JP2017067970A - Optical unit and converging lens - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、受光素子や発光素子の指向性を改善するための光学ユニットおよび集光レンズに関するものである。 The present invention relates to an optical unit and a condenser lens for improving the directivity of a light receiving element and a light emitting element.
発光ダイオード等の発光素子において、所定の角度範囲の全体にわたって十分な光を出射するように砲弾形のレンズが設けられることが多い(特許文献1参照)。例えば、発光ダイオードは、±50°の角度方向に光を出射するため、±30°の角度範囲にわたって十分な光を出射する場合、砲弾形のレンズの正のパワーを利用して、±30°の角度範囲の全体における出射光量を増大させる。 In light-emitting elements such as light-emitting diodes, a bullet-shaped lens is often provided so as to emit sufficient light over the entire predetermined angle range (see Patent Document 1). For example, since the light emitting diode emits light in an angle direction of ± 50 °, when sufficient light is emitted over an angle range of ± 30 °, the positive power of the bullet-shaped lens is used to make ± 30 °. The amount of emitted light in the entire angle range is increased.
しかしながら、砲弾形のレンズでは、光軸方向の寸法が長いという問題点がある。そこで、レンズの正面を正のパワーを有するフレネルレンズ部にして光軸方向の小型化を図ることが考えられるが、かかる構成の場合、正面方向の出射光量が低下するという問題点がある。かかる問題点は、発光素子に限らず、受光素子において、所定の角度範囲にわたって十分な感度を有するようにレンズを設ける場合も同様に存在する。 However, the bullet-shaped lens has a problem that the dimension in the optical axis direction is long. Therefore, it is conceivable to reduce the size in the optical axis direction by using a Fresnel lens portion having positive power on the front surface of the lens. However, in such a configuration, there is a problem in that the amount of emitted light in the front direction decreases. Such a problem is not limited to the light emitting element, but also exists in the case where a lens is provided in the light receiving element so as to have sufficient sensitivity over a predetermined angle range.
以上の問題点に鑑みて、本発明の課題は、光軸方向における小型化と適正な指向特性の実現とを図ることのできる光学ユニットおよび集光レンズを提供することにある。 In view of the above problems, an object of the present invention is to provide an optical unit and a condensing lens capable of achieving downsizing in the optical axis direction and realizing appropriate directivity characteristics.
上記課題を解決するために、本発明に係る光学ユニットは、レンズ部、および前記レンズ部の外周側で光軸方向の一方側に突出した透光性の筒状の胴部を備えた集光レンズと、受光素子あるいは発光素子からなり、前記レンズ部に対する前記一方側において前記レンズ部の光軸上に設けられた光学素子と、を有し、前記レンズ部の前記光軸方向の他方側の面が、集光性のフレネルレンズ部になっており、前記レンズ部の前記一方側の面が、凸レンズ面になっており、前記胴部の外周面には、前記他方側から前記一方側に向けて外径が連続的に縮小している反射面が設けられていることを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, an optical unit according to the present invention includes a lens portion and a light-collecting cylindrical body portion that protrudes to one side in the optical axis direction on the outer peripheral side of the lens portion. A lens and a light receiving element or a light emitting element, and an optical element provided on the optical axis of the lens unit on the one side with respect to the lens unit, and on the other side of the lens unit in the optical axis direction The surface is a condensing Fresnel lens part, the one side surface of the lens part is a convex lens surface, and the outer peripheral surface of the body part is from the other side to the one side. A reflection surface whose outer diameter is continuously reduced toward the surface is provided.
また、本発明に係る集光レンズは、レンズ部と、前記レンズ部の外周側で光軸方向の一方側に突出した透光性の筒状の胴部と、を備え、前記レンズ部の前記光軸方向の他方側の面が、集光性のフレネルレンズ部になっており、前記レンズ部の前記一方側の面が、凸レンズ面になっており、前記胴部の外周面には、前記他方側から前記一方側に向けて外径が連続的に縮小している反射面が設けられていることを特徴とする。 In addition, a condensing lens according to the present invention includes a lens portion, and a translucent cylindrical body portion protruding to one side in the optical axis direction on the outer peripheral side of the lens portion, and the lens portion The surface on the other side in the optical axis direction is a light-collecting Fresnel lens portion, the surface on the one side of the lens portion is a convex lens surface, A reflection surface having an outer diameter continuously reduced from the other side toward the one side is provided.
本発明において、集光レンズのレンズ部が光軸方向の一方側に凸レンズ面を備え、光軸方向の他方側に集光性のフレネルレンズ部を備えているため、レンズ部は正のパワーを有している。このため、レンズ部に対する一方側においてレンズ部の光軸上に設けた発光素子においては、所定の角度範囲にわたって十分な光を出射することができる。また、レンズ部に対する一方側においてレンズ部の光軸上に受光素子を設けた場合、所定の角度範囲にわたって十分な感度を有する。また、集光レンズは、レンズ部の外周側で光軸方向の一
方側に突出した透光性の筒状の胴部を備え、かかる胴部の外周面には、他方側から一方側に向けて外径が連続的に縮小している反射面が設けられている。このため、レンズ部にフレネルレンズ部を設けて光軸方向の小型化を図った場合でも、正面方向の出射光量や感度に優れている。従って、光軸方向における小型化、および適正な指向特性の実現の双方を図ることができる。
In the present invention, since the lens part of the condenser lens has a convex lens surface on one side in the optical axis direction and a condensing Fresnel lens part on the other side in the optical axis direction, the lens part has positive power. Have. For this reason, in the light emitting element provided on the optical axis of the lens unit on one side with respect to the lens unit, sufficient light can be emitted over a predetermined angular range. Further, when a light receiving element is provided on the optical axis of the lens unit on one side with respect to the lens unit, sufficient sensitivity is provided over a predetermined angular range. In addition, the condenser lens includes a translucent cylindrical barrel protruding to one side in the optical axis direction on the outer peripheral side of the lens portion, and the outer peripheral surface of the barrel is directed from the other side to the one side. A reflective surface whose outer diameter is continuously reduced is provided. For this reason, even when a Fresnel lens portion is provided in the lens portion to reduce the size in the optical axis direction, the amount of emitted light and sensitivity in the front direction are excellent. Therefore, both downsizing in the optical axis direction and realization of appropriate directivity can be achieved.
本発明において、前記光学素子は、受光素子からなる態様を採用することができる。 In the present invention, the optical element may employ an aspect including a light receiving element.
本発明において、前記反射面では、前記胴部と空気層とが接する界面での反射が利用されることが好ましい。かかる構成によれば、胴部の外周面に金属層等の反射層を設けなくても、反射面を構成することができるので、集光レンズの低コスト化を図ることができる。 In the present invention, it is preferable that the reflection surface uses reflection at an interface where the body portion and the air layer are in contact with each other. According to such a configuration, the reflective surface can be configured without providing a reflective layer such as a metal layer on the outer peripheral surface of the body portion, so that the cost of the condenser lens can be reduced.
本発明において、前記胴部の前記他方側の面は、平面あるいは凸曲面になっている態様を採用することができる。かかる構成によれば、光学素子として発光素子を設けた場合には、胴部の反射面に入射した光を適正に正面方向に出射することができ、光学素子として受光素子を設けた場合には、胴部の反射面に入射した光を適正に受光素子に導くことができる。 In the present invention, it is possible to adopt a mode in which the other side surface of the body portion is a flat surface or a convex curved surface. According to such a configuration, when the light emitting element is provided as the optical element, the light incident on the reflecting surface of the body portion can be appropriately emitted in the front direction, and when the light receiving element is provided as the optical element. The light incident on the reflecting surface of the body portion can be appropriately guided to the light receiving element.
本発明において、前記胴部の前記他方側の面は、平面になっている態様を採用することができる。すなわち、反射面の傾き等の構成を適正化すれば、胴部の他方側の面については、平面とすることができる。 In the present invention, it is possible to adopt a mode in which the other side surface of the body portion is a flat surface. That is, if the configuration such as the inclination of the reflecting surface is made appropriate, the surface on the other side of the body portion can be made flat.
本発明において、前記胴部の内周面は、前記他方側から前記一方側に向けて内径が連続的に拡大しているテーパ面になっていることが好ましい。かかる構成によれば、集光レンズのうち、胴部に入射した光の利用効率を高めることができる。 In this invention, it is preferable that the internal peripheral surface of the said trunk | drum is a taper surface where the internal diameter expands continuously toward the said one side from the said other side. According to such a configuration, it is possible to increase the utilization efficiency of the light incident on the body portion of the condenser lens.
本発明において、前記フレネルレンズ部の直径をφFresnelとし、前記凸レンズ面の直径をφASPとしたとき、φFresnel、およびφASPは、以下の式を満たすことが好ましい。
φASP≦φFresnel
かかる構成によれば、集光レンズのうち、レンズ部に入射した光の利用効率を高めることができる。
In the present invention, when the diameter of the Fresnel lens portion is φFresnel and the diameter of the convex lens surface is φASP, φFresnel and φASP preferably satisfy the following expressions.
φASP ≦ φFresnel
According to such a configuration, the utilization efficiency of light incident on the lens portion of the condenser lens can be increased.
本発明において、前記凸レンズ面において最も前記一方側に位置する部分から前記光学素子の中心までの距離をdAirとし、前記反射面の前記光軸方向における長さをdMirrorとし、前記フレネルレンズ部において最も前記他方側に位置する部分から前記凸レンズ面において最も前記一方側に位置する部分までの距離をdLensとしたとき、dAir、dMirror、およびdLensは、以下の式を満たすことが好ましい。
dAir≦dMirror−dLens
かかる構成によれば、集光レンズのうち、反射面に入射した光の利用効率を高めることができる。
In the present invention, the distance from the most located part of the convex lens surface to the center of the optical element is dAir, the length of the reflecting surface in the optical axis direction is dMirror, and the distance in the Fresnel lens portion is the most. When the distance from the portion located on the other side to the portion located on the most one side in the convex lens surface is dLens, dAir, dMirror, and dLens preferably satisfy the following expressions.
dAir ≦ dMirror−dLens
According to such a configuration, it is possible to increase the utilization efficiency of light incident on the reflecting surface of the condenser lens.
本発明において、前記レンズ部と前記発光素子との間に位置する媒体の屈折率をn1とし、前記レンズ部の屈折率をn2とし、前記凸レンズ面の半径をrとしたとき、φFresnel、φASP、n1、n2、dLens、およびrは、以下の式を満たすことが好ましい。
φASP≦φFresnel≦2×dLens×tanθ+φASP
但し、θ=Sin−1((n1×φASP)/(n2×2×r))
かかる構成によれば、集光レンズのうち、レンズ部に入射した光の利用効率を高めることができる。
In the present invention, when the refractive index of the medium located between the lens portion and the light emitting element is n1, the refractive index of the lens portion is n2, and the radius of the convex lens surface is r, φFresnel, φASP, n1, n2, dLens, and r preferably satisfy the following equations.
φASP ≦ φFresnel ≦ 2 × dLens × tanθ + φASP
However, θ = Sin −1 ((n1 × φASP) / (n2 × 2 × r))
According to such a configuration, the utilization efficiency of light incident on the lens portion of the condenser lens can be increased.
本発明において、前記反射面が円錐面からなり、前記反射面が前記光軸となす角度をθMirrorとしたとき、θMirror、およびn2は、以下の式を満たすことが好ましい。
θMirror≦π/2−Sin−1(1/n2)
かかる構成によれば、反射面に対する入射角度を大きくすることができるので、反射面に金属層を設けなくても、反射面に入射した光を全反射させることができる。それ故、簡素な構成で、反射面に入射した光の利用効率を高めることができる。
In the present invention, when the reflection surface is a conical surface and the angle between the reflection surface and the optical axis is θMirror, θMirror and n2 preferably satisfy the following expressions.
θMirror ≦ π / 2-Sin −1 (1 / n 2)
According to this configuration, since the incident angle with respect to the reflecting surface can be increased, the light incident on the reflecting surface can be totally reflected without providing a metal layer on the reflecting surface. Therefore, the utilization efficiency of the light incident on the reflecting surface can be increased with a simple configuration.
本発明において、前記胴部の最も前記他方側に位置する部分の直径をφLensとしたとき、φLens、φASP、dLens、dMirror、dAir、およびθMirrorは、以下の式を満たすことが好ましい。
φLens≦φASP+2×(dLens+dAir)×tan(θMirror)
かかる構成によれば、集光レンズに入射した光の利用効率を高めることができる。
In the present invention, φLens, φASP, dLens, dMirror, dAir, and θMirror preferably satisfy the following equations, where φLens is the diameter of the portion located on the other side of the body portion.
φLens ≦ φASP + 2 × (dLens + dAir) × tan (θMirror)
According to such a configuration, it is possible to increase the utilization efficiency of the light incident on the condenser lens.
本発明において、前記フレネルレンズ部を構成する各レンズ面の曲率半径をRFresnelとし、前記凸レンズ面の曲率半径をRASPとしたとき、RFresnel、およびRASPは、以下の式を満たすことが好ましい。
RFresnel≧RASP
かかる構成によれば、集光レンズのうち、レンズ部を通過する光の収差を容易に低減することができる。
In the present invention, when the curvature radius of each lens surface constituting the Fresnel lens portion is RFresnel and the curvature radius of the convex lens surface is RASP, it is preferable that RFresnel and RASP satisfy the following expressions.
RFresnel ≧ RASP
According to such a configuration, it is possible to easily reduce the aberration of light passing through the lens portion of the condenser lens.
本発明において、集光レンズのレンズ部が光軸方向の一方側に凸レンズ面を備え、光軸方向の他方側に集光性のフレネルレンズ部を備えているため、レンズ部は正のパワーを有している。このため、レンズ部に対する一方側においてレンズ部の光軸上に設けた発光素子においては、所定の角度範囲にわたって十分な光を出射することができる。また、レンズ部に対する一方側においてレンズ部の光軸上に設けた受光素子においては、所定の角度範囲にわたって十分な感度を有する。また、集光レンズは、レンズ部の外周側で光軸方向の一方側に突出した透光性の胴部を備え、かかる胴部の外周面には、他方側から一方側に向けて外径が連続的に縮小している反射面が設けられている。このため、レンズ部にフレネルレンズ部を設けて光軸方向の小型化を図った場合でも、正面方向の出射光量や感度に優れている。従って、光軸方向における小型化、および適正な指向特性の実現の双方を図ることができる。 In the present invention, since the lens part of the condenser lens has a convex lens surface on one side in the optical axis direction and a condensing Fresnel lens part on the other side in the optical axis direction, the lens part has positive power. Have. For this reason, in the light emitting element provided on the optical axis of the lens unit on one side with respect to the lens unit, sufficient light can be emitted over a predetermined angular range. The light receiving element provided on the optical axis of the lens unit on one side with respect to the lens unit has sufficient sensitivity over a predetermined angular range. In addition, the condenser lens includes a translucent barrel projecting to one side in the optical axis direction on the outer peripheral side of the lens unit, and an outer diameter of the outer peripheral surface of the barrel unit from the other side toward the one side. Is provided with a reflective surface that is continuously reduced. For this reason, even when a Fresnel lens portion is provided in the lens portion to reduce the size in the optical axis direction, the amount of emitted light and sensitivity in the front direction are excellent. Therefore, both downsizing in the optical axis direction and realization of appropriate directivity can be achieved.
図面を参照して、本発明を実施するための形態を説明する。なお、以下の説明においては、光軸Lの一方側にL1を付し、他方側にL2を付して説明する。また、本発明を適用した集光レンズ2は、受光素子91または発光素子92からなる光学素子9とともに光学ユニット1を構成する。以下の説明では、光学素子9が受光素子91である場合を中心に説明する。
DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description, L1 is attached to one side of the optical axis L, and L2 is attached to the other side. The condensing
(光学ユニットの構成)
図1は、本発明を適用した光学ユニット1の説明図であり、図1(a)、(b)は、光学ユニット1を光軸L方向の他方側L2からみた斜視図、および光学ユニット1を光軸L方向に一方側L1からみた斜視図である。図2は、本発明を適用した光学ユニット1の集
光レンズ2の説明図であり、図2(a)、(b)、(c)は、集光レンズ2を光軸L方向の他方側L2からみた正面図、光軸Lに沿って集光レンズ2を切断したときの断面図、およびフレネルレンズ部31において線Pで囲んだ領域のレンズ面を拡大して示す断面図である。
(Configuration of optical unit)
FIG. 1 is an explanatory view of an
図1および図2に示す光学ユニット1は、集光レンズ2と、集光レンズ2の光軸L(中心光軸)上に配置された光学素子9とを有している。光学素子9は、受光素子91または発光素子92からなる。光学素子9が受光素子91である場合、光学ユニット1は、集光レンズ2の側から入射した光を受光素子91に集光する。これに対して、光学素子9が発光素子92である場合、光学ユニット1は、発光素子92が出射した発散光を集光レンズ2によって発散角を狭めて出射する。本形態において、光学素子9は、受光素子91であり、通信用の近赤外光(波長780nm〜1100nm)を集光レンズ2によって受光素子91に集光する。その場合、正面(角度0°)を含めて、例えば、±30°の角度範囲にわたって高い感度が求められる。
The
(集光レンズ2の構成)
本形態において、集光レンズ2は、レンズ部3と、レンズ部3の外周側で光軸L方向の一方側L1に突出した透光性の筒状の胴部4とを備えており、光学素子9(受光素子91)は、レンズ部3に対する一方側L1において、レンズ部3の光軸L(中心光軸)上に配置されている。本形態において、レンズ部3と胴部4とは、透光性樹脂を一体に成形した樹脂成形品であり、アクリル樹脂、ポリカーボネート等からなる。レンズ部3は、光軸L方向の他方側L2からみたとき円形であり、胴部4も、レンズ部3と同様、光軸L方向の他方側L2からみたとき円形である。また、レンズ部3の光軸L方向の他方側L2の端面3aと、胴部4の光軸L方向の他方側L2の端面4aとは、光軸L方向において同一の位置にあり、端面3a、4aは、集光レンズ2の光軸L方向の他方側L2で一体の端面2aを構成している。
(Configuration of the condenser lens 2)
In this embodiment, the condensing
レンズ部3の光軸L方向の他方側L2の面(端面3a)は、集光性のフレネルレンズ部31になっており、レンズ部3の光軸L方向の一方側L1の面は、凸レンズ面32になっている。フレネルレンズ部31は、中央が円形の凸曲面315になっており、凸曲面315の周りには、他方側L2に突出した鋸歯状の環状凸部からなるレンズ面310が同心円状に複数、配列されている。本形態において、環状のレンズ面310は、4列のレンズ面311、312、313、314が同心円状に形成されており、径方向内側から径方向外側に向かうにともなって、レンズ面310の幅が狭くなっている。ここで、凸曲面315およびレンズ面310を連続面を構成するように結合させたときの球面は非球面であり、凸レンズ面32は球面である。
The surface (end
胴部4の外周面4bには、光軸L方向の他方側L2から一方側L2に向けて外径が連続的に縮小している反射面41が設けられている。本形態において、反射面41は円錐面からなる。胴部4において、反射面41に対して光軸L方向の一方側L1には、角筒状の筒部42が設けられており、筒部42の内側に光学素子9(受光素子91)が配置されている。ここで、反射面41は、胴部4と空気層とが接する界面での反射が利用され、金属層等の反射層が形成されていない。また、胴部4の内周面43は、光軸L方向の他方側L2から一方側L1に向けて内径が連続的に拡大しているテーパ面になっている。
On the outer
本形態において、胴部4の他方側L2の端面4aは、平面あるいは凸曲面になっている。本形態において、胴部4の他方側L2の端面4aは、平面になっている。
In the present embodiment, the
(光学ユニット1の作用)
このように構成した光学ユニット1においては、光軸L方向の他方側L2から集光レン
ズ2の端面2aに入射した光のうち、レンズ部3の端面3aに入射した光は、フレネルレンズ部31によって凸レンズ面32に集光した後、受光素子91に向けて集光する。また、胴部4の端面4aに入射した光は、反射面41で反射した後、胴部4の内周面43で屈折し、受光素子91に集光する。このため、受光素子91は、所定の角度範囲にわたって十分な感度を有することになる。
(Operation of the optical unit 1)
In the
(集光レンズ2のレンズ部3の詳細構成)
図3は、図2に示す集光レンズ2の各部位の寸法等を示す説明図である。
(Detailed configuration of the
FIG. 3 is an explanatory diagram showing dimensions and the like of each part of the
図2に示すように、本形態に集光レンズ2において、フレネルレンズ部31の直径をφFresnelとし、凸レンズ面32の直径をφASPとしたとき、φFresnel、およびφASPは、以下の式を満している。
φASP≦φFresnel・・条件式(1)
As shown in FIG. 2, when the diameter of the
φASP ≦ φFresnel ・ ・ Condition (1)
また、レンズ部3と受光素子91との間に位置する媒体の屈折率をn1とし、レンズ部3の屈折率をn2とし、凸レンズ面32の半径rとしたとき、φFresnel、φASP、n1、n2、dLens、およびrは、以下の式を満たしている。
φASP≦φFresnel≦2×dLens×tanθ+φASP・・条件式(2)
但し、θ=Sin−1((n1×φASP)/(n2×2×r))
When the refractive index of the medium located between the
φASP ≦ φFresnel ≦ 2 × dLens × tan θ + φASP ·· Condition (2)
However, θ = Sin −1 ((n1 × φASP) / (n2 × 2 × r))
このため、集光レンズ2のうち、レンズ部3に入射した光の利用効率を高めることができる。すなわち、レンズ部3の最も外縁に入射した光であっても、凸レンズ面32を介して受光素子91の中心90に到達するようになっており、それには、以下の条件を満たす必要がある。
For this reason, the utilization efficiency of the light which entered the
まず、レンズ部3の一方側L1の面が、凸レンズ面32の光軸L方向の最も一方側L1に位置する部分を通る平面であると仮定したとき、レンズ部3の光軸L方向の一方側L1の面の外縁と受光素子91の中心90とを結ぶ線が光軸Lとなす角度をθ1とし、レンズ部3の光軸L方向の一方側L1の面の外縁とフレネルレンズ部31の外縁とを結ぶ線が光軸Lとなす角度をθとする。また、フレネルレンズ部31において光軸L方向の最も他方側L2に位置する部分から凸レンズ面32において光軸L方向の最も一方側L1に位置する部分までの距離をdLensとし、ΦASPとφFresnelとの差の1/2をΔφとする。ここで、凸レンズ面32が正パワーを有していなくても、レンズ部3の最も外縁に入射した光が受光素子91の中心90に到達するには、レンズ部3の最も外縁に入射した光が受光素子91の中心90に到達する必要があり、それには以下の条件を満たす必要がある。
First, when it is assumed that the surface on the one side L1 of the
まず、以下の式が成り立つ。
Δφ=(φFresnel−φASP)/2=dLens×tanθ
従って、以下の式が得られる。
φFresnel=2×dLens×tanθ+φASP
First, the following equation holds.
Δφ = (φFresnel−φASP) / 2 = dLens × tan θ
Therefore, the following equation is obtained.
φFresnel = 2 × dLens × tanθ + φASP
ここで、レンズ部3の最も外縁に入射した光が受光素子91の中心90に到達するには、以下の条件が成り立つ。
φFresnel≦φASP+2×dLens×tanθ
Here, in order for the light incident on the outermost edge of the
φFresnel ≦ φASP + 2 × dLens × tanθ
また、スネルの法則からθ<θ1なので、以下の条件式(1)、(2)が得られる。
φASP≦φFresnel・・条件式(1)
φASP≦φFresnel≦2×dLens×tanθ+ΦASP・・条件式(2)
Further, since θ <θ1 from Snell's law, the following conditional expressions (1) and (2) are obtained.
φASP ≦ φFresnel ・ ・ Condition (1)
φASP ≦ φFresnel ≦ 2 × dLens × tanθ + ΦASP ·· Condition (2)
なお、θについてスネルの法則より、以下の式が成り立つ。
n1×sinθ1=n2×sinθ
sinθ=(n1×sinθ1)/n2
θ=sin−1((n1×sinθ1)/n2))
θ=Sin−1((n1×φASP)/(n2×2×r))
Note that the following equation holds for θ according to Snell's law.
n1 × sinθ1 = n2 × sinθ
sin θ = (n1 × sin θ1) / n2
θ = sin −1 ((n1 × sin θ1) / n2))
θ = Sin −1 ((n1 × φASP) / (n2 × 2 × r))
(集光レンズ2の反射面41と凸レンズ面32との関係)
凸レンズ面32において光軸L方向の最も一方側Lに位置する部分から受光素子91の中心90までの距離をdAirとし、反射面41の光軸L方向における長さをdMirrorとし、フレネルレンズ部31において光軸L方向の最も他方側L2に位置する部分から凸レンズ面32において最も一方側L1に位置する部分までの距離をdLensとしたとき、dAir、dMirror、およびdLensは、以下の式を満たしている。
dAir≦dMirror−dLens・・条件式(3)
(Relationship between the reflecting
On the
dAir ≦ dMirror−dLens ·· Condition (3)
このため、集光レンズ2のうち、反射面41に入射した光の利用効率を高めることができる。すなわち、凸レンズ面32において最も一方側Lに位置する部分から受光素子91の中心90までの距離dAirが適正であって、反射面41が凸レンズ面32より一方側L1まで延在している必要があり、それには、以下の式が成り立つ必要がある。
dLens+dAir≦dMirror
For this reason, the utilization efficiency of the light which injected into the
dLens + dAir ≦ dMirror
それ故、以下の条件式(3)を得ることができる。
dAir≦dMirror−dLens・・条件式(3)
Therefore, the following conditional expression (3) can be obtained.
dAir ≦ dMirror−dLens ·· Condition (3)
(集光レンズ2の反射面41での全反射条件)
反射面41が光軸Lとなす角度をθMirrorとしたとき、θMirror、およびn2は、以下の式を満している。
θMirror≦π/2−Sin−1(1/n2)・・条件式(4)
(Total reflection condition on the
When the angle formed by the reflecting
θMirror ≦ π / 2−Sin −1 (1 / n 2) ·· Condition (4)
このため、反射面41に対する入射角度を臨界角より大きくすることができるので、反射面41に金属層等の反射層を設けなくても、反射面41に入射した光を全反射させることができる。それ故、簡素な構成で、反射面41に入射した光の利用効率を高めることができる。すなわち、光軸Lに平行に進行してきた光が反射面41に入射する際の臨界角をθnとし、空気層の屈折率を1としたとき、入射角θnとし、空気層の屈折率を1としたとき、スネルの法則から以下の式が成り立つ。
n2×sinθn=1×sin(90°)
sinθn=1/n2
θn=Sin−1(1/n2)
For this reason, since the incident angle with respect to the
n2 × sin θn = 1 × sin (90 °)
sin θn = 1 / n2
θn = Sin −1 (1 / n 2)
それ故、以下のように、条件式(4)が得られる。
θMirror≦π/2−Sin−1(1/n2)・・条件式(4)
(集光レンズ2の反射面41の寸法)
Therefore, conditional expression (4) is obtained as follows.
θMirror ≦ π / 2−Sin −1 (1 / n 2) ·· Condition (4)
(Dimensions of the reflecting
胴部4の最も他方側L2に位置する部分の直径をφLensとしたとき、φLens、φASP、dLens、dMirror、dAir、およびθMirrorは、以下の式を満たしている。
φLens≦φASP+2×(dLens+dAir)×tan(θMirror)・・条件式(5)
When the diameter of the portion located on the most other side L2 of the
φLens ≦ φASP + 2 × (dLens + dAir) × tan (θMirror) ·· Condition (5)
このため、集光レンズ2に入射した光の利用効率を高めることができる。すなわち、反射面41は、胴部4の他方側L2の面から光軸L方向において受光素子91に近い位置まで延在している方が好ましい。ここで、以下の式が成り立つ。
ΦLens/2≦ΦASP/2+(dLens+dAir)×tan(θMirror)
For this reason, the utilization efficiency of the light which entered into the condensing
ΦLens / 2 ≦ ΦASP / 2 + (dLens + dAir) × tan (θMirror)
それ故、以下の条件式(5)が得られる。
φLens≦φASP+2×(dLens+dAir)×tan(θMirror)・・条件式(5)
Therefore, the following conditional expression (5) is obtained.
φLens ≦ φASP + 2 × (dLens + dAir) × tan (θMirror) ·· Condition (5)
(収差対策)
フレネルレンズ部31を構成する各レンズ面310(図2参照)の曲率半径をRFresnelとし、凸レンズ面32の曲率半径をRASPとしたとき、RFresnel、およびRASPは、以下の式を満している。
RFresnel≧RASP
(Aberration measures)
When the curvature radius of each lens surface 310 (see FIG. 2) constituting the
RFresnel ≧ RASP
このため、集光レンズ2のうち、レンズ部3を通過する光の球面収差、コマ収差、非点収差を容易に低減することができる。それ故、感度を向上することができる。
For this reason, the spherical aberration, the coma aberration, and the astigmatism of the light passing through the
(本形態の主な効果)
図4は、本発明を適用した光学ユニット1の感度の指向性を示すグラフであり、図4(a)、(b)は、本発明を適用した光学ユニット1の感度の指向性のシミュレーション結果を示すグラフ、および砲弾形のレンズを用いた参考例の感度の指向性のシミュレーション結果を示すグラフである。
(Main effects of this form)
FIG. 4 is a graph showing the directivity of the sensitivity of the
以上説明したように、本形態に係る光学ユニット1において、集光レンズ2のレンズ部3が光軸L方向の一方側L1に凸レンズ面32を備え、光軸L方向の他方側L2に集光性のフレネルレンズ部31を備えているため、レンズ部3は正のパワーを有している。このため、レンズ部3に対する一方側L1においてレンズ部3の光軸L上に設けた受光素子91においては、所定の角度範囲にわたって十分な感度を有する。また、集光レンズ2は、レンズ部3の外周側で光軸L方向の一方側L1に突出した透光性の筒状の胴部4を備え、かかる胴部4の外周面4bには、他方側L2から一方側L1に向けて外径が連続的に縮小している反射面41が設けられている。このため、胴部4に入射した光を反射面41で反射して受光素子91に入射させることができるので、正面方向の感度を高めることができる。従って、レンズ部3にフレネルレンズ部31を設けることにより、集光レンズ2の光軸L方向の小型化を図った場合でも、図4(a)、(b)に示すように、砲弾形のレンズを用いた場合と同等の指向性を得ることができる。より具体的には、本形態の集光レンズ2によれば、光軸L方向の寸法を例えば6mm以下にまで小型化した場合でも、光軸L方向の寸法が11mm程度の砲弾形のレンズと同様、正面(角度0°)を含めて、例えば、±30°の角度範囲にわたって高い感度を得ることができる。従って、本形態によれば、光軸L方向における光学ユニット1や集光レンズ2の小型化を図ることができるとともに、適正な指向特性を実現することができる。
As described above, in the
また、反射面41では、胴部4と空気層とが接する界面での反射が利用される。このため、胴部41の外周面に金属層等の反射層を設けなくても、反射面41を構成することができるので、集光レンズ2の低コスト化を図ることができる。
Further, the
また、本形態では、反射面41の傾き等の構成を適正化すれば、胴部4の他方側L2の面については、平面とすることができるので、集光レンズ2の構成の簡素化を図ることができる。
Further, in this embodiment, if the configuration such as the inclination of the reflecting
また、胴部4の内周面43は、他方側L2から一方側L1に向けて内径が連続的に拡大しているテーパ面になっているため、集光レンズ2のうち、胴部4に入射した光の利用効率を高めることができる。
Moreover, since the inner
(他の実施の形態)
上記実施の形態において、胴部4の他方側L2の端面4aが平面になっていたが、胴部
4の他方側L2の端面4aを、光軸Lの側から外周側に向けて湾曲した凸曲面としてもよい。
(Other embodiments)
In the above embodiment, the
上記実施の形態では、反射面41が円錐面であったが、反射面41については、他方側L2から一方側L1に向けて外径が連続的に縮小している非球面や、断面が放物線の放物面であってもよい。かかる構成のうち、反射面41が放物面であれば、受光素子91への集光性等を高めることができる。
In the above embodiment, the reflecting
上記実施の形態では、光学素子9として受光素子91を用いた場合を中心に説明したが、光学素子9として発光素子92を用いる場合に本発明を適用してもよく、この場合、光学ユニット1から出射される光の指向性を改善することができる。
In the above embodiment, the case where the light receiving element 91 is used as the
1 光学ユニット、2 集光レンズ、2a、3a、4a 端面、3 レンズ部、4 胴部、4b 外周面、9 光学素子、31 フレネルレンズ部、32 凸レンズ面、41 反射面、43 内周面、91 受光素子、92 発光素子、310、311、312、313、314 レンズ面、315 凸曲面、L 光軸
DESCRIPTION OF
Claims (18)
受光素子あるいは発光素子からなり、前記レンズ部に対する前記一方側において前記レンズ部の光軸上に設けられた光学素子と、
を有し、
前記レンズ部の前記光軸方向の他方側の面が、集光性のフレネルレンズ部になっており、
前記レンズ部の前記一方側の面が、凸レンズ面になっており、
前記胴部の外周面には、前記他方側から前記一方側に向けて外径が連続的に縮小している反射面が設けられていることを特徴とする光学ユニット。 A condensing lens comprising a lens part, and a translucent cylindrical body part projecting to one side in the optical axis direction on the outer peripheral side of the lens part;
An optical element comprising a light receiving element or a light emitting element and provided on the optical axis of the lens part on the one side with respect to the lens part;
Have
The other surface of the lens portion in the optical axis direction is a light-collecting Fresnel lens portion,
The one side surface of the lens part is a convex lens surface,
An optical unit, wherein an outer peripheral surface of the body portion is provided with a reflecting surface whose outer diameter is continuously reduced from the other side toward the one side.
前記凸レンズ面の直径をφASPとしたとき、
φFresnel、およびφASPは、以下の式
φASP ≦ φFresnel
を満たすことを特徴とする請求項1乃至6の何れか一項に記載の光学ユニット。 The diameter of the Fresnel lens part is φFresnel,
When the diameter of the convex lens surface is φASP,
φFresnel and φASP are the following formulas φASP ≦ φFresnel
The optical unit according to any one of claims 1 to 6, wherein:
前記反射面の前記光軸方向における長さをdMirrorとし、
前記フレネルレンズ部において最も前記他方側に位置する部分から前記凸レンズ面において最も前記一方側に位置する部分までの距離をdLensとしたとき、
dAir、dMirror、およびdLensは、以下の式
dAir ≦ dMirror−dLens
を満たすことを特徴とする請求項7に記載の光学ユニット。 The distance from the portion located on the most one side on the convex lens surface to the center of the optical element is dAir,
The length of the reflecting surface in the optical axis direction is dMirror,
When the distance from the portion located on the other side of the Fresnel lens portion to the portion located on the one side of the convex lens surface is dLens,
dAir, dMirror, and dLens are expressed by the following equations: dAir ≦ dMirror−dLens
The optical unit according to claim 7, wherein:
前記レンズ部の屈折率をn2とし、
前記凸レンズ面の半径をrとしたとき、
φFresnel、φASP、n1、n2、dLens、およびrは、以下の式
φASP ≦ φFresnel ≦ 2×dLens×tanθ+φASP
但し、θ=Sin−1((n1×φASP)/(n2×2×r))
を満たすことを特徴とする請求項8に記載の光学ユニット。 The refractive index of the medium located between the lens part and the light emitting element is n1,
The refractive index of the lens part is n2,
When r is the radius of the convex lens surface,
φFresnel, φASP, n1, n2, dLens, and r are the following formulas: φASP ≦ φFresnel ≦ 2 × dLens × tan θ + φASP
However, θ = Sin −1 ((n1 × φASP) / (n2 × 2 × r))
The optical unit according to claim 8, wherein:
前記反射面が前記光軸となす角度をθMirrorとしたとき、
θMirror、およびn2は、以下の式
θMirror ≦ π/2−Sin−1(1/n2)
を満たすことを特徴とする請求項9に記載の光学ユニット。 The reflective surface comprises a conical surface;
When the angle between the reflection surface and the optical axis is θMirror,
θMirror and n2 are expressed by the following equation: θMirror ≦ π / 2−Sin −1 (1 / n2)
The optical unit according to claim 9, wherein:
φLens、φASP、dLens、dMirror、dAir、およびθMirrorは、以下の式
φLens ≦ φASP+2×(dLens+dAir)×tan(θMirror)
を満たすことを特徴とする請求項9または10に記載の光学ユニット。 When the diameter of the part located on the other side of the trunk part is φLens,
φLens, φASP, dLens, dMirror, dAir, and θMirror are the following formulas: φLens ≦ φASP + 2 × (dLens + dAir) × tan (θMirror)
The optical unit according to claim 9 or 10, wherein:
前記凸レンズ面の曲率半径をRASPとしたとき、
RFresnel、およびRASPは、以下の式
RFresnel ≧ RASP
を満たすことを特徴とする請求項1乃至11の何れか一項に記載の光学ユニット。 The radius of curvature of each lens surface constituting the Fresnel lens portion is R Fresnel,
When the curvature radius of the convex lens surface is RASP,
RFresnel and RASP are the following formulas: RFresnel ≧ RASP
The optical unit according to any one of claims 1 to 11, wherein:
前記レンズ部の外周側で光軸方向の一方側に突出した透光性の筒状の胴部と、
を備え、
前記レンズ部の前記光軸方向の他方側の面が、集光性のフレネルレンズ部になっており、
前記レンズ部の前記一方側の面が、凸レンズ面になっており、
前記胴部の外周面には、前記他方側から前記一方側に向けて外径が連続的に縮小している反射面が設けられていることを特徴とする集光レンズ。 The lens part,
A translucent cylindrical barrel projecting to one side in the optical axis direction on the outer peripheral side of the lens unit;
With
The other surface of the lens portion in the optical axis direction is a light-collecting Fresnel lens portion,
The one side surface of the lens part is a convex lens surface,
A condensing lens, wherein an outer peripheral surface of the body portion is provided with a reflecting surface whose outer diameter is continuously reduced from the other side toward the one side.
前記凸レンズ面の直径をφASPとしたとき、
φFresnel、およびφASPは、以下の式
φASP ≦ φFresnel
を満たすことを特徴とする請求項13乃至16の何れか一項に記載の集光レンズ。 The diameter of the Fresnel lens part is φFresnel,
When the diameter of the convex lens surface is φASP,
φFresnel and φASP are the following formulas φASP ≦ φFresnel
The condensing lens according to claim 13, wherein:
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