WO2022009615A1 - 照明装置 - Google Patents

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WO2022009615A1
WO2022009615A1 PCT/JP2021/022491 JP2021022491W WO2022009615A1 WO 2022009615 A1 WO2022009615 A1 WO 2022009615A1 JP 2021022491 W JP2021022491 W JP 2021022491W WO 2022009615 A1 WO2022009615 A1 WO 2022009615A1
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light
microlens
optical element
light source
angle
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啓司 常友
哲 日下
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日本板硝子株式会社
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    • F21V5/00—Refractors for light sources
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    • 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
    • F21V5/008—Combination of two or more successive refractors along an optical axis
    • 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
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B3/00—Simple or compound lenses
    • G02B3/0006—Arrays
    • G02B3/0037—Arrays characterized by the distribution or form of lenses
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • 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]
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • 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
    • F21Y2115/30—Semiconductor lasers

Definitions

  • the present invention relates to a lighting device.
  • Patent Document 1 and Patent Document 2 have been disclosed as a lighting device for increasing the radiation angle of light from a light source such as an LED and further seeking uniformity of brightness (light intensity) in a certain range.
  • the device is known. All of these conventional devices are equipped with a light source such as an LED and a lens that adjusts the orientation thereof, and are configured to greatly widen the direction in which the light is emitted by refracting the light emitted from the LED with the lens. ing.
  • the lens a kind of meniscus lens is preferably used.
  • the lens includes a first surface that receives light from a light source and a second surface that emits light.
  • the first surface is a cavity so that the LED element is included inside.
  • the lens has an axis (lens optical axis) and is axially symmetric, and is substantially coaxial with the optical axis of the LED.
  • the range of a certain central portion including the optical axis of the lens has a concave shape as compared with the other surfaces.
  • these technologies can expand the irradiation angle by taking advantage of the characteristics of lenses and the like by using a light source such as an LED that has an inherently large radiation angle.
  • a light source such as an LED that has an inherently large radiation angle.
  • a light source other than the laser light source for example, a collimated light source that emits parallel light having a small beam diameter by a collimating lens
  • the same problem may occur. Specifically, since the light emitted from the light source has only an optical component parallel to the optical axis, it is difficult to sufficiently increase the irradiation angle of the emitted light.
  • the present invention has been made by paying attention to such a conventional problem, and has a sufficiently wide irradiation angle even when a light having a small spread angle such as a laser or a light source close to a parallel light is used. It is an object of the present invention to provide a lighting device having a uniform light intensity within a predetermined range.
  • the lighting device has a light source having at least one light emitting unit and a first optical element that receives light emitted from the light source and expands its emission angle to emit light. And a second optical element that receives the light emitted from the first optical element and further expands the irradiation angle to emit the light.
  • a lighting device having a sufficiently wide irradiation angle and having a uniform light intensity within a predetermined range even when a light having a small spread angle such as a laser or a light source close to a parallel light is used. Can be provided.
  • It is an optical block diagram explaining the whole structure of the lighting apparatus 100 which concerns on embodiment. It is a graph which shows the light intensity characteristic of the emitted light of a lighting apparatus 100. It is a schematic diagram which shows an example of the structure of the microlens array 10M used as the 1st optical element 10. It is an example of the top view of the microlens array 10M. It is a schematic diagram explaining a virtual circle. 6 is a graph in which the distance d (d 0 to RH ) from the center C of the virtual circle to the center of the upper surface (lens surface) of each microlens ML is the horizontal axis, and the sag z of the microlens ML is the vertical axis.
  • FIG. 6 is a graph showing the relationship between the distance d and the specific tilt angle ⁇ for the example of the microlens illustrated in FIG. It is a graph which shows an example of the relationship between a specific inclination angle adjustment coefficient k, and a specific inclination angle ⁇ .
  • 4 is a graph showing an example of the relationship between the distance d of the microlens ML of FIGS. 4 and 6 and the specific tilt angle adjustment coefficient k. It is a graph which shows an example of the relationship between the specific tilt angle ⁇ of a microlens ML, and the distance d from a center C.
  • a configuration example of the first optical element 10 is shown.
  • a configuration example of the first optical element 10 is shown.
  • a configuration example of the first optical element 10 is shown.
  • a configuration example of the first optical element 10 is shown.
  • a configuration example of the first optical element 10 is shown.
  • a configuration example of the first optical element 10 is shown.
  • the top view of the example of the microlens array which has a fluctuation in the arrangement of a microlens is shown.
  • the top view of the example of the microlens array which has a fluctuation in the arrangement of a microlens is shown.
  • the top view of the example of the microlens array which has a fluctuation in the arrangement of a microlens is shown.
  • Example 1 It is explanatory drawing explaining the distance L between a light source 1 and a 1st optical element 10.
  • the light intensity distribution of the emitted light from the NIR-VCSEL adopted as the light source 1 in Example 1 is shown.
  • Various numerical values adopted in Example 1 are shown.
  • FIG. It is a schematic diagram of the microlens array of Example 1.
  • FIG. An example of a fisheye lens adopted as the second optical element 20 in the first embodiment is shown. It is a simulation result of Example 1. It is a simulation result of Comparative Example 1.
  • FIG. 1A is an optical configuration diagram illustrating the overall configuration of the lighting device according to the embodiment
  • FIG. 1B is a graph showing the light intensity characteristics of the lighting device.
  • the lighting device 100 is roughly composed of a light source 1, a first optical element 10, and a second optical element 20.
  • the light source 1 is a light source that emits light having excellent directivity, for example, laser light.
  • the light source 1 may be configured by a combination of a light source that emits light having a small directivity such as an LED and a collimated lens that makes this light parallel light.
  • the first optical element 10 has a role of expanding the irradiation angle of the light emitted from the light source 1.
  • the second optical element 20 has a role of further expanding the irradiation angle of the emitted light expanded by the first optical element 10.
  • FIG. 1B shows an example of the light intensity distribution of the lighting device 100.
  • the horizontal axis represents the light emission angle centered on the optical axis
  • the vertical axis represents the light intensity when the maximum intensity is 1.
  • the light emission angle is synonymous with the emission angle and spread angle of light from devices, optical devices, and lighting devices.
  • the size of the emission angle is closely related to the size of the lighting range of the luminaire.
  • the light intensity distribution light intensity distribution characteristic
  • the light intensity per unit solid angle is determined according to the light emission angle. Obtained relatively (the maximum light intensity value is 1).
  • the lighting device 100 has a light intensity distribution characteristic of 0.5 or more, preferably 0, when the emission angle of the emitted light is ⁇ 90 °. It is .55 or more, more preferably 0.6 or more.
  • the light intensity is 0.9 or more when the absolute value of the emission angle is 45 ° or less ( ⁇ 45 ° to 45 °), preferably 50 ° or less, and more preferably 55 ° or less. It is particularly preferably 60 ° or less.
  • the light intensity distribution can be measured using, for example, an orientation measuring device IMS-5000 manufactured by Asahi Spectroscopy Co., Ltd.
  • the laser light source As the light source 1, a laser light source having a relatively small irradiation angle (spread angle) is advantageous in exerting the function of the lighting device 100 of the present embodiment.
  • the laser light source When the light source 1 is a laser light source, the laser light source may be a light emitting array having a plurality of light emitting parts in a predetermined area, or may be a single laser element having only one light emitting part.
  • the laser light source 1 When the light source 1 is a laser light source, the laser light source may be a VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting LASER), or may be a VCSEL array in which substantially light emitting portions are arranged two-dimensionally or three-dimensionally.
  • VCSEL Vertical Cavity Surface Emitting LASER
  • an LED element or an LED array in which substantially light emitting portions are arranged two-dimensionally or three-dimensionally can be used.
  • an electroluminescent light source such as an LED, a temperature radiation light source, a discharge light source, or the like may be used.
  • the temperature emission light source is an incandescent lamp, a halogen bulb, or the like, and the discharge emission light source is typically a high-pressure mercury lamp, a metal halide lamp, a fluorescent lamp, or the like.
  • the full width at half maximum (FWHM) is 6 ° to 40 °, preferably 12 ° to 30 °, and more preferably 15 ° in the light intensity distribution of the light source. It is ⁇ 24 °.
  • the first optical element 10 includes a first surface on which light is incident and a second surface on which light is emitted.
  • the first optical element 10 is, for example, a surface having a function of diffusing light, may have a homogenizing effect, and may be provided with a homogenizer and a diffusing plate or a diffusing element (diffusing function).
  • the diffusing plate or diffusing element has a function of diffusing incident light at a certain angle by refraction or diffraction due to a structure such as minute irregularities on the surface or inside.
  • the second surface may be a surface having a diffusion function like the first surface, or may be a surface having no diffusion function. However, at least one of the first surface and the second surface of the first optical element 10 is required to be an element having a diffusion function.
  • the first optical element 10 may be, for example, a microlens array, a cylindrical lens array, a microprism array, a Fresnel lens array, or the like. These are optical elements in which a plurality of microlenses, cylindrical lenses, microprisms, or Fresnel lenses are formed on at least one side of the first surface and the second surface of the first optical element 10. Can be done. In addition, in one 1st optical element 10, a plurality of kinds of optical elements may be mixed and formed.
  • microlens and microprism may be concave or convex.
  • the microlenses and microprisms may be arranged according to a certain rule, or may be randomly distributed. Microlenses and microprisms may be a mixture of those having different curvatures, shapes, angles, and sizes.
  • the first optical element 10 may be a frost type diffuser plate or the like in which the surface of a substrate or a support is roughened to provide minute irregularities.
  • the first optical element 10 may have a structure that is line-symmetrical or point-symmetrical with respect to the center, but is not limited thereto. When a plurality of structures such as a plurality of lenses are formed, it is possible to have an asymmetric structure.
  • FIGS. 2A to 2C show an example of the configuration of the microlens array 10M used as the first optical element 10.
  • the microlens array 10M has a substrate SB including a first surface S1 on which light is incident and a plurality of microlenses MLs are arranged, and a second surface S2 on which light is emitted.
  • the second surface S2 has a planar shape, whereby the microlens array 10M is a substantially flat element.
  • the microlens ML may be formed on both sides of the 1st surface S1 and the 2nd surface S2. In this case, since there are a total of two surfaces having a function of acting on light, an increase in the effect of expanding the irradiation angle can be expected.
  • the microlens array 10M may have a substantially flat plate shape as illustrated in FIGS. 2A to 2C, or may have a shape including a curved surface such as a curved surface.
  • the material of the microlens array 10M is not limited to a specific one.
  • the material of the microlens array 10M includes resin and glass, and may be an inorganic material, an organic material, or an inorganic-organic hybrid material.
  • the manufacturing method of the microlens array 10M is also not limited to a specific manufacturing method.
  • a mold for transfer may be prepared in advance, and the microlens array 10M may be formed by molding.
  • the molding method includes injection molding, blow molding, extrusion molding, casting (casting), and the like. Vacuum forming or the like may be used.
  • a fluid resin or an uncured resin is poured on a substrate or a support made of a material such as glass or resin, and the microlens is transferred by a mold on at least one surface of the resin, and then the resin is transferred.
  • the microlens array 10M may be formed by drying or curing and integrating the resin with the substrate or the support (2P molding: two-piece molding).
  • a cylindrical lens array, a microprism lens array, or the like may be formed by the same method.
  • the first optical element 10 may be a microlens array 10M having a distribution in the shape of each microlens. A top view of such a microlens array 10M is shown in FIG. 3A.
  • the microlens array 10M shown in FIG. 3A has a substantially square upper surface of, for example, about 1 mm ⁇ 1 mm.
  • the size of the microlens array 10M can be changed depending on the size of the light source 1, the lighting performance required for the lighting device, and the like.
  • the shape of each microlens ML may be a substantially square shape as shown in FIG. 2, a polygonal shape as shown in FIG. 3A, a circular shape, or an elliptical shape.
  • each microlens ML in the microlens array 10M has a polygonal shape such as a circle or a hexagon with the axis of symmetry as the center, and the lens diameter is, for example, about 25 ⁇ m or the like. It can be as follows.
  • the outer shape of the lens of the microlens ML is a circle
  • the diameter of the circle is the lens diameter
  • the diameter of the circumscribed circle is the lens diameter.
  • microlens array 10M of FIG. 3A six microlenses are arranged with equal pitch and phase with respect to one microlens (referred to as "hexagonal dense arrangement" in the text; the same applies hereinafter).
  • the lens pitch (distance between the centers of two adjacent lenses)]
  • a virtual circle having a center C and a radius RH can be assumed with respect to the upper surface of the microlens array 10M.
  • the center position and radius of the virtual circle can be determined, for example, based on the relationship between the shape and size of the microlens array 10M, the size of the light source 1, the emission angle of the light emitted from the light source 1, and the like. That is, the position and size of the virtual circle can be determined based on the size corresponding to the effective range through which the emitted light is transmitted.
  • the circular shape itself may be a virtual circle.
  • the inscribed circle in contact with the contour may be a virtual circle.
  • the inscribed circle in contact with any of the circles and polygons included in the microlens array 10M may be a virtual circle.
  • the properties of the microlens ML included in the microlens array 10M will be described.
  • the contour of the upper surface of the microlens array 10M is a square shape of 1 mm ⁇ 1 mm square and the axisymmetric microlens MLs are densely arranged in six directions as shown in FIG. 3A.
  • the virtual circle is an inscribed circle of the contour of the upper surface of the microlens array 10M.
  • the geometric center of the microlens array 10M or the axis of symmetry of the microlens near the geometric center may be the center C of the virtual circle.
  • the radius RH of the virtual circle is 500 ⁇ m. It should be noted that the example of FIG. 3A is an example for ease of understanding and is not intended to limit the present invention.
  • the shape of the microlens ML may change according to the distance d from the center C of the virtual circle.
  • the sag z of the microlens ML is the vertical axis.
  • It is a graph and shows the shape of a part of the cross section of the microlens ML arranged along the broken line AA'in FIG. 3A.
  • the microlens ML is a concave lens will be described, but the present invention is not limited to this.
  • the shape of the microlens ML differs depending on the position (distance d) on the microlens array 10M, and specifically, the distance d is large (at least in a part).
  • the microlens ML is formed so that the sag z becomes smaller.
  • the sag or sag amount refers to the maximum depth in the direction parallel to the axis of symmetry or the optical axis of the microlens ML (the maximum height when the microlens has a convex shape).
  • One of the further features of the example of FIG. 4 is that the angle of the tangent plane (broken line in FIG.
  • FIG. 5 shows a cross-sectional view when the microlens ML is cut along a plane including the axis of symmetry.
  • the tilt angle of the tangent plane on the lens surface at a predetermined position for example, a position at a distance of 0.6 ⁇ D from the center
  • the specific tilt angle ⁇ is one of the indexes representing the characteristics of the shape of the microlens ML.
  • the graph of FIG. 6 shows the relationship between the distance d and the specific tilt angle ⁇ for an example of the microlens illustrated in FIG.
  • microlens ML is formed discretely in the microlens array 10M, its specific tilt angle ⁇ is also discrete with respect to the distance d, and the coordinates (d, ⁇ ) are the fractures shown in FIG. It will be one of the points on the line.
  • the value of ⁇ min / ⁇ max is 0.2 to 1.0, preferably 0.4 to 0.8, and more preferably 0.5 to 0.7.
  • the plurality of microlens MLs in the region where the distance d from the predetermined position is within the predetermined value, the plurality of microlens MLs have substantially the same shape, and in the region where the distance d exceeds the predetermined value, the shape of the microlens ML is , Varies according to the distance d.
  • the specific tilt angle ⁇ can be measured using an Olympus industrial microscope OLS4500 (objective lens: magnification 100 times) having the function of a scanning laser microscope.
  • each microlens ML is, for example, an axisymmetric aspherical shape represented by the following [Equation 1].
  • z is sag
  • r is the distance from the axis of symmetry
  • K is the aspherical coefficient
  • R is the radius (near axis radius) when the curved surface near the axis of symmetry is approximated to a sphere
  • ⁇ 2, ⁇ 4, and ⁇ 6 are higher orders.
  • the coefficient and k represent a coefficient for adjusting the specific tilt angle ⁇ of the microlens ML (specific tilt angle adjustment coefficient).
  • the shape of the microlens ML can be adjusted by adjusting the coefficient k commonly included in the term of each order. Even if the coefficient k changes to a different value, the shape of the lens is similar as long as [Equation 1] is followed. It is cost-effective to produce a similar microlens ML with the coefficient k as a different numerical value even when the microlens array 10M is produced using a transfer mold.
  • An example of the relationship between the specific tilt angle adjustment coefficient k and the specific tilt angle ⁇ is represented, for example, as shown in the graph of FIG. 7 using a predetermined coefficient.
  • FIG. 8 shows an example of the relationship between the distance d of the microlens ML of FIGS. 4 and 6 and the specific tilt angle adjustment coefficient k.
  • the specific tilt angle adjustment coefficient k in the above range in which the specific tilt angle adjustment coefficient k is constant is set to 1.
  • it is 1.2 to 2.7, preferably 1.5 to 2.5, and particularly preferably 1.7 to 2.2.
  • the specific tilt angle ⁇ of the microlens ML may have a distribution as shown in FIGS. 9A to 9C with respect to the distance d from the center C.
  • FIG. 10A A specific configuration example of the first optical element 10 will be described with reference to FIGS. 10A to 10G.
  • the concave microlens ML is formed on only one side of the resin material forming the microlens ML, and the substrate is omitted.
  • FIG. 10B is a configuration example in which the resin material forming the concave microlens ML is formed only on the first surface S1 side of the substrate SB.
  • FIG. 10C shows an example in which concave microlenses ML1 and ML2 are formed on both sides of the first surface S1 and the second surface S2 of the substrate SB.
  • FIG. 10D the convex microlens ML is formed on only one side of the resin material forming the microlens ML, and the substrate is omitted.
  • FIG. 10E is a configuration example in which the resin material forming the convex microlens ML is formed only on the first surface S1 side of the substrate SB.
  • FIG. 10F shows an example in which convex microlenses ML1 and ML2 are formed on both sides of the first surface S1 and the second surface S2 of the substrate SB.
  • FIG. 10G shows an example in which a concave microlens ML1 is formed on one side of the resin material and a convex microlens ML2 is formed on the opposite side (the substrate is omitted).
  • the specific tilt angle ⁇ of the microlens ML corresponds to the divergence angle ⁇ d when light is incident on and emitted from the microlens ML.
  • the divergence angle ⁇ d corresponds to the half value of the largest light intensity when the light intensity per unit solid angle is measured or calculated corresponding to the emission angle in the light emitted by incidenting parallel light on the microlens ML. It is defined as the emission angle (see FIG. 11A).
  • the divergence angle ⁇ d is measured with reference to the axis of symmetry of the microlens ML.
  • the specific tilt angle ⁇ of the microlens ML is measured with reference to a plane perpendicular to the axis of symmetry of the microlens ML.
  • the angle formed by the main plane and the tangent plane may be a specific tilt angle.
  • each microlens ML is displaced in the X, Y or Z direction based on the above-mentioned hexagonally densely arranged microlens array 10M and its arrangement.
  • a microlens array can be used.
  • the X and Y directions are orthogonal to the plane of the substantially flat microlens, and the Z direction is perpendicular to the plane of the microlens array.
  • the Z direction is the direction of the axis of symmetry of the microlens ML, and the X and Y directions are perpendicular to the axis of symmetry and orthogonal to each other.
  • FIG. 11B shows a top view of an example of such a microlens array.
  • each microlens ML randomly changes its arrangement within the range of ⁇ 4 ⁇ m in the X and Y directions and ⁇ 1 ⁇ m in the Z direction, respectively. (Move the lens in the direction of the arrow).
  • the microlens array according to FIG. 11B has an appropriate fluctuation in the arrangement of the microlenses arranged in a hexagonal dense manner.
  • FIG. 11D schematically shows a case where the microlens ML has a rectangular shape and is given the same fluctuation.
  • the distance L between the light source 1 and the first optical element 10 will be described with reference to FIG.
  • the distance L between the light source 1 and the first optical element 10 is increased, the cross-sectional area of the light beam to be incident on the first surface S1 of the first optical element 10 becomes large, so that the overall dimension of the lighting device becomes large. Tends to occur.
  • the distance L is made excessively small, the number of individual structures such as microlenses and microprisms through which light is transmitted decreases, and the light emitted from the first optical element 10 tends to be uneven.
  • microlenses ML are included in the cross section of the luminous flux received by the first optical element 10 from the light source 1.
  • the following equation is satisfied. 10 ⁇ ⁇ (L ⁇ tan ⁇ o) 2 / ⁇ D A 2 ⁇ 10 ⁇ L ⁇ tan ⁇ o / D A
  • a fisheye lens (fisheye lens) is used as the second optical element in order to have a function of emitting light at a wider angle and illuminating a wide range.
  • a fisheye lens is a type of equidistant projection lens.
  • the incident angle ⁇ of light and the image height h at the image formation position are in a proportional relationship, but in the present embodiment, the second optical element 20 made of such a fisheye lens is used. It is preferable to emit light to increase the irradiation angle of the emitted light.
  • the fisheye lens used as the second optical element 20 has an angle of view W (full-width) of 150 ° or more, preferably 160 ° or more, more preferably 180 ° or more, and particularly preferably 200 ° or more. be.
  • the lens constituting the second optical element 20 may adjust the positional relationship with the light source 1 so that its optical axis is substantially parallel to or overlaps with the optical axis of the light source 1.
  • the optical axis of the second optical element 20 and the optical axis of the light source 1 are adjusted so as to be substantially aligned with each other, it can be expected that highly symmetric and uniform illumination light can be obtained.
  • the fisheye lens used for the interchangeable lens type camera and the fisheye lens used for the camera module built in the smartphone, the mobile terminal, etc. (the front surface of the existing camera by the conversion method). (Including the lens attached to) etc. can be used.
  • the light from the light source 1 is converted into light having a predetermined irradiation angle and having a uniform in-plane irradiation intensity by the first optical element 10.
  • a lens for example, a fisheye lens
  • the lighting device of this embodiment is useful in 3D sensing technology such as a face recognition system, an in-vehicle camera, and a LiDAR application, which have been developed in recent years.
  • Time of flight (TOF) method As a typical method of 3D sensing technology, which is a technology for obtaining three-dimensional information by measuring the time when the illumination light hits an object and returns. At this time, it is important to radiate the light from the light source at a wide angle in the lighting device because the information that can be acquired increases when the illumination light is irradiated at a wider angle. According to the lighting device of the present embodiment, the light intensity can be constant regardless of the lighting angle (divergence angle), and the analysis by the TOF method becomes easy.
  • the lighting device according to the first embodiment was manufactured based on the following components.
  • a NIR-VCSEL Part Number: V0081
  • Vixar a NIR-VCSEL (Part Number: V0081) manufactured by Vixar was used.
  • This light source emits near infrared rays having a main wavelength of 940 nm.
  • this light source is a multi-mode array having a hexagonal dense arrangement, and is an aggregate of a total of 281 VCSEL light emitting units.
  • the FWHM has a typical value of 18 °, and the size of the light emitting portion is 0.9 mm ⁇ 1 mm.
  • FIG. 13A shows the light intensity distribution of the emitted light from the NIR-VCSEL adopted as the light source 1.
  • the light intensity distribution of the light emitted from this light source has a small light intensity in the central portion and exhibits a substantially donut-shaped light intensity distribution.
  • the first optical element 10 a microlens array having an external size of 1 mm ⁇ 1 mm and a thickness of 0.4 mm and having microlens MLs arranged densely in six directions with a basic pitch of 24 ⁇ m was used.
  • the outer shape of the microlens ML is hexagonal, the size D thereof is ⁇ 23 ⁇ m at the maximum, and has the shape represented by [Equation 1] having each coefficient shown in FIG. 13B.
  • the center C of the virtual circle is also the geometric center of the microlens array 10M, and at the same time, coincides with the microlens ML having an axis of symmetry.
  • the radius RH of the virtual circle is 500 ⁇ m.
  • the relationship between the distance d from the center C of the virtual circle and k related to [Equation 1] is shown in FIG. Note that the actual value of d is discrete corresponding to the arrangement of the axes of symmetry of the microlenses formed for each pitch formed.
  • the average rate of change of k is 3 ⁇ 10 -3 [/ ⁇ m].
  • the microlens ML has a fluctuation of ⁇ 4 ⁇ m in the XY direction and ⁇ 1 ⁇ m in the Z direction (sag direction) with respect to the basic pitch of 24 ⁇ m.
  • a mold in which the unevenness of the lens shape of the microlens array 10M was reversed was prepared in advance, and a mold was cast and molded on a glass substrate with a resin.
  • a glass substrate a borosilicate glass substrate (D263 T eco manufactured by Corning Inc.) having a thickness of 0.4 mm was used.
  • a photocurable resin (celloxide 2021P manufactured by Daicel Corporation, main component 3', 4'-epoxycyclohexylmethyl 3,4-epoxycyclohexanecarboxylate) was used.
  • FIG. 15 shows a schematic cross-sectional view of the microlens array produced in this way.
  • FIG. 15 is a schematic diagram for easy understanding of the mode in which the sags are distributed, and the number and size of the microlens ML, the scale ratio with the outer shape of the microlens array, the thickness and the microlens ML are shown in FIG. The scale ratio with the sag is different from the actual shape.
  • the fisheye lens has an angle of view of 210 °.
  • the light intensity distribution of the irradiation light of the lighting device (Example 1) as shown in FIG. 1 manufactured by using the light source 1, the first optical element 10, and the second optical element 20 as described above was obtained by simulation. ..
  • the result is shown in FIG.
  • Zemax's Optics Studio Ver20.1 is used, and 1 ⁇ 10 7 rays are virtually emitted from a light source having an emission surface of 0.9 mm ⁇ 1 mm by weighting according to the light intensity distribution of the light source 1.
  • the light intensity distribution was determined.
  • the light intensity is 0.68 when the emission angle is 90 ° or ⁇ 90 °, and the emission angle at which the light intensity is 0.9 is ⁇ 65 to 66. It was °.
  • a lighting device that emits illumination light having a sufficiently wide irradiation angle and having a uniform light intensity within a predetermined range can be provided based on the laser light from the light source 1.
  • Example 1 Comparative Example 1
  • the light source 1 and the second optical element 20 are the same as those according to the first embodiment except for the microlens array 10M of the first optical element 10, and the constituent elements thereof. Conditions such as spacing and coaxiality were also the same as in Example 1.
  • the light intensity distribution of the irradiation light of the lighting device according to Comparative Example 1 manufactured by using the light source 1, the first optical element 10, and the second optical element 20 as described above was obtained by simulation.
  • the result is shown in FIG.
  • Zemax's OpticsStudio Ver20.1 was used, and 1 ⁇ 10 7 light rays from the light source 1 having an emission surface of 0.9 mm ⁇ 1 mm were applied to the light intensity distribution of the light source 1.
  • the light intensity distribution was obtained by virtually emitting light sources and tracking them with appropriate weighting. When the emission angle was 90 ° or ⁇ 90 °, the light intensity was 0.15, and the emission angle at which the light intensity was 0.9 was ⁇ 32 to 33 °.
  • the divergence angle of the microlens ML included in the microlens array 10M which is the first optical element 10
  • a uniform light intensity distribution can be obtained. No. This can be done by using a fisheye lens as the second optical element 20 to illuminate a wide angle range, but as the angle of incidence of light on the lens or element increases, the reflection at the interface increases, so the fisheye lens is wide. This is because the light emitted at an angle has a lower transmittance.
  • the intensity of light emitted at a predetermined angle is the intensity of the light source 1. It is proportional to the light intensity of the light emitted from a predetermined position. That is, the axis of symmetry of the light source 1 such as a VCSEL array that emits light having a constant light emitting area and a light intensity distribution substantially axially symmetric is coaxial with the optical axis of the fisheye lens which is the second optical element 20.
  • the light near the axis of symmetry of the light source 1 (optical axis of the device) is emitted from the lighting device at a small emission angle, and the light relatively far from the axis of symmetry of the light source 1 is relatively far from the lighting device. It is emitted at a large emission angle. Therefore, in order to make the light intensity distribution (illumination intensity distribution) of the emitted light uniform (to obtain the illumination light having uniform brightness) in the lighting device, the light emitted from the portion near the axis of symmetry of the light source 1 is emitted. It is necessary to suppress the light intensity derived from the light source and to increase, maintain, or suppress the light intensity derived from the light emitted from the portion away from the axis of symmetry.
  • the first optical element 10 used in the lighting device according to the present invention has a diffusion function, has a large divergence angle ⁇ d due to a structure near the center (central portion) of the first optical element 10, and has a large divergence angle ⁇ d from the center.
  • a light source such as a laser that emits light having a high light intensity such as a laser
  • the present invention is not limited to the above-described embodiment, and includes various modifications.
  • the above-described embodiment has been described in detail in order to explain the present invention in an easy-to-understand manner, and is not necessarily limited to the one including all the described configurations.
  • it is possible to replace a part of the configuration of one embodiment with the configuration of another embodiment and it is also possible to add the configuration of another embodiment to the configuration of one embodiment.

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Abstract

レーザのような拡がり角の小さい光や、平行光に近い光源を用いた場合でも、十分に広い照射角度を持ち、所定の範囲内で均一な光強度を備える照明装置を提供する。この照明装置は、少なくとも一つの発光部を有する光源と、前記光源から出射する光を受光してその出射角度を拡大して出射する第１の光学素子と、前記第１の光学素子から出射した光を受光して、さらにその照射角度を拡大して出射する第２の光学素子とを含む。

Description

照明装置
　本発明は、照明装置に関する。
　従来、ＬＥＤなどの光源からの光の放射角度を大きくし、さらには一定の範囲における明るさ（光強度）の均一性を求める照明装置として、例えば特許文献１、及び特許文献２に開示された装置が知られている。これら従来の装置はいずれも、ＬＥＤなどの光源と、その配向を調整するレンズとを備え、ＬＥＤから放射された光をレンズで屈折させることで、光の放射される方向を大きく広げるよう構成されている。
　レンズとしては、一種のメニスカスレンズが好適に用いられる。当該レンズは、光源からの光を受光する第１面と光を出射する第２面を備える。第１面はＬＥＤの素子が内に含まれるようにキャビティになっている。レンズは軸（レンズ光軸）を有するとともに軸対称性であり、ＬＥＤの光軸と略同軸性がある。第２面において、レンズ光軸を含む一定の中央部の範囲は、それ以外の表面に比して凹形状となっている。
　しかしながら、これらの技術はＬＥＤなどの生来的に放射角度の大きい光源を用いることによって、レンズ等の特性を生かしその照射角度を拡大することが可能である。一方では、レーザ光源のような生来的に小さい光照射角度を有する光源への当該照明装置の適用は容易ではなく、光の照射角度を拡げることは困難である。
　また、レーザ光源以外の光源、例えば、コリメートレンズによりビーム径の小さい平行光を出射するコリメート光源が使用される場合、同様の問題が生じ得る。具体的には、光源から照射された光が光軸に平行な光成分のみを有することから、出射光の照射角度を十分に大きくすることが困難である。
特開２０１９－２２０２６６号公報 特表２００９－５１０７３１号公報
　本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたもので、レーザのような拡がり角の小さい光や、平行光に近い光源を用いた場合でも、十分に広い照射角度を持ち、所定の範囲内で均一な光強度を備える照明装置を提供することを目的とする。
　上記の課題を解決するため、本発明に係る照明装置は、少なくとも一つの発光部を有する光源と、前記光源から出射する光を受光してその出射角度を拡大して出射する第１の光学素子と、前記第１の光学素子から出射した光を受光して、さらにその照射角度を拡大して出射する第２の光学素子とを含む。
　本発明によれば、レーザのような拡がり角の小さい光や、平行光に近い光源を用いた場合でも、十分に広い照射角度を持ち、所定の範囲内で均一な光強度を備える照明装置を提供することができる。
実施の形態に係る照明装置１００の全体構成を説明する光学構成図である。 照明装置１００の出射光の光強度特性を示すグラフである。 第１の光学素子１０として用いられるマイクロレンズアレイ１０Ｍの構成の一例を示す概略図である。 マイクロレンズアレイ１０Ｍの上面図の一例である。 仮想円について説明する概略図である。 仮想円の中心Ｃから各マイクロレンズＭＬの上面（レンズ面）の中心までの距離ｄ（ｄ＝０～ＲＨ）を横軸とし、マイクロレンズＭＬのサグｚを縦軸としたグラフである。 マイクロレンズＭＬを対称軸を含む平面で切断したときの断面図を示す。 距離ｄと特定傾斜角度βとの関係を、図４に例示したマイクロレンズの例について表したグラフである。 特定傾斜角調整係数ｋと特定傾斜角度βとの関係の一例を示すグラフである。 図４及び図６のマイクロレンズＭＬの距離ｄと特定傾斜角調整係数ｋとの関係の一例を表すグラフである。 マイクロレンズＭＬの特定傾斜角度βと、中心Ｃからの距離ｄとの関係の一例を示すグラフである。 第１の光学素子１０の構成例を示している。 第１の光学素子１０の構成例を示している。 第１の光学素子１０の構成例を示している。 第１の光学素子１０の構成例を示している。 第１の光学素子１０の構成例を示している。 第１の光学素子１０の構成例を示している。 第１の光学素子１０の構成例を示している。 発散角θｄの定義について説明する概略図である。 マイクロレンズの配置にゆらぎを有しているマイクロレンズアレイの例の上面図を示す。 マイクロレンズの配置にゆらぎを有しているマイクロレンズアレイの例の上面図を示す。 マイクロレンズの配置にゆらぎを有しているマイクロレンズアレイの例の上面図を示す。 光源１と第１の光学素子１０との間の距離Ｌについて説明する説明図である。 実施例１において光源１として採用したＮＩＲ－ＶＣＳＥＬからの出射光の光強度分布を示す。 実施例１で採用される各種数値を示す。 実施例１における距離ｄと特定傾斜角調整係数ｋの関係を示すグラフである。 実施例１のマイクロレンズアレイの概略図である。 実施例１で第２の光学素子２０として採用される魚眼レンズの一例を示す。 実施例１のシミュレーション結果である。 比較例１のシミュレーション結果である。
　以下、添付図面を参照して本実施形態について説明する。添付図面では、機能的に同じ要素は同じ番号で表示される場合もある。なお、添付図面は本開示の原理に則った実施形態と実装例を示しているが、これらは本開示の理解のためのものであり、決して本開示を限定的に解釈するために用いられるものではない。本明細書の記述は典型的な例示に過ぎず、本開示の特許請求の範囲又は適用例を如何なる意味においても限定するものではない。
　本実施形態では、当業者が本開示を実施するのに十分詳細にその説明がなされているが、他の実装・形態も可能で、本開示の技術的思想の範囲と精神を逸脱することなく構成・構造の変更や多様な要素の置き換えが可能であることを理解する必要がある。従って、以降の記述をこれに限定して解釈してはならない。
　図１Ａ及び図１Ｂを参照して、実施の形態に係る照明装置を説明する。図１Ａは、実施の形態に係る照明装置の全体構成を説明する光学構成図であり、図１Ｂは、この照明装置の光強度特性を示すグラフである。図１Ａに示すように、この照明装置１００は、光源１と、第１の光学素子１０と、第２の光学素子２０とから大略構成される。
　光源１は、指向性に優れた光、例えばレーザ光を発する光源である。レーザ光源に代えて、ＬＥＤのような指向性の小さい光を発する光源と、この光を平行光にするコリメートレンズとの組合せにより、光源１が構成されてもよい。
　第１の光学素子１０は、光源１からの出射光の照射角を拡げる役割を有する。第２の光学素子２０は、第１の光学素子１０で拡げられた出射光の照射角を更に拡げる役割を有する。
　この照明装置１００の光強度分布の一例を図１Ｂに示す。図１Ｂにおいて、横軸は、光軸を中心とした光出射角度であり、縦軸は最大強度を１としたときの光強度を表す。
　光出射角度は、デバイスや光学装置、照明装置からの光の発散角、拡がり角度と同義である。出射角度の大きさは、照明装置の照明範囲の大きさに密接に結びついている。本明細書においてデバイスや光学装置、照明装置からの光強度分布（光強度分布特性）を計測するか又はシミュレーションにより計算する場合は、単位立体角あたりの光の強度を光の出射角度に応じて相対的に求める（最大の光強度値を１とする）。
　図１Ｂに示すように、本実施の形態に係る照明装置１００は、その光強度分布特性において、出射光の出射角度が±９０°のときの光強度は０．５以上であり、好ましくは０．５５以上であり、さらに好ましくは０．６以上である。また、光強度が０．９以上となるのは、出射角度の絶対値が４５°以下（－４５°～４５°）のときであり、好ましくは５０°以下であり、さらに好ましくは５５°以下であり、特に好ましくは６０°以下である。なお、光強度分布は、例えば朝日分光(株)製の配向測定装置ＩＭＳ－５０００を用いて計測することできる。
　光源１は、照射角度（拡がり角度）の比較的小さいレーザ光源が、本実施の形態の照明装置１００の機能を発揮するうえで有利である。光源１がレーザ光源の場合、レーザ光源は所定のエリア内に複数の発光部を備える発光アレイでもよく、一の発光部のみを備える単一のレーザ素子であってもよい。
　光源１がレーザ光源の場合、レーザ光源はＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting LASER）であってもよく、実質的な発光部が二次元もしくは三次元に配列されたＶＣＳＥＬアレイであってもよい。光源１としては、レーザ光源以外にも、ＬＥＤ素子や、実質的な発光部が二次元もしくは三次元に配列されたＬＥＤアレイを用いることができる。加えて、レーザ光源やＬＥＤのような電界発光光源のほか、温度放射光源や放電発光光源などを用いてもよい。温度放射光源は、白熱電球やハロゲン電球などであり、放電発光光源は、代表的なものとして高圧水銀ランプ、メタルハライドランプ、蛍光ランプなどが挙げられる。用いられる光源１からの出射光の照射角については、光源の光強度分布において、半値全幅（ＦＷＨＭ）が６°～４０°であり、好ましくは１２°～３０°であり、より好ましくは１５°～２４°である。
　第１の光学素子１０は、光が入射する第１面と、光が出射する第２面を備える。第１の光学素子１０は、例えば光を拡散させる機能を有する面であり、ホモジナイズ効果を有していてもよく、ホモジナイザと拡散板又は拡散素子（拡散機能）を備えるものであってもよい。拡散板又は拡散素子は、表面や内部の微小な凹凸等の構造による屈折や回折作用により、入射した光を一定の角度に拡散させる機能を備えるものである。第２面も同様に、第１面と同様に拡散機能を有する面であってもよく、拡散機能を有さない面であってもよい。ただし、第１の光学素子１０の第１面と第２面との少なくとも一方が拡散機能を有する素子であることが求められる。
　第１の光学素子１０は、例えばマイクロレンズアレイ、シリンドリカルレンズアレイ、マイクロプリズムアレイ、フレネルレンズアレイなどであってもよい。これらはそれぞれ、第１の光学素子１０の第１面及び第２面のうち少なくとも一面の側に、複数のマイクロレンズ、シリンドリカルレンズ、マイクロプリズム、又はフレネルレンズが形成されている光学素子とすることができる。なお、１つの第１の光学素子１０において、複数種類の光学素子が混在して形成されていてもよい。
　また、マイクロレンズやマイクロプリズムは凹形状でも凸形状でもよい。マイクロレンズやマイクロプリズムは一定の規則で配列されていてもよく、ランダムに分布していてもよい。マイクロレンズやマイクロプリズムは、その曲率や形状、角度、大きさが異なるものが混在していてもよい。
　また、第１の光学素子１０は、基板や支持体の表面を荒摺りして微小な凹凸を設けたフロスト型拡散板などでもよい。なお、第１の光学素子１０は中心に対し線対称又は点対称な構造を有していてもよいが、これに限定されるものではない。複数のレンズなど、複数の構造物が形成されている場合は、非対称な構造を有することもできる。
　第１の光学素子１０として用いられるマイクロレンズアレイ１０Ｍの構成の一例を図２（ａ）～（ｃ）に示す。マイクロレンズアレイ１０Ｍは、光が入射し、複数のマイクロレンズＭＬが配置される第１面Ｓ１と、光が出射する第２面Ｓ２とを備えた基板ＳＢを有する。第２面Ｓ２は平面形状とされ、これにより、マイクロレンズアレイ１０Ｍは略平板状の素子とされている。なお、図２（ａ）～（ｃ）において、第１面Ｓ１と第２面Ｓ２の両面にマイクロレンズＭＬが形成されていてもよい。この場合、光に作用する機能を備える面が都合計２面となるので、照射角の拡大効果の増大が期待できる。
　また、図示は省略するが、マイクロレンズアレイ１０Ｍは、図２（ａ）～（ｃ）に例示したような略平板状である他、湾曲面などの曲面を含む形状であってもよい。マイクロレンズアレイ１０Ｍの材質は特定のものには限定されない。マイクロレンズアレイ１０Ｍの材質は樹脂、ガラスを含み、無機材料であっても有機材料であってもよく、更に無機－有機ハイブリッド材料であってもよい。
　マイクロレンズアレイ１０Ｍの製造方法も、特定の製造方法には限定されない。例えば、予め転写用の金型を作製しておき、型成形によってマイクロレンズアレイ１０Ｍを形成してもよい。特に形成される面、又は面を含む構成材及び／又は支持体が樹脂やプラスチップで形成される場合、型成形の方法としては、射出成形、ブロー成形、押出成形、キャスティング（注型）、真空成形などが用いられてよい。
　また、ガラスや樹脂などの材料で構成された基板や支持体上に、流動性の樹脂又は未硬化の樹脂を流し、樹脂の少なくとも一方の面において金型によってマイクロレンズを転写した後、樹脂を乾燥又は硬化させて、樹脂を基板や支持体と一体化させることにより、マイクロレンズアレイ１０Ｍを形成してもよい（２Ｐ成形：ツーピース成形）。
　また、シリンドリカルレンズアレイやマイクロプリズムレンズアレイなども同様の方法で形成されてよい。
　さらに、第１の光学素子１０としては、マイクロレンズアレイ１０Ｍであって、個々のマイクロレンズの形状に分布を有するものであってもよい。そのようなマイクロレンズアレイ１０Ｍの上面図を図３Ａに示す。
　図３Ａに示すマイクロレンズアレイ１０Ｍは、例えば約１ｍｍ×１ｍｍの略正方形状の上面を有する。マイクロレンズアレイ１０Ｍの大きさは、光源１の大きさや、照明装置に求められる照明性能等によって変えることができる。個々のマイクロレンズＭＬの形状は、図２に示すような略正方形状でもよいし、図３Ａに示すような多角形状であってもよいし、円形状や楕円形状であってもよい。
　図３Ａの上面図において、マイクロレンズアレイ１０Ｍ中の個々のマイクロレンズＭＬは、対称軸を中心として、その外形が円または六角形などの多角形であり、レンズ直径は、例えば約２５μｍ、又はそれ以下とすることができる。なお、マイクロレンズＭＬのレンズ外形が円のときは、その円の直径がレンズ直径であり、多角形の場合は外接円の直径がレンズ直径である。
　図３Ａのマイクロレンズアレイ１０Ｍでは、一個のマイクロレンズに対して等ピッチ、等位相で６個のマイクロレンズが配列されている（本文では「六方稠密配列」という。以下同じ）。レンズピッチ（隣接する二個のレンズの中心間距離）は]、例えば約２５μｍである。
　マイクロレンズアレイ１０Ｍを特定するに当たっては、図３Ｂに示すように、マイクロレンズアレイ１０Ｍの上面に対して、中心Ｃを有し半径ＲＨを有する仮想円を仮定することができる。仮想円の中心位置や半径は、例えばマイクロレンズアレイ１０Ｍの形状及びその大きさ、光源１の大きさ、光源１からの出射光の出射角等との関係に基づいて定めることができる。すなわち、出射光が透過する有効的な範囲に対応した大きさに基づいて、仮想円の位置や大きさを定めることができる。
　マイクロレンズアレイ１０Ｍの上面が円形状であったときは、その円形状そのものを仮想円としてもよい。マイクロレンズアレイ１０Ｍの上面が楕円形状、多角形状、その他の曲線や直線で形成されている任意形状であるときは、その輪郭に接する内接円を仮想円としてもよい。また、マイクロレンズアレイ１０Ｍの上面が多角形状であるときは、それに含まれる円や多角形のいずれかの辺に接する内接円を仮想円としてもよい。
　マイクロレンズアレイ１０Ｍに含まれるマイクロレンズＭＬの性質について説明する。一例として、図３Ａに示すように、マイクロレンズアレイ１０Ｍの上面の輪郭が１ｍｍ×１ｍｍ四方の正方形状であり、軸対称のマイクロレンズＭＬが六方稠密に配列されている場合を考える。仮想円はマイクロレンズアレイ１０Ｍの上面の輪郭の内接円である。
　マイクロレンズアレイ１０Ｍの幾何学的中心、又は幾何学的中心近傍のマイクロレンズの対称軸を仮想円の中心Ｃとしてもよい。図３Ａの例の場合、仮想円の半径ＲＨは５００μｍである。図３Ａの例は、理解の容易のための一例であり、本発明を限定する趣旨ではないことに留意されたい。
　マイクロレンズＭＬの形状は、仮想円の中心Ｃからの距離ｄに応じて変化してもよい。図４は、仮想円の中心Ｃから各マイクロレンズＭＬの上面（レンズ面）の中心までの距離ｄ（ｄ＝０～ＲＨ）を横軸とし、マイクロレンズＭＬのサグｚを縦軸としたグラフであり、図３Ａの破線Ａ－Ａ’に沿って並ぶマイクロレンズＭＬの断面の一部の形状を表したものである。図示の例では、マイクロレンズＭＬは凹レンズである場合を説明するが、これに限定する趣旨ではない。
　図４のグラフから明らかなように、この例では、マイクロレンズＭＬの形状が、マイクロレンズアレイ１０Ｍ上での位置（距離ｄ）によって異なり、具体的には（少なくとも一部において）距離ｄが大きいほど、サグｚが小さくなるよう、マイクロレンズＭＬが形成されている。サグ（Sag）またはサグ量とは、マイクロレンズＭＬの対称軸や光軸に平行な方向の最大の深さ（マイクロレンズが凸形状の場合は最大の高さ）をいう。図４の例の更なる特徴の１つは、マイクロレンズＭＬの接平面（図４の破線）の角度が距離ｄに従って変化している点である。マイクロレンズＭＬに光が入射したときに、マイクロレンズＭＬの対称軸に対してどの程度の発散角や拡散角で光が出射するかを接平面の傾斜角度で評価することができるからである。
　図５に、マイクロレンズＭＬを対称軸を含む平面で切断したときの断面図を示す。マイクロレンズＭＬの直径をＤとしたときに、マイクロレンズＭＬの中心と外縁との間の所定位置（例えば中心から０．６×Ｄの距離にある位置）のレンズ面における接平面の傾斜角度を特定傾斜角度βとする。この特定傾斜角度βは、マイクロレンズＭＬの形状の特徴を表す指標の１つである。図６のグラフは、距離ｄと特定傾斜角度βとの関係を、図４に例示したマイクロレンズの例について表したものである。マイクロレンズＭＬは、マイクロレンズアレイ１０Ｍ中で離散的に形成されているので、その特定傾斜角度βも距離ｄに対して離散的であり、座標（ｄ、β）は、図６に表した破線上の点のいずれかとなる。
　図６の例では、特定傾斜角度βは、ｄ＝０～ｄ１（ｄ１＜ＲＨ）の範囲内で一定であり、ｄ＝ｄ１～ＲＨの範囲ではｄの増加に応じて単調に減少する。ｄ１＝０．６×ＲＨであり、好ましくはｄ１＝０．５×ＲＨであり、さらに好ましくはｄ１＝０．４５×ＲＨである。マイクロレンズＭＬの特定傾斜角度βのｄ＝０～ＲＨの範囲内における最大値βｍａｘは、２０°～４０°であり、好ましくは２２°～３５°であり、さらに好ましくは２５°～３２°であり、特に好ましくは２５°～３０°である。また、マイクロレンズＭＬの特定傾斜角度βのｄ＝０～ＲＨの範囲内における最小値βｍｉｎは、５°～２５°であり、好ましくは１０°～２０°であり、さらに好ましくは１２°～１８°である。また、βｍｉｎ／βｍａｘの値は、０．２～１．０であり、好ましくは０．４～０．８であり、さらに好ましくは０．５～０．７である。要するに、所定位置からの距離ｄが所定値以内の領域においては、複数のマイクロレンズＭＬは略同一の形状を有しており、距離ｄが所定値を超える領域においては、マイクロレンズＭＬの形状が、距離ｄに応じて変化する。特定傾斜角度βは、走査型レーザ顕微鏡の機能を備えるオリンパス社製工業用顕微鏡ＯＬＳ４５００（対物レンズ：倍率１００倍）を用いて計測することができる。
　個々のマイクロレンズＭＬの形状は、一例として、下記の[数１]で表される軸対称の非球面形状である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　ここで、zはサグ、rは対称軸からの距離、Ｋは非球面係数、Ｒは対称軸近傍における曲面を球と近似したときの半径（近軸半径）、α２、α４、α６は高次係数、ｋはマイクロレンズＭＬの特定傾斜角度βを調整するための係数（特定傾斜角調整係数）を表す。
　各マイクロレンズＭＬについて、各次数の項に共通に含まれる係数ｋを調整して、マイクロレンズＭＬの形状を調整することができる。係数ｋが変化して異なる値となっても、［数１］に従う限り、レンズの形状は相似形となる。係数ｋを異なる数値として相似形のマイクロレンズＭＬを作成することは、転写金型を用いてマイクロレンズアレイ１０Ｍを作製する場合においてもコスト的に都合がよい。軸対称のマイクロレンズＭＬの形状を［数１］に従ったものにすることで、特定傾斜角調整係数ｋの値を変更するだけで所望の特定傾斜角度βを有するマイクロレンズＭＬを表すことができるので、転写金型等を作製する際にも合理的である。なお、特定傾斜角調整係数ｋと特定傾斜角度βとの関係の一例は、所定の係数を用いたうえで、例えば図７のグラフのように表される。
　図８に、図４及び図６のマイクロレンズＭＬの距離ｄと特定傾斜角調整係数ｋとの関係の一例を表す。マイクロレンズＭＬの特定傾斜角調整係数ｋは、ｄ＝０～ｄ１（ｄ１＜ＲＨ）の範囲内で一定であり、ｄ＝ｄ１～ＲＨの範囲で単調に増加する。ｄ１＝０．６×ＲＨであり、好ましくはｄ１＝０．５×ＲＨであり、さらに好ましくはｄ１＝０．４５×ＲＨである。
　マイクロレンズＭＬの特定傾斜角調整係数ｋのｄ＝０～ＲＨの範囲内における最大値ｋｍａｘは、特定傾斜角調整係数ｋが一定である上記範囲における特定傾斜角調整係数ｋを１としたとき、１．２～２．７であり、好ましくは１．５～２．５であり、特に好ましくは１．７～２．２である。
　また、マイクロレンズＭＬの特定傾斜角度βは、中心Ｃからの距離ｄに対して図９（ａ）～（ｃ）に表すような分布を備えるものであってもよい。
　図１０Ａ～１０Ｇを参照して、第１の光学素子１０の具体的な構成例を説明する。図１０Ａの構成例では、凹型のマイクロレンズＭＬが、マイクロレンズＭＬを形成する樹脂材料の片面にのみ形成され、基板は省略されている。図１０Ｂは、基板ＳＢの第１面Ｓ１側にのみ、凹型のマイクロレンズＭＬを形成する樹脂材料が形成されている構成例である。図１０Ｃは、基板ＳＢの第１面Ｓ１、第２面Ｓ２の両側に、凹型のマイクロレンズＭＬ１、ＭＬ２が形成される例を示している。
　図１０Ｄの構成例では、凸型のマイクロレンズＭＬが、マイクロレンズＭＬを形成する樹脂材料の片面にのみ形成され、基板は省略されている。図１０Ｅは、基板ＳＢの第１面Ｓ１側にのみ、凸型のマイクロレンズＭＬを形成する樹脂材料が形成されている構成例である。図１０Ｆは、基板ＳＢの第１面Ｓ１、第２面Ｓ２の両側に、凸型のマイクロレンズＭＬ１、ＭＬ２が形成される例を示している。また、図１０Ｇは、樹脂材料の片面側に凹型のマイクロレンズＭＬ１が形成され、反対側に凸型のマイクロレンズＭＬ２が形成される例を示している（基板は省略されている）。
　なお、先述のようにマイクロレンズＭＬの特定傾斜角度βは、マイクロレンズＭＬに光が入射して出射するときの発散角θｄに対応する。発散角θｄは、平行光をマイクロレンズＭＬに入射させて出射した光において、単位立体角あたりの光強度を出射角に対応して計測又は算出したときに、最も大きい光強度の半値に対応する出射角と定義される（図１１Ａ参照）。
　発散角θｄは、マイクロレンズＭＬの対称軸を基準にして計測される。マイクロレンズＭＬの特定傾斜角度βは、マイクロレンズＭＬの対称軸に垂直な平面を基準にして計測される。マイクロレンズＭＬが平行な二つの主平面を有する平板状の基板のいずれかの主平面上に形成されているときは、当該主平面と接平面とのなす角を特定傾斜角としてもよい。
　さらに、第１の光学素子１０としては、上記の六方稠密配列のマイクロレンズアレイ１０Ｍとその配列を基礎にして、個々のマイクロレンズＭＬの中心位置を、Ｘ、Ｙ又はＺ方向にズラした配列のマイクロレンズアレイを使用することができる。Ｘ及びＹ方向は略平板状のマイクロレンズにおいて平面内で直交する方向であり、Ｚ方向はマイクロレンズアレイの平面に直角な方向である。または、Ｚ方向はマイクロレンズＭＬの対称軸方向であり、Ｘ及びＹ方向は対称軸に直角で、互いに直交する方向である。図１１Ｂは、このようなマイクロレンズアレイの例の上面図を表したものである。図１１Ｂの例は、図１１Ｃに模式的に示すように、個々のマイクロレンズＭＬが、Ｘ及びＹ方向にそれぞれ±４μｍ、Ｚ方向に±１μｍの範囲内でその配列をランダムに変動させたものである（矢印の方向にレンズを移動させている）。言い換えれば、図１１Ｂに係るマイクロレンズアレイは、六方稠密に配列されたマイクロレンズの配置に、適度なゆらぎを有しているものと言うことができる。図１１Ｄは、マイクロレンズＭＬが矩形形状である場合において、同様のゆらぎを与えた場合を模式的に示している。
　次に、光源１と第１の光学素子１０との間の距離Ｌについて図１２を参照して説明する。光源１と第１の光学素子１０との距離Ｌを大きくすると、第１の光学素子１０の第１面Ｓ１上に入射すべき光束の断面積が大きくなるので、照明装置の全体の寸法が大きくなる傾向が生じる。逆に距離Ｌを過剰に小さくすると、光が透過するマイクロレンズやマイクロプリズムなどの個々の構造体の数が少なくなり、第１の光学素子１０からの出射光にムラが出やすくなる。
　第１の光学素子１０が光源１から受光した光束の断面の範囲内に、マイクロレンズＭＬが少なくとも１０個含まれることが好適である。光源１から第１の光学素子１０までの距離をＬとし、光源１から出射される光の拡がり角をθo（但しθo＝ＦＷＨＭ／２）とし、マイクロレンズの半径の平均値をＤＡとしたとき、以下の式が満たされることが好ましい。
１０＜π×（Ｌ×ｔａｎθo）２／πＤＡ ２
√１０＜Ｌ×ｔａｎθo／ＤＡ
さらに、１０＜Ｌ×ｔａｎθo／ＤＡを満たすことがより好ましい。
　第２の光学素子２０がレンズである場合、光をより広い角度で出射して、広い範囲を照明するという機能を備えるためには、第２の光学素子として魚眼レンズ(フィッシュアイレンズ)を用いると好適である。魚眼レンズとは、等距離射影方式のレンズの一種である。一般的な魚眼レンズは、光の入射角度θと結像位置での像高ｈとが比例関係にあるものであるが、本実施の形態では、そのような魚眼レンズからなる第２の光学素子２０に光を出射して、出射光の照射角を拡大することが好適である。
　第２の光学素子２０として用いられる魚眼レンズは、その画角Ｗ（全角）は１５０°以上であり、好ましくは１６０°以上であり、さらに好ましくは１８０°以上である、特に好ましくは２００°以上である。
　第２の光学素子２０を構成するレンズは、その光軸が光源１の光軸と略平行もしくは重複するように、光源１との位置関係を調整してもよい。第２の光学素子２０の光軸と光源１の光軸が略一致するように調整されると、対称性の高い均一性の照明光が得られることが期待できる。
　本実施の形態で用いられてもよい魚眼レンズとしては、交換レンズ式カメラに用いられる魚眼レンズやスマートフォンや携帯端末等に内蔵されているカメラモジュールに用いられている魚眼レンズ（コンバージョン方式で既設のカメラの前面に取り付けるレンズも含む）などを用いることができる。
　光源１からの光を第１の光学素子１０により、所定の照射角を持ち、面内の照射強度が均一な光に変換する。その光を、第２の光学素子を構成するレンズ（例えば魚眼レンズ）により屈折させることで、照射角度が広くかつ各方向の照射強度が均一な照明装置を提供することができる。本実施の形態の照明装置は、近年開発が進められている顔認証システム、車載用カメラ、ＬｉＤＡＲ用途等の３Ｄセンシング技術において有用である。３Ｄセンシング技術の代表的な手法としてTime of flight（ＴＯＦ）方式があり、これは、照明光が対象物に当たって戻ってくる時間を計測することで３次元情報を得る技術である。この時、照明光がより広角度に照射されるほうが取得可能な情報が多くなるため、照明装置において光源からの光を広角度に放射することが重要である。本実施形態の照明装置によれば、光強度は、その照明角度（発散角）に依らず一定とすることができ、ＴＯＦ方式での解析が容易になる。
　次に、本発明の実施例について、以下に説明する。
［実施例１］
　以下の構成部品に基づいて、実施例１に係る照明装置を作製した。
　光源１として、Ｖｉｘａｒ社製ＮＩＲ－ＶＣＳＥＬ（Ｐａｒｔ　Ｎｕｍｂｅｒ：Ｖ００８１）を使用した。この光源は主波長が９４０ｎｍの近赤外線を発光する。また、この光源は六方稠密配列のマルチモードアレイであり、トータル２８１個のＶＣＳＥＬ発光部の集合体である。ＦＷＨＭは典型値で１８°であり、発光部の大きさが０．９ｍｍ×１ｍｍである。
　図１３Ａに、光源１として採用したＮＩＲ－ＶＣＳＥＬからの出射光の光強度分布を示す。この光源からの出射光の光強度分布は、中央部が光強度が小さく、略ドーナツ状の光強度分布を呈する。
　また、第１の光学素子１０としては、外形のサイズが１ｍｍ×１ｍｍ、厚さ０．４ｍｍであり、マイクロレンズＭＬが基本ピッチ２４μｍで六方稠密に配列されているマイクロレンズアレイを用いた。マイクロレンズＭＬの外形は六角形であり、その大きさＤは最大でφ２３μｍであり、図１３Ｂに示す各係数を有する、［数１］で表される形状を有する。
　また、仮想円として第１の光学素子１０の輪郭の内接円を考え、仮想円の中心Ｃはマイクロレンズアレイ１０Ｍの幾何学的中心でもあり、同時に対称軸を有するマイクロレンズＭＬとも一致している。仮想円の半径ＲＨは５００μｍである。仮想円の中心Ｃからの距離ｄと［数１］に係るｋとの関係は図１４で表される。実際のｄの値は、形成されたピッチごとに形成されたマイクロレンズの対称軸の配列に対応して離散的であることに留意されたい。
　ｄ＝０～２００μｍの範囲内（ｄ１＝２００μｍ）においてｋ＝１であり、ｄ＝ＲＨ＝５００μｍにおいてｋ＝１．９１であり、ｋがｄに対応して変化する範囲内（ｄ＝２００～５００μｍ）において、ｋの平均的な変化率は３×１０－３[／μｍ]である。なお、マイクロレンズＭＬは基本ピッチ２４μｍに対してＸＹ方向に±４μｍ、Ｚ方向（サグ方向）に±１μｍのゆらぎを有するものとした。
　また、マイクロレンズアレイ１０Ｍは、あらかじめマイクロレンズアレイ１０Ｍのレンズ形状の凹凸を逆にした金型を準備し、ガラス基板上に樹脂によって注型成形した。ガラス基板は、厚みが０．４ｍｍのホウケイ酸ガラス基板（コーニング社製Ｄ２６３　Ｔ　ｅｃｏ）を用いた。樹脂は光硬化性樹脂（（株）ダイセル社製セロキサイド２０２１Ｐ、主成分３’，４’－エポキシシクロヘキシルメチル３，４－エポキシシクロヘキサンカルボキシレート）を用いた。
　このようにして作製したマイクロレンズアレイの断面の概略図を図１５に示す。なお図１５は、サグが分布している態様の理解の容易のために概略図とされており、マイクロレンズＭＬの数やサイズ、マイクロレンズアレイの外形とのスケール比、厚みとマイクロレンズＭＬのサグとのスケール比などは実際の形状とは異なる。
　また、第２の光学素子２０としては、図１６に示すような魚眼レンズを用いた。当該魚眼レンズはその画角が２１０°である。
　上記のような光源１、第１の光学素子１０、第２の光学素子２０を用いて作製した図１に示すような照明装置（実施例１）の照射光の光強度分布をシミュレーションによって求めた。その結果を図１７に示す。シミュレーションはZemax社製OpticsStudio Ver20.1を用い、０．９ｍｍ×１ｍｍの出射面を有する光源から、１×１０７本の光線を光源１の光強度分布に応じた重み付けをして仮想的に出射して追跡し、光強度分布を求めた。実施例１に係る照明装置の光強度分布特性において、出射角度が９０°または－９０°のときの光強度は０．６８であり、光強度が０．９となる出射角度は±６５～６６°であった。実施例１によれば、光源１からのレーザ光に基づき、十分に広い照射角度を持ち、所定の範囲内で均一な光強度を備える照明光を発する照明装置が提供され得る。
（比較例１）
　次に、実施例１の比較例を説明する。比較例は、第１の光学素子１０として、実施例１で用いた第１の光学素子１０であるマイクロレンズアレイにおいてｄ１＝ＲＨ＝５００μｍとした以外は、条件は同一である。すなわち、比較例１に係る第１の光学素子１０であるマイクロレンズアレイ１０Ｍは、マイクロレンズＭＬの形状全体に亘って一様（ｋ＝１）であり、マイクロレンズＭＬの発散角θｄや特定傾斜角度βが、全体に亘り一定である。
　比較例１に係る照明装置は、第１の光学素子１０のマイクロレンズアレイ１０Ｍを除けば、光源１、第２の光学素子２０は実施例１に係るものと同一であり、それらの構成素子の間隔や同軸性などの条件も実施例１と同一にした。
　上記のような光源１、第１の光学素子１０、第２の光学素子２０を用いて作製した比較例１に係る照明装置の照射光の光強度分布をシミュレーションによって求めた。その結果を図１８に示す。シミュレーションでは、実施例１と同様に、Zemax社製OpticsStudio Ver20.1を用い、０．９ｍｍ×１ｍｍの出射面を有する光源１から、１×１０７本の光線を、光源１の光強度分布に応じた重み付けをして仮想的に出射して追跡し、光強度分布を求めた。出射角度が９０°または－９０°のときの光強度は０．１５であり、光強度が０．９となる出射角度は±３２～３３°であった。
　図１８からわかるように、第１の光学素子１０であるマイクロレンズアレイ１０Ｍに含まれるマイクロレンズＭＬの発散角が、仮想円の範囲内で均一であると、一様な光強度分布が得られない。これは魚眼レンズを第２の光学素子２０として用いることで、広い角度範囲を照明することができるが、レンズや素子への光の入射角度が大きくなると界面での反射が大きくなるので、魚眼レンズで広い角度で照射される光ほど透過率が低くなってしまうためである。
　一方、第１の光学素子１０を含まず、ＶＣＳＥＬを用いた光源１と、第２の光学素子２０として魚眼レンズを有する照明装置においては、所定の角度で照射される光の強度は、光源１の所定の位置から出射される光の光強度に比例する。すなわち、一定の発光面積を有し、略軸対称な光強度分布を有する光を出射するＶＣＳＥＬアレイのような光源１の対称軸と、第２の光学素子２０である魚眼レンズの光軸との同軸性を担保したうえでは、光源１の対称軸（装置の光軸）近傍の光は、照明装置から小さい出射角度で出射され、光源１の対称軸から比較的離れた光は照明装置から比較的大きい出射角度で出射される。このことから、照明装置において出射光の光強度分布（照明強度分布）を一様にする（均一な明るさの照明光を得る）ためには、光源１の対称軸近傍の部分から出射する光に由来する光強度を抑制し、対称軸から離れた部分から出射する光に由来する光強度を増大もしくは維持、低下を抑制する必要がある。
　本発明に係る照明装置に用いられる第１の光学素子１０は、拡散機能を有するとともに、第１の光学素子１０の中心近傍（中心部）の構造体による発散角θｄを大きく、かつ、中心から離れた部分（周辺部）の構造体による発散角θｄを小さくすることによって、照明装置による均一な明るさの照明を図ることができる。また、本実施形態に係る照明装置は、レーザのような光強度の高い光を出射するレーザのような光源を用いることができるので、照明範囲が大きくなることによる照明全体が暗くなるといった不具合も解消できる。
[その他]
　本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
１…光源、１０…第１の光学素子、２０…第２の光学素子。

Claims (6)

  1. 　少なくとも一つの発光部を有する光源と、
    　前記光源から出射する光を受光してその出射角度を拡大して出射する第１の光学素子と、
    　前記第１の光学素子から出射した光を受光して、さらにその照射角度を拡大して出射する第２の光学素子と
    を含む照明装置。
  2. 　前記第１の光学素子は、複数のマイクロレンズを配列してなるマイクロレンズアレイであって、
    　前記マイクロレンズアレイは、その中心からの距離に従って前記マイクロレンズの形状が変化するよう構成される、請求項１に記載の照明装置。
  3. 　所定位置からの距離が第１の値以内の第１の領域においては、前記複数のマイクロレンズは略同一の形状を有しており、前記所定位置からの距離が前記第１の値を超える第２の領域においては、前記マイクロレンズの形状が、前記距離に応じて変化する、請求項２に記載の照明装置。
  4. 　前記マイクロレンズの中心と外縁との間の所定位置のレンズ面における接平面の傾斜角度を特定傾斜角度βとしたとき、
    　前記第１の領域においては、前記特定傾斜角度βは複数のマイクロレンズの間で一定であり、前記第２の領域においては、前記特定傾斜角度βは前記距離に応じて変化する、請求項３に記載の照明装置。
  5. 　前記第２の光学素子は、魚眼レンズである、請求項１～４のいずれか一項に記載の照明装置。
  6. 　前記光源から前記第１の光学素子までの距離をＬとし、前記光源から出射される光の拡がり角をθo（但しθo＝ＦＷＨＭ／２）とし、前記マイクロレンズの半径の平均値をＤＡとしたとき、
    １０＜π×（Ｌ×ｔａｎθo）２／πＤＡ ２
    である、請求項２～５のいずれか１項に記載の照明装置。
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