WO2013164923A1 - 補助光源ユニット及び光学素子 - Google Patents

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WO2013164923A1
WO2013164923A1 PCT/JP2013/056111 JP2013056111W WO2013164923A1 WO 2013164923 A1 WO2013164923 A1 WO 2013164923A1 JP 2013056111 W JP2013056111 W JP 2013056111W WO 2013164923 A1 WO2013164923 A1 WO 2013164923A1
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optical element
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annular
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橋本雅文
小林大介
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コニカミノルタ株式会社
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    • G03B2215/0575—Ring shaped lighting arrangements

Definitions

  • the present invention relates to an auxiliary light source unit and an optical element that can emit auxiliary light for imaging.
  • auxiliary light such as flash light
  • auxiliary light such as flash light
  • a general mobile terminal has a small mounting space
  • a surface light source such as an LED light source
  • the LED light source has less light intensity than the Xe tube used for conventional flashes, etc., and the Lambertian type light distribution characteristics Therefore, in order to obtain necessary illuminance, some device is required.
  • Patent Document 1 discloses a Fresnel lens and an illuminating device that mainly collect light emitted from an LED light source by a refractive Fresnel lens part and a reflective Fresnel lens part. Note that Patent Document 1 also discloses that an elliptical Fresnel lens is provided as a modification.
  • Patent Document 2 discloses that light emitted mainly from an LED light source is converted into characteristics suitable for auxiliary light using a Fresnel lens having a shape obtained by dividing a circular ring zone into a plurality of regions in the circumferential direction. An optical element is disclosed.
  • Patent Document 1 Although there is a description that an LED light source is used, a plurality of reflecting surfaces that totally reflect incident light are used on the incident surface side of the Fresnel lens. It can be seen that the inclination of each reflecting surface is set. However, since an actual LED light source emits light, even if a part of incident light incident on the reflecting surface is totally reflected, another incident light having a different incident angle does not satisfy the total reflection condition, or Some light is incident from the back side of the reflecting surface, and there is a problem that the efficiency is low.
  • Patent Document 1 since the reflection type Fresnel lens part and the refraction type Fresnel lens part are arranged separately, it is difficult to obtain uniform emission light when a surface light source is used, and unevenness is likely to occur. There is a problem. Furthermore, there is a case where it is required to appropriately irradiate a horizontally long rectangular area (for example, an area having an aspect ratio of 4: 3) that is optimal as auxiliary light for imaging. No consideration is given to appropriately irradiating the shape range. Although Patent Document 1 describes an elliptical Fresnel lens, it does not mean that a rectangular range can be appropriately irradiated as long as the Fresnel lens has an elliptical shape.
  • Patent Document 2 discloses that a Fresnel lens having a circular ring zone is divided into a plurality of angles at a predetermined angle in the circumferential direction of the ring zone in order to appropriately irradiate a rectangular range. I try to make them different.
  • the Fresnel lens divided in the circumferential direction has a complicated shape, which makes it difficult to manufacture. Further, since there is a boundary in the annular zone, a light amount loss occurs and efficiency is increased. There is a problem of lowering.
  • the present invention has been made in view of the problems of the prior art, and is an optical element for an auxiliary light source unit having a light distribution suitable as auxiliary light for imaging, and ensures a sufficient amount of light despite being small.
  • a low-cost optical element that can control light distribution with respect to light emitted from a light-emitting surface of a finite size in a surface-emitting light source and that is easy to manufacture and an auxiliary light source unit using the same. For the purpose.
  • the present inventors have used an optical element having an annular zone having a continuous ellipse or a refracting surface having a shape similar thereto, and a light transmitting portion at the center, and By appropriately setting the inclination of the refracting surface in the specific area of the part, and appropriately setting the size of the surface light source, the distance between the optical element and the maximum diameter of the light transmitting part, the above problem can be solved.
  • the headline has led to the present invention.
  • the auxiliary light source unit has a surface light source and an optical element provided on the light emitting side of the surface light source,
  • the optical element includes a light transmission part provided at a light emission side center part, and an annular part that surrounds the periphery of the light transmission part and includes a plurality of refractive surfaces inclined with respect to the optical axis of the optical element.
  • the annular zone has a plurality of annular zones including a first annular zone having a refracting surface continuous around the optical axis of the optical element;
  • the first annular zone extends in the longitudinal direction as a whole when at least one of a ridge line and a valley line of the refracting surface is projected in parallel to a virtual plane whose normal is the optical axis of the optical element.
  • annular zone curve in the virtual plane, the longitudinal direction is the x-axis, the x-axis and the direction orthogonal to the optical axis are the y-axis, and the position in the virtual plane is expressed in xy coordinates
  • annular zone curve is (a, 0) as the coordinate of the point A that intersects the x axis and (0, b) as the coordinate of the point B that intersects the y axis
  • an optical element for an auxiliary light source unit having a light distribution suitable as auxiliary light for imaging which can secure a sufficient amount of light despite being small in size, and has a light emitting surface of a finite size in a surface emitting light source Therefore, it is possible to provide an optical element that can be well controlled for light emitted from the light source, that is easy to manufacture, and that can be manufactured at low cost, and an auxiliary light source unit using the optical element.
  • the auxiliary light source unit of the present invention has the following configuration.
  • the optical element includes a light transmission part provided at a light emission side center part, and an annular part that surrounds the periphery of the light transmission part and includes a plurality of refractive surfaces inclined with respect to the optical axis of the optical element.
  • the annular zone has a plurality of annular zones including a first annular zone having a refracting surface continuous around the optical axis of the optical element;
  • the first annular zone extends in the longitudinal direction as a whole when at least one of a ridge line and a valley line of the refracting surface is projected in parallel to a virtual plane whose normal is the optical axis of the optical element.
  • annular zone curve in the virtual plane, the longitudinal direction is the x-axis, the x-axis and the direction orthogonal to the optical axis are the y-axis, and the position in the virtual plane is expressed in xy coordinates
  • annular zone curve is (a, 0) as the coordinate of the point A that intersects the x axis and (0, b) as the coordinate of the point B that intersects the y axis
  • the auxiliary light source unit of the present invention is mounted on, for example, a portable terminal and is used for irradiating auxiliary light when imaging a subject by the camera function of the portable terminal.
  • the light rays emitted from the vicinity of the center of the surface light source the light rays emitted in the optical axis direction and the direction along the optical axis and passed through the light transmission portion of the optical element have a flat light transmission portion.
  • a curved surface In the case of a curved surface, it proceeds as it is refracted according to the curved surface, and on the other hand, from the optical axis direction among the light rays emitted from the peripheral part of the surface light source and the light rays emitted from the vicinity of the center of the surface light source
  • the light beam emitted in the deviated direction is refracted by passing through the refractive surface of the annular zone of the optical element, and is mainly used for effectively illuminating the periphery of the central subject.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating the first quadrant of the coordinate system on the virtual plane VP.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating the first quadrant of the coordinate system on the virtual plane VP.
  • the longitudinal direction of the zonal curve RC intersecting the optical axis OA is the x-axis
  • the x-axis and the axis orthogonal to the optical axis OA are the y-axis
  • the position in the virtual plane VP is xy. It shall be expressed in coordinates.
  • the annular curve RC satisfies the equation (1).
  • the light can be made different, which not only gives the desired light distribution characteristics, but also allows the shape of the annular zone to be continuously changed, thus changing the aspect ratio (aspect ratio) of the illuminance distribution
  • an efficient optical element can be obtained.
  • the annular curve has a plurality of inflection points and a part thereof is out of the region TR in a direction closer to the optical axis (EX1), the illuminance distribution may become an irregular shape. is there.
  • the center direction of the irradiated surface where the main subject exists It may be difficult to create a light distribution characteristic that directs much of the emitted light amount in the direction along the optical axis, and a highly efficient optical element may not be realized.
  • the inclination of the tangent of the zonal curve RC in the virtual plane VP is positive on the xy coordinates.
  • the shape of the annular zone curve is not particularly limited in the region TR, but it is preferably a smooth curve convex in the direction away from the optical axis so that there is no inflection point.
  • ⁇ A shape that forms one ellipse in the entire fourth quadrant.
  • This ellipse may be a mathematically defined ellipse, or a combination of a plurality of ellipses (for example, the first quadrant and the fourth quadrant form a half of the first ellipse, and the second The quadrant and the third quadrant may form a half of a second ellipse different from the first ellipse).
  • the center of the annular zone does not necessarily need to be on the optical axis.
  • a virtual circular region represented by a radius R satisfying the formula (2) about the optical axis OA is defined with the diameter of the virtual circle as L2 and the longest light emitting surface of the surface light source as S. Made. S / 2 ⁇ R ⁇ L2 / 2 (2) Since this annular region is appropriately separated from the optical axis OA, light distribution control is easier than in the vicinity of the optical axis OA, and it is effective for distributing outgoing light. Therefore, the opening angle of the annular zone included in the annular region is defined as follows.
  • the opening angle ⁇ with respect to the optical axis is increased toward the both ends in the longitudinal direction, and the maximum opening with respect to the optical axis is increased.
  • Equation (3) is satisfied. In this way, it is possible to effectively adjust the emission angle of the light beam that has passed through the optical element.
  • the emitted light is directed to the edge of the irradiated surface as much as possible, and the aspect ratio of the irradiated surface is the aspect ratio of the shooting range. Since it can be controlled to match the ratio, it is optimal as an optical element for the auxiliary light source unit.
  • the optical element can be separated from the surface light source, and the light beam incident on a specific position of the annular zone can be separated. Variations in the incident direction are reduced, and it becomes easier to control the emission direction of the light beam.
  • the value of the expression (5) is below the upper limit, the light emitted from the surface light source having a light distribution such as a Lambertian type can be efficiently taken in by the optical element, and thereby the annular zone The amount of light incident on the portion can be secured, and a highly efficient optical element can be realized.
  • the exit direction of the light beam incident on the optical element is controlled by the refracting effect at the annular zone, there is a variation in the incident direction of the light beam incident on a specific position of the annular zone.
  • the smaller the number the easier it is to control the light emission direction.
  • a light source having a Lambertian light distribution such as a surface light source
  • the angular distribution of incident light on the optical element is wide just above the surface light source, so that the control by the annular zone is not effective, There is also a possibility that the light incident on the optical element may return to the surface light source side due to total reflection of the annular zone.
  • the condition of Expression (6) is added.
  • the light transmission part can be provided in a certain range immediately above the surface light source, and the light beam by total reflection or the like by separating the annular part. Can be avoided. There is also an advantage that the amount of processing of the mold for molding the optical element can be reduced.
  • the value of Equation (6) is below the upper limit, the ring zone can be provided sufficiently wide, so that the light emitted from the surface light source can be effectively controlled.
  • the planar or curved light transmitting portion can be appropriately sized, which eliminates the need to process the ring zone unnecessarily and reduces the number of processing steps. We can expect down. As described above, with the configuration defined in claim 1, it is possible to irradiate the auxiliary light satisfactorily at the time of photographing a rectangular shape that is long in the horizontal direction, typically a horizontal and vertical 4: 3 screen.
  • the auxiliary light source unit may further include the following configuration.
  • the first annular zone has an x-axis symmetric shape and a y-axis symmetric shape.
  • the auxiliary light source unit of [1] or [2] is characterized in that the annular curve has an elliptical shape satisfying Expression (7).
  • Equation (7) By making the value of Equation (7) not to exceed the upper limit, the difference in the refraction angle of light rays reaching the refracting surface of the annular zone at the same angle can be suppressed to twice or less.
  • the refractive power in the y-axis direction can be balanced in accordance with the irradiated surface. Further, by satisfying Expression (7), the height of the annular zone can be kept small, so that the optical element can be easily miniaturized, and an illuminance distribution that is uniformly close to a horizontally long shape can be obtained.
  • the ring zone curve when the ring zone closest to the optical axis is projected in parallel to the virtual plane is true about the optical axis. It has a circular shape.
  • the light distribution characteristic near the optical axis can be improved on the irradiated surface.
  • the refractive power of the refractive surface of the annular zone is gradually changed from the optical axis toward the periphery in each direction.
  • the light beam reaching the annular zone can be refracted at an angle that matches the shape of the irradiated surface. Thereby, it is possible to prevent the amount of light around the irradiated surface from being extremely reduced compared to the center of the irradiated surface. Further, the amount of light reaching the surface of the annular zone that is not used for light distribution control (for example, the optical axis side surface IP in FIG. 5 described later) can be reduced, and an efficient optical element can be obtained.
  • the refractive power of the diagonal direction of the refractive surface of the annular zone is gradually increased from the optical axis toward the periphery.
  • the light beam that reaches the ring zone can be refracted at an angle that matches the shape of the irradiated surface. Thereby, it can prevent that the light quantity in the periphery of a to-be-irradiated surface falls extremely compared with the to-be-irradiated surface center. Further, the amount of light reaching the surface of the annular zone that is not used for light distribution control can be reduced, and an efficient optical element can be obtained.
  • the auxiliary light source unit of any one of [1] to [9] is characterized in that valley depths of the plurality of annular zones increase toward the periphery of the annular zone.
  • the optical element has a first surface on which the annular zone is formed and a flat surface opposite to the first surface. And a second surface.
  • the x-axis direction and the y-axis direction can be known, so the mounting direction of the optical element can be easily determined, and the auxiliary light source unit is incorporated in the imaging device in the wrong direction. Can be prevented.
  • the optical element of the present invention is an optical element used in any one of the auxiliary light source units [1] to [12].
  • the auxiliary light source unit has a surface light source and an optical element.
  • a surface light source is a light source in which the size of the light emitting portion cannot be ignored relative to the size of the optical element (more specifically, the light incident surface).
  • LED Light Emitting Diode
  • OLED Organic Light Emitting Diode
  • the light exit surface is very small like LaserLaDiode (LD)
  • LD LaserLaDiode
  • it is enlarged by an optical element and shined a certain area by a diffuser plate etc., it will be simulated as a light source.
  • LD LaserLaDiode
  • such a pseudo surface light source is also included in the surface light source.
  • the longest length S of the light emitting surface of the surface light source used in Equation (4) or the like is the longest distance that can be taken within the light emitting surface.
  • the diameter is set, and when the light emitting surface is rectangular, the diagonal length corresponds to it.
  • the light emitting surface is rectangular, it is desirable to match the long side direction of the light source with the direction in which the distribution of emitted light is wide.
  • the diameter of the smallest circle circumscribing the light emitting surface is S.
  • LED light sources can be used, white LEDs are preferably used.
  • the white LED a combination of a blue LED chip and a phosphor such as a YAG phosphor that emits yellow light by blue light emitted from the blue LED chip is preferably used, but a blue LED chip, a green LED chip, and a red LED are used. It may be a white LED that forms white light in combination with a chip.
  • a white LED for example, one described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-231218 can be used, but is not limited thereto.
  • the white LED light source is preferably composed of an LED chip and a phosphor layer formed on the LED chip so as to cover the LED chip.
  • the LED chip light having a first predetermined wavelength is emitted, and for example, blue light is emitted.
  • the wavelength of the LED chip and the wavelength of the emitted light from the phosphor are not limited, and the synthesized light is white light because the wavelength of the emitted light from the LED chip and the wavelength of the emitted light from the phosphor are complementary. Any combination can be used.
  • an LED chip a known blue LED chip can be used.
  • the blue LED chip any existing one including InxGa1-xN system can be used.
  • the emission peak wavelength of the blue LED chip is preferably 440 to 480 nm.
  • the LED chip is mounted on the substrate and directly radiated upward or sideward, or the blue LED chip is mounted on a transparent substrate such as a sapphire substrate, and bumps are formed on the surface thereof. Any form of LED chip, such as a so-called flip chip connection type, in which it is formed and turned over and connected to an electrode on a substrate, can be applied.
  • the phosphor layer preferably has a phosphor that converts light having a first predetermined wavelength emitted from the LED chip into a second predetermined wavelength.
  • a phosphor that converts light having a first predetermined wavelength emitted from the LED chip into a second predetermined wavelength.
  • the phosphor used for such a phosphor layer uses an oxide or a compound that easily becomes an oxide at a high temperature as a raw material of Y, Gd, Ce, Sm, Al, La and Ga, and converts them into a stoichiometric amount.
  • the raw material is obtained by thoroughly mixing in a theoretical ratio.
  • a coprecipitated oxide obtained by calcining a solution obtained by coprecipitation of oxalic acid with a solution obtained by dissolving a rare earth element of Y, Gd, Ce, and Sm in an acid at a stoichiometric ratio, and aluminum oxide and gallium oxide. Mix to obtain a mixed raw material.
  • the compact can be packed in a crucible and fired in air at a temperature range of 1350 to 1450 ° C. for 2 to 5 hours to obtain a sintered body having the phosphor emission characteristics.
  • the LED light source may have a single LED chip or a plurality of LED chips.
  • the longest length S is a diagonal line of the LED chip CP as shown in FIG.
  • the longest length S of the light emitting surface of the LED light source is such that the phosphor layer YL is provided across the plurality of LED chips CP as shown by the dotted lines in FIG. If it is, it shall be the diameter or diagonal length.
  • the diameter of the smallest circle circumscribing the plurality of LED chips CP is S.
  • the LED chip is rectangular, it is preferable to match the longitudinal direction thereof with the direction in which the emitted light of the optical element spreads (in the following embodiments, the x-axis direction).
  • the LED light source is preferably a high-power LED light source.
  • the high-power LED light source can be constituted by an LED having an output of 0.5 watts or more.
  • the optical element is preferably made of transparent glass or plastic.
  • the plastic constituting the lens for example, by using polycarbonate or acrylic, it can be manufactured by injection molding, and the manufacturing cost can be reduced.
  • a method for mounting a lens module on a substrate in a large amount at low cost in recent years, reflow with a lens module mounted on an IC (Integrated Circuit) chip and other electronic components on a substrate on which solder has been potted in advance has been carried out.
  • a method has been proposed in which an electronic component and a lens module are simultaneously mounted on a substrate by processing (heating treatment) and melting solder. By using a resin with excellent heat resistance that can withstand the reflow process, the lens module can be reflowed on the substrate and mass production can be performed at low cost.
  • a spacer with a reflector may be disposed between the LED light source and the optical element.
  • the reflector reflects light emitted from the LED light source, and the reflector preferably has a diffusion surface.
  • FIG. 3 is a view of the auxiliary light source unit 10 according to the present embodiment as viewed from the exit surface side.
  • FIG. 4 is a view of the configuration of FIG. 3 taken along line IV-IV and viewed in the direction of the arrow.
  • the auxiliary light source unit 10 of the present embodiment has an LED light source 12 that is a surface light source attached to a rectangular substrate 11 and a rectangular outer shape provided on the light emission side of the LED light source 12.
  • the optical element 13 has a shape and a spacer 14 disposed between the LED light source 12 and the optical element 13.
  • the spacer 14 has a rectangular columnar shape (or elliptical columnar shape) and an opening having a circular cross-sectional shape that penetrates in the optical axis direction.
  • the lower end of the spacer 14 is fixed to the upper surface of the substrate 11 with an adhesive, and the upper end of the spacer 14 is fixed.
  • the bottom surface of the optical element 13 is fixed with an adhesive.
  • the inner peripheral surface 14a of the spacer 14 is a diffusion surface (white paint surface).
  • the substrate 11 is roughly composed of a substrate body made of aluminum, an insulating layer laminated on the substrate body, and a wiring pattern made of a conductor such as Cu formed on the insulating layer.
  • An LED chip constituting the LED light source 12 is connected to the wiring pattern.
  • the LED chip is completely covered with a phosphor-containing transparent resin body (phosphor-containing transparent resin) molded in a rectangular flat plate shape, and all the light emitted from the LED chip contains a phosphor. It is comprised so that a transparent resin body may be passed.
  • a blue light emitting diode is used as the LED chip and a yellow phosphor is used as the phosphor contained in the phosphor-containing transparent resin, whereby white light can be emitted.
  • the substrate 11 and the LED chip are preferably in a rectangular shape having sides in the x-axis direction and the y-axis direction, which will be described later.
  • the optical element 13 includes, on the parallel plate 13a (light emission side), a circular plane (or curved surface) light transmission portion 13b provided at the center portion, and a ring zone portion 13c surrounding the periphery of the light transmission portion 13b. And formed.
  • the optical axis of the optical element 13 passes through the center of the light transmission part 13b.
  • the parallel plate 13a, the light transmission part 13b, and the ring zone part 13c may be formed integrally, or may be joined after being molded separately. In the case of being formed integrally, the optical element may be substantially composed of only the light transmission part and the annular part. In the case where the parallel plate, the light transmission part and the ring zone part are separately formed, the material may be changed.
  • the annular zone 13c may be directly formed on the parallel flat plate 13a, or a transparent disk may be interposed therebetween.
  • injection molding, shaving, a method of forming the light transmitting portion 13b and the ring zone portion 13c using a mold on a parallel plate, a glass molding method, and a resin material with a molding die There are various modes such as an imprint method in which an optical surface shape is transferred by pressing. Preferably, an injection molding or imprint method using a resin material is used.
  • the annular zone 13c has a plurality of annular zones RP.
  • Some annular zones RP are continuous around the optical axis OA. That is, they are integrally formed with no boundary in the extending direction of the annular zone. Since the refracting surface is continuous around the optical axis of the optical element, no light loss occurs and the light utilization efficiency can be kept high as compared with the case where the annular zone is divided. Further, when the optical element is manufactured by molding, the mold can be easily manufactured.
  • the remaining annular zone RP is cut at the end of the optical element 13.
  • the annular zone RP closest to the optical axis is circular, but otherwise has an elliptical (or similar) shape.
  • the annular zone RP includes an optical axis side surface IP and an optical axis outer surface (refractive surface) OP.
  • the inclination angle ⁇ between the optical axis side surface IP and the optical axis OA is constant or varies depending on the part for each annular zone.
  • the inclination angle (hereinafter referred to as the opening angle) ⁇ between the optical axis outer surface OP and the optical axis OA is different for each ring zone, as described later, except for a circular ring zone close to the optical axis. Is different.
  • the ridgeline ML and valleys of the remaining annular zone RP excluding the annular zone RP closest to the optical axis and the annular zone RP interrupted at the end of the optical element 13.
  • At least one of the lines VL is represented as an annular ring curve RC continuous in the virtual plane VP when projected in parallel to the virtual plane VP having the optical axis OA shown in FIG. 6 as a normal line.
  • the annular zone curve RC as a whole has a shape extending in the longitudinal direction, and the zone represented as the zone curve RC continuous in such a virtual plane VP is defined as the first zone.
  • the longitudinal direction of the annular zone curve is the x-axis
  • the direction orthogonal to the x-axis and the optical axis is the y-axis. That is, in FIG. 3, the optical axis OA is taken as the origin, the vertical direction is the y axis, and the horizontal direction is the x axis.
  • the annular zone curve RC has the coordinates of the point A that intersects the x axis (a, 0), and the coordinates of the point B that intersects the y axis. If (0, b), the formula (1) is always satisfied.
  • the annular curve RC other than the annular zone RP closest to the optical axis OA has an elliptical shape satisfying the expression (7), while the annular curve RC of the annular zone RP closest to the optical axis OA. Is round.
  • the height of the annular zone RP is constant.
  • the height of the refracting surface in the optical axis direction is not necessarily constant, and may be changed in the surface direction of the optical element as will be described later. In this case, the difference in height is preferably within a maximum of twice.
  • the refractive index is not limited to this, but is set to 1.51, for example.
  • the opening angle ⁇ with respect to the optical axis is increased toward the both ends in the longitudinal direction, and the optical axis OA. 5 is obtained at the x-axis position with reference to FIG. 5, while the minimum opening angle ⁇ m with respect to the optical axis OA is obtained at the y-axis position with reference to FIG.
  • the equation (3) is satisfied.
  • a boss-like protrusion 21 for identifying the x-axis direction is formed on the light emitting side of the optical element 13.
  • This protrusion 21 is an identification mark, and indicates the direction of the annular zone (x-axis direction but may be the y-axis direction) when the auxiliary light source unit is incorporated into the apparatus together with the imaging device. This is to prevent installation in the wrong direction.
  • the diagonal length of the light emitting surface (upper surface 12a) of the LED light source 12 is S, and the farthest distance from the light emitting surface of the LED light source 12 to the light emitting surface of the optical element 13 (here, the maximum of the annular zone RP).
  • the maximum diameter of the light transmitting portion 13b is L1
  • the optical element 13 is projected onto a virtual plane whose normal is the optical axis of the optical element 13, only the annular portion 13c is passed.
  • the length of the largest virtual circle diameter is L2
  • the following conditional expression is satisfied.
  • T1 Thickness from the light emitting surface of the LED light source 12 to the incident surface of the optical element 13
  • T2 Thickness of the optical element 13 in the optical axis direction
  • the auxiliary light source unit 10 When the auxiliary light source unit 10 according to this embodiment is mounted on a portable terminal or the like, the x-axis direction is the long side direction (horizontal direction) of the image sensor, and the y-axis direction is the short side direction (vertical direction) of the image sensor. Like that.
  • the auxiliary light source unit 10 emits light. At this time, the light beam emitted from the LED light source 12 and passed through the light transmission portion 13b of the optical element 13 proceeds as it is when the light transmission portion 13b is a plane, and is refracted according to the curved surface in the case of a curved surface. To do.
  • the light rays that have entered the optical element 13 and passed through the parallel plate 13a are refracted by the optical axis outer surface OP of the annular zone RP and then exit toward the subject.
  • the light rays that have entered the optical element 13 and passed through the parallel plate 13a are refracted by the optical axis outer surface OP of the RP, and then exit toward the subject.
  • the opening angle ⁇ of the optical axis outer surface OP varies depending on the position, and is minimum ( ⁇ m) in the y-axis direction and maximum ( ⁇ M) in the x-axis direction.
  • a light beam directed in the horizontal direction is refracted at a smaller angle.
  • the incident angle of light on a certain point on the incident surface is determined as one.
  • the incident angle is not fixed as in the case of a point light source, and the incident angle varies depending on the size of the light emitting surface (incident angle). ⁇ ) occurs.
  • the degree of variation in incident angle varies greatly depending on the size of the light emitting surface (S), the distance between the light source and the incident surface (T1), and the distance from the optical axis of the incident position.
  • the above-described configuration is used to provide an auxiliary light source unit capable of irradiating optimal auxiliary light by appropriately performing light distribution control while using an actual light source called a surface light source. It is.
  • the range of the light distribution angle is preferably within ⁇ 31 ° across the optical axis in the x-axis direction and within ⁇ 24 ° across the optical axis in the y-axis direction.
  • FIG. 8 is a view of the optical element 13 according to the modification as viewed from the exit surface side.
  • the annular zone RP (1) closest to the optical axis is also elliptical. Thereby, the emitted light can be further expanded in the lateral direction.
  • Other shapes are the same as those in the above-described embodiment.
  • FIG. 12 is a view of the optical element 13 according to another modification as seen from the exit surface side.
  • FIG. 13 is a view similar to FIG. 1 for explaining the case where the annular curve in FIG. 12 has a spline complementary shape.
  • X be any point in the region surrounded by line segment AB
  • straight line x a
  • straight line y b.
  • the annular curve RC satisfies the formula (7) except for the annular zone RP closest to the optical axis OA, and has a shape in which the points A, X, and B are complemented by splines.
  • the zone curve RC of the zone RP closest to the optical axis OA is circular.
  • the point X should be on a line segment extending in the (S, T) direction from the origin.
  • the annular curve RC of the annular zone RP closest to the optical axis OA may be an elliptical shape or a shape in which the points A, X, and B are complemented by splines in addition to the circular shape. Other shapes are the same as those in the above-described embodiment.
  • the point X is a point Xm when the curve RC is the ridge line ML as shown in FIG. 5 and a point Xv when the curve RC is the valley line VL, and the distance from the origin to the point Xm is Lm and from the origin to the point Xv.
  • the distance be Lv. Lx / ⁇ (a 2 + b 2 ) should increase as the distance from the optical axis OA increases.
  • FIG. 9 is a view of the optical element 13 according to another modification as seen from the exit surface side.
  • the shape of the annular zone RP on the negative side in the x-axis direction and the shape of the annular zone RP on the positive side in the x-axis direction are asymmetric with respect to the y-axis.
  • the illuminance distribution in the x-axis direction can be made asymmetrical.
  • the optical element of this embodiment is arranged around the z-axis.
  • FIG. 9 shows the case where the zonal curve RC has an elliptical shape, it may have a shape in which points A, X, and B are complemented by splines. Other shapes are the same as those in the above-described embodiment.
  • the height of the annular zone RP is made equal, but it may be varied so as to gradually increase from the optical axis side toward the periphery.
  • the annular valley depth between the annular zones RP gradually becomes deeper from the optical axis side toward the periphery.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view of a mold for transferring and molding the annular zone RP.
  • the annular zone RP having the same height is transferred and molded.
  • the transfer groove GV1 moves from the center toward the peripheral side (right side in the drawing). Since the width is gradually narrowed, when cutting the most peripheral transfer groove GV1, it is necessary to use a narrow tool, which increases the manufacturing cost.
  • the transfer groove GV2 for transferring and forming the annular zone RP in the mold M2 shown in FIG. 10B becomes deeper from the center toward the peripheral side (right side in the figure).
  • the groove width itself is hardly changed. Therefore, since all the transfer grooves GV2 can be cut using a tool having the same width, the manufacturing cost can be reduced.
  • the difference in the height of the annular zone PR is about twice as much as possible.
  • the cylindrical spacer 14 is used, but the shape of the opening may be rectangular in order to improve the light utilization efficiency.
  • the outer diameter of the optical element 13 is not limited to a rectangle, and may be, for example, a circle, an ellipse, or a hexagon.
  • the annular zone RP does not necessarily have to be provided on the entire light emitting surface of the optical element 13, and may be within a range where the light beam reaches immediately after refraction at the incident surface. That is, it is not necessary to provide the annular zone over the entire emission surface.
  • the mode in which the annular zone is provided only on one side takes less time to process the molding die for molding the optical element. This is advantageous in terms of cost.
  • the amount of light reaching the screen SC is given top priority, and the amount of light reaching the screen SC [Lumen] / the amount of light emitted from the LED light source [Lumen] is defined as “efficiency”. It was used as an index.
  • the LED light source used that whose light emission surface is square shape.
  • a completely diffusing surface having a reflectance of 90% on the inner peripheral surface and an inner diameter of the opening of 3.4 mm was used.
  • Table 1 shows the values shown in the equations (2) to (6) and the values of the respective parts shown in FIG. 4 in Examples 1 to 8 and Comparative Examples 1 to 4.
  • Examples 1 to 8 and Comparative Examples 1 to 4 each include a plurality of annular zones having an elliptical shape continuous to the annular zone portion.
  • the second embodiment is different from the first embodiment in that parameters such as T, L2 / S, and L1 ⁇ T / S are unchanged, and ⁇ M / ⁇ m is changed.
  • the third embodiment is an embodiment in which a / b is gradually increased
  • the fourth embodiment is an example in which L1 is changed from the first embodiment.
  • Example 5 the annular zone closest to the optical axis is made into a perfect circle, and Examples 5 and 6 have T1 and T2 different from each other.
  • Example 7 is an example in which the size of the LED light source is changed and a / b is gradually increased compared to Example 4, and
  • Example 8 is a parameter that is changed from Example 6 to the most optical axis. A close ring is made into a perfect circle.
  • ⁇ M / ⁇ m is set to be 1.2 or less or 2.5 or more.
  • Comparative Example 4 all the annular zones are formed in a substantially circular shape.
  • Examples 1, 2, and 8 have 11 ring zones
  • Examples 3, 5, and 6 have 8 ring zones
  • Examples 4 and 7 have 7 ring zones
  • Comparative Example 1 The number of ring zones is 11, Comparative Example 2 has 8 ring zones, and Comparative Examples 3 and 4 have 11 ring zones.
  • the ridgeline of the continuous annular zone in each example is counted up to the seventh in Examples 1 and 2 from the side close to the optical axis, up to the sixth in Examples 3, 5, and 6, and in Examples 4 and 7. Up to 5th, up to 8th in Example 8, up to 10th in Comparative Example 1, up to 6th in Comparative Examples 2 and 3, up to 11th in Comparative Example 4.
  • Table 2 shows values of Examples 9 to 10 and Comparative Examples 5 to 6.
  • Each of Examples 9 to 10 and Comparative Examples 5 to 6 includes a plurality of annular zones in which the points A, X, and B are complemented by splines.
  • the second embodiment is different from the first embodiment in that parameters such as T, L2 / S, and L1 ⁇ T / S are unchanged, and ⁇ M / ⁇ m is changed.
  • ⁇ M / ⁇ m is set to be 1.2 or less.
  • the number of ring zones is 10.
  • the ridgelines of the continuous annular zone in each example are up to the seventh in Examples 9 and 10 from the side closer to the optical axis, the fifth in Comparative Example 5, and the fourth in Comparative Example 6.
  • T and L2 / S are almost the same in the example and the comparative example, but the values of L1 ⁇ T / S or ⁇ M / ⁇ m are different.
  • the efficiency defined by the light amount [Lumen] / the emitted light amount [Lumen] of the LED light source as a matter of course
  • the ambient illuminance ratio is regarded as important here. Although it is desirable that the efficiency be as high as possible, 0.50 (50%) or more is a guideline for the allowable range. Further, it is desirable that the illuminance on the screen SC is kept as high as possible and is several hundred Lux or more. Further, the illuminance ratio in the horizontal direction (on the x-axis) with respect to the center illuminance of the screen SC is preferably 20% or more, more preferably 25% or more.
  • the vertical direction (on the y-axis) with respect to the center illuminance of the screen SC. ) Is preferably 20% or more, more preferably 25% or more, and the illuminance ratio in the diagonal direction (four corners of the screen SC) with respect to the center illuminance of the screen SC is 5% or more. preferable. Further, it is desirable that the illuminance decreases monotonously from the central portion, and it is more desirable that the degree of decrease (slope) is nearly constant. It is desirable that the difference in illuminance ratio between the horizontal direction (on the x axis) and the vertical direction (on the y axis) on the screen SC is small, and more specifically, the difference is preferably within 20%.
  • Comparative Example 1 has a low illuminance ratio of 8% in the horizontal direction and a low illuminance ratio of 4% in the diagonal direction
  • Comparative Example 2 has a high difference of 25% between the illuminance ratio in the horizontal direction and the illuminance ratio in the vertical direction.
  • the horizontal illuminance ratio is as low as 15%
  • Comparative Example 4 the horizontal illuminance ratio is 8%
  • the vertical illuminance ratio is 19%
  • the diagonal illuminance ratio is 4%.
  • Comparative Example 5 has a low efficiency of 47%
  • Comparative Example 6 has a low efficiency of 43%, both of which are not suitable for practical use.
  • all of Examples 1 to 10 have an efficiency of 50% or more and satisfy the reference value of the illuminance ratio.
  • the present invention is not limited to the embodiments and examples described in the specification, and includes other examples and modifications based on the embodiments, examples, and technical ideas described in the present specification. It will be apparent to those skilled in the art. The description and examples are for illustrative purposes only, and the scope of the invention is indicated by the following claims.
  • the top of the annular zone is not sharp and may be rounded.
  • the positioning structure can be formed by integral molding or the like.
  • the identification mark indicating the X direction or the Y direction is exemplified as a boss on the periphery of the optical element, it may be formed at any position as long as the direction can be identified. It may be an identification mark or a symbol for distinguishing directions.

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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

補助光源ユニット及び光学素子
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　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。
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