CN103733093B - 透镜以及使用该透镜的发光装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种可进一步薄型化，且具有高聚光性的透镜以及发光装置。所述透镜具有：光入射面（10a）；与光入射面（10a）相反侧面的光出射面（10b）；配置在通过光入射面（10a）的中心的中心轴（AX）上的菲涅耳透镜（14）；以及在将中心轴（AX）作为中心的菲涅耳透镜（14）的外周边配置的衍射光栅结构（15），所述菲涅耳透镜（14）具有：第一菲涅耳透镜（14a），所述第一菲涅耳透镜（14a）具有从以光入射面（10a）的中心轴（AX）为中心配置的凸透镜分割的多个环状棱镜；以及第二菲涅耳透镜（14b），所述第二菲涅耳透镜（14b）具有从在以光入射面（10a）的中心轴（AX）为中心的第一菲涅耳透镜（14a）的外周边配置的TIR透镜分割的多个环状棱镜。

Description

透镜以及使用该透镜的发光装置
技术领域
本发明涉及一种透镜以及使该透镜和光源相对配置的发光装置。
背景技术
近年，照明、投影仪、闪光灯、汽车等的前照灯及尾灯等的发光装置中，使用发光二极管(LED)作为光源的发光装置增加。在这种发光装置，特别是作为窄指向性的LED的光源使用的装置等中，使用使从LED的光出射面出射的光聚光或准直的透镜。作为这样的透镜，通常使用凸状的折射透镜，但由于凸部具有厚度，为了寻求薄型化而提出采用菲涅耳透镜的方案。
以往，提出以下灯具的透镜的方案：在作为与光源相对的光入射面的内表面光轴(即透镜的中心轴)附近的中央部具有光栅状折射系统棱镜部，并在该光栅状折射系统棱镜部的周围部具有光栅状反射系统棱镜部(参照专利文献1)。又，提出以下透镜：在光入射面设置的菲涅耳透镜面具有多个棱镜，入射光线的一部分在其多个棱镜的一部分棱镜上设置的非透镜面被全反射后，向与光入射面相反侧的光出射面出射(参照专利文献2)。进一步，提出以下光学装置：其具有在以透镜构件的中心轴为中心的中心部设置的折射透镜部和反射体部，反射体部使光线从内侧的面部入射，并在形成抛物面状的光反射面全反射并转换成平行光线(参照专利文献3)。
然而，上述的菲涅耳透镜中，在由棱镜的入射面和棱镜的反射面以锐角构成棱镜的顶端的情况下，在金属模具填充树脂时，有顶端很细从而树脂不能进入到顶端的情况。该情况下，具有下述问题：棱镜的顶端带有圆度，在棱镜的顶端不能进行高精度的光的入射和反射，成为该菲涅耳透镜的光出射面的正面照度等的性能恶化的原因。又，在上述专利文献3记载的透镜中，也有下述的不良情况：要让从靠近带有圆度的棱镜的顶端部的光入射面入射的光全部反射，需要将棱镜的光反射面设定的较高，作为结果透镜的厚度变厚。
进一步，在上述专利文献1至3记载的透镜中，具有下述不良情况：从棱镜的光入射面入射的光的一部分不能到达棱镜的光反射面而产生损失，难以将从光源出射的光的利用效率最大化。例如，专利文献3中，由于在以中心轴为中心的凸形状的折射透镜部，与位于折射透镜部的外侧的反射体部之间，具有入射的光不能到达反射体部的光反射面的部分，从而损失透过该部分的光。
又，来自作为光源使用的LED的放射光具有光的放射角度越大光强越小的光分布。如图6所示，使作为光源2的LED的光出射面与以往的TIR(全内反射TotalInternalReflection)透镜1的光入射面相对配置时，从与LED2的光出射面相对配置的TIR透镜1的内侧的透镜的凹面3的光入射面入射的光被外侧的透镜的凸面4的光反射面全反射。最终光强较强的光作为入射光L2自LED2的中央部周围以靠近中心轴AX的位置入射至TIR透镜1的光入射面上的情况下，被透镜的凸面4的外周上方的光反射面反射。因此，该TIR透镜1的中心轴AX附近的光度高，而中心轴AX附近的外侧的中间附近的光度变低，且中间附近的外侧的光度变高。因此，即使用以往的方法将该TIR透镜1直接菲涅耳透镜化，出射的光与TIR透镜1时同样，产生以光轴为中心的环状的不需要的光(反射光斑)，余留不美观的问题。进一步，专利文献3记载的透镜中，由于反射透镜部的光入射面以及出射面均为非球面，因而具有菲涅耳透镜化时难以加工且成本高的问题。
作为其对策，提出以下透镜：将与光源相对配置的透镜的光入射面在以光源的光轴为中心的多个同心圆状的分割区域分割，在光入射面具有由与这些对应的不同折射角的多个棱镜部构成的菲涅耳透镜。TIR透镜具有：以中心轴作为中心配置在TIR透镜的下方，且与光源的发光面相对配置的透镜的凹面；以及在TIR透镜的周侧面的透镜的凸面，其构成为，使从下方的该透镜的凹面入射的光在透镜的凸面上全反射，并向着位于TIR透镜的上部，在光源的发光面的上方并与光源的发光面平行的TIR透镜的光出射面。将该TIR透镜菲涅耳透镜化并分割为多个棱镜。各棱镜由与透镜的凹面的分割区域对应的棱镜的入射面，以及与使从该分割区域入射的光全反射的透镜的凸面的分割区域对应的棱镜的反射面构成。作为菲涅耳透镜，在配置从TIR透镜被分割的棱镜的情况，越是在TIR透镜的透镜的凸面中对应外侧上方的分割区域的棱镜被配置在菲涅耳透镜的内侧位置(靠近中心轴的位置)。提出在TIR透镜中，越是与透镜的凸面中外侧下方的分割区域对应的棱镜被配置在菲涅耳透镜的外侧位置(菲涅耳透镜的外周区域)的透镜的方案(参照专利文献4、5)。
该透镜中，由于将TIR透镜的透镜面向多个棱镜菲涅耳透镜化时，形成上述的分割配置，光强较强的中央部周围的光从靠近中心轴的位置的棱镜的光入射面入射，且在该棱镜的光反射面被全反射。因此，可使在以往的TIR透镜中在外侧出射的强光在内侧的中间附近出射。由此，从明亮的中心向外侧发光强度慢慢地下降、变暗，得到作为光源人眼可自然地看见的亮度分布。作为结果，可抑制看得不自然的环状的反射光斑的产生，并改善美观程度。又，由于彼此对应的光入射面和光反射面隔着棱线构成一个棱镜，且多个棱镜连续并被配置，各棱镜中从光入射面入射的光在全部到达邻接的光反射面的时刻被全反射。由上述，通过与光源一起使用该透镜，能够得到飞跃式地提高光的利用效率的照明装置。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开昭57-55002号公报
专利文献2：日本特开昭59-119340号公报
专利文献3：日本特开平5-281402号公报
专利文献4：日本特开2010-262187号公报
专利文献5：日本特开2011-141450号公报
发明内容
发明要解决的课题
然而，上述现有技术存在以下的课题。即，专利文献4、5记载的透镜中，可寻求某种程度的薄型化，但也有由于被菲涅耳透镜化前的TIR透镜的形状造成透镜的外周侧变得厚实，这样，出现透镜整体变厚的不良情况。因此，要求更薄型且聚光性高的透镜。特别地，若透镜具有厚度，由于树脂成形时的成形时间也根据其厚度而变长，从成本方面以及量产性的观点来看也需要薄型化。又，要求以面状配置多个LED元件形成宽阔的发光面的、即使与光通量大的光源一起被使用的情况下也能得到高可靠性的、板状的透镜。
本发明是鉴于上述课题而做出的，目的在于提供一种能更薄型化、且具有高聚光性的透镜以及使用该透镜的发光装置。
用于解决课题的手段
本发明为解决所述课题采用以下构成。即，本发明涉及的一种透镜包括：光入射面；光出射面，所述光出射面在所述光入射面的相反侧；菲涅耳透镜，所述菲涅耳透镜被配置在中心轴上，所述中心轴通过所述光入射面的中心；以及衍射光栅结构，所述衍射光栅结构以中心轴为中心配置在所述菲涅耳透镜的外周边。
又，本发明涉及的透镜构件中，所述菲涅耳透镜包括：第一菲涅耳透镜，所述第一菲涅耳透镜以光入射面的中心轴为中心而配置，包括从凸透镜分割的多个环状棱镜；以及第二菲涅耳透镜，所述第二菲涅耳透镜以光入射面的中心轴为中心配置在第一菲涅耳透镜的外周边，包括从TIR透镜分割的多个环状棱镜。
又，本发明涉及的透镜中，所述衍射光栅结构包括槽间距一定的多个环形微槽，此环形微槽具有大致三角形的截面。
又，本发明涉及的透镜中，所述衍射光栅结构的环形微槽分别具有外侧斜面和内侧斜面，所述内侧斜面比外侧斜面靠近所述光入射面的中心轴的内侧斜面，环形微槽的外侧斜面的倾斜角度和所述内侧斜面的倾斜角度基于自中心轴的距离而变化。
又，本发明涉及的透镜中，菲涅耳透镜所包含的环状棱镜所接受的光的入射角的范围和衍射光栅结构所接受的光的入射角的范围彼此不同。
又，本发明涉及的发光装置具有：本发明涉及的透镜；以及光源，所述光源与透镜的光入射面相对配置并具有发光面，所述光源的发光面的中心与透镜的中心轴一致，所述光源的发光面的外周缘相对于衍射光栅结构的内径位于更内侧，所述衍射光栅结构以中心轴为中心配置在光入射面上。
发明效果
根据本发明，取得以下效果。即，根据本发明涉及的透镜以及发光装置，由于具有衍射光栅结构，整体能够更薄型化并得到高聚光性，所述衍射光栅结构使在菲涅耳透镜的外周侧形成环状的、来自光源的光衍射，并能够作为来自配置在光入射面的相反侧的出射面的衍射光出射。因此，能够得到可低成本制作、量产性优异，且具有高聚光性的照明等。
附图说明
图1是本发明的第一实施方式所涉及的透镜的剖面图。
图2是示出上述透镜的光入射面侧的俯视图。
图3是示出上述透镜的光出射面侧的俯视图。
图4是放大图1的I部分的剖面图。
图5是将凸透镜菲涅耳化成为第一菲涅耳透镜时的说明图。
图6是将TIR透镜菲涅耳化的情况的说明图。
图7是将TIR透镜菲涅耳化成为第二菲涅耳透镜时的说明图。
图8是放大图1示出的透镜的衍射光栅结构的说明图。
图9是设计第一实施方式涉及的透镜的衍射光栅结构时的原理说明图。
图10是示出衍射光栅结构的环形微槽的外侧倾斜面以及内侧倾斜面的角度设定的说明图。
图11是示出第一实施方式涉及的透镜中，相对于自透镜中心的距离的衍射光栅结构的环形微槽的外侧倾斜面以及内侧倾斜面的角度的图表。
图12是示出第一实施方式涉及的透镜中，相对于自透镜中心的距离的向透镜的到达光量的比例(累计)的图表。
图13是示出在第一实施方式涉及的透镜中，相对于自透镜中心的距离的入射角的范围Δθ(发光面中自最靠近位置的光的入射角度和自最远位置的光的入射角度的角度差)的图表。
图14是示出第一实施方式涉及的透镜中，相对于自透镜中心的距离的向透镜的到达光量的图表。
图15是使用第一实施方式涉及的透镜的发光装置的剖面图。
图16是示出图15示出的发光装置的外观形状的立体图。
图17是示出第一实施方式涉及的透镜的衍射光栅结构、菲涅耳透镜部以及透镜整体的各指向性的图表。
图18是本发明的第二实施方式涉及的透镜的剖面图。
具体实施方式
以下，基于附图，对本发明涉及的透镜以及使用该透镜的发光装置的实施方式进行说明。另外，用于以下的说明的各附图中，为了使各构件或形状为可理解的大小，对比例尺进行适当变更。
如图1所示，本实施方式的透镜10包括：光入射面10a；光出射面10b，所述光出射面10b在光入射面10a的相反侧；菲涅耳透镜14，所述菲涅耳透镜14被配置在中心轴AX上，所述中心轴通过所述光入射面10a的中心；以及衍射光栅结构15，所述衍射光栅结构15以中心轴AX为中心配置在所述菲涅耳透镜14的外周边。图1至图4示出的实施例中，作为圆形的板状透镜示出透镜10。另外，中心轴AX是示出透镜10的中心的假想线，与光源2一起配置的情况下，与光源2的光轴一致被配置，透镜10的光入射面10a是与光源2的发光面2a相对配置。在透镜10的光入射面10a上被设置的菲涅耳透镜14具有以中心轴AX为中心的多个同心圆状的环状棱镜。
该实施方式中，上述菲涅耳透镜14的构成为具有从如图5示出那样的凸透镜6分割的多个环状棱镜的第一菲涅耳透镜14a，以及具有从如图6示出那样的TIR透镜1分割的环状棱镜的第二菲涅耳透镜14b。第一菲涅耳透镜14a以在光入射面10a的中心轴AX上配置的凸状透镜14c为中心在其周围有多个环状棱镜，第二菲涅耳透镜14b以中心轴AX为中心具有多个环状棱镜，且被配置在第一菲涅耳透镜14a的外周边。
如图5所示，所述第一菲涅耳透镜14a将与光源2相对的位置被配置的凸透镜6的光入射面6a分割成以光源2的光轴AX为中心的多个同心圆状的分割区域a～f，将这些分割片作为折射角不同的多个环状棱镜a’～f’进行了菲涅耳化。从光源2的发光面2a出射的光在向环状棱镜a’～f’入射后，向上方折射并直接从光出射面10b出射。
又，如图6所示，所述第二菲涅耳透镜14b将TIR透镜1的光入射面分割成以光轴2的光轴为中心的多个同心圆状的分割区域3a～3c和4a～4c，如图7所示，将这些分割片作为折射角不同的多个环状棱镜13A～13C而菲涅耳化。
对上述第二菲涅耳透镜14b进行进一步详细说明。第二菲涅耳透镜14b的区域是作为TIR透镜而发挥作用。即，如图6示出那样的TIR透镜1具有：使来自在光轴AX的周围配置的光源2的光向内部入射的透镜的凹面3；以及透镜的凸面4，所述透镜的凸面使从在该透镜的凹面3的周围配置的透镜的凹面3入射的光在周围侧面向上方出射面侧全反射。如图7所示，第二菲涅耳透镜14b的环状棱镜13A～13C具有：与透镜的凹面3的分割区域3a～3c对应的棱镜的入射面13a，以及与透镜的凸面4的分割区域4a～4c对应的棱镜的反射面13b，所述透镜的凸面4的分割区域4a～4c使从该分割区域3a～3c入射的光全反射。
即，如图6及图7所示，TIR透镜1的透镜的凹面3中，中央部周围的内侧的分割区域3a、和从该分割区域3a入射的光被全反射的透镜的凸面4的外周部周围的外侧的分割区域4a，通过菲涅耳透镜化，相当于本实施方式的透镜10的中央部周围的环状棱镜13A的棱镜的入射面13a和该环状棱镜13A的棱镜的反射面13b。
又，TIR透镜1的透镜的凹面3中，分割区域3a的外侧的分割区域3b、与从该分割区域3b入射的光被全反射的透镜的凸面4的分割区域4a的内侧的分割区域4b，相当于环状棱镜13B的棱镜的入射面13a和该环状棱镜13B的棱镜的反射面13b,所述环状棱镜13B在本实施方式的透镜10的中央部与外周附近之间的中间部。
进一步，TIR透镜1的透镜的凹面3中，靠近透镜的凸面4外侧的分割区域3c和从该分割区域3c入射的光被全反射的透镜的凸面4的内周部周围的分割区域4c，相当于第二菲涅耳透镜14b的外周部周围的环状棱镜的棱镜的入射面13a和该环状棱镜13C的棱镜的反射面13b。
这样，第二菲涅耳透镜14b在TIR透镜1的透镜的凸面4中构成为，被配置在与外侧上方的分割区域4a对应的环状棱镜内侧(靠近中心轴AX的位置)，并被配置在与外侧下方的分割区域4c对应的环状棱镜外侧(在与中心轴AX垂直的方向上远的位置)。因此，各环状棱镜13A～13C根据与光源2相对的位置，顶角发生变化。另外，该顶角是形成有棱镜的折射面13c的环状棱镜13A～13C的各棱镜的入射面13a和棱镜的反射面13b构成的角度。
上述棱镜的反射面13b由平面或者抛物面、双曲面、椭圆面等2次曲面构成，而考虑加工性优选为由平面构成。又，上述棱镜的反射面13a相对于光轴AX倾斜并朝向光源2侧。又，棱镜的入射面13a由平面或凸状的2次曲面构成，而考虑加工性优选为由平面构成。另外，本实施方式中，设置菲涅耳透镜14的光入射面10a的相反侧的光出射面10b为平坦面。
在上述菲涅耳透镜14的周围配置的衍射光栅结构15具有同心圆状的多个环形微槽15a。衍射光栅结构15使来自光源2的光衍射并作为来自在光入射面10a的相反侧配置的光出射面10b的衍射光出射。
如图1所示，上述衍射光栅结构15是将以光入射面10a的中心轴AX为中心的同心圆状的多个环形微槽15a配置在菲涅耳透镜14的外周边的结构。如图8所示，各环形微槽15a具有大致三角形状的截面，这些环形微槽15a为了对应被入射的光的波长进行波动光学的动作，并得到光干涉的效果，以例如10μm以下的微细的槽间距形成。如图10所示，该槽间距是通过相邻的两个环形微槽15a的中心的两个基准线间的宽度p，槽间距p对衍射光栅结构15的整体是一定的。又，各环形微槽15a之间的锯齿的顶角被设定在90°以下。
又，如图8所示，构成衍射光栅结构15的多个环形微槽15a之间的顶部(锯齿部分的顶部)是被配置在与所述菲涅耳透镜14的第一菲涅耳透镜14a以及第二菲涅耳透镜14b的各环状棱镜的顶部同一平面K上。在该透镜10中，为使上述各顶部被配置在与光出射面10b平行的光入射面10a侧的平面上，而设定一定的上述各顶部的高度位置。即，第一菲涅耳透镜14a的多个环状棱镜的各顶端以及第二菲涅耳透镜14b的多个环状棱镜的各顶端与在菲涅耳透镜14的外周边配置的衍射光栅结构15的顶端是一样的高度。另外，本实施例中，因为中心轴AX上配置的凸状透镜14c的顶端也配置在与各环状棱镜的顶部为同一平面K上，所以设定一定的高度位置。即，第一菲涅耳透镜14a在中心轴AX上进一步具有凸状透镜14c，所述衍射光栅结构15具有多个环形微槽15a，所述凸状透镜14c的顶部，第一菲涅耳透镜14a的多个环状棱镜的各顶端以及第二菲涅耳透镜14b的多个环状棱镜的各顶端，与具有所述衍射光栅结构15的环形微槽15a之间的顶端是一样的高度。
这样，本发明的实施例涉及的透镜10的光入射面10a上，配置有由具有以中心轴AX为中心的环状棱镜的第一菲涅耳透镜14a以及第二菲涅耳透镜14b构成的菲涅耳透镜14，该菲涅耳透镜14的外周边配置有具有以中心轴AX为中心的同心圆状的多个环形微槽15a的衍射光栅结构15。另外，作为该透镜10的实施例，由例如丙烯酸树脂等的光透过性材料整体以圆板状一体成形。
上述光源2是以面状排列多个LED元件，例如，采用在电路板上的圆形区域配置多个LED元件的LED。因此，光源2不是点光源，而是具有较大面积的发光面的面光源。又，如图1以及图4所示，光源2具有与菲涅耳透镜14相对的发光面2a，该发光面2a的半径R设定为比菲涅耳透镜14的第一菲涅耳透镜14a的半径方向的距离r’大，比第二菲涅耳透镜14b的半径方向的距离r”小。即，到衍射光栅结构15的内径的距离设定为比光源的发光面的半径R大。另外，作为光源2，不仅可以是以面状配置多个LED元件的LED，也可以采用具有一个LED元件的光源。
构成透镜10的光入射面10a的第一以及第二菲涅耳透镜14a、14b、衍射光栅结构15在如以下的比率构成的情况下得到均衡的高聚光性的透镜。例如，图1以及图4中，设光源2的发光面2a的半径为R，自透镜10的光入射面10a的中心轴AX半径方向的距离为r，从光源2的发光面2a到透镜10的光入射面10a的距离为h，从光源2的发光面2a向透镜10的光入射面10a入射的光的入射角的范围为Δθ时，衍射光栅结构15最好是在Δθ＝arctan{(r+R)/h}-arctan{(r-R)/h}≤15°的范围。另外，Δθ是自发光面2a中最近的位置的光的入射角度θn和自最远位置的光的入射角度θf的角度差。
又，第一菲涅耳透镜14a的半径方向的距离r’最好是在r’＜R的范围，第二菲涅耳透镜14b的半径方向的距离r”最好是在r”≥R，且Δθ＞15°的范围。
接下来，本实施方式的透镜10中，对来自光源2的光的入射以及出射进行说明。首先，对在透镜10的光入射面10a的中央部配置的菲涅耳透镜14的光的入射以及出射进行说明。如图4所示，第一菲涅耳透镜14a中从光源2出射的光在透镜10的光入射面10a折射，该折射了的光朝向上方，从透镜10的光出射面10b作为平行光出射。即，在第一菲涅耳透镜14a，在环状棱镜的入射面折射了的光不朝向环状棱镜的反射面而将光线朝向上方，直接从透镜10的光出射面10b作为平行光出射。
接下来，对第二菲涅耳透镜14b的光的入射以及出射进行说明。例如，图6示出的TIR透镜1中，从光源2朝向正上方的中央部出射的光强最大的光L1从内侧的透镜的凹面3的光入射面中央部(分割区域3a)入射，且在透镜的凸面4的外缘附近的光反射面(分割区域4a)被全反射，从位于光源上方的TIR透镜的光出射面的外周部附近出射。对此，在将TIR透镜1如图7示出的菲涅耳化了的第二菲涅耳透镜14b中，从光源2向正上方的中央部出射的最大光强的强光L1从内侧中央部的环状棱镜13A的棱镜的入射面13a入射，并在该环状棱镜13A的棱镜的反射面13b被全反射，从透镜10的光出射面10b的中央部被出射。
又，TIR透镜1中，从光源2向相对于光轴AX稍微倾斜方向出射的光强较强的中央部周围的光L2从内侧的透镜的凹面3的光入射面(分割区域3b)入射，并在透镜的凸面4的外侧的光反射面(分割区域4b)被全反射，从出射面的中央部和外缘之间的中间部出射。对此本实施方式的透镜10中，如图7所示，从光源2相对于光轴AX略微倾斜方向出射的光强较强的中央部周围的光L2从内侧的环状棱镜13B的棱镜的入射面13a入射，并在该环状棱镜13B的棱镜的反射面13b被全反射，从光出射面10b中与第二菲涅耳透镜14b相对的区域的中央部和外缘之间的中间部出射。
进一步，TIR透镜1中，从光源2向相对于光轴AX较大倾斜方向出射的光强较弱的光L3从内侧的透镜的凹面3的光入射面(分割区域3c)入射，并在透镜的凸面4的内侧的光反射面(分割区域4c)被全反射，从出射面的中央部周围被出射。对此本实施方式的透镜10中，从光源2相对于光轴AX较大倾斜方向出射的光强较弱的中央部周围的光L3从外侧的环状棱镜13C的棱镜的入射面13a入射，并在该环状棱镜13C的棱镜的反射面13b被全反射，从光出射面10b中与第二菲涅耳透镜14b相对的区域的外缘部附近出射。
即，如图4所示，第二菲涅耳透镜14b中从光源2出射的光在光入射面10a折射，该折射了的光在反射面全反射并朝向上方，从透镜10的光出射面10b作为平行光出射。
如上所述，构成菲涅耳透镜14的环状棱镜仅在环状棱镜的入射面折射从光源2入射至光入射面10a的光，或通过在环状棱镜的入射面和反射面这两者折射，从透镜10的光出射面10b作为平行光出射。
接下来，对衍射光栅结构15的设计进行说明。如图9所示，上述衍射光栅结构15是将来自光源2的光作为白色光，白色光包含的光成分中，代表性的使用青色光(波长λ1：例如460nm)、绿色光(波长λ2：例如555nm)以及红色光(波长λ3：例如630nm)这3种并设计形状。
即，设环形微槽15a的槽间距为p，相对于与光入射面的中心轴平行的垂直假想线的光的入射角度为θi，相对于与中心轴平行的垂直假想线的上述3种光(衍射光)的出射角度为θ1(青色光)、θ2(绿色光)、θ3(红色光)，衍射光的次数为m时，衍射光栅结构15中，以下关系式成立。p(sinθi+sinθ2)＝mλ2……(1)p(sinθi+sinθ1)＝(m+m0)λ1……(2)p(sinθi+sinθ3)＝(m-m0)λ3……(3)
在此，为了抑制白色光的分光，需要|θ2-θ1|＝δ1，|θ2-θ3|＝δ3且0≤δ1≤5，0≤δ3≤5。但是，为了使计算简单，假设δ1＝δ3进行计算。即，0≤δ≤5……(4)是必要条件。
从上述(2)(3)(4)式可导出以下式子(5)(6)。m{λ2(1-sinδ/sinθi)-λ1}≤m0λ1≤m{λ2(1+sinδ/sinθi)-λ1}……(5)m{λ3-λ2(1+sinδ/sinθi)}≤m0λ1≤m{λ3-λ2(1-sinδ/sinθi)}……(6)此时，若满足式(1)(5)(6)，则λ1、λ2、λ3向θ2±δ的方向被衍射。
通过这样的设定，能得到使构成白色光的光成分中短波长、中间的波长、长波长这三种在角度差为±δ的小范围以大致相同方向衍射并出射的衍射光栅结构15，能作为白色光整体使其向大致相同方向出射。
又，如图10所示，构成环形微槽15a的外侧斜面15b的角度α以及内侧斜面15c的角度β根据自光入射面的中心(透镜中心)的距离r变化，并被设定以使由各环形微槽15a造成的衍射光的出射方向成为相同方向。即，如图10所示，环形微槽15a之间的锯齿部的顶角θm，和构成该顶角θm的外侧斜面15b的角度α以及内侧斜面15c的角度β，例如如图11所示，基于光学设计根据自透镜中心的距离r稍微变化。即，由于顶角θm、外侧斜面15b的角度α以及内侧斜面15c的角度β变化，根据距离r环形微槽15a的深度H也稍微变化。
另外，该光学设计的模拟实验中，将光源2的发光面直径设定为8.5mm，衍射光栅结构15的内径设定为7mm，衍射光栅结构15的外径设定为12mm，光源2的发光面2a和透镜10的距离h设定为3.0mm。又，图11的图表中，关于锯齿部的顶角θm和外侧斜面15b的角度α以及内侧斜面15c的角度β，考虑光学设计的精度，相对于顶角θm、角度α以及角度β，参考性图示出以分别呈-5.0deg的顶角θm(min)、角度α(min)以及角度β(min)，和分别呈+5.0deg的顶角θm(max)、角度α(max)以及角度β(max)。
又，通过下述的计算式可求出上述外侧斜面15b的角度α以及内侧斜面15c的角度β。这些角度α、β最好是使在衍射光栅结构15的光的出射方向与在几何光学的光的出射方向一致的角度，最好是满足下述的式(7)(8)(9)的范围。
Tanα＝P/H-tanβ……(7)β＝45-{(arcsin{sin(90-θ’-α)/n}+α)}/2……(8)arctan{(r-R)/h}≤θ’≤arctan{(r+R)/h}……(9)
在此，上述的式子中，R是光源2的发光面2a的半径，r是自透镜10的光入射面10a的中心轴AX的光入射面的半径方向的距离，h是自光源2的发光面2a到透镜10的光入射面10a的距离，θ’是相对于从光源2的发光面2a向透镜10的光入射面10a入射的光的中心轴AX的入射角度，p是所述衍射光栅结构的环形微槽15a的槽间距，H是环形微槽15a的深度，n是透镜10的折射率。
利用上述(7)(8)(9)式计算外侧斜面15b的角度α，内侧斜面15c的角度β以及顶角θm，在图11中分别用虚线绘出该计算值时，便可知该值是与模拟试验的中心值大致一致的。因此，上述的计算式是妥当的。
设定上述衍射光栅结构15时，如图12所示，相对于自透镜中心的距离r向透镜的到达光量的比例(累计)是根据自透镜中心的距离r变化，而即使改变透镜10和光源2的发光面2a的距离h也变化。例如，若将到达光量的比例(累计)设定为95％以上，从该模拟实验结果，需要将透镜10和光源2的发光面2a的距离h设定为3.0mm以下。
又，若通过模拟实验求出相对于自透镜中心的距离r的入射角的范围Δθ(自发光面中最靠近位置的光的入射角度θn和自最远位置的光的入射角度θf的角度差)，则为例如图13示出的那样的特性。从该模拟实验结果可知，直到自透镜中心的距离r为7mm左右，Δθ变大，通过菲涅耳透镜14折射是有效的，且由于在7mm以上，Δθ变小，通过衍射光栅结构15衍射是有效的。例如，将透镜10和光源2的发光面的距离h设定为3.0mm的情况下，若自透镜中心的距离r为7mm以上，则入射角的范围Δθ在15°以下。
进一步，若通过模拟实验求出对于自透镜中心的距离r的向透镜的到达光量，则为例如图14示出的那样的特性。根据该模拟实验结果，直到自透镜中心的距离r为7mm左右到达光量较大，通过菲涅耳透镜14折射是有效的。
因此，本实施方式的透镜10中，由于菲涅耳透镜14的半径越大，透镜越厚实，考虑这些模拟实验结果，尽可能缩小上述菲涅耳透镜14的区域，并能缩小衍射光栅结构15的内径，对于薄型化以及聚光性很重要。
接下来，对装入上述的本发明的透镜的发光装置进行说明。如图15以及图16所示，该发光装置具有作为光源2的LED，上述透镜10，及收纳这些的箱体121。上述箱体121具有：在上表面部的中央设置光源2的半球状部122；收纳透镜10并被设置在半球状部122的上表面部的大致圆柱状的透镜支承框部123。该透镜支承框部123是以其中心轴对上半球状部的中心轴并使透镜10与光源2相对的状态，设置在半球状部122的上表面部。
接下来，在图17示出透镜10中的透镜整体的指向性、仅有菲涅耳透镜14的情况的指向性以及仅有衍射光栅结构15的情况的指向性的调查结果。从该结果可知，仅有衍射光栅结构15的情况比仅有菲涅耳透镜14的情况的向中心轴方向的指向性高。因此，与菲涅耳透镜14合成的透镜整体的指向性中，得到比仅有菲涅耳透镜14的情况高的指向性。
由于这样的本实施方式的透镜10具有：在光入射面10a的中心轴AX的周围配置的菲涅耳透镜14，以及衍射光栅结构15，所述衍射光栅结构15在菲涅耳透镜14的周围呈圆环状被配置，使来自光源2的光衍射并能够作为衍射光从配置在光入射面10a的相反侧的光出射面10b出射，因此来自光源2到达光入射面10a的中央部的光是通过菲涅耳透镜14被折射并聚光，从光出射面10b被出射的，到达菲涅耳透镜14的外周侧区域的光是被衍射光栅结构15衍射并聚光，从光出射面10b被出射的。
即，直到透镜10的光入射面10a的外周侧为菲涅耳透镜14的情况下，可能由于TIR透镜1的形状在外周端变得厚实而导致透镜整体变厚。对此，本实施方式的透镜10中，光入射面10a的外周侧是可形成于平板面的衍射光栅结构15，能够使整体更薄型化。又，特别地，不是相对于点光源，而是相对于来自具有较大面积的发光面的面光源的光，发光面中来自最靠近位置的光的入射角度θn和来自最远位置的光的入射角度θf的角度差在光入射面10a的外周侧比中央部小，通过在衍射光栅结构15的衍射，可得到高聚光性。因此，通过透镜中心侧的菲涅耳透镜14和外周侧的衍射光栅结构15双方的聚光性，能够得到更高的指向性。
另外，由于本实施方式的透镜10中在外周侧设置衍射光栅结构15，比透镜中心部曲率小，容易高精度地制作微细的衍射光栅。又，由于能够进一步使透镜整体变薄，树脂成形时成形时间缩短，可低成本制作，量产性也很优异。并且，也可以通过注塑等树脂成形以外的制造方法制作，例如可通过在玻璃基板上刻印的方法制作。又，也可以使用作为透镜材料的树脂制作，例如可在玻璃基板的上表面用树脂形成菲涅耳透镜14或衍射光栅结构15。
又，由于菲涅耳透镜14的环状棱镜的顶部和构成衍射光栅结构15的多个环形微槽15a之间的顶部被配置在同一平面K上，所以能使菲涅耳透镜14的区域和衍射光栅结构15的区域为同一厚度，能使透镜整体为厚度一定的薄平板状。
又，由于衍射光栅结构15由多个环形微槽15a构成，所述环形微槽15a具有大致三角形状的截面并画出以光入射面的中心为轴的同心圆地被配置，因此通过环形微槽15a的形状(构成槽间距、深度、环形微槽的外侧斜面以及内侧斜面)的设定能够得到希望的聚光性。
进一步，由于构成环形微槽15a的外侧斜面15b以及内侧斜面15c的角度是根据自光入射面10a的中心轴AX(透镜中心)的距离r变换，由各环形微槽15a造成衍射光的出射方向被设定为相同方向，因此，与外侧斜面15b以及内侧斜面15c的角度是一定的情况相比，能得到更高的聚光性。
又，由于菲涅耳透镜14的构成为被配置在与如图6示出的TIR透镜1的透镜的凸面4中外侧的分割区域3a～3c对应的环状棱镜的内侧，并被配置在与内侧的分割区域3a～3c对应的环状棱镜的外侧，所以光强度大的中央部的光从中央部的环状棱镜13A的棱镜的入射面13a入射，且在该环状棱镜13A的棱镜的反射面13b被全反射。因此，可使以往的TIR透镜或菲涅耳透镜中在外侧出射的强光从本实施方式的透镜10的中央部出射。由此，本实施方式的透镜10中，可得到自中心向外侧发光强度慢慢降低且中心明亮外侧阴暗的亮度分布，能抑制环状的反射光斑的产生，并改善美观程度。
又，由于互相对应的棱镜的入射面13a和棱镜的反射面13b通过棱线连续并构成各环状棱镜，从棱镜的入射面13a入射的光全部到达棱镜的反射面13b并被全反射，能飞跃性地提高光的利用效率。另外，由于本实施方式的菲涅耳透镜14由第一菲涅耳透镜14a和第二菲涅耳透镜14b构成，且因为菲涅耳化之际分割数量很多，所以也能够进一步提高聚光性。
进一步，由于衍射光栅结构15的内径比光源2的发光面2a的外径大，所以能够接受从菲涅耳透镜14中相对正下方的发光面2a的强光并使其高效率地折射并聚光，且能够接受从衍射光栅结构15的倾斜方向被入射的发光面2a的光并使其高效率地衍射并聚光。因此，具有该透镜10的发光装置120中，通过得到高正面照度等且较薄的透镜10，能够得到从作为光源2的LED出射的光的利用效率较高且薄型的照明、投影仪、闪光灯、汽车的前照灯及尾灯等的LED光学产品等。
接下来，参照图18对本发明涉及的透镜以及发光装置的第二实施方式进行以下说明。另外，以下的实施方式的说明中，上述实施方式中说明的相同的构件附加同一符号，省略该说明。
第二实施方式和第一实施方式的不同点是，相对于第一实施方式中菲涅耳透镜14以及衍射光栅结构15的相反侧的光出射面10b是平坦面，第二实施方式的透镜20中，如图18所示，在与设置和第一实施方式同样的菲涅耳透镜14以及衍射光栅部15的光入射面20a相反侧的光出射面20b的整体上配置多个凹凸21，是对从光出射面20b出射的光的扩散性以及指向性的至少一方进行控制的点。即，第二实施方式的透镜20中，作为凹凸21的实例，为使出射的光扩散，其构成为在光出射面20b排列多个具有扩散性的椭圆形状的凸部。另外，为使光高效率地折射，该凹凸21优选为非球面的凸部。又，作为其他的凹凸，也可以采用例如四棱锥形状等。
这样，由于在第二实施方式的透镜20中，配置有控制从光出射面20b出射的光的扩散性以及指向性的至少一方的凹凸21，所以使在菲涅耳透镜14以及衍射光栅结构15最大限度聚集了的光通过被光出射面20b的凹凸21折射或散射，以所希望的的扩散性或指向性出射变得容易。又，第二实施方式的透镜20中，通过光出射面20b的凹凸21，与第一实施方式的透镜10相比，能使颜色不均匀降低。
另外，光出射面20b中透镜中心部侧的凹凸21也可以是比外周侧扩散性高的凹凸21。该情况下，由于光出射面20b中中心部侧比外周侧扩散性高，特别是通过在容易反映光源2的颜色不均匀的中心部侧使更多光扩散，从而能够有效的抑制颜色不均匀，并通过外周侧的低扩散性抑制正面照度的降低，也能得到窄指向性。
另外，本发明并不限定于上述各实施方式，而能够在不脱离本发明的目的的范围内进行种种变更。
例如，也可以在上述透镜的光出射面设置控制透射的光的扩散性以及指向性的至少一方的光学片。即，不是在上述光出射面直接形成凹凸，而是也可以设置使透射的光同样散射并扩散片，使透射的光在特别规定的方向较多散射或折射的各向异性扩散片或棱镜片等光学片，可任意设定多种光的扩散性或指向性。另外，作为光学片，优选为与透镜主体的材料折射率之差较小的材料。
这样，在透镜的光出射面，通过设置控制透射的光的扩散性以及指向性的至少一方的光学片，使在透镜的光入射面配置的菲涅耳透镜以及衍射光栅结构最大限度聚集了的光，通过被光出射面的光学片折射或散射，以所希望的的扩散性或指向性出射变得容易。
符号说明
1TIR透镜2光源3透镜的凹面3a～3c透镜的凹面的分割区域4透镜的凸面4a～4c透镜的凸面的分割区域6凸透镜10透镜10a光入射面10b光出射面13A～13C环状棱镜13a棱镜的入射面13b棱镜的反射面13c棱镜的折射面14菲涅耳透镜14a第一菲涅耳透镜14b第二菲涅耳透镜14c凸状透镜15衍射光栅结构15a环形微槽15b外侧斜面15c内侧斜面21凹凸20透镜120发光装置AX光入射面的中心轴。

Claims (10)

1.一种发光装置，其特征在于，包括透镜和光源，
所述透镜包括光入射面、光出射面，
菲涅耳透镜和衍射光栅结构在所述光入射面上，
所述光出射面在所述光入射面的相反侧，
所述菲涅耳透镜被配置在中心轴上，所述中心轴通过所述光入射面的中心，所述菲涅耳透镜包括多个环状棱镜，
所述衍射光栅结构以中心轴为中心配置在所述菲涅耳透镜的外周边，所述衍射光栅结构包括多个环形微槽，
其中，所述菲涅耳透镜的多个环状棱镜的顶端与构成所述衍射光栅结构的多个环形微槽之间的顶端是一样的高度，
所述光源与透镜的光入射面相对配置并具有发光面，所述光源的发光面的中心与透镜的中心轴一致，所述光源的发光面的外周缘相对于衍射光栅结构的内径位于更内侧，所述衍射光栅结构以中心轴为中心配置在光入射面上，
光源的发光面的半径设为R，自透镜的光入射面的中心轴向光入射面的半径方向的距离设为r，从光源的发光面到透镜的光入射面的距离设为h，从光源的发光面入射至透镜的光入射面的光的入射角的范围设为Δθ时，衍射光栅结构在Δθ＝arctan{(r+R)/h}-arctan{(r-R)/h}≤15°的范围内。
2.根据权利要求1所述的发光装置，其特征在于，所述菲涅耳透镜包括：
第一菲涅耳透镜，所述第一菲涅耳透镜以光入射面的中心轴为中心被配置，包括从凸透镜分割的多个环状棱镜；以及
第二菲涅耳透镜，所述第二菲涅耳透镜以光入射面的中心轴为中心配置在第一菲涅耳透镜的外周边，包括从TIR透镜分割的多个环状棱镜。
3.根据权利要求1所述的发光装置，其特征在于，
所述衍射光栅结构包括槽间距一定的多个环形微槽。
4.根据权利要求1所述的发光装置，其特征在于，
菲涅耳透镜所包含的环状棱镜所接受的光的入射角的范围和衍射光栅结构所接受的光的入射角的范围彼此不同。
5.根据权利要求1所述的发光装置，其特征在于，
所述第一菲涅耳透镜的多个环状棱镜的各顶端以及第二菲涅耳透镜的多个环状棱镜的各顶端，与在菲涅耳透镜的外周边配置的衍射光栅结构的顶端是一样的高度。
6.根据权利要求1所述的发光装置，其特征在于，
所述第一菲涅耳透镜还在中心轴上具有凸状透镜，所述衍射光栅结构具有多个环形微槽，
所述凸状透镜的顶部、第一菲涅耳透镜的多个环状棱镜的各顶端以及第二菲涅耳透镜的多个环状棱镜的各顶端，与所述衍射光栅结构具有的环形微槽之间的顶端是一样的高度。
7.根据权利要求1所述的发光装置，其特征在于，
所述环形微槽分别具有大致三角形状的截面。
8.根据权利要求1所述的发光装置，其特征在于，
所述环形微槽分别具有外侧斜面和内侧斜面，所述内侧斜面比外侧斜面靠近所述光入射面的中心轴的内侧斜面，环形微槽的外侧斜面的倾斜角度和所述内侧斜面的倾斜角度基于自中心轴的距离而变化。
9.根据权利要求1所述的发光装置，其特征在于，
光源的发光面的半径设为R，自透镜的光入射面的中心轴向光入射面的半径方向的距离设为r时，第一菲涅耳透镜在r＜R的范围内。
10.根据权利要求1所述的发光装置，其特征在于，
光源的发光面的半径设为R，自透镜的光入射面的中心轴向光入射面的半径方向的距离设为r，从光源的发光面入射至透镜的光入射面的光的入射角的范围设为Δθ时，第二菲涅耳透镜在r≥R、且Δθ＞15°的范围内。
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