JP5315503B2 - 照明装置 - Google Patents

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Description

本発明は、面光源を使用した照明装置に関する。
最近、輝度が大幅に向上した発光ダイオード（ＬＥＤ）は、エネルギー消費量が小さいことから、従来の白熱電球に代わり、照明装置（ＬＥＤ電球）用の光源として使用され始めている。この際、ＬＥＤ電球の配光分布特性として、従来の白熱電球と同様であることが求められている。
しかし、青色ＬＥＤのチップはランバーシアンに近い発光分布特性を有するため、青色ＬＥＤと蛍光体を利用した白色もしくは電球色などのＬＥＤ光源も、ほぼランバーシアンに近い配光分布特性を有する。ここで、ランバーシアンとは、発光強度の観測角に対する分布が、観測角のｃｏｓ（余弦）に比例する発光分布のことである。したがって、ＬＥＤを光源として使用した場合に、白熱灯のように、光が光源の後ろ側に回り込むような照射、すなわち、２π以上の立体角の照射を行うことはできず、また発光面の正面方向の光強度が強くなってしまう。そこで、ＬＥＤを使用して、２π以上の立体角に対して、種々の方向に十分な量の光を照射するためには、大きく分けて二つの手段が考えられる。一つ目は、ＬＥＤチップを種々の方向に向けて立体的に配置する方法であるが、製造上コストが増し、またＬＥＤの熱設計といった点においても問題が生じる。二つ目は、光源の正面に、光の方向を制御するための光学素子を配置する方法であるが、効率良く理想の配光分布を作り出すような光学素子は存在しなかった。
一方、従来技術において、光源から射出される光の経路を光学素子によって変更する照明装置が開発されている。しかし、従来の照明装置は、点光源を使用したもの（たとえば、特許文献１及び２）か、面光源を使用したものでも、光源の大きさに対して十分に大きな光学素子を用い、コリメート性能を高くするために焦点距離を可能な限り長く設定することで、光を一定の方向に照射するもの（たとえば、特許文献３）であった。
また、一般的に、コリメート以外の（たとえば光線を分散させる）目的であっても、光源の大きさに対して光学素子の大きさが大きければ大きいほど、光線の方向を制御しやすい。これは、光学素子の光学面が、光源から遠い位置にあるほど、光学面上の任意の位置に入射する光線の方向は一意に決まるため、すべての光線を自由に制御できるようになるからである。逆に、光源の大きさに対して光学素子の大きさが同程度である場合、光学素子の光学面は光源の近くにあるため、光学面上の任意の位置に入射する光線の方向は様々な方向を向いており、すべての光線を自由に制御することは不可能である。
このように、光学素子を使用して、ＬＥＤなどの面光源から射出された光を２π以上の立体角に対して、種々の方向に十分な量の光を照射するように配光するコンパクトな照明装置は開発されていない。
ＵＳ６５４３９１１Ｂ１ ＵＳ６８９９４４３Ｂ２ 特開２００８−２２６７０２号公報
したがって、光学素子を使用して、ＬＥＤなどの面光源から射出された光を２π以上の立体角を照射するように配光するコンパクトな照明装置に対するニーズがある。
本発明の一つの態様による照明装置は、面光源と、該面光源の発光面に対向して配置される入射面、該入射面に対向する第１の出射面及び該入射面と第１の出射面とをつなぐ第２の出射面を備えた光学素子と、を含む。該発光面の中心を第１の点、該発光面の縁の点を第２の点とし、第１の点を通り、該発光面に垂直な軸を該光学素子の光軸として、該光学素子の第１の出射面は、周縁に対して該光軸付近が窪んだ形状を有し、該光軸及び第２の点を含む、該光学素子の断面において、第１の点に対して前記光軸から１５度の見込み角の位置にある第１の出射面上の点を第３の点とし、第２の点から射出して光軸に平行に進む光線が第１の出射面と交差する点を第４の点とし、第１の点と第２の点とを結ぶ軸をＸ軸として、第１の出射面の該光軸から最も離れた点のＸ座標は、第２の点の値の１．５倍以上であり、第１の出射面は、Ｘ座標が第３の点の値以上である領域の８０％以上の領域で、第１の点から射出した光の入射角が臨界角以上であり、Ｘ座標が第４の点の値以下である領域の８０％以上の領域で、第２の点から射出した光の入射角が臨界角より小さいように構成されている。
本態様の照明装置において、第１の出射面のＸ軸方向の大きさは、発光面のＸ軸方向の大きさの１．５倍以上である。発光面の第１の点から射出し、第１の出射面の、Ｘ座標が第３の点の値以上である領域に至る光の大部分は全反射し、発光面の第２の点から射出し、第１の出射面の、Ｘ座標が第４の点の値以下である領域に至る光の大部分は屈折する。発光面の第１の点Ｐ１と第２の点Ｐ２との間の点から射出した光は、そのＸ座標によって、第１の出射面で全反射する光及び屈折する光の比率が定まる。一般的に、光を射出する点のＸ座標が第１の点に近づくと、第１の出射面で全反射する光の比率が高くなり、光を射出する点のＸ座標が第２の点に近づくと、第１の出射面で屈折する光の比率が高くなる。したがって、第１の出射面を上記のように構成することにより、面光源上の種々の点から射出する光のうち第１の出射面で全反射する光と屈折する光の比率を適切に定めることができる。
なお、本明細書及び特許請求の範囲において、発光面の縁の点とは、光軸を含む断面において、光軸から最も離れた発光面上の点である。
このように本発明は、第１及び第２の点から射出する光の経路に着目して出射面の形状を適切に定め、かつ、面光源のＸ軸方向の大きさに対する光学素子のＸ軸方向の大きさの比を適切に定めることにより、面光源から射出された光を２π以上の立体角を照射するように配光するコンパクトな照明装置が得られるという新たな知見に基づくものである。
本発明の一つの態様による照明装置は、面光源と、該面光源の発光面に対向して配置される入射面、該入射面に対向する第１の出射面及び該入射面と第１の出射面とをつなぐ第２の出射面を備えた光学素子と、を含む。該発光面の中心を第１の点、該発光面の縁の点を第２の点とし、第１の点を通り、該発光面に垂直な軸を該光学素子の光軸として、該光学素子の第１の出射面は、周縁に対して該光軸付近が窪んだ形状を有する。該光軸及び第２の点を含む、該光学素子の断面において、第１の出射面が、第１の点に対して該光軸から２５度乃至６０度の見込み角の領域において、第１の出射面は、第１及び第２の点を結ぶ直線に対する角度が２０度以下の角度をなす領域を有し、第１の点に対して前記光軸から１５度の見込み角の位置にある第１の出射面上の点を第３の点とし、第２の点から射出して光軸に平行に進む光線が第１の出射面と交差する点を第４の点とし、第１の点から射出して第３の点に至る光線の第１の出射面への入射角をθ１３、第２の点から射出して第３の点に至る光線の第１の出射面への入射角をθ２３、第１の点から射出して第４の点に至る光線の第１の出射面への入射角をθ１４、第２の点から射出して第４の点に至る光線の第１の出射面への入射角をθ２４、臨界角をθｃとして、
Figure 0005315503
 である。
式（１）乃至（３）が満たされることにより、第１の出射面において、全反射する光と屈折する光の比率が適切に定められ、前方方向のみならず横方向及び後方方向に一様に光を照射することができる。
本発明の一つの実施形態において、さらに
Figure 0005315503
 である。
本実施形態によれば、第１の出射面において、全反射する光と屈折する光の比率がより適切になる。
本発明の一つの実施形態において、該光軸及び第２の点を含む、該光学素子の断面において、第１の点と第２の点とを結ぶ軸をＸ軸として、Ｘ座標が第３の点の値以上の領域において、第１の出射面は、第１の点から射出する光をすべて全反射させるように構成されている。
本実施形態によれば、前方方向のみならず横方向及び後方方向により一様に光を照射することができる。
本発明の一つの実施形態において、該光軸及び第２の点を含む、該光学素子の断面において、第１の点と第２の点とを結ぶ軸をＸ軸として、Ｘ軸方向の第３の点と第４の点との間の領域において、第１の出射面は、第２の点から射出する光をすべて屈折させるように構成されている。
本実施形態によれば、前方方向のみならず横方向及び後方方向により一様に光を照射することができる。
本発明の一つの実施形態において、該光軸及び第２の点を含む、該光学素子の断面において、第１の点と第２の点とを結ぶ軸をＸ軸として、Ｘ軸方向の第３の点と第４の点との間の領域において、第１の出射面は、第３の点と第４の点とを結ぶ直線に関して、該面光源の反対側に位置する。
本実施形態によれば、前方方向のみならず横方向及び後方方向により一様に光を照射することができる。
本発明の一つの実施形態において、該発光面の面積をＡとし、第１の出射面の面積をＢとして、
Figure 0005315503
 である。
本実施形態によれば、前方方向のみならず横方向及び後方方向により一様に光を照射することができる。
本発明の一つの実施形態において、該発光面の面積をＡとし、第１の出射面の該面光源と平行な面への射影面積をＣとして、
Figure 0005315503
 である。
本実施形態によれば、前方方向のみならず横方向及び後方方向により一様に光を照射することができる。
本発明の一つの実施形態において、該発光面の面積をＡとし、該光学素子の高さをＤとして、
Figure 0005315503
 である。
本実施形態によれば、前方方向のみならず横方向及び後方方向により一様に光を照射することができる。
本発明の一つの実施形態において、該発光面の面積をＡとし、第１の出射面の窪みの深さをＥとして、
Figure 0005315503
 である。
本実施形態によれば、前方方向のみならず横方向及び後方方向により一様に光を照射することができる。
本発明の一つの実施形態において、第１の出射面が、該第３の点より該光軸に近い領域に、光拡散のための突起構造を備えている。
本実施形態によれば、光軸付近に集まる光線を拡散させることができる。
本発明の一つの実施形態において、該発光面と該入射面とが間隔を隔てて分離されている。
本実施形態によれば、該入射面における光の屈折を利用でき、光線制御の自由度が増す。
本発明の一つの実施形態において、該発光面の面積をＡとし、該発光面と該入射面との間隔をＦとして、
Figure 0005315503
 である。
本実施形態によれば、入射面に取り込まれる光線の割合を最大限に確保することができる。
本発明の一つの実施形態において、該光軸及び第２の点を含む、該光学素子の断面において、第１の点と第２の点とを結ぶ軸をＸ軸として、第１の出射面のＸに関する導関数が連続である。
本実施形態によれば、光線ムラを抑えることができる。
本発明の一つの実施形態において、第１の出射面及び第２の出射面の少なくとも一部の領域に微小凹凸形状を施している。
本実施形態によれば、より一様に光を照射することができる。
本発明の一つの実施形態において、該光軸及び第２の点を含む、該光学素子の断面において、第２の出射面が直線状の部分を有する。
本実施形態による照明装置の光学素子は、第１の出射面と第２の出射面との境界付近に発生しやすい光線ムラを抑えることができる。
本発明の一つの実施形態において、該光学素子が、第１の出射面及び第２の出射面の境界付近に光拡散用光学面を備えている。
本実施形態によれば、第１の出射面と第２の出射面との境界付近に発生しやすい光線ムラを抑えることができる。
本発明の一つの実施形態において、該光拡散用光学面が、曲率半径Ｒの凹形状であり、該発光面の面積をＡとして、
Figure 0005315503
 である。
本実施形態による照明装置の光学素子の光拡散用光学面は、十分な光拡散機能を有する。
本発明の一つの実施形態において、該光学素子が、第１の出射面及び第２の出射面の境界付近に、外側に延びた導光部を備えている。
本実施形態において、導光部は第１の出射面と第２の出射面との境界付近に発生しやすい光線ムラを抑える機能を果たす。
本発明の一つの実施形態において、該光源および該光学素子を覆うカバーを備え、該カバーが該導光部によって該光学素子に接続されている。
本実施形態によれば、第１の出射面と第２の出射面との境界付近に発生しやすい光線ムラを抑えながら、光源からの熱の問題を解決した照明装置が得られる。
本発明の一つの実施形態において、該光学素子が、該光軸を中心とする無限回回転対称体である。
本実施形態によれば、該光軸に垂直な断面内において、該光軸を中心とする各放射方向に一様な照射を行うことができる。
本発明の一つの実施形態において、該光軸の周囲の回転対称な形状から、１８０°以下の扇形に切り出した部分を利用している。
本実施形態によれば、用途に合わせてより適切な形状の照明装置が得られる。
本発明の一つの実施形態において、該光軸の周囲の回転対称な形状から、１８０°以下の扇形に切り出した部分を利用し、該光学素子の切断面が曲面である。
本実施形態によれば、用途に合わせてより適切な形状の照明装置が得られる。
本発明の一つの実施形態において、該光学素子の該光軸に垂直な断面の形状が、該光軸を中心とする放射方向によって異なる照射を行なうように放射方向によって異なるように構成されている。
本実施形態によれば、該光軸に垂直な断面内において、該光軸を中心とする放射方向によって異なる照射を行なうことができる。
本発明の一つの態様による照明装置は、面光源と、該面光源の発光面に対向して配置される入射面、該入射面に対向する第１の出射面及び該入射面と第１の出射面とをつなぐ第２の出射面を備えた光学素子と、を含む照明装置であって、
第２の出射面の該入射面に近い領域は、該発光面に対して垂直の方向から外れた方向に射出された光線の一部を内部全反射により導光することで、該光学素子内部において、該発光面からの距離がＨであり、該発光面に平行な平面に該発光面を投射した形状の仮想発光面を形成するように構成され、Ｈは、該発光面の面積をＡとして、
Figure 0005315503
 を満たし、該仮想発光面の中心を通過する前記光軸から１５度の見込み角の光線が存在する範囲の値であり、該仮想発光面の中心を第１の点、該仮想発光面の縁の点を第２の点とし、第１の点を通り、該仮想発光面に垂直な軸を該光学素子の光軸として、該光学素子の第１の出射面は、周縁に対して該光軸付近が窪んだ形状を有し、該光軸及び第２の点を含む、該光学素子の断面において、第１の点に対して前記光軸から１５度の見込み角の位置にある第１の出射面上の点を第３の点とし、第２の点を通過して光軸に平行に進む光線が第１の出射面と交差する点を第４の点とし、第１の点を原点とし、第１の点と第２の点とを結ぶ軸をＸ軸として、第１の出射面の該光軸から最も離れた点のＸ座標は、第２の点の値の１．５倍以上であり、第１の出射面は、Ｘ座標が第３の点の値以上である領域の８０％以上の領域で、第１の点を通過した光の入射角が臨界角以上であり、Ｘ座標が第４の点の値以下である領域の８０％以上の領域で、第２の点を通過した光の入射角が臨界角より小さいように構成された照明装置。
本態様の照明装置において、該光源から離れた高い位置で後方方向に光線を向けることができ、該光源の後方方向に多くの光を導くことが可能となる。
本発明の一つの態様による照明装置は、面光源と、該面光源の発光面に対向して配置される入射面、該入射面に対向する第１の出射面及び該入射面と第１の出射面とをつなぐ第２の出射面を備えた光学素子と、を含む照明装置であって、第２の出射面の該入射面に近い領域は、該発光面に対して垂直の方向から外れた方向に射出された光線の一部を内部全反射により導光することで、該光学素子内部において、該発光面からの距離がＨであり、該発光面に平行な平面に該発光面を投射した形状の仮想発光面を形成するように構成され、Ｈは、該発光面の面積をＡとして、
Figure 0005315503
 を満たし、該仮想発光面の中心を通過する前記光軸から１５度の見込み角の光線が存在する範囲の値であり、該仮想発光面の中心を第１の点、該仮想発光面の縁の点を第２の点とし、第１の点を通り、該仮想発光面に垂直な軸を該光学素子の光軸として、該光学素子の第１の出射面は、周縁に対して該光軸付近が窪んだ形状を有し、該光軸及び第２の点を含む、該光学素子の断面において、第１の点に対して該光軸から２５度乃至６０度の見込み角の領域において、第１の出射面は、第１及び第２の点を結ぶ直線に対する角度が２０度以下の角度をなす領域を有し、第１の点に対して前記光軸から１５度の見込み角の位置にある第１の出射面上の点を第３の点とし、第２の点を通過して光軸に平行に進む光線が第１の出射面と交差する点を第４の点とし、第１の点と第３の点を通る線分と、第２の点と第３の点を通る線分が成す角度をθ１３２、第１の点と第４の点を通る線分と、第２の点と第４の点を通る線分が成す角度をθ１４２、臨界角をθｃとして、
Figure 0005315503
 である照明装置。
本態様の照明装置において、該光源から離れた高い位置で後方方向に光線を向けることができ、該光源の後方方向に多くの光を導くことが可能となる。
本発明の一実施形態による照明装置の構成を示す図である。 本発明の一実施形態による光学素子の光軸を含む断面形状を示す図である。 図２Ａに示された断面形状を有する回転対称体を得るために、回転軸（光軸）の周囲に回転させる図形の形状を示す図である。 図２Ｂに一部が示された楕円の全体を示す図である。 光学素子の第１の出射面の、光軸を含む断面の形状を説明するための図である。 第１の点Ｐ１から射出して、第１の出射面に至る光線の経路を示す図である。 第２の点Ｐ２から射出して、第１の出射面に至る光線の経路を示す図である。 本実施形態による照明装置において、屈折光がカバーする領域及び全反射光がカバーする領域を概念的に示す図である。 本実施形態による照明装置の具体的な形状を示す図である。 本実施形態による照明装置の周囲の相対照度分布を示す図である。 光軸に対する角度を説明するための図である。 前方方向の照射光の経路を示す図である。 光軸に対して９０°より小さなある角度をなす方向の照射光の経路を示す図である。 光軸に対して９０°より小さく、図８Ｂの場合よりも大きな角度をなす方向の照射光の光線の経路を示す図である。 光軸に対して９０°より小さく、図８Ｃの場合よりも大きな角度をなす方向の照射光の光線の経路を示す図である。 光軸に対してほぼ９０°の角度をなす方向の照射光の光線の経路を示す図である。 光軸に対して９０°より大きなある角度をなす方向の照射光の経路を示す図である。 光軸に対して９０°より大きく、図８Ｆの場合よりも大きな角度をなす方向の照射光の光線の経路を示す図である。 光軸に対して９０°より大きく、図８Ｇの場合よりも大きな角度をなす方向の照射光の光線の経路を示す図である。 他の実施形態による光学素子の具体的な形状（光軸を含む断面形状）を示す図である。 さらに他の実施形態による光学素子の具体的な形状（光軸を含む断面形状）を示す図である。 第１の出射面と第２の出射面との境界付近に光拡散用光学面を設けた光学素子の実施形態を示す図である。 光学素子の窪みの底部付近の種々の形態を示す図である。 本発明の一実施形態による光学素子の光軸を含む断面形状を示す図である。 光源が半球状の透明材料により封止されている照明装置の実施形態を示す図である。
図１は、本発明の一実施形態による照明装置の構成を示す図である。本実施形態による照明装置は、面光源１０１と光学素子１０３とを含む。面光源１０１は、たとえば、面発光タイプのLED（Light Emitting Diode）チップ単体、また、面発光タイプのLEDチップを面上に配列したもの、OLED（Organic Light-Emitting Diode）、LEP（Light Emitting Polymer）などである。面光源１０１は、円形であってもよい。また、LEDチップを面上に配列する場合、該面は曲率を有していてもよい。また、たとえば、LEDチップを配列した面光源が半球状の透明な材料（たとえば、シリコン樹脂など）で封止されたものであってもよい。光学素子１０３は、たとえば、円形の面光源１０１の円の中心を通り、面光源１０１の面に垂直な軸に関して無限回回転対称な形状を有する。この軸を光軸と呼称する。
光学素子１０３の入射面２０３は、面光源１０１の発光面２０１に対向している。光学素子１０３は、入射面２０３に対向する第１の出射面２０５と、入射面２０３及び第１の出射面２０５をつなぎ、側面を構成する第２の出射面２０７をさらに含む。第１の出射面２０５は、周縁部に比較して光軸周辺が窪んでいる。第１の出射面２０５の形状については後で詳細に説明する。
面光源１０１の発光面積をＡであらわす。ここで、発光面積とは、たとえば、複数のLEDチップを配列した場合は、その配列されている領域の面積を指す。また、LEDチップが蛍光体などで封止されている場合は、実質的に光線が通過しているとされる領域の面積を指す。本実施形態においては、面光源１０１は、半径ｒ及び面積Ａ（＝πｒ２）の円形の発光面を備える。
光学素子１０３の第１の出射面２０５及び第２の出射面２０７の面積の合計をＢで表す。また、第１の出射面２０５の、面光源１０１に平行な平面への射影面積をＣで表す。
第１の出射面２０５の、発光面２０１を含む平面から最も離れた点から発光面２０１を含む平面までの光軸方向の距離をＤで表す。
第１の出射面２０５の、窪みの深さをＥで表す。図１において、窪みの深さＥは、第１の出射面２０５の最も高い位置の点と最も低い位置の点との光軸方向の距離である。
発光面２０１と入射面２０３との間隔をＦで表す。
図２Ａは、本実施形態による光学素子１０３の光軸を含む断面形状を示す図である。
図２Ｂは、図２Ａに示された断面形状を有する回転対称体を得るために、回転軸（光軸）の周囲に回転させる図形の形状を示す図である。図２Ｂの数字の単位はミリメータである。図２Ｂにおいて囲われた数字は、第１の出射面２０５の断面の楕円形状を指定するものである。一般的に、第１の出射面２０５の断面は、楕円形状でなくともよい。
図２Ｃは、図２Ｂに一部が示された楕円の全体を示す図である。図２Ｂ及び図２Ｃにおいて囲われた数字は、具体的に楕円の中心位置、長軸長さ及び短軸長さを示す。
図３は、光学素子１０３の第１の出射面２０５の、光軸を含む断面の形状を説明するための図である。光学素子１０３は、図２Ａ及び図２Ｂに示した形状を有するものとする。図３において、光軸と発光面２０１との交点を第１の点Ｐ１とする。また、発光面２０１の円周上の点を第２の点Ｐ２とする。さらに、第１の点Ｐ１に対して光軸から１５度の見込み角の位置にある第１の出射面２０５上の点を第３の点Ｐ３とする。さらに、第２の点Ｐ２において発光面２０１に立てた垂線と第１の出射面２０５の断面を示す線との交点を第４の点Ｐ４とする。
第１の点Ｐ１から射出して第３の点Ｐ３に至る光線の第１の出射面２０５への入射角をθ１３、第２の点Ｐ２から射出して第３の点Ｐ３に至る光線の第１の出射面２０５への入射角をθ２３、第１の点Ｐ１から射出して第４の点Ｐ４に至る光線の第１の出射面２０５への入射角をθ１４、第２の点Ｐ２から射出して第４の点Ｐ４に至る光線の第１の出射面２０５への入射角をθ２４とする。面光源１０１の半径は、ｒ＝４（ミリメータ）、臨界角は、θｃ＝３９．１°である。ここで、幾何学的関係から以下の式が得られる。
（１）θ１３−θ２３ ＝ ３５．９°
（２）θ１４−θ２４ ＝ ２６．６°
（３）（θ１４−θ２４）／（θ１３−θ２３） ＝ ０．７４
（４）θ１３ ＝ ６１．７°
（５）θ２３ ＝ ２５．８°
（６）Ｂ／Ａ ＝ １７．０８
（７）Ｃ／Ａ ＝ ６．２５
（８）Ｄ／ｒ ＝ ２．３８
（９）Ｅ／ｒ ＝ １．４８
（１０）Ｆ／ｒ ＝ ０．０２５
第１の出射面２０５の光軸から最も離れた点のＸ座標は、１０（ミリメータ）であり、第２の点Ｐ２のＸ座標は、４（ミリメータ）である。したがって、両者の比は、２．５である。
θ１３は、６１．７°であり、θ１４は、５６．０°である。このように、第１の点Ｐ１から射出して、第１の出射面２０５の第３の点Ｐ３と第４の点Ｐ４の間の領域に至る光線の第１の出射面２０５への入射角は、臨界角θｃ＝３９．１°よりも大きい。したがって、第１の点Ｐ１から射出して、第１の出射面２０５の第３の点Ｐ３と第４の点Ｐ４の間の領域に至る光線は、第１の出射面２０５で全反射する。さらに、本実施形態において、第１の点Ｐ１から射出して、第１の出射面２０５の、第３の点Ｐ３よりも外側の全領域に至る光線は、第１の出射面２０５で全反射する。
θ２３は、２５．８°であり、θ２４は、２９．４°である。このように、第２の点Ｐ２から射出して、第１の出射面２０５の第３の点Ｐ３と第４の点Ｐ４の間の領域に至る光線の第１の出射面２０５への入射角は、臨界角θｃ＝３９．１°よりも小さい。したがって、第２の点Ｐ２から射出して、第１の出射面２０５の第３の点Ｐ３と第４の点Ｐ４の間の領域に至る光線は、第１の出射面２０５で全反射することなく屈折する。さらに、本実施形態において、第２の点Ｐ２から射出して、第１の出射面２０５の、第４の点Ｐ４よりも光軸側の全領域に至る光線は、第１の出射面２０５で全反射することなく屈折する。
光軸及び第２の点を含む、光学素子１０３の断面において、第１の点に対して光軸から２５度以上の見込み角の少なくとも一部の領域において、第１の出射面２０５は、第１点Ｐ１及び第２の点Ｐ２を結ぶ直線に対する角度が２０度以下である。
発明者は、第１の出射面２０５を以下のように構成することによって、面光源上の種々の点から射出する光のうち第１の出射面２０５で全反射する光と屈折する光の比率を適切に定め、前方方向のみならず横方向及び後方方向にできるだけ一様に光を照射することができるとの知見を得た。すなわち、光軸及び第２の点Ｐ２を含む、光学素子１０３の断面において、第１の点Ｐ１を原点、第１の点Ｐ１と第２の点Ｐ２とを結ぶ軸をＸ軸として、第１の出射面２０５は、Ｘ座標が第３の点Ｐ３の値以上である領域の８０％以上の領域で、第１の点Ｐ１から射出した光が全反射し、Ｘ座標が第４の点Ｐ４の値以下である領域の８０％以上の領域で、第２の点Ｐ２から射出した光が全反射することなく屈折するように構成する。このように構成すると、発光面２０１の第１の点Ｐ１から射出し、第１の出射面２０５の第３の点Ｐ３より外側の領域に至る光線の大部分は、第１の出射面２０５で全反射し、発光面２０１の第２の点Ｐ２から射出し、第１の出射面２０５の第４の点Ｐ４より光軸側の領域に至る光線の大部分は、第１の出射面２０５で屈折する。発光面２０１の第１の点Ｐ１と第２の点Ｐ２との間の点から射出し、第１の出射面２０５に至る光線は、そのＸ座標によって、第１の出射面２０５で全反射する光及び屈折する光の比率が定まる。一般的に、光を射出する点のＸ座標が第１の点Ｐ１に近づくと、第１の出射面２０５で全反射する光の比率が高くなり、光を射出する点のＸ座標が第２の点Ｐ２に近づくと、第１の出射面２０５で屈折する光の比率が高くなる。したがって、上記のように第１の出射面２０５を構成することにより、面光源上の種々の点から射出する光のうち第１の出射面２０５で全反射する光と屈折する光との比率を適切に定めることができる。
また、第１の出射面２０５の光軸から最も離れた点のＸ座標と、第２の点Ｐ２のＸ座標との比を変えることによって、第１の出射面２０５で全反射する光と屈折する光との比率をさらに調整することができる。一般的に、両者の比は１．５以上であるのが好ましい。
ここで、「８０％以上の領域」とは、Ｘ座標の領域で「８０％以上の領域」である。また、「８０％以上の領域」としたのは、特異点の周辺など一部の例外的領域を除く趣旨である。
さらには、第１の出射面２０５の光軸から最も離れた点のＸ座標と、第２の点Ｐ２のＸ座標との比が２．０以上であれば、より効率よく光源の後方方向まで光を分布させることができる。
一般的に、第１の出射面２０５の形状は、以下のように定めることができる。ここで、光軸及び第２の点Ｐ２を含む断面における第１の出射面２０５の形状をプロファイルと呼称する。最初に、プロファイルは、第３の点Ｐ３及び第４の点Ｐ４を結ぶ直線で表せるとする。θ１３及びθ１４が臨界角以上となり、θ２４及びθ２４が臨界角より小さくなるように直線の傾きを定める。このように定めると、第１の点Ｐ１から、第３の点Ｐ３より外側の直線上の点に入射する光線の入射角は臨界角より大きくなり、光線は全反射する。また、第２の点Ｐ２から、第４の点Ｐ４より光軸側の直線上の点に入射する光線の入射角は臨界角より小さくなり、光線は屈折する。
第１の出射面２０５で全反射する光の割合を増加させるには以下の処理を行う。第２の点Ｐ２から射出して第４の点Ｐ４に向かう光線の、第１の出射面２０５への入射角が大きくなるようにすることによって、第１の点Ｐ１と第２の点Ｐ２の間の任意の点から射出した光線が、第１の出射面２０５で全反射する割合が増加する。また、第１の出射面２０５の光軸から最も離れた点のＸ座標と、第２の点Ｐ２のＸ座標との比を増加させることにより、上記の全反射する光の割合はさらに増加する。
第１の出射面２０５で全反射して後方方向へ照射される光の割合を増加させるには以下の処理を行う。θ２４が臨界角未満である条件を満たしながら、第４の点Ｐ４付近及びそれより外側のプロファイルのＸ軸に対する傾きを小さくし、第１の出射面２０５の光軸から最も離れた点のＸ座標と、第２の点Ｐ２のＸ座標との比を増加させながら光源から遠ざけることにより、第１の出射面２０５で全反射して後方方向へ照射される光の割合は増加する。
第１の出射面２０５で屈折する光の割合を増加させるには以下の処理を行う。θ１３が臨界角以上である条件を満たしながら、第３の点Ｐ３付近及びそれより光軸側のプロファイルのＸ軸に対する傾きを小さくすることによって、第１の点Ｐ１から射出され、第１の出射面２０５の、第３の点Ｐ３より光軸側の領域に至る光の内、屈折する光の割合が増加する。
また、別の観点から面光源上の種々の点から射出する光のうち第１の出射面２０５で全反射する光と屈折する光の比率を適切に定め、前方方向のみならず横方向及び後方方向にできるだけ一様に光を照射するには、以下の式が満たされる必要がある。
Figure 0005315503
式（１）の上限を上回るか式（２）の下限を下回る範囲においては、第１の出射面２０５の光軸付近の窪みの勾配が急すぎるため、正面方向に抜ける光線が少なくなってしまい、第１の出射面２０５において、全反射する光と屈折する光の比率が適切にならない。また、式（１）の下限を下回るか式（２）の上限を上回る範囲においては、第１の出射面２０５の光軸付近の窪みの勾配が緩やかすぎるため、ほとんどの光線が正面方向に抜けてしまい、第１の出射面２０５において、全反射する光と屈折する光の比率が適切にならない。また、式（３）の条件が満たされない場合も、第１の出射面２０５において、全反射する光と屈折する光の比率が適切にならない。
さらに、
Figure 0005315503
 であれば、第１の出射面２０５において、全反射する光と屈折する光の比率がより適切になる。
さらに、
Figure 0005315503
 であれば、第１の出射面２０５において、全反射する光と屈折する光の比率がより適切になるように、第１の出射面２０５の第３の点Ｐ３付近の形状が定められる。
さらに、
Figure 0005315503
 であれば、第１の出射面２０５において、全反射する光と屈折する光との比率がより適切になる。
さらに、光源の大きさに対する光学素子の大きさの比に関しては、以下の式が満たされるのが好ましい。
Figure 0005315503
 式（６）乃至式（９）の各項が下限値より小さな値になると、面光源の前方方向に進む光が多くなり、上限値より大きな値となると、面光源の横方向から後方方向に進む光が多くなる。
さらに、
Figure 0005315503
 であれば、より好ましい配光分布となる。
さらに、以下の式が満たされるのが好ましい。
Figure 0005315503
 式（１０）の項が上限値より大きな値となると、入射面２０３に取り込まれる光線の割合が低下する。
図４Ａは、第１の点Ｐ１の近傍の点から射出して、第１の出射面２０５に至る光線の経路を示す図である。図４Ａにおいて、第１の点Ｐ１の近傍の点から射出して、第１の出射面２０５の光軸付近の領域に至る光線は全反射することなく屈折して前方へ進む。ただし、一般的には、第１の点Ｐ１の近傍の点から射出して、第１の出射面２０５の光軸付近の領域に至る光線は全反射する場合もある。第１の点Ｐ１の近傍の点から射出して、第１の出射面２０５の光軸付近の領域以外の領域に至る光線は全反射して横方向または後方へ進む。図４Ａにおいて、第１の出射面２０５で全反射することなく屈折する光線を実線で示し、全反射する光線を点線で示した。
図４Ｂは、第２の点Ｐ２から射出して、第１の出射面２０５に至る光線の経路を示す図である。図４Ｂにおいて、第２の点Ｐ２から射出して、第１の出射面２０５の第４の点Ｐ４より光軸に近い領域に至る光線は、全反射することなく屈折して前方へ進む。第２の点Ｐ２から射出して、第１の出射面２０５の周縁部に至る光線は第１の出射面２０５で全反射する。ただし、一般的には、第２の点Ｐ２から射出して、第１の出射面２０５の周縁部に至る光線は第１の出射面２０５で全反射しない場合もある。図４Ｂにおいて、第１の出射面２０５で全反射することなく屈折する光線を実線で示し、全反射する光線を点線で示した。
図５は、本実施形態による照明装置において、屈折光による照射領域及び全反射光による照射領域を概念的に示す図である。面光源１０１から射出して、第１の出射面２０５で屈折した光は、前方方向を照射する。面光源１０１から射出して、第１の出射面２０５で全反射した光は、側方及び後方方向を照射する。
図６は、本実施形態による照明装置１００の具体的な形状を示す図である。面光源１０１は、半径４ミリメータの円形である。光学素子１０３の入射面２０３は、半径５．５ミリメータの円形である。光学素子１０３の形状は、図２Ａ及び図Ｂに示したものである。光学素子１０３は、屈折率１．５８５の透明材料（たとえば、エポキシ樹脂）から構成される。ただし、一般的には、光学素子を構成する材料としては、対象とする波長に対して透明であればどのようなものでも使用することができる。
図７Ａは、本実施形態による照明装置１００の周囲の相対照度分布を示す図である。相対照度は、光源の中心（第１の点Ｐ１に相当する点）を中心とした半径５００ミリメータの球面上のものである。図７Ａのグラフの横軸は、光軸に対する角度を表し、縦軸は相対照度を表す。また、横軸に記載されている−５００乃至＋５００の数値は、発光面２０１を原点として光軸方向を負方向とした位置座標Ｙに対応し、０°乃至１８０°の数値は、発光面２０１を原点とした半径５００ミリメータの球面上で、位置座標Ｙに対応する点を原点から見た際の、光軸方向からの角度θであり、θ＝３６０／（２π）×ｃｏｓ−１（−Ｙ／５００）の関係がある。図７Ａのグラフの相対照度は、光軸に対する角度が０°から約１６０°までの範囲で、平均値の１／２以上の値を示し、光軸に対する角度が約３０°から約１４０°までの範囲で、平均値の２／３以上の値を示している。
図７Ｂは、光軸に対する角度を説明するための図である。光軸に対する角度とは、光源の中心から延びる直線が光軸となす角度である。たとえば、光軸に対する角度９０°の相対照度とは、光源の中心から水平方向に延びる直線が、上記の球面と交差する点における相対照度である。光軸に対する角度０°は、面光源１０１の正面方向（前方方向）であり、光軸に対する角度１８０°は、面光源１０１の裏面方向（後方方向）である。
図８Ａ乃至図８Ｈは、照射方向ごとに光線の経路を示した図である。
図８Ａは、前方方向の照射光の経路を示す図である。ほとんどの光線は、第１の出射面２０５で屈折して正面方向に進む。
図８Ｂは、光軸に対して９０°より小さなある角度をなす方向の照射光の経路を示す図である。第１の出射面２０５で屈折して前方に進む光線と、第１の出射面２０５で全反射し、第２の出射面２０７で屈折して前方に進む光線とが存在する。
図８Ｃは、光軸に対して９０°より小さく、図８Ｂの場合よりも大きな角度をなす方向の照射光の光線の経路を示す図である。光線の約半分は、第１の出射面２０５で全反射し、第２の出射面２０７で屈折して前方に進む光線である。
図８Ｄは、光軸に対して９０°より小さく、図８Ｃの場合よりも大きな角度をなす方向の照射光の光線の経路を示す図である。光線のほとんどは、第１の出射面２０５で全反射し、第２の出射面２０７で屈折して前方に進む光線である。
図８Ｅは、光軸に対してほぼ９０°の角度をなす方向の照射光の光線の経路を示す図である。光線のほとんどは、第１の出射面２０５で全反射し、第２の出射面２０７で屈折してほぼ横方向に進む光線である。
図８Ｆは、光軸に対して９０°より大きなある角度をなす方向の照射光の経路を示す図である。光線のほとんどは、第１の出射面２０５で全反射し、第２の出射面２０７で屈折して後方に進む光線である。
図８Ｇは、光軸に対して９０°より大きく、図８Ｆの場合よりも大きな角度をなす方向の照射光の光線の経路を示す図である。光線のほとんどは、第１の出射面２０５で全反射し、第２の出射面２０７で屈折して後方に進む光線である。
図８Ｈは、光軸に対して９０°より大きく、図８Ｇの場合よりも大きな角度をなす方向の照射光の光線の経路を示す図である。光線のほとんどは、第１の出射面２０５で全反射し、第２の出射面２０７で屈折して後方に進む光線である。
図９は、他の実施形態による光学素子の具体的な形状（光軸を含む断面形状）を示す図である。図９に示した実施形態では、第１の出射面を示す曲線または折れ線が、面光源と反対側に凸となっている。
図１０は、さらに他の実施形態による光学素子の具体的な形状（光軸を含む断面形状）を示す図である。図１０に示した実施形態では、第１の出射面を示す曲線または折れ線の一部が、面光源側に凸となっている。
図１１は、光学素子の第１の出射面２０５と第２の出射面２０７との境界付近に光拡散用光学面２０６を設けた光学素子の実施形態を示す図である。経路の異なる光線が干渉する領域では光線ムラが発生しやすい。そこで、この光線ムラを緩和する手段として、レンズパワーが連続に変化しない領域の境界付近に光を拡散させるための光拡散用光学面を設けた。光拡散用光学面は一定の曲率半径Ｒの凹形状であり、
Figure 0005315503
 であるのが好ましい。上限値を超えた場合には、光拡散作用が小さくなる。
図１２は、光学素子の窪みの底部付近の種々の形態を示す図である。たとえば、図１２（ｃ）に示すように、窪みの底部に突起物２５１を設けることにより、光軸付近に集まる光線を拡散させることができる。
図１３は、本発明の一実施形態による照明装置の構成を示す図である。本実施形態による照明装置は、面光源１０１と光学素子１０３とを含む。面光源１０１の発光面２０１から射出した光線は、入射面２０３から光学素子１０３に入射し、光源の全光量の半分以上の光線は、入射面２０３と第１の出射面２０５との間の第２の射出面２０８の入射面２０３に近い側の面での全反射により、光軸方向に導光され、仮想発光面３０１を形成する。仮想発光面３０１は、光学素子１０３の内部において、発光面２０１からの距離がＨであり、２０１に平行な平面に発光面２０１を投射した形状であり、Ｈは、該発光面の面積をＡとして、
Figure 0005315503
 を満たし、該仮想発光面の中心を通過する前記光軸から１５度の見込み角の光線が存在する範囲の値である。仮想発光面３０１を通過した光線は主に、第１の射出面２０５で屈折し、光学素子１０３の外部に射出される経路と、第１の射出面２０５で全反射された後、第２の射出面２０８で屈折し、光学素子１０３の外部に射出される回路を辿る。これにより、面光源１０１の後方方向に多くの光を導くことが可能となる。
上記の実施形態において、光学素子は、無限回回転対称体である。光学素子が、無限回回転対称体である場合には、光軸（回転軸）と垂直な面内において、光軸を中心として放射状に一様な照射が行なわれる。しかし、一般的に、光学素子は、無限回回転対称体である必要はない。光軸を含む断面において上記の条件を満たしながら、光軸の周りの角度によって形状を変化させることにより、光軸の周りの角度によって異なった照射を行うことができる。
図１４は、面光源１０１が半球状の透明な封止部材５０１により封止されている照明装置の実施形態を示す図である。封止部材５０１と光学素子１０３とが干渉しないように、光学素子１０３の入射面２０３は、半球状に窪んでいる。このような構成により、透明な封止部材５０１により封止されている面光源１０１を使用する場合でも、面光源１０１からの光を効率よく光学素子１０３に取り込むことができる。

Claims (6)

  1. 面光源を除く、面上に配列された光源と、該光源の発光面に対向して配置される入射面、該入射面に対向する第１の出射面及び該入射面と第１の出射面とをつなぐ第２の出射面を備えた光学素子と、を含む照明装置であって、
    該発光面の中心を第１の点、該発光面の縁の点を第２の点とし、第１の点を通り、該発光面に垂直な軸を該光学素子の光軸として、該光学素子の第１の出射面は、周縁に対して該光軸付近が窪んだ形状を有し、該光軸及び第２の点を含む、該光学素子の断面において、第１の点に対して前記光軸から１５度の見込み角の位置にある第１の出射面上の点を第３の点とし、第２の点から射出して光軸に平行に進む光線が第１の出射面と交差する点を第４の点とし、第１の点を原点とし、第１の点と第２の点とを結ぶ軸をＸ軸として、第１の出射面の該光軸から最も離れた点のＸ座標は、第２の点の値の１．５倍以上であり、第１の出射面は、Ｘ座標が第３の点の値以上である領域の８０％以上の領域で、第１の点から射出した光の入射角が臨界角以上であり、Ｘ座標が第４の点の値以下である領域の８０％以上の領域で、第２の点から射出した光の入射角が臨界角より小さいように構成された照明装置。
  2. 面光源を除く、面上に配列された光源と、該光源の発光面に対向して配置される入射面、該入射面に対向する第１の出射面及び該入射面と第１の出射面とをつなぐ第２の出射面を備えた光学素子と、を含む照明装置であって、
    該発光面の中心を第１の点、該発光面の縁の点を第２の点とし、第１の点を通り、該発光面に垂直な軸を該光学素子の光軸として、該光学素子の第１の出射面は、周縁に対して該光軸付近が窪んだ形状を有し、該光軸及び第２の点を含む、該光学素子の断面において、第１の点に対して該光軸から２５度乃至６０度の見込み角の領域において、第１の出射面は、第１及び第２の点を結ぶ直線に対する角度が２０度以下の角度をなす領域を有し、第１の点に対して前記光軸から１５度の見込み角の位置にある第１の出射面上の点を第３の点とし、第２の点から射出して光軸に平行に進む光線が第１の出射面と交差する点を第４の点とし、第１の点から射出して第３の点に至る光線の第１の出射面への入射角をθ１３、第１の点から射出して第４の点に至る光線の第１の出射面への入射角をθ １４ 、第２の点から射出して第３の点に至る光線の第１の出射面への入射角をθ２３ 、第２の点から射出して第４の点に至る光線の第１の出射面への入射角をθ２４、臨界角をθｃとして、
    Figure 0005315503
     である照明装置。
  3. 面光源を除く、面上に配列された光源と、該光源の発光面に対向して配置される入射面、該入射面に対向する第１の出射面及び該入射面と第１の出射面とをつなぐ第２の出射面を備えた光学素子と、を含む照明装置であって、
    第２の出射面の該入射面に近い領域は、該発光面に対して垂直の方向から外れた方向に射出された光線の一部を内部全反射により導光することで、該光学素子内部において、該発光面からの距離がＨであり、該発光面に平行な平面に該発光面を投射した形状の仮想発光面を形成するように構成され、Ｈは、該発光面の面積をＡとして、
    Figure 0005315503
     を満たし、該仮想発光面の中心を通過する前記光軸から１５度の見込み角の光線が存在する範囲の値であり、
    該仮想発光面の中心を第１の点、該仮想発光面の縁の点を第２の点とし、第１の点を通り、該仮想発光面に垂直な軸を該光学素子の光軸として、該光学素子の第１の出射面は、周縁に対して該光軸付近が窪んだ形状を有し、該光軸及び第２の点を含む、該光学素子の断面において、第１の点に対して前記光軸から１５度の見込み角の位置にある第１の出射面上の点を第３の点とし、第２の点を通過して光軸に平行に進む光線が第１の出射面と交差する点を第４の点とし、第１の点を原点とし、第１の点と第２の点とを結ぶ軸をＸ軸として、第１の出射面の該光軸から最も離れた点のＸ座標は、第２の点の値の１．５倍以上であり、第１の出射面は、Ｘ座標が第３の点の値以上である領域の８０％以上の領域で、第１の点を通過した光の入射角が臨界角以上であり、Ｘ座標が第４の点の値以下である領域の８０％以上の領域で、第２の点を通過した光の入射角が臨界角より小さいように構成された照明装置。
  4. 第２の出射面は、該発光面に対して垂直の方向から外れた方向に射出された光線の一部を内部全反射により導光する、該入射面に近い第１の領域と、第１の出射面で全反射された光を外部に射出させる、第１の出射面に近い第２の領域とを備えた請求項３に記載の照明装置。
  5. 面光源を除く、面上に配列された光源と、該光源の発光面に対向して配置される入射面、該入射面に対向する第１の出射面及び該入射面と第１の出射面とをつなぐ第２の出射面を備えた光学素子と、を含む照明装置であって、
    第２の出射面の該入射面に近い領域は、該発光面に対して垂直の方向から外れた方向に射出された光線の一部を内部全反射により導光することで、該光学素子内部において、該発光面からの距離がＨであり、該発光面に平行な平面に該発光面を投射した形状の仮想発光面を形成するように構成され、Ｈは、該発光面の面積をＡとして、
    Figure 0005315503
     を満たし、該仮想発光面の中心を通過する前記光軸から１５度の見込み角の光線が存在する範囲の値であり、
    該仮想発光面の中心を第１の点、該仮想発光面の縁の点を第２の点とし、第１の点を通り、該仮想発光面に垂直な軸を該光学素子の光軸として、該光学素子の第１の出射面は、周縁に対して該光軸付近が窪んだ形状を有し、該光軸及び第２の点を含む、該光学素子の断面において、第１の点に対して該光軸から２５度乃至６０度の見込み角の領域において、第１の出射面は、第１及び第２の点を結ぶ直線に対する角度が２０度以下の角度をなす領域を有し、第１の点に対して前記光軸から１５度の見込み角の位置にある第１の出射面上の点を第３の点とし、第２の点を通過して光軸に平行に進む光線が第１の出射面と交差する点を第４の点とし、第１の点と第３の点を通る線分と、第２の点と第３の点を通る線分が成す角度をθ１３２、第１の点と第４の点を通る線分と、第２の点と第４の点を通る線分が成す角度をθ１４２、臨界角をθｃとして、
    Figure 0005315503
     である照明装置。
  6. 第２の出射面は、該発光面に対して垂直の方向から外れた方向に射出された光線の一部を内部全反射により導光する、該入射面に近い第１の領域と、第１の出射面で全反射された光を外部に射出させる、第１の出射面に近い第２の領域とを備えた請求項５に記載の照明装置。
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