(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
面積Ｃの発光面を有し、前記発光面に交差する配光対称軸のまわりに略対称な配光分布をもつＬＥＤ光源と、
前記ＬＥＤ光源の前記発光面を覆って設けられ、前記ＬＥＤ光源の前記配光対称軸に対して略対称である透明部材と、
前記透明部材の内部に配置され、前記発光面に対向する底面の直径ｄ1および前記配光対称軸に沿った長さＬ1をもって前記配光対称軸に対して略対称である光散乱部材と、を具備するＬＥＤ照明装置であって、
前記ＬＥＤ光源と前記光散乱部材との間の距離Ｌ2と、前記ＬＥＤ光源の前記発光面の面積Ｃとは、下記式（１）で表わされる関係を満たし、
【数１】
0006448604.tif 000039
前記光散乱部材の長さＬ1と、係数μ（１／ｍｍ）とは下記式（２）の関係を満たし、
【数２】
0006448604.tif 000040
前記光散乱部材の底面の直径ｄ1と、前記距離Ｌ2と、前記透明部材の屈折率ｎとは、下記式（３）の関係を満たすＬＥＤ照明装置。
【数３】
0006448604.tif 000041
【請求項２】
前記透明部材は円柱状である請求項１に記載のＬＥＤ照明装置。
【請求項３】
下記式（４）の関係を満たす請求項２に記載のＬＥＤ照明装置。
【数４】
0006448604.tif 000042
（上記式中、ｄ0は前記透明部材の直径であり、ｄ1は前記光散乱部材の底面の直径であり、Ｌ1は前記配光対称軸に沿った前記光散乱部材の長さであり、Ｌ2は前記ＬＥＤ光源の前記発光面と前記光散乱部材との間の距離である。）
【請求項４】
前記光散乱部材は円柱状である請求項１乃至３のいずれか１項に記載のＬＥＤ照明装置。
【請求項５】
前記光散乱部材の底面に接する軸対称空気層をさらに具備し、
前記軸対称空気層は、前記配光対称軸に対して略対称である、
請求項１乃至４のいずれか１項に記載のＬＥＤ照明装置。
【請求項６】
前記光散乱部材は、底面の直径が最小であり、前記直径が上方に向けて増加する部分を有する請求項１または２に記載のＬＥＤ照明装置。
【請求項７】
前記透明部材は、上面の直径が最小であり、前記直径が下方に向けて増加する部分を有する請求項１、４乃至６のいずれか１項に記載のＬＥＤ照明装置。
【請求項８】
前記ＬＥＤ光源が載置され、可視光を拡散反射する載置面を有する基板をさらに具備する請求項１乃至７のいずれか１項に記載のＬＥＤ照明装置。
【請求項９】
前記ＬＥＤ光源が載置され、可視光に対して透明な載置面を有する基板をさらに具備する請求項１乃至７のいずれか１項に記載のＬＥＤ照明装置。
【請求項１０】
前記透明部材は、底面の端部に下記式（１２）および式（１３）で表わされる曲面を有する請求項２乃至９のいずれか１項に記載のＬＥＤ照明装置。
【数５】
0006448604.tif 000043
（ここで、
ρrおよびρhは、それぞれｚ軸に対称な円柱座標における半径および高さであり、
ｚ軸は、前記配光対称軸と前記発光面との交点を原点として、上方が正方向であり、
Ｃは、前記ＬＥＤ光源の前記発光面の面積であり、
Θは媒介変数（０＜Θ＜π／２）の区間である。）
【請求項１１】
前記ＬＥＤ光源は、前記基板上に複数載置され、かつ前記配光対称軸からそれぞれのＬＥＤ光源の発光面の中心までは等距離ＲＲであり、
前記光散乱部材の内部および前記透明部材の内部を同時に貫通する軸対称な伝熱部材をさらに具備し、
前記伝熱部材は、前記ＲＲ以下の最大径を有し、前記ＬＥＤ光源または前記基板に熱的に接合されている、
請求項８又は請求項９に記載のＬＥＤ照明装置。
【請求項１２】
面積Ｃの発光面を有し、前記発光面に交差する配光対称軸のまわりに略対称な配光分布をもつＬＥＤ光源の前記発光面を覆って設けられ、前記ＬＥＤ光源の前記配光対称軸に対して略対称である透明部材と、
前記透明部材の内部に配置され、前記発光面に対向する底面の直径ｄ1および前記配光対称軸に沿った長さＬ1をもって前記配光対称軸に対して略対称である光散乱部材と、を具備する導光部材であって、
前記ＬＥＤ光源と前記光散乱部材との間の距離Ｌ2と、前記ＬＥＤ光源の前記発光面の面積Ｃとは、下記式（１）で表わされる関係を満たし、
【数１】
0006448604.tif 000044
前記光散乱部材の長さＬ1と、係数μ（１／ｍｍ）とは下記式（２）の関係を満たし、
【数２】
0006448604.tif 000045
前記光散乱部材の底面の直径ｄ1と、前記距離Ｌ2と、前記透明部材の屈折率ｎとは、下記式（３）の関係を満たす導光部材。
【数３】
0006448604.tif 000046
【請求項１３】
光が入射する入射面、および前記入射面の外周縁から前記入射面と交差する方向に延びた外周面を有する中実な透明部材と、
前記透明部材の内部に配置され、前記入射面を介して前記透明部材に入射した光を散乱させる光散乱部材と、を有し、
前記透明部材の前記外周面が、前記入射面側の円筒状の側面、および前記円筒状の側面に連続して前記入射面から遠ざかるに従い内側に傾斜された傾斜面を含み、前記外周面の前記光散乱部材を取り囲む領域が前記傾斜面を含む導光部材。
【請求項１４】
前記光散乱部材は、前記透明部材との間に、前記入射面と交差する方向に延びた界面を有する、請求項１３に記載の導光部材。
【請求項１５】
前記透明部材の前記傾斜面は、前記入射面に近い第１傾斜面、および前記第１傾斜面の前記入射面から遠い側に連続して前記第１傾斜面よりさらに内側に傾斜した第２傾斜面を含む、請求項１３または請求項１４に記載の導光部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、ＬＥＤ照明装置、および導光部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、リモートフォスファーによって、戻り光による損失を低減する技術が注目されている。代表的なリモートフォスファーにおいては、鏡面反射板または拡散反射板からなる反射板の上にＬＥＤチップが配置され、それを覆うようにドーム状に蛍光層が形成されている。蛍光層は、ＬＥＤチップから一定の距離で離れて配置されており、これによって、ＬＥＤチップへの戻り光が低減される。
【０００３】
しかしながら、このようにリモートフォスファーによって、戻り光に起因した損失を低減しようとすると、蛍光体層とＬＥＤを含めた照明装置全体が大きくなることが避けられない。例えば、ＬＥＤチップの寸法が１ｍｍの場合には、照明装置全体の大きさは１〜２ｃｍ程度になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１０／０３０８３５４号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明が解決しようとする課題は、リモートフォスファー効果によって、低損失および低発熱であって、コンパクトなＬＥＤ照明装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
実施形態のＬＥＤ照明装置は、面積Ｃの発光面を有し、前記発光面に交差する配光対称軸のまわりに略対称な配光分布をもつＬＥＤ光源と、前記ＬＥＤ光源の前記発光面を覆って設けられ、前記ＬＥＤ光源の前記配光対称軸に対して略対称である透明部材と、前記透明部材の内部に配置され、前記発光面に対向する底面の直径ｄ1および前記配光対称軸に沿った長さＬ1をもって前記配光対称軸に対して略対称である光散乱部材と、を具備するＬＥＤ照明装置である。前記ＬＥＤ光源と前記光散乱部材との間の距離Ｌ2と、前記ＬＥＤ光源の前記発光面の面積Ｃとは、下記式（１）で表わされる関係を満たす。
【数１】
0006448604.tif 000002
前記第２の対称軸に沿った前記光散乱部材の長さＬ1と、係数μ（１／ｍｍ）とは下記式（２）の関係を満たす。
【数２】
0006448604.tif 000003
前記光散乱部材の底面の直径ｄ1と、前記距離Ｌ2と、前記透明部材の屈折率ｎとは、下記式（３）の関係を満たす。
【数３】
0006448604.tif 000004
【０００７】
実施形態の導光部材は、面積Ｃの発光面を有し、前記発光面に交差する配光対称軸のまわりに略対称な配光分布をもつＬＥＤ光源の前記発光面を覆って設けられ、前記ＬＥＤ光源の前記配光対称軸に対して略対称である透明部材と、前記透明部材の内部に配置され、前記発光面に対向する底面の直径ｄ1および前記配光対称軸に沿った長さＬ1をもって前記配光対称軸に対して略対称である光散乱部材と、を具備する導光部材である。前記ＬＥＤ光源と前記光散乱部材との間の距離Ｌ2と、前記ＬＥＤ光源の前記発光面の面積Ｃとは、下記式（１）で表わされる関係を満たす。
【数１−１】
0006448604.tif 000005
前記配光対称軸に沿った前記光散乱部材の長さＬ1と、係数μ（１／ｍｍ）とは下記式（２）の関係を満たす。
【数２−１】
0006448604.tif 000006
前記光散乱部材の底面の直径ｄ1と、前記距離Ｌ2と、前記透明部材の屈折率ｎとは、下記式（３）の関係を満たす。
【数３−１】
0006448604.tif 000007
【０００８】
また、実施形態の導光部材は、光が入射する入射面、および前記入射面の外周縁から前記入射面と交差する方向に延びた外周面を有する中実な透明部材と、前記透明部材の内部に配置され、前記入射面を介して前記透明部材に入射した光を散乱させる光散乱部材と、を有し、前記透明部材の前記外周面が、前記入射面側の円筒状の側面、および前記円筒状の側面に連続して前記入射面から遠ざかるに従い内側に傾斜された傾斜面を含み、前記外周面の前記光散乱部材を取り囲む領域が前記傾斜面を含む。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】一実施形態にかかるＬＥＤ照明装置を表わす斜視図。
【図２】一実施形態にかかるＬＥＤ照明装置の断面を示す概略図。
【図３】一実施形態にかかるＬＥＤ照明装置の光追跡結果を表わす模式図。
【図４】一実施形態にかかるＬＥＤ照明装置の鉛直配光角と光度との関係を示すグラフ図。
【図５】他の実施形態にかかるＬＥＤ照明装置を示す斜視図。
【図６】図５に示したＬＥＤ照明装置の断面を示す概略図。
【図７】図５に示したＬＥＤ照明装置の動作を説明するための図。
【図８】他の実施形態にかかるＬＥＤ照明装置の断面を示す概略図。
【図９】他の実施形態にかかるＬＥＤ照明装置の断面を示す概略図。
【図１０】他の実施形態にかかるＬＥＤ照明装置の断面を示す概略図。
【図１１】他の実施形態にかかるＬＥＤ照明装置の断面を示す概略図。
【図１２】他の実施形態にかかるＬＥＤ照明装置を示す斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、実施形態を具体的に説明する。
【００１１】
一実施形態にかかるＬＥＤ照明装置１０は、図１に示されるように、ＬＥＤ光源１１と、このＬＥＤ光源を覆う軸対称透明部材１２とを有し、軸対称透明部材１２の内部には、ＬＥＤ光源１１から離間して軸対称光散乱部材１３が配置されている。
【００１２】
ＬＥＤ光源１１は、平面状の発光面を有し、紫外光領域または可視光領域の光を発する。例えば、ピーク波長が３９０〜４６０ｎｍの単色光を発するＬＥＤチップを用いることができ、より具体的には、ピーク波長が４５０ｎｍの光を発する青色ＬＥＤチップが挙げられる。
【００１３】
本実施形態においては、ＬＥＤチップからの配光分布は、配光対称軸を有するものであって、この配光対称軸に対して対称に近い分布である。配光分布としては、例えばランバーシアンが挙げられるが、これに限定されない。配光対称軸は、例えばＬＥＤチップの発光面内の中心付近を通るものとすることができるが、これに限定されず、ＬＥＤチップの発光面と同一面内のいずれの点を通ってもよい。
【００１４】
ＬＥＤ光源１１は、必要に応じて基板１４上に載置してもよい。基板１４は特に限定されないが、載置面が可視光を拡散反射する材質で構成することができる。この場合には、配光分布を大きくすることができる。あるいは、基板の載置面は、可視光に対して透明な材料で構成されていてもよい。この場合にも、基板を通り抜ける光が増え，配光分布を大きくすることができる。可視光を拡散反射する材質としては、例えば、アルミニウム等の金属、および白色樹脂などが挙げられ、可視光に対して透明な材料としては、例えば透明樹脂が挙げられる。
【００１５】
軸対称透明部材１２は、可視光の吸収が少ない透明材料から構成することができる。透明材は、無機材料および有機材料のいずれでもよい。無機材料としては、例えば、ガラスおよび透明セラミックスが挙げられる。有機材料としては、具体的には、アクリル樹脂、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）樹脂、およびポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）樹脂などから選択される透明樹脂が挙げられる。ここで、透明とは可視光を透過するということを意味し、特に断らない限り、以下においてもこのような意味で用いられる。この透明部材の屈折率ｎと、全反射角θcとの間には、下記式（Ａ）で表わされる関係がある。
【数４】
0006448604.tif 000008
【００１６】
軸対称透明部材１２の内部に配置される軸対称光散乱部材１３は、ＬＥＤ光源１１からの紫外光または可視光を散乱させる白色粒子を含有することができる。白色粒子としては、例えばテクポリマーが挙げられる。あるいは、光散乱部材１３は、蛍光体粒子を含有してもよい。蛍光体粒子を含有する場合には、光散乱部材は蛍光層と称することができる。蛍光体粒子としては、例えば黄色発光蛍光体が挙げられる。黄色発光蛍光体は、ＬＥＤ光源からの光を一部吸収して、長波長側の可視領域の光を発光する。黄色発光蛍光体粒子を含有する蛍光層に加えて、赤色発光蛍光体粒子を含有する蛍光層を、軸対称透明部材１２の内部にも設けてもよい。
【００１７】
白色粒子および蛍光体粒子は、透明樹脂に分散させて軸対称光散乱部材１３の形成に用いることができる。あるいは、粒子のみによって、軸対称光散乱部材１３を構成してもよい。例えば、軸対称透明部材１２内部の所定の領域に空間を設け、その空間に粒子を充填することによって、こうした軸対称光散乱部材を構成することができる。この場合には、容易に作製できるという利点がある。
【００１８】
また、上記軸対称光散乱部材１３の内部に金属匡体を設け、内部に電源回路を設けてもよい。これによって、ＬＥＤおよび電源回路から発せられた熱が金属匡体から軸対称透明部材１２に伝わり、それより外部へと放熱される。その結果、放熱特性が向上する。また、電源回路を金属匡体内部に設けるため、照明装置全体をコンパクトにできる。
【００１９】
粒子を分散して光散乱部材を構成するための透明樹脂としては、上述したようなものに限定されず、可視光に対して透明であって、粒子を内部に保持できる任意の透明樹脂を用いることができる。
【００２０】
一般的には、光散乱部材の吸収係数μ［１／ｍｍ］は、厚さｈ［ｍｍ］の平板状の光散乱部材に対し、平板に直交方向にコリメートされた平行光線を照射した際の透過量を用いて定義することができる。平行光線の入射強度をＩ0とし、透過強度をＩTとすると、吸収係数μは下記式（Ｂ）で表わされる。
【数５】
0006448604.tif 000009
【００２１】
図２には、一実施形態にかかるＬＥＤ照明装置の断面の概略構造を示す。軸対称光散乱部材１３とＬＥＤ光源１１との最近接距離Ｌ2を明確にするために、図２においては、軸対称透明部材１２は基板１４に接しないように描かれているが、実際には軸対称透明部材は基板１４に接して設けられている。
【００２２】
ＬＥＤ光源１１の配光対称軸は参照符号ａｘで表わされる。軸対称透明部材１２の対称軸は、この配光対称軸ａｘと実質的に一致し、軸対称光散乱部材１３の対称軸もまた、配光対称軸ａｘと実質的に一致する。ＬＥＤ光源１１から発せられた光は、光散乱部材１３を通過してＬＥＤ照明装置の外部に照射されることが求められる。ＬＥＤ光源の配光対称軸の製品ばらつきの範囲内であれば、「対称軸が実質的に一致する」とみなすことができる。なお、配光対称軸ａｘに沿って発光方向側を、正方向あるいは上方向とし、以下においても同様とする。
【００２３】
光散乱部材１３とＬＥＤ光源１１との最近接距離Ｌ2と、ＬＥＤ光源１１の発光面の面積Ｃとは、下記式（１）で表わされる関係を満たす。
【数６】
0006448604.tif 000010
【００２４】
これによって、十分なリモートフォスファー効果が得られることとなる。
【００２５】
また、対称軸に沿った前記軸対称光散乱部材の長さＬ1（ここでは，前記軸対称光散乱部材が収まる区間の長さで最小のものと定義する）と、前記軸対称光散乱部材の吸収係数μ（１／ｍｍ）との間には、下記式（２）の関係が成立する。
【数７】
0006448604.tif 000011
【００２６】
さらに、光散乱部材の底面の直径ｄ1と、前記最近接距離Ｌ2と、前記軸対称透明部材の屈折率ｎとの間には、下記式（３）の関係が成立する。
【数８】
0006448604.tif 000012
【００２７】
上記式（２）で表わされる関係を満たすことによって、ＬＥＤ光源１１からの直接光が光散乱部材１３を逸れて照明装置外に透過することなく、確実に光散乱部材１３を通過することができる。
【００２８】
また、上記（３）の関係により次のような効果が得られる。すなわち、ＬＥＤ光源１１からの直接光の一部は、光散乱部材１３の底辺で散乱されるのを逸れ、前記軸対称透明部材の対称軸に平行な側面によって全反射し、光散乱部材１３の上方（よりＬＥＤ光源１１から遠いところ）において散乱される。これによって、ＬＥＤ光源１１からの直接光が光散乱部材１３の底辺で全て散乱されるのを免れて、リモートフォスファー効果が高められる。
【００２９】
軸対称光散乱部材１３の対称軸に対して直交する断面は、この断面を含む平面内の軸対称透明部材１２の断面に含まれる。すなわち、対称軸に直交する平面内において、光散乱部材１３の周囲は透明部材１２で確実に覆われている。さらに、軸対称透明部材１２を、対称軸に沿ってＬＥＤ光源１１の発光面へ射影した面は発光面を含むとする。これは、ＬＥＤ光源１１の発光面は、軸対称透明部材１２の対称軸に直交する面に含まれることを意味する。言い換えると、軸対称透明部材１２において直径が最大の面は、ＬＥＤ光源１１の発光面より大きい。
【００３０】
上述したような条件を満たすことによって、低損失および低発熱であるのに加えて、コンパクトなＬＥＤ照明装置が得られる。
【００３１】
一実施形態にかかるＬＥＤ照明装置の光追跡結果は、図３に示すとおりとなる。図３に示す光追跡結果から、ＬＥＤ光源１１からの直接光が光散乱部材１３に当たり散乱されること、およびＬＥＤ光源１１からの直接光が軸対称透明部材１２で全反射され、光散乱部材１３に当たり、散乱されることがわかる。  
図４には、一実施形態にかかるＬＥＤ照明装置の配光分布を示す。図４においては、横軸は配光角（ｄｅｇ．）であり、縦軸は光度（ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ）である。この図より、光度が半分になる配光角は約１４５°であり、１／２配光角（光度がピークの半分になる配光角の２倍とする）は２９０°となる。このことから、１／２配光角２９０°が達成されていることがわかる。
【００３２】
図５には、他の実施形態にかかるＬＥＤ照明装置の斜視図を示す。図示するＬＥＤ照明装置１０’は、ＬＥＤ光源を覆う軸対称透明部材１２および軸対称光散乱部材１３が円柱状である以外は、基本的には図１に示した構造と同様である。図５に示したＬＥＤ照明装置１０’の対称軸に沿った断面を、図６に示す。
【００３３】
ここでは、ＬＥＤ光源１１としては、ピーク波長が４５０ｎｍであって、発光面が正方形状の青色ＬＥＤチップを用いる。ＬＥＤチップの１辺の長さは１ｍｍであり、ＬＥＤチップの発光面の厚みは２００μｍである。ＬＥＤチップの発光面の形状および寸法は、適宜選択することができ、この限りではない。
【００３４】
ＬＥＤ光源１１は、アルミニウム製の基板１４上に配置され、軸対称透明部材１２で覆われている。軸対称透明部材１２は、配光対称軸ａｘを対称軸とする円柱状であり、その底面は基板１４に接している。ここでは、ＰＭＭＡ（屈折率ｎ＝約１．５）を用いて透明部材１２を構成する。
【００３５】
軸対称透明部材１２の内部に配置される軸対称光散乱部材１３は、配光対称軸ａｘを対称軸とする円柱状であり、球状の黄色発光蛍光体粒子を含有するシリコーン樹脂層から構成される。黄色発光蛍光体粒子は、シリコーン樹脂層中に一様に分散されている。黄色発光蛍光体粒子は、ＬＥＤ光源１１から照射された青色光を吸収して、例えばピーク波長５５０ｎｍの光を発光する。こうした黄色発光蛍光体粒子を含有する軸対称光散乱部材１３の吸収係数μ［１／ｍｍ］を、０．１とする。
【００３６】
ここで、ＬＥＤ光源１１の発光面の面積Ｃ＝１ｍｍ2であることから、下記式のとおり算出される。
【数９】
0006448604.tif 000013
【００３７】
図６に示す例においては、ＬＥＤ光源１１と軸対称光散乱部材１３との最近接距離Ｌ2は３ｍｍであり、これは、下記式（１）で表わされる関係を満たしている。
【数１０】
0006448604.tif 000014
【００３８】
また、軸対称光散乱部材１３の吸収係数μ［１／ｍｍ］が０．１であることから、下記式のとおり算出される。
【数１１】
0006448604.tif 000015
【００３９】
図６に示す例においては、軸対称光散乱部材１３の長さＬ1は３．０ｍｍであり、これは下記式（２）で表わされる関係を満たしている。
【数１２】
0006448604.tif 000016
【００４０】
前述の最近接距離Ｌ2および屈折率ｎ＝約１．５を用いると、下記式のとおり算出される。
【数１３】
0006448604.tif 000017
【００４１】
図６に示す例においては、軸対称光散乱部材１３の直径ｄ1は１．４１ｍｍであり、これは、下記式（３）で表わされる関係を満たしている。
【数１４】
0006448604.tif 000018
【００４２】
図６に示す例においては、軸対称透明部材１２の直径ｄ0は３ｍｍであり、軸対称光散乱部材１３の直径ｄ1および最近接距離Ｌ2の間には、下記式（４）で表わされる関係が成立する。
【数１５】
0006448604.tif 000019
【００４３】
本実施形態のＬＥＤ照明装置の作用効果は、次のように説明される。
【００４４】
ただし、本作用は軸対称光散乱部材１３として蛍光体を封入した場合について述べる。白色粒子を封入する場合においては、蛍光体による長波長変換が起こらないが、それ以外の作用は同様である。
【００４５】
青色ＬＥＤチップからなるＬＥＤ光源１１から射出された青色光のうち、一部は黄色蛍光体粒子を含有する軸対称光散乱部材１３に直接当たって、散乱・吸収される。ＬＥＤ光源１１からの光の一部は、軸対称透明部材１２において全反射を繰り返した後、光散乱部材１３で散乱・吸収される。また、射出された光の残部は、透明部材１２で全反射されず、この透明部材１２の外に射出される。
【００４６】
一方、光散乱部材１３は、青色光を吸収することによって、それよりも長波長側の光である黄色の光を全方位（等方的）に発光する。
【００４７】
このとき、光散乱部材１３により散乱された青色光、および発光・散乱された黄色光がＬＥＤ光源１１に戻って吸収される。このような戻り光による損失が、従来は４０〜６０％程度であった（例えば、S. C. Allen, “ELiXIR-Solid-State Luminaire With Enhanced Light Extraction by Internal Reflection”, Journal of Display Technology, vol. 3, No. 2, 2007参照）。ＬＥＤ光源１１と光散乱部材１３とを十分に離すことによって、この損失を低減することが可能となる。これは、リモートフォスファーと一般に呼ばれている。
【００４８】
ＬＥＤ光源１１に最近接する光散乱部材１３の底面からの発光のうち、その一部がＬＥＤ光源１１に戻る。その割合は、光散乱部材１３を中心とする全立体角に対し、ＬＥＤ光源１１を見込む立体角であるとおおよそ概算できる。すなわち、下記式（５）で表わされる。
【数１６】
0006448604.tif 000020
【００４９】
上記式（５）で表わされる値が小さいほど、光散乱部材１３からＬＥＤ光源１１への戻り光が少なくなる。一方、リモートフォスファーの効果を得るためには、上記式（５）で表わされる値は、少なくとも１よりも小さいことが求められる。したがって、リモートフォスファーの効果を実現するためには、下記式（１）で表わされる関係を満たさなければならない。
【数１７】
0006448604.tif 000021
【００５０】
本実施形態においては、Ｃ＝１ｍｍ２であるので上記式（５）で表わされる戻り光の割合は約０．８％となる。  
また、このようにＬＥＤ光源１１と光散乱部材１３とを離した場合には、光散乱部材１３がＬＥＤ光源に近接する場合と比較して低温になる。これによって、光散乱部材１３に含有される蛍光体の劣化を防ぐことができる（例えば、N. Narendran, “Improved Perfomance White LED”, Fifth International Conference on Solid State Lighting, Proceedings of SPIE 5941, 45-50, 2005参照）。
【００５１】
白色光は、ＬＥＤ光源からの青色光と蛍光体粒子からの黄色光とを適切に混合することによって実現できる。ＬＥＤ光源１１からの直接光が外部に届くと、視認される輝度が高くなりすぎる。これを避けるためには、青色ＬＥＤチップから発せられ、配光対称軸ａｘに沿って射出される光のうち、半分以上は光散乱部材１３で吸収される必要がある。ここで、光散乱部材１３内を配光対称軸ａｘに沿って伝搬する光の強度をＩ［Ｗ／ｍｍ2］と、光散乱部材１３に当たる直前の光の強度をＩ0［Ｗ／ｍｍ2］との比（Ｉ／Ｉ0）は、下記式（６）で表わされる。
【数１８】
0006448604.tif 000022
【００５２】
（ここで、μは吸収係数であり、ｚは伝搬距離である。）
また、半分以上の光が光散乱部材１３で吸収されるという条件は、下記式（７）で表わすことができる。
【数１９】
0006448604.tif 000023
【００５３】
上記式（７）を変形すると、下記式（８）となる。
【数２０】
0006448604.tif 000024
【００５４】
光散乱部材１３の長さＬ1は、上記式（８）を満たす必要があり、こうして式（２）が導かれる。
【００５５】
次に、図７を参照して、ＬＥＤ光源１１からの光線について説明する。図７は、光線２０が示されている以外は、図６とほぼ同様である。ＬＥＤ光源１１からの光線２０は、光散乱部材１３の底面のエッジを通って、透明部材１２の側面で全反射された後、光散乱部材１３に到達する。
【００５６】
仮に、光線２０が透明部材１２の、対称軸に平行な側面により全反射されずに透過してしまうと、この方向にはＬＥＤ光源１１からの青色光のみが射出されることになる。光線２０は、黄色蛍光体粒子を含有する光散乱部材１３に当たることによって、ＬＥＤ光源１１からの青色光と蛍光体粒子からの黄色光とが混合されて、白色光になりやすいと考えられる。また、光散乱部材１３によって十分に散乱されることにより、広配光角を達成できる。特に、軸対称光散乱部材１３として白色粒子を封入した場合、この効果が重要である。こうした条件を満たすためには、下記式（９）で表わされる関係を満たすことが必要となる。
【数２１】
0006448604.tif 000025
【００５７】
これは、前述の式（Ａ）を用いると、下記式（３）で表わされる。
【数２２】
0006448604.tif 000026
【００５８】
また、光線２０が光散乱部材１３の底面のエッジを通って、透明部材１２の対称軸に平行な側面で全反射して光散乱部材１３に当たるためには、下記式（４）で表わされる関係を満たす必要がある。
【数２３】
0006448604.tif 000027
【００５９】
上述したような条件を満たすことによって、リモートフォスファーの効果を得ることができる。しかも、青色光と黄色光とが適切に混合されることによって、白色光が生じることとなる。同時に、広拡散による広配光を実現できる。蛍光体が白色粒子の場合は、この効果が重要である。
【００６０】
本実施形態に対し、ＺＥＭＡＸの光線追跡を実行した。なお、ＺＥＭＡＸは、例えば（Radiant Zemax homepage, “http://www.radiantzemax.com/en/rz/”)に記載されている。その結果、本実施形態においてＬＥＤ光源１１に戻る光は約１０％であり、従来の４０〜６０％よりも低損失であることが確認された。これは、同時に、戻り光の吸収によるＬＥＤ光源１１としての青色ＬＥＤチップの発熱を抑えることができる。すなわち、低発熱であることが示された。
【００６１】
一辺が１ｍｍのＬＥＤ光源を用いた場合、本実施形態のＬＥＤ照明装置は、直径３ｍｍで高さ７ｍｍの円柱に収まる。すなわち、図５においてｄ0＝３ｍｍ、Ｌ0＝７ｍｍの円柱状とすることができる。同様のサイズのＬＥＤ光源を用いた従来のＬＥＤ照明装置は、１０〜２０ｍｍであるのと比較すると、本実施形態のＬＥＤ照明装置はコンパクトであることがわかる。
【００６２】
以上のように、本実施形態によれば、低損失かつ低発熱であってコンパクトなＬＥＤ照明装置を実現することができる。
【００６３】
図８は、他の実施形態にかかるＬＥＤ照明装置の断面の構成を表わす概略図である。図示するＬＥＤ照明装置１０''は、光散乱部材１３の底面に接して空気層１５を有する以外は、図６に示した構造と同様である。透明部材１２中には、光散乱部材１３から発光されて、ＬＥＤ光源１１に戻ろうとする黄色光が存在する。しかしながら、このように空気層１５を設けることによって、こうした黄色光は全反射により反射され、戻り光を低減することができる。
【００６４】
光散乱部材１３においては、蛍光体粒子の濃度に分布を設けることができる。具体的には、上方に向かうほど蛍光体粒子の濃度を大きくすることによって、より上方において黄色光が発光される。この際には、青色光の散乱も、より上方で多く起こることになる。その結果、リモートフォスファーの効果はよりいっそう高められる。
【００６５】
光散乱部材中における蛍光体粒子の占有断面積を、上方に向かうほど大きくした場合にも、これと同様の効果が得られる。例えば、光散乱部材を次のような形状とすることによって、こうした構造を得ることができる。具体的には、光散乱部材の直径を底面で最小として、上方に向けて直径が増加する部分を設けることであり、例えば、図１中に示された光散乱部材１３が該当する。
【００６６】
図９は、他の実施形態にかかるＬＥＤ照明装置の断面の構成を表わす概略図である。図示するＬＥＤ発光装置１０'''は、透明部材１２’の上面および下面の端部が曲面である以外は、図６に示した構造と同様である。
【００６７】
ここで、配光対称軸ａｘにそってｚ軸をとり、上方を正方向とする。原点は、ＬＥＤ光源１１の発光面の中心と配光対称軸ａｘとが交わる点とする。このとき、円柱座標を（ρr，ρh）とする。すなわち、柱の半径をρrとし，高さをρhとする。  
このとき、上面の端部の曲線は、下記式（１１）で表わされる関係を満たす。
【数２４】
0006448604.tif 000028
【００６８】
一方、下面の端部の曲線は，Θ（０からπ／２までの区間とする）を媒介変数として、下記式（１２）おおよび式（１３）で表わされる関係を満たす。
【数２５】
0006448604.tif 000029
【００６９】
上述した関係は、例えば、Ｊｕｌｉｏ  Ｃｈａｖｅｓ，  “Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ
ｔｏ  Ｎｏｎｉｍａｇｉｎｇ  Ｏｐｔｉｃｓ”，  ＣＲＣ  Ｐｒｅｓｓ，  ２００８に基づいて導かれる。
【００７０】
本実施形態のＬＥＤ照明装置の作用効果は、次のように説明される。
【００７１】
透明部材１２の上面の端部を曲面とすることによって、ＬＥＤ光源１１からの直接光は全反射され、光散乱部材１３に当たる。一方、光散乱部材１３から散乱された光は全反射されず、本曲面より透過する。すなわち、直接光は光散乱部材１３により、一旦、散乱光に変換され、その散乱光は外部に射出される。一方、透明部材１２の下面の端部を曲面とすることによって、全反射されずにそのまま透過する青色光は減少する。その結果、ＬＥＤ光源１１からの青色光と黄色光とが適切に混合されることになる。
【００７２】
図９に示したＬＥＤ照明装置における軸対称透明部材１２は、屈折率の異なる２種類の透明部材により構成することができる。図１０に示したＬＥＤ照明装置１０''''は、高屈折率透明部材１２ａと、この外側に設けられた低屈折率透明部材１２ｂとを含む透明部材１２を備えている。高屈折率透明部材１２ａには、例えば透明セラミックを用いることができ、低屈折率透明部材１２ｂには、例えばＰＭＭＡを用いることができる。
【００７３】
高屈折率透明部材１２ａの外側に低屈折率透明部材１２ｂが存在することによって、内側と外側との界面で全反射が生じて、ＬＥＤ光源１１からの光は軸対称光散乱部材１３に導かれる。一方、光散乱部材１３から発光および反射された光は、低屈折率透明部材１２ｂが周囲に存在しているので、外部に出やすくなる。
【００７４】
このような構成とすることによって、ＬＥＤ光源１１からの光を光散乱部材１３に導いて、光散乱部材１３からの光をより効率的に外部に取り出すことが可能となる。
【００７５】
図１１は、他の実施形態にかかるＬＥＤ聡明装置の断面の構成を表わす概略図である。図示するＬＥＤ照明装置１０'''''は、透明部材１２’の内部に２種類の軸対称蛍光層を有する以外は、図９に示した構造と同様である。
【００７６】
第１の軸対称蛍光層２１は、ＬＥＤ光源１１から離間して軸対称透明部材１２’中に設けられる。さらに、この第１の軸対称蛍光層２１から離間して、第２の軸対称蛍光層２２が設けられる。第１および第２の軸対称蛍光層は、配光対称軸ａｘと実質的に一致する対称軸を有している。第１の軸対称蛍光層２１は、赤色蛍光体粒子を含有し、青色光を吸収して赤色光を発光する。一方、第２の軸対称蛍光層２２は、黄色蛍光体粒子を含有し、青色光を吸収して黄色光を発光する。
【００７７】
ＬＥＤ光源１１と第１の軸対称蛍光層２１との最近接距離Ｌ2は、すでに説明したような式（１）で表わされる関係を満たす。
【数２６】
0006448604.tif 000030
【００７８】
図１１においては、第１の軸対称蛍光層２１の上面の面積Ｓ1は１．６６ｍｍ2であり、第１の軸対称蛍光層２１と第２の軸対称蛍光層２２との最近接距離Ｌ4は２ｍｍとすると、下記式（２１）で表わされる関係を満たす。
【数２７】
0006448604.tif 000031
【００７９】
本実施形態のＬＥＤ照明装置の作用効果は、次のように説明される。
【００８０】
赤色蛍光体粒子を含有する第１の軸対称蛍光層２１は、黄色光も吸収する。一方、黄色蛍光剤粒子を含有する第２の軸対称蛍光層２２は、赤色光を吸収しない。それゆえ、赤色光は、第２の軸対称蛍光層２２には吸収されず、透明部材１２’内で散乱されて上方に抜けてゆく。これによって、黄色光が第１の軸対称蛍光層２１に吸収されるというロス（従来装置のロス）を低減することができる。
【００８１】
また、赤色蛍光体粒子を含有する第１の軸対称蛍光層２１と、黄色蛍光体粒子を含有する第２の軸対称蛍光層２２とを十分に離すことによって、リモートフォスファー効果が高められる。その結果、赤色蛍光体粒子を含む第１の軸対称蛍光層２１に黄色光が吸収されるというロス（従来装置のロス）もまた、低減することができる。
【００８２】
図１２は、他の実施形態にかかるＬＥＤ聡明装置の構成を表わす斜視図である。図示するＬＥＤ照明装置１０''''''は、放熱匡体３１を軸対称散乱体１３’および軸対称透明部材１２''の内部に有し、さらにその内部に電源回路３２および配線３３を有する以外は、図５に示した構造と同様である。ただし、ＬＥＤ光源１１’としては、長方形の発光面を有するＬＥＤを、配光対称軸ａｘを軸として軸対称に複数並べている。配光対称軸からそれぞれのＬＥＤ光源の発光面の中心までは、等距離ＲＲである。
【００８３】
放熱匡体３１は金属製であり、例えばアルミニウムや銅などを用いて構成することができる。この匡体内部に空洞を設け、その空洞に電源回路を配置してもよい。これによって、ＬＥＤおよび電源回路から発せられた熱が、金属匡体から軸対称透明部材１２に伝わり、それより外部へと放熱されるために放熱特性が向上する。また、電源回路を金属匡体内部に設けるため、照明装置全体をコンパクトにすることができる。
【００８４】
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、変更を行なうことができる。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。
【００８５】
以下に、本願原出願の特許査定時の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
［１］
面積Ｃの発光面を有し、この発光面に実質的に直交する配光対称軸のまわりに実質的に対称な配光分布をもつＬＥＤ光源と、
前記ＬＥＤ光源の発光面を覆って設けられ、前記ＬＥＤ光源の前記配光対称軸に実質的に一致する第１の対称軸を有し、この第１の対称軸に対して対称である可視光に対して透明な軸対称透明部材と、
前記ＬＥＤ光源から離間して前記軸対称透明部材の内部に配置され、前記ＬＥＤ光源の前記配光対称軸に実質的に一致する第２の対称軸を有し、前記発光面に対向する底面の直径ｄ1および前記第２の対称軸に沿った長さＬ1をもって前記第２の対称軸に対して対称である軸対称光散乱部材と、を具備するＬＥＤ照明装置であって、
前記ＬＥＤ光源と前記軸対称光散乱部材との間の最近接距離Ｌ2と、前記ＬＥＤ光源の前記発光面の面積Ｃとは、下記式（１）で表わされる関係を満たし、
【数１−２】
0006448604.tif 000032
前記第２の対称軸に沿った前記軸対称光散乱部材の長さＬ1と、係数μ（１／ｍｍ）とは下記式（２）の関係を満たし、
【数２−２】
0006448604.tif 000033
前記軸対称光散乱部材の底面の直径ｄ1と、前記最近接距離Ｌ2と、前記軸対称透明部材の屈折率ｎとは、下記式（３）の関係を満たし、
【数３−２】
0006448604.tif 000034
前記軸対称透明部材を前記ＬＥＤ光源の発光面を含む平面に射影した面は、前記ＬＥＤ光源の発光面を含むＬＥＤ照明装置。
［２］
前記軸対称透明部材は円柱状である［１］に記載のＬＥＤ照明装置。
［３］
下記式（４）の関係を満たす［２］に記載のＬＥＤ照明装置。
【数４−２】
0006448604.tif 000035
（上記式中、ｄ0は前記軸対称透明部材の直径であり、ｄ1は前記軸対称光散乱部材の底面の直径であり、Ｌ1は前記第２の対称軸に沿った前記軸対称光散乱部材の長さであり、Ｌ2は前記ＬＥＤ光源の発光面と前記軸対称光散乱部材との最近接距離である。）
［４］
前記軸対称光散乱部材は円柱状である［１］乃至［３］のいずれかに記載のＬＥＤ照明装置。
［５］
前記軸対称光散乱部材の底面に接する軸対称空気層をさらに具備し、
前記軸対称空気層は、
前記ＬＥＤ光源の前記配光対称軸に実質的に一致する第３の対称軸を有し、
前記第３の対称軸に対して対称である、
［１］乃至［４］のいずれかに記載のＬＥＤ照明装置。
［６］
前記軸対称光散乱部材は、底面の直径が最小であり、前記直径が上方に向けて増加する部分を有する［１］または［２］に記載のＬＥＤ照明装置。
［７］
前記軸対称透明部材は、上面の直径が最小であり、前記直径が下方に向けて増加する部分を有する［１］、［４］乃至［６］のいずれかに記載のＬＥＤ照明装置。
［８］
面積Ｃの発光面と、この発光面に実質的に直交する配光対称軸とを有し、この配光対称軸まわりに実質的に対称な配光分布をもつＬＥＤ光源と、
前記ＬＥＤ光源を覆って設けられ、前記ＬＥＤ光源の前記配光対称軸に実質的に一致する第１の対称軸を有し、この第１の対称軸に対して対称の形状である可視光に対して透明な軸対称透明部材と、
前記ＬＥＤ光源から離間して前記軸対称透明部材の内部に配置され、前記ＬＥＤ光源からの光を一部吸収して、前記ＬＥＤ光源からの光より長波長側の可視領域の第１の光を発し、前記ＬＥＤ光源の前記配光対称軸に実質的に一致する第２の対称軸を有し、面積Ｓ1の上面をもって前記第２の対称軸に対して対称である第１の軸対称蛍光層と、
前記第１の軸対称蛍光層の上方に離間して前記軸対称透明部材の内部に配置され、前記ＬＥＤ光源からの光を一部吸収して、前記ＬＥＤ光源からの光より長波長で前記第１の光より短波長の第２の光を発し、前記ＬＥＤ光源の前記配光対称軸に実質的に一致する第３の対称軸を有する第２の軸対称蛍光層と、を具備するＬＥＤ照明装置であって、
前記ＬＥＤ光源と前記第１の軸対称蛍光層との間の最近接距離Ｌ2と前記ＬＥＤ光源の前記発光面の面積Ｃとは、下記式（１）で表わされる関係を満たし、
【数５−２】
0006448604.tif 000036
前記第１の軸対称蛍光層と前記第２の軸対称蛍光層との間の最近接距離Ｌ4と前記第１の軸対称蛍光層の上面の面積Ｓ1とは、下記式（２１）で表わされる関係を満たすＬＥＤ照明装置。
【数６−２】
0006448604.tif 000037
［９］
前記ＬＥＤ光源は、ピーク波長が３９０〜４６０ｎｍの単色光を照射する［１］乃至［８］のいずれかに記載のＬＥＤ照明装置。
［１０］
前記ＬＥＤ光源が載置され、可視光を拡散反射する載置面を有する基板をさらに具備する［１］乃至［９］のいずれかに記載のＬＥＤ照明装置。
［１１］
前記ＬＥＤ光源が載置され、可視光に対して透明な載置面を有する基板をさらに具備する［１］乃至［９］のいずれかに記載のＬＥＤ照明装置。
［１２］
前記軸対称透明部材は、底面の端部に下記式（１２）および式（１３）で表わされる曲面を有する［２］乃至［１１］のいずれかに記載のＬＥＤ照明装置。
【数７−２】
0006448604.tif 000038
（ここで、
ρrおよびρhは、それぞれｚ軸に対称な円柱座標における半径および高さであり、
ｚ軸は、前記配光対称軸と前記発光面との交点を原点として、上方が正方向であり、
Ｃは、前記ＬＥＤ光源の前記発光面の面積であり、
Θは媒介変数（０＜Θ＜π／２）の区間である。）
［１３］
前記ＬＥＤ光源は、前記基板上に複数載置され、かつ前記配光対称軸からそれぞれのＬＥＤ光源の発光面の中心までは等距離ＲＲであり、
前記軸対称光散乱部材の内部および前記軸対称透明部材の内部を同時に貫通する軸対称な伝熱部材をさらに具備し、
前記伝熱部材は、前記ＲＲ以下の最大径を有し、前記ＬＥＤ光源または前記基板に熱的に接合されている、
［１０］、［１１］、又は［１１］に従属した［１２］のうちいずれかに記載のＬＥＤ照明装置。
【符号の説明】
【００８６】
１０，１０’，１０''，１０'''，１０''''，１０'''''…ＬＥＤ照明装置
１０''''''…ＬＥＤ照明装置；  １１，１１’…ＬＥＤ光源
１２，１２’，１２''…軸対称透明部材；  １２ａ…高屈折率透明部材
１２ｂ…低屈折率透明部材；  １３，１３’…軸対称光散乱部材；  １４…基板
１５…空気層；  ２０…光線；  ２１…第１の軸対称蛍光層
２２…第２の軸対称蛍光層；  ａｘ…配光対称軸；  ３１…放熱匡体
３２…電源回路；  ３３…配線；  Ｌ0…軸対称透明部材の対称軸に沿った長さ
Ｌ1…軸対称光散乱部材の対称軸に沿った長さ
Ｌ2…軸対称光散乱部材とＬＥＤ光源との最近接距離；  Ｌ3…ＬＥＤ光源の厚さ
Ｌ4…第１の軸対称蛍光層と第２の軸対称蛍光層との最近接距離
ｄ0…軸対称透明部材の直径；  ｄ1…軸対称光散乱部材の直径。
【図１】
0006448604.tif 000047
【図２】
0006448604.tif 000048
【図３】
0006448604.tif 000049
【図４】
0006448604.tif 000050
【図５】
0006448604.tif 000051
【図６】
0006448604.tif 000052
【図７】
0006448604.tif 000053
【図８】
0006448604.tif 000054
【図９】
0006448604.tif 000055
【図１０】
0006448604.tif 000056
【図１１】
0006448604.tif 000057
【図１２】
0006448604.tif 000058