(57)【要約】【課題】狭い配光角を実現でき、且つ発光面（光出射部）が大きさを持つ光源に適用しても色ムラや色分かれを生じにくい光学素子及びそれを用いた照明装置を提供する。【解決手段】凹部Ｃ入射側面における光軸方向に互いにシフトした任意の２点の座標をＰ１（Ｐｘ１、Ｐｚ１），Ｐ２（Ｐｘ２、Ｐｚ２）し、以下の式を満たす。Ｐｘ１＜Ｐｘ２      （１）Ｐｚ１＞Ｐｚ２      （２）α１＞α２      （３）  ただし、光軸を、入射面から出射面に向かってプラス方向としたＺ軸とし、光軸に直交する軸を、光軸から離れる方向をプラス方向としたＸ軸とし、点Ｐ１を通り前記入射側面に垂直な法線と光軸との成す角をα１（°）とし、点Ｐ２を通り前記入射側面に垂直な法線と光軸との成す角をα２（°）とする。【選択図】図１
2014130212.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源からの出射光を透過することにより、被照射面を照明するための光学素子であって、
入射底面と入射側面を有する入射面と、前記入射面から入射した入射光を全反射させる側面と、被照射面に向かって光を出射する出射面とを有し、
前記光学素子の光軸を通る断面をとったとき、前記入射側面上の任意の２点の座標をＰ１（Ｐｘ１、Ｐｚ１），Ｐ２（Ｐｘ２、Ｐｚ２）とし、以下の式を満たす少なくとも１つのＰ１、Ｐ２の組合せが存在することを特徴とする光学素子。
Ｐｘ１＜Ｐｘ２      （１）
Ｐｚ１＞Ｐｚ２      （２）
α１＞α２      （３）
ただし、光軸を、入射面から出射面に向かってプラス方向としたＺ軸とし、光軸に直交する軸を、光軸から離れる方向をプラス方向としたＸ軸とし、点Ｐ１を通り前記入射側面に垂直な法線と光軸との成す角をα１（°）とし、点Ｐ２を通り前記入射側面に垂直な法線と光軸との成す角をα２（°）とする。
【請求項２】
前記出射面に拡散面を設けたことを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
【請求項３】
前記拡散面は、微小な凹凸形状をアレイ状に配置してなることを特徴とする請求項２に記載の光学素子。
【請求項４】
前記入射面に対向して、面発光光源を配置したことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光学素子。
【請求項５】
前記面発光光源は、２色以上を同時に発光する異なる複数色の発光部を有することを特徴とする請求項４に記載の光学素子。
【請求項６】
前記光学素子の光軸を通る断面をとったとき、前記凹部の入射側面は複数の直線により表されることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の光学素子。
【請求項７】
前記複数の直線の交点のいずれか少なくとも１つは、前記凹部の深さを１としたときに、前記凹部の入口から７／１０以下の位置にあることを特徴とする請求項６に記載の光学素子。
【請求項８】
前記凹部の入射側面を形成するいずれか２つの直線の交点が、前記光源の光出射部と前記光学素子の光軸との交点を基準に，光軸に対して３０〜７０度以内に存在することを特徴とする請求項６又は７に記載の光学素子。
【請求項９】
前記凹部の入射側面を形成するいずれかの直線が前記光学素子の光軸と成す角度は、3〜10度であることを特徴とする請求項６〜８のいずれかに記載の光学素子。
【請求項１０】
前記光学素子の光軸を通る断面をとったとき、前記凹部の入射側面は曲線からなることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の光学素子。
【請求項１１】
前記光学素子の側面は、放物面を基本とした形状であることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の光学素子。
【請求項１２】
前記光学素子の周辺部にフランジ部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光学素子。
【請求項１３】
前記光学素子は樹脂製であることを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載の光学素子。
【請求項１４】
請求項１〜１３のいずれかに記載の光学素子と、光源とを有することを特徴とする照明装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学素子及び照明装置に関し、特にダウンライトやスポットライトなど指向性が高い照明装置及びそれに用いる光学素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
光源から出射された光束を制御して被照射面を照明する場合、レンズやミラーなどの光学素子が用いられることが多い。このような光学素子は、光源からの光を制御し、目的に適合した光束を作り出す機能を有する。例えばLEDのようなランバーシアンに近い配光分布を有する光源からの光は、そのままでは照明として扱いにくいので、光学素子を透過させることにより広げたり、または狭めたりするために用いられる。
【０００３】
ここで、ダウンライト等の用途として集光作用を与える場合によく用いられるのが、特許文献１，２などに開示された、屈折作用と全反射作用を併せ持つ光学素子である。特に全反射面を有する光学素子を用いることで、作りやすくコストが安く、光量ロスなく光束の角度を揃えることが容易となる。しかし、光源のニアフィールド輝度分布が色ムラを持っている場合、特に、光源の発光面（光出射部）がある大きさを持っており、点光源とはみなせない場合には、上記のような集光作用のある光学素子を用いると、被照射面上で光源の像が形成されてしまうという問題がある。一般的に、光源の最大寸法Ｌに対して、光学素子における、光が最初に入射する入射側の光学面が光源（光出射部）から５Ｌ以内の範囲に設置される場合に、上記の現象が生じやすいとされる。このような光源が色ムラを有している場合、または多色光源の場合、または蛍光体の励起作用による疑似白色光源などでは、被照射面上で色ムラや色分かれが生じてしまい、特に暗闇などで人間が目で観察したときに目立ってしまうことは明らかである。当然実使用上はこのような色ムラや色分かれは望ましくない。尚、本明細書中、「色ムラ」とは、被照射面に形成される異なる色の光源の像をいい、一般的には光軸周辺に発生するものをいう。又、「色分かれ」とは、被照射面において混色が不十分である状態をいい、一般的には照明光の周縁に発生しやすいものである。特に、色分かれは、照明光の周縁という暗い領域に発生しやすいので、目立ちやすいという特徴がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４９９３４３４号明細書
【特許文献２】特許第４１７９１７６号明細書
【特許文献３】特許第５０３０９３８号明細書
【特許文献４】特開２００９−２６６５２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、光学素子の光学面に、光線を散乱、拡散させる作用を有する構造を設けることで、色ムラを低減するという技術思想がある。このような構造としては、例えば光学面に粗し加工やシボ加工を施したり、同一形状を２次元的に配列したアレイ形状を設けたものなどが考えられる。特に上述のような機能を持つ光学素子においては、かかる構造を出射面に設けることで、光源の像が被照射面に形成されることを防ぐことができる。
【０００６】
しかるに、ダウンライトやスポットライト用途などの照明装置においては、出射光の指向性を高めるべく配光角を狭くする必要があり、そのため光源からの光束を制御して、光学素子から出射される光束の光強度分布（配光分布）を狭くしていくと、光学素子の光学面に光線を散乱、拡散させる作用を有する構造を設けても、今度は被照射面上でスポット周縁の色分かれ（色分離）が生じてしまうという問題が生じる。特に、スポット照明装置などの配光角が狭い照明装置であっても従来実施されなかった複数色の光源を用いたスポット照明装置が望まれる場合が出てきたが、このような場合は同時に複数色を発光させて１つの色（具体的には複数の色を用いた擬似白色等）をつくる場合がある。このような場合、１つの光源の単色のスポットに対して周縁の色分かれの問題はより顕著となることがわかってきた。このような現象が生じる理由として、以下のことが考えられる。従来のように１つの光源の単色スポットであれば非照射面において中心部分から外れた光であっても色が１つであるので色のムラは生じない。しかし同時に複数色を発光させて１つの色をつくる場合、中心は複数の色が混ざり合い１つの色（例えば擬似白色）が非照射面に照射されることとなり希望の色で照明することができるが、光軸から遠くはなれた非照射面にあたる光の一部が中心のように光が混ざりあわず、希望する色（例えば擬似白色）にならない場合があるためである。このような場合中心の色と周辺の色が異なることとなり色のムラ（色分かれ）が発生しやすくなる。更に配光分布が狭いほど、また光源の光出射部が面積を有するほど、色分かれが顕著に生じる傾向がある。
【０００７】
これに対し、特許文献３には、入射側の面に凸部を設けることで色ムラを抑制することができる旨の開示があるが、配光角を決定するのは全反射面によって反射された光束の射出角度であり、この構成では全反射する光線に対して何ら対策を講じていない為、色ムラ（光源の像）のない狭角の配光を得ることができるとは言いがたい。また、色分かれを防ぐ手段については、何ら開示されていない。
【０００８】
一方、特許文献４には、拡散機能を有する光学面を用いた色ムラ対策の技術思想が示されているが、この技術のみでは、全反射する光線と、そうでない光線の拡散度合いによる切り分けしかできず、全反射光線によりスポット周縁に発生する色分かれを防ぐことは難しいといえる。
【０００９】
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、狭い配光角を実現でき、且つ発光面（光出射部）が大きさを持つ光源に適用しても色ムラや色分かれを生じにくい光学素子及びそれを用いた照明装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１に記載の光学素子は、光源からの出射光を透過することにより、被照射面を照明するための光学素子であって、
入射底面と入射側面を有する入射面と、前記入射面から入射した入射光を全反射させる側面と、被照射面に向かって光を出射する出射面とを有し、
前記光学素子の光軸を通る断面をとったとき、前記入射側面上の任意の２点の座標をＰ１（Ｐｘ１、Ｐｚ１），Ｐ２（Ｐｘ２、Ｐｚ２）とし、以下の式を満たす少なくとも１つのＰ１、Ｐ２の組合せが存在することを特徴とする。
Ｐｘ１＜Ｐｘ２      （１）
Ｐｚ１＞Ｐｚ２      （２）
α１＞α２      （３）
ただし、光軸を、入射面から出射面に向かってプラス方向としたＺ軸とし、光軸に直交する軸を、光軸から離れる方向をプラス方向としたＸ軸とし、点Ｐ１を通り前記入射側面に垂直な法線と光軸との成す角をα１（°）とし、点Ｐ２を通り前記入射側面に垂直な法線と光軸との成す角をα２（°）とする。
【００１１】
図１は、本発明の原理を説明するための図である。図１では、光軸ＯＡを通る断面において光源ＬＳと光学素子ＯＥの一部を示しており、入射面については入射底面L3と一例として、入射側面C上の任意の２点の座標をＰ１（Ｐｘ１、Ｐｚ１），Ｐ２（Ｐｘ２、Ｐｚ２）としたとき、点Ｐ１とP２はＰｘ１＜Ｐｘ２、Ｐｚ１＞Ｐｚ２を満足する。また、ここでいう光軸ＯＡとは光学素子ＯＥの中心を通る軸のことである。ただし、光軸ＯＡを、入射面から出射面に向かってプラス方向としたＺ軸とし、光軸に直交する軸を、光軸から離れる方向をプラス方向としたＸ軸とする。
【００１２】
更に、点Ｐ１を通り凹部Ｃの入射側面に垂直な法線ＮＬ１と光軸との成す角をα１（°）、点Ｐ２を通り凹部Ｃの入射側面に垂直な法線ＮＬ２と光軸との成す角をα２（°）とした場合、α１＞α２を満足する。尚、０．８５≦α２／α１＜１を満たすと、より好ましい。
【００１３】
ここで、光源ＬＳが点光源とみなせず、その発光面（光出射部）がある面積を有している場合、光源ＬＳの中心から出射された光束ＬＢ１と、光源ＬＳの中心から最も離れた箇所から出射された光束ＬＢ２とでは、例え同一出射角βでも入射面への入射位置（Ｐ３，Ｐ４）が異なる。また例え同一入射位置でも、側面が完全な放物面で形成されていても、光線は全反射されたのちに被照射面への到達位置が異なる。
【００１４】
仮に凹部Ｃの入射側面が単一の直線で表されるとした場合、光源ＬＳの光出射部ＲＰの中心から凹部Ｃの入射側面までの距離よりも、光源ＬＳの光出射部ＲＰの周辺から凹部Ｃの入射側面までの距離の方が短くなる。従って、光出射部ＲＰ中心から離れた出射位置からの光線群ほど、凹部の入口側を通過しやすいのであるが、光出射部ＲＰがある程度の面積を有している光源ＬＳの場合その傾向が一層強くなる。加えて、光軸近傍から出射された光線と、光軸から離れた位置から出射された光線とは、凹部Ｃに入射したときに同じ屈折角を持って屈折するから、光軸に対して直交する方向の発光点位置ズレはそのまま被照射面上の集光点位置ズレとなり、光学素子の側面で全反射されたのちに、光軸に近い出射光は内側（光軸中心側）に向き、光軸から遠い側の出射光は外側（光軸から離れる側）に向く傾向が高まる。色分かれは光学素子出射後の角度の揃った光線群により生じてしまう。なお、ここで言う屈折角とは、光出射部から同一角度で出射された光線に対する入射側面における屈折角のことである。
【００１５】
特に、スポットライトやダウンライトのようなファーフィールドの配光分布が非常に狭い（指向性が強い）照明装置用の光学素子では、上述の特性を持つ場合、被照射面上において、光軸付近の照度は非常に高くなるが、光軸から離れるに従って照度は急激に減少することとなる。ゆえにスポットの周縁ほど照度が低く暗く、色分かれが目立ってしまう。つまり、光源中心から離れた箇所から出射された光線群ほど被照射面上において光軸から離れた場所に到達するため、色分かれが目立ってしまうのである。一般的にLED光源はランバーシアン型の発光特性を有するため、光源中心から離れた箇所から出射された光線でも出射角度によっては強度は弱くはならないので、より色分かれが目立つことになる。かかる不具合は、出射面に拡散作用を持たせても、拡散作用が弱ければ傾向は変わらない。
【００１６】
図面に基づいて、より具体的に説明すると、例えば面発光光源ＬＳと、光軸に対称である放射状の光学素子の反射面ＭＲとの断面を示す図３１（ａ）において、光源ＬＳの中心Ｏから出射された光線群のうち反射面ＭＲにて反射された光は、そのまま真上に（光軸ＯＡに沿って）集中して出射するが、光軸から直交する方向に距離を持った点ＧＰからは、その距離を持った方向（方向A）に傾いた光線群（実線）が出射するので、これらが反射面ＭＲで反射した後、光軸から離れた方向に集中するようになる。このように、角度がほぼ揃った光線が照度の弱い個所に集中するため、複数色を同時に発光させている場合特に色分かれが目立って見えてしまうのである。
【００１７】
かかる点に着目した本発明者は、ファーフィールドの配光分布が非常に狭い光学素子において、光線が通過する凹部の入口側に何らかの工夫をすることで、色分かれを抑制できないかと研究を重ねた。そして、図１に示すように、Ｐｘ１＜Ｐｘ２と、Ｐｚ１＞Ｐｚ２と、α１＞α２とを満足することで、色分かれを抑制できることを見いだしたのである。より具体的には、Ｐｘ１＜Ｐｘ２と、Ｐｚ１＞Ｐｚ２と、α１＞α２とを満足すれば、光学素子のある点から出射される光線群の角度をばらけさせることができ、光源中心から離れた箇所から出射された光線群は、まず、より近い側の凹部Ｃ入射側面に到達する光線群の一部については、光軸に対する傾斜角が比較的大きな入口側の面に入射するので、屈折角が小さくなり、それに側面での全反射を組み合わせることで、より被照射面上で光軸から離れるような配光特性になる。更に反対側の、より遠い側の凹部Ｃの入射側面に到達する光線群の一部については、光軸に対する傾斜角が比較的大きな入口側の面に入射するので、屈折角が小さくなり、それに側面での全反射を組み合わせることで、より被照射面上で光軸に近づくような配光特性になる。つまり、これらの効果を合わせることで、集中しがちであった光軸から離れた場所（スポット周縁）に到達する光線群を散らすことが出来、色分かれを抑制できるのである。なお、ここでいう前記入射面から入射した入射光を全反射させる側面とは、前記入射面から入射した全ての光線を全反射させるわけではない。主に凹部Ｃの入射側面を通過した光線の大部分（例えば凹部Ｃの入射側面を通過した入射光の９０％以上）について全反射させる作用を有する。
【００１８】
図面に基づいて、より具体的に説明すると、図３１（ｂ）に示すように、光軸ＯＡから直交する方向に距離を持った点ＧＰから出射される光線の一部の角度を、何らかの手段で変えてやることで、光束群の角度は揃わなくなり、色分かれが抑えられる。本発明者は、光線の一部の角度を変える手段として、光学素子における入射面の凹部Ｃ入口側の屈折角を小さくすることで、その距離を持った方向(方向A)に出射された光線は、より外側に（光軸から離れる側に）向かい、逆方向に出射された光線は、光軸側に角度が変化する傾向があることを見いだした。以上が、本発明の効果である。
【００１９】
請求項２に記載の光学素子は、請求項１に記載の発明において、前記出射面に拡散面を設けたことを特徴とする。
【００２０】
前記出射面に拡散面を設けることで、前記出射面側から出射される光に、散乱・拡散作用を与えることができるから、前記光源の像が被照射面に投影されるのを防ぐことができ、色ムラを抑えることができる。
【００２１】
請求項３に記載の光学素子は、請求項２に記載の発明において、前記拡散面は、微小な凹凸形状をアレイ状に配置してなることを特徴とする。
【００２２】
前記拡散面が、微小な凹凸形状をアレイ状に配置してなると、より高い散乱・拡散作用を得ることができる。微小な凹凸形状として球面の一部分からなる形状（凹凸単位という）が、二次元的に重なり合ってある規則を持って配置されていると好ましい。球面の曲率半径は大きいほど光の拡散作用が小さく、小さいほど拡散作用が大きい。ただし小さすぎると表面で光が全反射して戻ってきてしまう為、限度がある。アレイ状に並んだ凹凸単位は，図２（ａ）に示すように直線的に等間隔に並んだ列Ａと、ある角度を有して等間隔に並んだ列Ｂとの、二次元的な拡がりをもっている。この列交差角度δは60度だときれいに整列するが、60度より小さくすることで光束の配光角を狭くすることが可能となる。ただし狭すぎるとピークが中心からずれてしまう為、また色ムラが生じてくる為δ＝40〜90度が望ましい。アレイ状の凹凸形状は出射面全範囲に形成する必要はなく、側面の有効径をカバーする範囲内に形成されていればよい。
【００２３】
アレイ状に配列される凹凸単位の間隔は、離れすぎていても良くないし、近すぎても良くない。凹凸単位の形状が球面の場合、曲率半径や列交差角度にもよるが、図２（ｂ）において、凹凸単位の高さＡＨは20μｍ以上は必要である。この値を満たすように列間隔ＡＤを決定すればよいが、全ての方向に隣り合う曲面同士の重なりが凹凸単位を形成している球面の有効径より大きくなるのは、当然望ましくない。凹凸単位の形状はここでは球面としたが、任意の凹凸形状でよい。例えば楕円曲線、双曲線、放物線、サイン（ｓｉｎ）曲線を軸回転させた形状でもよい。
【００２４】
請求項４に記載の光学素子は、請求項１〜３のいずれかに記載の発明において、前記入射面に対向して、面発光光源を配置したことを特徴とする。
【００２５】
前記光源として、特に面発光する光源を用いると、本発明の光学素子の効果をより発揮できる。ここでいう面発光光源とは、０．２５ｍｍ2以上の光出射部を有する光源のことを指す。光源が複数の発光部（ＲＧＢＷ）を有する場合、光出射部の面積は、図３に示すように、各発光部に外接する矩形領域ＴＲの面積をいうものとし、光源の中心ＣＴは、各発光部に外接する領域ＴＲの中心とする。面発光光源の例としては、LED（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）などの、ニアフィールドでの発光の面積が点ではなく有限の面積を有するものなどがある。面発光光源は、例えば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、前記LEDチップの発光光に励起されて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を有する白色LEDなどが挙げられる。
【００２６】
請求項５に記載の光学素子は、請求項４に記載の発明において、前記面発光光源は、２色以上を同時に発光する異なる複数色の発光部を有することを特徴とする。
【００２７】
例えばR（赤）G（緑）B（青）の発光面（光出射部）を持つ光源や、R（赤）G（緑）B（青）W（白）の発光面（光出射部）を持つ光源を用い、かつ同時に発光させた場合、複数色にて１つの色とするためうまく混ざり合わなかった光が発生する場合がある。このようなときは特に色ムラや色分かれが生じやすいが、本発明の光学素子を用いることで、色ムラや色分かれを効果的に抑えることができる。このような異なる複数色の発光部を有する光源としては、例えばOSRAM社のOSTAR SMTシリーズのLEATBS2WやLERTDUW（製品名）などが挙げられる。
【００２８】
請求項６に記載の光学素子は、請求項１〜５のいずれかに記載の発明において、前記光学素子の光軸を通る断面をとったとき、前記凹部の入射側面は複数の直線により表されることを特徴とする。
【００２９】
前記凹部の入射側面が二つ以上の直線から形成されていることで、スポット周縁に到達する光線群を散らし、色分かれを低減することができる。凹部の入射側面が単一の直線で形成されている場合、凹部の入射側面を通過する光線は、光学素子の側面で全反射されたのちに出射面からほぼ角度が揃った状態で出射される。ゆえに発光面（光出射部）が大きさを持ち、ニアフィールドの分布で複数色が分離して見られる光源の場合は、被照射面でも色分かれが目立ってしまうこととなる。前記凹部の入射側面を二つ以上の角度の異なる直線から形成することで、例えばそれぞれの直線に入射する光線群が、それぞれの直線を通過し光学素子から出射された後に、光線角度を揃った角度ではなくすることができ、それにより被照射面上において光軸から離れた場所に到達する光線群を散らし、光軸から離れた場所に形成される色分かれを防ぐことが可能となる。また光学素子側面の形状にもよるが、光出射部が大きさを持っている光源の場合に、側面を形成している放物面の焦点からわざと発光点位置をずらし、光軸上以外から発光している光の分布を調節して、発光面（光出射部）全体でみた場合に配光角を狭くすることが可能となる。二つ以上の直線を設ける場合、光軸に対する角度が小さい方が凹部の上面側、光軸に対する角度が大きい方が入り口側に形成されると好ましい。
【００３０】
請求項７に記載の光学素子は、請求項６に記載の発明において、前記複数の直線の交点のいずれか少なくとも１つは、前記凹部の深さを１としたときに、前記凹部の入口から７／１０以下の位置にあることを特徴とする。
【００３１】
図１の例では、直線Ｌ１，Ｌ２の交点ＣＰが、凹部Ｃの入口から７／１０以下の位置にある場合である。二直線の交点ＣＰを凹部Ｃの入口から７／１０以下とすることで、色ムラを有効に低減することが可能となる。凹部の深さとは、凹部の入口端から底部までの距離（図１のｄ）をいう。交点ＣＰの位置（後述する実施例でＣＰ比という）は０．２以上１／２以下だとなお良い。尚、凹部の入口が明確でない場合、光学素子の光軸方向断面において、凹部の入口側の直線と、光学素子の光軸に対して直交する凹部周囲の底面の接線とが交わる交点を入口として、深さ方向の長さを測るものとする。
【００３２】
請求項８に記載の光学素子は、請求項６又は７に記載の発明において、前記凹部の入射側面を形成するいずれか２つの直線の交点が、前記光源の光出射部と前記光学素子の光軸との交点を基準に，光軸に対して３０〜７０度以内に存在することを特徴とする。
【００３３】
図１の例では、光軸ＯＡと光源ＬＳの光出射部ＲＰとの交点をＯとしたときに、点Ｏと点ＣＰとを結ぶ線分と、光軸ＯＡとのなす角度γが、３０〜７０度であることを意味する。角度γがこの範囲内にあれば、色ムラや色分かれを有効に低減することが可能となる。尚、角度γが３０〜６５度以内だとより好ましい。
【００３４】
請求項９に記載の光学素子は、請求項６〜８のいずれかに記載の発明において、前記凹部の入射側面を形成するいずれかの直線が前記光学素子の光軸と成す角度は、3〜10度であることを特徴とする。
【００３５】
図１の例では、凹部Ｃの入射側面を構成する直線Ｌ１，Ｌ２の少なくとも一方（ここではＬ１）と、光軸ＯＡとのなす角θが３〜１０度であることを意味する。凹部Ｃの入射側面を構成する直線が、この角度範囲にあれば、凹部の入射側面を通過した光線を光学素子の側面に導き、全反射させることで配光角を狭くすることができる。特に凹部底部付近、または凹部底部付近から伸びている直線（ここではＬ１）が上記角度範囲であるとよい。
【００３６】
請求項１０に記載の光学素子は、請求項１〜５のいずれかに記載の発明において、前記光学素子の光軸を通る断面をとったとき、前記凹部の入射側面は曲線からなることを特徴とする。
【００３７】
入射側面は、光軸を通る断面で複数の直線で形成されている方が屈折角の急変が生じるため、滑らかな曲線で形成されている場合より色分かれを抑える効果が高く、より望ましいといえる。しかしながら、凹部の入射側面を、単一の直線ではなく曲線とした場合でも、ある程度の色分かれを低減することができる。前記光学素子の光軸を通る断面をとったとき、凹部の入射側面を構成する曲線における二回微分値が極値（極大）となる点と点Ｏとを結ぶ線分と、光軸ＯＡとのなす角度が、３０〜６５度であるとより好ましい。
【００３８】
請求項１１に記載の光学素子は、請求項１〜１０のいずれかに記載の発明において、前記光学素子の側面は、放物面を基本とした形状であることを特徴とする。
【００３９】
前記側面の形状を、放物面を基本とした（放物面に類似する）形状とすることで、光学素子を通過した光束の配光角を狭くし、被照射面を局所的に照明することが可能となる。ここでいう「放物面を基本とした形状の面」とは、回転対称な側面の形状を曲率半径Ｒとコーニック係数ｋでフィッティングした場合に、ｋが以下の範囲を満たすことを指す。
−１．２≦ｋ≦−０．９
但し、コーニック係数は−１より小さいとより好ましい。
【００４０】
前記側面が放物面を基本とした形状である場合、その放物面の焦点位置付近に光源が置かれると好ましい。ここでいう焦点位置付近とは、光出射部の面積（図２参照）をＳとした場合に、焦点位置から√Ｓ以内であることをいう。前記側面が放物面を基本とした形状である場合、その放物面の焦点位置より、光源の光出射部が光学素子側にあると好ましい。
【００４１】
請求項１２に記載の光学素子は、請求項１〜１１のいずれかに記載の発明において、前記光学素子の周辺部にフランジ部を形成したことを特徴とする。
【００４２】
前記光学素子がフランジ部を備えることで、ここにゲートを設けることにより樹脂を充填でき成形性が向上し、またフランジ部を用いることで他部品への設置が容易となる。
【００４３】
請求項１３に記載の光学素子は、請求項１〜１２のいずれかに記載の発明において、前記光学素子は樹脂製であることを特徴とする。
【００４４】
前記光学素子を樹脂製とすることにより、射出成形等による大量生産が可能となる。
【００４５】
請求項１４に記載の照明装置は、請求項１〜１３のいずれかに記載の光学素子と、光源とを有することを特徴とする。
【００４６】
光学素子の出射面の有効径はφ35mm以内であると好ましい。又、光学素子の高さは25mm以下であると好ましい。一般的には凹部の上面側を通る光線ほど光束が揃いやすく、凹部の入口側を通る光線ほど光束が揃いにくい。この光学素子を出射した光線の配光角は半値全幅(角)で10度以下（より好ましくは８度以下）であると好ましい。
【００４７】
入射側面の半径（光軸からの距離）は、凹部の底部からの距離に対して単調増加であると好ましい。また、入射側面は一次微分値が０（面の傾きが０）の箇所が無い（平坦部が無い）方が好ましい。当然、極値が無い方が好ましい。
【発明の効果】
【００４８】
本発明によれば、狭い配光角を実現でき、且つ発光面（光出射部）が大きさを持つ光源に適用しても色ムラや色分かれを生じにくい光学素子及びそれを用いた照明装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】光源と入射面の凹部とを模式的に示す図である。
【図２】（a）は、アレイ状に配列した凹凸形状を光軸方向に見た図であり、（b）は、光軸直交方向に見た図である。
【図３】光源を発光面（光出射部）側から見た図である。
【図４】本実施の形態にかかる照明装置を、出射面側から見た図である。
【図５】図４の構成をV-V線で切断して矢印方向に見た図である。
【図６】（a）は、本実施の形態の照明装置から出射して被照射面に至る光線の光路を示す図であり、（b）は、光源から光学素子を通過する光線の光路を示す図である。
【図７】アレイ状に配列した凹凸形状の交差角と、配光角の関係を示すグラフである。
【図８】実施例１の光学素子の断面図である。
【図９】実施例２の光学素子の断面図である。
【図１０】実施例３の光学素子の断面図である。
【図１１】実施例４の光学素子の断面図である。
【図１２】実施例５の光学素子の断面図である。
【図１３】実施例６の光学素子の断面図である。
【図１４】実施例７の光学素子の断面図である。
【図１５】実施例８の光学素子の断面図である。
【図１６】比較例１、２の光学素子の断面図である。
【図１７】比較例３の光学素子の断面図である。
【図１８】（a）は、図４のＥ−Ｗ方向断面におけるCIE表色系でのx値と、被照射面位置との関係を示し、（ｂ）は、図４のＥ−Ｗ方向断面におけるCIE表色系でのｙ値と、被照射面位置との関係を示すグラフであり、実施例１と比較例１〜３とを比較して示す。
【図１９】（a）は、図４のＮ−Ｓ方向断面におけるCIE表色系でのx値と、被照射面位置との関係を示し、（ｂ）は、図４のＮ−Ｓ方向断面におけるCIE表色系でのｙ値と、被照射面位置との関係を示すグラフであり、実施例１と比較例１〜３とを比較して示す。
【図２０】（a）は、図４のＮＥ−ＳＷ方向断面におけるCIE表色系でのx値と、被照射面位置との関係を示し、（ｂ）は、図４のＮＥ−ＳＷ方向断面におけるCIE表色系でのｙ値と、被照射面位置との関係を示すグラフであり、実施例１と比較例１〜３とを比較して示す。
【図２１】（a）は、図４のＮＷ−ＳＥ方向断面におけるCIE表色系でのx値と、被照射面位置との関係を示し、（ｂ）は、図４のＮＷ−ＳＥ方向断面におけるCIE表色系でのｙ値と、被照射面位置との関係を示すグラフであり、実施例１と比較例１〜３とを比較して示す。
【図２２】（a）は、図４のＥ−Ｗ方向断面におけるCIE表色系でのx値と、被照射面位置との関係を示し、（ｂ）は、図４のＥ−Ｗ方向断面におけるCIE表色系でのｙ値と、被照射面位置との関係を示すグラフであり、実施例１〜３を比較して示す。
【図２３】（a）は、図４のＮ−Ｓ方向断面におけるCIE表色系でのx値と、被照射面位置との関係を示し、（ｂ）は、図４のＮ−Ｓ方向断面におけるCIE表色系でのｙ値と、被照射面位置との関係を示すグラフであり、実施例１〜３を比較して示す。
【図２４】（a）は、図４のＮＥ−ＳＷ方向断面におけるCIE表色系でのx値と、被照射面位置との関係を示し、（ｂ）は、図４のＮＥ−ＳＷ方向断面におけるCIE表色系でのｙ値と、被照射面位置との関係を示すグラフであり、実施例１〜３を比較して示す。
【図２５】（a）は、図４のＮＷ−ＳＥ方向断面におけるCIE表色系でのx値と、被照射面位置との関係を示し、（ｂ）は、図４のＮＷ−ＳＥ方向断面におけるCIE表色系でのｙ値と、被照射面位置との関係を示すグラフであり、実施例１〜３を比較して示す。
【図２６】（a）は、図４のＥ−Ｗ方向断面におけるCIE表色系でのx値と、被照射面位置との関係を示し、（ｂ）は、図４のＥ−Ｗ方向断面におけるCIE表色系でのｙ値と、被照射面位置との関係を示すグラフであり、実施例１、６〜８を比較して示す。
【図２７】（a）は、図４のＮ−Ｓ方向断面におけるCIE表色系でのx値と、被照射面位置との関係を示し、（ｂ）は、図４のＮ−Ｓ方向断面におけるCIE表色系でのｙ値と、被照射面位置との関係を示すグラフであり、実施例１、６〜８を比較して示す。
【図２８】（a）は、図４のＮＥ−ＳＷ方向断面におけるCIE表色系でのx値と、被照射面位置との関係を示し、（ｂ）は、図４のＮＥ−ＳＷ方向断面におけるCIE表色系でのｙ値と、被照射面位置との関係を示すグラフであり、実施例１、６〜８を比較して示す。
【図２９】（a）は、図４のＮＷ−ＳＥ方向断面におけるCIE表色系でのx値と、被照射面位置との関係を示し、（ｂ）は、図４のＮＷ−ＳＥ方向断面におけるCIE表色系でのｙ値と、被照射面位置との関係を示すグラフであり、実施例１、６〜８を比較して示す。
【図３０】実施例１の光学素子を用いて、５ｍ先の被照射面（縦横２ｍ）に光を出射した状態を示す図である。
【図３１】光学素子の光軸方向断面において、光源と放射面とのモデルに光路を加えて示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００５０】
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。図４は、本実施の形態にかかる照明装置を、出射面側から見た図である。図５は、図４の構成をV-V線で切断して矢印方向に見た図である。本実施の形態にかかるＬＥＤ照明装置は、光学素子１と、ＬＥＤ光源２を有している。
【００５１】
ＬＥＤ光源２は、図３に示すように異なる発光色のＬＥＤチップを有している。ＬＥＤ光源２の光出射部２ａの中心は、光学素子１の光軸ＯＡ上にある。
【００５２】
光学素子１は、プラスチックとしてポリカーボネート又はアクリルを用いて形成されている。さらに、光学素子１は、ＬＥＤ光源２の光放出側に配置されており、ＬＥＤ光源２からの発光光が入射する凹部を有する入射面３と、入射面から入射した光を全反射する放物面を基本とした側面４と、発光光を外部に放出する出射面５と、出射面５の周囲に形成されたフランジ部６とから一体的に形成され、光軸回りに回転対称な形状である。
【００５３】
尚、本実施形態では、側面４を形成している放物面の焦点ＦＳからわざと光出射部２ａの位置を、光学素子１側に近づけるようにずらし（光出射部の面積をＳ（ｍｍ2）とした場合に、焦点位置から√Ｓ（ｍｍ）以内）、光軸ＯＡ上以外から発光している光の分布を調節して、発光面（光出射部）全体でみた場合に配光角を狭くしている。
【００５４】
入射面３は、ＬＥＤ光源２に対向する底部(入射底面)３ａと、底部３ａ光軸に沿って延在する第１入射側面３ｂと、第１入射側面３ｂと交差し、光軸に沿って延在する第２入射側面３ｃとを有する。本実施の形態においては、図１を参照して、凹部Ｃ入射側面における光軸方向に互いにシフトした任意の２点の座標をＰ１（Ｐｘ１、Ｐｚ１），Ｐ２（Ｐｘ２、Ｐｚ２）とし、光軸ＯＡを、入射面３から出射面５に向かってプラス方向としたＺ軸とし、光軸ＯＡに直交する軸を、光軸ＯＡから離れる方向をプラス方向としたＸ軸とし、点Ｐ１を通り凹部Ｃ入射側面に垂直な法線と光軸との成す角をα１（°）とし、点Ｐ２を通り凹部Ｃ入射側面に垂直な法線と光軸との成す角をα２（°）とすると、以下の式を満足する。
Ｐｘ１＜Ｐｘ２      （１）
Ｐｚ１＞Ｐｚ２      （２）
α１＞α２      （３）
【００５５】
このとき、入射面３の凹部Ｃ入口側（光源ＬＳ側）から遠い方の点Ｐ１における半径がｈ１（ｍｍ）、入射面３の凹部Ｃ入口側（光源側）に近い方の点Ｐ２における半径が半径ｈ２（ｍｍ）であるときに、ｈ１＜ｈ２を満足する。更に、点Ｐ１を通り凹部Ｃの入射側面に垂直な法線ＮＬ１と光軸との成す角をα１（°）、点Ｐ２を通り凹部Ｃの入射側面に垂直な法線ＮＬ２と光軸との成す角をα２（°）とした場合、α１＞α２を満足する。
【００５６】
光学素子１とＬＥＤ光源２は非接触であるとともに、ＬＥＤ光源２の周囲は第２入射側面３ｃにより囲まれている。出射面５には、球面の一部である微細な凹凸単位ＭＳを並べたアレイ構造ＬＡを形成している。図４に示すように、隣接する凹凸単位ＭＳ同士は接しており、その外形は六角形状である。本実施形態では、凹凸単位ＭＳの曲率半径AR=4mm、列間隔AD=0.9mm、凹凸単位の高さAH=25μｍである。本実施形態の拡散角は0.35°程度となる。
【００５７】
側面４の上端は、半径方向外側に張り出したフランジ部６に接合しており、接合部が有効径になる。フランジ部６の上面が出射面５となっている。
【００５８】
図６は、本実施の形態の照明装置から出射する光線の光路を示す図である。本実施の形態では、ＬＥＤ光源２から面発光により出射した光は、入射面３から光学素子１内に入射する。ここで、入射面３の底部３ａに入射した光は、殆ど屈折することなく出射面５から出射する。又、入射面３の第１入射側面３ｂに入射した光は、屈折し、側面４で全反射した後、ほぼ光軸方向に沿って出射面５から出射する。更に、入射面３の第２入射側面３ｃに入射した光は、側面４で全反射した後、光軸方向から遠ざかるように出射面５から出射する。これにより、色分かれの抑制を行うことができる。いずれの光線も光軸方向に沿って、５ｍ離れた被照射面ＳＣに入射するので、指向性の高い照明装置を提供できる。又、出射面５にアレイ構造ＬＡを形成することで、拡散効果を与えて、色ムラを抑制できる。なお、本実施例では全出射パワーの８８％以上が、入射面３の入射側面３ｂ及び３ｃを通過し、側面４にて全反射される。
【００５９】
本発明者は、アレイ構造ＬＡの効果について検討した。図２（ａ）で凹凸単位の列Ａと列Ｂとの交差角δの値を変えて、配光角を求めた。図７に、縦軸に相対光度をとり、横軸に角度をとって示す。表１に、交差角と配光角（半値全角）との関係を示す。表１に示すように、交差角δが４５度のとき、配光角は７．１２度であり、交差角δが６０度のとき、配光角は７．６４度であり、交差角δが９０度のとき、配光角は８．３２度であり、１０度以内という条件を満たす。
【００６０】
【表１】
2014130212.tif 000003
【００６１】
（実施例）
本発明の実施例を、比較例を参照して説明する。図８は、実施例１にかかる光学素子の断面図であり、図９は、実施例２にかかる光学素子の断面図であり、図１０は、実施例３にかかる光学素子の断面図であり、図１１は、実施例４にかかる光学素子の断面図であり、図１２は、実施例５にかかる光学素子の断面図であり、図１３は、実施例６にかかる光学素子の断面図であり、図１４は、実施例７にかかる光学素子の断面図であり、図１５は、実施例８にかかる光学素子の断面図であり、図１６は、比較例１，２にかかる光学素子の断面図である。図１７は、比較例３にかかる光学素子の断面図である。尚、実施例と比較例の諸値を表２，３に示す。ただし、表２のＰ１（Ｐｘ１、Ｐｚ１），Ｐ２（Ｐｘ２、Ｐｚ２）の値は一例である。
【００６２】
【表２】
2014130212.tif 000004
【００６３】
【表３】
2014130212.tif 000005
【００６４】
実施例１は、上述した実施の形態と同じ形状である。実施例２では、入射面の凹部の入射側面が、光軸断面上において単一の自由曲線で表され、底部から入口に向かうにつれて、その半径が漸次増加するようになっている。実施例３は、入射面の凹部が３領域からなり、すなわち光軸方向断面において、凹部の入射側面は３つの直線で形成される。ここで、最も奥側の領域の入射側面と、中間の領域の入射側面との交点がＣＰとなる。実施例４は、実施例１に対して出射面中央に放物面状の凹部を形成している点が異なる。アレイ状の凹凸形状は、出射面の凹部の内周及び周囲に設けられる。実施例５は、実施例１に対して出射面中央にカップ状の凹部を形成している点が異なる。このカップ形状の底面は平面で、周囲面がテーパ面である。アレイ状の凹凸形状は、カップ底面と凹部の周囲に設けられる。実施例６、７は、実施例１に対して凹部形状を変更したものであり、実施例８は実施例３に対して凹部形状を変更したものである。
【００６５】
一方、比較例１は、入射面の入射側面が、光軸断面上において単一の直線で表されるものである。又、比較例２は、比較例１に対して、出射面側のアレイ状の凹凸形状を省略したものである。更に、比較例３は、入射面の入射側面が、光軸断面上において２つの直線で表されているが、底部側の入射側面が入口側に向かうにつれて拡径するテーパ面で、入口側の入射側面が円筒面の例である。つまり、比較例３では、α１＜α２である。
【００６６】
表２は，実施例と比較例の諸設計値を示し、表３に、実施例と比較例におけるα１，α２，θの値を示す。角度α１は、光軸方向断面において、交点ＣＰを挟んで、底部側で凹部の入射側面に垂直な法線が光軸と成す角度であり、角度α２は、入口側で凹部の入射側面に垂直な法線が光軸と成す角度であり、角度θは、最も底部側で凹部の入射側面を形成する直線（もしくは凹部の入射側面の接線）が光軸と成す角度をθとする。ここでは、光学素子の光軸と交差する光出射部の位置を座標の原点とする。又、ＣＰ比とは、凹部の深さ（凹部の入口端から底部までの距離）を１とした場合の凹部の入口端から交点CPまでの距離の比（ＣＰ比=凹部の入口端から交点CPまでの距離/凹部の入口端から底部までの距離）であり、焦点位置は光軸上の値とし、原点をゼロとする。
【００６７】
図１８〜図２１に、実施例１と比較例１〜３について、縦軸にCIE表色系でのx値、又はCIE表色系でｙ値をとり、横軸に光軸を０としたときの被照射面の位置をとって比較して示す。これらのグラフがフラットに近づくほど、被照射面の位置に関わらず出射光の色が均一に近づく（色分かれが少ない）ことになる。
【００６８】
図１８〜２１を参照するに、CIE表色系でのx値（ａ）、ｙ値（ｂ）のいずれにおいても、比較例３のグラフが最も起伏が大きく、次いで比較例２のグラフが最も起伏が大きく、次いで比較例１のグラフの起伏が大きく、実施例１のグラフの起伏が最もフラットに近い。これにより本発明の効果が確認された。
【００６９】
図２２〜２５に、実施例１〜３について、縦軸にCIE表色系でのx値、又はCIE表色系でｙ値をとり、横軸に光軸を０としたときの被照射面の位置をとって比較して示す。実施例１〜３のいずれのグラフもフラットに近い。また、実施例４及び５のx値及びy値は実施例１とほぼ同等となっている。
【００７０】
CIE表色系のx及びy値は被照射面全域で値が均一な方が色ムラ及び色分かれが少ない。更に被照射面位置座標における値の傾斜（グラフの傾き）がx,yでほぼ同一傾斜である方が良い。つまり、x,y値で同一断面のグラフを比較したときに、グラフの形状が似ている方が色ムラ及び色分かれが少ない。更にx,y値の傾斜(グラフの傾き)が全域で同符号である方が良い。例えば被照射面位置のマイナスからプラスになるにつれて、グラフが単調減少または単調増加である方が色ムラ及び色分かれが少ない。つまり、被照射面位置で値が均一でなくてもグラフのアップダウンが少なく、ほぼ単調な変化をする方が色ムラ及び色分かれが少ない。実施例１〜５は、このような条件を満たすものである。
【００７１】
更に、図２６〜２９に、実施例１と実施例６〜８について、縦軸にCIE表色系でのx値、又はCIE表色系でｙ値をとり、横軸に光軸を０としたときの被照射面の位置をとって比較して示す。実施例１のグラフに比較すると、実施例６〜８のグラフは比較的起伏が大きく、若干色分かれが認められるが、比較例１〜３に比べれば良好であり、ある程度明るい場所での実使用上はほぼ問題ないレベルである。図３０は、実施例１の光学素子を用いて、５ｍ先の被照射面（縦横２ｍ）に光を出射した状態を示す図である。また、本実施例及び比較例では光源にOSRAM社の製品名LEATBS2W（図３に発光面（光出射部）形状を概略図示）を用いた為、45度方向（XII-XII方向）断面において最もグラフの起伏が大きくなっているが、別の光源を用いることで更に色分かれがより改善される可能性がある。また、LEATBS2Wの光出射部面積は約20平方ミリメートルである。
【符号の説明】
【００７２】
１  レンズ
２  ＬＥＤ光源
２ａ  発光面（光出射部）
３  入射面
３ａ  底部(入射底面)
３ｂ  第１入射側面
３ｃ  第２入射側面
５  出射面
６  フランジ部
【図１】
2014130212.tif 000006
【図２】
2014130212.tif 000007
【図３】
2014130212.tif 000008
【図４】
2014130212.tif 000009
【図５】
2014130212.tif 000010
【図６】
2014130212.tif 000011
【図７】
2014130212.tif 000012
【図８】
2014130212.tif 000013
【図９】
2014130212.tif 000014
【図１０】
2014130212.tif 000015
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
2014130212.tif 000018
【図１４】
2014130212.tif 000019
【図１５】
2014130212.tif 000020
【図１６】
2014130212.tif 000021
【図１７】
2014130212.tif 000022
【図１８】
2014130212.tif 000023
【図１９】
2014130212.tif 000024
【図２０】
2014130212.tif 000025
【図２１】
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【図２２】
2014130212.tif 000027
【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３１】
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【図３０】
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