JP2007173322A - 発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】カップ状の反射面と点状光源からなる発光器の光軸方向指向性を内部伝播媒体で緩和した発光装置の提供。
【解決手段】ＬＥＤ１の光は、内部伝播媒体２２を経て、直接または傾斜した反射面２４を通って内側領域のレンズ面２５または外側領域のレンズ面２６から出射される。発光器（１、２４）の出力光の指向性を表わす強度プロファイルの半値強度角度範囲は２０度以下である。レンズ面２６の進行方向拡張機能は、レンズ面２５の進行方向拡張機能より強く、且つ、外側領域が光軸に垂直な平面であると仮定した場合の進行方向拡張機能よりも強い。発光装置の強度プロファイルの半値強度角度範囲は、光軸の方向から３０度を下回らないとともに、７０度を上回らない範囲とされる。外側領域のレンズ面は１つ以上凸面とすることもできる。
【選択図】図４

Description

本発明は、ＬＥＤで代表される点状光源を発光源に用いた発光装置の改良技術に関し、更に詳しく言えば、指向性の強い光を放出する発光器を使用した場合でも、光軸方向周りで緩やかな下り傾斜を示すような角度別強度プロファイルを持った出力光を提供できるようにするための技術に関する。なお、発光器とは、「点状光源とそれを側方から取り囲む反射面を提供する反射手段」で構成されるものを指している。本発明は、例えば正面方向の周りの比較的広い角度範囲から見て明るく見える照明装置、表示装置等に適用可能である。

ＬＥＤを発光源に用いた発光装置は公知であり、照明装置、表示装置等の用途に適用されている。一般に、ＬＥＤから放出される光は、光軸方向を指向するものの、斜め前方から側方にかけての方向に向かう光も存在する。そのように、光軸方向から大きく（例えば、７０度〜９０度）外れた方向へ向かう光（以下、“側方放出光”ともいう）は、通常の用途では、有効に利用し難い。そこで、この側方放出光を無駄にしないために、ＬＥＤの光放出側で同ＬＥＤを側方から取り囲む反射面を提供するカップ状のレフレクタを用いた構造が提案されている。なお、ここで言うところの「光軸」とは、ＬＥＤから放出される光束の３次元方向別の強度分布を考えた時、その強度分布の重心を与える方向を意味するものとする。

図１は、その基本的な構造例（第１従来例）を断面図で示したものである。同図において、符号１はＬＥＤ素子のチップで、その前面（光放出側の面）の中心部に発光中心Ｏがある。以下、「ＬＥＤ１」などと表記する。符号２は、透光性のプラスチック（例えば、シリコーン樹脂やエポキシ樹脂）からなるブロックで、ＬＥＤ１の放出光を２πの立体角でカバーして内部伝播させる内部伝播媒体である。以下、これを「ブロック２」と略記する。

ブロック２のほぼ下半部（ＬＥＤ１側の略半分）は、カップ状の表面形状を提供し、符号３はＬＥＤ１の設置基準面（図中水平面）に対応する底面である。符号４は底面３の外縁から斜め外側に立ち上がった傾斜反射面（以下、“反射面”と適宜略記）４となっている。この反射面４が、上記した側方放出光を略正面方向へ向けて反射する。この反射の大半を全反射でまかなうこともできるが、確実なものとするために、反射面４を提供するブロック外面には、例えばＡｌ、Ａｇ等の反射膜が形成されることもある。また、内面を高反射性としたカップ状の反射部材をブロック２にかぶせることもある。なお、底面３も反射面とされることが多い。

本明細書では、このような反射手段（傾斜反射面を提供する部材）とＬＥＤを組み合わせたものを「発光器」と呼ぶことにする。この呼称は、以下に説明する第２従来例や各実施形態においても同様に用いる。なお、便宜上、ブロック２の内部（内部伝播を行なう体積部分）は、「発光器」に含まれないこととする。符号Ｌは発光器の光軸である。

ブロック２のＬＥＤ１と反対側の面は平坦な面（曲率ゼロ）であり、この平坦面が発光装置の出射面５を提供する。出射面５からの出射光は、反射面４を経由しない「直接出射光」と、反射面４を経由する「間接出射光」に大別できる。なお、この区分は、以下に説明する第２従来例や各実施形態においても成立するので、これら呼称（直接出射光／間接出射光）を明細書全体を通して使用する。

発光器の出力光の角度特性の代表例を図３のグラフ中に、×印のプロットを付したカーブで示した。図３は、第１従来例の他に、後述する第２従来例、第１実施形態及び発光器（レンズなし）について、角度別の強度プロファイル（理論計算値；光線追跡を行い、各光線にＬＥＤの放出角度別強度特性に基づいた重みを付けて、方向別に光強度を計算するシミュレーション計算）を、目標特性とともに示したグラフである。なお、図３中に「レンズなし」とあるのは、「ブロック２が排除されている」という意味で、「発光器単独」と同意である。図３の横軸は光出力方向の角度を表わし、光軸Ｌ方向（最大強度の方向）が０゜であり、その両側で０゜〜±８５゜までの傾斜方向が表現されている。

図３中の各強度プロファイルは、光軸Ｌを通る平面上でのものであり、発光器の光出力は、光軸周り全周方向（３６０゜の範囲）にわたって等方的であるとして描かれている。もし、発光器の光出力が、光軸周り全周方向（３６０゜の範囲）で非等方的である場合には、「全周についての平均」を表わすことにする。これら図３のグラフに関連する説明事項は、後出する図９のグラフについても同様とする。

図３中の×のプロットを付したカーブから判るように、発光器の出力光の指向性を表わす強度プロファイル（×印）の半値強度角度範囲は、出力光の最大強度を与える光軸Ｌの方向から１５度近辺にある。即ち、かなり強い「光軸方向指向性」を示している。多くの用途においては、このような光軸方向指向性は強過ぎることになる。ブロック２を用いることで、この光軸方向指向性は若干修正を受ける。その結果は、図３のグラフ中に、□印のプロットを付したカーブ（第１従来例）で示した程度のものでしかない。その理由は次のように考えられる。

図１中に光線群で描かれているように、直接出射光はＬＥＤ１から放射状にブロック２内を内部伝播し、出射面５から出射する。その際にスネルの法則に従って屈折する。この屈折は、一応、直接出射光の進行方向を拡張するように機能するが、光軸Ｌから大きく離れた方向を除き、その機能は非常に弱い。一方、間接出射光はＬＥＤ１から反射面４に向かってブロック２内を内部伝播し、反射面４で反射され、出射面５に垂直に近い角度（小さな内部入射角）で内部入射する。その際にスネルの法則に従って屈折するが、内部入射角が小さいので、進行方向を拡張する機能はやはり弱い。従って、結局、直接出射光、間接出射光のいずれに対しても顕著な進行方向拡張機能は発揮されず、□印のプロットの結果となるものと推定される。

図２は、第１従来例とは異なるブロックを内部伝播媒体に用いた第２従来例を断面図で示したものである。その構造は、ブロック２がブロック１２に変更された以外は、第１従来例と同じである。ブロック２とブロック１２の相違は、出射面の形状にあり、他の部分に変更はない。ブロック１２のほぼ下半部（ＬＥＤ１側の略半分）は、カップ状の表面形状を提供する。符号１３はＬＥＤ１の設置基準面（図中水平面）に対応する底面であり、符号１４は底面１３の外縁から斜め外側に立ち上がった傾斜反射面（反射面と適宜略記）１４となっている。この反射面１４が、側方放出光を略正面方向へ向けて反射する。この反射の大半を全反射でまかなうこともできるが、確実なものとするために、反射面１４を提供するブロック外面には、例えばＡｌ、Ａｇ等の反射膜が形成されることもある。また、内面を高反射性としたカップ状の反射部材をブロック１２にかぶせることもある。なお、底面１３も反射面とされることが多い。

符号Ｌは発光器の光軸である。ブロック１２のＬＥＤ１と反対側の面が提供する出射面１５は、緩やかにカーブした凸面となっている。図２中に光線群で描かれているように、直接出射光はＬＥＤ１から放射状にブロック１２内を内部伝播し、出射面（凸面）１５から出射する。その際にスネルの法則に従って屈折する。ここで、出射面１５が緩やかにカーブした凸面となっている故に、第１従来例に比べて弱いが、直接出射光の進行方向を拡張するように機能する。但し、もしも凸面（出射面）１５の曲率が、「発光中心Ｏが、凸面１５に対してブロック１２の外部（図中上方）から平行光（光軸に平行で逆向き）を入射させた時にブロック１２内における焦点となる程度」まで大きくなると、進行方向拡張機能は殆ど失われ、コリメータ（平行光束化手段）として機能する。
もちろん、このコリメータが形成されるような曲率を越えて凸面１５の曲率を大きくすれば、進行方向拡張機能が得られるが、凸面１５にはそのような大きな曲率は与えていない。

なお、この考え方、即ち、コリメータが形成されるような曲率を越えて凸面の曲率を大きくすることで、平坦面を仮定した場合よりも強い進行方向拡張機能を凸面に与えるやり方は、後述する第２〜第４実施形態において、外側領域に形成される凸面に適用される。

一方、間接出射光はＬＥＤ１から反射面１４に向かってブロック１２内を内部伝播し、反射面１４で反射され、出射面１５に垂直に近い角度（小さな内部入射角）で内部入射する。その際にスネルの法則に従って屈折するが、内部入射角が小さいので、進行方向を拡張する機能はやはり弱い。但し、緩やかにカーブした凸状面の縁に近い部分は、やや傾斜しているため、第１従来例に比べて、進行方向拡張機能がわずかに改善される可能性はある。

いずれにしろ、第２従来によっても、光軸Ｌ周りでの強度急降下を顕著に改善する進行方向拡張機能は期待できない。その結果、図３中にΔ印のプロットを付したカーブのような強度プロファイルとなる。

このように、内部伝播媒体（ブロック）の出射面の形状を緩い（曲率半径がＬＥＤから出射面までの距離より大）凸状面とすることで、光軸方向指向性は緩和されるが、更に十分な緩和が要求されるケースがある。図３中に破線で示したカーブは、そのような要求に適合した理想的な強度プロファイル（目標特性）を表わしている。このカーブが示すように、光軸方向から離れてもすぐには相対強度値が急降下せず、半値角度（ピーク強度を１として相対強度値０．５となる正負の角度；以下、同じ）まで徐々に相対強度値が低下する。その結果、半値角度範囲（光軸方向（０゜の方向）から測った半値角度はかなり大きくなる。図示された理想的な強度プロファイル（目標特性）では、半値角度範囲は約６５゜となっている。ちなみに、第１従来例の強度プロファイルでは、半値角度範囲は約１５゜と理想から掛けはなれている。また、第２従来例の強度プロファイルでは、半値角度範囲は約２５゜であり、改善がみられるものの、不満足である。

なお、第２従来例において、出射面１５の曲率をしてＬＥＤ１からの放出光が出射面を通過して出射面１５近傍に焦点が形成されるようにすることで、焦点通過後において、上記緩和作用を強めることも一応可能ではあるが、出射面１５の縁部で傾斜が大きくなり過ぎて、反射面１４で反射した光の内部反射量が増大し、複雑な経路履歴で出射する光が増え、強度プロファイルが乱れる（プロファイルが局所的に急上昇あるいは急降下する）等の問題が生じる。従って、第２従来例の類型構造では、出射面１５の曲率を大きくしても、良好な結果は得られないことが、経験あるいはシミュレーション計算によって判明している。

また、後述するように、本発明では、内部伝播媒体の出射面を内側領域と外側領域に分け、別々の形状を与える手法を用いているが、この手法の適用例と思われる事例が下記引用文献１（図９参照）に開示されている。しかし、これは、上記のような光軸方向指向性の緩和を達成するものではない。図９ｂに描かれているのは、フレネルレンズ面であり、フレネルレンズの光学的定義から考えて、レンズ全体の曲率を維持しつつ厚みを薄く保つための形状変形でしかなく、図９ａあるいは上記第２従来例と本質的に変わるところはない。

特開２００５−５７４０号公報

本発明は、点状光源と、該点状光源の光放出側で該点状光源の側方から取り囲む反射面を提供する反射手段からなる発光器と、該発光器からの出力光を内部伝播させる内部伝播媒体とを備えたタイプの発光装置において、前記発光器の出力光が光軸方向への強い指向性を有している場合に、この強い指向性を十分に緩和して内部伝播媒体の出射面から出射することができる発光装置を提供することを目的としている。

本発明は、点状光源と、該点状光源の光放出側で該点状光源の側方から取り囲む反射面を提供する反射手段からなる発光器と、該発光器からの出力光を内部伝播させる内部伝播媒体とを備え、前記発光器の出力光の指向性を表わす第１の強度プロファイルの半値強度角度範囲は、前記出力光の最大強度を与える光軸の方向から２０度以下であり、前記内部伝播媒体は、前記出力光を内部伝播後に出射させる出射面を提供する発光装置に適用される。

本発明の特徴に従えば、前記出射面は、該出射面が前記光軸と交わる位置の周囲に延在する内側領域と、該内側領域を取り囲むように延在する外側領域とを有し、前記反射面は、前記点状光源から放出され、前記内部伝播媒体を経て該反射面に到達した光を主として前記外側領域に向けて反射させるように、前記光軸の方向に対して傾斜している。また、前記内側領域は、前記点状光源から放出され、前記内部伝播媒体を経て、前記反射面を経由せずに前記内側領域に到達した光の進行方向の拡がりを拡大する第１の進行方向拡張機能を持つレンズ面を提供する一方、前記外側領域は、前記点状光源から放出され、前記内部伝播媒体を経て、前記反射面で反射されて前記外側領域に到達した光の進行方向の拡がりを拡大する第２の進行方向拡張機能を持つレンズ面を提供している。

ここで、前記第１の進行方向拡張機能は、前記第２の進行方向拡張機能よりも弱く、且つ、前記第２の進行方向拡張機能は、前記外側領域が前記光軸に垂直な平面であると仮定した場合の進行方向拡張機能よりも強く選ばれる。そして、前記内側領域からの出射光と、前記外側領域からの出射光とを合わせた全出射光の指向性を表わす第２の強度プロファイルの半値強度角度範囲は、前記光軸の方向から３０度を下回らないとともに、７０度を上回らないようになっている。

なお、前記内側領域は、少なくとも１つの凹状レンズ面を提供するものであって良く、あるいは、少なくとも１つの凸状レンズ面を提供するものであっても良い。

本発明によれば、点状光源と、該点状光源の光放出側で該点状光源の側方から取り囲む反射面を提供する反射手段からなる発光器と、該発光器からの出力光を内部伝播させる内部伝播媒体とを備えたタイプの発光装置において、前記発光器の出力光が光軸方向への強い指向性を有していても、強い指向性を十分に緩和して内部伝播媒体の出射面から出射することができる。

図４は、本発明の第１実施形態に係る発光装置の構造を、光線群とともに断面図で示したものである。その構造は、ブロック２あるいはブロック１２がブロック２２に変更された以外は、第１従来例や第２従来例と同じである。ブロック２、１２とブロック２２の相違は、出射面の形状にあり、他の部分に変更はない。

即ち、ブロック２２のほぼ下半部（ＬＥＤ１側の略半分）は、カップ状の表面形状を提供する。符号２３はＬＥＤ１の設置基準面（図中水平面）に対応する底面であり、符号２４は底面２３の外縁から斜め外側に立ち上がった傾斜反射面（反射面と適宜略記）２４となっている。この反射面２４が、側方放出光を略正面方向へ向けて反射する。この反射の大半を全反射でまかなうこともできるが、確実なものとするために、反射面２４を提供するブロック外面には、底面２３の部分も含めて例えばＡｌ、Ａｇ等の反射膜が形成されることが好ましい。また、内面を高反射性としたカップ状の反射部材をブロック２２にかぶせることで反射面２４を確保しても良い。

図５は、ＬＥＤと、傾斜反射面（本実施形態では反射面２４）を提供する反射手段で構成される発光器に関連する形状及び寸法の実例を示した図である。図５において、長さを表わす数字の単位はmm（ミリメートル）である。

図示されている通り、傾斜反射面の傾斜角度は、設置基準面（図中の水平面）に対して５０．９１゜となっている。また、発光中心から傾斜反射面の立ち上がり位置（底面の外縁）までの距離は、１．７mm、傾斜反射面の最上部までの高さは０．８mmである。傾斜反射面の最上部には、１mm外側に張り出した張り出し部があり、その外周は設置基準面に対して垂直な壁となっている。壁の高さは０８mmである。

傾斜反射面の機能を理解するために、一例として、光軸方向から７５．１７゜から８３．５８゜の角度範囲に放出された光束（拡がり角８．４１゜）の経路が併記されている。図示されているように、この光束は、傾斜反射面で反射することで、同じ拡がり角８．４１゜を保ったまま光軸とほぼ平行な方向に方向転換される。なお、これら図５で説明した事項は、本実施形態のみならず、既述の第１従来例及び第２従来例においても、図３に示した各強度プロファイルの計算で採用した条件となっている。また、後述する第２実施形態〜第４実施形態についても、図９に示した各強度プロファイルの計算の条件として採用されている。

図４に戻ると、符号Ｌは発光器の光軸である。この光軸Ｌは、製品の製造誤差等の要因で生じる誤差（例えば１度程度以下）を除けば、ＬＥＤ１の光軸でもある。また、各実施形態における発光装置の光軸とも実質的に一致している。ブロック２２のＬＥＤ１と反対側の面が提供する出射面は、内側領域と外側領域に区分して形状が定められる。本実施形態では、内側領域は、緩やかにカーブした凸面２５で構成され、外側領域は、適度にカーブした凹面２６で構成されている。凹面２６は、図示された円弧形状断面を以て光軸Ｌ周りを３６０度回転させた形状で良い。なお、符号２７は外側領域の最外周部が鋭利な刃状部になることを避けるための縁部で、上面（細い輪帯を形成）は平坦である。この部分の光学的な役割は無視できる程小さい。

図４中に光線群で描かれているように、直接出射光はＬＥＤ１から放射状にブロック２２内を内部伝播し、その殆どは凸面２５あるいは凹面２６から出射する。ここで、凹面２６から出射する光は、光軸Ｌに対してかなり傾斜した光であり、そこから比較的広い角度範囲に出射されるので、光軸Ｌの周辺方向の強度プロファイルに与える影響は小さい。一方、凸面２５から出射する光は、光軸Ｌの周辺方向の光が多く、出射の際に、第２従来例と同程度の進行方向拡張作用を受けて若干、光軸Ｌ方向の近傍での強度降下を緩和することに寄与する。

一方、間接出射光はＬＥＤ１から反射面２４に向かってブロック２２内を内部伝播し、反射面２４で反射される。ここで、内側領域にある凸面２５と外側領域にある凹面２６及び反射面２４の位置関係、及び図５で示した光路を考慮すれば、反射面２４で反射された間接出射光は、その大部分（例えば８０％以上）が凹面２６に内部入射する。その入射方向は、ほぼ光軸Ｌに平行となる。

そして、この間接出射光は凹面２６からの出射時に強い進行方向拡張作用を受ける。この作用により、発光器が持っている強い光軸方向指向性は大幅に緩和される。その結果、例えば図３中に○印のプロットを付したカーブのような強度プロファイルが得られる。

この強度プロファイルを得た条件は、ブロック２２の屈折率は１．５１（シリコーン樹脂）、発光器関連の条件は図５に示した通りである。また、凹面２６の曲率半径Ｒは、Ｒ＝０．４２４５mm、凸面２５の曲率半径Ｒは、Ｒ＝５．１１８４mmとした。本発明では、外側領域の主たる役割は、間接出射光の光軸Ｌ方向への指向性を弱めるために、光軸Ｌ方向から相当広範囲に進行方向拡張を行うことであるが、本実施形態のように、凹面２６を採用すれば、その屈折力に応じて広範囲で進行方向拡張機能を調整できる。また、凹面２６に平坦面に比べて強い進行方向拡張機能を与えることが容易であることは言うまでもない。

このように、内部伝播媒体（ブロック）２２の出射面の形状を２つに区分して形成し、外側の凹面２６で光軸方向指向性を緩和することで、図３中に破線で示した理想的な強度プロファイル（目標特性）にかなり近付くことが可能になる。

次に図６は、本発明の第２実施形態に係る発光装置の構造を、光線群とともに断面図で示したものである。その構造は、ブロック２２がブロック３２に変更された以外は、第１実施形態と同じである。ブロック２２とブロック３２の相違は、出射面の形状にあり、他の部分に変更はない。

即ち、ブロック３２のほぼ下半部（ＬＥＤ１側の略半分）は、カップ状の表面形状を提供する。符号３３はＬＥＤ１の設置基準面（図中水平面）に対応する底面であり、符号３４は底面３３の外縁から斜め外側に立ち上がった傾斜反射面（反射面と適宜略記）３４となっている。この反射面３４が、側方放出光を略正面方向へ向けて反射する。この反射の大半を全反射でまかなうこともできるが、確実なものとするために、反射面３４を提供するブロック外面には、底面３３の部分も含めて例えばＡｌ、Ａｇ等の反射膜が形成されることが好ましい。また、内面を高反射性としたカップ状の反射部材をブロック３２にかぶせることで反射面３４を確保しても良い。ＬＥＤ１と、傾斜反射面（本実施形態では反射面３４）を提供する反射手段で構成される発光器に関連する形状及び寸法は、図５に示した通りである。
符号Ｌは発光器の光軸で、製品の製造誤差等の要因で生じる誤差（例えば１度程度以下）を除けば、ＬＥＤ１の光軸でもある。また、発光装置の光軸とも実質的に一致している。ブロック３２のＬＥＤ１と反対側の面が提供する出射面は、内側領域と外側領域に区分して形状が定められる。本実施形態では、内側領域は、緩やかにカーブした凸面３５で構成される。凸面３５は凸面２５と実質的に同じ形状で良い。

外側領域は、「十分な曲率」でカーブした凸面３６で構成されている。凸面３６は、図示された円弧形状断面を以て光軸Ｌ周りを３６０度回転させた形状で良い。ここで、「十分な曲率」とは、少なくとも「平坦面を仮定した場合よりも強い進行方向拡張機能を持つような曲率」という意味である。ここで、凸面３６について、その曲率をγで表わし、もしも曲率γを０〜無限大の範囲で変化させた場合の進行方向拡張機能について簡単に整理しておく。

（１）曲率γ＝０の場合；
これは平坦面を意味する。既述の通り、弱い進行方向拡張機能があるが、目標特性（図３、図９中の破線のグラフを参照）を得るには不十分なので、本発明では採用しない。

（２）０＜曲率γ＜間接出射光に対してコリメータとして作用する曲率の場合；
この範囲では、曲率γが増大する程、進行方向拡張機能は弱くなる。従って、目標特性（図３、図９中の破線のグラフを参照）を得るには明らかに不適である。当然、本発明では採用しない。

（３）曲率γ＝間接出射光に対してコリメータとして作用する曲率の場合；
進行方向拡張機能は実質的に失われるので、当然、本発明では採用しない。なお、この状態となるのは、発光中心→反射面３４→凸面３６の光路長が、凸面（レンズ面）３６の焦点距離に相当する距離にほぼ一致した時である。

（４）間接出射光に対してコリメータとして作用する曲率＜曲率γ＜無限大の場合；
この範囲では、曲率γが増大する程、進行方向拡張機能は強くなり、やがて曲率＝０の場合の進行方向拡張機能を上回る。本発明では、少なくともこの条件（平坦面より進行方向拡張機能が強い）を満たす曲率を採用する。なお、このような凸面３６が、内側領域のレンズ面（凸面３５）よりも、強い進行方向拡張機能を持つことは当然である（凸面３５の曲率は、好ましくは上記（２）の範囲にあり、平面よりも進行方向拡張機能は弱い）。

図６中に光線群で描かれているように、直接出射光はＬＥＤ１から放射状にブロック３２内を内部伝播し、その殆どは凸面３５あるいは凸面３６から出射する。ここで、凸面３６から出射する光は、光軸Ｌに対してかなり傾斜した光であり、そこから比較的広い角度範囲に出射されるので、光軸Ｌの周辺方向の強度プロファイルに与える影響は小さい。一方、凸面３５から出射する光は、光軸Ｌの周辺方向の光が多く、出射の際に、第２従来例と同程度の進行方向拡張作用を受けて若干、光軸Ｌ方向の近傍での強度降下を緩和することに寄与する。

一方、間接出射光はＬＥＤ１から反射面３４に向かってブロック３２内を内部伝播し、反射面３４で反射される。ここで、内側領域にある凸面３５と外側領域にある凸面３６及び反射面３４の位置関係、及び図５で示した光路を考慮すれば、反射面３４で反射された間接出射光は、少なくともその一部が凸面３６に内部入射する。

但し、凸面３６の光束拡張機能が不足なく発揮されるために、間接出射光の内のかなりの部分（例えば５０％以上）が、凸面３６に内部入射することが好ましい。その入射方向は、ほぼ光軸Ｌに平行となる。

そして、上記の通り、少なくとも平坦面を仮定した場合よりも強い進行方向拡張作用を発揮する凸面３６で多方向に屈折され、十分な進行方向拡張作用を受ける。この作用により、発光器が持っている強い光軸方向指向性は大幅に緩和される。その結果、図９中で◇印のプロットを付けたカーブのような強度プロファイルが得られる。

なお、この強度プロファイルを得た条件は、ブロック３２の屈折率は１．５１（シリコーン樹脂）、発光器関連の条件は図５に示した通りである。また、凸面３６の曲率半径Ｒは、Ｒ＝０．４２４５mm、凸面３５の曲率半径Ｒは、Ｒ＝５．２４４４mmとした。

本発明では、外側領域の主たる役割は、間接出射光が光軸Ｌ方向への指向性を弱めるために、光軸Ｌ方向から相当広範囲に進行方向拡張を行うことであるが、本実施形態のように、凸面３６を採用しても、曲率を上述のような条件（平坦面に比べて強い進行方向拡張機能）で選べば、屈折力に応じて広範囲で進行方向拡張機能を調整できる。

このように、内部伝播媒体（ブロック）３２の出射面の形状を２つに区分して形成し、外側の凸面３６で光軸方向指向性を緩和することで、図９中に破線で示した理想的な強度プロファイル（図３中の目標特性と同じ）にかなり近付くことが可能になる。

図７は、本発明の第３実施形態に係る発光装置の構造を、光線群とともに断面図で示したものである。その構造は、ブロック３２がブロック４２に変更された以外は、第２実施形態と同じである。ブロック３２とブロック４２の相違は、出射面の形状にあり、他の部分に変更はない。

即ち、ブロック４２のほぼ下半部（ＬＥＤ１側の略半分）は、カップ状の表面形状を提供する。符号４３はＬＥＤ１の設置基準面（図中水平面）に対応する底面であり、符号４４は底面４３の外縁から斜め外側に立ち上がった傾斜反射面（反射面と適宜略記）４４となっている。この反射面４４が、側方放出光を略正面方向へ向けて反射する。この反射の大半を全反射でまかなうこともできるが、確実なものとするために、反射面４４を提供するブロック外面には、底面４３の部分も含めて例えばＡｌ、Ａｇ等の反射膜が形成されることが好ましい。また、内面を高反射性としたカップ状の反射部材をブロック４２にかぶせることで反射面４４を確保しても良い。ＬＥＤ１と、傾斜反射面（本実施形態では反射面４４）を提供する反射手段で構成される発光器に関連する形状及び寸法は、図５に示した通りである。

符号Ｌは発光器の光軸で、製品の製造誤差等の要因で生じる誤差（例えば１度程度以下）を除けば、ＬＥＤ１の光軸でもある。また、発光装置の光軸とも実質的に一致している。ブロック４２のＬＥＤ１と反対側の面が提供する出射面は、内側領域と外側領域に区分して形状が定められる。本実施形態では、内側領域は、緩やかにカーブした凸面４５で構成される。凸面４５は凸面３５と実質的に同じ形状で良い。

外側領域は、それぞれ「十分な曲率」でカーブした凸面４６、４７で構成されている。各凸面４６、４７は、図示された円弧形状断面を以て光軸Ｌ周りを３６０度回転させた形状で良い。ここで、「十分な曲率」の意味は、第２実施形態において、凸面３６について説明したものと同じである。

即ち、少なくとも「平坦面を仮定した場合よりも強い進行方向拡張機能を持つような曲率」を凸面４６、凸面４７がそれぞれ持つという意味である。なお、このような凸面４６、４７が、内側領域のレンズ面（凸面４５）よりも、強い進行方向拡張機能を持つことも既述の通りである（凸面４５の曲率は、好ましくは上述（２）の範囲にあり、平面よりも進行方向拡張機能は弱い）。

図７中に光線群で描かれているように、直接出射光はＬＥＤ１から放射状にブロック４２内を内部伝播し、その殆どは凸面４５、凸面４６あるいは凸面４７から出射する。ここで、凸面４６あるいは凸面４７から出射する光は、光軸Ｌに対してかなり傾斜した光であり、そこから比較的広い角度範囲に出射されるので、光軸Ｌの周辺方向の強度プロファイルに与える影響は小さい。一方、凸面４５から出射する光は、光軸Ｌの周辺方向の光が多く、出射の際に、第２従来例と同程度の進行方向拡張作用を受けて若干、光軸Ｌ方向の近
傍での強度降下を緩和することに寄与する。

一方、間接出射光はＬＥＤ１から反射面４４に向かってブロック４２内を内部伝播し、反射面４４で反射される。ここで、内側領域にある凸面４５と外側領域にある凸面４６、４７及び反射面４４の位置関係、及び図５で示した光路を考慮すれば、反射面４４で反射された間接出射光は、その大部分（例えば８０％以上）が凸面４６または凸面４７に内部入射する。その入射方向は、ほぼ光軸Ｌに平行となる。

そして、上記の通り、少なくとも平坦面を仮定した場合よりも強い進行方向拡張作用を発揮する凸面４６または４７で多方向に屈折され、十分な進行方向拡張作用を受ける。この作用により、発光器が持っている強い光軸方向指向性は大幅に緩和される。その結果、図９中に×印のプロットを付けたカーブのような強度プロファイルが得られる。

なお、この強度プロファイルを得た条件は、ブロック４２の屈折率は１．５１（シリコーーン樹脂）、発光器関連の条件は図５に示した通りである。また、凸面４６、４７の曲率半径Ｒは、Ｒ＝０．２８３mm、凸面４５の曲率半径Ｒは、Ｒ＝５．０４４６mmとした。

本発明のように、外側領域に２つの凸面４６、４７を形成しても、曲率を上述のような条件（平坦面に比べて強い進行方向拡張機能）で選べば、屈折力に応じて広範囲で進行方向拡張機能を調整し、図９中に破線で示した理想的な強度プロファイル（図３中の目標特性と同じ）にかなり近付くことが可能になる。

図８は、本発明の第４実施形態に係る発光装置の構造を、光線群とともに断面図で示したものである。その構造は、ブロック４２がブロック５２に変更された以外は、第２実施形態と同じである。ブロック４２とブロック５２の相違は、出射面の内側領域の形状にあり、他の部分に変更はない。

即ち、ブロック５２のほぼ下半部（ＬＥＤ１側の略半分）は、カップ状の表面形状を提供する。符号５３はＬＥＤ１の設置基準面（図中水平面）に対応する底面であり、符号５４は底面５３の外縁から斜め外側に立ち上がった傾斜反射面（反射面と適宜略記）５４となっている。反射面５４の形成形態のバリエーションについては、第３実施形態と同様なので繰り返さない。また、発光器の光軸Ｌが、ＬＥＤ１の光軸、発光装置の光軸と実質的に一致していることも第３実施形態と同様である。

ブロック５２のＬＥＤ１と反対側の面が提供する出射面は、内側領域と外側領域に区分して形状が定められる。本実施形態では、内側領域が、緩やかにカーブした非球面５５で構成される。図示されているように、非球面５５の起伏は緩やかである。非球面５５は、径方向に沿って２つの凸状面を持っている。但し、２つの凸状面の間に微小ば３つ目の凸状面を形成する等の微小起伏の追加もあり得る。いずれにしろ、非球面５５は平坦面を径方向に沿って極く緩やかに変形させた起伏を形成するものであり、従って、進行方向拡張機能は弱く、外側領域（凸面５６、５７）の持つ進行方向拡張機能よりも強いことはあり得ない。

外側領域を構成する凸面５６、５７は、第３実施形態における凸面４６、４７と同形状である。即ち、各凸面５６、５７は、図示された円弧形状断面を以て光軸Ｌ周りを３６０度回転させた形状で良い。そして、少なくとも「平坦面を仮定した場合よりも強い進行方向拡張機能を持つような曲率」を持っている。このような凸面５６、５７が、内側領域のレンズ面（非球面５５）よりも、強い進行方向拡張機能を持つことも既述の通りである（非球面５５は、外側領域の凸面５６、５７の進行方向拡張機能を補う程度であって、且つ、主たる直接出射光の内側領域のレンズ面（非球面５５）への入射角が臨界角以下となるように設計されていることが好ましく、その曲率は小さく、進行方向拡張機能は弱い）。

図８中に光線群で描かれているように、直接出射光はＬＥＤ１から放射状にブロック５２内を内部伝播し、その殆どは非球面５５、凸面５６あるいは凸面５７から出射する。ここで、凸面５６あるいは凸面５７から出射する光は、光軸Ｌに対してかなり傾斜した光であり、そこから比較的広い角度範囲に出射されるので、光軸Ｌの周辺方向の強度プロファイルに与える影響は小さい。一方、非球面５５から出射する光は、光軸Ｌの周辺方向の光が多く、出射の際に、第２従来例と同程度の進行方向拡張作用を受けて若干、光軸Ｌ方向の近傍での強度降下を緩和することに寄与する。

一方、間接出射光はＬＥＤ１から反射面４４に向かってブロック５２内を内部伝播し、反射面５４で反射される。ここで、内側領域にある非球面５５と外側領域にある凸面５６、５７及び反射面５４の位置関係、及び図５で示した光路を考慮すれば、反射面５４で反射された間接出射光は、その大部分（例えば８０％以上）が凸面５６または凸面５７に内部入射する。その入射方向は、ほぼ光軸Ｌに平行となる。

そして、上記の通り、少なくとも平坦面を仮定した場合よりも強い進行方向拡張作用を発揮する凸面５６または５７で多方向に屈折され、十分な進行方向拡張作用を受ける。この作用により、発光器が持っている強い光軸方向指向性は大幅に緩和される。その結果、図９中に○印のプロットを付けたカーブのような強度プロファイルが得られる。

なお、この強度プロファイルを得た条件は、ブロック５２の屈折率は１．５１（シリコーン樹脂）、発光器関連の条件は図５に示した通りである。また、凸面５６、５７の曲率半径Ｒは、Ｒ＝０．３８４２mmとした。非球面５５については、図示された起伏のもので、曲率半径で記述は困難なので記載は省略する。

本発明のように、外側領域に２つの凸面５６、５７を形成する一方、内側領域は非球面としても、第３実施形態と同様の進行方向拡張機能の調整が行われ、図９中に破線で示した理想的な強度プロファイル（図３中の目標特性と同じ）にかなり近付くことが可能になる。

以上、４つの実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。例えば、内部伝播媒体となるブロックの出射面の形状について、各種の変形があり得る。図１０及び図１１（Ａ）、（Ｂ）は、その例を示している。
先ず図１０は、出射面の形状の第１の変形例を示した図で、（Ａ）は正面から見た平面図、（Ｂ）は断面図である。図示されているように、この変形例では、外側領域のレンズ面が多数のドーム状凸面６６、６７とされている。各ドーム状凸面６６、６７の凸レンズとして曲率は、前述したのと同様の条件に従って十分大きく設定されており、外側領域が、平坦面を仮定した場合よりも強い進行方向拡張機能を発揮する。内側領域のレンズ面６５については、前出のレンズ面２５、３５、４５、５５のいずれと同じであっても良く、外側領域よりも弱い進行方向拡張機能を有している。このような構成によっても、図９中に破線で示した理想的な強度プロファイル（図３中の目標特性と同じ）にかなり近付くことが可能である。

図１１（Ａ）、（Ｂ）は、それぞれ出射面の形状の第２及び第３の変形例を示した断面図である。図示されているように、これら変形例では、外側領域のレンズ面が既述の実施形態と異なっている。第２変形例では、径方向に沿って内側がやや緩やかな凸面であり、頂点（輪状の稜線）の部分が急な曲斜面となっている。曲率の推移は、外側領域が全体として、平坦面を仮定した場合よりも強い進行方向拡張機能を発揮するように選ばれている（種々の曲率推移のものを作ってその中から適合するものを選ぶ）。レンズ面７５については、前出のレンズ面２５、３５、４５、５５のいずれと同じであっても良く、外側領域よりも弱い進行方向拡張機能を有している。

第３変形例では、径方向に沿って中央位置で、尖った頂点（輪状の稜線）を形成し、その内側と外側は対称な曲斜面８６、８７となっている。曲率の推移は、外側領域が全体として、平坦面を仮定した場合よりも強い進行方向拡張機能を発揮するように選ばれている（種々の曲率推移のものを作ってその中から適合するものを選ぶ）。レンズ面８５については、前出のレンズ面２５、３５、４５、５５のいずれと同じであっても良く、外側領域よりも弱い進行方向拡張機能を有している。

なお、以上の諸例では、ブロック２、１２、２２、３２、４２、５２、６２、７２、８２は、いずれもシリコーン樹脂製としたが、これは本発明を限定しない。シリコーン樹脂に代えて、例えばエポキシ樹脂や、アクリル樹脂、ポリカーボネート等の熱可塑性樹脂を用いて良く、耐熱性や成形性等を考慮して適宜選択することができる。

発光装置の基本的な従来構造例（第１従来例）を光線群とともに断面図で示したものである。 発光装置の別の従来構造例（第２従来例）を光線群とともに断面図で示したものである。 第１従来例、第２従来例、第１実施形態及び発光器（レンズなし）について、角度別の強度プロファイル（理論計算値）を、目標特性とともに示したグラフである。 第１実施形態に係る発光装置の構造を光線群とともに断面図で示したものである。 ＬＥＤと、傾斜反射面を提供する反射手段で構成される発光器に関連する形状及び寸法の実例を示した図である。 第２実施形態に係る発光装置の構造を光線群とともに断面図で示したものである。 第３実施形態に係る発光装置の構造を光線群とともに断面図で示したものである。 第４実施形態に係る発光装置の構造を光線群とともに断面図で示したものである。 第２実施形態〜第４実施形態について、角度別の強度プロファイル（理論計算値）を、目標特性とともに示したグラフである。 出射面の形状の第１の変形例を示した図で、（Ａ）は正面から見た平面図、（Ｂ）は断面図である。 出射面の形状の第２の変形例（Ａ）及び第３の変形例（Ｂ）を断面図で示したものである。

符号の説明

１ ＬＥＤ素子（点状光源素子）
２、１２、２２、３２、４２、５２、６２、７２、８２ プラスチック製ブロック（内部伝播媒体）
３、１３、２３、３３、４３、５３、６３ カップ状レフレクタの底面
４、１４、２４、３４、４４、５４、６４ 反射面（カップ状レフレクタの傾斜面）
５、１５ 出射面
２５、３５、４５ 内側領域に形成された凸面
２６ 外側領域に形成された凹面
２７ 縁部
３６、４６、４７、５６、５７ 外側領域に形成された凸面
５５ 内側領域に形成された非球面（光軸に関して対称な自由曲面）
６５ 内側領域に形成されたレンズ面
６６、６７ 外側領域に多数形成されたドーム状凸面
７７、７８ 外側領域に形成されたレンズ面（レンズ面の組）
Ｌ 光軸
Ｏ 発光中心

Claims (3)

1. 点状光源と、該点状光源の光放出側で該点状光源の側方から取り囲む反射面を提供する反射手段からなる発光器と、該発光器からの出力光を内部伝播させる内部伝播媒体とを備え、
   前記発光器の出力光の指向性を表わす第１の強度プロファイルの半値強度角度範囲は、前記出力光の最大強度を与える光軸の方向から２０度以下であり、
   前記内部伝播媒体は、前記出力光を内部伝播後に出射させる出射面を提供する発光装置において、
   前記出射面は、該出射面が前記光軸と交わる位置の周囲に延在する内側領域と、該内側領域を取り囲むように延在する外側領域とを有し、
   前記反射面は、前記点状光源から放出され、前記内部伝播媒体を経て該反射面に到達した光を主として前記外側領域に向けて反射させるように、前記光軸の方向に対して傾斜しており、
   前記内側領域は、前記点状光源から放出され、前記内部伝播媒体を経て、前記反射面を経由せずに前記内側領域に到達した光の進行方向の拡がりを拡大する第１の進行方向拡張機能を持つレンズ面を提供する一方、
   前記外側領域は、前記点状光源から放出され、前記内部伝播媒体を経て、前記反射面で反射されて前記外側領域に到達した光の進行方向の拡がりを拡大する第２の進行方向拡張機能を持つレンズ面を提供しており、
   該第２の進行方向拡張機能は、前記外側領域が前記光軸に垂直な平面であると仮定した場合の進行方向拡張機能よりも強く、且つ、
   前記第１の進行方向拡張機能は、前記第２の進行方向拡張機能よりも弱く、
   前記内側領域からの出射光と、前記外側領域からの出射光とを合わせた全出射光の指向性を表わす第２の強度プロファイルの半値強度角度範囲は、前記光軸の方向から３０度を下回らないとともに、７０度を上回らないことを特徴とする、前記発光装置。
2. 前記外側領域は、少なくとも１つの凹状レンズ面を提供することを特徴とする、請求項１に記載の発光装置。
3. 前記外側領域は、少なくとも１つの凸状レンズ面を提供することを特徴とする、請求項１に記載の発光装置。

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