(57)【要約】  照明装置（１００）は、面光源（１）と、第１の焦点（Ｆ１）を有し面光源の光出射面側に配置された第１レンズ（Ｌ１）と、第２の焦点（Ｆ２）を有し第１レンズの光出射面側に配置された第２レンズ（Ｌ２）とを備え、第１レンズによって第１の虚像（Ｉ１）が形成され、かつ、第２レンズによって第２の虚像（Ｉ２）が形成されるように、面光源、第１レンズおよび第２レンズが構成されており、第２の焦点（Ｆ２）と第１のレンズとの間に第１の虚像（Ｉ１）が形成され、第２の焦点（Ｆ２）が、所定焦点位置ｆ’よりも光源側とは反対側に位置しており、第１レンズまたは第２レンズの光入射面または光出射面のうちの少なくともいずれかの面はレンズ面としての非回転面（ＳＯ）を含み、この非回転面において曲率が不連続に変化する複数の境界線（Ｂ１〜Ｂ４）が設けられている。
2014017262.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光出射面を有する面光源と、
第１の焦点を有し、前記面光源の前記光出射面側に配置された第１レンズと、
第２の焦点を有し、前記第１レンズの光出射面側に配置された第２レンズと
を備え、
前記第１レンズによって第１の虚像が形成され、かつ、前記第２レンズによって第２の虚像が形成されるように、前記面光源、前記第１レンズおよび前記第２レンズが構成されている照明装置であって、
前記第２の焦点と、前記第１レンズとの間に、前記第１の虚像が形成され、
前記第２の焦点は、前記第２レンズの主点から所定焦点距離ｆ’だけ離れた位置よりも前記面光源とは反対の側に位置しており、
前記第２レンズの主点と前記第１の虚像の位置との間の距離をｌ’とし、前記第２レンズの有効径をＤとし、前記面光源の光出射面のサイズまたは前記面光源に含まれる複数の発光素子の配列ピッチのいずれか一方である光源サイズファクタをεとすると、
前記所定焦点距離ｆ’は、ｌ’＝（Ｄ／（ε＋Ｄ））・ｆ’を満たし、
前記第１レンズまたは第２レンズの光入射面または光出射面のうちの少なくともいずれかの面は、レンズ面としての非回転面を含み、前記非回転面において、曲率が不連続に変化する非同心円状の複数の境界線が設けられている、照明装置。
【請求項２】
前記複数の境界線のうちの少なくとも１つの境界線は、前記非回転面の中心から外側に向かって延びている、請求項１に記載の照明装置。
【請求項３】
前記非回転面は、前記複数の境界線によって分割される３以上の単位面を有し、前記非回転面の中心を通る軸に対して前記３以上の単位面が回転対称性を有するように配置されている、請求項２に記載の照明装置。
【請求項４】
光軸方向と直交する平面内において互いに直交するｘ方向とｙ方向とが規定されており、前記３以上の単位面の少なくとも１つにおいて、前記ｘ方向における曲率と前記ｙ方向における曲率とが異なる、請求項３に記載の照明装置。
【請求項５】
前記３以上の単位面の少なくとも１つは自由曲面である、請求項４に記載の照明装置。
【請求項６】
前記非回転面が前記第１レンズまたは第２レンズの光出射面を構成しているとき、前記非回転面は、前記複数の境界線のうちの１つを介して隣接する２つの凸曲面を含み、かつ、前記２つの凸曲面の間に形成される前記境界線は谷線であり、
前記非回転面が前記第１レンズまたは第２レンズの光入射面を構成しているとき、前記非回転面は、前記複数の境界線のうちの１つを介して隣接する２つの凹曲面を含み、前記２つの凹曲面の間に形成される前記境界線は稜線である、請求項１から５のいずれかに記載の照明装置。
【請求項７】
前記εは、前記光出射面の面内強度ムラの最小ピッチ以上である、請求項１から６のいずれかに記載の照明装置。
【請求項８】
前記第１の焦点と前記第１レンズとの間に前記第１の虚像が形成され、かつ、前記第２の焦点と前記第２レンズとの間に前記第２の虚像が形成される、請求項１から７のいずれかに記載の照明装置。
【請求項９】
前記第１レンズと前記第２レンズとの合成焦点と、前記第１レンズとの間において、前記第１の虚像および前記第２の虚像が形成される、請求項８に記載の照明装置。
【請求項１０】
前記第１レンズと前記第２レンズとを含む第１の光学系の光出射側に、第２の光学系がさらに設けられている、請求項８または９に記載の照明装置。
【請求項１１】
前記第２の光学系は、前記第１の光学系に対して最も近接する凹レンズと、前記第１の光学系に対して前記凹レンズの次に近接する凸レンズとを含む、請求項１０に記載の照明装置。
【請求項１２】
前記非回転面は、前記第２レンズの光出射面に設けられており、
前記第１レンズの光出射面と前記第２レンズの光入射面とが接合している、請求項１から１１のいずれかに記載の照明装置。
【請求項１３】
前記第１レンズと前記第２レンズとは、樹脂により一体成型されている請求項１２に記載の照明装置。
【請求項１４】
前記第１レンズの前記面光源に対向する側のレンズ面は凹曲面であり、
光軸上における前記面光源の光出射面から前記第１レンズの凹曲面までの距離をｄ、前記第１レンズの前記凹曲面が有する曲率半径をＲとしたとき、
前記光出射面を配置可能な位置の範囲幅ｈは、
ｈ≦２√（ｄ（２Ｒ−ｄ））
で表される、請求項９から１３のいずれかに記載の照明装置。
【請求項１５】
前記第１レンズおよび第２レンズを含む光学レンズ部の主点から、前記光出射面までの距離をａ、前記光学レンズ部の主点から焦点位置までの距離をｆとしたとき、
ａ＜ｆ／２
を満たす、請求項９から１４のいずれかに記載の照明装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、面発光素子を備える照明装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的な照明装置として、例えば図５４に示す照明装置９００が知られている。【０００３】
上記照明装置９００は、図５４に示すように、メニスカスレンズＬ１と非球面レンズＬ２とを含むコリメート光学系ＬＣを有し、この光学系の焦点位置にＬＥＤ光源１０を配置した構成となっている。【０００４】
ここで、ＬＥＤ光源１０の光軸ＡＸ上に存在する一点から出射される光については、図５４に示すように、上記光軸ＡＸに平行なコリメート光として取り出される。一方、ＬＥＤ光源１０は点光源ではなく面光源である為、光軸ＡＸから外れた場所から出射される光も存在する。光軸ＡＸから外れた場所から出射された光は、光軸ＡＸと異なる方向に照射する為、前述の光軸ＡＸ上に存在する一点から出射された光と異なる場所に照射される。このため、照射面内での照度均一性が得られないという問題が生じる。【０００５】
しかも、メニスカスレンズＬ１とＬＥＤ光源１０が離れている為、ＬＥＤ光源１０から大きな角度で発光する光がメニスカスレンズＬ１に入射されないおそれがある。【０００６】
特許文献１および２には、ＬＥＤ発光体から出射される光の殆ど全てを利用できる光源が開示されている。【０００７】
特許文献１に記載の光源は、ＬＥＤ発光体と、ＬＥＤ発光体を内包する内部レンズと、これらを覆うメニスカスレンズとを有している。また、特許文献２に記載の光源は、ＬＥＤ発光体と、空隙を空けて発光体を覆うメニスカスレンズとを有している。これらの光源において、メニスカスレンズの内側面によって形成される虚像Ｖｌ1は、ＬＥＤ発光体よりもさらに外側（レンズの光出射面側）に生成される。【０００８】
上記のように、メニスカスレンズ内側面によって形成される虚像Ｖｌ1が、ＬＥＤ発光体よりもさらに外側に生成される場合、ＬＥＤ発光体から出射される光の殆どがメニスカスレンズに入射されるようになる。このことによって、ＬＥＤ発光体から出射される光の利用効率を高めることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許第７，７９８，６７８号明細書
【特許文献２】国際公開第２００８／０１６９０８号
【特許文献３】特開２００９−４２７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、特許文献１および２の光源では、上述のように、ＬＥＤ発光体から出射される光のほとんど全てを利用することができるものの、照射面の均一性を実現することは考慮されていない。例えば、レンズの光軸から外れた場所から発光する光は、光軸上から発光する光と異なる領域を照射してしまい、照射面の均一性は得られないという問題が生じ得る。【００１１】
また、照明装置を用いて円形以外の形状の領域に光を照射するという用途があり、従来は、光源から出射された光を部分的に遮光することによって、照射領域の形状を調節することが多かった。具体的には、円形以外の形状（四角形など）の照射領域を得るために、例えば、アパーチャ（開口部）が設けられた遮光板や、照明装置の出光部近傍に設けられた羽部材が用いられていた。しかし、このような方式では、光の利用効率が低下するという問題がある。【００１２】
例えば、特許文献３には、四角形や台形の面光源を用いて、照射領域の形状を円形以外のものとするスポットライトが開示されている。しかし、このスポットライトでは、光源においてスポット形状に適合した開口部を有する遮蔽板が設けられているので、光の利用効率が低下する。【００１３】
従って、光利用効率をできるだけ低下させることなく、円形以外の照射領域を形成することが求められていた。このような照明装置は、例えば、舞台照明の分野で、四角形や三角形などの異形（円形以外）のスポットライトを照射するために好適に利用される。【００１４】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、光の利用効率を向上させながら、異形の照射領域を形成することができる照明装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の実施形態による照明装置は、光出射面を有する面光源と、第１の焦点を有し、前記面光源の前記光出射面側に配置された第１レンズと、第２の焦点を有し、前記第１レンズの光出射面側に配置された第２レンズとを備え、前記第１レンズによって第１の虚像が形成され、かつ、前記第２レンズによって第２の虚像が形成されるように、前記面光源、前記第１レンズおよび前記第２レンズが構成されている照明装置であって、前記第２の焦点と、前記第１レンズとの間に、前記第１の虚像が形成され、前記第２の焦点は、前記第２レンズの主点から所定焦点距離ｆ’だけ離れた位置よりも前記面光源とは反対の側に位置しており、前記第２レンズの主点と前記第１の虚像の位置との間の距離をｌ’とし、前記第２レンズの有効径をＤとし、前記面光源の光出射面のサイズまたは前記面光源に含まれる複数の発光素子の配列ピッチのいずれか一方である光源サイズファクタをεとすると、前記所定焦点距離ｆ’は、ｌ’＝（Ｄ／（ε＋Ｄ））・ｆ’を満たし、前記第１レンズまたは第２レンズの光入射面または光出射面のうちの少なくともいずれかの面は、レンズ面としての非回転面を含み、前記非回転面において、曲率が不連続に変化する非同心円状の複数の境界線が設けられている、照明装置である。【００１６】
ある実施形態において、前記複数の境界線のうちの少なくとも１つの境界線は、前記非回転面の中心から外側に向かって延びている。【００１７】
ある実施形態において、前記非回転面は、前記複数の境界線によって分割される３以上の単位面を有し、前記非回転面の中心を通る軸に対して前記３以上の単位面が回転対称性を有するように配置されている。【００１８】
ある実施形態において、光軸方向と直交する平面内において互いに直交するｘ方向とｙ方向とが規定されており、前記３以上の単位面の少なくとも１つにおいて、前記ｘ方向における曲率と前記ｙ方向における曲率とが異なる。【００１９】
ある実施形態において、前記３以上の単位面の少なくとも１つは自由曲面である。【００２０】
ある実施形態において、前記非回転面が前記第１レンズまたは第２レンズの光出射面を構成しているとき、前記非回転面は、前記複数の境界線のうちの１つを介して隣接する２つの凸曲面を含み、かつ、前記２つの凸曲面の間に形成される前記境界線は谷線であり、前記非回転面が前記第１レンズまたは第２レンズの光入射面を構成しているとき、前記非回転面は、前記複数の境界線のうちの１つを介して隣接する２つの凹曲面を含み、前記２つの凹曲面の間に形成される前記境界線は稜線である。【００２１】
ある実施形態において、前記εは、前記光出射面の面内強度ムラの最小ピッチ以上である。【００２２】
ある実施形態において、前記第１の焦点と前記第１レンズとの間に前記第１の虚像が形成され、かつ、前記第２の焦点と前記第２レンズとの間に前記第２の虚像が形成される。【００２３】
ある実施形態において、前記第１レンズと前記第２レンズとの合成焦点と、前記第１レンズとの間において、前記第１の虚像および前記第２の虚像が形成される。【００２４】
ある実施形態において、前記第１レンズと前記第２レンズとを含む第１の光学系の光出射側に、第２の光学系がさらに設けられている。【００２５】
ある実施形態において、前記第２の光学系は、前記第１の光学系に対して最も近接する凹レンズと、前記第１の光学系に対して前記凹レンズの次に近接する凸レンズとを含む。【００２６】
前記非回転面は、前記第２レンズの光出射面に設けられており、前記第１レンズの光出射面と前記第２レンズの光入射面とが接合している。【００２７】
ある実施形態において、前記第１レンズと前記第２レンズとは、樹脂により一体成型されている。【００２８】
ある実施形態において、前記第１レンズの前記面光源に対向する側のレンズ面は凹曲面であり、光軸上における前記面光源の光出射面から前記第１レンズの凹曲面までの距離をｄ、前記第１レンズの前記凹曲面が有する曲率半径をＲとしたとき、前記光出射面が配置可能な位置範囲ｈは、ｈ≦２√（ｄ（２Ｒ−ｄ））で表される。【００２９】
ある実施形態において、前記第１レンズおよび第２レンズを含む光学レンズ部の主点から、前記光出射面までの距離をａ、前記光学レンズ部の主点から焦点位置までの距離をｆとしたとき、ａ＜ｆ／２を満たす。【００３０】
また、ある実施形態による照明装置では、発光部の光取り出し側に複数の光学レンズからなる光学レンズ部を配置されており、上記光学レンズ部は、各光学レンズのそれぞれの焦点位置が、上記各光学レンズによって発生するそれぞれの虚像に対して、上記発光部に対向する面とは反対側に存在している。この構成によれば、各レンズによる虚像を、発光部に近い位置で発生させることができる。【００３１】
これにより、光学レンズ部の光軸上に存在する発光部中心から射出される光と、発光部の中心から外れた位置から射出される光とを、ほぼ等しい角度分布で光学レンズ部から射出することが可能となる。従って、発光部中心から射出される光も発光部中心から外れた位置から射出される光も所定の照射領域の全域を同じように照射することができるので、照射領域の均一性を飛躍的に向上させることが可能となる。【００３２】
しかも、発光部中心から射出される光と発光部中心から外れた位置から射出される光は、ほぼ等しい角度分布で光学レンズ部から射出することが可能となるので、当該光学レンズ部に射出されない光を殆ど無くすことができ、この結果、高い光利用効率を実現することが可能となる。【００３３】
従って、発光部から射出される光のほぼ全ての光を利用することができ、高い光利用効率を実現するとともに、発光部の異なる場所から射出する光をほぼ等しい照射領域へ照射することが可能となり、照射領域の均一性を飛躍的に向上させることができるという顕著な効果を奏する。【００３４】
上記同様の効果を奏するには、例えば、発光部の光照射面側に、複数の光学レンズからなるレンズ部を配置した照明装置において、上記光学レンズ部を構成する各光学レンズの焦点を合成した合成焦点位置が、上記各光学レンズによって発生するそれぞれの虚像に対して、当該全ての虚像の上記発光部に対向する面とは反対側に存在していてもよい。【００３５】
上記構成によっても、各レンズによる虚像を発光部に近い位置で発生させることができるので、発光部から射出される光のほぼ全ての光を利用することができ、高い光利用効率を実現するとともに、発光部の異なる場所から射出する光をほぼ等しい照射領域へ照射することが可能となり、照射領域の均一性を飛躍的に向上させることができるという顕著な効果を奏する。【００３６】
さらに上記構成によれば、光学レンズ部を構成する各光学レンズの焦点を合成した合成焦点位置が、上記各光学レンズによって発生するそれぞれの虚像に対して、当該全ての虚像の上記発光部に対向する面とは反対側に存在していることで、各レンズによる虚像を発光部に、さらに近い位置で発生させることができる。これにより、光学レンズ部から射出する光の角度を拡げることができるので、より広い照射領域の均一性を飛躍的に向上させることが可能となる。【００３７】
上記光学レンズ部を第１光学レンズ部としたとき、上記第１光学レンズ部の光射出側に、第２光学レンズ部が設けられていてもよい。【００３８】
上記構成によれば、第１光学レンズ部から射出された光の射出角を、第２光学レンズ部によって変更することが可能となる。つまり、第２光学レンズ部の光学特性を調整することにより、第１光学レンズ部から射出された光の射出角を狭めたり、あるいは拡げたりすることが可能となる。【００３９】
これにより、第２光学レンズ部の設計の仕方によって、光の照射領域の面積を自由に変更させることができる。【００４０】
上記第２光学レンズ部は、第１光学レンズ部に一番近いレンズを凹レンズ、次に近いレンズを凸レンズで構成されていてもよい。【００４１】
このように、凹レンズと凸レンズとの組み合わせにより、各レンズで発生する収差を補正し合うことができるので、第１光学レンズ部から射出される光の特性を壊さないようにすることができる。【００４２】
これにより、第１光学レンズ部から射出される光の射出角が調整可能で、且つ、発光部から射出される光のほぼ全ての光を利用することができ、高い光利用効率を実現するとともに、発光部の異なる場所から射出する光をほぼ等しい照射領域へ照射することが可能となり、照射領域の均一性を飛躍的に向上させることができるという顕著な効果を奏する。【００４３】
上記光学レンズ部は、上記各レンズ界面の一部が一体的に形成されていてもよい。【００４４】
このように、光学レンズ部を構成している各レンズの一部が一体的に形成されていることで、発光部の発光面と光学レンズ部との位置合わせを簡単にできる。【００４５】
また、発光部と光学レンズ部との固定も簡単に行うことができる。【００４６】
２枚レンズの一体的な形成方法としては、樹脂による一体成型、接着剤による接着が考えられる。上記２枚レンズが樹脂により一体成型されていてもよい。【００４７】
この場合、２枚レンズが樹脂により一体成型されていることで、光学レンズ部を形成する際の成型回数を２回（レンズ２枚の場合）から１回に減らすことができるため、製造コストの低下を図ることができる。【００４８】
上記光学レンズ部を構成するレンズのうち、上記発光部に最も近いレンズ面を、当該発光部に向かって窪んだ凹面とする第１光学レンズ、上記発光部の発光面から光軸上の第１光学レンズの界面までの距離をｄ、上記第１光学レンズの内側レンズ曲率半径をＲ、上記発光部の上記光軸上の配置範囲をｈとしたとき、ｈ≦２√（ｄ（２Ｒ−ｄ））であってよい。このように、発光部の配置範囲ｈが上記のように設定されていることで、当該発光部から射出される光が全て第１光学レンズに取り込まれるようになり、光利用効率を向上させることができる。【００４９】
上記光学レンズ部の主点から、発光部の発光面までの距離をａ、上記光学レンズ部の主点から焦点位置までの距離をｆとしたとき、ａ＜ｆ／２を満たしていてもよい。【００５０】
このように、光学レンズ部の主点から、発光部の発光面までの距離ａを、光学レンズ部の主点から焦点位置までの距離ｆの半分より短くすることによって、常に、虚像位置を光学レンズ部の焦点位置よりも相対的に光学レンズ部へ近付けることが出来る。【００５１】
上記発光部は、複数の発光体を含んでいてもよい。この場合、発光部の発光面には、複数の発光体が配置されることになるが、各発光体の発光量にバラツキがあっても、照射面では、これらのバラツキを吸収するようにして光が照射される。つまり、どの発光体においても、同じ照射領域に光を照射するようになっているので、発光体の発光量にバラツキがあっても、このバラツキが吸収されることになる。
【発明の効果】
【００５２】
本発明の実施形態による照明装置によれば、円形以外の形状を有する領域に照度の均一性を向上させながら光を照射することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の実施の形態に係る照明装置の概略構成図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る照明装置の概略構成図である。
【図３】図２に示す照明装置における光線挙動を示す図である。
【図４】（ａ）は図２に示す照明装置の概略構成を示し、（ｂ）は比較例の照明装置の概略構成を示す図である。
【図５】（ａ）は図４（ａ）に示す照明装置の光線挙動を示す図であり、（ｂ）は図３（ｂ）に示す照明装置の光線挙動を示す図である。
【図６】照明装置から１ｍ離れた距離に評価面を設置した例を示す図である。
【図７】図６に示す評価面における照射強度分布を示す図である。
【図８】図７に示す照射強度分布における相対照度と照射位置との関係示すグラフである。
【図９】（ａ）は微小発光面を複数配置した例を示し、（ｂ）は微小発光面の一部が暗い場合の例を示し、（ｃ）は同図（ｂ）のときの照射強度分布を示す図である。
【図１０】照明装置と評価面との関係を示す図である。
【図１１】（ａ）は図１０に示す評価面ａにおける２次元照度分布を示し、（ｂ）は図１０に示す評価面ｂにおける２次元照度分布を示す図である。
【図１２】（ａ）は図１に示す照明装置を実際に製作した光学レンズ条件を示し、（ｂ）は図１に示す照明装置を実際に製作した場合に得られた照射領域における照度状態を示す図である。
【図１３】（ａ）は図２に示す照明装置を実際に製作した光学レンズ条件を示し、（ｂ）は図２に示す照明装置を実際に製作した場合に得られた照射領域における照度状態を示す図である。
【図１４】本発明の他の実施の形態に係る照明装置の概略構成図である。
【図１５】図１４に示す照明装置の要部Ｂの拡大図である。
【図１６】図１４に示す照明装置における照射強度分布を示す図である。
【図１７】本発明のさらに他の実施の形態に係る照明装置の概略構成図である。
【図１８】図１７に示す照明装置の要部Ｂの拡大図である。
【図１９】図１７に示す照明装置における照射強度分布を示す図である。
【図２０】本発明のさらに他の実施の形態に係る照明装置の概略構成図である。
【図２１】本発明のさらに他の実施の形態に係る照明装置の概略構成図である。
【図２２】照明装置と評価面との関係を示す図である。
【図２３】図２２に示す評価面における照射強度分布を示す図である。
【図２４】照明装置と評価面との関係を示す図である。
【図２５】図２４に示す評価面における照射強度分布を示す図である。
【図２６】本発明の照明装置における発光部の配置範囲を説明するための図である。
【図２７】第１レンズおよび第２レンズの焦点と、各レンズが形成する虚像の位置との関係を示す図であり、（ａ）〜（ｅ）はそれぞれ別の配置関係を示す。
【図２８】面光源の光出射面に生じる照度ムラを示す図である。
【図２９】基準焦点ｆ’と第２レンズの焦点Ｆ２との位置関係を示す図である。
【図３０】（ａ）はパンフォーカス状態を説明するための図であり、（ｂ）は照明装置に適用した場合を説明するための図である。
【図３１】光源サイズファクタ（許容錯乱円）εの大きさに応じて基準焦点ｆ’の位置が変化することを説明するための図である。
【図３２】面光源における繰り返しピッチを説明するための図であり、（ａ）は３色のＬＥＤが用いられる場合を示し、（ｂ）は特性の異なる２種類のＬＥＤ列が設けられる場合を示す。
【図３３】本発明のさらに他の実施形態の照明装置を示す図であり、（ａ）は照明装置の光源部近傍を示す斜視図であり、（ｂ）は断面図（側面図）であり、（ｃ）は第２レンズの斜視図である。
【図３４】（ａ）は、図３３に示す照明装置によって得られる照度分布を示し、（ｂ）および（ｃ）は照射領域の形状を示す。
【図３５】本発明のさらに他の実施形態の照明装置を示す図であり、（ａ）は照明装置の光源部近傍を示す斜視図であり、（ｂ）は断面図（側面図）であり、（ｃ）は第２レンズの斜視図である。
【図３６】（ａ）は、図３５に示す照明装置によって得られる照度分布を示し、（ｂ）および（ｃ）は照射領域の形状を示す。
【図３７】本発明のさらに他の実施形態の照明装置を示す図であり、（ａ）は照明装置の光源部近傍を示す斜視図であり、（ｂ）は断面図（側面図）であり、（ｃ）は第２レンズの斜視図である。
【図３８】（ａ−１）および（ｂ−１）は、図３７に示す照明装置の具体的なレンズ形状を示す斜視図であり、（ａ−２）および（ｂ−２）はそれぞれ（ａ−１）および（ｂ−１）に示すレンズを用いた場合の照射領域の形状を示す。
【図３９】本発明のさらに他の実施形態の照明装置を示す図であり、（ａ）は照明装置の光源部近傍を示す斜視図であり、（ｂ）は断面図（側面図）であり、（ｃ）は第２レンズの斜視図である。
【図４０】（ａ）は、図３９に示す照明装置によって得られる照度分布を示し、（ｂ）は照射領域の形状を示す。
【図４１】本発明のさらに他の実施形態の照明装置を示す図であり、（ａ）は照明装置の光源部近傍を示す斜視図であり、（ｂ）は断面図（側面図）であり、（ｃ）は第２レンズの斜視図である。
【図４２】（ａ）は、図４１に示す照明装置によって得られる照度分布を示し、（ｂ）は照射領域の形状を示す。
【図４３】本発明のさらに他の実施形態の照明装置を示す図であり、（ａ）は照明装置の光源部近傍を示す斜視図であり、（ｂ）は断面図（側面図）である。
【図４４】（ａ）は、図４３に示す照明装置によって得られる照度分布を示し、（ｂ）は照射領域の形状を示す。
【図４５】図４３に示す実施形態の変形例の照明装置を示す図であり、（ａ）は照明装置の光源部近傍を示す斜視図であり、（ｂ）は断面図（側面図）である。
【図４６】（ａ）は、図４５に示す照明装置によって得られる照度分布を示し、（ｂ）は照射領域の形状を示す。
【図４７】本発明のさらに他の実施形態の照明装置を示す図であり、（ａ）は照明装置の光源部近傍を示す斜視図であり、（ｂ）は断面図（側面図）である。
【図４８】（ａ）は、図４７に示す照明装置によって得られる照度分布を示し、（ｂ）および（ｃ）は照射領域の形状を示す。
【図４９】図４７に示す実施形態の変形例の照明装置を示す図であり、（ａ）は照明装置の光源部近傍を示す斜視図であり、（ｂ）は断面図（側面図）であり、（ｃ）は第２レンズを示す平面図である。
【図５０】（ａ）は、図４９に示す照明装置によって得られる照度分布を示し、（ｂ）および（ｃ）は照射領域の形状を示す。
【図５１】本発明のさらに他の実施形態の照明装置を示す図であり、（ａ）は照明装置の光源部近傍を示す斜視図であり、（ｂ）は断面図（側面図）であり、（ｃ）は第２レンズの斜視図である。
【図５２】図５１に示す光学レンズの例示的な設計サイズを示す側面図であり、（ａ）はレンズ全体を示し、（ｂ）は光源側に配置される第１レンズ部分を拡大して示す。
【図５３】（ａ）は、図５１に示す照明装置によって得られる照度分布を示し、（ｂ）は照射領域の形状を示す。
【図５４】従来の照明装置の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００５４】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明するが、本発明はこれらに限られるものではない。
【００５５】
＜実施の形態１＞
図１、および図２は、本実施の形態に係る照明装置１１の概略構成を示す図である。
【００５６】
図３は、図２に示す照明装置１１における光照射状態を示す図である。
【００５７】
（照明装置の構成）・・・図１、２、３
上記照明装置１１は、図１に示すように、光源（発光部）１と、当該光源１の光取り出し側である、光出射面側の光軸ＡＸ上に配置された光学レンズ部２とを含み、上記光源１で発光された光を、光学レンズ部２を通して照射するように構成されている。
【００５８】
上記光源１は、面発光を行う面発光体であるＬＥＤ発光体を含む。なお、面発光を行う面発光体であれば、ＬＥＤ発光体に限定されるものではない。
【００５９】
上記光学レンズ部２は、２枚の光学レンズＬ１、Ｌ２を備えており、上記光源１に近い側から順に、光学レンズＬ１（第１レンズＬ１と呼ぶことがある）、光学レンズＬ２（第２レンズＬ２と呼ぶことがある）が配置された構造となっている。なお、光学レンズＬ１、Ｌ２は、それぞれの中心が上記光軸ＡＸを通るように配置されている。
【００６０】
上記光学レンズＬ１は、少なくとも上記光源１の発光面の最大幅よりも大きな直径を有しており、上記光源１側の面が凹面形状となった光学レンズからなる。
【００６１】
上記光学レンズＬ２は、少なくとも１枚目の光学レンズである光学レンズＬ１の最大径よりも大きな直径を有しており、光射出面側は凸形状となったレンズからなる。
【００６２】
ここで、上記光学レンズＬ１、Ｌ２の焦点位置、および各光学レンズＬ１、Ｌ２通過後に発生する虚像について説明する。
【００６３】
上記光学レンズＬ１の焦点位置をｆ１（焦点Ｆ１と呼ぶことがある）、光源１からの光が光学レンズＬ１を通過することによって発生する虚像をＬ１虚像（虚像Ｉ１と呼ぶことがある）とする。また、上記光学レンズＬ２の焦点位置をｆ２（焦点Ｆ２と呼ぶことがある）、光学レンズＬ１で発生したＬ１虚像からの光が光学レンズＬ２を通過することによって発生する虚像をＬ２虚像（虚像Ｉ２と呼ぶことがある）とする。さらに、上記光学レンズＬ１、Ｌ２の合成焦点位置をｆ１＋ｆ２（合成焦点Ｆ（１＋２）と呼ぶことがある）とする。
【００６４】
図１に示す照明装置１１では、光学レンズ部２を構成する光学レンズＬ１、Ｌ２の焦点ｆ１、ｆ２が、上記光学レンズＬ１、Ｌ２によって発生するそれぞれの虚像（Ｌ１虚像、Ｌ２虚像）に対して、それぞれの虚像（Ｌ１虚像、Ｌ２虚像）の上記光源１に対向する面とは反対側に存在するように、光学レンズ部２が設計されている。この構成において、焦点ｆ１とレンズＬ１との間に第１の虚像Ｉ１が形成され、かつ、焦点ｆ２とレンズＬ２との間に第２の虚像Ｉ２が形成されている。
【００６５】
また、本実施形態の他の設計による上記照明装置１１は、図２に示すように、光源（発光部）１と、当該光源１の光出射面側の光軸ＡＸ上に配置された光学レンズ部２とを含み、上記光源１で発光された光を、光学レンズ部２を通して光照射するように構成されている。
【００６６】
上記光源１は、面発光を行う面発光体であるＬＥＤ発光体を含む。なお、面発光を行う面発光体であれば、ＬＥＤ発光体に限定されるものではない。
【００６７】
上記光学レンズ部２は、２枚の光学レンズＬ１（第１光学レンズ）、Ｌ２を備えており、上記光源１に近い側から順に、光学レンズＬ１、光学レンズＬ２が配置された構造となっている。なお、光学レンズＬ１、Ｌ２は、それぞれの中心が上記光軸ＡＸを通るように配置されている。
【００６８】
上記光学レンズＬ１は、少なくとも上記光源１の発光面の最大幅よりも大きな直径を有しており、上記光源１側の面が凹面形状となった光学レンズからなる。
【００６９】
上記光学レンズＬ２は、少なくとも１枚目の光学レンズである光学レンズＬ１の最大径よりも大きな直径を有しており、光射出面側は凸形状となったレンズからなる。
【００７０】
ここで、上記光学レンズＬ１、Ｌ２の焦点位置、および各光学レンズＬ１、Ｌ２通過後に発生する虚像について説明する。
【００７１】
上記光学レンズＬ１の焦点位置をｆ１、光源１からの光が光学レンズＬ１を通過することによって発生する虚像をＬ１虚像とする。また、上記光学レンズＬ２の焦点位置をｆ２、光学レンズＬ１で発生したＬ１虚像からの光が光学レンズＬ２を通過することによって発生する虚像をＬ２虚像とする。さらに、上記光学レンズＬ１、Ｌ２の合成焦点位置をｆ１＋ｆ２とする。
【００７２】
図２に示す照明装置１１では、光学レンズ部２を構成する光学レンズＬ１、Ｌ２の焦点ｆ１、ｆ２を合成した合成焦点位置ｆ１＋ｆ２が、上記光学レンズＬ１、Ｌ２によって発生するそれぞれの虚像（Ｌ１虚像、Ｌ２虚像）に対して、当該全ての虚像（Ｌ１虚像、Ｌ２虚像）の上記光源１に対向する面とは反対側に存在するように、光学レンズ部２が設計されている。この構成において、レンズＬ１とレンズＬ２との合成焦点位置ｆ１＋ｆ２と、レンズＬ１との間において、Ｌ１虚像およびＬ２虚像が形成されている。
【００７３】
上記光学レンズＬ１、Ｌ２の焦点位置、および各光学レンズＬ１、Ｌ２通過後に発生する虚像が、図２に示すような関係にある照明装置１１では、図３に示すように、光源１の発光面からの光線を全て光学レンズ部２に導き、照射面に対して効率よく光照射することが可能となる。つまり、上記構成の照明装置１１によれば、高い光利用効率と照射面の均一性の向上との両立を図ることが可能となる。
【００７４】
以下に、上記構成の照明装置１１による上記効果について詳細に説明する。
【００７５】
（本実施形態のポイント）・・・・図４、５
図４（ａ）は、図２の照明装置１１のレンズ構成（２枚レンズ構成）における、各光学レンズＬ１、Ｌ２の焦点位置、および各光学レンズＬ１、Ｌ２通過後に発生するＬ１虚像、Ｌ２虚像についてのモデル図を示し、図４（ｂ）は、別の形態における各光学レンズＬ１、Ｌ２の焦点位置、および各光学レンズＬ１、Ｌ２通過後に発生するＬ１虚像、Ｌ２虚像についてのモデル図を示している。
【００７６】
上記構成の照明装置１１は、図４（ａ）に示すように、光源の位置に対して、各光学レンズＬ１、Ｌ２の焦点位置ｆ１、ｆ２、および合成焦点位置ｆ１＋ｆ２が、各光学レンズＬ１、Ｌ２によって発生する虚像（Ｌ１虚像、Ｌ２虚像）の位置よりも光源側とは反対側に存在するように、光学レンズ部２が設計されている。
【００７７】
上記構成において、各光学レンズＬ１、Ｌ２での虚像（Ｌ１虚像、Ｌ２虚像）は、光源の比較的近傍に形成されることになる。ここで、複数レンズ（光学レンズＬ１、Ｌ２）通過後の光は最終レンズによって発生する虚像（図４（ａ）ではＬ２虚像）から光が出射するものと見なせる為、Ｌ２虚像が光源付近に発生することによって、図５（ａ）に示すような効果が期待できる。
【００７８】
図５（ａ）は、図４（ａ）に示すレンズ構成の場合における、光源中心から射出する光（図５（ａ）中の細線）と光源上端より発光する光（図５（ａ）中の太線）の経路を示している。ここで、光源の中心とは、光学レンズ部２の中心を通る光軸ＡＸを通る部分をいう。
【００７９】
図５（ａ）に示すように、図４（ａ）に示すレンズ構成の場合、光源中心から出射する光と光源上端から出射する光とは、ほぼ等しい角度分布で光学レンズ部２を出射していることがわかる。これにより、図４（ａ）に示すレンズ構成によれば、光源中心から出射する光も、光源上端部から出射する光も、所定の照射領域の全域を同じように照射することができ、照射領域の均一性を向上させることが可能となる。
【００８０】
一方、別の形態のレンズ構成では、図４（ｂ）に示すように、２枚目の光学レンズＬ２によってＬ２虚像が比較的離れた位置に形成されており、上記図４（ａ）に示した形態とは異なり、光学レンズＬ２とその焦点位置ｆ２との間にＬ２虚像が配置されていない。また、光学レンズＬ２の焦点位置ｆ２は、Ｌ１虚像に比較的近い場所に配置されている。この構成では、Ｌ２虚像が、光学レンズＬ２の焦点位置ｆ２よりも光源から遠い場所に発生し、図５（ｂ）に示すような結果となる場合がある。
【００８１】
ただし、後述するように、Ｌ２虚像が光源１から離れている場合であっても、少なくとも光学レンズＬ２の焦点位置ｆ２よりも光源側にＬ１虚像が形成され、かつ、光学レンズＬ１が形成する虚像Ｉ１、および、光学レンズＬ２の焦点位置ｆ２が、後述するように、光源１から所定の距離以上離れるように光学系が構成されている場合には、照射領域における照度の均一性を向上させ得る。
【００８２】
なお、図５（ｂ）は、図４（ｂ）のレンズ構成を採用した場合において、Ｌ１虚像が光源の近傍に形成される場合における、光源中心から出射する光（図５（ｂ）中の細線）と、光源上端から出射する光（図５（ｂ）中の太線）との経路の一例を示している。図５（ｂ）に示す例では、図５（ａ）に示した場合と異なり、光源中心から出射する光と、光源上端から出射する光とが、それぞれ異なる角度分布で光学レンズＬ２を出射している。このような特性では、光源の異なる場所から出射した光が別々の範囲を照射することになり、照射領域の均一性が得られないおそれがある。
【００８３】
以上に説明したように、上記の図４（ａ）に示した実施形態では、光源の光出射面側に配置する光学レンズＬ１、Ｌ２の焦点位置ｆ１、ｆ２を、各光学レンズＬ１、Ｌ２が形成するＬ１虚像、Ｌ２虚像よりも後ろ側（レンズ射出側の反対方向）の遠くへ配置させている。これによって、光源、及び虚像位置を相対的に、光学レンズＬ１、Ｌ２へ近付けることができる。
【００８４】
このような構成では、光学レンズ部の光軸上に存在する光源中心から出射される光と、光源の中心から外れた位置から出射される光とを、ほぼ等しい角度分布で光学レンズ部２の特に光学レンズＬ１に出射することが可能となる。このことによって、光源中心から出射される光も光源中心から外れた位置から出射される光も所定の照射領域の全域を同じように照射することができるので、照射領域の照度均一性を向上させることが可能となる。
【００８５】
しかも、光源中心から出射される光と光源中心から外れた位置から出射される光とは、ほぼ等しい角度分布で光学レンズ部に出射することが可能となるので、当該光学レンズ部２に出射されない光を殆ど無くすことができ、その結果、高い光利用効率を実現することが可能となる。
【００８６】
従って、光源から出射される光のほぼ全ての光を利用することができ、高い光利用効率を実現するとともに、光源の異なる場所から出射する光をほぼ等しい照射領域へ照射することが可能となる。このことによって、照射領域の均一性を飛躍的に向上させることができる。
【００８７】
さらに、各光学レンズＬ１、Ｌ２の焦点位置ｆ１、ｆ２、および合成焦点位置ｆ１＋ｆ２が、上記光学レンズＬ１、Ｌ２によって発生するそれぞれの虚像（Ｌ１虚像、Ｌ２虚像）に対して、当該全ての虚像（Ｌ１虚像、Ｌ２虚像）の上記光源１に対向する面とは反対側に存在していることで、各レンズによる虚像を発光部に更に近い位置で発生させることができる。これにより、光学レンズ部から射出する光の角度を拡げることができるので、より広い照射領域の均一性を飛躍的に向上させることが可能となる。
【００８８】
ただし、レンズＬ２によって形成される虚像Ｉ２の位置は、必ずしも光源１の近傍に形成される必要はなく、虚像Ｉ２が光源から比較的遠い位置に形成されていてもよい。この場合、照明装置は、比較的狭角に光を照射する。ただし、このように狭角に光を照射する形態においては、第２レンズＬ２の焦点Ｆ２が、Ｌ１虚像Ｉ１または光源から所定の距離以上離れた位置に設けられていることが、照射領域の照度均一性を向上させるために好適である。
【００８９】
図２７（ａ）〜（ｅ）は、各レンズＬ１、Ｌ２の焦点Ｆ１、Ｆ２の位置と、虚像Ｉ１、Ｉ２との様々な位置関係を示す。図２７（ａ）〜（ｅ）のいずれの形態においても、第１レンズＬ１とその焦点Ｆ１との間に光源１が配置されており、第１レンズＬ１によって光源の虚像Ｉ１が形成されている。また、この虚像Ｉ１は、第２レンズＬ２の焦点Ｆ２よりも内側（光源側）に存在している。これにより、第２レンズＬ２によって虚像Ｉ２が形成される。
【００９０】
ただし、虚像Ｉ１が、第２レンズの焦点Ｆ２の近傍に位置している場合、面光源１の発光面での強度および色度ムラや、発光面の形状自体が、スクリーン上の照射領域にも反映されるおそれがあることを本発明者らは見出した。
【００９１】
図２８は、図２７（ａ）に示すように、第１レンズＬ１によって形成される光源１の虚像Ｉ１が、第２レンズＬ２の焦点Ｆ２の近傍にある場合における、スクリーン上での照射領域の様子を示す。焦点Ｆ２と虚像Ｉ１とが近すぎると、第２レンズＬ２によって虚像Ｉ１がスクリーン上であたかも結像しているかのように、面光源１の発光面において複数の素子ＬＥＤによって形成される強度および色度ムラが、スクリーン上の照射領域においても観察されやすくなるおそれがある。
【００９２】
このようなあたかも結像している状態が生じることを避け、発光面での強度および色度ムラが照射領域に反映されにくくするためには、焦点Ｆ２が、虚像Ｉ１よりも、ある程度の距離以上だけ遠位側（光源側とは反対側）に存在することが好ましい。さらに、第２レンズＬ２の焦点Ｆ２の焦点距離は、所定の大きさ以上であることが好ましい。後述するように、第２レンズＬ２の焦点Ｆ２の位置は、例えば、面光源１のサイズによって応じて決定されていてよい。また、第２レンズＬ２の焦点Ｆ２の位置は、例えば、面光源１が複数の発光素子を含む場合には、発光素子の配列ピッチに応じて決定されてもよい。
【００９３】
図２９は、第２レンズＬ２の焦点Ｆ２が、光軸上の所定の基準位置ｆ’（基準焦点ｆ’と呼ぶ場合がある）に対して遠位側にある場合（Ｆ２＜ｆ’）と、所定の基準位置ｆ’に対して近位側にある場合（Ｆ２≧ｆ’：焦点Ｆ２が基準位置ｆ’にある場合を含む）とを示す。本発明の実施形態による照明装置では、焦点Ｆ２が基準位置ｆ’よりも遠位側に存在するように、光学系が設計されている。
【００９４】
ここで、基準位置（または基準焦点）ｆ’について説明する。基準位置ｆ’は、第２レンズの焦点Ｆ２がこの位置ｆ’よりも遠位側に存在する場合に、光照射領域において、面光源の形状や強度および色度ムラが視認されにくくなる位置である。
【００９５】
逆に、焦点Ｆ２が、基準位置ｆ’と同じ位置、または、基準位置ｆ’よりも手前の位置に存在すると、第２レンズＬ２は、虚像Ｉ１を概ねピントが合った状態で像面上に投射することになる。この結果、発光面の形状や、発光面の強度および色度ムラが、照射領域において反映される現象が生じる。
【００９６】
この現象は、カメラなどの撮像装置で広角レンズ（焦点距離が比較的短いレンズ）を用い、絞りの調節によりＦ値を大きく設定した場合などにおいて、後側被写界深度が無限遠まで深くなる現象（パンフォーカスまたはディープフォーカスと呼ばれる）と類似の原理によって生じるものと考えられる。
【００９７】
図３０（ａ）は、上記のパンフォーカスを説明するための図である。ここでは、レンズの厚さを無視し、開口径Ｄを有し焦点ｆ’を有するレンズ（Ｆ値は、Ｆno.＝ｆ’／Ｄで与えられる）が用いられているとする。また、被写体とレンズとの間の距離をｓとし、レンズと像面との間の距離をｓ’とする。一般的に、ある被写体をあるレンズを用いて像面に結像させる場合、この像面にピントが合う被写体の位置は１つのみとなり、その前後に被写体がある場合はピントがずれてボケてしまうはずである。しかし、図３０（ａ）に示すような場合において、平面上の被写体を光軸上である範囲内に前後に移動させても、像面上ではあたかもピントが合っているように見える。これは像面上では実際にはピントが合わずボケているのであるが、ある大きさ以下のボケはボケとして検出できず、あたかもピントが合っているように見えるからである。ここで、像面の位置において、ボケの許容限界の大きさを許容錯乱円εとして設定すると、許容錯乱円ε以下のサイズを有する点は、ピントのボケが生じていない点として見なしてよい。
【００９８】
また、ガウスの結像公式１／ｓ’−１／ｓ＝１／ｆ’から、ｓ’＝ｆ’・ｓ／（ｆ’＋ｓ）が導かれる。ここで、パンフォーカスが実現される条件は、レンズから被写体までの距離ｓ＝ｆ’2／εＦno.（過焦点距離）にピントが合っているときである。
【００９９】
この過焦点距離ｓを、レンズと像面との間の距離ｓ’について書き直すと、ｓ’＝（Ｄ／ε＋Ｄ）・ｆ’が得られ、この関係式を満たすときにパンフォーカスが実現される。このような撮像装置におけるパンフォーカスが、本実施形態の照明装置でも実現され得ることを本発明者らは見出した。
【０１００】
図３０（ｂ）は、本実施形態の照明装置において、上記パンフォーカスと同様の原理にて、面光源の像がボケずに、あたかもピントが合った状態で照射領域に形成される（すなわち、面光源の形状や、強度および色度ムラが照射領域に反映される）条件を説明するための図である。
【０１０１】
照明装置においては、上記のｓ’＝（Ｄ／ε＋Ｄ）・ｆ’を、第２レンズＬ２（レンズの厚みを考慮する場合には光源側主点）から虚像Ｉ１までの距離をｌ’を用いて、ｌ’＝（Ｄ／ε＋Ｄ）・ｆ’で表すことができる。この関係式においてｌ’、Ｄおよびεを決定することによって、第２レンズＬ２についての基準焦点ｆ’を求めることができる。
【０１０２】
ここで、有効径Ｄは第２レンズＬ２の有効径である。また、第２レンズＬ２から虚像Ｉ１までの距離ｌ’は、光源１から第２レンズL2までの距離、および光源１から虚像ｌ１までの距離から計算することができる。また、光源１から虚像ｌ１までの距離は、光源１と第１レンズＬ１との位置関係、および、第１レンズＬ１の屈折率やレンズ面の形状などから計算することができる。
【０１０３】
また、パンフォーカスにおける許容錯乱円εは、本実施形態の照明装置に適用した場合、面光源の発光面サイズに応じて設定されるファクタと見なすことができる。あるいは、許容錯乱円εは、面光源が間隔を空けて配列された複数の発光素子を含む場合、それらの配列ピッチ（強度および色度ムラのピッチ）によって設定されるファクタと見なすこともできる。このように、本実施形態の照明装置に適用する場合、パンフォーカスにおける許容錯乱円εは、発光面のサイズや発光素子の配列ピッチによって規定されるので、これらを「光源サイズファクタε」と称する場合がある。上記関係式から理解されるように、光源サイズファクタεをどのように設定するかによって、基準焦点ｆ’の位置も変化する。
【０１０４】
図３１は、光源サイズファクタεの大きさに応じて、基準焦点ｆ’が変化する様子を示す。パターン（Ａ）に示すように、ＬＥＤチップのピッチを光源サイズファクタεとして考えた場合、ピッチのオーダーでの強度および色度ムラがスクリーン上で視認される条件としての基準焦点ｆ’は、比較的光源に近い側に設定される。また、パターン（Ｂ）に示すように、ＬＥＤチップのピッチよりも大きく、光源全体のサイズよりも小さいサイズを光源サイズファクタεとして考えた場合、基準焦点ｆ’は、パターン（Ａ）の場合よりは遠位に設定される。さらに、パターン（Ｃ）に示すように、光源全体のサイズを光源サイズファクタεとして考えた場合、基準焦点ｆ’は、パターンＢの場合よりさらに遠位に設定される。
【０１０５】
つまり、光源サイズファクタε（以下、ファクタεと呼ぶ）を大きく設定すれば、基準焦点ｆ’は光源から遠ざかり、第２レンズＬ２の焦点Ｆ２は基準焦点よりもさらに光源から遠位に設定される。また、図において、２つの円によって示すように、発光面上におけるファクタεに対応する領域が、スクリーン上の所定の領域に集まる。
【０１０６】
上記の構成において、第２焦点Ｆ２＝ｆ‘を満たす場合について形成される像について考察する。
【０１０７】
パターン（A）に示すように、ファクタεがＬＥＤ発光面の強度および色度ムラ（ＬＥＤ素子の配置の最小ピッチ）より小さい場合、その強度および色度ムラの像がスクリーン上に反映される。発光面上の２つの円のそれぞれで囲む領域で光出射特性が違うため、スクリーン上の２つの円にそれぞれ到達する特性も異なり、それがＬＥＤチップの像として写ることになる。
【０１０８】
また、好ましい例として、パターン（Ｂ）に示すように、ファクタεの範囲内に上記の強度および色度ムラが複数入る場合（ＬＥＤ素子の配置の最小ピッチ以上）、発光面上の２つの円で囲む領域の光出射特性は平均化され、スクリーン上でも強度および色度ムラの像が視認されない。しかし、ＬＥＤ発光面のサイズが、ファクタεの範囲を超えていると、ＬＥＤ発光面とその外側の領域との間の強度および色度の差（つまり、ＬＥＤ発光面の形状）が反映され、スクリーン上ではＬＥＤ発光面の形状を有する像が写り、問題となる場合がある。
【０１０９】
また、さらに好ましい例として、パターン（Ｃ）に示すように、ファクタεが発光面全体を包含する大きさである場合、発光面形状が反映されにくくなり、スクリーン上で良好な照射が実現される。
【０１１０】
ただし、光源サイズファクタεは、他の形態によって設定されていても良い。光源サイズファクタεを他の形態によって設定する例を以下に説明する。
【０１１１】
図３２（ａ）には、赤色ＬＥＤと、青色ＬＥＤと、緑色ＬＥＤとが、所定のパターンで配列されている形態が示されている。この場合、図に示すように、異なる３色のＬＥＤを１つのセットとして、繰り返し最小ピッチＰａで、３色ＬＥＤが配列されている。この場合、光源サイズファクタεとして、繰り返しピッチ最小Ｐａを選択することで、照射領域での上記３色ＬＥＤごとの配列によるムラが観察されることが防止される。
【０１１２】
また、図３２（ｂ）には、蛍光体の種類、濃度、厚さなどが異なる２種類の縦に延びる領域が列ごとに繰り返されるパターンで発光面が形成されている場合を示す。それぞれの発光素子の特性は同じであって良いが、蛍光体の種類が異なる為、２種類の領域で発光面から射出する波長分光特性が異なっている。この場合、２列ごとの配列の繰り返しピッチ最小Ｐｂを光源サイズファクタεとして設定しても良い。これによって、照射領域において波長分光特性の異なる２種類の領域が形成する縞状のムラの発生を防止することができる。なお、図３２（a）（ｂ）は配列の一例であり、面内に発光強度、波長分光特性の異なる領域がある他の配列においても、繰り返し最小ピッチを光源サイズファクタεとすることができる。
【０１１３】
また、図２７（ａ）〜（ｅ）に示すように、第２レンズの焦点Ｆ２と、第１レンズＬ１による虚像Ｉ１との位置関係によって、照射される光の角度範囲（照射領域の広さ）が変わる。一般的に、光学レンズは発光源が焦点位置に存在する場合に最も射出角度を狭くすることができ、発光源が焦点位置よりもレンズ側に近付く程、射出角度は広がりを持つ。換言すると、第２レンズの焦点Ｆ２と、第１レンズＬ１による虚像Ｉ１との位置が近いほど、照射角度は狭くなり、虚像ｌ１が遠いほど、照射角度は広くなる。
【０１１４】
この照射角度は、例えば、配向角によって表すことができる。ここで、配向角とは、スクリーン上に形成された照射領域において、その中心における照度を１００％としたときに、照射領域の中心での照度に対して５０％以上の照度を有する領域の幅と、光源とスクリーンとの間の距離とによって算出される角度である。配向角が小さい場合、照明装置が狭角に光を照射することを意味し、配向角が大きい場合、照明装置が広角に光を照射することを意味する。
【０１１５】
本実施形態の照明装置では、上記のように、第２レンズの焦点Ｆ２が、基準位置ｆ’よりも遠位に設けられており、この場合において、例えば、８度以上の配向角を有する照射光を照射する照明装置が得られる。
【０１１６】
なお、図２７（ａ）〜（ｃ）に示す形態では、第２レンズＬ２の焦点Ｆ２が、第１レンズＬ１による虚像Ｉ１と、第２レンズＬ２による虚像Ｉ２との間に存在している。ただし、焦点Ｆ２は、焦点Ｆ１よりも光源側に位置している。これらの形態においても、上記の基準位置ｆ’よりも焦点Ｆ２が遠位に設けられている限りにおいて、均一な照度分布の照度領域を形成することができる。
【０１１７】
一方、図２７（ｄ）および（ｅ）に示すように、焦点Ｆ２よりも焦点Ｆ１が光源側に位置する場合であっても、均一な照度分布の照度領域を形成することができる。なお、図２７（ｅ）は、図１に示した実施形態における、各レンズの焦点ｆ１、ｆ２（Ｆ１、Ｆ２）、各虚像の位置（Ｉ１、Ｉ２）および合成焦点ｆ１＋ｆ２（Ｆ（１＋２））の位置関係をそれぞれ示している。図２７（ｅ）からわかるように、図１に示した形態では、大きい配向角で、発光面での強度及び色度ムラが目立たないように広角に光を照射することができる。
【０１１８】
以上に説明したように、第２レンズの焦点を、上記発光面のサイズファクタεや第２レンズの有効径Ｄなどから求められる基準焦点ｆ’よりも遠位に設定することによって、ムラの低減された、すなわち均一性の高い照明を実現することができる。
【０１１９】
なお、第２レンズＦ２の有効口径Ｄを調節するための機構が設けられていてもよい。この場合、取り得る任意の有効口径Ｄに対して、発光面の形状や強度及び色度ムラが照射領域に反映されないように、第２レンズの焦点距離が設定されていることが好ましい。
【０１２０】
以上、第１レンズと第２レンズとから構成されている場合の光学設計について説明したが、より多数のレンズを用いて光学系が構成されていてもよい。この場合、光源側からｎ個のレンズが並んでいると仮定すると、上記に説明した第１レンズを、１個目〜ｎ−１個目までのレンズ群が全体として有する特性を持つレンズとして考えればよく、第２レンズを、ｎ個目のレンズとして考えればよい。
【０１２１】
（レンズ形状の設計について）
上記照明装置１１における光学レンズ部２に含まれる光学レンズ形状は、光軸近傍では焦点位置や虚像位置の配置により決定されてよい。ただし、光軸外も含めたレンズ形状については、以下の設計方針によって決定することがより好ましい。
【０１２２】
具体的には、有限の大きさを有する光源１から射出する光の利用効率を最大限に引き出し、照射領域面内の照度均一性を確保する為に、光源１を出来る限り光源１近傍の光学レンズに近付け、近軸理論的には概ね等倍系の虚像関係を維持しながら、面光源の大きさに対して軸外のコマ収差を補正するようにし、且つ、スポット径が軸上像点も軸外像点も同型になるようにレンズ系を形成する。
【０１２３】
上記コマ収差とは、光軸から離れた１点から出た光が、像面で１点に集まらずに、尾を引いた彗星のような像になる現象のことをいい、像面での集光状態をスポット形状（スポットダイヤグラム）と称する。
【０１２４】
上記の軸とは、レンズの光軸を示しており、軸上とはレンズの光軸を通る場所、軸外とは光軸から離れた場所を示す。
【０１２５】
ここで、「近軸理論的に概ね等倍系の虚像関係」とは、図４（ａ）におけるＬ１虚像、Ｌ２虚像の大きさが光源に対して１〜数倍となり、かつ、光源付近にＬ１虚像、Ｌ２虚像を発生させる条件を示している。
【０１２６】
また、「軸外のコマ収差を補正する」とは、光軸から離れた場所から出た光が像面で１点に集まるように軸外のレンズ形状を変化させて補正することである。
【０１２７】
また、「スポット径が軸上像点も軸外像点も同型になる」とは、軸上から出た光と軸外から出た光の像面でのスポット形状の範囲を同等程度となるように、軸外のレンズ形状を変化させて補正することである。
【０１２８】
（本実施形態の効果）・・・・図６〜１１
上記構成の照明装置１１における効果の詳細について、図６〜１１を参照しながら以下に説明する。
【０１２９】
図６に示すように、図２のような照明装置１１から１ｍ離れた距離に評価面を設置した場合、その評価面上での照度分布は図７に示す結果となった。図７では照度強度に応じてモノクロで面内分布を示しており、黒表示部は照度最小、白表示部は照度最大を示している。
【０１３０】
また、図７に示すように、中心部での照度分布の断面プロファイルを確認した結果、図８に示すように、照射領域内がほぼ均一な照度となることが確認できた。
【０１３１】
本実施形態の照明装置では、光源１の発光面全ての領域が均一に発光している場合だけでなく、図９（ａ）に示すように、たとえば、光源１の発光面上に複数の微小発光面を複数配置させた場合においても、所定の照明領域を均一に照明することが可能となる。例えば、光源１の発光面に複数のＬＥＤ発光体を配置することが考えられる。
【０１３２】
また、図９（ｂ）に示すように、光源１の発光面上に配置する複数の微小発光面において、一部の発光面で発光量が少ない場合においても、所定の照明領域を均一に照明することが可能となる。これは、図５（ａ）を用いて説明した場合のように、光源１の発光面において、光軸から外れた場所からの光であっても、光軸上からの光と同じ照射領域に光を照射することができるためである。つまり、発光面のどの場所から光も同じ照射領域に光を照射することができるので、発光面の一部に発光光量の少ない場所があっても、照射領域における照射の均一性に影響を及ぼさないためである。
【０１３３】
図９（ｃ）は、図９（ｂ）に示す光源１の発光面による照度分布を示す。この照度分布からも、照射領域における照射の均一性に影響を及ぼさないことがわかる。
【０１３４】
また、図９（ａ）における複数の微小発光面が図３２（ａ）や（ｂ）に示すように、それぞれ異なる主波長の光を出射してもよいし、異なる主波長の光を出射する発光物を複数組合せてもよい。その場合において、それぞれ異なる色光が同一照明領域をほぼ均一に照射することにより、広い色再現性を持つ照明装置を実現することが可能となる。
【０１３５】
このように、異なる主波長の光を出射する発光物を複数組合せることにより、広範囲の色度座標上の色を再現させることが可能となる。
【０１３６】
ところで、ＬＥＤ光源は発光体の製造プロセスでの様々なバラツキにより、発光量、発光主波長や発光波長領域などの発光特性に大きなバラツキを持っている。現状、ＬＥＤ光源を用いる場合において、発光特性が似ているものを選別して使用しているが、この選別作業がコストアップ要因となっている。
【０１３７】
ここで、図９（ａ）に示す光源１の一つの発光面を一つのＬＥＤ光源で実現することを想定した場合、図９（ｂ）に示すように、発光面を構成するＬＥＤ光源の発光特性にバラツキがあっても、図９（ｃ）に示すように、照射領域における照射の均一性に影響を及ぼさないので、ＬＥＤ光源のバラツキを照射領域内において平均化することが可能となる。これにより、ＬＥＤ光源の選別が不要となり、低コスト化が実現可能となる。
【０１３８】
また、これらの結果より、複数の発光物を配置可能となる為、発光物が１つ故障により点灯不能となった場合においても、照射領域の均一性は変化しない。その為、照明機器全体を取りかえる必要が無く、照明機器の使用時間の延長化が見込まれる。
【０１３９】
図１０に示すように、照明装置１１から１ｍ離れた距離、５ｍ離れた距離のそれぞれの断面照度分布は、図１１（ａ）および（ｂ）に示すようになる。
【０１４０】
図１１（ａ）は、照明装置１１から１ｍ離れた場所の断面照度分布を示し、図１１（ｂ）は、照明装置１１から５ｍ離れた場所の断面照度分布を示している。
【０１４１】
なお、図示しないが、照明装置１１から２ｍ、３ｍ、それ以外の任意の距離だけ離れた場所における断面照度分布においても、図１１（ａ）および（ｂ）と同様に、いずれも均一な照度分布を有している。
【０１４２】
これらのことから、照明装置１１から射出する光の断面照度分布は、ある距離以上離れていれば、どの位置においても均一な照度分布を有することがわかる。ここで、ある距離以上とは、照明装置１１の光学レンズ部２を構成している光学レンズＬ１、Ｌ２の最大直径の２倍以上とする。
【０１４３】
（実施例）・・・・・図１２、図１３
ここで、図１に示す照明装置１１の試作例を図１２の（ａ）に示す。
【０１４４】
光源１として、約６ｍｍ×６ｍｍの白色ＬＥＤパッケージを用いた。
【０１４５】
光学レンズ部２の１枚目の光学レンズＬ１として、屈折率ｎｄ＝約１．５８５のポリカーボネートを材料とし、光源側に配置される光入射面の曲率半径を９．２ｍｍ、光出射面の曲率半径を６．０ｍｍ、レンズ外形を１２ｍｍ、レンズ厚みを５ｍｍで製作した光学レンズを用いた。
【０１４６】
２枚目の光学レンズＬ２として、屈折率ｎｄ＝約１．４９のＰＭＭＡを材料とし、光入射面を平面、光出射面の曲率半径を２０．９６６ｍｍ、コーニック定数を０．２８１１９、４次、６次、８次、１０次、１２次の高次の非球面係数をそれぞれ−５．２×１０-7、−１．８９１４×１０-8、３．４８５８×１０-10、−９．７４１９×１０-13、２．６２３５×１０-16とし、レンズ外形を３５ｍｍ、レンズ厚みを１０．５ｍｍで製作した光学レンズを用いた。
【０１４７】
白色ＬＥＤパッケージ、１枚目の光学レンズＬ１、および２枚目の光学レンズＬ２の中心がそれぞれ光軸上と一致するように配置させ、かつ、光軸上における白色ＬＥＤパッケージの発光面と１枚目の光学レンズＬ１の光入射面との距離を１．５ｍｍ、また、光軸上における１枚目の光学レンズＬ１の光射出面と２枚目の光学レンズＬ２の入射面との距離を２．０ｍｍとして配置させた。
【０１４８】
このとき、光学レンズＬ２、Ｌ１の焦点距離はそれぞれ１８．５２ｍｍ、４２．４７ｍｍであり、レンズＬ１、合成焦点距離は１４．１２ｍｍであった。また、各光学レンズＬ１、Ｌ２の焦点位置ｆ１、ｆ２、および合成焦点位置ｆ１＋ｆ２の位置は、光源部の発光面を０（原点）として、出射方向を＋方向に軸を取った場合、それぞれ−１１．３０ｍｍ、−２６．９４ｍｍ、−５．１４ｍｍであった。
【０１４９】
一方、各光学レンズＬ１、Ｌ２によって発生する虚像（Ｌ１虚像、Ｌ２虚像）の位置を計算により導出した結果、Ｌ１虚像は−１．６１ｍｍ、Ｌ２虚像は−９．７４ｍｍであった。
【０１５０】
これにより、上記構成の照明装置１１は、各光学レンズ光学レンズ部２を構成する光学レンズＬ１、Ｌ２の焦点ｆ１、ｆ２が、上記光学レンズＬ１、Ｌ２によって発生するそれぞれの虚像（Ｌ１虚像、Ｌ２虚像）に対して、それぞれの虚像（Ｌ１虚像、Ｌ２虚像）の上記光源１に対向する面とは反対側に存在していることになり、図１に示すように設計されていることを確認した。
【０１５１】
上記構成の照明装置１１による照度実験を行った。
【０１５２】
この実験結果を図１２（ｂ）に示す。図１２（ｂ）から、所定の照明領域が均一な照度で照らされていることが分かった。
【０１５３】
また、図２に示す照明装置１１の試作例について図１３の（ａ）に示す。
【０１５４】
光源１として、直径２ｍｍの白色ＬＥＤパッケージを用いた。
【０１５５】
光学レンズ部２の１枚目の光学レンズＬ１として、屈折率ｎｄ＝約１．８０６のガラス材料ＳＬＡＨ５３を材料とし、光源側に配置される光入射面の曲率半径を２．９６ｍｍ、光出射面の曲率半径を２．６９ｍｍ、レンズ外形を５ｍｍ、レンズ厚みを１．６ｍｍで製作した光学レンズを用いた。
【０１５６】
２枚目の光学レンズＬ２として、屈折率ｎｄ＝約１．４９のＰＭＭＡを材料とし、光源側に配置される光入射面の曲率半径を６５．４ｍｍ、コーニック定数を‐５．０、４次、６次、８次の高次の非球面係数をそれぞれ−５．９７×１０-5、−７．９２７×１０-6、−７．２７８×１０-7とした。また、光出射面の曲率半径を８．０ｍｍ、コーニック定数を０．７３、４次、６次、８次、１０次、１２次の高次の非球面係数をそれぞれ１．２２５×１０-4、−３．７７７×１０-6、−１．０５４×１０-7、−１．８３×１０-9、４．２３９７×１０-11とし、レンズ外形を１０ｍｍ、レンズ厚さを３．０ｍｍで製作した光学レンズを用いた。
【０１５７】
白色ＬＥＤパッケージ、１枚目の光学レンズＬ１、および２枚目の光学レンズＬ２の中心がそれぞれ光軸上と一致するように配置させ、かつ、光軸上における白色ＬＥＤパッケージの発光面と１枚目の光学レンズＬ１の光入射面との距離を０．５ｍｍ、また、光軸上における１枚目の光学レンズＬ１の光射出面と２枚目の光学レンズＬ２の入射面との距離を０．１ｍｍとして配置させた。
【０１５８】
このとき、光学レンズＬ２、Ｌ１の焦点距離はそれぞれ９．８９９ｍｍ、１４．６９ｍｍであり、レンズＬ１、合成焦点距離は５．８１ｍｍであった。また、各光学レンズＬ１、Ｌ２の焦点位置ｆ１、ｆ２、および合成焦点位置ｆ１＋ｆ２の位置は、光源部の発光面を０（原点）として、射出方向を＋方向に軸を取った場合、それぞれ−６．７６ｍｍ、−１０．６８ｍｍ、−２．８５ｍｍであった。
【０１５９】
一方、各光学レンズＬ１、Ｌ２によって発生する虚像（Ｌ１虚像、Ｌ２虚像）の位置を計算により導出した結果、Ｌ１虚像は−０．１０ｍｍ、Ｌ２虚像は−０．７５ｍｍであった。
【０１６０】
これにより、上記構成の照明装置１１は、各光学レンズＬ１、Ｌ２の焦点位置ｆ１、ｆ２、および合成焦点位置ｆ１＋ｆ２が、上記光学レンズＬ１、Ｌ２によって発生するそれぞれの虚像（Ｌ１虚像、Ｌ２虚像）に対して、当該全ての虚像（Ｌ１虚像、Ｌ２虚像）の上記光源１に対向する面とは反対側に存在していることになり、図２に示すように設計されていることを確認した。
【０１６１】
上記構成の照明装置１１を用いて行った照度実験の結果を図１３（ｂ）に示す。図１３（ｂ）からわかるように、照明装置１１によれば、所定の照明領域が均一な照度で照らすことができる。
【０１６２】
＜実施の形態２＞
本発明の他の実施の形態について説明すれば以下の通りである。なお、説明の便宜上、前記実施の形態１と同一の機能を有する部材には、同一の番号を付記し、詳細な説明を省略する。
【０１６３】
（照明装置の構成）・・・図１４、１５
図１４は、本実施の形態に係る照明装置１２の概略構成を示す図である。
【０１６４】
図１５は、図１４に示す要部Ａの拡大図である。
【０１６５】
上記照明装置１２は、図１４に示すように、前記実施の形態１の光学レンズ部２の出射側に、更に光学レンズ３、４が追加された構造を有している。
【０１６６】
つまり、上記照明装置１２は、上記光学レンズ部２を第１光学レンズ部としたとき、上記第１光学レンズ部の光射出側に、少なくとも２枚の光学レンズからなる第２光学レンズ部（光学レンズ３、４）が設けられている構造を有している。
【０１６７】
上記光学レンズ３は、凹レンズであり、光学レンズ部２に一番近く、且つ、凹面側を光学レンズ部２に向けて配置されている。
【０１６８】
上記光学レンズ４は、凸レンズであり、上記光学レンズ３よりも光学レンズ部２から遠い位置に配置されている。
【０１６９】
このように、光学レンズ部２の外側にさらに光学レンズ３、４を配置することで、図１５に示すように、照明装置１２から照射される光の射出角度を狭くすることができる。
【０１７０】
（本実施形態の効果）・・・図１６〜１９
上記構成の照明装置１２において、追加する光学レンズ３、４のレンズ形状を最適化することにより、図１６に示すように、照射領域内を均一に照明することが可能となる。
【０１７１】
この場合、出射角度の狭角度化と照明領域の均一化を両立する為には、上記のように、凹レンズと凸レンズとを組合せて用いることがより好ましい。これは、凹レンズと凸レンズとを組合せて用いることにより、各レンズで発生する収差を補正し合い、照射領域の均一性を実現させることが可能となるためである。
【０１７２】
また、追加するレンズの配置は、図１４の配置位置に限定されるものではなく、他の位置であってもよい。
【０１７３】
図１７は、図１４に示す光学レンズ３、４の配置とは異なる位置に、光学レンズ３、４を配置した場合の照明装置１２の概略構成を示す図である。
【０１７４】
図１８は、図１７に示す要部Ｂの拡大図である。
【０１７５】
図１７に示すように、図１４において追加配置した光学レンズ３、４の一部を異なる場所へ配置させることで、この照明装置１２から出射される光の角度分布を変化させることができる。
【０１７６】
なお、角度分布を変化させた場合においても、図１９に示すように、照射領域内をほぼ均一に照明することが可能となる。
【０１７７】
以上のように、前記実施の形態１で説明した照明装置１１に対して、光出射側にさらに光学レンズ３、４を追加することによって、出射角度を狭くすることが可能となる。また、追加する光学レンズの配置を変化させることにより、出射角度を調整（制御）することも可能となる。
【０１７８】
このように、光学レンズ３、４を追加して、出射角度を制御しても、図１６、図１９に示すように、それぞれの場合においても、照射領域内の照度均一性を保つことが可能となる。
【０１７９】
なお、第２光学レンズ部は、図１４に示す光学レンズ３、４に限定されるものではなく、例えば、光学レンズ３の替わりに、光学レンズ３と同様の光学特性を持つように組合せられた複数の光学レンズを用いても良い。第２光学レンズ部を構成する光学レンズの枚数に特段の制限は設けない。
【０１８０】
しかし、光学レンズの枚数が増加すると、面内均一性の向上、照射角度制御が容易になる一方、レンズ界面増加に伴う光透過率の低下、レンズ枚数増加に伴うコストアップなどの課題を考慮する必要がある。
【０１８１】
＜実施の形態３＞
本発明のさらに他の実施の形態について説明すれば以下の通りである。なお、説明の便宜上、前記実施の形態１、２と同一の機能を有する部材には、同一の番号を付記し、詳細な説明を省略する。ここでは、光学レンズ部２の２枚構成の光学レンズを一体化した例について説明する。
【０１８２】
（照明装置の構成）・・・図２０、２１
図２０は、本実施の形態に係る照明装置１３ａの概略構成を示す図である。
【０１８３】
図２１は、本実施の形態に係る照明装置１３ｂの概略構成を示す図である。
【０１８４】
図２０に示す照明装置１３ａでは、光学レンズＬ１、Ｌ２を一体成型して光学レンズ部２２を構成する例を示している。
【０１８５】
具体的には、アクリル材質等の樹脂を材料として用いて、金型によって光学レンズＬ１、Ｌ２を一体成型して光学レンズ部２２としている。
【０１８６】
一方、図２１に示す照明装置１３ｂでは、光学レンズＬ１、Ｌ２を接着して光学レンズ部２３とした例を示している。
【０１８７】
具体的には、光源１の発光面に近いレンズ（光学レンズＬ１）と発光面から遠いレンズ（光学レンズＬ２）とをそれぞれ成型した後、各レンズの中心付近で接着させて光学レンズ部２３としている。
【０１８８】
ここで、前記実施の形態１で示した光学レンズ部２（図１）と、図２０に示す光学レンズ部２２との光学レンズ形状を比較すると、光源１から広角に出射する光においては、どちらも同じ４つの空気界面での屈折によって、光の進行方向を大きく変化させている。
【０１８９】
一方、図１における光源面に垂直な方向に出射する光は、光学レンズ部２の各空気界面において、概ね垂直に入射している。その為、図２０のように、光学レンズ部２２の中央付近の一部を接触または接合させても、射出角度分布に大きな影響を及ぼすことなく、照射領域の均一性が実現される。
【０１９０】
（本実施形態の効果）・・・図２２、２３
図２０に示すように、光学レンズを一体成型した場合の光学レンズ部２２を用いた照明装置１３ａにおいて、図２２に示すように、照明装置１３ａより１ｍ離れた場所に発光面と平行となるように評価面を配置する場合、図２３に示すように、照射領域の照度分布は概ね均一となる。
【０１９１】
このように、光学レンズを構成する２枚のレンズを接着する場合のメリットとしては、発光面と光学レンズとの位置合わせの簡素化による低コスト化が挙げられる。また、使用中における発光面と光学レンズとの固定方法においても、簡素化することが可能となる。
【０１９２】
更に、光学レンズを一体成型する場合のメリットとしては、前述した位置合わせ・固定方法の簡素化による低コスト化だけでなく、成型回数が２回から１回に減少することによる低コスト化も挙げられる。また、２枚のレンズを接着するプロセスも省略することが可能となり、低コスト化に寄与する。
【０１９３】
＜変形例＞・・・図２４、２５
図２４は、前記実施の形態１の照明装置１１の光出射側に、六角形の開口（アパチャー）部５を設けた場合を示す。上記照明装置１１から出射された光のうち、六角形の開口部５に向かう光のみがこれを透過し、それ以外の光は反射・吸収されることになる。
【０１９４】
図２５は、照明装置１１から１ｍ離れた場所に評価面を配置した場合の２次元照度分布を示しているが、概ね開口部５と同じ形状で照明され、かつ、照射領域内は均一な照度で照明されることが可能となる。さらに、評価面を面光源照明装置から離した場合においても、照射領域の形状、均一性は保たれたまま照明されることも可能である。
【０１９５】
＜補足説明＞・・・図２６
（１）図２６を用いて、光源１の配置範囲の制限について説明する。
【０１９６】
上記光源１の配置範囲は下記式を満たす範囲内に制限されることがより好ましい。
ｈ≦２√（ｄ（２Ｒ−ｄ））
【０１９７】
ここで、ｈは発光部の配置範囲の幅、ｄは光源から光軸上の光学レンズＬ１界面との距離、Ｒは光学レンズＬ１の内側レンズ曲率半径を示している。
【０１９８】
上記範囲内に光源１を配置させることによって、光源１から射出する光を全て１枚目レンズである光学レンズＬ１に取込むことが可能となり、光利用効率を向上させることができる。
【０１９９】
（２）光学レンズ部２の焦点位置と虚像位置、光源位置との関係について説明する。
【０２００】
上記構成のように、光源１の射出面側に配置する光学レンズ部２の焦点位置を各光学レンズＬ１、Ｌ２で発生するＬ１虚像、Ｌ２虚像の位置よりも後ろ側（レンズ射出側の反対方向）の遠くへ配置させることによって、光源１、及び虚像（Ｌ１虚像、Ｌ２虚像）位置を相対的に、光学レンズ部２へ近付けることができる。
【０２０１】
このとき、光学レンズ部２のレンズ主点から焦点位置までの距離をｆ、レンズ主点から光源までの距離をａ、レンズ主点から虚像までの距離をｂと仮定すると、以下の関係式が成立する。ここでレンズ主点とは、レンズに入射する光線と出射する光線の振るまいだけを代表させて、レンズ厚さの無視できる薄肉レンズで置き換えた場合の薄肉レンズの位置を示す。
１/ａ  ―  １/ｂ  ＝  １/ｆ  ・・・（１）
【０２０２】
上記構成の照明装置１１では、虚像位置を光学レンズＬ１、Ｌ２の焦点位置ｆ１、ｆ２よりも相対的に光学レンズ部２へ近付ける為、以下の関係式が成立する。
ｆ＞ｂ    ・・・（２）
【０２０３】
ここで、上記式（１）より、以下の関係式が導かれる。
１/ａ  ＝  １/ｂ  ＋  １/ｆ  ＝  （ｂ＋ｆ）/ｂｆ  ・・・（３）
【０２０４】
さらに式（３）を展開すると、以下の関係式となる。
ａ  ＝  ｂｆ/（ｂ＋ｆ）  ＝  ｆ/（１＋ｆ/ｂ）  ・・・（４）
【０２０５】
ここで、式（２）より、以下の関係式が導かれる。
ｆ/ｂ＞１  ・・・（５）
【０２０６】
よって、式（４）に式（５）の関係式を代入すると、以下の関係式が成立する。
ａ＜ｆ/２
【０２０７】
つまり、レンズ主点から光源までの距離ａを、レンズ主点から焦点位置までの距離ｆの半分より短くすることによって、常に、虚像位置を光学レンズの焦点位置よりも相対的に光学レンズへ近付けることが出来る。
【０２０８】
（３）光学レンズ部２のレンズ界面にて一部の光が反射される為、各光学レンズのレンズ表面に反射防止用の表面処理を行う方がより好ましい。一般的な反射防止用の表面処理として、複数の屈折率の異なる薄膜を成膜させて表面反射を低減させる反射防止膜が挙げられる。また、その他の方法として、各光学レンズのレンズ表面上に１ミクロン以下の微小凹凸形状（モスアイ構造）を形成させて界面反射を低減させる方法も挙げられる。
【０２０９】
各光学レンズのレンズ表面での界面反射を低減させる方法については、上記に挙げた方法のみに限定されるものではない。
【０２１０】
（４）光源部の発光波長は可視光に限定されるものではない。紫外域や赤外域の波長を発する発光素子を用いても良い。
【０２１１】
（５）以上に説明した実施形態において、レンズ形状は全て回転対称系の形状としているがこれに限定されるものではなく、図面奥行き方向に一様な形状とするレンチキュラー形状であってもよい。これによれば、レンチキュラー形状のレンズ断面方向に平行な方向のみ効果が発せられる。例えば、冷陰極管や直列配置されたＬＥＤランプを光源として用いる場合に適している。棒状の光源部とレンチキュラー形状の光学レンズを組み合わせることによって、均一照明領域を丸みを帯びた矩形とすることが可能となる。
【０２１２】
［円形ではない照射領域を形成する照明装置（実施形態４−１〜４−７）］
以下、レンズ面において複数の単位面を含む光学レンズを用いて、円形以外の照射領域を形成する照明装置について説明する。
【０２１３】
＜実施の形態４−１＞
図３３（ａ）および（ｂ）は、本実施形態４−１の照明装置１００を示す斜視図および断面図である。また、図３３（ｃ）は、第２レンズＬ２の光出射側面の形状を示す斜視図である。
【０２１４】
図３３（ｂ）に示すように、照明装置１００は、面光源１と、面光源１の光出射側に配置された第１レンズＬ１と、第１レンズＬ１の光出射側に配置された第２レンズＬ２とを備えている。面光源１の中心と、各レンズＬ１、Ｌ２のレンズ面中心とは、１直線（光軸）上に沿って並んでいる。面光源１の光出射面と、第１レンズＬ１の主点との間の距離は、例えば、第１レンズＬ１の入射面を凹面とした場合の凹面の深さ〜第１レンズＬ１の厚み程度に設定される。また、第１レンズＬ１の主点と、第２レンズＬ２の主点との間の距離は、例えば、第１レンズＬ１と第２レンズＬ２とが接する場合の主点間距離〜第１レンズＬ１から出射する光線角度をαとし、第２レンズＬ２のレンズの開口径Ｄを用いて、D／（２・ｔａｎ（α））にて計算される距離に設定される。
【０２１５】
なお、照明装置１００に設けられた光学系は、第１レンズＬ１および第２レンズＬ２以外の光学素子をさらに含むように構成されていても良いが、以下には、面光源１、第１レンズＬ１および第２レンズＬ２の構成について説明する。
【０２１６】
面光源１は、上記の実施形態と同様に、発光面に並べられた複数の発光素子（例えば複数のＬＥＤ）を含むように構成されていてよい。この場合、面光源１の発光面の平面形状は、複数の発光素子が配置されている領域の外周形状によって規定されてよく、例えば、四角形であるが、これに限られず円形などであってもよい。また、面光源１の発光面のサイズは、例えば、第１レンズＬ１の入射面を凹面とした場合の凹面の有効径を最大として設定される。
【０２１７】
本実施形態において、第１レンズＬ１は、面光源１の全体を覆うように設けられた凸メニスカスレンズである。第１レンズＬ１の光入射面は凹曲面から構成されており、光出射面は凸曲面から構成されている。これらの光入射面および光出射面は、球面、非球面または自由曲面のいずれであってもよい。
【０２１８】
また、第２レンズＬ２は、概ね平凸レンズの形状を有しており、その光入射面は平面である。また、第２レンズＬ２の光出射面Ｓ０は、概ね凸面形状を有している。ただし、本実施形態では、第２レンズＬ２の光出射面Ｓ０が、非回転面をレンズ面として含むように構成されている。
【０２１９】
ここで、本明細書で用いる「非回転面」という語について説明する。本明細書において、「非回転面」とは、「回転面」ではない任意の曲面を意味する。また、「回転面」とは、母線となる線分（直線または曲線）を回転軸周りに回転させたときに形成される回転体の表面を意味する。一般に、光学系が備えるレンズの表面は、光軸を回転軸とする回転面をなすように形成されている。このような回転面（レンズ面）は、光軸対称回転面と呼ばれることもある。
【０２２０】
「回転面」は、回転軸を含む任意の断面において常に同じ形状の線分（母線）を形成する。これに対して、「非回転面」は、回転軸を含む異なる断面において、異なる形状の線分を形成する場合がある。
【０２２１】
また、本明細書では、「回転対称体」および「回転対称性」という語も用いられる。「回転対称体」は、所定の軸に対して回転対称な立体を意味し、例えば、立方体は、面心を通る軸について４回対称な回転対称体である。「回転対称体」の表面は、上記の所定の軸に対して「回転対称性」を有する。
【０２２２】
以下に説明する種々の実施形態において、例えば、正方形状の照射領域を形成するために用いられるレンズは、そのレンズ面において「非回転面」が形成されている一方で、光軸に対して４回対称な「回転対称性」を有している。また、例えば、正三角形状の照射領域を形成するために用いられるレンズは、そのレンズ面において「非回転面」が形成されている一方で、光軸に対して３回対称な「回転対称性」を有している。
【０２２３】
再び、本実施形態の第２レンズＬ２について説明する。第２レンズＬ２は、レンズ面の中心Ｏを通りレンズ面に垂直な軸（典型的には光軸に一致）に対して、４回対称な回転対称体として設けられている。この構成において、第２レンズＬ２の光出射面Ｓ０は、４つの単位面Ｓ１〜Ｓ４を有している。４つの単位面Ｓ１〜Ｓ４は、光軸上に配置されたレンズ面の中心Ｏから外側に向かって延びる４本の境界線Ｂ１〜Ｂ４によって分割されている。本実施形態の照明装置１００では、このような４つの単位面Ｓ１〜Ｓ４を含む非回転面が形成されたレンズを用いて、照射領域が略正方形の形状の照射領域を実現する。
【０２２４】
なお、第１レンズＬ１を通過した光は、第２レンズＬ２のレンズ面中心Ｏから所定範囲内の領域に入射され、典型的には、レンズ面ＳＯの外周近傍には入射されない。このため、本実施形態において、レンズ面ＳＯの外周形状は特に限定されるものではなく、必ずしも四角形状である必要はない。
【０２２５】
４つの単位面Ｓ１〜Ｓ４のそれぞれは自由曲面である。各自由曲面は、図３３（ａ）および（ｃ）に示すｘ方向およびｙ方向（互いに直交）のそれぞれについて異なる曲率を有している。また、４つの単位面Ｓ１〜Ｓ４は、レンズ面の中心Ｏを通りｚ方向（ｘ方向およびｙ方向に直交する方向）に平行な軸に対して対称的に配置されており、それぞれが、実質的に同じ曲率分布を有する面である。
【０２２６】
上記のような４つの単位面Ｓ１〜Ｓ４の間に設けられる境界線Ｂ１〜Ｂ４は、曲率が不連続に変化する部分に対応する。なお、曲率が不連続に変化する境界線を有するレンズとしては、同心円状に境界線が形成されているフレネルレンズが知られている。しかし、本発明の実施形態の照明装置のレンズに形成される境界線Ｂ１〜Ｂ４は、フレネルレンズの表面に形成される境界線とは区別されるものであり、同心円状に配置された境界線ではない。
【０２２７】
次に、単位面Ｓ１〜Ｓ４について、より具体的に説明する。以下には、図３３（ｃ）に示す４つのうちの１つの単位面Ｓ１についてのみ説明するが、他の単位面Ｓ２〜Ｓ４についても同様の説明が適応される。
【０２２８】
単位面Ｓ１には、図３３（ｃ）に示すｙ方向に並ぶ３点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３が存在する。ここで、３点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３のそれぞれの箇所においてｘ方向に設定される曲率半径をそれぞれＲｘ１、Ｒｘ２、Ｒｘ３とすると、単位面Ｓ１は次の関係式を満足するように形成されている。
Ｒｘ１≠Ｒｘ２≠Ｒｘ３
【０２２９】
なお、図示する形態では、Ｒｘ１＞Ｒｘ２＞Ｒｘ３を満足するように曲面が決定されているが、この関係は例示的なものであり、これに限らず場合によっては、Ｒｘ１＜Ｒｘ２＜Ｒｘ３の関係を満たしていても良い。
【０２３０】
また、３点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３は、ｙ方向において同一曲率を有する曲線上に位置しており、各点でｙ方向の曲率はそれぞれ等しい。
【０２３１】
一方、図３３（ｃ）に示すように、単位面Ｓ１には、ｘ方向に並ぶ３点Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３が存在する。ここで、３点Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３のそれぞれの箇所においてｙ方向に設定される曲率半径をそれぞれＲｙ１、Ｒｙ２、Ｒｙ３とすると、単位面Ｓ１は次の関係式を満たすように形成されている。
Ｒｙ１≠Ｒｙ２≠Ｒｙ３
【０２３２】
図示する形態では、Ｒｙ１＞Ｒｙ２＞Ｒｙ３を満足するように曲面が決定されているが、この関係は例示的なものであり、これに限らず場合によってはＲｙ１＜Ｒｙ２＜Ｒｙ３の関係を満たしていても良い。
【０２３３】
また、３点Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３のそれぞれは、ｘ方向において同一曲率を有する曲線上に位置しており、各点でｘ方向における曲率はそれぞれ等しい。
【０２３４】
つまり、図に示すｙ方向に延びる太い曲線（例えば、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３を通る曲線）のそれぞれは、ｘ方向については曲率が異なり、かつ、ｙ方向については同じ曲率を有する点の集合を示している。また、図に示すｘ方向に延びる太い曲線（例えば、Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３を通る曲線）のそれぞれは、ｙ方向については曲率が異なり、かつ、ｘ方向については同じ曲率を有する点の集合を示している。
【０２３５】
次に、上記のレンズ面の具体的な設計を記載する。
【０２３６】
下記の表１は、図３３（ｃ）におけるｘ方向およびｙ方向を含むｘｙ平面（光軸と直交する平面）において、単位面Ｓ１における各ｘ、ｙ座標でのｚ方向の高さ（各点でのレンズ厚さ）を示す。なお、各ｘ、ｙ座標におけるレンズ高さｚ＝ｆ（ｘ、ｙ）は、例えば、下記の式によって規定される。
ｆ（ｘ、ｙ）＝−ｃyｘ2／（１＋（１−（１＋ｋ）ｃy2ｘ2）1/2）−ｃxｙ2／（１＋（１−ｃx2ｙ2）1/2）
【０２３７】
ここで、ｃyは１／Ｒｙ、ｃxは１／Ｒｘであり、ｋはコーニック定数（下記の表１ではコーニックＣｙとして示している）である。また、レンズ高さｚは、レンズ中心Ｏでの高さを０として求められた値である。
【０２３８】
【表１】
2014017262.tif 000003
【０２３９】
なお、以上に説明したレンズ設計は例示的なものであり、他の式を用いて自由曲面が規定されていても良いことは言うまでもない。例えば、単位面Ｓ１〜Ｓ４のそれぞれは、さらに高次の項を含む非球面関数や、これに対応する高次の非球面係数を含む非球面式を用いて、ｘ方向およびｙ方向における曲率が決定された自由曲面であってもよい。
【０２４０】
また、自由曲面の形状は、所望する照射領域の形状に応じて適切に決定されてよい。例えば、上記の曲率半径ＲｘおよびＲｙの値を比較的小さく設定する（すなわち、曲率を大きく設定する）ことによって、照射領域の縦横のサイズを比較的小さくすることができる。
【０２４１】
以上に説明したように構成された照明装置１００において、面光源１から出射した光は、凸メニスカスレンズである第１レンズＬ１において集光され、さらに、４つの単位面Ｓ１〜Ｓ４をレンズ面に含む第２レンズＬ２で屈折されることによって、スクリーン上の略正方形の領域に照射される。
【０２４２】
また、図２７（ｂ）〜（ｆ）に示したように、第１レンズＬ１によって形成される虚像Ｉ１よりも遠位に、かつ、基準焦点ｆ’よりも遠位に第２レンズＬ２の焦点Ｆ２が配置されるように光学系を設計することによって、照度ムラが目立ちにくい均質な照射領域を実現することができる。
【０２４３】
図３４（ａ）は、照明装置１００によって光が照射された領域の照度分布を示し、図３４（ｂ）および（ｃ）は、照射領域の平面形状（スポット形状ＬＳ）を示す。なお、図３４（ｂ）は、光学系の設計値から求められたスポット形状を示し、図３４（ｃ）は、実際に作製した光学系を用いて得られたスポット形状を示している。
【０２４４】
図に示されるように、第２レンズＬ２の光出射面Ｓ０に、上記の４つの自由曲面からなる非回転面のレンズ面を設けることによって、略正方形のスポット形状ＬＳを実現することができる。本実施形態では、遮光部材などで光源からの光の一部を遮断することなく、光源からの光をレンズ面で屈折させることによって四角形状に集光しているので、光の利用効率を向上させることができる。
【０２４５】
シミュレーションによる計算の結果、本実施形態の照明装置１００によれば、１ｍ先の照射領域に到達する光利用効率は約８０％であることが確認された。ここで、光利用効率とは、光源部から空気中へ射出した光量に対する、レンズを通過後１ｍ先の照射面に到達した光量の比率を意味する。本実施形態の照明装置１００は、光源部とレンズ２枚という必要最低限の基本要素から構成されており、かつ、それら基本要素の中で光を吸収・カットする要素が含まれていないので、このような高い光利用効率が達成されたものと考えられる。
【０２４６】
また、図３４（ａ）からわかるように、本実施形態の照明装置１００を用いれば、照度の均一性を高くすることができる。したがって、均一な照度で照らすことができる異形のスポットライトとして好適に利用することができる。
【０２４７】
第１レンズＬ１または第２レンズＬ２は、例えば、樹脂材料から形成されるが、これに限定されるものではない。第１レンズＬ１または第２レンズＬ２は、可視光を透過する透明屈折率媒体であることが望ましい。また、用途によっては紫外域、赤外域を透過する屈折率媒体を用いることもできる。レンズ材料の代表的な例としては、ＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル樹脂）、ＰＣ（ポリカーボネート）、ＰＳ（ポリスチレン）、ＣＯＰ（シクロオレフィンポリマー）、シリコーンなどの樹脂や、ガラスなどの無機材料が挙げられる。第１レンズＬ１または第２レンズＬ２の屈折率は、例えば、１．３〜２．０に設定される。
【０２４８】
以上、第２レンズＬ２の射出面側ＳＯに非回転面を配置する形態を説明したが、本発明の実施形態はこれに限定されることはない。レンズ面としての非回転面を第１レンズＬ１の射出面側のみに配置しても、概ね同様の照明分布を実現することができる。また、第１レンズＬ１の光源側レンズ面（光入射面）または第２レンズＬ２の光源側レンズ面（光入射面）において、上記の非回転面を配置するようにしても良い。なお、第１レンズＬ１および／または第２レンズＬ２の光入射面に、レンズ面としての非回転面を設ける場合、典型的には、非回転面は凹面を形成する。この場合、上記の境界線Ｂ１〜Ｂ４は、レンズ面における谷線として形成される。
【０２４９】
このように、本発明の実施形態による照明装置１００では、第１レンズＬ１または第２レンズＬ２の光入射面または光出射面のうちの少なくともいずれかのレンズ面において、非回転面が形成されていればよい。なお、全てのレンズ面を非回転面としてもよいが、コストの増大を招く懸念があるため、好適には、第１レンズＬ１または第２レンズＬ２の光射出面側のみに非回転面が設けられる。また、少なくとも第２レンズＬ２の光射出面に非回転面を配置することが、略四角形の照明分布を実現するために有利である。
【０２５０】
＜実施の形態４−２＞
図３５（ａ）および（ｂ）は、本実施形態４−２の照明装置２００を示す斜視図および断面図である。また、図３５（ｃ）は、第２レンズＬ２の光出射側面の形状を示す斜視図である。
【０２５１】
照明装置２００は、照明装置１００と同様に、面光源１と、面光源１の光出射側に設けられた第１レンズＬ１と、第１レンズＬ１の光出射側に設けられた第２レンズＬ２とを備えている。面光源１の中心と、各レンズＬ１、Ｌ２のレンズ面中心とが光軸に沿って並んでいる。
【０２５２】
照明装置２００では、第２レンズＬ２の光出射面に形成された非回転面の形状が上記実施形態４−１の照明装置１００とは異なっている。面光源１や、第１レンズＬ１の形態は照明装置１００と同様であるので、ここでは説明を省略し、以下には第２レンズＬ２のレンズ面について説明する。
【０２５３】
本実施形態においても、第２レンズＬ２は、概ね平凸レンズの形状を有しており、その光入射面は平面である。また、第２レンズＬ２の光出射面は、概ね凸面形状を有している。ただし、本実施形態では、第２レンズＬ２の光出射面が、実施形態４−１とは異なる非回転面をレンズ面として含むように構成されている。
【０２５４】
第２レンズＬ２は、レンズ面の中心Ｏを通りレンズ面に垂直な軸（典型的には光軸に一致）に対して３回対称な回転対称体として形成されている。この構成において、第２レンズＬ２の光出射面ＳＯは、３つの単位面Ｓ１〜Ｓ３を有している。３つの単位面Ｓ１〜Ｓ３は、光軸上に配置されたレンズ面の中心Ｏから外側に向かって延びる３本の境界線Ｂ１〜Ｂ３によって分割されている。本実施形態では、このような３つの単位面を含む非回転面を用いて、照射領域が略正三角形の形状のスポットライトを実現する。
【０２５５】
３つの単位面Ｓ１〜Ｓ３のそれぞれは自由曲面であり、この自由曲面において図３５（ｃ）に示すｘ軸方向およびｙ軸方向のそれぞれについて曲率が異なっている。３つの単位面Ｓ１〜Ｓ３は、実質的に同じ曲率分布を有する面であり、レンズ面の中心Ｏを通り、図３５（ａ）に示すｚ軸方向に平行な軸に対して、対称的に配置されている。
【０２５６】
次に、単位面Ｓ１〜Ｓ３についてより具体的に説明する。以下には、図３５（ｃ）に示す１つの単位面Ｓ１についてのみ説明するが、他の単位面Ｓ２〜Ｓ３についても同様の説明が適用される。
【０２５７】
単位面Ｓ１には、図３５（ｃ）に示すｙ方向に並ぶ３点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３が存在する。ここで、３点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３のそれぞれの箇所においてｘ方向に設定される曲率半径をそれぞれＲｘ１、Ｒｘ２、Ｒｘ３とすると、単位面Ｓ１は次の関係式を満足するように形成されている。
Ｒｘ１≠Ｒｘ２≠Ｒｘ３
【０２５８】
なお、図示する形態では、Ｒｘ１＞Ｒｘ２＞Ｒｘ３を満足するように曲面が決定されているが、この関係は例示的なものであり、これに限らず場合によっては、Ｒｘ１＜Ｒｘ２＜Ｒｘ３の関係を満たしていても良い。
【０２５９】
また、３点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３は、ｙ方向において同一曲率を有する曲線上に位置しており、各点でｙ方向における曲率はそれぞれ等しい。
【０２６０】
一方、図３５（ｃ）において、単位面Ｓ１には、ｘ方向に並ぶ３点Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３が存在する。ここで、３点Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３のそれぞれの箇所においてｙ方向に設定される曲率半径をそれぞれＲｙ１、Ｒｙ２、Ｒｙ３とすると、単位面Ｓ１は次の関係式を満たすように形成されている。
Ｒｙ１≠Ｒｙ２≠Ｒｙ３
【０２６１】
図示する形態では、Ｒｙ１＞Ｒｙ２＞Ｒｙ３を満足するように曲面が決定されているが、この関係は例示的なものであり、これに限らず場合によってはＲｙ１＜Ｒｙ２＜Ｒｙ３の関係を満たしていても良い。
【０２６２】
また、３点Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３のそれぞれは、ｘ方向の曲率は同一曲率を有する曲線上に位置しており、ｘ方向における曲率はそれぞれ等しい。
【０２６３】
つまり、図に示すｙ方向に延びる太い曲線（例えば、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３を通る曲線）のそれぞれは、ｘ方向については曲率が異なり、かつ、ｙ方向については同じ曲率を有する点の集合を示している。また、図に示すｘ方向に延びる太い曲線（例えば、Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３を通る曲線）のそれぞれは、ｙ方向については曲率が異なり、かつ、ｘ方向については同じ曲率を有する点の集合を示している。
【０２６４】
次に、上記のレンズ面のより具体的な設計を記載する。
【０２６５】
下記の表２は、図３５（ｃ）におけるｘ方向およびｙ方向を含むｘｙ平面（光軸と直交する平面）において、単位面Ｓ１における各ｘ、ｙ座標でのｚ方向の高さ（各点でのレンズ厚さ）を示す。なお、各ｘ、ｙ座標におけるレンズ高さｚ＝ｆ（ｘ、ｙ）は、例えば、下記の式によって規定される。
ｆ（ｘ、ｙ）＝−ｃyｘ2／（１＋（１−（１＋ｋ）ｃy2ｘ2）1/2）−ｃxｙ2／（１＋（１−ｃx2ｙ2）1/2）
【０２６６】
ここで、ｃyは１／Ｒｙ、ｃxは１／Ｒｘであり、ｋはコーニック定数（下記の表ではコーニックとして示されている）である。なお、高さｚは、レンズ中心Ｏでの高さを０として求められた値である。
【０２６７】
【表２】
2014017262.tif 000004
【０２６８】
図３６（ａ）は、照明装置２００によって得られる照射領域における照度分布を示し、図３６（ｂ）および（ｃ）は、照射された光の平面形状（スクリーン上に照射されたスポット形状）を示す。なお、図３６（ｂ）は、光学系の設計値から求められたスポット形状を示し、図３６（ｃ）は、実際に作製した光学系を用いて得られたスポット形状を示している。
【０２６９】
図に示されるように、第２レンズＬ２の光出射面に、上記の３つの自由曲面からなる非回転面のレンズ面を設けることで、略正三角形のスポット形状を実現することができる。本実施形態では、遮光部材などで光源からの光の一部を遮断することなく、光源からの光をレンズ面で屈折させることによって正三角形状に集光しているので、光の利用効率を向上させることができる。
【０２７０】
シミュレーションによる計算の結果、本実施形態の照明装置によれば、１ｍ先の照明領域に到達する光利用効率は約８０％であることが確認された。
【０２７１】
本実施形態においても、上記の第１レンズＬ１または第２レンズＬ２は、実施形態１と同様の材料から形成されていてよい。また、上記には、第２レンズＬ２の射出面側ＳＯに非回転面を配置した形態を説明したが、これに限定されることはない。第１レンズＬ１または第２レンズＬ２の光入射面または光出射面のうちの少なくともいずれかのレンズ面において、非回転面が形成されていればよい。
【０２７２】
＜実施の形態４−３＞
図３７（ａ）および（ｂ）は、本実施形態４−３の照明装置３００を示す斜視図および断面図である。また、図３７（ｃ）は、第２レンズＬ２の光出射側面の形状を示す斜視図である。
【０２７３】
照明装置３００は、照明装置１００と同様に、面光源１と、面光源１の光出射側に設けられた第１レンズＬ１と、第１レンズＬ１の光出射側に設けられた第２レンズＬ２とを備えている。面光源１の中心と、各レンズＬ１、Ｌ２のレンズ面中心とが光軸に沿って並んでいる。
【０２７４】
照明装置３００では、第２レンズＬ２の光出射面に形成された非回転面の形状が上記実施形態４−１の照明装置１００とは異なっている。面光源１や、第１レンズＬ１の形態は照明装置１００と同様であるので、以下には、第２レンズＬ２のレンズ面についてのみ説明する。
【０２７５】
本実施形態においても、第２レンズＬ２は、概ね平凸レンズの形状を有しており、その光入射面は平面である。また、第２レンズＬ２の光出射面は、概ね凸面形状を有している。
【０２７６】
第２レンズＬ２は、レンズ面の中心Ｏを通りレンズ面に垂直な軸（典型的には光軸と整合）に対して、５回対称な回転対称体として形成されている。この構成において、第２レンズＬ２の光出射面ＳＯは、レンズ面の中心Ｏから外側に向かって延びる５本の境界線（稜線）Ｂ１ａ〜Ｂ５ａと、同様に別のレンズ面の中心Ｏから外側に向かって延びる５本の境界線（谷線）Ｂ１ｂ〜Ｂ５ｂとによって分割される、１０個の単位面を有している。５本の境界線（稜線）と５本の境界線（谷線）とは交互に配置されており、各単位面は、１本の境界線（稜線）と１本の境界線（谷線）との間に形成されている。本実施形態では、このような１０個の単位面を含む非回転面を用いて、照射領域が略星型の形状のスポットライトを実現する。
【０２７７】
１０個の単位面のそれぞれは自由曲面であり、この自由曲面においてレンズ面と平行な面内において規定され、互いにの直交する２軸方向のそれぞれについて曲率が異なっている。１０個の単位面のうち、境界線を挟んで隣接する２面（例えば、図３７（ｃ）において境界線Ｂ１ａを挟んで隣接する２面Ｓ１およびＳ２）は、当該境界線を通りｚ方向に平行な面に対して対称的な形状を有している。これらの２面を１対の単位面として考えると、本実施形態では、５対の単位面が、レンズ面の中心Ｏを通りｚ方向に平行な軸に対して対称的に配置されている。
【０２７８】
図３８（ａ−１）および（ｂ−１）は、１０個の単位面（自由曲面）を有するが、単位面の曲面形状がそれぞれで異なる２種類の第２レンズＬ２をそれぞれ示す。また、図３８（ａ−２）および（ｂ−２）は、第２レンズＬ２を用いた場合における照射領域の形状をそれぞれ示す。図３８（ａ−２）および（ｂ−２）に示されるように、いずれのレンズの場合にも、略星型形のスポット形状を実現できる。なお、シミュレーションによる計算の結果、本実施形態の照明装置によれば、１ｍ先の照明領域に到達する光利用効率は約７７％であることが確認された。
【０２７９】
また、図３８（ａ−２）および（ｂ−２）からわかるように、単位面を形成する自由曲面の形状を変えることによって、照射領域の形状（照射光の分布）を変えることができる。したがって、所望の照射領域の形状が得られるように、自由曲面の形状は適宜調節されてよい。
【０２８０】
また、上記の実施形態４−１、４−２および本実施形態４−３に示したように、照射領域が略正方形、略正三角形および略星型のいずれの場合であっても、非回転面においてレンズ中心Ｏを中心に対称的に曲面を設けることによって、照射領域の形状も同様に対称性の高いものとすることができる。
【０２８１】
なお、本実施形態においても、上記の第１レンズＬ１または第２レンズＬ２は、実施形態１と同様の材料から形成されていてよい。また、上記には、第２レンズＬ２の射出面側ＳＯにレンズ面としての非回転面を配置した形態を説明したが、これに限定されることはない。第１レンズＬ１または第２レンズＬ２の光入射面または光出射面のうちの少なくともいずれかのレンズ面において、非回転面が形成されていればよい。
【０２８２】
＜実施の形態４−４＞
図３９（ａ）および（ｂ）は、本実施形態４−４の照明装置４００を示す斜視図および断面図である。また、図３９（ｃ）は、第２レンズＬ２の光出射側面の形状を示す斜視図である。
【０２８３】
照明装置４００は、照明装置１００と同様に、面光源１と、面光源１の光出射側に設けられた第１レンズＬ１と、第１レンズＬ１の光出射側に設けられた第２レンズＬ２とを備えている。面光源１の中心と、各レンズＬ１、Ｌ２のレンズ面中心とが光軸に沿って並んでいる。
【０２８４】
照明装置４００では、第２レンズＬ２の光出射面に形成された非回転面の形状が上記実施形態４−１の照明装置１００とは異なっている。面光源１や、第１レンズＬ１の形態は照明装置１００と同様であるので、以下には、第２レンズＬ２のレンズ面についてのみ説明する。
【０２８５】
本実施形態においても、第２レンズＬ２は、概ね平凸レンズの形状を有しており、その光入射面は平面である。また、第２レンズＬ２の光出射面は、概ね凸面形状を有している。
【０２８６】
第２レンズＬ２は、レンズ面の中心Ｏを通りレンズ面に垂直な軸（典型的には光軸と整合）に対して、５回対称な回転対称体として形成されている。この構成において、第２レンズＬ２の光出射面ＳＯは、光軸上に配置されたレンズ面の中心Ｏから外側に向かって延びる５本の主境界線（谷線）Ｂ１ａ〜Ｂ５ａと、この主境界線Ｂ１ａ〜Ｂ５ａの中途から外側に向かって延びる５本の副境界線（谷線）Ｂ１ｂ〜Ｂ５ｂとによって分割される１０個の単位面を有している。
【０２８７】
隣接する２本の主境界線（例えば、図に示す主境界線Ｂ１ａと主境界線Ｂ２ａ）によって挟まれる領域において、１本の副境界線（例えば、図に示す副境界線Ｂ１ｂ）によって分割される２種類の単位面Ｓ１、Ｓ２が設けられている。この２種類の単位面Ｓ１、Ｓ２で、それぞれの面積および形状は異なっている。
【０２８８】
また、この２種類の単位面を１つの対として、５対の単位面が、光軸を中心として回転対称性を有するように配置されている。
【０２８９】
上記の実施形態４−１〜４−３では、隣り合う自由曲面（単位面）は、同一形状または境界線を含む断面に対して対称性を有していたが、本実施形態４−４では、上記２種類の単位面は全く異なる形状を有している。このような形状のレンズを用いる場合であっても、光利用効率を高いまま所望の領域に光を照射することができる。
【０２９０】
図４０（ａ）は、照明装置４００によって得られる照射領域における照度分布を示し、図４０（ｂ）は、照射された光の平面形状を示す。なお、図４０（ａ）には、図４０（ｂ）に示す横方向Ｘと縦方向Ｙとのそれぞれに沿った照度分布のグラフが別個に示されている。図からわかるように、本実施形態の照明装置では、渦巻き型のスポット形状を得ることができる。なお、シミュレーションによる計算の結果、本実施形態の照明装置によれば、１ｍ先の照明領域に到達する光利用効率は約７９％であることが確認された。
【０２９１】
なお、本実施形態においても、上記の第１レンズＬ１または第２レンズＬ２は、実施形態１と同様の材料から形成されていてよい。また、上記には、第２レンズＬ２の射出面側ＳＯにレンズ面としての非回転面を配置した形態を説明したが、これに限定されることはない。第１レンズＬ１または第２レンズＬ２の光入射面または光出射面のうちの少なくともいずれかのレンズ面において、非回転面が形成されていればよい。
【０２９２】
＜実施の形態４−５＞
図４１（ａ）および（ｂ）は、本実施形態４−５の照明装置５００を示す斜視図および断面図である。また、図４１（ｃ）は、第２レンズの光出射側面の形状を示す斜視図である。
【０２９３】
照明装置５００は、照明装置１００と同様に、面光源１と、面光源１の光出射側に設けられた第１レンズＬ１と、第１レンズＬ１の光出射側に設けられた第２レンズＬ２とを備えている。面光源１の中心と、各レンズＬ１、Ｌ２のレンズ面中心とが光軸に沿って並んでいる。
【０２９４】
照明装置５００では、第２レンズＬ２の光出射面に形成された非回転面の形状が上記実施形態４−１の照明装置１００とは異なっている。面光源１や、第１レンズＬ１の形態は照明装置１００と同様であるので、以下には、第２レンズＬ２のレンズ面についてのみ説明する。
【０２９５】
本実施形態においても、第２レンズＬ２は、概ね平凸レンズの形状を有しており、その光入射面は平面である。また、第２レンズＬ２の光出射面は、概ね凸面形状を有している。
【０２９６】
第２レンズＬ２は、レンズ面の中心Ｏを通りレンズ面に垂直な軸（典型的には光軸と整合）に対して、２回対称な回転対称体として形成されている。
【０２９７】
この構成において、第２レンズＬ２の光出射面ＳＯは、光軸上に配置されたレンズ面の中心Ｏから外側に向かって延びる４本の境界線Ｂ１〜Ｂ４によって分割される４つの単位面Ｓ１〜Ｓ４を有している。
【０２９８】
これらの単位面Ｓ１〜Ｓ４のうち、レンズ中心Ｏに対して向かい合う２面（単位面Ｓ１と単位面Ｓ３、または、単位面Ｓ２と単位面Ｓ４）は、曲率が同等の曲面である。しかし、隣り合うレンズ面（例えば、単位面Ｓ１と単位面Ｓ２）は、曲率の異なる曲面である。本実施形態では、このような２×２種類の４つの単位面を含む非回転面をレンズ面とするレンズを用いて、照射領域が略長方形の形状のスポットライトを実現する。
【０２９９】
４つの単位面Ｓ１〜Ｓ４のそれぞれは自由曲面であり、この自由曲面において図４１（ａ）に示すｘ軸方向およびｙ軸方向のそれぞれについて曲率が異なっている。上記のように、向かい合う単位面は同等の曲面であるので、軸方向の曲率は同様に設定される。また、隣単位面は異なる曲面であるので、別の曲率に設定される。以下、レンズ面のより具体的な設計を記載する。
【０３００】
以下の表３および表４は、単位面Ｓ１、Ｓ３に対して設定される曲率の設計（表３）と、単位面Ｓ２、Ｓ４に対して設定される曲率の設計（表４）とをそれぞれ示す。表に示すように、それぞれで設計のパラメータが異なっている。なお、表に記載の数字の意味（ｘｙ座標における高さｚ）は、表１および２に示した例と同じであるのでここでは説明を省略する。
【０３０１】
【表３】
2014017262.tif 000005
【０３０２】
【表４】
2014017262.tif 000006
【０３０３】
図４２（ａ）は、照明装置５００によって得られる照射領域における照度分布を示し、図４２（ｂ）は、照射された光の平面形状を示す。なお、図４２（ａ）には、図４２（ｂ）に示す横方向Ｘと縦方向Ｙとのそれぞれに沿った照度分布のグラフが別個に示されている。
【０３０４】
図４２（ｂ）に示されるように、第２レンズＬ２の光出射面に、上記の２×２種類の４つの自由曲面からなる非回転面のレンズ面を設けることで、略長方形のスポット形状が実現できる。なお、シミュレーションによる計算の結果、本実施形態の照明装置５００によれば、１ｍ先の照明領域に到達する光利用効率は約８０％であることが確認された。
【０３０５】
なお、本実施形態においても、上記の第１レンズＬ１または第２レンズＬ２は、実施形態１と同様の材料から形成されていてよい。また、上記には、第２レンズＬ２の射出面側ＳＯにレンズ面としての非回転面を配置した形態を説明したが、これに限定されることはない。第１レンズＬ１または第２レンズＬ２の光入射面または光出射面のうちの少なくともいずれかのレンズ面において、非回転面が形成されていればよい。
【０３０６】
＜実施の形態４−６＞
図４３（ａ）および（ｂ）は、本実施形態４−６の照明装置６００を示す斜視図および断面図である。また、図４４（ａ）および（ｂ）は、照明装置６００によって得られる照射領域における照度分布を示し、図４４（ｂ）は、照射された光の平面形状を示す。なお、図４４（ａ）には、図４４（ｂ）に示す横方向Ｘに沿った照度分布のグラフが示されている。
【０３０７】
本実施形態の照明装置６００は、照明装置１００と同様に、面光源１と、面光源１の光出射側に設けられた第１レンズＬ１と、第１レンズＬ１の光出射側に設けられた第２レンズＬ２とを備えている。面光源１の中心と、各レンズＬ１、Ｌ２のレンズ面中心とが光軸に沿って並んでいる。
【０３０８】
照明装置６００では、第２レンズＬ２の光出射面に形成された非回転面の形状が上記実施形態４−１の照明装置１００とは異なっている。面光源１や、第１レンズＬ１の形態は照明装置１００と同様であるので、以下には、第２レンズＬ２のレンズ面についてのみ説明する。
【０３０９】
本実施形態においても、第２レンズＬ２は、概ね平凸レンズの形状を有しており、その光入射面は平面である。また、第２レンズＬ２の光出射面は、概ね凸面形状を有している。また、第２レンズＬ２は、レンズ面の中心Ｏを通りレンズ面に垂直な軸（典型的には光軸と整合）に対して、４回対称な回転対称体として形成されている。この構成において、第２レンズＬ２の光出射面ＳＯは、光軸上に配置されたレンズ面の中心Ｏから外側に向かって延びる４本の境界線Ｂ１〜Ｂ４によって分割される４つの単位面Ｓ１〜Ｓ４を有している。本実施形態では、このような４つの単位面を含む非回転面を用いて、照射領域が略正方形状のスポットライトを実現する。
【０３１０】
４つの単位面Ｓ１〜Ｓ４のそれぞれは、実施形態４−１の照明装置１００と異なり、トロイダル面から形成されている。このトロイダル面において図４３（ａ）および（ｂ）に示すｘ軸方向およびｙ軸方向のそれぞれについて曲率が異なっている。４つの単位面Ｓ１〜Ｓ４は、実質的に同じ曲率分布を有する面であり、レンズ面の中心Ｏを通り図に示すｚ軸方向に平行な軸に対して対称的に配置されている。
【０３１１】
ここで、トロイダル面について説明する。トロイダル面とは図に示す単位面Ｓ１について説明すると、ｘ方向およびy方向においてそれぞれ異なる曲率をもつ面のことを指す。
【０３１２】
なお、実施形態１のレンズが有する自由曲面（単位面）もｘ方向およびｙ方向においてそれぞれ異なる曲率を持つが、本実施形態で用いられるトロイダル面は、ｘ方向またはｙ方向に沿った断面のいずれかにおいて円弧が形成される点で上記の自由曲面とは異なる。また、トロイダル面の場合、ｘ方向の曲率半径Ｒｘおよびｙ方向の曲率半径Ｒｙのみで曲面を規定することができる。
【０３１３】
本実施形態において、ｘ方向の曲率半径Ｒｘは、例えば、第２レンズＬ２の有効径の２分の１〜第２レンズＬ２の有効径の３倍に設定され、ｙ方向の曲率半径Ｒｙは、例えば、Ｒｘ〜Ｒｘの５倍に設定される。
【０３１４】
図４４（ａ）および（ｂ）に示されるように、本実施形態の照明装置６００を用いて、頂角が丸みを帯びた概ね正方形のスポット形状を実現できる。また、照射領域における照度分布を均一なものとすることができる。また、シミュレーションによる計算の結果、本実施形態の照明装置６００によれば、１ｍ先の照明領域に到達する光利用効率は約８１％であることが確認された。
【０３１５】
次に、本実施形態の変形例として、３つのトロイダル面からなる非回転面を有するレンズを用いて略正三角形の照射領域を形成する形態を説明する。
【０３１６】
図４５（ａ）および（ｂ）は、本実施形態の照明装置６５０を示す斜視図および断面図である。また、図４６（ａ）および（ｂ）は、照明装置６５０によって得られる照射領域における照度分布を示し、図４６（ｂ）は、照射された光の平面形状を示す。なお、図４６（ａ）には、図４６（ｂ）に示す横方向Ｘと縦方向Ｙとのそれぞれに沿った照度分布のグラフが別個に示されている。
【０３１７】
照明装置６５０では、第２レンズＬ２は、レンズ面の中心Ｏを通りレンズ面に垂直な軸（典型的には光軸と整合）に対して、３回対称な回転対称体として形成されている。この構成において、第２レンズＬ２の光出射面ＳＯは、光軸上に配置されたレンズ面の中心Ｏから外側に向かって延びる３本の境界線Ｂ１〜Ｂ３によって分割される３つの単位面Ｓ１〜Ｓ３を有している。
【０３１８】
３つの単位面Ｓ１〜Ｓ３のそれぞれはトロイダル面から形成されている。３つの単位面Ｓ１〜Ｓ３は、実質的に同じレンズ面の中心Ｏを通り、図に示すｚ軸方向に平行な軸に対して対称的に配置されている。なお、トロイダル面を規定する曲率半径Ｒｘ、Ｒｙは、上記と同様の範囲であってよい。
【０３１９】
図４６（ｂ）に示されるように、本実施形態において、頂角が丸みを帯びた概ね正三角形のスポット形状を実現できる。なお、シミュレーションによる計算の結果、本実施形態の照明装置によれば、１ｍ先の照明領域に到達する光利用効率は約８１％であることが確認された。
【０３２０】
本実施形態においても、上記の第１レンズＬ１または第２レンズＬ２は、実施形態１と同様の材料から形成されていてよい。また、上記には、第２レンズＬ２の射出面側ＳＯにレンズ面としての非回転面を配置した形態を説明したが、これに限定されることはない。第１レンズＬ１または第２レンズＬ２の光入射面または光出射面のうちの少なくともいずれかのレンズ面において、非回転面が形成されていればよい。
【０３２１】
＜実施の形態４−７＞
図４７（ａ）および（ｂ）は、本実施形態４−７の照明装置７００を示す斜視図および断面図である。また、図４８（ａ）は、照明装置７００によって得られる照射領域における照度分布を示し、図４８（ｂ）は、照射された光の平面形状を示す。なお、図４８（ａ）には、図４８（ｂ）に示す横方向Ｘに沿った照度分布のグラフが示されている。
【０３２２】
本実施形態の照明装置７００は、照明装置１００と同様に、面光源１と、面光源１の光出射側に設けられた第１レンズＬ１と、第１レンズＬ１の光出射側に設けられた第２レンズＬ２とを備えている。面光源１の中心と、各レンズＬ１、Ｌ２のレンズ面中心とが光軸に沿って並んでいる。
【０３２３】
照明装置７００では、第２レンズＬ２の光出射面に形成されたレンズ面において、４つのシリンドリカル面を単位面として含む非回転面が設けられている。その他の構成については実施形態４−６の照明装置６００などと同様であるので、ここでは詳細な説明を省略する。
【０３２４】
ここで、シリンドリカル面について説明する。シリンドリカル面とは図に示す単位面Ｓ１について説明すると、ｘ方向においてのみ曲率を有し、y方向において曲率を有しない円柱側面に対応する面である。なお、単位面Ｓ１と隣接する単位面Ｓ２についていうと、ｙ方向においてのみ曲率を有し、ｘ方向において曲率を有しない。シリンドリカル面の形状は、曲率半径Ｒによって規定することができ、曲率半径Ｒは、例えば、第２レンズＬ２の有効径の２分の１〜第２レンズＬ２の有効径の３倍に設定される。
【０３２５】
図４８（ｂ）および（ｃ）に示されるように、本実施形態において、頂角が丸みを帯びた概ね正方形のスポット形状を実現できる。なお、シミュレーションによる計算の結果、本実施形態の照明装置によれば、１ｍ先の照明領域に到達する光利用効率は約８１％であることが確認された。
【０３２６】
また、特にシリンドリカル面を用いてレンズ面を構成した場合において、図４８（ｂ）および（ｃ）に示すように、正方形の各頂点の近傍において、副次的な照射領域が形成されることが確認された。このように、複数の単位面を含む非回転面をレンズ面に形成すると、一般の光学系において光軸回転面を形成する場合とは異なり、照射領域において非同心円状に出現する特徴的な照射部分が観察されることがある。
【０３２７】
次に、本実施形態の変形例として、３つのシリンドリカル面からなる非回転面を有するレンズを用いて略正三角形の照射領域を形成する形態を説明する。
【０３２８】
図４９（ａ）および（ｂ）は、本実施形態の照明装置７５０を示す斜視図および断面図である。また、図４９（ｃ）は、第２レンズＬ２を示す平面図である。さらに、図５０（ａ）および（ｂ）は、照明装置７５０によって得られる照射領域における照度分布を示し、図５０（ｂ）は、照射された光の平面形状を示す。なお、図５０（ａ）には、図５０（ｂ）に示す横方向Ｘと縦方向Ｙとのそれぞれに沿った照度分布のグラフが別個に示されている。
【０３２９】
照明装置７５０では、第２レンズＬ２は、レンズ面の中心Ｏを通りレンズ面に垂直な軸（典型的には光軸と整合）に対して、３回対称な回転対称体として形成されている。この構成において、第２レンズＬ２の光出射面ＳＯは、光軸上に配置されたレンズ面の中心Ｏから外側に向かって延びる３本の境界線Ｂ１〜Ｂ３によって分割される３つの単位面Ｓ１〜Ｓ３を有している。本実施形態では、このような３つの単位面を含む非回転面を用いて、照射領域が略正三角形の形状のスポット形状を実現する。
【０３３０】
３つの単位面Ｓ１〜Ｓ３のそれぞれはシリンドリカル面から形成されている。３つの単位面Ｓ１〜Ｓ３は、実質的に同じレンズ面の中心Ｏを通り、図に示すｚ軸方向に平行な軸に対して対称的に配置されている。図４９（ｃ）には、シリンドリカル面を規定する円柱の軸方向が示されている。シリンドリカル面を規定する曲率半径Ｒは、上記と同様の範囲であってよい。
【０３３１】
図５０（ｂ）および（ｃ）に示されるように、本実施形態において、頂角が丸みを帯びた概ね正三角形のスポット形状を実現できる。なお、シミュレーションによる計算の結果、本実施形態の照明装置によれば、１ｍ先の照明領域に到達する光利用効率は約８１％であることが確認された。また、本変形例の場合にも、図５０（ｂ）および（ｃ）に示すように、正三角形の各頂点の近傍において、副次的な照射領域が形成されることが確認された。
【０３３２】
本実施形態においても、上記の第１レンズＬ１または第２レンズＬ２は、実施形態１と同様の材料から形成されていてよい。また、上記には、第２レンズＬ２の射出面側ＳＯにレンズ面としての非回転面を配置した形態を説明したが、これに限定されることはない。第１レンズＬ１または第２レンズＬ２の光入射面または光出射面のうちの少なくともいずれかのレンズ面において、非回転面が形成されていればよい。
【０３３３】
＜実施の形態４−８＞
図５１（ａ）および（ｂ）は、本実施形態４−８の照明装置８００を示す斜視図および断面図である。本実施形態の照明装置８００では、実施形態４−１で説明した第１レンズＬ１および第２レンズＬ２の代わりに、一体型レンズＬ１２が用いられている。一体型レンズＬ１２は、第１レンズＬ１と実質的に同じ機能を持つ第１レンズ部分Ｌ１’と、第２レンズＬ２と実施的に同じ機能を持つ第２レンズ部分Ｌ２’とを含んでいる。
【０３３４】
一体型レンズＬ１２は、第１レンズＬ１の光出射面と、第２レンズＬ２の光入射面とを、それぞれのレンズ中心の近傍において接合したような構造を有している。
【０３３５】
一体型レンズＬ１２の光出射面の形状は、第２レンズＬ２の光出射面の形状と同じであって良い。すなわち、一体型レンズＬ１２の光出射面は、境界線によって分割された４つの自由曲面（単位面）を含み、これらは光軸に対して回転対称性を有するように配置されている。各自由曲面は、互いに直交するｘ方向およびｙ方向のそれぞれについて異なる曲率を有している。
【０３３６】
このような一体型レンズＬ１２は、樹脂などの材料を用いて、公知の方法で一体成型により作製されていてよい。あるいは、一体型レンズＬ１２は、第１レンズＬ１および第２レンズＬ２を同じ材料で別個に作製した後、これらを接合することによって作製されてもよい。この場合、第１レンズＬ１および第２レンズＬ２と同じ材料を用いてこれらを接合すれば、屈折率差が生じないので界面での反射を抑制し得る。
【０３３７】
ただし、第１レンズＬ１と第２レンズＬ２とを別の材料から形成した後に、これらを適切に接合することによって一体型レンズＬ１２を作製してもよい。この場合、第１レンズと第２レンズとを屈折率の異なる材料で形成することができるので、設計の幅を広げることができる。
【０３３８】
図５２（ａ）は、例示的な一体型レンズＬ１２の断面を示し、図５２（ｂ）には、第１レンズ部分Ｌ１’の近傍を拡大して示す。図５２（ａ）および（ｂ）に示すように、各サイズを設定することによって、光源１からの光を第１レンズ部分Ｌ１’によって効率的に集光し、かつ、第２レンズ部分Ｌ２’によって、略正方形状の領域に照射することができる。したがって、異形の照射領域を高い光利用効率で形成することができる。
【０３３９】
また、第１レンズ部分Ｌ１’の光出射面と第２レンズ部分Ｌ２’の光入射面との接合幅は、図５２（ｂ）に示す形態では、１０．０ｍｍに設定されている。この大きさが、第１レンズ部の直径（２４．０ｍｍ）に対して大きすぎると、第１レンズ部分の持つ集光特性が低下するおそれがある。また、上記の接合幅が小さすぎても一体型レンズＬ１２が破損し易くなる。このため、接合幅は、例えば２ｍｍ以上に設定され、かつ、第１レンズ部分の直径に対する上記接合幅の比率が例えば３０％以下になるように設定されることが好ましい。上記接合幅が２ｍｍよりも狭い場合、第１レンズ部分Ｌ１‘に極端な応力がかかる場合に破損する恐れが高まる。
【０３４０】
下記の表５は、各単位面Ｓ１〜Ｓ４に対して設定される曲率の設計を示す。なお、表５に記載の数字の意味（ｘｙ座標における高さｚ）は、表１〜表４に示した例と同じであるのでここでは説明を省略する。
【０３４１】
【表５】
2014017262.tif 000007
【０３４２】
図５３（ａ）および（ｂ）に示されるように、本実施形態の照明装置８００を用いて、概ね正方形のスポット形状を実現できる。また、照射領域における照度分布を均一なものとすることができる。また、シミュレーションによる計算の結果、本実施形態の照明装置８００によれば、１ｍ先の照明領域に到達する光利用効率は約８０％であることが確認された。
【０３４３】
このように、照明装置８００では、第１レンズ部分Ｌ１’と第２レンズ部分Ｌ２’とが一体化されたレンズ１２を用いているので、光源に対するレンズ１２の位置合わせや固定をより容易に行うことができる。
【０３４４】
以上、本発明の実施形態を説明したが、種々の改変が可能であるかとは言うまでもない。例えば、上記の四角形のスポット形状を得るためのレンズ形状と、三角形の形状を実現するためのレンズ形状とを含むように、第１レンズまたは第２レンズのレンズ面に非回転面を設けることによって、ホームベース（または矢印）型の領域に照度の均一性を高くして光を照射することができる。また、ハート形などの他の形状の照射領域を形成することも可能である。このように、本発明の実施形態による装置においては、曲率が変化する境界線によって隔てられた複数の単位面を含む非回転面をレンズ面に形成することによって、照度均一性を高くして円形以外のスポット形状を実現することができる。
【０３４５】
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組合せて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【０３４６】
本発明の実施形態による照明装置は、狭い範囲のみ照明するスポットライトや投光機、やや広範囲を均一に照らす街灯や読書灯、室内用間接照明や自動車の室内灯、より大光量タイプの自動車のヘッドライト等、多くの照明製品に利用することができる。また、舞台照明装置用として、円形以外の照射領域を形成するスポットライトとして好適に利用できる。【０３４７】
また、光源の発光波長は可視光だけではなく、赤外光を用いた赤外センサー用光源や、紫外光を用いたスポット露光照明、殺菌用照明などに利用できる。
【符号の説明】
【０３４８】
１  光源（発光部）
２  光学レンズ部
３  光学レンズ
４  光学レンズ
５  開口部
１１  照明装置
１２  照明装置
１３ａ  照明装置
１３ｂ  照明装置
２２  光学レンズ部
２３  光学レンズ部
ＡＸ  光軸
Ｌ１  光学レンズ  （第１レンズ）
Ｌ２  光学レンズ  （第２レンズ）
ｆ１  第１の焦点位置
ｆ２  第２の焦点位置
Ｆ１  第１レンズの焦点
Ｆ２  第２レンズの焦点
１００〜８００  照明装置
【図１】
2014017262.tif 000008
【図２】
2014017262.tif 000009
【図３】
2014017262.tif 000010
【図４】
2014017262.tif 000011
【図５】
2014017262.tif 000012
【図６】
2014017262.tif 000013
【図７】
2014017262.tif 000014
【図８】
2014017262.tif 000015
【図９】
2014017262.tif 000016
【図１０】
2014017262.tif 000017
【図１１】
2014017262.tif 000018
【図１２】
2014017262.tif 000019
【図１３】
2014017262.tif 000020
【図１４】
2014017262.tif 000021
【図１５】
2014017262.tif 000022
【図１６】
2014017262.tif 000023
【図１７】
2014017262.tif 000024
【図１８】
2014017262.tif 000025
【図１９】
2014017262.tif 000026
【図２０】
2014017262.tif 000027
【図２１】
2014017262.tif 000028
【図２２】
2014017262.tif 000029
【図２３】
2014017262.tif 000030
【図２４】
2014017262.tif 000031
【図２５】
2014017262.tif 000032
【図２６】
2014017262.tif 000033
【図２７】
2014017262.tif 000034
【図２８】
2014017262.tif 000035
【図２９】
2014017262.tif 000036
【図３０】
2014017262.tif 000037
【図３１】
2014017262.tif 000038
【図３２】
2014017262.tif 000039
【図３３】
2014017262.tif 000040
【図３４】
2014017262.tif 000041
【図３５】
2014017262.tif 000042
【図３６】
2014017262.tif 000043
【図３７】
2014017262.tif 000044
【図３８】
2014017262.tif 000045
【図３９】
2014017262.tif 000046
【図４０】
2014017262.tif 000047
【図４１】
2014017262.tif 000048
【図４２】
2014017262.tif 000049
【図４３】
2014017262.tif 000050
【図４４】
2014017262.tif 000051
【図４５】
2014017262.tif 000052
【図４６】
2014017262.tif 000053
【図４７】
2014017262.tif 000054
【図４８】
2014017262.tif 000055
【図４９】
2014017262.tif 000056
【図５０】
2014017262.tif 000057
【図５１】
2014017262.tif 000058
【図５２】
2014017262.tif 000059
【図５３】
2014017262.tif 000060
【図５４】
2014017262.tif 000061
【国際調査報告】
2014017262.tif 000062
2014017262.tif 000063