对于通过透镜面的中心O并与透镜面垂直的轴(典型的是与光轴一致)五重对称的旋转对称体。在该构成中，第2透镜L2的光出射面SO具有被从配置于光轴上的透镜面的中心O朝向外侧延伸的5条主边界线(谷线)B1a～B5a和从该主边界线B1a～B5a的中途朝向外侧延伸的5条副边界线(谷线)B1b～B5b分割而成的10个单位面。
在被相邻的2条主边界线(例如，图所示的主边界线B1a和主边界线B2a)夹着的区域中，设置有被1条副边界线(例如，图所示的副边界线B1b)分割而成的2种单位面S1、S2。该2种单位面S1、S2的面积和形状不同。
另外，将该2种单位面作为1对时，5对单位面以将光轴作为中心而具有旋转对称性的方式配置。
在上述的实施方式4-1～4-3中，相邻的自由曲面(单位面)具有同一形状或者相对于包含边界线的截面具有对称性，但在本实施方式4-4中，上述2种单位面具有完全不同的形状。在使用这样的形状的透镜的情况下，也能够在保持高的光利用效率的同时对所希望的区域照射光。
图40(a)示出由照明装置400得到的照射区域的照度分布，图40(b)示出所照射的光的平面形状。此外，在图40(a)中分开示出分别沿着图40(b)所示的横方向X和纵方向Y的照度分布的坐标图。从图可知，在本实施方式的照明装置中，能够得到螺旋形的光点形状。此外，通过模拟进行了计算，结果确认了：根据本实施方式的照明装置，到达前方1m处的照明区域的光利用效率约为79％。
此外，在本实施方式中，上述的第1透镜L1或者第2透镜L2也可以由与实施方式1同样的材料形成。另外，以上说明了在第2透镜L2的射出面侧SO配置有作为透镜面的非旋转面的方式，但不限于此。只要在第1透镜L1和第2透镜L2的光入射面和光出射面中的至少任一个透镜面上形成有非旋转面即可。
＜实施方式4-5＞
图41(a)和图41(b)是示出本实施方式4-5的照明装置500的立体图和截面图。另外，图41(c)是示出第2透镜的光出射侧面的形状的立体图。
照明装置500与照明装置100同样地具备：面光源1；第1透镜L1，其设置于面光源1的光出射侧；以及第2透镜L2，其设置于第1透镜L1的光出射侧。面光源1的中心与各透镜L1、L2的透镜面中心沿着光轴排列。
在照明装置500中，形成于第2透镜L2的光出射面的非旋转面的形状与上述实施方式4-1的照明装置100是不同的。面光源1、第1透镜L1的方式与照明装置100是同样的，因此，以下仅对第2透镜L2的透镜面进行说明。
在本实施方式中，第2透镜L2也大致为平凸透镜的形状，其光入射面为平面。另外，第2透镜L2的光出射面大致为凸面形状。
第2透镜L2形成为相对于通过透镜面的中心O并与透镜面垂直的轴(典型的是与光轴一致)两重对称的旋转对称体。
在该构成中，第2透镜L2的光出射面SO具有被从配置于光轴上的透镜面的中心O朝向外侧延伸的4条边界线B1～B4分割而成的4个单位面S1～S4。
这些单位面S1～S4中的在透镜中心O相对的2个面(单位面S1与单位面S3或者单位面S2与单位面S4)是曲率相同的曲面。但是，相邻的透镜面(例如，单位面S1与单位面S2)是曲率不同的曲面。在本实施方式中，使用将包含这样的2×2种的4个单位面的非旋转面作为透镜面的透镜，实现照射区域为大致长方形形状的聚光灯。
4个单位面S1～S4均为自由曲面，在该自由曲面上，在图41(a)所示的x轴方向和y轴方向，曲率分别不同。如上所述，相对的单位面是同等的曲面，因此，轴方向的曲率设定为相同的曲率。另外，相邻单位面是不同的曲面，因此，设定为不同的曲率。以下，描述透镜面的更具体的设计。
以下的表3和表4分别示出针对单位面S1、S3设定的曲率的设计(表3)和针对单位面S2、S4设定的曲率的设计(表4)。如表所示，各表中设计的参数不同。此外，表中记载的数字的含义(xy坐标的高度z)与表1和2所示的例子是相同的，因此，在此省略说明。
[表3]
[表4]
图42(a)示出由照明装置500得到的照射区域的照度分布，图42(b)示出所照射的光的平面形状。此外，图42(a)中分开示出分别沿着图42(b)所示的横方向X和纵方向Y的照度分布的坐标图。
如图42(b)所示，通过在第2透镜L2的光出射面上设置上述的包括2×2种的4个自由曲面的非旋转面的透镜面，能够实现大致长方形的光点形状。此外，通过模拟进行了计算，结果确认了：根据本实施方式的照明装置500，到达前方1m处的照明区域的光利用效率约为80％。
此外，在本实施方式中，上述的第1透镜L1或者第2透镜L2也可以由与实施方式1同样的材料形成。另外，以上说明了在第2透镜L2的射出面侧SO配置有作为透镜面的非旋转面的方式，但不限于此。只要在第1透镜L1和第2透镜L2的光入射面和光出射面中的至少任一个透镜面上形成有非旋转面即可。
＜实施方式4-6＞
图43(a)和图43(b)是示出本实施方式4-6的照明装置600的立体图和截面图。另外，图44(a)和图44(b)示出由照明装置600得到的照射区域的照度分布，图44(b)示出所照射的光的平面形状。此外，图44(a)中示出沿着图44(b)所示的横方向X的照度分布的坐标图。
本实施方式的照明装置600与照明装置100同样地具备：面光源1；第1透镜L1，其设置于面光源1的光出射侧；以及第2透镜L2，其设置于第1透镜L1的光出射侧。面光源1的中心与各透镜L1、L2的透镜面中心沿着光轴排列。
在照明装置600中，形成于第2透镜L2的光出射面的非旋转面的形状与上述实施方式4-1的照明装置100是不同的。面光源1、第1透镜L1的方式与照明装置100是同样的，因此，以下仅对第2透镜L2的透镜面进行说明。
在本实施方式中，第2透镜L2也大致为平凸透镜的形状，其光入射面为平面。另外，第2透镜L2的光出射面大致为凸面形状。另外，第2透镜L2形成为相对于通过透镜面的中心O并与透镜面垂直的轴(典型的是与光轴一致)四重对称的旋转对称体。在该构成中，第2透镜L2的光出射面SO具有被从配置于光轴上的透镜面的中心O朝向外侧延伸的4条边界线B1～B4分割而成的4个单位面S1～S4。在本实施方式中，使用这样的包含4个单位面的非旋转面，实现照射区域为大致正方形状的聚光灯。
4个单位面S1～S4分别与实施方式4-1的照明装置100不同，由环面形成。在该环面上，在图43(a)和(b)所示的x轴方向和y轴方向，曲率不同。4个单位面S1～S4是具有实质上相同的曲率分布的面，相对于通过透镜面的中心O并与图所示的z轴方向平行的轴对称地配置。
在此，对环面进行说明。所谓环面，当对图所示的单位面S1进行说明时，是指在x方向和y方向上具有不同曲率的面。
此外，实施方式1的透镜所具有的自由曲面(单位面)在x方向和y方向上也具有不同的曲率，但本实施方式中使用的环面在沿着x方向或者y方向的任一截面上为圆弧这方面与上述的自由曲面不同。另外，在环面的情况下，能够仅使用x方向的曲率半径Rx和y方向的曲率半径Ry来规定曲面。
在本实施方式中，x方向的曲率半径Rx例如设定为第2透镜L2的有效口径的二分之一～第2透镜L2的有效口径的3倍，y方向的曲率半径Ry例如设定为Rx～Rx的5倍。
如图44(a)和图44(b)所示，使用本实施方式的照明装置600，能够实现顶角带圆度的大致正方形的光点形状。另外，能够使照射区域的照度分布均匀。另外，通过模拟进行了计算，结果确认了：根据本实施方式的照明装置600，到达前方1m处的照明区域的光利用效率约为81％。
接着，作为本实施方式的变形例，说明使用具有包括3个环面的非旋转面的透镜来形成大致正三角形的照射区域的方式。
图4、图5(a)和图5(b)是示出本实施方式的照明装置650的立体图和截面图。另外，图46(a)和图46(b)示出由照明装置650得到的照射区域的照度分布，图46(b)示出所照射的光的平面形状。此外，图46(a)中分开示出分别沿着图46(b)所示的横方向X和纵方向Y的照度分布的坐标图。
在照明装置650中，第2透镜L2形成为相对于通过透镜面的中心O并与透镜面垂直的轴(典型的是与光轴一致)三重对称的旋转对称体。在该构成中，第2透镜L2的光出射面SO具有被从配置于光轴上的透镜面的中心O朝向外侧延伸的3条边界线B1～B3分割而成的3个单位面S1～S3。
3个单位面S1～S3均由环面形成。3个单位面S1～S3实质上相对于通过该透镜面的中心O并与图所示的z轴方向平行的轴对称地配置。此外，规定环面的曲率半径Rx、Ry也可以是与上述同样的范围。
如图46(b)所示，在本实施方式中，能够实现顶角带圆度的大致正三角形的光点形状。此外，通过模拟进行了计算，结果确认了：根据本实施方式的照明装置，到达前方1m处的照明区域的光利用效率约为81％。
在本实施方式中，上述的第1透镜L1或者第2透镜L2也可以由与实施方式1同样的材料形成。另外，以上说明了在第2透镜L2的射出面侧SO配置有作为透镜面的非旋转面的方式，但不限于此。只要在第1透镜L1和第2透镜L2的光入射面和光出射面中的至少任一个透镜面上形成有非旋转面即可。
＜实施方式4-7＞
图47(a)和(b)图47是示出本实施方式4-7的照明装置700的立体图和截面图。另外，图48(a)示出由照明装置700得到的照射区域的照度分布，图48(b)示出所照射的光的平面形状。此外，图48(a)中示出沿着图48(b)所示的横方向X的照度分布的坐标图。
本实施方式的照明装置700与照明装置100同样地具备：面光源1；第1透镜L1，其设置于面光源1的光出射侧；以及第2透镜L2，其设置于第1透镜L1的光出射侧。面光源1的中心与各透镜L1、L2的透镜面中心沿着光轴排列。
在照明装置700中，在形成于第2透镜L2的光出射面的透镜面上，设置有包含4个作为单位面的圆柱形面的非旋转面。其它构成与实施方式4-6的照明装置600等是同样的，因此，在此省略详细的说明。
在此，对圆柱形面进行说明。所谓圆柱形面，当对图所示的单位面S1进行说明时，是指与仅在x方向上具有曲率而在y方向上不具有曲率的圆柱侧面对应的面。此外，与单位面S1相邻的单位面S2是仅在y方向上具有曲率，在x方向上不具有曲率。圆柱形面的形状能够由曲率半径R规定，曲率半径R例如设定为第2透镜L2的有效口径的二分之一～第2透镜L2的有效口径的3倍。
如图48(b)和图48(c)所示，在本实施方式中，能够实现顶角带圆度的大致正方形的光点形状。此外，通过模拟进行了计算，结果确认了：根据本实施方式的照明装置，到达前方1m处的照明区域的光利用效率约为81％。
另外，特别是，在使用圆柱形面来构成透镜面的情况下，如图48(b)和图48(c)所示，确认了在正方形的各顶点的附近形成有附带性的照射区域。这样，当将包含多个单位面的非旋转面形成于透镜面时，与在一般的光学系统中形成光轴旋转面的情况不同，有时会在照射区域中观察到非同心圆状地出现的特征性的照射部分。
接着，作为本实施方式的变形例，说明使用具有包括3个圆柱形面的非旋转面的透镜来形成大致正三角形的照射区域的方式。
图49(a)和图49(b)是示出本实施方式的照明装置750的立体图和截面图。另外，图49(c)是示出第2透镜L2的俯视图。而且，图50(a)和(b)示出由照明装置750得到的照射区域的照度分布，图50(b)示出所照射的光的平面形状。此外，图50(a)中分开示出分别沿着图50(b)所示的横方向X和纵方向Y的照度分布的坐标图。
在照明装置750中，第2透镜L2形成为相对于通过透镜面的中心O并与透镜面垂直的轴(典型的是与光轴一致)三重对称的旋转对称体。在该构成中，第2透镜L2的光出射面SO具有被从配置于光轴上的透镜面的中心O朝向外侧延伸的3条边界线B1～B3分割而成的3个单位面S1～S3。在本实施方式中，使用这样的包含3个单位面的非旋转面，实现照射区域为大致正三角形形状的光点形状。
3个单位面S1～S3均由圆柱形面形成。3个单位面S1～S3实质上相对于通过该透镜面的中心O并与图所示的z轴方向平行的轴对称地配置。图49(c)中示出规定圆柱形面的圆柱的轴方向。规定圆柱形面的曲率半径R也可以是与上述同样的范围。
如图50(b)和图50(c)所示，在本实施方式中，能够实现顶角带圆度的大致正三角形的光点形状。此外，通过模拟进行了计算，结果确认了：根据本实施方式的照明装置，到达前方1m处的照明区域的光利用效率约为81％。另外，在本变形例的情况下，如图50(b)和(c)所示，也确认了在正三角形的各顶点的附近形成有附带性的照射区域。
在本实施方式中，上述的第1透镜L1或者第2透镜L2也可以由与实施方式1同样的材料形成。另外，以上说明了在第2透镜L2的射出面侧SO配置有作为透镜面的非旋转面的方式，但不限于此。只要在第1透镜L1和第2透镜L2的光入射面和光出射面中的至少任一个透镜面上形成有非旋转面即可。
＜实施方式4-8＞
图51(a)和图51(b)是示出本实施方式4-8的照明装置800的立体图和截面图。在本实施方式的照明装置800中，取代实施方式4-1中说明的第1透镜L1和第2透镜L2，而使用一体型透镜L12。一体型透镜L12包含：第1透镜部分L1’，其具有与第1透镜L1实质上相同的功能；以及第2透镜部分L2’，其具有与第2透镜L2实施上相同的功能。
一体型透镜L12具有诸如使第1透镜L1的光出射面与第2透镜L2的光入射面在各自的透镜中心的附近接合的结构。
一体型透镜L12的光出射面的形状也可以与第2透镜L2的光出射面的形状相同。即，一体型透镜L12的光出射面包含被边界线分割而成的4个自由曲面(单位面)，该4个自由曲面以相对于光轴具有旋转对称性的方式配置。各自由曲面在相互正交的x方向和y方向Fb具有不同的曲率。
这样的一体型透镜L12可以是使用树脂等材料，利用公知的方法通过一体成型而制作的。或者，一体型透镜L12也可以是以相同的材料分开制作第1透镜L1和第2透镜L2后，将它们接合而制作的。在该情况下，只要使用与第1透镜L1和第2透镜L2相同的材料将它们接合，就不会产生折射率差，因此能抑制界面上的反射。
另外，也可以通过在以不同的材料形成第1透镜L1和第2透镜L2后将它们恰当地接合来制作一体型透镜L12。在该情况下，能够以折射率不同的材料形成第1透镜和第2透镜，因此，能够扩大设计的灵活性。
图52(a)示出示例性的一体型透镜L12的截面，图52(b)中将第1透镜部分L1’的附近放大示出。如图52(a)和图52(b)所示，通过设定各尺寸，能够使来自光源1的光利用第1透镜部分L1’高效地聚敛且利用第2透镜部分L2’照射到大致正方形状的区域。因此，能够以高的光利用效率形成异形的照射区域。
另外，第1透镜部分L1’的光出射面与第2透镜部分L2’的光入射面的接合宽度在图52(b)所示的方式中设定为10.0mm。当该大小相对于第1透镜部的直径(24.0mm)过大时，第1透镜部分所具有的聚光特性有可能下降。另外，若上述的接合宽度过小，则一体型透镜L12容易破损。因此，优选接合宽度设定为例如2mm以上且以上述接合宽度相对于第1透镜部分的直径的比率为例如30％以下的方式设定。若上述接合宽度小于2mm，则在第1透镜部分L1‘被施加极端的应力的情况下破损的可能性变高。
下述的表5示出针对各单位面S1～S4设定的曲率的设计。此外，表5中记载的数字的含义(xy坐标的高度z)与表1～表4所示的例子是相同的，因此，在此省略说明。
[表5]
如图53(a)和图53(b)所示，使用本实施方式的照明装置800，能够实现大致正方形的光点形状。另外，还能够使照射区域的照度分布均匀。另外，通过模拟进行了计算，结果确认了：根据本实施方式的照明装置800，到达前方1m处的照明区域的光利用效率约为80％。
这样，在照明装置800中，使用了将第1透镜部分L1’和第2透镜部分L2’一体化的透镜12，因此，能够更容易地进行透镜12相对于光源的对位、固定。
以上，说明了本发明的实施方式，但当然能进行各种改变。例如，以包含用于得到上述的四边形的光点形状的透镜形状和用于实现三角形形状的透镜形状的方式，在第1透镜或者第2透镜的透镜面上设置非旋转面，由此，能够提高照度的均匀性而对本垒(homebase)(或者箭头)形的区域照射光。另外，也能形成心形等其它形状的照射区域。这样，在根据本发明的实施方式的装置中，通过在透镜面上形成包含曲率变化的被边界线隔开的多个单位面的非旋转面，能够提高照度均匀性并实现圆形以外的光点形状。
本发明不限于上述的各实施方式，能在权利要求所示的范围内进行各种变更，适当组合不同的实施方式中分别公开的技术方案而得到的实施方式也包含在本发明的技术范围内。
工业上的可利用性
根据本发明的实施方式的照明装置能够用于仅照明狭小范围的聚光灯或投光机、均匀地照射稍大范围的路灯或阅读灯、室内用间接照明或汽车的车内灯、更大光量类型的汽车的前灯等众多的照明产品。另外，作为舞台照明装置，能够适合用作形成圆形以外的照射区域的聚光灯。
另外，光源的发光波长不仅能够是可见光，还能够用于使用红外光的红外传感用光源或使用紫外光的点式曝光照明、杀菌用照明等。
附图标记说明
1    光源(发光部)
2    光学透镜部
3    光学透镜
4    光学透镜
5    开口部
11    照明装置
12    照明装置
13a    照明装置
13b    照明装置
22    光学透镜部
23    光学透镜部
AX    光轴
L1    光学透镜    (第1透镜)
L2    光学透镜    (第2透镜)
f1    第1焦点位置
f2    第2焦点位置
F1    第1透镜的焦点
F2    第2透镜的焦点
100～800    照明装置

Claims (15)

1.一种照明装置，具备：
面光源，其具有光出射面；
第1透镜，其具有第1焦点，配置于上述面光源的上述光出射面侧；以及
第2透镜，其具有第2焦点，配置于上述第1透镜的光出射面侧，
上述面光源、上述第1透镜和上述第2透镜配置成由上述第1透镜形成第1虚像且由上述第2透镜形成第2虚像，
上述照明装置的特征在于，
上述第1虚像形成于上述第2焦点与上述第1透镜之间，
上述第2焦点位于从上述第2透镜的主点离开规定焦距f’的位置的与上述面光源相反的一侧的位置，
当将上述第2透镜的主点与上述第1虚像的位置之间的距离设为l’，将上述第2透镜的有效口径设为D，将光源尺寸因子设为ε时，
上述规定焦距f’满足l’＝(D/(ε+D))·f’，
上述光源尺寸因子是上述面光源的光出射面的尺寸或者上述面光源所包含的多个发光元件的排列间距，
上述第1透镜和第2透镜的光入射面和光出射面中的至少任一个面包含作为透镜面的非旋转面，在上述非旋转面上设置有曲率不连续地变化的非同心圆状的多个边界线。
2.根据权利要求1所述的照明装置，其中，
上述多个边界线中的至少1个边界线从上述非旋转面的中心朝向外侧延伸。
3.根据权利要求2所述的照明装置，其中，
上述非旋转面具有被上述多个边界线分割而成的3个以上的单位面，上述3个以上的单位面以相对于通过上述非旋转面的中心的轴具有旋转对称性的方式配置。
4.根据权利要求3所述的照明装置，其中，
在与光轴方向正交的平面内规定了相互正交的x方向和y方向，在上述3个以上的单位面中的至少1个单位面中，上述x方向的曲率与上述y方向的曲率不同。
5.根据权利要求4所述的照明装置，其中，
上述3个以上的单位面中的至少1个单位面是自由曲面。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的照明装置，其中，
在上述非旋转面构成上述第1透镜或者第2透镜的光出射面时，上述非旋转面包含隔着上述多条边界线中的1条而相邻的2个凸曲面，且形成于上述2个凸曲面之间的上述边界线为谷线，
在上述非旋转面构成上述第1透镜或者第2透镜的光入射面时，上述非旋转面包含隔着上述多条边界线中的1条而相邻的2个凹曲面，形成于上述2个凹曲面之间的上述边界线为棱线。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的照明装置，其中，
上述ε大于或等于上述光出射面的面内强度不均的最小间距。
8.根据权利要求1至7中的任一项所述的照明装置，其中，
上述第1虚像形成于上述第1焦点与上述第1透镜之间，且上述第2虚像形成于上述第2焦点与上述第2透镜之间。
9.根据权利要求8所述的照明装置，其中，
上述第1虚像和上述第2虚像形成于上述第1透镜和上述第2透镜的合成焦点与上述第1透镜之间。
10.根据权利要求8或9所述的照明装置，其中，
在包含上述第1透镜和上述第2透镜的第1光学系统的光出射侧还设置有第2光学系统。
11.根据权利要求10所述的照明装置，其中，
上述第2光学系统包含最接近上述第1光学系统的凹透镜和继上述凹透镜之后接近上述第1光学系统的凸透镜。
12.根据权利要求1至11中的任一项所述的照明装置，其中，
上述非旋转面设置于上述第2透镜的光出射面，
上述第1透镜的光出射面与上述第2透镜的光入射面相接合。
13.根据权利要求12所述的照明装置，其中，
上述第1透镜和上述第2透镜是利用树脂一体成型的。
14.根据权利要求9至13中的任一项所述的照明装置，其中，
上述第1透镜的与上述面光源相对的一侧的透镜面为凹曲面，
在将光轴上的从上述面光源的光出射面至上述第1透镜的凹曲面的距离设为d，将上述第1透镜的上述凹曲面所具有的曲率半径设为R时，
可配置上述光出射面的位置的范围宽度h由
h≤2√(d(2R-d))
表示。
15.根据权利要求9至14中的任一项所述的照明装置，其中，
在将从包含上述第1透镜和第2透镜的光学透镜部的主点至上述光出射面的距离设为a，将从上述光学透镜部的主点至焦点位置的距离设为f时，满足
a＜f/2。
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