凹型レンズおよび光学部材、ならびにこれらを使用した照明装置
【課題】ＬＥＤなどのように消費エネルギーが少なく、指向性の高い光エネルギーを有効使用して、大面積の表示部を略均一な照度分布で高範囲に照射することのできる凹型レンズおよびそれを使用した照明装置を提供する。
【解決手段】光を透過させる透明基材１４の一方面に、中心を通る径方向断面の高さｈが同じである三角形状の凸部１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ…を半径方向に多数形成したことを特徴とする凹型レンズ。
【解決手段】光を透過させる透明基材１４の一方面に、中心を通る径方向断面の高さｈが同じである三角形状の凸部１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ…を半径方向に多数形成したことを特徴とする凹型レンズ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、点光源の光を大面積の面状強度分布を持つ光に変換するのに好適な凹型レンズおよび光学部材、ならびにこれらを使用した照明装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザおよび発光ダイオード（ＬＥＤ）などは指向性の高い光源であるため、電球や蛍光灯のように広い配光を有する光度分布を実現できない。このため、ＬＥＤなどを電球や蛍光灯に代わる次世代光源として使用するためには、例えばＬＥＤを多数ならべ、光を面状にかつ略均一の強度で広げることが必要である。
【０００３】
光源の光を単に広げるためだけには、従来、拡散板や拡散フィルムなどの光拡散素子、あるいは光の屈折を使用した凸レンズ（砲弾型ＬＥＤのレンズも含む）や凹レンズ、さらには凸レンズを薄型化したフレネルレンズやキノフォームなどが用いられてきた。
【０００４】
しかしながら、上記で取り上げた光学部品は点光源の配光制御を目的とした素子ではないだけでなく、次のような問題がある。すなわち、例えば、拡散板によって光を拡散させると、透過率が悪くなり光の使用効率が悪くなる。また、図１１に示したように、凹レンズ２は屈折を使用したレンズであるため、その焦点距離は、基板材料の屈折率と曲率半径とに依存しており、焦点距離を自由に制御することができない。さらに、レンズ形状を薄くすることができないという問題もある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、このような従来の実情に鑑み、ＬＥＤなどのように消費エネルギーが少なく、指向性の高い光エネルギーを有効使用して、大面積の表示部を略均一な照度分布で高範囲に照射することのできる凹型レンズおよび光学部材、ならびにこれらを使用した照明装置を提供することを目的としている。
【０００６】
本発明者らは、できるだけ多くの光を外部に広げて取り出すために、高い透過性を有し、焦点距離の制御が容易な手法を見出し、本発明を完成するに至った。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するための本発明に係る凹型レンズは、光を透過させる透明基材の少なくとも一方の表面に、同心円状の構造体で、その中心を通る断面が三角形状の構造体を複数形成したことを特徴としている。
【０００８】
また、本発明に係る凹型レンズにおいては、前記三角形状の構造体が、下記式（１）を満たすｍ番目の輪帯半径と、ｍ−１番目の輪帯半径との間に存在することが好ましい。
ｍ番目の輪帯半径（μｍ）：ｒ(m)＝（ｍ2λ02＋２ｍλ0ｆ）1/2 …（１）
（ｍは１以上の任意の整数を表し、ｆは任意の数で焦点距離（μｍ）を表し、λ0は任意の数で光源波長（μｍ）を表す。）
【０００９】
さらに、本発明に係る凹型レンズにおいては、前記三角形状の構造体の高さが、すべて下記式（２）で表されることが好ましい。
高さ（μｍ）：ｈ＝λ0／（ｎ−１）…（２）
（λ0は任意の数で光源波長（μｍ）を表し、ｎは構造体を形成している物質のλ0に対する屈折率を表す。）
【００１０】
また、本発明に係る光学部材は、光を透過させる透明基材の少なくとも一方の表面に、断面が矩形状の構造体を複数形成したことを特徴としている。
【００１１】
さらに、本発明に係る光学部材においては、前記矩形状の構造体が、同心円状に形成されていることが好ましい。
【００１２】
また、本発明に係る光学部材においては、前記矩形状の構造体が、下記式（１）を満たすｍ番目の輪帯半径と、ｍ−１番目の輪帯半径との間に１つ以上存在する群であることが好ましい。
ｍ番目の輪帯半径（μｍ）：ｒ(m)＝（ｍ2λ02＋２ｍλ0ｆ）1/2 …（１）
（ｍは１以上の任意の整数を表し、ｆは任意の数で焦点距離（μｍ）を表し、λ0は任意の数で光源波長（μｍ）を表す。）
【００１３】
さらに、本発明に係る光学部材においては、前記矩形状の構造体の高さＴが、０．４μｍ≦Ｔ≦１．２μｍであることが好ましい。
【００１４】
また、本発明に係る光学部材においては、前記矩形状の構造体が、下記条件１）〜５）を満たす構造体の群であることが好ましい。
１）ｍ番目の構造体の群の幅（μｍ）：ｄm＝ｒ(m)−ｒ(m-1)
２）ｍ番目の構造体の幅を任意の数に分割した幅（μｍ）：
ｇm＝ｄm／ｘm
（ｘmはｍ番目の構造体において、１以上の任意の整数を表す。）
３）ｍ番目の構造体に相当する位置におけるｉ番目の高さ（μｍ）：
Ｔm(i)＝｛Ｔ／（ｘm−１）｝・（ｉ−１）
（Ｔは前記矩形状の構造体の高さを表し、ｉは１〜ｘmの整数を表す。）
４）ｍ番目の構造体の群に存在するｉ番目の構造体のデューティー比：
ｔm(i)＝１−Ｔm(i)／Ｔ
５）ｍ番目の構造体の群に存在するｉ番目の構造体の幅：ｔm(i)・ｇm
【００１５】
このような構成の凹型レンズまたは光学部材であれば、大面積に対する照射光度を略均一にして広げるにあたり、薄型レンズで高い透過性を有し、焦点距離の制御が容易で、コスト的にも安価に形成することができる。
【００１６】
また、本発明に係る照明装置は、上記いずれかに記載の凹型レンズまたは光学部材と、光源とから構成されることを特徴としている。
【００１７】
また、本発明に係る照明装置は、その光源が白色ＬＥＤであることが好ましい。
また、本発明に係る照明装置においては、光源波長λ0が、０．５５５±０．０２０μｍとして設計されていることが好ましい。
また、本発明に係る照明装置においては、焦点距離ｆが、０．３〜０．１ｍｍであることが好ましい。
【００１８】
このような構成の照明装置であれば、例えば、店頭などに載置される看板などの照明装置として有効使用を図ることができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、指向性の強い点光源の光を略均一の強度で大面積の面状強度分布を持つ光に変換することができ、焦点距離を構造で制御でき、電子線描画で容易に作製可能である。さらに本発明のレンズ形状の金型を作製し、射出成型が可能になれば、安価に作製可能で、大面積に対する照度を略均一にして照射することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係る凹型レンズを使用した照明装置の概略断面図である。
【図２】図２は、その照明装置を店頭の看板などに組み込んで使用する場合の概略断面図である。
【図３】図３は、壁に向かってスリットからレーザ光を照射してどのくらいの広がりを示したかを調べる遠視野像の装置図である。
【図４】図４（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、それぞれ図１に示した凹型レンズの初期状態と、断面三角形状の凸部を階段状の凸部に近似させた状態と、階段状の凸部をデューティー比に対応して２値化に変換した状態と、を示した説明図である。
【図５】図５（Ａ）、（Ｂ）は、例えば図１に示した断面三角形状の凸部を備えた凹型レンズをバイナリ化する前の状態と、バイナリ化した後の状態とを対比して示す説明図である。
【図６】図６は、回折型光学部材の周期位置による突起数の最適化を示す概念図である。
【図７】図７は、１周期あたりの突起体の数Ｎ＝１の回折型光学部材および構造変調型回折型光学部材のフォトダイオードによる一次回折光強度測定の結果を示す図である。
【図８】図８は、設計上の光源波長を変更した場合のＬＥＤの光の拡散を示す図である。
【図９】図９は、設計上の光源波長を変更した場合に、色度の空間分布測定を行い、色度座標上で、ｘ＝０．３１０，ｙ＝０．３１６からの色度のずれを、標準偏差として示す図である。
【図１０】図１０は、焦点距離を変更した場合のＬＥＤの光の拡散を示す図である。
【図１１】図１１は、従来の凹レンズによる光の屈折状態を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る凹型レンズ１０を使用した照明装置１２の概略図である。
【００２２】
凹型レンズ１０は、フレネル型の凹レンズであり、光透過性で平板状に形成された透明基材１４の一方面に、高さｈが一定である断面三角形状の凸部１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ…を半径方向に有している。これら各凸部１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ…の三角形の一辺をなす垂直な面１３は、径方向の外側に配置される構造となっている。すなわち、三角形の斜面が外側に傾く姿勢となっている。さらに、この凹型レンズ１０では、径方向の外側に近づくに従って、凸部間の間隙ｒ1、ｒ2、ｒ3、ｒ4が、所定の割合で小さくなるように設定されている。
【００２３】
このように形成された凹型レンズ１０と光源１８とを組み合わせた照明装置１２の場合、光源１８から矢印Ｙ方向に光が照射されると、その光は、透明基材１４を射出するときに構造の厚い方向に向かって光が回折するため、それぞれｙ方向に広がって進む。これにより、点状の光源１８であっても、大面積を照射することが可能になる。また、このとき、光の回折現象により射出面側では光の強度を略均一にして光の広がりを得ることができる。
【００２４】
このような照明装置１２は、図２に示したように、例えば、コンビニエンスストアの看板照明などとして使用することができる。
図２に示したように、この看板照明２０では、例えば、プラスチック製の筐体２２内に、上記の照明装置１２が収容されている。そして、この照明装置１２では、ＬＥＤランプ１８から照射された指向性の強い光がリフレクター２６によって開口面側に反射され、その光が凹型レンズ１０により広範囲に亘って発散されることにより、乳白色の板体２８に記載された情報が外方に表示される。
【００２５】
このような使い勝手であれば、消費エネルギーが少なく指向性の高いＬＥＤあるいはレーザーエネルギーを有効使用して大面積の表示部を略均一な照度分布で照射することが可能であり、長期間の継続使用においても安価に稼動させることができる。
【００２６】
なお、図２に示した照明装置２０では、リフレクター２６の天板から板体２８の下面までの距離Ｅは６ｃｍで、筐体２２の幅Ｆは２０ｃｍである。
このようにＬＥＤランプ１８と、光を出射させる照明板２８との間隔が近距離であっても、光を外方に向かって略均一に照らすことが可能である。
【００２７】
なお、光源は、ＬＥＤランプ１８、レーザなどに何ら限定されず、有機ＥＬ、電球、蛍光灯などであっても同様の効果を奏することができる。
凹型レンズ１０を構成する透明基材１４は、透明な有機系の高分子であれば特に限定されない。代表的には、環状オレフィン系樹脂、ポリカーボネート樹脂、アクリル樹脂、ポリエステル樹脂、ポリサルホン樹脂などからなる高分子フィルムで透明性の高いものであれば、何でもよい。また２種以上の樹脂をブレンドして使用することも可能である。これらの樹脂の中で、光学特性や耐熱性の点から環状オレフィン系樹脂が好ましい。
【００２８】
凹型レンズ１０を看板用の照明装置に用いた場合の効果を調べるため、室内での実験を行った。この実験では、図３に示したように、光源１８として光源波長が５３２ｎｍの単色（緑色）のレーザを用いた。そして、直径１ｍｍのピンホール１９から２０ｃｍ離れた壁２１に向かってレーザ光を照射し、幅方向にどの程度の広がりを見せるかの確認を行った。光の広がりＳは１０ｃｍになることが確認され、照明装置として十分の機能を発揮することが確認された。
以下に、図２に示した看板用の照明装置１２として凹型レンズ１０を使用する場合に、好ましい態様について、図４を参照しながら説明する。
【００２９】
この図４に示した例では、例えば、凹型レンズ１０における、例えば、センターに形成された凸部１６ａを、複数の領域（２，４，６）に分割してそれをバイナリ化して同等品を得るための設計の段階を順番に示している。
【００３０】
図４（Ａ）は、本発明の一実施形態による凹型レンズを示したものである。この凹型レンズは、透明基材１４の一方面に同心円状の構造体で、その中心を通る断面が三角形状の構造体１６ａ、１６ｂ…１６ｍを複数形成している。
【００３１】
上記三角形状の構造体は、下記式（１）を満たすｍ番目の輪帯半径と、ｍ−１番目の輪帯半径との間に存在している。
ｍ番目の輪帯半径（μｍ）：ｒ(m)＝（ｍ2λ02＋２ｍλ0ｆ）1/2 …（１）
（ｍは１以上の任意の整数を表し、ｆは任意の数で焦点距離（μｍ）を表し、λ0は任意の数で光源波長（μｍ）を表す。）
【００３２】
また、図４（Ａ）に示した凹型レンズにおける三角形状の構造体１６ａ、１６ｂ…１６ｍの高さｈは、下記式（２）で表される高さ（μｍ）を有している。
高さ（μｍ）：ｈ＝λ0／（ｎ−１）…（２）
（ｎは構造体を形成している物質のλ0に対する屈折率を表す。）
このような輪帯半径と高さとを有する鋸歯状の凹型レンズであれば、指向性の高い光を、射出面側では光の強度を略均一にして光の広がりを得ることができる。
【００３３】
したがって、この図４（Ａ）に示した鋸歯状の凹型レンズと、光源１８とを組み合わせて照明装置とし、その照明装置を図２に示したような照明看板２０に好ましく採用することができる。
【００３４】
さらに、本発明では、図４（Ａ）に示した凹型レンズに基づいて図４（Ｃ）に示したようなバイナリ型の回折型光学部材を作製し、凹型レンズと同様の機能を持たすことができる。
【００３５】
ここで、本発明において、平板状の透明基材１４の表面を加工するために、例えば、ＬＳＩ製造に汎用に用いられるフォトリソグラフィとドライエッチングの技術や紫外線硬化樹脂に金型をプレスして作製する技術が採用されている。
【００３６】
フォトリソグラフィとドライエッチングの技術で作製する場合、具体的には、透明基材にフォトレジストをスピンコートし、フォトマスクを介してＵＶ光により露光／現像することで微細構造パターンをフォトレジストに転写する。その上で、ドライエッチングにより位相をラジアンに相当する深さまで基材をエッチングし、基材に微細構造を転写し、最後にレジストを除去することによって、図４（Ｃ）に示すように凹凸部を有する断面形状が完成する。
【００３７】
なお、図４（Ａ）の凹型レンズから最終的に図４（Ｃ）あるいは図５（Ｂ）に示したようなバイナリ型の回折型光学部材を作製する場合、以下の条件で行われる。
【００３８】
すなわち、さらに、１）〜５）の条件を満たすように設定される。
１）ｍ番目の構造体の群の幅（μｍ）：ｄm＝ｒ(m)−ｒ(m-1)
２）ｍ番目の構造体の幅を任意の数に分割した幅（μｍ）：ｇm＝ｄm／ｘm
（ｘmはｍ番目の構造体において、１以上の任意の整数を表す。）
３）ｍ番目の構造体に相当する位置におけるｉ番目の高さ（μｍ）：
Ｔm(i)＝｛Ｔ／（ｘm−１）｝・（ｉ−１）
（ｉは１〜ｘmの整数を表す。
Ｔは構造体の高さであり、０．４μｍ≦Ｔ≦１．２μｍである。）
４）ｍ番目の構造体の群に存在するｉ番目の構造体のデューティー比：
ｔm(i)＝１−Ｔm(i)／Ｔ
５）ｍ番目の構造体の群に存在するｉ番目の構造体の幅：ｔm(i)・ｇm
（ｍは１以上の任意の整数を表し、ｆは任意の数で焦点距離（μｍ）を表し、
λ0は任意の数で光源波長（μｍ）を表す。）
【００３９】
上記の条件において、凸部１６ａなどを複数の領域に分割する。分割数は任意であるが、好ましくは、２，４，６…などのように偶数である。
上記の条件を当てはめて、例えば、ｍ番目の構造体の群の幅ｄmを、４つに分割したときの幅ｇmは、ｇm＝ｄm／４である。このときの高さＴm(i)は、上記３）より、Ｔm(i)＝｛Ｔ／（ｘm−１）｝・（ｉ−１）であるため、
Ｔm(1)＝０
Ｔm(2)＝Ｔ／３
Ｔm(3)＝２Ｔ／３
Ｔm(4)＝Ｔ
となり、中心に向かう構造体（Ｊ、Ｋ、Ｌ、Ｍ）の群の高さは、中心に向かうにつれて次第に小さくなり、構造体Ｍの高さは０である。
【００４０】
また、このときのデューティー比は、上記４）より、ｔm(i)＝１−Ｔm(i)／Ｔであるため、
ｔm(1)＝１
ｔm(2)＝２／３
ｔm(3)＝１／３
ｔm(4)＝０
となる。
【００４１】
なお、上記３）に記載したｉ番目の高さＴm(i)とは、例えば、図４（Ｂ）に示したように、突起体の深さＷiである。
これにより、図４（Ｃ）に示したように、構造体（Ｏ，Ｐ，Ｑ，Ｒ）の各幅は、上記５）より、ｔm(i)・ｇmで示されるので、ｔ1、ｔ2、ｔ3と中心に向かうほど狭くなり、ｔ4は幅０である。
【００４２】
すなわち、構造体Ｏの幅を１としたとき、構造体Ｐは２／３の割合、構造体Ｑは１／３の割合、構造体Ｒは零となる。
図５（Ａ），（Ｂ）は、このようにして鋸歯状の突起体１６ａ、１６ｂ、…１６ｍからバイナリ化を図った例を示している。
【００４３】
図５（Ｂ）に示されるように、回折型光学部材４０では、周期ｄは、外方に向かうほど短くなる。
【実施例】
【００４４】
［実施例１］
図６は、１周期あたりの突起体の数Ｎ＝２（上記式２）において、ｘm＝４）の回折型光学部材の右半分の構造図である。作製した回折型光学部材５０にレーザ光（ダイオード励起緑色固体レーザ、ＰＲＯＰＨＯＴＮＩＸ社製、λ＝０．５３２μｍ）を照射し、その遠視野像と光強度測定とから焦点距離の確認を行った。
【００４５】
また、１周期あたりの突起体の数Ｎと回折光強度との関係を調べるために、それぞれの回折型光学部材のｃｅｎｔｅｒ、ｍｉｄｄｌｅ、ｅｄｇｅ部分の周期構造を有する回折パターンを作製し、一次回折光強度の測定を行った。
【００４６】
この結果から、回折型光学部材の中央部分であるｃｅｎｔｅｒ構造では、１周期あたりの突起体の数Ｎ＝４（上記式２）において、ｘm＝６）のとき、回折型光学部材の中間領域であるｍｉｄｄｌｅ構造では、Ｎ＝２（上記式２）において、ｘm＝４）のとき、回折型光学部材の外側付近であるｅｄｇｅ構造では、Ｎ＝１（上記式２）において、ｘm＝２）のときに、強い一次回折光強度が得られた。
【００４７】
この結果から、第１周期目（ｃｅｎｔｅｒ構造）をＮ＝４、第２周期〜第３６周期目をＮ＝２、第３７周期〜第１０９周期目をＮ＝１として、構造変調型回折型光学部材を作製した。
【００４８】
作製した構造変調型回折型光学部材を用いて、フォトダイオードで遠視野像の光強度測定を行った。その結果、図７に示すように、ｃｅｎｔｅｒ、ｍｉｄｄｌｅ、ｅｄｇｅ部分において１周期あたりの突起体の数が異なる構造変調型回折型光学部材を作製することにより、全ての周期においてＮ＝１の回折型光学部材を作製したときに比べて、最も好ましい照度分布を得ることができた。
【００４９】
［実施例２］
表面実装タイプＬＥＤ（ＧＯＬＤＥＮ ＤＲＡＧＯＮ ＵＬＴＲＡ ＷＨＩＴＥ，ＬＵＷ Ｗ５ＳＭ−ＪＺＫＹ−４Ｃ８Ｅ、ＯＳＲＡＭ社製）の発光ピークをＬＥＤ配光測定器（ＩＭＳ−５０００、朝日分光（株）製）で測定したところ、発光スペクトルは０．３８０〜０．８００μｍの間に広がっており、ピークは青色ＬＥＤのピーク０．４４６μｍとＹＡＧ蛍光体のピーク０．５５５μｍとがあった。
【００５０】
光源波長を０．４４６μｍ，０．５００μｍ，０．５５５μｍ，０．７８０μｍとして設計し、１周期当たりの突起体の数Ｎを全ての周期でＮ＝１とし、焦点距離を何れも２ｍｍとして、直径１ｍｍの回折型光学部材を作製した。
【００５１】
ＬＥＤに直径１ｍｍのピンホールを取り付け、上記で作製した回折型光学部材をＬＥＤ上に搭載し、回折型光学部材から３０ｍｍ離れたところでフォトダイオードによる光強度分布測定を行った。その結果、図８に示すように、いずれの光源波長で設計した回折型光学部材であっても、回折型光学部材を搭載しない（ピンホールのみ）場合と比べ、回折型光学部材を搭載した場合の方が、ＬＥＤの光が拡散していることがわかった。
【００５２】
［実施例３］
実施例２のフォトダイオードの代わりに回折型光学部材から０．７ｍの場所にスクリーンを設置し、スクリーンに投影された像を撮影した。また、色度の空間分布をＬＥＤ配光測定器（ＩＭＳ−５０００、朝日分光（株）製）で測定を行い、色度座標上で、ｘ＝０．３１０，ｙ＝０．３１６からの色度のずれを、標準偏差として計算した。
【００５３】
その結果、光源波長を０．４４６μｍから０．５５５μｍとして設計した回折型光学部材になるにつれて、青色から白色に変化し、光源波長を０．７８０μｍとして設計した回折型光学部材については赤味が増してくることがわかった。また、図９に示すように、光源波長を０．５５５μｍとして設計した回折型光学部材が、広い角度範囲にわたって標準偏差が最も小さくなることがわかった。このように本発明に係る照明装置の一実施態様においては、光源波長λ0が、０．５５５±０．０２０μｍとして、つまり０．５５５−０．０２０μｍ≦λ0≦０．５５５＋０．０２０μｍとして設計されていることが好ましい。
【００５４】
［実施例４］
光源波長を０．５５５μｍとして設計し、焦点距離を０．３ｍｍとした他は実施例２と同様にして回折型光学部材を作製し、実施例２と同様の測定を行った。その結果、図１０に示すように、焦点距離が０．３ｍｍでも、回折型光学部材を搭載しない（ピンホールのみ）場合と比べ、回折型光学部材を搭載した場合の方が、ＬＥＤの光が拡散していることがわかった。このように本発明に係る照明装置の一実施態様においては、焦点距離ｆが、０．３〜０．１ｍｍであることが好ましい。
【符号の説明】
【００５５】
１０ 凹型レンズ
１２ 照明装置
１３ 壁面
１６ 透明基材
１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ 突起体
１８ 光源（５３２ｎｍの緑色レーザ）
１９ ピンホール
２０ 看板
２１ 壁
２２ 筐体
２６ リフレクター
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、点光源の光を大面積の面状強度分布を持つ光に変換するのに好適な凹型レンズおよび光学部材、ならびにこれらを使用した照明装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザおよび発光ダイオード（ＬＥＤ）などは指向性の高い光源であるため、電球や蛍光灯のように広い配光を有する光度分布を実現できない。このため、ＬＥＤなどを電球や蛍光灯に代わる次世代光源として使用するためには、例えばＬＥＤを多数ならべ、光を面状にかつ略均一の強度で広げることが必要である。
【０００３】
光源の光を単に広げるためだけには、従来、拡散板や拡散フィルムなどの光拡散素子、あるいは光の屈折を使用した凸レンズ（砲弾型ＬＥＤのレンズも含む）や凹レンズ、さらには凸レンズを薄型化したフレネルレンズやキノフォームなどが用いられてきた。
【０００４】
しかしながら、上記で取り上げた光学部品は点光源の配光制御を目的とした素子ではないだけでなく、次のような問題がある。すなわち、例えば、拡散板によって光を拡散させると、透過率が悪くなり光の使用効率が悪くなる。また、図１１に示したように、凹レンズ２は屈折を使用したレンズであるため、その焦点距離は、基板材料の屈折率と曲率半径とに依存しており、焦点距離を自由に制御することができない。さらに、レンズ形状を薄くすることができないという問題もある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、このような従来の実情に鑑み、ＬＥＤなどのように消費エネルギーが少なく、指向性の高い光エネルギーを有効使用して、大面積の表示部を略均一な照度分布で高範囲に照射することのできる凹型レンズおよび光学部材、ならびにこれらを使用した照明装置を提供することを目的としている。
【０００６】
本発明者らは、できるだけ多くの光を外部に広げて取り出すために、高い透過性を有し、焦点距離の制御が容易な手法を見出し、本発明を完成するに至った。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するための本発明に係る凹型レンズは、光を透過させる透明基材の少なくとも一方の表面に、同心円状の構造体で、その中心を通る断面が三角形状の構造体を複数形成したことを特徴としている。
【０００８】
また、本発明に係る凹型レンズにおいては、前記三角形状の構造体が、下記式（１）を満たすｍ番目の輪帯半径と、ｍ−１番目の輪帯半径との間に存在することが好ましい。
ｍ番目の輪帯半径（μｍ）：ｒ(m)＝（ｍ2λ02＋２ｍλ0ｆ）1/2 …（１）
（ｍは１以上の任意の整数を表し、ｆは任意の数で焦点距離（μｍ）を表し、λ0は任意の数で光源波長（μｍ）を表す。）
【０００９】
さらに、本発明に係る凹型レンズにおいては、前記三角形状の構造体の高さが、すべて下記式（２）で表されることが好ましい。
高さ（μｍ）：ｈ＝λ0／（ｎ−１）…（２）
（λ0は任意の数で光源波長（μｍ）を表し、ｎは構造体を形成している物質のλ0に対する屈折率を表す。）
【００１０】
また、本発明に係る光学部材は、光を透過させる透明基材の少なくとも一方の表面に、断面が矩形状の構造体を複数形成したことを特徴としている。
【００１１】
さらに、本発明に係る光学部材においては、前記矩形状の構造体が、同心円状に形成されていることが好ましい。
【００１２】
また、本発明に係る光学部材においては、前記矩形状の構造体が、下記式（１）を満たすｍ番目の輪帯半径と、ｍ−１番目の輪帯半径との間に１つ以上存在する群であることが好ましい。
ｍ番目の輪帯半径（μｍ）：ｒ(m)＝（ｍ2λ02＋２ｍλ0ｆ）1/2 …（１）
（ｍは１以上の任意の整数を表し、ｆは任意の数で焦点距離（μｍ）を表し、λ0は任意の数で光源波長（μｍ）を表す。）
【００１３】
さらに、本発明に係る光学部材においては、前記矩形状の構造体の高さＴが、０．４μｍ≦Ｔ≦１．２μｍであることが好ましい。
【００１４】
また、本発明に係る光学部材においては、前記矩形状の構造体が、下記条件１）〜５）を満たす構造体の群であることが好ましい。
１）ｍ番目の構造体の群の幅（μｍ）：ｄm＝ｒ(m)−ｒ(m-1)
２）ｍ番目の構造体の幅を任意の数に分割した幅（μｍ）：
ｇm＝ｄm／ｘm
（ｘmはｍ番目の構造体において、１以上の任意の整数を表す。）
３）ｍ番目の構造体に相当する位置におけるｉ番目の高さ（μｍ）：
Ｔm(i)＝｛Ｔ／（ｘm−１）｝・（ｉ−１）
（Ｔは前記矩形状の構造体の高さを表し、ｉは１〜ｘmの整数を表す。）
４）ｍ番目の構造体の群に存在するｉ番目の構造体のデューティー比：
ｔm(i)＝１−Ｔm(i)／Ｔ
５）ｍ番目の構造体の群に存在するｉ番目の構造体の幅：ｔm(i)・ｇm
【００１５】
このような構成の凹型レンズまたは光学部材であれば、大面積に対する照射光度を略均一にして広げるにあたり、薄型レンズで高い透過性を有し、焦点距離の制御が容易で、コスト的にも安価に形成することができる。
【００１６】
また、本発明に係る照明装置は、上記いずれかに記載の凹型レンズまたは光学部材と、光源とから構成されることを特徴としている。
【００１７】
また、本発明に係る照明装置は、その光源が白色ＬＥＤであることが好ましい。
また、本発明に係る照明装置においては、光源波長λ0が、０．５５５±０．０２０μｍとして設計されていることが好ましい。
また、本発明に係る照明装置においては、焦点距離ｆが、０．３〜０．１ｍｍであることが好ましい。
【００１８】
このような構成の照明装置であれば、例えば、店頭などに載置される看板などの照明装置として有効使用を図ることができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、指向性の強い点光源の光を略均一の強度で大面積の面状強度分布を持つ光に変換することができ、焦点距離を構造で制御でき、電子線描画で容易に作製可能である。さらに本発明のレンズ形状の金型を作製し、射出成型が可能になれば、安価に作製可能で、大面積に対する照度を略均一にして照射することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係る凹型レンズを使用した照明装置の概略断面図である。
【図２】図２は、その照明装置を店頭の看板などに組み込んで使用する場合の概略断面図である。
【図３】図３は、壁に向かってスリットからレーザ光を照射してどのくらいの広がりを示したかを調べる遠視野像の装置図である。
【図４】図４（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、それぞれ図１に示した凹型レンズの初期状態と、断面三角形状の凸部を階段状の凸部に近似させた状態と、階段状の凸部をデューティー比に対応して２値化に変換した状態と、を示した説明図である。
【図５】図５（Ａ）、（Ｂ）は、例えば図１に示した断面三角形状の凸部を備えた凹型レンズをバイナリ化する前の状態と、バイナリ化した後の状態とを対比して示す説明図である。
【図６】図６は、回折型光学部材の周期位置による突起数の最適化を示す概念図である。
【図７】図７は、１周期あたりの突起体の数Ｎ＝１の回折型光学部材および構造変調型回折型光学部材のフォトダイオードによる一次回折光強度測定の結果を示す図である。
【図８】図８は、設計上の光源波長を変更した場合のＬＥＤの光の拡散を示す図である。
【図９】図９は、設計上の光源波長を変更した場合に、色度の空間分布測定を行い、色度座標上で、ｘ＝０．３１０，ｙ＝０．３１６からの色度のずれを、標準偏差として示す図である。
【図１０】図１０は、焦点距離を変更した場合のＬＥＤの光の拡散を示す図である。
【図１１】図１１は、従来の凹レンズによる光の屈折状態を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る凹型レンズ１０を使用した照明装置１２の概略図である。
【００２２】
凹型レンズ１０は、フレネル型の凹レンズであり、光透過性で平板状に形成された透明基材１４の一方面に、高さｈが一定である断面三角形状の凸部１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ…を半径方向に有している。これら各凸部１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ…の三角形の一辺をなす垂直な面１３は、径方向の外側に配置される構造となっている。すなわち、三角形の斜面が外側に傾く姿勢となっている。さらに、この凹型レンズ１０では、径方向の外側に近づくに従って、凸部間の間隙ｒ1、ｒ2、ｒ3、ｒ4が、所定の割合で小さくなるように設定されている。
【００２３】
このように形成された凹型レンズ１０と光源１８とを組み合わせた照明装置１２の場合、光源１８から矢印Ｙ方向に光が照射されると、その光は、透明基材１４を射出するときに構造の厚い方向に向かって光が回折するため、それぞれｙ方向に広がって進む。これにより、点状の光源１８であっても、大面積を照射することが可能になる。また、このとき、光の回折現象により射出面側では光の強度を略均一にして光の広がりを得ることができる。
【００２４】
このような照明装置１２は、図２に示したように、例えば、コンビニエンスストアの看板照明などとして使用することができる。
図２に示したように、この看板照明２０では、例えば、プラスチック製の筐体２２内に、上記の照明装置１２が収容されている。そして、この照明装置１２では、ＬＥＤランプ１８から照射された指向性の強い光がリフレクター２６によって開口面側に反射され、その光が凹型レンズ１０により広範囲に亘って発散されることにより、乳白色の板体２８に記載された情報が外方に表示される。
【００２５】
このような使い勝手であれば、消費エネルギーが少なく指向性の高いＬＥＤあるいはレーザーエネルギーを有効使用して大面積の表示部を略均一な照度分布で照射することが可能であり、長期間の継続使用においても安価に稼動させることができる。
【００２６】
なお、図２に示した照明装置２０では、リフレクター２６の天板から板体２８の下面までの距離Ｅは６ｃｍで、筐体２２の幅Ｆは２０ｃｍである。
このようにＬＥＤランプ１８と、光を出射させる照明板２８との間隔が近距離であっても、光を外方に向かって略均一に照らすことが可能である。
【００２７】
なお、光源は、ＬＥＤランプ１８、レーザなどに何ら限定されず、有機ＥＬ、電球、蛍光灯などであっても同様の効果を奏することができる。
凹型レンズ１０を構成する透明基材１４は、透明な有機系の高分子であれば特に限定されない。代表的には、環状オレフィン系樹脂、ポリカーボネート樹脂、アクリル樹脂、ポリエステル樹脂、ポリサルホン樹脂などからなる高分子フィルムで透明性の高いものであれば、何でもよい。また２種以上の樹脂をブレンドして使用することも可能である。これらの樹脂の中で、光学特性や耐熱性の点から環状オレフィン系樹脂が好ましい。
【００２８】
凹型レンズ１０を看板用の照明装置に用いた場合の効果を調べるため、室内での実験を行った。この実験では、図３に示したように、光源１８として光源波長が５３２ｎｍの単色（緑色）のレーザを用いた。そして、直径１ｍｍのピンホール１９から２０ｃｍ離れた壁２１に向かってレーザ光を照射し、幅方向にどの程度の広がりを見せるかの確認を行った。光の広がりＳは１０ｃｍになることが確認され、照明装置として十分の機能を発揮することが確認された。
以下に、図２に示した看板用の照明装置１２として凹型レンズ１０を使用する場合に、好ましい態様について、図４を参照しながら説明する。
【００２９】
この図４に示した例では、例えば、凹型レンズ１０における、例えば、センターに形成された凸部１６ａを、複数の領域（２，４，６）に分割してそれをバイナリ化して同等品を得るための設計の段階を順番に示している。
【００３０】
図４（Ａ）は、本発明の一実施形態による凹型レンズを示したものである。この凹型レンズは、透明基材１４の一方面に同心円状の構造体で、その中心を通る断面が三角形状の構造体１６ａ、１６ｂ…１６ｍを複数形成している。
【００３１】
上記三角形状の構造体は、下記式（１）を満たすｍ番目の輪帯半径と、ｍ−１番目の輪帯半径との間に存在している。
ｍ番目の輪帯半径（μｍ）：ｒ(m)＝（ｍ2λ02＋２ｍλ0ｆ）1/2 …（１）
（ｍは１以上の任意の整数を表し、ｆは任意の数で焦点距離（μｍ）を表し、λ0は任意の数で光源波長（μｍ）を表す。）
【００３２】
また、図４（Ａ）に示した凹型レンズにおける三角形状の構造体１６ａ、１６ｂ…１６ｍの高さｈは、下記式（２）で表される高さ（μｍ）を有している。
高さ（μｍ）：ｈ＝λ0／（ｎ−１）…（２）
（ｎは構造体を形成している物質のλ0に対する屈折率を表す。）
このような輪帯半径と高さとを有する鋸歯状の凹型レンズであれば、指向性の高い光を、射出面側では光の強度を略均一にして光の広がりを得ることができる。
【００３３】
したがって、この図４（Ａ）に示した鋸歯状の凹型レンズと、光源１８とを組み合わせて照明装置とし、その照明装置を図２に示したような照明看板２０に好ましく採用することができる。
【００３４】
さらに、本発明では、図４（Ａ）に示した凹型レンズに基づいて図４（Ｃ）に示したようなバイナリ型の回折型光学部材を作製し、凹型レンズと同様の機能を持たすことができる。
【００３５】
ここで、本発明において、平板状の透明基材１４の表面を加工するために、例えば、ＬＳＩ製造に汎用に用いられるフォトリソグラフィとドライエッチングの技術や紫外線硬化樹脂に金型をプレスして作製する技術が採用されている。
【００３６】
フォトリソグラフィとドライエッチングの技術で作製する場合、具体的には、透明基材にフォトレジストをスピンコートし、フォトマスクを介してＵＶ光により露光／現像することで微細構造パターンをフォトレジストに転写する。その上で、ドライエッチングにより位相をラジアンに相当する深さまで基材をエッチングし、基材に微細構造を転写し、最後にレジストを除去することによって、図４（Ｃ）に示すように凹凸部を有する断面形状が完成する。
【００３７】
なお、図４（Ａ）の凹型レンズから最終的に図４（Ｃ）あるいは図５（Ｂ）に示したようなバイナリ型の回折型光学部材を作製する場合、以下の条件で行われる。
【００３８】
すなわち、さらに、１）〜５）の条件を満たすように設定される。
１）ｍ番目の構造体の群の幅（μｍ）：ｄm＝ｒ(m)−ｒ(m-1)
２）ｍ番目の構造体の幅を任意の数に分割した幅（μｍ）：ｇm＝ｄm／ｘm
（ｘmはｍ番目の構造体において、１以上の任意の整数を表す。）
３）ｍ番目の構造体に相当する位置におけるｉ番目の高さ（μｍ）：
Ｔm(i)＝｛Ｔ／（ｘm−１）｝・（ｉ−１）
（ｉは１〜ｘmの整数を表す。
Ｔは構造体の高さであり、０．４μｍ≦Ｔ≦１．２μｍである。）
４）ｍ番目の構造体の群に存在するｉ番目の構造体のデューティー比：
ｔm(i)＝１−Ｔm(i)／Ｔ
５）ｍ番目の構造体の群に存在するｉ番目の構造体の幅：ｔm(i)・ｇm
（ｍは１以上の任意の整数を表し、ｆは任意の数で焦点距離（μｍ）を表し、
λ0は任意の数で光源波長（μｍ）を表す。）
【００３９】
上記の条件において、凸部１６ａなどを複数の領域に分割する。分割数は任意であるが、好ましくは、２，４，６…などのように偶数である。
上記の条件を当てはめて、例えば、ｍ番目の構造体の群の幅ｄmを、４つに分割したときの幅ｇmは、ｇm＝ｄm／４である。このときの高さＴm(i)は、上記３）より、Ｔm(i)＝｛Ｔ／（ｘm−１）｝・（ｉ−１）であるため、
Ｔm(1)＝０
Ｔm(2)＝Ｔ／３
Ｔm(3)＝２Ｔ／３
Ｔm(4)＝Ｔ
となり、中心に向かう構造体（Ｊ、Ｋ、Ｌ、Ｍ）の群の高さは、中心に向かうにつれて次第に小さくなり、構造体Ｍの高さは０である。
【００４０】
また、このときのデューティー比は、上記４）より、ｔm(i)＝１−Ｔm(i)／Ｔであるため、
ｔm(1)＝１
ｔm(2)＝２／３
ｔm(3)＝１／３
ｔm(4)＝０
となる。
【００４１】
なお、上記３）に記載したｉ番目の高さＴm(i)とは、例えば、図４（Ｂ）に示したように、突起体の深さＷiである。
これにより、図４（Ｃ）に示したように、構造体（Ｏ，Ｐ，Ｑ，Ｒ）の各幅は、上記５）より、ｔm(i)・ｇmで示されるので、ｔ1、ｔ2、ｔ3と中心に向かうほど狭くなり、ｔ4は幅０である。
【００４２】
すなわち、構造体Ｏの幅を１としたとき、構造体Ｐは２／３の割合、構造体Ｑは１／３の割合、構造体Ｒは零となる。
図５（Ａ），（Ｂ）は、このようにして鋸歯状の突起体１６ａ、１６ｂ、…１６ｍからバイナリ化を図った例を示している。
【００４３】
図５（Ｂ）に示されるように、回折型光学部材４０では、周期ｄは、外方に向かうほど短くなる。
【実施例】
【００４４】
［実施例１］
図６は、１周期あたりの突起体の数Ｎ＝２（上記式２）において、ｘm＝４）の回折型光学部材の右半分の構造図である。作製した回折型光学部材５０にレーザ光（ダイオード励起緑色固体レーザ、ＰＲＯＰＨＯＴＮＩＸ社製、λ＝０．５３２μｍ）を照射し、その遠視野像と光強度測定とから焦点距離の確認を行った。
【００４５】
また、１周期あたりの突起体の数Ｎと回折光強度との関係を調べるために、それぞれの回折型光学部材のｃｅｎｔｅｒ、ｍｉｄｄｌｅ、ｅｄｇｅ部分の周期構造を有する回折パターンを作製し、一次回折光強度の測定を行った。
【００４６】
この結果から、回折型光学部材の中央部分であるｃｅｎｔｅｒ構造では、１周期あたりの突起体の数Ｎ＝４（上記式２）において、ｘm＝６）のとき、回折型光学部材の中間領域であるｍｉｄｄｌｅ構造では、Ｎ＝２（上記式２）において、ｘm＝４）のとき、回折型光学部材の外側付近であるｅｄｇｅ構造では、Ｎ＝１（上記式２）において、ｘm＝２）のときに、強い一次回折光強度が得られた。
【００４７】
この結果から、第１周期目（ｃｅｎｔｅｒ構造）をＮ＝４、第２周期〜第３６周期目をＮ＝２、第３７周期〜第１０９周期目をＮ＝１として、構造変調型回折型光学部材を作製した。
【００４８】
作製した構造変調型回折型光学部材を用いて、フォトダイオードで遠視野像の光強度測定を行った。その結果、図７に示すように、ｃｅｎｔｅｒ、ｍｉｄｄｌｅ、ｅｄｇｅ部分において１周期あたりの突起体の数が異なる構造変調型回折型光学部材を作製することにより、全ての周期においてＮ＝１の回折型光学部材を作製したときに比べて、最も好ましい照度分布を得ることができた。
【００４９】
［実施例２］
表面実装タイプＬＥＤ（ＧＯＬＤＥＮ ＤＲＡＧＯＮ ＵＬＴＲＡ ＷＨＩＴＥ，ＬＵＷ Ｗ５ＳＭ−ＪＺＫＹ−４Ｃ８Ｅ、ＯＳＲＡＭ社製）の発光ピークをＬＥＤ配光測定器（ＩＭＳ−５０００、朝日分光（株）製）で測定したところ、発光スペクトルは０．３８０〜０．８００μｍの間に広がっており、ピークは青色ＬＥＤのピーク０．４４６μｍとＹＡＧ蛍光体のピーク０．５５５μｍとがあった。
【００５０】
光源波長を０．４４６μｍ，０．５００μｍ，０．５５５μｍ，０．７８０μｍとして設計し、１周期当たりの突起体の数Ｎを全ての周期でＮ＝１とし、焦点距離を何れも２ｍｍとして、直径１ｍｍの回折型光学部材を作製した。
【００５１】
ＬＥＤに直径１ｍｍのピンホールを取り付け、上記で作製した回折型光学部材をＬＥＤ上に搭載し、回折型光学部材から３０ｍｍ離れたところでフォトダイオードによる光強度分布測定を行った。その結果、図８に示すように、いずれの光源波長で設計した回折型光学部材であっても、回折型光学部材を搭載しない（ピンホールのみ）場合と比べ、回折型光学部材を搭載した場合の方が、ＬＥＤの光が拡散していることがわかった。
【００５２】
［実施例３］
実施例２のフォトダイオードの代わりに回折型光学部材から０．７ｍの場所にスクリーンを設置し、スクリーンに投影された像を撮影した。また、色度の空間分布をＬＥＤ配光測定器（ＩＭＳ−５０００、朝日分光（株）製）で測定を行い、色度座標上で、ｘ＝０．３１０，ｙ＝０．３１６からの色度のずれを、標準偏差として計算した。
【００５３】
その結果、光源波長を０．４４６μｍから０．５５５μｍとして設計した回折型光学部材になるにつれて、青色から白色に変化し、光源波長を０．７８０μｍとして設計した回折型光学部材については赤味が増してくることがわかった。また、図９に示すように、光源波長を０．５５５μｍとして設計した回折型光学部材が、広い角度範囲にわたって標準偏差が最も小さくなることがわかった。このように本発明に係る照明装置の一実施態様においては、光源波長λ0が、０．５５５±０．０２０μｍとして、つまり０．５５５−０．０２０μｍ≦λ0≦０．５５５＋０．０２０μｍとして設計されていることが好ましい。
【００５４】
［実施例４］
光源波長を０．５５５μｍとして設計し、焦点距離を０．３ｍｍとした他は実施例２と同様にして回折型光学部材を作製し、実施例２と同様の測定を行った。その結果、図１０に示すように、焦点距離が０．３ｍｍでも、回折型光学部材を搭載しない（ピンホールのみ）場合と比べ、回折型光学部材を搭載した場合の方が、ＬＥＤの光が拡散していることがわかった。このように本発明に係る照明装置の一実施態様においては、焦点距離ｆが、０．３〜０．１ｍｍであることが好ましい。
【符号の説明】
【００５５】
１０ 凹型レンズ
１２ 照明装置
１３ 壁面
１６ 透明基材
１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ 突起体
１８ 光源（５３２ｎｍの緑色レーザ）
１９ ピンホール
２０ 看板
２１ 壁
２２ 筐体
２６ リフレクター
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を透過させる透明基材の少なくとも一方の表面に、同心円状の構造体で、その中心を通る断面が三角形状の構造体を複数形成したことを特徴とする凹型レンズ。
【請求項２】
前記三角形状の構造体が、下記式（１）を満たすｍ番目の輪帯半径と、ｍ−１番目の輪帯半径との間に存在することを特徴とする請求項１に記載の凹型レンズ。
ｍ番目の輪帯半径（μｍ）：ｒ(m)＝（ｍ2λ02＋２ｍλ0ｆ）1/2 …（１）
（ｍは１以上の任意の整数を表し、ｆは任意の数で焦点距離（μｍ）を表し、λ0は任意の数で光源波長（μｍ）を表す。）
【請求項３】
前記三角形状の構造体の高さが、すべて下記式（２）で表されることを特徴とする請求項１または２に記載の凹型レンズ。
高さ（μｍ）：ｈ＝λ0／（ｎ−１）…（２）
（λ0は任意の数で光源波長（μｍ）を表し、ｎは構造体を形成している物質のλ0に対する屈折率を表す。）
【請求項４】
光を透過させる透明基材の少なくとも一方の表面に、断面が矩形状の構造体を複数形成したことを特徴とする光学部材。
【請求項５】
前記矩形状の構造体が、同心円状に形成されていることを特徴とする請求項４に記載の光学部材。
【請求項６】
前記矩形状の構造体が、下記式（１）を満たすｍ番目の輪帯半径と、ｍ−１番目の輪帯半径との間に１つ以上存在する群であることを特徴とする請求項４または５に記載の光学部材。
ｍ番目の輪帯半径（μｍ）：ｒ(m)＝（ｍ2λ02＋２ｍλ0ｆ）1/2 …（１）
（ｍは１以上の任意の整数を表し、ｆは任意の数で焦点距離（μｍ）を表し、λ0は任意の数で光源波長（μｍ）を表す。）
【請求項７】
前記矩形状の構造体の高さＴが、０．４μｍ≦Ｔ≦１．２μｍであることを特徴とする請求項４〜６のいずれか一項に記載の光学部材。
【請求項８】
前記矩形状の構造体が、下記条件１）〜５）を満たす構造体の群であることを特徴とする請求項４〜７のいずれか一項に記載の光学部材。
１）ｍ番目の構造体の群の幅（μｍ）：ｄm＝ｒ(m)−ｒ(m-1)
２）ｍ番目の構造体の幅を任意の数に分割した幅（μｍ）：
ｇm＝ｄm／ｘm
（ｘmはｍ番目の構造体において、１以上の任意の整数を表す。）
３）ｍ番目の構造体に相当する位置におけるｉ番目の高さ（μｍ）：
Ｔm(i)＝｛Ｔ／（ｘm−１）｝・（ｉ−１）
（Ｔは前記矩形状の構造体の高さを表し、ｉは１〜ｘmの整数を表す。）
４）ｍ番目の構造体の群に存在するｉ番目の構造体のデューティー比：
ｔm(i)＝１−Ｔm(i)／Ｔ
５）ｍ番目の構造体の群に存在するｉ番目の構造体の幅：ｔm(i)・ｇm
【請求項９】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の凹型レンズまたは請求項４〜８のいずれか一項に記載の光学部材と、光源とから構成される照明装置。
【請求項１０】
前記光源が、白色ＬＥＤであることを特徴とする請求項９に記載の照明装置。
【請求項１１】
前記凹型レンズまたは前記光学部材における光源波長λ0が、０．５５５±０．０２０μｍとして設計されていることを特徴とする請求項９に記載の照明装置。
【請求項１２】
前記凹型レンズまたは前記光学部材における焦点距離ｆが、０．３〜０．１ｍｍであることを特徴とする請求項９に記載の照明装置。
【請求項１】
光を透過させる透明基材の少なくとも一方の表面に、同心円状の構造体で、その中心を通る断面が三角形状の構造体を複数形成したことを特徴とする凹型レンズ。
【請求項２】
前記三角形状の構造体が、下記式（１）を満たすｍ番目の輪帯半径と、ｍ−１番目の輪帯半径との間に存在することを特徴とする請求項１に記載の凹型レンズ。
ｍ番目の輪帯半径（μｍ）：ｒ(m)＝（ｍ2λ02＋２ｍλ0ｆ）1/2 …（１）
（ｍは１以上の任意の整数を表し、ｆは任意の数で焦点距離（μｍ）を表し、λ0は任意の数で光源波長（μｍ）を表す。）
【請求項３】
前記三角形状の構造体の高さが、すべて下記式（２）で表されることを特徴とする請求項１または２に記載の凹型レンズ。
高さ（μｍ）：ｈ＝λ0／（ｎ−１）…（２）
（λ0は任意の数で光源波長（μｍ）を表し、ｎは構造体を形成している物質のλ0に対する屈折率を表す。）
【請求項４】
光を透過させる透明基材の少なくとも一方の表面に、断面が矩形状の構造体を複数形成したことを特徴とする光学部材。
【請求項５】
前記矩形状の構造体が、同心円状に形成されていることを特徴とする請求項４に記載の光学部材。
【請求項６】
前記矩形状の構造体が、下記式（１）を満たすｍ番目の輪帯半径と、ｍ−１番目の輪帯半径との間に１つ以上存在する群であることを特徴とする請求項４または５に記載の光学部材。
ｍ番目の輪帯半径（μｍ）：ｒ(m)＝（ｍ2λ02＋２ｍλ0ｆ）1/2 …（１）
（ｍは１以上の任意の整数を表し、ｆは任意の数で焦点距離（μｍ）を表し、λ0は任意の数で光源波長（μｍ）を表す。）
【請求項７】
前記矩形状の構造体の高さＴが、０．４μｍ≦Ｔ≦１．２μｍであることを特徴とする請求項４〜６のいずれか一項に記載の光学部材。
【請求項８】
前記矩形状の構造体が、下記条件１）〜５）を満たす構造体の群であることを特徴とする請求項４〜７のいずれか一項に記載の光学部材。
１）ｍ番目の構造体の群の幅（μｍ）：ｄm＝ｒ(m)−ｒ(m-1)
２）ｍ番目の構造体の幅を任意の数に分割した幅（μｍ）：
ｇm＝ｄm／ｘm
（ｘmはｍ番目の構造体において、１以上の任意の整数を表す。）
３）ｍ番目の構造体に相当する位置におけるｉ番目の高さ（μｍ）：
Ｔm(i)＝｛Ｔ／（ｘm−１）｝・（ｉ−１）
（Ｔは前記矩形状の構造体の高さを表し、ｉは１〜ｘmの整数を表す。）
４）ｍ番目の構造体の群に存在するｉ番目の構造体のデューティー比：
ｔm(i)＝１−Ｔm(i)／Ｔ
５）ｍ番目の構造体の群に存在するｉ番目の構造体の幅：ｔm(i)・ｇm
【請求項９】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の凹型レンズまたは請求項４〜８のいずれか一項に記載の光学部材と、光源とから構成される照明装置。
【請求項１０】
前記光源が、白色ＬＥＤであることを特徴とする請求項９に記載の照明装置。
【請求項１１】
前記凹型レンズまたは前記光学部材における光源波長λ0が、０．５５５±０．０２０μｍとして設計されていることを特徴とする請求項９に記載の照明装置。
【請求項１２】
前記凹型レンズまたは前記光学部材における焦点距離ｆが、０．３〜０．１ｍｍであることを特徴とする請求項９に記載の照明装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１２−１２３３７１（Ｐ２０１２−１２３３７１Ａ）
【公開日】平成２４年６月２８日（２０１２．６．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２４１３２５（Ｐ２０１１−２４１３２５）
【出願日】平成２３年１１月２日（２０１１．１１．２）
【出願人】（３０４０２６６９６）国立大学法人三重大学 (270)
【出願人】（０００００４１７８）ＪＳＲ株式会社 (3,320)
【公開日】平成２４年６月２８日（２０１２．６．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月２日（２０１１．１１．２）
【出願人】（３０４０２６６９６）国立大学法人三重大学 (270)
【出願人】（０００００４１７８）ＪＳＲ株式会社 (3,320)
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