JP6013977B2 - 照明装置および光ガイド - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、照明装置および光ガイドに関する。

一般照明用のＬＥＤランプでは、光の広がり方および光り方を白熱電球に近づけること（レトロフィット）が要望されている。具体的には、例えばクリア電球のように、ガラスグローブ内の中央部に位置された点光源から光を広範囲に拡散させたいといった要求が強い。

しかしながら、ＬＥＤは光の指向性が強いために、ＬＥＤをそのまま光源として使用すると、ＬＥＤランプの配光角が約１２０°と狭くなる。

そこで、従来、ＬＥＤが発する光を、導光柱を用いて広範囲に拡散させるようにしたＬＥＤランプが知られている。従来の導光柱は、ＬＥＤの光軸に沿って同軸状に配置されている。導光柱は、入射面と、入射面の反対側に位置された先端部と、を有している。導光柱の先端部には、物体の体積内に、その物体とは材料の異なる散乱粒子が分散された散乱体が設けられている。

ＬＥＤが発する光が入射面に入射されると、入射された光は、導光柱の内部を通じて散乱体に導かれ、散乱体を透過・反射する過程で導光柱の先端部から拡散される。

米国特許第６３５００４１Ｂ１号明細書

従来の導光柱によると、散乱体による光の散乱回数が多い程、ＬＥＤランプの配光角が広くなる。

しかしながら、従来の散乱体を用いた構造によると、散乱された光の一部が導光柱を通じて発光モジュールの方向に戻り、発光モジュールに吸収されてしまう。さらに、通常の散乱体は、内部の散乱粒子がわずかに光を吸収する。そのため、散乱回数が多いと、光が発光モジュールや散乱体に吸収される割合が多くなる。

この結果、光の広がり方は改善されるものの、ランプ全体とした見た時に器具効率が低下し、ＬＥＤが発した光を有効に活用する上で改善の余地がある。

本発明の目的は、広配光でありながら器具効率を高めることができる照明装置を得ることにある。

実施形態によれば、照明装置は、半導体発光素子を用いて面状に発光するように構成された発光面を有する光源と、前記発光面の重心を通って当該発光面と直交する方向に沿う軸線に対して同軸状に設けられ、前記光源の光を透過する導光体と、を備えている。

前記導光体は、前記発光面に面した入射面と、前記入射面の外周縁から前記軸線を取り囲むように前記光源から遠ざかる方向に延出され、前記入射面から前記導光体に入射された前記光源の光を全反射させるように構成された外周面と、前記入射面に対し前記軸線の軸方向に離れた位置に設けられた空洞部と、を有している。前記空洞部は、前記外周面で全反射された光が導かれる前記軸線と平行な第１の光拡散面を含んでいる。

第１の実施形態に係るＬＥＤランプを一部断面で示す側面図である。 第１の実施形態において、導光体とＣＯＢ型の発光モジュールとの位置関係を示す断面図である。 第１の実施形態で用いる発光モジュールの断面図である。 第１の実施形態において、第１の光拡散面の全長に関する説明で用いる円筒形導光柱の斜視図である。 第１の実施形態において、円筒形導光柱の外周面から射出される光の全光束を、光線追跡シミュレーションした結果を示す図である。 第１の実施形態において、入射面から導光体に入射された光線の経路を示す図である。 第２の実施形態に係るＬＥＤランプの側面図である。 第２の実施形態で用いる導光体を一部断面で示す側面図である。 第２の実施形態で用いる導光体の先端部の断面図である。 第２の実施形態で用いる光拡散体の断面図である。 第２の実施形態において、導光体の外周面で反射された光線の経路を示す図である。 第２の実施形態において、導光体を透過した光の配光分布を示す図である。 第３の実施形態に係るＬＥＤランプの側面図である。 第３の実施形態で用いる導光体の断面図である。 第３の実施形態において、入射面から導光体に入射された光線の経路を示す図である。

[第１の実施形態]
以下、実施の形態について、図１ないし図６を参照して説明する。

図１は、照明装置の一例であるＬＥＤランプを一部断面で示す側面図、図２は、導光体とＣＯＢ型の発光モジュールとの位置関係を示す断面図、図３は、発光モジュールの断面図、図４は、第１の光拡散面の全長に関する説明で用いる円筒形導光柱の斜視図、図５は、円筒形導光柱の外周面から射出される光の全光束をシミュレーションした結果を示す図、図６は、入射面から導光体に入射された光線の経路を示す図である。

図１は、例えばクリアタイプのシャンデリア球に類似した形状を有するＬＥＤランプ１を開示している。ＬＥＤランプ１は、ランプ本体２、グローブ３、ＣＯＢ(chip on board)型の発光モジュール４、点灯回路５および光ガイド６を主要な要素として備えている。

ランプ本体２は、例えばアルミニウムのような鉄よりも熱伝導性が良好な金属材料で構成され、放熱部としての機能を兼ねている。ランプ本体２は、一端および他端を有する円柱状の要素であるとともに、一端から他端に向けて次第に径が増大するような形状に形成されている。

ランプ本体２の一端にＥ形の口金７が取り付けられている。さらに、ランプ本体２の他端の中央部に凹部８が形成されている。凹部８は、ランプ本体２の中心軸線上に位置されている。凹部８の内周面は、例えば白色の光拡散面８ａに仕上げられている。

グローブ３は、例えばアクリルのような透明な合成樹脂材料あるいはクリアガラスを用いて円錐状に形成されている。グローブ３は、球面状の頂部３ａと、頂部３ａと向かい合う開口端部３ｂと、を有している。開口端部３ｂは、グローブ３の最大径を規定しているとともに、ランプ本体２の他端に同軸状に連結されている。

本実施形態によると、口金７を有するランプ本体２およびグローブ３は、互いに協働してシャンデリア球に類似した外形状を形作っている。

グローブ３の形状は円錐形に限らず、半球形であってもよい。さらに、グローブ３を例えば乳白色の合成樹脂材料で構成し、グローブ３に光拡散性を付与するようにしてもよい。

発光モジュール４は、ＬＥＤランプ１の光源を構成する要素であって、ランプ本体２の凹部８に収容されている。図３に示すように、発光モジュール４は、絶縁基板１０、複数の発光ダイオード１１、フレーム１２および封止材１３を主要な要素として備えている。

絶縁基板１０は、例えば一辺の長さが３．２ｍｍの正方形であり、ねじ止め等の手段で凹部８の底面に固定されている。さらに、絶縁基板１０は、例えば熱伝導性グリースを介してランプ本体２に熱的に接続されている。

発光ダイオード１１は、半導体発光素子の一例であって、絶縁基板１０の上にマトリクス状に配列されている。フレーム１２は、絶縁基板１０の外周部に接着されて、発光ダイオード１１を取り囲んでいる。

封止材１３は、蛍光体粒子を含む透明又は半透明な樹脂材料で構成されている。封止材１３は、発光ダイオード１１を覆うようにフレーム１２で囲まれた領域に充填されている。

封止材１３に含まれる蛍光体粒子は、発光ダイオード１１が発する光により励起されて、発光ダイオード１１が発する光と補色の関係にある色の光を発する。この結果、発光ダイオード１１が発する光と蛍光体粒子が発する光が封止材１３の内部で混じり合って白色の光となる。白色の光は、封止材１３の表面から射出される。

したがって、封止材１３の表面は、面状に発光する四角い発光面１４を構成している。本実施形態によると、発光面１４から射出される光は、例えば波長が４００ｎｍ〜８００ｎｍまでの可視光であるが、光の波長は、これに限定されるものではない。

図１および図２に示すように、発光モジュール４は、軸線としての真っ直ぐな光軸Ｏ１を有している。光軸Ｏ１は、発光面１４の中心又は中心の近傍を通って発光面１４と直交する方向に延びている。

発光面１４の中心とは、発光面１４の重心のことを指している。このため、中心は、発光面１４の上（以下、面の上と書いた時、面上を示す）から外れていても良い。例えば発光面が円環形である場合、中心は、発光面の形状を規定する外円又は内円の中心であって、発光面の上に存在しない。

発光面１４から射出される光の配光分布は、光軸Ｏ１に対して対称に近い分布となる。具体的には、発光面１４は、例えばランバーシアンに近い配光分布を有するが、配光分布はこれに限定されるものではない。

さらに、本実施形態では、光軸Ｏ１の正方向とは、光が発光面１４から光軸Ｏ１に沿って取り出される方向と規定する。光軸Ｏ１に沿って光が取り出される方向は、配光角が０°の方向であって、発光面１４からグローブ３に向かう外向きの法線ベクトルと一致する。

点灯回路５は、発光モジュール４に定電流を供給するための要素である。点灯回路５は、ランプ本体２の内部に収容されているとともに、口金７および発光ダイオード１１に電気的に接続されている。

図１に示すように、光ガイド６は、発光モジュール４の発光面１４と対向するようにグローブ３の内側に収容されている。本実施形態の光ガイド６は、導光柱１６および光拡散体１７を備えている。

導光柱１６は、導光体の一例であって、光軸Ｏ１に対し同軸状に配置されている。さらに、導光柱１６は、光軸Ｏ１に対して回転対称となる形状を有している。ここで回転対称とは、光軸Ｏ１に対して対象物を回転させた時に、対象物が描く形状が元の形状に一致し、かつ回転角が３６０°未満のことである。本実施形態では、導光柱１６は、ストレートな円柱状である。

導光柱１６は、例えば透明なアクリルで構成されている。アクリルの屈折率ｎは、１．４９である。導光柱１６は、アクリルに限らず、例えばガラスあるいはポリカーボネートのような可視光が透過する透明な材料を使用することができ、導光柱１６の材料に特に制約はない。

図１および図２に示すように、導光柱１６は、入射面１８、外周面１９、先端面２０および空洞部２１を備えている。

入射面１８は、光軸Ｏ１と直交するフラットな円形の面であり、発光モジュール４の発光面１４と向かい合っている。入射面１８は、発光面１４よりも大きな形状を有している。さらに、入射面１８は、光軸Ｏ１と交差する点Ｏ７を有している。

外周面１９は、入射面１８の外周縁から光軸Ｏ１を同軸状に取り囲むように発光モジュール４から遠ざかる方向に延びている。外周面１９は、光軸Ｏ１の軸を含む面で導光柱１６を切断した時に、光軸Ｏ１と平行に延びている。外周面１９は、入射面１８から導光柱１６に入射された発光ダイオード１１の光を全反射させる全反射面と言い換えることができる。全反射面としての外周面１９は、滑らかな光沢面に仕上げられている。

外周面１９に対し、全反射となる臨界角θ_Ｃは、導光柱１６の屈折率ｎを用いて、

で表すことができる。

本実施形態では、導光柱１６がアクリルであるため、臨界角θ_Ｃは、４２．２°となる。

先端面２０は、光軸Ｏ１と直交するフラットな面であって、入射面１８に対し光軸Ｏ１の軸方向に沿う反対側に位置されている。

図２に示すように、空洞部２１は、導光柱１６の先端部に設けられ、入射面１８に対し光軸Ｏ１の軸方向に離れている。空洞部２１は、光軸Ｏ１と同軸の円筒状であって、導光柱１６の先端面２０に開口されている。

空洞部２１を規定する内面２３は、光軸Ｏ１を取り囲む周面２４と、光軸Ｏ１と直交する底面２５と、を有している。周面２４は、光軸Ｏ１と平行な第１の光拡散面２６を含んでいる。第１の光拡散面２６は、導光柱１６の先端面２０に連続するように導光体１６に内包されている。底面２５は、空洞部２１の底で入射面１８と向かい合っている。

さらに、空洞部２１の内面２３は、第１の光拡散面２６と底面２５との間を結ぶ拡散領域２７を有している。拡散領域２７は、第１の光拡散面２６から底面２５に向けて光軸Ｏ１に近づくように傾斜されたテーパ面で規定されている。

第１の光拡散面２６を含む空洞部２１の内面２３は、光拡散性を有する粗面で構成されている。粗面は、例えば直径が１００μｍの研磨材を内面２３に吹き付ける、いわゆるサンドブラストによって形成されている。これにより、内面２３に数多くの凹凸が形成され、散乱体を用いることなく光反射性を有する白色の面を得ることができる。

内面２３に光拡散性を付与する手段は、サンドブラストに限らず、例えば光を散乱させる粒子（散乱粒子）を含む塗料を内面２３に塗布してもよい。内面２３に塗布する塗料の膜厚は、光が透過するように薄くするとよい。

具体的には、塗料の膜厚を例えば１ｍｍ以下とすれば、塗布された塗料による光の吸収は殆ど無視できる。この場合、散乱粒子は物体の面上のみに存在し、散乱体のように物体の体積内に散乱粒子が分散されているわけではない。実際、光が散乱体を通過した場合、光の吸収は無視できない。

図２は、光軸Ｏ１の軸を含む面で導光柱１６を切断した時の空洞部２１の断面形状を示している。図２において、第１の光拡散面２６から光軸Ｏ１と直交する方向に沿う光軸Ｏ１までの距離をＲ_１とし、第１の光拡散面２６を取り囲む導光柱１６の外周面１９から光軸Ｏ１と直交する方向に沿う光軸Ｏ１までの距離をＲ_２とし、光軸Ｏ１の軸方向に沿う第１の光拡散面２６の長さをＬとした時、
第１の光反射面２６は、

の関係を満たす。

ここで、例えば距離Ｒ_２を２．０ｍｍとし、距離Ｒ_１を１．３ｍｍとし、長さＬを３．４ｍｍとすれば、

の関係が成立する。

さらに、導光柱１６の先端面２０に達した第１の光拡散面２６の先端から発光面１４までの最大距離Ｈは、発光面１４の周縁上の端点Ａ６から光軸Ｏ１と直交する方向に沿う光軸Ｏ１までの距離をＲ_３とすれば、

の条件を満たす。本実施形態では、最大距離Ｈは、２２．３ｍｍである。

距離Ｒ_３は、発光面１４が円形や円環形でない限り、発光面１４を通る断面の位置によって値が異なる。

そこで、そのような場合は、発光面１４の面積をＣとした時、

と規定する。

本実施形態によると、Ｒ_３は、１．８ｍｍである。これにより、本実施形態の場合は、

となり、前記式（４）を満たしている。

図１および図２に示すように、光ガイド６の光拡散体１７は、導光柱１６の空洞部２１に収容されている。光拡散体１７は、例えば透明なアクリルで構成されているが、アクリルに限らず、可視光が透過する透明な材料を適宜選択して使用することができる。

図２に示すように、光拡散体１７は、軸部２８およびフランジ部２９を有している。軸部２８は、空洞部２１よりも直径が小さいソリッドな円柱状の要素であって、光軸Ｏ１と平行な第２の光拡散面３０と、光軸Ｏ１と直交するフラットな端面３１と、を有している。

フランジ部２９は、軸部２８の端面３１とは反対側の端部に同軸状に形成されて、軸部２８の径方向に張り出している。フランジ部２９の表面は、球面状に膨らんだ第３の光拡散面３２となっている。

フランジ部２９は、導光柱１６の先端面２０に接着等の手段により固定されている。この固定により、光拡散体１７の軸部２８が空洞部２１の内側に同軸状に保持されているとともに、空洞部２１の開口端がフランジ部２９で閉塞されている。さらに、空洞部２１の第１の光拡散面２６と光拡散体１７の第２の光拡散面３０との間に空気層３３が設けられている。

本実施形態によると、光拡散体１７の第２の光拡散面３０、端面３１および第３の光拡散面３２は、光拡散性を有する粗面で構成されている。粗面は、例えば直径が１００μｍの研磨材を光拡散体１７に吹き付ける、いわゆるサンドブラストによって形成されている。

光拡散体１７に光拡散性を付与する手段は、サンドブラストに限らず、例えば光を散乱させる粒子を含む塗料を光拡散体１７に塗布してもよい。この際、光拡散体１７に塗布する塗料の膜厚は、光が透過するように薄くするとよい。

このような光拡散体１７を有する導光柱１６は、入射面１８を有する一端部がランプ本体２の凹部８に保持されている。そのため、導光柱１６の一端部は、凹部８の光拡散面８ａで取り囲まれているとともに、光拡散体１７を含む導光柱１６の先端部がグローブ３の中央部に位置されている。

発光モジュール４の発光面１４が発した光は、入射面１８から導光柱１６の内部に入射される。具体的に述べると、図２に光線Ａで示すように、発光面１４の周縁上の端点Ａ６から光軸Ｏ１に沿って空洞部２１に向かう光は、空洞部２１の拡散領域２７で拡散透過された後、光拡散体１７の端面３１に入射する。

光拡散体１７に入射された光は、第３の光拡散面３２で拡散透過された後、グローブ３を透過して光軸Ｏ１の正方向に向かう。言い換えると、光拡散体１７は、配光角０°の方向に向かう光を拡散させる機能を果たし、配光角０°の方向の光度が大きくなり過ぎるのを防ぐ。

一方、図２に光線Ｂで示すように、発光面１４の端点Ａ６から空洞部２１の周囲を通って外周面１９に向かう光は、外周面１９に対する入射角が臨界角θ_Ｃ以上で外周面１９に入射する。外周面１９に入射された光は、空洞部２１の第１の光拡散面２６に向けて全反射される。

本実施形態では、空洞部２１の拡散領域２７は、第１の光拡散面２６から底面２５に向けて光軸Ｏ１に近づくように傾斜されたテーパ面で構成されている。このため、入射面１８と向かい合う底面２５が狭くなり、入射面１８から導光柱１６に入射された光が底面２５で反射して入射面１８の方向に戻ろうとする割合を少なくすることができる。

言い換えると、入射面１８から入射された光の多くは、底面２５で反射することなく空洞部２１の周囲を通して全反射面としての外周面１９に導かれることになる。したがって、入射面１８に入射された光を効率よく外周面１９に導いて全反射させることができる。

なお、空洞部２１の拡散領域２７を先細り状に尖らすと、配光角０°の方向の光度が低下する傾向にあることが見出された。それとともに、空洞部２１の拡散領域２７が尖っていると、拡散領域２７の加工が困難となり、空洞部２１の加工精度を高める上で好ましくないものとなる。

導光柱１６の外周面１９で第１の光拡散面２６に向けて全反射された光は、第１の光拡散面２６で透過拡散あるいは反射拡散される。ここで、光の拡散は準ランバーシアン（略ランバーシアン）であると仮定する。

すると、第１の光拡散面２６で反射拡散された光は、第１の光拡散面２６の上の点から外周面１９に向かう内向きの法線を中心とする準ランバーシアンで拡散され、外周面１９からグローブ３に向けて射出される。

第１の光拡散面２６で透過拡散された光は、空洞部２１の内面２３に当たって透過拡散あるいは反射拡散される。さらに、空洞部２１の第１の光拡散面２６と光拡散体１７の第２の光拡散面３０との間に空気層３３が存在するので、光は、第１の光拡散面２６ばかりでなく第２の光拡散面３０に当たって拡散される。これらの再帰的な拡散により、最終的な光の拡散は完全なランバーシアンとなる。よって、光をより広範囲に亘って拡散させることができ、広配光を実現する上で有利となる。

空洞部２１の内面２３で透過拡散された光は、第１の光拡散面２６の上の点から外周面１９に向かう内向きの法線を中心とするランバーシアンで拡散され、最終的に外周面１９からグローブ３に向けて射出される。

この結果、発光モジュール４の発光面１４が発する指向性の強い光は、導光柱１６の先端部の外周面１９から放出される時点で全方位に拡散され、広配光を実現できる。

ここで、空洞部２１の内面２３の法線ベクトルが光軸Ｏ１の方向と一致すると仮定した場合、空洞部２１の内面２３に当たった光は、光軸Ｏ１を基準とする準ランバーシアンで拡散される。空洞部２１の内面２３に当たって反射される光の成分に関しては、導光柱１６を通じて殆どが発光モジュール４の方向に戻ってしまう。そのため、ＬＥＤランプ１の器具効率が低下する。

一方、空洞部２１の内面２３を透過する光の成分については、たとえ光の拡散がランバーシアンであったとしても、配光角が０°の方向の光度に対し、その光度の１／２が得られる最大の配光角は、６０°程度となる。

これに対し、空洞部２１の内面２３の法線ベクトルが光軸Ｏ１と直交する場合、空洞部２１の内面２３に当たった光は、光軸Ｏ１と直交する方向を基準とする準ランバーシアンで拡散される。

この結果、空洞部２１の内面２３の法線ベクトルが光軸Ｏ１の方向と一致する場合と比較した場合、内面２３で反射されて発光モジュール４の方向に戻る光が減少する。よって、ＬＥＤランプ１の器具効率の低下を防ぐことができる。

さらに、空洞部２１の内面を透過する光の成分については、配光角は最大で１５０°程度まで広がる。加えて、導光柱１６から光が最終的に射出される際、外周面１９による光の屈折により、配光角はさらに広がる。

すなわち、発光モジュール４の発光面１４から発せられた光の指向性が強いにも拘らず、配光角は大きくなり得る。実際のところ、発光面１４から発せられた発光ダイオード１４の光は、多くの成分が配光角９０°以内の方向から導光柱１６より最終的に放出される。そのため、導光柱１６から最終的に射出される光の配光角は、０°〜１５０°の範囲内となる。したがって、最大光度の１／２の光度が得られる配光角の最大値は、約３００°となる。

以上のことから、空洞部２１の内面２３の法線ベクトルが光軸Ｏ１と直交する場合、ＬＥＤランプ１の器具効率の低下を防止しつつ、１／２配光角が約３００°となるような広配光を実現することができる。

言い換えると、空洞部２１の内面２３に光軸Ｏ１と平行な第１の光拡散面２６を設けることで、入射面１８から導光柱１６に入射された光のうち、入射面１８の方向に戻ろうとする光の成分を少なくすることができる。それと同時に、導光柱１６の外周面１９から全方位に向かって射出される光の成分を多くすることができる。よって、発光モジュール４が発した光を照明用途として効率よく利用できる。

導光柱１６の外周面１９で全反射された光を導光柱１６の外に効率よく導くためには、空洞部２１の第１の光拡散面２６の光軸Ｏ１の軸方向に沿う長さＬが重要となる。次に、第１の光拡散面２６の長さＬについて、実際の導光柱１６よりも単純な形状を有する導光柱３６を用いて説明する。

図４は、長さがＬ´、外径がＲ_２´、内径がＲ_１´である円筒形導光柱３６を示している。円筒形導光柱３６は、中心軸線Ｏ２に対し回転対称である。円筒形導光柱３６の外径Ｒ_２´は、２．０ｍｍであり、内径Ｒ_１´は、１．０ｍｍである。さらに、円筒形導光柱３６は、透明なアクリルで構成され、屈折率ｎが１．４９である。

図４に示すように、円筒形導光柱３６は、円環状の入射端面３７、円環状の先端面３８、内周面３９および外周面４０を有している。入射端面３７は、円筒形導光柱３６の軸方向に沿う一端に位置されているとともに、円環形光源（図示せず）と向かい合っている。光源の配光分布は、ランバーシアンであって、光源から発せられた光の全てが入射端面３７に入射される。

先端面３８は、円筒形導光柱３６の軸方向に沿う他端に位置し、入射端面３７から円筒形導光柱３６に入射された光を完全に吸収する。内周面３９は、当該内周面３９に当たる光を全てランバート反射させる。

この条件の下で、円筒形導光柱３６の外周面４０から射出される光の全光束は、光線追跡シミュレーションを用いることで計算できる。本シミュレーションでは、Synopsys社のLight Tools（登録商標）を使用した。

図５は、円筒形導光柱３６の長さＬ´を様々に変えた時の計算結果を示している。図５において、横軸は、円筒形導光柱３６の長さＬ´を、

で規格化したもの（Ｌ´をＬ_Ｆで割ったもの）であり、これをＬ^＊とする。ここで、Ｌ_Ｆは、前記式（２）の右辺に対応する。

図５において、左側の主縦軸は、円環形光源から発せられた光の全光束に対する円筒形導光柱３６の外周面４０から射出された光の全光束の割合を示しており、この割合をεとする。さらに、図５において、右側の副縦軸は、Ｌ^＊に対するεの微分係数である。

図５によれば、εについては、Ｌ^＊が大きくなるにつれて増大し、Ｌ^＊が約１６に達した時点で横這いになることが分かる。このことから、円筒形導光柱３６の外周面４０から射出される光の全光束を大きくするには、Ｌ^＊＝１６とすれば十分であるといえる。但し、円筒形導光柱３６のコンパクト性を考慮すると、Ｌ^＊は小さい方がよい。

図５によると、微分係数に関しては、Ｌ^＊が約１で最大となることが分かる。これは、Ｌ^＊が１の付近では、Ｌ^＊を長くすることで、外周面４０から射出される光の全光束が急激に増大することを意味している。すなわち、Ｌ^＊を１以上にしておくことで、全光束を効率的に増やすことができる。

この点に関しては、図６からも説明できる。図６は、中心軸線Ｏ２を通る円筒形導光柱３６の断面の一部を示している。円筒形導光柱３６の内周面３９の上の任意な点Ｐ１で光が拡散反射されたとすると、図６に示すような拡散光Ｄが生じる。

ここで、拡散光Ｄの中の光線Ｅが円筒形導光柱３６の外周面４０で全反射する全反射角が臨界角θ_Ｃであるとする。この時、外周面４０で全反射された光線Ｅが再び内周面３９で拡散されるためには、中心軸線Ｏ２の軸方向に沿う内周面３９の長さＬ´がＬ^＊以上でなければならない。

逆に長さＬ´がＬ^＊以上であるとすれば、点Ｐ１よりも外周面４０の方向にずれた位置にある任意な点Ｐ２を通り、外周面４０での全反射角が臨界角θ_Ｃである光線Ｆは、全て内周面３９に導かれるとともに、内周面３９で拡散される。

言い換えると、内周面３９の長さＬ´がＬ^＊以上であれば、点Ｐ１を通り内周面３９において再帰的に拡散される光が存在し、内周面３９の長さＬ´がＬ^＊以下では、点Ｐ１を通り内周面３９で再帰的に拡散される光は存在しないことになる。

したがって、内周面３９の長さＬ´がＬ^＊以上の時に、内周面３９で再帰的に拡散される光が外周面４０に到達し、当該外周面４０から射出される光の量が増える。以上のことから、Ｌ^＊は、１以上であり、１６以下にするとよい。

よって、空洞部２１の第１の光拡散面２６の長さＬは、

の関係を満たすことが望ましい。

さらに、図２において、発光面１４の端点Ａ６から空洞部２１の周囲を通って外周面１９に向かう光線Ｂが、外周面１９において臨界角θ_Ｃで全反射されたとする。この時、外周面１９で全反射された光が空洞部２１の第１の光拡散面２６に入射された点をＱとする。

そうすると、発光面１４から発せられた直後に外周面１９で全反射される全ての光は、点Ｑよりも導光柱１６の先端面２０の方向に離れた位置で第１の光拡散面２６に入射されるか、あるいは先端面２０に直に入射されることになる。

この際、光線Ｂが第１の光拡散面２６に入射された点Ｑから光軸Ｏ１の軸方向に沿う発光面１４までの距離Ｈ_０は、

で表すことができる。

このため、発光面１４から発せられた直後に外周面１９で全反射される光を第１の光拡散面２６に導くためには、

の関係を満たすことが必要となる。これは、前記式（４）と同等である。

第１の実施形態に係るＬＥＤランプ１によれば、指向性の強い発光ダイオード１１の光は、導光柱１６の入射面１８に入射された後、そのほとんどが導光柱１６の先端部に位置する空洞部２１に導かれて、導光柱１６の先端部から全方位に拡散される。

すなわち、グローブ３の中央部に位置された導光柱１６の先端部が光中心となって、ここから光が広範囲に亘って射出される。このため、透明なグローブ３を通じて発光する導光柱１６の先端部が透けて見えることと合わせて、クリアなシャンデリア球のようなきらめき感を伴う光を得ることができる。

さらに、導光柱１６の外周面１９で全反射された光が導かれる第１の光拡散面２６を光軸Ｏ１に沿わせることで、第１の光拡散面２６で拡散されて発光モジュール４へ戻ろうとする光の成分を減らし、かつ第１の光拡散面２６の長さＬを規定したことで、白熱電球並みの配光角３００°を実現することができる。

したがって、器具効率が高く、広配光な点光源を有するＬＥＤランプ１を提供することができる。

発光モジュールの構成は、前記第１の実施形態に特定されるものではない。例えば、発光ダイオードとして、異なる色を発する二種類以上の発光ダイオードを組み合わせてもよい。

この構成によると、発光ダイオードが発する複数色の光は、導光柱の内部で拡散する過程において十分に混じり合う。この結果、導光柱の先端部から最終的に射出される光の色にばらつきが生じ難くなり、色むらが少ない照明光を得ることができる。

さらに、発光モジュールは、ＣＯＢ型に特定されるものではなく、例えば複数のＳＭＤ(surface mount device)型の発光モジュールを用いてもよい。

[第２の実施形態]
図７ないし図１２は、第２の実施形態を開示している。

第２の実施形態に係るＬＥＤランプ５１は、特にランプ本体５２、グローブ５３および光ガイド５４の構成が前記第１の実施形態と相違している。

図７に示すように、ランプ本体５２は、口金７の開口端部を閉じる支持部５６を含んでいる。ＥＤランプ５１の光源である発光モジュール４は、支持部５６の中央部に例えばねじ止めあるいは接着等の手段で固定されている。発光モジュール４に定電流を供給する点灯回路５は、口金７の内側に収容されている。

グローブ５３は、クリア電球のガラスバルブに類似した形状を有するとともに、例えばアクリルのような透明な合成樹脂材料又は透明なガラスで構成されている。グローブ５３の開口端は、ランプ本体５２の支持部５６に同軸状に結合されている。グローブ５３は、発光モジュール４の光軸Ｏ１に対し同軸状に配置されている。

したがって、本実施形態のＬＥＤランプ５１は、クリア電球に限りなく近い形状を有している。

図７および図８に示すように、光ガイド５４は、発光モジュール４の発光面１４と対向するようにグローブ５３の内側に収容されている。光ガイド５４は、導光柱５８および光拡散体５９を備えている。

導光柱５８は、導光体の一例であって、発光モジュール４の光軸Ｏ１に対し同軸状に配置されている。導光柱１６は、光軸Ｏ１に対して回転対称となる円柱状であって、その最大径が例えば４．２ｍｍである。さらに、導光柱５８は、例えば透明なアクリルで構成されている。アクリルの屈折率ｎは、１．４９である。

図８に示すように、導光柱５８は、入射面６０、外周面６１および空洞部６２を備えている。入射面６０は、光軸Ｏ１と直交するフラットな円形の面であり、発光モジュール４の発光面１４と向かい合っている。入射面６０は、発光面１４と略同じ大きさである。

外周面６１は、入射面６０の外周縁から光軸Ｏ１を同軸状に取り囲むように発光モジュール４から遠ざかる方向に延びている。外周面６１は、光軸Ｏ１の軸を含む面で導光柱１６を切断した時に、光軸Ｏ１と平行に延びている。外周面６１は、入射面６０から導光柱５８に入射された発光モジュール４の光を全反射させる全反射面と言い換えることができる。全反射面としての外周面６１は、滑らかな光沢面に仕上げられている。

本実施形態によると、導光柱５８の先端部にテーパ領域６４が設けられている。テーパ領域６４は、入射面６０に対し光軸Ｏ１の軸方向に遠ざかるに従い光軸Ｏ１に向けて傾斜されている。このため、導光柱５８の外周面６１は、テーパ領域６４に対応する位置では、光軸Ｏ１に近づくように傾いている。

図８および図９に示すように、空洞部６２は、入射面６０から離れた導光柱１６の先端部に設けられている。空洞部６２は、光軸Ｏ１と同軸の円筒状であって、導光柱５８の先端に開口されている。

空洞部６２を規定する内面６５は、光軸Ｏ１を取り囲む周面６６と、光軸Ｏ１と直交する底面６７と、を有している。周面６６は、光軸Ｏ１と平行な第１の光拡散面６８を含んでいる。第１の光拡散面６８は、導光柱５８のテーパ領域６４に内包されている。底面６７は、空洞部６２の底で入射面６０と向かい合っている。

さらに、空洞部６２の内面６５は、第１の光拡散面６８と底面６７との間を結ぶ拡散領域６９を有している。拡散領域６９は、第１の光拡散面６８から底面６７に向けて光軸Ｏ１に近づくように傾斜されたテーパ面で規定されている。

第１の光拡散面６８を含む空洞部６２の内面６５は、光拡散性を有する粗面で構成されている。粗面は、例えば直径が１００μｍの研磨材を内面６５に吹き付ける、いわゆるサンドブラストによって形成されている。

図９は、光軸Ｏ１の軸を含む面で導光柱５８を切断した時の空洞部６２の断面形状を示している。本実施形態によると、第１の光拡散面６８から光軸Ｏ１と直交する方向に沿う光軸Ｏ１までの距離Ｒ_１を１．３ｍｍとし、第１の光拡散面６８を内包する導光柱１６の外周面６１から光軸Ｏ１と直交する方向に沿う光軸Ｏ１までの最大距離Ｒ_２を２．０ｍｍとし、光軸Ｏ１の軸方向に沿う第１の光拡散面６６の長さＬを３．４ｍｍとすれば、
空洞部６２の第１の光反射面６８は、臨界角をθ_Ｃとして、

の関係を満たす。

さらに、本実施形態では、第１の光拡散面６８の上の任意な点から発光面１４までの最大距離Ｈについては、Ｈ＝２２．３ｍｍとした。

図８ないし図１０に示すように、光ガイド５４の光拡散体５９は、導光柱５８の空洞部６２に収容されている。光拡散体５９は、例えば透明なアクリルで構成されている。

光拡散体５９は、軸部７１と円筒部７２とを備えている。軸部７１は、空洞部６２よりも直径が小さいソリッドな円柱状の要素であって、光軸Ｏ１と平行な外周面７３を有している。さらに、軸部７１の一端にフランジ部７４が同軸状に形成されている。フランジ部７４は、外周面７３よりも軸部７１の径方向に張り出している。

円筒部７２は、光軸Ｏ１と平行な内周面７５および外周面７６を有している。円筒部７２は、軸部７１を同軸状に取り囲むようにフランジ部７４の下面に接着等の手段により固定されて、軸部７１と一体化されている。

フランジ部７４は、空洞部６２の開口端を塞ぐように導光柱５８の先端に接着等の手段により固定されている。この固定により、光拡散体５９の軸部７１および円筒部７２が空洞部６２の内側に同軸状に保持されている。

さらに、空洞部６２の第１の光拡散面６８と前記円筒部７２の外周面７６との間に第１の空気層７８が設けられ、円筒部７２の内周面７５と軸部７１の外周面７３との間に第２の空気層７９が設けられている。

本実施形態によると、軸部７１の外周面７３、円筒部７２の内周面７５および外周面７６は、光拡散性を有する粗面で構成されている。粗面は、例えば直径が１００μｍの研磨材を軸部７１および円筒部７２に吹き付ける、いわゆるサンドブラストによって形成されている。

したがって、軸部７１の外周面７３、円筒部７２の内周面７５および外周面７６は、夫々第２の光拡散面、第３の光拡散面および第４の光拡散面と言い換えることができる。

このような光拡散体５９を有する導光柱５８は、入射面６０を有する一端部がランプ本体２の支持部５６に保持されている。そのため、光拡散体５９を含む導光柱５８のテーパ領域６４がグローブ５３の中央部に位置されている。

発光モジュール４の発光面４が発した指向性の強い光は、入射面６０から導光柱５８の内部に入射される。導光柱５８に入射された光は、外周面７３で全反射されて空洞部６２に向かう。空洞部６２の周囲を通ってテーパ領域６４に向かう光は、テーパ領域６４の傾斜に伴ってテーパ領域６４に対する入射角が臨界角θ_Ｃ以上でテーパ領域６４に入射する。テーパ領域６４に入射された光は、空洞部６２の第１の光拡散面６８に向けて全反射される。

図１１は、第１の光拡散面６８と拡散領域６９との境界付近に位置する点Ｇを通過してテーパ領域６４に向かう光線をシミュレーションすることにより得られた光線図を示している。図１１は、光軸Ｏ１の軸を含む導光柱５８のテーパ領域６４の断面の一部を示している。

図１１によれば、点Ｇを通過してテーパ領域６４に向かう光は、テーパ領域６４で空洞部６２の第１の光拡散面６８に向けて全反射され、当該第１の光拡散面６８で拡散されることが分かる。

この際、第１の光反射面６８の光軸Ｏ１の方向に沿う長さＬが前記式（２）を満たすことで、点Ｇを通過した後にテーパ領域６４で全反射される光は、必然的に第１の光拡散面６８に導かれることが分かる。

さらに、本実施形態によると、空洞部６２の第１の光拡散面６８と円筒部７２の外周面７６との間に第１の空気層７８が設けられ、円筒部７２の内周面７５と軸部７１の外周面７３との間に第２の空気層７９が設けられている。このため、第１の光拡散面６８で拡散された光は、第１の空気層７８を通じて円筒部７２を透過するとともに、第２の空気層７９を通じて軸部７１を透過する。

すなわち、第１の光拡散面６８から光軸Ｏ１と交差する方向に向かう光は、円筒部７２の外周面７６、円筒部７２の内周面７５および軸部７１の外周面７６を通過する際に、これら面の数だけ拡散されることになる。この結果、光をより広範囲に亘って拡散させることができ、最終的に導光柱５８のテーパ領域６４から射出される光の配光角を広げることができる。

図１２は、本実施形態に係るＬＥＤランプ５１において、光拡散体５９が設けられた導光柱５８から放出された光の配光分布を光線追跡シミュレーションした結果を示す。図１２では、発光モジュール４の光軸Ｏ１に沿う光の取り出し方向を０°とする光線方向に対し、光度をレーダーチャートによって示している。

図１２によれば、光軸Ｏ１と直交する方向に射出される光の強さが大きく、光の最大光度が光軸Ｏ１に対し９０°〜１２０°の範囲内にあることが分かる。さらに、図１２に示す配光曲線において、最大光度の１／２の光度となる２方向で規定される配光角が、白熱電球並みの約３２０°であることが分かる。

さらに、ＬＥＤランプ５１の器具効率に関しては、発光モジュール４に再入射する光の吸収率を６０％とした場合、器具効率が９０％となることが確かめられた。

第２の実施形態によると、導光柱５８の先端部に光軸Ｏ１に近づく方向に傾斜されたテーパ領域６４が設けられ、光軸Ｏ１と平行な第１の光拡散面６８がテーパ領域６４に内包されている。

これにより、テーパ領域６４の上の任意な点から光軸Ｏ１に向かう法線ベクトルが、その点から光軸Ｏ１と直交する線分に対し空洞部６２の底を指向するように傾斜する。そのため、導光柱５８の外周面が光軸Ｏ１の軸方向にストレートである場合との比較において、第１の光拡散面６８の長さＬを短くすることができる。

この結果、導光柱５８をコンパクトな形状とすることができるとともに、導光柱５８の先端部の発光形状がより点光源に近づく。よって、透明なグローブ３を通じて発光する導光柱５８の先端部が透けて見えることと合わせて、クリア電球に限りなく近いきらめき感を伴う光の広がりを得ることができる。

[第３の実施形態]
図１３ないし図１５は、第３の実施形態を開示している。

第３の実施形態に係るＬＥＤランプ１００は、主に光ガイド１０１および光ガイド１０１をランプ本体５２に支持する構成が第２の実施形態と相違している。それ以外の構成は、基本的に第２の実施形態と同様である。そのため、第３の実施形態において、第２の実施形態と同一の構成部分には同一の参照符号を付して、その説明を省略する。

図１３に示すように、ランプ本体５２の中央部に支柱１０２が支持されている。支柱１０２は、例えばアルミニウムのような鉄よりも熱伝導性が良好な金属材料で構成され、放熱部としての機能を兼ねている。支柱１０２は、グローブ５３で覆われているとともに、ランプ本体５２からグローブ５３の中央部に向けて突出されている。

ＬＥＤランプ１００の光源である発光モジュール４は、支柱１０２の先端面の中央部に例えばねじ止めあるいは接着等の手段で固定されている。発光モジュール４の光軸Ｏ１は、支柱１０２と同軸となるように配置されている。発光モジュール４に定電流を供給する点灯回路５は、口金７の内側に収容されている。

本実施形態では、発光モジュール４の発光面１４は、例えば一辺の長さが３．２ｍｍの正方形である。図１５に示すように、発光面１４の周縁上の端点Ａ６から光軸Ｏ１と直交する方向に沿う光軸Ｏ１までの距離Ｒ_３は、発光面１４の面積をＣとした時、

で表すことができ、距離Ｒ_３＝１．８となる。

図１３および図１４に示すように、光ガイド１０１は、発光モジュール４の発光面１４と対向するようにグローブ５３の内側に収容されている。光ガイド１０１は、導光柱１０３および光拡散体１０４を備えている。

導光柱１０３は、導光体の一例であって、発光モジュール４の光軸Ｏ１に対し同軸状に配置されている。導光柱１０３は、光軸Ｏ１に対して回転対称となるような形状を有している。さらに、導光柱１０３は、例えば透明なアクリルで構成されているが、アクリルに限らず、可視光が透過する透明な材料を適宜選択して使用することができる。

導光柱１０３は、光軸Ｏ１の軸方向に離れた第１の端部１０３ａおよび第２の端部１０３ｂを有している。導光柱１０３の第１の端部１０３ａは、発光面１４よりも一回り大きな形状を有し、当該第１の端部１０３ａに入射面１０６が形成されている。入射面１０６は、光軸Ｏ１を中心に導光柱１０３の内側に向けて窪むような半球形の形状を有している。入射面１０６の半径は、２．０ｍｍである。

さらに、導光柱１０３は、第１の端部１０３ａと第２の端部１０３ｂとの間を結ぶ外周面１０７を有している。外周面１０７は、光軸Ｏ１を同軸状に取り囲んでいるとともに、導光柱１０３の第１の端部１０３ａと第２の端部１０３ｂとの間の中間部１０３ｃで光軸Ｏ１と直交する方向に張り出すように円弧状に湾曲されている。

言い換えると、導光柱１０３の外周面１０７は、導光柱１０３の第１の端部１０３ａと中間部１０３ｃとの間に位置された第１のテーパ領域１０８と、導光柱１０３の第２の端部１０３ｂと中間部１０３ｃとの間に位置された第２のテーパ領域１０９と、を有している。

第１のテーパ領域１０８は、中間部１０３ｃから第１の端部１０３ａの方向に進むに従い光軸Ｏ１に近づくように湾曲されている。第２のテーパ領域１０９は、中間部１０３ｃから第２の端部１０３ｂの方向に進むに従い光軸Ｏ１に近づくように湾曲されている。

そのため、導光柱１０３の中間部１０３ｃは、導光柱１０３の最大径を規定している。本実施形態では、導光柱１０３の最大径は９．０ｍｍである。導光柱１０３の入射面１０６は、第１のテーパ領域１０８に内包されている。

第１のテーパ領域１０８および第２のテーパ領域１０９を含む外周面１０７は、入射面１０６から導光柱１０３に入射された発光モジュール４の光を全反射させる全反射面と言い換えることができる。全反射面としての外周面１０７は、滑らかな光沢面に仕上げられている。

図１４に示すように、導光柱１０３の第２の端部１０３ｂに空洞部１１１が設けられている。空洞部１１１は、光軸Ｏ１と同軸の円筒状であって、入射面１０６の反対側に向けて開口されている。

空洞部１１１を規定する内面１１２は、光軸Ｏ１を取り囲む周面１１３と、光軸Ｏ１と直交する底面１１４と、を有している。周面１１３は、光軸Ｏ１と平行な第１の光拡散面１１５を含んでいる。第１の光拡散面１１５は、導光柱１０３の第２のテーパ領域１０９に内包されている。底面１１４は、空洞部１１１の底で入射面１０６と向かい合っている。

さらに、空洞部１１１の内面１１２は、第１の光拡散面１１５と底面１１４との間を結ぶ拡散領域１１６を有している。拡散領域１１６は、第１の光拡散面１１５から底面１１４に向けて光軸Ｏ１に近づくように傾斜されたテーパ面で規定されている。

第１の光拡散面１１５を含む空洞部１１１の内面１１２は、光拡散性を有する粗面で構成されている。粗面は、例えば直径が１００μｍの研磨材を内面１１２に吹き付ける、いわゆるサンドブラストによって形成されている。

図１４は、光軸Ｏ１の軸を含む面で導光柱１０３を切断した時の空洞部１１１の断面形状を示している。本実施形態によると、第１の光拡散面１１５から光軸Ｏ１と直交する方向に沿う光軸Ｏ１までの距離Ｒ_１を１．４ｍｍとし、第１の光拡散面１１５を内包する第２のテーパ領域１０９から光軸Ｏ１と直交する方向に沿う光軸Ｏ１までの最大距離Ｒ_２を４．０ｍｍとし、光軸Ｏ１の軸方向に沿う第１の光拡散面１１５の長さＬを７．０ｍｍとすれば、
空洞部１１１の第１の光反射面１１５は、臨界角をθ_Ｃとして、

の関係を満たす。

さらに、本実施形態では、第１の光拡散面１１５の上の任意な点から発光面１４までの最大距離Ｈについては、Ｈ＝１５．０ｍｍとした。

導光柱１０３の外周面１０７の具体的な形状について、図１４を参照して説明する。図１４において、導光柱１０３の入射面１０６の上の任意な点を始点とし、光軸Ｏ１と直交する線分を考える。この線分が光軸Ｏ１と交差する点のうち、発光面１４に最も近い点をＯ´とする。

点Ｏ´を原点とし、点Ｏ´から光軸Ｏ１に沿って光が取り出される方向をｚ方向とし、光軸Ｏ１と直交するとともに点Ｏ´から発光面１４に沿う方向をｘ方向とし、さらに、ｘ軸上の点で、発光面１４の周縁上の端点Ａ６に最も近い点から第１の端部１０３ａまでの距離をｌとすると、全反射面としての外周面１０７の形状は、

で表すことができる。

前記式（１４）および式（１５）において、媒介変数Θは、

の範囲内に含まれる有限領域である。

前記式（１４）および式（１５）において、実数定数θ_ａは、

の範囲の定数である。

前記式（１４）および式（１５）において、実数定数ｌは、

であるとする。

このように導光柱１０３の外周面１０７の形状を規定することで、入射面１０６から導光柱１０３に入射された光の大部分を、外周面１０７によって全反射させることができる。

この時、外周面１０７の上でΘ＝θ_ａとなる点において、外周面１０７から光軸Ｏ１と直交する方向に沿う光軸Ｏ１までの距離が最大となる。さらに、Θ＝θ_ａとなる点から光軸Ｏ１に向かう内向きの法線は、光軸Ｏ１と直交する。

本実施形態では、導光柱１０３の外周面１０７の形状は、ストレートな円柱と大きく異なるため、前記第１の実施形態の式（４）は適用できない。

図１４に示すように、光ガイド１０１の光拡散体１０４は、導光柱１０３の空洞部１１１に収容されている。光拡散体１０４は、例えば透明なアクリルで構成されているが、アクリルに限らず、可視光が透過するその他の透明な材料を適宜選択して使用することができる。

光拡散体１０４は、軸部１１８およびフランジ部１１９を有している。軸部１１８は、空洞部１１１よりも直径が小さいソリッドな円柱状の要素であって、光軸Ｏ１と平行な第２の光拡散面１２０と、光軸Ｏ１と直交するフラットな端面１２１と、を有している。

フランジ部１１９は、軸部１１８の端面１２１とは反対側の端部に同軸状に形成されて、軸部１１８の径方向に張り出している。

フランジ部１１９は、空洞部１１１の開口端を塞ぐように導光柱１０３の第２の端部１０３ｂに接着等の手段により固定されている。この固定により、光拡散体１０４の軸部１１８が空洞部１１１の内側に同軸状に保持されているとともに、空洞部１１１の第１の光拡散面１１５と光拡散体１０４の第２の光拡散面１２０との間に空気層１２２が設けられている。

本実施形態によると、光拡散体１０４の第２の光拡散面１２０、端面１２１およびフランジ部１１９の表面は、光拡散性を有する粗面で構成されている。粗面は、例えば直径が１００μｍの研磨材を光拡散体１７に吹き付ける、いわゆるサンドブラストによって形成されている。

さらに、光拡散体１０４を有する導光柱１０３は、グローブ５３の中央部に位置されている。

発光モジュール４の発光面４が発した指向性の強い光は、入射面１０６から導光柱１０３の内部に入射される。半球状に窪んだ入射面１０６は、発光面１４の周辺部から発せられた光が入射された時に、光の屈折方向を殆ど変えずに光を外周面１０７の第１のテーパ領域１０８に導く。

図１５は、発光面１４の周辺部から入射面１０６に向かう光線Ｒをシミュレーションすることにより得られた光線図を示している。図１５は、光軸Ｏ１の軸を含む導光柱１０３の第１のテーパ領域１０８の断面の一部を示している。

図１５によれば、発光面１４の周辺部から入射面１０６に向かう光は、入射面１０６に対する入射方向を殆ど変えることなく導光柱１０３の内部を通過して、第１のテーパ領域１０８に向かうことが分かる。

すなわち、入射面１０６に入射された光が大きく屈折されてしまうと、入射面１０６から発光面１４に戻る光の成分が多くなり、光が発光モジュール４に吸収されてしまう。これに対し、本実施形態では、入射面１０６に入射された光は、入射方向を殆ど変えることなく第１のテーパ領域１０８に導かれ、ここで全反射される。

よって、光が導光柱１０３に入射される際の光の損失を極力少なく抑えることができ、ＬＥＤランプ１００の器具効率が向上する。

第１のテーパ領域１０８で全反射された光は、空洞部１１１に向けて導光柱１０３の内部を通過し、空洞部１１１の内面１１２および光拡散体１０４に当たって拡散される。拡散された光は、主に導光柱１０３の第２のテーパ領域１０９から全方位に拡散される。

第３の実施形態によると、導光柱１０３の先端部に光軸Ｏ１に近づく方向に傾斜された第２のテーパ領域１０９が設けられ、光軸Ｏ１と平行な第１の光拡散面１１５が第２のテーパ領域１０９に内包されている。

これにより、第２のテーパ領域１０９の上の任意な点から光軸Ｏ１に向かう法線ベクトルが、その点から光軸Ｏ１と直交する線分に対し空洞部１１１の底を指向するように傾斜する。そのため、導光柱１０３の外周面が光軸Ｏ１の軸方向にストレートである場合との比較において、第１の光拡散面１１５の長さＬを短くすることができる。

この結果、導光柱１０３をコンパクトな形状とすることができるとともに、導光柱１０３の発光形状がより点光源に近づく。よって、透明なグローブ５３を通じて発光する導光柱１０３が透けて見えることと合わせて、クリア電球に限りなく近いきらめき感を伴う光の広がりを得ることができる。

第１ないし第３の実施形態において、導光柱の空洞部に収容された光拡散体は、必須の要素ではなく、目標とする配光特性に応じて適宜省略してもよい。光拡散体を省略する場合は、空洞部の内面に例えば光を積極的に散乱させる粒子を含む塗料を塗布し、内面の光拡散性能を高めることが望ましい。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

以下に、光ガイドに係る発明の構成を付記する。

[１］発光面の重心を通って当該発光面と直交する方向に沿う軸線に対して同軸状に設けられ、前記発光面から放射された光が透過する光ガイドであって、
前記発光面に面した入射面と、
前記入射面の外周縁から前記軸線を取り囲むように前記発光面から遠ざかる方向に延出され、前記入射面から入射された光を全反射させるように構成された全反射面と、
前記入射面に対し前記軸線の軸方向に離れた位置に設けられ、前記全反射面で全反射された光が導かれる前記軸線と平行な第１の光拡散面を含む空洞部と、
前記空洞部に設けられた光拡散体と、
を備えた光ガイド。

[２] [１]に記載の光ガイドにおいて、前記光拡散体は、前記第１の光拡散面と向かい合う第２の光拡散面を有し、前記第１の光拡散面と前記第２の光拡散面との間に空気層が設けられた光ガイド。

[３] [１]に記載の光ガイドにおいて、前記光拡散体は、ソリッドな軸部と、前記軸部を取り囲む筒部と、を含み、前記筒部の外周面と前記第１の光拡散面との間に第１の空気層が設けられ、前記筒部の内周面と前記軸部の外周面との間に第２の空気層が設けられた光ガイド。

[４] [１]ないし[３]のいずれか一項に記載の光ガイドにおいて、前記空洞部は、前記第１の光拡散面から前記発光面に向けて前記軸線に近づくように傾斜された拡散領域を含む光ガイド。

[５] [１]ないし[４]のいずれか一項に記載の光ガイドにおいて、前記全反射面は、前記空洞部を取り囲む有限領域を有し、当該有限領域が前記入射面から遠ざかるに従い前記軸線に近づくように傾斜された光ガイド。

[６] [１]ないし[５]のいずれか一項に記載の光ガイドにおいて、前記全反射面は、前記軸線と直交する方向に広がるように湾曲された形状を有し、前記入射面は、前記空洞部に向けて凹むように球面状に湾曲された光ガイド。

[７] [１]ないし[５]のいずれか一項に記載の光ガイドにおいて、
前記第１の光拡散面から前記軸線と直交する方向に沿う前記軸線までの距離をＲ_１とし、
前記第１の光拡散面を内包した前記全反射面から前記軸線と直交する方向に沿う前記軸線までの最大距離をＲ_２とし、
前記第１の光拡散面の前記軸線の軸方向に沿う長さをＬとし、
前記光ガイドの全反射の臨界角をθ_Ｃとした時、
前記第１の光拡散面は、

を満たし、
前記光ガイドの臨界角θ_Ｃは、
前記光ガイドの屈折率をｎとした時、

を満たす光ガイド。

[８] [７]に記載の光ガイドにおいて、前記軸線の軸を含む面で前記光ガイドを切断した時に、前記全反射面は、前記全反射面上の任意な点から前記軸線に向かう法線ベクトルと、前記全反射面上の任意な点から前記発光面の外縁へ向かうベクトルとで規定される角度が前記臨界角θ_Ｃ以上となる形状を有する有限領域を含む光ガイド。

[９] [１]ないし[８]のいずれか一項に記載の光ガイドにおいて、前記第１の光反射面は、前記入射面に対し前記軸線の軸方向に沿う反対側に位置された先端を有し、
前記軸線の軸を含む面で前記光ガイドを切断した時に、前記第１の光拡散面の前記先端から前記軸線の軸方向に沿う前記発光面までの距離Ｈは、
前記発光面の周縁上の点から前記軸線と直交する方向に沿う前記軸線までの距離をＲ_３とした時、

を満たす光ガイド。

[１０] [９]に記載の光ガイドにおいて、前記発光面の発光面積をＣとした時、
前記距離Ｒ_３は、

を満たす光ガイド。

[１１] [６]に記載の光ガイドにおいて、前記軸線の軸を含む面で前記光ガイドを切断した時に、
前記入射面上の任意な点から前記軸線に直交する線分の長さが最小となる線分の前記軸線との交点を原点とし、
前記原点から前記軸線に沿って光が射出される方向をｚ方向とし、
前記ｚ方向と直交するとともに、前記原点から前記発光面に沿う方向をｘ方向とし、
ｘ軸上の点で、前記発光面の周縁に最も近い点から前記入射面上の任意な点までの最大距離をｌとし、
前記発光面の周縁から前記軸線と直交する方向に沿う前記軸線までの距離をＲ_３とすれば、
前記導光体の前記全反射面は、

で規定され、
媒介変数Θは、

の範囲に含まれる有限領域であり、
実数定数θ_ａは、

を満たし、
実数定数ｌは、

である光ガイド。

[１２] [１]ないし[７]のいずれか一項に記載の光ガイドにおいて、前記第１の光拡散面の前記軸線の軸方向に沿う長さをＬとした時、
前記長さＬは、

を満たす光ガイド。

１，５１，１００…照明装置（ＬＥＤランプ）、４…光源（発光モジュール）、６，５４，１０１…光ガイド、１１…半導体発光素子（発光ダイオード）、１４…発光面、１６，５８，１０３…導光体（導光柱）、１８，６０，１０６…入射面、１９，６１，１０７…外周面（全反射面）、２１，６２，１１１…空洞部、２６，６８，１１５…第１の光拡散面、Ｏ１…軸線（光軸）。

Claims (18)

1. 半導体発光素子を用いて面状に発光するように構成された発光面を有する光源と、
   前記発光面の重心を通って当該発光面と直交する方向に沿う軸線に対して同軸状に設け
   られ、前記光源の光を透過する導光体と、を具備し、
   前記導光体は、
   前記発光面に面した入射面と、
   前記入射面の外周縁から前記軸線を取り囲むように前記光源から遠ざかる方向に軸方向
   に延出され、前記入射面から前記導光体に入射された前記光源の光を全反射させるように
   構成された外周面と、
   前記入射面に対し前記軸線の軸方向に離れた位置に設けられ、前記外周面で全反射され
   た光が導かれる前記軸線と平行な第１の光拡散面を含む空洞部と、を有し、
   前記外周面は、前記空洞部を取り囲む有限領域を有し、当該有限領域が前記光源から遠ざ
   かるに従い前記軸線に近づくように傾斜された照明装置。
2. 請求項１に記載の照明装置において、前記導光体は、前記軸線に対し回転対称となる形
   状を有する照明装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の照明装置において、前記空洞部に設けられた光拡散体を
   さらに備えた照明装置。
4. 請求項３に記載の照明装置において、前記光拡散体は、前記導光体の前記第１の光拡散
   面と向かい合う第２の光拡散面を有し、前記第２の光拡散面が前記軸線と平行である照明
   装置。
5. 請求項４に記載の照明装置において、前記第１の光拡散面と前記第２の光拡散面との間
   に空気層が設けられた照明装置。
6. 請求項３に記載の照明装置において、前記光拡散体は、ソリッドな軸部と、前記軸部を
   取り囲む筒部と、を含み、前記筒部の外周面と前記第１の光拡散面との間に第１の空気層
   が設けられ、前記筒部の内周面と前記軸部の外周面との間に第２の空気層が設けられた照
   明装置。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の照明装置において、前記第１の光拡散
   面は、前記導光体に内包された照明装置。
8. 請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載の照明装置において、前記空洞部は、前
   記第１の光拡散面から前記発光面に向けて前記軸線に近づくように傾斜された拡散領域を
   含む照明装置。
9. 請求項１ないし請求項８のいずれか一項に記載の照明装置において、前記導光体を覆う
   グローブをさらに備えた照明装置。
10. 請求項９に記載の照明装置において、前記第１の光拡散面を含む前記空洞部が前記グロ
    ーブの中央部に位置された照明装置。
11. 請求項１ないし請求項８のいずれか一項に記載の照明装置において、
    前記第１の光拡散面から前記軸線と直交する方向に沿う前記軸線までの距離をＲ_１とし
    、
    前記第１の光拡散面を内包した前記外周面から前記軸線と直交する方向に沿う前記軸線
    までの最大距離をＲ_２とし、
    前記第１の光拡散面の前記軸線の軸方向に沿う長さをＬとし、
    前記導光体の全反射の臨界角をθ_Ｃとした時に、
    前記第１の光拡散面は、
    

    

    を満たし、
    前記導光体の臨界角θ_Ｃは、
    前記導光体の屈折率をｎとした時、
    

    

    を満たす照明装置。
12. 請求項１１に記載の照明装置において、前記軸線の軸を含む面で前記導光体を切断した
    時に、前記導光体の前記外周面は、前記外周面上の任意な点から前記軸線に向かう法線ベ
    クトルと、前記外周面上の任意な点から前記発光面の外縁へ向かうベクトルとで規定され
    る角度が臨界角θ_Ｃ以上となる形状を有する有限領域を含む照明装置。
13. 請求項１２に記載の照明装置において、前記外周面上の前記点は、前記法線ベクトルが
    前記軸線と直交し、かつ前記軸線までの距離が最大となる点を含む照明装置。
14. 請求項１１ないし請求項１３のいずれか一項に記載の照明装置において、前記導光体の
    前記第１の光拡散面は、前記入射面に対し前記軸線の軸方向に沿う反対側に位置された先
    端を有し、
    前記軸線の軸を含む面で前記導光体を切断した時に、前記第１の光拡散面の前記先端か
    ら前記軸線の軸方向に沿う前記発光面までの距離Ｈは、
    前記発光面の周縁上の点から前記軸線と直交する方向に沿う前記軸線までの距離をＲ_３
    とした時、
    

    

    を満たす照明装置。
15. 請求項１４に記載の照明装置において、前記発光面の発光面積をＣとした時、
    前記距離Ｒ_３は、
    

    

    を満たす照明装置。
16. 請求項１１に記載の照明装置において、
    前記軸線の軸を含む面で前記導光体を切断した時に、前記入射面上の任意な点から前記
    軸線に対し直交する線分の長さが最小となる線分の前記軸線との交点を原点とし、
    前記原点から前記軸線に沿って光が射出される方向をｚ方向とし、
    前記ｚ方向と直交するとともに、前記原点から前記発光面に沿う方向をｘ方向とし、
    前記入射面上の任意な点のうち前記発光面に対する距離が最も近い点を原点とし、
    ｘ軸上の点で、前記発光面の周縁に最も近い点から前記入射面上の任意な点までの最大
    距離をｌとし、
    前記発光面の周縁から前記軸線と直交する方向に沿う前記軸線までの距離をＲ_３とすれ
    ば、
    前記導光体の前記外周面は、
    

    

    で規定され、
    媒介変数Θは、
    

    

    の範囲に含まれる有限領域であり、
    実数定数θ_ａは、
    

    

    を満たし、
    実数定数ｌは、
    

    

    である照明装置。
17. 請求項１１に記載された照明装置において、前記第１の光拡散面の前記軸線の軸方向に
    沿う長さをＬとした時、
    前記長さＬは、
    

    

    を満たす照明装置。
18. 発光面の重心を通って当該発光面と直交する方向に沿う軸線に対して同軸状に設けられ
    、前記発光面から射出された光が透過する光ガイドであって、
    前記発光面に面した入射面と、
    前記入射面の外周縁から前記軸線を取り囲むように前記発光面から遠ざかる方向に軸方
    向に延出され、前記入射面から入射された光を全反射させるように構成された全反射面と
    、
    前記入射面に対し前記軸線の軸方向に離れた位置に設けられ、前記全反射面で全反射さ
    れた光が導かれる前記軸線と平行な第１の光拡散面を含む空洞部と、を具備し、
    前記全反射面は、前記空洞部を取り囲む有限領域を有し、当該有限領域が前記発光面から
    遠ざかるに従い前記軸線に近づくように傾斜された光ガイド。

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