JP2009099604A

JP2009099604A - 光制御部材、光束制御部材、発光装置及び照明装置

Info

Publication number: JP2009099604A
Application number: JP2007266903A
Authority: JP
Inventors: Fumio Kokubo; 文雄小久保
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2007-10-12
Filing date: 2007-10-12
Publication date: 2009-05-07

Abstract

【課題】十分な光利用効率を得つつ、発光素子から出射された光を滑らかに集光することが可能な光制御部材、光束制御部材、発光装置及び照明装置を提供する。
【解決手段】発光装置１０は、光軸Ｚと発光素子１の発光面との交点を基準点Ｏとし、光入射面２ａ上の点と基準点Ｏとを結ぶ直線と光軸Ｚとのなす角がα₁、光入射面２ａ上の点と基準点Ｏとの間の距離がＲ₁であるとき、少なくともα₁＜π／３の範囲ではα₁の増加に従いＲ₁が単調増加し、光出射面２ｂ上の点と基準点Ｏとを結ぶ直線と光軸Ｚとのなす角をα₂、光出射面２ｂ上の点と基準点との間の距離をＲ₂とし、少なくともα₂＜π／３の範囲ではα₂の増加に従いＲ₂が単調減少し、光制御部材２の材料の屈折率がｎ、α₂の増分Δα₂に対するＲ₂の増分ΔＲ₂をＲ₂で除算し、−１を乗じた値−ΔＲ₂／（Ｒ₂Δα₂）がＡ₂である場合、Ａ₂＜１／√（ｎ²−１）を満たすように構成してある。
【選択図】図２

Description

本発明は、光制御部材、光束制御部材、発光装置及び該発光装置を備える照明装置に関し、例えば、光源からの光を集光する光制御部材、光束制御部材、光制御部材又は光束制御部材を備え室内の一般照明などの各種照明に用いることができる発光装置及び該発光装置を備える照明装置に関する。

近年、室内の一般照明などの各種照明に用いられる照明装置として、発光ダイオード（以下、ＬＥＤという）等の発光素子を光源とした発光装置を備える照明装置が知られている。このような照明装置に用いられるＬＥＤを光源とした発光装置として、例えば、特許文献１や特許文献２に開示された発光装置を挙げることができる。

図８は、特許文献１に開示された従来の発光装置１００の模式的断面図である。発光装置１００は、発光素子１０１と、該発光素子１０１からの光を集光する光制御部材１０２とを備えている。光制御部材１０２は、発光素子１０１からの光が入射する光入射面１０２ａと、該光入射面１０２ａに入射した光が出射される光出射面１０２ｂとを有している。光出射面１０２ｂは、楕円の長径の一端を頂点とした楕円の長径まわりの回転楕円面に形成してあり、光制御部材１０２は、楕円の長径を含む直線が光軸Ｘとなるようにしてある。そして、光入射面１０２ｂは、楕円の頂点から遠い焦点を極として焦点から頂点へ向く直線を始線とする極座標を（ｒ、θ）とした場合、光制御部材の屈折率がｎ、焦点と光軸上の所定の点との間の距離がａであるとき、

を満たす形状にしてある。このとき所定の点に光源（発光素子１０１）を配置することにより光源の虚像と焦点とが一致するため、光源から出射した光は、光入射面１０２ａにて楕円の長径に平行をなす方向に屈折されることとなり、光源から出射した光を平行光にすることができる。

次に、特許文献２に開示された従来の発光装置１１０の模式的断面図を図９に示す。発光装置１１０は、発光素子であるＬＥＤ１１１と、ＬＥＤ１１１の側面光を前方に反射させるべく、放物面又はその近似曲面に形成された反射面１１２ｃを有する光制御部材である反射器本体１１２とを備えている。反射器本体１１２の反射面１１２ｃ中心部には、ＬＥＤ１１１が入れられる凹部１１２ａが形成されている。また、凹部１１２ａ内のＬＥＤ１１１の前方位置には、ＬＥＤ１１１から前方に向けて出射した光の進行方向を補正するためのレンズ１１２ｂが設けられている。ＬＥＤ１１１から横方向に出射した光Ｌを反射面１１２ｃにて反射させて出射面から出射させることが可能であるため、光利用効率の向上を図ることが可能となる。
特開平４−９９０７４号公報特開２００３−２８１９０９号公報

しかしながら、これら従来の発光装置においては、以下の問題点を有している。特許文献１の発光装置１００においては、図８に示す光入射面１０２ａに対応するαの角度範囲以外の方向にＬＥＤ１０１から出射した光は、光入射面１０２ａに入射しないため集光できないという問題がある。この問題を解決するため、ＬＥＤ１０１からの出射光の大部分が光入射面１０２ａに入射することが可能なようにＬＥＤ１０１を光制御部材１０２に近づけることが考えられるが、反射率が増大してしまうという問題がある。すなわち特許文献１の発光装置１００においては、十分な光利用効率が得られないという問題がある。

また、特許文献２の発光装置においては、図９に示す如く、光制御部材１１２が複雑な形状を有しているため、製作が容易ではなく、またコストが増大するという問題がある。また、この発光装置を一般照明に用いた場合、光制御部材１１２の反射器本体１１２とレンズ１１２ｂでは作用が異なり、夫々の作用部材により、別々に照度分布が形成されるため、これらをうまく構成しないと、照度分布が滑らかにならないという問題が生じる。この問題に対応するため、照度分布を滑らかにするための対策が別途必要になると共に、コストが増大する。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、十分な光利用効率を得つつ、発光素子から出射された光を滑らかに集光することが可能な光制御部材、光束制御部材、光制御部材又は光束制御部材を有する発光装置及び該発光装置を備える照明装置を提供することを目的とする。

本発明に係る発光装置は、発光素子と、該発光素子から出射された光を制御する光制御部材とを備える発光装置において、前記光制御部材は、前記発光素子から出射された光が光制御部材に入射する光入射面と、該光入射面に入射した光が光制御部材から出射される光出射面とを備え、前記光入射面は、前記発光素子の基準光軸に対し軸対称な凹の曲面部分を有し、前記基準光軸と前記発光素子の発光面との交点を基準点としたとき、前記光入射面上の任意の点と前記基準点とを結ぶ直線と、前記基準光軸とのなす角をα₁、前記光入射面上の任意の点と前記基準点との距離をＲ₁として、少なくともα₁＜π／３の範囲においては、α₁の増加に従いＲ₁は単調増加し、前記光出射面は、前記基準光軸に対し軸対称な凸の曲面部分を有する形状であり、前記光出射面上の任意の点と前記基準点とを結ぶ直線と、前記基準光軸とのなす角をα₂、前記光出射面上の任意の点と前記基準点との距離をＲ₂として、少なくともα₂＜π／３の範囲においては、α₂の増加に従いＲ₂は単調減少し、前記光制御部材の前記出射面において全反射を抑制し、照射面における照度ムラを抑制したことを特徴とする。

本発明にあっては、光入射面上の点と基準点とを結ぶ直線と、基準光軸とのなす角の増加に応じて、光入射面上の点と基準点との間の距離が単調増加しているため、光入射面にて光が基準光軸に近付く方向に屈折され、さらに光出射面の点と基準点とを結ぶ直線と、基準光軸とのなす角の増加に応じて、光出射面上の点と基準点との間の距離が単調減少しているため、さらに光入射面にて光が基準光軸に近付く方向に屈折される。光入射面及び光出射面と基準点との間の距離が、一般的な発光素子から出射した光束の３／４程度が含まれる、基準光軸からπ／３の角度範囲に亘って夫々単調増加又は単調減少するように光入射面及び光出射面を形成しているから、照度分布に急激な変化を発生させることなく、光を滑らかに集光させることが可能となる。また、光出射面を適切に形成することにより、光出射面における全反射が抑制される。このため、光出射面の一部領域から光が出射しない等の照度ムラの原因の抑制が可能になる。

本発明に係る発光装置は、発光素子と、該発光素子から出射された光が入射する光入射面及び該光入射面に入射した光が出射される光出射面を有する光制御部材とを備える発光装置において、前記光制御部材は、前記光入射面及び光出射面が、前記発光素子の光軸に関して軸対称の曲面部分を夫々有するように形成してあり、前記光入射面は、少なくともα₁＜π／３の範囲において、α₁の増加に従いＲ₁が単調増加するように形成してあり、
但し、
α₁；前記発光素子の発光面及び前記光軸の交点と前記光入射面上の点とを結ぶ直線並びに前記光軸のなす角、
Ｒ₁；前記交点と前記光入射面上の点との間の距離
前記光出射面は、少なくともα₂＜π／３の範囲において、α₂の増加に従いＲ₂が単調減少し、以下の条件式（１）

を満たすように形成してあることを特徴とする。
但し、
α₂；前記発光素子の発光面及び前記光軸の交点と前記光出射面上の点とを結ぶ直線並びに前記光軸のなす角、
Ｒ₂；前記交点と前記光出射面上の点との間の距離、
ｎ；前記光制御部材を構成する材料の屈折率、
Ａ₂；前記α₂の増分Δα₂に対するＲ₂の増分ΔＲ₂をＲ₂で除算して、−１を乗じた値−ΔＲ₂／（Ｒ₂Δα₂）

本発明にあっては、光入射面上の点と交点とを結ぶ直線と、光軸とのなす角の増加に応じて、光入射面上の点と交点との間の距離が単調増加しているため、光入射面にて光が光軸に近付く方向に屈折され、さらに光出射面の点と交点とを結ぶ直線と、光軸とのなす角の増加に応じて、光出射面上の点と交点との間の距離が単調減少しているため、さらに光入射面にて光が光軸に近付く方向に屈折される。光入射面及び光出射面と交点との間の距離が、一般的な発光素子から出射した光束の３／４程度が含まれる、光軸からπ／３の角度範囲に亘って夫々単調増加又は単調減少するように光入射面及び光出射面を形成しているから、照度分布に急激な変化を発生させることなく、光を滑らかに集光させることが可能となる。また、Ａ₂が条件式（１）を満たすように光出射面を形成しているから、光出射面における全反射が抑制される。このため、光出射面の一部領域から光が出射しない等の照度ムラの原因の抑制が可能になる。

また、本発明に係る発光装置は、前記光制御部材は、前記光入射面において、α₁が０のとき、Ａ₁が０であり、
但し、
Ａ₁；前記α₁の増分Δα₁に対するＲ₁の増分ΔＲ₁をＲ₁で除算した値ΔＲ₁／（Ｒ₁Δα₁）
前記光出射面において、α₂が０のとき、Ａ₂が０であるように構成してあることを特徴とする。

本発明にあっては、光軸上に出射された光は、光制御部材の光入射面及び光出射面において曲げられずに光制御部材から出射されるため、光軸上が暗くなる照度ムラを抑制することが可能になる。

また、本発明に係る発光装置は、前記光制御部材は屈折率が１．４５以上１．６５以下である透光性材料からなることを特徴とする。

本発明にあっては、屈折率が１．４５以上１．６５以下である透光性材料として、アクリル、ポリカーボネート等の樹脂を用いることにより、光制御部材の形状を容易に形成することができ、またコストを低減することが可能となる。

また、本発明に係る発光装置は、発光素子と、該発光素子から出射された光が入射する光入射面及び該光入射面に入射した光が出射される光出射面を有する光制御部材とを備える発光装置において、前記光制御部材から光の出射側に離隔して前記発光素子の光軸と直交する平面内において、Ａが以下の条件式（２）

で求まる値であり、
但し、
φ₁；前記発光素子から出射された光と前記光軸とのなす角度
Ｐ（φ₁）；前記発光素子の配光特性
以下の条件式（３）

を満たすように構成してあることを特徴とする。
但し、
ｒ；前記平面内における前記光軸からの距離
Ｃ；ｒ＝０のときφ₁＝０を満たすように定まる定数
σ；集光性を表す定数（小さいほど集光性が高い）

本発明にあっては、発光装置が条件式（２）及び（３）を満たすように構成してあるから、光制御部材から光の出射側に離隔して発光素子の光軸と直交する平面内において、例えば、発光装置が天井に設置された場合の床面上において、発光素子から出射された光の分布をガウス分布に近付けることができる。このため、前記光が前記平面上に生じさせる照度ムラを抑制することができる。

また、本発明に係る発光装置は、前記平面内において、前記発光素子の配光特性Ｐ（φ₁）がランバート分布であるとき、以下の条件式（４）

を満たすように構成してあることを特徴とする。

本発明にあっては、発光装置が条件式（４）を満たすように構成してあるから、発光素子からランバート分布で出射された光を前記平面内においてガウス分布に変換することができる。これにより、一般的な発光素子を用いて滑らかな照度分布が得られる発光装置を提供することができる。

また、本発明に係る発光装置は、前記光制御部材は、屈折率が１．６５以下であり、前記φ₁からφ₂を減算した値Δφが１３π／９０以下であるとき、以下の条件式（５）
１／８８．５≦θ₁／θ₂≦８８．５・・・（５）
を満たすように構成してあることを特徴とする。
但し、
θ₁；前記発光素子からの光が入射する前記光入射面上の光入射点から、外部に光が出射される前記光出射面上の光出射点に到達する光と、前記光入射点における前記光入射面の垂線とのなす角
θ₂；前記光入射点から、前記光出射点に到達する光と、前記光出射点における前記光出射面の垂線とのなす角
φ₂；前記光出射点から出射された光と前記光軸とのなす角

また、本発明に係る発光装置は、前記光制御部材は、屈折率が１．６５以下であり、前記φ₁からφ₂を減算した値Δφがπ／６以下であるとき、以下の条件式（６）
１／４．７≦θ₁／θ₂≦４．７・・・（６）
を満たすように構成してあることを特徴とする。
但し、
θ₁；前記発光素子からの光が入射する前記光入射面上の光入射点から、外部に光が出射される前記光出射面上の光出射点に到達する光と、前記光入射点における前記光入射面の垂線とのなす角
θ₂；前記光入射点から、前記光出射点に到達する光と、前記光出射点における前記光出射面の垂線とのなす角
φ₂；前記光出射点から出射された光と前記光軸とのなす角

また、本発明に係る発光装置は、前記光制御部材は、屈折率が１．６５以下であり、前記φ₁からφ₂を減算した値Δφが７π／３６以下であるとき、以下の条件式（７）
１／２．２≦θ₁／θ₂≦２．２・・・（７）
を満たすように構成してあることを特徴とする。
但し、
θ₁；前記発光素子からの光が入射する前記光入射面上の光入射点から、外部に光が出射される前記光出射面上の光出射点に到達する光と、前記光入射点における前記光入射面の垂線とのなす角
θ₂；前記光入射点から、前記光出射点に到達する光と、前記光出射点における前記光出射面の垂線とのなす角
φ₂；前記光出射点から出射された光と前記光軸とのなす角

また、本発明に係る発光装置は、前記光制御部材は、屈折率が１．６５以下であり、前記φ₁からφ₂を減算した値Δφが２π／９以下であるとき、以下の条件式（８）
１／１．４≦θ₁／θ₂≦１．４・・・（８）
を満たすように構成してあることを特徴とする。
但し、
θ₁；前記発光素子からの光が入射する前記光入射面上の光入射点から、外部に光が出射される前記光出射面上の光出射点に到達する光と、前記光入射点における前記光入射面の垂線とのなす角
θ₂；前記光入射点から、前記光出射点に到達する光と、前記光出射点における前記光出射面の垂線とのなす角
φ₂；前記光出射点から出射された光と前記光軸とのなす角

また、本発明に係る発光装置は、前記光制御部材は、屈折率が１．６５以下であり、前記φ₁からφ₂を減算した値Δφが４３π／１８０以下であるとき、以下の条件式（９）
１／１．１≦θ₁／θ₂≦１．１・・・（９）
を満たすように構成してあることを特徴とする。
但し、
θ₁；前記発光素子からの光が入射する前記光入射面上の光入射点から、外部に光が出射される前記光出射面上の光出射点に到達する光と、前記光入射点における前記光入射面の垂線とのなす角
θ₂；前記光入射点から、前記光出射点に到達する光と、前記光出射点における前記光出射面の垂線とのなす角
φ₂；前記光出射点から出射された光と前記光軸とのなす角

本発明にあっては、発光装置が、以上のうち何れか一つの条件を満たすように構成してあるから、発光素子から出射される光の反射率を１５％以下にすることができ、さらに光利用効率を向上することが可能となる。

また、本発明に係る照明装置は、第１発明から第１１発明の何れか一つに記載の発光装置を備えることを特徴とする。

本発明にあっては、フレネル反射による反射率を低減させ、集光性が向上された照明装置を提供することができる。

本発明に係る光制御部材は、発光素子から出射された光を制御する光制御部材であって、前記発光素子から出射された光が光制御部材に入射する光入射面と、上記光入射面に入射した光が光制御部材から出射される光出射面とを備え、前記光入射面は、前記発光素子の基準光軸に対し軸対称な凹の曲面部分を有し、前記基準光軸と前記発光素子の発光面との交点を基準点としたとき、前記光入射面上の任意の点と前記基準点とを結ぶ直線と、前記基準光軸とのなす角をα₁、前記光入射面上の任意の点と前記基準点との距離をＲ₁として、少なくともα₁＜π／３の範囲においては、α₁の増加に従いＲ₁は単調増加し、前記光出射面は、前記基準光軸に対し軸対称な凸の曲面部分を有する形状であり、前記光出射面上の任意の点と前記基準点とを結ぶ直線と、前記基準光軸とのなす角をα₂、前記光出射面上の任意の点と前記基準点との距離をＲ₂として、少なくともα₂＜π／３の範囲においては、α₂の増加に従いＲ₂は単調減少し、前記出射面において全反射を抑制し、照射面における照度ムラを低減したことを特徴とする。

本発明にあっては、光入射面上の点と基準点とを結ぶ直線と、基準光軸とのなす角の増加に応じて、光入射面上の点と基準点との間の距離が単調増加しているため、光が光入射面に入射した場合、該光は、光入射面にて基準光軸に近付く方向に屈折され、さらに光出射面の点と基準点とを結ぶ直線と、基準光軸とのなす角の増加に応じて、光出射面上の点と基準点との間の距離が単調減少しているため、さらに光入射面にて光が基準光軸に近付く方向に屈折されることになる。光入射面及び光出射面と基準点との間の距離が、一般的な発光素子から出射した光束の３／４程度が含まれる、基準光軸からπ／３の角度範囲に亘って夫々単調増加又は単調減少するように光入射面及び光出射面を形成しているから、照度分布に急激な変化を発生させることなく、光を滑らかに集光させることが可能となる。また、光出射面を適切に形成することにより、光出射面における全反射が抑制される。このため、光出射面の一部領域から光が出射しない等の照度ムラの原因の抑制が可能になる。

本発明に係る光束制御部材は、第１３発明に記載の光制御部材を複数個連続して設けてなることを特徴とする。

本発明にあっては、光制御部材を複数個連続して設けており、例えば、複数の発光素子を光源として用いる照明装置のように複数個の光制御部材が必要とされる場合に、発光素子の配置に合わせて適切に光束制御部材を形成することにより、個々に位置決めをして取付ける作業が不要となり、照明装置の組立作業を効率的に行うことが可能となる。

本発明によれば、十分な光利用効率を得つつ、発光素子から出射された光を滑らかに集光することが可能である。また、照射面における照度ムラを低減することが可能である。

以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて説明する。図１は、本実施の形態に係る発光装置１０の模式的断面図である。発光装置１０は、発光素子１と、該発光素子１から出射された光を集光する光制御部材２とを備えてなる。光軸（基準光軸）Ｚの方向は、発光素子１から出射される光の立体的な出射光束の中心における光の進行方向をいう。同図においては、便宜上、発光素子１から鉛直上向きの方向を光軸（基準光軸）Ｚとする。

図中、矩形にて示している発光素子１は、光軸Ｚを中心に周囲に光を出射する部材であり、光軸Ｚを中心とした回転対称の形状を有している。なお、発光素子１の形状は、光軸Ｚを中心とした回転対称の形状である必要はなく、直方体、多面体等の形状でもよい。発光素子１としては、例えば公知のＬＥＤチップを用いることができ、特に限定されるものではない。

発光素子１の発光面側には、光制御部材２が設けてある。光制御部材２は、発光素子１から出射された光Ｌの方向を変化させるための部材であり、光Ｌを光軸Ｚに対し平行に近い方向に曲げることにより、光Ｌを集光させる。光制御部材２は、光軸Ｚに対し軸対称な曲面部分を有し、発光素子１から出射された光Ｌが入射する光入射面２ａと、光軸Ｚに対し軸対称な曲面部分を有し、光入射面２ａに入射した光Ｌが出射される光出射面２ｂと、光入射面２ａ及び光出射面２ｂの端縁を結ぶ光制御部材の支持面としての作用も有する底面２ｃとを有している。発光素子１は、光入射面２ａの端縁を含む平面又は該平面より光制御部材２の側に発光素子１の発光面が位置するように配置してある。

光制御部材２の光入射面２ａの断面形状は、同図に示すように、光軸Ｚ上では光軸Ｚと略垂直に交わり、光軸Ｚ付近から輪郭線の傾きが徐々に変化していく、放物面に近い形状を有している。一方、光制御部材２の光出射面２ｂの断面形状は、光軸Ｚ付近では輪郭線の傾きが光軸Ｚと略垂直で傾き変化が徐々に大きく、その後、光軸Ｚと垂直方向に近付くにしたがって輪郭線の傾きの変化が小さくなり、次第に光軸Ｚと平行な方向に変化する形状を有している。

なお、本実施の形態で用いられる光制御部材２は、例えば、片面が凸面で、反対面が凹面のレンズから構成される、メニスカスレンズと呼ばれるレンズ（集光部材）である。

光制御部材２は、透明樹脂やガラス等、特に限定されるものではないが、好ましくは、屈折率が１．４５以上１．６５以下である透明樹脂を用いることができる。具体的には、屈折率が１．４９であるポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）、屈折率が１．５９であるポリカーボネート（ＰＣ）、エポキシ樹脂（ＥＰ）等の透明樹脂材料である。これら透明樹脂材料は射出成型が可能であり、製作が容易であり、コストの低減を図ることができる。

次に、図２に基づいて、光制御部材２の光出射面２ｂにおける光Ｌの方向を変化させる構成について説明する。同図は図１で示す発光装置１０の一部を拡大した部分断面図である。

同図において、光入射面２ａは、光軸Ｚと発光素子１の発光面との交点を基準点Ｏとしたとき、光入射面２ａ上の任意の点Ｐ₁と基準点Ｏとを結ぶ直線と、光軸Ｚとのなす角がα₁、光入射面２ａ上の点Ｐ₁と基準点Ｏとの間の距離がＲ₁であるとき、少なくともα₁＜π／３の範囲において、α₁の増加に従いＲ₁が単調増加するような凹面に形成してある。発光素子１の発光特性が一般的な発光素子の配光特性であるランバート分布である場合、発光素子１から出射する光束の３／４程度の光束がα₁＜π／３の範囲に含まれることになる。なお、本明細書では特に断らない限り角度表記にはラジアンを用いる。

次に、光出射面２ｂは、光出射面２ｂ上の任意の点Ｐ₂と基準点Ｏとを結ぶ直線と、光軸Ｚとのなす角がα₂、光出射面２ｂ上の点Ｐ₂と基準点Ｏとの間の距離がＲ₂であるとき、少なくともα₂＜π／３の範囲においては、α₂の増加に従いＲ₂は単調減少するような凸面に形成してある。

このように形成された光制御部材２において、光入射面２ａに入射した光Ｌは、光軸Ｚ側に屈折し、光出射面２ｂから出射するときにさらに光軸Ｚ側に屈折させられる。以下にその原理を示す。仮に光入射面２ａの形状が、α₁が増加してもＲ₁が変化しない（同図の断面図でα₁の増分Δα₁に対するＲ₁の増分ΔＲ₁が０である）形状、すなわち基準点Ｏを中心とする半径Ｒ₁の球面である場合、光は光入射面に垂直に入射するため、方向を変えずに伝播することになる。

一方、光入射面２ａの形状がα₁の増加に従いＲ₁が増加する形状である場合、すなわち、同図の断面図でα₁の増分Δα₁に対するＲ₁の増分ΔＲ₁がΔＲ₁＞０である場合、光入射面２ａ上の点Ｐ₁における接線は、基準点Ｏを中心とした半径Ｒ₁の円の接線より光軸Ｚと垂直な方向に近付いた角度となり、このとき基準点Ｏから出射し、任意の点Ｐ₁に入射した光Ｌは光軸Ｚに近付く方向に曲げられて、光制御部材２内を伝播することになる。このとき、ΔＲ₁／Ｒ₁Δα₁＝Ａ₁とすると、Ａ₁はＡ₁＞０となる。

次に、光出射面２ｂでは逆にα₂の増加にしたがいＲ₂が減少するため、光出射面２ｂ上の点Ｐ₂における接線は、基準点Ｏを中心とした半径Ｒ₂の円の接線より光軸Ｚと平行な角度に近付いた角度となり、基準点Ｏと点Ｐ₂とを結ぶ直線の方向から点Ｐ₂に入射した光はさらに光軸Ｚに近付く方向に曲げられる。実際には光入射面２ａがあるため、同図に示すように基準点Ｏと点Ｐ₂とを結ぶ直線と点Ｐ₂における法線とのなす角よりも、実際に点Ｐ₂に入射する光Ｌと点Ｐ₂における法線とのなす角の方が大きく、さらに光軸Ｚに近付く方向へと曲げられる。このように、以上の特性を有する光入射面２ａと光出射面２ｂとを有することにより、集光性を向上させた発光装置を得ることができる。

次に、図２を参照して光出射面２ｂから光を出射させるための条件について述べる。まず、基準点Ｏと光出射面２ｂ上の点Ｐ₂とを結ぶ直線の方向から点Ｐ₂へ入射した光（図において破線にて示す）について考える。

点Ｐ₂における法線と基準点Ｏと点Ｐ₂を結ぶ直線とのなす角をβ、α₂が微小量Δα₂だけ変化したときのＲ₂の変化量をΔＲ₂とすると、
ｔａｎβ＝−ΔＲ₂／Ｒ₂Δα₂となる。次に光制御部材２の屈折率がｎであるとき、点Ｐ₂へ入射した光が光出射面２ｂから出射するためには、ｎｓｉｎβ≦１の条件式を満足する必要がある。−ΔＲ₂／Ｒ₂Δα₂＝Ａ₂として、以上の式を整理すると

となり、これが、基準点Ｏと光出射面２ｂ上の点Ｐ₂を結ぶ直線の方向から点Ｐ₂へ入射した光が光出射面２ｂから出射するための条件となる。以上は、基準点Ｏから出射した光が光入射面２ａで曲がらずに光出射面２ｂに到達した場合に成り立つ条件であるが、実際には光入射面２ａで屈折されるため、光出射面２ｂ上の点Ｐ₂へ到達する光Ｌの入射角はβより大きくなる。そのため、

の条件下では必ず全反射が生じてしまう。よって、少なくともＡ₂が以下の条件式（１）

を満たすように光出射面２ｂを形成する必要がある。

以上では、α₁＝０、及びα₂＝０以外の部分について述べたが、α₁＝０、α₂＝０のときは、発光素子１から光軸Ｚ方向に出射された光Ｌをそのまま光軸Ｚ方向に出射する必要があるため、Ａ₁及びＡ₂が０になるように光制御部材２を構成する必要がある。

次に、図３に基づいて、発光素子１から出射された光Ｌが光制御部材２から光の出射側に離隔して光軸Ｚと直交する平面内において照度ムラを抑制する構成について説明する。同図は図１で示す発光装置１０の一部を拡大した部分断面図である。

図３において、発光素子１から出射され、光入射面２ａに到達する光Ｌと光軸Ｚとのなす角をφ₁とする。さらに、光入射面２ａに入射し、光出射面２ｂに到達し、光出射面２ｂから出射した光Ｌと、光Ｌが光出射面２ｂにおいて到達する出射点Ｐ₄を通り光軸Ｚと平行な線とのなす角度をφ₂とする。

また、同図において、発光素子１から出射された光Ｌが光入射面２ａに入射した点を光入射点Ｐ₃とし、光入射点Ｐ₃から入射した光Ｌと光入射点Ｐ₃における法線とのなす角度がθ₁として表されている。また、光制御部材２の中を透過し、光出射面２ｂに入射した光Ｌの出射面における点を光出射点Ｐ₄とし、光出射点Ｐ₄に到達した光Ｌと光出射点Ｐ₄における法線とのなす角度がθ₂として表されている。

同図に示すように、発光素子１から出射された光Ｌは、光入射面２ａに入射し、光制御部材２の内部を伝播した後、光出射面２ｂから外部（例えば、空気中）にスネルの法則にしたがって出射されることになる。この際、本発明に係る光制御部材２から出射される発光素子１からの光束は、光軸Ｚに近付くように屈折して出射される。

前記の発光装置１０において、さらに集光性を向上させ、発光装置１０を複数マトリクス状に配列したときの照度ムラを抑制するためには、発光素子１から出射された光Ｌを照射面上においてガウス分布のような、発光装置１０の光軸Ｚ上が明るく、光軸Ｚ上から離れるにしたがって暗くなる分布にすることが好ましいと考えられる。そこで、発明者は鋭意検討を行った結果、配光特性がＰ（φ₁）である発光素子１から出射された光Ｌについて以下の条件とすることを見出した。

すなわち、光制御部材２から光の出射側に離隔して光軸Ｚと直交する平面内において、光軸Ｚからの距離がｒ、発光素子１から出射した光Ｌと光軸Ｚとのなす角度がφ₁であり、Ａが前述した式（２）により求まる値、Ｃがｒ＝０のときφ₁＝０を満たすように定まる定数、σが集光性を表す定数とした場合に、前述した条件式（３）を満たす場合に、配光特性がＰ（φ₁）である発光素子１からの光Ｌを平面上、例えば、床面上でガウス分布にすることができることを見出した。

このように、発光装置１０が前記の条件を満たすように構成されることにより、光Ｌを床面上においてガウス分布にすることができる。これにより、発光装置１０を複数マトリクス状に配列したとき、発光素子１から出射される光Ｌの照度ムラを抑制することができる。

特に、一般的なＬＥＤの配光特性であるＰ（φ₁）＝Ｐ₀ｃｏｓφ₁（Ｐ₀は定数）で表されるランバート分布は重要であり、前述した条件式（４）を満たすことにより、ランバート分布を前記平面上（床面上）でガウス分布に変換することができる。これにより、発光装置１０を複数マトリクス状に配列したときの発光素子１から出射される光Ｌの照度ムラをさらに抑制することができる。

図４は、発光装置１０におけるθ₁／θ₂と反射率との関係を示すグラフである。同図において、縦軸は反射率を示し、横軸はθ₁／θ₂を対数表示にて示している。計算に用いた屈折率は、屈折率１．４５〜１．６５の範囲で最も反射率が高くなる屈折率１．６５である。反射率は、光入射面２ａおよび光出射面２ｂの両面での反射を含んだ反射率が表されている。Δφ＝φ₁−φ₂を一定とした場合、反射率が最小となるのはθ₁／θ₂＝１のとき、すなわちθ₁＝θ₂のときであり、Δφが大きくなるほど反射率が大きくなることが分かる。

一方、光制御部材２により光Ｌの集光性を向上させるためには、発光素子１から出射された光をできるだけ光軸Ｚと垂直な方向に近付ける必要があるため、Δφを大きくする必要がある。

図５は、屈折率１．６５の材料から空気中に出射する光の透過率と出射面への入射角度の関係を示すグラフである。同図において、縦軸は透過率を示し、横軸は入射角を示している。図に示すように、フレネル反射による透過率が８５％を下回る入射角度では微小な入射角の変化に対して透過率が急激に変動している。このため、透過率が８５％を下回る入射角度においては集光特性がばらつくという問題が発生するため、透過率は８５％以上、すなわち反射率は１５％以下にすることが望ましい。

反射率を１５％以下にする条件は、図４に示すグラフを考察し、以下の条件式（１０）〜（１５）で表される。
Δφ≦５π／３６において、０≦θ₁／θ₂≦∞ ・・・（１０）
Δφ＝１３π／９０において、１／８８．５≦θ₁／θ₂≦８８．５・・・（１１）
Δφ＝π／６において、１／４．７≦θ₁／θ₂≦４．７・・・（１２）
Δφ＝７π／３６において、１／２．２≦θ₁／θ₂≦２．２・・・（１３）
Δφ＝２π／９において、１／１．４≦θ₁／θ₂≦１．４・・・（１４）
Δφ＝４３π／１８０において、１／１．１≦θ₁／θ₂≦１．１・・・（１５）

また、Δφ≧１１π／４５では反射率を１５％以下にはできない。これらを勘案すると、以下の条件式（５）〜（９）
Δφ≦１３π／９０において、１／８８．５≦θ₁／θ₂≦８８．５・・・（５）
Δφ≦π／６において、１／４．７≦θ₁／θ₂≦４．７・・・（６）
Δφ≦７π／３６において、１／２．２≦θ₁／θ₂≦２．２・・・（７）
Δφ≦２π／９において、１／１．４≦θ₁／θ₂≦１．４・・・（８）
Δφ≦４３π／１８０において、１／１．１≦θ₁／θ₂≦１．１・・・（９）
の何れかを満たすことにより、反射率を１５％以下に抑制することが可能となり、従来技術に係る発光装置１００よりも光Ｌの利用効率を向上することが可能となる。

なお、本実施の形態において、光制御部材２の屈折率が１．６５以下である場合に、反射率を１５％以下に抑制し、光Ｌの利用効率を向上することができる条件について述べたが、これらの条件は光制御部材２に使用される材料の選定に応じて、同様の手順にて適宜設定される。

本実施の形態に係る発光装置を備える照明装置の一例を図６に示す。図６は、本実施の形態に係る発光装置を備える照明装置２０の外観斜視図であり、図７は、図６の VII−VII 線による照明装置２０の部分断面図である。

図において１２は、樹脂製または金属製のカバーであり、カバー１２は、矩形窓を有する矩形枠部１２ａと、該矩形枠部１２ａの端縁から略直交して一方向に延びる矩形状の４側壁１２ｂ，１２ｂ…とを備えている。このカバー１２には、金属製のフレーム１３が内嵌してあり、カバー１２及びフレーム１３により照明装置２０の筺体を構成している。

フレーム１３には、図７に示すように、基板１４が設けてあり、該基板１４には、前述した発光素子１，１…が複数実装されている。これら発光素子１，１…の発光面側には、複数の光制御部材２，２…が一体的に形成された集光シート（光束制御部材）１１が、光制御部材２，２…の光軸と発光素子１，１…の発光面の中心とが夫々一致するように設けてある。

集光シート１１の光制御部材２，２…の底面には、複数の突出部２ｄ，２ｄ…が等配をなして形成してある。これら集光シート１１及び発光素子１，１…が実装された基板１４は、ネジ１５，１５…によりフレーム１３に固定してある。突出部２ｄ，２ｄ…にて基板１４がフレーム１３に押し付けられ、基板１４がフレーム１３に略全面にて当接するから、発光素子１，１…にて発生した熱を効率よく放熱することができる。なお、突出部２ｄ，２ｄ…がない場合であっても、光制御部材の底面（図１参照）を光制御部材の支持面とすることも可能である。

このように構成された照明装置２０は、本実施の形態に係る発光装置１０を備えるため、フレネル反射による反射率を低減させることができ、光利用効率を向上することができる。照明装置の具体例としては、室内照明に用いられるベースライト、ダウンライト等の一般照明用の照明装置を挙げることができる。

また、光制御部材及び当該光制御部材を有する発光装置は、光制御部材内での反射を抑えて光利用効率を確保しつつ、滑らかに集光できるということから、用途は一般照明用に限定されず、他の用途にも有効である。例えば、液晶表示装置のバックライト用にも好適に適用することができる。

なお、本発明は、前述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

本実施の形態に係る発光装置の模式的断面図である。図１で示す発光装置の一部を拡大した部分断面図である。図１で示す発光装置の一部を拡大した部分断面図である。本実施の形態に係る発光装置におけるθ₁／θ₂と反射率との関係を示すグラフである。屈折率１．６５の材料から空気中に出射する光の透過率と出射面への入射角度の関係を示すグラフである。本実施の形態に係る発光装置を備える照明装置の外観斜視図である。図６の VII−VII 線による照明装置の部分断面図である。従来の発光装置の模式的断面図である。従来の発光装置の模式的断面図である。

符号の説明

１発光素子
２光制御部材
２ａ光入射面
２ｂ光出射面
１０発光装置
１１集光シート（光束制御部材）
α_１角度
α_２角度
Δα_１角度
Δα_２角度
Ｏ基準点（交点）
Ｒ_１距離
Ｒ_２距離
Ｐ_１入射点
Ｐ_２出射点
Ｚ光軸

Claims

発光素子と、該発光素子から出射された光を制御する光制御部材とを備える発光装置において、
前記光制御部材は、前記発光素子から出射された光が光制御部材に入射する光入射面と、該光入射面に入射した光が光制御部材から出射される光出射面とを備え、
前記光入射面は、前記発光素子の基準光軸に対し軸対称な凹の曲面部分を有し、
前記基準光軸と前記発光素子の発光面との交点を基準点としたとき、前記光入射面上の任意の点と前記基準点とを結ぶ直線と、前記基準光軸とのなす角をα₁、前記光入射面上の任意の点と前記基準点との距離をＲ₁として、少なくともα₁＜π／３の範囲においては、α₁の増加に従いＲ₁は単調増加し、
前記光出射面は、前記基準光軸に対し軸対称な凸の曲面部分を有する形状であり、
前記光出射面上の任意の点と前記基準点とを結ぶ直線と、前記基準光軸とのなす角をα₂、前記光出射面上の任意の点と前記基準点との距離をＲ₂として、少なくともα₂＜π／３の範囲においては、α₂の増加に従いＲ₂は単調減少し、
前記光制御部材の前記出射面において全反射を抑制し、照射面における照度ムラを抑制したことを特徴とする発光装置。
発光素子と、該発光素子から出射された光が入射する光入射面及び該光入射面に入射した光が出射される光出射面を有する光制御部材とを備える発光装置において、
前記光制御部材は、前記光入射面及び光出射面が、前記発光素子の光軸に関して軸対称の曲面部分を夫々有するように形成してあり、
前記光入射面は、少なくともα₁＜π／３の範囲において、α₁の増加に従いＲ₁が単調増加するように形成してあり、
但し、

α₁；前記発光素子の発光面及び前記光軸の交点と前記光入射面上の点とを結ぶ直線並びに前記光軸のなす角、
Ｒ₁；前記交点と前記光入射面上の点との間の距離

前記光出射面は、少なくともα₂＜π／３の範囲において、α₂の増加に従いＲ₂が単調減少し、以下の条件式（１）

を満たすように形成してあることを特徴とする発光装置。
但し、
α₂；前記発光素子の発光面及び前記光軸の交点と前記光出射面上の点とを結ぶ直線並びに前記光軸のなす角、
Ｒ₂；前記交点と前記光出射面上の点との間の距離、
ｎ；前記光制御部材を構成する材料の屈折率、
Ａ₂；前記α₂の増分Δα₂に対するＲ₂の増分ΔＲ₂をＲ₂で除算して、−１を乗じた値−ΔＲ₂／（Ｒ₂Δα₂）
前記光制御部材は、前記光入射面において、α₁が０のとき、Ａ₁が０であり、

但し、
Ａ₁；前記α₁の増分Δα₁に対するＲ₁の増分ΔＲ₁をＲ₁で除算した値ΔＲ₁／（Ｒ₁Δα₁）

前記光出射面において、α₂が０のとき、Ａ₂が０であるように構成してあることを特徴とする請求項１または２に記載の発光装置。
前記光制御部材は屈折率が１．４５以上１．６５以下である透光性材料からなることを特徴とする請求項１から３の何れか一つに記載の発光装置。
発光素子と、該発光素子から出射された光が入射する光入射面及び該光入射面に入射した光が出射される光出射面を有する光制御部材とを備える発光装置において、
前記光制御部材から光の出射側に離隔して前記発光素子の光軸と直交する平面内において、Ａが以下の条件式（２）

で求まる値であり、

但し、
φ₁；前記発光素子から出射された光と前記光軸とのなす角度
Ｐ（φ₁）；前記発光素子の配光特性

以下の条件式（３）

を満たすように構成してあることを特徴とする発光装置。
但し、
ｒ；前記平面内における前記光軸からの距離
Ｃ；ｒ＝０のときφ₁＝０を満たすように定まる定数
σ；集光性を表す定数
前記平面内において、
前記発光素子の配光特性Ｐ（φ₁）がランバート分布であるとき、以下の条件式（４）

を満たすように構成してあることを特徴とする請求項５に記載の発光装置。
前記光制御部材は、屈折率が１．６５以下であり、
前記φ₁からφ₂を減算した値Δφが１３π／９０以下であるとき、以下の条件式（５）
１／８８．５≦θ₁／θ₂≦８８．５・・・（５）
を満たすように構成してあることを特徴とする請求項５または６に記載の発光装置。
但し、
θ₁；前記発光素子からの光が入射する前記光入射面上の光入射点から、外部に光が出射される前記光出射面上の光出射点に到達する光と、前記光入射点における前記光入射面の垂線とのなす角
θ₂；前記光入射点から、前記光出射点に到達する光と、前記光出射点における前記光出射面の垂線とのなす角
φ₂；前記光出射点から出射された光と前記光軸とのなす角
前記光制御部材は、屈折率が１．６５以下であり、
前記φ₁からφ₂を減算した値Δφがπ／６以下であるとき、以下の条件式（６）
１／４．７≦θ₁／θ₂≦４．７・・・（６）
を満たすように構成してあることを特徴とする請求項５または６に記載の発光装置。
但し、
θ₁；前記発光素子からの光が入射する前記光入射面上の光入射点から、外部に光が出射される前記光出射面上の光出射点に到達する光と、前記光入射点における前記光入射面の垂線とのなす角
θ₂；前記光入射点から、前記光出射点に到達する光と、前記光出射点における前記光出射面の垂線とのなす角
φ₂；前記光出射点から出射された光と前記光軸とのなす角
前記光制御部材は、屈折率が１．６５以下であり、
前記φ₁からφ₂を減算した値Δφが７π／３６以下であるとき、以下の条件式（７）
１／２．２≦θ₁／θ₂≦２．２・・・（７）
を満たすように構成してあることを特徴とする請求項５または６に記載の発光装置。
但し、
θ₁；前記発光素子からの光が入射する前記光入射面上の光入射点から、外部に光が出射される前記光出射面上の光出射点に到達する光と、前記光入射点における前記光入射面の垂線とのなす角
θ₂；前記光入射点から、前記光出射点に到達する光と、前記光出射点における前記光出射面の垂線とのなす角
φ₂；前記光出射点から出射された光と前記光軸とのなす角
前記光制御部材は、屈折率が１．６５以下であり、
前記φ₁からφ₂を減算した値Δφが２π／９以下であるとき、以下の条件式（８）
１／１．４≦θ₁／θ₂≦１．４・・・（８）
を満たすように構成してあることを特徴とする請求項５または６に記載の発光装置。
但し、
θ₁；前記発光素子からの光が入射する前記光入射面上の光入射点から、外部に光が出射される前記光出射面上の光出射点に到達する光と、前記光入射点における前記光入射面の垂線とのなす角
θ₂；前記光入射点から、前記光出射点に到達する光と、前記光出射点における前記光出射面の垂線とのなす角
φ₂；前記光出射点から出射された光と前記光軸とのなす角
前記光制御部材は、屈折率が１．６５以下であり、
前記φ₁からφ₂を減算した値Δφが４３π／１８０以下であるとき、以下の条件式（９）
１／１．１≦θ₁／θ₂≦１．１・・・（９）
を満たすように構成してあることを特徴とする請求項５または６に記載の発光装置。
但し、
θ₁；前記発光素子からの光が入射する前記光入射面上の光入射点から、外部に光が出射される前記光出射面上の光出射点に到達する光と、前記光入射点における前記光入射面の垂線とのなす角
θ₂；前記光入射点から、前記光出射点に到達する光と、前記光出射点における前記光出射面の垂線とのなす角
φ₂；前記光出射点から出射された光と前記光軸とのなす角
請求項１から１１の何れか一つに記載の発光装置を備えることを特徴とする照明装置。
発光素子から出射された光を制御する光制御部材であって、
前記発光素子から出射された光が光制御部材に入射する光入射面と、上記光入射面に入射した光が光制御部材から出射される光出射面とを備え、
前記光入射面は、前記発光素子の基準光軸に対し軸対称な凹の曲面部分を有し、
前記基準光軸と前記発光素子の発光面との交点を基準点としたとき、前記光入射面上の任意の点と前記基準点とを結ぶ直線と、前記基準光軸とのなす角をα₁、前記光入射面上の任意の点と前記基準点との距離をＲ₁として、少なくともα₁＜π／３の範囲においては、α₁の増加に従いＲ₁は単調増加し、
前記光出射面は、前記基準光軸に対し軸対称な凸の曲面部分を有する形状であり、
前記光出射面上の任意の点と前記基準点とを結ぶ直線と、前記基準光軸とのなす角をα₂、前記光出射面上の任意の点と前記基準点との距離をＲ₂として、少なくともα₂＜π／３の範囲においては、α₂の増加に従いＲ₂は単調減少し、
前記出射面において全反射を抑制し、照射面における照度ムラを低減したことを特徴とする光制御部材。
請求項１３に記載の光制御部材を複数個連続して設けてなる光束制御部材。