JPWO2013164923A1 - 補助光源ユニット及び光学素子 - Google Patents

Abstract

撮像用の補助光として適した配光を有する補助光源ユニット用の光学素子であって、小型を保ちつつ、十分な光量を確保し、製造が容易で低コストである光学素子及びそれを用いた補助光源ユニットを提供する。輪帯曲線ＲＣが式（１）を満たすので、例えば被写界に対して垂直方向より水平方向に広い範囲で振り分けるようにして光線を出射するなど、前記補助光源ユニットから出射される光線の出射角を効果的に調整することが出来る。更に、輪帯曲線ＲＣが仮想平面ＶＰ内で線分ＡＢと直線ｘ＝ａと直線ｙ＝ｂとで囲まれる領域ＴＲ内に存在するようにすれば、ｘ軸方向とｙ軸方向とで配光を異ならせることができ、これにより所望の配光特性を与えるだけでなく、前記輪帯の形状を連続的に変化させることができるため、照度分布のアスペクト比（縦横比）を変化させつつ、効率の良い光学素子とすることができる。｜ａ｜ ＞ ｜ｂ｜ （１）

Description

本発明は、撮像用の補助光を発光できる補助光源ユニット及び光学素子に関する。

例えば携帯端末等に搭載のカメラを用いて撮像する場合、輝度が低い被写体を撮影するときにも高画質の画像を得るため、フラッシュ光などの補助光を発光させたいというニーズがある。しかるに、一般的な携帯端末では搭載スペースが少ないため、補助光源からの光を導く光学素子をなるべく小型化したいという要求がある。また、省エネのためには面光源、例えばLED光源を使用したいという要求もあるが、LED光源は従来のフラッシュ等に用いられていたXe管に比べ光量が少なく、またランバーシャン型の配光特性を有するため、必要な照度を得るためには、なんらかの工夫が必要である。

ここで、特許文献１には、主にＬＥＤ光源から出射した光を、屈折型フレネルレンズ部と反射型フレネルレンズ部によって集光させるフレネルレンズおよび照明装置が開示されている。尚、特許文献１には、変形例として、楕円型フレネルレンズを有することも開示されている。

また、特許文献２には、主にＬＥＤ光源から出射した光を、円形の輪帯を周方向に複数の領域に分割した形状を持つフレネルレンズを用いて、補助光に適した特性に変換するための光学素子が開示されている。

特開２００５−４９３６７号公報 米国特許公開番号第２０１１／３２７１２号明細書

しかるに、特許文献１の技術によれば、ＬＥＤ光源を用いるという記載はあるが、フレネルレンズの入射面側に入射光を全反射する複数の反射面を用いていることから、ＬＥＤ光源を点光源とみなして各反射面の傾きを設定していることがわかる。ところが、実際のＬＥＤ光源は面発光するものであるから、反射面に入射する入射光の一部が全反射したとしても、入射角が異なる別の入射光は全反射条件を満たさなかったり、或いは反射面の裏側から入射するものもあり、効率が悪いという問題がある。また、特許文献１の光学素子では、反射型フレネルレンズ部と屈折型フレネルレンズ部とを分けて配置しているため、面光源を用いた場合に均一な出射光を得にくく、ムラを生じやすいという問題がある。さらに、撮像用の補助光として最適な横長の矩形状の範囲（例えば縦横比４：３の領域）を適切に照射できることが要請される場合があるが、特許文献１においては、このような矩形状の範囲を適切に照射することは何ら考慮されていない。特許文献１には、楕円フレネルレンズの記載はあるものの、フレネルレンズを楕円形状にしさえすれば矩形状の範囲を適切に照射できるというものでもない。

一方、特許文献２には、矩形状の範囲を適切に照射できるようにするために、円形の輪帯を持つフレネルレンズを、輪帯の周方向において所定角度で複数に分割し、それぞれ光学特性を異ならせるようにしている。しかしながら、特許文献２のように、周方向に分割されたフレネルレンズは、形状が複雑になるため製造の難易度が高くなり、しかも輪帯に境界があることによって光量ロスが発生し、効率が低下するという問題がある。

本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、撮像用の補助光として適した配光を有する補助光源ユニット用の光学素子であって、小型ながらも十分な光量を確保でき、面発光光源における有限の大きさの発光面から出射された光に対して配光の制御が良く行え、かつ製造が容易で低コストの光学素子及びそれを用いた補助光源ユニットを提供することを目的とする。

本発明者らは、上記課題を解決すべく種々検討した結果、連続した楕円又はこれに類する形状の屈折面を有する輪帯と、中央部の光透過部とを持つ光学素子を用い、輪帯部の特定領域における屈折面の傾きを適切に設定するとともに、面光源のサイズと光学素子との距離と光透過部の最大径とを適切に設定することで、上記課題を解決し得ることを見出し本発明に至った。

すなわち、請求項１に記載の補助光源ユニットは、面光源と、前記面光源の光出射側に設けられた光学素子とを有し、
前記光学素子は、光出射側中央部に設けられた光透過部と、前記光透過部の周辺を取り囲み、前記光学素子の光軸に対して傾いた複数の屈折面を含む輪帯部とを有し、前記輪帯部は、前記光学素子の光軸回りに連続する屈折面を持つ第１の輪帯を含む複数の輪帯を有しており、
前記第１の輪帯は、その屈折面の稜線及び谷線のうち少なくとも一方が、前記光学素子の光軸を法線とする仮想平面に平行に投影したときに、全体として長手方向に延びた環状の輪帯曲線として表され、前記仮想平面において、前記長手方向をｘ軸とし、前記ｘ軸及び前記光軸と直交する方向をｙ軸として、前記仮想平面内の位置をｘｙ座標で表したときに、前記環状の輪帯曲線が、ｘ軸と交わる点Ａの座標を（ａ，０）、ｙ軸と交わる点Ｂの座標を（０，ｂ）とすると、常に式（１）を満たし、
｜ａ｜ ＞ ｜ｂ｜ （１）
且つ前記環状の輪帯曲線は、前記仮想平面内で線分ＡＢと直線ｘ＝ａと直線ｙ＝ｂで囲まれる領域内に存在し、
前記光学素子を、前記仮想平面に平行に投影したときに、前記仮想平面上で、投影された前記輪帯部のみに重なる前記光軸を中心とする仮想円のうち最大となる仮想円の直径をＬ２とし、前記面光源の発光面の最長の長さをＳとして、前記光軸を中心として式（２）を満たす動径Ｒにより表される仮想的な環状領域を画成するとき、
Ｓ／２ ＜ Ｒ ＜ Ｌ２／２ （２）
前記環状領域に含まれる、前記第１の輪帯の屈折面において、前記長手方向の両端に近づくほど前記光軸に対する開き角Φが大きくなり、前記光軸に対する最大の開き角をΦＭ、最小の開き角をΦｍとしたときに、式（３）を満たし、
１．２ ＜ ΦＭ／Φｍ ＜ ２．５ （３）
前記面光源の発光面と前記光学素子の光出射面との距離をＴ、前記光透過部の最大径をＬ１としたときに、式（４）〜（６）を満たすことを特徴とする。
１．５ ＜ Ｌ２／Ｓ ＜ ４．０ （４）
Ｓ／３ ＜ Ｔ ＜ ２Ｓ （５）
０．１ ＜ Ｌ１・Ｔ／Ｓ ＜ １．８ （６）

本発明によれば、撮像用の補助光として適した配光を有する補助光源ユニット用の光学素子であって、小型ながらも十分な光量を確保でき、面発光光源における有限の大きさの発光面から出射された光に対して配光の制御が良く行え、かつ製造が容易で低コストの光学素子及びそれを用いた補助光源ユニットを提供することができる。

光学素子の出射面を投影する仮想平面ＶＰ上の座標系の第一象限を示す図である。 ＬＥＤ光源の寸法Ｓを示す図である。 本実施の形態にかかる補助光源ユニット１０を出射面側から見た図である。 図３の構成をIV-IV線で切断して矢印方向に見た図である。 輪帯ＲＰの概略断面図である。 光学素子の出射面を投影する仮想平面ＶＰを示す図である。 光学素子の出射面を投影する仮想平面ＶＰを示す図であり、環状領域ＣＲを定義している。 変形例の光学素子の出射面側を示す図である。 別な変形例の光学素子の出射面側を示す図である。 部分輪帯を転写成形する金型の断面図である。 光学素子の性能評価方法を説明するための図である。 別な変形例にかかる光学素子を出射面側から見た図である。 図１２において輪帯曲線がスプライン補完形状の場合を説明するための図１と同様の図である。

本発明の補助光源ユニットは、以下の構成を備えている。
［１］ 面光源と、前記面光源の光出射側に設けられた光学素子とを有し、
前記光学素子は、光出射側中央部に設けられた光透過部と、前記光透過部の周辺を取り囲み、前記光学素子の光軸に対して傾いた複数の屈折面を含む輪帯部とを有し、前記輪帯部は、前記光学素子の光軸回りに連続する屈折面を持つ第１の輪帯を含む複数の輪帯を有しており、
前記第１の輪帯は、その屈折面の稜線及び谷線のうち少なくとも一方が、前記光学素子の光軸を法線とする仮想平面に平行に投影したときに、全体として長手方向に延びた環状の輪帯曲線として表され、前記仮想平面において、前記長手方向をｘ軸とし、前記ｘ軸及び前記光軸と直交する方向をｙ軸として、前記仮想平面内の位置をｘｙ座標で表したときに、前記環状の輪帯曲線が、ｘ軸と交わる点Ａの座標を（ａ，０）、ｙ軸と交わる点Ｂの座標を（０，ｂ）とすると、常に式（１）を満たし、
｜ａ｜ ＞ ｜ｂ｜ （１）
且つ前記環状の輪帯曲線は、前記仮想平面内で線分ＡＢと直線ｘ＝ａと直線ｙ＝ｂで囲まれる領域内に存在し、
前記光学素子を、前記仮想平面に平行に投影したときに、前記仮想平面上で、投影された前記輪帯部のみに重なる前記光軸を中心とする仮想円のうち最大となる仮想円の直径をＬ２とし、前記面光源の発光面の最長の長さをＳとして、前記光軸を中心として式（２）を満たす動径Ｒにより表される仮想的な環状領域を画成するとき、
Ｓ／２ ＜ Ｒ ＜ Ｌ２／２ （２）
前記環状領域に含まれる、前記第１の輪帯の屈折面において、前記長手方向の両端に近づくほど前記光軸に対する開き角Φが大きくなり、前記光軸に対する最大の開き角をΦＭ、最小の開き角をΦｍとしたときに、式（３）を満たし、
１．２ ＜ ΦＭ／Φｍ ＜ ２．５ （３）
前記面光源の発光面と前記光学素子の光出射面との距離をＴ、前記光透過部の最大径をＬ１としたときに、式（４）〜（６）を満たすことを特徴とする。
１．５ ＜ Ｌ２／Ｓ ＜ ４．０ （４）
Ｓ／３ ＜ Ｔ ＜ ２Ｓ （５）
０．１ ＜ Ｌ１・Ｔ／Ｓ ＜ １．８ （６）

本発明の補助光源ユニットは例えば携帯端末などに搭載され、携帯端末のカメラ機能によって被写体を撮像する際に補助光を照射するために用いられる。本発明によれば、前記面光源の中央付近から出射した光線のうち、光軸方向及び光軸に沿う方向に出射し前記光学素子の光透過部を通過した光線は、光透過部が平面の場合はそのまま進行し、曲面の場合は該曲面に応じて屈折されて進行し、一方、前記面光源の周辺部から出射した光線、および面光源の中央付近から出射した光線のうち光軸方向から外れた方向に出射した光線は、前記光学素子の輪帯部の屈折面を通過することで屈折され、主に中央の被写体の周囲を効果的に照明するために用いられる。このとき、前記輪帯の屈折面の少なくとも一つは前記光学素子の光軸回りに連続しているので、前記屈折面が不連続である場合（即ち、上記特許文献２に記載される如く、輪帯部を分割したような場合に、分割部に前記屈折面の境界が生じて光量ロスが発生すること）に比べ、光の利用効率を高く維持できる。

図１は、仮想平面ＶＰ上の座標系の第一象限を示す図である。前記第１の輪帯の屈折面の稜線または谷線のうち少なくとも一方を、図１に示すように、光学素子の光軸ＯＡを法線とする仮想平面ＶＰに平行に投影したときに、仮想平面ＶＰに現れる全体として長手方向に伸びた環状の曲線（図１では第一象限内のみ描画）を輪帯曲線ＲＣとする。ここで、仮想平面ＶＰにおいて、光軸ＯＡと交差する輪帯曲線ＲＣの長手方向をｘ軸とし、更にｘ軸及び光軸ＯＡと直交する軸をｙ軸として、仮想平面ＶＰ内の位置をｘｙ座標で表すものとする。このとき、輪帯曲線ＲＣが、ｘ軸と交わる点Ａの座標を（ａ，０）、ｙ軸と交わる点Ｂの座標を（０，ｂ）とすると、式（１）を満たす。更に、輪帯曲線ＲＣは、仮想平面ＶＰ内で線分ＡＢと直線ｘ＝ａと直線ｙ＝ｂとで囲まれる三角形の領域ＴＲ内に存在する。
｜ａ｜ ＞ ｜ｂ｜ （１）

図示を省略しているが、第二象限〜第四象限についても同様の関係を満たしている。つまり、常に式（１）の関係を満たしており、かつ、仮想平面ＶＰ内で線分ＡＢと直線ｘ＝ａ、直線ｙ＝ｂで囲まれる三角形の領域ＴＲ内に輪帯曲線ＲＣが常に存在する。

このように、輪帯曲線ＲＣが式（１）を満たすので、例えば被写界に対して垂直方向より水平方向に広い範囲で振り分けるようにして光線を出射するなど、前記補助光源ユニットから出射される光線の出射角を効果的に調整することが出来る。更に、輪帯曲線ＲＣが仮想平面ＶＰ内で線分ＡＢと直線ｘ＝ａと直線ｙ＝ｂとで囲まれる領域ＴＲ内に存在するようにすれば、ｘ軸方向とｙ軸方向とで配光を異ならせることができ、これにより所望の配光特性を与えるだけでなく、前記輪帯の形状を連続的に変化させることができるため、照度分布のアスペクト比（縦横比）を変化させつつ、効率の良い光学素子とすることができる。

仮に、図１に点線で示すように、輪帯曲線の一部が領域ＴＲ内から外れていると以下のような問題が生じる恐れがある。つまり、輪帯曲線が複数の変曲点を有しており、一部がより光軸に近い方向へ領域ＴＲから外れている場合（ＥＸ１）には、照度分布がいびつな形状となる恐れがある。また、輪帯曲線が複数の変曲点を有しておらず、全体にわたってより光軸に近い方向へ領域ＴＲから外れている場合（ＥＸ２）には、メイン被写体が存在する被照射面中心方向（光軸に沿った方向）に出射光量の多くを振り向けるような配光特性を作ることが困難となり、高効率な光学素子を実現できない恐れがある。一方、光軸から遠ざかる側で、輪帯曲線の一部が領域ＴＲ内から外れていた場合（ＥＸ３，ＥＸ４）は、仮想平面ＶＰ内における輪帯曲線ＲＣの接線の傾きがｘｙ座標上でプラスの値を持つ部分が生じ（３ｐ、４ｐ）、その付近を通過する出射光が被照射面から外れる方向に向いてしまうため、高効率な光学素子を作ることができない恐れがある。かかる問題は、本発明により解消できる。なお、領域ＴＲ内において輪帯曲線の形状は特に制限されないが、変曲点がないように光軸から遠ざかる方向に凸状の滑らかな曲線であることが望ましく、典型的には、第一象限〜第四象限全体で一つの楕円を形成する形状である。この楕円は数学的に規定される一つの楕円であってもよいし、複数の楕円を組み合わせたもの（例えば、第一象限と第四象限とで第１の楕円の半分を形成し、第二象限と第三象限とで第１の楕円とは異なる第２の楕円の半分を形成する）であってもよい。なお、輪帯の中心は必ずしも光軸上にある必要はない。

更に、前記光学素子を、上述の仮想平面ＶＰ上に平行に投影したときに、仮想平面ＶＰ上で、投影された前記輪帯部のみに重なる光軸ＯＡを中心とする仮想円のうち最大となる仮想円の直径をＬ２とし、前記面光源の発光面の最長の長さをＳとして、光軸ＯＡを中心として式（２）を満たす動径Ｒにより表される仮想的な環状領域が画成される。
Ｓ／２ ＜ Ｒ ＜ Ｌ２／２ （２）
この環状領域は光軸ＯＡから適度に離れているため、光軸ＯＡ付近に比べて配光制御が容易で、かつ、出射光を振り分けるのに効果的である。従って、この環状領域に含まれる輪帯の開き角を以下のように規定している。具体的には、前記環状領域に含まれる、前記第１の輪帯の屈折面において、前記長手方向の両端に近づくほど前記光軸に対する開き角Φを大きくするとともに、前記光軸に対する最大の開き角をΦＭ、最小の開き角をΦｍとしたときに、式（３）を満たすようにする。このようにすることで、前記光学素子を透過した光線の出射角を効果的に調節することが出来、なるべく被照射面の端に出射光を振り向け、被照射面のアスペクト比が撮影範囲のアスペクト比に合うように制御することができるから、補助光源ユニット用の光学素子として最適である。
１．２ ＜ ΦＭ／Φｍ ＜ ２．５ （３）

更に、式（４）を満たす範囲内で、式（５）の値が下限を上回れば、前記面光源から前記光学素子を離すことが出来、前記輪帯部の特定の位置に入射する光線の入射方向のバラツキが少なくなり、光線の出射方向の制御が行いやすくなる。一方、式（５）の値が上限を下回れば、ランバーシャン型などの配光を持つ前記面光源から出射される光線を、前記光学素子で効率的に取り込むことが出来、これにより前記輪帯部に入射する光量を確保でき、高効率の光学素子を実現出来る。

更に、本発明では前記輪帯部での屈折効果により、前記光学素子に入射した光線の出射方向を制御しているので、前記輪帯部の特定の位置に入射する光線の入射方向のバラツキが少ないほうが、光線の出射方向の制御が行いやすいという実情がある。しかしながら、面光源のようなランバーシャン型の配光を持つ光源では、面光源の直上で光学素子への入射光の角度分布が広くなるため、前記輪帯部による制御が効果的でないばかりか、前記輪帯部の全反射によって、前記光学素子に入射した光線が前記面光源側に戻ってしまうなどの恐れもある。これに対し本発明では、式（６）の条件を加えている。

より具体的には、式（６）の値が下限を上回れば、前記面光源の直上の一定範囲に前記光透過部が設けることができ、前記輪帯部を離すことで全反射等により光線が上手く制御出来ないという問題を回避することができる。又、前記光学素子を成形する金型の加工量が減らせるという利点もある。一方、式（６）の値が上限を下回れば、前記輪帯部を十分広く設ける事が出来るから、前記面光源から出射される光線を効果的に制御することが出来る。さらに式（４）、（６）を有することで平面又は曲面の光透過部が適切な大きさにすることができ、これにより不必要に輪帯部を加工する必要がなくなり加工工数減によるコストダウンも期待できる。このように、請求項１で規定する構成とすることにより、水平方向に長い矩形状、典型的には横縦４：３の画面の撮影時に良好に補助光を照射することができる。

上記補助光源ユニットは、さらに以下の構成を備えることができる。
［２］ ［１］の補助光源ユニットにおいて、前記第１の輪帯は、ｘ軸対称かつｙ軸対称の形状を有することを特徴とする。

前記輪帯の形状に対称性を持たせることで、照度分布に偏りや、むらを生じ難くすることができる。

［３］ ［１］又は［２］の補助光源ユニットにおいて、前記輪帯曲線が式（７）を満足する楕円形状からなることを特徴とする。
｜ａ｜／｜ｂ｜ ＜ ２ （７）

式（７）の値が上限を超えないようにすることで、同じ角度で前記輪帯の屈折面に到達する光線の屈折角の差を２倍以下に抑えることができるため、ｘ軸方向とｙ軸方向の屈折力を被照射面に適したバランスにすることができる。また、式（７）を満たすことで、前記輪帯の高さを小さく保つことができるため、光学素子を小型化しやすくなり、更に、横長に均一に近づけた照度分布を得ることができる。

［４］ ［３］の補助光源ユニットにおいて、前記仮想平面において、線分ＡＢと直線ｘ＝ａと直線ｙ＝ｂで囲まれる領域内の任意の点をＸとすると、前記環状の輪帯曲線が式（７）を満足し、点Ａ、Ｘ、Ｂの間をスプライン補完した形状からなることを特徴とする。

点Ｘの位置とスプライン補完方法を調整することで、光量を十分に満たしつつ、所望の照度分布を得ることが出来る。

［５］ ［１］〜［４］のいずれかの補助光源ユニットにおいて、最も光軸に近い前記輪帯を前記仮想平面に平行に投影したときの輪帯曲線が、光軸を中心とした真円形状であることを特徴とする。

これにより、被照射面において光軸近傍の配光特性を良好なものとできる。

［６］ ［１］〜［５］のいずれかの補助光源ユニットにおいて、前記輪帯部が前記第１の輪帯を複数含んでいることを特徴とする。

これにより、配光の制御をより効果的に行いやすくなる。

［７］ ［６］の補助光源ユニットにおいて、複数の前記第１の輪帯は、前記光軸から離れるに従って、前記輪帯曲線において｜ａ｜／｜ｂ｜が大きくなることを特徴とする。

｜ａ｜／｜ｂ｜の変化に応じて前記屈折面の光軸に対する角度が変わることで、前記輪帯の屈折面の持つ屈折力を光軸から周辺に向かって次第に方向ごとに変化させることができ、前記輪帯に到達する光線を被照射面の形状に合わせた角度に屈折させることができる。これにより被照射面周辺での光量が、被照射面中心に比べて極端に低下することを防ぐことができる。また、前記輪帯のうち配光制御に用いない面（例えば、後述する図５で光軸側面ＩＰ）に到達する光量を減らすことができ、効率的な光学素子とすることができる。

［８］ ［６］の補助光源ユニットにおいて、前記仮想平面において、原点（０，０）から点Ｘまでの距離をＬｘとすると、前記光軸から離れるに従ってＬｘ／√（ａ²＋ｂ²）が大きくなることを特徴とする。

Ｌｘ／√（ａ²＋ｂ²）の変化に応じて前記屈折面の光軸に対する角度が変わることで、前記輪帯の屈折面の持つ対角方向の屈折力を光軸から周辺に向かって次第に小さくすることができ、前記輪帯に到達する光線を被照射面の形状に合わせた角度に屈折させることができる。これにより、被照射面周辺での光量が、被照射面中心に比べて極端に低下することを防ぐことができる。また、前記輪帯のうち配光制御に用いない面に到達する光量を減らすことができ、効率的な光学素子とすることができる。

［９］ ［１］〜［４］のいずれかの補助光源ユニットにおいて、最も光軸に近い前記輪帯とそれ以外の少なくとも一つの輪帯が前記第１の輪帯であることを特徴とする。

これにより、出射光を横方向に更に広げやすくすることができる。

［１０］ ［１］〜［９］のいずれかの補助光源ユニットにおいて、前記複数の輪帯の谷深さが、前記輪帯部の周辺に向かって増加していることを特徴とする。

これにより、前記輪帯の屈折面の角度が小さい場合でも、前記屈折面に対する工具先端のRの影響を一定以下に抑えることが出来るため、製造コストを抑えながらも、出射光線の角度を適切に調整することが出来る光学素子を提供できる。

［１１］ ［１］〜［１０］のいずれかの補助光源ユニットにおいて、前記光学素子が、前記輪帯部が形成された第１の面と、前記第１の面とは反対側の平坦な第２の面とを有することを特徴とする。

これにより、配光を良好に制御するとともに、前記光学素子の製造を容易にすることができる。

［１２］ ［１］〜［１１］のいずれかの補助光源ユニットにおいて、前記光学素子に取り付け方向を明示するマークを形成したことを特徴とする。

前記マークを形成することで、前記ｘ軸方向と前記ｙ軸方向とが分かるから、前記光学素子の取り付け方向を容易に判断することができ、補助光源ユニットを撮像装置に誤った方向で組み込むことを防ぐことができる。

また、本発明の光学素子は、［１］〜［１２］のいずれかの補助光源ユニットにおいて用いられる光学素子である。

本発明に係る補助光源ユニットは、面光源と、光学素子とを有するものである。面光源とは、光学素子（より具体的には光入射面）の大きさに対して光の出射する部分の大きさが無視できないような光源であり、照明用光源として用いられるLight Emitting Diode(LED)やOrganic Light Emitting Diode(OLED)等がこれに含まれる。また、Laser Diode(LD)のように光出射面がごく微小であっても、それを光学素子によって拡大して拡散板等によってある面積を光らせた場合、それを光源として用いるとそれは擬似的には面光源であると言える。本発明においては、このような疑似的な面光源も面光源に含むものとする。

式（４）等で用いる面光源の発光面の最長長さＳは、発光面内でとりうる最長の距離とする。例えば発光面が円形の場合、その直径とし、発光面が矩形状の場合、対角線長さがそれに相当する。発光面が長方形の場合、光源の長辺方向を出射光の分布が広い方向と合わせることが望ましい。但し、発光面が複数ある場合、発光面に外接する最小円の直径をＳとする。

ＬＥＤ光源としては、様々なものを用いることが出来るが、白色ＬＥＤが好ましく用いられる。

白色ＬＥＤとしては、青色ＬＥＤチップと青色ＬＥＤチップから発せられた青色光線によって黄色に発光するＹＡＧ蛍光体等の蛍光体を組み合わせたものが好ましく用いられるが、青色ＬＥＤチップ、緑色ＬＥＤチップ及び赤色ＬＥＤチップとを組み合わせて白色光を形成する白色ＬＥＤであってもよい。白色ＬＥＤとしては、例えば特開２００８−２３１２１８号公報に記載されたものを用いることができるが、これに限られない。

白色ＬＥＤ光源は、ＬＥＤチップと、ＬＥＤチップを覆うようにしてその上に形成された蛍光体層から構成されていると好ましい。ＬＥＤチップの一例としては、第１の所定波長の光を出射するものであり、例えば青色光を出射するようになっている。但し、ＬＥＤチップの波長及び蛍光体の出射光の波長は限定されず、ＬＥＤチップによる出射光の波長と、蛍光体による出射光の波長とが補色関係にあり合成された光が白色光となる組合せであればものであれば、使用可能である。

なお、このようなＬＥＤチップとしては、公知の青色ＬＥＤチップを用いることができる。青色ＬＥＤチップとしては、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ系をはじめ既存のあらゆるものを使用することができる。青色ＬＥＤチップの発光ピーク波長は４４０〜４８０ｎｍのものが好ましい。また、ＬＥＤチップの形態としては、基板上にＬＥＤチップを実装し、そのまま上方または側方に放射させるタイプ、又は、サファイア基板などの透明基板上に青色ＬＥＤチップを実装し、その表面にバンプを形成した後、裏返して基板上の電極と接続する、いわゆるフリップチップ接続タイプなど、どのような形態のＬＥＤチップでも適用することが可能である。

蛍光体層は、ＬＥＤチップから出射される第１の所定波長の光を第２の所定波長に変換する蛍光体を有していると好ましい。一例としては、ＬＥＤチップから出射される青色光を黄色光に変換するものがある。

このような蛍光体層に用いられる蛍光体は、Ｙ、Ｇｄ、Ｃｅ、Ｓｍ、Ａｌ、Ｌａ及びＧａの原料として酸化物、又は高温で容易に酸化物になる化合物を使用し、それらを化学量論比で十分に混合して原料を得る。又は、Ｙ、Ｇｄ、Ｃｅ、Ｓｍの希土類元素を化学量論比で酸に溶解した溶解液を蓚酸で共沈したものを焼成して得られる共沈酸化物と、酸化アルミニウム、酸化ガリウムとを混合して混合原料を得る。これにフラックスとしてフッ化アンモニウム等のフッ化物を適量混合して加圧し成形体を得る。成形体を坩堝に詰め、空気中１３５０〜１４５０℃の温度範囲で２〜５時間焼成して、蛍光体の発光特性を持った焼結体を得ることができる。

また、ＬＥＤ光源は、単一のＬＥＤチップを有していても良いし、複数のＬＥＤチップを有していても良い。単一のＬＥＤチップを用いる場合、図２（ａ）に示すように、最長長さＳはＬＥＤチップＣＰの対角線にとる。一方、複数のＬＥＤチップを用いる場合、ＬＥＤ光源の発光面の最長長さＳは、図２（ｂ）の点線で示すように、複数のＬＥＤチップＣＰにまたがって蛍光体層ＹＬが設けられているときは、その直径又は対角長とする。但し、蛍光体層が設けられていない場合には、複数のＬＥＤチップＣＰに外接する最小円の直径をＳとする。尚、ＬＥＤチップが長方形の場合、その長手方向を、光学素子の出射光線が広がる方向（以下の実施の形態ではｘ軸方向）に一致させるのが好ましい。

ＬＥＤ光源は、高出力ＬＥＤ光源であることが好ましい。ここで、高出力ＬＥＤ光源としては、出力が０．５ワット以上のＬＥＤにより構成することができる。

光学素子は、透明なガラス又はプラスチックで構成されていると好ましい。レンズを構成するプラスチックとしては、例えばポリカーボネートやアクリルを用いることで、射出成形により製造でき、製造コストを低減させることができる。また、レンズモジュールを低コストかつ大量に基板に実装する方法として、近年では予め半田がポッティングされた基板に対しＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）チップや、その他の電子部品と共に、レンズモジュールを載置したままリフロー処理（加熱処理）し、半田を溶融させることにより電子部品とレンズモジュールとを基板に同時実装するという手法が提案されている。リフロー処理に耐え得る耐熱性に優れた樹脂を用いることで、レンズモジュールを基板上でリフロー処理し低コストでの大量生産を行うことができる。また、ガラスモールドで成形したものであってもよい。またガラス製の板又は樹脂製の板上にエネルギー硬化性樹脂で上述光透過部と輪帯部を成形した後、切断することで多数の光学素子を得ることができ製造コストを低減することができる。

ＬＥＤ光源と光学素子との間にリフレクタ付きスペーサを配置しても良い。ここで、リフレクタとは、ＬＥＤ光源から出射された光を反射するものであり、リフレクタとしては、拡散面を有することが好ましい。

以下、添付した図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。なお、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張され、実際の比率とは異なる場合がある。

図３は、本実施の形態にかかる補助光源ユニット１０を出射面側から見た図である。図４は、図３の構成をIV-IV線で切断して矢印方向に見た図である。

図４に示すように、本実施の形態の補助光源ユニット１０は、矩形状の基板１１に取り付けられた面光源であるＬＥＤ光源１２と、ＬＥＤ光源１２の光出射側に設けられた外形が矩形状の光学素子１３と、ＬＥＤ光源１２と光学素子１３との間に配置されたスペーサ１４とからなる。スペーサ１４は、外見が角柱状（又は楕円柱状）で光軸方向に貫通する円形の断面形状を持つ開口を有しており、その下端を基板１１の上面に接着剤で固定し、その上端を光学素子１３の下面に接着剤で固定している。スペーサ１４の内周面１４ａは、拡散面（白色塗装面）となっている。

基板１１は、アルミニウムからなる基板本体と、基板本体上に積層された絶縁層と、絶縁層上に形成されたＣｕ等の導体からなる配線パターンとから概略構成されている。配線パターンには、ＬＥＤ光源１２を構成するＬＥＤチップが接続されている。

ＬＥＤ光源１２は、ＬＥＤチップが、矩形平板状のモールド成型された蛍光体含有透明樹脂体（蛍光体含有透明樹脂）によって完全に被覆されており、ＬＥＤチップから出射された光が全て蛍光体含有透明樹脂体を通過するように構成されている。この構成によりたとえば、ＬＥＤチップとして青色発光ダイオードを用い、蛍光体含有透明樹脂に含まれる蛍光体として黄色蛍光体を用いることで、白色光を出射できるようになっている。尚、基板１１，ＬＥＤチップは、後述するｘ軸方向とｙ軸方向にそれぞれ辺を有する矩形状であると好ましい。

光学素子１３は、平行平板１３ａ上（光出射側）において、中央部に設けられた円形の平面状（又は曲面状）の光透過部１３ｂと、光透過部１３ｂの周辺を取り囲む輪帯部１３ｃとを形成してなる。光透過部１３ｂの中心を、光学素子１３の光軸が通過するようになっている。平行平板１３ａと、光透過部１３ｂ及び輪帯部１３ｃとは一体的に形成されていても良いし、別々に成形された後に接合されても良い。一体的に形成される場合には、光学素子を実質的に光透過部及び輪帯部のみから構成されたものとすることもできる。平行平板と光透過部及び輪帯部とを別々に成形する場合には、材質を変えても良い。輪帯部１３ｃは、直接平行平板１３ａ上に形成されていても良いし、間に透明な円盤を介していても良い。尚、光学素子１３の製造方法としては、射出成形、削りだし、平行平板上に金型を用いて光透過部１３ｂ及び輪帯部１３ｃを形成する方法、ガラスモールド法、樹脂材料を成形型で押圧して光学面形状を転写するインプリント法など種々の態様がある。好ましくは、樹脂材料を用いた射出成形やインプリント法を用いる。

図３に示すように、輪帯部１３ｃは、複数の輪帯ＲＰを有する。一部の輪帯ＲＰは、光軸ＯＡ回りに連続している。つまり、輪帯の延在方向に境界がなく一体的に形成されている。屈折面が光学素子の光軸回りに連続していることで、輪帯部が分割されている場合に比べて、光量ロスが発生せず、光の利用効率を高く維持できる。また、光学素子を成形によって製造する場合に、その成形型の作製が容易となる。残りの輪帯ＲＰは、光学素子１３の端部で切断された形状とされている。最も光軸に近い輪帯ＲＰは円形であるが、それ以外は楕円（もしくは、それに類似した）形状を有する。

図５に示すように、輪帯ＲＰは、光軸側面ＩＰと光軸外側面（屈折面）ＯＰとを備えている。光軸側面ＩＰと光軸ＯＡとの傾き角θは一定、またはそれぞれの輪帯毎に部位によって異なっている。一方、光軸外側面ＯＰと光軸ＯＡとの傾き角（以下、開き角という）Φは、光軸に近い円形の輪帯を除いて、後述するように、それぞれの輪帯毎に部位によって異なっている。

ここで、最も光軸に近い円形の輪帯ＲＰ及び光学素子１３の端部で途切れた輪帯ＲＰ（第２の輪帯。図３参照）を除く、残りの輪帯ＲＰの稜線ＭＬ及び谷線ＶＬのうち少なくとも一方は、図６に示す光軸ＯＡを法線とする仮想平面ＶＰに平行に投影したときに、仮想平面ＶＰ内で連続した環状の輪帯曲線ＲＣとして表される。環状の輪帯曲線ＲＣは全体として長手方向に延びた形状を有しており、このような仮想平面ＶＰ内で連続した輪帯曲線ＲＣとして表される輪帯を第１の輪帯とする。ここで、環状の輪帯曲線の長手方向をｘ軸とし、ｘ軸及び光軸に直交する方向をｙ軸とする。つまり、図３において、光軸ＯＡを原点に取り、上下方向をｙ軸とし、左右方向をｘ軸とする。このとき、仮想平面ＶＰ内の位置をｘｙ座標で表したときに、環状の輪帯曲線ＲＣが、ｘ軸と交わる点Ａの座標を（ａ，０）、ｙ軸と交わる点Ｂの座標を（０，ｂ）とすると、常に式（１）を満たす。
｜ａ｜ ＞ ｜ｂ｜ （１）

又、図１を参照して、輪帯曲線ＲＣは、仮想平面ＶＰ内で線分ＡＢと直線ｘ＝ａと直線ｙ＝ｂとで囲まれる領域内に存在する。本実施の形態では、最も光軸ＯＡに近い輪帯ＲＰ以外の輪帯曲線ＲＣが式（７）を満足する楕円形状からなり、一方、最も光軸ＯＡに近い輪帯ＲＰの輪帯曲線ＲＣは円形である。尚、本実施の形態では、輪帯ＲＰの高さは一定である。但し、屈折面の光軸方向の高さは必ずしも一定である必要はなく、後述するように光学素子の面方向において高さが変化していてもよい。この場合、高さの違いは最大でも２倍以内とすることが好ましい。なお、屈折率はこれに限るものではないが、例えば１．５１としている。
｜ａ｜／｜ｂ｜ ＜ ２ （７）

更に図７に示すように、光学素子１３を、光軸ＯＡを法線とする仮想平面ＶＰに平行に投影したときに、仮想平面ＶＰ上で、投影された輪帯部１３ｃのみを通過する光軸ＯＡを中心とした仮想円のうち最大となる仮想円Ｃ１の直径をＬ２とし、ＬＥＤ光源１２の発光面の最長の長さをＳとして、光軸ＯＡを中心として（２）式を満たす動径Ｒにより表される仮想的な環状領域ＣＲ（図７でハッチングで示す領域）を画成する。
Ｓ／２ ＜ Ｒ ＜ Ｌ２／２ （２）

この仮想的な環状領域ＣＲ内に含まれる、光学素子１３の輪帯ＲＰの少なくとも一つの光軸外側面ＯＰにおいて、長手方向両端に近づくほど光軸に対する開き角Φを大きくするとともに、光軸ＯＡに対する最大の開き角ΦＭは、図５を参照してｘ軸方向位置で得られ、一方、光軸ＯＡに対する最小の開き角Φｍは、図５を参照してｙ軸方向位置で得られ、このとき式（３）を満たす。
１．２ ＜ ΦＭ／Φｍ ＜ ２．５ （３）

更に、図３に示すように光学素子１３の光出射側には、ｘ軸方向を識別するためのボス状の突起部２１が形成されている。この突起部２１は識別マークであり、この補助光源ユニットを撮像装置と共に機器に組み込む際の輪帯部の方向（ｘ軸方向であるがｙ軸方向でも良い）を示し、組込時に適正な方向を確認でき、誤った方向に組み込むことを防止するためのものである。

図４に示すように、ＬＥＤ光源１２の発光面（上面１２ａ）の対角長さをＳ、ＬＥＤ光源１２の発光面から光学素子１３の光出射面の最遠方（ここでは輪帯ＲＰの最先端までの）距離をＴ、光透過部１３ｂの最大径をＬ１、光学素子１３を、光学素子１３の光軸を法線とする仮想平面に投影した場合において、輪帯部１３ｃのみを通過する仮想円の直径の内、最も大きいものの長さをＬ２としたときに、下記の条件式を満たす。
１．５＜Ｌ２／Ｓ＜４．０ （４）
Ｓ／３＜Ｔ＜２Ｓ （５）
０．１＜Ｌ１・Ｔ／Ｓ＜１．８ （６）
ただし、Ｔ＝Ｔ１＋Ｔ２である。
Ｔ１：ＬＥＤ光源１２の発光面から光学素子１３の入射面までの厚み
Ｔ２：光学素子１３の光軸方向の厚み

本実施の形態にかかる補助光源ユニット１０を携帯端末等に搭載する場合、ｘ軸方向を撮像素子の長辺方向（水平方向）、ｙ軸方向を撮像素子の短辺方向（垂直方向）になるようにする。携帯端末のカメラ機能を用いて被写体の撮像を行う際には、補助光源ユニット１０が発光する。このとき、ＬＥＤ光源１２から出射し、光学素子１３の光透過部１３ｂを通過した光線は、光透過部１３ｂが平面の場合はそのまま進行し、曲面の場合は該曲面に応じて屈折されて進行する。

一方、光学素子１３に入射して平行平板１３ａを通過した光線のうち、ｙ軸近傍に入射した光線は、輪帯ＲＰの光軸外側面ＯＰで屈折した後に、被写体に向かって出射する。又、光学素子１３に入射して平行平板１３ａを通過した光線のうち、ｘ軸近傍に入射した光線は、ＲＰの光軸外側面ＯＰで屈折した後に、被写体に向かって出射する。このとき、光軸外側面ＯＰは位置によって開き角Φが異なり、ｙ軸方向で最小（Φｍ）となり、ｘ軸方向で最大（ΦＭ）となるため、垂直方向に向かう光線は大きく屈折するのに対して、水平方向に向かう光線は、それよりも小さい角度で屈折することとなる。これにより、補助光源ユニット１０から出射された光線は、垂直方向よりも水平方向に広い照射範囲を持つので、撮像画面に合わせた照射を行うことができる。

点光源では光学素子がどのようなサイズでどのくらいの距離にあったとしても、入射面のある一点への光の入射角は一つに決まる。しかし、面光源のように発光面に大きさがある場合、点光源の場合のように入射角は一つには決まらず、発光面の大きさに応じた分だけ入射角にばらつき（入射角Δ）が生じる。さらに、入射角のばらつき度合いは、発光面の大きさ（Ｓ）、光源と入射面の距離（Ｔ１）、入射位置の光軸からの距離によって大きく変化する。

そして、入射位置の光軸からの距離が、発光面の大きさよりも小さい領域（Ｒ＜Ｓ／２）では距離が近いほど入射角のばらつきが増し配光の制御が困難になる。一方、発光面よりも大きい領域（Ｒ＞Ｓ／２）において入射角のばらつきが最も大きくなる点があり、その周辺では配光の制御が最も困難になる。現実には光源は光学素子に対して有限な大きさを持つ場合が多いため、上述したような点光源では想定されない問題を克服することが必要となる。本実施形態では、上述した構成を採用することにより、面光源という現実に即した光源を用いつつ、適切に配光制御を行って、最適な補助光を照射し得る補助光源ユニットを提供するものである。

尚、配光角の範囲は、ｘ軸方向で光軸を挟んで±３１°以内、ｙ軸方向で光軸を挟んで±２４°以内であると好ましい。

図８は、変形例にかかる光学素子１３を出射面側から見た図である。本変形例では、最も光軸に近い輪帯ＲＰ（１）も楕円形状としている。これにより、出射光を横方向に更に広げることができる。それ以外の形状は、上述した実施の形態と同様である。

図１２は、別な変形例にかかる光学素子１３を出射面側から見た図である。図１３は、図１２において輪帯曲線がスプライン補完形状の場合を説明するための図１と同様の図である。図１３において線分ＡＢと直線ｘ＝ａと直線ｙ＝ｂで囲まれる領域内の任意の点をＸとする。本変形例では、輪帯曲線ＲＣは、最も光軸ＯＡに近い輪帯ＲＰ以外で式（７）を満足し、点Ａ、Ｘ、Ｂの間をスプライン補完した形状を有する。一方、最も光軸ＯＡに近い輪帯ＲＰの輪帯曲線ＲＣは円形である。これにより、点Ｘの位置とスプライン補完法を調整することで、光量を十分に満たしつつ、所望の照度分布を得ることが出来る。望ましい照度分布を得るには、被照射面のアスペクト比をＳ：Ｔとすると、点Ｘが原点から（Ｓ,Ｔ）方向に伸ばした線分上にあるとよい。最も光軸ＯＡに近い輪帯ＲＰの輪帯曲線ＲＣは、円形以外にも楕円形状や、点Ａ、Ｘ、Ｂの間をスプライン補完した形状でもよい。それ以外の形状は、上述した実施の形態と同様である。なお、点Ｘは、曲線ＲＣが図５のように稜線ＭＬの場合には点Ｘｍ、谷線ＶＬの場合には点Ｘｖとし、原点から点Ｘｍまでの距離をＬｍ，原点から点Ｘｖまでの距離をＬｖとする。光軸ＯＡから離れるに従ってＬｘ／√（ａ²＋ｂ²）が大きくなるとよい。これにより、対角方向の屈折力を光軸から離れるほど弱くすることで、被照射面周辺での対角方向の光量が被照射面中心に比べて極端に低下することを防ぐことができる。

図９は、別な変形例にかかる光学素子１３を出射面側から見た図である。本変形例では、ｙ軸を挟んで、ｘ軸方向負側の輪帯ＲＰの形状と、ｘ軸方向正側の輪帯ＲＰの形状とを非対称としている。これによりx軸方向の照度分布を非対称にすることが出来、例えば補助光源装置一つでは光量が足りないような画素数の高いセンサと一緒に使用する場合、本形態の光学素子をｚ軸周りに180°回転させて配置した二つの補助光源ユニットを略同位置に配置すれば、光量を十分に満たしつつ、良好な照度分布を得ることが出来る。図９は輪帯曲線ＲＣが楕円形状の場合を示しているが、点Ａ、Ｘ、Ｂの間をスプライン補完した形状でもよい。それ以外の形状は、上述した実施の形態と同様である。

上述した実施の形態では、輪帯ＲＰの高さを等しくしたが、光軸側から周辺に向かうに連れて徐々に高くなるように異ならせても良い。これを言い換えると、輪帯ＲＰの間の輪帯谷深さが、光軸側から周辺に向かうに連れて徐々に深くなるということである。その効果を、図１０を用いて説明する。

図１０は、輪帯ＲＰを転写成形する金型の断面図である。図１０（ａ）に示す金型Ｍ１では、高さが等しい輪帯ＲＰを転写成形するものであり、このとき転写溝ＧＶ１は、中心から周辺側（図で右側）に向かうに連れて、溝幅が徐々に狭くなるために、最も周辺側の転写溝ＧＶ１を切削する際には、幅狭の工具を用いなくてはならず、製造コストが増大する。

これに対し、輪帯ＲＰの高さを光軸側から周辺に向かうに連れて徐々に高くなるようにした場合（換言すれば、輪帯ＲＰの谷深さを光軸側から周辺に向かうに連れて徐々に深くなるようにした場合）、図１０（ｂ）に示す金型Ｍ２における輪帯ＲＰを転写成形する転写溝ＧＶ２は、中心から周辺側（図で右側）に向かうに連れて深くはなるが、溝幅自体は殆ど変わらない。従って、全ての転写溝ＧＶ２を同じ幅の工具を用いて切削できるために、製造コストを低減できるのである。なお、輪帯ＰＲの高さの違いは最大でも２倍程度としておくことが好ましい。

上述した実施の形態では、円筒状のスペーサ１４を用いているが、光の利用効率向上のため、開口の形状を矩形としても良い。又、光学素子１３の外径は矩形に限らず、例えば丸や楕円、六角形等でもよい。更に、輪帯ＲＰは必ずしも光学素子１３の光出射面全面に設ける必要は無く、およそ光線が入射面での屈折の直後に到達する範囲内にあれば良い。つまり、輪帯部は出射面全体に設ける必要はない。なお、光学素子の光入射面（第２の面）と光出射面（第１の面）の両方に輪帯部を設けるようにしても構わない。しかしながら、本実施形態で示したように、片面のみに輪帯部を設ける態様（他方の面は平坦な面）の方が、光学素子を成形するための成形型の加工に時間がかからず、コスト面で有利である。

（実施例）
上述した実施の形態の具体的な実施例について説明する。初めに、本実施例における光学素子の性能評価方法を説明する。図１１に示すように、縦８２８ｍｍ×横１０６４ｍｍまたは縦９２１ｍｍ×横１２２８ｍｍの矩形スクリーンＳＣを準備して、補助光源ユニット１０に対して１０００ｍｍ前方に、その光学素子の光軸がスクリーンＳＣの中央に向くように配置した。かかる状態で、２１５〜３２０［Ｌｕｍｅｎ］のＬＥＤ光源を発光させて、スクリーンＳＣ上の照度を測定した。評価にあたっては、スクリーンＳＣに到達する光量を最優先とするものとし、スクリーンＳＣ内に到達した光量［Ｌｕｍｅｎ］／ＬＥＤ光源の出射光量［Ｌｕｍｅｎ］を「効率」と定義し、性能評価の一つの指標とした。尚、ＬＥＤ光源は発光面が正方形状のものを用いた。又、スペーサとしては、内周面の反射率が９０％の完全拡散面であり、開口の内径が３．４ｍｍのものを用いた。

表１に、実施例１〜８と比較例１〜４の、式（２）〜（６）に示す値及び図４に示す各部の値を示す。実施例１〜８及び比較例１〜４はいずれも、輪帯部に連続した楕円形状を持つ輪帯を複数含むものである。実施例１に対して実施例２は、Ｔ，Ｌ２／Ｓ、Ｌ１・Ｔ／Ｓ等のパラメータは不変で、ΦＭ／Φｍを変更したものである。実施例３は、ａ／ｂを次第に大きくした実施例であり、実施例４は、実施例１に対してＬ１を変更した例である。実施例５、６は、最も光軸に近い輪帯を真円状にしたものであり、実施例５，６は互いにＴ１，Ｔ２が異なっている。実施例７は、実施例４に対して、ＬＥＤ光源のサイズを変え更にａ／ｂを次第に大きくした実施例であり、実施例８は、実施例６に対してパラメータを変え、最も光軸に近い輪帯を真円状にしたものである。比較例１〜３は、ΦＭ／Φｍが１．２以下又は２．５以上となるように設定されている。比較例４は、全ての輪帯をほぼ真円状にしたものである。実施例１、２，８は輪帯数が１１であり、実施例３、５，６は輪帯数が８であり、実施例４，７は輪帯数が７であり、比較例１は輪帯数が１１であり、比較例２は輪帯数が８であり、比較例３、４は輪帯数が１１である。また、各実施例における連続した輪帯の稜線は、光軸に近い側から数えて実施例１、２では７番目まで、実施例３、５、６では６番目まで、実施例４、７では５番目まで、実施例８では８番目まで、比較例１は１０番目まで、比較例２、３では６番目まで、比較例４は１１番目までである。

表２に、実施例９〜１０と比較例５〜６の値を示す。実施例９〜１０と比較例５〜６はいずれも、点Ａ、Ｘ、Ｂの間をスプライン補完した輪帯を複数含むものである。実施例１に対して実施例２は、Ｔ，Ｌ２／Ｓ、Ｌ１・Ｔ／Ｓ等のパラメータは不変で、ΦＭ／Φｍを変更したものである。比較例５〜６は、ΦＭ／Φｍが１．２以下となるように設定されている。実施例９〜１０と比較例５〜６はいずれも輪帯数が１０である。各実施例における連続した輪帯の稜線は、光軸に近い側から数えて実施例９、１０では７番目まで、比較例５では５番目めで、比較例６では４番目までである。

実施例と比較例とは、Ｔ、Ｌ２／Ｓの値はほぼ同じであるが、Ｌ１・Ｔ／Ｓ又はφＭ／φｍの値を異ならせている。

表１、表２における評価結果において、補助光源ユニットの光学素子の性能として、スクリーンＳＣ内に到達した光量［Ｌｕｍｅｎ］／ＬＥＤ光源の出射光量［Ｌｕｍｅｎ］で定義される「効率」は勿論、それに加えて周辺の照度比がここでは重要視される。効率は極力高いことが望ましいが、０．５０（５０％）以上が許容範囲の目安である。又、スクリーンＳＣ上の照度は極力高く維持し、数百Ｌｕｘ以上であることが望まれる。更にスクリーンＳＣの中心照度に対する水平方向（ｘ軸上）の照度比は好ましくは２０％以上、より好ましくは２５％以上であることが望ましく、同様にスクリーンＳＣの中心照度に対する垂直方向（ｙ軸上）の照度比は好ましくは２０％以上、より好ましくは２５％以上であることが望ましく、更にスクリーンＳＣの中心照度に対する対角方向（スクリーンＳＣの四隅）の照度比は５％以上であることが好ましい。又、照度は中央部分から単調に減少することが望ましく、その減少度合い（傾き）が一定に近い方がさらに望ましい。スクリーンＳＣ上で水平方向（ｘ軸上）と垂直方向（ｙ軸上）の照度比の差が小さい方が望ましく、より具体的にはその差が２０％以内であると良い。

比較例１は、水平方向の照度比が８％，対角方向の照度比が４％と低く、比較例２は、水平方向の照度比と垂直方向の照度比との差が２５％と高く、比較例３は、水平方向の照度比が１５％と低く、比較例４は、水平方向の照度比が８％，垂直方向の照度比が１９％、対角方向の照度比が４％と低く、比較例５は、効率が４７％で低く、比較例６は効率が４３％と低く、いずれも実用に適さない。これに対し、実施例１〜１０は、全て効率は５０％以上であって、照度比の基準値を満たしている。

本発明は、明細書に記載の実施形態、実施例に限定されるものではなく、他の実施例・変形例を含むことは、本明細書に記載された実施形態や実施例や技術思想から本分野の当業者にとって明らかである。明細書の記載及び実施例は、あくまでも例証を目的としており、本発明の範囲は後述するクレームによって示されている。例えば、輪帯の頂部は尖っておらず、丸みを帯びていても良い。又、光学素子の出射面側に、光学素子をＬＥＤ光源に取り付ける際の位置決め構造を形成しても良い。位置決め構造は一体成形等によって形成することが可能である。更に、光学素子の周辺部に、Ｘ方向又はＹ方向を示す識別マークは、ボス状のもので例示したが、方向が識別できるものであれば何れの位置に形成してもよく、配光の方向を区別するための識別マークや記号等であっても良い。

１０ 補助光源ユニット
１１ 基板
１２ 光源
１２ａ 上面
１３ 光学素子
１３ａ 平行平板
１３ｂ 光透過部
１３ｃ 輪帯部
１４ スペーサ
１４ａ 内周面
２１ 突起部
Ｍ１、Ｍ２ 金型
ＯＡ 光軸
ＩＰ 光軸側面
ＯＰ 光軸外側面
ＲＰ 輪帯
ＳＣ スクリーン

Claims (13)

1. 面光源と、前記面光源の光出射側に設けられた光学素子とを有し、
   前記光学素子は、光出射側中央部に設けられた光透過部と、前記光透過部の周辺を取り囲み、前記光学素子の光軸に対して傾いた複数の屈折面を含む輪帯部とを有し、前記輪帯部は、前記光学素子の光軸回りに連続する屈折面を持つ第１の輪帯を含む複数の輪帯を有しており、
   前記第１の輪帯は、その屈折面の稜線及び谷線のうち少なくとも一方が、前記光学素子の光軸を法線とする仮想平面に平行に投影したときに、全体として長手方向に延びた環状の輪帯曲線として表され、前記仮想平面において、前記長手方向をｘ軸とし、前記ｘ軸及び前記光軸と直交する方向をｙ軸として、前記仮想平面内の位置をｘｙ座標で表したときに、前記環状の輪帯曲線が、ｘ軸と交わる点Ａの座標を（ａ，０）、ｙ軸と交わる点Ｂの座標を（０，ｂ）とすると、常に式（１）を満たし、
   ｜ａ｜ ＞ ｜ｂ｜ （１）
   且つ前記環状の輪帯曲線は、前記仮想平面内で線分ＡＢと直線ｘ＝ａと直線ｙ＝ｂで囲まれる領域内に存在し、
   前記光学素子を、前記仮想平面に平行に投影したときに、前記仮想平面上で、投影された前記輪帯部のみに重なる前記光軸を中心とする仮想円のうち最大となる仮想円の直径をＬ２とし、前記面光源の発光面の最長の長さをＳとして、前記光軸を中心として式（２）を満たす動径Ｒにより表される仮想的な環状領域を画成するとき、
   Ｓ／２ ＜ Ｒ ＜ Ｌ２／２ （２）
   前記環状領域内に含まれる、前記第１の輪帯の屈折面において、前記長手方向の両端に近づくほど前記光軸に対する開き角Φが大きくなり、前記光軸に対する最大の開き角をΦＭ、最小の開き角をΦｍとしたときに、式（３）を満たし、
   １．２ ＜ ΦＭ／Φｍ ＜ ２．５ （３）
   前記面光源の発光面と前記光学素子の光出射面との距離をＴ、前記光透過部の最大径をＬ１としたときに、式（４）〜（６）を満たすことを特徴とする補助光源ユニット。
   １．５ ＜ Ｌ２／Ｓ ＜ ４．０ （４）
   Ｓ／３ ＜ Ｔ ＜ ２Ｓ （５）
   ０．１ ＜ Ｌ１・Ｔ／Ｓ ＜ １．８ （６）
2. 前記第１の輪帯は、ｘ軸対称かつｙ軸対称の形状を有することを特徴とする請求項１に記載の補助光源ユニット。
3. 前記環状の輪帯曲線が式（７）を満足する楕円形状からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の補助光源ユニット。
   ｜ａ｜／｜ｂ｜ ＜ ２ （７）
4. 前記仮想平面において、線分ＡＢと直線ｘ＝ａと直線ｙ＝ｂで囲まれる領域内の任意の点をＸとし、前記環状輪帯曲線が式（７）を満足し、点Ａ、Ｘ、Ｂの間をスプライン補完した形状からなることを特徴とする請求項３に記載の補助光源ユニット。
5. 最も光軸に近い前記輪帯を前記仮想平面に平行に投影したときの輪帯曲線が、光軸を中心とした真円形状であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の補助光源ユニット。
6. 前記輪帯部は前記第１の輪帯を複数含んでいることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の補助光源ユニット。
7. 複数の前記第１の輪帯は、前記光軸から離れるに従って、前記輪帯曲線において｜ａ｜／｜ｂ｜が大きくなることを特徴とする請求項６に記載の補助光源ユニット。
8. 前記仮想平面において、原点（０，０）から点Ｘまでの距離をＬｘとすると、複数の前記第１の輪帯は、前記光軸から離れるに従ってＬｘ／√（ａ²＋ｂ²）が大きくなることを特徴とする請求項６に記載の補助光源ユニット。
9. 最も光軸に近い前記輪帯とそれ以外の少なくとも一つの輪帯が前記第１の輪帯であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の補助光源ユニット。
10. 前記複数の輪帯の谷深さが、前記輪帯部の周辺に向かって増加していることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の補助光源ユニット。
11. 前記光学素子は、前記輪帯部が形成された第１の面と、前記第１の面とは反対側の平坦な第２の面とを有することを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の補助光源ユニッ
    ト。
12. 前記光学素子に取り付け方向を明示するマークを形成したことを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の補助光源ユニット。
13. 請求項１〜１２のいずれかに記載の補助光源ユニットに用いることを特徴とする光学素子。