JP2011090292A - 光学レンズ - Google Patents

Abstract

【課題】長方形のライトフィールドを形成するために用いられる光学レンズを提供する。
【解決手段】光学レンズ１０は、対向する２つの端部１１、１２を有する長方形本体を備え、前記本体は、一端部に形成され且つ円錐状空洞の錐面を形成する第一表面１１０と、他端部に形成され且つ非対称の鞍状非球面を呈する第二表面１２０とを備え、前記円錐状の空洞の錐面は、前記円錐状空洞の錐面内に設けられた光源１０１から出射される光線を前記本体に入射させる前記光学レンズの光入射面であり、前記第二表面は、前記光学レンズの光出射面であり、前記円錐状の空洞の錐面及び第二表面は、光源から出射した光線を調整するために用いられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、光学レンズに関し、特に光源のライトフィールドの形状を調整するために用いられる光学レンズに関するものである。

半導体照明技術の発展に伴って、発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ、ＬＥＤ）の発光効率が絶えずに向上しており、従来の光源を代替するようになった。ＬＥＤ光源においては、異なる光学システムによって、ＬＥＤ光源が形成するライトフィールド（光照射野（Ｌｉｇｈｔ Ｆｉｅｌｄ））の形状も異なる。従来のＬＥＤ光源のライトフィールドの形状は、一般的に円形である。しかし、エネルギーを節約し且つ照明範囲を広げるためには、長方形のライトフィールドが有利であり、その長方形のライトフィールド形成するためには、所定の光学レンズが必要である。

前記課題を解決するために、本発明は、長方形のライトフィールドを形成するために用いられる光学レンズを提供する。

本発明に係る光学レンズは、対向する２つ端部を有する長方形本体を備え、前記本体は、一端部に形成され且つ円錐状空洞の錐面を形成する第一表面と他端部に形成され且つ非対称の鞍状非球面を呈する第二表面とを備え、前記円錐状の空洞の錐面は、前記円錐状の空洞内に設けられた光源から出射される光線を前記本体に入射させる前記光学レンズの光入射面であり、前記第二表面は、前記光学レンズの光出射面である。

従来の技術に比べると、本発明に係る光学レンズは、円錐状の空洞の錐面を形成する第一表面と、非対称の鞍状非球面（Ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ Ｓａｄｄｌｅ-Ｓｈａｐｅｄ Ａｓｐｈｅｒｉｃ Ｓｕｒｆａｃｅ）を呈する第二表面とによって、円錐状の空洞の中に設置された光源から出射される光線を校正し、即ち、前記円錐状の空洞の錐面の特定形状によって、前記円錐状の空洞の錐面から前記本体に入射した前記光源からの光線は、前記第二表面の所定の位置に向って出射され、且つ前記第二表面の特定形状によって、前記光線は所定の光路を経て前記第二表面から出射される。結果として、長方形のライトフィールドを形成し、従って実際の需要を満足することができる。

本発明の実施形態に係る光学レンズの構造を示す図である。 図１に示した光学レンズのＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。 図１に示した光学レンズのＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。 図１に示した光学レンズによって形成されたライトフィールドの光強度の分布図である。 図１に示した光学レンズによって形成されたライトフィールドの照度図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。

図１を参照すると、本発明の実施形態に係る光学レンズ１０は、長方形を呈する本体１００を備える。前記本体１００は、第一端１１及び前記第一端１１に対向する第二端１２を備える。前記第一端１１及び前記第二端１２には、第一表面１１０及び第二表面１２０がそれぞれ形成される。前記光学レンズ１０は、光源１０１から出射される光線を調節して、長方形のライトフィールドを形成する。本実施形態において、前記光源１０１は、発光ダイオードである。しかし、他の実施形態において、前記光源１０１は他の任意の光源であることができる。

図２及び図３を参照すると、前記第一表面１１０には、前記第一表面１１０から前記第二表面１２０に向かって突出した円錐状の空洞１１１が設けられている。前記光源１０１は、前記円錐状の空洞１１１内に設置され且つ前記第二表面１２０に向かって光線を出射させる。前記光源１０１から出射される光線は、前記円錐状の空洞１１１の錐面１１１２から前記本体１００に入射するため、前記円錐状の空洞１１１の錐面１１１２は、前記光学レンズ１０の光入射面である。前記円錐状の空洞１１１の錐面１１１２は、以下の式（１）を満たすように形成されている。

その中で、ｒは、前記円錐状の空洞１１１の錐面１１１２の光軸Ｏ_１に対する半径である。ｚは、前記ｒを変数とする前記円錐状の空洞１１１の錐面１１１２のＳＡＧ（Ｓａｇｉｔｔａ Ｖａｌｕｅ）値である。ｃは、前記円錐状の空洞１１１の錐面１１１２の曲率係数（Ｃｕｒｖａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）であり、ｋは、前記円錐状の空洞１１１の錐面１１１２の円錐係数（Ｃｏｎｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）である。

前記円錐状の空洞１１１の錐面１１１２の原点Ａは、前記円錐状の空洞１１１の錐面１１１２の中心頂点（即ち、円錐状の空洞１１１の底部の中心）である。前記円錐状の空洞１１１の錐面１１１２は、円錐状曲面であり、その焦点距離Ｆは以下の式（２）で表される。

その中で、Ｎは、前記光学レンズ１０の本体１００の屈折率であり、ｃは、前記円錐状の空洞１１１の錐面１１１２の曲率係数である。

前記式（２）に示されておりように、前記円錐状の空洞１１１の錐面１１１２の焦点距離Ｆは、その曲率係数ｃ及び前記光学レンズ１０の屈折率Ｎに関係する。一般的に、Ｆの範囲は、―５０＜Ｆ＜―０．５である。本実施形態において、前記光学レンズ１０の材料は、屈折率が１．４９のポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）である。前記光学レンズ１０は、ポリカーボネート（ＰＣ）或いはシリコーン（Ｓｉｌｉｃｏｎｅ）などの他の材料を採用してもよい。

前記第二表面１２０は、非対称の鞍状非球面である。前記光学レンズ１０の本体１００に入射する光線は、前記第二表面１２０から出射され、即ち、前記第二表面１２０は、前記光学レンズ１０の光射出面となる。前記第二表面１２０は、以下の式（３）を満たすように形成される。

その中で、γ_１、…γ_８は、前記第二表面１２０の非球面係数（Ａｓｐｈｅｒｉｃ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓ）であり、且つγ_１、γ_２、γ_５及びγ_６は、前記第二表面１２０の形状の大体な輪廓を決定する肝心な係数であり、その他の非球面係数は、前記第二表面１２０の形状の校正係数である。

前記第二表面１２０の原点（曲面の中心点）Ｂは、前記第二表面１２０と前記円錐状の空洞１１１の錐面１１１２の光軸Ｏ_１との交点である。図２を参照すると、前記原点Ｂを通るＸＺ表面における前記光軸Ｏ_１の両側に位置する第二表面１２０は光軸Ｏ_１に対して対称的に分布するため、前記γ_１及びγ_５の値は同じ範囲となり、前記γ_２及びγ_６の値は同じ範囲となる。本実施形態において、―０．１＜γ_１＜０．１、―０．１＜γ_５＜０．１、−０．０１＜γ_２＜０．０１、―０．０１＜γ_６＜０．０１である。図３を参照すると、前記原点Ｂを通るＹＺ表面における前記光軸Ｏ_１の両側に位置する第二表面１２０は光軸Ｏ_１に対して非対称的に分布し、即ち、原点Ｂを通る前記第二表面１２０の接平面Ｓ１と原点Ｂを通り且つ前記光軸Ｏ_１に直交する平面Ｓ２とが角度θで交差しており、０度＜θ≦１０度であることが好ましい。

Ｚ軸方向に沿う前記円錐状の空洞１１１の錐面１１１２の原点Ａと前記第二表面１２０の原点Ｂとの間の垂直距離ｄは、光学レンズ１０の厚さである。その中、前記厚さｄは実際の工業需要に基づいて設定することができる。本実施形態において、ｄ＝４ｍｍである。

前記光学レンズ１０の円錐状の空洞１１１の錐面１１１２及び第二表面１２０は、式（１）及び式（３）でそれぞれ表すことができ、前記光源１０１から出射される光線を校正することができる。即ち、前記円錐状の空洞１１１の錐面１１１２の特定形状によって、前記円錐状の空洞１１１の錐面１１１２から前記本体１００に入射した前記光源１０１からの光線は、前記第二表面１２０の所定の位置に向って出射され、且つ前記第二表面１２０の特定形状によって、前記光線は所定の光路を経て前記第二表面１２０から出射され、長方形のライトフィールドを形成し、従って実際の需要を満たすことができる。本実施形態において、前記円錐状の空洞１１１の錐面１１１２及び前記第二表面１２０のパラメーターは、下記の表１を参照する。

前記光学レンズ１０は、上記の表１に示したパラメーターを採用し、図４に示す光強度の分布図（カンデラ図）及び図５に示すライトフィールドの照度図を形成する。図４において、内輪の点線は、ＸＹ平面のＹ方向（垂直角度、Ｖｅｒｔｉｃａｌａｎｇｌｅ）の光強度分布を表示し、外輪の実線は、ＸＹ平面のＸ方向（平行角度、Ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌａｎｇｌｅ）の光強度分布を表示する。図４及び図５に示されたように、前記光学レンズ１０は、前記光源１０１からの光線を校正して長方形のライトフィールドを形成することができる。

図４を参照すると、前記光学レンズ１０によって、ＸＹ平面のＸ方向で±６０度より大きい輻射角度を形成するため、ＸＹ平面で効果的に光強度の分布を形成する。図５を参照すると、前記光学レンズ１０によってＸＹ平面に形成する光強度の分布は比較的に均一であり、即ち、光強度はライトフィールドの中心から周囲に向って均一に低減する。

以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変形又は修正が可能であり、該変形又は修正も又、本発明の特許請求の範囲内に含まれるものであることは、いうまでもない。

１０ 光学レンズ
１００ 本体
１１ 第一端
１２ 第二端
１１０ 第一表面
１２０ 第二表面
１０１ 光源
１１１ 円錐状の空洞
１１１２ 錐面

Claims (10)

1. 対向する２つ端部を有する長方形本体を備え、
   前記本体は、一端部に形成され且つ円錐状の空洞の錐面を形成する第一表面と他端部に形成され且つ非対称の鞍状非球面を呈する第二表面とを備え、
   前記円錐状の空洞の錐面は、前記円錐状の空洞内に設けられた光源から出射される光線を前記本体に入射させる光入射面であり、前記第二表面は、光出射面であることを特徴とする光学レンズ。
2. 前記第一表面は、下記の式（１）を満たすように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光学レンズ。
   但し、式（１）において、ｒは、前記円錐状の空洞の錐面の光軸に対する半径座標であり、ｚは、前記ｒを変数とする前記円錐状の空洞の錐面のＳＡＧ値であり、ｃは、前記円錐状の空洞の錐面の曲率係数であり、ｋは、前記円錐状の空洞の錐面の円錐係数である。
3. 前記円錐状の空洞の錐面の原点は、前記円錐状の空洞の錐面の前記光軸に位置する中心頂点であり、前記円錐状の空洞の錐面の焦点距離Ｆは、下記の式（２）を満たすことを特徴とする請求項２に記載の光学レンズ。
   但し、式（２）において、Ｎは、前記光学レンズの本体の屈折率であり、ｃは、前記円錐状の空洞の錐面の曲率係数であり、且つ、―５０＜Ｆ＜―０．５である。
4. １／ｃは、−１．４７２５２４であり、ｋは、−３．８８６６２８であることを特徴とする請求項２に記載の光学レンズ。
5. 前記第二表面は、下記の式（３）を満たすように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光学レンズ。
   但し、式（３）において、γ_１、…γ_８は、前記第二表面の非球面係数である。
6. 前記γ_１及びγ_５の値は同じ範囲を有し、前記γ_２及びγ_６の値は同じ範囲を有することを特徴とする請求項５に記載の光学レンズ。
7. ―０．１＜γ_１＜０．１、−０．０１＜γ_２＜０．０１であることを特徴とする請求項６に記載の光学レンズ。
8. 前記円錐状の空洞の錐面の原点は、前記円錐状の空洞の錐面の光軸に位置する中心頂点であり、前記第二表面の原点は、前記第二表面と前記円錐状の空洞の錐面の前記光軸との交点であり、前記第二表面の前記原点を通る前記第二表面の接平面と該原点を通り且つ前記光軸に直交する平面とが角度θで交差していることを特徴とする請求項５に記載の光学レンズ。
9. 角度θは、０度より大きく且つ１０度以下であることを特徴とする請求項８に記載の光学レンズ。
10. γ_１は、１．８４２２Ｅ−０３であり、γ_２は、３．４５１６Ｅ−０４であり、γ_３は、４．２８３２Ｅ−０７であり、γ_４は、１．３５３０Ｅ−０９であり、γ_５は、−６．７５１５Ｅ−０２であり、γ_６は、５．７７９４Ｅ−０４であり、γ_７は、−１．３９００Ｅ−０５であり、γ_８は、−４．９５３４Ｅ−０８であることを特徴とする請求項５に光学レンズ。