JP2005257953A - フレネルレンズおよび照明装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】設計自由度が大きく、あるいは加工限界が発生し難く、あるいは複数の近接した
光源の各々に対して最適なレンズ形状を与えうる構成のフレネルレンズ、およびそれらの
フレネルレンズを用いて改善された特性を有する照明装置を提供すること。
【解決手段】多数のリング状プリズムを備えたフレネルレンズ面を透明なレンズ素材の表
面に複数個備えたフレネルレンズ。また前記フレネルレンズ面をレンズ素材の上下に設け
たこと。また上面に設けたフレネルレンズ面の中心軸と下面に設けたフレネルレンズ面の
中心軸とが所定の距離だけずれていること。また複数個のフレネルレンズ面の中心軸が相
互に所定の距離だけずれていること。また前記フレネルレンズ面を曲面上に乗せたこと。
また上記いずれかの特徴を有するフレネルレンズをＬＥＤ素子の発光面のほぼ直上に配置
したことを特徴とする照明装置。また上記構成をアレイ状に配置した照明装置。
【選択図】図１

Description

本発明はフレネルレンズおよびフレネルレンズとＬＥＤ発光素子を組み合わせた照明装
置に関する。
従来、ＣＤやＤＶＤの読み書きあるいはその他の大小様々な光学応用機器に用いる照明
用の光源は、多くは発光体のＬＥＤ発光素子やランプを備えた支持体にレンズを貼り付け
、あるいはレンズを支持体と一体成形し、ＬＥＤ素子等の光に所定の集光特性を与えて照
明装置としていた。照明装置の小型化のためには、ＬＥＤをレンズに近接させる必要があ
り、そのためレンズの口径と共に集光力を大きく（すなわちＦｎを小さく）する必要があ
った。レンズとしては、ほぼ半球状に成形した透明体、あるいは同心円型の多数のプリズ
ムを平面的に並べたフレネルレンズが用いられた。以下に数種の従来例を挙げその得失を
説明する。
図８は第１の従来例である半球状レンズを用いた照明装置の断面図である。５は光源と
なるチップ状のＬＥＤで、その発光面のレンズ９からの距離は、ほぼ焦点またはその近辺
の適宜な位置に置く。６はリード線、９は半球状レンズ（半球あるいは半球に近い厚い曲
面を持ったレンズを意味する）、７は樹脂製のケースで、ＬＥＤ５および半球状レンズ９
の支持体を兼ねている。なおケース７におけるＬＥＤ５の実装部分や電源端子等の詳細は
図示を省略した。これは他の図においても同様であり、また他の図においても実質的に共
通する構成要素には同じ符号を用いた。本例においては、レンズの集光作用に無理はない
が、レンズの口径と曲率が大きいためレンズが厚くなり、照明装置の小型化（薄型化）で
きない難点がある。
図９は第２の従来例であるフレネルレンズを用いた照明装置を示し、（ａ）はその平面
図、（ｂ）は断面図である。１は屈折型のフレネルレンズで、１枚の凸レンズをその中心
軸（光軸）と同軸の多数の円筒面で分割して三角形断面（その斜辺は元のレンズ面に倣っ
た、あるいは屈折特性を部分的に補償するために形状に若干の修正を施した直線あるいは
曲線である）を有するリング型の多数のプリズム部２とし（中心部を除く）、各プリズム
部２の頂部がほぼ同じ高さになるよう軸方向にずらして揃え、余肉を除去してプリズム部
および中心部によるレンズ作用を保ちながら、全体的に薄型化した構造を有する。プリズ
ム部２の加工は、通常金型を用いた樹脂の射出成形による。
フレネルレンズ１は半球状レンズ９に比して同じ口径およびＦｎの場合薄型になり、照
明装置も薄型化できることは明白であるが、プリズム部２の斜面の傾斜はレンズ外周部に
おけるほど急峻になり、分割すべき円筒面の間隔も密になるから、プリズム部２の面の加
工（金型の切削加工）が困難になり、口径比の大きなフレネルレンズでは、ある半径の外
側ではプリズム部の加工限界が発生するという難点がある。又、フレネルレンズの外周部
ほどプリズム部２に光源からの入射光とレンズの光軸との角度が増し、光の利用効率が低
下してしまう。
図１０は第３の従来例である半球状レンズアレイと複数のを用いた照明装置を示し、（
ａ）はその平面図、（ｂ）は断面図である。半球状レンズアレイ１０は半球状レンズ９を
平面的に近接させて配置したもので、個々の半球状レンズ９の光軸上にそれぞれＬＥＤ５
が配置してある。この照明装置によって適度に集光された照度の高い面光源が得られる。
本例においても第１の従来例と同じく、レンズアレイ１０および照明装置の薄型化に難点
を有する。
図１１は第４の従来例であるフレネルレンズアレイと複数のＬＥＤを用いた照明装置を
示し、（ａ）はその平面図、（ｂ）は断面図である。本例の照明装置は第３の従来例とほ
ぼ同じ目的を有する。フレネルレンズアレイ１１は第２の従来例に準じた単体のフレネル
レンズ１を密接配置したものである。本例の長所は照明装置の薄型性にあるが、第２の従
来例と同様に加工限界を生じやすい問題がある。
図１２は第５の従来例であるフレネルレンズと多色のＬＥＤを用いた照明装置を示し、
（ａ）はその平面図、（ｂ）は断面図である。本例は１個のフレネルレンズ１の中心部直
下に複数のＬＥＤ５（例えばＲ、Ｇ、Ｂの各色を発光する３個のＬＥＤ）を密接して配置
し、任意の発光色を得ることができる照明装置である。なお本例においては、フレネルレ
ンズ１の内部にＬＥＤ５を埋め込んだ構造となっている。本例における主要な問題点は、
フレネルレンズ１の光軸上に同時に複数のＬＥＤを配置することができないために、全て
の光源（ＬＥＤ５）に対して理想的なレンズ設計ができないことである。
本発明においては、複数のフレネルレンズ面を合成した設計自由度の大きなフレネルレ
ンズおよびそれを用いて特性を改善した照明装置を提供することを第１の目的とする。ま
た従来のフレネルレンズよりも屈折力が大きく、かつ加工限界が発生し難い構成のフレネ
ルレンズ、および該フレネルレンズを用いた薄型の照明装置を提供することを第２の目的
とする。また近接した複数の光源に対して最適なレンズ形状を与えうる構成のフレネルレ
ンズ、および該フレネルレンズを用いた照明装置を提供することを第３の目的とする。
本発明のフレネルレンズは以下の特徴を備える。
（１）多数のリング状プリズムより成るフレネルレンズ面を透明なレンズ素材の表面に設
けたフレネルレンズにおいて、該フレネルレンズは少なくとも前記フレネルレンズ面を複
数個備えたこと。
本発明のフレネルレンズは以下の特徴の少なくとも１つを更に備えることがある。
（２）前記フレネルレンズ面を、ほぼ板状の前記レンズ素材の上下両面に設けたこと。
（３）前記レンズ素材の上面に設けたフレネルレンズ面の中心軸と、下面に設けたフレネ
ルレンズ面の中心軸とが所定の距離だけずれていること。
（４）前記レンズ素材の少なくとも１つの面に設けられた複数個のフレネルレンズ面の中
心軸が、相互に所定の距離だけずれていること。
（５）前記フレネルレンズ面の少なくとも一つが設けられた前記レンズ素材の表面のうち
、前記多数のプリズムを乗せた少なくとも１つの面は曲面をなしていること。
本発明の照明装置は、以下の特徴を備える。
（６）上記（１）ないし（５）の少なくとも１つの特徴を有するフレネルレンズをＬＥＤ
素子の発光面のほぼ直上に配置したこと。
本発明の照明装置は、また以下の特徴を備えることがある。
（７）上記（１）ないし（５）の少なくとも１つの特徴を有するフレネルレンズを一体を
なす透明なレンズ素材上に複数個平面的に配列した複合フレネルレンズを、複数個のＬＥ
Ｄ素子を一枚の基板上に配列し、該基板のほぼ直上に、個々の前記フレネルレンズと個々
の前記ＬＥＤ素子の発光部位とがぞれぞれ位置的に対応するように配置したこと。
本発明のフレネルレンズは複数のフレネルレンズ面を合成したレンズ効果が得られるの
で、単一のレンズによっても異質の特性が得られ、薄型のレンズとなることはもとより、
設計的に自由度が大きい効果を有する。例えば、複数のフレネルレンズ面をレンズ素材の
上下面に設けることによって、同じ集光力であってもプリズム部の傾斜を緩くすることが
でき、加工限界を克服して口径比の大きなレンズを得ることができる。また上下のフレネ
ルレンズ面あるいは同一面に中心軸のずれたフレネルレンズ面を形成することにより、更
に大きな設計的自由度を得ることができる。またフレネルレンズ面を曲面上に載せること
により、レンズ効果を更に強化したり補正することができる。そしてこれらの特徴の少な
くとも１つを備えたフレネルレンズを用いた照明装置は、集光特性が優れかつ薄型である
という効果を発揮する。
本発明のフレネルレンズはその表面に複数のフレネルレンズ面を形成する。そして本発
明の照明装置は、このフレネルレンズにＬＥＤ発光素子を近接して取り付けてある。
図１は本発明の第１の実施例であるフレネルレンズおよび照明装置の断面図である。フ
レネルレンズ１は、多数のプリズム部２および中心部の凸レンズより成る同じ形状のフレ
ネルレンズ面が、１枚の板状のレンズ素材の上面と下面に同軸に設けられているものであ
る。また照明装置においてはフレネルレンズ１のみに特徴があり、ＬＥＤ５、リード線６
、ケース７等については従来例とほぼ同様な構造である。（他の実施例についても同様で
ある。）
本実施例においては上下の各フレネルレンズ面の集光力は、総合的に要求される集光力
の半分づつでよいから、各プリズム部２の頂角あるいは斜面の傾斜は第２の従来例よりも
かなり緩くてよく、従って加工限界なしに形成できるプリズム部２の直径を十分に大きく
することができ、照明装置を従来よりも大口径にしあるいは同じ口径でより小さなＦｎと
し、またＬＥＤ５をフレネルレンズ１に相対的により接近させ薄型化することができるこ
とになる。
図２は本発明の第２の実施例であるフレネルレンズの断面図である。本実施例のフレネ
ルレンズ１の上下のプリズム部２ａ、２ｂの基底面３ａ、３ｂは他の実施例のように平面
ではなく、レンズ素材の上下に形成された凸レンズ状の曲面になっている。このように凸
レンズにフレネルレンズを重ねることにより、更に合成焦点距離を短くすることができる
。なおプリズム部の基底面をなす曲面は一面（例えば上面）だけに設けてもよい。また曲
面の形状は凸レンズ状に限られず、フレネルレンズに任意の特徴を追加、あるいは弱点を
補償（例えば集光度の改善、ある種の収差の補正、プリズム部への入射光の方向の改善等
）の目的に応じた任意の曲面であってもよい。もちろんフレネルレンズと中心軸を共有す
る回転曲面でなくてもよい。また光源側の基底面３ｂを凹面とした場合には、フレネルレ
ンズの周辺部に入射する光と基底面３ｂの入射部位に立てた法線とのなす角を、基底面３
ｂが平面あるいは凸面の場合よりも小さくできるので、プリズム部２ｂへの光の入射を容
易にし、光の利用効率を向上させ得る。
図３は本発明の第３の実施例であるフレネルレンズの断面図である。本例においては、
フレネルレンズ１の上下に設けたフレネルレンズ面をなすプリズム部２ａおよび２ｂのそ
れぞれの中心軸（光軸）４ａ、４ｂを互いに所定の距離ｄだけずらしたものである。これ
はフレネルレンズ１の集光性を調節するための構成である。図４および図５はこのフレネ
ルレンズ１を組み込んだ照明装置の２つの例の断面図であって、図４に示す照明装置は２
つの中心軸４ａ、４ｂのほぼ延長上にそれぞれ１個づつのＬＥＤ５を備えた例、図５に示
す照明装置は２つの中心軸４ａ、４ｂの延長上のほぼ中間に１個のＬＥＤ５を備えた例で
ある。
図６は本発明の第３の実施例の照明装置における集光状態を説明するグラフである。８
は２本の集光曲線であって、１個（あるいは近接した２個）のＬＥＤから発する光がプリ
ズム部２ａまたは２ｂのいずれか一方のレンズにより集光されるべき光の強度分布を位置
に関して表している。２つの集光曲線８は、２つのレンズの光軸のずれｄに対応してｄ’
だけ離れる。なお曲線の形状は光源の位置や数その他の条件によって必ずしも等しくはな
らない。同様に一般的にｄ’≠ｄでもある。ＬＥＤ５から発する光は上下の２つのレンズ
面２ａ、２ｂの双方を通るので、合成された集光曲線（図示せず）は各集光曲線８の和に
近い形になり、その結果光源によって照射される面は、単一の光軸を持つレンズ面による
照射面よりも（光軸のずれている方向に沿って）かなり広くなる。即ち均一な照度で照射
できる面を広げることができる。
図７は本発明の第４の実施例であるフレネルレンズおよび照明装置を示し、（ａ）はそ
の平面図、（ｂ）は断面図である。本実施例は図１２を用いて説明した第５の従来例に対
応するもので、３個のＬＥＤ５はフレネルレンズ１の内部に埋め込まれている。プリズム
部（フレネルレンズ面）は１面（上面）にのみ設けられているが、２ａ、２ｂ、２ｃの３
重の面から構成されている。各プリズム面の半径方向のピッチは実際には十分密に（細か
く）するが、図７においては図示の便宜上粗く描いてある。３つのプリズム部の中心軸は
平面図においてほぼ正三角形の各頂点にある。そしてその各頂点には３個のＬＥＤ５（
例えばＲ、Ｇ、Ｂの各色）の発光面の中心が位置している。
そして３種のプリズム面が交錯する部分ではフレネルレンズの断面は種々の構成があり
得るが、本例では例えば断面図（ｂ）に示すように、基準面３よりより突出したプリズム
面を連ねたプロフィールを持つものとする。このように、本実施例では各ＬＥＤ５に対応
してその直上に１つのプリズム部を持つので、設計が容易になる他、各ＬＥＤ５の出力を
最大限に利用できる。また各ＬＥＤ５の直上にない他のプリズム部により、拡大された照
射面を得ることもできる。なお各プリズム面は曲面上に形成してもよいし、フレネルレン
ズ１の上下に適宜分割して形成してもよい。また各ＬＥＤの発光面の位置は各プリズム面
の光軸から適宜ずらすことも可能である。
その他の実施例
その他個々には述べないが、既述の各実施例の有する特徴を組み合わせて新しい実施例
やある実施例の変形例を構成することができる。また実施例としては提示しなかったが、
第４従来例（図１１）のようなフレネルレンズアレイを用いた複合照明装置を構成し、本
発明の効果を付与することも可能である。また既知の技術を用いて更に変形した実施例を
構成することが可能であることはもちろんである。
本発明のフレネルレンズおよびそれを適用した照明装置は小型（薄型）で集光力にも優
れ、集光度の調節も可能で、加工限界も除去でき、設計の自由度が大きいので、小型のあ
るいは携帯用の他種類の電子機器の照明用の光源として優れ、応用範囲が広く、産業上の
利用範囲は広いものである。
本発明の第１の実施例であるフレネルレンズおよび照明装置の断面図である。 本発明の第２の実施例であるフレネルレンズの断面図である。 本発明の第３の実施例であるフレネルレンズの断面図である。 本発明の第３の実施例のフレネルレンズを用いた照明装置の断面図である。 本発明の第３の実施例のフレネルレンズを用いた照明装置の変形例の断面図である。 本発明の第３の実施例の照明装置における集光状態を説明するグラフである。 本発明の第４の実施例であるフレネルレンズおよび照明装置を示し、（ａ）はその平面図、（ｂ）は断面図である。 第１の従来例である半球状レンズを用いた照明装置の断面図である。 第２の従来例であるフレネルレンズを用いた照明装置を示し、（ａ）はその平面図、（ｂ）は断面図である。 第３の従来例である半球状レンズアレイと複数のＬＥＤを用いた照明装置を示し、（ａ）はその平面図、（ｂ）は断面図である。 第４の従来例であるフレネルレンズアレイと複数のＬＥＤを用いた照明装置を示し、（ａ）はその平面図、（ｂ）は断面図である。 第５の従来例であるフレネルレンズと多色のＬＥＤを用いた照明装置を示し、（ａ）はその平面図、（ｂ）は断面図である。
符号の説明
１ フレネルレンズ
２、２ａ、２ｂ プリズム部
３、３ａ、３ｂ 基底面
４ａ、４ｂ レンズ軸
５ ＬＥＤ
６ リード線
７ ケース
８ 集光曲線
９ 半球状レンズ
１０ 半球状レンズアレイ
１１ フレネルレンズアレイ

Claims (7)

  1. 多数のリング状プリズムより成るフレネルレンズ面を透明なレンズ素材の表面に設けた
    フレネルレンズにおいて、該フレネルレンズは少なくとも前記フレネルレンズ面を複数個
    備えたことを特徴とするフレネルレンズ。
  2. 前記フレネルレンズ面を、ほぼ板状の前記レンズ素材の上下両面に設けたことを特徴と
    する請求項１のフレネルレンズ。
  3. 前記レンズ素材の上面に設けたフレネルレンズ面の中心軸と、下面に設けたフレネルレ
    ンズ面の中心軸とが所定の距離だけずれていることを特徴とする請求項２のフレネルレン
    ズ。
  4. 前記レンズ素材の少なくとも１つの面に設けられた複数個のフレネルレンズ面の中心軸
    が、相互に所定の距離だけずれていることを特徴とする請求項１のフレネルレンズ。
  5. 前記フレネルレンズ面の少なくとも一つが設けられた前記レンズ素材の表面のうち、前
    記多数のプリズムを乗せた少なくとも１つの面は曲面をなしていることを特徴とする請求
    項１ないし４のいずれかのフレネルレンズ。
  6. 請求項１ないし５の少なくとも１つの特徴を有するフレネルレンズをＬＥＤ素子の発光
    面のほぼ直上に配置したことを特徴とする照明装置。
  7. 請求項１ないし５の少なくとも１つの特徴を有するフレネルレンズを一体をなす透明な
    レンズ素材上に複数個平面的に配列した複合フレネルレンズを、複数個のＬＥＤ素子を一
    枚の基板上に配列し、該基板のほぼ直上に、個々の前記フレネルレンズと個々の前記ＬＥ
    Ｄ素子の発光部位とがぞれぞれ位置的に対応するように配置したことを特徴とする照明装
    置。
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