(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれの光軸がほぼ一致するように配設された白色ＬＥＤと光学レンズとを有する白色ＬＥＤ照明装置において、
上記白色ＬＥＤは、青色の波長領域にピーク波長を有する光を発光するＬＥＤチップと、上記ＬＥＤチップの発光光に励起されて青色の補色となる黄色あるいは黄緑色の色調の光に波長変換する蛍光体とからなり、
上記光学レンズは、上記白色ＬＥＤからの出射光を導入する光入射部と、外部に光を出射する光放射部とを有し、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、
上記光散乱導光体には、その散乱能において光の短波長領域における散乱効率が光の長波長領域における散乱効率より高くなる所定の粒子径の散乱子が最も多く含まれている
ことを特徴とする白色ＬＥＤ照明装置。
【請求項２】
請求項１に記載の白色ＬＥＤ照明装置において、
前記散乱子の粒子径は、出射光の中心部の色温度Ｔｃと周辺部の色温度Ｔｒとの比に対する、長波長領域における散乱効率Ｑ（Ｒ）と短波長領域における散乱効率Ｑ（Ｂ）との比の関係が、
０．７５＜（Ｑ（Ｂ）／Ｑ（Ｒ））×（Ｔｒ／Ｔｃ）＜１．２５
となる粒径である
ことを特徴とする白色ＬＥＤ照明装置。
【請求項３】
請求項２に記載の白色ＬＥＤ照明装置において、
前記散乱子の粒子径は、２μｍから４．５μｍである
ことを特徴とする白色ＬＥＤ照明装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかに記載の白色ＬＥＤ照明装置において、
光散乱導光体の濁度τと前記光学レンズの厚みＭの積で表わされる散乱回数ｎは、０．１から５０である
ことを特徴とする白色ＬＥＤ照明装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれかに記載の白色ＬＥＤ照明装置において、
前記光入射部は、前記白色ＬＥＤ側に凹形状を有し、
前記凹形状の上面には、凸レンズが配設され、前記凹形状の側面には、前記白色ＬＥＤ側に広がるようにテーパ面が形成されている
ことを特徴とする白色ＬＥＤ照明装置。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれかに記載の白色ＬＥＤ照明装置において、
前記光放射面には、平面レンズ、凸レンズまたは凹レンズが配設されている
ことを特徴とする白色ＬＥＤ照明装置。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれかに記載の白色ＬＥＤ照明装置において、
前記光学レンズの側周面には、前記白色ＬＥＤからの出射光を全反射する湾曲面が形成されている
ことを特徴とする白色ＬＥＤ照明装置。
【請求項８】
青色の波長領域にピーク波長を有する光を発光するＬＥＤチップと、上記ＬＥＤチップの発光光に励起されて青色の補色となる黄色あるいは黄緑色の色調の光に波長変換する蛍光体とからなる白色ＬＥＤと、光軸が一致するように配置される光学レンズにおいて、
上記光学レンズには、上記白色ＬＥＤからの出射光を導入する光入射部と、外部に光を出射する光放射部とを有し、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、
上記光散乱導光体は、光の短波長領域における散乱効率が，光の長波長領域における散乱効率より高くなる粒子径の光散乱粒子が最も多く含まれている
ことを特徴とする光学レンズ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、白色ＬＥＤ照明装置、および光学レンズに関し、特に、照明光の色ムラを軽減することが可能な白色ＬＥＤ照明装置、および光学レンズに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的な照明装置としては、白熱灯や蛍光灯が光源として広く用いられている。しかしながら、今日のＣＯ２削減等の環境問題に配慮した消費電力の少ない光源が望まれている。この要請にこたえる光源として、近年、ＬＥＤ（Light Emitting Diode：発光ダイオード）が注目されている。
【０００３】
ところで、ＬＥＤは、小型で長寿命であるという特徴を有すると同時に、単波長（単色）であるということと、点光源であるため指向性が強いという特徴がある。
【０００４】
また、ＬＥＤ１個あたりの光量が従来の光源に比べると小さく、１台の照明装置に複数のＬＥＤを搭載する必要がため、ダウンライトや足元灯、あるいはスポットライトのような局部的照明装置として有用である。
【０００５】
単色である結果、照明装置の光源として求められる白色光を得るためには、複数の異なる発光色（例えば、青色、赤色、および緑色）のＬＥＤ単色光を混色して白色を作り出したり、または、青色光を発するＬＥＤ素子と青色光を吸収して黄色光を発する蛍光体物質とを組み合わせて疑似白色光を作り出したりするなどの工夫がなされている。この中でも、ＬＥＤ素子も蛍光体も一種類で白色光が得られる、青色発光素子の発光色と黄色蛍光体の蛍光色との混色によって白色光を得る方法が良く用いられている。
【０００６】
ところで、従来の蛍光灯型ダウンライトやダイクロハロゲン電球などでは、光源を反射ミラーにより光学制御し、集光させている。一方、ＬＥＤダウンライトでは、各ＬＥＤにレンズを組み込むことで、既存の光源より高効率に集光制御することができ、かつ、器具の薄型化や小型化も可能になる。
【０００７】
しかしながら、本体に実装されたＬＥＤチップと、このＬＥＤチップの上部に配置される波長変換部材とからなるＬＥＤパッケージに集光レンズを組み込んだ場合、ＬＥＤパッケージの発光構成に起因する出射光の色分離および色ムラが発生する。つまり、青色発光素子の発光色と黄色蛍光体の蛍光色の混色によって得られた白色光をレンズによって集光してスポット照射すると、青系の光の発光波長と黄系から黄緑系の光の発光波長が異なることから、屈折によって照射領域が異なる。その結果、特に照明光の周縁領域に黄色みが強い発光状態が観察されるなどの色ムラが発生し、照明光として見栄えの良い均一な光が得られない。
【０００８】
また、青色発光素子に黄色蛍光体を用いるＬＥＤの構造では、発光素子の直上方向と周辺方向とで、放射されるまでの光路の関係から蛍光体で黄色に変換される割合が異なり、照射光にもその色ムラが観測されるという構造上の問題がある。
【０００９】
そこで、特許文献１には、ＬＥＤからの出射光を入射する入射凹部と発光光を外部に出射する凸部状の中央放射面を有するレンズを形成することで、色ムラのない均一な白色の照明光を提供する技術が提案されている。
【００１０】
また特許文献２には、ＬＥＤからの出射光を入射する凸形状の光入射面と、外部に光を出射する、中央部と外周部とが異なる形状または異なる曲率で構成された凸形状の光出射面を有するレンズを形成することで、色調ムラのない演色性に優れた白色光を提供する技術が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００５−２１６７８２号公報
【特許文献２】特開２００７−１４２１７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
特許文献１および特許文献２の技術において、ＬＥＤ発光部の面積がレンズに対して十分小さい場合には有効に機能する。
【００１３】
しかしながら、ＬＥＤ発光部の面積が大きく、発光部の異なる位置から異なる波長の光が放射されるような場合においては十分に機能するといいがたい。たとえば、複数のＬＥＤをアレイ状に並べたような光源の場合などは光源のサイズも大きく、放射される光も複雑に混ざり合っているため、色ムラを消す効果は不十分である。
【００１４】
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、照明光の色ムラをより軽減させることが可能な白色ＬＥＤ照明装置、および光学レンズを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の第１の側面は、それぞれの光軸がほぼ一致するように配設された白色ＬＥＤと光学レンズとを有する白色ＬＥＤ照明装置において、白色ＬＥＤは、青色の波長領域にピーク波長を有する光を発光するＬＥＤチップと、ＬＥＤチップの発光光に励起されて青色の補色となる黄色あるいは黄緑色の色調の光に波長変換する蛍光体とからなり、光学レンズは、白色ＬＥＤからの出射光を導入する光入射部と、外部に光を出射する光放射部とを有し、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、光散乱導光体には、その散乱能において光の短波長領域における散乱効率が光の長波長領域における散乱効率より高くなる所定の粒子径の散乱子が最も多く含まれていることを特徴とする。
【００１６】
散乱子の粒子径は、出射光の中心部の色温度Ｔｃと周辺部の色温度Ｔｒとの比に対する、長波長領域における散乱効率Ｑ（Ｒ）と短波長領域における散乱効率Ｑ（Ｂ）との比の関係が、０．７５＜（Ｑ（Ｂ）／Ｑ（Ｒ））×（Ｔｒ／Ｔｃ）＜１．２５となる粒径であるようにすることができる。
【００１７】
散乱子の粒子径は、２μｍから４．５μｍであるようにすることができる。
【００１８】
光散乱導光体の濁度τと光学レンズの厚みＭの積で表わされる散乱回数ｎは、０．１から５０であるようにすることができる。
【００１９】
光入射部は、白色ＬＥＤ側に凹形状を有し、  凹形状の上面には、凸レンズが配設され、凹形状の側面には、白色ＬＥＤ側に広がるようにテーパ面が形成されているようにすることができる。
【００２０】
光放射面には、平面レンズ、凸レンズまたは凹レンズが配設されているようにすることができる。
【００２１】
光学レンズの側周面には、白色ＬＥＤからの出射光を全反射する湾曲面が形成されているようにすることができる。
【００２２】
本発明の第２の側面は、青色の波長領域にピーク波長を有する光を発光するＬＥＤチップと、ＬＥＤチップの発光光に励起されて青色の補色となる黄色あるいは黄緑色の色調の光に波長変換する蛍光体とからなる白色ＬＥＤと、光軸が一致するように配置される光学レンズにおいて、光学レンズには、白色ＬＥＤからの出射光を導入する光入射部と、外部に光を出射する光放射部とを有し、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、光散乱導光体は、光の短波長領域における散乱効率が，光の長波長領域における散乱効率より高くなる粒子径の光散乱粒子が最も多く含まれていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、照明光の色ムラをより軽減させることが可能な白色ＬＥＤ照明装置、および光学レンズを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】一般的な白色ＬＥＤの構成例を示す図である。
【図２】ＬＥＤチップが発光した光が白色ＬＥＤから出射される様子を模式的に示す図である。
【図３】白色ＬＥＤ照明装置の例を示す図である。
【図４】光学レンズから出射される出射光の照度分布および照度曲線を表わす図である。
【図５】光学レンズの配光角分布と色温度分布の測定結果を示す図である。
【図６】本発明に係る白色ＬＥＤ照明装置の構成例を示す図である。
【図７】単一真球粒子による強度分布を示すグラフである。
【図８】散乱粒子径と散乱効率の関係を示す図である。
【図９】本発明の光学レンズから出射される出射光の照度分布および照度曲線を表わす図である。
【図１０】本発明の光学レンズの配光角分布と色温度分布の測定結果を示す図である。
【図１１】光学レンズの光学系を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下に本発明の実施の形態を説明するが、本発明の構成要件と、発明の詳細な説明に記載の実施の形態との対応関係を例示すると、次のようになる。この記載は、本発明をサポートする実施の形態が、発明の詳細な説明に記載されていることを確認するためのものである。従って、発明の詳細な説明中には記載されているが、本発明の構成要件に対応する実施の形態として、ここには記載されていない実施の形態があったとしても、そのことは、その実施の形態が、その構成要件に対応するものではないことを意味するものではない。逆に、実施の形態が構成要件に対応するものとしてここに記載されていたとしても、そのことは、その実施の形態が、その構成要件以外の構成要件には対応しないものであることを意味するものでもない。
【００２６】
本発明の第１の側面は、それぞれの光軸がほぼ一致するように配設された白色ＬＥＤ（たとえば、図６の白色ＬＥＤ１）と光学レンズ（たとえば、図６の光学レンズ１１１）とを有する白色ＬＥＤ照明装置（たとえば、図６の白色ＬＥＤ照明装置１０１）において、
白色ＬＥＤは、青色の波長領域にピーク波長を有する光を発光するＬＥＤチップ（たとえば、図１のＬＥＤチップ１２）と、ＬＥＤチップの発光光に励起されて青色の補色となる黄色あるいは黄緑色の色調の蛍光に波長変換する蛍光体（たとえば、図１の蛍光体１３ａ）とからなり、
光学レンズは、白色ＬＥＤからの出射光を導入する光入射部（たとえば、図６の導光体１２１）と、外部に光を出射する光放射部（たとえば、図６の光放射部１２２）とを有し、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、
光散乱導光体には、その散乱能において光の短波長領域における散乱効率が光の長波長領域における散乱効率より高くなる所定の粒子径（たとえば、２μｍまたは３．６μｍ）の散乱子が最も多く含まれている
ことを特徴とする。
【００２７】
光入射部は、白色ＬＥＤ側に凹形状（たとえば、図６の凹形状部１２１ａ）を有し、
凹形状の上面（たとえば、図６の光入射面１２１ｂ）には、凸レンズが配設され、凹形状の側面（たとえば、図６の光入射面１２１ｃ）には、白色ＬＥＤ側に広がるようにテーパ面が形成されるようにすることができる。
【００２８】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００２９】
［白色ＬＥＤにおける色ムラ発生の原理］
白色ＬＥＤにおいて色ムラが発生する原理について説明する。
【００３０】
図１は、一般的な白色ＬＥＤ１の構成例を示す図である。この白色ＬＥＤ１は、凹形状の絶縁基板１１の底面に設けられた導体パターンが形成されたプリント基板に、青色の波長領域にピーク波長を有する光を発光するＬＥＤチップ１２が載設されている。絶縁基板１１の凹部内には、青色光に励起されて青色の補色となる黄色光あるいは黄緑色光に波長変換する蛍光体１３ａが混入された透光性樹脂１３が充填され、ＬＥＤチップ１２等が樹脂封止されて大気から遮断されている。
【００３１】
すなわち白色ＬＥＤ１では、ＬＥＤチップ１２の光の一部が蛍光体１３ａの励起に利用され、ＬＥＤチップ１２からの光（青色）と、蛍光体１３ａからの蛍光（黄緑色）との混色によって白色光が得られる。
【００３２】
このような構成の白色ＬＥＤ１においては、ＬＥＤチップ１２で発光されて蛍光体１３ａが混入された透光性樹脂１３内に導光されて光出射面１ａに至る光の光路および光路長が、ＬＥＤチップ１２で発光される光の出射方向によって異なる。
【００３３】
図２は、ＬＥＤチップ１２が発光した光が白色ＬＥＤ１から出射される様子を模式的に示す図である。すなわちこの例の場合、ＬＥＤチップ１２からＬＥＤチップ１２の光軸Ｘ方向（上方）に出射して光出射面１ａに至る光路を辿る光ａの光路長は、ＬＥＤチップ１２から斜め上方に出射して光出射面１ａに至る光路を辿る光ｂや光ｃの光路長より短くなる。
【００３４】
このような光路長差の違いは、ＬＥＤチップ１２で発光した光が、蛍光体１３ａが混入された透光性樹脂１３内を導光されて光出射面１ａに至るまでの間に蛍光体１３ａによって波長変換される割合に差が生じることを意味する。つまり、短い光路を辿って光出射面１ａに至った光ａは蛍光体１３ａによって波長変換される割合が少ないために青色の色調が強く、長い光路を辿って光出射面１ａに至った光ｂや光ｃは蛍光体１３ａによって波長変換される割合が多いために黄色の色調が強くなる。
【００３５】
このような特性により、この白色ＬＥＤ１は正面方向には青色がかった白色光を放出し、斜め上方には黄色みがかった白色光を放出することになる。すなわち色温度が変わる。
【００３６】
このように白色ＬＥＤ１から出射される光は、ＬＥＤチップ１２により発光された光の蛍光体１３ａを通過する距離により色温度が変わるが、ＬＥＤチップ１２（ＬＥＤ単体）の各場所からは、例えば、半値全角１２０°という広い角度で光が出射されるため、色が混ざって均一的な照射となる。なお半値全角とは、光度が光源の中心軸上の値の半分になる時の角度の２倍のことである。つまり、中心より６０度開いたところは中心の半分の明るさということである。
【００３７】
しかしながら、ダウンライト等の用途では、通常、出射光の配光角を侠角にする必要がある。図３は、透明体で形成される光学レンズ２１を、白色ＬＥＤ１の光の出射方向の上方に配置して、出射光の配光角を狭角する白色ＬＥＤ照明装置の例を示す図である。この例の場合、配光角は、半値全角１５°である。
【００３８】
図３の上段は、白色ＬＥＤ照明装置の断面図であり、図３の下段は、白色ＬＥＤ照明装置の出射光側から見た上面図である。
【００３９】
光学レンズ２１は、その光軸が、白色ＬＥＤ１の光軸と一致するように配置されている。光学レンズ２１は、白色ＬＥＤ１から出射された光を導光させて先端部から出射するように光路を制御する光透過性の導光体３１を有する。
【００４０】
導光体３１には、白色ＬＥＤ１の光出射面１ａと対向する位置に、白色ＬＥＤ１側に凹面を向けた凹形状部３１ａが形成され、その凹形状部３１ａの底面である光入射面３１ｂには凸レンズが配設されている。凹形状部３１ａの光入射面３１ｂは、白色ＬＥＤ１の光出射面１ａから上方に出射した光であって、白色ＬＥＤ１の光出射面１ａの中心部Ｐと光入射面３１ｂの中心部Ｏとを結ぶ直線、および、白色ＬＥＤ１の光出射面１ａの中心部Ｐと光入射面３１ｂの端部Ｑとを結ぶ直線の２つの直線のなす角度である出射角θより小さい光を光学レンズ２１内に導入する。
【００４１】
また凹形状部３１ａの側面の光入射面３１ｃには、白色ＬＥＤ１側に広がるようにテーパ面が形成されている。凹形状部３１ａの光入射面３１ｃは、白色ＬＥＤ１の光出射面１ａから上方に出射した光であって、白色ＬＥＤ１の光出射面１ａの中心部Ｐと光入射面２１ｂの中心部Ｏとを結ぶ直線、および、白色ＬＥＤ１の光出射面１ａの中心部Ｐと光入射面２１ｂの端部Ｑとを結ぶ直線の２つの直線のなす角度である出射角θより大きい光を光学レンズ２１内に導入する。
【００４２】
導光体３１にはまた、その側周面に、白色ＬＥＤ１の光出射面１ａから出射された光を全反射する湾曲面３１ｄが形成されている。
【００４３】
導光体３１には、凹形状部３１ａと対向する位置に、凹形状部３１ａの光入射面３１ｂ，３１ｃ，３１ｄから入射された光を外部に放射する光放射部３２が形成されている。光放射部３２は、平面に形成されるか、あるいは、凸レンズや凹レンズが配設されている。
【００４４】
図４は、図３の白色ＬＥＤ照明装置の光学レンズ２１から出射される出射光の照度分布および照度曲線を表わしている。なお、白色ＬＥＤ１のＬＥＤチップ１２の直径φは、１．０ｍｍであり、白色ＬＥＤ１からの出射直径は、４．３ｍｍである。
【００４５】
図４Ａは、白色ＬＥＤ１の中心部（φ＝１．６ｍｍ）から出射するＬＥＤ光線と蛍光体１３ａからの蛍光（黄緑色）との混色によって得られる白色光が光学レンズ２１に導光され、光学レンズ２１から出射された出射光の１ｍ直下での照度分布を表わしている。また照度分布の下方および右方には、この照度分布におけるＸ軸方向の照度曲線とＹ軸方向の照度曲線がそれぞれ示されている。
【００４６】
図４Ｂは、ＬＥＤチップ１２の中心部から半径０．８ｍｍ〜１．５ｍｍの範囲から出射するＬＥＤ光線と蛍光体１３ａからの蛍光との混色によって得られる白色光が光学レンズ２１に導光され、光学レンズ２１から出射された出射光の１ｍ直下での照度分布を表わしている。また照度分布の下方および右方には、この照度分布におけるＸ軸方向の照度曲線とＹ軸方向の照度曲線がそれぞれ示されている。
【００４７】
図４Ｃは、ＬＥＤチップ１２の中心部から半径１．５ｍｍ〜周辺（４．１５ｍｍ）までの範囲から出射するＬＥＤ光線と蛍光体１３ａからの蛍光との混色によって得られる白色光が光学レンズ２１に導光され、光学レンズ２１から出射された出射光の１ｍ直下での照度分布を表わしている。また照度分布の下方および右方には、この照度分布におけるＸ軸方向の照度曲線とＹ軸方向の照度曲線がそれぞれ示されている。
【００４８】
図４Ｄは、ＬＥＤチップ１２の全領域から出射するＬＥＤ光線と蛍光体１３ａからの蛍光との混色によって得られる白色光が光学レンズ２１に導光され、光学レンズ２１から出射された出射光の１ｍ直下での照度分布を表わしている。また照度分布の下方および右方には、この照度分布におけるＸ軸方向の照度曲線とＹ軸方向の照度曲線がそれぞれ示されている。
【００４９】
図４Ａから図４Ｃに示すように、ＬＥＤチップ１２の周辺から出射される光ほどドーナツ状により広がって照射されることがわかる。また、図４Ｄに示すように、ＬＥＤチップ１２全体からの出射光の照度分布では、中心の照度が強く、周辺に向かって次第に弱くなる分布になっていることがわかる。すなわち、ダウンライト用の照度分布として適した分布になっている。
【００５０】
一方、照度曲線として見ると、ＬＥＤチップ１２の中心部から出射した色温度の高い光線の照度曲線は、図４Ａに示すように、中心付近に強くかたまった曲線になる。これに対して、ＬＥＤチップ１２の周辺部から出射した色温度の低い光線の照度曲線は、図４Ｃに示すように、広い範囲に広がった曲線となる。このことから、ＬＥＤチップ１２により照射される領域には、照度中心がより色温度が高く青白く、周辺ほど色温度が低い黄色みがかった白色になる色ムラが生じる。
【００５１】
図５は、光学レンズ２１の配光角分布と色温度分布の測定結果を示す図である。この測定において光学レンズ２１からの１／２ビーム角は１３度である。ビーム角とは、ある光度の等しい２点が、中心に対して広がっている角度を表わし、１／２ビーム角とは、中心に比べて明るさが半分になる角度のこと、つまり、１／２ビーム角が１３度の場合、中心より１３度開いたところは、中心の半分の明るさということである。なお、１／２ビーム角は、半値全角ともいう。
【００５２】
図５において、縦軸は、輝度および相関色温度を表わし、横軸は、配光角を表わしている。Ｘ１は、輝度曲線であり、Ｙ１は、相関色温度曲線である。
【００５３】
図５に示す測定結果でも、色温度分布は、中心部がほぼ５２００Ｋであり、周辺部がほぼ３５００Ｋであり、中心部は周辺部に比べ色温度が高くなっている。
【００５４】
このように、光学レンズ２１を用いて白色ＬＥＤ１が発光する光を絞ると、このように、出射光の中心部と周辺部に色温度差が生じ、色ムラが発生する。
【００５５】
［本発明の実施の形態としての白色ＬＥＤ照明装置について］
図６は、本発明に係る白色ＬＥＤ照明装置１０１の構成例を示す図である。図６の上段は、白色ＬＥＤ照明装置１０１の断面図であり、図６の下段は、白色ＬＥＤ照明装置１０１の出射光側から見た上面図である。
【００５６】
白色ＬＥＤ照明装置１０１は、白色ＬＥＤ１と光学レンズ１１１からなる。光学レンズ１１１は、図３の光学レンズ２１の導光体３１と同様の形状を有する。すなわち光学レンズ１１１の導光体１２１は、光学レンズ２１の凹形状部３１ａに相当する凹形状部１２１ａを有し、凹形状部１２１ａには、凹形状部３１ａの光入射面３１ｂに相当する光入射面１２１ｂ、光入射面３１ｃに相当する光入射面１２１ｃが形成されている。
【００５７】
したがって光入射面１２１ｂは、白色ＬＥＤ１の光出射面１ａから上方に出射した光であって、白色ＬＥＤ１の光出射面１ａの中心部Ｐと光入射面１２１ｂの中心部Ｏとを結ぶ直線、および、白色ＬＥＤ１の光出射面１ａの中心部Ｐと光入射面１２１ｂの端部Ｑとを結ぶ直線の２つの直線のなす角度である出射角θより小さい光を導光体１２１内に導入する。これに対し、光入射面３１ｃは、白色ＬＥＤ１の光出射面１ａから上方に出射した光のうち、出射角θより大きい光を導光体１２１内に導入する。
【００５８】
導光体１２１にはまた、光学レンズ２１の湾曲面３１ｄに相当する湾曲面１２１ｄが形成されている。
【００５９】
導光体１２１には、光学レンズ２１の光放射部３２に相当する光放射部１２２が形成されている。導光体１２１内に導入された光は、光放射部１２２から出射される。
【００６０】
[導光体１２１を構成する光散乱導光体について］
導光体１２１は、白色ＬＥＤ１の光出射面１ａから出射される光の光軸を中心とする回転体形状で構成され、透明樹脂に散乱能を与えられた光散乱導光体（光を散乱させるための微小な散乱粒子が混錬分散された導光体）である。
【００６１】
光散乱導光体に用いられる透明樹脂の材料としては、例えば、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＰ（ポリプロピレン）、ＰＣ（ポリカーボネート）、ＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）、ベンジルメタクリレート、ＭＳ樹脂、あるいはＣＯＰ（シクロオレフィンポリマー）のような光学的に透明な樹脂が挙げられる。光散乱導光体に混錬分散させる散乱微粒子としては、１〜１０μｍの、トスパール、シリコーン、シリカ、ジルコニア、誘電体ポリマ等の粒子が用いられている。
【００６２】
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。光学レンズ１１１の導光体１２１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。
【００６３】
散乱微粒子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散乱理論は、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。光散乱粒子に相当す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）式で表され、散乱効率Ｋ（Ａ）は、下記（２）式で表わされる。Αは、散乱微粒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（散乱微粒子）の半径ｒに相当する量であって、下記（３）式で表わされる。角度Θは散乱角で、入射光の進行方向と同一方向をΘ＝１８０°にとる。
【００６４】
また、（１）式中のｉ１、ｉ２は、下記（４）式で表される。そして、（２）〜（４）式中の下添字ν付のａおよびｂは、下記（５）式で表される。上添字１および下添字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。
【００６５】
【数１】
0005562047.tif 000002
【００６６】
図７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７では、原点Ｇの位置に散乱微粒子としての真球粒子があり、下方から入射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Ｇ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７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７では僅かな強度差として見える部分が、実際には非常に大きな差となる。
【００６７】
この図７に示すように、サイズパラメータΑが大きくなればなるほど（ある波長λで考えた場合は真球粒子の粒径が大きくなればなるほど）、上方（照射方向の前方）に対して指向性が高い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、媒体および散乱微粒子の相対屈折率ｍとをパラメータとして制御することができる。なお、導光体１２１は、前方散乱が大きいものとなっている。
【００６８】
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。
【００６９】
【数２】
0005562047.tif 000003
【００７０】
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Ｉｏ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。
【００７１】
【数３】
0005562047.tif 000004
【００７２】
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。
【００７３】
【数４】
0005562047.tif 000005
【００７４】
（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。
【００７５】
【数５】
0005562047.tif 000006
【００７６】
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。
【００７７】
【数６】
0005562047.tif 000007
【００７８】
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。この濁度τとレンズ内部の厚さＭによって表わされる散乱回数（多重散乱の度合い）ｎは、０．１＜τ・Ｍ（＝ｎ）＜５０が選択される。
【００７９】
以上の関係式により、散乱効率Ｋ（Ａ）は、散乱子の半径ｒと波長λの比（ｒ／λ）の関数となっている。すなわち、ある波長の光の散乱効率を、散乱子の粒径によって制御することができる。
【００８０】
また、散乱効率で数値化される散乱の度合いは、各光線波長によっても異なる。図８は、光の３原色である青（Ｂ）、緑（Ｇ）、赤（Ｒ）にそれぞれ発光スペクトルの代表ピーク（４５０ｎｍ、５５０ｎｍ、６５０ｎｍ）を有する光を導光する場合においての、散乱効率Ｑ（λ）と散乱微粒子の散乱粒子径との関係を示す図である。同図において、縦軸は、散乱効率を表わし、横軸は、散乱微粒子の散乱粒子径を表わしている。
【００８１】
図８に示すように、色別の散乱効率は、１から立ち上がり、ある散乱粒子径でピークを打った後、振動曲線を描くが、その振動波形は、Ｂ、Ｇ、Ｒの順に位相遅れがある。
【００８２】
散乱粒子径が５μｍ以下の範囲では、常に短波長側の光の散乱効率の方が高く、青色光線の方が赤色光線より強く散乱されやすい。しかし、散乱粒子径がさらに大きくなると散乱効率が振動し始め、ある範囲、例えば、８から１１μｍの範囲では、長波長側の光の散乱効率の方が高く、赤色光線の方が青色光線より強く散乱されやすくなり、散乱効率の波長依存性が逆転する。
【００８３】
すなわち、この特性は、散乱粒子径が５μｍ以下の範囲では、光散乱導光体の光学レンズ１１１に導光される光のうち、散乱せずに透過する透過光が黄色い白色になり、散乱される散乱光が青白い白色になることを意味する。一方、散乱粒子径が８から１１μｍの範囲では、光散乱導光体レンズに導光される光のうち、散乱せずに透過する透過光が青白い白色になり、散乱される散乱光が黄色い白色になることを意味する。また、ある特定の範囲、図８の例の場合、散乱粒子径が６．５μｍ付近では、散乱効率がほぼ同じ値であり、透過光と散乱光の色温度がほぼ同じになる。
【００８４】
[光散乱導光体の散乱子粒径について］
本実施の形態では、上述した特性を利用し、光の波長に応じて散乱粒子径の大きさを選択することにより、光散乱導光体内での多重散乱を制御し、散乱光と透過光を適正に色制御することによって、白色ＬＥＤ照明装置１０１における色ムラを軽減するものである。
【００８５】
たとえば、光学レンズ１１１の導光体１２１と同じ形状を有する光学レンズ２１の導光体３１（図４）からの出射光の中心部の色温度Ｔｃと周辺部の色温度Ｔｒとの比に対する、長波長領域における散乱効率Ｑ（Ｒ）と短波長領域における散乱効率Ｑ（Ｂ）との比の関係が、０．７５＜（Ｑ（Ｂ）／Ｑ（Ｒ））×（Ｔｒ／Ｔｃ）（＝ｋ）＜１．２５となる粒径の散乱子により、導光体１２１が形成される。なお、Ｑ（Ｂ）は青色光で代表される短波長可視領域における散乱効率、Ｑ（Ｒ）は赤色光で代表される長波長可視領域における散乱効率である。その結果、短波長側の青色光線の方が長波長側の赤色光線より、より強く散乱される。
【００８６】
すなわち図４における光学レンズ２１は、レンズの透過光が青く、散乱光が黄色くなっていることと等価であるため、本実施の形態の光学レンズ１１１では、光散乱導光体の散乱粒子径として、逆の特性を持つものを選択すれば良い。従って、たとえば、光学レンズ２１からの出射光の中心部の色温度Ｔｃ＝５２００Ｋとし、周辺部の色温度Ｔｒ＝３５００Ｋとし、Ｔｒ／Ｔｃ＝０．６７とした場合、図８から、Ｑ（Ｂ）／Ｑ（Ｒ）＝１．６となる散乱粒子径（３．６μｍ）が選択され、その粒子径を有する散乱粒子材料により光学レンズ１１１の導光体１２１が形成される。
【００８７】
[白色ＬＥＤ照明装置１０１の色ムラについて］
このような理論に基づいて選択された粒子径を有する散乱粒子材料により光学レンズ１１１の導光体１２１を形成することにより、中心の青白い短波長の光が、導光体１２１を導光する間に、より強く散乱され、図４に示したような色ムラが軽減される。すなわち、たとえば、ダウンライトとして演色性に優れた白色光が形成される。いまの場合、長波長領域における散乱効率Ｑ（Ｒ）と短波長領域における散乱効率Ｑ（Ｂ）との関係は、（Ｑ（Ｂ）／Ｑ（Ｒ））×（Ｔｒ／Ｔｃ）＝１．１（＝ｋ）になる。
【００８８】
なお所定の粒子径を有する散乱粒子材料により導光体１２１が形成されるとは、たとえば、その粒子径が最も多く存在する散乱粒子材料により導光体１２１が形成されることを意味する。
【００８９】
図９は、この光学レンズ１１１から出射される出射光の照度分布および照度曲線を表わす図である。
【００９０】
図９の例では、光散乱導光体で構成される光学レンズ１１１を設置して、レンズ出射光の配光角が、例えば、半値全角１５°の狭角にした場合における、光学レンズ１１１から出射される出射光の照度分布および照度曲線を表わしている。なお、白色ＬＥＤ１のＬＥＤチップ１２の直径φは、１．０ｍｍであり、白色ＬＥＤ１からの出射直径は、４．３ｍｍである。
【００９１】
図９Ａは、白色ＬＥＤ１の中心部（φ＝１．６ｍｍ）から出射するＬＥＤ光線と蛍光体１３ａからの蛍光（黄緑色）との混色によって得られる白色光が光学レンズ１１１に導光され、光学レンズ１１１から出射された出射光の１ｍ直下での照度分布を表わしている。また照度分布の下方および右方には、この照度分布におけるＸ軸方向の照度曲線とＹ軸方向の照度曲線がそれぞれ示されている。
【００９２】
図９Ｂは、ＬＥＤチップ１２の中心部から半径０．８ｍｍ〜１．５ｍｍの範囲から出射するＬＥＤ光線と蛍光体１３ａからの蛍光との混色によって得られる白色光が光学レンズ１１１に導光され、光学レンズ１１１から出射された出射光の１ｍ直下での照度分布を表わしている。また照度分布の下方および右方には、この照度分布におけるＸ軸方向の照度曲線とＹ軸方向の照度曲線がそれぞれ示されている。
【００９３】
図９Ｃは、ＬＥＤチップ１２の中心部から半径１．５ｍｍ〜周辺（４．１５ｍｍ）までの範囲から出射するＬＥＤ光線と蛍光体１３ａからの蛍光との混色によって得られる白色光が光学レンズ１１１に導光され、光学レンズ１１１から出射された出射光の１ｍ直下での照度分布を表わしている。また照度分布の下方および右方には、この照度分布におけるＸ軸方向の照度曲線とＹ軸方向の照度曲線がそれぞれ示されている。
【００９４】
図９Ｄは、ＬＥＤチップ１２の全領域から出射するＬＥＤ光線と蛍光体１３ａからの蛍光との混色によって得られる白色光が光学レンズ１１１に導光され、光学レンズ１１１から出射された出射光の１ｍ直下での照度分布を表わしている。また照度分布の下方および右方には、この照度分布におけるＸ軸方向の照度曲線とＹ軸方向の照度曲線がそれぞれ示されている。
【００９５】
図９Ｃに示すように、ＬＥＤチップ１２の周辺から出射された光は、図４Ｃに示した光学レンズ２１を使用した場合に比べ、より拡散され、照射面全体になだらかに広がっていることがわかる。
【００９６】
また、図９Ｄに示すように、ＬＥＤチップ１２の全領域からの出射光の照度分布では、図４Ｄに示した光学レンズ２１を使用した場合に比べ、各場所からの光が拡散されて、色ムラが軽減されていることがわかる。
【００９７】
一方、照度曲線として見ても、ＬＥＤチップ１２の中心部から出射した色温度の高い光線の照度曲線が、図４Ａに示した光学レンズ２１を使用した場合に比べ、なだらかになっており、また、ＬＥＤチップ１２の周辺部から出射した色温度の低い光線の照度曲線も、図４Ｃに示した光学レンズ２１を使用した場合に比べ、やはり、なだらかな曲線になっていることから、色ムラが軽減されていることがわかる。
【００９８】
図１０は、白色ＬＥＤ照明装置１０１の光学レンズ１１１の配光角分布と色温度分布の測定結果を示す図である。この測定において、光学レンズ１１１からの１／２ビーム角は１７度である。つまり、中心より１７度開いたところが、中心の半分の明るさということである。また、光学レンズ１１１の厚みを１２ｍｍとし、散乱微粒子の散乱粒子径を３．６μｍとする。さらに、光散乱導光体の濁度τと光学レンズ１１１の厚みＭで表わされる散乱回数ｎは、ｎ＝τ・Ｍ＝１．１６である。
【００９９】
図１０において、縦軸は、輝度および相関色温度を表わし、横軸は、配光角を表わしている。Ｘ２は、輝度曲線であり、Ｙ２は、相関色温度曲線である。
【０１００】
図１０に示す測定結果では、色温度分布は、中心部の色温度も周辺部の色温度もほぼ３６００Ｋであり、色温度差が緩和され、均一に照射されていることがわかる。
【０１０１】
［発明の実施の形態における効果］
以上のように、光散乱導光体の長波長と短波長における散乱効率のバランスを図るような光散乱導光体の散乱粒子径を選択することにより、出射効率の低下を最小限に抑え、かつ、配光角をほぼ変えることなく、色温度ムラを補正し、色調ムラの少ない演色性に優れた均一な白色光を照射することが可能となる。
【０１０２】
なお白色ＬＥＤとしては、通常、複数のＬＥＤチップによって１個の白色ＬＥＤが形成されることがある。この場合、１個のＬＥＤチップの場合に比べ、青色光が発光される方向はばらつく。しかしながら、そのような場合でも、導光体１２１全体の光散乱を制御するようにしたので、そのように青色光が発光される方向がばらつく場合でも、色ムラを軽減することができる。
【０１０３】
［変形例］
１．なお、上述において、単一粒径の散乱微粒子を選択するようにしているが、本実施の形態はこれに限定されず、複数粒径の散乱微粒子を混合して用いるようにしても良い。
【０１０４】
２．また、以上においては、青色光の散乱効率Ｑ（Ｂ）が赤色光の散乱効率Ｑ（Ｒ）を大きく上回り、青色光が赤色光に比べて強く散乱される、３．６μｍ付近の散乱粒子径を選択することで、照射光の中心部が青白く、周辺部が黄色みがかった白色の色温度ムラおよび色調ムラを軽減するようにした。しかしながら散乱粒子径に限らず、図４の例では、５μｍ以下のものであれば、他の粒子径（たとえば、２から４．５μｍの粒子径）でもよい。ただし、青色の散乱効率の、緑色または赤色の散乱効率に対する比がより大きい方が効果的である。
【０１０５】
３．また、白色ＬＥＤ１から発光される光の色温度の差は、ＬＥＤチップ１２を構成するＬＥＤ特性、蛍光体１３ａの蛍光特性、または蛍光体を含む樹脂１３等によって異なる。したがって、たとえば、白色ＬＥＤ１のそれらの特性等によっては、照射光の中心部が赤みがかった白色で、周辺部が青白い色温度ムラおよび色調ムラが生じる場合もあり得る。このような色ムラに対しては、たとえば、赤色光の散乱効率Ｑ（Ｒ）が青色光の散乱効率Ｑ（Ｂ）を大きく上回り、赤色光が青色光に比べて強く散乱される、例えば、９．０μｍ付近の散乱粒子径を選択することができる。
【０１０６】
４．また以上においては、光散乱導光体の長波長と短波長における散乱効率のバランスを図るような光散乱導光体の散乱粒子径を選択することにより、色ムラを軽減するようにしたが、多重散乱現象を制御して、色ムラを軽減させることもできる。すなわち、濁度τを変えることにより、色ムラを軽減させることもできる。
【０１０７】
５．また以上においては、光学レンズ１１１の導光体１２１が、図６に示した形状を有する場合を例として説明したが、他の形状であってもよい。なお図６に示した導光体１２１の形状では、図１１に示すように、周辺方向に発光された光も、取り込まれるので、黄色い色ムラが生じやすい。したがって、この形状では、色ムラ軽減の効果を得ることができる。
【０１０８】
６．この発明は、上記実施の形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化したり、上記実施の形態に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせたりすることにより種々の発明を形成できる。例えば、実施の形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施の形態に亘る構成要素を適宜組み合わせても良い。
【符号の説明】
【０１０９】
１  白色ＬＥＤ
１２  ＬＥＤチップ
１３ａ  蛍光体
１０１  白色ＬＥＤ照明装置
１１１  光学レンズ
１２１  導光体
１２１ａ  凹形状部
１２１ｂ  光入射面
１２１ｃ  光入射面
１２１ｄ  湾曲面
１２２  光放射面
【図１】
0005562047.tif 000008
【図２】
0005562047.tif 000009
【図３】
0005562047.tif 000010
【図５】
0005562047.tif 000011
【図６】
0005562047.tif 000012
【図７】
0005562047.tif 000013
【図８】
0005562047.tif 000014
【図１０】
0005562047.tif 000015
【図１１】
0005562047.tif 000016
【図４】
0005562047.tif 000017
【図９】
0005562047.tif 000018