DE102011002483A1

DE102011002483A1 - Linsenelement und optische Einheit, die das Linsenelement umfasst

Info

Publication number: DE102011002483A1
Application number: DE102011002483A
Authority: DE
Inventors: Yasuaki Yamanashi-ken Kayanuma
Original assignee: Citizen Holdings Co Ltd; Citizen Electronics Co Ltd
Current assignee: Citizen Electronics Co Ltd; Citizen Watch Co Ltd
Priority date: 2010-01-10
Filing date: 2011-01-05
Publication date: 2011-07-28
Also published as: US8517571B2; JP2011141503A; JP5626754B2; US20110216543A1

Abstract

Ein Linsenelement zum Erzielen von Lichtsammeleigenschaften, sogar wenn eine Lichtquelle mit großer Lichtaussendefläche verwendet wird, weist einen ersten Linsenabschnitt, der Licht so bricht, dass es nach außen in Radialrichtung senkrecht zu einer Mittelachse des Linsenelementes austritt, und einen zweiten Linsenabschnitt auf, der das Licht, das durch den ersten Linsenabschnitt ausgetreten ist, intern totalreflektiert. Der erste Linsenabschnitt weist eine Lichteinfallsfläche, die so angeordnet ist, dass sie einer Lichtquelle zugewandt ist, und eine konische Lichtaustrittsfläche auf, die an der Mittelachse des Linsenelementes zentriert ist und so geneigt ist, dass der Abstand zwischen der konischen Fläche und der Lichteinfallsfläche zunimmt, wenn der Abstand von der Mittelachse nach außen in Radialrichtung senkrecht zur Mittelachse zunimmt. Der zweite Linsenabschnitt weist eine Innenumfangsfläche, die Licht vom ersten Linsenabschnitt empfängt, und eine Außenumfangsfläche auf, die nach außen von der Innenumfangsfläche in Radialrichtung senkrecht zur Mittelachse angeordnet ist. Die Außenumfangsfläche führt ein Totalreflektieren von Licht, das durch die Innenumfangsfläche empfangen wird, in Richtung weg vom ersten Linsenabschnitt und hin zum zweiten Linsenabschnitt parallel zur Verlaufsrichtung der Mittelachse durch.

Description

Diese Anmeldung beansprucht gemäß 35 U. S. C. §119 die Priorität der japanischen Patentanmeldung JP 2010-003476 , eingereicht am 10. Januar 2010, wobei deren Offenbarung hiermit durch Bezugnahme vollinhaltlich in das vorliegende Dokument aufgenommen wird.
TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft ein Linsenelement und eine optische Einheit, die zur Beleuchtung, etc. verwendet werden kann.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Es gibt verschiedene optische Vorrichtungen schmaler Direktivität, beispielsweise Leuchtdioden (LED) aufweisende optische Produkte, die Beleuchtungsvorrichtungen, Projektoren, Blitzlicht und Frontscheinwerfer und Heckleuchten zur Verwendung in Automobilen einschließen, und eine derartige Vorrichtung beinhaltet für gewöhnlich eine Linse, die zum Sammeln oder Kollimieren von Licht verwendet wird, das von einer Lichtquelle ausgesendet wird. Für gewöhnlich wird eine konvexe Gestalt aufweisende Brechungslinse als derartige Lichtsammel- oder Kollimierlinse verwendet. 14 zeigt ein herkömmliches TIR-(Interntotalreflexions)-Linsenelement 1, das als Linsenelement entwickelt wurde, welches hervorragende Lichtsammeleigenschaften aufweist. Das Linsenelement 1 weist eine Mittelachse AX auf und weist einen hohlen Abschnitt, der an der Mittelachse AX zentriert ist, und eine Außenumfangsfläche 1a auf, die in Radialrichtung senkrecht zur Mittelachse AX nach außen vom hohlen Abschnitt positioniert ist. Eine Lichtquelle 2 ist mit ihrer Lichtaussendefläche dem Linsenelement 1 zugewandt angeordnet und die Mitte der Lichtaussendefläche ist so ausgerichtet, dass sie mit der Mittelachse AX des Linsenelementes 1 zusammenfällt, welches von der Lichtquelle 2 ausgesendetes Licht empfängt. Von diesem Licht werden Lichtstrahlen, die mit Neigungen ausgesendet werden, die bezogen auf die Mittelachse AX näher zur Radialrichtung geneigt sind, und durch eine Innenumfangsfläche 1b, d. h. eine Umfangsfläche des hohlen Abschnittes des Linsenelementes 1, empfangen werden, an der Außenumfangsfläche 1a totalreflektiert und treten aus einer Lichtaustrittsfläche 1c des Linsenelementes 1 zur Verlaufsrichtung der Mittelachse AX aus. Es sei angemerkt, dass die Mittelachse AX eine gedachte Linie ist, die durch die Mitte des Linsenelementes 1 hindurch verläuft.
Die japanische Patentanmeldungspublikationen 1982-15002 , 1984-119340 und 1993-281402 schlagen TIR-Linsen vor, die in Form einer Fresnel-Linse hergestellt sind, um eine Verringerung von Höhe und Dicke zu erzielen.
Da Licht, das von einer Lichtquelle mit großer Lichtaussendefläche ausgesendet wird, stärker gestreut ist als Licht von einer Lichtquelle mit kleiner Lichtaussendefläche, weist beispielsweise die in 14 gezeigte herkömmliche TIR-Linse das folgende Problem auf. Demgemäß erfolgt, sogar wenn eine Lichtquelle angeordnet ist, bei der das ausgesendete Licht durch eine derartige TIR-Linse hindurch verläuft, eine Abnahme der Lichtsammeleffizienz mit der TIR-Linse, wenn eine Lichtquelle mit großer Lichtaussendefläche verwendet wird. Insbesondere wenn eine Lichtquelle verwendet wird, die eine Mehrzahl von in einer Ebene angeordneten LED-Elementen beinhaltet, als Lichtquelle 2 verwendet wird, wird, da die Mehrzahl von LED-Elementen einzeln Licht aussenden und gemeinsam eine Lichtaussendefläche der Lichtquelle 2 bilden, die Lichtaussendefläche unvermeidbar groß, und es wird schwierig, mit einer derartigen herkömmlichen Linse einen effizienten Lichtsammel- oder Kollimiereffekt zu erzielen.
INHALT DER ERFINDUNG
Die Erfindung erfolgte im Hinblick auf die zuvor beschriebenen Umstände.
Demgemäß ist es ein Ziel der Erfindung, ein Linsenelement mit Lichtsammeleffekt bereitzustellen, sogar wenn es mit einer Lichtquelle verwendet wird, die eine Mehrzahl von LED-Elementen beinhaltet oder eine große Lichtaussendefläche beinhaltet.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine optische Einheit bereitzustellen, die das Linsenelement der Erfindung beinhaltet.
Die Erfindung stellt ein Linsenelement bereit, das eine Mittelachse, einen ersten Linsenabschnitt und einen zweiten Linsenabschnitt beinhaltet. Der erste Linsenabschnitt beinhaltet eine Lichteinfallsfläche, die so angeordnet ist, dass sie einer Lichtquelle zugewandt ist, und eine Lichtaustrittsfläche, die entgegengesetzt zur Lichteinfallsfläche angeordnet ist. Die Lichtaustrittsfläche beinhaltet eine konische Fläche, die an der Mittelachse zentriert ist und so geneigt ist, dass ein Abstand zwischen der konischen Fläche und der Eintrittsfläche mit Zunahme des Abstands von der Mittelachse nach außen in Radialrichtung senkrecht zur Mittelachse zunimmt. Der zweite Linsenabschnitt beinhaltet eine Innenumfangsfläche, die sich von der Außenumfangskante der konischen Fläche des ersten Linsenabschnittes um die Mittelachse erstreckt, und eine Außenumfangsfläche, die an der Mittelachse zentriert ist und in Radialrichtung senkrecht zur Mittelachse nach außen von der Innenumfangsfläche positioniert ist.
Bei dem Linsenelement treten Lichtstrahlen von der Lichtquelle, die bei Neigungswinkeln ausgesendet werden, die näher zur Radialrichtung als zur Mittelachse AX geneigt sind, in den ersten Linsenabschnitt durch die Lichteinfallsfläche des ersten Linsenabschnittes ein. Die Radialrichtungen sind senkrecht zur Mittelachse AX. Die Lichtstrahlen, die in den ersten Linsenabschnitt eingetreten sind, werden an einer konischen Fläche, die eine Lichtaustrittsfläche des ersten Linsenabschnittes bildet, mit Neigungswinkel gebrochen, die größer sind als die Neigungswinkel der Lichtstrahlen, welche die Neigungswinkel aufweisen und gerade aus der zuvor erwähnten Lichtquelle ausgesendet wurden. Die aus dem ersten Linsenabschnitt austretenden Lichtstrahlen treten in den zweiten Linsenabschnitt 12 durch die Innenumfangsfläche 12c des zweiten Linsenabschnittes 12 ein. Die Lichtstrahlen werden schließlich an der Außenumfangsfläche 12a des zweiten Linsenabschnittes 12 totalreflektiert und somit parallel zur Mittelachse AX gerichtet, um aus der Lichtaustrittsfläche 12b des zweiten Linsenabschnittes 12 auszutreten. Demzufolge können die Lichtstrahlen aus der Lichtaustrittsfläche 12b des zweiten Linsenabschnittes in dem Zustand austreten, bei dem sie stärker konvergiert sind als beim Eintreten in den ersten Linsenabschnitt.
Speziell kann die Innenumfangsfläche des zweiten Linsenabschnittes eine kreisförmige zylindrische Fläche sein, die sich im Wesentlichen parallel zur Mittelachse von der Außenumfangskante der konischen Fläche des ersten Linsenabschnittes aus erstreckt.
Die Außenumfangsfläche des zweiten Linsenabschnittes kann unter einem Winkel geneigt sein, der zwischen der Mittelachse und einer Radialrichtung senkrecht zur Mittelachse festgelegt ist. Mit anderen Worten kann die Außenumfangsfläche des zweiten Linsenabschnittes eine Gestalt eines Konus beinhalten, der sich in Richtung der Mittelachse des Linsenelementes erweitert oder öffnet, wobei die Richtung sich von der Lichteinfallsfläche des ersten Linsenabschnittes weg erstreckt.
Lichtstrahlen, die von der Lichtquelle unter Neigungswinkeln abgestrahlt werden, die näher zur Radialrichtung senkrecht zur Mittelachse X als zur Mittelachse AX sind, treten in den ersten Linsenabschnitt durch die Lichteinfallsfläche des ersten Linsenabschnittes ein und werden mit Neigungswinkeln gebrochen, die sogar noch näher zur Radialrichtung sind, und zwar durch die geneigte Fläche, welche die Lichtaustrittsfläche des ersten Linsenabschnittes bildet. Dann treten die Lichtstrahlen in den zweiten Linsenabschnitt ein. Das heißt, Variationen des Winkels von Lichtstrahlen, die in Radialrichtung laufen, werden verringert, um die Winkel von Lichtstrahlen, die durch die Lichtaustrittsfläche des ersten Linsenabschnittes hindurchtreten, einheitlich zu machen. Außerdem können, durch Vorsehen einer geeigneten Neigung der Außenumfangsfläche des zweiten Linsenabschnittes, Lichtstrahlen, die durch den ersten Linsenabschnitt hindurch verlaufen und die Außenumfangfläche des zweiten Linsenabschnittes erreichten, totalreflektiert werden, um aus der Lichtaustrittsfläche des zweiten Linsenabschnittes auszutreten. In diesem Fall ist es möglich, die Direktivität von Lichtstrahlen, die aus dem Linsenelement austreten, zu vergrößern, und zwar durch Korrigieren der Austrittsrichtungen der Lichtstrahlen auf Richtungen parallel zur Mittelachse.
Das Linsenelement kann einen Hohlraum beinhalten, der durch die konische Fläche, welche die Lichtaustrittsfläche des ersten Linsenabschnittes bildet, und die Innenumfangsfläche des zweiten Linsenabschnittes begrenzt wird.
Die Lichteinfallsfläche des ersten Linsenabschnittes kann einen ebenen Abschnitt beinhalten, der an der Mittelachse zentriert ist.
Der zweite Linsenabschnitt kann eine Lichtaustrittsfläche beinhalten, die sich parallel zur Lichteinfallsfläche des ersten Linsenabschnittes erstreckt, und zwar zwischen der Innenumfangsfläche des zweiten Linsenabschnittes und der Außenumfangsfläche des zweiten Linsenabschnittes.
Die Lichteinfallsfläche des ersten Linsenabschnittes kann eine konkave Fläche beinhalten, die einen ebenen Abschnitt, der an der Mittelachse zentriert ist, und eine Umfangsfläche aufweist, die den ebenen Abschnitt umgibt.
Der erste Linsenabschnitt kann eine Mehrzahl von Prismen beinhalten, die auf der Umfangsfläche ihrer Lichteinfallsfläche ausgebildet sind, wobei jedes Prisma eine Lichteintrittsfläche, die Licht von der Lichtquelle empfängt, und eine Reflexionsfläche beinhaltet, die nach außen von der Lichteintrittsfläche in Radialrichtung senkrecht zur Mittelachse positioniert ist, wobei die Reflexionsfläche das durch die Lichteintrittsfläche empfangene Licht zur Lichtaustrittsfläche des zweiten Linsenabschnittes totalreflektiert.
Die Mehrzahl von Primen kann konzentrisch um die Mittelachse angeordnet sein.
Das Linsenelement kann einen dritten Linsenabschnitt beinhalten, der so angeordnet ist, dass er der konischen Fläche zugewandt ist, welche die Lichtaustrittsfläche des ersten Linsenabschnittes bildet, wobei der dritte Linsenabschnitt benachbart zur Lichtaustrittsfläche des zweiten Linsenabschnittes so angeordnet ist, dass er den Hohlraum verschließt.
Der dritten Linsenabschnitt kann einen konvexen Linsenabschnitt beinhalten, der an der Mittelachse zentriert ist, wobei der konvexe Linsenabschnitt so angeordnet ist, dass er der Lichtaustrittsfläche des ersten Linsenabschnittes zugewandt ist.
Der dritte Linsenabschnitt kann eine Mehrzahl von Prismen beinhalten, die um den konvexen Linsenabschnitt herum und konzentrisch um die Mittelachse vorgesehen sind, wobei jedes Prisma eine Lichteintrittsfläche, die Licht empfängt, das aus der Lichtaustrittsfläche des ersten Linsenabschnittes austritt, und eine Lichtreflexionsfläche beinhaltet, die das empfangene Licht reflektiert, um das Licht in Verlaufsrichtung der Mittelachse weiterzuleiten.
Der erste Linsenabschnitt und der zweite Linsenabschnitt können miteinander integral ausgebildet sein.
Der dritte Linsenabschnitt kann an die Innenumfangsfläche des zweiten Linsenabschnittes angesetzt sein.
Die Innenumfangsfläche des zweiten Linsenabschnittes kann unter einem Winkel geneigt sein, der zwischen der Mittelachse und einer Radialrichtung senkrecht zur Mittelachse festgelegt ist. Das heißt, die Innenumfangsfläche des zweiten Linsenabschnittes kann eine geneigte Fläche sein, die sich zur Lichtaustrittsfläche des zweiten Linsenabschnittes öffnet, und zwar von der Umfangskante der konischen Fläche, welche die Lichtaustrittsfläche des ersten Linsenabschnittes bildet.
Die Umfangsfläche der Lichteinfallsfläche des ersten Linsenabschnittes kann eine Fresnel-Linse sein.
Die Fresnel-Linse kann aus einer TIR-Linse transformiert sein, die eine konkave Lichteinfallsfläche und eine konvexe Lichtreflexionsfläche beinhaltet, die so positioniert ist, dass sie die Außenseite der Lichteinfallsfläche umgibt, wobei die Lichteinfalls- und -reflexionsflächen der TIR-Linse jeweils in eine Mehrzahl von Lichteinfallsgebiete und eine Mehrzahl von Lichtreflexionsgebiete abgeteilt sind, die konzentrisch um die Mittelachse angeordnet sind, wobei die Lichteinfallszonen und Lichtreflexionszonen so rekonstruiert sind, dass sie Lichteintrittsflächen bzw. -reflexionsflächen der Prismen bilden, wodurch die Fresnel-Linse definiert ist.
Außerdem stellt die Erfindung eine optische Einheit bereit, die das zuvor beschriebene Linsenelement und eine Lichtquelle beinhaltet, die so angeordnet ist, dass sie der Lichteinfallsfläche des ersten Linsenabschnittes des Linsenelementes zugewandt ist. Die Außenumfangsfläche der zweiten Linse ist so konfiguriert, dass Licht totalreflektiert wird, welches aus der Lichtaustrittsfläche der ersten Linse ausgetreten ist und die Außenumfangsfläche der zweiten Linse über die Innenumfangsfläche der zweiten Linse erreicht hat, um das Licht in Verlaufsrichtung der Mittelachse weiterzuleiten.
Außerdem stellt die Erfindung eine optische Einheit bereit, die das zuvor beschriebene Linsenelement, ein Rahmenelement, welches das Linsenelement trägt, und eine Lichtquelle beinhaltet, die innerhalb des Rahmenelementes so angeordnet ist, dass sie der Lichteinfallsfläche des ersten Linsenabschnittes des Linsenelementes zugewandt ist.
Die konische Fläche des ersten Linsenabschnittes kann eine gekrümmte Fläche sein.
Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen erläutert. Man beachte, dass der Maßstab der Figuren, der in der folgenden Erläuterung verwendet wird, geeignet geändert wurde, um jedes Element in erkennbarer Größe zu zeigen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Schnittansicht eines Linsenelementes gemäß einer Ausführungsform der Erfindung und stellt einen Lichtweg von Lichtstrahlen dar, die von einer Lichtquelle ausgesendet werden und durch das Linsenelement hindurch verlaufen.
2 ist eine perspektivische Ansicht des in 1 dargestellten Linsenelementes.
3 ist eine vergrößerte Schnittansicht der in 1 gezeigten Lichtquelle.
4 ist eine Draufsicht der in 4 dargestellten Lichtquelle.
5 ist eine Schnittansicht einer optischen Einheit, in welche die Linse wie dargestellt in 1 und eine Lichtquelle eingebaut ist.
6 ist eine perspektivische Ansicht der optischen Einheit von 5.
7 ist ein Graph, der eine Direktivität von Licht zeigt, das die optische Einheit von 5 durchläuft, im Gegensatz zu einer Direktivität von Licht, das eine herkömmliche optische Einheit durchläuft.
8 ist eine Schnittansicht eines Linsenelementes gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung und stellt einen Lichtweg von Lichtstrahlen dar, die von einer Lichtquelle ausgesendet werden und durch die Linse hindurch verlaufen.
9 ist eine erläuternde Ansicht, die das Prinzip einer TIR-Linse darstellt, die einem Fresnel-Linsenabschnitt entspricht, der in einem ersten Linsenabschnitt des in 8 dargestellten Linsenelementes enthalten ist.
10 ist eine erläuternde Ansicht, die eine Fresnel-Linse darstellt, die aus der TIR-Linse von 9 transformiert ist.
11 ist eine Schnittansicht eines Linsenelementes gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung und stellt Lichtwege von Lichtstrahlen dar, die von der Lichtquelle ausgesendet werden und durch das Linsenelement hindurch verlaufen.
12 ist ein Graph, der eine Direktivität von Licht zeigt, das eine optische Einheit durchläuft, welche das Linsenelement und eine Lichtquelle wie dargestellt in 11 aufweist.
13 ist eine Schnittansicht eines in 12 verwendeten Linsenelementes, im Vergleich zu dem Linsenelement, das in der optischen Einheit von 11 enthalten ist.
14 ist eine Schnittansicht einer herkömmlichen TIR-Linse und einer Lichtquelle.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Wie in 1 dargestellt, weist ein Linsenelement 10 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung eine Mittelachse AX auf und weist einen ersten Linsenabschnitt 11 und einen zweiten Linsenabschnitt 12 auf. Wie in 1 und 2 dargestellt, weist der erste Linsenabschnitt 11 eine Lichteinfallsfläche 11a, die so angeordnet ist, dass sie einer Lichtquelle 2 zugewandt ist, und eine Lichtaustrittsfläche 11b auf, die entgegengesetzt zur Lichteinfallsfläche 11a angeordnet ist. Die Lichtaustrittsfläche 11b des ersten Linsenabschnittes 11 beinhaltet eine konische Fläche, die an der Mittelachse AX zentriert ist und so geneigt ist, dass der Abstand zwischen der konischen Fläche und der Lichteinfallsfläche 11a zunimmt, wenn der Abstand von der Mittelachse AX nach außen in Radialrichtung senkrecht zur Mittelachse AX zunimmt. Der zweite Linsenabschnitt 12 weist eine Innenumfangsfläche 12c auf, die sich parallel zur Mittelachse AX von einer Außenumfangskante der Lichtaustrittsfläche 11b des ersten Linsenabschnittes 11 erstreckt. Der zweite Linsenabschnitt 12 weist weiter eine Außenumfangsfläche 12a auf, die an der Mittelachse AX zentriert ist und nach außen von der Innenumfangsfläche 12c in Radialrichtung senkrecht zur Mittelachse AX positioniert ist.
Es sei angemerkt, dass die Mittelachse AX eine gedachte Linie ist, die durch die Mitte des Linsenelementes 10 hindurch verläuft. Das Linsenelement 10 besteht aus einem lichtdurchlässigen Material, z. B. einem Acrylharz. Der erste Linsenabschnitt 11 und der zweite Linsenabschnitt 12 sind miteinander integral formgegossen.
Die Lichteinfallsfläche 11a des ersten Linsenabschnittes 11 beinhaltet einen ebenen Abschnitt, der an der Mittelachse AX zentriert ist. Der ebene Abschnitt ist so angeordnet, dass er der Lichtaussendefläche der Lichtquelle 2 zugewandt ist. Es sei angemerkt, dass die Lichtquelle 2 so angeordnet ist, dass sie dem Linsenelement 10 zugewandt ist und die Mitte der Lichtaussendefläche der Lichtquelle 2 ist so angeordnet, dass sie mit der Mittelachse AX des Linsenelementes 10 zusammenfällt. Die Lichtaustrittsfläche 11b des ersten Linsenabschnittes 11 des Linsenelementes 10 ist relativ zur Mittelachse AX geneigt, und die Lichtaustrittsfläche 11b bricht Lichtstrahlen, die von der Lichtquelle 2 ausgesendet werden und durch die Lichteinfallsfläche 11a empfangen werden, so dass sie unter Winkeln austreten, die näher zu einer Radialrichtung senkrecht zur Mittelachse AX als zur Mittelachse AX sind. Es sei angemerkt, dass die konische Fläche, welche die Lichtaustrittsfläche 11b des ersten Linsenabschnittes 11 bildet, durch eine Fläche zweiter Ordnung, z. B. eine parabolische Fläche, eine hyperbolische Fläche oder eine ellipsoide Fläche ersetzt werden kann.
Die Innenumfangsfläche 12c des zweiten Linsenabschnittes 12 empfängt Licht, das von der Lichtaustrittsfläche 11b des ersten Linsenabschnittes 11 ausgesendet wird, und lenkt das Licht zur Außenumfangsfläche 12a des zweiten Linsenabschnittes 12. Die Außenumfangsfläche 12a führt ein Totalreflektieren des Lichtes durch, das durch die Innenumfangsfläche 12c wie dargestellt in 1 empfangen wird, wobei das Licht in Verlaufsrichtung der Mittelachse AX und weg von der Lichteinfallsfläche 11a des ersten Linsenabschnittes 11 totalreflektiert wird.
Bei der dargestellten Ausführungsform ist die Innenumfangsfläche 12c des zweiten Linsenabschnittes 12 eine kreisförmige zylindrische Fläche, die sich im Wesentlichen parallel zur Mittelachse AX von der Außenumfangskante der geneigten Fläche erstreckt, welche die Lichtaustrittsfläche 11b des ersten Linsenabschnittes 11 bildet. Die Außenumfangsfläche 12a des zweiten Linsenabschnittes 12 ist eine geneigte Fläche, die an der Mittelachse AX zentriert ist und relativ zur Mittelachse AX geneigt ist. Die Außenumfangsfläche 12a kann eine Fläche zweiter Ordnung, z. B. eine parabolische Fläche, eine hyperbolische Fläche oder eine ellipsoide Fläche sein.
Der zweite Linsenabschnitt 12 weist eine Lichtaustrittsfläche 12b auf, die sich in Radialrichtung senkrecht zur Mittelachse AX zwischen der Innenumfangsfläche 12c und der Außenumfangsfläche 12a erstreckt. Speziell erstreckt sich die Lichtaustrittsfläche 12b von der vorderen Stirnkante der Innenumfangsfläche 12c nach außen in Radialrichtung senkrecht zur Mittelachse AX, so dass eine ebene Fläche gebildet wird, die sich parallel und gegenüberliegend zur Lichteinfallsfläche 11a des ersten Linsenabschnittes 11 erstreckt.
Das Linsenelement 10 weist einen Hohlraum 10a auf, der durch die konische Fläche, die die Lichtaustrittsfläche 11b des ersten Linsenabschnittes 11 bildet, und durch die Innenumfangsfläche 12c des zweiten Linsenabschnittes 12 begrenzt ist, wobei der Hohlraum an der Mittelachse AX zentriert ist.
Die Lichtquelle 2 ist beispielsweise eine LED-Lichtquelle, die eine Mehrzahl von LED-Elementen aufweist. Wie in 3 und 4 dargestellt, kann die Lichtquelle 2 eine thermisch leitende Basis 102, die aus einem Aluminiummaterial oder dergleichen besteht, eine schichtförmige Isolierplatte 110, die an der Oberfläche der Basis 102 befestigt ist, und eine Mehrzahl von LED-Elementen 2a aufweisen, die direkt auf der Oberfläche der Basis 102 in Durchgangslöchern 113a, 113b und 113c, die in der Isolierplatte 110 vorgesehen sind, montiert sind. Die Isolierplatte 110 ist eine gedruckte Schaltungsplatine, die beispielsweise aus einem BT-(Bismaleimid-triazin)-Harz oder einem Glasfaserexpoxidharz besteht, und weist elektrisch leitende Schichten 111a, 111b, 118a und 118b beispielsweise aus Kupferfolie auf, die den größten Teil der Oberfläche der Isolierplatte 110 bedecken. Von den vier leitenden Schichten beinhalten zwei leitende Schichten 111a und 111b jeweilige Elektroden 112a und 112b, die mit einer Betriebsspannung versorgt werden.
Auf der Isolierplatte 110 ist ein dünner ringförmiger Rahmen 114 vorgesehen. Der Rahmen 114 weist ein Dichtungselement 115 auf, das in den Rahmen eingefüllt und dort ausgehärtet ist, um die LED-Elemente 2a, etc. zu kapseln. Das Dichtungselement 115 weist eine Lichtdurchlässigkeitseigenschaft auf und lässt Licht hindurch, das von den LED-Elementen 2a ausgesendet wurde, so dass es nach außen hin austritt. Das Dichtungselement 115 bildet eine kreisförmige Lichtaussendezone 116, so dass eine kreisförmige Lichtaussendefläche der Lichtquelle definiert wird.
Eine große Anzahl von planar angeordneten LED-Elementen 2a sind an die leitenden Schichten 111a und 111b mittels der unabhängigen leitenden Schichten 118a und 118b und einer Mehrzahl von Drähten 119 elektrisch angeschlossen.
Bei diesem Beispiel einer Lichtquelle sind acht Reihen aus zwei in Serie geschalteten LED-Elementen 2a in jeder der Montierzonen 117a, 117b und 117c auf der Basis 2 montiert. Demgemäß sind sechzehn LED-Elemente 2a in jeder der Montierzonen 117a, 117b und 117c montiert, und insgesamt sind neunundvierzig LED-Elemente 2a auf der Basis 102 montiert.
Bezugszeichen ESD bezeichnet ein Elektrostatikentladungs-(ESD)-Element zum Schutz der LED-Elemente 2a gegen statische Elektrizität etc., das eine Zener-Diode aufweist. Das ESD-Element ist zwischen den leitenden Schichten 111a und 111b angeschlossen.
Somit weist die Lichtquelle 2 eine große Anzahl von LED-Elementen 2a auf, die in der kreisförmigen Lichtaussendezone 116 von beispielsweise 11 mm Durchmesser montiert sind. Daher ist es möglich, Licht großer Lichtstärke von der Lichtaussendezone 116 zu erzielen, und es ist somit möglich, eine Lichtquelle großer Lumendichte zu erzielen. Der Grund dafür, dass eine große Anzahl von LED-Elementen 2a in der Lichtaussendezone 116 in kollektiver Weise montiert werden können, besteht darin, dass die zueinander benachbarten LED-Elemente 2a durch direktes Verdrahten von diesen mittels der Drähte 119 seriell geschaltet sind. Es sei angemerkt, dass die Lichtquelle, die in Verbindung mit dem Linsenelement der Erfindung verwendet wird, nicht auf die zuvor beschriebene eingeschränkt ist, und zwar im Hinblick auf die Anzahl von LED-Elementen, die Größe der Lichtaussendefläche, etc., und dass die zuvor beschriebene Lichtquelle 2 lediglich ein Beispiel für eine Lichtquelle ist, die eine Mehrzahl von LED-Elementen beinhaltet.
Nachfolgend wird das Eintreten und Austreten von Licht erläutert, und zwar im Fall einer Verwendung des Linsenelementes 10 dieser Ausführungsform gemeinsam mit der Lichtquelle 2.
Wie in 1 dargestellt, werden beispielsweise Lichtstrahlen, die von der Lichtquelle 2 ausgesendet werden, durch die Lichteinfallsfläche 11a des ersten Linsenabschnittes 11 empfangen, welcher der Lichtquelle 2 zugewandt ist, und werden gebrochen, so dass sie durch die Lichtaustrittsfläche 11b nach außen in Radialrichtung senkrecht zur Mittelachse AX unter Winkeln nahe dem kritischen Winkel austreten. Danach treten die Lichtstrahlen, die aus dem ersten Linsenabschnitt 11 austreten, in den zweiten Linsenabschnitt 12 durch die Innenumfangsfläche 12c ein und werden an der Außenumfangsfläche 12a zur Lichtaustrittsfläche 12b hin totalreflektiert.
Das heißt, im Linsenelement 10 werden Lichtstrahlen, die von der Lichtquelle 2 unter Winkeln von ca. 55° zur Mittelachse AX des Linsenelementes 10 ausgesendet werden, temporär durch den ersten Linsenabschnitt 11 gebrochen, bevor sie in den zweiten Linsenabschnitt 12 eintreten, um die Direktivität des Lichtes zu steuern. Es sei angemerkt, dass die Mitte der Lichtaussendefläche der Lichtquelle 2 so angeordnet ist, dass sie mit der Mittelachse AX des Linsenelementes 10 zusammenfällt.
5 und 6 zeigen ein Beispiel einer optischen Einheit 120 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, die eine Lichtquelle 2 und das Linsenelement 10 aufweist. Wie in den Figuren dargestellt, weist die optische Einheit 120 einen halbkugelförmigen Rahmenkörper 121 auf, und die Lichtquelle 2 ist an der Mitte einer kreisförmigen Stirnwand 122 des halbkugelförmigen Rahmenkörpers 121 angebracht. Das Linsenelement 10 wird durch ein Rahmenelement 123 getragen, das an der kreisförmigen Stirnwand 122 des Rahmenkörpers 121 vorgesehen ist, und die Lichtquelle 2 ist vom Rahmenelement 123 umgeben. Das Rahmenelement 123 ist an der kreisförmigen Stirnwand 122 so angeordnet, dass die Mittelachse AX des Linsenelementes 10 mit der Mitte der Lichtquelle 2 fluchtet.
7 ist ein Graph, der Ergebnisse einer Messung der Direktivität von Licht der optischen Einheit gemäß der zuvor beschriebenen Ausführungsform, sowie die Direktivität von Licht der in 14 gezeigten optischen Einheit der verwandten Technik zeigt. Wie aus den Messergebnissen zu entnehmen ist, weist die optische Einheit der verwandten Technik eine Halbbandbreite von 20° (±10°) auf, hingegen weist die optische Einheit dieser Ausführungsform eine Halbbandbreite von 10° (±5°) auf. Somit weist die optische Einheit gemäß der Ausführungsform der Erfindung große Direktivität auf.
Wie zuvor dargelegt, führt das Linsenelement 10 der zuvor beschriebenen Ausführungsform ein Brechen und Sammeln von Licht, das von einer Lichtquelle 2 durch die Lichtaustrittsfläche 11b des ersten Linsenabschnittes 11 läuft, und ein Totalreflektieren des gesammelten Lichtes im zweiten Linsenabschnitt 12 durch, so dass das Licht in Richtung der Mittelachse AX weitergeleitet wird. Demgemäß kann stark gebündeltes Licht erzielt werden, sogar wenn die Lichtquelle 2 eine große lichtaussendende Oberfläche aufweist. Demzufolge liefert die optische Einheit Licht von größerer Leuchtdichte. Außerdem ist die Lichtaussendefläche der Lichtquelle 2 als klein sichtbar, ohne dass Licht in unterschiedlichen Richtungen gestreut wird. Somit kann die Farbunregelmäßigkeit der Lichtquelle 2 verringert werden.
Die optische Einheit 120 dieser Ausführungsform liefert stark gerichtetes und stark gebündeltes abgestrahltes Licht, sogar wenn die Lichtquelle 2 eine LED-Lichtquelle ist, die eine Mehrzahl von LED-Elementen 2a enthält, welche planar angeordnet sind, um eine große lichtaussendende Oberfläche zu erzielen. Somit ist es möglich, zufriedenstellende optische Produkte, die LEDs enthalten, zu erzielen, die Beleuchtungsvorrichtungen, Projektoren, Blitzlicht und Frontscheinwerfer und Heckleuchten von Automobilen beinhalten und die fähig sind, Licht, das von einer LED-Elemente beinhaltenden Lichtquelle ausgesendet wird, stark zu bündeln und in effizienter Weise zu verwenden.
Als Nächstes werden zweite und dritte Ausführungsformen des Linsenelementes und der optischen Einheit gemäß der Erfindung mit Bezug auf 8 bis 13 erläutert. Es sei angemerkt, dass bei der folgenden Erläuterung der zweiten und dritten Ausführungsform gleiche Bestandteile wie bei der zuvor beschriebenen ersten Ausführungsform mit gleichen Bezugszeichen wie bei der ersten Ausführungsform bezeichnet sind, und eine Wiederholung der Erläuterung entfällt.
Die zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform in folgendem Punkt. Bei der ersten Ausführungsform ist die Lichteinfallsfläche 11a des ersten Linsenabschnittes 11, welcher der Lichtquelle 2 zugewandt ist, eine einfache ebene Fläche. Beim Linsenelement 20 der zweiten Ausführungsform wie dargestellt in 8 weist die Lichteinfallsfläche 11a des ersten Linsenabschnittes 11, welcher der Lichtquelle 2 zugewandt ist, eine im Wesentlichen konkave Fläche, die einen ebenen Abschnitt 11a-1 aufweist, der an der Mittelachse AX zentriert ist, und eine Umfangsfläche 11a-2 auf, die den ebenen Abschnitt 11a-1 umgibt. Die Umfangsfläche 11a-2 der Lichteinfallsfläche 11a ist mit einer Mehrzahl von Prismen 13b und 13c versehen, die konzentrisch um die Mittelachse AX angeordnet sind, um einen Fresnel-Linsenabschnitt 14 zu bilden, bei dem jedes Prisma eine Lichteintrittsfläche 13x, die Licht von der Lichtquelle 2 empfängt, und eine Reflexionsfläche 13y aufweist, die nach außen von der Lichteintrittsfläche 13x in Radialrichtung senkrecht zur Mittelachse AX positioniert ist. Die Reflexionsfläche 13y führt ein Totalreflektieren des Lichtes von der Lichtquelle 2, das durch die Lichteintrittsfläche 13x empfangen wurde, zur Lichtaustrittsfläche 12b des zweiten Linsenabschnittes 12 hin aus. In 8 sind Lichtstrahlen, die in den ebenen Abschnitt 11a-1 der Lichteinfallsfläche 11a des ersten Linsenabschnittes 11 eintreten, durch Strich-Doppelpunkt-Linien dargestellt, und Lichtstrahlen, welche in die Fresnel-Linse 14 eintreten, sind durch die gestrichelten Linien dargestellt.
Der Fresnel-Linsenabschnitt 14 entspricht optisch einer TIR-Linse 140, wie dargestellt in 9. Die TIR-Linse 140 weist eine konkave Lichteinfallsfläche 143 auf, die an der Mittelachse AX der TIR-Linse 140 zentriert ist, und weist eine konvexe Lichtreflexionsfläche 144 auf, welche die Außenseite der Lichteinfallsfläche 143 in Radialrichtung senkrecht zur Mittelachse AX umgibt. Die Lichteinfallsfläche 143 und die Lichtreflexionsfläche 144 der TIR-Linse 140 sind unterteilt und in eine Mehrzahl von Prismen rekonstruiert, um eine Fresnel-Linse zu bilden. In der TIR-Linse 140 wird Licht von der Lichtquelle 2 durch die konkave Lichteinfallsfläche 143 gebrochen und wird an der konvexen Lichtreflexionsfläche 144 totalreflektiert, so dass es aus einer Lichtaustrittsfläche austritt, die sich gegenüberliegend zur Lichteinfallsfläche 143 in Verlaufsrichtung der Mittelachse AX befindet. 10 zeigt eine Fresnel-Linse, die aus der TIR-Linse 140 transformiert ist, und zwar durch Unterteilen und Rekonstruieren der Lichteinfallsfläche 143 und der Lichtreflexionsfläche 144 der TIR-Linse 140 in eine Mehrzahl von konzentrischen Prismen, von denen jedes eine Lichteintrittsfläche 13a als einen abgeteilten Teil der Lichteinfallsfläche 143 der TIR-Linse 140 und eine Reflexionsfläche 13b als einen abgeteilten Teil der Lichtreflexionsfläche 144 der TIR-Linse 140 aufweist. Die Reflexionsfläche 13b ist nach außen von der Lichteintrittsfläche 13a in Radialrichtung senkrecht zur Mittelachse AX positioniert. Diese Fresnel-Linsenfläche ist in die Lichteinfallsfläche 11a des ersten Linsenabschnittes 11 des Linsenelementes so integriert, dass Licht, das von der Lichtquelle 2 schräg in Radialrichtung senkrecht zur Mittelachse AX ausgesendet wird, durch die Lichteintrittsfläche 13x eines jeden Prismas empfangen wird und an der Reflexionsfläche 13y eines jeden Prismas reflektiert wird, und kann somit in Richtung parallel zur Mittelachse AX weitergeleitet werden.
Wie man 9 und 10 entnehmen kann, ist ein abgeteilter Bereich der konvexen Lichtreflexionsfläche 144, der an der radial ganz außen befindlichen Position ausgehend von der Mittelachse AX in der in 9 gezeigten TIR-Linse 140 positioniert ist, an der radial ganz innen befindlichen Position ganz nahe an der Mittelachse AX in der in 10 dargestellten Fresnel-Linsenfläche angeordnet.
Bei der dargestellten Ausführungsform ist die konkave Lichteinfallsfläche 143 in abgeteilte Bereiche 143a, 143b und 143c in der erwähnten Reihenfolge von der Innenseite her unterteilt. Die konvexe Lichtreflexionsfläche 144 wird in abgeteilte Bereiche 144c, 144b und 144a in der erwähnten Reihenfolge von der Innenseite her unterteilt. Die Prismen 13B und 13C, die den Fresnel-Linsenabschnitt 14 des in 8 dargestellten Linsenelementes 20 bilden, entsprechen jeweils den abgeteilten Bereichen 143b und 143c der konkaven Lichteinfallsfläche 143 der TIR-Linse 140, außer dem mittleren abgeteilten Bereich 143a, und entsprechen jeweils den abgeteilten Bereichen 144b und 144c, die optisch den abgeteilten Bereichen 143b bzw. 143c zugehörig sind.
Obschon die Lichteintrittsfläche 13x des Prismas und die Reflexionsfläche 13y des Prismas die Gestalt einer planaren Fläche oder einer Fläche zweiter Ordnung, beispielsweise eines Paraboloid, eines Hyperboloid oder eines Ellipsoid haben kann, ist es im Hinblick auf die Produktivität zu bevorzugen, dass die Lichteintritts- und -reflexionsflächen 13x und 13y in Gestalt einer ebenen oder im Wesentlichen ebenen Fläche ausgebildet sind.
Nachfolgend wird das Eintreten und Austreten von aus der Lichtquelle 2 kommendem Licht bezogen auf den Fresnel-Linsenabschnitt 14 des Linsenelementes 20 dieser Ausführungsform erläutert.
Bei der in 9 dargestellten TIR-Linse 140 tritt ein Lichtstrahl 12 relativ großer Lichtstärke, der von der Lichtquelle 2 etwas schräg zur Mittelachse AX ausgesendet wird, durch den abgeteilten Bereich 143b der konkaven Lichteinfallsfläche 143 ein und wird am abgeteilten Bereich 144b der konvexen Lichtreflexionsfläche 144 totalreflektiert, so dass er aus einem äußeren Bereich der Lichtaustrittsfläche austritt. Im Gegensatz dazu tritt beim Linsenelement 20 dieser Ausführungsform, wie in 10 dargestellt, ein Lichtstrahl 12 relativ großer Lichtstärke, der von der Lichtquelle 2 etwas schräg zur Mittelachse AX ausgesendet wurde, durch die Lichteintrittsfläche 13x des inneren Prismas 13b ein und wird dann an der Reflexionsfläche 13y des Prismas 13b totalreflektiert, so dass es durch den zweiten Linsenabschnitt zwischen der Innenumfangsfläche 12c und der Außenumfangsfläche 12a des zweiten Linsenabschnittes hindurch verläuft und aus der Lichtaustrittsfläche 12b des zweiten Linsenabschnittes austritt.
Bei der zuvor beschriebenen TIR-Linse 140 tritt ein Lichtstrahl 13 relativ geringer Lichtintensität, der von der Lichtquelle 2 unter einem größeren Winkel relativ zur Mittelachse AX als der Lichtstrahl 12 relativ großer Lichtintensität schräg ausgesendet wurde, durch den abgeteilten Bereich 143c der konkaven Lichteinfallsfläche 143 ein und wird dann am abgeteilten Bereich 144c der konvexen Lichtreflexionsfläche 144 totalreflektiert, so dass er aus einem Umfangsbereich des mittleren Abschnittes der Lichtaustrittsfläche austritt. Im Gegensatz dazu tritt beim Linsenelement 20 dieser Ausführungsform ein Lichtstrahl 13 relativ geringer Lichtstärke, der von der Lichtquelle 2 unter einem größeren Winkel relativ zur Mittelachse AX als der Lichtstrahl 12 relativ großer Lichtstärke schräg ausgesendet wurde, durch die Lichteintrittsfläche 13a des äußeren Prismas 13C ein und wird dann an der Reflexionsfläche 13b des Prismas 13C totalreflektiert, so dass es aus der Umgebung der äußeren Kante der Lichtaustrisfläche austritt.
Wie zuvor dargelegt, weist beim Linsenelement 20 dieser Ausführungsform der Fresnel-Linsenabschnitt 14 eine Struktur auf, bei der die Prismen, die die Reflexionsflächen beinhalten, welche in fortschreitender Weise äußeren abgeteilten Bereichen der konvexen Lichtreflexionsfläche 144 entsprechen, in fortschreitender Weise an inneren Bereichen des Fresnel-Linsenabschnittes 14 angeordnet sind, und die Prismen, die die Reflexionsflächen beinhalten, welche in fortschreitender Weise inneren abgeteilten Bereichen der konvexen Lichtreflexionsfläche 144 entsprechen, sind in fortschreitender Weise an äußeren Bereichen des Fresnel-Linsenabschnittes 14 angeordnet. Demzufolge wird ein innerer Lichtstrahl größerer Lichtstärke, der durch die Lichteintrittsfläche eines inneren Prismas eintritt, an der Reflexionsfläche des inneren Prismas totalreflektiert.
Demgemäß wird ein Lichtstrahl großer Lichtstärke, der aus einem radial äußeren Bereich der TIR-Linse 140 der verwandten Technik oder Fresnel-Linse 14 austritt, veranlasst, aus einem radial inneren Bereich des Fresnel-Linsenabschnittes 14 des Linsenelementes 20 dieser Ausführungsform auszutreten. Die einander zugehörigen Lichteintritts- und -reflexionsflächen 13x, 13y eines jeden Prismas sind über eine Kammlinie in zusammenhängender Weise ausgebildet, so dass Licht, das durch die Lichteintrittsfläche eintritt, die zugehörige Reflexionsfläche über einen kurzen Weg erreichen kann. Daher ist es möglich, die Nutzungseffizienz von Licht, das in jedes Prisma eintritt und aus diesem austritt, stark zu vergrößern. Es sei angemerkt, dass die Lichtsammeleigenschaften auch weiter dadurch verbessert werden können, dass man die Anzahl von abgeteilten Bereichen bei der Erzeugung des Fresnel-Linsenabschnittes 14 erhöht.
Da die Reflexionsfläche 13y des Prismas aus einer ebenen Fläche ausgebildet ist, kann der Fresnel-Linsenabschnitt 14 problemlos gestaltet werden, und das Linsenelement 20 mit dem Fresnel-Linsenabschnitt 14 kann zu reduzierten Kosten hergestellt werden. Außerdem ist es, da die Lichteintrittsfläche 13x des Prismas zur Lichtquelle 2 hin unter einer Neigung bezüglich der Mittelachse AX gerichtet ist, für Licht leicht, in die Lichteintrittsfläche 13x des Prismas einzutreten, und da die Lichteintrittsfläche 13x des Prismas und die Mittelachse AX nicht parallel zueinander sind, ist es möglich, die Entformbarkeit zu verbessern, wenn das Linsenelement 20 mittels eines Formgießprozesses gefertigt wird, und es ist somit möglich, ein Linsenelement 20 guter Qualität zu erzielen.
Ein Linsenelement 30 gemäß der in 11 gezeigten dritten Ausführungsform unterscheidet sich von der zweiten Ausführungsform in folgendem Punkt. Bei der zweiten Ausführungsform ist der Hohlraum, der durch die Lichtaustrittsfläche 11b des ersten Linsenabschnittes 11 und die Innenumfangsfläche 12c des zweiten Linsenabschnittes 12 begrenzt ist, an einer Position gegenüberliegend der Lichtaustrittsfläche 11b des ersten Linsenabschnitts 11 in Verlaufsrichtung der Mittelachse AX geöffnet. Beim Linsenelement 30 der dritten Ausführungsform ist zusätzlich ein dritter Linsenabschnitt 33 vorgesehen, der im Hohlraum so angeordnet ist, dass er der Lichtaustrittsfläche 11b des ersten Linsenabschnittes 11 zugewandt ist. Der dritte Linsenabschnitt 33 sammelt Licht von der Lichtquelle 2, das den ersten Linsenabschnitt 11 durchläuft und den dritten Linsenabschnitt 33 erreicht, um das Licht so zu lenken, dass es in Verlaufsrichtung der Mittelachse AX austritt. Es sei angemerkt, dass der dritte Linsenabschnitt 33 als einzelnes Element separat von den ersten und zweiten Linsenabschnitten, die gemeinsam in integraler Weise ausgebildet werden, hergestellt wird und so angeordnet wird, dass es der Lichtaustrittsfläche 11b des ersten Linsenabschnittes 11 zugewandt ist. Der dritte Linsenabschnitt 33 wird in den Hohlraum eingesetzt und benachbart zur Lichtaustrittsfläche 12b des zweiten Linsenabschnittes 12 angeordnet, um den Hohlraum zu verschließen.
Der dritte Linsenabschnitt 33 weist einen konvexen Linsenabschnitt 34, der an der Mittelachse AX zentriert ist, und einen Fresnel-Linsenabschnitt 35 auf, der konzentrisch um den konvexen Linsenabschnitt 34 bezüglich der Mittelachse AX angeordnet ist. Der Fresnel-Linsenabschnitt 35 weist eine Mehrzahl von ringförmigen Prismen auf, die um den mittleren konvexen Linsenabschnitt 34 bezüglich der Mittelachse AX konzentrisch angeordnet sind. Der konvexe Linsenabschnitt 34 kann beispielsweise eine konvexe Brechungslinse sein, die eine sphärische Fläche beinhaltet. In 11 sind Lichtstrahlen, die in den ersten Linsenabschnitt 11 eintreten und dann in den zweiten Linsenabschnitt 12 eintreten, durch die Strich-Doppelpunkt-Linien dargestellt, und Lichtstrahlen, die in den zweiten Linsenabschnitt 12 durch den Fresnel-Linsenabschnitt 14 der Lichteinfallsfläche 11a des ersten Linsenabschnittes 11 eintreten, sind durch die gestrichelten Linien dargestellt. Lichtstrahlen, die in den dritten Linsenabschnitt 33 eintreten, sind durch die Strich-Punkt-Linie dargestellt.
Das zuvor beschriebene Linsenelement 30 der dritten Ausführungsform bildet den folgenden Vorteil. Von Lichtstrahlen, die von der Lichtquelle 2 in verschiedenen Richtungen und zwar in einem Bereich von einer Richtung parallel zur Mittelachse AX, oder der Richtung der Mittelachse AX, bis zu einer Radialrichtung senkrecht zur Mittelachse AX ausgesendet werden, verlaufen Lichtstrahlen, die in Richtung näher zur Mittelachse AX ausgesendet werden, durch den ebenen Abschnitt der Lichteinfallsfläche 11a des ersten Linsenabschnittes 11 und treten in den dritten Linsenabschnitt 33 ein. Das heißt, Lichtstrahlen, die durch den ersten Linsenabschnitt 11 hindurchgehen und durch den Hohlraum 10a hindurchgehen, ohne in den zweiten Linsenabschnitt 12 einzutreten, um in den dritten Linsenabschnitt 33 einzutreten, werden durch den dritten Linsenabschnitt 33 so gesammelt und gelenkt, dass sie sogar noch näher zur Mittelachse AX sind. Somit können die Lichtsammeleigenschaften und die Lichtnutzungseffizienz weiter verbessert werden.
Obschon bei der dritten Ausführungsform der dritte Linsenabschnitt 33 einen konvexen Linsenabschnitt 34 aufweist, der eine nach unten konvexe sphärische Fläche und einen nach unten vorstehenden Fresnel-Linsenabschnitt 35 beinhaltet, sei angemerkt, dass der dritte Linsenabschnitt 33 nicht auf die beschriebene Struktur eingeschränkt ist, sondern beispielsweise entweder einen konvexen Linsenabschnitt, der nach oben konvex ist, oder einen konvexen Linsenabschnitt, der nach unten konvex ist, oder eine herkömmliche Fresnel-Linse, die auf der Ober- oder der Unterseite ausgebildet ist, aufweisen kann, oder eine Mehrzahl von diesen in Kombination aufweisen kann.
12 zeigt ein Ergebnis einer Messung der Direktivität der optischen Einheit, die das Linsenelement 30 der dritten Ausführungsform verwendet. 12 zeigt auch ein Ergebnis einer Messung der Direktivität einer optischen Einheit, die ein Linsenelement 200 wie dargestellt in 13 verwendet, und zwar zu Vergleichszwecken. Beim Linsenelement 200 ist der erste Linsenabschnitt 11 nicht mit einem ebenen Abschnitt versehen, der an der Mittelachse AX zentriert ist, wie beispielsweise derjenige, der beim Linsenelement 30 der dritten Ausführungsform vorgesehen ist, sondern stattdessen weist die gesamte Lichteinfallsfläche, die der Lichtquelle 2 zugewandt ist, den zuvor beschriebenen Fresnel-Linsenabschnitt 14 auf, bei dem zusätzlich vorgesehene Prismen 13a vorhanden sind, entsprechend den Kombinationen des mittleren abgeteilten Gebietes 143a des konkaven Linsenabschnittes 143 der in 9 dargestellten TIR-Linse 140 und dem abgeteilten Gebiet 144a des konvexen Linsenabschnittes 144, der dem abgeteilten Gebiet 143a zugeordnet ist. Wie man den Ergebnissen der Direktivitätsmessung entnehmen kann, weist das Linsenelement 30 der dritten Ausführungsform eine größere Direktivität als das Linsenelement 200 des Vergleichsbeispiels auf und liefert somit verbesserte Lichtsammeleigenschaften und eine vergrößerte nach vorne gerichtete Lichtstärke.
Somit weist das Linsenelement 30 der dritten Ausführungsform den dritten Linsenabschnitt 33 auf, der Lichtstrahlen von der Lichtquelle 2 sammelt und abstrahlt, welche den ersten Linsenabschnitt 11 durchlaufen und in den dritten Linsenabschnitt 33 in Richtung der Mittelachse AX eintreten. Demgemäß werden Lichtstrahlen, die den ersten Linsenabschnitt 11 durchlaufen, um unter kleinen Winkeln zur Mittelachse AX auszutreten, durch den dritten Linsenabschnitt 33 weiter konvergiert. Demzufolge können die Lichtsammeleigenschaften und die Lichtnutzungseffizienz weiter verbessert werden.
Hinsichtlich des dritten Linsenabschnittes 33 und des Linsenelementes 200, die in 13 offenbart sind, sind ihre wesentlichen Inhalte in US 2010/0284194 A1 offenbart, wobei deren Offenbarung hiermit durch Bezugnahme vollinhaltlich in das vorliegende Dokument aufgenommen wird. Es sei angemerkt, dass die Erfindung nicht auf die zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele eingeschränkt ist, sondern in einer Vielzahl von Weisen modifiziert werden kann, ohne vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2010-003476 [0001]
JP 1982-15002 [0004]
JP 1984-119340 [0004]
JP 1993-281402 [0004]
US 2010/0284194 A1 [0084]

Claims

Linsenelement, aufweisend: eine Mittelachse; einen ersten Linsenabschnitt, der eine Lichteinfallsfläche, die so angeordnet ist, dass sie einer Lichtquelle zugewandt ist, und eine Lichtaustrittsfläche beinhaltet, die gegenüberliegend der Lichteinfallsfläche angeordnet ist, wobei die Lichtaustrittsfläche eine konische Fläche beinhaltet, die an der Mittelachse zentriert ist und so geneigt ist, dass ein Abstand zwischen der konischen Fläche und der Lichteinfallsfläche zunimmt, wenn ein Abstand von der Mittelachse nach außen in Radialrichtung senkrecht zur Mittelachse zunimmt; und ein zweiter Linsenabschnitt, der eine Innenumfangsfläche, die sich um eine Mittelachse von einer Außenumfangskante der konischen Fläche des ersten Linsenabschnittes erstreckt, und eine Außenumfangsfläche beinhaltet, die an der Mittelachse zentriert ist und außerhalb der Innenumfangsfläche in Radialrichtung senkrecht zur Mittelachse angeordnet ist.
Linsenelement nach Anspruch 1, bei dem die Innenumfangsfläche des zweiten Linsenabschnittes eine kreisförmige zylindrische Fläche ist, die sich im Wesentlichen parallel zur Mittelachse von der Außenumfangskante der konischen Fläche des ersten Linsenabschnittes erstreckt.
Linsenelement nach Anspruch 1, bei dem die Außenumfangsfläche des zweiten Linsenabschnittes unter einem Winkel geneigt ist, der zwischen der Mittelachse und einer Radialrichtung senkrecht zur Mittelachse festgelegt ist.
Linsenelement nach Anspruch 1, weiter aufweisend: einen Hohlraum, der durch die konische Fläche, welche die Lichtaustrittsfläche des ersten Linsenabschnittes bildet, und die Innenumfangsfläche des zweiten Linsenabschnittes begrenzt wird.
Linsenelement nach Anspruch 1, bei dem die Lichteinfallsfläche des ersten Linsenabschnittes einen ebenen Abschnitt beinhaltet, der an der Mittelachse zentriert ist.
Linsenelement nach Anspruch 1, bei dem der zweite Linsenabschnitt eine Lichtaustrittsfläche aufweist, die sich parallel zur Lichteinfallsfläche des ersten Linsenabschnittes zwischen der Innenumfangsfläche des zweiten Linsenabschnittes und der Außenumfangsfläche des zweiten Linsenabschnittes erstreckt.
Linsenelement nach Anspruch 1, bei dem die Lichteinfallsfläche des ersten Linsenabschnittes eine konkave Fläche aufweist, die einen ebenen Abschnitt, der an der Mittelachse zentriert ist, und eine Umfangsfläche beinhaltet, die den ebenen Abschnitt umgibt.
Linsenelement nach Anspruch 7, bei dem eine Mehrzahl von Prismen auf der Umfangsfläche der Lichteinfallsfläche des ersten Linsenabschnittes ausgebildet sind, wobei jedes der Prismen eine Lichteintrittsfläche, die Licht von der Lichtquelle empfängt, und eine Reflexionsfläche beinhaltet, die nach außen von der Lichteintrittsfläche in Radialrichtung senkrecht zur Mittelachse angeordnet ist, und die Reflexionsfläche das Licht, das durch die Lichteintrittsfläche empfangen wird, zu einer Lichtaustrittsfläche des zweiten Linsenabschnittes hin totalreflektiert.
Linsenelement nach Anspruch 8, bei dem die Mehrzahl von Prismen konzentrisch um die Mittelachse herum angeordnet sind.
Linsenelement nach Anspruch 4, weiter aufweisend: einen dritten Linsenabschnitt, der so angeordnet ist, dass er der konischen Fläche zugewandt ist, welche die Lichtaustrittsfläche des ersten Linsenabschnittes bildet, wobei der dritte Linsenabschnitt benachbart zu einer Lichtaustrittsfläche des zweiten Linsenabschnittes so angeordnet ist, dass der Hohlraum verschlossen ist.
Linsenelement nach Anspruch 10, bei dem der dritte Linsenabschnitt einen konvexen Linsenabschnitt aufweist, der an der Mittelachse zentriert ist, wobei der konvexe Linsenabschnitt so angeordnet ist, dass er der Lichtaustrittsfläche des ersten Linsenabschnittes zugewandt ist.
Linsenelement nach Anspruch 11, bei dem der dritte Linsenabschnitt eine Mehrzahl von Prismen aufweist, die um den konvexen Linsenabschnitt herum und konzentrisch um die Mittelachse vorgesehen sind, wobei jedes der Prismen eine Lichteintrittsfläche, die Licht empfängt, das aus der Lichtaustrittsfläche des ersten Linsenabschnittes austritt, und eine Lichtreflexionsfläche beinhaltet, die das empfangene Licht nach vorne in Verlaufsrichtung der Mittelachse reflektiert.
Linsenelement nach Anspruch 1, bei dem der erste Linsenabschnitt und der zweite Linsenabschnitt gemeinsam in integraler Weise ausgebildet sind.
Linsenelement nach Anspruch 10, bei dem der dritte Linsenabschnitt an die Innenumfangsfläche des zweiten Linsenabschnittes angesetzt ist.
Linsenelement nach Anspruch 1, bei dem die Innenumfangsfläche des zweiten Linsenabschnittes eine geneigte Fläche ist, die an der Mittelachse zentriert ist und sich von der Umfangskante der konischen Fläche aus erstreckt, welche die Lichtaustrittsfläche des ersten Linsenabschnittes bildet, und zwar unter einem Neigungswinkel, der zwischen der Mittelachse und einer Radialrichtung senkrecht zur Mittelachse festgelegt ist.
Linsenelement nach Anspruch 8, bei dem die Umfangsfläche der Lichteinfallsfläche des ersten Linsenabschnittes eine Fresnel-Linse ist.
Linsenelement nach Anspruch 16, bei dem die Fresnel-Linse aus einer Interntotalreflexionslinse transformiert ist, die eine konkave Lichteinfallsfläche und eine konvexe Lichtreflexionsfläche beinhaltet, welche so angeordnet ist, dass sie eine Außenseite der Lichteinfallsfläche umgibt, wobei die Lichteinfallsfläche und die Lichtreflexionsfläche der Interntotalreflexionslinse jeweils in eine Mehrzahl von Lichteinfallsgebieten und eine Mehrzahl von Lichtreflexionsgebieten abgeteilt sind, die konzentrisch um die Mittelachse angeordnet sind, wobei die Lichteinfallsgebiete und die Lichtreflexionsgebiete so rekonstruiert sind, dass sie Lichteintrittsflächen bzw. Reflexionsflächen von Prismen bilden, wodurch die Fresnel-Linse definiert ist.
Optische Einheit, aufweisend: das Linsenelement nach Anspruch 1; und eine Lichtquelle, die so angeordnet ist, dass sie der Lichteinfallsfläche des ersten Linsenabschnittes des Linsenelementes zugewandt ist; wobei die Außenumfangsfläche der zweiten Linse so konfiguriert ist, dass sie Licht totalreflektiert, welches durch die Lichtaustrittsfläche der ersten Linse ausgetreten ist und die Außenumfangsfläche der zweiten Linse durch die Innenumfangsfläche der zweiten Linse erreicht hat, um das Licht weiter in Verlaufsrichtung der Mittelachse zu lenken.
Optische Einheit, aufweisend: das Linsenelement nach Anspruch 1; ein Rahmenelement, welches das Linsenelement trägt; und eine Lichtquelle, die innerhalb des Rahmenelementes so angeordnet ist, dass sie der Lichteinfallsfläche des ersten Linsenabschnittes des Linsenelementes zugewandt ist.
Linsenelement nach Anspruch 1, bei dem die konische Fläche des ersten Linsenabschnittes eine gekrümmte Fläche beinhaltet.