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JP2014130212A - Optical element and luminaire - Google Patents

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JP2014130212A
JP2014130212A JP2012287392A JP2012287392A JP2014130212A JP 2014130212 A JP2014130212 A JP 2014130212A JP 2012287392 A JP2012287392 A JP 2012287392A JP 2012287392 A JP2012287392 A JP 2012287392A JP 2014130212 A JP2014130212 A JP 2014130212A
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JP
Japan
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optical element
incident
optical axis
light
light source
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Pending
Application number
JP2012287392A
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Japanese (ja)
Inventor
Daisuke Tanahashi
大輔 棚橋
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Konica Minolta Inc
Original Assignee
Konica Minolta Inc
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Publication date
Application filed by Konica Minolta Inc filed Critical Konica Minolta Inc
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  • Optical Elements Other Than Lenses (AREA)
  • Non-Portable Lighting Devices Or Systems Thereof (AREA)
  • Led Device Packages (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical element that can achieve a narrow light distribution angle, and hardly causes color unevenness and color coding even if it is applied to a light source including a light emission surface (light emission section) having a size, and to provide a luminaire using the optical element.SOLUTION: The coordinates of any two points mutually shifted in the optical axis direction on a C incident side surface of a recess are denoted with P1(Px1,Pz1), P2(Px2,Pz2), and satisfy the following equation Px1<Px2 (1), Pz1>Pz2 (2), and α1>α2 (3). Here, the optical axis is set as the Z-axis having a positive direction from the incident surface to the outgoing surface, and the axis orthogonal to the optical axis is set as the X-axis having a positive direction separating from the optical axis. The angle between the optical axis and the normal line that passes the point P1 and is perpendicular to the incident side surface is denoted with α1(°), and the angle between the optical axis and the normal line that passes the point P2 and is perpendicular to the incident side surface is denoted with α2(°).

Description

本発明は、光学素子及び照明装置に関し、特にダウンライトやスポットライトなど指向性が高い照明装置及びそれに用いる光学素子に関する。   The present invention relates to an optical element and an illuminating device, and more particularly to an illuminating device having high directivity such as a downlight and a spotlight and an optical element used therefor.

光源から出射された光束を制御して被照射面を照明する場合、レンズやミラーなどの光学素子が用いられることが多い。このような光学素子は、光源からの光を制御し、目的に適合した光束を作り出す機能を有する。例えばLEDのようなランバーシアンに近い配光分布を有する光源からの光は、そのままでは照明として扱いにくいので、光学素子を透過させることにより広げたり、または狭めたりするために用いられる。   When illuminating a surface to be irradiated by controlling a light beam emitted from a light source, an optical element such as a lens or a mirror is often used. Such an optical element has a function of controlling light from a light source and generating a light beam suitable for the purpose. For example, light from a light source having a light distribution close to Lambertian, such as an LED, is difficult to handle as illumination as it is, and is used for spreading or narrowing by transmitting through an optical element.

ここで、ダウンライト等の用途として集光作用を与える場合によく用いられるのが、特許文献1,2などに開示された、屈折作用と全反射作用を併せ持つ光学素子である。特に全反射面を有する光学素子を用いることで、作りやすくコストが安く、光量ロスなく光束の角度を揃えることが容易となる。しかし、光源のニアフィールド輝度分布が色ムラを持っている場合、特に、光源の発光面(光出射部)がある大きさを持っており、点光源とはみなせない場合には、上記のような集光作用のある光学素子を用いると、被照射面上で光源の像が形成されてしまうという問題がある。一般的に、光源の最大寸法Lに対して、光学素子における、光が最初に入射する入射側の光学面が光源(光出射部)から5L以内の範囲に設置される場合に、上記の現象が生じやすいとされる。このような光源が色ムラを有している場合、または多色光源の場合、または蛍光体の励起作用による疑似白色光源などでは、被照射面上で色ムラや色分かれが生じてしまい、特に暗闇などで人間が目で観察したときに目立ってしまうことは明らかである。当然実使用上はこのような色ムラや色分かれは望ましくない。尚、本明細書中、「色ムラ」とは、被照射面に形成される異なる色の光源の像をいい、一般的には光軸周辺に発生するものをいう。又、「色分かれ」とは、被照射面において混色が不十分である状態をいい、一般的には照明光の周縁に発生しやすいものである。特に、色分かれは、照明光の周縁という暗い領域に発生しやすいので、目立ちやすいという特徴がある。   Here, an optical element having both a refraction action and a total reflection action disclosed in Patent Documents 1 and 2 and the like is often used when a light collecting action is given as an application of a downlight or the like. In particular, by using an optical element having a total reflection surface, it is easy to manufacture and the cost is low, and it becomes easy to align the angles of light beams without loss of light quantity. However, when the near-field luminance distribution of the light source has color unevenness, particularly when the light emitting surface (light emitting portion) of the light source has a certain size and cannot be regarded as a point light source, as described above. When an optical element having a light condensing function is used, there is a problem that an image of a light source is formed on the irradiated surface. In general, the above phenomenon occurs when the optical surface of the optical element on which light is incident first is set within a range of 5 L from the light source (light emitting portion) with respect to the maximum dimension L of the light source. Is likely to occur. When such a light source has color unevenness, a multicolor light source, or a pseudo-white light source due to the excitation action of a phosphor, color unevenness or color separation occurs on the irradiated surface. It is clear that when a human observes it with dark eyes, it will stand out. Naturally, such color unevenness and color separation are not desirable in actual use. In the present specification, “color unevenness” refers to images of light sources of different colors formed on the surface to be irradiated, and generally refers to those generated around the optical axis. Further, “color separation” refers to a state where color mixture is insufficient on the surface to be irradiated, and is generally likely to occur at the periphery of illumination light. In particular, the color separation is likely to occur in a dark area of the periphery of the illumination light, and thus has a feature that it is easily noticeable.

特許第4993434号明細書Japanese Patent No. 4993434 特許第4179176号明細書Japanese Patent No. 4179176 特許第5030938号明細書Japanese Patent No. 5030938 特開2009−266523号公報JP 2009-266523 A

ところで、光学素子の光学面に、光線を散乱、拡散させる作用を有する構造を設けることで、色ムラを低減するという技術思想がある。このような構造としては、例えば光学面に粗し加工やシボ加工を施したり、同一形状を2次元的に配列したアレイ形状を設けたものなどが考えられる。特に上述のような機能を持つ光学素子においては、かかる構造を出射面に設けることで、光源の像が被照射面に形成されることを防ぐことができる。   Incidentally, there is a technical idea that color unevenness is reduced by providing a structure having an action of scattering and diffusing light rays on the optical surface of an optical element. As such a structure, for example, the optical surface may be roughened or textured, or an array shape in which the same shape is two-dimensionally arranged may be considered. In particular, in an optical element having the above-described function, it is possible to prevent the image of the light source from being formed on the irradiated surface by providing such a structure on the emitting surface.

しかるに、ダウンライトやスポットライト用途などの照明装置においては、出射光の指向性を高めるべく配光角を狭くする必要があり、そのため光源からの光束を制御して、光学素子から出射される光束の光強度分布(配光分布)を狭くしていくと、光学素子の光学面に光線を散乱、拡散させる作用を有する構造を設けても、今度は被照射面上でスポット周縁の色分かれ(色分離)が生じてしまうという問題が生じる。特に、スポット照明装置などの配光角が狭い照明装置であっても従来実施されなかった複数色の光源を用いたスポット照明装置が望まれる場合が出てきたが、このような場合は同時に複数色を発光させて1つの色(具体的には複数の色を用いた擬似白色等)をつくる場合がある。このような場合、1つの光源の単色のスポットに対して周縁の色分かれの問題はより顕著となることがわかってきた。このような現象が生じる理由として、以下のことが考えられる。従来のように1つの光源の単色スポットであれば非照射面において中心部分から外れた光であっても色が1つであるので色のムラは生じない。しかし同時に複数色を発光させて1つの色をつくる場合、中心は複数の色が混ざり合い1つの色(例えば擬似白色)が非照射面に照射されることとなり希望の色で照明することができるが、光軸から遠くはなれた非照射面にあたる光の一部が中心のように光が混ざりあわず、希望する色(例えば擬似白色)にならない場合があるためである。このような場合中心の色と周辺の色が異なることとなり色のムラ(色分かれ)が発生しやすくなる。更に配光分布が狭いほど、また光源の光出射部が面積を有するほど、色分かれが顕著に生じる傾向がある。   However, in illumination devices such as downlights and spotlights, it is necessary to narrow the light distribution angle in order to increase the directivity of the emitted light. Therefore, the luminous flux emitted from the optical element is controlled by controlling the luminous flux from the light source. If the light intensity distribution (light distribution distribution) of the optical element is made narrower, even if a structure having the function of scattering and diffusing light rays is provided on the optical surface of the optical element, color separation of the spot periphery on the irradiated surface ( There arises a problem that color separation occurs. In particular, there has been a case where a spot illumination device using a light source of a plurality of colors, which has not been implemented in the past, is desired even in a lighting device with a narrow light distribution angle such as a spot illumination device. There is a case where a color is emitted to create one color (specifically, pseudo white using a plurality of colors). In such a case, it has been found that the problem of color separation at the periphery of a single color spot of one light source becomes more prominent. The reason why such a phenomenon occurs is as follows. In the case of a single color spot of one light source as in the prior art, even if the light deviates from the central portion on the non-irradiated surface, there is no color unevenness because there is one color. However, when a single color is produced by simultaneously emitting a plurality of colors, a plurality of colors are mixed at the center, and one color (for example, pseudo white) is irradiated onto the non-irradiated surface, so that the desired color can be illuminated. However, there is a case where the light does not mix like the center of a part of the light that falls on the non-irradiated surface far from the optical axis, and the desired color (for example, pseudo white) may not be obtained. In such a case, the central color and the peripheral color are different, and color unevenness (color separation) is likely to occur. Furthermore, color separation tends to be more prominent as the light distribution is narrower and the light emitting part of the light source has an area.

これに対し、特許文献3には、入射側の面に凸部を設けることで色ムラを抑制することができる旨の開示があるが、配光角を決定するのは全反射面によって反射された光束の射出角度であり、この構成では全反射する光線に対して何ら対策を講じていない為、色ムラ(光源の像)のない狭角の配光を得ることができるとは言いがたい。また、色分かれを防ぐ手段については、何ら開示されていない。   On the other hand, Patent Document 3 discloses that color unevenness can be suppressed by providing a convex portion on the incident side surface, but the light distribution angle is determined by the total reflection surface. In this configuration, no measures are taken against the totally reflected light beam, so it is difficult to say that a narrow-angle light distribution without color unevenness (light source image) can be obtained. . Further, no means for preventing color separation is disclosed.

一方、特許文献4には、拡散機能を有する光学面を用いた色ムラ対策の技術思想が示されているが、この技術のみでは、全反射する光線と、そうでない光線の拡散度合いによる切り分けしかできず、全反射光線によりスポット周縁に発生する色分かれを防ぐことは難しいといえる。   On the other hand, Patent Document 4 discloses a technical idea of countermeasures against color unevenness using an optical surface having a diffusing function. However, with this technology alone, only the light rays that are totally reflected and the light rays that are not reflected can be separated. It cannot be said that it is difficult to prevent color separation that occurs at the periphery of the spot due to the total reflected light.

本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、狭い配光角を実現でき、且つ発光面(光出射部)が大きさを持つ光源に適用しても色ムラや色分かれを生じにくい光学素子及びそれを用いた照明装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such problems of the prior art, and even when applied to a light source capable of realizing a narrow light distribution angle and having a light emitting surface (light emitting portion) having a size, color unevenness and color It is an object of the present invention to provide an optical element that hardly causes separation and an illumination device using the optical element.

請求項1に記載の光学素子は、光源からの出射光を透過することにより、被照射面を照明するための光学素子であって、
入射底面と入射側面を有する入射面と、前記入射面から入射した入射光を全反射させる側面と、被照射面に向かって光を出射する出射面とを有し、
前記光学素子の光軸を通る断面をとったとき、前記入射側面上の任意の2点の座標をP1(Px1、Pz1),P2(Px2、Pz2)とし、以下の式を満たす少なくとも1つのP1、P2の組合せが存在することを特徴とする。
Px1<Px2 (1)
Pz1>Pz2 (2)
α1>α2 (3)
ただし、光軸を、入射面から出射面に向かってプラス方向としたZ軸とし、光軸に直交する軸を、光軸から離れる方向をプラス方向としたX軸とし、点P1を通り前記入射側面に垂直な法線と光軸との成す角をα1(°)とし、点P2を通り前記入射側面に垂直な法線と光軸との成す角をα2(°)とする。
The optical element according to claim 1 is an optical element for illuminating an irradiated surface by transmitting light emitted from a light source,
An incident surface having an incident bottom surface and an incident side surface; a side surface that totally reflects incident light incident from the incident surface; and an exit surface that emits light toward the irradiated surface;
When a cross section passing through the optical axis of the optical element is taken, the coordinates of any two points on the incident side surface are P1 (Px1, Pz1) and P2 (Px2, Pz2), and at least one P1 that satisfies the following expression: , P2 exists.
Px1 <Px2 (1)
Pz1> Pz2 (2)
α1> α2 (3)
However, the optical axis is the Z-axis with the positive direction from the incident surface toward the exit surface, the axis orthogonal to the optical axis is the X-axis with the direction away from the optical axis as the positive direction, and passes through the incident point P1 The angle formed between the normal line perpendicular to the side surface and the optical axis is α1 (°), and the angle formed between the normal line perpendicular to the incident side surface and the optical axis is α2 (°).

図1は、本発明の原理を説明するための図である。図1では、光軸OAを通る断面において光源LSと光学素子OEの一部を示しており、入射面については入射底面L3と一例として、入射側面C上の任意の2点の座標をP1(Px1、Pz1),P2(Px2、Pz2)としたとき、点P1とP2はPx1<Px2、Pz1>Pz2を満足する。また、ここでいう光軸OAとは光学素子OEの中心を通る軸のことである。ただし、光軸OAを、入射面から出射面に向かってプラス方向としたZ軸とし、光軸に直交する軸を、光軸から離れる方向をプラス方向としたX軸とする。   FIG. 1 is a diagram for explaining the principle of the present invention. FIG. 1 shows a part of the light source LS and the optical element OE in a cross section passing through the optical axis OA. As for the incident surface, the coordinates of two arbitrary points on the incident side surface C are represented by P1 ( When Px1, Pz1) and P2 (Px2, Pz2), the points P1 and P2 satisfy Px1 <Px2, Pz1> Pz2. The optical axis OA here is an axis passing through the center of the optical element OE. However, the optical axis OA is defined as a Z axis having a plus direction from the incident surface toward the exit surface, and an axis orthogonal to the optical axis is defined as an X axis having a direction away from the optical axis as a plus direction.

更に、点P1を通り凹部Cの入射側面に垂直な法線NL1と光軸との成す角をα1(°)、点P2を通り凹部Cの入射側面に垂直な法線NL2と光軸との成す角をα2(°)とした場合、α1>α2を満足する。尚、0.85≦α2/α1<1を満たすと、より好ましい。   Furthermore, the angle between the optical axis and the normal line NL1 perpendicular to the incident side surface of the concave portion C through the point P1 is α1 (°), and the normal line NL2 perpendicular to the incident side surface of the concave portion C through the point P2 and the optical axis. When the formed angle is α2 (°), α1> α2 is satisfied. It is more preferable that 0.85 ≦ α2 / α1 <1 is satisfied.

ここで、光源LSが点光源とみなせず、その発光面(光出射部)がある面積を有している場合、光源LSの中心から出射された光束LB1と、光源LSの中心から最も離れた箇所から出射された光束LB2とでは、例え同一出射角βでも入射面への入射位置(P3,P4)が異なる。また例え同一入射位置でも、側面が完全な放物面で形成されていても、光線は全反射されたのちに被照射面への到達位置が異なる。   Here, when the light source LS is not regarded as a point light source and has a light emitting surface (light emitting portion) having a certain area, the light beam LB1 emitted from the center of the light source LS and the most distant from the center of the light source LS. The incident position (P3, P4) on the incident surface is different from the light beam LB2 emitted from the place even if the light exit angle β is the same. Even at the same incident position, even if the side surface is formed of a complete paraboloid, the position where the light reaches the irradiated surface is different after being totally reflected.

仮に凹部Cの入射側面が単一の直線で表されるとした場合、光源LSの光出射部RPの中心から凹部Cの入射側面までの距離よりも、光源LSの光出射部RPの周辺から凹部Cの入射側面までの距離の方が短くなる。従って、光出射部RP中心から離れた出射位置からの光線群ほど、凹部の入口側を通過しやすいのであるが、光出射部RPがある程度の面積を有している光源LSの場合その傾向が一層強くなる。加えて、光軸近傍から出射された光線と、光軸から離れた位置から出射された光線とは、凹部Cに入射したときに同じ屈折角を持って屈折するから、光軸に対して直交する方向の発光点位置ズレはそのまま被照射面上の集光点位置ズレとなり、光学素子の側面で全反射されたのちに、光軸に近い出射光は内側(光軸中心側)に向き、光軸から遠い側の出射光は外側(光軸から離れる側)に向く傾向が高まる。色分かれは光学素子出射後の角度の揃った光線群により生じてしまう。なお、ここで言う屈折角とは、光出射部から同一角度で出射された光線に対する入射側面における屈折角のことである。   Assuming that the incident side surface of the concave portion C is represented by a single straight line, the distance from the periphery of the light emitting portion RP of the light source LS is larger than the distance from the center of the light emitting portion RP of the light source LS to the incident side surface of the concave portion C. The distance to the incident side surface of the recess C is shorter. Therefore, the light rays from the emission position far from the center of the light emission part RP are more likely to pass through the entrance side of the recess, but this tendency tends to occur when the light emission part RP has a certain area. Become stronger. In addition, since the light beam emitted from the vicinity of the optical axis and the light beam emitted from a position away from the optical axis are refracted with the same refraction angle when entering the recess C, they are orthogonal to the optical axis. The light emission point position deviation in the direction to be the same is the light collection point position deviation on the irradiated surface, and after being totally reflected by the side surface of the optical element, the emitted light close to the optical axis is directed inward (optical axis center side), The outgoing light far from the optical axis tends to be directed outward (side away from the optical axis). Color separation is caused by a group of light beams with uniform angles after exiting the optical element. In addition, the refraction angle said here is a refraction angle in the incident side with respect to the light ray radiate | emitted at the same angle from the light emission part.

特に、スポットライトやダウンライトのようなファーフィールドの配光分布が非常に狭い(指向性が強い)照明装置用の光学素子では、上述の特性を持つ場合、被照射面上において、光軸付近の照度は非常に高くなるが、光軸から離れるに従って照度は急激に減少することとなる。ゆえにスポットの周縁ほど照度が低く暗く、色分かれが目立ってしまう。つまり、光源中心から離れた箇所から出射された光線群ほど被照射面上において光軸から離れた場所に到達するため、色分かれが目立ってしまうのである。一般的にLED光源はランバーシアン型の発光特性を有するため、光源中心から離れた箇所から出射された光線でも出射角度によっては強度は弱くはならないので、より色分かれが目立つことになる。かかる不具合は、出射面に拡散作用を持たせても、拡散作用が弱ければ傾向は変わらない。   In particular, optical elements for lighting devices with a very narrow far-field light distribution, such as spotlights and downlights (strong directivity), have the above-mentioned characteristics, and near the optical axis on the irradiated surface. However, as the distance from the optical axis increases, the illuminance decreases rapidly. Therefore, the illuminance is lower and darker at the periphery of the spot, and the color separation becomes conspicuous. That is, the color separation becomes conspicuous because the group of light beams emitted from a place away from the center of the light source reaches a place away from the optical axis on the irradiated surface. In general, since an LED light source has a Lambertian emission characteristic, even if a light beam is emitted from a location away from the center of the light source, the intensity does not become weak depending on the emission angle, so that color separation becomes more conspicuous. Such a problem does not change even if the diffusing action is weak even if the emitting surface has a diffusing action.

図面に基づいて、より具体的に説明すると、例えば面発光光源LSと、光軸に対称である放射状の光学素子の反射面MRとの断面を示す図31(a)において、光源LSの中心Oから出射された光線群のうち反射面MRにて反射された光は、そのまま真上に(光軸OAに沿って)集中して出射するが、光軸から直交する方向に距離を持った点GPからは、その距離を持った方向(方向A)に傾いた光線群(実線)が出射するので、これらが反射面MRで反射した後、光軸から離れた方向に集中するようになる。このように、角度がほぼ揃った光線が照度の弱い個所に集中するため、複数色を同時に発光させている場合特に色分かれが目立って見えてしまうのである。   More specifically, based on the drawings, for example, in FIG. 31A showing a cross section of a surface-emitting light source LS and a reflecting surface MR of a radial optical element symmetrical to the optical axis, the center O of the light source LS is shown. The light reflected by the reflecting surface MR out of the group of rays emitted from the light exits in a concentrated manner (along the optical axis OA) as it is, but has a distance in a direction orthogonal to the optical axis. From the GP, a group of light rays (solid line) inclined in the direction (direction A) having the distance is emitted, and after being reflected by the reflecting surface MR, they are concentrated in a direction away from the optical axis. In this way, light rays having substantially the same angle are concentrated on a portion where the illuminance is weak, so that when a plurality of colors are emitted at the same time, color separation becomes particularly conspicuous.

かかる点に着目した本発明者は、ファーフィールドの配光分布が非常に狭い光学素子において、光線が通過する凹部の入口側に何らかの工夫をすることで、色分かれを抑制できないかと研究を重ねた。そして、図1に示すように、Px1<Px2と、Pz1>Pz2と、α1>α2とを満足することで、色分かれを抑制できることを見いだしたのである。より具体的には、Px1<Px2と、Pz1>Pz2と、α1>α2とを満足すれば、光学素子のある点から出射される光線群の角度をばらけさせることができ、光源中心から離れた箇所から出射された光線群は、まず、より近い側の凹部C入射側面に到達する光線群の一部については、光軸に対する傾斜角が比較的大きな入口側の面に入射するので、屈折角が小さくなり、それに側面での全反射を組み合わせることで、より被照射面上で光軸から離れるような配光特性になる。更に反対側の、より遠い側の凹部Cの入射側面に到達する光線群の一部については、光軸に対する傾斜角が比較的大きな入口側の面に入射するので、屈折角が小さくなり、それに側面での全反射を組み合わせることで、より被照射面上で光軸に近づくような配光特性になる。つまり、これらの効果を合わせることで、集中しがちであった光軸から離れた場所(スポット周縁)に到達する光線群を散らすことが出来、色分かれを抑制できるのである。なお、ここでいう前記入射面から入射した入射光を全反射させる側面とは、前記入射面から入射した全ての光線を全反射させるわけではない。主に凹部Cの入射側面を通過した光線の大部分(例えば凹部Cの入射側面を通過した入射光の90%以上)について全反射させる作用を有する。   The present inventor who paid attention to this point has repeated research on whether or not color separation can be suppressed by making some contrivance on the entrance side of the concave portion through which the light beam passes in an optical element having a very narrow light distribution in the far field. . Then, as shown in FIG. 1, it has been found that color separation can be suppressed by satisfying Px1 <Px2, Pz1> Pz2, and α1> α2. More specifically, if Px1 <Px2, Pz1> Pz2, and α1> α2 are satisfied, the angle of the light beam emitted from a certain point of the optical element can be dispersed, and the distance from the light source center can be increased. First, a part of the light ray group that has exited from the spot is incident on the entrance-side surface having a relatively large inclination angle with respect to the optical axis for a part of the light ray group that reaches the incident side surface of the concave portion C on the closer side. When the angle is reduced and combined with total reflection on the side surface, the light distribution characteristic is such that the distance from the optical axis is further away on the irradiated surface. Further, a part of the light beam that reaches the incident side surface of the concave portion C on the farther side on the opposite side is incident on the surface on the entrance side having a relatively large inclination angle with respect to the optical axis. By combining the total reflection on the side surface, the light distribution characteristic becomes closer to the optical axis on the irradiated surface. That is, by combining these effects, it is possible to scatter a group of light rays that reach a place (spot edge) away from the optical axis, which tends to be concentrated, and to suppress color separation. Here, the side surface that totally reflects the incident light incident from the incident surface does not totally reflect all the light rays incident from the incident surface. Mainly, it has the effect of totally reflecting most of the light beam that has passed through the incident side surface of the recess C (for example, 90% or more of the incident light that has passed through the incident side surface of the recess C).

図面に基づいて、より具体的に説明すると、図31(b)に示すように、光軸OAから直交する方向に距離を持った点GPから出射される光線の一部の角度を、何らかの手段で変えてやることで、光束群の角度は揃わなくなり、色分かれが抑えられる。本発明者は、光線の一部の角度を変える手段として、光学素子における入射面の凹部C入口側の屈折角を小さくすることで、その距離を持った方向(方向A)に出射された光線は、より外側に(光軸から離れる側に)向かい、逆方向に出射された光線は、光軸側に角度が変化する傾向があることを見いだした。以上が、本発明の効果である。   More specifically, based on the drawings, as shown in FIG. 31 (b), the angle of a part of the light beam emitted from the point GP having a distance in the direction orthogonal to the optical axis OA is expressed by some means. The angle of the light beam group is not aligned and the color separation is suppressed. As a means for changing the angle of a part of the light beam, the present inventor reduces the refraction angle on the entrance side of the concave portion C of the incident surface of the optical element so that the light beam emitted in the direction (direction A) having the distance. Found that light rays emitted outward (in the direction away from the optical axis) and emitted in the opposite direction tend to change in angle toward the optical axis. The above is the effect of the present invention.

請求項2に記載の光学素子は、請求項1に記載の発明において、前記出射面に拡散面を設けたことを特徴とする。   The optical element according to claim 2 is characterized in that, in the invention according to claim 1, a diffusion surface is provided on the exit surface.

前記出射面に拡散面を設けることで、前記出射面側から出射される光に、散乱・拡散作用を与えることができるから、前記光源の像が被照射面に投影されるのを防ぐことができ、色ムラを抑えることができる。   By providing a diffusing surface on the emitting surface, it is possible to give scattering and diffusing action to the light emitted from the emitting surface side, thereby preventing the image of the light source from being projected onto the irradiated surface. Color unevenness can be suppressed.

請求項3に記載の光学素子は、請求項2に記載の発明において、前記拡散面は、微小な凹凸形状をアレイ状に配置してなることを特徴とする。   According to a third aspect of the present invention, there is provided the optical element according to the second aspect of the present invention, wherein the diffusing surface is formed by arranging minute uneven shapes in an array.

前記拡散面が、微小な凹凸形状をアレイ状に配置してなると、より高い散乱・拡散作用を得ることができる。微小な凹凸形状として球面の一部分からなる形状(凹凸単位という)が、二次元的に重なり合ってある規則を持って配置されていると好ましい。球面の曲率半径は大きいほど光の拡散作用が小さく、小さいほど拡散作用が大きい。ただし小さすぎると表面で光が全反射して戻ってきてしまう為、限度がある。アレイ状に並んだ凹凸単位は,図2(a)に示すように直線的に等間隔に並んだ列Aと、ある角度を有して等間隔に並んだ列Bとの、二次元的な拡がりをもっている。この列交差角度δは60度だときれいに整列するが、60度より小さくすることで光束の配光角を狭くすることが可能となる。ただし狭すぎるとピークが中心からずれてしまう為、また色ムラが生じてくる為δ=40〜90度が望ましい。アレイ状の凹凸形状は出射面全範囲に形成する必要はなく、側面の有効径をカバーする範囲内に形成されていればよい。   When the diffusing surface is formed by arranging minute irregularities in an array, a higher scattering / diffusing action can be obtained. It is preferable that a shape composed of a part of a spherical surface (referred to as a concavo-convex unit) as a fine concavo-convex shape is arranged with a rule overlapping two-dimensionally. The larger the radius of curvature of the spherical surface, the smaller the light diffusion effect, and the smaller the curvature radius, the greater the diffusion effect. However, if it is too small, there is a limit because light is totally reflected on the surface and returned. As shown in FIG. 2 (a), the concavo-convex units arranged in an array form are two-dimensionally composed of a row A linearly arranged at equal intervals and a row B arranged at equal intervals with a certain angle. Has a spread. When the column crossing angle δ is 60 degrees, the lines are neatly aligned. However, by making the column crossing angle δ smaller than 60 degrees, the light distribution angle of the light beam can be narrowed. However, if it is too narrow, the peak shifts from the center, and color unevenness occurs, so δ = 40 to 90 degrees is desirable. The array-shaped uneven shape does not need to be formed in the entire range of the exit surface, and may be formed in a range that covers the effective diameter of the side surface.

アレイ状に配列される凹凸単位の間隔は、離れすぎていても良くないし、近すぎても良くない。凹凸単位の形状が球面の場合、曲率半径や列交差角度にもよるが、図2(b)において、凹凸単位の高さAHは20μm以上は必要である。この値を満たすように列間隔ADを決定すればよいが、全ての方向に隣り合う曲面同士の重なりが凹凸単位を形成している球面の有効径より大きくなるのは、当然望ましくない。凹凸単位の形状はここでは球面としたが、任意の凹凸形状でよい。例えば楕円曲線、双曲線、放物線、サイン(sin)曲線を軸回転させた形状でもよい。   The intervals between the concavo-convex units arranged in an array may not be too far or too close. When the shape of the concavo-convex unit is a spherical surface, the height AH of the concavo-convex unit needs to be 20 μm or more in FIG. 2B, although it depends on the radius of curvature and the column crossing angle. The row interval AD may be determined so as to satisfy this value, but it is naturally undesirable that the overlap between the curved surfaces adjacent in all directions is larger than the effective diameter of the spherical surface forming the concavo-convex unit. The shape of the concavo-convex unit is a spherical surface here, but may be any concavo-convex shape. For example, an elliptic curve, a hyperbola, a parabola, or a sine curve may be rotated.

請求項4に記載の光学素子は、請求項1〜3のいずれかに記載の発明において、前記入射面に対向して、面発光光源を配置したことを特徴とする。   An optical element according to a fourth aspect is the invention according to any one of the first to third aspects, wherein a surface-emitting light source is disposed so as to face the incident surface.

前記光源として、特に面発光する光源を用いると、本発明の光学素子の効果をより発揮できる。ここでいう面発光光源とは、0.25mm2以上の光出射部を有する光源のことを指す。光源が複数の発光部(RGBW)を有する場合、光出射部の面積は、図3に示すように、各発光部に外接する矩形領域TRの面積をいうものとし、光源の中心CTは、各発光部に外接する領域TRの中心とする。面発光光源の例としては、LED(Light Emitting Diode)などの、ニアフィールドでの発光の面積が点ではなく有限の面積を有するものなどがある。面発光光源は、例えば青色の波長領域にピーク波長を有する光を発光するLEDチップと、前記LEDチップの発光光に励起されて黄色あるいは黄緑色の色調の光に波長変換する蛍光体とを有する白色LEDなどが挙げられる。 When a surface-emitting light source is used as the light source, the effects of the optical element of the present invention can be further exhibited. The surface emitting light source here refers to a light source having a light emitting portion of 0.25 mm 2 or more. When the light source has a plurality of light emitting parts (RGBW), the area of the light emitting part means the area of a rectangular region TR circumscribing each light emitting part, as shown in FIG. The center of the region TR circumscribing the light emitting portion is used. As an example of the surface emitting light source, there is a light emitting area in the near field such as an LED (Light Emitting Diode) having a finite area instead of a point. The surface-emitting light source includes, for example, an LED chip that emits light having a peak wavelength in a blue wavelength region, and a phosphor that is excited by the light emitted from the LED chip and converts the wavelength into light of a yellow or yellow-green color tone. Examples include white LEDs.

請求項5に記載の光学素子は、請求項4に記載の発明において、前記面発光光源は、2色以上を同時に発光する異なる複数色の発光部を有することを特徴とする。   According to a fifth aspect of the present invention, there is provided the optical element according to the fourth aspect of the invention, wherein the surface-emitting light source has light emitting portions of different colors that simultaneously emit two or more colors.

例えばR(赤)G(緑)B(青)の発光面(光出射部)を持つ光源や、R(赤)G(緑)B(青)W(白)の発光面(光出射部)を持つ光源を用い、かつ同時に発光させた場合、複数色にて1つの色とするためうまく混ざり合わなかった光が発生する場合がある。このようなときは特に色ムラや色分かれが生じやすいが、本発明の光学素子を用いることで、色ムラや色分かれを効果的に抑えることができる。このような異なる複数色の発光部を有する光源としては、例えばOSRAM社のOSTAR SMTシリーズのLEATBS2WやLERTDUW(製品名)などが挙げられる。   For example, a light source with R (red) G (green) B (blue) light emitting surface (light emitting part), or R (red) G (green) B (blue) W (white) light emitting surface (light emitting part) When a light source having a light source is used and light is emitted at the same time, light that does not mix well may be generated because one color is selected from a plurality of colors. In such a case, color unevenness and color separation are particularly likely to occur, but color unevenness and color separation can be effectively suppressed by using the optical element of the present invention. Examples of such a light source having light emitting portions of different colors include OSRAM SOST series LEATBS2W and LERTDUW (product name).

請求項6に記載の光学素子は、請求項1〜5のいずれかに記載の発明において、前記光学素子の光軸を通る断面をとったとき、前記凹部の入射側面は複数の直線により表されることを特徴とする。   When the optical element of Claim 6 takes the cross section which passes along the optical axis of the said optical element in the invention in any one of Claims 1-5, the incident side surface of the said recessed part is represented by several straight lines. It is characterized by that.

前記凹部の入射側面が二つ以上の直線から形成されていることで、スポット周縁に到達する光線群を散らし、色分かれを低減することができる。凹部の入射側面が単一の直線で形成されている場合、凹部の入射側面を通過する光線は、光学素子の側面で全反射されたのちに出射面からほぼ角度が揃った状態で出射される。ゆえに発光面(光出射部)が大きさを持ち、ニアフィールドの分布で複数色が分離して見られる光源の場合は、被照射面でも色分かれが目立ってしまうこととなる。前記凹部の入射側面を二つ以上の角度の異なる直線から形成することで、例えばそれぞれの直線に入射する光線群が、それぞれの直線を通過し光学素子から出射された後に、光線角度を揃った角度ではなくすることができ、それにより被照射面上において光軸から離れた場所に到達する光線群を散らし、光軸から離れた場所に形成される色分かれを防ぐことが可能となる。また光学素子側面の形状にもよるが、光出射部が大きさを持っている光源の場合に、側面を形成している放物面の焦点からわざと発光点位置をずらし、光軸上以外から発光している光の分布を調節して、発光面(光出射部)全体でみた場合に配光角を狭くすることが可能となる。二つ以上の直線を設ける場合、光軸に対する角度が小さい方が凹部の上面側、光軸に対する角度が大きい方が入り口側に形成されると好ましい。   By forming the incident side surface of the concave portion from two or more straight lines, it is possible to scatter the light rays reaching the spot periphery and reduce color separation. When the incident side surface of the recess is formed by a single straight line, the light beam that passes through the incident side surface of the recess is totally reflected from the side surface of the optical element and then emitted in a state where the angles are substantially uniform from the emission surface. . Therefore, in the case of a light source in which the light emitting surface (light emitting portion) has a size and a plurality of colors are separated by near-field distribution, the color separation becomes conspicuous even on the irradiated surface. By forming the incident side surface of the concave portion from two or more straight lines having different angles, for example, a group of light beams incident on the respective straight lines pass through the respective straight lines and are emitted from the optical element, and then the light beam angles are aligned. The angle can be different from the angle, whereby the group of rays reaching the place away from the optical axis is scattered on the irradiated surface, and the color separation formed at the place away from the optical axis can be prevented. Also, depending on the shape of the side surface of the optical element, in the case of a light source having a large light emitting part, the emission point position is intentionally shifted from the focal point of the paraboloid forming the side surface, and from other than on the optical axis. By adjusting the distribution of the emitted light, the light distribution angle can be narrowed when viewed over the entire light emitting surface (light emitting portion). When two or more straight lines are provided, it is preferable that the smaller angle with respect to the optical axis is formed on the upper surface side of the recess and the larger angle with respect to the optical axis is formed on the entrance side.

請求項7に記載の光学素子は、請求項6に記載の発明において、前記複数の直線の交点のいずれか少なくとも1つは、前記凹部の深さを1としたときに、前記凹部の入口から7/10以下の位置にあることを特徴とする。   The optical element according to claim 7 is the invention according to claim 6, wherein at least one of the intersections of the plurality of straight lines is from the entrance of the recess when the depth of the recess is 1. It is in the position of 7/10 or less.

図1の例では、直線L1,L2の交点CPが、凹部Cの入口から7/10以下の位置にある場合である。二直線の交点CPを凹部Cの入口から7/10以下とすることで、色ムラを有効に低減することが可能となる。凹部の深さとは、凹部の入口端から底部までの距離(図1のd)をいう。交点CPの位置(後述する実施例でCP比という)は0.2以上1/2以下だとなお良い。尚、凹部の入口が明確でない場合、光学素子の光軸方向断面において、凹部の入口側の直線と、光学素子の光軸に対して直交する凹部周囲の底面の接線とが交わる交点を入口として、深さ方向の長さを測るものとする。   In the example of FIG. 1, the intersection CP of the straight lines L <b> 1 and L <b> 2 is at a position 7/10 or less from the entrance of the recess C. By setting the intersection point CP of the two straight lines to 7/10 or less from the entrance of the recess C, it is possible to effectively reduce the color unevenness. The depth of the recess means the distance from the entrance end to the bottom of the recess (d in FIG. 1). The position of the intersection CP (referred to as a CP ratio in the embodiments described later) is more preferably 0.2 or more and 1/2 or less. If the entrance of the concave portion is not clear, the intersection point where the straight line on the entrance side of the concave portion and the tangent of the bottom surface around the concave portion perpendicular to the optical axis of the optical element intersect in the cross section in the optical axis direction of the optical element is the entrance. Measure the length in the depth direction.

請求項8に記載の光学素子は、請求項6又は7に記載の発明において、前記凹部の入射側面を形成するいずれか2つの直線の交点が、前記光源の光出射部と前記光学素子の光軸との交点を基準に,光軸に対して30〜70度以内に存在することを特徴とする。   An optical element according to an eighth aspect of the present invention is the optical element according to the sixth aspect or the seventh aspect, wherein an intersection of any two straight lines forming the incident side surface of the concave portion is a light emitting portion of the light source and the light of the optical element. It is characterized by being within 30 to 70 degrees with respect to the optical axis with reference to the intersection with the axis.

図1の例では、光軸OAと光源LSの光出射部RPとの交点をOとしたときに、点Oと点CPとを結ぶ線分と、光軸OAとのなす角度γが、30〜70度であることを意味する。角度γがこの範囲内にあれば、色ムラや色分かれを有効に低減することが可能となる。尚、角度γが30〜65度以内だとより好ましい。   In the example of FIG. 1, when the intersection of the optical axis OA and the light emitting part RP of the light source LS is defined as O, the angle γ between the line segment connecting the point O and the point CP and the optical axis OA is 30. Means ~ 70 degrees. If the angle γ is within this range, color unevenness and color separation can be effectively reduced. The angle γ is more preferably within 30 to 65 degrees.

請求項9に記載の光学素子は、請求項6〜8のいずれかに記載の発明において、前記凹部の入射側面を形成するいずれかの直線が前記光学素子の光軸と成す角度は、3〜10度であることを特徴とする。   The optical element according to claim 9 is the invention according to any one of claims 6 to 8, wherein an angle formed by any straight line forming the incident side surface of the recess with the optical axis of the optical element is 3 to 3 It is characterized by 10 degrees.

図1の例では、凹部Cの入射側面を構成する直線L1,L2の少なくとも一方(ここではL1)と、光軸OAとのなす角θが3〜10度であることを意味する。凹部Cの入射側面を構成する直線が、この角度範囲にあれば、凹部の入射側面を通過した光線を光学素子の側面に導き、全反射させることで配光角を狭くすることができる。特に凹部底部付近、または凹部底部付近から伸びている直線(ここではL1)が上記角度範囲であるとよい。   In the example of FIG. 1, it means that the angle θ formed by at least one of the straight lines L1 and L2 (here, L1) constituting the incident side surface of the recess C and the optical axis OA is 3 to 10 degrees. If the straight line constituting the incident side surface of the recess C is within this angular range, the light distribution angle can be narrowed by guiding the light beam that has passed through the incident side surface of the recess to the side surface of the optical element and totally reflecting it. In particular, the vicinity of the bottom of the recess or a straight line extending from the vicinity of the bottom of the recess (L1 in this case) is preferably within the above angle range.

請求項10に記載の光学素子は、請求項1〜5のいずれかに記載の発明において、前記光学素子の光軸を通る断面をとったとき、前記凹部の入射側面は曲線からなることを特徴とする。   An optical element according to a tenth aspect is characterized in that, in the invention according to any one of the first to fifth aspects, when the cross section passing through the optical axis of the optical element is taken, the incident side surface of the concave portion is a curve. And

入射側面は、光軸を通る断面で複数の直線で形成されている方が屈折角の急変が生じるため、滑らかな曲線で形成されている場合より色分かれを抑える効果が高く、より望ましいといえる。しかしながら、凹部の入射側面を、単一の直線ではなく曲線とした場合でも、ある程度の色分かれを低減することができる。前記光学素子の光軸を通る断面をとったとき、凹部の入射側面を構成する曲線における二回微分値が極値(極大)となる点と点Oとを結ぶ線分と、光軸OAとのなす角度が、30〜65度であるとより好ましい。   If the incident side surface is formed by a plurality of straight lines in the cross section passing through the optical axis, the refraction angle changes suddenly. Therefore, the incident side surface has a higher effect of suppressing color separation than the case where the incident side surface is formed by a smooth curve, and is more desirable. . However, even when the incident side surface of the concave portion is not a single straight line but a curved line, a certain degree of color separation can be reduced. When a cross section passing through the optical axis of the optical element is taken, a line segment connecting the point O with a point at which the double differential value in the curve constituting the incident side surface of the recess becomes an extreme value (maximum), and the optical axis OA, Is more preferably 30 to 65 degrees.

請求項11に記載の光学素子は、請求項1〜10のいずれかに記載の発明において、前記光学素子の側面は、放物面を基本とした形状であることを特徴とする。   An optical element according to an eleventh aspect is characterized in that, in the invention according to any one of the first to tenth aspects, a side surface of the optical element has a shape based on a paraboloid.

前記側面の形状を、放物面を基本とした(放物面に類似する)形状とすることで、光学素子を通過した光束の配光角を狭くし、被照射面を局所的に照明することが可能となる。ここでいう「放物面を基本とした形状の面」とは、回転対称な側面の形状を曲率半径Rとコーニック係数kでフィッティングした場合に、kが以下の範囲を満たすことを指す。
−1.2≦k≦−0.9
但し、コーニック係数は−1より小さいとより好ましい。
By making the shape of the side surface based on a parabolic surface (similar to a parabolic surface), the light distribution angle of the light beam that has passed through the optical element is narrowed, and the irradiated surface is locally illuminated. It becomes possible. The term “surface having a shape based on a paraboloid” here means that k satisfies the following range when the shape of a rotationally symmetric side surface is fitted with a radius of curvature R and a conic coefficient k.
−1.2 ≦ k ≦ −0.9
However, it is more preferable that the conic coefficient is smaller than -1.

前記側面が放物面を基本とした形状である場合、その放物面の焦点位置付近に光源が置かれると好ましい。ここでいう焦点位置付近とは、光出射部の面積(図2参照)をSとした場合に、焦点位置から√S以内であることをいう。前記側面が放物面を基本とした形状である場合、その放物面の焦点位置より、光源の光出射部が光学素子側にあると好ましい。   When the side surface has a shape based on a paraboloid, it is preferable that a light source is placed near the focal position of the paraboloid. Here, the vicinity of the focal position means that it is within √S from the focal position, where S is the area of the light emitting portion (see FIG. 2). When the side surface has a shape based on a paraboloid, it is preferable that the light emitting portion of the light source is closer to the optical element than the focal position of the paraboloid.

請求項12に記載の光学素子は、請求項1〜11のいずれかに記載の発明において、前記光学素子の周辺部にフランジ部を形成したことを特徴とする。   An optical element according to a twelfth aspect is characterized in that, in the invention according to any one of the first to eleventh aspects, a flange portion is formed in a peripheral portion of the optical element.

前記光学素子がフランジ部を備えることで、ここにゲートを設けることにより樹脂を充填でき成形性が向上し、またフランジ部を用いることで他部品への設置が容易となる。   Since the optical element includes the flange portion, the gate can be provided here to fill the resin, so that the moldability is improved, and the use of the flange portion facilitates installation to other parts.

請求項13に記載の光学素子は、請求項1〜12のいずれかに記載の発明において、前記光学素子は樹脂製であることを特徴とする。   According to a thirteenth aspect of the present invention, in the invention according to any one of the first to twelfth aspects, the optical element is made of a resin.

前記光学素子を樹脂製とすることにより、射出成形等による大量生産が可能となる。   By making the optical element made of resin, mass production by injection molding or the like becomes possible.

請求項14に記載の照明装置は、請求項1〜13のいずれかに記載の光学素子と、光源とを有することを特徴とする。   The illuminating device of Claim 14 has the optical element in any one of Claims 1-13, and a light source, It is characterized by the above-mentioned.

光学素子の出射面の有効径はφ35mm以内であると好ましい。又、光学素子の高さは25mm以下であると好ましい。一般的には凹部の上面側を通る光線ほど光束が揃いやすく、凹部の入口側を通る光線ほど光束が揃いにくい。この光学素子を出射した光線の配光角は半値全幅(角)で10度以下(より好ましくは8度以下)であると好ましい。   The effective diameter of the exit surface of the optical element is preferably within 35 mm. The height of the optical element is preferably 25 mm or less. In general, the light beams that pass through the upper surface side of the recess are more easily aligned, and the light beams that pass through the entrance side of the recess are more difficult to align. The light distribution angle of the light emitted from this optical element is preferably 10 degrees or less (more preferably 8 degrees or less) in terms of full width at half maximum (angle).

入射側面の半径(光軸からの距離)は、凹部の底部からの距離に対して単調増加であると好ましい。また、入射側面は一次微分値が0(面の傾きが0)の箇所が無い(平坦部が無い)方が好ましい。当然、極値が無い方が好ましい。   The radius of the incident side surface (distance from the optical axis) is preferably monotonously increased with respect to the distance from the bottom of the recess. Further, it is preferable that the incident side surface does not have a portion having a primary differential value of 0 (surface inclination is 0) (no flat portion). Of course, it is preferable that there is no extreme value.

本発明によれば、狭い配光角を実現でき、且つ発光面(光出射部)が大きさを持つ光源に適用しても色ムラや色分かれを生じにくい光学素子及びそれを用いた照明装置を提供することができる。   According to the present invention, an optical element capable of realizing a narrow light distribution angle and hardly causing color unevenness and color separation even when applied to a light source having a light emitting surface (light emitting portion) having a size, and an illumination device using the same Can be provided.

光源と入射面の凹部とを模式的に示す図である。It is a figure which shows typically a light source and the recessed part of an entrance plane. (a)は、アレイ状に配列した凹凸形状を光軸方向に見た図であり、(b)は、光軸直交方向に見た図である。(A) is the figure which looked at the uneven | corrugated shape arranged in the array form in the optical axis direction, (b) is the figure seen in the optical axis orthogonal direction. 光源を発光面(光出射部)側から見た図である。It is the figure which looked at the light source from the light emission surface (light-emitting part) side. 本実施の形態にかかる照明装置を、出射面側から見た図である。It is the figure which looked at the illuminating device concerning this Embodiment from the output surface side. 図4の構成をV-V線で切断して矢印方向に見た図である。It is the figure which cut | disconnected the structure of FIG. 4 by the VV line and looked at the arrow direction. (a)は、本実施の形態の照明装置から出射して被照射面に至る光線の光路を示す図であり、(b)は、光源から光学素子を通過する光線の光路を示す図である。(A) is a figure which shows the optical path of the light ray which radiate | emits from the illuminating device of this Embodiment, and reaches to a to-be-irradiated surface, (b) is a figure which shows the optical path of the light ray which passes an optical element from a light source. . アレイ状に配列した凹凸形状の交差角と、配光角の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the intersection angle of the uneven | corrugated shape arranged in the array form, and a light distribution angle. 実施例1の光学素子の断面図である。1 is a cross-sectional view of an optical element of Example 1. FIG. 実施例2の光学素子の断面図である。6 is a cross-sectional view of an optical element according to Example 2. FIG. 実施例3の光学素子の断面図である。6 is a cross-sectional view of an optical element according to Example 3. FIG. 実施例4の光学素子の断面図である。6 is a sectional view of an optical element according to Example 4. FIG. 実施例5の光学素子の断面図である。10 is a cross-sectional view of an optical element according to Example 5. FIG. 実施例6の光学素子の断面図である。10 is a cross-sectional view of an optical element according to Example 6. FIG. 実施例7の光学素子の断面図である。10 is a sectional view of an optical element according to Example 7. FIG. 実施例8の光学素子の断面図である。10 is a sectional view of an optical element according to Example 8. FIG. 比較例1、2の光学素子の断面図である。It is sectional drawing of the optical element of the comparative examples 1 and 2. FIG. 比較例3の光学素子の断面図である。10 is a cross-sectional view of an optical element of Comparative Example 3. FIG. (a)は、図4のE−W方向断面におけるCIE表色系でのx値と、被照射面位置との関係を示し、(b)は、図4のE−W方向断面におけるCIE表色系でのy値と、被照射面位置との関係を示すグラフであり、実施例1と比較例1〜3とを比較して示す。(A) shows the relationship between the x value in the CIE color system in the EW cross section of FIG. 4 and the irradiated surface position, and (b) shows the CIE table in the EW cross section of FIG. It is a graph which shows the relationship between y value in a color system, and a to-be-irradiated surface position, and compares and shows Example 1 and Comparative Examples 1-3. (a)は、図4のN−S方向断面におけるCIE表色系でのx値と、被照射面位置との関係を示し、(b)は、図4のN−S方向断面におけるCIE表色系でのy値と、被照射面位置との関係を示すグラフであり、実施例1と比較例1〜3とを比較して示す。(A) shows the relationship between the x value in the CIE color system in the NS cross section of FIG. 4 and the irradiated surface position, and (b) shows the CIE table in the NS cross section of FIG. It is a graph which shows the relationship between y value in a color system, and a to-be-irradiated surface position, and compares and shows Example 1 and Comparative Examples 1-3. (a)は、図4のNE−SW方向断面におけるCIE表色系でのx値と、被照射面位置との関係を示し、(b)は、図4のNE−SW方向断面におけるCIE表色系でのy値と、被照射面位置との関係を示すグラフであり、実施例1と比較例1〜3とを比較して示す。(A) shows the relationship between the x value in the CIE color system in the NE-SW direction cross section of FIG. 4 and the irradiated surface position, and (b) shows the CIE table in the NE-SW direction cross section of FIG. It is a graph which shows the relationship between y value in a color system, and a to-be-irradiated surface position, and compares and shows Example 1 and Comparative Examples 1-3. (a)は、図4のNW−SE方向断面におけるCIE表色系でのx値と、被照射面位置との関係を示し、(b)は、図4のNW−SE方向断面におけるCIE表色系でのy値と、被照射面位置との関係を示すグラフであり、実施例1と比較例1〜3とを比較して示す。(A) shows the relationship between the x value in the CIE color system in the NW-SE direction cross section of FIG. 4 and the irradiated surface position, and (b) shows the CIE table in the NW-SE direction cross section of FIG. It is a graph which shows the relationship between y value in a color system, and a to-be-irradiated surface position, and compares and shows Example 1 and Comparative Examples 1-3. (a)は、図4のE−W方向断面におけるCIE表色系でのx値と、被照射面位置との関係を示し、(b)は、図4のE−W方向断面におけるCIE表色系でのy値と、被照射面位置との関係を示すグラフであり、実施例1〜3を比較して示す。(A) shows the relationship between the x value in the CIE color system in the EW cross section of FIG. 4 and the irradiated surface position, and (b) shows the CIE table in the EW cross section of FIG. It is a graph which shows the relationship between y value in a color system, and to-be-irradiated surface position, and shows Examples 1-3 by comparison. (a)は、図4のN−S方向断面におけるCIE表色系でのx値と、被照射面位置との関係を示し、(b)は、図4のN−S方向断面におけるCIE表色系でのy値と、被照射面位置との関係を示すグラフであり、実施例1〜3を比較して示す。(A) shows the relationship between the x value in the CIE color system in the NS cross section of FIG. 4 and the irradiated surface position, and (b) shows the CIE table in the NS cross section of FIG. It is a graph which shows the relationship between y value in a color system, and to-be-irradiated surface position, and shows Examples 1-3 by comparison. (a)は、図4のNE−SW方向断面におけるCIE表色系でのx値と、被照射面位置との関係を示し、(b)は、図4のNE−SW方向断面におけるCIE表色系でのy値と、被照射面位置との関係を示すグラフであり、実施例1〜3を比較して示す。(A) shows the relationship between the x value in the CIE color system in the NE-SW direction cross section of FIG. 4 and the irradiated surface position, and (b) shows the CIE table in the NE-SW direction cross section of FIG. It is a graph which shows the relationship between y value in a color system, and to-be-irradiated surface position, and shows Examples 1-3 by comparison. (a)は、図4のNW−SE方向断面におけるCIE表色系でのx値と、被照射面位置との関係を示し、(b)は、図4のNW−SE方向断面におけるCIE表色系でのy値と、被照射面位置との関係を示すグラフであり、実施例1〜3を比較して示す。(A) shows the relationship between the x value in the CIE color system in the NW-SE direction cross section of FIG. 4 and the irradiated surface position, and (b) shows the CIE table in the NW-SE direction cross section of FIG. It is a graph which shows the relationship between y value in a color system, and to-be-irradiated surface position, and shows Examples 1-3 by comparison. (a)は、図4のE−W方向断面におけるCIE表色系でのx値と、被照射面位置との関係を示し、(b)は、図4のE−W方向断面におけるCIE表色系でのy値と、被照射面位置との関係を示すグラフであり、実施例1、6〜8を比較して示す。(A) shows the relationship between the x value in the CIE color system in the EW cross section of FIG. 4 and the irradiated surface position, and (b) shows the CIE table in the EW cross section of FIG. It is a graph which shows the relationship between y value in a color system, and a to-be-irradiated surface position, and shows Example 1 and 6-8 in comparison. (a)は、図4のN−S方向断面におけるCIE表色系でのx値と、被照射面位置との関係を示し、(b)は、図4のN−S方向断面におけるCIE表色系でのy値と、被照射面位置との関係を示すグラフであり、実施例1、6〜8を比較して示す。(A) shows the relationship between the x value in the CIE color system in the NS cross section of FIG. 4 and the irradiated surface position, and (b) shows the CIE table in the NS cross section of FIG. It is a graph which shows the relationship between y value in a color system, and a to-be-irradiated surface position, and shows Example 1 and 6-8 in comparison. (a)は、図4のNE−SW方向断面におけるCIE表色系でのx値と、被照射面位置との関係を示し、(b)は、図4のNE−SW方向断面におけるCIE表色系でのy値と、被照射面位置との関係を示すグラフであり、実施例1、6〜8を比較して示す。(A) shows the relationship between the x value in the CIE color system in the NE-SW direction cross section of FIG. 4 and the irradiated surface position, and (b) shows the CIE table in the NE-SW direction cross section of FIG. It is a graph which shows the relationship between y value in a color system, and a to-be-irradiated surface position, and shows Example 1 and 6-8 in comparison. (a)は、図4のNW−SE方向断面におけるCIE表色系でのx値と、被照射面位置との関係を示し、(b)は、図4のNW−SE方向断面におけるCIE表色系でのy値と、被照射面位置との関係を示すグラフであり、実施例1、6〜8を比較して示す。(A) shows the relationship between the x value in the CIE color system in the NW-SE direction cross section of FIG. 4 and the irradiated surface position, and (b) shows the CIE table in the NW-SE direction cross section of FIG. It is a graph which shows the relationship between y value in a color system, and a to-be-irradiated surface position, and shows Example 1 and 6-8 in comparison. 実施例1の光学素子を用いて、5m先の被照射面(縦横2m)に光を出射した状態を示す図である。It is a figure which shows the state which radiate | emitted the light to the to-be-irradiated surface (2 m of length and width) 5 m ahead using the optical element of Example 1. FIG. 光学素子の光軸方向断面において、光源と放射面とのモデルに光路を加えて示す図である。It is a figure which adds an optical path to the model of a light source and a radiation | emission surface in the optical axis direction cross section of an optical element.

以下、添付した図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。図4は、本実施の形態にかかる照明装置を、出射面側から見た図である。図5は、図4の構成をV-V線で切断して矢印方向に見た図である。本実施の形態にかかるLED照明装置は、光学素子1と、LED光源2を有している。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. FIG. 4 is a view of the illumination device according to the present embodiment as viewed from the exit surface side. FIG. 5 is a view of the configuration of FIG. 4 taken along the line VV and viewed in the direction of the arrow. The LED lighting device according to the present embodiment includes an optical element 1 and an LED light source 2.

LED光源2は、図3に示すように異なる発光色のLEDチップを有している。LED光源2の光出射部2aの中心は、光学素子1の光軸OA上にある。   The LED light source 2 has LED chips of different emission colors as shown in FIG. The center of the light emitting part 2 a of the LED light source 2 is on the optical axis OA of the optical element 1.

光学素子1は、プラスチックとしてポリカーボネート又はアクリルを用いて形成されている。さらに、光学素子1は、LED光源2の光放出側に配置されており、LED光源2からの発光光が入射する凹部を有する入射面3と、入射面から入射した光を全反射する放物面を基本とした側面4と、発光光を外部に放出する出射面5と、出射面5の周囲に形成されたフランジ部6とから一体的に形成され、光軸回りに回転対称な形状である。   The optical element 1 is formed using polycarbonate or acrylic as plastic. Further, the optical element 1 is disposed on the light emission side of the LED light source 2, and has an incident surface 3 having a concave portion into which light emitted from the LED light source 2 is incident, and a parabola that totally reflects light incident from the incident surface. It is formed integrally with a side surface 4 based on a surface, an emission surface 5 that emits emitted light to the outside, and a flange portion 6 formed around the emission surface 5, and has a rotationally symmetric shape around the optical axis. is there.

尚、本実施形態では、側面4を形成している放物面の焦点FSからわざと光出射部2aの位置を、光学素子1側に近づけるようにずらし(光出射部の面積をS(mm2)とした場合に、焦点位置から√S(mm)以内)、光軸OA上以外から発光している光の分布を調節して、発光面(光出射部)全体でみた場合に配光角を狭くしている。 In the present embodiment, the position of the light emitting portion 2a is intentionally shifted from the focal point FS of the paraboloid forming the side surface 4 so as to approach the optical element 1 side (the area of the light emitting portion is S (mm 2). ), Within the range of √S (mm) from the focal position), the distribution of light emitted from other than on the optical axis OA is adjusted, and the light distribution angle when viewed from the entire light emitting surface (light emitting portion) Is narrowed.

入射面3は、LED光源2に対向する底部(入射底面)3aと、底部3a光軸に沿って延在する第1入射側面3bと、第1入射側面3bと交差し、光軸に沿って延在する第2入射側面3cとを有する。本実施の形態においては、図1を参照して、凹部C入射側面における光軸方向に互いにシフトした任意の2点の座標をP1(Px1、Pz1),P2(Px2、Pz2)とし、光軸OAを、入射面3から出射面5に向かってプラス方向としたZ軸とし、光軸OAに直交する軸を、光軸OAから離れる方向をプラス方向としたX軸とし、点P1を通り凹部C入射側面に垂直な法線と光軸との成す角をα1(°)とし、点P2を通り凹部C入射側面に垂直な法線と光軸との成す角をα2(°)とすると、以下の式を満足する。
Px1<Px2 (1)
Pz1>Pz2 (2)
α1>α2 (3)
The incident surface 3 intersects the bottom (incident bottom) 3a facing the LED light source 2, the first incident side 3b extending along the optical axis of the bottom 3a, the first incident side 3b, and along the optical axis. The second incident side surface 3c extends. In the present embodiment, referring to FIG. 1, the coordinates of any two points shifted from each other in the optical axis direction on the incident side surface of the concave portion C are P1 (Px1, Pz1) and P2 (Px2, Pz2), and the optical axis OA is a Z-axis that is a plus direction from the incident surface 3 toward the exit surface 5, an axis that is orthogonal to the optical axis OA is an X-axis that is a plus direction that is away from the optical axis OA, and passes through the point P1. If the angle between the normal and the optical axis perpendicular to the C incident side is α1 (°), and the angle between the normal and the optical axis perpendicular to the concave C incident side through the point P2 is α2 (°), The following formula is satisfied.
Px1 <Px2 (1)
Pz1> Pz2 (2)
α1> α2 (3)

このとき、入射面3の凹部C入口側(光源LS側)から遠い方の点P1における半径がh1(mm)、入射面3の凹部C入口側(光源側)に近い方の点P2における半径が半径h2(mm)であるときに、h1<h2を満足する。更に、点P1を通り凹部Cの入射側面に垂直な法線NL1と光軸との成す角をα1(°)、点P2を通り凹部Cの入射側面に垂直な法線NL2と光軸との成す角をα2(°)とした場合、α1>α2を満足する。   At this time, the radius at the point P1 farther from the entrance side of the recess C (light source LS side) of the incident surface 3 is h1 (mm), and the radius at the point P2 closer to the entrance side of the recess C (light source side) of the entrance surface 3 When h is a radius h2 (mm), h1 <h2 is satisfied. Furthermore, the angle between the optical axis and the normal line NL1 perpendicular to the incident side surface of the concave portion C through the point P1 is α1 (°), and the normal line NL2 perpendicular to the incident side surface of the concave portion C through the point P2 and the optical axis. When the formed angle is α2 (°), α1> α2 is satisfied.

光学素子1とLED光源2は非接触であるとともに、LED光源2の周囲は第2入射側面3cにより囲まれている。出射面5には、球面の一部である微細な凹凸単位MSを並べたアレイ構造LAを形成している。図4に示すように、隣接する凹凸単位MS同士は接しており、その外形は六角形状である。本実施形態では、凹凸単位MSの曲率半径AR=4mm、列間隔AD=0.9mm、凹凸単位の高さAH=25μmである。本実施形態の拡散角は0.35°程度となる。   The optical element 1 and the LED light source 2 are not in contact with each other, and the periphery of the LED light source 2 is surrounded by a second incident side surface 3c. On the emission surface 5, an array structure LA is formed in which fine uneven units MS that are part of a spherical surface are arranged. As shown in FIG. 4, the adjacent concavo-convex units MS are in contact with each other, and the outer shape thereof is a hexagonal shape. In the present embodiment, the curvature radius AR of the concavo-convex unit MS = 4 mm, the row interval AD = 0.9 mm, and the height of the concavo-convex unit AH = 25 μm. The diffusion angle in this embodiment is about 0.35 °.

側面4の上端は、半径方向外側に張り出したフランジ部6に接合しており、接合部が有効径になる。フランジ部6の上面が出射面5となっている。   The upper end of the side surface 4 is joined to the flange portion 6 projecting outward in the radial direction, and the joint portion has an effective diameter. An upper surface of the flange portion 6 is an emission surface 5.

図6は、本実施の形態の照明装置から出射する光線の光路を示す図である。本実施の形態では、LED光源2から面発光により出射した光は、入射面3から光学素子1内に入射する。ここで、入射面3の底部3aに入射した光は、殆ど屈折することなく出射面5から出射する。又、入射面3の第1入射側面3bに入射した光は、屈折し、側面4で全反射した後、ほぼ光軸方向に沿って出射面5から出射する。更に、入射面3の第2入射側面3cに入射した光は、側面4で全反射した後、光軸方向から遠ざかるように出射面5から出射する。これにより、色分かれの抑制を行うことができる。いずれの光線も光軸方向に沿って、5m離れた被照射面SCに入射するので、指向性の高い照明装置を提供できる。又、出射面5にアレイ構造LAを形成することで、拡散効果を与えて、色ムラを抑制できる。なお、本実施例では全出射パワーの88%以上が、入射面3の入射側面3b及び3cを通過し、側面4にて全反射される。   FIG. 6 is a diagram illustrating an optical path of a light beam emitted from the illumination device according to the present embodiment. In the present embodiment, light emitted from the LED light source 2 by surface emission enters the optical element 1 from the incident surface 3. Here, the light incident on the bottom 3 a of the incident surface 3 is emitted from the emission surface 5 with almost no refraction. The light incident on the first incident side surface 3b of the incident surface 3 is refracted, totally reflected by the side surface 4, and then emitted from the emission surface 5 substantially along the optical axis direction. Further, the light incident on the second incident side surface 3 c of the incident surface 3 is totally reflected by the side surface 4 and then emitted from the emission surface 5 so as to be away from the optical axis direction. Thereby, color separation can be suppressed. Since all the light beams enter the irradiated surface SC that is 5 m away along the optical axis direction, it is possible to provide a lighting device with high directivity. Further, by forming the array structure LA on the emission surface 5, a diffusion effect can be given and color unevenness can be suppressed. In this embodiment, 88% or more of the total output power passes through the incident side surfaces 3 b and 3 c of the incident surface 3 and is totally reflected by the side surface 4.

本発明者は、アレイ構造LAの効果について検討した。図2(a)で凹凸単位の列Aと列Bとの交差角δの値を変えて、配光角を求めた。図7に、縦軸に相対光度をとり、横軸に角度をとって示す。表1に、交差角と配光角(半値全角)との関係を示す。表1に示すように、交差角δが45度のとき、配光角は7.12度であり、交差角δが60度のとき、配光角は7.64度であり、交差角δが90度のとき、配光角は8.32度であり、10度以内という条件を満たす。   The inventor examined the effect of the array structure LA. The light distribution angle was obtained by changing the value of the intersection angle δ between the rows A and B of the concavo-convex units in FIG. FIG. 7 shows the relative luminous intensity on the vertical axis and the angle on the horizontal axis. Table 1 shows the relationship between the crossing angle and the light distribution angle (full width at half maximum). As shown in Table 1, when the crossing angle δ is 45 degrees, the light distribution angle is 7.12 degrees, and when the crossing angle δ is 60 degrees, the light distribution angle is 7.64 degrees, Is 90 degrees, the light distribution angle is 8.32 degrees, which satisfies the condition of within 10 degrees.

(実施例)
本発明の実施例を、比較例を参照して説明する。図8は、実施例1にかかる光学素子の断面図であり、図9は、実施例2にかかる光学素子の断面図であり、図10は、実施例3にかかる光学素子の断面図であり、図11は、実施例4にかかる光学素子の断面図であり、図12は、実施例5にかかる光学素子の断面図であり、図13は、実施例6にかかる光学素子の断面図であり、図14は、実施例7にかかる光学素子の断面図であり、図15は、実施例8にかかる光学素子の断面図であり、図16は、比較例1,2にかかる光学素子の断面図である。図17は、比較例3にかかる光学素子の断面図である。尚、実施例と比較例の諸値を表2,3に示す。ただし、表2のP1(Px1、Pz1),P2(Px2、Pz2)の値は一例である。
(Example)
Examples of the present invention will be described with reference to comparative examples. 8 is a cross-sectional view of the optical element according to Example 1, FIG. 9 is a cross-sectional view of the optical element according to Example 2, and FIG. 10 is a cross-sectional view of the optical element according to Example 3. 11 is a cross-sectional view of the optical element according to Example 4, FIG. 12 is a cross-sectional view of the optical element according to Example 5, and FIG. 13 is a cross-sectional view of the optical element according to Example 6. FIG. 14 is a cross-sectional view of the optical element according to Example 7, FIG. 15 is a cross-sectional view of the optical element according to Example 8, and FIG. 16 is a cross-sectional view of the optical element according to Comparative Examples 1 and 2. It is sectional drawing. FIG. 17 is a cross-sectional view of an optical element according to Comparative Example 3. In addition, Tables 2 and 3 show various values in Examples and Comparative Examples. However, the values of P1 (Px1, Pz1) and P2 (Px2, Pz2) in Table 2 are examples.

実施例1は、上述した実施の形態と同じ形状である。実施例2では、入射面の凹部の入射側面が、光軸断面上において単一の自由曲線で表され、底部から入口に向かうにつれて、その半径が漸次増加するようになっている。実施例3は、入射面の凹部が3領域からなり、すなわち光軸方向断面において、凹部の入射側面は3つの直線で形成される。ここで、最も奥側の領域の入射側面と、中間の領域の入射側面との交点がCPとなる。実施例4は、実施例1に対して出射面中央に放物面状の凹部を形成している点が異なる。アレイ状の凹凸形状は、出射面の凹部の内周及び周囲に設けられる。実施例5は、実施例1に対して出射面中央にカップ状の凹部を形成している点が異なる。このカップ形状の底面は平面で、周囲面がテーパ面である。アレイ状の凹凸形状は、カップ底面と凹部の周囲に設けられる。実施例6、7は、実施例1に対して凹部形状を変更したものであり、実施例8は実施例3に対して凹部形状を変更したものである。   Example 1 has the same shape as the above-described embodiment. In Example 2, the incident side surface of the concave portion of the incident surface is represented by a single free curve on the optical axis cross section, and its radius gradually increases from the bottom toward the entrance. In the third embodiment, the concave portion of the incident surface includes three regions, that is, the incident side surface of the concave portion is formed by three straight lines in the cross section in the optical axis direction. Here, the intersection of the incident side surface in the innermost region and the incident side surface in the middle region is CP. The fourth embodiment is different from the first embodiment in that a parabolic concave portion is formed at the center of the emission surface. The arrayed uneven shape is provided on the inner periphery and the periphery of the recess on the exit surface. The fifth embodiment is different from the first embodiment in that a cup-shaped recess is formed at the center of the emission surface. The cup-shaped bottom surface is a flat surface and the peripheral surface is a tapered surface. The arrayed uneven shape is provided around the cup bottom surface and the recessed portion. In Examples 6 and 7, the concave shape is changed with respect to Example 1, and in Example 8, the concave shape is changed with respect to Example 3.

一方、比較例1は、入射面の入射側面が、光軸断面上において単一の直線で表されるものである。又、比較例2は、比較例1に対して、出射面側のアレイ状の凹凸形状を省略したものである。更に、比較例3は、入射面の入射側面が、光軸断面上において2つの直線で表されているが、底部側の入射側面が入口側に向かうにつれて拡径するテーパ面で、入口側の入射側面が円筒面の例である。つまり、比較例3では、α1<α2である。   On the other hand, in Comparative Example 1, the incident side surface of the incident surface is represented by a single straight line on the optical axis cross section. Further, Comparative Example 2 is obtained by omitting the array-shaped uneven shape on the exit surface side as compared with Comparative Example 1. Further, in Comparative Example 3, the incident side surface of the incident surface is represented by two straight lines on the optical axis cross section, but is a tapered surface whose diameter increases as the incident side surface on the bottom side approaches the inlet side. The incident side surface is an example of a cylindrical surface. That is, in Comparative Example 3, α1 <α2.

表2は,実施例と比較例の諸設計値を示し、表3に、実施例と比較例におけるα1,α2,θの値を示す。角度α1は、光軸方向断面において、交点CPを挟んで、底部側で凹部の入射側面に垂直な法線が光軸と成す角度であり、角度α2は、入口側で凹部の入射側面に垂直な法線が光軸と成す角度であり、角度θは、最も底部側で凹部の入射側面を形成する直線(もしくは凹部の入射側面の接線)が光軸と成す角度をθとする。ここでは、光学素子の光軸と交差する光出射部の位置を座標の原点とする。又、CP比とは、凹部の深さ(凹部の入口端から底部までの距離)を1とした場合の凹部の入口端から交点CPまでの距離の比(CP比=凹部の入口端から交点CPまでの距離/凹部の入口端から底部までの距離)であり、焦点位置は光軸上の値とし、原点をゼロとする。   Table 2 shows various design values of the example and the comparative example, and Table 3 shows values of α1, α2, and θ in the example and the comparative example. The angle α1 is an angle formed by a normal line perpendicular to the incident side surface of the concave portion on the bottom side and the optical axis across the intersection CP in the cross section in the optical axis direction, and the angle α2 is perpendicular to the incident side surface of the concave portion on the entrance side. The normal θ is an angle formed with the optical axis, and the angle θ is an angle formed by a straight line (or a tangent to the incident side surface of the concave portion) that forms the incident side surface of the concave portion on the most bottom side with the optical axis. Here, the position of the light emitting portion that intersects the optical axis of the optical element is taken as the origin of coordinates. The CP ratio is the ratio of the distance from the entrance end of the recess to the intersection point CP when the depth of the recess (distance from the entrance end to the bottom of the recess) is 1 (CP ratio = intersection point from the entrance end of the recess) The distance to CP / the distance from the entrance end to the bottom of the recess), and the focal position is a value on the optical axis, and the origin is zero.

図18〜図21に、実施例1と比較例1〜3について、縦軸にCIE表色系でのx値、又はCIE表色系でy値をとり、横軸に光軸を0としたときの被照射面の位置をとって比較して示す。これらのグラフがフラットに近づくほど、被照射面の位置に関わらず出射光の色が均一に近づく(色分かれが少ない)ことになる。   18 to 21, in Example 1 and Comparative Examples 1 to 3, the ordinate represents the x value in the CIE color system or the y value in the CIE color system, and the abscissa represents 0 as the optical axis. The position of the irradiated surface is taken for comparison. As these graphs become closer to flat, the color of the emitted light approaches more uniformly (there is less color separation) regardless of the position of the irradiated surface.

図18〜21を参照するに、CIE表色系でのx値(a)、y値(b)のいずれにおいても、比較例3のグラフが最も起伏が大きく、次いで比較例2のグラフが最も起伏が大きく、次いで比較例1のグラフの起伏が大きく、実施例1のグラフの起伏が最もフラットに近い。これにより本発明の効果が確認された。   Referring to FIGS. 18 to 21, the graph of Comparative Example 3 has the largest undulation, and the graph of Comparative Example 2 is the most, in both the x value (a) and the y value (b) in the CIE color system. The undulation is large, then the undulation of the graph of Comparative Example 1 is large, and the undulation of the graph of Example 1 is closest to the flat. Thereby, the effect of the present invention was confirmed.

図22〜25に、実施例1〜3について、縦軸にCIE表色系でのx値、又はCIE表色系でy値をとり、横軸に光軸を0としたときの被照射面の位置をとって比較して示す。実施例1〜3のいずれのグラフもフラットに近い。また、実施例4及び5のx値及びy値は実施例1とほぼ同等となっている。   22 to 25, for Examples 1 to 3, the vertical axis represents the x value in the CIE color system, or the y value in the CIE color system, and the horizontal axis represents the irradiated surface when the optical axis is zero. The positions are taken for comparison. All the graphs of Examples 1 to 3 are nearly flat. In addition, the x and y values in Examples 4 and 5 are substantially the same as in Example 1.

CIE表色系のx及びy値は被照射面全域で値が均一な方が色ムラ及び色分かれが少ない。更に被照射面位置座標における値の傾斜(グラフの傾き)がx,yでほぼ同一傾斜である方が良い。つまり、x,y値で同一断面のグラフを比較したときに、グラフの形状が似ている方が色ムラ及び色分かれが少ない。更にx,y値の傾斜(グラフの傾き)が全域で同符号である方が良い。例えば被照射面位置のマイナスからプラスになるにつれて、グラフが単調減少または単調増加である方が色ムラ及び色分かれが少ない。つまり、被照射面位置で値が均一でなくてもグラフのアップダウンが少なく、ほぼ単調な変化をする方が色ムラ及び色分かれが少ない。実施例1〜5は、このような条件を満たすものである。   When the x and y values of the CIE color system are uniform over the entire irradiated surface, color unevenness and color separation are less. Furthermore, it is better that the slope of the value at the irradiated surface position coordinates (the slope of the graph) is substantially the same slope for x and y. That is, when comparing graphs of the same cross section with x and y values, color unevenness and color separation are less when the graph shapes are similar. Furthermore, it is better that the slopes of the x and y values (the slope of the graph) have the same sign throughout. For example, as the irradiated surface position changes from minus to plus, color unevenness and color separation are less when the graph is monotonously decreasing or monotonically increasing. That is, even if the value is not uniform at the irradiated surface position, there is less up-down of the graph, and there is less color unevenness and color separation when changing almost monotonously. Examples 1 to 5 satisfy such a condition.

更に、図26〜29に、実施例1と実施例6〜8について、縦軸にCIE表色系でのx値、又はCIE表色系でy値をとり、横軸に光軸を0としたときの被照射面の位置をとって比較して示す。実施例1のグラフに比較すると、実施例6〜8のグラフは比較的起伏が大きく、若干色分かれが認められるが、比較例1〜3に比べれば良好であり、ある程度明るい場所での実使用上はほぼ問題ないレベルである。図30は、実施例1の光学素子を用いて、5m先の被照射面(縦横2m)に光を出射した状態を示す図である。また、本実施例及び比較例では光源にOSRAM社の製品名LEATBS2W(図3に発光面(光出射部)形状を概略図示)を用いた為、45度方向(XII-XII方向)断面において最もグラフの起伏が大きくなっているが、別の光源を用いることで更に色分かれがより改善される可能性がある。また、LEATBS2Wの光出射部面積は約20平方ミリメートルである。   26 to 29, for Example 1 and Examples 6 to 8, the vertical axis represents the x value in the CIE color system or the y value in the CIE color system, and the horizontal axis represents 0 as the optical axis. The position of the surface to be irradiated is shown for comparison. Compared to the graph of Example 1, the graphs of Examples 6 to 8 have relatively large undulations, and some color separation is recognized, but it is better than Comparative Examples 1 to 3, and is actually used in a somewhat bright place. Above is a level that is almost no problem. FIG. 30 is a diagram illustrating a state in which light is emitted to an irradiated surface (2 m in length and width) 5 m ahead using the optical element of Example 1. Further, in this example and the comparative example, the product name LEATBS2W of OSRAM Co. (light emitting surface (light emitting part) shape is schematically shown in FIG. 3) is used as the light source, so that the cross section in the 45 degree direction (XII-XII direction) is the most. Although the undulations of the graph are large, there is a possibility that the color separation is further improved by using another light source. Further, the light emitting area of LEATBS2W is about 20 square millimeters.

1 レンズ
2 LED光源
2a 発光面(光出射部)
3 入射面
3a 底部(入射底面)
3b 第1入射側面
3c 第2入射側面
5 出射面
6 フランジ部
1 Lens 2 LED light source 2a Light emitting surface (light emitting part)
3 entrance surface 3a bottom (incident bottom)
3b 1st incident side surface 3c 2nd incident side surface 5 Outgoing surface 6 Flange part

Claims (14)

光源からの出射光を透過することにより、被照射面を照明するための光学素子であって、
入射底面と入射側面を有する入射面と、前記入射面から入射した入射光を全反射させる側面と、被照射面に向かって光を出射する出射面とを有し、
前記光学素子の光軸を通る断面をとったとき、前記入射側面上の任意の2点の座標をP1(Px1、Pz1),P2(Px2、Pz2)とし、以下の式を満たす少なくとも1つのP1、P2の組合せが存在することを特徴とする光学素子。
Px1<Px2 (1)
Pz1>Pz2 (2)
α1>α2 (3)
ただし、光軸を、入射面から出射面に向かってプラス方向としたZ軸とし、光軸に直交する軸を、光軸から離れる方向をプラス方向としたX軸とし、点P1を通り前記入射側面に垂直な法線と光軸との成す角をα1(°)とし、点P2を通り前記入射側面に垂直な法線と光軸との成す角をα2(°)とする。
An optical element for illuminating a surface to be irradiated by transmitting light emitted from a light source,
An incident surface having an incident bottom surface and an incident side surface; a side surface that totally reflects incident light incident from the incident surface; and an exit surface that emits light toward the irradiated surface;
When a cross section passing through the optical axis of the optical element is taken, the coordinates of any two points on the incident side surface are P1 (Px1, Pz1) and P2 (Px2, Pz2), and at least one P1 that satisfies the following expression: , P2 exists, and the optical element.
Px1 <Px2 (1)
Pz1> Pz2 (2)
α1> α2 (3)
However, the optical axis is the Z-axis with the positive direction from the incident surface toward the exit surface, the axis orthogonal to the optical axis is the X-axis with the direction away from the optical axis as the positive direction, and passes through the incident point P1 The angle formed between the normal line perpendicular to the side surface and the optical axis is α1 (°), and the angle formed between the normal line perpendicular to the incident side surface and the optical axis is α2 (°).
前記出射面に拡散面を設けたことを特徴とする請求項1に記載の光学素子。   The optical element according to claim 1, wherein a diffusion surface is provided on the emission surface. 前記拡散面は、微小な凹凸形状をアレイ状に配置してなることを特徴とする請求項2に記載の光学素子。   The optical element according to claim 2, wherein the diffusion surface is formed by arranging minute uneven shapes in an array. 前記入射面に対向して、面発光光源を配置したことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の光学素子。   The optical element according to claim 1, wherein a surface-emitting light source is disposed so as to face the incident surface. 前記面発光光源は、2色以上を同時に発光する異なる複数色の発光部を有することを特徴とする請求項4に記載の光学素子。   The optical element according to claim 4, wherein the surface-emitting light source has light emitting portions of different colors that emit light of two or more colors simultaneously. 前記光学素子の光軸を通る断面をとったとき、前記凹部の入射側面は複数の直線により表されることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の光学素子。   The optical element according to claim 1, wherein an incident side surface of the concave portion is represented by a plurality of straight lines when a cross section passing through the optical axis of the optical element is taken. 前記複数の直線の交点のいずれか少なくとも1つは、前記凹部の深さを1としたときに、前記凹部の入口から7/10以下の位置にあることを特徴とする請求項6に記載の光学素子。   The at least one of the intersections of the plurality of straight lines is located at a position of 7/10 or less from the entrance of the recess when the depth of the recess is 1. Optical element. 前記凹部の入射側面を形成するいずれか2つの直線の交点が、前記光源の光出射部と前記光学素子の光軸との交点を基準に,光軸に対して30〜70度以内に存在することを特徴とする請求項6又は7に記載の光学素子。   The intersection of any two straight lines forming the incident side surface of the concave portion exists within 30 to 70 degrees with respect to the optical axis with respect to the intersection of the light emitting portion of the light source and the optical axis of the optical element. The optical element according to claim 6 or 7, wherein 前記凹部の入射側面を形成するいずれかの直線が前記光学素子の光軸と成す角度は、3〜10度であることを特徴とする請求項6〜8のいずれかに記載の光学素子。   The optical element according to any one of claims 6 to 8, wherein an angle formed by any straight line forming the incident side surface of the concave portion with the optical axis of the optical element is 3 to 10 degrees. 前記光学素子の光軸を通る断面をとったとき、前記凹部の入射側面は曲線からなることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の光学素子。   The optical element according to claim 1, wherein when the cross section passing through the optical axis of the optical element is taken, the incident side surface of the concave portion is a curve. 前記光学素子の側面は、放物面を基本とした形状であることを特徴とする請求項1〜10のいずれかに記載の光学素子。   The optical element according to claim 1, wherein a side surface of the optical element has a shape based on a paraboloid. 前記光学素子の周辺部にフランジ部を形成したことを特徴とする請求項1〜11のいずれかに記載の光学素子。   The optical element according to claim 1, wherein a flange part is formed in a peripheral part of the optical element. 前記光学素子は樹脂製であることを特徴とする請求項1〜12のいずれかに記載の光学素子。   The optical element according to claim 1, wherein the optical element is made of resin. 請求項1〜13のいずれかに記載の光学素子と、光源とを有することを特徴とする照明装置。   An illumination device comprising the optical element according to claim 1 and a light source.
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