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(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】2023-12-05
(45)【発行日】2023-12-13
(54)【発明の名称】光学素子および照明装置
(51)【国際特許分類】
G02B 5/00 20060101AFI20231206BHJP
F21S 2/00 20160101ALI20231206BHJP
F21V 5/04 20060101ALI20231206BHJP
F21V 7/09 20060101ALI20231206BHJP
F21V 11/02 20060101ALI20231206BHJP
F21V 13/00 20060101ALI20231206BHJP
G02B 5/08 20060101ALI20231206BHJP
H01L 33/60 20100101ALI20231206BHJP
【ＦＩ】
G02B5/00 Z
F21S2/00 340
F21V5/04 600
F21V7/09 100
F21V7/09 400
F21V7/09 500
F21V11/02
F21V13/00 100
G02B5/08 A
H01L33/60
【請求項の数】
9
(21)【出願番号】P 2019119943
(22)【出願日】2019-06-27
(65)【公開番号】P2021005040
(43)【公開日】2021-01-14
【審査請求日】2022-05-27
(73)【特許権者】
【識別番号】000226057
【氏名又は名称】日亜化学工業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100102934
【弁理士】
【氏名又は名称】今井 彰
(72)【発明者】
【氏名】板花 博之
(72)【発明者】
【氏名】有賀 貴紀
(72)【発明者】
【氏名】北原 和
(72)【発明者】
【氏名】今井 正裕
【審査官】岩井 好子
(56)【参考文献】
【文献】米国特許出願公開第２００５／００２４７４４（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開２０１６－００１２６２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００５－０３８６５０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１０－０３２９０２（ＪＰ，Ａ）
【文献】登録実用新案第３１７３４４９（ＪＰ，Ｕ）
【文献】欧州特許出願公開第０１０７２８４０（ＥＰ，Ａ２）
【文献】独国特許出願公開第１９７１５１８８（ＤＥ，Ａ１）
【文献】独国特許出願公開第１００４３０２７（ＤＥ，Ａ１）
【文献】特開２０２０－０７７５８８（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０２Ｂ ５／００
Ｆ２１Ｓ ２／００
Ｆ２１Ｖ ５／０４
Ｆ２１Ｖ ７／０９
Ｆ２１Ｖ １１／０２
Ｆ２１Ｖ １３／００
Ｇ０２Ｂ ５／０８
Ｈ０１Ｌ ３３／６０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
第１の軸に沿って、前記第１の軸を中心として同心円状に設けられた複数の反射曲面と、前記複数の反射曲面にそれぞれ対応する複数の透過面とを含む多段状の内面と、前記複数の反射曲面に対面した筒面状または弧面状の出射面を備えた外面とを有する透光性の光学素子であって、
前記第１の軸に垂直な端面を含む複数の透光性部材が前記第１の軸に沿って積層されている組立体を含み、各々の前記複数の透光性部材は、前記内面の一部と、前記外面の一部とを含む、光学素子。
【請求項2】
請求項１において、前記組立体は、少なくとも１部が遮光性の前記端面を含む前記複数の透光性部材を含む、光学素子。
【請求項3】
請求項１または２において、前記組立体は、前記複数の透光性部材の間に少なくとも１部が配置された遮光性の部材を含む、光学素子。
【請求項4】
請求項３において、前記遮光性の部材は、前記外面の外側へ延びた部分を含む、光学素子。
【請求項5】
請求項１ないし４のいずれかにおいて、各々の前記複数の透光性部材は、前記複数の反射曲面の１つと前記複数の透過面の１つとの少なくとも１つの組み合わせを含む、光学素子。
【請求項6】
請求項１ないし４のいずれかにおいて、各々の前記複数の透光性部材は、前記複数の反射曲面の１つと前記複数の透過面の１つとを含む、光学素子。
【請求項7】
請求項１ないし６のいずれかにおいて、前記複数の反射曲面は、前記第１の軸の一方の第１の側から、前記第１の軸に沿って入射される、前記第１の軸に平行な光軸を備えた配光特性の第１の光の一部をそれぞれ、前記第１の軸の周りに反射するように構成されている光学素子。
【請求項8】
請求項７に記載の光学素子と、前記第１の光を出力する光源とを有する照明装置。
【請求項9】
請求項８において、前記光学素子は、弧面状の前記出射面を有し、
前記第１の軸で交差し、前記複数の反射曲面を挟むように配置された第２の反射面および第３の反射面をさらに有する、照明装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、所定の形状の領域の照明に適した光を出力する光学素子およびそれを用いた照明装置に関するものである。
【背景技術】
【0002】
特許文献１には、長い線状の照射範囲を少数の光源モジュールによって形成することができる照明装置を提供することが記載されている。特許文献１の照明装置は４個ずつ２列に配置された光源ユニットを備える。各光源ユニットは一対の光源モジュールから構成される。光源モジュールは、発光素子の発散光を、光源レンズを介して基板の前方に放射される第１出射光、光源レンズを介して屈折させられた後に第２反射板で反射されて基板の前方に放射される第２出射光に配光する。光源ユニットでは、２つの光源モジュールの基板が鋭角をなす状態で背中合わせに配置されており、光源ユニットは一方の光源モジュールの基板から他方の光源モジュールの基板までの間の角度で広がる一定幅の線状照明光を形成している。従って、照明装置により、長い線状の照射範囲を得ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開２０１２－０７４２７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
ＬＥＤから発せられる光は基本的に光軸上の光度が最も高い（最も大きい）配光パターンであるランバーシアン配光となっている。したがって、ライン状の領域などの照明に適した光に簡易に変換できる光学素子が求められている。
【課題を解決するための手段】
【0005】
本発明の一態様は、第１の軸に沿って、第１の軸を中心として同心円状に設けられた複数の反射曲面と、複数の反射曲面にそれぞれ対応する複数の透過面とを含む多段状の内面と、筒面状または弧面状の出射面を備えた外面とを有する透光性の光学素子である。この光学素子は、第１の軸に垂直な端面を含む複数の透光性部材の組立体を含み、各々の複数の透光性部材は、内面の一部と、外面の一部とを含む。
【0006】
本発明のさらに異なる他の態様の１つは、上記の光学素子と、第１の光を出力する光源とを有する照明装置である。
【発明の効果】
【0007】
本発明の光学素子においては、第１の軸に沿って入射される光（第１の光）を、第１の軸の周りに向けて反射する多段状の内面を備えた光学素子を、第１の軸に垂直な端面を含む複数の透過性部材に分割して組み立てできる。このため、複雑な内面を備えた光学素子を容易に製造し、提供できる。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【図1】照明装置の一例を示す斜視図。
【図2】照明装置を天井に取り付けた例を示す図。
【図4】投射ユニットを分割して示す図。
【図5】光学素子の構造を示す断面図。
【図7】出射光の配光分布の例を示す図。
【図8】異なる照明装置の一例を示す断面図。
【図9】照明装置により照明した例を示す図。
【図10】照明装置により照明した他の例を示す図。
【図11】照明装置による光漏れの他の例を示す図。
【図12】さらに異なる照明装置の一例を示す断面図。
【図14】照明装置を要素に展開して示す図。
【図15】照明装置の断面図。
【図16】照明装置において光が処理される様子を示す図。
【図17】照明装置の光源からの光の取込効率を示す図。
【図21】照明する領域と光学素子との関係を示す異なる例であり、図２１（ａ）はコ字形の領域の照明に適した光学素子、図２１（ｂ）はＶ字形の領域の照明に適した光学素子、図２１（ｃ）はＬ字形の領域の照明に適した光学素子の断面を示す図。
【図22】さらに異なる照明装置の一例を示す斜視図。
【図26】照明装置を要素に展開して示す図。
【図27】照明装置の断面図。
【図28】光学素子を抜き出して示す側面図。
【図29】光学素子をパーツに分割して示す側面図。
【図31】さらに異なる照明装置の一例を示す斜視図。
【図33】照明装置の断面図。
【図34】照明装置をパーツに展開して示す図。
【図35】さらに異なる照明装置の一例を示す斜視図。
【図37】照明装置の断面図。
【図38】照明装置をパーツに展開して示す図。
【発明を実施するための形態】
【0009】
図１に、方形の領域の照明に適した照明装置の一例を示している。この照明装置１は、卓上などの方形状またはライン状の領域２を照明するように制御された光（光束）３を前方１９に投影または投射する投射ユニット５と、投射ユニット５を収納した方形のハウジング４と、投射ユニット５の光源となるＬＥＤ６を駆動するドライバー回路８とを含む。投射ユニット５は、中心となる軸（第１の軸、Ｚ軸）１２の周り１８に円弧状に広がった、平面視（Ｚ軸１２に直交するＸ－Ｙ平面で見た形状）が略扇形の柱状、ロッド状あるいはシリンドリカルレンズ状で透光性の光学素子１１を含む光学装置（光学システム）１０と、光学素子１１の一方の端面からソース光（第１の光）７を入射するＬＥＤ６とを含む。
【0010】
図２に示すように、照明装置１は、天井９に取り付けられることにより、卓上などの方形状、またはライン状の細長い領域２を集中して照明することができる。照明対象は、方形または細長い領域であれば、卓上に限らず、壁、屋内外の看板やポスターなどであってもよく、照明装置１は、それらの方形または細長い領域２を集中して照明できる。光学装置１０は、平面視が略扇形で柱状に、扇形の中心となる第１の軸１２に沿って延びた光学素子１１と、光学素子１１を挟むように配置された反射部材２１および２２とを含む。
【0011】
図３に、光学装置１０を含む投射ユニット５を、照明装置１から抜き出して示している。図３（ａ）は、投射ユニット５を投射側（前方）１９から見た斜視図であり、図３（ｂ）は投射ユニット５を投射側１９と反対側から見た斜視図である。また、図４に、投射ユニット５および光学装置１０を展開して示している。
【0012】
図４に示すように、光学装置１０は、中心軸となる第１の軸（Ｚ軸）１２の周りに、Ｚ軸１２と直交する平面（Ｘ－Ｙ平面）で見た形状（平面視）が角度θ（中心角θ、開き角θ）で広がった略扇形で、透光性の部材、例えば、アクリル樹脂あるいはガラスなどから構成された光学素子１１を含む。光学素子１１は、全体がＺ軸１２に沿って延びた柱状で、Ｚ軸１２の側（内側）は、Ｚ軸１２の一方の端（底面側、Ｚ軸マイナス方向）が開口１３となった空洞１４となり、反対側の投射側（前方、外側）１９の面（出射面）１５は略円弧状となっている。光学装置１０は、さらに、光学素子１１を挟むように配置された反射部材２１および２２を含む。反射部材２１および２２は、光学素子１１に面した側に反射面２３および２４を含む。反射面（第２の反射面）２３および反射面（第３の反射面）２４は、Ｚ軸１２で交差し、光学素子１１を挟み込むように配置された反射面である。
【0013】
図５に断面で示すように、光学素子１１は、全体が内部にＺ軸１２に沿って形成された空洞１４を含むシリンドリカルレンズであって、空洞１４の開口１３の側から、Ｚ軸１２に沿って透過面と反射面とが交互に配置された多段の内面（透過・反射面）１６を含む。光学素子１１の内面１６は、開口１３と逆側から開口１３に向かって、すなわち、Ｚ軸１２のプラス側からマイナス側に向かって、段階的に配置された同心円弧状の扇形の複数の透過面３２と、これらの透過面３２により複数に分割された円弧状の反射面（第１の反射面）３１であって、Ｚ軸１２に沿って、Ｘ－Ｙ平面に対して鋭角に傾くように広がった第１の反射面３１を含む。光学素子１１の内面１６は、開口１３と逆側から開口１３に向かって、すなわち、Ｚ軸１２のプラス側からマイナス側に向かって、段階的に内径１６ｒが拡大するように順番に配置された同心円弧状の扇形の複数の透過面３２を含む。他の実施例として、Ｚ軸１２のプラス側からマイナス側に向かって、段階的に内径１６ｒが縮小するように配列された透過面を含んでもよく、同心円弧状に同一または実質的に同一形状の扇形の複数の透過面を含んでもよい。
【0014】
具体的には、本例の光学素子１１においては、第１の反射面３１は、開口１３と逆側（上側、Ｚ軸プラス方向）から開口１３に向かって、すなわち、Ｚ軸１２のプラス側からマイナス側に向かって、Ｚ軸１２に垂直で、Ｘ－Ｙ平面に平行な６つの透過面（第１～第６の透過面）３２ａ～３２ｆにより分割された６つの反射面（第４～第９の反射面）３１ａ～３１ｆを含む。すなわち、光学素子１１は、Ｚ軸１２のプラス側からマイナス側に向かって交互に配置された、６つの透過面（第１～第６の透過面）３２ａ～３２ｆと、６つの反射面（第４～第９の反射面）３１ａ～３１ｆを含む。光学素子１１は、さらに、最も開口１３の側に、Ｚ軸１２の周りに形成された円弧状の透過性の面３３を含む。
【0015】
このため、光学素子１１は、第１の軸（Ｚ軸）１２に沿って断続的に配置され、開口１３と逆側から、開口１３に向かって段階的に内径１６ｒが拡大するように順番に配置された同心円弧状の扇形の第１の透過面３２ａ、第２の透過面３２ｂおよび第３の透過面３２ｃと、第１の透過面３２ａ、第２の透過面３２ｂおよび第３の透過面３２ｃの開口１３と逆側に鋭角に傾くようにそれぞれ配置された円弧状の第４の反射面３１ａ、第５の反射面３１ｂおよび第６の反射面３１ｃとを含む。
【0016】
さらに具体的には、開口１３から最も遠い第１の透過面３２ａは、Ｚ軸１２を中心とした扇状の透過面である。開口１３から最も遠い第４の反射面３１ａは、第１の透過面３２ａを透過した光をＺ軸１２の周り１８の円弧状の角度θの範囲（第１の範囲）に反射するように配置された面である。第４の反射面３１ａは、第１の透過面３２ａの開口１３と反対側に、Ｚ軸１２を中心として、略扇形で逆円錐台を形成するようにＸ－Ｙ面に対して傾いた反射面であり、Ｚ軸１２と平行な光軸７ａの光７をＺ軸１２に直交する方向１９へ反射する。第５の反射面３１ｂは、第２の透過面３２ｂを透過した光７を反射するように、第２の透過面３２ｂの内辺３２ｂ１と第１の透過面３２ａの外辺３２ａ２との間に配置された円弧状の反射面である。第６の反射面３１ｃは、第３の透過面３２ｃを透過した光７を反射するように、第３の透過面３２ｃの内辺３２ｃ１と第２の透過面３２ｂの外辺３２ｂ２との間に配置された円弧状の反射面である。第７の反射面３１ｄおよび第８の反射面３１ｅについても、第４の透過面３２ｄおよび第５の透過面３２ｅに対して同様に構成されている。
【0017】
光学素子１１の外面１５はシリンドリカル面であってもよいが、本例においては、外面１５は、反射面３１ａ～３１ｆおよび透過面３３に対応して、Ｚ軸１２に沿って７つの領域１５ａ～１５ｇに区切られている。外面１５のこれらの領域１５ａ～１５ｇは、反射面３１ａ～３１ｆにより反射された光および透過面３３を透過した光をより均等に出力するようにトーリック面状の自由曲面として最適化されている。
【0018】
光学装置（光学システム、光学系）１０は、平面視が略扇形のシリンドリカルレンズ状の光学素子１１の側面１７ａおよび１７ｂに、反射部材２１および２２の第２の反射面２３および第３の反射面２４が密着するように取り付けられている。
【0019】
図３および図４に示すように、照明装置１の投射ユニット５は、光学装置１０と、その光学素子１１の開口１３に取り付けられた基板６ａとを含む。基板６ａにはＬＥＤ６が装着されており、ＬＥＤ６から、Ｚ軸１２に沿って、Ｚ軸１２と平行になるように、開口１３から光学素子１１の内部１４に設けられた第１の反射面３１に向かって照明用の光７が入射される。分断された反射面３１ａ～３１ｆにより構成される第１の反射面３１は、Ｚ軸１２に平行な光軸７ａを備えた配光特性の照明用の光（第１の光）７を、Ｚ軸１２の周り１８の中心角θの第１の範囲に反射するように配置されている。光学装置１０は、第１の反射面３１と、Ｚ軸１２で交差し、第１の反射面３１を挟むように配置された第２の反射面および第３の反射面とを有する。第２の反射面２３は、Ｚ軸１２の周り１８に、第１の光７を第１の反射面３１の方向に反射し、第３の反射面２４は、第２の反射面２３とはＺ軸１２の周り１８に逆方向にＬＥＤ６からの光７を反射する。
【0020】
したがって、光学装置１０は、光源であるＬＥＤ６から、Ｚ軸１２に沿って出射された光７を、Ｚ軸１２において中心角θで交差する第２の反射面２３および第３の反射面２４で、角度θの範囲の第１の反射面３１の方向に相互に反射する（折り畳む）。光学装置１０は、さらに、第１の反射面３１によりＺ軸１２と垂直な方向に、Ｚ軸１２の周りの角度θの範囲に反射して出力する。
【0021】
第２の反射面２３および第３の反射面２４は、ＬＥＤ６からの光７を、角度θの範囲に畳み込めるように配置されていればよく、ＬＥＤ６の近傍に少なくとも配置されていればよい。これらの反射面２３および２４は、第１の反射面３１と交差するように配置されていてもよく、ＬＥＤ６からの光７を効率よく、漏れが生じないように、第１の反射面３１の方向に畳み込むことができる。
【0022】
図６に、光学装置１０の光学素子１１により、Ｚ軸１２に沿って入射された光（入射光）７が、第１の反射面３１により反射され、Ｚ軸１２と直交する方向１９に出射される様子を模式的に示している。図６（ａ）に示すように、ＬＥＤ（光源）６から出力された光７は、光軸７ａを中心とするランバーシアン配光分布を備えている。この光７の光軸７ａの周りの成分は、第２の反射面２３および第３の反射面２４により中心角θの扇形の光学素子１１の方向に反射される。また、この光７の光軸７ａに対する配光角φの成分は、図６（ｂ）に示すように、光学素子１１の複数の透過面３２ａ～３２ｆと、複数に分割された第１の反射面３１ａ～３１ｆにより複数のグループ（光束）に分けられて、それぞれで反射された光束７１が光軸７ａと直交する方向１９に出力される。反射された光７１は、光学素子１１の外面の出射面１５を介して照明光３として出力される。さらに、ＬＥＤ６から出力された光７の配光角φが大きい成分は、光学素子１１の開口１３の近傍の透過面３３を介して光軸７ａと直交する方向１９に出力される。
【0023】
したがって、この光学装置１０は、第１の反射面３１、第２の反射面２３および第３の反射面２４により、ランバーシアン配光を備えた光７を、光軸７ａに対して直交する方向１９に円弧状に反射して、ライン状または方形状の領域を照明するのに適した配光を備えた照明光３に変換できる。さらに、第１の反射面３１により、光軸７ａと直交する方向１９に反射して、光７を光軸７ａと直交する方向に変換することにより、光軸７ａの周りに配光角φで光度が変化するランバーシアン配光の光度が共通する部分を、ライン状または方形状の配光の端から端まで引き延ばすことが可能である。例えば、光軸７ａ上の最も光度の高い光（光束）をライン状または方形状の配光の端から端まで引き延ばすことが可能である。また、このため、第１の反射面の曲率または傾きを制御し、ライン状または方形状の幅方向の光度を制御することにより、光度分布がより均等に近いライン状または方形状の配光を得ることができる。
【0024】
図７（ａ）および（ｂ）に、投射ユニット５から出力された光３の水平方向（左右方向）の配光分布の例を示している。図７（ａ）は、光学素子１１の外面１５の第１の軸と直行する断面を真円弧としたときの配光分布の一例であり、図７（ｂ）は、外面１５の第１の軸と直行する断面を自由曲面としたときの配光分布の一例である。光学装置１０を用いることにより、ＬＥＤ６から出力されたランバーシアン配光分布を備えた光７を、光度分布が水平方向にほぼ均一な光３に変換して出力することができる。外面１５を、自由曲面、非球面などを用いて最適化することにより、光学装置１０から出力される光３の分布を均一にすることが可能となる。
【0025】
図８に、第１の軸に沿って入射される、前記第１の軸に平行な光軸を備えた配光特性の第１の光の少なくとも一部を、前記第１の軸の周りの略円弧状の第１の範囲に反射する照明装置の他の例を、断面を用いて示している。この照明装置１ａの投射ユニット５ａは、平面視が略扇形の連続した第１の反射面３１と、第１の反射面３１を挟み込むように配置された第２の反射面（不図示）および第３の反射面２４とを含む光学装置１０ａを含む。この投射ユニット５ａにおいても、光学装置１０ａにより、ＬＥＤ６からＺ軸１２の方向に入力された光７を、Ｚ軸１２に直交する方向１９に変換し、光度が水平方向にほぼ均一な光３に変換して出力できる。
【0026】
一方、この投射ユニット５ａの光学装置１０ａにおいては、連続した第１の反射面３１を採用することにより、第１の反射面３１の占める領域が拡大し、装置をコンパクトに纏めることが難しい。これに対し、シリンドリカル状の光学素子１１を用いた光学装置１０においては、フレネルレンズのように、第１の反射面３１を複数に分割してシリンドリカルレンズの内部に複数の全反射面３１ａ～３１ｆとして実装することが可能である。すなわち、光学装置１０は、Ｚ軸（第１の軸）１２に沿った方向で分割され、ＬＥＤ６からの光（第１の光）７をＺ軸１２の周り１８でＺ軸１２に直交する方向１９に反射する複数の反射面３１ａ～３１ｆを含む。さらに、光学装置１０は、これら複数の反射面３１ａ～３１ｆを内側に備え、内面１６が複数の反射面３１ａ～３１ｆと、複数の反射面３１ａ～３１ｆにそれぞれ対応する複数の透過面３２ａ～３２ｆとを含む多段状で、Ｚ軸（第１の軸）１２に垂直な断面が扇形の光学素子１１を含む。
【0027】
このため、コンパクトな光学装置１０およびそれを用いたコンパクトな照明装置１を提供できる。さらに、光学素子１１は、複数の反射面３１ａ～３１ｆと、それに対応する複数の外面１５の領域（出射面）１５ａ～１５ｆを備えている。このため、これら複数の反射面と出射面とをそれぞれ、それらにより反射される光および透過する光に対して最適化することが可能であり、水平方向の光度分布が、いっそう均一な光３に変換して出力する光学装置１０を提供できる。
【0028】
光学素子１１の複数の反射面３１ａ～３１ｆに対応して設けられた複数の出射面１５ａ～１５ｆのそれぞれは、典型的には、Ｚ軸１２に沿った方向の断面がそれぞれ湾曲している部分を含むトーリック面状である。さらに、複数の出射面１５ａ～１５ｆは任意に設計可能であり、Ｚ軸１２に垂直な断面が非円形である部分を含んでもよい。
【0029】
このように、光学装置１０の光学素子１１は、内部に第１の軸（Ｚ軸）１２に沿って入射される、第１の軸１２に平行な光軸７ａを備えた配光特性の第１の光７の少なくとも一部を、第１の軸１２の周りの略円弧状の角度θの第１の範囲に反射するように配置された少なくとも１つの第１の反射面３１を含む。具体的には、光学素子１１は、第１の反射面３１として機能する、第１の軸１２に沿った方向で分割された複数の反射面（反射弧面）３１ａ～３１ｆと、複数の反射弧面３１ａ～３１ｆにより反射された光７１の少なくとも一部を屈折して第１の軸１２の周りに照明光３として出力する透光性の外面（出射面）１５とを含む。したがって、光学素子１１は、第１の軸１２に平行な光軸７ａを備えた第１の光７の進行方向（光軸）を第１の軸１２とは異なる方向、上記の例では第１の軸１２と直交する方向に変換する第１の反射面３１と、反射された光７１を屈折して出力することにより照明光３としての光軸および／または配光分布を変換する屈折面（レンズ）として機能する出射面１５とを含む。このため、図８に示したような、反射面３１のみにより照明光３の配光分布を制御する光学装置１ａと比較すると、照明光３の出射方向および／または配光分布を制御する２つの要素を含むので、照明光３の広がりや分布などを制御することが容易であり、また、より一様な配光分布を備えた照明光３を出力しやすい。
【0030】
上記の光学素子１１においては、内面１６に、第１の反射面３１を構成する複数の弧面３１ａ～３１ｆと、複数の透過面３２ａ～３２ｆとがそれぞれ組み合わされた複数の全反射（ＴＩＲ）プリズムを配置し、外面１５に、弧面３１ａ～３１ｆに対応した出射面１５ａ～１５ｆを設け、第１の反射面３１と屈折面として機能する外面１５とを一体化している。また、ＴＩＲレンズ面となる弧面３１ａ～３１ｆに対応して、外面１５を複数の出射面１５ａ～１５ｆに分けてトーリック面を構成したり、Ｚ軸１２周りの配光分布を制御する面を導入することが容易であり、より一様な配光分布を備えた照明光３を提供できる。
【0031】
さらに、光学装置１０においては、第１の光７を用いた照明光３の方向と広がりとを制御する光学素子１１と、第１の軸（Ｚ軸）１２で交差し、第１の反射面３１を含む光学素子１１を挟むように配置された第２の反射面２３および第３の反射面２４を設けることにより、３６０度方向（全周方向）に広がりを持つ第１の光７を光学素子１１に第１の反射面３１で処理できる範囲に集光する（折り畳む、畳み込む）ことが可能となり、光源であるＬＥＤ６から出力された光７を効率的に所望の方向および範囲に照明光３として出力できる。
【0032】
図９（ａ）に、投射ユニット５を備えた照明装置１からの光３をスクリーンに投射した一例を示している。図９（ｂ）に示すように、方形の照明領域２の上下に、複数の光漏れ８１～８４が生じていることが見出された。発明者らの実験によると、円弧状の光漏れ８１～８３は、光学素子１１の最下層の透過面３３および出射面１５ｇにおける表面反射による迷光が要因であることが分かった。光学素子１１は、多段状の内面１６の最も入射側の最下段に、Ｚ軸１２に直交する方向１９に光７の一部を透過する面を含み、ランバーシアン配光分布の光７の最も配光角φが大きな成分をＺ軸１２に直交する方向１９に出力できるようにしている。したがって、透光性の光学素子１１の最下段の内面３３および外面（出射面）１５ｇの少なくともいずれかに反射防止層を設けるか、または、拡散加工、たとえばシボ加工を施すことにより円弧状の光漏れ８１～８３が抑制できる。
【0033】
発明者らの実験によると、角状の光漏れ８４は、光学素子１１の側面１７ａおよび１７ｂにおける内面反射が要因であることが分かった。したがって、光学素子１１のＺ軸１２を周る方向の両側に配置された端面１７ａおよび１７ｂに透過防止または拡散加工を施すことにより光漏れ８４を防止できる。具体的には、端面１７ａおよび１７ｂを黒塗りしたり、シボ面を設けることで光漏れ８４を防止できる。
【0034】
図１０に、これらの対策を行った光学素子１１を用いた照明装置１からの光３をスクリーンに投影した例を示している。光漏れはほとんど見られず、上記の対策により光漏れが抑制されたことがわかる。
【0035】
図１１（ａ）に、照明装置１の周辺、例えば、天井９に表れることがある迷光８５の一例を示している。この迷光８５は、光学素子１１の内面１６の反射面３１および透過面３２における反射光が要因と考えられる。
【0036】
図１２に、異なる照明装置１ｂの一例を示す。この照明装置１ｂにおいては、上記にて説明した照明装置１の光学素子１１の外面（出射面）１５の前方１９に、各層（領域）１５ａ～１５ｇの境界に配置された複数のルーバー（遮蔽板）９０を含む。ルーバー９０は、光学素子１１の外面１５から前方１９に、出射方向と平行、すなわち、Ｘ－Ｙ平面と平行に延びた板状の部材である。図１１（ｂ）に示すように、ルーバー９０を設けた照明装置１ｂでは、迷光８５がほとんど観測されなかった。
【0037】
ルーバー９０により、光学素子１１の外面１５から出力される照明光３をさらに平行にすることができ、光学素子１１の内部における迷光により生成される発散光の影響を抑制できる。照明装置１ｂにおいては、複数のルーバー９０を各層１５ａ～１５ｇの単位でＺ軸方向に分散して配置しているが、複数の層単位で配置してもよく、層との関係はなくＺ軸方向に所定の間隔で配置してもよい。複数のルーバー９０の間隔および光学素子１１の外面１５からの突出量（長さ）は、照明領域２を照明するために要求される照明光３の平行度、迷光となる光学素子１１の外面１５からの発散光の強さおよび広がり（角度）などにより決定することができる。ルーバー９０の長さの一例は、光学素子１１の半径（光軸から外面までの距離）と同程度とすることである。ルーバー９０の間隔が狭すぎると、照明先で輝度ムラが発生する要因になりやすく、ルーバー９０の間隔が広すぎると、例えば上下のみに装着されている程度であると、迷光の影響を阻止しにくい。したがって、各層１５ａ～１５ｇの間隔でルーバー９０を設けることは好適な一例である。
【0038】
以上に説明したように、照明装置１は、回転体のレンズ(屈折器、透過性部材、光学素子)１１を含み、光学素子１１は扇型に開く円柱(角度の一部が欠けた円柱・回転体)であり、光学素子１１の側面１７ａおよび１７ｂと平行な面と光学素子１１の入射面（開口）１３に囲まれた空間部１４は、側面１７ａおよび１７ｂと平行な面に反射面２３および２４を有する。それらの面２３および２４の交点（Ｚ軸）１２の内側に光源となるＬＥＤ６が配置されている。したがって、円柱状の光学素子１１の内部で、回転軸上(中心軸、Ｚ軸)１２から偏心した位置に光源であるＬＥＤ６が配置されるが、反射面２３および２４によりＬＥＤ６からの光７が畳み込まれ、光源がＺ軸１２に存在するように光学素子１１から光３が出力される。
【0039】
光学素子１１は、円弧部の出射面１５ａ～１５ｇを含む。また、光学素子１１は、内部（内面）１６の底面側（開口１３の側）に透過部（湾曲面内壁）３３を含み、上面側（光軸方向、開口１３と反対側）に全反射面３１ａ～３１ｆを含む。全反射面３１ａ～３１ｆは、傾斜面内壁（ＴｏｔａｌＩｎｔｅｒｎａｌ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｎ）であり、Ｚ軸１２および光軸７ａに垂直な方向にそろった照明光３をＺ軸１２の周り１８に出射する。光学素子１１の円弧部の出射面１５ａ～１５ｇがレンズ機能を備えた湾曲面を有する。したがって、光学素子１１を光軸方向７ａに沿った方向に切断した断面では、反射部の全反射面３１ａ～３１ｆに直線または曲面を有し、また出射面１５ａ～１５ｇも直線または曲面を有する。
【0040】
このため、光学装置１０により、光源（ＬＥＤ）６からの光７が効率よく、また、より均等に、ライン状または方形状の配光に変換される。したがって、光学装置１０を用いることにより、ライン状または方形状の領域を、より均等で明るく照明できる照明装置１を提供できる。
【0041】
図１３（ａ）に、さらに異なる照明装置１ｃの側面を示し、図１３（ｂ）に照明装置１ｃを上から見た様子を示す。また、図１４に照明装置１ｃを構成する要素に展開した状態を示し、図１５に、照明装置１ｃの概略構成を、装置１ｃの中心に沿った断面ＸＶ－ＸＶ（図１３（ｂ）参照）で切断した断面図を用いて示す。さらに、図１６に、この照明装置１ｃにおいて、照明光３が出力される概要を示している。照明装置１ｃは、光源となるＬＥＤ６からの光（第１の光）７を照明光３に変換して出力する光学装置１０と、第１の光７を出力するＬＥＤ６を搭載した基板６ａとを有する。光学装置１０は、第１の軸（Ｚ軸）１２に沿って入射される、第１の軸１２に平行な光軸７ａを備えた配光特性の第１の光７の少なくとも一部を、第１の軸１２の周りの角度θの略円弧状の第１の範囲に反射するように配置された第１の反射面３１と、第１の軸１２で交差し、第１の反射面３１を挟むように配置された第２の反射面２３および第３の反射面２４と、第１の反射面３１で反射された光７１の少なくとも一部を屈折して第１の軸１２の周りに出力する透光性の出射面１５を含む。
【0042】
光学装置１０は、さらに具体的には、第２の反射面２３を備えた第１の反射部材２１と、第３の反射面２４を備えた第２の反射部材２２とが、第１の軸１２において角度θで交差した折り曲げミラー２０と、内面１６に第１の反射面３１を備え、外面が出射面１５となった透光性の光学素子１１とを含む。第１の反射面３１は、第１の軸１２に沿った方向で分割された複数の反射弧面３１ａ～３１ｄを含み、これら複数の反射弧面３１ａ～３１ｄにより反射された光７１の少なくとも一部を屈折して第１の軸１２の周りに出力する透光性の出射面１５は、第１の軸１２に沿った方向の断面が周期的な凹凸形状４０を含む。光学素子１１は、内面１６の第１の光７の入射側（最下段）に、第１の光７を透過する透過面３３をさらに含み、透過面３３は、第１の光７の広角（周辺）の成分を屈折して出射面１５に導く。出射面１５は、屈折により第１の軸１２に対して方向が変わった光（本例においては、第１の軸１２に対して略直交する方向の光）７２を照明光３として出力する部分（領域）も含み、出射面１５の全体にわたり、Ｚ軸１２に沿った方向に周期的な凹凸４０が形成されている。
【0043】
第１の軸（Ｚ軸）１２に沿った方向の周期的な凹凸形状４０は、Ｚ軸方向に凹形状４１と凸形状４２とが所定のピッチで繰り返される形状を含み、正弦波形状であってもよく、Ｚ字状に直線が何度も折れ曲がったジグザグ形状であってもよく、直線と曲線とが組み合わされた形状であってもよく、凹形状４１と凸形状４２とが相互に繰り返し表れる形状を示す。周期的な凹凸形状４０は、凹凸のピークと谷との距離（幅）である振幅と、繰り返しのピッチ（周期）とがＺ軸１２の方向に一定であってもよく、Ｚ軸１２の方向に所定の関数で変化するものであってもよい。周期的な凹凸形状４０は、凹凸の振幅と周期とがＺ軸１２の周りの方向（周方向、θ方向）に一定であってもよく、θ方向に所定の関数で変化するものであってもよい。出射面１５は、周方向に、周期的な凹凸形状を備えていてもよい。
【0044】
透光性の出射面１５は、第１の軸１２に沿った方向の断面が、所定の間隔で設けられた複数の変曲点４５を含んでもよい。複数の変曲点４５の各々は、凸形状４２から凹形状４１、または凹形状４１から凸形状４２に変わる点、曲線から直線、または直線から曲線に変わる点、および、直線の傾きの方向が変わる点の少なくともいずれかであってもよい。
【0045】
周期的な凹凸形状４０および／または所定の間隔で設けられた複数の変曲点４５を含む出射面１５は、出力される照明光３に作用し、照明光３の垂直方向の強度分布（光度分布）をより均一にする効果を含む。周期的な凹凸形状４０の周期または変曲点４５の間隔は、光学素子１１の複数の反射面３１ａ～３１ｄおよび透過面３３と対応していてもよく、対応していなくてもよい。強度分布を一定にする効果を得やすくするためには、複数の反射弧面３１ａ～３１ｄのそれぞれに対面した外周面（出射面）１５の範囲１５ａ～１５ｄ、および透過面３３に対応した範囲１５ｇに、少なくとも１つの周期的な凹凸形状４０を含んでもよい。周期的な凹凸形状４０は、複数の反射弧面３１ａ～３１ｄおよび透過面３３のそれぞれに対面した範囲１５ａ～１５ｄおよび１５ｇに、複数の凹形状４１または凸形状４２を含んでもよい。各反射面３１ａ～３１ｄで反射された光７１は、外面１５において、２以上の凹４１および／または凸４２が設けられた出射面に入射する。各反射面３１ａ～３１ｄに対応する凹凸の数は任意に設けることができる。各反射面３１ａ～３１ｄに対応して少なくとも１つの凹形状４１および凸形状４２の組み合わせが配置されるように周期（ピッチ）を設定することにより、光学素子１１の外面である出射面１５と、内面１６である反射面３１の数（段数）とを切り離して設計を進めることが可能となり、光学素子１１の設計の自由度が向上する。
【0046】
同様に、出射面１５の第１の軸１２に沿った方向の断面は、複数の反射弧面３１ａ～３１ｄのそれぞれに対面した範囲１５ａ～１５ｄに、少なくとも２つの変曲点４５を含んでもよい。透過面３３に対応する範囲１５ｇにおいても同様である。外周面１５のそれぞれの範囲１５ａ～１５ｄおよび１５ｇに少なくとも２つの変曲点４５を含むことにより、凹から凸および凸から凹に変わる形状、凸から凹および凹から凸に変わる形状がそれぞれの範囲に少なくとも含まれる。このため、外面１５に達して光７１は、外面１５で、第１の軸１２に沿った方向で平行化される代わりに、収束および発散が交互に繰り返され、照明領域２に到達する際は、照明領域２のある部分は、出射面１５の様々な領域１５ａ～１５ｄおよび１５ｇを通って出力された照明光３により照らされ、照明の強度分布（輝度分布）が平均化される。
【0047】
図１６に、周期的な凹凸形状４０として、Ｚ軸１２に沿って、例えば正弦波形状が形成された光学素子１１において、典型的な光線の挙動を模式的に示している。凹凸形状４０の凹形状４１は凹レンズとして光を発散させ、凸形状４２は凸レンズとして光を集束させる働きを持つ。したがって、複数の反射面３１ａ～３１ｄにより反射されて外面１５から出射される光は、集束と発散の領域が交互に表れる。１つの反射面により反射されて出射面に向かう光は、集束と発散という異なる光路を辿ることになるため、照明ムラの品質を改善することができる。
【0048】
出射面１５は、出射面１５を介して出力される照明光３の第１の軸１２の周りの配光を制御する部分、すなわち、Ｚ軸周りに周期的な凹凸の周期や振幅、変曲点の位置、間隔などが変化する部分を含んでもよい。Ｚ軸１２に直交する水平方向（Ｘ－Ｙ面）の各位置において、Ｚ軸方向（垂直方向）の配光をより制御するために、Ｚ軸周りの角度θの各位置に応じて光学素子１１の外面１５の形状を設定してもよい。図１３（ｂ）および図１４に示すように、この照明装置１ｃについて、光学素子１１は、Ｚ軸１２と直交する平面（Ｘ－Ｙ平面）で見た平面視において、中心θ０からの開き角θ１が０度、１５度、３０度、４５度の位置において、それぞれ垂直方向（Ｚ軸方向）の配光が均一になるように設計された周期的な凹凸形状４０が実装されている。したがって、光学素子１１の、開き角θ１が０度、１５度、３０度、４５度の位置において、出射面１５の周期的な凹凸形状４０の振幅および／または周期が異なる部分（領域）１５ｘを備えていてもよい。これらの角度の間の出射面１５の形状は、隣接する断面の凹凸形状４０を補間しシームレスな面を形成するように設計することが可能である。
【0049】
また、光学素子１１の出射面１５の設計は、ＴＩＲプリズム３９を備えた内面１６の形状とは基本的に独立して設計できる。このため、内面１６の設計が同じでも、外面である出射面１５の設計を変えることができる。このため、照明対象となる領域２との距離などに応じて、垂直方向の配光分布を適切に制御し、照明領域２における長手方向（水平方向）の輝度分布がさらに均一になるような光学素子１１を提供できる。出射面１５は、中心θ０に対して水平方向（開き角θ１）に対称に設計してもよく、照明領域２の関係で、非対称に設計してもよい。
【0050】
この光学素子１１では、内面１６に複数の反射弧面３１ａ～３１ｄが配置され、それぞれは第１の軸１２を中心とした同心円弧状の反射面（全反射面）を含み、さらに、それぞれの反射面３１ａ～３１ｄに対応する透過面３２ａ～３２ｄを含む。したがって、光学素子１１では、内面１６には、多段のＴＩＲ（全反射）プリズム３９が形成されている。
【0051】
光学装置１０は、さらに、第１の光７の光軸７ａ上の成分が第１の反射面３１に直に入力されることを回避する制御部材７９を含む。この制御部材は、遮光（吸光）する制御部材であってもよく、反射または拡散する制御部材であってもよい。本例において、光学装置１０は、折り曲げミラー２０の第１の軸１２に沿った最上部に、第１の軸１２から扇形に突き出た遮光性あるいは非反射性の制御部材７９を含む。制御部材７９は、ＬＥＤ６からの第１の光７の光軸７ａの周りの一部、例えば、仰角φ１の成分を吸収し、光学素子１１に入力されないようにしている。制御部材７９は、第１の軸１２に沿って延びた逆円錐などの鏡面あるいは散乱面であってもよく、仰角φ０の成分を適切に光学素子１１に供給できるものであってもよい。
【0052】
図１７は、Ｚ軸（第１の軸）１２に沿って、反射面３１に入射される光の、仰角φに対する取込効率を示したグラフである。仰角φが８０°では９７％の取込効率があり、仰角φが８０°～９０°、すなわちＬＥＤ６から真上の方向に出る仰角φ１の光を捨てても、光損失量は３％程度であることがわかる。
【0053】
一方、図１６に破線で示すように、仰角８０°～９０°の光を含めて、Ｚ軸１２に対して他の角度、例えば、Ｚ軸１２に垂直方向に反射する反射面３１ｘを形成するために要する体積は、光学素子１１の全体の体積の約１５％に相当する。図１６に示すように、本例の光学素子１１は、仰角φが８０°～９０°（仰角φ１）の光を反射する面を含む反射面３１ｘの代わりに、仰角φ１を省いて反射する面３１ａを採用することにより、厚みが薄く、小型化している。このため、この光学素子１１を採用することにより、ＬＥＤ６からの光から照明光３に変換する効率がほとんど低下しないコンパクトな光学装置１０および照明装置１ｃを提供できる。
【0054】
このように、光学素子１１は、ＬＥＤ６から出力されたランバーシアン配光分布を備えた第１の光７を第１の光７の光軸７ａと異なる角度、典型的には直交する方向に、光軸７ａの周りの角度θの所定の範囲（第１の範囲）に反射することにより光の強度分布を制御する第１の反射面３１と、この反射面３１とは独立して設計でき、反射された光７１を屈折して出力することにより、照明する対象の領域２に合致した形状と強度分布とを備えた照明光３を出力する円筒状または弧面状の出射面１５とを備えている。さらに、円筒状または弧面状の出射面１５の長手方向（垂直方向）に周期的な凹凸形状４０を設けることにより照明光３の垂直方向（Ｚ方向）の広がりや強度分布を制御することができ、出射面１５の周方向の形状を調整することにより、周方向（水平方向、ＸＹ方向）の広がりや強度分布を制御することができる。したがって、この光学素子１１を備えた光学装置１０および照明装置１により、様々な面積、形状または構成の領域２に対して、その領域２の全体を、より均一に照明できる照明光３を出力できる。
【0055】
図１８から図２１に、異なる形状または構成の領域２に適した照明装置用の光学素子１１の幾つかの例を示している。図１８に示した光学素子１１は、水平方向の広がりが標準的な、いわゆる中配光の照明光３を出力する光学素子１１である。図１８（ａ）に示すように、光学素子１１の外面（出射面）１５は、中心の第１の軸１２の周りに広がった円弧状である。図１８（ｂ）に、断面で示すように、光学素子１１の出射面１５には、照明光３の第１の軸１２に沿った垂直方向の広がりを制御する、周期的な凹凸形状４０を備えている。
【0056】
図１９に示した光学素子１１は、水平方向の広がりは中配光であるが、第１の軸１２に沿った垂直方向の広がりが大きな照明光３を出力する光学素子１１の一例である。図１９（ａ）に示すように、光学素子１１の外面（出射面）１５は、中心の第１の軸１２の周りに広がった円弧状である。図１９（ｂ）に、断面で示すように、光学素子１１の出射面１５に設けられた周期的な凹凸形状４０の振幅（例えば、凸形状４２のピークと、凹形状４１の底と間の距離、高さ、サグ量）は、図１８（ｂ）に示した凹凸形状４０の振幅より大きくてもよい。周期的な凹凸形状４０は、図１９（ｂ）に示すように、正弦波形状のように湾曲した面の集合であってもよく、図１９（ｃ）に示すように、ジグザグ形状のような角度の異なる直線（斜面）の集合であってもよい。
【0057】
図２０（ａ）に示した光学素子１１は、水平方向が狭い領域２を照明するのに適した例である。光学素子１１の出射面１５は、狭配光の照明光３を出力するのに適した形状、例えば、曲率が大きな（曲率半径が小さな）面を備えている。図２０（ｂ）に示した光学素子１１は、水平方向が広い（長い）領域２を照明するのに適した例である。配光角度を広げる一例は、周方向にも１または複数の凹凸の形状を配置することである。図２０（ｂ）に示すように、第１の軸１２に垂直な方向の断面（水平方向の断面、平面視）において、出射面１５を、開き角が０度の位置で凹形状とし、両側で凸形状となるように設計することができる。水平方向の断面が双葉あるいは凸凹凸形状の出射面１５を備えた光学素子１１は、水平方向に長い領域２を照明するための広配光の照明光３を出力するために適している。図２０（ｃ）に示した光学素子１１は、円柱の内面に周方向に延びたライン状の領域２の照明に適した例である。
【0058】
図２１（ａ）に示した光学素子１１は、複数のライン状の面がコ字形に組み合わされた立体的な面（領域）２の照明に適している例である。この光学素子１１の出射面１５の第１の軸１２に垂直な方向の断面は、コ字形の中央に向き合った、開き角が０度の位置では、直線状または曲率半径が大きい凸または凹に湾曲した部分１５ｙであり、コ字形の垂直に折れ曲がった位置に対応する箇所では凸状１５ｚであり、このような出射面１５の形状を採用することにより、コ字形の内壁をライン状に均一に照明するのに適した光学素子１１を提供できる。
【0059】
図２１（ｂ）に示した光学素子１１は、複数のライン状の面がＶ字形に組み合わされた立体的な面（領域）２の照明に適している例である。この光学素子１１の出射面１５の第１の軸１２に垂直な方向の断面は、Ｖ字形に面が交差した位置に対応する箇所に向かって凸状１５ｚであり、このような出射面１５の形状を採用することにより、Ｖ字形の内壁をライン状に均一に照明するのに適した光学素子１１を提供できる。
【0060】
図２１（ｃ）に示した光学素子１１は、複数のライン状の面がＬ字形に非対称に組み合わされた立体的な面（領域）２の照明に適している例である。この光学素子１１の出射面１５の第１の軸１２に垂直な方向の断面は、Ｌ字形に面が交差した位置に対応する箇所に向かって凸状１５ｚである、第１の軸１２の周りに非対称な出射面１５の形状を採用することにより、Ｌ字形の内壁をライン状に均一に照明するのに適した光学素子１１を提供できる。
【0061】
以上に述べたように、第１の軸１２に沿った方向の断面における出射面（外面）１５の形状および第１の軸１２に垂直な方向の断面における出射面１５の形状を制御することで、配光特性の異なる照明光３を出力できる。このため、この出射面１５を備えた光学素子１１を含む照明装置１であれば、照射対象となる様々な構成のライン状の領域２をより均一に照明できる照明装置１を提供できる。
【0062】
図２２に、照明装置１ｄの異なる例を示している。図２３に、照明装置１ｄの取り付けられていた放熱フィン５９を取り外した状態を示し、図２４に、照明装置１を構成要素に展開した様子を示している。この照明装置１ｄは、モジュール灯具の一例であり、光学素子１１の前面（外面）の出射面１５の周囲を覆う遮光性のマスク５１を含む。出射面１５の外側で、出射面１５の周囲を覆う遮光性のマスク５１は、グレアおよび迷光対策としての機能を含む。照明装置１では、内面１６に第１の反射面３１を備えた光学素子１１と、第２の反射面２３および第３の反射面２４を備え、光学素子１１の内面１６を挟み込むように設置される折り曲げミラー（板金ミラー）２４と、光学素子１１の出射面１５の周囲を覆う、四角いラッパ状の遮光性のマスク５１と、光学素子１１、板金ミラー２０およびマスク５１を組み立てるための樹脂筐体５２、５３および５４と、光源となるＬＥＤ６が搭載された基板６ａと、基板６ａを支持するとともに、ＬＥＤ６からの熱を放熱フィン５９に逃がすための板金ヒートスプレッタ５８とを含む。
【0063】
図２５（ａ）に、さらに異なる照明装置１ｅの側面を示し、図２５（ｂ）に照明装置１ｅを上から見た様子を示す。また、図２６に照明装置１ｅを構成する要素に展開した状態を示し、図２７に、照明装置１ｅの概略構成を、装置１ｅの中心に沿った断面ＸＸＶＩＩ－ＸＸＶＩＩ（図２５（ｂ）参照）で切断した断面図を用いて示す。照明装置１ｅは、光源となるＬＥＤ６からの光（第１の光）７を照明光３に変換して出力する光学装置１０と、第１の光７を出力するＬＥＤ６を搭載した基板６ａとを有する。光学装置１０は、第１の軸（Ｚ軸）１２に沿って入射される、第１の軸１２に平行な光軸７ａを備えたランバーシアン配光の第１の光７の少なくとも一部を、第１の軸１２の周りの角度θの略円弧状の第１の範囲に、光軸７ａ（第１の軸（Ｚ軸）１２）に対して垂直な方向にほぼコリメートされた状態の光７１として反射するように配置された第１の反射面３１と、第１の軸１２で交差し、第１の反射面３１を挟むように配置された第２の反射面２３および第３の反射面２４と、第１の反射面３１で反射された光７１の少なくとも一部を屈折して第１の軸１２の周りに出力する透光性の出射面１５と、出射面１５から突き出た複数の遮光性のルーバー９０とを含む。
【0064】
光学装置１０の構成は、ルーバー９０を含む以外は、上記に示した例とほぼ同様の構成であり、第２の反射面２３と第３の反射面２４を備えた折り曲げミラー２０と、内面１６に第１の反射面３１を備え、外面が出射面１５となった透光性の光学素子１１とを含む。光学素子１１は、内側に、複数の反射弧面３１ａ～３１ｄと、これら複数の反射弧面３１ａ～３１ｄにそれぞれ対応する複数の透過面３２ａ～３２ｄとを含む多段状の内面１６を備え、外側に、周期的な凹凸形状４０および／または複数の変曲点４５を含む出射面１５を備え、第１の軸１２に垂直な断面が、第１の軸１２の周りの角度θが１８０度以下または未満の略扇形で、透光性の部材である。複数の反射弧面３１ａ～３１ｄと、これら複数の反射弧面３１ａ～３１ｄにそれぞれ対応する複数の透過面３２ａ～３２ｄとは、それぞれが全反射（ＴＩＲ）プリズム３９を構成し、光学素子１１の内面１６は、第１の軸１２に沿って多段のＴＩＲプリズム３９が配置された構成となっている。
【0065】
図２８に、光学素子１１を抜き出して示している。また、図２９に、光学素子１１をパーツである複数の透光性の部材（透光性部材、パーツ）１１１ａ～１１１ｅに展開した様子を側面図により示し、図３０に、斜視図により示している。図３０（ａ）は、光学素子１１を展開した状態を出射面（外面）１５の側から見た様子を示し、図３０（ｂ）は、内面１６の上側、すなわち、第１の光７が入射する第１の軸（Ｚ軸）１２の入射側と反対側から示し、図３０（ｃ）は、内面１６の下側、すなわち、第１の軸１２の入射側から示している。
【0066】
各々の透光性部材（パーツ）１１１ａ～１１１ｅは、第１の軸（Ｚ軸）１２に対して垂直な端面１１５を含み、光学素子１１は、これらのパーツ１１１ａ～１１１ｅが第１の軸１２に沿って積層された組立体１１０を含む。各々のパーツ１１１ａ～１１１ｅは、光学素子１１を、Ｚ軸１２に沿って、段階的に配置された同心円弧状の扇形の複数の透過面３２ａ～３２ｄのそれぞれの位置で、Ｘ－Ｙ平面に分割した構成を備えており、組立体１１０は、内面１６に、透過面３２ａ～３２ｄのいずれかと、それに対応する反射面（反射曲面、反射弧面）３１ａ～３１ｄのいずれかとを含む１つのＴＩＲプリズム３９（ＴＩＲプリズム単体）を有する平面視略扇型の４つのパーツ１１１ａ～１１１ｄと、内面１６に反射面を有さずに透過部３３を有する平面視略扇型の１つのパーツ１１１ｅとを含む。各々のパーツ１１１ａ～１１１ｄは、外面１５に、光学素子１１の外面１５を構成する周期的な凹凸構造４０の一部で、内面１６の反射面３１ａ～３１ｄおよび透過部３３のそれぞれに対応した部分の構成を含む。
【0067】
各々の透光性のパーツ１１１ａ～１１１ｄは、第１の反射面３１としての機能を備えた複数の反射曲面３１ａ～３１ｄの１つと、複数の透過面３２ａ～３２ｄの１つとの少なくとも１つの組み合わせ、すなわち、少なくとも１つのＴＩＲプリズム３９を含む。各々のパーツ１１１ａ～１１１ｄは、複数のＴＩＲプリズム３９を含むように構成されてもよい。各々のパーツ１１１ａ～１１１ｄは、複数の反射曲面３１ａ～３１ｄの１つと複数の透過面３２ａ～３２ｄの１つとを含み、単一のＴＩＲプリズム３９を含むように構成されてもよい。ＴＩＲプリズム３９は、内面に向かって突き出た形状であり、円弧状の光学素子１１の場合は、複数のＴＩＲプリズム３９を作り込むことが可能である。一方、以下の例に説明するような円筒状あるいはリング状の光学素子の場合、内面に複数のＴＩＲプリズム３９を作り込むことは困難であるが、ＴＩＲプリズム３９の単位でパーツをＺ軸１２の方向に分解することにより、内部に複数のＴＩＲプリズム３９を有する光学素子を容易に製造できる。
【0068】
また、光学素子１１の内面１６に設けられた複数のＴＩＲプリズム３９は、Ｚ軸１２に沿って入力されたＬＥＤ６からの光７をＺ軸１２に垂直な方向にコリメートする機能を持つが、透光性のシームレスが光学素子１１においては内部で迷光が発生する可能性がある。迷光が光学素子１１の出射面１５から出力され、外部から認識されると、不要な部分を照明したり、目に入ると眩しさの要因になる。光学素子１１をＴＩＲプリズム３９の単位でＺ軸１２の方向に分解して組み立てることにより、ＴＩＲプリズム３９の単位で迷光の発生を抑制できるというメリットがある。
【0069】
パーツ１１１ａ～１１１ｅのそれぞれで発生する迷光が他のパーツ１１１ａ～１１１ｅを介して出力されることを防止するためには、遮光性の部材をパーツ１１１ａ～１１１ｅの間の少なくとも一部に挟み込んで組立体１１０を構成してもよい。また、パーツ１１１ａ～１１１ｅのＺ軸１２に垂直な端面１１５の少なくとも一部を遮光性にしてもよく、これらを組み合わせてもよい。
【0070】
本例においては、光学素子１１を構成する組立体１１０が、各々の透光性のパーツ１１１ａ～１１１ｅの間に少なくとも一部が配置された（挟み込まれた）遮光性の部材であるルーバー９０を含む。ルーバー９０は、光学素子１１の出射面１５から延びて（突き出て）、出射面１５から出力された迷光を防止する部分９１と、各パーツ１１１ａ～１１１ｅに挟み込まれた状態で、パーツ間の迷光を防止する部分９２とを含む。
【0071】
また、組立体１１０は、端面１１５の少なくとも一部に遮光性の領域１１７を含むパーツ１１１ａ～１１１ｅを含む。遮光性の領域（部分）１１７は２色成形などの技術を用いてパーツ１１１ａ～１１１ｅの成型時に形成してもよく、パーツ１１１ａ～１１１ｅを成型後に所望の個所を、遮光性を有するように加工してもよい。
【0072】
それぞれのパーツ１１１ａ～１１１ｅは、外面１５の端部側には、積層する際の接合部が設けられている。具体的には、最上段のパーツ１１１ａには下側の端面に凹構造１１９が、中間のパーツ１１１ｂ～１１１ｄには上側の端面１１５に凸構造１１８、下側の端面に凹構造１１９が設けられており、最下段のパーツ１１１ｅには上側の端面１１５に凸構造１１８が設けられている。これらの凸構造１１８と凹構造１１９を、挟み込まれるルーバーに設けられた貫通孔９８を通して勘合させることで、これらのパーツ１１１ａ～１１１ｅを含む組立体１１０を構成できる。パーツ１１１ａ～１１１ｅにより組立体１１０を構成する方法はこれに限定されず、上下の構造が逆であってもよく、接着剤などを用いてもよく、フレームなどでパーツ１１１ａ～１１１ｅを囲って機械的に一体化してもよい。
【0073】
ルーバーを用いない光学素子１１を、組立体１１０により構成してもよい。光学素子１１を１つの部材で形成する場合、Ｚ軸１２に近い領域は上部から下部まで成形部材が存在して肉厚部となるため、成型の際の凝固時間が長くなり、量産性が低下する。Ｘ－Ｙ平面に端面１１５を備えた複数のパーツで分割して製造することにより、肉厚部がなくなり、量産性が向上する。また、各パーツの接合面間に遮光板を挟むことで、上述したルーバーと同様に、迷光を遮光することができる。各パーツには遮光板の厚みに応じた凹部をそれぞれの接合面（端面）１１５に設けてもよい。
【0074】
図３１に、さらに異なる照明装置１ｆを示している。図３２（ａ）に照明装置１ｆの側面を示し、図３２（ｂ）に照明装置１ｒを上から見た様子を示す。また、図３３に照明装置１ｆの概略構成を、装置１ｆの中心に沿った断面ＸＸＸＩＩＩ－ＸＸＸＩＩＩ（図３２（ａ）参照）で切断した断面図を用いて示す。さらに、図３４に照明装置１ｆをパーツに展開した様子を示している。照明装置１ｆは、光源となるＬＥＤ６からの光（第１の光）７を照明光３に変換して出力する光学装置１０と、第１の光７を出力するＬＥＤ６を搭載した基板６ａとを有する。光学装置１０は、第１の軸（Ｚ軸）１２に沿って入射される、第１の軸１２に平行な光軸７ａを備えたランバーシアン配光の第１の光７の少なくとも一部を、第１の軸１２の周りの円形（円筒形）の第１の範囲に、光軸７ａ（第１の軸（Ｚ軸）１２）に対して垂直な方向にほぼコリメートされた状態の光７１として反射するように配置された第１の反射面３１と、第１の反射面３１で反射された光７１の少なくとも一部を屈折して第１の軸（Ｚ軸）１２の周りに出力する透光性の出射面１５とを含む。
【0075】
照明装置１ｆは、Ｚ軸１２に沿った光を処理するためのパーツ（軸上光処理部材）１２０をさらに含む。このパーツ１２０は、上述した制御部材７９と同様の機能を持つように、遮光性あるいは反射性の部材であってもよい。また、パーツ１２０は、レンズ機能や光拡散機能といった、照明装置としての光学性能を付加する機能を持たせてもよく、ライン状の領域の照明だけではなく、円筒状の光学素子の軸方向周囲の広範囲を含めた照明が可能な照明装置を提供してもよい。パーツ１２０の形状は円盤状であってもよく、筒状、球状、方形状などであってもよく、透光性または拡散性の素材からなる、人、動植物、建物などのオブジェであってもよい。
【0076】
光学装置１０は、第１の軸１２に沿って、第１の軸１２を中心として同心円状に設けられた複数の反射曲面３１ａ～３１ｅと、複数の反射曲面３１ａ～３１ｅにそれぞれ対応する複数の透過面３２ａ～３２ｅとからなる複数のＴＩＲプリズム３９を含む多段状の内面１６と、筒面状の出射面を備えた外面１５とを備えた光学素子１１を有する。本例の光学素子１１の出射面（外面）１５は、円筒面であるが、平面視（第１の軸１２に垂直は面）が多角形の断面を備えた角筒面であってもよく、複数の凹凸が連続した輪郭を備えた断面を有する面であってもよい。また、出射面１５の第１の軸１２に沿った方向の断面は、直線であってもよく、上述したように周期的な凹凸４０を備えた面であってもよく、複数の変曲点４５を備えた面であってもよい。
【0077】
光学素子１１は、上述した弧面状の出射面１５を備えた光学素子と同様に、第１の軸１２に垂直な端面１１５を含む複数の透光性部材（パーツ）１１１ａ～１１１ｆの組立体１１０を含む。各々のパーツ１１１ａ～１１１ｆは、リング状で、内面１６に、リング状に形成されたＴＩＲプリズム３９を含み、外面はリング状の出射面１５となっている。それぞれのパーツ１１１ａ～１１１ｆの端面１１５の一部あるいは全部に、遮光性の部分１１７を設けてもよく、これらのパーツ１１１ａ～１１１ｆの間に遮光性の部材であるルーバー９０を挟み込んで組立体１１０を構成してもよい。
【0078】
この円筒状の光学素子１１を備えた照明装置１ｆは、円筒状の面（内面）のライン状の領域の照明に適している。この照明装置１ｆにおいても、光学素子１１の外面１５の形状を変えることにより、図２０および図２１を参照して説明したように、角筒状の内面を照明したり、楕円状の内面を照明するために適した照明装置を提供できる。また、上述した光学素子１１は、外観が、筒状または筒状の一部を切り出した形状で、細長いライン状あるいは方形の領域２を照明するために適した構成としているが、台形状の領域２を照明したり、斜めから方形あるいはライン状の領域２を照明するために適した円錐状または円錐状の一部を切り出した形状であってもよく、卵型や鼓型あるいはそれらの一部を切り出した形状であってもよい。光学素子１１を、中心軸（Ｚ軸）１２に沿って複数のパーツに分解して製造して組み立てることにより、様々な形状の光学素子１１であって、中心軸１２に沿って入射したＬＥＤ６からの光７を反射面３１により中心軸１２に垂直な方向にコリメートし、外面の屈折面によって照明対象の領域２の形状に適した照明光３として出力する光学素子１１を提供できる。
【0079】
図３５に、さらに異なる照明装置１ｇを示している。図３６（ａ）に照明装置１ｇの側面を示し、図３６（ｂ）に照明装置１ｇを上から見た様子を示す。また、図３７に照明装置１ｇの概略構成を、装置１ｇの中心に沿った断面ＸＸＸＶＩＩ－ＸＸＸＶＩＩ（図３６（ａ）参照）で切断した断面図を用いて示す。さらに、図３７に照明装置１ｇをパーツに展開した様子を示している。照明装置１ｇは、光源となるＬＥＤ６からの光（第１の光）７を照明光３に変換して出力する光学装置１０と、第１の光７を出力するＬＥＤ６を搭載した基板６ａとを有する。光学装置１０は、第１の軸（Ｚ軸）１２に沿って入射される、第１の軸１２に平行な光軸７ａを備えたランバーシアン配光の第１の光７の少なくとも一部を、第１の軸１２の周りの円形（円筒形）の第１の範囲に、光軸７ａ（第１の軸（Ｚ軸）１２）に対して垂直な方向にほぼコリメートされた状態の光７１として反射するように配置された第１の反射面３１と、第１の反射面３１で反射された光７１の少なくとも一部を屈折して第１の軸（Ｚ軸）１２の周りに出力する透光性の出射面１５と、出射面１５から突き出た複数の遮光性のルーバー９０と、軸上の光を処理する部材１２０とを含む。
【0080】
光学装置１０は、複数のＴＩＲプリズム３９を含む多段状の内面１６と、筒面状の出射面を備えた外面１５と、ルーバー９０とを備えた光学素子１１を有する。光学素子１１は、各々が上記の例と共通する第１の軸１２に垂直な端面１１５を含む複数の透光性部材（パーツ）１１１ａ～１１１ｆを含む組立体１１０を含む。組立体１１０は、さらに、それぞれのパーツ１１１ａ～１１１ｆの間に挟み込まれるように配置された複数のルーバー９０を含む。それぞれのルーバー９０は中空の円盤状で、外側の出射面１５から出力された迷光を制御する部分９１と、各々のパーツ１１１ａ～１１１ｆに挟み込まれ、各々のパーツ１１１ａ～１１１ｆの間の迷光を防止する部分９２とを含む。各透光性部材１１１ａ～１１１ｆは端面１１５に遮光性の部分１１７を含んでいてもよく、ルーバー９０と協働で、あるいは単独で、透光性部材１１１ａ～１１１ｆの間の迷光を防止してもよい。
【0081】
この円筒状のルーバー付きの光学素子１１を備えた照明装置１ｇは、一例として、円筒状の面（内面）のライン状の領域の照明に適している。照明装置１ｇは、図２２～図２４を参照して説明したように、出射面１５の上下を覆う円形のカバーを備えていてもよい。光学素子１１の外面の出射面１５の屈折とともにルーバー９０により照明光３を制御することができ、照明対象の領域の形状によりあわせて照明光３を出力できる。
【0082】
なお、上記においては、内面１６に、第１の反射面３１を５または６分割して配置した光学素子１１を例に説明しているが、第１の反射面３１は、４分割以下となるように配置してもよく、７分割以上となるように配置してもよい。扇形の光学素子１１としては中心角（開き角）θが９０度の例を示しているが、中心角θは９０度以下であってもよく、９０度以上であってもよい。また、光源として配置されるＬＥＤ６の数は１つに限定されることはなく、光源として複数の多色のＬＥＤを配置してもよい。さらに、照明装置１は、複数の光学素子１１を含む複数の光学装置１０、または複数の投射ユニット５を、Ｚ軸１２が並列するように、または共通するように配置されたものであってもよい。
【符号の説明】
【0083】
１ 照明装置、 ５ 投射ユニット
１０ 光学装置（光学システム）、 １１ 光学素子（透光性部材）
２３ 第２の反射面、 ２４ 第３の反射面
３１、３１ａ～３１ｆ 第１の反射面
１０ 光学装置（光学システム）、 １１ 光学素子（透光性部材）
２３ 第２の反射面、 ２４ 第３の反射面
３１、３１ａ～３１ｆ 第１の反射面
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】
【図28】
【図29】
【図30】
【図31】
【図32】
【図33】
【図34】
【図35】
【図36】
【図37】
【図38】