(57)【要約】【課題】輝度の低下を抑制することが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、前記中心軸に沿った、前記窪み面から前記入射面までの距離Ｌは、前記入射面の前記中心から前記入射面の周縁までの距離をｒとし、前記光学素子の屈折率をｎとすると、2017057777.tif 000008である条件を満たす。
2017057777.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、
前記中心軸に沿った、前記窪み面から前記入射面までの距離Ｌは、
前記入射面の前記中心から前記入射面の周縁までの距離をｒとし、
前記光学素子の屈折率をｎとすると、
【数１】
2017057777.tif 000007
である条件を満たす光学素子。
【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、
前記窪み面は、
前記入射面の前記中心から前記第３の面に入射する光線の入射角が臨界角以上となり、  前記入射面の周縁の１つの点から前記第２の面に入射する光線の入射角が臨界角以上となる領域を有しており、
前記入射面に入射された後前記側面で全反射されかつ前記第２の面への入射角が臨界角未満となる光線が存在する
という条件を満たす光学素子。
【請求項３】
前記第２の面と前記第３の面は、互いに異なる法線を少なくとも一組は有するとする請求項１または２記載の光学素子。
【請求項４】
前記第２の面の外向き法線は、前記第１の面から遠ざかるにつれ、前記中心軸との成す角が小さくなるように形成される請求項１乃至３のいずれかに記載の光学素子。
【請求項５】
前記入射面の前記周縁の一つの点から前記中心軸に沿って延長した直線が前記窪み面と交わる点は、前記第２の面と前記第３の面の接続部上に位置する請求項１乃至４のいずれかに記載の光学素子。
【請求項６】
前記第１の面と前記第２の面とは滑らかに接続される請求項１乃至５のいずれかに記載の光学素子。
【請求項７】
前記第３の面と前記側面とが交わる部分を含む領域は、前記入射面から離れるに連れて前記中心軸に垂直な断面の面積が小さくなる形状を有している請求項１乃至６のいずれかに記載の光学素子。
【請求項８】
前記第１の面は、
前記入射面の周縁の１つの点から前記第１の面に入射する光線の入射角が臨界角以上となり、
前記入射面に入射された後、前記側面で全反射されかつ前記第１の面への入射角が臨界角未満となる光線が存在する
という条件を満たす請求項２乃至７いずれかに記載の光学素子。
【請求項９】
前記入射面側の側面に設けられた鍔部を更に備えた請求項１乃至８のいずれかに記載の光学素子。
【請求項１０】
前記側面は、前記中心軸から外側に向かって湾曲した形状を有している請求項１乃至９のいずれかに記載の光学素子。
【請求項１１】
前記第３の面に光を反射する部材が設けられている請求項１乃至１０のいずれかに記載の光学素子。
【請求項１２】
ＬＥＤを有する前記光源と、
請求項１乃至１１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１３】
放熱機能を有する筐体を更に備え、
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１２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】
上記のような光学素子が知られている。この光学素子では、導光ロッドの先端に散乱部材が備えられている。ＬＥＤは、散乱部材に対向する導光ロッドの底面に配置される。ＬＥＤから発せられる光は、導光ロッド内を全反射によって伝搬され、散乱部材に導かれる。散乱部材に到達した光は、それによって拡散反射され、外部へと射出される。このようにして、フィラメント電球と同様、電球の中心から光が一様に広がるＬＥＤ電球が実現できる。【０００４】
しかし、従来のように散乱体によって拡散反射された光は、輝度が低下する。輝度が低下すると、光源の見た目の美観が損なわれる。このため、輝度の低下を抑制することが望まれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第６３５００４１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本実施形態は、輝度の低下を抑制することが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】
【０００７】
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、前記中心軸に沿った、前記窪み面から前記入射面までの距離Ｌは、前記入射面の前記中心から前記入射面の周縁までの距離をｒとし、前記光学素子の屈折率をｎとすると、
【数１】
2017057777.tif 000003
である条件を満たす。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１実施形態によるＬＥＤ照明装置の概要を示す斜視図。
【図２】第１実施形態の導光ロッドを示す断面図。
【図３Ａ】第１実施形態の第１変形例による導光ロッドを示す断面図。
【図３Ｂ】第１実施形態の第２変形例による導光ロッドを示す断面図。
【図３Ｃ】第１実施形態の第３変形例による導光ロッドを示す断面図。
【図３Ｄ】第１実施形態の第４変形例による導光ロッドを示す断面図。
【図３Ｅ】第１実施形態の第５変形例による導光ロッドを示す断面図。
【図４】第２実施形態の導光ロッドを示す断面図。
【図５】第３実施形態によるＬＥＤ照明装置の側面を示す写真。
【図６】第３実施形態のＬＥＤ照明装置の断面図。
【図７】第３実施形態のＬＥＤ照明装置の配光分布を示す図。
【図８】第１実施形態の導光ロッドにおける臨界光線を説明する断面図。
【図９】第１実施形態の第２変形例による導光ロッドの効果を説明する図。
【図１０】第１実施形態の第６変形例の導光ロッドの窪み面周辺を示す側面図。
【図１１】第１実施形態の第７変形例の導光ロッドの中心軸２０７を含む平面で切断した断面図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照して実施形態について詳細に説明する。
【００１０】
（第１実施形態）
第１実施形態によるＬＥＤ(Light Emitting Diode)照明装置の概要を図１に示す。この実施形態のＬＥＤ照明装置は、光学素子（例えば、導光ロッド）１０４と、ＬＥＤ１１０と、を備えている。以下の説明では、光学素子として導光ロッドを例にとって説明する。
【００１１】
導光ロッド１０４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（ポリカーボネイト）などの樹脂あるいはガラスなどから形成される。導光ロッド１０４は、ＬＥＤ１１０に対向しかつＬＥＤ１１０からの光が入射される入射面２０１と、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。導光ロッド１０４の入射面２０１と側面２０２は、滑らかな面となっている。
【００１２】
窪み面２０４の一部の面は、光を反射する反射部材２０６がコーティングされていてもよい。ただしこの限りではなく、反射部材２０６が無くても本実施形態のＬＥＤ照明装置は機能する。反射部材２０６は、例えば、アルミなどの金属蒸着、光沢塗装などで形成される。
【００１３】
導光ロッド１０４の中心軸は、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。導光ロッド１０４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、回転角が３６０°未満で元の形状に一致することを意味する。ただし、形状は回転対称に限らない。形状が回転対称の場合、導光ロッド１０４の中心軸は回転対称軸と一致する。
【００１４】
（窪み面２０４の形状）
図２は、導光ロッド１０４の、中心軸２１０を含む断面図である。窪み面２０４は、中心軸２１０と交わる第１の面２０９と、この第１の面２０９に接続する第２の面２０７と、第２の面２０７および側面２０２に接続する第３の面２０８と、を備えている。第３の面２０８には、反射部材２０６がコーティングされていてもよい。ただし、この限りではない。
【００１５】
第１の面２０９は、その周縁から中心軸２１０に向かうに従って入射面２０１に近づく形状となっている。
【００１６】
第２の面２０７上の任意の点をＰとする。点Ｐにおいて、点Ｐから入射面２０１の周縁の第２の点３０２に向かうベクトルと、点Ｐから導光ロッド１０４の内部に向かう（内向き）の内向き法線ベクトル２１７との成す角をθ1とする。導光ロッド１０４の全反射角θcは、導光ロッド１０４の屈折率ｎを用いて、
【数２】
2017057777.tif 000004
と書ける。このとき、
θ１≧θｃ              （２）
となるような領域を含むように第２の面２０７は形成される。
【００１７】
ＬＥＤ１１０から入射面２０１に入射され、導光ロッド１０４の側面２０２で全反射されて点Ｐに到達する光線のうち、その光線の光線方向ベクトルを反転（時間反転）させた反転光線ベクトル２１９と、点Ｐにおける内向き法線ベクトル２１７との成す角をθ2とする。このとき、下記の（３）式を満たす光線が少なくとも存在するように第２の面２０７が形成される。
θ２＜θｃ              （３）
【００１８】
本実施形態において、上記（３）式を満たす光線は、入射面２０１に平行なベクトルと光線との成す角が臨界角となるものである。ここで、臨界角は全反射角θcに等しい。このため、図２に示す臨界光線４０２が上記（３）式を満たす光線の１つの例となる。この臨界光線４０２は、入射面２０１の周縁の第２の点３０２から出射されて側面２０２で全反射される。ただし、この臨界光線４０２は、入射面２０１の周縁の第２の点３０２以外から出射されたものであってもよい。図８に、本実施形態の光学素子の、中心軸２１０を含む平面における、臨界光線４０２を示す。
【００１９】
第３の面２０８上の任意の点をＱとする。入射面２０１の中心（中心軸２１０が通る点）を第１の点３０１とする。点Ｑにおいて、点Ｑから第１の点３０１に向かうベクトル２２５と、点Ｑの内向き法線ベクトル２２７との成す角をθ3とする。このとき、下記の（４）式を満たすように第３の面２０８が形成される。
θ３≧θｃ              （４）
【００２０】
第３の面２０８は、導光ロッド１０４の側面２０２にも接続される。第２の面２０７と第３の面２０８は、互いに異なる法線を少なくとも一組は有するとする。これにより、各面で反射または透過させたときの光線方向に対し、それぞれの面で互いに異なる特性を持たせることができる。入射面２０１から窪み面２０４までの中心軸２１０に沿った長さＬは、最小長さをＬｃとし、第１の点から第２の点までの距離をｒとすると、Ｌｃは、
Ｌｃ＝２ｒ×ｔａｎθｃ    （５）  
で定義されるので、
Ｌ≧Ｌｃ                （６）
つまり、
【数３】
2017057777.tif 000005
となるように構成される。
【００２１】
側面２０２は、入射面２０１の周縁から窪み面２０４の周縁に向かって、すぼまる形状、あるいは同じ形状であるとする。ここで同じ形状とは、中心軸２１０に垂直な平面で切断した場合の断面が入射面２０１の周縁から窪み面２０４の周縁に向かって同じ形状であることを意味する。
【００２２】
（構成要素の機能）
次に、第１実施形態の各構成要素における機能について説明する。
【００２３】
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、面発光する。つまり、ＬＥＤ１１０は面光源である。ＬＥＤ１１０からの光線は、導光ロッド１０４の入射面で屈折され、導光ロッド１０４の内部に入射される。このとき、入射角の最大値は臨界角、つまり全反射角である。導光ロッド１０４の内部に入射された光線は、側面２０２で全反射を繰り返しながら伝播される。
【００２４】
ＬＥＤ１１０から入射面２０１の第２の点３０２に入射された光線のうち、第２の面２０７に直接到達するものは、（２）式が成立することにより、全反射される。更に、側面２０２において屈折され、導光ロッド１０４の外部へと射出される。また、入射面２０１における任意の点から入射された光線のうち第２の面２０７に直節到達するものは、（２）式が成立することにより、その到達点Ｐにおける内向き法線ベクトル２１７と反転光線方向ベクトルとの成す角θ１が全反射角θｃよりも大きくなる。これにより、これらの光線も第２の面２０７において全反射され、更に側面２０２より屈折され、導光ロッド１０４の外部へと射出される。
【００２５】
以上により、ＬＥＤ１１０から導光ロッド１０４に入射され、中心軸２１０に沿って伝搬される狭配光角の光線成分は、広配光角の光線成分へと変換されることになる。ここで配光角とは、中心軸２１０の方向ベクトルと光線方向ベクトルの成す角とする。また、窪み面２０４における全反射は光の拡散を伴わないので、各光線の輝度は保存される。つまり、輝度の損失を抑えることが可能になるという効果を奏することができる。更に、全反射はエネルギー損失がほぼ起こらないため、高い光利用効率を実現することが可能になるという効果を奏することができる。実際、図８に示すように、（４）式が成立する場合、第１の点３０１から出射された光線４０９は、第３の面２０８に直接到達し、内部全反射（全反射）されて、外部へと出射される。
【００２６】
第１の点３０１に入射された光線のうち、第３の面２０８に直接到達するものは、（４）式が成立することにより、全反射される。更に、側面２０２において屈折され、導光ロッド１０４の外部へと射出される。また、入射面２０１上で第１の点３０１から第２の点３０２と反対側の周縁の点までの範囲に入射された光線のうち、第３の面２０８に直節到達するものは、（４）式が成立することにより、その到達点Ｑにおける内向き法線ベクトル２２７と反転光線方向ベクトル２２５との成す角θ３が全反射角θｃ以上となる。これにより、これらの光線も第３の面２０８において全反射され、さらに側面２０２より屈折され、導光ロッド１０４の外部へと射出される。
【００２７】
以上により、ＬＥＤ１１０から導光ロッド１０４に入射され、中心軸２１０に沿って伝搬される狭配光角の光線成分は、広配光角の光線成分へと変換される。また、窪み面２０４における全反射は光の拡散を伴わないので、各光線の輝度は保存される。つまり、輝度の損失を抑えることが可能になるという効果を奏することができる。更に、全反射はエネルギー損失がほぼ起こらないため、高い光利用効率を実現することが可能になるという効果を奏することができる。
【００２８】
第３の面２０８に反射部材２０６がコーティングされている場合、入射面２０１から入射されて第３の面２０８に到達する光線は全て反射される。つまり、この場合は、狭配光角から広配光角に変換される光線成分を増加させることができる。つまり、広配化することが可能になるという効果を奏することができる。
【００２９】
入射面２０１から入射された光線のうち、導光ロッド１０４の側面で全反射を繰り返して第２の面２０７に到達する光線は、（３）式が成立することにより、一部あるいは全て透過され、外部へと射出される。これにより、導光ロッド１０４の先端である窪み面２０４から、中心軸２１０に沿って射出される光線成分を生み出すことができる。この成分は、入射面２０１において臨界角（全反射角）あるいはそれに近い入射角で入射された光線によって主に生じる。（７）式が成立することにより、そのような光線は側面２０２によって全反射によって折り返され、第２の面２０７に到達することができる。
【００３０】
以上により、ＬＥＤ１１０から発せられた光線は、導光ロッド１０４の入射面２０１より入射され、導光ロッド１０４の先端に設けられた窪み面２０４に導かれる。この窪み面２０４から全方位に射出される。これにより、１／２配光角を大きくすることができる、すなわち広配光を得ることが可能になるという効果が奏することができる。
【００３１】
また、窪み面２０４における全反射は光の拡散を伴わないので、各光線の輝度は保存される。つまり、輝度の損失がなく全方位に射出されるという効果を奏することができる。
さらに、全反射はエネルギー損失がほぼ起こらないため、高い光利用効率を実現することが可能になるという効果が奏することができる。
【００３２】
第１の面２０９は、挟配光角の光線成分を凹面レンズ効果により広配光角の光線成分に変換することができる。これにより、広配光化することが可能になるという効果を奏することができる。
【００３３】
窪み面２０４によって反射されてＬＥＤ１１０に戻る光線は、ほぼＬＥＤ１１０によって吸収されてしまい、光利用効率の低下の主な要因となる。そこで、このような戻り光を低減することが望ましい。窪み面２０４で反射された戻り光は、側面２０２で全反射され、入射面２０１に到達し、ＬＥＤ１１０に入射される。あるいは、入射面２０１に直接到達し、ＬＥＤ１１０に入射される。
【００３４】
（７）式が成立する場合、側面２０２に臨界角で入射して全反射され，第２の点３０２に到達する臨界光線４０２を取れる。このとき、窪み面２０４から側面２０２に向かって臨界角未満で入射する戻り光は全て側面２０２に到達し、透過される。
【００３５】
一方、（７）式が成立しない場合、窪み面２０４から側面２０２に向かって臨界角未満で入射する戻り光の一部は、入射面２０１に直接到達し、ＬＥＤ１１０に入射される可能性がある。
【００３６】
以上の説明により、（７）式成立することにより、窪み面２０４から側面２０２に向かって臨界角未満で入射する戻り光は全て側面２０２で透過することになる。このため、ＬＥＤ１１０で吸収される光線を低減することができる。つまり、光利用効率を向上させることが可能になるという効果を奏することができる。
【００３７】
側面２０２は、入射面２０１の周縁から窪み面２０４の周縁に向かってすぼまる形状、あるいは周辺にむかって同じ断面形状であるとする。これにより、金型で抜ける形状となり、量産性を向上させることが可能になるという効果を奏することができる。
【００３８】
（第１変形例）
第１実施形態の第１変形例によるＬＥＤ照明装置について図３Ａを参照して説明する。
この第１変形例のＬＥＤ照明装置は、第１実施形態のＬＥＤ照明装置において、導光ロッド１０４を図３Ａに示す導光ロッド１０４Ａに置き換えた構成を有している。
【００３９】
この導光ロッド１０４Ａは、図２に示す導光ロッド１０４において、第１の面２０９と第２の面２０７とが滑らかに接続される。これにより、窪み面２０４を滑らかにする表面処理を容易に行うことができる。
【００４０】
また、この第１変形例においては、第１の面２０９および第２の面２０７は鏡面状態、すなわち無塗装状態であり、第３の面２０９は、例えば、白色で光沢を有する反射部材２０６が塗装される。なお、第１実施形態の導光ロッド１０４と同様に、入射面２０１は鏡面状態である。
【００４１】
（第２変形例）
第１実施形態の第２変形例によるＬＥＤ照明装置について図３Ｂを参照して説明する。
この第２変形例のＬＥＤ照明装置は、第１実施形態または第１変形例のＬＥＤ照明装置において、導光ロッド１０４を図３Ｂに示す導光ロッド１０４Ｂに置き換えた構成を有している。
【００４２】
この導光ロッド１０４Ｂは、図２または図３Ａに示す導光ロッド１０４、１０４Ａにおいて、先端部３１０、すなわち第３の面２０８と側面２０２とが交わる領域の近傍の部分が先端方向に沿ってしぼむ形状を有している。この場合、金型による抜き加工を容易に行うことが可能になるという効果を奏することができる。
図９に示すように、側面２０２がしぼむ形状をしていることにより、光線４０９が面２０８で反射されて側面２０２に到達する際、再び側面２０２によって反射されることを低減することができる。すなわち、図９に示すように、第２の面２０７の外向き法線（外側を向く法線）は、第１の面２０９から遠ざかるにつれ、中心軸２１０との成す角が小さくなるように形成される。これは、しぼむ形状とすることにより、光線４０９の側面２０２に対する入射角が小さくなることが理由である。つまり、フレネル反射の理論により、入射角が小さくなると反射成分が低減し、透過成分が増加する。一方、側面２０２がしぼむ形状を持たない場合、側面２０２による再反射成分が増加すると、本実施形態の光学素子１０４による光吸収が増加し、光線がロスすることとなる。
【００４３】
（第３変形例）
第１実施形態の第３変形例によるＬＥＤ照明装置について図３Ｃを参照して説明する。
この第３変形例のＬＥＤ照明装置は、第１実施形態、第１変形例、および第２変形例のいずかのＬＥＤ照明装置において、導光ロッド１０４、１０４Ａ、１０４Ｂを図３Ｃに示す導光ロッド１０４Ｃに置き換えた構成を有している。
【００４４】
この第３変形例の導光ロッド１０４Ｃは、導光ロッド１０４、１０４Ａ、１０４Ｂのいずれかにおいて、第１の面２０９を無くした構成を有している。すなわち、窪み面２０４は、第２の面２０７および第３の面２０８から構成される。なお、図３Ｃにおいては、導光ロッド１０４Ｃは、図３Ｂに示す導光ロッド１０４Ｂにおいて、第１の面２０９を削除した構成を有している。この第３変形例においては、第２の面２０７が中心軸２０９と交わることになる。
【００４５】
更に、図３Ｃに示すように、入射面２０１と側面２０２との交わる部分が滑らかになるように形成してもよい。
【００４６】
（第４変形例）
第１実施形態の第４変形例によるＬＥＤ照明装置について図３Ｄを参照して説明する。
この第４変形例のＬＥＤ照明装置は、第１実施形態、第１変形例、第２変形例、および第３変形例のいずかのＬＥＤ照明装置において、導光ロッド１０４、１０４Ａ、１０４Ｂ、１０４Ｃを図３Ｄに示す導光ロッド１０４Ｄに置き換えた構成を有している。
【００４７】
この第４変形例の導光ロッド１０４Ｄは、導光ロッド１０４、１０４Ａ、１０４Ｂ、１０４Ｃのいずれかにおいて、入射面２０１の側の側面２０２に鍔部３２０を設けた構成を有している。この鍔部３２０は、導光ロッド１０４Ｄを他の構成部材に取り付ける際に、取り付け部としての機能を果たす。なお、図３Ｄにおいては、導光ロッド１０４Ｄは、図３Ｂに示す導光ロッド１０４Ｂにおいて、入射面２０１に鍔部３２０が設けられた構成を有している。この鍔部３２０を設けたことにより、導光ロッド１０４Ｄの器具への取り付けを容易に行うことが可能になるという効果を奏することができる。
【００４８】
（第５変形例）
第１実施形態の第５変形例によるＬＥＤ照明装置について図３Ｅを参照して説明する。
この第５変形例のＬＥＤ照明装置は、第１実施形態、第１変形例、第２変形例、第３変形例、および第４変形例のいずかのＬＥＤ照明装置において、導光ロッド１０４、１０４Ａ、１０４Ｂ、１０４Ｃ、１０４Ｄを図３Ｄに示す導光ロッド１０４Ｅに置き換えた構成を有している。
【００４９】
この第４変形例の導光ロッド１０４Ｅは、導光ロッド１０４、１０４Ａ、１０４Ｂ、１０４Ｃ、１０４Ｄのいずれかにおいて、側面２０２が外側に湾曲する形状となるとともに、中心軸に沿った面で切断した断面が入射面２０１に向かってしぼむ形状を有している。
【００５０】
第１実施形態、第１乃至第４変形例においては、側面２０２が入射面に直交しているため、導光ロッドにおける、中心軸に沿った面で切断した断面が入射面２０１に向かって絞られない形状を有している。この場合は、窪み面２０４から反射されてＬＥＤ１１０に戻ろうとする光線は側面２０２において臨界角を超えると全反射を繰り返し、ＬＥＤ１１０に戻り、吸収されてしまう。
【００５１】
これに対して、第５変形例のように、入射面２０１に向かってしぼむ形状を有している場合は、ＬＥＤ１１０に戻る光線は、側面２０２における入射角が臨界角（全反射角）以下になり、外部へと射出される。これにより、ＬＥＤ１１０への戻り光を低減することが可能になるため、光利用効率をより向上させることができる。
（第６変形例）
図１０に、第６変形例の導光ロッドの窪み面周辺の側面図を示す。図１０において、中心軸２１０を含む面における光線図も合わせて記載した。第３の面２０８の外向き法線（外側を向く法線）は、第１の面２０９から遠ざかるにつれ、中心軸２１０との成す角が小さくなるように形成される。このようにすることにより、中心軸２１０に対して臨界角を成す光線４０２ａ乃至４０２dは、第２の面２０７から屈折透過する。また、屈折される向きは、４０２ａ乃至４０２dの順に、広配光（中心軸との成す角が大きくなる）側になる。これにより、広配光成分を生み出すことができるのと同時に、光線４０２が再度、第３の面２０８で反射されることを防ぐことができる。つまり、第２の面から屈折透過される光線は、その透過点が第１の面２０９に近いほど第３の面２０８から離れる方向に屈折される。それゆえ、第３の面２０８で再度反射されず、光線の吸収および反射ロスを低減できる。一方、透過点が第１の面２０９から離れるほど第３の面２０８に近づく方向に屈折され、広配光成分を生み出すことができる。
（第７変形例）
図１１に、第７変形例の導光ロッドの中心軸２０７を含む平面で切断した断面図を示す。図１１において、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２０９および第２の面２０７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２０８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１０４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７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】
以上説明したように、第１実施形態および第１乃至第７変形例によれば、輝度の低下を抑制することが可能なＬＥＤ照明装置を提供することができる。
【００５３】
（第２実施形態）
第２実施形態によるＬＥＤ照明装置について図４を参照して説明する。この第２実施形態のＬＥＤ照明装置は、第１実施形態のＬＥＤ照明装置において、導光ロッド１０４を図４に示す導光ロッド１０４Ｆに置き換えた構成を有している。図４は、導光ロッド１０４Ｆの中心軸２１０に沿った断面図である。この導光ロッド１０４Ｆは、第１実施形態の導光ロッド１０４において、中心軸２１０に直交する平面で切断した断面の外形が、入射面２０１から所定の距離Ｌ１の第１位置まで同じ大きさの円形状を有し、この第１位置から中心軸２１０に沿って第２位置まで滑らかに増大する円形状を有し、第２位置から窪み面２０４の先端まで同じ大きさの円形状を有する構成を有している。すなわち、導光ロッド１０４Ｆは、窪み面２０４の近傍の側面２０２に鍔部３３０が設けられているとともに、窪み面２０４の形状が異なっている。窪み面２０４は、鍔部３３０の側面まで延在している。また、鍔部３３０と側面２０２とは滑らかな曲面で接続される。なお、第２実施形態において、第２の点３０２から側面２０２に沿って窪み面２０４に到達する点を第３の点３０３とする。
【００５４】
中心軸２１０に沿った、窪み面２０４から入射面２０１までの距離Ｌは、第１実施形態と同様に、（７）式を満たす。
【００５５】
上記距離Ｌ１は、
Ｌ１≧Ｌｃ                （８）
つまり、
【数４】
2017057777.tif 000006
を満たすことが好ましい。上記条件を満たすことにより、第１実施形態と同様に、窪み面２０４から側面２０２に向かって臨界角未満で入射する戻り光は全て側面２０２で透過することになる。このため、ＬＥＤ１１０で吸収される光線を低減することができる。つまり、光利用効率を向上させることが可能になるという効果を奏することができる。
【００５６】
窪み面２０４は、第１実施形態の導光ロッド１０４と同様に、中心軸２１０と交わる第１の面２０９と、この第１の面２０９に接続する第２の面２０７と、第２の面２０７に接続する第３の面２０８と、を有している。第２の面２０７の周縁は第３の点３０３とする。第３の面２０８の周縁は側面２０２に接続される。
【００５７】
このように、第２実施形態の導光ロッド１０４Ｆにおいては、鍔部３３０を備えているので、配光分布を所望の分布に制御することができる。
【００５８】
次に、第２実施形態の効果について説明する。
【００５９】
入射面２０１の第２の点３０２から入射された光線は、第３の面２０８に直接到達することができない。そのため、第２の点３０２を通って第３の面２０８から透過される狭配光の光線成分を抑えることができる。これにより、狭配光成分を低減することが可能となり、より広配光化することができるという効果を奏することが可能となる。
【００６０】
以上により、ＬＥＤ１１０から発せられた光線は、導光ロッド１０４の入射面２０１より入射され、導光ロッド１０４の先端に設けられた窪み面２０４に導かれる。この窪み面２０４により、光線は反射および透過され、全方位に射出される。これにより、１／２配光角を大きくすることができる、広配光化することができるという効果を奏することが可能になる。また、窪み面２０４における全反射は光の拡散を伴わないので、各光線の輝度は保存される。つまり、輝度の損失なく全方位に光線を射出することが可能になるという効果を奏することができる。更に、全反射はエネルギー損失がほぼ起こらないため、高い光利用効率を実現することが可能になるという効果を奏することができる。
【００６１】
以上説明したように、第２実施形態によれば、輝度の低下を抑制することが可能なＬＥＤ照明装置を提供することができる。
【００６２】
（第３実施形態）
第３実施形態によるＬＥＤ照明装置について図５および図６を参照して説明する。図５は、第３実施形態のＬＥＤ照明装置の側面を示す写真、図６は、第３実施形態のＬＥＤ照明装置の中心軸を通る平面で切断した断面図である。
【００６３】
第３実施形態のＬＥＤ照明装置は、第１実施形態および第１乃至第５変形例ならびに第２実施形態のいずれかのＬＥＤ照明装置の導光ロッドを備えている。以下の説明では、導光ロッドは第１実施形態の導光ロッド１０４として説明する。
【００６４】
第３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、導光ロッド（光学素子）１０４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３実施形態のＬＥＤ照明装置１は、ＬＥＤ電球である。
筐体１１２は放熱の機能を有している。
【００６５】
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。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、導光ロッド１０４が嵌入されるための貫通孔が設けられている。
【００６６】
導光ロッド１０４は、屈折率ｎ（ｎ＞１）の透明媒質、具体的にはＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）、ＰＣ（ポリカーボネート）、シリカガラスなどの材質から形成される。導光ロッド１０４は、ＬＥＤ１１０に対向する入射面２００、および入射面に対しほぼ垂直な側面２０２を有する円柱型である。導光ロッド１０４の入射面２００、側面２０２は、鏡面加工が施されている。導光ロッド１０４は、入射面２０１に対向する窪み面２０４を持ち、その窪み面２０４には、例えば白色塗装からなる反射部材２０６が設けられている。導光ロッド１０４は、スペーサ１０８と接触する部分で、接着剤により接着されている。ＬＥＤ１１０と導光ロッド１０４は、スペーサ１０８によってお互いが接触しないように隙間が開けられている。
【００６７】
導光ロッド１０４の入射面２００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１０４と対向する面には、光吸収部３０２が設けられている。この光吸収部３０２の詳細については後述する。光吸収部３０２と導光ロッド１０４の側面２０２との間は、空気層１３０が存在する。光吸収部３０２を設けたことにより、導光ロッド１０４の角部で反射、散乱した漏れ光を遮蔽することができる。光吸収部としては、つや消し黒色塗装、黒アルマイト、黒メッキ、黒紙、黒色シート、黒アルミナ、黒色シリコン、黒色プラスチック、などの光を吸収する材料が用いられる。
【００６８】
導光ロッド１０４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。なお、導光ロッド１０４の窪み面２０４は、グローブ１００の中心に位置する。
第３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。
【００６９】
このように構成された第３実施形態のＬＥＤ照明装置の配光分布を図７に示す。この図７において、ＬＥＤ照明装置の導光ロッド１０４の中心軸２１０の方向を０°方向とし、各光線の方向ベクトルと中心軸２１０の方向ベクトルとの成す角を配光角とする。図７は配光分布を各配光角に対する光度分布をレーダーチャートで表示したものである。
【００７０】
次に、第３実施形態の効果について説明する。
【００７１】
窪み面２０４から、全方位に向けて光線が外部へと射出される。これにより、窪み面２０４に２次的な光源が生成され、従来のフィラメント電球のような光り方を実現することが可能になるという効果を奏することができる。
【００７２】
第３実施形態のＬＥＤ照明装置１に対し、光線追跡シミュレーションを行ったところ、光利用効率は、９３．６％となり、１／２配光角は２６０°となった。これより、高効率で広配光のＬＥＤ照明を実現することができる。
【００７３】
また、ＬＥＤ１１０の輝度と、第３実施形態のＬＥＤ照明装置１の輝度はほぼ同じであり、輝度の損失を低減することが可能になるという効果を奏することができる。特に、グローブ１００が、透明であれば窪み面２０４で生成される２次光源がはっきりと見えるため、美観を向上することが可能になるという効果を奏することができる。
【００７４】
以上説明したように、第３実施形態によれば、輝度の低下を抑制することが可能なＬＥＤ照明装置を提供することができる。
【００７５】
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】
2017057777.tif 000009
【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図３Ｅ】
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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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【国際調査報告】
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