(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
頂部と、底部と、外周部と、前記底部から前記頂部に向かって形成された天井部と内周部とからなる凹部とを有している光学媒体からなるバルク型レンズにおいて、
前記凹部を光源若しくは光検知器の収納部とし、
前記光源若しくは光検知器が半導体素子からなり、該光源若しくは光検知器が、前記凹部に前記バルク型レンズとは異なる屈折率を有している空気、空気以外の流体若しくは流動体の何れかを介して収納されるようになっていて、
前記凹部の天井部を第１のレンズ面とすると共に前記内周部を光入射面とし、前記頂部を第２のレンズ面とし、
前記光源の光束を、前記バルク型レンズの前記頂部で光軸方向に収束して出射するか、
又は前記光検知器に入射する光束を、前記バルク型レンズの前記頂部で光軸方向に収束して集光することを特徴とする、バルク型レンズ。
【請求項２】
前記光源若しくは光検知器が、前記凹部にスペーサ若しくは接着剤を介して収納されることを特徴とする、請求項１に記載のバルク型レンズ。
【請求項３】
前記外周部及び前記底部が、反射面となることを特徴とする、請求項１に記載のバルク型レンズ。
【請求項４】
前記外周部は、前記光軸方向にテーパを有していることを特徴とする、請求項１に記載のバルク型レンズ。
【請求項５】
前記第１のレンズ面を凸面、凹面、平面、平フレネルレンズ面の何れかに形成したことを特徴とする、請求項１に記載のバルク型レンズ。
【請求項６】
前記光学媒体の内部に、更に他の凹部を並列配置したことを特徴とする、請求項１に記載のバルク型レンズ。
【請求項７】
前記光学媒体が可とう性、若しくは屈曲性を有することを特徴とする、請求項１に記載のバルク型レンズ。
【請求項８】
頂部と、底部と、外周部と、上記底部から上記頂部に向かって形成された天井部と内周部からなる凹部とを有している光学媒体であり、
上記凹部の天井部を第１のレンズ面とすると共に上記内周部を光入射面とし、上記頂部を第２のレンズ面として機能するバルク型レンズと、
上記凹部に上記バルク型レンズとは異なる屈折率を有している空気、空気以外の流体若しくは流動体の何れかを介して収納された半導体素子からなる光源と、から成り、
上記半導体素子が、上記バルク型レンズの底部側で該バルク型レンズの上記内周部に収納され、
上記光源の光束を、上記バルク型レンズの上記頂部で光軸方向に収束して出射することを特徴とする、発光体。
【請求項９】
前記光源が、前記凹部にスペーサ若しくは接着剤を介して収納されることを特徴とする、請求項８に記載の発光体。
【請求項１０】
前記外周部及び前記底部が、反射面となることを特徴とする、請求項８に記載のバルク型レンズ。
【請求項１１】
前記外周部は、前記光軸方向にテーパを有していることを特徴とする、請求項８に記載の発光体。
【請求項１２】
前記光学媒体の内部に配置された他の凹部と、該他の凹部に収納された他の光源とを更に有することを特徴とする、請求項８に記載の発光体。
【請求項１３】
前記光源を前記光学媒体の屈折率とは異なる光学媒質を介して前記凹部に収納していることを特徴とする、請求項８に記載の発光体。
【請求項１４】
前記光源は、単体、又は、複数のＬＥＤチップから構成されていることを特徴とする、
請求項８に記載の発光体。
【請求項１５】
頂部と、底部と、外周部と、上記底部から上記頂部に向かって形成された天井部と内周部からなる凹部とを有している光学媒体であり、上記凹部の天井部を第１のレンズ面とすると共に上記内周部を光入射面とし、上記頂部を第２のレンズ面として機能するバルク型レンズと、
上記バルク型レンズの凹部に上記バルク型レンズとは異なる屈折率を有している空気、
空気以外の流体若しくは流動体の何れかを介して収納された光源と、
上記光源に接続された電源部とから成り、
上記光源が、半導体素子からなり、
上記半導体素子が、上記バルク型レンズの底部側で該バルク型レンズの上記内周部に収納されており、
上記光源の光束を、上記バルク型レンズの上記頂部で光軸方向に収束して出射することを特徴とする、照明器具。
【請求項１６】
前記光源が、前記凹部にスペーサ若しくは接着剤を介して収納されることを特徴とする、請求項１５に記載の照明器具。
【請求項１７】
前記外周部及び前記底部が、反射面となることを特徴とする、請求項１５に記載の照明器具。
【請求項１８】
前記外周部は、前記光軸方向にテーパを有していることを特徴とする、請求項１５に記載の照明器具。
【請求項１９】
前記光源は、単一の又は複数のＬＥＤチップから構成されていることを特徴とする、請求項１５に記載の照明器具。
【請求項２０】
第１の頂部と、第１の底部と、第１の外周部と、上記第１の底部から上記第１の頂部に向かって形成された上記第１の天井部と上記第１の内周部からなる第１の凹部とを有している光学媒体であり、
上記凹部の天井部を第１のレンズ面とすると共に上記内周部を光入射面とし、上記頂部を第２のレンズ面として機能する第１のバルク型レンズと、
上記第１の凹部に上記バルク型レンズとは異なる屈折率を有している空気、空気以外の流体若しくは流動体の何れかを介して収納された所定の波長の光を発する第１の光源とを備えた送信部と、
第２の頂部と、第２の底部と、第２の外周部と、上記第２の底部から上記第２の頂部に向かって形成された上記第２の天井部と上記第２の内周部からなる第２の凹部とを有している光学媒体であり、
上記第２の天井部を第１のレンズ面とすると共に上記第２の内周部を光入射面とし、上記第２の頂部を第２のレンズ面として機能する第２のバルク型レンズと、
上記第２の凹部に前記バルク型レンズとは異なる屈折率を有している空気、空気以外の流体若しくは流動体の何れかを介して収納された所定の波長の光を検出する光検知器とを備えた受信部と、を含んで構成され、
上記光源が、半導体素子からなり、
上記半導体素子が、上記第１のバルク型レンズの上記第１の底部側で上記第１の内周部に収納されており、
上記光源の光束を、上記第１のバルク型レンズの上記第１の頂部で光軸方向に収束して出射し、
上記送信部と上記受信部で情報を送信受信することを特徴とする、光情報システム。
【請求項２１】
前記光源又は光検知器が、前記凹部にスペーサ若しくは接着剤を介して収納されることを特徴とする、請求項２０に記載の光情報システム。
【請求項２２】
前記外周部及び前記底部が、反射面となることを特徴とすることを特徴とする、請求項２０に記載の光情報システム。
【請求項２３】
前記外周部は、前記光軸方向にテーパを有していることを特徴とする、請求項２０に記載の光情報システム。
【請求項２４】
請求項１〜７のいずれかに記載のバルク型レンズを使用した、物体検知装置。
【請求項２５】
請求項１〜７のいずれかに記載のバルク型レンズを使用した、光合成装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、新規な構造の光学レンズの提案に関し、特に、発光ダイオード（ＬＥＤ）等の半導体発光素子用の光学レンズとして好適なレンズに関する。更に、この光学レンズを用いた発光体、及びこの発光体を用いた照明器具に関する。更には、この発光体と受光体とから構成される光情報システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近、ハロゲンランプを用いた細身の懐中電灯が市販されるに至っているが、この種の懐中電灯の電池の寿命は連続点灯では３時間程度であり、またハロゲンランプ自身の寿命も短いという欠点を有している。
【０００３】
一方、パーソナルコンピュータや小型携帯テレビ等には液晶表示装置が多用されており、その照明（バックライト）には蛍光放電管（蛍光灯）が用いられている。このバックライト用の蛍光灯は携帯テレビや携帯用パーソナルコンピュータを落下した際には破損したり、特性が劣化し易いという問題がある。また、冬季寒冷地等の低温度環境下で使用する場合、管内の水銀蒸気圧が低下して発光効率が低くなり、十分な輝度を得ることができなくなる。さらに、長時間動作に対する安定性や信頼性が不十分である。また、最も重要な問題は消費電力が大きいことである。携帯用パーソナルコンピュータを例にすれば、マイクロプロセッサやメモリで消費される電力よりも液晶表示部の消費電力が圧倒的に大きい。このため、蛍光灯をバックライトとして用いた場合、電池で長時間にわたり携帯テレビや携帯用パーソナルコンピュータを動作させるのは困難である。また、蛍光灯は電源の周波数に対応したパルス的な発光を行う光源であるので、個人差はあるが、そのちらつき感から、目の疲労の問題が生じる。即ち、バックライトのような直接照明に近い使用形態の場合、長時間蛍光灯からの光を直視することによる目の疲労、あるいは目の疲労からくる人体への影響の問題がある。
【０００４】
発光ダイオード（ＬＥＤ）等の半導体発光素子は電気エネルギーを直接光エネルギーに変換するため、ハロゲンランプ等の白熱球や蛍光灯に比し、高効率で、しかも発光に際し発熱を伴わないという特徴を有する。白熱球においては、電気エネルギーを熱エネルギーに変換し、その発熱に伴う光の輻射を利用しているのであり、電気エネルギーの光への変換効率は低く１％を超えることはない。蛍光灯においては、電気エネルギーは放電エネルギーに変換されており、その光への変換効率はまだ低い。一方、ＬＥＤにおいては、電気エネルギーの光への変換効率は２０％を超える程度が可能で、白熱球や蛍光灯に比し１００倍を超える変換効率が容易に達成できる。さらに、ＬＥＤ等の半導体発光素子は、半永久的とも言える長寿命であり、かつ蛍光灯のようなちらつきの問題もないので、目や人体に悪影響を及ぼさない、人にやさしい光源ということが言える。
【０００５】
ＬＥＤはこのように優れた特徴を有するものの、光の出射面積が、１ｍｍ2 程度の小さな面積であるため、照明光として利用する場合は１個のＬＥＤでは光束が不足し、多数のＬＥＤを配列する必要がある。また、ＬＥＤの発散角が、チップ状態では９０度、パッケージタイプのものでも４０度前後と大きいため、光を収束するためのレンズを必要とする。このため、多数のＬＥＤをマトリックス状に配列し、個々のＬＥＤに光収束用レンズを装着しなければならない。しかしながら、凸形状の球面レンズなどを使用する従来の光学系を使用したのではＬＥＤの発散角が大きいために、低光損失で収束しようとすればレンズ系が巨大化してＬＥＤを密に配列できない、あるいは、レンズ系を小さくしてＬＥＤを密に配列すると極端に光損失が大きくなるといった問題が生ずる。また、従来のレンズ系を利用する場合は、ＬＥＤとレンズを光軸を合わせて保持する保持具が必要であり、このような保持具は精密加工を必要とするからコストが高くなる。また、ＬＥＤとレンズを保持具に固定するときには、光軸合わせの調整工程を必要とするのでコストが高くなる。
上記問題点は、ＬＥＤが照明光として利用されていない主要な原因である。
【０００６】
単純には、膨大な数のＬＥＤをマトリックス状に配列すれば、レンズ系で収束しなくても、必要な照度は得られるであろう。しかし、現在のところＬＥＤの主材料には高価な化合物半導体が用いられており、この半導体の作製にはエピタキシャル成長や不純物拡散等の高度の製造技術が要求されるため、ＬＥＤの製造コストの低減には一定の限界がある。さらに、青色ＬＥＤの材料である窒化ガリウム（ＧａＮ）のエピタキシャル成長の基板には高価なサファイア基板が用いられているため、製造コスト低減は一層難しい。
【０００７】
従って、所望の照度を得るために比較的高価なＬＥＤを膨大な数配列する等の方法により照明器具を組み立てたのでは、あまりにも高価になりすぎるため現実的ではない。また、シリコン（Ｓｉ）では現在直径３００ｍｍのウエハが使用され始めているが、ＬＥＤの材料である化合物半導体のエピタキシャル成長用基板としては、このような大口径ウエハは現状では入手できない。さらに、大口径ウエハはエピタキシャル成長の均一性を得るのが困難である等製造技術上の問題もあり、基本的に大面積の発光領域を有するＬＥＤチップを製造するのは困難である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記課題を解決するためになされたものである。従って、本発明の目的は、ＬＥＤ、レーザダイオード（ＬＤ）等の光源に用いることが可能で、小型で、光損失が少なく、装着が容易な、かつ、容易に、光の発散、収束等の光路の変更や焦点の変更が可能なバルク型レンズを提供することである。
本発明の他の目的は、ＬＥＤ、ＬＤ以外の市販されている光源の潜在的な光エネルギを効率良く引き出し、且つ、それ自身には何ら手を加えることなく、容易に、光の発散、収束等の光路の変更や焦点の変更が可能なバルク型レンズを提供することである。
本発明の更に他の目的は、自在に光の発散、収束等の光路の変更や焦点の変更をした、安価で十分な照度と長期間に渡る安定性と信頼性を有した発光体を提供することである。
本発明の更に他の目的は、電力消費量が少なく、ちらつきのない発光体を提供することである。
本発明の更に他の目的は、電池の寿命が長く、携帯に適した照明器具を提供することである。
本発明の更に他の目的は、信頼性が高く高効率な光情報システムを提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を鑑み、本発明の第１の特徴は、頂部と、底部と、外周部と、底部から頂部に向かって形成された天井部と内周部とからなる凹部とを有している光学媒体からなり、凹部が光源若しくは光検知器の収納部であり、天井部及び頂部がレンズ面として、内周部が光入射面として、外周部が全反射面として、そして底部が反射面として機能する。凹部の内部に光源を収納した場合は、天井部がレンズの入射面として、頂部がレンズの出射面として機能する。一方、凹部の内部に光検知器を収納した場合は、頂部がレンズの入射面として天井部がレンズの出射面として機能する。内周部から光学媒体に入射した光は、全反射して、又は底部で反射されて頂部に伝送される。「バルク型」とは、砲弾型、卵型、繭型、蒲鉾型等、ある程度の厚み又は膨らみを有する固形体を意味する。光軸方向に垂直な断面の形状は、真円、楕円、三角形、四角形、多角形等が可能である。バルク型のレンズ本体の外周部は、円柱、角柱の円周部のような光軸に平行な面でも良く、光軸に対してテーパを有していてもかまわない。また、天井部及び頂部のレンズ面は、凸面、凹面、平面、フレネルレンズ面のいずれかを適宜選択できる。
【００１０】
バルク型レンズは、レンズ作用、及び入射面と出射面とを接続する光伝送作用を有するので、光の波長に対して透明な材料であり、かつ、屈折率が空気の屈折率とは異なる必要がある。このような材料としては、アクリル樹脂等の透明樹脂（透明プラスチック材料）、石英ガラス、ソーダ石灰ガラス、ホウケイ酸ガラス、鉛ガラス等の種々のガラス材料等が使用可能である。或いは、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、硫化亜鉛（ＺｎＳ）、炭化珪素（ＳｉＣ）等の結晶性材料を用いてもかまわない。又、可とう性、屈曲性や伸縮性のある透明ゴムのような材料でもかまわない。なお、光源として、ハロゲンランプ等の白熱球を用いる場合は、これによる発熱を考慮し、耐熱性光学材料を用いるべきである。耐熱性光学材料としては、石英ガラス、サファイアガラス等の耐熱ガラスが好ましい。或いは、ポリサルホン樹脂、ポリエーテルサルホン樹脂、ポリカーボネイト樹脂、ポリエーテルエステルアミド樹脂、メタクリル樹脂、非晶性ポリオレフィン樹脂、パーフルオロアルキル基を有する高分子材料等の耐熱性樹脂等の耐熱性光学材料が使用可能である。ＳｉＣ等の結晶性材料も耐熱性に優れている。
【００１１】
光源としては、ＬＥＤや半導体レーザ等のように、発光に際して顕著な発熱作用を伴わない光源が好ましい。ＬＥＤ等を用いれば、本発明の第１の特徴に係るバルク型レンズの凹部（収納部）の内部に、「光源」を収納した場合において、その発熱作用によって、バルク型レンズに熱的影響を与えることがない。
【００１２】
本発明の第１の特徴に係るバルク型レンズを使用すれば、光源の数を多数必要とすることなく、所望の照度を有する照明器具を簡単に得ることが出来る。この照度は、光源の数を同一として較べれば、従来公知のレンズ等の光学系では達成不可能な照度である。本発明は、従来の技術では達成出来ない照度を、簡単且つ小型な構成で実現出来る。詳細は後述するが、従来の「両凸レンズ」、「平凸レンズ」、「メニスカス凸レンズ」、「両凹レンズ」、「平凹レンズ」、「メニスカス凹レンズ」等の薄型レンズでは、直径が無限大の大型なレンズを用いなければ、本発明のバルク型レンズに等価な機能を達成出来ない。
【００１３】
ＬＥＤには内部量子効率と外部量子効率があるが、通常、外部量子効率は内部量子効率よりも低い。本発明の第１の特徴に係るバルク型レンズにより、ＬＥＤを収納部（凹部）に収納することにより、内部量子効率とほぼ等しい効率で、潜在的なＬＥＤの光エネルギを有効に取り出すことが可能となる。
その原理は、（ａ）バルク型レンズの頂部及び天井部であるレンズ面、及び外周部での反射光（迷光）が外周部で全反射することによりバルク型レンズ外にほとんど散逸しない、（ｂ）上記反射光（迷光）の一部が頂部及び天井部であるレンズ面にもどる、（ｃ）上記反射光（迷光）の一部が底部で反射されて頂部及び天井部であるレンズ面にもどる、（ｄ）上記反射光（迷光）の一部がＬＥＤ光源に吸収され再発光する、さらに、（ｅ）内側面に入射する光も全反射により導光し有効利用している、ことなどが考えられる。
【００１４】
また、本発明の第１の特徴に係るバルク型レンズによれば、ＬＥＤ等の光源それ自身は、何ら手を加えることなく、容易に、光の発散、収束等の光路の変更や焦点の変更が可能である。
すなわち、本発明の第１の特徴に係る光源の発散角が既知であれば、第１及び第２の湾曲面の曲率半径等の選定が簡単に出来る。なお、第１及び第２の湾曲面のいずれか一方は、曲率半径が無限大、若しくは無限大に近い平坦な面であっても良い。第１及び第２の湾曲面のいずれか一方が、無限大ではない所定の（有限の）曲率半径を有していれば、光の収束、発散の制御が可能である。又、「所定の発散角」は０°、即ち平行光線であっても良い。又、発散角が９０°であっても、収納部が光源の発光部を完全に光学的に覆っているため、有効にその光を集光することが可能である。これは、従来のレンズ等の光学系では不可能な作用である。即ち、天井部以外の収納部の内周部も、有効な光の入射部として機能し得る。
【００１５】
具体的には、本発明の第１の特徴に係る光源は、チップ状の半導体発光素子、透明材料でモールドされた半導体発光素子、又は、他の光源から光を導く光ファイバの出射端面である。これらの光源を光学媒質を介して収納部に収納しても良い。屈折率によって光学媒質を適宜選択することによっても、光の発散、収束等の光路の変更や焦点の変更が可能であり、また、内周面から凹部に入射する光の屈折角を変えることができ、凹部の全反射をより効果的にすることもできる。
ここで、光学媒質には、固体、液体、気体、のみならず、ゾル状、コロイド状若しくはゲル状の光の波長に対して透明な物質も含まれる。
【００１６】
またさらに、本発明は、頂部と、底部と、外周部と、この底部から頂部に向かって形成された天井部と内周部からなる凹部とを有している光学媒体であり、凹部が光源若しくは光検知器の収納部であり、天井部及び頂部がレンズ面として、内周部が光入射面として、外周部が全反射面として、底部が反射面として機能するバルク型レンズにおいて、内周部の光入射面が所定の傾きを有する少なくとも光波長以上の大きさの凹凸面で構成されていることを特徴とするバルク型レンズである。また所定の傾きφは、凹部の屈折率をｎ1 、光学媒体の屈折率をｎ2 、光学媒体内の外周部面における全反射角をθt 光源の発散角をθd として、
ｓｉｎ-1｛ｎ1 ／ｎ2 ｃｏｓ（θd ＋φ）｝＝θt 
から定まる角度であることを特徴とバルク型レンズである。
この構成によれば、例えば、端面発光ＬＥＤのようにほとんどの出射光がチップの側面から出射するようなＬＥＤを使用する場合においても、全ての出射光を集光できる。
【００１７】
さらにまた、バルク型レンズは、レンズ部と光源を収納する収納部とが一体で形成されているため、従来のレンズ系では必要であったレンズと光源を光学的位置合わせをして保持する保持部を必要とせず、また、光学的位置合わせ工程を必要とせず、ただ光源にかぶせるだけでよいので、極めて低コストである。
【００１８】
本発明の第２の特徴は、所定の波長の光を発する光源を上記バルク型レンズの凹部に収納した発光体である。
この発光体においては、発光に際して発熱作用が少ないＬＥＤ等の半導体発光素子を用いれば、バルク型レンズの凹部（収納部）の内部に、光源を収納した場合においても、その発熱作用によって、バルク型レンズに熱的影響を与えることがなく、長期動作においても、信頼性と安定性を維持出来るので好ましい。
【００１９】
本発明の第２の特徴に係る発光体によれば、バルク型レンズが極めて損失が少ないので、少ない数の光源で、所望の照度を簡単に得ることが出来る。この照度は従来公知の光学系では達成不可能な照度である。更に、この発光体は、電力消費量が少なく、ちらつきもない。
【００２０】
本発明の第２の特徴に係る発光体において、光源は、所定の発散角で特定方向に光を発する光源である。光の発散角が既知であれば、集光や分散等の光学的設計が可能であり、第１及び第２の湾曲面の曲率半径等の選定が簡単に出来る。なお、第１の特徴において説明したように、天井部及び頂部の湾曲面は、曲率半径無限大、若しくは無限大に近い平坦な面を含み得る。
【００２１】
本発明の第２の特徴に係る発光体において、光源は、チップ状の半導体発光素子、透明材料でモールドされた半導体発光素子、又は、他の光源から光を導く光ファイバの出射端面であり、これらの光源を光学媒質を介して収納部に収納しても良い。屈折率によって光学媒質を適宜選択することによって、光の発散、収束等の光路の変更や焦点の変更が可能であり、また、内周面から凹部に入射する光の屈折角を変えることができ、凹部の全反射をより効果的にすることもできる。
ここで、光学媒質には、固体、液体、気体、のみならず、ゾル状、コロイド状若しくはゲル状の光の波長に対して透明な物質も含まれる。
【００２２】
本発明の第３の特徴は、電源部と上記第２の特徴で述べた発光体から構成される照明器具であり、発光体は単一又は複数で成る。携帯用照明器具の電源部としては電池が好ましい。光源としては、ＬＥＤ等の半導体発光素子が好ましい。
【００２３】
本発明の第３の特徴に係る照明器具においては、バルク型レンズが、光源の光エネルギを効率良く引き出し、かつ、小型であるので、照明に必要な十分な照度を有する照明器具を得ることが出来る。更に、バルク型レンズの光源への装着が容易であり、光軸合わせを必要としないからコストが低い。この照明器具は、長期間に渡る安定性と信頼性に優れ、ちらつきもなく、更に、電力消費量が少ないため、電源が電池の場合にはその寿命が長い。
【００２４】
本発明の第４の特徴は、発光体と受光体とから構成される光情報システムに関する。これは、第１の頂部と、第１の底部と、第１の外周部と、第１の底部から第１の頂部に向かって形成されていて第１の天井部と第１の内周部とからなる第１の凹部とを有しているバルク型の第１のレンズ本体と、第１の凹部に収納された所定の波長の光を発する第１の光源とを備えた発信部と、第２の頂部と、第２の底部と、第２の外周部と、第２の底部から第２の頂部に向かって形成されていて第２の天井部と第２の内周部とからなる第２の凹部とを有しているバルク型の第２のレンズ本体と、第２の凹部に収納された所定の波長の光を検出する受光素子とを備えた受信部とから構成された光情報システムである。
【００２５】
本発明の第４の特徴に係る光情報システムにおいては、バルク型レンズが低損失で光の収束及び集光を行うので、送信部と受信部の距離が長くても使用可能できる。また、バルク型レンズが小型であるのでこの光情報システムは小型で使用しやすい。また、発光素子及び受光素子へのバルク型レンズの装着が簡単であり、かつ光軸合わせを必要としないから低コストである。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。以下の図面の記載において、同一または類似の部分には同一の符号または類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。従って、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
【００２７】
第１の実施例を説明する。
図１は、本発明の第１の実施例に係る光源装置の模式的な断面図である。図１に示すように、所定の波長帯域の光を発するＬＥＤ等の光源１と、この光源１を完全に囲むバルク型レンズ２０とから少なくとも構成されている。そして、このバルク型レンズ２０は、頂部３と底部７と外周部９と、底部７から頂部３に向かって形成された天井部２と内周部５とから成る凹部６とから成る光学媒体であり、この凹部６にスペーサ８を介して光源１がバルク型レンズ２０と同心的に且つ完全に収納、固定され、上記天井部２がレンズの光入射面として、上記頂部３がレンズの出射面として機能するように構成されている。
【００２８】
図１の光源１は、ＬＥＤチップ１３と、このＬＥＤチップ１３を載置する電極を兼ねた支持ピン１１と、ＬＥＤチップ１３のもう一方の電極に電力を供給する電極ピン１２と、チップ１３、支持ピン１１及び電極ピン１２を覆う透明な樹脂モールド１４で構成されている。樹脂モールド１４は、側部が円筒形を成しており、バルク型レンズ２０の凹部６の円筒形を成す内周部５とスペーサ８を介して嵌合している。
【００２９】
樹脂モールド１４の側面は、例えば、直径（２ｒ）が２〜３ｍｍφの円柱形状であり、バルク型レンズ２０の凹部６の内周部５は、例えば、直径が２．５〜４ｍｍφの円柱形状となっている。ＬＥＤ１とバルク型レンズ２０とを固定するために、ＬＥＤ１とバルク型レンズ２０の凹部６との間には、厚さ０．２５〜０．５ｍｍ程度のスペーサ８が挿入されている。スペーサ８は、ＬＥＤ１の発光部を除く位置、即ち、図１においてＬＥＤチップ１３の底面より底部７側に方に配置する。
【００３０】
バルク型レンズ２０は、例えば頂部３が凸形状球面を有し、外周部９が円柱形状を成している。この外周部９の直径（２Ｒ0 ）は、例えば、１０〜３０ｍｍφであるが、使用目的に応じて任意に選択できる。しかしながら、より集光効率を高くするためには、
１０ｒ＞Ｒ0 ＞３ｒ                                  （１）
の関係を満足することが好ましい。バルク型レンズ２０の外周部９の直径（２Ｒ0 ）は、凹部６の内周部５の内径（２ｒ）の１０倍以上でも、本発明のバルク型レンズは機能するが、必要以上に大きくなり、小型化を目的とする場合は好ましくない。
【００３１】
上記構成の本発明のバルク型レンズは、以下に説明する理由により、従来の凸型形状の球面レンズを使用した光学系よりも極めて低損失で収束できる。ＬＥＤは発散角の大きな光源であるため、従来の凸型形状の球面レンズによって、ＬＥＤから発する全ての光を平行光線とすると光損失が避けられない。
図２は、従来の凸型形状球面レンズによる集光作用を示す図で、図２（Ａ）は凸型片球面レンズを使用して、ＬＥＤ光源からの光を平行光とする状態を示している。図において、レンズは曲率半径ｒを有し、光源から焦点距離ｆに配置している。片球面レンズの焦点距離は、レンズの屈折率をｎとして、ｆ＝ｒ／（ｎ−１）であるから、屈折率ｎ＝１．５とした場合、ｆ＝２ｒとなる。従って、図から明らかなように、レンズが受光できる発散角の最大は３０°となり、図のＢに示す光線は平行光とすることができない。すなわち、従来のレンズを使用したのでは、焦点距離と曲率半径の関係から定まる開口角以上の光は取り込むことができないので、損失が大きい。
ＬＥＤ光源は３０°以上の発散角を有するものが多く、この場合には、上記理由により、大きな損失が生じる。従来はこのような場合、高屈折率レンズを使用して改善しているが、コストが高くなる。あるいは、レンズを複雑に組み合わせて対処している例もあるが、この場合には、下記に説明するフレネル反射損が増大してしまう。
【００３２】
図２（Ｂ）は、従来の凸型片球面レンズ入射面における反射の状況を示す図である。図において、矢印のついた線は、ＬＥＤ１から出射し、凸型形状球面レンズの光入射面で反射される光線を表す。θ（θ1 、θ2 ）はＬＥＤから出射角、すなわち発散角を表し、φ（φ1 、φ2 ）はそれぞれの光線のレンズ面での入射角を表す。
図３は、フレネルの反射の法則を表した図である。図において、横軸は光線の入射角であり、縦軸は光強度の反射率であり、レンズの屈折率を１．５とし、空気中から光線がレンズ面に入射する場合を表している。図から明らかなように、入射角が５０°あたりまでは反射率が低く一定であるが、５０°を越えたあたりから急激に反射率が増加するのがわかる。
図２（Ｂ）に示した入射角が大きい光線は、図３のフレネルの反射の法則から明らかなように反射される割合が高い。例えば、屈折率１．５の片凸型球面レンズを使用し、このレンズの焦点距離に、発散角３０°の光源をおいて平行光を作る場合には、上記の反射光による損失は全光量の３０％近くに達する。
従って、従来の光学系におけるように、レンズを多段に接続したのでは、フレネル反射が多段に生ずることになり、損失が増えてしまう。これらの反射光は空間に散逸してしまい、収束光として利用することはできない。
【００３３】
一方、本発明のバルク型レンズにおいては、発散角が大きい光束であっても、全ての光束をレンズ面に入射させることができ、バルク型レンズの幾何学構造の設計により、全ての光束を平行光線にできるから、極めて損失の少ないレンズである。
また、フレネルの反射を起こす反射面は、天井部２及び頂部３であるから、これらの面で反射した反射光（迷光）はバルク型レンズ内に反射される。これらの反射光（迷光）は、外周部９で全反射することによりバルク型レンズ外に散逸せず、一部が頂部３及び天井部２であるレンズ面にもどり収束光となる。また、他の一部は、底部７で反射されて頂部３又は天井部２にもどり、収束光となる。また、他の一部はＬＥＤ光源で吸収されて再発光し、収束光となる。
【００３４】
図４は、ＬＥＤ光源１にもどった光が再発光する過程を示す図である。
図において、もどってきた光はＰＮ接合で吸収されてホールと電子を生じ、このホールと電子が再結合して再発光する。特にこの効果は、ヘテロ構造を有するＬＥＤの場合に大きい。ヘテロ構造のＬＥＤは、発光部であるＰＮ接合部のバンドギャップ・エネルギーが、Ｐ及びＮ領域のバンドギャップ・エネルギーよりも小さく形成されているので、反射光（迷光）はＰ又はＮ領域では吸収されずに、ＰＮ接合部のみで吸収され、再発光する。
さらにまた、本発明のバルク型レンズにおいては、内周部５に入射する光も外周面９における全反射によって頂部３に導かれ、収束光となって出射する。この効果は、ＬＥＤ光源１を、バルク型レンズの光学媒質よりも屈折率の高い光学媒質を介して収納部に収納するとさらに効果が高まる。
本発明のバルク型レンズにおいては上記に説明した相乗効果により、内部量子効率とほぼ等しい効率で、ＬＥＤ光源の光を有効に収束光として取り出しているため、従来の凸型形状の球面レンズに較べ極めて低損失になると考えられる。
【００３５】
図５は、本発明の第１の実施例に係るバルク型レンズと従来の凸形状の球面レンズとで平行光を作成した場合の特性を比較するための測定系を示す図である。
図５（Ａ）は、本発明の第１の実施例に係るバルク型レンズ２０を用いた場合の、光軸方向に対して垂直方向に光強度（照度）分布を測るための測定系を示す模式図である。バルク型レンズ２０の出射面からの出力光の強度（照度）を、ＬＥＤ１からの測定距離ｘ＝一定とし、照度計１０２をｙ軸方向に移動して測定する。測定距離（ｘ）は、光軸方向に測る。一方、図５（Ｂ）は、同様な測定を従来の両凸レンズを用いて行うことを示す図である。
【００３６】
図５（Ａ）及び（Ｂ）に示す測定においては、本発明の第１の実施例に係るバルク型レンズ２０の外径は３０ｍｍφとし、比較に用いた両凸レンズ１０１の外径は、この２倍強の６３ｍｍφとした。両凸レンズ１０１は、焦点距離１５０ｍｍのものを用い、ＬＥＤ１からｘ方向に１５０ｍｍの位置に配置した。また、ＬＥＤ光源１の発散角は約１２度のものを使用した。
【００３７】
図６は、本発明の第１の実施例に係るバルク型レンズと従来の凸形状の球面レンズとで平行光を作成した場合の特性を比較した図であり、本発明のバルク型レンズ２０、従来の薄型レンズ（両凸レンズ）１０１、及びバルク型レンズを用いない裸のＬＥＤのそれぞれの出力光のｙ方向に沿った強度（照度）分布を、測定距離ｘ＝１ｍにおいて測定した場合の結果を示す。本発明の第１の実施の形態に係るバルク型レンズ２０が、従来の薄型レンズ（両凸レンズ）１０１の２倍の照度が得られている。
この結果は、本発明のバルク型レンズが従来の光学系では実現できない効果を有することを示している。
【００３８】
図７は、本発明の第１の実施例に係るバルク型レンズと従来の凸形状の球面レンズとで作成した平行光の平行度を評価した図である。
図５と同様にｙ方向に沿った強度（照度）分布を、測定距離ｘを変化させて測定したデータをまとめたものである。図の横軸は、測定距離ｘの逆数の２乗、即ち１／ｘ2 を示し、縦軸は測定距離ｘにおける最大強度（ピーク強度）を示す。図から明らかなように、本発明のバルク型レンズの場合は、逆２乗則、即ち１／ｘ2 を示す線上にきれいに測定点がプロットされる。一方、従来の薄型レンズ（両凸レンズ）１０１の場合は、逆２乗則からずれていることがわかる。
この結果は、本発明の第１の実施例に係るバルク型レンズ２０は、平行度においても十分であり、従来のレンズ系に較べ、勝るとも劣らない性能を実現できることを示している。
【００３９】
図８は本発明の第１の実施例に係るバルク型レンズの幾何学的構造と集光率の関係を示す図である。ここで「集光率」とは、「バルク型レンズからの±１°以内の発散角における出力光の光量」を、「光源（ＬＥＤ）からの±１２°以内の発散角における光量」で除した量で定義している。すなわち光線ビーム径に対応する量である。頂部３の曲率半径Ｒ、バルク型レンズの全長Ｌ、媒体長（頂部と天井部のレンズ間距離）Ｄ、収納部内径（凹部の内周部系）ｒ、天井部２の曲率部分長さΔをパラメータとして、集光率を測定した。尚ここで、Δの符号は図１に示すように、天井部２が凹である場合を負とし、凸の場合を正と定義する。  図９は、作成した本発明のバルク型レンズの幾何学的構造を示す図である。図８から、集光率を向上するためには、
０．９３  ＜  ｋ（Ｒ／Ｌ）  ＜１．０６      ・・・・・ （２）
ｋ  ＝  １／（０．３５・ ｎ  −０．１６８）  ・・・・・ （３）
を満足することが好ましいことが実験的にわかる。ここで、ｎは、バルク型レンズの材料である光学媒質の屈折率である。なお、バルク型レンズ２０の円柱形状部分の半径Ｒｏと、頂部３の曲率半径をＲとは、必ずしも等しい必要はない。
【００４０】
次に、本発明のバルク型レンズの第２の実施例を説明する。
図１０は、天井部２を凸形状にした本発明のバルク型レンズの構造を示す図である。図１０において、バルク型レンズ２２は、天井部２の形状が異なる外は、図１に示したバルクレンズ２０と同等である。測定に用いたバルク型レンズ２２の円柱形状部分の外径２Ｒｏは１５ｍｍφ、バルク型レンズの全長Ｌは、２５ｍｍ、頂部と天井部のレンズ間距離Ｄは１６ｍｍ、収納部６の内径ｒは５．２ｍｍ、バルク型レンズの屈折率ｎは１．５４である。このバルク型レンズの頂部３の曲率半径Ｒは８．２５ｍｍである。又、測定に用いた樹脂モールドされたＬＥＤ１の外径は５ｍｍφである。
【００４１】
図１１（Ａ）〜（Ｃ）及び図１２（Ａ）〜（Ｃ）は、天井部２の凸部の高さΔと、ビーム強度プロファイルとの関係を示す図である。光源からの距離ｘ＝１ｍで照度を測定した。
図から明らかなように、天井部２を凸形状のレンズとしても集光特性が得られることがわかる。
【００４２】
このようにして、本発明の第１及び第２の実施例に係る発光体によれば、樹脂モールドされたＬＥＤ１の数を多数必要とすることなく、照明に寄与する光ビームとして所望の照射面積の光束を確保し、且つ所望の照度を簡単に得ることが出来る。この照度は従来公知のレンズ等の光学系では達成不可能な照度である。驚くことに、現在市販されているハロゲンランプを用いた細身の懐中電灯と同程度の照度がたった１個のＬＥＤで実現出来たのである。このように、本発明の第１の実施例に係る発光体によれば、従来の技術では実現できない照度を、図１に示すような簡単な構造で実現できる。
【００４３】
なお、本発明の第１及び第２の実施例に係る発光体に用いる樹脂モールドされたＬＥＤ１としては、種々の色（波長）のＬＥＤが使用可能である。但し、懐中電灯のような照明目的のためには、白色ＬＥＤが人間の目には自然であるので好ましい。白色ＬＥＤは種々の構造のものが使用出来る。例えば、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）及び青（Ｂ）の３個のＬＥＤチップを縦に積層して構成しても良い。この場合、樹脂モールド１４から、それぞれの色のＬＥＤチップに対応し、合計６本のピンが導出されても良く、樹脂モールド１４の内部配線として、６本のピンを２本にまとめ、外部ピンとしては２本設けられた構造としてもかまわない。又、一方の電極（接地電極）を共通とすれば、外部ピンは４本でよい。又、赤（Ｒ）色、緑（Ｇ）色及び青（Ｂ）色の３枚のＬＥＤチップの駆動電圧を互いに独立に制御出来るようにしておけば、あらゆる色の混合が可能であるので、色合いの変化を楽しむことが可能である。
【００４４】
本発明の第１及び第２の実施例に係る発光体に用いるバルク型レンズ２０としては、アクリル樹脂等の透明プラスチック材料、石英ガラス、ソーダ石灰ガラス、ホウケイ酸ガラス、鉛ガラス等の種々のガラス材料等が使用可能である。或いは、ＺｎＯ、ＺｎＳ、ＳｉＣ等の結晶性材料を用いてもかまわない。又、可とう性、屈曲性や伸縮性のあるゾル、ゲル、ゾル・ゲル混合物、或いは透明ゴムのような材料でもかまわない。また、ゾル、ゲル、ゾル・ゲル混合物等を、透明ゴムやフレキシブルな透明プラスチック材料等に格納して用いても良い。アクリル樹脂等の透明プラスチック材料等は、バルク型レンズ２０を大量生産するのに好適な材料である。即ち、一度金型を作り、この金型により成形加工すればバルク型レンズ２０が簡単に大量生産出来る。
【００４５】
次に、第１及び第２の実施例の変形例について説明する。
第１及び第２の実施例の変形例における本発明のバルク型レンズは、端面放射型ＬＥＤのように、ＬＥＤチップの側面から発光する光源を使用する場合にも使用できるものである。
端面放射型ＬＥＤはＬＥＤチップの側面から発光するものであり、そのため、上記実施例１及び２のバルク型レンズにこのＬＥＤチップを装着した場合には、バルク型レンズの内周部５に垂直に入射する成分が多くなるため、全反射されずにバルク型レンズの外部に散逸する光が多くなる。
第１及び第２の実施例の変形例のバルク型レンズはこのような光源に対しても、極めて低損失で収束光を得ることができる。
【００４６】
図１３は、本発明のバルク型レンズの内周部５と外周部９とが傾きを有する場合の光線の光路を示す図である。
図において、光源の発散角をθd 、内周部５と外周部９との傾き角をφ、外周部９の全反射角をθt 、内周部５における光線の入射角、屈折角をθ1 及びθ2 、そしてバルク型レンズの光学媒質の屈折率、収納部（凹部）６の屈折率をｎ2 及びｎ1 とする。図は、光源の最大出射角、すなわち、発散角の光線が傾き角をφにより、全反射条件を満たし、全反射されている状態を表している。
内周部５において、スネルの屈折の法則より、θ1 とθ2 の間には、
ｓｉｎθ1 ／ｓｉｎθ2 ＝ｎ2 ／ｎ1               （４）
が成り立ち、また、図から明らかなように、θt 、φ、θ2 の間には、
θt ＝φ＋θ2                                   （５）
が成り立つ。また、図から明らかなように、θd 、θ1 、φの間には、
θd ＝９０°−（θ1 ＋φ）                      （６）
の関係が成り立つ。上記（４）、（５）、（６）式よりθ1 とθ2 を消去すると、バルク型レンズが全反射角θt を有し、光源の発散角がθd である場合の、全反射するために必要な傾き角φを与える関係式として、
ｓｉｎ-1｛ｎ1 ／ｎ2 ｃｏｓ（θd ＋φ）｝＝θt   （７）
が得られる。すなわち、（７）式を満たす傾き角φ以上で内周部５と外周部９が傾いていれば、たとえ、内周部５に垂直に光が入射する場合（θd ＝９０°）でも全反射され、頂部３へ、あるいは底面７で反射して頂部３へ導かれるから、収束光を得ることができる。
【００４７】
図１４は、上記のバルク型レンズの構成を示す図である。
図１４（Ａ）は、バルク型レンズ２０の内周部５の表面に微細な凹凸を設けた例を示している。この凹凸は少なくとも（７）式を満足するφ以上の傾き角を有しており、また、この凹凸の大きさは光波長程度でよい。また、この凹凸は、内周部５の光源近傍に設けるだけでよい。
このような凹凸は、適切な粒径の研磨剤を用いて、内周部５の表面を磨くことによって簡単に形成できる。
図１４（Ｂ）は、ほぼ真横方向に出射した光線がバルク型レンズ内を全反射して、又は底面７で反射してかつ側壁で全反射して、頂部３に導かれる様子を示している。このように、例えば、端面発光ＬＥＤのようにほとんどの出射光がチップの側面から出射するようなＬＥＤを使用する場合においても、全ての出射光を収束できる。
さらにまた、レンズ部と光源を収納する収納部とが一体で形成されているため、従来のレンズ系では必要であったレンズと光源を光学的位置合わせをして保持する保持部を必要とせず、また、光学的位置合わせ工程を必要とせず、ただ光源にかぶせるだけでよいので、極めて低コストである。
【００４８】
次に、第３の実施例について説明する。
図１３は光ファイバを光源とした本発明のバルク型レンズの構成を示す図である。図において、バルク型レンズ２０は図１に示した構成と同じであり、光ファイバ出射端である発光部２３をほぼ完全に覆う構造に構成されている。このバルク型レンズ２０は、頂部３、底部７、内周部５及び外周部９を有するバルク型のレンズ本体４と、この底部７から頂部３に向かってレンズ本体４の内部に設けられた井戸型の凹部６とから構成されている。レンズ本体４の内部に設けられた、凹部６の天井部が第１のレンズ面（入射面）２、レンズ本体の頂部が第２のレンズ面（出射面）３、凹部の内部が光源１の収納部６として機能する。
【００４９】
図１５に示す光ファイバ束８０２３は、複数の光ファイバ８０２３ａ，８０２３ｂ，８０２３ｃ，・・・・・ の集合から構成されている。光ファイバ束８０２３を構成する複数の光ファイバ８０２３ａ，８０２３ｂ，８０２３ｃ，・・・・・ はストレート形状でも、撚りが加えられた形状でも良い。又、光ファイバ束８０２３ではなく、単一の光ファイバでも良いことは勿論である。
【００５０】
光ファイバ束８０２３は、例えば、直径（外径）４〜５ｍｍφの円柱形状である。バルク型レンズ２０の収納部６の側壁部は、光ファイバ束８０２３の端部を収納出来るように、直径（内径）４. ５〜６ｍｍφの円筒形状となっている。図示を省略しているが、光ファイバ束８０２３とバルク型レンズ２０の収納部６との間には、光ファイバ束８０２３を固定するため、厚さ０．２５〜０．５ｍｍ程度のスペーサが挿入されている。バルク型レンズ２０は、凸形状のレンズの第２の湾曲面からなる出射面３となる頂部を除けば、円柱形状である。このバルク型レンズ２０の円柱形状部分の直径（外径）は、１０〜３０ｍｍφである。バルク型レンズ２０の直径（外径）は、本発明の第２の実施例に係る発光体の使用目的に応じて選択出来る。従って、１０ｍｍφ以下でも、３０ｍｍφ以上でもかまわない。
【００５１】
本発明の第３の実施例に係る光ファイバ束８０２３は、第１の屈折率ｎ1 を有するクラッド部を有する複数の光ファイバ８０２３ａ，８０２３ｂ，８０２３ｃ，・・・・・ の集合から構成されている。そして、バルク型レンズ２０は、第１の屈折率ｎ1 とは異なる第２の屈折率ｎ0 を有する空気を介して光ファイバ束８０２３の端部を収納している。空気以外の流体若しくは流動体を介して光ファイバ束８０２３の端部を収納部６に収納しても良い。又、バルク型レンズ２０は、第２の屈折率ｎ0 とは異なる第３の屈折率ｎ6 を有するようにすればよい。第１の屈折率ｎ1 、第２の屈折率ｎ0 及び第３の屈折率ｎ6 を、それぞれ最適な値に選定することにより、光ファイバ束８０２３の端部からの光を収束させることも分散させることも可能である。又、バルク型レンズ２０の有する第３の屈折率ｎ6 を次第に大きく、若しくは次第に小さくするようにして光路設計をしても良い。
【００５２】
本発明の第３の実施例においては、上記したように、頂部３及び天井部２からの反射光（迷光）が、バルク型レンズ２０外に散逸することが無く、再度頂部３から収束されて出射していくから、ファイバから出射する光のほとんど全てが有効に使用でき、極めて明るい収束光を得ることができる。
また、バルク型レンズ２０は、レンズと光ファイバの保持部が一体で形成されているから、コストの高い保持部を必要とせず、又、レンズと光ファイバの光学的位置合わせも必要としないので極めて低コストでできる。
この様にして、本発明の第３の実施例に係る発光体によれば、照明に寄与する光ビームとして所望の照射面積を自由に選択出来、且つ所望の照度を簡単に得ることが出来る。
本発明の第３の実施例に係る光ファイバ束８０２３の他方の端部から所定の光を入力するための光源は、必ずしも、半導体発光素子に限られない。なぜなら、白熱球からの光であっても、バルク型レンズ２０の収納部６の内部に収納される光ファイバ束８０２３の端部は低温に維持出来るからである。従って、半導体発光素子以外の光源を用いれば、本発明の第１の実施例に係る発光体の場合のように、ＬＥＤの出力で規定される光束の制限を解除出来るので、極めて明るい照明系を実現出来る。
なお、光ファイバ束８０２３の端部の形状は、図示のものに限られないことは勿論である。
【００５３】
次に、第４の実施例を説明する。
図１６は本発明の第４の実施例に係る発光体を示す模式的な断面図である。図１６に示すように、本発明の第４の実施例に係る発光体は、所定の波長の光を発する光源１と、この光源１をほぼ完全に覆うバルク型レンズ２０とから少なくとも構成されている。そして、このバルク型レンズ２０は、頂部３、底部７、内周部５及び外周部９を有するバルク型のレンズ本体４と、この底部から頂部３に向かってレンズ本体４の内部に設けられた井戸型の凹部６とから構成されている。レンズ本体４の内部に設けられた、凹部６の天井部が第１のレンズ面（入射面）２、レンズ本体の頂部が第２のレンズ面（出射面）３、凹部の内部が光源１の収納部６として機能する。
【００５４】
光源１は、例えば、最大部の直径（外径）２〜３ｍｍφの沃素（Ｉ2 ）タングステンランプ（ハロゲンランプ）、即ち豆ランプ形状の白熱球である。バルク型レンズ２０は、断面が図２０に示すような弾丸型の形状である。バルク型レンズ２０の凹部６の凹部側壁５は、光源（白熱球）１の主発光部を収納出来るように、直径（内径）２. ５〜４ｍｍφの円筒形状となっている。図示を省略しているが、光源１とバルク型レンズ２０とを固定するために、光源１のソケット部とバルク型レンズ２０の凹部６との間には、厚さ１〜２．５ｍｍ程度のスペーサ８が挿入されている（「ソケット部」とは図２０において、光源１の電極リード側（左側）の部位を意味する。）。弾丸型のバルク型レンズ２０の円柱形状部の直径（外径）は、本発明の第３の実施例に係る発光体の使用目的に応じて選択出来る。従って、１０ｍｍφ以下でも、３０ｍｍφ以上でもかまわない。但し、既に述べた（１）式乃至（３）式或いは（６）式等を満足するように、バルク型レンズ２０の幾何学的構造を選ぶのが好ましいことは勿論である。又、本発明の第３の実施例に係るバルク型レンズ２０は、空気の屈折率ｎ０とは異なる屈折率ｎ１を有する。
【００５５】
図１６において、入射面２（天井部）以外の凹部６の内周部７も、有効な光の入射部として機能しえ、最終的には照明に寄与出来る成分となり得る。このように本発明の第３の実施例においては、光源１がバルク型レンズ２０の凹部６にほぼ完全に閉じこめられているので、光源１から発せられる迷光成分も含めて、ほぼすべての出力光が有効に照明に寄与出来るようになる。
【００５６】
このようにして、本発明の第４の実施例に係る発光体によれば、光源１の数を多数必要とすることなく、照明に寄与する光ビームとして所望の照射面積の光束を確保し、且つ所望の照度を簡単に得ることが出来る。この照度は従来公知のレンズ等の光学系では達成不可能な照度である。このように、本発明の第４の実施例に係る発光体によれば、従来の技術では実現できない照度を、簡単な構造で実現出来る。従来の凸レンズを用いた場合は、その直径が、本発明のバルク型レンズ２０の円柱部直径の２倍でも不十分であり３倍程度でもビームの平行性は得られない。即ち、１／３を越える小型化が達成されたことになる。
【００５７】
本発明の第４の実施例に係る発光体に用いるバルク型レンズ２０としては、光源（白熱球）１の発熱を考慮すると、耐熱性光学材料が好ましい。耐熱性光学材料としては、石英ガラス、サファイアガラス等の耐熱ガラスが好ましい。或いはポリサルホン樹脂、ポリエーテルサルホン樹脂、ポリカーボネイト樹脂、ポリエーテルエステルアミド樹脂、メタクリル樹脂、非晶性ポリオレフィン樹脂、パーフルオロアルキル基を有する高分子材料等の耐熱性光学材料が使用可能である。ＳｉＣ等の結晶性材料でも良い。なお、光源１として、ＬＥＤ等の半導体発光素子を用いる場合は、発熱作用を伴わないので、アクリル樹脂等の耐熱性が弱い樹脂を使用することが可能である。
【００５８】
次に、第５の実施例について説明する。
図１７は、裏面からの発光も取り出し可能な本発明のバルク型レンズの構成を示す図である。
例えば、青色ＬＥＤの材料として周知のＧａＮのエピタキシャル成長基板として絶縁性の高いサファイア基板が用いられている。このため、通常はＧａＮ青色ＬＥＤのアノード電極及びカソード電極はともにＧａＮエピタキシャル成長層の表面側から取り出される。このサファイア基板は青色ＬＥＤの波長に対して透明であるため、青色ＬＥＤのパッケージの構造によっては、青色ＬＥＤからの発光は基板の裏面方向からも取り出すことが可能である。しかし、上記実施例で説明したバルク型レンズでは基板の裏面方向からの発光を積極的に利用する構造の配慮がない。この実施例では、裏面からの発光も取り出しを可能としている。
【００５９】
図に示すように、本発明の第５の実施例に係る発光体は、半導体発光素子１とバルク型レンズ２５とから構成されている。そして、このバルク型レンズ２５は、頂部３、頂部に対向した底部７、内周部５及び外周部を有するバルク型のレンズ本体４と、この底部から頂部３に向かってレンズ本体４の内部に設けられた井戸型の凹部６とから構成されている。レンズ本体４の内部に設けられた、凹部６の天井部が第１のレンズ面（入射面）２、レンズ本体の頂部が第２のレンズ面（出射面）３、凹部の内部が光源１の収納部６として機能する。
そして、レンズ本体４の底部には、背面鏡３１が形成されている。背面鏡３１は、バルク型レンズ２５の側面の一部にまで延長されて形成されている。図では背面鏡３１は、バルク型レンズ２５の側面の一部を被覆しているが、バルク型レンズ２５の側面のほぼ全面を被覆するように形成してもかまわない。背面鏡３１は、Ａｌ、真鍮、ステンレス等の金属を図１７（Ａ）及び図１７（Ｂ）に示す形状に旋盤・フライス盤等を用いて研削加工、若しくはプレス加工機等により成型加工し、その後、その表面を研磨して構成すればよい。更に、これらの表面にニッケル（Ｎｉ）鍍金や金（Ａｕ）鍍金を施せば反射率が向上するので好ましい。安価、且つ簡便な方法としては、Ａｌ薄膜等の反射率の高い金属薄膜を接着した構造でもかまわない。或いは、熱可塑性樹脂を押出成形若しくは射出成形により図に示す形状に加工し、この表面にＡｌ箔等の反射率の高い金属薄膜や誘電体多層膜を真空蒸着やスパッタリングで堆積した構造、若しくは高反射性ポリエステル白色フィルム等を接着した構造でもかまわない。更に、バルク型レンズ２５の底部に反射率の高い金属薄膜や誘電体多層膜を真空蒸着やスパッタリングで直接堆積した構造や、反射率の高い金属薄膜を鍍金により形成した構造やこれらの複合膜でも、背面鏡３１を構成できる。この場合、５０ｎｍ〜２０μｍ程度の種々の厚さの薄膜を、背面鏡３１として使用できる。
【００６０】
図１７の半導体発光素子１は、第１のピン１１に接続された支持リングの中空部にはめ込まれ、その端部を固定されて配置されたＬＥＤチップ１３と、このＬＥＤチップ１３を被覆する樹脂モールド１４と、第１のピン１１と対をなす第２のピン１２とから少なくとも構成された封止ＬＥＤ１である。背面鏡３１には、第１のピン１１及び第２のピン１２を貫通させる穴があいており、背面鏡３１に第１のピン１１と第２のピン１２とを電気的に短絡しないように考慮している。第１のピン１１に接続された支持リングの中央部は中空であるため、ＬＥＤチップ１３からの発光はＬＥＤチップ１３の裏面方向（図１７（Ａ）及び図１７（Ｂ）において右方向）からも取り出される両面発光構造をなしている。支持リングは完全に閉じたリングである必要はなく、Ｃ字型、コの字型等の閉じないリングでもよい。要はＬＥＤチップ１３の端面の一部を固定出来る構造であればよい。この封止ＬＥＤ１の頂部は、図１７（Ａ）及び図１７（Ｂ）に示すように、凸形状の湾曲面を有している。この様に樹脂モールド１４の頂部近傍が凸形状の湾曲面をなすことにより、ＬＥＤチップ１３から左方向（表方向）に出力する光は、所定の発散角で指向性を有して出力される。一方、ＬＥＤチップ１３から右方向（裏方向）に出力する光は背面鏡３１で反射され、ＬＥＤチップ１３の表面から左方向に出力される。結局、ＬＥＤチップ１３の右方向（裏方向）に出力する光も、頂部近傍が凸形状の湾曲面により所定の発散角が与えられる。
【００６１】
凸形状の湾曲面部を除けば、封止ＬＥＤ１は、例えば直径（外径）２〜３ｍｍφの円柱形状である。バルク型レンズ２５の凹部の側壁部は、封止ＬＥＤ１を収納出来るように直径（内径）２. ５〜４ｍｍφの円筒形状となっている。図１７（Ｂ）及び図１８に示すように、封止ＬＥＤ１は頭部がカップ形状のＬＥＤホルダ１６に固定され、ＬＥＤホルダ１６を介して、封止ＬＥＤ１とバルク型レンズ２５とが互いに固定されている。ＬＥＤホルダ１６は電気的に絶縁性が高く、光学的に透明な材料で構成すればよい。ＬＥＤホルダ１６の封止ＬＥＤ１とバルク型レンズ２５の凹部との間に位置するカップ形状の部分の肉厚は、例えば、０．２５〜０．５ｍｍ程度である。そして、バルク型レンズ２５は、ほぼ封止ＬＥＤ１と相似な円柱形状である。このバルク型レンズ２５の円柱形状部分の直径（外径）は１０〜３０ｍｍφである。バルク型レンズ２５の直径（外径）は、本発明の第４の実施例に係る発光体の使用目的に応じて選択出来る。従って、１０ｍｍφ以下でも３０ｍｍφ以上でもかまわない。但し、既に述べた（１）式乃至（３）式或いは（６）式等を満足するように、バルク型レンズ２０の幾何学的構造を選ぶのが好ましいことは勿論である。
【００６２】
図１８はＬＥＤホルダの構成例を示す図である。
ＬＥＤホルダ１６は、例えば図に示すように、背面鏡３１と一体で構成し、この背面鏡一体型ＬＥＤホルダ１６に封止ＬＥＤ１を差し込むようにすれば、本発明の第５の実施例に係る発光体の組み立て工程が簡略化できる。図に示す背面鏡一体型ＬＥＤホルダ１６において、中央部のＬＥＤホルダ１６に、第１のピン１１及び第２のピン１２を通す２本の貫通孔が設けられている。貫通孔は、前述の背面鏡３１に設けられた貫通孔に連続している。そして、この２本の貫通孔に、第１のピン１１及び第２のピン１２を差し込むことにより、ＬＥＤホルダ１６に封止ＬＥＤ１が固定される。ＬＥＤホルダ１６は、封止ＬＥＤ１の屈折率ｎ１と同じ屈折率を有するエポキシ樹脂等の透明材料、若しくはバルク型レンズ２５の屈折率ｎ２と同じ屈折率を有する透明材料等で構成すればよい。或いは、屈折率ｎ１及び屈折率ｎ２のいずれとも異なる屈折率を有する透明材料で構成してもよい。いずれにしても、封止ＬＥＤ１から発せられる光の波長に対して透明な光学材料で、ＬＥＤホルダ１６を構成すればよい。バルク型レンズ２５としては、透明プラスチック材料、ガラス材料、結晶性材料等が使用可能で、有色の樹脂や蛍光材料を含んだ樹脂等も使用可能である。この内、アクリル樹脂やポリ塩化ビニル樹脂等の熱可塑性樹脂は、バルク型レンズ２５を大量生産するのに好適な材料である。即ち、一度金型を作り、この金型により押出成形若しくは射出成形すればバルク型レンズ２５が簡単に大量生産出来る。
【００６３】
一般の封止ＬＥＤにおいては、樹脂モールド１４の凸形状の湾曲面以外の所から出る光は、いわゆる迷光成分となり、照明には寄与しない。しかし、本発明の第４の実施例においては、封止ＬＥＤ１がバルク型レンズ２５の凹部にほぼ完全に閉じこめられ、バルク型レンズ２５の底部には、背面鏡３１が配置されているので、これらの迷光成分がすべて最終的には発光面となる頂部から出力可能である。従って、すべての迷光成分が有効に照明に寄与出来るようになる。即ち、凹部に着目すれば、天井部以外の凹部の内壁部７も上記原理（ｂ）により有効な光の入射部として機能し、内壁部７を透過した迷光成分は背面鏡３１で反射され、最終的には発光面側から出力可能である。又、封止ＬＥＤ１とバルク型レンズ２５の凹部との間にはそれぞれの界面で反射した光の成分が種々の方向に多重反射し、迷光成分となっている。従来公知のレンズ等の光学系では、これらの迷光成分は照明に寄与出来るように取り出すことは出来ない。しかし、これらの迷光成分も、本発明の第５の実施例においては、上記原理（ｃ）及び（ｄ）に加えて、背面鏡３１により内部で反射し、発光面となる頂部側に導かれる。この結果、これらの迷光成分がすべて最終的には発光面から出力される。
【００６４】
この結果、樹脂モールド１４の形状等の光の取り出し効率や、光学系相互の反射成分等に依存せず、内部量子効率とほぼ等しい効率で、潜在的なＬＥＤチップ１３の光エネルギを有効に取り出すことが可能となる。
このようにして、本発明の第５の実施例に係る発光体によれば、封止ＬＥＤ１の数を多数必要とすることなく、照明に寄与する光ビームとして所望の照射面積の光束を確保し、且つ所望の照度を簡単に得ることが出来る。この照度は従来公知のレンズ等の光学系では達成不可能な照度である。このため、現在市販されているハロゲンランプを用いた細身の懐中電灯と同程度の照度がたった１個のＬＥＤで実現出来る。このように、本発明の第４の実施例に係る発光体によれば、従来の技術常識では全く予測出来ない照度を、図１７に示すような簡単な構造で、実現出来る。
【００６５】
なお、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）及び青（Ｂ）の３個のＬＥＤチップを積層した場合には、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）及び青（Ｂ）のそれぞれの発光強度を調整し、混合することにより、可視光帯スペクトルのすべての色を出現出来る。この場合、実際には、製造工程上のばらつきにより色むらが発生する場合があるが、背面鏡３１で赤（Ｒ）、緑（Ｇ）及び青（Ｂ）のＬＥＤチップからの光をそれぞれ反射し混合することにより、各色のバランスを取り色むらを解消出来る利点を有する。
【００６６】
次に、第６の実施例を説明する。
図２０は、複数のＬＥＤ光源を有する本発明の発光体の構成を示す図である。
図に示すように、本発明の第６の実施例に係る発光体は、所定の波長の光を発する複数のダイオードチップ８１，８２，８３，８４，・・・・・ と、この複数のダイオードチップ８１，８２，８３，８４，・・・・・ をほぼ完全に収納するバルク型レンズ２０とから少なくとも構成されている。具体的には、ダイオードチップ８１，８２，８３，８４，・・・・・ は、それぞれディスク型のパッケージにモールドされている（以下、これらディスク型のパッケージにモールドされたＬＥＤチップ８１，８２，８３，８４，・・・・・ を「ディスク型ＬＥＤ８１，８２，８３，８４，・・・・・ 」と言う。）。そして、このバルク型レンズ２０は、入射面２と、入射面２から入射した光を出射する出射面３と、入射面２と出射面３とを接続し、複数のダイオードチップから発せられた光の波長に対して透明な材料からなるレンズ本体とを有する。図に示すように、バルク型レンズ２０は、円筒型の側面と、半球状の頂部からなる弾丸型の形状を有している。更に、この弾丸型のバルク型レンズ２０はディスク型ＬＥＤ８１，８２，８３，８４，・・・・・ を収納するための凹部を、天井部に有している。この凹部は、上記の入射面２とこの入射面２に連続して形成された側壁部とから構成されている。即ち、凹部の天井部が上記の入射面２として機能している。図において、凹部は円筒型の側面と、半球状の天井部からなる弾丸型の形状で構成されている。凹部の側面を構成する円筒の内径は２ｍｍ〜６．５ｍｍφ程度とすることが出来る。一方、バルク型レンズ２０の側面を構成する円筒の外径は、１０ｍｍ〜５０ｍｍφ程度に選ぶことが可能である。バルク型レンズ２０の側面を構成する円筒の外径２Ｒｏと、凹部の側面を構成する円筒の内径ｒとの差即ち肉厚は、凹部の側面を構成する円筒の内径ｒと同程度、若しくはその２〜３倍程度、若しくはこれ以上に選べばよい。より好ましくは、既に述べた（１）式乃至（３）式或いは（６）式等を満足するように、バルク型レンズ２０の幾何学的構造を選ぶ必要があることは勿論である。
【００６７】
図２０の複数のディスク型ＬＥＤ８１，８２，８３，８４，・・・・・ は、弾丸型に成形されたフィルム基板３３の上に配置されている。図において、凹部の天井部となる入射面２と複数のディスク型ＬＥＤ８１，８２，８３，８４，・・・・・ との間にギャップが存在するかのように示されているが、複数のディスク型ＬＥＤ８１，８２，８３，８４，・・・・・ は、入射面２に密着するように配置するのがより明るい発光を得る上で好ましい。フィルム基板３３は、フレキシブルな有機材料を用いることが可能である。例えば、厚さが、２５μｍ乃至５０μｍ程度の薄いポリエチレン・テレフタレート（ＰＥＴ）薄膜やポリイミド薄膜等をフィルム基板３３の材料として用いることが可能である。フィルム基板３３の表面には、図に示すような、厚さ５μｍ乃至１５μｍ程度のアルミニウム（Ａｌ）配線２２１，２２２，２２３，２２４，２２５，・・・・・ がパターニングされている。Ａｌ配線２２１，２２２，２２３，・・・・・ は、Ａｌ薄膜を、フィルム基板３３全面に堆積後、エッチング法によりパターニングすれば良い。Ａｌ配線２２１，２２２，２２３，・・・・・ は、スクリーン印刷法を用いてパターニングしても良い。このＡｌ配線２２１，２２２，２２３，・・・・・ のパターニングにより、フィルム基板３３の表面の所定の箇所に、周期的に、フィルム基板３３が露出した開口部が形成される。この開口部は、ディスク型ＬＥＤ２０１，２０２，２０３，・・・・・ 搭載用の矩形の窓部である。ディスク型ＬＥＤ２０１，２０２，２０３，・・・・・ は図に示すように、セラミックパッケージ３１１，３１２，３１３，３１４，・・・・の内部にそれぞれＬＥＤチップ３０１，３０２，３０３，３０４，・・・・・ が配置されている。ディスク型ＬＥＤ２０１，２０２，２０３，・・・・・ と、Ａｌ配線２２１，２２２，２２３，・・・・・ とは、半田２１１ａ，２１１ｂ，２１２ａ，２１２ｂ，２１３ａ，２１３ｂ，・・・・・ で互いに接続される。そして、Ａｌ配線２２１，２２２，２２３，・・・・・ の両端はそれぞれ第１のピン１１及び第２のピン１２に接続されている。図に示すように、複数のディスク型ＬＥＤ８１，８２，８３，８４，・・・・・ は、バルク型レンズ２０の凹部の内部において、樹脂１４によりモールドされている。
【００６８】
本発明の第６の実施例においては、複数のディスク型ＬＥＤ８１，８２，８３，８４，・・・・・ がバルク型レンズ２０の凹部にほぼ完全に閉じこめられているので、迷光成分を含めて半導体チップから発光されるあらゆる出力光成分が有効に照明に寄与出来るようになる。即ち、入射面２（天井部）以外の凹部の内壁部も、上記原理（ｂ）により有効な光の入射部として機能し得るのである。又、複数のディスク型ＬＥＤ８１，８２，８３，８４，・・・・・ とバルク型レンズ２０の凹部との間にはそれぞれの界面で反射した光の成分が多重反射し、迷光成分となっている。従来公知のレンズ等の光学系では、これらの迷光成分は、照明に寄与出来るように取り出すことは出来ない。しかし、これらの迷光成分も、本発明の第６の実施例においては、上記原理（ｃ）及び（ｄ）により、最終的には、照明に寄与出来る成分となり得る。この結果、樹脂モールド（樹脂封止体）１４の形状等の光の取り出し効率や、光学系相互の反射成分等に依存せず、内部量子効率とほぼ等しい効率で、潜在的な複数のディスク型ＬＥＤ８１，８２，８３，８４，・・・・・ の光エネルギを有効に取り出すことが可能となる。
【００６９】
この様にして、本発明の第６の実施例に係る発光体によれば、複数のディスク型ＬＥＤ８１，８２，８３，８４，・・・・・ の数を多数必要とすることなく、照明に寄与する光ビームとして所望の照射面積の光束を確保し、且つ所望の照度を簡単に得ることが出来る。この照度は従来公知のレンズ等の光学系では達成不可能な照度である。
なお、本発明の第６の実施例に係る発光体に用いる複数のディスク型ＬＥＤ８１，８２，８３，８４，・・・・・ としては、種々の色（波長）のＬＥＤが使用可能である。但し、懐中電灯のような照明目的のためには、第１の実施例で述べたような白色ＬＥＤが人間の目には自然であろう。即ち、この白色ＬＥＤを、図２０（Ａ）及び図２０（Ｂ）に示す複数のディスク型ＬＥＤ８１，８２，８３，８４，・・・・・ として用い、この白色複数のディスク型ＬＥＤ８１，８２，８３，８４，・・・・・ に対して所定電圧が印加出来るように電池ケースとこの電池ケースの中の電池（例えば単３電池）を収納すれば、ペンタイプの細身の懐中電灯（携帯用照明器具）が完成する。この電池の陽極及び陰極にそれぞれ、複数のディスク型ＬＥＤ８１，８２，８３，８４，・・・・・ の電極を接続する構造とすれば良い。この結果、簡単な構造で、製造単価の低い懐中電灯（携帯用照明器具）が提供出来る。この懐中電灯（携帯用照明器具）は長期間に渡る安定性と信頼性に優れ、特に、電力消費量が少ないため電池の寿命が長い。
【００７０】
本発明の第６の実施例に係る発光体に用いるバルク型レンズ２０としては、第１の実施例で述べたガラス材料、透明プラスチック材料、結晶性材料等が使用可能である。この内、アクリル樹脂等の透明プラスチック材料等は、バルク型レンズ２０を大量生産するのに好適な材料である。即ち、一度金型を作り、この金型により成形加工すればバルク型レンズ２０が簡単に大量生産出来る。
【００７１】
図２１は、本発明の複数の光源を有する発光体の電源回路を示す図である。
複数のディスク型ＬＥＤ８１，８２，８３，８４，・・・・・ は、図に示すように直列接続しても良く、並列接続しても良い。直列接続の場合は、電流制限回路８１２を駆動回路８１１と共に直列接続し、複数のディスク型ＬＥＤ８１，８２，８３，８４，・・・・・ に過剰な電流が流れないようにすれば良い。並列接続の場合は、それぞれのＬＥＤ、即ちＤ１，Ｄ２，・・・・・・, Ｄｎ−１, Ｄｎに直列に電流制限抵抗Ｒ１，Ｒ２，・・・・・ ，Ｒｎ−１，Ｒｎに接続し、駆動回路８１１を経由して電源電圧を供給すれば良い。
【００７２】
窒化ガリウム（ＧａＮ）系半導体材料のエピタキシャル成長基板として絶縁性の高いサファイア基板が用いられている。このため、通常は青色ＬＥＤのアノード電極及びカソード電極はともにＧａＮ系半導体材料のエピタキシャル成長層の表面側から取り出される。このサファイア基板は青色ＬＥＤの波長に対して透明であるため、青色ＬＥＤを搭載するディスク型パッケージの底部に透明材料を用いる等の所定の光学的設計をすれば、青色ＬＥＤからの発光は基板の裏面方向からも取り出すことが可能である。
【００７３】
図２２は、本発明の背面鏡を備えた複数の光源を有する発光体の構成を示す図である。
図に示すように、バルク型レンズ２５の底部に、背面鏡３１を配置するのが好ましい。図では、背面鏡３１は、バルク型レンズ２５の側面のほぼ全面を被覆しているが、バルク型レンズ２５の側面の一部のみ被覆するように形成してもかまわないし、側面部への形成は省略しても良い。背面鏡３１は、Ａｌ、真鍮、ステンレス等の金属を図に示す形状に旋盤・フライス盤等を用いて研削加工、若しくはプレス加工機等により成型加工し、その後、その表面を研磨して構成すれば良い。更に、これらの表面にニッケル（Ｎｉ）鍍金や金（Ａｕ）鍍金を施せば反射率が向上するので好ましい。安価、且つ簡便な方法としては、Ａｌ薄膜等の反射率の高い金属薄膜を接着した構造でもかまわない。或いは、熱可塑性樹脂を押出成形若しくは射出成形により図に示す形状に加工し、この表面にＡｌ箔等の反射率の高い金属薄膜や誘電体多層膜を真空蒸着やスパッタリングで堆積した構造、若しくは高反射性ポリエステル白色フィルム等を接着した構造でもかまわない。更に、バルク型レンズ２５の底部に反射率の高い金属薄膜や誘電体多層膜を真空蒸着やスパッタリングで直接堆積した構造や、反射率の高い金属薄膜を鍍金により形成した構造やこれらの複合膜でもかまわない。
【００７４】
図２２の複数のディスク型ＬＥＤ８１，８２，８３，８４，・・・・・ は、フィルム基板３３に搭載され、図２０と同様に、Ａｌ配線により、第１のピン１１及び第２のピン１２に接続されている。図２２において、凹部の天井部となる入射面２と複数のディスク型ＬＥＤ８１，８２，８３，８４，・・・・・ との間にギャップが存在するかのように示されているが、複数のディスク型ＬＥＤ８１，８２，８３，８４，・・・・・ は、入射面２に密着するように配置するのが、より明るい発光を得る上で好ましい。背面鏡３１には、第１のピン１１及び第２のピン１２を貫通させる穴があいており、背面鏡３１に第１のピン１１と第２のピン１２とを電気的に短絡しないように考慮している。弾丸型に成形されたフィルム基板３３を透明材料で構成し、弾丸型フィルム基板３３の内部に充填される樹脂１４も透明材料を用いれば、複数のディスク型ＬＥＤ８１，８２，８３，８４，・・・・・ からの発光は裏面方向にも進む。この複数のディスク型ＬＥＤ８１，８２，８３，８４，・・・・・ から裏方向に出力する光は、背面鏡３１で反射され、複数のディスク型ＬＥＤ８１，８２，８３，８４，・・・・・ の表面から左方向に出力される。結局、複数のディスク型ＬＥＤ８１，８２，８３，８４，・・・・・ の裏方向に出力する光も、表面方向にも進む光と合成され、出射面３により所定の発散角が与えられる。この様に、本発明の第６の実施例においては、複数のディスク型ＬＥＤ８１，８２，８３，８４，・・・・・ がバルク型レンズ２５の凹部にほぼ完全に閉じこめられ、バルク型レンズ２５の底部には、背面鏡３１が配置されているので、これらの迷光成分がすべて最終的には発光面となる頂部から出力可能である。従って、ほぼすべての迷光成分が、有効に照明に寄与出来るようになる。即ち、凹部に着目すれば、入射面２以外の凹部の内壁部も、有効な光の入射部として機能し、内壁部を透過した迷光成分は、背面鏡３１で反射され、最終的には発光面側から出力可能である。又、複数のディスク型ＬＥＤ８１，８２，８３，８４，・・・・・ とバルク型レンズ２５の凹部との間にはそれぞれの界面で多重反射した成分も、凹部の内部に閉じこめられ、背面鏡３１により内部で反射し、発光面となる頂部側に導かれる。この結果、これらの多重反射成分がほとんどすべて最終的には発光面から出力される。
【００７５】
このようにして、本発明の第６の実施例に係る発光体によれば、複数のディスク型ＬＥＤ８１，８２，８３，８４，・・・・・ の数を、極度に多数必要とすることなく、照明に寄与する光ビームとして所望の照射面積の光束を確保し、且つ所望の照度を簡単に得ることが出来る。この照度は従来公知のレンズ等の光学系では達成不可能な照度である。
【００７６】
次に、第７の実施例について説明する。
本発明の第６の実施例に係る発光体では、複数のダイオードチップ８１，８２，８３，８４，・・・・・ がそれぞれディスク型のパッケージにモールドされた場合を説明したが、ベアチップの状態で、弾丸型に成形されたフィルム基板３３の上に配置してもかまわない。ベアチップの方が、より密接した状態で配置出来るので好ましい。
図２３及び図２４は、本発明の複数のベアチップを光源とする発光体の構造を示す図である。
本発明の第７の実施例に係る発光体においては、図２３及び図２４に示すように、複数のベアチップの状態のＬＥＤ８１，８２，８３，８４，・・・・・ を弾丸型に成形されたフィルム基板３３の上に固定する。バルク型レンズ２５の構造は、本発明の第６の実施例に係る発光体で示した構造と同一であるので、その説明を省略する。
【００７７】
ＬＥＤチップは、図２３に示すように、サファイア（Ａｌ2 Ｏ3 ）基板４０１の上にバッファ層（図示省略）を介して積層されたｎ型半導体層４０２、活性層４０３，ｐ型半導体層４０４から構成されている。サファイア（Ａｌ2 Ｏ3 ）基板４０１は、接着剤５０２によりフィルム基板３３に固定されている。アノード電極４０５は、ｐ型半導体層４０４の上面のほぼ全面に形成することが出来る。アノード電極４０５とｐ型半導体層４０４とのオーミックコンタクト特性の改善のためには、アノード電極４０５とｐ型半導体層４０４の間にＧａＮ系ｐ型半導体からなるコンタクト層（図示省略）を形成することが好ましい。アノード電極４０５は、活性層４０３の発光に対して透明な電極層で構成すれば良い。具体的には、錫（Ｓｎ）をドープした酸化インジウム（ＩＴＯ）や酸化錫（ＳｎＯ2 ）のような金属酸化物等が好ましい。或いは金属を十分薄く形成して透明電極層４０５として用いても良い。もう一方の電極層であるカソード電極４０６は特に透明である必要はない。アノード電極４０５の一部にボンディングパッド部が設けられ、このボンディングパッド部に銅（Ｃｕ）箔からなるビームリード５１２が接続されている。カソード電極４０６も同様に、銅箔からなるビームリード５１１が接続されている。ビームリード５１１，５１２はそれぞれ導電性の接着剤層５０１によりＡｌ配線２２１，２２２に接続されている。
【００７８】
ＬＥＤチップは、図２４に示すように半田ボール４１１，４１２を用いてフリップチップで実装してもかまわない。図２４において、アノード電極４０５は半田ボール４１１を用いてＡｌ配線２２１に接続され、カソード電極４０６は半田ボール４１２を用いてＡｌ配線２２２に接続されている。フィルム基板３３を透明基板としておけば、上面と下面の２方向に発光することが可能である。下面に発光した光は、図２２と同様に背面鏡３１で反射し、上面方向に戻せば良い。
【００７９】
次に、第８の実施例について説明する。
本発明の第６及び第７の実施例に係る発光体は、複数のダイオードチップ８１，８２，８３，８４，・・・・・ を弾丸型に成形されたフィルム基板３３の表面に、いわば準平面的（準２次元的）に配列したものである。この場合、現実にはそれぞれのダイオードチップに対応した複数の出力光の光軸が存在するので、複数のダイオードチップ８１，８２，８３，８４，・・・・・ を点光源と見なすのが困難になる場合がある。
本発明の第８の実施例に係る発光体は、図２５に示すように、複数のダイオードチップ６１，６２，６３，・・・・・ のそれぞれをチップの主表面に垂直方向に積層し、それぞれの出力光の光軸を一致させている。上述したように、「主表面」とは平行平板の互いに対向する２つの平面であり、ダイオードチップ８１，８２，８３，８４，・・・・・ のそれぞれのｐｎ接合面とも平行な面である。図２６は、複数のダイオードチップ６１，６２，６３，・・・・・ の積層状態を詳細に説明する図である。簡単のため３層の積層で示しているが、４層以上の多層で良いことは勿論である。図２６において、第１層のダイオードチップ（第１層ＬＥＤ）６１は、サファイア基板６１１の上に積層されたｎ型半導体層６１２、活性層６１３，ｐ型半導体層６１４から構成されている。サファイア基板６１１は、接着剤６０２により支持台６４に固定されている。アノード電極６１５は、ｐ型半導体層６１４の上面のほぼ全面に形成することが出来る。アノード電極６１５の中央部は、活性層６１３の発光に対して透明な電極層で構成すれば良い。アノード電極６１５の額縁状の周辺部は、ボンディング用に０．５μｍ乃至２μｍ程度の比較的厚い金（Ａｕ）薄膜等で構成されている。カソード電極６１６は特に透明である必要はない。アノード電極６１５の額縁状の周辺部に銅（Ｃｕ）箔からなるＴＡＢリード（ビームリード）６１７が接続されている。カソード電極６１６も同様に、銅箔からなるＴＡＢリード（ビームリード）６１８が接続されている。第２層のダイオードチップ（第２層ＬＥＤ）６２は、サファイア基板６２１の上に積層されたｎ型半導体層６２２，活性層６２３，ｐ型半導体層６２４から構成されている。サファイア基板６２１は、透明接着剤６０５により第１層のダイオードチップ６１の上に固定されている。アノード電極６２５は、ｐ型半導体層６２４の上面のほぼ全面に形成することが出来る。アノード電極６２５の中央部は、活性層６２３の発光に対して透明な電極層で構成すれば良い。アノード電極６２５の額縁状の周辺部は、ボンディング用に０．５μｍ乃至２μｍ程度の比較的厚い金（Ａｕ）薄膜等で構成されている。カソード電極６２６は特に透明である必要はない。アノード電極６２５の額縁状の周辺部に銅（Ｃｕ）箔からなるＴＡＢリード（ビームリード）６２７が接続されている。カソード電極６２６も同様に、銅箔からなるＴＡＢリード（ビームリード）６２８が接続されている。同様に第３層のダイオードチップ（第３層ＬＥＤ）６３は、サファイア基板６３１の上に積層されたｎ型半導体層６３２，活性層６３３，ｐ型半導体層６３４から構成されている。サファイア基板６３１は、透明接着剤６０６により、第２層のダイオードチップ６２の上に固定されている。アノード電極６３５は、ｐ型半導体層６３４の上面のほぼ全面に形成することが出来る。アノード電極６３５の中央部は、活性層６３３の発光に対して透明な電極層で構成すれば良い。アノード電極６３５の額縁状の周辺部は、ボンディング用に０．５μｍ乃至２μｍ程度の比較的厚い金（Ａｕ）薄膜等で構成されている。カソード電極６３６は特に透明である必要はない。アノード電極６３５の額縁状の周辺部に銅（Ｃｕ）箔からなるＴＡＢリード（ビームリード）６３７が接続されている。カソード電極６３６も同様に、銅箔からなるＴＡＢリード（ビームリード）６３８が接続されている。ＴＡＢリード（ビームリード）６１７，６２７，６３７，６１８，６２８，６３８とボンディングパッド６１５，６２５，６３５，６１６，６２６，６３６との接続は、熱圧着ボンディング、超音波ボンディング、金（Ａｕ）バンプ、半田等の通常ＴＡＢボンディングで用いられている手法を用いれば良い。又、ＴＡＢリード（ビームリード）６１７，６２７，６３７は、端子６０３に導電性の接着剤や半田等により接続されている。ＴＡＢリード（ビームリード）６１８，６２８，６３８は端子６０４に導電性の接着剤や半田等により接続されている。複数のダイオードチップ６１，６２，６３は樹脂封止体６０８でモールドされている。
【００８０】
図２６に示すように、端子６０３は第２のピン１２に、端子６０４は第１のピン１１に接続されている。端子６０３及び端子６０４は、補強具６５を経由して背面鏡３１に設けられた貫通穴から外部に引き出されている。バルク型レンズ２５の凹部に充填される樹脂１４も透明材料を用いれば、複数のダイオードチップ６１，６２，６３からの発光は裏面方向にも進む。この複数のダイオードチップ６１，６２，６３から右方向（裏方向）に出力する光は背面鏡３１で反射され、複数のダイオードチップ６１，６２，６３の表面から左方向に出力される。結局、複数のダイオードチップ６１，６２，６３の右方向（裏方向）に出力する光も表面方向（図２６において左方向）にも進む光と合成され、出射面３により所定の発散角が与えられる。このように、本発明の第８の実施例においては、複数のダイオードチップ６１，６２，６３がバルク型レンズ２５の凹部にほぼ完全に閉じこめられ、バルク型レンズ２５の底部には背面鏡３１が配置されている。このため、迷光成分となり得る光を含めてすべての光が、最終的には発光面となる頂部からほぼ同一の光軸に沿って出力可能である。従って、ダイオードチップ６１，６２，６３の各種方向に発せられたすべての発光成分が、有効にコリメートされ、照明に寄与出来るようになる。
【００８１】
複数のダイオードチップ６１，６２，６３，・・・・・ は、必ずしも同一のＬＥＤチップである必要はない。即ち、複数のダイオードチップ６１，６２，６３，・・・・・ として、種々の種類及び構造のものが使用出来る。例えば、複数のダイオードチップ６１，６２，６３として、それぞれ赤（Ｒ）、緑（Ｇ）及び青（Ｂ）の３個のＬＥＤチップを縦に積層すれば、全体として白色の出力光を出力可能である。赤（Ｒ）、緑（Ｇ）及び青（Ｂ）の３枚のＬＥＤチップの場合は、赤（Ｒ）のＬＥＤチップとして、Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓを、緑（Ｇ）のＬＥＤチップとして、Ａｌx Ｇａy Ｉｎ1-x-y ＰやＧａＰを、また青（Ｂ）のＬＥＤチップとして、Ｉｎx Ｇａ1-x ＮやＺｎＳｅを用いることが可能である。この場合、Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓ、Ａｌx Ｇａy Ｉｎ1-x-y Ｐ、ＧａＰ等はサファイア基板を用いる必要はない。
【００８２】
或いは、３元系、４元系、５元系、・・・・等の化合物半導体混晶を複数のダイオードチップ６１，６２，６３，・・・・・ として選び、それぞれの組成を変えても良い。例えばＩｎx Ａｌy Ｇａ1-x-y Ｎからなる複数のダイオードチップ６１，６２，６３，・・・・・ を選び、それぞれの組成を変えて、緑（Ｇ）乃至青（Ｂ）のスペクトル帯域の光を出力してもかまわない。
【００８３】
更に、光軸が分散する欠点はあるが、垂直方向に積層した複数のダイオードチップ、垂直方向に積層した複数のダイオードチップ、垂直方向に積層した複数のダイオードチップを弾丸型の支持台の上に準平面的に配列してもかまわない。この場合は３×３＝９倍の明るさを得ることが可能である。３層に積層したダイオードチップ・スタックを５個準平面的に配列すれば、３×５＝１５倍の明るさを得ることが可能である。
【００８４】
次に、第９の実施例を説明する。
第１乃至第８の実施例に係る発光体を複数個配列して照明器具等を構成しても良い。この場合は、１次元的、２次元的、或いは３次元的な配列が可能である。又、照明器具（照明装置）の「光源」としては、白熱球、小型放電管、無電極放電ランプ、半導体発光素子等が採用可能である。白熱球には、沃素（Ｉ2 ）タングステンランプ等のハロゲンランプ、ピリケン球とも称せられるキセノン（Ｘｅ）タングステンランプ（クセノンランプ）やクリプトン（Ｋｒ）タングステンランプ（クリプトンランプ）、ニップル球若しくはスポット球とも称される真空若しくはアルゴンガス封入の豆球等が含まれる。更にハロゲンミニチュアランプ等のミニチュアランプも白熱球に含まれる。小型放電管としては、蛍光放電管の他、小型キセノンランプ、小型メタルハライドランプ、小型高圧ナトリウムランプ、小型水銀灯が使用可能である。無電極放電ランプとしては、石英ガラス等から構成された管球中にアルゴン（Ａｒ）、ネオン（Ｎｅ）、キセノン（Ｘｅ）、クリプトン（Ｋｒ）等の希ガス及びガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）、タリウム（Ｔｌ）等の金属ハロゲン化物、水銀（Ｈｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、硫黄（Ｓ）、セレン（Ｓｅ）、テルル（Ｔｅ）等の放電媒体を封入した構造を用いることが可能である。そして、例えば、１００ＭＨｚ乃至２．４５ＧＨｚ、若しくは更に高周波のマイクロ波をこの管球に印加すれば放電媒体が放電して発光する。小型化のためには、マイクロ波はトランジスタ発振回路で構成すれば良い。半導体発光素子としては発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザが使用可能である。
【００８５】
ＬＥＤ等の半導体発光素子は低消費電力で長寿命である特性を有するが、一般に、ハロゲンランプ等の白熱球に比して照度が低い。そこで、複数（ｎ個）の半導体発光素子Ｄ１，Ｄ２，・・・・・ ，Ｄｎを集合して一括照明すれば、所望の明るさを得られる。半導体発光素子Ｄ１，Ｄ２，・・・・・ ，Ｄｎを同時に発光させるためには、商用の交流を整流する整流回路と、整流回路に接続された電流制限素子（固定抵抗）と、電流制限素子に接続された平滑回路と、平滑回路に接続された定電流素子（若しくは定電流回路）とにより制御回路を構成すれば良い。例えば、ｎ個の半導体発光素子Ｄ１，Ｄ２，・・・・・ ，Ｄｎの直列回路を示しているが、複数の半導体発光素子を並列接続しても良い。但し、５０個程度の半導体発光素子（ＬＥＤ）を直列接続すると、商用の交流を整流した１３０Ｖ程度の直流電圧をそのまま使えるので、回路が簡単化するので好ましい。１００個程度のＬＥＤを同時に発光させるためには、５０個の直列回路を２つ並列接続すれば良い。直列接続するＬＥＤの個数は動作電圧により選定すれば良い。
【００８６】
具体的には、図２７に示すように、互いに隣接して配置された複数の砲弾型のバルク型レンズ２０ａ，２０ｂ，・・・・・ ，２０ｆ，・・・・・ ，と、この複数のバルク型レンズ２０ａ，２０ｂ，・・・・・ ，２０ｆ，・・・・・ ，のそれぞれに設けられた井戸型の凹部の内部に、それぞれの主発光部を収納した複数の光源（ＬＥＤ）１ａ，１ｂ，・・・・・ ，１ｆ，・・・・・ ，と、複数のバルク型レンズ２０ａ，２０ｂ，・・・・・ ，２０ｆ，・・・・・ ，を固定するレンズ固定手段（レンズ固定板）７２と、このレンズ固定手段７２の近傍に配置され、複数の光源（ＬＥＤ）１ａ，１ｂ，・・・・・ ，１ｆ，・・・・・ ，のそれぞれ電気的に接続された制御回路とから構成すれば良い。ここで、複数の砲弾型のバルク型レンズ２０ａ，２０ｂ，・・・・・ ，２０ｆ，・・・・・ ，のそれぞれは、図１に示す構造である。図２７において、制御回路は回路基板９６６を用いて構成され、制御回路筐体９６５の内部に収納されている。この制御回路は、例えば、整流回路、電流制限素子、平滑回路、定電流素子等とで構成されている。
【００８７】
回路基板９６６や制御回路筐体９６５等は、円錐形の絶縁ケース９６３の内部に収納されている。そして、レンズ固定手段７２は、この絶縁ケース９６３に固定金具７３ａ，７３ｂ，・・・・・ で固定されている。更に、回路基板９６６は、レンズ固定手段７２に固定金具７１ａ，７１ｂ，・・・・・ で固定されている。光源１ａ，１ｂ，・・・・・ ，１ｆ，・・・・・ ，としての各ＬＥＤからは、それぞれ２本ずつピンが出ている（図１参照。）。この各ＬＥＤからのピンは、それぞれ２本ずつ回路基板９６６に直接半田付けされ、制御回路から所定の電流が印加される。
【００８８】
円錐形の絶縁ケース９６３の絞られた頂部近傍には、図２７に示すように、ＡＣ１００Ｖ電極９６１ｂが接続されている。このＡＣ１００Ｖ電極９６１ｂと絶縁終端９６２により絶縁されたＡＣ１００Ｖ電極９６１ａが配置されている。ＡＣ１００Ｖ電極９６１ａ、９６１ｂ及び絶縁終端９６２により、ＡＣ１００Ｖ口金９６１が構成されている。ＡＣ１００Ｖ電極９６１ａには電源供給用線材９６４ａが、ＡＣ１００Ｖ電極９６１ｂには電源供給用線材９６４ｂが接続され、この電源供給用線材９６４ａ、９６４ｂにより、制御回路筐体９６５の内部に収納された制御回路にＡＣ１００Ｖが供給される。
【００８９】
本発明の第９の実施例に係る照明器具（照明装置）に用いる光源１ａ，１ｂ，・・・・・ ，１ｆ，・・・・・ ，としてのＬＥＤは、図２７に示すような弾丸型（砲弾型）ＬＥＤでもディスク型（表面実装型）ＬＥＤでもかまわない。ＬＥＤとしては種々の色（波長）のＬＥＤが使用可能である。但し室内照明目的のためには白色ＬＥＤが好ましい。又、複数のＬＥＤチップを、図１９に示したように弾丸型に成形されたフィルム基板３３の上に配置し、これを収納部６に収納しても良い。各種装飾用や、インテリアライトなどとして用いる場合には、各種の色によるＬＥＤをそのまま用いることで、様々な色付きの照明が可能となる。従って、光源１ａ，１ｂ，・・・・・ ，１ｆ，・・・・・ ，の集合体を構成する各ＬＥＤは、異なる発光色のＬＥＤが含まれていても良い。
【００９０】
図２７に示す照明装置（バルク型レンズ集合体）はビームの平行性に優れているので、スポット照明器具（照明装置）として単独で用いることが可能である。例えば、ＲＧＢ３色のスポット照明器具をそれぞれ用意すれば、カラーテレビ放送の撮影スタジオのホリゾンタル照明等に用いることが可能である。この場合、光源１ａ，１ｂ，・・・・・ ，１ｆ，・・・・・ ，としてＬＥＤを用いることにより発熱量が少なくなるので、撮影スタジオ内の温度上昇が回避出来る。更に、電力使用量を１／１００程度にする大幅な電力消費の低減が可能になる。又、光源１ａ，１ｂ，・・・・・ ，１ｆ，・・・・・ ，としてＬＥＤを用いることにより、時間応答が速いので迅速な光の色切り替えが可能となり、高品位テレビ放送に好適である。
【００９１】
又、本発明の第９の実施例に係るバルク型レンズ集合体は、図２８に示すように、支持基板９３１に取り付けても良い。即ち、図２８に示すバルク型レンズ集合体を、ソケット台座８８を用いて支持基板９３１に取り付ければ、センサ９４５からの情報で点灯／消灯を制御出来る。図２７に示すバルク型レンズ集合体の円錐形の絶縁ケース９６３には口金９６１が付いているので、支持基板９３１となる天井に配置されたソケット台座８８に設けられたランプソケットに差し込むだけで、バルク型レンズ集合体を支持基板９３１に固定出来る。
【００９２】
図２８に示すように、支持基板９３１の裏面には、図２７に示すバルク型レンズ集合体の点灯状態を制御する回路部９０３が配置されている。そして、この回路部９０３にセンサ９４５が接続されている。センサ９４５は、バルク型レンズ集合体の点灯状態を制御するために必要な情報を供給する。この支持基板９３１には、ＡＣ１００Ｖ制御用の回路部９０３を搭載した回路基板９４１が取り付けられている。
【００９３】
次に、第１０の実施例を説明する。
図２９に示すように、本発明の第１０の実施例に係る発光体は、発光面となる頂部と、頂部に対向した底部と、頂部と底部とを接続する第１屈折率ｎ2 を有するレンズ本体と、底部の一部から頂部方向に沿ってレンズ本体の内部に形成された凹部と、頂部と凹部との間のレンズ本体の内部に形成された第１屈折率ｎ2 とは異なる第２屈折率ｎ0 を有する光路変更部３５とを少なくとも有するバルク型レンズ２７と、凹部に収納された半導体発光素子１とから構成されている。
【００９４】
第１屈折率ｎ2 を有するレンズ本体を構成する光学材料としては、透明プラスチック材料（熱可塑性樹脂）、ガラス材料或いは結晶性材料等が使用可能である。第２屈折率ｎ0 を有する光路変更部としては、図２９に示すような屈折率ｎ0 の空気の封入された空洞部でも、他の固体材料からなる領域でもかまわない。いずれにせよ、第１屈折率ｎ2 とは異なる第２屈折率ｎ0 を有する領域であれば、第１屈折率ｎ2 の領域と第２屈折率ｎ0 の領域との界面において光の屈折が生じるので、光路の進行方向が変更可能である。
【００９５】
このように、本発明の第１０の実施例に係る発光体においては、頂部と凹部との間のレンズ本体の内部に第２屈折率ｎ0 を有する光路変更部３５を有するので、凹部の天井部より入射した半導体発光素子１からの光は、光路変更部３５によりその進行方向を変えられる。図２９に示すようにバルク型レンズ２７の中心軸方向に沿って縦長の光路変更部３５の幾何学的形状の場合は、第１屈折率ｎ2 が第２屈折率ｎ0 より大きければ、発光面の中央近傍の光束密度が低くなり、光軸の中心近傍が相対的に暗い照明が可能となる。同様に、光路変更部３５の幾何学的形状の場合で、第１屈折率ｎ2 が第２屈折率ｎ0 より小さければ、発光面の中央近傍の光束密度が高くなり、光軸の中心近傍が相対的に明るい照明が可能となる。
本発明の第１０の実施例に係る発光体は、基本的に第１の実施例に係る発光体と同様であるので、重複する説明を省略する。
【００９６】
一方、図３０の本発明の第１０の実施例の変形例に示すように、バルク型レンズ２８の中心軸方向に沿って横長の幾何学的形状の光路変更部３６が頂部と凹部との間のレンズ本体の内部に配置された場合は逆の光路変更がなされる。即ち、第１屈折率ｎ2 が第２屈折率ｎ0 より大きければ、発光面の中央近傍の光束密度が高くなり、光軸の中心近傍が相対的に明るい照明が可能となる。同様に、光路変更部３６の幾何学的形状の場合で、第１屈折率ｎ2 が第２屈折率ｎ0 より小さければ、発光面の中央近傍の光束密度が低くなり、光軸の中心近傍が相対的に暗い照明が可能となる。
【００９７】
図３１は、本発明の第１０の実施例の他の変形例に係る発光体の構造を示す模式図で、バルク型レンズ２９の底部に背面鏡３１が配置されている。図３１においては、ＬＥＤチップ１３の裏面からの発光成分や迷光成分が背面鏡３１により反射され、発光面となる頂部側に導かれる。この結果、これらの迷光成分がすべて最終的には発光面から出力される極めて高効率照明が可能であると共に、照射面における光強度分布の調整が可能である。
なお、本発明の第１０の実施例における光路変更部３５，３６，３７の断面形状は図２９，３０，３１に示すような両凸形状以外に、平凸形状やメニスカス形状等他の形状でもかまわないことは勿論である。
【００９８】
次に、第１１の実施例を説明する。
図３２に示すように、本発明の第１１の実施例に係る発光体は、発光面となる頂部と、頂部に対向した底部と、頂部と底部とを接続するレンズ本体と、底部の一部から頂部方向に沿ってレンズ本体の内部に形成された凹部と、頂部と凹部の間においてレンズ本体の内部に形成された透過率変更手段４１とを少なくとも有するバルク型レンズ（１９ａ，１９ｂ）と、凹部に収納された半導体発光素子１とから構成されている。
【００９９】
透過率変更手段４１としては機械的なシャッター、絞りでも良く、液晶等の電気的な透過率変更手段でもかまわない。図３２では、透過率変更手段４１を前頭部１９ａと中央部１９ｂが挟むような構成を示しているが、目的によっては、バルク型レンズの一部に挿入された構成でもかまわない。本発明の第１１の実施例に係る発光体は、透過率変更手段４１を除けば、基本的に第１の実施例に係る発光体と同様であるので、重複する説明を省略する。
【０１００】
本発明の第１１の実施例に係る発光体によれば、透過率変更手段４１を機械的若しくは電気的に駆動することにより、光強度やビーム径を自由に変更出来る発光体を提供することが出来る。透過率変更手段４１として液晶を用いる場合は、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）等からなるアクティブマトリクスを透過率変更手段４１の内部に構成し、シフトレジスタ等によりアクティブマトリクスエレメントを駆動するようにしてもよい。透過率変更手段４１として、機械的なシャッター、絞りを用いる場合は、バルク型レンズ（１９ａ，１９ｂ）に隣接してマイクロ・モータ等の機械駆動系を配置しておけばよい。
又、図３２に示す本発明の第１１の実施例に係る発光体は、バルク型レンズ２７の底部に背面鏡３１が配置された構造であるが、図１のような背面鏡がない構成において、透過率変更手段４１を設けてもかまわない。
【０１０１】
次に、第１２の実施例を示す。
図３３に示すように、この第１２の実施例に係る発光体は、発光面となる頂部と、頂部に対向した底部と、頂部と底部とを接続するレンズ本体と、底部の一部から頂部方向に沿ってレンズ本体の内部に形成された凹部と、頂部と凹部との間のレンズ本体の内部に形成された複数個の散乱体４３とを少なくとも有するバルク型レンズ３０と、凹部に収納された半導体発光素子１とで構成されている。
【０１０２】
散乱体４３としてはＡｌ、Ａｕ、Ｗ、Ｔｉ、Ｍｏ等の金属の粉末を透明プラスチック材料、ガラス材料等のバルク型レンズ３０に混在させればよい。例えばアクリル樹脂やポリ塩化ビニル樹脂等の熱可塑性樹脂を押出成形若しくは射出成形する際に、これらの金属粉末を混入しておけばよい。散乱体４３の大きさは、光の波長に比して大きければ良く、ミクロン・オーダから数ｍｍ程度のもの等種々の大きさが可能で、その形状も問わない。
【０１０３】
本発明の第１の実施例に係る発光体は、懐中電灯等の比較的指向性の強い光ビームが必要な照明器具に好適であったが、第１２の実施例に係る発光体は指向性を弱くし、発光体のほぼ全体が光り、その美観を感受することが可能な照明器具に好適である。例えば、非常灯やベットサイドの照明器具等に用いたり、室内若しくは屋外における装飾的目的で用いたりしてもよい。発光体そのものの全体が微光を放つ特徴を生かすためには、バルク型レンズ３０の直径若しくは一辺の長さを５ｃｍ乃至３０ｃｍ、或いは１ｍ程度に大きくすることも可能である。かかる大きなバルク型レンズをたった１個の半導体発光素子１で光らせ、その消費電力は極めて小さい。装飾的目的の場合は、図３３に示すような単純な形態ではなく、動物、樹木、建造物等に類似な独特な形態等を含めた複雑な構造にバルク型レンズ３０を構成することも可能である。
【０１０４】
次に、第１３の実施例を説明する。
上述した第１の実施例に係る発光体を複数個配列すれば非常に明るい照明器具や表示装置を構成出来る。具体的には、１次元的、２次元的、或いは３次元的な配列が可能である。例えば、図３４（Ａ）に示すように、外囲ケース１０５１に複数個の発光体１１２１，・・・・・ ，１１３１，・・・・・ ，１１４１，・・・・・ を２次元的に配列すれば、交通信号灯として用いることが可能である。この場合、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）及び青（Ｂ）の３枚の両面発光型ＬＥＤチップを透明基板上に縦に積層して構成した封止ＬＥＤを収納した複数個の発光体１１２１，・・・・・ ，１１３１，・・・・・ ，１１４１，・・・・・ を用い、所定のタイムスケジュールに基づき、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）及び青（Ｂ）のＬＥＤチップのそれぞれの発光強度を調整すれば、同一のランプで、赤（Ｒ）、黄（Ｙ）及び緑（Ｇ）を表示可能である。
【０１０５】
更に、図３４（Ｂ）に示すように、２次元的に配列された複数個の発光体１１２１，・・・・・ ，１１３１，・・・・・ ，１１４１，・・・・・ の内の特定の発光体１３５，１３６，１４４，１４５，１４６，１４７の表面に溝部を設ければ、この部分で光路の変更や光強度の変更が発生するので、所定の表示パターン１０５２を表示可能である。例えば横断歩道の交通信号灯の人間の歩行動作の像を、２次元配列パターン上に浮き出させることが可能である。
【０１０６】
図３５は表面に溝部を設けた発光体の一例を示す断面図である。即ち、本発明の第１３の実施例に係る発光体は、発光面となる頂部と、頂部に対向した底部と、頂部と底部とを接続するレンズ本体と、底部の一部から頂部方向に沿ってレンズ本体の内部に形成された凹部と、頂部の一部から凹部方向に沿ってレンズ本体の内部に形成された溝部５５とを少なくとも有するバルク型レンズ１８と、凹部に収納された半導体発光素子１とから構成されている。溝部５５は、図３５に示すようなＶ字型である必要はなく、Ｕ字型、Ｗ字型等種々の断面形状が可能で、溝の形成方向や形成位置も表示する情報の内容に応じて変形すればよい。場合により、バルク型レンズ１８の前面（頂部）の全部を削除するような大きな溝も、ここでは含み得る。バルク型レンズ１８表面に溝部５５を設けた以外は、基本的に第１の実施例に係る発光体と同様であるので、重複する説明を省略する。
図３５に示すように、バルク型レンズ１８の表面に溝部５５を設け、これらの複数個を図３４（Ｂ）に示すように２次元配列すれば、溝部５５の配置や形状により光路の変更や光強度の変更が発生するので、図３４（Ｂ）に示すような所定の表示パターン１０５２を簡単に表示可能である。
【０１０７】
次に、第１４の実施例を説明する。
例えば、本発明のバルク型レンズの形状は、図１に示した弾丸型類似の形状や図３１に示した卵型（繭型）類似の形状等に限定されるものではなく、図３６（Ａ）に示す先端部に向かい次第に細くなるように延長された形状でもよい。図３６（Ａ）に示すようにバルク型レンズ１７を細長く延長することにより、光ファイバと同様に、光束がバルク型レンズ１７の先端部に導かれ、細く絞られ光強度の大きな光ビームをバルク型レンズ１７の先端部から得ることが可能となる。
更に、図３６（Ｂ）に示すように、複数のバルク型レンズ１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，・・・・・ をバルク型レンズ１７ｚに集合すれば、光合成器として機能させることが可能である。即ち、それぞれの収納部６ａ，６ｂ，６ｃ，・・・・・ に収納された複数の発光体の光をそれぞれの入射面２ａ，２ｂ，２ｃ，・・・・から入射し、バルク型レンズ１７ｚで合成された強力な光を出射面３から取り出すことが可能になる。
【０１０８】
次に、第１５の実施例を説明する。
発光面となる頂部を図３７に示すように、第１曲面７１と第２曲面７２とで構成してもかまわない。図３７は、図３０の光路変更部３６の一部がバルク型レンズ２８の全面からはみ出し、頂部凹部７３を構成した構造であると解釈することも可能であり、図３０と同様に、発光面の中央近傍の光束密度が高くなり、光軸の中心近傍が相対的に明るい照明が可能となる。
【０１０９】
次に、第１６実施例を説明する。
図３８（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、本発明の第１６実施例に係る面状発  光体は、所定の波長の光を発する複数のＬＥＤ２２１１，２２１２，２２１３，・・・・・ ，２２１６，２２２１，・・・・・ ，２２２６，２２３１，・・・・・ ，２２３６と、ＬＥＤの主発光部を収納し、ＬＥＤの光を一定の指向性で出射する複数のバルク型レンズ２１１１，２１１２，２１１３，・・・・・ ，２１１６，２１２１，・・・・・ ，２１２６，２１３１，・・・・・ ，２１３６と、複数のバルク型レンズからの光を反射する平面鏡からなる主反射板２０１２と、主反射板と一定の角度をなして配置され、主反射板で反射した光を透過する半透明板２０１１とを少なくとも有する。そして、本発明の第１６実施例に係る面状発光体は、更に主反射板２０１２と半透明板２０１１との間に側面反射板（第１の側面反射板）２０１３が設けられている。図示を省略しているが、側面反射板２０１３に対向してもう一枚別の側面反射板（第２の側面反射板）が設けられている。複数のＬＥＤ２２１１，２２１２，２２１３，・・・・・ ，２２１６，２２２１，・・・・・ ，２２２６，２２３１，・・・・・ ，２２３６は、後板２０１５により互いに固定されている。主反射板２０１２、半透明板２０１１、側面反射板（第１の側面反射板）２０１３、別の側面反射板（第２の側面反射板）及び後板２０１５により３角柱状の空洞が形成されている。図示を省略しているが、複数のＬＥＤ２２１１，２２１２，２２１３，・・・・・ ，２２１６，２２２１，・・・・・ ，２２２６，２２３１，・・・・・ ，２２３６は、ＬＥＤソケットに接続され、所定の電圧が印加される。図３８（ａ）、（ｂ）においては、３×６＝１８個のＬＥＤが配列されているので、これらをすべて直列接続すれば商用の１００Ｖ電源で駆動することも可能である。
【０１１０】
図１に示したように、本発明の第１６の実施例に係る面状発光体に用いるバルク型レンズ２１１６は、ＬＥＤの主発光部をほぼ完全に覆うように構成されている。ＬＥＤ２２１６の主発光部を収納するためのバルク型レンズ２１１６に設けられた凹部は、第１の湾曲面からなる天井部を有している。更に、バルク型レンズ２１１６は第１の湾曲面に対向して配置され、光を出射する第２の湾曲面からなる頂部を有する。
主反射板２０１２、第１及び第２の側面反射板は、アルミニウム（Ａｌ）、真鍮、ステンレス等の金属の表面を研磨したものでも、更に、これらの表面にニッケル（Ｎｉ）鍍金や金（Ａｕ）鍍金を施したものでも良い。或いは、樹脂基板の表面にＡｌ箔等の反射率の高い金属薄膜や高反射性ポリエステル白色フィルム等を接着した構造でもかまわない。半透明板２０１１としては、高屈折率の白色微粉体例えばＴｉＯ2 ，ＣａＣＯ3 ，ＢａＳＯ4 を樹脂等に分散させた樹脂板状体などの乳半板を用いればよい（より具体的にはメタクリル樹脂乳半板等を用いればよい。）。又半透明板２０１１は、乳半板或いは透明板の表面を粗面加工したもの、透明成形材料に他の光散乱粒子を混練し成形した樹脂板であってもよい。或いは、片面或いは両面に艶消しなどの粗面加工が施された樹脂フィルムを表面に貼りつけて半透明板２０１１を構成しても良い。更に、半透明板２０１１はＬＥＤの発光色に応じて、有色若しくは透明材料を採用可能である。
【０１１１】
本発明の第１６の実施例に係る面状発光体に用いるバルク型レンズ２１１６としては、第１の実施例で説明した種々のガラス材料、透明プラスチック材料、結晶性材料等が使用可能で、有色の樹脂や蛍光材料を含んだ樹脂でもかまわない。この内、アクリル樹脂等の透明プラスチック材料等は、バルク型レンズ２１１６を大量生産するのに好適な材料である。即ち、一度金型を作り、この金型により成形加工すればバルク型レンズ２１１６が簡単に大量生産出来る。
【０１１２】
本発明の第１６の実施例に係る面状発光体によれば、ＬＥＤの数を多数必要とすることなく、広い面積に渡り均一且つ所望の照度を得ることが可能である。又電力消費量が少ないことに加え、ちらつきのない照明であるので、Ｘ線フィルムの中間色等の細かな階調の変化を簡単に観察することが出来る。又、ちらつきの存在のため目の疲労、或いは、目の疲労からくる人体への影響などの心配も不要である。
【０１１３】
なお、図３８（Ａ）、（Ｂ）においては、複数のバルク型レンズ２１１１，２１１２，２１１３，・・・・・ ，２１１６，２１２１，・・・・・ ，２１２６，２１３１，・・・・・ ，２１３６は３×６マトリクス状に配置されているが、このようにマトリクス状配置に限定する必要はない。例えば、１層目の複数のバルク型レンズ２１３１，・・・・・ ，２１３６と２層目の複数のバルク型レンズ２１２１，・・・・・ ，２１２６とが互いに１／２ピッチずれ、２層目の複数のバルク型レンズ２１２１，・・・・・ ，２１２６と３層目の複数のバルク型レンズ２１１１，・・・・・ ，２１１６とが同様に互いに１／２ピッチずれた最稠密配置でも良いことは勿論である。
【０１１４】
次に、第１７の実施例を説明する。
図３９（Ａ）に示すように、本発明の第１７の実施例に係る面状発光体は、複数の凹部とこの凹部に対向した複数の凸部を有する一体集合型レンズ２０３１と、複数の凹部に収納された所定の波長の光を発する複数のＬＥＤ２２１１，２２１２，２２１３，・・・・・ ，２２１６，２２２１，・・・・・ ，２２２６，２２３１，・・・・・ ，２２３６と、複数の凸部からの光を反射する平面鏡からなる主反射板２０１２（但し図３９（Ａ）の鳥瞰図においては裏面側になるので主反射板は明示されていない。）と、主反射板２０１２と一定の角度をなして配置され、主反射板２０１２で反射した光を透過する半透明板２０１１とを少なくとも有する。そして、本発明の第１７の実施例に係る面状発光体は、更に主反射板２０１２と半透明板２０１１との間に側面反射板（第１の側面反射板）２０１３が設けられている。図３９（Ａ）の鳥瞰図において裏面側になるので図示を省略しているが、側面反射板２０１３に対向してもう一枚別の側面反射板（第２の側面反射板）が設けられている。一体集合型レンズ２０３１は、後板２０１５によりに固定されている。主反射板２０１２、半透明板２０１１、側面反射板（第１の側面反射板）２０１３、別の側面反射板（第２の側面反射板）及び後板２０１５により３角柱状の空洞が形成されているのは第１６の実施例と同様である。又、図示を省略しているが、複数のＬＥＤ２２１１，２２１２，２２１３，・・・・・ ，２２１６，２２２１，・・・・・ ，２２２６，２２３１，・・・・・ ，２２３６は、ＬＥＤソケットに接続され、所定の電圧が印加される。他は第１６の実施例での記載と重複するので、その説明を省略する。
【０１１５】
このように一体集合型レンズ２０３１を用意することにより、面状発光体の組立が容易になる。従って、第１６の実施例において、多数のバルク型レンズを個別に製造する場合に比し生産性が向上する。そして、この一体集合型レンズ２０３１のそれぞれの凹部に３×６＝１８個のＬＥＤを挿入し、この１８個のＬＥＤを直列接続すれば商用の１００Ｖの電源で駆動することも可能である。
本発明の第１７の実施例に係る面状発光体によれば、省電力で、広い面積に渡り均一且つ所望の照度を簡単に得ることが可能である。又、ちらつきのない照明であるので、Ｘ線フィルムの中間色等の細かな階調の変化を簡単に観察することが出来る。又、ちらつきの存在のため目の疲労の心配も不要である。
【０１１６】
図３９（Ｂ）は本発明の第１７の実施例の変形例に係る面状発光体を示す模式的な鳥瞰図である。図３９（Ａ）に示す一体集合型レンズ２０３１の外周面は複数の円柱面からなる波形形状であるが、図３９（Ｂ）に示す一体集合型レンズ２０３２の外周面は平坦な面から構成されている点が異なる。他は、図３９（Ａ）に示す本発明の第１７の実施例に係る面状発光体と同様であるから、重複した説明を省略する。
【０１１７】
図４０は本発明の第１７の実施例の他の変形例に係る面状発光体を示す模式的な鳥瞰図で、図３９（Ｂ）に示す一体集合型レンズ２０３２をユニットとして、２つのユニットを集合して大面積の面状発光体を構成した例である。即ち、図４０においては、第１の一体集合型レンズ２０３２ａと第２の一体集合型レンズ２０３２ｂとが隣接して配置されている。そして、第１の一体集合型レンズ２０３２ａの複数の凹部には１８個のＬＥＤ２２１１ａ，２２１２ａ，２２１３ａ，・・・・・ ，２２１６ａ，２２２１ａ，・・・・・ ，２２２６ａ，２２３１ａ，・・・・・ ，２２３６ａが、第２の一体集合型レンズ２０３２ｂの複数の凹部には他の１８個のＬＥＤ２２１１ｂ，２２１２ｂ，２２１３ｂ，・・・・・ ，２２１６ｂ，２２２１ｂ，・・・・・ ，２２２６ｂ，２２３１ｂ，・・・・・ ，２２３６ｂがそれぞれ収納されている。そして、図４０に示す本発明の第１７の実施例の他の変形例に係る面状発光体は、更に平面鏡からなる主反射板２００８と、主反射板２００８と一定の角度をなして配置され、主反射板２００８で反射した光を透過する半透明板２０１６とを少なくとも有する。主反射板２００８及び半透明板２０１６は、図３９（Ｂ）に示す主反射板２０１２及び半透明板２０１１の２倍の面積である。
【０１１８】
図４１は本発明の第１７の実施例の更に他の変形例に係る面状発光体を示す模式的な鳥瞰図で、図３９（Ｂ）に示す一体集合型レンズ２０３２をユニットとして、４つのユニットを集合し、図４０よりも更に大面積の面状発光体を構成した例である。即ち、図４１においては、第１の一体集合型レンズ２０３２ａと第２の一体集合型レンズ２０３２ｂとの隣接構造の下に、第３の一体集合型レンズ２０３２ｃ及び第４の一体集合型レンズ２０３２ｄとの隣接構造が配置された積層構造が形成されている。そして、図４１に示す面状発光体は、更に平面鏡からなる主反射板２００９と、主反射板２００９と一定の角度をなして配置され、主反射板２００９で反射した光を透過する半透明板２０１８とを少なくとも有する。
主反射板２００９及び半透明板２０１８は、図３９（Ｂ）に示す主反射板２０１２及び半透明板２０１１の４倍の面積にすることも可能である。又、角度を選べば４倍の面積にしなくても良い。
【０１１９】
次に、第１８の実施例を示す。
図４２（Ａ）に示すように、本発明の第１８の実施例に係る面状発光体は、所定の波長の光を発する複数のＬＥＤ２２１１，・・・・・ と、ＬＥＤの主発光部を収納し、ＬＥＤの光を一定の指向性で出射する複数のバルク型レンズ２３１１，２３１２，２３１３，２３２１，２３２２，２３３１，２３３２，２３３３と、複数のバルク型レンズからの光を反射する平面鏡からなる主反射板２０１２と、主反射板と一定の角度をなして配置され、主反射板で反射した光を透過する半透明板２０１１とを少なくとも有する。複数のバルク型レンズ２３１１，２３１２，２３１３，２３２１，２３２２，２３３１，２３３２，２３３３は、本発明の第１５の実施例に係る面状発光体のバルク型レンズとは異なり、横方向に拡がった扁平な構造である。複数のバルク型レンズ２３１１，２３１２，２３１３と複数のバルク型レンズ２３２１，２３２２とは互いに１／２ピッチずれて積層されている。更に、複数のバルク型レンズ２３２１，２３２２と複数のバルク型レンズ２３３１，２３３２，２３３３とは、同様に互いに１／２ピッチずれて積層されている（但し、本発明の第１６の実施例と同様な３×３マトリクス状に配置しても良いことは勿論である。）。そして、本発明の第１８の実施例に係る面状発光体は、更に主反射板２０１２と半透明板２０１１との間に側面反射板（第１の側面反射板）２０１３が設けられている。図示を省略しているが、側面反射板２０１３に対向してもう一枚別の側面反射板（第２の側面反射板）が設けられている。複数のＬＥＤ２２１１・・・・・ は、後板２０１５により互いに固定されている。主反射板２０１２、半透明板２０１１、側面反射板（第１の側面反射板）２０１３、別の側面反射板（第２の側面反射板）及び後板２０１５により３角柱状の空洞が形成されている。図示を省略しているが、複数のＬＥＤ２２１１，・・・・・ はＬＥＤソケットに接続され、所定の電圧が印加される。
【０１２０】
図４２（Ｂ）に示すように、本発明の第１８の実施例に係る扁平なバルク型レンズ２３１１は長軸Ｗ及び短軸Ｈを有している。そしてこの扁平なバルク型レンズ２３１１は、ＬＥＤ２２１１の主発光部をほぼ完全に覆うように構成されている。他の複数の扁平なバルク型レンズ２３１２，２３１３，２３２１，２３２２，２３２３，２３３１，２３３２，２３３３についても同様である。扁平なバルク型レンズ２３１１の中心軸には、ＬＥＤ２２１１の主発光部を収納するための凹部が設けられ、この凹部は、第１の湾曲面からなる天井部と第１の湾曲面に対向して配置され、光を出射する第２の湾曲面からなる頂部を有する。ＬＥＤ２２１１は、第１のピン１１に一体的に接続された基台の上に配置されたＬＥＤチップと、このＬＥＤチップを被覆する樹脂モールドと、第１のピン１１と対をなす第２のピン１２とから少なくとも構成された樹脂モールドされたＬＥＤである。この樹脂モールドされたＬＥＤ２２１１が扁平なバルク型レンズ２３１１の凹部にほぼ完全に閉じこめられているので、これらの迷光成分が有効に照明に寄与出来るようになる。また、第１の湾曲面からなる入射面２（天井部）以外の凹部の内壁部も、上記に説明したように有効な光の入射部として機能し得るのである。又、ＬＥＤ２２１１と扁平なバルク型レンズ２３１１の凹部との間にはそれぞれの界面で反射した光の成分が多重反射し、迷光成分となっている。これらの迷光成分も、最終的には照明に寄与出来る成分となり得る。このようにして本発明の第１８の実施例に係る扁平なバルク型レンズ２３１１によれば、樹脂モールドされたＬＥＤ２２１１の数を多数必要とすることなく、照明に寄与する光ビームとして所望の照射面積の光束を確保し、広い面積に渡り均一且つ所望の照度を簡単に得ることが出来る。又電力消費量が少ないことに加えちらつきのない照明であるので、Ｘ線フィルムの中間色等の細かな階調の変化を簡単に観察することが出来る。他は、第１６の実施例での記載と重複するので、その説明を省略する。
【０１２１】
次に、第１９の実施例を説明する。
本発明の第１６乃至第１８の実施例においては、一方向に光が出射する片面型の面状発光体について説明した。互いに反対方向となる二方向に光が出射する両面型の面状発光体は、単純には片面型の面状発光体を互いに背中合わせに貼り合わせせれば良い。
図４３は、本発明の第１９の実施例として、他の両面型の面状発光体を示す図である。即ち、図４３においては、第１の一体集合型レンズ２０３３ａと第２の一体集合型レンズ２０３３ｂとが平面鏡からなる主反射板２０４３を介して、互いに対向配置されている。主反射板２０４３は両面ミラーであり、第１の一体集合型レンズ２０３３ａと第２の一体集合型レンズ２０３３ｂとの間に斜めに配置されている。そして、第１の一体集合型レンズ２０３３ａには１８個の凹部が設けられ、この１８個の凹部には図示を省略した１８個のＬＥＤが挿入されている。同様に、第２の一体集合型レンズ２０３３ｂには１８個の凹部が設けられ、この１８個の凹部には他の１８個のＬＥＤ２２１１ｂ，２２１２ｂ，２２１３ｂ，・・・・・ ，２２１６ｂ，２２２１ｂ，・・・・・ ，２２２６ｂ，２２３１ｂ，・・・・・ ，２２３６ｂがそれぞれ収納されている。そして、図４３に示す本発明の第１９実施例に係る両面型の面状発光体は、更に主反射板２０４３と一定の角度をなして配置され、主反射板２０４３で反射した光を透過する第１の半透明板２０４１と、この第１の半透明板２０４１と平行方向で且つ主反射板２０４３に関して反対方向に配置された第２の半透明板２０４２を少なくとも有する。図４３において、主反射板２０４３の表面で反射された光は上方に、主反射板２０４３の裏面で反射された光は下方に出射する。他は、本発明の第１７の実施例に係る面状発光体と同様であるから、重複した説明を省略する。
【０１２２】
本発明の第１９実施例によれば、ＬＥＤの数を多数必要とすることなく、均一且つ所望の照度の両面型の面状発光体を簡単に提供出来る。又、この両面型の面状発光体は電力消費量が少なく、ちらつきもない両面照明が出来る。
【０１２３】
次に、第２０の実施例について説明する。
図４４は、本発明の第２０の実施例として、他の片面型の面状発光体を示す図である。即ち、図４４においては、第１の一体集合型レンズ２０３４ａと第２の一体集合型レンズ２０３４ｂとが、Λ型の主反射板を介して、互いに対向配置されている。Λ型の主反射板は、平面鏡からなる第１の主反射板２０５１と第２の主反射板２０５２とから構成されている。第１の主反射板２０５１は、主に第１の一体集合型レンズ２０３４ａからの光を反射する平面鏡であり、第２の主反射板２０５２は、主に第２の一体集合型レンズ２０３４ｂからの光を反射する平面鏡である。そして、第１の一体集合型レンズ２０３４ａには１８個の凹部が設けられ、この１８個の凹部には図示を省略した１８個のＬＥＤが挿入されている。同様に、第２の一体集合型レンズ２０３４ｂには１８個の凹部が設けられ、この１８個の凹部には他の１８個のＬＥＤ２５１１ｂ，・・・・・ ，２５１６ｂ，２５２１ｂ，・・・・・ ，２５２６ｂ，２５３１ｂ，・・・・・ ，２５３６ｂがそれぞれ収納されている。そして、図４４に示す本発明の第２０の実施例に係る面状発光体は、更に第１の主反射板２０５１と第２の主反射板２０５２と一定の角度をなして配置され、第１の主反射板２０５１と第２の主反射板２０５２で反射した光を透過する半透明板２０５３を有している。この半透明板２０５３と平行方向で、且つ第１の主反射板２０５１と第２の主反射板２０５２に関して反対方向には、底板２０５４が配置されている。図４４に示すように、第１の主反射板２０５１と第２の主反射板２０５２との接続部、即ちΛ型の頂部は、一定の距離ｄをなして、半透明板２０５３から離間している。半透明板２０５３から一定の距離ｄ離間させることにより、Λ型の頂部の陰が半透明板２０５３の表面から観察されないように出来る。他は、本発明の第１７の実施例に係る面状発光体と同様であるから重複した説明を省略する。
本発明の第２０の実施例に係る面状発光体によれば、ＬＥＤの数を多数必要とすることなく、長手方向に長い寸法を有した広い面積を均一に照明出来る。又、その際の照度を十分高くすることが可能である。又電力消費量が少なく、ちらつきのない照明が可能である。
【０１２４】
図４５は、本発明の第２０の実施例の変形例に係る面状発光体を示す模式的な鳥瞰図である。図４５においては、中央部に平面鏡からなる第１の主反射板２０６１、第２の主反射板２０６２、第３の主反射板２０６３及び第４の主反射板２０６４とからなるピラミッド（四角錐）が配置され、この四角錐の４つの底辺に沿って、それぞれ１２個のバルク型レンズが３層積層された３×１２＝３６個のバルク型レンズの集合からなる壁が設けられている。即ち、第１の主反射板２０６１を構成する２等辺三角形の底辺に沿って、バルク型レンズ２６２２ｄ，２６２１ｄ，２６２０ｄ，・・・・・ ，２７２２ｄ，・・・・，２８２２ｄが積層され、第２の主反射板２０６２を構成する２等辺三角形の底辺に沿って、バルク型レンズ２６１１ｃ，２６１２ｃ，６１３ｃ，・・・・・ ，２６２２ｃ，２７１１ｃ，・・・・・ ，２８１１ｃ，・・・・が積層されている。更に、第３の主反射板２０６３を構成する２等辺三角形の底辺に沿って、バルク型レンズ２６１１ｂ，・・・・・ ，２６２２ｂ，２７１１ｂ，・・・・・ ，２７２２ｂ，２８１１ｂ，・・・・，２８２２ｂが積層され、第４の主反射板２０６４を構成する２等辺三角形の底辺に沿って、バルク型レンズ２６１１ａ，・・・・・ ，２６２２ａ，２７１１ａ，・・・・・ ，２７２２ａ，２８１１ａ，・・・・，２８２２ａが積層されている。バルク型レンズ２６１１ｂ，・・・・・ ，２６２２ｂ，２７１１ｂ，・・・・・ ２７２２ｂ，２８１１ｂ，・・・・，２８２２ｂ及びバルク型レンズ２６１１ａ，・・・・・ ，２６２２ａ，２７１１ａ，・・・・・ ，２７２２ａ，２８１１ａ，・・・・，２８２２ａの内部には、それぞれＬＥＤ２６３１ｂ，・・・・・ ，２６４２ｂ，２７３１ｂ，・・・・・ ２７４２ｂ，２８３１ｂ，・・・・，２８４２ｂ及びＬＥＤ２６３１ａ，・・・・・ ，２６４２ａ，２７３１ａ，・・・・・ ，２７４２ａ，２８３１ａ，・・・・，２８４２ａが収納されている。図示を省略しているが、バルク型レンズ２６２２ｄ，２６２１ｄ，２６２０ｄ，・・・・・ ，２７２２ｄ，・・・・，２８２２ｄ及びバルク型レンズ２６１１ｃ，２６１２ｃ，２６１３ｃ，・・・・・ ，２６２２ｃ，２７１１ｃ，・・・・・ ，２８１１ｃ，・・・・についてもそれぞれＬＥＤが収納されていることは勿論である。このようにして四角錐の周りを、３×１２×４＝１４４個のバルク型レンズの集合からなる壁が取り囲み、３×１２×４＝１４４個のＬＥＤが配置されている。そして、図４５に示すように、更に第１の主反射板２０６１、第２の主反射板２０６２、第３の主反射板２０６３及び第４の主反射板２０６４と一定の角度をなして配置され、第１の主反射板２０６１、第２の主反射板２０６２、第３の主反射板２０６３及び第４の主反射板２０６４で反射した光を透過する半透明板２０７９を有している。この半透明板２０７９と平行方向で、且つ第１の主反射板２０６１、第２の主反射板２０６２、第３の主反射板２０６３及び第４の主反射板２０６４に関して反対方向には、底板２０６５が配置されている。図示を省略しているが、図４４と同様に、四角錐の頂部は、一定の距離ｄをなして半透明板２０７９から離間している。半透明板２０７９か��一定の距離ｄ離間させることにより、四角錐の頂部の陰が半透明板２０７９の表面から観察されないように出来る。他は、本発明の第１５の実施例に係る面状発光体と同様であるから、重複した説明を省略する。又、図４４と同様に一体集合型レンズを用いて、四角錐の周り取り囲むような構成も可能である。
【０１２５】
図４５に示す本発明の第２０の実施例の変形例に係る面状発光体によれば、比較的薄型で大面積の面状発光体が提供出来る。このような大面積の面状発光体になればなるほど、ＬＥＤの個数の削減効果が顕著になる。即ち、本発明の第２０の実施例の変形例に係る面状発光体では、バルク型レンズを使わない場合に比して１／４乃至１／１０程度以下の個数のＬＥＤを用いるのみで良いので、数百個レベルのＬＥＤの個数の削減が可能になり、面積当たりの単価が安くなる。
【０１２６】
次に、第２１の実施例を説明する。
図１に示す樹脂モールドされたＬＥＤ１に対して、所定電圧が印加出来るように電池ケースを用意し、この電池ケースの中に電池（例えば単３電池）を収納すれば、ペンタイプの細身の懐中電灯（携帯用照明器具）が完成する。この電池の陽極及び陰極にそれぞれ、ＬＥＤ１の電極を接続する構造とすれば良い。この結果、簡単な構造で、製造単価の低い懐中電灯（携帯用照明器具）が提供出来る。この懐中電灯（携帯用照明器具）は、長期間に渡る安定性と信頼性に優れ、特に電力消費量が少ないため、電池の寿命が長いという従来予測出来なかった優れた特性を有する。
【０１２７】
図４６（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、本発明の第２１の実施例に係る手持ち器具は、樹脂１４によりモールドされ、この樹脂１４の頂部より、所定の波長の光を出力する半導体発光素子としての可視光ＬＥＤ１と、この半導体発光素子（可視光ＬＥＤ）１を駆動する電源部３２４１，３２４２と、樹脂１４を収納する凹部を内部に有し、半導体発光素子（可視光ＬＥＤ）１の光を外部に出射するための湾曲面からなる頂部を有するバルク型レンズ２０と、このバルク型レンズ２０を収納する空洞部３２１７を有する導波部３２１１からなる手持ち軸部（ペン軸）３２１０とを備えたボールペンである。そして、この導波部３２１１は、円筒形の空洞部を有し、この空洞部には中心軸部（インクカートリッジ）３２１５が収納されている。更に、本発明の第２０の実施例に係る手持ち器具は、半導体発光素子（可視光ＬＥＤ）１を駆動する電源部３２４１，３２４２と、電源部３２４１，３２４２の電源供給を制御するスイッチ部３２２６とを備えている。このボールペンのペン先（作業用先端部）３２１４の最先端部分には自在に回転し紙面に適度にインクを供給するための鋼鉄性ボールが配設されている。鋼鉄製ボールは、直径０．２ｍｍφ乃至０．８ｍｍφ等の現在市販されている種々の大きさのものが使用可能である。
【０１２８】
そして、図４６（Ｂ）に示すように、この手持ち器具（ボールペン）は、筆記具本体３３０１とライト部本体３３０２とに分解して、ライト部本体３３０２を単独使用可能なように構成されている。即ち、この手持ち器具（ボールペン）は、筆記具本体３３０１をライト部本体３３０２に着脱自在に装着出来るようになっている。
インクカートリッジ３２１５は、ペン軸３２１０の中心軸部分に配設されたカートリッジ取り付け穴３２１５Ａに、図４６（Ａ）中及び図４６（Ｂ）中、右側のペン先方向から左側に向かって取り付けられ、又インクがなくなり交換する際には左側から右側に向かってカートリッジ取り付け穴３２１５Ａから取り外すようになっている。
【０１２９】
導波部３２１１には、ＬＥＤ光の波長に対する透過率が高く、その製作が容易で、しかも比較的軽量な透明なアクリル樹脂等のプラスチック材料を使用することが出来る。好みによって筆記具本体３３０１に重量感を持たせ、筆記し易くすることが要求される場合には、導波部３２１１は第１の実施例で述べた透明なガラス材料や結晶性材料を用いてもかまわない。ペン軸３２１０は、例えば直径約１２ｍｍ、全長約１５０ｍｍの寸法で形成されている。
コーティング層３２１２は、後述する光分散部３２１９の領域を除き、導波部３２１１の表面の大半に配設されているが、場合によりこのコーティング層３２１２を省略しても良い。ペン先部に光を集中したいときはこのコーティング層３２１２を用いれば良く、ペン軸３２１０からの光を局所照明に用いたければ、コーティング層３２１２を設ければ良い。後者の目的のコーティング層３２１２には、導波部３２１１の表面を保護し、且つ、ＬＥＤ光の波長に対する導波部３２１１の光の伝送効率を高めるために、反射率が高い金属性コーティング層を使用することが出来る。又、コーティング層３２１２には、ファッション性を高め或いはデザイン性を高めるために、適度な透明性を有しかつ着色されたスケルトンタイプの（半透明な）樹脂コーティング層や不透明の着色された樹脂コーティング層を使用することが出来る。又、コーティング層３２１２は、ある程度の光の透過率が得られれば、ラバーコーティング層や塗装コーティング層であってもよい。例えば、コーティング層３２１２からの透過光を有効に使うことにより、夜間歩行の安全用手持ち器具や、コンサート会場に於ける遊技用手持ち器具としてのペンライトとして使用可能である。
【０１３０】
光分散部３２１９は、導波部３２１１の端部表面を加工して形成すればよい。例えば、複数のＶ字形状、Ｕ字形状、或いは扁平な凹部を導波部３２１１の端部設ける方法や細かな凹凸を設ける方法或いは比較的透明度の高い磨りガラス状に曇らせる方法等が可能である。更に、ガラス等の透明材料の微粒子を導波部３２１１の端部に塗布や付着しても良い。いずれにせよ、光分散部３２１９は導波部３２１１により集光され伝達されてきた光を適度に分散させて暗闇筆記に必要な範囲の紙面を明るく局所照明することが出来るような光学設計をすればよい。
【０１３１】
図４６（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、筆記具本体３３０１の左端には、本発明のバルク型レンズ２０を収納する空洞部としてのバルク型レンズ結合部３２１７が配設されている。このバルク型レンズ結合部３２１７は、いわばバルク型レンズ２０を収納するソケット部（メス体）である。つまり、バルク型レンズ結合部３２１７にはライト部本体３３０２のバルク型レンズ（プラグ部：オス体）２０を挿入して結合するようになっている。この空洞部の天井部は、バルク型レンズ（プラグ部：オス体）２０の頂部の曲率半径とほぼ等しい曲率半径の凹面をなしており、バルク型レンズ２０からの光が有効に導波部３２１１に導くことが可能なように構成されている。又、この空洞部の内径は、バルク型レンズ（プラグ部：オス体）２０の外径（頂部以外の部分）の外径より極僅か、例えば、０．０５ｍｍ乃至０．２ｍｍ程度大きく形成されている。そして、バルク型レンズ結合部（ソケット部）３２１７の端部（図４６（Ｂ）において左側）には、筆記具側結合部３２１８としての雌ネジが設けられている。一方、ライト部筐体３２２３の一端には、筆記具本体３３０１の筆記具側結合部３２１８と連結される雄ネジで形成されたライト側結合部３２２８が配設されている。なお、ここでは、筆記具本体３３０１とライト部本体３３０２とを、雄ネジ・雌ネジを用いて着脱する方式を例示したが、はめ込み方式やクランプ形式等他の方式でもかまわない。
【０１３２】
更に、導波部３２１１の内部において、カートリッジ取り付け穴３２１５Ａの底面には反射ミラー３２１１Ａが装着されている。この反射ミラーは可視光ＬＥＤ１から発せられる光を反射させて照明効率を高めるようになっている。
更に、図示を省略しているが、インクカートリッジ３２１５を挿入する部分となる導波部３２１１の空洞部の内壁、若しくはカートリッジの外壁にも反射ミラーを設けてもよい。又、空洞部の内壁に乱反射面となる細かな凹凸を設ければ、暗闇において、インクカートリッジ３２１５の挿入された部分が視認出来ると同時に、この乱反射面からの光により、筆記具本体３３０１の周りがかすかに明るくなる効果も期待出来る。前述したペンライトとしての使用目的の時は、空洞部の内壁に乱反射面を設けることは有効である。
【０１３３】
一方、ライト部本体３３０２は、ライト部筐体３２２３と、ライト部筐体３２２３の図５１Ａ中及び図５１Ｂ中右側に装着された半導体発光素子（可視光ＬＥＤ）１と、ライト部筐体３２２３の中央部分に配設された電源部３２４１，３２４２と、ライト部筐体３２２３の左端に配設されたスイッチ部３２２６とを備えている。樹脂１４の頂部は、市販の樹脂モールドされたＬＥＤ１の頂部の形状であり、所定の曲率半径を有した凸面形状で形成されている。凸面形状の頂部を除けば、樹脂モールドされたＬＥＤ１は、例えば直径（外径）２〜３ｍｍφの円柱形状である。又、バルク型レンズ２０は、樹脂１４を収納出来るように凹部を有している。凹部の側壁部は、樹脂モールドされたＬＥＤ１を収納出来るように、直径（内径）２. ５〜４ｍｍφの円筒形状となっている。図示を省略しているが、ＬＥＤ１とバルク型レンズ２０とを固定するために、ＬＥＤ１とバルク型レンズ２０の収納部６との間には、厚さ０．２５〜０．５ｍｍ程度のスペーサ若しくは接着剤が挿入されている。このスペーサ若しくは接着剤は、ＬＥＤ１の主発光部を除く位置に配置すればよい。バルク型レンズ２０は、凸形状の出射面３となる頂部近傍を除けば、ほぼＬＥＤ１と同様な円柱形状である。このバルク型レンズ２０の円柱形状部分の直径（外径）は、ライト部筐体３２２３の外径より小さな所定の値に選べば良い。例えば、６〜１１ｍｍφ程度に選べば良い。バルク型レンズ２０の頂部は、所定の曲率半径を有した凸面形状で形成されており、このバルク型レンズ２０は可視光ＬＥＤ１から発せられる光を効率良く集光して、外部に出射可能なようになっている。
【０１３４】
一般の可視光ＬＥＤ（樹脂モールドされたＬＥＤ）においては、樹脂１４の頂部の凸形状湾曲面以外の所から出る光は、いわゆる迷光成分となり、照明には寄与しない。しかし、本発明の第２０の実施例においては、可視光ＬＥＤ１がバルク型レンズ２０の凹部にほぼ完全に閉じこめられているので、これらの迷光成分が有効に照明に寄与出来るようになる。即ち、凹部の入射面２（天井部）以外の内壁面も有効な光の入射部として機能し得るのである。又、可視光ＬＥＤ１と凹部との間にはそれぞれの界面で反射した光の成分が多重反射し、迷光成分となっている。従来公知のレンズ等の光学系では、これらの迷光成分は、照明に寄与出来るように取り出すことは出来ない。しかし、これらの迷光成分も、最終的には照明に寄与出来る成分となり得る。この結果、樹脂１４の形状等の光の取り出し効率や光学系相互の反射成分等に依存せず、内部量子効率とほぼ等しい効率で、潜在的なＬＥＤチップの光エネルギを有効に取り出すことが可能となる。このようにして、本発明の第２１の実施例に係る光学的構造によれば、樹脂モールドされたＬＥＤ１の数を多数必要とすることなく、局所照明に寄与する光ビームとして所望の照射面積の光束を確保し、且つ所望の照度を簡単に得ることが出来る。この照度は従来公知のレンズ等の光学系では達成不可能な照度である。つまり、現在市販されているハロゲンランプを用いた細身の懐中電灯と同程度の照度がたった１個のＬＥＤで実現出来る。このように本発明の第２１の実施例に係る光学的構造によれば、従来の技術常識では全く予測出来ない照度を、図４６（Ａ）及び（Ｂ）に示すような簡単な構造で実現出来る。
【０１３５】
ライト部筐体３２２３は、内部に電源部３２４１，３２４２を収納出来る筒状の中空円柱体、若しくはこれに類似な形状で形成されている。ライト部筐体３２２３には、ステンレス鋼、アルミニウム合金等の材料やアクリル樹脂やプラスチック材料等で形成することが出来る。ペン軸３２１０と同様に、ライト部筐体３２２３は、例えば透明なアクリル樹脂やプラスチック材料又は適度に着色された半透明か不透明のアクリル樹脂やプラスチック材料で形成してもよい。ライト部筐体３２２３は、筆記具本体３３０１のペン軸３２１０と例えば同等の外径寸法で構成されている。
【０１３６】
図４７に示すように、ＬＥＤチップ１３は、ベース基台（ステム）１５に設けられた支持台（ダイパッド）２０２の上にマウントされている。そして、このＬＥＤチップ１３は、樹脂１４により樹脂モールドされている。第１のリード配線１１は、ＬＥＤチップ１３の一方の電極（下部電極）に、支持台２０２を介してその一端が接続され、他端はベース基台１５を貫通して、その裏面まで導出されている。同様に、第２のリード配線１２は、ＬＥＤチップ１３の他方の電極（上部電極）にその一端が接続され、他端は、ベース基台１５を貫通してその裏面まで導出されている。符号は付けないが、ＬＥＤチップ１３の他方の電極（上部電極）と第２のリード配線１２との間はボンディングワイヤにより電気的に接続されている。このようにして、可視光ＬＥＤ１は、ベース基台１５、支持台２０２、ＬＥＤチップ１３、第１のリード配線１１、第２のリード配線１２及び樹脂１４等から構成されている。ベース基台１５は、外周部をステンレス、真鍮や銅等の金属で覆われたセラミックス等の絶縁体で構成してもよく、樹脂１４の一部として、樹脂１４と同一の材料で構成しても良い。又、図４７では、樹脂１４とベース基台２０との間に段差がある構造を示しているが、樹脂１４とベース基台２０とを同一の外径で構成し、両者の間の段差を無くしても良い。
【０１３７】
なお、本発明の第２１の実施例に係る手持ち器具に用いる可視光ＬＥＤ１としては、種々の色（波長）のＬＥＤが使用可能である。但し、暗闇での筆記の際の局所照明のためには、第１の実施例で述べたような白色ＬＥＤが人間の目には自然であるので好ましい。
樹脂１４は、レンズ作用と同時に、ＬＥＤチップ１３を保護する機能を有するモールド体である。この樹脂１４には、例えば透明な熱硬化性エポキシ樹脂やアクリル樹脂を使用することが出来る。樹脂１４の図４７中右側の部分は、所定の曲率半径を有した凸面形状で形成されており、この樹脂１４はＬＥＤチップ１３から発せられる光（白色光）を効率良く集光してバルク型レンズ２０に出射するようになっている。
【０１３８】
図４８（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、電源部３２４１，３２４２は手持ち器具の携帯性を高め且つ適度な照度を得るために、２個の直列に接続された単３形〜単５形の乾電池３２４１及び３２４２により構成することが可能である。或いはディスクタイプのリチウム電池やマンガンリチウム電池等も使用可能である。なお、電源部３２４１，３２４２は、必ずしも上記の乾電池に限定されるものではなく、充電可能な小型の他の種類のバッテリーで構成してもよい。
【０１３９】
スイッチ部３２２６は、その詳細な構成は省略するが、基本的には回転式やプッシュ式等の簡単な構造でよい（後述の第２２の実施例で説明するセキュリティ機能を付加する場合は、このスイッチ部には、論理回路やパルス発信器、電圧調整器等が組み込まれる）。又、色合いの変化を楽しむ機能を付加したい場合は、スイッチ部３２２６に赤（Ｒ）色、緑（Ｇ）色及び青（Ｂ）色の３枚のＬＥＤチップの駆動電圧を互いに独立に制御出来る電圧調整器を内蔵させておけばよい。スイッチ部３２２６の一方の端子は、ライト部筐体３３０２の内側に配設された図示しない配線を通して可視光ＬＥＤ１の第２のリード配線１２に接続されている。スイッチ部３２２６の他方の端子は、図４６（Ａ）に示すように、乾電池２４１及び２４２を保持しつつ配線としても兼用される導電性弾性体３２２５、乾電池２４２、２４１のそれぞれを通して、可視光ＬＥＤ１の第１のリード配線１１に接続されている。
【０１４０】
スイッチ部３２２６は、その構成を示していないが、ネジ等によりライト部筐体３３０２の他端に着脱自在に取り付け取り外しが出来るようになっており、このスイッチ部３２２６をライト部筐体３３０２から取り外した状態において乾電池２４１及び２４２の交換が行われるようになっている。第２０の実施例において、導電性弾性体３２２５は、例えば鉄、銅等の金属のコイルスプリングで形成されている。なお、導電性弾性体３２２５は、金属板を折り返した板ばねのようなものであってもよい。
更に、ライト部筐体３２２３の他端側の外周には、手持ち器具を例えば背広のポケットに携帯しておくためのクリップ３２３０が取り付けられている。
【０１４１】
この照明部付き手持ち器具は、筆箱に入れて或いは背広のポケットにクリップ３２３０を利用して携帯することが出来る。そして、例えば研究発表会や講演会のスライド上映中にメモを取りたい場合、夜の暗闇の中で手帳にメモを取りたい場合等には、手持ち器具のスイッチ部３２２６を操作することにより、図４７に示すように電源部３２４１，３２４２から可視光ＬＥＤ１のＬＥＤチップ１３に直流電流が流れ、ＬＥＤチップ１３から白色光等の可視光が発せられる。ＬＥＤチップ１３から発せられた可視光は、図４７中、矢印で示すように、樹脂１４でまず効率良く集光され、引き続きバルク型レンズ２０、導波部３２１１のそれぞれでも効率良く集光され、導波部３２１１を通してペン軸３２１０の内部をペン先３２１４の方向に向かって伝播される。ＬＥＤチップ１３から発せられた可視光の内、筆記具本体３３０１の軸心に沿ってペン先３２１４に向かう可視光はカートリッジ取り付け穴３２１５Ａの底面の反射ミラー３２１１Ａで反射され、この反射された可視光は、バルク型レンズ２０の表面や樹脂１４の表面で再度反射されて漏れなくペン先３２１４に向って伝播されるようになっている。
導波部３２１１を伝播してきた可視光は最終的には光分散部３２１９を通して分散され、暗闇筆記に必要な適度な紙面の照度を得ることが出来る。この状態で、ペン先３２１４の鋼鉄製ボールを紙面に対して回転させることにより、このボールの回転に応じてインクカートリッジ３２１５から適度なインクを紙面に供給することが出来る。
【０１４２】
このように構成される本発明の第２１の実施例に係る照明部付き手持ち器具によれば、ＬＥＤチップ１３からの光を効率良く集光する樹脂１４、バルク型レンズ２０及び導波部３２１１を備え、照明効率を向上させることが出来るので、白熱電球と同等の実用上十分な照度を得ることが出来る。更に、この手持ち器具は可視光ＬＥＤ１を使用しているので、電力消費が少なく、照明持続時間を長くすることが出来る。例えば、白熱電球を使用する場合に比べて、数十倍から数百倍も長い照明持続時間を得ることが出来る。更に、この手持ち器具は、可視光ＬＥＤ１に光を集光させる樹脂１４、バルク型レンズ２０及び導波部３２１１を備えただけの簡易な構造で構成することが出来る。又、この手持ち器具は簡易な構造なので、製作が容易で、製作コストも削減することが出来る。
【０１４３】
更に、導波部３２１１を利用してペン軸３２１０を形成しているので、筆記具本体３３０１に使用される部品点数を削減することが出来る。部品点数の削減により、一層簡易な構造の手持ち器具を実現することが出来る。この結果、更に、製作が容易で、且つ製作コストが削減出来る照明部付き手持ち器具を実現することが出来る。
なお、本発明の第２１の実施例に係る手持ち器具は、樹脂１４、バルク型レンズ２０、導波部３２１１、光分散部３２１９の少なくともいずれか一つに着色を施し、研究発表会や講演会などでメモを取る際に周囲の人に迷惑がかからない程度に、又デザイン性を高めるために、白色光ではなく、赤、黄、紫色等の色を帯びた光を照射出来るように構成してもよい。
【０１４４】
図４８（Ａ）に示す手持ち器具（筆記具）は、図４６（Ａ）乃至図４７に示す手持ち器具と基本的な構成は同一であるが、筆記具本体３３０１のペン先３２１４を保護し、ペン軸３２１０に着脱自在に取り付け取り外しが出来るアウターキャップ３２３１を備えている。そして、このアウターキャップ３２３１にはクリップ３２３２が取り付けられている。又、アウターキャップ３２３１の少なくともペン先３２１４近傍を透明材料で形成し、このペン先３２１４近傍の幾何学的形状を所定の形状に選んでおけば、アウターキャップ３２３１を付けたままでも懐中電灯として機能させることが可能である。
【０１４５】
図４８（Ｂ）に示す手持ち器具は、図４８（Ａ）に示す筆記具（手持ち器具）と基本的な構成は同一であるが、筆記具本体３３０１を万年筆として構成している。即ち、筆記具本体３３０１は、万年筆のペン先３１４０とこのペン先３１４０にインクを供給するインクカートリッジ３１５０とを備えて構成されている。この図４８（Ａ）に示す筆記具（手持ち器具）においては、筆記具本体３３０１を万年筆として構成しているが、図４８（Ａ）に示す筆記具で得られる効果と同様の効果を得ることが出来る。
【０１４６】
次に、第２２の実施例を説明する。
本発明の第２２の実施例は、本発明の第２１の実施例に係る照明部付き手持ち器具の基本的な構造を利用し、この手持ち器具から光信号を送信し、玄関や門、各部屋のドア、自動車のドア、机の引き出し、家具の引き出しや扉、印鑑箱や小物箱の蓋等の施錠対象物に対して施錠や解錠を行う施錠解錠システムである。
【０１４７】
図４９に示すように、本発明の第２２の実施例に係る施錠解錠システムは、手持ち器具からなる信号発信部３３０４とし、この信号発信部（手持ち器具）３３０４と、この信号発信部（手持ち器具）３３０４からの光信号を受信する信号受信部３３０５を有する施錠対象物とから構成される。即ち、本発明の第２２の実施例に係る施錠解錠システムを構成する手持ち器具は樹脂１４によりモールドされ、この樹脂１４の頂部より、光信号を出力する半導体発光素子としての可視光ＬＥＤ３３４０と、可視光ＬＥＤ３３４０を収納する凹部を内部に有するバルク型レンズ２０と、ペン軸として機能し、且つバルク型レンズを着脱可能なようにして収納する空洞部を有する導波部３２１１とを具備する。一方、施錠対象物は、信号発信部（手持ち器具）３３０４から出射された光信号を受信する信号受信部３３０５と、受信された光信号が所定の信号であると判定された場合に解錠を行うロック機構３３０６とを具備する。更に、施錠対象物には、信号受信部３３０５に電源を供給する駆動電源部３３０７が含まれている。
導波部３２１１からなる筆記具本体３３０１は、本発明の第２１の実施例に係る手持ち器具で説明した筆記具本体３３０１と同一のものであるので、詳細な説明は省略する。
【０１４８】
信号発信部３３０４は、第２１の実施例に係る手持ち器具で説明したライト部本体３３０２と基本的な構成は同一であり、照明器具としても使用することが出来るが、第２２の実施例においては、信号受信部３３０５に光信号を送信出来るように構成されている。即ち、信号発信部３３０４は、信号受信部３３０５に光信号を送信し、これによりロック機構３３０６を制御し、机の引き出し等の施錠又は解錠を行う「電子鍵」としての送信器を構築出来るようになっている。
【０１４９】
即ち、信号発信部３３０４は、半導体発光素子チップ（ＬＥＤチップ）３４１０と、ＬＥＤチップ３４１０から発せられる光（光信号）を集光させる樹脂及びバルク型レンズ２０と、ＬＥＤチップ３４１０を駆動する電圧を供給する電源部３３４４と、電源部３３４４の電源供給を制御するスイッチ部３３４６とを備えて構成されている。ＬＥＤチップ３４１０とこれをモールドするバルク型レンズ２０とで、半導体発光素子（ＬＥＤ）３３４０が構成されている。なお、本発明の第２２の実施例に係る施錠解錠システムに用いるＬＥＤ３３４０としては、本発明の第２１の実施例と同様に、種々の色（波長）のＬＥＤが使用可能である。但し、暗闇筆記の際の局所照明に用いること、及び後述する（第２３の実施例参照）各色の発光強度の比による符号化を実施することを考えれば、第１の実施例で述べた白色ＬＥＤが好ましい。この場合、ＲＧＢの３枚のＬＥＤチップを互いに独立に並列動作させる必要性を考慮すると、それぞれの色の電源回路を並列に設け、独立の制御回路を付加しておくことが好ましい。又、緑色，青色のＬＥＤは、赤色のＬＥＤに対して一般に動作電圧が高いので、内部抵抗等を設けてＲＧＢの３色のバランスをとっても良い。色による符号化を実施しない場合は、内部抵抗等を設けて、電圧のバランスを取れば、電源部３３４４及びこの電源部３３４４の電源供給を制御するスイッチ部３３４６を共通として、ＲＧＢの３枚のＬＥＤチップを同時に並列動作させることが可能である。
【０１５０】
但し、昼間は、白色光を出力することが出来るＬＥＤ（白色ＬＥＤ）では、ビームとして施錠対象物を照射した場合に、その照射点が見にくいので、ＲＧＢの３色光の内のいずれかを選択的に照射するようにしても良い。いずれにしても、手持ち器具として使用する時は、白色光を発し、セキュリティ機能を付加する等の所定の情報処理が必要な際には、特定の色のＬＥＤの発光強度やパルス幅、順序等を独立に制御出来るように、スイッチや論理回路で、ＬＥＤの動作モードを切り替えて使用出来るようにしておいても良い。この様な場合は、図４６（Ａ）に示したスイッチ部３２２６は、第２１の実施例のような簡単な構造ではなく、ＲＡＭ等の半導体メモリ、論理回路やパルス発信器、電圧調整器等の変調部（第２３の実施例参照）を構成する所定の電子回路が組み込まれる。
【０１５１】
本発明の第２１の実施例と同様な構造（図４６（Ｂ）参照）により、信号発信部３３０４の一端（頂部）側はプラグ形状をなし、筆記具本体３３０１の端部のなすソケット形状部に挿入され、着脱自在に装着出来るようになっている。プラグ形状の一部に雄ネジ、ソケット形状の一部に雌ネジを設けておけばよい。筆記具本体３３０１のペン軸３２１０を構成する導波部３２１１は、プラグ形状をなすバルク型レンズ２０を介して伝播されてきた光信号を更に効率良く集光出来る幾何光学的形状をなしており、集光後これを先端部方向に伝播させ、この伝播されてきた光信号は光分散部３２１９を通して最終的に外部に出力される。
【０１５２】
一方、施錠対象物を構成するロック機構３３０６は、比較器等を用い、光検出器３３５０の出力電流のレベル判定、若しくは抵抗を介して出力電圧のレベル判定をし、所定の光入力が入力されたか否かを判断する。所定の光入力が入力されたと判断されたときのみ、ロック機構３３０６は所定の駆動メカニズムにより解錠動作を行う。そして、ロック機構３３０６は、光検出器３３５０が所定の光入力を検出しなければ、施錠状態（ロック状態）を維持している。又、解錠動作後は所定のタイマーにより自動的に施錠しても良く、再び所定の光入力を光検出器３３５０が検出したときロック機構３３０６が施錠動作をさせても良い。
【０１５３】
信号受信部３３０５には、種々の光検出器３３５０が採用可能であるが、フォトダイオード等の半導体光検出器がコンパクト化に適し、又高感度である。フォトダイオード３３５０としては、半導体発光素子（ＬＥＤ）３３４０と全く同一の光学的固有エネルギ（禁制帯幅）を持つ半導体材料からなるダイオードを用いればよい。即ち、発光素子の光学的固有エネルギと受光素子の光学的固有エネルギを等しくすることで、波長選択性を有した最も高感度な光検出が可能となる。光検出器（フォトダイオード）３３５０においては、光学的固有エネルギより大きなエネルギの光が入力されない限り電流が流れないが、特に、光学的固有エネルギと同じエネルギを有した光が入力した場合には波長共鳴効果が加わるので、極めて高感度検出となる。この場合、フォトダイオード３３５０として、ＬＥＤと全く同一のＬＥＤを逆バイアスにして使用することも可能である。又、光検出器３３５０として、光学的固有エネルギがＬＥＤと全く同一の半導体材料からなるＡＰＤを用いても良い。更に、光検出器３３５０としては、ＬＥＤと全く同一の光学的固有エネルギを有する半導体材料を用いて構成したフォトトランジスタを用いても良い。
【０１５４】
例えば、ロック機構３３０６がロック機構３３０６に前もって登録された波長スペクトルと全く同一の波長スペクトルの白色光が入力したときのみ、ロック機構３３０６を解除させるような動作をさせることが出来る。本発明の第２１の実施例に係る施錠解錠システムに白色ＬＥＤを用いた場合には、周知のように、白色光はＲＧＢの３色の光の混合であるので、この３色光で信号の送受信を行うことになる。即ち、３チャネルの信号伝送系を有するので、揺らぎやノイズに強く、信号受信部３３０５において極めて高い感度で光検出を行い、施錠解錠を行うことが出来る。
【０１５５】
一般に信号受信部３３０５は、玄関や門、各部屋のドア等に設置する場合にはスペース的な余裕がある。従って、信号受信部３３０５において、信号発信部３３０４のＬＥＤ３３４０からの光を集光するためには、このスペース的な余裕を考慮すれば、種々のレンズ等の周知の光学系が採用可能である。又、光路の可逆性を考えれば、筆記具１に用いられているバルク型レンズと同一の光学系を採用して、光検出器３３５０に光信号を集光させることも可能である。
なお、スペース的な余裕があるのであれば、光電子増倍管等の半導体光検出器以外の光検出器の使用が可能である。この場合は、それぞれの色に対応した色フィルタを付加することが好ましい。又、半導体光検出器の場合は、先に述べたように、ＬＥＤ３３４０と全く同一の光学的固有エネルギを持つ半導体材料を用いることにより、光フィルタを内蔵したと等価な効果を発揮しているが、更に、それぞれの色フィルタを付加すれば、長波長側の検出器が短波長の光の影響を受けなくなるので、好ましい。
【０１５６】
このようにして、施錠動作又は解錠動作の安定性に優れた施錠解錠システムを構成出来る。
図５０（Ａ）は、平行ビームで遠隔操作する場合で、図５０（Ｂ）は、図４９に対応した、近接操作する場合の具体例である。図５０（Ａ）に示す施錠解錠システムは、施錠対象物である机３５８１に組み込まれており、引き出し３５８３の前板３５８５内側近傍に信号受信部３３０５、ロック機構３３０６としての電磁ソレノイド３５６０、電磁ソレノイド３５６０に駆動電流を供給する駆動電源部３３０７とを備えている。机３５８１には施錠時に電磁ソレノイド３５６０のシャフトが入り込む施錠穴３５８２が配設されている。又、引き出し３５８３の前板３５８５には外側に通じる光信号取り込み穴（光学鍵穴）３５８４が配設されている。信号発信部３３０４のＬＥＤ３３４０の光以外の太陽光等による迷光で誤動作を防止するためには、光信号取り込み穴３５８４は、前板３５８５の厚みに比して相対的に小さな直径の貫通孔として構成しておけばよい。即ち、平行ビームのみが有効に、光信号取り込み穴３５８４を介して信号受信部３３０５に到達するようにしておけばよい。
【０１５７】
この図５０（Ａ）に示す施錠解錠システムにおいては、信号発信部３３０４のＬＥＤ３３４０から発せられた光信号を光信号取り込み穴３５８４を通して信号受信部３３０５で受信し、この信号受信部３３０５で受信された光信号に基づき駆動電源部３３０７から電磁ソレノイド３５６０に駆動電流が供給される。この電磁ソレノイド３５６０のシャフトを例えば駆動電流により降下させた場合には、施錠穴３５８２とシャフトとの結合が外れ、解錠動作を行うことが出来る。逆に、電磁ソレノイド３５６０のシャフトを駆動電流により上昇させた場合には、施錠穴３５８２にシャフトを結合させ、施錠動作を行うことが出来る。
【０１５８】
一方、近接操作する場合は、光信号取り込み穴３５８４の構造が異なる。図５０（Ｂ）に示すように、光学鍵穴３５８４は、筆記具本体３３０１の先端部の光分散部３２１９を収納出来るように、光分散部３２１９の外径より極僅か、例えば０．１乃至０．３ｍｍ程度大きい内径となる相似形をなしている。そして、光学鍵穴３５８４の内部に丁度、光分散部３２１９が収納された状態で信号受信部３３０５の光検出器に光（分散光）が到達するようになっている。最近接位置に光検出器を配置することにより、分散光であっても、有効な光強度を維持することが出来る。
更に、図示を省略しているが、光学鍵穴３５８４の内径部の一部に押しボタンを設けても良い。そして、光学鍵穴３５８４の内部に筆記具本体３３０１の先端部が挿入されたとき、押しボタンが押し込まれ、この押しボタンにより信号受信部側の電源がオン状態となるようにしておけば、省エネルギー化が可能である。又、机に直射日光が照射した時の誤動作等の防止も可能である。
【０１５９】
更に、図５０（Ｂ）に示す信号受信部３３０５の光検出器として１次元若しくは２次元のイメージセンサを用い、光分散部３２１９の表面に暗号化（コード化）された所定の空間パターンを設けておけば、特定の人間の持つ特定の手持ち器具の所定のパターンを識別したときのみ、解錠できるように出来る。更に、導波部３２１１の一部若しくは、光分散部３２１９の一部にホログラムカラーフィルタを設けておき、信号受信部３３０５でホログラムパターンを認識するようにしても良い。
なお、信号受信部３３０５、ロック機構３３０６及び駆動電源部３３０７を備えた施錠解錠システムは、図５０（Ａ）及び（Ｂ）に示した施錠対象物である机３５８１の引き出し３５８３の前板３５８５に組み込まれる場合に限定されるものではなく、例えば家具の引き出しや扉、印鑑箱や小物箱の蓋、金庫の扉や蓋等の種々の施錠対象物に組み込むことが出来る。更に、塀や門、玄関のドア、各部屋のドア、自動車のドア等を施錠対象物として使用することも出来る。
【０１６０】
次に、第２３の実施例を説明する。
図５０（Ｂ）に関連して、空間的なパターンを認識する方法を述べたが、この例で理解出来るように、所定の個人識別情報を光信号として用いることにより、本発明の照明部付き手持ち器具は、セキュリティ機能を向上させた施錠解錠システムに適用可能である。
図５１に示すように、本発明の第２３の実施例に係るセキュリティ機能を有する施錠解錠システムは、手持ち器具を光信号を送信する信号発信部３３０４とし、この手持ち器具（信号発信部）３３０４と、この手持ち器具（信号発信部）３３０４からの光信号を受信する信号受信部３３０５を有する施錠対象物とから構成されている。即ち、本発明の第２２の実施例に係る手持ち器具は、樹脂１４によりモールドされ、樹脂１４の頂部より、光信号を出力する半導体発光素子としてのＬＥＤ３３４０と、所定の個人識別情報を含ませるために、光を変調し光信号を生成する変調部３４００と、ＬＥＤ３３４０を収納する凹部を内部に有するバルク型レンズ２０と、ペン軸として機能し、且つバルク型レンズ２０を着脱可能なようにして収納する空洞部を有する導波部３２１１とを具備する。一方、本発明の第２２の実施例に係る施錠対象物は、手持ち器具（信号発信部）３３０４から出射された光信号を受信する信号受信部３３０５と、受信された光信号に含まれた個人識別情報が、施錠対象物に登録された個人識別情報に一致するか否か確認し、一致が確認された場合に解錠を行うロック機構３３０６とを具備する。更に、施錠対象物には、信号受信部３３０５に電源を供給する駆動電源部３３０７が含まれている。
【０１６１】
ここで、半導体発光素子としてのＬＥＤ３３４０は、第１の波長λ１（赤色）の光を発光する第１の半導体発光素子チップ（ＬＥＤチップ）３４１０（Ｒ）と、第１の波長λ１とは異なる第２の波長λ２（緑色）光を発光する第２の半導体発光素子チップ（ＬＥＤチップ）３４１０（Ｇ）と、第１及び第２の波長λ１，λ２とは異なる第３の波長λ３（青色）光を発光する第２の半導体発光素子チップ（ＬＥＤチップ）３４１０（Ｂ）とを有している。そして、変調部３４００は、第１の光の強度Ｉ1 及び第２の波長の光の強度Ｉ2 の比（＝Ｉ1 ／Ｉ2 ）、第２の光の強度Ｉ2 及び第３の波長の光の強度Ｉ3 の比（＝Ｉ2 ／Ｉ3 ）、或いは第３の光の強度Ｉ3 及び第１の波長の光の強度Ｉ1 の比（＝Ｉ3 ／Ｉ1 ）等を所定の値に設定することにより個人識別情報を含む光信号を生成する。又、信号受信部は、第１、第２及び第３の半導体発光素子チップ３４１０（Ｒ），３４１０（Ｇ），３４１０（Ｂ）と同一の光学的固有エネルギを有した半導体材料からなる第１、第２及び第３の光検知器３０５１（Ｒ），３０５２（Ｇ），３０５３（Ｂ）とからなる。更に、ロック機構３３０６は、第１、第２及び第３の光検知器３０５１（Ｒ），３０５２（Ｇ），３０５３（Ｂ）の出力から生成した信号と、登録された個人識別情報との一致を調べる比較器３６３１と、登録された個人識別情報との一致が確認された場合に、解錠を行うロック・ドライバ３６４０とからなる。更に、ロック機構３３０６は、ＲＡＭ３６３２を具備し、個人識別情報はＲＡＭ３６３２に記憶させておくことが出来る。
【０１６２】
既に、第２０の実施例において説明したように、赤色のＬＥＤチップ３４１０（Ｒ）、緑色のＬＥＤチップ３４１０（Ｇ）及び青色のＬＥＤチップ３４１０（Ｂ）の３枚のＬＥＤチップを縦に積層して構成して、白色ＬＥＤを構成出来る。図５６においては、変調部３４００は、これら赤色のＬＥＤチップ３４１０（Ｒ）、緑色のＬＥＤチップ３４１０（Ｇ）及び青色のＬＥＤチップ３４１０（Ｂ）の３枚のＬＥＤチップをそれぞれ独立に制御する。この変調部３４００は、電源部３３４４からの電圧を、赤色のＬＥＤチップ３４１０（Ｒ）、緑色のＬＥＤチップ３４１０（Ｇ）及び青色のＬＥＤチップ３４１０（Ｂ）の３枚のＬＥＤチップにそれぞれ独立に制御することにより、各色の相対的強度を制御し、その混合比により任意の色が出力出来るようになっている。例えば、変調部３４００は、３枚のＬＥＤチップのそれぞれを８ビットの多値階調データをＤ／Ａ変換して制御する。このため、変調部３４００は、電源部３３４４からの電圧をそれぞれ８ビットの信号で３回路分独立に制御出来るＤ／Ａ変換器と電圧調整器を有している。又、変調部３４００は、電源部３３４４からの電圧の供給だけでなく、赤色のＬＥＤチップ３４１０（Ｒ）、緑色のＬＥＤチップ３４１０（Ｇ）及び青色のＬＥＤチップ３４１０（Ｂ）の３枚のＬＥＤチップに印加する電源電圧のパルス幅及び繰り返し周波数の調整、更に、２値のコード化された信号として所定の符号化を行ってもよい。このような場合は、論理回路やパルス発信器等の電子回路が変調部３４００に組み込まれる。又、８ビットの多値階調の各色のデータ或いは２値のコード化された信号等を記憶するＲＡＭ等の半導体メモリも組み込まれている。これらの変調部３４００に必要な、ＲＡＭ等の半導体メモリ、論理回路やパルス発信器、電圧調整器等の電子回路等は、図４６（Ａ）に示したスイッチ部３２２６に、１チップの半導体集積回路として組み込まれている。この半導体集積回路にマイクロプロセッサを組み込んでも良い。これらの半導体集積回路により、セキュリティ機能を付加するために必要な特定の色の強度やパルス幅、順序等を独立に制御し、これらの情報を蓄えておくことが出来る。
【０１６３】
更に、図４６（Ａ）に示した構造のライト部本体３３０２のどこかに、テンキーやその他の文字入力用のキーボード等を備え、このテンキーやキーボード等により、複雑なコード信号や暗号を入力出来るようにしておくことも可能である。この場合には、筆記具本体３３０１をライト部本体３３０２から取り外し、筆記具本体３３０１のペン先を用いて、キーボード等を操作すればよい。このキーボード等は、例えば、図４６（Ａ）に示すクリップ３２３０に設けても良い。
【０１６４】
一方、本発明の第２３の実施例に係る施錠解錠システムの信号受信部３３０５は、赤色帯域の半導体光検出器３０５１（Ｒ）、緑色帯域の半導体光検出器３０５２（Ｇ）、青色帯域の半導体光検出器３０５３（Ｂ）の並列接続回路で構成されている。これらの半導体光検出器３０５１（Ｒ），３０５２（Ｇ），３０５３（Ｂ）としては、赤色のＬＥＤチップ３４１０（Ｒ）、緑色のＬＥＤチップ３４１０（Ｇ）及び青色のＬＥＤチップ３４１０（Ｂ）のそれぞれと全く同一の光学的固有エネルギを持つ半導体材料からなるフォトダイオード３０５１（Ｒ），３０５２（Ｇ），３０５３（Ｂ）を用いればよい。即ち、発光素子の光学的固有エネルギと受光素子の光学的固有エネルギを等しくすることで、波長選択性を有した最も高感度な光検出が可能となる。なぜなら、光検出器（フォトダイオード）３０５１（Ｒ），３０５２（Ｇ），３０５３（Ｂ）においては、禁制帯幅以上のエネルギを有した光が入力されない限り電流が流れず、禁制帯幅と同一のエネルギの光が入力した場合には波長共鳴効果が加わるので極めて高感度検出となるからである。この場合、フォトダイオード３０５１（Ｒ），３０５２（Ｇ），３０５３（Ｂ）として、赤色のＬＥＤチップ３４１０（Ｒ）、緑色のＬＥＤチップ３４１０（Ｇ）及び青色のＬＥＤチップ３４１０（Ｂ）と全く同一のＬＥＤを逆バイアスにして使用することも可能である。又、光検出器３０５１（Ｒ），３０５２（Ｇ），３０５３（Ｂ）として、禁制帯幅がＬＥＤと全く同一の半導体材料からなるＡＰＤを用いても良い。更に、光検出器３０５１（Ｒ），３０５２（Ｇ），３０５３（Ｂ）としては、赤色のＬＥＤチップ３４１０（Ｒ）、緑色のＬＥＤチップ３４１０（Ｇ）及び青色のＬＥＤチップ３４１０（Ｂ）と全く同一の禁制帯幅を有する半導体材料を用いて構成したフォトトランジスタを用いても良い。更に、フォトトランジスタをダーリントン接続して構成すれば、より高感度な検出が可能である。
【０１６５】
そして、ロック機構３３０６は、更に、レベル判定器３６１１，３６１２，３６１３、波形整形回路（若しくはＡ／Ｄ変換器）３６２１，３６２２，３６２３を有している。即ち、各色の光検出器３０５１（Ｒ），３０５２（Ｇ），３０５３（Ｂ）の出力側には、それぞれレベル判定器３６１１，３６１２，３６１３が接続され、レベル判定器３６１１，３６１２，３６１３の出力側には波形整形回路（若しくはＡ／Ｄ変換器）３６２１，３６２２，３６２３が接続されている。そして、それぞれの光検出器３０５１（Ｒ），３０５２（Ｇ），３０５３（Ｂ）の出力が所定のレベルに達した時のみ、２値若しくは多値の出力を波形整形回路３６２１，３６２２，３６２３が出力する。波形整形回路３６２１，３６２２，３６２３からはそれぞれ、例えば８ビットの多値階調信号を出力する。そして、ＲＡＭ３６３２に格納された８ビットの各色の多値階調データと比較器３６３１で比較し、一致が確認された時のみ、ロック・ドライバ３６４０を駆動し、解錠動作を行う。若しくは、比較器３６３１で一致が確認されなけければ、ロック・ドライバ３６４０を施錠状態（ロック状態）を維持している。又、解錠動作後は、所定のタイマー等により一定の時間経過後に自動的に施錠しても良く、再び所定の光入力を光検出器３０５１（Ｒ），３０５２（Ｇ），３０５３（Ｂ）が検出し、再び比較器３６３１がＲＡＭ３６３２に格納された８ビットの多値階調データと一致が確認された時に、ロック・ドライバ３６４０が施錠動作をするようにしても良い。
【０１６６】
さて、上記において、赤色のＬＥＤチップ３４１０（Ｒ）、緑色のＬＥＤチップ３４１０（Ｇ）及び青色のＬＥＤチップ３４１０（Ｂ）のそれぞれと全く同一の禁制帯幅を持つ半導体材料からなるフォトダイオード３０５１（Ｒ），３０５２（Ｇ），３０５３（Ｂ）を用いれば、波長選択性を有した最も高感度な光検出が可能と説明したが、赤色のＬＥＤチップ３４１０（Ｒ）、緑色のＬＥＤチップ３４１０（Ｇ）及び青色のＬＥＤチップ３４１０（Ｂ）のそれぞれの発光のタイミングは注意が必要である。即ち、赤（Ｒ）色の光により、緑色の半導体光検出器３０５２（Ｇ）及び青色の半導体光検出器３０５３（Ｂ）には光電流が流れないが、緑（Ｇ）色の光は赤（Ｒ）色の光よりエネルギが高いので、緑（Ｇ）色の光により、赤色の半導体光検出器３０５１（Ｒ）に光電流が流れる。又、最もエネルギが高い青（Ｂ）色の光によれば、赤色の半導体光検出器３０５１（Ｒ）及び緑色の半導体光検出器３０５２（Ｇ）に光電流が流れるので、信号処理が複雑になるからである。これを防ぐには、赤（Ｒ）色、緑（Ｇ）色のバンドパスフィルタを用いるのが一つの手法であるが、装置が複雑化する。最も簡単且つ有効な手法は、赤色のＬＥＤチップ３４１０（Ｒ）、緑色のＬＥＤチップ３４１０（Ｇ）及び青色のＬＥＤチップ３４１０（Ｂ）がそれぞれ単独発光するように、ＬＥＤの駆動パルスのタイミングとそのパルス幅を選び、互いにオーバーラップがないように、発光のタイミングを互いにずらすことである。このように発光のタイミングの選定により、波長共鳴効果を用いた高感度検出が可能となる。
或いは赤（Ｒ）色、緑（Ｇ）色、青（Ｂ）色の順にタイミングをずらしてオーバーラップさせ、光検出器３０５１（Ｒ），３０５２（Ｇ），３０５３（Ｂ）の出力の微分変化を求める方法や、逆に青（Ｂ）色、緑（Ｇ）色、赤（Ｒ）色の順にタイミングをずらしてオーバーラップさせ、光検出器３０５１（Ｒ），３０５２（Ｇ），３０５３（Ｂ）の出力の微分変化を求める方法を採用しても良い。
【０１６７】
このようにして、特定の個人がそれぞれ自由に、ＲＧＢの強度を選び、その強度比を施錠解錠システムの必要情報（個人識別情報）とすれば、他人には絶対に解錠出来ないセキュリティ・システムを実現させることが可能である。ＲＧＢの強度の組み合わせは、多値階調のビット数を選べば、ほとんど無限通りに近く可能であるので、極めて多くの人が多くの機器に使用可能である。この施錠解錠システムの必要情報（個人識別情報）は、図４６（Ａ）に示したスイッチ部３２２６に内蔵したＲＡＭに記憶しておいても良く、その都度テンキー等を使って入力しても良い。或いはリセット手段を設け、解錠情報を随時変更出来るようにし、最新のコード信号のみを記憶出来るようにしてもかまわない。
【０１６８】
さて、発光のタイミングの選定は様々考えることが可能である。最も単純なのは、Ｒ，Ｇ，Ｂが、この順に、オーバーラップがないようにそれぞれ単独発光するように選定する方法である。この場合、信号発信部３３０４及びロック機構３３０６において、共通のクロック周波数を選んでおき、そのクロック周波数に応じて順に発光させればよい。ロック機構３３０６側では、クロック周波数に応じて光検出のゲートを開く同期検出を行えば、ノイズ成分や迷光の影響を回避出来る。そして、好ましくはＲ，Ｇ，Ｂの順の発光を１サイクルとし、このＲ，Ｇ，Ｂのサイクルを所定のサイクル数繰り返し、アキュムレータ等により積分値を求めれば良い。この様にＲ，Ｇ，Ｂ；Ｒ，Ｇ，Ｂ；・・・・・ という単純な繰り返しを所定のサイクル数繰り返し、その積分値で個人識別情報（施錠解錠システムの必要情報）の一致を確認する方法を採用すれば、太陽光による迷光成分が多い環境でも高精度で信頼性の高い光検出が可能となる。この場合、所定のサイクル数の繰り返し後の積分値と、ＲＡＭ３６３２に格納された８ビットの多値階調データとを比較器３６３１で比較し、一致を確認することになる。ここで、「所定のサイクル数」とは１サイクルでも良い。サイクル数は直射日光が当たるか否か等の使用環境やＬＥＤの出力、半導体光検出器の感度等に応じて選べばよい。
【０１６９】
一方、ＬＥＤの駆動パルスのタイミングの選び方で、個人識別情報（施錠解錠システムの必要情報）を生成することも可能である。例えば、ＡさんはＲＲＢＧＢＲ，ＲＲＢＧＢＲ，ＲＲＢＧＢＲ，・・・・・ 、ＢさんはＢＲＢＲＧＧ，ＢＲＢＲＧＧ，ＢＲＢＲＧＧ，・・・・・ 、Ｃさんは、ＧＧＧＧＢＲ，ＧＧＧＧＢＲ，ＧＧＧＧＢＲ，・・・・・ のように、それぞれ自由にタイミングを選び、その発光の順番を個人識別情報（施錠解錠システムの必要情報）とすることも可能である。
【０１７０】
この場合、対象となる特定の被施錠物以外の他の複数の個人識別情報のコードをシーケンシャルに並べて、シーケンシャルに発光させても良い。例えば、同一の人間が複数の玄関のドアの鍵、複数の部屋のドアの鍵、複数の自動車のドアの鍵、複数の机の引き出しの鍵、複数の家具の引き出しや扉の鍵、印鑑箱や小物箱の蓋の鍵、金庫の扉や蓋等の容器の鍵を開ける必要がある。この場合、これらの複数の玄関のドアの鍵、複数の部屋のドアの鍵等の多くの解錠のコードをすべて手持ち器具に内蔵されたＲＡＭ等の半導体メモリに記憶させておけばよい。そして、これらの個人識別情報のコードを乗せた各色の発光をシーケンシャルに連続して行い、ロック機構３３０６がそのロック機構３３０６の内蔵するＲＯＭに登録された個人識別情報との比較を行い、この内の一つに対し一致を確認すれば、その被施錠物を解錠するようにすればたくさんの鍵の内から特定の鍵を探し出す手間が不要となる。又、たくさんの鍵を持ち歩く必要もなくなる。
【０１７１】
更に、各色のパルス幅を選定して、それを個人識別情報とすることも出来る。パルス幅を選定する場合、信号発信部３３０４及びロック機構３３０６において、共通のクロック周波数を選んでおき、そのクロック周波数を基準としてパルス幅を選んでも良い。即ち、クロック周波数に応じて光検出のゲートを開く同期検出を行えば、ノイズ成分や迷光の影響を回避出来る。しかし、ノイズ成分や迷光の影響の少ない使用環境のもとでは、クロック周波数に無関係に選んで良いことは勿論である。更に、通常の情報処理システムに用いられている種々の符号化技術が、各色（各チャネル）についてそれぞれ適用可能で、それを更に全部の色で組み合わせて実施することも可能である。
なお、図５１に示す本発明の第２３の実施例に係る施錠解錠システムは、図５０（Ｂ）に対応した信号発信部３３０４と信号受信部３３０５とを近接させる場合の例を示しているが、この例に限られない。例えば、図５０（Ａ）に示す場合のように、平行光線又は所定の焦点距離に集光された光で遠方に位置する信号受信部３３０５に光を照射する方式にも適用可能であることは勿論である。この場合は、筆記具本体３３０１をライト部本体３３０２から取り外し、ライト部本体３３０２のバルク型レンズ２０露出させ、このバルク型レンズ２０の表面からの出力光を用いればよい。
【０１７２】
平行光線や所定の焦点距離に集光された光で遠方を照射する場合は、半導体光検出器３０５１（Ｒ），３０５２（Ｇ），３０５３（Ｂ）に入力する光強度が距離に依存する可能性がある。しかし、本発明の第２２の実施例に係る施錠解錠システムにおいては、半導体光検出器３０５１（Ｒ），３０５２（Ｇ），３０５３（Ｂ）に入力する光強度の絶対値を必要な情報として検出しているのではなく、各色の相対的な強度比を検出しているので、距離が変化しても必要な情報の信頼性が失われることはない。
【０１７３】
次に、第２４の実施例を説明する。
更に、第２１の実施例で説明した筆記具は本発明の手持ち器具の例の一部に過ぎず、本発明を限定するものではない。図４６（Ａ）に示した構造において、インクカートリッジ３２１５の位置に押し出し運動若しくはねじれ運動をする固形状物（棒紅）を配置すれば、化粧器具（棒口紅）を構成することも可能である。本発明によれば、図４６（Ａ）と同様に、導波部の先端部に光分散部を設けることにより、口だけでなく顔全体の広い範囲を照明出来るので非常に便利である。更に化粧筆を構成することも可能である。航空機の客室乗務員等の特定の状況においては、暗闇で化粧を直したい場合もあり、かかる場合には本発明の照明部付き化粧器具は便利である。特に、本発明の照明部付き化粧器具は白色光が使用出来るので、昼間と同じ自然な感じの化粧が暗闇で可能である。
【０１７４】
更に、本発明の手持ち器具は、図５２に示すドライバや図示を省略したスパナ、レンチ等種々の手工具にも適用可能である。図５２に示すドライバは、工具本体３３１１とライト部本体３３０２とに着脱自在になっている。導波部３２１１からなる手持ち軸部（柄）３２１０Ｄは円筒形の空洞部を有し、この空洞部には金属棒からなるドライバ軸（中心軸部）３１１５が収納され、導波部３２１１とドライバ軸３１１５とは、軸ストッパ３１１６により互いに強固に固定されている。又、導波部３２１１の先端部は凸形状になり、光集光部３２１１Ｂを構成し、作業時にドライバ軸３１１５の先端部（ヘッド）が効率良く局所照明出来るようになっている。例えば、工具本体３３１１をライト部本体３３０２から取り外し、手工具本体３３１１のみを工具箱に収納し、ライト部本体３３０２は胸のポケット等に別途携帯すれば、工具箱の施錠・開錠が別途携帯したライト部本体３３０２のバルク型レンズの表面からの出力光を用いて可能となる。図５２においては、力を加え易くするために、ライト部本体３３０２の頭が大きくなっているが、図４６（Ａ）と同様に、ライト部筐体３２２３の他端側の外周にクリップを取り付けておけば、ライト部本体３３０２を例えば作業服のポケットに常時携帯するのに便利である。
【０１７５】
次に、第２５の実施例を説明する。
図１において、バルク型レンズ２０は、凹形状の第１の湾曲面からなる収納部６、及び凸形状の第２の湾曲面からなる出射面３を有していた。しかし、図１は例示であり、第１の湾曲面や第２の湾曲面は、目的に応じて、種々の形状が採用可能である。
図５３は、本発明の第２４の実施例として、凹形状の第２の湾曲面からなる出射面３を有すバルク型レンズ２１を示す。図５３に示すような凹形状の第２の湾曲面を用いると、光は分散する傾向になるので、バックライト（間接照明系）には好適な均一性を得ることが出来る。
【０１７６】
又、第５の実施例で説明した図１７（Ａ）及び（Ｂ）に示すよう背面鏡３１付きの構造、或いは第６の実施例で説明した図２２に示すよう背面鏡３１付きの構造等においても湾曲面は、目的に応じて種々の形状が採用可能であり、凹形状の第２の湾曲面からなる発光面を有すバルク型レンズでもよい。凹形状の湾曲面を頂部（発光面）に用いると、光は分散する傾向になるので、種々のバックライト（間接照明系）に好適な均一性を得ることが出来る。
【０１７７】
次に、第２６の実施例を説明する。
日本における交通事故は、年々増加する傾向にある。そのうち自転車に関係する事故件数は約３％を占めている。自転車事故の中で特に目立つのが夜間での「無点灯走行」による事故で、自転車用ランプの装着率は、１００％近いのにかかわらず、その点灯率は２０％と大変低い。これは自転車に装着されているランプはそのほとんどが発電機（ダイナモ式）であるため、（イ）ランプをつけるとペダルが重くなり、脚に負担がかかる。（ロ）発電機と車輪が接触する時に不快音が出る。（ハ）道路に水たまりやぬかるみがあると、発電機が水や泥を飛散し、衣服を汚す。（ニ）発電機は、自転車のスピードが落ちるとライトが暗くなる等の理由で、無灯火のまま走行する人が多い。夜間無点灯の自転車と自動車（若しくは対歩行者）の事故の場合、自転車側に責任があるケースが多く見られ、自転車運転者の責任が問われる。この様に状況からは電池式の小型・軽量で且つ明るい照明器具が待望されている。又、自転車用ランプとしてはダイナモ式よりも電池方式の方が好ましいことが分かる。自転車用ランプとして要求されるのは、十分な明るさと、電池の寿命が長いことである。電池の寿命を長くするために、消費電力が少ない光源が好ましい。この点ではＬＥＤを用いれば良い。しかし、ＬＥＤは一般に照度が足りない。
本発明の第２７の実施例では、ＬＥＤを使って且つ十分な明るさが得られる発光体について説明する。
【０１７８】
図５４は本発明の第２７の実施例に係る発光体を示す模式的な断面図である。図５４に示すように、本発明の第２７の実施例に係る発光体は、所定の波長の光を発する複数の光源（第１乃至第４光源）１ａ〜１ｄと、この第１乃至第４光源１ａ〜１ｄをそれぞれ独立に収納し、それぞれの主発光部をほぼ完全に覆うバルク型レンズ２６とから少なくとも構成されている。第１乃至第４光源１ａ〜１ｄをそれぞれ独立に収納するために、バルク型レンズ２６には複数の独立した井戸型の凹部（第１乃至第４凹部）６ａ〜６ｄが並列配置されている。
【０１７９】
井戸型の第１乃至第４凹部６ａ〜６ｄは、それぞれ独立した第１乃至第４入射面２ａ〜２ｄと、この第１乃至第４入射面２ａ〜２ｄを天井部とし、天井部に連続して形成され、互いに独立した第１乃至第４凹部側壁５ａ〜５ｄとから構成されている。複数の入射面２ａ〜２ｄから入射した複数の光を出射する出射面３は単一の湾曲面から構成されている。レンズ本体４は、第１乃至第４入射面２ａ〜２ｄと出射面３とを接続する。このレンズ本体４は、光源から発せられた光の波長に対して透明な材料からなる。
【０１８０】
第１乃至第４光源１ａ〜１ｄは、例えば最大部の直径（外径）２〜３ｍｍφの弾丸型ＬＥＤである。バルク型レンズ２６は、断面が図５４に示すような蒲鉾を一定の厚さにスライスした形状である。式（１）の条件を考慮すると、蒲鉾の上下の平坦面の間の厚みは、第１乃至第４光源１ａ〜１ｄの外径の３倍以上が好ましい。バルク型レンズ２６中に設けられた第１乃至第４凹部６ａ〜６ｄのそれぞれの第１乃至第４凹部側壁５ａ〜５ｄは、第１乃至第４光源（弾丸型ＬＥＤ）１ａ〜１ｄの主発光部を収納出来るように、直径（内径）２. ５〜４ｍｍφの円筒形状（井戸型形状）となっている。図示を省略しているが、第１乃至第４光源１ａ〜１ｄとバルク型レンズ２６とを固定するために、第１乃至第４光源１ａ〜１ｄと第１乃至第４凹部６ａ〜６ｄとの間には、それぞれ厚さ０．２〜０．５ｍｍ程度のスペーサが挿入されている。蒲鉾型のバルク型レンズ２６の幅は、本発明の第２５の実施例に係る発光体の使用目的に応じて選択出来る。従って、３０ｍｍφ以下でも１００ｍｍφ以上でもかまわない。又、図５４では、４つの光源１ａ〜１ｄが示されているが、光源の数は、５つ以上であっても３つ以下でもかまわない。しかし、自転車用であれば３乃至５程度で十分である。又、図５４では同一平面レベルに、４つの光源１ａ〜１ｄを１次元方向に配置した構造であるが、２層構造とし、上層に第１及び第２光源１ａ，１ｂ、下層に第３及び第４光源１ｃ，１ｄを配置した２次元的配置でもかまわない。更に、第２の実施例と同様に、第１乃至第４光源１ａ〜１ｄに対し、それぞれ第１乃至第４背面鏡を設けても良い。より少ない個数の光源１ａ，１ｂ，１ｃ，・・・・・・で、明るい照明をするためには、光源１ａ，１ｂ，１ｃ，・・・・・・の配置のピッチを光源１ａ，１ｂ，１ｃ，・・・・・・の外径の３倍程度にすることが好ましい。又、両端に位置する光源の外側のレンズ本体４の厚さは、光源の外径程度以上あることが好ましい。この条件は、式（１）にほぼ対応する条件である。
【０１８１】
自転車用ランプや懐中電灯のような照明目的のためには、第１の実施例において説明したように、白色ＬＥＤが人間の目には自然である。白色ＬＥＤは、第７の実施例において説明したような、ＲＧＢの３枚のＬＥＤチップが一つのパッケージ内に、縦に積層、若しくは互いに近接配置した構造を採用すれば良い。即ち、弾丸型の樹脂封止体の内部に、それぞれＲＧＢの３枚のＬＥＤチップを実装した第１乃至第４の白色ＬＥＤを用意すれば良い。そして、第１乃至第４白色ＬＥＤに対して、それぞれ所定電圧が印加出来るように電池ケースとこの電池ケースの中の電池（例えば単３電池）を収納すれば、自転車用ランプが完成する。この自転車用ランプは、自転車のハンドル等に取り付けるためのアタッチメントを設けておけば良いことは勿論である。この電池の陽極及び陰極にそれぞれ、第１乃至第４光源１ａ〜１ｄとしての第１乃至第４白色ＬＥＤの電極を接続する構造とすれば良い。この結果、簡単な構造で、製造単価の低い自転車用ランプや懐中電灯が提供出来る。この自転車用ランプや懐中電灯は長期間に渡る安定性と信頼性に優れ、特に、電力消費量が少ないため、電池の寿命が極めて長い。
【０１８２】
第１乃至第４光源１ａ〜１ｄとバルク型レンズ２６の第１乃至第４凹部６ａ〜６ｄとの間にはそれぞれの界面で反射した光の成分が多重反射し、迷光成分となっている。従来公知のレンズ等の光学系では、これらの迷光成分は照明に寄与出来るように取り出すことは出来ない。しかし、これらの迷光成分も、本発明の第２７の実施例においては、最終的には照明に寄与出来る成分となり得る。このように、本発明の第２７の実施例においては、第１乃至第４光源１ａ〜１ｄがバルク型レンズ２６の第１乃至第４凹部６ａ〜６ｄにほぼ完全に閉じこめられているので、第１乃至第４光源１ａ〜１ｄから発せられる迷光成分も含めて、ほぼすべての出力光が有効に照明に寄与出来るようになる。
【０１８３】
このようにして、本発明の第２７の実施例に係る発光体によれば、自転車用ランプとしての使用可能な所望の平行性を有した光束を確保し、且つ所望の照度を簡単に得ることが出来る。この照度は従来公知のレンズ等の光学系では達成不可能な照度である。このように、本発明の第２７の実施例に係る発光体によれば、従来の技術常識では全く予測出来ない照度を、図５４に示すような簡単な構造で実現出来る。
本発明の第２７の実施例に係る発光体に用いるバルク型レンズ２６としては、第１の実施例で述べた透明プラスチック材料、ガラス材料、結晶性材料等が使用可能で、有色の樹脂や蛍光材料を含んだ樹脂等も使用可能である。この内、アクリル樹脂やポリ塩化ビニル樹脂等の熱可塑性樹脂は、バルク型レンズ２６を大量生産するのに好適な材料である。第１乃至第４光源１ａ〜１ｄとして、ＬＥＤの他にハロゲンランプ等の白熱球或いは小型放電管、無極放電ランプ等の他の光源も使用可能である。ハロゲンランプ等の発熱を考慮すると、発熱を伴う光源の場合は、バルク型レンズ２６は耐熱性光学材料が好ましい。耐熱性光学材料としては、石英ガラス、サファイアガラス等の耐熱ガラスが好ましい。或いは、ポリカーボネイト樹脂等の耐熱性樹脂等の耐熱性光学材料が使用可能である。ＺｎＯ、ＺｎＳ、ＳｉＣ等の結晶性材料でも良い。
【０１８４】
無点灯走行による交通事故を防止するためには、明度センサを設け、暗くなったら自動的に点灯するようにすれば良い。ＬＥＤは消費電力が少ないので無人の状態で点灯していてもかまわない。しかし、より電池の寿命を長くするためには、サドル及び／又はペダルに加重センサを設け、運転時のみ点灯するようにすれば良い。即ち、明度センサの信号と加重センサの信号の論理積（ＡＮＤ）回路を設け、暗く且つ運転時のみの場合に自動点灯し、加重センサの信号が消えたら自動消灯するようにすれば良い。
【０１８５】
次に、第２８の実施例を説明する。
既に説明したように、本発明の第１の実施例に係る発光体においては、バルク型レンズ２０を用いることにより、光源（ＬＥＤ等）それ自身には何ら手を加えることなく、容易に光の発散、収束等の光路の変更や焦点の変更が可能であるという有利な効果を奏することを示した。更に、図５５に示すように、第１のバルク型レンズ２０の外側に第２のバルク型レンズ２３を配置し、更に、第２のバルク型レンズ２３の外側に第３のバルク型レンズ２４を配置すれば、樹脂モールドされたＬＥＤ１の光のビーム径を更に広い照射面積となるように拡大することが可能である。第２のバルク型レンズ２３は、第１のバルク型レンズ２０と同様に光の波長に対して透明な材料からなり、第１のバルク型レンズ２０を収納するための第２の収納部を有している。第２の収納部の天井面が入射面（第３の湾曲面）をなし、第３の湾曲面に対向した第４の湾曲面が出射面となる。又、第３のバルク型レンズ２４は、第２のバルク型レンズ２３を収納するための第３の収納部を有している。第３の収納部の天井部が入射面（第５の湾曲面）となり、第５の湾曲面に対向した第６の湾曲面が出射面となる。
【０１８６】
図５５に示すように、本発明の第２７の実施例においても、ＬＥＤ１は第１の屈折率ｎ1 を有したエポキシ樹脂等の透明材料１４でモールドされている。そして、第３の屈折率ｎ2 を有する第１のバルク型レンズ２０は、第２の屈折率ｎ0 を有する空気を介してＬＥＤ１を収納している。更に、第４の屈折率ｎ3 を有する第２のバルク型レンズ２３は、第２の屈折率ｎ0 を有する空気を介して第１のバルク型レンズ２０を収納している。また、第５の屈折率ｎ4 を有する第３のバルク型レンズ２４は、空気を介して第２のバルク型レンズ２３を収納している。空気以外の流体若しくは流動体を介してＬＥＤ１、第１のバルク型レンズ２０及び第２のバルク型レンズ２３を、それぞれの収納部６に収納しても良い。又、第３の屈折率ｎ2 、第４の屈折率ｎ3 若しくは第５の屈折率ｎ4 を次第に大きく、或いは次第に小さくするようにして光路設計をしても良い。
【０１８７】
本発明の第２７の実施例のように、ビーム径をあまり広げすぎると照度が減少するので、懐中電灯のような目的には不適となるが、均一な照明を必要とするバックライト（間接照明系）には好適となる。即ち、通常のＬＥＤをバックライト（間接照明系）に用いると、ＬＥＤの発光点がスポット状に明るくなり、明るさのバラツキが目立つが、図５５に示すようにしてビーム径を５０〜１００ｍｍφ程度まで拡大すれば、均一なバックライト照明が可能となる。
【０１８８】
なお、第５の実施例で説明した背面鏡３１の付いたバルク型レンズ（第１のバルク型レンズ）２５の外側に第２のバルク型レンズを配置し、更に、第２のバルク型レンズの外側に第３のバルク型レンズ，・・・・・ を配置してもよい。このようにすれば、封止ＬＥＤ１の光のビーム径を更に広い照射面積となるように拡大することが可能である。第２のバルク型レンズは、第１のバルク型レンズ２５と同様に光の波長に対して透明な材料からなり、第１のバルク型レンズ２５を収納するための凹部と、湾曲面からなる発光面とを具備している。又、第３のバルク型レンズは、第２のバルク型レンズを収納するための凹部を有するようにしておけばよい。
【０１８９】
次に、第２９の実施例を説明する。
図５６は本発明の第２９の実施例に係る受光体を示す模式的な断面図である。図５６に示すように、本発明の第２９の実施例に係る受光体は、所定の波長の光を検出するｐｉｎフォト・ダイオードやアヴァランシェ・フォト・ダイオード等のフォト・ダイオード（光検出器）と、このフォト・ダイオードをほぼ完全に覆うバルク型レンズ２０とから少なくとも構成されている。そして、このバルク型レンズ２０は、第２の湾曲面からなる入射面２（第２レンズ面）３を有する。レンズ本体４の底部からは、頂部に向かって、光検出器（フォト・ダイオード）の受光部を収納するための凹部６が形成されている。この凹部の天井は、第１の湾曲面で構成されている。入射面２（第２レンズ面）３から入射した光は、凹部の天井を出射面３（第１レンズ面）２として出射する。そして、出射面３（第１レンズ面）２からの光が光検出器の受光部に集光されて入射する。
図５６の光検出器は、第１のピン１１に一体的に接続された基台の上に配置されたフォト・ダイオードチップ９と、第１のピン１１と対をなす第２のピン１２とから少なくとも構成されている。
【０１９０】
バルク型レンズ２０の収納部６の側壁部は、光検出器を収納出来るように、直径（内径）２. ５〜４ｍｍφの円筒形状となっている。図示を省略しているが、光検出器とバルク型レンズ２０とを固定するために、光検出器とバルク型レンズ２０の収納部６との間には、厚さ０．２５〜０．５ｍｍ程度のスペーサが挿入されている。このスペーサは、光検出器の主受光部を除く位置、即ち、図５６において、フォト・ダイオードチップ９の底面より左方に配置すればよい。バルク型レンズ２０は、凸形状の第２の湾曲面からなる入射面２（第２レンズ面３）を有する頂部を除けば、円柱形状である。このバルク型レンズ２０の円柱形状部分の直径（外径）は、０〜３０ｍｍφである。バルク型レンズ２０の直径（外径）は本発明の第２９の実施例に係る受光体の使用目的に応じて選択出来る。従って、１０ｍｍφ以下でも３０ｍｍφ以上でもかまわない。
【０１９１】
更に、図１で示した発光体と、本発明の第２９の実施例に係る受光体とで、光情報システムを構成できる。発光体は、第１の実施例で述べたと同様に、第１の頂部３、第１の底部及び第１の外周部を有するバルク型の第１のレンズ本体４と、第１の底部から第１の頂部に向かって第１のレンズ本体４の内部に設けられた井戸型の第１の凹部６と、この第１の凹部６に収納された所定の波長の光を発する光源１とから構成される（図１参照）。一方、受光体は、図５６に示すように、第２の頂部３、第２の底部及び第２の外周部を有するバルク型の第２のレンズ本体４と、第２の底部から第２の頂部３に向かって第２のレンズ本体４の内部に設けられた井戸型の第２の凹部６とからなるバルク型レンズと、このバルク型レンズの第２の凹部６に収納された所定の波長の光を検出する光検知器９とから構成される。第１の凹部６の天井部が第１の入射面２、第１の頂部３が第１の出射面として機能し、第２の頂部３が第２の入射面、第２の凹部６の天井部が第２の出射面２として機能する。
【０１９２】
本発明の第２９の実施例に係る光情報システムにおいては、発光に際して発熱作用が少ないＬＥＤ等の半導体発光素子を用いれば、バルク型レンズの凹部（収納部）の内部に光源を収納した場合においても、その発熱作用によってバルク型レンズに熱的影響を与えることがなく、長期動作においても信頼性と安定性を維持出来るので好ましい。また、既に、本発明の第１の実施例で述べたように、高効率で光信号を出すことが出来る。一方、受光体は、発光体と逆過程で光検知器に到達し、極めて高感度な光検出が可能となる。図５１と同様に、第１のレンズ本体４の内部に収納された光源１を変調部を用いて変調して、所定のアナログ若しくはデジタル信号を発するようにしても良いことは勿論である。本発明の第２９の実施例に係る光情報システムは、光通信の他に、第２３の実施例で説明したセキュリティシステムに用いることが可能である。
【０１９３】
次に、第３０の実施例を説明する。
上記のように本発明は第１乃至第２９の実施例によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施例及び運用技術が明らかとなろう。
例えば、本発明のバルク型レンズの出射面３は、図５７に示すような同心円状の湾曲面３ｆ１，３ｆ２．３ｆ３，３ｆ４，・・・・・ からなるフレネルレンズでもかまわない。或いは、複数の曲率を有した面や魚眼レンズ的な構造でも良い。魚眼レンズを構成する個々のレンズは、凹部の内部に搭載された複数のディスク型ＬＥＤのそれぞれと１対１に対応するように構成出来る。より具体的には、複数のディスク型ＬＥＤのそれぞれに対応した高屈折率領域を設け、対応するそれぞれの出射面３に導き出しても良い。このように構造はプラスチック製光ファイバを融合すれば製造出来る。
【０１９４】
次に、第３１の実施例を説明する。
図５８は本発明の第３１の実施例の構成を示す断面図である。
図において、５８０１は回転楕円体を成す、内面がミラーの回転楕円体反射鏡である。光源１はＬＥＤ等の光源を装着した本発明のバルク型レンズを複数個配列して構成されている。光源１は回転楕円体５８０１の一方の焦点位置に配置され、本発明の光源を装着しないバルク型レンズ４が回転楕円体５８０１のもう一方の焦点位置に配置されており、この焦点位置はバルク型レンズ４の凹部６の中心位置に一致させている。また、バルク型レンズ４の光軸が回転楕円体５８０１の長軸方向に一致して配置されている。この構成によると、光源１から出射する光線は、バルク型レンズ４の凹部６の概略中心位置に一旦集光し、この集光した光は、バルク型レンズ４のレンズ作用によって収束されて出射する。
この構成では、光源１の発熱によってバルク型レンズ４は影響を受けないから、バルク型レンズ４の熱膨張による出射光の変動といった問題が生じず、高精度の安定性を必要とする用途に使用することができる。また、この場合、光源１はＬＥＤにかぎらず、発熱が大きい光源、例えば白熱球であっても良い。
【０１９５】
又、上記の第１乃至第４の実施例の説明においては、ＬＥＤとバルク型レンズの収納部６との間にスペーサを挿入して、ＬＥＤをバルク型レンズに固定する場合について説明したが、接着剤、ネジやクランプ機構等の他の手段を用いて固定しても良いことは勿論である。更に、ＬＥＤの外径と収納部６の内径とをほぼ同一にして、はめ込むようにしても良い。また、外周部９にも、例えば金属である反射膜を設けても良い。この場合は特に、横方向の発光強度が高い光源に対して効果がある。
更に、バルク型レンズ２０〜２９等の外側形状は、必ずしも光学的に平坦である必要はなく、クリスタルグラスのように、細かい凹凸を設けたものでもかまわない。細かい凹凸を設ければ、出力光は四方八方に発散するので、バックライト照明や間接照明の場合には、好都合である。
【０１９６】
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施例等を含むことは勿論である。
本発明のバルク型レンズは、照明器具として、懐中電灯の他、携帯用のパーソナルコンピュータ、ワードプロセッサ、小型テレビ、車載テレビ等の液晶表示装置の照明器具（バックライト）に好適な発光体として利用できる。また、本発明のバルク型レンズ、発光体、照明器具は、間接照明を含めた種々の電気製品等にも適用可能である。又、複数個の発光体を集合して、局所照明装置等を構成出来るので、種々の分野に有用な照明装置に利用できる。特に、従来利用されることのなかった半導体発光素子を、舞台・ステージ用或いはテレビ・映画撮影用の照明装置としても利用できる。また、本発明のバルク型レンズを用いた発光体と受光体で、光情報システムを構成することにより、光通信やセキュリティシステムの分野に用いることが可能である。
【０１９７】
次に、本発明のレンズを使用した応用例について説明する。
サーモパイル非接触温度計としての応用
サーモパイル非接触温度計は、物体の温度に応じて放射する赤外線を熱電対に照射し、熱起電力から温度を測定する非接触温度計である。
従来のサーモパイル非接触温度計では、赤外線を集光して熱電対に照射するために、凸型球面レンズを熱電対の前面に配置している。
温度の測定精度をあげるためには、所定値以上の赤外線強度を獲得する必要があり、レンズ径を大きくすることが必要である。温度の測定精度をあげるためにレンズ径を大きくすると、被測定点以外の熱源からの赤外線も取り込まれるようになり、位置分解能が悪くなる。
従来のサーモパイル非接触温度計においては、上記のように、高感度のものは位置分解能が低く、また、レンズが大きいために装置が大きくなり、携帯しにくいといった課題があった。また、携帯に便利な小型のものは、測定精度が低いといった課題があった。
【０１９８】
本発明のサーモパイル非接触温度計は、赤外線集光レンズに本発明のバルクレンズを使用することを特徴としている。
本発明のバルクレンズは、同一の焦点距離を有する従来の凸型の球面レンズと比べた場合、集光効率が高い。従って、同一の測定精度を実現するためのレンズの受光面積が小さくてすみ、その結果、従来のサーモパイル非接触温度計よりも位置分解能が高くなり、また、同一の位置分解能を実現する場合には、測定精度が高くなる。
【０１９９】
次に、本発明のサーモパイル非接触温度計の構成を説明する。
図５９は本発明のサーモパイル非接触温度計の構成を説明する図である。
図において、２０は本発明のバルクレンズであり、その凹部６にサーモパイル素子５９０１が配置される。サーモパイル素子５９０１からの熱起電力は増幅器５９０２で増幅され、その出力は放射率制御・増幅器５９０３に入力され、熱起電力に対応した信号に変換される。この信号は放射率制御・増幅器５９０３において、測定対象に応じた放射率の補正を行う。放射率の補正とは、赤外線放射率が物体の種類によって違うため、その補正を行うものである。例えば、測定対象が水の場合には０．９２、雪の場合には０．８３、プラスチックの場合には０．８５を掛ける。５９０４は、測定環境の温度、すなわち気温を測定する基準接点補償温度計であり、例えば、サーミスタ温度計である。基準接点補償温度計５９０４の出力は、直線増幅器５９０５に入力され、気温に対応した信号に変換される。この信号と放射率制御・増幅器５９０３からの熱起電力に対応した信号とが加算機５９０６で加算され、この加算された信号を表示器５９０７で被測定物の温度として表示する。この装置に必要な電力は、電池等である電源５９０８によって供給される。
図６０は、本発明のサーモパイル非接触温度計の外観と、断面構造を示す図である。図６０（Ａ）は本装置の外観を示す図であり、プラスチック等である筐体６００１に、バルク型レンズ２０がレンズ面を突出させて固定され、筐体６００１の正面には、例えば液晶文字表示器である表示器６００２、及び放射率の補正値を設定するためのキーマトリクス６００３が配置されている。筐体６００１の側面には、例えばスライド式スイッチである電源スイッチ６００４が配置されている。図６０（Ｂ）は本装置の断面構造を示す図であり、バルク型レンズ２０は、例えばアクリル等の樹脂であるレンズ支持板６００５に固定されており、このレンズ支持板６００５は、バルク型レンズ２０の先端が筐体６００１に設けた穴ら突出すように筐体６００１に固定されている。回路基板６００６には、増幅器５９０２、放射率制御・増幅器５９０３、基準接点補償温度計５９０４、直線増幅器５９０５及び基準接点補償温度計５９０４が搭載されている。電池である電源５９０８は、筐体６００１の下部に配置され、筐体の側面に配置した電源スイッチ６００４及び電源表示ランプ６００７を介して回路基板６００６に電力を供給している。
本発明のサーモパイル非接触温度計によれば、本発明のバルク型レンズ１の集光効率が高いので、凸型の球面レンズを使用する従来のサーモパイル非接触温度計に比べ、同一の位置分解能を実現する場合には温度測定精度を高くでき、また、同一の温度測定精度を実現する場合には位置測定精度を高くできる。
【０２００】
このように、本発明のサーモパイル非接触温度計は、従来のサーモパイル非接触温度計に比べ、温度測定精度が高く、あるいは、従来のサーモパイル非接触温度計に比べ、位置分解能が高い。
また、赤外線を集光する光学系が極めて小型であるため、装置形状が小型であり、例えば上着のポケットに収納できる。又、光学系が極めて簡単な構成で済むので、低コストで製造できる。
【０２０１】
次に、本発明のレンズを使用した他の応用例について説明する。
可搬型物体検知装置としての応用
ＬＥＤ、ＬＤ又はその他の発光素子からなる発光部と、これらの光を受光するＰＤ又はその他の受光素子からなる受光部とからなり、発光部から発する光が遮断されたことを受光部で検知して物体の存否を検出する物体検知装置は、防犯分野、各種無人測定の分野などで広く利用されている。
特に、常設給電設備、例えば、家庭用１００Ｖ商用電源が無い所でも使用できる電池を電源とした可搬型の物体検知装置は、屋外での防犯装置、その他各種の測定に広く使われている。
これらの電池を電源とした従来の可搬型物体検知装置は、連続使用時間を少しでも伸ばすため、光源にＬＥＤ又はＬＤを使用し、受光部にＰＤを使用して極力低消費電力に構成されているが、すでに限界に達しており、これ以上消費電力を下げることができない。
【０２０２】
これらの電池を電源とした従来の可搬型物体検知装置は、光源にＬＥＤ又はＬＤを使用し、平行光線とするために凸形状の球面レンズを使用している。ＬＥＤ又はＬＤは光源からの光線の出射角、すなわち、発散角が大きいために、凸形状の球面レンズを使用した場合には、光源からのすべての光線を平行光線とすることができず、特に、光線を径の小さい平行光線とする場合には、数十％のロスはやむを得ないものであった。また、受光部においては、平行光線をＰＤ部分に集光するために凸形状の球面レンズを使用しているが、この集光部分のロスもやむを得ないものであった。
これらのロスを無くすことができれば、光源の発光量を減らすことができ、低消費電力になり電池寿命を延ばすことができ、従って、使用時間を長くすることができる。
本発明の可搬型物体検知装置は、本発明のバルクレンズを使用し、上記光学系のロスを減らし、その結果、従来の可搬型物体検知装置に比べ、電池の寿命を延ばし、使用時間が長いことを特徴とする。
【０２０３】
次に、本発明の可搬型物体検知装置の構成を図に基づいて説明する。
図６１は、本発明の可搬型物体検知装置の構成を示す図である。
図６１（Ａ）は発光部の構造を示す図である。図において、２０は本発明のバルク型レンズであり、バルク型レンズ２０には、例えばＬＥＤである発光素子１が装着されている。バルク型レンズ２０は、例えばアクリル等の樹脂であるレンズ支持板６１０１に固定されており、このレンズ支持板６１０１は、バルク型レンズ２０のレンズ部が筐体６１０２に設けた穴から突出すように筐体６１０２に固定されている。制御部回路基板６１０３は、例えば、電池の出力電圧によらず発光出力を一定に保つ制御電子回路等を搭載している。発光部の電源である電池６１０４、電源スイッチ６１０５、発光素子１及び制御部回路基板６１０３は、電源スイッチ６１０５をＯＮすることによって発光素子１が発光するように電気的に配線されている。
【０２０４】
上記構成の本発明の可搬型物体検知装置の発光部は、発光素子１の発光を平行光線にするためのレンズに本発明のバルク型レンズ２０を使用している。このバルクレンズ２０は従来の凸形状の球面レンズを使用する場合に比べ、少ない損失率で平行光線を得ることができるので、発光素子１の発光強度を減らすことができ、従って、低消費電力である。
図６１（Ｂ）は、受光部の構成を示す図である。図において、２０は本発明のバルク型レンズであり、バルク型レンズ２０には、例えばＰＤである受光素子１が装着されている。バルク型レンズ２０は、例えばアクリル等の樹脂であるレンズ支持板６１０１に固定されており、このレンズ支持板６１０１は、バルク型レンズ２０の先端が筐体６１０２に設けた穴から突出すように筐体６１０２に固定されている。制御部回路基板６１０６は、例えば、電池の出力電圧によらず受光感度を一定に保つ制御電子回路等を搭載している。受光部の電源である電池６１０４、電源スイッチ６１０５、受光素子１及び制御部回路基板６１０６は、電源スイッチ６１０５をＯＮすることによって受光素子１が受光した光強度に応じた信号を出力するように電気的に配線されている。なお、受光部には、受光出力を外部の装置に出力するための出力端子６１０７及び動作中であることを表示する表示ランプ６１０８を有している。
【０２０５】
上記構成の本発明の可搬型物体検知装置の受光部は、入射する平行光線を受光素子１に集光するレンズに本発明のバルク型レンズ２０を使用している。このバルク型レンズ２０は従来の凸形状の球面レンズを使用する場合に比べ、集光効率が高いので少ない平行光線でも動作させることができる。すなわち、発光部の発光素子１の消費電力をさらに下げることができる。
このように、本発明の可搬型物体検知装置は、従来の可搬型物体検知装置に比べ、低消費電力であるから、屋外での使用に最適である。また、本発明のバルクレンズは、光源とレンズの光軸あわせを必要とせず、また、非常に小型に形成できるから、製造コストが低く又携帯に便利である。
図６１（Ｃ）は、本発明の可搬型物体検知装置の使用形態の一例を示したものであり、図に示すように、検知物体の高さに合わせた三脚上に固定することによって容易に使用することができる。
【０２０６】
次に本発明のレンズを使用した他の応用例について説明する。
物体検知装置としての応用
生産工場の自動組立ラインにおいては、ベルトコンベアを流れてくる部品を検知し、次の組み立て工程を開始する、例えば部品を検知し、ロボットアームを動作させることが行われている。この部品の検知にには、各種の物体検知装置が使用されるが、光学式の物体検知装置がもっとも普通に使用されている。
光学式の物体検知装置は、ＬＥＤ、ＬＤ又はその他の発光素子からなる発光部と、これらの光を受光するＰＤ又はその他の受光素子でなる受光部とから構成され、発光部から発する光が遮断されたことを受光部で検知して物体の存否を検出するものである。
これらの物体検知装置では、より小さな物体の検知ができるように微少な径の平行光線を有すること、又、ベルトコンベア及びロボット等の工作機械のじゃまにならないように発光部と受光部をかなり長い距離はなして設置できること等が求められている。
従来の物体検知装置では、光源にＬＥＤ又はＬＤを使用し、微少な径の平行光線を得るために凸及び凹形状の球面レンズを多段に組み合わた光学系を使用している。ＬＥＤ又はＬＤは光源からの光線の出射角、すなわち、発散角が大きいために、凸形状及び凹形状の球面レンズを多段に組み合わた光学系を使用すると損失が大きくなる。従って、微少な径の平行光線を有し、かつ、長い距離はなして設置できるためには、高輝度のＬＥＤ、ＬＤ等の光源を必要としていた。又、高精度に光源と光学系の光軸あわせを行わなければならず、高精度に光源と光学系を光軸を合わせて固定するための固定部材が必要であり、又、光源と光学系の光軸合わせのための調整工程を必要としていた。
従って、微少部品が検知でき、かつ、発光部と受光部をかなり長い距離はなして設置できる従来の物体検知装置においては、製造コストが高くなるのは止むを得なかった。
【０２０７】
本発明の物体検知装置は、本発明のバルクレンズを使用し、上記光学系の損失を減らし、その結果、従来の物体検知装置に比べ低コストである。
図６２（Ａ）は、本発明の物体検知装置のうち、対向型物体検知装置の構成を示す図である。図において、発光部における２０は本発明のバル型クレンズで、例えばＬＥＤである発光素子１が装着されている。受光部におけるバルク型レンズ２０には、例えばＰＤである受光素子１が装着されている。制御部６２０１は、発光素子１を所定の強度で発光させるための電子回路を装備している。発光素子１、制御部６２０１及び電源６２０２は、発光素子１が所定の光強度で発光するように電気的に配線されている。制御部６２０３は受光素子１が所定の感度で受光するように制御する電子回路を装備している。受光素子１、制御部６２０３及び電源６２０４は、受光素子１が所定の感度で受光するように電気的に配線されている。発光素子１の受光出力が所定の範囲を外れたとき、制御部６２０３が検知して、表示部６２０５に信号を送出し、表示部６２０５は、他の機器への制御信号警報、又は、数値、音声等を送出する。
発光部のバルク型レンズ２０及び受光部のバルク型レンズ２０は、バルク型レンズ２０から発光する平行光線がベルトコンベア上の部品６２０６によって遮られるように、かつ、例えば、ベルトコンベアの作動の障害にならない位置に対向して設置される。物体が平行光線を遮ったとき、バルク型レンズ２０に装着された受光素子１が受光強度の減少を検知して、物体の存否を検知する。
図６２（Ｂ）は、本発明の物体検知装置のうち、反射型物体検知装置の構成を示す図である。この物体検知装置は、図６２（Ａ）に示した対向型物体検知装置と同様な構成であるが、バルク型レンズ２０は、発光素子１から発光する平行光線６２０７が、例えば、ベルトコンベアの表面で反射する反射光６２０８を受光する位置に配置される。物体６２０６が反射光６２０８を遮ったとき及び平行光線６２０７を遮ったとき、受光素子１が受光強度の減少を検知して、物体の存否を検知する。
【０２０８】
上記構成の本発明の物体検知装置は、発光素子１の発光を平行光線にするためのレンズ系に本発明のバルク型レンズを使用している。このバルク型レンズは従来の凸形状及び凹形状の球面レンズを多段に組み合わた光学系に比べ、遙かに少ない損失率で同等の径を有する平行光線を得ることができるので、発光素子１の発光強度を減らすことができる。すなわち、高輝度の発光体を使用しないので低コストである。また、本発明のバルク型レンズは、レンズと発光素子１の保持部材が一体となっており、コストが高い保持部材を必要としないばかりか、光軸調整工程を必要としないので低コストである。また、本発明のバルク型レンズは、従来の凸形状及び凹形状の球面レンズを多段に組み合わた光学系に比べ、遙かに小さな形状で同等の径を有する平行光線を得ることができるので、極めてコンパクトにできる。
また、上記構成の本発明の物体検知装置の受光部は、入射する平行光線を受光素子１に集光するレンズに本発明のバルク型レンズを使用している。このバルク型レンズは従来の凸形状の球面レンズを使用する場合に比べ、集光効率が高いので少ない平行光線でも動作させることができる。すなわち、発光部の発光素子はさらに発光効率の小さいものでよく、従ってコストを下げることができる。
また、本発明のバルクレンズは小型であるから、製造ラインの障害になることが少なく、したがって、自動化製造ラインの構築を容易にすることができる。
このように、本発明の物体検知装置は、従来の物体検知装置に比べ、低コストで製造でき、また、小型であるから、自動化製造ラインの構築に使用すれば有用である。
【０２０９】
リモートコントロール用赤外線送受信機としての応用
テレビ受像器、ＣＤプレイヤー、ビデオディスクプレイヤー等のＡＶ機器には、電源のＯＮ・ＯＦＦ、チャンネル選択、輝度、音圧レベル等を、機器から離れた場所から制御できるリモートコントロール装置が用いられている。これらのリモートコントロール装置には、可搬容易な赤外線送信機とＡＶ機器側に配置した赤外線受信機からなるリモートコントロール用赤外線送受信機がある。
このリモートコントロール用赤外線送受信機の赤外線送信機は、電源として電池を使用し、赤外線発光素子にＬＥＤを使用し、このＬＥＤの前面に凸形状のレンズ媒体を配置して発光する赤外線を集光して指向性を持たせている。通常、ＬＥＤを駆動する電流は４００〜５００ｍＡ程度であり、指向性があまりなく、さらに使用できる範囲はＡＶ機器から５ｍ前後である。また、受光部は、ＰＤの前面に凸形状のレンズ媒体を配置して集光している。
このように、従来のリモートコントロール用赤外線送受信機は消費電力が大きいために電池寿命が短い、また、使用できる範囲が狭いといった課題がある。
【０２１０】
本発明のリモートコントロール用赤外線送受信機は、消費電力が小さく、従って電池寿命が長い。また、指向性がよく、かつ、使用できる範囲が広いといった特徴を有する。また、本発明のリモートコントロール用赤外線送受信機は、従来のものに比べ、性能が向上しているにもかかわらず、製造コストが上昇しないといった特徴を有している。
図６３は、本発明のリモートコントロール用赤外線送受信機の構成を示す図である。
送信機側において、２０は本発明のバルク型レンズである。バルク型レンズ２０には、例えばＬＥＤである発光素子１が装着されている。駆動部６３０１は、発光素子１を特定の機能に対応したコード（特定のパターンを有するパルス列）に従って発光させる電流駆動回路から構成されており、トランジスタ、パワーＭＯＳ・ＦＥＴ等で構成されている。送信用制御部６３０２は、要求された機能に対応したコードを生成する電子回路で構成されており、ＭＰＵ、専用ＩＣ、ロジックＩＣ及びトランジスタ等で構成されている。設定部６３０３は、複数のボタンスイッチがマトリックス状に配列されたキーマトリクスであり、これらのボタンの押し下げによって、要求する機能を設定する。設定部６３０３で設定された要求機能は、送信用制御部６３０２で対応するコードに変換され、駆動部６３０１に送られ、駆動部６３０１はコードに従って発光素子１を駆動し、発光素子１はコードパターン状のパルス光を発光する。
【０２１１】
受信機側において、２０は本発明のバルク型レンズである。バルク型レンズ２０には受光素子１が装着されており、ＡＶ機器側に配置する受信機の集光レンズとして用いる。
受光素子１は、ピン・フォトダイオード、フォトダイオード、又はフォト・トランジスタで構成され、送信機から送られたコードパターン状のパルス光を受光する。増幅部６３０４は受光素子１からのコードパターン状のパルス信号を増幅する電子回路で構成されており、トランジスタ、ＦＥＴ及び専用ＩＣで構成されている。制御部６３０５は増幅部６３０４で増幅されたコードパターンを解読し、このコードパターンの解読に基づき、ＡＶ機器の各制御部を制御するためのコードを生成し、ＡＶ機器の各制御部にコードを送信する電子回路で構成されており、専用ＭＰＵ、専用ＩＣ、ロジックＩＣ及びトランジスタで構成されている。
【０２１２】
上記構成の本発明のリモートコントロール用赤外線送受信機によれば、本発明のバルク型レンズは、従来の凸形状の球面レンズに比べて集光効率が高いので、ＬＥＤの駆動電流を下げることができ、従って電池寿命が延びる。また、本発明のバルク型レンズは、従来の凸形状の球面レンズに比べて指向性を高くできるので、使用可能範囲を広くできる。また、本発明のバルク型レンズは、従来の凸形状の球面レンズに比べて集光効率が高いので、光強度が弱くても受光素子に有効に集光できるから、さらに発光素子の駆動電力を下げることができ、または、使用範囲を広げることができる。さらにまた、本発明のバルク型レンズは、レンズと発光素子又は受光素子の保持部が一体となっているから、従来の発光素子又は受光素子に本発明のバルクレンズを被せるだけでよく、従って、製造コストを上昇させることなく性能を向上できる。
【０２１３】
光合成装置としての応用
複数の発光体からの光を合成して光強度の強い一本の光ビームにする、あるいは、波長の異なる発光体からの光を合成して一本の光ビームにするといったことは、従来から各種の産業分野で必要とされていた。例えば、波長の異なる各種のＬＥＤ光を合成して特殊な色彩を有するスポットライト照明として使用すれば、エネルギー効率が高く、発熱も少ない照明装置として有用である。
ところが従来は、ＬＥＤ光を収束し平行光とするための光学系が大きすぎるため、光を合成することが難しく、また、コストが高いことから、あまり使用されていなかった。
例えば、光合成を行う方法として、ミラー面上の一点又は近接した点に、複数の光源からの平行光を、反射方向が概略揃うように照射し、光学的補正により反射光の反射方向を揃えるレンズ系で補正して平行ビームとするものがある。
しかしながら、この方法においては、複数の光源をできるだけ近接して配置しないと反射光の方向の違いが大きくなり、反射光の補正に複雑な光学系を必要とするようになり、大変高価な装置となっていた。
【０２１４】
本発明の光合成装置は、ＬＥＤ等の発光体と、本発明のバルク型レンズを用いることにより、低コストの光合成装置を実現するものである。
図６４は、本発明の光合成装置の構成を示す図である。６４０１及び６４０２は本発明のバルク型レンズであり、それぞれ同一の又は波長の異なったＬＥＤ６４０３，６４０４が装着されている。このバルク型レンズ６４０１，６４０２は、ＬＥＤの発光をコリメート光として出力するタイプのものである。６４０５は２個の直角プリズムを反射膜を介して張り合わせたキューブビームスプリッターであり、この反射膜は、広い可視光領域に亘って高い反射率を有する、金属膜、金属膜と誘電体膜の積層、あるいは誘電体多層膜で形成されている。キューブビームスプリッター６４０５から出射する概略反射方向がそろった合成反射光６４０６は、収束用の本発明のバルク型レンズ６４０７によってコリメートされ、合成光６４０８を発生させる。
【０２１５】
６４０１及び６４０２のバルク型レンズに装着されたＬＥＤ６４０３，６４０４は、ＬＥＤを所定の発光強度で発光させる駆動部６４０９に接続されており、駆動部６４０９は、個々のＬＥＤの発光強度、あるいは発光時間等を制御する制御部６４１０に接続されており、制御部６４１０は、駆動部６４０９及び制御部６４１０に電力を供給する電源６４１１に接続されている。
上記構成の本発明においては、ＬＥＤ等の発光体のコリメート用レンズに本発明のバルク型レンズを用いている。このためコリメート用レンズ系が小さくてすむので、バルク型レンズ６４０１１，６４０２を互いに近づけて配置できる。バルク型レンズ６４０１１，６４０２を近づけて配置すると、ＬＥＤ６４０３，６４０４の光線はキューブビームスプリッター６４０５の反射面上の互いに近い位置に入射でき、また、入射角も互いに近づけることができる。従って、合成反射光６４０６を構成する二つの光線は位置及び反射方向とも非常に近いものとなり、収束用バルク型レンズ６４０７によってコリメートすれば、平行度の高いコリメート光を得ることができる。
【０２１６】
また、このように光学系が小さいので、発光体は２つに限らず、さらに多くの発光体を配置できるから、さらに高度な機能を実現できる。
また、本発明のバルク型レンズは発光体に被せるだけでよいので、極めて低コストの合成装置である。
【０２１７】
平面照明装置としての応用
従来、街灯等の照明は、白熱灯、水銀灯、蛍光灯などにより行われている。これらの街灯は、電力を少しでも節約するため、反射板などを設けて必要な照明面のみに照明光が集中するように構成されている。このため装置が嵩張り、また、コストが高くなっている。さらにまた、これらの発光体は、ＬＥＤに較べれば遙かにエネルギー変換効率が悪く、これらの照明装置をＬＥＤに置き換えることができれば、人類の消費するエネルギーを半分程度にすることができ、地球環境の保全に役立つと言われている。
しかしながら、ＬＥＤはまだコストが高く、また小さいため、必要な照度を実現するためには膨大な数のＬＥＤを配列しなければならず、組立コストが高くつくと言った課題があり、照明装置として普及していない。本発明の平面照明装置は、このような状況のなかで、ＬＥＤを照明光として用いることを可能とするものである。
ＬＥＤは、白熱球と較べれば発散角は小さいといえるが、発光原理に基づいた発散角を有し、この発散角を小さくすることはできない。ＬＥＤの発散角は、通常、チップ状態では９０°近くある。膨大な数のＬＥＤを配列して必要な照度を実現することは可能であるが、必要な照明面以外に発散する光束を必然的に生じてしまう。ＬＥＤのコストが高い状況では、いかに消費電力が小さくても、普及の妨げとなっており、このような不必要な光束も有効利用できるようにし、コストを下げることが、ＬＥＤ照明普及のための鍵になっている。
【０２１８】
本発明の平面照明装置は、少ない数のＬＥＤによって、必要とする照度を実現している平面照明装置である。
図６５は、本発明の平面照明装置の構成を示す斜視図である。図６５（Ａ）において、６５０１は本発明のバルク型レンズにＬＥＤを装着した発光体である。既に説明したように、本発明のバルク型レンズは、発散角の大きなＬＥＤの光束を全て収束して出射させることができるので、発光体６５０１はレンズの光軸方向に収束した光を発光している。複数の発光体６５０１が円形の保持部６５０２に光軸方向を揃えて配列されており、保持部６５０２には、複数の発光体６５０１を発光させるための制御回路６５０３を備えている。また、保持部６５０２は、発光体６５０１を任意の位置に配列するための多数のソケットを備えていても良い。また、保持部６５０２は、発光体の前面を覆う透明の又は半透明の保護カバーの脱着が可能に形成されていても良い。
【０２１９】
この平面照明装置は、上記に説明したように、発光体６５０１の全ての発光を照射方向に収束しているので、少ないＬＥＤで必要な照度を実現でき、コストが低い。また、任意の照明面形状に簡単に対応できる。例えば、必要とする照明面の形状が長方形であった場合には、保持部６５０２に配列されたソッケットを利用して発光体１を長方形形状に再配列するだけでよい。また、図６５（Ｂ）に示すように、平面照明装置を傾けて配置すれば、より広い面積の照明ができる。また、発光体６５０１の光軸方向を必要とする方向に傾けることによって、斜め照射もできる。また、図６５（Ｂ）に示すように、保持部６５０２の中心軸を中心として同心円状に発光体６５０１の傾きを徐々に増加させて配列すれば、従来の室内照明と同等の効果が得られる。
このように、本発明の平面照明装置は、消費電力が極めて少ない、コストが低い、かつ、種々の照明目的に対応できる極めて優れた照明装置である。なお、光源としては、ＬＥＤのみでなくクリプトンランプ、白熱電球等でも良い。
【０２２０】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、ＬＥＤ等の半導体光源を用いることが可能で、これらの光源の発光する実質的に全ての光を収束することができ、かつ、極めて低コストなバルク型レンズを提供できる。
また、この低コストで極めて性能の高いバルク型レンズを応用した数々の本発明の応用機器は、低消費電力、かつ、低コストであるので、例えば照明等の分野において、従来の光源を究極の低消費電力光源であるＬＥＤへ変換することを可能にし、ひいては、人類のエネルギー消費を減らし地球環境の保全に役立つ。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例に係るバルク型レンズの構成を示す断面図である。
【図２】従来技術のレンズ系による損失の状況を示す図である。
【図３】フレネル反射を示す図である。
【図４】ＬＥＤのＰＮ接合において反射光（迷光）が再発光する過程を示す図である。
【図５】本発明のバルク型レンズと従来のレンズとの特性比較に用いた測定系を示す図である。
【図６】本発明のバルク型レンズと従来のレンズの集光特性を比較した図である。
【図７】本発明のバルク型レンズと従来のレンズの集光特性を比較した図である。
【図８】本発明のバルク型レンズの幾何学形状の違いによる特性変化の実測値を示す図である。
【図９】図８の測定に用いた本発明のバルク型レンズの幾何学形状を示す図である。
【図１０】本発明の第２の実施例に係るバルク型レンズの構成を示す断面図である。
【図１１】本発明の第２の実施例に係るバルク型レンズの幾何学形状の違いによる特性変化の実測値を示す図である。
【図１２】本発明の第２の実施例に係るバルク型レンズの幾何学形状の違いによる特性変化の実測値を示す図である。
【図１３】本発明の第１及び２の変形例に係るバルク型レンズの原理を説明する模式図である。
【図１４】本発明の第１及び２の変形例に係るバルク型レンズの構成を示す図である。
【図１５】本発明の第３の実施例に係る発光体を示す模式的な断面図である。
【図１６】本発明の第４の実施例に係る発光体を示す模式的な断面図である。
【図１７】本発明の第５の実施例に係る発光体を示す構成図である。
【図１８】本発明の第６の実施例に係る発光体の背面鏡及びＬＥＤホルダを示す鳥瞰図である。
【図１９】本発明の第７の実施例に係る発光体を示す模式的な鳥瞰図である。
【図２０】本発明の第７の実施例に係る発光体において、複数のディスク型ＬＥＤを、フィルム基板の上に配置する場合の構成例を示すための模式的な断面図である。
【図２１】本発明の第７の実施例に係る複数のディスク型ＬＥＤを直列接続する場合の回路構成を示す図である。
【図２２】本発明の第７の実施例の変形例係る発光体の模式的な断面図である。
【図２３】本発明の第７の実施例に係る発光体において、複数のベアチップを、フィルム基板の上に配置する場合の構成例を示す模式的な断面図である。
【図２４】本発明の第７の実施例に係る発光体において、複数のベアチップを、フィルム基板の上に配置する場合の、他のマウント方法を示す模式的な断面図である。
【図２５】本発明の第８の実施例に係る発光体において、複数のベアチップ（ＬＥＤチップ）を、フィルム基板の上に積層配置する場合の構成例を示す模式的な断面図である。
【図２６】図２５のＬＥＤチップ部分を拡大して示す模式的な断面図である。
【図２７】本発明の第９の実施例に係る照明器具の模式的な断面図である。
【図２８】本発明の第９の実施例に係る照明器具を支持基板に取り付けた状態を示す鳥瞰図である。
【図２９】本発明の第１０の実施例に係る発光体の模式的な断面図である。
【図３０】本発明の第１０の実施例の変形例に係る発光体の模式的な断面図である。
【図３１】本発明の第１０の実施例の他の変形例に係る発光体の模式的な断面図である。
【図３２】本発明の第１１の実施例に係る発光体の模式的な断面図である。
【図３３】本発明の第１２の実施例に係る発光体の模式的な断面図である。
【図３４】本発明の第１３の実施例に係る照明器具（表示装置）の鳥瞰図である。
【図３５】本発明の第１３の実施例に係る照明器具（表示装置）に用いる発光体の模式的な断面図である。
【図３６】本発明の第１４の実施例に係る発光体の模式的な断面図である。
【図３７】本発明の第１５の実施例に係る発光体の模式的な断面図である。
【図３８】本発明の第１６の実施例に係る面状発光体の破断鳥瞰図である。
【図３９】本発明の第１７の実施例に係る面状発光体の鳥瞰図である
【図４０】本発明の第１７の実施例の他の変形例に係る面状発光体の鳥瞰図である。
【図４１】本発明の第１７の実施例の更に他の変形例に係る面状発光体の鳥瞰図である。
【図４２】本発明の第１８の実施例に係る面状発光体の一部破断鳥瞰図である。
【図４３】本発明の第１９の実施例に係る面状発光体の一部破断鳥瞰図である。
【図４４】本発明の第２０の実施例に係る面状発光体の一部破断鳥瞰図である。
【図４５】本発明の第２０の実施例の変形例に係る面状発光体の一部破断鳥瞰図である。
【図４６】本発明の第２１の実施例に係る手持ち器具（携帯用照明器具）の模式的な断面図と、手持ち器具を分解した状態を示す一部破断鳥瞰図である。
【図４７】図４６の手持ち器具のＬＥＤチップの近傍を拡大して示す断面図である。
【図４８】本発明の第２１の実施例の変形例に係る手持ち器具の模式的な断面図と、実施例の他の変形例に係る手持ち器具の模式的な断面図である。
【図４９】本発明の第２２の実施例に係る施錠解錠システムを示す模式図である。
【図５０】平行ビームで遠隔操作する施錠解錠システムの具体例で、施錠対象物である机に、信号受信部やロック機構等が組み込まれた状態を示す断面図と、近接操作する場合の信号受信部やロック機構等を示す断面図である。
【図５１】本発明の第２３の実施例に係るセキュリティ機能を有する施錠解錠システムを示す模式図である。
【図５２】本発明の第２４の実施例に係る手持ち器具（照明部付き手工具）の模式的な断面図である。
【図５３】本発明の第２５の実施例に係る発光体を示す模式的な断面図である。
【図５４】本発明の第２６の実施例に係る発光体を示す模式的な断面図である。
【図５５】本発明の第２７の実施例に係る発光体を示す模式的な断面図である。
【図５６】本発明の第２８の実施例に係る光検出器を示す模式的な断面図である。
【図５７】本発明の第２９の実施例に係る発光体を示す鳥瞰図である。
【図５８】本発明の第３０の実施例に係る構成を示す図である。
【図５９】本発明のサーモパイル非接触温度計の構成を示す図である。
【図６０】本発明のサーモパイル非接触温度計の、外観、及び断面構造を示す図である。
【図６１】本発明の可搬型物体検知装置の構成を示す図である。
【図６２】本発明の物体検知装置の構成を示す図である。
【図６３】本発明のリモートコントロール用赤外線送受信機の構成を示す図である。
【図６４】本発明の光合成装置の構成を示す図である。
【図６５】本発明の平面照明装置の構成を示す斜視図である。
【符号の説明】
１    光源
２    天井部
３    頂部
４    光学媒体
５    内周部
６    凹部
７    底部
８    スペーサ
９    外周部
２０  バルク型レンズ
【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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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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【図５０】
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【図５１】
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【図５２】
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【図５３】
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【図５４】
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【図５５】
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【図５６】
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【図５７】
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【図５８】
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【図５９】
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【図６０】
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【図６１】
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【図６２】
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【図６３】
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【図６４】
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【図６５】
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