JP2017161562A - 光学素子、照明用光学ユニット及び照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レンズ面上にレンズアレイを付与する加工を容易にしつつ、所望の光学特性を有する光学素子を提供する。
【解決手段】複数のレンズ部を有するレンズアレイが非球面の基準面上に配置された光学素子であって、複数のレンズ部は、基準面上に規定されるアレイ形成領域を光軸に垂直なＸＹ平面に関して分割して、Ｘ方向及びＹ方向に等間隔ＤＸ，ＤＹで配置され、レンズ部の基準面からの突出量又は陥没量の最大値ｄは、基準面の法線に沿って略一定の値になるように設定され、近軸において、複数のレンズ部と基準面の凹凸の向きとが一致しており、かつ基準面の非球面式の２階微分値がアレイ形成領域内において−０．０２以上又は０．０２以下であり、以下の条件式を満足する。０＜Ｒａ／Ｒｂ＜１…（１）、４ｄ・Ｒａ≦Ｄｘ^２＋Ｄｙ^２≦８ｄ・Ｒａ…（２）、ただし、Ｒａ、Ｒｂはそれぞれレンズ部の曲率半径、基準面の近軸曲率半径の絶対値である。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の光源から放射される光を被照明物体に照射するための照明用光学ユニットに組み込まれる光学素子、当該光学素子を組み込んだ照明用光学ユニット及び照明装置に関する。

近年、エネルギー問題の高まりの中で省エネルギーかつ長寿命である発光ダイオード（ＬＥＤ）を光源として用いたＬＥＤ照明装置が注目され、実際に利用されている。一般に、ＬＥＤは指向性が強いため、例えば看板照明や液晶のバックライト等に使用される場合、照射範囲を拡大する目的でレンズや拡散板等が用いられる。より強く、より広範囲を照射したい場合においては、複数のＬＥＤチップが配置された基板と、それぞれのＬＥＤからの放射光を集光、コリメート、又は拡散するレンズとを用いる手法がとられている。このような光源を使用する場合、複数のＬＥＤチップのうち特定のＬＥＤチップを消灯することにより、特定の方向に光を照らさなかったり、あるいは特定のＬＥＤチップを点灯することにより文字や形等を模って光を照らしたりすることもできる。ここで、一般に、光源から放射される光を、光学手段によって集光した場合、照射面における光強度分布は光源の形がそのまま像として投射される。つまり複数の光源を使用する場合、それらが高密度に配列されていたとしても、物理的制約のため光源と光源との隙間を完全に無くすことは難しく、例えば矩形の光源を高密度に配列した場合、照射面上の光強度分布にはグリッド状の強弱が発生してしまう。このような現象は照明装置としては回避すべき問題である。

この問題を解決するため、レンズ面にレンズアレイを付加した光学素子を照明装置に組み込むことが考えられる。ここで、曲面に複数のレンズ用曲面形状を切削加工する方法がある（例えば、特許文献１参照）。また、発光素子パッケージに組み込むレンズのレンズ面にレンズアレイとして複数の屈折レンズを形成したものがある（例えば、特許文献２参照）。

しかしながら、特許文献１では、レンズアレイの土台となる面と、レンズアレイとの配置関係が具体的に示されていない。特許文献２では、レンズアレイの土台となる曲面の曲率半径が３ｍｍであり、個々の屈折レンズの曲率半径が０．９ｍｍであり、隣接する屈折レンズ間の間隔が０．４５ｍｍとなっている。所定の光学特性を得るには、隣接するレンズが繋がることが好ましく、特許文献２の場合、レンズアレイの土台となる面からのレンズの突出量を０．０４以上にする必要がある。この場合、突出比（突出量／屈折レンズの曲率半径）が０．０４４以上となるため、屈折レンズのアスペクト比が大きくなり、レンズアレイの加工が困難となる。

特開２０１４−１０４５６３号公報 特開２０１０−１９９５４４号公報

本発明は、上記背景技術に鑑みてなされたものであり、レンズ面（曲面）上にレンズアレイを付与する加工又は成形を容易にしつつ、所望の光学特性を有する光学素子を提供することを目的とする。

また、本発明は、上記光学素子を組み込んだ照明用光学ユニット及び照明装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る第１の光学素子は、複数のレンズ部を有するレンズアレイが非球面の基準面上に配置された光学素子であって、複数のレンズ部は、基準面上に規定されるアレイ形成領域を光軸に垂直なＸＹ平面に関して分割して、Ｘ方向に等間隔で配置され、かつＹ方向に等間隔で配置され、レンズ部の基準面からの突出量及び陥没量のいずれか一方の最大値は、基準面の法線に沿って略一定の値になるように設定され、近軸において、複数のレンズ部の凹凸の向きと基準面の凹凸の向きとが一致しており、かつ基準面の非球面式の２階微分値がアレイ形成領域内において−０．０２以上及び０．０２以下のいずれか一方であり、以下の条件式を満足する。ここで、略一定の値とは、個々のレンズ部の突出量又は陥没量の最大値が完全に一致している必要はなく、ある程度の幅があってもよいという意味である。
０＜Ｒａ／Ｒｂ＜１ … （１）
４ｄ・Ｒａ≦Ｄｘ^２＋Ｄｙ^２≦８ｄ・Ｒａ … （２）
ただし、値Ｒａはレンズ部の曲率半径の絶対値であり、値Ｒｂは基準面の近軸曲率半径の絶対値であり、値Ｄｘはレンズ部のＸ方向のアレイピッチであり、値Ｄｙはレンズ部のＹ方向のアレイピッチであり、値ｄはレンズ部の基準面からの突出量及び陥没量のいずれか一方の最大値である。なお、各レンズ部の曲率半径は、アレイ形成領域内で同一となっている。

上記第１の光学素子は、非球面の基準面にレンズアレイを設けることにより、照射強度を確保しつつ強度分布を均一化できる。非球面では局所的に凹凸が変化する場合があるが、基準面の非球面式の２階微分値がアレイ形成領域内において−０．０２以上又は０．０２以下であれば、基準面に急激な凹凸変化はない。また、レンズ部の凹凸の向きと基準面の凹凸の向きとが一致するため、光学素子のアレイ形成領域内でレンズ部のパワーに大きな変化は生じない。レンズアレイのアレイピッチを変えることにより、Ｘ方向及びＹ方向における光のぼかし量や発散角を容易に調整させることができる。また、アレイピッチやレンズ部の突出量又は陥没量の最大値が略一定であり、条件式（２）を満たすことにより後述するように隣接するレンズ部が連続的に繋がる構造となるため、レンズアレイの加工又は成形が容易となる。また、光学素子の非球面（すなわち巨視的なレンズ面）にレンズアレイを設けるため、別途レンズアレイを有する平板を組み合わせる必要がなく、部品点数を削減し、コストダウンを図ることができる。

条件式（１）は、レンズ部の曲率半径が基準面の近軸曲率半径より小さいことを規定する。また、条件式（２）は、隣接するレンズ部の配置状態を規定する。条件式（２）を満たすことにより、基準面が非球面であっても、レンズ部は略隙間なく並び、連続的に繋がる構造となる。これにより、所望の光学特性を得ることができる。条件式（２）の下限値を上回ることにより、レンズ部が隙間なく繋がるために必要な最低限の個数又は密度の２倍以上にならず、レンズアレイの加工性及び成形性を良好に維持することができる。

上記目的を達成するため、本発明に係る第２の光学素子は、複数のレンズ部を有するレンズアレイが球面の基準面上に配置された光学素子であって、複数のレンズ部は、基準面上に規定されるアレイ形成領域を光軸に垂直なＸＹ平面に関して分割して、Ｘ方向に等間隔で配置され、かつＹ方向に等間隔で配置され、レンズ部の基準面からの突出量及び陥没量のいずれか一方の最大値は、基準面の法線に沿って略一定の値になるように設定され、レンズ部の凹凸の向きと基準面の凹凸の向きとが一致しており、以下の条件式を満足する。
０＜Ｒａ／Ｒｂ＜１ … （１）
４ｄ・Ｒａ／（１−Ｒａ／Ｒｂ）＜Ｄｘ^２＋Ｄｙ^２＜８ｄ・Ｒａ／（１−Ｒａ／Ｒｂ） … （５）
ここで、１／（１−Ｒａ／Ｒｂ）とは、基準面が球面のときにのみ必要な補正係数である。

上記第２の光学素子は、球面の基準面にレンズアレイを設けることにより、照射強度を確保しつつ強度分布を均一化できる。レンズ部の凹凸の向きと基準面の凹凸の向きとが一致しているため、光学素子のアレイ形成領域内でレンズ部のパワーに大きな変化は生じない。レンズアレイのアレイピッチを変えることにより、Ｘ方向及びＹ方向における光のぼかし量や発散角を容易に調整させることができる。また、アレイピッチやレンズ部の突出量又は陥没量の最大値が略一定であり、条件式（５）を満たすことにより隣接するレンズ部が連続的に繋がる構造となるため、レンズアレイの加工又は成形が容易となる。また、光学素子の球面（すなわち巨視的なレンズ面）にレンズアレイを設けるため、別途レンズアレイを有する平板を組み合わせる必要がなく、部品点数を削減し、コストダウンを図ることができる。

条件式（１）は、レンズ部の曲率半径が基準面の近軸曲率半径より小さいことを規定する。また、条件式（５）は、隣接するレンズ部の配置状態を規定する。条件式（５）を満たすことにより、基準面が球面であっても、レンズ部は略隙間なく並び、連続的に繋がる構造となる。これにより、所望の光学特性を得ることができる。条件式（５）の下限値を上回ることにより、レンズ部が隙間なく繋がるために必要な最低限の個数又は密度の２倍以上にならず、レンズアレイの加工性及び成形性を良好に維持することができる。

本発明の具体的な側面では、第１及び第２の光学素子において、アレイ形成領域は、有効径領域である。

本発明の別の側面では、有効径領域において、複数のレンズ部は、少なくとも１０００個以上配置される。この場合、基準面の形状がポリゴン面のように粗くなることを防ぎ、基準面が本来有する光学作用を維持することができる。

本発明のさらに別の側面では、アレイ形成領域は、有効径の一部の領域である。

本発明のさらに別の側面では、光学素子は、以下の条件式を満足する。
０＜ｄ／Ｒａ＜０．０２ … （３）
条件式（３）は、レンズ部の基準面からの突出量又は陥没量とレンズ部の曲率半径との関係を規定する。条件式（３）の上限値を下回ることにより、レンズ部の曲率半径に対してレンズ部の突出量又は陥没量が大きくなりすぎず、レンズアレイの加工又は成形を容易にすることができる。

本発明のさらに別の側面では、光学素子は、以下の条件式を満足する。
ｄ≦５０μｍ … （４）
条件式（４）は、レンズ部の基準面からの突出量又は陥没量を規定する。条件式（４）を満たすことにより、レンズアレイの加工又は成形を容易にすることができる。また、光学素子の芯厚を適切なものとすることができ、光学素子の本来の光学特性を維持することができる。

本発明に係る照明用光学ユニットは、光軸方向に配列された複数の光学素子を有し、光軸に垂直な方向に配置された複数の光源からの入射光を照明用の出射光に変換する照明用光学系を備え、複数の光学素子のうち少なくとも１つは、上述の光学素子である。ここで、光源からの入射光を照明用の出射光に変換するとは、光の進む方向を変えるもの、例えば、集光、コリメート、又は発散光とすることを意味する。

上記照明用光学ユニットは、基準面にレンズアレイを有する上述の光学素子を照明用光学系に組み込むことにより、照射強度を確保しつつ強度分布を均一化できる。そのため、光源と光学手段である照明用光学ユニット等との組み立て誤差や温度等の外乱の影響に強くなる。また、照射面上での個々の光源からの放射光の強度が確保できるため、特定の領域を照らさない場合、あるいは文字や形を模る場合において、明領域内に光源間の隙間に対応する暗線が生じることを防ぎつつ明領域外縁において明暗の境界を明確にすることができる。

本発明に係る照明装置は、上述の照明用光学ユニットと、複数の光源を有するアレイ光源と、を備える。

上記照明装置は、上述のような照明用光学ユニットを組み込むことで、照射強度を確保しつつ強度分布を均一化できる。そのため、光源と光学手段である照明用光学ユニット等との組み立て誤差や温度等の外乱の影響に強くなる。また、照射面上での個々の光源からの放射光の強度が確保できるため、特定の領域を照らさない場合、あるいは文字や形を模る場合において、明領域内に暗線が生じることを防ぎつつ明領域外縁において明暗の境界を明確にすることができる。

本発明のさらに別の側面では、上記照明装置において、光源はＬＥＤチップである。

（Ａ）は、第１実施形態の照明用光学ユニットを備える照明装置等を説明する概念図であり、（Ｂ）は、照明装置のうちアレイ光源の平面図である。 レンズアレイを有する光学素子を説明する図である。 （Ａ）〜（Ｄ）は、光学素子の基準面の凹凸の向きとレンズ部の凹凸の向きとの関係を説明する図である。 （Ａ）〜（Ｄ）は、比較例としての光学素子の基準面の凹凸の向きとレンズ部の凹凸の向きとの関係を説明する図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、レンズアレイを有する光学素子が満たす条件式（３）を説明する図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、実施例１及び２の光学素子をそれぞれ説明する部分拡大図である。 （Ａ）〜（Ｅ）は、比較例１〜５の光学素子をそれぞれ説明する部分拡大図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、実施例３の２次元配列光源での照明装置のシミュレーション結果を示す図であり、（Ｃ）は、実施例３の照明装置のうち光源の配列を説明する図である。 （Ａ）〜（Ｆ）は、比較例６〜８の２次元配列光源での照明装置のシミュレーション結果をそれぞれ示す図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は、比較例７の単色光源での照明装置のシミュレーション結果を示す図である。

〔第１実施形態〕
以下、図１等を参照して、本発明の第１実施形態である光学素子、照明用光学ユニット及び照明装置について説明する。なお、図１で例示した照明用光学ユニット１０は、後述する実施例１の照明用光学ユニット１０と同一の構成となっている。

図１（Ａ）及び１（Ｂ）に示すように、照明装置１００は、アレイ状に配列された複数の光源から放出される光を、後述する照明用光学ユニット１０を用いて被照明物体ＳＢに照射するものである。照明装置１００は、照明用光学ユニット１０と、アレイ光源２０と、制御装置３０とを備える。照明装置１００の用途としては、例えば室内照明装置、建築物照明装置、車載用照明装置、拡大投影装置等の映像装置、顕微鏡照明装置等が挙げられる。

照明用光学ユニット１０は、照明用光学系１１と、鏡胴１２とを備える。照明用光学ユニット１０は、明るさに関する前提として、以下の条件式を満足することが好ましい。
Ｆｎｏ＜１．０
ただし、Ｆｎｏは照明用光学系１１のＦナンバーである。これにより、照明用光学ユニット１０の取り込み光量が多くなり、光利用効率が高くなる。

照明用光学系１１は、アレイ光源２０からの入射光を照明用の出射光に変換するものであり、光軸ＯＡ方向に配列された複数の光学素子であるレンズＬ１〜Ｌｎ（本実施形態では、自然数ｎ＝４）で構成される。ここで、アレイ光源２０（光源）からの入射光を照明用の出射光に変換するとは、光の進む方向を変えるもの、例えば、集光、コリメート、又は発散光とすることを意味する。レンズＬ１〜Ｌｎは、樹脂又はガラスで形成されている。樹脂としては、用途に応じて適宜選択できるが、例えばアクリルやポリカーボネート等の高耐熱性を有する材料であることが好ましい。レンズＬ１〜Ｌｎは、例えばプレス成形、射出成形、切削加工等によって作製される。

照明用光学系１１において、複数のレンズＬ１〜Ｌｎのうち少なくとも１つのレンズＬｘは、一方のレンズ面５１にレンズアレイ５２（図２参照）が付与されている。本実施形態において、第３レンズＬ３の光源２２側のレンズ面Ｓ３２上にレンズアレイ５２が形成されている。

以下、レンズアレイ５２が付与された光学素子であるレンズＬｘについて詳細に説明する。図２に拡大して示すように、レンズＬｘにおいて、レンズアレイ５２が配置されたレンズ面５１は、非球面の基準面５３を覆うように形成された複数のレンズ部５４を有する。基準面５３とは、複数のレンズ部５４が形成される前の曲面であり、レンズ部５４の配置の基準となっている。なお、仮に複数のレンズ部５４が連続的に繋がらない場合、基準面５３はレンズ部５４の間に露出し、レンズ面５１を構成することになる。

複数のレンズ部５４は、基準面５３上に規定されるアレイ形成領域ＡＲ１をＸＹ平面に関して分割して、Ｘ方向に等間隔で配置され、かつＹ方向に等間隔で配置される。つまり、レンズアレイ５２のＸ方向のアレイピッチＤｘは互いに等しく、かつＹ方向のアレイピッチＤｙは互いに等しい。ここで、ＸＹ平面とは、レンズＬｘを設計上の基準とする光軸ＯＡに垂直な平面である。光軸ＯＡは、Ｚ軸に相当する。Ｘ方向のアレイピッチＤｘは、Ｙ方向のアレイピッチＤｙと同じであってもよいし、異なっていてもよい。Ｘ方向及びＹ方向のアレイピッチＤｘ，Ｄｙを変えることによって、Ｘ方向及びＹ方向の光のぼかし量や発散角を調整することができる。レンズ部５４の基準面５３からの突出量及び陥没量のいずれか一方の最大値ｄは、基準面５３の法線ＮＶに沿って略一定の値になるように設定されている。ここで、最大値ｄは、各レンズ部５４で設定されるものであるが、レンズＬｘの中心近傍（すなわち光軸ＯＡ近傍）のレンズ部５４の頂点Ｐ１からこのレンズ部５４と対角４方向に隣接するレンズ部５４（上下左右ではない）のいずれかとの境界Ｐ２までの光軸ＯＡ方向の高さを近似したもの（図２に示す最大値ｄｃ）とできる。レンズ部５４の突出量又は陥没量の最大値ｄを略一定の値としているが、完全に一致している必要はなくある程度の幅があってもよい。レンズＬｘの近軸（つまり、光軸ＯＡ）において、複数のレンズ部５４の凹凸の向きと基準面５３の凹凸の向きとは一致している。

以下、複数のレンズ部５４の凹凸の向きと基準面５３の凹凸の向きとが一致する場合のレンズ面５１について説明する。図３（Ａ）〜３（Ｄ）は、凸状の基準面５３に設けた凸状のレンズ部５４の断面を説明するものであり、左側が基準面５３及びレンズ部５４の設計上の輪郭を示し、右側が実際の断面を示している。図３（Ａ）及び３（Ｃ）は、レンズＬｘの中心部付近（つまり、光軸ＯＡ付近）の断面であり、図３（Ｂ）及び３（Ｄ）は、レンズＬｘの周辺部付近の断面である。また、図３（Ａ）及び３（Ｂ）において、レンズ部５４の基準面５３からの突出量の最大値ｄは同じとなっている。図３（Ｃ）及び３（Ｄ）は、図３（Ａ）及び３（Ｂ）よりも突出量の最大値ｄを大きくしたものである。図３（Ａ）及び３（Ｂ）から、レンズＬｘの周辺部でも隣接するレンズ部５４が繋がっており、基準面５３が露出しにくいことがわかる。また、図３（Ｃ）及び３（Ｄ）から、レンズＬｘの基準面５３からの突出量を増加分Ｔだけ大きくしても、レンズＬｘの中心部と周辺部とで見た目の凸量Ｕａ，Ｕａ’が大きく変化しないことがわかる。つまり、ｄｃ≒Ｕａ≒Ｕａ’という関係性であるため、レンズＬｘの中心部と周辺部とでレンズ部５４のパワーが大きく変化しないといえる。説明を省略するが、これは、凹状の基準面に凹状のレンズ部を設けた場合も同様である。

次に、比較例として、複数のレンズ部６４の凹凸の向きと基準面６３の凹凸の向きとが逆になる場合のレンズ面６１について説明する。図４（Ａ）〜４（Ｄ）は、凸状の基準面６３に設けた凹状のレンズ部６４の断面を説明するものであり、左側が基準面６３及びレンズ部６４の設計上の輪郭を示し、右側が実際の断面を示している。図４（Ａ）及び４（Ｃ）は、レンズの中心部付近（つまり、光軸ＯＡ付近）の断面であり、図４（Ｂ）及び４（Ｄ）は、レンズの周辺部付近の断面である。また、図４（Ａ）及び４（Ｂ）において、レンズ部６４の基準面６３からの陥没量の最大値ｄは同じとなっている。図４（Ｃ）及び４（Ｄ）は、図４（Ａ）及び４（Ｂ）よりも陥没量の最大値ｄを大きくしたものである。図４（Ａ）及び４（Ｂ）から、レンズの中心部では基準面６３の露出が見られなくても、レンズの周辺部において隣接するレンズ部６４が繋がっておらず、基準面６３の露出が多く見られることがわかる。また、図４（Ｃ）及び４（Ｄ）から、レンズの基準面６３からの陥没量を増加分Ｔだけ大きくすることで、レンズの周辺部付近において基準面６３の露出が見られなくなるが、レンズの中心部と周辺部とで見た目の凹量Ｕｂ，Ｕｂ’が大きく変化することがわかる。つまり、ｄｃ≒Ｕｂ＜Ｕｂ’という関係性になるため、レンズの中心部と周辺部とでレンズ部６４のパワーが大きく変化することとなる。

以上のことから、既に説明したように、アレイ形成領域ＡＲ１内で略同一の効果を得るためには、複数のレンズ部５４の凹凸の向きと基準面５３の凹凸の向きとを一致させる必要があることがわかる。

図２に戻って、レンズＬｘの基準面５３の非球面式の２階微分値は、アレイ形成領域ＡＲ１内において−０．０２以上及び０．０２以下のいずれか一方を満足する。つまり、２階微分値が−０．０２以上である場合、基準面５３は巨視的に見て凸形状となっている。また、２階微分値が０．０２以下である場合、基準面５３は巨視的に見て凹形状となっている。ここで、アレイ形成領域ＡＲ１とは、基準面５３において、レンズアレイ５２が配置されている領域である。アレイ形成領域ＡＲ１内では、複数のレンズ部５４が２次元的に配列されて密集した状態となっている。アレイ形成領域ＡＲ１は、レンズ面５１に対応する基準面５３の全体又は一部に設定されており、少なくともレンズＬｘの有効径領域を含む。つまり、アレイ形成領域ＡＲ１は、有効径領域と同じであってもよいし、有効径領域より大きくても小さくてもよい。なお、アレイ形成領域ＡＲ１の周縁においてレンズ部５４の一部が欠けた状態でレンズ部５４が配置されていてもよい。図２はあくまで一例であるため、光軸ＯＡ付近にレンズアレイ５２が形成されず、有効径領域内のどこか一部に形成される場合も想定される。

また、レンズＬｘは、以下の条件式を満足する。
０＜Ｒａ／Ｒｂ＜１ … （１）
４ｄ・Ｒａ≦Ｄｘ^２＋Ｄｙ^２≦８ｄ・Ｒａ … （２）
ただし、値Ｒａはレンズ部５４の曲率半径の絶対値であり、値Ｒｂは基準面５３の近軸曲率半径の絶対値であり、値Ｄｘはレンズ部５４のＸ方向のアレイピッチであり、値Ｄｙはレンズ部５４のＹ方向のアレイピッチであり、値ｄはレンズ部５４の基準面５３からの突出量及び陥没量のいずれか一方の最大値である。なお、各レンズ部５４の曲率半径は、アレイ形成領域ＡＲ１内で同一となっている。

条件式（１）は、レンズ部５４の曲率半径が基準面５３の近軸曲率半径より小さいことを規定する。

条件式（２）は、隣接するレンズ部５４の配置状態を規定する。条件式（２）を満たすことにより、基準面５３が非球面であっても、レンズ部５４は略隙間なく並び、連続的に繋がる構造となる。これにより、所望の光学特性を得ることができる。条件式（２）の下限値を上回ることにより、レンズ部５４が隙間なく繋がるために必要な最低限又は密度の個数の２倍以上にならず、レンズアレイ５２の加工性及び成形性を良好に維持することができる。

図５（Ａ）及び５（Ｂ）は、条件式（２）を説明する図であり、図５（Ａ）は、レンズアレイ５２の部分拡大図であり、図５（Ｂ）は、条件式（２）に関連して、基準面５３の凹凸の向きとレンズ部５４の凹凸の向きとの関係を説明する図である。図５（Ａ）に示すように、基準面５３が平面の場合、レンズ部５４同士が隙間なく繋がる条件は、以下の計算で求められ、条件式（２）の上限値としている。
√（Ｄｘ^２＋Ｄｙ^２）＝２・√（Ｒａ^２−（Ｒａ−ｄ）^２）
Ｄｘ^２＋Ｄｙ^２＝４（Ｒａ^２−（Ｒａ−ｄ）^２）
＝４Ｒａ^２（１−（１−ｄ／Ｒａ）^２）
≒４Ｒａ^２・２ｄ／Ｒａ＝８ｄ・Ｒａ
値８ｄ・Ｒａは、値ｄ／Ｒａを１より十分小さいものとして近似した結果であり、値ｄ／Ｒａは、後述する条件式（３）を満たすことが好ましい。なお、条件式（２）の下限値４ｄ・Ｒａは、加工性又は成形性を考慮して設定している。

レンズ部５４の凹凸の向きと基準面５３の凹凸の向きとが一致する場合、図５（Ｂ）に一致基準面５３ａとして示すように、アレイピッチＤａは平面の基準面５３ｂの場合のアレイピッチＤｂよりも大きくなる。そのため、条件式（２）を満たせばレンズ部５４同士が隙間なく繋がる。一方、レンズ部５４の凹凸と基準面５３の凹凸とが逆の場合、図５（Ｂ）に反対基準面５３ｃとして示すように、アレイピッチＤｃは平面の基準面５３ｂの場合のアレイピッチＤｂよりも小さくなる。そのため、条件式（２）を満たしてもレンズ部５４同士が隙間なく繋がらない可能性がある。

複数のレンズ部５４は、有効径領域において、少なくとも１０００個以上配置される。レンズ部５４を少なくとも１０００個以上配置することにより、基準面５３の形状がポリゴン面のように粗くなることを防ぎ、基準面５３が本来有する光学作用を維持することができる。なお、複数のレンズ部５４は、有効径領域において、少なくとも２０００個以上配置されることがより好ましい。

また、レンズＬｘは、以下の条件式を満足する。
０＜ｄ／Ｒａ＜０．０２ … （３）

条件式（３）は、レンズ部５４の基準面５３からの突出量又は陥没量とレンズ部５４の曲率半径との関係を規定する。条件式（３）の上限値を下回ることにより、レンズ部５４の曲率半径に対してレンズ部５４の突出量又は陥没量が大きくなりすぎず、レンズアレイ５２の加工又は成形を容易にすることができる。例えば、レンズＬｘを成形型を用いて成形する場合、成形型から成形品であるレンズＬｘを離型できなくなる等の不具合を防ぐことができる。

なお、条件式（３）は、以下の式を満足することがより好ましい。
０＜ｄ／Ｒａ＜０．０１ … （３）’

また、レンズＬｘは、は、以下の条件式を満足する。
ｄ≦５０μｍ … （４）
条件式（４）は、レンズ部５４の基準面５３からの突出量又は陥没量を規定する。条件式（４）を満たすことにより、レンズアレイ５２の加工又は成形を容易にすることができる。また、レンズＬｘの芯厚を適切なものとすることができ、レンズＬｘの本来の光学特性を維持することができる。

なお、条件式（４）は、以下の式を満足することがより好ましい。
ｄ≦２５μｍ … （４）’

図１（Ａ）に戻って、鏡胴１２は、照明用光学系１１を収納し保持するものである。鏡胴１２は、光源２２側からの光束を入射させるレンズ開口部１３ａと、照明用光学系１１を通過した光束を出射させるレンズ開口部１３ｂとを有する。

アレイ光源２０は、基板２１と複数の光源２２とを有する。光源２２は、光軸ＯＡに垂直な方向に配置されている。つまり、光源２２は、基板２１の面上にアレイ状に配置されている。複数の光源２２として、例えば複数のＬＥＤチップその他の固体光源がある。図１（Ｂ）に示すように、複数の光源２２は、例えば２次元状に配列されている。各光源２２は、略正方形の輪郭を有し、同一サイズとなっている。隣接する光源２２間には、細い線状の隙間ＧＡが形成されている。アレイ光源２０の全体としては、個々の光源２２が集合した矩形領域ＲＲが照射面上の明領域に対応する発光領域となっている。照明用光学系１１は、その２次元状に配列された複数の光源２２の像を投影する。この場合、隙間ＧＡに対応する暗線の発生を防ぎつつ明領域外縁において明暗の境界を明確にした２次元状の照明とすることができる。隣接する光源２２の隙間ＧＡの距離Ｌｄは１００μｍ以下となっている。光源２２の隙間ＧＡの距離Ｌｄは、第３レンズＬ３のレンズアレイ５２のアレイピッチＤｘ，Ｄｙに対応したものとなっており、Ｘ方向の長さＷｘがＹ方向の長さＷｙと同じでもよいし、異なっていてもよい。アレイ光源２０は、例えば同色のＬＥＤチップで構成してもよいし、異なる色のＬＥＤチップで構成してもよい。

制御装置３０は、アレイ光源２０の動作を駆動するものである。制御装置３０は、アレイ光源２０を構成する各光源２２の点灯状態を制御する。例えば、制御装置３０は、光源２２であるＬＥＤチップの１つ１つと配線で繋がっており、ＬＥＤチップは間欠的に又は連続的に点灯する。特定の光源２２のみを選択的に点灯することによって所望の点灯パターンを形成することもできる。制御装置３０は、オペレーターの操作によって動作してもよいし、プログラムによって動作してもよい。

以下、照明装置１００の使用状態の一例について説明する。まず、オペレーター又はプログラムによって制御装置３０を動作させアレイ光源２０のうち点灯される光源２２が選択される。次に、制御装置３０を動作させ選択された光源２２が点灯する。光源２２から放出された光線は、照明用光学ユニット１０に入射し、照明用の出射光に変換される。照明用光学ユニット１０を通過した光線は、被照明物体ＳＢに照明される。被照明物体ＳＢの照射面上には、アレイ光源２０の明暗に対応した像が照明強度の高い状態で投影される。この際、点灯された光源２２の群に対応する明領域の外縁において明暗の境界が明確な状態とできる。

以上説明した光学素子は、非球面の基準面５３にレンズアレイ５２を設けることにより、照射強度を確保しつつ強度分布を均一化できる。非球面では局所的に凹凸が変化する場合があるが、基準面５３の非球面式の２階微分値がアレイ形成領域内において−０．０２以上又は０．０２以下であれば、基準面５３に急激な凹凸変化はない。また、レンズ部５４の凹凸の向きと基準面５３の凹凸の向きとが一致するため、光学素子のアレイ形成領域ＡＲ１内でレンズ部５４のパワーに大きな変化は生じない。レンズアレイ５２のアレイピッチＤｘ，Ｄｙを変えることにより、Ｘ方向及びＹ方向における光のぼかし量や発散角を容易に調整させることができる。また、アレイピッチＤｘ，Ｄｙやレンズ部５４の突出量又は陥没量の最大値ｄが略一定であり、条件式（２）を満たすことにより隣接するレンズ部５４が連続的に繋がる構造となるため、レンズアレイ５２の加工又は成形が容易となる。また、光学素子であるレンズＬｘの非球面（すなわちレンズ面５１）にレンズアレイ５２を設けるため、別途レンズアレイを有する平板を組み合わせる必要がなく、部品点数を削減し、コストダウンを図ることができる。

また、照明用光学ユニット及び照明装置は、上述の光学素子であるレンズＬｘを照明用光学系１１に組み込むことにより、照射強度を確保しつつ強度分布を均一化できる。そのため、光源と光学手段である照明用光学ユニット１０等との組み立て誤差や温度等の外乱の影響に強くなる。また、照射面上での個々の光源２２からの放射光の強度が確保できるため、特定の領域を照らさない場合、あるいは文字や形を模る場合において、明領域内に光源２２間の隙間ＧＡに対応する暗線が生じることを防ぎつつ明領域外縁において明暗の境界を明確にすることができる。

〔実施例〕
以下、本発明に係る光学素子等の実施例を示す。各実施例に使用する記号は下記の通りである。
Ｒａ：レンズ部５４の曲率半径の絶対値
Ｒｂ：基準面５３の近軸曲率半径の絶対値
Ｄｘ：レンズ部５４のＸ方向のアレイピッチ
Ｄｙ：レンズ部５４のＹ方向のアレイピッチ
ｄ：レンズ部５４の基準面５３からの突出量及び陥没量のいずれか一方の最大値

〔実施例１〕
図６（Ａ）に実施例１の光学素子であるレンズＬｘのレンズアレイ５２の部分拡大図を示す。実施例１のレンズＬｘは、凸状の基準面５３に複数の凸状のレンズ部５４を配置している。実施例１のレンズＬｘの基準面５３上のレンズアレイ５２の寸法等を以下に示す。
Ra:10mm
Rb:50mm
Dx:0.8mm
Dy:0.8mm
d:0.016mm
Dx²+Dy²:1.28
実施例１のレンズＬｘは、条件式（１）〜（４）のすべてを満たす。図６（Ａ）に示すように、実施例１のレンズＬｘにおいて、隣接するレンズ部５４同士が繋がっており、基準面５３が露出していない。

〔実施例２〕
図６（Ｂ）に実施例２の光学素子であるレンズＬｘのレンズアレイ５２の部分拡大図を示す。実施例２のレンズＬｘは、凹状の基準面５３に複数の凹状のレンズ部５４を配置している。実施例２のレンズＬｘの基準面５３上のレンズアレイ５２の寸法等を以下に示す。
Ra:10mm
Rb:50mm
Dx:0.8mm
Dy:0.8mm
d:0.016mm
Dx²+Dy²:1.28
実施例２のレンズＬｘは、条件式（１）〜（４）のすべてを満たす。図６（Ｂ）に示すように、実施例２のレンズＬｘにおいて、隣接するレンズ部５４同士が繋がっており、基準面５３が露出していない。

〔比較例１〕
図７（Ａ）に比較例１の光学素子であるレンズのレンズアレイ６２の部分拡大図を示す。比較例１のレンズは、凸状の基準面６３に複数の凹状のレンズ部６４を配置している。比較例１のレンズの基準面６３上のレンズアレイ６２の寸法等を以下に示す。
Ra:10mm
Rb:50mm
Dx:0.8mm
Dy:0.8mm
d:0.016mm
Dx²+Dy²:1.28
図７（Ａ）に示すように、比較例１のレンズは、条件式（１）〜（４）を満たすものの、基準面６３とレンズ部６４とで凹凸の向きが異なるため、隣接するレンズ部６４同士が繋がらない部分が生じる。そのため、レンズ部６４の境界に基準面６３の一部が露出する。

〔比較例２〕
図７（Ｂ）に比較例２の光学素子であるレンズのレンズアレイ６２の部分拡大図を示す。比較例２のレンズは、凹状の基準面６３に複数の凸状のレンズ部６４を配置している。比較例２のレンズの基準面６３上のレンズアレイ６２の寸法等を以下に示す。
Ra:10mm
Rb:50mm
Dx:0.8mm
Dy:0.8mm
d:0.016mm
Dx²+Dy²:1.28
図７（Ｂ）に示すように、比較例２のレンズは、条件式（１）〜（４）を満たすものの、基準面６３とレンズ部６４とで凹凸の向きが異なるため、隣接するレンズ部６４同士が繋がらない部分が生じる。そのため、レンズ部６４の境界に基準面６３の一部が露出する。

〔比較例３〕
図７（Ｃ）に比較例３の光学素子であるレンズのレンズアレイ６２の部分拡大図を示す。比較例３のレンズは、凸状の基準面６３に複数の凸状のレンズ部６４を配置している。比較例３のレンズの基準面６３上のレンズアレイ６２の寸法等を以下に示す。
Ra:6mm
Rb:50mm
Dx:0.8mm
Dy:0.8mm
d:0.016mm
Dx²+Dy²:1.28
図７（Ｃ）に示すように、比較例３のレンズは、基準面６３とレンズ部６４の凹凸の向きが一致するものの、条件式（２）を満たさないため、隣接するレンズ部６４同士が繋がらない部分が生じる。そのため、レンズ部６４の境界に基準面６３の一部が露出する。

〔比較例４〕
図７（Ｄ）に比較例４の光学素子であるレンズのレンズアレイ６２の部分拡大図を示す。比較例４のレンズは、凸状の基準面６３に複数の凸状のレンズ部６４を配置している。比較例４のレンズの基準面６３上のレンズアレイ６２の寸法等を以下に示す。
Ra:10mm
Rb:50mm
Dx:0.8mm
Dy:0.8mm
d:0.010mm
Dx²+Dy²:1.28
図７（Ｄ）に示すように、比較例４のレンズは、基準面６３とレンズ部６４の凹凸の向きが一致するものの、条件式（２）を満たさないため、隣接するレンズ部６４同士が繋がらない部分が生じる。そのため、レンズ部６４の境界に基準面６３の一部が露出する。

〔比較例５〕
図７（Ｅ）に比較例５の光学素子であるレンズのレンズアレイ６２の部分拡大図を示す。比較例５のレンズは、凸状の基準面６３に複数の凸状のレンズ部６４を配置している。比較例５のレンズの基準面６３上のレンズアレイ６２の寸法等を以下に示す。
Ra:10mm
Rb:50mm
Dx:1.0mm
Dy:1.0mm
d:0.016mm
Dx²+Dy²:2.0
図７（Ｅ）に示すように、比較例５のレンズは、基準面６３とレンズ部６４の凹凸の向きが一致するものの、条件式（２）を満たさないため、隣接するレンズ部６４同士が繋がらない部分が生じる。そのため、レンズ部６４の境界に基準面６３の一部が露出する。

〔実施例３〕
以下、本発明に係る照明用光学ユニット等の実施例を示す。各実施例に使用する記号は下記の通りである。
Ｒ：近軸曲率半径
Ｄ：軸上面間隔
ｎ：レンズ材料のｄ線に対する屈折率
eff.dia.：レンズの有効半径
その他、記号Surf.Nは、面番号を意味し、記号INFは、無限大又は∞を意味し、記号P-Sは、出射側面又は照射面を意味し、記号L-Sは、光源側面又はアレイ光源２０の表面Ｉを意味し、記号STOPは、開口絞りＳを意味する。

実施例において、各面番号の後に「＊」が記載されている面が非球面形状を有する面であり、非球面の形状は、面の頂点を原点とし、光軸方向にＺ軸をとり、光軸と垂直方向の高さをｈとして以下の「数１」で表す。

ただし、
Ａｉ：ｉ次の非球面係数
Ｒ ：曲率半径
Ｋ ：円錐定数

また、面番号の後に「＊＊」が記載されている面は、レンズアレイ５２を有する面である。

実施例３の光学素子であるレンズＬｘは、凹状の基準面５３に複数の凹状のレンズ部５４を配置している。実施例３のレンズＬｘの基準面５３上のレンズアレイ５２の寸法等を以下に示す。実施例３において、アレイ形成領域ＡＲ１はレンズＬｘの有効半径となっている。
Ra:20mm
Rb:59.4525mm
Dx:0.83mm
Dy:0.34mm
d:0.006mm
Dx²+Dy²:0.80
4d・Ra:0.48
8d・Ra:0.96
第３レンズＬ３の光源２２側のレンズ面Ｓ３２の有効半径：18.3mm
レンズ部５４の個数：3728個
実施例３のレンズＬｘは、条件式（１）〜（４）のすべてを満たす。

実施例３の照明用光学系１１のレンズ面等のデータを以下の表１に示す。
〔表１〕
Surf.N R(mm) D(mm) n eff.dia.(mm)
P-S INF INF
1* 31.149 18.59 1.4884 27.9
2* -49.675 4.17 27.0
3* -32.646 9.00 1.5788 24.3
4* 26.185 12.32 19.9
5(STOP) INF 1.00 19.7
6* 24.876 18.00 1.4884 19.5
7** -59.453 6.97 18.3
8 14.563 11.00 1.5935 12.5
9 34.853 7.28 10.4
L-S INF 0

実施例３の照明用光学系１１の非球面係数を以下の表２に示す。ここで、１０のべき乗数（例えば２．５×１０^−０２）をＥ（例えば２．５Ｅ−０２）を用いて表すものとする。
〔表２〕
第1面
R=31.149, κ=0.0648, A4=-3.6516E-06, A6=-4.8218E-09,
A8=-4.4050E-12, A10=1.2085E-14, A12=-2.4491E-17
第2面
R=-49.675, κ=0.3844, A4=1.4182E-05, A6=-6.3292E-09,
A8=-1.0251E-11, A10=6.8499E-15, A12=0.0000E+00
第3面
R=-32.646, κ=-0.5577, A4=4.8451E-05, A6=-9.8981E-08,
A8=1.1597E-10, A10=-7.1092E-14, A12=2.4753E-17
第4面
R=26.185, κ=-5.3391, A4=7.1172E-05, A6=-1.8300E-07,
A8=1.3042E-10, A10=-4.1816E-15, A12=0.0000E+00
第6面
R=24.876, κ=-0.8924, A4=5.9151E-06, A6=-2.2352E-08,
A8=1.7724E-10, A10=-4.1860E-13, A12=0.0000E+00
第7面
R=-59.453, κ=0.7735, A4=-4.4668E-07, A6=1.3195E-07,
A8=-4.4771E-10, A10=3.9284E-13, A12=0.0000E+00

図１（Ａ）は、実施例３の照明用光学ユニット１０等の断面図である。照明用光学ユニット１０は、４枚のレンズで構成されており、第１レンズＬ１と、第２レンズＬ２と、第３レンズＬ３と、第４レンズＬ４とを有する。第１レンズＬ１側が出射側又は照射面側であり、第４レンズＬ４側が光源２２側となっている。照明用光学系１１のうち第３レンズＬ３は、光源３３側のレンズ面Ｓ３２にレンズアレイ５２を有するレンズＬｘとなっている。第２レンズＬ２と第３レンズＬ３との間には、開口絞りＳが設けられている。なお、符号Ｉは、アレイ光源２０の表面を示す。

図８（Ａ）及び８（Ｂ）は、実施例３のシミュレーション結果を示す。本シミュレーションでは、図８（Ｃ）に示すように、３行３列の光源２２を配列したアレイ光源２０を想定したものとなっている。個々の光源２２は、一辺の長さＶが０．３ｍｍの正方形である。また、光源２２の隙間ＧＡの距離Ｌｄに関しては、Ｘ方向の長さＷｘが０．０６５ｍｍであり、Ｙ方向の長さＷｙが０．０１ｍｍである。

図８（Ａ）は、実施例３における２次元配列の光源２２の点灯例である。図８（Ｂ）は、被照明物体ＳＢ側に投射される照明用光学ユニット１０の照明光の配向特性を説明する図である。図８（Ｂ）において、横軸は角度（単位：°）を示し、縦軸は光度（単位：カンデラ）を示す。また、実線Ｍ１は図８（Ａ）のＸ方向の光度プロファイルを示し、実線Ｍ２は図８（Ａ）のＹ方向の光度プロファイルを示す。なお、照明光の配向特性に関する評価方法は、以降の比較例６〜８においても同様である。図８（Ａ）に示すように、照明強度（光度）を確保しつつ、照明光が適度に均一化されて明領域外縁において明暗の境界が明確であり、かつ明領域内に光源２２間の隙間ＧＡに対応する暗線が見えない状態となっている。つまり、図８（Ｂ）に示すように、光度曲線の周辺部において、曲線の立ち上がり及び立ち下がりが急激にゼロとなるため、図８（Ａ）に示すように、照明光にノイズがほとんど見られない。

〔比較例６〕
比較例６では、実施例３の照明用光学ユニット１０と略同様の構成であるが、レンズアレイ５２を有する光学素子を備えていない。アレイ光源２０の構成は実施例３と同様である。

図９（Ａ）及び９（Ｂ）は、比較例６のシミュレーション結果を示す。本シミュレーションの条件は実施例３と同様である。図９（Ａ）は、比較例６における２次元配列の光源２２の点灯例である。この場合、照明強度は強いものの、暗線がはっきり見えた状態となっている。

〔比較例７〕
比較例７では、実施例３の照明用光学ユニット１０と略同様の構成であるが、照明用光学系１１の第３レンズＬ３の光源２２側のレンズ面Ｓ３２において、凸状の基準面６３に複数の凹状のレンズ部６４を配置している。比較例７のレンズの基準面６３上のレンズアレイ６２の寸法等を以下に示す。アレイ光源２０の構成は実施例３と同様である。
Ra:30mm
Rb:59.4525mm
Dx:0.75mm
Dy:0.50mm
d:0.004mm
Dx²+Dy²:0.81
4d・Ra:0.48
8d・Ra:0.96
第３レンズＬ３の光源２２側のレンズ面Ｓ３２の有効半径：18.3mm
レンズ部６４の個数：2806個
比較例７のレンズは、条件式（１）〜（４）を満たすが、基準面６３とレンズ部６４の凹凸の向きが一致していない。

図９（Ｃ）及び９（Ｄ）は、比較例７のシミュレーション結果を示す。本シミュレーションの条件は実施例３と同様である。図９（Ｃ）は、比較例７における２次元配列の光源２２の点灯例である。図９（Ｃ）に示すように、暗線は見えないものの、明領域外縁において明暗の境界がぼやけた状態となっている。これは、後述するように、レンズの中心部と周辺部とでレンズ部のパワーが変化する、すなわちレンズの中心部と周辺部とで光の発散角が変化していることに起因したノイズである。図９（Ｄ）の点線ＣＮで囲った部分を参照すると、光度曲線の立ち上がり及び立ち下がりが緩やかであり、照明光にノイズが発生していることがわかる。

以下、比較例７の照明用光学ユニットで発生するノイズについて考察するために、単一光源での光度プロファイルを評価した。図１０（Ａ）はレンズの中心部の照明光の配向特性を示し、図１０（Ｂ）はレンズの周辺部の照明光の配向特性を示し、図１０（Ｃ）はレンズの中心部及び周辺部（つまり、アレイ形成領域全体）の照明光の配向特性を示す。

図１０（Ａ）及び１０（Ｂ）に示すように、レンズの中心部と周辺部とでレンズ部のパワーが変化することで、レンズの中心部と周辺部の光の発散角に差が生じるため、レンズの周辺部では照明光にノイズが発生し（点線ＣＮで囲った部分を参照）、図１０（Ｃ）に示すように、レンズのアレイ形成領域全体でもノイズが残留した状態となる（点線ＣＮで囲った部分を参照）。

〔比較例８〕
比較例８では、実施例３の照明用光学ユニット１０と略同様の構成であるが、照明用光学系１１の第３レンズＬ３の光源２２側のレンズ面Ｓ３２において、凸状の基準面６３に複数の凹状のレンズ部６４を配置している。比較例８の光学素子の基準面６３上のレンズアレイ６２の寸法等を以下に示す。アレイ光源２０の構成は実施例３と同様である。
Ra:20mm
Rb:59.4525mm
Dx:0.53mm
Dy:0.30mm
d:0.003mm
Dx²+Dy²:0.37
4d・Ra:0.24
8d・Ra:0.48
第３レンズＬ３の光源２２側のレンズ面Ｓ３２の有効半径：18.3mm
レンズ部６４の個数：6617個

図９（Ｅ）及び９（Ｆ）は、比較例８のシミュレーション結果を示す。本シミュレーションの条件は実施例３と同様である。図９（Ｅ）は、比較例８における２次元配列の光源２２の点灯例である。図９（Ｅ）に示すように、暗線は見えないものの、明領域外縁において明暗の境界がぼやけた状態となっている。図９（Ｆ）の点線ＣＮで囲った部分を参照すると、光度曲線の立ち上がり及び立ち下がりが緩やかであり、光にノイズが発生していることがわかる。比較例８のレンズは、比較例７のレンズよりもレンズ部６４の数が多いため、比較例７と比べてノイズ成分としては小さくなっているが、実施例３と同程度の効果は得られていない。

〔第２実施形態〕
以下、第２実施形態の光学素子等について説明する。第２実施形態の光学素子等は、第１実施形態の光学素子等を部分的に変更したものであり、特に説明しない事項は、第１実施形態の光学素子等と同様である。

本実施形態の光学素子であるレンズＬｘは、第１実施形態のレンズＬｘと異なり、基準面が非球面ではなく、球面となっている。これにより、レンズＬｘは、条件式（２）ではなく、以下の条件式（５）を満足するものとなる。
４ｄ・Ｒａ／（１−Ｒａ／Ｒｂ）≦Ｄｘ^２＋Ｄｙ^２≦８ｄ・Ｒａ／（１−Ｒａ／Ｒｂ） … （５）
ここで、１／（１−Ｒａ／Ｒｂ）は、基準面が球面のときにのみ必要な補正係数である。

レンズＬｘの複数のレンズ部５４は、基準面５３上に規定されるアレイ形成領域ＡＲ１を光軸ＯＡに垂直なＸＹ平面に関して分割して、Ｘ方向に等間隔で配置され、かつＹ方向に等間隔で配置される。また、レンズ部５４の基準面５３からの突出量又は陥没量の最大値ｄは、基準面５３の法線ＮＶに沿って略一定の値になるように設定される。また、レンズ部５４の凹凸の向きと基準面５３の凹凸の向きとは一致している。また、レンズＬｘは、既に説明した条件式（１）、（３）及び（４）を満足する。

以上、実施形態に係る照明用光学ユニット及び照明装置について説明したが、本発明に係る照明用光学ユニット等は、上記例示のものには限られない。例えば、上記実施形態において、照明用光学ユニット１０の出射側に折り曲げミラーを設けてもよい。

また、上記実施形態において、照明用光学系１１のうち第３レンズＬ３の光源２２側のレンズ面Ｓ３２にレンズアレイ５２を設けたが、上述した基準面５３の条件を満たせば、光学系の設計に応じて他のレンズのレンズ面に設けることもできる。また、レンズＬｘの片方のレンズ面だけでなく、両方のレンズ面にレンズアレイ５２を設けてもよい。また、レンズアレイ５２を付与したレンズＬｘを２枚以上設けてもよい。

上記実施形態において、アレイ光源２０を２次元配列の光源２２で構成したが、光源２２を直線状に配列してもよい。

上記実施形態において、アレイ形成領域ＡＲ１を基準面５３の一部に設定した場合、照射する領域をシャッター等で切り替えて制御してもよい。この場合、照明光の強度分布を均一化する場合にレンズＬｘのレンズアレイ５２部分を開放し、均一化しない場合にレンズアレイ５２部分を遮光する。

１０…照明用光学ユニット、 １１…照明用光学系、 １２…鏡胴、 １３ａ…レンズ開口部、 １３ｂ…レンズ開口部、 ２０…アレイ光源、 ２１…基板、 ２２…光源、 ３０…制御装置、 ５１，Ｓ３２…レンズ面、 ５２…レンズアレイ、 ５３…基準面、 ５４…レンズ部、 １００…照明装置、 ＡＲ１…アレイ形成領域、 ＧＡ…隙間、 Ｌ１〜Ｌｎ，Ｌｘ…レンズ、 ＮＶ…法線、 ＯＡ…光軸、 Ｐ１…頂点、 Ｐ２…境界、 ＳＢ…被照明物体

Claims (10)

1. 複数のレンズ部を有するレンズアレイが非球面の基準面上に配置された光学素子であって、
   前記複数のレンズ部は、前記基準面上に規定されるアレイ形成領域を光軸に垂直なＸＹ平面に関して分割して、Ｘ方向に等間隔で配置され、かつＹ方向に等間隔で配置され、
   前記レンズ部の前記基準面からの突出量及び陥没量のいずれか一方の最大値は、前記基準面の法線に沿って略一定の値になるように設定され、
   近軸において、前記複数のレンズ部の凹凸の向きと前記基準面の凹凸の向きとが一致しており、かつ前記基準面の非球面式の２階微分値が前記アレイ形成領域内において−０．０２以上及び０．０２以下のいずれか一方であり、
   以下の条件式を満足することを特徴とする光学素子。
   ０＜Ｒａ／Ｒｂ＜１ … （１）
   ４ｄ・Ｒａ≦Ｄｘ^２＋Ｄｙ^２≦８ｄ・Ｒａ … （２）
   ただし、
   Ｒａ：前記レンズ部の曲率半径の絶対値
   Ｒｂ：前記基準面の近軸曲率半径の絶対値
   Ｄｘ：前記レンズ部のＸ方向のアレイピッチ
   Ｄｙ：前記レンズ部のＹ方向のアレイピッチ
   ｄ：前記レンズ部の前記基準面からの突出量及び陥没量のいずれか一方の最大値
2. 複数のレンズ部を有するレンズアレイが球面の基準面上に配置された光学素子であって、
   前記複数のレンズ部は、前記基準面上に規定されるアレイ形成領域を光軸に垂直なＸＹ平面に関して分割して、Ｘ方向に等間隔で配置され、かつＹ方向に等間隔で配置され、
   前記レンズ部の前記基準面からの突出量及び陥没量のいずれか一方の最大値は、前記基準面の法線に沿って略一定の値になるように設定され、
   前記レンズ部の凹凸の向きと前記基準面の凹凸の向きとが一致しており、
   以下の条件式を満足することを特徴とする光学素子。
   ０＜Ｒａ／Ｒｂ＜１ … （１）
   ４ｄ・Ｒａ／（１−Ｒａ／Ｒｂ）＜Ｄｘ^２＋Ｄｙ^２＜８ｄ・Ｒａ／（１−Ｒａ／Ｒｂ） … （５）
   ただし、
   Ｒａ：前記レンズ部の曲率半径の絶対値
   Ｒｂ：前記基準面の近軸曲率半径の絶対値
   Ｄｘ：前記レンズ部のＸ方向のアレイピッチ
   Ｄｙ：前記レンズ部のＹ方向のアレイピッチ
   ｄ：前記レンズ部の前記基準面からの突出量及び陥没量のいずれか一方の最大値
3. 前記アレイ形成領域は、有効径の全領域であることを特徴とする請求項１及び２のいずれか一項に記載の光学素子。
4. 前記有効径領域において、複数のレンズ部は、少なくとも１０００個以上配置されることを特徴とする請求項３に記載の光学素子。
5. 前記アレイ形成領域は、有効径の一部の領域であることを特徴とする請求項１及び２のいずれか一項に記載の光学素子。
6. 以下の条件式を満足することを特徴とする請求項１から５までのいずれか一項に記載の光学素子。
   ０＜ｄ／Ｒａ＜０．０２ … （３）
7. 以下の条件式を満足することを特徴とする請求項１から６までのいずれか一項に記載の光学素子。
   ｄ≦５０μｍ … （４）
8. 光軸方向に配列された複数の光学素子を有し、前記光軸に垂直な方向に配置された複数の光源からの入射光を照明用の出射光に変換する照明用光学系を備え、
   前記複数の光学素子のうち少なくとも１つは、請求項１から７までのいずれか一項に記載の光学素子であることを特徴とする照明用光学ユニット。
9. 請求項８に記載の照明用光学ユニットと、
   前記複数の光源を有するアレイ光源と、
   を備えることを特徴とする照明装置。
10. 前記光源はＬＥＤチップであることを特徴とする請求項９に記載の照明装置。

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