WO2013164898A1 - 光学素子 - Google Patents

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WO2013164898A1
WO2013164898A1 PCT/JP2012/070336 JP2012070336W WO2013164898A1 WO 2013164898 A1 WO2013164898 A1 WO 2013164898A1 JP 2012070336 W JP2012070336 W JP 2012070336W WO 2013164898 A1 WO2013164898 A1 WO 2013164898A1
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optical element
incident surface
point
light
optical axis
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PCT/JP2012/070336
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賢元 池田
大介 関
幡手　公英
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ナルックス株式会社
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F21V—FUNCTIONAL FEATURES OR DETAILS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS THEREOF; STRUCTURAL COMBINATIONS OF LIGHTING DEVICES WITH OTHER ARTICLES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F21V5/00—Refractors for light sources
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21V—FUNCTIONAL FEATURES OR DETAILS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS THEREOF; STRUCTURAL COMBINATIONS OF LIGHTING DEVICES WITH OTHER ARTICLES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F21V5/00—Refractors for light sources
    • F21V5/002—Refractors for light sources using microoptical elements for redirecting or diffusing light
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21Y—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES F21K, F21L, F21S and F21V, RELATING TO THE FORM OR THE KIND OF THE LIGHT SOURCES OR OF THE COLOUR OF THE LIGHT EMITTED
    • F21Y2101/00—Point-like light sources
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21Y—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES F21K, F21L, F21S and F21V, RELATING TO THE FORM OR THE KIND OF THE LIGHT SOURCES OR OF THE COLOUR OF THE LIGHT EMITTED
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21Y—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES F21K, F21L, F21S and F21V, RELATING TO THE FORM OR THE KIND OF THE LIGHT SOURCES OR OF THE COLOUR OF THE LIGHT EMITTED
    • F21Y2115/00—Light-generating elements of semiconductor light sources
    • F21Y2115/10—Light-emitting diodes [LED]

Definitions

  • the present invention relates to an optical element that diffuses light from a light source.
  • LED light emitting diode
  • an optical element that diffuses light from the LED light source is often used in combination with the LED light source.
  • an LED light source is used as a light source of an illumination unit that illuminates a wide range, such as for a backlight, in order to realize a compact illumination unit with a small number of LED light sources, the light from the LED light source is wide.
  • An optical element that diffuses to an angle is used (Patent Document 1).
  • the LED light source with a large light quantity is composed of a light emitting chip for short-wavelength light such as blue and a fluorescent member that emits longer-wavelength fluorescence such as green, yellow, and red.
  • a light emitting chip for short wavelength light is arranged at the center, and a fluorescent member for emitting long wavelength fluorescence is often arranged around the light emitting chip.
  • the position of a portion that emits light with a short wavelength is different from the position of a portion that emits light with a long wavelength. For this reason, when the light from the LED light source is diffused by the optical element, there are cases where a direction in which the short wavelength light becomes strong and a direction in which the long wavelength light becomes strong.
  • color differences such as bluish or reddish may occur depending on the direction.
  • Such a color difference is not preferable for the lighting unit.
  • an optical element that diffuses light from a light source that can reduce the color difference caused by the direction has not been developed so far.
  • An optical element includes an incident surface that covers a light source arranged on a plane, and an output surface that covers the incident surface, and light from the light source passes through the incident surface and the output surface. It is an optical element configured to be irradiated outside after passing through. With the axis perpendicular to the plane passing through the center of the light source as the optical axis, the incident surface has a shape in which the vicinity of the optical axis is recessed with respect to the periphery, and the intersection of the optical axis and the incident surface is defined as O1.
  • an angle of the normal of the incident surface at a point P on the incident surface with respect to the optical axis is ⁇ h
  • the incident surface When the distance of the upper point P from the point O1 in the optical axis direction is z and the point P is moved along the incident surface from the point O1 to the plane, ⁇ h with respect to z is at least one maximum value.
  • the entrance surface is configured to have at least one local minimum.
  • the incident surface is configured such that ⁇ h with respect to z has at least one maximum value and at least one minimum value, each of the light sources when used in combination with the light source
  • the light beam from the point is refracted in various directions depending on the arrival position of the incident surface. Therefore, the color difference caused by the direction of light emitted from the optical element can be reduced.
  • the optical element according to the embodiment of the present invention is the optical element of the first aspect, and the incident surface has a rotationally symmetric shape with respect to the optical axis.
  • the optical element according to the present embodiment can be easily manufactured by injection molding or the like.
  • An optical element according to an embodiment of the present invention is the optical element according to the first aspect, wherein the optical axis is divided into a plurality of angle sections, and the incident surface has a different shape in each angle section. The incident surface is configured.
  • An optical element according to an embodiment of the present invention is the optical element according to the first aspect, and includes a point P along the incident surface from the point O1 to the plane only in some angle sections of the plurality of angle sections.
  • the incident surface is configured such that ⁇ h with respect to z has at least one maximum value and at least one minimum value when Z is moved.
  • an intersection between the optical axis and the plane is P0, and an angle between a straight line connecting the point P0 and the point P on the incident surface with the optical axis is ⁇ r, 30 ° ⁇ r ⁇ 90 °
  • the incident surface is configured so that ⁇ h with respect to z has at least one maximum value and at least one minimum value.
  • the inclination of ⁇ h with respect to z is substantially constant when there is no local maximum value and local minimum value. 30 ° ⁇ r ⁇ 90 °
  • the incident surface is configured such that ⁇ h with respect to z has at least one maximum value and at least one minimum value, so that when used in combination with a light source, Compared to the case where there is no minimum value, the light beam from each point of the light source is refracted in various directions according to the arrival position of the incident surface. Therefore, the color difference caused by the direction of light emitted from the optical element can be reduced.
  • the optical element according to the embodiment of the present invention is the optical element according to the first aspect, and there are adjacent local maximum values and local minimum values having a difference of ⁇ h of 10 degrees or more.
  • the magnitude of the change in the traveling direction of the light beam from each point of the light source after refraction on the incident surface due to the arrival position of the incident surface is large. Therefore, the color difference caused by the direction of light emitted from the optical element can be reduced.
  • the optical element according to the embodiment of the present invention is the optical element according to the first aspect, and there are adjacent local maximum values and local minimum values having a difference of ⁇ h of 20 degrees or more.
  • the magnitude of the change in the traveling direction of the light beam from each point of the light source after refraction on the incident surface due to the arrival position of the incident surface is large. Therefore, the color difference caused by the direction of light emitted from the optical element can be reduced.
  • An optical element includes an incident surface that covers a light source arranged in a plane, and an exit surface that covers the entrance surface, and light from the light source passes through the entrance surface and the exit surface. It is an optical element configured to be irradiated outside after passing through. With the axis perpendicular to the plane passing through the center of the light source as the optical axis, the incident surface has a shape in which the vicinity of the optical axis is recessed with respect to the periphery, and the intersection of the optical axis and the incident surface is defined as O1.
  • an intersection of the optical axis and the plane is P0, and a straight line connecting the point P0 and the point P on the incident surface is obtained in an arbitrary cross section of the optical element including the optical axis and perpendicular to the plane.
  • the angle between the optical axis and the optical axis is ⁇ r, and the angle between the optical axis and the traveling direction of the light traveling from the point P0 to the point P in the optical element is ⁇ i.
  • the incident surface is configured such that ⁇ i with respect to ⁇ r has at least one maximum value and at least one minimum value
  • each of the light sources when used in combination with the light source The light beam from the point is refracted in various directions depending on the arrival position of the incident surface. Therefore, the color difference caused by the direction of light emitted from the optical element can be reduced.
  • the optical element according to the embodiment of the present invention is the optical element of the second aspect, and the incident surface has a rotationally symmetric shape with respect to the optical axis.
  • the optical element according to the present embodiment can be easily manufactured by injection molding or the like.
  • An optical element according to an embodiment of the present invention is the optical element according to the second aspect, wherein the optical axis is divided into a plurality of angle sections, and the incident surface has a different shape in each angle section.
  • the incident surface is configured.
  • An optical element according to an embodiment of the present invention is the optical element according to the second aspect, and includes a point P along the incident surface from the point O1 to the plane only in a partial angle section of the plurality of angle sections.
  • the incident surface is configured such that ⁇ i with respect to ⁇ r has at least one maximum value and at least one minimum value when the is moved.
  • An optical element according to an embodiment of the present invention is the optical element of the second aspect, 30 ° ⁇ r ⁇ 90 °
  • the incident surface is configured so that ⁇ i with respect to ⁇ r has at least one maximum value and at least one minimum value.
  • the inclination of ⁇ i with respect to ⁇ r is substantially constant when there is no local maximum value and local minimum value. 30 ° ⁇ r ⁇ 90 °
  • the incident surface is configured such that ⁇ i with respect to ⁇ r has at least one maximum value and at least one minimum value, and therefore, when used in combination with a light source, Compared to the case where there is no minimum value, the light beam from each point of the light source is refracted in various directions according to the arrival position of the incident surface. Therefore, the color difference caused by the direction of light emitted from the optical element can be reduced.
  • the optical element according to the embodiment of the present invention is the optical element according to the second aspect, and there are adjacent local maximum values and local minimum values having a difference of ⁇ r of 5 degrees or more.
  • the magnitude of the change in the traveling direction of the light beam from each point of the light source after refraction on the incident surface due to the arrival position of the incident surface is large. Therefore, the color difference caused by the direction of light emitted from the optical element can be reduced.
  • the optical element according to the embodiment of the present invention is the optical element of the second aspect, and there are adjacent local maximum values and local minimum values having a difference of ⁇ r of 10 degrees or more.
  • the magnitude of the change in the traveling direction of the light beam from each point of the light source after refraction on the incident surface due to the arrival position of the incident surface is large. Therefore, the color difference caused by the direction of light emitted from the optical element can be reduced.
  • the illumination unit according to the third aspect of the present invention is an illumination unit including a light source and the optical element according to any aspect or embodiment of the present invention.
  • the illumination unit according to this aspect uses the optical element according to any aspect or embodiment of the present invention, a color difference caused by the direction of light emitted from the optical element can be reduced.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view including a central axis AX of an optical element according to an embodiment of the present invention used for diffusing light from an LED light source. It is the figure which expanded the part of the entrance plane among sectional drawings of FIG. It is a figure which shows an example of a structure of the illumination unit which has arrange
  • phi angle
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a relationship between ⁇ r and ⁇ i of the optical element of Example 1.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a relationship between ⁇ r and ⁇ e of the optical element of Example 1. It is a figure which shows the intensity distribution of the light at the time of combining the optical element of Example 1 with the light source shown in FIG. It is a figure which shows the intensity distribution of the light at the time of combining the optical element of the comparative example 1 with the light source shown in FIG. It is a figure which shows intensity distribution of the light ray radiate
  • FIG. It is a figure which shows intensity distribution of the light ray radiate
  • FIG. It is a figure which shows intensity distribution of the light ray radiate
  • FIG. It is a figure which shows the relationship between z of the optical element of Example 2, and angle (phi) h which the normal line in an entrance plane makes with the central axis AX.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating a relationship between ⁇ r and ⁇ e of the optical element according to Example 3. It is a figure which shows the intensity distribution of the light at the time of combining the optical element of Example 3 with the light source shown in FIG.
  • FIG. 1 is a diagram showing an example of the configuration of an LED light source 200 used with an optical element according to the present invention.
  • FIG. 1A is a view showing a cross section perpendicular to the light emitting surface of the LED light source 200.
  • FIG. 1B is a plan view of the LED light source 200.
  • a white LED light source with a large amount of light is emitted from a chip that emits light of a short wavelength such as blue and a fluorescent light that emits light of a longer wavelength such as green, yellow, or red when receiving light from the light emitting chip. It consists of an agent.
  • a white LED light source with a large amount of light is emitted from a chip that emits light of a short wavelength such as blue and a fluorescent light that emits light of a longer wavelength such as green, yellow, or red when receiving light from the light emitting chip. It consists of an agent.
  • FIG. 1 is a diagram showing an example of the configuration of an LED light source 200 used with an optical element
  • a blue light emitting chip 201 is disposed at the center position of the LED light source 200, and the fluorescent agent 203 is disposed in a wider area than the area occupied by the light emitting chip 201 so as to cover the light emitting chip 201.
  • the light emitting chip 201 is a square having a side of 1.0 mm, and the shape of the fluorescent agent 203 is a circle having a diameter of 3.0 mm.
  • the blue light A is emitted from the light emitting chip 201 located near the center.
  • Longer wavelength light B is emitted from a fluorescent agent disposed in a region including the peripheral portion of the LED light source.
  • the position where blue light is emitted is different from the position where longer wavelength light is emitted.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view including the central axis AX of the optical element 100 used for diffusing the light from the LED light source 200 according to an embodiment of the present invention.
  • the optical element 100 according to the present embodiment has a rotationally symmetric shape with respect to the central axis AX.
  • the surface 105 of the optical element 100 facing the LED light source 200 has a recess in the vicinity of the central axis AX with respect to the periphery, and the surface of this recess forms the incident surface 101.
  • the surface 105 facing the LED light source 200 is referred to as a bottom surface 105 in this specification. Surfaces other than the incident surface 101 and the bottom surface 105 of the optical element 100 form an exit surface 103.
  • the optical element 100 and the LED light source 200 are arranged so that the central axis AX of the optical element 100 passes through the center of the LED light source 200, that is, the center of the circle in FIG.
  • the central axis AX is an optical axis of an optical system including the optical element 100 and the LED light source 200.
  • the light emitted from the light source 200 enters the optical element 101 through the incident surface 101 and is emitted outward from the emission surface 103.
  • the light emitted from the light source 200 is refracted in a direction away from the central axis AX in most portions of the incident surface 101 and the emission surface 103, and is diffused as a result.
  • the surface of the LED light source 200 is a flat surface, but the surface of the light source need not be a flat surface.
  • the present invention is a light source arranged on a plane, and can be applied to any light source in which the position of a portion that emits short-wavelength light and the position of a portion that emits long-wavelength light are different.
  • FIG. 3 is an enlarged view of the incident surface portion of the cross-sectional view of FIG.
  • An intersection point between the light emitting surface 205 of the light source 200 and the central axis AX is defined as a point P0.
  • the angle between the traveling direction of the light beam emitted from the point P0 and the central axis AX is ⁇ r, and after the light beam is refracted by the incident surface 101, the angle between the traveling direction of the light beam in the optical element 100 and the central axis AX is ⁇ i.
  • the angle formed by the traveling direction after the light beam is refracted on the exit surface and the central axis AX is ⁇ e (FIG. 2).
  • FIG. 2 In FIG.
  • P1 is a perpendicular line extending from the side of the light emitting chip 201 to the light emitting surface 205, and a point on the edge of the fluorescent agent, that is, a point on the circumference of the peripheral edge of the fluorescent agent in FIG. Let P2.
  • the incident surface 101 has a light beam emitted from the point P0 within a predetermined range ⁇ r.
  • ⁇ r ⁇ ⁇ i It is determined to satisfy.
  • the predetermined range is a range from 0 degrees to about 20 degrees. In the above range, the angle ⁇ i monotonously increases as the angle ⁇ r increases.
  • the exit surface 103 is for rays emitted at an angle ⁇ r in the above range. ⁇ i ⁇ ⁇ e It is determined to satisfy.
  • the shape in the vicinity of the central axis AX of the emission surface is not limited to a convex surface, is not limited to a concave surface, and may be any of a concave surface, a convex surface, and a flat surface.
  • An exit surface shape in which total reflection does not occur inside the lens is also preferable. In that case, assuming that the refractive index of the optical element is n, the angle ⁇ between the ray angle in the optical element and the normal of the exit surface is ⁇ ⁇ sin ⁇ 1 (1 / n) Satisfy the conditions.
  • the angle formed by the normal line on the incident surface 101 and the central axis AX is ⁇ h.
  • the angle ⁇ h decreases monotonously as the angle ⁇ r increases.
  • the angle ⁇ h repeats increasing and decreasing as the angle ⁇ r increases.
  • This region of the incident surface 100 is also referred to as a diffusion region of the incident surface in this specification. The shape of the diffusion region of the incident surface 101 will be described in detail later.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating an example of a configuration of an illumination unit in which a plurality of sets of the light source 200 and the optical element 100 are arranged on the surface 300.
  • the illumination unit further includes a diffusion plate 400.
  • the front (upper side in FIG. 4) can be uniformly illuminated by the illumination unit.
  • the material of the optical elements of Examples and Comparative Examples is polymethyl methacrylate resin (PMMA), the refractive index is 1.492 (d line, 587.56 nm), and the Abbe number is 56.77 (d line, 587.56 nm). It is. In Examples and Comparative Examples, the unit of length is millimeter unless otherwise stated.
  • PMMA polymethyl methacrylate resin
  • the refractive index is 1.492 (d line, 587.56 nm)
  • the Abbe number is 56.77 (d line, 587.56 nm). It is.
  • the unit of length is millimeter unless otherwise stated.
  • Example 1 In FIG. 2, the coordinate of the intersection between the incident surface 101 and the central axis AX is O1, and the coordinate of the intersection between the emission surface 103 and the central axis AX is O2.
  • the shape of the incident surface 101 can be expressed by the following equation.
  • r is a distance from the central axis AX
  • c is a curvature
  • R is a radius of curvature
  • k is a conic coefficient
  • a i is an aspheric coefficient.
  • Table 1 is a table showing the numerical values of the coefficients of the expression (1) representing the shape of the incident surface of the first embodiment.
  • a cubic spline curve is a smooth curve that passes through a plurality of given points, and uses individual cubic polynomials that are continuous at all points for each section between adjacent points.
  • Table 2 is a table showing the above point group.
  • FIG. 5 is a diagram showing a relationship between z of the incident surface 101 of the optical element of Example 1 and an angle ⁇ h formed by a normal line on the incident surface 101 and the central axis AX.
  • the horizontal axis of FIG. 5 represents z
  • the vertical axis represents ⁇ h.
  • ⁇ h monotonously decreases as z increases.
  • ⁇ h repeats increasing and decreasing as z increases.
  • ⁇ h which is a function of z, has a maximum value and a minimum value.
  • the shape of the exit surface 103 near the center axis AX is a shape in which the light from the light source is not totally reflected on the exit surface, and is expressed by the following formula. Is done.
  • r is a distance from the central axis AX
  • c is a curvature
  • R is a radius of curvature
  • k is a conic coefficient
  • a i is an aspheric coefficient.
  • Table 3 is a table showing numerical values of the equation (2) coefficient representing the shape of the emission surface of the first embodiment.
  • FIG. 6 is a diagram showing the relationship between ⁇ r of the optical element of Example 1 and ⁇ i on the incident surface.
  • the horizontal axis in FIG. 6 represents ⁇ r, and the vertical axis represents ⁇ i.
  • ⁇ r In the range where ⁇ r is about 30 degrees or less, ⁇ i monotonously increases as ⁇ r increases. In the range where ⁇ r exceeds about 30 degrees, ⁇ i increases while repeating increase and decrease as ⁇ r increases. In other words, in a range where ⁇ r exceeds 30 degrees, ⁇ i, which is a function of ⁇ r, has a maximum value and a minimum value.
  • FIG. 7 is a graph showing the relationship between ⁇ r of the optical element of Example 1 and ⁇ e on the exit surface.
  • the horizontal axis represents ⁇ r
  • the vertical axis represents ⁇ e.
  • ⁇ r In the range where ⁇ r is about 30 degrees or less, ⁇ e monotonously increases as ⁇ r increases. In the range where ⁇ r exceeds about 30 degrees, ⁇ e increases while ⁇ r increases and the peak-to-peak increases and decreases repeatedly with a width of about 10 degrees. In other words, in a range where ⁇ r exceeds about 30 degrees, ⁇ e, which is a function of ⁇ r, has a maximum value and a minimum value.
  • the shape of the incident surface can be represented by the formula (1). Further, the values of the coefficients in the formula (1) are those shown in Table 1. That is, the shape of the incident surface of Comparative Example 1 is the same as the shape of the incident surface of Example 1 when z is 1.5 mm or less, and the function of z is also included when z is greater than 1.5 mm. ⁇ h that does not have a local maximum value and a local minimum value, and as z increases, ⁇ h decreases monotonously. In other words, the incident surface of the optical element of Comparative Example 1 is different from the incident surface of Example 1 in that it does not have a diffusion region of the incident surface.
  • the shape of the light exit surface near the center axis AX is a shape in which the light from the light source is not totally reflected by the light exit surface, and is expressed by Equation (2). Is done. Further, the values of the coefficients in the formula (2) are those shown in Table 3. That is, the emission surface of Comparative Example 1 has the same shape as the emission surface of Example 1.
  • FIG. 8 is a diagram showing the light intensity distribution when the optical element of Example 1 is combined with the light source shown in FIG.
  • the horizontal axis in FIG. 8 indicates the direction in which the angle formed with the central axis AX is ⁇ .
  • the vertical axis in FIG. 8 indicates the relative value of the intensity of light emitted in the direction in which the angle formed with the central axis AX is ⁇ .
  • the solid line in FIG. 8 indicates the relative intensity of light having a wavelength of less than 500 nanometers (short wavelength side light). The relative intensity is shown with the maximum value being 100%.
  • the dotted line in FIG. 8 indicates the relative intensity of light having a wavelength of 500 nanometers or more (light on the long wavelength side). The relative intensity is shown with the maximum value being 100%.
  • FIG. 9 is a view showing the light intensity distribution when the optical element of Comparative Example 1 is combined with the light source shown in FIG.
  • the horizontal axis in FIG. 9 indicates the direction in which the angle formed with the central axis AX is ⁇ .
  • the vertical axis in FIG. 9 indicates the relative value of the intensity of light emitted in the direction in which the angle formed with the central axis AX is ⁇ .
  • the solid line in FIG. 9 indicates the relative intensity of light having a wavelength of less than 500 nanometers (light on the short wavelength side). The relative intensity is shown with the maximum value being 100%.
  • the dotted line in FIG. 9 indicates the relative intensity of light having a wavelength of 500 nanometers or more (light on the long wavelength side). The relative intensity is shown with the maximum value being 100%.
  • the difference between the light intensity on the short wavelength side and the light intensity on the long wavelength side is larger in FIG.
  • the difference between the two is large when ⁇ is around 60 degrees. If the difference between the two is large, a color difference occurs. For example, as shown in FIG. 9, when the intensity on the long wavelength side is large when ⁇ is around 60 degrees, redness becomes strong when ⁇ is around 60 degrees.
  • the optical element of Example 1 can suppress the occurrence of a color difference as compared with the optical element of Comparative Example 1.
  • FIG. 10 is a diagram showing the intensity distribution of the light beam emitted from the point P0 in FIG. 3 for the optical element of Example 1.
  • Point P0 is an intersection of light emitting surface 205 of light source 200 and central axis AX.
  • the horizontal axis in FIG. 10 indicates the direction in which the angle formed with the central axis AX is ⁇ .
  • the vertical axis in FIG. 10 represents the relative value of the intensity of light emitted in the direction in which the angle formed with the central axis AX is ⁇ .
  • the solid line shows the intensity distribution of Example 1, and the dotted line shows the intensity distribution of Comparative Example 1. The relative value of intensity was expressed with the maximum value of intensity of Example 1 and Comparative Example 1 as 100%.
  • FIG. 11 is a diagram showing the intensity distribution of the light beam emitted from the point P1 in FIG. 3 for the optical element of Example 1.
  • a point P1 is a leg of a perpendicular drawn from the side of the light emitting chip 201 to the light emitting surface 205.
  • the horizontal axis in FIG. 11 indicates the direction in which the angle formed with the central axis AX is ⁇ .
  • the vertical axis in FIG. 11 represents the relative value of the intensity of light emitted in the direction in which the angle formed with the central axis AX is ⁇ .
  • the solid line in FIG. 11 shows the intensity distribution of Example 1, and the dotted line shows the intensity distribution of Comparative Example 1. The relative value of intensity was expressed with the maximum value of intensity of Example 1 and Comparative Example 1 as 100%.
  • FIG. 12 is a diagram showing the intensity distribution of the light beam emitted from the point P2 in FIG. 3 for the optical element of Example 1.
  • Point P2 is a point on the circumference of the periphery of the fluorescent agent.
  • the horizontal axis in FIG. 11 indicates the direction in which the angle formed with the central axis AX is ⁇ .
  • the vertical axis in FIG. 12 represents the relative value of the intensity of light emitted in the direction in which the angle formed with the central axis AX is ⁇ .
  • the solid line in FIG. 12 shows the intensity distribution of Example 1, and the dotted line shows the intensity distribution of Comparative Example 1. The relative value of intensity was expressed with the maximum value of intensity of Example 1 and Comparative Example 1 as 100%.
  • the target light in FIGS. 8 and 9 is a combination of light rays from various points on the light source surface. Therefore, in the case of the first embodiment in which light rays emitted from various points are distributed over a wider range, it is less susceptible to the difference in the color of light due to the difference in position on the light source surface.
  • Example 2 In FIG. 2, the coordinate of the intersection between the incident surface 101 and the central axis AX is O1, and the coordinate of the intersection between the emission surface 103 and the central axis AX is O2.
  • the shape of the incident surface 101 can be expressed by the following equation.
  • r is a distance from the central axis AX
  • c is a curvature
  • R is a radius of curvature
  • k is a conic coefficient
  • a i is an aspheric coefficient.
  • Table 4 is a table showing the numerical values of the coefficients of the formula (1) representing the shape of the incident surface of Example 2.
  • a cubic spline curve is a smooth curve that passes through a plurality of given points, and uses individual cubic polynomials that are continuous at all points for each section between adjacent points.
  • Table 5 is a table showing the above point group.
  • FIG. 13 is a diagram illustrating a relationship between z of the incident surface 101 of the optical element of Example 2 and an angle ⁇ h formed by a normal line on the incident surface 101 and the central axis AX.
  • the horizontal axis in FIG. 13 represents z
  • the vertical axis represents ⁇ h.
  • ⁇ h monotonously decreases as z increases.
  • ⁇ h repeatedly increases and decreases as z increases.
  • ⁇ h which is a function of z, has a maximum value and a minimum value.
  • the shape of the exit surface 103 near the center axis AX is a shape in which the light from the light source is not totally reflected on the exit surface, and is expressed by the following formula Is done.
  • r is a distance from the central axis AX
  • c is a curvature
  • R is a radius of curvature
  • k is a conic coefficient
  • a i is an aspheric coefficient.
  • Table 6 is a table showing the numerical values of the coefficients of the expression (2) representing the shape of the exit surface of the second embodiment.
  • FIG. 14 is a diagram showing the relationship between ⁇ r and ⁇ i of the optical element of Example 2.
  • the horizontal axis in FIG. 14 represents ⁇ r, and the vertical axis represents ⁇ i.
  • ⁇ r In the range where ⁇ r is about 55 degrees or less, ⁇ i monotonously increases as ⁇ r increases. In a range where ⁇ r exceeds approximately 55 degrees, ⁇ i increases while repeating increase and decrease as ⁇ r increases. In other words, in a range where ⁇ r exceeds about 55 degrees, ⁇ i, which is a function of ⁇ r, has a maximum value and a minimum value.
  • FIG. 14 there are specifically three maximum values and three minimum values for ⁇ i in the range of ⁇ r from about 55 degrees to 90 degrees. Note that the variation in the value of ⁇ i near the maximum value was ignored. The difference in ⁇ i between the adjacent maximum value and minimum value is about 15 degrees.
  • FIG. 15 is a diagram showing the relationship between ⁇ r and ⁇ e of the optical element of Example 2.
  • the horizontal axis in FIG. 15 represents ⁇ r, and the vertical axis represents ⁇ e.
  • ⁇ r In the range where ⁇ r is about 55 degrees or less, ⁇ e increases monotonously as ⁇ r increases. In a range where ⁇ r exceeds about 55 degrees, ⁇ e increases while peak-to-peak repeats increasing and decreasing with a maximum width of about 15 degrees as ⁇ r increases. In other words, in a range where ⁇ r exceeds approximately 55 degrees, ⁇ e, which is a function of ⁇ r, has a maximum value and a minimum value.
  • the shape of the incident surface can be represented by the formula (1). Further, the values of the coefficients in the formula (1) are those shown in Table 4. That is, the shape of the incident surface of Comparative Example 2 is the same as the shape of the incident surface of Example 1 in the range where z is 2.689 mm or less, and the function of z is also included in the range where z exceeds 2.689 mm. ⁇ h that does not have a local maximum value and a local minimum value, and as z increases, ⁇ h decreases monotonously. In other words, the incident surface of Comparative Example 2 is different from the incident surface of Example 2 in that it does not have a diffusion region of the incident surface.
  • the shape of the light exit surface near the center axis AX is a shape in which the light from the light source is not totally reflected by the light exit surface, and is expressed by Equation (2). Is done. Further, the values of the coefficients in the equation (2) are those shown in Table 6. That is, the emission surface of Comparative Example 2 has the same shape as the emission surface of Example 2.
  • FIG. 16 is a diagram showing the light intensity distribution when the optical element of Example 2 is combined with the light source shown in FIG.
  • the horizontal axis in FIG. 16 indicates the direction in which the angle formed with the central axis AX is ⁇ .
  • the vertical axis in FIG. 16 represents the relative value of the intensity of light emitted in the direction in which the angle formed with the central axis AX is ⁇ .
  • the solid line in FIG. 16 indicates the relative intensity of light having a wavelength of less than 500 nanometers (light on the short wavelength side). The relative intensity is shown with the maximum value being 100%.
  • the dotted line in FIG. 16 indicates the relative intensity of light having a wavelength of 500 nanometers or more (light on the long wavelength side). The relative intensity is shown with the maximum value being 100%.
  • FIG. 17 is a view showing the light intensity distribution when the optical element of Comparative Example 2 is combined with the light source shown in FIG.
  • the horizontal axis in FIG. 17 indicates the direction in which the angle formed with the central axis AX is ⁇ .
  • the vertical axis in FIG. 17 indicates the relative value of the intensity of light emitted in the direction in which the angle formed with the central axis AX is ⁇ .
  • the solid line in FIG. 17 indicates the relative intensity of light having a wavelength of less than 500 nanometers (light on the short wavelength side). The relative intensity is shown with the maximum value being 100%.
  • the dotted line in FIG. 17 indicates the relative intensity of light having a wavelength of 500 nanometers or more (light on the long wavelength side). The relative intensity is shown with the maximum value being 100%.
  • the difference between the intensity of light on the short wavelength side and the intensity of light on the long wavelength side is larger in FIG.
  • the difference between the two is large when ⁇ is around 60 degrees. If the difference between the two is large, a color difference occurs. For example, as shown in FIG. 17, when the intensity on the long wavelength side is large when ⁇ is around 60 degrees, redness becomes strong when ⁇ is around 60 degrees.
  • the optical element of Example 2 can suppress the occurrence of a color difference as compared with the optical element of Comparative Example 2.
  • Example 3 In FIG. 2, the coordinate of the intersection between the incident surface 101 and the central axis AX is O1, and the coordinate of the intersection between the emission surface 103 and the central axis AX is O2.
  • the shape of the incident surface 101 can be expressed by the following equation.
  • r is a distance from the central axis AX
  • c is a curvature
  • R is a radius of curvature
  • k is a conic coefficient
  • a i is an aspheric coefficient.
  • Table 7 is a table showing the numerical values of the coefficients of the expression (1) representing the shape of the incident surface of the third embodiment.
  • r is a distance from the central axis AX
  • c is a curvature
  • R is a radius of curvature
  • k is a conic coefficient
  • a i is an aspheric coefficient
  • K is a constant.
  • the unit of K is 1 / mm.
  • Table 8 is a table showing the numerical values of the coefficients of the formula (3) representing the shape of the incident surface of Example 3.
  • FIG. 18 is a diagram illustrating a relationship between z of the incident surface 101 of the optical element of Example 3 and an angle ⁇ h formed by a normal line on the incident surface 101 and the central axis AX.
  • the horizontal axis in FIG. 13 represents z
  • the vertical axis represents ⁇ h.
  • ⁇ h monotonously decreases as z increases.
  • ⁇ h repeats increasing and decreasing as z increases.
  • ⁇ h as a function of z has a maximum value and a minimum value.
  • the shape of the exit surface 103 near the center axis AX is a shape in which the light from the light source is not totally reflected on the exit surface, and is expressed by the following formula Is done.
  • r is a distance from the central axis AX
  • c is a curvature
  • R is a radius of curvature
  • k is a conic coefficient
  • a i is an aspheric coefficient.
  • Table 9 is a table showing the numerical values of the coefficients of the expression (2) representing the shape of the exit surface of the third embodiment.
  • FIG. 19 is a diagram showing the relationship between ⁇ r and ⁇ i of the optical element of Example 3.
  • the horizontal axis in FIG. 19 represents ⁇ r, and the vertical axis represents ⁇ i.
  • ⁇ r In a range where ⁇ r is about 32 degrees or less, ⁇ i increases monotonously as ⁇ r increases. In the range where ⁇ r exceeds about 32 degrees, ⁇ i increases while repeating increase and decrease as ⁇ r increases. In other words, in a range where ⁇ r exceeds about 32 degrees, ⁇ i that is a function of ⁇ r has a maximum value and a minimum value.
  • FIG. 20 is a diagram showing the relationship between ⁇ r and ⁇ e of the optical element of Example 3.
  • the horizontal axis represents ⁇ r
  • the vertical axis represents ⁇ e.
  • ⁇ r In a range where ⁇ r is about 32 degrees or less, ⁇ e monotonously increases as ⁇ r increases. In a range where ⁇ r exceeds about 32 degrees, ⁇ e increases while ⁇ r increases, while peak-to-peak repeats increasing and decreasing with a maximum width of about 15 degrees. In other words, in a range where ⁇ r exceeds about 32 degrees, ⁇ e, which is a function of ⁇ r, has a maximum value and a minimum value.
  • the shape of the incident surface can be represented by the formula (1).
  • the coefficient values are those shown in Table 7. That is, the shape of the incident surface of Comparative Example 3 is the same as the shape of the incident surface of Example 3 when z is 1.322 mm or less, and the function of z is also included when z is greater than 1.322 mm. ⁇ h that does not have a local maximum value and a local minimum value, and as z increases, ⁇ h decreases monotonously. In other words, the incident surface of the optical element of Comparative Example 3 is different from the incident surface of Example 3 in that it does not have a diffusion region of the incident surface.
  • the shape of the light exit surface near the center axis AX is a shape in which the light from the light source is not totally reflected by the light exit surface, and is expressed by Expression (2) Is done.
  • the coefficient values are those shown in Table 9. That is, the emission surface of Comparative Example 3 has the same shape as the emission surface of Example 3.
  • Example 3 Comparison of performance between Example 3 and Comparative Example 3 By comparing the light distribution when the optical elements of Example 3 and Comparative Example 3 are combined with the light source shown in FIG. Compare performance.
  • FIG. 21 is a diagram showing the light intensity distribution when the optical element of Example 3 is combined with the light source shown in FIG.
  • the horizontal axis in FIG. 21 indicates the direction in which the angle formed with the central axis AX is ⁇ .
  • the vertical axis in FIG. 21 indicates the relative value of the intensity of light emitted in the direction in which the angle formed with the central axis AX is ⁇ .
  • the solid line in FIG. 21 indicates the relative intensity of light having a wavelength of less than 500 nanometers (light on the short wavelength side). The relative intensity is shown with the maximum value being 100%.
  • the dotted line in FIG. 21 indicates the relative intensity of light having a wavelength of 500 nanometers or more (light on the long wavelength side). The relative intensity is shown with the maximum value being 100%.
  • FIG. 22 is a view showing the light intensity distribution when the optical element of Comparative Example 3 is combined with the light source shown in FIG.
  • the horizontal axis in FIG. 22 indicates the direction in which the angle formed with the central axis AX is ⁇ .
  • the vertical axis in FIG. 22 indicates the relative value of the intensity of light emitted in the direction in which the angle formed with the central axis AX is ⁇ .
  • the solid line in FIG. 22 indicates the relative intensity of light having a wavelength of less than 500 nanometers (light on the short wavelength side). The relative intensity is shown with the maximum value being 100%.
  • the dotted line in FIG. 22 indicates the relative intensity of light having a wavelength of 500 nanometers or more (light on the long wavelength side). The relative intensity is shown with the maximum value being 100%.
  • the difference between the light intensity on the short wavelength side and the light intensity on the long wavelength side is larger in FIG.
  • the difference between the two is large when ⁇ is around 65 degrees. If the difference between the two is large, a color difference occurs. For example, as shown in FIG. 22, when the intensity on the long wavelength side is large when ⁇ is around 65 degrees, redness becomes strong when ⁇ is around 65 degrees.
  • the optical element of Example 3 can suppress the occurrence of a color difference as compared with the optical element of Comparative Example 3.
  • the optical element according to the present invention is preferably manufactured by injection molding using a mold. In that case, the position of the resin gate for injecting resin (plastic) into the mold affects the product.
  • FIG. 23 is a diagram showing a case where a resin gate 1031 is arranged at the center of the emission surface 103 of the optical element.
  • FIG. 23A is a diagram showing a state in which the resin gate 1031 is arranged.
  • FIG. 23B is a diagram showing the shape of the optical element manufactured by the resin gate 1031 arranged as shown in FIG.
  • the resin gate mark 1033 is a scattering surface and is preferable because it diffuses strong light near the center and promotes strong light diffusion at the center of the light source particularly when the irradiated surface is located nearby.
  • FIG. 24 is a diagram showing a case where a truncated cone shape 1035 is provided at the center of the emission surface 103 of the optical element, and a resin gate 1037 is arranged there.
  • FIG. 24A is a diagram showing a state where the resin gate 1037 is arranged.
  • FIG. 24B is a diagram showing the shape of the optical element manufactured by the resin gate 1037 arranged as shown in FIG.
  • the frustoconical shape 1035 diffuses strong light near the center, and the resin gate trace is a scattering surface, diffusing strong light near the center, particularly when the irradiated surface is located near the center of the light source. This is preferable because it promotes diffusion of light.
  • FIG. 25 is a diagram showing a case where one resin gate 1051 is arranged on the bottom surface 105 of the optical element. According to this embodiment, the resin gate trace does not affect the optical surface.
  • FIG. 26 is a diagram showing a case where two resin gates 1051A and 1051B are arranged on the bottom surface 105 of the optical element. According to this embodiment, the resin gate trace does not affect the optical surface.
  • the diffusion structure consists of a surface obtained by subtracting a spherical or aspherical shape less than 1 mm in diameter from the surface, a surface obtained by adding a spherical or aspherical shape less than 1 mm in diameter from the surface, a cone less than 1 mm in diameter from the surface, Triangular pyramid, quadrangular pyramid surface subtracted from the surface, cone less than 1 mm in diameter from the surface, triangular pyramid, quadrangular pyramid surface added to the surface, rough surface due to vandalism, micro curved surface represented by micro lens array, etc.
  • the diffusion material is a scattering material such as acrylic powder, polystyrene particles, silicon powder, silver powder, titanium oxide powder, aluminum powder, white carbon, magnesium oxide, and zinc oxide.
  • FIG. 27 is a diagram showing a configuration of an optical element including a diffusing structure or a diffusing material 1039 in the peripheral portion of the emission surface.
  • a portion expressed by a circle in FIG. 27 indicates a diffusion structure or a diffusion material.
  • the light emitted from the peripheral portion of the emission surface is further diffused.
  • FIG. 28 is a diagram showing a configuration of an optical element having a diffusion structure or a diffusion material 1053 on the bottom surface.
  • the optical element of the present embodiment it is possible to prevent light rays reaching the irradiated surface via the bottom surface of the optical element from generating uneven brightness on the irradiated surface.
  • a light beam totally reflected within the optical element, a light beam reflected from the irradiated surface, a light beam from an adjacent optical element, or the like can be considered.
  • the above diffusion structure or diffusion material may be provided instead of the shape of the optical surface described above.
  • the shape of the entrance surface and the exit surface of the optical element is not limited to a rotationally symmetric shape with respect to the axis AX.
  • the periphery of the axis AX may be divided into a plurality of angle sections, and the shapes may be different in each angle section.
  • the angle sections may or may not be equally spaced, such as four angle sections of 90 degrees and six angle sections of 60 degrees.
  • a diffusion region may be provided on the incident surface only in a part of the angle section.
  • the color difference can also be reduced, particularly for a particular direction around the axis AX.

Abstract

　方向によって生じる色の差を小さくすることのできる、光源からの光を拡散する光学素子を提供する。平面上に配置された光源を覆う入射面（１０１）と、該入射面を覆う出射面（１０３）と、を備えた光学素子である。該平面上に配置された該光源の中心を通り、該平面に垂直な軸を光軸（ＡＸ）として、該入射面は、周縁に対し該光軸付近が窪んだ形状を有し、該光軸と該入射面との交点をＯ１とし、該光軸を含み、該平面に垂直な該光学素子の任意の断面において、該入射面上の点Ｐにおける該入射面の法線の、該光軸に対する角度をφｈとし、該入射面上の点Ｐの点Ｏ１からの該光軸方向の距離をｚとして、点Ｏ１から該平面まで、該入射面に沿って点Ｐを移動させたときに、ｚに対するφｈが少なくとも一つの極大値及び少なくとも一つの極小値を有するように該入射面が構成されている。

Description

光学素子
　本発明は、光源からの光を拡散する光学素子に関する。
　近年、照明用にＬＥＤ（発光ダイオード）光源が多く使用されている。ＬＥＤ光源は、前方に照射される光の割合が高いので、ＬＥＤ光源からの光を拡散させる光学素子がＬＥＤ光源と組み合わせて使用される場合が多い。特に、広い範囲を照射する、バックライト用などの照明ユニットの光源としてＬＥＤ光源を使用する場合には、少ない数のＬＥＤ光源でコンパクトな照明ユニットを実現するために、ＬＥＤ光源からの光を広い角度に拡散させる光学素子が使用される（特許文献１）。
　光量の大きなＬＥＤ光源は、青色など短波長の光の発光チップと、緑、黄色、赤などのより長波長の蛍光を発光する蛍光部材と、から構成される。このようなＬＥＤ光源において、短波長の光の発光チップは中心部に配置され、その周囲により長波長の蛍光を発光する蛍光部材が配置されることが多い。このようなＬＥＤ光源においては、短波長の光を発光する部分の位置と長波長の光を発光する部分の位置とが異なる。このため、光学素子によってＬＥＤ光源からの光を拡散させた場合に、短波長の光が強くなる方向と長波長の光が強くなる方向とが生じる場合がある。この結果、方向によって、青みがかったり赤みがかったりするなど色の差が生じる場合がある。このような色の差が生じることは照明ユニットとして好ましくない。しかし、これまで、方向によって生じる色の差を小さくすることのできる、光源からの光を拡散する光学素子は開発されていない。
特許３８７５２４７号公報
　したがって、方向によって生じる色の差を小さくすることのできる、光源からの光を拡散する光学素子に対するニーズがある。
　本発明の第１の態様による光学素子は、平面に配置された光源を覆う入射面と、該入射面を覆う出射面と、を備え、該光源からの光が該入射面及び該出射面を通過した後、外部に照射されるように構成された光学素子である。該光源の中心を通り、該平面に垂直な軸を光軸として、該入射面は、周縁に対し該光軸付近が窪んだ形状を有し、該光軸と該入射面との交点をＯ１とし、該光軸を含み、該平面に垂直な該光学素子の任意の断面において、該入射面上の点Ｐにおける該入射面の法線の、該光軸に対する角度をφｈとし、該入射面上の点Ｐの点Ｏ１からの該光軸方向の距離をｚとして、点Ｏ１から該平面まで、該入射面に沿って点Ｐを移動させたときに、ｚに対するφｈが少なくとも一つの極大値及び少なくとも一つの極小値を有するように該入射面が構成されている。
　本態様の光学素子によれば、ｚに対するφｈが少なくとも一つの極大値及び少なくとも一つの極小値を有するように入射面が構成されているので、光源と組み合わせて使用された際に、光源の各点からの光線が、該入射面の到達位置に応じて種々の方向に屈折される。したがって、光学素子から出射される光の方向によって生じる色の差を小さくすることができる。
　本発明の実施形態による光学素子は、第１の態様の光学素子であって、該入射面が該光軸に関して回転対称な形状である。
　本実施形態による光学素子は、射出成形などにより容易に製造することができる。
　本発明の実施形態による光学素子は、第１の態様の光学素子であって、該光軸の周りを複数の角度区間に分割し、該入射面がそれぞれの角度区間において異なる形状を有するように該入射面が構成されている。
　本実施形態によれば、光軸の周りの角度区間に対応した方向ごとに異なる光の分布を実現することができる。
　本発明の実施形態による光学素子は、第１の態様の光学素子であって、該複数の角度区間の一部の角度区間においてのみ、点Ｏ１から該平面まで、該入射面に沿って点Ｐを移動させたときに、ｚに対するφｈが少なくとも一つの極大値及び少なくとも一つの極小値を有するように該入射面が構成されている。
　本実施形態によれば、光軸の周りの一部の角度区間についてのみ、方向によって生じる色の差を小さくすることができる。
　本発明の実施形態による光学素子は、該光軸と該平面との交点をＰ０として、点Ｐ０と該入射面上の点Ｐとを結ぶ直線が該光軸となす角度をθｒとし、
　３０°＜θｒ＜９０°
において、ｚに対するφｈが少なくとも一つの極大値及び少なくとも一つの極小値を有するように該入射面が構成されている。
　本実施形態による光学素子は、極大値および極小値がない場合にｚに対するφｈの傾きがほぼ一定である、
　３０°＜θｒ＜９０°
の範囲の入射面の領域において、ｚに対するφｈが少なくとも一つの極大値及び少なくとも一つの極小値を有するように入射面が構成されているので、光源と組み合わせて使用された際に、極大値および極小値がない場合と比較して、光源の各点からの光線が、該入射面の到達位置に応じて種々の方向に屈折される。したがって、光学素子から出射される光の方向によって生じる色の差を小さくすることができる。
　本発明の実施形態による光学素子は、第１の態様の光学素子であって、φｈの差が１０度以上である、隣接する極大値及び極小値が存在する。
　本実施形態によれば、光源と組み合わせて使用された際に、光源の各点からの光線の該入射面における屈折後の進行方向の、該入射面の到達位置による変化の大きさが大きい。したがって、光学素子から出射される光の方向によって生じる色の差を小さくすることができる。
　本発明の実施形態による光学素子は、第１の態様の光学素子であって、φｈの差が２０度以上である、隣接する極大値及び極小値が存在する。
　本実施形態によれば、光源と組み合わせて使用された際に、光源の各点からの光線の該入射面における屈折後の進行方向の、該入射面の到達位置による変化の大きさが大きい。したがって、光学素子から出射される光の方向によって生じる色の差を小さくすることができる。
　本発明の第２の態様による光学素子は、平面に配置された光源を覆う入射面と、該入射面を覆う出射面と、を備え、該光源からの光が該入射面及び該出射面を通過した後、外部に照射されるように構成された光学素子である。該光源の中心を通り、該平面に垂直な軸を光軸として、該入射面は、周縁に対し該光軸付近が窪んだ形状を有し、該光軸と該入射面との交点をＯ１とし、該光軸と該平面との交点をＰ０として、該光軸を含み、該平面に垂直な該光学素子の任意の断面において、点Ｐ０と該入射面上の点Ｐとを結ぶ直線が該光軸となす角度をθｒとし、点Ｐ０から点Ｐへ進んだ光の光学素子内の進行方向と該光軸とがなす角度をθｉとして、点Ｏ１から該平面まで、該入射面に沿って点Ｐを移動させたときに、θｒに対するθｉが少なくとも一つの極大値及び少なくとも一つの極小値を有するように該入射面が構成されている。
　本態様の光学素子によれば、θｒに対するθｉが少なくとも一つの極大値及び少なくとも一つの極小値を有するように入射面が構成されているので、光源と組み合わせて使用された際に、光源の各点からの光線が、該入射面の到達位置に応じて種々の方向に屈折される。したがって、光学素子から出射される光の方向によって生じる色の差を小さくすることができる。
　本発明の実施形態による光学素子は、第２の態様の光学素子であって、該入射面が該光軸に関して回転対称な形状である。
　本実施形態による光学素子は、射出成形などにより容易に製造することができる。
　本発明の実施形態による光学素子は、第２の態様の光学素子であって、該光軸の周りを複数の角度区間に分割し、該入射面がそれぞれの角度区間において異なる形状を有するように該入射面が構成されている。
　本実施形態によれば、光軸の周りの角度区間に対応した方向ごとに異なる光の分布を実現することができる。
　本発明の実施形態による光学素子は、第２の態様の光学素子であって、該複数の角度区間の一部の角度区間においてのみ、点Ｏ１から該平面まで、該入射面に沿って点Ｐを移動させたときに、θｒに対するθｉが少なくとも一つの極大値及び少なくとも一つの極小値を有するように該入射面が構成されている。
　本実施形態によれば、光軸の周りの一部の角度区間についてのみ、方向によって生じる色の差を小さくすることができる。
　本発明の実施形態による光学素子は、第２の態様の光学素子であって、
　３０°＜θｒ＜９０°
において、θｒに対するθｉが少なくとも一つの極大値及び少なくとも一つの極小値を有するように該入射面が構成されている。
　本実施形態による光学素子は、極大値および極小値がない場合にθｒに対するθｉの傾きがほぼ一定である、
　３０°＜θｒ＜９０°
の範囲の入射面の領域において、θｒに対するθｉが少なくとも一つの極大値及び少なくとも一つの極小値を有するように入射面が構成されているので、光源と組み合わせて使用された際に、極大値および極小値がない場合と比較して、光源の各点からの光線が、該入射面の到達位置に応じて種々の方向に屈折される。したがって、光学素子から出射される光の方向によって生じる色の差を小さくすることができる。
　本発明の実施形態による光学素子は、第２の態様の光学素子であって、θｒの差が５度以上である、隣接する極大値及び極小値が存在する。
　本実施形態によれば、光源と組み合わせて使用された際に、光源の各点からの光線の該入射面における屈折後の進行方向の、該入射面の到達位置による変化の大きさが大きい。したがって、光学素子から出射される光の方向によって生じる色の差を小さくすることができる。
　本発明の実施形態による光学素子は、第２の態様の光学素子であって、θｒの差が１０度以上である、隣接する極大値及び極小値が存在する。
　本実施形態によれば、光源と組み合わせて使用された際に、光源の各点からの光線の該入射面における屈折後の進行方向の、該入射面の到達位置による変化の大きさが大きい。したがって、光学素子から出射される光の方向によって生じる色の差を小さくすることができる。
　本発明の第３の態様による照明ユニットは、光源と、本発明のいずれかの態様または実施形態の光学素子と、を備えた照明ユニットである。
　本態様による照明ユニットは、本発明のいずれかの態様または実施形態の光学素子を使用しているので、光学素子から出射される光の方向によって生じる色の差を小さくすることができる。
本発明による光学素子とともに使用されるＬＥＤ光源の構成の一例を示す図である。 ＬＥＤ光源の光を拡散するために使用される、本発明の一実施形態による光学素子の、中心軸ＡＸを含む断面図である。 図２の断面図のうち、入射面の部分を拡大した図である。 光源及び光学素子の複数の組を面上に配置した照明ユニットの構成の一例を示す図である。 実施例１の光学素子のｚと入射面における法線が中心軸ＡＸとなす角度φｈとの関係を示す図である。 実施例１の光学素子のθrとθｉとの関係を示す図である。 実施例１の光学素子のθrとθｅとの関係を示す図である。 図１に示した光源に実施例１の光学素子を組み合わせた場合の光の強度分布を示す図である。 図１に示した光源に比較例１の光学素子を組み合わせた場合の光の強度分布を示す図である。 実施例１の光学素子について、図３における点Ｐ０から出射した光線の強度分布を示す図である。 実施例１の光学素子について、図３における点Ｐ１から出射した光線の強度分布を示す図である。 実施例１の光学素子について、図３における点Ｐ２から出射した光線の強度分布を示す図である。 実施例２の光学素子のｚと入射面における法線が中心軸ＡＸとなす角度φｈとの関係を示す図である。 実施例２の光学素子のθrとθｉとの関係を示す図である。 実施例２の光学素子のθrとθｅとの関係を示す図である。 図１に示した光源に実施例２の光学素子を組み合わせた場合の光の強度分布を示す図である。 図１に示した光源に比較例２の光学素子を組み合わせた場合の光の強度分布を示す図である。 実施例３の光学素子のｚと入射面における法線が中心軸ＡＸとなす角度φｈとの関係を示す図である。 実施例３の光学素子のθrとθｉとの関係を示す図である。 実施例３の光学素子のθrとθｅとの関係を示す図である。 図１に示した光源に実施例３の光学素子を組み合わせた場合の光の強度分布を示す図である。 図１に示した光源に比較例３の光学素子を組み合わせた場合の光の強度分布を示す図である。 光学素子の出射面の中心に樹脂ゲートを配置した場合を示す図である。 光学素子の出射面の中心に円錐台形状を設け、そこに樹脂ゲートを配置した場合を示す図である。 光学素子の底面に１個の樹脂ゲートを配置した場合を示す図である。 光学素子の底面に２個の樹脂ゲートを配置した場合を示す図である。 出射面の周辺部分に拡散構造または拡散材料を備えた光学素子の構成を示す図である。 底面に拡散構造または拡散材料を備えた光学素子の構成を示す図である。
　図１は、本発明による光学素子とともに使用されるＬＥＤ光源２００の構成の一例を示す図である。図１（ａ）は、ＬＥＤ光源２００の発光面に垂直な断面を示す図である。図１（ｂ）は、ＬＥＤ光源２００の平面図である。一般的に、光量の大きな白色ＬＥＤ光源は、青色など短波長の光を発光するチップと、発光チップからの光を受け取った場合に緑、黄色、赤などのより長波長の光を発光する蛍光剤とから構成される。図１においては、ＬＥＤ光源２００の中心位置に青色の発光チップ２０１が配置され、発光チップ２０１を覆って、発光チップ２０１の占める領域よりもより広い領域に蛍光剤２０３が配置されている。図１（ｂ）の平面図において、発光チップ２０１は、一辺が１．０ｍｍの正方形であり、蛍光剤２０３の形状は、直径が３．０ｍｍの円形である。青色の光Ａは、中心付近に位置する発光チップ２０１から出射される。より長波長の光Ｂは、ＬＥＤ光源の周辺部分を含む領域に配置された蛍光剤から出射される。図１のような構成を有するＬＥＤ光源においては、青色の光の出射される位置と、より長波長の光が出射される位置とが異なっている。
　図２は、ＬＥＤ光源２００の光を拡散するために使用される、本発明の一実施形態による光学素子１００の中心軸ＡＸを含む断面図である。本実施形態による光学素子１００は、中心軸ＡＸについて回転対称な形状を有する。光学素子１００の、ＬＥＤ光源２００に対向する面１０５は、周縁に対して中心軸ＡＸ付近に窪みを有し、この窪みの面が入射面１０１を形成する。ＬＥＤ光源２００に対向する面１０５は、本明細書において底面１０５と呼称する。光学素子１００の入射面１０１及び底面１０５以外の面は、出射面１０３を形成する。
　光学素子１００及びＬＥＤ光源２００は、光学素子１００の中心軸ＡＸが、ＬＥＤ光源２００の中心、すなわち、図１（ｂ）における円の中心を通るように配置される。この場合に、中心軸ＡＸが、光学素子１００及びＬＥＤ光源２００を含む光学系の光軸をなす。
　光源２００から出射した光は、入射面１０１を経て光学素子１０１に入り、出射面１０３から外部に向けて出射される。この場合に、光源２００から出射した光は、入射面１０１及び出射面１０３のほとんどの部分において中心軸ＡＸから遠ざかる方向に屈折され、その結果拡散される。
　本実施形態において、ＬＥＤ光源２００の面は平面であるが、光源の面は平面である必要はない。本発明は、平面に配置された光源であり、短波長の光を発光する部分の位置と長波長の光を発光する部分の位置とが異なる任意の光源に適用することができる。
　図３は、図２の断面図のうち、入射面の部分を拡大した図である。光源２００の発光面２０５と中心軸ＡＸとの交点を点Ｐ０とする。点Ｐ０から出射した光線の進行方向が中心軸ＡＸとなす角度をθｒとし、その光線が入射面１０１で屈折した後の、光学素子１００内の光線の進行方向が中心軸ＡＸとなす角度をθｉとする。さらに、その光線が出射面で屈折した後の進行方向が中心軸ＡＸとなす角度をθｅとする（図２）。図３において、発光チップ２０１の辺から発光面２０５に下した垂線の足をＰ１とし、蛍光剤の端部の点、すなわち、図１（ｂ）の蛍光剤の周縁の円周上の点をＰ２とする。
　入射面１０１は、点Ｐ０から、所定の範囲のθｒで出射した光線について、
　θｒ≦θｉ
を満たすように定められる。図３において、所定の範囲は０度から約２０度の範囲である。また、上記の範囲において、角度θｒが増加するにしたがって、角度θｉは単調に増加する。
　出射面１０３は、上記の範囲の角度θｒで出射した光線について、
　θｉ≦θｅ
を満たすように定められる。
　出射面の中心軸ＡＸ近傍の形状は、凸面に限定することもなく、凹面に限定することもなく、凹面、凸面、平面のいずれでも良い。レンズ内部で全反射が起こらない出射面形状も好ましい。その場合は、光学素子の屈折率をｎとして、光学素子内の光線角度と出射面の法線との角度φが
　φ＜sin-1(1/n)
の条件を満足する。
　また、図３において入射面１０１における法線が中心軸ＡＸとなす角度をφｈとする。角度φｈは、図３の下向きの方向を基準とする。すなわち、入射面１０１の頂点においてφｈ＝１８０度である。
　点Ｐ０から、０度から約２０度の範囲の角度θｒで出射した光が到達する入射面１０１の領域において、角度θｒが増加するにしたがって角度φｈは単調に減少する。点Ｐ０から、約２０度を超える角度θｒで出射した光が到達する入射面１０１の領域において、角度θｒが増加するにしたがって角度φｈは増加と減少を繰り返す。この入射面１００の領域を、本明細書において入射面の拡散領域とも呼称する。入射面１０１の拡散領域の形状については後で詳細に説明する。
　図４は、光源２００及び光学素子１００の複数の組を面３００上に配置した照明ユニットの構成の一例を示す図である。照明ユニットは、さらに拡散板４００を備える。照明ユニットにより前方（図４の上側）を均一に照射することができる。
　以下において、本発明による光学素子の実施例及び比較例を説明する。実施例及び比較例の光学素子の材料は、ポリメタクリル酸メチル樹脂（ＰＭＭＡ）であり、屈折率は、1.492（d線、587.56nm）であり、アッベ数は、56.77（d線、587.56nm）である。また、実施例及び比較例において、長さの単位は、他に記載のない限りミリメータである。
実施例１
　図２において、入射面１０１と中心軸ＡＸとの交点の座標をＯ１とし、出射面１０３と中心軸ＡＸとの交点の座標をＯ２とする。
　本実施例において、Ｐ０とＯ２との距離Ｔは、
　Ｔ＝５．７５２ｍｍ
であり、Ｐ０とＯ１との距離ｈは、
　ｈ＝４．４００ｍｍ
である。
　Ｏ１を基準とする、中心軸ＡＸ方向の距離をｚで表すと、
　０≦ｚ≦１．５ｍｍ
の範囲において、入射面１０１の形状は以下の式で表せる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 ここで、rは中心軸ＡＸからの距離であり、c は曲率、Rは曲率半径であり、kはコーニック係数であり、Aiは非球面係数である。
　表１は、実施例１の入射面の形状を表す式（１）の係数の数値を示す表である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　ｚ＝１．５ｍｍから面１０５までの入射面１０１の領域、すなわち入射面の拡散領域の形状は、以下の点群の三次スプライン曲線で表される。三次スプライン曲線とは、与えられた複数の点を通る滑らかな曲線で、隣り合う点に挟まれた各区間に対し、全ての点において連続である個別の三次の多項式を用いたものである。
　表２は、上記の点群を示す表である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　図５は、実施例１の光学素子の入射面１０１のｚと入射面１０１における法線が中心軸ＡＸとなす角度φｈとの関係を示す図である。図５の横軸はｚを表し、縦軸はφｈを表す。図５によれば、ｚが１．５ｍｍ以下の範囲においては、ｚが増加するにしたがってφｈは単調に減少する。ｚが１．５ｍｍを超えた範囲においては、ｚが増加するにしたがってφｈは増加と減少を繰り返す。換言すれば、ｚが１．５ｍｍを超えた範囲において、ｚの関数であるφｈは、極大値及び極小値を有する。
　図５において、具体的に、φｈについて６個の極大値と６個の極小値が存在する。なお、極小値付近のφｈのばらつきは無視した。隣接する極大値と極小値とのφｈの差は約３０度である。
　Ｏ２を基準とする、中心軸ＡＸ方向の距離をｚで表すと、出射面１０３の中心軸ＡＸ近傍の形状は、光源からの光線が出射面で全反射しない形状であり、以下の数式で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
 ここで、rは中心軸ＡＸからの距離であり、c は曲率、Rは曲率半径であり、kはコーニック係数であり、Aiは非球面係数である。
　表３は、実施例１の出射面の形状を表す式（２）係数の数値を示す表である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
　図６は、実施例１の光学素子のθrと入射面におけるθｉとの関係を示す図である。図６の横軸はθrを表し、縦軸はθｉを表す。θrが約３０度以下の範囲においては、θrが増加するにしたがってθｉは単調に増加する。θrが約３０度を超える範囲においては、θrが増加するにしたがってθｉは、増加と減少を繰り返しながら増加する。換言すれば、θrが３０度を超える範囲において、θrの関数であるθｉは、極大値及び極小値を有する。
　図６において、具体的に、θrが約３０度から９０度の範囲において、θｉについて、６個の極大値と６個の極小値が存在する。なお、極大値付近のθｉの値のばらつきは無視した。隣接する極大値と極小値とのθｉの差は約１５度である。
　図７は、実施例１の光学素子のθrと出射面におけるθｅとの関係を示す図である。図７の横軸はθrを表し、縦軸はθｅを表す。θrが約３０度以下の範囲においては、θrが増加するにしたがってθｅは単調に増加する。θrが約３０度を超える範囲においては、θrが増加するにしたがってθｅは、ピークツーピークが約１０度の幅で増加と減少を繰り返しながら増加する。換言すれば、θrが約３０度を超える範囲において、θrの関数であるθｅは、極大値及び極小値を有する。
比較例１
　本比較例において、Ｐ０とＯ２との距離Ｔは、
　Ｔ＝５．７５２ｍｍ
であり、Ｐ０とＯ１との距離ｈは、
　ｈ＝４．４００ｍｍ
である。
　Ｏ１を基準とする、中心軸ＡＸ方向の距離をｚで表すと、入射面の形状は式（１）で表せる。また、式（１）の係数の値は表１の値である。すなわち、比較例１の入射面の形状は、ｚが１．５ｍｍ以下の範囲においては、実施例１の入射面の形状と同一であり、ｚが１．５ｍｍを超える範囲においても、ｚの関数であるφｈは、極大値及び極小値を有することはなく、zが増加するにしたがって、φｈは単調に減少する。換言すれば、比較例１の光学素子の入射面は、入射面の拡散領域を有さない点が実施例１の入射面と異なる。
　Ｏ２を基準とする、中心軸ＡＸ方向の距離をｚで表すと、出射面の中心軸ＡＸ近傍の形状は、光源からの光線が出射面で全反射しない形状であり、式（２）で表される。また、式（２）の係数の値は表３の値である。すなわち、比較例１の出射面は実施例１の出射面と同一の形状である。
実施例１と比較例１との性能比較
　図１に示した光源に実施例１及び比較例１の光学素子を組み合わせた場合の光の分布を比較することによって実施例と比較例１との性能を比較する。
　図８は、図１に示した光源に実施例１の光学素子を組み合わせた場合の光の強度分布を示す図である。図８の横軸は、中心軸ＡＸとのなす角度がθである方向を示す。図８の縦軸は、中心軸ＡＸとのなす角度がθである方向に出射される光の強度の相対値を示す。図８の実線は、波長が５００ナノメータ未満の光（短波長側の光）の相対強度を示す。相対強度は、最大値を１００％として示した。図８の点線は、波長が５００ナノメータ以上の光（長波長側の光）の相対強度を示す。相対強度は、最大値を１００％として示した。
　図９は、図１に示した光源に比較例１の光学素子を組み合わせた場合の光の強度分布を示す図である。図９の横軸は、中心軸ＡＸとのなす角度がθである方向を示す。図９の縦軸は、中心軸ＡＸとのなす角度がθである方向に出射される光の強度の相対値を示す。図９の実線は、波長が５００ナノメータ未満の光（短波長側の光）の相対強度を示す。相対強度は、最大値を１００％として示した。図９の点線は、波長が５００ナノメータ以上の光（長波長側の光）の相対強度を示す。相対強度は、最大値を１００％として示した。
　図８と図９とを比較すると、比較例１についての図９の方が短波長側の光の強度と長波長側の光の強度との差が大きい。特に、θが６０度付近において両者の差が大きい。両者の差が大きいと、色の差が生じる。たとえば、図９に示すように、θが６０度付近において長波長側の強度が大きい場合には、θが６０度付近において赤みが強くなる。
　このように実施例１の光学素子は比較例１の光学素子と比較して色の差が生じるのを抑えることができる。
　図１０は、実施例１の光学素子について、図３における点Ｐ０から出射した光線の強度分布を示す図である。点Ｐ０は、光源２００の発光面２０５と中心軸ＡＸとの交点である。図１０の横軸は、中心軸ＡＸとのなす角度がθである方向を示す。図１０の縦軸は、中心軸ＡＸとのなす角度がθである方向に出射される光の強度の相対値を示す。実線は実施例１の強度分布を示し、点線は比較例１の強度分布を示す。強度の相対値は、実施例１及び比較例１の強度の最大値を１００％として表した。
　図１１は、実施例１の光学素子について、図３における点Ｐ１から出射した光線の強度分布を示す図である。点Ｐ１は、発光チップ２０１の辺から発光面２０５に下した垂線の足である。図１１の横軸は、中心軸ＡＸとのなす角度がθである方向を示す。図１１の縦軸は、中心軸ＡＸとのなす角度がθである方向に出射される光の強度の相対値を示す。図１１における実線は実施例１の強度分布を示し、点線は比較例１の強度分布を示す。強度の相対値は、実施例１及び比較例１の強度の最大値を１００％として表した。
　図１２は、実施例１の光学素子について、図３における点Ｐ２から出射した光線の強度分布を示す図である。点Ｐ２は、蛍光剤の周縁の円周上の点である。図１１の横軸は、中心軸ＡＸとのなす角度がθである方向を示す。図１２の縦軸は、中心軸ＡＸとのなす角度がθである方向に出射される光の強度の相対値を示す。図１２における実線は実施例１の強度分布を示し、点線は比較例１の強度分布を示す。強度の相対値は、実施例１及び比較例１の強度の最大値を１００％として表した。
　図１０乃至図１２において、Ｐ０乃至Ｐ２から出射される光線を比較すると、それぞれの場合において、実施例１の光線の方が、比較例１の光線よりもより広い範囲に分布している。図８及び図９の対象とする光は、光源面上の種々の点からの光線を合わせたものである。したがって、種々の点から出射される光線がより広い範囲に分布している実施例１の場合の方が、光源面上の位置の差による光の色の差の影響を受けにくい。
実施例２
　図２において、入射面１０１と中心軸ＡＸとの交点の座標をＯ１とし、出射面１０３と中心軸ＡＸとの交点の座標をＯ２とする。
　本実施例において、Ｐ０とＯ２との距離Ｔは、
　Ｔ＝５．５１３ｍｍ
であり、Ｐ０とＯ１との距離ｈは、
　ｈ＝３．５６９ｍｍ
である。
　Ｏ１を基準とする、中心軸ＡＸ方向の距離をｚで表すと、
　０≦ｚ≦２．６８９ｍｍ
の範囲において、入射面１０１の形状は以下の式で表せる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
 ここで、rは中心軸ＡＸからの距離であり、c は曲率、Rは曲率半径であり、kはコーニック係数であり、Aiは非球面係数である。
　表４は、実施例２の入射面の形状を表す式（１）の係数の数値を示す表である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000007
　ｚ＝２．６８９ｍｍから面１０５までの入射面１０１の領域、すなわち入射面の拡散領域の形状は、以下の点群の三次スプライン曲線で表される。三次スプライン曲線とは、与えられた複数の点を通る滑らかな曲線で、隣り合う点に挟まれた各区間に対し、全ての点において連続である個別の三次の多項式を用いたものである。
　表５は、上記の点群を示す表である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000008
　図１３は、実施例２の光学素子の入射面１０１のｚと入射面１０１における法線が中心軸ＡＸとなす角度φｈとの関係を示す図である。図１３の横軸はｚを表し、縦軸はφｈを表す。図１３によれば、ｚが２．６８９ｍｍ以下の範囲においては、ｚが増加するにしたがってφｈは単調に減少する。ｚが２．６８９ｍｍを超えた範囲においては、ｚが増加するにしたがってφｈは増加と減少を繰り返す。換言すれば、ｚが２．６８９ｍｍを超えた範囲において、ｚの関数であるφｈは、極大値及び極小値を有する。
　図１３において、具体的に、φｈについて３個の極大値と３個の極小値が存在する。なお、極小値付近のφｈのばらつきは無視した。隣接する極大値と極小値とのφｈの差は約３０度である。
　Ｏ２を基準とする、中心軸ＡＸ方向の距離をｚで表すと、出射面１０３の中心軸ＡＸ近傍の形状は、光源からの光線が出射面で全反射しない形状であり、以下の数式で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
 ここで、rは中心軸ＡＸからの距離であり、c は曲率、Rは曲率半径であり、kはコーニック係数であり、Aiは非球面係数である。
　表６は、実施例２の出射面の形状を表す式（２）の係数の数値を示す表である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000010
　図１４は、実施例２の光学素子のθrとθｉとの関係を示す図である。図１４の横軸はθrを表し、縦軸はθｉを表す。θrが約５５度以下の範囲においては、θrが増加するにしたがってθｉは単調に増加する。θrが約５５度を超える範囲においては、θrが増加するにしたがってθｉは、増加と減少を繰り返しながら増加する。換言すれば、θrが約５５度を超える範囲において、θrの関数であるθｉは、極大値及び極小値を有する。
　図１４において、具体的に、θrが約５５度から９０度の範囲において、θｉについて、３個の極大値と３個の極小値が存在する。なお、極大値付近のθｉの値のばらつきは無視した。隣接する極大値と極小値とのθｉの差は約１５度である。
　図１５は、実施例２の光学素子のθrとθｅとの関係を示す図である。図１５の横軸はθrを表し、縦軸はθｅを表す。θrが約５５度以下の範囲においては、θrが増加するにしたがってθｅは単調に増加する。θrが約５５度を超える範囲においては、θrが増加するにしたがってθｅは、ピークツーピークが最大約１５度の幅で増加と減少を繰り返しながら増加する。換言すれば、θrが約５５度を超える範囲において、θrの関数であるθｅは、極大値及び極小値を有する。
比較例２
　本比較例において、Ｐ０とＯ２との距離Ｔは、
　Ｔ＝５．５１３ｍｍ
であり、Ｐ０とＯ１との距離ｈは、
　ｈ＝３．５６９ｍｍ
である。
　Ｏ１を基準とする、中心軸ＡＸ方向の距離をｚで表すと、入射面の形状は式（１）で表せる。また、式（１）の係数の値は表４の値である。すなわち、比較例２の入射面の形状は、ｚが２．６８９ｍｍ以下の範囲においては、実施例１の入射面の形状と同一であり、ｚが２．６８９ｍｍを超える範囲においても、ｚの関数であるφｈは、極大値及び極小値を有することはなく、zが増加するにしたがって、φｈは単調に減少する。換言すれば、比較例２の入射面は、入射面の拡散領域を有さない点が実施例２の入射面と異なる。
　Ｏ２を基準とする、中心軸ＡＸ方向の距離をｚで表すと、出射面の中心軸ＡＸ近傍の形状は、光源からの光線が出射面で全反射しない形状であり、式（２）で表される。また、式（２）の係数の値は表６の値である。すなわち、比較例２の出射面は実施例２の出射面と同一の形状である。
実施例２と比較例２との性能比較
　図１に示した光源に実施例２及び比較例２の光学素子を組み合わせた場合の光の分布を比較することによって実施例２と比較例２との性能を比較する。
　図１６は、図１に示した光源に実施例２の光学素子を組み合わせた場合の光の強度分布を示す図である。図１６の横軸は、中心軸ＡＸとのなす角度がθである方向を示す。図１６の縦軸は、中心軸ＡＸとのなす角度がθである方向に出射される光の強度の相対値を示す。図１６の実線は、波長が５００ナノメータ未満の光（短波長側の光）の相対強度を示す。相対強度は、最大値を１００％として示した。図１６の点線は、波長が５００ナノメータ以上の光（長波長側の光）の相対強度を示す。相対強度は、最大値を１００％として示した。
　図１７は、図１に示した光源に比較例２の光学素子を組み合わせた場合の光の強度分布を示す図である。図１７の横軸は、中心軸ＡＸとのなす角度がθである方向を示す。図１７の縦軸は、中心軸ＡＸとのなす角度がθである方向に出射される光の強度の相対値を示す。図１７の実線は、波長が５００ナノメータ未満の光（短波長側の光）の相対強度を示す。相対強度は、最大値を１００％として示した。図１７の点線は、波長が５００ナノメータ以上の光（長波長側の光）の相対強度を示す。相対強度は、最大値を１００％として示した。
　図１６と図１７とを比較すると、比較例２についての図１７の方が短波長側の光の強度と長波長側の光の強度との差が大きい。特に、θが６０度付近において両者の差が大きい。両者の差が大きいと、色の差が生じる。たとえば、図１７に示すように、θが６０度付近において長波長側の強度が大きい場合には、θが６０度付近において赤みが強くなる。
　このように実施例２の光学素子は比較例２の光学素子と比較して色の差が生じるのを抑えることができる。
実施例３
　図２において、入射面１０１と中心軸ＡＸとの交点の座標をＯ１とし、出射面１０３と中心軸ＡＸとの交点の座標をＯ２とする。
　本実施例において、Ｐ０とＯ２との距離Ｔは、
　Ｔ＝５．３８５ｍｍ
であり、Ｐ０とＯ１との距離ｈは、
　ｈ＝３．８２９ｍｍ
である。
　Ｏ１を基準とする、中心軸ＡＸ方向の距離をｚで表すと、
　０≦ｚ≦１．３２２ｍｍ
の範囲において、入射面１０１の形状は以下の式で表せる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
 ここで、rは中心軸ＡＸからの距離であり、c は曲率、Rは曲率半径であり、kはコーニック係数であり、Aiは非球面係数である。
　表７は、実施例３の入射面の形状を表す式（１）の係数の数値を示す表である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000012
　ｚ＝１．３２２ｍｍから面１０５までの入射面１０１の領域、すなわち入射面の拡散領域の形状は、以下の数式で表せる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000013
 ここで、rは中心軸ＡＸからの距離であり、c は曲率、Rは曲率半径であり、kはコーニック係数であり、Aiは非球面係数である。また、Ｋは定数である。Ｋの単位は、１／ｍｍである。
　表８は、実施例３の入射面の形状を表す式（３）の係数の数値を示す表である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000014
　図１８は、実施例３の光学素子の入射面１０１のｚと入射面１０１における法線が中心軸ＡＸとなす角度φｈとの関係を示す図である。図１３の横軸はｚを表し、縦軸はφｈを表す。図１８によれば、ｚが１．３２２ｍｍ以下の範囲においては、ｚが増加するにしたがってφｈは単調に減少する。ｚが１．３２２ｍｍを超えた範囲においては、ｚが増加するにしたがってφｈは増加と減少を繰り返す。換言すれば、ｚが１．３２２ｍｍを超えた範囲において、ｚの関数であるφｈは、極大値及び極小値を有する。
　図１８において、具体的に、φｈについて４個の極大値と３個の極小値が存在する。なお、極小値付近のφｈのばらつきは無視した。隣接する極大値と極小値とのφｈの差は約３０度である。
　Ｏ２を基準とする、中心軸ＡＸ方向の距離をｚで表すと、出射面１０３の中心軸ＡＸ近傍の形状は、光源からの光線が出射面で全反射しない形状であり、以下の数式で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000015
 ここで、rは中心軸ＡＸからの距離であり、c は曲率、Rは曲率半径であり、kはコーニック係数であり、Aiは非球面係数である。
　表９は、実施例３の出射面の形状を表す式（２）の係数の数値を示す表である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000016
　図１９は、実施例３の光学素子のθrとθｉとの関係を示す図である。図１９の横軸はθrを表し、縦軸はθｉを表す。θrが約３２度以下の範囲においては、θrが増加するにしたがってθｉは単調に増加する。θrが約３２度を超える範囲においては、θrが増加するにしたがってθｉは、増加と減少を繰り返しながら増加する。換言すれば、θrが約３２度を超える範囲において、θrの関数であるθｉは、極大値及び極小値を有する。
　図１９において、具体的に、θrが約３２度から９０度の範囲において、θｉについて、３個の極大値と４個の極小値が存在する。なお、極大値付近のθｉの値のばらつきは無視した。隣接する極大値と極小値とのθｉの差は１５度から２０度である。
　図２０は、実施例３の光学素子のθrとθｅとの関係を示す図である。図２０の横軸はθrを表し、縦軸はθｅを表す。θrが約３２度以下の範囲においては、θrが増加するにしたがってθｅは単調に増加する。θrが約３２度を超える範囲においては、θrが増加するにしたがってθｅは、ピークツーピークが最大約１５度の幅で増加と減少を繰り返しながら増加する。換言すれば、θrが約３２度を超える範囲において、θrの関数であるθｅは、極大値及び極小値を有する。
比較例３
本比較例において、Ｐ０とＯ２との距離Ｔは、
　Ｔ＝５．３８５ｍｍ
であり、Ｐ０とＯ１との距離ｈは、
　ｈ＝３．８２９ｍｍ
である。
　Ｏ１を基準とする、中心軸ＡＸ方向の距離をｚで表すと、入射面の形状は式（１）で表せる。また、係数の値は表７の値である。すなわち、比較例３の入射面の形状は、ｚが１．３２２ｍｍ以下の範囲においては、実施例３の入射面の形状と同一であり、ｚが１．３２２ｍｍを超える範囲においても、ｚの関数であるφｈは、極大値及び極小値を有することはなく、zが増加するにしたがって、φｈは単調に減少する。換言すれば、比較例３の光学素子の入射面は、入射面の拡散領域を有さない点が実施例３の入射面と異なる。
　Ｏ２を基準とする、中心軸ＡＸ方向の距離をｚで表すと、出射面の中心軸ＡＸ近傍の形状は、光源からの光線が出射面で全反射しない形状であり、式（２）で表される。また、係数の値は表９の値である。すなわち、比較例３の出射面は実施例３の出射面と同一の形状である。
実施例３と比較例３との性能比較
　図１に示した光源に実施例３及び比較例３の光学素子を組み合わせた場合の光の分布を比較することによって実施例２と比較例２との性能を比較する。
　図２１は、図１に示した光源に実施例３の光学素子を組み合わせた場合の光の強度分布を示す図である。図２１の横軸は、中心軸ＡＸとのなす角度がθである方向を示す。図２１の縦軸は、中心軸ＡＸとのなす角度がθである方向に出射される光の強度の相対値を示す。図２１の実線は、波長が５００ナノメータ未満の光（短波長側の光）の相対強度を示す。相対強度は、最大値を１００％として示した。図２１の点線は、波長が５００ナノメータ以上の光（長波長側の光）の相対強度を示す。相対強度は、最大値を１００％として示した。
　図２２は、図１に示した光源に比較例３の光学素子を組み合わせた場合の光の強度分布を示す図である。図２２の横軸は、中心軸ＡＸとのなす角度がθである方向を示す。図２２の縦軸は、中心軸ＡＸとのなす角度がθである方向に出射される光の強度の相対値を示す。図２２の実線は、波長が５００ナノメータ未満の光（短波長側の光）の相対強度を示す。相対強度は、最大値を１００％として示した。図２２の点線は、波長が５００ナノメータ以上の光（長波長側の光）の相対強度を示す。相対強度は、最大値を１００％として示した。
　図２１と図２２とを比較すると、比較例３についての図２２の方が短波長側の光の強度と長波長側の光の強度との差が大きい。特に、θが６５度付近において両者の差が大きい。両者の差が大きいと、色の差が生じる。たとえば、図２２に示すように、θが６５度付近において長波長側の強度が大きい場合には、θが６５度付近において赤みが強くなる。
　このように実施例３の光学素子は比較例３の光学素子と比較して色の差が生じるのを抑えることができる。
他の好ましい実施形態
　本発明による光学素子は、金型を使用して射出成形により製造するのが好ましい。その場合に、金型に樹脂（プラスチック）を注入する樹脂ゲートの位置が製品に影響を与える。
　図２３は、光学素子の出射面１０３の中心に樹脂ゲート１０３１を配置した場合を示す図である。図２３（ａ）は、樹脂ゲート１０３１が配置された状態を示す図である。図２３（ｂ）は、図２３（ａ）のように配置された樹脂ゲート１０３１によって製造された光学素子の形状を示す図である。樹脂ゲート痕１０３３は散乱面であり、中心付近の強い光を拡散し、特に被照射面が近くに位置する際に光源の中心部の強い光線の拡散を促進するので好ましい。
　図２４は、光学素子の出射面１０３の中心に円錐台形状１０３５を設け、そこに樹脂ゲート１０３７を配置した場合を示す図である。図２４（ａ）は、樹脂ゲート１０３７が配置された状態を示す図である。図２４（ｂ）は、図２４（ａ）のように配置された樹脂ゲート１０３７によって製造された光学素子の形状を示す図である。円錐台形状１０３５が中心付近の強い光を拡散するとともに、樹脂ゲート痕は散乱面であり、中心付近の強い光を拡散し、特に被照射面が近くに位置する際に光源の中心部の強い光線の拡散を促進するので好ましい。
　図２５は、光学素子の底面１０５に１個の樹脂ゲート１０５１を配置した場合を示す図である。本実施形態によれば、樹脂ゲート痕が光学面に影響を与えることはない。
　図２６は、光学素子の底面１０５に２個の樹脂ゲート１０５１Ａ及び１０５１Ｂを配置した場合を示す図である。本実施形態によれば、樹脂ゲート痕が光学面に影響を与えることはない。
　光学素子の出射面の一部や底面に、光を拡散するための拡散構造や拡散材料を備えるのも好ましい。拡散構造は、面より直径1mm未満の球面もしくは非球面形状を面上から差し引いた面、面より直径1mm未満の球面もしくは非球面形状を面上に足した面、面より直径1mm未満の円錐、三角錐、四角錐を面上から差し引いた面、面より直径1mm未満の円錐、三角錐、四角錐を面上に足した面、荒らしによるシボ面、マイクロレンズアレイ等に代表される微小の曲面やプリズムなどの屈折構造、プリズムなどの全反射構造等である。拡散材料は、アクリル粉末、ポリスチレン粒子、シリコン粉末、銀粉末、酸化チタン粉末、アルミニウム粉末、ホワイトカーボン、酸化マグネシウム、酸化亜鉛等の散乱材料である。
　図２７は、出射面の周辺部分に拡散構造または拡散材料１０３９を備えた光学素子の構成を示す図である。図２７の円形で表現した部分が、拡散構造または拡散材料を示す。本実施形態の光学素子によれば、出射面の周辺部分から出射される光がさらに拡散される。
　図２８は、底面に拡散構造または拡散材料１０５３を備えた光学素子の構成を示す図である。本実施形態の光学素子によれば、光学素子の底面を経由して被照射面に到達する光線が被照射面に輝度ムラを生成するのを防止することができる。ここで、光学素子の底面を経由して被照射面に到達する光線としては、光学素子内で全反射した光線、被照射面から反射した光線、隣接した光学素子からの光線などが考えられる。
　また、入射面の拡散領域の構造として、上述の光学面の形状に代えて、上記の拡散構造や拡散材料を備えてもよい。
　光学素子の入射面及び出射面の形状は、軸ＡＸに関して回転対称な形状に限らない。たとえば、軸ＡＸの周りを複数の角度区間に分割し、それぞれの角度区間において異なる形状としてもよい。角度区間は、９０度の４個の角度区間及び６０度の６個の角度区間など等間隔のものであっても、そうでなくてもよい。
　また、一部の角度区間についてのみ、入射面に拡散領域を設けてもよい。
　上記の実施形態によれば、軸ＡＸの周りの角度区間に対応した方向ごとに異なる光の分布を実現することができる。たとえば、特に、軸ＡＸの周りの特定の方向に対して色の差を小さくすることもできる。

Claims (15)

  1. 　平面に配置された光源を覆う入射面と、該入射面を覆う出射面と、を備え、該光源からの光が該入射面及び該出射面を通過した後、外部に照射されるように構成された光学素子であって、
    　該光源の中心を通り、該平面に垂直な軸を光軸として、該入射面は、周縁に対し該光軸付近が窪んだ形状を有し、該光軸と該入射面との交点をＯ１とし、該光軸を含み、該平面に垂直な該光学素子の任意の断面において、該入射面上の点Ｐにおける該入射面の法線の、該光軸に対する角度をφｈとし、該入射面上の点Ｐの点Ｏ１からの該光軸方向の距離をｚとして、点Ｏ１から該平面まで、該入射面に沿って点Ｐを移動させたときに、ｚに対するφｈが少なくとも一つの極大値及び少なくとも一つの極小値を有するように該入射面が構成された光学素子。
  2. 　該入射面が該光軸に関して回転対称な形状である請求項１に記載の光学素子。
  3. 該光軸の周りを複数の角度区間に分割し、該入射面がそれぞれの角度区間において異なる形状を有するように該入射面が構成された請求項１に記載の光学素子。
  4. 　該複数の角度区間の一部の角度区間においてのみ、点Ｏ１から該平面まで、該入射面に沿って点Ｐを移動させたときに、ｚに対するφｈが少なくとも一つの極大値及び少なくとも一つの極小値を有するように該入射面が構成された請求項３に記載の光学素子。
  5. 該光軸と該平面との交点をＰ０として、点Ｐ０と該入射面上の点Ｐとを結ぶ直線が該光軸となす角度をθｒとし、
    　３０°＜θｒ＜９０°
    において、ｚに対するφｈが少なくとも一つの極大値及び少なくとも一つの極小値を有するように該入射面が構成された請求項１から４のいずれかに記載の光学素子。
  6. 　φｈの差が１０度以上である、隣接する極大値及び極小値が存在する請求項１から５のいずれかに記載の光学素子。
  7. 　φｈの差が２０度以上である、隣接する極大値及び極小値が存在する請求項６に記載の光学素子。
  8. 　平面上に配置された光源を覆う入射面と、該入射面を覆う出射面と、を備え、該光源からの光が該入射面及び該出射面を通過した後、外部に照射されるように構成された光学素子であって、
    　該光源の中心を通り、該平面に垂直な軸を光軸として、該入射面は、周縁に対し該光軸付近が窪んだ形状を有し、該光軸と該入射面との交点をＯ１とし、該光軸と該平面との交点をＰ０として、該光軸を含み、該平面に垂直な該光学素子の任意の断面において、点Ｐ０と該入射面上の点Ｐとを結ぶ直線が該光軸となす角度をθｒとし、点Ｐ０から点Ｐへ進んだ光の光学素子内の進行方向と該光軸とがなす角度をθｉとして、点Ｏ１から該平面まで、該入射面に沿って点Ｐを移動させたときに、θｒに対するθｉが少なくとも一つの極大値及び少なくとも一つの極小値を有するように該入射面が構成された光学素子。
  9. 　該入射面が該光軸に関して回転対称な形状である請求項８に記載の光学素子。
  10. 該光軸の周りを複数の角度区間に分割し、該入射面がそれぞれの角度区間において異なる形状を有するように該入射面が構成された請求項８に記載の光学素子。
  11. 　該複数の角度区間の一部の角度区間においてのみ、点Ｏ１から該平面まで、該入射面に沿って点Ｐを移動させたときに、ｚに対するφｈが少なくとも一つの極大値及び少なくとも一つの極小値を有するように該入射面が構成された請求項１０に記載の光学素子。
  12. 　３０°＜θｒ＜９０°
    において、θｒに対するθｉが少なくとも一つの極大値及び少なくとも一つの極小値を有するように該入射面が構成された請求項８から１１のいずれかに記載の光学素子。
  13. 　θｒの差が５度以上である、隣接する極大値及び極小値が存在する請求項８から１２のいずれかに記載の光学素子。
  14. 　θｒの差が１０度以上である、隣接する極大値及び極小値が存在する請求項１３に記載の光学素子。
  15. 　光源と、請求項１から１４のいずれかに記載の光学素子と、を備えた照明ユニット。
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