発光装置
【課題】固体発光素子および波長変換素子からなる白色光源を、光の利用効率良くでき、白色光源で色むらなく集光できる発光装置を提供する。
【解決手段】発光装置１０は、第１分光分布を発光する固体発光素子１２と、固体発光素子１２の光を受けて第２分光分布を発光する波長変換素子１３と、第１分光分布の光および第２分光分布の光を集光する光学レンズ１４とを備え、光学レンズ１４が、屈折および全反射を利用する幾何光学レンズ１５と、回折光学素子１６とを具備する。
【解決手段】発光装置１０は、第１分光分布を発光する固体発光素子１２と、固体発光素子１２の光を受けて第２分光分布を発光する波長変換素子１３と、第１分光分布の光および第２分光分布の光を集光する光学レンズ１４とを備え、光学レンズ１４が、屈折および全反射を利用する幾何光学レンズ１５と、回折光学素子１６とを具備する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体発光素子と波長変換素子からなる白色光源を光源とした発光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、底面に平坦部を有する円柱状導光体の片端部もしくは両端部にＬＥＤを配置し、平坦部には微細な凹凸によって形成された反射手段が設けられ、底面側には反射シートを配設し、円柱状導光体の上面側に、特定色の色素もしくは蛍光体を含んだ拡散シートを配置した発光装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
従来より、発光ダイオードから放射された青色光により励起されて、主として黄色光を発光する黄色系蛍光体を有し、青色光および黄色光が混色されることにより白色光を放射する色変換部とを具備する発光装置が知られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
従来より、青色光および黄色光の全ての光が入射して平行光とするように各光源部の発光面を包囲する入射面、入射面に対向して設けられ入射した青色光および黄色光を平行光として反射する全反射面、および平行光を集光させて白色発光部を生成する複数のレンズ面を備え、各光源部の照射領域が重なり合うように構成された光取出レンズを具備する発光装置が知られている（例えば、特許文献３参照）。
【０００５】
従来より、回折素子が、開口数ＮＡ３に相当する領域にて、第１の光ディスクに収束する波長λ１の光として３次回折光を最も強く発生し、第２の光ディスクに収束する波長λ２の光として２次回折光を最も強く発生し、第３の光ディスクに収束する波長λ３の光として２次回折光を最も強く発生する格子形状を有し、開口数ＮＡ３から開口数ＮＡ２に相当する領域にて、第１の光ディスクに収束する波長λ１の光として６次回折光を最も強く発生し、第２の光ディスクに収束する波長λ２の光として４次回折光を最も強く発生し、波長λ３の光に対しては３次回折光を最も強く発生する格子形状を有し、開口数ＮＡ２から開口数ＮＡ１に相当する領域にて、第１の光ディスクに収束する波長λ１の光としてｍ次回折光を最も強く発生する格子形状を有する回折格子から成る発光装置が知られている（例えば、特許文献４参照）。
【０００６】
従来より、第１の回折格子面と、第１の回折格子面に向かい合う第２の回折格子面とを備える発光装置が知られている（例えば、特許文献５参照）。
【０００７】
従来より、回折レンズに入射する光から生じるＮ次回折光を第１の情報媒体の情報記録面上に、第１の厚さの透明部を介して収束させ、回折レンズに入射する光から生じるＭ次回折光を第２の情報媒体の情報記録面上に、第２の厚さの透明部を介して収束させる発光装置が知られている（例えば、特許文献６参照）。
【０００８】
従来より、非球面の第１表面と回折面である第２表面とを有する凸レンズを用いて収差を減少させる発光装置が知られている（例えば、特許文献７参照）。
【０００９】
従来より、正の屈折力を持った回折型光学素子と、正の屈折力を持った屈折型光学素子と、負の屈折力をもった屈折型光学素子とより構成された発光装置が知られている（例えば、特許文献８参照）。
【００１０】
従来より、第２および第３の領域が、使用する光の波長で実質的に透明な互いに異なる材料をもって構成され、第１および第２のレリーフパターンが、実質的に等しいピッチ分布で、互いに異なる溝深さを有し、それらの対応する部位が近接して配置されている発光装置が知られている（例えば、特許文献９参照）。
【００１１】
従来より、基板上にアッベ数が異なる少なくとも２つの材質より成る第１，第２の回折格子を各ピッチ毎に対応するように重ね、第１の回折格子は１周期内で一方向に厚さが減少する格子を有し、該第２の回折格子は１周期内で該一方向に厚さが増加する格子を有している発光装置が知られている（例えば、特許文献１０参照）。
【００１２】
従来より、２種類の分散の異なる材質からなる複数の回折格子を積層した格子構造をもち、該格子構造での最大光路長差が波長の整数倍となる波長である設計波長を複数有し、該設計波長λ０が次の条件を満たす回折光学素子を、光学系中に含む発光装置が知られている（例えば、特許文献１１参照）。
【００１３】
従来より、回折格子形状が形成されている面を備えた回折撮像レンズを用いた発光装置が知られている（例えば、特許文献１２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開２００９−４３６１１号公報（図１、請求項１）
【特許文献２】特開２００７−２９４３７９号公報（図１、請求項１）
【特許文献３】特開２００７−２６５９６４号公報（図１、請求項１）
【特許文献４】国際公開第２００７／０１３３４６号公報（図２、請求項１）
【特許文献５】特許第４０８６０８２号公報（図３、請求項１）
【特許文献６】特許第４１４８２８７号公報（図１、請求項１）
【特許文献７】特開平４−２１３４２１号公報（図１、請求項１）
【特許文献８】特開平６−３２４２６２号公報（図１、請求項１）
【特許文献９】特開平９−１２７３２２号公報（図１、請求項１）
【特許文献１０】特開平１０−１３３１４９号公報（図１、請求項１）
【特許文献１１】特開２０００−２４１６１４号公報（図２、請求項１）
【特許文献１２】特許第４０７７５１０号公報（図１、請求項１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
近年、光源部に発光ダイオード（ＬＥＤ素子）を用いた製品が多く見られるようになった。照明器具においても、シーリングライトおよびベースライトといった光を拡散させるタイプや、ダウンライトおよびスポットライトといった光を集光させるタイプ等、多種多様な照明器具にＬＥＤ素子が用いられている。
光源として用いられるＬＥＤ素子には、以下の種類がある。
単色ＬＥＤ素子、単色ＬＥＤを複数色組み合わせた白色ＬＥＤ素子（ＲＧＢ素子の組み合わせ等）、単色ＬＥＤと蛍光体とを組み合わせた白色ＬＥＤ素子（青色ＬＥＤと黄色蛍光体との組み合わせ）、等である。
【００１６】
照明器具において一般的に用いられるのは、発光強度や効率の面から、青色ＬＥＤと黄色蛍光体とを組み合わせた白色ＬＥＤ素子が主である。
将来、有機ＥＬやレーザーを光源とした照明器具が開発される可能性がある。
【００１７】
図２９に示すように、これらの光源においてもＬＥＤと同様に、単色発光する固体発光素子１０１と波長変換素子１０２とにより次世代白色光源１００を構成する手法が研究されている。
波長変換をする際、短波長から長波長に変換するのは比較的容易であるが、長波長から短波長に変換するのは困難である。よって、次世代白色光源の場合もＬＥＤと同様に、青色と黄色蛍光体となる組み合わせが一般的になると考えられる。
この場合、白色ＬＥＤの色むらの発生原理と、次世代白色光源の色むらの発生原理とは同じになる。
【００１８】
図３０に示すように、青色を平行光に変換する場合、白色ＬＥＤ１１１を光源とし、屈折レンズ１１２で集光する際に、屈折レンズ１１２の結像効果により、照射面１１３に光源像が写る。この時、白色ＬＥＤ１１１は青色発光部に比べ黄色発光部の面積が大きいため、照射面１１３の中心が青色１１４になり、周辺が黄色１１５となる色むらが認められる。
【００１９】
図３１に示すように、黄色を平行光に変換する場合、青色と同様に、白色ＬＥＤ１２１を光源とし、屈折レンズ１２２で集光する際に、屈折レンズ１２２の結像効果により、照射面１２３に光源像が写る。この時、白色ＬＥＤ１２１は青色発光部に比べ黄色発光部の面積が大きいため、照射面１２３の中心が青色１２４になり、周辺が黄色１２５となる色むらが認められる。
【００２０】
図３２に示すように、白色ＬＥＤ１３１を光源として全反射レンズ１３２で集光する場合、屈折レンズ部分１３３は前述と同様に色むらを生じる。
全反射レンズ部分１３４を通る光線は、屈折レンズ部分１３３と同様に、青色発光部に比べ黄色発光部の面積が大きいため、照射面１３５の中心が青色１３６ａになり、周辺が黄色１３６ｂとなる色むらが認められる。
【００２１】
図３３および図３４に示すように、さらに、白色ＬＥＤ１３１は、光線角度により波長変換素子１３７からの光強度が異なる。この白色光源自体の色むらは、光線角度の違いにより蛍光体内部を伝播する距離が変化することに起因する。
なお、この白色ＬＥＤ１３１自体の色むらは、白色ＬＥＤ１３１の品種（蛍光体の塗られ方）によって様々であり、光線角度が深くなると波長変換素子１３７からの光が強くなるものも有れば、光線角度が深くなると波長変換素子１３７からの光が弱くなるものもある。
固体発光素子１３８のピーク波長は、概ね４３０ｎｍ〜４６０ｎｍであり、波長変換素子１３７のピーク波長は、概ね５５０ｎｍ〜６００ｎｍである。
【００２２】
全反射レンズ１３２は立体角π方向の全ての光線角度の光を集光し照射する。よって、全反射レンズ１３２を用いた場合、色むらの発生理由は、固体発光素子１３８および波長変換素子１３７の発光面積の差と、白色ＬＥＤ１３１自体の色むらとの２種類存在し、照射面１３５の色むらは複雑となる。
【００２３】
図３５および図３６に示すように、白色ＬＥＤ１３１からの発光を全反射レンズ１３２によって集光した際に生じる色むらの配光においては、光軸付近において青色のむらを生ずる。
図３７および図３８に示すように、白色ＬＥＤ１３１からの発光を全反射レンズ１３２によって集光した際に生じる色むらの配光においては、光軸付近において黄色の色むらを生ずる。
図３９および図４０に示すように、これらの配光を照射した際の色むらは、照射面１３５の各座標の色度を計測することにより評価される。
【００２４】
一方、前述した特許文献１に記載された発光装置は、色むらを防止するために、拡散シートにより拡散させる。
しかし、前述した特許文献１に記載された発光装置は、拡散するために集光効果が低減されるとともに漏れ光が発生して光の利用効率が低下する。
【００２５】
前述した特許文献２に記載された発光装置は、複数の青色ＬＥＤを集光して黄色蛍光体に照射して白色化する。
しかし、前述した特許文献２に記載された発光装置は、器具が大型化するとともに漏れ光が発生して光の利用効率が低下する。
【００２６】
前述した特許文献３に記載された発光装置は、レンズ出射面に凸レンズを形成して拡散する。
しかし、前述した特許文献３に記載された発光装置は、前述した特許文献１と同様に、拡散するために集光効果が低減されるとともに漏れ光が発生して光の利用効率が低下する。
【００２７】
前述した特許文献４に記載された発光装置は、各波長で回折／透過を選択的に行う。
しかし、前述した特許文献４に記載された発光装置は、特定の波長のみを考慮しているために白色光源で利用する場合は更なる技術的考慮が必要であるとともに指向性の強いレーザーであり、立体角２π（ｓｔｒ）で発光する光の場合は光の利用効率が低減する。
【００２８】
前述した特許文献５に記載された発光装置は、同じ光ヘッド装置でＣＤ／ＤＶＤ／Ｂｌｕ−Ｒａｙの全ての情報を読み取り可能とする。
しかし、前述した特許文献５に記載された発光装置は、前述した特許文献４と同様に、特定の波長のみを考慮しているために白色光源で利用する場合は更なる技術的考慮が必要であるとともに指向性の強いレーザーであり、立体角２π(ｓｔｒ)で発光する光の場合は光の利用効率が低減する。
【００２９】
前述した特許文献６に記載された発光装置は、光ヘッド装置において、複数の回折次数光を発生させ、厚みのことなる光学ディスクを読み取る。
しかし、前述した特許文献６に記載された発光装置は、特定の波長のみを考慮しているため、白色光源で利用する場合は更なる技術的考慮が必要であるとともに指向性の強いレーザーであり、立体角２π(ｓｔｒ)で発光する光の場合は光の利用効率が低減する。
【００３０】
前述した特許文献７ないし特許文献１２に記載された発光装置は、撮像光学系において、回折型光学素子を用いて色収差を補正したり、あるいは回折効率の波長依存性を低減、すなわち可視光範囲で等しい回折効率とし、フレア発生を抑制する。
しかし、前述した特許文献７ないし特許文献１２に記載された発光装置は、白色光源を考慮しているが、色収差改善の際の波長毎の出射角度差は高々光学材料の分散による出射角度差であり、照明の波長毎の出射角度差より小さく、本特許の色むら改善を考慮した設計ではない。また、前述した特許文献７に記載された発光装置は、回折型光学素子以外に多くの光学素子を必要とするため、高コストとなるとともに開口数ＮＡが小さく、立体角２π(ｓｔｒ)で発光する光の場合は光の利用効率が低減する。
【００３１】
本発明は、前述した課題を解決するためになされたものであり、その目的は、固体発光素子および波長変換素子からなる白色光源を、光の利用効率良くでき、白色光源で色むらなく集光できる発光装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００３２】
本発明に係る発光装置は、第１分光分布を発光する固体発光素子と、前記固体発光素子の光を受けて第２分光分布を発光する波長変換素子と、前記第１分光分布の光および前記第２分光分布の光を集光する光学レンズとを備え、前記光学レンズが、屈折および全反射を利用する幾何光学レンズと、回折光学素子とを具備し、前記回折光学素子の設計波長が、前記第２分光分布のピーク波長である。
【００３３】
本発明に係る発光装置は、第１分光分布を発光する固体発光素子と、前記固体発光素子の光を受けて第２分光分布を発光する波長変換素子と、前記第１分光分布の光および前記第２分光分布の光を集光する光学レンズとを備え、前記光学レンズが、屈折および全反射を利用する幾何光学レンズと、回折光学素子とを具備し、前記回折光学素子の設計波長が、前記第１分光分布のピーク波長である。
【００３４】
本発明に係る発光装置は、前記第２分光分布のピーク波長が、５５０ｎｍ〜６００ｎｍである。
【００３５】
本発明に係る発光装置は、前記第１分光分布のピーク波長が、４３０ｎｍ〜４６０ｎｍである。
【００３６】
本発明に係る発光装置は、前記回折光学素子が回折レンズである。
【００３７】
本発明に係る発光装置は、前記回折光学素子が周期回折格子であり、前記幾何光学レンズの中心軸に対して同心円対称である。
【００３８】
本発明に係る発光装置は、前記回折光学素子がランダム形状格子である。
【００３９】
本発明に係る発光装置は、前記幾何光学レンズの中心が凹んでいる形状である。
【発明の効果】
【００４０】
本発明に係る発光装置によれば、固体発光素子および波長変換素子からなる白色光源を、光の利用効率良くでき、白色光源で色むらなく集光できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明に係る第１実施形態の発光装置の白色光源の断面図
【図２】本発明に係る第１実施形態の発光装置における幾何光学レンズの屈折部による光線図
【図３】本発明に係る第１実施形態の発光装置における幾何光学レンズの全反射部による光線図
【図４】本発明に係る第１実施形態の発光装置における幾何光学レンズの配光の特性図
【図５】本発明に係る第１実施形態の発光装置における幾何光学レンズの配光の説明図
【図６】本発明に係る第１実施形態の発光装置における回折レンズの断面図
【図７】本発明に係る第１実施形態の発光装置における回折レンズの干渉の説明図
【図８】本発明に係る第１実施形態の発光装置における回折レンズの設計概念図
【図９】本発明に係る第１実施形態の発光装置における回折レンズの断面図
【図１０】本発明に係る第１実施形態の発光装置における回折レンズの光の振る舞いの説明図
【図１１】本発明に係る第１実施形態の発光装置における回折レンズの設計概念図
【図１２】本発明に係る第１実施形態の発光装置における回折レンズのランダム形状格子の説明図
【図１３】本発明に係る第１実施形態の発光装置における回折レンズのバイナリ形状による形状近似の説明図
【図１４】本発明に係る第１実施形態の発光装置における回折光学素子の解析技術のまとめ図
【図１５】本発明に係る第１実施形態の発光装置における波長変換素子の集光の特性図
【図１６】本発明に係る第１実施形態の発光装置における個体発光素子の集光の特性図
【図１７】本発明に係る第１実施形態の発光装置における回折光学素子による色むらの改善イメージ図
【図１８】本発明に係る第１実施形態の発光装置における回折レンズの波長を変えた解析図
【図１９】本発明に係る第１実施形態の発光装置における照射面の光強度分布図
【図２０】本発明に係る第１実施形態の発光装置における設計波長からのずれの影響図
【図２１】本発明に係る第１実施形態の発光装置における設計波長からのずれの影響図
【図２２】本発明に係る第１実施形態の発光装置における周期回析格子の波長依存性の説明図
【図２３】本発明に係る第１実施形態の発光装置における設計次数１次／３次の各波長の回析効率図
【図２４】本発明に係る第１実施形態の発光装置における設計次数１次の各波長の回析効率図
【図２５】本発明に係る第１実施形態の発光装置における設計次数３次の各波長の回析効率図
【図２６】本発明に係る第１実施形態の発光装置における波長４４０ｎｍの場合の光の振る舞い図
【図２７】本発明に係る第１実施形態の発光装置における波長５８０ｎｍの場合の光の振る舞い図
【図２８】本発明に係る第２実施形態の発光装置の断面図
【図２９】白色ＬＥＤの断面図
【図３０】青色を平行光に変換する場合の色むらの説明図
【図３１】黄色を平行光に変換する場合の色むらの説明図
【図３２】屈折全反射レンズで集光する場合の色むらの説明図
【図３３】白色ＬＥＤの光線角度の説明図
【図３４】図３３における波長変換素子と波長変換素子との関係図
【図３５】光軸付近において青色のむらを生ずる配光の説明図
【図３６】図３５における波長変換素子と波長変換素子との関係図
【図３７】光軸付近において黄色のむらを生ずる配光の説明図
【図３８】図３７における波長変換素子と波長変換素子との関係図
【図３９】色むらの評価の側面図
【図４０】照射面の色むらの様子の図
【発明を実施するための形態】
【００４２】
以下、本発明に係る複数の実施形態の発光装置について図面を参照して説明する。
(第１実施形態)
図１に示すように、本発明に係る第１実施形態の発光装置１０は、第１分光分布を発光する固体発光素子１２および固体発光素子１２の光を受けて第２分光分布を発光する波長変換素子１３を有する白色光源１１と、第１分光分布の光および第２分光分布の光を集光し、屈折および全反射を利用する幾何光学レンズ１５および回折光学素子１６を具備する光学レンズ１４とを備える。
なお、本発明において「集光」という表現は、「ある方向に向けて光を平行光にすること」と定義し、「微小スポットに収束すること」という意味ではない。
回折光学素子１６は、回折レンズまたは周期回折格子であって幾何光学レンズ１５の中心軸に対して同心円対称またはランダム形状格子であり、設計波長が概ね第２分光分布のピーク波長または概ね第１分光分布のピーク波長である。第２分光分布のピーク波長は、概ね５５０ｎｍ〜６００ｎｍであり、第１分光分布のピーク波長は、概ね４３０ｎｍ〜４６０ｎｍである。
【００４３】
図２に示すように、固体発光素子１２および波長変換素子１３から出射した光線は、幾何光学レンズ１４の屈折レンズ部分１７に入射され、集光される。
図３に示すように、固体発光素子１２および波長変換素子１３から出射した光線は、幾何光学レンズ１４の全反射レンズ部分１８に入射され、集光される。
【００４４】
図４に示すように、幾何光学レンズ１５では、光軸から離れた角度で集光するように設計され、集光される配光の特性を有する。このとき、白色光源１１は、固体発光素子１２の発光面積に比べて波長変換素子１３の発光面積が大きいこと、白色ＬＥＤ自体の色むらは光線角度が大きくなるほど波長変換素子１３からの光強度が強いことの特徴を持つ。
【００４５】
図５に示すように、この配光による照射面２３の色むらは、中心部１９および周辺部２０が第２分光分布のピーク波長の色味であり、その間２１に環状に第１分光分布のピーク波長の色味が現れる。
なお、光軸から離れた角度で集光するのは、その後、回折光学素子１６でさらに集光するためである。
従って、回折光学素子１６の形状と幾何光学レンズ１５の形状とは互いに影響し合い、回折光学素子１６の形状に合わせて幾何光学レンズ１５の形状が設計される。
図５は、屈折レンズ部分１７および全反射レンズ部分１８の光線を足し合わせた配光である。この幾何光学レンズ１５からの光線を一旦ある擬似光源として近似すると、擬似光源からの光線を、回折レンズを用いて集光すると考えることができ、回折レンズの設計が容易となる。
【００４６】
次に、本発明の要部である回折光学素子１６の動作について説明する。
本発明における「回折光学素子」とは、透過部材に形成された微細な間隔・高さでならぶ構造全般を指す。そこで、本発明の特徴を述べる前に、構造の例を以下に示し、それらの各構造の公知の設計・解析技術を順に説明する（参考文献：“回折光学素子入門” オプトロニクス社（１９９７）、“デジタル回折光学”丸善（２００５））。
図６に示すように、回折レンズ２２の形状は、フレネルレンズのような軸対称形状をしているが、各レンズの高さ、間隔がサブ波長オーダーの形状であることが一般的なフレネルレンズとは異なる。
図７に示すように、回折レンズ２２によって光波面の干渉が起こり、平行光が入射した場合は一点に収束し、逆に一点から発散する光は平行光に集光される。
図８に示すように、回折レンズ２２は、設計に際して、距離Ｌ１〜Ｌ３において、以下の数式１が成り立つように距離Ｌ３を設定する。
なお、ｎは回折レンズ２２の材料の屈折率、ｍは設計回折次数（整数）、λは設計波長である。
また、本発明においては、設計の際に選択した回折次数を設計回折次数、設計の際に選択した波長を設計波長と定義する。
【００４７】
【数１】
【００４８】
図９に示すように、回折レンズ２２は、周期的に繰り返し同じ微細構造を持つ。本発明では、この様な形状を周期回折格子と定義する。
なお、周期形状は軸対称形状や、とい状形状が有る。
また、ステップを持つ段差形状を多数有するが、これらは前述の回折レンズと同様、滑らかな形状を近似したものである、形状がサブ波長オーダーであるため、このように形状を近似することが多い。
図１０に示すように、周期回折光学素子による光の干渉においては、周期回折光学素子によって光波面の干渉が起こり、平行光が入射した場合は全ての光がある方向に平行光化され集光する。
図１１に示すように、回折レンズ２２は、設計に際し、格子高さｈは、下記の数式２を満たすように設計される。なお、ｎは回折レンズ材料の屈折率、ｍは回折次数（整数）、λは設計波長である。
【００４９】
【数２】
【００５０】
また、回折角度θｏｕｔは、下記の数式３から算出される。回折角度θｏｕｔに合わせて格子周期ｄを選択する。
【００５１】
【数３】
【００５２】
図１２に示すように、回折レンズ２２は、ランダムな微細構造を持つ。本発明では、この様な形状をランダム形状格子と定義する（日本では決まった呼び名は無いが、海外では「diffuser」と呼ばれている）。
なお、ランダム形状格子の設計方法は、直接的設計手法（direct design technique）、反復最適化アルゴリズム（interactive optimization algorithms）、反復フーリエ変換アルゴリズム（IFTA：Iterative Fourier Transform Algorithm）、進化プログラムに基づいたアルゴリズム、等が有名である（参考文献：“デジタル回折光学”丸善（２００５））。
このような設計方法は、総じて、初めに光の波長を考えずに全ての波長に共通である位相を考え、位相分布を設計する。その後、設計した位相分布Φ（ｘ）と設計波長λとを用いて、下記の数式４で形状ｈ（ｘ）に変換する。
【００５３】
【数４】
【００５４】
図１３に示すように、回折レンズ２２は、バイナリ形状による形状近似において格子高さｈが設定される。
【００５５】
図１４に示すように、回折光学素子１６の解析技術をまとめると、回折光学素子１６を通過した光がどのように振舞うかを計算により求めることができる（参考文献：光学技術者のための電磁場解析入門、オプトロニクス社（２０１０））。
【００５６】
本発明で注目するのは、公知の設計・解析技術では、設計波長λを用いて回折光学素子１６の形状を決定することである。
波長依存性の定量的な説明については後述するが、定性的に論じると、回折光学素子１６による光の偏向の作用は、入射する光の波長が設計波長に近いほど、効果がある。
よって、図１５に示すように、回折光学素子１６の設計波長が概ね波長変換素子１３からの第２分光分布のピーク波長であり、かつ、回折光学素子１６の形状が光を集光するように設計されることにより、波長変換素子１３からの光を効率良く集光する。
このとき、図１６に示すように、固体発光素子１２からの第１分光分布の光は、設計波長から離れた分光分布であり、効率よく集光されない。
この場合の配光は、ある理想的な回折光学素子形状により、波長変換素子１３と固体発光素子１２からの配光が回折光学素子１６を通過することによって同じ配光になるものである。
図１７に示すように、このような光の偏向をもたらす回折光学素子１６が存在すれば、固体発光素子１２／波長変換素子１３のそれぞれの配光が重なり、色むらが生じなくなる。
【００５７】
図１８に示すように、定量的な回折光学素子１６の波長依存性と、それを用いた色むらの改善について、回折レンズ２２の波長依存性は、回折レンズ２２の設計波長を５２０ｎｍとし、点光源の波長を４６０ｎｍ／５２０ｎｍ／６３０ｎｍと変化させて、１ｍ後方にある照射面２３に光を集光する。
図１９に示すように、このときの照射面２３の光強度分布は、設計波長である５２０ｎｍの光は集光されているが、その他の波長の光は集光の程度が低い。
なお、図１９は、理想的な点光源から球面波の光を飛ばして回折レンズ２２によって集光する光学系において、点光源の波長を変えて解析を行った結果である。
図２０に示すように、設計波長と光源の波長とが等しい場合は、回折レンズ２２による光の位相分布の変化が各レンズ形状で等しく、波面の位相が揃う。
しかしながら、図２１に示すように、設計波長と光源の波長が異なる場合には、回折レンズ２２による光の位相分布の変化が隣り合うレンズ形状で揃わず、波面の位相がずれる。これにより、設計波長と光源の波長が異なれば、光の集光の程度が低い。
このように、図４に示した配光では、波長変換素子１３からの第２分光分布の光を効果的に集光し、かつ、固体発光素子１２からの第１分光分布の光を程度を低く集光させると色むらが改善できる、と定性的に考えられる。このときの回折レンズ２２の設計波長は、概ね第２分光分布のピーク波長となる。
なお、図３５，図３６，図３７，図３８に示したように、色むらの出現が固体発光素子と波長変換素子で逆になるケースもある。その場合、回折レンズ２２の設計波長は、概ね第１分光分布のピーク波長とすればよい。
【００５８】
図２２に示すように、周期回折格子の波長依存性について、周期回折光学素子１６の設計・解析にかかわる式は、以下の数式５，数式６，数式７，数式８，数式９に示される。
なお、以下の解析の数式５式，数式６，数式７，数式８，数式９はフラウンホーファー回折に基づいたスカラー解析である。
【００５９】
【数５】
【００６０】
【数６】
【００６１】
【数７】
【００６２】
【数８】
【００６３】
【数９】
【００６４】
図２３に示すように、周期格子形状を理想的な三角形形状とし、設計波長を５８０ｎｍ、設計次数を１次および３次とした場合の各設計次数回折光の各波長の回折効率は、設計次数を大きくすれば設計次数の回折光の波長依存性が大きくなる。
図２４に示すように、設計次数１次とした場合、設計次数以外の回折光を含む各波長の回折効率は、波長が異なった場合に設計次数以外の次数の回折光が発生していることがわかる。
図２５に示すように、設計次数３次とした場合、設計次数以外の回折光を含む各波長の回折効率は、波長が異なった場合に設計次数以外の次数の回折光が発生していることがわかる。
図２６および図２７に示すように、設計波長を５８０ｎｍ、設計次数を３次とした周期回折光学素子１６に、波長４４０ｎｍおよび波長５８０ｎｍの光線を入射した場合の光の振る舞いは、波長が異なった場合に設計次数以外の次数の回折光が発生していることがわかる。撮像光学素子の分野ではこれをフレア光／ゴーストと呼んでいる。
これらから明らかなように、設計次数を大きくすると、設計次数以外の回折光の波長依存性は大きくなる。
ここで、このフレア光に注目すると、撮像光学素子ではフレア光が不要であるために除去するための公知技術が多いものの、このフレア光を上手く利用することにより、照射面に生じる色むらを低減することができる。
【００６５】
図１２に示したランダム形状格子の波長依存性について、ランダム形状格子は、初めに光の波長を考えずに全ての波長に共通である位相を考えて位相分布を設計する。その後、設計した位相分布Φ（Ｘ）と設計波長λを用いて、下記数式１０を用いて形状ｈ（ｘ）に変換する。
【００６６】
【数１０】
【００６７】
定性的に考えると、これも回折レンズ２２および周期回折格子同様、設計波長を第２分光分布のピーク波長周辺で行い、かつ、設計次数を１〜４次程度で行なうことにより、最適な回折光学素子形状になる。
【００６８】
以上、説明したように第１実施形態の発光装置１０によれば、光学レンズ１４が、屈折および全反射を利用する幾何光学レンズ１５と、回折光学素子１６とを具備し、回折光学素子１６の設計波長が、概ね第２分光分布のピーク波長であるために、光学レンズ１４が、固体発光素子１２および波長変換素子１３の光をバランス良く集光するので、効率の低下を抑えつつ色むらを改善して集光できる。
【００６９】
また、第１実施形態の発光装置１０によれば、光学レンズ１４が、屈折および全反射を利用する幾何光学レンズ１５と、回折光学素子１６とを具備し、回折光学素子１６の設計波長が、概ね第１分光分布のピーク波長であるために、光学レンズ１４が、固体発光素子１２および波長変換素子１３の光をバランス良く集光するので、効率の低下を抑えつつ色むらを改善して集光できる。
【００７０】
そして、第１実施形態の発光装置１０によれば、第２分光分布のピーク波長が、概ね５５０ｎｍ〜６００ｎｍであるために、光学レンズ１４が、固体発光素子１２および波長変換素子１３の光をバランス良く集光するので、効率の低下を抑えつつ色むらを改善して集光できる。
【００７１】
さらに、第１実施形態の発光装置１０によれば、第１分光分布のピーク波長が、概ね４３０ｎｍ〜４６０ｎｍであるために、光学レンズ１４が、固体発光素子１２および波長変換素子１３の光をバランス良く集光するので、効率の低下を抑えつつ色むらを改善して集光できる。
【００７２】
さらにまた、第１実施形態の発光装置１０によれば、回折光学素子１６が回折レンズ２２であるために、光学レンズ１４が、固体発光素子１２および波長変換素子１３の光をバランス良く集光するので、効率の低下を抑えつつ色むらを改善して集光できる。
【００７３】
加えて、第１実施形態の発光装置１０によれば、回折光学素子１６が周期回折格子であり、幾何光学レンズ１５の中心軸に対して同心円対称であるために、光学レンズ１４が、固体発光素子１２および波長変換素子１３の光をバランス良く集光するので、効率の低下を抑えつつ色むらを改善して集光できる。
【００７４】
また、第１実施形態の発光装置１０によれば、回折光学素子１６がランダム形状格子であるために、色むらがランダムに変化する場合に、固体発光素子１２および波長変換素子１３の光をバランス良く集光するので、効率の低下を抑えつつ色むらを改善して集光できる。
【００７５】
（第２実施形態）
次に、本発明に係る第２実施形態の発光装置について説明する。
なお、以下の第２実施形態において、前述した第１実施形態と重複する構成要素や機能的に同様な構成要素については、図中に同一符号あるいは相当符号を付することによって説明を簡略化あるいは省略する。
【００７６】
図２８に示すように、本発明に係る第２実施形態の発光装置３０は、幾何光学レンズ３１の中央に外周縁から長さ寸法Ｌ１だけ小さい外径寸法Ｌ２で凹んだ部分３２が形成されており、屈折レンズ部分３３と全反射レンズ部分３４とから出た光を分離し、出射面に導き易くなる。
このとき、発光装置３０は、幾何光学レンズ３１において、屈折レンズ部分３３と全反射レンズ部分３４との色むらの出現原因はそれぞれ違うため、その色むらの改善の回折光学素子形状の特徴も異なる。
そのため、発光装置３０は、屈折レンズ部分３３と全反射レンズ部分３４とのそれぞれから出射する配光を、それぞれの擬似光源として回折光学素子１６を設計できる。
これにより、屈折レンズ部分３３および全反射レンズ部分３４とのそれぞれの回折光学素子１６を最適に設計しやすくなる。
【００７７】
第２実施形態の発光装置３０によれば、幾何光学レンズ３１の中心が凹んでいるために、屈折レンズ部分３３および全反射レンズ部分３４のそれぞれの配光に対して最適な回折光学素子形状を設計できる。
【００７８】
なお、本発明の発光装置は、前述した各実施形態に限定されるものでなく、適宜な変形や改良等が可能である。
【符号の説明】
【００７９】
１０，３０ 発光装置
１２ 固体発光素子
１３ 波長変換素子
１４ 光学レンズ
１５，３１ 幾何光学レンズ
１６ 回折光学素子
２２ 回折レンズ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体発光素子と波長変換素子からなる白色光源を光源とした発光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、底面に平坦部を有する円柱状導光体の片端部もしくは両端部にＬＥＤを配置し、平坦部には微細な凹凸によって形成された反射手段が設けられ、底面側には反射シートを配設し、円柱状導光体の上面側に、特定色の色素もしくは蛍光体を含んだ拡散シートを配置した発光装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
従来より、発光ダイオードから放射された青色光により励起されて、主として黄色光を発光する黄色系蛍光体を有し、青色光および黄色光が混色されることにより白色光を放射する色変換部とを具備する発光装置が知られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
従来より、青色光および黄色光の全ての光が入射して平行光とするように各光源部の発光面を包囲する入射面、入射面に対向して設けられ入射した青色光および黄色光を平行光として反射する全反射面、および平行光を集光させて白色発光部を生成する複数のレンズ面を備え、各光源部の照射領域が重なり合うように構成された光取出レンズを具備する発光装置が知られている（例えば、特許文献３参照）。
【０００５】
従来より、回折素子が、開口数ＮＡ３に相当する領域にて、第１の光ディスクに収束する波長λ１の光として３次回折光を最も強く発生し、第２の光ディスクに収束する波長λ２の光として２次回折光を最も強く発生し、第３の光ディスクに収束する波長λ３の光として２次回折光を最も強く発生する格子形状を有し、開口数ＮＡ３から開口数ＮＡ２に相当する領域にて、第１の光ディスクに収束する波長λ１の光として６次回折光を最も強く発生し、第２の光ディスクに収束する波長λ２の光として４次回折光を最も強く発生し、波長λ３の光に対しては３次回折光を最も強く発生する格子形状を有し、開口数ＮＡ２から開口数ＮＡ１に相当する領域にて、第１の光ディスクに収束する波長λ１の光としてｍ次回折光を最も強く発生する格子形状を有する回折格子から成る発光装置が知られている（例えば、特許文献４参照）。
【０００６】
従来より、第１の回折格子面と、第１の回折格子面に向かい合う第２の回折格子面とを備える発光装置が知られている（例えば、特許文献５参照）。
【０００７】
従来より、回折レンズに入射する光から生じるＮ次回折光を第１の情報媒体の情報記録面上に、第１の厚さの透明部を介して収束させ、回折レンズに入射する光から生じるＭ次回折光を第２の情報媒体の情報記録面上に、第２の厚さの透明部を介して収束させる発光装置が知られている（例えば、特許文献６参照）。
【０００８】
従来より、非球面の第１表面と回折面である第２表面とを有する凸レンズを用いて収差を減少させる発光装置が知られている（例えば、特許文献７参照）。
【０００９】
従来より、正の屈折力を持った回折型光学素子と、正の屈折力を持った屈折型光学素子と、負の屈折力をもった屈折型光学素子とより構成された発光装置が知られている（例えば、特許文献８参照）。
【００１０】
従来より、第２および第３の領域が、使用する光の波長で実質的に透明な互いに異なる材料をもって構成され、第１および第２のレリーフパターンが、実質的に等しいピッチ分布で、互いに異なる溝深さを有し、それらの対応する部位が近接して配置されている発光装置が知られている（例えば、特許文献９参照）。
【００１１】
従来より、基板上にアッベ数が異なる少なくとも２つの材質より成る第１，第２の回折格子を各ピッチ毎に対応するように重ね、第１の回折格子は１周期内で一方向に厚さが減少する格子を有し、該第２の回折格子は１周期内で該一方向に厚さが増加する格子を有している発光装置が知られている（例えば、特許文献１０参照）。
【００１２】
従来より、２種類の分散の異なる材質からなる複数の回折格子を積層した格子構造をもち、該格子構造での最大光路長差が波長の整数倍となる波長である設計波長を複数有し、該設計波長λ０が次の条件を満たす回折光学素子を、光学系中に含む発光装置が知られている（例えば、特許文献１１参照）。
【００１３】
従来より、回折格子形状が形成されている面を備えた回折撮像レンズを用いた発光装置が知られている（例えば、特許文献１２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開２００９−４３６１１号公報（図１、請求項１）
【特許文献２】特開２００７−２９４３７９号公報（図１、請求項１）
【特許文献３】特開２００７−２６５９６４号公報（図１、請求項１）
【特許文献４】国際公開第２００７／０１３３４６号公報（図２、請求項１）
【特許文献５】特許第４０８６０８２号公報（図３、請求項１）
【特許文献６】特許第４１４８２８７号公報（図１、請求項１）
【特許文献７】特開平４−２１３４２１号公報（図１、請求項１）
【特許文献８】特開平６−３２４２６２号公報（図１、請求項１）
【特許文献９】特開平９−１２７３２２号公報（図１、請求項１）
【特許文献１０】特開平１０−１３３１４９号公報（図１、請求項１）
【特許文献１１】特開２０００−２４１６１４号公報（図２、請求項１）
【特許文献１２】特許第４０７７５１０号公報（図１、請求項１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
近年、光源部に発光ダイオード（ＬＥＤ素子）を用いた製品が多く見られるようになった。照明器具においても、シーリングライトおよびベースライトといった光を拡散させるタイプや、ダウンライトおよびスポットライトといった光を集光させるタイプ等、多種多様な照明器具にＬＥＤ素子が用いられている。
光源として用いられるＬＥＤ素子には、以下の種類がある。
単色ＬＥＤ素子、単色ＬＥＤを複数色組み合わせた白色ＬＥＤ素子（ＲＧＢ素子の組み合わせ等）、単色ＬＥＤと蛍光体とを組み合わせた白色ＬＥＤ素子（青色ＬＥＤと黄色蛍光体との組み合わせ）、等である。
【００１６】
照明器具において一般的に用いられるのは、発光強度や効率の面から、青色ＬＥＤと黄色蛍光体とを組み合わせた白色ＬＥＤ素子が主である。
将来、有機ＥＬやレーザーを光源とした照明器具が開発される可能性がある。
【００１７】
図２９に示すように、これらの光源においてもＬＥＤと同様に、単色発光する固体発光素子１０１と波長変換素子１０２とにより次世代白色光源１００を構成する手法が研究されている。
波長変換をする際、短波長から長波長に変換するのは比較的容易であるが、長波長から短波長に変換するのは困難である。よって、次世代白色光源の場合もＬＥＤと同様に、青色と黄色蛍光体となる組み合わせが一般的になると考えられる。
この場合、白色ＬＥＤの色むらの発生原理と、次世代白色光源の色むらの発生原理とは同じになる。
【００１８】
図３０に示すように、青色を平行光に変換する場合、白色ＬＥＤ１１１を光源とし、屈折レンズ１１２で集光する際に、屈折レンズ１１２の結像効果により、照射面１１３に光源像が写る。この時、白色ＬＥＤ１１１は青色発光部に比べ黄色発光部の面積が大きいため、照射面１１３の中心が青色１１４になり、周辺が黄色１１５となる色むらが認められる。
【００１９】
図３１に示すように、黄色を平行光に変換する場合、青色と同様に、白色ＬＥＤ１２１を光源とし、屈折レンズ１２２で集光する際に、屈折レンズ１２２の結像効果により、照射面１２３に光源像が写る。この時、白色ＬＥＤ１２１は青色発光部に比べ黄色発光部の面積が大きいため、照射面１２３の中心が青色１２４になり、周辺が黄色１２５となる色むらが認められる。
【００２０】
図３２に示すように、白色ＬＥＤ１３１を光源として全反射レンズ１３２で集光する場合、屈折レンズ部分１３３は前述と同様に色むらを生じる。
全反射レンズ部分１３４を通る光線は、屈折レンズ部分１３３と同様に、青色発光部に比べ黄色発光部の面積が大きいため、照射面１３５の中心が青色１３６ａになり、周辺が黄色１３６ｂとなる色むらが認められる。
【００２１】
図３３および図３４に示すように、さらに、白色ＬＥＤ１３１は、光線角度により波長変換素子１３７からの光強度が異なる。この白色光源自体の色むらは、光線角度の違いにより蛍光体内部を伝播する距離が変化することに起因する。
なお、この白色ＬＥＤ１３１自体の色むらは、白色ＬＥＤ１３１の品種（蛍光体の塗られ方）によって様々であり、光線角度が深くなると波長変換素子１３７からの光が強くなるものも有れば、光線角度が深くなると波長変換素子１３７からの光が弱くなるものもある。
固体発光素子１３８のピーク波長は、概ね４３０ｎｍ〜４６０ｎｍであり、波長変換素子１３７のピーク波長は、概ね５５０ｎｍ〜６００ｎｍである。
【００２２】
全反射レンズ１３２は立体角π方向の全ての光線角度の光を集光し照射する。よって、全反射レンズ１３２を用いた場合、色むらの発生理由は、固体発光素子１３８および波長変換素子１３７の発光面積の差と、白色ＬＥＤ１３１自体の色むらとの２種類存在し、照射面１３５の色むらは複雑となる。
【００２３】
図３５および図３６に示すように、白色ＬＥＤ１３１からの発光を全反射レンズ１３２によって集光した際に生じる色むらの配光においては、光軸付近において青色のむらを生ずる。
図３７および図３８に示すように、白色ＬＥＤ１３１からの発光を全反射レンズ１３２によって集光した際に生じる色むらの配光においては、光軸付近において黄色の色むらを生ずる。
図３９および図４０に示すように、これらの配光を照射した際の色むらは、照射面１３５の各座標の色度を計測することにより評価される。
【００２４】
一方、前述した特許文献１に記載された発光装置は、色むらを防止するために、拡散シートにより拡散させる。
しかし、前述した特許文献１に記載された発光装置は、拡散するために集光効果が低減されるとともに漏れ光が発生して光の利用効率が低下する。
【００２５】
前述した特許文献２に記載された発光装置は、複数の青色ＬＥＤを集光して黄色蛍光体に照射して白色化する。
しかし、前述した特許文献２に記載された発光装置は、器具が大型化するとともに漏れ光が発生して光の利用効率が低下する。
【００２６】
前述した特許文献３に記載された発光装置は、レンズ出射面に凸レンズを形成して拡散する。
しかし、前述した特許文献３に記載された発光装置は、前述した特許文献１と同様に、拡散するために集光効果が低減されるとともに漏れ光が発生して光の利用効率が低下する。
【００２７】
前述した特許文献４に記載された発光装置は、各波長で回折／透過を選択的に行う。
しかし、前述した特許文献４に記載された発光装置は、特定の波長のみを考慮しているために白色光源で利用する場合は更なる技術的考慮が必要であるとともに指向性の強いレーザーであり、立体角２π（ｓｔｒ）で発光する光の場合は光の利用効率が低減する。
【００２８】
前述した特許文献５に記載された発光装置は、同じ光ヘッド装置でＣＤ／ＤＶＤ／Ｂｌｕ−Ｒａｙの全ての情報を読み取り可能とする。
しかし、前述した特許文献５に記載された発光装置は、前述した特許文献４と同様に、特定の波長のみを考慮しているために白色光源で利用する場合は更なる技術的考慮が必要であるとともに指向性の強いレーザーであり、立体角２π(ｓｔｒ)で発光する光の場合は光の利用効率が低減する。
【００２９】
前述した特許文献６に記載された発光装置は、光ヘッド装置において、複数の回折次数光を発生させ、厚みのことなる光学ディスクを読み取る。
しかし、前述した特許文献６に記載された発光装置は、特定の波長のみを考慮しているため、白色光源で利用する場合は更なる技術的考慮が必要であるとともに指向性の強いレーザーであり、立体角２π(ｓｔｒ)で発光する光の場合は光の利用効率が低減する。
【００３０】
前述した特許文献７ないし特許文献１２に記載された発光装置は、撮像光学系において、回折型光学素子を用いて色収差を補正したり、あるいは回折効率の波長依存性を低減、すなわち可視光範囲で等しい回折効率とし、フレア発生を抑制する。
しかし、前述した特許文献７ないし特許文献１２に記載された発光装置は、白色光源を考慮しているが、色収差改善の際の波長毎の出射角度差は高々光学材料の分散による出射角度差であり、照明の波長毎の出射角度差より小さく、本特許の色むら改善を考慮した設計ではない。また、前述した特許文献７に記載された発光装置は、回折型光学素子以外に多くの光学素子を必要とするため、高コストとなるとともに開口数ＮＡが小さく、立体角２π(ｓｔｒ)で発光する光の場合は光の利用効率が低減する。
【００３１】
本発明は、前述した課題を解決するためになされたものであり、その目的は、固体発光素子および波長変換素子からなる白色光源を、光の利用効率良くでき、白色光源で色むらなく集光できる発光装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００３２】
本発明に係る発光装置は、第１分光分布を発光する固体発光素子と、前記固体発光素子の光を受けて第２分光分布を発光する波長変換素子と、前記第１分光分布の光および前記第２分光分布の光を集光する光学レンズとを備え、前記光学レンズが、屈折および全反射を利用する幾何光学レンズと、回折光学素子とを具備し、前記回折光学素子の設計波長が、前記第２分光分布のピーク波長である。
【００３３】
本発明に係る発光装置は、第１分光分布を発光する固体発光素子と、前記固体発光素子の光を受けて第２分光分布を発光する波長変換素子と、前記第１分光分布の光および前記第２分光分布の光を集光する光学レンズとを備え、前記光学レンズが、屈折および全反射を利用する幾何光学レンズと、回折光学素子とを具備し、前記回折光学素子の設計波長が、前記第１分光分布のピーク波長である。
【００３４】
本発明に係る発光装置は、前記第２分光分布のピーク波長が、５５０ｎｍ〜６００ｎｍである。
【００３５】
本発明に係る発光装置は、前記第１分光分布のピーク波長が、４３０ｎｍ〜４６０ｎｍである。
【００３６】
本発明に係る発光装置は、前記回折光学素子が回折レンズである。
【００３７】
本発明に係る発光装置は、前記回折光学素子が周期回折格子であり、前記幾何光学レンズの中心軸に対して同心円対称である。
【００３８】
本発明に係る発光装置は、前記回折光学素子がランダム形状格子である。
【００３９】
本発明に係る発光装置は、前記幾何光学レンズの中心が凹んでいる形状である。
【発明の効果】
【００４０】
本発明に係る発光装置によれば、固体発光素子および波長変換素子からなる白色光源を、光の利用効率良くでき、白色光源で色むらなく集光できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明に係る第１実施形態の発光装置の白色光源の断面図
【図２】本発明に係る第１実施形態の発光装置における幾何光学レンズの屈折部による光線図
【図３】本発明に係る第１実施形態の発光装置における幾何光学レンズの全反射部による光線図
【図４】本発明に係る第１実施形態の発光装置における幾何光学レンズの配光の特性図
【図５】本発明に係る第１実施形態の発光装置における幾何光学レンズの配光の説明図
【図６】本発明に係る第１実施形態の発光装置における回折レンズの断面図
【図７】本発明に係る第１実施形態の発光装置における回折レンズの干渉の説明図
【図８】本発明に係る第１実施形態の発光装置における回折レンズの設計概念図
【図９】本発明に係る第１実施形態の発光装置における回折レンズの断面図
【図１０】本発明に係る第１実施形態の発光装置における回折レンズの光の振る舞いの説明図
【図１１】本発明に係る第１実施形態の発光装置における回折レンズの設計概念図
【図１２】本発明に係る第１実施形態の発光装置における回折レンズのランダム形状格子の説明図
【図１３】本発明に係る第１実施形態の発光装置における回折レンズのバイナリ形状による形状近似の説明図
【図１４】本発明に係る第１実施形態の発光装置における回折光学素子の解析技術のまとめ図
【図１５】本発明に係る第１実施形態の発光装置における波長変換素子の集光の特性図
【図１６】本発明に係る第１実施形態の発光装置における個体発光素子の集光の特性図
【図１７】本発明に係る第１実施形態の発光装置における回折光学素子による色むらの改善イメージ図
【図１８】本発明に係る第１実施形態の発光装置における回折レンズの波長を変えた解析図
【図１９】本発明に係る第１実施形態の発光装置における照射面の光強度分布図
【図２０】本発明に係る第１実施形態の発光装置における設計波長からのずれの影響図
【図２１】本発明に係る第１実施形態の発光装置における設計波長からのずれの影響図
【図２２】本発明に係る第１実施形態の発光装置における周期回析格子の波長依存性の説明図
【図２３】本発明に係る第１実施形態の発光装置における設計次数１次／３次の各波長の回析効率図
【図２４】本発明に係る第１実施形態の発光装置における設計次数１次の各波長の回析効率図
【図２５】本発明に係る第１実施形態の発光装置における設計次数３次の各波長の回析効率図
【図２６】本発明に係る第１実施形態の発光装置における波長４４０ｎｍの場合の光の振る舞い図
【図２７】本発明に係る第１実施形態の発光装置における波長５８０ｎｍの場合の光の振る舞い図
【図２８】本発明に係る第２実施形態の発光装置の断面図
【図２９】白色ＬＥＤの断面図
【図３０】青色を平行光に変換する場合の色むらの説明図
【図３１】黄色を平行光に変換する場合の色むらの説明図
【図３２】屈折全反射レンズで集光する場合の色むらの説明図
【図３３】白色ＬＥＤの光線角度の説明図
【図３４】図３３における波長変換素子と波長変換素子との関係図
【図３５】光軸付近において青色のむらを生ずる配光の説明図
【図３６】図３５における波長変換素子と波長変換素子との関係図
【図３７】光軸付近において黄色のむらを生ずる配光の説明図
【図３８】図３７における波長変換素子と波長変換素子との関係図
【図３９】色むらの評価の側面図
【図４０】照射面の色むらの様子の図
【発明を実施するための形態】
【００４２】
以下、本発明に係る複数の実施形態の発光装置について図面を参照して説明する。
(第１実施形態)
図１に示すように、本発明に係る第１実施形態の発光装置１０は、第１分光分布を発光する固体発光素子１２および固体発光素子１２の光を受けて第２分光分布を発光する波長変換素子１３を有する白色光源１１と、第１分光分布の光および第２分光分布の光を集光し、屈折および全反射を利用する幾何光学レンズ１５および回折光学素子１６を具備する光学レンズ１４とを備える。
なお、本発明において「集光」という表現は、「ある方向に向けて光を平行光にすること」と定義し、「微小スポットに収束すること」という意味ではない。
回折光学素子１６は、回折レンズまたは周期回折格子であって幾何光学レンズ１５の中心軸に対して同心円対称またはランダム形状格子であり、設計波長が概ね第２分光分布のピーク波長または概ね第１分光分布のピーク波長である。第２分光分布のピーク波長は、概ね５５０ｎｍ〜６００ｎｍであり、第１分光分布のピーク波長は、概ね４３０ｎｍ〜４６０ｎｍである。
【００４３】
図２に示すように、固体発光素子１２および波長変換素子１３から出射した光線は、幾何光学レンズ１４の屈折レンズ部分１７に入射され、集光される。
図３に示すように、固体発光素子１２および波長変換素子１３から出射した光線は、幾何光学レンズ１４の全反射レンズ部分１８に入射され、集光される。
【００４４】
図４に示すように、幾何光学レンズ１５では、光軸から離れた角度で集光するように設計され、集光される配光の特性を有する。このとき、白色光源１１は、固体発光素子１２の発光面積に比べて波長変換素子１３の発光面積が大きいこと、白色ＬＥＤ自体の色むらは光線角度が大きくなるほど波長変換素子１３からの光強度が強いことの特徴を持つ。
【００４５】
図５に示すように、この配光による照射面２３の色むらは、中心部１９および周辺部２０が第２分光分布のピーク波長の色味であり、その間２１に環状に第１分光分布のピーク波長の色味が現れる。
なお、光軸から離れた角度で集光するのは、その後、回折光学素子１６でさらに集光するためである。
従って、回折光学素子１６の形状と幾何光学レンズ１５の形状とは互いに影響し合い、回折光学素子１６の形状に合わせて幾何光学レンズ１５の形状が設計される。
図５は、屈折レンズ部分１７および全反射レンズ部分１８の光線を足し合わせた配光である。この幾何光学レンズ１５からの光線を一旦ある擬似光源として近似すると、擬似光源からの光線を、回折レンズを用いて集光すると考えることができ、回折レンズの設計が容易となる。
【００４６】
次に、本発明の要部である回折光学素子１６の動作について説明する。
本発明における「回折光学素子」とは、透過部材に形成された微細な間隔・高さでならぶ構造全般を指す。そこで、本発明の特徴を述べる前に、構造の例を以下に示し、それらの各構造の公知の設計・解析技術を順に説明する（参考文献：“回折光学素子入門” オプトロニクス社（１９９７）、“デジタル回折光学”丸善（２００５））。
図６に示すように、回折レンズ２２の形状は、フレネルレンズのような軸対称形状をしているが、各レンズの高さ、間隔がサブ波長オーダーの形状であることが一般的なフレネルレンズとは異なる。
図７に示すように、回折レンズ２２によって光波面の干渉が起こり、平行光が入射した場合は一点に収束し、逆に一点から発散する光は平行光に集光される。
図８に示すように、回折レンズ２２は、設計に際して、距離Ｌ１〜Ｌ３において、以下の数式１が成り立つように距離Ｌ３を設定する。
なお、ｎは回折レンズ２２の材料の屈折率、ｍは設計回折次数（整数）、λは設計波長である。
また、本発明においては、設計の際に選択した回折次数を設計回折次数、設計の際に選択した波長を設計波長と定義する。
【００４７】
【数１】
【００４８】
図９に示すように、回折レンズ２２は、周期的に繰り返し同じ微細構造を持つ。本発明では、この様な形状を周期回折格子と定義する。
なお、周期形状は軸対称形状や、とい状形状が有る。
また、ステップを持つ段差形状を多数有するが、これらは前述の回折レンズと同様、滑らかな形状を近似したものである、形状がサブ波長オーダーであるため、このように形状を近似することが多い。
図１０に示すように、周期回折光学素子による光の干渉においては、周期回折光学素子によって光波面の干渉が起こり、平行光が入射した場合は全ての光がある方向に平行光化され集光する。
図１１に示すように、回折レンズ２２は、設計に際し、格子高さｈは、下記の数式２を満たすように設計される。なお、ｎは回折レンズ材料の屈折率、ｍは回折次数（整数）、λは設計波長である。
【００４９】
【数２】
【００５０】
また、回折角度θｏｕｔは、下記の数式３から算出される。回折角度θｏｕｔに合わせて格子周期ｄを選択する。
【００５１】
【数３】
【００５２】
図１２に示すように、回折レンズ２２は、ランダムな微細構造を持つ。本発明では、この様な形状をランダム形状格子と定義する（日本では決まった呼び名は無いが、海外では「diffuser」と呼ばれている）。
なお、ランダム形状格子の設計方法は、直接的設計手法（direct design technique）、反復最適化アルゴリズム（interactive optimization algorithms）、反復フーリエ変換アルゴリズム（IFTA：Iterative Fourier Transform Algorithm）、進化プログラムに基づいたアルゴリズム、等が有名である（参考文献：“デジタル回折光学”丸善（２００５））。
このような設計方法は、総じて、初めに光の波長を考えずに全ての波長に共通である位相を考え、位相分布を設計する。その後、設計した位相分布Φ（ｘ）と設計波長λとを用いて、下記の数式４で形状ｈ（ｘ）に変換する。
【００５３】
【数４】
【００５４】
図１３に示すように、回折レンズ２２は、バイナリ形状による形状近似において格子高さｈが設定される。
【００５５】
図１４に示すように、回折光学素子１６の解析技術をまとめると、回折光学素子１６を通過した光がどのように振舞うかを計算により求めることができる（参考文献：光学技術者のための電磁場解析入門、オプトロニクス社（２０１０））。
【００５６】
本発明で注目するのは、公知の設計・解析技術では、設計波長λを用いて回折光学素子１６の形状を決定することである。
波長依存性の定量的な説明については後述するが、定性的に論じると、回折光学素子１６による光の偏向の作用は、入射する光の波長が設計波長に近いほど、効果がある。
よって、図１５に示すように、回折光学素子１６の設計波長が概ね波長変換素子１３からの第２分光分布のピーク波長であり、かつ、回折光学素子１６の形状が光を集光するように設計されることにより、波長変換素子１３からの光を効率良く集光する。
このとき、図１６に示すように、固体発光素子１２からの第１分光分布の光は、設計波長から離れた分光分布であり、効率よく集光されない。
この場合の配光は、ある理想的な回折光学素子形状により、波長変換素子１３と固体発光素子１２からの配光が回折光学素子１６を通過することによって同じ配光になるものである。
図１７に示すように、このような光の偏向をもたらす回折光学素子１６が存在すれば、固体発光素子１２／波長変換素子１３のそれぞれの配光が重なり、色むらが生じなくなる。
【００５７】
図１８に示すように、定量的な回折光学素子１６の波長依存性と、それを用いた色むらの改善について、回折レンズ２２の波長依存性は、回折レンズ２２の設計波長を５２０ｎｍとし、点光源の波長を４６０ｎｍ／５２０ｎｍ／６３０ｎｍと変化させて、１ｍ後方にある照射面２３に光を集光する。
図１９に示すように、このときの照射面２３の光強度分布は、設計波長である５２０ｎｍの光は集光されているが、その他の波長の光は集光の程度が低い。
なお、図１９は、理想的な点光源から球面波の光を飛ばして回折レンズ２２によって集光する光学系において、点光源の波長を変えて解析を行った結果である。
図２０に示すように、設計波長と光源の波長とが等しい場合は、回折レンズ２２による光の位相分布の変化が各レンズ形状で等しく、波面の位相が揃う。
しかしながら、図２１に示すように、設計波長と光源の波長が異なる場合には、回折レンズ２２による光の位相分布の変化が隣り合うレンズ形状で揃わず、波面の位相がずれる。これにより、設計波長と光源の波長が異なれば、光の集光の程度が低い。
このように、図４に示した配光では、波長変換素子１３からの第２分光分布の光を効果的に集光し、かつ、固体発光素子１２からの第１分光分布の光を程度を低く集光させると色むらが改善できる、と定性的に考えられる。このときの回折レンズ２２の設計波長は、概ね第２分光分布のピーク波長となる。
なお、図３５，図３６，図３７，図３８に示したように、色むらの出現が固体発光素子と波長変換素子で逆になるケースもある。その場合、回折レンズ２２の設計波長は、概ね第１分光分布のピーク波長とすればよい。
【００５８】
図２２に示すように、周期回折格子の波長依存性について、周期回折光学素子１６の設計・解析にかかわる式は、以下の数式５，数式６，数式７，数式８，数式９に示される。
なお、以下の解析の数式５式，数式６，数式７，数式８，数式９はフラウンホーファー回折に基づいたスカラー解析である。
【００５９】
【数５】
【００６０】
【数６】
【００６１】
【数７】
【００６２】
【数８】
【００６３】
【数９】
【００６４】
図２３に示すように、周期格子形状を理想的な三角形形状とし、設計波長を５８０ｎｍ、設計次数を１次および３次とした場合の各設計次数回折光の各波長の回折効率は、設計次数を大きくすれば設計次数の回折光の波長依存性が大きくなる。
図２４に示すように、設計次数１次とした場合、設計次数以外の回折光を含む各波長の回折効率は、波長が異なった場合に設計次数以外の次数の回折光が発生していることがわかる。
図２５に示すように、設計次数３次とした場合、設計次数以外の回折光を含む各波長の回折効率は、波長が異なった場合に設計次数以外の次数の回折光が発生していることがわかる。
図２６および図２７に示すように、設計波長を５８０ｎｍ、設計次数を３次とした周期回折光学素子１６に、波長４４０ｎｍおよび波長５８０ｎｍの光線を入射した場合の光の振る舞いは、波長が異なった場合に設計次数以外の次数の回折光が発生していることがわかる。撮像光学素子の分野ではこれをフレア光／ゴーストと呼んでいる。
これらから明らかなように、設計次数を大きくすると、設計次数以外の回折光の波長依存性は大きくなる。
ここで、このフレア光に注目すると、撮像光学素子ではフレア光が不要であるために除去するための公知技術が多いものの、このフレア光を上手く利用することにより、照射面に生じる色むらを低減することができる。
【００６５】
図１２に示したランダム形状格子の波長依存性について、ランダム形状格子は、初めに光の波長を考えずに全ての波長に共通である位相を考えて位相分布を設計する。その後、設計した位相分布Φ（Ｘ）と設計波長λを用いて、下記数式１０を用いて形状ｈ（ｘ）に変換する。
【００６６】
【数１０】
【００６７】
定性的に考えると、これも回折レンズ２２および周期回折格子同様、設計波長を第２分光分布のピーク波長周辺で行い、かつ、設計次数を１〜４次程度で行なうことにより、最適な回折光学素子形状になる。
【００６８】
以上、説明したように第１実施形態の発光装置１０によれば、光学レンズ１４が、屈折および全反射を利用する幾何光学レンズ１５と、回折光学素子１６とを具備し、回折光学素子１６の設計波長が、概ね第２分光分布のピーク波長であるために、光学レンズ１４が、固体発光素子１２および波長変換素子１３の光をバランス良く集光するので、効率の低下を抑えつつ色むらを改善して集光できる。
【００６９】
また、第１実施形態の発光装置１０によれば、光学レンズ１４が、屈折および全反射を利用する幾何光学レンズ１５と、回折光学素子１６とを具備し、回折光学素子１６の設計波長が、概ね第１分光分布のピーク波長であるために、光学レンズ１４が、固体発光素子１２および波長変換素子１３の光をバランス良く集光するので、効率の低下を抑えつつ色むらを改善して集光できる。
【００７０】
そして、第１実施形態の発光装置１０によれば、第２分光分布のピーク波長が、概ね５５０ｎｍ〜６００ｎｍであるために、光学レンズ１４が、固体発光素子１２および波長変換素子１３の光をバランス良く集光するので、効率の低下を抑えつつ色むらを改善して集光できる。
【００７１】
さらに、第１実施形態の発光装置１０によれば、第１分光分布のピーク波長が、概ね４３０ｎｍ〜４６０ｎｍであるために、光学レンズ１４が、固体発光素子１２および波長変換素子１３の光をバランス良く集光するので、効率の低下を抑えつつ色むらを改善して集光できる。
【００７２】
さらにまた、第１実施形態の発光装置１０によれば、回折光学素子１６が回折レンズ２２であるために、光学レンズ１４が、固体発光素子１２および波長変換素子１３の光をバランス良く集光するので、効率の低下を抑えつつ色むらを改善して集光できる。
【００７３】
加えて、第１実施形態の発光装置１０によれば、回折光学素子１６が周期回折格子であり、幾何光学レンズ１５の中心軸に対して同心円対称であるために、光学レンズ１４が、固体発光素子１２および波長変換素子１３の光をバランス良く集光するので、効率の低下を抑えつつ色むらを改善して集光できる。
【００７４】
また、第１実施形態の発光装置１０によれば、回折光学素子１６がランダム形状格子であるために、色むらがランダムに変化する場合に、固体発光素子１２および波長変換素子１３の光をバランス良く集光するので、効率の低下を抑えつつ色むらを改善して集光できる。
【００７５】
（第２実施形態）
次に、本発明に係る第２実施形態の発光装置について説明する。
なお、以下の第２実施形態において、前述した第１実施形態と重複する構成要素や機能的に同様な構成要素については、図中に同一符号あるいは相当符号を付することによって説明を簡略化あるいは省略する。
【００７６】
図２８に示すように、本発明に係る第２実施形態の発光装置３０は、幾何光学レンズ３１の中央に外周縁から長さ寸法Ｌ１だけ小さい外径寸法Ｌ２で凹んだ部分３２が形成されており、屈折レンズ部分３３と全反射レンズ部分３４とから出た光を分離し、出射面に導き易くなる。
このとき、発光装置３０は、幾何光学レンズ３１において、屈折レンズ部分３３と全反射レンズ部分３４との色むらの出現原因はそれぞれ違うため、その色むらの改善の回折光学素子形状の特徴も異なる。
そのため、発光装置３０は、屈折レンズ部分３３と全反射レンズ部分３４とのそれぞれから出射する配光を、それぞれの擬似光源として回折光学素子１６を設計できる。
これにより、屈折レンズ部分３３および全反射レンズ部分３４とのそれぞれの回折光学素子１６を最適に設計しやすくなる。
【００７７】
第２実施形態の発光装置３０によれば、幾何光学レンズ３１の中心が凹んでいるために、屈折レンズ部分３３および全反射レンズ部分３４のそれぞれの配光に対して最適な回折光学素子形状を設計できる。
【００７８】
なお、本発明の発光装置は、前述した各実施形態に限定されるものでなく、適宜な変形や改良等が可能である。
【符号の説明】
【００７９】
１０，３０ 発光装置
１２ 固体発光素子
１３ 波長変換素子
１４ 光学レンズ
１５，３１ 幾何光学レンズ
１６ 回折光学素子
２２ 回折レンズ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１分光分布を発光する固体発光素子と、
前記固体発光素子の光を受けて第２分光分布を発光する波長変換素子と、
前記第１分光分布の光および前記第２分光分布の光を集光する光学レンズとを備え、
前記光学レンズが、屈折および全反射を利用する幾何光学レンズと、回折光学素子とを具備し、
前記回折光学素子の設計波長が、前記第２分光分布のピーク波長である発光装置。
【請求項２】
第１分光分布を発光する固体発光素子と、
前記固体発光素子の光を受けて第２分光分布を発光する波長変換素子と、
前記第１分光分布の光および前記第２分光分布の光を集光する光学レンズとを備え、
前記光学レンズが、屈折および全反射を利用する幾何光学レンズと、回折光学素子とを具備し、
前記回折光学素子の設計波長が、前記第１分光分布のピーク波長である発光装置。
【請求項３】
請求項１に記載の発光装置において、
前記第２分光分布のピーク波長が、５５０ｎｍ〜６００ｎｍである発光装置。
【請求項４】
請求項２に記載の発光装置において、
前記第１分光分布のピーク波長が、４３０ｎｍ〜４６０ｎｍである発光装置。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のうちのいずれか１項に記載の発光装置において、
前記回折光学素子が回折レンズである発光装置。
【請求項６】
請求項１ないし請求項４のうちのいずれか１項に記載の発光装置において、
前記回折光学素子が周期回折格子であり、前記幾何光学レンズの中心軸に対して同心円対称である発光装置。
【請求項７】
請求項１ないし請求項４のうちのいずれか１項に記載の発光装置において、
前記回折光学素子がランダム形状格子である発光装置。
【請求項８】
請求項１ないし請求項７のうちのいずれか１項に記載の発光装置において、
前記幾何光学レンズの中心が凹んでいる形状である発光装置。
【請求項１】
第１分光分布を発光する固体発光素子と、
前記固体発光素子の光を受けて第２分光分布を発光する波長変換素子と、
前記第１分光分布の光および前記第２分光分布の光を集光する光学レンズとを備え、
前記光学レンズが、屈折および全反射を利用する幾何光学レンズと、回折光学素子とを具備し、
前記回折光学素子の設計波長が、前記第２分光分布のピーク波長である発光装置。
【請求項２】
第１分光分布を発光する固体発光素子と、
前記固体発光素子の光を受けて第２分光分布を発光する波長変換素子と、
前記第１分光分布の光および前記第２分光分布の光を集光する光学レンズとを備え、
前記光学レンズが、屈折および全反射を利用する幾何光学レンズと、回折光学素子とを具備し、
前記回折光学素子の設計波長が、前記第１分光分布のピーク波長である発光装置。
【請求項３】
請求項１に記載の発光装置において、
前記第２分光分布のピーク波長が、５５０ｎｍ〜６００ｎｍである発光装置。
【請求項４】
請求項２に記載の発光装置において、
前記第１分光分布のピーク波長が、４３０ｎｍ〜４６０ｎｍである発光装置。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のうちのいずれか１項に記載の発光装置において、
前記回折光学素子が回折レンズである発光装置。
【請求項６】
請求項１ないし請求項４のうちのいずれか１項に記載の発光装置において、
前記回折光学素子が周期回折格子であり、前記幾何光学レンズの中心軸に対して同心円対称である発光装置。
【請求項７】
請求項１ないし請求項４のうちのいずれか１項に記載の発光装置において、
前記回折光学素子がランダム形状格子である発光装置。
【請求項８】
請求項１ないし請求項７のうちのいずれか１項に記載の発光装置において、
前記幾何光学レンズの中心が凹んでいる形状である発光装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図３６】
【図３７】
【図３８】
【図３９】
【図４０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図３６】
【図３７】
【図３８】
【図３９】
【図４０】
【公開番号】特開２０１２−１３３０８６（Ｐ２０１２−１３３０８６Ａ）
【公開日】平成２４年７月１２日（２０１２．７．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２８４３５３（Ｐ２０１０−２８４３５３）
【出願日】平成２２年１２月２１日（２０１０．１２．２１）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年７月１２日（２０１２．７．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月２１日（２０１０．１２．２１）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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