JP5172592B2 - 光学素子および発光装置 - Google Patents

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Description

本発明は、光学素子および発光装置に関する。
近年、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）のハイパワー化、高効率化により、白熱電球および蛍光灯の代替えとして、ＬＥＤ照明装置が実用化されてきている。白熱電球または蛍光灯に比べて、ＬＥＤは大きさが小さく、光束密度が高い。また、白熱電球および蛍光灯が全方位に発光するのに対して、ＬＥＤは光線の指向性が狭いという特徴を有する。また、最近では、３Ｗまたは１０ＷというパワーＬＥＤも実用化されている。
このようなＬＥＤを光源とする照明装置として、以下の照明装置が提案されている。まず、ＬＥＤから発せられた光を透光性部材を通して反射鏡等によって反射させる。その反射光を反射鏡によって反射させ、円盤状体の一方の面とは逆側の他方の面から光を放出させている（特許文献１参照）。
特開２００４−８７６３０号公報
しかしながら、特許文献１に記載されている照明装置は、ＬＥＤから発せられる光をＬＥＤの側面側の狭い領域に導き、その側面から光を出射し、その後、円盤状体の一面側に出射させるものであるため、円盤状体の平面側を光源として利用する場合にはその中心が明るくなりすぎたり、または暗くなってしまうことがある。すなわち、ＬＥＤの上部へ直線的に出射する光は、そのまま通過すると、平面の中心の光束密度が高くまぶしさ（グレア）の大きいものとなる。また、反射鏡で中心の光を遮ると平面の中心は円形の暗部が生じてしまう。このように、特許文献１に記載されている照明装置は、面光源としては適し難いものである。
また、特許文献１に記載されている照明装置は、ＬＥＤの側面側から出射された光は、その側面が光の出射光と９０°に交差していない場合、その側面で屈折し、反射鏡に所定通りの角度で照射させ難くなる。また、ＬＥＤの側面が凹凸状態であると、ＬＥＤからの出射方向が比較的広角となり、出射光を一定方向に調整し難い。このように、設計上の角度で反射鏡側に進行しない光があると、出射光の中には反射鏡に照射されないものが生じたり、所定方向とは異なる方向へ反射されるものが生じ、照明装置としては照射ロスとなる光の割合が大きくなる。
そこで、本発明の目的は、グレアおよび暗部の発生を抑制して、かつ光の効率の良くなる面発光に適する光学素子および発光装置を提供することである。
上記目的を達成するため、本発明の光学素子は、光を入射する入射部と、入射部へ入射した光を反射面に導く第１の導光部と、第１の導光部の光の入射側と反対側に設けられ入射した光のうち一直線状の軌跡をとる光を全反射させる反射面と、反射した光を導光する第２の導光部とを有し、第１の導光部は、光を多重散乱し、反射面を通過し外部に出射する光を発生させる光散乱粒子を含有し、第２の導光部は、入射してきた光の一部または全部を反射面を通過する光と同一面側に出射する。
ここで、第２の導光部は反射面側とは反対の側に、導光された光を反射面側と同一側の方向に方向転換させる断面鋸歯状のプリズム部を備えていることが好ましい。
また、第２の導光部のうち第１の導光部から離れた位置の端部には、導光された光を反射面の側と同一側へと反射させる反射部が形成されていることが好ましい。
また、光散乱粒子は、散乱パラメータをτ、第１の導光部の厚みをＴとしたとき、τとＴの積が０．１以上５０以下の範囲内とされていることが好ましい。
上記目的を達成するため、本発明の発光装置は、光を入射する入射部と、入射部へ入射した光を反射面に導く第１の導光部と、第１の導光部の光の入射側と反対側に設けられ入射した光のうち一直線状の軌跡をとる光を全反射させる反射面と、反射した光を導光する第２の導光部とを有する透光部材と、入射部に光を入射する発光部材とを備え、第１の導光部は、光を多重散乱し、反射面を通過し外部に出射する光を発生させる光散乱粒子を含有し、第２の導光部は、入射してきた光の一部または全部を反射面を通過する光と同一面側に出射する。
ここで、第２の導光部は板状とされ、その板状の第２の導光部の中心に第１の導光部が配置されていることが好ましい。
また、透光部材は透光性樹脂であり、光散乱粒子は、その粒径が１〜１０μｍの透光性のシリコーン粒子とされ、光散乱粒子は、第２の導光部にも含有されていることが好ましい。
本発明では、グレアおよび暗部の発生を抑制して、かつ光の効率の良くなる面発光に適する光学素子および発光装置を提供することができる。
以下、本発明の実施の形態に係る光学素子および発光装置の構成、ならびにそれらの作用について、図面を参照しながら説明する。
（光学素子の構成）
図１は、本発明の実施の形態に係る光学素子である透光部材１の構成を示す平面図、図２は、その正面図および図３はその底面図である。
図１から図３に示すように、透光部材１は、外形が円形であって、光散乱粒子として粒子径が数μｍの球状かつ透光性のシリコーン粒子（図示省略）が含有された透明のポリメチルメタクリレート（以下、「ＰＭＭＡ」と略記する。）樹脂成形体である。透光部材１は、中央に配置される平面円形状の第１の導光部２と、その周りに配置されるドーナツ状の第２の導光部３とを有する。第１の導光部２は、その第１の導光部２に光を入射する入射部１１（図３，図４参照）と、入射部１１へ入射した光を反射する入射部１１とは反対側の面に配置される反射面１２とを有している。
この反射面１２の中央は、中心点１３となり、その中心点１３は、透光部材１の中心であり、第１の導光部２の中心であり、かつ第２の導光部３の中心となる。この透光部材１は、入射部１１に入射した光を反射面１２に導き反射面１２によって反射した光を第２の導光部３に導いている。第１の導光部２と第２の導光部３とは、２材成形によって一体化され、透光部材１は見た目上、完全な１部品として形成されている。なお、以下では、図２の上側を透光部材１の上面といい、下側を透光部材１の下面という。
図１に示す第１の導光部２の外形の半径（Ｒ１）は１１ｍｍであり、第２の導光部３の外形の半径（Ｒ２）は８０ｍｍである。したがって、透光部材１のうち、第１の導光部２が占める面積は、（πＲ１２／ πＲ２２）で求められ、約１．８９％である。
図２に示すように、透光部材１の第２の導光部３の上面が平面であり、また第２の導光部３の下面が透光部材１の端部５から透光部材１の中心である第１の導光部２に向かって徐々に厚みを増す形状となっている。そして、透光部材１の端部１５側の下端面には第２の導光部３に導光された光を上面側に全反射する反射部１６がリング状に形成されている。この反射部１６は、中心点１３を中心として同心円状に設置されている。また、第１の導光部２は、その下面側に円筒状のＬＥＤ保持部１７を有している。
図３に示すように、透光部材１の中央部に円形の第１の導光部２が配置され、その第１の導光部２の下面側にリング状のＬＥＤ保持部１７が配置されている。また、第２の導光部３の端部１５の下面側の全周に沿ってリング状の反射部１６が各点において同一形状となるように形成されている。
図４は、図１のＡ−Ａ断面図である。ＬＥＤ保持部１７は、下面側に突出した円筒状の形状をしている。ＬＥＤ保持部１７は、第１の導光部２の一部を形成しているが、第２の導光部３の下面側に配置し、第２の導光部３の一部として形成しても良い。ＬＥＤ保持部１７の内周面１７ａは、入射部１１の平面に対し垂直に下面側に延びている。一方、ＬＥＤ保持部１７の内周面１７ａは、入射部１１の平面に対し垂直に下面側に延びている。一方、ＬＥＤ保持部１７の外周面１７ｂは、内周面１７ａに対し、鋭角の角度αを持つように形成される。これは、後述する光源からの光がこのＬＥＤ保持部１７に入射した場合、その入射光を反射させ第１の導光部２や第２の導光部３に導くようにする。
図５は、図４の断面図における透光部材１の反射面１２の周辺部分の詳細を示す拡大図である。反射面１２のうち、最も下側へ凹んだ部分は、中心点１３となっている。また、図５に示す透光部材１には、光散乱粒子２１が含有されている。この光散乱粒子２１は、１〜１０μｍの粒径のシリコーン粒子となっており、第２の導光部３よりも第１の導光部２に高密度に含有されている。具体的には、第１の導光部２の光散乱粒子２１の含有率は０．１重量％であり、第２の導光部３の光散乱粒子２１の含有率は０．０６重量％である。なお、第１の導光部２に含有されている光散乱粒子２１は、散乱パラメータをτ、第１の導光部２の厚みをＴとしたとき、τとＴの積が０．１以上５０以下の範囲内とされている。
なお、この実施の形態では、ＬＥＤ保持部１７にも光散乱粒子２１が入っており、その含有量は第１の導光部２と同じとなっている。しかし、ＬＥＤ保持部１７には、光散乱粒子２１を入れないようにしたり第２の導光部３と同じ含有率としてもよい。また、図５では光散乱粒子２１は分散配置されている。
以下、光散乱粒子２１について説明する。この光散乱粒子２１は、体積的に一様な散乱能が与えられた導光体であり、散乱微粒子としての球形粒子を多数含んでいる。第１の導光部２または第２の導光部３の内部に光が入射すると、その光は散乱微粒子によって散乱することになる。
ここで、光散乱粒子２１の理論的な基礎を与えるＭｉｅ散乱理論について説明する。Ｍｉｅ拡散理論は、一様な屈折率を有する媒体（マトリックス）中に該媒体と異なる屈折率を有する球形粒子（散乱微粒子）が存在するケースについてマックスウェルの電磁方程式の解を求めたものである。光散乱粒子２１に相当する散乱微粒子によって散乱した散乱光の角度に依存した強度分布Ｉ（Α、Θ）は下記（１）式で表される。Αは、散乱微粒子の光学的大きさを示すサイズパラメータであり、マトリックス中での光の波長λで規格化された球形粒子（散乱微粒子）の半径ｒに相当する量である。角度Θは散乱角で、入射光の進行方向と同一方向をΘ＝１８０°にとる。
また、（１）式中のｉ１、ｉ２は（４）式で表される。そして、（２）〜（４）式中の下添字ν付のａおよびｂは（５）式で表される。上添字１および下添字νを付したＰ（ｃｏｓΘ）は、Ｌｅｇｅｎｄｒｅの多項式、下添字ν付のａ、ｂは１次、２次のＲｅｃａｔｔｉ−Ｂｅｓｓｅｌ関数Ψ＊、ζ＊（ただし、「＊」は下添字νを意味する。）とその導関数とからなる。ｍはマトリックスを基準にした散乱微粒子の相対屈折率で、ｍ＝ｎｓｃａｔｔｅｒ／ｎｍａｔｒｉｘである。
Figure 0005172592
図６は、上記（１）〜（５）式に基づいて、単一真球粒子による強度分布Ｉ（Α、Θ）を示すグラフである。この図６では、原点Ｇの位置に散乱微粒子としての真球粒子があり、下方から入射光が入射した場合の散乱光強度の角度分布Ｉ（Α、Θ）を示している。そして、原点Ｇから各曲線Ｓ１〜Ｓ３までの距離が、それぞれの散乱角方向の散乱光強度である。曲線Ｓ１はΑが１．７であるときの散乱光強度、曲線Ｓ２はΑが１１．５であるときの散乱光強度、曲線Ｓ３はΑが６９．２であるときの散乱光強度を示している。なお、図６においては、散乱光強度を対数目盛で示している。このため、図６では僅かな強度差として見える部分が、実際には非常に大きな差となる。
この図６に示すように、サイズパラメータΑが大きくなればなるほど（ある波長λで考えた場合は真球粒子の粒径が大きくなればなるほど）、上方（照射方向の前方）に対して指向性高く光が散乱されていることがわかる。また、実際のところ、散乱光強度の角度分布Ｉ（Α、Θ）は、入射光波長λを固定すれば、散乱子の半径ｒと、媒体および散乱微粒子の相対屈折率ｍとをパラメータとして制御することができる。
このような、単一真球粒子がＮ個含まれる光散乱導光体に光を入射させると、光は真球粒子により散乱される。散乱光は光散乱導光体中を進み、他の真球粒子により再度散乱される。ある程度以上の体積濃度で粒子を添加した場合には、このような散乱が逐次的に複数回行われた後、光が光散乱導光体から出射する。このような散乱光がさらに散乱されるような現象を多重散乱現象と呼ぶ。このような多重散乱においては、透明ポリマーでの光線追跡法による解析は容易ではない。しかし、モンテカルロ法により光の挙動を追跡し、その特性を解析することはできる。それによると、入射光が無偏光の場合、散乱角の累積分布関数Ｆ（Θ）は下記の（６）式で表される。
Figure 0005172592
ここで（６）式中のＩ（Θ）は、（１）式で表されるサイズパラメータΑの真球粒子の散乱強度である。強度Ｉｏの光が光散乱導光体に入射し、距離ｙを透過した後、光の強度が散乱によりＩに減衰したとすると、これらの関係は下記の（７）式で表される。
Figure 0005172592
この（７）式中のτは濁度と呼ばれ（上述の散乱パラメータと同義）、媒体の散乱係数に相当するものであり、下記の（８）式のように粒子数Ｎに比例する。なお、（８）式中、σｓは散乱断面積である。
Figure 0005172592
（７）式から長さＬの光散乱導光体を散乱せずに透過する確率Ｐｔ（Ｌ）は下記の（９）式で表される。
Figure 0005172592
反対に光路長Ｌまでに散乱される確率Ｐｓ（Ｌ）は下記の（１０）式で表される。
Figure 0005172592
これらの式からわかるように、濁度τを変えることにより、光散乱導光体内での多重散乱の度合いを制御することができる。
以上の関係式により、散乱微粒子のサイズパラメータΑと濁度τとの少なくとも１つをパラメータとして、光散乱導光体内での多重散乱を制御可能であり、出射面における出射光強度と散乱角も適正に設定可能である。
図７は、図４の断面図における透光部材１の第２の導光部３の部分を主に示す拡大概要図である。第２の導光部３はその下面に、中心点１３を中心とする同心円上に断面鋸歯状のプリズム部２２を備えている。このプリズム部２２は、この実施の形態では合計２２５個の鋸歯２３が形成されている。なお、図７では簡易化のため合計２５個のみの鋸歯２３が示されている。プリズム部２２は、第２の導光部３の下面側へと導光された光を上面側へと方向転換する。中心点１３から近い側の鋸歯２３の突起角度θは、中心点１３から遠い側の鋸歯２３の突起角度θよりも小さくなっている。
鋸歯２３の突起角度θを具体的に説明する。中心点１３から最も近い側の５ｍｍの幅に存在する２５個の鋸歯２３の突起角度θは、５０°である。次に中心点１３から近い側の５ｍｍの幅に存在する２５個の鋸歯２３の突起角度θは、５５°である。次に中心点１３から近い側の５ｍｍの幅に存在する２５個の鋸歯２３の突起角度θは、６０°である。次に中心点１３から近い側の５ｍｍの幅に存在する２５個の鋸歯２３の突起角度θは、６５°である。次に中心点１３から近い側の１０ｍｍの幅に存在する５０個の鋸歯２３の突起角度θは、７０°である。中心点１３から最も遠い側の１５ｍｍの幅に存在する７５個の鋸歯２３の突起角度θは、７５°である。このようにプリズム部２２を５つのグループの鋸歯２３に分けている。鋸歯２３の突起角度θを外周に行くほど徐々に大きくしてもよい。なお、隣接する鋸歯２３の配置間隔Ｈは０．２ｍｍである。また、鋸歯２３は、中心点１３を対称点とした点対称配置となっている。
また、図７において、鋸歯２３の突起頂部を径方向に結ぶ線Ｌと第２の導光部３上面とがなす交差角βは６．５°とされている。各鋸歯２３の中心点１３側の面と線Ｌとの角度γは、９０°とされているが、角度γを９０°より大きい角度としてもよい。そうすることによって、透光部材１を金型で成形する際に透光部材１を金型から取り外し易くなる。なお、中心点１３から最も遠い側の鋸歯２３に隣接した端部１５側の下面には、反射部１６が設置されている。この反射部１６の面と第２の導光部３の上面とがなす角θ１は、３０°とされている。
（発光装置の構成）
図８は、図４に示す透光部材１に、発光部材であるチップ形のＬＥＤ３０を装着し本発明の実施の形態に係る発光装置４０の構成を示す図である。透光部材１の入射部１１とＬＥＤ保持部１７で囲まれた部分にはＬＥＤ３０が配置されている。ＬＥＤ３０の下端部３１は円盤状の形状をしており、その外周面３２がＬＥＤ保持部１７の内周面１７ａと対向している。下端部３１の外周面３２とＬＥＤ保持部１７の内周面１７ａとは、図示を省略する固定部材によって固定されている。その固定によって、ＬＥＤ３０がＬＥＤ保持部１７に固定されている。なお、ＬＥＤ３０は、中心点１３と対応する位置に配置される。
（反射面１２における光の反射の状況）
図９には、ＬＥＤ３０から発せられた光が入射部１１に入射し透光部材１内に入り、反射面１２で反射して第２の導光部３へと導光される経路を破線で示している。ＬＥＤ３０から発せられた光が、入射部１１から第１の導光部２へ入るとき、光は中心点１３側へ若干屈折し、その後、反射面１２に到達する。反射面１２では、透光部材１の材質であるＰＭＭＡと空気との境界面が形成されている。光の屈折率の高い媒質（ＰＭＭＡ）から低い媒質（空気）へと向かう光は、その境界面（反射面１２）に対しての入射角θ２が全反射臨界角（４１．８４°）以上の角度で反射面１２に照射されると、その境界面を透過せず全反射する。ここで、入射角θ２は、反射面１２に入射光が突き当たる点における法線と入射光がなす角となる。反射面１２は、この全反射をする条件を満たすようにし、かつ反射後の光が第２の導光部３の上面に対し平行となるように形成されている。このため、ＬＥＤ３０からの光の殆どは反射面１２で全反射し、平行光となり第２の導光部３へと導光される。
なお、図９に示す反射面１２の断面曲線の中心点１３の部分は、光源となるＬＥＤ３０から真っ直ぐ上に行く光に対し、入射角と反射角の合計が９０°となる面を有している。すなわち、中心点１３部分の入射角θ２は４５°とされており（入射角と反射角の合計である「θｔ１＝９０°」）、反射面１２に対する反射点における接線は、第２の導光部３の上面に対し４５°で交差するものとなる。また、反射面１２の曲線が第２の導光部３の上面である平面とつながる部分の入射角と反射角の合計であるθｔ２は、「θｔ２＝９０°＋θｃ」である（ここで、θｃは全反射臨界角で、４１．８４°となる）。この両点を結ぶ曲線Ｆ（ｘ）は非球面の一種となる放物線曲線であり、その微分Ｆ’（ｘ）は、「ｔａｎ（９０−θｔ ／ ２）」である。
また、透光部材１には、光散乱粒子２１が含有されている。そのため、ＬＥＤ３０から第１の導光部２へ入射した光が反射面１２まで到達するまでの過程、および反射面１２から第２の導光部３へと導光される過程で光が散乱する。しかし、光散乱粒子２１は、透光部材１内の光の大部分を減衰させることなく多重散乱させるものである。そのため、入射光の一部は第１の導光部２の反射面１２を通過し上面側に出射する。しかし、光散乱粒子２１の大きさを上述したＭｉｅ散乱理論に基づいて入射光の進行方向へ光が散乱する割合を大きくするものとしているため、光の多くは光散乱粒子２１が無い場合の経路と略同じとなる。すなわち、入射部１１に入射した光の多くは第１の導光部２から図９に示す矢示付き破線に沿って略平行光として第２の導光部３へと光が進行していく。
ここで、光散乱粒子２１は、上述したようにＬＥＤ３０から照射された光の一部を反射面１２を通過させ外部に出射する光を発生させる。すなわち、ＬＥＤ３０から照射された光の一部は、第１の導光部２から上面側に出射する。
（第２の導光部３における光の屈折および反射の状況）
上述のように第２の導光部３へと導光された光は、プリズム部２２及び反射部１６によって、第２の導光部３の上面側へと方向転換される。プリズム部２２の鋸歯２３の頂点を結ぶ直線Ｌ（図７参照）は、第２の導光部３へと導光された光の光路と交差角βを有するように形成されている。そのため、導光された平行光はプリズム部２２に照射される。
プリズム部２２に照射された光は、第２の導光部３の上面側へと方向転換される。その方向転換の方向は、突起角度θが透光部材１の外周側ほど大きくなっているため、透光部材１の外周側ほど出射角θ３が小さくなる。すなわち、透光部材１を光源として見た場合、光源が指向性を持たず、広角範囲を照らす光源となる（図７参照）。第２の導光部３を進行する光は光散乱粒子２１で一部が散乱されるため、プリズム部２２に照射された光の一部は、最初に衝突する鋸歯２３を透過してしまうこともあるが、その透過した光の多くは隣接する鋸歯２３に照射され、その鋸歯２３によって第２の導光部３の上面側へと方向転換される。なお、図７に示す矢示付き破線は、光散乱粒子２１が存在しない場合または光が光散乱粒子２１に衝突しなかった場合に方向転換される光の経路を示している。
このように方向転換された光は、鋸歯２３の突起角度θが上述のように第２の導光部３のうちＬＥＤ３０側から第２の導光部３の端部１５に向かうに従って大きくなっていることに起因して、上述したようにＬＥＤ３０から離れるに従って出射角θ３が小さくなるように第２の導光部３の上面から出射する。
また、反射部１６に導光された光は、その反射部１６によって反射され第２の導光部３の上面側に導光され、上面から出射する。ＬＥＤ３０は光の指向性が強く、中心点１３方向の光が強く、中心点１３から離れる方向の光は弱くなる。そのため、図７において反射面１２の下部領域（中心点１３の近くの領域）や中部領域（中心点１３から少し離れた領域）から導光される光の光量が多く、反射面１２の上部領域（第２の導光部３に近い領域）に向かうに従ってその領域から導光される光の光量が少なくなる。このことから、反射面１２の下部領域や中部領域に導光された光を主に方向転換するプリズム部２２は、ＬＥＤ３０が照射する光の殆どを方向転換し、残りの光は反射部１６が方向転換する。これによって第２の導光部３を進行する光の殆どを上面側から出射させる。
ここで、第２の導光部３にも光散乱粒子２１が含有されている。そのため、反射面１２から第２の導光部３へ入射し進行する光は、その進行過程で、またプリズム部２２から第２の導光部３の上側へと光照射される過程で光が複雑に散乱する。しかし、光散乱粒子２１は、第２の導光部３内の光の多くを入射方向と同一方向へ散乱させる多重散乱させるものである。そのため、多くの光はその進行方向が整ったものとなり、図７に示す破線に沿って光が照射されていく。しかし、散乱光の一部は、図７による破線の経路と異なる経路をとり、上面から出射される。すなわち、第２の導光部３には高密度に光散乱粒子２１が含有されているため、透光部材１の上面からの光の照射はＬＥＤや裸電球の光等とは異なり、ぼやけた感じの照射状態となる。また、ＬＥＤ３０という点光源に近い光源の光が第１の導光部２と第２の導光部３によって面光源に変換されるため、単位面積当たりの照射光量は少なくなる。
（本発明の実施の形態によって得られる主な効果）
透光部材１および発光装置４０は、反射面１２を備えた第１の導光部２を有している。そのため、入射部１１に入射した光の多くは第１の導光部２から図９に示す矢示付き破線に沿って略平行光として第２の導光部３へと光が進行していきつつも適度に他の方向へと光を散乱させる。そのため、グレアおよび暗部の発生を抑制して面発光に適する透光部材１および発光装置４０を提供できる。
すなわち以下のことが言える。透光部材１および発光装置４０は、ＬＥＤ３０の上部へ直線的に出射する光の殆どをそのまま通過させずに全反射させ、また、反射鏡で中心の光を遮ることがない。また、ＬＥＤ３０からの強い光の一部を散乱させ反射面１２を通過させており、反射面１２も光源の一部となる。また、第２の導光部３は、入射してきた光の多くを反射面１２を通過する光と同一面側に出射する。そのため、透光部材１および発光装置４０は、面発光に適していると共に極端に眩しくなる部分の発生を抑制できる。さらには、透光部材１および発光装置４０は、入射してきた光の殆どを上面側に出射させることが可能であるため、光効率が良いものとなる。
また、第１の導光部２に入射した光は、一部は反射面１２を通過し第１の導光部２からの面光源となり、残りの光は略平行光となって第２の導光部３に入射し、その後第２の導光部３の上面側から出射し、第２の導光部３からの面光源となるため、発光装置４０の照射ロスを抑制できる。また、仮に略平行光とならずに第２の導光部３に入射された光が第２の導光部３の上面に照射されても、そこで全反射するため、光は拡散せず、より発光装置４０の照射ロスを抑制できる。さらに、第２の導光部３の上面で全反射した光は、その後、プリズム部２２にて発光装置４０の設計意図にそった方向に反射されるため、より発光装置４０の照射ロスを抑制できる。
また、光散乱粒子２１の含有率は、第２の導光部３よりも第１の導光部２の方を高くしているため、第１の導光部２に入射した光が反射面１２を透過し易くなり、透光部材１全体の光照射分布を略均一にできる。多重散乱の程度は、散乱パラメータτにより制御できるため、反射面１２を通過する光と第２の導光部３の上面から出射する光の輝度が一定になるように適度に調整することができる。図１０、図１１、図１２、図１３には、第２の導光部３の光散乱粒子２１の含有率を一定（０．０６重量％）にし、第１の導光部２の光散乱粒子２１の含有率を変更した場合の発光装置４０の明るさの分布を示している。第１の導光部２と第２の導光部３の光散乱粒子２１の含有率を変更する方法は、予め光散乱粒子２１の含有率の異なる第１の導光部２と第２の導光部３を成形しておき、両者を２材成形し一体化するものである。
図１０には、第１の導光部２に光散乱粒子２１を含有させない（含有率０％）発光装置４０（第１変形例の発光装置４０）の明るさの分布を示している。図１に示すように、第１の導光部２よりも第２の導光部３の方が明るくなっていることがわかる。ここで第１の導光部２からも明るさが確認できるのは、光源となるＬＥＤ３０が点光源でないため、全反射せず反射面１２を通過する光が存在するためである。なお、図１０、図１１、図１２、図１３の横軸は、中心点１３の位置を「０」とした場合のその中心点１３からの距離である。第１の導光部２は、直径が２２ｍｍであり、第２の導光部３は、直径が１６０ｍｍである。
図１１は、第１の導光部２に光散乱粒子２１の含有率を０．０３重量％と、第２の導光部３の光散乱粒子２１の含有率（０．０６重量％）よりも１／２に少なくした場合の発光装置４０（第２変形例の発光装置４０）の明るさの分布を示している。第１の導光部２よりも若干第２の導光部３の方が明るくなっていることがわかる。これは、光散乱粒子２１による散乱の結果、反射面１２を通過する光が増加するため、第１の導光部２の明るさが増え、その結果、第２の導光部３に入る光が減少するためである。
図１２は、第１の導光部２に光散乱粒子２１の含有率を０．１重量％と、第２の導光部３の光散乱粒子２１の含有率（０．０６重量％）よりも若干多くした場合の発光装置４０の明るさの分布を示している。これは、上述した実施の形態に係る発光装置４０である。第１の導光部２と第２の導光部３の明るさが概ね平準化されていることがわかる。これは、第１の導光部２の光散乱粒子２１がさらに増加した結果、反射面１２を通過する光が更に増加し、一方、第２の導光部３に入る光が更に減少したものである。
図１３は、第１の導光部２に光散乱粒子２１の含有率を０．３重量％と、第２の導光部３の光散乱粒子２１の含有率（０．０６重量％）の５倍多くした場合の発光装置４０（第３変形例の発光装置４０）の明るさの分布を示している。第１の導光部２の方が第２の導光部３よりもその明るさが明るくなっていることがわかる。
なお、図１４には、板厚が１０ｍｍのＰＭＭＡ板に粒径７．３μｍの光散乱粒子２１を含有させる濃度を変化させた場合の光の拡散角と光の透過率の関係を示している。ここで、拡散角とは、散乱されて拡がった光が、その中心照度の半値になる角度を全角表示で表した角度である。図１４に示すように、光散乱粒子２１の含有率が０．０６重量％のときは、殆ど拡散せず、しかも透過率は９８％程度となる。この図１４を利用して透光部材１の明るさや出射方向を種々設定できる。
また、光散乱粒子２１は、散乱パラメーターをτ（１/τは平均自由行程でその単位はｃｍ）、第１の導光部２の厚みをＴ（単位はｃｍ）としたとき、τとTの積が０．１以上５０以下の範囲内とされている。τとＴの積が０．１以下になると、光線の平均自由行程が長くなり板厚Ｔの距離内で散乱される光線量が少なくなり、第１の導光部２の反射面１２から適切な光線を外部に出射させることができなくなる。一方、τとＴの積が５０以上になると、光線の平均自由行程が短くなり、板厚Ｔの距離内で多重散乱される光量が多くなり、図１４に示すように、後方散乱が大きくなり前方への光の透過率が下がってしまう。つまり入射部１１に入射し第１の導光部２から図９に矢示付き破線に沿って第２の導光部３へと光を進行させる光量効率が低下してしまう。
また、プリズム部２２は、中心点１３に近い側の鋸歯２３の突起角度θは、中心点１３から遠い側の鋸歯２３の突起角度θよりも小さい。そのため、中心点１３から遠い側では、ＬＥＤ３０から離れる方向への光の照射ができ、広角に光を照射することが可能となる。よって、発光装置４０は、広い範囲を照明できる照明装置としての用途に適するものとなる。また、広角に光を照射することにより、発光装置４０を薄型化できる。また、広角に光を照射することにより、発光装置４０をモジュール化して多数配置する場合にそのモジュールの数を少なくでき、コスト削減ができる。
なお、照明装置４０が広角に光を照射することができていることは、図１０、図１１、図１２、図１３において、透光部材１から距離が離れた位置も明るくなっていることから明らかである。
また、この突起角度θは、適宜変更することができるため、発光装置４０等の用途によって発光の仕方を変更することができる。発光の仕方を上述のように広角の照射としたり、ダウンライトのように狭角の照射とすることもできる。ここで、各鋸歯２３の突起頂部を径方向に結ぶ線Ｌと第２の導光部３の上面側の平面との交差角βが２°から１０°となる場合には、突起角度θは、４５°から７５°の間で設定することが好ましい。
また、第２の導光部３のうちＬＥＤ３０から離れた位置の端部１５の下部には、導光された光を上面側へと反射させる反射部１６が形成されているため、プリズム部２２だけでは光の方向転換ができない分の光があった場合にもその光を上面側に方向転換することができる。
（他の形態）
以上、本発明の実施の形態における透光部材１および発光装置４０について説明したが、本発明の要旨を逸脱しない限り種々変更実施可能である。
本発明の実施の形態に係る光学素子（透光部材１）は、光を入射する入射部１１と、入射部１１へ入射した光を反射面１２に導く第１の導光部２と、第１の導光部２の光の入射側と反対側に設けられ入射した光のうち一直線状の軌跡をとる光を全反射させる反射面１２と、反射した光を導光する第２の導光部３とを有し、第１の導光部２は、光を多重散乱し、反射面１２を通過し外部に出射する光を発生させる光散乱粒子２１を含有し、第２の導光部３は、入射してきた光の一部または全部を反射面１２を通過する光と同一面側に出射している。しかし、光散乱粒子２１は第２の導光部３にも含有させることとしても良い。また、入射部１１は、第１の導光部２の下面側とＬＥＤ保持部１７とで形成されているが、第１の導光部２の下面側全体または下面側の一部のみとしてもよい。さらに、第２の導光部３が出射する光は反射面１２を通過する光と同一面側に出射しているが、一部または全部の光を第２の導光部３の下面側から出射させたり、端部１５の外周側へ出射させたりしても良い。
また、本発明の実施の形態に係る光学素子（透光部材１）は、導光された光を反射面１２側と同一側の方向に方向転換させる断面鋸歯状のプリズム部２２を第２の導光部３における反射面１２側とは反対の側に備えている。しかし、このプリズム部２２は必須の構成要素ではないため、省略しても良い。また、プリズム部２２を第２の導光部３の上面側に設けてもよい。また、プリズム部２２は鋸歯状とせず、直線Ｌのような直線状としたり曲線状としたりしてもよい。また、鋸歯２３は５つのグループに分けているが、グループ分けする必要は無い。たとえば、個々の鋸歯２３の突起角度θを異ならせ、中心部１３から端部１５に向けて徐々に突起角度θを大きくしても良い。
また、本発明の実施の形態に係る光学素子（透光部材１）は、第２の導光部３のうち第１の導光部２から離れた位置の端部１５に、導光された光を反射面１２の側と同一側へと反射させる反射部１６を有していることが好ましい。しかし、この反射部１６は必須の構成要素ではないため、省略しても良い。また、プリズム部２２を端部１５まで伸ばすようにしても良い。
また、本発明の実施の形態に係る光学素子（透光部材１）は、第２の導光部３には光散乱粒子２１が含有され、光散乱粒子２１の含有率は、第２の導光部３よりも第１の導光部２の方を高くしている。しかし、光散乱粒子２１の含有率は、第２の導光部３よりも第１の導光部２を低くしたり、両者の含有率を等しくしても良い。また、第２の導光部３には光散乱粒子２１を含有させないようにしても良い。
また、本発明の実施の形態に係る光学素子（透光部材１）における光散乱粒子２１は、散乱パラメータをτ、第１の導光部の厚みをＴとしたとき、τとＴの積が０．１以上５０以下の範囲内とされている。しかし、τとＴの積は、それ以外の範囲、たとえば０．０１、０．０５、６０、７０、８０等としても良い。
本発明の実施の形態に係る発光装置４０は、光を入射する入射部１１と、入射部１１へ入射した光を反射面１２に導く第１の導光部２と、第１の導光部２の光の入射側と反対側に設けられ入射した光のうち一直線状の軌跡をとる光を全反射させる反射面１２と、反射した光を導光する第２の導光部３とを有する透光部材１と、入射部１１に光を入射する発光部材（ＬＥＤ３０）とを備え、第１の導光部２は、光を多重散乱し、反射面１２を通過し外部に出射する光を発生させる光散乱粒子２１を含有し、第２の導光部３は、入射してきた光の一部または全部を反射面１２を通過する光と同一面側に出射する。しかし、光散乱粒子２１は第２の導光部３にも含有させることとしても良い。また、発光部材としては、光を直接入射部１１に入射させる光源でなく、光源の光を導く導光体や光源の光を反射する反射部材としても良い。
また、本発明の実施の形態に係る発光装置４０は、第２の導光部３は板状とされ、その板状の第２の導光部３の中心に平面形状で円形の第１の導光部２が配置されている。しかし、第２の導光部３は外形が三角形状、四角形状等の多角形状としたり楕円形としたりしても良い。同様に第１の導光部２の平面形状も多角形状としたり、楕円形状としても良い。
また、本発明の実施の形態に係る発光装置４０は、透光部材１は透光性樹脂であり、光散乱粒子２１は、その粒径が１〜１０μｍの透光性のシリコーン粒子とされ、光散乱粒子２１は、第２の導光部にも含有されている。しかし、光散乱粒子２１は、透光部材１内の光を多重散乱するものであれば、その材質、形状、粒子径等を問わず、種々のものを用いることができる。ただし、光散乱粒子２１は、光を図９に示す光の進行経路（矢示付き破線）に沿わせつつも適度に他の方向へと光を散乱させる意味で、粒径が１〜１０μｍの透光性のシリコーン粒子を用いることが好ましい。詳述すると、シリコーン粒子の粒径を１μｍ以上とすることで、角度分布の広がりを抑え後方散乱成分を少なくできる。すると、前方への光強度が小さくなって第２の導光部３に導光される光量が過度に低下するのをおさえることができ、第１の導光部２の反射面１２を透過する光量が過度に多くなるのを抑制し易くなる。一方、シリコーン粒子の粒径を１０μｍ以下とすることで、角度分布が狭くなり過ぎるのを抑制でき、第１の導光部２の反射面１２を透過する光量を十分に確保できる。
また、透光部材１には、ＰＭＭＡ製のものを用いているが、その他のアクリル酸エステルあるいはメタクリル酸エステルの重合体で、透明性の高い非晶質の合成樹脂であるアクリル樹脂、ポリスチレン、ポリカーボネート等の他の透光性樹脂やガラス等を材質としたものを用いることができる。また、第１の導光部２と第２の導光部３とは２材成形によって一体化させているが、当初から第１の導光部２と第２の導光部３とを一体成形して透光部材１を得ることとしても良い。
また、入射部１１は、第１の導光部２の一部であり、かつ平面状とされているが、入射部１１は、凸面状、曲面状、非球面状等としても良い。球面状や非球面状にする場合、その曲率を適宜変更させることができる。また、入射部１１を第１の導光部２と別体に設けても良い。
また、発光部材はＬＥＤ３０に限定されず、有機エレクトロルミネッセンス（Organic
Electro-Luminescence、OEL、有機EL）、無機エレクトロルミネッセンス（Inorganic
Electro-Luminescence、IEL、無機EL）、レーザー光等の他の発光部材を用いることができる。さらに、ＬＥＤ３０にはチップ型のものを用いているが、レンズ付きのＬＥＤを用いることができる。
また、透光部材１は、外形が円形であり、その中央部に円形でかつくぼんだ形状の反射面１２を有し、反射面１２の周囲に光を導光する円環状の第２の導光部３を有しているが、透光部材１の外形、反射面１２の平面形状、第２の導光部３の形状等は、変更できる。たとえば、上述したように、第２の導光部３の形状を四角形状とすることで、透光部材１の外形を四角形状等とすることができる。このように、透光部材１の外形を四角形状とする利点は、複数の発光装置４０の発光面を隙間無く並べることができる点であり、このように並べて使用する場合に、それらの発光面が均一に発光させ易くなることである。
また、透光部材１の反射面１２は、図９に示すように断面形状部分の関係関数の微分が「ｔａｎ（９０−θｔ ／ ２）」で与えられる曲面としているが、点光源として見た場合のＬＥＤ３０の光を全反射することが可能な形状であれば、断面形状が他の条件で与えられる曲線等で構成されるものであっても良い。また、反射面１２は、非球面のような断面曲面となる構成ではなく、直線をつなぎ合わせた断面角形の形状としても良い。すなわち、反射した角光が第２の導光部３では略平行光としての光路が形成されなくても良い。
また、透光部材１の第２の導光部３は、図７における下面であって中心点１３を中心とし同心円上に並べられた２２５個の鋸歯２３からなるプリズム部２２を備えており、鋸歯２３は、中心点１３に近い側の突起角度θが中心点１３から遠い側の突起角度θよりも小さい。しかし、プリズム部２２の配置位置、形状、数、突起角度θ等は変更することができる。たとえば、ＬＥＤ３０の配置位置を中心とする同心円上に鋸歯２３を設けた上で、第２の導光部３の端部１５を切り取って透光部材１の外形を四角形状とすることができる。
また、プリズム部２２は、中心点１３を中心とする同心円上に鋸歯２３が配置されることで形成されているが、鋸歯２３は、直線上に形成されていても良い。たとえば透光部材１の外形が四角形状の場合は、その四角形状に沿った四角線上に鋸歯２３が形成されていても良い。また、反射部１６は導光された光を全反射するものであるが、白色のインクが印刷処理がされていたり、アルミニウムや銀等のミラーコート等によって鏡面状等とすることができる。ただし反射部１６は、導光された光を全反射する構成にした方が、その製造に際し印刷処理等の手間を要しないため好ましい。
また、本実施の形態では、隣接する鋸歯２３の配置間隔Ｈは０．２ｍｍとしている。しかし、この配置間隔Ｈは０．１ｍｍ，０．３ｍｍ等に変更することができる。また、配置間隔Ｈは一定のものではなく、一つの透光部材１の中で異ならせても良い。
また、鋸歯２３は、同心円状に設けられ、一端側のプリズム部２２が同心円の中心に近い側のプリズム部２２であり、他端側のプリズム部２２が同心円の中心から離れている側のプリズム部２２である。しかし、プリズム部２２の配置位置、形状等は変更することができる。たとえば、図１５の透光部材１の第１変形例である透光部材１ａの鋸歯２３ａのように、同心円状ではなく、中心を共通にする四角形状等の多角形状に設けられても良い。
図１６、図１７は、図１５に示す透光部材１ａを使用した発光装置４０を街路灯として用いた場合の使用状態の一例を示す図である。発光装置４０の出射面側に支柱５０の一端が取り付けられ、支柱５０の他端は地面に埋め込められ、発光装置４０が上から地面へ照射範囲Ｗ１を照射している。この照射範囲Ｗ１は発光装置４０から放射状に道路５１に沿って均一に広がっている。
この発光装置４０の道路５１の幅方向の照射範囲Ｗ２は、道路５１の幅Ｙを完全に覆うように放射状に広がっている。その広がり方は、図１７に示すように道路５１側が広く、道路５１から外れる側は狭い。これは図１５の透光部材１ａに配置された鋸歯２３ａの突起角度θを位置によって変えているためである。すなわち、図１５の上方の鋸歯２３ａ１の突起角度θを、下側の鋸歯２３ａ２の突起角度θを小さくしている。このようにすることで、たとえば、道路と森林との境界にこの発光装置４０の街路灯を設置する場合、道路側の照射範囲を広くする等、照射範囲を任意に制御できる。
この支柱５０は、発光装置４０の出射面のうち第１の導光部２に相当する部分を覆うように取り付けることが好ましい場合がある。たとえば、発光装置４０が図１０または図１１に示すような比較的不均一な発光分布を有する場合等には、支柱５０によって第１の導光部２に相当する比較的暗部となる部分を隠し、照光状態を均一となるようすることができる。また、図１６、図１７に示すように、一定方向は左右均等範囲に、一定方向とは直交する方向は左右不均等となる範囲に照射する透光部材としては、図１５に示すような四角形の透光部材１ａではなく、図１に示すような円形の透光部材１としても良い。
図１８には、透光部材１の第２変形例として、上述したＬＥＤ３０の配置位置を中心とする同心円上に鋸歯２３を設けた上で、第２の導光部３の端部１５を切り取って透光部材１の外形を四角形状（正方形）とした透光部材１ｂの底面図を示している。透光部材１と同一の形状、機能を有する部材には図３と同一の符号を付し、それらの説明は省略する。透光部材１ｂの正方形の各辺にを構成する端部１５ａおよび各角部を構成する端部１５ｂがある。透光部材１の反射部１６に相当する反射部１６ｂは、各端部１５ａに沿って隣接する端部１６を結び中心部１３側に膨らむように楕円弧状に４つ形成されている。
図１９は、図１８のブロック矢印Ｂ側から見た透光部材１ｂの側面図である。また、 図２０は、図１８のブロック矢印Ｃ側から見た透光部材１ｂの側面図である。図１９、図２０についても透光部材１と同一の形状、機能を有する部材には図３と同一の符号を付し、それらの説明は省略する。反射部１６ｂの面と第２の導光部３の上面とがなす角は、θ１と同様に３０°とされている。図２０に示すように、端部１５ｂの部分には反射部１６ｂが存在していない。
図２１には、透光部材１ｂを用いた発光装置４０の第２変形例である発光装置４２を光源として３つ使用している看板６０の断面概略図を示している。この看板６０の前面６１ｂに文字や画像が描かれたり、ポスター等が貼られる。各発光装置４２は、広角に照射可能であり、Ｗ３の範囲を照射する。つまり、図２１に示すように隣接する発光装置４２の照射範囲の一部（端部）が重なっている用に照射している。よって看板６０は、照射方向へ看板６０全体が発光しているものとして観察される。このような発光状態は、各発光装置４２がＷ４の距離だけ離れて看板６０内で配置されていても得ることができる。したがって看板６０は、従来個々のＬＥＤを並べたものを看板の光源として使用していた場合に比べ、飛躍的に光源数を減らすことができる。そのため看板６０は、消費電力の低減、構成部材数の低減等の効果を奏する。
なお、この図２１では、上下に３個の発光装置４２が配置されているが、縦横で３個×３個で計９個の発光装置４２を配置し、正方形の表面６１を有する看板６０としたり、３個×５個の計１５個の横長の看板６０としたりしても良い。縦横の各個数は、適宜な数を採用することができる。
本発明の実施の形態に係る光学素子である透光部材の構成を示す平面図である。 図１に示す透光部材の正面図である。 図１に示す透光部材の底面図である。 図１の平面図のＡ−Ａ断面図である。 図４の断面図における透光部材の反射面の部分の詳細を示す拡大図である。 単一真球粒子による散乱光強度の角度分布（Α、Θ）を示すグラフである。 図４の断面図における透光部材の第２の導光部の主要部分を示す拡大概要図である。 本発明の実施の形態に係る発光装置の構成を示す図である。 本発明の実施の形態に係る発光装置において、ＬＥＤから発せられた光が入射して透光部材内に入り、反射面で反射して第２の導光部へと導光される経路を示す図である。 本発明の実施の形態に係る発光装置の第１変形例の発光装置における明るさの分布を示す図である。 本発明の実施の形態に係る発光装置における明るさの分布を示す図である。 本発明の実施の形態に係る発光装置の第２変形例の発光装置における明るさの分布を示す図である。 本発明の実施の形態に係る発光装置の第３変形例の発光装置における明るさの分布を示す図である。 本発明の実施の形態に係る発光装置に用いた光散乱粒子を板厚が１０ｍｍのアクリル樹脂板に含有させる濃度を変化させた場合の光の拡散角と光の透過率の関係を示す図である。 本発明の実施の形態に係る透光部材の第１変形例を示す平面図である。 図１５に示す透光部材を使用した発光装置を街路灯として用いた場合の使用状態の一例を示す図で道路側から見た図である。 図１５に示す透光部材を使用した発光装置を街路灯として用いた場合の使用状態の一例を示す図で道路の進行方向から見た図である。 本発明の実施の形態に係る透光部材の第２変形例を示す平面図である。 図１８のブロック矢印Ｂ側から見た第２変形例の透光部材の側面図である。 図１８のブロック矢印Ｂ側から見た第２変形例の透光部材の側面図である。 第２変形例の透光部材を用いた発光装置を光源として用いた看板の断面概略図である。
符号の説明
１，１ａ，１ｂ 透光部材（光学素子）
２ 第１の導光部
３ 第２の導光部
１１ 入射部
１２ 反射面
１６，１６ｂ 反射部
２２，２２ａ プリズム部
２１ 光散乱粒子
３０ ＬＥＤ
４０，４１，４２ 発光装置

Claims (7)

  1. 光を入射する入射部と、上記入射部へ入射した光を反射面に導く第１の導光部と、上記第１の導光部の光の入射側と反対側に設けられ入射した光のうち一直線状の軌跡をとる光を全反射させる反射面と、上記反射した光を導光する第２の導光部とを有し、
    上記第１の導光部は、光を多重散乱し、上記反射面を通過し外部に出射する光を発生させる光散乱粒子を含有し、上記第２の導光部は、入射してきた光の一部または全部を上記反射面を通過する光と同一面側に出射することを特徴とする光学素子。
  2. 請求項１記載の光学素子において、前記第２の導光部は前記反射面側とは反対の側に、前記導光された光を前記反射面側と同一側の方向に方向転換させる断面鋸歯状のプリズム部を備えていることを特徴とする光学素子。
  3. 請求項１または２記載の光学素子において、前記第２の導光部のうち前記第１の導光部から離れた位置の端部には、前記導光された光を前記反射面の側と同一側へと反射させる反射部が形成されていることを特徴とする光学素子。
  4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の光学素子において、前記光散乱粒子は、散乱パラメータをτ、前記第１の導光部の厚みをＴとしたとき、上記τと上記Ｔの積が０．１以上５０以下の範囲内とされていることを特徴とする光学素子。
  5. 光を入射する入射部と、上記入射部へ入射した光を反射面に導く第１の導光部と、上記第１の導光部の光の入射側と反対側に設けられ入射した光のうち一直線状の軌跡をとる光を全反射させる反射面と、上記反射した光を導光する第２の導光部とを有する透光部材と、上記入射部に光を入射する発光部材とを備え、
    上記第１の導光部は、光を多重散乱し、上記反射面を通過し外部に出射する光を発生させる光散乱粒子を含有し、上記第２の導光部は、入射してきた光の一部または全部を上記反射面を通過する光と同一面側に出射することを特徴とする発光装置。
  6. 請求項５記載の発光装置において、前記第２の導光部は板状とされ、その板状の第２の導光部の中心に前記第１の導光部が配置されていることを特徴とする発光装置。
  7. 請求項５または６記載の発光装置において、前記透光部材は透光性樹脂であり、前記光散乱粒子は、その粒径が１〜１０μｍの透光性のシリコーン粒子とされ、前記光散乱粒子は、前記第２の導光部にも含有されていることを特徴とする発光装置。
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