JP5301899B2 - 光源装置及びそれを用いた照明器具 - Google Patents

Description

本発明は、光源である発光素子とレンズとを有し、光源からの光を配光制御する光源装置、及びそれを用いて被照射体を照射する照明器具に関するものである。

照明用の光源として、電力消費が少なく耐久性や発光効率に優れた高輝度の発光ダイオード（ＬＥＤ）を使用した安価な照明器具が、汎用されている。このようなＬＥＤを使用した照明器具として、光源からの光を所望の範囲に、集光させるスポットライトや、発散させるバックライトが、市販されている。

ＬＥＤを使用した直下型の照明装置により、光源の直下方向の所期範囲を照射したり、高輝度のＬＥＤを使用した液晶パネル用直下式のバックライトにより液晶パネル背面を照射したりする場合に、それら照射範囲内をほぼ均一な照度で照射する必要がある。

市販の大多数のＬＥＤ光源は、発光素子が樹脂で封止され、レンズが付されていないために、図１６に示すように、前方正面を放射角０°としたときの放射角０°の相対光度が最も強く、放射角度が大きくなるに従い相対光度が弱くなるという配光特性を持っている。そのため、そのままでは均一な照度で被照射面を照射することができない。そこで、放射角が０°よりも大きくなるに連れ、光源からの光が斜めに照射されるために単位面積当りの光量が少なくなってしまうのを、補償する配光特性が必要となる。そのためには、放射角が０°よりも大きくなるに連れ、光源からの光の強さを大きくしなければならない。

ＬＥＤで均一な照度で照射する装置として、特許文献１に、発光源の前方へ、斜面、放物面又は楕円面であって光線を整光する整光カバーと、直筒面又は楕円面であって光線を反射する反射カバーと、最後に光線が投射され焦点の調整が可能なレンズとを順番に設置したＬＥＤ照明装置が、開示されている。

さらに、液晶パネルの背面をＬＥＤで直接照射する直下方式のバックライトとして、例えば、特許文献２に、発光源からの光を拡散、偏光する透光手段が、発光源からの所定の入射角の光を反射する特性を持つ偏光部材を有し、発光手段が、偏光部材からの反射光を再反射させて透光手段へ出射する再反射部材を有しているバックライト装置が、開示されている。

これらの装置は、ＬＥＤ光源からの光を反射する反射面等の光学部材を必要とするため、複雑な構造となり、小型化できない。しかも液晶パネル等の高性能化に伴い、均一に照射できる一層優れた配光特性が求められている。

特開２００８−１６３４１号 特開２００７−５９１４６号

本発明は前記の課題を解決するためになされたもので、放射角が大きくなるに連れて相対光度が弱くなるという光源からの光を、補償して被照射面を略均一な照度で照射できる配光特性を有した簡易なレンズ、及びそれを用いた光源装置を提供することを目的とする。また、このような光源装置を用いて、被照射面が光源直下とその周囲との間においても略均一な照度を与える直下式照明器具及び直下式バックライトのような照明器具を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために用いられる配光制御レンズは、発光素子を光源とする光を被照射体側へ透過させるレンズであり、その光源側レンズ面の中央部の入射部位で凹形状面と、その被照射体側レンズ面の中央部の出射部位で凹形状及びそれの周辺部の出射部位で凸形状の連続面とを、それぞれ軸対称に有している。

請求項１に記載の光源装置は、発光素子がホルダの窪みの底に設置され、その窪みで開口している出光窓口がレンズで覆われており、該発光素子を光源とする光を、該出光窓口からレンズを通して被照射体へ配光する光源装置であって、該レンズが、その光源側レンズ面の中央部の入射部位で凹形状面と、その被照射体側レンズ面の中央部の出射部位で凹形状及びそれの周辺部の出射部位で凸形状の連続面とを、それぞれ軸対称に有しており、

（式１〜３中、Ｄは前記出光窓口の最大径、ｒ１は前記光源側レンズ面の凹形状面の中央での曲率半径、ｒ２は被照射体側レンズ面の凹形状の面の中央での曲率半径、ＣＡ１は前記光源側レンズ面の凹形状面の入射有効開口径を示す）となっていることによって、前記配光を制御していることを特徴とする。

請求項２に記載の光源装置は、請求項１に記載されたもので、前記レンズが、透明樹脂、又は透明ゴムで形成されていることを特徴とする。

請求項３に記載の照明器具は、請求項１に記載の光源装置が、１個、又は複数個並べられて、基材上に配置されていることを特徴とする。

請求項４に記載の照明器具は、請求項３に記載されたもので、前記光源装置の複数が、直下型バックライトとして照明すべき被照射体へ向けられ、平面状の前記基材上に、一定の配列間隔をあけて配置されていることを特徴とする。

本発明のレンズを用いた光源装置によれば、光源からの放射角が大きくなるに連れて相対光度が弱くなるという光源からの光を、補償できるので、光源からの放射角度に依存せずに、被照射面を略均一な照度でむら無く効率良く照射することができる。光源装置自体は、そのような配光特性を有しているから、複雑な補償機構を必要としない。しかも小型で簡易な構造であるから大量生産できるうえ、被照射面が光源直下とその周囲との間においても均一な照度を与える直下式バックライトのような照明器具として、多数並べて用いることができる。

発明を実施するための好ましい形態

以下、本発明を実施するための好ましい形態を詳細に説明するが、本発明の範囲はこれらの形態に限定されるものではない。

本発明を適用するレンズ及びそれを用いた光源装置について、図１を参照しながら説明する。

この光源装置１は、光源としてＬＥＤのような発光素子１２と、略擂鉢状の反射材で被覆された窪み１３を有しその底に発光素子１２が固定されたホルダ１１と、その窪み１３で開口している透明樹脂で封止された出光窓口１４を覆いつつホルダ１１上または面上に固定されたレンズ１０とからなる。出光窓口は、最大径Ｄが円状又は楕円状、または多角形状となっている。

レンズ１０両面の中央部が、凹形状の面を有していることにより、強い負のパワーを持つ両凹レンズとなっている。レンズ１０は、偏肉厚で、発光素子１２と被照射体の中心との延長線上を軸中心とする軸対称になっている。

レンズ１０は、その光源側レンズ面の中央部の入射部位で、略円錐擂鉢状の凹形状面１６を有している。その入射部位の凹形状面１６は、中央部の最凹部近傍で、曲率半径ｒ１の曲面となっている。その曲面から入射部位の凹形状面１６の入射有効開口１５までは、円錐状の曲面となっている。入射部位の凹形状面１６の入射有効開口径ＣＡ１よりも外縁側のレンズ面は、平坦になっている。

その凹形状面１６の入射有効開口１５は、その有効開口径ＣＡ１がホルダ１１の窪み１３の出光窓口１４の最大径Ｄよりも僅かに大きくなっていることにより、ホルダ１１の出光窓口１４を覆っている。

このレンズ１０は、前記（式１）の条件を充足するものである。（式１）の条件は、光源側レンズ面の形状を特定するためのものである。略均一な照度で被照射体を照射するには、特に光源側レンズ面の中央部を通過する光の相当部分を、放射角の大きい方向に振り分ける必要があり、強い凹面が必要であることから、（式１）の条件が必要となる。（式１）の条件を満たさないと均一照明の実現が困難となる。

また、被照射体側レンズ１０は、その被照射体側レンズ面の中央部の出射部位で、入射部位よりも緩やかな略円錐擂鉢状の凹形状面１８を有している。その出射部位の凹形状面１８は、中央部の最凹部近傍で、曲率半径ｒ２の球状の曲面となっている。レンズ１０は、その被照射体側レンズ面の出射部位で、この凹形状面１８の周辺部がその凹形状面１８と被照射体側レンズ面外縁部との間に連続した凸形状面１９を有した形状となっている。この凸形状面１９で、比較的大きな放射角の入射光が収斂するように屈折される。

被照射体側レンズ面は滑らかな連続面となっている。そのレンズ１０の断面は、図１に示す通り、被照射体側レンズ面で、レンズ中心から外周に向けて、凹形状、平面状、凸形状と連続的に変化している。即ち、被照射体側レンズ面は、レンズ１０の中心部で凹面レンズの表面形状を成し、その周囲で不連続面を持つことなく、表面形状が円錐状の湾曲した表面形状を成し、更にその周囲で不連続面を持つことなく、凸面レンズの表面形状を成している。その凹形状面１８と凸形状面１９とが連続的に直接つながっていてもよい。

さらにレンズ１０は、前記（式２）の条件を充足するものである。（式２）の条件は、被照射体側レンズ面の形状と特定するためのものである。略均一な照度で被照射体を照射するには、被照射体側レンズ面の中央部を通過する光の相当部分を、放射角の大きい方向に振り分ける必要があり、強い凹面が必要であることから、（式２）の条件が必要となる。（式２）の条件を満たさないと均一照明の実現が困難となる。

またレンズ中央部を通過する光を、放射角の大きい方向に振り分ける働きは、光源側レンズ面と被照射体側レンズ面との各凹形状面１６・１８で分担している。しかし、被照射体側レンズ面の中心部の凹形状面１８の傾斜を強くすると、全反射を発生し易くなるので、光源側レンズ面と被照射体側レンズ面との夫々の凹形状面１６・１８を、バランスの良い適切な形状にする必要がある。そのために、被照射側レンズ面の凹形状面１８の中央での曲率半径は、光源側レンズ面の凹形状面１６の中央での曲率半径よりも、大きくしてある。

また、被照射体側レンズ面の形状を、中央から外縁に向けて、中央近傍で凹形状の曲面、その周囲で略円錐状の曲面、さらにその周囲で凸形状の曲面と、連続的に同心状に変化する面形状としてある。被照射体側レンズ面を光が通過する際に、中心部の軸方向とそのごく近傍周辺の中央部で軸方向から幾分傾いた方向とに向く光は、放射角度の大きい方向に振り分ける必要があるが、その中央部のさらに周辺で軸方向から相当傾いた方向でレンズの周辺部へ向く光は、大きな入射角度でレンズへ多く入射し、レンズ面が平面に近いほど全反射を起こし易い。そのため、全反射を起こさないように凸形状にする必要がある。

さらにレンズ１０は、前記（式３）の条件を充足するものである。（式３）の条件は、光源側レンズ面の凹形状面１６の入射有効開口１５の径ＣＡ１を特定するためのものである。（式３）の下限を超えると光源からの光を十分に取り込めなくなり、一方その上限を超えると光が入射する有効面の円錐に近い形状の高さが高くなり、大きなレンズになってしまい光源装置のコンパクト化が困難となってしまう。

前記（式１〜３）中、ｒ１、ｒ２、及びＣＡ１は、出光窓口Ｄの大きさにより、式１〜３に基づいて決定される。出光窓口Ｄの具体的寸法は、ＬＥＤの種類によって異なるが、パワーＬＥＤを含め、楕円形状の場合は長径をいうものとして、０．３ｍｍ〜３０ｍｍのものが好ましく用いることができる。レンズの入射有効開口径ＣＡ１とＬＥＤの出光窓口Ｄとの関係では、出光窓口Ｄが楕円形や多角形の場合、入射有効開口径ＣＡ１は円形であるので、出光窓口Ｄの短径より大きい必要があるので、長径と短径との比は１．５未満ということになる。

レンズ１０の材質は、屈折率を示す透光性の透明材質であれば特に制限されないが、ガラスのような無機材よりも比較的成形性の良い透明な樹脂またはゴムが好ましい。例えば透明樹脂として、塩素化ポリエチレン、シリコーン、エポキシ、アクリル、ポリカーボネイトが挙げられ、透明ゴムとして、フッ素ゴム、シリコーンゴムが挙げられる。

レンズ１０の材質が透明な樹脂またはゴムであれば、ガラスのような研磨は必要なく、射出成形や金型プレス成形でレンズを製造できるため、生産性が高いだけでなく、軽量化に資する。光源からの放熱に対する安定性した耐熱性や透明度、金型転写の正確性等を考慮すると、透明シリコーン樹脂であることが好ましい。

また、光源からの光をレンズ１０によって、急激に放射角度の大きい方向に曲げる必要があるためレンズの照射面側で、臨界角より大きな角度の光線となり全反射を起こし易い。臨界角は、レンズに使用する材料の屈折率で決まり、屈折率が低いほど臨界角は大きい。全反射の起きにくいレンズ材料としては、ｄ線の屈折率で１．６以下のものが好ましい。なお、ｄ線とは、光学業界でレンズ材料の屈折率の代表として使用されている波長５８７ｎｍの光のスペクトル線の一つである。

発光素子１２は、そこから発せられる光をホルダ１１の出光窓口１４からレンズ１０を通して、照射すべき被照射体へ配光するように、被照射体へ向く方向へ配置されている。

光源に用いられる発光素子１２は、高輝度・省エネルギーの観点からＬＥＤが好適である。

ＬＥＤは、ＬＥＤチップが封止樹脂によって封止されており、封止樹脂内に、ＬＥＤチップからの光の波長を変換する蛍光物質が発光素子を被覆されるように配置されているものを用いることができる。また、ＬＥＤの封止材の上を透光性の樹脂またはゴムに蛍光体または染料・顔料を含有せしめたシート状またはキャップ状の被覆材で被覆して発光素子１２からの光の一部が波長変換されまたは混色されるものであってもよい。発光素子の波長が青色発光し、ＹＡＧ蛍光体で青色発光の一部を波長変換して白色光にして本願発明の照明光として用いるみこともできる。また、ＬＥＤは２つ以上のＬＥＤチップがパッケージされて混色されたものを光源として用いてもよい。

また、ＬＥＤ発光装置自体が複数蜜集し、これらがひとつのＬＥＤチップの発光素子光源と同じ役目を果たし、その光源の上に本発明のレンズが配置された場合において、本発明の作用効果を奏する範囲で、本発明のとすることができる。

ＬＥＤ光源は、発光ダイオードであれば、波長域、色彩、輝度のものを、適宜選択して用いることができる。レンズ１０の外周近傍のコバ部は、ＬＥＤに接してもよく、僅かに離れていてもよい。

発光素子１２は、光源の真正面を放射角０°（光軸）とした時、光軸から−９０°〜９０°のθだけ傾いた光を、出射するから、図１６のようなコサイン（COS）カーブの配光特性の光を出射することになる。その光がレンズを通過することによって放射角度０°より大きな放射角度位置に配光ピークを示す配光特性を、レンズが持っていることが望ましい。特に被照射体を均一に照射するには、１／(COSθ)^３の配光特性を持つことが望ましい。

この理由は以下の通りである。光軸と直交する照射面を仮想した場合、光軸からθだけ傾いた点では、光源から照射点までの距離は軸上点より１／(COSθ)倍長いから均一に照射するのに(COSθ)^２倍の光度が必要であり、またその照射面に光源からの光束がθだけ傾いて入射するから均一に照射するのにCOSθ倍の光度が必要である。従って、これらを全部掛け合わすと、θ傾いた点では軸上の点より(COSθ)^３倍だけ暗くなるから、均一に照射するのに(COSθ)^３倍の光度が必要となるからである。

より具体的に説明するために、図１５に、１／(COSθ)^３の配光特性をシミュレーションしたグラフを示す。例えば、放射角６０°では、放射角０°の８倍の光の強度が必要となる。このような配光特性を有するレンズを用いれば、放射角度が９０°の光を所望の方向へ屈折させて有効に照射させるのは実用上不可能であるにしても、少なくとも放射角７５°付近までなら、所望の方向へ屈折させて実質上有効に照射させることができる。

本発明の光源装置によれば、均一に照射するために、放射角度が−７５°〜７５°付近まで光を均一な照度となるように屈折させることができる。

ホルダ１１の窪み１３は、略擂鉢状であってもよいが、半球状であってもよい。その窪み１３には、金属メッキのような反射材が付されていると一層好ましい。

ホルダ１１の出光窓口１４の最大径Ｄを考える場合、出光窓口１４が四角形の場合は、その対角を最大径Ｄと考えればよい。基板上に直接ＬＥＤチップを搭載し、封止材で封止したＬＥＤの場合は、有効な光を放射する領域を囲む円の直径を最大径Ｄと考えればよい。

このような光源装置１は、以下のように動作する。発光素子ＬＥＤ１２に通電させると、発光する。例えば、光軸に沿って出射した光２０ａは、レンズ１０のレンズ内部１７の透明樹脂内を真直ぐに透過する。光軸から僅かに傾いて出射した光２０ｂは、レンズ１０の光源側レンズ面と被照射体側レンズ面との両凹形状面１６・１８で、発散するから、入射時よりも更に傾いて出射する。光軸から幾分傾いて出射した光２０ｃは、レンズの光源側レンズ面の凹形状面１６で発散し、被照射体側レンズ面との凸形状面１８で、幾分集束する結果、入射時よりも幾分傾きが小さくなって出射する。光軸から相当傾いて出射した光２０ｄは、レンズ１０の光源側レンズ面の凹形状面１６で発散し、被照射体側レンズ面の凸形状面１８で大きく集束する結果、入射時よりも相当傾きが小さくなって出射する。それらの結果、光２０ａ〜２０ｄは、被照射体が、略均一に照射される方向に出射される。

本発明のレンズを用いることにより照射される光源からの光は、放射角度の大きい被照射体の場所に放射角度が０°の光度より大きな光度で照射されるので、均質な明るさの被照射体平面を得ることができる。更に、放射角度が２０°〜７０°好ましくは３０°〜６５°の範囲で放射角度０°より相対光度が大きく、且つ、発光した光の内、レンズを通過後、前方の被照射体側から出射した光の割合を６５％以上好ましくは７０％以上、更に好ましくは、８０％以上にすることができる。

本発明のレンズは本発明のレンズの作用効果を損なわない範囲で、フレネルにして用いることもできる。

本発明の照明器具３０は、光源装置１が複数列毎にあるいは平面的に均等間隔で複数個並べられて基材上に配置されているものである（図１３参照）。

この光源装置１を照明装置に用いることによって、光源の光の放射角度がある程度の放射角度に至るまでの角度範囲で平面を均一に近い照度で照明できる照明装置として用いることができる。

照明器具は、１個の光源装置を用いてもよいが、複数であるとより広い面積の被照射体の平面上に均一な照度となるように照明することができる。

例えば、単独の光源装置を用いて均一な照度を与える放射角度の上限が６０°であるとき、それのさらに周辺付近、例えば光源の放射角度が±７０°の部位に、均一な照度を与えることができない。そこで、複数の光源装置を用いて照明装置を組み立てる際に、照度の低下する外周部付近の平面上において、隣り合う光源装置の放射角度の６０°を超える外周部同士が重なりあって多重に照射されるように複数の光源装置を、適当な間隔をあけて、四方八方に整列して配置する。すると、その外周部の照度の低下を隣り合う光源装置同士が互いに補い合って、放射角度が６０°以下の中央部と、それを超える周辺部位との照度が、均一となる。

また、照明装置は、光源装置を平面状に一定の間隔を有して複数個配列してなる直下式バックライトとして用いてもよい。

なお、発光素子１２は、半導体発光素子を光透明樹脂で封止したもので、特開平１１−８７７８４号公報に開示する所謂砲弾タイプまたは表面実装タイプ（チップタイプ）の半導体発光装置が挙げられるが、中でも表面実装タイプの半導体発光装置であることが好ましい。

発光素子１２がホルダ１１に収容された光源の例を示したが、発光素子１２が露出し光源側レンズ面の凹形状内部に収まる照明器具であってもよい。

光源装置１として、所望の色調の光を得るために、半導体発光素子１２とレンズ１０との間に、蛍光体、染料、顔料の少なくともひとつを含有する透明素材を介在させてもよい。光の色調を変化させる手段としては、本発明の効果を損なわない範囲で、蛍光体、染料、顔料の少なくともひとつの着色剤を含有する透明コーティング剤をレンズの表面に塗布してもよく、それら着色剤を含む薄い着色シートをレンズの表面に貼着してもよい。この場合、光源の出光窓口側の円錐形状の凹面に沿って設けてもよい。

また、レンズ１０自体に蛍光体、染料、顔料の少なくとも何れかを含有させてもよい。

また、本発明の照明器具は、被照射体側のレンズ面の上に酸化チタンや炭酸カルシウムを光散乱材として透明樹脂または透明ゴムに充填したプレートを配置することにより、更に柔らかな光にすることができる。

以下に、より具体的に、本発明の光源装置、及びそれを用いた照明器具を試作した例を、実施例１〜５に示す。

（実施例１）
図１は、本発明を適用する実施例１の光源装置１の構成を示す断面図である。発光素子１２であるＬＥＤとして、ＬＥＤチップが封止樹脂によってパッケージされた白色ＬＥＤ（商品名ＬＷ Ｅ６７Ｃ；オスラム社製）を用いた。この白色ＬＥＤは、ホルダ１１内で、ＬＥＤチップからの光の波長を変換する蛍光物質が、その樹脂に含有されていることにより、ＬＥＤチップが蛍光物質で被覆されたパッケージ構造となっている。この発光素子１２は、ホルダ１１の窪みの底に設置され、発光素子１２から延びた導線がホルダ１１を貫通して電源へ接続されたものである。

ｄ線で屈折率１．４１のシリコーンレジン製のレンズ１０を、光源の近くになるように、レンズ１０の周辺近傍のコバ部をＬＥＤ１２に接するように配置した。

レンズ１０は、図１に示す通り、その光源側レンズ面の中央部の入射部位で凹形状面１６と、その被照射体側レンズ面の中央部の出射部位で凹形状面１８及びそれの周辺部の出射部位で凸形状面１９の連続面とを、それぞれ軸対称に有している。窪み１３の出光窓口１４を、光源側レンズ面の凹形状面１６と対峙するように位置あわせしつつ、ＬＥＤ１２の光軸にレンズ１０の中心軸を合致するようにレンズ１０で覆って光源装置１を得た。

図１の光源装置１が、均一な照明に好適なものであることを具体的数値で説明する。図１のようなレンズ１０の光学的な特徴を、表１に示す。ｒはレンズ面の曲率半径、ｄはレンズ中心でのレンズ厚、ｎはｄ線でのレンズ材料の屈折率、φはレンズの最大外形である。レンズ面は、両面とも非球面であり、その形状はＺをレンズの光軸からの開口の半径距離ｈの位置におけるレンズ頂点からの変位量とした時、下記（式４）で表記される回転対称非球面である。

（式４中、κはコーニック定数、Ａｉはｉ次の非球面係数である）

白色ＬＥＤ（オスラム社製ＬＥＤ：ＬＷ Ｅ６７Ｃ）の出光窓口の最大径Ｄは、２．４ｍｍである。レンズの最大径はφ６であり、最大高さは１．７３ｍｍである。これらの条件を前記（式１）に当てはめると、｜ｒ１｜＝０．５であり、Ｄ／２＝１．２であるから、｜ｒ１｜＜Ｄ／２という条件を満たしている。前記（式２）に当てはめると、｜ｒ１＝０．５であり、｜ｒ２｜＝１．５であるから、｜ｒ１｜＜｜ｒ２という条件を満たしている。前記（式３）に当てはめると、レンズの光源側の入射有効開口径ＣＡ１が２．５であるから、Ｄ＜ＣＡ１＜Ｄ×１．５という条件を満たしている。形状も前記の通りであるから、本発明のレンズの条件を満たしている。

得られた光源装置１を用いて、光源の白色ＬＥＤで発光した光をレンズ１０に通過させたときの配光特性について、シミュレーションしたグラフを、図２に示す。なお、光源からの光は白色光であるからその光の波長は広範囲に分布しているが、発光スペクトルの形状、被視感度などを考慮して、光源の波長としては５２５ｎｍのものを用いた。図２から明らかな通り、±５２°付近に光度のピークがあり、その大きさは放射角０°の光度の約４倍であり、白色ＬＥＤ単独で発光させたときのコサインカーブを有する配光特性から大きく変化している。白色ＬＥＤで発光した光の内、レンズを通過後、前方の被照射体側から出射した光の割合は８２％であった。残余の光は、レンズ面での全反射によるものが大部分と考えられる。

なお、全反射した光の内、ＬＥＤ側へ反射しＬＥＤパッケージ内面で反射させたり、全反射した光を再度反射板で前方に反射させたりする工夫により、照射効率を一層向上させることが可能である。

（実施例２）
実施例１で用いた光源装置よりも、さらに周辺に光度のピークを有する実施例２の構成を、図３に示す。図３のようなレンズの光学的な特徴を、表２に示す。その他、ＬＥＤ光源、使用光源の波長およびレンズ材料の屈折率、非球面の式などは、実施例１の条件と同じである。

ＬＥＤ光源（オスラム社製ＬＥＤ：ＬＷ Ｅ６７Ｃ）の出光窓口の最大径Ｄは、２．４ｍｍである。レンズの最大径はφ７であり、最大高さは２．２８ｍｍである。これらの条件を前記（式１）に当てはめると、｜ｒ１｜＝０．１であり、Ｄ／２＝１．２であるから、｜ｒ１｜＜Ｄ／２という条件を満たしている。前記（式２）に当てはめると、｜ｒ１＝０．１であり、｜ｒ２｜＝２．５であるから、｜ｒ１｜＜｜ｒ２｜という条件を満たしている。前記（式３）に当てはめると、レンズの光源側の入射有効開口径ＣＡ１が２．５であるから、Ｄ＜ＣＡ１＜Ｄ×１．５という条件を満たしている。形状も前記の通りであるから、本発明のレンズの条件を満たしている。

得られた光源装置を用いて、光源から白色ＬＥＤで発光した光をレンズに通過させたときの配光特性について、シミュレーションしたグラフを、図４に示す。図４から明らかな通り、±６０°付近に光度のピークがあり、その大きさは放射角０°の光度の約１８倍であり、白色ＬＥＤ単独で発光させたときのコサインカーブを有する配光特性から大きく変化している。白色ＬＥＤで発光した光の内、レンズを通過後、前方の被照射体側から出射した光の割合は９５％であった。

（実施例３）
実施例１で用いた光源装置よりも、前記（式１）、（式２）の条件の臨界に近い実施例３の構成を、図５に示す。図５のようなレンズの光学的な特徴を、表３に示す。その他、ＬＥＤ光源、使用光源の波長およびレンズ材料の屈折率、非球面の式などは、実施例１の条件と同じである。

ＬＥＤ光源の出光窓口の最大径Ｄは、２．４ｍｍである。レンズの最大径はφ６であり、最大高さは２．２８ｍｍである。これらの条件を前記（式１）に当てはめると、ｒ１｜＝１．１であり、Ｄ／２＝１．２であるから、｜ｒ１｜＜Ｄ／２という条件を満たしている。前記（式２）に当てはめると、｜ｒ１｜＝１．１であり、｜ｒ２｜＝１．３であるから、｜ｒ１｜＜｜ｒ２｜という条件を満たしている。前記（式３）に当てはめると、レンズの光源側の入射有効開口径ＣＡ１が２．５であるから、Ｄ＜ＣＡ１＜Ｄ×１．５という条件を満たしている。形状も前記の通りであるから、本発明のレンズの条件を満たしている。

得られた光源装置を用いて、光源から白色ＬＥＤで発光した光をレンズに通過させたときの配光特性について、シミュレーションしたグラフを、図６に示す。図６から明らかな通り、±５０°付近に光度のピークがあり、その大きさは放射角０°の光度の約１．７倍である。また白色ＬＥＤで発光した光の内、レンズを通過後、前方の被照射体側から出射した光の割合は７２％であった。これは中央部の凹形状面で屈折パワーを照射面側にもある程度負担させるためにｒ２の曲率半径を小さくし、全反射をやや発生しやすい形状にしているためである。よって良好な所望の配光特性を保つための条件としては、この実施例の数値が、臨界に近いと考えられる。

（比較例１）
本発明を適用外であって前記（式１）、（式２）の条件から外れたレンズをＬＥＤ光源に搭載した比較例１の構成を、図７に示す。図７のようなレンズの光学的な特徴を、表4に示す。その他、ＬＥＤ光源、使用光源の波長およびレンズ材料の屈折率、非球面の式などは、実施例１の条件と同じである。

ＬＥＤ光源の出光窓口の最大径Ｄは、２．４ｍｍである。レンズの最大径はφ６であり、最大高さは１．５５ｍｍである。これらの条件を前記（式１）に当てはめると、｜ｒ１｜＝１．４であり、Ｄ／２＝１．２であるから、｜ｒ１｜＜Ｄ／２という条件を満たしていない。前記（式２）に当てはめると、｜ｒ１＝１．４であり、｜ｒ２｜＝０．８であるから、｜ｒ１｜＜｜ｒ２｜という条件を満たしていない。しかし前記（式３）に当てはめると、レンズの光源側の入射有効開口径ＣＡ１が２．５であるから、Ｄ＜ＣＡ１＜Ｄ×１．５という条件を満たしている。形状は前記の通りである。

得られた光源装置を用いて、光源から白色ＬＥＤで発光した光をレンズに通過させたときの配光特性について、シミュレーションしたグラフを、図８に示す。図８から明らかな通り、±４５°付近に光度のピークがあるが、その大きさは放射角０°の光度の０．９７倍であり、当倍にも満たない。このことは、平面の被照射体を照射した場合に中心部が明るい光源装置であることを、示している。また、白色ＬＥＤで発光した光の内、レンズを通過後、前方の被照射体側から出射した光の割合は６２％であり、均一照明するための光源装置の特性としては、あまりに不十分である。

前記の実施例１〜３、及び比較例１の結果から、略均一な照明が可能な光源装置を得るためのレンズとしては、本発明の範囲内でなければならないことが判った。

（実施例４）
実施例１でレンズの材料として用いたシリコーンレジンに代えて、ｄ線で屈折率１．５９のポリカーボネイトを用いた実施例４の構成を図９に示す。図９のようなレンズの光学的な特徴を、表５に示す。その他、ＬＥＤ光源、使用光源の波長、非球面の式などは、実施例１の条件と同じである。

ＬＥＤ光源の出光窓口の最大径Ｄは、２．４ｍｍである。レンズの最大径はφ６であり、最大高さは１．４４ｍｍである。これらの条件を前記（式１）に当てはめると、｜ｒ１｜＝０．５であり、Ｄ／２＝１．２であるから、｜ｒ１＜Ｄ／２という条件を満たしている。前記（式２）に当てはめると、｜ｒ１｜＝０．５であり、｜ｒ２｜＝６．０であるから、｜ｒ１｜＜｜ｒ２｜という条件を満たしている。前記（式３）に当てはめると、レンズの光源側の入射有効開口径ＣＡ１が２．５であるから、Ｄ＜ＣＡ１＜Ｄ×１．５という条件を満たしている。形状も前記の通りであるから、本発明のレンズの条件を満たしている。

得られた光源装置を用いて、光源から白色ＬＥＤで発光した光をレンズに通過させたときの配光特性について、シミュレーションしたグラフを、図１０に示す。図１０から明らかな通り、±５５°、±７５付近に光度のピークがあり、その大きさは放射角０°の光度の約３倍であり、白色ＬＥＤで発光した光の内、レンズを通過後、前方の被照射体側から出射した光の割合は７６％であった。このことから、コンパクトな均一照明に好適であることが判った。また、実施例１〜４の結果から、レンズ材料として、屈折率１．４１〜１．５９のシリコーンレジン、又はポリカーボネイトを含む透明樹脂が好適であることが判った。

（比較参考例1）
図１の光源装置１からレンズを外し、レンズなしで照射した場合の配光特性をシミュレーションした。ＬＥＤの光源から出射されレンズを介することなく放射される光の配光特性としては、コサインカーブを有するものが殆んどであり、光源に直面する位置、つまり放射角０°の位置がもっとも光の強度が強く、放射角が大きくなるに従い光が減衰し、放射角９０°で光を検出できなくなるというものである。このＬＥＤの配光特性を、図１４に示す。そして、コサインカーブを有する一般的なＬＥＤの配光特性を図１６に示す。放射角０°の光の強度の半分に減衰した放射角（半値角）は、±６０°近傍が多い。このような半値角±６０°の配光特性を持つＬＥＤは、一般に指向角１２０°であると表現されるものであり、放射角０°の位置がもっとも光の強度が強く、均一に平面を照射することはできず、均一照明には不向きなものとなる。

次に、本発明の光源装置１を用いた照明器具を、作製した例を実施例５〜６に示す。

（実施例５）
実施例１で作製した光源装置１を一つ用いた照明装置を作製し、上から真下の平面の被照射体へ照射した概要図を、図１１に示す。実施例１の光源装置の配光特性は、図２の通り５２°付近に光度のピークを持っている。この照明装置によれば、放射角度に対する照射面２１での照度は、図１２に示すようになっており、照明装置真下の照度を１００％としたとき、それの±３０％の増減の範囲は、放射角度で±５５°の範囲である。そのため、図１１のように、広範な範囲で、良好な略均一照明が可能であった。

照明装置が、このレンズ１０を用いていなければ、照明装置の真下が一番明るく、放射角度が大きくなるに従い暗くなり、ある放射角度θの位置での相対照度は真下の位置に対して、(COSθ)³倍にしかならないから、均一に照明することができない。

（実施例６）
実施例１で作製した光源装置１を複数用いた照明装置３０として、被照射体である液晶表示器２２の直下から光を照射する直下式バックライトを作製した例を、図１３に示す。液晶表示器２２は、透明板２７、拡散シート２６、プリズムシート２５、偏光シート２４、液晶パネル２３が、この順で積層されたものである。このバックライトである照明装置３０は、光源装置が広い放射角度の範囲で略均一照明が可能なため、液晶表示器２２の透明板２７に照明装置３０を接近させても均一照明が可能で、かつ光源装置１がコンパクトであるため、光源装置１を所定の間隔で液晶表示装置の後ろの面に配置して、薄型の直下式バックライトとなっている。

本発明のレンズと光源として発光素子とを有する光源装置は、均一に照明する各種照明装置に用いることができる。この光源装置を用いた照明装置は、とりわけ液晶表示器を表示するのに用いられる直下式バックライトとして有用である。

本発明を適用する実施例１の光源装置の構成を示す断面図である。 本発明を適用する実施例１の光源装置の配光特性を示す図である。 本発明を適用する実施例２の光源装置の構成を示す断面図である。 本発明を適用する実施例２の光源装置の配光特性を示す図である。 本発明を適用する実施例３の光源装置の構成を示す断面図である。 本発明を適用する実施例３の光源装置の配光特性を示す図である。 本発明を適用する実施例４の光源装置の構成を示す断面図である。 本発明を適用する実施例４の光源装置の配光特性を示す図である。 本発明を適用する実施例５の光源装置の構成を示す断面図である。 本発明を適用する実施例５の光源装置の配光特性を示す図である。 本発明を適用する実施例６の照明装置の構成を示す断面図である。 本発明を適用する実施例６の照明装置を用いたときの放射角度と照度との相関関係を示す図である。 本発明を適用する実施例７の照明装置の構成を示す断面図である。 本発明を適用外とする市販のＬＥＤの配光特性を示す図である。 本発明を適用外とする市販のＬＥＤ均一照明に必要な放射角度と相対光度との関係図である。 本発明を適用外とする一般的なＬＥＤの配光特性を示す概要図である。

符号の説明

１は光源装置、１０はレンズ、１１はホルダ、１２は発光素子、１３は窪み、１４は出光窓口、１５は入射有効開口、１６は凹形状面、１７はレンズ内部、１８は凹形状面、１９は凸形状面、２０ａ〜ｄは光、２１は照射面、２２は液晶表示器、２３は液晶パネル、２４は偏光シート、２５はプリズムシート、２６は拡散シート、２７は透明板、３０は照明装置である。

Claims (4)

1. 発光素子がホルダの窪みの底に設置され、その窪みで開口している出光窓口がレンズで覆われており、該発光素子を光源とする光を、該出光窓口からレンズを通して被照射体へ配光する光源装置であって、該レンズが、その光源側レンズ面の中央部の入射部位で凹形状面と、その被照射体側レンズ面の中央部の出射部位で凹形状及びそれの周辺部の出射部位で凸形状の連続面とを、それぞれ軸対称に有しており、
   

   

   

   

   （式１〜３中、Ｄは前記出光窓口の最大径、ｒ１は前記光源側レンズ面の凹形状面の中央での曲率半径、ｒ２は被照射体側レンズ面の凹形状の面の中央での曲率半径、ＣＡ１は前記光源側レンズ面の凹形状面の入射有効開口径を示す）となっていることによって、前記配光を制御していることを特徴とする光源装置。
2. 前記レンズが、透明樹脂、又は透明ゴムで形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
3. 請求項１に記載の光源装置が、１個、又は複数個並べられて、基材上に配置されていることを特徴とする照明器具。
4. 前記光源装置の複数が、直下型バックライトとして照明すべき被照射体へ向けられ、平面状の前記基材上に、一定の配列間隔をあけて配置されていることを特徴とする請求項３に記載の照明器具。

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