(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
離散的に配置された複数のＬＥＤからなる光源と、当該光源の照射方向前方に配置されるＬＥＤ用光学素子であって、体積的に一様な散乱能が与えられた光散乱導光体により形成されており、
前記ＬＥＤ用光学素子は、その凸面に切欠を有する片凸レンズであり
複数の前記光源は、前記切欠内に収容され前記ＬＥＤ用光学素子の光軸に対して、直交する方向に沿って前記光軸を挟んで等間隔に配列されていて、
複数の前記光源の光軸間隔Ｈ、前記ＬＥＤ用光学素子における前記切欠から当該ＬＥＤ用光学素子の出射面までの厚みＴ、前記ＬＥＤ用光学素子に対して入射した光線の前記出射面での広がりを距離Ｈ１、前記ＬＥＤ用光学素子における散乱回数Ｎ、前記ＬＥＤ用光学素子全体での散乱半角値θ、前記光散乱導光体に多数含有される散乱微粒子の単一散乱半値角は、以下の式の関係を満たしていて、
前記散乱回数Ｎは０．１以上５０以下であることを特徴とするＬＥＤ用光学素子。
Ｈ≦Ｈ１＝２Ｔ・ｔａｎθ
θ＝｛（単一散乱半値角）２×Ｎ｝１／２
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＬＥＤ用光学素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＬＥＤを光源とする照明装置において、青色ＬＥＤチップと黄色蛍光体の組合せで白色光を得る方法（例えば特許文献１参照）、若しくはＲＧＢのＬＥＤチップを用いて光の３原色を合わせることで白色光を得る方法が一般的である。しかし、青色ＬＥＤチップと黄色蛍光体とを組み合わせた場合、青色ＬＥＤチップが直下にある中心付近の光と、その周辺の光で色温度分布があり、この結果、照射面で中央付近の光に比べて周辺光が黄色味がかる。これは所謂イエローリングと呼ばれている。一方、赤色ＬＥＤチップ、緑色ＬＥＤチップ、青色ＬＥＤチップの合成色により白色光を得る方法の場合、それぞれのＬＥＤチップの内、１つのチップを光軸に合わせた場合、残りの２つのチップは光軸からずれて配置されてしまう。または３つのチップの重心位置に光軸を設置したとしても、やはりそれぞれのチップはレンズの光軸上からずれて配置されてしまう。この結果、照射面で赤色、緑色、青色の照射エリアがずれて不均一に混色されてしまう。また、より高輝度にするため複数個のＬＥＤチップを並べて使うＬＥＤチップでは、同様に光源が光軸上からずれて配置されることを原因とする照射面での照度むらが生ずる場合もあった。
さらに、一般的な電極のワイヤーボンディングにおいて、そのワイヤーが影となり照射する光に影響が出る場合がある。これらの対策として、光学パターンを配置した拡散機能を持った拡散シートなどを、ＬＥＤチップの照射方向前方に配置することで、色むらや明暗等を防止する技術が開発されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−１６３４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、拡散シートの表面散乱は基本的に単一散乱であるため、比較的大きな輝度むらや色むらがある場合には、拡散角が小さい拡散シートでは十分にむらを補正できるほど拡散させることができない。逆に拡散角が大きい拡散シートではむら補正はできても、後方散乱成分が大きくなり、前方光量が低下してしまう。
さらに、別の課題としてＬＥＤ光源のグレア（まぶしさ）の問題がある。ＬＥＤは発光面のサイズが小さいうえに、照明用途としては高輝度化を要求するために、光源のまぶしさ（グレア）の問題が発生する。グレアはただまぶしいだけでなく、波長と強さによっては目の角膜にダメージを与える場合もあり、照明設計において、グレアの低減は重要であり、快適な照明環境を作るためには、十分な配慮が必要である。
【０００５】
本発明の課題は、複数のＬＥＤを配置した光源からの光をレンズ及びリフレクターの少なくとも１つを通して照射したとき、光の前方光量の低下を最小限に抑えながら、照射面での色むら、照度むらを抑制することである。さらに、出射面でのグレアを低減させることである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１記載の発明は、
離散的に配置された複数のＬＥＤからなる光源と、当該光源の照射方向前方に配置されるＬＥＤ用光学素子であって、体積的に一様な散乱能が与えられた光散乱導光体により形成されており、
前記ＬＥＤ用光学素子は、その凸面に切欠を有する片凸レンズであり
複数の前記光源は、前記切欠内に収容され前記ＬＥＤ用光学素子の光軸に対して、直交する方向に沿って前記光軸を挟んで等間隔に配列されていて、
複数の前記光源の光軸間隔Ｈ、前記ＬＥＤ用光学素子における前記切欠から当該ＬＥＤ用光学素子の出射面までの厚みＴ、前記ＬＥＤ用光学素子に対して入射した光線の前記出射面での広がりを距離Ｈ１、前記ＬＥＤ用光学素子における散乱回数Ｎ、前記ＬＥＤ用光学素子全体での散乱半角値θ、前記光散乱導光体に多数含有される散乱微粒子の単一散乱半値角は、以下の式の関係を満たしていて、
前記散乱回数Ｎは０．１以上５０以下であることを特徴としている。
Ｈ≦Ｈ１＝２Ｔ・ｔａｎθ
θ＝｛（単一散乱半値角）２×Ｎ｝１／２
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、光散乱導光体から形成されたＬＥＤ用光学素子が、複数のＬＥＤからなる光源の照射方向前方に配置されているので、各ＬＥＤから発せられた光はＬＥＤ用光学素子により散乱して照射面に均一に照射されることになる。さらに、ＬＥＤの小さい発光面からの入射光が光学素子内で拡散され、光学素子の大きい出射面から均一に出射されることで、グレアを低減することが可能となる。
また、光散乱導光体内部の球形粒子による散乱は、前方により指向性が高く光が散乱されるようにサイズパラメータが制御される。つまり、後方散乱成分が抑えられることになり、前方光量の低下を防止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１の実施の形態に係るＬＥＤ用光学素子としてのレンズを示す側面図である。
【図２】図１のレンズが透明ＰＭＭＡレンズで形成されている場合の当該レンズの光軸と各照射エリアとのズレを示す側面図である。
【図３】図２のレンズの光軸と各照射エリアとのズレを示す正面図である。
【図４】単一真球粒子による散乱光強度の角度分布Ｉ（α、θ）を示すグラフである。
【図５】第２の実施の形態に係るＬＥＤ用光学素子としてのレンズを示す側面図である。
【図６】図５のレンズをなす光散乱導光体に含まれる球形粒子が２μｍのときの相対強度と角度との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
［第１の実施の形態］
図１は、本発明に係るＬＥＤ用光学素子としてのレンズを示す説明図である。図１に示すレンズ１は、両凸レンズであり、平面上に離散的に配置された複数のＬＥＤ（第一ＬＥＤ１１、第二ＬＥＤ１２、第三ＬＥＤ１３）からなる光源１０の照射方向前方に配置されている。レンズ１と光源１０との位置関係は、レンズ１の焦点距離に光源１０が配置される位置関係となっている。
また、第一ＬＥＤ１１、第二ＬＥＤ１２及び第三ＬＥＤ１３は、レンズ１の光軸２に対して、直交する方向に沿って等間隔に配列されている。そして、中央の第二ＬＥＤ１２は、光軸２上に配置されている。
【００１１】
ここで、レンズ１が透明ＰＭＭＡレンズから形成されている場合であると、図２，３に示すように光源１０から所定距離だけ離れた照射面では、第二ＬＥＤ１２の照射エリアＢ１の中心位置ｂ１は光軸２と略同一であるものの、第一ＬＥＤ１１の照射エリアＡ１の中心位置ａ１は光軸２からＡだけずれるとともに、第三ＬＥＤ１３の照射エリアＣ１の中心位置ｃ１も光軸２からＣだけずれることになる。
【００１２】
一方、レンズ１が本願発明に係る光散乱導光体としてのＨＳＯＴ（Ｈｉｇｈｌｙ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ＯｐｔｉｃａｌＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ）ポリマーから形成されている場合であると、図１に示すようにレンズ１に入射した光は当該レンズ１内部で多重散乱され、出射面から一定の広がり角を持って出射される。その広がり角は、光散乱導光体のサイズパラメータと濁度との少なくとも一方により、光源１０から所定距離だけ離れた照射面で、第一ＬＥＤ１１の照射エリアＡ１の中心位置ａ１、第二ＬＥＤ１２の照射エリアＢ１の中心位置ｂ１及び第三ＬＥＤ１３の照射エリアＣ１の中心位置ｃ１が光軸２とほぼ一致するように調整される。
【００１３】
以下、光散乱導光体について説明すると、この光散乱導光体は、体積的に一様な散乱能が与えられた導光体であり、散乱微粒子としての球形粒子を多数含んでいる。レンズ１内部に光が入射すると、その光は散乱微粒子によって散乱することになる。
【００１４】
ここで、本発明の理論的な基礎を与えるＭｉｅ散乱理論について説明する。Ｍｉｅ拡散理論は、一様な屈折率を有する媒体（マトリックス）中に該媒体と異なる屈折率を有する球形粒子（散乱微粒子）が存在するケースについてマックスウェルの電磁方程式の解を求めたものである。散乱微粒子によって散乱した散乱光の角度に依存した強度分布Ｉ（α、θ）は下記（１）式で表わされ、散乱効率Ｋ（α）は下記（２）式で表わされる。αは下記（３）式で表わされ、散乱子の光学的大きさを示すサイズパラメータであり、マトリックス中での光の波長λで規格化された球形粒子（散乱子）の半径ｒに相当する量である。角度θは散乱角で、入射光の進行方向と同一方向をθ＝１８０度にとる。
【００１５】
また、（１）式中のｉ１、ｉ２は（４）式で表わされる。そして、（２）〜（４）式中の下添字ν付のａ及びｂは（５）式で表わされる。上添字１及び下添字νを付したＰ（ｃｏｓθ）は、Ｌｅｇｅｎｄｒｅの多項式、下添字ν付のａ、ｂは１次、２次のＲｅｃａｔｔｉ−Ｂｅｓｓｅｌ関数Ψ＊、ζ＊（ただし、「＊」は下添字νを意味する。）とその導関数とからなる。ｍはマトリックスを基準にした散乱微粒子の相対屈折率で、ｍ＝ｎｓｃａｔｔｅｒ／ｎｍａｔｒｉｘである。
【００１６】
【数１】
0005537068.tif 000002
【００１７】
図４は、上記（１）〜（５）式に基づいて、単一真球粒子による強度分布Ｉ（α、θ）を示すグラフである。この図４では、原点の位置に散乱微粒子としての真球粒子があり、下方から励起光が入射した場合の散乱光強度の角度分布Ｉ（α、θ）を示している。そして、原点から各曲線Ｓ１〜Ｓ３までの距離が、それぞれの散乱角方向の散乱光強度である。曲線Ｓ１はαが１．７であるときの散乱光強度、曲線Ｓ２はαが１１．５であるときの散乱光強度、曲線Ｓ３はαが６９．２であるときの散乱光強度を示している。なお、図４においては散乱光強度を対数目盛で示している。このため、図４では僅かな強度差として見えているが、実際には非常に大きな差となる。
この図４に示すように、サイズパラメータαが大きくなるほど（ある波長λで考えた場合は真球粒子の粒径が大きくなるほど）、上方（照射方向の前方）に対して指向性高く光が散乱されていることがわかる。また、実際のところ、散乱光強度の角度分布Ｉ（α、θ）は、入射光波長λを固定すれば、散乱子の半径ｒと、媒体及び散乱子の相対屈折率ｍとをパラメータとして制御することができる。
【００１８】
このような、単一真球粒子がＮ個含まれる光散乱導光体に光を入射させると、光は真球粒子により散乱される。散乱光は光散乱導光体中を進み、他の真球粒子により再度散乱される。ある程度以上の体積濃度で粒子を添加した場合には、このような散乱が逐次的に複数回行われた後、光が光散乱導光体から出射する。このような散乱光がさらに散乱されるような現象を多重散乱現象と呼ぶ。このような多重散乱においては、透明ポリマーでの光線追跡法による解析は容易ではない。しかし、モンテカルロ法により光の挙動を追跡し、その特性を解析することはできる。それによると、入射光が無偏光の場合、散乱角の累積分布関数Ｆ（θ）は下記の（６）式で表される。
【００１９】
【数２】
0005537068.tif 000003
【００２０】
ここで（６）式中のＩ（θ）は、（１）式で表されるサイズパラメータαの真球粒子の散乱強度である。強度Ｉ０の光が光散乱導光体に入射し、距離ｙを透過した後、光の強度が散乱によりＩに減衰したとすると、これらの関係は下記の（７）式で表される。
【００２１】
【数３】
0005537068.tif 000004
【００２２】
この（７）式中のτは濁度と呼ばれ、媒体の散乱係数に相当するものであり、下記の（８）式のように粒子数Ｎに比例する。なお、（８）式中、σｓは散乱断面積である。
【００２３】
【数４】
0005537068.tif 000005
【００２４】
（７）式から長さＬの光散乱導光体を散乱せずに透過する確率Ｐｔ（Ｌ）は下記の（９）式で表される。
【００２５】
【数５】
0005537068.tif 000006
【００２６】
反対に光路長Ｌまでに散乱される確率Ｐｓ（Ｌ）は、下記の（１０）式で表される。
【００２７】
【数６】
0005537068.tif 000007
【００２８】
これらの式からわかるように、濁度τを変えることにより、光散乱導光体内での多重散乱の度合いを制御することができる。
【００２９】
以上の関係式により、散乱微粒子のサイズパラメータαと濁度τとの少なくとも１つをパラメータとして、光散乱導光体内での多重散乱を制御可能であり、出射面における出射光強度と散乱角も適正に設定可能である。つまり、図１における光源１０から所定の距離だけ離れた地点の、光源１０の光軸２と、複数のＬＥＤ（第一ＬＥＤ１１、第二ＬＥＤ１２及び第三ＬＥＤ１３）のそれぞれの照射エリアＡ１，Ｂ１，Ｃ１とのズレが補正されるように、散乱微粒子のサイズパラメータαと濁度τとが設定されていれば、色ズレを打ち消し均一にすることが可能になる。
【００３０】
本実施形態によれば、光散乱導光体では、光の吸収を伴わないミクロな不均一構造（粒子）の相対屈折率の大きさを制御でき、その多重散乱効果によって、光を減衰させることなく均一に、かつ特定方向に拡散出射することができる。さらに、レンズ１の出射面全体で光を平均化させて出射するため、グレアを低減することが可能となる。
【００３１】
なお、本発明は上記実施形態に限らず適宜変更可能であるのは勿論である。
例えば、本実施形態では、本発明に係るＬＥＤ用光学素子としてレンズ１を例示して説明したが、これ以外にもＬＥＤ用光学素子としてはリフレクターが挙げられる。
また、上記したように光源１０からの光を１つの光学素子だけ透過させなくとも、複数の光学素子を透過させるようにしてもよい。
【００３２】
［第２の実施の形態］
第１の実施の形態では、ＬＥＤ用光学素子が両凸レンズ（レンズ１）である場合を例示して説明したが、この第２の実施の形態ではＬＥＤ用光学素子が片凸レンズである場合を例示して説明する。
【００３３】
図５は、第２の実施の形態に係るＬＥＤ用光学素子としてのレンズを示す側面図である。図５に示すように、レンズ２０は、片凸レンズであり、平面上に離散的に配置された複数のＬＥＤ（第一ＬＥＤ３１、第二ＬＥＤ３２）からなる光源３０の照射方向前方に配置されている。レンズ２０の凸面には、第一ＬＥＤ３１及び第二ＬＥＤ３２が収容される切欠２１が形成されている。第一ＬＥＤ３１及び第二ＬＥＤ３２は、レンズ２０の光軸２２に対して、直交する方向に沿って光軸２２を挟んで等間隔に配列されている。
【００３４】
レンズ２０をなす光散乱導光体は、例えばポリチルメタクリレート樹脂により形成されている。このポリチルメタクリレート樹脂には、散乱微粒子として粒子径が１〜１０μｍの球状かつ透光性のシリコーン粒子が多数含有されている。
【００３５】
ここで、第一ＬＥＤ３１と第二ＬＥＤ３２との光軸間隔Ｈを１．５ｍｍとし、レンズ２０における切欠２１から当該レンズ２０の出射面２３までの厚みＴを１２ｍｍと仮定する。また、レンズ２の散乱微粒子の直径を２μｍとした場合、当該散乱微粒子の単一散乱半値角θは、図６のグラフにおける相対強度が０．５のときの角度（６．１°）となる。
また、１つの散乱から次の散乱までの平均距離（自由行程）は、濁度τの逆数（１／τ）で表される。そして、厚さＴのレンズ内部での散乱回数Ｎは、Ｎ＝τ・Ｔで表される。この散乱回数Ｎは、０．１以上５０以下であることが好ましい。例えばＮ＝２とすると、レンズ全体での散乱半値角θは、下記の式（１１）に示すように８．６°となる。
【００３６】
【数７】
0005537068.tif 000008
【００３７】
レンズ２０における出射面２３での光線の広がり距離Ｈ１は、Ｈ１＝２Ｔ・ｔａｎθで表されるので、上記により求められた値を代入するとＨ１＝３．６３ｍｍとなる。つまり、出射面２３での光線広がり距離Ｈ１が、第一ＬＥＤ３１と第二ＬＥＤ３２との光軸間隔Ｈのおよそ２．５倍程度となるために、第一ＬＥＤ３１からの光線と、第二ＬＥＤ３２からの光線とが重なり合うことになり、出射面２３から均一に出射され、ムラが補正されることになる。
【符号の説明】
【００３８】
１      レンズ（ＬＥＤ用光学素子）
２      光軸
１０      光源
１１      第一ＬＥＤ
１２      第二ＬＥＤ
１３      第三ＬＥＤ
２０      レンズ（ＬＥＤ用光学素子）
２２      光軸
３０      光源
３１      第一ＬＥＤ
３２      第二ＬＥＤ
【図１】
0005537068.tif 000009
【図２】
0005537068.tif 000010
【図３】
0005537068.tif 000011
【図４】
0005537068.tif 000012
【図５】
0005537068.tif 000013
【図６】
0005537068.tif 000014