JP6618074B2

JP6618074B2 - 発光装置

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Publication number: JP6618074B2
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Authority: JP
Inventors: 齊藤　共啓; 共啓齊藤
Original assignee: Enplas Corp
Current assignee: Enplas Corp
Priority date: 2015-10-13
Filing date: 2015-10-13
Publication date: 2019-12-11
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Description

本発明は、発光素子から出射された光の配光を制御する光束制御部材を有する発光装置に関する。

近年、省エネルギーや小型化の観点から、撮像カメラ用の発光装置として、発光ダイオード（以下「ＬＥＤ」ともいう）を光源とする発光装置（ＬＥＤフラッシュ）が使用されるようになってきた。このような発光装置としては、ＬＥＤと、光束制御部材とを組み合わせたものがよく知られている（例えば、特許文献１参照）。

図１Ａは、特許文献１に記載の発光装置の断面図である。図１Ａに示されるように、特許文献１に記載の発光装置１０は、基板２０と、光源用基板２１と、発光素子及び蛍光体を含む光源３０と、光束制御部材４０とを有する。光束制御部材４０は、光源３０の発光面と対向するように基板２０上に配置されている。

図１Ｂは、光束制御部材４０の断面図である。図１Ｂに示されるように、光束制御部材４０の一方の面には、屈折型フレネルレンズ部４１及び反射型フレネルレンズ部４２が形成されている。屈折型フレネルレンズ部４１及び反射型フレネルレンズ部４２は、それぞれ、同心円上に形成された円環状の突起を複数有している。屈折型フレネルレンズ部４１は、光源３０と対向する位置に形成されている。反射型フレネルレンズ部４２は、屈折型フレネルレンズ部４１の周囲に、光源３０を取り囲むように形成されている。光束制御部材４０において、屈折型フレネルレンズ部４１及び反射型フレネルレンズ部４２が形成されている面は、入射領域４３として機能し、入射領域４３の反対側の面は出射領域４４として機能する。

図１Ａに示される発光装置１０では、光源３０から光軸に対して小さな角度で出射した光は、屈折型フレネルレンズ部４１において所定の方向に屈折されて、出射領域４４から出射される。一方、光源３０から光軸に対して大きな角度で出射した光は、反射型フレネルレンズ部４２の入射面４５から入射し、反射面４６で光源の光軸に平行な方向に反射されて、出射領域４４から出射される。このように、特許文献１に記載の発光装置１０は、屈折型フレネルレンズ部４１及び反射型フレネルレンズ部４２を有する光束制御部材４０を用いて、光源３０から出射された光の配光を制御している。

また、反射型フレネルレンズ部を有する光束制御部材として、車輌用灯具のインナーレンズ等も提案されている（例えば、特許文献２参照）。当該特許文献２では、反射型フレネルレンズ部に入射した光の一部を、光束制御部材の中心軸側に近づくように反射させることで、光の利用効率を高めている。

特開２０１１−１９２４９４号公報特開２００６−１７２７７２号公報

例えば特許文献１に示されるような従来の発光装置では、発光素子の光軸と直交する被照射面において、発光素子の光軸近傍の照度が高くなりやすく、被照射領域の照度を、均一化することが難しかった。一方、特許文献２に記載の発光装置においても、発光素子の光軸と直交する被照射面において、発光素子の光軸近傍の照度が高まりやすく、被照射領域の照度を均一化できるものではなかった。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、発光素子から出射された光を発光素子の光軸と直交する被照射面に、均一かつ効率的に照射することが可能な発光装置を提供することを目的とする。

本発明の発光装置は、発光素子と、前記発光素子の光軸と平行に中心軸が位置し前記発光素子を覆うように配置され、前記発光素子から出射された光を入射させるとともに入射した光の配光を制御して出射させる光束制御部材と、を有する。前記光束制御部材は、前記発光素子側に配置され、前記発光素子から出射された光を入射させる入射領域と、前記光束制御部材の前記入射領域と反対側の面に配置され、前記入射領域から入射した光を出射させる出射領域と、を有する。前記入射領域は平面視において互いに相似し、かつ前記中心軸を取り囲むように形成された複数の凸条を含むフレネルレンズ部を有し、前記フレネルレンズ部の少なくとも一部は、前記発光素子の発光面の少なくとも一部と対向している。また、前記凸条が、前記発光素子から出射された光の一部を入射させる入射面と、前記入射面と対に形成された、前記入射面から入射した光を前記出射領域に向けて反射させる反射面と、を有し、前記入射面と前記中心軸に平行な線とがなす角度は、前記反射面と前記中心軸に平行な線とがなす角度より大きいものとする。

本発明の発光装置は、発光素子から出射された光を、被照射領域全体に均一に照射することが可能である。

図１Ａ，Ｂは、特許文献１に記載の発光装置の構成を示す図である。実施の形態に係る発光装置の断面図である。図３Ａ〜Ｃは、実施の形態に係る光束制御部材の構成を示す図である。図４Ａ，Ｂは、実施の形態に係る光束制御部材の断面図である。図５Ａ〜Ｃは、実施の形態に係る光束制御部材の構成を示す図である。図６Ａは、実施の形態に係る発光装置の断面図であり、図６Ｂは、実施の形態に係る発光装置における光路図である。図７Ａ〜Ｃは、実施の形態に係る発光装置における光路図である。図８は、実施の形態に係る発光装置における光路図である。図９Ａは、実施の形態に係る発光装置の光度分布のシミュレーション結果を示す図であり、図９Ｂは、実施の形態に係る発光装置を用いた照度分布のシミュレーション結果を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

（光束制御部材及び発光装置の構成）
図２は、本発明の一実施の形態に係る発光装置１００の断面図である。図２に示されるように、発光装置１００は、発光素子１２０及び光束制御部材１４０を有する。発光素子１２０は、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）等、発光面を有する素子であればよく、その種類は特に制限されない。一方、光束制御部材１４０は、発光素子１２０から出射された光の配光を制御するための部材であり、その中心軸ＣＡが発光素子１２０の光軸ＬＡと平行となるように、かつ光束制御部材１４０が発光素子１２０を覆うように配置される。なお、本実施の形態では、発光素子１２０の光軸ＬＡと光束制御部材１４０の中心軸ＣＡとが合致するように発光素子１２０及び光束制御部材１４０が配置されているが、発光素子１２０の光軸ＬＡと光軸制御部材１４０の中心軸ＣＡとが平行となれば、これらは合致していなくともよい。

光束制御部材１４０は、射出成形により形成され得る。光束制御部材１４０の材料は、所望の波長の光を通過させ得るものであれば特に限定されない。光束制御部材１４０の材料の例には、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）やポリカーボネート（ＰＣ）、エポキシ樹脂（ＥＰ）などの光透過性樹脂、ガラスが含まれる。

図３及び図４は、本発明の一実施の形態に係る発光装置１００が含む光束制御部材１４０の構成を示す図である。図３Ａは、光束制御部材１４０の平面図であり、図３Ｂは、側面図であり、図３Ｃは、底面図である。図４Ａは、図３ＣのＡ−Ａ線の断面図であり、図４Ｂは、図４Ａの破線部分の拡大図である。

図３及び図４に示されるように、光束制御部材１４０は、発光素子１２０側に配置され、発光素子１２０から出射された光を入射させる入射領域１４１と、光束制御部材１４０の入射領域１４１と反対側の面に配置され、入射領域１４１から入射した光を出射させる出射領域１４２とを有する。光束制御部材１４０は、入射領域１４１及び出射領域１４２の周囲に、フランジ１４３を有してもよい。フランジ１４３の形状は特に制限されない（例えば、図５Ｂ参照）。

本実施の形態の入射領域１４１は、入射領域１４１の中央部分に位置する屈折部１４４と、中心軸ＣＡ及び屈折部１４４を取り囲むように形成されたフレネルレンズ部１４５とを有する。本実施の形態では、屈折部１４４、及びフレネルレンズ部１４５の一部が、発光素子１２０の発光面と対向するように、光束制御部材１４０が配置されている。なお、入射領域１４１全面（屈折部１４４及びフレネルレンズ部１４５の全て）が発光素子１２０の発光面と対向するように配置されていてもよい。

本実施の形態では、屈折部１４４が光束制御部材１４０の中心軸ＣＡ（発光素子１２０の光軸ＬＡ）と交わる位置に形成されている。屈折部１４４は、発光素子１２０から出射された光の一部（光軸ＬＡに対して小さな角度で出射された光）を光束制御部材１４０内に入射させるとともに、入射した光を出射領域１４２に向かって屈折させる。屈折部１４４の形状は、上記の機能を発揮することができれば、特に限定されない。本実施の形態では、屈折部１４４が、半球状の凹部を有するように形成されているが、例えば円柱状や角柱状の凹部を有するように形成されていてもよく、円錐台状や角錐台状の凹部を有するように形成されていてもよい。また、屈折部１４４は発光素子１２０側に突出するように形成されていてもよい。また、屈折部１４４は、屈折型のフレネルレンズ部とされていてもよい。

一方、フレネルレンズ部１４５は、発光素子１２０の発光中心（発光素子１２０表面と光軸ＬＡとの交点）から出射された光の一部（光軸ＬＡに対してやや大きな角度で出射された光）を光束制御部材１４０内に入射させるとともに、入射した光の一部を、光軸ＬＡ側に近づけるよう、出射領域１４２側に反射させる。また、本実施の形態のフレネルレンズ部１４５は、光束制御部材１４０に入射した光の一部を、光軸ＬＡを挟んで反対側の被照射領域に到達させるよう、出射領域１４２側に反射させる（図６Ｂ参照）。その一方で、フレネルレンズ部１４５は、発光素子１２０の発光面の外周側の部分から出射された光の一部（光軸ＬＡと略平行に出射された光）を光束制御部材１４０内に入射させるとともに、入射した光の一部を屈折させて、光軸ＬＡから離れるよう出射領域１４２から出射させる（図８参照）。

つまり、本実施の形態の発光装置１００では、フレネルレンズ部１４５によって、発光素子１２０から出射する光を種々の方向に反射または屈折させる。これにより、被照射領域の中心部のみの照度が明るくなることを抑制でき、被照射領域に均一に光を照射することができる。また、後述するように、フレネルレンズ部１４５によって、発光素子１２０の発光中心から出射された光の一部を、光軸ＬＡを挟んで反対側の被照射領域側に反射させることによっても、被照射領域に均一に光を照射することが可能となる。

ここで、フレネルレンズ部１４５は、図３Ｃの底面図に示されるように、平面視において、互いに相似する複数の凸条１４７を有する。本実施の形態では、平面視において複数の凸条１４７は、同心円上に形成された複数の円環状であるが、凸条１４７の形状は特に限定されず、例えば多角形状であってもよい。また、平面視において隣り合う凸条１４７同士の間隔は一定であってもよく、一定でなくともよい。

ここで、図４Ｂの断面図に示されるように、凸条１４７はそれぞれ、発光中心から出射された光の一部（光軸ＬＡに対してやや大きな角度で出射された光）を光束制御部材１４０内に入射させる入射面１４５ａと、入射面１４５ａで入射した光を出射領域１４２に向けて反射させる反射面１４５ｂとを有する。なお、入射面１４５ａで入射した光は屈折する。

本実施の形態の凸条１４７では、入射面１４５ａが光束制御部材の中心軸ＣＡ（光軸ＬＡ）側に位置し、反射面１４５ｂが光束制御部材１４０の外周側に位置する。隣り合う入射面１４５ａ及び反射面１４５ｂは、連続していてもよく、連続していなくてもよい。前者の場合、入射面１４５ａと反射面１４５ｂとの間に稜線が形成される。一方、後者の場合、入射面１４５ａと反射面１４５ｂとの間に別の面が形成される。入射面１４５ａと反射面１４５ｂとの間に別の面を設けた場合、鋭角部分（稜線部分）を無くすことができ、光束制御部材の製造性を高めることができる。

凸条１４７の入射面１４５ａは、中心軸ＣＡを含む断面において、直線状であってもよく、曲線状であってもよい。また、凸条１４７の反射面１４５ｂも、中心軸ＣＡを含む断面において、直線状であってもよく、曲線状であってもよい。ただし図４Ｂに示されるように、中心軸ＣＡを含む断面において、入射面１４５ａと中心軸ＣＡに平行な線ＣＡ’とがなす角度θ１と、反射面１４５ｂと中心軸ＣＡに平行な線ＣＡ’とがなす角度θ２とを比較したとき、θ１がθ２より大きくなるものとする（θ１＞θ２）。θ１をθ２より大きくすることで、発光素子１２０の発光中心から出射された光を入射面１４５ａから入射させた後、当該光を発光素子１２０の光軸ＬＡを挟んで反対側の被照射領域側に反射させることが可能となる。なお、中心軸ＣＡを含む断面において、入射面１４５ａが曲線の場合、「入射面１４５ａの角度」とは、光の入射点における入射面１４５ａの接線の角度をいう。一方、「反射面１４５ｂの角度」とは、光の反射点における反射面１４５ｂの接線の角度をいう。

また、各凸条１４７は、光束制御部材１４０を平面視したときの、入射面１４５ａの幅ａ１が、反射面１４５ｂの幅ａ２より広くなるように、形成されていることが好ましい（ａ１＞ａ２）。幅ａ１及び幅ａ２をこのように設定することで、発光素子１２０の発光中心から出射された光を、発光素子１２０の光軸（光束制御部材の中心軸ＣＡ）側に反射させることができる。

なお、中心軸ＣＡを含む断面において、各凸条１４７の断面形状は、同一もしくは相似形状であってもよいが、異なる形状であってもよい。例えば、凸条１４７毎に高さが異なっていてもよい。また、隣り合う凸条１４７同士の入射面１４５ａと反射面１４５ｂとの間には、別の面が形成されていてもよい。

また、光束制御部材１４０の出射領域１４２の形状は特に制限されない。本実施の形態では、出射領域１４２が平面状であるが、出射領域１４２の形状は曲面状であってもよい。

また、光束制御部材１４０の形状も特に制限されない。上記では図３及び図４に示されるような略円柱状の光束制御部材１４０を例に説明したが、図５に示されるように、光束制御部材１４０は、厚みの薄いフランジ１４３を有してもよい。図５Ａは、光束制御部材１４０の平面図であり、図５Ｂは、側面図であり、図５Ｃは、底面図である。

（光路シミュレーション及び照度シミュレーション）
図６〜８は、図５に示す光束制御部材１４０を有する発光装置１００の断面図及び光路図である。図６Ａは、図５に示す光束制御部材１４０を有する発光装置１００の、発光素子１２０の光軸ＬＡを含む断面図（光束制御部材１４０は、図５ＣのＢ−Ｂ断面図）である。図６Ｂは、発光素子１２０の発光中心Ｌ０から出射された光の図６Ａの破線に囲まれた領域における光路図である。

図７Ａ〜Ｃは、発光素子１２０の光軸ＬＡを含む断面のフレネルレンズ部１４５を３分割したとき、各領域に発光素子１２０の発光中心Ｌ０側から入射する光の光路図である。図７Ａは、フレネルレンズ部１４５の径方向中心側の領域（図６Ａにおいて１４５Ａで表される領域）に、発光素子１２０の発光中心Ｌ０側から入射する光の光路図である。図７Ｂは、フレネルレンズ部１４５の径方向中央の領域（図６Ａにおいて１４５Ｂで表される領域）に、発光素子１２０の発光中心側Ｌ０側から入射する光の光路図である。図７Ｃは、フレネルレンズ部１４５の径方向外周側の領域（図６Ａにおいて１４５Ｃで表される領域）に、発光素子１２０の発光中心側Ｌ０側から、入射する光の光路図である。図８は、発光素子１２０から、光軸ＬＡと平行に進む光の光路図である。

以下の説明において、出射領域１４２から出射し、出射領域１４２から離れるにつれて光軸ＬＡから離れる光の光軸ＬＡに対する角度を「正」とし、出射領域１４２から出射し、出射領域１４２から離れるにつれて光軸ＬＡに近づく光の光軸ＬＡに対する角度を「負」とする。なお、「負」の方向に進む光は、光軸ＬＡと交差してもよいものとする。この場合、光軸と交差後の光は、出射領域１４２から離れるにつれて光軸ＬＡから離れることとなる。

本実施の形態の発光装置１００では、図６Ｂに示されるように発光素子１２０の発光中心Ｌ０から出射された光が、光束制御部材１４０の入射領域１４１のフレネルレンズ部１４５の凸条１４７の入射面から入射する。凸条１４７に入射した光は屈折し、凸条１４７の反射面で反射されて出射領域１４２から出射する。このとき、出射領域１４２から出射される出射光の光軸ＬＡに対する角度は「負」である。また、出射領域１４２から出射される出射光の一部は、光軸ＬＡと交差し、光軸ＬＡを挟んで反対側の被照射領域に向かう。

ここで、一般的な反射型のフレネルレンズにおいて、発光素子からの出射光を、反射型フレネルレンズを介して狙いの被照射領域へ向けて出射させる場合、出射領域１４２から出射される出射光の光軸ＬＡに対する角度（出射角、光束制御部材の中心軸に対する角度に等しい）を０°（光軸ＬＡと平行）から「正」の間となるよう制御するのが通常である。しかしながらこの方法では、凸条１４７の入射面及び反射面の角度を調整しても、出射領域１４２から出射される出射光の光軸ＬＡ方向の光度が高くなり、被照射領域の照度を均一化することが難しい。これに対し、本実施の形態のように、凸条１４７の入射面及び反射面の角度を制御し、出射領域１４２から出射される出射光の光軸ＬＡに対する角度を「負」とすることで、出射領域１４２から出射される出射光の光軸ＬＡ方向の光度を低くすることができる。つまり被照射領域において光軸ＬＡ近傍の明るさを抑えることが可能となり、ひいては、被照射領域の照度分布の均一性を向上することが可能となる。

なお、図７Ａ〜Ｃに示されるように、本実施の形態では、発光素子１２０の発光中心からフレネルレンズ部１４５に入射し、凸条１４７の反射面で反射されて出射領域１４２から出射する光の光軸ＬＡに対する角度は、フレネルレンズ部１４５のいずれの領域においても「負」である。ただし、フレネルレンズ部１４５のいずれかの領域において、出射光の光軸ＬＡに対する角度が「正」となるようにフレネルレンズ部１４５の凸条１４７が設計されていてもよい。

ここで、図８に示されるように、発光素子１２０から光軸ＬＡに略平行に屈折部１４４に入射する光は、出射領域１４２から光軸ＬＡとほぼ平行、もしくは光軸ＬＡに対する角度が「正」となるように出射される。一方、発光素子１２０から光軸ＬＡに略平行にフレネルレンズ部１４５に入射する光は、出射領域１４２から光軸ＬＡに対する角度が「正」となるように出射される。つまり、フレネルレンズ部１４５は、光軸ＬＡに対して略平行に入射する光に対して凹レンズのように機能し、被照射領域の外周側に光を屈折させる。そのため、被照射領域における、発光素子１２０の光軸ＬＡ近傍の照度が過度に高まらず、被照射領域における照度を均一化することができる。なお、本実施の形態では、発光素子１２０から光軸ＬＡに略平行にフレネルレンズ部１４５に入射する光は、凸条の入射面だけでなく、反射面からも入射する。

ここで、図９Ａは、発光装置１００の光度分布のシミュレーション結果を示すグラフである。図９Ａは、発光装置１００から発光素子１２０の光軸ＬＡ方向に出射される光の角度を０°に設定し、光軸ＬＡを中心として±５０°の範囲に出射される光の光度をプロットしたものである。この範囲は、本実施の形態に係る発光装置１００が均一性向上を図る出射角±４０°に対応する範囲をカバーする。一方、図９Ｂは、発光装置１００による被照射領域の照度分布のシミュレーション結果を示すグラフである。具体的には発光装置１００の発光素子１２０の発光面から１ｍ離れて位置し光軸ＬＡと直交する被照射面（平面）における相対照度を表すグラフである。図９Ｂでは、発光装置１００から発光素子１２０の光軸ＬＡ方向に出射される光の角度を０°に設定する。そして、当該方向に出射される光が到達する点の照度を１００％としてプロットし、光軸ＬＡを中心として±５０°の範囲に出射される光が到達する点の相対照度を、それぞれプロットしたものである。

図９Ａにおいて破線で示されるように、発光素子１２０から出射された光が光束制御部材を介さずに発光装置１００から出射される場合、光軸に近いほど、光度が高くなる。そして、このような装置からの光によって照射された被照射領域の照度は、図９Ｂにおいて破線で示されるように、光軸（０°）に近いほど大きくなる。

また一般的に、発光装置１００と被照射面とを対向させると、発光装置１００からの出射光のうち光軸ＬＡに対する角度が小さい光ほど、被照射面への到達点と発光装置との距離が近く被照射面への入射角も小さいため、被照射面における照度が高くなりやすく、光軸ＬＡに対する角度が大きい光ほど、被照射面への到達点と発光装置との距離が遠く被照射面への入射角も大きいため、被照射面における照度が低くなりやすい。

これを踏まえて、被照射領域の均一性が向上するように、本実施の形態では、発光装置１００の光軸ＬＡ（０°）近傍の光度を低くし、光軸ＬＡに対して出射角が大きくなるにしたがって光度が高まるよう制御している。その結果、図９Ｂにおいて実線で示されるように、−３０°から３０°の範囲の出射光が到達する被照射領域の照度をほぼ均一にすることができる。また本実施の形態の発光装置１００では、±４０°の範囲の出射光が到達する被照射領域の照度を、光軸（０°）方向に出射される光の到達位置における照度に対して、５０％以上とすることができる。つまり、±４０°の範囲において、均一かつ十分な照度が得られている。

（効果）
以上のように、本実施の形態に係る発光装置では、光束制御部材のフレネルレンズ部が、発光素子の発光中心から出射された光の一部を、光軸を挟んで反対側の被照射領域に到達させるよう、制御している。また同時にフレネルレンズ部は、発光素子から光軸に平行に出射された光を、被照射領域の外周側に出射させるよう制御している。そのため、当該発光装置では、被照射領域を均一に照らすことができる。

本発明に係る発光装置は、被照射領域を均一に照らすことができる。したがって、本発明に係る発光装置は、例えば、カメラのフラッシュなどとして有用である。

１０，１００発光装置
２０，３４０基板
２１光源用基板
３０光源
４０，１４０光束制御部材
４１屈折型フレネルレンズ部
４２反射型フレネルレンズ部
４３，１４１入射領域
４４，１４２出射領域
４５，１４５ａ入射面
４６，１４５ｂ反射面
１２０発光素子
１４３フランジ
１４４屈折部
１４５フレネルレンズ部
１４７凸条
ＣＡ中心軸
ＬＡ光軸
Ｌ０発光中心

Claims

発光素子と、前記発光素子の光軸と平行に中心軸が位置し前記発光素子を覆うように配置され、前記発光素子から出射された光を入射させるとともに入射した光の配光を制御して出射させる光束制御部材と、を有する発光装置であって、
前記光束制御部材は、前記発光素子側に配置され、前記発光素子から出射された光を入射させる入射領域と、前記光束制御部材の前記入射領域と反対側の面に配置され、前記入射領域から入射した光を出射させる出射領域と、を有し、
前記入射領域は、平面視において互いに相似し、かつ前記中心軸を取り囲むように形成された複数の凸条を含むフレネルレンズ部を有し、
前記フレネルレンズ部の少なくとも一部は、前記発光素子の発光面の少なくとも一部と対向しており、
前記凸条は、前記発光素子から出射された光の一部を入射させる入射面と、前記入射面と対に形成された、前記入射面から入射した光を前記出射領域に向けて反射させる反射面と、を有し、
前記入射面と前記中心軸に平行な線とがなす角度は、前記反射面と前記中心軸に平行な線とがなす角度より大きく、
前記発光素子の光軸に平行に前記フレネルレンズ部に入射する光は、前記出射領域から、前記発光素子の光軸から離れるように出射される、
発光装置。
前記フレネルレンズ部は、前記光束制御部材の中心軸を中心として同心円上に形成された円環状の複数の凸条を含む、
請求項１に記載の発光装置。
前記凸条の反射面は、前記発光素子の発光中心から出射された光の少なくとも一部を、前記発光素子の光軸に近づけるように、前記出射領域側に反射させる、
請求項２に記載の発光装置。
前記入射領域は、前記発光素子の光軸と交わるように配置され、前記発光素子から出射された光の一部を入射させる屈折部をさらに有する、
請求項１〜３のいずれか一項に記載の発光装置。