JP2007227968A - Optical information communication system - Google Patents

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JP2007227968A
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Satoshi Tamaoki
智 玉置
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an aspheric surface lens capable of effectively condensing such as a stray light component of a light source such as LED to obtain a desired illuminance without using a reflecting mirror at the periphery of a lens medium. <P>SOLUTION: A bulk type lens 20 of such as shell type and egg shaped is composed of a bulk type lens medium 4 having a periphery made of an exterior crowning portion 3, bottom portion, and side surface of parallel direction to the optical axis, and housing portion 6 provided in the lens medium 4 from the bottom portion toward the exterior crowning portion 3.A recess top portion 2 and recess sidewall portion 5 of a housing portion 6 installed in the lens medium 4 functions as a first lens surface (2, 5), and the exterior crowning portion 3 of the lens medium 4 functions as a second lens surface 3. In the housing portion 6, a light source 1 or optical detector is stored. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、新規な構造の光学レンズを用いた光情報通信システム及の提案に係り、特に、非球面を用いた比較的厚いレンズを用いた発光体と受光体とから構成される光情報通信システムに関する。   The present invention relates to an optical information communication system using an optical lens having a novel structure, and more particularly to an optical information communication composed of a light emitter and a light receiver using a relatively thick lens using an aspheric surface. About the system.

従来から「両凸レンズ」、「平凸レンズ」、「メニスカス凸レンズ」、「両凹レンズ」、「平凹レンズ」、「メニスカス凹レンズ」等の球面レンズが知られている。これらのレンズの設計論は確立され、技術的にも成熟期に有り、新らたな構造のレンズの提案はほとんど見られない。現在のレンズの設計論は、なるべく薄いレンズを実現する方向に向かっている。   Conventionally, spherical lenses such as “biconvex lens”, “planoconvex lens”, “meniscus convex lens”, “biconcave lens”, “planoconcave lens”, “meniscus concave lens” and the like are known. The design theory of these lenses has been established and is technically mature, and there are few proposals for lenses with new structures. Current lens design theory is moving toward the realization of thin lenses as much as possible.

最近ハロゲンランプを用いた細身の懐中電灯が市販されるに至っているが、この種の懐中電灯の電池の寿命は連続点灯では3時間程度であり、又、ハロゲンランプ自身の寿命も短いという欠点を有している。   Recently, slender flashlights using halogen lamps have been put on the market, but the battery life of this type of flashlight is about 3 hours for continuous lighting, and the halogen lamp itself has a short lifespan. Have.

一方、パーソナルコンピュータ、ワードプロセッサ、小型携帯テレビ、車載テレビ等には、液晶表示装置が多用されている。この様に液晶表示基板の照明(バックライト)は蛍光放電管(蛍光灯)が用いられている。このバックライト用蛍光灯は、携帯テレビや携帯用パーソナルコンピュータを落下した際には破損したり、特性が劣化し易いという問題が有る。又、冬季寒冷地等の低温度環境下で使用する場合、管内の水銀蒸気圧が低下して発光効率が低くなり、十分な輝度を得ることが出来なくなる。更に、長時間動作に対する安定性や信頼性が不十分である。又、最も重要な問題は消費電力が大きいことである。携帯用パーソナルコンピュータを例にすれば、マイクロプロッセッサやメモリで消費される電力よりも液晶表示部の消費電力が圧倒的に大きい。このため、蛍光灯をバックライトとして用いた場合は、長時間に渡り電池で携帯テレビや携帯用パーソナルコンピュータを動作させるのは困難である。又、蛍光灯は、電源の周波数に対応したパルス的な発光であるので、個人差は有るが、そのちらつき感から、目の疲労の問題が生じる。即ち、バックライトのような直接照明に近い使用方法の場合、長時間、蛍光灯からの光を直視することによる目の疲労、或いは、目の疲労からくる人体への影響などの問題も有る。   On the other hand, liquid crystal display devices are frequently used in personal computers, word processors, small portable televisions, vehicle-mounted televisions, and the like. Thus, a fluorescent discharge tube (fluorescent lamp) is used for illumination (backlight) of the liquid crystal display substrate. This fluorescent lamp for backlight has problems that it is easily damaged when its portable television or portable personal computer is dropped, and its characteristics are likely to deteriorate. Further, when used in a low temperature environment such as a cold region in winter, the mercury vapor pressure in the tube is lowered, the luminous efficiency is lowered, and sufficient luminance cannot be obtained. Furthermore, stability and reliability with respect to long-time operation are insufficient. The most important problem is that the power consumption is large. Taking a portable personal computer as an example, the power consumption of the liquid crystal display unit is overwhelmingly larger than the power consumed by the microprocessor and memory. For this reason, when a fluorescent lamp is used as a backlight, it is difficult to operate a portable television or a portable personal computer with a battery for a long time. Further, since the fluorescent lamp emits light in pulses corresponding to the frequency of the power source, there are individual differences, but the problem of eye fatigue arises from the flickering feeling. That is, in the case of a usage method close to direct illumination such as a backlight, there are problems such as eye fatigue due to direct viewing of light from a fluorescent lamp for a long time, or effects on the human body caused by eye fatigue.

発光ダイオード(LED)等の半導体発光素子は電気エネルギを直接光エネルギに変換するため、ハロゲンランプ等の白熱球や蛍光灯に比し、高効率で、しかも発光に際して発熱を伴わない特徴を有する。白熱球においては、電気エネルギを一旦熱エネルギに変換し、その発熱に伴う輻射を利用しているのであり、その変換効率は原理的に低く、その光への変換効率が1%を越えることはない。蛍光灯においては電気エネルギは、放電エネルギに変換されており、こちらも同様に、その変換効率は低い。一方、LEDにおいては、変換効率が20%以上程度が可能で、白熱球や蛍光灯に比し約100倍以上の変換効率が容易に達成出来る。更に、LED等の半導体発光素子は半永久的とも考え得る長寿命で、且つ蛍光灯の光のようにちらつきの問題もないので、目や人体に悪影響を及ぼさない。   A semiconductor light emitting device such as a light emitting diode (LED) directly converts electric energy into light energy, and thus has a feature that is more efficient than an incandescent bulb such as a halogen lamp or a fluorescent lamp and does not generate heat during light emission. Incandescent bulbs convert electrical energy into thermal energy once, and use the radiation associated with the heat generation. The conversion efficiency is low in principle, and the conversion efficiency to light exceeds 1%. Absent. In the fluorescent lamp, electric energy is converted into discharge energy, and this also has low conversion efficiency. On the other hand, in an LED, the conversion efficiency can be about 20% or more, and a conversion efficiency of about 100 times or more can be easily achieved as compared with an incandescent bulb or a fluorescent lamp. Furthermore, a semiconductor light emitting element such as an LED has a long life that can be considered to be semi-permanent, and there is no problem of flickering like the light of a fluorescent lamp, so that it does not adversely affect the eyes and the human body.

かかる優れた特徴をLEDは有するものの、LEDの応用は各種機器のコントロールパネルの表示ランプや、電光掲示板等の表示装置等の極く限られた範囲に限定されている。特許文献1には、前面レンズの全体に亘り均等な明るさを得、視認性を向上させるための複数の発光ダイオードを用いた交通信号灯(発光表示装置)が開示されている。特許文献1に開示された前面レンズはその裏面に突部が設けられ、この突部に囲まれた凹部に発光ダイオードを挿入した構造である。しかし、突部の周面はテーパ形をなし、更にテーパ形の周面に反射膜が設けられている。反射膜を用いることにより均等な明るさを得ようと試みた技術であるが、十分な照度は得られていない。 現在までのところ、LEDが照明器具(照明装置)に使用された例は少ない。最近、鍵穴の照明用のLED応用製品も一部において知られているが、小さな面積しか照明出来ないものである。この様に特殊な例を除けば、一般に、LEDが照明用に使用されることはなかった。極く最近になり、やっと学会レベルで、LEDの照明の応用の意図が明確になってきた。例えば、通産省の研究開発プロジェクト「21世紀のあかり計画」において、山口大学の田口教授はLEDによる照明の実用化にめどを付けた旨の報告をしているが、700個のLEDを用いている(平成12年5月26日付け日刊工業新聞参照。)。
実開昭62−92504号公報
Although the LED has such excellent characteristics, the application of the LED is limited to a very limited range such as a display lamp of a control panel of various devices and a display device such as an electric bulletin board. Patent Document 1 discloses a traffic signal lamp (light-emitting display device) using a plurality of light-emitting diodes for obtaining uniform brightness over the entire front lens and improving visibility. The front lens disclosed in Patent Document 1 has a structure in which a protrusion is provided on the back surface, and a light emitting diode is inserted into a recess surrounded by the protrusion. However, the peripheral surface of the protrusion is tapered, and a reflective film is provided on the tapered peripheral surface. Although this technique tries to obtain uniform brightness by using a reflective film, sufficient illuminance is not obtained. To date, there are few examples where LEDs have been used in lighting fixtures (lighting devices). Recently, some LED application products for illumination of keyholes are known, but they can only illuminate a small area. Except for special cases like this, in general, LEDs have not been used for illumination. Only recently, at the academic level, the intention of LED lighting application has become clear. For example, in the "Akari plan for the 21st century," the Ministry of International Trade and Industry research and development projects, Taguchi professor of Yamaguchi University has been a report to the effect that with a prospect to the practical use of illumination by LED, but using 700 pieces of LED (See Nikkan Kogyo Shimbun on May 26, 2000.)
Japanese Utility Model Publication No. 62-92504

照明に用いる際に、大量のLEDが用いられているのは、LEDの輝度は極めて高いにもかかわらず、LED1個の光の出射面積が1mm程度の小さな面積であるため、照明器具としての十分な光束が得られないことに起因している。従来の光学系を用いたのでは、1個のLEDの発光では、照明の対象となる面上の照度が、所望の照度に達しない。つまり、光により照らされた面上の単位面積当たりの光束が足りないのである。 When used for illumination, a large amount of LEDs are used because the light emission area of one LED is a small area of about 1 mm 2 even though the luminance of the LED is extremely high. This is because a sufficient luminous flux cannot be obtained. When the conventional optical system is used, the illuminance on the surface to be illuminated does not reach the desired illuminance by light emission of one LED. That is, the luminous flux per unit area on the surface illuminated by light is insufficient.

単純には、LEDを多数マトリクス状に配列した照明器具を構成すれば、一定の照度は得られるであろう。しかし、現在のところLEDの主材料は、高価な化合物半導体が用いられており、なおかつ、エピタキシャル成長や不純物拡散等の高度の製造技術が要求されるため、LEDの製造単価(コスト)の低減には一定の限界が有る。更に、青色LEDの材料である窒化ガリウム(GaN)のエピタキシャル成長の基板には、高価なサファイア基板が用いられている等各半導体材料特有の事情も有る。   Simply, if a lighting fixture in which a large number of LEDs are arranged in a matrix is configured, a constant illuminance will be obtained. However, at present, expensive compound semiconductors are used as the main materials of LEDs, and advanced manufacturing techniques such as epitaxial growth and impurity diffusion are required. Therefore, it is necessary to reduce the manufacturing cost (cost) of LEDs. There are certain limits. Furthermore, there are circumstances peculiar to each semiconductor material, such as an expensive sapphire substrate being used as a substrate for epitaxial growth of gallium nitride (GaN), which is a material of a blue LED.

したがって、所望の照度を得るために、比較的高価なLEDを多数配列する等の方法により照明装置(照明器具)を組み立てたのでは、あまりにも高価になりすぎるため、現実的ではない。又、シリコン(Si)では、直径300mmのウェハが使用され始めているが、LEDの材料である化合物半導体のエピタキシャル成長用基板としては、この様な大口径ウェハは現状では入手出来ない。更に、エピタキシャル成長の均一性等の製造技術上の問題も有り、基本的に大面積の発光領域を有したLEDを製造するのは困難である。   Therefore, in order to obtain a desired illuminance, it is not practical to assemble a lighting device (lighting fixture) by a method such as arranging a large number of relatively expensive LEDs. In addition, with silicon (Si), wafers having a diameter of 300 mm have begun to be used, but such large-diameter wafers are not currently available as substrates for epitaxial growth of compound semiconductors, which are LED materials. Further, there are problems in manufacturing technology such as uniformity of epitaxial growth, and it is basically difficult to manufacture an LED having a large light emitting area.

本発明は上記課題を解決するためになされたものである。したがって、本発明の目的は、LED等の光源を用いることが可能で、且つ反射鏡を用いることなく有効に迷光成分等を利用し、光源の潜在的な光エネルギを効率良く引き出し、且つ、それ自身には何ら手を加えることなく、容易に、光の発散、収束等の光路の変更や焦点の変更が可能なバルク型レンズを用いて、信頼性の高く高効率な光情報通信システムを提供することである。   The present invention has been made to solve the above problems. Accordingly, an object of the present invention is to use a light source such as an LED, and to effectively use a stray light component without using a reflecting mirror, efficiently extract the potential light energy of the light source, and Provides a highly reliable and highly efficient optical information communication system using a bulk-type lens that can easily change the optical path and focus such as light divergence and convergence without any changes to itself. It is to be.

上記目的を鑑み、本発明の第1の基礎は、外側頂部、底部及び外周部を有するレンズ媒体、及びこのレンズ媒体の内部に設けられた収納部とから構成されるバルク型レンズに関する。レンズ媒体の外周部は、光軸に平行方向の側面を有する。但し、この光軸に平行方向の側面に突起部や溝等を設けても、その基本面が光軸に平行方向であれば構わない。収納部は、レンズ媒体の底部から外側頂部に向かってレンズ媒体の内部に設けられ、光軸に平行方向の面からなる側壁部とこの側壁部に接続された天井部とを有する井戸型の凹部である。本発明の第1の基礎に係るバルク型レンズは、収納部(井戸型の凹部)の天井部と側壁部とが第1のレンズ面、レンズ媒体の外側頂部が第2のレンズ面として機能する。収納部の内部に、光源若しくは光検出器が収納される。そして、本発明の第1の基礎に係るバルク型レンズは、第2のレンズ面の曲率半径をR、レンズ媒体の光軸方向に測った全長をL、レンズ媒体の屈折率をnとして、
0.93 < k(R/L) <1.06 ・・・・・(1)
の関係を満足することを要旨とする。但し、(1)式のkは、以下の(2)式で与えられる。
In view of the above object, a first foundation of the present invention relates to a bulk type lens composed of a lens medium having an outer top part, a bottom part and an outer peripheral part, and a storage part provided inside the lens medium. The outer periphery of the lens medium has side surfaces parallel to the optical axis. However, even if a protrusion or a groove is provided on the side surface parallel to the optical axis, the basic surface may be provided in a direction parallel to the optical axis. The storage portion is provided inside the lens medium from the bottom of the lens medium toward the outer top, and has a side wall formed of a plane parallel to the optical axis and a well-shaped recess having a ceiling connected to the side wall. It is. In the bulk type lens according to the first foundation of the present invention, the ceiling part and the side wall part of the storage part (well type concave part) function as the first lens surface, and the outer top part of the lens medium functions as the second lens surface. . A light source or a photodetector is housed inside the housing portion. The bulk type lens according to the first foundation of the present invention has a radius of curvature of the second lens surface as R, a total length measured in the optical axis direction of the lens medium as L, and a refractive index of the lens medium as n.
0.93 <k (R / L) <1.06 (1)
The main point is to satisfy this relationship. However, k in the equation (1) is given by the following equation (2).

k = 1/(0.35・n −0.168) ・・・・・(2)
本発明の第1の基礎に係るバルク型レンズの収納部(井戸型の凹部)の内部には、光源若しくは光検出器が収納される。即ち、収納部の内部に光源を収納した場合は、第1のレンズ面が入射面、第2のレンズ面が出射面として機能する。一方、収納部の内部に光検出器を収納した場合は、第2のレンズ面が入射面、第1のレンズ面が出射面として機能する。「バルク型」とは、砲弾型、卵型、繭型、蒲鉾型等の塊形状を意味し、従来の薄型レンズと区別する意である。光軸方向に垂直な断面の形状は、真円、楕円、三角形、四角形、多角形等が可能である。したがって、バルク型のレンズ媒体の光軸に平行方向の側面からなる外周部は、円柱でも角柱でも構わない。第1のレンズ面は、第1の湾曲面からなる主入射面と、この第1の湾曲面とは曲率の異なる側壁入射面とから構成されている。主入射面となる第1の湾曲面は、円錐形でも良い。第2のレンズ面は第2の湾曲面から構成されている。当然であるが、第2の湾曲面とこの第2の湾曲面に接続されるレンズ媒体の外周部とは曲率が異なる。
k = 1 / (0.35 · n -0.168) (2)
A light source or a light detector is housed in the bulk lens housing section (well-shaped recess) according to the first foundation of the present invention. That is, when the light source is housed inside the housing portion, the first lens surface functions as an entrance surface and the second lens surface functions as an exit surface. On the other hand, when the photodetector is housed inside the housing portion, the second lens surface functions as an entrance surface and the first lens surface functions as an exit surface. “Bulk type” means a lump shape such as a bullet type, egg type, saddle type, saddle type, etc., and is intended to be distinguished from a conventional thin lens. The cross-sectional shape perpendicular to the optical axis direction can be a perfect circle, an ellipse, a triangle, a quadrangle, a polygon, or the like. Therefore, the outer peripheral portion formed of the side surface parallel to the optical axis of the bulk type lens medium may be a cylinder or a prism. The first lens surface is composed of a main incident surface composed of a first curved surface and a side wall incident surface having a curvature different from that of the first curved surface. The first curved surface serving as the main incident surface may be conical. The second lens surface is composed of a second curved surface. As a matter of course, the curvature differs between the second curved surface and the outer peripheral portion of the lens medium connected to the second curved surface.

本発明の第1の基礎に係るバルク型レンズのレンズ媒体は、入射面と出射面とを接続する光伝送部として機能するので、光の波長に対して透明な材料である必要が有る。「透明な材料」としては、アクリル樹脂等の透明樹脂(透明プラスチック材料)、石英ガラス、ソーダ石灰ガラス、ホウケイ酸ガラス、鉛ガラス等の種々のガラス材料等が使用可能である。或いは、酸化亜鉛(ZnO)、硫化亜鉛(ZnS)、炭化珪素(SiC)等の結晶性材料を用いても構わない。又、可とう性、屈曲性や伸縮性の有る透明プラスチック、透明ゴムのような材料でも構わない。なお、光源として、ハロゲンランプ等の白熱球を用いる場合は、これによる発熱を考慮し、耐熱性光学材料を用いるべきである。耐熱性光学材料としては、石英ガラス、サファイアガラス等の耐熱ガラスが好ましい。或いは、ポリサルホン樹脂、ポリエーテルサルホン樹脂、ポリカーボネイト樹脂、ポリエーテルエステルアミド樹脂、メタクリル樹脂、非晶性ポリオレフィン樹脂、パーフルオロアルキル基を有する高分子材料等の耐熱性樹脂等の耐熱性光学材料が使用可能である。SiC等の結晶性材料も耐熱性に優れている。   Since the lens medium of the bulk type lens according to the first foundation of the present invention functions as an optical transmission unit that connects the incident surface and the output surface, it needs to be a material transparent to the wavelength of light. As the "transparent material", various glass materials such as transparent resin (transparent plastic material) such as acrylic resin, quartz glass, soda-lime glass, borosilicate glass, lead glass, and the like can be used. Alternatively, a crystalline material such as zinc oxide (ZnO), zinc sulfide (ZnS), or silicon carbide (SiC) may be used. Further, a material such as a flexible plastic, a flexible plastic or a transparent rubber may be used. When an incandescent bulb such as a halogen lamp is used as the light source, a heat resistant optical material should be used in consideration of the heat generated by this. As the heat resistant optical material, heat resistant glass such as quartz glass and sapphire glass is preferable. Alternatively, a heat-resistant optical material such as a heat-resistant resin such as a polysulfone resin, a polyether sulfone resin, a polycarbonate resin, a polyetheresteramide resin, a methacrylic resin, an amorphous polyolefin resin, or a polymer material having a perfluoroalkyl group It can be used. Crystalline materials such as SiC are also excellent in heat resistance.

しかし、「光源」としては、LEDや半導体レーザ等の発光に際して、顕著な発熱作用を伴わない光源が好ましい。但し、半導体レーザの出力光はコーヒーレントな直進性を有した光であるので、本発明の第1の基礎に係るバルク型レンズと従来の薄型レンズとは顕著な効果の差違は認められない。したがって、出力光がコーヒーレントでなく、分散(発散)を伴い、本来的にビームが広がる傾向があるLEDの方が本発明の第1の基礎に係るバルク型レンズの光源として好ましい。LED等を用いれば、本発明の第1の基礎に係るバルク型レンズの凹部(収納部)の内部に、「光源」を収納した場合において、その発熱作用によって、バルク型レンズに熱的影響を与えることがない。   However, the “light source” is preferably a light source that does not generate a significant heat generation effect when emitting light from an LED or a semiconductor laser. However, since the output light of the semiconductor laser is light having coherent straightness, there is no significant difference in effect between the bulk type lens according to the first basis of the present invention and the conventional thin lens. Therefore, an LED whose output light is not coherent, has dispersion (divergence), and inherently has a tendency to spread the beam, is preferable as the light source of the bulk lens according to the first basis of the present invention. If an LED or the like is used, when the “light source” is housed in the concave portion (housing portion) of the bulk type lens according to the first foundation of the present invention, the thermal effect is exerted on the bulk type lens by the heat generation action. Never give.

本発明の第1の基礎に係るバルク型レンズによれば、光源の数を多数必要とすることなく、所望の照度を簡単に得ることが出来る。この照度は従来公知のレンズ等の光学系では達成不可能な照度である。即ち、従来の技術常識では予測出来ない照度を、簡単且つ小型な構成で実現出来るものである。詳細は後述するが、従来の「両凸レンズ」、 「平凸レンズ」、「メニスカス凸レンズ」、「両凹レンズ」、「平凹レンズ」、「メニスカス凹レンズ」等の薄型レンズでは、直径が無限大の大型なレンズを用いなければ、本発明のバルク型レンズに等価な機能を達成出来ない。   According to the bulk lens according to the first foundation of the present invention, desired illuminance can be easily obtained without requiring a large number of light sources. This illuminance is an illuminance that cannot be achieved by a conventionally known optical system such as a lens. That is, it is possible to realize an illuminance that cannot be predicted by conventional common sense with a simple and small configuration. Although details will be described later, conventional thin lenses such as “biconvex lens”, “planoconvex lens”, “meniscus convex lens”, “biconcave lens”, “planoconcave lens”, “meniscus concave lens”, etc. Unless a lens is used, a function equivalent to the bulk type lens of the present invention cannot be achieved.

LEDには内部量子効率と外部量子効率が有るが、通常外部量子効率は内部量子効率よりも低い。本発明の第1の基礎に係るバルク型レンズにより、LEDを収納部(凹部)に収納することにより、内部量子効率とほぼ等しい効率で、潜在的なLEDの光エネルギを有効に取り出すことが可能となる。   LEDs have an internal quantum efficiency and an external quantum efficiency, but the external quantum efficiency is usually lower than the internal quantum efficiency. The bulk type lens according to the first foundation of the present invention can effectively extract the light energy of the potential LED with the efficiency substantially equal to the internal quantum efficiency by storing the LED in the storage portion (recess). It becomes.

又、本発明の第1の基礎に係るバルク型レンズによれば、LED等の光源それ自身には何ら手を加えることなく、容易に、光の発散、収束等の光路の変更や焦点の変更が可能である。   Further, according to the bulk type lens according to the first basis of the present invention, it is possible to easily change the light path such as light divergence and convergence, or change the focus without changing the light source itself such as the LED. Is possible.

本発明の第1の基礎に係る「光源」は、コーヒーレントである必要はないが、10°〜20°程度の所定の発散角で特定方向に光を発する光源であることが好ましい。特定方向に光を発する発散角が既知であれば、集光や分散等の光学的設計が容易になり、第1及び第2の湾曲面の曲率半径等の選定が簡単に出来るからである。なお、第1及び第2の湾曲面のいずれか一方は、曲率半径無限大、若しくは無限大に近い平坦な面を含み得ることに留意すべきである。第1及び第2の湾曲面のいずれか一方が、無限大ではない所定の(有限の)曲率半径を有していれば、光の収束、発散が制御可能であるからである。又、「所定の発散角」は0°、即ち平行光線をも含み得るが、平行光線の場合は、本発明の第1の基礎に係るバルク型レンズと従来の薄型レンズとは顕著な効果の差違は認められない。一方、発散角が90°の場合でも、収納部が光源の主発光部をほぼ完全に光学的に覆っているため、凹部側壁部(側壁入射面)を介して、有効にその光を集光することが可能である。これは、従来のレンズ等の光学系では不可能な作用である。即ち、第1の湾曲面からなる主入射面(天井部)以外の収納部の側壁入射面(凹部側壁部)も、第1のレンズ面を構成し、有効な光の入射面として機能し得る。   The “light source” according to the first foundation of the present invention does not need to be a coffee rent, but is preferably a light source that emits light in a specific direction at a predetermined divergence angle of about 10 ° to 20 °. This is because if the divergence angle for emitting light in a specific direction is known, optical design such as condensing and dispersion is facilitated, and selection of the curvature radii of the first and second curved surfaces can be easily performed. It should be noted that either one of the first and second curved surfaces may include a flat surface having an infinite curvature radius or close to infinity. This is because light convergence and divergence can be controlled if either one of the first and second curved surfaces has a predetermined (finite) radius of curvature that is not infinite. In addition, the “predetermined divergence angle” may include 0 °, that is, parallel rays, but in the case of parallel rays, the bulk type lens according to the first basis of the present invention and the conventional thin lens have a remarkable effect. Differences are not allowed. On the other hand, even when the divergence angle is 90 °, since the housing part almost completely optically covers the main light emitting part of the light source, the light is effectively condensed through the concave side wall part (side wall incident surface). Is possible. This is an operation that is impossible with a conventional optical system such as a lens. That is, the side wall incident surface (recessed side wall portion) of the storage unit other than the main incident surface (ceiling portion) made of the first curved surface also constitutes the first lens surface and can function as an effective light incident surface. .

具体的には、本発明の第1の基礎に係る「光源」は、第1の屈折率を有した透明材料でモールドされたLEDであり、収納部は、第1の屈折率とは異なる第2の屈折率を有する流体若しくは流動体を介して光源を収納するようにすれば良い。ここで、「流体」とは、光源から発せられる光の波長に対して透明な気体若しくは液体の意であり、最も簡便には空気が使用出来る。「流動体」とはゾル状、コロイド状若しくはゲル状の光の波長に対して透明の物質を言う。或いは、本発明の第1の基礎における「光源の主発光部」は、第1の屈折率を有した透明材料からなる伝送部を有する光ファイバの端部であり、収納部は、第1の屈折率とは異なる第2の屈折率を有する流体若しくは流動体を介して光ファイバの端部を収納するようにしても良い。この場合、光ファイバの他方の端部から所定の光を入力するための光源は必ずしも、半導体発光素子に限られない。なぜなら、白熱球からの光であっても、バルク型レンズの凹部(収納部)の内部に収納される光ファイバの端部は低温に維持出来るからである。   Specifically, the “light source” according to the first foundation of the present invention is an LED molded with a transparent material having a first refractive index, and the housing portion is a first light source different from the first refractive index. The light source may be housed through a fluid or fluid having a refractive index of 2. Here, “fluid” means a gas or liquid that is transparent to the wavelength of light emitted from a light source, and air can be used most simply. A “fluid” refers to a substance that is transparent to the wavelength of light in the form of sol, colloid, or gel. Alternatively, the “main light emitting part of the light source” in the first basis of the present invention is an end part of an optical fiber having a transmission part made of a transparent material having a first refractive index, and the housing part is the first part. You may make it accommodate the edge part of an optical fiber through the fluid or fluid which has a 2nd refractive index different from a refractive index. In this case, the light source for inputting predetermined light from the other end of the optical fiber is not necessarily limited to the semiconductor light emitting element. This is because even the light from the incandescent bulb can be maintained at a low temperature at the end of the optical fiber housed in the concave portion (housing portion) of the bulk lens.

本発明の第1の基礎において、レンズ媒体の外周部の外径が、収納部(井戸型の凹部)の内径の3倍以上、10倍以下であることが好ましい。外径と内径との比を大きくすることは、レンズ媒体の収納部(井戸型の凹部)の側壁部の肉厚を十分に厚くすることに等価である。側壁部の肉厚を十分に厚くすることにより、特許文献1に開示された前面レンズのようなテーパ形の周面に反射膜を設けた構造を使わずに光源の迷光成分を有効に集光出来る。「迷光成分」とは、光源の出力光の発散特性により、収納部の天井部(主入射面)以外に入射する出力光の成分を意味する。レンズ媒体の外周部に反射鏡を用いることは必須ではないので、この外周部に突起部や溝等を設けて、バルク型レンズの保持やその位置の駆動・制御に利用することが可能である。即ち、レンズ媒体の外周部に突起部や溝等の他の形状や構造を付加しても、レンズとしての集光特性に致命的な影響を与えることはない。
本発明の第1の基礎に係るバルク型レンズにおいて、収納部(井戸型の凹部)の天井部における第1のレンズ面の突き出し量をΔ、レンズ媒体の光軸に平行方向の側面からなる外周部の外径を2r として、
0.025 < Δ/r < 0.075 ・・・・・(3)
の関係を満足することが好ましい。
In the first foundation of the present invention, it is preferable that the outer diameter of the outer peripheral portion of the lens medium is not less than 3 times and not more than 10 times the inner diameter of the storage portion (well-shaped recess). Increasing the ratio of the outer diameter to the inner diameter is equivalent to sufficiently increasing the thickness of the side wall portion of the lens medium storage portion (well-shaped recess). By sufficiently increasing the thickness of the side wall, the stray light component of the light source is effectively condensed without using a structure in which a reflective film is provided on a tapered peripheral surface such as the front lens disclosed in Patent Document 1. I can do it. The “stray light component” means a component of output light incident on a portion other than the ceiling portion (main incident surface) of the storage portion due to the divergence characteristics of the output light of the light source. Since it is not essential to use a reflecting mirror on the outer periphery of the lens medium, it is possible to provide projections, grooves, etc. on the outer periphery to use for holding the bulk lens and driving / controlling its position. . That is, even if other shapes and structures such as protrusions and grooves are added to the outer periphery of the lens medium, the condensing characteristics as a lens are not critically affected.
In the bulk-type lens according to the first aspect of the present invention, the protrusion amount of the first lens surface at the ceiling portion of the storage portion (well-type concave portion) is Δ, and the outer periphery formed of the side surface parallel to the optical axis of the lens medium the outer diameter of the parts as 2r e,
0.025 <Δ / r e <0.075 (3)
It is preferable to satisfy this relationship.

本発明の第1の基礎に係るバルク型レンズにおいて、レンズ媒体の内部に、更に側壁部に平行方向の面からなる側壁部を有する他の井戸型の凹部からなる収納部を並列配置しても良い。又、本発明の第1の基礎に係るバルク型レンズにおいて、レンズ媒体が可とう性、若しくは屈曲性を有するようにすれば、外側頂部の曲率を任意に変更出来るので、使用状況に応じて焦点距離の調整等が可能になる。   In the bulk-type lens according to the first foundation of the present invention, a storage portion made of another well-shaped recess having a side wall portion formed in a plane parallel to the side wall portion may be arranged in parallel inside the lens medium. good. Further, in the bulk type lens according to the first foundation of the present invention, if the lens medium is made flexible or flexible, the curvature of the outer apex can be arbitrarily changed. The distance can be adjusted.

本発明の第2の基礎は、第1の基礎で規定するバルク型レンズと、このバルク型レンズの収納部に収納された光源とから構成される発光体としたことを要旨とする。   The gist of the second foundation of the present invention is that the light emitting body is composed of a bulk type lens defined in the first foundation and a light source housed in a housing portion of the bulk lens.

本発明の第2の基礎に係る発光体においては、発光に際して発熱作用が少ない半導体発光素子、特にLEDを用いれば、バルク型レンズの凹部(収納部)の内部に、光源を収納した場合においても、その発熱作用によって、バルク型レンズに熱的影響を与えることがなく、長期動作においても、信頼性と安定性を維持出来るので好ましい。或いは、本発明の第2の基礎に係る発光体において、光源の主発光部は、所定の1次光源に光学的に接続され、第1の屈折率を有した透明材料からなる伝送部を有する光ファイバの端部からなる2次光源として構成しても良い。収納部は、第1の屈折率とは異なる第2の屈折率を有する流体若しくは流動体を介して2次光源(光ファイバの端部)を収納する。   In the light emitting body according to the second basis of the present invention, when a semiconductor light emitting element that emits less heat during light emission, particularly an LED, is used, even when the light source is housed inside the concave portion (housing portion) of the bulk lens. The heat generation action is preferable because it does not affect the bulk type lens thermally and can maintain reliability and stability even in long-term operation. Alternatively, in the light emitter according to the second basis of the present invention, the main light emitting portion of the light source has a transmission portion made of a transparent material optically connected to a predetermined primary light source and having a first refractive index. You may comprise as a secondary light source which consists of an edge part of an optical fiber. The storage unit stores the secondary light source (an end portion of the optical fiber) via a fluid or fluid having a second refractive index different from the first refractive index.

本発明の第2の基礎に係る発光体によれば、少ない数の光源で、所望の照度を簡単に得ることが出来る。又、構造的にレンズ媒体の外周部や底部に反射鏡を用いなくても、収納部の天井部(主入射面)以外に入射する光源からの出力光の成分を、ほぼ100%に近い集光効率で集光出来るので、極めて明るい発光体が実現出来る。この発光体が呈する照度は、従来公知の光学系では達成不可能な照度で、従来の技術常識では予測出来ない十分な明るさである。更に、この発光体は、電力消費量が少なく、ちらつきもない。
本発明の第2の基礎において、光軸方向に沿って、光源の位置をレンズ媒体に対して相対的に移動し制御する光源位置制御・駆動手段を更に有することが好ましい。特許文献1に開示されたテーパ形の反射膜は不要であるので、バルク型レンズの外周部は任意の形状を持ち得る。このため、バルク型レンズの外周部を利用して種々の構造の光源位置制御・駆動手段を構成出来る。例えば、バルク型レンズの外周部に螺旋状に突起部を設け、これを雄ねじのネジ山として用い、光源位置制御・駆動手段を構成しても良い。
According to the light emitter according to the second basis of the present invention, desired illuminance can be easily obtained with a small number of light sources. Moreover, the component of the output light from the light source incident on the part other than the ceiling part (main incident surface) of the storage part is collected almost nearly 100% without structurally using a reflecting mirror on the outer peripheral part or the bottom part of the lens medium. Since the light can be condensed with light efficiency, an extremely bright light emitter can be realized. The illuminance exhibited by the light emitter is an illuminance that cannot be achieved by a conventionally known optical system, and is sufficiently bright that cannot be predicted by conventional common general knowledge. Furthermore, this light emitter has low power consumption and no flicker.
In the second basis of the present invention, it is preferable to further include light source position control / drive means for moving and controlling the position of the light source relative to the lens medium along the optical axis direction. Since the tapered reflective film disclosed in Patent Document 1 is unnecessary, the outer peripheral portion of the bulk lens can have an arbitrary shape. For this reason, the light source position control / driving means having various structures can be configured by using the outer peripheral portion of the bulk type lens. For example, the light source position control / driving means may be configured by providing a spiral protrusion on the outer periphery of the bulk lens and using this as a thread of a male screw.

本発明の第3の基礎は、第1の基礎で規定するバルク型レンズと、このバルク型レンズの収納部に収納された光検出器とから構成される受光体としたことを要旨とする。   The gist of the third foundation of the present invention is that the light receiving body is constituted by a bulk type lens defined in the first foundation and a photodetector housed in a housing portion of the bulk type lens.

バルク型レンズの収納部に収納する光検出器には、サーモパイル等の赤外線検出器を用い、温度検出に応用しても良い。   An infrared detector such as a thermopile may be used for the photodetector housed in the bulk lens housing section and applied to temperature detection.

本発明の第4の基礎は、第2の基礎で規定する発光体と、発光体の光源に接続された電源とから構成される照明器具としたことを要旨とする。特にペンライト等の細身の懐中電灯等の携帯用照明器具に好適である。携帯用照明器具の電源部としては、電池が好ましい。更には、検眼用等の医療用ライトとしても好適である。照明器具の光源としては、この電池の陽極及び陰極にそれぞれ接続された電極を有した半導体チップを透明材料でモールドし、所定の波長の光を発する半導体発光素子、特にLEDが好ましい。   The gist of the fourth foundation of the present invention is that it is a lighting fixture comprising a light emitter defined in the second foundation and a power source connected to the light source of the light emitter. It is particularly suitable for portable lighting equipment such as a slender flashlight such as a penlight. A battery is preferable as the power source of the portable lighting device. Furthermore, it is also suitable as a medical light for optometry. As the light source of the lighting fixture, a semiconductor light emitting element, particularly an LED, which emits light of a predetermined wavelength by molding a semiconductor chip having electrodes connected to the anode and cathode of the battery with a transparent material is preferable.

本発明の第4の基礎に係る照明器具においては、単一の半導体発光素子を用いれば良いので、構造が簡単で、しかも製造コストを低く出来る。又、バルク型レンズにより、この半導体発光素子の潜在的な光エネルギを効率良く引き出し、照明に必要な十分な照度を得ることが出来る。更に、この照明器具は、長期間に渡る安定性と信頼性に優れ、ちらつきもない。更に、電力消費量が少ないため、電池の寿命が長い。なお、照明器具としての十分な明るさが得られるので、表示装置としても応用可能である。   In the luminaire according to the fourth foundation of the present invention, since a single semiconductor light emitting element may be used, the structure is simple and the manufacturing cost can be reduced. Further, the bulk type lens can efficiently extract the potential light energy of the semiconductor light emitting device and obtain sufficient illuminance necessary for illumination. Furthermore, this lighting fixture is excellent in stability and reliability over a long period of time and does not flicker. Furthermore, since the power consumption is small, the battery life is long. In addition, since sufficient brightness as a lighting fixture is obtained, it is applicable also as a display device.

上記第1〜第4の基礎に基づき、本発明の特徴は、第1の基礎で規定する第1のバルク型レンズと、この第1のバルク型レンズの収納部に収納された光源と、第1の基礎で規定する第2バルク型レンズと、この第2のバルク型レンズの収納部に収納された光検出器とから構成される受光体とから構成される光情報通信システムとしたことを要旨とする。本発明の特徴に係る光情報通信システムにおいては、第1のバルク型レンズの第1の凹部の天井部及び側壁部が第1の入射面、第1の外側頂部が第1の出射面として機能する。そして、第2のバルク型レンズの第2の外側頂部が第2の入射面、第2の凹部の天井部及び側壁部が第2の出射面として機能する。   On the basis of the first to fourth foundations, the present invention is characterized by the first bulk-type lens defined by the first foundation, the light source housed in the housing portion of the first bulk-type lens, The optical information communication system is composed of a second bulk type lens defined on the basis of No. 1 and a light receiver composed of a photodetector housed in a housing portion of the second bulk type lens. The gist. In the optical information communication system according to the feature of the present invention, the ceiling portion and the side wall portion of the first concave portion of the first bulk lens function as the first incident surface, and the first outer top portion functions as the first emission surface. To do. The second outer top portion of the second bulk type lens functions as a second incident surface, and the ceiling portion and the side wall portion of the second concave portion function as a second emission surface.

本発明の特徴に係る光情報通信システムにおいては、発光に際して発熱作用が少ないLED等の半導体発光素子を用いれば、バルク型レンズの凹部(収納部)の内部に、光源を収納した場合においても、その発熱作用によって、バルク型レンズに熱的影響を与えることがなく、長期動作においても、信頼性と安定性を維持出来るので好ましい。又、既に、第2の基礎で述べたように、高効率で、光信号を出すことが出来る。一方、発光体と逆過程で光が光検出器に到達する受光体は、第3の基礎で述べたように極めて高感度な光検出が可能となる。
本発明の特徴において、光源と光検出器に同一構造の半導体発光素子を用いれば、禁制帯幅の共鳴効果で極めて高感度検出が可能になる。
In the optical information communication system according to the features of the present invention, if a semiconductor light emitting element such as an LED that emits less light during light emission is used, even when a light source is housed inside the concave portion (housing portion) of the bulk lens, The heat generation action is preferable because it does not affect the bulk type lens thermally, and can maintain reliability and stability even in long-term operation. Further, as already described in the second basis, an optical signal can be output with high efficiency. On the other hand, the light receiving body in which the light reaches the photodetector in the reverse process to the light emitting body can detect light with extremely high sensitivity as described in the third basic.
In the feature of the present invention, if a semiconductor light emitting device having the same structure is used for the light source and the photodetector, extremely high sensitivity detection can be performed by the resonance effect of the forbidden bandwidth.

本発明によれば、レンズ媒体の外周部の一部に反射鏡を用いることなく、有効に迷光成分を集光することが可能で、光源の潜在的な光エネルギを効率良く引き出すことが可能なバルク型レンズを用いているので、信頼性の高く高効率な光情報通信システムを提供することが出来る。   According to the present invention, it is possible to effectively collect stray light components without using a reflecting mirror at a part of the outer peripheral portion of the lens medium, and it is possible to efficiently extract the potential light energy of the light source. Since the bulk type lens is used, a highly reliable and highly efficient optical information communication system can be provided.

次に、図面を参照して、本発明の第1乃至第6の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。   Next, first to sixth embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description of the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals. However, it should be noted that the drawings are schematic, and the relationship between the thickness and the planar dimensions, the ratio of the thickness of each layer, and the like are different from the actual ones. Therefore, specific thicknesses and dimensions should be determined in consideration of the following description. Moreover, it is a matter of course that portions having different dimensional relationships and ratios are included between the drawings.

(第1の実施の形態)
図1に示すように、本発明の第1の実施の形態に係る発光体は、所定の波長の光を発する光源1と、この光源1をほぼ完全に覆うバルク型レンズ20とから少なくとも構成されている。そして、このバルク型レンズ20は、外側頂部(出射面)3、底部及び光軸に平行方向の側面からなる外周部を有するバルク型(砲弾型)のレンズ媒体4と、この底部から外側頂部3に向かってレンズ媒体4の内部に設けられた光軸に平行方向の面からなる側壁部を有する井戸型の凹部からなる収納部6とから構成されている。レンズ媒体4の内部に設けられた収納部6を構成する凹部の天井部(凹部天井部)が主入射面(第1のレンズ面の主入射面)2、レンズ媒体4の頂部(外側頂部)が出射面(第2のレンズ面)3として機能する。そして、収納部6の内部に光源1が完全に収納される。
(First embodiment)
As shown in FIG. 1, the light emitter according to the first embodiment of the present invention includes at least a light source 1 that emits light of a predetermined wavelength and a bulk lens 20 that almost completely covers the light source 1. ing. The bulk type lens 20 includes a bulk type (bullet type) lens medium 4 having an outer top part (outgoing surface) 3, a bottom part, and an outer peripheral part composed of side surfaces parallel to the optical axis, and an outer top part 3 from the bottom part. And a storage portion 6 formed of a well-shaped concave portion having a side wall portion formed of a surface parallel to the optical axis and provided inside the lens medium 4. The ceiling part (concave part ceiling part) of the recessed part which comprises the accommodating part 6 provided in the inside of the lens medium 4 is the main incident surface (main incident surface of the first lens surface) 2, and the top part (outer top part) of the lens medium 4. Functions as an exit surface (second lens surface) 3. The light source 1 is completely stored in the storage unit 6.

第1のレンズ面(2,5)は、第1の湾曲面からなる主入射面2と第1の湾曲面とは曲率の異なる側壁入射面5とから構成されている。収納部6は、第1の湾曲面からなる凹部天井部2と、凹部を構成すべくこの凹部天井部2に連続して形成された凹部側壁部(側壁入射面)5とから構成されている。主入射面2から入射した光は、第2のレンズ面3、即ち、第2の湾曲面からなる出射面3から出力する。レンズ媒体4の主入射面2と出射面3とを接続する部分は、光伝送部として機能するので、光源から発せられた光の波長に対して透明な材料からなる必要が有る。   The first lens surface (2, 5) is composed of a main incident surface 2 formed of a first curved surface and a side wall incident surface 5 having a curvature different from that of the first curved surface. The storage portion 6 includes a concave ceiling portion 2 having a first curved surface, and a concave side wall portion (side wall incident surface) 5 formed continuously from the concave ceiling portion 2 so as to form a concave portion. . The light incident from the main entrance surface 2 is output from the second lens surface 3, that is, the exit surface 3 formed of the second curved surface. Since the portion connecting the main entrance surface 2 and the exit surface 3 of the lens medium 4 functions as an optical transmission unit, it needs to be made of a material that is transparent to the wavelength of light emitted from the light source.

図1の光源1は、第1のピン11に一体的に接続された基台の上に配置されたLEDチップ13と、このLEDチップ13を被覆する封止樹脂14と、第1のピン11と対をなす第2のピン12とから少なくとも構成された樹脂モールドされたLEDである。この樹脂モールドされたLED1の主発光部の頂部は、図1に示すように、凸形状の湾曲面を有している。この様に封止樹脂14の頂部近傍が凸形状の湾曲面をなすことにより、LEDチップ13からの光は、所定の発散角で図1の右方向に出力する。   The light source 1 shown in FIG. 1 includes an LED chip 13 disposed on a base integrally connected to a first pin 11, a sealing resin 14 covering the LED chip 13, and a first pin 11. The resin-molded LED is composed of at least a second pin 12 paired with the LED. As shown in FIG. 1, the top part of the main light emitting part of the resin-molded LED 1 has a convex curved surface. As described above, the vicinity of the top of the sealing resin 14 forms a convex curved surface, so that the light from the LED chip 13 is output in the right direction in FIG. 1 at a predetermined divergence angle.

凸形状の湾曲面部を除けば、樹脂モールドされたLED1は、例えば、直径(外径)2rLED=2〜3mmφの円柱形状である。バルク型レンズ20の収納部6の側壁部は、樹脂モールドされたLED1の主発光部を収納出来るように、直径(内径)2r=2.5〜4mmφの円筒形状となっている。図示を省略しているが、LED1とバルク型レンズ20とを固定するために、LED1とバルク型レンズ20の収納部6との間には、厚さ0.25〜0.5mm程度のスペーサが挿入されている。即ち、LED1の外径2rLEDと、収納部6の内径2rとは、ほぼ同一で且つ僅かに、LED1の外径2rLEDの方が小さく設定されている。スペーサは、LED1の主発光部を除く位置、即ち、図1において、LEDチップ13の底面より左方に配置すれば良い。バルク型レンズ20は、凸形状の第2の湾曲面からなる出射面を有する外側頂部3を除けば、ほぼLED1と同様な円柱形状である。このバルク型レンズ20の円柱形状部分の直径(外径)2rは、10〜30mmφである。バルク型レンズ20の直径(外径)2rは、本発明の第1の実施の形態に係る発光体の使用目的に応じて選択出来る。したがって、10mmφ以下でも、30mmφ以上でも構わない。しかしながら、より集光効率を高くするためには、
10r > r > 3r ・・・・・(4)
の関係を満足することが好ましい。バルク型レンズ20の直径(外径)2rが、収納部6の内径2rの10倍以上でも、本発明のバルク型レンズは、機能するが、必要以上に大きくなり、小型化を目的とする場合は好ましくない。
Except for the curved surface portion of the convex shape, LED1, which is a resin mold, for example, a cylindrical shape with a diameter (outer diameter) 2r LED = 2~3mm φ. Side wall portion of the housing part 6 of the bulk-shaped lens 20, such that it accommodates the main light emitting portion of the LED1 that is resin molded, and has a cylindrical shape with a diameter (inner diameter) 2r i = 2.5~4mm φ. Although not shown, a spacer having a thickness of about 0.25 to 0.5 mm is provided between the LED 1 and the storage unit 6 of the bulk lens 20 in order to fix the LED 1 and the bulk lens 20. Has been inserted. That is, the outer diameter 2r LED of LED1, the inside diameter 2r i of the storage unit 6 is set substantially identical and slightly, smaller towards the outer diameter 2r LED of LED1. The spacer may be disposed at a position excluding the main light emitting portion of the LED 1, that is, on the left side of the bottom surface of the LED chip 13 in FIG. The bulk-type lens 20 has a cylindrical shape that is substantially the same as that of the LED 1 except for the outer top portion 3 having an exit surface that is a convex second curved surface. The diameter (outer diameter) 2r e cylindrical portion of the bulk-type lens 20 is 10 to 30 mm phi. The diameter (outer diameter) 2r e of the bulk lens 20 can be selected according to the purpose of use of the light emitter according to the first embodiment of the present invention. Accordingly, it may be 10 mmφ or less or 30 mm φ or more. However, in order to increase the light collection efficiency,
10r i> r e> 3r i ····· (4)
It is preferable to satisfy this relationship. The diameter of the bulk-shaped lens 20 (outside diameter) 2r e is at least 10 times the internal diameter 2r i of the receiving portion 6, the bulk lens of the present invention, will function, becomes larger than necessary, and the purpose of downsizing This is not preferable.

一般には、LED1の封止樹脂14の凸形状の湾曲面以外のところから出る光は、いわゆる迷光成分となり、照明には寄与しない。しかし、(4)式を満足する幾何学的形状を有するバルク型レンズ20においては、凸形状の湾曲面以外のところから出た光からなる迷光成分が、100%に近い集光効率で、有効に照明に寄与出来るようになる。即ち、第1の湾曲面からなる主入射面(凹部天井部)2以外の収納部6の側壁部(凹部側壁部)5も、有効な光の入射面(側壁入射面)として機能し得るのである。又、LED1とバルク型レンズ20の収納部6との間にはそれぞれの界面で反射した光の成分が多重反射し、迷光成分となっている。従来公知のレンズ等の光学系では、これらの迷光成分は、照明に寄与出来るように取り出すことは出来ない。しかし、これらの迷光成分も、本発明の第1の実施の形態においては、収納部6の内部に閉じこめられ、凹部側壁部(側壁入射面)5を介して入射出来るので、最終的には、照明に寄与出来る成分となり得る。(4)式を満足するように、十分厚い側壁部を有して幾何学的構造が設計することにより、外周部に反射鏡を用いなくても、凹部側壁部5から入力した光が、バルク型レンズ20の外周部からそのまま出力(漏洩)するのが防止出来る。勿論、凹部側壁部5に垂直に入射した光は外周部から漏洩するであろう。しかし、凹部側壁部5に、ある入射角で入射した光はスネルの法則で決まる屈折角で屈折する。収納部6の側壁部に位置するレンズ媒体4の厚さが厚くなると、レンズ媒体4の外周部から漏洩する成分は減少する。そして、(4)式を満足する幾何学的形状になると、レンズ媒体4の外周部から漏洩する成分はほとんど無視出来るようになるためと考えられる。特に、樹脂封止されたLEDでは凸形状の湾曲面以外のところから出た光の内、凹部側壁部5に垂直に入射する成分は少ないので、(4)式を満足する幾何学的形状になると、レンズ媒体4の外周部から漏洩する成分はほとんど無視出来るようになるためと考えられる。この結果、封止樹脂14の形状等の光の取り出し効率や、光学系相互の反射成分等に依存せず、ほぼ、内部量子効率に近い効率で、潜在的なLEDチップ13の光エネルギを有効に取り出すことが可能となる。   In general, light emitted from places other than the convex curved surface of the sealing resin 14 of the LED 1 becomes a so-called stray light component and does not contribute to illumination. However, in the bulk type lens 20 having a geometrical shape that satisfies the formula (4), the stray light component composed of light emitted from places other than the convex curved surface is effective with a light collection efficiency close to 100%. Can contribute to lighting. That is, the side wall portion (recess side wall portion) 5 of the storage portion 6 other than the main incident surface (recessed ceiling portion) 2 formed of the first curved surface can also function as an effective light incident surface (side wall incident surface). is there. Further, between the LED 1 and the storage unit 6 of the bulk lens 20, light components reflected at the respective interfaces are multiple-reflected and become stray light components. In a conventionally known optical system such as a lens, these stray light components cannot be extracted so as to contribute to illumination. However, these stray light components are also confined inside the storage portion 6 and can be incident through the concave side wall portion (side wall incident surface) 5 in the first embodiment of the present invention. It can be a component that can contribute to illumination. By designing the geometric structure with a sufficiently thick side wall so as to satisfy the formula (4), the light input from the concave side wall 5 is bulky without using a reflecting mirror on the outer periphery. It is possible to prevent output (leakage) from the outer periphery of the mold lens 20 as it is. Of course, the light vertically incident on the recess side wall 5 will leak from the outer periphery. However, light incident on the concave sidewall 5 at a certain incident angle is refracted at a refraction angle determined by Snell's law. As the thickness of the lens medium 4 located on the side wall portion of the storage portion 6 increases, the component leaking from the outer periphery of the lens medium 4 decreases. And if it becomes the geometrical shape which satisfies (4) Formula, it will be considered that the component which leaks from the outer peripheral part of the lens medium 4 becomes almost negligible. In particular, in a resin-sealed LED, there is little component perpendicularly incident on the concave portion side wall portion 5 in the light emitted from places other than the convex curved surface, so that the geometric shape satisfying the equation (4) is obtained. In this case, it is considered that the component leaking from the outer peripheral portion of the lens medium 4 can be almost ignored. As a result, the light energy of the potential LED chip 13 is effectively used with an efficiency close to the internal quantum efficiency without depending on the light extraction efficiency such as the shape of the sealing resin 14 and the reflection components between the optical systems. Can be taken out.

図2(a)は、本発明の第1の実施の形態に係るバルク型レンズ20を用いた場合の、光軸方向に対して垂直方向に光強度(照度)分布を測るための測定系を示す模式図である。バルク型レンズ20の出射面からの出力光の強度(照度)を、LED1からの測定距離x=一定とし、照度計102をy軸方向に移動して測定する。測定距離(x)は、光軸方向に測る。一方、図2(b)は、同様な測定を、従来の薄型レンズ(両凸レンズ)101を用いて行う場合の構成を示す図である。図2(a)及び図2(b)に示す測定においては、本発明の第1の実施の形態に係るバルク型レンズ20の外径は30mmφとし、比較に用いた従来の薄型レンズ(両凸レンズ)101の外径は、この2倍強の63mmφとした。以下の説明で分かるように、薄型レンズ101の外径を2倍強の直径にしても、本発明の第1の実施の形態に係るバルク型レンズ20と同程度の光学的特性を得ることが出来ない。薄型レンズ101は、焦点距離190mmのものを用い、LED1からx方向に150mmの位置に配置した。又、図2(b)に示した従来の光学系では、図示した器具以外に、レンズホルダー等や駆動装置等の付加的な器具が必要で、調整が煩雑であるが、図2(a)に示す本発明の第1の実施の形態に係るバルク型レンズ20では、簡単な構成で光路の拡大、収束等が実現出来る。   FIG. 2A shows a measurement system for measuring the light intensity (illuminance) distribution in the direction perpendicular to the optical axis direction when the bulk lens 20 according to the first embodiment of the present invention is used. It is a schematic diagram shown. The intensity (illuminance) of the output light from the exit surface of the bulk lens 20 is measured by moving the illuminometer 102 in the y-axis direction with the measurement distance x from the LED 1 being constant. The measurement distance (x) is measured in the optical axis direction. On the other hand, FIG. 2B is a diagram showing a configuration in a case where the same measurement is performed using a conventional thin lens (biconvex lens) 101. In the measurements shown in FIGS. 2A and 2B, the outer diameter of the bulk lens 20 according to the first embodiment of the present invention is 30 mmφ, and the conventional thin lens (biconvex lens) used for comparison is used. ) The outer diameter of 101 was set to 63 mmφ, which is more than twice this. As will be understood from the following description, even if the outer diameter of the thin lens 101 is made slightly larger than twice, it is possible to obtain the same optical characteristics as those of the bulk lens 20 according to the first embodiment of the present invention. I can't. The thin lens 101 has a focal length of 190 mm, and is arranged at a position 150 mm from the LED 1 in the x direction. Further, in the conventional optical system shown in FIG. 2B, in addition to the illustrated tools, additional tools such as a lens holder and a driving device are necessary, and adjustment is complicated, but FIG. In the bulk type lens 20 according to the first embodiment of the present invention, the optical path can be expanded and converged with a simple configuration.

図3は、本発明の第1の実施の形態に係るバルク型レンズ20、薄型レンズ101、及びバルク型レンズを用いない裸のLEDのそれぞれの出力光のy方向に沿った強度(照度)分布を、測定距離x=1mにおいて測定した場合の結果を示す図である。本発明の第1の実施の形態に係るバルク型レンズ20が、薄型レンズ101の2倍の照度が得られることが分かる。   FIG. 3 shows the intensity (illuminance) distribution along the y direction of the output light of each of the bulk type lens 20, the thin lens 101, and the bare LED that does not use the bulk type lens according to the first embodiment of the present invention. It is a figure which shows the result at the time of measuring in measurement distance x = 1m. It can be seen that the bulk lens 20 according to the first embodiment of the present invention can obtain twice as much illuminance as the thin lens 101.

図4は、図3と同様なy方向に沿った強度(照度)分布を、測定距離xを変化させて測定したデータをまとめたものである。図4の横軸は、測定距離xの逆数の2乗、即ち1/xを示し、縦軸は、測定距離xにおける最大強度(ピーク強度)を示す。図4に示すように、本発明の第1の実施の形態に係るバルク型レンズ20の場合は、逆2乗則、即ち1/xを示す線上にきれいに測定点がプロットされる。一方、薄型レンズ101の場合は、逆2乗則からずれていることが示されている。即ち、本発明の第1の実施の形態に係るバルク型レンズ20の場合は、出力光のビームの平行性が良好であるが、薄型レンズ101の場合は、ビームが平行でないため、逆2乗則からずれていることが分かる。他の焦点距離の両凸レンズを用い、LED1と薄型レンズ101との間の距離を変えても、同様である。直径無限大の両凸レンズを用いれば可能かも知れないが、現実的ないかなる薄型レンズ101を用いても、図2(a)に示すようなコンパクトな配置で、本発明の第1の実施の形態に係るバルク型レンズ20と同様な結果を得ることは不可能である。単純な幾何光学から、従来の薄型レンズ101では、顕微鏡に用いるような極めて焦点距離の小さな凸レンズを用いないと、LED1に薄型レンズ101を近づけることは不可能である。しかし、この様に薄型レンズ101をLED1に近づけると、集光効率が低下する。集光効率を良するために、大きな短焦点レンズを用意すると、レンズが厚く、且つ大きくなるため実質的に、LED1と、薄型レンズ101の中心との距離を短く出来なくなる。結局、本発明の第1の実施の形態に係るバルク型レンズ20と同様な結果を得るためには、極めて巨大且つ複雑な光学系が必要であると結論出来る。つまり、従来の「両凸レンズ」、「平凸レンズ」、「メニスカス凸レンズ」、「両凹レンズ」、「平凹レンズ」、「メニスカス凹レンズ」等の薄型レンズでは、直径が無限大の大型レンズを用いなければ、本発明の第1の実施の形態に係るバルク型レンズ20と等価な機能を達成出来ない。 FIG. 4 summarizes data obtained by measuring the intensity (illuminance) distribution along the y direction similar to FIG. 3 while changing the measurement distance x. The horizontal axis in FIG. 4 indicates the square of the reciprocal of the measurement distance x, that is, 1 / x 2 , and the vertical axis indicates the maximum intensity (peak intensity) at the measurement distance x. As shown in FIG. 4, for bulk lens 20 according to the first embodiment of the present invention, the inverse square law, i.e. clean measuring points on a line indicating the 1 / x 2 are plotted. On the other hand, the thin lens 101 is shown to deviate from the inverse square law. That is, in the case of the bulk lens 20 according to the first embodiment of the present invention, the parallelism of the beam of the output light is good, but in the case of the thin lens 101, since the beam is not parallel, the inverse square is obtained. It turns out that it is off the law. This is the same even if a biconvex lens with another focal length is used and the distance between the LED 1 and the thin lens 101 is changed. Although it may be possible if a biconvex lens having an infinite diameter is used, the first embodiment of the present invention can be realized with a compact arrangement as shown in FIG. It is impossible to obtain the same result as that of the bulk lens 20 according to the above. From simple geometrical optics, the conventional thin lens 101 cannot bring the thin lens 101 closer to the LED 1 without using a convex lens having a very small focal length as used in a microscope. However, when the thin lens 101 is brought closer to the LED 1 in this way, the light collection efficiency is lowered. If a large short focus lens is prepared in order to improve the light collection efficiency, the lens becomes thick and large, so that the distance between the LED 1 and the center of the thin lens 101 cannot be substantially shortened. After all, it can be concluded that an extremely large and complicated optical system is necessary to obtain the same result as that of the bulk lens 20 according to the first embodiment of the present invention. In other words, conventional thin lenses such as “biconvex lens”, “planoconvex lens”, “meniscus convex lens”, “biconcave lens”, “planoconcave lens”, “meniscus concave lens” must use large lenses with an infinite diameter. The function equivalent to the bulk lens 20 according to the first embodiment of the present invention cannot be achieved.

図5は、本発明の第1の実施の形態に係るバルク型レンズ20の幾何学的構造と集光率の関係を示す図である。ここで「集光率」とは、「バルク型レンズ20からの±1°以内の発散角における出力光の光量」を、「光源(LED)からの±15°以内の発散角における光量」で除した量で定義している。図5から、第2のレンズ面(第2の湾曲面)3の曲率半径をR、バルク型レンズ20の全長をLとすると、集光率を向上するためには、上述した(1)式及び(2)式を満足することが好ましいことが分かる。ここで、nは、バルク型レンズ20の屈折率である。なお、バルク型レンズ20の円柱形状部分の半径rと、第2の湾曲面の曲率半径をRとは、必ずしも等しい必要はない(一般にはr≦Rとなる。)。 FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the geometric structure of the bulk lens 20 and the light collection rate according to the first embodiment of the present invention. Here, the “condensation rate” is the “light quantity of output light at a divergence angle within ± 1 ° from the bulk lens 20” as “light quantity at a divergence angle within ± 15 ° from the light source (LED)”. It is defined by the divided amount. From FIG. 5, when the radius of curvature of the second lens surface (second curved surface) 3 is R and the total length of the bulk lens 20 is L, the above-described equation (1) is used to improve the light collection rate. And it turns out that satisfy | filling (2) Formula is preferable. Here, n is the refractive index of the bulk lens 20. The radius r e of the cylindrical portion of the bulk lens 20 and the radius of curvature R of the second curved surface are not necessarily equal (generally, r e ≦ R).

図6は、図5に示した各バルク型レンズ20の幾何学的構造、即ち、それぞれの第2の湾曲面の曲率半径R、バルク型レンズ20の全長L、第1及び第2のレンズ面間の距離D、収納部6の内径r及び、第1のレンズ面のなす凸部の高さΔを示す表である。ここで、「第1のレンズ面のなす凸部の高さΔ」とは、図7で定義される第1のレンズ面の一部(凹部天井部)2に形成される凸部(第1の湾曲面)の突き出し量Δである。 FIG. 6 shows the geometric structure of each bulk lens 20 shown in FIG. 5, that is, the radius of curvature R of each second curved surface, the total length L of the bulk lens 20, the first and second lens surfaces. the distance D between, the inner diameter r i of the housing part 6 and is a table showing the height Δ of the eggplant protrusion of the first lens surface. Here, “the height Δ of the convex portion formed by the first lens surface” means the convex portion (first portion) formed on a part of the first lens surface (the concave ceiling portion) 2 defined in FIG. Of the curved surface).

図1に示すバルク型レンズ20は、スムーズな凹形状の第1のレンズ面(2,5)、及び凸形状の第2のレンズ面3を有していた。しかし、図1は例示であり、第1のレンズ面(2,5)及び第2のレンズ面3は、目的に応じて、種々の形状が採用可能である。そして、第1のレンズ面のなす凸部の高さΔは正の値も負の値も取り得るのである。又、Δ=0でも良い。ここでは、図7に示すように、第1のレンズ面(2,5)の一部(凹部天井部)2が凸形状の場合をΔの正方向に定義する。   The bulk lens 20 shown in FIG. 1 had a smooth concave first lens surface (2, 5) and a convex second lens surface 3. However, FIG. 1 is an exemplification, and the first lens surface (2, 5) and the second lens surface 3 can employ various shapes depending on the purpose. The height Δ of the convex portion formed by the first lens surface can take either a positive value or a negative value. Alternatively, Δ = 0 may be used. Here, as shown in FIG. 7, a case where a part (concave ceiling portion) 2 of the first lens surface (2, 5) is convex is defined in the positive direction of Δ.

図8(a)〜8(c)、図9(a)〜9(c)、及び図10(a)〜10(c)は、図7に示した凸部の高さΔと、ビーム強度プロファイルとの関係を示す図である。測定に用いたバルク型レンズ20の円柱形状部分の外径2rは15mm、バルク型レンズ20の全長Lは、25mm、第1のレンズ面の一部(凹部天井部)2と第2のレンズ面3との間の距離Dは16mm、収納部6の内径2rは5.2mm、バルク型レンズ20の屈折率nは1.54である。このバルク型レンズ20の第2のレンズ面3の曲率半径Rは、8.25mmである。又、測定に用いた樹脂モールドされたLED1の外形は5mmである。そして、図11は、図8(a)〜8(c)、図9(a)〜9(c)、及び図10(a)〜10(c)の結果から求めた凸部の高さΔと、測定距離1mにおける±15cmの範囲内の照射面積における照度の平坦度との関係を示す図である。ここで照度の平坦度は、
((最大値)−(最小値))/(平均値) ・・・・・(5)
で定義される。バルク型レンズ20の外径2r=15mmの場合は、
0.2mm < Δ <0.6mm ・・・・・(6)
が、照度の平坦度を良好にするために好ましいことが分かる。より一般的には、上述した(3)式を満足するように凸部の高さΔと外周部の外径2rとを選定すれば良い。
8 (a) to 8 (c), FIGS. 9 (a) to 9 (c), and FIGS. 10 (a) to 10 (c) show the height Δ of the convex portion and the beam intensity shown in FIG. It is a figure which shows the relationship with a profile. The outer diameter 2r e of the cylindrical portion of the bulk type lens 20 used for the measurement is 15 mm, the total length L of the bulk type lens 20 is 25 mm, a part of the first lens surface (concave portion) 2 and the second lens. the distance D between the surface 3 16 mm, inner diameter 2r i of the receiving portion 6 5.2 mm, the refractive index n of the bulk-shaped lens 20 is 1.54. The radius of curvature R of the second lens surface 3 of this bulk lens 20 is 8.25 mm. The outer shape of the resin-molded LED 1 used for the measurement is 5 mm. 11 shows the height Δ of the convex portion obtained from the results of FIGS. 8 (a) to 8 (c), FIGS. 9 (a) to 9 (c), and FIGS. 10 (a) to 10 (c). It is a figure which shows the relationship between the flatness of the illumination intensity in the irradiation area in the range of +/- 15cm in the measurement distance 1m. Here, the flatness of the illuminance is
((Maximum value)-(minimum value)) / (average value) (5)
Defined by When the outer diameter 2r e of the bulk lens 20 is 15 mm,
0.2 mm <Δ <0.6 mm (6)
However, it is preferable to improve the flatness of the illuminance. More generally, the height Δ of the convex portion and the outer diameter 2r e of the outer peripheral portion may be selected so as to satisfy the above-described expression (3).

図12は、本発明のバルク型レンズ20の外径2rを10mmφ、15mmφ、30mmφと変えたときの測定距離x=0.5mにおける照度分布を示す。バルク型レンズ20の外径2rが大きくなるに従い、相対照度が大きくなることが示されている。 Figure 12 is an outer diameter 2r e bulk lens 20 of the present invention 10 mm [phi, having a diameter of 15 mm, the illuminance distribution in the measured distance x = 0.5 m when changing the 30mmφ shown. It is shown that the relative illuminance increases as the outer diameter 2r e of the bulk lens 20 increases.

図13は、図12の測定を更に詳細に行い、その結果を、バルク型レンズ20の内側壁部と外側壁部の間の厚さを横軸に、相対照度(任意目盛り)を縦軸に示したものである。内側壁部と外側壁部の間の厚さが厚くなるに従い、相対照度が明るくなることを示している。   FIG. 13 shows the measurement of FIG. 12 in more detail, and the results are shown with the thickness between the inner wall portion and the outer wall portion of the bulk lens 20 on the horizontal axis and the relative illuminance (arbitrary scale) on the vertical axis. It is shown. It shows that the relative illuminance increases as the thickness between the inner wall portion and the outer wall portion increases.

図14は、バルク型レンズ20の外径/内径比を横軸に、相対照度(任意目盛り)を縦軸に示したものである。外径/内径比が大きくなるに従い、相対照度が明るくなることを示している。特に、外径/内径比が2.5以上で、顕著にその増大効果が認められる。外径/内径比が10以上になると、その増大効果が飽和の傾向にあることが分かる。現実のLEDの外径を考慮すれば、外径/内径比が10以上のバルク型レンズ20は必然的に大口径化する。しかし、大口径化のバルク型レンズ20は、レンズ媒体4に気泡が入りやすくなり、或いはクラックが入りやすくなり、製造技術上困難性を伴う。又、装置の小型化の点からも望ましくない。したがって、図14を考慮すると、外径/内径比が3以上、10以下が、バルク型レンズ20として好ましいことが分かる。   FIG. 14 shows the outer diameter / inner diameter ratio of the bulk lens 20 on the horizontal axis and the relative illuminance (arbitrary scale) on the vertical axis. It shows that the relative illuminance increases as the outer diameter / inner diameter ratio increases. In particular, when the outer diameter / inner diameter ratio is 2.5 or more, a remarkable increase effect is recognized. It can be seen that when the outer diameter / inner diameter ratio is 10 or more, the increasing effect tends to be saturated. Considering the actual outer diameter of the LED, the bulk lens 20 having an outer diameter / inner diameter ratio of 10 or more inevitably increases in diameter. However, the large-diameter bulk lens 20 is likely to have air bubbles or cracks in the lens medium 4, and is difficult to manufacture. Further, it is not desirable from the viewpoint of miniaturization of the apparatus. Therefore, considering FIG. 14, it is understood that an outer diameter / inner diameter ratio of 3 or more and 10 or less is preferable for the bulk lens 20.

図15は、外径2r=15mmφのバルク型レンズ20の収納部6に、樹脂モールドされたLED1を収納した場合において、バルク型レンズ20の背面部及び外側壁部に背面鏡を付した場合と、背面鏡がない場合のそれぞれの出力光のy方向に沿った強度(照度)分布とを比較する図である。図15では、測定距離x=1mにおいて測定している。樹脂モールドされたLED1を、バルク型レンズ20の収納部6に収納した場合では、背面鏡の有り、無しで、照度がほとんど変わらないことが分かる。即ち、バルク型レンズ20では、内側壁部と外側壁部の間のバルク型レンズ20の厚さを、図13の関係に示すように十分厚く選定することにより、その構造上、レンズ媒体4の外周部及び底部に背面鏡を用いなくても、迷光成分がレンズ媒体4の外周部を透過して外部にリークすることはほとんどない。そして、これらの側壁入射面から入射した光は、最終的に有効な照明成分としてバルク型レンズ20の出射面から出射していることが分かる。つまり、バルク型レンズ20はレンズ媒体4の外周部や底部に反射鏡を用いなくても、LED1の迷光成分をほぼ完全に(100%に近い集光効率で)第2のレンズ面3から効率良く出力する構造であることが分かる。つまり、図15は、本発明の第1の実施の形態に係るバルク型レンズ20では、側壁部を十分厚くすれば、レンズ媒体4の外周部や底部での背面鏡は意味がないということである。「100%に近い集光効率」というのは、凹部側壁部5に垂直に入射した光は外周部から漏洩するであろうからである。しかし、凹部側壁部5に、樹脂封止されたLED1の構造で決まるそれぞれの入射角で入射した光は、レンズ媒体4の内部でスネルの法則で決まる屈折角で屈折する。収納部6の側壁部に位置するレンズ媒体4の厚さが厚くなると、図13及び図14に示すように、レンズ媒体4の外周部から漏洩する成分は減少して、逆に、第2のレンズ面3から効率良く出力する成分が増大してゆく。そして、(4)式を満足する幾何学的形状になると、レンズ媒体4の外周部から漏洩する成分はほとんど無視出来るようになる。特に、樹脂封止されたLED1では、その構造上、凸形状の湾曲面以外のところから出た光の内、凹部側壁部5に垂直に入射する成分は、他の迷光成分に比し相対的に少ないので、(4)式を満足する幾何学的形状になると、レンズ媒体4の外周部から漏洩する成分はほとんど無視出来、100%に近い集光効率で第2のレンズ面3から効率良く出力するようになると推定出来る。このため、図15に示すように、樹脂モールドされたLED1の場合では、背面鏡の有り、無しで、照度がほとんど変わらないという結果が得られたと考えられる。 FIG. 15 shows a case where a resin-molded LED 1 is housed in the housing portion 6 of the bulk type lens 20 having an outer diameter 2r e = 15 mmφ, and a rear mirror is attached to the back surface portion and the outer wall portion of the bulk lens 20. It is a figure which compares the intensity | strength (illuminance) distribution along the y direction of each output light when there is no back mirror. In FIG. 15, the measurement is performed at a measurement distance x = 1 m. When the resin-molded LED 1 is stored in the storage unit 6 of the bulk lens 20, it can be seen that the illuminance hardly changes with and without the rear mirror. That is, in the bulk type lens 20, the thickness of the bulk type lens 20 between the inner wall portion and the outer wall portion is selected to be sufficiently thick as shown in the relationship of FIG. Even if a rear mirror is not used for the outer peripheral portion and the bottom portion, stray light components hardly pass through the outer peripheral portion of the lens medium 4 and leak to the outside. And it turns out that the light which injected from these side wall entrance surfaces is radiate | emitted from the output surface of the bulk type lens 20 as an effective illumination component finally. In other words, the bulk type lens 20 eliminates the stray light component of the LED 1 from the second lens surface 3 almost completely (with a condensing efficiency close to 100%) without using a reflecting mirror at the outer periphery or bottom of the lens medium 4. It can be seen that this structure outputs well. That is, FIG. 15 shows that in the bulk type lens 20 according to the first embodiment of the present invention, if the side wall portion is sufficiently thick, the rear mirror at the outer peripheral portion and the bottom portion of the lens medium 4 is meaningless. is there. The “light collection efficiency close to 100%” is because light perpendicularly incident on the recess side wall portion 5 will leak from the outer peripheral portion. However, light incident on the recess side wall 5 at each incident angle determined by the structure of the resin-sealed LED 1 is refracted inside the lens medium 4 at a refraction angle determined by Snell's law. As the thickness of the lens medium 4 located on the side wall of the storage unit 6 increases, the component leaking from the outer periphery of the lens medium 4 decreases as shown in FIG. 13 and FIG. The component that is efficiently output from the lens surface 3 increases. When the geometric shape satisfies the expression (4), the component leaking from the outer peripheral portion of the lens medium 4 can be almost ignored. In particular, in the resin-sealed LED 1, of the light emitted from places other than the convex curved surface, the component that is perpendicularly incident on the concave side wall portion 5 is relative to other stray light components. Therefore, when the geometrical shape satisfies the expression (4), the component leaking from the outer peripheral portion of the lens medium 4 can be almost ignored, and the second lens surface 3 can be efficiently obtained with a light collection efficiency close to 100%. It can be estimated that it will output. For this reason, as shown in FIG. 15, in the case of the resin-molded LED 1, it is considered that the result that the illuminance hardly changes with and without the rear mirror is obtained.

本発明の第1の実施の形態に係るLED1は、第1の屈折率nを有したエポキシ樹脂等の透明材料でモールドされている。そして、バルク型レンズ20は、第1の屈折率nとは異なる第2の屈折率nを有する空気を介してLED1を収納している。空気以外の流体若しくは流動体を介してLED1を収納部6に収納しても良い。LED1から発せられる光の波長に対して透明な気体若しくは液体であれば、種々の「流体」が使用可能である。収納部6のLED1とバルク型レンズ20との間に、スペーサオイル等の使用も可能である。又、「流動体」としての種々のゾル状、コロイド状若しくはゲル状の透明物質が使用出来る。又、バルク型レンズ20は、第2の屈折率nとは異なる第3の屈折率nを有するようにすれば良い。第1の屈折率n、第2の屈折率n、及び第3の屈折率nを、それぞれ最適な値に選定することにより、LEDチップ13からの光を収束させることも分散させることも可能である。又、バルク型レンズ20の光伝送部の有する第3の屈折率nを次第に大きく、若しくは、次第に小さくするようにして光路設計をしても良い。 The LED 1 according to the first embodiment of the present invention is molded with a transparent material such as an epoxy resin having a first refractive index n 1 . The bulk lens 20 accommodates the LED 1 via air having a second refractive index n 0 different from the first refractive index n 1 . The LED 1 may be stored in the storage unit 6 via a fluid or fluid other than air. Various “fluids” can be used as long as the gas or liquid is transparent to the wavelength of light emitted from the LED 1. Spacer oil or the like can be used between the LED 1 of the storage unit 6 and the bulk lens 20. Further, various sol-like, colloidal or gel-like transparent materials as “fluid” can be used. Further, the bulk lens 20 may have a third refractive index n 2 different from the second refractive index n 0 . The first refractive index n 1 , the second refractive index n 0 , and the third refractive index n 2 are selected to be optimum values so that the light from the LED chip 13 is converged or dispersed. Is also possible. The third progressively larger refractive index n 2 of which has the light transmitting portion of the bulk lens 20, or may be an optical path designed to be gradually reduced.

この様にして、本発明の第1の実施の形態に係る発光体によれば、樹脂モールドされたLED1の数を多数必要とすることなく、照明に寄与する光ビームとして所望の照射面積の光束を確保し、且つ所望の照度を簡単に得ることが出来る。この照度は従来公知のレンズ等の光学系では達成不可能な照度である。驚くことに、現在市販されているハロゲンランプを用いた細身の懐中電灯と同程度の照度がたった1個のLEDで実現出来たのである。この様に、本発明の第1の実施の形態に係る発光体によれば、従来の技術常識では全く予測出来ない照度を、図1に示すような簡単な構造で、実現出来る。   Thus, according to the light emitter according to the first embodiment of the present invention, a light beam having a desired irradiation area as a light beam that contributes to illumination without requiring a large number of resin-molded LEDs 1. And desired illuminance can be easily obtained. This illuminance is an illuminance that cannot be achieved by a conventionally known optical system such as a lens. Surprisingly, it could be realized with only one LED having the same illuminance as a thin flashlight using a halogen lamp currently on the market. As described above, according to the light emitter according to the first embodiment of the present invention, it is possible to realize illuminance which cannot be predicted at all by the conventional technical common sense with a simple structure as shown in FIG.

なお、本発明の第1の実施の形態に係る発光体に用いる樹脂モールドされたLED1としては、種々の色(波長)のLEDが使用可能である。但し、懐中電灯のような携帯用照明器具として用いる目的のためには、白色LEDが人間の目には自然であるので好ましい。白色LEDは種々の構造のものが使用出来る。例えば、赤(R)、緑(G)及び青(B)の3枚のLEDチップを縦に積層して構成しても良い。赤(R)、緑(G)及び青(B)の3枚のLEDチップを積層せず、同一平面レベルにおいて、点光源と見なせる程度に近接配置しても良い。この場合、封止樹脂14から、それぞれの色のLEDチップに対応し、合計6本のピンが導出されても良く、封止樹脂14の内部配線として、6本のピンを2本にまとめ、外部ピンとしては2本設けられた構造としても構わない。又、一方の電極(接地電極)を共通とすれば、外部ピンは4本で良い。いずれにせよ、赤(R)色、緑(G)色及び青(B)色の3枚のLEDチップの駆動電圧(駆動電流)を互いに独立に制御出来るようにしておけば、あらゆる色の混合(色合成)が可能であるので、白色光を得ることが出来る。更に、白色光以外の任意の色を、RGB各色の発光強度を制御した色合成により得ることも容易で、色合いの変化を楽しむことが可能である。   In addition, as the resin-molded LED 1 used for the light emitter according to the first embodiment of the present invention, LEDs of various colors (wavelengths) can be used. However, for the purpose of use as a portable lighting device such as a flashlight, white LEDs are preferred because they are natural to the human eye. White LEDs having various structures can be used. For example, three LED chips of red (R), green (G), and blue (B) may be stacked vertically. The three LED chips of red (R), green (G), and blue (B) may be arranged close to each other so that they can be regarded as point light sources on the same plane level. In this case, a total of six pins may be derived from the sealing resin 14 corresponding to the LED chips of the respective colors. As the internal wiring of the sealing resin 14, the six pins are combined into two, Two external pins may be provided. If one electrode (ground electrode) is shared, four external pins are sufficient. In any case, if the driving voltage (driving current) of the three LED chips of red (R), green (G) and blue (B) can be controlled independently of each other, any color can be mixed. Since (color synthesis) is possible, white light can be obtained. Furthermore, it is easy to obtain an arbitrary color other than white light by color synthesis in which the emission intensity of each RGB color is controlled, and it is possible to enjoy a change in hue.

白色LEDを、図1に示す樹脂モールドされたLED1として用い、この白色LED1に対して所定電圧が印加出来るように電池ケースとこの電池ケースの中の電池(例えば単3電池)を収納すれば、ペンタイプの細身の懐中電灯(ペンライト)が完成する。この照明器具の電池の陽極及び陰極にそれぞれ、白色LED1の電極を接続する構造とすれば良いのである。この結果、簡単な構造で、製造単価の低い懐中電灯(携帯用照明器具)が提供出来る。或いは、RGB各色の発光強度の制御による色合成により得られた特定の色を用いた医療用のライト等の照明器具をも構成出来る。RGB各色の発光強度を制御した色合成により、可視光のスペクトル帯の任意の色を得ることが可能である。これらの照明器具は、長期間に渡る安定性と信頼性に優れ、特に、電力消費量が少ないため、電池の寿命が長いという従来予測出来なかった優れた特性を有する。   If a white LED is used as the resin-molded LED 1 shown in FIG. 1 and a battery case and a battery (for example, an AA battery) in the battery case are stored so that a predetermined voltage can be applied to the white LED 1, A pen-type slim flashlight (penlight) is completed. What is necessary is just to set it as the structure which connects the electrode of white LED1 to the anode and cathode of the battery of this lighting fixture, respectively. As a result, a flashlight (portable lighting device) can be provided with a simple structure and a low manufacturing cost. Or lighting fixtures, such as a medical light using the specific color obtained by the color synthesis by control of the light emission intensity of each RGB color, can also be comprised. It is possible to obtain an arbitrary color in the visible light spectrum band by color synthesis in which the emission intensity of each of the RGB colors is controlled. These luminaires are excellent in stability and reliability over a long period of time, and in particular, have excellent characteristics that could not be predicted in the past, such as long battery life due to low power consumption.

本発明の第1の実施の形態に係る発光体に用いるバルク型レンズ20としては、アクリル樹脂等の透明プラスチック材料、石英ガラス、ソーダ石灰ガラス、ホウケイ酸ガラス、鉛ガラス等の種々のガラス材料等が使用可能である。或いは、ZnO、ZnS、SiC等の結晶性材料を用いても構わない。又、可とう性、屈曲性や伸縮性の有るゾル、ゲル、ゾル・ゲル混合物、或いは透明ゴムのような材料でも構わない。又、ゾル、ゲル、ゾル・ゲル混合物等を、透明ゴムやフレキシブルな透明プラスチック材料等に格納して用いても良い。内、アクリル樹脂等の透明プラスチック材料等は、バルク型レンズ20を大量生産するのに好適な材料である。即ち、一度金型を作り、この金型により成形加工すればバルク型レンズ20が簡単に大量生産出来る。   Examples of the bulk lens 20 used in the light emitter according to the first embodiment of the present invention include transparent plastic materials such as acrylic resin, various glass materials such as quartz glass, soda lime glass, borosilicate glass, lead glass, and the like. Can be used. Alternatively, a crystalline material such as ZnO, ZnS, or SiC may be used. Further, a material such as sol, gel, sol-gel mixture, or transparent rubber having flexibility, flexibility and stretchability may be used. Alternatively, sol, gel, sol-gel mixture, etc. may be stored in transparent rubber or flexible transparent plastic material. Among them, a transparent plastic material such as an acrylic resin is a material suitable for mass production of the bulk type lens 20. That is, once a mold is formed and molded by this mold, the bulk lens 20 can be easily mass-produced.

但し、単純な射出成形によれば、図1に示した井戸型の凹部6の天井部2の近傍に気泡の取り込み、巣の発生、スパイクや氷柱形状等の異常形状が発生することが分かった。本発明者の詳細な検討によれば、この様な異常形状の発生は、射出成形において、溶融した透明樹脂が冷却する際に樹脂が収縮し、井戸型の凹部6の天井部2の近傍が減圧状態になるためであることが判明した。例えば、ポリカーボネイトでは、1℃当たり約0.4%収縮するので、天井部2の近傍が減圧状態になる。したがって、良好な幾何学的形状のバルク型レンズ20を製造するためには、以下のようにすれば良い。   However, according to simple injection molding, it has been found that abnormal shapes such as bubble entrapment, nest formation, spikes and ice column shapes occur near the ceiling 2 of the well-shaped recess 6 shown in FIG. . According to the detailed examination of the present inventor, the occurrence of such an abnormal shape is caused by the shrinkage of the molten transparent resin during the injection molding, and the vicinity of the ceiling portion 2 of the well-shaped recess 6 is reduced. It was found that this was because the pressure was reduced. For example, since polycarbonate contracts by about 0.4% per 1 ° C., the vicinity of the ceiling portion 2 is in a reduced pressure state. Therefore, in order to manufacture the bulk lens 20 having a good geometric shape, the following may be performed.

(イ)まず、バルク型レンズ20を製造するための成形金型を用意する。成形金型は、大きく分けて上半分の固定金型受け、下半分の可動金型受け、及び離型機構部に分けられる。固定金型受けの内部には、固定金型が嵌め込まれている。この固定金型は、バルク型レンズの外側頂部3及び外周部を成形するために固定金型成形面を有している。固定金型の中央部には、バルク型レンズ20の形成素材である透明樹脂を熱溶融した樹脂液が注入される湯口が設けられている。この湯口は樹脂液の供給機構に接続されており、熱溶融した透明樹脂が断続的に供給される。可動金型受けは、その内部に可動金型が嵌め込まれている。この可動金型は、バルク型レンズ20の収納部6を成形するため、収納部6の形状に対応した頂部が湾曲面からなる円柱形状の収納部成形面を有する雄型が設けられている。離型機構部は、内部に上下動する突出板が褶動自在に設けられ、突出板の端部には突出ピンが固着して、穴を貫通して可動金型内に通じている。この突出板の下部は、上下動機構に連結しており、突出ピンを突出させる時に、上方向に突出板を押し上げる。 そして、可動金型受けを固定金型受けに押し付けられ、完全に密着する。そして、所定の金型温度に加熱する。   (A) First, a mold for manufacturing the bulk lens 20 is prepared. The molding dies are roughly divided into an upper half fixed mold receiver, a lower half movable mold receiver, and a release mechanism. A fixed mold is fitted inside the fixed mold receiver. This fixed mold has a fixed mold forming surface for molding the outer top 3 and the outer periphery of the bulk lens. At the center of the fixed mold, there is provided a gate for pouring a resin liquid obtained by thermally melting a transparent resin that is a material for forming the bulk lens 20. This gate is connected to a resin liquid supply mechanism, and hot melted transparent resin is intermittently supplied. The movable mold receiver has a movable mold fitted therein. This movable mold is provided with a male mold having a cylindrical storage portion molding surface whose top corresponding to the shape of the storage portion 6 is a curved surface in order to mold the storage portion 6 of the bulk lens 20. The mold release mechanism is provided with a projecting plate that can move up and down inside, and a projecting pin is fixed to an end of the projecting plate and passes through a hole and communicates with the movable mold. The lower part of the protruding plate is connected to a vertical movement mechanism, and pushes the protruding plate upward when the protruding pin is protruded. Then, the movable mold receiver is pressed against the fixed mold receiver and comes into close contact. Then, it is heated to a predetermined mold temperature.

(ロ)次に第1射出工程により、溶融した透明樹脂が、湯口から固定金型と可動金型で形成される空間に射出する。透明樹脂としては、ポリメチルメタクリレート(PMMA)、ポリカーボネイト(PC)、アクリル、ABS,AB等の樹脂が使用可能である。例えば、ホッパーから投入したペレットを成形金型に隣接して配置したシリンダー内で、加熱及び剪断発熱により溶融させ、油圧モータ等をにより高圧で透明樹脂を湯口へ注入する。シリンダー内には、スクリューを設け、スクリューの回転により、材料を溶かしても良い。この樹脂射出時に、湯口が固定金型の中央部に設けられているため、バルク型レンズ20が成形される金型の空間の端部まで、万遍なく溶融した透明樹脂が充填される。
(ハ)樹脂射出後、第1冷却工程を行い、一定時間放置し、成形金型内で樹脂を冷却する。第1冷却工程は、樹脂が室温まで完全に冷却しない中間的な温度まで冷却する工程である。
(B) Next, in the first injection step, the molten transparent resin is injected from the gate into the space formed by the fixed mold and the movable mold. As the transparent resin, resins such as polymethyl methacrylate (PMMA), polycarbonate (PC), acrylic, ABS, and AB can be used. For example, pellets thrown in from a hopper are melted by heating and shearing heat generation in a cylinder arranged adjacent to the molding die, and a transparent resin is injected into the gate at high pressure by a hydraulic motor or the like. A screw may be provided in the cylinder, and the material may be melted by rotating the screw. At the time of this resin injection, since the gate is provided in the central part of the fixed mold, the melted transparent resin is filled up to the end of the mold space where the bulk type lens 20 is molded.
(C) After the resin is injected, the first cooling step is performed, and the resin is left for a certain period of time to cool the resin in the molding die. The first cooling step is a step of cooling to an intermediate temperature at which the resin is not completely cooled to room temperature.

(ニ)樹脂が冷却すると樹脂の膨張係数分隙間が出来る。第1冷却工程より、樹脂が途中の温度まで冷却したことによる隙間に対して、第2射出工程により再度溶融した透明樹脂を、再び湯口から射出する。   (D) When the resin cools, a gap corresponding to the expansion coefficient of the resin is formed. From the first cooling step, the transparent resin melted again in the second injection step is injected again from the gate into the gap due to the resin being cooled to an intermediate temperature.

(ホ)第2射出工程による樹脂射出後、第2冷却工程を行い、一定時間放置し、成形金型内で樹脂を室温まで冷却する。   (E) After resin injection in the second injection step, the second cooling step is performed, and the resin is allowed to stand for a predetermined time, and the resin is cooled to room temperature in the molding die.

(ヘ)樹脂が室温まで冷却されると、成形金型内で固化したバルク型レンズ20を取り出す。例えば、固定金型受け側のコンプレッサーに連結された電磁弁を作動させ固定金型の環状スリットから、圧搾空気をバルク型レンズ20方向に噴出する(固定金型エアブロー)。そして、可動金型受けが離型機構部と一体となって下方向に下がる。この圧搾空気噴出により、バルク型レンズ20の収納部6が形成された底部は、固定金型受けの固定金型から容易に離型し、可動金型側に密着した状態で可動金型受けとともに下方向に下がっていく。
(ト)固定金型受けから離された可動金型受けは、可動金型受け側のコンプレッサーに連結された電磁弁が作動し、可動金型の環状スリットから、圧搾空気がバルク型レンズ20方向に噴出する(可動金型エアブロー)。これにより、バルク型レンズ20の収納部6と、可動金型の収納部成形面との間に空気の層ができ、バルク型レンズ20を破損することなく可動金型受けから離型される。又、この可動金型エアブローと同時に、突出板が上方に動き、突出ピンを可動金型の穴からバルク型レンズ20方向に突出させる。これにより、バルク型レンズ20が容易に可動金型21から離型されるのを補助し、且つ、可動金型の円柱形状の雄型からバルク型レンズ20を浮き上がらせて、バルク型レンズ20を成形金型から取り出し易くしている。
(F) When the resin is cooled to room temperature, the bulk lens 20 solidified in the molding die is taken out. For example, a solenoid valve connected to a compressor on the stationary mold receiving side is operated to eject compressed air from the annular slit of the stationary mold toward the bulk lens 20 (fixed mold air blow). And a movable metal mold receiver unites with a mold release mechanism part, and falls below. By this compressed air ejection, the bottom part where the storage part 6 of the bulk mold lens 20 is formed is easily released from the fixed mold of the fixed mold receiver, and in close contact with the movable mold side, together with the movable mold receiver Go down.
(G) The movable mold receiver separated from the fixed mold receiver operates the solenoid valve connected to the compressor on the movable mold receiver side, and the compressed air is directed from the annular slit of the movable mold toward the bulk lens 20. (Moveable mold air blow). Thereby, an air layer is formed between the storage part 6 of the bulk mold lens 20 and the storage part molding surface of the movable mold, and the bulk mold lens 20 is released from the movable mold receiver without being damaged. Simultaneously with this movable mold air blow, the projecting plate moves upward, and the projecting pin projects from the hole of the movable mold toward the bulk lens 20. Thus, the bulk type lens 20 is easily released from the movable mold 21, and the bulk type lens 20 is lifted from the columnar male mold of the movable mold so that the bulk type lens 20 is lifted. It is easy to remove from the mold.

上記方法によれば、第1冷却工程により樹脂が室温まで完全に冷却しない中間的な温度まで冷却し、これにより樹脂が収縮して出来た隙間に、第2射出工程により再び透明樹脂を射出するので、井戸型の凹部6の天井部2の近傍が減圧状態になることが防止される。この結果、図1に示した井戸型の凹部6の天井部2の近傍に気泡の取り込みや異常形状の発生するのが防止出来、良好な幾何学的形状のバルク型レンズ20が形成出来る。   According to the above method, the resin is cooled to an intermediate temperature at which the resin is not completely cooled to room temperature by the first cooling step, and the transparent resin is injected again by the second injection step into the gap formed by the shrinkage of the resin. Therefore, the vicinity of the ceiling portion 2 of the well-shaped recess 6 is prevented from being in a reduced pressure state. As a result, it is possible to prevent air bubbles from being taken in and an abnormal shape from occurring near the ceiling 2 of the well-shaped recess 6 shown in FIG. 1, and a bulk lens 20 having a good geometric shape can be formed.

(第2の実施の形態)
図16に示すように、本発明の第2の実施の形態に係る発光体は、所定の波長の光を発する光源1と、この光源1をほぼ完全に覆うバルク型レンズ20とから少なくとも構成されている。そして、このバルク型レンズ20は、外側頂部3、底部及び光軸に平行方向の側面からなる外周部を有するバルク型のレンズ媒体4と、この底部から外側頂部3に向かってレンズ媒体4の内部に設けられた光軸に平行方向の面からなる側壁部を有する井戸型の凹部からなる収納部6とから構成されている。レンズ媒体4の内部に設けられた、収納部6の天井部2と側壁部5とが入射面としての第1のレンズ面(2,5)、レンズ媒体の外側頂部3が出射面となる第2のレンズ面3として機能する。収納部6の内部に光源1が完全に収納される。
(Second Embodiment)
As shown in FIG. 16, the light emitter according to the second embodiment of the present invention includes at least a light source 1 that emits light of a predetermined wavelength and a bulk lens 20 that almost completely covers the light source 1. ing. The bulk-type lens 20 includes a bulk-type lens medium 4 having an outer top portion 3, a bottom portion, and an outer peripheral portion composed of side surfaces parallel to the optical axis, and the inside of the lens medium 4 from the bottom portion toward the outer top portion 3. And a storage portion 6 formed of a well-shaped concave portion having a side wall portion formed of a plane parallel to the optical axis. The first lens surface (2, 5) provided in the lens medium 4 as the entrance surface is the ceiling portion 2 and the side wall portion 5 of the storage portion 6, and the outer top portion 3 of the lens medium is the exit surface. Functions as the second lens surface 3. The light source 1 is completely stored in the storage unit 6.

光源1は、例えば、最大部の直径(外径)2〜3mmφの沃素(I)タングステンランプ(ハロゲンランプ)、即ち豆ランプ形状の白熱球である。バルク型レンズ20は、断面が図16に示すような弾丸型の形状である。バルク型レンズ20の収納部6の凹部側壁5の内径2rは、光源(白熱球)1の主発光部を収納出来るように、2r=2.5〜4mmφの円筒形状となっている。図示を省略しているが、光源1とバルク型レンズ20とを固定するために、光源1のソケット部とバルク型レンズ20の収納部6との間には、厚さ1〜2.5mm程度のスペーサが挿入されている(「ソケット部」とは図16において、光源1の電極リード側(左側)の部位を意味する。)。弾丸型のバルク型レンズ20の円柱形状部の直径(外径)2rは、本発明の第2の実施の形態に係る発光体の使用目的に応じて選択出来る。したがって、10mmφ以下でも、30mmφ以上でも構わない。但し、既に述べた(1)式乃至(3)式、或いは(6)式等を満足するように、バルク型レンズ20の幾何学的構造を選ぶのが好ましいことは勿論である。又、本発明の第2の実施の形態に係るバルク型レンズ20は、空気の屈折率nとは異なる屈折率n有する。 The light source 1 is, for example, an iodine (I 2 ) tungsten lamp (halogen lamp) having a maximum diameter (outer diameter) of 2 to 3 mm φ , that is, a bean lamp-shaped incandescent bulb. The bulk lens 20 has a bullet shape as shown in FIG. Inside diameter 2r i recess side wall 5 of the housing part 6 of the bulk-shaped lens 20 has a light source to allow housing of the main light-emitting portion of the (incandescent bulb) 1, has a cylindrical shape of 2r i = 2.5~4mm φ . Although not shown, in order to fix the light source 1 and the bulk lens 20, a thickness of about 1 to 2.5 mm is provided between the socket portion of the light source 1 and the storage portion 6 of the bulk lens 20. (The “socket portion” means a portion on the electrode lead side (left side) of the light source 1 in FIG. 16). The diameter (outer diameter) 2r e of the cylindrical portion of the bullet type bulk lens 20 can be selected according to the purpose of use of the light emitter according to the second embodiment of the present invention. Accordingly, it may be 10 mmφ or less or 30 mm φ or more. However, as a matter of course, it is preferable to select the geometric structure of the bulk lens 20 so as to satisfy the expressions (1) to (3) or (6) described above. Further, the bulk lens 20 according to the second embodiment of the present invention has a refractive index n 1 different from the refractive index n 0 of air.

白熱球1からの光はほぼ等方的に発光する。図16において、主入射面2(天井部)以外の収納部6の凹部側壁(側壁入射面)5も、有効な光の入射面(第1のレンズ面)として機能し得る。白熱球1からの光の場合はLEDの出力光に比して、主入射面2に対して側壁入射面5からレンズ媒体4に入射する成分が多い。そして、光源1とバルク型レンズ20の収納部6との間にはそれぞれの界面で反射した光の成分が多重反射し、迷光成分となっている。従来公知のレンズ等の光学系では、これらの迷光成分は、照明に寄与出来るように取り出すことは出来ない。しかし、これらの迷光成分も、本発明の第2の実施の形態においては、収納部6の内部に閉じこめられ、側壁入射面5からレンズ媒体4に入射するので、最終的には、照明に寄与出来る成分となり得る。この様に、本発明の第2の実施の形態においては、側壁入射面5から入射する光を有効に集光することが出来るので、光源1から発せられる迷光成分も含めて、等方的に発光するすべての出力光が有効に照明に寄与出来るようになる。   The light from the incandescent bulb 1 is emitted almost isotropically. In FIG. 16, the concave side wall (side wall incident surface) 5 of the storage unit 6 other than the main incident surface 2 (ceiling) can also function as an effective light incident surface (first lens surface). In the case of the light from the incandescent bulb 1, there are more components incident on the lens medium 4 from the side wall incident surface 5 with respect to the main incident surface 2 than the output light of the LED. Then, between the light source 1 and the storage unit 6 of the bulk lens 20, light components reflected at each interface are multiple-reflected to become stray light components. In a conventionally known optical system such as a lens, these stray light components cannot be extracted so as to contribute to illumination. However, in the second embodiment of the present invention, these stray light components are also confined inside the storage unit 6 and are incident on the lens medium 4 from the side wall incident surface 5, and ultimately contribute to illumination. It can be a component that can be made. As described above, in the second embodiment of the present invention, since the light incident from the side wall incident surface 5 can be effectively collected, it isotropic including the stray light component emitted from the light source 1. All the emitted light can be effectively contributed to illumination.

この様にして、本発明の第2の実施の形態に係る発光体によれば、光源1の数を多数必要とすることなく、照明に寄与する光ビームとして所望の照射面積の光束を確保し、且つ所望の照度を簡単に得ることが出来る。この照度は従来公知のレンズ等の光学系では達成不可能な照度である。この様に、本発明の第2の実施の形態に係る発光体によれば、従来の技術常識では全く予測出来ない照度を、図16に示すような簡単な構造で、実現出来る。図2(a)及び図2(b)の比較から明らかなように、本発明と同程度の集光特性を得るためには、従来の薄型レンズ(凸レンズ)を用いた場合は、その直径が、本発明のバルク型レンズ20の円柱部直径の2倍でも不十分であり3倍程度でもビームの平行性は得られない。即ち、1/3を越える小型化が達成されたことになる。   Thus, according to the light emitter according to the second embodiment of the present invention, a light beam having a desired irradiation area is secured as a light beam contributing to illumination without requiring a large number of light sources 1. In addition, desired illuminance can be easily obtained. This illuminance is an illuminance that cannot be achieved by a conventionally known optical system such as a lens. As described above, according to the light emitter according to the second embodiment of the present invention, the illuminance that cannot be predicted at all by conventional technical common sense can be realized with a simple structure as shown in FIG. As is clear from the comparison between FIG. 2A and FIG. 2B, in order to obtain a light collecting characteristic comparable to that of the present invention, when a conventional thin lens (convex lens) is used, its diameter is Even double the diameter of the cylindrical portion of the bulk lens 20 of the present invention is insufficient, and beam parallelism cannot be obtained even about 3 times. That is, downsizing exceeding 1/3 has been achieved.

本発明の第2の実施の形態に係る発光体に用いるバルク型レンズ20としては、光源(白熱球)1の発熱を考慮すると、耐熱性光学材料が好ましい。耐熱性光学材料としては、石英ガラス、サファイアガラス等の耐熱ガラスが好ましい。或いは、ポリサルホン樹脂、ポリエーテルサルホン樹脂、ポリカーボネイト樹脂、ポリエーテルエステルアミド樹脂、メタクリル樹脂、非晶性ポリオレフィン樹脂、パーフルオロアルキル基を有する高分子材料等の耐熱性樹脂等の耐熱性光学材料が使用可能である。SiC等の結晶性材料でも良い。なお、光源1として、LED等の半導体発光素子を用いる場合は、発熱作用を伴わないので、アクリル樹脂等の、耐熱性が弱い樹脂を使用することが可能である。   As the bulk lens 20 used in the light emitter according to the second embodiment of the present invention, a heat-resistant optical material is preferable in consideration of heat generation of the light source (incandescent bulb) 1. As the heat resistant optical material, heat resistant glass such as quartz glass and sapphire glass is preferable. Alternatively, a heat-resistant optical material such as a heat-resistant resin such as a polysulfone resin, a polyether sulfone resin, a polycarbonate resin, a polyetheresteramide resin, a methacrylic resin, an amorphous polyolefin resin, or a polymer material having a perfluoroalkyl group It can be used. A crystalline material such as SiC may be used. In addition, when using semiconductor light emitting elements, such as LED, as the light source 1, since it is not accompanied by heat_generation | fever effect | action, it is possible to use resin with weak heat resistance, such as an acrylic resin.

(第3の実施の形態)
図17に示すように、本発明の第3の実施の形態に係る受光体は、所定の波長の光を検出するpinフォト・ダイオードやアバランシェ・フォト・ダイオード等のフォト・ダイオード(光検出器)50と、このフォト・ダイオードをほぼ完全に覆うバルク型レンズ20とから少なくとも構成されている。そして、このバルク型レンズ20は、第2の湾曲面からなる入射面(第2レンズ面)3を有する。レンズ媒体4の底部からは、外側頂部3に向かって、光検出器(フォト・ダイオード)50の受光部を収納するための収納部6が形成されている。この凹部の天井(凹部天井部)2は、第1の湾曲面で構成されている。入射面(第2レンズ面)3から入射した光は、凹部天井部2を主出射面として出射する。正確には、凹部天井部(主出射面)2と凹部側壁部(側壁出射面)5とで出射面となる第1レンズ面が構成される。そして、第1レンズ面(2,5)からの光が、光検出器50の受光部に集光されて、フォト・ダイオードチップ9へ入射する。
(Third embodiment)
As shown in FIG. 17, the photoreceptor according to the third embodiment of the present invention is a photo diode (photodetector) such as a pin photo diode or an avalanche photo diode that detects light of a predetermined wavelength. 50 and a bulk-type lens 20 that almost completely covers the photodiode. The bulk lens 20 has an incident surface (second lens surface) 3 formed of a second curved surface. From the bottom of the lens medium 4, a storage portion 6 for storing the light receiving portion of the photodetector (photo diode) 50 is formed toward the outer top portion 3. The concave ceiling (concave concave portion) 2 is formed of a first curved surface. Light incident from the incident surface (second lens surface) 3 exits with the concave ceiling portion 2 as the main exit surface. Precisely, the concave ceiling part (main outgoing surface) 2 and the concave side wall part (side wall outgoing surface) 5 constitute a first lens surface serving as an outgoing surface. Then, the light from the first lens surface (2, 5) is condensed on the light receiving portion of the photodetector 50 and enters the photodiode chip 9.

図17の光検出器50は、第1のピン51に一体的に接続された基台の上に配置されたフォト・ダイオードチップ9と、第1のピン51と対をなす第2のピン52とから少なくとも構成されている。   The photodetector 50 of FIG. 17 includes a photodiode chip 9 disposed on a base integrally connected to the first pin 51 and a second pin 52 that makes a pair with the first pin 51. And at least.

バルク型レンズ20の収納部6の凹部側壁部5の内径2rは、光検出器50を収納出来るように、2r=2.5〜4mmφの円筒形状となっている。図示を省略しているが、光検出器50とバルク型レンズ20とを固定するために、光検出器50とバルク型レンズ20の収納部6との間には、厚さ0.25〜0.5mm程度のスペーサが挿入されている。このスペーサは、光検出器50の主受光部を除く位置、即ち、図17において、フォト・ダイオードチップ9の底面より左方に配置すれば良い。バルク型レンズ20は、凸形状の第2の湾曲面からなる主入射面(第2レンズ面)3を有する外側頂部3を除けば円柱形状である。このバルク型レンズ20の円柱形状部分の直径(外径)2rは10〜30mmφである。バルク型レンズ20の直径(外径)2rは、本発明の第3の実施の形態に係る受光体の使用目的に応じて選択出来る。したがって、10mmφ以下でも、30mmφ以上でも構わない。 Inside diameter 2r i recess side wall 5 of the housing part 6 of the bulk-shaped lens 20, such that it houses the light detector 50, and has a cylindrical shape of 2r i = 2.5~4mm φ. Although not shown, in order to fix the photodetector 50 and the bulk lens 20, a thickness of 0.25 to 0 is provided between the photodetector 50 and the storage portion 6 of the bulk lens 20. A spacer of about 5 mm is inserted. This spacer may be arranged at a position excluding the main light receiving portion of the photodetector 50, that is, to the left of the bottom surface of the photodiode chip 9 in FIG. The bulk-type lens 20 has a cylindrical shape except for the outer top portion 3 having a main incident surface (second lens surface) 3 formed of a convex second curved surface. The diameter (outer diameter) 2r e cylindrical portion of the bulk-type lens 20 is 10 to 30 mm phi. The diameter (outer diameter) 2r e of the bulk lens 20 can be selected according to the purpose of use of the photoreceptor according to the third embodiment of the present invention. Accordingly, it may be 10 mmφ or less or 30 mm φ or more.

(第4の実施の形態)
更に、図1で示した発光体と、本発明の第3の実施の形態に係る受光体とで、光情報通信システムを構成出来る。
(Fourth embodiment)
Furthermore, an optical information communication system can be configured by the light emitter shown in FIG. 1 and the light receiver according to the third embodiment of the present invention.

[発光体]
本発明の第4の実施の形態に係る発光体は、図18(a)に示すように、バルク型レンズ24と、バルク型レンズ24の第1の収納部6tに収納された所定の波長の光を発する光源1とから構成される。バルク型レンズ24は、第1の外側頂部3t、第1の底部及び第1の光軸に平行方向の側面からなる外周部を有する第1のレンズ媒体4tと、この第1のレンズ媒体4tの内部に設けられた第1の収納部6tとから構成される。第1の収納部6tは、第1のレンズ媒体4tの第1の底部から第1の外側頂部3に向かって形成された井戸型の凹部からなる。この井戸型の凹部は、光軸に平行方向の面からなる側壁部を有する。
[Luminous body]
As shown in FIG. 18A, the light emitter according to the fourth embodiment of the present invention has a bulk lens 24 and a predetermined wavelength housed in the first housing portion 6t of the bulk lens 24. And a light source 1 that emits light. The bulk-type lens 24 includes a first lens medium 4t having a first outer top portion 3t, a first bottom portion, and an outer peripheral portion formed of side surfaces parallel to the first optical axis, and the first lens medium 4t. It is comprised from the 1st accommodating part 6t provided in the inside. The first storage portion 6t is formed of a well-shaped recess formed from the first bottom portion of the first lens medium 4t toward the first outer top portion 3. The well-shaped recess has a side wall portion formed of a plane parallel to the optical axis.

光源1は、光源位置制御・駆動手段により、バルク型レンズ24の第1の収納部6tの内部において、外側頂部3方向又は後面方向へ相対的に移動可能なように構成されている。光源位置制御・駆動手段の一部として、バルク型レンズの後面に配置された背面支持体30tが配置されている。背面支持体30tは、バルク型レンズ24の側面の一部にまで延長されて形成されている。又、光源1と背面支持体30tを含むバルク型レンズ24とを相対的に移動させるため、突起40をバルク型レンズ上に形成してある。突起40も光源位置制御・駆動手段の一部として機能する。   The light source 1 is configured to be relatively movable in the direction of the outer apex 3 or the rear surface direction inside the first storage portion 6t of the bulk lens 24 by the light source position control / driving means. As a part of the light source position control / driving means, a back support 30t disposed on the rear surface of the bulk lens is disposed. The back support 30 t is formed to extend to a part of the side surface of the bulk lens 24. Further, in order to relatively move the light source 1 and the bulk type lens 24 including the back support 30t, a protrusion 40 is formed on the bulk type lens. The protrusion 40 also functions as a part of the light source position control / drive means.

図18(a)において、背面支持体30tは、バルク型レンズ24の後面に直接配置された主支持部31tと、LEDホルダー45の中途に配置された小背面鏡32tとから形成されている。この小背面鏡32tは、光源1の直後に配置しても構わない。又、小背面鏡32tを、LEDホルダー45の中途と光源1の直後に2重に配置しても構わないし、図15に示された結果を考慮すれば、全く省いても良い。図18(a)において、背面支持体30tは、バルク型レンズ24の側面の一部を被覆しているが、バルク型レンズ24の側面のほぼ全面を被覆するように形成しても構わない。この場合、突起40は、背面鏡上に形成することになる。背面支持体30tは、アルミニウム、真鍮、ステンレス等の金属を旋盤・フライス盤等を用いて研削加工、若しくはプレス加工機等により成型加工し、その後、その表面を研磨して構成すれば良い。更に、これらの表面にニッケル(Ni)鍍金や金(Au)鍍金を施せば反射率が向上するので、反射鏡として機能させることも可能である。安価、且つ簡便な方法としては、Al薄膜等の反射率の高い金属薄膜を接着した構造でも構わない。或いは、熱可塑性樹脂を押出成形若しくは射出成形により図18(a)に示す形状に加工し、この表面にAl箔等の反射率の高い金属薄膜や誘電体多層膜を真空蒸着やスパッタリングで堆積した構造、若しくは高反射性ポリエステル白色フィルム等を接着した構造でも構わない。更に、バルク型レンズ14の後面に反射率の高い金属薄膜や誘電体多層膜を真空蒸着やスパッタリングで直接堆積した構造や、反射率の高い金属薄膜を鍍金により形成した構造やこれらの複合膜でも構わない。   In FIG. 18A, the back support 30 t is formed of a main support 31 t disposed directly on the rear surface of the bulk lens 24 and a small back mirror 32 t disposed in the middle of the LED holder 45. The small rear mirror 32t may be disposed immediately after the light source 1. Further, the small rear mirror 32t may be disposed twice in the middle of the LED holder 45 and immediately after the light source 1, and may be omitted at all in consideration of the result shown in FIG. In FIG. 18A, the back support 30 t covers a part of the side surface of the bulk type lens 24, but it may be formed so as to cover almost the entire side surface of the bulk type lens 24. In this case, the protrusion 40 is formed on the rear mirror. The back support 30t may be configured by grinding a metal such as aluminum, brass, or stainless steel using a lathe / milling machine or the like by a press machine, and then polishing the surface. Furthermore, since the reflectance is improved by applying nickel (Ni) plating or gold (Au) plating to these surfaces, it is possible to function as a reflecting mirror. As an inexpensive and simple method, a structure in which a metal thin film having a high reflectance such as an Al thin film is bonded may be used. Alternatively, a thermoplastic resin is processed into the shape shown in FIG. 18A by extrusion molding or injection molding, and a metal thin film or a dielectric multilayer film having a high reflectance such as an Al foil is deposited on this surface by vacuum evaporation or sputtering. A structure or a structure in which a highly reflective polyester white film or the like is adhered may be used. Further, a structure in which a metal thin film or a dielectric multilayer film having a high reflectance is directly deposited on the rear surface of the bulk type lens 14 by vacuum deposition or sputtering, a structure in which a metal thin film having a high reflectance is formed by plating, or a composite film thereof can be used. I do not care.

図18(a)の光源1は、第1のピン11に接続されたLEDホルダー45の中空部に嵌め込まれ、その端部を固定されたLEDチップ13と、このLEDチップ13を被覆する封止樹脂14tと、第1のピン11と対をなす第2のピン12とから少なくとも構成された樹脂モールドされたLEDである。小背面鏡31には、第1のピン11及び第2のピン12を貫通させる穴があいており、小背面鏡31に第1のピン11と第2のピン12とを電気的に短絡しないように考慮している。LEDチップ13からの光はLEDチップ13の裏面方向(図18(a)において右方向)からも取り出される両面発光構造をなしている。支持リングは完全に閉じたリングである必要はなく、C字型、コの字型等の閉じないリングでも良い。要は光源1の端面の一部を固定出来る構造であれば良い。   The light source 1 in FIG. 18A is fitted in the hollow portion of the LED holder 45 connected to the first pin 11, and the LED chip 13 whose end portion is fixed, and the sealing that covers the LED chip 13. The resin-molded LED includes at least a resin 14t and a second pin 12 paired with the first pin 11. The small rear mirror 31 has a hole through which the first pin 11 and the second pin 12 penetrate, and the first pin 11 and the second pin 12 are not electrically short-circuited to the small rear mirror 31. Is taken into account. The light from the LED chip 13 has a double-sided light emitting structure in which the light is extracted also from the back surface direction of the LED chip 13 (right direction in FIG. 18A). The support ring does not need to be a completely closed ring, and may be a non-closed ring such as a C-shape or a U-shape. In short, any structure that can fix a part of the end face of the light source 1 may be used.

バルク型レンズ24に設けられた突起40は、バルク型レンズ24の側面の円周方向にリング状に配置されており、図示はされないが、バルク型レンズ24の側面を覆うレンズホルダーの窪みに対応して形成されている。又、このリング状の突起40は、光軸方向(図18(a)において水平方向)に複数個配置されていても構わない。更にこの突起40は、連続したリング状でなく、円周方向に放射状に配置された複数の小突起から形成されていても良い。或いは、バルク型レンズ24や背面支持体30tの外面に複数の窪み等を形成しても構わない。簡単な方法としては、バルク型レンズ24の外面に螺旋状の突起からなるネジ山を形成し、雄ねじの形状にしても良い。若しくは螺旋状の溝部を形成し、雄ねじのネジ山を形成しても良い。レンズ媒体4の外周部を反射鏡にする必要がないので、レンズ媒体4の外周部は所望の形状に自由に変形出来る。又、バルク型レンズ24の収納部6tに雌ねじのネジ山を形成し、LEDホルダー45に雄ねじのネジ山を形成し、光源位置制御・駆動手段を構成しても良い。極端な例として、しっかりと保持されていて、且つ焦点調整が可能であれば、何も形成しなくても構わない。   The protrusions 40 provided on the bulk type lens 24 are arranged in a ring shape in the circumferential direction of the side surface of the bulk type lens 24, and correspond to the depression of the lens holder that covers the side surface of the bulk type lens 24, although not shown. Is formed. A plurality of the ring-shaped protrusions 40 may be arranged in the optical axis direction (horizontal direction in FIG. 18A). Further, the protrusion 40 may be formed of a plurality of small protrusions arranged radially in the circumferential direction instead of a continuous ring shape. Alternatively, a plurality of depressions or the like may be formed on the outer surface of the bulk lens 24 or the back support 30t. As a simple method, a thread made of a spiral protrusion may be formed on the outer surface of the bulk lens 24 to form a male screw. Alternatively, a spiral groove may be formed to form a male screw thread. Since the outer periphery of the lens medium 4 does not need to be a reflecting mirror, the outer periphery of the lens medium 4 can be freely deformed into a desired shape. The light source position control / driving means may be configured by forming a female screw thread in the storage portion 6t of the bulk lens 24 and forming a male screw thread in the LED holder 45. As an extreme example, as long as it is firmly held and focus adjustment is possible, nothing needs to be formed.

半球状の頭部を除けば、光源1は、例えば、直径(外径)3〜5mmの円柱形状である。バルク型レンズ24の収納部6tの側壁部は、光源1を収納出来るように、直径(内径)4〜6mmの円筒形状となっている。図18(a)に示すように、光源1は頭部がカップ形状のLEDホルダー45に固定され、LEDホルダー45を介して、光源1は保持されている。LEDホルダー45は電気的に絶縁性が高く、光学的に透明な材料で構成すれば良い。   Except for the hemispherical head, the light source 1 has a cylindrical shape having a diameter (outer diameter) of 3 to 5 mm, for example. The side wall portion of the storage portion 6t of the bulk lens 24 has a cylindrical shape with a diameter (inner diameter) of 4 to 6 mm so that the light source 1 can be stored. As shown in FIG. 18A, the light source 1 is fixed to an LED holder 45 whose head is cup-shaped, and the light source 1 is held via the LED holder 45. The LED holder 45 may be made of an electrically transparent material having high electrical insulation.

バルク型レンズ24は、ほぼ光源1と相似な円柱形状である。このバルク型レンズ24の円柱形状部分の直径(外径)は、10〜30mmである。バルク型レンズ24の直径(外径)は、本発明の第4の実施の形態に係る発光体の使用目的に応じて選択出来る。したがって、10mm以下でも、30mm以上でも構わない。   The bulk lens 24 has a cylindrical shape that is substantially similar to the light source 1. The diameter (outer diameter) of the cylindrical portion of the bulk lens 24 is 10 to 30 mm. The diameter (outer diameter) of the bulk lens 24 can be selected according to the purpose of use of the light emitter according to the fourth embodiment of the present invention. Therefore, it may be 10 mm or less or 30 mm or more.

突起40の断面は,例えば、幅1〜2mm、高さ1.5〜3mmの半楕円形である。円周方向の長さはいくらでも構わないが、3mm以上が好ましい。材質としては、バルク型レンズ24や背面支持体30tと同材質を用い、同時に形成しても良い。又、全く違う材料で形成したものを接着剤で貼り付けても良い。レンズホルダーから伝わる力をバルク型レンズ24に伝えることが出来れば、どのような形状、材質、配置、そして形成方法を採用しても良い。   The cross section of the protrusion 40 is, for example, a semi-elliptical shape having a width of 1 to 2 mm and a height of 1.5 to 3 mm. The length in the circumferential direction is not limited, but 3 mm or more is preferable. As the material, the same material as that of the bulk type lens 24 and the back support 30t may be used and may be formed at the same time. Moreover, you may stick the thing formed with the completely different material with the adhesive agent. Any shape, material, arrangement, and formation method may be adopted as long as the force transmitted from the lens holder can be transmitted to the bulk lens 24.

一般の樹脂モールドされたLEDにおいては、封止樹脂14tの凸形状の湾曲面以外のところから出る光は、いわゆる迷光成分となり、照明には寄与しない。しかし、本発明の第4の実施の形態においては、光源1がバルク型レンズ24の収納部6tにほぼ完全に閉じこめられ、収納部6tの側壁入射面から入射可能であるので、これらの迷光成分のほとんどが最終的には出射面となる外側頂部3から出力可能である。この結果、封止樹脂14tの形状等の光の取り出し効率や、光学系相互の反射成分等に依存せず、潜在的なLEDチップ13の光エネルギを有効に取り出すことが可能となる。更に、突起40を用いた光源位置制御・駆動手段を介して光源1を相対的に移動し、焦点調整が可能なため、指向性の有る平行な光束や任意の発散角を持った光束を得ることが出来る。つまり、光源1から出る光を極限にまで利用出来る。   In a general resin-molded LED, light emitted from places other than the convex curved surface of the sealing resin 14t becomes a so-called stray light component and does not contribute to illumination. However, in the fourth embodiment of the present invention, the light source 1 is almost completely confined in the storage portion 6t of the bulk lens 24 and can enter from the side wall incident surface of the storage portion 6t. Most of the power can be output from the outer top 3 which finally becomes the exit surface. As a result, it is possible to effectively extract the light energy of the potential LED chip 13 without depending on the light extraction efficiency such as the shape of the sealing resin 14t and the reflection components between the optical systems. Furthermore, since the light source 1 is relatively moved via the light source position control / driving means using the projection 40 and the focus can be adjusted, a directional parallel light beam or a light beam having an arbitrary divergence angle is obtained. I can do it. That is, the light emitted from the light source 1 can be used to the limit.

図18(a)において、バルク型レンズ24の外側頂部3は、半球状の湾曲面からなる出射面を有している。しかし、図18(a)は例示であり、湾曲面は、目的に応じて、種々の形状が採用可能であり、凹形状の湾曲面からなる出射面を有すバルク型レンズでも良い。   In FIG. 18A, the outer apex 3 of the bulk lens 24 has an exit surface that is a hemispherical curved surface. However, FIG. 18A is an example, and various shapes can be adopted as the curved surface according to the purpose, and a bulk type lens having an exit surface composed of a concave curved surface may be used.

[受光体]
一方、本発明の第4の実施の形態に係る受光体は、図18(b)に示すように、バルク型レンズ25と、このバルク型レンズ25の第2の収納部6rに収納された所定の波長の光を検出する光検出器50とから構成される。バルク型レンズ25は、第2の外側頂部3r、第2の底部及び第2の光軸に平行方向の側面からなる外周部を有する第2のレンズ媒体4rと、第2の底部から第2の外側頂部3に向かって第2のレンズ媒体4rの内部に設けられた光軸に平行方向の面からなる側壁部を有する井戸型の凹部からなる第2の収納部6rとを有している。第2の収納部6rの凹部天井部2rが主出射面2、第2の外側頂部3rが入射面として機能する。
[Photoreceptor]
On the other hand, as shown in FIG. 18B, the photoreceptor according to the fourth embodiment of the present invention has a bulk lens 25 and a predetermined housing housed in the second housing portion 6r of the bulk lens 25. And a photodetector 50 for detecting light having a wavelength of. The bulk-type lens 25 includes a second lens medium 4r having a second outer top portion 3r, a second bottom portion, and an outer peripheral portion formed of a side surface parallel to the second optical axis, and a second lens medium 4r and a second bottom portion. A second storage portion 6r formed of a well-shaped concave portion having a side wall portion formed of a surface parallel to the optical axis is provided inside the second lens medium 4r toward the outer top portion 3. The concave ceiling part 2r of the second storage part 6r functions as the main exit surface 2, and the second outer top part 3r functions as the incident surface.

本発明の第4の実施の形態に係る受光体は更に、光検出器50を外側頂部3r方向又は後面方向へ相対的に移動する光検出器位置制御・駆動手段を有している。光検出器位置制御・駆動手段は、バルク型レンズ25の後面に配置された背面支持体30rをその一部として用いている。背面支持体30rは、バルク型レンズ25の側面のほぼ全面にまで延長されて形成されている。光検出器位置制御・駆動手段は、光検出器50と背面支持体30rを含むバルク型レンズ25とを相対的に移動させるため、背面支持体30r上に形成した突起41をその一部として用いている。図18(b)において、背面支持体30rは、バルク型レンズ25の後面に直接配置された主支持部31rと、光検出器50の直後に配置された小背面鏡32rとから形成されている。この小背面鏡32rは、受光素子ホルダー55の中途に配置しても構わない。又、小背面鏡32rを、受光素子ホルダー55の中途と光検出器50の直後に2重に配置しても構わないし、全く省いても良い。図18(b)において、背面支持体30rは、バルク型レンズ25の側面のほぼ全面を被覆しているが、バルク型レンズ25の側面の一部のみを被覆するように形成しても構わない。この場合、突起はバルク型レンズ25上に形成することになる。   The photoreceptor according to the fourth embodiment of the present invention further includes photodetector position control / drive means for relatively moving the photodetector 50 in the direction of the outer apex 3r or the rear surface. The photodetector position control / driving means uses a back support 30r disposed on the rear surface of the bulk lens 25 as a part thereof. The back support 30r is formed to extend to almost the entire side surface of the bulk lens 25. The photodetector position control / driving means uses the protrusion 41 formed on the back support 30r as a part thereof in order to relatively move the photodetector 50 and the bulk lens 25 including the back support 30r. ing. In FIG. 18B, the back support 30 r is formed of a main support 31 r disposed directly on the rear surface of the bulk lens 25 and a small back mirror 32 r disposed immediately after the photodetector 50. . The small rear mirror 32 r may be arranged in the middle of the light receiving element holder 55. In addition, the small rear mirror 32r may be disposed in the middle of the light receiving element holder 55 and immediately after the photodetector 50, or may be omitted at all. In FIG. 18B, the back support 30r covers almost the entire side surface of the bulk lens 25, but may be formed so as to cover only a part of the side surface of the bulk lens 25. . In this case, the protrusion is formed on the bulk type lens 25.

図18(b)の光検出器50は、第1のピン51に接続された受光素子ホルダー55の中空部に嵌め込まれ、その端部を固定されて配置されたフォトダイオードチップ9と、このフォトダイオードチップ9を被覆する封止樹脂14rと、第1のピン51と対をなす第2のピン52とから少なくとも構成されている。この光検出器50の、半球状の頭部と円柱形状の胴部の直径(外径)は、例えば、3〜5mmである。   The photodetector 50 in FIG. 18B includes a photodiode chip 9 that is fitted in the hollow portion of the light receiving element holder 55 connected to the first pin 51, and has its end fixed, and the photo diode 50. It comprises at least a sealing resin 14r that covers the diode chip 9 and a second pin 52 that forms a pair with the first pin 51. The diameter (outer diameter) of the hemispherical head and the cylindrical body of the photodetector 50 is, for example, 3 to 5 mm.

ここで、本発明の第4の実施の形態に係る受光体に関しては、図18(a)の発光体の光源1を、光検出器50に置き換えただけものであり、光源1と光検出器50の形状もほぼ同一であるため、重複する説明は省くことにする。   Here, regarding the light receiving body according to the fourth embodiment of the present invention, the light source 1 of the light emitting body in FIG. 18A is simply replaced with the photodetector 50, and the light source 1 and the photodetector are replaced. Since the 50 shapes are also substantially the same, redundant description will be omitted.

結論として、本発明の第4の実施の形態においては、光検出器50がバルク型レンズ25の収納部6rにほぼ完全に閉じこめられ、バルク型レンズ25の後面には、背面支持体30rが配置されていて、更に突起41を利用した光検出器位置制御・駆動手段を介して光検出器50の位置を調整することが可能なため、受光面となる外側頂部3から入射した光を極限にまで利用出来る。   In conclusion, in the fourth embodiment of the present invention, the photodetector 50 is almost completely enclosed in the storage portion 6r of the bulk lens 25, and the back support 30r is disposed on the rear surface of the bulk lens 25. In addition, since the position of the photodetector 50 can be adjusted via the photodetector position control / driving means using the protrusion 41, the light incident from the outer top 3 serving as the light receiving surface is limited to the limit. Can be used.

本発明の第4の実施の形態に係る受光体によれば、従来の技術常識では全く予測出来ない感度を、図18(b)に示すような簡単な構造で、実現出来る。   With the photoreceptor according to the fourth embodiment of the present invention, it is possible to realize a sensitivity that cannot be predicted by conventional common sense with a simple structure as shown in FIG.

[光情報通信システム]
本発明の本発明の第4の実施の形態に係る光情報通信システムにおいては、発光に際して発熱作用が少ないLED等の半導体発光素子を用いれば、バルク型レンズ20の凹部(収納部)6tの内部に、光源1を収納した場合においても、その発熱作用によって、バルク型レンズ20に熱的影響を与えることがなく、長期動作においても、信頼性と安定性を維持出来るので好ましい。又、既に、本発明の第1の実施の形態で述べたように、高効率で、光信号を出すことが出来る。一方、受光体は、発光体と逆過程で光検出器に到達し、極めて高感度な光検出が可能となる。本発明の第4の実施の形態に係る光情報通信システムは、単なる光通信の他に光情報を暗号等として用いて、ドアの開閉、金庫の扉の開閉、或いは机の引き出しの開閉等に採用し、セキュリティシステム等に用いても良い。
[Optical information communication system]
In the optical information communication system according to the fourth embodiment of the present invention, if a semiconductor light emitting element such as an LED that has little heat generation action during light emission is used, the inside of the concave portion (housing portion) 6t of the bulk lens 20 will be described. In addition, even when the light source 1 is housed, it is preferable because the heat generation action does not affect the bulk lens 20 thermally, and reliability and stability can be maintained even in long-term operation. Further, as already described in the first embodiment of the present invention, an optical signal can be output with high efficiency. On the other hand, the light receiver reaches the photodetector in the reverse process of the light emitter, and light detection with extremely high sensitivity is possible. The optical information communication system according to the fourth embodiment of the present invention uses optical information as encryption in addition to simple optical communication to open / close a door, open / close a safe door, open / close a desk drawer, etc. It may be used for security systems.

(第5の実施の形態)
図19(a)に示すように、本発明の第5の実施の形態に係る発光体は、可とう性若しくは屈曲性を有するフレキシブルバルク型レンズ20fと、フレキシブルバルク型レンズ20fの収納部6fに収納された光源1とから構成されている。フレキシブルバルク型レンズ20fは、出射面となる外側頂部3fと、外側頂部3fに対向した後面と、外側頂部3fと後面とを接続する光伝送部と、後面の一部から外側頂部3f方向に沿って光伝送部の内部に形成された収納部6fを少なくとも有する。フレキシブルバルク型レンズ20fの一部又は全体は、可とう性若しくは屈曲性を有し、容易に変形出来る材料(フレキシブルレンズ媒体)4fにより形成されている。
(Fifth embodiment)
As shown in FIG. 19 (a), the light emitter according to the fifth embodiment of the present invention includes a flexible bulk lens 20f having flexibility or flexibility, and a storage portion 6f of the flexible bulk lens 20f. The light source 1 is housed. The flexible bulk lens 20f includes an outer apex 3f serving as an output surface, a rear surface facing the outer apex 3f, an optical transmission unit connecting the outer apex 3f and the rear surface, and a part of the rear surface along the outer apex 3f direction. And at least a storage section 6f formed inside the optical transmission section. A part or the whole of the flexible bulk lens 20f is made of a material (flexible lens medium) 4f that has flexibility or flexibility and can be easily deformed.

図19(a)の光源1は、第1のピン11と、その端部を固定されて配置されたLEDチップ13と、このLEDチップ13を被覆する封止樹脂14と、第1のピン11と対をなす第2のピン12とから少なくとも構成された樹脂モールドされたLEDである。この光源1は、半球状の頭部と円柱形状の胴部を有し、胴部の直径(外径)は、例えば3〜5mmである。図19(a)のフレキシブルバルク型レンズ20fは、ほぼ光源1と相似な形状である。このフレキシブルバルク型レンズ20fの円柱形状部分の直径(外径)は、例えば10〜30mmであるが、10mm以下でも30mm以上でも構わない。又、フレキシブルバルク型レンズ20fの内部に形成された収納部6fの形状は、光源1を収納出来るように、直径(内径)3.5〜5.5mmの円筒形状となっている。   The light source 1 in FIG. 19A includes a first pin 11, an LED chip 13 arranged with its end fixed, a sealing resin 14 covering the LED chip 13, and a first pin 11. The resin-molded LED is composed of at least a second pin 12 paired with the LED. The light source 1 has a hemispherical head and a cylindrical body, and the diameter (outer diameter) of the body is, for example, 3 to 5 mm. The flexible bulk lens 20f shown in FIG. 19A has a shape substantially similar to that of the light source 1. The diameter (outer diameter) of the cylindrical portion of the flexible bulk lens 20f is, for example, 10 to 30 mm, but may be 10 mm or less or 30 mm or more. The shape of the storage portion 6f formed inside the flexible bulk lens 20f is a cylindrical shape having a diameter (inner diameter) of 3.5 to 5.5 mm so that the light source 1 can be stored.

光源1は、フレキシブルバルク型レンズ20fの内部に形成された収納部6fに接着剤等により固定されている。しかし、フレキシブルバルク型レンズ20fの内部に形成された収納部6fの直径(内径)を光源1の直径(外径)より幾分小さく設定し、収納部6fの弾性を利用して固定しても良い。又、接着剤等と収納部6fの弾性の双方を利用して固定しても良い。   The light source 1 is fixed to an accommodating portion 6f formed inside the flexible bulk lens 20f with an adhesive or the like. However, the diameter (inner diameter) of the storage portion 6f formed inside the flexible bulk lens 20f is set to be slightly smaller than the diameter (outer diameter) of the light source 1 and is fixed using the elasticity of the storage portion 6f. good. Moreover, you may fix using both the adhesive agent etc. and the elasticity of the accommodating part 6f.

フレキシブルバルク型レンズ20fの材料としては、シリコーンポリマー、フッ素ポリマー、透明アクリルポリマー等の、光源1の発光波長に対して透明性が高くかつ適度な弾性を示す物質が使用可能である。最近、温度を上げると成形が可能な熱可塑性エラストマー(TPE)に透明なものが製造されているので、これを使用しても良い。又、透明性は劣るが、天然ゴム等を使用しても構わない。   As the material of the flexible bulk lens 20f, a substance that is highly transparent with respect to the emission wavelength of the light source 1 and that exhibits appropriate elasticity, such as a silicone polymer, a fluoropolymer, and a transparent acrylic polymer, can be used. Recently, a transparent thermoplastic elastomer (TPE) that can be molded when the temperature is raised has been produced, and this may be used. Moreover, although natural transparency is inferior, natural rubber or the like may be used.

更に、図20に示すように、フレキシブルバルク型レンズ20fを非弾性レンズ媒体4dとフレキシブルレンズ媒体4fとの組み合わせで構成しても良い。非非弾性レンズ媒体4dとの組み合わせにて構成する場合、非弾性材料として、透明ガラス材料、透明プラスチック材料等の光源1の発光波長に対して透明の物質が使用可能である。或いは、非弾性材料として、半導体単結晶、多結晶、アモルファス等の結晶性材料を用いても構わない。又、複数の透明弾性材料からなるフレキシブルレンズ媒体4fと非弾性レンズ媒体4dとを組み合わせても良い。即ち、少なくとも一部に透明弾性材料からなるフレキシブルレンズ媒体4fを使用していれば、目的に応じて、非弾性レンズ媒体4dを含む他の複数の透明材料との組み合わせを採用出来る。図20に示すように、非弾性レンズ媒体4dとフレキシブルレンズ媒体4fとの組み合わせで構成すれば、種々の形状を実現することが出来る。これによりLED等の光源1又は設置される機器、或いはその双方を保護することが出来る。   Furthermore, as shown in FIG. 20, the flexible bulk lens 20f may be configured by a combination of an inelastic lens medium 4d and a flexible lens medium 4f. When configured in combination with the non-inelastic lens medium 4d, a substance that is transparent with respect to the emission wavelength of the light source 1, such as a transparent glass material or a transparent plastic material, can be used as the inelastic material. Alternatively, a crystalline material such as a semiconductor single crystal, a polycrystal, or an amorphous material may be used as the inelastic material. Further, a flexible lens medium 4f made of a plurality of transparent elastic materials and an inelastic lens medium 4d may be combined. That is, if the flexible lens medium 4f made of a transparent elastic material is used at least in part, a combination with other transparent materials including the non-elastic lens medium 4d can be adopted depending on the purpose. As shown in FIG. 20, various shapes can be realized by combining the inelastic lens medium 4 d and the flexible lens medium 4 f. Thereby, it is possible to protect the light source 1 such as an LED, the installed device, or both.

本発明の第3の基礎に係る発光体は、少なくとも、出射面となる外側頂部3fを含むバルク型レンズ25の一部(半球状のレンズ部)が「容易に変形出来る材料」にて形成されているため、焦点距離の調節がかなりの範囲で可能である。例えば、図19(b)に示すように、発光体をフラットなガラス面等の透明板81に押し付けるように装着した場合、レンズ先端部の曲率半径は大きくなり、装着前に比べると、光は発散する。又、図19(c)に示すように、発光体を、遮光板82に設けられたフレキシブルバルク型レンズ20fの外径より狭い穴83等に押し付けるように装着した場合、フレキシブルバルク型レンズ20fの先端部の曲率半径は小さくなり、装着前に比べると、光は収束する。この様に、本発明の第3の基礎に係る発光体によれば、市販されている光源1をそのまま用いることが可能で、又、焦点調整が可能で、且つ用途や目的を選ばない汎用性の有る発光体が提供出来る。   In the light emitter according to the third foundation of the present invention, at least a part of the bulk type lens 25 (the hemispherical lens portion) including the outer top portion 3f serving as the emission surface is formed of “an easily deformable material”. Therefore, the focal length can be adjusted within a considerable range. For example, as shown in FIG. 19B, when the illuminant is mounted so as to be pressed against a transparent plate 81 such as a flat glass surface, the radius of curvature of the lens tip becomes large, and the light is less than that before mounting. Diverge. As shown in FIG. 19C, when the light emitter is mounted so as to be pressed against a hole 83 or the like narrower than the outer diameter of the flexible bulk lens 20f provided on the light shielding plate 82, the flexible bulk lens 20f The radius of curvature of the tip is reduced, and the light converges compared to before mounting. As described above, according to the light emitter according to the third basis of the present invention, the commercially available light source 1 can be used as it is, the focus can be adjusted, and the versatility for which the purpose and purpose are not selected. Can be provided.

又、図21に示すように、光ファイバの効果を併せ持った形状も可能である。力F1及びF2を加えることにより、所望の形状に曲げることが可能である。フレキシブルレンズ媒体4fの自身の屈折率と、設置状態に対応したフレキシブルレンズ媒体4fの曲率にもよるが、バックライト照明や間接照明に、そして寝室等のインテリアとしても利用出来る。グレーディッドインデックスファイバーのように、中心線に沿った屈折率を最大とし、表面に近づくにつれ放物線型に屈折率が減少するように屈折率に分布を持たせれば、曲げられた時の光のリークを抑制することが可能である。   Further, as shown in FIG. 21, a shape having the effect of an optical fiber is also possible. By applying the forces F1 and F2, it is possible to bend into a desired shape. Depending on the refractive index of the flexible lens medium 4f and the curvature of the flexible lens medium 4f corresponding to the installation state, the flexible lens medium 4f can be used for backlight illumination, indirect illumination, and for interiors such as bedrooms. Like a graded index fiber, if the refractive index is distributed so that the refractive index along the center line is maximized and the refractive index decreases parabolically as it approaches the surface, light leaks when bent. Can be suppressed.

(第6の実施の形態)
図22のブロック図に示すように、本発明の第6の実施の形態に係る距離測定システムは、発光ユニットと受光ユニットとから構成されている。この距離測定システムは、簡易な水面計、雪面計等に好適である。発光ユニットは、発光体61、発光体61の出力を変調し発光させる駆動部62、発光体61と駆動部62に電源電圧を供給する第1電源部63とを少なくとも備えている。受光ユニットは、受光体71、受光体71の信号を検出且つ増幅する検出部72、受光位置から距離を計算する演算部73、演算結果を出力する出力部74、更には検出部72と演算部73と出力部74とに電源電圧を供給する第2電源部75とを少なくとも備えている。
(Sixth embodiment)
As shown in the block diagram of FIG. 22, the distance measuring system according to the sixth embodiment of the present invention includes a light emitting unit and a light receiving unit. This distance measurement system is suitable for simple water level gauges, snow level gauges, and the like. The light emitting unit includes at least a light emitter 61, a drive unit 62 that modulates the output of the light emitter 61 and emits light, a light emitter 61, and a first power supply unit 63 that supplies a power supply voltage to the drive unit 62. The light receiving unit includes a light receiving body 71, a detection section 72 that detects and amplifies the signal of the light receiving body 71, a calculation section 73 that calculates a distance from the light receiving position, an output section 74 that outputs a calculation result, and a detection section 72 and a calculation section. 73 and a second power supply unit 75 that supplies a power supply voltage to the output unit 74.

図23に簡略化した本発明の第6の実施の形態に係る距離測定方法を示す。   FIG. 23 shows a simplified distance measuring method according to the sixth embodiment of the present invention.

(イ)まず、発光点Aと受光点Bを通過する直線を基準線Xとし、その距離Lを正確に測る。発光点Aには発光体61を、受光点Bには受光体71を設置しておく。更に、発光点Aと受光点Bとが存在する同一平面上に、距離を測定しようとする標点Pを配置する。   (A) First, a straight line passing through the light emitting point A and the light receiving point B is set as a reference line X, and the distance L is accurately measured. A light emitter 61 is installed at the light emitting point A, and a light receiver 71 is installed at the light receiving point B. Further, a gauge point P whose distance is to be measured is arranged on the same plane where the light emitting point A and the light receiving point B exist.

(ロ)次に、基準線X上の発光点Aに設置された発光体61の出力方向を標点Pの方向に定める。即ち、発光体61の出力方向を基準線Xから照射角度αの方向に向ける。発光体61からの出力光は光源としてLEDを用いても、レーザ光に近い平行光線となる。そして、この平行光線は標点Pの物体の表面に照射される。標点Pの物体の表面に到達した平行光線は、標点Pの物体の表面で反射及び散乱する。   (B) Next, the output direction of the light emitter 61 installed at the light emitting point A on the reference line X is determined in the direction of the reference point P. That is, the output direction of the light emitter 61 is directed from the reference line X toward the irradiation angle α. Even if an LED is used as the light source, the output light from the light emitter 61 becomes a parallel light beam close to laser light. Then, the parallel rays are applied to the surface of the object at the mark P. The parallel rays that have reached the surface of the object at the reference point P are reflected and scattered by the surface of the object at the reference point P.

(ハ)受光点Bに設置された受光体71により、標点Pの物体の表面での反射光(若しくは散乱光)を検出する。そして、受光体71が検出した標点Pの物体の表面での反射光(若しくは散乱光)の検出出力が最大となる基準線Xからの検出角度βを測定する。   (C) The reflected light (or scattered light) on the surface of the object at the reference point P is detected by the light receiving body 71 installed at the light receiving point B. And the detection angle (beta) from the reference line X from which the detection output of the reflected light (or scattered light) on the surface of the object of the target point P which the light receiver 71 detected becomes the maximum is measured.

(ニ)これにより、三角形の一辺とその両端の角度が決定したので、基準線Xから標点Pまでの距離Hが求められる。   (D) Since the angles of one side and both ends of the triangle have been determined, the distance H from the reference line X to the gauge point P is obtained.

図22の発光体61は、図18(a)に示すバルク型レンズ24を用いた発光体である。図18(a)に示すバルク型レンズ24の外面に螺旋状の突起からなるネジ山を形成し、雄ねじの形状にし、外側のレンズホルダーに雌ねじを形成して光源位置制御・駆動手段を構成しておく。この光源位置制御・駆動手段で、バルク型レンズ24の外側のレンズホルダーを回転させることにより、光源1とバルク型レンズ25とが相対的に移動し、焦点距離を可変出来る。距離測定の場合は、一般的に焦点距離を無限遠にセットする。例えば、その一方法として、2〜3m離れた場所のほぼ垂直な面に向けて発光体61を点灯し、その投光面が最小になるように調整すれば良い。又、その位置がロック出来るような構造が好ましい。光源1としては、太陽光等の影響を避けるため太陽光のスペクトル強度の弱い波長帯域を選ぶ。このため、一般の可視光線LEDよりも、青、紫等の短波長LED、紫外線LED若しくは赤外線LEDを使用するのが好ましい。紫外線LED若しくは赤外線LEDは目視による平行光線の標点Pの物体の表面への照射の確認が出来ないので、青、紫等の可視光LEDの光を重畳させると良い。又、標点の反射率が低い等の理由により、出力を大きくしたい場合には、バルク型レンズ24内の収納部6に複数のLEDを配置しても良い。又、基準線Xから照射角度αを精密に測定出来る構造になっていることは勿論である。   The light emitter 61 in FIG. 22 is a light emitter using the bulk type lens 24 shown in FIG. A screw thread made of a spiral projection is formed on the outer surface of the bulk type lens 24 shown in FIG. 18 (a) to form a male screw, and a female screw is formed on the outer lens holder to constitute a light source position control / drive means. Keep it. By rotating the lens holder outside the bulk type lens 24 with this light source position control / driving means, the light source 1 and the bulk type lens 25 move relatively, and the focal length can be varied. In the case of distance measurement, the focal length is generally set to infinity. For example, as one method, the light emitter 61 is turned on toward a substantially vertical surface at a distance of 2 to 3 m, and the light projecting surface may be adjusted to a minimum. Moreover, the structure which can lock the position is preferable. As the light source 1, a wavelength band having a weak spectrum intensity of sunlight is selected in order to avoid the influence of sunlight or the like. For this reason, it is preferable to use short wavelength LEDs such as blue and purple, ultraviolet LEDs, or infrared LEDs rather than general visible light LEDs. Since the ultraviolet LED or the infrared LED cannot visually confirm the irradiation of the parallel light beam on the surface of the object P, it is preferable to superimpose the light of the visible light LED such as blue and purple. Further, when it is desired to increase the output because the reflectance of the gauge point is low, a plurality of LEDs may be arranged in the storage unit 6 in the bulk type lens 24. Of course, the irradiation angle α can be accurately measured from the reference line X.

図22の駆動部62は、太陽光等の影響を避けるため、LEDの出力光の発光時間(パルス幅)と発光間隔(繰り返し周波数)を変調発光させる。このため、駆動部62は第1電源部63から供給される電源電圧をパルス幅変調する変調器を備えている。駆動部62はプログラマブル1チップマイコン又は同等品を装備し、その出力を変調器への入力信号とする。必要に応じてパラレル入出力用LSIや増幅器等を付加してその機能を補っても良い。簡便な方法としては、ノートパソコン等を使用し、それに付属するプリンタ用パラレルインターフェースを介して、駆動部62を直接コントロールしても構わない。   The drive unit 62 in FIG. 22 modulates the light emission time (pulse width) and light emission interval (repetition frequency) of the output light of the LED in order to avoid the influence of sunlight or the like. Therefore, the drive unit 62 includes a modulator that performs pulse width modulation on the power supply voltage supplied from the first power supply unit 63. The drive unit 62 is equipped with a programmable one-chip microcomputer or an equivalent product, and its output is used as an input signal to the modulator. If necessary, a parallel input / output LSI, an amplifier, or the like may be added to supplement the function. As a simple method, a notebook personal computer or the like may be used, and the drive unit 62 may be directly controlled via a printer parallel interface attached thereto.

図22の第1電源部63と第2電源部75は、装置の小型軽量化とコストダウンのため、市販の乾電池又は再充電可能なニッケル・カドミウム(Ni−Cd)電池等を使用出来る構造が好ましい。又、外部より交流電源を供給し、これを変圧整流して使用する構造でも良い。   The first power supply unit 63 and the second power supply unit 75 shown in FIG. 22 have a structure in which a commercially available dry battery, a rechargeable nickel-cadmium (Ni-Cd) battery, or the like can be used to reduce the size and weight of the device and reduce the cost. preferable. Moreover, the structure which supplies an alternating current power supply from the outside, transforms and rectifies and uses this may be sufficient.

図22の受光体71は、図18(b)に示すバルク型レンズ25を用いた受光体をピクセルとし、このピクセルを複数使用したリニアセンサである。即ち、図18(b)に示すバルク型レンズ25からなる受光体(ピクセル)が一直線上に一定の間隔で配置された1次元フォトダイオードアレイを形成している。各々のピクセルは、光検出器位置制御・駆動手段により、光検出器50とバルク型レンズ25とが相対的に移動可能で、焦点距離可変の構造となっている。距離測定の場合は、一般的に焦点距離を無限遠にセットするが、この場合は各々を事前に調整してその位置をロックしておくと良い。当然のことであるが、各ピクセルは、光源1の発光波長に対応したピーク波長を持つ光検出器50を選定する。光検出器50は、光源1のLEDチップ13と全く同一の光学的固有エネルギを持つ半導体材料からなるフォトダイオードチップ9を用いれば良い。ここで、「光学的固有エネルギ」とは、そのLEDチップ13の主なる発光波長を決定する半導体材料としての、それぞれの半導体材料に固有のエネルギの意である。周知のように、LEDチップ13の主なる発光波長を決定する要因としては、半導体材料の禁制帯幅(エネルギギャップ)が最も代表的であろう。したがって、禁制帯幅によりそのLEDチップ13の発光波長が決定されている場合は、光検出器50は、LEDチップ13と全く同一禁制帯幅を持つ半導体材料からなるフォトダイオードチップ9を用いれば良い。即ち、LEDチップ13の光学的固有エネルギ(禁制帯幅)とフォトダイオードチップ9の光学的固有エネルギ(禁制帯幅)を等しくすることで、共鳴効果が利用出来、最も高感度な光検出が可能となる。不純物準位がその発光波長に関与しているので有れば、半導体材料に添加(ドープ)する不純物にも考慮が必要となる。この場合、光検出器50として、LEDチップ13と全く同一のLEDチップを逆バイアスして、使用することも可能であるし、光学的固有エネルギ(禁制帯幅)が同一の半導体材料からなるアバランシェ・フォトダイオード(APD)を用いても良い。更に、LEDチップ13と全く同一の光学的固有エネルギ(禁制帯幅)を有する半導体材料を用いて構成したフォトトランジスタを用いて、光出力を増幅しながら検出しても良い。本発明の第6の実施の形態に係る距離測定システムにおいては、各ピクセルに用いる光検出器50として、LEDチップ13と全く同一のLEDチップを逆バイアスして、使用する。したがって、順バイアスするとLEDとして機能し、各ピクセルは発光体になる。   The photoreceptor 71 in FIG. 22 is a linear sensor in which a photoreceptor using the bulk lens 25 shown in FIG. 18B is used as a pixel and a plurality of pixels are used. In other words, a one-dimensional photodiode array is formed in which light receivers (pixels) including the bulk type lens 25 shown in FIG. 18B are arranged on a straight line at a constant interval. Each pixel has a variable focal length structure in which the photodetector 50 and the bulk lens 25 can be relatively moved by the photodetector position control / driving means. In the case of distance measurement, the focal length is generally set to infinity, but in this case, it is preferable to adjust each position in advance and lock the position. As a matter of course, each pixel selects a photodetector 50 having a peak wavelength corresponding to the emission wavelength of the light source 1. The photodetector 50 may be a photodiode chip 9 made of a semiconductor material having the same optical intrinsic energy as the LED chip 13 of the light source 1. Here, the “optical intrinsic energy” means the energy intrinsic to each semiconductor material as a semiconductor material that determines the main emission wavelength of the LED chip 13. As is well known, the forbidden bandwidth (energy gap) of the semiconductor material is the most representative factor for determining the main emission wavelength of the LED chip 13. Therefore, when the emission wavelength of the LED chip 13 is determined by the forbidden band width, the photodetector 50 may use the photodiode chip 9 made of a semiconductor material having the same forbidden band width as the LED chip 13. . That is, by making the optical intrinsic energy (forbidden band width) of the LED chip 13 equal to the optical intrinsic energy (forbidden band width) of the photodiode chip 9, the resonance effect can be used, and the most sensitive light detection is possible. It becomes. If the impurity level is involved in the emission wavelength, it is necessary to consider the impurity added (doped) to the semiconductor material. In this case, it is possible to reversely bias and use the same LED chip as the LED chip 13 as the photodetector 50, and an avalanche made of a semiconductor material having the same optical intrinsic energy (forbidden bandwidth). A photodiode (APD) may be used. Furthermore, detection may be performed while amplifying the light output by using a phototransistor configured using a semiconductor material having exactly the same optical intrinsic energy (forbidden band width) as the LED chip 13. In the distance measuring system according to the sixth embodiment of the present invention, the same LED chip as the LED chip 13 is reverse-biased and used as the photodetector 50 used for each pixel. Thus, when forward-biased, it functions as an LED and each pixel becomes a light emitter.

標点Pに配置される一般の物体からの反射光が必ず受光点Bに届くように、その物体の表面を設定するのは非常に困難で、現実的ではない。標点Pに配置された一般の物体から受光点Bに届くのは、非常に弱い散乱光が届く。散乱光は太陽光より弱いので、昼間にその散乱光を有意な信号として検出するのは不可能である。昼間にその散乱光を有意な信号として検出するためには、標点Pに配置される一般の物体の表面には一定の角度の反射鏡を配置し、反射光が必ず受光点Bに届くように予め設定しておく。水面、雪面等の一定の角度(水平面)で良好な反射率を持つ物体の場合は、反射鏡は省略可能であるが、この場合も反射率90%〜95%の反射鏡を水面等の上に設定するのが好ましい。そこで、1次元フォトダイオードアレイ(リニアセンサ)71の各ピクセルを、標点Pの方向を向くように検出角度βを調整する。水面計等では照射角度αと検出角度βを等しくしておけば、反射鏡は水平面に平行で良いので設定が容易である。   It is very difficult and unrealistic to set the surface of the object so that the reflected light from the general object arranged at the reference point P always reaches the light receiving point B. A very weak scattered light reaches the light receiving point B from a general object arranged at the reference point P. Since scattered light is weaker than sunlight, it is impossible to detect the scattered light as a significant signal in the daytime. In order to detect the scattered light as a significant signal in the daytime, a reflector of a certain angle is arranged on the surface of a general object arranged at the target point P so that the reflected light always reaches the light receiving point B. Set in advance. In the case of an object having a good reflectivity at a certain angle (horizontal plane) such as a water surface or a snow surface, the reflector can be omitted, but in this case also, a reflector having a reflectivity of 90% to 95% It is preferable to set it above. Therefore, the detection angle β is adjusted so that each pixel of the one-dimensional photodiode array (linear sensor) 71 faces the direction of the reference point P. In the case of a water level meter or the like, if the irradiation angle α and the detection angle β are set equal, the reflecting mirror may be parallel to the horizontal plane, so that setting is easy.

この際、1次元フォトダイオードアレイ71の中心のピクセルのLEDチップ13を順バイアスして、LEDとして機能させ、可視光を標点Pの物体の表面の反射鏡に照射して、目視により検出角度βを調整する。上述したように、各ピクセルに用いる光検出器50として、LEDチップ13と全く同一のLEDチップを用いているので、光検出器50としてもLEDとしても機能するからである。1次元フォトダイオードアレイ71を構成する他のピクセルは、この中心のピクセルと同一の角度となるように設定すれば良い。勿論、1次元フォトダイオードアレイ71を基準線Xの方向にステップモータ等を用いて逐次移動しながら、すべてのピクセルをLEDとして機能させ検出角度βを調整しても良い。この様に、1次元フォトダイオードアレイ71の各ピクセルを標点Pの方向を向くように検出角度βを調整しておけば、対象物が距離ΔH移動すれば、その距離に比例するΔLだけ基準線Xに沿って受光点Bが移動するので、この移動距離ΔLを1次元フォトダイオードアレイ71で測定する。図23から容易に分かるように、
ΔL=ΔH(cotα+cotβ) ・・・・・(7)
で与えられる。このままでは、測定出来る距離は1次元フォトダイオードアレイ71のアレイの長さで決まってしまうので、1次元フォトダイオードアレイ71のアレイの長さの範囲に反射光が届くように、発光体61の照射角度αをステップモータ等を利用してフィードバック制御する。同時に、照射角度αの制御に合わせて、検出角度βもステップモータ等を利用してフィードバック制御する。
At this time, the LED chip 13 of the pixel at the center of the one-dimensional photodiode array 71 is forward-biased so as to function as an LED, and visible light is applied to the reflecting mirror on the surface of the object at the point P, and the detection angle is visually observed. Adjust β. This is because, as described above, the same LED chip as the LED chip 13 is used as the photodetector 50 used for each pixel, so that it functions as both the photodetector 50 and the LED. What is necessary is just to set the other pixel which comprises the one-dimensional photodiode array 71 so that it may become the same angle as this center pixel. Of course, the one-dimensional photodiode array 71 may be moved sequentially in the direction of the reference line X using a step motor or the like, and all pixels may function as LEDs to adjust the detection angle β. In this way, if the detection angle β is adjusted so that each pixel of the one-dimensional photodiode array 71 faces the direction of the reference point P, if the object moves by a distance ΔH, a reference is made by ΔL proportional to the distance. Since the light receiving point B moves along the line X, the moving distance ΔL is measured by the one-dimensional photodiode array 71. As can be easily seen from FIG.
ΔL = ΔH (cotα + cotβ) (7)
Given in. In this state, the measurable distance is determined by the length of the array of the one-dimensional photodiode array 71. Therefore, the irradiation of the light emitter 61 is performed so that the reflected light reaches the range of the array length of the one-dimensional photodiode array 71. The angle α is feedback controlled using a step motor or the like. At the same time, in accordance with the control of the irradiation angle α, the detection angle β is also feedback controlled using a step motor or the like.

具体的には、1次元フォトダイオードアレイ71には、16〜32個のピクセルが、50〜100mmピッチで、ピクセルホールダー上に一直線上に配置されている。各ピクセルは連動して回転し、検出角度βを調整出来るように構成されている。又、1次元フォトダイオードアレイ71に配置されるピクセルの個数やピッチは、物理的に可能な範囲であれば、どのように設定しても構わない。   Specifically, in the one-dimensional photodiode array 71, 16 to 32 pixels are arranged in a straight line on the pixel holder at a pitch of 50 to 100 mm. Each pixel rotates in conjunction with each other so that the detection angle β can be adjusted. Further, the number and pitch of the pixels arranged in the one-dimensional photodiode array 71 may be set in any way as long as they are physically possible.

図22の検出部72は、変調発光しているLEDの発光間隔(繰り返し周波数)に同期してゲートを制御して、一次元フォトダイオードアレイ71上のすべてのピクセルからの出力に対して同期検出を行う。更に、この同期検出された出力を一定の時間間隔で積分しても良い。同時に、検出部72は、照射角度α及び検出角度βを時々刻々検出する。検出された一次元フォトダイオードアレイ71のピクセルの出力及び照射角度α及び検出角度βは、演算部73に逐次伝達される。必要に応じて、パラレル入出力用LSI、増幅器、A/Dコンバータ、加算器、そしてタイマーモジュール等を検出部72に付加してその機能を補うことが出来る。   The detection unit 72 in FIG. 22 controls the gate in synchronization with the light emission interval (repetition frequency) of the LED emitting modulated light, and performs synchronous detection on the outputs from all the pixels on the one-dimensional photodiode array 71. I do. Furthermore, the synchronously detected output may be integrated at a constant time interval. At the same time, the detection unit 72 detects the irradiation angle α and the detection angle β every moment. The detected pixel output of the one-dimensional photodiode array 71, the irradiation angle α, and the detection angle β are sequentially transmitted to the calculation unit 73. If necessary, a parallel input / output LSI, an amplifier, an A / D converter, an adder, a timer module, and the like can be added to the detection unit 72 to supplement its function.

図22の演算部73としては、ノートパソコン等の演算能力の有る機器を使用出来る。必要に応じてI/Oパラレルインターフェースカード等の周辺機器を介して使用すれば良い。数の限られたデータから精度の高い演算結果を得るためには、例えば、ピクセル間を10mm間隔で補間し、その近似値を求める必要が有る。ラグランジェの補間公式を始め、種々の補間公式や近似式が知られているが、重要なことは、その基となる母関数の選定に有る。発光体61から出た光は、標点に反射されピクセルに届く間に、空気中に浮遊する塵や埃等によりある程度分散されるので、受光される光の強度は正規分布に従うと期待される。したがって、使用する発光体61の平均値μと分散σを事前に調べておくことにより、ピクセル間の任意の位置を、極めて正確に補間して、その近似値を得ることが出来る。簡便な補間方法としては、スプライン関数やベジェ曲線等による3点補間方法を採用しても構わない。更なる精度の距離を求める場合には、1次元フォトダイオードアレイ71上のピクセルの個数を増やすか、補間間隔をもっと小さくすれば良いし、或いはその双方を採用しても良い。又、測定精度を保つために、これら両ユニットの定期的なキャリブレーションを行うことが望ましい。   As the calculation unit 73 in FIG. 22, a device having a calculation capability such as a notebook personal computer can be used. What is necessary is just to use it via peripheral devices, such as an I / O parallel interface card, as needed. In order to obtain a highly accurate calculation result from a limited number of data, for example, it is necessary to interpolate between pixels at intervals of 10 mm and obtain an approximate value thereof. Various interpolation formulas and approximation formulas are known, including Lagrange's interpolation formula. The important thing is the selection of the generating function that is the basis of the formula. Since the light emitted from the illuminant 61 is scattered to some extent by dust, dirt, etc. floating in the air while being reflected by the mark and reaching the pixel, the intensity of the received light is expected to follow a normal distribution. . Therefore, by checking in advance the average value μ and dispersion σ of the illuminant 61 to be used, it is possible to interpolate an arbitrary position between pixels very accurately and obtain an approximate value thereof. As a simple interpolation method, a three-point interpolation method using a spline function, a Bezier curve, or the like may be employed. When obtaining the distance with further accuracy, the number of pixels on the one-dimensional photodiode array 71 may be increased, the interpolation interval may be further reduced, or both of them may be employed. In order to maintain measurement accuracy, it is desirable to perform periodic calibration of both units.

図22の出力部74としては、ノートパソコン等の液晶画面等が消費電力が少なくて好ましいが、必要に応じてプリンタやCRTディスプレイをも選択出来る。又、リアルタイムのデータを遠隔地に送る場合などには、モデム等を介した通信回線に出力しても良い。   As the output unit 74 of FIG. 22, a liquid crystal screen such as a notebook personal computer is preferable because it consumes less power, but a printer or a CRT display can be selected as necessary. Further, when sending real-time data to a remote place, it may be output to a communication line via a modem or the like.

この様に、本発明の第6の実施の形態に係る距離測定システムによれば、コンパクトで信頼性が高く、且つ高精度で低消費電力の距離測定システムを提供することが出来る。   As described above, according to the distance measuring system according to the sixth embodiment of the present invention, it is possible to provide a distance measuring system that is compact, highly reliable, highly accurate, and has low power consumption.

(その他の実施の形態)
上記のように、本発明は第1乃至第6の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
(Other embodiments)
As described above, the present invention has been described according to the first to sixth embodiments. However, it should not be understood that the description and drawings constituting a part of this disclosure limit the present invention. From this disclosure, various alternative embodiments, examples and operational techniques will be apparent to those skilled in the art.

例えば、図24に示すように、本発明のバルク型レンズ28の出射面となる外側頂部3cは、出射方向に対して凹面となる形状でも良い。図24に示す外側頂部3cの構造を採用することにより、外側頂部3cより出力する光は広い発散角で拡散するようになる。図24に示す本発明の他の実施の形態に係る発光体は、光源1としての樹脂モールドされたLEDと、この光源1をほぼ完全に覆うバルク型レンズ28とから少なくとも構成されている。そして、このバルク型レンズ28は、出射方向に対して凹となる外側頂部(出射面)3c、底部及び光軸に平行方向の側面からなる外周部を有するバルク型(砲弾型)のレンズ媒体4と、この底部から外側頂部3cに向かってレンズ媒体4の内部に設けられた光軸に平行方向の面からなる側壁部を有する井戸型の凹部からなる収納部6とから構成されている。レンズ媒体4の内部に設けられた収納部6を構成する凹部の天井部(凹部天井部)が主入射面(第1のレンズ面の主入射面)2、レンズ媒体4の頂部(外側頂部)が出射面(第2のレンズ面)3cとして機能することは第1の実施の形態と同様である。第1のレンズ面(2,5)は、第1の湾曲面からなる主入射面2と第1の湾曲面とは曲率の異なる側壁入射面5とから構成されている。主入射面2から入射した光は、第2のレンズ面3c、即ち、出射方向に対して凹となる第2の湾曲面3cから出力する。凸形状の湾曲面部を除けば、LED1は、例えば、直径(外径)2rLED=2〜3mmφの円柱形状である。バルク型レンズ28の収納部6の側壁部は、樹脂モールドされたLED1の主発光部を収納出来るように、直径(内径)2r=2.5〜4mmφの円筒形状となっている。バルク型レンズ28は、凹形状の第2の湾曲面からなる出射面を有する外側頂部3cを除けば、ほぼLED1と同様な円柱形状である。このバルク型レンズ28の円柱形状部分の直径(外径)2rは、10〜30mmφである。バルク型レンズ28の直径(外径)2rは、発光体の使用目的に応じて選択出来る。 For example, as shown in FIG. 24, the outer top portion 3c serving as the exit surface of the bulk lens 28 of the present invention may have a concave shape with respect to the exit direction. By adopting the structure of the outer apex 3c shown in FIG. 24, the light output from the outer apex 3c diffuses with a wide divergence angle. The light emitter according to another embodiment of the present invention shown in FIG. 24 is composed at least of a resin-molded LED as the light source 1 and a bulk lens 28 that almost completely covers the light source 1. The bulk type lens 28 is a bulk type (bullet type) lens medium 4 having an outer top part (outgoing surface) 3c that is concave with respect to the outgoing direction, a bottom part, and an outer peripheral part that is a side surface parallel to the optical axis. And a receiving portion 6 made of a well-shaped recess having a side wall portion formed in a plane parallel to the optical axis, which is provided inside the lens medium 4 from the bottom portion toward the outer top portion 3c. The ceiling part (concave part ceiling part) of the recessed part which comprises the accommodating part 6 provided in the inside of the lens medium 4 is the main incident surface (main incident surface of the first lens surface) 2, and the top part (outer top part) of the lens medium 4. Functions as the exit surface (second lens surface) 3c, as in the first embodiment. The first lens surface (2, 5) is composed of a main incident surface 2 formed of a first curved surface and a side wall incident surface 5 having a curvature different from that of the first curved surface. Light incident from the main incident surface 2 is output from the second lens surface 3c, that is, the second curved surface 3c that is concave in the emission direction. Except for the curved surface portion of the convex shape, LED1 is, for example, a cylindrical shape with a diameter (outer diameter) 2r LED = 2~3mm φ. Side wall portion of the housing part 6 of the bulk-shaped lens 28, as can be accommodated a primary emission portion of the LED1 that is resin molded, and has a cylindrical shape with a diameter (inner diameter) 2r i = 2.5~4mm φ. The bulk lens 28 has a cylindrical shape that is substantially the same as that of the LED 1 except for the outer top portion 3c having an exit surface that is a concave second curved surface. The cylindrical portion of the bulk-shaped lens 28 having a diameter (outer diameter) 2r e is 10 to 30 mm phi. The diameter (outer diameter) 2r e of the bulk lens 28 can be selected according to the purpose of use of the light emitter.

出射光を拡散させる場合においても、LED1の光をより集光効率を高くするためには、第1の実施の形態で説明した(4)式の関係を満足することが好ましい。バルク型レンズ28の直径(外径)2rが、収納部6の内径2rの10倍以上でも、本発明のバルク型レンズは、機能するが、必要以上に大きくなり、小型化を目的とする場合は好ましくない。(4)式を満足する幾何学的形状を有するバルク型レンズ28においては、LED1の凸形状の湾曲面以外のところから出た迷光成分が、100%に近い集光効率で、有効に照明に寄与出来るようになる。即ち、図24の構造においても、第1の湾曲面からなる主入射面(凹部天井部)2以外の収納部6の側壁部(凹部側壁部)5も、有効な光の入射面(側壁入射面)として機能し得るのである。(4)式を満足するように、十分厚い側壁部を有して幾何学的構造が設計することにより、外周部に反射鏡を用いなくても、凹部側壁部5から入力した光が、バルク型レンズ28の外周部からそのまま出力(漏洩)するのが防止出来る。勿論、凹部側壁部5に垂直に入射した光は外周部から漏洩する。しかし、凹部側壁部5に、ある入射角で入射した光はスネルの法則で決まる屈折角で屈折する。収納部6の側壁部に位置するレンズ媒体4の厚さが厚くなると、レンズ媒体4の外周部から漏洩する成分は減少する。そして、(4)式を満足する幾何学的形状になると、レンズ媒体4の外周部から漏洩する成分はほとんど無視出来るようになるためと考えられる。特に、樹脂封止されたLEDでは凸形状の湾曲面以外のところから出た光の内、凹部側壁部5に垂直に入射する成分は少ないので、(4)式を満足する幾何学的形状になると、レンズ媒体4の外周部から漏洩する成分はほとんど無視出来るようになる。 Even when the emitted light is diffused, it is preferable to satisfy the relationship of the expression (4) described in the first embodiment in order to increase the light collection efficiency of the light of the LED 1. The diameter of the bulk-shaped lens 28 (outside diameter) 2r e is at least 10 times the internal diameter 2r i of the receiving portion 6, the bulk lens of the present invention, will function, becomes larger than necessary, and the purpose of downsizing This is not preferable. In the bulk type lens 28 having a geometrical shape satisfying the expression (4), stray light components emitted from places other than the convex curved surface of the LED 1 are effectively illuminated with a light collection efficiency close to 100%. You can contribute. That is, also in the structure of FIG. 24, the side wall portion (recessed side wall portion) 5 of the storage unit 6 other than the main incident surface (recessed ceiling portion) 2 formed of the first curved surface is also effective light incident surface (sidewall incident). Surface). By designing the geometric structure with a sufficiently thick side wall so as to satisfy the formula (4), the light input from the concave side wall 5 is bulky without using a reflecting mirror on the outer periphery. Output (leakage) can be prevented from being directly output from the outer peripheral portion of the mold lens 28. Of course, the light incident perpendicularly to the recess side wall portion 5 leaks from the outer peripheral portion. However, light incident on the concave sidewall 5 at a certain incident angle is refracted at a refraction angle determined by Snell's law. As the thickness of the lens medium 4 located on the side wall portion of the storage portion 6 increases, the component leaking from the outer periphery of the lens medium 4 decreases. And if it becomes the geometrical shape which satisfies (4) Formula, it will be considered that the component which leaks from the outer peripheral part of the lens medium 4 becomes almost negligible. In particular, in a resin-sealed LED, there is little component perpendicularly incident on the concave portion side wall portion 5 in the light emitted from places other than the convex curved surface, so that the geometric shape satisfying the equation (4) is obtained. Then, the component leaking from the outer periphery of the lens medium 4 can be almost ignored.

本発明のバルク型レンズの光軸方向に垂直な断面の形状は、真円、楕円、三角形、四角形、多角形等が可能である。したがって、バルク型のレンズ媒体の光軸に平行方向の側面からなる外周部は、円柱でも角柱でも構わない。第1のレンズ面の主入射面となる第1の湾曲面2cは、図25に示すように、円錐形でも良い。円錐形の頂角は90°〜120°等種々の値が採用可能である。図25に示すバルク型レンズ27の他の構造は、第1の実施形態と同様であり、外側頂部(出射面)3、底部及び光軸に平行方向の側面からなる外周部を有するバルク型(砲弾型)のレンズ媒体4と、この底部から外側頂部3に向かってレンズ媒体4の内部に設けられた光軸に平行方向の面からなる側壁部を有する井戸型の凹部からなる収納部6とを有している。レンズ媒体4の内部に設けられた収納部6を構成する凹部の天井部(凹部天井部)が円錐形の主入射面(第1のレンズ面の主入射面)2c、レンズ媒体4の頂部(外側頂部)が出射面(第2のレンズ面)3として機能する。第1のレンズ面2cは、第1の湾曲面としての円錐形の主入射面2cと円錐形とは曲率の異なる側壁入射面5とから構成されている。収納部6は、円錐形の凹部天井部2cと、凹部を構成すべくこの円錐形の凹部天井部2cに連続して形成された凹部側壁部(側壁入射面)5とから構成されている。円錐形の主入射面2から入射した光は、第2のレンズ面3から出力する。図25の構造も、第1の実施形態で説明した(4)式を満足することが、潜在的なLEDチップ13の光エネルギを有効に取り出すために重要であることは勿論である。   The shape of the cross section perpendicular to the optical axis direction of the bulk lens of the present invention can be a perfect circle, an ellipse, a triangle, a quadrangle, a polygon, or the like. Therefore, the outer peripheral portion formed of the side surface parallel to the optical axis of the bulk type lens medium may be a cylinder or a prism. As shown in FIG. 25, the first curved surface 2c serving as the main incident surface of the first lens surface may be conical. Various values such as 90 ° to 120 ° can be adopted for the apex angle of the cone. The other structure of the bulk type lens 27 shown in FIG. 25 is the same as that of the first embodiment, and is a bulk type having an outer top part (outgoing surface) 3, a bottom part, and an outer peripheral part composed of side surfaces parallel to the optical axis ( A cannonball type lens medium 4, and a housing part 6 formed of a well-shaped concave part having a side wall part formed in a plane parallel to the optical axis provided in the lens medium 4 from the bottom part toward the outer top part 3. have. The concave ceiling part (recessed ceiling part) constituting the storage part 6 provided inside the lens medium 4 is a conical main incident surface (main incident surface of the first lens surface) 2c, and the top of the lens medium 4 ( The outer top part) functions as an emission surface (second lens surface) 3. The first lens surface 2c includes a conical main incident surface 2c as a first curved surface and a side wall incident surface 5 having a different curvature from that of the conical shape. The storage portion 6 includes a conical recess ceiling portion 2c and a recess side wall portion (side wall incident surface) 5 formed continuously with the conical recess ceiling portion 2c to form a recess. Light incident from the conical main entrance surface 2 is output from the second lens surface 3. Of course, it is important for the structure of FIG. 25 to satisfy the formula (4) described in the first embodiment in order to effectively extract the light energy of the potential LED chip 13.

更に、本発明のバルク型レンズ20,22,24,25,27の出射面3は同心円状の湾曲面からなるフレネルレンズでも構わない。或いは、複数の曲率を有した面や魚眼レンズ的な構造でも良い。   Further, the exit surface 3 of the bulk type lens 20, 22, 24, 25, 27 of the present invention may be a Fresnel lens having a concentric curved surface. Alternatively, it may be a surface having a plurality of curvatures or a fish-eye lens structure.

又、第1の実施の形態の説明においては、光源1とバルク型レンズ20の収納部6との間にスペーサを挿入して、光源1をバルク型レンズ20に固定する場合について説明したが、接着剤、ネジやクランプ機構等の他の手段を用いて固定しても良いことは勿論である。更に、光源1の外径2rLEDと収納部6の内径2rとをほぼ同一にして、嵌め込むようにしても良い。 In the description of the first embodiment, a case has been described in which a spacer is inserted between the light source 1 and the storage unit 6 of the bulk lens 20 to fix the light source 1 to the bulk lens 20. Of course, it may be fixed using other means such as an adhesive, a screw or a clamp mechanism. Further, the outer diameter 2r LED light source 1 and the inside diameter 2r i of the housing part 6 by substantially the same, may be fitted.

更に、バルク型レンズ20,22,24,25,27,28の外側形状は、必ずしも光学的に平坦である必要はなく、クリスタルグラスのように、細かい凹凸を設けたものでも構わない。細かい凹凸を設ければ、出力光は四方八方に発散するので、バックライト照明や間接照明の場合には、好都合である。   Furthermore, the outer shape of the bulk lenses 20, 22, 24, 25, 27, and 28 does not necessarily have to be optically flat, and may have fine irregularities such as crystal glass. If fine irregularities are provided, the output light diverges in all directions, which is convenient in the case of backlight illumination or indirect illumination.

第1の実施形態において、照明器具について説明した。照明器具としての十分な明るさが得られるので、表示装置としても応用可能である。特に地下鉄の路線案内等の色わけにより、表示する表示装置には、各色につき、十分な明度が得られるので好適であう。第1の実施形態において説明したように、赤色LEDチップ、黄色LEDチップ、青色LEDチップに印加する電流を独立に制御するように構成すれば、任意の色が合成出来、これを各種の表示装置に用いることが出来る。特に、色合成により、色覚異常者が見やすい色への発光波長の微調整が可能になる。色覚異常は、1色型色覚(全色盲)、2色型色覚(色盲)、異常3色型色覚(色弱)の3つに分類される。又2色型色覚は、第1色盲、第2色盲及び第3色盲とに分別される。すべての色覚異常者に満足出来る色の組み合わせは、現実には困難である。しかし、この場合でも、現場での種々の環境を含めた実験的を行い、可能な限り多くの色覚異常者に満足してもらえる最良な色の選択をし、色覚異常者に優しい表示装置が実現出来る。その他、種々の道路標識、交通標識、行き先案内標識等に用いる表示装置として採用可能である。   In the first embodiment, the lighting fixture has been described. Since sufficient brightness as a lighting fixture can be obtained, it can also be applied as a display device. In particular, the display device that displays the color depending on the color of the subway route guide or the like is preferable because sufficient brightness can be obtained for each color. As described in the first embodiment, if the current applied to the red LED chip, the yellow LED chip, and the blue LED chip is controlled independently, any color can be synthesized, and this can be combined with various display devices. Can be used. In particular, by color synthesis, it is possible to finely adjust the emission wavelength to a color that can be easily seen by persons with color blindness. Color vision abnormalities are classified into three types: one color type color vision (all color blindness), two color type color vision (color blindness), and abnormal three color type color vision (color weakness). Two-color type color vision is classified into first color blindness, second color blindness, and third color blindness. In reality, it is difficult to combine colors that satisfy all color blind people. However, even in this case, we conducted experiments including various environments in the field, selected the best color that would satisfy as many color blind persons as possible, and realized a display device that is friendly to color blind persons I can do it. In addition, it can be employed as a display device used for various road signs, traffic signs, destination guidance signs, and the like.

この様に、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。   As described above, the present invention naturally includes various embodiments not described herein. Therefore, the technical scope of the present invention is defined only by the invention specifying matters according to the scope of claims reasonable from the above description.

本発明の第1の実施の形態に係る発光体を示す模式的な断面図である。It is typical sectional drawing which shows the light-emitting body which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 図2(a)は、本発明の第1の実施の形態に係るバルク型レンズを用いた場合の、光軸方向に対して垂直方向の光強度(照度)分布を測るための測定系を示す模式図である。図2(b)は、図2(a)と比較するために、従来の両凸レンズを用いて行う場合の測定系を示す模式図である。FIG. 2A shows a measurement system for measuring the light intensity (illuminance) distribution in the direction perpendicular to the optical axis direction when the bulk type lens according to the first embodiment of the present invention is used. It is a schematic diagram. FIG. 2B is a schematic diagram showing a measurement system in the case of using a conventional biconvex lens for comparison with FIG. 本発明の第1の実施の形態に係るバルク型レンズ、薄型レンズ(両凸レンズ)、及び裸の光源1のそれぞれの出力光のy方向に沿った強度(照度)分布を、測定距離x=1mにおいて測定した場合の結果を示す図である。The intensity (illuminance) distribution along the y direction of the output light of each of the bulk lens, the thin lens (biconvex lens), and the bare light source 1 according to the first embodiment of the present invention is measured distance x = 1 m. It is a figure which shows the result at the time of measuring in. 図3と同様なy方向に沿った強度(照度)分布を、測定距離xを変化させて測定したデータをまとめたものである。FIG. 4 summarizes data obtained by measuring the intensity (illuminance) distribution along the y direction similar to FIG. 3 while changing the measurement distance x. 本発明の第1の実施の形態に係るバルク型レンズの幾何学的構造と集光率の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the geometric structure of the bulk-type lens which concerns on the 1st Embodiment of this invention, and a condensing rate. 図5に示した各バルク型レンズの、それぞれの幾何学的構造(パラメータ)を示す一覧表である。6 is a table showing the respective geometric structures (parameters) of each bulk lens shown in FIG. 5. 本発明の第1の実施の形態の変形例に係る発光体を示す模式的な断面図である。It is typical sectional drawing which shows the light-emitting body which concerns on the modification of the 1st Embodiment of this invention. 図8(a)〜8(c)は、第1のレンズ面のなす凸部の高さΔと、ビーム強度プロファイルとの関係を示す図である。8A to 8C are diagrams showing the relationship between the height Δ of the convex portion formed by the first lens surface and the beam intensity profile. 図9(a)〜9(c)は、第1のレンズ面のなす凸部の高さΔと、ビーム強度プロファイルとの関係を示す図である。9A to 9C are diagrams showing the relationship between the height Δ of the convex portion formed by the first lens surface and the beam intensity profile. 図10(a)〜10(c)は、第1のレンズ面のなす凸部の高さΔと、ビーム強度プロファイルとの関係を示す図である。FIGS. 10A to 10C are views showing the relationship between the height Δ of the convex portion formed by the first lens surface and the beam intensity profile. 第1のレンズ面のなす凸部の高さΔと、照度の平坦度との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the height (DELTA) of the convex part which a 1st lens surface makes, and the flatness of illumination intensity. 本発明の第1の実施の形態に係るバルク型レンズの外径rを10mmφ、15mmφ、30mmφと変えたときの測定距離x=0.5mにおける照度分布を示す図である。The outer diameter r e of the bulk-type lens according to the first embodiment of the present invention 10 mm [phi, having a diameter of 15 mm, a schematic views showing the irradiance distribution at the measured distance x = 0.5 m when changing the 30 mm?. 図12の測定を更に詳細に行い、その結果をバルク型レンズの内側壁部と外側壁部の間の厚さを横軸に、相対照度(任意目盛り)を縦軸に示した図である。FIG. 13 is a diagram in which the measurement of FIG. 12 is performed in more detail, and the results are shown with the thickness between the inner wall portion and the outer wall portion of the bulk lens on the horizontal axis and the relative illuminance (arbitrary scale) on the vertical axis. バルク型レンズの外径/内径比を横軸に、相対照度(任意目盛り)を縦軸に示した図である。It is the figure which showed the outer diameter / inner diameter ratio of the bulk type lens on the horizontal axis, and the relative illuminance (arbitrary scale) on the vertical axis. バルク型レンズの背面部及び外側壁部に背面鏡を付した場合と背面鏡がない場合のそれぞれの出力光のy方向に沿った強度(照度)分布とを比較する図である。It is a figure which compares the intensity | strength (illuminance) distribution along the y direction of each output light when a back mirror is attached | subjected to the back surface part and outer side wall part of a bulk type lens, and when there is no back mirror. 本発明の第2の実施の形態に係る発光体を示す模式的な断面図である。It is typical sectional drawing which shows the light-emitting body which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施の形態に係る光検出器50を示す模式的な断面図である。It is typical sectional drawing which shows the photodetector 50 which concerns on the 3rd Embodiment of this invention. 図18(a)は本発明の第4の実施の形態に係る発光体を、図18(b)は本発明の第4の実施の形態に係る受光体を示す模式的断面図である。18A is a schematic cross-sectional view showing a light emitter according to the fourth embodiment of the present invention, and FIG. 18B is a schematic cross-sectional view showing a light receiver according to the fourth embodiment of the present invention. 図19(a)は、本発明の第5の実施の形態に係る発光体を示す模式的断面図で、図19(b)は、その第1の設置例、図19(c)は、その第2の設置例を示す模式的な断面図である。FIG. 19A is a schematic cross-sectional view showing a light emitter according to the fifth embodiment of the present invention. FIG. 19B is a first installation example thereof, and FIG. It is typical sectional drawing which shows the 2nd example of installation. 本発明の第5の実施の形態の変形例(変形例1)に係る発光体61を示す模式的な断面図である。It is typical sectional drawing which shows the light-emitting body 61 which concerns on the modification (modification 1) of the 5th Embodiment of this invention. 本発明の第5の実施の形態の変形例(変形例2)に係る発光体61を示す模式的な断面図である。It is typical sectional drawing which shows the light-emitting body 61 which concerns on the modification (modification 2) of the 5th Embodiment of this invention. 本発明の第6の実施の形態に係る距離測定システムを示す模式的なブロック図である。It is a typical block diagram which shows the distance measurement system which concerns on the 6th Embodiment of this invention. 本発明の第6の実施の形態に係る距離測定システムにおいて使用する三角測量法の模式的な説明図である。It is typical explanatory drawing of the triangulation method used in the distance measuring system which concerns on the 6th Embodiment of this invention. 本発明の他の実施の形態に係る発光体を示す模式的な断面図である。It is typical sectional drawing which shows the light-emitting body which concerns on other embodiment of this invention. 本発明の更に他の実施の形態に係る発光体を示す模式的な断面図である。It is typical sectional drawing which shows the light-emitting body which concerns on other embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 光源
2,2c,2t,2r,2f 凹部天井部
3,3c,3t,3r,3f 外側頂部
4,4t,4r, レンズ媒体
4d 非弾性レンズ媒体
4f フレキシブルレンズ媒体
5 凹部側壁部
6,6t,6r,6f 収納部
9 フォト・ダイオードチップ
11,51 第1のピン
12,52 第2のピン
13 LEDチップ
14,14t,14r 封止樹脂
20,22,24,25,27,28 バルク型レンズ
20f フレキシブルバルク型レンズ
30t,30r 背面支持体
31t,31r 主支持部
32t,32r 小背面鏡
40,41 突起
45 LEDホルダー
50 光検出器
55 受光素子ホルダー
61 発光体
62 駆動部
63 第1電源部
71 受光体(リニアセンサ)
72 検出部
73 演算部
74 出力部
75 第2電源部
81 透明板
82 遮光板
83 狭い穴
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Light source 2,2c, 2t, 2r, 2f Recessed ceiling part 3,3c, 3t, 3r, 3f Outer top part 4,4t, 4r, Lens medium 4d Inelastic lens medium 4f Flexible lens medium 5 Recessed side wall part 6,6t, 6r, 6f Housing 9 Photo diode chip 11, 51 First pin 12, 52 Second pin 13 LED chip 14, 14t, 14r Sealing resin 20, 22, 24, 25, 27, 28 Bulk lens 20f Flexible bulk type lens 30t, 30r Back support 31t, 31r Main support 32t, 32r Small rear mirror 40, 41 Protrusion 45 LED holder 50 Photo detector 55 Light receiving element holder 61 Light emitter 62 Drive unit 63 First power supply unit 71 Light receiving Body (Linear sensor)
72 Detection Unit 73 Calculation Unit 74 Output Unit 75 Second Power Supply Unit 81 Transparent Plate 82 Light-shielding Plate 83 Narrow Hole

Claims (2)

第1の外側頂部、第1の底部及び第1の光軸に平行方向の側面からなる外周部を有するバルク型の第1のレンズ媒体と、前記第1の底部から前記第1の外側頂部に向かって前記第1のレンズ媒体の内部に設けられた前記光軸に平行方向の面からなる側壁部、該側壁部に接続された天井部とを有する第1の収納部と、該第1の収納部に収納された光源とから構成される発光体と、
第2の外側頂部、第2の底部及び第2の光軸に平行方向の側面からなる外周部を有するバルク型の第2のレンズ媒体と、前記第2の底部から前記第2の外側頂部に向かって前記第2のレンズ媒体の内部に設けられた前記光軸に平行方向の面からなる側壁部、該側壁部に接続された天井部とを有する第2の収納部と、該第2の収納部に収納された前記光源からの光を検出する光検出器とから構成される受光体
とから構成され、前記第1の収納部の天井部及び側壁部が第1の入射面、第1の外側頂部が第1の出射面として機能し、前記第2の外側頂部が第2の入射面、前記第2の収納部の天井部及び側壁部が第2の出射面として機能することを特徴とする光情報通信システム。
A bulk-type first lens medium having a first outer top, a first bottom, and an outer peripheral portion composed of side surfaces parallel to the first optical axis, and the first bottom to the first outer top. A first storage portion having a side wall portion formed of a surface parallel to the optical axis and provided in the first lens medium, a ceiling portion connected to the side wall portion, and the first storage portion A light emitter composed of a light source stored in a storage unit;
A bulk-type second lens medium having a second outer top, a second bottom, and an outer periphery comprising side surfaces parallel to the second optical axis; and from the second bottom to the second outer top. A second storage portion having a side wall portion formed in a plane parallel to the optical axis, and a ceiling portion connected to the side wall portion, provided in the second lens medium. A light receiving body configured to detect light from the light source housed in the housing portion, the ceiling portion and the side wall portion of the first housing portion being the first incident surface, the first The second outer top portion functions as a first light exit surface, the second outer top portion functions as a second light incident surface, and the ceiling portion and the side wall portion of the second storage portion function as a second light output surface. An optical information communication system.
前記光源と前記光検出器に禁制帯幅が等しく且つ同一構造の半導体発光素子が用いられていることを特徴とする請求項1記載の光情報通信システム。   2. The optical information communication system according to claim 1, wherein semiconductor light emitting elements having the same forbidden bandwidth and the same structure are used for the light source and the photodetector.
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