JP2021026951A - 光学装置、照明装置、表示装置および光通信装置 - Google Patents

Abstract

【課題】効率良く所望の配光特性を得ることを可能にする光学装置を提供する。【解決手段】光学装置は、光を集光して射出するボールレンズ２と、発光面を有し、発光面がボールレンズの焦点位置よりもボールレンズに近い位置に配置され、ボールレンズ側に光を射出する光源１とを備える。【選択図】図６

Description

本開示は、光源からの光を利用する光学装置、照明装置、表示装置および光通信装置に関する。

ＬＥＤ（Light Emitting Diode）などのランバート配光の光を集光して所望の配光特性を得る方法が種々提案されている（特許文献１，２参照）。

特開２０１４−１１１０７号公報 特開２０１４−１４９９１５号公報

光を集光して所望の配光特性を得るに際し、光利用効率が高いことが望ましい。

効率良く所望の配光特性を得ることが可能な光学装置、照明装置、表示装置および光通信装置を提供することが望ましい。

本開示の一実施の形態に係る光学装置は、光を集光して射出するボールレンズと、発光面を有し、発光面がボールレンズの焦点位置よりもボールレンズに近い位置に配置され、ボールレンズ側に光を射出する光源とを備える。

本開示の一実施の形態に係る照明装置は、光を集光して照明光として射出するボールレンズと、発光面を有し、発光面がボールレンズの焦点位置よりもボールレンズに近い位置に配置され、ボールレンズ側に光を射出する光源とを備える。

本開示の一実施の形態に係る表示装置は、光を集光して射出する複数のボールレンズと、複数のボールレンズのそれぞれに対応して設けられ、それぞれが発光面を有し、各発光面が各ボールレンズの焦点位置よりも各ボールレンズに近い位置に配置され、各ボールレンズ側に光を射出する複数の光源とを備える。

本開示の一実施の形態に係る光通信装置は、光を集光して射出するボールレンズと、発光面を有し、発光面がボールレンズの焦点位置よりもボールレンズに近い位置に配置され、ボールレンズ側に光を射出する光源とを有する光送信部、を備える。

本開示の一実施の形態に係る光学装置、照明装置、表示装置または光通信装置では、光源からの光がボールレンズによって集光され、射出される。

ランバート配光の光源の配光特性の一例を示す特性図である。 反射壁を利用した光源の配光特性の一例を示す特性図である。 ボールレンズとランバート配光の光源とを組み合わせた、本開示の第１の実施の形態に係る光学装置の配光特性の一例を示す特性図である。 光線の射出方位角の半値幅の概要を示す説明図である。 比較例に係る光学装置の一構成例を、射出光線の軌跡のシミュレーション結果と共に示す側面図である。 第１の実施の形態に係る光学装置の一構成例を、射出光線の軌跡のシミュレーション結果と共に示す側面図である。 比較例に係る光学装置と第１の実施の形態に係る光学装置との配光特性を比較して示した特性図である。 第１の実施の形態に係る光学装置におけるアレイ化されたボールレンズの一例を示す側面図である。 第１の実施の形態に係る光学装置におけるアレイ化されたボールレンズの一例を示す斜視図である。 第１の実施の形態に係る光学装置におけるアレイ化されたボールレンズの一例を示す平面図である。 第１の実施の形態に係る光学装置におけるアレイ化されたボールレンズの他の製造方法の一例を示す側面図である。 光を制限するルーバーの一例を示す断面図である。 ルーバーを用いた光学装置の配光特性の一例を示す特性図である。 ボールレンズの寸法等についての説明図である。 第１の実施の形態に係る照明装置および表示装置の第１の構成例を示す断面図である。 第１の実施の形態に係る照明装置および表示装置の第２の構成例を示す断面図である。 ボールレンズにおける再帰性反射についての説明図である。 第１の実施の形態に係る光学装置において、光学シート層に拡散シートを用いた場合の光のリサイクル効果の概要を示す説明図である。 球面収差の発生の概要を示す説明図である。 球面におけるスネルの法則の概要を示す説明図である。 ボールレンズに対して平行光を照射した際の射出光線の軌跡をシミュレーションした結果を示す側面図である。 ボールレンズに対して平行光を照射した際の射出光線の軌跡をシミュレーションした結果を示す斜め上方斜視図である。 ボールレンズに対して平行光を照射した際の射出光線の配光特性をシミュレーションした結果を示す特性図である。 第１の実施の形態に係る光学装置において、ボールレンズのレンズ径に対して光源径を種々変えた複数の構成例を示す構成図である。 第１の実施の形態に係る光学装置において、ボールレンズのレンズ径に対して光源径を種々変えた場合の光学特性をシミュレーションした結果を示す説明図である。 第１の実施の形態に係る光学装置において、ボールレンズのレンズ径に対して光源径を種々変えた場合の配光特性をシミュレーションした結果を示す特性図である。 第１の実施の形態に係る光学装置において、ボールレンズのレンズ径に対して光源径を種々変えた場合の射出光線の軌跡をシミュレーションした結果を示す側面図である。 第１の実施の形態に係る光学装置において、レンズ径と光源径との関係が光利用効率に与える影響について示す説明図である。 光学シートを用いた比較例に係る光学装置の配光特性の一例を示す特性図である。 第１の実施の形態に係る光学装置において、図２９に示した配光特性に近い配光特性を実現した例を示す特性図である。 第１の実施の形態に係る光学装置において、光源の発光面が略正方形状である場合の構成例を示す構成図である。 図３１の構成例の光学特性をシミュレーションした結果を示す説明図である。 図３１の構成例の配光特性をシミュレーションした結果を示す特性図である。 第１の実施の形態に係る光学装置において、ボールレンズに対する光源の距離を種々変えた場合の光学特性をシミュレーションした結果を示す説明図である。 第１の実施の形態に係る光学装置において、ボールレンズのレンズ径に対する光源の距離の割合とレンズを透過する光線、およびレンズを透過しない光線との関係をシミュレーションした結果を示す特性図である。 第１の実施の形態に係る光学装置において、ボールレンズのレンズ径に対する光源の距離の割合と半値幅との関係をシミュレーションした結果を示す特性図である。 第１の実施の形態に係る光学装置において、光源からの光線をボールレンズに向けて反射する壁部を配置した場合と壁部を配置しなかった場合との光学特性をシミュレーションした結果を示す説明図である。 第１の実施の形態に係る光学装置において、壁部を配置しなかった場合の射出光線の軌跡をシミュレーションした結果を示す側面図である。 第１の実施の形態に係る光学装置において、壁部を配置した場合の射出光線の軌跡をシミュレーションした結果を示す側面図である。 第１の実施の形態に係る光学装置において、壁部を配置した場合の射出光線の軌跡をシミュレーションした結果を壁部を透明化して示す側面図である。 第１の実施の形態に係る光学装置において、壁部を配置した場合と壁部を配置しなかった場合との射出光線の配光特性をシミュレーションした結果を示す特性図である。 アレイ化された壁部を備えた比較例に係る光学装置の一例を示す断面図である。 アレイ化された壁部を備えた比較例に係る光学装置における壁部の一構成例を示す平面図である。 第１の実施の形態に係る光学装置において、アレイ化された壁部を備えた構成例を示す断面図である。 第１の実施の形態に係る光学装置において、アレイ化された壁部とボールレンズとの一構成例を示す平面図である。 非ランバート配光の光源の一構成例を、射出光線の軌跡のシミュレーション結果と共に示す側面図である。 非ランバート配光の光源の配光特性の一例を示す特性図である。 第１の実施の形態に係る光学装置において、非ランバート配光の光源とボールレンズとを組み合わせた構成例を、射出光線の軌跡のシミュレーション結果と共に示す側面図である。 第１の実施の形態に係る光学装置において、非ランバート配光の光源とボールレンズとを組み合わせた場合の配光特性の一例を示す特性図である。 図４７に示す配光特性と図４９に示す配光特性とを比較して示した特性図である。 第１の実施の形態に係る光学装置において、複数のボールレンズの充填密度を高めた第１の構成例を示す平面図である。 第１の実施の形態に係る光学装置において、複数のボールレンズの充填密度を高めた第２の構成例を示す平面図である。 図５２に示した第２の構成例における複数のボールレンズの寸法例を示す平面図である。 第２の実施の形態に係る光通信装置の一構成例を概略的に示すブロック図である。 第２の実施の形態に係る光通信装置における光送信部の一構成例を概略的に示す断面図である。 第２の実施の形態に係る光通信装置における光受信部の一構成例を概略的に示す断面図である。 第２の実施の形態に係る光通信装置に対する比較例に係る光通信装置の第１の構成例を示す断面図である。 第２の実施の形態に係る光通信装置に対する比較例に係る光通信装置の第２の構成例を示す断面図である。

以下、本開示の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
０．比較例
１．第１の実施の形態（光学装置、照明装置、および表示装置）（図１〜図５３）
１．１ 概要
１．２ 詳細な構成条件および作用
１．３ 効果
１．４ 変形例
２．第２の実施の形態（光通信装置への適用例）（図５４〜図５８）
２．１ 構成
２．２ 作用および効果
３．その他の実施の形態

＜０．比較例＞
従来より、ＬＥＤなどのランバート配光を集光する方法が種々提案されている。例えば特許文献１（特開２０１４−１１１０７号公報）には、複数のＬＥＤが配列されたＬＥＤ素子基板の上面に、半球状の複数のレンズを有するレンズアレイを配置する構成が提案されている。特許文献１に記載の技術では、ＬＥＤ素子基板の壁面に斜めの反射面を設けることで、まず、第１段階として、その反射面にＬＥＤ素子からの光を当てて反射する。そして、第２段階として、その反射した光の方向をレンズアレイによって整える。このように特許文献１に記載の技術では、２つの手順を経て、光の方向を整えている。

特許文献１に記載の技術では、ＬＥＤ素子からの光は、第１段階としてＬＥＤ素子基板において壁面反射を経るため、反射損失が発生する。さらに、第２段階として用いられるレンズアレイのレンズが半球状であるために、大きな屈折効果が得にくいという課題がある。

上記特許文献１に記載の技術のように、ＬＥＤ素子の周りに窪みや土手を１次反射面として形成し、まず、光線方向を若干、整えた後、その上面に配置された集光レンズによってさらに光線方向を整える構成が、基本技術として、一般に知られている。

これに対し、本開示の技術では、後述するように、上記特許文献１に記載の技術における１次反射面を必ずしも必要とはしない。代わりに、ＬＥＤ射出光を直接的にレンズへ入射させる構成が特徴であり、その特徴により、１次反射面で生じる反射損失が生じないため光利用効率を高くできる利点がある。

特許文献２（特開２０１４−１４９９１５号公報）には、導光板方式の光源装置に関する技術が提案されている。特許文献２には、導光板に個々に形成された光線の射出ポイントを２次的な光源とみなし、その導光板の射出ポイントに平凸形状の集光レンズを配置することで、コリメート化された射出光を得る手法が提案されている。しかしながら、平凸レンズでは屈折面が片面のみになるため、屈折角を大きく得るには制限がある。

導光板を経由して射出する光線は、光線ベクトルの方向がある程度限定される。上記特許文献２に記載の技術では、それを利用して、光線の射出範囲を導光板で第１次段階的に制限をかけた後、第２次段階的にレンズによってさらに光線方向を整えるという手順を踏む。

上記特許文献１および特許文献２に記載の技術はいずれも、光源からの光を段階的に集光を行うものであり、レンズのみの屈折効果に全面的に依存する集光方法とは異なる。

＜１．第１の実施の形態＞
［１．１ 概要］
本開示の第１の実施の形態に係る光学装置は、例えば後述する図６等に示すように、光を集光して射出するボールレンズ２と、ボールレンズ１側に光を射出する光源１とを備える。ボールレンズ２は、利用する光に対して透明な材料からなる球形状のレンズである。光源１は、ＬＥＤ等からなり、ボールレンズ２の近傍に配置される。光源１は、発光面を有し、発光面がボールレンズ２の焦点位置よりもボールレンズ２に近い位置に配置されていることが好ましい。

図１は、ランバート配光の光源１の配光特性の一例を示している。図２は、反射壁を利用した光源１の配光特性の一例を示している。図３は、ボールレンズ２とランバート配光の光源１とを組み合わせた、本開示の第１の実施の形態に係る光学装置の配光特性の一例を示している。図１ないし図３において、横軸は光線の射出方位角（ｄｅｇ）、縦軸は光線の強度（ｃｄ）を示す。特に断りのない限り、以降の配光特性を示す他の図においても同様である。

図１に示したランバート配光の光源１は、例えば面実装タイプのＬＥＤによくみられる特性である。図２は、例えば図１に示したランバート配光の光源１の周囲に円筒状の反射壁を設けて配光角度範囲を狭くした場合の特性を示している。

図１に示したランバート配光の光源１の半値幅は例えば±６０ｄｅｇ程度である。反射壁を利用した場合には、図２に示したように半値幅は例えば±５０ｄｅｇ程度である。従来、光源１が図１に示したようなランバート配光である場合、光源１からの射出光を再集光することは困難である。例えば円筒状の反射壁を設けるだけでは図２に示したように半値幅を十分に小さくすることは困難である。これに対して第１の実施の形態に係る光学装置では、図３に示したように、例えば半値幅が±１５ｄｅｇ程度となるように光線をコリメートすることが可能となる。

なお、図３に示した特性は一例であり、第１の実施の形態に係る光学装置において、半値幅は適宜、調整され得る。例えば後述するように、ボールレンズ２のレンズ径Ｄと光源１の発光面に対するボールレンズ２との距離ΔＬとの関係ΔＬ／Ｄや、ボールレンズのレンズ径Ｄと光源１の発光面の円形換算の光源径Φとの関係Φ／Ｄ等を調整することにより、半値幅は適宜、調整され得る。

ここで、配光（光線の射出方位角に対する光線強度分布）の角度（射出方位角）の半値幅について説明する。図４は、光線の射出方位角の半値幅の概要を示している。図４において、横軸は光線の射出方位角（ｄｅｇ）、縦軸は光線の強度（ｃｄまたはａ．ｕ．（任意単位））を示す。図４に示したように、光線の強度がピーク値の半分となる射出方位角の差を全値幅（Full Width at Half Maximum（ＦＷＨＭ））という。本明細書では、この全値幅の半分の値であるＨＷＨＭ（Half Width at Half Maximum）を半値幅の意味で使用する。

図５ないし図７に、より具体的な特性をシミュレーションした結果を示す。図５は、比較例に係る光学装置の一構成例を側面視した状態を、射出光線の軌跡のシミュレーション結果と共に示している。図６は、第１の実施の形態に係る光学装置の一構成例を側面視した状態を、射出光線の軌跡のシミュレーション結果と共に示している。図７は、比較例に係る光学装置と第１の実施の形態に係る光学装置との配光特性を比較して示している。

図５に示した比較例に係る光学装置は、ＬＥＤ等のランバート配光の光源１の周囲が円筒状の壁部３で囲まれた構造とされている。壁部３の内面（壁面）は反射面４とされ、光源１からの光を散乱反射する。これにより、壁部３が無かった場合の半値幅が±６０ｄｅｇ程度であった場合に、半値幅を例えば±５０ｄｅｇ程度にすることができる。しかしながら、図５に示した比較例に係る光学装置では、壁部３の反射面４で反射される光線の割合が多くなり、散乱反射の影響を受けるため、効率の低下をもたらす欠点がある。例えば光利用効率は８８．４４２％となる。

これに対して、図６に示した第１の実施の形態に係る光学装置は、比較例に係る光学装置の構成に対して、光源１の上部にボールレンズ２が配置されている。壁部３は、光源１からの光をボールレンズ２に向けて反射するように、反射面４が光源１およびボールレンズ２の周囲に位置するように配置されている。ボールレンズ２は、例えば、レンズ径Ｄが７．１ｍｍ、屈折率ｎが１．４９の一様な材質からなる。壁部３の内部径は、例えば７．０ｍｍとなっている。図６に示した第１の実施の形態に係る光学装置では、発光面がボールレンズ２の焦点位置よりもボールレンズ２に近い位置となるように光源１が配置されている。これにより、光源１からの射出光のほとんどすべてをボールレンズ２のレンズ内に取り込み、光利用効率を改善している。図６に示した第１の実施の形態に係る光学装置では、例えば光利用効率は９８．１５３％となる。またさらに、図６に示した第１の実施の形態に係る光学装置では、図７に示したように、図５に示した比較例に係る光学装置に比べて、射出光線の集光性が格段に上がり、半値幅１５ｄｅｇ程度に集光可能となっている。つまり、図６に示した第１の実施の形態に係る光学装置では、光利用効率と集光性とを同時に高くすることが可能となっている。

第１の実施の形態に係る光学装置は、ＬＥＤ素子等の１つの光源１に対し、１つのボールレンズ２を対応させることが基本構成であるが、光源１とボールレンズ２とをそれぞれ複数備えたアレイ状の構成にすることも可能である。光源１とボールレンズ２とをそれぞれ２次元平面様に配置し、アレイ化することにより、全体として面光源の構成にすることができる。

図８ないし図１０は、第１の実施の形態に係る光学装置におけるアレイ化されたボールレンズ２の一構成例を示している。図８は側面視した状態、図９は斜視した状態、図１０は平面視した状態を示す。

図８ないし図１０には、例えば、一体成型によりアレイ化されたボールレンズ２の構成例を示す。ボールレンズ２以外の部分は一定の厚みのつば部（縁部）５となっている。なお、光源１は各ボールレンズ２ごとに設けられる。例えば光源１を一定のピッチで平面上に複数並べて、面光源を作成した場合においては、ボールレンズ２をアレイ化して光源１と組み合わせて配置することによって、集光性の高い配光特性を持ち、光利用効率の高い面光源が得られる。なお、図８ないし図１０には、複数のボールレンズ２のすべてが一体化された構成例を示しているが、膨張収縮などの寸法変化に耐えうる範囲で設計上、平面内で複数のエリアに分割された構造であってもよい。また、図８ないし図１０には、実線４０で示したように、隣接する３つのボールレンズ２が間隔を空けて略正三角形の頂点位置に配置されるような構成とされている。これにより、輝度むらの少ない面光源を実現できる。なお、複数のボールレンズ２をできるだけ密度の高い状態で配置する場合、例えば、破線４１で示したように、ボールレンズ２のレンズ径Ｄを大きくして、隣接する複数のボールレンズ２同士が接するような配置にすることも可能である。

なお、アレイ化されたボールレンズ２は一体成型以外の方法で製造されてもよい。図１１に、アレイ化されたボールレンズ２の他の製造方法の一例を示す。例えば、図８ないし図１０におけるつば部５の部分で上下に分割されたような２つのアレイ部材を接着することにより、アレイ化されたボールレンズ２を製造するようにしてもよい。図１１では、複数の半ボールレンズ（半球状レンズ）２Ａとつば部５Ａとが形成された第１のアレイ部材と、同様に複数の半ボールレンズ（半球状レンズ）２Ｂとつば部５Ｂとが形成された第２のアレイ部材とを接着することにより、アレイ化されたボールレンズ２を製造する方法を示している。

図１２は、光を制限するルーバー１１０の一例を示している。図１３は、ルーバー１１０を用いた光学装置の配光特性の一例を示している。

ルーバー１１０には、図１２に示したように、例えば、幅Ａの遮光層（光吸収層）１１１と幅Ｂの光透過層１１２とが、一定の割合の寸法で交互に設けられている。図１２では図示を省略しているが、ルーバー１１０は、光源１の上部に配置される。光源１からの光線は部分的に遮光層１１１で遮光される。ルーバー１１０の厚みｄａとの関係で、ルーバー１１０において光透過層１１２を透過する透過光線の最大角度θａは、ｔａｎ（θａ）＝ｄａ／Ｂから、θａ＝ａｔａｎ（ｄａ／Ｂ）により決まる。光源１からの光線は、透過光線の角度がθａ以下となるように範囲制限を受ける。これにより、光学装置としての配光特性は図１３に示したようになる。

光学装置として希望の方向の光を得るために、図１２に示したようなルーバー１１０を用いる方法もある。ルーバー１１０では、特定方向の光以外をルーバー１１０に吸収させて排除することで、特定方向の光を残す。しかしながら、ルーバー１１０を用いる方法では、利用しない方向の光線を吸収させて損失化することで排除するため、所望の方位角の光線は得られるものの、一般的に、光利用効率がとても悪い。

第１の実施の形態では、光源１からの光線をボールレンズ２により集光してコリメートする方法を示すが、効率良く光線を集光するために最適なボールレンズ２のレンズ径Ｄや、ボールレンズ２の大きさに対する光源１の最適なサイズ（光源径Φ）と最適な位置関係等の構成条件が存在する。これらの最適な構成条件については、後に詳述する。

ここで、図１４を参照して、第１の実施の形態に係る光学装置における最適な構成条件を説明するのに先だって、ボールレンズ２の寸法等の定義について説明する。図１４では、説明上、光学装置として使用した場合とは逆方向から平行光線をボールレンズ２に入射させた状態を示している。

以下に示したように、ボールレンズ２に関する各種パラメータを定義する。
ｄ：入射ビーム径
Ｄ：ボールレンズ２のレンズ径（直径）
ＥＦＬ：ボールレンズ２の焦点距離
ＢＦＬ：ボールレンズ２のバックフォーカス
ｎ：ボールレンズ２の材質の屈折率
ｎｍ：物体空間（像空間）の屈折率（空気の場合は１）
ＮＡ：開口率

ＥＦＬ＝ｎＤ／４（ｎ−１）
ＢＦＬ＝ＥＦＬ−Ｄ／２

ここで、ボールレンズ２に平行光線を入射した場合の出射時のボールレンズ２の接平面位置における光線透過領域径をΦｑとする。光線透過領域径Φｑは、後に最適な構成条件を説明するために、光源１の発光領域の基準比較として用いる説明上の領域Ｑの直径である。第１の実施の形態に係る光学装置では、領域Ｑの位置に近いところに光源１を光源径Φの大きさで配置することが望ましい。後述するように、光源１として、Φ／Ｄ＜３８％の範囲以内に光源径Φが収まるサイズの微小光源をボールレンズ２に接して配置することが好ましい。

第１の実施の形態に係る光学装置は、照明装置、および表示装置として使用することが可能である。

図１５は、第１の実施の形態に係る照明装置および表示装置の第１の構成例を示している。図１５に示した表示装置は、光変調素子としての液晶表示素子１２０と、第１の実施の形態に係る光学装置によって構成された直下型のバックライト（照明装置）とを備えている。液晶表示素子１２０は、照明装置からの照明光を変調することで画像表示を行う光変調素子である。

照明装置は、光源配置層１０と、射出集光機能層２０と、光学シート層１３０とを備えている。光源配置層１０には、複数の光源１がアレイ状に設けられている。射出集光機能層２０には、複数の光源１に対応する複数のボールレンズ２がアレイ状に設けられている。複数の光源１は、複数のボールレンズ２のそれぞれに対応して設けられ、それぞれが発光面を有し、各発光面が各ボールレンズ２の焦点位置よりも各ボールレンズ２に近い位置に配置され、各ボールレンズ２側に光を射出する。各ボールレンズ２は、各光源１からの光を集光して光学シート層１３０を介して液晶表示素子１２０に向けて射出する。複数のボールレンズ２と複数の光源１とが、全体として面光源を形成している。

なお、液晶表示素子１２０のような光変調素子を用いることなく、表示装置を構成することも可能である。例えば、複数の光源１と複数のボールレンズ２とをそれぞれアレイ状に配置し、少なくとも１つの光源１と少なくとも１つのボールレンズ２との組によって１画素を形成するようにしてもよい。各画素ごとに光源１による光の射出強度を調整することによって、画像表示を行うことが可能となる。この場合、光学シート層１３０は構成から省いてもよい。

光学シート層１３０は、例えば光拡散層１３１と光学フィルム１３２とを有し、複数のボールレンズ２からの照明光の輝度の面内強度の均一化や、後述する再帰性効果等による光利用効率の向上を図ることが可能となっている。

図１６は、第１の実施の形態に係る照明装置および表示装置の第２の構成例を示している。図１６に示した表示装置は、図１５に示した表示装置の構成に対して、照明装置の部分を光学ボックス１４０内に収納した構造とされている。

図１５および図１６に示した照明装置および表示装置では、一般的に利用されているアタッチメントレンズとは異なり、ボールレンズ２が球形であるために、ボールレンズ２に対して外部から入射する光線に対して、再帰性反射効果が得られる。これにより、光学シート層１３０で一部の光が反射してボールレンズ２側への戻り光となった場合に、その戻り光を再度、光学シート層１３０への入射光として光利用効率を向上させることができる。

図１７を参照して、ボールレンズ２における再帰性反射について説明する。
一般的に、ボールレンズ２に入射角２αで入射した光は、表面で屈折し、ボールレンズ２内で反射され、再び表面で屈折をしてボールレンズ２から出射して行くことが知られている。この場合、ボールレンズ２では、入射角を２αとすると出射角も２αと等しくなるため、入射した方向に光を返す機能が出現する。これを再帰性反射と言い、理想的には、あらゆる方向から入射した光に対しても常に入射した方向に光を返すが、ある程度の範囲制限がある。第１の実施の形態に係る光学装置では、ボールレンズ２は、球形であるがゆえに、この再帰性を発現するため、光学シート層により反射され、ボールレンズ２に入射される戻り光は再びその光のやってきた方向にボールレンズ２の全反射により再射出される。

この再帰性効果が生じることを有効に生かすことで、光利用効率の改善が行える。特に、一旦ボールレンズ２から射出された光線を１次光として、光学シート層１３０等の外部の構成部材による反射光を１次反射光とすると、この１次反射光をボールレンズ２で再反射して２次光として射出することが可能であって、その光線射出方位が入射方位と一致するという性質がある。これらの光線反射の繰り返しは、反射光がなくなるまで、ｎ回行われる。このサイクルをリサイクル効果と呼称すると、第１の実施の形態では、ボールレンズ２の利用によって、従来に例を見ないレベルで有効にリサイクル効果を発現させることが可能であり、そのような従来のレンズ方式にない特徴を有するため、最終的な射出光線を増加させることができ、光利用効率の改善が図れる。

図１８は、第１の実施の形態に係る光学装置において、光学シート層１３０に拡散シートを用いた場合の光のリサイクル効果の概要を示している。

図１８には、光源部１００の上部に光学シート層１３０（拡散シート）が配置されている構成例を示す。光源部１００は、複数のアレイ状のボールレンズ２がプレート３０上に配置された構成とされている。プレート３０には、光源１（図１８では図示を省略）からの光をボールレンズ２に向けて反射する壁部が設けられている。

光学シート層１３０（拡散シート）としては、例えば、低損失の屈折レンズ系拡散シートＷｈｉｔｅ Ｏｐｔｉｃｓ（登録商標） ＤＦ−９０を用いることができる。拡散シートの分光透過率Ｔｒ１は既知で固定値であるものとする。光源部１００からの１次入射光Ｌ１のうち一部は分光透過率Ｔｒ１に応じた１次透過光として拡散シートから出射され、他の一部は拡散シートで反射されて１次反射戻り光Ｌｒ１となる。１次反射戻り光Ｌｒ１は、光源部１００で再反射されて、２次入射光Ｌ２として拡散シートに再入射する。光源部１００からの２次入射光Ｌ２のうち一部は分光透過率Ｔｒ１に応じた２次透過光として拡散シートから出射され、他の一部は拡散シートで反射されて２次反射戻り光Ｌｒ２となる。以降、同様にしてｎ次入射光Ｌｎのうち一部が分光透過率Ｔｒ１に応じたｎ次透過光として拡散シートから出射される、リサイクルプロセスが繰り返される。

以上のようなリサイクルプロセスを行う場合の透過光の全光束を積分球で測定する場合、１次透過光〜ｎ次透過光のすべての射出光線が合算されて測定される。拡散シートの有無で総光束を比較すると、分光透過率は１次透過光を単独で計測した場合に比べて、２次透過光〜ｎ次透過光がある分、高く測定される。このような測定方法で、リサイクル効果の程度を推定することができる。リサイクル効果の存在で透過率が上がって計測される分は、２次透過光〜ｎ次透過光の総和である

一般的に、散逸する光線（ランバート配光）を効率良く再集光することは大変困難である。第１の実施の形態に係る光学装置は、以下の点がポイントとして挙げられる。
（１）光源１（主にＬＥＤ）をボールレンズ２の焦点位置よりもボールレンズ２に近い位置に配置することにより、光源１の配光がランバートであるにもかかわらず、そのほとんどを、ボールレンズ２に取り込むことができるようにする構成となっている。これにより、他の段階的集光手続きを経ないで効率の良い集光が行える。
（２）光源１が、アレイ状に平面内に２次元整列配置されている場合に、ボールレンズ２側も光源１に対応させてアレイ状に配置することで、平面状のコリメート光源の作成が可能となる。
（３）ボールレンズ２が球形であることにより、発光面に再帰性反射性が付加される。ボックス化にも適している。

［１．２ 詳細な構成条件および作用］
第１の実施の形態に係る光学装置は、有効な集光性を得る目的で、ボールレンズ２の球面収差を活用している。収差は、像を扱う光学系では、嫌われる特性であるが、第１の実施の形態に係る光学装置では、この球面収差の基本的性質を活用して、光線のボールレンズ２への取り込み効率を上げる工夫をしている。このため、球面収差の一般的な性質について、まず説明する。

図１９は、球面収差の発生の概要を示している。図２０は、球面におけるスネルの法則の概要を示している。

図１９では、光軸に平行な光線ＬＡおよび光線ＬＢが、曲率半径ｒの球面状の屈折面に入射する様子を示しており、屈折率ｎ１＝１の媒質（空気）から、屈折率ｎ２が１より大きい媒質Ｘへ入射した場合として作図してある。また、図１９では、光線ＬＡは、光線ＬＢよりも光軸から離れた位置にあり、光線ＬＢは、より光軸に近い位置にあるものとしている。

光線ＬＡおよび光線ＬＢのそれぞれが、曲率を持った球面状の媒質Ｘと空気との界面に対して入射角θ１Ａ，θ１Ｂで入射する。この場合、図１９に示したように、光線ＬＡおよび光線ＬＢのそれぞれは、入射角θ１Ａ，θ１Ｂが互いに異なった状態で媒質Ｘに入射する。

つまり、光線ＬＡの入射角θ１Ａは相対的に大きく、光線ＬＢの入射角θ１Ｂは相対的に小さくなっている。ここで、図２０に示したように、屈折率ｎ１の媒質から屈折率ｎ２の媒質へと入射角θ１で入射した光線が屈折角θ２で屈折する場合、スネルの法則により、ｎ１ｓｉｎθ１＝ｎ２ｓｉｎθ２の関係が成り立つ。図１９の場合にも、屈折時には、媒質の屈折率ｎ１，ｎ２（ｎ１＜ｎ２）と入射角θ１Ａ，θ１Ｂと屈折角θ２Ａ，θ２Ｂとの間にはスネルの法則が成り立っている。このため、入射角の大きい光線ＬＡは、光線ＬＢよりもより大きく屈折することになる。したがって、θ１Ａ＞θ１Ｂ、θ２Ａ＞θ２Ｂの関係性によって光線ＬＡは光線ＬＢが収束する点ｋよりもより手前の点ｍに収束する。この収束点の位置の差を球面収差、あるいは軸上収差と呼ぶ。

この軸上収差は、特に、第１の実施の形態に係る光学装置において利用するような曲率の大きいボールレンズ２の場合、より大きい。このことは、ボールレンズ２では、光軸から遠いレンズ周辺部を透過する光を、レンズ近傍に集めようとする作用（光線屈折量）が大きいことを示している。

図２１および図２２は、ボールレンズ２に対して平行光を照射した際の射出光線の軌跡をシミュレーションした結果を示している。図２１は側面視した状態、図２２は斜め上方視した状態を示す。図２３は、ボールレンズ２に対して平行光を照射した際の射出光線の配光特性をシミュレーションした結果を示している。

図２１ないし図２３では、説明上、光学装置として使用した場合とは逆方向から平行光線をボールレンズ２に入射させた状態でのシミュレーション結果を示している。また、図２１ないし図２３では、図２１および図２２に示したように、ボールレンズ２のレンズ径Ｄと同じ径の円形状の発光領域を有する仮想光源１０１からの平行光線をボールレンズ２に入射させた状態でのシミュレーション結果を示している。シミュレーションの放射強度は１Ｗで算出している。

図２３から分かるように、ボールレンズ２に対して平行光線を入射しても射出光線の配光角度範囲が最大±９０ｄｅｇと、直角に曲がる範囲まで幅広く広がる配光が得られることが分かる。

図２３では、平行光線をボールレンズ２に入射して、焦点を形成させる特性を調べたが、図２１および図２２に示した光線軌跡を逆にたどる感覚で、ランバート配光を代表とする広範囲の配光の光源１（例えばＬＥＤ）を利用して集光させることを考える。この場合には、ボールレンズ２を利用すれば、光源１からの射出角度の大きな光線も、ボールレンズ２にとても大きな屈折角で入光させ、取り込んで利用することが可能になるようにできることを示唆していると言える。第１の実施の形態に係る光学装置の技術は、このような収差の性質を生かしていることによって、可能になっている。

次に、ＬＥＤ等の光源１をボールレンズ２に配置する際の最適な構成条件について述べる。

（レンズ径Ｄと光源径Φとの関係）
ボールレンズ２の寸法等の定義については、上述した図１４に示したとおりである。ボールレンズ２は球形であるため、レンズ径Ｄとレンズ材の屈折率ｎが決まれば、他の焦点距離ＥＦＬや開口率ＮＡなどの諸元は一様に決定され単純化しやすい。上述したように、焦点距離ＥＦＬからボールレンズ２の半径（Ｄ／２）を引いたものが、バックフォーカスＢＦＬである。

平行光線をボールレンズ２に入射した場合、上述したように球面収差があるため、ボールレンズ２を透過する光線の収束点は１点固定されない。このため、多数の光線の集合状態全体の光線群を想定して説明する。平行光線をボールレンズ２に入射した場合の光線群の軌跡の集合は、図２１の破線に示すように、バックフォーカスＢＦＬの最大の長さを円錐の高さとみなす円錐様で占められる立体の範囲に固まっているとみなすことができる。そこで、説明の都合上、便宜的に、図１４に示したように、円錐の底面に該当する直径Φｑの領域Ｑを考えることにする。

特に、この円錐領域の底面を形成する円形領域Ｑの直径Φｑに着目して、光源１の光源径Φが、円形領域Ｑの直径Φｑ内に収まる範囲の場合と収まらない場合とにおいて、ボールレンズ２による集光状態等をシミュレーションした結果を、図２５ないし図２８に示す。

図２４は、第１の実施の形態に係る光学装置において、ボールレンズ２のレンズ径Ｄに対して光源径Φを種々変えたシミュレーション上の複数の構成例を示している。図２５は、第１の実施の形態に係る光学装置において、ボールレンズ２のレンズ径Ｄに対して光源径Φを種々変えた場合の光学特性をシミュレーションした結果を示している。図２６は、第１の実施の形態に係る光学装置において、ボールレンズ２のレンズ径Ｄに対して光源径Φを種々変えた場合の配光特性をシミュレーションした結果を示している。図２７は、第１の実施の形態に係る光学装置において、ボールレンズ２のレンズ径Ｄに対して光源径Φを種々変えた場合の射出光線の軌跡をシミュレーションした結果を示している。図２８は、第１の実施の形態に係る光学装置において、レンズ径Ｄと光源径Φとの関係が光利用効率に与える影響について示している。図２８において、横軸はΦ／Ｄ（％）、縦軸は光線割合（％）を示す。図２８には、ボールレンズ２を透過する光線割合とボールレンズ２を透過しない光線割合とについて、Φ／Ｄとの関係を示す。

図２５ないし図２８では、図２４に示したように光源１として光源径Φの円盤状の面光源をボールレンズ２に接する位置に配置した場合のシミュレーション結果を示している。図２５ないし図２８では、図２４に示したように、ボールレンズ２のレンズ径Ｄは一定とし、光源径Φを種々変えた複数の構成例についてのシミュレーション結果を示している。シミュレーション上、円盤状の面光源である光源１の発光面全体から均等にランバートな光線をボールレンズ２の方向に射出する。図２４には光源１の光源径Φとの比較のため、上述の図１４に示した説明上の円形領域Ｑについても図示している。

図２５には、光学特性として、光源径Φの値［ｍｍ］と、レンズ径Ｄに対する光源径Φの比率（Φ／Ｄ）［％］と、レンズ（ボールレンズ２）を透過する光線割合［％］と、レンズ（ボールレンズ２）を透過しない光線割合［％］と、ボールレンズ２からの射出光線の半値幅［ｄｅｇ］との関係についてシミュレーションした結果を示す。なお、図２５において「レンズを透過しない光線割合」にはボールレンズ２の内部で吸収等される成分は含まない。実質的に、ボールレンズ２に入射しない光線割合を示す。以降の他のシミュレーション結果を示す図においても同様である。

図２５に示したように、レンズ径Ｄに対する光源径Φの比率（Φ／Ｄ）が、上述の領域Ｑに相当する２０％である場合には、半値幅は１０ｄｅｇが得られ、また、光源１から射出される光線の９０％弱がボールレンズ２から射出され、光利用効率も高いことが分かる。また、図２５ないし図２８のシミュレーションした結果から、目的とする集光度合いに応じて光源径Φを加減することによって、半値幅を調整できることが分かる

図２９は、光学シートを用いた比較例に係る光学装置の配光特性の一例を示している。図３０は、第１の実施の形態に係る光学装置において、図２９に示した配光特性に近い配光特性を実現した例を示している。

図２９は、ボールレンズ２を用いる代わりに、輝度を向上させるプリズムシートを含む光学シートを２枚重ねして用いた構成により得られる配光特性の例であり、半値幅±３８ｄｅｇ程度となっている。図３０は、Φ／Ｄ＝８３％の場合に、半値幅±３９ｄｅｇ程度で、図２９に示した配光特性に近い配光特性が得られる。すなわち、図２９に示す、光学シートを用いた比較例に係る光学装置よりもよりよい集光性を得るためには、Φ／Ｄは最低８３％以下であればよいことが分かる。

図２５ないし図２８のシミュレーション結果から、光源径Φが領域Ｑの直径Φｑより大きくなるにつれ、集光効率は低下し、半値幅が増加する。また、光源径Φが領域Ｑの直径Φｑより大きくなるにつれ、ボールレンズ２の外周部に光線が入光する割合が増加するため、上述の球面収差の原理説明のとおり、屈折角の大きい光線が増加することによって光線の配光分布の広がりが大きくなり、半値幅が増加する。この様子は、図２７に示した光線の軌跡でも確認できる。

以上の説明では、光源１の発光面が円形状である場合を例にしているが、実際のＬＥＤ素子の発光面は矩形状であることが多い。そこで、光源１の発光面が矩形状である場合の特性を説明する。

図３１は、第１の実施の形態に係る光学装置において、発光面が円形状の光源１に代えて、ＬＥＤパッケージ等の発光面が略正方形状の光源１Ａを設けた場合の構成例を示している。図３２は、図３１の構成例の光学特性をシミュレーションした結果を示している。図３３は、図３１の構成例の配光特性をシミュレーションした結果を示している。図３３には、比較例として、光源径Φが２．０の円形状の光源１の配光特性も示す。

図３１に示したように、光源１ＡをＬＥＤパッケージとしたときの蛍光体重点発光部領域（実質的な発光領域）１Ｂが１辺の長さａの略正方形をなしている場合、発光面積ａ²を同面積の円に換算すると、その円の半径ｒは、ａ²＝πｒ²の関係より、ｒ＝ａ／√πとなる。

ちなみに、図３２に示す事例では、ａ＝２ｍｍの場合に、ｒ＝２／√３．１４＝１．１２８３７９１６７程度になると計算される。したがって、略正方形状の光源１Ａを円形状の光源１に換算した場合、光源径Φが２ｒ相当の２．２５６７５８３３となる。この場合には、Φ／Ｄが約３８％であり、光線利用率が８０パーセント弱であり、前述の図２９に示した、光学シートを用いた比較例に係る光学装置などと比較するとかなり良好な集光特性が得られることになる。

（ボールレンズ２と光源１との距離について）
以上のように、所定の光利用効率や集光程度を得るために必要な光源１の光源径Φとボールレンズ２のレンズ径Ｄとの寸法比率（Φ／Ｄ）が決定される。そして、ボールレンズ２のレンズ径Ｄが決定されると、ボールレンズ２を平面内に、アレイ化して複数配置する場合には、例えば図１０に示したように、隣接する３つのボールレンズ２が略正三角形の頂点位置に配置されるような構成がとられる。

光源１についても同様にして、平面内にアレイ化して複数配置する場合には、ボールレンズ２に対応するように配置密度や相対位置が決定できる。したがって、より小さいレンズ径Ｄで高密度にボールレンズ２をアレイ化して配置する場合には、光源１はそれに応じての光源径Φに設計する必要がある。また、ボールレンズ２と光源１の発光面との距離ΔＬについて最適な値を設計する必要がある。

第１の実施の形態に係る光学装置では、光線を射出させるために、光源１をボールレンズ２にほぼ接する近接位置に配置する。具体的には、例えばレンズ径Ｄ＝６ｍｍのボールレンズ２の場合、光源１は、ボールレンズ２の直下おおよそ２００ミクロン弱の近傍より大きく離れない程度に配置するのが望ましい。ΔＬ／Ｄでは、３．５％以下が望ましいといえる。これは図３４ないし図３６に示すシミュレーション結果を踏まえてのことである。

図３４は、第１の実施の形態に係る光学装置において、ボールレンズ２に対する光源１の距離ΔＬを種々変えた場合の光学特性をシミュレーションした結果を示している。図３５は、第１の実施の形態に係る光学装置において、ボールレンズ２のレンズ径Ｄに対する光源１の距離ΔＬの割合とボールレンズ２を透過する光線、およびボールレンズ２を透過しない光線との関係をシミュレーションした結果を示している。図３６は、第１の実施の形態に係る光学装置において、ボールレンズ２のレンズ径Ｄに対する光源１の距離ΔＬの割合と半値幅との関係をシミュレーションした結果を示している。

ΔＬ／Ｄが３．５％以下が望ましいといえる点について説明する。図３４には、Φ／Ｄを３８％と一定にした場合の光学特性を示す。図３４には光学特性として、ボールレンズ２のレンズ径Ｄに対する光源１の距離ΔＬ［μｍ］と、レンズ径Ｄに対する距離ΔＬの比率（ΔＬ／Ｄ）［％］と、レンズ（ボールレンズ２）を透過する光線割合［％］と、レンズ（ボールレンズ２）を透過しない光線割合［％］と、ボールレンズ２からの射出光線の半値幅［ｄｅｇ］との関係についてシミュレーションした結果を示す。図３５において、横軸はΔＬ／Ｄ［％］、縦軸は光線割合［％］を示す。図３６において、横軸はΔＬ／Ｄ［％］、縦軸は半値幅［ｄｅｇ］を示す。図３６には、シミュレーション結果に基づいてΔＬ／Ｄと半値幅との関係を線形変換した結果も示す。

図３５のシミュレーション結果から、ΔＬ／Ｄは３．５％以下程度に収めることが効率面では望ましい。また、図３５のシミュレーション結果から、距離ΔＬが半値幅に与える影響度合いは、光源径Φの変化の場合に比較するとはるかに少なく、ΔＬ／Ｄの１［％］の変化に対しては、（ΔＷＨ）／（ΔＬ／Ｄ）＝−０．２８［ｄｅｇ／％］程度となる。なお、ΔＷＨは半値幅を示す。使用するボールレンズ２のレンズ径Ｄに対する距離ΔＬの割合ΔＬ／Ｄが３．５％を超える使用方法では、ボールレンズ２に入らない光線割合が増加し、目的とする集光から外れる光線割合が増加してしまう。

ここまでをまとめると、集光効率がほぼ９０％得られ、かつ、半値幅１０ｄｅｇ以下を実現し得る条件としては、光源１の発光領域を光源径Φの円形とみなしたとき、Φ／Ｄ＜２０％以下であることを第一の条件とする。

また、上記に準ずる実用的範囲として、Φ／Ｄ＜３８％の範囲において、集光効率が８０％、半値幅１５ｄｅｇ〜１８ｄｅｇが得られ、第二の利用可能域条件とできる。

さらに、半値幅は、光源径Φを大きくするにつれて広がり、３０ｄｅｇ以下の半値幅でよい用途においては、Φ／Ｄは５０％まで緩和できる。それを超えると、損失が増加し、一般には実用域とはみなされなくなる。

しかしながら、ボールレンズ２だけではなく、上述の図１６に示したように内面（壁面）が反射面４とされた壁部３を配置することで、上述の条件を外れても実用可能となり得る場合がある。

（光源１からの光線をボールレンズ２に向けて反射する壁部３を配置した場合の特性）
図３７は、第１の実施の形態に係る光学装置において、光源１からの光線をボールレンズ２に向けて反射する壁部３を配置した場合と壁部３を配置しなかった場合との光学特性をシミュレーションした結果を示している。図３８は、第１の実施の形態に係る光学装置において、壁部３を配置しなかった場合の射出光線の軌跡をシミュレーションした結果を示している。図３９は、第１の実施の形態に係る光学装置において、壁部３を配置した場合の射出光線の軌跡をシミュレーションした結果を示している。図４０は、第１の実施の形態に係る光学装置において、壁部３を配置した場合の射出光線の軌跡をシミュレーションした結果を壁部３を透明化して示している。図４１は、第１の実施の形態に係る光学装置において、壁部３を配置した場合と壁部３を配置しなかった場合との射出光線の配光特性をシミュレーションした結果を示している。

図３７には、壁部３を配置した場合と壁部３を配置しなかった場合とのそれぞれについて、光学特性として、ボールレンズ２のレンズ径Ｄに対する光源１の距離ΔＬ［μｍ］と、レンズ径Ｄに対する距離ΔＬの比率（ΔＬ／Ｄ）［％］と、レンズ（ボールレンズ２）を透過する光線割合［％］と、レンズ（ボールレンズ２）を透過しない光線割合［％］と、ボールレンズ２からの射出光線の半値幅［ｄｅｇ］との関係についてシミュレーションした結果を示す。

図３７に示すように、壁部３を配置することにより、ボールレンズ２に取り込める光線が増加し、ほぼすべて取り込むことができる。これは、図３８ないし図４０に示すように、ボールレンズ２に取り込めない光線が壁部３の反射面４で反射してボールレンズ２に入射するためである。壁部３を配置しない場合には、図３８および図４１に示すように、光源１からの光線が横方向に広がる関係で、ボールレンズ２から射出される光線の射出方位角が広がる。図４１から、壁部３を配置することにより、光線の射出方位角をある程度規制できる効果が得られていることが分かる。この事例においては、ボールレンズ２への光線の光取り込みを補助する処理を加えることが、迷光を削減することに有効であることを示している。

以上のような壁部３を利用する方法は、アレイ化する場合にも有効である。図４２は、アレイ化された壁部３（プレート３０）を備えた比較例に係る光学装置の一例を示している。図４３は、アレイ化された壁部３（プレート３０）を備えた比較例に係る光学装置における壁部３（プレート３０）の平面構成例を示している。図４４は、第１の実施の形態に係る光学装置において、アレイ化された壁部３（プレート３０）を備えた構成例を示している。図４５は、第１の実施の形態に係る光学装置において、アレイ化された壁部３（プレート３０）とボールレンズ２との平面構成例を示している。

図４２および図４３に示した比較例に係る光学装置は、アレイ化された複数の光源１と、プレート３０とを備えている。プレート３０には、複数の光源１のそれぞれに対応する位置に、円筒状もしくはすり鉢状の孔部３１が設けられている。孔部３１の周囲に光源１からの光線を反射する反射面４が設けられている。また、図４２および図４３に示した比較例に係る光学装置は、プレート３０の上側に輝度の均一化および輝度の向上を図るための光学シート層１３０が配置されている。これに対し、図４４および図４５に示した第１の実施の形態に係る光学装置は、プレート３０の孔部３１にボールレンズ２を配置した構成とされている。なお、ボールレンズ２は図８ないし図１０に示した構成例のように複数のボールレンズ２が一体化されたアレイ構造であってもよい。

（光源１がランバートではない場合の例）
以上までの説明は、使用する光源１の配光特性がランバート配光であることを前提として行ってきたが、第１の実施の形態に係る光学装置は、光源１がランバート配光ではない場合にも適用可能である。一般的に光源の配光は様々であり、配光の広がりが大きいものや、あるいはそれをある程度狭めて集光用途向けとしたものなどバリエーションがある。

図４６は、非ランバート配光の光源１の一構成例を、射出光線の軌跡のシミュレーション結果と共に示している。図４７は、非ランバート配光の光源１の配光特性の一例を示している。図４８は、第１の実施の形態に係る光学装置において、非ランバート配光の光源１とボールレンズ２とを組み合わせた構成例を、射出光線の軌跡のシミュレーション結果と共に示している。図４９は、第１の実施の形態に係る光学装置において、非ランバート配光の光源１とボールレンズ２とを組み合わせた場合の配光特性の一例を示している。図５０は、図４７に示す配光特性と図４９に示す配光特性とを比較して示している。

図４６に示した非ランバート配光の光源１は、ＬＥＤの上に樹脂レンズが搭載されたＬＥＤパッケージとなっており、図４７に示したように光線の射出方位角が、既にある程度狭い配光を有するものとなっている。

図４８には、図４６に示した非ランバート配光の光源１とボールレンズ２とを組み合わせた構成例を示す。図４６に示した非ランバート配光の光源１は、既に樹脂レンズが搭載されたＬＥＤパッケージとなっているので、そのＬＥＤパッケージ全体の大きさをおおよそ６ｍｍとし、その大きさを光源１の光源径Φとみなすと、上述の領域Ｑを想定して、Φ／Ｄが２０％になるようにボールレンズ２のレンズ径Ｄを求めると、Ｄ＝３０ｍｍと求められる。

図４８には、レンズ径Ｄ＝３０ｍｍ、屈折率ｎ＝１．４９の樹脂製のボールレンズ２を光源１の上部に配置した場合の光線軌跡を示している。図４９および図５０に示したように、ボールレンズ２を配置したことによって、半値幅は大幅に削減され集光性が向上していることが分かる。このように、完全平行光は望めないが、ある程度の集光性を求める場合、第１の実施の形態に係る光学装置の手法は幅広く有効でありいろいろ活用できることが分かる。図４９および図５０に示したように、非ランバート配光の光源１からの光線をロスなく集光可能であるため、光線方向を一方向に揃えることができる。

（ボールレンズ２の平面配列の最適化）
次に、図８ないし図１０に示したように複数のボールレンズ２をアレイ化する場合に、複数のボールレンズ２をできるだけ高密度で配置する方法について説明する。複数のボールレンズ２をできるだけ高密度で配置することで、輝度むらを低減できる。ここでは、簡単のため、２次元的な平面内に複数の円を配置するものとして説明する。複数のボールレンズ２の配置密度（充填密度）を向上させる配置組み合わせ事例としては、円を用いて敷き詰める方法によって、幾種類も幾何数学的なパターンが知られている。第１の実施の形態に係る光学装置の技術においてもそれらの方法により充填密度を高める手法が応用でき、一種類の半径のボールレンズ２だけではなく、２種類以上のボールレンズ２を組み合わせてアレイ化を図ることで、充填密度の向上を行い、光学的な輝度むら低減に寄与するほか、単位面積当たりの輝度を向上させることができる。

図５１は、第１の実施の形態に係る光学装置において、複数のボールレンズ２の充填密度を高めた第１の構成例を示している。

複数のボールレンズ２の充填密度は、「実際に敷き詰められたボールレンズ２の投影面積（円の合計面積）／（敷き詰められる領域面積）」の比率で示される。図５１の場合で説明すると、ボールレンズ２が配置される長方形全体の面積と、長方形の内部に包含されている円部分との面積比率であって、以下のようになる。

ボールレンズ２が半径ｒ＝１の１種類として、縦（√３×６）×横（１５）の大きさの長方形内部にボールレンズ２を最密充填した場合、複数の円の総面積は、面積πの円の総数４５個分なので、
π×４５＝１４１．３７１７ ……（Ａ）

長方形の面積は、
縦（√３×６）×横（１５）＝１５５．８８４５７２７ ……（Ｂ）

充填密度は、以下のように求められる。
式（Ａ）／式（Ｂ）＝０．９０６８９９６８２

図５２は、第１の実施の形態に係る光学装置において、複数のボールレンズ２の充填密度を高めた第２の構成例を示している。図５３は、図５２に示した第２の構成例における複数のボールレンズ２の寸法例を示している。

図５２では、複数の第１のボールレンズ２１に加え、第１のボールレンズ２１よりも径の小さい第２のボールレンズ２２を補助レンズとして配列した構成例を示している。

ここでは、簡単のため、２次元的な平面内に大きい円（第１のボールレンズ２１）と小さい円（第２のボールレンズ２２）との大小、２種類の円を配置するものとして説明する。

図５２および図５３は、半径１の大きい円に加え、半径０．４１４２１４（＝√２−１）の小さい円を隙間に配置することにより、最密充填した場合の配置例となっている。なお、図５３に示したように、大きい円の半径が１、隣接する３つの円の中心を結んだ線によって形成される三角形が４５°の直角二等辺三角形であることから、三角形の斜辺は√２となる。したがって、小さい円の半径は（√２−１）となる。

このことから、縦（１１）×横（１５）の大きさの長方形内部に第１および第２のボールレンズ２１，２２を最密充填した場合、複数の大きい円の総面積は４１．２５πとなり、複数の小さい円の総面積は４１．２５×（√２−１）²×πとなる。長方形の面積に対する大小、２種類の円の総面積の比率が充填密度であり、以下のように求められる。

［（４１．２５π＋４１．２５×（√２−１）²×π）／（１１×１５）］＝０．９２０１５１１８５

このように、充填密度は０．９２０１５１１８５で、１種類の大きさのボールレンズ２を配置する場合よりも充填密度をさらに向上することができている。

なお、互いにレンズ径の異なる３種類以上のボールレンズ２を配置するようにしてもよい。

［１．３ 効果］
以上説明したように、第１の実施の形態に係る光学装置、照明装置、および表示装置によれば、光源１からの光をボールレンズ２によって集光し射出するようにしたので、効率良く所望の配光特性を得ることが可能となる。

特に、第１の実施の形態に係る光学装置によれば、光源１の発光面をボールレンズ２の焦点位置よりもボールレンズ２に近い位置に配置することにより、光源１の射出配光がランバートであったとしても、そのほとんどを、ボールレンズ２に取り込むことができる。ボールレンズ２以外の段階的集光手続きを経ないで効率の良い集光が行える。

また、第１の実施の形態に係る光学装置によれば、光源１がアレイ状に平面内に２次元整列配置されている場合において、ボールレンズ２側も同様にアレイ状に整列配置することで、平面状の略コリメート光源の作成が可能となる。

また、第１の実施の形態に係る光学装置によれば、ボールレンズ２が球形であることにより、発光面に再帰性反射性が付加されることで、アレイ化やボックス化に適している。

第１の実施の形態に係る光学装置において、光源１の光源径Φと使用するボールレンズ２のレンズ径Ｄとの関係は、例えばレンズ材の屈折率ｎが１．４〜１．８である場合において、Φ／Ｄ＝３８％以下が望ましい。また、ボールレンズ２に対する光源１の発光面の距離ΔＬに関し、ΔＬ／Ｄ＝３．５％以下となるように、ボールレンズ２と光源１とが近接配置されることが望ましい。ただし、ボールレンズ２と光源１とを、ΔＬ／Ｄ＝３．５％以下に近接配置できない場合であっても、ボールレンズ２と光源１との周囲を囲む反射面４を設けることにより、光利用効率を実用範囲に維持することが可能となる。第１の実施の形態に係る光学装置において、光源１の射出光線の配光は、ランバートでなくとも、集光効果は発現できるが、その際には、上記光源１の光源径Φと使用するボールレンズ２のレンズ径Ｄとの関係の条件を満たすことがより有効である。

なお、本明細書に記載された効果はあくまでも例示であって限定されるものではなく、また他の効果があってもよい。以降の他の実施の形態の効果についても同様である。

［１．４ 変形例］
以上の説明では、光源１の色について言及しなかったが、色の異なる複数の光源１をアレイ状に配置してもよい。

＜２．第２の実施の形態＞
次に、本開示の第２の実施の形態について説明する。なお、以下では、上記第１の実施の形態に係る光学装置の構成要素と略同じ部分については、同一符号を付し、適宜説明を省略する。

［２．１ 構成］
第１の実施の形態に係る光学装置は、例えば可視光または近赤外光を用いた光通信装置に適用することが可能である。

図５４は、本開示の第２の実施の形態に係る光通信装置２１０の一構成例を概略的に示している。

光通信装置２１０は、送信部２１１Ｔと、受信部２１１Ｒとを備えている。

送信部２１１Ｔは、送信信号処理部２１２Ｔと、光送信部２１３Ｔとを有している。送信信号処理部２１２Ｔは、送信信号を生成して光送信部２１３Ｔに出力する。光送信部２１３Ｔは、送信信号処理部２１２Ｔからの送信信号を光信号に変換して射出する。

受信部２１１Ｒは、光受信部２１３Ｒと、受信信号処理部２１２Ｒとを有している。光受信部２１３Ｒは、光送信部２からの光信号を受信して電気的な信号に変換する。受信信号処理部２１２Ｒは、受信部２１３Ｒからの光電変換された信号を受信信号として処理する。

図５５は、光送信部２１３Ｔの一構成例を概略的に示している。

光送信部２１３Ｔは、つば部５を有する１次元的または２次元的にアレイ化された複数のボールレンズ２と、複数のボールレンズ２のそれぞれに対応して設けられた複数の光源１とを備えている。光源１とボールレンズ２の機能は、照明光ではなく光信号を射出するということ以外は、基本的に上記第１の実施の形態に係る光学装置と同様である。

図５６は、光受信部２１３Ｒの一構成例を概略的に示している。

光受信部２１３Ｒは、つば部５を有する１次元的または２次元的にアレイ化された複数のボールレンズ２と、複数のボールレンズ２のそれぞれに対応して設けられた複数の光検出素子（受光素子）２２０とを備えている。ボールレンズ２は、光（光信号）を集光して光検出素子２２０に向けて集光する。光検出素子２２０は、受光面を有し、その受光面がボールレンズ２の焦点位置よりもボールレンズ２３に近い位置に配置され、ボールレンズ２からの射出光を受光する。光検出素子２２０は、上記第１の実施の形態に係る光学装置における光源１に対応する位置に配置される。

［２．２ 作用および効果］
従来、衛星通信などに用いられている電磁波領域においては、限りある送信電力の制約の中で、遠方へ電磁波を伝達するために、電磁波をパラボラアンテナ等の集中手段を用いて、射出方位の指向性を高めることなどが行われており、このパラボラアンテナの重量が重く、衛星機器などに搭載するには限りがあった。

上記第１の実施の形態に係る光学装置の集光原理方法を用いて、非可視光の電磁波領域においても軽量化の応用可能性が生じる。現状の一例として、ミリ波に対する同様の考え方がある。この例では、レンズがボールレンズ２ではないため、アレイ化する際の充填密度がうまく稼げない。

第２の実施の形態に係る光通信装置２１０に対する比較例として、ミリ波帯の光通信装置の構成例を図５７および図５８に示す。図５７および図５８には、ミリ波帯の光通信装置における送信部の構成例を示す。

図５７に示した比較例に係る光通信装置は、導波管１５０とミリ波レンズ１５１とを組み合わせた構成とされている。図５８に示した比較例に係る光通信装置は、カセグレン方式のアンテナであり、ミリ波レンズ（１次放射器）１６１と、副反射鏡１６２と、主反射鏡１６３とを組み合わせた構成とされている。

光は電磁波の一種ではあるが 電磁波と異なる性質がある。Ｘ線、ガンマ線などの放射線も極めて波長の短い電磁波の一種であり、また、可視光は目に見える領域の電磁波になっているが、波長がナノメートルオーダーの域にあるものである。可視光より波長の長い、マイクロ波やミリ波のようなレーダー用の電波に対しては、上記第１の実施の形態に係る光学装置と類似の集光性を誘電体レンズを用いて構成したアンテナの構成例がある。

そこで、可視光ならではの特徴をいくつか述べる。赤外線よりも長波長なマイクロ波、およびミリ波は、可視光より波長が長いために回折性が光より強く、障害物などで回折現象により方向直進性が妨げられて、弱まるなどの現象が現れやすく、可視光の波長に比較した場合には、やはり特定の方向に直進しにくい側面がある。

一方で、可視光より波長の短い、紫外線以下の波長の短い方向の電磁波は、直進性はより高まるが、生物に有害なエネルギーを有しており、地球大気により吸収されやすいため通信には適さない。例えば、人工衛星などに当該電磁波を利用した無線装置搭載して通信を地上と行う場合を考えたケースにおいては、大気等に吸収されてしまって届かないという不都合を生じる。このことから、直進性が高く、空気に吸収されたりしない電磁波が可視光となっており、通信用の電磁波の中では比較的、取り扱いやすい。

しかしながら、可視光の中でも、青い光は大気中で散乱を受ける関係で、地上に向けて上空から垂直に送信する場合には、赤方向の光線がより望ましく、特に可視光に近い近赤外線の領域では、肉眼視はできないものの、赤外線よりもさらに長波長の電波を利用するよりは、回折しにくく直進性が高い。この性質は、霧などの中でも鮮明に対象を撮影できるような赤外線カメラが実用化されていることなどからも自明であると考えられる。そうしたことから、上記第１の実施の形態に係る光学装置の技術を、例えば赤外ＬＥＤ等に当てはめて利用することは、通信用の送信側に用いた場合にメリットが大きいと考えられる。また、光源１の光変換効率の向上時には、光通信化すれば、パラボラアンテナが不要になる可能性があり、航空宇宙分野等においてもまた、軽量化による進化が可能になる。

その他の構成、動作および効果は、上記第１の実施の形態に係る光学装置と略同様であってもよい。

＜３．その他の実施の形態＞
本開示による技術は、上記各実施の形態の説明に限定されず種々の変形実施が可能である。

例えば、本技術は以下のような構成を取ることもできる。
以下の構成の本技術によれば、光源からの光をボールレンズによって集光し射出するようにしたので、効率良く所望の配光特性を得ることが可能となる。

（１）
光を集光して射出するボールレンズと、
発光面を有し、前記発光面が前記ボールレンズの焦点位置よりも前記ボールレンズに近い位置に配置され、前記ボールレンズ側に光を射出する光源と
を備える
光学装置。
（２）
前記ボールレンズのレンズ径をＤ、前記光源の前記発光面と前記ボールレンズとの距離をΔＬとしたとき、ΔＬ／Ｄが３．５％以下である
上記（１）に記載の光学装置。
（３）
前記ボールレンズのレンズ径をＤ、前記光源の前記発光面の円形換算の径を光源径Φとしたとき、Φ／Ｄが３８％以下である
上記（１）または（２）に記載の光学装置。
（４）
内面が反射面とされ、前記反射面が前記ボールレンズの周囲に位置するように配置され、前記光源からの光を前記ボールレンズに向けて反射する壁部、をさらに備える
上記（１）ないし（３）のいずれか１つに記載の光学装置。
（５）
前記ボールレンズからの射出光の一部を透過し、他の一部を反射して前記ボールレンズへの戻り光とする光学シート、をさらに備える
上記（１）ないし（４）のいずれか１つに記載の光学装置。
（６）
前記光源および前記ボールレンズを収容し、光射出面に前記光学シートが配置された光学ボックス、をさらに備える
上記（５）に記載の光学装置。
（７）
前記ボールレンズを複数備え、
前記光源は、前記各ボールレンズごとに設けられている
上記（１）ないし（６）のいずれか１つに記載の光学装置。
（８）
複数の前記ボールレンズは、アレイ化されて一体化されている
上記（７）に記載の光学装置。
（９）
前記ボールレンズとして、互いにレンズ径の異なる２種類以上のボールレンズを、それぞれ複数備え、
前記光源は、前記各種類ごとのボールレンズごとに設けられている
上記（１）ないし（６）のいずれか１つに記載の光学装置。
（１０）
前記光源の配光特性はランバートである
上記（１）ないし（９）のいずれか１つに記載の光学装置。
（１１）
前記ボールレンズはコリメートされた光を射出する
上記（１）ないし（１０）のいずれか１つに記載の光学装置。
（１２）
前記ボールレンズは屈折率が一様な材質からなる
上記（１）ないし（１１）のいずれか１つに記載の光学装置。
（１３）
光を集光して照明光として射出するボールレンズと、
発光面を有し、前記発光面が前記ボールレンズの焦点位置よりも前記ボールレンズに近い位置に配置され、前記ボールレンズ側に光を射出する光源と
を備える
照明装置。
（１４）
前記ボールレンズを複数備え、
前記光源は、前記各ボールレンズごとに設けられ、
複数の前記ボールレンズと複数の前記光源とが、全体として面光源を形成する
上記（１３）に記載の照明装置。
（１５）
光を集光して射出する複数のボールレンズと、
前記複数のボールレンズのそれぞれに対応して設けられ、それぞれが発光面を有し、前記各発光面が前記各ボールレンズの焦点位置よりも前記各ボールレンズに近い位置に配置され、前記各ボールレンズ側に光を射出する複数の光源と
を備える
表示装置。
（１６）
前記複数のボールレンズから射出された光を変調する光変調素子、をさらに備える
上記（１５）に記載の表示装置。
（１７）
少なくとも１つの前記ボールレンズが１画素を形成する
上記（１５）に記載の表示装置。
（１８）
光を集光して射出するボールレンズと、
発光面を有し、前記発光面が前記ボールレンズの焦点位置よりも前記ボールレンズに近い位置に配置され、前記ボールレンズ側に光を射出する光源と
を有する光送信部、を備える
光通信装置。
（１９）
光を集光するボールレンズと、
受光面を有し、前記受光面が前記ボールレンズの焦点位置よりも前記ボールレンズに近い位置に配置され、前記ボールレンズからの射出光を受光する受光素子と
を有する光受信部、さらに備える
上記（１８）に記載の光通信装置。

１…光源、１Ａ…略正方形状の光源（ＬＥＤパッケージ）、１Ｂ…蛍光体重点発光部領域（実質的な発光領域）、２…ボールレンズ、２Ａ，２Ｂ…半ボールレンズ（半球状レンズ）、３…壁部、４…反射面（壁面）、５，５Ａ，５Ｂ…つば部（縁部）、１０…光源配置層、２０…射出集光機能層、２１…ボールレンズ（第１のボールレンズ）、２２…ボールレンズ（第２のボールレンズ、補助レンズ）、３０…プレート（壁部）、３１…孔部、４０…実線（略正三角形）、４１…破線、１００…光源部、１０１…仮想光源、１１０…ルーバー、１１１…遮光層（光吸収層）、１１２…光透過層、１２０…液晶表示素子（光変調素子）、１３０…光学シート層、１３１…光拡散層、１３２…光学フィルム、１４０…光学ボックス、１５０…導波管、１５１…ミリ波レンズ、１６１…ミリ波レンズ（１次放射器）、１６２…副反射鏡、１６３…主反射鏡、２１０…光通信装置、２１１Ｔ…送信部、２１１Ｒ…受信部、２１２Ｔ…送信信号処理部、２１２Ｒ…受信信号処理部、２１３Ｔ…光送信部、２１３Ｒ…光受信部、２２０…光検出素子（受光素子）、ＬＡ…光線、ＬＢ…光線、Ｌ１…１次入射光、Ｌ２…２次入射光、Ｌｎ…ｎ次入射光、Ｔｒ１…分光透過率、Ｌｒ１…１次反射戻り光、Ｌｒ２…２次反射戻り光、Ｄ…レンズ径、Φ…光源径、Φｑ…光線透過領域径（領域Ｑの直径）、ΔＬ…光源の発光面とボールレンズとの距離。

Claims (19)

1. 光を集光して射出するボールレンズと、
   発光面を有し、前記発光面が前記ボールレンズの焦点位置よりも前記ボールレンズに近い位置に配置され、前記ボールレンズ側に光を射出する光源と
   を備える
   光学装置。
2. 前記ボールレンズのレンズ径をＤ、前記光源の前記発光面と前記ボールレンズとの距離をΔＬとしたとき、ΔＬ／Ｄが３．５％以下である
   請求項１に記載の光学装置。
3. 前記ボールレンズのレンズ径をＤ、前記光源の前記発光面の円形換算の光源径をΦとしたとき、Φ／Ｄが３８％以下である
   請求項１に記載の光学装置。
4. 内面が反射面とされ、前記反射面が前記ボールレンズの周囲に位置するように配置され、前記光源からの光を前記ボールレンズに向けて反射する壁部、をさらに備える
   請求項１に記載の光学装置。
5. 前記ボールレンズからの射出光の一部を透過し、他の一部を反射して前記ボールレンズへの戻り光とする光学シート、をさらに備える
   請求項１に記載の光学装置。
6. 前記光源および前記ボールレンズを収容し、光射出面に前記光学シートが配置された光学ボックス、をさらに備える
   請求項５に記載の光学装置。
7. 前記ボールレンズを複数備え、
   前記光源は、前記各ボールレンズごとに設けられている
   請求項１に記載の光学装置。
8. 複数の前記ボールレンズは、アレイ化されて一体化されている
   請求項７に記載の光学装置。
9. 前記ボールレンズとして、互いにレンズ径の異なる２種類以上のボールレンズを、それぞれ複数備え、
   前記光源は、前記各種類ごとのボールレンズごとに設けられている
   請求項１に記載の光学装置。
10. 前記光源の配光特性はランバートである
    請求項１に記載の光学装置。
11. 前記ボールレンズはコリメートされた光を射出する
    請求項１に記載の光学装置。
12. 前記ボールレンズは屈折率が一様な材質からなる
    請求項１に記載の光学装置。
13. 光を集光して照明光として射出するボールレンズと、
    発光面を有し、前記発光面が前記ボールレンズの焦点位置よりも前記ボールレンズに近い位置に配置され、前記ボールレンズ側に光を射出する光源と
    を備える
    照明装置。
14. 前記ボールレンズを複数備え、
    前記光源は、前記各ボールレンズごとに設けられ、
    複数の前記ボールレンズと複数の前記光源とが、全体として面光源を形成する
    請求項１３に記載の照明装置。
15. 光を集光して射出する複数のボールレンズと、
    前記複数のボールレンズのそれぞれに対応して設けられ、それぞれが発光面を有し、前記各発光面が前記各ボールレンズの焦点位置よりも前記各ボールレンズに近い位置に配置され、前記各ボールレンズ側に光を射出する複数の光源と
    を備える
    表示装置。
16. 前記複数のボールレンズから射出された光を変調する光変調素子、をさらに備える
    請求項１５に記載の表示装置。
17. 少なくとも１つの前記ボールレンズが１画素を形成する
    請求項１５に記載の表示装置。
18. 光を集光して射出するボールレンズと、
    発光面を有し、前記発光面が前記ボールレンズの焦点位置よりも前記ボールレンズに近い位置に配置され、前記ボールレンズ側に光を射出する光源と
    を有する光送信部、を備える
    光通信装置。
19. 光を集光するボールレンズと、
    受光面を有し、前記受光面が前記ボールレンズの焦点位置よりも前記ボールレンズに近い位置に配置され、前記ボールレンズからの射出光を受光する受光素子と
    を有する光受信部、さらに備える
    請求項１８に記載の光通信装置。