JP2010097138A - レンズ - Google Patents

Abstract

【課題】 入射する光のパターンをより効率良く放射パターンに変更することが可能なレンズを提供する。
【解決手段】 レンズは、入射面と、入射面に入射する光を出射する複数の出射面と、を備えている。複数の出射面は、該レンズの中心軸線に対して対称な面形状を有している。複数の出射面は、一以上の第１の出射面と、中心軸線に対して一以上の第１の出射面より外側に設けられた第２の出射面と、を含んでいる。一以上の第１の出射面の各々は、中心軸線から離れるに従って入射面を含む平面からの距離が増加するように形成されている。一以上の第２の出射面の各々は、中心軸線から離れるに従って上記平面からの距離が減少するように形成されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、レンズに関するものであり、特に広角放射レンズとして好適に用いることのできるレンズに関するものである。

半導体発光素子（ＬＥＤ）の放射パターンは、通常、ランバーシアン（lambertian）パターンと称されるパターンである。このようなＬＥＤの放射パターンは、用途に応じてレンズを用いることによって変更される。

例えば、液晶ディスプレイ用のバックライトとして、赤色発光、青色発光、及び緑色発光それぞれの三つのＬＥＤが用いられることがある。これらＬＥＤは、白色光が生成されるように並べられる。このような例では、三つの色が十分に混合されるよう、各ＬＥＤからの放射パターンは、正面方向の強度より側面方向の強度の方が大きくなるように、変更される必要がある。

このようにＬＥＤからの放射パターンを変更するレンズとしては、特許文献１に開示されたレンズがある。特許文献１に開示されたレンズは、フレネルレンズである。特許文献１に開示されたレンズによれば、光は、屈折によってレンズ内における角度より大きい角度で当該レンズから出射される。
特開２００７−１４８３３２号公報

特許文献１に開示のレンズは、上述したように、フレネルレンズである。したがって、当該レンズは、複数の出射面を同心円状に有しており、各出射面は同様の傾きを有している。このようなレンズでは、比較的外側の出射面に達する光は、臨界角を越えるので、出射面において全反射される。そのような光は、損失となる。

本発明は、入射する光のパターンをより効率良く放射パターンに変更することが可能なレンズを提供することを目的としている。

本発明のレンズは、入射面と、入射面に入射する光を出射する複数の出射面と、を備えている。複数の出射面は、該レンズの中心軸線に対して対称な面形状を有している。複数の出射面は、一以上の第１の出射面と、中心軸線に対して一以上の第１の出射面より外側に設けられた一以上の第２の出射面と、を含んでいる。一以上の第１の出射面の各々は、中心軸線から離れるに従って入射面を含む平面からの距離が増加するように形成されている。一以上の第２の出射面の各々は、中心軸線から離れるに従って上記平面からの距離が減少するように形成されている。

このレンズによれば、第１の出射面より外側に存在する第２の出射面が、入射面に対して第１の出射面とは逆の傾きを有しているので、当該レンズの外側の領域における光の全反射を低減することができる。したがって、このレンズは、入射する光を放射パターンへと変更し、且つ、入射する光をより効率的に出射することが可能である。

複数の出射面は、一以上の第１の出射面を含む複数の第１の出射面を含んでおり、一以上の第２の出射面は、複数の第１の出射面より中心軸線に対して外側に設けられていてもよい。この構成では、複数の第１の出射面のうち任意の一つの第１の出射面が上記平面に対して成す角度は、複数の第１の出射面のうち当該一つの第１の出射面より中心軸線に対して外側に位置する任意の別の第１の出射面が上記平面に対して成す角度より大きいことが好ましい。

また、複数の出射面が、一以上の第２の出射面を含む複数の第２の出射面を含んでおり、複数の第２の出射面は、一以上の第１の出射面より中心軸線に対して外側に設けられていてもよい。この構成では、複数の第２の出射面のうち任意の一つの第２の出射面が上記平面に対して成す負値の角度の絶対値は、複数の第２の出射面のうち当該一つの第２の出射面より中心軸線に対して外側に位置する任意の別の第２の出射面が上記平面に対して成す負値の角度の絶対値より小さいことが好ましい。

なお、第２の出射面が上記平面に対して負値の角度を成しているのは、当該第２の出射面が、第１の出射面とは上記平面に対して反対方向に傾斜しているからである。したがって、第１の出射面が上記平面に対して成す角度を正の値の角度とすると、第２の出射面が上記平面に対して成す角度は、負値の角度と考えることができる。

また、一以上の第１の出射面の各々が上記平面に対して成す角度α、一以上の第２の出射面の各々が上記平面に対して成す負値の角度α、当該レンズの平均の厚みｔ、レンズの屈折率ｎ_１、レンズの周囲の媒質の屈折率ｎ_２、及び、中心軸線からの距離ｘが、
α＜ｓｉｎ^−１（ｎ_２／ｎ_１）＋ｔａｎ^−１（ｔ／ｘ）−π／２
を満たす場合に、本レンズは、複数の出射面における全反射をなくすことができる。

本発明の別のレンズは、入射面と、入射面に入射する光を出射する出射面と、を備えている。出射面は、第１の領域と当該第１の領域よりレンズの中心軸線に対して外側に位置する第２の領域と、を含む。第１の領域及び第２の領域は、中心軸線に対して対称な形状をそれぞれ有している。第１の領域は、中心軸線から離れるに従って入射面を含む平面からの距離が増加するように、形成されている。第２の領域は、中心軸線から離れるに従って上記平面からの距離が減少するように、形成されている。

このレンズによれば、第１の領域より外側に存在する第２の領域が、第１の領域とは逆の傾きを有しているので、第２の領域における光の全反射を低減することができる。したがって、このレンズは、入射する光を放射パターンへと変更し、且つ、入射する光をより効率的に出射することが可能である。

中心軸線からの距離ｘ、当該距離ｘの位置において出射面が上記平面に対して成す角度α、該レンズの厚みｔ、該レンズの屈折率ｎ_１、及び、該レンズの周囲の媒質の屈折率ｎ_２が、
α＜ｓｉｎ^−１（ｎ_２／ｎ_１）＋ｔａｎ^−１（ｔ／ｘ）−π／２
を満たす場合に、本レンズは、出射面での全反射をなくすことができる。なお、第１の領域において角度αは正の値であり、第２の領域において角度αは負の値である。

上述した本発明のレンズは、入射面に光学的に結合された半導体発光素子を更に備えていてもよい。

以上説明したように、本発明によれば、入射する光のパターンをより効率良く放射パターンに変更することが可能なレンズが提供される。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を附すこととする。

図１は、本発明の一実施形態に係るレンズを示す縦断面図である。図１に示すレンズ１０は、入射面１２と、複数の出射面１４_１〜１４_ｎと、を備えている。ここで、ｎは、２以上の整数であり、図１の実施形態では、ｎは、１１である。レンズ１０は、図１に示すように、半導体発光素子（ＬＥＤ）１６を更に備えていてもよい。

レンズ１０は、当該レンズ１０の中心軸線Ｚに対して対称な形状を有している。レンズ１０は、例えば、略円板状の平面形状を有している。入射面１２は、光が入射する面である。入射面１２は、本実施形態では、中心軸線Ｚに直交している。図１に示す実施形態では、ＬＥＤ１６がレンズ１０の内部に埋め込まれており、ＬＥＤ１６の発光面に接する面が入射面１２となっている。なお、レンズ１０は、中心軸線Ｚに直交する平坦な入射面を、中心軸線Ｚに直交する方向の全領域に有していてもよい。この場合には、ＬＥＤ１６は、レンズ１０内に埋め込まれておらず、入射面１２に接するよう、レンズ１０に装着される。

複数の出射面１４_１〜１４_ｎは、入射面１２に入射した光が出射する面である。複数の出射面１４_１〜１４_ｎは、中心軸線Ｚに対して同心に設けられている。図１に示すように、中心軸線Ｚを含む断面では、複数の出射面１４_１〜１４_ｎは、鋸歯形状を成している。したがって、レンズ１０では、複数の出射面１４_１〜１４_ｎのうち隣り合う二つの出射面の間に、これら二つの出射面を接続する接続面が存在している。

複数の出射面１４_１〜１４_ｎは、一以上の第１の出射面と、一以上の第２の出射面を含んでいる。一以上の第２の出射面は、中心軸線Ｚに対して一以上の第１の出射面より外側に設けられている。本実施形態では、出射面１４_１〜１４_４が第１の出射面であり、出射面１４_５〜１４_１１が第２の出射面である。なお、第１の出射面の数、及び、第２の出射面の数は、本発明の思想の範囲内で、任意に変更することが可能である。

第１の出射面１４_１〜１４_４は各々、中心軸線Ｚから離れるに従って、入射面１２を含む平面Ｓからの距離が増加するように形成された面である。第２の出射面１４_５〜１４_１１は各々、中心軸線Ｚから離れるに従って、入射面１２を含む平面Ｓからの距離が減少するように形成された面である。即ち、第１の出射面１４_１〜１４_４は各々、中心軸線Ｚから離れるに従って平面Ｓから離れるように傾斜された傾斜面である。また、第２の出射面１４_５〜１４_１１は各々、中心軸線Ｚから離れるに従って平面Ｓに近づくように傾斜された傾斜面である。以上のように傾斜した複数の出射面１４_１〜１４_ｎによれば、入射面１２に入射して出射面１４_１〜１４_ｎで全反射する光を低減することが可能である。

レンズ１０では、第１の出射面１４_１〜１４_４のうち任意の一つの第１の出射面が平面Ｓに対して成す角度α（正の値）が、第１の出射面１４_１〜１４_４のうち、当該一つの第１の出射面より中心軸線Ｚから離れている別の第１の出射面が平面Ｓに対して成す角度αより、大きくなっている。即ち、中心軸線Ｚに近い第１の出射面が平面Ｓに対して成す角度αは、中心軸線Ｚから遠い第１の出射面が平面Ｓに対して成す角度αより大きい。

また、第２の出射面１４_５〜１４_１１のうち任意の一つの第２の出射面が平面Ｓに対して成す角度α（負の値）の絶対値が、第２の出射面１４_５〜１４_１１のうち、当該一つの第２の出射面より中心軸線Ｚから離れている別の第２の出射面が平面Ｓに対して成す角度α（負の値）の絶対値より、小さくなっている。即ち、中心軸線Ｚに近い第２の出射面が平面Ｓに対して成す角度αは、中心軸線Ｚから遠い第２の出射面が平面Ｓに対して成す角度より小さい。

このような角度で傾斜した複数の出射面１４_１〜１４_ｎによれば、入射面１２に入射して出射面１４_１〜１４_ｎで全反射する光をより低減することが可能である。

ここで、図２を参照する。図２は、図１に示すレンズの一部を拡大して示す概略図である。入射面１２に入射した光が出射面１４_１〜１４_ｎで全反射しない条件を、同図を参照して以下に説明する。

入射面１２から角度θでレンズ１０内に進入する光線Ｌ１は、第１の出射面１４_ｋに角度θ_ｉｎで入射し、当該第１の出射面１４_ｋから角度θ_ｏｕｔで出射する。第１の出射面１４_ｋ（本実施形態では、ｋは１〜４の整数）が平面Ｓとなす角度をαとし、レンズ１０の屈折率をｎ_１とし、レンズ１０の周囲の媒体（通常は空気）の屈折率をｎ_２とすると、スネルの法則により、次式（１）が成り立つ。
ｎ_１ｓｉｎ（θ_ｉｎ）＝ｎ_２ｓｉｎ（θ_ｏｕｔ） …（１）
なお、図２では、便宜上、角度αは、第１の出射面１４_ｋが平面Ｓに平行な平面と成す角度を表している。

また、θ_ｉｎは次式（２）で表すことができる。
θ_ｉｎ＝π／２−θ＋α …（２）

第１の出射面１４_ｋで全反射が生じない条件は、θ_ｏｕｔが解をもつことである。したがって、次式（３）が満たされる必要がある。
（ｎ_１／ｎ_２）ｓｉｎ（θ_ｉｎ）＝（ｎ_１／ｎ_２）ｓｉｎ（π／２−θ＋α）＜１ …（３）

ここで、レンズの厚みをｔとすると、光線Ｌ１がレンズ１０から出射するときの距離ｘは、次式（４）で表すことができる。
ｘ＝ｔ／ｔａｎ（θ） …（４）
なお、距離ｘは、中心軸線Ｚに直交する方向Ｘでの中心軸線Ｚからの距離である。

式（３）及び式（４）より、レンズ中心からｘの距離にある第１の出射面１４_ｋが平面Ｓに対して成す角度αが次式（５）を満たすとき、第１の出射面１４_ｋでの全反射が生じなくなる。
α＜ｓｉｎ^−１（ｎ_２／ｎ_１）＋ｔａｎ^−１（ｔ／ｘ）−π／２ …（５）
なお、厳密には式（５）は、θ、θｉｎ、ｘが中心軸線Ｚを起点とした場合のみでなく、ＬＥＤ１６の縦断面内平面Ｓ上のすべての位置を起点とした場合に成り立つ必要がある。Ｘの値は中心軸線Ｚを起点とした場合が最大であるため、ｔａｎ−１（ｔ／ｘ）はこの場合が最小となる。よって、式（５）右辺は、中心軸線Ｚを起点とした場合が最小となるので、上述のように中心軸線Ｚを起点とした場合に、式（５）を満たすようにしておけば十分である。

第２の出射面１４_ｍ（本実施形態では、ｍは５〜１１の整数）についても同様に、入射面１２からレンズ１０内に進入する光線Ｌ２の角度をθ、第２の出射面１４_ｍへの光線Ｌ２の入射角をθ_ｉｎ、第２の出射面１４_ｍからの光線Ｌ２の出射角をθ_ｏｕｔ、第２の出射面１４_ｍが平面Ｓとなす角度をα、レンズの厚みをｔ、光線Ｌ２がレンズ１０から出射するときの距離をｘとすると、式（５）を満たす場合に、第２の出射面１４_ｍでの全反射が生じなくなる。但し、但し、第２の出射面１４_ｍは、第１の出射面１４ｋと反対方向の傾斜を有しているので、第２の出射面１４_ｍが平面Ｓに対してなす角度αは、負の値である。

したがって、全出射面１４_１〜１４_ｎが式（５）を満たすときに、レンズ１０では、出射面１４_１〜１４_ｎでの全反射が生じなくなる。なお、レンズ１０では、厚みｔが距離ｘによって異なるので、厳密には角度αの条件も距離ｘによって異なる。しかしながら、αの値を式（５）の右辺の値よりある程度小さくすれば、厚みの平均値を上述の厚みｔとして用いることができる。ここで、厚みの平均値とは、入射面１２から出射面１４_１〜１４_ｎまでの中心軸線Ｚ方向の距離の平均値である。

以下、上述の（５）式を示すレンズ１０の一例について説明する。ここでは、レンズ１０の屈折率ｎ_１を１．５１とし、レンズ１０の周囲の媒体の屈折率ｎ_２を１．０とする。また、レンズ１０の平均の厚みｔを０．６ｍｍとし、出射面１４_１〜１４_ｎの各々のＸ方向の幅を０．１ｍｍとする。このような条件の下で、角度αの値を式（５）の右辺の値より１０°小さいものとすると、中心軸線Ｚからの距離が離れる順に、出射面１４_１〜１４_ｎが成す角度αはそれぞれ、２６．７°、１７．４°、８．９°、１．２°、−５．４°、−１１．０°、−１５．８°、−１９．９°、−２３．３°、−２６．３°、−２８．８°となる。かかる条件を満たすレンズ１０から出射する光の強度の角度分布を図３に示す。

図３では、横軸に中心軸線Ｚに対する光の出射角度がとられており、縦軸に光の相対強度がとられている。図３に示すように、レンズ１０によれば、中心軸線Ｚ方向より、当該中心軸線に対して側方での光の強度を高めることができる。また、レンズ１０は、出射面１４_１〜１４_ｎが上述した式（５）を満たす角度αを有するので、全反射が低減される。なお、所望の出射パターンを得るように、式（５）を満たす範囲内で各出射面の角度αを最適化することも可能である。

以下、本発明の別の実施形態について説明する。図４は、別の一実施形態に係るレンズを示す縦断面図である。図１に示すレンズ１０では、中心軸線Ｚに対して比較的外側に位置する出射面間の接続面を出射した光が、当該接続面に連続する出射面に入射して全反射することがある。図４に示すレンズ１０Ｂは、かかる現象を防止するための構造をもっている。なお、レンズ１０Ｂのその他の構造は、レンズ１０と同様である。

具体的に、レンズ１０Ｂでは、第２の出射面１４_５〜１４_１１それぞれから平面Ｓまでの距離が、その第２の出射面が中心軸線Ｚから離れる程、小さくなっている。このような構造を有するレンズ１０Ｂでは、接続面を出射して当該接続面に連続する出射面に再度入射する光の量を低減することが可能である。

図５は、本発明の別の実施形態に係るレンズを示す縦断面図である。図５に示すレンズ１０Ｃは、図１及び図４に示すレンズから、出射面間に存在する接続面を無くした構造を有している。即ち、レンズ１０Ｃでは、複数の出射面１４_１〜１４_１１が連続している。かかる構造のレンズ１０Ｃによれば、当該レンズ１０Ｃを出射した光が再度当該レンズ１０Ｃに入射することを防止することが可能である。

図６は、本発明の更に別の実施形態に係るレンズを示す縦断面図である。図６に示すレンズ１０Ｄは、その中心軸線Ｚに対して対称な形状を有している。レンズ１０Ｄは、入射面１２、及び出射面１４を備えている。また、レンズ１０Ｄは、図１に示すレンズ１０と同様に、ＬＥＤ１６を備えていてもよい。

図６に示すレンズ１０Ｄは、その出射面がＸ方向、即ち、中心軸線Ｚに直交する方向に曲率をもった曲面で構成されている点において、図５に示すレンズ１０Ｃとは異なっている。即ち、レンズ１０Ｃの複数の出射面は、Ｘ方向には曲率のない斜面である。一方、レンズ１０Ｄは、Ｘ方向に曲率をもった曲面で構成されている。更に換言すれば、レンズ１０Ｄの出射面は、レンズ１０Ｃの複数の出射面に沿う形状の曲面で構成されている。

具体的に、レンズ１０Ｄの出射面１４は、第１の領域１４ａ及び第２の領域１４ｂを含んでいる。第１の領域１４ａ及び第２の領域１４ｂは、同心に設けられている。第２の領域１４ｂは、第１の領域１４ａより、中心軸線Ｚに対して外側に設けられている。

第１の領域１４ａは、入射面１２を含む平面Ｓからの距離が中心軸線Ｚから離れるに従って増加するように形成されている。なお、平面Ｓは、中心軸線Ｚに直交する平面である。また、第２の領域１４ｂは、中心軸線Ｚから離れるに従って平面Ｓからの距離が減少するように、形成されている。

かかるレンズ１０Ｄによれば、入射面１２に入射して出射面１４で全反射される光の量を低減することが可能である。また、レンズ１０Ｄは、上述した式（５）を満たすことによって、出射面１４における全反射を無くすことができる。

なお、レンズ１０Ｄの場合には、式（５）中、ｘは中心軸線Ｚに直交する方向における当該中心軸線Ｚからの距離、αは距離ｘの位置において出射面が平面Ｓに対して成す角度、ｔは距離ｘの位置におけるレンズ１０Ｄの厚みである。なお、レンズの１０Ｄの厚みとは、入射面１２を含む平面Ｓからの出射面１４までの距離である。また、第１の領域１４ａでは、角度αは正の値であり、第２の領域１４ｂでは、角度αは負の値である。

以上の説明した種々の実施形態によれば、レンズから出射する際の光の全反射が低減され、且つ、レンズに入射する光のパターンが放射パターンへと変更される。

本発明の一実施形態に係るレンズの縦断面図である 図１に示すレンズの一部を拡大して示す概略図である。 図１に示す一例のレンズの放射パターンを示す図である。 本発明の別の一実施形態に係るレンズを示す縦断面図である。 本発明の別の一実施形態に係るレンズを示す縦断面図である。 本発明の別の一実施形態に係るレンズを示す縦断面図である。

符号の説明

１０，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ…レンズ、１２…入射面、１４…出射面、１４_１〜１４_ｎ…出射面、１４_１〜１４_４…第１の出射面、１４_５〜１４_１１…第２の出射面、１４ａ…第１の領域、１４ｂ…第２の領域、１６…ＬＥＤ（半導体発光素子）。

Claims (7)

1. 入射面と、
   前記入射面に入射する光を出射する複数の出射面と、
   を備えたレンズであって、
   前記複数の出射面は、該レンズの中心軸線に対して対称な面形状を有しており、
   前記複数の出射面は、一以上の第１の出射面と、前記中心軸線に対して前記一以上の第１の出射面より外側に設けられた一以上の第２の出射面と、を含み、
   前記一以上の第１の出射面の各々は、前記中心軸線から離れるに従って前記入射面を含む平面からの距離が増加するように形成されており、
   前記一以上の第２の出射面の各々は、前記中心軸線から離れるに従って前記平面からの距離が減少するように形成されている、
   レンズ。
2. 前記複数の出射面は、前記一以上の第１の出射面を含む複数の第１の出射面を含んでおり、
   前記一以上の第２の出射面は、前記複数の第１の出射面より前記中心軸線に対して外側に設けられており、
   前記複数の第１の出射面のうち任意の一つの第１の出射面が前記平面に対して成す角度は、前記複数の第１の出射面のうち前記一つの第１の出射面より前記中心軸線に対して外側に位置する任意の別の第１の出射面が前記平面に対して成す角度より大きい、請求項１に記載のレンズ。
3. 前記複数の出射面は、前記一以上の第２の出射面を含む複数の第２の出射面を含んでおり、
   前記複数の第２の出射面は、前記一以上の第１の出射面より前記中心軸線に対して外側に設けられており、
   前記複数の第２の出射面のうち任意の一つの第２の出射面が前記平面に対して成す負値の角度の絶対値は、前記複数の第２の出射面のうち前記一つの第２の出射面より前記中心軸線に対して外側に位置する任意の別の第２の出射面が前記平面に対して成す負値の角度の絶対値より小さい、請求項１に記載のレンズ。
4. 前記一以上の第１の出射面の各々が前記平面に対して成す角度α、前記一以上の第２の出射面の各々が前記平面に対して成す負値の角度α、該レンズの平均の厚みｔ、該レンズの屈折率ｎ_１、該レンズの周囲の媒質の屈折率ｎ_２、及び、前記中心軸線からの距離ｘが、
   α＜ｓｉｎ^−１（ｎ_２／ｎ_１）＋ｔａｎ^−１（ｔ／ｘ）−π／２
   を満たす、請求項１に記載のレンズ。
5. 入射面と、
   前記入射面に入射する光を出射する出射面と、
   を備えたレンズであって、
   前記出射面は、第１の領域と、該第１の領域より該レンズの中心軸線に対して外側に位置する第２の領域と、を含み、
   前記第１の領域及び前記第２の領域は、前記中心軸線に対して対称な形状をそれぞれ有しており、
   前記第１の領域は、前記中心軸線から離れるに従って前記入射面を含む平面からの距離が増加するように、形成されており、
   前記第２の領域は、前記中心軸線から離れるに従って前記平面からの距離が減少するように、形成されている、
   レンズ。
6. 前記中心軸線からの距離ｘ、該距離ｘの位置において前記出射面が前記平面に対して成す角度α、該レンズの厚みｔ、該レンズの屈折率ｎ_１、及び、該レンズの周囲の媒質の屈折率ｎ_２が、
   α＜ｓｉｎ^−１（ｎ_２／ｎ_１）＋ｔａｎ^−１（ｔ／ｘ）−π／２
   を満たし、ここで、前記第１の領域において前記角度αは正の値であり、前記第２の領域において前記角度αは負の値である、
   請求項５に記載のレンズ。
7. 前記入射面に光学的に結合された半導体発光素子を更に備える、請求項１〜６の何れか一項に記載のレンズ。

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