JP2017519361A - 自動車照明アプリケーションのための光学レンズパッケージ - Google Patents

Abstract

本発明は、光学レンズパッケージに関する。光学レンズパッケージは、ベースを含むレンズ本体と、ベースとは反対側の中央表面セクションと、中央表面セクションとベースとの間に広がっている周辺表面セクションと、を含む。中央表面セクションは、レンズパッケージの光学軸に関して中心に置かれ、かつ、光学軸を含む少なくとも第１断面において凸形状を有している。周辺表面セクションの少なくとも一部は、光学軸を含んでいる第２断面において凹形状を有している。光学レンズパケットのそうしたデザインを用いて、大きい光束を伴う中央の視準された光バンドルに加えて、光学軸に関して大きな角度までも凹形状によって側面視認性が達成される。この側面視認性は、追加の光学素子なく達成され、従って、追加光学具品を使用するソリューションと比べて、そうした光学システムの生産コストを低減している。

Description

本発明は、光学レンズパッケージに関し、より特定的には、ＬＥＤ光源に関する。上記レンズパッケージは、ベースを含むレンズ本体、ベースとは反対側の中央表面セクション、および、中央表面セクションとベースとの間に広がっている周辺表面セクション、を含む。中央表面セクションは、レンズパッケージの光学軸に関して中心に置かれ、かつ、光学軸を含む少なくとも第１断面において凸形状を有している。

本発明の主な適用分野は、自動車用信号照明の分野である。自動車用信号照明においては、多くの試験シナリオが、発せられる光の側面視認性を要求している。このことは、少なくとも方向空間（ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｓｐａｃｅ）の一つの断面において、例えば、−８５°から８５°までの、視認性を提供するように、中央照明方向または軸に関して大きな角度に対して方向付けられる必要があることを意味する。一方で、高輝度値の中央光バンドルは、中心軸から測定して、例えば−２０°から２０°まで広がるだけである。ＬＥＤパッケージ（ＬＥＤ：発光ダイオード）は、よく知られており、自動車用信号要求のための良好な中央光バンドルを提供し、例えば、中心軸から−２０°から２０°まで広がっている。

パッケージ光学素子（ｏｐｔｉｃｓ）を用いた自動車用信号伝達ＬＥＤを使用すれば、妥当な数量のＬＥＤと適度な光束（ｌｕｍｉｎｏｕｓ ｆｌｕｘ）を伴う良好な法律上の光バンドルを生成するために、追加的な別個の光学素子は必要ではない。米国特許第７９９３０３５号は、狭い分布パターンのための非球面ＬＥＤ角度レンズ（ａｎｇｕｌａｒ ｌｅｎｓ）を開示している。この非球面レンズは、入り口側に凹形状を有し、かつ、レンズの反対側に凸形状を有している。そうした非球面形状を使用することによって、光源から発せられる光は、１５°より大きくて、かつ、３０°より小さな、狭い角度円分布（ｎａｒｒｏｗ ａｎｇｕｌａｒ ｃｉｒｃｌｅ−ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ）パターンを達成するように視準されている（ｃｏｌｌｉｍａｔｅｄ）。そうした光学レンズパッケージは、しかしながら、側面視認性の要求を満足しない。例えば、＋／−８５°まで広がる、光学軸から遠い方向へと光をそらすためには、追加の２次的な光学素子が必要とされる。側面視認性光学素子を提供するための追加の労力は、著しくあり得るもので、従って、そうした光学システムのコストを増加させている。

米国特許出願公開第２００８／０２３９７２２号は、ＬＥＤの上に置かれた第１レンズとプライマリレンズを取り囲んでいる第２レンズとを備える照明のためのＬＥＤ装置を開示している。プライマリレンズは中心軸を有している。第２レンズは、中心軸に対して平行であり、かつ、離れている参照軸を伴う主要周囲表面（ｐｒｉｎｃｉｐａｌ ｐｅｒｉｍｅｔｅｒ ｓｕｒｆａｃｅ）を有している。主要周囲表面は、稜線に対して下側、かつ、内側に突き出ている。稜線は、中心軸に関する実質的な角度に対するものである。主要周囲表面のおかげで、照明のための装置は、光が横方向にバイアスされた向きに方向付けされる好みの側面を有しており、そして、好みでない側面に向かって、光は方向付けされないか、または、わずかである。

本発明の目的は、特に、ＬＥＤまたは他の小さな光源を用いる自動車用照明アプリケーションのための光学レンズパッケージを提供することである。狭い中央光バンドル（ｃｅｎｔｒａｌ ｌｉｇｈｔ ｂｕｎｄｌｅ）に加えて、著しい追加コストなしで側面の視認性も含んでいる。

本目的は、請求項１に従った光学レンズパッケージを用いて達成される。レンズパッケージの有利な実施例は、独立請求項の対象であり、もしくは、明細書の後続の部分および望ましい実施例において説明される。本発明は、また、光学モジュールおよび上記の光学レンズパッケージを伴うＬＥＤチップを含む信号装置にも関する。

提案される光学レンズパッケージは、ベースを含む光学的に透明なレンズ本体、ベースとは反対側の中央表面セクション、および、中央表面セクションとベースとの間に広がっている周辺表面セクションを含む。中央表面セクションは、レンズパッケージの光学軸に関して中心に置かれ、かつ、光学軸を含む少なくとも第１断面において凸形状を有している。光学レンズパッケージは、周辺表面セクションの少なくとも一部が、第１断面において凸形状を有することで特徴付けられる。用語「ベース（”ｂａｓｅ”）」は、このコンテクストにおいて、あらゆる幾何学的な形状に限定されるものではなく、中央表面セクションとは反対のレンズ本体の側を示すだけである。この光学レンズパッケージは、光源としてのＬＥＤまたはＬＥＤモジュールと共に使用されることが望ましい。中央凸表面セクションは、対応する断面において少なくとも部分的に視準された光バンドル（ｂｕｎｄｌｅ ｏｆ ｌｉｇｈｔ）を生成する。周辺表面セクションの凹部分は、対応する断面において第２光バンドルを追加する。広い角度拡散にわたり著しく低い輝度を伴うものである。

凹部分に進入してくる光のこの角度拡散のおかげで、発せられる光に係る要求される側面視認性が提供される。凹部分のデザインに応じて、光学軸から、例えば、＋／−８５°まで達し得るものである。提案される光学レンズパッケージは、あらゆる追加の光学素子を必要としないので、著しい追加コストなしで側面視認性が提供され得る。レンズパッケージは、モールディングプロセスによる既知の方法において、または、他の技術を用いて製造することができる。例えば、単点（ｓｉｎｇｌｅ−ｐｏｉｎｔ）ダイアモンドミリング、または、レーザーアブレーションを使用する自由造形製造（ｆｒｅｅ−ｆｏｒｍ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）によるものである。

望ましい実施例において、提案される光学レンズパッケージは、一個のＬＥＤ、一つのユニットの中に一個または数個のＬＥＤを含んでいるモジュール、または、一個または数個のＬＥＤを含んでいる照明器具において実施される。レンズパッケージは、望ましくは、ＬＥＤチップを載せているチップキャリアの部分を取り囲んでいる。つまり、ＬＥＤチップは、レンズパッケージの透明なレンズ本体の中に完全に浸っている。対応する光学モジュールは、望ましくは、数個のＬＥＤチップを含んでおり、それぞれのＬＥＤチップは、別個のチップキャリア、もしくは、いくつか又は全てのＬＥＤチップに共通のチップキャリアの上にマウントされている。それぞれのＬＥＤチップは、そして、提案されるレンズパッケージを含んでいる。レンズパッケージは、ＬＥＤチップまたはチップキャリアに対して取り付けられてよく、もしくは、チップキャリアと一緒にＬＥＤチップがレンズパッケージによって包含されてよい、例えば、キャスト（ｃａｓｔ）。そうした光学モジュールは、信号装置、例えばターンライト、の一部であってよい。

中央表面セクションは、全体が凸形状を有するようにデザインされてよく、そして、一つ（第１）の断面においてだけ複合形状を提供するようにデザインされてもよい。同じことが、周辺セクションの凹部分に対して適用される。レンズパッケージは、回転対称または楕円形状であってよい。他の形状も、また可能である。楕円形状は、２つの垂直な異なった特徴付ける断面を有することによって生成される。両方とも光学軸を含むものである。レンズの表面は、そして、これら２つの特徴付ける断面の間の楕円補間（ｅｌｌｉｐｔｉｃａｌ ｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎ）によって定められる。楕円レンズは、非対称な光バンドルを形成するために使用されており、２つの特徴付ける断面に係る断面において異なった広さ（ｅｘｔｅｎｔ）を有している。本発明において、第１および第２断面とも呼ばれるものである。本発明に従って、レンズは、中央凸セクションと周辺凹セクションを伴う少なくとも一つの断面（第１断面）を有している。レンズは、本発明に従って、この断面を用いた回転対称であってよい。レンズは、また、本発明に従って、特徴付ける断面のうち一方、つまり、凸中央表面セクションと凹周辺部分、および、凸中央表面セクションだけを伴う他方の特徴付ける断面、を用いた楕円形状であってもよい。レンズは、また、本発明に従って、特徴付ける断面の両方、つまり凸形状と凹形状、を用いた楕円形状であってよい。しかし、両方の断面における凸形状はお互いに異なっており、かつ、両方の断面における凹形状も、また、お互いに異なっている。レンズパッケージの形状の選択は、所望のビームパターンと側面視認性に依存するものである。

レンズパッケージは、望ましくは、光源が光学軸上の専用位置に配置されているアプリケーションのためにデザインされる。この専用位置は、光源がレンズ本体の中に浸されているときに、レンズ本体の内側にあってよく、または、ベースに近いレンズ本体の外側にあってもよい。後者の場合に、望ましくは、イマージョン中間媒体（ｉｍｍｅｒｓｉｏｎ ｍｅｄｉｕｍ）、例えばシリコーン（ｓｉｌｉｃｏｎｅ）が、光源とベースとの間に配置される。レンズ本体の入り口における光の反射を避けるためである。中央表面セクションは、そして、望ましくは、光学軸に関して０°と、４５°と６０°の間の角度との間の角度で光源によって発せられた光を収集し、かつ、この収集された光を、光学軸に関して１０°と３５°の間の角度へ視準するようにデザインされている。凸形状表面セクションは、こうして、この収集された光を大きな光束の中央光バンドルへと部分的に視準する。凹部分は、光学軸に関して、４５°と６０°の間の角度（凸形状セクションの収集角度に応じたもの）と、６０°と７５°の間の角度との間の角度で光源によって発せられる光を収集し、かつ、光学軸に関して６０°と８５°の間の最大角度においてレンズパッケージから離れるように収集された光を拡散させるためにデザインされている。このことは、上記の角度範囲の下で光源から発せられた光を収集するように凹部分を適切に配置し、かつ、寸法決定することにより、および、上記の最大発光角度を伴う所望の第２光バンドルを達成するように、所望の光拡散のために適切に凹部分の曲率を選択することによって達成され得るものである。

凸形状表面セクションによって影響される中央（視準された）光バンドルにおける光量は、典型的には、全ての光バンドル、つまり、中央および第２光バンドルの組み合わせの、７０％と９５％の間である。周辺の第２バンドルの内側の光度に対する軸上の光度（ｌｕｍｉｎｏｕｓ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）の差異は、１０：１から１０００：１までの範囲にある。

提案される光学レンズパッケージは、望ましくは、自動車用信号照明において使用される。それにもかかわらず、レンズパッケージは、また、他の照明アプリケーションにおいても使用され得る。特には、中央光バンドルが＋／−３０°より小さい円錐形に留まり、かつ、第２光バンドルが上記の角度を著しく超えて広がることが要求される、全ての分野におけるアプリケーションである。中央光バンドルは、全体の光束の大部分を使用し、そして、第２光バンドルは、全体の光束の小さな部分だけを使用する。

提案される光学レンズパッケージは、添付の図面に関連して実施例として以降に説明される。
図１は、提案される光学レンズパッケージの一つの実施例の断面図である。 図２は、提案される光学レンズパッケージの一つの実施例の断面図であり、光源に係る異なる光線の通路を示している。 図３は、２つの異なる断面を用いた、提案される光学レンズパッケージの一つの実施例の模式図である。

図１は、提案される光学レンズパッケージ１の一つの実施例の断面図を示しており、この実施例においては、光源としてのＬＥＤチップ３を載せるチップキャリア２を部分的に取り囲んでいる。ＬＥＤチップ３は、光学レンズパッケージ１のレンズ本体（ｌｅｎｓ ｂｏｄｙ）の中に完全に浸っている。この光学的に透明なレンズ本体は、凸形状中央表面セクション４を有する。レンズ本体のベース７の反対側に配置され、かつ、レンズパッケージの光学軸５に関して中心合わせされたものである。凸形状表面セクション４の延長において、レンズ本体は、また、凹形状部分６を伴う周辺表面セクションを含んでいる。この場合には、凸形状中央表面セクション４に直接的に隣接するものである。レンズ本体のこの凹形状部分６は、広い角度範囲を伴う光の第２周辺光バンドルを提供する専用のものである。凸形状中央表面セクション４は、中央の視準された（ｃｏｌｌｉｍａｔｅｄ）光バンドルを生成する。凹形状部分６は、幅広い角度拡散にわたり著しく低い輝度の第２光バンドルを追加する。

図２は、光源（ＬＥＤチップ３）によって発せられる典型的な光線の通路のビュー（ｖｉｅｗ）を示している。光源によって発せられる光線は、レンズ本体の表面を通過するときに屈折される。レンズ本体の凸形状中央表面セクション４は、光学軸５（直線ｏ−ａ）から始まり、そして、直線ｏ−ｂまで延びている。これは、レンズパッケージの右側の断面図だけを参照しているが、左側についても対称的に同様なことが適用される。光学軸５と直線ｏ−ｂとの間の角度は、典型的に４５°から６０°の間の角度である。この断面におけるレンズ本体の凹形状部分６は、点ｂから始まり、そして、直線ｏ−ｃまで延びている。直線ｏ−ｃと光学軸５との間角度は、典型的に６０°と７５°の間である。図から見て分かるように、凸形状中央表面セクション４は、表面における屈折によって直線ｏ−ｂ上の光線から生成される直線ｂ−ｄ上の外側光線を伴う視準された光バンドルを形成する。光学軸に関する直線ｂ−ｄの角度は典型的に１０°から３５°の間である。凹形状部分６は、表面における屈折によって直線ｏ−ｃ上の光線から生成される直線ｃ−ｅ上の外側光線を伴う視準された拡散光バンドルを形成する。光学軸に関する直線ｃ−ｅの角度は典型的に６０°から８５°の間である。この図から見て分かるように、凹形状部分６は、光学軸５に関する最大角度を増加させるように、点ｏにおいて光源３によって発せられる光の小さな部分を拡散し、従って、発せられた光の側面の視認性をそうした大きな角度まで増加させている。

図３は、提案される光学レンズパッケージの２つの垂直な断面Ａ，Ｂのビューを示している。断面Ａ、Ｂの両方は、光学軸５を含んでいる。提案される光学レンズパッケージは、これら２つの断面に関して異なるやり方でデザインされ得るものである。提案される光学レンズパッケージのレンズ本体は、中央の凸形状と周辺の凹形状部分を含む一つの断面を有する必要があるので、３つの異なるコンフィグレーションが可能である。
ａ）レンズは、回転対称であり、本発明に従った凸形状と凹形状部分を有している断面を伴うものである。
ｂ）レンズは、楕円形状である。一つは、本発明に従った断面（第１断面）を定め、つまり、凸形状と凹形状部分を有しており、かつ、他方は、凸形状部分だけを有し、凹形状部分は含まない断面（第２断面）を定めるものを用いた楕円形状である。そうした実施の一つの実施例は、断面Ｂにおける第１断面と断面Ａにおける第２断面を用いて図３に示されている。
ｃ）レンズは、楕円形状である。両方とも、本発明に従った断面を定め、つまり、凸形状と凹形状部分を有しているが、お互いに異なっている。このことは、２つの断面ＡとＢにおける凸形状部分が相互に異なっていることを意味している。２つの断面ＡとＢにおける凹形状部分は、この場合にも、また、相互に異なってよい。

本発明は、図面および上記の記述において詳細に説明されてきたが、そうした図示と記述は、説明的または典型的なものであり、かつ、限定的なものではないと理解されるべきである。本発明は、開示された実施例に限定されるものではない。図面、明細書、および、添付の請求項の学習により、請求された発明を実施することで、開示された実施例に対する他の変形が、当業者によって理解され達成され得る。請求項において、用語「含む（”ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ”）」は、他のエレメントまたはステップを排除するものではなく、そして、不定冠詞「一つの（”ａ“または”ａｎ“）」は、複数を排除するものではない。特定の手段が、お互いに異なる従属請求項の中で引用されているという事実だけでは、これらの手段の組み合せが有利に使用され得ないことを示すものではない。特に、請求項８から１０に係る機能は、相互に、そして、他の請求項の全ての機能と自由に組み合わせられてよい。請求項におけるいかなる参照記号も、発明の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。

１ 光学レンズパッケージ
２ チップキャリア
３ ＬＥＤチップ
４ 凸形状中央表面セクション
５ 光学軸
６ 凹形状部分
７ ベース
Ａ 第１断面
Ｂ 第２断面

Claims (12)

1. 光学レンズパッケージであって、
   ベースを含むレンズ本体、前記ベースとは反対側の中央表面セクション、光学軸、および、前記中央表面セクションと前記ベースとの間に広がっている周辺表面セクション、を含み、
   前記中央表面セクションは、前記光学軸を含む少なくとも第１断面において、少なくとも部分的に凸形状を有しており、
   前記中央表面セクションと前記周辺表面セクションは、光源からの光を視準するように構成されており、
   前記中央表面セクションは、前記レンズパッケージの前記光学軸に関して中心に置かれ、
   前記周辺表面セクションが前記中央表面セクションへと移行する場所において、前記周辺表面セクションの少なくとも一部は、少なくとも前記第１断面において凹形状を有し、かつ、
   光源が前記光学軸上の専用位置に配置されているときに、前記中央表面セクションは、前記周辺表面セクションの前記凹形状部分によって視準された光の角度よりも、前記光学軸に関して、より小さい角度で前記光源から受け取った光を視準するように構成されている、
   レンズパッケージ。
2. 前記中央表面セクションは、前記光学軸を含んでいる全ての断面において凸形状を有する、
   請求項１に記載のレンズパッケージ。
3. 前記周辺表面セクションの前記一部は、前記光学軸を含んでいる第２断面において凹形状を有し、
   前記第２断面は、前記第１断面に対して垂直である、
   請求項２に記載のレンズパッケージ。
4. 前記周辺表面セクションの前記一部の前記凹形状は、前記第１断面と前記第２断面において異なるものである、
   請求項３に記載のレンズパッケージ。
5. 前記周辺表面セクションの前記一部の前記凹形状は、前記第１断面と前記第２断面において同一である、
   請求項３に記載のレンズパッケージ。
6. 前記中央表面セクションの前記凸形状は、前記第１断面と前記第２断面において異なるものである、
   請求項４に記載のレンズパッケージ。
7. 前記中央表面セクションの前記凸形状は、前記第１断面と前記第２断面において同一である、
   請求項５に記載のレンズパッケージ。
8. 前記中央表面セクションは、前記光源が前記光学軸上の専用位置に配置されているときに、０°と、４５°と６０°の間の角度との間の角度で光源によって発せられる光を収集するようにデザインされており、かつ、前記収集された光を、前記光学軸に関して１０°と３５°の間の角度へ視準する、
   請求項１に記載のレンズパッケージ。
9. 前記中央表面セクションの前記一部は、前記光源が前記光学軸上の専用位置に配置されているときに、４５°と６０°の間の角度と、６０°と７５°の間の角度との間の角度で光源によって発せられる光を収集するようにデザインされており、かつ、前記光学軸に関して６０°と８５°の間の最大角度において前記レンズパッケージから離れるように、前記収集された光を拡散させる、
   請求項１に記載のレンズパッケージ。
10. 前記レンズパッケージは、チップキャリア上にマウントされたＬＥＤチップを包含し、または、ＬＥＤチップに対して取り付けられている、
    請求項１に記載のレンズパッケージ。
11. 数個のＬＥＤチップを含む光学モジュールであって、
    それぞれのＬＥＤチップは、別個のチップキャリア上にマウントされるか、または、前記数個のＬＥＤチップに共通のチップキャリア上にマウントされており、
    請求項１に記載のレンズパッケージは、前記それぞれのＬＥＤチップを包含し、または、前記それぞれのＬＥＤチップに対して取り付けられている、
    光学モジュール。
12. 一つまたは数個のＬＥＤチップを含む信号装置であって、
    請求項１に記載のレンズパッケージは、前記それぞれのＬＥＤチップを包含し、または、前記それぞれのＬＥＤチップに対して取り付けられている、
    信号装置。

Images