JP2013168346A - 補助光源ユニット及び光学素子 - Google Patents

Abstract

【課題】小型を保ちつつ、十分な光量を確保し、製造が容易で低コストである光学素子及び補助光源ユニットを提供する。
【解決手段】ＬＥＤ光源１２の発光面（上面１２ａ）の対角長さをＳ（ｍｍ）、ＬＥＤ光源１２の発光面から光学素子１３の光出射面の最遠方（ここでは部分輪帯ＲＰｘ、ＲＰｙの最先端までの）距離をＴ（ｍｍ）、光透過部１３ｂの最大径をＬ１（ｍｍ）とし、光学素子を、光学素子の光軸ＯＡを法線とする仮想平面に投影した場合において、前記仮想平面に円を描く際、円周が部分輪帯から成る扇部と境界部のみを通過する円の直径の内、最も大きい長さをＬ２（ｍｍ）としたときに、下記の条件式を満たす。１．５＜Ｌ２／Ｓ＜４．０（１）Ｓ／３＜Ｔ＜２Ｓ（２）０．１＜Ｌ１・Ｔ／Ｓ＜１．０５（３）ただし、Ｔ＝Ｔ１＋Ｔ２Ｔ１：ＬＥＤ光源１２の発光面から光学素子１３の入射面までの厚み（ｍｍ）Ｔ２：光学素子１３の光軸方向の厚み（ｍｍ）
【選択図】図４

Description

本発明は、撮像用の補助光を発光できる補助光源ユニット及び光学素子に関する。

例えば携帯端末等に搭載のカメラを用いて撮像する場合、輝度が低い被写体を撮影するときにも高画質の画像を得るため、補助光（フラッシュ）を発光させたいというニーズがある。しかるに、一般的な携帯端末では搭載スペースが少ないため、補助光源からの光を導く光学系をなるべく小型化したいという要求がある。また、省エネのためにはLED光源を使用したいという要求もあるが、LEDは従来のフラッシュ等に用いられていたXe管に比べ光量が少なく、またランバーシャン型の配光特性を有するため、必要な照度を得るためには、なんらかの工夫が必要である。

ここで、特許文献１には主にＬＥＤ光源から出射した光を、補助光に適した特性に変換するための光学素子が開示されている。かかる光学素子の入射面と出射面の少なくとも一方には、溝状の微細構造が設けられており、これにより出射光をコントロールするようになっている。

米国特許公開番号第２０１１／３２７１２号明細書

しかるに、特許文献１の技術によれば、光学素子への入射角全域で光利用効率を確保するためには、光学素子の両面に溝状構造を付加することとされているが、これは製造上難しく、コスト増につながるという問題がある。一方、光学素子の入射面もしくは出射面のみに溝状構造を配置した場合、光線のコントロールが不十分となり、十分な光量が得られないという問題もある。

尚、上述したように製造上の観点から、溝状構造は、光学素子の片面のみに配置することが望ましいのであるが、特許文献１の図６によれば、片面のみに構造を付ける場合、入射側よりも出射側に溝状構造を付けたほうが、光の利用効率が高くなるとされている。しかしながら、出射側に溝状構造をつけた場合であっても、特許文献１の図６に従う限り、入射角４０度以上で光の利用効率が低くなるので使い勝手が悪くなる。

本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、撮像用の補助光として適した配光を有する補助光源ユニット用の光学素子であって、小型を保ちつつ、十分な光量を確保し、製造が容易で低コストである光学素子及びそれを用いた補助光源ユニットを提供することを目的とする。

尚、本明細書において、以下の式を満たす場合、十分な小型化がなされているものとする。
Ｌ２／Ｓ＜４．０ （５）
但し、
Ｓ：ＬＥＤ光源の発光面の最長長さをＳ（ｍｍ）
Ｌ２は、光学素子を光学素子の光軸を法線とする仮想平面に投影した場合において、前記仮想平面に円を描く際、円周が部分輪帯から成る扇部と境界部のみを通過する円の直径の内、最も大きい長さと定義する。単位はｍｍである。

請求項１に記載の補助光源ユニットは、ＬＥＤ光源と、前記ＬＥＤ光源の光出射側に設けられた光学素子とを有し、
前記光学素子の光出射側には、前記ＬＥＤ光源の中央部に対応して設けられた平面又は曲面の光透過部と、前記光透過部の周辺を取り囲む輪帯部とが設けられており、
前記輪帯部は、周方向に４つに分割されており、前記光透過部を挟んで対向する第１の一対の扇部と、前記第１の一対の扇部に挟まれた第２の一対の扇部とを有し、
前記第１の一対の扇部は、光軸側面と光軸外側面とを備えた複数の第１部分輪帯を有し、
前記第２の一対の扇部は、光軸側面と光軸外側面とを備えた複数の第２部分輪帯を有し、
光軸に対する前記第１部分輪帯の光軸外側面の傾き角と、光軸に対する前記第２部分輪帯の光軸外側面の傾き角は、少なくとも一部で異なっており、
前記ＬＥＤ光源の発光面の最長長さをＳ（ｍｍ）、前記ＬＥＤ光源の発光面から前記光学素子の光出射面の最遠方距離をＴ（ｍｍ）、前記光透過部の最大径をＬ１（ｍｍ）、前記光学素子を、前記光学素子の光軸を法線とする仮想平面に投影した場合において、前記仮想平面に円を描く際、円周が部分輪帯から成る扇部（隣接する前記扇部の境界に境界部が存在するときは前記扇部と前記境界部）のみを通過する円の直径の内、最も大きい長さをＬ２（ｍｍ）としたときに、下記の条件式を満たすことを特徴とする。
１．５＜Ｌ２／Ｓ＜４．０ （１）
Ｓ／３＜Ｔ＜２Ｓ （２）
０．１＜Ｌ１・Ｔ／Ｓ＜１．０５ （３）
ただし、Ｔ＝Ｔ１＋Ｔ２
Ｔ１：ＬＥＤ光源１２の発光面から光学素子１３の入射面までの厚み（ｍｍ）
Ｔ２：光学素子１３の光軸方向の厚み（ｍｍ）

本発明の補助光源ユニットは例えば携帯端末などに搭載され、携帯端末のカメラ機能によって被写体を撮像する際に補助光を照射するために用いられる。本発明によれば、前記ＬＥＤ光源の中央付近から出射した光線のうち、光軸近傍方向に出射し前記光学素子の光透過部を通過した光線は、光透過部が平面の場合はそのまま進行し、曲面の場合は該曲面に応じて屈折されて進行し、一方、前記ＬＥＤ光源の周辺部から出射した光線、およびＬＥＤ光源の中央付近から出射した光線のうち光軸方向からはずれた方向に出射した光線は、前記光学素子の輪帯部を通過することで屈折され、主に中央の被写体の周囲を効果的に照明するために用いられる。このとき、光軸に対する前記第１部分輪帯の光軸外側面の傾き角と、光軸に対する前記第２部分輪帯の光軸外側面の傾き角を、少なくとも一部で異ならせることで、例えば被写界に対して垂直方向より水平方向に広い範囲で振り分けるようにして光線を出射するなど、前記補助光源ユニットから出射される光線の出射角を効果的に調整することが出来、且つ部分輪帯を用いることで前記光学素子を小型化・低背化できる。特に、前記ＬＥＤ光源から前記光学素子に入射する光線の角度分布や位置分布に応じて、前記輪帯部の部分輪帯を配置することで、前記光学素子から出射する光の出射角度を効果的に制御出来る。但し、輪帯の中心は必ずしも光軸上にある必要はない。

更に、式（１）を満たす範囲内で、式（２）の値が下限を上回れば、前記ＬＥＤ光源から前記光学素子を離すことが出来、前記輪帯部の特定の位置に入射する光線の入射方向のバラツキが少なくなり、光線の出射方向の制御が行いやすくなる。一方、式（２）の値が上限を下回れば、ランバーシャン型などの配光を持つ前記ＬＥＤ光源から出射される光線を、前記光学素子で効率的に取り込むことが出来、これにより前記輪帯部に入射する光量を確保でき、高効率の光学系を実現出来る。

更に、本発明では前記輪帯部での屈折効果により、前記光学素子に入射した光線の出射方向を制御しているので、前記輪帯部の特定の位置に入射する光線の入射方向のバラツキが少ないほうが、光線の出射方向の制御が行いやすいという実情がある。しかしながら、ＬＥＤ光源のようなランバーシャン型の配光を持つ光源では、光源の直上で光学素子への入射光の角度分布が広くなるため、前記輪帯部による制御が効果的でないばかりか、前記輪帯部の全反射によって、前記光学素子に入射した光線が前記光源側に戻ってしまうなどの恐れもある。これに対し本発明では、式（３）の条件を加えている。

より具体的には、式（３）の値が下限を上回れば、前記ＬＥＤ光源の直上の一定範囲に前記光透過部が設けることができ、前記輪帯部を離すことで全反射等により光線が上手く制御出来ないという問題を回避することができる。又、前記光学素子を成形する金型の加工量が減らせるという利点もある。一方、式（３）の値が上限を下回れば、前記輪帯部を十分広く設ける事が出来るから、前記ＬＥＤ光源から出射される光線を効果的に制御することが出来る。さらに式（１）、（３）を有することで平面又は曲面の光透過部が適切な大きさにすることができ、これにより不必要に輪帯部を加工する必要がなくなり加工工数減によるコストダウンも期待できる。

請求項２に記載の補助光源ユニットは、請求項１に記載の発明において、以下の式を満たすことを特徴とする。
Ｔ２／Ｔ＜０．５ （４）

式（４）を満たすことで、前記ＬＥＤ光源から出射して前記光学素子に入射する光線の多くが、前記光学素子の光軸に対して傾いて進行するようになるので、これにより空気層を通過する光路長を長く確保することができ、前記光学素子の厚みを抑えることが出来る。

請求項３に記載の補助光源ユニットは、請求項１又は２に記載の発明において、前記第１部分輪帯と前記第２部分輪帯の境界である境界部には、山状隆起構造が設けられていることを特徴とする。

一般的に、撮像素子の有効画素領域は矩形状であるため、補助光で照射したい範囲は、被写体領域では矩形領域となる。すなわち、被写体領域である矩形領域の四隅（対角方向）まで或る程度の光量の補助光を到達させることが重要になる。本発明によれば、前記山状隆起構造を設けることで、前記ＬＥＤ光源から出射した光線のうち前記山状隆起構造を通過した光線が、輪帯部で大きく屈折されることなく矩形領域の四隅に向かうようにできるので、矩形領域の対角方向端部での照度が中央部に比べ過度に低下することを防ぐことが出来る。又、前記光学素子を金型により成形する場合、前記第１部分輪帯と前記第２部分輪帯の境界部において金型加工が容易となり、製造コストを下げることが出来る。但し、前記第１部分輪帯と前記第２部分輪帯とは接していても良い。

請求項４に記載の補助光源ユニットは、請求項１〜３のいずれかに記載の発明において、前記第１部分輪帯と前記第２部分輪帯のうち少なくとも一方の光軸外側面の傾き角が、光軸に近い側から周辺部に向け徐々に減少していることを特徴とする。

ランバーシャン型の配光を持つ前記ＬＥＤ光源から出射された光線が光学素子に入射した場合、光線の進行方向と光軸のなす角度は中央の輪帯よりも周辺の輪帯で大きく、光線を照射したい範囲に到達させるために輪帯に必要な屈折力は、中央よりも周辺で大きくなっている。本発明によれば、前記第１部分輪帯と前記第２部分輪帯のうち少なくとも一方の光軸外側面の傾き角が、光軸に近い側から周辺部に向け徐々に減少することで、輪帯のもつ屈折力を中央から周辺に向かって徐々に大きくしている。そのため、前記長方形領域に到達する光量を確保しつつ、長方形領域の長手方向端部での照度が中央部に比べ過度に低下することを防ぐことが出来る。

請求項５に記載の補助光源ユニットは、請求項１〜４のいずれかに記載の発明において、前記第１部分輪帯と前記第２部分輪帯のうち少なくとも一方の輪帯溝深さが、光軸に近い側から周辺部に向かって増加していることを特徴とする。

前記光学素子を金型から成形する場合において、前記部分輪帯部の光軸外側面の傾き角を小さくしたときでも、前記部分輪帯部に対応する金型を形成する工具先端を極端に細くする必要がなくなり、製造コストを低減しつつ出射光線の角度を調整することが出来る。

請求項６に記載の補助光源ユニットは、前記長さＬ２で定義される円の周外に第３部分輪帯を有することを特徴とする。

前記第３部分輪帯を設けることによって、限られた光学素子サイズにおいて、光学パワーを有する領域を拡張することができ、光の利用効率を向上させることが可能である。

請求項７に記載の補助光源ユニットは、請求項１〜６のいずれかに記載の発明において、前記光学素子に、前記第１の一対の扇部と前記第２の一対の扇部とを識別する識別マークを形成したことを特徴とする。

第１の一対の扇部と前記第２の一対の扇部とを識別する識別マークを識別することにより、補助光源ユニットを撮像装置と共に機器に組み込む際の組み込み方向を確実に視認でき誤った方向に組み込むことを防止できる。

請求項８に記載の光学素子は、請求項１〜７のいずれかに記載の補助光源ユニットに用いることを特徴とする。

本発明に係る補助光源ユニットは、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）光源と、光学素子とを有するものである。

ＬＥＤ光源としては、様々なものを用いることが出来るが、白色ＬＥＤが好ましく用いられる。

白色ＬＥＤとしては、青色ＬＥＤチップと青色ＬＥＤチップから発せられた青色光線によって黄色に発光するＹＡＧ蛍光体等の蛍光体を組み合わせたものが好ましく用いられるが、青色ＬＥＤチップ、緑色ＬＥＤチップ及び赤色ＬＥＤチップとを組み合わせて白色光を形成する白色ＬＥＤであってもよい。白色ＬＥＤとしては、例えば特開２００８−２３１２１８号公報に記載されたものを用いることができるが、これに限られない。

白色ＬＥＤ光源は、ＬＥＤチップと、ＬＥＤチップを覆うようにしてその上に形成された蛍光体層から構成されていると好ましい。ＬＥＤチップの一例としては、第１の所定波長の光を出射するものであり、例えば青色光を出射するようになっている。但し、ＬＥＤチップの波長及び蛍光体の出射光の波長は限定されず、ＬＥＤチップによる出射光の波長と、蛍光体による出射光の波長とが補色関係にあり合成された光が白色光となる組合せであればものであれば、使用可能である。

なお、このようなＬＥＤチップとしては、公知の青色ＬＥＤチップを用いることができる。青色ＬＥＤチップとしては、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ系をはじめ既存のあらゆるものを使用することができる。青色ＬＥＤチップの発光ピーク波長は４４０〜４８０ｎｍのものが好ましい。また、ＬＥＤチップの形態としては、基板上にＬＥＤチップを実装し、そのまま上方または側方に放射させるタイプ、又は、サファイア基板などの透明基板上に青色ＬＥＤチップを実装し、その表面にバンプを形成した後、裏返して基板上の電極と接続する、いわゆるフリップチップ接続タイプなど、どのような形態のＬＥＤチップでも適用することが可能である。

蛍光体層は、ＬＥＤチップから出射される第１の所定波長の光を第２の所定波長に変換する蛍光体を有していると好ましい。一例としては、ＬＥＤチップから出射される青色光を黄色光に変換するものがある。

このような蛍光体層に用いられる蛍光体は、Ｙ、Ｇｄ、Ｃｅ、Ｓｍ、Ａｌ、Ｌａ及びＧａの原料として酸化物、又は高温で容易に酸化物になる化合物を使用し、それらを化学量論比で十分に混合して原料を得る。又は、Ｙ、Ｇｄ、Ｃｅ、Ｓｍの希土類元素を化学量論比で酸に溶解した溶解液を蓚酸で共沈したものを焼成して得られる共沈酸化物と、酸化アルミニウム、酸化ガリウムとを混合して混合原料を得る。これにフラックスとしてフッ化アンモニウム等のフッ化物を適量混合して加圧し成形体を得る。成形体を坩堝に詰め、空気中１３５０〜１４５０℃の温度範囲で２〜５時間焼成して、蛍光体の発光特性を持った焼結体を得ることができる。

また、ＬＥＤ光源は、単一のＬＥＤチップを有していても良いし、複数のＬＥＤチップを有していても良い。単一のＬＥＤチップを用いる場合、式（１）のＬＥＤ光源の発光面の最長長さＳは、図１（ａ）に示すように、ＬＥＤチップＣＰの対角線にとる。一方、複数のＬＥＤチップを用いる場合、ＬＥＤ光源の発光面の最長長さＳは、図１（ｂ）の点線で示すように、複数のＬＥＤチップＣＰにまたがって蛍光体層ＹＬが設けられているときは、その直径又は対角長とする。但し、蛍光体層が設けられていない場合には、複数のＬＥＤチップＣＰに外接する最小円の直径をＳとする。尚、ＬＥＤチップが長方形の場合、その長手方向を、光学素子の出射光線が広がる方向（以下の実施の形態ではＹ方向）に一致させるのが好ましい。

ＬＥＤ光源は、高出力ＬＥＤ光源であることが好ましい。ここで、高出力ＬＥＤ光源としては、出力が０．５ワット以上のＬＥＤにより構成することができる。

光学素子は、ガラス又はプラスチックで構成されていると好ましい。レンズを構成するプラスチックとしては、例えばポリカーボネートやアクリルを用いることで、射出成形により製造でき、製造コストを低減させることができる。また、レンズモジュールを低コストかつ大量に基板に実装する方法として、近年では予め半田がポッティングされた基板に対しＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）チップや、その他の電子部品と共に、レンズモジュールを載置したままリフロー処理（加熱処理）し、半田を溶融させることにより電子部品とレンズモジュールとを基板に同時実装するという手法が提案されている。リフロー処理に耐え得る耐熱性に優れた樹脂を用いることで、レンズモジュールを基板上でリフロー処理し低コストでの大量生産を行うことができる。また、ガラスモールドで成形したものであってもよい。またガラス製の板又は樹脂製の板上にエネルギー硬化性樹脂で上述光透過部と輪帯部を成形した後、切断することで多数の光学素子を得ることができ製造コストを低減することができる。

ＬＥＤ光源と光学素子との間にリフレクタ付きスペーサを配置しても良い。ここで、リフレクタとは、ＬＥＤ光源から出射された光を反射するものであり、リフレクタとしては、拡散面を有することが好ましい。

本発明によれば、撮像用の補助光として適した配光を有する補助光源ユニット用の光学素子であって、小型を保ちつつ、十分な光量を確保し、製造が容易で低コストである光学素子及びそれを用いた補助光源ユニットを提供することができる。

ＬＥＤ光源の寸法Ｓを示す図である。 本実施の形態にかかる補助光源ユニット１０の斜視図である。 本実施の形態にかかる補助光源ユニット１０を出射面側から見た図である。 図３の構成をIV-IV線で切断して矢印方向に見た図である。 補助光源ユニット１０の透視斜視図である。 部分輪帯ＲＰｘ、ＲＰｙの概略断面図である。 部分輪帯ＲＰｘの概略断面図である。 別な実施の形態にかかる補助光源ユニットの斜視図である。 山状隆起構造の断面図である。 部分輪帯を転写成形する金型の断面図である。 光学素子の性能評価方法を説明するための図である。 実施例１〜１３の出射面側の図である。 実施例１４の出射面側の図である。 実施例１５の出射面側の図である。 別な実施の形態にかかる補助光源ユニット１０’の斜視図である。 補助光源ユニット１０’の正面図である。

以下、添付した図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。なお、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張され、実際の比率とは異なる場合がある。

図２は、本実施の形態にかかる補助光源ユニット１０の斜視図である。図３は、本実施の形態にかかる補助光源ユニット１０を出射面側から見た図である。図３中にはＬ２に該当する部分も図示している。図４は、図３の構成をIV-IV線で切断して矢印方向に見た図である。図５は、補助光源ユニット１０の透視斜視図である。尚、光学素子の光軸方向をＺ方向とし、Ｚ方向に直交する方向をＸ方向、Ｚ方向とＸ方向に直交する方向をＹ方向とする。

図３，４に示すように、本実施の形態の補助光源ユニット１０は、矩形状の基板１１に取り付けられたＬＥＤ光源１２と、ＬＥＤ光源１２の光出射側に設けられた外形が矩形状の光学素子１３と、ＬＥＤ光源１２と光学素子１３との間に配置されたスペーサ１４とからなる。スペーサ１４は、図５に示すように、外形が角筒状であり内形が円筒状であって、その下端を基板１１の上面に接着剤で固定し、その上端を光学素子１３の下面に接着剤で固定している。スペーサ１４の内周面１４ａは、拡散面（白色塗装面）となっている。

基板１１は、アルミニウムからなる基板本体と、基板本体上に積層された絶縁層と、絶縁層上に形成されたＣｕ等の導体からなる配線パターンとから概略構成されている。配線パターンには、ＬＥＤ光源１２を構成するＬＥＤチップが接続されている。

ＬＥＤ光源１２は、ＬＥＤチップが、矩形平板状のモールド成型された蛍光体含有透明樹脂体（蛍光体含有透明樹脂）によって完全に被覆されており、ＬＥＤチップから出射された光が全て蛍光体含有透明樹脂体を通過するように構成されている。この構成によりたとえば、ＬＥＤチップとして青色発光ダイオードを用い、蛍光体含有透明樹脂に含まれる蛍光体として黄色蛍光体を用いることで、白色光を出射できるようになっている。尚、ＬＥＤチップは、Ｘ方向とＹ方向にそれぞれ辺を有する矩形状であると好ましい。

光学素子１３は、平行平板１３ａ上（光出射側）において、中央部に設けられた円形の平面状（又は曲面状）の光透過部１３ｂと、光透過部１３ｂの周辺を取り囲む輪帯部１３ｃとを形成してなる。光透過部１３ｂの中心を、光学素子１３の光軸が通過するようになっている。平行平板１３ａと、光透過部１３ｂ及び輪帯部１３ｃとは一体的に形成されていても良いし、別々に成形された後に接合されても良い。一体的に形成される場合には、光学素子は光透過部及び輪帯部のみから構成されているとする。別々に成形する場合には、材質を変えても良い。輪帯部１３ｃは、直接平行平板１３ａ上に形成されていても良いし、図に示すように間に透明な円盤を介していても良い。尚、光学素子１３の製造方法としては、射出成形、削りだし、平行平板上に金型を用いて光透過部１３ｂ及び輪帯部１３ｃを形成する方法、ガラスモールド法など種々の態様があるが、本実施の形態では、４分割した扇部に対応する金型により光学素子１３を転写成形するものとする。

図３に示すように、輪帯部１３ｃは、周方向に４つに分割されており、光透過部１３ｂを挟んでＸ方向に対向する（第１の）一対の扇部１３ｃｘと、光透過部１３ｂを挟んでＹ方向に対向し、一対の扇部１３ｃｘに挟まれた（第２の）一対の扇部１３ｃｙとを有する。扇部１３ｃｘ、１３ｃｙは互いに接している。図４に示すように、一対の扇部１３ｃｘは、光軸を中心として、光軸側面ＩＰｘと光軸外側面ＯＰｘとを備えた複数の第１部分輪帯ＲＰｘを有し、一対の扇部１３ｃｙは、光軸を中心として、光軸側面ＩＰｙと光軸外側面ＯＰｙとを備えた複数の第２部分輪帯ＲＰｙを有している。本実施の形態では、第１部分輪帯ＲＰｘの高さｄ１と、第２部分輪帯ＲＰｙの高さｄ２は等しい。なお、図４において図示の都合上、扇部１３ｃｘ、１３ｃｙは互いに対向しているかのように示されているが、実際には扇部１３ｃｘ、１３ｃｙが互いに対向することはない。更に、光学素子の光出射側には、（第１の）一対の扇部１３ｃｘと、（第２の）一対の扇部１３ｃｙを識別するためのボス状の突起部２１が形成されている。この突起部２１は識別マークであり、この補助光源ユニットを撮像装置と共に機器に組み込む際の輪帯部の方向（本例では一対の扇部１３ｃｙのある方向）を示し、組込時にＸ方向とＹ方向が確認でき、誤った方向に組み込むことを防止するためのものである。

第１部分輪帯ＲＰｘ及び第２部分輪帯ＲＰｙの断面を概念的に示す図６において、光軸ＯＡに対する第１部分輪帯ＲＰｘの光軸外側面ＯＰｘの傾き角φ１と、光軸ＯＡに対する第２部分輪帯ＲＰｙの光軸外側面ＯＰｙの傾き角φ２は、少なくとも一部で異なっている。より好ましくは、第２部分輪帯ＲＰｙの光軸外側面ＯＰｙの傾き角φ２は、一定であるが、第１部分輪帯ＲＰｘの光軸外側面ＯＰｘの傾き角φ１は、図７に示すように、中心側から周辺側に向かうに連れて、徐々に小さくなっている。つまり、図２に示すように、第２部分輪帯ＲＰｙのピッチは等しいが、第１部分輪帯ＲＰｘのピッチは、中心側から周辺側に向かうに連れて、徐々に小さくなっている。尚、第１部分輪帯ＲＰｘの光軸側面ＩＰｘの傾き角θ１と、第２部分輪帯ＲＰｙの光軸側面ＩＰｙの傾き角θ２は等しくても良いし、異なっていても良い。本実施の形態では、等しくなっている。

図４に示すように、ＬＥＤ光源１２の発光面（上面１２ａ）の対角長さをＳ（ｍｍ）、ＬＥＤ光源１２の発光面から光学素子１３の光出射面の最遠方（ここでは部分輪帯ＲＰｘ、ＲＰｙの最先端までの）距離をＴ（ｍｍ）、光透過部１３ｂの最大径をＬ１（ｍｍ）、光学素子１３を、光学素子１３の光軸を法線とする仮想平面に投影した場合において、当該仮想平面に円を描く際、円周が部分輪帯から成る扇部１３ｃｘ、１３ｃｙ（図８に示す実施の形態のように、隣接する扇部１３ｃｘ、１３ｃｙの境界に境界部１５が存在するときは扇部１３ｃｘ、１３ｃｙと境界部１５）のみを通過する円の直径の内、最も大きい長さをＬ２（ｍｍ）としたときに、下記の条件式を満たす。
１．５＜Ｌ２／Ｓ＜４．０ （１）
Ｓ／３＜Ｔ＜２Ｓ （２）
０．１＜Ｌ１・Ｔ／Ｓ＜１．０５ （３）
ただし、Ｔ＝Ｔ１＋Ｔ２
Ｔ１：ＬＥＤ光源１２の発光面から光学素子１３の入射面までの厚み（ｍｍ）
Ｔ２：光学素子１３の光軸方向の厚み（ｍｍ）

本実施の形態にかかる補助光源ユニット１０を携帯端末等に搭載する場合、Ｘ方向を撮像素子の短辺方向（垂直方向）、Ｙ方向を撮像素子の長辺方向（水平方向）になるようにする。携帯端末のカメラ機能を用いて被写体の撮像を行う際には、補助光源ユニット１０が発光する。このとき、ＬＥＤ光源から出射し、前記光学素子の光透過部を通過した光線は、光透過部が平面の場合はそのまま進行し、曲面の場合は該曲面に応じて屈折されて進行する。

一方、光学素子１３に入射して平行平板１３ａを通過した光線のうち、一対の扇部１３ｃｘに入射した光線は、第１部分輪帯ＲＰｘの光軸外側面ＯＰｘで屈折した後に、被写体に向かって出射する。又、光学素子１３に入射して平行平板１３ａを通過した光線のうち、一対の扇部１３ｃｙに入射した光線は、第２部分輪帯ＲＰｙの光軸外側面ＯＰｙで屈折した後に、被写体に向かって出射する。このとき、光軸外側面ＯＰｘの傾き角φ１は、第２部分輪帯ＲＰｙの光軸外側面ＯＰｙの傾き角φ２よりも小さいので、Ｘ方向（垂直方向）に向かう光線は大きく屈折するのに対して、Ｙ方向（水平方向）に向かう光線は、それよりも小さい角度で屈折することとなる。これにより、補助光源ユニット１０から出射された光線は、垂直方向よりも水平方向に広い照射範囲を持つので、撮像画面に合わせた照射を行うことができる。

図８は、別な実施の形態にかかる光学素子１３’の斜視図である。本実施の形態では、光透過部１３ｂを挟んでＸ方向に対向する（第１の）一対の扇部１３ｃｘと、光透過部１３ｂを挟んでＹ方向に対向する（第２の）一対の扇部１３ｃｙとの境界部に、それぞれ光軸直交方向にストレートに延在する山状隆起構造１５を設けている点が異なる。即ち、山状隆起構造１５のある部分には輪帯部が形成されていない。山状隆起構造１５は、図９に示す長手直交方向断面で示すように、矩形断面（ａ）、半円形断面（ｂ）、光出射側の角が円弧で形成された矩形断面（ｃ）など種々の形態を採用できる。

本実施の形態によれば、山状隆起構造１５を設けることで、ＬＥＤ光源１２から出射した光線のうち山状隆起構造１５を通過した光線が、屈折することなく被写体周辺に仮想的に示される矩形領域の四隅に向かうようにできるので、かかる矩形領域の対角方向端部での照度が中央部に比べ過度に低下することを防ぐことが出来る。又、光学素子１３’を成形する金型を単一とする場合、部分輪帯をＮＣマシン等で製作する際に、山状隆起構造１５に対応する部分が工具の逃げ部となり、これにより金型加工が容易となり、製造コストを下げることが出来る。

図１５は、別な実施の形態にかかる補助光源ユニット１０’の斜視図である。図１６は、補助光源ユニット１０’の正面図である。本実施の形態では、図１６に示すように、光学素子１３の長さＬ２で定義される円の周外に（正方形の平行平板１３ａに四隅に隣接して）、第３部分輪帯１３ｗを有する点が異なる。第３部分輪帯１３ｗにより光軸から離れた方向に進んだ光を屈折し、光の利用効率を上げることができる。第３部分輪帯１３ｗの外周は最大で平行平板１３ａの縁と平行になるまで拡張されている。また、効率を上げるためにスペーサの内形状を矩形としている。スペーサの内形状を矩形とすることで、光源から出た光のうちより多くが直接光学素子１３に入射するようにしている。第３部分輪帯１３ｗは長さＬ２を直径とする円の周外に形成されるため、第３部分輪帯１３ｗは曲率半径が大きい円弧状に配置されることとなり、近似的に直線的な構造とすることも可能である。平行平板１３ａの四隅を埋めるように、第３部分輪帯１３ｗを設けても良い。

上述した実施の形態では、部分輪帯ＲＰｙの高さを等しくしたが、光軸側から周辺に向かうに連れて徐々に高くなるように異ならせても良い。これを言い換えると、部分輪帯ＲＰｙの間の輪帯溝深さが、光軸側から周辺に向かうに連れて徐々に深くなるということである。その効果を、図１０を用いて説明する。

図１０は、部分輪帯ＲＰｙを転写成形する金型の断面図である。図１０（ａ）に示す金型Ｍ１では、高さが等しい部分輪帯ＲＰｙを転写成形するものであり、このとき転写溝ＧＶ１は、中心から周辺側（図で右側）に向かうに連れて、溝幅が徐々に狭くなるために、最も周辺側の転写溝ＧＶ１を切削する際には、幅狭の工具を用いなくてはならず、製造コストが増大する。

これに対し、部分輪帯ＲＰｙの高さを光軸側から周辺に向かうに連れて徐々に高くなるようにした場合、図１０（ｂ）に示す金型Ｍ２における部分輪帯ＲＰｙを転写成形する転写溝ＧＶ２は、中心から周辺側（図で右側）に向かうに連れて深くはなるが、溝幅自体は殆ど変わらない。従って、全ての転写溝ＧＶ２を同じ幅の工具を用いて切削できるために、製造コストを低減できるのである。

（実施例）
本発明者は、上述した実施の形態に好適な実施例を作成した。ここで、本発明者らが行った光学素子の性能評価方法を説明する。図１１に示すように、縦８２８ｍｍ×横１０６４ｍｍの矩形スクリーンＳＣを準備して、補助光源ユニット１０に対して１０００ｍｍ前方に、その光学素子の光軸がスクリーンＳＣの中央に向くように配置した。かかる状態で、２７０［Ｌｕｍｅｎ]のＬＥＤ光源（ＬＥＤチップは正方形）を発光させて、スクリーンＳＣ上の照度を測定した。評価は、スクリーンＳＣに到達する光量を最優先とするものとし、「効率」とは、スクリーンＳＣ内に到達した光量[Ｌｕｍｅｎ]/ＬＥＤ光源の出射光量[Ｌｕｍｅｎ]とする。尚、ＬＥＤ光源は発光面が正方形状のものを用いた。又、スペーサについては内周面の反射率は９０％の拡散面で、実施例１〜１６、比較例１〜３においては内径３．０ｍｍ、実施例１７〜１９においては内形の矩形の一辺を３．２ｍｍとした。

表１Ａ、１Ｂに、実施例１〜１９と比較例１〜３の、式（１）〜（３）に示す値及び図４に示す各部の値を示す。尚、実施例１〜１３，比較例１〜３は、山状隆起構造を有しておらず、部分輪帯ＲＰｘ、ＲＰｙの数がそれぞれ５であり、実施例１４は、山状隆起構造を有しておらず、部分輪帯ＲＰｘの数が１５であり、部分輪帯ＲＰｙの数が１０であり、実施例１５〜１６は、山状隆起構造を有しており、部分輪帯ＲＰｘの数が１５であり、部分輪帯ＲＰｙの数が１０であり、実施例１７〜１９は、山状隆起構造を有しておらず、部分輪帯ＲＰｘ、ＲＰｙの数がそれぞれ１３である。実施例１〜１５、実施例１７〜１８、比較例１〜３は、光透過部１３ｂ及び輪帯部１３ｃが一体形成され、それと平行平板１３ａが接着されている。実施例１６と１９は平行平板１３ａと、光透過部１３ｂ及び輪帯部１３ｃが全て一体的に形成されている。表中の「掃引角」とは、部分輪帯ＲＰｙの角度γ（図３参照）をいう。実施例と比較例とは、Ｓの値は同じであるが、Ｔ、Ｌ１（Ｔ１＋Ｔ２）／Ｓの値を異ならせている。尚、実施例１〜１３の出射面側の図を図１２に示し、実施例１４の出射面側の図を図１３に示し、実施例１５〜１６の出射面側の図を図１４に示し、実施例１７〜１９の出射面側の図を図１６に示す。なお、図１６は出射面を光軸に垂直な仮想平面に投影した形状に等しいので、図１６には長さＬ２に該当する長さを直径とする円も重複して描いている。

表２Ａ，２Ｂに、実施例１〜１９と比較例１〜３の評価結果を示す。補助光源ユニットの光学素子の性能として、スクリーンＳＣ内に到達した光量[Ｌｕｍｅｎ]/ＬＥＤ光源の出射光量[Ｌｕｍｅｎ]で定義される「効率」が最も重要視される。効率は極力高いことが望ましいが、０．４５以上が許容範囲の目安であり、望ましくは０．５以上がよい。又、スクリーンＳＣ上の照度は極力高く維持し、数百Ｌｕｘ以上であることが望まれる。又、スクリーンＳＣの上下縁及び左右縁の中央の照度は、中心部分の照度に対して４０％程度であることが望まれる。更に、スクリーンＳＣの対角方向縁の中央の照度は、中心部分の照度に対して２０％程度であることが望まれる。但し、照度は中央から周辺に向かうに連れて単調に減少することが望ましく、その減少度合いは一様であることがよい。

表２Ａ，２Ｂから明らかであるが、式（１）〜（３）を満たす実施例１〜１５においては、「効率」は０．４９以上であり、十分に実用的であることがわかった。これに対し、比較例１〜３では、「効率」は０．４４以下であり実用に適さないことが分かった。又、スクリーンＳＣの中心照度が２０８Ｌｕｘ以上であり、スクリーンＳＣの上下縁の中央の照度は、中心部分の照度に対して５３〜７１％であり、スクリーンＳＣの左右縁の中央の照度は、中心部分の照度に対して４６〜５８％であり、スクリーンＳＣの対角方向縁の中央の照度は、中心部分の照度に対して２０〜３５％であり、十分に実用的であることがわかった。これに対し、比較例１〜３では、スクリーンＳＣの中心照度が１８１Ｌｕｘ以下であり、スクリーンＳＣの上下縁の中央の照度は、中心部分の照度に対して６３〜７３％であり、スクリーンＳＣの上下縁の中央の照度は、中心部分の照度に対して６４〜７４％であり、スクリーンＳＣの対角方向縁の中央の照度は、中心部分の照度に対して３６〜４４％であり、スクリーン上の照度の均一性は高いが中心照度が低いため、実用に適さないことが分かった。

本発明は、明細書に記載の実施例に限定されるものではなく、他の実施例・変形例を含むことは、本明細書に記載された実施例や思想から本分野の当業者にとって明らかである。明細書の記載及び実施例は、あくまでも例証を目的としており、本発明の範囲は後述するクレームによって示されている。例えば、部分輪帯の頂部は尖っておらず、丸みを帯びていても良い。又、光学素子の出射面側に、光学素子をＬＥＤ光源に取り付ける際の位置決め構造を形成しても良い。位置決め構造は一体成形等によって形成することが可能である。更に、光学素子の周辺部に、Ｘ方向又はＹ方向を示す識別マークは、ボス状のもので例示したが、方向が識別できるものであれば何れの位置に形成してもよく、配光の方向を区別するための識別マークや記号等であっても良い。

１０ 補助光源ユニット
１１ 基板
１２ 光源
１２ａ 上面
１３ 光学素子
１３ａ 平行平板
１３ｂ 光透過部
１３ｃ 輪帯部
１３ｃｘ 第１の扇部
１３ｃｙ 第２の扇部
１４ スペーサ
１４ａ 内周面
１５ 山状隆起構造
２１ 突起部
Ｍ１、Ｍ２ 金型
ＯＡ 光軸
ＯＰｘ 光軸外側面
ＯＰｙ 光軸外側面
ＲＰｘ 部分輪帯
ＲＰｙ 部分輪帯
ＳＣ スクリーン

Claims (8)

1. ＬＥＤ光源と、前記ＬＥＤ光源の光出射側に設けられた光学素子とを有し、
   前記光学素子の光出射側には、前記ＬＥＤ光源の中央部に対応して設けられた平面又は曲面の光透過部と、前記光透過部の周辺を取り囲む輪帯部とが設けられており、
   前記輪帯部は、周方向に４つに分割されており、前記光透過部を挟んで対向する第１の一対の扇部と、前記第１の一対の扇部に挟まれた第２の一対の扇部とを有し、
   前記第１の一対の扇部は、光軸側面と光軸外側面とを備えた複数の第１部分輪帯を有し、
   前記第２の一対の扇部は、光軸側面と光軸外側面とを備えた複数の第２部分輪帯を有し、
   光軸に対する前記第１部分輪帯の光軸外側面の傾き角と、光軸に対する前記第２部分輪帯の光軸外側面の傾き角は、少なくとも一部で異なっており、
   前記ＬＥＤ光源の発光面の最長長さをＳ（ｍｍ）、前記ＬＥＤ光源の発光面から前記光学素子の光出射面の最遠方距離をＴ（ｍｍ）、前記光透過部の最大径をＬ１（ｍｍ）、前記光学素子を、前記光学素子の光軸を法線とする仮想平面に投影した場合において、前記仮想平面に円を描く際、円周が前記扇部（隣接する前記扇部の境界に境界部が存在するときは前記扇部と前記境界部）のみを通過する円の直径の内、最も大きい長さをＬ２（ｍｍ）としたときに、下記の条件式を満たすことを特徴とする補助光源ユニット。
   １．５＜Ｌ２／Ｓ＜４．０ （１）
   Ｓ／３＜Ｔ＜２Ｓ （２）
   ０．１＜Ｌ１・Ｔ／Ｓ＜１．０５ （３）
   ただし、Ｔ＝Ｔ１＋Ｔ２
   Ｔ１：ＬＥＤ光源１２の発光面から光学素子１３の入射面までの厚み（ｍｍ）
   Ｔ２：光学素子１３の光軸方向の厚み（ｍｍ）
2. 以下の式を満たすことを特徴とする請求項１に記載の補助光源ユニット。
   Ｔ２／Ｔ＜０．５ （４）
3. 前記第１部分輪帯と前記第２部分輪帯の境界である境界部には、山状隆起構造が設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の補助光源ユニット。
4. 前記第１部分輪帯と前記第２部分輪帯のうち少なくとも一方の光軸外側面の傾き角が、光軸に近い側から周辺部に向け徐々に減少していることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の補助光源ユニット。
5. 前記第１部分輪帯と前記第２部分輪帯のうち少なくとも一方の輪帯溝深さが、光軸に近い側から周辺部に向かって増加していることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の補助光源ユニット。
6. 前記長さＬ２を直径とする円の周外の少なくとも一部に、第３部分輪帯を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の補助光源ユニット。
7. 前記光学素子に、前記第１の一対の扇部と前記第２の一対の扇部とを識別する識別マークを形成したことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の補助光ユニット。
8. 請求項１〜７のいずれかに記載の補助光源ユニットに用いることを特徴とする光学素子。