(57)【要約】【課題】ＬＥＤの高い輝度をそのままに全方位に配光することのできる光学素子およびＬＥＤ照明装置を提供する。【解決手段】本実施形態の光学素子は、光源に対向する入射面と、前記入射面と交わる側面と、前記入射面に対向しかつ前記側面と交わり前記入射面に向かって凸となる形状を有する窪み面と、を含む光学素子であって、前記窪み面は、前記入射面の中心部と前記窪み面の中心部とを結ぶ中心軸が通る曲面形状の第１の面と、前記第１の面に接続されるとともに前記側面に接続された第２の面と、を有し、前記第１の面は光を透過し、前記第２の面には光を反射する部材が設けられ、前記中心軸に直交する断面の外形形状が一定である。
2017104195.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源に対向する入射面と、前記入射面と交わる側面と、前記入射面に対向しかつ前記側面と交わり前記入射面に向かって凸となる形状を有する窪み面と、を含む光学素子であって、
前記窪み面は、前記入射面の中心部と前記窪み面の中心部とを結ぶ中心軸が通る曲面形状の第１の面と、前記第１の面に接続されるとともに前記側面に接続された第２の面と、を有し、前記第１の面は光を透過し、前記第２の面には光を反射する部材が設けられ、前記中心軸に直交する断面の外形形状が一定である光学素子。
【請求項２】
光源に対向する入射面と、前記入射面と交わる側面と、前記入射面と対向しかつ前記入射面に向かって凸となる形状を有する窪み面と、を含む光学素子であって、
前記窪み面は、前記入射面の中心部と前記窪み面の中心部とを結ぶ中心軸が通る曲面形状の第１の面と、前記第１の面に接続された第２の面と、前記第２の面に接続されるとともに前記側面に接続された第３の面とを有し、前記第１の面は光を透過し、前記第２の面には光を反射する部材が設けられており、前記第３の面は光を透過し、前記中心軸に直交する断面の外形形状が一定である光学素子。
【請求項３】
前記窪み面は、前記窪み面に関する前記中心軸に直交する面に投影される第１の投影面積に対する前記第２の面に関する前記中心軸に直交する面に投影される第２の投影面積の割合が０．５以上である請求項１または２記載の光学素子。
【請求項４】
前記第２の面が前記中心軸と交差する角度θは、１／２配光角をＸ、前記光学素子の屈折率をｎとすると、
【数１】
2017104195.tif 000011
である条件を満たす請求項１乃至３のいずかに記載の光学素子。
【請求項５】
前記第２の面が前記中心軸と交差する角度θは、５０度未満である請求項１乃至４のいずれかに記載の光学素子。
【請求項６】
前記第２の面は平面である請求項１乃至５のいずれかに記載の光学素子。
【請求項７】
前記第１の面は前記入射面に向かって凸となる曲面であり、前記第２の面は平面である請求項１乃至５のいずれかに記載の光学素子。
【請求項８】
前記第１の面は前記入射面に向かって凹となる曲面であり、前記第２の面は平面である請求項１乃至５のいずれかに記載の光学素子。
【請求項９】
前記第１および第２の面は前記入射面に向かって凸となる曲面である請求項１乃至５のいずれかに記載の光学素子。
【請求項１０】
前記第１および第２の面は前記入射面に向かって凹となる曲面である請求項１乃至５のいずれかに記載の光学素子。
【請求項１１】
前記第１の面は平面であり、前記第２の面は前記入射面に向かって凸となる曲面である請求項１乃至５のいずれかに記載の光学素子。
【請求項１２】
前記第１の面は前記入射面に向かって凸となる曲面であり、前記第２の面は前記入射面に向かって凹となる曲面である請求項１乃至５のいずれかに記載の光学素子。
【請求項１３】
前記第１の面は前記入射面に向かって凸となる曲面であり、前記第２の面は前記入射面に向かって凸となる曲面である請求項１乃至５のいずれかに記載の光学素子。
【請求項１４】
前記光学素子の前記中心軸に直交する断面は、円形、多角形、楕円形、および花びら形のいずれかである請求項１乃至１３のいずれかに記載の光学素子。
【請求項１５】
前記入射面の近傍の前記側面に突起部が設けられている請求項１乃至１４のいずれかに記載の光学素子。
【請求項１６】
前記第１の面に配置された反射部材と、前記第１乃至第３の面に配置され、前記反射部材を覆う透明部材と、を更に備えた請求項２記載の光学素子。
【請求項１７】
ＬＥＤを有する前記光源と、
請求項１乃至１６のいずれかに記載の光学素子と、
前記光学素子を覆うグローブと、
を備えたＬＥＤ照明装置。
【請求項１８】
前記光源を固定するとともに、前記グローブを固定する筐体を更に備えた請求項１７記載のＬＥＤ照明装置。
【請求項１９】
前記筐体は放熱機能を有し、前記光源、前記光学素子、および前記グローブは前記筐体と一体化した請求項１８記載のＬＥＤ照明装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、光学素子およびＬＥＤ照明装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般照明用のＬＥＤ(Light-Emitting Diode)照明装置は、白熱電球のような形状、および光り方に近づけること、すなわちレトロフィットが望まれることがある。特に、クリア型白熱電球、すなわちクリアガラスのグローブを用いた白熱電球のように、グローブ内部の点光源から広配光に、例えば、１／２配光角が約２７０°となるように光ることへの要望は多い。しかしながら、ＬＥＤをそのまま光源として用いると、配光角は狭くなり、１／２配光角は約１２０°程度となる。そこで、広配光レンズなどの光学素子を用いて、配光角を広げることが考えられる。【０００３】
この広配光レンズに関し、従来、内部に白色塗装を施したロッド状の光学素子を用いる例が知られている。しかし、白色塗装面からの射出光は、白色塗装面の散乱特性により輝度が低下しており、白熱電球のような光り方とは異なっていた。このため、ＬＥＤの高い輝度をそのままに、広範囲に光を広げる手法が望まれていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−６３６１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本実施形態は、ＬＥＤの高い輝度をそのままに全方位に配光することのできる光学素子およびＬＥＤ照明装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本実施形態による光学素子は、光源に対向する入射面と、前記入射面と交わる側面と、前記入射面に対向しかつ前記側面と交わり前記入射面に向かって凸となる形状を有する窪み面と、を含む光学素子であって、前記窪み面は、前記入射面の中心部と前記窪み面の中心部とを結ぶ中心軸が通る曲面形状の第１の面と、前記第１の面に接続されるとともに前記側面に接続された第２の面と、を有し、前記第１の面は光を透過し、前記第２の面には光を反射する部材が設けられ、前記中心軸に直交する断面の外形形状が一定である。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】第１実施形態による光学素子の断面形状を示す図。
【図２】第１実施形態による光学素子の配光分布を示す図。
【図３】第１実施形態の光学素子を用いたＬＥＤ照明装置を示す断面図。
【図４】第１実施形態の光学素子の効果を説明する図。
【図５】第１実施形態の光学素子の効果を説明する図。
【図６】第１実施形態の光学素子の効果を説明する図。
【図７】図７（ａ）および図７（ｂ）は、第１実施形態の光学素子の効果を説明する図。
【図８】第１実施形態の光学素子のパラメータサーベイ結果を示す図。
【図９】第１実施形態の光学素子のパラメータサーベイ結果を示す図。
【図１０】図１０（ａ）および図１０（ｂ）は、第２実施形態および一変形例による光学素子の断面形状を示す図。
【図１１】第２実施形態の一変形例による光学素子の配光分布を示す図。
【図１２】第２実施形態の光学素子を用いたＬＥＤ照明装置を示す断面図。
【図１３】図１３（ａ）、１３（ｂ）、１３（ｃ）は、第３実施形態、第１変形例、第２変形例の光学素子を示す断面図。
【図１４】第３実施形態の光学素子を用いたＬＥＤ照明装置の配光分布を示す図。
【図１５】図１５（ａ）乃至１５（ｆ）は、第４実施形態および第１乃至第５変形例による光学素子の断面形状を示す断面図および平面図。
【図１６】第３実施形態の第３変形例の光学素子を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下に図面を参照して実施形態について説明する。
【０００９】
（第１実施形態）
第１実施形態による光学素子を図１に示す。この光学素子１０５は、屈折率ｎの透明な材料からなる。具体的には、ＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）、ＰＣ（ポリカーボネイド）などの樹脂、あるいはガラスなどから形成される。光学素子１０５には、ＬＥＤ（図示せず）に対向しかつこのＬＥＤからの光が入射される入射面２０１と、この入射面２０１の法線方向に沿い、入射面２０１と交わる側面２０２と、入射面２０１に対向しかつ側面２０２と交わる窪み面２０４と、を有している。この実施形態においては、窪み面２０４は、入射面２０１に向かって凸となる形状を有している。光学素子１０５は、入射面２０１と、側面２０２と、窪み面２０４は滑らかな面となっている。
【００１０】
なお、光学素子１０５は、側面２０２に入射面２０１から伸びるように設けられた突起部（鍔部）３２０を備えていてもよい。この突起部３２０は、光学素子１０５をＬＥＤ照明装置に容易に取り付けるために用いられるものであり、無くてもよい。この場合、光学素子１０５は接着剤や嵌合によりＬＥＤ照明装置に取り付けられる。また、突起部３２０は、光学素子１０５を固定するためのものであればどのような形状でも良く、また入射面２０１の近傍に限らず側面２０２のどのような位置にあっても良い。
【００１１】
光学素子１０５は、突起部３２０を除いてロッド形状、すなわち、断面の外形が一定の形状でかつ、入射面２０１から窪み面２０４の最下面までの断面がほぼ一定の面積を有している。このため、光学素子１０５は導光ロッドとも呼ばれる。光学素子１０５の断面形状は後述するように、円形ばかりでなく、多角形、楕円形、花ビラ形であってもよい。なお、光学素子１０５は、型を用いて作製されるため、抜き勾配のために、断面積が若干減少する部分を有する。しかし、この減少する断面積が小さいため、断面積が一定であると見なされる。
【００１２】
光学素子１０５の中心軸２１０は、側面２０２に沿う方向とし、入射面２０１から窪み面２０４に向かう方向を正方向とする。光学素子１０５の形状は、例えば回転対称である。ここで回転対称とは、対象物を回転軸のまわりに回転させたときに回転角が３６０度未満で元の形状に一致することを意味する。但し、形状は回転対称に限らない。回転対称の場合、光学素子１０５の中心軸２１０は回転対称軸と一致する。また、中心軸２１０はＬＥＤの発光面に垂直な軸、すなわち光軸と一致する。
【００１３】
窪み面２０４は、さらに中心軸２１０を通る第１の面２０４ａと、この第１の面２０４ａに接続しかつ側面２０２と接続する第２の面２０４ｂとを有する。第１の面２０４ａおよび第２の面２０４ｂは、平面で構成される。第１の面２０４ａは透過面、第２の面２０４ｂは反射部材が付いた反射面となっている。反射部材は、例えばアルミなどの金属蒸着、メッキ、光沢塗装などから成る。
【００１４】
窪み面２０４、すなわち第１の面２０４ａと第２の面２０４ｂを併せた面を、中心軸２１０と垂直な面に投影した投影面積をＡ１、第２の面２０４ｂを中心軸２１０と垂直な面に投影した第２の投影面積をＡ２とすると、第２の面２０４ｂの投影面積比ａは下記の式（１）の条件を満たす。
【数１】
2017104195.tif 000003
【００１５】
また、第２の面２０４ｂの、中心軸２１０に対する角度θは、１／２配光角をＸ、光学素子１０５の屈折率をｎとしたときに下記の式（２）の条件を満たし、かつ５０度未満であることが好ましく、４５度未満であることがより好ましい。
【数２】
2017104195.tif 000004
【００１６】
この光学素子１０５による配光分布を図２に示す。図２から分かるように、１／２配光角は３１０度と広い配光を実現することができる。
【００１７】
本実施形態の光学素子１０５を用いたＬＥＤ電球の断面を図３に示す。この第１実施形態のＬＥＤ照明装置１は、グローブ１００と、カバー（被覆部）１０２と、光学素子１０５と、スペーサ固定ネジ１０６，１０７と、スペーサ１０８と、ＬＥＤ１１０と、筐体１１２と、カバー固定ネジ１１４，１１５と、キャップ１１６と、を備えている。すなわち、第１実施形態のＬＥＤ照明装置１は、ＬＥＤ電球である。
【００１８】
ＬＥＤ１１０は、ベースとなる筐体１１２の凹部とスペーサ１０８との間に位置する。
スペーサ１０８が筐体１１２の凹部にスペーサ固定ネジ１０６、１０７によって取り付けられ、これにより、ＬＥＤ１１０の一部の領域がスペーサ１０８によって筐体１１２の凹部の表面に押しつけられ、固定される。スペーサ１０８は、光学素子１０５の突起部３２０が収まる凹部が設けられた構成を有している。筐体１１２のＬＥＤ１１０が固定された側と反対側は、筒状の部分を有し、この筒状の部分にキャップ１１６が被せられる。なお、スペーサ１０８の中央部には、光学素子１０５が装着されるための貫通孔が設けられている。筐体１１２は放熱の機能を有している。
【００１９】
光学素子１０５の入射面２０１に近い側の側部には、カバー１０２が設けられ、このカバー１０２は、カバー固定ネジ１１４、１１５によって筐体１１２に固定される。カバー１０２の、導光ロット１０５と対向する面には、光吸収部３０２が設けられている。光吸収部３０２と光学素子１０５の側面２０２との間は、空気層１３０が存在する。
【００２０】
光学素子１０５およびカバー１０２は、グローブ１００によって覆われ、グローブ１００の内部に位置する。グローブ１００は、例えば接着剤によって筐体１１２に接着され、固定される。
第１実施形態のＬＥＤ照明装置においては、筐体（ソケット）１１２は放熱の機能を有し、ＬＥＤ１１０、導光ロッド１０４、およびグローブ１００は、スペーサ１０８、カバー１０２、およびネジ１１４、１１５等によって筐体１１２と一体化して固定されるので、放熱機能を有する筐体と一体化したＬＥＤ照明装置になる。
【００２１】
（照明の原理）
第１実施形態のＬＥＤ照明装置１における照明の原理について説明する。光学素子１０５の底面側に配置されたＬＥＤ１１０は、図示しない電源および電線によって電力を供給され、発光する。
【００２２】
ＬＥＤ１１０からの光は光学素子１０５の内部を伝播して、先端の第１の面２０４ａで透過し、第２の面２０４ｂで反射し、全方位に広く射出する。これにより、ＬＥＤ１１０の高い輝度をそのままに広く配光する、効率の良いＬＥＤ照明装置を実現することができる。
【００２３】
次に、第１実施形態の光学素子１０５の効果について、図４乃至図７を参照して説明する。光学素子１０５による広範囲な配光の基本原理図を図４に示す。光源（ＬＥＤ）１１０から光学素子１０５の中に入射した光は、光学素子１０５の中を伝播し、窪み面２０４に到達する。窪み面２０４には、第１の面２０４ａからなる透過面と、第２の面２０４ｂからなる反射面が形成されている。第１の面（透過面）２０４ａに到達した光は、第１の面（透過面）２０４ａで屈折透過し、中心軸２１０の方向に広がる。第２の面（反射面）２０４ｂに到達した光は、第２の面（反射面）２０４ｂで反射され、側面２０２で屈折透過して中心軸２１０の方向とは別の方向に広がる。これにより、ＬＥＤ１１０の輝度をそのままに広範囲に配光することができる。
【００２４】
このとき、第１の面（透過面）２０４ａの投影面積と、第２の面（反射面）２０４ｂの投影面積が同じ場合、透過光と反射光それぞれの割合は同じである。しかし、配光分布上の割合は透過光の方が多いため、１／２配光角が狭くなる。そこで、第２の面（反射面）２０４ｂの割合を第１の面（透過面）より大きくすることで、初めて広配光を実現できる。したがって、図１に示す第２の面（反射面）２０４ｂの投影面積Ａ２と、窪み面２０４の投影面積Ａ１との比ａ（＝Ａ２／Ａ１）は、０．５以上となる。なお、図４においては、第１の面２０４ａは、図１に示す第１の面２０４ａと異なり、平面ではなく、ＬＥＤ１１０側に窪んだ形状を有している。この図４に示すように、第１の面２０４ａはＬＥＤ１１０側に窪んでいてもよい。この図４に示す光学素子１０５は、第２実施形態の光学素子として説明される。第１の面２０４ａが平面である場合、光学素子１０５の側面２０２から第１の面２０４ａに大きい入射角で入射される光線は、第１の面２０４ａで臨界角θｃより大きくなるため、全反射してしまう。さらに、そのような光線は再び側面２０２で全反射することで光学素子１０５の内部を伝播してＬＥＤ１１０に戻るため、効率が低下する。そこで、第１の面２０４ａを曲面にすることにより、効率が向上することが可能になるという効果がある。
【００２５】
配光分布上の割合について、例えば中心軸２１０に対し±４５度の領域に透過光のみが出て、それ以外の領域に反射光のみが出るとする。この場合、透過光の割合は、±４５度の部分立体角が１．４１π、全立体角が４πなので、約１/３になる。つまり、配光分布上のバランスを取るためには、第２の面（反射面）２０４ｂから出る光は、透過光の約２倍の量が必要になる。従って、透過光と反射光の割合を約１：２とすると、第１の面（透過面）２０４ａから出る光と第２の面（反射面）２０４ｂから出る光の、それぞれの配光分布上の割合が概ね同じになるため、１／２配光角を広く取ることができる。このときの第２の面（反射面）２０４ｂの投影面積比ａは、約０．７５である。実際は、必ずしも±４５度で透過光と反射光が分けられることはないため、投影面積比ａは、０．７５前後がベストとなる。
【００２６】
以上により、広配光を実現するための第２の面（反射面）２０４ｂの投影面積比ａは、式（１）の条件を満たし、０．７５前後であることが望ましい。投影面積比ａは０．６以上０．９以下であれば好ましく、０．７以上０．８５以下であれより好ましい。
【００２７】
また、第２の面（反射面）２０４ｂの中心軸２１０に対する角度θは、その角度が大きい場合、第２の面（反射面）２０４ｂで反射した光が光学素子１０５の側面２０２に入射したときの入射角θｉが臨界角を上回るために、光学素子１０５内部を全反射しながら戻る光が生じる。この光は、光源（ＬＥＤ）１１０に戻って蛍光体で吸収または散乱されるため、電球としての効率が悪くなる。この説明を、図５を参照して説明する。
【００２８】
入射面２０１から光学素子１０５の内部に入射した光のうち、光学素子１０５の側面２０２で全反射する光は、光学素子１０５の屈折率をｎ、側面への入射角をθｉ（面の法線を基準とする）として、式（３）の条件を満たすものとなる。
【数３】
2017104195.tif 000005
θｉの最小の角度が臨界角θｃとなる。例えば、ｎ＝１．４９の光学素子１０５の場合、臨界角θｃは約４２．１６度となる。すなわち、臨界角θｃより小さな入射角を持つ光は光学素子１０５から射出し、臨界角θｃより大きな入射角を持つ光は光学素子１０５の中を全反射しながら伝播する。このため、第２の面２０４ｂで反射する光は、側面２０２において臨界角θｃよりも小さな入射角で入射することが好ましい。
【００２９】
ここで、光学素子１０５が屈折率ｎ＝１．４１４以上の材質から形成された場合、臨界角θｃは４５度以下となる。このとき、入射面２０１から入射角θｉ０で入射した光が、入射面２０１と直角をなす側面２０２に当たったときの入射角θｉ１は、式（４）から入射角θｉ０が９０度の場合でも必ず臨界角θｃ以上となる。ＰＭＭＡ、ＰＣ、ガラスなどはｎが１．４１４以上のため、これらの材質で形成された光学素子１０５の入射面２０１から入射した光は側面２０２で全反射し、光学素子１０５の内部を伝播する。
【数４】
2017104195.tif 000006
【００３０】
入射角θｉ1で入射した光が全反射した場合、その射出角θｒ１は、式（５）となる。
θｒ１＝θｉ１                （５）
射出角θｒ１で射出した光が中心軸２１０に対する角度θの第２の面（反射面）２０４ｂで反射し、再び側面２０２に入射する光の入射角θｉ２は、式（６）となる。
θｉ２＝２θ−θｒ１            （６）
再び側面２０２に入射する光が全反射しないためには、入射角θｉ２が臨界角θｃより小さければよいので、次の条件を満たせばよい。
θｉ２＜θｃ          （７）  
従って、式（４）〜（７）から
【数５】
2017104195.tif 000007
【００３１】
式（８）において、入射角θｉ０が９０度の場合、ｓｉｎθｉ０＝１となり、式（３）から右辺第２項は消去されるためにθ＜４５となる。
【００３２】
以上から、第２の面（反射面）２０４ｂの中心軸２１０に対する角度θは、４５度未満となることが望ましい。なお、実際には光学素子１０５の入射面２０１に当たる光の入射角θｉ０が９０度に近い光の割合が少ない場合がある。そのため、角度θをより大きくしたとしても効率への影響が少ないことがあるため、角度θは５０度未満であってもよい。
【００３３】
また、第２の面（反射面）２０４ｂの中心軸２１０に対する角度θは、１／２配光角をＸ、光学素子１０５の屈折率をｎとすると、式（２）の条件を満たさなければ１／２配光角以上の方向には光が射出しない。これに関して、図６を参照して説明する。
【００３４】
入射角θｉ３で側面２０２に入射した光が全反射し、中心軸２１０に対する角度θの第２の面（反射面）２０４ｂで反射、再び側面２０２に入射したときの入射角θｉ４は、式（５）、（６）から
θｉ４＝２θ−θｉ３            （９）
となる。１／２配光角Ｘの方向へ射出する光の射出角θｒ４は
【数６】
2017104195.tif 000008
【００３５】
従って、式（９）、式（１０）から
【数７】
2017104195.tif 000009
となる。ここで、側面２０２で全反射した光の入射角θｉ３は臨界角以上θｃのため、式（３）から
【数８】
2017104195.tif 000010
となり、式（１１）と式（１２）から式（２）が導かれる。
【００３６】
例として、光学素子１０５の材質がＰＭＭＡ（屈折率ｎ＝１．４９）で、１／２配光角の目標が２８０度とする。このとき、光学素子１０５の中を伝播する光は、側面２０２への入射角θｉ３が、臨界角（４２．１６度）以上となる。従って、側面２０２で全反射し、第２の面（反射面）２０４ｂで反射した光が、１／２配光角の半分となる１４０度の方向に出るためには、式（２）から、第２の面（反射面）２０４ｂの中心軸２１０に対する角度θが３６．５５度以上でなければならない。このため、第２の面（反射面）２０４ｂの中心軸２１０に対する角度θは、式（２）の条件を満たすことが望ましい。
【００３７】
次に、第１実施形態の光学素子（導光ロッド）１０５の各種パラメータサーベイの設定およびその結果について図７乃至図９を参照して説明する、図７（ａ）は、パラメータサーベイに用いた光学素子１０５を中心軸２１０の方向から見たときの投影図、７（ｂ）は、パラメータサーベイに用いた光学素子１０５の形状を示す断面図である。この光学素子１０５は、直径φが１ｍｍ、高さＬが５ｍｍの寸法を有する（図７（ｂ））。窪み面２０４（第１の面２０４ａと第２の面２０４ｂを併せた面）を中心軸２１０と垂直な面に投影したときの投影面積をＡ１、第２の面（反射面）２０４ｂを中心軸２１０と垂直な面に投影したときの投影面積をＡ２とすると、窪み面２０４に対する第２の面（反射面）２０４ｂの投影面積比ａは、
ａ＝Ａ２／Ａ１
と表される。このパラメータサーベイに用いた光学素子１０５は、ＬＥＤ１１０の底面および側面と、光学素子１０５の底面側の側面の一部を覆う黒マスク５０を配置し、漏れ光の防止を行った。第２の面（反射面）２０４ｂの中心軸２１０に対する角度θと投影面積比ａをパラメータサーベイのパラメータとする。第１の面（透過面）２０４ａは光を透過する。ＬＥＤ１１０および黒マスク５０と光学素子１０５との隙間は０．０１ｍｍ、第２の面（反射面）２０４ｂの反射率は１００％、ＬＥＤ１１０および黒マスク５０の吸収率は１００％としてシミュレーションを行った。
【００３８】
第２の面（反射面）２０４ｂの投影面積比ａと第２の面（反射面）２０４の中心軸２１０に対する角度θとの関係を、１／２配光角を変化させた場合を図８に示し、光利用効率を変化させた場合を図９にそれぞれ示す。
【００３９】
図８からわかるように、１／２配光角を変化させた場合は、第２の面（反射面）２０４ｂの投影面積比ａが０．５以上でなければ、反射光の強度が不足するため、１／２配光角を広げることができない。例として、第２の面（反射面）２０４ｂの投影面積比ａが０．５、第２の面（反射面）２０４ｂの角度θが４５度の場合、透過光が多く反射光が少ないため、１／２配光角は約１２５度と狭くなっている。第２の面（反射面）２０４ｂの投影面積比ａが０．８、第２の面（反射面）２０４ｂの角度θが４５度の場合、透過光と反射光の割合がほぼ等しくなるため、１／２配光角は約３３４度に広がる。したがって、投影面積比ａは０．５以上でなければならない。ここで、投影面積比ａを０．５以上としたのは、１／２配光角は第１の面（透過面）２０４ａと第２の面（反射面）２０４ｂの形状によって変化するためである。
【００４０】
また、図９から分かるように、効率の場合は、第２の面（反射面）２０４ｂの角度θが４５度以上では効率が急激に低くなることが分かる。これは、図５で説明したとおり、第２の面（反射面）２０４ｂの角度θが４５度以上になると、第２の面（反射面）２０４ｂで反射した光が光学素子１０５の側面２０２に入射する結果、全反射を生じて光学素子１０５の内部を伝播しながらＬＥＤ１１０側に戻る光が発生するためである。このため、第２の面（反射面）２０４ｂの角度θが４５度未満でなければ、光学素子１０５の効率が低くなる。
【００４１】
なお、第２の面（反射面）２０４ｂの投影面積比ａが０．７〜０．８５、第２の面（反射面）２０４ｂの中心軸２１０に対する角度θが４０〜４５度であることが好ましい。これは、１／２配光角が広く、また効率の高い領域であることがパラメータサーベイ結果のグラフからも読み取れる。
【００４２】
以上説明したように、第１実施形態によれば、ＬＥＤの高い輝度をそのままに全方位に配光することが可能な光学素子およびＬＥＤ照明装置を提供することができる。
【００４３】
（第２実施形態）
第２実施形態による光学素子（導光ロッド）１０５の断面を図１０（ａ）に示す。この第２実施形態の光学素子１０５は、図１に示す光学素子１０５において、第１の面（透過面）２０４ａが入射面２０１側に窪んだ形状を有している。なお、図１０（ｂ）に示す第２実施形態の一変形例のように出射面側に向かって凸形状、すなわち、入射面２０１に向かって凹形状であってもよい。図１０（ａ）、１０（ｂ）に示すように、第１の面２０４を曲面で構成することで、特に第１の面（透過面）２０４ａからの配光分布のむらを抑えて均一な分布にすることができる。
【００４４】
図１０（ｂ）に示す第２実施形態の一変形例による光学素子の配光分布を図１１に示す。図２に示す第１実施形態の配光分布と比べて中心軸２１０の方向のむらが抑えられているのが分かる。
【００４５】
なお、曲面の形状は本実施形態に限らず、例えばＵ字形状、多数の平面で略曲面を構成する形状、など、本実施形態と同様の効果を得るためであればどのような形状としても良い。図１０（ａ）に示す第２実施形態の光学素子１０５を用いたＬＥＤ照明装置１の構成を図１２に示す。
【００４６】
この第２実施形態も第１実施形態と同様に、ＬＥＤの高い輝度をそのままに全方位に配光することが可能な光学素子およびＬＥＤ照明装置を提供することができる。
また、第２実施形態のＬＥＤ照明装置においては、第１実施形態と同様に、筐体（ソケット）１１２は放熱の機能を有し、ＬＥＤ１１０、導光ロッド１０４、およびグローブ１００は、スペーサ１０８、カバー１０２、およびネジ１１４、１１５等によって筐体１１２と一体化して固定されるので、放熱機能を有する筐体と一体化したＬＥＤ照明装置になる。
【００４７】
（第３実施形態）
第３実施形態による光学素子（導光ロッド）１０５の断面形状を図１３（ａ）に示す。
この第３実施形態の光学素子１０５は、図１０（ａ）に示す第２実施形態の光学素子１０５において、第２の面２０４ｂを平面から曲面に換えるとともに、第２の面２０４ｂの外側に、側面２０２と接続するための第３の面２０４ｃを配置された構成を有している。この第３の面２０４ｃは透過面となっている。なお、第１の面２０４ａは、平面であってもよい。なお、図１３（ａ）においては、第２の面２０４ｂは、入射面２０１側に凸となる曲面形状を有している。
【００４８】
第３実施形態のように、第２の面２０４ｂを曲面で構成したことで、第１の面２０４ａおよび第２の面２０４ｂからの配光分布のむらを抑えて均一な分布にすることができる。
【００４９】
（第１変形例）
第３実施形態の第１変形例による光学素子１０５の断面形状を図１３（ｂ）に示す。この第１変形例の光学素子１０５は、図１３（ａ）に示す第３実施形態の光学素子１０５と異なり、第１の面（透過面）２０４ａを中心軸２１０の方向から見たときの投影面積を広く、また曲面形状をＵ字型とした構成を有している。
【００５０】
第３実施形態および第１変形例において、第２の面２０４ｂの角度θは、図１３（ｂ）のように第２の面２０４ｂを構成する始点と、第２の面２０４ｂの終点を結ぶ直線がなす角度とする。
【００５１】
（第２変形例）
第３実施形態の第２変形例による光学素子１０５の断面形状を図１３（ｃ）に示す。この第２変形例の光学素子１０５は、図１に示す第１実施形態の光学素子１０５と異なり、第２の面２０４ｂを出射面側に凸、すなわち入射面に向かって凹となる曲面形状とした構成を有している。
（第３変形例）
図１６に、第３変形例の光学素子１０５を、中心軸２０７を含む平面で切断した断面図を示す。図１６において、曲面形状を有する窪み面には透明コーティング１００１と反射コーティング１００２が施されている。透明コーティング１００１は、窪み面全面と反射コーティング１００２を覆っており、保護膜としての機能を有する。また、第１の面２０４ａおよび第２の面２０４ｂでの光線の反射を低減する機能も有している。また、第３の面２０４ｃで反射コーティング１００２内にわずかに内部伝搬する光線が、反射コーティングと外部環境が成す界面で全反射されるのを、透明コーティング１００１は低減するという機能も有する。一般的には、透明コーティング１００１は、本実施形態の光学素子１０５よりも屈折率の低い材料とする。透明コーティング１００１は、窪み面全面を覆っているので、それを作成する際、マスキングをする必要がないという利点もある。また、この第３変形例の導光ロッドにおいて、窪みの外面には、透明コーティング１００１および反射コーティング１００２以外のものは存在しないので、放熱効果が高くすることができる。
【００５２】
なお、第３実施形態およびそれらの変形例においては、第１の面２０４ａは平面、曲面のどちらでも良い。また、第２の面２０４ｂは光源側に窪んだ凹形状（図１３（ａ）、１３（ｂ））、光源と反対側に盛り上がった凸形状（図１３（ｃ））のどちらでも良い。また、曲面の形状は本実施形態に限らず、多数の平面で略曲面を構成する形状、など、本実施形態と同様の効果を得るためであればどのような形状としても良い。第３の面２０４ｃは平面、曲面のどちらでも良い。
【００５３】
図１３（ａ）に示す光学素子１０５を用いたＬＥＤ照明装置１の配光分布を解析により求めた結果を図１４に示す。図１４からわかるように、１／２配光角が３１０度と、ほぼ全方位にむらなく光が広がるＬＥＤ照明装置を実現することができる。但し、第２の面（反射面）２０４ｂを構成する曲面において、光軸に対する角度θが４５度より大きい部分があるため、効率は、第１実施形態および第２実施形態よりも低くなる。
【００５４】
この第３実施形態も第１実施形態または第２実施形態と同様に、ＬＥＤの高い輝度をそのままに全方位に配光することが可能な光学素子およびＬＥＤ照明装置を提供することができる。
【００５５】
（第４実施形態）
第４実施形態の光学素子の断面および中心軸からみた平面図を図１５（ａ）に示す。この第４実施形態の光学素子１０５においては、図１５（ａ）に示すように、光学素子１０５は中心軸２１０に直交する断面が円形でかつ突起部３２０が光学素子１０５の外周全体に渡って配置されている。
【００５６】
しかし、図１５（ｂ）に示す第４実施形態の第１変形例による光学素子１０５のように、中心軸２１０に直交する断面が四角形でかつ突起部３２０が４つの側面の一部に配置されていてもよい。
【００５７】
また、図１５（ｃ）に示す第４実施形態の第２変形例による光学素子１０５のように、中心軸２１０に直交する断面が八角形でかつ突起部３２０が対向する一対の側面に配置されていてもよい。
【００５８】
また、図１５（ｄ）に示す第４実施形態の第３変形例による光学素子１０５のように、中心軸２１０に直交する断面が楕円形でかつ突起部３２０が対向する一対の側面に配置されていてもよい。
【００５９】
また、図１５（ｅ）に示す第４実施形態の第４変形例による光学素子１０５のように、中心軸２１０に直交する断面が４枚の花びら形でかつ突起部３２０が対向する一対の側面に配置されていてもよい。
【００６０】
また、図１５（ｆ）に示す第４実施形態の第５変形例による光学素子１０５のように、中心軸２１０に直交する断面が４枚の花びら形でかつ突起部３２０が外周全体に渡って配置されていてもよい。
【００６１】
このように、第４実施形態およびその変形例の光学素子１０５のように、中心軸２１０側から見た平面形状または中心軸２１０に直交する断面形状が円形、楕円形、四角形および八角形など等の多角形、花びら形、であってもよい。第４実施形態はこれらの形状に限定されるものではなく、第１乃至第３実施形態と同様の効果が得られるものであれば、どのような形状であっても良い。
【００６２】
この第４実施形態も、第１乃至第３実施形態と同様に、ＬＥＤの高い輝度をそのままに全方位に配光することが可能な光学素子およびＬＥＤ照明装置を提供することができる。
【００６３】
なお、上記実施形態のＬＥＤ照明装置は、ソケット一体型のＬＥＤ照明装置であってもよい。
【００６４】
また、上記実施形態のＬＥＤ照明装置は、ＬＥＤ１００を固定するとともに、グローブ１００を固定する筐体１１２が放熱機能を有する筐体一体型のＬＥＤ照明装置であってもよい。
【００６５】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【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１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【国際調査報告】
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