(57)【要約】【課題】高効率の光学素子を提供する。【解決手段】実施形態の光学素子１００は、光線が入射する入射部１３０と、入射部１３０から入射した光線を内部全反射させる第１の内部全反射部１１０と、第１の内部全反射部１１０で内部全反射された光線が出射する射出部１４０とを備える。第１の内部全反射部１１０は、光学素子１００の中心軸Ａ１から放射状に延びる第１の山部１１１を有する。第１の山部１１１の断面形状は、中心軸Ａ１からの距離に応じて変化する。【選択図】      図１
2019040101.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学素子であって、
光線が入射する入射部と、
前記入射部から入射した光線を内部全反射させる第１の内部全反射部と、
前記第１の内部全反射部で内部全反射された光線が出射する射出部と
を備え、
前記第１の内部全反射部は、前記光学素子の中心軸から放射状に延びる第１の山部を有し、
前記第１の山部の断面形状は、前記中心軸からの距離に応じて変化する、
光学素子。
【請求項２】
前記第１の内部全反射部は、前記第１の山部を間に挟んだ両側に一対の第１の谷部を有し、
前記第１の山部は、
一対の前記第１の谷部の第１の谷底で規定される第１の仮想面に対して第１の角度を有する第１の全反射面と、
前記第１の全反射面に対して第２の角度を有する第２の全反射面と
を備える、請求項１に記載の光学素子。
【請求項３】
前記第１の山部の第１の頂部は、前記第１の全反射面と前記第２の全反射面との交線であり、
前記第１の頂部から前記第１の仮想面までの長さは、前記中心軸から離れるにつれて大きくなる、
請求項２に記載の光学素子。
【請求項４】
前記第１の仮想面は、前記中心軸上に頂点を有し、前記光学素子の中心側に略錐形に窪む、請求項２に記載の光学素子。
【請求項５】
前記第１の角度は、前記入射部から入射した光線の前記第１の全反射面に対する入射角が臨界角を超えるように設定される、請求項２に記載の光学素子。
【請求項６】
前記第２の角度は、一定であり、
前記第２の角度は、前記第１の全反射面で全反射された光線を前記第２の全反射面においてさらに全反射させるように設定される、
請求項２に記載の光学素子。
【請求項７】
前記第１の内部全反射部で内部全反射された光線を内部全反射させるように前記第１の内部全反射部に対向する第２の内部全反射部をさらに備え、
前記第２の内部全反射部は、前記中心軸から放射状に延びる第２の山部を有し、
前記第２の山部の断面形状は、前記中心軸からの距離に応じて変化する、
請求項１に記載の光学素子。
【請求項８】
前記第１の山部の頂角は、前記第２の山部の頂角より小さい、請求項７に記載の光学素子。
【請求項９】
前記第２の内部全反射部は、前記第２の山部を間に挟んだ両側に一対の第２の谷部を有し、
前記第２の山部は、
一対の前記第２の谷部の第２の谷底で規定される第２の仮想面に対して第３の角度を有する第３の全反射面と、
前記第３の全反射面に対して第４の角度を有する第４の全反射面と
を備える、
請求項７に記載の光学素子。
【請求項１０】
前記第２の仮想面は、前記中心軸上に頂点を有し、前記光学素子の外側に略錐形に膨らむ、請求項９に記載の光学素子。
【請求項１１】
前記第２の山部の第２の頂部は、前記第３の全反射面と前記第４の全反射面との交線であり、
前記第２の頂部から前記第２の仮想面までの長さは、前記中心軸から離れるにつれて大きくなる、
請求項９に記載の光学素子。
【請求項１２】
前記第３の角度は、前記第１の内部全反射部で内部全反射された光線の前記第３の全反射面に対する入射角が臨界角を超えるように設定される、請求項９に記載の光学素子。
【請求項１３】
前記第４の角度は、一定であり、
前記第４の角度は、前記第３の全反射面で全反射された光線を前記第４の全反射面においてさらに全反射させるように設定される、
請求項９に記載の光学素子。
【請求項１４】
請求項１に記載の光学素子と、
光源と
を備え、
前記入射部と、前記第１の内部全反射部とは対向する、
照明装置。
【請求項１５】
前記光源は、ＬＥＤである、請求項１４に記載の照明装置。
【請求項１６】
前記中心軸と前記入射部へ入射する光線との角度は、前記中心軸と前記射出部から出射する光線との角度と比較して小さい、請求項１４に記載の照明装置。
【請求項１７】
請求項１に記載の光学素子と、
太陽電池と
を備え、
前記射出部と、前記第１の内部全反射部とは対向する、
集光装置。
【請求項１８】
前記中心軸と前記入射部へ入射する光線との角度は、前記中心軸と前記射出部から出射する光線との角度と比較して大きい、請求項１７に記載の集光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、高効率の光学素子、照明装置及び集光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に照明装置は、配光制御、器具効率（光源の全光束に対し、照明として利用される光束の割合）及びコンパクト性が求められる。従来、コンパクトな照明装置を実現する方法として、反射ミラーを用いた方法が知られている。また、特に、医療用向けの照明においては、照射面における照明光の色の均一性も求められる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−２２８７７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明が解決しようとする課題は、高効率の光学素子、照明装置及び集光装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
実施形態の光学素子は、光線が入射する入射部と、前記入射部から入射した光線を内部全反射させる第１の内部全反射部と、前記第１の内部全反射部で内部全反射された光線が出射する射出部とを備え、前記第１の内部全反射部は、前記光学素子の中心軸から放射状に延びる第１の山部を有し、前記第１の山部の断面形状は、前記中心軸からの距離に応じて変化する。
【０００６】
実施形態の照明装置は、前記光学素子と、光源とを備える。
【０００７】
実施形態の集光装置は、前記光学素子と、太陽電池とを備える。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、第１の実施形態に係る照明装置の外観と構成例との概略を示す模式図である。
【図２】図２は、第１の実施形態に係る照明装置の中心軸を通る断面における構成例の概略と光線経路の一例とを示す模式図である。
【図３】図３は、第１の実施形態に係る光学素子の一部分における光線経路の一例について説明するための模式図である。
【図４】図４は、図３に示す第１の実施形態に係る光学素子の一部分について側面側から見た様子を示す模式図である。
【図５】図５は、図３に示す第１の実施形態に係る光学素子の一部分について射出面側から見た様子を示す模式図である。
【図６】図６は、第２の実施形態に係る照明装置の外観及び構成例の概略と光線経路の一例とを示す模式図である。
【図７】図７は、第２の実施形態に係る照明装置の第１の内部全反射部近傍における外観及び構成例の概略と光線経路の一例とを示す模式図である。
【図８】図８は、第２の実施形態に係る光学素子における光線経路の一例について説明するための模式図である。
【図９】図９は、第２の実施形態に係る照明装置が２つの光源を備える場合の外観及び構成例の概略と光線経路の一例とを示す模式図である。
【図１０】図１０は、第２の実施形態に係る照明装置が２つの光源を備える場合の解析モデルについて説明するための模式図である。
【図１１】図１１は、第２の実施形態に係る照明装置が２つの光源を備える場合の青色ＬＥＤによる照明光の照射面における照度分布の解析結果を示す図である。
【図１２】図１２は、第２の実施形態に係る照明装置が２つの光源を備える場合の青色ＬＥＤによる照明光の照射面のＹ＝０の位置における照度分布の解析結果を示す図である。
【図１３】図１３は、第２の実施形態に係る照明装置が２つの光源を備える場合の赤色ＬＥＤによる照明光の照射面における照度分布の解析結果を示す図である。
【図１４】図１４は、第２の実施形態に係る照明装置が２つの光源を備える場合の赤色ＬＥＤによる照明光の照射面のＹ＝０の位置における照度分布の解析結果を示す図である。
【図１５】図１５は、第２の実施形態に係る照明装置が２つの光源を備える場合の２つの光源による照明光の照射面における照度分布の解析結果を示す図である。
【図１６】図１６は、第２の実施形態に係る照明装置が２つの光源を備える場合の２つの光源による照明光の照射面のＹ＝０の位置における照度分布の解析結果を示す図である。
【図１７】図１７は、第１の変形例に係る照明装置の外観及び構成例の概略を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下に、本発明の各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。なお、図面は模式的又は概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率等は、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。また、垂直、直交、平行又は水平等の記載は、必ずしも厳密に垂直、直交、平行又は水平である場合に限らず、それぞれ略垂直、略直交、略平行又は略水平である場合を含み得る。
【００１０】
（第１の実施形態）
一般的に照明装置には、配光制御、器具効率及びコンパクト性が求められる。ここで、器具効率は、光源の全光束に対して、照明として利用される光束が占める割合を示す。従来、コンパクトな照明装置を実現する方法として、反射ミラーを用いた方法が知られている。反射ミラーを用いて光線経路を折りたためば、コンパクトな照明装置が実現できる。しかし、反射ミラーは、照明光のエネルギーの一部を吸収する。そのため、光線経路を折りたたむために反射ミラーを用いると、エネルギーロスが生じてしまい、照明装置の器具効率が低下する。
【００１１】
そこで、本実施形態では、全反射によって照明光の光線方向を変化させて光線経路を折りたたむ光学素子と、当該光学素子を用いることでエネルギーロスを低減させた照明装置について説明をする。
【００１２】
以下、本実施形態に係る照明装置について、図面を参照して詳細に説明する。本実施形態に係る技術は、広い方位を照明することができる照明（広配光な照明）を実現するものである。なお、広配光の照明は、配光角の大きい照明とも表現できる。
【００１３】
まず、本実施形態に係る照明装置の構成について説明をする。本実施形態に係る照明装置の外観と構成例との概略を模式図として図１に示す。また、本実施形態に係る照明装置の中心軸を通る断面における構成例の概略及び光線経路の一例を模式図として図２に示す。図２には、一例として、光線Ｒ１、光線Ｒ２及び光線Ｒ３の光線経路が示されている。図１及び図２に示すように、本実施形態に係る照明装置１は、光学素子１００と、光源２００とを備える。
【００１４】
本実施形態に係る光学素子１００は、図２に示すように、入射部１３０と、射出部１４０とを備える。入射部１３０は、光学素子１００へ照明光が入射する界面（入射面）を有する。射出部１４０は、入射部１３０から光学素子１００の内部へ入射した照明光が、光学素子１００の内部で光線方向を変化させられた後に、光学素子１００の外部へ射出される界面（射出面）を有する。
【００１５】
ここで、以下の説明のために、光学素子１００の中心軸Ａ１は、入射部１３０の中心Ｐ０を通り、入射部１３０の入射面に対して直交する軸であると定義する。このとき、中心軸Ａ１は、光学素子１００の中心Ｃ０を通る。中心軸Ａ１と平行な方向をＺ方向と定義し、入射部１３０の入射面と平行な面をＸ−Ｙ平面と定義する。また、入射部１３０の中心Ｐ０から、光学素子１００の中心Ｃ０へ向かう方向をＺ＋方向とする。
【００１６】
本実施形態に係る光学素子１００は、例えば図１及び図２に示すように、お椀のような、中心軸Ａ１に対して回転対称な外形を有する。ただし、光学素子１００の形状は、回転対称な形状に限らず、どのような形状であってもよい。光学素子１００の形状は、例えば、光学素子１００と光源２００又は照明する対象との相対位置に基づいて決定されればよい。光学素子１００の形状は、要求される照明光の配光角に応じて決定されてもよい。また、本実施形態に係る光学素子１００は、中実であるが、内部に空洞を有する殻構造（中空）であってもよい。
【００１７】
光学素子１００を構成する材料（物質）は、光（照明光）に対して透明であるとする。例えば、材料は、アクリル、ポリカーボネート、シリコーン等の透明樹脂であってもよいし、ガラスであってもよい。材料としてガラスが用いられる場合、光学素子１００の耐熱性の向上が期待できるという利点がある。本実施形態では、光学素子１００の材料は、屈折率（ｎ）が１．４９のアクリル樹脂であるとする。
【００１８】
本実施形態に係る光源２００は、光学素子１００の入射部１３０に対向して、光学素子１００の外側（Ｚ−側）に配置される。光源２００は、照明光を放射する発光面を備える。本実施形態に係る発光面の形状は矩形であるが、これに限らない。発光面の形状は、例えば、円形であってもよいし、多角形であってもよいし、任意の形状であってもよい。発光面は、例えば入射部１３０と平行に配置される。光源２００は、例えば中心軸Ａ１上に発光面の中心Ｐ３が位置するように配置される。発光面は、例えば光学素子１００の入射部１３０と接する位置に配置されるが、光学素子１００の入射部１３０からＺ−方向に所定の距離だけ離れた位置に配置されてもよい。発光面から放射された照明光は、光学素子１００の入射部１３０を照射する。本実施形態に係る光源２００は発光ダイオード（ＬＥＤ）であるが、これに限らない。光源２００は、例えば、フィラメント光源等であってもよい。
【００１９】
本実施形態に係る光学素子１００は、入射部１３０から入射した光線を光学素子１００の内部で全反射させる第１の内部全反射部１１０をさらに備える。第１の内部全反射部１１０は、入射部１３０と対向する位置に配置される。第１の内部全反射部１１０の中心Ｐ１は、光学素子１００の中心軸Ａ１上に位置する。第１の内部全反射部１１０は、入射部１３０と対向する側に第１の山部１１１を有する。なお、第１の内部全反射部１１０の入射部１３０と対向する側は、Ｚ−側、光学素子１００の内部（中心Ｃ０）側とも表現できる。
【００２０】
第１の山部１１１は、第１の内部全反射部１１０に、中心軸Ａ１から放射状に延びるように配置されている。また、第１の山部１１１は、互いに隣接して、複数設けられている。すなわち、互いに隣接する第１の山部１１１は、第１の谷部１１５を構成する。これは、第１の山部１１１を間に挟んだ両側に一対の第１の谷部１１５が設けられているとも表現できる。
【００２１】
以下、一対の第１の谷部１１５の第１の谷底１１６で規定される仮想面を、第１の仮想面１１８と定義する。なお、第１の谷底１１６は、互いに隣接する第１の山部１１１の境界であるとも表現できる。本実施形態において、第１の仮想面１１８は、第１の内部全反射部１１０に存在する全ての第１の谷部１１５の第１の谷底１１６を含む。
【００２２】
図３に示すように、第１の山部１１１は、第１の仮想面１１８に対して第１の角度θ１を有する第１の全反射面１１２と、第１の全反射面１１２と第２の角度θ２を有する第２の全反射面１１３とを備える。なお、第２の角度θ２は、第１の山部１１１の頂角に相当する。また、第１の全反射面１１２又は第２の全反射面１１３と、第１の仮想面１１８との交線は、第１の谷底１１６に相当する。言い換えると、第１の谷底１１６は、１つの第１の山部１１１の第１の全反射面１１２と、前記１つの第１の山部１１１に隣接した他の第１の山部１１１の第２の全反射面１１３と、の交線に相当する。また、第１の全反射面１１２と第２の全反射面１１３との交線は、第１の山部１１１の第１の頂部１１４に相当する。
【００２３】
このように規定される第１の山部１１１は、第１の谷底１１６及び第１の仮想面１１８に直交する仮想断面において、逆Ｖ字型の断面形状を有する。また、第１の山部１１１は、光学素子１００の中心Ｃ０から遠ざかる方向（Ｚ＋方向）に凸である。すなわち、当該仮想断面と、第１の仮想面１１８、第１の全反射面及び第２の全反射面との各々の交線は、当該仮想断面上において二等辺三角形を構成する。このとき、第１の角度θ１と、第２の角度θ２とは、それぞれ当該二等辺三角形の内角の１つである。ただし、本実施形態では、当該仮想断面と、第１の全反射面１１２及び第２の全反射面１１３との交線の長さは、当該仮想断面上において等しいものとする。
【００２４】
このように規定される第１の山部１１１の断面形状は、中心軸Ａ１（光源２００）からの距離に応じて変化する。すなわち、第１の山部１１１の第１の頂部１１４と、第１の仮想面１１８との間の距離は、中心軸Ａ１から離れるにつれて大きくなる。これは、中心軸Ａ１から離れるにつれて、第１の山部１１１が高くなる、又は第１の全反射面１１２及び第２の全反射面１１３の幅が大きくなるとも表現できる。ここで、第１の全反射面１１２又は第２の全反射面１１３の幅は、第１の山部１１１の第１の頂部１１４と、第１の山部１１１に隣接する第１の谷部１１５の第１の谷底１１６との間の距離である。一方で、第１の山部１１１の頂角（第２の角度θ２）は、中心軸Ａ１からの距離に関わらず一定であるとする。
【００２５】
上述したように、本実施形態に係る第１の山部１１１は、第１の仮想面１１８上に位置する。このような第１の仮想面１１８は、光学素子１００の中心Ｃ０側（Ｚ−側）に略錐形に窪んだ形状をしている。このとき、第１の仮想面１１８の中心は、中心軸Ａ１上に位置したままである。
【００２６】
上述したような構成から、入射部１３０の入射面に対する第１の全反射面１１２の角度は、入射部１３０の入射面に対する第１の仮想面１１８（第１の谷底１１６）の角度と、第１の角度θ１との和で表現される。このように、第１の山部１１１の断面形状は、光源２００（中心軸Ａ１）からの距離に応じて変化する。
【００２７】
ここで、本実施形態に係る照明装置１の作用について図面を参照して説明をする。図２に、光学素子１００の中心軸Ａ１上の断面における光線経路の一例を示す。本実施形態に係る光学素子１００では、中心軸Ａ１は、光学素子１００の中心Ｃ０と、入射部１３０の中心Ｐ０と、第１の内部全反射部１１０の中心Ｐ１とを通る。また、光源２００は、光源２００の中心Ｐ３が中心軸Ａ１上に位置するように配置される。光源２００の発光面から放射された光線は、入射部１３０を照射する。光線は、入射部１３０から光学素子１００の内部へ入射する。光学素子１００の内部へ入射した光線は、光学素子１００の内部を透過して、第１の内部全反射部１１０へ到達する。
【００２８】
ここで、第１の内部全反射部１１０に第１の山部１１１が設けられていない場合を考える。このとき、第１の角度θ１と、第２の角度θ２とは、共に０度であり、第１の内部全反射部１１０の備える第１の全反射面１１２と、第２の全反射面１１３とは、第１の仮想面１１８上に位置する。
【００２９】
一般に、光線は、入射面への入射角が臨界角θｃ以下となる場合には、全反射されずに入射面を透過する。ここで、臨界角θｃは、屈折率ｎを用いて以下のように表される。
【００３０】
【数１】
2019040101.tif 000003
【００３１】
すなわち、第１の内部全反射部１１０（第１の仮想面１１８）への入射角が臨界角θｃ以下となる光線は、第１の内部全反射部１１０を透過して、光学素子１００の外部へ出射する。そのため、このような光学素子の放射する光線は、中心軸Ａ１との成す角が小さい狭配光の光線となる。光線と中心軸Ａ１との成す角は９０度以下である。
【００３２】
したがって、第１の内部全反射部１１０に第１の山部１１１が設けられていない場合には、第１の内部全反射部１１０（第１の仮想面１１８）へ入射する多くの光線は、内部全反射されず、第１の内部全反射部１１０を透過して、光学素子１００の外部へ出射する。もちろん、例えば図２の光線Ｒ２のように、第１の内部全反射部１１０（第１の仮想面１１８）に対して臨界角θｃを超える角度で入射した光線は、第１の内部全反射部１１０に第１の山部１１１が設けられていない場合であっても全反射され得る。ただし、入射部１３０から光学素子１００の内部へ入射した光線は、第１の内部全反射部１１０を透過して外部へ出射したり、第１の内部全反射部１１０で全反射されて射出部１４０から外部へ出射したりするため、何れにしても照明装置１としての器具効率は低いものとなる。
【００３３】
一方で、本実施形態に係る第１の内部全反射部１１０には、第１の山部１１１が設けられている。以下、この場合について図３乃至図５を参照して説明する。図３には、図１に示す本実施形態に係る光学素子１００を、一対の第１の谷底１１６及び中心軸Ａ１に沿って切断した光学素子片の斜視断面図が示されている。また、図４には、図３に示す光学素子片を、断面４と直交する方向から見た図が示されている。また、図５には、図３に示す光学素子片を、断面５の側から見た図が示されている。また、図３乃至図５には、入射部１３０の中心Ｐ０から光学素子１００の内部へ入射した光線の一部（光線Ｒ５を含む光線）が示されている。
【００３４】
このとき、第１の角度θ１は、入射部１３０から入射した光線が、第１の全反射面１１２に対して臨界角θｃ以上の角度で入射可能に設定されている。また、第２の角度θ２（第１の山部１１１の頂角）は、第１の全反射面１１２で全反射された光線が、第２の全反射面１１３に対して臨界角θｃ以上の角度で入射可能に設定されている。
【００３５】
このような構成において、光線は、図３乃至図５に示すように、第１の全反射面１１２及び第２の全反射面１１３において連続して全反射される。これにより、入射部１３０から第１の内部全反射部１１０へ入射した光線は、第１の内部全反射部１１０において、ミラーによる反射のような吸収ロスなく、折り返されることになる。また、第１の内部全反射部１１０において折りたたまれた光線は、図２の光線Ｒ１、光線Ｒ２及び光線Ｒ３のように、射出部１４０から出射する。このように、本実施形態に係る光学素子１００の放射する光線は、中心軸Ａ１との成す角が大きい広配光の光線となる。光線と中心軸Ａ１との成す角は９０度以上である。
【００３６】
本実施形態に係る光学素子１００及び光学素子１００を備える照明装置１によれば、以下のことが言える。
【００３７】
本実施形態に係る光学素子１００は、光線が入射する入射部１３０と、入射部１３０から入射した光線を内部全反射させる第１の内部全反射部１１０と、第１の内部全反射部１１０で内部全反射された光線が出射する射出部１４０とを備え、第１の内部全反射部１１０は、光学素子１００の中心軸Ａ１から放射状に延びる第１の山部１１１を有し、第１の山部１１１の断面形状は、中心軸Ａ１からの距離に応じて変化する。この構成によれば、入射部１３０から入射した光線を、第１の山部１１１において２回連続して全反射させることができる。そのため、ミラーを用いた反射のようにエネルギーロスが発生することなく、光線を全反射させることができる。すなわち、本実施形態に係る光学素子１００を使用すれば、光線を折りたためることで光学素子のコンパクト化が実現でき、さらに、エネルギーロスも低減できる。
【００３８】
本実施形態に係る光学素子１００において、第１の内部全反射部１１０は、第１の山部１１１を間に挟んだ両側に一対の第１の谷部１１５を有し、第１の山部１１１は、一対の第１の谷部１１５の第１の谷底１１６で規定される第１の仮想面１１８に対して第１の角度θ１を有する第１の全反射面１１２と、第１の全反射面１１２に対して第２の角度θ２を有する第２の全反射面１１３とを備える。この構成によれば、逆Ｖ字型の簡易な形状の第１の山部１１１によって、上述と同様の効果を得られる。また、第１の山部１１１と第１の谷部１１５とは、交互に各々が隣接して配置されている。そのため、第１の内部全反射部１１０によって全反射される光線は、入射部１３０の何れの位置から、何れの方向へ入射したものでもよい。
【００３９】
本実施形態に係る光学素子１００において、第１の山部１１１の第１の頂部１１４は、第１の全反射面１１２と第２の全反射面１１３との交線であり、第１の頂部１１４から第１の仮想面１１８までの長さは、中心軸Ａ１から離れるにつれて大きくなる。この構成によれば、光源２００（中心軸Ａ１）との距離に応じて第１の全反射面１１２と第２の全反射面１１３との角度を設定できるため、適切に光線を全反射させることができる。
【００４０】
本実施形態に係る光学素子１００において、第１の仮想面１１８は、中心軸Ａ１上に頂点を有し、光学素子１００の中心Ｃ０側に略錐形に窪む。この構成によれば、光源２００から中心軸Ａ１方向に、すなわちＺ＋方向に放射された光線も、内部全反射させることができる。
【００４１】
本実施形態に係る光学素子１００において、第１の角度θ１は、入射部１３０から入射した光線の第１の全反射面１１２に対する入射角が臨界角θｃを超えるように設定される。このように、入射部１３０から第１の内部全反射部１１０へ到達する光線に対して第１の全反射面１１２の角度を設定できるため、適切に光線を全反射させることができる。
【００４２】
本実施形態に係る光学素子１００において、第２の角度θ２は、一定であり、第２の角度θ２は、第１の全反射面１１２で全反射された光線を第２の全反射面１１３においてさらに全反射させるように設定される。すなわち、第２の角度θ２は、第１の全反射面１１２で全反射された光線の第２の全反射面１１３への入射角が臨界角θｃを超えるように設定される。このように、第１の全反射面１１２から第２の全反射面１１３へ到達する光線に対して第２の全反射面１１３の角度を設定できるため、適切に光線を２回連続して全反射させることができる。
【００４３】
本実施形態に係る照明装置１は、光学素子１００と、光源２００とを備える。この構成によれば、上述の効果によって、器具効率の高いコンパクトな照明装置１が実現する。
【００４４】
本実施形態に係る照明装置１において、入射部１３０と、第１の内部全反射部１１０とは対向する。したがって、光源２００から放射されて入射部１３０へ入射した光線を、第１の内部全反射部１１０において内部全反射させることができるため、上述の効果が得られる。
【００４５】
本実施形態に係る照明装置１において、光源２００は、ＬＥＤである。この構成によれば、上述の効果に加えて、さらに低消費電力な照明装置１が実現する。
【００４６】
本実施形態に係る照明装置１において、中心軸Ａ１と入射部１３０へ入射する光線との角度は、中心軸Ａ１と射出部１４０から出射する光線との角度と比較して小さい。このように、本実施形態に係る照明装置１は、上述した効果に加えて、広配光な照明を実現できる効果を有する。
【００４７】
なお、本実施形態では、第１の内部全反射部１１０の備える第１の山部１１１が逆Ｖ字型の形状である場合を例として説明をしたが、これに限らない。第１の山部１１１の形状は、入射した光線を２回連続して全反射させることができればよく、例えば、Ｕ字型であってもよい。
【００４８】
なお、本実施形態では、第１の山部１１１の断面形状が中心軸Ａ１（光源２００）からの距離に応じて変化する場合を例として説明をしたが、２回の連続した内部全反射が実現できれば、断面形状は一定であってもよいし、第１の仮想面は、略錐状に窪んでいなくてもよい。また、第２の角度θ２（第１の山部１１１の頂角）は一定でなくてもよい。
【００４９】
なお、本実施形態では、光線を全反射させる部材を第１の山部１１１と表現して説明をしたが、これに限らない。例えば、第１の山部１１１は、第１の溝部と表現されてもよい。
【００５０】
なお、本実施形態では、単一の材料で構成される単層の光学素子１００を例として説明をしたが、これに限らない。光学素子１００は、積層されて構成された構造であってもよい。すなわち、光学素子１００の材料として複数の物質が用いられてもよいし、材料は層毎に異なっていてもよい。また、光学素子１００は、例えば、個別に形成された第１の内部全反射部１１０と、入射部１３０と、射出部１４０とが組み合わされた構造であってもよい。
【００５１】
なお、本実施形態では、複数の第１の山部１１１を備える光学素子１００について説明をしたが、これに限らない。例えば、図３に示すような、１つの第１の山部１１１を備える光学素子片も、概ねエネルギーロスなく光線を反射させることができる光学素子として用いることができる。
【００５２】
（第２の実施形態）
以下、本実施形態に係る照明装置１について、図面を参照して詳細に説明する。ここでは、第１の実施形態との相違点について主に説明し、同一の部分については同一の符号を付してその説明を省略する。
【００５３】
まず、本実施形態に係る照明装置１の構成について説明をする。本実施形態に係る照明装置１の構成例の概略を図６に模式図として示す。光学素子１００が透光性を有するため、図６では、底面側（後述する第２の内部全反射部１２０）に形成された第２の山部１２１および第２の谷部１２５が上方から透けて見えている。ここでは、見易さのために、透けて見えている第２の山部１２１の第２の頂部１２４を一点鎖線で示し、同様に透けて見えている第２の谷部１２５の第２の谷底１２６を実線で示す。また、図７に本実施形態に係る第１の内部全反射部１１０近傍の構成例の概略を示す。図６及び図７では、照明装置１の構成例の概略に加えて、光線経路の一例が模式的に示されている。また、図８に、本実施形態に係る照明装置１の側面図を示す。図８には、中心軸Ａ１を通るＸ−Ｚ平面上の光線経路の一例が合わせて示されている。
【００５４】
本実施形態に係る光学素子１００は、図８に示すように、凸レンズのような、中心軸Ａ１に対して回転対称な外形を有する。本実施形態に係る光学素子１００の外形は、中心軸Ａ１から離れるにつれて厚みが薄くなる円盤状であるとも表現できる。光学素子１００は、中実であるとする。
【００５５】
本実施形態に係る第１の内部全反射部１１０は、図６乃至図８に示すように、光学素子１００のＺ＋側に配置される。また、本実施形態に係る第１の内部全反射部１１０は、中心軸Ａ１から所定の距離だけ離れた位置まで、第１の山部１１１を備える。これは、中心軸Ａ１から所定の距離以上離れた位置では、入射部１３０から入射した光線と、中心軸Ａ１との成す角が大きくなり、第１の内部全反射部１１０の光学素子１００のＺ−側の面への光線の入射角が、臨界角θｃを超えるためである。以下、第１の内部全反射部１１０の光学素子１００のＺ−側（光学素子１００の中心Ｃ０側）、かつ、第１の山部１１１の周囲の面を、第１の内部全反射部１１０の備える縁全反射面１１９とする。すなわち、本実施形態に係る光学素子１００では、光線は、第１の山部１１１又は縁全反射面１１９において内部全反射される。
【００５６】
また、本実施形態に係る光学素子１００は、図６及び図８に示すように、止まり穴１５０を有する。止まり穴１５０の形状は、例えば円柱状であるが、これに限らない。例えば、止まり穴１５０は、角柱や円錐、角錐状であってもよい。止まり穴１５０は、第１の内部全反射部１１０に対向する側からＺ＋方向に空けられている。本実施形態に係る入射部１３０は、止まり穴１５０の底に位置する。すなわち、第１の実施形態に係る光学素子１００と同様に、入射部１３０と、第１の内部全反射部１１０とは対向する。
【００５７】
また、本実施形態に係る光源２００は、止まり穴１５０の底に配置される。本実施形態に係る光源２００は、止まり穴１５０の底に発光面が接するように配置される。すなわち、光源２００の発光面は、Ｚ＋側へ向いており、第１の実施形態と同様に、第１の内部全反射部１１０に対向する。
【００５８】
本実施形態に係る光学素子１００は、第１の内部全反射部１１０で全反射された光線を光学素子１００の内部でさらに全反射させる第２の内部全反射部１２０をさらに備える。第２の内部全反射部１２０は、第１の内部全反射部１１０と対向する位置に配置される。第２の内部全反射部１２０の中心Ｐ２は、光学素子１００の中心軸Ａ１上に位置する。第２の内部全反射部１２０は、第１の内部全反射部１１０と対向する側に第２の山部１２１を有する。なお、第２の内部全反射部１２０の第１の内部全反射部１１０と対向する側は、Ｚ＋側、光学素子１００の内部（中心Ｃ０）側とも表現できる。
【００５９】
第２の山部１２１は、第２の内部全反射部１２０に、中心軸Ａ１から放射状に延びるように配置されている。また、第２の山部１２１は、互いに隣接して、複数設けられている。すなわち、互いに隣接する第２の山部１２１は、第２の谷部１２５を構成する。これは、第２の山部１２１を間に挟んだ両側に一対の第２の谷部１２５が設けられているとも表現できる。
【００６０】
以下、一対の第２の谷部１２５の第２の谷底１２６で規定される仮想面を、第２の仮想面１２８と定義する。本実施形態において、第２の仮想面１２８は、第２の内部全反射部１２０に存在する全ての第２の谷部１２５の第２の谷底１２６を含む。なお、第２の谷底１２６は、互いに隣接する第２の山部１２１の境界であるとも表現できる。
【００６１】
第２の山部１２１は、第２の仮想面１２８に対して第３の角度θ３を有する第３の全反射面１２２と、第３の全反射面１２２と第４の角度θ４を有する第４の全反射面１２３とを備える。なお、第４の角度θ４は、第２の山部１２１の頂角に相当する。また、第３の全反射面１２２又は第４の全反射面１２３と、第２の仮想面１２８との交線は、第２の谷底１２６に相当する。言い換えると、第２の谷底１２６は、１つの第２の山部１２１の第３の全反射面１２２と、前記１つの第２の山部１２１に隣接した他の第２の山部１２１の第４の全反射面１２３と、の交線に相当する。また、第３の全反射面１２２と第４の全反射面１２３との交線は、第２の山部１２１の第２の頂部１２４に相当する。
【００６２】
このように規定される第２の山部１２１は、第２の谷底１２６及び第２の仮想面１２８に直交する仮想断面において、Ｖ字型の断面形状を有する。また、第２の山部１２１は、光学素子１００の中心Ｃ０から遠ざかる方向（Ｚ−方向）に凸である。すなわち、当該仮想断面と、第２の仮想面１２８、第３の全反射面及び第４の全反射面との各々の交線は、当該仮想断面上において二等辺三角形を構成する。このとき、第３の角度θ３と、第４の角度θ４とは、それぞれ当該二等辺三角形の内角の１つである。ただし、本実施形態では、当該仮想断面と、第３の全反射面１２２及び第４の全反射面１２３との交線の長さは、当該仮想断面上において等しいものとする。
【００６３】
このように規定される第２の山部１２１の断面形状は、中心軸Ａ１（第２の全反射面１１３又は縁全反射面１１９）からの距離に応じて変化する。すなわち、第２の山部１２１の第２の頂部１２４と、第２の仮想面１２８との間の距離は、中心軸Ａ１から離れるにつれて大きくなる。これは、中心軸Ａ１から離れるにつれて、第２の山部１２１が高くなる、又は第３の全反射面１２２及び第４の全反射面１２３の幅が大きくなるとも表現できる。ここで、第３の全反射面１２２又は第４の全反射面１２３の幅は、第２の山部１２１の第２の頂部１２４と、第２の山部１２１に隣接する第２の谷部１２５の第２の谷底１２６との間の距離である。一方で、第２の山部１２１の頂角（第４の角度θ４）は、中心軸Ａ１からの距離に関わらず一定であるとする。
【００６４】
ここで、第１の山部１１１の幅を一対の第１の谷部１１５の間の距離と定義し、第２の山部１２１の幅を一対の第２の谷部１２５の間の距離と定義すると、第１の山部１１１の幅は、第２の山部１２１の幅よりも小さい。これは、第１の山部１１１の頂角（第２の角度θ２）は、第２の山部１２１の頂角（第４の角度θ４）よりも小さい、とも表現できる。
【００６５】
上述したように、本実施形態に係る第２の山部１２１は、第２の仮想面１２８上に位置する。このような第２の仮想面１２８は、光学素子１００の外側（Ｚ−方向）に略錐形に膨らんだ形状をしている。このとき、第２の仮想面１２８の中心は、中心軸Ａ１上に位置したままである。
【００６６】
上述したような構成から、入射部１３０の入射面に対する第３の全反射面１２２の角度は、入射部１３０の入射面に対する第２の仮想面１２８（第２の谷底１２６）の角度と、第３の角度θ３との和で表現される。なお、第２の内部全反射部１２０の第３の全反射面１２２の角度は、第１の内部全反射部１１０の第２の全反射面１１３又は縁全反射面１１９に対して設定されてもよい。このように、第２の山部１２１の断面形状は、光源２００（中心軸Ａ１）からの距離に応じて変化する。
【００６７】
本実施形態に係る射出部１４０は、図６に示すように、第２の内部全反射部１２０に対向する。また、射出部１４０は、第１の内部全反射部１１０の第１の山部１１１の周囲に位置する。すなわち、本実施形態に係る縁全反射面１１９は、第２の内部全反射部１２０で内部全反射された光線に対しては、射出部１４０の入射面として機能するとも表現できる。第２の内部全反射部１２０において内部全反射された光線は、射出部１４０の入射面（縁全反射面１１９）に対して臨界角θｃより小さい角度で入射する。
【００６８】
ここで、本実施形態に係る照明装置１の作用について図面を参照して説明する。図８に示すように、本実施形態に係る光学素子１００では、中心軸Ａ１は、光学素子１００の中心Ｃ０と、入射部１３０の中心Ｐ０と、第１の内部全反射部１１０の中心Ｐ１と、第２の内部全反射部１２０の中心Ｐ２とを通る。また、光源２００は、光源２００の中心Ｐ３が中心軸Ａ１上に位置するように配置される。光源２００の発光面から放射された光線は、入射部１３０を照射する。光線は、入射部１３０から光学素子１００の内部へ入射する。光学素子１００の内部へ入射した光線は、光学素子１００の内部を透過して、第１の内部全反射部１１０へ到達する。光線は、第１の内部全反射部１１０の備える第１の山部１１１又は縁全反射面１１９で内部全反射される。第２の全反射面１１３又は縁全反射面１１９で全反射された光線は、再び光学素子１００の内部を透過して、第２の内部全反射部１２０へ到達する。
【００６９】
第２の内部全反射部１２０へ到達した光線は、第３の全反射面１２２へ入射する。このとき、第３の角度θ３は、第１の内部全反射部１１０から入射した光線が、第３の全反射面１２２に対して臨界角θｃ以上の角度で入射可能に設定されている。また、第４の角度θ４（第２の山部１２１の頂角）は、第３の全反射面１２２で全反射された光線が、第４の全反射面１２３に対して臨界角θｃ以上の角度で入射可能に設定されている。
【００７０】
このような構成において、光線は、図６乃至図８に示すように、第３の全反射面１２２及び第４の全反射面１２３において連続して全反射される。これにより、第１の内部全反射部１１０から第２の内部全反射部１２０へ入射した光線は、第２の内部全反射部１２０において、ミラーによる反射のような吸収ロスなく、再び折り返されることになる。また、第２の内部全反射部１２０において折りたたまれた光線は、射出部１４０の入射面に対して臨界角θｃ以下の角度で入射し、射出部１４０から光学素子１００の外部へ出射する。
【００７１】
このように、本実施形態に係る光学素子１００の放射する光線は、中心軸Ａ１との成す角が小さい狭配光の光線となる。光線と中心軸Ａ１との成す角は９０度以下である。また、第１の内部全反射部１１０、第２の内部全反射部１２０及び射出部１４０は、光学素子１００の外部へと射出される光線と、中心軸Ａ１との成す角が小さくなるように設計される。したがって、本実施形態に係る照明装置１は、狭配光な照明を実現できる。
【００７２】
本実施形態に係る光学素子１００及び光学素子１００を備える照明装置１によれば、以下のことが言える。
【００７３】
本実施形態に係る光学素子１００は、第１の内部全反射部１１０で内部全反射された光線を内部全反射させるように第１の内部全反射部１１０に対向する第２の内部全反射部１２０をさらに備え、第２の内部全反射部１２０は、中心軸Ａ１から放射状に延びる第２の山部１２１を有し、第２の山部１２１の断面形状は、中心軸Ａ１からの距離に応じて変化する。このような構成によれば、第１の内部全反射部１１０で内部全反射された光線を、さらに内部全反射させて、光線方向を折りたたむことができる。したがって、光路長に対する光学素子１００の大きさを小型化できる。したがって、本実施形態に係る光学素子１００を用いれば、照明装置１のコンパクト化が図れる。例えば、ミラーを用いて光線を反射させる従来の光学素子は、１０度の配光角を実現させるためには、光源の発光面の幅に対して約１０５倍の高さが要求される。ここで、発光面の幅はＸ−Ｙ平面上の発光面の長さであり、高さは反射ミラーのＺ方向の長さである。一方で、本実施形態に係る光学素子１００を用いた照明装置１では、光学素子１００のＺ方向の高さは、光源２００の発光面の幅に対して約５倍程度でよい。
【００７４】
本実施形態に係る光学素子１００において、第１の山部１１１の頂角（第２の角度θ２）は、第２の山部１２１の頂角（第４の角度θ４）より小さい。このような構成であれば、第１の内部全反射部１１０で内部全反射された光線を、適切に、さらに内部全反射させることができる。また、このような構成であれば、内部全反射によって適切に光線経路を折りたためるため、射出部１４０から射出される光線と中心軸Ａ１との成す角を小さくできる。
【００７５】
本実施形態に係る光学素子１００において、第２の内部全反射部１２０は、第２の山部１２１を間に挟んだ両側に一対の第２の谷部１２５を有し、第２の山部１２１は、一対の第２の谷部１２５の第２の谷底１２６で規定される第２の仮想面１２８に対して第３の角度θ３を有する第３の全反射面１２２と、第３の全反射面１２２に対して第４の角度θ４を有する第４の全反射面１２３とを備える。このような構成であれば、第２の内部全反射部１２０において、２回の連続した内部全反射を適切に実現できる。
【００７６】
本実施形態に係る光学素子１００において、第２の仮想面１２８は、中心軸Ａ１上に頂点を有し、光学素子１００の外側（Ｚ−側）に略錐形に膨らむ。ここにいう略錐形の概念には、円錐や多角錐等の錐形や、紡錘形等が含まれる。このような構成であれば、第３の全反射面１２２に対して臨界角θｃを超える入射角で、第１の内部全反射部１１０で内部全反射された光線を、第３の全反射面へ入射させることができる。
【００７７】
本実施形態に係る光学素子１００において、第２の山部１２１の第２の頂部１２４は、第３の全反射面１２２と第４の全反射面１２３との交線であり、第２の頂部１２４から第２の仮想面１２８までの長さは、中心軸Ａ１から離れるにつれて大きくなる。このような構成であれば、第２の内部全反射部１２０において、２回の連続した内部全反射を適切に実現できる。
【００７８】
本実施形態に係る光学素子１００において、第３の角度θ３は、第１の内部全反射部１１０で内部全反射された光線の第３の全反射面１２２に対する入射角が臨界角θｃを超えるように設定される。このような構成であれば、第３の全反射面１２２に対して臨界角θｃを超える入射角で、第１の内部全反射部１１０で内部全反射された光線を、第３の全反射面へ入射させることができる。
【００７９】
本実施形態に係る光学素子１００において、第４の角度θ４は、一定であり、第４の角度θ４は、第３の全反射面１２２で全反射された光線を第４の全反射面１２３においてさらに全反射させるように設定される。すなわち、第４の角度θ４は、第３の全反射面１２２で全反射された光線の第４の全反射面１２３への入射角が臨界角θｃを超えるように設定される。このような構成であれば、第２の内部全反射部１２０において、２回の連続した内部全反射を適切に実現できる。
【００８０】
本実施形態に係る光学素子１００において、第１の山部１１１は、第１の内部全反射部１１０のうち、中心軸Ａ１から所定の距離にある範囲に設けられている。このような構成であれば、第１の内部全反射部１１０へ入射する光線の入射角に応じて、第１の内部全反射部１１０の一部を射出部１４０として利用することができる。また、第１の内部全反射部１１０の全面に第１の山部１１１を設ける場合と比較して、加工コストを低減でき得る。
【００８１】
本実施形態に係る光学素子１００は、止まり穴１５０をさらに備える。このような構成であれば、光学素子１００が照明装置１に用いられた場合に、止まり穴１５０を放熱部として用いることができる。すなわち、止まり穴１５０を備える場合には、光源２００の発熱による光学素子１００の変形や損傷、光源２００の損傷等を低減できる。また、止まり穴１５０の大きさに応じて、材料コストも低減できる。
【００８２】
（第３の実施形態）
以下、本実施形態に係る照明装置１について、図面を参照して詳細に説明する。ここでは、第２の実施形態との相違点について主に説明し、同一の部分については同一の符号を付してその説明を省略する。
【００８３】
第２の実施形態では、狭配光の照明が実現できる、コンパクト、かつ、器具効率の高い照明装置１について説明した。このような照明装置では、複数のＬＥＤ等が光源２００として用いられる場合がある。一方で、ＬＥＤは、発光強度や発色に個体差が有り得る。また、異なる色を発光できるＬＥＤ等の光源から放射された照明光を混色する技術にも需要がある。このような中、特に、医療用向けの照明においては、照射面における照明光の色の均一性が求められる。
【００８４】
そこで、本実施形態では、第２の実施形態に係る光学素子１００と、複数の発光素子を備える光源２００とを備える照明装置１による照明光の混色について説明をする。本実施形態に係る光源２００の構成と配置の一例を図９に示す。図９では、構成と配置の一例に加えて、光線経路の一例が模式的に示されている。
【００８５】
本実施形態に係る光源２００は、図９に示すように、青色発光ダイオード（青色ＬＥＤ２１０）と、赤色発光ダイオード（赤色ＬＥＤ２２０）とを備える。青色ＬＥＤ２１０と赤色ＬＥＤ２２０とは、それぞれ、光源２００を概ね２分割した形状及び大きさであり、第１の内部全反射部１１０に対向する側に発光面を備える。青色ＬＥＤ２１０は、光源２００において、Ｘ＋側に配置される。赤色ＬＥＤ２２０は、光源２００において、Ｘ−側に配置される。
【００８６】
ここで、本実施形態に係る照明装置１による照明光の混色について解析する解析モデルを模式図として図１０に示す。図１０に示すように、本解析モデルでは、照明装置１から所定の距離だけ離れた位置に配置されるレシーバ３００の照射面３１０を照射する照明光について、照度分布が解析される。また、照射面３１０の中心は、照明装置１の中心軸Ａ１上に配置される。
【００８７】
図１０に示す解析モデルを用いた解析によって得られた照度分布について、図面を参照して説明する。ここで、青色ＬＥＤ２１０から照明光を放射させた場合の照射面３１０における照度分布を図１１に示す。また、図１１に示す照度分布のＹ＝０ｍｍの位置におけるＸ方向の位置に対する照度を図１２に示す。赤色ＬＥＤ２２０から照明光を放射させた場合の照射面３１０における照度分布を図１３に示す。また、図１３に示す照度分布のＹ＝０ｍｍの位置におけるＸ方向の位置に対する照度を図１４に示す。青色ＬＥＤ２１０及び赤色ＬＥＤ２２０の各々から照明光を放射させた場合の照射面３１０における照度分布を図１５に示す。また、図１５に示す照度分布のＹ＝０ｍｍの位置におけるＸ方向の位置に対する照度を図１６に示す。なお、図１１、図１３及び図１５において、縦軸は、照射面３１０におけるＹ方向の位置を示し、横軸は、照射面３１０におけるＸ方向の位置を示す。また、図１１、図１３及び図１５において、高い照度を示す位置は白く表示され、低い照度を示す位置は黒く表示されている。なお、図１２、図１４及び図１６において、縦軸は、Ｌｕｘ単位で照度を示し、横軸は、Ｘ方向の位置を示す。
【００８８】
図１１及び図１２に示すように、青色ＬＥＤ２１０から照明光を放射させた場合には、照度分布におけるピーク位置に偏りが生じていることが分かる。この場合、例えば、図１２に示すように、照度分布Ｄ１０には、第１の極大値Ｄ１１と、第２の極大値Ｄ１２とが存在する。同様に、図１３及び図１４に示すように、赤色ＬＥＤ２２０から照明光を放射させた場合にも、照度分布におけるピーク位置に偏りが生じていることが分かる。この場合、例えば、図１３に示すように、照度分布Ｄ２０には、第３の極大値Ｄ２１と、第４の極大値Ｄ２２とが存在する。
【００８９】
一方で、図１５及び図１６に示すように、青色ＬＥＤ２１０及び赤色ＬＥＤ２２０の各々から照明光を放射させた場合には、照度分布におけるピーク位置に偏りは生じていないことが分かる。このとき、本実施形態に係る光学素子１００が中心軸Ａ１に対して回転対称な形状であることから、第１の極大値Ｄ１１と第３の極大値Ｄ２１とは概ね同位置である。同様に、第２の極大値Ｄ１２と第４の極大値Ｄ２２とは概ね同位置である。この場合、例えば、図１６に示すように、照度分布Ｄ３０には、概ねＸ＝Ｙ＝０の位置近傍に単一の極大値、すなわち最大値Ｄ３１が存在する。このように、青色ＬＥＤ２１０及び赤色ＬＥＤ２２０の各々から照明光を放射させた場合には、スポット状の照度分布となる。
【００９０】
本実施形態に係る光学素子１００は、内部全反射を用いて光線経路を折りたたんでいる。そのため、本実施形態に係る光学素子１００を用いれば、光源２００の発光面から放射された照明光の光路長を長くすることができる。また、光源から放射された光線は、発光面から放射される方向に応じて、複数の第１の山部によって内部全反射され、また、さらに複数の第２の山部によって内部全反射される。すなわち、本実施形態に係る光学素子１００が用いられた場合には、光源は点光源とみなすことができ、また、光線経路の多くは互いに交差することになる。したがって、本実施形態に係る光学素子１００は、複数の光源から放射された光線を照射面で混色させることができる。
【００９１】
以上のことから、青色ＬＥＤ２１０と、赤色ＬＥＤ２２０とが離間して配置され、各々が発光している場合でも、照射面３１０において照明光が混色されることが分かる。このように、本実施形態に係る照明装置１は、複数の光源から発光された各々の照明光を、照射面３１０において混色させることができる。
【００９２】
なお、本実施形態では、光源２００が備える複数の発光素子の発光する照明光の色が異なる場合を例として説明をしたが、これに限らない。例えば、複数の発光素子の発光する照明光の色は同じであってもよい。この場合には、本実施形態に係る照明装置１は、発光素子の個体差に起因する色ムラを低減させることができる。
【００９３】
（第４の実施形態）
以下、図１、図６、図８等を参照して、本実施形態に係る集光装置について説明する。ここでは、第１の実施形態との相違点について主に説明し、同一の部分については同一の符号を付してその説明を省略する。本実施形態では、第１の実施形態の図１、第２の実施形態の図６、図８とは一部の構成が異なるものの、これらの図を代用して以下に説明する。
【００９４】
第１の実施形態及び第２の実施形態では、入射部１３０から入射した光線を内部全反射させることで、概ねエネルギーロスなく、光線経路を折りたたむことができる光学素子１００について説明した。このような光学素子１００は、上述したように、照明装置１で用いられれば、照明光の配光角を大きくしたり、小さくしたりすることができる。例えば、第１の実施形態に係る光学素子１００の射出部１４０から射出される光線の光線方向は、中心軸Ａ１との成す角が大きい。
【００９５】
一方で、このような光学素子１００は、集光装置で用いられれば、集光できる光線の光線方向（集光角）を大きくしたり、小さくしたりすることができる。例えば、第１の実施形態及び第２の実施形態に係る光学素子１００の射出部１４０から入射した光線は、光学素子１００の内部で内部全反射されて、入射部１３０へ到達する。そこで、本実施形態では、入射した光線を内部全反射させることで、高効率で集光できる集光装置について説明をする。
【００９６】
本実施形態に係る集光装置は、第１の実施形態に係る光学素子１００と、太陽電池とを備える。
【００９７】
本実施形態に係る集光装置では、第１の実施形態に係る光学素子１００の射出部１４０を太陽光入射部として用いる。また、第１の実施形態に係る光学素子１００の入射部１３０を太陽光射出部として用いる。すなわち、第１の内部全反射部１１０と、太陽光射出部とは、対向する。太陽電池は、第１の実施形態に係る光源２００の位置に配置される。すなわち、太陽電池の集光面は、第１の内部全反射部１１０と対向する位置に配置される。
【００９８】
太陽光入射部（射出部１４０）から光学素子１００の内部へ入射した光線は、光学素子１００の内部を透過して第１の内部全反射部１１０へ到達する。第１の内部全反射部１１０へ到達した光線は、第１の山部１１１において、２回連続して内部全反射される。第１の内部全反射部１１０で内部全反射された光線は、太陽光射出部（入射部１３０）へ到達する。
【００９９】
本実施形態に係る集光装置は、第１の実施形態に係る光学素子１００と、太陽電池とを備える。このような構成によれば、太陽光入射部（射出部１４０）から第１の内部全反射部１１０へ入射した光線は、第１の内部全反射部１１０において、ミラーによる反射のような吸収ロスなく、折り返されることになる。また、第１の内部全反射部１１０において折りたたまれた光線は、太陽光射出部（入射部１３０）から出射する。このように、本実施形態に係る光学素子１００の集光する光線は、中心軸Ａ１との成す角が大きい広集光角の光線である。集光できる光線と中心軸Ａ１との成す角は９０度以上である。
【０１００】
また、本実施形態に係る集光装置では、太陽光射出部（入射部１３０）と、第１の内部全反射部１１０とは対向する。このような構成であれば、第１の実施形態に係る光学素子１００を用いて、太陽光入射部（射出部１４０）から入射した光線を、高効率で太陽光射出部（入射部１３０）へ集光できる。
【０１０１】
また、本実施形態に係る集光装置では、中心軸Ａ１と太陽光入射部（射出部１４０）へ入射する光線との角度は、中心軸Ａ１と太陽光射出部（入射部１３０）から出射する光線との角度と比較して大きい。すなわち、本実施形態に係る集光装置を利用すれば、大きい集光角で太陽光を集光できる。
【０１０２】
なお、本実施形態では、太陽電池を備える集光装置について説明をしたが、これに限らない。例えば、光学素子１００と蓄熱部とを備える高効率の集熱装置も実現し得る。
【０１０３】
なお、本実施形態では、第１の実施形態に係る光学素子１００を備える集光装置について説明をしたが、これに限らない。例えば、第２の実施形態に係る光学素子１００を備える集光装置であってもよい。この場合、特定の光源から放射される光線を選択的に高効率で集光できる。
【０１０４】
なお、本実施形態では、太陽光入射部（射出部１４０）へ入射する太陽光を集光する場合を例として説明をしたが、これに限らない。集光する光線は、太陽光以外の光源から放射された光線であっても同様の効果が得られ得る。
【０１０５】
（第１の変形例）
以下、第１の実施形態に係る変形例について説明する。ここでは、第１の実施形態との相違点について主に説明し、同一の部分については同一の符号を付してその説明を省略する。
【０１０６】
第１の実施形態に係る技術は、光線を反射ミラーによって全反射させる光学素子へ適用できる。すなわち、反射ミラーの代わりに第１の内部全反射部１１０を適用して、反射ミラーによる光線の吸収を抑制でき得る。
【０１０７】
図１７に、第１の実施形態に係る技術を適用した照明装置１の一例を示す。本実施形態に係る照明装置１は、光学素子１００と、光源２００とを備える。
【０１０８】
本実施形態に係る光学素子１００の入射部１３０は、光源２００から光線が入射する光源側入射面１３１と、射出部１４０まで光線を導光する円柱状の導光部１３２と、内部側入射面１３３とを備える。内部側入射面１３３は、光学素子１００の中心Ｃ０側に錐形に窪んだ形状を有する。
【０１０９】
本実施形態に係る第１の内部全反射部１１０は、内部側入射面１３３から入射した光線を内部全反射させる。ただし、本実施形態に係る光学素子１００では、第１の仮想面１１８と入射部１３０とは対向しない。図１７に示すように、第１の仮想面１１８と、内部側入射面１３３とは、共に光学素子１００の中心Ｃ０側に錐形に窪んだ形状を有する。したがって、本実施形態に係る光学素子１００では、内部側入射面１３３から入射した光線は、中心軸Ａ１を挟んで反対側に位置する第１の山部１１１の第１の全反射面１１２へ入射する。そのため、第１の全反射面１１２の第１の角度θ１は、内部側入射面１３３の角度に対して設定される。
【０１１０】
本実施形態に係る第１の内部全反射部１１０へ入射した光線は、２回の連続した内部全反射の後に、射出部１４０から外部へ射出される。このとき、射出部１４０から外部へ射出される光線と中心軸Ａ１との成す角は、光源側入射面１３１へ入射する光線と中心軸Ａ１との成す角より大きくなる。このように、本実施形態に係る光学素子１００を用いた照明装置１は、広配光の照明を高い器具効率の下で実現できる。
【０１１１】
なお、上記の各々の実施形態と変形例とを適宜組み合わせて、１つの実施形態を実現することもできる。例えば、第４の実施形態の集光装置には、第１の実施形態、第２の実施形態、又は第１の変形例に係る光学素子１００が組み合わせ可能である。
【０１１２】
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。これら新規な実施形態は、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。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、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。
【符号の説明】
【０１１３】
１…照明装置、１００…光学素子、１１０…第１の内部全反射部、１１１…第１の山部、１１２…第１の全反射面、１１３…第２の全反射面、１１４…第１の頂部、１１５…第１の谷部、１１６…第１の谷底、１１８…第１の仮想面、１１９…縁全反射面、１２０…第２の内部全反射部、１２１…第２の山部、１２２…第３の全反射面、１２３…第４の全反射面、１２４…第２の頂部、１２５…第２の谷部、１２６…第２の谷底、１２８…第２の仮想面、１３０…入射部、１４０…射出部、１５０…止まり穴、２００…光源、２１０…青色ＬＥＤ、２２０…赤色ＬＥＤ、３００…レシーバ、３１０…照射面。  
【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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【図１７】
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