JP2003004908A - 光学レンズ及び光学システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 大きい光学作用部領域により光路変換作用を
行うことが可能で、配置上の制限の少ない光学レンズを
提供する。 【解決手段】 本発明による光学レンズ１は、光入射側
及び光出射側の何れか一方に捩れ曲面を成し、発光素子
２０を構成する各発光部２１から出射された各光に対し
て光軸を中心にα°旋回して出射する光学作用部１１、
を有する柱状光学部材１０を複数備え、各柱状光学部材
１０の柱軸方向４は、柱状光学部材１０を設置する設置
面に対して略垂直を成し、各柱状光学部材１０は、各発
光部２１にそれぞれ対応するようにアレイ状に配列され
ていることを特徴とする。このような光学レンズ１によ
れば、各柱状光学部材１０の柱軸方向４が設置面に対し
て略垂直を成し、柱状光学部材１０は、柱軸方向長さに
対して径方向長さに長く形成されるため、光学作用部１
１の領域が増大する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、複数の発光部が配
列された発光素子から出射された各光に対して作用する
光学レンズに関する。特に各光に対して光路変換作用す
る光学レンズに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、複数の発光部が配列された発
光素子から出射された各光に対して光軸を中心にα°旋
回して出射する光学レンズが知られている。特開平７−
９８４０２号公報、特開平７−２８７１０４号公報は、
透光性材料に対してイオン拡散処理を施すことにより４
５°傾斜させた状態の半円柱型のレンズを複数内部に形
成し、それらがアレイ状に配列された光路変換器を開示
している。特開平７−９８４０２号公報はまた、円柱型
レンズを４５°傾斜させてアレイ状に複数配列した光路
変換器についても開示している。更に、ＥＰ１００６３
８２号公報は、４５°傾斜した複数の円柱レンズを一体
型に形成した光線変換用装置を開示している。なお、こ
れらの光路変換器、光線変換用装置は、４５°傾斜させ
た２つのレンズを介することで、入射光を光軸を中心軸
として９０°旋回させた後出射する。以下にその原理を
簡単に示す。

【０００３】図６（ａ）に示すように、発光素子２０の
各発光部２１から出射された各発散光は、Ｙ軸方向コリ
メートレンズ７５によりＹ軸方向にコリメートされる。
これらの光は、次に４５°傾斜した１列目の円柱型レン
ズ７１に入射し、これにより光線が捩れる（例えば左右
方向に伸びる光線は、中心から外側にいくほど大きい屈
折率で上下方向に４５°屈折する）。捩れた光線が９０
°旋回した位置には２列目の円柱型光学レンズ７２が設
けられており、この円柱型光学レンズ７２により捩れが
修正されて平行光に戻り、９０°旋回された光断面５２
が得られる。図６（ｂ）は円柱型レンズ７１の側面図
で、Ｘ軸方向幅に対してＹ軸方向に長い光線の光断面６
０が円柱型レンズ７１上に照射された状態が示されてい
る。この光断面６０は、この円柱型レンズ７１によって
光路変換作用可能な最大光断面である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、傾斜さ
れた複数の円柱型又は半円柱型レンズを有するこのよう
な従来の光学レンズには、以下のような問題があった。

【０００５】すなわち、図６（ｂ）にも示されるよう
に、円柱型レンズは４５度に傾斜されているため、幅５
８が狭くなり、そのために光に対して作用することが可
能な光学作用部の領域が狭くなる。この円柱型レンズで
は、円柱型レンズ幅５６よりもはるかに小さいＸａより
も大きい光断面幅（Ｘ軸方向）を有する光線に対して
は、光断面６０が円柱型レンズ７１からはみ出されてし
まうため光路変換作用することができない。このよう
に、光学作用部の領域が小さいため、発散光に対して作
用させるには発光部から一定距離内に配置しなければな
らない、という問題があった。

【０００６】そこで、本発明の目的は、大きい光学作用
部領域により光路変換作用を行うことが可能で、配置上
の制限の少ない光学レンズを提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明による光学レンズは、発光部が複数配列され
た発光素子から出射された各光に対して、作用した後に
出射する光学レンズであって、光入射側及び光出射側の
何れか一方に捩れ曲面を成し、各発光部から出射された
各光に対して光軸を中心にα°旋回して出射する光学作
用部、を有する柱状光学部材を複数備え、各柱状光学部
材の柱軸方向は、柱状光学部材を設置する設置面に対し
て略垂直を成し、各柱状光学部材は、各発光部にそれぞ
れ対応するようにアレイ状に配列されていることを特徴
とする。

【０００８】このような光学レンズによれば、発光素子
の各発光部から出射された各光に対して、光軸を中心に
α°旋回して出射することが可能であるため、光路変換
素子として使用することが可能となる。

【０００９】また、各柱状光学部材の柱軸方向が設置面
に対して略垂直を成し、柱状光学部材は、柱軸方向長さ
に対して径方向長さに長く形成されるため、光学作用部
の領域が増大する。

【００１０】更に、各柱状光学部材の柱軸方向は設置面
に対して傾斜せず、略垂直を成す方向であるため、容易
にアレイ状に配置することが可能となる。

【００１１】なお、「光に対して作用する」とは、光に
対してコリメート、集光、又は光路変換することを指す
ものとする。また、「設置面に対して略垂直」とは、柱
状光学部材を設置する設置面に対して８０°〜１００°
の角度を成すことを示すものとする。

【００１２】この光学レンズは、例えば、半円柱形状の
光学レンズ用母材に対し、柱軸方向に対してα°を成す
２直線、α＋９０°を成す２直線で切り出すことにより
得られる。

【００１３】また、半円柱形状の光学レンズ用母材に対
し、柱軸方向に対してα°を成す２直線で切り出すこと
により得られるようにしてもよい。ここで、「半円柱形
状」とは、柱状で、片側側面は平面、反対側側面は凸曲
面を有する形状を指すものとする。曲面は非球面であっ
てもよく、また平面から成る一対の側面を備えていても
よい。

【００１４】捩れ曲面は、各発光部の配列方向及び光軸
方向に対して垂直を成す方向に対してα°傾斜された円
柱部材における側部曲面の一部分であることが望まし
い。

【００１５】各柱状光学部材は、互いに平行な一対の側
部平面を有し、一対の側部平面で互いに接触してアレイ
状に配列されていることが望ましい。これにより、各柱
状光学部材を簡単にアレイ状に配置することが可能とな
っている。

【００１６】α°は、４５°であることが望ましい。

【００１７】本発明による光学レンズは、上記した光学
レンズが２列に並置されたことを特徴とする。これによ
り、発光素子の各発光部から出射された各光に対して、
光軸を中心に２α°旋回して出射することが可能とな
る。α°が４５°の場合には、９０度旋回して出射する
ことが可能となる。

【００１８】本発明による光学システムは、複数の発光
部が配列された発光素子と、発光素子の各発光部から出
射された各光に対して作用する上記した光学レンズと、
光学レンズより出射された各出射光を受光する複数の受
光部が配列された受光装置とを備えたことを特徴とす
る。これにより、光路変換素子として使用可能でありか
つ大きい光学作用部領域を有する光学レンズ、を備えた
光学システムを実現することが可能となる。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、図面に従って本発明の実施
形態を詳細に説明する。なお、以下の説明では、同一ま
たは相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略
する。

【００２０】図１は、実施形態に係る光学レンズ１の全
体図である。光学レンズ１は、柱状光学部材１０がアレ
イ状に配列された形態を有し、発光部が複数配列された
発光素子から出射された各光（入射光６）に対してそれ
ぞれに光路変換作用した後、出射するものである（出射
光７）。各柱状光学部材１０は互いに平行な一対の側部
平面９を有しており、この側部平面９を互いに密着させ
た状態にして各柱状光学部材１０はアレイ状に配列され
ている。一対の側部平面９は互いに平行なので、このよ
うにして配列された各柱状光学部材９の光学作用部１１
の向きは同じ方向にそろえられる。アレイ状に配列され
る各柱状光学部材１０のピッチ幅は各発光部のピッチ幅
に一致する。更に、この実施形態のように密着させた状
態にして配列されている場合には、ピッチ幅は柱状光学
部材幅５７（図２（ａ）参考）にも一致する。なお、図
に示されている「Ｘ軸方向」とは、発光素子における各
発光部の配列方向を指し、「Ｙ軸方向」とは、Ｘ軸方向
及び発光部からの光軸に対して垂直を成す方向を指すも
のとする。各柱状光学部材の配列方向はＸ軸方向とな
る。

【００２１】図２（ａ）は、柱状光学部材の全体図であ
り、図２（ｂ）は、図２（ａ）示される柱状光学部材を
第三角法により示された図である。図に示されるよう
に、柱状光学部材１０は、略直方体形状の柱状に形成さ
れ、光出射側の面には光学作用部１１が形成されてい
る。なお、「柱状光学部材における柱軸」とは、Ｙ軸方
向に垂直な任意断面における各重心点を最も近似的に通
るような直線を最小二乗法により求めたものとする。図
２（ｂ）には、柱状光学部材１０の正面図、右側面図、
左側面図、上面図、底面図、背面図が示されている。正
面図は、図２（ａ）に示された方向から見た際の図であ
る。この柱状光学部材１０は、光入射面側である左側面
側には光学作用部１１は形成されず、光出射面側である
右側面側には全面にわたって光学作用部１１が形成さ
れ、上面図、底面図、背面図において、一部に光学作用
部１１が見られるような形状を有している。この光学作
用部１１は捩れ曲面より成り、入射光６に作用して光軸
に対して捩れた出射光７を出射する。逆に捩れた入射光
に対しては、捩れを修正して出射することが可能である
（これら二つの機能を合わせて光路変換を実現してい
る）。この捩れ曲面は、Ｙ軸方向、に対して４５°傾斜
された円柱部材における側部平面の一部分である。この
点については図４を用いて後述する。なお、光学作用部
１１は光入射面側に形成されてもよい。

【００２２】各柱状光学部材１０は、その柱軸方向４が
設置面に対して垂直を成すように、即ちＹ軸方向を向い
て形成されている。このため、それ単体でも倒れること
がなく、容易にアレイ状に配置することが可能となって
いる。このように柱軸方向４が設置面に対して垂直を成
すように柱状光学部材を形成すると、入射光６に対して
実際に作用することが可能な光学作用部１１の領域が増
大するという利点もある。この点についても図４、図５
を用いて後に詳述する。

【００２３】図３は実施形態に係る光学システムの全体
図である。光学システム８０は、複数の発光部２１が配
列された発光素子２０と、各発光部２１から出射された
各光に対してＹ軸方向にコリメートする第１並置光学レ
ンズ１５と、第１並置光学レンズ１５によってＹ軸方向
にコリメートされた各光に対して光路変換作用する一対
の光学レンズ１と、一対の光学レンズ１によって光路変
換された各光に対してＹ軸方向にコリメートする第２並
置光学レンズ１６とから構成されている。

【００２４】図６（ａ）について説明したように、各発
光部２１から出射される各光は発散光であって、光断面
８１に示されるようにＸ軸方向に対してＹ軸方向に広が
り角の大きい光である。これらの各光は第１並置光学レ
ンズ１５に入射し、Ｙ軸方向にコリメートされる。この
時点で、これらの各光は、Ｘ軸方向にはまだ発散する光
である（光断面８２）。従って、光断面８２は光断面８
１よりＸ軸方向に大きいものとなっている。これらの各
光に対し、一対の光学レンズ１の作用により光軸を中心
に９０°旋回され、Ｘ軸方向にコリメートされＹ軸方向
にはまだ発散する光が出射される（光断面８３）。これ
ら一対の光学レンズ１が無かった場合には、光断面８２
に対し、光断面８２の状態から更にＸ軸方向に発散した
光断面、すなわち光断面８３を光軸に対して９０°旋回
した光断面が得られることになる。この一対の光学レン
ズ１の光に対する作用は、図６（ａ）で示された４５°
に傾斜した円柱型レンズ７１，７２の作用と同様であ
る。最後に、第２並置光学レンズ１６によりＹ軸方向に
再びコリメートされ、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向ともにコリメ
ートされた出射光が得られる（光断面８４）。この出射
光は、光ファイバなどの受光装置により受光される。

【００２５】図４は、実施形態に係る光学レンズを作製
する光学レンズ用母材の全体図である。図に示されるよ
うに、光学レンズ用母材４０は半円柱形状であって、底
面３９と、底面３９と反対側に形成された凸曲面（これ
を上部曲面４９とする）と、また平面から成る一対の側
面３８とを備えている。この上部曲面４９は円柱４１の
側部曲面の一部である。柱状光学部材１０は、光学レン
ズ用母材４０の辺４２に対して４５°を成す線分４３〜
４６を通るように、上部曲面４９から底面に向けて垂直
に切断することにより得られる。従って、光学作用部１
１は柱状光学部材１０の柱軸方向４に対して捩れた形状
（これを捩れ曲面としている）をもつことになる。ま
た、柱状光学部材１０を切り出す線分４３〜４６は互い
に直角を成すため、切り出された柱状光学部材１０の柱
軸方向４は柱状光学部材１０を設置する設置面に対して
垂直を成し、底面４７により設置面に対して自立する。
これにより、前述した通り設置面に対し簡単に配置する
ことが可能な光学レンズ１が実現される。

【００２６】なお、柱状光学部材１０を、光学レンズ用
母材４０の辺４２に対して４５°を成す線分４４，４５
を通る２直線により、上部曲面４９から底面に向けて垂
直に切断することにより形成してもよい。この場合に
は、柱状光学部材１０を単体ではその柱軸方向をＹ軸方
向に向けて配置することはできないため、柱状光学部材
１０を互いに平行な一対の側部平面９を接触させてアレ
イ状に配列させることによりその状態が維持される。ま
た、上部曲面４９は非球面であってもよい。

【００２７】国際公開９９／４６６２５号公報には、類
似の方法で切り出された光学レンズについて開示されて
いる。しかしながら、母材の形状が異なり、また切り出
された光学レンズでの入射光束への作用も異なものであ
り、本発明とは異なるものである。

【００２８】図５（ａ）,（ｂ）はそれぞれ本実施形態
の効果を示す図である。図５（ａ）は、柱状光学部材１
０の側面図である。この柱状光学部材１０は、上述した
ように、複数の発光部２１が配列された発光素子２０に
対応する光学レンズ１を構成する一つの光学部材であ
り、本来、Ｘ軸方向に互いに密接してアレイ状に配列さ
れていたものである。図には柱状光学部材１０に入射さ
れた光の光断面４５が示されている。この光断面４５
は、Ｘ軸方向幅Ｘｂに対してＹ軸方向幅Ｙｂの大きい光
断面である。また、この光断面４５のＸ軸方向幅Ｘｂは
柱状光学部材幅５７と同一幅であり、従って、この光断
面４５はこの柱状光学部材１０によって光路変換作用可
能な最大光断面である。

【００２９】点線で示されている部分は、図６（ｂ）に
示された円柱型レンズ７１の側面図である。この円柱型
レンズ７１は、上記柱状光学部材１０の場合と同様、発
光素子２０に対応する光学レンズを構成する一つの光学
部材であり、Ｘ軸方向に互いに密接してアレイ状に配列
されていたものである。従って、柱状光学部材幅５７と
同一の円柱型レンズ幅５６を有している。既に説明した
ように、円柱型レンズ７１の場合、４５度傾斜されてい
る分だけ幅５８が狭くなっているため、この円柱型レン
ズ７１における光路変換作用可能な最大光断面は図の光
断面６０である。光断面６０のＸ軸方向幅Ｘａは円柱型
レンズ幅５６（＝柱状光学部材幅５７）よりもはるかに
小さい。

【００３０】このように、本実施形態による柱状光学部
材１０により光路変換作用可能な光学作用部１１の領域
は、円柱型レンズにより光路変換作用可能な光学作用部
の領域よりもはるかに大きいものとなっている。光路変
換作用可能な光学作用部１１の領域が大きいと、発光部
２１からの距離に関して配置上の制限が緩和される、と
いう効果がある。即ち、発散光に対し、より発散が進ん
だ状態でも配置することが可能になる。図５（ｂ）に
は、柱状光学部材１０のこの点についての効果が示され
ている。発光部２１から出射された発散光に対し、円柱
型レンズ７１は光断面６０を超える大きさの光線につい
ては光路変換作用を与えることはできない。従って、円
柱型レンズ７１は、発光部２１からの距離として距離９
０内に設置しなければならない。本実施形態による光学
レンズ１の柱状光学部材１０では、発光部２１からの距
離として距離９１までに配置可能領域を拡張することが
可能となっている。

【００３１】以上、本発明をその実施形態に基づき具体
的に説明したが、本発明は、本発明を実施するにあたっ
て単に最良の形態を示すに過ぎない前記実施形態に限定
されるものではなく、本発明の請求項の範囲内に該当す
る発明の全ての変更を包含し、形状、サイズ、配置など
について変更が可能である。

【００３２】

【発明の効果】本発明では、発光素子の各発光部から出
射された各光に対して、光軸を中心にα°旋回して出射
することが可能であるため、光路変換素子として使用す
ることが可能となる。

【００３３】また、各柱状光学部材の柱軸方向が設置面
に対して略垂直を成し、柱状光学部材は、柱軸方向長さ
に対して径方向長さに長く形成されるため、光学作用部
の領域が増大する。これにより、配置上の制限の少ない
光学レンズを提供することにある。

【００３４】更に、各柱状光学部材の柱軸方向は設置面
に対して傾斜せず、略垂直を成す方向であるため、容易
にアレイ状に配置することが可能となり、製造上の負担
を軽減される。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、実施形態に係る光学レンズの全体図で
ある。

【図２】図２（ａ）は、柱状光学部材の全体図であり、
図２（ｂ）は、図２（ａ）示される柱状光学部材を第三
角法により示された図である。

【図３】図３は実施形態に係る光学システムの全体図で
ある。

【図４】図４は、実施形態に係る光学レンズを作製する
光学レンズ用母材の全体図である。

【図５】図５（ａ）,（ｂ）はそれぞれ本実施形態の効
果を示す図である。

【図６】図６（ａ）は、従来の光学レンズによる光路変
換作用を示す図であり、図６（ｂ）は、従来の光学レン
ズに使用されている円柱型レンズの側面図である。

【符号の説明】

１…光学レンズ、４…柱軸方向、９…側部平面、１０…
柱状光学部材、１１…光学作用部、２０…発光素子、２
１…発光部、４１…円柱部材。

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 発光部が複数配列された発光素子から出
   射された各光に対して、作用した後に出射する光学レン
   ズであって、 光入射側及び光出射側の何れか一方に捩れ曲面を成し、
   前記各発光部から出射された各光に対して光軸を中心に
   α°旋回して出射する光学作用部、を有する柱状光学部
   材を複数備え、 前記各柱状光学部材の柱軸方向は、前記柱状光学部材を
   設置する設置面に対して略垂直を成し、 前記各柱状光学部材は、各発光部にそれぞれ対応するよ
   うにアレイ状に配列されていることを特徴とする光学レ
   ンズ。
2. 【請求項２】 半円柱形状の光学レンズ用母材に対し、
   柱軸方向に対してα°を成す２直線で切り出すことによ
   り得られる請求項１に記載の光学レンズ。
3. 【請求項３】 半円柱形状の光学レンズ用母材に対し、
   柱軸方向に対してα°を成す２直線、α＋９０°を成す
   ２直線で切り出すことにより得られる請求項１に記載の
   光学レンズ。
4. 【請求項４】 前記捩れ曲面は、前記各発光部の配列方
   向及び前記光軸方向に対して垂直を成す方向に対してα
   °傾斜された円柱部材における側部曲面の一部分である
   請求項１に記載の光学レンズ。
5. 【請求項５】 前記各柱状光学部材は、互いに平行な一
   対の側部平面を有し、前記一対の側部平面で互いに接触
   してアレイ状に配列されている請求項１〜４の何れか１
   項に記載の光学レンズ。
6. 【請求項６】 前記α°は、４５°である請求項１〜５
   の何れか１項に記載の光学レンズ。
7. 【請求項７】 請求項１に記載の光学レンズが２列に並
   置されたことを特徴とする光学レンズ。
8. 【請求項８】 複数の発光部が配列された発光素子と、 前記発光素子の前記各発光部から出射された各光に対し
   て作用する前記請求項１〜７の何れかに記載の光学レン
   ズと、 前記光学レンズより出射された各出射光を受光する受光
   部が配列された受光装置とを備えたことを特徴とする光
   学システム。