JP5401331B2 - 光学素子および発光装置 - Google Patents

Description

本発明は、光学素子および発光装置に関する。

ＬＥＤ（Light Emitting Diode）を光源に用いた発光装置としては、以下のものが提案されている。すなわち、複数のＬＥＤを所定間隔に並べ、そのＬＥＤの並ぶ方向に沿って長尺な透明体をＬＥＤに近接させて配置し、その透明体においてＬＥＤの光が通過する光照射面に、ＬＥＤの光を散乱させる光散乱層が塗布されたものである。この発光装置は、ＬＥＤの光を均一に照射することが可能であるとされている（特許文献１参照）。

特開２００９−３２５６３号公報

しかしながら、特許文献１に記載されている発光装置によっても、光散乱層の散乱能のみだけでは光を均一に照射するのが不十分なことがある。すると光の照射密度の高い部分ではグレアが発生する。また、この発光装置の製造の際には、光散乱層の塗布工程を要し、煩雑である。

そこで、本発明の目的は、光源としてＬＥＤ等の光源を複数用いた場合に、照明光の照度をより均一にし、グレアを低減することが可能な光学素子および発光装置を提供することである。

上記目的を達成するため、本発明の光学素子は、三角柱を呈する導光部を有し、導光部の３つの側面のうち、１つの側面を光が入射する入射面とし、他の１つの側面を入射した光を全反射する全反射面とし、残りの１つの側面を全反射した光を外部へ出射する出射面とし、入射面には、全反射面を含む平面と出射面を含む平面とに交差する方向に稜線方向を向けた稜部を有する複数の第１の三角プリズムからなる第１のプリズム部が設けられている。

ここで、第１の三角プリズムの底角θ１が２０度以上７０度以下であり、かつ、複数の第１の三角プリズムの隣り合う稜部間の間隔Ｐ１が、第１の三角プリズムの底面から稜部までの高さをＨ１とした場合、（２×Ｈ１／ｔａｎθ１）≦Ｐ１＜（１０×Ｈ１／ｔａｎθ１）であることが好ましい。

また、入射した光を多重散乱させる光散乱粒子を含有し、光散乱粒子は、粒径が２μｍ〜９μｍの透光性のシリコーン粒子であり、光散乱粒子による散乱係数に相当する散乱パラメータである濁度をτとした場合、τ＞０．０１であることが好ましい。

また、出射面には複数の第１の三角プリズムの配置方向に沿って配置される複数の第２の三角プリズムからなる第２のプリズム部が設けられていることが好ましい。

また、第２の三角プリズム部の底角θ２が５０度以上９０度未満であり、かつ、複数の第２の三角プリズムの隣り合う稜部間の間隔Ｐ２が、第２の三角プリズムの底面から第２の三角プリズムの稜部までの高さをＨ２とした場合、（２×Ｈ２／ｔａｎθ２）≦Ｐ２＜（２０×Ｈ２／ｔａｎθ２）であることが好ましい。

上記目的を達成するため、本発明の発光装置は、三角柱を呈する導光部を有し、導光部の３つの側面のうち、１つの側面を光が入射する入射面とし、他の１つの側面を入射した光を全反射する全反射面とし、残りの１つの側面を全反射した光を外部へ出射する出射面とし、入射面には、全反射面を含む平面と出射面を含む平面とに交差する方向に稜線方向を向けた稜部を有する複数の第１の三角プリズムからなる第１のプリズム部が設けられる光学素子を備え、入射面に光を入射させる複数の光源が、複数の第１の三角プリズムの配置方向に配置されている。

ここで、入射面の光源と対向しない部分には、第１のプリズム部が設けられない部分が存在することが好ましい。

また、複数の光源の発光色が異なることとすることができる。

また、光学素子は、入射した光を多重散乱させる光散乱粒子を含有し、光散乱粒子は、粒径が２μｍ〜９μｍの透光性のシリコーン粒子であり、光散乱粒子による散乱係数に相当する散乱パラメータである濁度をτとした場合、τ＞０．０１であることが好ましい。

また、第１の三角プリズムの底角θ１が２０度以上７０度以下であり、かつ、複数の第１の三角プリズムの隣り合う稜部間の間隔Ｐ１が、第１の三角プリズムの底面から稜部までの高さをＨ１とした場合、（２×Ｈ１／ｔａｎθ１）≦Ｐ１＜（１０×Ｈ１／ｔａｎθ１）であることが好ましい。

また、光散乱粒子は、粒径が２μｍ〜９μｍの透光性のシリコーン粒子であり、光学素子は、光散乱粒子による散乱係数に相当する散乱パラメータである濁度をτとした場合、τ＞０．０１であることが好ましい。

また、出射面には前記複数の第１の三角プリズムの配置方向に沿って配置される複数の第２の三角プリズムからなる第２のプリズム部が設けられていることが好ましい。

また、第２の三角プリズム部の底角θ２が５０度以上９０度未満であり、かつ、複数の第２の三角プリズムの隣り合う稜部間の間隔Ｐ２が、第２の三角プリズムの底面から第２の三角プリズムの稜部までの高さをＨ２とした場合、（２×Ｈ２／ｔａｎθ２）≦Ｐ２＜（２０×Ｈ２／ｔａｎθ２）であることが好ましい。

本発明では、光源としてＬＥＤ等の光源を複数用いた場合に、照明光の照度や輝度をより均一にし、グレアを低減することが可能な光学素子および発光装置を提供することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る光学素子である導光体の構成を示す斜視図である。 図１に示す出射面の側から第１のプリズム部を見た部分拡大図である。 図１および図２に示す導光体中の光散乱粒子となるシリコーン粒子の散乱原理を示す図で、単一真球粒子による散乱光強度の角度分布（Α、Θ）を示すグラフである。 本発明の第１の実施の形態に係る発光装置の簡略図であり、図１に示した導光体とＬＥＤとの位置関係を示す図である。 本発明の第１の実施の形態に係る発光装置の光路の簡略図であって、右端面から見た図である。 発光装置において、ＬＥＤから発せられた光が第１のプリズム部を透過する際の光の屈折の状況を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係る光学光学素子である導光体の構成を示す斜視図である。 図７に示す入射面の側から第２のプリズム部を見た部分拡大図である。 比較例として、導光体から第１のプリズム部及び光散乱粒子を省略した導光体を用いて、本発明の第１の実施の形態に係る発光装置と同様の発光装置を構成した場合の、出射面に相当する面の輝度分布を示す図である。 図９に示す比較例の発光装置と同条件で発光させた本発明の第１の実施の形態に係る発光装置であって、光散乱粒子を含有させない導光体を用いたものの出射面の輝度分布を示す図である。 図９に示す比較例の発光装置と同条件で発光させた本発明の第１の実施の形態に係る発光装置であって、光散乱粒子を含有させない導光体を用いたものの出射面から４０ｍｍ上方に離れた部分の照度分布を示す図である。 図９に示す比較例の発光装置と同条件で発光させた本発明の第１の実施の形態に係る発光装置の出射面から４０ｍｍ上方に離れた部分の照度分布を示す図である。 図９に示す比較例の発光装置と同条件で発光させた本発明の第１の実施の形態に係る発光装置の出射面の輝度分布を示す図である。 図９に示す比較例の発光装置と同条件で発光させた本発明の第２の実施の形態に係る発光装置の出射面の輝度分布を示す図である。 本発明の第１の実施の形態に係る発光装置の変形例で、導光体の左端面、右端面、入射面および全反射面を覆う反射部材を、発光装置に取り付けた状態を示す図である。

以下、本発明の実施の形態に係る光学素子および発光装置の構成、ならびにそれらの作用について、図面を参照しながら説明する。

（第１の実施の形態の光学素子の構成）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る光学素子である導光体１の構成を示す斜視図である。

図１に示すように、透明のポリメチルメタクリレート（以下、「ＰＭＭＡ」と略記する。）からなる樹脂成形体である導光部１Ａを有する導光体１（光学素子）は、平面状の左端面２から平面状の右端面３に向かう方向に長尺な三角柱状を呈している。三角柱を呈する導光部１Ａの３つの側面は、それぞれ、光が入射する入射面４、入射した光を全反射する全反射面５、全反射した光を外部へ出射する出射面６である。そして、導光体１は、入射した光を多重散乱させる光散乱粒子を含有している。そして、入射面４には入射する光を長尺方向に広げる３つの第１の三角プリズム７Ａからなる第１のプリズム部７が設けられている。第１の三角プリズム７Ａは、全反射面５を含む平面と出射面６を含む平面とに交差する方向に稜線方向を向けた稜部１２を有している。すなわち、第１の三角プリズム７Ａは、入射面４と全反射面５とが交差する稜部４Ａおよび入射面４と出射面６とが交差する稜部４Ｂに直交する方向に稜線方向を向けた稜部１２を有する。ここで、入射面４と全反射面５とのなす角αは、４０度、全反射面５と出射面６とのなす角βは、５０度、出射面６と入射面４とのなす角γは、９０度とされている。第１のプリズム部７は、導光体１の長尺方向（稜部４Ａおよび稜部４Ｂに平行な方向）に沿って一定間隔に複数設けられ、各第１のプリズム部７の間は、第１のプリズム部７が形成されていないプリズム未形成部８となっている。

図２は、図１に示す出射面６の側から第１のプリズム部７を見た図である。第１のプリズム部７は、複数の第１の三角プリズム７Ａを有している。これらの第１の三角プリズム７Ａは、Ｖ字状に隣接する複数の斜面１１が交差して形成されるジクザグ状の凹凸部により形成されている。そして、各斜面１１は、導光体１の短尺方向（稜部４Ａと稜部４Ｂを結ぶ方向）に沿って伸びている。凸部の頂点を含む稜線が稜部１２である。凹部側において斜面１１が交差する部分を含む面を第１のプリズム７の底面１３としたとき、斜面１１と底面１３とのなす角度θ１が４５度である。そして、隣り合う稜部１２間の間隔Ｐ１は、底面１３から稜部１２までの高さをＨ１とした場合、（２×Ｈ１／ｔａｎθ１）≦Ｐ＜（１０×Ｈ１／ｔａｎθ１）の範囲内となるように設定する。本実施の形態では、Ｐ１＝２×Ｈ１／ｔａｎθ１とされ、凹部側において斜面１１が交差するように構成されている。具体的には、たとえば、Ｈ１＝０．２５とし、Ｐ１が０．５ｍｍとされている。

以下、導光体１に含有されているシリコーン粒子について説明する。このシリコーン粒子は、体積的に一様な散乱能が与えられた導光体であり、散乱微粒子としての球形粒子を多数含んでいる。導光体１の内部に光が入射すると、その光は散乱微粒子によって散乱することになる。

ここで、シリコーン粒子の理論的な基礎を与えるＭｉｅ散乱理論について説明する。Ｍｉｅ散乱理論は、一様な屈折率を有する媒体（マトリックス）中に該媒体と異なる屈折率を有する球形粒子（散乱微粒子）が存在するケースについてマックスウェルの電磁方程式の解を求めたものである。光散乱粒子に相当する散乱微粒子によって散乱した散乱光の角度に依存した強度分布Ｉ（Α、Θ）は下記（１）式で表される。Αは、散乱微粒子の光学的大きさを示すサイズパラメータであり、マトリックス中での光の波長λで規格化された球形粒子（散乱微粒子）の半径ｒに相当する量である。角度Θは散乱角で、入射光の進行方向と同一方向をΘ＝１８０°にとる。

また、（１）式中のｉ_１、ｉ_２は（４）式で表される。そして、（２）〜（４）式中の下添字ν付のａおよびｂは（５）式で表される。上添字１および下添字νを付したＰ（ｃｏｓΘ）は、Ｌｅｇｅｎｄｒｅの多項式、下添字ν付のａ、ｂは１次、２次のＲｅｃａｔｔｉ−Ｂｅｓｓｅｌ関数Ψ_＊、ζ_＊（ただし、「＊」は下添字νを意味する。）とその導関数とからなる。ｍはマトリックスを基準にした散乱微粒子の相対屈折率で、ｍ＝ｎｓｃａｔｔｅｒ／ｎｍａｔｒｉｘである。

図３は、上記（１）〜（５）式に基づいて、単一真球粒子による強度分布Ｉ（Α、Θ）を示すグラフである。この図３では、原点Ｇの位置に散乱微粒子としての真球粒子があり、下方から入射光が入射した場合の散乱光強度の角度分布Ｉ（Α、Θ）を示している。そして、原点Ｇから各曲線Ｓ１〜Ｓ３までの距離が、それぞれの散乱角方向の散乱光強度である。曲線Ｓ１はΑが１．７であるときの散乱光強度、曲線Ｓ２はΑが１１．５であるときの散乱光強度、曲線Ｓ３はΑが６９．２であるときの散乱光強度を示している。なお、図３においては、散乱光強度を対数目盛で示している。このため、図３では僅かな強度差として見える部分が、実際には非常に大きな差となる。

この図３に示すように、サイズパラメータΑが大きくなればなるほど（ある波長λで考えた場合は真球粒子の粒径が大きくなればなるほど）、上方（照射方向の前方）に対して指向性高く光が散乱されていることがわかる。また、実際のところ、散乱光強度の角度分布Ｉ（Α、Θ）は、入射光波長λを固定すれば、散乱子の半径ｒと、媒体および散乱微粒子の相対屈折率ｍとをパラメータとして制御することができる。なお、導光体１は、前方散乱が大きいものである。

このような、単一真球粒子がＮ個含まれる光散乱導光体に光を入射させると、光は真球粒子により散乱される。散乱光は光散乱導光体中を進み、他の真球粒子により再度散乱される。ある程度以上の体積濃度で粒子を添加した場合には、このような散乱が逐次的に複数回行われた後、光が光散乱導光体から出射する。このような散乱光がさらに散乱されるような現象を多重散乱現象と呼ぶ。このような多重散乱においては、透明ポリマーでの光線追跡法による解析は容易ではない。しかし、モンテカルロ法により光の挙動を追跡し、その特性を解析することはできる。それによると、入射光が無偏光の場合、散乱角の累積分布関数Ｆ（Θ）は下記の（６）式で表される。

ここで（６）式中のＩ（Θ）は、（１）式で表されるサイズパラメータΑの真球粒子の散乱強度である。強度Ｉ_ｏの光が光散乱導光体に入射し、距離ｙを透過した後、光の強度が散乱によりＩに減衰したとすると、これらの関係は下記の（７）式で表される。

この（７）式中のτは濁度と呼ばれ、媒体の散乱係数に相当するものであり、下記の（８）式のように粒子数Ｎに比例する。なお、（８）式中、σ^ｓは散乱断面積である。

（７）式から長さＬの光散乱導光体を散乱せずに透過する確率Ｐ_ｔ（Ｌ）は下記の（９）式で表される。

反対に光路長Ｌまでに散乱される確率Ｐｓ（Ｌ）は下記の（１０）式で表される。

これらの式からわかるように、濁度τを変えることにより、光散乱導光体内での多重散乱の度合いを制御することができる。

以上の関係式により、散乱微粒子のサイズパラメータΑと濁度τとの少なくとも１つをパラメータとして、光散乱導光体内での多重散乱を制御可能であり、出射面６における出射光強度と散乱角も適正に設定可能である。

ここで、導光体１に含有されている光散乱粒子は、平均粒径が２．４μｍの透光性のシリコーン粒子である。また、光散乱粒子による散乱係数に相当する散乱パラメータである濁度τは、τ＝０．４９（λ＝５５０ｎｍ）である。

（第１の実施の形態の発光装置の構成）
図４は、本発明の第１の実施の形態に係る発光装置２１の簡略図であり、図１に示した導光体１とＬＥＤ２２との位置関係を示す図である。光源としてのＬＥＤ２２は、白色光を発する直径２．４ｍｍのチップ型のものであり、その光束は、９ｌｍである。ＬＥＤ２２は、各第１のプリズム部７に対向する位置に配置されている。本実施の形態では、たとえば、２５ｍｍ間隔で配置され、各第１のプリズム部７に向けて発光される。

図５は、発光装置２１の光路（ＬＥＤ２２から照射された光が導光体１を透過する際の光路）Ｌの簡略を示す図であって、右端面３側から見た図である。ＬＥＤ２２から出射された光が入射面４を透過し、全反射面５にて全反射して、出射面６から出射する。

図６は、発光装置２１において、ＬＥＤ２２から発せられた光が第１のプリズム部７を透過する際の光の屈折の状況を示す図である。図６に示すように、ＬＥＤ２２から出射した光Ｌ１は、第１のプリズム部７（第１の三角プリズム７Ａ）の斜面１１に入射する。そして、稜部１２よりも左端面２側にある斜面１１に入射した光Ｌ１は、右端面３側に屈折し、稜部１２よりも右端面３にある斜面１１に入射した光Ｌ１は、左端面２側に屈折する。つまり、ＬＥＤ２２から出射し第１のプリズム部７に入射した光は、第１のプリズム部７が形成されていない平面に入射したときに比べて、全体的に、左端面２と右端面３との側に発散させられる。なお、斜面１１は、入射面４の短尺方向に対しては傾斜していない。そのため、入光した光Ｌ１は、導光体１の短尺方向については、発散し難くなっている。また、導光体１に入光した光Ｌ１は、光散乱粒子によって多重散乱する。

（第２の実施の形態の光学素子および発光装置の構成）
図７は、本発明の第２の実施の形態に係る光学素子である導光体３１の構成を示す斜視図である。導光体３１と導光体１との差異は、出射する光を導光体３１の長尺方向に屈折させ、出射方向を出射面と直交する方向に近づける第２のプリズム部３２が、出射面６の全面に設けられている点である。その点を除いては、導光体３１と導光体１とでは構成上の差異がない。また導光体３１を用いた後述する発光装置４１と、発光装置２１とでもその点を除き、構成上の差異がない。よって、導光体１と導光体３１の共通する部材または要素、発光装置２１と発光装置４１の共通する部材または要素については、同一の符号を付して以下説明し、それらの共通部分の詳細な説明は省略する。

図８は、発光装置４１において、図７に示す入射面４の側から第２のプリズム部３２を見た図である。第２のプリズム部３２は、複数の第２の三角プリズム３２Ａを有している。これらの第２の三角プリズム３２Ａは、Ｖ字状に隣接する複数の第２の斜面４２が交差して形成されるジクザグ状の凹凸部により形成されている。そして、各第２の斜面４２は、導光体３１の短尺方向（稜部４Ａと稜部４Ｂを結ぶ方向）に沿って伸びている。第２の凸部の頂点を含む稜線が第２の稜部４３である。第２の凹部側において第２の斜面４２が交差する部分を含む面を第２のプリズムの第２の底面４４としたとき、第２の斜面４２と第２の底面４４とのなす角度θ２が８０度である。そして、隣り合う第２の稜部４３間の間隔Ｐ２は、第２の底面４４から第２の稜部４３までの高さをＨ２とした場合、（２×Ｈ２／ｔａｎθ２）≦Ｐ２＜（２０×Ｈ２／ｔａｎθ２）の範囲内となるように設定する。本実施の形態では、Ｐ２＝２×Ｈ２／ｔａｎθ２とされ、凹部側において第２の斜面４２が交差するように構成されている。具体的には、たとえば、Ｈ２＝０．３ｍｍとし、Ｐ２が０．２ｍｍとされている。

ＬＥＤ２２から発せられた光の多くは、上述のように第１のプリズム部７により長手方向に向けて発散されて導光体３１に入射し、導光体３１の長手方向に広がりつつ全反射面５に入射する。そして、全反射面５にて全反射し、出射面６から出射する。導光体３１に入射した光は、多重散乱しながら導光体３１内を進む。図８は、出射面６から出射する光Ｌ２の光路を示している。光Ｌ２は、稜部４３よりも右端面３側にある第２の斜面４２に入射した光Ｌ２は、右端面３側に屈折し、稜部４３よりも左端面２にある第２の斜面４２に入射した光Ｌ２は、左端面２側に屈折する。つまり、出射面６から出射する光は、第２のプリズム部３２が形成されていない平面から出射するときに比べて、全体的に、出射方向が出射面６と直交する方向に近づくように屈折する。

（本発明の実施の形態によって得られる主な効果）
導光体１，３１およびそれを用いた発光装置２１，４１は、導光体１，３１の入射面４には入射する光を長尺方向に発散する（広げる）ことができる複数の第１の三角プリズム７Ａからなる第１のプリズム部７が設けられている。そのため、導光体１，３１およびそれを用いた発光装置２１，４１は、光源としてＬＥＤ２２等の光源を複数用いた場合にも、照明光の照度をより均一にし、グレアを低減することができる。

図９は、比較例として、導光体１からプリズム部７及び光散乱粒子を省略した導光体を用いて、発光装置２１と同様の発光装置を構成した場合の出射面６に相当する面における輝度分布を示す図である。比較例の導光体は、第１のプリズム部７に相当する部分が平面状となっている。左側の図は、出射面６に相当する面における輝度の分布を色の濃淡で表わしており、色が黒に近づくほど輝度が小さく、色が白に近づくほど輝度が大きいことを示している。右側の図は、比較例の導光体の出射面６に相当する面の短尺方向の真ん中のラインの輝度分布を示すグラフである。比較例の発光装置は、出射面６に相当する面の長手方向に並ぶ縞状に発光部分が存在し、暗い部分と明るい部分との輝度の差が約１２０００ｃｄ／ｍ^２であることがわかる。

図１０は、比較例の発光装置と同条件で発光させた本発明の実施の形態に係る発光装置２１であって、光散乱粒子を含有させない導光体を用いたものの出射面６の輝度分布を示す図である。左側の図は、出射面６における輝度の分布を色の濃淡で表わしており、右側の図は、出射面６の短尺方向の真ん中のラインの輝度分布を示すグラフである。図１０に示すように、発光装置２１は、出射面６の長手方向に、比較例の発光装置よりも細かく並ぶ縞状に発光部分が存在する。そして、暗い部分と明るい部分との輝度の差が約５０００ｃｄ／ｍ^２である。このことから、発光装置２１は、比較例の発光装置に比べて光を均一に照射することができることがわかる。

また、導光体１，３１は、第１のプリズム部７を構成する第１の三角プリズム７Ａは、斜面１１と底面１３とのなす角度θ１を２０度以上７０度以下の４５度としており、かつ隣接する稜部１２の間の間隔Ｐ１が、底面１３から稜部１２までの高さをＨ１とした場合、（２×Ｈ１／ｔａｎθ１）≦Ｐ１＜（１０×Ｈ１／ｔａｎθ１）の範囲となるように設定している。本実施の形態では、Ｐ１＝２×Ｈ１／ｔａｎθ１とされ、凹部側において斜面１１が交差するように構成されている。具体的には、たとえば、Ｈ１＝０．２５とし、Ｐ１が０．５ｍｍとされている。ここで、角度θ１を２０度以上とすることによって、十分に光を広げる効果が得られる。また、角度θ１を７０度以下とすることにより、隣接するプリズム同士での光の干渉を抑制でき、より光を広げる効果が得られる。なお、（２×ｈ／ｔａｎθ）≦Ｐとしているのは、物理的制約によるものであり、Ｐ１＝２×Ｈ１／ｔａｎθ１とすることで、ＬＥＤ２２から照射された光を最も効率よく長尺方向に向けて発散させることができる。また、Ｐ１＜（１０×Ｈ１／ｔａｎθ１）の範囲であれば、隣接する第１の三角プリズム７Ａ間の間隔が開き、隣接する第１の三角プリズム７Ａとの間に平面部が形成されても、ＬＥＤ２２から照射された光を効率よく長尺方向に向けて発散させることができる。

また、導光体１，３１は、出射した光を多重散乱させる光散乱粒子を含有し、光散乱粒子は、粒径が２μｍ〜９μｍの透光性のシリコーン粒子である。この粒径範囲とすることで、導光体１の入射光の前方散乱を適切な範囲で大きくすることができる。そして、光散乱粒子による散乱係数に相当する散乱パラメータである濁度をτとした場合、τ＞０．０１の範囲である０．４９（λ＝５５０ｎｍ）としている。濁度τをこの範囲とすることによって、入射光の多重散乱をより活発化させることができる。

図１１は、比較例の発光装置と同条件で発光させた本発明の実施の形態に係る発光装置２１であって、光散乱粒子を含有させない導光体を用いたものの出射面６から４０ｍｍ上方に離れた部分の出射した光の照度分布を示す図である。左側の図は、図９と同様に照度の分布を色の濃淡で表わしており、右側の図は、出射面６から照射された光の照射域の中央部について導光体１の長尺方向に沿う方向の照度分布を示すグラフである。図１２は、比較例の発光装置と同条件で発光させた本発明の実施の形態に係る発光装置２１の出射面６から４０ｍｍ上方に離れた部分の照度分布を示す図であり、左側の図は、出射面６から出射された光の照度の分布を色の濃淡で表わしており、右側の図は、出射面６から照射された光の照射域の中央部について導光体１の長尺方向に沿う方向の照度分布を示すグラフである。なお、照度は、出射面６から４０ｍｍ離れた位置で評価している。図１１に示す光散乱粒子を含有させない導光体を用いた発光装置は、照光部分が若干縞状となっているのに対して、図１２に示す光散乱粒子を含有させた導光体１を用いた発光装置２１は、照光部分が縞状となっておらず、均一となっている。

また、導光体３１は、出射面６に出射する光を長尺方向に屈折させ、出射方向を出射面６と直交する方向に近づけるように屈折させる複数の第２の三角プリズム３２Ａからなる第２のプリズム部３２が設けられている。そのため、光の出射方向を出射面６から長尺方向に広がった方向とするのを抑制でき、発光装置４１の光の出射方向を出射面６と直交する方向に近づけることができる。

図１３は、比較例の発光装置と同条件で発光させた本発明の実施の形態に係る発光装置２１の出射面６の輝度分布を示す図である。左側の図は、輝度の分布を色の濃淡で表わしており、右側の図は、比較例の導光体の出射面６に相当する面の短尺方向の真ん中のラインの輝度分布を示すグラフである。図１４は、比較例の発光装置と同条件で発光させた本発明の実施の形態に係る発光装置４１の出射面６の輝度分布を示す図である。第２のプリズム部３２が無い発光装置２１は、図１３に示すように、輝度の高い部分と低い部分が縞状に表れている。ただし、光散乱粒子が含有されていない導光体を用いた図１０に示す輝度分布より輝度は均一である。また、明るい部分の輝度が約６０００ｃｄ／ｍ^２である。一方、図１４に示すように、第２のプリズム部３２がある発光装置４１は、輝度の高い部分と低い部分が縞状に表れておらず、輝度が均一である。また、明るい部分の輝度が約１１０００ｃｄ／ｍ^２であり、発光装置２１に比べて、輝度が大きいことがわかる。

また、第２のプリズム部３２を構成する第２の三角プリズム３２Ａは、第２の斜面４２と第２の底面４４とのなす角度θ２が５０度以上９０度未満の範囲内の８０度であり、かつ隣接する稜部４３間の間隔Ｐ２が、底面４４から稜部４３までの高さをＨ２とした場合、（２×Ｈ２／ｔａｎθ２）≦Ｐ２＜（２０×Ｈ２／ｔａｎθ２）
の範囲内となるように設定している。本実施の形態では、Ｐ２＝２×Ｈ２／ｔａｎθ２とされ、凹部側において斜面４２が交差するように構成されている。具体的には、たとえば、Ｈ２＝０．３ｍｍとし、Ｐ２が０．２ｍｍとされている。角度θ２を５０度以上としているのは、出射光を出射面６に対して直交する方向に向けて屈折させ易くし、出射面６の輝度をより均一にするためである。なお、角度θ２を９０度未満としている理由、および（２×Ｈ／ｔａｎθ２）≦Ｐ２としている理由は、物理的制約によるものである。また、Ｐ２＜（２０×Ｈ２／ｔａｎθ２）の範囲であれば、隣接する第２の三角プリズム３２間の間隔が開き、隣接する第２の三角プリズム３２との間に平面部が形成されても、出射面６から出射する光の出射方向を長尺方向に広がることを抑制でき、発光装置４１の光の出射方向を出射面６と直交する方向に近づけることができる。

また、ＬＥＤ２２は、導光体１，３１の長尺方向に複数等間隔に配置され、入射面４のＬＥＤ２２と対向しない部分には、第１のプリズム部７が設けられないプリズム未形成部８が存在している。ＬＥＤ２２から発せられる光のうち、横方向に広がり第１のプリズム７に入射することができない光の一部は、プリズム未形成部８にて導光体１，３１へと入射される。横方向に広がってプリズム未形成部８に入射する光は、既に導光体１，３１の長尺方向に広がっているため、第１のプリズム７にてさらに屈折させる必要はない。したがって、第１のプリズム７の形成箇所を減らすことができ、製造時の工程等を簡略化することができる。

また、導光体１，３１の入射面４と全反射面５とのなす角αは、４０度、全反射面５と出射面６とのなす角βは、５０度、出射面６と入射面４とのなす角γは、９０度とされている。すなわち、出射面６の幅寸法が入射面４の幅寸法よりも小さくされている。そのため、発光装置２１，４１の設置環境の関係で、出射面６の幅寸法を小さくしなければならない場合に、導光体１，３１は有利な形状である。

（他の形態）
導光体１，３１は、平面状の左端面２から右端面３に向かう方向に長尺な三角柱の側面を有し、その３つの側面がそれぞれ、光が入射する入射面４、入射した光を全反射する全反射面５、全反射した光を外部へ出射する出射面６であり、入射面４には入射する光を長尺方向に広げる複数の第１の三角プリズム７Ａからなる第１のプリズム部７が設けられ、第１の三角プリズム７ＡはＶ字状に隣接する複数の斜面１１が交差して形成されるジクザグ状の凹凸部（鋸歯状のプリズム部）により形成され、凸部の頂点を含む稜線を稜部１２とし、凹部側において斜面１１が交差する部分を含む面を第１のプリズム７の底面１３としたとき、斜面１１と底面１３とのなす角度θ１が２０度以上７０度以下であり、かつ隣り合う稜部１２間の間隔Ｐ１が、底面１３から稜部１２までの高さをＨ１とした場合、（２×Ｈ１／ｔａｎθ１）≦Ｐ１＜（１０×Ｈ１／ｔａｎθ１）である。

ここで、左端面２、右端面３、入射面４および出射面６は、平面状とされていなくてもよく、たとえば、丸みを帯びた凸形状とされていても良い。また、斜面１１と底面１３とのなす角度θ１を２０度以上７０度以下とすること、および第１の三角プリズム７Ａの稜部１２間の間隔Ｐ１が、底面１３から稜部１２までの高さをＨ１とした場合、（２×Ｈ１／ｔａｎθ１）≦Ｐ１＜（１０×Ｈ１／ｔａｎθ１）とすることのいずれか一方または双方を採用しないこととしてもよい。

また、導光体１，３１は、入射した光を多重散乱させる光散乱粒子を含有し、光散乱粒子は、粒径が２μｍ〜９μｍの範囲内の粒径が２．４μｍの透光性のシリコーン粒子であり、光散乱粒子による散乱係数に相当する散乱パラメータである濁度をτとした場合、τ＞０．０１の範囲内であるτ＝０．４９（λ＝５５０ｎｍ）である。しかし、光散乱粒子は導光体１，３１に含有させないこととしても良い。また、含有させる場合であっても、光散乱粒子の粒径を２μｍ〜９μｍとすること、透光性のシリコーン粒子とすること、τ＞０．０１とすることのいずれか１つ、２つまたは全部は必要ない。たとえば、光の前方散乱を適切な範囲で大きくするためには、粒子径が５μｍから９μｍの球状かつ透光性のシリコーン粒子を用いることがより好ましい場合がある。

また、導光体３１は、出射面６には出射する光を前記長尺方向に屈折させ、出射方向を出射面と直交する方向に近づける複数の第２の三角プリズム３２Ａからなる第２のプリズム部３２を設けている。しかし、導光体１のように第２のプリズム部３２は、設けなくても良い。

また、導光体３１は、第２のプリズム部を構成する第２のプリズム３２はＶ字状に隣接する複数の第２の斜面４２が交差して形成されるジクザグ状の凹凸部（鋸歯状のプリズム部）により形成され、第２の凸部の頂点を含む稜線を稜部４３とし、第２の凹部の側において斜面４２が交差する部分を含む面を第２のプリズムの第２の底面４４としたとき、第２の斜面４２と第２の底面４４とのなす角度θ２が５０度以上９０度未満であり、かつ隣り合う第２の稜部４３間の間隔Ｐ２が、第２の底面４４から第２の稜部４３までの高さをＨ２とした場合、（２×Ｈ２／ｔａｎθ２）≦Ｐ２＜（２０×Ｈ２／ｔａｎθ２）としている。しかし、第２の斜面４２と第２の底面４４とのなす角度θ２を５０度以上９０度未満としていること、および（２×Ｈ２／ｔａｎθ２）≦Ｐ２＜（２０×Ｈ２／ｔａｎθ２）とすることのいずれか一方または双方を採用しないこととしてもよい。

また、発光装置２１，４１は、平面状の左端面２から平面状の右端面３に向かう方向に長尺な三角柱の側面を有し、その３つの側面がそれぞれ、光が入射する入射面４、入射した光を全反射する全反射面５、全反射した光を外部へ出射する出射面６であり、入射面４には入射する光を長尺方向に広げる複数のプリズムからなるプリズム部７が設けられた導光体１，３１を備え、入射面４側には、プリズム部７と対向する位置に入射面６に向かって発光するＬＥＤ２２が配置されている。

ここで、左端面２および右端面３は、平面状とされていなくてもよく、たとえば、丸みを帯びた凸形状とされていても良い。また、ＬＥＤ２２に代えて他の光源、たとえば光密度の高い放電光（キセノンランプ、水銀灯）やレーザを用いても良い。

また、発光装置２１，４１は、ＬＥＤ２２が導光体１，３１の長尺方向に複数等間隔に配置されている。しかし、ＬＥＤ２２は、等間隔に配置されている必要はなく、偏在していても良い。また、導光体１，３１の入射面４のＬＥＤ２２と対向しない部分には、第１のプリズム部７が設けられないプリズム未形成部８が存在している。しかし、プリズム未形成部８は存在させずに入射面４全域に第１のプリズム部７を形成しても良い。

また、複数のＬＥＤ２２の発光色は、白色としているが、複数のＬＥＤ２２の発光色を異ならせても良い。そして、導光体１，３１内で混色させ、出射面６からその混色光を発するようにしても良い。また、ＬＥＤ２２は、チップ型のものに限らずディスクリート型のＬＥＤ等を採用できる。

さらに、導光体１、３１には、ＰＭＭＡ製のものを用いているが、その他のアクリル酸エステルあるいはメタクリル酸エステルの重合体で、透明性の高い非晶質の合成樹脂であるアクリル樹脂、ポリスチレン、ポリカーボネート等の他の透光性樹脂やガラス等を材質としたものを用いることができる。

図１５は、本発明の第１の実施の形態に係る発光装置２１の変形例で、導光体１の左端面２、右端面３、入射面４および全反射面５を覆う反射部材５１を、発光装置２１に取り付けた状態を示す図である。この反射部材５１は、光反射率の高い材料、たとえば鏡面材料、金属材料、白色セラミック材料等を有し、導光体１の出射面６以外から漏れ出る光を反射させて導光体１内へと戻す役割をする。すると、導光体１の出射面６以外から漏れ出ることのある光を出射面６から出射できるため、発光効率の高い発光装置を提供できる。また、反射部材５１はＬＥＤ２２をはめ込み固定する孔部５２を有している。このため、孔部５２がＬＥＤ２２を保持し、ＬＥＤ２２の位置決めをすることができる。なお、孔部５２は設けず、反射部材５１の内面にＬＥＤ２２を固定することとしても良いし、反射部材５１は、ＬＥＤ２２を固定しないこととしても良い。また、反射部材５１は、発光装置４１に取り付けることとしても良い。さらに、反射部材５１は、導光体１の左端面２、右端面３、入射面４および全反射面５の全体を覆っているが、これらのいずれか１つ、２つまたは３つを覆わないようにしたり、左端面２、右端面３、入射面４および全反射面５のそれぞれの一部を覆うようにしても良い。たとえば、反射部材５１は、プリズム部７によって広げられた光が左端面２、右端面３から出射するのを抑えるため、左端面２、右端面３に対向する部分の光反射率を高めることとしても良い。

１，３１ 導光体（光学素子）
２ 左端面
３ 右端面
４ 入射面
５ 全反射面
６ 出射面
７ プリズム部
７Ａ 第１の三角プリズム
８ プリズム部未形成部（プリズム部が設けられない部分）
１１ 斜面
１２ 稜部
１３ 底面
２１，４１ 発光装置
２２ ＬＥＤ（光源）
３２ 第２のプリズム部
３２Ａ 第２の三角プリズム
４２ 第２の斜面
４３ 第２の稜部
４４ 第２の底面
τ 濁度
θ１ 第１の三角プリズムの底角
θ２ 第２の三角プリズムの底角
Ｐ１ 隣り合う稜部間の間隔（第１の三角プリズムの隣り合う稜部間の間隔）
Ｐ２ 第２の頂点間ピッチ（第２の三角プリズムの隣り合う稜部間の間隔）
Ｈ１ 底面から稜部までの高さ（第２の三角プリズムの底面から第２の三角プリズムの稜部までの高さ）
Ｈ２ 第２の底面から第２の稜部までの高さ（第２の三角プリズムの底面から第２の三角プリズムの稜部までの高さ）

Claims (6)

1. 三角柱を呈する導光部を有し、
   上記導光部の３つの側面のうち、１つの側面を光が入射する入射面とし、他の１つの側面を上記入射した光を全反射する平面である全反射面とし、残りの１つの側面を上記全反射した光を外部へ出射する出射面とし、
   上記入射面には、上記全反射面を含む平面と上記出射面を含む平面とに交差する方向に稜線方向を向けた稜部を有する複数の第１の三角プリズムからなる第１のプリズム部が設けられ、
   前記第１の三角プリズムの底角θ１が２０度以上７０度以下であり、かつ、前記複数の第１の三角プリズムの隣り合う稜部間の間隔Ｐ１が、前記第１の三角プリズムの底面から前記稜部までの高さをＨ１とした場合、
   （２×Ｈ１／ｔａｎθ１）≦Ｐ１＜（１０×Ｈ１／ｔａｎθ１）
   であり、
   前記出射面には前記複数の第１の三角プリズムの配置方向に沿って配置される複数の第２の三角プリズムからなる第２のプリズム部が設けられ、
   前記第２の三角プリズム部の底角θ２が５０度以上９０度未満であり、かつ、上記複数の第２の三角プリズムの隣り合う稜部間の間隔Ｐ２が、上記第２の三角プリズムの底面から上記第２の三角プリズムの稜部までの高さをＨ２とした場合、
   （２×Ｈ２／ｔａｎθ２）≦Ｐ２＜（２０×Ｈ２／ｔａｎθ２）
   であることを特徴とする光学素子。
2. 請求項１記載の光学素子において、
   入射した光を多重散乱させる光散乱粒子を含有し、
   上記光散乱粒子は、粒径が２μｍ〜９μｍの透光性のシリコーン粒子であり、
   上記光散乱粒子による散乱係数に相当する散乱パラメータである濁度をτとした場合、τ＞０．０１であることを特徴とする光学素子。
3. 三角柱を呈する導光部を有し、
   上記導光部の３つの側面のうち、１つの側面を光が入射する入射面とし、他の１つの側面を上記入射した光を全反射する平面である全反射面とし、残りの１つの側面を上記全反射した光を外部へ出射する出射面とし、
   上記入射面には、上記全反射面を含む平面と上記出射面を含む平面とに交差する方向に稜線方向を向けた稜部を有する複数の第１の三角プリズムからなる第１のプリズム部が設けられる光学素子を備え、
   上記入射面に光を入射させる複数の光源が、上記複数の第１の三角プリズムの配置方向に配置され、
   前記第１の三角プリズムの底角θ１が２０度以上７０度以下であり、かつ、前記複数の第１の三角プリズムの隣り合う稜部間の間隔Ｐ１が、前記第１の三角プリズムの底面から前記稜部までの高さをＨ１とした場合、
   （２×Ｈ１／ｔａｎθ１）≦Ｐ１＜（１０×Ｈ１／ｔａｎθ１）
   であり、
   前記出射面には前記複数の第１の三角プリズムの配置方向に沿って配置される複数の第２の三角プリズムからなる第２のプリズム部が設けられ、
   前記第２の三角プリズム部の底角θ２が５０度以上９０度未満であり、かつ、上記複数の第２の三角プリズムの隣り合う稜部間の間隔Ｐ２が、上記第２の三角プリズムの底面から上記第２の三角プリズムの稜部までの高さをＨ２とした場合、
   （２×Ｈ２／ｔａｎθ２）≦Ｐ２＜（２０×Ｈ２／ｔａｎθ２）
   であることを特徴とする発光装置。
4. 請求項３記載の発光装置において、
   前記入射面の前記光源と対向しない部分には、前記第１のプリズム部が設けられない部分が存在することを特徴とする発光装置。
5. 請求項３または４記載の発光装置において、
   前記複数の光源の発光色が異なることを特徴とする発光装置。
6. 請求項３から５のいずれか１項に記載の発光装置において、
   上記光学素子は、入射した光を多重散乱させる光散乱粒子を含有し、
   上記光散乱粒子は、粒径が２μｍ〜９μｍの透光性のシリコーン粒子であり、
   上記光散乱粒子による散乱係数に相当する散乱パラメータである濁度をτとした場合、τ＞０．０１であることを特徴とする発光装置。
   

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