WO2019039101A1 - 光学素子、照明装置及び集光装置 - Google Patents

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Definitions

  • Embodiments of the present invention relate to a high efficiency optical element, a lighting device and a light collecting device.
  • the illumination device is required to have light distribution control, efficiency of the appliance (ratio of luminous flux used as illumination to total luminous flux of light source) and compactness.
  • efficiency of the appliance ratio of luminous flux used as illumination to total luminous flux of light source
  • compactness Conventionally, as a method of realizing a compact illumination device, a method using a reflection mirror is known.
  • uniformity in color of illumination light on the illumination surface is also required.
  • the problem to be solved by the present invention is to provide a high efficiency optical element, a lighting device and a light collecting device.
  • the optical element according to the embodiment includes an incident portion on which a light beam is incident, a first internal total reflection portion that internally totally reflects a light beam incident from the incident portion, and a total internal reflection on the first internal total reflection portion.
  • the first internal total reflection portion has a first peak extending radially from the central axis of the optical element, and the cross-sectional shape of the first peak is: It changes according to the distance from the central axis.
  • the illumination device of the embodiment includes the optical element and a light source.
  • the condensing apparatus of embodiment is provided with the said optical element and a solar cell.
  • FIG. 1 is a schematic diagram which shows the outline of the external appearance of the illuminating device which concerns on 1st Embodiment, and a structural example.
  • FIG. 2 is a schematic diagram which shows the outline of the structural example in a cross section which passes along the central axis of the illuminating device which concerns on 1st Embodiment, and an example of a ray path.
  • FIG. 3 is a schematic view for explaining an example of a ray path in a part of the optical element according to the first embodiment.
  • FIG. 4 is a schematic view showing a part of the optical element according to the first embodiment shown in FIG. 3 as viewed from the side.
  • FIG. 5 is a schematic view showing a part of the optical element according to the first embodiment shown in FIG.
  • FIG. 6 is a schematic view showing an outline of a lighting device according to a second embodiment, an outline of a configuration example, and an example of a ray path.
  • FIG. 7 is a schematic view showing an outline and an example of a configuration example in the vicinity of the first total internal reflection portion of the illumination device according to the second embodiment, and an example of a ray path.
  • FIG. 8 is a schematic view for explaining an example of a ray path in the optical element according to the second embodiment.
  • FIG. 9 is a schematic view showing an appearance and an outline of a configuration example when the lighting device according to the second embodiment includes two light sources, and an example of a ray path.
  • FIG. 10 is a schematic view for explaining an analysis model in the case where the lighting device according to the second embodiment includes two light sources.
  • FIG. 11 is a diagram showing an analysis result of the illuminance distribution on the illumination surface of the illumination light by the blue LED when the lighting device according to the second embodiment includes two light sources.
  • FIG. 13 is a diagram showing the analysis result of the illuminance distribution on the illumination surface of the illumination light by the red LED when the illumination device according to the second embodiment includes two light sources.
  • FIG. 11 is a diagram showing an analysis result of the illuminance distribution on the illumination surface of the illumination light by the blue LED when the lighting device according to the second embodiment includes two light sources.
  • FIG. 15 is a diagram showing an analysis result of the illuminance distribution on the irradiation surface of the illumination light by the two light sources when the lighting device according to the second embodiment includes two light sources.
  • FIG. 17 is a schematic view showing an outline of an appearance and a configuration example of a lighting device according to a first modification.
  • the instrument efficiency indicates the ratio of the luminous flux used as illumination to the total luminous flux of the light source.
  • a method using a reflection mirror is known as a method of realizing a compact illumination device. If a ray path is folded using a reflection mirror, a compact illumination device can be realized. However, the reflection mirror absorbs a part of the energy of the illumination light. Therefore, if a reflection mirror is used to fold the ray path, energy loss will occur and the fixture efficiency of the lighting device will be reduced.
  • an optical element in which a ray path of illumination light is changed by total reflection to fold a ray path, and an illumination device in which an energy loss is reduced by using the optical element will be described.
  • the technology according to the present embodiment is to realize illumination capable of illuminating a wide direction (wide illumination).
  • illumination of wide light distribution can be expressed also as illumination with a large light distribution angle.
  • FIG. 1 An outline of an appearance and a configuration example of a lighting device according to the present embodiment is shown in FIG. 1 as a schematic view.
  • FIG. 2 schematically shows an example of a configuration example and an example of a ray path in a cross section passing through the central axis of the illumination device according to the present embodiment.
  • the ray paths of the ray R1, the ray R2 and the ray R3 are shown as an example in FIG.
  • the illumination device 1 according to the present embodiment includes an optical element 100 and a light source 200.
  • the optical element 100 which concerns on this embodiment is provided with the incident part 130 and the injection
  • the incident unit 130 has an interface (incident surface) at which the illumination light is incident on the optical element 100.
  • the exit unit 140 is an interface (exit surface) where the illumination light that has entered the inside of the optical element 100 from the entrance unit 130 is emitted to the outside of the optical element 100 after the light beam direction is changed inside the optical element 100. Have.
  • the central axis A1 of the optical element 100 is defined as an axis passing through the center P0 of the incident part 130 and orthogonal to the incident surface of the incident part 130. At this time, the central axis A1 passes through the center C0 of the optical element 100.
  • a direction parallel to the central axis A1 is defined as the Z direction
  • a plane parallel to the incident surface of the incident part 130 is defined as the XY plane.
  • the direction from the center P0 of the incident part 130 toward the center C0 of the optical element 100 is taken as the Z + direction.
  • the optical element 100 has an outer shape rotationally symmetrical with respect to the central axis A1, such as a bowl, as shown in FIGS. 1 and 2, for example.
  • the shape of the optical element 100 is not limited to the rotationally symmetric shape, and may be any shape.
  • the shape of the optical element 100 may be determined based on, for example, the relative position of the optical element 100 and the light source 200 or an object to be illuminated.
  • the shape of the optical element 100 may be determined according to the required light distribution angle of the illumination light.
  • the optical element 100 which concerns on this embodiment is solid, it may be a shell structure (hollow) which has a cavity inside.
  • the material (substance) constituting the optical element 100 is assumed to be transparent to light (illumination light).
  • the material may be a transparent resin such as acrylic, polycarbonate, silicone, etc., or may be glass.
  • the material of the optical element 100 is an acrylic resin having a refractive index (n) of 1.49.
  • the light source 200 is disposed on the outer side (Z ⁇ side) of the optical element 100 so as to face the incident part 130 of the optical element 100.
  • the light source 200 comprises a light emitting surface that emits illumination light.
  • the shape of the light emitting surface according to the present embodiment is rectangular, but is not limited to this.
  • the shape of the light emitting surface may be, for example, a circle, a polygon, or any shape.
  • the light emitting surface is disposed, for example, in parallel with the incident portion 130.
  • the light source 200 is disposed, for example, such that the center P3 of the light emitting surface is located on the central axis A1.
  • the light emitting surface is disposed, for example, at a position in contact with the incident part 130 of the optical element 100, but may be disposed at a predetermined distance from the incident part 130 of the optical element 100 in the Z-direction.
  • the illumination light emitted from the light emitting surface illuminates the incident part 130 of the optical element 100.
  • the light source 200 which concerns on this embodiment is a light emitting diode (LED), it does not restrict to this.
  • the light source 200 may be, for example, a filament light source or the like.
  • the optical element 100 further includes a first internal total reflection portion 110 that totally reflects the light beam incident from the incident portion 130 inside the optical element 100.
  • the first total internal reflection unit 110 is disposed at a position facing the incident unit 130.
  • the center P1 of the first total internal reflection portion 110 is located on the central axis A1 of the optical element 100.
  • the first total internal reflection portion 110 has a first peak portion 111 on the side facing the incident portion 130. Note that the side of the first internal total reflection portion 110 facing the incident portion 130 can also be expressed as the Z ⁇ side and the inner side (center C0) of the optical element 100.
  • the first peak portion 111 is disposed in the first internal total reflection portion 110 so as to radially extend from the central axis A1. Further, a plurality of first peak portions 111 are provided adjacent to each other. That is, the first peaks 111 adjacent to each other constitute the first valleys 115. This can also be expressed as a pair of first valleys 115 provided on both sides of the first peak 111.
  • the virtual plane defined by the first valley bottom 116 of the pair of first valleys 115 is defined as a first virtual plane 118.
  • the first valley bottom 116 can also be expressed as the boundary between the first peak portions 111 adjacent to each other.
  • the first virtual surface 118 includes the first valley bottom 116 of all the first valleys 115 present in the first total internal reflection portion 110.
  • the first peak portion 111 has a first total reflection surface 112 having a first angle ⁇ 1 with respect to the first virtual surface 118, a first total reflection surface 112, and a second total reflection surface 112. And a second total reflection surface 113 having an angle ⁇ 2 of The second angle ⁇ 2 corresponds to the apex angle of the first peak portion 111.
  • a line of intersection between the first total reflection surface 112 or the second total reflection surface 113 and the first virtual surface 118 corresponds to the first valley bottom 116.
  • the first valley bottom 116 corresponds to the first total reflection surface 112 of one first peak 111 and the other first peak 111 adjacent to the first peak 111. It corresponds to the line of intersection between the total reflection surface 113 and the second total reflection surface 113.
  • the line of intersection between the first total reflection surface 112 and the second total reflection surface 113 corresponds to the first peak portion 114 of the first peak portion 111.
  • the first peak portion 111 thus defined has an inverted V-shaped cross-sectional shape in a virtual cross section orthogonal to the first valley bottom 116 and the first virtual surface 118. Further, the first peak portion 111 is convex in the direction (Z + direction) away from the center C0 of the optical element 100. That is, the intersections of the virtual cross section, the first virtual surface 118, the first total reflection surface, and the second total reflection surface form an isosceles triangle on the virtual cross section. At this time, the first angle ⁇ 1 and the second angle ⁇ 2 are respectively one of the inner angles of the isosceles triangle. However, in the present embodiment, the lengths of the intersections of the virtual cross section and the first total reflection surface 112 and the second total reflection surface 113 are assumed to be equal on the virtual cross section.
  • the cross-sectional shape of the first peak portion 111 thus defined changes in accordance with the distance from the central axis A1 (the light source 200). That is, the distance between the first apex 114 of the first peak 111 and the first imaginary surface 118 increases with distance from the central axis A1. This can also be expressed as the first peak portion 111 becomes higher or the widths of the first total reflection surface 112 and the second total reflection surface 113 become larger as the distance from the central axis A1 increases.
  • the width of the first total reflection surface 112 or the second total reflection surface 113 is the first peak portion 114 of the first peak portion 111 and the first valley portion adjacent to the first peak portion 111. It is the distance between 115 and the first valley bottom 116.
  • the apex angle (second angle ⁇ 2) of the first peak portion 111 is constant regardless of the distance from the central axis A1.
  • the first peak 111 is located on the first virtual surface 118.
  • Such a first virtual surface 118 has a substantially conical shape recessed toward the center C0 side (Z ⁇ side) of the optical element 100. At this time, the center of the first virtual surface 118 remains on the central axis A1.
  • the angle of the first total reflection surface 112 with respect to the incident surface of the incident portion 130 is the angle of the first virtual surface 118 (the first valley bottom 116) with respect to the incident surface of the incident portion 130; It is expressed by the sum of an angle ⁇ 1 of one.
  • the cross-sectional shape of the first peak portion 111 changes according to the distance from the light source 200 (central axis A1).
  • FIG. 2 shows an example of a ray path in a cross section on the central axis A1 of the optical element 100.
  • the central axis A1 passes through the center C0 of the optical element 100, the center P0 of the incident portion 130, and the center P1 of the first total internal reflection portion 110.
  • the light source 200 is arranged such that the center P3 of the light source 200 is located on the central axis A1.
  • a light beam emitted from the light emitting surface of the light source 200 illuminates the incident part 130.
  • a light beam enters the inside of the optical element 100 from the incident unit 130.
  • a light beam incident on the inside of the optical element 100 is transmitted through the inside of the optical element 100 and reaches the first total internal reflection portion 110.
  • the first angle ⁇ 1 and the second angle ⁇ 2 are both 0 degrees, and the first total reflection surface 112 and the second total reflection surface 113 of the first internal total reflection portion 110 are provided. Are located on the first virtual surface 118.
  • a light beam passes through the incident surface without being totally reflected when the incident angle to the incident surface is equal to or less than the critical angle ⁇ c.
  • the critical angle ⁇ c is expressed as follows using the refractive index n.
  • the light beam emitted from such an optical element is a light beam of narrow light distribution having a small angle with the central axis A1.
  • the angle between the ray and the central axis A1 is 90 degrees or less.
  • the first internal total reflection portion 110 is not provided with the first peak portion 111, many rays incident on the first internal total reflection portion 110 (the first virtual surface 118) are The light is not totally internally reflected, and is transmitted through the first total internal reflection portion 110 and emitted to the outside of the optical element 100.
  • a ray incident at an angle exceeding the critical angle ⁇ c with respect to the first total internal reflection portion 110 (the first virtual surface 118) as in the light ray R2 of FIG. 2 for example, is a first internal total reflection portion Even if the first peak portion 111 is not provided at 110, total reflection can be achieved.
  • a light beam incident on the inside of the optical element 100 from the incident unit 130 is transmitted through the first internal total reflection unit 110 and emitted to the outside, or is totally reflected by the first internal total reflection unit 110 to be an emission unit.
  • the efficiency of the device as the lighting device 1 is low.
  • FIG. 3 shows a perspective sectional view of an optical element piece obtained by cutting the optical element 100 according to the embodiment shown in FIG. 1 along the pair of first valley bottoms 116 and the central axis A1.
  • FIG. 4 shows a view of the optical element piece shown in FIG. 3 as seen from the direction orthogonal to the cross section 4.
  • FIG. 5 is a view of the optical element piece shown in FIG. 3 as viewed from the side of the cross section 5.
  • FIGS. 3 to 5 show a part of a light beam (a light beam including the light beam R5) incident on the inside of the optical element 100 from the center P0 of the incident part 130.
  • the first angle ⁇ 1 is set such that a light beam incident from the incident portion 130 can be incident on the first total reflection surface 112 at an angle equal to or more than the critical angle ⁇ c.
  • the second angle ⁇ 2 (apex angle of the first peak portion 111) is such that the ray totally reflected by the first total reflection surface 112 is at least the critical angle ⁇ c with respect to the second total reflection surface 113. It is set to be able to enter at an angle.
  • the light beam emitted by the optical element 100 according to the present embodiment is a light beam of wide light distribution having a large angle with the central axis A1.
  • the angle between the ray and the central axis A1 is 90 degrees or more.
  • the illumination device 1 provided with the optical element 100 and the optical element 100 according to the present embodiment, the following can be said.
  • the optical element 100 includes an incident unit 130 on which light is incident, a first internal total reflection unit 110 that internally totally reflects the light incident from the incident unit 130, and a first internal total reflection unit 110.
  • a first internal total reflection portion 110 includes a first peak portion 111 radially extending from a central axis A1 of the optical element 100;
  • the cross-sectional shape of the peak portion 111 changes in accordance with the distance from the central axis A1. According to this configuration, it is possible to totally reflect the light ray incident from the incident part 130 two consecutive times in the first peak part 111. Therefore, it is possible to totally reflect the light without causing energy loss as in the reflection using a mirror. That is, when the optical element 100 according to the present embodiment is used, the optical element can be made compact by folding the light beam, and energy loss can also be reduced.
  • the first internal total reflection portion 110 has a pair of first valleys 115 on both sides sandwiching the first peak 111, and the first peak 111 is a first total reflection surface 112 having a first angle ⁇ 1 with respect to a first virtual surface 118 defined by a first valley bottom 116 of a pair of first valleys 115; And a second total reflection surface 113 having a second angle ⁇ 2 with respect to the reflection surface 112.
  • the same effect as described above can be obtained by the inverted V-shaped first peak portion 111 having a simple shape.
  • the first peak portions 111 and the first valley portions 115 are alternately arranged adjacent to each other. Therefore, the light ray totally reflected by the first total internal reflection portion 110 may be incident in any direction from any position of the incident portion 130.
  • the first peak portion 114 of the first peak portion 111 is a line of intersection between the first total reflection surface 112 and the second total reflection surface 113, and the first top portion
  • the length from 114 to the first virtual surface 118 increases with distance from the central axis A1.
  • the angle between the first total reflection surface 112 and the second total reflection surface 113 can be set according to the distance to the light source 200 (central axis A1), the total reflection of the light beam is appropriately performed. Can.
  • the first virtual surface 118 has an apex on the central axis A1 and is recessed in a substantially conical shape on the center C0 side of the optical element 100. According to this configuration, light rays emitted from the light source 200 in the direction of the central axis A1, that is, in the Z + direction can also be totally internally reflected.
  • the first angle ⁇ 1 is set such that the incident angle of the light beam incident from the incident part 130 with respect to the first total reflection surface 112 exceeds the critical angle ⁇ c.
  • the angle of the first total reflection surface 112 can be set with respect to the light beam reaching the first total internal reflection unit 110 from the incident unit 130, the light can be appropriately totally reflected.
  • the second angle ⁇ 2 is constant, and the second angle ⁇ 2 is a light beam totally reflected by the first total reflection surface 112 at the second total reflection surface 113. Furthermore, it is set to cause total reflection. That is, the second angle ⁇ 2 is set such that the incident angle of the light totally reflected by the first total reflection surface 112 on the second total reflection surface 113 exceeds the critical angle ⁇ c. As described above, since the angle of the second total reflection surface 113 can be set with respect to the light beam reaching the second total reflection surface 113 from the first total reflection surface 112, the light beam is continuously transmitted twice appropriately. It can be reflected.
  • the illumination device 1 includes an optical element 100 and a light source 200. According to this configuration, the compact lighting device 1 with high appliance efficiency is realized by the above-described effects.
  • the incident part 130 and the first internal total reflection part 110 face each other. Therefore, since the light ray emitted from the light source 200 and incident on the incident part 130 can be totally internally reflected in the first internal total reflection part 110, the above-mentioned effect can be obtained.
  • the light source 200 is an LED. According to this configuration, in addition to the above-described effects, the lighting device 1 with lower power consumption is realized.
  • the angle between the central axis A1 and the light beam incident on the incident unit 130 is smaller than the angle between the central axis A1 and the light beam emitted from the emission unit 140.
  • the illuminating device 1 which concerns on this embodiment has an effect which can implement
  • the 1st peak part 111 with which the 1st internal total reflection part 110 is provided is a shape of reverse V character was explained to an example, it does not restrict to this.
  • the shape of the first peak portion 111 may be, for example, U-shaped as long as the incident light beam can be totally reflected twice in a row.
  • the cross-sectional shape of the first peak portion 111 changes according to the distance from the central axis A1 (the light source 200) is described as an example, but two consecutive internal total reflections If it can be realized, the cross-sectional shape may be constant, or the first virtual surface may not be recessed in a substantially conical shape. Further, the second angle ⁇ 2 (apex angle of the first peak 111) may not be constant.
  • the member that totally reflects the light beam is described as the first peak portion 111, but the present invention is not limited to this.
  • the first peak 111 may be expressed as a first groove.
  • the optical element 100 may have a laminated structure. That is, a plurality of substances may be used as the material of the optical element 100, and the materials may be different for each layer. Further, the optical element 100 may have, for example, a structure in which the first internal total reflection portion 110, the incident portion 130, and the emitting portion 140 which are individually formed are combined.
  • optical element 100 provided with the several 1st peak part 111
  • this embodiment demonstrated the optical element 100 provided with the several 1st peak part 111
  • an optical element piece provided with one first peak portion 111 as shown in FIG. 3 can also be used as an optical element capable of reflecting a light beam almost without energy loss.
  • the configuration of the illumination device 1 according to the present embodiment will be described.
  • the outline of the structural example of the illuminating device 1 which concerns on this embodiment is shown as a schematic diagram in FIG. Since the optical element 100 has translucency, in FIG. 6, the second peak 121 and the second valley 125 formed on the bottom side (the second internal total reflection portion 120 described later) are transparent from above. Is visible.
  • the second peak 124 of the second peak 121 that is seen through is indicated by an alternate long and short dashed line, and the second peak 125 of the second valley 125 that is also seen through.
  • the valley bottom 126 is shown by a solid line. Further, FIG.
  • FIG. 7 shows an outline of a configuration example in the vicinity of the first internal total reflection portion 110 according to the present embodiment.
  • an example of a ray path is shown typically.
  • the side view of the illuminating device 1 which concerns on FIG. 8 at this embodiment is shown.
  • FIG. 8 also shows an example of a ray path on the XZ plane passing through the central axis A1.
  • the optical element 100 according to the present embodiment has an outer shape that is rotationally symmetrical with respect to the central axis A1, such as a convex lens, as shown in FIG.
  • the outer shape of the optical element 100 according to the present embodiment can also be expressed as a disc-like shape whose thickness decreases with distance from the central axis A1.
  • the optical element 100 is assumed to be solid.
  • the first total internal reflection unit 110 is disposed on the Z + side of the optical element 100 as shown in FIGS. 6 to 8.
  • the first total internal reflection portion 110 according to the present embodiment includes the first peak portion 111 up to a position separated by a predetermined distance from the central axis A1. This is because the angle between the light ray incident from the incident part 130 and the central axis A1 increases at a position separated from the central axis A1 by a predetermined distance or more, and the Z of the optical element 100 of the first internal total reflection part 110 This is because the incident angle of the light beam to the surface on the ⁇ side exceeds the critical angle ⁇ c.
  • the Z-side (the center C0 side of the optical element 100) of the optical element 100 of the first internal total reflection portion 110 and the surface around the first peak portion 111 are referred to as the first internal total reflection portion 110.
  • the total reflection surface 119 provided on That is, in the optical element 100 according to the present embodiment, the light beam is totally internally reflected at the first peak portion 111 or the edge total reflection surface 119.
  • the optical element 100 which concerns on this embodiment has the blind hole 150, as shown to FIG.6 and FIG.8.
  • the shape of the blind hole 150 is, for example, a cylindrical shape, but is not limited thereto.
  • blind hole 150 may be prismatic, conical or pyramidal.
  • the blind hole 150 is opened in the Z + direction from the side opposite to the first total internal reflection portion 110.
  • the incident part 130 according to the present embodiment is located at the bottom of the blind hole 150. That is, as in the optical element 100 according to the first embodiment, the incident part 130 and the first internal total reflection part 110 face each other.
  • the light source 200 according to the present embodiment is disposed at the bottom of the blind hole 150.
  • the light source 200 according to the present embodiment is disposed such that the light emitting surface is in contact with the bottom of the blind hole 150. That is, the light emitting surface of the light source 200 is directed to the Z + side, and faces the first internal total reflection portion 110 as in the first embodiment.
  • the optical element 100 further includes a second internal total reflection portion 120 that totally reflects the light ray totally reflected by the first internal total reflection portion 110 inside the optical element 100.
  • the second total internal reflection unit 120 is disposed at a position facing the first internal total reflection unit 110.
  • the center P2 of the second total internal reflection portion 120 is located on the central axis A1 of the optical element 100.
  • the second total internal reflection unit 120 has a second peak 121 on the side facing the first internal total reflection unit 110.
  • the side of the second internal total reflection unit 120 facing the first internal total reflection unit 110 can also be expressed as the Z + side or the internal (center C0) side of the optical element 100.
  • the second peak portion 121 is disposed in the second internal total reflection portion 120 so as to radially extend from the central axis A1.
  • a plurality of second mountain portions 121 are provided adjacent to each other. That is, the second peaks 121 adjacent to each other constitute the second valleys 125. This can also be expressed as a pair of second valleys 125 provided on both sides of the second peak 121.
  • a virtual plane defined by the second valley bottom 126 of the pair of second valleys 125 is defined as a second virtual plane 128.
  • the second virtual surface 128 includes the second valley bottom 126 of all the second valleys 125 present in the second total internal reflection portion 120. Note that the second valley bottom 126 can also be expressed as the boundary between the second peak portions 121 adjacent to each other.
  • the second peak portion 121 has a third total reflection surface 122 having a third angle ⁇ 3 with respect to the second virtual surface 128, a fourth total reflection surface 122, and a fourth angle ⁇ 4.
  • the total reflection surface 123 of The fourth angle ⁇ 4 corresponds to the apex angle of the second peak portion 121.
  • a line of intersection between the third total reflection surface 122 or the fourth total reflection surface 123 and the second virtual surface 128 corresponds to the second valley bottom 126.
  • the second valley bottom 126 is formed by the third total reflection surface 122 of one second peak 121 and the second total of the second peak 121 adjacent to the one second peak 121. It corresponds to the intersection line of the total reflection surface 123 of four.
  • the line of intersection between the third total reflection surface 122 and the fourth total reflection surface 123 corresponds to the second top 124 of the second peak 121.
  • the second peak portion 121 thus defined has a V-shaped cross-sectional shape in an imaginary cross section orthogonal to the second valley bottom 126 and the second virtual surface 128.
  • the second peak 121 is convex in the direction (Z-direction) away from the center C0 of the optical element 100. That is, the line of intersection between the virtual cross section and the second virtual surface 128, the third total reflection surface, and the fourth total reflection surface form an isosceles triangle on the virtual cross section.
  • the third angle ⁇ 3 and the fourth angle ⁇ 4 are respectively one of the internal angles of the isosceles triangle.
  • the lengths of intersections between the virtual cross section and the third total reflection surface 122 and the fourth total reflection surface 123 are assumed to be equal on the virtual cross section.
  • the cross-sectional shape of the second peak portion 121 thus defined changes in accordance with the distance from the central axis A1 (the second total reflection surface 113 or the edge total reflection surface 119). That is, the distance between the second apex 124 of the second peak 121 and the second virtual surface 128 increases with distance from the central axis A1.
  • This can also be expressed as the second peak portion 121 becomes higher or the widths of the third total reflection surface 122 and the fourth total reflection surface 123 become larger as the distance from the central axis A1 increases.
  • the width of the third total reflection surface 122 or the fourth total reflection surface 123 is the second peak 124 of the second peak 121 and the second valley adjacent to the second peak 121.
  • the apex angle (fourth angle ⁇ 4) of the second peak portion 121 is constant regardless of the distance from the central axis A1.
  • the width of the first peak 111 is defined as the distance between the pair of first valleys 115, and the width of the second peak 121 is the distance between the pair of second valleys 125.
  • the width of the first peak 111 is smaller than the width of the second peak 121. This can also be expressed as that the apex angle (second angle ⁇ 2) of the first peak portion 111 is smaller than the apex angle (fourth angle ⁇ 4) of the second peak portion 121.
  • the second peak 121 is located on the second virtual surface 128.
  • a second virtual surface 128 has a shape that is expanded in a substantially conical shape on the outer side (Z-direction) of the optical element 100. At this time, the center of the second virtual surface 128 remains on the central axis A1.
  • the angle of the third total reflection surface 122 with respect to the incident surface of the incident portion 130 is the angle of the second virtual surface 128 (second valley bottom 126) with respect to the incident surface of the incident portion 130, and It is expressed by the sum of the angle ⁇ 3 of 3.
  • the angle of the third total reflection surface 122 of the second total internal reflection portion 120 is set with respect to the second total reflection surface 113 or the edge total reflection surface 119 of the first internal total reflection portion 110. It is also good.
  • the cross-sectional shape of the second peak portion 121 changes in accordance with the distance from the light source 200 (central axis A1).
  • the emission part 140 which concerns on this embodiment opposes the 2nd internal total reflection part 120, as shown in FIG.
  • the emitting unit 140 is located around the first peak 111 of the first total internal reflection unit 110. That is, the edge total reflection surface 119 according to the present embodiment can also be expressed as functioning as an incident surface of the emission unit 140 with respect to the light ray totally internally reflected by the second internal total reflection unit 120.
  • the light ray totally internally reflected in the second total internal reflection portion 120 is incident on the incident surface (edge total reflection surface 119) of the emission portion 140 at an angle smaller than the critical angle ⁇ c.
  • the central axis A1 is the center C0 of the optical element 100, the center P0 of the incident portion 130, and the center P1 of the first internal total reflection portion 110.
  • the center P2 of the second total internal reflection unit 120 is arranged such that the center P3 of the light source 200 is located on the central axis A1.
  • a light beam emitted from the light emitting surface of the light source 200 illuminates the incident part 130.
  • a light beam enters the inside of the optical element 100 from the incident unit 130.
  • a light beam incident on the inside of the optical element 100 is transmitted through the inside of the optical element 100 and reaches the first total internal reflection portion 110.
  • the light beam is totally internally reflected at the first peak portion 111 or the edge totally reflecting surface 119 of the first total internal reflection portion 110.
  • the light beam totally reflected by the second total reflection surface 113 or the edge total reflection surface 119 transmits the inside of the optical element 100 again and reaches the second total internal reflection portion 120.
  • the light beam that has reached the second total internal reflection unit 120 enters the third total internal reflection surface 122.
  • the third angle ⁇ 3 is set such that the light ray incident from the first total internal reflection portion 110 can be incident on the third total reflection surface 122 at an angle equal to or more than the critical angle ⁇ c.
  • the fourth angle ⁇ 4 (apex angle of the second peak portion 121)
  • the ray totally reflected by the third total reflection surface 122 is at least the critical angle ⁇ c with respect to the fourth total reflection surface 123. It is set to be able to enter at an angle.
  • the light beam emitted from the optical element 100 according to the present embodiment is a narrow light beam having a small angle with the central axis A1.
  • the angle between the ray and the central axis A1 is 90 degrees or less.
  • the first internal total reflection unit 110, the second internal total reflection unit 120, and the emission unit 140 are configured such that the angle between the light beam emitted to the outside of the optical element 100 and the central axis A1 is small. Designed. Therefore, the illumination device 1 according to the present embodiment can realize narrow light distribution illumination.
  • the illumination device 1 provided with the optical element 100 and the optical element 100 according to the present embodiment, the following can be said.
  • the optical element 100 according to the present embodiment is a second internal total reflection portion facing the first internal total reflection portion 110 so as to internally totally reflect the light ray totally internally reflected by the first internal total reflection portion 110.
  • the second total internal reflection portion 120 further includes a second peak portion 121 radially extending from the central axis A1, and the cross-sectional shape of the second peak portion 121 is a distance from the central axis A1. Change accordingly. According to such a configuration, the light ray totally internally reflected by the first total internal reflection portion 110 can be further totally internally reflected to fold the direction of the light ray. Therefore, the size of the optical element 100 with respect to the optical path length can be miniaturized. Therefore, when the optical element 100 according to the present embodiment is used, the illumination device 1 can be made compact.
  • a conventional optical element that reflects a light beam using a mirror is required to be about 105 times as high as the width of the light emitting surface of the light source in order to realize a light distribution angle of 10 degrees.
  • the width of the light emitting surface is the length of the light emitting surface on the XY plane
  • the height is the length of the reflecting mirror in the Z direction.
  • the height in the Z direction of the optical element 100 may be about 5 times the width of the light emitting surface of the light source 200.
  • the apex angle (second angle ⁇ 2) of the first peak portion 111 is smaller than the apex angle (fourth angle ⁇ 4) of the second peak portion 121.
  • the light ray totally internally reflected by the first total internal reflection portion 110 can be further appropriately totally internally reflected.
  • the angle between the ray emitted from the emission unit 140 and the central axis A1 can be reduced.
  • the second internal total reflection portion 120 has a pair of second valleys 125 on both sides of the second peak 121, and the second peak 121 is a third total reflection surface 122 having a third angle ⁇ 3 with respect to a second virtual surface 128 defined by a second valley bottom 126 of the pair of second valleys 125; And a fourth total reflection surface 123 having a fourth angle ⁇ 4 with respect to the reflection surface 122.
  • the second virtual surface 128 has an apex on the central axis A1, and bulges in a substantially conical shape on the outer side (Z-side) of the optical element 100.
  • the term "conical cone” as used herein includes cones such as cones and polygonal pyramids and spindles.
  • the second apex 124 of the second peak 121 is a line of intersection between the third total reflection surface 122 and the fourth total reflection surface 123, and the second apex
  • the length from 124 to the second virtual surface 128 increases with distance from the central axis A1.
  • the third angle ⁇ 3 is such that the incident angle of the light totally internally reflected by the first total internal reflection portion 110 with respect to the third total reflection surface 122 exceeds the critical angle ⁇ c.
  • the fourth angle ⁇ 4 is constant, and the fourth angle ⁇ 4 is a light beam totally reflected by the third total reflection surface 122 at the fourth total reflection surface 123. Furthermore, it is set to cause total reflection. That is, the fourth angle ⁇ 4 is set such that the incident angle of the light totally reflected by the third total reflection surface 122 on the fourth total reflection surface 123 exceeds the critical angle ⁇ c. With such a configuration, two consecutive total internal reflections can be appropriately realized in the second internal total reflection unit 120.
  • the first peak portion 111 is provided in a range of the first internal total reflection portion 110 at a predetermined distance from the central axis A1.
  • a part of the first internal total reflection unit 110 can be used as the emission unit 140 according to the incident angle of the light beam incident on the first internal total reflection unit 110.
  • the processing cost can be reduced as compared to the case where the first peak portion 111 is provided on the entire surface of the first internal total reflection portion 110.
  • the optical element 100 according to the present embodiment further comprises a blind hole 150.
  • the blind hole 150 can be used as a heat dissipation unit. That is, when the blind hole 150 is provided, deformation or damage of the optical element 100 due to heat generation of the light source 200, damage of the light source 200, and the like can be reduced. Also, depending on the size of the blind hole 150, the material cost can be reduced.
  • the compact and highly efficient lighting device 1 capable of realizing narrow-angle light distribution illumination has been described.
  • a plurality of LEDs or the like may be used as the light source 200.
  • LEDs may have individual differences in emission intensity and color development.
  • FIG. 9 schematically shows an example of a ray path in addition to an example of the configuration and arrangement.
  • the light source 200 which concerns on this embodiment is provided with a blue light emitting diode (blue LED210) and a red light emitting diode (red LED220), as shown in FIG.
  • Each of the blue LED 210 and the red LED 220 has a shape and a size obtained by dividing the light source 200 into two, and has a light emitting surface on the side facing the first internal total reflection portion 110.
  • the blue LED 210 is disposed on the X + side in the light source 200.
  • the red LED 220 is disposed on the X-side in the light source 200.
  • FIG. 10 an analysis model for analyzing the color mixture of the illumination light by the illumination device 1 according to the present embodiment is shown in FIG. 10 as a schematic diagram.
  • the illuminance distribution is analyzed for illumination light that illuminates the irradiation surface 310 of the receiver 300 disposed at a position separated by a predetermined distance from the illumination device 1. Further, the center of the illumination surface 310 is disposed on the central axis A1 of the illumination device 1.
  • FIG. 10 The illuminance distribution obtained by the analysis using the analysis model shown in FIG. 10 will be described with reference to the drawings.
  • the illuminance distribution on the irradiation surface 310 when the illumination light is emitted from the blue LED 210 is shown in FIG.
  • the illuminance distribution on the irradiation surface 310 when the illumination light is emitted from the red LED 220 is shown in FIG.
  • the vertical axis indicates the position in the Y direction on the irradiation surface 310
  • the horizontal axis indicates the position in the X direction on the irradiation surface 310.
  • FIG. 12 FIG. 14, and FIG. 16
  • the vertical axis indicates the illuminance in Lux units
  • the horizontal axis indicates the position in the X direction.
  • the illuminance distribution D10 includes a first maximum value D11 and a second maximum value D12.
  • the peak position in the illuminance distribution is biased.
  • the third maximum value D21 and the fourth maximum value D22 exist in the illuminance distribution D20.
  • the optical element 100 according to the present embodiment has a ray path broken using total internal reflection. Therefore, if the optical element 100 according to the present embodiment is used, the optical path length of the illumination light emitted from the light emitting surface of the light source 200 can be increased. In addition, light rays emitted from the light source are totally internally reflected by the plurality of first peak portions and further totally internally reflected by the plurality of second peak portions in accordance with the direction emitted from the light emitting surface. . That is, when the optical element 100 according to the present embodiment is used, the light source can be regarded as a point light source, and many of the ray paths intersect each other. Therefore, the optical element 100 according to the present embodiment can mix the light beams emitted from the plurality of light sources on the irradiation surface.
  • the illumination device 1 can mix the color of each of the illumination lights emitted from the plurality of light sources on the irradiation surface 310.
  • the present invention is not limited thereto.
  • the color of the illumination light emitted by the plurality of light emitting elements may be the same.
  • the lighting device 1 according to the present embodiment can reduce color unevenness caused by individual differences of light emitting elements.
  • the optical element 100 capable of folding the ray path substantially without energy loss by totally internally reflecting the ray incident from the incident part 130 has been described.
  • such an optical element 100 can increase or decrease the light distribution angle of the illumination light if used in the illumination device 1.
  • the ray direction of the ray emitted from the emission unit 140 of the optical element 100 according to the first embodiment has a large angle with the central axis A1.
  • such an optical element 100 can increase or decrease the light ray direction (light collection angle) of the light ray that can be collected if it is used in a light collection device.
  • a light beam incident from the emitting unit 140 of the optical element 100 according to the first and second embodiments is totally internally reflected inside the optical element 100 and reaches the incident unit 130. Therefore, in the present embodiment, a light collecting device capable of collecting light with high efficiency by totally internally reflecting an incident light beam will be described.
  • the condensing device includes the optical element 100 according to the first embodiment and a solar cell.
  • the emitting part 140 of the optical element 100 according to the first embodiment is used as a sunlight incident part. Further, the incident part 130 of the optical element 100 according to the first embodiment is used as a solar light emitting part. That is, the first internal total reflection portion 110 and the sunlight emitting portion face each other.
  • the solar cell is disposed at the position of the light source 200 according to the first embodiment. That is, the light collecting surface of the solar cell is disposed at a position facing the first internal total reflection portion 110.
  • a light beam incident on the inside of the optical element 100 from the sunlight incident part (emission part 140) is transmitted through the inside of the optical element 100 and reaches the first internal total reflection part 110.
  • the light beam reaching the first total internal reflection portion 110 is totally internally reflected twice in a row in the first peak portion 111.
  • the light ray totally internally reflected in the first total internal reflection portion 110 reaches the solar light emitting portion (incident portion 130).
  • the condensing device includes the optical element 100 according to the first embodiment and a solar cell. According to such a configuration, an absorption loss such as reflection by a mirror in the first internal total reflection unit 110 is made of the light beam entering the first internal total reflection unit 110 from the sunlight incident unit (emission unit 140) It will be folded back. In addition, the light beam folded in the first total internal reflection unit 110 is emitted from the sunlight emitting unit (incident unit 130).
  • the light beam collected by the optical element 100 according to the present embodiment is a light beam with a wide collection angle which is formed at a large angle with the central axis A1. The angle between the light ray that can be collected and the central axis A1 is 90 degrees or more.
  • the solar light emitting unit (incident unit 130) and the first internal total reflection unit 110 face each other.
  • light rays incident from the sunlight incident part (ejecting part 140) can be transmitted to the sunlight emitting part (incident part 130) with high efficiency using the optical element 100 according to the first embodiment. It can collect light.
  • the angle between the central axis A1 and the light beam incident on the sunlight incident part (ejecting part 140) is emitted from the central axis A1 and the solar light emitting part (incident part 130) Large compared to the angle with the ray. That is, if the condensing device according to the present embodiment is used, it is possible to condense sunlight at a large condensing angle.
  • this embodiment demonstrated the light collection apparatus provided with a solar cell, it does not restrict to this.
  • a highly efficient heat collection device including the optical element 100 and the heat storage unit can also be realized.
  • the light collecting apparatus may be provided with the optical element 100 according to the second embodiment.
  • the light beams emitted from a specific light source can be selectively condensed with high efficiency.
  • the technique according to the first embodiment can be applied to an optical element that totally reflects a light beam by a reflection mirror. That is, the first total internal reflection unit 110 can be applied instead of the reflection mirror to suppress the absorption of light rays by the reflection mirror.
  • the illumination device 1 includes an optical element 100 and a light source 200.
  • the incident part 130 of the optical element 100 includes a light source side incident surface 131 on which a light beam is incident from the light source 200, a cylindrical light guiding part 132 for guiding the light beam to the emitting part 140, and an inner side incident surface And 133.
  • the inner side incident surface 133 has a conically recessed shape on the center C0 side of the optical element 100.
  • the first total internal reflection unit 110 internally totally reflects a light beam incident from the inner side incident surface 133.
  • the first virtual surface 118 and the incident part 130 do not face each other.
  • both the first virtual surface 118 and the inner side incident surface 133 have a shape that is recessed in a cone shape on the center C0 side of the optical element 100. Therefore, in the optical element 100 according to the present embodiment, a light beam incident from the inner side incident surface 133 is incident on the first total reflection surface 112 of the first peak portion 111 located on the opposite side across the central axis A1. Do. Therefore, the first angle ⁇ 1 of the first total reflection surface 112 is set with respect to the angle of the inner side incident surface 133.
  • the light beam which has entered the first total internal reflection unit 110 according to this embodiment is emitted from the emission unit 140 to the outside after two consecutive internal total reflections.
  • the angle formed between the light ray emitted from the emission unit 140 to the outside and the central axis A1 is larger than the angle formed between the light ray incident on the light source side incident surface 131 and the central axis A1.
  • the illumination device 1 using the optical element 100 according to the present embodiment can realize the illumination of the wide light distribution with high efficiency of the appliance.
  • one embodiment can also be realized by appropriately combining each of the above-described embodiments and the modification.
  • the optical device 100 according to the first embodiment, the second embodiment, or the first modification can be combined with the condensing device of the fourth embodiment.

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Abstract

実施形態の光学素子は、光線が入射する入射部と、入射部から入射した光線を内部全反射させる第１の内部全反射部と、第１の内部全反射部で内部全反射された光線が出射する射出部とを備える。第１の内部全反射部は、光学素子の中心軸から放射状に延びる第１の山部を有する。第１の山部の断面形状は、中心軸からの距離に応じて変化する。

Description

光学素子、照明装置及び集光装置
　本発明の実施形態は、高効率の光学素子、照明装置及び集光装置に関する。
　一般的に照明装置は、配光制御、器具効率（光源の全光束に対し、照明として利用される光束の割合）及びコンパクト性が求められる。従来、コンパクトな照明装置を実現する方法として、反射ミラーを用いた方法が知られている。また、特に、医療用向けの照明においては、照射面における照明光の色の均一性も求められる。
特開２００８－２２８７７０号公報
　本発明が解決しようとする課題は、高効率の光学素子、照明装置及び集光装置を提供することである。
　実施形態の光学素子は、光線が入射する入射部と、前記入射部から入射した光線を内部全反射させる第１の内部全反射部と、前記第１の内部全反射部で内部全反射された光線が出射する射出部とを備え、前記第１の内部全反射部は、前記光学素子の中心軸から放射状に延びる第１の山部を有し、前記第１の山部の断面形状は、前記中心軸からの距離に応じて変化する。
　実施形態の照明装置は、前記光学素子と、光源とを備える。
　実施形態の集光装置は、前記光学素子と、太陽電池とを備える。
図１は、第１の実施形態に係る照明装置の外観と構成例との概略を示す模式図である。 図２は、第１の実施形態に係る照明装置の中心軸を通る断面における構成例の概略と光線経路の一例とを示す模式図である。 図３は、第１の実施形態に係る光学素子の一部分における光線経路の一例について説明するための模式図である。 図４は、図３に示す第１の実施形態に係る光学素子の一部分について側面側から見た様子を示す模式図である。 図５は、図３に示す第１の実施形態に係る光学素子の一部分について射出面側から見た様子を示す模式図である。 図６は、第２の実施形態に係る照明装置の外観及び構成例の概略と光線経路の一例とを示す模式図である。 図７は、第２の実施形態に係る照明装置の第１の内部全反射部近傍における外観及び構成例の概略と光線経路の一例とを示す模式図である。 図８は、第２の実施形態に係る光学素子における光線経路の一例について説明するための模式図である。 図９は、第２の実施形態に係る照明装置が２つの光源を備える場合の外観及び構成例の概略と光線経路の一例とを示す模式図である。 図１０は、第２の実施形態に係る照明装置が２つの光源を備える場合の解析モデルについて説明するための模式図である。 図１１は、第２の実施形態に係る照明装置が２つの光源を備える場合の青色ＬＥＤによる照明光の照射面における照度分布の解析結果を示す図である。 図１２は、第２の実施形態に係る照明装置が２つの光源を備える場合の青色ＬＥＤによる照明光の照射面のＹ＝０の位置における照度分布の解析結果を示す図である。 図１３は、第２の実施形態に係る照明装置が２つの光源を備える場合の赤色ＬＥＤによる照明光の照射面における照度分布の解析結果を示す図である。 図１４は、第２の実施形態に係る照明装置が２つの光源を備える場合の赤色ＬＥＤによる照明光の照射面のＹ＝０の位置における照度分布の解析結果を示す図である。 図１５は、第２の実施形態に係る照明装置が２つの光源を備える場合の２つの光源による照明光の照射面における照度分布の解析結果を示す図である。 図１６は、第２の実施形態に係る照明装置が２つの光源を備える場合の２つの光源による照明光の照射面のＹ＝０の位置における照度分布の解析結果を示す図である。 図１７は、第１の変形例に係る照明装置の外観及び構成例の概略を示す模式図である。
実施形態
　以下に、本発明の各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。なお、図面は模式的又は概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率等は、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。また、垂直、直交、平行又は水平等の記載は、必ずしも厳密に垂直、直交、平行又は水平である場合に限らず、それぞれ略垂直、略直交、略平行又は略水平である場合を含み得る。
　（第１の実施形態）
　一般的に照明装置には、配光制御、器具効率及びコンパクト性が求められる。ここで、器具効率は、光源の全光束に対して、照明として利用される光束が占める割合を示す。従来、コンパクトな照明装置を実現する方法として、反射ミラーを用いた方法が知られている。反射ミラーを用いて光線経路を折りたためば、コンパクトな照明装置が実現できる。しかし、反射ミラーは、照明光のエネルギーの一部を吸収する。そのため、光線経路を折りたたむために反射ミラーを用いると、エネルギーロスが生じてしまい、照明装置の器具効率が低下する。
　そこで、本実施形態では、全反射によって照明光の光線方向を変化させて光線経路を折りたたむ光学素子と、当該光学素子を用いることでエネルギーロスを低減させた照明装置について説明をする。
　以下、本実施形態に係る照明装置について、図面を参照して詳細に説明する。本実施形態に係る技術は、広い方位を照明することができる照明（広配光な照明）を実現するものである。なお、広配光の照明は、配光角の大きい照明とも表現できる。
　まず、本実施形態に係る照明装置の構成について説明をする。本実施形態に係る照明装置の外観と構成例との概略を模式図として図１に示す。また、本実施形態に係る照明装置の中心軸を通る断面における構成例の概略及び光線経路の一例を模式図として図２に示す。図２には、一例として、光線Ｒ１、光線Ｒ２及び光線Ｒ３の光線経路が示されている。図１及び図２に示すように、本実施形態に係る照明装置１は、光学素子１００と、光源２００とを備える。
　本実施形態に係る光学素子１００は、図２に示すように、入射部１３０と、射出部１４０とを備える。入射部１３０は、光学素子１００へ照明光が入射する界面（入射面）を有する。射出部１４０は、入射部１３０から光学素子１００の内部へ入射した照明光が、光学素子１００の内部で光線方向を変化させられた後に、光学素子１００の外部へ射出される界面（射出面）を有する。
　ここで、以下の説明のために、光学素子１００の中心軸Ａ１は、入射部１３０の中心Ｐ０を通り、入射部１３０の入射面に対して直交する軸であると定義する。このとき、中心軸Ａ１は、光学素子１００の中心Ｃ０を通る。中心軸Ａ１と平行な方向をＺ方向と定義し、入射部１３０の入射面と平行な面をＸ－Ｙ平面と定義する。また、入射部１３０の中心Ｐ０から、光学素子１００の中心Ｃ０へ向かう方向をＺ＋方向とする。
　本実施形態に係る光学素子１００は、例えば図１及び図２に示すように、お椀のような、中心軸Ａ１に対して回転対称な外形を有する。ただし、光学素子１００の形状は、回転対称な形状に限らず、どのような形状であってもよい。光学素子１００の形状は、例えば、光学素子１００と光源２００又は照明する対象との相対位置に基づいて決定されればよい。光学素子１００の形状は、要求される照明光の配光角に応じて決定されてもよい。また、本実施形態に係る光学素子１００は、中実であるが、内部に空洞を有する殻構造（中空）であってもよい。
　光学素子１００を構成する材料（物質）は、光（照明光）に対して透明であるとする。例えば、材料は、アクリル、ポリカーボネート、シリコーン等の透明樹脂であってもよいし、ガラスであってもよい。材料としてガラスが用いられる場合、光学素子１００の耐熱性の向上が期待できるという利点がある。本実施形態では、光学素子１００の材料は、屈折率（ｎ）が１．４９のアクリル樹脂であるとする。
　本実施形態に係る光源２００は、光学素子１００の入射部１３０に対向して、光学素子１００の外側（Ｚ－側）に配置される。光源２００は、照明光を放射する発光面を備える。本実施形態に係る発光面の形状は矩形であるが、これに限らない。発光面の形状は、例えば、円形であってもよいし、多角形であってもよいし、任意の形状であってもよい。発光面は、例えば入射部１３０と平行に配置される。光源２００は、例えば中心軸Ａ１上に発光面の中心Ｐ３が位置するように配置される。発光面は、例えば光学素子１００の入射部１３０と接する位置に配置されるが、光学素子１００の入射部１３０からＺ－方向に所定の距離だけ離れた位置に配置されてもよい。発光面から放射された照明光は、光学素子１００の入射部１３０を照射する。本実施形態に係る光源２００は発光ダイオード（ＬＥＤ）であるが、これに限らない。光源２００は、例えば、フィラメント光源等であってもよい。
　本実施形態に係る光学素子１００は、入射部１３０から入射した光線を光学素子１００の内部で全反射させる第１の内部全反射部１１０をさらに備える。第１の内部全反射部１１０は、入射部１３０と対向する位置に配置される。第１の内部全反射部１１０の中心Ｐ１は、光学素子１００の中心軸Ａ１上に位置する。第１の内部全反射部１１０は、入射部１３０と対向する側に第１の山部１１１を有する。なお、第１の内部全反射部１１０の入射部１３０と対向する側は、Ｚ－側、光学素子１００の内部（中心Ｃ０）側とも表現できる。
　第１の山部１１１は、第１の内部全反射部１１０に、中心軸Ａ１から放射状に延びるように配置されている。また、第１の山部１１１は、互いに隣接して、複数設けられている。すなわち、互いに隣接する第１の山部１１１は、第１の谷部１１５を構成する。これは、第１の山部１１１を間に挟んだ両側に一対の第１の谷部１１５が設けられているとも表現できる。
　以下、一対の第１の谷部１１５の第１の谷底１１６で規定される仮想面を、第１の仮想面１１８と定義する。なお、第１の谷底１１６は、互いに隣接する第１の山部１１１の境界であるとも表現できる。本実施形態において、第１の仮想面１１８は、第１の内部全反射部１１０に存在する全ての第１の谷部１１５の第１の谷底１１６を含む。
　図３に示すように、第１の山部１１１は、第１の仮想面１１８に対して第１の角度θ１を有する第１の全反射面１１２と、第１の全反射面１１２と第２の角度θ２を有する第２の全反射面１１３とを備える。なお、第２の角度θ２は、第１の山部１１１の頂角に相当する。また、第１の全反射面１１２又は第２の全反射面１１３と、第１の仮想面１１８との交線は、第１の谷底１１６に相当する。言い換えると、第１の谷底１１６は、１つの第１の山部１１１の第１の全反射面１１２と、前記１つの第１の山部１１１に隣接した他の第１の山部１１１の第２の全反射面１１３と、の交線に相当する。また、第１の全反射面１１２と第２の全反射面１１３との交線は、第１の山部１１１の第１の頂部１１４に相当する。
　このように規定される第１の山部１１１は、第１の谷底１１６及び第１の仮想面１１８に直交する仮想断面において、逆Ｖ字型の断面形状を有する。また、第１の山部１１１は、光学素子１００の中心Ｃ０から遠ざかる方向（Ｚ＋方向）に凸である。すなわち、当該仮想断面と、第１の仮想面１１８、第１の全反射面及び第２の全反射面との各々の交線は、当該仮想断面上において二等辺三角形を構成する。このとき、第１の角度θ１と、第２の角度θ２とは、それぞれ当該二等辺三角形の内角の１つである。ただし、本実施形態では、当該仮想断面と、第１の全反射面１１２及び第２の全反射面１１３との交線の長さは、当該仮想断面上において等しいものとする。
　このように規定される第１の山部１１１の断面形状は、中心軸Ａ１（光源２００）からの距離に応じて変化する。すなわち、第１の山部１１１の第１の頂部１１４と、第１の仮想面１１８との間の距離は、中心軸Ａ１から離れるにつれて大きくなる。これは、中心軸Ａ１から離れるにつれて、第１の山部１１１が高くなる、又は第１の全反射面１１２及び第２の全反射面１１３の幅が大きくなるとも表現できる。ここで、第１の全反射面１１２又は第２の全反射面１１３の幅は、第１の山部１１１の第１の頂部１１４と、第１の山部１１１に隣接する第１の谷部１１５の第１の谷底１１６との間の距離である。一方で、第１の山部１１１の頂角（第２の角度θ２）は、中心軸Ａ１からの距離に関わらず一定であるとする。
　上述したように、本実施形態に係る第１の山部１１１は、第１の仮想面１１８上に位置する。このような第１の仮想面１１８は、光学素子１００の中心Ｃ０側（Ｚ－側）に略錐形に窪んだ形状をしている。このとき、第１の仮想面１１８の中心は、中心軸Ａ１上に位置したままである。
　上述したような構成から、入射部１３０の入射面に対する第１の全反射面１１２の角度は、入射部１３０の入射面に対する第１の仮想面１１８（第１の谷底１１６）の角度と、第１の角度θ１との和で表現される。このように、第１の山部１１１の断面形状は、光源２００（中心軸Ａ１）からの距離に応じて変化する。
　ここで、本実施形態に係る照明装置１の作用について図面を参照して説明をする。図２に、光学素子１００の中心軸Ａ１上の断面における光線経路の一例を示す。本実施形態に係る光学素子１００では、中心軸Ａ１は、光学素子１００の中心Ｃ０と、入射部１３０の中心Ｐ０と、第１の内部全反射部１１０の中心Ｐ１とを通る。また、光源２００は、光源２００の中心Ｐ３が中心軸Ａ１上に位置するように配置される。光源２００の発光面から放射された光線は、入射部１３０を照射する。光線は、入射部１３０から光学素子１００の内部へ入射する。光学素子１００の内部へ入射した光線は、光学素子１００の内部を透過して、第１の内部全反射部１１０へ到達する。
　ここで、第１の内部全反射部１１０に第１の山部１１１が設けられていない場合を考える。このとき、第１の角度θ１と、第２の角度θ２とは、共に０度であり、第１の内部全反射部１１０の備える第１の全反射面１１２と、第２の全反射面１１３とは、第１の仮想面１１８上に位置する。
　一般に、光線は、入射面への入射角が臨界角θｃ以下となる場合には、全反射されずに入射面を透過する。ここで、臨界角θｃは、屈折率ｎを用いて以下のように表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　すなわち、第１の内部全反射部１１０（第１の仮想面１１８）への入射角が臨界角θｃ以下となる光線は、第１の内部全反射部１１０を透過して、光学素子１００の外部へ出射する。そのため、このような光学素子の放射する光線は、中心軸Ａ１との成す角が小さい狭配光の光線となる。光線と中心軸Ａ１との成す角は９０度以下である。
　したがって、第１の内部全反射部１１０に第１の山部１１１が設けられていない場合には、第１の内部全反射部１１０（第１の仮想面１１８）へ入射する多くの光線は、内部全反射されず、第１の内部全反射部１１０を透過して、光学素子１００の外部へ出射する。もちろん、例えば図２の光線Ｒ２のように、第１の内部全反射部１１０（第１の仮想面１１８）に対して臨界角θｃを超える角度で入射した光線は、第１の内部全反射部１１０に第１の山部１１１が設けられていない場合であっても全反射され得る。ただし、入射部１３０から光学素子１００の内部へ入射した光線は、第１の内部全反射部１１０を透過して外部へ出射したり、第１の内部全反射部１１０で全反射されて射出部１４０から外部へ出射したりするため、何れにしても照明装置１としての器具効率は低いものとなる。
　一方で、本実施形態に係る第１の内部全反射部１１０には、第１の山部１１１が設けられている。以下、この場合について図３乃至図５を参照して説明する。図３には、図１に示す本実施形態に係る光学素子１００を、一対の第１の谷底１１６及び中心軸Ａ１に沿って切断した光学素子片の斜視断面図が示されている。また、図４には、図３に示す光学素子片を、断面４と直交する方向から見た図が示されている。また、図５には、図３に示す光学素子片を、断面５の側から見た図が示されている。また、図３乃至図５には、入射部１３０の中心Ｐ０から光学素子１００の内部へ入射した光線の一部（光線Ｒ５を含む光線）が示されている。
　このとき、第１の角度θ１は、入射部１３０から入射した光線が、第１の全反射面１１２に対して臨界角θｃ以上の角度で入射可能に設定されている。また、第２の角度θ２（第１の山部１１１の頂角）は、第１の全反射面１１２で全反射された光線が、第２の全反射面１１３に対して臨界角θｃ以上の角度で入射可能に設定されている。
　このような構成において、光線は、図３乃至図５に示すように、第１の全反射面１１２及び第２の全反射面１１３において連続して全反射される。これにより、入射部１３０から第１の内部全反射部１１０へ入射した光線は、第１の内部全反射部１１０において、ミラーによる反射のような吸収ロスなく、折り返されることになる。また、第１の内部全反射部１１０において折りたたまれた光線は、図２の光線Ｒ１、光線Ｒ２及び光線Ｒ３のように、射出部１４０から出射する。このように、本実施形態に係る光学素子１００の放射する光線は、中心軸Ａ１との成す角が大きい広配光の光線となる。光線と中心軸Ａ１との成す角は９０度以上である。
　本実施形態に係る光学素子１００及び光学素子１００を備える照明装置１によれば、以下のことが言える。
　本実施形態に係る光学素子１００は、光線が入射する入射部１３０と、入射部１３０から入射した光線を内部全反射させる第１の内部全反射部１１０と、第１の内部全反射部１１０で内部全反射された光線が出射する射出部１４０とを備え、第１の内部全反射部１１０は、光学素子１００の中心軸Ａ１から放射状に延びる第１の山部１１１を有し、第１の山部１１１の断面形状は、中心軸Ａ１からの距離に応じて変化する。この構成によれば、入射部１３０から入射した光線を、第１の山部１１１において２回連続して全反射させることができる。そのため、ミラーを用いた反射のようにエネルギーロスが発生することなく、光線を全反射させることができる。すなわち、本実施形態に係る光学素子１００を使用すれば、光線を折りたためることで光学素子のコンパクト化が実現でき、さらに、エネルギーロスも低減できる。
　本実施形態に係る光学素子１００において、第１の内部全反射部１１０は、第１の山部１１１を間に挟んだ両側に一対の第１の谷部１１５を有し、第１の山部１１１は、一対の第１の谷部１１５の第１の谷底１１６で規定される第１の仮想面１１８に対して第１の角度θ１を有する第１の全反射面１１２と、第１の全反射面１１２に対して第２の角度θ２を有する第２の全反射面１１３とを備える。この構成によれば、逆Ｖ字型の簡易な形状の第１の山部１１１によって、上述と同様の効果を得られる。また、第１の山部１１１と第１の谷部１１５とは、交互に各々が隣接して配置されている。そのため、第１の内部全反射部１１０によって全反射される光線は、入射部１３０の何れの位置から、何れの方向へ入射したものでもよい。
　本実施形態に係る光学素子１００において、第１の山部１１１の第１の頂部１１４は、第１の全反射面１１２と第２の全反射面１１３との交線であり、第１の頂部１１４から第１の仮想面１１８までの長さは、中心軸Ａ１から離れるにつれて大きくなる。この構成によれば、光源２００（中心軸Ａ１）との距離に応じて第１の全反射面１１２と第２の全反射面１１３との角度を設定できるため、適切に光線を全反射させることができる。
　本実施形態に係る光学素子１００において、第１の仮想面１１８は、中心軸Ａ１上に頂点を有し、光学素子１００の中心Ｃ０側に略錐形に窪む。この構成によれば、光源２００から中心軸Ａ１方向に、すなわちＺ＋方向に放射された光線も、内部全反射させることができる。
　本実施形態に係る光学素子１００において、第１の角度θ１は、入射部１３０から入射した光線の第１の全反射面１１２に対する入射角が臨界角θｃを超えるように設定される。このように、入射部１３０から第１の内部全反射部１１０へ到達する光線に対して第１の全反射面１１２の角度を設定できるため、適切に光線を全反射させることができる。
　本実施形態に係る光学素子１００において、第２の角度θ２は、一定であり、第２の角度θ２は、第１の全反射面１１２で全反射された光線を第２の全反射面１１３においてさらに全反射させるように設定される。すなわち、第２の角度θ２は、第１の全反射面１１２で全反射された光線の第２の全反射面１１３への入射角が臨界角θｃを超えるように設定される。このように、第１の全反射面１１２から第２の全反射面１１３へ到達する光線に対して第２の全反射面１１３の角度を設定できるため、適切に光線を２回連続して全反射させることができる。
　本実施形態に係る照明装置１は、光学素子１００と、光源２００とを備える。この構成によれば、上述の効果によって、器具効率の高いコンパクトな照明装置１が実現する。
　本実施形態に係る照明装置１において、入射部１３０と、第１の内部全反射部１１０とは対向する。したがって、光源２００から放射されて入射部１３０へ入射した光線を、第１の内部全反射部１１０において内部全反射させることができるため、上述の効果が得られる。
　本実施形態に係る照明装置１において、光源２００は、ＬＥＤである。この構成によれば、上述の効果に加えて、さらに低消費電力な照明装置１が実現する。
　本実施形態に係る照明装置１において、中心軸Ａ１と入射部１３０へ入射する光線との角度は、中心軸Ａ１と射出部１４０から出射する光線との角度と比較して小さい。このように、本実施形態に係る照明装置１は、上述した効果に加えて、広配光な照明を実現できる効果を有する。
　なお、本実施形態では、第１の内部全反射部１１０の備える第１の山部１１１が逆Ｖ字型の形状である場合を例として説明をしたが、これに限らない。第１の山部１１１の形状は、入射した光線を２回連続して全反射させることができればよく、例えば、Ｕ字型であってもよい。
　なお、本実施形態では、第１の山部１１１の断面形状が中心軸Ａ１（光源２００）からの距離に応じて変化する場合を例として説明をしたが、２回の連続した内部全反射が実現できれば、断面形状は一定であってもよいし、第１の仮想面は、略錐状に窪んでいなくてもよい。また、第２の角度θ２（第１の山部１１１の頂角）は一定でなくてもよい。
　なお、本実施形態では、光線を全反射させる部材を第１の山部１１１と表現して説明をしたが、これに限らない。例えば、第１の山部１１１は、第１の溝部と表現されてもよい。
　なお、本実施形態では、単一の材料で構成される単層の光学素子１００を例として説明をしたが、これに限らない。光学素子１００は、積層されて構成された構造であってもよい。すなわち、光学素子１００の材料として複数の物質が用いられてもよいし、材料は層毎に異なっていてもよい。また、光学素子１００は、例えば、個別に形成された第１の内部全反射部１１０と、入射部１３０と、射出部１４０とが組み合わされた構造であってもよい。
　なお、本実施形態では、複数の第１の山部１１１を備える光学素子１００について説明をしたが、これに限らない。例えば、図３に示すような、１つの第１の山部１１１を備える光学素子片も、概ねエネルギーロスなく光線を反射させることができる光学素子として用いることができる。
　（第２の実施形態）
　以下、本実施形態に係る照明装置１について、図面を参照して詳細に説明する。ここでは、第１の実施形態との相違点について主に説明し、同一の部分については同一の符号を付してその説明を省略する。
　まず、本実施形態に係る照明装置１の構成について説明をする。本実施形態に係る照明装置１の構成例の概略を図６に模式図として示す。光学素子１００が透光性を有するため、図６では、底面側（後述する第２の内部全反射部１２０）に形成された第２の山部１２１および第２の谷部１２５が上方から透けて見えている。ここでは、見易さのために、透けて見えている第２の山部１２１の第２の頂部１２４を一点鎖線で示し、同様に透けて見えている第２の谷部１２５の第２の谷底１２６を実線で示す。また、図７に本実施形態に係る第１の内部全反射部１１０近傍の構成例の概略を示す。図６及び図７では、照明装置１の構成例の概略に加えて、光線経路の一例が模式的に示されている。また、図８に、本実施形態に係る照明装置１の側面図を示す。図８には、中心軸Ａ１を通るＸ－Ｚ平面上の光線経路の一例が合わせて示されている。
　本実施形態に係る光学素子１００は、図８に示すように、凸レンズのような、中心軸Ａ１に対して回転対称な外形を有する。本実施形態に係る光学素子１００の外形は、中心軸Ａ１から離れるにつれて厚みが薄くなる円盤状であるとも表現できる。光学素子１００は、中実であるとする。
　本実施形態に係る第１の内部全反射部１１０は、図６乃至図８に示すように、光学素子１００のＺ＋側に配置される。また、本実施形態に係る第１の内部全反射部１１０は、中心軸Ａ１から所定の距離だけ離れた位置まで、第１の山部１１１を備える。これは、中心軸Ａ１から所定の距離以上離れた位置では、入射部１３０から入射した光線と、中心軸Ａ１との成す角が大きくなり、第１の内部全反射部１１０の光学素子１００のＺ－側の面への光線の入射角が、臨界角θｃを超えるためである。以下、第１の内部全反射部１１０の光学素子１００のＺ－側（光学素子１００の中心Ｃ０側）、かつ、第１の山部１１１の周囲の面を、第１の内部全反射部１１０の備える縁全反射面１１９とする。すなわち、本実施形態に係る光学素子１００では、光線は、第１の山部１１１又は縁全反射面１１９において内部全反射される。
　また、本実施形態に係る光学素子１００は、図６及び図８に示すように、止まり穴１５０を有する。止まり穴１５０の形状は、例えば円柱状であるが、これに限らない。例えば、止まり穴１５０は、角柱や円錐、角錐状であってもよい。止まり穴１５０は、第１の内部全反射部１１０に対向する側からＺ＋方向に空けられている。本実施形態に係る入射部１３０は、止まり穴１５０の底に位置する。すなわち、第１の実施形態に係る光学素子１００と同様に、入射部１３０と、第１の内部全反射部１１０とは対向する。
　また、本実施形態に係る光源２００は、止まり穴１５０の底に配置される。本実施形態に係る光源２００は、止まり穴１５０の底に発光面が接するように配置される。すなわち、光源２００の発光面は、Ｚ＋側へ向いており、第１の実施形態と同様に、第１の内部全反射部１１０に対向する。
　本実施形態に係る光学素子１００は、第１の内部全反射部１１０で全反射された光線を光学素子１００の内部でさらに全反射させる第２の内部全反射部１２０をさらに備える。第２の内部全反射部１２０は、第１の内部全反射部１１０と対向する位置に配置される。第２の内部全反射部１２０の中心Ｐ２は、光学素子１００の中心軸Ａ１上に位置する。第２の内部全反射部１２０は、第１の内部全反射部１１０と対向する側に第２の山部１２１を有する。なお、第２の内部全反射部１２０の第１の内部全反射部１１０と対向する側は、Ｚ＋側、光学素子１００の内部（中心Ｃ０）側とも表現できる。
　第２の山部１２１は、第２の内部全反射部１２０に、中心軸Ａ１から放射状に延びるように配置されている。また、第２の山部１２１は、互いに隣接して、複数設けられている。すなわち、互いに隣接する第２の山部１２１は、第２の谷部１２５を構成する。これは、第２の山部１２１を間に挟んだ両側に一対の第２の谷部１２５が設けられているとも表現できる。
　以下、一対の第２の谷部１２５の第２の谷底１２６で規定される仮想面を、第２の仮想面１２８と定義する。本実施形態において、第２の仮想面１２８は、第２の内部全反射部１２０に存在する全ての第２の谷部１２５の第２の谷底１２６を含む。なお、第２の谷底１２６は、互いに隣接する第２の山部１２１の境界であるとも表現できる。
　第２の山部１２１は、第２の仮想面１２８に対して第３の角度θ３を有する第３の全反射面１２２と、第３の全反射面１２２と第４の角度θ４を有する第４の全反射面１２３とを備える。なお、第４の角度θ４は、第２の山部１２１の頂角に相当する。また、第３の全反射面１２２又は第４の全反射面１２３と、第２の仮想面１２８との交線は、第２の谷底１２６に相当する。言い換えると、第２の谷底１２６は、１つの第２の山部１２１の第３の全反射面１２２と、前記１つの第２の山部１２１に隣接した他の第２の山部１２１の第４の全反射面１２３と、の交線に相当する。また、第３の全反射面１２２と第４の全反射面１２３との交線は、第２の山部１２１の第２の頂部１２４に相当する。
　このように規定される第２の山部１２１は、第２の谷底１２６及び第２の仮想面１２８に直交する仮想断面において、Ｖ字型の断面形状を有する。また、第２の山部１２１は、光学素子１００の中心Ｃ０から遠ざかる方向（Ｚ－方向）に凸である。すなわち、当該仮想断面と、第２の仮想面１２８、第３の全反射面及び第４の全反射面との各々の交線は、当該仮想断面上において二等辺三角形を構成する。このとき、第３の角度θ３と、第４の角度θ４とは、それぞれ当該二等辺三角形の内角の１つである。ただし、本実施形態では、当該仮想断面と、第３の全反射面１２２及び第４の全反射面１２３との交線の長さは、当該仮想断面上において等しいものとする。
　このように規定される第２の山部１２１の断面形状は、中心軸Ａ１（第２の全反射面１１３又は縁全反射面１１９）からの距離に応じて変化する。すなわち、第２の山部１２１の第２の頂部１２４と、第２の仮想面１２８との間の距離は、中心軸Ａ１から離れるにつれて大きくなる。これは、中心軸Ａ１から離れるにつれて、第２の山部１２１が高くなる、又は第３の全反射面１２２及び第４の全反射面１２３の幅が大きくなるとも表現できる。ここで、第３の全反射面１２２又は第４の全反射面１２３の幅は、第２の山部１２１の第２の頂部１２４と、第２の山部１２１に隣接する第２の谷部１２５の第２の谷底１２６との間の距離である。一方で、第２の山部１２１の頂角（第４の角度θ４）は、中心軸Ａ１からの距離に関わらず一定であるとする。
　ここで、第１の山部１１１の幅を一対の第１の谷部１１５の間の距離と定義し、第２の山部１２１の幅を一対の第２の谷部１２５の間の距離と定義すると、第１の山部１１１の幅は、第２の山部１２１の幅よりも小さい。これは、第１の山部１１１の頂角（第２の角度θ２）は、第２の山部１２１の頂角（第４の角度θ４）よりも小さい、とも表現できる。
　上述したように、本実施形態に係る第２の山部１２１は、第２の仮想面１２８上に位置する。このような第２の仮想面１２８は、光学素子１００の外側（Ｚ－方向）に略錐形に膨らんだ形状をしている。このとき、第２の仮想面１２８の中心は、中心軸Ａ１上に位置したままである。
　上述したような構成から、入射部１３０の入射面に対する第３の全反射面１２２の角度は、入射部１３０の入射面に対する第２の仮想面１２８（第２の谷底１２６）の角度と、第３の角度θ３との和で表現される。なお、第２の内部全反射部１２０の第３の全反射面１２２の角度は、第１の内部全反射部１１０の第２の全反射面１１３又は縁全反射面１１９に対して設定されてもよい。このように、第２の山部１２１の断面形状は、光源２００（中心軸Ａ１）からの距離に応じて変化する。
　本実施形態に係る射出部１４０は、図６に示すように、第２の内部全反射部１２０に対向する。また、射出部１４０は、第１の内部全反射部１１０の第１の山部１１１の周囲に位置する。すなわち、本実施形態に係る縁全反射面１１９は、第２の内部全反射部１２０で内部全反射された光線に対しては、射出部１４０の入射面として機能するとも表現できる。第２の内部全反射部１２０において内部全反射された光線は、射出部１４０の入射面（縁全反射面１１９）に対して臨界角θｃより小さい角度で入射する。
　ここで、本実施形態に係る照明装置１の作用について図面を参照して説明する。図８に示すように、本実施形態に係る光学素子１００では、中心軸Ａ１は、光学素子１００の中心Ｃ０と、入射部１３０の中心Ｐ０と、第１の内部全反射部１１０の中心Ｐ１と、第２の内部全反射部１２０の中心Ｐ２とを通る。また、光源２００は、光源２００の中心Ｐ３が中心軸Ａ１上に位置するように配置される。光源２００の発光面から放射された光線は、入射部１３０を照射する。光線は、入射部１３０から光学素子１００の内部へ入射する。光学素子１００の内部へ入射した光線は、光学素子１００の内部を透過して、第１の内部全反射部１１０へ到達する。光線は、第１の内部全反射部１１０の備える第１の山部１１１又は縁全反射面１１９で内部全反射される。第２の全反射面１１３又は縁全反射面１１９で全反射された光線は、再び光学素子１００の内部を透過して、第２の内部全反射部１２０へ到達する。
　第２の内部全反射部１２０へ到達した光線は、第３の全反射面１２２へ入射する。このとき、第３の角度θ３は、第１の内部全反射部１１０から入射した光線が、第３の全反射面１２２に対して臨界角θｃ以上の角度で入射可能に設定されている。また、第４の角度θ４（第２の山部１２１の頂角）は、第３の全反射面１２２で全反射された光線が、第４の全反射面１２３に対して臨界角θｃ以上の角度で入射可能に設定されている。
　このような構成において、光線は、図６乃至図８に示すように、第３の全反射面１２２及び第４の全反射面１２３において連続して全反射される。これにより、第１の内部全反射部１１０から第２の内部全反射部１２０へ入射した光線は、第２の内部全反射部１２０において、ミラーによる反射のような吸収ロスなく、再び折り返されることになる。また、第２の内部全反射部１２０において折りたたまれた光線は、射出部１４０の入射面に対して臨界角θｃ以下の角度で入射し、射出部１４０から光学素子１００の外部へ出射する。
　このように、本実施形態に係る光学素子１００の放射する光線は、中心軸Ａ１との成す角が小さい狭配光の光線となる。光線と中心軸Ａ１との成す角は９０度以下である。また、第１の内部全反射部１１０、第２の内部全反射部１２０及び射出部１４０は、光学素子１００の外部へと射出される光線と、中心軸Ａ１との成す角が小さくなるように設計される。したがって、本実施形態に係る照明装置１は、狭配光な照明を実現できる。
　本実施形態に係る光学素子１００及び光学素子１００を備える照明装置１によれば、以下のことが言える。
　本実施形態に係る光学素子１００は、第１の内部全反射部１１０で内部全反射された光線を内部全反射させるように第１の内部全反射部１１０に対向する第２の内部全反射部１２０をさらに備え、第２の内部全反射部１２０は、中心軸Ａ１から放射状に延びる第２の山部１２１を有し、第２の山部１２１の断面形状は、中心軸Ａ１からの距離に応じて変化する。このような構成によれば、第１の内部全反射部１１０で内部全反射された光線を、さらに内部全反射させて、光線方向を折りたたむことができる。したがって、光路長に対する光学素子１００の大きさを小型化できる。したがって、本実施形態に係る光学素子１００を用いれば、照明装置１のコンパクト化が図れる。例えば、ミラーを用いて光線を反射させる従来の光学素子は、１０度の配光角を実現させるためには、光源の発光面の幅に対して約１０５倍の高さが要求される。ここで、発光面の幅はＸ－Ｙ平面上の発光面の長さであり、高さは反射ミラーのＺ方向の長さである。一方で、本実施形態に係る光学素子１００を用いた照明装置１では、光学素子１００のＺ方向の高さは、光源２００の発光面の幅に対して約５倍程度でよい。
　本実施形態に係る光学素子１００において、第１の山部１１１の頂角（第２の角度θ２）は、第２の山部１２１の頂角（第４の角度θ４）より小さい。このような構成であれば、第１の内部全反射部１１０で内部全反射された光線を、適切に、さらに内部全反射させることができる。また、このような構成であれば、内部全反射によって適切に光線経路を折りたためるため、射出部１４０から射出される光線と中心軸Ａ１との成す角を小さくできる。
　本実施形態に係る光学素子１００において、第２の内部全反射部１２０は、第２の山部１２１を間に挟んだ両側に一対の第２の谷部１２５を有し、第２の山部１２１は、一対の第２の谷部１２５の第２の谷底１２６で規定される第２の仮想面１２８に対して第３の角度θ３を有する第３の全反射面１２２と、第３の全反射面１２２に対して第４の角度θ４を有する第４の全反射面１２３とを備える。このような構成であれば、第２の内部全反射部１２０において、２回の連続した内部全反射を適切に実現できる。
　本実施形態に係る光学素子１００において、第２の仮想面１２８は、中心軸Ａ１上に頂点を有し、光学素子１００の外側（Ｚ－側）に略錐形に膨らむ。ここにいう略錐形の概念には、円錐や多角錐等の錐形や、紡錘形等が含まれる。このような構成であれば、第３の全反射面１２２に対して臨界角θｃを超える入射角で、第１の内部全反射部１１０で内部全反射された光線を、第３の全反射面へ入射させることができる。
　本実施形態に係る光学素子１００において、第２の山部１２１の第２の頂部１２４は、第３の全反射面１２２と第４の全反射面１２３との交線であり、第２の頂部１２４から第２の仮想面１２８までの長さは、中心軸Ａ１から離れるにつれて大きくなる。このような構成であれば、第２の内部全反射部１２０において、２回の連続した内部全反射を適切に実現できる。
　本実施形態に係る光学素子１００において、第３の角度θ３は、第１の内部全反射部１１０で内部全反射された光線の第３の全反射面１２２に対する入射角が臨界角θｃを超えるように設定される。このような構成であれば、第３の全反射面１２２に対して臨界角θｃを超える入射角で、第１の内部全反射部１１０で内部全反射された光線を、第３の全反射面へ入射させることができる。
　本実施形態に係る光学素子１００において、第４の角度θ４は、一定であり、第４の角度θ４は、第３の全反射面１２２で全反射された光線を第４の全反射面１２３においてさらに全反射させるように設定される。すなわち、第４の角度θ４は、第３の全反射面１２２で全反射された光線の第４の全反射面１２３への入射角が臨界角θｃを超えるように設定される。このような構成であれば、第２の内部全反射部１２０において、２回の連続した内部全反射を適切に実現できる。
　本実施形態に係る光学素子１００において、第１の山部１１１は、第１の内部全反射部１１０のうち、中心軸Ａ１から所定の距離にある範囲に設けられている。このような構成であれば、第１の内部全反射部１１０へ入射する光線の入射角に応じて、第１の内部全反射部１１０の一部を射出部１４０として利用することができる。また、第１の内部全反射部１１０の全面に第１の山部１１１を設ける場合と比較して、加工コストを低減できる。
　本実施形態に係る光学素子１００は、止まり穴１５０をさらに備える。このような構成であれば、光学素子１００が照明装置１に用いられた場合に、止まり穴１５０を放熱部として用いることができる。すなわち、止まり穴１５０を備える場合には、光源２００の発熱による光学素子１００の変形や損傷、光源２００の損傷等を低減できる。また、止まり穴１５０の大きさに応じて、材料コストも低減できる。
　（第３の実施形態）
　以下、本実施形態に係る照明装置１について、図面を参照して詳細に説明する。ここでは、第２の実施形態との相違点について主に説明し、同一の部分については同一の符号を付してその説明を省略する。
　第２の実施形態では、狭配光の照明が実現できる、コンパクト、かつ、器具効率の高い照明装置１について説明した。このような照明装置では、複数のＬＥＤ等が光源２００として用いられる場合がある。一方で、ＬＥＤは、発光強度や発色に個体差が有り得る。また、異なる色を発光できるＬＥＤ等の光源から放射された照明光を混色する技術にも需要がある。このような中、特に、医療用向けの照明においては、照射面における照明光の色の均一性が求められる。
　そこで、本実施形態では、第２の実施形態に係る光学素子１００と、複数の発光素子を備える光源２００とを備える照明装置１による照明光の混色について説明をする。本実施形態に係る光源２００の構成と配置の一例を図９に示す。図９では、構成と配置の一例に加えて、光線経路の一例が模式的に示されている。
　本実施形態に係る光源２００は、図９に示すように、青色発光ダイオード（青色ＬＥＤ２１０）と、赤色発光ダイオード（赤色ＬＥＤ２２０）とを備える。青色ＬＥＤ２１０と赤色ＬＥＤ２２０とは、それぞれ、光源２００を概ね２分割した形状及び大きさであり、第１の内部全反射部１１０に対向する側に発光面を備える。青色ＬＥＤ２１０は、光源２００において、Ｘ＋側に配置される。赤色ＬＥＤ２２０は、光源２００において、Ｘ－側に配置される。
　ここで、本実施形態に係る照明装置１による照明光の混色について解析する解析モデルを模式図として図１０に示す。図１０に示すように、本解析モデルでは、照明装置１から所定の距離だけ離れた位置に配置されるレシーバ３００の照射面３１０を照射する照明光について、照度分布が解析される。また、照射面３１０の中心は、照明装置１の中心軸Ａ１上に配置される。
　図１０に示す解析モデルを用いた解析によって得られた照度分布について、図面を参照して説明する。ここで、青色ＬＥＤ２１０から照明光を放射させた場合の照射面３１０における照度分布を図１１に示す。また、図１１に示す照度分布のＹ＝０ｍｍの位置におけるＸ方向の位置に対する照度を図１２に示す。赤色ＬＥＤ２２０から照明光を放射させた場合の照射面３１０における照度分布を図１３に示す。また、図１３に示す照度分布のＹ＝０ｍｍの位置におけるＸ方向の位置に対する照度を図１４に示す。青色ＬＥＤ２１０及び赤色ＬＥＤ２２０の各々から照明光を放射させた場合の照射面３１０における照度分布を図１５に示す。また、図１５に示す照度分布のＹ＝０ｍｍの位置におけるＸ方向の位置に対する照度を図１６に示す。なお、図１１、図１３及び図１５において、縦軸は、照射面３１０におけるＹ方向の位置を示し、横軸は、照射面３１０におけるＸ方向の位置を示す。また、図１１、図１３及び図１５において、高い照度を示す位置は白く表示され、低い照度を示す位置は黒く表示されている。なお、図１２、図１４及び図１６において、縦軸は、Ｌｕｘ単位で照度を示し、横軸は、Ｘ方向の位置を示す。
　図１１及び図１２に示すように、青色ＬＥＤ２１０から照明光を放射させた場合には、照度分布におけるピーク位置に偏りが生じていることが分かる。この場合、例えば、図１２に示すように、照度分布Ｄ１０には、第１の極大値Ｄ１１と、第２の極大値Ｄ１２とが存在する。同様に、図１３及び図１４に示すように、赤色ＬＥＤ２２０から照明光を放射させた場合にも、照度分布におけるピーク位置に偏りが生じていることが分かる。この場合、例えば、図１３に示すように、照度分布Ｄ２０には、第３の極大値Ｄ２１と、第４の極大値Ｄ２２とが存在する。
　一方で、図１５及び図１６に示すように、青色ＬＥＤ２１０及び赤色ＬＥＤ２２０の各々から照明光を放射させた場合には、照度分布におけるピーク位置に偏りは生じていないことが分かる。このとき、本実施形態に係る光学素子１００が中心軸Ａ１に対して回転対称な形状であることから、第１の極大値Ｄ１１と第３の極大値Ｄ２１とは概ね同位置である。同様に、第２の極大値Ｄ１２と第４の極大値Ｄ２２とは概ね同位置である。この場合、例えば、図１６に示すように、照度分布Ｄ３０には、概ねＸ＝Ｙ＝０の位置近傍に単一の極大値、すなわち最大値Ｄ３１が存在する。このように、青色ＬＥＤ２１０及び赤色ＬＥＤ２２０の各々から照明光を放射させた場合には、スポット状の照度分布となる。
　本実施形態に係る光学素子１００は、内部全反射を用いて光線経路を折りたたんでいる。そのため、本実施形態に係る光学素子１００を用いれば、光源２００の発光面から放射された照明光の光路長を長くすることができる。また、光源から放射された光線は、発光面から放射される方向に応じて、複数の第１の山部によって内部全反射され、また、さらに複数の第２の山部によって内部全反射される。すなわち、本実施形態に係る光学素子１００が用いられた場合には、光源は点光源とみなすことができ、また、光線経路の多くは互いに交差することになる。したがって、本実施形態に係る光学素子１００は、複数の光源から放射された光線を照射面で混色させることができる。
　以上のことから、青色ＬＥＤ２１０と、赤色ＬＥＤ２２０とが離間して配置され、各々が発光している場合でも、照射面３１０において照明光が混色されることが分かる。このように、本実施形態に係る照明装置１は、複数の光源から発光された各々の照明光を、照射面３１０において混色させることができる。
　なお、本実施形態では、光源２００が備える複数の発光素子の発光する照明光の色が異なる場合を例として説明をしたが、これに限らない。例えば、複数の発光素子の発光する照明光の色は同じであってもよい。この場合には、本実施形態に係る照明装置１は、発光素子の個体差に起因する色ムラを低減させることができる。
　（第４の実施形態）
　以下、図１、図６、図８等を参照して、本実施形態に係る集光装置について説明する。ここでは、第１の実施形態との相違点について主に説明し、同一の部分については同一の符号を付してその説明を省略する。本実施形態では、第１の実施形態の図１、第２の実施形態の図６、図８とは一部の構成が異なるものの、これらの図を代用して以下に説明する。
　第１の実施形態及び第２の実施形態では、入射部１３０から入射した光線を内部全反射させることで、概ねエネルギーロスなく、光線経路を折りたたむことができる光学素子１００について説明した。このような光学素子１００は、上述したように、照明装置１で用いられれば、照明光の配光角を大きくしたり、小さくしたりすることができる。例えば、第１の実施形態に係る光学素子１００の射出部１４０から射出される光線の光線方向は、中心軸Ａ１との成す角が大きい。
　一方で、このような光学素子１００は、集光装置で用いられれば、集光できる光線の光線方向（集光角）を大きくしたり、小さくしたりすることができる。例えば、第１の実施形態及び第２の実施形態に係る光学素子１００の射出部１４０から入射した光線は、光学素子１００の内部で内部全反射されて、入射部１３０へ到達する。そこで、本実施形態では、入射した光線を内部全反射させることで、高効率で集光できる集光装置について説明をする。
　本実施形態に係る集光装置は、第１の実施形態に係る光学素子１００と、太陽電池とを備える。
　本実施形態に係る集光装置では、第１の実施形態に係る光学素子１００の射出部１４０を太陽光入射部として用いる。また、第１の実施形態に係る光学素子１００の入射部１３０を太陽光射出部として用いる。すなわち、第１の内部全反射部１１０と、太陽光射出部とは、対向する。太陽電池は、第１の実施形態に係る光源２００の位置に配置される。すなわち、太陽電池の集光面は、第１の内部全反射部１１０と対向する位置に配置される。
　太陽光入射部（射出部１４０）から光学素子１００の内部へ入射した光線は、光学素子１００の内部を透過して第１の内部全反射部１１０へ到達する。第１の内部全反射部１１０へ到達した光線は、第１の山部１１１において、２回連続して内部全反射される。第１の内部全反射部１１０で内部全反射された光線は、太陽光射出部（入射部１３０）へ到達する。
　本実施形態に係る集光装置は、第１の実施形態に係る光学素子１００と、太陽電池とを備える。このような構成によれば、太陽光入射部（射出部１４０）から第１の内部全反射部１１０へ入射した光線は、第１の内部全反射部１１０において、ミラーによる反射のような吸収ロスなく、折り返されることになる。また、第１の内部全反射部１１０において折りたたまれた光線は、太陽光射出部（入射部１３０）から出射する。このように、本実施形態に係る光学素子１００の集光する光線は、中心軸Ａ１との成す角が大きい広集光角の光線である。集光できる光線と中心軸Ａ１との成す角は９０度以上である。
　また、本実施形態に係る集光装置では、太陽光射出部（入射部１３０）と、第１の内部全反射部１１０とは対向する。このような構成であれば、第１の実施形態に係る光学素子１００を用いて、太陽光入射部（射出部１４０）から入射した光線を、高効率で太陽光射出部（入射部１３０）へ集光できる。
　また、本実施形態に係る集光装置では、中心軸Ａ１と太陽光入射部（射出部１４０）へ入射する光線との角度は、中心軸Ａ１と太陽光射出部（入射部１３０）から出射する光線との角度と比較して大きい。すなわち、本実施形態に係る集光装置を利用すれば、大きい集光角で太陽光を集光できる。
　なお、本実施形態では、太陽電池を備える集光装置について説明をしたが、これに限らない。例えば、光学素子１００と蓄熱部とを備える高効率の集熱装置も実現し得る。
　なお、本実施形態では、第１の実施形態に係る光学素子１００を備える集光装置について説明をしたが、これに限らない。例えば、第２の実施形態に係る光学素子１００を備える集光装置であってもよい。この場合、特定の光源から放射される光線を選択的に高効率で集光できる。
　なお、本実施形態では、太陽光入射部（射出部１４０）へ入射する太陽光を集光する場合を例として説明をしたが、これに限らない。集光する光線は、太陽光以外の光源から放射された光線であっても同様の効果が得られ得る。
　（第１の変形例）
　以下、第１の実施形態に係る変形例について説明する。ここでは、第１の実施形態との相違点について主に説明し、同一の部分については同一の符号を付してその説明を省略する。
　第１の実施形態に係る技術は、光線を反射ミラーによって全反射させる光学素子へ適用できる。すなわち、反射ミラーの代わりに第１の内部全反射部１１０を適用して、反射ミラーによる光線の吸収を抑制できる。
　図１７に、第１の実施形態に係る技術を適用した照明装置１の一例を示す。本実施形態に係る照明装置１は、光学素子１００と、光源２００とを備える。
　本実施形態に係る光学素子１００の入射部１３０は、光源２００から光線が入射する光源側入射面１３１と、射出部１４０まで光線を導光する円柱状の導光部１３２と、内部側入射面１３３とを備える。内部側入射面１３３は、光学素子１００の中心Ｃ０側に錐形に窪んだ形状を有する。
　本実施形態に係る第１の内部全反射部１１０は、内部側入射面１３３から入射した光線を内部全反射させる。ただし、本実施形態に係る光学素子１００では、第１の仮想面１１８と入射部１３０とは対向しない。図１７に示すように、第１の仮想面１１８と、内部側入射面１３３とは、共に光学素子１００の中心Ｃ０側に錐形に窪んだ形状を有する。したがって、本実施形態に係る光学素子１００では、内部側入射面１３３から入射した光線は、中心軸Ａ１を挟んで反対側に位置する第１の山部１１１の第１の全反射面１１２へ入射する。そのため、第１の全反射面１１２の第１の角度θ１は、内部側入射面１３３の角度に対して設定される。
　本実施形態に係る第１の内部全反射部１１０へ入射した光線は、２回の連続した内部全反射の後に、射出部１４０から外部へ射出される。このとき、射出部１４０から外部へ射出される光線と中心軸Ａ１との成す角は、光源側入射面１３１へ入射する光線と中心軸Ａ１との成す角より大きくなる。このように、本実施形態に係る光学素子１００を用いた照明装置１は、広配光の照明を高い器具効率の下で実現できる。
　なお、上記の各々の実施形態と変形例とを適宜組み合わせて、１つの実施形態を実現することもできる。例えば、第４の実施形態の集光装置には、第１の実施形態、第２の実施形態、又は第１の変形例に係る光学素子１００が組み合わせ可能である。
　本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

Claims (18)

  1. 　光学素子であって、
    　光線が入射する入射部と、
    　前記入射部から入射した光線を内部全反射させる第１の内部全反射部と、
    　前記第１の内部全反射部で内部全反射された光線が出射する射出部と
    　を備え、
    　前記第１の内部全反射部は、前記光学素子の中心軸から放射状に延びる第１の山部を有し、
    　前記第１の山部の断面形状は、前記中心軸からの距離に応じて変化する、
    　光学素子。
  2. 　前記第１の内部全反射部は、前記第１の山部を間に挟んだ両側に一対の第１の谷部を有し、
    　前記第１の山部は、
    　　一対の前記第１の谷部の第１の谷底で規定される第１の仮想面に対して第１の角度を有する第１の全反射面と、
    　　前記第１の全反射面に対して第２の角度を有する第２の全反射面と
    　を備える、請求項１に記載の光学素子。
  3. 　前記第１の山部の第１の頂部は、前記第１の全反射面と前記第２の全反射面との交線であり、
    　前記第１の頂部から前記第１の仮想面までの長さは、前記中心軸から離れるにつれて大きくなる、
    　請求項２に記載の光学素子。
  4. 　前記第１の仮想面は、前記中心軸上に頂点を有し、前記光学素子の中心側に略錐形に窪む、請求項２に記載の光学素子。
  5. 　前記第１の角度は、前記入射部から入射した光線の前記第１の全反射面に対する入射角が臨界角を超えるように設定される、請求項２に記載の光学素子。
  6. 　前記第２の角度は、一定であり、
    　前記第２の角度は、前記第１の全反射面で全反射された光線を前記第２の全反射面においてさらに全反射させるように設定される、
    　請求項２に記載の光学素子。
  7. 　前記第１の内部全反射部で内部全反射された光線を内部全反射させるように前記第１の内部全反射部に対向する第２の内部全反射部をさらに備え、
    　前記第２の内部全反射部は、前記中心軸から放射状に延びる第２の山部を有し、
    　前記第２の山部の断面形状は、前記中心軸からの距離に応じて変化する、
    　請求項１に記載の光学素子。
  8. 　前記第１の山部の頂角は、前記第２の山部の頂角より小さい、請求項７に記載の光学素子。
  9. 　前記第２の内部全反射部は、前記第２の山部を間に挟んだ両側に一対の第２の谷部を有し、
    　前記第２の山部は、
    　　一対の前記第２の谷部の第２の谷底で規定される第２の仮想面に対して第３の角度を有する第３の全反射面と、
    　　前記第３の全反射面に対して第４の角度を有する第４の全反射面と
    　を備える、
    　請求項７に記載の光学素子。
  10. 　前記第２の仮想面は、前記中心軸上に頂点を有し、前記光学素子の外側に略錐形に膨らむ、請求項９に記載の光学素子。
  11. 　前記第２の山部の第２の頂部は、前記第３の全反射面と前記第４の全反射面との交線であり、
    　前記第２の頂部から前記第２の仮想面までの長さは、前記中心軸から離れるにつれて大きくなる、
    　請求項９に記載の光学素子。
  12. 　前記第３の角度は、前記第１の内部全反射部で内部全反射された光線の前記第３の全反射面に対する入射角が臨界角を超えるように設定される、請求項９に記載の光学素子。
  13. 　前記第４の角度は、一定であり、
    　前記第４の角度は、前記第３の全反射面で全反射された光線を前記第４の全反射面においてさらに全反射させるように設定される、
    　請求項９に記載の光学素子。
  14. 　請求項１に記載の光学素子と、
    　光源と
    　を備え、
    　前記入射部と、前記第１の内部全反射部とは対向する、
    　照明装置。
  15. 　前記光源は、ＬＥＤである、請求項１４に記載の照明装置。
  16. 　前記中心軸と前記入射部へ入射する光線との角度は、前記中心軸と前記射出部から出射する光線との角度と比較して小さい、請求項１４に記載の照明装置。
  17. 　請求項１に記載の光学素子と、
    　太陽電池と
    　を備え、
    　前記射出部と、前記第１の内部全反射部とは対向する、
    　集光装置。
  18. 　前記中心軸と前記入射部へ入射する光線との角度は、前記中心軸と前記射出部から出射する光線との角度と比較して大きい、請求項１７に記載の集光装置。
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