JP2013069620A - 多点出射型レンズ及びこれを用いたレンズアレイ - Google Patents

Abstract

【課題】１個のＬＥＤ素子及びレンズの一体光源では、出射領域は拡大するも、輝度分布の不均一のために、原稿等の照度分布むらの解消は未だ不充分であった。
【解決手段】多点出射型レンズは、凸状入射面１１１、直線状入射面１１２及び凸状全反射面１１３よりなる入光部１１と、出光部１２とを有する。出光部１２は、四角形の出射面１２１ａを上面に全反射面１２１ｂを側面に有する四角錐型レンズステップ１２１を多数規則的に配置たとえば格子状に配置することにより構成されている。この結果、入光部１１から入射した光軸Ｘに平行な光は出射面１２１ａより直接出射しあるいは全反射面１２１ｂを反射しながら出射面１２１ａより出射する。
【選択図】 図４

Description

本発明は多点出射型レンズ及びこれを用いたレンズアレイに関する。

最近、原稿読取装置の光源ユニット、ベース照明用の一般光源ユニット及び液晶表示（ＬＣＤ）装置のバックライト用光源ユニットとして、省スペース、低消費電力、高輝度等で有利な複数の出射ダイオード（ＬＥＤ）素子の点状光源を列状（ライン状）もしくは行列状配列した光源ユニットが用いられている。

上述の光源ユニットにおいては、ＬＥＤ素子の光を原稿等に直接入射させると、１個のＬＥＤ素子の輝度分布がそのまま原稿等の照度分布に反映されるので、大きな照度分布むらが発生する。このような照度分布むらを小さくするために、従来の光源ユニットは、ＬＥＤ素子と、ＬＥＤ素子の光を屈折もしくは全反射によって光軸に対して平行光に変換する入光部（入光面）及びこれら平行光を分散拡散させるためのトロイダル状の出光部（出射面）よりなるレンズとを具備する（参照：特許文献１）。このように、ＬＥＤ素子及びレンズを一体とした光源ユニットでは、ＬＥＤ素子単体光源の出射領域より実質的に大きな出射領域を実現して輝度分布を実質的に広げることにより原稿等の照度分布むらを小さくする。尚、特許文献１に記載の光源ユニットは車両用であるが、上述の光源ユニットとしても用いることもできる。

特開２０１０−２２５２２４号公報

しかしながら、上述の従来の光源ユニットにおいては、１個のＬＥＤ素子及びレンズの一体光源の出射領域は拡大するも、輝度分布の不均一のために、原稿等の照度分布むらの解消は未だ不充分であるという課題があった（参照：図１０）。

上述の課題を解決するために、本発明に係る多点出射型レンズは、入射された光を光軸に対して平行にさせる入光部と、出射面を上面に全反射面を側面に有し、先端が根元より細くなったレンズステップを複数個規則的にたとえば格子状に配置した出光部とを具備するものである。これにより、複数のレンズステップの出射領域は規則的にたとえば格子状に配置された複数の擬似光源として作用することができる。

また、本発明に係るレンズアレイは、上述の多点出射型レンズを複数個ライン状もしくは行列状に配置したものである。ライン状に配置したレンズアレイは原稿読取装置用光源ユニット等として、行列状に配置したレンズアレイはベース照明用の一般光源ユニットもしくはＬＣＤ装置の直下型バックライト用光源ユニットとして用いることができる。

本発明によれば、複数のレンズステップの出射領域が規則的に配置されているので、輝度分布は全体的に均一となり、この結果、原稿等の照度分布むらを解消できる。

本発明に係る多点出射型レンズの第１の実施の形態を示し、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は（Ａ）の底面図、（Ｃ）は（Ａ）の上面図、（Ｄ）は（Ａ）のＤ−Ｄ線断面図である。 図１の出光部の拡大斜視図である。 図２の出光部の出射面、全反射面の形状を説明する図である。 図１の多点出射型レンズを用いた光源ユニットの断面図である。 図４の光源ユニットの出射状態を示し、（Ａ）は出射領域、（Ｂ）は相対輝度分布を示す。 本発明に係る多点出射型レンズの第２の実施の形態を示し、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は（Ａ）の底面図、（Ｃ）は（Ａ）の上面図、（Ｄ）は（Ａ）のＤ−Ｄ線断面図である。 図６の出光部の拡大斜視図である。 図６の多点出射型レンズを用いた光源ユニットの断面図である。 図８の光源ユニットの出射状態を示し、（Ａ）は出射領域、（Ｂ）は相対輝度分布を示す。 従来の光源ユニットの出射状態を示し、（Ａ）は出射領域、（Ｂ）は相対輝度分布を示す。 図６の多点出射型レンズをライン状に配置したレンズアレイを示す斜視図である。 図１１のレンズアレイの変更例を示す斜視図である。 図６の多点出射型レンズを行列状に配置したレンズアレイを示す斜視図である。 図１３のレンズアレイの変更例を示す斜視図である。

図１は本発明に係る多点出射型レンズの第１の実施の形態を示し、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は（Ａ）の底面図、（Ｃ）は（Ａ）の上面図、（Ｄ）は（Ａ）のＤ−Ｄ線断面図である。

図１において、多点出射型レンズはアクリル、ポリカーボネート等の透明材料よりなり、凸状入射面１１１、直線状入射面１１２及び凸状全反射面１１３よりなる入光部１１と、出光部１２とを有する。

凸状入射面１１１は光軸Ｘに対して対称な曲線を回転させて形成される凸状面である。凸状入射面１１１は、光軸Ｘ上に置かれたＬＥＤ素子２（図４に図示）からの光を屈折させて光軸Ｘに対して平行となるように、設計されている。

直線状入射面１１２は凸状入射面１１１の外側に複数個たとえば４つ設けられている。直線状入射面１１２は光軸Ｘに平行であり、これにより、多点出射型レンズの高さを抑えることができる。但し、多点出射型レンズの製造時の抜き勾配を考慮すれば、直線状入射面１１２は光軸Ｘに対して２度程度傾けた方がよい。他方、凸状全反射面１１３も複数個たとえば４つ設けられており、各凸状全反射面１１３は直線状入射面１１２の１つに対応し、その外側に設けられている。凸状全反射面１１３は光軸Ｘに対して対称な曲線を回転させて形成される凸状面である。凸状全反射面１１３は、ＬＥＤ素子２（図４に図示）から直線状入射面１１２で屈折して入射した光を全反射させて光軸Ｘに対して平行となるように、設計されている。

このようにて、ＬＥＤ素子２（図４に図示）から入光部１１に入射した光はレンズ内において光軸Ｘに対して平行となる。

尚、図４のＬＥＤ素子２は広角タイプ、狭角タイプのいずれでもよいが、広角タイプが好ましい。

図１の出光部１２は、図２の拡大斜視図に示すごとく、四角形の出射面１２１ａを上面に全反射面１２１ｂを側面に有する四角錐型レンズステップ１２１を多数規則的に配置たとえば格子状に配置することにより構成されている。この結果、図４に示すごとく、入光部１１から入射した光軸Ｘに平行な光は出射面１２１ａより直接出射しあるいは全反射面１２１ｂを反射しながら出射面１２１ａより出射する。

尚、図２の出射面１２１ａは、図３の（Ａ）に示すごとく、平面であっても、図３の（Ｂ）に示すごとく、少し凸状であっても、図３の（Ｃ）に示すごとく、少し凹状であってもよい。また、四角錐型レンズステップ１２１は他の多角錐型とすることができ、この場合には、出射面１２１ａは多角形となる。

図５は図４の光源ユニットが実際の光源として作用する場合の出射状態を示し、（Ａ）は出射領域、（Ｂ）はその相対輝度分布を示す。図５の（Ａ）に示すごとく、多数の出射領域つまり多数の出射面１２１ａが規則的な多数の擬似光源として作用し、この結果、規則的なたとえば格子状の多点出射を実現できる。この場合、図５の（Ｂ）に示すごとく、各出射面１２１ａの輝度がほぼ同一であって全体的に均一であるので、原稿等の照度分布むらを解消できる。

図６は本発明に係る多点出射型レンズの第２の実施の形態を示し、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は（Ａ）の底面図、（Ｃ）は（Ａ）の上面図、（Ｄ）は（Ａ）のＤ−Ｄ線断面図である。

図６において、多点出射型レンズもアクリル、ポリカーボネート等の透明材料よりなり、凸状入射面２１１、直線状入射面２１２及び凸状全反射面２１３よりなる入光部２１と、出光部２２とを有する。

凸状入射面２１１は、図１の凸状入射面１１１と同様に、光軸Ｘに対して対称な曲線を回転させて形成される凸状面である。つまり、凸状入射面２１１も、光軸Ｘ上に置かれたＬＥＤ素子２（図８に図示）からの光を屈折させて光軸Ｘに対して平行となるように、設計されている。

直線状入射面２１２は凸状入射面２１１の外側に１つ設けられている。直線状入射面２１２は光軸Ｘに平行であり、これにより、多点出射型レンズの高さを抑えることができる。但し、多点出射型レンズの製造時の抜き勾配を考慮すれば、直線状入射面２１２も光軸Ｘに対して２度程度傾けた方がよい。他方、凸状全反射面２１３も１つ設けられており、凸状全反射面２１３は直線状入射面２１２に対応し、その外側に設けられている。凸状全反射面２１３も光軸Ｘに対して対称な曲線を回転させて形成される凸状面である。凸状全反射面２１３は、ＬＥＤ素子２（図８に図示）から直線状入射面２１２で屈折して入射した光を全反射させて光軸Ｘに対して平行となるように、設計されている。

このようにて、ＬＥＤ素子２（図８に図示）から入光部２１に入射した光はレンズ内において光軸Ｘに対して平行となる。

図６の出光部２２は、図７の拡大斜視図に示すごとく、円形の出射面２２１ａを上面に全反射面２２１ｂを側面に有する円錐型レンズステップ２２１を多数配置たとえば格子状に配置することにより構成されている。この結果、図８に示すごとく、入光部２１から入射した光軸Ｘに平行な光は出射面２２１ａより直接出射しあるいは全反射面２２１ｂを反射しながら出射面２２１ａより出射する。

尚、図７の出射面２２１ａも、図３の場合と同様に、平面であっても、少し凸状であっても、少し凹状であってもよい。

上述の第２の実施の形態においては、図８に示すごとく、ＬＥＤ素子２からの光が入光部２１により多く入射させるためには、直線状入射面２１２を長くする必要がある。この結果、第２の実施の形態の多点出射型レンズは第１の実施の形態の多点出射型レンズに比較して厚くなる。

図９は図８の光源ユニットが実際の光源として作用する場合の出射状態を示し、（Ａ）は出射領域、（Ｂ）はその相対輝度分布を示す。図９の（Ａ）に示すごとく、多数の出射領域つまり多数の出射面２２１ａが規則的な多数の擬似光源として作用し、この結果、規則的なたとえば格子状の多点出射を実現できる。この場合、図９の（Ｂ）に示すごとく、各出射面２２１ａの輝度がほぼ同一であって全体的に均一であるので、原稿等の照度分布むらを解消できる。

尚、第１の実施の形態の出光部１２は四角錐型レンズステップを用い、第２の実施の形態の出光部２２は円錐型レンズステップを用いているが、逆に、第１の実施の形態の出光部１２が円錐型レンズステップを用い、第２の実施の形態の出光部２２から四角錐型レンズステップを用いてもよい。

尚、参考として、図１０は従来の光源ユニットが実際の光源として作用する場合の出射状態を示し、（Ａ）は出射領域、（Ｂ）はその相対輝度分布を示す。図１０の（Ａ）に示すごとく、ＬＥＤ素子及びレンズを一体化した従来の光源ユニットの出射領域はＬＥＤ素子単体の出射領域より大きい光源として作用する。しかしながら、図１０の（Ｂ）に示すごとく、輝度分布は不均一となるので、原稿等の照度分布むらを解消できない。

図１、図６の多点出射型レンズには、必要に応じてアウタレンズあるいは拡散板を付加して輝度分布をより均一化することができる。アウタレンズ、拡散板については、図１２、図１４を参照されたし。

図１１は図６の多点出射型レンズを５個ライン状に配置したレンズアレイを示す斜視図である。このレンズアレイはたとえば原稿読取装置用光源として用いることができる。また、このレンズアレイの多点出射型レンズは個別的にも一体的にも製造できる。尚、図１１においては、図６の多点出射型レンズの代りに図１の多点出射型レンズを用いてもよい。

図１２は、図１１のレンズアレイの輝度分布をさらに均一化するために、図１１のレンズアレイに多数の凸状レンズが形成されたアウタレンズ１２０１（図１２の（Ａ））あるいは拡散板１２０２（図１２の（Ｂ））を付加したレンズアレイを示す斜視図である。

図１３は図６の多点出射型レンズを５個行列状に配置したレンズアレイを示す斜視図である。このレンズアレイはたとえばベース照明用の一般光源ユニットあるいはＬＣＤ装置の直下型バックライト光源ユニットとして用いることができる。また、このレンズアレイの多点出射型レンズは個別的にも一体的にも製造できる。尚、図１３においても、図６の多点出射型レンズの代りに図１の多点出射型レンズを用いてもよい。

図１４は、図１３のレンズアレイの輝度分布をさらに均一化するために、図１３のレンズアレイに多数の凸状レンズが形成されたアウタレンズ１４０１（図１４の（Ａ））あるいは拡散板１４０２（図１４の（Ｂ））を付加したレンズアレイを示す斜視図である。

尚、上述の実施の形態においては、多角錐型もしくは円錐型レンズステップを用いたが、先端が根元より細くなったレンズステップであればよい。

２：LED素子
１１、１２：入光部
１２、２２：出光部
１１１、２１１：凸状入射面
１１２、２１２：直線状入射面
１１３、２１３：凸状全反射面
１２１：四角錐型レンズステップ
１２１ａ：出射面
１２１ｂ：全反射面
２２１：円錐型レンズステップ
２２１ａ：出射面
２２１ｂ：全反射面
１２０１、１４０１：アウタレンズ
１２０２、１４０２：拡散板

Claims (8)

1. 入射された光を光軸に対して平行にさせる入光部と、
   出射面を上面に全反射面を側面に有し、先端が根元より細くなったレンズステップを複数個規則的に配置した出光部と
   を具備する多点出射型レンズ。
2. 前記レンズステップは多角錐型であり、前記出射面は多角形である請求項１に記載の多点出射型レンズ。
3. 前記レンズステップは円錐型であり、前記出射面は円形である請求項１に記載の多点出射型レンズ。
4. 前記入光部は、
   前記光軸に対して対称な曲線を回転させて形成された凸状入射面と、
   該凸状入射面の外側に設けられ、前記光軸に略平行な少なくとも１つの直線状入射面と、
   前記直線状入射面の外側に設けられ、前記光軸に対して対称な曲線を回転させて形成された少なくとも１つの凸状全反射面と
   を具備し、
   前記凸状入射面に屈折入射した光は前記光軸に対して平行となるようにし、
   前記直線状入射面に屈折入射した光は前記凸状全反射面によって全反射されて前記光軸に対して平行となるようにした
   請求項１に記載の多点出射型レンズ。
5. さらに、前記レンズステップ上に凸状レンズが多数形成されたアウタレンズを具備する請求項１に記載の多点出射型レンズ。
6. さらに、前記レンズステップ上に拡散板を具備する請求項１に記載の多点出射型レンズ。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載の多点出射型レンズを複数個ライン状に配置したレンズアレイ。
8. 請求項１〜６のいずれかに記載の多点出射型レンズを複数個行列状に配置したレンズアレイ。
   

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