(57)【要約】【課題】薄型であり、熱変形を抑制しつつも、光の利用効率を高め、色ムラの改善を実現できる光学素子及びそれを用いた低背のＬＥＤ照明装置を提供する。【解決手段】ＬＥＤ２の黄色蛍光体２ｄから出射された光は、実線で示すように、入射面１ａから入射した後、出射面１ｂに入射した際に、全反射して底面１ｄ側に向かう。この反射光を、凹部１ｇの外向き面１ｇｏで反射して、フランジ面１ｆもしくは出射面１ｂを介して出射するようになっている。これにより、光の利用効率を高め、色ムラを抑制することができる。【選択図】図１
2014102485.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＬＥＤの光放出面側に前記ＬＥＤに非接触の状態で配置され、前記ＬＥＤから出射された光が入射する光学素子であって、
前記ＬＥＤから出射された光が入射する入射面と、前記入射面から入射した光を出射する出射面と、前記入射面の光軸直交方向で外側に配置された底面と、前記底面の縁と繋がる外周面とを有し、
前記底面には、くぼんだ単一の凹部が設けられ、
前記凹部は曲率を持ち連続した面からなり、
前記凹部の頂点は、光軸直交方向からみたとき、前記入射面と底面の交点と、前記外周面の出射面側の縁と、を結んだ線よりも、前記底面側に設けられていることを特徴とする光学素子。
【請求項２】
前記凹部は非球面形状を有することを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
【請求項３】
前記凹部の光軸直交方向の幅は、前記光学素子の半径の１０％以上であって５０％以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学素子。
【請求項４】
前記光学素子の光軸方向断面において、前記凹部の頂点から前記入射面側の凹部の面の長さは、前記凹部の頂点から前記外周面側の凹部の面の長さより短い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ＬＥＤから出射され前記光学素子の入射面から入射した光のうち、前記凹部の光軸直交方向外向き面で反射する光は、光軸直交方向より前記出射面側に向かうことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の光学素子。
【請求項６】
前記ＬＥＤから出射され前記光学素子の入射面から入射した光のうち、前記凹部の光軸直交方向外向き面で反射する光は、前記光学素子の前記外周面を通過す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】
光軸方向断面において前記外周面の出射面側の縁からなる点をAと、前記外周面の出射面側の縁からなる点から、底面に向かって光軸と平行に伸ばした時に底面又はその延長面と交差する点をBとし、前記点Aと前記点Bを結んだ線分をhとした場合であって、前記凹部の頂点は、光軸直交方向からみたとき、ｈ／２に該当する点と、前記入射面と底面の交点と、を結んだ線よりも前記底面側に設けられていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の光学素子。
【請求項８】
前記光学素子は、アクリル又はポリカーボネートから形成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の光学素子。
【請求項９】
ＬＥＤと、前記ＬＥＤの光放出面側に該ＬＥＤに非接触の状態で配置され、前記ＬＥＤから出射された光が入射する光学素子とを有するＬＥＤ照明装置であって、  
前記ＬＥＤは、第１の色の光を出射するＬＥＤチップと、前記ＬＥＤチップから出射された前記第１の色の光によって前記第１の色とは異なる第２の色を出射する蛍光体を有し、
前記光学素子は、前記ＬＥＤから出射された光が入射する入射面と、前記入射面から入射した光を出射する出射面と、前記ＬＥＤから出射された光の光軸に対して光軸直交方向で前記ＬＥＤの光放出面より前記出射面から遠ざかって配置された底面と、前記底面の縁と繋がる外周面と、を有し、前記底面には、前記ＬＥＤの光放出面より前記出射面側にくぼんだ単一の凹部が設けられており、前記凹部は曲率を持ち連続した面からなり、
前記凹部の頂点は、光軸直交方向からみたとき、前記入射面と底面の交点と、前記外周面の出射面側の縁と、を結んだ線よりも、前記底面側に設けられており、
前記蛍光体から出射した光は、前記入射面から入射して前記出射面で反射した後、前記凹部で反射することを特徴とするＬＥＤ照明装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、比較的大面積の面部材の背面側に設置され、前記面部材を介して光が通過するように照明を行うＬＥＤ用光学素子及びＬＥＤ照明装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の大型の液晶ディスプレイ装置では、液晶パネル背面に配置された多数の冷陰極管からの光を拡散板や反射板等を介して、液晶パネルの背面側に導光し、バックライトとして均一に照明することで明瞭に画像が視認できるようにしていた。これに対し近年では、省エネの観点から、バックライトの光源としてＬＥＤが使用されるようになってきた。また、液晶ディスプレイ装置に表示される画像に応じて明暗を制御することができるという観点からも、ＬＥＤは使いやすく、これにより更に液晶ディスプレイ装置の消費電力を下げることができる。
【０００３】
このように液晶ディスプレイ装置のバックライトとしてＬＥＤを用いる場合、ＬＥＤのチップ自体が小さいため、かかるチップを液晶パネルの背面側に直接配置しようとすると、均一な照度を確保するためには、無数のチップが必要になって現実的でない。そこで、ＬＥＤから放出された光を均一照度の照明光に変換する光学素子が必要になる。特許文献１〜３には、ＬＥＤからの光を入射してなるべく均一照度な照明光に変換することができる、液晶用バックライト用の光学素子が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開2011-23204号公報
【特許文献２】特開2008-305923号公報
【特許文献３】特開2009-43628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、液晶パネルで表示される画像を自然な色で発色させるために、白色光を発光させるＬＥＤが用いられる。このように白色光を発光させるＬＥＤとしては、現在のところ、青色光を出射する青色ＬＥＤチップと、青色ＬＥＤチップから出射された青色光によって黄色光を出射する蛍光体を組み合わせたものが広く用いられている。
【０００６】
しかるに、青色ＬＥＤチップと蛍光体とを用いた白色ＬＥＤの特性として、チップと蛍光体の面積差のほか、蛍光体を通過した白色光において倍率色収差や、蛍光体の厚さの不均一等によって発生する光軸を中心としたイエローリングと呼ばれる色ムラが生じる恐れがあり、このような色ムラが生じた白色光を液晶パネルの背面に照射すると、液晶パネルに表示される画像の自然な発色を損なう恐れがある。
【０００７】
加えて近年では、大型の液晶ディスプレイ装置用のバックライトにおいて、コストを抑えるために、ＬＥＤチップの1台あたりの使用個数を減少させることが望まれている。このようにＬＥＤチップの数を減らした場合、ＬＥＤチップの1台あたりの光量を増大（ハイパワー化という）する必要が出てくる。さらに、ＬＥＤから出射された光をより広範囲に広げるために、光学素子にはより広範な配光特性（高配光という）を有することが望まれる。
【０００８】
ＬＥＤチップをハイパワー化すると、それに伴って発熱量も高くなり、光学素子の熱変形という問題点が生じてくる。耐熱性の高いガラスを光学素子に使用することもできるが、コスト高を招くため、耐熱性の高い樹脂であるポリカーボネートを使用する場合がある。ポリカーボネートは屈折率が高いため、ＬＥＤから出射された光は光学素子の出射面で全反射しやすく、出射面で全反射した光は光学素子内部で多重反射し、液晶パネル方向に向かう光が発生して色ムラが生じる恐れがある。特に、青色ＬＥＤチップから出射する光の放射角よりも蛍光体から出射する光の放射角の方が広いため、蛍光体から出射する光の方が光学素子の出射面で全反射しやすく、その結果、色ムラがより発生しやすくなる。
【０００９】
また、光学素子を高配光とするためには、光学素子の出射面の曲率（Ｃ＝１/Ｒ）を大きくする方法があるが、光学素子の出射面に対してＬＥＤから出射された光の入射角が大きくなるため全反射する確率が増え、色ムラが生じやすい。
【００１０】
これに対し、特許文献１の技術によれば、光学素子の光出射面で反射した光を、底面に設けた楔形の複数の凹部で反射させて光軸から離れる方向に出射することができる。しかしながら、半径方向内側にある楔形の凹部で反射した光は、それより半径方向外側にある楔形の凹部に入射することで、液晶パネル方向に向かう光が発生して色ムラとなる恐れがあり、本願発明のような色ムラを解決することはできない。さらに、楔形の複数の凹部で反射させた光を出射光として用いることができないため、本願発明のような光の利用効率を高くすることができない。
【００１１】
次に、特許文献２の技術によれば、光学素子の内面反射した光を、半径方向外側にある反射面で反射させて光軸から離れる方向に出射することができる。しかしながら、特許文献２の反射面は、光学素子の入射面側を光軸中心に突出して形成したものであり、凸状になっている。そのため厚さが通常より厚い特注のＬＥＤを用いざるをえず、コスト高を招く。これに対し、より薄い汎用のＬＥＤを用いると、反射面が基板と接触してしまうので、反射面形状を変更しなくてはならず、反射光の向きが限定されるという問題がある。また、特許文献２では反射面を光軸方向と周辺方向に対して厚くする形状で設計している。そしてレンズ中心の光軸付近においては、出射面、入射面によって構成される厚みが最薄部となっている。これらレンズ構成により、レンズの中心と周辺で偏肉比が悪くなるため、レンズの成形が非常に困難になる。更に特許文献２では、凸状の反射面が光軸から外側に向かって厚くなる形状のため、仮に反射面を内側に持ってきた場合最外周部はレンズ厚みが更に増して薄型化するのが困難になってしまう。つまり引用文献２の技術では反射面の配置について設計自由度が少ないことがわかる。また仮に周辺に向かって厚みが一定になるような形状にしたとしてもレンズの全体の体積を増やすことになり成形性が悪化する。更に、レンズの体積を抑えるために周辺に向かって厚みが薄くなるように設計しようとすると、今度は反射面の一部が光軸方向に向いてしまい、反射面で複数回、反射して光軸方向に進む光が発生してしまい、色ムラなく設計を行うのが非常に困難となる。つまり反射面を凸状の形状とするには種々の問題点が有ることがわかる。
【００１２】
加えて、特許文献２では、光学素子を支持する為ＬＥＤ上に光学素子を直接当接させているので、ＬＥＤチップをハイパワー化すると大量の熱が光学素子に伝わって、光学素子の熱変形等を生じさせる恐れがある。
【００１３】
更に、特許文献３の技術によれば、光学素子の光出射面で反射した光を、底面に設けた光軸直交方向断面が直角三角形である光散乱部により反射させている。しかしながら、光散乱部を設けることで色ムラはある程度改善できるものの、特許文献３のような光散乱部の反射面が平面である構造では積極的に色ムラの制御を行うことは困難である。
【００１４】
更に、ＬＥＤから出射された光が光入射面を通過したあと、光散乱部に直接、入射した場合、それらの光は光出射面方向に向かう場合がある。つまり特許文献３のように、入射面と底面の交点と、外周面の出射面側の縁と、を結んだ線よりも、光散乱部の頂点が出射側にあるように構成されている場合、光源からほぼ真横に出射される８０〜９０°の光は光入射面を通過したあと、光散乱部の斜面部を介して光出射面方向に向かう光となり、その結果、迷光となって色ムラの原因になるといった問題が生じる。
【００１５】
更に、いずれの特許文献でも、光学素子の光出射面で反射する光は、ＬＥＤの中心から出射した光を想定しているが、本発明者の研究結果によれば、ＬＥＤの蛍光体から出射した光が、光学素子の出射面で反射することで色ムラをより発生しやすくすることがわかっており、その対策については、いずれの特許文献にも記載されていない。
【００１６】
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、薄型であり、熱変形を抑制しつつも、光の利用効率を高め色ムラの改善を実現できる光学素子及びそれを用いた低背のＬＥＤ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】
【００１７】
請求項１に記載の光学素子は、ＬＥＤの光放出面側に前記ＬＥＤに非接触の状態で配置され、前記ＬＥＤから出射された光が入射する光学素子であって、前記ＬＥＤから出射された光が入射する入射面と、前記入射面から入射した光を出射する出射面と、前記入射面の光軸直交方向で外側に配置された底面と、前記底面の縁と繋がる外周面とを有し、前記底面には、くぼんだ単一の凹部が設けられ、前記凹部は曲率を持ち連続した面からなり、前記凹部の頂点は、光軸直交方向からみたとき、前記入射面と底面の交点と、前記外周面の出射面側の縁と、を結んだ線よりも、前記底面側に設けられていることを特徴とする。
【００１８】
本発明によれば、前記ＬＥＤに対して非接触であるから、前記ＬＥＤをハイパワー化しても前記光学素子への伝熱を極力抑制できる。また、前記凹部が曲率を持ち連続した面からなるので、特に前記ＬＥＤの蛍光体から出射される光が、前記光学素子の出射面で反射した際に、かかる反射光を比較的広い前記凹部の曲面で反射させ、制御した方向に出射することができ、これにより光の利用効率を高めることができ、もって色ムラを抑制できる。又、前記凹部は単一であるので、前記凹部の面で反射した光を、遮ることなく前記光学素子の外部へと有効に出射させることができる。更に、前記凹部が、前記ＬＥＤの光放出面より前記出射面側にくぼんでいるので、前記光学素子を薄型化することができる。そして凹部の頂点が光軸直交方向からみたとき、前記入射面と底面の交点と、前記外周面の出射面側の縁と、を結んだ線よりも、前記底面側に設けられているので、ＬＥＤから８０〜９０°とほぼ真横に出射し入射面で屈折した光が凹部よりも出射面側を通るため、凹部で反射して迷光となり色ムラとなるのを抑えることができる、低背のＬＥＤ照明装置を提供できる。
【００１９】
ここで、入射面とはＬＥＤから出射された光が入射する面ではあるが、１面にかぎらず光軸に対して外側に複数面あってもよい。この場合の入射面とは複数面を含む概念であり、入射面のもっとも外周部は底面と接する位置である。更に出射面とは入射面から入射した光を出射する出射面であるが、複数の面を有していてもよい。また底面とは、ＬＥＤから出射された光に対して光軸直交方向で前記ＬＥＤの光放出面より前記出射面から遠ざかって配置された面ではあるが、レンズを支える複数の脚部などを有してもよい。また外周面とは、光学素子の最外周部に位置しており、直接、出射面と繋がっていても良いし、その間につなぎ面を有しても良いし、底面との間につなぎ面を有してもよい。これら外周面（つなぎ面含む）は光軸方向に対して交差するような角度を持って設けられていてもよい。このように角度を持っている場合、積極的に外周面に入光した光を利用して光量を増やすこともできる。これらの場合、つなぎ面をフランジとして用いても良い。さらに外周面は鏡面にして光学面として用いても良く、その場合曲率をもっていても良い。好ましくは抜きテーパーのために０〜３°の角度がついていても良い。また単一の凹部とは、光学素子の光軸方向における断面において、入射面を中心として左右に１つずつ（計２つ）存在する底面に、それぞれ一つだけ（断面において計２つ）凹部が存在していることを言う。また入射面側から底面を光軸方向に見た場合、ドーナッツ状に凹みが設けられている事を言う。更に凹部の頂点とは、光軸方向において凹部の面のうち最も出射面側となる点のことをいい、レンズを入射面から見た場合では凹部のなかで、一番深い点で構成される円形状の部位である。
【００２０】
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、前記凹部は非球面形状を有することを特徴とする。
【００２１】
前記凹部が非球面形状を有していると、前記光学素子の入射面で反射した光を、より高精度に、制御した方向に出射することができ、色ムラを抑制できる。
【００２２】
請求項３に記載の光学素子は、請求項１又は２に記載の発明において、前記凹部の光軸直交方向の幅は、前記光学素子の半径の１０％以上であって、５０％以下であることを特徴とする。
【００２３】
これにより、前記凹部で反射できる光の量を増大させて、光の利用効率を高めることができるとともに、光学素子を安定して固定できる。
【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、前記光学素子の光軸方向断面において、前記凹部の頂点から前記入射面側の凹部の面の長さは、前記凹部の頂点から前記外周面側の凹部の面の長さより短いことを特徴とする。
【００２５】
これにより、前記凹部の光軸直交方向外向き面で反射できる光の量を増大させて、光の利用効率を高めることができる。
【００２６】
請求項５に記載の光学素子は、請求項１〜４のいずれかに記載の発明において、前記ＬＥＤから出射され前記光学素子の入射面から入射した光のうち、前記凹部の光軸直交方向外向き面で反射する光は、光軸直交方向より前記出射面側に向かうことを特徴とする。
【００２７】
これにより、高配光を実現できるとともに、前記凹部の光軸直交方向外向き面で反射した光を用いて、色ムラを抑制することができる。また、前記凹部の光軸直交方向内向き面で反射した光を用いて、色ムラ抑制制御を行うこともできる。
【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ＬＥＤから出射され前記光学素子の入射面から入射した光のうち、前記凹部の光軸直交方向外向き面で反射する光は、前記光学素子の前記外周面を通過することを特徴とする。
【００２９】
前記外周面を通過した光を用いて、色ムラを抑制する制御を行うことができる。なお、外周面にはＬＥＤから出射された光が光学素子の入射面に入射した後、光学素子の出射面を通過せず、外周面を通過することもある。
【００３０】
請求項７に記載の光学素子は、請求項１〜６のいずれかに記載の発明において、光軸方向断面において前記外周面の出射面側の縁からなる点をAと、前記外周面の出射面側の縁からなる点から、底面に向かって光軸と平行に伸ばした時に底面又はその延長面と交差する点をBとし、前記点Aと前記点Bを結んだ線分をhとした場合であって、前記凹部の頂点は、光軸直交方向からみたとき、ｈ／２に該当する点と、前記入射面と底面の交点と、を結んだ線よりも前記底面側に設けられていることを特徴とする。
【００３１】
これにより、前記出射面から出射された光で、光学素子の出射面を通過する光を前記凹部で直接反射することが抑制され、かつ一部の出射面から直接外周面に入光することが可能となるため、外周面で屈折した光も光源として利用でき、更に光の利用効率を高めることができる。
【００３２】
請求項８に記載の光学素子は、請求項１〜７のいずれかに記載の発明において、前記光学素子は、アクリル又はポリカーボネートから形成されていることを特徴とする。
【００３３】
アクリル又はポリカーボネートは光透過性に優れる。特に、ポリカーボネートは耐熱性に優れ、高屈折率であるため、特に本発明に効果がある。
【００３４】
請求項９に記載のＬＥＤ照明装置は、ＬＥＤと、前記ＬＥＤの光放出面側に該ＬＥＤに非接触の状態で配置され、前記ＬＥＤから出射された光が入射する光学素子とを有するＬＥＤ照明装置であって、前記ＬＥＤは、第１の色の光を出射するＬＥＤチップと、前記ＬＥＤチップから出射された前記第１の色の光によって前記第１の色とは異なる第２の色を出射する蛍光体を有し、前記光学素子は、前記ＬＥＤから出射された光が入射する入射面と、前記入射面から入射した光を出射する出射面と、前記ＬＥＤから出射された光の光軸に対して光軸直交方向で前記ＬＥＤの光放出面より前記出射面から遠ざかって配置された底面と、前記底面の縁と繋がる外周面と、を有し、前記底面には、前記ＬＥＤの光放出面より前記出射面側にくぼんだ単一の凹部が設けられており、前記凹部は曲率を持ち連続した面からなり、前記凹部の頂点は、光軸直交方向からみたとき、前記入射面と底面の交点と、前記外周面の出射面側の縁と、を結んだ線よりも、前記底面側に設けられており、前記蛍光体から出射した光は、前記入射面から入射して前記出射面で反射した後、前記凹部で反射することを特徴とする。
【００３５】
本発明によれば、前記ＬＥＤに対して非接触であるから、前記ＬＥＤをハイパワー化しても前記光学素子への伝熱を極力抑制できる。また、前記凹部が曲率を持ち連続した面からなるので、特に前記ＬＥＤの蛍光体から出射した光が、前記光学素子の出射面で反射した際に、かかる反射光を比較的広い前記凹部の曲面で反射させ、制御した方向に出射することができ、これにより光の利用効率を高めることができ、もって色ムラを抑制できる。又、前記凹部は単一であるので、前記凹部の面で反射した光を、遮ることなく前記光学素子の外部へと有効に出射させることができる。更に、前記凹部が、前記ＬＥＤより前記出射面側にくぼんでいるので、前記光学素子を薄型化することができる。そして凹部を光軸直交方向からみたとき、前記入射面と底面の交点と、前記外周面の出射面側の縁と、を結んだ線よりも、前記底面側に設けられているので、ＬＥＤから８０〜９０°とほぼ真横に出射し入射面で屈折した光が凹部よりも出射面側の通るため凹部で反射して迷光となり色ムラとなるのを抑えることができる低背のＬＥＤ照明装置を提供できる。
【００３６】
本発明に係るＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）照明装置は、ＬＥＤと、光学素子と、を有するものである。
【００３７】
ＬＥＤとしては、様々なものを用いることが出来るが、光放出面がフラットな形状を有し、更に白色光を出射する白色ＬＥＤを用いることが好ましい。
【００３８】
白色ＬＥＤとしては、青色ＬＥＤチップと青色ＬＥＤチップから出射される青色光によって黄色光を出射するＹＡＧ蛍光体等の蛍光体を組み合わせたものが好ましく用いられる。白色ＬＥＤとしては、例えば特開２００８−２３１２１８号公報に記載されたものを用いることができるが、これに限られない。
【００３９】
白色ＬＥＤは、具体的には、ＬＥＤチップと、ＬＥＤチップを覆うようにしてその上に形成された蛍光体層から構成されている。ＬＥＤチップは、第１の所定波長の光（第１の色の光）を出射するものであり、本実施の形態においては青色光を出射するようになっている。但し、本発明のＬＥＤチップから出射される光の波長、及び、蛍光体から出射される光の波長は限定されず、ＬＥＤチップから出射される光と蛍光体から出射される光とで混色された光が、白色光となる組合せであればものであれば、使用可能である。
【００４０】
なお、このようなＬＥＤチップとしては、公知の青色ＬＥＤチップを用いることができる。青色ＬＥＤチップとしては、ＩｎxＧａ1-xＮ系をはじめ既存のあらゆるものを使用することができる。青色ＬＥＤチップの発光ピーク波長は４４０〜４８０ｎｍのものが好ましい。また、ＬＥＤチップの形態としては、基板上にＬＥＤチップを実装し、そのまま上方または側方に放射させるタイプ、又は、サファイア基板などの透明基板上に青色ＬＥＤチップを実装し、その表面にバンプを形成した後、裏返して基板上の電極と接続する、いわゆるフリップチップ接続タイプなど、どのような形態のＬＥＤチップでも適用することが可能である。
【００４１】
蛍光体層は、ＬＥＤチップから出射される第１の所定波長の光を第２の所定波長の光（第２の色の光）に変換する蛍光体を有している。後述する実施の形態では、ＬＥＤチップから出射される青色光を黄色光に変換するようになっている。
【００４２】
このような蛍光体層に用いられる蛍光体は、Ｙ、Ｇｄ、Ｃｅ、Ｓｍ、Ａｌ、Ｌａ及びＧａの原料として酸化物、又は高温で容易に酸化物になる化合物を使用し、それらを化学量論比で十分に混合して原料を得る。又は、Ｙ、Ｇｄ、Ｃｅ、Ｓｍの希土類元素を化学量論比で酸に溶解した溶解液を蓚酸で共沈したものを焼成して得られる共沈酸化物と、酸化アルミニウム、酸化ガリウムとを混合して混合原料を得る。これにフラックスとしてフッ化アンモニウム等のフッ化物を適量混合して加圧し成形体を得る。成形体を坩堝に詰め、空気中１３５０〜１４５０℃の温度範囲で２〜５時間焼成して、蛍光体の発光特性を持った焼結体を得ることができる。
【００４３】
ＬＥＤは、高出力ＬＥＤであることが好ましい。ここで、高出力ＬＥＤとしては、出力が０．５ワット以上のＬＥＤにより構成することができる。
【００４４】
光学素子は、プラスチックで構成されていると好ましい。光学素子を構成するプラスチックとしては、例えばポリカーボネートを用いることで、射出成形により製造でき、製造コストを大幅に低減させることができる。ただし、素材はこれに限られない。
【発明の効果】
【００４５】
本発明によれば、薄型であり、熱変形を抑制しつつも、光の利用効率を高め、色ムラの改善を実現できる光学素子及びそれを用いた低背のＬＥＤ照明装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】（ａ）は本実施の形態にかかるＬＥＤ照明装置の光軸方向断面図である。（ｂ）はＬＥＤを光放出面側から見た図である。
【図２】凹部を設けていない比較例にかかる光学素子の断面図である。
【図３】凹部を設けた実施例１にかかる光学素子の断面図である。
【図４】縦軸に照度をとり、横軸に光軸からの半径をとって示すグラフである。
【図５】実施例１と比較例１にかかる図２，３の光学素子を持つＬＥＤ照明装置から出射される光線の色の特性を示す図である。
【図６】拡散作用を持つ面の一例である微小ピラミッド構造を持つ光学素子の斜視図である。
【図７】実施例２の光学素子を示す図であり、（ａ）は出射面側から見た図、（ｂ）は光軸方向VIIB-VIIB断面図、（ｃ）は光軸方向VIIC-VIIC断面図、（ｄ）は底面側から見た図である。
【図８】実施例２のサグ量を示すグラフである。
【図９】実施例２の光学素子を持つＬＥＤ照明装置から出射される光線の色の特性を示す図である。
【図１０】比較例２の光学素子を持つＬＥＤ照明装置から出射される光線の色の特性を示す図である。
【図１１】変形例にかかる光学素子の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４７】
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１（ａ）は、本実施の形態にかかるＬＥＤ照明装置の光軸方向断面図である。本実施の形態にかかるＬＥＤ照明装置は、光学素子１と、回路基板３上に形成されたＬＥＤ２を有している。図１（ｂ）に示すように、ＬＥＤ２は、青色光を放出する中央のＬＥＤチップ２ｃと、その光放出側を覆うように設けられた円形の黄色蛍光体２ｄとを積層してなるフラットな光放出面２ａを有している。光放出面２ａの周囲は、全体的に矩形状であるヒートシンク２ｂとなっている。光学素子１はＬＥＤ２に対して非接触であるから、ＬＥＤ２をハイパワー化しても光学素子１への伝熱を極力抑制できる。
【００４８】
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成形により形成されている。さらに、光学素子１は、ＬＥＤ２の光放出側に配置されており、ＬＥＤ２からの発光光が入射する凹状の入射面１ａと、入射面１ａから入射した光を外部に放出する全体的に凸状の出射面１ｂと、ＬＥＤ２の光軸直交方向外側で基板３に対向する底面１ｄと、出射面１ｂの外周に設けられた円筒面もしくは円錐面である外周面１ｆとつなぎ面ｆ２を有する。これらフランジ面としての外周面１ｆとつなぎ面ｆ２は、光学素子１を射出成形する際に、ゲートが設けられる部位である。
【００４９】
入射面１ａは、光軸ＯＡを含む凹状の非球面形状である内側面１ａ１と、テーパ状の外側面１ａ２と、それらをつなぐ平面１ａ３とからなる。出射面１ｂは、光軸付近が凹状であって、周囲が凸状であるが、全体として凸状でもよい。
【００５０】
底面１ｄには、ＬＥＤ２より出射面１ｂ側にくぼんだ単一の凹部（ここでは光軸ＯＡを中心とした環状溝）１ｇが設けられており、凹部１ｇは曲率を持つ非球面であって連続した面からなる。凹部１ｇは、頂点Ｐで光軸方向外向き面１ｇｏと内向き面１ｇｎとに分けられており、外向き面１ｇｏの幅Ａは、内向き面１ｇｎの幅Ｂより長くなっており、Ｂ／Ａは０．８以上であると好ましい。更に、光学素子の半径（Ｒ）に対する凹部１ｇの幅（Ａ＋Ｂ）は、１０％以上であって５０％以下である。尚、凹部１ｇは、テーパ状の外側面１ａ２の縁（底面1ｄと接する点Ｄ）と出射面１ｂの縁とを結ぶ面ＴＰよりもＬＥＤ側に存在する。更に、図１の断面において外周面１ｆの出射面１ｂ側の縁からなる点をＡとし、点Ａから、底面１ｄに向かって光軸ＯＡと平行に伸ばした時に底面１ｄの延長面と交差する点をＢとし、点Ａと点Ｂを結んだ線分をhとした場合、凹部１ｇの頂点Ｐは、光軸直交方向からみたとき、ｈ／２に該当する点Ｃと、入射面（外側面１ａ２）と底面１ｄの交点Ｄと、を結んだ線ＴＰ’よりも底面１ｄ側に設けられている。
【００５１】
平面状の底面１ｄは、金型の対応する転写面の粗度を高めることで、拡散作用を持つ粗し面（面粗さがＲａ０．２μｍ以上のもの）とできる。粗し面以外にシボ加工や粗し加工を施した面、或いは図６に示すような、微小なピラミッド構造を２次元的に並べた形状でも拡散作用を持たせることができる。また、外周面１ｆも、金型の対応する転写面の粗度を高めることで、拡散作用を持つ粗し面とできる。ただし、凹部１ｇは鏡面であることが好ましい。一般的に鏡面はＲａ０．０２５μｍ以下をいう。
【００５２】
本実施の形態では、底面１ｄは、周方向に等間隔に３つの脚部１ｃを有しており、脚部１ｃを基板３の表面に当接させて取り付けられている。脚部１ｃを周方向に不連続に配置することで、ＬＥＤ２を密封することが抑制され、ＬＥＤ２の配線の引き出しや通気性、放熱性の確保を行える。脚部１ｃ全体は、底面１ｄと同様に、金型の対応する転写面の粗度を高めることで、拡散作用を持つ粗し面とできる。なお、本発明は脚部を持つものに限るものではなく、脚部を持たなくても良い。
【００５３】
本実施の形態では、ＬＥＤ２の黄色蛍光体２ｄから出射された光は、実線で示すように、入射面１ａから入射した後、出射面１ｂに入射した際に、全反射して底面１ｄ側に向かう。この反射光を、凹部１ｇの外向き面１ｇｏで反射して、フランジ面１ｆもしくは出射面１ｂを介して出射するようになっている。これにより、光の利用効率を高め、色ムラを抑制することができる。なお、ＬＥＤ２の黄色蛍光体２ｄから出射された黄色光に限るものではなく、ＬＥＤチップ２ｃから出射される青色光でもあてはまる。
【００５４】
（実施例１）
図２は、凹部を設けていない比較例にかかる光学素子の断面図であり、図３は、凹部を設けた実施例１にかかる光学素子の断面図であり、両者は凹部の有無以外は共通している。図２に示す比較例では、ＬＥＤ２の黄色蛍光体２ｄから出射され入射面から入射した光は、出射面で反射した後に、底面やフランジ面などで反射を繰り返し、制御されない状態で光学素子の外部に出射する。特に底面と出射面で反射した光線は光軸側に向かうものがあるため、配光が狭くなるという問題がある。これに対し、図３に示す実施例では、ＬＥＤ２の黄色蛍光体２ｄから出射され入射面から入射した光は、出射面で反射した後に、凹部で反射して、直ちに光学素子の外部へと出射するようになる。これにより光軸側に向かう光が減り、配光を広く確保できる。
【００５５】
図４は、本発明者がシミュレーションで求めたＬＥＤ照明装置の照度分布であり、縦軸に照度をとり、横軸に光軸からの半径をとって示すグラフであり、凹部を設けていない比較例（図２参照）の特性を実線で示し、凹部を設けた実施例（図３参照）の特性を一点鎖線で示す。図４から明らかなように、凹部を設けない比較例に比べ、本実施例では照度分布が均一に近づいており、凹部を設けることで、配光が広がるとともに光の利用効率が高まることがわかる。
【００５６】
図５は、本発明者がシミュレーションで求めた、図２，３の光学素子を持つＬＥＤ照明装置から出射される光の色の特性を示す図であり、図５（ａ）は比較例１におけるＣＩＥ表色系のＸ軸に関するグラフであり、図５（ｂ）は、比較例１におけるＣＩＥ表色系のＹ軸に関するグラフであり、図５（ｃ）は実施例１におけるＣＩＥ表色系のＸ軸に関するグラフであり、図５（ｄ）は、実施例１におけるＣＩＥ表色系のＹ軸に関するグラフである。
【００５７】
図５において、（a）と（c）は縦軸にCIE表色系でのx値、（b）と（d）は縦軸にCIE表色系でｙ値をとっている。また、（a）から（ｄ）の横軸には光軸を０としたときの被照射面の位置をとって示している。図５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き、バックライトとしての特性に優れる。
【００５８】
ここで、図５で（ａ）と（ｃ）、（ｂ）と（ｄ）をそれぞれ比較してみると、（ａ）と（ｂ）のＰ−Ｖはそれぞれ０．１１、０．１８に対して、（ｃ）と（ｄ）のＰ−Ｖはそれぞれ０．０８、０．１４となっている。これは、出射面で全反射した光を凹部で反射して直ちに外部へと出射させたため、黄色成分が減ったことによるものと考えられる。つまり図５（ｃ）、（ｄ）に示す特性を持つ、図３の実施例にかかる光学素子を用いることで、光軸を中心としたイエローリングと呼ばれる色ムラが抑制されることがわかる。
【００５９】
（実施例２）
図７に、実施例２にかかる光学素子を示す図である。上述した実施例１と同様な構成要素については同じ符号を用いる。図中の数字は、寸法（ｍｍ）である。出射面１ｂや凹部１ｇの形状によって、凹部１ｇと外周面１ｆとの間の面が底面１ｄ（凹部１ｇと入射面１ａとの間の面）より基板３に対して出射面１ｂ側にシフトする場合があるが、そのような場合でも、凹部１ｇで反射した光線は更に外周面１ｆを通過することで、色ムラを有効に抑制できる。又、底面１ｄ（凹部１ｇと入射面１ａとの間の面）を、拡散作用を持つ面としても良い。これにより、出射面１ｂで全反射して底面１ｄに入射する光線、基板３から反射して底面１ｄに入射する光線等に拡散効果を付与することで、色ムラを抑制することができる。
【００６０】
実施例２において、入射面１ａの内側面１ａ１は単一の非球面であり、出射面１ｂは、光軸を含む第１領域１ｂ１，その外側の第２領域１ｂ２、その外側の第３領域１ｂ３の３領域からなる非球面形状である。より具体的には、出射面１ｂは、光軸ＯＡの周囲の、光軸を中心としてくぼんだ第１領域１ｂ１と、その外側の第２領域１ｂ２と、最も外側の第３領域１ｂ３とからなる。実施例２では、第１領域１ｂ１と第２領域１ｂ２との段差は約4um、第２領域１ｂ２と第３領域１ｂ３との段差は約２０umであるが、領域間を連続としても良い。表１に実施例２のレンズデータを示す。
【００６１】
【表１】
2014102485.tif 000003
【００６２】
尚、これ以降（表のレンズデータ含む）において、１０のべき乗数（例えば、２．５×１０-3）を、Ｅ（例えば、２．５×Ｅ−３）を用いて表す場合がある。LED光源の光出射面の中心部の座標を原点とし、原点を通る、出射面に垂直な線を光軸とした時、光学素子の光学面は、それぞれ数１式に表に示す係数を代入した数式で規定される、光軸の周りに軸対称な非球面に形成されている。
【００６３】
【数１】
2014102485.tif 000004
【００６４】
ここで、Ｘ（H）は原点から光軸方向の距離、κは円錐係数、Ａiは非球面係数、Hは光軸垂直方向の光軸からの距離（半径）、ｒは曲率半径である。
【００６５】
表２Ａ，２Ｂに、実施例２の入射面と出射面におけるサグ量のデータを示す。表中、ＳＡＧ（Ｈ）は、半径Ｈにおける光軸方向の座標（単位：ｍｍ）である。図８に、縦軸にＳＡＧ（Ｈ）をとり、横軸に光軸からの距離をとって、実施例２の入射面と出射面のサグ量の値を示す。
【００６６】
【表２Ａ】
2014102485.tif 000005
【表２Ｂ】
2014102485.tif 000006
【００６７】
図９は、本発明者がシミュレーションで求めた、図７の光学素子を持つＬＥＤ照明装置から出射される光の色の特性を示す図であり、図９（ａ）は実施例２におけるＣＩＥ表色系のＸ軸に関するグラフであり、図９（ｂ）は、実施例２におけるＣＩＥ表色系のＸＹに関するグラフである。図１０（ａ）は、比較例２におけるＣＩＥ表色系のＸ軸に関するグラフであり、図１０（ｂ）は、比較例２におけるＣＩＥ表色系のＸＹに関するグラフである。それぞれ、実線が図７（ａ）に示す座標軸のＹ方向断面、点線がＸ方向断面に相当する。尚、比較例２は、実施例２の凹部１ｇを底面と同じレベルで平面に置換したものであり、それ以外の形状は実施例２と同じである。
【００６８】
図９，１０を比較すると明らかであるが、比較例２の場合、光軸付近に小さなピーク波形が生じており、これが色ムラの要因になる。これに対し、実施例２の場合、同ピークが目立たなくなっている。これにより凹部１ｇを設ける効果が確認された。
【００６９】
尚、図１１に示す変形例のように、より熱の対流を促進させるべく、底面１ｄ（入射面１ａと凹部１ｇとの間の面）を、基板３に対して出射面１ｂ側にシフトするようにして、基板３との隙間を広げることができる。かかる場合、底面１ｄを、拡散作用を持つ面とすることで、ＬＥＤ光源２から直接、入射面１ａと凹部１ｇとの間の面に入射しても色ムラを抑制できる。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
本発明は、明細書に記載の実施例に限定されるものではなく、他の実施例・変形例を含むことは、本明細書に記載された実施例や思想から本分野の当業者にとって明らかである。例えば、本発明は液晶ディスプレイのバックライト用だけでなく、看板照明用の照明装置等としても用いることができる。
【符号の説明】
【００７１】
１ 光学素子
１ａ 入射面
１ｂ 出射面
１ｃ 脚部
１ｄ 底面
１ｆ 外周面
１ｇ 凹部
２ ＬＥＤ
２ａ 光放出面
２ｂ  ヒートシンク
３ 回路基板
【図１】
2014102485.tif 000007
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図２】
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【図３】
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