WO2012053387A1

WO2012053387A1 - 光学素子及び照明装置

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Publication number: WO2012053387A1
Application number: PCT/JP2011/073299
Authority: WO
Inventors: 棚橋大輔; 橋本雅文
Original assignee: コニカミノルタオプト株式会社
Priority date: 2010-10-21
Filing date: 2011-10-11
Publication date: 2012-04-26
Also published as: JPWO2012053387A1

Abstract

　光学素子に対する光源の大きさが比較的大きい場合や複数の光源を用いた場合でも、良好な配光分布を得ることができ、照射面をより均一に照明することができる光学素子を提供する。光軸上における発光点の位置を座標の原点Ｏにとり、第２面Ｐ２上の任意の点と、原点Ｏとを結ぶ直線ＬＭの長さをＭ、直線ＬＭと光軸（ｚ軸）との成す角をαとし、直線ＬＭと第１面Ｐ１との交点Ｄと原点Ｏとの間の長さをｍとしたとき、第１面Ｐ１と第２面Ｐ２のレンズ厚（Ｍ－ｍ）は、０°≦α≦９０°の範囲内において極大となる極値または変曲点を持ち、そのときのαの値をα１とすると、以下の式を満たす。　１５°≦α１≦８０°　（１）

Description

光学素子及び照明装置

　本発明は、面発光の光源を用いた照明装置に好適な光学素子、及びその光学素子を用いた照明装置に関するものである。

　屋内照明などの分野において、より広い範囲を均一に照明する照明装置が求められている。また、取り付け時の容易さを考慮し、回転対称な形状をした照明装置用の光学部材が求められている。更に、省エネ等の観点から、消費電流が少ないＬＥＤ光源等を用いることが検討されている。

　照明装置に要求される性能の一つに、輝度が十分かということがある。これは、照明用の基本的な性能として欠かすことが出来ない要件である。十分な輝度を達成するためには、光学素子の効率を上げること、光源自体の輝度を確保することの２方向からのアプローチが行われる。

　前者のアプローチでは、光学素子の構成を工夫して光利用効率の向上を図ることが行われる。ただし、基本的には光学素子の小型化につれ、その効率は低下するため、光学素子側での適切な設計が必要となる。一方、後者のアプローチにおいて、例えばＬＥＤ光源を用いるとした場合には、現状ではLEDチップ単体では輝度が不足することが多いから、複数個のＬＥＤチップを使用するという形態を採用することが多い。

　以上のように、LED光源を用いた照明装置用光学素子では、光学素子が小型化していること、複数個のLEDチップを使用していることから、従来と比較して、光学素子に対して発光面の面積が大きくなっている。このことは、光源が点光源としてみなせないということを意味するが、このため光学素子の構成を考える上で発光位置の空間的な広がりを考慮する必要がある。

　また、より広い範囲をなるべく均一に照明するためには、配光の強度中心角度（ピーク角度）が発光面の法線方向に対して角度を有することが望まれる。配光のピーク角度及びピークの形状、広がり方などにより、照射面の照度分布や照明可能な範囲（角度）は変化する。

　特許文献１には、被写体等の限られた領域（被照射領域）を明るく且つ均質に照明することができるようにする照明装置のレンズが開示されている。又、特許文献２には、光源の指向性を広くし且つ良好な配光分布を実現できる照明用レンズが開示されている。

特開２００７－２９４１８７号公報特開２０１０－１４０７６９号公報

　しかしながら、特許文献１，２の光学素子は、光源が点光源とみなせる場合に最良の性能が得られる構成であるから、光学素子が小型化し相対的に光源が大きくなった場合、或いは本来的に大面積の発光面を有する光源を用いる場合（面発光を行う複数の光源を使用する場合を含む）には、十分な配光特性を得られないという課題があった。

　より具体的には、特許文献１に開示された光学素子においては、点光源を用いた場合に広い配光特性を実現するが、光源の面積が広い場合や光源が複数ある場合には光学素子を非常に大型化する必要がある、または被照射面における照度ムラが生じやすく、良好な配光特性が得られない。また、特許文献２に開示された光学素子においては、0度付近に強い配光分布を有する面光源の光を、全反射を用いることで均一で良好な配光分布を得ているが、出射光を一度光源に戻して反射させるという方式をとっているため、反射を繰り返すことによる光量の低下は否めない。また、全反射領域における面は、高い精度が要求されコスト高を招くという問題もある。

　このように、光源が光学素子に対して相対的に大きくなる（例えば光源の大きさLが光学素子径の1/4より大きくなる）と配光分布の制御が難しくなり、また複数の光源に対して一つの光学素子のみで配光しようとした場合も、同様に望む配光分布を得ることは難しくなるという課題が見えてくる。

　本発明は、光学素子に対する光源の大きさが比較的大きい場合や複数の光源を用いた場合でも、良好な配光分布を得ることができ、照射面をより均一に照明することができる光学素子を提供することを目的とする。

　請求項１に記載の光学素子は、発光面を有する光源を用いた照明装置用の光学素子であって、前記光源の光軸をz軸とし、前記発光面をz軸の正の方向に向けて設置した場合において、前記発光面から出射された光線を入射する第１面と、前記第１面から入射した光線を出射する第２面とを有し、
　前記光軸上における発光点の位置を座標の原点にとり、前記第２面上の任意の点と前記原点とを結ぶ直線の長さをＭ、前記直線と前記光軸との成す角をαとし、前記直線における前記第１面との交点と前記原点との間の長さをｍとしたとき、前記第１面と前記第２面のレンズ厚（Ｍ－ｍ）は、０°≦α≦９０°の範囲内において極大となる極値または変曲点を持ち、そのときのαの値をα１とすると、以下の式を満たすことを特徴とする。
　１５°≦α１≦８０°　　　（１）

　図１は、本発明の一例を示す光学素子の断面図であるが、本発明は以下の例に限定されない。図１において、回転対称形である光学素子ＯＥは、その内部空間に光源ＯＳを配置している。尚、光源ＯＳの光軸とは、単一の大面積の光源の場合はその発光面の中心をいい、例えば複数のＬＥＤ光源等を用いる場合は、光源ＯＳの光軸とは、図２に示すように、ＬＥＤ光源の外接円ＯＣの中心ｚを通る垂線をいうものとする。また、この場合、外接円ＯＣで囲まれた領域のＬＥＤ光源の発光面を含む平面を発光面とし、発光面の大きさＬは外接円の半径となる。

　図１に示すように、光源ＯＳの光軸をz軸とし、光源ＯＳの発光面ＥＰをz軸の正の方向に向けて設置した場合において、発光面ＥＰから出射された光線を入射する光学素子ＯＥの内面を第１面Ｐ１と、第１面Ｐ１から入射した光線を出射する外面を第２面Ｐ２とする。

　光軸上において光軸と発光面とが交わる位置を座標の原点Ｏにとり、第２面Ｐ２上の任意の点Ｆと、原点Ｏとを結ぶ直線ＬＭの長さをＭ、直線ＬＭと光軸（ｚ軸）との成す角をαとし、直線ＬＭにおける第１面Ｐ１との交点Ｄと原点Ｏとの間の長さをｍとしたとき、第１面Ｐ１と第２面Ｐ２のレンズ厚（Ｍ－ｍ）は、０°≦α≦９０°の範囲内において極大となる極値または変曲点を持ち、そのときのαの値をα１とすると、以下の式を満たす。
　１５°≦α１≦８０°　　　（１）

　このような形状をした光学素子ＯＥを用いることで、光学素子ＯＥから出射される光線の配光のピークを0度以外の角度に形成することができ、任意の照射面をより均一に照明することが可能となる。尚、ここで言う変曲点とは、横軸に角度α、縦軸にレンズ厚（M-m）をとったとき、角度αの変化分に対するレンズ厚（M-m）の変化分（増分量）が変化する点をいうが、例えばレンズ厚（Ｍ－ｍ）が角度αの変化に応じて漸次減少又は増加していった後、変化が生じなくなった（レンズ厚が一定となった）ときは、その始点をいうものとする。

　尚、レンズ厚（M-m）は15°≦α1≦80°の範囲で極大となる極値を有することが望ましい。また、より望ましくは60°≦α1≦80°である。

　請求項２に記載の光学素子は、請求項１に記載の発明において、前記第２面の面形状のサグ量は、前記第２面の頂点を０とした場合、光軸から離れるに連れて、その変化量が単調減少であることを特徴とする。

　図１を参照して、第2面Ｐ２の面形状のサグ量Ｓは、第２面Ｐ２の面頂点から、第２面Ｐ２上の任意の点までの「負の光軸方向距離」をいう。第2面Ｐ２の面形状のサグ量Ｓは、第2面Ｐ２の頂点を0とした場合、光軸から離れるに連れて、その変化量が単調減少であると好ましい。

　ここで言う単調減少とは、光軸の負の方向にその面の曲率中心があるという意味である。ただし、近軸近傍での曲率半径が非常に大きくほぼ平面とみなせるような場合は、この限りではない。このような形状とすることで、第２面の形状成形が容易となりコスト低減効果がある。尚、サグ量が一定の箇所があっても良い。また、直線ＬＭと第２面Ｐ２との交点Ｆにおけるサグ量Ｓは、少なくとも0°≦α≦45°の範囲で単調減少であればよい。

　請求項３に記載の光学素子は、請求項１又は２に記載の発明において、前記第１面上の任意の点と前記原点とを結ぶ直線と光軸との成す角をβ、前記第１面上の任意の点と前記原点とを結ぶ直線の長さをｍ（β）としたとき、０≦β≦６０°の範囲内においてｍ（β）の最大値をｍ（β）ｍａｘとすると、以下の式を満たすことを特徴とする。
　１≦ｍ（β）ｍａｘ／ｍ（０）≦２　　　（２）

　図３は、本発明の一例を示す光学素子の断面図であるが、本発明は以下の例に限定されない。図３において、光学素子ＯＥの第１面Ｐ１上の任意の点Ｈと、原点Ｏとを結ぶ直線Ｌｂと光軸（ｚ軸）との成す角をβ、第１面Ｐ１上の任意の点Ｈと、原点Ｏとを結ぶ直線Ｌｂの長さをｍ（β）としたとき、０≦β≦６０°の範囲内において長さｍ（β）の最大値をｍ（β）ｍａｘとすると、（２）式を満たす。

　この範囲を満たすように長さm(β)の大きさを決定することで、光学素子における配光角のピークをより広角にすることが可能となる。また、光学素子と比較して相対的に大きめの光源や複数個の光源を配置することも可能となる。更に、光学素子の加工が容易である。尚、０≦β≦６０°の範囲内に限らず、長さm(β)は角度βの増加により単調増加してもよい。また、長さm(β)は角度βの増加によらず一定であってもよい。より好ましくは、（２’）式を満たすことである。
　1＜m(β)max/m(0)＜2　　　（２’）

　請求項４に記載の光学素子は、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の発明において、前記第１面と前記第２面は共に、前記光軸に対して回転対称な面形状を有することを特徴とする。

　前記第1面、第2面共に光軸に対して回転対称な面形状を有することで、取り付けなどの際に回転の向きや方向、角度などが制限されず、容易に設置することが可能となる。

　請求項５に記載の光学素子は、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の発明において、前記光源は複数あることを特徴とする。

　前記光源を複数設けることで、より明るい照度分布を形成することが可能となる。またこの場合、光源の発光面の大きさLは、この複数ある光源を完全に囲む原点中心の外接円の半径となる（図２参照）。

　請求項６に記載の光学素子は、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の発明において、前記第２面の面形状は複数の面形状式で定義されており、その面形状が繋がって形成されていることを特徴とする。

　前記第2面の面形状が複数の面形状式で定義されており、その面形状が連続して形成されていると、一つの面形状式では表現しにくい形状も形成できる。また、面形状が連続して形成されている箇所が急なサグ量変化を有する場合、光源が複数あっても照度ムラが生じにくいという効果もある。

　請求項７に記載の光学素子は、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の発明において、前記第２面は一つの面形状式で表現されていることを特徴とする。前記第2面が一つの面形状式で表現されていると、面形成が容易となる。

　請求項８に記載の光学素子は、請求項７に記載の発明において、前記第２面が一つの面形状式で表されている範囲内において、面形状の傾きが最大となる点と前記原点とを結ぶ角度γは、γ≧α１であることを特徴とする。

　第2面の面形状の傾きが最大となる箇所Gと原点とを結ぶ角度γはγ≧α1であると好ましい。これを満たすことで、より広角にピークを有する配光分布を得られる。ここで面形状の傾きとは、第2面の面形状式を微分した値で、この値が最大となる箇所Gは微分値が最大となる箇所であり、例えば図１に示す箇所Ｇである。なお、微分値が最大となる箇所は、光軸からの距離の正負、または曲率半径の正負によっては最少となる場合もある。箇所Gが極値であるとなお良い。

　請求項９に記載の光学素子は、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の発明において、前記長さＭは、１５°≦α≦８０°の範囲において極大となる極値または変曲点を有することを特徴とする。

　図１を参照して、長さＭが、１５°≦α≦８０°の範囲において極大となる極値または変曲点を有することで、配光角のピークがより広角となる。これにより配光角は十分に広くなる。α≧１５°だと光量の大きな光束が１５°未満の角度を持って光学素子から出射するため、配光角度が十分に広がることとなる。

　請求項１０に記載の光学素子は、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の発明において、前記第１面と前記第２面の間のレンズ厚を（Ｍ－ｍ）としたときに、（Ｍ－ｍ）は角度αが大きくなるにつれて大きくなり、且つ４５°≦α≦８０°の範囲において極大値をとることを特徴とする。

　前記第１面と前記第２面のレンズ厚（M-m）は、角度αが大きくなるにつれて単調増加し大きくなり、且つ４５°≦α≦８０°の範囲において極大値をとると好ましい。具体的には、極大となる箇所があたかも角度αの光軸を有する凸レンズのような作用を及ぼすため、そこの箇所を挟んで光学素子から出射する光束は、互いに角度αの光軸方向に収束するような光束となる。これにより比較的強度が強い光学素子の正面方向の光線を、角度を持たせて出射することができ、配光角を広げることができる。

　請求項１１に記載の光学素子は、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の発明において、前記長さＭは０≦α≦９０°の範囲内において極大となる極値を持ち、そのときのαの値をα２とすると、以下の式を満たすことを特徴とする。これにより、より広角にピークを有する配光分布を得られる。
　４５°≦α２≦８０°　　　（３）

　請求項１２に記載の光学素子は、請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の発明において、前記光学素子は近軸領域において負のパワーを有することを特徴とする。前記光学素子が近軸領域において負のパワーを有することで強度の強い正面方向の光線を発散させ、配光角度を広げることができる。

　請求項１３に記載の光学素子は、請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の発明において、前記光源の発光面のうち前記原点から最も離れた位置と前記原点との距離をＬとしたとき、光軸上の前記原点から前記距離Ｌだけ離れた点Ｃにおいて、前記第２面上の任意の点と前記点Ｃとを結ぶ直線の長さをＮ、前記直線と前記光軸との成す角をφとすると、前記点Ｃから見て前記光軸側と反対方向にφ＝６０°の直線と第２面との交点をＣ’としたとき、Ｃ’と原点とを結ぶ直線と光軸との成す角をα’とすると、以下の式を満たすことを特徴とする。
　１５°≦α≦α’　　　（４）

　図４５を参照して、光軸ｚ上の原点Ｏから距離Ｌだけ離れた点Ｃにおいて、第２面Ｐ２上の任意の点Ｃ’と、点Ｃとを結ぶ直線Ｌｃの長さをＮ、直線Ｌｃと光軸ｚとの成す角をφとする。ここで、点Ｃから見て原点Ｏと反対方向にφ＝６０°の直線Ｌｃと第２面Ｐ２との交点をＣ’としたとき、点Ｃ’と原点Ｏとを結ぶ直線Ｌｃ’と光軸ｚとの成す角をα’とするときに、（４）式を満たす。（４）式を満たすことで、光束を第1面に入射する際に角度を持たせてレンズの広い部分を使用することができ、第1面入射後の光束に角度を付けることができる。それにより、より広い範囲をより均一に照射する照明装置を提供できる。

　請求項１４に記載の光学素子は、請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の発明において、前記光源の発光面のうち原点から最も離れた位置と前記原点との距離をＬとしたとき、光軸上の前記原点から前記距離Ｌだけ離れた点を通り、前記光軸と平行な直線と前記第１面との交点をＢとした場合、前記原点と前記交点Ｂと結ぶ直線の長さをｍＢ（θ）、前記直線と光軸との成す角度をθとすると、０≦β≦θの範囲において角度βの増加に伴いｍ（β）は一定または単調増加することを特徴とする。

　図４は、本発明の一例を示す光学素子の断面図であるが、本発明は以下の例に限定されない。図４において、光源ＯＳの発光面ＥＰのうち原点Ｏから最も離れた位置と、原点Ｏとの距離をＬとしたとき、光軸（ｚ軸）上の原点Ｏから距離Ｌだけ離れた点Ｃを通り、前記光軸と平行な直線Ｌｂと第１面Ｐ１との交点をＢとした場合、原点Ｏと交点Ｂと結ぶ直線Ｌｍｂの長さをｍＢ（θ）、直線Ｌｍｂと光軸との成す角度をθとすると、０≦β≦θの範囲において角度βの増加に伴いｍ（β）は一定または単調増加する。

　これにより、光学素子に対して比較的大きめの光源を用いた場合でも、良好な配光を形成することが可能となる。また、複数の光源を用いることも容易となる。これにより、光源として用いるLED単体の光量が足りない場合でも、複数個用いることで光量を増大することができる。

　請求項１５に記載の照明装置は、請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の光学素子を含むことを特徴とする。

　光源ＯＳの発光面ＥＰのうち原点Ｏから最も離れた位置と原点Ｏとの距離をLとしたとき、原点Ｏから光軸と第１面Ｐ１の交点までの距離m(0)は、L/2より大きいことが望ましい。

　M(α1)が極大となるときの光軸からの距離はMsinα1で与えられる。光源ＯＳの発光面ＥＰのうち原点Ｏから最も離れた位置と原点Ｏとの距離をLとしたとき、上記Msinα1の値はLより大きいことが望ましい。そのため、α1はアークサインL/Mより大きいことが望ましい。また、その際はα≧α1の範囲においてはMの増分量が大きいほうが望ましい。

　M(α1)が極大となるαは多数あってもよい。最も小さいαをとるときをα１とし、そのときの原点からの距離をM(α1)とする。

　光学素子の肉厚は角度αが大きくなるにつれて、薄肉から厚肉、更に薄肉へと変化しており、あたかも光軸がαだけ回転した凸レンズのように作用する。当然このようなパワー配置を取ることでα方向に最も集光作用が強くなり、その角度付近に強度のピークが出やすくなる。

　レンズのような屈折光学系により理想の配光分布を得るには、光学素子に入射する光線の角度ごとに入射面と出射面のパワーバランスを考慮する必要がある。その光線の角度ごとの入射面、出射面の微小曲率を共に計算し、最適化することで所望の配光分布を得ることが可能となる。

　本来、空気とレンズの間には屈折率差があるため、光源から出射される光線の角度ごとでのレンズのパワー計算のみでは不十分だが、大きさを有する光源を用いた照明においては光線の入射面位置と入射角度がある程度均質化されるため、さほど問題ではない。厳密に求める場合は角度毎に光線追跡を行い、その光線が通過する点において微小曲率を計算することでパワー分布を求めることが出来る。

　複数の光源を用いた場合、第2面のサグ量Mが最大となる点は異なる二つの面がつながって且つ連続して形成されている箇所であり、且つその箇所において面形状の変化量、すなわち傾きの変化量が大きい場合、その第2面上の点から光軸側と光軸から離れる側とを通過する光線とで第2面から出射後の光線の角度は大きく変化するため、ムラのない配光分布及び被照射面上におけるムラの無い照度分布を実現することが可能となる。

　光源としては、LEDや有機ＥＬ等の面状発光素子が好ましく、特に光学素子側の面がフラットであることが望ましく、更には表面実装型が望ましい。

　光学素子の素材としては、プラスチック、ガラス、シリコン系樹脂、ウレタン系樹脂、オレフィン系樹脂、ゲルを用いることができる。

　本発明によれば、光学素子に対する光源の大きさが比較的大きい場合や複数の光源を用いた場合でも、良好な配光分布を得ることができ、照射面をより均一に照明することができる光学素子を提供することができる。

本発明の一例を示す光学素子の断面図である。複数の光源における各数値の定義を示す図である。本発明の一例を示す光学素子の断面図である。本発明の一例を示す光学素子の断面図である。第１の実施例にかかる光学素子の光軸方向断面図である。第１の実施例にかかる光学素子の配光特性を示す図であり、縦軸に光度、横軸に光軸に対する角度をとっている。第１の実施例にかかる光学素子の照度分布を示す図であり、縦軸に照度比、横軸に光軸ｚの位置を０ｍｍとしてここからの距離をとっている。第１の実施例にかかる光学素子において、横軸に角度α、縦軸に長さＭ、ｍをとり、プロットした図である。第１の実施例にかかる光学素子において、横軸に角度α、縦軸にレンズ厚（Ｍ－ｍ）をとり、プロットした図である。第２の実施例にかかる光学素子の光軸方向断面図である。第２の実施例にかかる光学素子の配光特性を示す図であり、縦軸に光度、横軸に光軸に対する角度をとっている。第２の実施例にかかる光学素子の照度分布を示す図であり、縦軸に照度比、横軸に光軸ｚの位置を０ｍｍとしてここからの距離をとっている。第２の実施例にかかる光学素子において、横軸に角度α、縦軸に長さＭ、ｍをとり、プロットした図である。第２の実施例にかかる光学素子において、横軸に角度α、縦軸にレンズ厚（Ｍ－ｍ）をとり、プロットした図である。第３の実施例にかかる光学素子の光軸方向断面図である。第３の実施例にかかる光学素子の配光特性を示す図であり、縦軸に光度、横軸に光軸に対する角度をとっている。第３の実施例にかかる光学素子の照度分布を示す図であり、縦軸に照度比、横軸に光軸ｚの位置を０ｍｍとしてここからの距離をとっている。第３の実施例にかかる光学素子において、横軸に角度α、縦軸に長さＭ、ｍをとり、プロットした図である。第３の実施例にかかる光学素子において、横軸に角度α、縦軸にレンズ厚（Ｍ－ｍ）をとり、プロットした図である。第４の実施例にかかる光学素子の光軸方向断面図である。第４の実施例にかかる光学素子の配光特性を示す図であり、縦軸に光度、横軸に光軸に対する角度をとっている。第４の実施例にかかる光学素子の照度分布を示す図であり、縦軸に照度比、横軸に光軸ｚの位置を０ｍｍとしてここからの距離をとっている。第４の実施例にかかる光学素子において、横軸に角度α、縦軸に長さＭ、ｍをとり、プロットした図である。第４の実施例にかかる光学素子において、横軸に角度α、縦軸にレンズ厚（Ｍ－ｍ）をとり、プロットした図である。第５の実施例にかかる光学素子の光軸方向断面図である。第５の実施例にかかる光学素子の配光特性を示す図であり、縦軸に光度、横軸に光軸に対する角度をとっている。第５の実施例にかかる光学素子の照度分布を示す図であり、縦軸に照度比、横軸に光軸ｚの位置を０ｍｍとしてここからの距離をとっている。第５の実施例にかかる光学素子において、横軸に角度α、縦軸に長さＭ、ｍをとり、プロットした図である。第５の実施例にかかる光学素子において、横軸に角度α、縦軸にレンズ厚（Ｍ－ｍ）をとり、プロットした図である。第６の実施例にかかる光学素子の光軸方向断面図である。第６の実施例にかかる光学素子の配光特性を示す図であり、縦軸に光度、横軸に光軸に対する角度をとっている。第６の実施例にかかる光学素子の照度分布を示す図であり、縦軸に照度比、横軸に光軸ｚの位置を０ｍｍとしてここからの距離をとっている。第６の実施例にかかる光学素子において、横軸に角度α、縦軸に長さＭ、ｍをとり、プロットした図である。第６の実施例にかかる光学素子において、横軸に角度α、縦軸にレンズ厚（Ｍ－ｍ）をとり、プロットした図である。第１の比較例にかかる光学素子の光軸方向断面図である。第１の比較例にかかる光学素子の配光特性を示す図であり、縦軸に光度、横軸に光軸に対する角度をとっている。第１の比較例にかかる光学素子の照度分布を示す図であり、縦軸に照度比、横軸に光軸ｚの位置を０ｍｍとしてここからの距離をとっている。第１の比較例にかかる光学素子において、横軸に角度α、縦軸に長さＭ、ｍをとり、プロットした図である。第１の比較例にかかる光学素子において、横軸に角度α、縦軸にレンズ厚（Ｍ－ｍ）をとり、プロットした図である。第２の比較例にかかる光学素子の光軸方向断面図である。第２の比較例にかかる光学素子の配光特性を示す図であり、縦軸に光度、横軸に光軸に対する角度をとっている。第２の比較例にかかる光学素子の照度分布を示す図であり、縦軸に照度比、横軸に光軸ｚの位置を０ｍｍとしてここからの距離をとっている。第２の比較例にかかる光学素子において、横軸に角度α、縦軸に長さＭ、ｍをとり、プロットした図である。第２の比較例にかかる光学素子において、横軸に角度α、縦軸にレンズ厚（Ｍ－ｍ）をとり、プロットした図である。本発明の一例を示す光学素子の断面図である。第１の実施例にかかる光学素子において、第２面のサグ量を示す図である。第２の実施例にかかる光学素子において、第２面のサグ量を示す図である。第３の実施例にかかる光学素子において、第２面のサグ量を示す図である。第４の実施例にかかる光学素子において、第２面のサグ量を示す図である。第５の実施例にかかる光学素子において、第２面のサグ量を示す図である。第６の実施例にかかる光学素子において、第２面のサグ量を示す図である。第１の比較例にかかる光学素子において、第２面のサグ量を示す図である。第２の比較例にかかる光学素子において、第２面のサグ量を示す図である。

　以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。図１において、不図示の基板に形成された複数のＬＥＤからなる光源ＯＳは、その外接円の輪郭のみを図示しており、発光面ＥＰを上方に向けている。外内面共に光軸中心回りに回転対称形状である光学素子ＯＥは、ガラス又は樹脂からなり、その内部空間に光源ＯＳを配置しており、両者間に空気が介在している。

　図１に示すように、光源ＯＳの光軸をz軸とし、光学素子ＯＳの発光面ＥＰをｚ軸に直交するｘ－ｙ平面に一致させ、光源ＯＳの発光面ＥＰをz軸の正の方向に向けて設置した場合において、発光面ＥＰから出射された光線を入射する光学素子ＯＥの内面を第１面Ｐ１と、第１面Ｐ１から入射した光線を出射する外面を第２面Ｐ２とする。尚、第２面Ｐ２は、１つもしくは複数の面形状式で定義される。

　光軸上における発光点の位置を座標の原点Ｏにとり、第２面Ｐ２上の任意の点と、原点Ｏとを結ぶ直線ＬＭの長さをＭ、直線ＬＭと光軸（ｚ軸）との成す角をαとし、直線ＬＭと第１面Ｐ１との交点Ｄと原点Ｏとの間の長さをｍとしたとき、第１面Ｐ１と第２面Ｐ２のレンズ厚（Ｍ－ｍ）は、０°≦α≦９０°の範囲内において極大となる極値または変曲点を持ち、そのときのαの値をα１とすると、以下の式を満たす。
　１５°≦α１≦８０°　　　（１）

　以下の実施例における非球面の形状は、面の頂点を原点とし、光軸方向にＺ軸をとり、光軸と垂直方向の高さをｈとして、表１又は２に示す数値を代入した以下の数１式で表すものとする。

　但し、
　Ａｉ：ｉ次の非球面係数（ｉ＝３，４，５，６，・・・・２０）
　Ｒ（レンズデータ表ではｒ）：曲率半径
　ｋ：円錐定数
　また、非球面係数において、１０のべき乗数（例えば２．５×１０^-02）をＥ（例えば２．５Ｅ－０２）を用いて表している。

（実施例１）
　図５は、第１の実施例にかかる光学素子の光軸方向断面図である。図６は、第１の実施例にかかる光学素子の配光特性を示す図である。図７は、第１の実施例にかかる光学素子の照度分布を示す図である。図８は、第１の実施例にかかる光学素子において、横軸に角度α、縦軸に長さＭ、ｍをとり、プロットした図である。図９は、第１の実施例にかかる光学素子において、横軸に角度α、縦軸にレンズ厚（Ｍ－ｍ）をとり、プロットした図である。図４６は、第１の実施例にかかる光学素子において、第２面のサグ量を示す図である。第１の実施例にかかる光学素子においては、第２面がそれぞれ異なる面形状式で定義された２つの面（非球面とテーパ面）をつなげてなり、長さＬ＝７．７ｍｍの光源を用いたときに、図９を参照して、（Ｍ－ｍ）は角度αの増大と共に漸次増大し、（Ｍ－ｍ）が極大（最大）となる角度α１＝６１．２６ｄｅｇであるため、（１）式を満たす。また、０≦β≦θの範囲において角度βの増加に伴いｍ（β）は一定または単調増加し、ｍ（β）ｍａｘ／ｍ（０）＝１．２１であるため、（２）式を満たす。更に、Ｍが変曲点を持ち極大となる角度α２＝６１．２６ｄｅｇであり、（３）式を満たす。又、α’＝７５．３０ｄｅｇであり、（４）式を満たす。実施例１の配光特性は、図６に示すように、±５０゜付近が凸であり良好である。又、照度分布としては、図７に示すように半値幅が８００ｍｍ以上又は有効面積内の最小照度（相対値）が０．１以上であり良好である。これにより、屋内照明装置として部屋の中央に取り付けた場合、部屋の隅を照明するのに好適となる。

（実施例２）
　図１０は、第２の実施例にかかる光学素子の光軸方向断面図である。図１１は、第２の実施例にかかる光学素子の配光特性を示す図である。図１２は、第２の実施例にかかる光学素子の照度分布を示す図である。図１３は、第２の実施例にかかる光学素子において、横軸に角度α、縦軸に長さＭ、ｍをとり、プロットした図である。図１４は、第２の実施例にかかる光学素子において、横軸に角度α、縦軸にレンズ厚（Ｍ－ｍ）をとり、プロットした図である。図４７は、第２の実施例にかかる光学素子において、第２面のサグ量を示す図である。第２の実施例にかかる光学素子においては、第２面が１つの面形状式で定義された非球面からなり、長さＬ＝７．７ｍｍの光源を用いたときに、図１４を参照して、（Ｍ－ｍ）は角度αの増大と共に漸次増大し、（Ｍ－ｍ）が極大（最大）となる角度α１＝６０．１６ｄｅｇであるため、（１）式を満たす。また、０≦β≦θの範囲において角度βの増加に伴いｍ（β）は一定または単調増加し、ｍ（β）ｍａｘ／ｍ（０）＝１．２２であるため、（２）式を満たす。更に、Ｍが変曲点を持ち極大となる角度α２＝６２．４５であり、（３）式を満たす。又、α’＝７５．２６ｄｅｇであり、（４）式を満たす。実施例２の配光特性は、図１１に示すように、±５０゜付近が凸であり良好である。又、照度分布としては、図１２に示すように半値幅が８００ｍｍ以上又は有効面積内の最小照度（相対値）が０．１以上であり良好である。本実施例では、γ＝８０．８９ｄｅｇである。

（実施例３）
　図１５は、第３の実施例にかかる光学素子の光軸方向断面図である。図１６は、第３の実施例にかかる光学素子の配光特性を示す図である。図１７は、第３の実施例にかかる光学素子の照度分布を示す図である。図１８は、第３の実施例にかかる光学素子において、横軸に角度α、縦軸に長さＭ、ｍをとり、プロットした図である。図１９は、第３の実施例にかかる光学素子において、横軸に角度α、縦軸にレンズ厚（Ｍ－ｍ）をとり、プロットした図である。図４８は、第３の実施例にかかる光学素子において、第２面のサグ量を示す図である。第３の実施例にかかる光学素子においては、第２面がそれぞれ異なる面形状式で定義された２つの面（非球面と球面）をつなげてなり、長さＬ＝７．７ｍｍの光源を用いたときに、図１９を参照して、（Ｍ－ｍ）は角度αの増大と共に漸次増大し、（Ｍ－ｍ）が極大（最大）となる角度α１＝６４．６６ｄｅｇであるため、（１）式を満たす。また、０≦β≦θの範囲において角度βの増加に伴いｍ（β）は一定または単調増加し、ｍ（β）ｍａｘ／ｍ（０）＝１．１９であるため、（２）式を満たす。更に、Ｍが変曲点を持ち極大となる角度α２＝６４．６６ｄｅｇであり、（３）式を満たす。又、α’＝６８．６７ｄｅｇであり、（４）式を満たす。実施例３の配光特性は、図１６に示すように、±６０゜付近が凸であり良好である。又、照度分布としては、図１７に示すように半値幅が８００ｍｍ以下であるが、有効面積内の最小照度（相対値）が０．１以上であり良好である。

（実施例４）
　図２０は、第４の実施例にかかる光学素子の光軸方向断面図である。図２１は、第４の実施例にかかる光学素子の配光特性を示す図である。図２２は、第４の実施例にかかる光学素子の照度分布を示す図である。図２３は、第４の実施例にかかる光学素子において、横軸に角度α、縦軸に長さＭ、ｍをとり、プロットした図である。図２４は、第４の実施例にかかる光学素子において、横軸に角度α、縦軸にレンズ厚（Ｍ－ｍ）をとり、プロットした図である。図４９は、第４の実施例にかかる光学素子において、第２面のサグ量を示す図である。第４の実施例にかかる光学素子においては、第２面が１つの面形状式で定義された非球面からなり、長さＬ＝７．７ｍｍの光源を用いたときに、図２４を参照して、（Ｍ－ｍ）は角度αの増大と共に漸次増大し、（Ｍ－ｍ）が極大（最大）となる角度α１＝４５．２９ｄｅｇであるため、（１）式を満たす。また、０≦β≦θの範囲において角度βの増加に伴いｍ（β）は一定または単調増加し、ｍ（β）ｍａｘ／ｍ（０）＝１．２１であるため、（２）式を満たす。更に、Ｍが変曲点を持ち極大となる角度α２＝４８．３８ｄｅｇであり、（３）式を満たす。又、α’＝７５．０２ｄｅｇであり、（４）式を満たす。尚、本実施例は、近軸で負のパワーを有する。実施例４の配光特性は、図２１に示すように、±３０゜付近が凸であり良好である。又、照度分布としては、図２２に示すように半値幅が８００ｍｍ以上又は有効面積内の最小照度（相対値）が０．１以上であり良好である。本実施例では、γ＝６１．７６ｄｅｇである。

（実施例５）
　図２５は、第５の実施例にかかる光学素子の光軸方向断面図である。図２６は、第５の実施例にかかる光学素子の配光特性を示す図である。図２７は、第５の実施例にかかる光学素子の照度分布を示す図である。図２８は、第５の実施例にかかる光学素子において、横軸に角度α、縦軸に長さＭ、ｍをとり、プロットした図である。図２９は、第５の実施例にかかる光学素子において、横軸に角度α、縦軸にレンズ厚（Ｍ－ｍ）をとり、プロットした図である。図５０は、第５の実施例にかかる光学素子において、第２面のサグ量を示す図である。第５の実施例にかかる光学素子においては、第２面がそれぞれ異なる面形状式で定義された２つの面（非球面とテーパ面）をつなげてなり、長さＬ＝７．７ｍｍの光源を用いたときに、図２９を参照して、（Ｍ－ｍ）は角度αの増大と共に漸次増大し、（Ｍ－ｍ）が極大（最大）となる角度α１＝２８．１１ｄｅｇであるため、（１）式を満たす。また、０≦β≦θの範囲において角度βの増加に伴いｍ（β）は一定または単調増加し、ｍ（β）ｍａｘ／ｍ（０）＝１．０１であるため、（２）式を満たす。更に、Ｍが変曲点を持つ角度α２＝２８．１１ｄｅｇであり、（３）式を満たす。又、α’＝６５．９２ｄｅｇであり、（４）式を満たす。実施例５の配光特性は、図２６に示すように、±４５゜付近が凸であり良好である。又、照度分布としては、図２７に示すように半値幅が８００ｍｍ以上又は有効面積内の最小照度（相対値）が０．１以上であり良好である。

（実施例６）
　図３０は、第６の実施例にかかる光学素子の光軸方向断面図である。図３１は、第６の実施例にかかる光学素子の配光特性を示す図である。図３２は、第６の実施例にかかる光学素子の照度分布を示す図である。図３３は、第６の実施例にかかる光学素子において、横軸に角度α、縦軸に長さＭ、ｍをとり、プロットした図である。図３４は、第６の実施例にかかる光学素子において、横軸に角度α、縦軸にレンズ厚（Ｍ－ｍ）をとり、プロットした図である。図５１は、第６の実施例にかかる光学素子において、第２面のサグ量を示す図である。第６の実施例にかかる光学素子においては、第２面が１つの面形状式で定義された非球面からなり、長さＬ＝７．７ｍｍの光源を用いたときに、図３４を参照して、（Ｍ－ｍ）は角度αの増大と共に漸次増大し、（Ｍ－ｍ）が極大（最大）となる角度α１＝６４．２０ｄｅｇであるため、（１）式を満たす。また、０≦β≦θの範囲において角度βの増加に伴いｍ（β）は一定または単調増加し、ｍ（β）ｍａｘ／ｍ（０）＝１．９９であるため、（２）式を満たす。又、α’＝７２．３９ｄｅｇであり、（４）式を満たす。尚、本実施例は、近軸で負のパワーを有する。実施例６の配光特性は、図３１に示すように、±４０゜付近が凸であり良好である。又、照度分布としては、図３２に示すように半値幅が８００ｍｍ以上又は有効面積内の最小照度（相対値）が０．１以上であり良好である。本実施例では、γ＝７８．９６ｄｅｇである。

（比較例１）
　図３５は、第１の比較例にかかる光学素子の光軸方向断面図である。図３６は、第１の比較例にかかる光学素子の配光特性を示す図である。図３７は、第１の比較例にかかる光学素子の照度分布を示す図である。図３８は、第１の比較例にかかる光学素子において、横軸に角度α、縦軸に長さＭ、ｍをとり、プロットした図である。図３９は、第１の比較例にかかる光学素子において、横軸に角度α、縦軸にレンズ厚（Ｍ－ｍ）をとり、プロットした図である。図５２は、第１の比較例にかかる光学素子において、第２面のサグ量を示す図である。第１の比較例にかかる光学素子において、長さＬ＝７ｍｍの光源を用いたときに、図３９を参照して、（Ｍ－ｍ）が極大（最大）となる角度α１＝８０．０８ｄｅｇであるため、（１）式を満たさない。比較例１の配光特性は、図３６に示すように、０゜付近が凸であり良好でない。又、照度分布としては、図３７に示すように半値幅が８００ｍｍ未満で且つ有効面積内の最小照度（相対値）が０．１未満であり好ましくない。

（比較例２）
　図４０は、第２の比較例にかかる光学素子の光軸方向断面図である。図４１は、第２の比較例にかかる光学素子の配光特性を示す図である。図４２は、第２の比較例にかかる光学素子の照度分布を示す図である。図４３は、第２の比較例にかかる光学素子において、横軸に角度α、縦軸に長さＭ、ｍをとり、プロットした図である。図４４は、第２の比較例にかかる光学素子において、横軸に角度α、縦軸にレンズ厚（Ｍ－ｍ）をとり、プロットした図である。図５３は、第２の比較例にかかる光学素子において、第２面のサグ量を示す図である。第２の比較例にかかる光学素子において、長さＬ＝７ｍｍの光源を用いたときに、図４４を参照して、（Ｍ－ｍ）が極大（最大）となる角度α１＝14.4ｄｅｇであるため、（１）式を満たさない。比較例２の配光特性は、図４１に示すように、０゜付近が凸であり良好でない。又、照度分布としては、図４２に示すように半値幅が８００ｍｍ未満で且つ有効面積内の最小照度（相対値）が０．１未満であり好ましくない。

　なお、本発明は、本明細書に記載の実施形態及び実施例に限定されるものではなく、他の実施形態や変形例を含むことは、本明細書に記載された実施形態や技術的思想から本分野の当業者にとって明らかである。

ＥＰ発光面
ＬＭ直線
Ｌｍ直線
Ｏ原点
ＯＥ光学素子
ＯＳ光源
Ｐ１第１面
Ｐ２第２面

Claims

　発光面を有する光源を用いた照明装置用の光学素子であって、前記光源の光軸をz軸とし、前記発光面をz軸の正の方向に向けて設置した場合において、前記発光面から出射された光線を入射する第１面と、前記第１面から入射した光線を出射する第２面とを有し、
　前記光軸上における発光点の位置を座標の原点にとり、前記第２面上の任意の点と前記原点とを結ぶ直線の長さをＭ、前記直線と前記光軸との成す角をαとし、前記直線における前記第１面との交点と前記原点との間の長さをｍとしたとき、前記第１面と前記第２面のレンズ厚（Ｍ－ｍ）は、０°≦α≦９０°の範囲内において極大となる極値または変曲点を持ち、そのときのαの値をα１とすると、以下の式を満たすことを特徴とする光学素子。
　１５°≦α１≦８０°　　　（１）
　前記第２面の面形状のサグ量は、前記第２面の頂点を０とした場合、光軸から離れるに連れて、その変化量が単調減少であることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
　前記第１面上の任意の点と前記原点とを結ぶ直線と光軸との成す角をβ、前記第１面上の任意の点と前記原点とを結ぶ直線の長さをｍ（β）としたとき、０≦β≦６０°の範囲内においてｍ（β）の最大値をｍ（β）ｍａｘとすると、以下の式を満たすことを特徴とする請求項１又は２に記載の光学素子。
　１≦ｍ（β）ｍａｘ／ｍ（０）≦２　　　（２）
　前記第１面と前記第２面は共に、前記光軸に対して回転対称な面形状を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光学素子。
　前記光源は複数あることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光学素子。
　前記第２面の面形状は複数の面形状式で定義されており、その面形状が繋がって形成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光学素子。
　前記第２面は一つの面形状式で表現されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光学素子。
　前記第２面が一つの面形状式で表されている範囲内において、面形状の傾きが最大となる点と前記原点とを結ぶ角度γは、γ≧α１であることを特徴とする請求項７に記載の光学素子。
　前記長さＭは、１５°≦α≦８０°の範囲において極大となる極値または変曲点を有することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の光学素子。
　前記第１面と前記第２面の間のレンズ厚を（Ｍ－ｍ）としたときに、（Ｍ－ｍ）は角度αが大きくなるにつれて大きくなり、且つ４５°≦α≦８０°の範囲において極大値をとることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の光学素子。
　前記長さＭは０≦α≦９０°の範囲内において極大となる極値を持ち、そのときのαの値をα２とすると、以下の式を満たすことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の光学素子。
　４５°≦α２≦８０°　　　（３）
　前記光学素子は近軸領域において負のパワーを有することを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の光学素子。
　前記光源の発光面のうち前記原点から最も離れた位置と前記原点との距離をＬとしたとき、光軸上の前記原点から前記距離Ｌだけ離れた点Ｃにおいて、前記第２面上の任意の点と前記点Ｃとを結ぶ直線の長さをＮ、前記直線と前記光軸との成す角をφとすると、前記点Ｃから見て前記原点と反対方向にφ＝６０°の直線と第２面との交点をＣ’としたとき、
Ｃ’と原点とを結ぶ直線と光軸との成す角をα’とすると、以下の式を満たすことを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の光学素子。
　１５°≦α≦α’　　　（４）
　前記光源の発光面のうち原点から最も離れた位置と前記原点との距離をＬとしたとき、光軸上の前記原点から前記距離Ｌだけ離れた点を通り、前記光軸と平行な直線と前記第１面との交点をＢとした場合、前記原点と前記交点Ｂと結ぶ直線の長さをｍＢ（θ）、前記直線と光軸との成す角度をθとすると、０≦β≦θの範囲において角度βの増加に伴いｍ（β）は一定または単調増加することを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の光学素子。
　請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の光学素子を含むことを特徴とする照明装置。