JP7086780B2 - 光学素子、照明装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、色の均一性等を実現した光学素子に関する。

一般に照明装置には、配光制御、器具効率、コンパクト性、および照射面での色の均一性が求められる。照射面での色の均一性については、照明の品質を決定する要素として重要視される場合がある。

特開２００８－２２８７７０号公報

本発明が解決しようとする課題は、色の均一性等を向上した光学素子および照明装置を提供することである。

実施形態の光学素子は、可視光の入射面と、前記入射面から入射された前記可視光を散乱させる散乱面と、前記入射面と前記散乱面とを結ぶ柱状の導光部であって、前記可視光に対して透明な導光部と、前記導光部に設けられ周囲の部分よりもくびれたくびれ部と、前記散乱面と前記くびれ部との間で前記導光部に設けられた錐台形の拡径部と、を備える。前記導光部の中心軸に対して前記拡径部の外周面がなす角は、前記くびれ部を通過している前記可視光の発散角の最大値の１／２以下である。

図１は、第１実施形態の照明装置の光学素子の本体、光源、第２光源を示した斜視図である。 図２は、図１に示す照明装置の光学素子の本体、光源、第２光源を示した正面図である。 図３は、図２に示す光学素子の本体の拡径部の周囲を拡大して示す正面図である。 図４は、第２実施形態の照明装置の光学素子の本体、および凹面ミラー部を示した斜視図である。 図５は、図４に示す照明装置を導光部の中心軸を通る面で切断して示すとともに、光線追跡シミュレーション結果を示した断面図である。 図６は、図５に示す光線追跡シミュレーション結果を用いて計算した配光角分布を示す図である。 図７は、図５に示す光線追跡シミュレーション結果を用いて計算した照度分布を示す図である。 図８は、第３実施形態の照明装置の光学素子の本体およびハーフミラー部を示した斜視図である。 図９は、第１実施形態の照明装置の光学素子の本体、ハーフミラー部、光源、第２光源を示した正面模式図である。 図１０は、図９に示す照明装置を、光線追跡シミュレーション結果とともに示した斜視図である。

以下、実施形態にかかる照明装置およびこれに用いられる光学素子について詳細に説明する。各実施形態の照明装置は、例えば、室内灯や屋外灯として用いられる照明器具、医療現場において特に歯科の処置や外科手術の分野で用いられる医療用の照明器具、或いは車両のヘッドランプとして用いられる照明器具等に好適に用いることができる。

図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。

［第１実施形態］
図１に、本実施形態の照明装置の斜視図を示す。本実施形態の照明装置は、例えば、広い方位を照明することが可能（広配光）な照明（例えば、室内照明器具、屋外照明器具）を実現するものである。

図１、図２に示すように、照明装置１１は、光学素子１２（導光体、導光柱）と、光学素子１２の入射面２２に向けて光を射出する光源１３と、光源１３とは別に設けられ光学素子１２の本体１５の入射面２２に向けて光を射出する第２光源１４と、光源１３および第２光源１４を実装した基板１６（プリント配線板）と、を備える。光源１３および第２光源１４は、例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）で構成される。光源１３および第２光源１４は、発光ダイオードに限らず、有機ＥＬや、熱輻射を利用したフィラメント光源（電球等）、その他の発光素子で構成されてもよい。本実施形態において、光源１３および第２光源１４は、互いに異なる色の可視光を発するようにしてもよい。すなわち、光源１３は、例えば、青、赤、緑、黄、その他の色のうち、いずれか１色の可視光を発してもよいし，それらの色を組み合わせた白であってもよく、第２光源１４は、例えば、それらの色の可視光のうち、光源１３の発する可視光の色とは異なる色の可視光を発するようにしてもよい。一例として、光源１３は赤色の可視光を射出可能であり、第２光源１４は青色の可視光を射出可能である。

照明装置１１は、光源１３および第２光源１４の発光面１７とは反対側の裏面１８（基板１８の裏面）に、光源１３および第２光源１４を冷却するための冷却部２１が設けられていてもよい。冷却部２１は、ヒートシンクや複数の空冷用のフィン（放熱フィン）が設けられた冷却ブロックであってもよい。

光学素子１２は、本体１５を有する。本体１５は、一例として、中心軸Ｃ（或いは光軸）に対して回転対称形であることが好ましい。ここで回転対称形とは、中心軸Ｃに対して対象物を回転させたとき、回転角が３６０°未満でもとの形状に一致する形状を意味する。本実施形態では、本体１５は、例えば、円柱形で構成されるが、円柱形以外の回転対称形であってもよい。本体１５の形状としての回転対称形の他の例としては、四角柱形、三角柱形、五角柱形、その他多角形断面を有する多角柱形であってもよい。

このように本体１５が回転対称形をなす場合には、入射面２２に入射した光線束は本体１５の内部に伝搬するにつれて一様化しやすいという効果がある。つまり、光源１３の発する可視光と、第２光源１４の発する可視光との間で色が異なる場合には、両者を混ぜ合わせて色を均一化しやすいという効果がある。

さらに、光学素子１２の本体１５の形状は、回転対称形に限られるものではなく、どのような形状であってもよい。本体１５（導光部２４）の材料は、光（可視光）に対して透明な材料である。本実施形態では、本体１５の材料として、アクリル樹脂を用いている。アクリル樹脂の屈折率ｎは１．４９である。本体１５の材料は、アクリル樹脂に限定されるものではなく、例えば、ポリカーボネート樹脂やシリコーン樹脂などの透明な樹脂でもよいし、或いはガラスであってもよい。ガラスを用いた場合には、透明な樹脂材料を用いた場合よりも耐熱性が向上する。

本体１５の入射面２２は、光源１３および第２光源１４の発光面１７に対向して配置されている。本体１５の入射面２２は、例えば、平坦な面で構成される。光学素子１２の本体１５を構成する面のうち、光源１３の発光面１７に対向する面が入射面２２となる。入射面２２に対して光源１３の発光面１７および第２光源１４の発光面１７が直接密着されていてもよい。

光学素子１２の本体１５は、可視光が入射される入射面２２と、入射面２２から入射された可視光を散乱させる散乱面２３と、入射面２２と散乱面２３とを結ぶ柱状の導光部２４と、導光部２４に設けられ導光部２４の周囲の部分よりもくびれたくびれ部２５と、散乱面２３とくびれ部２５との間で導光部２４に設けられた拡径部２６と、を備える。散乱面２３は、例えば入射面２２に対向する位置に設けられているが、必ずしも対向していなくともよい。

散乱面２３は、例えば、平坦な面で構成される。散乱面２３は、平坦な面に限られるものではなく、曲面でもよいし、半球面であってもよい。散乱面２３は、例えば、本体１５の表面をサンドブラストなどの表面処理を行って、表面を荒らした面（粗面）で構成されてもよい。散乱面２３の表面粗さは、光の波長の１０分の１から１０倍までの範囲であることが好ましい．この場合、散乱面２３での反射率を例えば３０～７０％で設定することもできる。このとき、散乱面２３（粗面）で反射して散乱される光は、散乱面２３に入射される光全体の３０～７０％であり、残りの７０～３０％の光は、散乱面２３（粗面）を透過して拡散される。

散乱面２３は、粗面で構成されるものに限られず、例えば、本体の１つの面に白色塗料を所定の厚さで塗布して構成されてもよい。このように白色塗料を塗布して散乱面２３を形成した場合には、可視光が散乱面２３を透過することができず、散乱面２３は可視光を１００％反射させる反射面として機能する。この場合、散乱面２３は、可視光を周囲に散乱させつつ反射させる。また、白色塗料の厚さをこれよりも薄くすることで、散乱面２３での反射率を例えば３０～７０％にまで低下させることもできる。

散乱面２３の面積は、くびれ部２５を導光部２４の中心軸Ｃと直交する面で切断した断面の断面積よりも大きい。より好ましくは、散乱面２３の面積は、入射面２２の面積よりも大きい。

くびれ部２５は、導光部２４に設けられており、入射面２２から散乱面２３に至る途中の位置に設けられている。くびれ部２５は、入射面２２と散乱面２３との中間位置よりも、散乱面２３側に設けられている。より詳細には、くびれ部２５は、中間位置３１と散乱面２３との中間に位置する第２中間位置３２と、散乱面２３側との間の位置に設けられている。

くびれ部２５は、凹面２５Ａによってその外縁が規定される。くびれ部２５は、導光部２４内に通される可視光の凹面２５Ａにおける入射角を臨界角以上とするように窪んでいる。くびれ部２５は、導光部２４の外周面から窪んで形成されており、周囲の部分（導光部２４、拡径部２６）よりもくびれている。くびれ部２５は、導光部２４の中心軸Ｃと直交する方向から見たときに、略一定の曲率で外側から中心軸Ｃに向けて窪んでいる。言い換えると、くびれ部２５は、略一定の曲率で円弧状に湾曲するように凹んでいる。くびれ部２５の任意の位置において、中心軸Ｃと直交する面で断面をとったとき、当該複数の断面のうち少なくとも１つは、その外周縁が入射面２２の外周縁よりも内側に位置している。したがって、導光部２４の中心軸Ｃと直交する方向に関するくびれ部２５の断面積は、入射面２２の面積よりも小さい。

拡径部２６は、錐台形に形成されている。中心軸Ｃと直交する面で切断したときの拡径部２６の断面積および拡径部２６の直径は、くびれ部２５から散乱面２３に近づくにつれて、大きくなるように形成される。拡径部２６の形状は、くびれ部２５から散乱面２３に向けて断面積が広がるような形状とも言い換えられる。したがって、拡径部２６の任意の位置において、中心軸Ｃと直交する面で断面をとったとき、当該複数の断面のうち少なくとも１つは、その外周縁が入射面２２の外周縁よりも外側に位置している。また、散乱面２３の面積は、導光部２４の中心軸Ｃと直交する方向に関するくびれ部２５の断面積よりも大きい。散乱面２３の面積は、入射面２２の面積よりも大きい。

拡径部２６の外周面２６Ａが中心軸Ｃに対してなす角度は、くびれ部２５を通過している可視光の発散角の最大値（９０～１８０°）の１／２と同等か、それ以下の角度である。ここで発散角の平均値とは、図２に示すΘ_２である。

より好ましくは、図３に示すように、中心軸Ｃに対して拡径部２６の外周面２６Ａがなす角αは、導光部２４の中心軸Ｃに対して１／２Θ_２（図３においてΘの添え字の２は省略している）で傾いてくびれ部２５を通過している可視光の外周面２６Ａにおける入射角を臨界角以上にする角度で設定される。

次に、本実施形態の光学素子１２およびこれを用いた照明装置１１において、くびれ部２５の寸法の設定方法（計算方法）について説明する。

図２に光学素子１２の本体１５の正面図を示し、これに代表的な光線を同時に示した。各光線は、入射面２２から本体１５内に入射され、導光部２４の外周面２６Ａにおいて適宜に内部全半反射され、くびれ部２５においても内部全反射される。各光線は、さらに散乱面２３に到達し、散乱されつつ拡径部２６に向けて反射されるか、或いは散乱されつつ散乱面２３を透過して、外部へ直接に射出される。ここで、光線が外部へと射出される面を射出面とする。ただし、散乱面２３自体で光線が透過し、射出される場合もある。そのため、散乱面２３と射出面は領域が重なる場合もある。

ここで、臨界角をθｃとしたとき、θｃは、

で表される。そして、内部全反射は、本体１５の外縁に対する光線の入射角が臨界角以上となる場合に起こる。一方、本体１５の外縁に対する光線の入射角が臨界角未満となる場合には、光線は外部へと透過される。

入射面２２の断面積をＡ_１とし、その面における各点の平均的な発散角をΘ_１とする。ｎは、光学素子１２（導光部２４）を構成する材料の屈折率である。このとき量Ｅを

とすると、この量は光線束が伝搬されても保存される。これはエタンデュの保存則と呼ばれる。この保存則により、くびれ部２５における断面積（中心軸Ｃと直交する面に関するくびれ部２５の断面積）の最小値をＡ_２とし、その面における各点の平均的な発散角をΘ_２とすると、

が成り立つ。ここで、発散角Θ_２の最大値は１８０°であり、このときＡ_２は最小となる。つまり、

が成り立つ。ところで、入射面２２が中心軸Ｃと直交する場合、Θ_１は臨界角θｃと一致する。このとき、

が導ける。

続いて、本実施形態の光学素子の本体１５および照明装置１１の作用について説明する。
以上のように、くびれ部２５における断面積の最小値を式（５）で与えられるものとすることにより、くびれ部２５の寸法が決定できる。そして、このような寸法関係で形成された本体１５では、上記したエタンデュの保存則により、くびれ部２５を通過している光の発散角が最大化される。このように発散角を大きくした光を散乱面２３で散乱させることにより、本体１５および照明装置１１において広配光化が行われる。

くびれ部２５における断面積の最小値を、理論的に許容される最小の断面積にすることにより、光線束の各光線の距離が最大限に近づけられる。これによって、異なる色の光線を最大限まで近づけ、互いに混色がなされる。なお、混色の要否については、照明装置１１の用途において異なるため、すべての製品仕様において、混色が必須となるわけではない。

さらに、くびれ部２５は、導光部２４内に通される可視光の凹面２５Ａにおける入射角を臨界角以上とするように窪んでいる。このため、くびれ部２５の凹面２５Ａに入射される光については、凹面２５Ａにおいて内部全反射される。このため、本体１５の途中で光が漏れてしまう等のロスを生じない。したがって、くびれ部２５で広がった発散角を有する光線は、本体１５の外縁で透過されることなく、拡径部２６および散乱面２３に到達する。そのため、効率的に全光線束を散乱面２３に導くことができるとともに、散乱面２３における散乱によるさらなる広配光化と、混色とが実現される。

拡径部２６の外周面２６Ａが中心軸Ｃに対してなす角度αは、１／２Θ_２と同等か、それ以下の角度である。したがって、例えば、拡径部２６の外周面２６Ａが中心軸Ｃに対してなす角度が、１／２Θ_２で設定される場合には、導光部２４を発散角の最大値で通過している可視光、すなわち導光部２４の中心軸Ｃに対して１／２Θ_２で傾いてくびれ部を通過している可視光と、拡径部２６の外周面２６Ａとが平行になる。このため、拡径部２６を通る可視光の大部分を拡径部２６内に保持することができ、拡径部２６の外周面２６Ａから可視光が周囲に漏れ出すことがほとんどない。

或いは、拡径部２６の外周面２６Ａが中心軸Ｃに対してなす角αは、導光部２４の中心軸Ｃに対して１／２Θ_２で傾いてくびれ部２５を通過している可視光の外周面２６Ａにおける入射角を臨界角以上にする角度である。この場合には、図３に示すように、くびれ部２５を通過する可視光が拡径部２６の外周面２６Ａにおいて内部全反射される。このため、拡径部２６の外周面２６Ａから可視光が周囲に漏れ出すことがない。

散乱面２３に到達した可視光は、散乱面２３で透過して周囲に散乱されるか、或いは、散乱面２３において周囲に拡散するように反射される。これによって、広配光な光学素子１２およびこれを備えた照明装置１１が実現される。

或いは、散乱面２３が白色塗料を塗布して形成した反射面で実現される場合には、くびれ部で大きな発散角で通過する可視光をそのまま広角に反射することができる。このため、広配光な光学素子１２およびこれを備えた照明装置１１が実現される。

実施形態によれば、以下のことがいえる。

光学素子１２は、可視光の入射面２２と、入射面２２から入射された前記可視光を散乱させる散乱面２３と、入射面２２と散乱面２３とを結ぶ柱状の導光部２４であって、前記可視光に対して透明な導光部２４と、導光部２４に設けられ周囲の部分よりもくびれたくびれ部２５と、を備える。

この構成によれば、くびれ部２５において、導光部２４の途中で導光部２４の断面積を絞ることができる。これによって、くびれ部２５においてくびれ部２５を通る可視光同士を混色して色を均一にすることができる。これによって、この光学素子１２を搭載した照明装置１１の用途に応じて、可視光が照射される照射面において、適切な色を表現できる。特に、医療・診断の用途や工業製品の検査の用途では、対象物の色彩が重要な判断基準になることが多い。このため、照射面における色彩は、照明の品質を決定する重要な要素となっている。家庭用の用途であっても、対象物の色彩を適切に表現できることが照明の品質を決める重要な要素であることに変わりない。上記構成によれば、光源から射出される光同士を適切に混ぜて混色し、適切対象物の色彩を適切に表現することができる。これによって、使い勝手が良く高品質な光学素子１２およびこれを用いた照明装置１１を実現できる。

また、くびれ部２５において導光部２４の断面積が小さくできるために、エタンデュの保存則により、くびれ部２５を通過している光の発散角を大きくすることができる。このように、くびれ部２５で発散角が大きくなった可視光を散乱面２３で周囲に散乱することができ、容易に広配光化することが可能な光学素子１２を実現できる。

この場合、くびれ部２５は、凹面２５Ａによって外縁が規定されるとともに、導光部２４内に通される前記可視光の凹面２５Ａにおける入射角を臨界角以上とするように窪んでいる。この構成によれば、凹面２５Ａに入射される可視光を光学素子１２内で全反射（内部全反射）させることができる。

導光部２４の中心軸Ｃと直交する方向に関するくびれ部２５の断面積は、入射面２２の面積よりも小さい。この構成によれば、入射面２２に比してくびれ部２５の断面積を小さくすることができる。エタンデュの保存則を表す式（３）から、中心軸Ｃと直交する面で切断したくびれ部２５の断面積が小さくなれば、当該くびれ部２５を通る可視光の発散角が大きくなる。このため、くびれ部２５において可視光の発散角を大きくすることができる。このように発散角が大きくなった可視光をそのまま散乱面２３に入射させることで、散乱面２３を透過し或いは散乱面２３で反射される可視光によって、広配光化を実現できる。さらに、散乱面２３での光の散乱効果によって、さらに広配光な光学素子１２およびこれを備えた照明装置１１を実現できる。

この場合、入射面２２の面積をＡ_１、中心軸Ｃと直交する面に関するくびれ部２５の断面積の最小値をＡ_２、屈折率をｎとしたとき、

である。この構成によれば、くびれ部２５において中心軸Ｃと直交する面で切断した断面積が最小となる部分を通過する可視光の発散角を最大にすることができる。これによって、くびれ部で当該断面積が最小となる部分において、可視光を広げることができ、これをそのまま散乱面２３で周囲に散乱させるようにすれば、広配光な光学素子１２およびこれを備えた照明装置１１を実現できる。また、くびれ部２５における断面積の最小値を、同時に断面積を理論的に許容される範囲内で最小にすることにより、光線束の各光線の距離を最大限に近づけることができる。つまり、異なる色の光線を最大限まで近づけ、混色することが可能となる。

このとき、凹面２５Ａは、導光部２４の中心軸Ｃと直交する方向から見たときに、略一定の曲率で湾曲している。この構成によれば、光学素子１２の形状を簡略化して、光学素子１２の製造（射出成形或いは機械加工）に要する費用を低減できる。

くびれ部２５は、入射面２２と散乱面２３との間の中間位置３１よりも散乱面２３側に設けられる。くびれ部２５を設けて可視光の発散角を大きくすると、それだけ導光部２４（光学素子１２）の側面（外縁）から漏れ出す光も多くなり、ロスが大きくなることが予想される。上記の構成によれば、くびれ部２５を散乱面２３に寄った位置に配置できるため、導光部２４の側面から漏れ出す光を最小限にすることができる。これによって、ロスが少なく、広配光な光学素子１２およびこれを備えた照明装置１１を実現できる。

散乱面２３の面積は、導光部２４の中心軸Ｃと直交する方向に関するくびれ部２５の断面積よりも大きい。仮に散乱面２３の面積がくびれ部２５の断面積と同等であるとすると、くびれ部２５において発散角が大きくなった可視光のうちの何割かは、散乱面２３に照射されることなく、導光部２４（光学素子１２）から外部に透過してしまう可能性がある。上記の構成によれば、くびれ部２５において発散角が大きくなった可視光を散乱面２３において適切に受けて、当該光を周囲に適切に散乱させることができる。このため、導光部２４（光学素子１２）の途中から外部に透過してしまう可視光のロスを低減して、器具効率（光源の全光束に対し、照明として利用される光束の割合）が高くて広配光な光学素子１２およびこれを備えた照明装置１１を実現できる。なお、器具効率としては、８０％以上となることが製品として合格ラインであるところ、本実施形態によれば、８０％以上の器具効率を実現できる。

この場合、散乱面２３の面積は、入射面２２の面積よりも大きい。この構成によれば、上記の場合よりも、さらに確実に発散角が大きくなった可視光を散乱面２３で受けることができる。これによって、導光部２４（光学素子１２）の途中から外部に漏れる可視光のロスを低減して、高効率で広配光な光学素子１２およびこれを備えた照明装置１１を実現できる。

導光部２４の中心軸Ｃに対して拡径部２６がなす角は、くびれ部２５を通過している前記可視光の発散角の最大値の１／２以下である。この構成によれば、くびれ部２５において発散角が大きくなった可視光が、拡径部２６の外周面２６Ａを通して光学素子１２の外部に漏れだしてしまうことを防止できる。これによって、拡径部２６で生じる可視光のロスを低減して、高効率で広配光な光学素子１２およびこれを備えた照明装置１１を実現できる。

導光部２４の中心軸Ｃに対して拡径部２６の外周面２６Ａがなす角は、中心軸Ｃに対して前記可視光の発散角の平均値の１／２で傾いてくびれ部２５を通過している前記可視光の外周面２６Ａにおける入射角を臨界角以上にする角度で設定される。この構成によれば、上記のように、中心軸Ｃに対して拡径部２６がなす角をくびれ部２５を通過している前記可視光の発散角の平均値以下とした場合に比して、拡径部２６をコンパクト化することができる。また、上記構成によれば、拡径部２６の外周面に入射される可視光について、内部全反射をさせることができるために、拡径部２６の外周面を透過して光学素子１２の外部に光が漏れ出してしまうことを防止できる。これによって、器具効率が高く広配光であるだけでなく、コンパクト化が実現された光学素子１２およびこれを備えた照明装置１１を実現できる。

導光部２４は、その中心軸Ｃに対して回転対称形である。この構成によれば、導光部２４の形状を単純にして、光学素子１２を製造するための製造コストを低減できる。また、異なる光源からの光を混ぜ合わせて色を均一化しやすくできる。

散乱面２３は、表面処理によって表面粗さを所定値よりも荒くした面で構成される。この構成によれば、散乱面２３に到達した可視光を適切に散乱して、広配光な光学素子１２およびこれを備えた照明装置１１を実現できる。

散乱面２３は、導光部２４の表面に白色塗料を塗布した面で構成される。この構成によれば、くびれ部２５で大きな発散角になった可視光をそのまま散乱面２３で広角に反射させることができる。これによって、広配光な光学素子１２およびこれを備えた照明装置１１を実現できる。

照明装置１１は、上記の光学素子１２と、入射面２２に対向する位置に設けられ前記可視光を射出する光源１３と、を備える。この構成によれば、散乱面２３において広角に可視光を透過又は反射させることが可能な広配光な光学素子１２およびこれを備えた照明装置１１を実現できる。

照明装置１１は、入射面２２に対向する位置に設けられ、光源１３が射出する前記可視光の色とは異なる色の可視光を射出する第２光源１４と、を備える。

この構成によれば、光源１３から射出される可視光と、第２光源１４から射出され光源１３から射出される可視光とは異なる色の可視光と、をくびれ部２５を用いて効率よく混色することができる。

光源１３の入射面２２と対向する面とは反対側に、光源１３を冷却するための冷却部２１を備える。この構成によれば、光源１３の過加熱を防止することができ、信頼性の高い照明装置１１を実現できる。

続いて、第２実施形態および第３実施形態の照明装置１１について説明する。以下では、主として第１実施形態の照明装置１１および光学素子１２と異なる部分について説明し、第1実施形態と共通する部分については、図示或いは説明を省略する。

［第２実施形態］
本実施形態は、狭い方位に向けてスポット的に照明することが可能な照明（いわゆる、狭配光な照明）を実現するものである。本実施形態の照明装置１１の用途の例としては、医療用途（歯科、外科）や移動体（自動車、列車）のヘッドランプが挙げられる。

図４に、照明装置１１の斜視図を示し、図５に、光学素子１２の本体１５の中心軸Ｃに沿う面で切断した照明装置１１の断面図を示す。

図４、図５に示すように、照明装置１１は、光学素子１２と、光学素子１２の本体１５の入射面２２に向けて光を射出する光源１３と、光源１３とは別に設けられ光学素子１２の本体１５の入射面２２に向けて光を射出する第２光源１４と、を備える。光学素子１２は、第１実施形態と同形態の本体１５と、本体１５の周囲を取り囲むように設けられた凹面ミラー部３４（リフレクタ）と、を有する。

照明装置１１は、光源１３および第２光源１４の発光面１７とは反対側の裏面１８に、光源１３および第２光源１４を冷却するための冷却部２１が設けられていてもよい。冷却部２１は、ヒートシンクや複数の空冷用のフィンが設けられた冷却ブロックであってもよい。

凹面ミラー部３４は、一般的な凹面鏡で構成されている。凹面ミラー部３４のミラー部分の断面形状は、例えば、放物線形状をなしている。凹面ミラー部３４の断面形状は、放物線形状に限られるものではなく、半楕円形状、その他の形状であってもよい。凹面ミラー部３４の底部３４Ａには、これを貫通する貫通孔状の底孔部３５が設けられる。凹面ミラー部３４の底孔部３５は、入射面２２側に設けられている。底孔部３５の内側に、光学素子１２の本体１５の導光部２４が通されている。

本実施形態では、凹面ミラー部３４は、例えば、円柱形の頂面から窪んだ凹面に反射ミラーが形成されている。凹面ミラー部３４は、窪んだ凹面を有するベース部分３６と、ベース部分３６の凹面に形成された反射面３７と、を有する。ベース部分３６は、例えば、ガラスで構成されているが、これに限られるものではなく、合成樹脂材料等によって形成されてもよい。

反射面３７は、凹面に対して鏡面を形成することで形成される。鏡面は、一般的な鏡の形成法で形成される。鏡面は、例えば銀引製法で銀膜を形成することで作成されてもよいし、或いは真空メッキ製法で凹面に反射金属膜を蒸着することで形成されてもよい。凹面ミラー部３４の構成はこれに限られるものではなく、例えば、ベース部分３６を省略してもよいし、ベース部分３６の断面形状を反射面３７と同じく放物線形状又は半楕円形状にしてもよい。

光学素子１２の本体１５の散乱面２３は、導光部２４を通る光のすべてを拡散反射させ、散乱面２３を透過させない反射面で構成される。この散乱面２３（反射面）は、例えば、白色塗料を所定の厚さ以上の厚さで塗布して形成されてもよいし、或いは、一般的なミラーで形成されてもよい。散乱面２３は、放物線形の凹面ミラー部３４の焦点位置又は焦点位置の近傍に位置される。

続いて、本実施形態の光学素子１２の本体１５および照明装置１１の作用について説明する。
光源１３および第２光源１４から発せられた各光線は、いったん入射面２２から光学素子１２の本体１５内に入射し、本体１５の側面（外縁）で内部全反射される。さらに、くびれ部２５において光線束が集光され、くびれ部２５を通る可視光の発散角が大きくなり、広配光化が行われる。くびれ部２５から散乱面２３に向かう光線束は、光学素子１２の側面から透過されることなく、散乱面２３に到達することができる。散乱面２３に到達した光線束は、散乱面２３で拡散反射され、凹面ミラー部３４（リフレクタ）に向かう。散乱面２３が焦点位置又は焦点位置の近傍に位置されるため、凹面ミラー部３４に到達した光線束は、凹面ミラー部３４で反射され平行光或いは狭配光の光となる。以上により、全光線束をロスなく凹面ミラー部３４で効率的に反射させることが可能となる。図５では光線追跡シミュレーション結果を示しており、この図により、全光線束がロスなく反射され平行光或いは狭配光の光が生成されることを示される。

本実施形態に対し、光線追跡シミュレーションを用いて配光分布および照度分布を計算した結果を図６、図７に示す。この図より、十分な狭配光（１／２配光角が約１０°）が実現できていることがわかる。なお、図６中で１Ｅ＋０４は、１×１０^４の意味である。図６の単位はLuxである。

第２実施形態によれば、光学素子１２は、入射面２２側に底孔部３５が設けられた凹面ミラー部３４であって、底孔部３５に導光部２４が通された凹面ミラー部３４を備え、散乱面２３は、凹面ミラー部３４の焦点位置又は前記焦点位置の近傍に設けられる。

この構成によれば、散乱面２３が焦点位置又は焦点位置の近傍に位置しているために、散乱面２３で反射して凹面ミラー部３４に向かう光から簡単に平行光或いは狭配光の光が得られる。また、上記構成によれば、底孔部３５に導光部２４が通されるために、入射面２２を凹面ミラー部３４の外側に配置することができる。このため、入射面２２の位置に光源１３を置いた場合でも、光源１３が凹面ミラー部３４で反射した光を遮蔽することがなく、器具効率のよい光学素子１２およびこれを備えた照明装置１１を実現できる。

散乱面２３は、くびれ部２５を通る可視光を反射可能な反射面で構成される。この構成によれば、導光部２４内を通る可視光を散乱面２３において確実に反射させることができる。特に、凹面ミラー部３４を設けた本実施形態の場合には、散乱面２３を可視光が透過することなく、凹面ミラー部３４に向けて確実に光を反射できるために、所望の平行光や狭配光の光を得ることができる。

従来では、凹面ミラー部３４（リフレクタ）と光源１３を正対させ、かつ凹面ミラー部３４の焦点位置に光源１３を配置することは、光源１３が空中に浮くような構造となってしまうために困難であった。そのため、凹面ミラー部３４の底部３４Ａに光源１３を置き、光源１３から光線が射出する方向に沿って凹面ミラー部３４を十分に伸長させ、凹面ミラー部３４に当たらない光線はロスと考え、器具効率（光源の全光束に対し、照明として利用される光束の割合）を犠牲にすることが一般的であった。上記の構成によれば、光源１３が宙に浮いてしまうような配置上の問題を解消できるとともに、散乱面２３で可視光を確実に反射することで、ほとんどの可視光を凹面ミラー部３４に向かわせることができるために、器具効率の高い光学素子１２およびこれを備えた照明装置１１を実現できる。

照明装置１１は、光源１３の入射面２２と対向する面とは反対側に、光源１３を冷却するための冷却部２１を備える。この構成によれば、光源１３の放熱を促進して高信頼性の照明装置１１を実現できる。

［第３実施形態］
本実施形態の光学素子１２およびこれを備えた照明装置１１は、光源１３から射出された可視光と、第２光源１４から射出された可視光と、の間で効率的な混色を実現する。

図８、図９に示すように、照明装置１１は、光学素子１２（導光体、導光柱）の本体１５と、本体１５の入射面２２に向けて光を射出する光源１３と、光源１３とは別に設けられ本体１５の入射面２２に向けて光を射出する第２光源１４と、を備える。光学素子１２は、本体１５を有する。光学素子１２は、必要に応じて上記第２実施形態の凹面ミラー部３４を有していても良い。

本実施形態において、光源１３および第２光源１４は、互いに異なる色の可視光を発するようにしてもよい。光源１３は、例えば、白、青、赤、緑、黄、その他の色のうち、いずれか１色の可視光を発し、第２光源１４は、例えば、それらの色の可視光のうち、光源１３の発する可視光の色とは異なる色の可視光を発するようにしてもよい。一例として、光源１３は赤色の可視光を射出可能であり、第２光源１４は青色の可視光を射出可能である。

光学素子１２の本体１５は、例えば四角柱形で構成されるが、四角柱形以外の回転対称形であってもよい。回転対称形の他の例としては、円柱形、三角柱形、五角柱形、その他多角形断面を有する多角柱形であってもよい。

光学素子１２の本体１５は、入射面２２と、入射面２２から入射された可視光が射出される射出面４１と、入射面２２と射出面４１とを結ぶ柱状の導光部２４と、入射面２２、射出面４１、および導光部２４を貫通するように設けられたハーフミラー部４５と、ハーフミラー部４５に対して一方側で入射面２２に設けられる第１光源設置領域４６と、前記一方側に対してハーフミラー部４５を間に挟んだ反対側で入射面に設けられる第２光源設置領域４７と、を有する。

本体１５の材料は、光（可視光）に対して透明な材料である。本実施形態では、本体１５の材料として、アクリル樹脂を用いている。本体１５の材料は、アクリル樹脂に限定されるものではなく、例えば、ポリカーボネート樹脂やシリコーン樹脂などの透明な樹脂でもよいし、或いはガラスであってもよい。

ハーフミラー部４５は、例えば、平板状をなしており、導光部２４の中央部を通るように配置される。ハーフミラー部４５は、例えば、導光部２４を２つに均等或いは略均等に分断するように設けられる。ハーフミラー部４５は、例えば、貫通孔部列５２で構成される。貫通孔部列５２は、貫通孔部５１を一列に複数並べて構成されている。したがって、貫通孔部列５２には複数の貫通孔部５１が含まれる。各貫通孔部５１は、入射面２２、射出面４１、および導光部２４を貫通している。

貫通孔部５１は、一定の間隔で一列に並んで設けられている。貫通孔部５１同士の間隔は、例えば貫通孔部５１の直径と同等か、或いは略同等である。貫通孔部５１の断面形状は、例えば円形であるが、これに限られるものではなく、楕円形、その他の形状であってもよい。

ハーフミラー部４５の構成は、これに限られるものではなく、貫通孔部列５２に代えて、例えば１個の貫通孔部で構成されてもよい。この場合、ハーフミラー部４５を構成する１個の貫通孔部の直径は、貫通孔部列５２に含まれる貫通孔部５１の直径よりも大きくてもよいし、或いは貫通孔部列５２に含まれる貫通孔部５１の直径と同等であってもよい。ハーフミラー部４５は、一般的なハーフミラー、すなわち、入射光の約５０％を透過させ、入射光の約５０％を反射させるミラー等で構成されてもよい。

図９、図１０を参照して、本実施形態の光学素子１２およびこれを備えた照明装置１１の作用について説明する。

本実施形態において、光源１３および第２光源１４から入射面２２に射出された光は、導光部２４を通って中央部に設けられたハーフミラー部４５にほとんどの光線がいったん集められる。すなわち、光源１３又は第２光源１４から射出される光のうち、ハーフミラー部４５のある方向に射出される光は、そのままハーフミラー部４５に集められる。一方、ハーフミラー部４５とは逆方向に射出される光は、導光部２４の外周面で内部全反射されてハーフミラー部４５に集められる。ハーフミラー部４５を通過する光線のうち、半分は各貫通孔部５１の外縁において内部全反射（１００％反射）される。ハーフミラー部４５を通過する光線のうち、他の半分は、貫通孔部５１同士の間を通過するために全透過（１００％透過）する。したがって、このような構造を採用することで、複数の光源１３からの可視光同士を容易に混色して、色の均一化を図ることができる。光線追跡シミュレーションを行ったところ、図１０に示すように、光源１３から射出される可視光と、第２光源１４から射出される可視光と、の間で混色が十分になされたことが確認できた。

本実施形態によれば、以下のことがいえる。
光学素子１２は、可視光の入射面２２と、入射面２２から入射された前記可視光が射出される射出面４１と、入射面２２と射出面４１とを結ぶ柱状の導光部２４であって、前記可視光に対して透明な導光部２４と、入射面２２、射出面４１、および導光部２４を貫通するように設けられたハーフミラー部４５と、ハーフミラー部４５に対して一方側で、入射面２２に設けられる第１光源設置領域４６と、前記一方側に対してハーフミラー部４５を間に挟んだ反対側で、入射面２２に設けられる第２光源設置領域４７と、を備える。

この構成によれば、ハーフミラー部４５を設けた簡単な構造によって、第１光源設置領域４６から入射される可視光と、第２光源設置領域４７から入射される可視光と、を簡単に混色することができる。

ハーフミラー部４５は、入射面２２、射出面４１、および導光部２４を貫通する貫通孔部５１を一列に複数並べて構成した貫通孔部列５２である。この構成によれば、実際に鏡を形成することなく、ハーフミラー部４５を貫通孔部列５２を用いた簡単な構造によって実現することができる。

貫通孔部列５２に含まれる貫通孔部５１同士の間隔は、貫通孔部５１の直径に略等しい。この構成によれば、第１光源設置領域４６から入射される可視光のうち、５０％を第２光源設置領域４７側に透過させ、５０％を第２光源設置領域４６側に反射させる構成を簡単に実現できる。同様に、上記構成によれば、第２光源設置領域４７から入射される可視光のうち、５０％を第１光源設置領域４６側に透過させ、５０％を第２光源設置領域４７側に反射させる構成を簡単に実現できる。

貫通孔部５１の断面形状は、円形である。この構成によれば、貫通孔部５１の構成を簡単にして、光学素子１２の加工に要するコストを低減できる。

照明装置１１は、上記の光学素子１２と、第１光源設置領域４６に設けられ、前記可視光を射出する光源１３と、第２光源設置領域４７に設けられ、光源１３が射出する前記可視光の色とは異なる色の前記可視光を射出する第２光源１４と、を備える。

この構成によれば、光源１３からの可視光と第２光源１４からの可視光とを容易に混色することが可能な照明装置を簡単な構造で実現できる。

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。これらの実施形態は、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同様に、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ものである。また、各実施形態及び変形例に記載された発明を適宜に組み合わせて一つの発明を実現することも当然にできる。
［付記］
以下に、本願の出願時の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
（１）
可視光の入射面と、
前記入射面から入射された前記可視光を散乱させる散乱面と、
前記入射面と前記散乱面とを結ぶ柱状の導光部であって、前記可視光に対して透明な導光部と、
前記導光部に設けられ周囲の部分よりもくびれたくびれ部と、
を備える光学素子。
（２）
前記入射面側に底孔部が設けられた凹面ミラー部であって、前記底孔部に前記導光部が通された凹面ミラー部を備え、
前記散乱面は、前記凹面ミラー部の焦点位置又は前記焦点位置の近傍に設けられる（１）に記載の光学素子。
（３）
前記くびれ部は、凹面によって外縁が規定されるとともに、前記導光部内に通される前記可視光の前記凹面における入射角を臨界角以上とするように窪んでいる（１）又は（２）に記載の光学素子。
（４）
前記導光部の中心軸と直交する方向に関する前記くびれ部の断面積は、前記入射面の面積よりも小さい（１）～（３）のいずれか１に記載の光学素子。
（５）
前記入射面の面積をＡ _１ 、中心軸と直交する面に関する前記くびれ部の断面積の最小値をＡ _２ 、屈折率をｎとしたとき、

である（４）に記載の光学素子。
（６）
凹面は、前記導光部の中心軸と直交する方向から見たときに、略一定の曲率で湾曲している（１）～（５）のいずれか１に記載の光学素子。
（７）
前記くびれ部は、前記入射面と前記散乱面との間の中間位置よりも前記散乱面側に設けられる（１）～（６）のいずれか１項に記載の光学素子。
（８）
前記散乱面の面積は、前記導光部の中心軸と直交する方向に関する前記くびれ部の断面積よりも大きい（１）～（７）のいずれか１に記載の光学素子。
（９）
前記散乱面の面積は、前記入射面の面積よりも大きい（８）に記載の光学素子。
（１０）
前記散乱面と前記くびれ部との間で前記導光部に設けられた錐台形の拡径部を備え、 前記導光部の中心軸に対して前記拡径部の外周面がなす角は、前記くびれ部を通過している前記可視光の発散角の最大値の１／２以下である（１）～（９）のいずれか１に記載の光学素子。
（１１）
前記導光部の中心軸に対して前記拡径部の外周面がなす角は、前記中心軸に対して前記可視光の発散角の最大値の１／２で傾いて前記くびれ部を通過している前記可視光の前記外周面における入射角を臨界角以上にする角度で設定される（１０）に記載の光学素子。
（１２）
前記導光部は、その中心軸に対して回転対称形である（１）～（１１）のいずれか１項に記載の光学素子。
（１３）
前記散乱面は、表面処理によって表面粗さを所定値よりも荒くした面で構成される（１）～（１２）のいずれか１に記載の光学素子。
（１４）
前記散乱面は、前記くびれ部を通る前記可視光を反射可能な反射面で構成される（１）～（１２）のいずれか１に記載の光学素子。
（１５）
（１）～（１４）のいずれか１に記載の光学素子と、
前記入射面に対向する位置に設けられ前記可視光を射出する光源と、
を備える照明装置。
（１６）
前記入射面に対向する位置に設けられ、前記光源が射出する前記可視光の色とは異なる色の可視光を射出する第２光源と、
を備える（１５）に記載の照明装置。
（１７）
前記光源の前記入射面と対向する面とは反対側に、前記光源を冷却するための冷却部を備える（１５）又は（１６）に記載の照明装置。

以下に、他の形態にかかる発明について付記する。
［１］
可視光の入射面と
前記入射面から入射された前記可視光が射出される射出面と、
前記入射面と前記射出面とを結ぶ柱状の導光部であって、前記可視光に対して透明な導光部と、
前記入射面、前記射出面、および前記導光部を貫通するように設けられたハーフミラー部と、
前記ハーフミラー部に対して一方側で、前記入射面に設けられる第１光源設置領域と、
前記一方側に対して前記ハーフミラー部を間に挟んだ反対側で、前記入射面に設けられる第２光源設置領域と、
を備える光学素子。
［２］
ハーフミラー部は、前記入射面、前記射出面、および前記導光部を貫通する貫通孔部を一列に複数並べて構成した貫通孔部列である［１］に記載の光学素子。
［３］
前記貫通孔部列に含まれる前記貫通孔部同士の間隔は、前記貫通孔部の直径に略等しい［２］に記載の光学素子。
［４］
ハーフミラー部は、前記入射面、前記射出面、および前記導光部を貫通する貫通孔部である［１］に記載の光学素子。
［５］
前記貫通孔部の断面形状は、円形である［２］～［４］のいずれか１項に記載の光学素子。
［６］
前記導光部は、その中心軸に対して回転対称形である［１］～［５］のいずれか１項に記載の光学素子。
［７］
［１］～［６］のいずれか１項に記載の光学素子と、
前記第１光源設置領域に設けられ、前記可視光を射出する光源と、
前記第２光源設置領域に設けられ、前記光源が射出する前記可視光の色とは異なる色の前記可視光を射出する第２光源と、
を備える照明装置。

１１…照明装置、１２…光学素子、１３…光源、１４…第２光源、１５…本体、１６…基板、２１…冷却部、２２…入射面、２３…散乱面、２４…導光部、２５…くびれ部、２５Ａ…凹面、２６…拡径部、２６Ａ…外周面、３１…中間位置、３４…凹面ミラー部、３５…底孔部、Ｃ…中心軸。

Claims (16)

1. 可視光の入射面と、
   前記入射面から入射された前記可視光を散乱させる散乱面と、
   前記入射面と前記散乱面とを結ぶ柱状の導光部であって、前記可視光に対して透明な導光部と、
   前記導光部に設けられ周囲の部分よりもくびれたくびれ部と、
   前記散乱面と前記くびれ部との間で前記導光部に設けられた錐台形の拡径部と、
   を備え、
   前記導光部の中心軸に対して前記拡径部の外周面がなす角は、前記くびれ部を通過している前記可視光の発散角の最大値の１／２以下である光学素子。
2. 前記入射面側に底孔部が設けられた凹面ミラー部であって、前記底孔部に前記導光部が通された凹面ミラー部を備え、
   前記散乱面は、前記凹面ミラー部の焦点位置又は前記焦点位置の近傍に設けられる請求項１に記載の光学素子。
3. 前記くびれ部は、凹面によって外縁が規定されるとともに、前記導光部内に通される前記可視光の前記凹面における入射角を臨界角以上とするように窪んでいる請求項１又は請求項２に記載の光学素子。
4. 前記導光部の中心軸と直交する方向に関する前記くびれ部の断面積は、前記入射面の面積よりも小さい請求項１～３のいずれか１項に記載の光学素子。
5. 前記入射面の面積をＡ_１、前記導光部の中心軸と直交する面に関する前記くびれ部の断面積の最小値をＡ_２、屈折率をｎとしたとき、
   

   

   である請求項４に記載の光学素子。
6. 前記くびれ部は、凹面によって外縁が規定され、
   前記凹面は、前記導光部の中心軸と直交する方向から見たときに、略一定の曲率で湾曲している請求項１～５のいずれか１項に記載の光学素子。
7. 前記くびれ部は、前記入射面と前記散乱面との間の中間位置よりも前記散乱面側に設けられる請求項１～６のいずれか１項に記載の光学素子。
8. 前記散乱面の面積は、前記導光部の中心軸と直交する方向に関する前記くびれ部の断面積よりも大きい請求項１～７のいずれか１項に記載の光学素子。
9. 前記散乱面の面積は、前記入射面の面積よりも大きい請求項８に記載の光学素子。
10. 前記導光部の中心軸に対して前記拡径部の外周面がなす角は、前記中心軸に対して前記可視光の発散角の最大値の１／２で傾いて前記くびれ部を通過している前記可視光の前記外周面における入射角を臨界角以上にする角度で設定される請求項１に記載の光学素子。
11. 前記導光部は、前記導光部の中心軸に対して回転対称形である請求項１～１０のいずれか１項に記載の光学素子。
12. 前記散乱面は、表面処理によって表面粗さを所定値よりも荒くした面で構成される請求項１～１１のいずれか１項に記載の光学素子。
13. 前記散乱面は、前記くびれ部を通る前記可視光を反射可能な反射面で構成される請求項１～１１のいずれか１項に記載の光学素子。
14. 請求項１～１３のいずれか１項に記載の光学素子と、
    前記入射面に対向する位置に設けられ前記可視光を射出する光源と、
    を備える照明装置。
15. 前記入射面に対向する位置に設けられ、前記光源が射出する前記可視光の色とは異なる色の可視光を射出する第２光源と、
    を備える請求項１４に記載の照明装置。
16. 前記光源の前記入射面と対向する面とは反対側に、前記光源を冷却するための冷却部を備える請求項１４又は請求項１５に記載の照明装置。
    

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