特許 7267661 バルク型レンズ、発光体及びバルク型レンズの設計方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-04-24

(45)【発行日】2023-05-02

(54)【発明の名称】バルク型レンズ、発光体及びバルク型レンズの設計方法

(51)【国際特許分類】

   F21V 5/00 20180101AFI20230425BHJP

   G02B 3/04 20060101ALI20230425BHJP

   G02B 3/08 20060101ALI20230425BHJP

   F21Y 115/10 20160101ALN20230425BHJP

【ＦＩ】

F21V5/00 510

G02B3/04

G02B3/08

F21Y115:10

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2022510622

(86)(22)【出願日】2021-03-24

(86)【国際出願番号】 JP2021012370

(87)【国際公開番号】W WO2021193758

(87)【国際公開日】2021-09-30

【審査請求日】2022-07-29

(31)【優先権主張番号】P 2020070640

(32)【優先日】2020-03-24

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】599104299

【氏名又は名称】ラボ・スフィア株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100218280

【弁理士】

【氏名又は名称】安保 亜衣子

(74)【代理人】

【識別番号】100108914

【弁理士】

【氏名又は名称】鈴木 壯兵衞

(74)【代理人】

【識別番号】100173864

【弁理士】

【氏名又は名称】齊藤 健治

(72)【発明者】

【氏名】大塚 晃

(72)【発明者】

【氏名】玉置 智

【審査官】安食 泰秀

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１８－０３７４０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－０９３６２２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ２１Ｖ ５／００

Ｇ０２Ｂ ３／０４

Ｇ０２Ｂ ３／０８

Ｆ２１Ｙ １１５／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

面状発光素子の主発光部を収納するバルク型レンズであって、該バルク型レンズが、
曲率が連続して変化する湾曲面からなる出射面と、
該出射面に接する光学媒体からなる光伝送部と、
該光伝送部に接する後方外壁面と、
前記光伝送部の内部に設けられた天井部及び該天井部に接続する側壁で構成され、前記主発光部を収納する凹部と、
を備え、前記面状発光素子の発光面の中心を通る、前記発光面の法線方向を光軸とし、該光軸からの傾斜角を照射角と定義した場合において、前記面状発光素子の発光面の中心から発光する光に対して、
前記天井部の中央を通って前記出射面の中央領域の第1出射点から出射する光の照射角と、前記側壁に近い前記天井部を通って前記中央領域の第２出射点から出射する光の照射角の差を１０度以内の第１照射角範囲となるように、前記第1及び第２出射点における前記湾曲面に対する接平面の角度を設定し、
前記側壁の最上部から入射し前記後方外壁面の第１反射点で反射して前記出射面の周辺領域の第３出射点から出射する光の照射角と、前記側壁の前記天井部から離れた位置から入射した光が前記後方外壁面の第２反射点で反射して前記周辺領域の第４出射点から出射する照射角の差が１０度以内の第２照射角範囲となるように、前記第３及び第４出射点における前記湾曲面に対する接平面の角度と、前記第１及び第２反射点における前記後方外壁面の接平面の角度を設定し、
前記第１照射角範囲と前記第２照射角範囲を同一にしたことを特徴とするバルク型レンズ。

【請求項2】

前記面状発光素子の発光面の中心に位置する発光点から放出される光に関し、すべての前記照射角が0度であることを特徴とする請求項1に記載のバルク型レンズ。

【請求項3】

前記光軸の方向をＺ軸とし、該Ｚ軸に互いに直交するＸ軸とＹ軸からなる座標系において、Ｘ軸方向とＹ軸方向で異なる照射角とし、長方形のた照度分布で照明するように設計されたことを特徴とする請求項1又は２に記載のバルク型レンズ。

【請求項4】

前記光軸の方向をＺ軸とし、該Ｚ軸に互いに直交するＸ軸とＹ軸からなる座標系において、前記発光面の中心に位置する発光点から放出される光に対し、
Ｙ軸の＋または－方向の照射角をすべて０度に設計し、
Ｙ軸の－または＋方向の照射光の強度を徐々に小さく設計したことを特徴とする請求項1又は２に記載のバルク型レンズ。

【請求項5】

前記天井部が平面であり、前記側壁が母線を直線とする2次曲面であることを特徴とする請求項1～4のいずれか1項に記載のバルク型レンズ。

【請求項6】

前記光伝送部の両側に、第１及び第２固定用足場が対をなして接続された構造であることを特徴とする請求項1～５のいずれか1項に記載のバルク型レンズ。

【請求項7】

前記第１固定用足場に第１貫通孔が設けられ、前記第２固定用足場に第２貫通孔が設けられていることを特徴とする請求項６に記載のバルク型レンズ。

【請求項8】

面状発光素子と該面状発光素子を収納するバルク型レンズを備える発光体であって、前記バルク型レンズが、
曲率が連続して変化する湾曲面からなる出射面と、
該出射面に接する光学媒体からなる光伝送部と、
該光伝送部に接する後方外壁面と、
前記光伝送部の内部に設けられた天井部及び該天井部に接続する側壁で構成され、前記面状発光素子の主発光部を収納する凹部と、
を有し、該凹部に前記面状発光素子が規定の位置関係で固定されて収納され、前記面状発光素子の発光面の中心を通る、前記発光面の法線方向を光軸とし、該光軸からの傾斜角を照射角と定義した場合において、前記面状発光素子の発光面の中心から発光する光に対して、
前記天井部の中央を通って前記出射面の中央領域の第１出射点から出射する光の照射角と、前記側壁に近い前記天井部を通って前記中央領域の第２出射点から出射する光の照射角の差を１０度以内の第１照射角範囲となるように、前記第１及び第２出射点における前記湾曲面に対する接平面の角度を設定し、
前記側壁の最上部から入射し前記後方外壁面の第１反射点で反射して前記出射面の周辺領域の第３出射点から出射する光の照射角と、前記側壁の前記天井部から離れた位置から入射した光が前記後方外壁面の第２反射点で反射して前記周辺領域の第４出射点から出射する照射角の差が１０度以内の第２照射角範囲となるように、前記第３及び第４出射点における前記湾曲面に対する接平面の角度と、前記第１及び第２反射点における前記後方外壁面の接平面の角度を設定し、
前記第１照射角範囲と前記第２照射角範囲を同一にしたことを特徴とする発光体。

【請求項9】

面状発光素子の主発光部を収納するバルク型レンズの設計方法であって、
曲率が連続して変化する湾曲面からなる出射面、該出射面に接する光学媒体からなる光伝送部、該光伝送部に接する後方外壁面、前記光伝送部の内部に設けられた天井部及び該天井部に接続する側壁で構成され前記主発光部を収納する凹部を有する初期設計外形線を描くステップと、
該凹部に収納される前記面状発光素子の相対位置を決めるステップと、
前記側壁の最上部から入射した光が前記後方外壁面に到達する第１反射点と、前記側壁の前記天井部から離れた位置から入射した光が前記後方外壁面に到達する第２反射点を決定するステップと、
前記第１及び第２反射点で反射した光が、前記出射面の周辺領域に到達するように、前記第１及び第２反射点における前記後方外壁面の接平面の角度を設定するステップと、
前記天井部の中央を通って前記出射面の中央領域の第1出射点から出射する光の照射角と、前記側壁に近い前記天井部を通って前記中央領域の第２出射点から出射する光の照射角の差を１０度以内の第１照射角範囲となるように、前記第1及び第２出射点における前記湾曲面に対する接平面の角度を設定するステップと、
前記第１反射点で反射して前記出射面の周辺領域の第３出射点から出射する光の照射角と、前記第２反射点で反射して前記周辺領域の第４出射点から出射する照射角の差が１０度以内の第２照射角範囲となるように、前記第３及び第４出射点における前記湾曲面に対する接平面の角度と、前記第１及び第２反射点における前記後方外壁面の接平面の角度を設定するステップと、
を含むことを特徴とするバルク型レンズの設計方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

面発光をする発光ダイオード（ＬＥＤ）などの高出力面状発光素子からの出射光を効率良く集光し、比較的狭い照射角で出射することが出来るバルク型レンズ、及びこのバルク型レンズと面状発光素子を組み合わせた発光体、更にはバルク型レンズの設計方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

平坦な発光面を有するＬＥＤ光源の発光面からの放出光の強度は、発光面の法線方向からの傾きで定義される照射角の余弦関数で低下し、ＬＥＤ光源と照射位置の距離の２乗に反比例する。例えば道路照明において、路肩の照明器具から距離が長く離れた路面に向かって照射する場合は、照射光の光軸と路面なす角度が小さくなり、高い照度が得られない。一方、照明器具の直下ではＬＥＤ光源と照射位置の距離が短く、照射光の光軸と路面なす角度が直角になるために照度が高くなる。よって、照明器具から離れた路面と照明器具の直下を、均一な照度にすることが難しい。

【0003】

一方、集光効率を高めるために、図１１に示すような第１出射面３３と第２出射面３４の接続部での曲率が不連続となる光学的設計のバルク型レンズ１ｄが知られている（特許文献１参照。）。図１１に示す従来のバルク型レンズ１ｄでは、大出力用に構成された大面積のＬＥＤ光源９１dの中央に位置する中心発光点から出射し、照射角の小さい光路の光は凹部の天井部４２ｄに入射してからバルク型レンズ１ｄの上部の第１出射面３３から出射される。一方、中心発光点から大きな発光角で放出された光は、凹部の側壁４３ｄから入射し、バルク型レンズ１ｄの後方外壁面４４ｄで反射してから、バルク型レンズ１ｄの上部の第２出射面３４から出射する。図１２に破線で示した光路６５－１’は、発光角は中心発光点から放出された光路６５－１と同じであるが、ＬＥＤ光源９１dの右側端部側の端部発光点から発光しているので、中心発光点から距離ｄだけずれている。光路６５－１’は、凹部の側壁４３ｄを入射面として、バルク型レンズ１ｄに入射して、バルク型レンズ１ｄの第２出射面３４から出射する。

【0004】

図１２に破線で示した光路６５－２’は、発光角が中心発光点から出射する実線で示した光路６５－２と同じで、ＬＥＤ光源９１dの左側端部側を端部発光点として発光している。中心発光点から距離ｄだけずれて光路６５－２’が開始しているので、光路６５－２に対して当初設計した凹部の側壁４３ｄとは異なる天井部４２ｄに入射する。そして、光路６５－２’の光は当初設計とは異なる第２出射面３４の位置から出射する。従来のバルク型レンズ１ｄにおいて、ＬＥＤ光源９１dの発光面の面積が大きい場合には、端部発光点から発光する光路の光が、当初設計と異なる出射面から、当初設計の照射角と異なる広い照射角で出射し、集光効率が低下する。この問題を避けるためには第１出射面３３と第２出射面３４の間隔を大きくすれば軽減できるが、バルク型レンズ１ｄ形状が大きくなってしまうという新たな問題が発生する。

【0005】

１０万人規模の大競技場や道路照明等に用いる大きな面積の発光面を有するＬＥＤ光源９１dの場合は、端部発光点からの光まで考慮して、バルク型レンズ１ｄの照射角や照射光強度を設計することが求められる。しかしながら、図１１に示す従来のバルク型レンズ１ｄでは、第１出射面３３と第２出射面３４の接続部での曲率が不連続であるので、複数の分散した発光点の位置を考慮して、バルク型レンズ１ｄの照射角や照射光強度を設計するのは難しい。このように従来のバルク型レンズ１ｄには、大競技場や道路照明等の広い照射面積への照明する場合において、集光効率が低下しやすいという問題があった。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】特開２００５－９３６２２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

本発明は、コンパクトな構造で、大面積の面状発光素子を用いても狭い照射角が実現可能で、且つ広い照射面積を均一性が優れた光強度分布で効率良く照明できるバルク型レンズ、バルク型レンズと面状発光素子を組み合わせた発光体、及びバルク型レンズの設計方法を提供することを目的とする。

【課題を解決すための手段】

【0008】

本発明の第１の態様は、面状発光素子の主発光部を収納するバルク型レンズに関する。この第１の態様に係るバルク型レンズは、(a) 曲率が連続して変化する湾曲面からなる出射面と、(b) この出射面に接する光学媒体からなる光伝送部と、(c) この光伝送部に接する後方外壁面と、(d) 光伝送部の内部に設けられた天井部及びこの天井部に接続する側壁で構成され、主発光部を収納する凹部を備える。第１の態様に係るバルク型レンズでは、面状発光素子の発光面の中心を通る、発光面の法線方向を光軸とし、この光軸からの傾斜角を照射角と定義した場合において、面状発光素子の発光面の中心から発光する光に対して、天井部の中央を通って出射面の中央領域の第1出射点から出射する光の照射角と、側壁に近い天井部を通って中央領域の第２出射点から出射する光の照射角の差を１０度以内の第１照射角範囲となるように、第1及び第２出射点おける湾曲面に対する接平面の角度が設定されている。更に第１の態様に係るバルク型レンズでは、側壁の最上部から入射し後方外壁面の第１反射点で反射して出射面の周辺領域の第３出射点から出射する光の照射角と、側壁の天井部から離れた位置から入射した光が後方外壁面の第２反射点で反射して周辺領域の第４出射点から出射する照射角の差が１０度以内の第２照射角範囲となるように、第３及び第４出射点おける湾曲面に対する接平面の角度と、第１及び第２反射点における後方外壁面の接平面の角度を設定されている。更に、第１の態様に係るバルク型レンズでは、第１照射角範囲と第２照射角範囲が同一にされている。

【0009】

本発明の第２の態様は、第１の態様に係るバルク型レンズと、この第１の態様に係るバルク型レンズの凹部に収納されるように、規定の位置関係で固定された面状発光素子とを備える発光体であることを要旨とする。よって、第１の態様に係るバルク型レンズと同様に、第２の態様に係る発光体では、面状発光素子の発光面の中心を通る、発光面の法線方向を光軸とし、この光軸からの傾斜角を照射角と定義した場合において、面状発光素子の発光面の中心から発光する光に対して、天井部の中央を通って出射面の中央領域の第1出射点から出射する光の照射角と、側壁に近い天井部を通って中央領域の第２出射点から出射する光の照射角の差を１０度以内の第１照射角範囲となるように、第1及び第２出射点おける湾曲面に対する接平面の角度が設定されている。更に第２の態様に係る発光体では、側壁の最上部から入射し後方外壁面の第１反射点で反射して出射面の周辺領域の第３出射点から出射する光の照射角と、側壁の天井部から離れた位置から入射した光が後方外壁面の第２反射点で反射して周辺領域の第４出射点から出射する照射角の差が１０度以内の第２照射角範囲となるように、第３及び第４出射点おける湾曲面に対する接平面の角度と、第１及び第２反射点における後方外壁面の接平面の角度を設定されている。更に、第２の態様に係る発光体では、第１照射角範囲と第２照射角範囲が同一にされている。

【0010】

本発明の第３の態様は、(p) 曲率が連続して変化する湾曲面からなる出射面、この出射面に接する光学媒体からなる光伝送部、この光伝送部に接する後方外壁面、光伝送部の内部に設けられた天井部及びこの天井部に接続する側壁で構成され主発光部を収納する凹部を有する初期設計外形線を描くステップと、(q) この凹部に収納される面状発光素子の相対位置を決めるステップと、(r) 側壁の最上部から入射した光が後方外壁面に到達する第１反射点と、側壁の天井部から離れた位置から入射した光が後方外壁面に到達する第２反射点を決定するステップと、(s) 第１及び第２反射点で反射した光が、出射面の周辺領域に到達するように、第１及び第２反射点における後方外壁面の接平面の角度を設定するステップと、(t) 天井部の中央を通って出射面の中央領域の第1出射点から出射する光の照射角と、側壁に近い天井部を通って中央領域の第２出射点から出射する光の照射角の差を１０度以内の第１照射角範囲となるように、第1及び第２出射点おける湾曲面に対する接平面の角度を設定するステップと、(u) 第１反射点で反射して出射面の周辺領域の第３出射点から出射する光の照射角と、第２反射点で反射して周辺領域の第４出射点から出射する照射角の差が１０度以内の第２照射角範囲となるように、第３及び第４出射点おける湾曲面に対する接平面の角度と、第１及び第２反射点における後方外壁面の接平面の角度を設定するステップを含むバルク型レンズの設計方法であることを要旨とする。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、発光面の面積の大きい面状発光素子の発光面の大きさを効率良く使うことが可能であり、コンパクトな構造により中心発光点から離れた位置から発光する光の影響を少なくし、狭い照射角で集光効率を高くし、且つ広い照射面積を均一性が優れた光強度分布で効率良く照明できるバルク型レンズ、発光体及びバルク型レンズの設計方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1A】本発明の第１実施形態に係るバルク型レンズ中を透過する複数の光路の軌跡を示す模式的な断面図である。

【図1B】第１実施形態に係るバルク型レンズの出射面の設計思想の概念を説明する模式的な断面図である。

【図1C】第１実施形態に係るバルク型レンズに定義される出射面の区分を示す上面図（平面図）である。

【図1D】第１実施形態に係るバルク型レンズの凹部に収納される半導体発光素子の構造を説明する模式的な断面図である。

【図1E】第１実施形態に係るバルク型レンズの設計方法の概略を説明する、簡略化されたフローチャートである。

【図2】第１実施形態に係るバルク型レンズにおいて、中心発光点から距離ｄだけずれた位置を発光点とする複数の出射光の光路の軌跡を示す模式的な断面図である。

【図3】本発明の第２実施形態に係るバルク型レンズ中を透過する複数の光路の軌跡を示す模式的な断面図である。

【図4】第２実施形態に係るバルク型レンズにおいて、中心発光点から距離ｄだけずれた位置を発光点とする複数の出射光の光路の軌跡を示す模式的な断面図である。

【図5】本発明の第３実施形態に係るバルク型レンズの光軸と直交するＸ軸方向に沿った断面における光路の軌跡を示す模式的な断面図である。

【図6】第３実施形態に係るバルク型レンズの光軸及びＸ軸と直交するＹ軸方向に沿った断面における光路の軌跡を示す模式的な断面図である。

【図7】第３実施形態に係るバルク型レンズの底面から見た形状を示す模式的な底面図である。

【図8】本発明の第４実施形態に係るバルク型レンズの光軸と直交するＸ軸方向に沿った断面における光路の軌跡を示す模式的な断面図である。

【図9】第４実施形態に係るバルク型レンズの光軸及びＸ軸と直交するＹ軸方向に沿った断面における光路の軌跡を示す模式的な断面図である。

【図10】第４実施形態に係るバルク型レンズの底面から見た形状を示す模式的な底面図である。

【図11】従来のバルク型レンズ中を透過する複数の光路の軌跡を示す模式的な断面図である。

【図12】図１１のバルク型レンズにおいて、中心発光点から距離ｄだけずれた位置を発光点とする複数の出射光の光路の軌跡を示す模式的な断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

次に、図面を参照して、本発明の第１～第４実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。

【0014】

また、以下に示す第１～第４実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、請求の範囲に記載された請求項が規定する技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。

【0015】

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態に係るバルク型レンズ１ｅは、図１Ａに示すように、ＬＥＤ等の面状発光素子９１ｅの主発光部を収納するバルク型レンズ１ｅである。第１実施形態に係るバルク型レンズ１ｅは、 曲率が連続して変化する湾曲面からなる出射面３６ｃと、この出射面３６ｃに接する光学媒体からなる塊状（バルク状）の光伝送部３９ｅと、この光伝送部３９ｅに接する後方外壁面４４ｅと、光伝送部３９ｅの内部に設けられた天井部４２ｅ及びこの天井部４２ｅに接続する側壁４３ｅで構成され、主発光部を収納する凹部（４２ｅ，４３ｅ）を備える。後方外壁面４４ｅは、 出射面３６ｃに光学的に対向している。「光学的に対向」とは、出射面３６ｃと後方外壁面４４ｅがほぼ並行に対峙する必要はなく、後方外壁面４４ｅで反射した光が出射面３６ｃに到達するような関係であればよいという意味である。凹部（４２ｅ，４３ｅ）は、後方外壁面４４ｅの一部から出射面３６ｃの方向に沿って光伝送部３９ｅの内部に天井部４２ｅが位置するように、この天井部４２ｅとこの天井部４２ｅに接続する側壁４３ｅで構成され、ＬＥＤ等の面状発光素子９１ｅの主発光部を収納する。以下の説明において、便宜上後方外壁面４４ｅは全反射条件で設計できるように説明しているが、光出射特性や外形などの条件により全反射条件にならない場合は、後方外壁面４４ｅに反射率の高い金属膜等の鏡面反射処理を行った構造でも構わない。

【0016】

出射面３６ｃの形状を規定する「曲率が連続して変化する湾曲面からなる」の表現は「なだらかな湾曲面」を数学的に定義したものである。例えば、図１１及び図１２に示した構造では、曲率半径の小さな第１出射面３３と、第１出射面３３の曲率半径よりも大きな曲率半径の第２出射面３４が交わっており、第１出射面３３と第２出射面３４の交点において曲率が不連続である。図１１及び図１２に示した構造は立体形状であるので、図１１及び図１２の断面図上における第１出射面３３と第２出射面３４の曲率不連続点は３次元座標における曲率不連続線になる。これに対して、第１実施形態に係るバルク型レンズ１ｅの出射面３６ｃは、曲率が連続して変化する湾曲面であるので、曲率不連続線は存在しない。

【0017】

例えば、図１Ｂに示すように、出射面３６ｃは複数の円弧の包絡面として、曲率が連続して変化する湾曲面を構成している。図１Ｂでは面状発光素子９１ｅの発光面の中心を通る発光面の法線方向を、第１実施形態に係るバルク型レンズ１ｅの「光軸」と定義したときに、光軸上の中心点Ｏ_v1を中心とする曲率半径Ｒ₀の円弧、曲率半径Ｒ₁₁の円弧、曲率半径Ｒ₁₂＝Ｒ₁₁の円弧、曲率半径Ｒ₁₃の円弧、曲率半径Ｒ₁₄＝Ｒ₁₃の円弧の包絡面として、出射面３６ｃの中央領域３６Ｃ_cが構成され

Ｒ₁₃＞Ｒ₁₁＞Ｒ₀ ……（1ａ）
Ｒ₁₄＞Ｒ₁₂＞Ｒ₀ ……（1ｂ）


の関係をなしている。

【0018】

一方、光軸上の中心点Ｏ_v2を中心とする曲率半径Ｒ₁₅の円弧、曲率半径Ｒ₁₆＝Ｒ₁₅の円弧の包絡面が、出射面３６ｃの中央領域３６Ｃ_cの包絡面に連続することにより、出射面３６ｃの周辺領域３６Ｃ_oが構成されているので、曲率が連続して変化する湾曲面になっているが、

Ｒ₁₅＞Ｒ₁₃ ……（２ａ）
Ｒ₁₆＞Ｒ₁₅ ……（２ｂ）


の関係をなしている。

【0019】

又、周辺領域３６Ｃ_oを構成する包絡面は、凹部（４２ｅ，４３ｅ）の天井部４２ｅの左側端部に中心点Ｏ_v3を有する曲率半径Ｒ₁₇の円弧、凹部の天井部４２ｅの右側端部に中心点Ｏ_v4を有する曲率半径Ｒ₁₈＝Ｒ₁₇の円弧の包絡面と連続するように構成され、

Ｒ₁₇＞Ｒ₁₃ ……（３ａ）
Ｒ₁₈＞Ｒ₁₅ ……（３ｂ）

の関係をなしている。このため、曲率半径Ｒ₁₅の円弧と曲率半径Ｒ₁₇の円弧は、曲率が連続して変化する周辺領域３６Ｃ_oの湾曲面として、更に左側の外方に広がっている。又、湾曲面半径Ｒ₁₆の円弧と曲率半径Ｒ₁₈の円弧は、曲率が連続して変化する周辺領域３６Ｃ_oの湾曲面として、更に右側の外方に広がっている。そして、出射面３６ｃの周辺領域３６Ｃ_oの湾曲面は、中央領域３６Ｃ_cの湾曲面と曲率が連続して変化する湾曲面として連続している。図１Ｂから分かるように、出射面３６ｃの周辺領域３６Ｃ_oの法線ベクトルと、中央領域３６Ｃ_cの法線ベクトルとは方向と、その曲率半径の中心位置が異なる。

【0020】

ただし、図１Ｂに示した中心点Ｏ_v1，Ｏ_v2，Ｏ_v3，Ｏ_v4の位置や、曲率半径Ｒ₁₅，Ｒ₁₆，Ｒ₁₇，Ｒ₁₈の大きさを、大小関係等は、設計概念を模式的に示す例示に過ぎず、実際の設計に際しては異なる中心点の位置や曲率半径大きさや大小関係が採用されることは勿論である。特に、後述する式（４）で示すフレネ＝セレの公式が示すように、曲率半径Ｒ₁₅，Ｒ₁₆，Ｒ₁₇，Ｒ₁₈の大きさや中心点Ｏ_v1，Ｏ_v2，Ｏ_v3，Ｏ_v4の位置等は、法線ベクトルの方向に依存する。法線ベクトルの方向は、接平面の角度で決まり、接平面の角度は、スネルの法則によって、所望の照射角θ_illumに対して決定される。即ち、図１Ｂに示した中心点Ｏ_v1，Ｏ_v2，Ｏ_v3，Ｏ_v4の位置等は、スネルの法則によって決まる実際の設計に用いられる中心点の位置とは異なるものである。

【0021】

一般には、現実の設計に関しては周辺領域３６Ｃ_oの曲率を定義する曲率半径Ｒ₁₅，Ｒ₁₆，Ｒ₁₇，Ｒ₁₈の大きさを、光軸と法線ベクトルの方向を等しくする円弧の曲率半径Ｒ₀よりも大きくすることが好ましい。図１Ｃのバルク型レンズ１ｅの上面図には、説明の便宜上、中央領域３６Ｃ_cと周辺領域３６Ｃ_oの境界を模式的に２点鎖線（仮想線）で示している。しかし、第１実施形態に係るバルク型レンズ１ｅの出射面３６ｃは、曲率が連続して変化する湾曲面であるので、上面図として、実際には２点鎖線で示すような曲率不連続線は見えないことに留意が必要である。なお、設計が難しくなるので好ましくはないが、曲率が連続していれば、出射面３６ｃの一部に変曲点が含まれていてもよい。「変曲点」とは、図１Ｂの断面図において現れる出射面３６ｃのような曲線に関して定義され、二階微分可能で、二階の導関数が連続であるが、二階の導関数の符号が変化する点である。変曲点は3次元空間では接平面の角度の増減が入れ替わる点である。例えばロジスティック曲線やゴンベルツ曲線のようなＳ字型カーブが断面図に含まれていてもよい。

【0022】

図１Ｂに示すように、第１実施形態に係るバルク型レンズ１ｅは、面状発光素子９１ｅの発光面の中心から出射する光に対して、天井部４２ｅの中央の入射点Ｔ₀を通って出射面３６ｃの中央領域３６Ｃ_cの第1出射点Ｅ₀から出射する光の照射角θ_illumと、側壁４３ｅに近い天井部４２ｅの入射点Ｔ₁₃，Ｔ₁₄を通って中央領域３６Ｃ_cの第２出射点Ｅ₁₃，Ｅ₁₄から出射する光の照射角θ_illumの差を１０度以内の第１照射角範囲となるように、第1出射点Ｅ₀及び第２出射点Ｅ₁₃，Ｅ₁₄における湾曲面に対する接平面の角度を設定されている。なお、「照射角θ_illum」は、面状発光素子９１ｅの発光面の法線方向からの傾きで定義される。面状発光素子９１ｅの発光面の中心を通る発光面の法線方向を、第１実施形態に係るバルク型レンズ１ｅの光軸としているので、「照射角θ_illum」は光軸からの傾斜角と同義である。「曲率ベクトル」は「接線ベクトル」を微分することで求められ、「曲率」は曲率ベクトルの絶対値である。又曲率ベクトルは出射点における出射面３６ｃの法線ベクトルであり、接線ベクトルに直交する。

【0023】

簡単化のためにバルク型レンズ１ｅの3次元構造を、図１Ｂに示した断面図上の２次元構造で光路を設計するとする。図１Ｂに示した２次元構造の表現において、出射面３６ｃの接線方向を指す単位ベクトルをＴ、出射面３６ｃの主法線方向を指す単位ベクトルをN、出射面３６ｃの従法線方向を指す単位ベクトルをＢとすると、よく知られているように、フレネ＝セレの公式は、以下の式（４）で表される。

【数1】

式（４）で、d/ds は、出射面３６ｃの弧長についての微分を表し、κは出射面３６ｃの曲率、τは出射面３６ｃの捩率（れいりつ）を表す。捩率は、図１Ｂに単純化した出射面３６ｃを示す平面曲線における曲率の空間版に相当する。

【0024】

なお、従法線ベクトルＢは、接線ベクトルＴと主法線ベクトルの外積である：

Ｂ＝Ｔ×Ｎ ……（５）

フレネ＝セレの公式から、天井部４２ｅの中央の入射点Ｔ₀を通って出射面３６ｃの中央領域３６Ｃ_cの第1出射点Ｅ₀から出射する光の照射角θ_illumと、側壁４３ｅに近い天井部４２ｅの入射点Ｔ₁₃，Ｔ₁₄を通って中央領域３６Ｃ_cの第２出射点Ｅ₁₃，Ｅ₁₄から出射する光の照射角θ_illumの差を１０度以内の第１照射角範囲とすることは、第1出射点Ｅ₀及び第２出射点Ｅ₁₃，Ｅ₁₄における中央領域３６Ｃ_cの曲率半径を設計することになる。

【0025】

又、側壁４３ｅの最上部側の入射点Ｓ₁₁，Ｓ₁₂から入射し後方外壁面４４ｅの第１反射点Ｂ₁₁，Ｂ₁₂で反射して出射面３６ｃの周辺領域３６Ｃ_oの第３出射点Ｅ₁₇，Ｅ₁₈から出射する光の照射角θ_illumと、側壁４３ｅの天井部４２ｅから離れた位置の入射点Ｓ₁₃，Ｓ₁₄から入射した光が後方外壁面４４ｅの第２反射点Ｂ₁₃，Ｂ₁₄で反射して周辺領域３６Ｃ_oの第４出射点Ｅ₁₅，Ｅ₁₆から出射する照射角θ_illumの差が１０度以内の第２照射角範囲となるように、第３出射点Ｅ₁₇，Ｅ₁₈及び第４出射点Ｅ₁₅，Ｅ₁₆における湾曲面に対する接平面の角度と、第１及び第２反射点Ｂ₁₁，Ｂ₁₂，Ｂ₁₃，Ｂ₁₄における後方反射面４４に対する接平面の角度と、必要に応じて、側壁４３ｅを構成する直線状の母線の傾斜角が設定されている。フレネ＝セレの公式を考慮すると、このことは、第３出射点Ｅ₁₇，Ｅ₁₈及び第４出射点Ｅ₁₅，Ｅ₁₆における中央領域３６Ｃ_cの曲率半径及び第１及び第２反射点Ｂ₁₁，Ｂ₁₂，Ｂ₁₃，Ｂ₁₄における後方反射面４４の曲率半径を設計することになる。更に、第１実施形態に係るバルク型レンズ１ｅでは、第１照射角範囲と第２照射角範囲を同一になるように設定される。

【0026】

図１Ａに示すように、第１実施形態に係るバルク型レンズ１ｅに収納される面状発光素子９１ｅは素子実装基板９２ｅの上に搭載され、素子実装基板９２ｅは、素子実装基板９２ｅよりも大面積のプリント基板９３ｅの上に搭載されている。プリント基板９３ｅは、プリント基板９３ｅよりも大面積の金属板９４ｅの上に搭載され、プリント基板９３ｅと金属板９４ｅの積層構造をなしている。第１実施形態に係るバルク型レンズ１ｅは、バルク型レンズ１ｅの左側に突出し、バルク型レンズ１ｅの光伝送部３９ｅと一体化している第１固定用足場９５ｅと、バルク型レンズ１ｅの右側に突出し、バルク型レンズ１ｅの光伝送部３９ｅと一体化している第２固定用足場９６ｅを有している。第１固定用足場９５ｅ及び第２固定用足場９６ｅは、それぞれ後方外壁面４４ｅと出射面３６ｃの間で接続されている。

【0027】

第１固定用足場９５ｅ及び第２固定用足場９６ｅは、それぞれ四角柱の形状をなしている。第１固定用足場９５ｅ及び第２固定用足場９６ｅを、動物のワニの両足に例えると、ワニの胴に相当する塊状の光伝送部３９ｅが、第１固定用足場９５ｅ及び第２固定用足場９６ｅに支えられ浮き上がった構造に擬制できる。第１固定用足場９５ｅの中央には、四角柱の柱軸方向に貫通する円筒状の第１貫通孔９７ｅが開孔され、第２固定用足場９６ｅの中央にも、第１貫通孔９７ｅと平行に貫通する円筒状の第２貫通孔９８ｅが開孔されている。プリント基板９３ｅと金属板９４ｅとの積層構造は、第１貫通孔９７ｅ及び第２貫通孔９８ｅに対応する２つの位置に、それぞれ貫通孔が開孔されている。第１貫通孔９７ｅ及び第１貫通孔９７ｅに連続するプリント基板９３ｅと金属板９４ｅの左側の貫通孔に、ビス等の固定具を貫通させ、第２貫通孔９８ｅ及び第２貫通孔９８に連続するプリント基板９３ｅと金属板９４ｅの右側の貫通孔にも固定具を貫通させることにより、バルク型レンズ１ｅは、プリント基板９３ｅを介して金属板９４ｅにワニ型の固定がされる。

【0028】

図１Ｄは、面状発光素子９１ｅの主発光部を説明する図であり、上面から光が放出されるＬＥＤの構成の一例を示す。図１Ｄに例示した面状発光素子９１ｅは、たとえばＧａＡｓ基板９１８上に形成されたバッファ層９１７と、スペーサ層９１６と、ｎ型コンタクト層９１５と、ｎ型バリア層９１４と、活性層９１３と、ｐ型バリア層９１２と、ｐ型コンタクト層９１１とを備えている。ｐ型コンタクト層９１１の上面からｎ型コンタクト層９１５の中央付近に至るまでの側部がたとえばメサエッチングなどの手段により除去されており、それにより露出させられたｎ型コンタクト層９１５の上面にｎ型電極９２２が、ｐ型コンタクト層９１１の上面にｐ型電極９２１がそれぞれ設けられている。

【0029】

図１Ｄに示すように構成された面状発光素子９１ｅにおいては、ｐ型コンタクト層９１１の上面におけるｐ型電極９２１の開口部が面状の発光面をなし、図１Ａ及び図１Ｂに示した光路６６－１，６６－２，６６－３，６６－４，……の光が、発光面上に定義される多数（無限数）の発光点から放出される。図１Ｄに示した例で説明すれば、ｐ型電極９２１の開口部に露出した発光面が、「面状発光素子９１ｅの主発光部」の一例となるが、図１Ｄに示す構造に限定されるものではない。白色ＬＥＤの場合は、図１Ｄのｐ型電極９２１の開口部に露出した発光面の上に、更に蛍光剤が塗布、若しくは蛍光剤の層が構成される。この蛍光剤の上面が発光面となる。このような白色ＬＥＤでは、蛍光剤とこの蛍光剤を収納する容器の上部端部であって、発光面となる蛍光剤を額縁状に囲む枠の部分が、「面状発光素子９１ｅの主発光部」の他の一例になる。

【0030】

バルク型レンズ１ｅの凹部（４２ｅ，４３ｅ）の天井部４２ｅは、凸レンズ状であると、光軸方向への集光性が高くなり、より広い発光角θ_radの面状発光素子９１ｅからの光を、バルク型レンズ１ｅから小さい照射角θ_illumで出射できる。面状発光素子９１ｅからの発光角θ_radの大きな光では天井部４２ｅでの反射率が高くなる。このため、面状発光素子９１ｅの発光面の面積が大きい場合は、中心発光点から距離ｄだけずれた位置を発光点とする光の影響も大きくなる。一方、従来のバルク型レンズの凹部の天井部が凹レンズ状であると、面状発光素子９１ｅのより多くの発光角θ_radの光を、バルク型レンズの出射面方向に屈折させて入射することが出来る。しかし、小さい照射角θ_illumでバルク型レンズのから出射することが出来るのは、面状発光素子９１ｅからの、より狭い発光角θ_radの光だけとなる。

【0031】

第１実施形態に係るバルク型レンズ１ｅのように、面状発光素子９１ｅからの発光角θ_radの大きい光は凹部（４２ｅ，４３ｅ）の側壁４３ｅから入射してバルク型レンズ１ｅの後方外壁面４４ｅで反射させて、バルク型レンズ１ｅの出射面３６ｃから出射する。後方外壁面４４ｅで反射させる方式のバルク型レンズ１ｅでは、面状発光素子９１ｅから出射するほぼすべての光を、狭い照射角θ_illumで出射させることが出来るので、第１実施形態に係るバルク型レンズ１ｅでは、凹部の側壁４３ｅは設計が容易な母線が直線である２次曲面が好ましい。凹部の天井部４２ｅの外形をなす曲線上のすべての点を通り，一定直線に平行なすべての母線によってつくられる２次曲面 (線織面 )は柱面である。凹部の天井部４２ｅの外形をなす曲線上のすべての点と，凹部の天井部４２ｅの上にない一定点とを結んだすべての母線によってつくられる２次曲面 (線織面)は錐面である。

【0032】

主発光部を収納する凹部（４２ｅ，４３ｅ）は、後述する図7及び図１０に示したように円筒形もしくは円錐台の形状を基本とする。しかし、円筒形もしくは円錐台は例示であり、円筒形もしくは円錐台に限定されるものではない。例えば、設計が複雑化することをいとわなければ、円筒の側面の母線が直線でないように設定してもよい。或いは、円筒や円錐台の上面を、曲率半径の大きな湾曲面状にする等の変形例も可能である。このように、円筒形もしくは円錐台の基本形状に種々のトポロジを加える変形も可能ではあるが、円筒形もしくは円錐台を変形する際に曲率半径の小さな湾曲面状の変形にする場合は、光路の設計が困難になることに留意が必要である。

【0033】

第１実施形態に係るバルク型レンズ１ｅの設計をより容易にするためには、凹部の側壁４３ｅを３面以上の複数の平面で構成してもよい。側壁４３ｅが、４つの平面からなるときは、凹部（４２ｅ，４３ｅ）は直方体になる。複数の平面の数が２０面以上の多数の面になってくると円柱面に近づいてくる。凹部の側壁４３ｅは、入射面での屈折角が大きい方がバルク型レンズ１ｅの後方外壁面４４ｄの直径を小さく出来る。凹部の天井部４２ｅと側壁４３ｅとのなす角が、９０度より大きくなると、第１実施形態に係るバルク型レンズ１ｅの金型での製作が難しくなる。このため、第１実施形態に係るバルク型レンズ１ｅでは、光軸とほぼ並行の直線状の母線の方向とし、凹部（４２ｅ，４３ｅ）を円筒状とすることが好ましい。

【0034】

凹部（４２ｅ，４３ｅ）が円筒状の場合、例えば、凹部の天井部４２ｅの直径は６ｍｍ、側壁の高さは３ｍｍ、凹部の天井部４２ｅから出射面３６の頂部までの高さ１５ｍｍ、面状発光素子９１ｅの発光面から凹部の天井部４２ｅまでの距離が３ｍｍ程度の値で設計できる。出射面３６ｃと後方外壁面４４ｅとを接続する光学媒体としては、例えば光学用アクリル樹脂が採用可能である。ただし、光学媒体は透明であれば何でも良い。例えば、ポリカーボネートは耐熱性に優れており、ガラスは耐熱性も信頼性も優れているので、ポリカーボネートやガラス等も第１実施形態に係るバルク型レンズ１ｅの光学媒体として好適な材料である。以上のとおり、第１実施形態に係るバルク型レンズ及び発光体によれば、発光面の面積の大きい面状発光素子の発光面の大きさを効率良く使うことが可能であり、中心発光点から離れた端部発光点等の位置から発光する光の影響を少なくし、狭い照射角で集光効率を高くし、且つ広い照射面積を均一性が優れた光強度分布で効率良く照明できるコンパクトな構造が提供できる。

【0035】

＝第1実施形態に係るバルク型レンズの設計方法＝
面状発光素子９１ｅの発光面の中心から出射する光に対して、天井部４２ｅの中央の入射点Ｔ₀を通って出射面３６ｃの中央領域３６Ｃ_cの第1出射点Ｅ₀から出射する光の照射角θ_illumと、側壁４３ｅに近い天井部４２ｅの入射点Ｔ₁₃，Ｔ₁₄を通って中央領域３６Ｃ_cの第２出射点Ｅ₁₃，Ｅ₁₄から出射する光の照射角θ_illumの差を１０度以内の第１照射角範囲となるようにするためには、幾何光学上の作図や、光学シミュレータを用いた自動設計等により、第1出射点Ｅ₀及び第２出射点Ｅ₁₃，Ｅ₁₄における湾曲面に対する接平面の角度を決めればよい。例えば、幾何光学を用いた作図を試行錯誤するヒューリスティックな方法や、量子計算機による揺らぎを付与した光学シミュレータ等の種々の手法で、接平面の角度を決めることが可能である。

【0036】

又、側壁４３ｅの最上部側の入射点Ｓ₁₁，Ｓ₁₂から入射し後方外壁面４４ｅで反射して出射面３６ｃの周辺領域３６Ｃ_oの第３出射点Ｅ₁₇，Ｅ₁₈から出射する光の照射角θ_illumと、側壁４３ｅの天井部４２ｅから離れた位置の入射点Ｓ₁₃，Ｓ₁₄から入射した光が後方外壁面４４ｅで反射して周辺領域３６Ｃ_oの第４出射点Ｅ₁₅，Ｅ₁₆から出射する照射角θ_illumの差が１０度以内の第２照射角範囲となるようにするのも、幾何光学上の作図や、光学シミュレータを用い、第３出射点Ｅ₁₇，Ｅ₁₈及び第４出射点Ｅ₁₅，Ｅ₁₆における湾曲面に対する接平面の角度と、第１及び第２反射点Ｂ₁₁，Ｂ₁₂，Ｂ₁₃，Ｂ₁₄における後方反射面４４の接平面の角度とを設計すればよい。場合によっては、必要に応じて、側壁４３ｅを構成する直線状の母線の傾斜角も設計すればよい。

【0037】

例えば、図１Ｅのフローチャートに示すように、まずステップＳ１０１において、出射面３６ｃと、この出射面３６ｃに接する光伝送部３９ｅと、この光伝送部３９ｅに接する後方外壁面４４ｅと、光伝送部３９ｅの内部に設けられた天井部４２ｅ及びこの天井部４２ｅに接続する側壁４３ｅで構成され、主発光部を収納する凹部（４２ｅ，４３ｅ）を備える構造の初期設計外形線を描く。図１Ｅのフローチャートでは、簡略化のため、凹部（４２ｅ，４３ｅ）の天井部４２ｅと側壁４３ｅとは直交し、側壁４３ｅの母線が天井部４２ｅとなす角度は固定であるとして、説明する。図１Ｅのフローチャートで省略した側壁４３ｅの母線が天井部４２ｅとなす角度を変更する工程が加わる場合は、設計の自由度が増大するが、上述したように製造工程が複雑化する。次に、ステップＳ１０２において、第１照射角範囲と第２照射角範囲の数値を入力する。第１照射角範囲と第２照射角範囲の値は、互いにほぼ同一であることが望ましいが、設計仕様に要求される条件によっては、２～５度の差があっても構わない。次に、ステップＳ１０３において、凹部（４２ｅ，４３ｅ）の内部に面状発光素子９１ｅを挿入し、凹部（４２ｅ，４３ｅ）と面状発光素子９１ｅとの相対位置を決定する。

【0038】

ステップＳ１０３で凹部（４２ｅ，４３ｅ）と面状発光素子９１ｅとの相対位置が決定されると、ステップＳ１０4において、天井部４２ｅの入射点Ｔ₀，Ｔ₁₁，Ｔ₁₂，Ｔ₁₃，Ｔ₁₄や側壁４３ｅの入射点Ｓ₁₁，Ｓ₁₂，Ｓ₁₃，Ｓ₁₄を凹部（４２ｅ，４３ｅ）への入力位置が決定される。更に、側壁４３ｅの最上部側の入射点Ｓ₁₁，Ｓ₁₂から入射して後方外壁面４４ｅに到達し、後方外壁面４４ｅで反射する光の起点となる第１反射点Ｂ₁₁，Ｂ₁₂の位置を決定する。ステップＳ１０4においては、同時に、天井部４２ｅから離れた位置の入射点Ｓ₁₃，Ｓ₁₄から入射した光が後方外壁面４４ｅに到達し、後方外壁面４４ｅで反射する光の起点となる第２反射点Ｂ₁₃，Ｂ₁₄の位置が決定される。その後、ステップＳ１０５において、第１反射点Ｂ₁₁，Ｂ₁₂で反射した光、及び第２反射点Ｂ₁₃，Ｂ₁₄で反射した光が、共に周辺領域３６Ｃ_oに到達するように、第１及び第２反射点Ｂ₁₁，Ｂ₁₂，Ｂ₁₃，Ｂ₁₄における後方反射面４４の曲率を、それぞれ決定する。ステップＳ１０５で「曲率を決定する」ということは、数学的には曲率半径を決定すること、或いは第１及び第２反射点Ｂ₁₁，Ｂ₁₂，Ｂ₁₃，Ｂ₁₄における後方反射面４４への接平面の角度を決定することと等価である。

【0039】

そして、ステップＳ１０６において、第1出射点Ｅ₀から出射する光の照射角θ_illumと、第２出射点Ｅ₁₃，Ｅ₁₄から出射する光の照射角θ_illumの差が１０度以内の第１照射角範囲となるように、スネルの法則を用いて、第1出射点Ｅ₀及び第２出射点Ｅ₁₃，Ｅ₁₄における中央領域３６Ｃ_cの曲率を決定する。ステップＳ１０６で中央領域３６Ｃ_cの「曲率を決定する」ということは、数学的には曲率半径を決定すること、中央領域３６Ｃ_cの接平面の角度を決定することと等価である。なお、スネルの法則を用いて、第1出射点Ｅ₀及び第２出射点Ｅ₁₃，Ｅ₁₄における中央領域３６Ｃ_cの曲率を決定するということは、曲率は屈折率の関数であるので、光伝送部３９ｅを構成する光学媒体に不均一に不純物を添加して、光伝送部３９ｅの内部に屈折率の分布を形成し、この屈折率の分布の効果により、照射角θ_illumを制御してもよい。更にステップＳ１０７において、第３出射点Ｅ₁₇，Ｅ₁₈から出射する光の照射角θ_illumと、第４出射点Ｅ₁₅，Ｅ₁₆から出射する照射角θ_illumの差が１０度以内の第２照射角範囲となるように、スネルの法則を用いて、第３出射点Ｅ₁₇，Ｅ₁₈及び第４出射点Ｅ₁₅，Ｅ₁₆における周辺領域３６Ｃ_oの曲率を決定する。

【0040】

なお、スネルの法則を用いて、第３出射点Ｅ₁₇，Ｅ₁₈及び第４出射点Ｅ₁₅，Ｅ₁₆における周辺領域３６Ｃ_oの曲率を決定するということは、光伝送部３９ｅを構成する光学媒体に不均一に不純物を添加して、光伝送部３９ｅの内部に屈折率の分布を形成し、この屈折率の分布の効果により、照射角θ_illumを制御してもよい。ステップＳ１０７で周辺領域３６Ｃ_oの「曲率を決定する」ということは、数学的には曲率半径を決定すること、周辺領域３６Ｃ_oの接平面の角度を決定することと等価である。

【0041】

その後、ステップＳ１０８において、ステップＳ１０６において決定された中央領域３６Ｃ_cの曲率とステップＳ１０７において決定された周辺領域３６Ｃ_oの曲率が連続するか否かを、確認する。中央領域３６Ｃ_cの曲率と周辺領域３６Ｃ_oの曲率が連続しない場合は、ステップＳ１１１を経由してステップＳ１０５に戻り、第１及び第２反射点Ｂ₁₁，Ｂ₁₂，Ｂ₁₃，Ｂ₁₄における後方反射面４４の代替え案を決定し、この代替え案でステップＳ１０６の中央領域３６Ｃ_cの曲率及びステップＳ１０７における周辺領域３６Ｃ_oの曲率の代替え案を探索する。ステップＳ１０８→ステップＳ１１１→ステップＳ１１５のループを、中央領域３６Ｃ_cの曲率と周辺領域３６Ｃ_oの曲率が連続になるまで繰り返す。

【0042】

しかし、ステップＳ１０８→ステップＳ１１１→ステップＳ１１５のループの処理が一定回数繰り返してもステップＳ１０８において、中央領域３６Ｃ_cの曲率と周辺領域３６Ｃ_oの曲率が連続する条件が確認されないときは、ステップＳ１１２を経由してステップＳ１０３に戻る。即ちステップＳ１１１では、ステップＳ１０８→ステップＳ１１１→ステップＳ１０５のループの処理回数が、あらかじめ設定した第１繰返最大数Ｎ_max1に到達したかを計数し、第１繰返最大数Ｎ_max1に到達したと判断されると、新たな分岐ループによってステップＳ１０３に戻る。そして、ステップＳ１０３で凹部（４２ｅ，４３ｅ）と面状発光素子９１ｅとの新たな相対位置を代替え案として決定し、ステップＳ１０３→ステップＳ１０４→ステップＳ１０５→ステップＳ１０６→ステップＳ１０７→ステップＳ１０８の処理を繰り返す。

【0043】

ステップＳ１０８→ステップＳ１１１→ステップＳ１１２→ステップＳ１０３のループの処理を、一定回数繰り返してもステップＳ１０８において、中央領域３６Ｃ_cの曲率と周辺領域３６Ｃ_oの曲率が連続する条件が確認されないときは、ステップＳ１１２を経由してステップＳ１０２に戻る。即ちステップＳ１１２では、ステップＳ１０８→ステップＳ１１１→→ステップＳ１１２→ステップＳ１０３のループの処理回数が、あらかじめ設定した第２繰返最大数Ｎ_max2に到達したかを計数し、第２繰返最大数Ｎ_max2に到達したと判断されると、更に新たな分岐ループによってステップＳ１０2に戻る。ステップＳ１０２では、第１照射角範囲と第２照射角範囲の数値を１０度以内で再入力すればよい。ステップＳ１０２で、最初に第１照射角範囲と第２照射角範囲の数値を3度以内等厳格な値を入力した場合は、ループの処理を繰り返しても中央領域３６Ｃ_cの曲率と周辺領域３６Ｃ_oの曲率が連続にならない場合がある。このような場合は、ステップＳ１０２で、第１照射角範囲と第２照射角範囲の数値を１０度以内のより緩やかな値に再設定すればよい。

【0044】

又、第１照射角範囲と第２照射角範囲の値を完全に同一に設定した場合は、何度もループの処理を繰り返しても、ステップＳ１０８で中央領域３６Ｃ_cの曲率と周辺領域３６Ｃ_oの曲率が連続にならない可能性が高くなる。このような場合は、ステップＳ１０２で第１照射角範囲と第２照射角範囲の値の一致の度合いが緩やかな条件、例えば２～５度の差があるように緩和すればよい。即ち、第１実施形態に係るバルク型レンズ１ｅの設計における「第１照射角範囲と第２照射角範囲が同一」とは、第１照射角範囲と第２照射角範囲との間に、２～５度の差を含むような条件等の、「実質的な同一」若しくは「同一と均等」の場合を含む意味である。なお、均一な屈折率分布の条件下で、ステップＳ１０８で中央領域３６Ｃ_cの曲率と周辺領域３６Ｃ_oの曲率が連続にならない場合は、伝送部３９ｅの屈折率の分布を不均一にして調整する方法もある。即ち、スネルの法則は屈折率に依存するので、光学媒体の特定の領域に局所的に不純物を添加する等により、光伝送部３９ｅの内部に屈折率の分布を形成して、照射角θ_illumを調整してもよい。ステップＳ１０８において、中央領域３６Ｃ_cの曲率と周辺領域３６Ｃ_oの曲が連続することが確認されたら、ステップＳ１０９において、出射面３６ｃと後方外壁面４４ｅに囲まれた塊状光伝送部３９ｅ以外の構造を決定すれば、第１実施形態に係るバルク型レンズ１ｅの設計が完了する。以上のとおり、第１実施形態に係るバルク型レンズの設計方法によれば、発光面の面積の大きい面状発光素子の発光面の大きさを効率良く使うことが可能であり、中心発光点から離れた端部発光点等の位置から発光する光の影響を少なくし、狭い照射角で集光効率を高くし、且つ広い照射面積を均一性が優れた光強度分布で効率良く照明できるコンパクトな構造が設計できる。

【0045】

＝第１実施形態に係るバルク型レンズの光学設計の実施例＝
既に説明したとおり、第１照射角範囲と第２照射角範囲は１０度以内であればよいが、より好ましい例として、第１照射角範囲と第２照射角範囲を８度以内とする場合を、第１実施形態に係るバルク型レンズ１ｅの設計の実施例として、以下に説明する。なお、既に説明したように、面状発光素子９１ｅの発光面の中心を通る発光面の法線方向を、バルク型レンズ１ｅの「光軸」と定義して、実施例を説明する。上述したように、凹部の天井部４２ｅの直径を６ｍｍ、側壁の高さを３ｍｍ、面状発光素子９１ｅの発光面から天井部４２ｅまでの距離を３ｍｍとすると、光軸上に位置する面状発光素子９１ｅの発光面の中央（中心点）に位置する発光点（以下において単に「中心発光点」と略記する。）から発光角θ_rad＝約±４５度以内の光は、図１Ｂに示したように、天井部４２ｅの入射点Ｔ₀，Ｔ₁₁，Ｔ₁₂，Ｔ₁₃，Ｔ₁₄から入射する。ここで「発光角θ_rad」は照射角θ_illumと同様に、面状発光素子９１ｅの発光面の法線方向を基準にして測られるものとする。又、中心発光点からの発光角θ_rad＝約±４５度以上の光は、図１Ｂに示したように、側壁４３ｅの入射点Ｓ₁₁，Ｓ₁₂，Ｓ₁₃，Ｓ₁₄から入射する。入射点Ｔ₀，Ｔ₁₁，Ｔ₁₂，Ｔ₁₃，Ｔ₁₄から入射した光は出射面３６ｃの中央領域３６Ｃ_cから出射し、入射点Ｓ₁₁，Ｓ₁₂，Ｓ₁₃，Ｓ₁₄から入射した光は、後方外壁面４４ｅで反射し、出射面３６ｃの周辺領域３６Ｃ_oから出射する。

【0046】

図１Ａ及び図１Ｂに光路６６－１として示したように、中心発光点からの発光角θ_rad＝約０度で放出される光は、バルク型レンズ１ｅの出射面３６ｃから照射角θ_illum＝０度で出射する。図１Ａ及び図１Ｂには角度を明示していないが、図１Ｅに示した手順に従い、中心発光点から、４５度より小さいが４５度に比較的近い発光角θ_radで凹部の天井部４２ｅから入射した光のバルク型レンズ１ｅからの照射角θ_illumは、約８度となるようにバルク型レンズ１ｅの出射面３６ｃの形状を設計できる。一方、中心発光点から、４５度より大きいが４５度に比較的近い発光角θ_radで凹部の側壁４３ｅから入射し、バルク型レンズ１ｅの後方外壁面４４ｅで反射した光のバルク型レンズ１ｅからの照射角θ_illumを、約０度となるように、バルク型レンズ１ｅの出射面３６ｃとバルク型レンズ１ｅの後方外壁面４４ｅの形状を設計できる。又、中心発光点から９０度よりも小さいが９０度に比較的近い大きな発光角θ_radで凹部の側壁４３ｅから入射してバルク型レンズ１ｅの後方外壁面４４ｅで反射した光のバルク型レンズ１ｅからの照射角θ_illumを、約８度となるようにバルク型レンズ１ｅの出射面３６ｃとバルク型レンズ１ｅの後方外壁面４４ｅの形状を設計できる。

【0047】

天井部４２ｅから入射する中心発光点からの発光角θ_rad＝約０～４５度で放出される光は、バルク型レンズ１ｅからの照射角θ_illumが、約０度から約８度の範囲で徐々に変化している。面状発光素子９１ｅから発光角θ_rad＝約４５～約９０度で放出される光は、天井部４２ｅに近い入射点Ｓ₁₁，Ｓ₁₂からから入射した光路と、天井部４２ｅから遠い入射点Ｓ₁₃，Ｓ₁₄からから入射した光路とが、周辺領域３６Ｃ_oにおける出射点の位置が、光軸からの距離に関して逆転している。周辺領域３６Ｃ_oにおいて、光軸の位置に近い第４出射点Ｅ₁₅，Ｅ₁₆を有するのは、発光角θ_radが９０度より小さいが約９０度に近い光である。図１Ｂにおいて、第４出射点Ｅ₁₅，Ｅ₁₆から出射する光の照射角θ_illum＝約８度である。発光角θ_radが４５度より大きいが、約４５度に比較的近い発光角θ_radで側壁４３ｅから入射した光が出射する第３出射点Ｅ₁₇，Ｅ₁₈の位置は、最も光軸から離れている。第３出射点Ｅ₁₇，Ｅ₁₈から出射する光の照射角θ_illum＝約０度である。したがって、図１Ａ及び図１Ｂにから分かるように、面状発光素子９１ｅから発光角θ_rad＝約４５～約９０度で放出される光に関しても、周辺領域３６Ｃ_oからの照射角θ_illum＝約８度から０度まで範囲で徐々に変化している。

【0048】

面発光ＬＥＤを収納した従来のバルク型レンズから照射される光は、従来のバルク型レンズからの照射角θ_illumが大きくなると、ほぼ照射角θ_illumの余弦関数で照射光強度が低下する。更に、面発光ＬＥＤを収納した従来のバルク型レンズと照射位置の距離の２乗に反比例する。このため、従来のバルク型レンズから照射される光が均一な照度分布を持つようにするためには、照射光の強度分布の補正が必要になる。例えば、面発光ＬＥＤの発光面からの発光角θ_radに対する、従来のバルク型レンズの照射角θ_illumの変化の割合を、発光面からの発光角θ_radの余弦関数にほぼ比例させて小さくすると、従来のバルク型レンズからの照度分布がより均一になる。

【0049】

照射角θ_illum＝±１０度の従来のバルク型レンズで、発光面からの発光角θ_rad＝０度、５度、１０度、１５度、２０度、２５度、３０度、３５度、４０度、４５度と変化した場合、対応する従来のバルク型レンズからの光の照射角θ_illumの変化を、発光面からの発光角θ_radの余弦関数にほぼ比例させることができる。発光角θ_radの余弦関数にほぼ比例させた場合、従来のバルク型レンズからの照射角θ_illum＝０度、１．３度、２．５度、３．７度、４．９度、６．０度、７．１度、８．２度、９．１度、１０度と、それぞれなる。第１実施形態に係るバルク型レンズ１ｅによれば、この従来のバルク型レンズに対する補正例と同じような手法で、第１実施形態に係るバルク型レンズ１ｅからの照射角θ_illumが補正されている。

【0050】

この様に側壁４３ｅ近くの天井部４２ｅから入射した光が中央領域３６Ｃ_cから出射する照射角θ_illum1と、天井部４２ｅから離れた位置の側壁４３ｅから入射した光が後方外壁面４４ｅで反射して周辺領域３６Ｃ_oから出射する照射角θ_illum2をほぼ同じ角度とすると、天井部４２ｅから入射した光の通る中央領域３６Ｃ_cの部分と側壁４３ｅから入射した光の通る周辺領域３６Ｃ_oの部分が滑らかに繋がった形状にすることが出来る。また、発光角θ_rad＝約０～４５度の光が、第１照射角範囲内の照射角θ_illum＝０～８度、発光角θ_rad＝約４５～約９０度の光が第２照射角範囲内の照射角θ_illum＝０～８度で出射し、第１照射角範囲と第２照射角範囲が重なっているので、バルク型レンズ１ｅの照射角θ_illumと光強度分布の設計が容易である。

【0051】

第１実施形態に係るバルク型レンズ１ｅによれば、発光面からの発光角θ_rad＝０度、１０度、２０度、３０度、４０度、５０度、６０度、７０度、８０度の場合において、それぞれの照射角θ_illum＝約０度、２度、４度、５．５度、７度、２度、４．５度、７度、８度に設計できる。第１実施形態に係るバルク型レンズ１ｅによれば、後方外壁面４４ｅの反射はすべて全反射条件となったが、全反射条件にならない場合は、鏡面反射処理が必要になる。また、第１実施形態に係るバルク型レンズ１ｅのような後方外壁面４４ｄの反射を利用するバルク型レンズでは、面状発光素子９１ｅとバルク型レンズ１ｅの光軸及び高さの位置を合わせて固定するのが難しい。しかし、第１実施形態に係るバルク型レンズ１ｅには、光伝送部３９ｅと一体化している第１固定用足場９５ｅ及び第２固定用足場９６ｅが設けられている。第１固定用足場９５ｅには第１貫通孔９７ｅが開孔され、第２固定用足場９６ｅには第２貫通孔９８ｅが開孔されているので、固定用ネジを用いて、設計条件の位置に容易にバルク型レンズ１ｅを固定できる。

【0052】

＝中心発光点からずれた位置での発光＝
第１実施形態に係るバルク型レンズ１ｅにおいて、面状発光素子９１ｅの中心発光点から距離ｄだけずれた位置を発光点とする場合の光路の軌跡を図２に示す。一般的な３Ｗクラスの照明用面状ＬＥＤを、面状発光素子９１ｅとすると、中心発光点から距離ｄだけずれた位置を発光点とする光は、最大ずれ距離ｄ_max＝±０．８ｍｍとした場合には、照射角θ_illumは片側で約３度広くなる。第１実施形態に係るバルク型レンズ１ｅの光軸上面状発光素子９１ｅの場合の片側照射角範囲Δθ_illum＝±８度に設計できるので、３Ｗクラスの照明用面状ＬＥＤを、面状発光素子９１ｅとして実装した場合の片側照射角範囲Δ_illum＝約±１１度とすると、照射角の両側拡がり幅は約２２度になると予想される。

【0053】

図２を用いて、第１実施形態に係るバルク型レンズ１ｅにおいて、面状発光素子９１ｅの中心発光点から距離ｄだけずれた位置を発光点とする場合の光路を検討する。第１実施形態に係るバルク型レンズ１ｅにおいて、中心発光点から距離ｄ＝－０．８ｍｍだけずれた左側端部の位置の発光点から放出された光は、上記の実施例で採用した、天井部４２ｅの直径＝６ｍｍ、側壁の高さ＝３ｍｍ、発光面から天井部４２ｅまでの距離＝３ｍｍの境界条件においては、面状発光素子９１ｅの左側端部から発光角θ_rad＝－３５～＋５０度で放出された光は、図２に示すように、天井部４２ｅからバルク型レンズ１ｅに入射する。

【0054】

一方、面状発光素子９１ｅの左側端部の発光点から発光角θ_rad＝＋５０以上の大きな発光角θ_radで放出された光は、図２に示すように、右側の側壁４３ｅからバルク型レンズ１ｅに入射する。面状発光素子９１ｅの左側端部の発光点から発光角θ_rad＝－３５以上の大きな発光角θ_radで放出された光は、左側の側壁４３ｅからバルク型レンズ１ｅに入射する。左側端部の発光点から発光角θ_rad＝－８０度、－７０度、－６０度、－５０度、－４０度、－３０度、－２０度、－１０度、０度、＋１０度、＋２０度、＋３０度、＋４０度、＋５０度、＋６０度、＋７０度、＋８０度で放出された光の照射角θ_illum＝約－１２．５度、－１２度、－１２度、－８．５度、－４度、－２度、－０．５度、１度、３度、５度、７度、９度、１０．５度、１２度、－１度、＋０．５度、＋３．５度となる。

【0055】

図２に示すように、中心発光点から距離ｄだけずれた位置を発光点とする光は、ずれｄ＝±０．８ｍｍの影響で照射角θ_illumが両側にそれぞれ約±４度広がる。よって、第１実施形態に係るバルク型レンズ１ｅにおいて、中心発光点から距離ｄだけずれた位置を発光点とする光は、片側照射角範囲Δθ_illum＝約±１２度となり、全体として、照射角の両側拡がり幅は約２４度となる。中心発光点から距離ｄだけずれた位置を発光点とする光による照射角範囲Δθ_illumは、面状発光素子９１ｅからの発光角θ_radの大きな光では大きくなっている。しかしながら、第１実施形態に係るバルク型レンズ１ｅによれば、後方外壁面４４ｄ、中央領域３６Ｃ_c及び周辺領域３６Ｃ_oの曲率の最適化設計により、中心発光点から距離ｄだけずれた位置を発光点とする光による照射光は、片側照射角範囲Δθ_illum＝±３度程度まで近づけられると推定できる。

【0056】

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態に係るバルク型レンズ１ｆは、図３に示すように、ＬＥＤ等の面状発光素子９１ｆの主発光部を収納するバルク型レンズ１ｆである。第２実施形態に係るバルク型レンズ１ｆは、 第１実施形態に係るバルク型レンズ１ｅと同様に、曲率が連続して変化する湾曲面からなる出射面３６ｆと、この出射面３６ｆに接する光学媒体からなるバルク状の光伝送部３９ｆと、この光伝送部３９ｆに接する後方外壁面４４ｆと、光伝送部３９ｆの内部に設けられた天井部４２ｆ及びこの天井部４２ｆに接続する側壁４３ｆで構成され、主発光部を収納する凹部（４２ｆ，４３ｆ）を備える。出射面３６ｆの形状は面状発光素子９１ｆの光軸上の発光点から出射する光を、すべて照射角θ_illum＝０度、即ち、すべての光を光軸方向に集光するように設計されている。第２実施形態に係るバルク型レンズ１ｆに用いる光学媒体としては、第１形態に係るバルク型レンズ１ｅで説明したような、光学用アクリル樹脂、ポリカーボネート、ガラス等の種々の透明材料が使用可能である。

【0057】

図３に示すように、面状発光素子９１ｆは素子実装基板９２ｆの上に搭載され、素子実装基板９２ｆはプリント基板９３ｆの上に搭載され、プリント基板９３ｆは金属板９４ｆの上に搭載されている。第２実施形態に係るバルク型レンズ１ｆは、左側に突出し、バルク型レンズ１ｆの光伝送部３９ｆと一体化している第１固定用足場９５ｆと、右側に突出し、バルク型レンズ１ｆの光伝送部３９ｆと一体化している第２固定用足場９６ｆを有している。第１固定用足場９５ｆには第１貫通孔９７ｆが開孔され、第２固定用足場９６ｆには第２貫通孔９８ｆが開孔されている。第１貫通孔９７ｆ及び第１貫通孔９７ｆに固定具を貫通させることにより、バルク型レンズ１ｆはプリント基板９３ｆを介して金属板９４ｆに固定される。

【0058】

なお、第２実施形態に係るバルク型レンズ１ｆにおいても、面状発光素子９１ｆの発光面の中心を通る発光面の法線方向を、第２実施形態に係るバルク型レンズ１ｆの「光軸」と定義している。例えば、バルク型レンズ１ｆの凹部（４２ｆ，４３ｆ）の天井部４２ｆは直径６ｍｍで平面、側壁４３ｆは高さ３ｍｍで、光軸方向に直線状の母線の方向を揃えた柱面等の構造が採用可能である。面状発光素子９１ｆの発光面から天井部４２ｆまでの距離は、例えば３ｍｍとして、第１実施形態に係るバルク型レンズ１ｅと同様な寸法が採用可能である。

【0059】

面状発光素子９１ｆの発光面の中心に定義される中心発光点からの発光角θ_rad＝約±４５度以内の光は、天井部４２ｆからバルク型レンズ１ｆの光伝送部３９ｆに入射し、出射面３６ｆの中央領域から出射する。一方、発光角θ_rad＝約±４５度以上の光は、側壁４３ｆから光伝送部３９ｆに入射して、後方外壁面４４ｆで反射し、出射面３６ｆの周辺領域から出射する。なお、第２実施形態に係るバルク型レンズ１ｆの説明において、便宜上後方外壁面４４ｆは全反射条件で設計できる場合について説明するが、全反射条件に限定されるものではない。面状発光素子９１ｆの発光面の光の放出特性や光伝送部３９ｆの外形などの条件により全反射条件にならない場合は、後方外壁面４４ｆに反射率の高い金属膜等の鏡面反射処理を行った構造でも構わない。図３では、中心発光点からの発光角θ_rad＝約０度で放出された光が、光路６８－１を経由して、出射面３６ｆから照射角θ_illum＝０度で出射する様子を示している。

【0060】

中心発光点から、４５度より小さいが４５度に比較的近い発光角θ_radで天井部４２ｆから入射した光は、バルク型レンズ１ｆからの照射角θ_illum＝約０度となるように出射面３６ｆの形状が設計されている。面状発光素子９１ｆの発光面から４５度よりも大きいが、発光角θ_rad＝約４５度となる光は、側壁４３ｆから入射し、後方外壁面４４ｆで反射した光が、出射面３６ｆから照射角θ_illum＝約０度で出射するように、出射面３６ｆの形状が設計されている。発光面から９０度よりも小さいが、９０度に比較的近い大きな発光角θ_radで、側壁４３ｆから入射して後方外壁面４４ｆで反射した光りが、出射面３６ｆから照射角θ_illum＝約０度で出射するように、出射面３６ｆの形状が設計されている。

【0061】

第２実施形態に係るバルク型レンズ１ｆでは、側壁４３ｆの近くの天井部４２ｆから入射した光が出射面３６ｆの中央領域から出射する照射角θ_illumと、天井部４２ｆから離れた位置の側壁４３ｆから入射した光が、後方外壁面４４ｆで反射して出射面３６ｆの周辺領域から出射する照射角θ_illumが同じ角度である。このため、第２実施形態に係るバルク型レンズ１ｆによれば、天井部４２ｆから入射した光の通る出射面３６ｆの中央領域と、側壁４３ｆから入射した光の通る出射面３６ｆの周辺領域が、滑らかに繋がった形状にすることが出来る。

【0062】

第２実施形態に係るバルク型レンズ１ｆで面状発光素子９１ｆの中心発光点から距離ｄだけずれた端部の位置を発光点（以下において「端部発光点」という。）とする場合の光路の軌跡を、図４に示す。一般的な３Ｗクラスの照明用面状ＬＥＤの等価的な発光面の直径＝約１．６ｍｍである。この３Ｗクラスの照明用面状ＬＥＤの中心発光点から距離ｄ＝－０．８ｍｍだけシフトした端部発光点から放出された光は、光路６９－１で示したように、照射角θ_illum＝約＋３．５度で、出射面３６ｆの中央領域から出射する。即ち、端部発光点から放出される光は、ずれｄ＝±０．８ｍｍを有することにより、照射角θ_illum＝約±３．５度広がることになる。

【0063】

第２実施形態に係るバルク型レンズ１ｆにおいて、光軸上に発光点がある場は、照射角θ_illum＝０度に設計できる。しかし、光軸上以外に位置する発光点からの放射が寄与する３Ｗクラス面状ＬＥＤを実装した場合の照射角θ_illum＝約±３．５度、出射光の幅は＝約７度と予想される。第２実施形態に係るバルク型レンズ１ｆにおいて、ｄ＝０．８ｍｍの端部発光点から放出された光の場合、発光角θ_rad＝－３５～＋５０度以内で放出される光は天井部４２ｆからバルク型レンズ１ｆに入射する。発光角θ_rad＝－３５～＋５０度以上の大きな発光角θ_rad＝－３５～＋５０度の光は、側壁４３ｆからバルク型レンズ１ｆに入射する。

【0064】

発光角θ_rad＝－８０度、－７０度、－６０度、－５０度、－４０度、－３０度、－２０度、－１０度、０度、＋１０度、＋２０度、＋３０度、＋４０度、＋５０度、＋６０度、＋７０度、＋８０度で放出された光は、それぞれ照射角θ_illum＝約－５．５度、－８度、－８度、－６度、－４．５度、５度、４．５度、３．５度、３．５度、３．５度、３．５度、４度、５度、５．５度、－６度、－８度、－１３度となる。距離ｄだけずれた端部発光点から放出される光は、ずれｄ＝±０．８ｍｍの影響で発光角θ_radが小さい光で＝約±５度、発光角θ_radが大きい光では、最大約±８度程度、照射角θ_illumが広くなった。距離ｄだけずれた端部発光点から放出される光による照射角θ_illumの広がりは面状発光素子９１ｆからの発光角θ_radの大きな光で大きくなる。しかし、後方外壁面４４ｄと出射面３６ｆの形状の最適化設計により、距離ｄだけずれた端部発光点から放出される光による照射角θ_illumの広がりを、±３．５度に近づけることが可能である。

【0065】

重複する説明を省略するが、第２実施形態に係るバルク型レンズは、図１Ｅに示したフローチャートと同様な手順で設計できる。第２実施形態に係るバルク型レンズ、発光体及びバルク型レンズの設計方法によれば、発光面の面積の大きい面状発光素子の発光面の大きさを効率良く使うことが可能であり、コンパクトな構造により中心発光点から離れた端部発光点等の位置から発光する光の影響を少なくし、狭い照射角で集光効率を高くし、且つ広い照射面積を均一性が優れた光強度分布で効率良く照明できる。

【0066】

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態に係るバルク型レンズ１ｇは、図５及び図６に示すように、ＬＦＤ等の面状発光素子９１ｇの主発光部を収納するバルク型レンズ１ｇである。第３実施形態に係るバルク型レンズ１ｇは、 第１及び第２実施形態に係るバルク型レンズ１ｆと同様に、曲率が連続して変化する湾曲面からなる出射面３６ｇと、この出射面３６ｇに接する光学媒体からなる非対称バルク状の光伝送部３９ｇと、この光伝送部３９ｇに接する後方外壁面４４ｇと、光伝送部３９ｇの内部に設けられた天井部４２ｇ及びこの天井部４２ｇに接続する側壁４３ｇで構成され、主発光部を収納する凹部（４２ｇ，４３ｇ）を備える。「非対称バルク状」とは図５と図６の比較から分かるように、光軸に関して非対称のトポロジを有している。ここで、「光軸」とは、第１及び第２実施形態に係るバルク型レンズ１ｆの定義と同様に、凹部（４２ｇ，４３ｇ）の内部に収納される面状発光素子９１ｇの発光面の中心を通り、且つ発光面の法線方向となる光伝送部３９ｇの中心線である。第３実施形態に係るバルク型レンズ１ｇに用いる光学媒体としては、第１形態に係るバルク型レンズ１ｅで説明したような、光学用アクリル樹脂等を代表とする種々の透明材料が使用可能である。

【0067】

上記のように定義した光軸をＺ軸とし、Ｚ軸に直交するＸ軸及びＹ軸からなるＸ－Ｙ－Ｚ座標系で第３実施形態に係るバルク型レンズ１ｇの光学的な構造を説明する。即ち、Ｙ＝０のＸ軸方向のバルク型レンズ１ｇ断面における光路の軌跡が図５、Ｘ＝０のＹ軸方向のバルク型レンズ１ｇ断面における光路の軌跡が図６に示される。第３実施形態に係るバルク型レンズ１ｇは、例えば、光軸上の長さ１５ｍｍとすると、以下のような寸法が例示できる。ただし、天井部４２ｇは平面とし、図５及び図６の断面図上では、天井部４２ｇに直交する直線状の母線の方向を有する側壁は円柱面とする。このような仮定の下で、天井部４２ｇは直径６ｍｍ、側壁４３ｇの高さは３ｍｍ等の寸法で、バルク型レンズ１ｇを設計できる。

【0068】

図５に示すように、面状発光素子９１ｇは素子実装基板９２ｇの上に搭載され、素子実装基板９２ｇはプリント基板９３ｇの上に搭載されている。プリント基板９３ｇは金属板９４ｇの上に搭載されている。第３実施形態に係るバルク型レンズ１ｇは、図７に示すように、左側に突出し、バルク型レンズ１ｇの光伝送部３９ｇと一体化している第１固定用足場９５ｇと、右側に突出し、バルク型レンズ１ｇの光伝送部３９ｇと一体化している第２固定用足場９６ｇを有している。第１固定用足場９５ｇには第１貫通孔９７ｇが開孔され、第２固定用足場９６ｇには第２貫通孔９８ｇが開孔されている。第１貫通孔９７ｇ及び第１貫通孔９７ｇに固定具を貫通させることにより、バルク型レンズ１ｇはプリント基板９３ｇを介して金属板９４ｇに固定される。

【0069】

第３実施形態に係るバルク型レンズ１ｇからの光を長方形の形状に照射する場合は、長方形の形状に均一な照度分布を要求されることが多い。例えば、上記の光軸上の長さ＝１５ｍｍ、天井部４２ｇの直径＝６ｍｍ、側壁４３ｇの高さ＝３ｍｍとすると、中心発光点から出た光のＸ軸方向の照射角θ_illum＝±８度、中心発光点から出た光のＹ軸方向の照射角θ_illum＝０度に設計できる。発光面が、直径１．８ｍｍの円形（円盤形）の面状発光素子９１ｇでは、第３実施形態に係るバルク型レンズ１ｇによれば、Ｘ方向の照射光拡がり幅＝２２度、Ｙ方向の照射光拡がり幅＝７度となる。なお、発光面の形状は円形に限定される必要はない。ただしピタゴラスの定理から矩形の場合は、対角線長が円の直径に相当する。よって、直径１．８ｍｍの円形の凹部（４２ｇ，４３ｇ）には、一辺が１．８／１．４＝１．３ｍｍの矩形の面状発光素子９１ｇが収納されることになる。１．３ｍｍ×１．３ｍｍの矩形の面状発光素子９１ｇの場合は、凹部（４２ｇ，４３ｇ）の容積効率が悪い他に、光学的特性の均一性の面でも不利になる。Ｘ－Ｙ平面上のＸ軸とＹ軸の中間方向では、Ｘ軸に近づくにつれてＹ方向の照射角θ_illumが大きくなる。したがって、長方形の形状に均一な照度分布を実現するためには、Ｘ軸に近づくにつれてＹ方向の出射面３６ｇの曲率が小さくなるように補正する必要がある。

【0070】

図１１及び図１２に例示したような従来の従来のバルク型レンズでは、面状ＬＥＤ９１ｄからの発光角の小さい光は、天井部４２ｄから入射しての第１出射面３３から出射し、発光角の大きい光は天井部４２ｇから入射して後方外壁面４４ｄで反射させてから第２出射面３４から出射する。このような、従来のバルク型レンズでは、照射角及び照射光の強度分布の設計が難しい。これに対し、第３実施形態に係るバルク型レンズ１ｇにおいては、面状発光素子９１ｇの発光中心点から発光する光に対して、天井部４２gの中央の入射点を通って出射面３６ｇの中央領域の第1出射点から出射する光の照射角θ_illumと、側壁４３gに近い天井部４２gの入射点を通って中央領域の第２出射点から出射する光の照射角θ_illumの差を１０度以内の第１照射角範囲となるように、第1及び第２出射点における湾曲面に対する接平面の角度を設定されている。

【0071】

更に、第３実施形態に係るバルク型レンズ１ｇにおいては、発光中心点から発光する光に対して、側壁４３gの最上部側の入射点から入射し後方外壁面４４gで反射して出射面３６ｇの周辺領域の第３出射点から出射する光の照射角θ_illumと、側壁４３gの天井部４２gから離れた位置の入射点から入射した光が後方外壁面４４gで反射して周辺領域の第４出射点から出射する照射角θ_illumの差が１０度以内の第２照射角範囲となるように、第３及び第４出射点における湾曲面に対する接平面の角度と、第１及び第２反射点における後方外壁面４４gの接平面の角度が設定されている。

【0072】

そして、第１照射角範囲と第２照射角範囲が同一にされている。即ち、第３実施形態に係るバルク型レンズ１ｇにおいては、凹部（４２ｇ，４３ｇ）の天井部４２ｇを平面にし、側壁４３ｇを天井部４２ｇに垂直な直線状の母線からなる２次曲面にし、天井部４２ｇから入射する光とバルク型レンズ１ｇの側壁４３ｇから入射した光が出射する際の、照射角θ_illumがほぼ同じになるように設計されている。したがって、第３実施形態に係るバルク型レンズ１ｇによれば、距離ｄだけずれた端部発光点から放出される光の光を含めて光強度設計が容易となり、照明範囲の照度均一性を高くできる。なお、第３実施形態に係るバルク型レンズ１ｇの説明において、便宜上後方外壁面４４ｇは全反射条件で設計できる場合について説明するが、全反射条件に限定されるものではない。面状発光素子９１ｇの発光面の光の放出特性や光伝送部３９ｇの外形などの条件により全反射条件にならない場合は、後方外壁面４４ｇに反射率の高い金属膜等の鏡面反射処理を行った構造でも構わない。

【0073】

第３実施形態に係るバルク型レンズは、図１Ｅに示したフローチャートと同様な手順で設計できる。第３実施形態に係るバルク型レンズ、発光体及びバルク型レンズの設計方法によれば、発光面の面積の大きい面状発光素子の発光面の大きさを効率良く使うことが可能であり、コンパクトな構造により中心発光点から離れた端部発光点等の位置から発光する光の影響を少なくし、狭い照射角で集光効率を高くし、且つ広い照射面積を均一性が優れた光強度分布で効率良く照明できる。

【0074】

（第４実施形態）
本発明の第４実施形態に係るバルク型レンズ１ｈでは、道路を路肩から照明する場合に好適なレンズについて説明する。第４実施形態に係るバルク型レンズ１ｈは、図８及び図９に示すように、ＬＦＤ等の面状発光素子９１ｈの主発光部を収納するバルク型レンズ１ｈである。第４実施形態に係るバルク型レンズ１ｈは、 第１及び第２実施形態に係るバルク型レンズ１ｆと同様に、曲率が連続して変化する湾曲面からなる出射面３６ｈと、この出射面３６ｈに接する光学媒体からなる非対称バルク状の光伝送部３９ｈと、この光伝送部３９ｈに接する後方外壁面４４ｈと、光伝送部３９ｈの内部に設けられた天井部４２ｈ及びこの天井部４２ｈに接続する側壁４３ｈで構成され、主発光部を収納する凹部（４２ｈ，４３ｈ）を備える。第４実施形態に係るバルク型レンズ１ｈの光学媒体には、第１形態に係るバルク型レンズ１ｅで説明したような種々の透明材料が使用可能である。

【0075】

第４実施形態に係るバルク型レンズ１ｇにおいては、面状発光素子９１ｈの発光中心点から発光する光に対して、天井部４２ｈの中央の入射点を通って出射面３６ｈの中央領域の第1出射点から出射する光の照射角θ_illumと、側壁４３ｈに近い天井部４２ｈの入射点を通って中央領域の第２出射点から出射する光の照射角θ_illumの差を１０度以内の第１照射角範囲となるように、第1及び第２出射点における湾曲面に対する接平面の角度を設定されている。更に、面状発光素子９１ｈの発光中心点から発光する光に対して、側壁４３ｈの最上部側の入射点から入射し後方外壁面４４ｈで反射して出射面３６ｈの周辺領域の第３出射点から出射する光の照射角θ_illumと、側壁４３ｈの天井部４２ｈから離れた位置の入射点から入射した光が後方外壁面４４ｈで反射して周辺領域の第４出射点から出射する照射角θ_illumの差が１０度以内の第２照射角範囲となるように、第３及び第４出射点における湾曲面に対する接平面の角度と、第１及び第２反射点における後方外壁面４４ｈの接平面の角度が設定されている。そして、第１照射角範囲と第２照射角範囲が同一にされている。

【0076】

図８に示すように、面状発光素子９１ｈは素子実装基板９２ｈの上に搭載され、素子実装基板９２ｈはプリント基板９３ｈの上に搭載されている。プリント基板９３ｈは金属板９４ｈの上に搭載されている。図１０に示すように、第４実施形態に係るバルク型レンズ１ｈは、図１０に示すように、左側に突出し、バルク型レンズ１ｈの光伝送部３９ｈと一体化している第１固定用足場９５ｈと、右側に突出し、バルク型レンズ１ｈの光伝送部３９ｈと一体化している第２固定用足場９６ｈを有している。第１固定用足場９５ｈには第１貫通孔９７ｈが開孔され、第２固定用足場９６ｈには第２貫通孔９８ｈが開孔されている。第１貫通孔９７ｈ及び第１貫通孔９７ｈに固定具を貫通させることにより、バルク型レンズ１ｈはプリント基板９３ｈを介して金属板９４ｈに固定される。

【0077】

以下に説明するとおり、第４実施形態に係るバルク型レンズ１ｈの特性を生かすためには、面状発光素子９１ｈに対して光伝送部３９ｈの位置を正確に設置する必要がある。第４実施形態に係るバルク型レンズ１ｈの光伝送部３９ｈの形状は固定が難しいため、後方外壁面４４ｄ（反射面）と出射面３６ｈとの間で、ねじ止め用の第１貫通孔９７ｈ及び第２貫通孔９８ｈのある第１固定用足場９５ｈ及び第２固定用足場９６ｈの一対を、光伝送部３９ｈに接続した構造となっている。

【0078】

路面照度は、照明器具からの距離の２乗に逆比例し、照明光と路面との角度の正弦関数に比例する。例えば、対向する往路と復路の間に中央分離帯（道路の中央部）がある道路を考える。この道路の路肩から歩道幅１．５ｍ離れた位置に車道（往路）があり、中央分離帯若しくは道路中央線を経て対向する側に車道（復路）があるとの前提で、その車道（往路）の幅＝３．５ｍとする。この場合、路肩から中央分離帯若しくは道路中央線まで１．５＋３．５＝５ｍになる。高さ１．１ｍの照明器具を路肩に設置し、この路肩の照明器具で、中央分離帯若しくは道路中央線までの車道（往路）の路面を照明する場合について説明する。

【0079】

照明器具の道路幅方向の照射光拡がり幅＝約２４度とし、照明器具の中心（光軸）が、中央分離帯若しくは道路中央線に向かって照明しているとする。この条件では、路肩から１．５ｍ、２ｍ、２．５ｍ、３ｍ、３．５ｍ、４ｍ、４．５ｍ、５ｍの位置に向かう方向に対する照射角θ_illumと、その相対光強度は、表１に示すような関係になるので、照射角θ_illumと照射光の強度分布の設計が難しい。

【表1】

表１において、「相対光強度」とは、路肩から５ｍの位置にある中央分離帯若しくは道路中央線の位置に向かった方向の光強度を１とし、この１を基準としたときの比率で表した相対的な光強度である。

【0080】

第３実施形態に係るバルク型レンズ１ｇと同様に、第４実施形態に係るバルク型レンズ１ｈの「光軸」を、凹部（４２ｈ，４３ｈ）の内部に収納される面状発光素子９１ｈの発光面の中心を通り、且つ発光面の法線方向となる光伝送部３９ｈの中心線と定義する。そして、この光軸をＺ軸とし、Ｚ軸に直交するＸ軸及びＹ軸からなるＸ－Ｙ－Ｚ座標系で第４実施形態に係るバルク型レンズ１ｈの光学的な構造を説明する。即ち、Ｙ＝０のＸ軸方向のバルク型レンズ１ｈ断面における光路の軌跡が図８、Ｘ＝０のＹ軸方向のバルク型レンズ１ｈ断面における光路の軌跡が図９に示される。第４実施形態に係るバルク型レンズ１ｈは、例えば、光軸上の長さ１５ｍｍとすると、以下のような寸法が例示できる。ただし、天井部４２ｈは平面とし、図８及び図９の断面図上では、天井部４２ｈに直交する直線状の母線の方向を有する側壁は円柱面とする。このような仮定の下で、天井部４２ｈは直径６ｍｍ、側壁４３ｈの高さは３ｍｍ等の寸法で、バルク型レンズ１ｈを設計できる。

【0081】

まず、光軸上に位置する面状発光素子９１ｈの中央発光点から放出される光のＸ軸方向の照射光拡がり幅＝±２０度に設計する。そして、Ｙ軸方向は、＋Ｙ方向の照射角θ_illum＝０度、－Ｙ方向の設計照射角θ_illum＝０から－２０度まで表１に示したような記光強度分布となるように照射角θ_illumを設計すると仮定する。＋Ｙ方向で照射角θ_illum＝０度に設計できる出射面３６ｈでは、Ｘ－Ｙ平面上のＸ軸方向に近づくほどＹ軸方向の照射角θ_illumが広がる。このため、第４実施形態に係るバルク型レンズ１ｈでは、Ｙ軸方向の出射面３６ｈの曲率が小さくなるように非対称な形状に補正している。

【0082】

発光面が、直径１．８ｍｍの円形（円盤形）の面状発光素子９１ｈの場合では、Ｘ軸方向の照射光拡がり幅は、距離ｄだけずれた端部発光点から放出される光の影響を含めると＝約４５度になる。Ｙ軸方向の照射光拡がり幅は、発光面が、直径１．８ｍｍの円形の面状発光素子９１ｈにおいて、距離ｄだけずれた端部発光点から放出される光に起因する光軸付近の照射光拡がり幅＝約±３．５度の高輝度領域が存在する他に、Ｙ軸方向に－２２．５度まで徐々に光強度が小さくなる光強度漸減領域の加わった光強度分布となる。なお、面状発光素子９１ｈの発光面の形状は、円形に限定される必要はない。ただし、例えば矩形の面状発光素子９１ｈとする場合は、ピタゴラスの定理から、凹部（４２ｈ，４３ｈ）に隙間が発生し、容積効率が悪くなる他に、光学的特性の均一性の面でも不利になる。

【0083】

第４実施形態に係るバルク型レンズ１ｈによれば、路肩の高さ１．１ｍの位置にバルク型レンズ１ｈを配置し、照射角拡がり幅＝７度で照射された高輝度領域が、３．５ｍ車線の遠方となる中央分離帯若しくは道路中央線側に生成されるように光軸を合わせると、かなり均一な路面照度分布が実現できる。更に路面照度分布を均一にするためには、バルク型レンズ１ｈの高さを高くし、更に直径の大きいバルク型レンズ１ｈを用いればよい。直径の大きいバルク型レンズ１ｈを用いることにより、面状発光素子９１ｈの発光面上の距離ｄだけずれた端部発光点から放出される光による照射角θ_illumを小さくし、ピーク光強度が更に高くなる設計にすれば良い。

【0084】

路面照度分布を指定値に合わせる場合は、天井部４２ｈを平面にし、側壁４３ｈを直線状の母線が平行な２次曲面にすると設計が容易になる。そして、天井部４２ｈから入射する光と、側壁４３ｈから入射する光の照射角θ_illumがほぼ同じになるように設計すると、距離ｄだけずれた端部発光点から放出される光を含めて、光強度設計が容易となる。なお、第４周辺実施形態に係るバルク型レンズ１ｈの説明において、便宜上後方外壁面４４ｈは全反射条件で設計できる場合について説明したが、全反射条件に限定されるものではない。面状発光素子９１ｈの発光面の光の放出特性や光伝送部３９ｈの外形などの条件により全反射条件にならない場合は、後方外壁面４４ｈに反射率の高い金属膜等の鏡面反射処理を行った構造でも構わない。

【0085】

第４実施形態に係るバルク型レンズは、図１Ｅに示したフローチャートと同様な手順で設計できる。第４実施形態に係るバルク型レンズ、発光体及びバルク型レンズの設計方法によれば、発光面の面積の大きい面状発光素子の発光面の大きさを効率良く使うことが可能であり、コンパクトな構造により中心発光点から離れた端部発光点等の位置から発光する光の影響を少なくし、狭い照射角で集光効率を高くし、且つ道路照明等の広い照射面積を均一性が優れた光強度分布で効率良く照明できる。

【0086】

（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は第１～第４実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面は本発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

【産業上の利用可能性】

【0087】

本発明は、スポーツの屋外競技場、ドーム型競技場を含む室内照明、街路／道路照明などの特に広い面積の照明を必要とする産業の分野で利用できる。

【符号の説明】

【0088】

１ｅ～１ｈ…バルク型レンズ、３６ｃ，３６ｆ～３６ｈ…出射面、３６Ｃ_c…中央領域、３６Ｃ_o…周辺領域、４２ｅ～４２ｈ…天井部、４３ｅ～４３ｈ…側壁、４４ｅ～４４ｈ…後方外壁面、９５ｅ～９５ｈ…第１固定用足場、９６ｅ～９６ｈ…第２固定用足場、９７ｅ～９７ｈ…第１貫通孔、９８ｅ～９８ｈ…第２貫通孔

【図1A】

【図1B】

【図1C】

【図1D】

【図1E】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】