JP2018060649A - 発光装置および照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被照射面の特定の範囲を明るく照らすことが可能であり、サイズの小さい発光装置およびこれを含む照明装置を提供する。【解決手段】発光装置は、発光素子と光束制御部材とを含む。光束制御部材は、発光素子から出射された光を入射する第１入射面および第１入射面から入射した光の一部を全反射する第１全反射面を含み、かつ発光素子と対向するように配置された第１凸部と、発光素子から出射された光を入射する第２入射面および第２入射面から入射した光の少なくとも一部を全反射する第２全反射面を含み、かつ第１凸部を取り囲むように配置された第２凸部と、第１入射面から入射した光および第１全反射面が反射した光ならびに第２入射面に入射した光および第２全反射面が反射した光を出射する、第１凸部および第２凸部の反対側に配置された出射部と、を有する。光束制御部材および発光素子は、所定の形状を有する。【選択図】図４

Description

本発明は、発光素子と、発光素子から出射された光の配光を制御する光束制御部材と、を有する発光装置、およびこれを用いた照明装置に関する。

省エネルギーや省スペースを目的として、各種発光装置の光源に発光ダイオード（以下「ＬＥＤ」ともいう）が使用されている。例えば、屋内照明や店舗照明等に使用されるスポット光照射用の発光装置にも、ＬＥＤが光源として使用されている。従来のスポット光照射用の発光装置は、例えば、基板と、当該基板上に配置された複数のＬＥＤ（発光素子）と、各ＬＥＤに対向して配置された複数のレンズ体（光束制御部材）とを有していた。

近年、複数のＬＥＤチップを一つの基板に実装した、チップ・オン・ボード（ＣＯＢ）方式の発光素子が実用化されている。ＣＯＢ方式の発光素子によれば、一つの発光素子で十分な光量が得られるとの利点があり、ＣＯＢ方式の発光素子のように発光面積の大きなＬＥＤをスポット照明用の発光装置に用いることが検討されている。

図１に示すように、特許文献１に記載の発光装置８００では、ＣＯＢ方式のような点光源とはみなせない程度に発光面がある大きさを持つ発光素子８１０と、当該発光素子８１０から出射された光の配光特性を制御する光束制御部材８２０と、を有する。この光束制御部材８２０は、発光素子８１０から出射された光が入射する入射凹部８２１と、入射凹部から入射した光の一部を反射する全反射面８２２と、入射凹部８２１から入射した光および全反射面８２２で反射された光を出射させる出射凹部８２３と、を有している。そして、当該発光装置８００では、発光素子８１０から出射された光の配光を光束制御部材８２０によって制御する。具体的には、光束制御部材８２０の出射凹部８２３およびその周囲から、発光素子８１０からの出射光を狭角配光化して出射させている。

特開２００７−２６５７２２号公報

ここで、スポット光用の発光装置では、被照射面の特定の範囲のみを明るく照らすことが要求される。しかしながら、ＣＯＢ方式のように発光面積の大きなＬＥＤでは、ＬＥＤの発光面のあらゆる位置から出射する光を、これに組み合わせる光束制御部材によって制御して特定の範囲に集めることが難しかった。例えば、一般的な発光装置に用いられる光束制御部材では、発光素子の発光中心から出射される光や、発光中心の周囲から出射される光、発光素子の端部から出射する光等を、同時に制御することは難しかった。また、上述の特許文献１の発光装置８００の光束制御部材８２０によれば、ある程度集光できるものの、全反射面８２２の面積を、発光素子８１０の発光面の面積に対してかなり大きくする必要があり、発光装置８００のサイズが大きくなりやすい、との課題があった。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものである。すなわち、被照射面の特定の範囲のみを明るく照らすことが可能であり、かつ比較的サイズの小さい発光装置、およびこれを用いた照明装置を提供することを目的とする。

本発明の発光装置は、発光素子と、前記発光素子の光軸を中心軸とし、前記発光素子から出射された光を入射させるとともに入射した光の配光を制御して出射させる光束制御部材と、を含む。前記光束制御部材は、前記発光素子から出射された光を入射する第１入射面、および前記第１入射面から入射した光の一部を全反射する第１全反射面を含み、かつ前記発光素子と対向するように配置された第１凸部と、前記発光素子から出射された光を入射する第２入射面、および前記第２入射面から入射した光の少なくとも一部を全反射する第２全反射面を含み、かつ前記第１凸部を取り囲むように配置された第２凸部と、前記第１入射面から入射した光および前記第１全反射面が反射した光、ならびに前記第２入射面に入射した光および前記第２全反射面が反射した光を出射する、前記第１凸部および前記第２凸部の反対側に配置された出射部と、を有する。前記第１入射面は、前記発光素子と対向する位置に、前記光束制御部材の中心軸と交わるように配置され、前記第１全反射面は、前記光束制御部材の中心軸を取り囲み、前記中心軸からの距離が一定、または前記発光素子側から前記出射部側に向かって、前記中心軸からの距離が漸次長くなるように配置され、前記第２入射面は、前記光束制御部材の中心軸を取り囲み、前記中心軸からの距離が一定、または前記発光素子側から前記出射部側に向かって、前記中心軸からの距離が漸次短くなるように配置され、前記第２全反射面は、前記光束制御部材の中心軸を取り囲み、前記発光素子側から前記出射部側に向かって、前記中心軸からの距離が漸次長くなるように配置される。当該発光装置は、前記光束制御部材の中心軸を通る断面において、前記発光素子の前記光束制御部材と対向する発光面の幅をｚ、前記第１凸部の前記中心軸と直交方向の最大幅をａ、前記第１凸部および前記第２凸部の最小間隔をｅ、前記発光素子の前記発光面またはその延長線から前記第１全反射面の前記出射部側端部までの前記中心軸方向の距離をｂ、前記第１入射面の前記中心軸と直交方向の幅をｃ、前記第１入射面と前記発光素子の前記発光面との距離をｄ、前記第１全反射面の前記中心軸方向の高さをｈ、前記第２全反射面の前記中心軸方向の高さをｉとしたとき、以下の式（Ａ）〜（Ｅ）を満たす。
（Ａ） ０．１５ｚ≦（ａ＋２ｅ）≦１．７ｚ
（Ｂ） ｂ≧ｚ
（Ｃ） ０．１５ｚ≦ｃ＜ｚ
（Ｄ） ０＜ｄ≦０．７ｂ
（Ｅ） ｉ＞ｈ

本発明の照明装置は、前述の発光装置と、前記発光装置から出射された光を照射される被照射部材と、を有する。

本発明の発光装置は、被照射面の特定の範囲のみを明るく照らすことが可能であり、そのサイズを小さくすることができる。

図１は、それぞれ特許文献１に記載の従来の発光装置の構成を示す図である。 図２Ａは実施の形態１に係る発光装置の平面図であり、図２Ｂは正面図であり、図２Ｃは底面図であり、図２Ｄは斜視図であり、図２Ｅは、図２Ａに示すＡ−Ａ線の断面図である。 図３は、実施の形態１に係る発光装置の光束制御部材の断面図である。 図４は、実施の形態１に係る発光装置の断面図である。 図５は、検証用の発光装置、および比較用の発光装置の光度分布のシミュレーション結果を示す図である。 図６は、検証用の発光装置の断面図である。 図７は、検証用の発光装置、および比較用の発光装置の光度分布のシミュレーション結果を示す図である。 図８は、実施の形態１に係る発光装置、および比較用の発光装置の光度分布のシミュレーション結果を示す図である。 図９は、実施の形態１に係る発光装置、および比較用の発光装置の光度分布のシミュレーション結果を示す図である。 図１０Ａは、実施の形態１に係る発光装置の光路図であり、図１０Ｂは比較用の発光装置の光路図である。 図１１Ａは、実施の形態１に係る発光装置の光路図であり、図１１Ｂは比較用の発光装置の光路図である。 図１２Ａは、実施の形態１に係る発光装置の光路図であり、図１２Ｂは比較用の発光装置の光路図である。 図１３Ａは実施の形態２に係る発光装置の平面図であり、図１３Ｂは正面図であり、図１３Ｃは底面図であり、図１３Ｄは斜視図であり、図１３Ｅは、図１３Ａに示すＡ−Ａ線の断面図である。 図１４は、実施の形態２に係る発光装置の光束制御部材の断面図である。 図１５Ａは実施の形態３に係る発光装置の平面図であり、図１５Ｂは正面図であり、図１５Ｃは底面図であり、図１５Ｄは斜視図であり、図１５Ｅは、図１５Ａに示すＡ−Ａ線の断面図である。 図１６は、実施の形態３に係る発光装置の光束制御部材の断面図である。 図１７は、実施の形態２の発光装置の変形例に係る光束制御部材の断面図である。 図１８は、実施の形態に係る照明装置の模式図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

［実施の形態１］
図２に、本発明の実施の形態１の発光装置１００を示す。図２Ａは発光装置１００の平面図であり、図２Ｂは当該発光装置１００の正面図であり、図２Ｃは当該発光装置１００の底面図であり、図２Ｄは当該発光装置１００の斜視図であり、図２Ｅは、図２Ａに示すＡ−Ａ線の断面図である。

図２Ｅに示すように、発光装置１００は、発光素子１１０および光束制御部材１２０を有する。発光素子１１０は、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）等、発光面を有する素子であればよく、その種類は特に制限されない。ただし、本発明の効果を十分に得るとの観点から、発光面の面積が大きい発光素子であることが好ましく、特にＣＯＢ方式のＬＥＤであることが好ましい。

発光素子１１０の光束制御部材１２０と対向する発光面（以下、単に「発光面」とも称する）の形状は特に制限されず、任意の形状であってもよいが、通常円形状である。また、発光素子１１０の上記発光面の面積は、発光装置１００の用途等に応じて適宜選択される。

一方、光束制御部材１２０は、発光素子１１０から出射された光の配向を制御するための部材である。発光装置１００において、光束制御部材１２０は、支持部（図示せず）によって発光素子１１０と位置決めされており、その中心軸ＣＡが発光素子１１０の光軸ＬＡと合致するように配置されている。

光束制御部材１２０の材料は、発光素子１１０が発する光の波長を通過させるものであれば特に制限されない。光束制御部材１２０の材料の例には、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）やポリカーボネート（ＰＣ）、エポキシ樹脂（ＥＰ）などの光透過性樹脂、ガラスが含まれる。光束制御部材１２０は、例えば射出成形により形成される。

図３に、本実施の形態の光束制御部材１２０の断面図を示し、図４に本実施の形態の発光装置１００の断面図を示す。図３および図４はいずれも、光束制御部材１２０の中心軸ＣＡ（発光素子１１０のＬＡ）を通る断面図である。また、これらの図面では、光束制御部材１２０の構造を明確に示すため、ハッチングを省略している。

図３および図４に示すように、光束制御部材１２０は、発光素子１１０と対向するように配置された第１凸部１２１と、当該第１凸部１２１を取り囲むように配置された第２凸部１２２と、第１凸部１２１および第２凸部１２２の反対側、つまり発光素子１１０とは反対側に配置された出射部１２３と、を有する。

第１凸部１２１は、発光素子１１０側に突出するように配置された円柱状または略円錐台状の部分であり、第１凸部１２１の中心軸は、光束制御部材１２０の中心軸ＣＡと合致している。当該第１凸部１２１は、円柱または円錐台の天面を構成する第１入射面１２１ａと、円柱または円錐台の側面を構成する第１全反射面１２１ｂと、を含む。

第１入射面１２１ａは、発光素子１１０と対向する位置に配置された、発光素子１１０から出射された光を入射させるための面である。第１入射面１２１ａは、中心軸ＣＡを中心とした円形状の平面であり、中心軸ＣＡと垂直に交わるように配置されている。

一方、第１全反射面１２１ｂは、第１入射面１２１ａから入射した光の一部を光束制御部材１２０の出射部１２３側に向けて反射するための面である。なお、本明細書における「全反射面」とは、発光素子１１０の発光中心から出射された光のうち、その面に到達した光を全反射させることを意図した面を意味する。なお、全反射面において、発光素子１１０の発光中心以外の位置から出射された光の大部分は全反射するものの、全反射面は、全ての光を全反射させることを意図した面ではない。第１全反射面１２１ｂは、光束制御部材１２０の中心軸ＣＡを囲むように配置された、中心軸ＣＡを中心とする回転対称面である。第１全反射面１２１ｂと中心軸ＣＡとの距離は一定であってもよく、発光素子１１０側から光束制御部材１２１の出射部１２３側に向かって漸増していてもよい。なお、光束制御部材１２０の中心軸ＣＡを通る断面における第１全反射面１２１ｂの形状は、外側（中心軸ＬＡから離れる側）に凸の曲線であってもよく、直線であってもよい。なお、本実施の形態では、直線である。

また、第２凸部１２２は、第１凸部１２１を取り囲むように、かつ発光素子１１０側に突出するように配置された円環状の部分である。第２凸部１２２は、円環の内側面を構成する第２入射面１２２ａと、円環の外側面を構成する第２全反射面１２２ｂとを含む。第２入射面１２２ａおよび第２全反射面１２２ｂは、発光素子１１０側で直接接続されていてもよく、他の面を介して接続されていてもよい。ただし、第２凸部１２２において、第２入射面１２２ａおよび第２全反射面１２２ｂ以外の面の面積が広くなると、発光装置１００のサイズが大きくなったり、配光特性が低下したりする。したがって、第２入射面１２２ａおよび第２全反射面１２２ｂを接続する面の面積は小さいことが好ましい。

ここで、第２入射面１２２ａは、発光素子１１０から出射された光を入射させるための面であり、第１全反射面１２１ｂを取り囲むように配置された、中心軸ＣＡを中心とする回転対称面である。第２入射面１２２ａと中心軸ＣＡとの距離は一定であってもよく、発光素子１１０側から光束制御部材１２１の出射部１２３側に向かって漸減していてもよい。なお、光束制御部材１２０の中心軸ＣＡを通る断面において、第２入射面１２２ａの形状は、外側（中心軸ＬＡから離れる側）に凸の曲線であってもよく、直線であってもよい。

なお、本実施形態では、光束制御部材１２０の中心軸ＣＡを通る断面において、発光素子１１０の発光面またはその延長線から第２入射面１２２ａの出射部１２３側端部までの中心軸ＣＡ方向の距離と、発光素子１１０の発光面またはその延長線から前述の第１全反射面１２１ｂの出射部１２３側端部までの中心軸ＣＡ方向の距離は、略同一であるが、これらは異なっていてもよい。ただし、これらが同一であることが、光束制御部材１２０の配光特性の観点から好ましい。つまり、光束制御部材１２０において、第２凸部１２２の第２入射面１２２ａの出射部１２３側端部が、第１凸部１２１の第１全反射面１２１ｂの出射部１２３側端部と、略同一の高さにあることが好ましい。

一方、第２全反射面１２２ｂは、第２入射面１２２ａから入射した光の少なくとも一部を、光束制御部材１２０の出射部１２３側に向けて反射するための面である。第２全反射面１２２ｂは、中心軸ＣＡを中心とする回転対称面であり、発光素子１１０側から光束制御部材１２０の出射部１２３の外縁側に向かって延びる面である。なお、第２全反射面１２２ｂは、光束制御部材１２０の外周面を構成する面でもある。第２全反射面１２２ｂと、光束制御部材１２０の中心軸ＣＡとの距離は、発光素子１１０側から光束制御部材１２０の出射部１２３側に向かって漸増している。なお、光束制御部材１２０の中心軸ＣＡを通る断面において、第２全反射面１２２ｂの形状は、外側（中心軸ＬＡから離れる側）に凸の曲線であってもよく、直線であってもよい。ここで、図３に示すように、第２全反射面１２２ｂの出射部１２３側外縁と、出射部１２３の外縁との間には、フランジ部１２５が配置されていてもよい。

また、出射部１２３は、第１凸部１２１および第２凸部１２２の反対側に配置された、第１入射面１２１ａから光束制御部材１２０に入射して出射部１２３に直接到達した光、および前記第１全反射面１２１ｂが反射した光、ならびに前記第２入射面１２２ａに入射して出射部１２３に直接到達した光、および前記第２全反射面１２２ｂが反射した光を出射するための領域である。本実施の形態において、出射部１２３は、中心軸ＣＡを中心とした円形状の平面であり、中心軸ＣＡと垂直に交わるように配置されている。

ここで、本実施の形態の発光装置１００は、図４に示すように、光束制御部材１２０の中心軸ＣＡを通る断面における種々の長さを以下のように定義したとき、以下の式（Ａ）〜（Ｅ）を満たす。
ｚ：発光素子１１０の発光面の幅
ａ：第１凸部１２１の中心軸ＣＡと直交する方向の最大幅
ｂ：発光素子１１０の発光面から第１全反射面１２１ａの出射部１２３側端部までの中心軸ＣＡ方向の距離（本実施の形態では、発光素子１１０の発光面から第２入射面１２２ａの出射部１２３側端部までの中心軸ＣＡ方向の距離と同一の距離）
ｃ：第１入射面１２１ａの中心軸と直交方向の幅
ｄ：第１入射面１２１ａと発光素子１１０の発光面との距離
ｅ：第１凸部１２１および第２凸部１２２の最小間隔
ｈ：第１全反射面１２１ｂの光軸ＣＡ方向の高さ
ｉ：第２全反射面１２２ｂの光軸ＣＡ方向の高さ

（Ａ） ０．１５ｚ≦（ａ＋２ｅ）≦１．７ｚ
（Ｂ） ｂ≧ｚ
（Ｃ） ０．１５ｚ≦ｃ＜ｚ
（Ｄ） ０＜ｄ≦０．７ｂ
（Ｅ） ｉ＞ｈ

以下、各式について説明する。
・式（Ａ）について
式（Ａ）は、円環状の第２凸部１２２の内径（ａ＋２ｅ）と、発光素子１１０の発光面の幅ｚとの関係を表す式である。図５に、上述の式（Ａ）を満たす検証用の発光装置の光度分布と、上述の式（Ａ）を満たさない比較用の発光装置の光度分布とを比較したグラフ（シミュレーション結果）を示す。

なお、検証用の発光装置における光束制御部材は、第１凸部を有さない以外は、本実施の形態の光束制御部材１２０と同様の構造を有する。図６に、検証用の発光装置の断面図を示す。図６に示すように、検証用の発光装置における光束制御部材１２０’は、第２入射面１２２ａおよび第２全反射面１２２ｂを備える第２凸部１２２と、出射部１２３とを有する。また、当該発光装置では、上述の式（Ａ）および（Ｂ）を満たすが、光束制御部材１２０’が第１凸部を有さないため、上述の式（Ｃ）〜（Ｅ）の要件は有さない。上述のように、発光素子１１０の発光面から第１全反射面１２１ｂの出射部１２３側端部までの距離をｂとするが、本実施の形態では、当該距離が、発光素子１１０の発光面から第２入射面１２２ａの出射部１２３側端部までの中心軸ＣＡ方向の距離と同一である。したがって、当該検証用の発光装置では、第２入射面１２２ａの出射部１２３側端部までの中心軸ＣＡ方向の距離をｂとして取り扱う。一方、比較用の発光装置には、検証用の発光装置の光束制御部材と同様の形状を有し、かつ上述の式（Ａ）および（Ｂ）を満たさない光束制御部材を用いた。

また、図５の光度分布は、発光装置１００から発光素子１１０の光軸ＬＡ方向に出射する光の角度を０°とし、光軸ＬＡ±９０°の範囲に出射する光の光度（相対強度）をプロットしたものである。

スポットライト用の発光装置では、集光性が高いことが望まれており、光軸ＬＡ近傍の相対強度のみが高いことが望まれる。これに対し、図５に示すように、上述の（ａ＋２ｅ）で表される値が、１．７ｚより大きくなると、相対強度が０．５である領域の幅が広がる傾向にある。また、光軸ＬＡ±２０°以上の領域における相対強度（目標とする被照射領域の外側における、配光特性の最大光度に対する相対的な光度）も比較的高くなる。光束制御部材１２０の第２凸部１２２の内径が過度に大きくなると、第２凸部１２２に入射した光の配光特性が十分に制御されず、目標とする被照射領域から外側へ向かう光が増加し、集光性が低下する。一方、光束制御部材１２０の第２凸部１２２の内径が過度に小さくなると、光軸ＬＡに対して小さな角度で発光素子１１０から出射した出射光も第２入射面１２２ａから入射し易くなる。これにより、第２全反射面１２２ｂで反射されるべき光が多くなり、第２凸部１２２への入射光を狭角配光化するためには第２全反射面１２２ｂを上方（発光素子１１０から離れる方向）へ拡大させる必要が生じる。しかしながら、光束制御部材１２０の光軸ＬＡに沿う方向の寸法に制限がある。したがって、第２全反射面１２２ｂを拡大させることができない場合には、第２凸部１２２の第２全反射面１２２ｂのみによって、発光素子１１０から出射される多くの光の配光特性を制御することは難しく、集光性が低下する。これに対し、上述の（ａ＋２ｅ）が、上記式（Ａ）を満たす場合、相対強度が０．５である領域の幅が狭くなり、光軸ＬＡ±２０°以上の領域における相対強度も低下する。

・式（Ｂ）について
式（Ｂ）は、発光素子１１０の発光面から第１全反射面１２１ｂの出射部１２３側端部までの距離（本実施形態では、発光素子１１０の発光面から第２入射面１２２ａの出射部１２３側端部までの中心軸ＣＡ方向の距離と同一の距離）ｂと、発光素子１１０の発光面の幅ｚとの関係を表す式である。図７に、上述の式（Ｂ）を満たす検証用の発光装置の光度分布と、上述の式（Ｂ）を満たさない比較用の発光装置の光度分布とを比較したグラフ（シミュレーション結果）を示す。なお、シミュレーションには、上述の式（Ａ）のシミュレーションに用いた検証用の発光装置、および比較用の発光装置を用いた。また、図７は、図５と同様の方法で光の相対強度をプロットしたものである。

図７に示すように、上述のｂで表される値が、発光素子１１０の発光面の幅ｚより小さくなると、光軸ＬＡ±２０°以上の領域における相対強度が高くなる。上述のｂで表される値が小さくなると、第２全反射面１２２ｂ（第１凸部１２１を有する場合には第１全反射面１２１ｂも）に到達する光が減少し、発光素子１１０からの出射光のうちの多くが第１全反射面１２１ｂおよび第２全反射面１２２ｂを経由せずに出射部１２３から出射する。その結果、発光装置１００の集光性が低下する。これに対し、発光装置１００が上記式（Ｂ）を満たすと、第１全反射面１２１ｂや第２全反射面１２２ｂに到達する光が多くなり、これらが所望の方向に反射されやすくなる。したがって、目的とする被照射領域の外へ向かう光が低減する。

・式（Ｃ）について
式（Ｃ）は、光束制御部材１２０の第１凸部１２１の第１入射面１２１ａの幅ｃと、発光素子１１０の発光面の幅ｚとの関係を表す式である。図８に、上述の式（Ｃ）を満たす本実施の形態の発光装置の光度分布と、上述の式（Ｃ）を満たさない比較用の発光装置の光度分布とを比較したグラフ（シミュレーション結果）を示す。なお、比較用の発光装置には、本実施の形態の発光装置と同様の構成を有し、かつ上述の式（Ａ）〜（Ｅ）のうち、式（Ｃ）のみを満たさず、式（Ａ）、（Ｂ）、（Ｄ）、および（Ｅ）を満たすものを用いた。また、図８は、図５と同様の方法で光の相対強度をプロットしたものである。

図８に示すように、第１入射面１２１ａの幅ｃが、発光素子１１０の発光面の幅ｚ以上となると、相対強度が０．５である領域の幅が広くなる。また、光軸ＬＡ±２０°以上の領域における相対強度も高くなる。第１入射面１２１ａの幅が過度に大きくなると、発光素子１１０の発光面の外周近傍から出射された光等も、第１入射面１２１ａから入射する。しかしながら、第１凸部１２１の第１全反射面１２１ｂのみによって、全ての光の配光特性を制御することは難しく、発光装置の集光性が低下し、目的とする被照射領域の外へ向かう光が増加する。これに対し、発光装置１００が上記式（Ｃ）を満たすと、発光素子１１０から出射された光が、第１凸部１２１および第２凸部１２２に入射する。そして、第１全反射面１２１ｂおよび第２全反射面１２２ｂ等によって、適切に配光特性が調整されるため、集光性が高くなる。

・式（Ｄ）について
式（Ｄ）は、前述の発光素子１１０の発光面から第１全反射面１２１ａの出射部１２３側端部までの距離ｂと、第１入射面１２１ａから発光素子１１０の発光面までの距離ｄと、の関係を表す式である。図９に、上述の式（Ｄ）を満たす本実施の形態の発光装置の光度分布と、上述の式（Ｄ）を満たさない比較用の発光装置の光度分布とを比較したグラフ（シミュレーション結果）を示す。なお、比較用の発光装置には、本実施形態の発光装置と同様の構成を有し、かつ上述の式（Ａ）〜（Ｅ）のうち、式（Ｄ）のみを満たさず、式（Ａ）〜（Ｃ）、および（Ｅ）を満たすものを用いた。また、図９は、図５と同様の方法で光の相対強度をプロットしたものである。

図９に示すように、第１入射面１２１ａから発光素子１１０の発光面までの距離ｄが、０．７ｂを超えると、相対強度が０．５である領域の幅が広くなる。第１入射面１２１ａから発光素子１１０の発光面までの距離ｄが大きくなると、発光素子１１０の発光中心等から出射した光のうち、第１凸部１２１に入射できず、第２凸部１２２の第２入射面１２２ａから入射する光が増加する。この場合、発光素子１１０の広範囲な発光面から出射する光が第２全反射面１２２ｂに到達するため、第２全反射面１２２ｂのある１点に対して様々な方向から光が入射する。そして、その全ての光を狙いの方向へ向けて全反射することは難しく、結果として集光性が低下する。これに対し、上記式（Ｄ）を満たす、つまり第１入射面１２１ａから発光素子１１０の発光面までの距離ｄが０．７ｂ以下であると、発光素子１１０の発光中心等から出射された光が広がる前に、第１凸部１２１に入射するため、これらの光の配光を適切に制御することが可能となる。その結果、発光装置１００の集光性が高くなる。

・式（Ｅ）について
式（Ｅ）は、第１全反射面１２１ｂの中心軸ＣＡ方向の高さｈと、第２全反射面１２２ｂの中心軸ＣＡ方向の高さｉとの関係を表す式である。第２全反射面１２２ｂの高さｉが低くなると、第２入射面１２２ａから入射した光が、第２全反射面１２２ｂで反射されずに、出射部１２３から出射しやすく、発光装置１００の集光性が低下する。これに対し、第２全反射面１２２ｂの高さｉが、第１全反射面１２１ｂの高さｈに対して十分に高いと、集光性が良好になる。

・その他の特定について
また、本実施の形態の光束制御部材１２０は、上述のｅで表される値が、以下の式（Ｆ）を満たすことが好ましい。
（Ｆ） ０≦ｅ≦（１／３）ａ
上記式（Ｆ）は、光束制御部材１２０の第１凸部１２１および第２凸部１２２の間隙ｅと、光束制御部材１２０の第１凸部１２１の中心軸ＣＡと直交方向の最大幅との関係を表す式である。本実施の形態において、第１凸部１２１および第２凸部１２２は、隙間無く配置されていてもよく、一定の間隙をあけて配置されていてもよい。ただし、第１凸部１２１および第２凸部１２２の間隙ｅが大きくなると、目的の被照射領域より外へ向かう光が増加する。したがって、上記式（Ｆ）を満たすことが好ましい。

さらに、本実施の形態の光束制御部材１２０は、第２入射面１２２ａと、光束制御部材１２０の中心軸ＣＡに平行な線とがなす角度をｆとしたとき、以下の式（Ｇ）を満たすことが好ましい。
（Ｇ） ０°≦ｆ≦１５°
上記角度ｆが１５°を超える場合、第２全反射面１２２ｂを上方へ伸ばす必要がある。そこで、光束制御部材１２０のサイズを小さくする観点から、上記式（Ｇ）を満たすことが好ましい。

さらに、発光素子１１０の発光面の最外周から出射され、第２入射面１２２ａから光束制御部材１２０に入射し、第２全反射面１２２ｂで出射部１２３側に反射された光が出射部１２３から出射するときの、光の進行方向と、光束制御部材１２０の中心軸に平行な線とがなす角度をｇ（図示せず）としたとき、以下の式（Ｈ）を満たすことが好ましい。
（Ｈ） ０°≦ｇ≦１５°
上記式（Ｈ）は、発光素子１１０の発光面の最外周から出射された光の出射部１２３からの出射方向を特定する式である。上記ｇで表される角度は、第２全反射面１２２ｂの角度や高さによって調整されるが、上記式（Ｈ）を満たすように第２全反射面１２２ｂを配置することで、発光装置１００の集光性が良好になる。

・発光装置における光路について
次に、図１０〜図１２を参照して、本実施の形態の光の光路について説明する。図１０Ａ、図１１Ａ、および図１２Ａは、本実施の形態の発光装置１００の発光素子１１０からの光の光路図である。一方、図１０Ｂ、図１１Ｂ、および図１２Ｂは、光束制御部材が第１凸部１２１を有さない、比較用の発光装置５００の発光素子５１０からの光の光路図である。なお、比較用の発光装置５００は、発光素子５１０と、発光素子５１０から出射された光の配光特性を制御する光束制御部材５２０とを有する。また、光束制御部材５２０は、光が入射する入射凹部５２１と、入射凹部５２１から入射した光の少なくとも一部を反射する全反射面５２２と、入射凹部５２１から入射した光、および全反射面５２２が反射した光を出射させる出射部５２３とを有する。

比較用の発光装置５００では、図１０Ｂ、および図１１Ｂに示すように、発光素子５１０の発光中心から出射された光のうち光軸ＬＡに略平行な光、および発光素子５１０の発光中心の周囲から出射された光が、入射凹部５２１の天面から入射する。そして、これらは、光束制御部材５２０内をそのまま進み、出射部５２３から出射する。
比較用の発光装置５００では、発光素子５１０の発光面と光束制御部材５２０の入射凹部５２１との距離が比較的遠い。そのため、発光素子５１０から出射された光が、ある程度広がって、光束制御部材５２０（入射凹部５２１）に入射する。したがって、出射部５２３から出射する光が、光軸ＬＡから離れやすく、集光性が低下しやすい。また、入射凹部５２１の天面から入射し出射部５２３へ直接到達する光についても、全反射面５２２で方向制御されずに出射するため、目的の被照射領域の外部へ向かう光となりやすい。

一方、本実施の形態の発光装置１００では、図１０Ａおよび図１１Ａに示すように、発光素子１１０の発光中心から出射された光のうち、光軸ＬＡに対して角度の小さい光、および発光素子１１０の発光中心の周囲から出射された光が、第１凸部１２１の第１入射面１２１ａから入射する。そして、これらは光束制御部材１２０内をそのまま進み、出射部１２３から出射する。
本実施の形態の発光装置１００では、発光素子１１０の発光面と光束制御部材１２０の第１凸部１２１の第１入射面１２１ａとの距離が近い。そのため、発光素子１１０から出射された光が広がる前に光束制御部材１２０（第１入射面１２１ａ）に入射する。したがって、出射部１２３から出射する光が、比較用の発光装置５００と比較して光軸ＬＡに近づきやすく、集光性が良好になりやすい。

また、比較用の発光装置５００では、図１２Ｂに示すように、発光素子５１０の発光中心から出射された光のうち光軸ＬＡに対する角度が大きい光（破線）が、入射凹部５２１の側面から入射する。そして、当該光は、全反射面５２２で出射部５２３側に反射されて、出射部５２３から出射する。さらに、発光素子５００の発光面の最外周から出射された光（実線）も、図１２Ｂに示すように、入射凹部５２１の側面から光束制御部材５２０に入射し、全反射面５２２で反射されて、出射部５２３から出射する。つまり、比較用の発光装置５００では、１つの全反射面５２２によって、発光素子５１０の発光中心から出射された光、および発光素子５１０の最外周から出射された光の進行方向を制御している。しかしながら、一つの全反射面５２２によって、これらの光が光軸ＬＡに略平行に出射部５２３から出射するように制御することは難しく、一部の光と光軸ＬＡとの成す角度が大きくなりやすかった。

一方、本実施の形態の発光装置１００では、図１２Ａに示すように、発光素子１１０の発光中心から出射された光のうち、光軸ＬＡに対して角度を有する光（破線）は、第１入射面１２１ａから入射する。そして、第１凸部１２１の第１全反射面１２１ｂで出射部１２３側に反射されて、出射部１２３から出射する。また、図１２Ａに示すように、発光素子１１０の発光面の最外周から出射される光（実線）は、光束制御部材１２０の第２凸部１２２の入射面１２２ａから入射する。そして、第２凸部１２２の第２全反射面１２２ｂで反射されて、出射部１２３から出射する。つまり、本実施の形態の発光装置１００では、発光素子１１０の発光中心から出射された光については、第１凸部１２１で配光特性を制御し、発光素子１１０の発光面の外周近傍から出射された光については、第２凸部１２２で配光特性を制御する。そのため、図１２Ａに示すように、出射部１２３から出射する光と光軸ＬＡとが成す角度を小さくすることができる。

（効果）
以上のように、本実施の形態の発光装置１００では、発光素子１１０の発光中心やその周縁部から出射される光は、第１凸部１２１で配光特性を制御し、発光素子１１０の発光面の最外周近傍から出射される光は、第２凸部１２２で配光特性を制御する。またこのとき、第１凸部１２１や第２凸部１２２が所定の形状を有する（例えば上述の式（Ａ）〜（Ｃ）、および（Ｅ）を満たす）ため、第１凸部１２１や第２凸部１２２に入射した光の配光特性を十分に制御することができる。

また、本実施の形態の発光装置１００では、発光素子１１０と、光束制御部材１２０の第１凸部１２１の第１入射面１２１ａとの距離が十分近い（上述の式（Ｄ）を満たす）。そのため、光束制御部材１２０に入射した光の配光特性を十分に制御することができる。

以上のことから、本実施の形態の発光装置１００によれば、発光装置１００のサイズを大きくすることなく、被照射面の特定の範囲のみを明るく照らすことが可能となる。

［実施の形態２］
次に、実施の形態２について、説明する。図１３は、実施の形態２の発光装置を示す図である。図１３Ａは実施の形態２の発光装置２００の平面図であり、図１３Ｂは当該発光装置２００の正面図であり、図１３Ｃは当該発光装置２００の底面図であり、図１３Ｄは当該発光装置２００の斜視図であり、図１３Ｅは図１３Ａに示すＡ−Ａ線の断面図である。

図１３に示すように、実施の形態２の発光装置２００は、発光素子１１０と、光束制御部材２２０とを有する。当該発光装置２００は、光束制御部材２２０の出射部の形状が、実施の形態１の発光装置１００と異なる。そこで、図１４に、実施の形態２の光束制御部材２２０の中心軸ＣＡを通る断面図を示す。なお、実施の形態１の発光装置１００と同一の構成については、同一の符番を付し、説明を省略する。

本実施の形態の光束制御部材２２０は、発光素子と対向するように配置された第１凸部１２１と、当該第１凸部１２１を取り囲むように配置された第２凸部１２２と、当該第１凸部１２１および第２凸部１２２の反対側に形成された出射部２２３と、を有する。

本実施の形態の出射部２２３は、第１凸部１２１および第２凸部１２２の反対側に配置された、第１入射面１２１ａから光束制御部材２２０に入射し、直接出射部２２３に到達した光、および前記第１全反射面１２１ｂが反射した光、ならびに前記第２入射面１２２ａに入射し、直接出射部２２３に到達した光、および前記第２全反射面１２２ｂが反射した光を出射するための領域である。

本実施の形態の出射部２２３は、光束制御部材２２０の中心軸ＣＡに沿って、かつ発光素子１１０側に凹となるように配置された凹部２２３”を含む。当該凹部２２３”の形状は特に制限されず、円柱状であってもよく、円錐台状等であってもよい。本実施の形態の光束制御部材２２０では、第１凸部１２１や第２凸部１２２と反対側の面２２３’だけでなく、凹部２２３”の底面２２３ａや側面２２３ｂからも、光が出射する。

（効果）
本実施の形態の発光装置２００でも、発光素子１１０の発光中心やその周縁部から出射される光は、第１凸部１２１で配光特性を制御し、発光素子１１０の発光面の最外周近傍から出射される光は、第２凸部１２２で配光特性を制御する。またこのとき、第１凸部１２１や第２凸部１２２が所定の形状を有する（例えば上述の式（Ａ）〜（Ｃ）、および（Ｅ）を満たす）ため、第１凸部１２１や第２凸部１２２に入射した光の配光特性を十分に制御することができる。

また、本実施の形態の発光装置２００では、発光素子１１０と、光束制御部材２２０の第１凸部１２１の第１入射面１２１ａとの距離が十分近い（上述の式（Ｄ）を満たす）。そのため、光束制御部材２２０に入射した光の配光特性を十分に制御することができる。

以上のことから、本実施の形態の発光装置２００によれば、発光装置２００のサイズを大きくすることなく、被照射面の特定の範囲のみを明るく照らすことが可能となる。

［実施の形態３］
次に、実施の形態３について、説明する。図１５は、実施の形態３の発光装置を示す図である。図１５Ａは実施の形態３の発光装置３００の平面図であり、図１５Ｂは当該発光装置３００の正面図であり、図１５Ｃは当該発光装置３００の底面図であり、図１５Ｄは当該発光装置３００の斜視図であり、図１５Ｅは図１５Ａに示すＡ−Ａ線の断面図である。

図１５に示すように、本実施の形態の発光装置３００は、発光素子１１０と、光束制御部材３２０とを有する。当該発光装置３００は、光束制御部材３２０の出射部の形状、および第１凸部の第１入射面の形状が、実施の形態１の発光装置１００と異なる。そこで、図１６に、実施の形態３の光束制御部材３２０の中心軸ＣＡを通る断面図を示す。なお、実施の形態１の発光装置１００と同一の構成については、同一の符番を付し、説明を省略する。

本実施の形態の光束制御部材３２０は、発光素子と対向するように配置された第１凸部３２１と、当該第１凸部３２１を取り囲むように配置された第２凸部１２２と、当該第１凸部３２１および第２凸部１２２の反対側に形成された出射部３２３と、を有する。

本実施の形態において第１凸部３２１は、光束制御部材３２０の中心軸に沿って、かつ発光素子１１０側に突出するように配置された円柱状または円錐台状の部材であり、円柱または円錐台の側面を構成する第１全反射面１２１ｂについては、実施の形態１の第１全反射面１２１ｂと同様である。

一方、円柱または円錐台状の第１凸部３２１の天面を構成する第１入射面３２１ａは、発光素子１１０から出射された光を入射させるための面であり、発光素子１１０と対向する位置に配置されている。第１入射面３２１ａは、光束制御部材３２０の中心軸ＣＡと垂直に交わるように配置された、中心軸ＣＡを中心とする円形状の面であり、複数のレンズ面を含む。レンズ面の形状は特に制限されず、凹レンズ面であってもよく、凸レンズ面であってもよい。本実施の形態では、凸レンズ面である。また、各レンズ面の大きさは特に制限されず、所望の光学特性に合わせて適宜選択される。

一方、本実施の形態の光束制御部材３２０の出射部３２３は、第１凸部３２１および第２凸部１２２の反対側に配置された、第１入射面３２１ａから光束制御部材３２０に入射し、出射部３２３に直接到達した光、および前記第１全反射面１２１ｂが反射した光、ならびに前記第２入射面１２２ａに入射し、出射部３２３に直接到達した光、および前記第２全反射面１２２ｂが反射した光を出射するための領域である。

本実施の形態の出射部３２３は、光束制御部材３２０の中心軸ＣＡに沿って、かつ発光素子１１０側に凹となるように配置された凹部３２３”を含む。当該凹部３２３”の形状は特に制限されず、円柱状であってもよく、円錐台状等であってもよい。本実施の形態の光束制御部材３２０では、第１凸部３２１や第２凸部１２２と反対側の面３２３’だけでなく、凹部３２３”の底面３２３ａや側面３２３ｂからも、光が出射する。

また、凹部３２３”の底面３２３ａは、複数のレンズ面を含む。レンズ面の形状は特に制限されず、凹レンズ面であってもよく、凸レンズ面であってもよい。本実施の形態では、凸レンズ面である。また、各レンズ面の大きさは特に制限されず、所望の光学特性に合わせて適宜選択される。

（効果）
本実施の形態の発光装置３００でも、発光素子１１０の発光中心やその周縁部から出射される光は、第１凸部３２１で配光特性を制御し、発光素子１１０の発光面の最外周近傍から出射される光は、第２凸部１２２で配光特性を制御する。またこのとき、第１凸部３２１や第２凸部１２２が所定の形状を有する（例えば上述の式（Ａ）〜（Ｃ）、および（Ｅ）を満たす）ため、第１凸部３２１や第２凸部１２２に入射した光の配光特性を十分に制御することができる。

また、本実施の形態の発光装置３００では、発光素子１１０と、光束制御部材３２０の第１凸部３２１の第１入射面３２１ａとの距離が十分近い（上述の式（Ｄ）を満たす）。そのため、光束制御部材３２０に入射した光の配光特性を十分に制御することができる。

さらに、本実施の形態の発光装置３００では、第１入射面３２１ａや、出射部３２３の凹部３２３”の底面３２３ａが、複数のレンズ面を含む。そのため、第１入射面３２１ａに入射する光の進行方向や、出射部３２３から出射する光の進行方向を細かく制御することができる。

以上のことから、本実施の形態の発光装置３００によれば、発光装置３００のサイズを大きくすることなく、被照射面の特定の範囲のみを明るく照らすことが可能となる。

［変形例］
本発明の発光装置において、光束制御部材の第１凸部の第１入射面の形状は、実施の形態１〜３に示したような、平面状や複数のレンズ面を含む形状に限定されない。実施の形態２の発光装置の変形例に係る光束制御部材４２０を図１７に示す。図１７は、光束制御部材４２０の中心軸ＣＡを通る断面図である。なお、実施の形態２の発光装置の光束制御部材２２０と同一の構成については、同一の符番を付し、説明を省略する。

当該変形例に係る光束制御部材４２０の第１凸部４２１の第１入射面４２１ａは、図１７に示すように、中心軸ＣＡを中心とする環状の溝部４２１ａ’を有している。当該環状の溝部４２１ａ’は、光束制御部材４２０の中心軸ＣＡを通る断面において三角形状の凹みである。第１入射面４２１ａが、環状の溝部４２１ａ’を有していると、発光素子（図示せず）から出射された光を光束制御部材４２０に入射させるための面、および光束制御部材４２０に入射した光を全反射させるための面、をさらに細分化することができる。したがって、発光装置の配向特性をより細かく制御することができ、集光効果をさらに高めることが可能となる。

なお、図１７には、出射面２２３が凹部２２３”を有する光束制御部材４２０を示したが、出射面は、実施の形態１と同様に、平面状に形成されていてもよい。

（照明装置）
上述の発光装置は、各種照明装置に用いることができる。発光装置は、被照射面の特定の領域のみを明るく照らすことが可能である。したがって、特にスポット照明用の照明装置に有用である。スポット照明用の照明装置４４０は、図１８の模式図に示すように、発光装置４００と、当該発光装置４００から出射された光を照射される被照射部材４３０とを有する構成とすることができる。

本発明の発光装置は、被照射面の特定の範囲を明るく照らすことが可能であり、かつ比較的サイズが小さい。したがって、本発明の発光装置は、例えば、屋内、屋外で使用するスポットライト等として非常に有用である。

１１０、５１０、８１０ 発光素子
１２０、２２０、３２０、４２０、５２０、８２０ 光束制御部材
１２１、３２１、４２１ 第１凸部
１２１ａ、３２１ａ、４２１ａ 第１入射面
１２１ｂ 第１全反射面
１２２ 第２凸部
１２２ａ 第２入射面
１２２ｂ 第２全反射面
１２３、２２３、３２３ 出射部
２２３”、３２３” 凹部
４３０ 被照射部材
４４０ 照明装置
ＣＡ 中心軸
ＬＡ 光軸
１００、２００、３００、４００、５００、８００ 発光装置

Claims (10)

1. 発光素子と、前記発光素子の光軸を中心軸とし、前記発光素子から出射された光を入射させるとともに、入射した光の配光を制御して出射させる光束制御部材と、を含む発光装置であって、
   前記光束制御部材は、
   前記発光素子から出射された光を入射する第１入射面、および前記第１入射面から入射した光の一部を全反射する第１全反射面を含み、かつ前記発光素子と対向するように配置された第１凸部と、
   前記発光素子から出射された光を入射する第２入射面、および前記第２入射面から入射した光の少なくとも一部を全反射する第２全反射面を含み、かつ前記第１凸部を取り囲むように配置された第２凸部と、
   前記第１入射面から入射した光および前記第１全反射面が反射した光、ならびに前記第２入射面に入射した光および前記第２全反射面が反射した光を出射する、前記第１凸部および前記第２凸部の反対側に配置された出射部と、を有し、
   前記第１入射面は、前記発光素子と対向する位置に、前記光束制御部材の中心軸と交わるように配置され、
   前記第１全反射面は、前記光束制御部材の中心軸を取り囲み、前記中心軸からの距離が一定、または前記発光素子側から前記出射部側に向かって、前記中心軸からの距離が漸次長くなるように配置され、
   前記第２入射面は、前記光束制御部材の中心軸を取り囲み、前記中心軸からの距離が一定、または前記発光素子側から前記出射部側に向かって、前記中心軸からの距離が漸次短くなるように配置され、
   前記第２全反射面は、前記光束制御部材の中心軸を取り囲み、前記発光素子側から前記出射部側に向かって、前記中心軸からの距離が漸次長くなるように配置され、
   前記光束制御部材の中心軸を通る断面において、
   前記発光素子の前記光束制御部材と対向する発光面の幅をｚ、前記第１凸部の前記中心軸と直交方向の最大幅をａ、前記第１凸部および前記第２凸部の最小間隔をｅ、前記発光素子の前記発光面またはその延長線から前記第１全反射面の前記出射部側端部までの前記中心軸方向の距離をｂ、前記第１入射面の前記中心軸と直交方向の幅をｃ、前記第１入射面と前記発光素子の前記発光面との距離をｄ、前記第１全反射面の前記中心軸方向の高さをｈ、前記第２全反射面の前記中心軸方向の高さをｉとしたとき、以下の式（Ａ）〜（Ｅ）を満たす、発光装置。
   （Ａ） ０．１５ｚ≦（ａ＋２ｅ）≦１．７ｚ
   （Ｂ） ｂ≧ｚ
   （Ｃ） ０．１５ｚ≦ｃ＜ｚ
   （Ｄ） ０＜ｄ≦０．７ｂ
   （Ｅ） ｉ＞ｈ
2. 前記光束制御部材の中心軸を通る断面において、
   前記発光素子の前記発光面またはその延長線から前記第１全反射面の出射部側端部までの前記中心軸方向の距離と、前記発光素子の前記発光面またはその延長線から前記第２入射面の出射部側端部までの前記中心軸方向の距離とが、同一である、
   請求項１に記載の発光装置。
3. 以下の式（Ｆ）をさらに満たす、
   請求項１または２に記載の発光装置。
   （Ｆ） ０≦ｅ≦（１／３）ａ
4. 前記光束制御部材の中心軸を通る断面において、前記第２入射面と前記中心軸に平行な線とがなす角度をｆとしたとき、以下の式（Ｇ）を満たす、
   請求項１〜３のいずれか一項に記載の発光装置。
   （Ｇ） ０°≦ｆ≦１５°
5. 前記発光素子の前記発光面の最外周から出射され、前記第２入射面から前記光束制御部材に入射し、前記第２全反射面で前記出射部側に反射される光が前記出射部から出射するときの光の進行方向と、前記光束制御部材の中心軸に平行な線とがなす角度をｇとしたとき、以下の式（Ｈ）を満たす、
   請求項１〜４のいずれか一項に記載の発光装置。
   （Ｈ） ０°≦ｇ≦１５°
6. 前記光束制御部材が、前記出射部側に凹部を有し、
   前記出射部が、前記凹部の底面と、前記凹部の側面とを含む、
   請求項１〜５のいずれか一項に記載の発光装置。
7. 前記第１入射面が、前記中心軸を中心とする環状の溝部を有し、
   前記溝部は、前記中心軸を含む断面において三角形状の凹みである、
   請求項１〜６のいずれか一項に記載の発光装置。
8. 前記出射部が、複数のレンズ面を含む、
   請求項１〜７のいずれか一項に記載の発光装置。
9. 前記第１入射面が、複数のレンズ面を含む、
   請求項１〜８のいずれか一項に記載の発光装置。
10. 請求項１〜９のいずれか一項に記載の発光装置と、
    前記発光装置から出射された光を照射される被照射部材と、
    を有する、照明装置。