CN113892046A - 扩散体以及照明装置 - Google Patents

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CN113892046A CN202080037350.9A CN202080037350A CN113892046A CN 113892046 A CN113892046 A CN 113892046A CN 202080037350 A CN202080037350 A CN 202080037350A CN 113892046 A CN113892046 A CN 113892046A
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Abstract

扩散体(20)具有：光入射面(21)；导光扩散部(22)，其对入射光(Li)进行引导并由纳米粒子(26)散射而生成散射光(Ls)；以及光出射面(23)，散射光的相关色温比入射光的相关色温高，当N表示导光扩散部的单位体积中包含的纳米粒子的粒子数，A表示纳米粒子的平均粒子半径，Qs表示由纳米粒子与导光扩散部的介质的组合决定的散射效率，MFP表示相对于在450nm～650nm的范围内设定的设计波长的光的平均自由行程，Zd表示导光扩散部在入射光的导光方向上的长度，α表示系数时，满足：MFP＝1/(π×A2×Qs×N)＝αZd以及0.4≤α≤5。

Description

扩散体以及照明装置
技术领域
本公开涉及扩散体以及照明装置。
背景技术
例如在专利文献1中提出有模拟蓝天的照明系统。在该照明系统中，在通过使产生扩散光(例如瑞利散射光)的纳米粒子分散于母材中而构成的扩散光产生体(也称作“扩散体”)的上侧(例如背表面侧)配置有光源，因此，照明系统的厚度较厚。为了使厚度变薄，优选采用以与板状扩散体的端部即侧面对置的方式配置光源的边缘入射方式(也称作“边缘发光方式”)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2015-207554号公报
发明内容
发明要解决的课题
但是，在边缘入射方式的照明装置中，入射到扩散体内的入射光的导光距离长，因此，从扩散体的光出射面(例如，下表面)出射的散射光强烈地受到扩散体中包含的纳米粒子的浓度的影响。
例如，在扩散体内包含的纳米粒子的浓度过高的情况下，由瑞利散射引起的波长色散的影响变大，在与入射光入射的侧面接近的短距离的范围内，蓝色光成分的大部分通过光出射面而被取出。因此，在远离入射光入射的侧面的范围内无法取出蓝色光成分，在扩散体的光出射面内产生颜色不均或明亮度不均。另一方面，在扩散体内包含的纳米粒子的浓度过低的情况下，通过扩散体的光出射面取出的照明光的量减少，因此，照明光的光量不足。
这样，在边缘入射方式的照明装置中存在如下课题：在扩散体中包含的纳米粒子的浓度过高的情况下和过低的情况下，都无法再现自然的蓝天。
本公开正是为了解决上述的课题而完成的，其目的在于，提供一种能够再现自然的蓝天的扩散体以及照明装置。
用于解决课题的手段
本公开的扩散体的特征在于，该扩散体具有：光入射面，从光源发出的光作为入射光入射到该光入射面；导光扩散部，其包含介质和存在于所述介质中的纳米粒子，通过对所述入射光进行引导并由所述纳米粒子散射而生成散射光；以及光出射面，其出射所述散射光，所述散射光的相关色温比所述入射光的相关色温高，当N表示所述导光扩散部的单位体积中包含的所述纳米粒子的粒子数[个/mm3]，A表示所述纳米粒子的平均粒子半径[mm]，Qs表示由所述纳米粒子与所述导光扩散部的介质的组合决定的散射效率，π表示圆周率，MFP表示相对于波长550nm的光的平均自由行程[mm]，Zd表示所述导光扩散部在所述入射光的导光方向上的长度[mm]，α表示系数时，满足：
MFP＝1/(π×A2×Qs×N)＝αZd
其中，0.4≤α≤5。
本公开的照明装置的特征在于，该照明装置具有光源和上述扩散体。
发明效果
根据本公开，能够再现自然的蓝天。
附图说明
图1是概略地示出实施方式1的照明装置的结构的剖视图。
图2是概略地示出实施方式1的照明装置的结构的俯视图。
图3是概略地示出实施方式1的照明装置的光源的结构的主视图。
图4是概略地示出实施方式1的照明装置的扩散体的结构的立体图。
图5是概略地示出实施方式1的照明装置的扩散体的结构的剖视图。
图6是用图表示出纳米粒子的粒径与瑞利散射的波长色散之间的关系以及纳米粒子的粒径与散射效率之间的关系的图。
图7是示出由基于单一纳米粒子的瑞利散射而产生的散射光的强度的角度分布例的图。
图8是示出在实施方式1的扩散体中产生的散射光出射的情形的图。
图9是示出实施方式1的扩散体的光出射面上的导光方向的位置与通过光出射面出射的散射光的相关色温之间的关系的图。
图10是在CIE1931色度图上示出在实施方式1的扩散体中产生的散射光的色度的一例的图。
图11是概略地示出实施方式2的照明装置的结构的剖视图。
图12是概略地示出实施方式2的照明装置的控制系统的结构的框图。
图13的(a)和(b)是示出例1的扩散体的α与光利用效率、颜色变化或照度变化之间的关系的图表。
图14的(a)和(b)是示出例2的扩散体的α与光利用效率、颜色变化或照度变化之间的关系的图表。
图15是概略地示出实施方式3的照明装置的结构的立体图。
图16是概略地示出实施方式3的照明装置的结构的剖视图。
图17是概略地示出实施方式4的照明装置的结构的剖视图。
具体实施方式
在以下的实施方式中，参照附图对扩散体以及具有扩散体的照明装置进行说明。实施方式的照明装置能够模拟天空。以下的实施方式只不过是例子，能够适当地组合实施方式以及适当地变更各实施方式。
在以下的各实施方式中，为了容易说明，有时在各图中示出XYZ直角坐标系的坐标轴。在该情况下，将从扩散体主要出射模拟天空的散射光的方向即主出射方向设为-Y轴方向。另外，将与主出射方向垂直的方向中的、更接近入射到扩散体的光的行进方向的方向设为Z轴方向。
这里，主出射方向也可以改称作扩散体的主发光面的法线方向。主发光面是指扩散体具有的光出射面中的特别规定的面。更具体而言，主发光面只要是扩散体的光出射面中的、特别想要作为模拟天空的发光面而使用户目视到的面即可。
例如，如果是板形状的扩散体，则主发光面是由侧面连接的2个表面(以下称作主表面)中的一个。在此，板形状是具有由侧面连接的2个主表面的形状。以下，在板形状中，有时将由侧面连接的2个主表面中的一个称作第1表面，将另一个称作第2表面。另外，有时将板形状的侧面称作主表面的端面。
并且例如，如果是棒形状的扩散体，则主发光面是柱体的侧面中的1个或一部分的区域。在此，棒形状是2个底面由1个或多个侧面连接起来的柱体的形状。此外，棒是柱体的总称。并且例如，主发光面是在设置为窗时法线方向朝向室内的表面。以下，在棒形状中，不论是圆柱还是棱柱等，有时将与2个底面连接的侧面(中空的情况下是作为侧面的外表面)称作主表面，将底面称作端面。另外，为了区分主表面内的区域，在棒形状的扩散体中在主表面(柱体的侧面)的一部分区域形成主发光面的情况下，有时将该区域称作第1表面，将主表面中的与该区域相反侧的区域称作第2表面。
另外，主发光面不限于平坦的面，例如也可以包含曲面或倾斜面。主发光面例如可以弯曲或倾斜，另外，也可以是这样的平坦面、曲面或倾斜面的组合。在主发光面不是平坦面的情况下，主发光面的法线方向也可以是中心部的法线方向或切平面的法线方向。此外，在将圆柱的侧面作为主发光面的情况下等主发光面形成yz截面中的全部外缘的情况下，也可以将主出射方向设为主发光面中的任意位置处的法线方向。在以下的实施方式中，主出射方向被视为照明装置中的照明光的出射方向之一。
图示的结构部件的尺寸以及比例尺在每个图中不同。另外，在表示构造的图中示出XYZ直角坐标系的坐标轴。在照明装置安装于天花板的情况下，-Y方向为大致铅直下方向，+Y方向为大致铅直上方向。Z方向和X方向是与Y方向垂直的方向。另外，Z方向和X方向是相互垂直的方向。在照明装置安装于天花板的情况下，X方向和Z方向是大致水平方向。
《1》实施方式1
《1-1》实施方式1的概要
图1是概略地示出实施方式1的照明装置100的结构的剖视图。图2是概略地示出照明装置100的结构的俯视图。如图1和图2所示，照明装置100具有光源10和扩散体20。照明装置100采用以与位于扩散体20的端部的侧面即光入射面21相对的方式配置光源10的边缘入射方式。扩散体20具有光入射面21、导光扩散部22和光出射面(在本例中为前表面23和背表面24)。在本例中，前表面23为主发光面。
从光源10发出的光作为入射光Li入射到光入射面21。导光扩散部22具有作为介质的基材(例如，后述的图5所示的基材27)和存在于基材中的多个纳米粒子(例如，后述的图5所示的纳米粒子26)。导光扩散部22对作为入射光Li的光Lt进行引导并由纳米粒子散射，由此生成散射光Ls。
散射光Ls包含瑞利散射光。散射光Ls从光出射面出射。另外，这里的散射光Ls并不特别区分从作为主发光面的前表面23出射的散射光和从背表面24出射的散射光，但在背表面设置光吸收体的情况下等，也可以将散射光Ls限定为从前表面23出射的散射光。
如已经说明的那样，在导光扩散部22中包含的纳米粒子的浓度过高的情况下，基于瑞利散射的波长色散的影响变大，在接近光入射面21的短距离的范围内，蓝色成分的光的大部分作为散射光Ls而通过光出射面被取出。因此，在远离光入射面21的范围内无法取出蓝色成分的光，在导光扩散部22的光出射面产生颜色不均或明亮度不均。另一方面，在导光扩散部22中包含的纳米粒子的浓度过低的情况下，通过导光扩散部22的光出射面取出的照明光的量减少，因此照明光的光量不足。
因此，本申请关于扩散体20的导光扩散部22内的纳米粒子的优选浓度，提出将入射光Li的平均自由行程MFP与导光扩散部22在入射光Li的导光方向(+Z方向)上的长度Zd关联起来的新条件。
具体而言，当N表示导光扩散部22的单位体积中包含的纳米粒子的粒子数(即，浓度)[个/mm3]，A表示纳米粒子的平均粒子半径[mm]，Qs表示由纳米粒子与导光扩散部22的介质的组合决定的散射效率，π表示圆周率，MFP表示相对于波长550nm的光的平均自由行程[mm]，Zd表示导光扩散部22在入射光Li(即，被引导的光Lt)的导光方向上的长度[mm]，α表示系数时，以满足下式的方式形成扩散体20：
MFP＝1/(π×A2×Qs×N)＝αZd
0.4≤α≤5。
通过这样形成扩散体20，能够在扩散体20的光出射面的导光方向整个区域再现颜色不均及明亮度不均少的自然的蓝天。
《1-2》实施方式1的结构
《光源10》
图3是概略地示出照明装置100的光源10的结构的主视图。光源10发出相关色温Tci的光。相关色温Tci例如为6500K。相关色温Tci也可以为5000K。“相关色温”是指看起来是与发光体的颜色最接近的颜色的黑体辐射的色温。光源10例如也可以是出射白色光作为相关色温Tci的光的光源。
光源10例如是具有作为1个以上的发光元件的1个以上的LED(发光二极管)的光源。如图3所示，光源10具有基板12和配置在基板12上的1个以上的LED元件即发光元件13。在图3的例子中，光源10具有排列成阵列状的多个发光元件13。多个发光元件13构成为发出相同相关色温Tci的光。
多个发光元件13也可以包含发出互不相同的相关色温Tci的光的多个LED元件。例如，多个发光元件13发出的光也可以包含由红色光、绿色光、蓝色光构成的3色的光。在该情况下，光源10包含发出红色光的LED元件、发出绿色光的LED元件以及发出蓝色光的LED元件。
另外，多个发光元件13发出的光也可以包含由白色光、绿色光、蓝色光构成的3色的光。在该情况下，光源10包含发出白色光的LED元件、发出绿色光的LED元件以及发出蓝色光的LED元件。
另外，多个发光元件13发出的光也可以包含由白色光、绿色光、蓝色光、橙色光构成的4色的光。在该情况下，光源10包含发出白色光的LED元件、发出绿色光的LED元件、发出蓝色光的LED元件以及发出橙色光的LED元件。
LED元件是发光元件13的一例。多个发光元件也可以分别能够独立地执行接通/断开控制、发光量控制以及发光颜色控制中的1个以上的控制。通过这样的控制，不仅能够表现蓝天，还能够表现傍晚或日落后的天空。
光源10能够构成为对多个发光元件13分别独立地进行接通/断开控制、发光量控制以及发光颜色控制而发出白色的光。但是，从光源10出射的光的颜色也可以是白色以外的颜色。例如，通过控制电路分别独立地控制多个发光元件13，能够调整白色光的光谱，或者出射白色以外的光。
光源10中包含的发光元件13的发光颜色的组合并不限定于上述的组合。例如，光源10能够包含发出白色光、绿色光、橙色光中的1种以上的颜色的光的发光元件13。或者，光源10能够包含发出白色光、绿色光、橙色光以及蓝色光中的1种以上的颜色的光的发光元件13。
另外，光源10可以包含发出低色温的白色光的发光元件13和发出高色温的白色光的发光元件13。在此，高色温的白色光与低色温的白色光的色温之差例如为2500K以上。高色温的白色光与低色温的白色光的色温之差也可以为4000K以上。另外，高色温的白色光与低色温的白色光的色温之差也可以为8500K。高色温的白色光的相关色温Tcwh例如为11000K。高色温的白色光的相关色温Tcwh例如为6500K以上。低色温的白色光的相关色温Tcwl例如为4000K。低色温的白色光的相关色温Tcwl例如为2000K以上。但是，在入射到光入射面21的入射光Li或各发光元件13发出的光的色温在色度图(例如CIE1931色度图)上从黑体轨迹大幅偏离而难以通过相关色温来表现的情况下，光的色温不限于上述值。
光源10以使其发光面11与扩散体20的端部对置的方式配置。扩散体20的端部是导光扩散部22的端部。在导光扩散部22为板形状的情况下，作为导光扩散部22的端部的光入射面21是与导光方向交叉的侧面，并且是与光出射面(在本例中为前表面23和背表面24)交叉的侧面。另外，在导光扩散部22为棒形状的情况下，导光扩散部22的端部是相当于棒形状的底面的侧面。
如图1和图2所示，光源10的发光面11与作为扩散体20的侧面的光入射面21对置配置。另外，光源10例如沿着扩散体20的光入射面21配置。另外，也可以沿着扩散体20的光入射面21配置多个光源10。另外，也可以沿着扩散体20的光入射面21在扩散体20的厚度方向上配置多行光源10。照明装置100也可以具有分别与扩散体20的光入射面21即第1光入射面和光入射面21的相反侧的侧面即第2光入射面对置的第1光源部和第2光源部。并且，照明装置100也可以具有分别与扩散体20的相邻于光入射面21的2个侧面对置的其他光源部。
另外，光源10也可以是考虑到ZEB(Zero Energy Building：零能耗建筑)来对外部光(例如太阳光)等进行引导而引导至扩散体20的光入射面的装置。外部光的引导能够使用光纤或导光体等。在该情况下，光纤的出射光的端面为发光面11。此外，“ZEB”是使一次能量的年消耗量为零或者无限接近零的建筑物。一次能量是化石燃料等从自然直接得到的能量源。但是，太阳光从一次能量中排除。
《扩散体20》
图4是概略地示出照明装置100的扩散体20的结构的立体图。图5是概略地示出照明装置100的扩散体20的结构的剖视图。如图4以及图5所示，扩散体20的导光扩散部22例如是板状的部件。导光扩散部22具有前表面23、作为前表面23的相反侧的面的背表面24、以及连接前表面23与背表面24之间的侧面。侧面中的1个以上为光入射面21。另外，前表面23和背表面24为光出射面。光入射面21形成于导光扩散部22的端部。
由光源10产生的入射光Li从扩散体20的导光扩散部22的光入射面21入射到导光扩散部22内。入射光Li在导光扩散部22内被引导。将在导光扩散部22内被引导的入射光Li表述为光Lt。
扩散体20的导光扩散部22具有基材27和纳米粒子26。纳米粒子26是具有纳米级的粒径的粒子。即，纳米粒子26是具有纳米[nm]级的大小的粒子。通常，纳米粒子26是具有1nm至几百nm大小的粒径的粒子。
纳米粒子26为球形，但也可以为其他形状。纳米粒子26也可以是圆球或椭圆体。纳米粒子26的粒径优选在10nm以上300nm以下的范围内。另外，纳米粒子26的粒径更优选在60nm以上且150nm以下的范围内。但是，在分散于基材27内的纳米粒子26包含多个纳米粒子的情况下等，纳米粒子26的粒径不限定于上述范围内。例如，也可以在基材27内包含作为纳米粒子26以外的粒子的、微米级的光散射粒子。另外，纳米粒子26的粒径可以为60nm以下。例如，纳米粒子26的粒径也可以在1nm以上且60nm以下的范围内。另外，导光扩散部22可以包含多种纳米粒子26，各自的粒径可以相同也可以不同。
图6是用图表示出纳米粒子26的粒径与瑞利散射的波长色散之间的关系以及纳米粒子26的粒径与散射效率之间的关系的图。图6示出作为导光扩散部22的介质的基材27的折射率为1.49、纳米粒子26的折射率为1.43的情况。在图6中，横轴表示纳米粒子26的直径[μm](即，103[nm])，左侧的纵轴表示波长色散，右侧的纵轴表示散射效率。具体而言，波长色散表示对红色波长的光的散射概率与对蓝色波长的光的散射概率之比Qs(450nm)/Qs(650nm)。具体而言，散射效率表示对波长450nm的光的散射概率(Qs(450nm))。
如图6所示，粒径越大，波长色散越低。例如，在图6记载的例子中，粒径1000nm(＝1μm)时波长色散为2.09，粒径300nm(＝0.3μm)时波长色散为2.36，粒径100nm(＝0.1μm)时波长色散为3.5，粒径10nm(＝0.01μm)时波长色散为4.34。若粒径过大，则难以选择性地取出再现天空的蓝色光。因此，从天空颜色的再现性的观点出发，粒径优选为300nm以下。
另一方面，若粒径变小，则散射效率本身变小。例如，粒径300nm时散射效率为0.024(＝2.40E-02)，粒径100nm时散射效率为0.0014(＝1.40E-02)，波长10nm时散射效率为2.25×10-11(＝2.25E-11)。若粒径过小，则难以通过光出射面取出散射光Ls。作为其对策，考虑添加大量的纳米粒子，但在该情况下，产生成本上升的问题。从以上的观点出发，纳米粒子26的粒径优选为10nm以上。
纳米粒子26例如为无机氧化物。该无机氧化物为ZnO、TiO2、ZrO2、SiO2和Al2O3等中的任意1种以上。纳米粒子26使入射光Li散射而生成散射光Ls。换言之，纳米粒子26使被引导的光Lt散射而生成散射光Ls。
在基材27中分散有纳米粒子26。纳米粒子26通过添加到基材27中而形成。基材27由使光透过的材料形成。导光扩散部22例如由包含多个纳米粒子26的基材27形成。
基材27中的导光距离5mm处的光的透射率(即，直行透射率)在设计波长下优选为90％以上。另外，该透射率更优选为95％以上。另外，该透射率进一步优选为99％以上。在此，设计波长是指从光源10出射的光的波长中的预先确定的波长。设计波长并不限定于1个波长，也可以是多个波长。在该情况下，优选上述的值在设计波长的全部中满足。例如在光源10是白色光源的情况下，设计波长例如是450nm、550nm、650nm中的任意一个。设计波长例如为450nm～650nm的范围内的波长。
基材27为固体。基材27例如由使用热塑性聚合物、热固性树脂或光聚合性树脂等的树脂板形成。另外，作为树脂板，可以使用丙烯酸类聚合物、烯烃类聚合物、乙烯基类聚合物、纤维素类聚合物、酰胺类聚合物、氟类聚合物、脲烷类聚合物、硅酮类聚合物以及酰亚胺类聚合物等中的1种以上的材料或多个材料。另外，基材27也可以是液体或液晶。
扩散体20也可以是有机/无机混合树脂。有机/无机混合树脂例如为树脂与无机氧化物的混合树脂。在该情况下，纳米粒子26是以基材27为基础通过溶胶-凝胶固化而生成的无机氧化物。另外，扩散体20例如也可以是在固体的透明基材的第1表面和第2表面中的任意一方或两方涂布包含纳米粒子26的薄膜而成的扩散体。在该情况下，薄膜是导光扩散部22。
扩散体20例如为板形状。扩散体20例如为包含由侧面连接的对置的2个面的板形状。前表面23例如是扩散体20的板形状的1个面。板形状可以是平板以外的形状。板形状也可以是弯曲的形状。板形状还可以是前表面23和背表面24中的任意一方或它们两方都弯曲的形状。弯曲的形状可以是弯曲成凸状的形状或弯曲成凹状的形状中的任意形状。在板形状的情况下，例如将前表面23和背表面24设为光出射面。
也可以在扩散体20的前表面23、背表面24以及侧面中的至少任意一个面上施加防反射涂层、防污涂层、隔热涂层等透射性的功能性涂层。
另外，扩散体20例如也可以为棒形状。棒是柱体的总称。柱体是由侧面连接2个底面的形状。光出射面例如是扩散体20的棒形状的柱体的侧面。例如，在如圆柱的棒形状那样，为无法明确区分光出射面中的前表面23与背表面24的形状的情况下，例如，也可以将光出射面(柱体的侧面)中的在设置状态下朝向观察者所在空间的部位(区域)作为前表面，将其相反侧的部位(区域)作为背表面。
在实施方式1中，对扩散体20为板形状的情况进行说明。光源10发出的入射光Li入射到作为侧面的光入射面21。光入射面21与光源10的发光面11对置地配置。
前表面23出射由纳米粒子26散射的散射光Ls。前表面23优选具有高平滑性。这是因为，在制造上，在光出射面(在该情况下为前表面23)产生了细微的伤痕或细微的凹凸的情况下，在扩散体20内被引导的光Lt从前表面23稍微漏出。
背表面24出射由纳米粒子26散射后的散射光Ls。背表面24优选具有高平滑性。这是因为，在制造上，在光出射面(在该情况下为背表面24)产生了细微的伤痕或细微的凹凸的情况下，在扩散体20内被引导的光Lt从背表面24稍微漏出。
背表面24是前表面23的相反侧的面。在扩散体20内被引导的光Lt被前表面23和背表面24反射而被引导。光Lt例如通过全反射而被引导。光Lt在扩散体20内被引导。
例如，前表面23是朝向观察者侧的面。在该情况下，从背表面24出射的散射光Ls成为损失。为了利用从背表面24出射的散射光Ls，也可以在扩散体20的背表面24侧配置反射光的光反射体。光反射体例如是白色反射体。光反射体例如是镜面。光反射体也可以是后述的背表面板40。
另外，在不想使扩散体20的背表面24侧发光的情况下，例如，在照明装置100如窗那样配置于与外界的边界的情况下，也可以在扩散体20的背表面24侧配置吸收光的光吸收体。光吸收体例如为黑色。另外，光吸收体也可以设置成能够使背表面侧的空间敞开。在该情况下，照明装置100还可以具有收纳光吸收体的收纳部。
《1-3》实施方式1的原理
《瑞利散射》
以下，对作为光的散射现象之一的瑞利散射进行说明。图7是示出由基于单一纳米粒子26的瑞利散射而产生的散射光的强度的角度分布例的图。与纳米粒子26碰撞的光例如是从光源10出射而入射至扩散体20并在扩散体20内被引导的光Lt。在图7中，+Z方向是与光Lt的行进方向平行的方向。光Lt向+Z方向行进。X方向和Y方向是与Z方向垂直的方向。
在纳米粒子26的粒径小于光(例如可见光)Lt的波长的情况下，若光Lt与纳米粒子26碰撞，则产生瑞利散射。光Lt的波长例如在380nm～780nm的范围内。具体而言，在由纳米粒子26的粒径D和光Lt的波长λ表示的尺寸参数(即系数)α满足以下的式(1)的情况下，产生瑞利散射。另外，在式(1)中，符号“·”表示相乘。
α＜＜π·D/λ…(1)
在瑞利散射中，散射截面积σ是表示产生散射的概率的参数。散射截面积σ与纳米粒子26的粒径D和光Lt的波长λ之间具有式(2)的关系。
σ∝D6/λ4…(2)
根据式(2)可知，瑞利散射中的散射截面积σ与光的波长λ的4次方成反比。因此，光的波长越短，产生瑞利散射的概率越高。
图7表示无偏振光的散射光强度分布。纳米粒子26的粒径D为100nm。粒子折射率n为1.43。基材27的折射率为1.33。光Lt的波长λ为450nm。如图7中粗实线所示，在瑞利散射中，散射光Ls在全方位大致均匀地放射。因此，即使从扩散体20的光入射面21入射光，也能够从与光入射面21大致垂直的光出射面(在本例中为前表面23和背表面24)取出散射光Ls。
《能够模拟蓝天的散射光的产生》
以下，对散射光Ls的产生原理进行说明。图8是示出在实施方式1的扩散体20中产生的散射光Ls出射的情形的图。如图8所示，从光源10发出的入射光Li从光入射面21入射到导光扩散部22内。入射的入射光Li作为光Lt在导光扩散部22内被引导。入射的光Lt被作为光出射面的前表面23和背表面24反射。这里的反射例如是全反射。
在扩散体20中传播时，光Lt的一部分与纳米粒子26碰撞。与纳米粒子26碰撞的光Lt向全方位散射。
在散射的光中，以比临界角小的入射角入射到光出射面的光作为散射光Ls从光出射面出射。例如，在散射的光中，以比临界角小的入射角入射到前表面23的光作为散射光Ls从前表面23出射。并且例如，在散射的光中，以比临界角小的入射角入射到背表面24的光作为散射光Ls从背表面24出射。临界角是在光从折射率大的介质朝向折射率小的介质时发生全反射的最小的入射角。
瑞利散射由具有比光的波长λ小的粒径的纳米粒子26产生，因此，散射光Ls的产生以纳米级产生。因此，从观察者无法目视到散射光Ls的产生源，因此，观察者(即用户)对扩散体20感觉到深度。另外，瑞利散射是各向同性地产生的散射现象，因此，散射光的强度不会根据观察者观察扩散体20的角度而变化，这也是观察者对扩散体20感觉到深度的主要原因。由此，通过利用瑞利散射，能够给观察者带来与对现实的蓝天感到的深度感同样的深度感。
如式(2)所示，在瑞利散射中，光的波长越短，产生光的散射的概率越高。由此，散射光Ls的相关色温比光源10发出的入射光Li的相关色温高。此外，在单侧入射的情况下，在形成于扩散体20内的入射光的导光路径的终端(光入射面的对置端部)附近，散射光Ls的相对色温有时比入射光低，但说到相关色温的情况下的“散射光Ls”是指从扩散体20出射的散射光Ls整体。Tci是光源10发出的入射光Li的相关色温。Tcs是散射光Ls的相关色温。
光的波长越短，发生光的散射的概率越高，因此，在入射光Li具有遍及可见光的整个区域的光谱分布的情况下，蓝色光优先散射。假设在光源10和扩散体20的设计不恰当的情况下，在包含前表面23的光出射面，在光源10的光轴方向即与光源10的发光面11垂直的方向上产生颜色不均或明亮度不均，并产生照明光的光量不足。
《扩散体20中的纳米粒子26的浓度》
以下，对扩散体20中的纳米粒子26的浓度进行说明。图9是示出实施方式1的扩散体20的光出射面(在本例中为前表面23和背表面24)上的导光方向的位置与通过光出射面出射的散射光Ls的相关色温之间的关系的图。
在与照明装置100的扩散体20的光入射面21对置的位置配置光源10的边缘入射方式中，在扩散体20中包含的纳米粒子26的浓度不恰当的情况下，产生从照明装置100出射的照明光的光量不足、以及光出射面(例如，前表面23和背表面24)的面内的颜色不均或者明亮度不均。
例如，在扩散体20中包含的纳米粒子26的浓度低于恰当的浓度范围的情况下，在扩散体20内被引导的光Lt与纳米粒子26碰撞的概率变低。由于在扩散体20内被引导的光Lt与纳米粒子26碰撞而产生散射光Ls，因此，若光Lt与纳米粒子26碰撞的概率变低，则从扩散体20出射的散射光Ls的光量变低。
另外，在扩散体20中包含的纳米粒子26的浓度高于恰当的浓度范围的情况下，产生光出射面的面内的颜色不均或明亮度不均。如式(2)所示，在瑞利散射中，光的波长越短，产生光的散射的概率越高。因此，在扩散体20内被引导的光Lt的导光距离越长，与长波长成分相比，短波长成分衰减程度越大。
Tch是从接近光入射面21的光出射面的区域出射的散射光Ls的相关色温。Tcl是从远离光入射面21的光出射面的区域出射的散射光Ls的相关色温。因此，相关色温Tch高于相关色温Tcl。这是因为，在扩散体20内被引导的光Lt的散射次数随着远离光入射面21而增加，因此，相关色温Tcl低于相关色温Tch。由此，导光距离越长，在扩散体20内被引导的光Lt的波长成分越向长波长侧变化。因此，导光距离越长，散射光Ls也越向长波长侧变化。
由此，在扩散体20中，在光出射面的面内，在光源10的光轴方向(即，图9中的Z方向)上产生散射光Ls的颜色不均。关于明亮度不均，越接近光入射面21，从光出射面出射的散射光Ls的光量越多，因此，在光出射面的面内，越接近光入射面21越亮，随着远离光入射面21而变暗。由此，在扩散体20中，在光出射面的面内，在光源10的光轴方向上产生散射光Ls的明亮度不均。此外，由于上述理由，在产生颜色不均、明亮度不均这一点上，例如，即使是使从背表面24出射的散射光Ls在背表面板等折返而再次入射到扩散体20内并从前表面23出射的结构也同样如此。
为了恰当地设计扩散体20中包含的纳米粒子26的浓度，需要考虑平均自由行程MFP(Mean Free Path)[mm]与扩散体20在光源10的光轴方向上的长度Zd[mm]之间的关系。
通常，在扩散体20内传播的光Lt不由纳米粒子26散射而传播的距离被定义为平均自由行程MFP。“MFP较短”意味着在扩散体20内被引导的光Lt由纳米粒子26散射的次数较多。相反，MFP较长意味着在扩散体20内被引导的光Lt由纳米粒子26散射的次数较少。
另一方面，在照明装置100中，需要在光出射面内抑制明亮度不均和颜色不均。明亮度不均和颜色不均在与扩散体20的光入射面21对置配置的光源10的光轴方向上产生。光Lt主要在扩散体20的光轴方向上被引导，因此，光Lt遍及扩散体20在光轴方向上的长度Zd地以多少的频度与纳米粒子26碰撞成为问题。在扩散体20中包含的纳米粒子26的浓度比恰当的浓度高的情况下，在光轴方向上，颜色随着远离光入射面21而大幅变化，被观察者捕捉为颜色不均。
明亮度也同样地，在扩散体20中包含的纳米粒子26的浓度比恰当的浓度高的情况下，在光轴方向上，明亮度随着远离光入射面21而大幅衰减，被观察者捕捉为明亮度不均。
这样，在扩散体20中包含的纳米粒子26的浓度未被恰当地设计的情况下，在照明装置100中，产生光量不足，并在光出射面的面内产生颜色不均或明亮度不均，不适合作为照明装置。因此，需要恰当地设计扩散体20中包含的纳米粒子26的浓度。
为了抑制如上所述的扩散体20中包含的纳米粒子26的浓度不恰当导致的光量不足、以及颜色不均或明亮度不均，优选扩散体20中的纳米粒子26的浓度即单位体积中的纳米粒子26的个数N[个/mm3]，满足相对于设计波长的光的平均自由行程MFP[mm]与扩散体20在导光方向上的长度Zd[mm]的关系式(3)。此时，系数α是长度Zd相对于MFP的比例。在此，求出MFP时的波长(设计波长)为550nm。
此外，作为设计波长，除了550nm以外，例如能够设定为450nm～650nm的范围内的任意波长，但MFP(更具体而言，Qs)是与上述的散射截面积σ处于相关关系的参数，若光的波长λ变化，则MFP产生波长变化量的4次方的变化。因此，在将设计波长设为550nm以外的情况下，需要将本申请所示的α的优选范围变更为考虑到相对于波长550nm的变化的4次方的值。
在实施方式1中，以满足下式的方式形成扩散体20：
MFP＝1/(βN)＝αZd…(3)
β＝π×A2×Qs
0.4≤α≤5。
在此，A是纳米粒子26的平均粒径[mm]，Qs是由纳米粒子26和基材27的组合决定的散射效率[无量纲]。
纳米粒子26的平均粒径例如是体积平均粒子半径(即，以体积加权后的平均半径)。纳米粒子26的粒度分布可以是单色散的分布、不是单色散的分布中的任意一种。在不是单色散(即，有色散)的分布的情况下，也可以用平均粒径计算MFP。扩散体20中包含的纳米粒子26也可以是多个不同粒径的粒子。另外，在包含不同粒径的纳米粒子26的情况下，也可以将平均粒径A作为体积平均粒径来计算上述MPF。
另外，也可以使系数α的范围根据照明装置的用途而变化。例如，在重视光利用效率的情况下，也可以将长度Zd相对于MFP的比例α设为3.2以下(例如，0.4≤α≤3.2的范围)。如果系数α在上述的范围内，则能够使由散射光Ls的光束[lm]相对于从光源10出射的入射光Li的光束[lm]的比例表示的光利用效率为10％以上(更具体而言为10～50％左右)。另外，若将系数α设为1.47以下，则能够使光利用效率为20％以上。进而，如果使系数α为0.085以下，则能够使光利用效率为30％以上。在此，光利用效率下的散射光Ls是指从扩散体20的光出射面(在图4和图5所示的例子中为前表面23和背表面24)出射的散射光Ls。
并且例如，在想要重视抑制照明装置100的扩散体20的光出射面的面内的颜色不均或明亮度不均的情况下，也可以将系数α设为0.72以上(例如，0.72≤α≤5的范围)。在上述系数α的范围内，光利用效率为5％～20％左右，但能够进一步降低颜色不均和明亮度不均。例如，如果系数α为0.72以上，则在后述的两侧入光结构中，能够使以其他位置(周边位置等)相对于光出射面的中心位置处的色度(中心色度)的色度差的最大值表示的颜色变化[无量纲]为0.04以下。另外，如果是单侧入光结构，则通过将系数α设为1.23以上，成为同样的效果。并且例如，如果在两侧入光结构中使系数α为1.6以上，在单侧入光结构中使系数α为1.2以上，则能够使颜色变化为0.02以下。因此，例如，即使在长度Zd变长的情况下，也能够抑制颜色不均或明亮度不均而良好地再现天空。
上述α的优选范围不依赖于长度Zd。但是，长度Zd越大，越难以在没有上述关系式那样的指标的状态下，一边考虑颜色不均/明亮度不均的降低、光利用效率这样的多个设计参数一边进行粒子浓度的调整。因此，长度Zd越大的扩散体20，上述关系式所示的条件越适合应用。例如，长度Zd可以为50mm～2000mm。
此外，在扩散体20具有长度不同的多个侧面的情况下，也可以将光入射面21设置于长度短的端部。例如，如果是主表面(例如，前表面23和背表面24)为具有长边和短边的长方形的板状的扩散体20，则也可以以短边的长度成为长度Zd的方式，与长边侧的侧面对置地设置光源。
另外，形成光入射面21的端部不限于1个。例如，光入射面21也可以形成于扩散体20的第1端部21a(例如侧面)和位于第1端部的相反侧的第2端部21b(例如侧面)。在该情况下，光源也可以配置成包含多个发光元件，使入射光Li分别入射到形成于第1端部21a的第1光入射面和形成于第2端部21b的第2光入射面。
这样，通过设为以与扩散体20的多个侧面中的、彼此位于相反侧的2个光入射面21对置的方式配置光源10的结构(两侧入光)，能够得到抑制包含前表面23在内的光出射面中的颜色不均或明亮度不均的效果。因此，如果在彼此位于相反侧的2个端部21a、21b设置光入射面，则与单侧入光相比，能够增大系数α的下限值(约2倍的值)。即，能够满足将纳米粒子26的添加浓度设定得较高而提高光的利用效率的条件。与此相对，在仅在扩散体20的多个侧面中的1个侧面配置光源10的结构(单侧入光)的情况下，无法通过来自相反侧的光入射来弥补导光方向上的颜色不均或明亮度不均，因此，应用系数α的值比两侧入光大的条件即纳米粒子26的添加浓度低的条件。另外，如后述的实施例所示，在光利用效率中不产生两侧入光与单侧入光的差异，因此，无论是两侧还是单侧，都能够设定α的范围(特别是上限)。
另外，以照明装置100的光量增加为目的，在使光源10与长方形的扩散体20的垂直的2个以上的侧面对置配置等配置于长度Zd不同的端部的情况下，作为式(3)中的扩散体20的光轴方向的长度Zd，优选应用更长的值。由此，在扩散体20内的任意的导光方向上都能够减少颜色不均或明亮度不均。
该情况下，在将长边的长度设为Llong，短边的长度设为Lshort时，更优选满足以下的关系。
Lshort＞0.08Llong…(4)
这是因为，如果将长度Zd作为侧面的短边长度来设定浓度，则对于从将长边作为光轴方向的光源10出射的光Lt而言，纳米粒子26的浓度变浓，因此容易产生颜色不均或明亮度不均。另外，在2个以上的侧面配置有光源10的情况下，光利用效率为针对各光源10的光利用效率的平均值。
另外，在扩散体20是相对于从前表面23(或背表面24)朝向背表面24(或前表面23)的方向的厚度Yd[mm]，扩散体20的长度Zd相对足够大的薄型平板形状的情况下，光利用效率以及颜色不均或明亮度不均依赖于长度Zd和MFP，能够忽略厚度Yd的影响。但是，根据长度Zd与厚度Yd之间的大小关系，有时无法忽视厚度Yd的影响。
例如，在厚度Yd比长度Zd大的情况下，为了使由纳米粒子26散射的散射光Ls从前表面23或背表面24出射，必须在相当于厚度Yd的距离内导光，在到达前表面23或背表面24之前产生进一步的散射。因此，从前表面23或背表面24出射的散射光Ls的相关色温相对于期望的相关色温变低，无法得到期望的相关色温的散射光Ls。因此，为了能够忽略厚度Yd的影响，厚度Yd相对于扩散体20的长度Zd的比例为0.25％～20％，更优选为0.5％～10％。
然而，在将光源配置于扩散体的背表面侧的照明装置(即，背表面投射型的照明装置)中，为了使观察者将位于扩散体20的背表面的光源目视成太阳，从扩散体20出射模拟作为照明光而直射的太阳光的暖色度的直行光和用于将光出射面目视成蓝天的蓝色散射光。为了再现这样的包含太阳光和蓝色散射光的自然的蓝天，光源限定于波长分布接近太阳光谱的白色光源，并且瑞利扩散体的最佳浓度根据散射光的色度被决定成能够对来自该光源的光表现出恰当的波长色散的浓度。即，在背表面投射方式中，能够用于再现自然的蓝天的光源限定于具有接近太阳光的光谱的白色光源，瑞利扩散体中的纳米粒子的最优浓度由使白色光源入射到扩散体20时的散射光的色度决定。
在实施方式1采用的边缘入射方式中，有时仅由散射光构成照明光。在该情况下，光利用效率的理解方式不同，在边缘入射方式中，需要仅通过散射光得到作为照明的充分的光量。另外，在以往的投射方式中，扩散产生体的导光方向与出射方向(与光出射面大致垂直的方向)所成的角度小，不易目视到基于扩散产生体在导光方向上的长度或纳米粒子浓度的颜色不均或明亮度不均，但在边缘入射方式中，导光方向与出射方向所成的角度大(大致垂直)，根据导光方向的长度或纳米粒子浓度，颜色不均或明亮度不均显著地出现。
另外，在边缘入射方式中，观察者不会直接目视到光源，因此，能够利用的光源颜色没有限制。因此，能够将瑞利扩散体中的纳米粒子的浓度与散射光的色度分开考虑，能够根据想要实现的特性使纳米粒子浓度和光源特性最优化。
如上所述，在实施方式1中，在考虑到作为边缘入射方式特有的问题的光利用效率的降低和明亮度不均、颜色不均的基础上，发现了扩散体20中的纳米粒子26的最佳浓度、扩散体20在光轴方向上的长度Zd以及平均自由行程MFP之间的关系。根据该关系，通过恰当地设定扩散体20中的纳米粒子26的浓度，照明装置100能够在各种尺寸或形状下实现作为照明的充分光量，并且抑制扩散体20的光出射面的面内的颜色不均或明亮度不均。
另外，在用于表现自然日落的用途的情况下，上述的系数α的范围并不限定于此。例如，在利用照明装置100作为设想设置于壁面的纵长(即，在从地板朝向天花板的方向上较长)的缝隙状的窗的情况下，也可以相对于扩散体20在短边方向上的长度Zd设定纳米粒子26的添加浓度。由此，在白天，通过点亮扩散体20的侧面中的长边侧具有的光源10来表现蓝天，在傍晚，通过点亮侧面中的短边侧例如天花板侧具有的光源10来表现例如越朝向地板侧则散射光Ls的相关色温越低，越接近地平线则红色越增加的自然的日落天空。
《光源10中的多个颜色的发光元件13的利用》
以下，对光源10具有多个颜色的发光元件13带来的进一步的效果进行说明。图10是在CIE1931色度图上示出在扩散体20中产生的散射光的色度的一例的图。
在背表面投射方式中，由于光源被观察者目视到，因此，能够利用的光源限于接近太阳光光谱的白色光源。例如，无法实现通过使光源颜色变化来再现天空图案变化那样的、照明的颜色变化。与此相对，在边缘入射方式中，观察者直接看不到光源10，因此，光源10具有的发光元件13能够使用多个颜色，通过实现照明光的颜色变化，例如能够再现天空图案的变化或者每个地域的蓝天的色调变化等。
光源10具有2个以上的发光颜色不同的发光元件13。在光源10具有发出互不相同的3种颜色的光的发光元件13(在图10中，标记为光源#1、#2、#3)的情况下，设计成在使各发光元件13单独点亮的情况下，在用直线连接扩散体20的光出射面在导光方向上的中心位置处的散射光Ls的色度(xas、yas)、(xbs、ybs)、(xcs、ycs)的区域内包含设计色度(xp、yp)。另外，在图10中，色度(xa、ya)、(xb、yb)、(xc、yc)是光源#1、#2、#3发出的光的色度。另外，(xp、yp)表示与实际的蓝天对应的色度。
另外，在具有3个以上的发光颜色不同的光源的情况下也同样如此。即，设计扩散体20，使得在使各发光元件13单独点亮的情况下，设计色度(xp、yp)包含在分别用直线连接扩散体20的光出射面在导光方向上的中心位置处的散射光Ls的色度(xas、yas)、(xbs、ybs)、(xcs、ycs)、…的区域内。
在此，如图10所示，包含设计色度是指，在将包含使各发光元件13单独点亮的情况下产生的光出射面在导光方向上的中心位置的中心部处的散射光Ls的各色度绘制在色度图上时，设计色度(xp、yp)包含在由将绘制出的各色度的点连接的直线(例如，图10中的虚线)包围的区域γ(例如，图10中的三角形的区域)内或直线上。
另外，直线上也包含在区域γ内。在光源10例如具有2个不同的发光元件13的情况下，如下设计光源10即可：在使各发光元件13单独点亮的情况下，设计色度(xp、yp)存在于连接扩散体20的光出射面的中心部处的散射光Ls的色度(xas、yas)、(xbs、ybs)的直线上。设计色度也被称作目标色度。
作为一例，在使用发出高色温例如6500K的入射光Li的光源10时，若使低色温例如3000K的入射光Li入射到设计成产生与蓝天相同程度的色温的散射光Ls的扩散体20，则从扩散体20出射的散射光Ls成为比蓝天的色温低的色温。因此，通过恰当地选择使用的光源的色温，能够将散射光Ls的色温控制成与白色相同程度的色温例如5000K。另外，在上文中，示出考虑颜色不均而通过中心部的散射光Ls的各色度包含设计色度(xp、yp)的调整例，但例如也可以代替中心部的散射光Ls的各色度，而将使各颜色的发光元件单独点亮时从扩散体20的光出射面出射的散射光Ls的面内的平均色度分别设为(xas、yas)、(xbs、ybs)、(xcs、ycs)、…。
另外，光源10不一定需要为了发出多个颜色的光而包含多个发光元件13。例如，在仅模拟蓝天的情况下，也可以仅使用发出中心部处的散射光Ls的色度或散射光Ls的面内的平均色度成为设计色度的颜色的光的光源10。这样的光源10例如能够通过对发出蓝天颜色的光的发光元件定制荧光体而成的1个LED光源来实现。
在此，为了再现晴天时的自然的蓝天颜色，设计色度优选为
(xp、yp)＝(0.25、0.27)，
各成分即xp和yp的偏差优选为±0.03以内，更优选为±0.01以内。换言之，为了再现晴天时的自然的蓝天颜色，设计色度优选为
(xp、yp)＝(0.25±0.03、0.27±0.03)，
更优选为：
(xp、yp)＝(0.25±0.01、0.27±0.01)。
设计色度根据个人的喜好等而取各种值，例如，为了再现比实际更接近记忆色的蓝天的颜色，设计色度优选为
(xp、yp)＝(0.23、0.23)。
这样，光源10只要是在色度图上通过单独点亮各发光元件13时的扩散体20的光出射面的中心部处的色度包含设计色度(xp、yp)的颜色的发光元件13的组合即可。但是，设计色度(xp、yp)不限于1个，因此，在日落天空或多云天空等存在多个想要用光出射面表现的颜色的情况下，更优选包含全部目标色度(xp1、yp1)、(xp2、yp2)、…。
在模拟自然天空的用途中，如已经说明的那样，光源10更优选为包含蓝色、绿色、白色的发光元件13的组合，进一步优选为蓝色、绿色、白色的发光元件13的组合。并且例如，为了表现日落，也可以组合橙色的发光元件13。
通过光源10具有多个颜色的发光元件13，照明装置100能够再现自然的蓝天的颜色，并且，能够表现在色度图上单独点亮各发光元件13时的扩散体20的光出射面的中心部处的色度中包含的全部颜色。因此，能够表现各种天空图案或基于时间段的天空颜色的差异。例如，在光源10具有蓝色的发光元件、绿色的发光元件、白色的发光元件的情况下，通过相对于表现白天的蓝天的色度例如(0.25、0.27)时的各色的光量的比率，提高白色的光量的比率，例如能够表现多云天空的色度。另外，通过相对于表现蓝天时的各色的光量的比率，提高蓝色光的光量的比率，例如能够表现傍晚或日落后的天顶附近的天空的色度。
这样，通过根据MFP与扩散体20在光源10的光轴方向上的长度Zd之间的关系式恰当地设计扩散体20中的纳米粒子26的添加浓度，照明装置100能够确保作为照明装置所需的明亮度，并且抑制扩散体20的光出射面中的颜色不均或明亮度不均。并且，通过在光源10具有的发光元件13中具有多个颜色的发光元件13，不仅能够表现自然的蓝天的颜色，还能够表现各种天空图案或基于时间段的天空颜色的差异。
作为一例，若使低色温例如3000K的入射光Li入射到被设计成在使用发出高色温例如6500K的入射光Li的光源10(发光元件13)时产生与蓝天相同程度色温的散射光Ls的扩散体20，则从扩散体20出射的散射光Ls成为比蓝天的色温低的色温。因此，通过恰当地选择使用的光源的色温，能够将散射光Ls的色温控制成与白色相同程度的色温例如5000K。
此外，利用上述的发出不同颜色的多个发光元件从扩散体20产生期望色调的散射光时的、基于中心部或平均的散射光的各色度与目标色度之间的关系的光源设计方法也能够应用于模拟蓝天的用途以外的用途。
《1-4》实施方式1的效果
如以上说明的那样，根据实施方式1的扩散体20以及照明装置100，能够再现好像有窗那样自然的蓝天。
另外，扩散体20例如能够设为100mm以下的薄型构造，能够在室内表现具有深度感的蓝天和自然光。
并且，通过利用自动设定来改变颜色互不相同的多个LED元件的发光量的控制，不仅能够再现蓝天，还能够再现日出或日落等。
《2》实施方式2
图11是概略地示出实施方式2的照明装置110的结构的剖视图。在图11中，针对与图8所示的结构要素相同或者对应的结构要素，标注与图8所示的标号相同的标号。实施方式2的照明装置110在具有背表面光源30和背表面板40这一点上，与实施方式1的照明装置100不同。除了这一点以外，实施方式2的照明装置110与实施方式1的照明装置100相同。
背表面光源30配置在扩散体20的背表面24侧，向背表面板40出射光Lb。背表面光源30例如也可以与液晶显示器中的直下型背光源同样地，具有光轴方向为与扩散体20的光出射面大致垂直的方向的多个发光元件。背表面板40配置在背表面光源30与扩散体20的背表面24之间。背表面板40例如也可以具有棱镜片那样的光偏转元件。背表面板40也可以具有使光扩散的扩散板。
另外，背表面光源30例如也可以与液晶显示器中的边缘型背光源同样地，具有使光轴方向与扩散体20的光出射面大致平行的发光元件、和对从发光元件发出的光Lb进行引导的导光板。进而，也可以在导光板与扩散体20之间具有例如棱镜片那样的光偏转元件或使光扩散的扩散板。
背表面板40具有使从背表面光源30发出的光的至少一部分透过并向扩散体20的背表面24入射的透光性。背表面板40的扩散体20侧的表面例如也可以是白色，以对从扩散体20的背表面24出射的光进行扩散反射。另外，背表面板40也可以是吸收从扩散体20的背表面24出射的光的光吸收体。另外，也可以在背表面板40上例如像云的插图那样描绘插图。
背表面板40也可以具有在厚度方向上贯通背表面板40的多个细孔41。细孔41的与背表面板40的厚度方向垂直的面的截面形状例如可以是圆形或椭圆形。细孔41的截面形状也可以是其他形状。另外，细孔41的内表面的表面特性可以与背表面板40的扩散体20侧的表面相同，例如具有散射特性，也可以与该表面不同，例如具有光吸收特性。另外，细孔41例如直径为5mm以下。另外，细孔41的直径更优选为3mm以上且5mm以下。
图12是概略地示出实施方式2的照明装置110的控制系统的结构的框图。如图12所示，照明装置110具有光源10、作为驱动光源10的驱动电路的驱动部51、背表面光源31、作为驱动背表面光源31的驱动电路的驱动部52、以及控制驱动部51、52的控制部50。控制部50也可以由专用的处理电路构成。另外，控制部50也可以通过存储有程序的存储器和作为执行程序的处理装置的处理器来实现。
从背表面光源30出射的光Lb朝向背表面板40前进，通过背表面板40的细孔41，从扩散体20的背表面24入射到扩散体20。从扩散体20的背表面24入射的光Lb从扩散体20内的前表面23出射。此时，控制部50控制光源10具有的各颜色的发光元件13的输出，以使扩散体20的光出射面(特别是前表面23)的中心部处的色度接近日落后的天空的色度。当通过以这样的色温发光的扩散体20观察通过背表面板40具有的细孔41后的光时，观察者能够感觉仿佛正在看星星。另外，通过背表面光源30具有多个色温的LED元件，能够模拟在实际的星空中目视到的星星的颜色差异。另外，通过使背表面光源30闪烁，能够模拟在实际的星空中目视到的星星的眨眼，观察者能够感觉到更自然的天空。
实施例
例1.
以下，使用具体的数值来表示实施方式1的扩散体20的例子。例1的扩散体20是具有正方形的主表面的板形状的扩散体，是一边的长度为600mm(因此，长度Zd＝600mm)、厚度Yd＝5mm的扩散体。另外，扩散体20的基材(基材27)的折射率为1.49，粒子的折射率为1.43，粒径为100nm。
例1的扩散体20是仅在构成扩散体20的正方形的主表面的一边的端部(1个侧面)设置光入射面21的单侧入射结构。
在图13的(a)和(b)中示出朝向这样的扩散体20的1个端部(光入射面21)入射来自作为光源10的相关色温为6500K的白色光源的光时的光利用效率OE、颜色变化Δu’v’以及照度变化V/P的仿真结果。图13的(a)和(b)是表示例1的扩散体20的α与光利用效率、颜色变化或照度变化之间的关系的图表。另外，图13的(a)是表示相对于α的变化的颜色变化和光利用效率的变化的图表。图13的(b)是表示相对于α的变化的照度变化和光利用效率的变化的图表。在仿真中，改变α的条件(换言之，粒子浓度的条件)来进行计算。
在此，光利用效率OE是从光出射面(在本例中为前表面23和背表面24)出射的散射光Ls的光束[lm]相对于入射光Li的光束[lm]的比例。另外，颜色变化Δu’v’是其他位置相对于光出射面的中心位置处的色度(中心色度)的色度差的最大值。另外，照度变化V/P是光出射面处的照度的最小值相对于照度的最大值的比例。另外，关于上述的光利用效率OE、颜色变化Δu’v’以及照度变化V/P，设想将从背表面24出射的散射光Ls折返来利用，将散射光Ls整体的光量设为从前表面23出射的散射光Ls的量的2倍来计算。
如图13的(a)和(b)所示，例如，在对本例的扩散体20进行单侧入光的结构的照明装置100中，通过在0.4≤α≤5的范围内以满足式(3)的方式调整粒子浓度，能够使颜色变化Δu’v’为0.10以下，使光利用效率OE为0.06以上(6％以上)，使照度变化V/P为0.23以上(23％以上)。
并且例如，在重视光利用效率的情况下，如果设为0.4≤α≤3.15而以满足式(3)的方式调整粒子浓度，则能够使光利用效率OE为0.1以上。另外，如果进一步为α≤1.47，则能够使光利用效率OE为0.2以上，如果α≤0.085，则能够使光利用效率OE为0.3以上。
并且例如，在重视颜色变化或照度变化的情况下，如果设为1.23≤α≤5而以满足式(3)的方式调整粒子浓度，则能够使颜色变化Δu’v’为0.04以下。另外，能够使照度变化V/P为0.55以上。另外，如果进一步为1.6≤α，则能够使颜色变化Δu’v’为0.02以下，使照度变化V/P为0.67以上。
进而例如，在重视光利用效率、颜色变化以及照度变化的平衡的情况下，如果在1.23≤α≤1.47的范围内以满足式(3)的方式调整粒子浓度，则能够使光利用效率OE为0.2以上，使颜色变化为0.04以下且使照度的变化率V/P为0.67以上。
例2.
例2的扩散体20是与例1的扩散体20相同的形状以及原材料，但不同点在于，是在构成扩散体20的正方形的主表面的对置的两边的端部(对置的2个侧面)设置有光入射面21的两侧入射结构。
在图14的(a)和(b)中示出朝向这样的扩散体20的对置的2个端部(光入射面21)入射来自作为光源10的相关色温为6500K的白色光源的光时的光利用效率OE、颜色变化Δu’v’以及照度变化V/P的仿真结果。图14的(a)和(b)是表示例2的扩散体20的α与光利用效率、颜色变化或照度变化之间的关系的图表。另外，图14的(a)是表示相对于α的变化的颜色变化和光利用效率的变化的图表。图14的(b)是表示相对于α的变化的照度变化和光利用效率的变化的图表。在仿真中，改变α的条件(换言之，粒子浓度的条件)来进行计算。
如图14的(a)和(b)所示，例如，在对本例的扩散体20进行两侧入光的结构的照明装置100中，通过在0.4≤α≤5的范围内以满足式(3)的方式调整粒子浓度，能够使颜色变化Δu’v’为0.09以下，使光利用效率OE为0.06以上(6％以上)，使照度变化V/P为0.77以上(70％以上)。
并且例如，在重视光利用效率的情况下，如果设为0.4≤α≤3.2而以满足式(3)的方式调整粒子浓度，则能够使光利用效率OE为0.1以上。另外，如果进一步为α≤1.47，则能够使光利用效率OE为0.2以上，如果α≤0.085，则能够使光利用效率OE为0.3以上。
并且例如，在重视颜色变化或照度变化的情况下，如果设为0.72≤α≤5而以满足式(3)的方式调整粒子浓度，则能够使颜色变化Δu’v’为0.04以下。另外，能够使照度变化V/P为0.90以上。另外，如果进一步为1.2≤α，则能够使颜色变化Δu’v’为0.02以下，使照度变化V/P为0.95以上。
进而例如，在重视光利用效率、颜色变化以及照度变化的平衡的情况下，如果在0.72≤α≤1.47的范围内以满足式(3)的方式调整粒子浓度，则能够使光利用效率OE为0.2以上且使颜色变化为0.04以下。进而，能够使照度变化V/P为0.90以上。
《3》实施方式3
图15是概略地示出实施方式3的照明装置130的结构的立体图。图16是概略地示出照明装置130的结构的剖视图。在实施方式3中，说明扩散体20a在其内部(即，在导光扩散部22a内)，纳米粒子26的浓度(即，每单位体积的粒子数N[个/mm3])具有分布的例子。
如图15或图16所示，照明装置130具有光源10、扩散体20a和具有开口61的框架60。照明装置130采用以与位于扩散体20a的端部的侧面即光入射面(第1端部21a)对置的方式配置光源10的边缘入射方式。扩散体20a具有作为光入射面的第1端部21a、导光扩散部22a、作为第1光出射面的扩散光出射面23a、24a。框架60以其开口61与扩散光出射面23a相对的方式配置。例如，框架60的外形为矩形，开口61也为矩形。但是，框架60的形状及开口61的形状并不限定于图15或图16所示的形状。
从光源10的发光面11发出的光入射到作为光入射面的第1端部21a。导光扩散部22a具有作为介质的基材和存在于基材中的多个纳米粒子26(例如图5所示)。导光扩散部22a通过对入射光进行引导并由纳米粒子26散射而生成散射光Ls。散射光Ls通过开口61出射。
扩散体20a也可以在至少1个侧面的附近具有纳米粒子26的浓度低的区域28。如图15或图16所示，在导光扩散部22a的前表面即扩散光出射面23a的面积比照明装置130具有的框架60的开口61的面积大的情况下，将无法通过开口61目视到的区域28设为纳米粒子26的浓度低的区域，由此能够抑制区域28的发光，提高照明装置130整体的光的利用效率。即，如果导光扩散部22a的无法通过开口61目视到的区域28中的纳米粒子26的浓度，为导光扩散部22a的能够通过开口61目视到的区域的纳米粒子26的浓度，则能够增加从扩散光出射面23a通过开口61出射的散射光Ls，因此光的利用效率提高。
另外，区域28也可以是设置于导光扩散部22a的至少1个侧面附近的不具有纳米粒子26的区域。例如，在图15和图16的例子中，还能够在导光扩散部22a的无法通过开口61目视到的部分设置不具有纳米粒子26的区域28。这样，也能够抑制区域28中的发光，能够提高作为照明装置130整体的光的利用效率。
无法通过开口61目视到的区域28不用于出射模拟蓝天的散射光Ls的用途，因此，也可以将除了这样的区域28以外的导光扩散部22a在导光方向(Z方向)上的长度设为上述的Zd。另外，在区域28为不具有纳米粒子26的区域的情况下，作为光入射面的第1端部21a也可以不必设置于导光扩散部22a的端部。即，扩散体20a只要是光经由不具有纳米粒子26的区域28入射至导光扩散部22a的结构，则也可以是与图16所示的结构不同的结构。另外，从能够高精度地控制要引导的光的强度和朝向的方面考虑，不具有纳米粒子26的区域28更优选设置于设有光入射面的第1端部21a以外的侧面。
另外，也可以将上述的长度Zd设为除了区域28以外的导光扩散部22a的长度。例如，也可以将上述的导光扩散部22a在光源10的光轴方向上的长度Zd设为导光扩散部22a中的除了区域28以外的部分在光轴方向上的长度。
《4》实施方式4
图17是概略地示出实施方式4的照明装置140的结构的剖视图。如图17所示，照明装置140具有光源10、扩散体20以及光取出部70。扩散体20具有作为光入射部的光入射面21、导光扩散部22、作为扩散光出射面(第1光出射面)的前表面23和背表面24、以及作为光出射部的第2光出射面25。
从光源10的发光面11发出的光入射到光入射面21。导光扩散部22具有作为介质的基材和存在于基材中的多个纳米粒子26(例如图5所示)。导光扩散部22通过对入射光进行引导并由纳米粒子26散射而生成散射光Ls。导光扩散部22在其端部具有光入射面21，在与光入射面21对置的面具有第2光出射面25。光源10配置于扩散体20的端部，从光源10的发光面11出射的光从光入射面21入射至导光扩散部22的内部，在导光扩散部22的内部被引导并从第2光出射面25出射。或者，从光源10的发光面11出射的光从光入射面21入射至导光扩散部22的内部，在导光扩散部22的内部被引导，并被导光扩散部22中包含的作为光散射粒子的纳米粒子26散射，散射光(即，扩散光)Ls的一部分从作为导光扩散部22的扩散光出射面的前表面23出射。从第2光出射面25出射的光的相关色温比从前表面23出射的光的相关色温低。
在此，从第2光出射面25出射的光的至少一部分被设置于第2光出射面25附近的光取出部70向与散射光Ls相同的方向(在图17的例子中，是与导光方向垂直且朝向前表面23侧的方向)出射。光取出部70为了控制出射光(即，在导光扩散部22的内部被引导并从第2光出射面25出射的出射光)的折射、反射、扩散、透射等，例如形成有透镜、反射镜、薄膜、表面涂装等，具有使从第2光出射面25出射的出射光朝向特定的方向的功能。在图17的例子中，特定的方向是与导光方向垂直的方向(-Y方向)，并且是朝向前表面23侧的方向，例如是朝向房间侧的方向。
作为具体例，从第2光出射面25出射的光是在角度方向上具有扩展的散射光，为了将该光以朝向特定的方向的方式偏转而取出到房间侧，将光取出部70设为反射镜，并且使反射镜的反射面具有曲率。通过这样的结构，由光取出部70反射的光被控制成大致平行光，能够向朝向前表面23侧的方向即特定的方向行进。
另外，为了实现由位于前表面23侧的人观察光取出部70的情况下不晃眼的结构，例如优选使光取出部70具有扩散功能。在该情况下，能够抑制人感到的晃眼，并且能够将由光取出部70扩散的光取出到前表面23侧。
在本申请中，“平行”、“垂直”等的表示部件的位置、部件间的位置关系或者部件的形状的用语表示的范围是考虑到制造上的公差和组装上的偏差等的范围。因此，在本申请中，在使用“平行”、“垂直”等的表示部件的位置、部件间的位置关系或者部件的形状的用语的情况下，这些用语表示的范围是指考虑到制造上的公差和组装上的偏差等的范围。
标号说明
100、110、130、140：照明装置；10：光源；11：发光面；12：基板；13：发光元件；20、20a：扩散体；21：光入射面；21a：第1端部(侧面)；22：导光扩散部；23：前表面；23a：扩散光出射面；24：背表面；25：第2光出射面；26：纳米粒子；27：基材；30：背表面光源；40：背表面板；41：细孔；60：框架；70：光取出部；Li：入射光；Lt：被引导的光；Ls：散射光；Tci、Tcs、Tch、Tcl：相关色温；N：纳米粒子的浓度；A：纳米粒子的平均粒子半径；Qs：散射效率；MFP：平均自由行程；Zd：扩散体的长度；Yd：扩散体的厚度。

Claims (20)

1.一种扩散体，其特征在于，该扩散体具有：
光入射面，从光源发出的光作为入射光入射到该光入射面；
导光扩散部，其包含介质和存在于所述介质中的纳米粒子，通过对所述入射光进行引导并由所述纳米粒子散射而生成散射光；以及
第1光出射面，其出射所述散射光，
所述散射光的相关色温比所述入射光的相关色温高，
当N表示所述导光扩散部的单位体积中包含的所述纳米粒子的粒子数[个/mm3]，A表示所述纳米粒子的平均粒子半径[mm]，Qs表示由所述纳米粒子与所述导光扩散部的介质的组合决定的散射效率，π表示圆周率，MFP表示相对于波长550nm的光的平均自由行程[mm]，Zd表示所述导光扩散部在所述入射光的导光方向上的长度[mm]，α表示系数时，满足：
MFP＝1/(π×A2×Qs×N)＝αZd
其中，0.4≤α≤5。
2.根据权利要求1所述的扩散体，其特征在于，
所述光入射面形成于所述导光扩散部的端部。
3.根据权利要求1或2所述的扩散体，其特征在于，
所述导光扩散部的厚度Yd相对于所述长度Zd的比例为0.25％以上且20％以下。
4.根据权利要求1～3中的任意一项所述的扩散体，其特征在于，
所述系数α为3.2以下。
5.根据权利要求1～3中的任意一项所述的扩散体，其特征在于，
所述系数α为0.72以上。
6.根据权利要求1～5中的任意一项所述的扩散体，其特征在于，
在所述光入射面仅设置于所述导光扩散部的彼此位于相反侧的2个端部中的一方的情况下，所述系数α为1.23≤α≤1.47，
在所述光入射面设置于所述导光扩散部的彼此位于相反侧的2个端部双方的情况下，所述系数α为0.72≤α≤1.47。
7.根据权利要求1～6中的任意一项所述的扩散体，其特征在于，
所述光入射面是与所述导光方向交叉的面，
所述第1光出射面是与所述光入射面交叉的面。
8.一种照明装置，其特征在于，该照明装置具有：
光源；以及
权利要求1～7中的任意一项所述的扩散体。
9.根据权利要求8所述的照明装置，其特征在于，
所述扩散体中的所述端部包含位于所述导光扩散部的彼此相反侧的第1端部和第2端部，
所述光入射面包含形成于所述第1端部的第1光入射面和形成于所述第2端部的第2光入射面，
所述光源包含与所述第1光入射面对置的第1光源部和与所述第2光入射面对置的第2光源部。
10.根据权利要求8或9所述的照明装置，其特征在于，
所述光源包含分别发出颜色互不相同的多个颜色的光的多个发光元件。
11.根据权利要求10所述的照明装置，其特征在于，
所述光源构成为，在CIE1391色度图上绘制在使所述多个发光元件中的各颜色的发光元件单独点亮的情况下产生的所述第1光出射面的中心部处的散射光的色度，并用直线连接绘制出的多个点时，从所述光源出射的入射光的色度包含在由所述直线包围的区域内或者位于所述直线上。
12.根据权利要求11所述的照明装置，其特征在于，
在用CIE1391色度图上的点(xp，yp)表示目标色度时，
(xp，yp)＝(0.25±0.03，0.27±0.03)。
13.根据权利要求11所述的照明装置，其特征在于，
在用CIE1391色度图上的点(xp，yp)表示目标色度时，
(xp，yp)＝(0.23±0.03，0.23±0.03)。
14.根据权利要求8～13中的任意一项所述的照明装置，其特征在于，
所述光源包含发出白色光的发光元件、发出蓝色光的发光元件和发出绿色光的发光元件。
15.根据权利要求8～13中的任意一项所述的照明装置，其特征在于，
所述光源包含发出白色光的发光元件、发出蓝色光的发光元件、发出绿色光的发光元件和发出橙色光的发光元件。
16.根据权利要求8～15中的任意一项所述的照明装置，其特征在于，
该照明装置还具有：
背表面光源，其被配置成与所述扩散体的所述第1光出射面的相反侧的面即背表面对置；以及
背表面板，其配置在所述背表面光源与所述扩散体之间，
所述背表面板具有使从所述背表面光源发出的光的至少一部分透过并向所述扩散体的所述背表面入射的透光性。
17.根据权利要求16所述的照明装置，其特征在于，
所述背表面板具有在厚度方向上贯通所述背表面板的多个细孔。
18.根据权利要求16或17所述的照明装置，其特征在于，
所述背表面板具有反射从所述背表面出射的散射光的光反射部件或吸收从所述背表面出射的散射光的光吸收部件。
19.根据权利要求8～18中的任意一项所述的照明装置，其特征在于，
该照明装置还具有框架，该框架具有以与所述第1光出射面对置的方式配置的开口，
所述导光扩散部的不能通过所述开口目视到的区域中的纳米粒子的浓度，比所述导光扩散部的能够通过所述开口目视到的区域中的纳米粒子的浓度低。
20.根据权利要求8～18中的任意一项所述的照明装置，其特征在于，
所述导光扩散部还包含第2光出射面，该第2光出射面以与所述光入射面对置的方式配置，出射在所述导光扩散部内引导的光，
所述照明装置还具有光取出部，该光取出部使从所述导光扩散部的所述第2光出射面出射的所述光以朝向所述第1光出射面侧的方式偏转。
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