JP2013214449A

JP2013214449A - トロイダルレンズおよび照明装置

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Publication number: JP2013214449A
Application number: JP2012084781A
Authority: JP
Inventors: Yuichi Suzuki; 鈴木優一
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-04-03
Filing date: 2012-04-03
Publication date: 2013-10-17

Abstract

【課題】ＬＥＤを小型化し、全反射損失回避と狭指向角を独立設定可能で、光束均一度が高いレンズおよび照明装置を提供する。
【解決手段】凸面の法線上の光学中心で交差する回転軸で前記凸面を回転して形成されるトロイダル面１を内側と外側に同軸で設け、外側のトロイダル面の後側反射面３と、内側のトロイダル面の後側屈折面２と、光軸レンズ５と、光学中心に設けた発光素子９から構成する。発光素子９から外側トロイダル面に入射した光が後側反射面で反射して屈折射出面４から射出し、内側トロイダル面の後側屈折面２と光軸レンズ５から全反射損失を伴わずに狭指向角で射出する。複数のトロイダル面で構成されるため小型で６０°の広い集光角で、高い光束均一度である。トロイダル面の後側屈折面２と後側反射面による進行方向の差により励起光と蛍光を平均化して混色出来る。
【選択図】図１０

Description

本発明はトロイダル面の焦点近傍に配置した発光素子からの光をトロイダル面で集光してから反射面あるいは屈折面によりトロイダルレンズの回転軸方向に射出するＬＥＤ照明装置などに関するものである。

発光ダイオード（ＬＥＤ）は金属製リードフレームのカップ内に発光素子を設けて樹脂モールドしたリードフレーム型ＬＥＤと、発光素子を基板上に樹脂モールドした表面実装型がある。リードフレーム型ＬＥＤの多くが円筒の先端部に球面レンズを形成しているので砲弾型ＬＥＤとも呼ばれている。焦点距離が球面レンズの半径の約３倍以上あるため、半球面に繋げた円筒部が長いレンズ形状である。球面レンズは図２１に示すように周辺光の収差が大きく、寸法が大きいため特許文献１の従来例や特許文献２など多くは図２２のように曲率半径の２．５倍程度の長さにして、焦点位置より先端側に設けられている。
樹脂封止表面が平坦な表面実装型ＬＥＤの光度半値全角は約１２０°である。照明装置はこれより半値角を狭めて使用する用途が多く、特許文献３は曲率半径の２倍程度の位置に発光素子が設けられた図２２のようなレンズが図示されている。曲率半径の２倍程度の位置に発光素子が設けると放射角は約１５°で、ＬＥＤの光度半値角が３０°などの用途に利用されている。
周辺光と光軸光の光路長を等しくとった楕円レンズは図４、図５などのように平行光として射出可能なので狭指向角の用途に適している。発光素子と楕円レンズ面の先端との距離を規定することによってレンズ面の周辺で外側に射出するようにした楕円レンズのＬＥＤが特許文献１に開示されている。

レンズ付表面実装ＬＥＤは先端側に球面レンズが大きく突き出た形状なので、低背化する目的でフレネルレンズを設けた発光装置が特許文献４に開示されている。特許文献４は蛍光体を透明材料に分散して発光素子を覆い、その上部にフレネルレンズを形成した発光装置の提案である。

光度半値角が約１２０°の表面実装型ＬＥＤを照明装置に用いるとき、外部レンズは集光角が約４０°以下なので凹面鏡を用いる必要があるが、凹面鏡のような作用をする半球面状レンズが特許文献５に開示されている。特許文献５は射出面を半球面レンズの平面とし、半球面の頂部にＬＥＤ設置用の凹部入射面が形成された発光装置である。光源からの放射光は凹部入射面を直進して半球面状レンズの内部を拡散し、半球面状レンズの周辺側では臨界角より大きい入射角のため全反射して平面の射出面から射出する。光源からの拡散光も平面の射出面から射出するので、凹面の反射光と光源からの拡散光が混合した光である。放射面側から入射する外光はレンズの頂部付近では臨界角より小さい入射角のため外光を後方へ透過させて擬似点灯を防止する発光装置である。

特許文献６は特許文献５の凹部入射面の一部にＬＥＤ素子に対面する凸面入射面を形成し、発光素子からレンズ射出面に向かう光を集光している。前記凸面入射面以外への光は特許文献５と同様である。発光素子の正面の凸面で多くが集光されて光束の不均一度が大きくなるため、射出面に微小なレンズを複数配置して配光制御する信号灯の提案である。
特許文献７は特許文献６のレンズ側面の半球面と凹部入射面を拡散処理し、「励起光と蛍光はレンズ中央部で混色される」と記されており、蛍光変換白色ＬＥＤの励起光と蛍光の色むらを低減することを目的としている。

円環状レンズの環状溝の周方向に所要の間隔を置いて複数の発光ダイオードを配置し、環状溝内面に入射された光を投光面側へ全反射することによって高効率な照明装置を目的とする提案が特許文献８に開示されている。この円環状レンズは断面視で特許文献６のレンズを外部回転軸で回転した形状である。

特開平１１−４６０１３号公報特開２００８−２５８５３０号公報特許第３９９５９０６号公報特開２００７−８８０９３号公報特許第２９５２１２７号公報特開２００６−４８１６５号公報特許第４６３５７４１号公報特開２００９−９９２６号公報

球面レンズの内部の焦点ｆ２に埋設した発光素子からの近軸光線はほぼ平行光になるが、周辺光は図２１に示すように球面収差が大きくなる。球面レンズの内部の焦点距離ｆ２は屈折率１．４のシリコーン樹脂で球面の曲率半径ｒの３．５倍、屈折率１．４７のエポキシ樹脂で球面の曲率半径ｒの３．１倍が必要なので球面レンズに円筒面を繋げた構造である。周辺光の収差が大きい上に寸法が長いため、多くは曲率半径の２〜２．５倍程度にして寸法を短縮し、周辺光の球面収差を緩和している。２．５倍程度でもレンズ頂部が突き出して発光素子の上部寸法が長く、小型化あるいは低背化が困難になっている。

狭指向角のＬＥＤはレンズの円筒部が長いため、発光素子から球面と円筒面の境界付近に入射した光は全反射して球面レンズの頂部付近に集光するが、頂部付近で屈折して側面方向に射出する光と、頂部付近で全反射して発光素子側に戻る光がある。このような全反射光の光跡は図２１に示しているが、特許文献１の図８にも示されている。球面レンズの頂部付近で全反射して発光素子側に戻ると多重反射して多くは内部損失になる。従来の楕円レンズは楕円面の外周部で臨界角に近いため、これを超えると全反射が発生して側面方向への漏れと発光素子側に戻る光が増える。

曲率半径の２倍程度の位置に発光素子を設けると、球面と円筒面の境界付近に入射した光は入射角が臨界角以内なので上記全反射を避けることが出来るが放射角が増大する。
特許文献１は楕円レンズにより頂部における全反射で発光素子側に戻る内部損失を回避したシミュレーション結果を基に提案されているが、楕円面外周部における入射角は本願の図４と図５では３９．６°で臨界角４２．９°に近く、これを超えると全反射が発生する。このため、特許文献１のレンズ面の周辺で外側に射出しているシミュレーション結果は楕円体曲線による効果ではなく、発光素子の位置による効果である。このように全反射を回避して狭指向角を実現するのは従来の楕円レンズでは困難であり、全反射の回避と狭指向角の実現はトレードオフの関係にある。

特許文献４はフレネルレンズによれば低背化出来るという解釈で開口数を非常に大きくしているが、フレネルレンズはレンズ厚自体を薄くすることが出来るだけである。特許文献４の図１のように開口数０．９４と無闇に大きくすると、フレネルレンズの周辺部はフレネル凹凸の陰の面が多く、光源に対向する僅かの屈折面に斜め光が入射する。周辺では光源に対向する僅かな面だけが射出に関与する上に、光源からの距離の２乗に反比例して光束密度が低い。光軸付近では光源に近接しているので光束密度が高く、フレネル凹凸の陰の面が少ないので光軸付近に励起光が集中する。このため、光束むらが大きいだけでなく、励起光と蛍光の色バランスが悪くなる。
発光素子近傍の蛍光体からの光だけが上記励起光と同等の集光作用を行ない、それ以外の蛍光体からの光はレンズに対して斜光線なので指向角が非常に大きくなる。図２３に示すように、蛍光体からの光の入射角によってはフレネルレンズ面で蛍光体側に全反射して内部損失を生じる。レンズ幅と同等に蛍光体層が広がっているので全反射による内部損失の割合が増大する。蛍光変換ＬＥＤの光軸付近は励起光の青みが強く、周辺側ほど蛍光体層内の光路長が長くなるので周辺側は黄色などの蛍光が強くなる。蛍光体からの斜光線により蛍光だけの指向角が非常に大きく、極端に低背化しているので色むらが顕著になる。

特許文献５には「所望角度範囲に放射させる」と記載されているが、光源からの拡散光が平面射出面で屈折すると、臨界角以内では図２４のように平面に沿った方向に拡散する。光源からの拡散光が臨界角を超えると平面射出面で全反射して光源側に再帰反射する。球面反射面の周辺部における反射も逆経路で光源側に再帰反射する。半球面方向に射出した光は図２４のように半球面に沿って多重反射して周辺部から光軸方向に射出する。このため、光軸方向に射出するのはレンズ中央部と周辺部のみであり、その他は広範囲の拡散光である。このように、前記半球面レンズで所望角度範囲に任意に制御して放射するのは困難である。

特許文献６は特許文献５におけるＬＥＤ設置凹部にＬＥＤ素子に対面して凸面を形成し、発光素子の正面の凸面で多くが集光され、図２５のように狭い射出範囲に集中して光束の不均一度が大きくなる。半球面方向に放射した光は半球面に沿って多重反射して周辺部から光軸方向に射出するので、特許文献５と同様にレンズ中央部と周辺部のみ光軸方向に射出する。このため、光束の不均一度を緩和するために射出面に微小レンズを多数配置して拡散させているが、表示面の輝度むらの改善は困難である。

特許文献７は特許文献６における射出面側の微小レンズの代わりに半球面の反射面と凹部入射面に拡散処理し、拡散処理によって励起光と蛍光の色むらを低減と同時に光束の不均一度を改善する提案である。しかし、半球面の反射面に凹凸拡散処理を行なうと図２６に示すように、拡散した後に平面射出面で全反射して光源側に戻る光と、別の半球面で透過する光と、凹凸面で屈折・透過して光量損失になる光がある。凹部入射面に拡散処理を行なうと平面射出面の周辺部で全反射した後に光源側に戻る光がある。特許文献７の図２のような凹凸があるとレンズを金型から抜くことが出来ない。白色塗料による凹部入射面の拡散処理は拡散した後に平面射出面で全反射して光源側に戻る光、別の半球面で透過する光、凹凸面で屈折・透過する光および反射率による光量損失がある。白色塗料は凹部入射面では透過率７０％以上を有し、半球面の反射面では反射率９０％以上を有するという矛盾した特性である。「励起光と蛍光はレンズ中央部で混色される」と記されているが、励起光は凹部入射面の凸面でレンズ中心部から垂直方向に射出し、蛍光は半球面の反射面でレンズ中心部に反射すると図２６のように射出面に沿って側方に屈折するか全反射するので色むらの低減は出来ない。

特許文献８の図４におけるｂ光は環状レンズの周方向の光である。発光素子から環状レンズに入射した光は周方向成分を持っており、特許文献８の構造で鉛直方向に射出可能なのは特許文献８の図３における回転軸を通る断面の放射方向の光だけである。発光素子の上方の環状溝底面は周方向の断面では平坦に近く、環状溝底面に傾斜光が入射すると傾斜光として射出する。発光素子から環状溝に平行な光は溝の内周面に入射して外周面で環状溝の周方向に全反射するので環状溝側面の内部を周回する。回転軸を通る放射方向の光を除き、殆どの光は斜め方向に射出するか環状溝側面の内部を周回するので明細書の射出方向の記載とは全く異なり、特許文献８の目的である発光効率の向上を達成出来ない。

屈折率ｎ２の透光物質で、より低屈折率ｎ１の物質との界面に曲率半径ｒの凸面円弧を形成し、低屈折率ｎ１側の焦点から凸面で屈折して透光物質中に略平行光が伝播するとき、低屈折率ｎ１側の焦点距離ｆ１と高屈折率ｎ２側の焦点距離ｆ２は近軸光線については数１で表される。
図１は凸面頂部を通る法線を回転軸にするのではなく、凸面頂部を通る法線上の焦点ｆ１で交差する別の軸を回転軸６にして、低屈折率側焦点付近の光学中心を回転軸とするトロイダル面１は発光素子９に対面して環状に周回している。円弧だけでなく、楕円、放物線、双曲線など集光作用のある凸面であれば環状のトロイダル面１を形成出来る。ここで、光学中心とは発光素子などの位置を表し、平行光に変換する場合は焦点に一致するが、拡散光に変換する場合は後述するように焦点からずれた位置である。
トロイダルレンズは乱視矯正レンズ、レーザープリンターのｆθレンズなどに使用されているが、乱視矯正レンズは乱視の非点収差を逆特性で矯正し、レーザープリンターのｆθレンズは感光ドラム上にθに比例して直線的に結像させるために２つの円弧の曲率半径が異なっている。これらは光軸を共通とする２つの円弧の曲率半径が異なるので非点収差があるが、環状のトロイダル面１は焦点７を通る回転軸６を中心に周回しているときの焦点は１点である。

焦点上の発光素子から放射状に射出して環状のトロイダル面１に入射した光は凸面の法線と回転軸のなす角度ωの方向に一定幅２ｈで円錐状に拡がり、凸面の後方が全て屈折率ｎ２の透光物質の場合はそのまま円錐状に拡がって伝播する。図１は断面図なので光線高ｈの２倍の一定幅２ｈで平行に示されているが、平行光ではなく円錐状に拡散して伝播する。

トロイダル面１に入射した光は凸面の法線と回転軸のなす角度ωの方向に幅２ｈで一定幅の円錐状に拡がって伝播し、この経路に屈折面あるいは反射面を設けると方向変換する。これらの屈折面あるいは反射面を後側屈折面２あるいは後側反射面３と呼び、まず初めに後側屈折面２で変換する場合について述べる。
一定幅の円錐状に拡がって伝播する光は円錐の後側屈折面２で回転軸方向の平行光に変換することが出来る。高屈折率のｎ２側から低屈折率のｎ１側に射出し、凸面の中心線と回転軸のなす角度ωの方向から基準面の鉛直方向に変換するとき、後側屈折面２が回転軸となす角度αはスネルの法則から数２が導かれる。
図２はトロイダル面１の焦点７に発光素子９を設け、円錐の後側屈折面２で回転軸に平行な平行光に変換する状態を示す断面図である。回転軸の周囲を空芯にすると直進するのでトロイダルレンズ８を通過した光と整合をとるために光軸周辺にレンズを形成している。回転軸を含む領域のレンズを光軸レンズ５と呼ぶことにし、図面では光軸レンズ５の入射面に指示線を入れている。光軸レンズ５は入射面側の半径よりも射出面側の半径が大きいので入射面側が凹面になり、トロイダル面１と後側屈折面２で構成したときの光軸レンズ５はメニスカスレンズである。

次に、後側反射面３で変換する場合について述べる。トロイダル面１の後側反射面３は一定幅の円錐状に拡がって伝播する光を回転軸方向に近づける反射面で、更に屈折射出面４で回転軸方向に変換しているが、反射方向あるいは射出方向によっては屈折射出面４を直進する場合もある。トロイダル面１、後側反射面２と屈折射出面３で形成される構造を図３に示す。後側反射面３は金属鏡面などを利用することも出来るが、ｎ２より低屈折率の物質との界面で構成すると全反射面になり低コストで製造することが出来る。このため、図３などは全反射面となるように後方に空隙１１を設けている。
トロイダル面１の後側反射面３が回転軸となす角度η、トロイダル面の法線が回転軸となす角度ω、反射光方向が回転軸となす角度δは数３で示される。
トロイダル面１の後側反射面３からの反射光が屈折射出面で回転軸に平行に射出するとき、反射光方向が回転軸となす角度δから屈折射出面４が回転軸となす角度βはスネルの法則から数４が導かれる。

トロイダル面１の後側反射面３を通過してから回転軸方向に変換された光と整合を取るために回転軸を含む領域に光軸レンズ５を形成しているが、図３はトロイダルレンズの内側の光軸レンズ５を両凸レンズで構成した表面実装型ＬＥＤである。光軸レンズ５の入射面とトロイダル面の境界点と、光軸レンズ５の射出面と後側屈折面の境界を比べると、後側反射面の傾斜、光軸球面レンズの径の設定によって反射光が射出面を通る位置が変化する。このため、トロイダル面１と後側反射面３で構成したときの光軸レンズ５は両凸レンズ、メニスカスレンズ、平凸レンズが存在する。トロイダル面１と後側反射面３で構成し、光軸レンズ５を楕円射出面と球面入射面のメニスカスレンズで構成した例を図４に示す。図３と図４の中間では平凸レンズが存在するが図示は省略する。
楕円面は数５で表され、長軸をｘとすると発光素子は射出面から離心率ｅの遠い側の位置ａ・ｅに設ける構造である。
屈折率１．４９のポリメチルメタクリレートではほぼａ＝４、ｂ＝３、ｅ＝０．６６である。屈折率が異なる物質ではスネル則に基づいた光線追跡あるいは軸光と周辺光の光路長が等しくなる楕円面形状にするとほぼ平行光を射出することが出来る。従来の砲弾型ＬＥＤの楕円レンズは楕円面の外周部を超えた円筒面で全反射が発生するが、図４の楕円レンズの集光角を超えるとトロイダル面に入射するので従来のような全反射領域は存在しない。

図４の構造で封止樹脂の凸面と楕円レンズの入射側凹面を密着させようとすると鋭角部分が生じて製造が難しくなるため、トロイダル面を封止樹脂側に設ける構造の表面実装型ＬＥＤの例を図５、リードフレーム型ＬＥＤの例を図６に示す。図５、図６の場合、図１のトロイダル面の向きとは異なるが、トロイダル面で平行に変換してから後側反射面３のあるレンズの平面に入射して後側反射面３で回転軸方向に変換する。このとき、封止樹脂側のトロイダル面１の焦点距離ｆ２は数１で表される。封止樹脂１０の凸面と楕円レンズ２１の入射側凹面の接合面１７は特にリードフレーム型ＬＥＤでは接着すると強固に固定することが出来る。

レンズ半径に対する光源からレンズ先端までの比は図２２のレンズの約３倍に比べ、トロイダル面１と後側反射面３で形成したトロイダルレンズは約１．４と半分以下に薄型化している。従来の楕円レンズはその比が約２．５倍なので約０．６倍に薄型化出来、全反射光や側面漏れ光がない利点がある。図２３のレンズはレンズ半径に対する光源からレンズ先端までの比は約２倍で、全反射を回避出来るが指向角が１５°以上である。トロイダルレンズはこれよりも約０．７倍に薄型化出来、全反射を回避してほぼ平行光を射出する。図３〜６では平行光の例を示しているが、指向角は任意に設定出来、１５°、３０°などの例は図１０、図１１などで後述する。

図３などの構造ではトロイダルレンズと封止樹脂を低屈折率層で分離する構造が必要である。屈折率ｎ２の透光物質で凸レンズを形成するには屈折率比を大きくする必要から低屈折率ｎ１の物質として屈折率がほぼ１の空気、不活性ガスなどの気体が適し、図３などでは低屈折率層を空隙１１と図示している。尚、全反射面を形成するための低屈折率層も空隙１１として示している。レンズ内に発光素子を埋設する砲弾型ＬＥＤは耐熱性、耐光性が高いエポキシ樹脂、シリコーン樹脂が多く使用されるが、発光素子を埋設しないトロイダルレンズは耐熱性、耐光性に対する要求度が低下する。ｎ２の高屈折率側の透光物質としてポリメチルメタクリレート、シクロオレフィン樹脂、ポリカーボネート、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂などが適している。透光物質は透過率が高いだけでなく、焦点距離と収差を小さくするには屈折率が高い方が有利である。ポリカーボネートは屈折率１．５９で、これらの内で最も高く、小型化するには有利である。封止樹脂は発光素子を埋設するので耐熱性、耐光性が高い必要があり、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂などが適している。

図２１の球面レンズは周辺光で球面収差が大きくなっているが、球面収差はsinθ≒θで近似することによって生じる収差である。屈折面を２つ持つ一般のレンズでは光線高ｈが大きい領域の収差を小さくする方法として非球面レンズが利用されている。
トロイダルレンズの場合は凸面の円弧が離心して回転しているので球面ではないが断面は円弧になっており、球面収差と同じ理由で光線高ｈによる収差がある。しかし、本願発明のトロイダルレンズはトロイダル面と光軸レンズ５に分割されるため、同一焦点距離、同一開口数の球面レンズと比較して光線高ｈが小さいので低収差にすることが可能である。図３のトロイダル面の集光角θは１５°で、このときの平行からのずれは３．１°だが、トロイダル面を３つ併設した図１４では集光角θは８°で、平行からのずれは０．４°である。トロイダル面の集光角θが大きい領域は後側反射面３に凸面を用いて収差補正することも可能である。図４〜図６の光軸レンズ５は集光角が大きいが、周辺光と光軸光の光路長が等しい楕円面によって収差補正している。図３の光軸レンズ５は射出面の傾斜を数２と同様に設定して回転軸に平行に射出している。

焦点からの光はトロイダル面で屈折して図１のように一定幅２ｈで平行に円錐状に伝播するが、発光素子９は約３００μｍ角などのチップが使われ、チップの中心光と周辺光ではトロイダル面で屈折する方向が異なり、平行性の誤差になる。発光素子９の中心と周辺の寸法差をｄ、焦点距離をｆとして図７に示すと、拡散角度φは数６で示される。
３００μｍ角の発光素子９ではｄが０．１５ｍｍなので、ｆ＝２．１ｍｍ、ｎ２＝１．４９のときの拡散角度φは２．７°である。
蛍光変換白色ＬＥＤの場合は蛍光体層の寸法ｄが発光素子より大きく、拡散角度φが大きくなる。例えば、砲弾型ＬＥＤのカップ寸法は半径が約０．５ｍｍなので蛍光体層の寸法ｄ＝０．５ｍｍ、焦点距離ｆ＝２．１ｍｍ、ｎ２＝１．４９とすると、拡散角度φは９°である。

光軸レンズ５を封止樹脂側に設けて、トロイダルレンズ８がトロイダル面１と後側反射面３だけの、光軸付近が空芯の蛍光変換白色ＬＥＤを図８に示す。光軸レンズ５は発光素子を埋設した封止樹脂レンズである。この光軸レンズ５は従来の球面や楕円面のＬＥＤレンズに比べて集光角が狭いので収差が小さく、光軸レンズ５の集光角範囲外はトロイダル面なので全反射領域が存在しない。トロイダル面１は空芯のトロイダルレンズ８の側だけでなく、封止樹脂側にも併設して空芯のトロイダルレンズの曲率半径を大きくすることも可能である。後側反射面３からの反射光の方向は光軸側に約１２°傾けているので、発光素子を光軸レンズ曲率半径の約１．５倍の位置に設けるとこれにバランスした拡散光を得ることが出来る。図８の例は蛍光体による拡散角を含めトータルで２０°である。

光学中心が焦点の場合は図１のように断面視で平行光になるが、蛍光体層の寸法と焦点距離による拡散角度の他に、発光素子を焦点からずらしても拡散光を生じる。図７の発光素子９の周辺からレンズ口径部に入射する光線が光軸と交差する点をＧとすると、Ｇに点光源を設けても同じ拡散角になる。Ｆ１の位置に発光素子を設け、レンズの曲率半径ｒをｆ／ｇ倍にしても同じ拡散角φになる。トロイダル面１の曲率半径を数1のｆ／ｇ倍にすると拡散光になる。凸面の屈折射出面で回転軸に平行な方向に変換する表面実装型ＬＥＤの構造を図９に示す。

トロイダル面１と後側反射面３、トロイダル面１と後側屈折面２の同心構造で構成し、光軸周辺をメニスカスレンズで構成したときの構造を図１０に示す。これはトロイダル面１と後側屈折面２による図９の構造と、トロイダル面１と後側反射面３による図３の構造を同心構造で結合したものである。同心の内側のトロイダル面を内側トロイダル面、同心の外側のトロイダル面を外側トロイダル面と呼ぶことにする。内側トロイダル面の曲率半径を数1のｆ／ｇ倍にして凸面の屈折射出面で回転軸に平行な方向に変換し、外側トロイダル面から円錐状に拡がって後側反射面と屈折射出面で回転軸方向に変換する同心構造である。
蛍光体分散層の寸法によって拡散角を生じるが、トロイダル面１の後側屈折面２と後側反射面３による進行方向に蛍光体の寸法による拡散角の差を持たせ、励起光と蛍光が同一方向で平均化されて混色するメカニズムについて説明する。後側屈折面２の内側トロイダル面１と、後側反射面３の外側トロイダル面１の交点に発光素子９からの励起光と蛍光体１６の両端からの光線が入射している。後側反射面３から励起光が鉛直線方向、蛍光が鉛直線の対称方向に射出しているが、後側屈折面２から一方の蛍光が鉛直方向、励起光が蛍光体の一方の端からの傾斜光方向に一致している。このため、鉛直方向と一方の傾斜光方向は励起光と蛍光が平均化されて混色する。蛍光体の残る一方の端からの傾斜光にはこのような平均化はないが、この傾斜光方向により全体では拡散角１５°である。

屈折射出面４を平坦にすると製造が容易になる利点があり、屈折射出面４を平坦にして３０°以内を実現する例を図１１、図１２に示す。図１１はトロイダル面１と後側反射面３、トロイダル面１と後側屈折面２を用いて屈折射出面４が平坦なレンズで拡散角度を２５°以内に設定した例である。後側反射面３による励起光の射出方向約１５°の矢線を最も長く表示し、後側屈折面２による蛍光の射出方向約１５°の矢線を最も長く表示すると、これらは同一方向に射出するので平均化される。後側反射面３による蛍光の射出方向約２２°の矢線を２番目に長く表示し、屈折射出面２による励起光の射出方向約２２°の矢線を２番目に長く表示すると、これらは同一方向に射出するので平均化される。対称方向に射出する右側のトロイダル面と後側反射面、及び左側のトロイダル面と後側屈折面も同様に励起光と蛍光が平均化される。蛍光体層が平坦な構造は傾斜光方向によって蛍光体層の長さが変わるので色むらが出やすいが、平坦な蛍光体層でもこの平均化により拡散角度２５°の範囲に色むらなく照明出来る。
図１２は光軸周辺に図３のような凸レンズを用いて屈折射出面４を平坦にしているが、上記と同様に励起光と蛍光を平均化によって色むらを緩和し、拡散角度を３０°以内に設定した例である。

図１０の射出面の構造を単純化して凸レンズと平坦な屈折射出面のリードフレーム型ＬＥＤの例を図１３に示す。屈折射出面４を平坦にして光軸側に約７°傾け、後側屈折面２と光軸レンズを１つの凸レンズで形成して最大９°の拡散光にすると平均を約７°にバランスさせることが出来る。蛍光体１６の寸法による拡散角約７°があり、蛍光体の周辺部からの光を含めて拡散角を２０°以内にすることが出来る。図１３では上記バランスを簡潔に表すため発光素子９からの光線だけを示している。

トロイダル面１と後側反射面３で構成した図１０の構造に、トロイダル面１と後側反射面３を更に追加すると集光角を６４°に拡大することが出来る。この構造の表面実装型ＬＥＤの例を図１４、リードフレーム型ＬＥＤの例を図１５に示す。後側反射面３が２つあるのでその中間部を保持作用に利用することが出来る。図１４では２つのレンズ後側反射面３の中間部をケースで保持しているが、図１５のようにトロイダルレンズ８と封止樹脂１０の接合部１７に利用することも出来る。図１５の構造はリードフレームをモールドした封止樹脂部を従来の砲弾型ＬＥＤと同様な成型方法で成型し、レンズ部を接合して製造することが出来る。

図１４の表面実装型ＬＥＤは２つの後側反射面３の傾斜が異なっているが、２つの後側反射面３の傾斜を連続的に変えて後側反射面３を凹面にすることも出来る。蛍光体を用いた場合は拡散光なので後側反射面３の傾斜を連続的に変えても影響がなく、図１６は拡散角度を１０°に設定した例である。

焦点からレンズの開口径に入射する範囲を口径角θと呼び、この正弦値sinθを開口数ＮＡで表示してレンズの明るさの指標に利用されている。照明装置では光源側の口径角を集光角θと呼んでいるが、放射角が大きければ集光角を大きくすることが出来るので照明装置の放射角に依存する。平行光に変換するコリメーターで集光角を比較すると、両凸レンズでＮＡ０．５の場合は３０°、発光素子を埋設した図２１の球面レンズは約３０°、図４の楕円レンズ単体では約４０°である。これに対して、図４の楕円レンズとトロイダルレンズを組み合わせたレンズ全体は焦点を取り囲むように配置されているため６２°である。光度半値角は軸対称に表すため光度半値角では１２４°で、光度半値角１２０°の表面実装型ＬＥＤの半値角範囲内を集光することが出来る。

焦点上の発光素子から凸レンズに入射すると、光束密度は距離の２乗に反比例するので周辺光ほど光束密度が低下する。図３の光軸の両凸レンズは集光角θが３０°の方向の距離は光軸方向の１．２倍なので光束密度は光軸の０．６９倍である。このレンズ面を仮にＮＡ０．６４に相当する４０°まで延長すると光束密度は０．４８に低下するが、実際は３０°以上の範囲はトロイダル面１なのでトロイダル面１の法線方向４５°で光束密度０．８１、最大口径の６０°の点で光束密度０．６であり、光束密度が大幅に均一化されている。両凸の光軸レンズ５に比べ、図１０、図１４などの内側トロイダル面と後側屈折面を有するレンズは発光素子からの距離がほぼ一定なので光束密度は最小でも０．８３である。このように、従来のレンズに比べて本願発明のトロイダルレンズは光束密度の均一度を高めることが出来る。

トロイダル面１と後側屈折面２あるいは後側反射面３からなるトロイダルレンズ８を集合してトロイダルレンズアレイにするとＬＥＤと組み合わせて面照明装置を構成することが出来る。トロイダルレンズアレイの例を図１７と図１８に示すが、図１７は図１４の後側反射面３の中間部をアレイ連結部１７として利用したものである。図１８は射出面が平坦な図１２の単体レンズを用いて面照明装置の平坦な外装面として利用する例で、図１８の光源側の外観斜視図を図１９に示す。

トロイダル面１と後側屈折面２あるいは後側反射面３からなるトロイダルレンズ８は開口数ＮＡが大きく、光束密度の均一度が高いので光ディスク装置の集光レンズや対物レンズなどに使用することも可能である。対物レンズの場合は平行光を焦点にコリメートするので光の進行方向を上記の逆にした利用方法である。光学中心に発光素子を設けず、回転軸方向から平行光を入射して光学中心位置に集光する対物レンズの例を図２０に示す。この光学中心の寸法はビームウェスト径と呼ばれ、ビームウェスト径はＮＡと波長で設定可能なので、内側トロイダル面１と後側屈折面２をＮＡ０．４５のＣＤ用、外側トロイダル面１と後側反射面３の一方はＮＡ０．６５のＤＶＤ用とＮＡ０．８５のＢＤ用にして、ディスク厚に応じて焦点距離を変えれば光ディスク用多焦点レンズに利用出来る。

１．従来のレンズ付ＬＥＤは球面レンズ円筒部のレンズ長／半径比３．１、楕円レンズ円筒部のレンズ長／半径比２．５でレンズ寸法が長いが、本願トロイダルレンズはレンズ長／半径比１．４で０．６倍以下に小型化される。
２．従来のＬＥＤは球面と円筒面の境界付近で全反射して頂部付近で側面に漏れるか発光素子方向に多重反射して損失になるが、本願トロイダルレンズは発光素子からトロイダル面と光軸レンズに入射して屈折面から射出するのでこのような全反射損失が存在せず、光路が明確である。
３．従来のＬＥＤで全反射損失回避するには広指向角にせざるを得ないが、本願トロイダルレンズはトレードオフの関係がないので全反射損失を伴わずに狭指向角配光を独立して設定出来る。
４．従来の球面レンズのＬＥＤは周辺光が球面収差により拡散光になるが、本願トロイダルレンズはθ１５°以内の光をトロイダル面に入射するので低収差である。
５．集光角を約６２°に高めることが出来、光度半値角１２０°の表面実装型ＬＥＤを使用しても、発光素子からの殆どの放射光を活用でき、効率改善に寄与する
６．フレネルレンズ付表面実装型ＬＥＤのような励起光と蛍光の光束むら、色むらや蛍光の再帰反射損失がなく、内側トロイダル面と後側屈折面を有するレンズは発光素子からの距離がほぼ一定なので図１４の例では０．８３と、光束均一度を高めることが出来る。
７．半球面レンズは光束むらが大きく、拡散処理により透過損失・再帰反射損失が発生し、拡散処理で励起光と蛍光をレンズ中心部で混色することは出来ない。本願トロイダルレンズはトロイダル面の後側屈折面と後側反射面による進行方向に蛍光体の拡散角の差を設ければ、励起光と蛍光の射出方向をバランスさせて混色することが出来る。
８．環状レンズに多数のＬＥＤを配置する照明装置は周方向成分により斜め射出光や溝内部の周回光で効率が低下するが、本願トロイダルレンズは発光素子からトロイダル面と光軸レンズに入射して屈折面から射出するので光路や指向角分布が明確で、従来例のような周回する全反射損失が存在しない。

トロイダル面１と回転軸６の関係を示す原理図トロイダル面１と円錐の後側屈折面２のトロイダルレンズトロイダル面１・後側反射面３と両凸面の光軸レンズ５からなる表面実装型ＬＥＤトロイダル面１・後側反射面３と楕円面の光軸レンズ５からなる表面実装型ＬＥＤ封止樹脂側のトロイダル面１、レンズの後側反射面３と楕円レンズからなる表面実装型ＬＥＤ封止樹脂側のトロイダル面１、レンズの後側反射面３と楕円レンズからなるリードフレーム型ＬＥＤ発光素子寸法による拡散光と、光学中心を焦点からずらした場合の拡散光楕円レンズ２１を封止樹脂側に形成し、トロイダル面１と後側反射面３からなる空芯のトロイダルレンズ８で構成した表面実装型ＬＥＤトロイダル面１と凸面の後側屈折面２のトロイダルレンズ８を使用した表面実装型ＬＥＤトロイダル面１と後側反射面３、トロイダル面１と円錐の後側屈折面２、光軸メニスカスレンズで構成した表面実装型蛍光変換白色ＬＥＤトロイダル面１と後側反射面３、トロイダル面１と平坦な後側屈折面２の蛍光変換白色ＬＥＤトロイダル面１と後側反射面３、平凸の光軸レンズ５、平坦な射出面４の蛍光変換白色ＬＥＤ射出面が凸面と平面からなるリードフレーム型蛍光変換白色ＬＥＤトロイダル面１と後側反射面３を併設した表面実装型ＬＥＤトロイダル面１と後側反射面３を併設したリードフレーム型ＬＥＤ凹面の後側反射面３の蛍光変換白色ＬＥＤ図１４のレンズユニットを組み合わせたトロイダルレンズアレイ図１２の平面射出面のレンズユニットを組み合わせたトロイダルレンズアレイ図１８のトロイダルレンズアレイを光源側から見た斜視図トロイダルレンズ８を用いた光ディスク用対物レンズ球面レンズの内部焦点に発光素子を設ける構造の従来のレンズ球面レンズの内部焦点より先端側に発光素子を設ける構造の従来のレンズフレネルレンズを用いた従来の表面実装型蛍光白色ＬＥＤ半球面レンズの側面の全反射光と光源からの拡散光を平面から射出する従来のレンズ図２４の凹部入射面の発光素子対向面に凸面を設けた従来のレンズ図２５の半球面レンズの反射面と凹部入射面に拡散処理した従来のレンズ

実施例１
トロイダル面１と後側反射面３、および楕円面の光軸レンズ５で構成した表面実装型ＬＥＤの実施例について図４を用いて説明する。
トロイダル面１への集光角θを１５°、全集光角θを６２°とすると、トロイダル面１の法線が回転軸となす角度ωは４７°である。トロイダル面１の後側反射面３は回転軸となす角度ηを１８°で設け、全反射面となるように後方に空隙を設けている。数３より反射光方向が回転軸となす角度δは１１°である。トロイダル面１の後側反射面３からの反射光は屈折射出面４で回転軸に平行に射出するには、反射光方向が回転軸となす角度δから屈折射出面４が回転軸となす角度νは数４から８４°である。光軸側は楕円レンズ２１で構成しているのでほぼ平行光を射出することが出来る。楕円面は数５で表され、トロイダルレンズの透光物質として屈折率１．４９のポリメチルメタクリレートではほぼａ＝４、ｂ＝３、ｅ＝０．６６である。発光素子は射出面から離心率ｅの遠い側の位置ａ・ｅに設ける構造である。
平行光からの誤差は発光素子の寸法の影響などがあり、３００μｍのチップでは約３°である。封止樹脂は発光素子を埋設するので耐熱性、耐光性が高い必要があり、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂などが適している。楕円面の光軸レンズは集光範囲を超えるとトロイダル面１に入射するので従来のような全反射は存在しない。レンズ半径に対する発光素子からレンズ先端までの比は約１．４で、レンズ半径３ｍｍでは発光素子上部寸法は４．２ｍｍである。

実施例２
封止樹脂でトロイダル面１を形成し、平面入射面・後側反射面３と楕円面の光軸レンズ５で構成したレンズからなるリードフレーム型ＬＥＤの実施例について図６を用いて説明する。封止樹脂は耐熱性、耐光性が高い必要があり、エポキシ樹脂の屈折率１．４７では楕円面の形状はほぼａ＝４、ｂ＝３、ｅ＝０．６６である。封止樹脂の球面と光軸レンズ５の入射側凹球面の間に空隙を設けずに密着することが出来る。接合部１７を接着すればレンズを強固に固定することが出来る。
封止樹脂のトロイダル面１で平行光に変換してから後側反射面３のあるレンズの平面に入射して後側反射面３で回転軸方向に変換する。封止樹脂側のトロイダル面１の焦点距離ｆ２は数１で求められ、曲率半径が０．８ｍｍで焦点距離は２．５ｍｍである。発光素子からレンズ先端までの長さは５ｍｍなので従来の砲弾型ＬＥＤと同等の寸法だが、側面全反射を防止してほぼ平行光が可能である。リードフレームを埋設する構造体なので従来の砲弾型と同様な成型方法で成型し、レンズ部を接合して製造することが出来る。

実施例３
光軸レンズ５を封止樹脂側に形成し、トロイダル面１と後側反射面３からなる空芯のトロイダルレンズ８で構成することにより拡散角２０°の表面実装型蛍光変換白色ＬＥＤの実施例について図８を用いて説明する。光軸レンズ５を封止樹脂側に設けることにより、トロイダルレンズ８はトロイダル面１と後側反射面３だけの、光軸付近が空芯の指輪のような構造である。光軸レンズ５は発光素子を埋設した封止樹脂レンズである。後側反射面３からの反射光の方向は光軸側に約１２°傾けているので、光軸レンズ５はトロイダル面との境界で発光素子からの光が約１４°の傾斜光となるように、曲率半径の約１．５倍の位置に発光素子を設けると後側反射面３からの反射光の方向に近い拡散角になる。光軸レンズ５の曲率半径を１．３ｍｍ、発光素子からレンズ先端まで２ｍｍである。空芯のトロイダルレンズ８の直径は４．２ｍｍ、表面実装型ＬＥＤの寸法は幅５ｍｍ、高さ３ｍｍである。光軸レンズ５の範囲を超えるとトロイダル面なので全反射領域が存在しない。

実施例４
図１０は外側トロイダル面１と後側反射面３、内側トロイダル面１と後側屈折面２、光軸周辺をメニスカスレンズで構成し、トロイダル面の後側屈折面２と後側反射面３の光進行方向に蛍光体による数５の拡散角の差を持たせたときの表面実装型蛍光変換白色ＬＥＤの例である。
外側トロイダル面１の法線が回転軸となす角度ωは４５°、後側反射面３が回転軸となす角度１５°、屈折射出面４が回転軸となす角度３１°で励起光が回転軸方向に射出する。内側トロイダル面１の法線が回転軸となす角度ωは１７°、後側屈折面２が回転軸となす角度３３°で蛍光体の一方の端からの光が回転軸方向に射出する。
このため、鉛直方向と一方の傾斜光方向は励起光と蛍光が平均化されて混色する。蛍光体の残る一方の端からの傾斜光はこのような平均化はないが、この傾斜光方向により全体では拡散角１５°の範囲に色むらなく照明出来るのでスポットライトなどの照明装置に適している。

実施例５
トロイダル面１と後側屈折面２、トロイダル面１と後側反射面３の屈折射出面４を平坦に構成した表面実装型蛍光変換白色ＬＥＤの実施例について図１１を用いて説明する。射出面を平坦にすると製造が容易になり、励起光と蛍光の射出方向を揃えることにより色むらを緩和することが出来る構造である。
外側トロイダルレンズの法線が回転軸となす角度ωは４５°、後側反射面が回転軸となす角度１５°、内側トロイダルレンズの法線が回転軸となす角度ωは１７°で、後側反射面３による励起光の射出方向と、後側屈折面２による蛍光の射出方向は同一方向なので平均化される。後側反射面３による蛍光の射出方向と、屈折射出面２による励起光の射出方向は同一方向なので平均化される。上記対称方向も同様に励起光と蛍光が平均化される。この平均化により拡散角度２５°の範囲に色むらなく照明出来るのでダウンライト、天井灯などの照明装置に適している。

実施例６
トロイダル面１と後側屈折面２、後側反射面３で構成した図１０の構造に、トロイダル面１と後側反射面３を更に追加すると集光角を更に拡大し、２つの後側反射面３の中間部をレンズと封止樹脂の接合部１７に利用するリードフレーム型ＬＥＤの例について図１５を用いて説明する。内側トロイダル面１の後側屈折面２は凸面の図９の構造を用い、内側トロイダル面１の法線が回転軸となす角度ωは１８°、後側屈折面２は凸面の中心部が回転軸となす角度３８°、外側トロイダル面１の法線が回転軸となす角度ωは３７°と５４°、後側反射面３が回転軸となす角度７°と１０°である。内側トロイダル面１の曲率半径１．２ｍｍ、後側屈折面２の曲率半径３．６ｍｍである。光軸レンズ５の射出面は曲率半径１ｍｍで前記凸面に連続させている。外側トロイダル面の曲率半径は１ｍｍ、後側反射面３が回転軸となす角度は発光素子からレンズ先端までの長さは３．５ｍｍなので従来の砲弾型ＬＥＤより小型化され、側面全反射を伴わずに約３°拡散角が可能である。リードフレームをモールドした封止樹脂部は従来の砲弾型ＬＥＤと同様な成型方法なので、これにレンズ部を接合して製造することが出来る。

実施例７
外側トロイダル面１と後側反射面３を２つ用い、内側トロイダル面１と後側屈折面２、光軸周辺をメニスカスレンズで構成したトロイダルレンズアレイの実施例について図１７を用いて説明する。この単体レンズは図１４、図１５に相似なレンズで、内側トロイダル面１の法線が回転軸となす角度ωは１８°、後側屈折面２は凸面の中心部が回転軸となす角度３８°、外側トロイダル面１の法線が回転軸となす角度ωは３７°と５４°、後側反射面３が回転軸となす角度７°と１０°である。レンズ単体の焦点にＬＥＤを設けてこれらを複数用いるとヘッドライト、スポットライトなど光量の大きな照明装置に利用することが出来る。照明装置に必要な拡散角に応じて蛍光体による拡散角で焦点距離を設定する必要がある。例えば、ＬＥＤの発光面の半径ｄ＝１ｍｍ、レンズ８に屈折率１．５９のポリカーボネートを用い、拡散角度φ１０°のとき、数６により焦点距離３．６ｍｍ、数１によりトロイダル面の曲率半径２．１ｍｍである。

１：トロイダル面２：後側屈折面
３：後側反射面４：屈折射出面
５：光軸レンズ（入射面）６：回転軸
７：焦点８：トロイダルレンズ
９：発光素子１０：封止樹脂
１１：空隙１２：ケース
１３：電極・リードフレーム１４：基板
１５：ケース反射面１６：蛍光体
１７：接合部・連結部１８：ボンディングワイヤ
１９：ＬＥＤ２０：支持物
２１：楕円レンズ２２：散乱層

トロイダル面１に入射した光は凸面の法線と回転軸のなす角度ωあるいはχの方向に幅２ｈで一定幅の円錐状に拡がって伝播し、この経路に屈折面あるいは反射面を設けると方向変換する。これらの屈折面あるいは反射面を後側屈折面２あるいは後側反射面３と呼び、まず初めに後側屈折面２で変換する場合について述べる。
一定幅の円錐状に拡がって伝播する光は円錐の後側屈折面２で回転軸方向の平行光に変換することが出来る。高屈折率のｎ２側から低屈折率のｎ１側に射出し、凸面の中心線と回転軸のなす角度χの方向から基準面の鉛直方向に変換するとき、後側屈折面２が回転軸となす角度αはスネルの法則から数２が導かれる。

図２はトロイダル面１の焦点７に発光素子９を設け、円錐の後側屈折面２で回転軸に平行な平行光に変換する状態を示す断面図である。回転軸の周囲を空芯にすると直進するのでトロイダルレンズ８を通過した光と整合をとるために光軸周辺にレンズを形成している。回転軸を含む領域のレンズを光軸レンズ５と呼ぶことにし、図面では光軸レンズ５の入射面に指示線を入れている。図２の光軸レンズ５は入射面側の半径よりも射出面側の半径が大きいので入射面側が凹面になり、トロイダル面１と後側屈折面２で構成したときの光軸レンズ５はメニスカスレンズである。

図４の構造で封止樹脂の凸面と楕円レンズの入射側凹面を密着させようとすると鋭角部分が生じて製造が難しくなるため、トロイダル面を封止樹脂側に設ける構造の表面実装型ＬＥＤの例を図５、リードフレーム型ＬＥＤの例を図６に示す。図５、図６の場合、図１のトロイダル面の向きとは異なるが、トロイダル面で平行に変換してから後側反射面３のあるレンズの円錐面に入射して後側反射面３で回転軸方向に変換する。このとき、封止樹脂側のトロイダル面１の焦点距離ｆ２は数１で表される。封止樹脂１０の凸面と楕円レンズ２１の入射側凹面の接合面１７は特にリードフレーム型ＬＥＤでは接着すると強固に固定することが出来る。

レンズ半径に対する光源からレンズ先端までの比は図２１のレンズの約３倍に比べ、トロイダル面１と後側反射面３で形成したトロイダルレンズは約１．４と半分以下に薄型化している。従来の楕円レンズはその比が約２．５倍なので約０．６倍に薄型化出来、全反射光や側面漏れ光がない利点がある。図２２のレンズはレンズ半径に対する光源からレンズ先端までの比は約２倍で、全反射を回避出来るが指向角が１５°以上である。トロイダルレンズはこれよりも約０．７倍に薄型化出来、全反射を回避してほぼ平行光を射出する。
図３〜６では平行光の例を示しているが、指向角は任意に設定出来、１５°、３０°などの例は図１０、図１１などで後述する。

焦点からレンズの開口径に入射する範囲を口径角θと呼び、この正弦値sinθを開口数ＮＡで表示してレンズの明るさの指標に利用されている。照明装置では光源側の口径角を集光角θと呼んでいるが、放射角が大きければ集光角を大きくすることが出来るので照明装置の放射角に依存する。平行光に変換するコリメーターで集光角を比較すると、両凸レンズでＮＡ０．５の場合は３０°、発光素子を埋設した図２１の球面レンズは約２５°、図４の楕円レンズ単体では約３０°である。これに対して、図４の楕円レンズとトロイダルレンズを組み合わせたレンズ全体は焦点を取り囲むように配置されているため６２°である。光度半値角は軸対称に表すため光度半値角では１２４°で、光度半値角１２０°の表面実装型ＬＥＤの半値角範囲内を集光することが出来る。

実施例１
トロイダル面１と後側反射面３、および楕円面の光軸レンズ５で構成した表面実装型ＬＥＤの実施例について図４を用いて説明する。
トロイダル面１への集光角θを１５°、全集光角θを６２°とすると、トロイダル面１の法線が回転軸となす角度ωは４７°である。トロイダル面１の後側反射面３は回転軸となす角度ηを１８°で設け、全反射面となるように後方に空隙を設けている。数３より反射光方向が回転軸となす角度δは１１°である。トロイダル面１の後側反射面３からの反射光は屈折射出面４で回転軸に平行に射出するには、反射光方向が回転軸となす角度δから屈折射出面４が回転軸となす角度βは数４から４８°である。光軸側は楕円レンズ２１で構成しているのでほぼ平行光を射出することが出来る。楕円面は数５で表され、トロイダルレンズの透光物質として屈折率１．４９のポリメチルメタクリレートではほぼａ＝４、ｂ＝３、ｅ＝０．６６である。発光素子は射出面から離心率ｅの遠い側の位置ａ・ｅに設ける構造である。
平行光からの誤差は発光素子の寸法の影響などがあり、３００μｍのチップでは約３°である。封止樹脂は発光素子を埋設するので耐熱性、耐光性が高い必要があり、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂などが適している。楕円面の光軸レンズは集光範囲を超えるとトロイダル面１に入射するので従来のような全反射は存在しない。レンズ半径に対する発光素子からレンズ先端までの比は約１．４で、レンズ半径３ｍｍでは発光素子上部寸法は４．２ｍｍである。

実施例４
図１０は外側トロイダル面１と後側反射面３、内側トロイダル面１と後側屈折面２、光軸周辺をメニスカスレンズで構成し、トロイダル面の後側屈折面２と後側反射面３の光進行方向に蛍光体による数５の拡散角の差を持たせたときの表面実装型蛍光変換白色ＬＥＤの例である。
外側トロイダル面１の法線が回転軸となす角度ωは４５°、後側反射面３が回転軸となす角度１５°、屈折射出面４が回転軸となす角度５９°で励起光が回転軸方向に射出する。内側トロイダル面１の法線が回転軸となす角度χは１７°、後側屈折面２が回転軸となす角度５７°で蛍光体の一方の端からの光が回転軸方向に射出する。このため、鉛直方向と一方の傾斜光方向は励起光と蛍光が平均化されて混色する。蛍光体の残る一方の端からの傾斜光はこのような平均化はないが、この傾斜光方向により全体では拡散角１５°の範囲に色むらなく照明出来るのでスポットライトなどの照明装置に適している。

実施例５
トロイダル面１と後側屈折面２、トロイダル面１と後側反射面３の屈折射出面４を平坦に構成した表面実装型蛍光変換白色ＬＥＤの実施例について図１１を用いて説明する。射出面を平坦にすると製造が容易になり、励起光と蛍光の射出方向を揃えることにより色むらを緩和することが出来る構造である。外側トロイダルレンズの法線が回転軸となす角度ωは４５°、後側反射面が回転軸となす角度１５°、内側トロイダルレンズの法線が回転軸となす角度χは１７°で、後側反射面３による励起光の射出方向と、後側屈折面２による蛍光の射出方向は同一方向なので平均化される。後側反射面３による蛍光の射出方向と、屈折射出面２による励起光の射出方向は同一方向なので平均化される。上記対称方向も同様に励起光と蛍光が平均化される。この平均化により拡散角度２５°の範囲に色むらなく照明出来るのでダウンライト、天井灯などの照明装置に適している。

実施例６
トロイダル面１と後側屈折面２、後側反射面３で構成した図１０の構造に、トロイダル面１と後側反射面３を更に追加すると集光角を更に拡大し、２つの後側反射面３の中間部をレンズと封止樹脂の接合部１７に利用するリードフレーム型ＬＥＤの例について図１５を用いて説明する。内側トロイダル面１の後側屈折面２は凸面の図９の構造を用い、内側トロイダル面１の法線が回転軸となす角度χは１８°、後側屈折面２は凸面の中心部が回転軸となす角度３８°、外側トロイダル面１の法線が回転軸となす角度ωは３７°と５４°、後側反射面３が回転軸となす角度１４°と２０°である。内側トロイダル面１の曲率半径１．２ｍｍ、後側屈折面２の曲率半径３．６ｍｍである。光軸レンズ５の射出面は曲率半径１ｍｍで前記凸面に連続させている。外側トロイダル面の曲率半径は１ｍｍ、後側反射面３が回転軸となす角度は発光素子からレンズ先端までの長さは３．５ｍｍなので従来の砲弾型ＬＥＤより小型化され、側面全反射を伴わずに約３°拡散角が可能である。リードフレームをモールドした封止樹脂部は従来の砲弾型ＬＥＤと同様な成型方法なので、これにレンズ部を接合して製造することが出来る。

実施例７
外側トロイダル面１と後側反射面３を２つ用い、内側トロイダル面１と後側屈折面２、光軸周辺をメニスカスレンズで構成したトロイダルレンズアレイの実施例について図１７を用いて説明する。この単体レンズは図１４、図１５に相似なレンズで、内側トロイダル面１の法線が回転軸となす角度χは１８°、後側屈折面２は凸面の中心部が回転軸となす角度３８°、外側トロイダル面１の法線が回転軸となす角度ωは３７°と５４°、後側反射面３が回転軸となす角度１４°と２０°である。レンズ単体の焦点にＬＥＤを設けてこれらを複数用いるとヘッドライト、スポットライトなど光量の大きな照明装置に利用することが出来る。照明装置に必要な拡散角に応じて蛍光体による拡散角で焦点距離を設定する必要がある。例えば、ＬＥＤの発光面の半径ｄ＝１ｍｍ、レンズ８に屈折率１．５９のポリカーボネートを用い、拡散角度φ１０°のとき、数６により焦点距離３．６ｍｍ、数１によりトロイダル面の曲率半径２．１ｍｍである。

屈折率ｎ２の透光物質で、より低屈折率ｎ１の物質との界面に曲率半径ｒの円弧で凸面を形成し、低屈折率ｎ１側の焦点から凸面で屈折して透光物質中に略平行光が伝播するとき、低屈折率ｎ１側の焦点距離ｆ１と高屈折率ｎ２側の焦点距離ｆ２は近軸光線については数１で表される。
図１は凸曲線頂部を通る法線を回転軸にするのではなく、凸曲線頂部を通る法線上の焦点ｆ１において角度ωあるいはχで交差する別の軸を回転軸６にして、低屈折率側焦点付近の光学中心を回転軸とするトロイダル面１は発光素子９に対面して環状に周回している断面図である。円弧だけでなく、楕円、放物線、双曲線など集光作用のある凸曲線であれば環状のトロイダル面１を形成出来る。ここで、光学中心とは発光素子などの位置を表し、平行光に変換する場合は焦点に一致するが、拡散光に変換する場合は後述するように焦点からずれた位置である。
トロイダルレンズは乱視矯正レンズ、レーザープリンターのｆθレンズなどに使用されているが、乱視矯正レンズは乱視の非点収差を逆特性で矯正し、レーザープリンターのｆθレンズは感光ドラム上にθに比例して直線的に結像させるために２つの円弧の曲率半径が異なっている。これらは光軸を共通とする２つの円弧の曲率半径が異なるので非点収差があるが、環状のトロイダル面１は焦点７を通る回転軸６を中心に周回しているときの焦点は１点である。

焦点上の発光素子から放射状に射出して環状のトロイダル面１に入射した光は凸曲線の法線と回転軸のなす角度ωあるいはχの方向に一定幅２ｈで円錐状に拡がり、トロイダル面１の後側が全て屈折率ｎ２の透光物質の場合はそのまま円錐状に拡がって伝播する。図１は断面図なので光線高ｈの２倍の一定幅２ｈで平行に示されているが、平行光ではなく円錐状に拡散して伝播する。

トロイダル面１に入射した光は凸曲線頂部を通る法線と回転軸のなす角度ωあるいはχの方向に幅２ｈで一定幅の円錐状に拡がって伝播し、この経路に屈折面あるいは反射面を設けると方向変換する。これらの屈折面あるいは反射面は光学中心を基点にしてトロイダル面1の後側にあるので後側屈折面２あるいは後側反射面３と呼び、まず初めに後側屈折面２で変換する場合について述べる。
一定幅の円錐状に拡がって伝播する光は円錐の後側屈折面２で回転軸方向の平行光に変換することが出来る。高屈折率のｎ２側から低屈折率のｎ１側に射出し、凸面の中心線と回転軸のなす角度χの方向から基準面の鉛直方向に変換するとき、後側屈折面２が回転軸となす角度αはスネルの法則から数２が導かれる。
図２はトロイダル面１の焦点７に発光素子９を設け、円錐の後側屈折面２で回転軸に平行な平行光に変換する状態を示す断面図である。回転軸の周囲を空芯にすると直進するのでトロイダルレンズ８を通過した光と整合をとるために光軸周辺にレンズを形成している。回転軸を含む領域のレンズを光軸レンズ５と呼ぶことにし、図面では光軸レンズ５の入射面に指示線を入れている。光軸レンズ５は入射面側の半径よりも射出面側の半径が大きいので入射面側が凹面になり、トロイダル面１と後側屈折面２で構成したときの光軸レンズ５はメニスカスレンズである。

次に、後側反射面３で変換する場合について述べる。トロイダル面１の後側反射面３は回転軸６となす角度ωの方向に一定幅の円錐状に拡がって伝播する光を回転軸方向に近づける反射面で、更に屈折射出面４で回転軸方向に変換しているが、反射方向あるいは射出方向によっては屈折射出面４を直進する場合もある。トロイダル面１、後側反射面３と屈折射出面４で形成される構造を図３に示す。後側反射面３は金属鏡面などを利用することも出来るが、ｎ２より低屈折率の物質との界面で構成すると全反射面になり低コストで製造することが出来る。このため、図３などは全反射面となるように後方に空隙１１を設けている。
トロイダル面１の後側反射面３が回転軸となす角度η、トロイダル面の法線が回転軸となす角度ω、反射光方向が回転軸となす角度δは数３で示される。
トロイダル面１の後側反射面３からの反射光が屈折射出面で回転軸に平行に射出するとき、反射光方向が回転軸となす角度δから屈折射出面４が回転軸となす角度βはスネルの法則から数４が導かれる。

屈折率ｎ２の透光物質で、より低屈折率ｎ１の物質との界面に曲率半径ｒの円弧で凸面を形成し、低屈折率ｎ１側の焦点から凸面で屈折して透光物質中に略平行光が伝播するとき、低屈折率ｎ１側の焦点距離ｆ１と高屈折率ｎ２側の焦点距離ｆ２は近軸光線については数１で表される。
図１は凸曲線頂部を通る法線を回転軸にするのではなく、凸曲線頂部を通る法線上の焦点ｆ１において角度ωで交差する別の軸を回転軸６にして、低屈折率側焦点付近の光学中心を回転軸とするトロイダル面１は発光素子９に対面して環状に周回している断面図である。円弧だけでなく、楕円、放物線、双曲線など集光作用のある凸曲線であれば環状のトロイダル面１を形成出来る。ここで、光学中心とは発光素子などの位置を表し、平行光に変換する場合は焦点に一致するが、拡散光に変換する場合は後述するように焦点からずれた位置である。
トロイダルレンズは乱視矯正レンズ、レーザープリンターのｆθレンズなどに使用されているが、乱視矯正レンズは乱視の非点収差を逆特性で矯正し、レーザープリンターのｆθレンズは感光ドラム上にθに比例して直線的に結像させるために２つの円弧の曲率半径が異なっている。これらは光軸を共通とする２つの円弧の曲率半径が異なるので非点収差があるが、環状のトロイダル面１は焦点７を通る回転軸６を中心に周回しているときの焦点は１点である。

焦点上の発光素子から放射状に射出して環状のトロイダル面１に入射した光は凸曲線の法線と回転軸のなす角度ωの方向に一定幅２ｈで円錐状に拡がり、トロイダル面１の後側が全て屈折率ｎ２の透光物質の場合はそのまま円錐状に拡がって伝播する。図１は断面図なので光線高ｈの２倍の一定幅２ｈで平行に示されているが、平行光ではなく円錐状に拡散して伝播する。

トロイダル面１に入射した光は凸曲線頂部を通る法線と回転軸のなす角度ωの方向に幅２ｈで一定幅の円錐状に拡がって伝播し、この経路に屈折面あるいは反射面を設けると方向変換する。これらの屈折面あるいは反射面は光学中心を基点にしてトロイダル面1の後側にあるので後側屈折面２あるいは後側反射面３と呼び、まず初めに後側屈折面２で変換する場合について述べる。
一定幅の円錐状に拡がって伝播する光は円錐の後側屈折面２で回転軸方向の平行光に変換することが出来る。高屈折率のｎ２側から低屈折率のｎ１側に射出し、凸面の中心線と回転軸のなす角度ωの方向から基準面の鉛直方向に変換するとき、後側屈折面２が回転軸となす角度αはスネルの法則から数２が導かれる。
図２はトロイダル面１の焦点７に発光素子９を設け、円錐の後側屈折面２で回転軸に平行な平行光に変換する状態を示す断面図である。回転軸の周囲を空芯にすると直進するのでトロイダルレンズ８を通過した光と整合をとるために光軸周辺にレンズを形成している。回転軸を含む領域のレンズを光軸レンズ５と呼ぶことにし、図面では光軸レンズ５の入射面に指示線を入れている。光軸レンズ５は入射面側の半径よりも射出面側の半径が大きいので入射面側が凹面になり、トロイダル面１と後側屈折面２で構成したときの光軸レンズ５はメニスカスレンズである。

実施例４
図１０は外側トロイダル面１と後側反射面３、内側トロイダル面１と後側屈折面２、光軸周辺をメニスカスレンズで構成し、トロイダル面の後側屈折面２と後側反射面３の光進行方向に蛍光体による数５の拡散角の差を持たせたときの表面実装型蛍光変換白色ＬＥＤの例である。
外側トロイダル面１の法線が回転軸となす角度ωは４５°、後側反射面３が回転軸となす角度１５°、屈折射出面４が回転軸となす角度３１°で励起光が回転軸方向に射出する。内側トロイダル面１の法線が回転軸となす角度ωは１７°、後側屈折面２が回転軸となす角度３３°で蛍光体の一方の端からの光が回転軸方向に射出する。このため、鉛直方向と一方の傾斜光方向は励起光と蛍光が平均化されて混色する。蛍光体の残る一方の端からの傾斜光はこのような平均化はないが、この傾斜光方向により全体では拡散角１５°の範囲に色むらなく照明出来るのでスポットライトなどの照明装置に適している。

実施例５
トロイダル面１と後側屈折面２、トロイダル面１と後側反射面３の屈折射出面４を平坦に構成した表面実装型蛍光変換白色ＬＥＤの実施例について図１１を用いて説明する。射出面を平坦にすると製造が容易になり、励起光と蛍光の射出方向を揃えることにより色むらを緩和することが出来る構造である。外側トロイダルレンズの法線が回転軸となす角度ωは４５°、後側反射面が回転軸となす角度１５°、内側トロイダルレンズの法線が回転軸となす角度ωは１７°で、後側反射面３による励起光の射出方向と、後側屈折面２による蛍光の射出方向は同一方向なので平均化される。後側反射面３による蛍光の射出方向と、屈折射出面２による励起光の射出方向は同一方向なので平均化される。上記対称方向も同様に励起光と蛍光が平均化される。この平均化により拡散角度２５°の範囲に色むらなく照明出来るのでダウンライト、天井灯などの照明装置に適している。

Claims

凸面の法線上の光学中心で交差する回転軸で前記凸面を回転して形成されるトロイダル面と、
トロイダル面の後側反射面と、前記光学中心に設けた発光素子から構成され、
前記発光素子からトロイダル面に入射した光が後側反射面で反射して射出することを特徴とする照明装置。
トロイダル面とその後側反射面の光軸側に別のトロイダル面とその後側屈折面を設けたことを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
トロイダル面の後側反射面の反射光が屈折して射出する方向と、別のトロイダル面の後側屈折面で屈折して射出する方向に蛍光体による拡散角の差を持たせた構成からなり、励起光と蛍光が同一射出方向で平均化されて混色することを特徴とする請求項２に記載の照明装置。
トロイダル面とその後側反射面の光軸側に凸レンズを設けたことを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
トロイダル面とその後側反射面とを同軸で複数設けたことを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
凸面の法線と回転軸が交差する点が凸面外部にあることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
凸面の法線と回転軸が交差する点が凸面内部にあることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
トロイダル面とその後側反射面の光軸側に設けた凸レンズが封止樹脂レンズと一体であることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
トロイダル面の後側反射面を複数用いて、複数の後側反射面の中間部を接合部とすることを特徴とする請求項５に記載の照明装置。
凸面の法線上の光学中心で交差する回転軸で前記凸面を回転して形成されるトロイダル面と、
トロイダル面の後側屈折面と、前記光学中心に設けた発光素子から構成され、
前記発光素子からトロイダル面に入射した光が後側屈折面で屈折して射出することを特徴とする照明装置。
トロイダル面とその後側屈折面の光軸側にメニスカスレンズを設けたことを特徴とする請求項１０に記載の照明装置。
凸面の法線上の光学中心で交差する回転軸で前記凸面を回転して形成されるトロイダル面と、トロイダル面の後側反射面と、その光軸側に別のトロイダル面とその後側屈折面を設けた構造からなり、回転軸方向から平行光を入射して光学中心位置に集光することを特徴とするトロイダルレンズ。