JP2011141503A - レンズ部材及び光学ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】 実質的な発光面積が大きい光源を採用しても高い集光性が得られるレンズ部材及び光学ユニットを提供する。
【解決手段】 光源２に対向配置され中心軸から半径方向外方に向かって漸次厚くなり光源２に対向する入射面から入射された光源２の光を入射面１１ａの反対面で半径方向外方へ屈折させて出射する楔状レンズ部１１と、楔状レンズ部１１の外周に設けられ楔状レンズ部１１から出射された光源２の光を内周面１２ｃから入射させて外周面１２ａで出射面１２ｂ側に全反射させる内部全反射レンズ部１２と、を有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えばＬＥＤ照明等に用いられるレンズ部材及び光学ユニットに関する。

一般に、照明、プロジェクター、フラッシュ、自動車等のヘッドライト及びテールランプ等のＬＥＤを光源として用いたＬＥＤ光学製品や、狭指向性ＬＥＤ等の基礎光デバイス等には、ＬＥＤから出射された光を集光又はコリメートさせるレンズが使用されている。
このようなレンズは、通常、凸状の屈折レンズが使用されているが、図１４に示すように、より集光性に優れたレンズとして、光源２から入射された光を外周面１ａで上面へ全反射させるＴＩＲ（内部全反射）レンズ１などが採用されている。

また、低背化・薄型化を図るためにフレネルレンズを採用したＴＩＲレンズも提案されている。例えば、特許文献１には、内面の光軸近傍の中央部に格子状屈折系プリズム部を形成すると共に、該格子状屈折系プリズム部の周辺部に格子状反射系プリズム部が形成された灯具のレンズが提案されている。また、特許文献２には、入射面であるフレネルレンズ面のプリズムのうちの一部を、入射した光線の一部が非レンズ面で全反射したのち出射面へ出射するように形成したフレネルレンズが提案されている。さらに、特許文献３には、レンズ体を光軸の中心部に設けた屈折レンズ部と、反射体部とから構成され、反射体部が、内側の面部から光線を入射させると共に放物面状をなす反射面で全反射して平行光線に変換する光学装置が提案されている。

特開昭５７−５５００２号公報 特開昭５９−１１９３４０号公報 特開平５−２８１４０２号公報

しかしながら、上記従来の技術には、以下の課題が残されている。
すなわち、上記従来のＴＩＲレンズでは、図１４に示すように、光源２の発光面に対して垂直に近い角度の入射面１ｂと入射した光を上面の出射面１ｃへ全反射させる角度の反射面（外周面１ａ）とを有しているが、光源２の面積が大きい場合、光源中心からの光（図中の２点鎖線）と光源周辺からの光（図中の１点鎖線）とが同じ反射面に当たったとしても、それらの進む方向の角度差が大きくなるため、集光が難しいという問題があった。特に、光源２として複数のＬＥＤ素子が配列された、いわゆるマルチチップＬＥＤを採用した場合には、実質的に発光面積が大きくなり、十分な集光性を得ることが難しく、正面の照度を向上させることが困難であった。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、実質的な発光面積が大きい光源を採用しても高い集光性が得られるレンズ部材及び光学ユニットを提供することを目的とする。

本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、本発明のレンズ部材は、光源に対向配置され中心軸から半径方向外方に向かって漸次厚くなり前記光源に対向する入射面から入射された前記光源の光を前記入射面の反対面で半径方向外方へ屈折させて出射する楔状レンズ部と、該楔状レンズ部の外周に設けられ前記楔状レンズ部から出射された前記光源の光を内周面から入射させて外周面で出射面側に全反射させる内部全反射レンズ部と、を有していることを特徴とする。

このレンズ部材では、楔状レンズ部における光源に対向する入射面から入射された光源の光を入射面の反対面で半径方向外方へ屈折（特に臨界角近くに屈折）させて出射した後、楔状レンズ部から出射された光源の光を内部全反射レンズ部における内周面から入射させて外周面で出射面側に全反射させ、光線方向の制御を行う。すなわち、このレンズ部材では、光源からの光のうち特に発光部中心と周辺との位置差が出やすく、かつ、光束量が多い角度（中心軸に対する角度が例えば５５°くらい）の光を一度、楔状レンズ部で屈折させてから内部全反射レンズ部に入射させて指向性を制御するので、光源の発光部面積が大きくても薄型で集光性の狭い光束を得ることができる。したがって、集光性が高くなって正面の照度が高くなると共に、光源を擬似的に小さく見ることになり、光源の色ムラを緩和することができる。

また、本発明のレンズ部材は、前記楔状レンズ部の外周側であって前記内部全反射レンズ部の出射面の反対側に設けられ、入射された前記光源の光を前記内部全反射レンズ部の出射面側へ反射させる複数のプリズム部からなるフレネルレンズ部を有していることを特徴とする。
すなわち、このレンズ部材では、入射された光源の光を内部全反射レンズ部の出射面側へ反射させる複数のプリズム部からなるフレネルレンズ部を有しているので、光源からの光のうち角度がきつい光（例えば中心軸に対して角度９０°付近の光）についてはフレネルレンズ部で集光することで、より指向性を高めることができる。

さらに、本発明のレンズ部材は、前記フレネルレンズ部が、前記光源に対向配置される仮想レンズの入射面を前記光源の光軸を中心とした複数の同心円状の分割領域に分割してこれらに対応した屈折角の異なる複数の前記プリズム部からなり、前記仮想レンズが、前記光軸の周囲に配され前記光源からの光を内部に入射させる凹状レンズ部と、該凹状レンズ部の周囲に配され前記凹状レンズ部から入射された光を表面で出射面側へ全反射させる凸状レンズ部と、を有し、前記プリズム部が、前記凹状レンズ部の分割領域に対応したプリズム入射面と該分割領域から入射された前記光を全反射させる前記凸状レンズ部の分割領域に対応したプリズム反射面とで構成され、前記凸状レンズ部のうち外側の前記分割領域に対応する前記プリズム部ほど内側に配置され、内側の前記分割領域に対応する前記プリズム部ほど外側に配置されて構成されていることを特徴とする。

すなわち、このレンズ部材では、フレネルレンズ部が、凸状レンズ部のうち外側の分割領域に対応するプリズム部ほど内側に配置され、内側の分割領域に対応するプリズム部ほど外側に配置されて構成されているので、光強度の強い内側の光が内側のプリズム部の入射面から入射されると共に該プリズム部の反射面で全反射されることになる。したがって、従来のＴＩＲレンズでは外側で出射していた強い光を、本発明では内側から出射させることができる。これにより、内側から外側に向かって徐々に光度が下がって内側が明るく外側が暗い輝度分布が得られ、リング状のフレアの発生を抑制し、見栄えを改善することができる。
また、互いに対応した入射面と反射面とが稜線を介して連続して各プリズム部を構成しているので、入射面から入射された光が全て反射面に到達して全反射され、光の利用効率を飛躍的に向上させることができる。
なお、フレネルレンズ部においてフレネル化する際に分割数を多くすることで、より集光性を高めることも可能である。

また、本発明のレンズ部材は、前記楔状レンズ部の出射面に対向して設けられ、前記楔状レンズ部を透過して入射された前記光源の光を集光して出射する集光レンズ部を有していることを特徴とする。
すなわち、このレンズ部材では、楔状レンズ部を透過して入射された光源の光を集光して出射する集光レンズ部を有しているので、楔状レンズ部を透過して内部全反射レンズ部に入射されない光が集光レンズ部でさらに集光されることで、集光性と光の利用効率とをより高めることができる。

本発明の光学ユニットは、ＬＥＤである光源と、上記本発明のレンズ部材と、を備えていることを特徴とする。
すなわち、この光学ユニットでは、ＬＥＤである光源に対向配置された上記本発明のレンズ部材を備えているので、ＬＥＤから出射された光の集光性および利用効率が高い良好な照明、プロジェクター、フラッシュ、自動車のヘッドランプ・テールランプ等のＬＥＤ光学製品などを得ることができる。

また、本発明の光学ユニットは、前記光源が、複数のＬＥＤ素子を配列したものであることを特徴とする。
すなわち、この光学ユニットでは、光源が、複数のＬＥＤ素子を配列したものであるので、複数の発光点を有して発光部の実質的な面積が大きい、いわゆるマルチチップＬＥＤを光源として狭い指向性で良好に集光させることができる。

本発明によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明に係るレンズ部材及び光学ユニットによれば、発光部中心と周辺との位置差が出やすく、かつ、光束量が多い角度の入射光を一度、楔状レンズ部で屈折させてから内部全反射レンズ部に入射させて指向性を制御するので、発光部面積が大きい光源でも集光性が高くなって正面の照度が高くなると共に、光源の色ムラを緩和することができる。

本発明に係るレンズ部材及び光学ユニットの第１実施形態において、レンズ部材を示す断面図である。 第１実施形態において、レンズ部材を示す斜視図である。 第１実施形態において、光源を示す断面図である。 第１実施形態において、光源を示す平面図である。 第１実施形態において、光学ユニットを示す断面図である。 第１実施形態において、光学ユニットを示す斜視図である。 第１実施形態のレンズ部材および従来例における指向性を示すグラフである。 本発明に係るレンズ部材及び光学ユニットの第２実施形態において、レンズ部材を示す断面図である。 第２実施形態において、フレネルレンズ部が対応する仮想レンズの原理説明図である。 第２実施形態において、フレネルレンズ部の原理説明図である。 本発明に係るレンズ部材及び光学ユニットの第３実施形態において、レンズ部材を示す断面図である。 第３実施形態のレンズ部材および比較例における指向性を示すグラフである。 本発明に係るレンズ部材及び光学ユニットの比較例において、レンズ部材を示す断面図である。 本発明に係るレンズ部材及び光学ユニットの従来例において、レンズ部材を示す断面図である。

以下、本発明に係るレンズ部材及び光学ユニットの第１実施形態を、図１から図７に基づいて説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能な大きさとするために縮尺を適宜変更している。

本実施形態におけるレンズ部材１０は、図１および図２に示すように、光源２に対向配置され中心軸（光軸ＡＸに一致）から半径方向外方に向かって漸次厚くなり光源２に対向する入射面１１ａから入射された光源２の光を入射面１１ａの反対面（出射面１１ｂ）で半径方向外方へ屈折させて出射する楔状レンズ部１１と、該楔状レンズ部１１の外周に設けられ楔状レンズ部１１から出射された光源２の光を内周面１２ｃから入射させて外周面１２ａで出射面１２ｂ側に全反射させる内部全反射レンズ部１２と、を有している。
なお、このレンズ部材１０は、例えばアクリル樹脂などの光透過性材料で一体成形されたものである。

このレンズ部材１０では、楔状レンズ部１１の上方かつ内部全反射レンズ部１２の内側が円形の穴状となっており、その底部、すなわち楔状レンズ部１１の出射面１１ｂ（上面）が中心軸を中心にした逆円錐状となっている。なお、楔状レンズ部１１は、中心軸から半径方向外方に向かって漸次厚くなり、断面形状が互いに先端が向かい合った楔状とされている。
上記内部全反射レンズ部１２は、円環状に形成され、その外周面１２ａは、平面又は放物面・双曲面・楕円面などの２次曲面で構成された反射面とされている。

上記光源２は、図３および図４に示すように、アルミ材などによって形成された熱伝導性を有する基台１０２と、該基台１０２の表面に固着される薄板状の絶縁板１１０と、基台１０２の表面に実装される複数のＬＥＤ素子２ａとダム材１１４などによって構成される。絶縁板１１０は、ＢＴレジンやガラスエポキシ材などによって成るプリント基板であり、表面の大部分を覆う銅箔などによる二つの導電パターン１１１ａ、１１１ｂを有している。この二つの導電パターン１１１ａ、１１１ｂは、対角の角部付近に外部と接続して駆動電圧の供給を受ける電極端子１１２ａ、１１２ｂを備えている。

また、ダム材１１４は薄いリング状で、シリコーンに酸化チタンを混合した成分であり、絶縁板１１０の略中央の表面に固着される。このダム材１１４の内側の絶縁板１１０に、略長方形状の三つの貫通穴１１３ａ、１１３ｂ、１１３ｃが並んで設けられ、この貫通穴によって露出した基台１０２の表面にＬＥＤ素子２ａが直接実装される。このダム材１１４の内側の円形領域でＬＥＤ素子２ａが発光するので、この円形領域が発光領域１１６となる。

また、ダム材１１４の内側、すなわち発光領域１１６はＬＥＤ素子２ａ等を封止する封止部材１１５が充填され硬化している。この封止部材１１５は、ＬＥＤ素子２ａの発光を外部に出射するために透光性を有している。なお、図中のダム材１１４は、透過して記載している。また、ダム材１１４の内径は一例として約１１ｍｍであり、従って、発光領域１１６の直径は約１１ｍｍとなる。
なお、絶縁板１１０の表面には、電極端子１１２ａ、１１２ｂと発光領域１１６以外の領域で図示しない白色レジストが塗布されている。

三つの貫通穴１１３ａ、１１３ｂ、１１３ｃによって基台１０２の表面が露出し、三つの実装領域１１７ａ、１１７ｂ、１１７ｃがそれぞれ略長方形状に形成されている。
また、発光領域１１６内には、導電パターン１１１ａ、１１１ｂの一部が形成されて、貫通穴１１３ａ、１１３ｃの近傍をそれぞれ覆っている。また、貫通穴１１３ａと１１３ｂの隙間には、独立した導電パターン１１８ａが形成され、貫通穴１１３ｂと１１３ｃの隙間には、独立した導電パターン１１８ｂが形成されている。

また、複数のＬＥＤ素子２ａは、図示するように、基台１０２の表面が露出した実装領域１１７ａ、１１７ｂ、１１７ｃに実装されるが、各実装領域１１７ａ、１１７ｂ、１１７ｃには、２個ずつ直列に８列のＬＥＤ素子２ａが導電性接着剤等によって固着されて実装されている。
すなわち、各実装領域１１７ａ、１１７ｂ、１１７ｃには、それぞれ１６個ずつのＬＥＤ素子２ａが実装され、合計４８個のＬＥＤ素子が実装されている。

次に各ＬＥＤ素子２ａの接続を説明する。各実装領域１１７ａ、１１７ｂ、１１７ｃに実装されるＬＥＤ素子２ａは、すべて同一方向に電極を配して実装されている。そして、すべてのＬＥＤ素子２ａは、ワイヤボンダによって金属細線であるワイヤ１１９で電気的に接続される。

ここで、実装領域１１７ａの導電パターン１１１ａ側に実装される８個のＬＥＤ素子２ａは、そのアノード端子がワイヤ１１９によって導電パターン１１１ａと電気的にそれぞれ接続される。また、このアノード端子が接続された８個のＬＥＤ素子２ａのカソード端子と実装領域１１７ａの導電パターン１１８ａ側に実装される８個のＬＥＤ素子２ａのアノード端子は、ワイヤ１１９によってそれぞれ直接接続される。また、アノード端子が接続された導電パターン１１８ａ側の８個のＬＥＤ素子２ａのカソード端子は、ワイヤ１１９によって独立した導電パターン１１８ａにそれぞれ接続される。

また、実装領域１１７ｂの導電パターン１１８ａ側に実装される８個のＬＥＤ素子２ａは、アノード端子がワイヤ１１９によって導電パターン１１８ａと電気的に接続される。また、このアノード端子が接続されたＬＥＤ素子２ａのカソード端子と導電パターン１１８ｂ側に実装されるＬＥＤ素子２ａのアノード端子は、ワイヤ１１９によってそれぞれ直接接続される。また、アノード端子が接続された導電パターン１１８ｂ側のＬＥＤ素子２ａのカソード端子は、ワイヤ１１９によって独立した導電パターン１１８ｂに接続される。

また、実装領域１１７ｃの導電パターン１１８ｂ側に実装される８個のＬＥＤ素子２ａは、アノード端子がワイヤ１１９によって導電パターン１１８ｂと電気的に接続される。また、このアノード端子が接続されたＬＥＤ素子２ａのカソード端子と導電パターン１１１ｂ側に実装されるＬＥＤ素子２ａのアノード端子は、ワイヤ１１９によってそれぞれ直接接続される。また、アノード端子が接続された導電パターン１１１ｂ側のＬＥＤ素子２ａのカソード端子は、ワイヤ１１９によって導電パターン１１１ｂに接続される。

なお、符号ＥＳＤはＬＥＤ素子２ａを静電気等から保護するためのＥＳＤ素子（Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｓｔａｔｉｃ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ素子）であり、ツェナーダイオードによって構成され、導電パターン１１１ａと導電パターン１１１ｂとの間に接続される。

このように、この光源２では、直径約１１ｍｍの円形の狭い発光領域１１６に多数のＬＥＤ素子２ａを実装しているので、狭い発光エリアであるにも係わらず強い光量を得ることができ、ルーメンデンシティの高い光源を得ることができる。また、狭い発光領域１１６に多数のＬＥＤ素子２ａを実装できるのは、前述したように隣り合わせのＬＥＤ素子２ａをワイヤ１１９によって直接ワイヤリングし、直列接続しているからである。

次に、本実施形態のレンズ部材１０において、光源２からの光の入射及び出射について説明する。

例えば、図１に示すように、楔状レンズ部１１における光源２に対向する入射面１１ａから入射された光源２の光を入射面１１ａの反対面（出射面１１ｂ）で半径方向外方へ臨界角近くに屈折させて出射した後、楔状レンズ部１１から出射された光源２の光を内部全反射レンズ部１２における内周面１２ｃから入射させて外周面１２ａで出射面１２ｂ側に全反射させ、光線方向の制御を行う。

すなわち、このレンズ部材１０では、光源２からの光のうち特に発光部中心と周辺との位置差が出やすく、かつ、光束量が多い角度（中心軸に対する角度が例えば５５°くらい）の光を一度、楔状レンズ部１１で屈折させてから内部全反射レンズ部１２に入射させて指向性を制御する。

次に、本実施形態の光学ユニット１２０は、図５及び図６に示すように、ＬＥＤである上記光源２と、上記レンズ部材１０と、これらを収納する筐体１２１と、を備えている。
上記筐体１２１は、上面部の中央に光源２が設置された半球状部１２２と、レンズ部材１０を収納していると共に半球状部１２２の上面部に設置される略円筒状のレンズ支持枠部１２３と、を備えている。該レンズ支持枠部１２３は、互いに中心軸を合わせてレンズ部材１０を光源２に対向状態にし、半球状部１２２の上面部に設置される。

次に、本実施形態のレンズ部材１０を用いた場合の指向性を測定した結果を図７に示す（図中の実施例）。なお、図１４に示した従来例についても同様に指向性を測定した結果を図７に併せて示す。この指向性の測定結果からわかるように、従来例では半値幅が２０°（±１０°）で集光されているのに対し、本実施形態のレンズ部材１０では、半値幅が１０°（±５°）の狭い指向性で集光されている。

上述したように本実施形態のレンズ部材１０では、光源２に対向する入射面１１ａから入射された光を入射面１１ａの反対面（出射面１１ｂ）で半径方向外方へ屈折させて出射する楔状レンズ部１１と、該楔状レンズ部１１から出射された光を入射面１２ｃから入射させて外周面１２ａで出射面１２ｂ側に全反射させる内部全反射レンズ部１２と、を有しているので、光源２の発光部面積が大きくても薄型で集光性の狭い光束を得ることができる。したがって、集光性が高くなって正面の照度が高くなると共に、光源２を擬似的に小さく見ることになり、光源の色ムラを緩和することができる。

また、本実施形態の光学ユニット１２０では、ＬＥＤである光源２に対向配置された上記レンズ部材１０を備えているので、ＬＥＤから出射された光の集光性および利用効率が高い良好な照明、プロジェクター、フラッシュ、自動車のヘッドランプ・テールランプ等のＬＥＤ光学製品などを得ることができる。
特に、光源２が、複数のＬＥＤ素子２ａを配列したものであるので、複数の発光点を有して発光部の実質的な面積が大きい、いわゆるマルチチップＬＥＤを光源として狭い指向性で良好に集光させることができる。

次に、本発明に係るレンズ部材及び光学ユニットの第２および第３実施形態について、図８から図１３を参照して以下に説明する。なお、以下の各実施形態の説明において、上記実施形態において説明した同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明は省略する。

第２実施形態と第１実施形態との異なる点は、第１実施形態では、内部全反射レンズ部１２の光源２側の面は単なる平坦面であるのに対し、第２実施形態のレンズ部材２０では、図８に示すように、内部全反射レンズ部１２の光源２側の面に複数のプリズム部１３Ｂ，１３Ｃからなるフレネルレンズ部１４を有している点である。すなわち、第２実施形態のレンズ部材２０では、楔状レンズ部１１の外周側であって内部全反射レンズ部１２の出射面１２ｂの反対側に設けられ、入射された光源２の光を内部全反射レンズ部１２の出射面１２ｂ側へ反射させる複数のプリズム部１３Ｂ，１３Ｃからなるフレネルレンズ部１４を有している。なお、図８では、楔状レンズ部１１に入射される光の光線は、二点鎖線で示しており、フレネルレンズ部１４に入射される光の光線は、破線で示している。

上記フレネルレンズ部１４は、図９および図１０に示すように、光源２に対向配置される仮想レンズ１４０の入射面を光源２の光軸ＡＸを中心とした複数の同心円状の分割領域に分割してこれらに対応した屈折角の異なる複数の上記プリズム部１３Ｂ，１３Ｃからなる。
上記仮想レンズ１４０は、光軸ＡＸの周囲に配され光源２からの光を内部に入射させる凹状レンズ部１４３と、該凹状レンズ部１４３の周囲に配され凹状レンズ部１４３から入射された光を表面で出射面側へ全反射させる凸状レンズ部１４４と、を有している。

上記プリズム部１３Ｂ，１３Ｃは、凹状レンズ部１４３の分割領域に対応したプリズム入射面１３ａと該分割領域から入射された光を全反射させる凸状レンズ部１４４の分割領域に対応したプリズム反射面１３ｂとで構成されている。そして、凸状レンズ部１４４のうち外側の分割領域に対応するプリズム部ほど内側に配置され、内側の分割領域に対応するプリズム部ほど外側に配置されて構成されている。

なお、凹状レンズ部１４３は、内側から分割領域１４３ａ，１４３ｂ，１４３ｃの順に分割されている。また、凸状レンズ部１４４は、内側から分割領域１４４ｃ，１４４ｂ，１４４ａの順に分割されている。
本実施形態では、凹状レンズ部１４３の分割領域のうち中央部の分割領域１４３ａを除いた分割領域１４３ｂ，１４３ｃおよびこれに対応する分割領域１４４ｂ、１４４ｃに相当する部分が、フレネルレンズ部１４に反映される。

すなわち、図９及び図１０に示すように、仮想レンズ１４０の凹状レンズ部１４３の分割領域のうち外側の分割領域１４３ｂと該分割領域１４３ｂから入射した光が全反射される凸状レンズ部１４４の分割領域のうち分割領域１４４ｂとは、本実施形態のフレネルレンズ部１４におけるプリズム部のうち内側のプリズム部１３Ｂのプリズム入射面１３ａとプリズム部１３Ｂのプリズム反射面１３ｂとに相当する。

また、仮想レンズ１４０の凹状レンズ部１４３において凸状レンズ部１４４に近い外側の分割領域１４３ｃと該分割領域１４３ｃから入射した光が全反射される凸状レンズ部１４４の分割領域のうち内側の分割領域１４４ｃとは、本実施形態のフレネルレンズ部１４におけるプリズム部のうち外側のプリズム部１３Ｃのプリズム入射面１３ａおよびプリズム部１３Ｃのプリズム反射面１３ｂとに相当する。

このように上記フレネルレンズ部１４は、凸状レンズ部１４４のうち外側の分割領域に対応するプリズム部ほど内側に配置され、内側の分割領域に対応するプリズム部ほど外側に配置されて構成されている。したがって、各プリズム部は、光源２との相対的な位置によって頂角が変化している。
なお、上記プリズム入射面１３ａおよびプリズム反射面１３ｂは、平面又は放物面・双曲面・楕円面などの２次曲面で構成されているが、加工性を考慮すると平面で構成されることが好ましい。 また、上記プリズム入射面１３ａは、光軸ＡＸに対して傾斜して光源２側に向けられている。

次に、本実施形態のレンズ部材２０におけるフレネルレンズ部１４において、光源２からの光の入射及び出射について説明する。

例えば、図９に示す仮想レンズ１４０では、光源２から光軸ＡＸに対してやや斜め方向に出射された比較的光強度の強い光Ｌ２は、内側の凹状レンズ部１４３の入射面（分割領域１４３ｂ）から入射されると共に凸状レンズ部１４４の反射面（分割領域１４４ｂ）で全反射され、出射面内の外側領域から出射される。
これに対して本実施形態のレンズ部材２０におけるフレネルレンズ部１４では、図１０に示すように、光源２から光軸ＡＸに対してやや斜め方向に出射された比較的光強度の強い光Ｌ２は、内側のプリズム部１３Ｂのプリズム入射面１３ａから入射されると共に該プリズム部１３Ｂのプリズム反射面１３ｂで全反射され、出射面１２ｂの内側から出射される。

さらに、仮想レンズ１４０では、光源２から光軸ＡＸに対して大きく斜め方向に出射された比較的光強度の弱い光Ｌ３は、内側の凹状レンズ部１４３の入射面（分割領域１４３ｃ）から入射されると共に凸状レンズ部１４４の内側の反射面（分割領域１４４ｃ）で全反射され、出射面内の中央部周囲から出射される。
これに対して本実施形態のレンズ部材２０では、光源２から光軸ＡＸに対して大きく斜め方向に出射された比較的光強度の弱い光Ｌ３は、外側のプリズム部１３Ｃのプリズム入射面１３ａから入射されると共に該プリズム部１３Ｃのプリズム反射面１３ｂで全反射され、出射面の外縁部近傍から出射される。

上述したように本実施形態のレンズ部材２０では、フレネルレンズ部１４が、凸状レンズ部１４４のうち外側の分割領域に対応するプリズム部ほど内側に配置され、内側の分割領域に対応するプリズム部ほど外側に配置されて構成されているので、光強度の強い内側の光が内側のプリズム部のプリズム入射面１３ａから入射されると共に該プリズム部のプリズム反射面１３ｂで全反射されることになる。

したがって、従来のＴＩＲレンズやフレネルレンズでは外側で出射していた強い光を、本実施形態のレンズ部材２０のフレネルレンズ部１４では内側から出射させることができる。
また、互いに対応した入射面と反射面とが稜線を介して連続して各プリズム部を構成しているので、プリズム入射面１３ａから入射された光が全てプリズム反射面１３ｂに到達して全反射され、光の利用効率を飛躍的に向上させることができる。
なお、フレネルレンズ部１４においてフレネル化する際に分割数を多くすることで、より集光性を高めることも可能である。

また、プリズム反射面１３ｂが、平面で構成されているので、加工が非常に容易になり、安価に作製することができる。
さらに、プリズム入射面１３ａが、光軸ＡＸに対して傾斜して光源２側に向けられているので、光が入射し易いと共に、プリズム入射面１３ａと光軸ＡＸとが平行でないため、成形する際に離型性を向上させることができ、品質の良いレンズ部材２０を得ることができる。

次に、第３実施形態と第２実施形態との異なる点は、第２実施形態では、楔状レンズ部１１の出射面上方が空洞になって開口しているのに対し、第３実施形態のレンズ部材３０では、図１１に示すように、楔状レンズ部１１の出射面１１ｂに対向して設けられ、楔状レンズ部１１を透過して入射された光源２の光を集光して出射する集光レンズ部３３を有している点である。なお、この集光レンズ部３３は、別体に製作して楔状レンズ部１１上の穴内に嵌め込んで設置する。

上記集光レンズ部３３は、中央の光軸ＡＸ上に配されて入射する光を集光する中央凸レンズ部３４と、該中央凸レンズ部３４の周囲に、上述したフレネルレンズ部１４と同様の方式で形成されたフレネルレンズ集光部３５と、を有している。すなわち、集光レンズ部３３は、円環状のフレネルレンズ集光部３５の中央に中央凸レンズ部３４が設けられて構成されている。この中央凸レンズ部３４は、例えば非球面で構成された凸状の屈折レンズである。なお、図１１では、楔状レンズ部１１に入射され内部全反射レンズ部１２に入射される光の光線は、二点鎖線で示しており、フレネルレンズ部１４に入射される光の光線は、破線で示している。また、集光レンズ部３３に入射される光の光線は、一点鎖線で示している。

このように第３実施形態のレンズ部材３０では、楔状レンズ部１１を透過して入射された光源２の光を集光して出射する集光レンズ部３３を有しているので、楔状レンズ部１１を透過した内部全反射レンズ部１２に入射されない穴内の光が集光レンズ部３３でさらに集光されることで、集光性と光の利用効率とをより高めることができる。

なお、第３実施形態では、集光レンズ部３３を、下方に非球面凸状となった中央凸レンズ部３４と下方に突出したフレネルレンズ集光部３５とで構成しているが、これら以外に、例えば上方に凸状となった凸レンズ部、下方に凸状となった凸レンズ部、上面または下面に形成された従来のフレネルレンズなどの一つ又は複数を組み合わせて集光レンズ部を構成しても構わない。

次に、第３実施形態のレンズ部材３０を用いた場合の指向性を測定した結果を、図１２に示す（図中の実施例３）。なお、比較のため、図１３に示すように、楔状レンズ部１１がなく、光源２側の入射面全体が、上記フレネルレンズ部１４で構成された比較例のレンズ部材２００についても同様に指向性を測定した結果を、図１２に併せて示す。この比較例のレンズ部材２００は、仮想レンズ１４０の凹状レンズ部１４３の中央部の分割領域１４３ａとこれに対応する凸状レンズ部１４４の分割領域１４４ａとに相当するプリズム部１３Ａが中央部に設けられて入射面全体にフレネルレンズ部１４が形成されている。
この指向性の測定結果からわかるように、比較例のレンズ部材２００では指向性が広くなって集光性が低いのに対し、第３実施形態のレンズ部材３０では、指向性が狭く、集光性が向上して正面照度が高くなっている。

このように第３実施形態のレンズ部材３０では、楔状レンズ部１１を透過して入射された光源２の光を集光して出射する集光レンズ部３３を有しているので、楔状レンズ部１１を透過した中心軸に対して角度の小さい光が集光レンズ部３３でさらに集光されることで、集光性と光の利用効率とをより高めることができる。

なお、本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることができる。

２…光源、２ａ…ＬＥＤ素子、１，１０，２０，３０，２００…レンズ部材、１１…楔状レンズ部、１２…内部全反射レンズ部、１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ…プリズム部、１３ａ…プリズム入射面、１３ｂ…プリズム反射面、１４…フレネルレンズ部、３３…集光レンズ部、１２０…光学ユニット、１４０…仮想レンズ、１４３…凹状レンズ部、１４３ａ，１４３ｂ，１４３ｃ…凹状レンズ部の分割領域、１４４…凸状レンズ部、１４４ａ，１４４ｂ，１４４ｃ…凸状レンズ部の分割領域、ＡＸ…光源の光軸

Claims (6)

1. 光源に対向配置され中心軸から半径方向外方に向かって漸次厚くなり前記光源に対向する入射面から入射された前記光源の光を前記入射面の反対面で半径方向外方へ屈折させて出射する楔状レンズ部と、
   該楔状レンズ部の外周に設けられ前記楔状レンズ部から出射された前記光源の光を内周面から入射させて外周面で出射面側に全反射させる内部全反射レンズ部と、を有していることを特徴とするレンズ部材。
2. 請求項１に記載のレンズ部材において、
   前記楔状レンズ部の外周側であって前記内部全反射レンズ部の出射面の反対側に設けられ、入射された前記光源の光を前記内部全反射レンズ部の出射面側へ反射させる複数のプリズム部からなるフレネルレンズ部を有していることを特徴とするレンズ部材。
3. 請求項１または２に記載のレンズ部材において、
   前記楔状レンズ部の出射面に対向して設けられ、前記楔状レンズ部を透過して入射された前記光源の光を集光して出射する集光レンズ部を有していることを特徴とするレンズ部材。
4. 請求項２に記載のレンズ部材において、
   前記フレネルレンズ部が、
   前記光源に対向配置される仮想レンズの入射面を前記光源の光軸を中心とした複数の同心円状の分割領域に分割してこれらに対応した屈折角の異なる複数の前記プリズム部からなり、
   前記仮想レンズが、前記光軸の周囲に配され前記光源からの光を内部に入射させる凹状レンズ部と、該凹状レンズ部の周囲に配され前記凹状レンズ部から入射された光を表面で出射面側へ全反射させる凸状レンズ部と、を有し、
   前記プリズム部が、前記凹状レンズ部の分割領域に対応したプリズム入射面と該分割領域から入射された前記光を全反射させる前記凸状レンズ部の分割領域に対応したプリズム反射面とで構成され、
   前記凸状レンズ部のうち外側の前記分割領域に対応する前記プリズム部ほど内側に配置され、内側の前記分割領域に対応する前記プリズム部ほど外側に配置されて構成されていることを特徴とするレンズ部材。
5. ＬＥＤである光源と、
   請求項１から４のいずれか一項に記載のレンズ部材と、を備えていることを特徴とする光学ユニット。
6. 請求項５に記載の光学ユニットにおいて、
   前記光源が、複数のＬＥＤ素子を配列したものであることを特徴とする光学ユニット。