特許 7495702 照明装置

(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】2024-05-28

(45)【発行日】2024-06-05

(54)【発明の名称】照明装置

(51)【国際特許分類】

   F21V 13/12 20060101AFI20240529BHJP

   F21S 2/00 20160101ALI20240529BHJP

   G09F 13/04 20060101ALI20240529BHJP

   F21Y 115/10 20160101ALN20240529BHJP

【ＦＩ】

F21V13/12 300

F21S2/00 496

F21S2/00 493

G09F13/04 P

F21Y115:10

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2020104952

(22)【出願日】2020-06-18

(65)【公開番号】P2021197324

(43)【公開日】2021-12-27

【審査請求日】2023-05-09

(73)【特許権者】

【識別番号】504157024

【氏名又は名称】国立大学法人東北大学

(73)【特許権者】

【識別番号】520220238

【氏名又は名称】株式会社有電社

(74)【代理人】

【識別番号】100105968

【弁理士】

【氏名又は名称】落合 憲一郎

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 芳人

(72)【発明者】

【氏名】川上 徹

(72)【発明者】

【氏名】江原 克典

(72)【発明者】

【氏名】篠井 むつみ

(72)【発明者】

【氏名】木下 晴喜

(72)【発明者】

【氏名】奥 和博

(72)【発明者】

【氏名】広田 修

【審査官】河村 勝也

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１９－１０２３７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１７／０９０６７５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００１－０３４９８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－１９８０５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１８－５３２２３０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ２１Ｖ １３／１２

Ｆ２１Ｓ ２／００

Ｇ０９Ｆ １３／０４

Ｆ２１Ｙ １１５／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

面光源、合成レンズ系、反射ミラーおよび反射プリズムシートからなる照明装置において、
前記合成レンズ系は、それぞれ直交するｘ軸、ｙ軸およびｚ軸の３次元で構成され、
ｚ軸上に前記合成レンズ系の光軸を有し、
前記面光源から出射した光束を凹面形状の入射面から取り込んでｘ方向の曲率半径がｙ方向の曲率半径より大きいトロイダル面形状の出射面から出射する第１のトロイダルレンズと、
前記第１のトロイダルレンズから出射した光束を入射面から取り込んでｘ方向の曲率半径がｙ方向の曲率半径より大きいトロイダル面形状の出射面から出射する第２のトロイダルレンズと、を具備し、
前記第１のトロイダルレンズに近い側から順に、前記合成レンズ系のｙ－ｚ平面内の前側焦点Ｆｙｚおよび前記合成レンズ系のｘ－ｚ平面内の前側焦点Ｆｘｚを有し、前側焦点Ｆｘｚと前記第１のトロイダルレンズの入射面との間で、かつ前記前側焦点Ｆｙｚの近傍を前記面光源の位置とし、
前記面光源と前記合成レンズ系とからなる照明光学系は、前記合成レンズ系の出射側のｘ－ｙ平面に矩形状の照明エリアを有し、
さらに、
前記反射ミラーは、焦点距離ｆ₂を有し、前記第２のトロイダルレンズとの距離をほぼｆ₂として、前記第２のトロイダルレンズから出射した光束をｚ軸と傾斜した方向へ反射させる手段を有し、
前記反射プリズムシートは、前記反射ミラーから反射した光束の光路を変更する手段を有する
ことを特徴とする照明装置。

【請求項2】

前記面光源の出射面と前記第１のトロイダルレンズの入射面とのｘ－ｙ平面への正射影を、ｘ方向、ｙ方向がそれぞれ長辺方向、短辺方向になる矩形状としたことを特徴とする請求項１に記載の照明装置。

【請求項3】

前記照明光学系を複数具備したことを特徴とする請求項１または２に記載の照明装置。

【請求項4】

前記照明装置を液晶用バックライト装置としたことを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載の照明装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、液晶ディスプレイ用のバックライト装置、あるいは照明型看板等に有利に適用される照明装置に関する。

【背景技術】

【0002】

液晶ディスプレイは、テレビだけでなく、車載用の各種モニターや医療用モニターなど多くの応用分野へ拡大している。また、液晶ディスプレイは、液晶パネルの４Ｋ、８Ｋという高解像度化の進展に伴い、高解像の画素を利用した裸眼立体ディスプレイへの応用も進むものと考えられる。

【0003】

液晶ディスプレイに用いられる既存のバックライト装置は、どこから見ても均一な表示面となることに主眼を置いて開発されてきた。一方、観察者の居る所だけに画像光を出射して、それ以外に出射される無駄な画像光を減らして、省電力化を図るという考えが浸透してきたため、表示面からランバーシアンで画像光を出射するのを止めて、拡散フィルムと反射プリズムシートを活用して、表示面から水平方向近傍に出射される画像光をなるべく減らすような既存のバックライト装置が増えてきた。ただし、車載用のモニターでは、運転者だけが表示面を見られれば良いので、画像光は運転者の眼の近傍のみに出射されればよいことになり、既存のバックライト装置ではまだ無駄な画像光を無くせない。無駄な画像光を無くせるバックライト装置を既存のもので実現するためには、拡がり過ぎた画像光を、ブラックマスクやルーバーで吸収し、狭めた画像光だけを出射するようにしなければならない。したがって、既存のバックライト装置では、吸収される無駄な画像光を無くせないので、省電力化は難しい。

【0004】

そこで、本発明者らは、液晶ディスプレイ応用分野における液晶ディスプレイの表示面から出射される画像光の主光線方向の違いに関し体系的に検討した結果、図１１に示すように既存のバックライト装置（図１１（ａ））とは異なり、同じ明るさの光を同じ方向に揃えて出射できるいわゆる平行光バックライト装置（図１１（ｂ）～（ｄ））が必要になることを明らかにした。この平行光バックライト装置が実現できれば、無駄な画像光を減らし、光利用効率を向上させることが可能となり、光源の使用電力を必要最小限にして、低消費電力化を図ることができ、裸眼立体ディスプレイへの展開も容易に図れることを見出した。その後、検討を重ねた結果、平行光バックライト装置に相当するものとして、特許文献１に記載のバックライト装置（以下、「特許文献１の装置」ともいう。）を発明した。

【0005】

特許文献１の装置は、発光ダイオードからなる発光源と、前記発光源から出射された光を整形して光束として出射させる光整形手段とを有する２次元光源と、焦点距離ｆ１の第１集光光学系および前記焦点距離ｆ１より大きい焦点距離ｆ２の第２集光光学系とから形成される両側テレセントリック光学系と、さらに、光路変更手段と、を備え、前記光整形手段の前記発光源から出射された光が入射する側の端部における前記光束の光軸に対して直角な断面の面積が、前記光整形手段の前記光束が出射する側の端部における前記光束の光軸に対して直角な断面の面積より小さく、前記第１集光光学系が前記第２集光光学系に対して前記２次元光源の側に設けられたレンズ系であり、前記第２集光光学系は、反射ミラー系から構成され、前記第２集光光学系から出射する光束の出射方向が、前記第１集光光学系を通過した光束の光軸に対して傾斜し、さらに、前記光路変更手段は、前記第２集光光学系から出射した光束の光路を変更する反射プリズムシート（反射型プリズムシートともいう）からなる、ことを特徴としている。

【0006】

前記光整形手段は、入射側端面から入射した光をロッド内部で全反射させて出射側端面から出射させる光整形ロッドからなる。

【0007】

なお、特許文献１の装置は、前記第１集光光学系（レンズ系）の光軸方向をｚ軸方向とし、前記反射プリズムシートの厚み方向をｚ軸に直角のｙ軸方向とし、ｚ軸方向とｙ軸方向とに直角の方向をｘ軸方向としている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【文献】特許第５８３０８２８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

特許文献１の装置によれば、光利用効率を向上させることにより、発光源とするＬＥＤの使用電力を必要最小限にして、低消費電力化を図ることができる。しかし、特許文献１の装置では、光整形ロッドの入射面でロッドに取り込めない光が発生しており、光利用効率を下げている。

【0010】

さらに、特許文献１の装置は、焦点距離ｆ１のレンズ系を物体側、焦点距離ｆ２（ｆ２＞ｆ１）の反射ミラー系を像側とする両側テレセントリック光学系を形成する構成としたことから、例えば１００インチを超えるような大画面に適用するためにレンズ系と反射ミラー系の相互間隔を拡げた場合、画面全体を均一に照明するには、反射ミラー系のｙ方向寸法を大きくする必要があり、必然的に、バックライト装置の厚み方向サイズを大きくしなければならず、そのため、大画面への適用を図る際に、装置の薄型化が困難であることが分かった。

【0011】

また、特許文献１の装置は、照明型看板、ポスターや絵画用照明、および面均一輝度の一般の照明などに応用することも可能であるが、照明対象面が大面積である場合、大面積の照明対象面への応用を図る際に、上記と同様の理由で、装置の薄型化が困難である。

【0012】

本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、前記整形ロッドの代わりにトロイダルレンズからなる合成レンズ系を用いることで、光利用効率をさらに向上させることを課題とし、光源の使用電力を必要最小限にして、低消費電力化を図ることができ、かつ、大画面の液晶ディスプレイ、または、観察対象面が大である照明型看板、ポスターや絵画用照明、および面均一輝度の一般の照明への適用を図る際に、装置の薄型化が容易に達成できる、照明装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0013】

上述した課題を解決し、上記目的を達成するために、本発明に係る照明装置は、以下の要旨構成を有する。
［１］ 面光源、合成レンズ系、反射ミラーおよび反射プリズムシートからなる照明装置において、
前記合成レンズ系は、それぞれ直交するｘ軸、ｙ軸およびｚ軸の３次元で構成され、
ｚ軸上に前記合成レンズ系の光軸を有し、
前記面光源から出射した光束を凹面形状の入射面から取り込んでｘ方向の曲率半径がｙ方向の曲率半径より大きいトロイダル面形状の出射面から出射する第１のトロイダルレンズと、
前記第１のトロイダルレンズから出射した光束を入射面から取り込んでｘ方向の曲率半径がｙ方向の曲率半径より大きいトロイダル面形状の出射面から出射する第２のトロイダルレンズと、を具備し、
前記第１のトロイダルレンズに近い側から順に、ｙ－ｚ平面内の前側焦点Ｆｙｚおよびｘ－ｚ平面内の前側焦点Ｆｘｚを有し、前側焦点Ｆｘｚと前記第１のトロイダルレンズの入射面との間で、かつ前記前側焦点Ｆｙｚの近傍を前記面光源の位置とし、
前記面光源と前記合成レンズ系とからなる照明光学系は、前記合成レンズ系の出射側のｘ－ｙ平面に矩形状の照明エリアを有し、
さらに、
前記反射ミラーは、焦点距離ｆ₂を有し、前記第２のトロイダルレンズとの距離をほぼｆ₂として、前記第２のトロイダルレンズから出射した光束をｚ軸と傾斜した方向へ反射させる手段を有し、
前記反射プリズムシートは、前記反射ミラーから反射した光束の光路を変更する手段を有する
ことを特徴とする照明装置。
［２］ ［１］において、前記面光源の出射面と前記第１のトロイダルレンズの入射面とのｘ－ｙ平面への正射影を、ｘ方向、ｙ方向がそれぞれ長辺方向、短辺方向になる矩形状としたことを特徴とする照明装置。
［３］ ［１］または［２］において、前記照明光学系を複数具備したことを特徴とする照明装置。
［４］ ［１］～［３］のいずれか一つにおいて、前記照明装置を液晶用バックライト装置としたことを特徴とする照明装置。

【発明の効果】

【0014】

本発明によれば、トロイダルレンズの活用により光利用効率をさらに向上させ、光源の使用電力を必要最小限にして、低消費電力化を図ることができ、かつ、大画面の液晶ディスプレイ、または、観察対象面が大である照明型看板、ポスターや絵画用照明、および面均一輝度の一般の照明への適用を図る際に、装置の薄型化が容易に達成できるという優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】本発明の実施形態の一例を示す模式図である。

【図2】矩形状の照明エリアを示す模式図である。

【図3】照明光学系を複数具備した実施形態の一例を示す模式図である。

【図4】実施例１の光学シミュレーションによる光線追跡図である。

【図5】実施例１の光学シミュレーションによる反射ミラー直前の照明エリア（照明距離＝２７３ｍｍ）の２次元強度図である。

【図6】実施例１の光学シミュレーションによる反射プリズムシートからの２次反射光束の２次元強度図である。

【図7】実施例２の光学シミュレーションによる照明エリア（照明距離＝１ｍ）に照射される光の２次元強度図である。

【図8】実施例２の光学シミュレーションによる照明エリア（照明距離＝１０ｍ）に照射される光の２次元強度図である。

【図9】実施例２の光学シミュレーションによる照明エリア（照明距離＝１００ｍ）に照射される光の２次元強度図である。

【図10】実施例２の光学シミュレーションによる照明エリア（照明距離＝１ｍ）に照射される光の２次元強度図である。

【図11】平行光バックライト装置（ｂ）～（ｄ）と既存のバックライト装置（ａ）を出射される画像光の主光線方向の違いを説明するための模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。なお、以下の実施形態により本発明が限定されるものではない。また、各図面において、同一または対応する要素には適宜同一の符号を付し、重複した説明を適宜省略する。さらに、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係などは、現実のものとは異なる場合があることに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。

【0017】

図１は、本発明の実施形態の一例を模式的に示しており、（ａ）はｙ－ｚ断面図、（ｂ）はｘ－ｚ断面図である。

【0018】

図１の照明装置は、面光源１、合成レンズ系５、反射ミラー８および反射プリズムシート９からなる。

【0019】

面光源１は、点光源や線光源と比べて後述の照明エリアを形成しやすいため採用され、例えばＬＥＤチップからなる。

【0020】

合成レンズ系５は、それぞれ直交するｘ軸、ｙ軸およびｚ軸の３次元で構成され、ｚ軸上に合成レンズ系２の光軸を有する。

【0021】

上記に加え、合成レンズ系５は、面光源１から出射した光束を凹面形状の入射面から取り込んでトロイダル面形状の出射面から出射する第１のトロイダルレンズ２および該第１のトロイダルレンズ２から出射する光束を入射面から取り込んでトロイダル面形状の出射面から出射する第２のトロイダルレンズ３を具備する。

【0022】

第１のトロイダルレンズ２と、第２のトロイダルレンズ３とは、それぞれのトロイダル面の曲率半径を、「ｘ方向の曲率半径＞ｙ方向の曲率半径」とした。

【0023】

そのため、合成レンズ系５のｙ－ｚ平面内の前側焦点Ｆｙｚは、ｘ－ｚ平面内の前側焦点Ｆｘｚと比べて第１のトロイダルレンズ２に近い位置にある。そこで本発明では、前側焦点Ｆｘｚと第１のトロイダルレンズ２との間でかつ前側焦点Ｆｙｚの近傍を前記面光源１の位置としている。

【0024】

なお、図１において、合成レンズ系５は、ｙ－ｚ平面内、ｘ－ｚ平面内にそれぞれ前側主点Ｍｙｚ、Ｍｘｚを有し、かつ前側主点Ｍｙｚから前側焦点Ｆｙｚまでの距離であるｙ－ｚ平面内の焦点距離ｆｙｚおよび前側主点Ｍｘｚから前側焦点Ｆｘｚまでの距離であるｘ－ｚ平面内の焦点距離ｆｘｚを有する。

【0025】

ここで、前側焦点Ｆｙｚの近傍とは、前側焦点Ｆｙｚを中心とする、半径がｆｙｚの２０％の円内でかつｚ軸上の領域を意味する。

【0026】

また、第１のトロイダルレンズ２の入射面の凹面形状は、円筒内周面形状（図１参照）とすることで、面光源１から出射された光束の取り込み率を約９６％とすることができ、さらに、メニスカスレンズ面形状（図示せず）とすることで、面光源１から出射された光束の取り込み率をほとんど１００％とすることができる。

【0027】

なお、第２のトロイダルレンズ３の入射面の形状は、平面形状（図１参照）でもよく、凹面形状（図示せず）でもよい。

【0028】

上述のように、前側焦点Ｆｙｚが前側焦点Ｆｘｚと比べて第１のトロイダルレンズ２に近い位置になる合成レンズ５とし、前側焦点Ｆｘｚと第１のトロイダルレンズ２の間でかつ前側焦点Ｆｙｚの近傍を面光源１の位置としたことで、面光源１と合成レンズ系５との一式（以下、照明光学系７ともいう）においては、出射側の光束の拡がりがｙ－ｚ平面内では小さくなって平行光束に近づいた光束が得られ、一方、ｘ－ｚ平面内ではｙ－ｚ平面内の光束よりも拡がりの大きい光束が得られる。したがって、図２に示すように、照明光学系７は合成レンズ系５の出射側のｘ－ｙ平面に、ｘ方向を長辺方向とし、ｙ方向を短辺方向とする矩形状の照明エリアを有する。ここで、照明エリアとは、看者の肉眼で背景と識別できる領域のことである。この領域は、照度の違いで決定される。

【0029】

図２には、図形の矩形状率の定義を示した。すなわち、
図形の矩形状率＝（図形の面積／図形に外接する矩形の面積）×１００（％）
とした。この定義において、「外接する矩形」とは、外接する矩形のうち最小の矩形を意味する。そして、図形が照明エリアであるときの矩形状率（すなわち照明エリアの矩形状率）が、図形が楕円であるときのそれ（すなわち楕円の矩形状率＝７８％）よりも大である場合、その照明エリアを「矩形状の照明エリア」という。

【0030】

この矩形状の照明エリア内では、照度のばらつきが、中央値±４０％以内と、均一な明るさが得られる。しかし、面光源１が前側焦点Ｆｙｚの近傍を外れると、矩形状の照明エリアを得ることが困難になる。

【0031】

前記矩形状の照明エリアの長辺と短辺の比は、合成レンズ系５のトロイダル面のｙ方向とｘ方向の曲率半径の比によって設定できる。なお、面光源１を起点とした出射側のｚ方向距離を、照明距離ともいう。

【0032】

さらに、反射ミラー８は、焦点距離ｆ₂を有し、第２のトロイダルレンズ３との距離をほぼｆ₂として、第２のトロイダルレンズ３から出射した光束（以下、１次光束ともいう。）をｚ軸と傾斜した方向へ反射させる手段として反射基板８Ｂ上に形成した凹面形状の反射面８Ａを有する。ここで、ほぼｆ₂とは、ｆ₂±２０％以内であることを意味する。

【0033】

焦点距離ｆ₂を有する凹面形状の反射面８Ａ（以下、単に、反射面８Ａともいう。）と第２のトロイダルレンズ３との距離をほぼｆ₂とすることにより、反射面８Ａの光軸がｚ軸上にある場合、１次光束は以下のように振る舞う。

【0034】

すなわち、１次光束はｘ－ｚ平面内では反射面８Ａの焦点付近から出射し拡散して反射面８Ａに入射するから、反射面８Ａからの反射光束は平行光束に近くなり、一方、１次光束はｙ－ｚ平面内では、ｘ－ｚ平面内よりも、より平行光束に近い状態で反射面８Ａに入射するから、反射面８Ａからの反射光束（以下、１次反射光束ともいう。）は反射面８Ａの焦点付近に集光する。

【0035】

そこで、反射面８Ａの光軸をｚ軸から傾斜（図１ではｙ－ｚ平面内で時計回りに角度θだけ回転）させることで、１次反射光束の主光線がｚ軸と角度２θだけ傾斜する方向に傾斜し、反射プリズムシート９に入射することができる。

【0036】

また、反射プリズムシート９は、１次反射光束の光路を変更する手段として、シート基板９Ｂ上に形成した複数のプリズム状の突条９Ａを有する。プリズム状の突条９Ａの側面は１次反射光束を反射し、２次反射光束とするよう構成されている。シート基板９Ｂを、ｘ－ｚ平面と平行に設置し（図１参照）、反射プリズム状の突状９Ａの高さ、頂角、配列間隔を反射面８Ａの角度θに応じた適宜の値に設定することにより、２次反射光束の光路をｚ方向の下向きの光路とすることができる。

【0037】

したがって、図１の実施形態では、照明光学系７から出射した光束（１次光束）が矩形状の照明エリアを形成して、反射ミラー８の反射面８Ａと重なり合うようにし、１次光束を反射面８Ａで反射させて斜め（左上）方向に向かう１次反射光束として反射プリズムシート９に入射し、反射させてｙ方向下向きの２次反射光束として照明対象面（図示せず）に入射させることができる。このとき、１次光束から１次反射光束への転換時、および１次反射光束から２次反射光束への転換時の光の損失はそれぞれ約５％程度以下に抑えることができる。そのため、照明対象面が矩形状とされる通常の場合において、広範囲のサイズおよび縦横比に対応して、光利用効率を高め、かつ照明対象面の輝度均一性を高めることができる。

【0038】

また、上述の実施形態において、前述の照明エリアの矩形状率（図２参照）をより高める観点から、面光源１の出射面と第１のトロイダルレンズ２の入射面とのｘ－ｙ平面への正射影を、ｘ方向、ｙ方向がそれぞれ長辺方向、短辺方向になる矩形状とすることが好ましく、図１の例ではそのようにした。

【0039】

また、上述の実施形態において、面光源１と合成レンズ系５とからなる照明光学系７を複数具備した実施形態として、明るさを増大させることもできる。これの一例を図３に示す。図３は、照明光学系７をｘ方向に３つ具備した例である。なお、図３では、反射ミラーと反射プリズムシートは図示せずとした。

【0040】

上述の実施形態に係る照明装置によれば、トロイダルレンズの活用により光利用効率をさらに向上させ、光源の使用電力を必要最小限にして、低消費電力化を図ることができ、かつ、大画面の液晶ディスプレイ、または、観察対象面が大である照明型看板、ポスターや絵画用照明、および面均一輝度の一般の照明への適用を図る際に、装置の薄型化が容易に達成できる。

【0041】

また、上述の実施形態に係る照明装置を液晶用バックライト装置とすることで、特許文献１の装置と比べて、薄型でかつ光利用効率および輝度均一性の高い液晶用バックライト装置を得ることができる。例えば１００インチサイズの液晶用バックライト装置を本発明の照明装置で構成した場合、特許文献１の装置と比べて装置の厚みを約４０％削減できる。

【実施例】

【0042】

以下、実施例を挙げて本発明の実施形態をより詳しく説明する。
［実施例１］ 実施例１として、図１の実施形態において、照明装置の諸元を以下のとおりとした。
（イ）面光源１は、ＬＥＤチップからなるものとし、出射面を横４ｍｍ×縦１ｍｍの矩形平面とした。なお、ここで、横はｘ方向、縦はｙ方向を意味する（以下同じ）。
（ロ）第１のトロイダルレンズ２は、材質をガラス（Ｓ－ＬＡＨ５３）とし、レンズのｘ－ｙ平面図形を横８ｍｍ×縦３．２ｍｍの矩形とし、光軸上のレンズ厚みを２．３ｍｍとし、入射面の曲率半径を横１０ｍｍ×縦無限大とし、出射面の曲率半径を横５．５ｍｍ×縦２ｍｍとした。
（ハ）第２のトロイダルレンズ３は、材質をガラス（ＳＫ５）とし、レンズのｘ－ｙ平面図形を横５４ｍｍ×縦２４ｍｍの矩形とし、光軸上のレンズ厚みを１５ｍｍとし、入射面の曲率半径を横無限大×縦無限大、出射面の曲率半径を横４２ｍｍ×縦２１ｍｍとした。
（ニ）第１，第２のトロイダルレンズ２，３の間隔は光軸上で１７．３ｍｍとした。
（ホ）合成レンズ系５の前側焦点Ｆｙｚ，Ｆｘｚの位置は、近軸理論では第１のトロイダルレンズ２の入射面から前側に、Ｆｙｚが０．６５６ｍｍ、Ｆｘｚが７．３６８ｍｍ離間した位置となるので、面光源１の出射面の位置を０．４ｍｍとした。
（へ）反射ミラー８は、反射面８Ａの焦点距離ｆ₂を２３８ｍｍとし、第２トロイダルレンズ３との間隔をｆ₂（＝２３８ｍｍ）とし、ｘ方向サイズを２３０ｍｍ、ｙ方向サイズを３０ｍｍ（ただし、傾斜前で傾斜の角度θが０°のとき）とし、傾斜の角度θを約３°とした。

【0043】

このとき、面光源１から反射面８Ａ位置まで照明距離は、約２７３ｍｍである。
（ト）反射プリズムシート９は、シート基板９Ｂのプリズム状の突条９Ａ側の面がｘ－ｚ平面と平行で、ｚ軸の上方に９．５ｍｍ離間して第２トロイダルレンズ３と反射ミラー８との間を覆うように配置し、斜め右下方からの１次反射光束が反射してｚ軸方向の下向きの光路を進む２次反射光束となるように、プリズム状の突条９Ａの高さ、頂角および配列間隔を設計した。

【0044】

実施例１の照明装置について、光学シミュレーションを行なった。図４は、実施例１の光学シミュレーションによる光線追跡図、図５は反射ミラー直前の照明エリア（照明距離＝２７３ｍｍ）の２次元強度図、図６は、２次反射光束の２次元強度図である。なお、図６の２次反射光束の２次元強度は、反射プリズムシート９のシート基板面から１４．５ｍｍ直下のものである。

【0045】

図４、図５の光学シミュレーションの光線出力データによると、反射ミラー直前の照明エリアの光利用効率は約９６％であった。

【0046】

図５では、反射ミラー直前の照明エリアは矩形状（長辺約２００ｍｍ×短辺約２４ｍｍ、矩形状率約９９％）であり、照度のばらつきは、光学シミュレーションにおけるインコヒーレント放射照度によれば、約０．０１～約０．０２Ｗ／ｃｍ²（約０．０１５Ｗ／ｃｍ²±３３％）となり、±４０％以内を実現しており、均一な明るさであった。なお、黒背景中の光点のインコヒーレント放射照度が５×１０^-8Ｗ／ｃｍ²程度以上であれば、その光点は視認できる。

【0047】

なお、図５、図６および後述の図７～図１０において、「照度」とは、インコヒーレント放射照度（光エネルギー分布のこと）を指す。

【0048】

また、図６では、２次反射光束の照明エリアは矩形状（長辺約２３８ｍｍ×短辺約２００ｍｍ、矩形状率約９６％）であり、照度が、約１．０×１０^-3～約１．８×１０^-3Ｗ／ｃｍ²（約１．４×１０^-3Ｗ／ｃｍ²±２９％）になる、均一な明るさであった。
［実施例２］ 実施例２として、照明光学系７のみの照明エリアの形状と明るさの、照明距離に対する依存性を調べるために、図１の実施形態において、照明光学系７の諸元を実施例１と同じとし、照明距離が１ｍ、１０ｍ、１００ｍの場合について照明エリアの形状および明るさを光学シミュレーションにより求めた。その結果を図７～図９にそれぞれ示す。

【0049】

図７（照明距離＝１ｍ）では、照明エリアは矩形状（長辺約８９０ｍｍ×短辺約１４０ｍｍ、矩形状率約９８％）であり、照度が、約４．０×１０^-4～約８．２×１０^-4Ｗ／ｃｍ²（約６．１×１０^-4Ｗ／ｃｍ²±３４％）になる、均一な明るさであった。

【0050】

図８（照明距離＝１０ｍ）では、照明エリアは矩形状（長辺約６．０ｍ×短辺約１．３ｍ、矩形状率約９６％）であり、照度が、約４．４×１０^-6～約９．８×１０^-6Ｗ／ｃｍ²（約７．１×１０^-6Ｗ／ｃｍ²±３８％）になる、均一な明るさであった。

【0051】

図９（照明距離＝１００ｍ）では、照明エリアは矩形状（長辺約８８ｍ×短辺約１２ｍ、矩形状率約９３％）であり、照度が、約６．５×１０^-8～約９．９×１０^-8Ｗ／ｃｍ²（約８．２×１０^-8Ｗ／ｃｍ²±２１％）になる、均一な明るさであった。

【0052】

このように、照明光学系７は、照明距離が大きくなっても均一な明るさの矩形状の照明エリアを現出させる。よって、照明光学系７は、自動車や電車等の乗り物の前照灯に適用することで、夜間で前方の障害物がより早くかつより確実に発見されることにつながり、運転の安全性向上に寄与しうる。
［実施例３］ 実施例３として、実施例１において、照明距離を１ｍに変更し、反射ミラー８について、反射面８Ａの焦点距離ｆ₂を９６５ｍｍ、第２トロイダルレンズ３との間隔をｆ₂（＝９６５ｍｍ）、ｘ方向サイズを８９０ｍｍ、ｙ方向サイズを１５０ｍｍ（ただし、傾斜前で傾斜の角度θが０°のとき）、傾斜の角度θを約４°と、それぞれ変更した。また、反射プリズムシート９について、ｚ軸からの上方の離間距離を７５ｍｍに変更した。

【0053】

実施例３の照明装置について、光学シミュレーションにより、ｚ軸の直下７５ｍｍの位置での２次反射光束の照明エリアの形状および明るさを調べた結果、形状は矩形状（長辺約９６５ｍｍ×短辺約８９０ｍｍ、矩形状率約９６％）、明るさは反射ミラー８直前のそれ（図７）の約１０分の１のレベルで均一な明るさであった（ただし、図示せず）。
［実施例４］ 実施例４として、図３の実施形態（照明光学系７を３つ用いる形態）において、照明光学系７の諸元を実施例１と同じとし、照明距離を１ｍとした場合の照明エリアの形状および明るさを光学シミュレーションにより求めた。その結果を図１０に示す。なお、この光学シミュレーションでは、反射ミラー８および反射プリズムシート９は無視した。

【0054】

図１０（照明距離＝１ｍ）では、照明エリアは矩形状（長辺約８９０ｍｍ×短辺約１８０ｍｍ、矩形状率約９４％）であり、照度が、約１．１×１０^-3～約２．５×１０^-3Ｗ／ｃｍ²（約１．８×１０^-3Ｗ／ｃｍ²±３９％）になる、均一な明るさであった。

【0055】

すなわち、照明光学系７を３つ用いた場合（図１０）は、１つ用いた場合（図７）と比べ、照明距離１ｍでの照明エリアの明るさが約３倍になる。
［実施例５］ 実施例５として、実施例４において、反射ミラー８について、反射面８Ａの焦点距離ｆ₂を９６５ｍｍ、第２トロイダルレンズ３との間隔をｆ₂（＝９６５ｍｍ）、ｘ方向サイズを８９０ｍｍ、ｙ方向サイズを１９０ｍｍ（ただし、傾斜前で傾斜の角度θが０°のとき）、傾斜の角度θを約５°とした。また、反射プリズムシート９について、ｚ軸からの上方の離間距離を９５ｍｍとした。

【0056】

実施例５の照明装置について、光学シミュレーションにより、ｚ軸の直下９５ｍｍの位置での２次反射光束の照明エリアの形状および明るさを調べた結果、形状は矩形状（長辺約９６５ｍｍ×短辺約８９０ｍｍ、矩形状率約９６％）、明るさは反射ミラー８直前のそれ（図１０）の約１０分の１のレベルで均一な明るさであった（ただし、図示せず）。

【符号の説明】

【0057】

１ 面光源
２ 第１のトロイダルレンズ
３ 第２のトロイダルレンズ
５ 合成レンズ系
７ 照明光学系
８ 反射ミラー
８Ａ 凹面形状の反射面
８Ｂ 反射基板
９ 反射プリズムシート
９Ａ 反射プリズム状の突条
９Ｂ シート基板

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】