JP2006235619A - Ｄｏｅレンズ及びこれを用いたｌｅｄランプ - Google Patents

Abstract

【課題】薄型化と高光度化を図れる配光分布変換用光学部材および、該配光分布変換用光学部材を有するＬＥＤランプを提供する。
【解決手段】発光体からの光を入射して集光作用をあたえ、前記発光体から発せられる光の配光分布を変化させる配光分布変換用回折光学部材において、発光体からの距離ｄだけ離れた位置に配置され、前記発光体素子との間の屈折率をｎとしたときに、焦点距離ｆが以下の式を満たす回折光学素子を有し、前記回折光学素子の径が前記距離ｄよりも大きい。

但し、発光体からＤＯＥ面までが複数の層で形成されている場合には、それぞれ層の厚みをｄ₁，ｄ₂，ｄ₃，…，ｄ_kとし、屈折率をｎ₁，ｎ₂，ｎ₃，…，ｎ_kとしたとき空気換算長は次式で表される。

【選択図】なし

Description

本発明は、発光体の配光特性を変化させて正面方向の光度を上げるためのレンズと該レンズを用いたランプの薄型化に関する。

従来、小型光源としてＬＥＤランプが知られている。また、ＬＥＤランプに砲弾型のレンズを組合せ、出射光の光度半値角を比較的小さくして、正面方向に対して高光度に構成したランプが知られている（特許文献１）。このＬＥＤランプにおいては、ＬＥＤランプのレンズの形状を工夫することによって、高光度化と光度分布の均一化を図っている。

また、更なる高光度化を図るために複数の半導体チップで１つのＬＥＤランプを構成したものが知られている（特許文献２）。このＬＥＤランプにおいては、半導体チップを通る各々の軸を１つの軸とする複数の楕円体を含む立体でレンズを構成して各半導体チップからの光を効率よくＬＥＤランプの正面に導くようにしている。
特開平１１−４６０１３号公報 特開平５−２９６６０号公報

ＬＥＤの配光特性の光度半値角を小さくして高光度に構成するためには、通常、砲弾型のレンズが使われている。そのレンズ形状はＬＥＤランプの径と同程度の小さな曲率半径を有する凸レンズであり、レンズのサグ量が大きく、結果としてＬＥＤランプの径に比べて厚み方向に大きい形状、または厚みとランプの径とが同程度の大きさの形状であった。

本発明の目的は、薄型化と高光度化を図れる配光分布変換用光学部材および、該配光分布変換用光学部材を有するＬＥＤランプを提供することにある。

請求項１に記載の配光分布変換用回折光学部材は、発光体からの光を入射して集光作用をあたえ、前記発光体から発せられる光の配光分布を変化させる配光分布変換用回折光学部材において、発光体からの距離ｄだけ離れた位置に配置され、前記発光体素子との間の屈折率をｎとしたときに、焦点距離ｆが以下の式を満たす回折光学素子を有し、前記回折光学素子の径が前記距離ｄよりも大きいものである。

但し、発光体からＤＯＥ面までが複数の層で形成されている場合には、それぞれ層の厚みをｄ₁，ｄ₂，ｄ₃，…，ｄ_kとし、屈折率をｎ₁，ｎ₂，ｎ₃，…，ｎ_kとしたとき空気換算長は次式で表される。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の配光分布変換用回折光学部材において、前記回折光学素子の外周近傍におけるアスペクト比が０．７以上あるものである。
請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の配光分布変換用回折光学部材において、以下の条件式を満たすように配列された複数の発光体からの光を入射して集光作用を与える１つの回折光学素子を有するものである。

ここで、ｂmaxは発光体どうしの中心間距離ｂのうち、最も離れた位置にある発光体間の
距離、ａは発光体の径である。
請求項４に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の配光分布変換用回折光学部材において、略同一な平面に配置され、以下の条件式を満たすように配列された複数の発光体からの光を各々入射して集光作用を与える複数の同一な回折光学素子を有するものである。

ここで、ｂminは発光体どうしの中心間距離のうち、最も近い位置にある発光体間の距離
である。
請求項５に記載の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の配光分布変換用回折光学部材において、前記回折光学素子は双曲面の特性を有して形成されたものである。

請求項６に記載の配光分布変換用回折光学素子は、発光体からの光を入射して、前記発光体から発せられる光の配光分布を変化させる配光分布変換用回折光学部材において、前記発光体の大きさが１．５ｄ以上であって、前記等間隔ピッチの２段バイナリの回折光学素子を有するものである。

請求項７に記載の発明は、請求項８に記載の配光分布変換用回折光学部材であって、前記２段バイナリの回折光学素子は、前記２段バイナリを形成する２つの段のうち、前記発光体からの光の入射側の幅が、前記光の射出側の幅よりも大きいものである。

請求項８に記載の配光分布変換用光学部材は、請求項１から請求項７に記載の配光分布変換用光学素子のうちの互いに形状の異なる少なくとも２つを略同一平面上に配置したものである。

請求項９に記載のＬＥＤランプは、前記発光体として配置されたＬＥＤチップと、請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の配光分布変換用回折光学部材と、を有するものである。

本発明によれば、発光体の正面方向に高光度な配光分布を与えることができるＤＯＥレンズを提供することができる。また、薄型で正面方向に高光度なＬＥＤランプを構成することができる。

以下、図面を用いて本発明の実施形態を詳細に説明する。
ＬＥＤチップにはさまざまな配光特性があるが、光度半値角が半角で６０°程度の広がりを持つものが一般的である。この配光特性を半角３０°程度に狭くすることで、正面方向の出射光の高光度化を図ることができる。ＤＯＥレンズの焦点距離をｆ、発光体のサイズをａ、発光体からＤＯＥ面までの距離をｄ、発光体からＤＯＥ面までの屈折率をｎとする。発光体からＤＯＥ面までが複数の層からなっている場合は、それぞれの厚みをｄ₁，
ｄ₂，ｄ₃，…，ｄ_kとし、屈折率をｎ₁，ｎ₂，ｎ₃，…，ｎ_kとする。このときの空気換算
長は、（１）式で表される。

… （１）

発光体がＤＯＥレンズの焦点位置にある場合は、発光体の中心から出射された光は光軸に略平行な光束となる。また、中心からａ／２離れた位置から出射された光は、光軸に対して、（２）式で表される角度θを有する略平行光束になる（図１参照）。

… （２）

発光体としてＬＥＤチップを考え、このＬＥＤチップの発光体の大きさａを０．５ｍｍとすると、θ＝３０°とするためには、ＤＯＥレンズの焦点距離ｆを０．４３３ｍｍとする。また、発光体が焦点位置にある条件より、ＤＯＥ面から発光体までの空気換算長が０．４３３ｍｍとなり、発光体からＤＯＥ面までの屈折率ｎを１．５とすると、発光体からＤＯＥ面までの距離ｄは０．６５ｍｍとなる。

一般にＬＥＤチップは樹脂中に埋め込まれており、樹脂の厚みを０．５ｍｍとすると、ＤＯＥレンズの厚さは０．１５ｍｍとなり、十分に薄いレンズとなる。このような配置にすれば、元々のＬＥＤの配光分布とは関係なく、ほぼ半角３０°に広がった配光分布を実現できる薄いＤＯＥレンズを構成することができる。

検討の結果、ＤＯＥの焦点距離が、ＤＯＥから発光体までの空気換算長ｄ/ｎより長くても以下の条件を満たす範囲であれば高光度化を図ることができた。この焦点距離の適切な範囲は、（３）式のようになる。

… （３）

この式において、発光体からＤＯＥまでの間が複数の層からなる場合には、ｄ/ｎは（１）式で定義される。（３）式の下限以下では、必要以上に光線を曲げ過ぎるため、ＤＯＥ素子に製造上の問題が生じる。また上限以上では、ＤＯＥレンズに十分なパワーがないため、光度半値角を十分に狭めることが出来ず、高光度化が図れない。

（３）式において、ｆ＝ｄ/ｎとして発光体の中心から出射する光を全て平行光束にすると、ＤＯＥの周辺部において、光線の角度を大きく曲げることになり、ＤＯＥのピッチを狭くしたり、アスペクト比を大きくしたりする必要があるが、これらの因子は製造上の制限を受ける。また、発光体がＤＯＥレンズの焦点位置（ｆ＝ｄ/ｎ）にあると、発光体の形状や発光分布が配光分布に現れ、配光分布に好ましくないむらが生ずる恐れがある。従って、ＤＯＥレンズの焦点距離とＤＯＥから発光体までの距離とを一致させない方が好ましい。

以上、発光体がＬＥＤチップ１個の場合について説明した。次に、光度を増やすため
に複数のＬＥＤチップが埋め込まれている場合について考察する。
複数のＬＥＤチップが埋め込まれている場合において、各ＬＥＤチップの中心間距離をｂとし、各ＬＥＤ光源の大きさをａとする。ここで、ｂ_maxとして、最も離れた位置にあるＬＥＤチップ間の距離を考える。また、最も近接したＬＥＤチップの中心間距離ｂminとする。ＬＥＤチップが十分に離れて配置されている場合には、個々のＬＥＤチップごとにＤＯＥレンズも複数配置する方がランプを薄型に構成するのに効果的である。この場合において、発光体からの射出光のうち、他の発光体用に配置されたＤＯＥレンズに入射する光は、好ましくない方向に向かい、高光度化に寄与しない光となる。図２に示すようなＬＥＤランプの構成において、ＬＥＤチップとＤＯＥレンズとの間が屈折率１．５の媒質で満たされているとする。空気中で３０°の広がり角を持つ光線は屈折率が１．５の媒質中では１９．５°の広がり角になる。１９．５°の広がり角で距離ｄだけ光線が進むとＬＥＤ光源からの光束はｄtan（19.5）＝0.35ｄだけ広がる。従って、１９．５°の広がり角を有する光が、隣のレンズに入射しない条件は、（４）式となる。

… （４）

一方、複数のＬＥＤチップが近接して配置されている場合は、これらのＬＥＤチップを一つの光源として扱う方が効率的である。発光体のサイズはおおよそ、ｂ_max＋ａである。しかしながら、発光体サイズが大きくなると、ＤＯＥレンズ内の所定位置（例えば中心部）には、いろいろな方向からの光が入射することになり、それらを全て正面方向に射出することは困難である。これを避けるためには、発光体からＤＯＥ面までの距離ｄを長くする必要がある。しかし、ｄが長くなり過ぎると薄型にするという目的が達成できなくなる。

ここで、ＤＯＥ面の中心部に空気中で６０°の広がり角を持つ光束が入射しなくなる条件を考える。図３において、空気中で６０°の広がり角を持つ光線は、屈折率１．５の媒質中では３５°の広がり角になる。３５°の広がり角で距離ｄだけ光線が進むとＬＥＤ光源からの光束は、ｄtan（35）＝0.7ｄだけ広がる。従って、３５°の広がり角を有する複数の光束が１つのレンズで集光される条件は、（５）式となる。

… （５）

次に、ＤＯＥレンズのアスペクト比について考える。今、ピッチｐの透過型回折格子に入射角６０°の光束を入射させ、３０°で出射させる条件を考える。回折の公式
sinθ_o―sinθ_i＝ｍλ/ｐに出射角θo＝３０と入射角θ_i＝６０を代入すると、ピッチｐと回折の次数ｍと波長λの関係はｐ＝2.7｜ｍ｜λとなる。

｜ｍ｜次光でブレーズする場合、回折光学素子の深さｈは｜ｍ｜λ/（ｎ_b−１）となる。ｎ_bは基板の屈折率である。ｎ_bを１．５とすると、ｈ＝2.0｜ｍ｜λとなる。よって、空気中で６０°の光線を３０°に曲げるために必要なＤＯＥのアスペクト比は、アスペクト比をｈ/ｐで定義すると、最もアスペクト比が高くなる周辺部において０．７４程度になる。従って、ＤＯＥ素子の最大アスペクト比は０．７以上が好ましい。ただし、ＤＯＥがバイナリ素子の場合には、Ｎ段バイナリであれば、バイナリ素子の深さをｈ_bとし、ＤＯＥの深さｈをｈ＝Ｎｈ_b/（Ｎ−１）と定義する(図４参照)。

また、近年増えてきた青色ＬＥＤと黄色の蛍光体を組み合わせた白色ＬＥＤの場合にも、ＤＯＥレンズを適用できる。この場合には、黄色の蛍光体部分全体が発光体となるので、発光体のサイズは大きくなる。本発明はこのような場合においても適応できる。

まず、発光体が１つ、配光分布変換用ＤＯＥレンズが１つの場合について説明する。本実施例においては、発光体としてピーク波長５５５ｎｍの緑色ＬＥＤチップが１個、０．５ｍｍ厚の樹脂中に埋め込まれている。ＬＥＤチップの大きさは０．３５ｍｍ×０．３５ｍｍである。簡単のために、樹脂の屈折率を１．５とし、ＤＯＥの基板の屈折率も１．５とする。

ＤＯＥの設計はすべて超高屈折率法に基づいて行っている。また、非球面形状は以下で表す。

… （６）

以下に本実施例のＤＯＥレンズのデータを示す。
データ：
ｆ＝１．１ｍｍ，ＮＡＯ＝０．８６６，ｄ＝１．０ｍｍ
面 曲率半径 面間隔 屈折率
１ ∞ ０．５ １．５
２ ∞ ０．０
３ ∞ ０．５ １．５
４ ∞ ０．０ ２０００１．０
５ −２２０００．０ ０．０
非球面形状
面 Ｋ Ａ Ｂ Ｃ Ｄ
５ −０．２ｅ１０ ０．０ ０．０ ０．０ ０．０
第１面は光源面である。本実施例で用いたＬＥＤ光源は、空気中で半角６０°の広がり角を有する。第４面の屈折率２０００１．０は超高屈折率法のための仮想的な屈折率の値であり、第５面がＤＯＥ面である。第１面から第２面はＬＥＤの樹脂を表し、第３面から第４面はＤＯＥレンズの基板を表す。このＤＯＥレンズの焦点距離ｆは１．１ｍｍであり、条件式（３）は０．６７＜ｆ＜２．０となり、この条件式を満たしている。また、本実施例のＬＥＤ光源からＤＯＥ面までの距離ｄが１ｍｍに対して、ＤＯＥ素子の径は２．０１ｍｍであり、ＬＥＤ光源からＤＯＥ面までの距離ｄはＤＯＥ素子の径よりも小さい。

空気中で半角６０°の光束は、屈折率１．５の媒質中では半角３５°相当である。その光束をＤＯＥの２次光を利用して空気中でおおよそ半角３０°で出射する(図５（ａ）参照)。比較のために、ＤＯＥなしの場合を図５（ｂ）に示す。

また、ＤＯＥレンズの非球面形状のＫは円錐係数を表す。本実施例においてはＫが負の値であるが、これは、このＤＯＥレンズが双曲面を基本に設計されたものであることを表している。双曲面は、焦点から離れるに従って漸近線に近付く形状であり、光軸から十分離れた位置では直線になるのでＤＯＥレンズは周辺部にいくにつれて等間隔ピッチになる。

本発明の目的を満たすＤＯＥレンズは、周辺部で光束を大きく曲げるため、周辺部で必然的にピッチが狭くなる。これを高次非球面で実現しようとした場合、光軸からの距離Ｙが大きくなるに従ってサグ量Ｚの変化が大きくなる。ＤＯＥのピッチの逆数はサグ量Ｚの変化率に比例するので、サグ量Ｚの変化率が大きくなるとＤＯＥのピッチは非常に細かくなる。ピッチが細かくなり過ぎると、製造上好ましくないばかりでなく、回折効率もおちることになる。本実施例では、ＤＯＥ面を双曲面形状にしたので、製造しやすく、かつ高い回折効率でＤＯＥの周辺光を効率的に集光することができる。

本実施例の周辺部における形状を図６（ａ）に示す。ＤＯＥの深さｈは２．２２μｍ、ピッチｐはおおよそ２．７７μｍ、アスペクト比はおおよそ０．８である。また、中心付近の形状を図６（ｂ）に示す。図６（ｂ）においては、ＺのスケールはＹのスケールの１０倍で表されている。

以上のように、本実施例においては、ＬＥＤの配光分布変換用レンズをＤＯＥレンズで構成したので、ＬＥＤランプを厚さ１ｍｍと非常に薄く構成することができた。また、ＤＯＥレンズを双曲面を基本にして設計したので、周辺のピッチが細かくなり過ぎるのを抑え、製造しやすくかつ、回折効率の高めることができる。

本実施例では、複数の発光体に対して１つの配光分布変換用ＤＯＥレンズを配置する場合について、青色ＬＥＤチップと、この青色ＬＥＤからの射出光を受けて黄色の光を射出する蛍光体が分散された樹脂からなる白色ＬＥＤを例にとって説明する。

第２の実施例では、ＬＥＤランプの中心部分に比較的近接して４個の青色ＬＥＤチップが配置されている。青色ＬＥＤのチップサイズは０．３ｍｍ×０．３ｍｍであり、青色ＬＥＤチップの中心間距離はｂ_min＝０．４５ｍｍ、ｂ_max＝０．６４ｍｍである（図７参照）。また、黄色の蛍光体による発光体の大きさφは１．５ｍｍである。青色ＬＥＤからは波長４５０ｎｍの光が射出され、黄色の蛍光体からはピーク波長５５０ｎｍの光が射出される。本実施例では、青色ＬＥＤから射出する波長４５０ｎｍの光と、黄色の蛍光体から射出される５５０ｎｍの光の両方の配光分布ともに空気中において略３０°の射出角度で射出されるようにした。

以下に本実施例のＤＯＥレンズのデータを示す。
データ：
ｆ＝１．５ｍｍ，ＮＡＯ＝０．８６６，ｄ＝１．３ｍｍ
面 曲率半径 面間隔 屈折率（５５０ｎｍ） 屈折率（４５０ｎｍ）
１ ∞ ０．５ １．５ １．５
２ ∞ ０．０
３ ∞ ０．８ １．５ １．５
４ ∞ ０．０ ３６６６７．６７ ３０００１．０
５ −４５０００．０ ０．０
非球面形状
面 Ｋ Ａ Ｂ Ｃ Ｄ
５ −０．３ｅ１０ ０．０ ０．０ ０．０ ０．０
青色ＬＥＤチップからの光束の広がり方を図８に示す。構成は実施例１とほぼ同じであるが、本実施例では３次光を利用している。このＤＯＥレンズの焦点距離ｆは１．５ｍｍであり、条件式（３）は０．８６７＜ｆ＜２．６となり、この条件式を満たしている。また、青色ＬＥＤを発光体として考えた場合には、発光体とＤＯＥレンズ面との距離ｄが１．３ｍｍ、発光体の大きさａが０．３ｍｍ、発光体のうち最も離れて配置されたものの中心間距離ｂ_maxが０．６４であり、条件式（５）は０．９１＞０．４７となり、条件式（５）を満たしている。また、本実施例のＬＥＤ光源からＤＯＥ面までの距離ｄが１．３ｍｍであるのに対して、ＤＯＥ素子の径は２．６２ｍｍである。

しかし、黄色の蛍光体全体を発光体として考えた場合には、左辺が０．５６、右辺が０．７５となり、条件式（５）を満たさない。そのため、この光束のうち一部の光束は半角６０°の方向にも出射され、青色の光束よりも広がってしまうが、本実施例の回折光学素子は、黄色の蛍光体に関しても高光度化の効果はある。

本実施例の周辺部における形状を図９（ａ）に示す。本実施例のＤＯＥは波長４５０ｎｍ、３次光に対してブレーズされており、ＤＯＥの深さｈは２．７μｍ、ピッチｐはおおよそ２．９μｍ、アスペクト比はおおよそ０．９３となっている。また、図９（ｂ）に中心付近の形状を示す。この図９（ｂ）において、ＺのスケールはＹのスケールの１０倍で表されている。

本実施例においても、配光分布変換用レンズをＤＯＥレンズで構成したので、ＬＥＤランプを厚さ１．３ｍｍと、非常に薄く構成することができた。更に、本実施例では回折光学部材により、複数の発光体からの射出光をまとめてＬＥＤランプの正面に導くようにしたので、さらなる高光度化を図ることができる。

本実施例では、複数の発光体のそれぞれに対して１つずつ配置された複数の配光分布変換用ＤＯＥレンズを有する配光分布変換用回折光学部材を配置する場合を、実施例２と同様に、青色ＬＥＤチップと、この青色ＬＥＤからの射出光を受けて黄色の光を射出する蛍光体が分散された樹脂からなる白色ＬＥＤを例にとって説明する。

第３の実施例では２個の青色ＬＥＤチップが比較的離れて配置されている。青色ＬＥＤのチップサイズは０．３ｍｍ×０．３ｍｍであり、青色ＬＥＤチップの中心間距離ｂは１．５ｍｍである。黄色の蛍光体による発光体の大きさφは３ｍｍである(図１０参照)。青の波長は４５０ｎｍ、黄色のピーク波長５５０ｎｍである。本実施例では、黄色の蛍光体による発光体が大きいので、黄色の蛍光体部分に対しては、レンズ作用ではなく、等間隔ピッチの同心円上の２段バイナリで出射光の方向を制御する。

以下に本実施例のＤＯＥレンズのデータを示す。
データ：
ｆ＝１．５ｍｍ，ＮＡＯ＝０．８６６，ｄ＝０．９ｍｍ
面 曲率半径 面間隔 屈折率（５５０ｎｍ） 屈折率（４５０ｎｍ）
１ ∞ ０．５ １．５ １．５
２ ∞ ０．０
３ ∞ ０．４ １．５ １．５
４ ∞ ０．０ １２２２３．２２ １０００１．０
５ −１５０００．０ ０．０
非球面形状
面 Ｋ Ａ Ｂ Ｃ Ｄ
５ ０．０ −０．５ｅ−５ ０．７ｅ−５ −０．１ｅ−４ ０．１ｅ−４
構成は実施例１とほぼ同じであるが、本実施例では１次光を利用している。青色ＬＥＤチップはＬＥＤランプの中心からずれて配置されているが、ＤＯＥの光軸中心をＬＥＤチップの中心と一致させている。青色ＬＥＤチップからの光束の広がり方を図１１に示す。実際には一部の光束は隣のＤＯＥレンズに入射してしまうが、図１１ではその光線は表記されていない。

このＤＯＥレンズの焦点距離ｆは１．５ｍｍであり、条件式（３）は０．６＜ｆ＜１．８となり、この条件式を満たしている。また、本実施例のＬＥＤ光源からＤＯＥ面までの距離ｄが０．９ｍｍであるのに対して、ＤＯＥ素子の径は３．６ｍｍである。

また、黄色の蛍光体は光源として大きく、薄型のレンズではレンズ作用で出射光束の方向を制御することは困難である。そこで、本実施形態では、青色ＬＥＤ用のＤＯＥレンズに隣接して、同心円状の等間隔ピッチの２段バイナリを配置し、±１次光を取り出し、かつ０次光の出射を抑制することにより、出射方向を制御している。実際には他の次数の光も出射するので、効率は多少落ちるが、蛍光体からの光をＬＥＤランプの正面に集光する効果がある。波長λ＝５５０ｎｍの光を空気中で２３°から０°にするためには、−１次光でピッチｐは１．４μｍとなる。１．４μｍ程度のピッチであれば、空気中で６０°の光束を−１次光で２８°程度にでき、空気中で０°光束を１次光で２３°にできる。図１３に等間隔ピッチの透過型回折格子の概略形状を示す。入射角の大きい光束に対して、０次光を抑制するために、２段バイナリの深さを０．４μｍとする。また、入射角の大きな光束に対して幾何学的な影の効果を考慮して、２段バイナリの入射側の幅を射出側の幅よりも広くする。本実施例では入射側の幅：射出側の幅が６：４になっている。この場合、２段バイナリにおける回折効率は高くないが、立体角の効果で正面方向に高光度化が図れる。

また、本実施例の青色ＬＥＤ用のＤＯＥの周辺部における形状を図１２（ａ）に示す。本実施例では前述のように１次光を用いているので、波長４５０ｎｍでブレーズすると、ＤＯＥの深さはｈ＝０．９μｍとなる。また、ピッチｐはおおよそ１μｍであり、アスペクト比はおおよそ０．９となる。また、中心付近の形状を図１２（ｂ）に示す。この図１２（ｂ）においては、ＺのスケールはＹのスケールの１０倍で表されている。

本実施例では、発光体とＤＯＥレンズ面との距離ｄが０．９ｍｍ、発光体の大きさａが０．３ｍｍ、発光体間の中心間距離のうち最も近い位置にある発光体間の距離ｂ_minが１．５ｍｍであり、条件式（４）は０．３１５＜０．６となって、条件を満たしている。

以上のように本実施例においても、配光分布変換用回折光学部材としてＤＯＥレンズを用いることによってＬＥＤランプを０．９ｍｍと非常に薄く構成することができた。また、本実施例によれば、ＬＥＤを複数配置し、各々のＬＥＤに対してＤＯＥレンズを配置するので、１つのＤＯＥレンズが集光すべき発光体の径を小さくすることができ、更に薄型に構成できる。また、本実施例においては青色の光を射出する青色ＬＥＤと黄色の光を射出する蛍光体とを組み合わせた白色ＬＥＤにおいて、青色ＬＥＤ用に配置されたＤＯＥレンズのみならず、蛍光体から発せられる黄色光を集光するための光学素子を配置したので、さらに高光度化を図ることができる。また、この光学素子を前記ＤＯＥレンズに隣接する等ピッチの２段バイナリの回折光学素子としたので１枚の配光分布変換用回折光学部材のみで効率的に発光体の配光分布特性を変換することができる。

また、青色ＬＥＤ用のＤＯＥのブレーズ化波長とバイナリ段数を工夫することにより、青色ＬＥＤ用のＤＯＥの深さと、２段バイナリの深さとを等しくなるように設計すれば、回折光学部材の製造を容易に行うことができる。
（変形例）

実施例１、実施例２においては、配光分布変換用回折光学素子としてＤＯＥレンズを用いた。また、実施例３においては、配光分布変換用回折光学素子として、ＤＯＥレンズとそれに隣接する周辺に配置した２段バイナリの回折光学素子を配置した。が、これらの実施例にとらわれることなく、配光分布変換用回折光学素子として２段バイナリの回折光学素子のみを使用してもよい。この場合には、ランプの正面に向かうように最適化した次数以外の回折光の光も生じるので、ＤＯＥレンズを使用する場合に比べて集光効率は低下するが、非常に簡易な光学系を用いてＬＥＤランプの薄型化を図ることができる。

また、実施例２と実施例３とに、複数の発光体を配置する場合に、発光体どうしの間隔によって１つの発光体に対して１つのＤＯＥレンズを配置する場合と、複数の発光体に対して１つのＤＯＥレンズを配置する場合について述べたが、これらの実施例にとらわれず、ＬＥＤの配置によって適宜最適なＤＯＥレンズを配置できる。例えば、ＬＥＤレンズが変則的に配置されている場合には、実施例２と実施例３とを組み合わせたような構成としてもよい。

以上の実施例においては、ＬＥＤランプに取り付けられたＤＯＥレンズについて説明したが、ここでは、諸元を変えたＤＯＥレンズ単体について説明する。まず、第４の実施例に係るＤＯＥレンズとして図１４に示すＤＯＥレンズＬ１を用いた場合について示す。この図１４は、紙面左側から順に被照明面Ｐ、レンズＬ１、光源ＬＥＤが配置され、平行光束をこのＤＯＥレンズＬ１のＤＯＥ面Ｇｆ側から入射させ、逆光線追跡して結像させた場合の光路を示している。このＤＯＥレンズＬ１のデータを以下に示す。なお、以下のデー
タにおいてｍはＤＯＥ面Ｇｆにおける回折の次数である。

データ：
ｆ＝３ｍｍ，入射瞳径＝６ｍｍ，ＮＡＯ＝０．７１２，レンズ厚＝０．３ｍｍ，ｍ＝２
面 曲率半径 面間隔 硝材
１ ∞ ３
２ ６００００ ０．０ ＤＯＥ
３ ∞ ０．３ 石英
４ ∞ ２．７９
非球面形状
面 Κ Ａ Ｂ Ｃ Ｄ
２ −０．３８９ｅ９ ０．０ ０．０ ０．０ ０．０
この第４の実施例においては、ＤＯＥレンズレンズＬ１は石英基板にＤＯＥ面Ｇｆ（第２，３面）を形成して構成している。しかしながら、基板の材質はＤＯＥ面Ｇｆが形成されたＤＯＥレンズＬ１の結像性能に対しては影響がなく、基板の屈折率でＤＯＥ面Ｇｆを形成する回折格子の高さｈが決まるだけである。よって、通常の光学ガラスを使用すること以外にもＤＯＥ面Ｇｆが形成容易なように、モールド用低融点ガラスや樹脂の基板を使うことや、ガラス基板上に薄い樹脂層を設け、そこにＤＯＥレンズ面Ｇｆを形成することも可能である。

なお、超高屈折率法の適用においては、主波長をｄ線（５８７．５６２ｎｍ）とし、使用したＤＯＥ面Ｇｆの屈折率を以下に示す。

波長［ｎｍ］ 屈折率
Ｃ線 656.273 22339.85105
ｄ線 587.562 20001.00000
Ｆ線 486.133 16548.46223
ｇ線 435.835 14836.37057

図１５に、この第４の実施例における縦収差図を示す。ＤＯＥ面Ｇｆは、通常のガラスよりも色収差が発生しやすいため、軸上色収差が大きいが、球面収差は十分小さくすることができる。

ところで、上述した非球形状の式（６）において、双曲面になる条件はΚ＜−１で、Ａ＝Ｂ＝Ｃ＝Ｄ＝０のときであり、径方向の大きさＹが十分大きい場合（すなわち、ＤＯＥレンズの円周部）のピッチｐは、次に示す（７）式のように表される。但し、（７）式において、λはＤＯＥ面Ｇｆで回折される光線の波長（単位はμｍ）であり、ｎｕは超高屈折率法における仮想的な屈折率である。

… （７）

ＤＯＥ面Ｇｆのピッチｐが必要以上に細かくなり過ぎず、製造可能であるためには、ピッチｐが１μｍ以上であることが好ましく、｜Κ｜が１よりも十分大きい値であるときは、ピッチｐが１μｍ以上であるためには次に示す（８）式の条件を満たすことが必要である。

… （８）

このようなＤＯＥ面Ｇｆにおいて、ｍ次光を利用する場合の高さｈは、このＤＯＥ面Ｇｆが形成されている基板の屈折率をｎｂとすると次に示す（９）式により定義される。

… （９）

よって、径方向の大きさＹが十分大きい位置でのアスペクト比ｈ／ｐは、｜Κ｜≫１より、次に示す（１０）式のようになる。

… （１０）

ＤＯＥ面Ｇｆのアスペクト比ｈ／ｐが大きい構造は製造が困難であるので、このアスペクト比ｈ／ｐは２．５より小さいことが好ましく、さらに製造を容易にするためには、アスペクト比ｈ／ｐが１よりも小さいことが好ましい。

そこで、図１６に第４の実施例におけるＤＯＥレンズＬ１に形成されたＤＯＥ面Ｇｆの、光軸を通る断面形状のうち光軸付近の形状を示し、図１７に周辺部の断面形状を示す。光軸付近だけでなく、周辺部においても回折格子のピッチｐが１μｍ以上となっている。また、（９）式から求められるアスペクト比ｈ／ｐは２．２となる。さらに、実際の形状において、ＤＯＥレンズＬ１の径方向の大きさＹが３．０ｍｍにおけるピッチｐが１．６５μｍとなり、高さｈが２．５６μｍとなることから、アスペクト比ｈ／ｐは１．５５となり、このＤＯＥレンズＬ１のＤＯＥ面Ｇｆの製造は容易である。

なお、図１８に、この第４の実施例に係るレンズＬ１をコンデンサレンズとして２枚使用し、光源から放射された光を一旦、略平行光束に変換し、再度集光してファイバー等にリレーする場合の光路図を示す。尚、図１８において、Ｓは光源、Ｐは絞り、Ｒはファイバーの入射部を示す。また、レンズＬ１は、互いの回折光学面Ｇｆが対向するように配置されている。

第４の実施例に示したＤＯＥレンズＬ１では、ＤＯＥ面Ｇｆによる軸上色収差が発生しているが、この軸上色収差を補正するために、図１９に示すように、ＤＯＥ面Ｇｆでない方の面に屈折力を持たせたＤＯＥレンズＬ２について第５の実施例として説明する。この図１９は、紙面左側から順に被照明面Ｐ、ＤＯＥレンズＬ２、光源ＬＥＤが配置され、上述の第４の実施例と同様に、平行光束をＤＯＥレンズＬ２のＤＯＥ面Ｇｆ側から入射させ、逆光線追跡して結像させた場合の光路を示している。このＤＯＥレンズＬ２の諸元を以下に示す。なお、このＤＯＥレンズＬ２は、ｄ線に対する屈折率（ｎｄ）が１．８４６６６であり、ｄ線に対するアッベ数（νｄ）が２３．８の光学ガラスが用いられている場合を示している。

データ：
ｆ＝３ｍｍ，入射瞳径＝４．３ｍｍ，ＮＡＯ＝０．５１７，レンズ厚＝１ｍｍ，ｍ＝１
面 曲率半径 面間隔 硝材
１ ∞ ３
２ １８７２１３．２ ０．０ ＤＯＥ
３ ∞ １ 光学ガラス
４ −２．９３７１７８ ２．９１３
非球面形状
面 Κ Ａ Ｂ Ｃ Ｄ
２ −０．１３５７９１ｅ１１ ０．０ ０．０ ０．０ ０．０
３ −３．９７５７９４ ０．０ ０．０ ０．０ ０．０
このＤＯＥレンズＬ２は、第２面にＤＯＥ面が形成され、第３面は非球面形状に形成されている。なお、超高屈折率法の適用においては、主波長をｄ線（５８７．５６２ｎｍ）とし、使用したＤＯＥ面Ｇｆの屈折率を以下に示す。

波長［ｎｍ］ 屈折率
Ｃ線 656.273 11170.41249
ｄ線 587.562 10001.00000
Ｆ線 486.133 8274.708217
ｇ線 435.835 7418.795629

図２０に、この第５の実施例における縦収差図を示す。球面収差のグラフで表される軸上色収差は、第４の実施例の場合よりも各光線とも小さくなり、また、ｇ線の軸上色収差は負側に補正されている。ＤＯＥ面は、波長の長い光ほど大きく曲げる性質を有している。一方、屈折においては、波長が短いほど屈折率が高いため、短い波長の光ほど大きく曲がる。そのため、通常の屈折面とＤＯＥ面とを組み合わせることにより、１枚の凸レンズでも色収差の補正が可能である。第４の実施例と同様に、図２１にＤＯＥレンズＬ２におけるＤＯＥ面Ｇｆの光軸を通る断面形状のうち光軸付近の形状を示し、図２２に周辺部の断面形状を示す。この第５の実施例においても、光軸付近だけでなく、周辺部においても回折格子のピッチｐが細かくなることはなく、周辺部のピッチｐはおおよそ８μｍとなっている。

また、第５の実施例において（９）式から求められるアスペクト比ｈ／ｐは０．１０となる。また、実際の形状において、径方向の大きさＹが２．４ｍｍにおけるピッチｐが８．２４μｍとなり、高さｈが０．６９μｍとなることから、アスペクト比ｈ／ｐは０．０８４となり２．５より小さいという条件を満たしており、さらに１より小さいという条件も満たしているため、このＤＯＥレンズＬ２のＤＯＥ面Ｇｆの製造は容易である。

ＤＯＥレンズの焦点位置に発光体がある場合の光束の広がり方を示す図である。 （４）式を説明する図である。 （５）式を説明する図である。 理想形状とバイナリ素子の深さの関係を示す図である。 （ａ）実施例１における光束の広がり方を示す図である。 （ｂ）実施例１においてＤＯＥがない場合の光束の広がり方を示す図である。 実施例１のＤＯＥの形状を示す図である。（ａ）周辺部、（ｂ）中心部。 実施例２における白色ＬＥＤの構成を示す図である。 実施例２の光束の広がり方を示す図である。 実施例２のＤＯＥの形状を示す図である。（ａ）周辺部、（ｂ）中心部。 実施例３における白色ＬＥＤとＤＯＥレンズの構成を示す図である。 実施例３の光束の広がり方を示す図である。 実施例３のＤＯＥの形状を示す図である。（ａ）周辺部、（ｂ）中心部。 実施例３の２段バイナリ部の概略図。 実施例４に係るＤＯＥレンズの断面図である。 実施例４の光学系の諸収差図である。 実施例４に係る回折光学面の光軸付近の断面図である。 実施例４に係る回折光学面の周辺部の断面図である。 実施例４に係るＤＯＥレンズを用いて光線をリレーする場合の断面図である。 実施例５に係るＤＯＥレンズの断面図である。 実施例５の光学系の諸収差図である。 実施例５に係る回折光学面の光軸付近の断面図である。 実施例５に係る回折光学面の周辺部の断面図である。

符号の説明

１ ＤＯＥレンズ面
２、２ａ、２ｂ ＬＥＤチップ
３ 蛍光体
１２ 青色ＬＥＤ用レンズ部
１３ 黄色蛍光体用２段バイナリ部
２１ 青色ＬＥＤチップ

Claims (9)

1. 発光体からの光を入射して集光作用をあたえ、前記発光体から発せられる光の配光分布を変化させる配光分布変換用回折光学部材において、
   発光体からの距離ｄだけ離れた位置に配置され、前記発光体素子との間の屈折率をｎとしたときに、焦点距離ｆが以下の式を満たす回折光学素子を有し、
   前記回折光学素子の径が前記距離ｄよりも大きいことを特徴とする配光分布変換用回折光学部材。
   

   

   但し、発光体からＤＯＥ面までが複数の層で形成されている場合には、それぞれ層の厚みをｄ₁，ｄ₂，ｄ₃，…，ｄ_kとし、屈折率をｎ₁，ｎ₂，ｎ₃，…，ｎ_kとしたとき空気換算長は次式で表される。
   

   
2. 前記回折光学素子の外周近傍におけるアスペクト比が０．７以上あることを特徴とする請求項１に記載の配光分布変換用回折光学部材。
3. 以下の条件式を満たすように配列された複数の発光体からの光を入射して集光作用を与える１つの回折光学素子を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の配光分布変換用回折光学部材。
   

   

   ここで、ｂmaxは発光体どうしの中心間距離ｂのうち、最も離れた位置にある発光体間
   の距離、ａは発光体の径である。
4. 略同一な平面に配置され、以下の条件式を満たすように配列された複数の発光体からの光を各々入射して集光作用を与える複数の同一な回折光学素子を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の配光分布変換用回折光学部材。
   

   

   ここで、ｂminは発光体どうしの中心間距離ｂのうち、最も近い位置にある発光体間の距
   離である。
5. 前記回折光学素子は双曲面の特性を有して形成されたことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の配光分布変換用回折光学部材。
6. 発光体からの光を入射して、前記発光体から発せられる光の配光分布を変化させる配光分布変換用回折光学部材において、
   前記発光体の大きさが１．５ｄ以上であって、
   等間隔ピッチの２段バイナリの回折光学素子を有することを特徴とする配光分布変換用回折光学素子。
7. 前記２段バイナリの回折光学素子は、前記２段バイナリを形成する２つの段のうち、前記発光体からの光の入射側の幅が、前記光の射出側の幅よりも大きいことを特徴とする請求項６に記載の配光分布変換用回折光学部材。
8. 請求項１から請求項７に記載の配光分布変換用光学素子のうち互いに形状の異なる少なくとも２つを略同一平面上に配置したことを特徴とする配光分布変換用回折光学部材。
9. 前記発光体として配置されたＬＥＤチップと、
   請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の配光分布変換用回折光学部材とを有することを特徴とするＬＥＤランプ。
   

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