JP5150335B2

JP5150335B2 - 導光レンズ

Info

Publication number: JP5150335B2
Application number: JP2008087463A
Authority: JP
Inventors: 豪典塩▲浜▼; 剛安達
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 2008-03-28
Filing date: 2008-03-28
Publication date: 2013-02-20
Anticipated expiration: 2028-03-28
Also published as: JP2009244316A

Description

本発明は、導光レンズに関するものであり、詳しくは、点光源又は線光源から入射した光の光路を制御して外部に出射する導光レンズに関する。

実質的に点光源とみなすことができる光源からの光を導入し、導入した光を導光して光源の光軸を中心軸とする放射方向に出射させる導光レンズとして、図５に示すようなものが提案されている。

提案された導光レンズ５０は、ＬＥＤ光源５１を包囲するように、ＬＥＤ光源５１内に位置するＬＥＤチップ５２の位置Ｘｐ近傍を中心とする球面からなる光入射面５３と、Ｘｐ近傍を仮想焦点とし、仮想焦点Ｘｐを通りＬＥＤ光源５１の光軸Ｘに直交する直線を軸Ｙとする放物線の一部を光軸Ｘを中心軸として回転させて得られる回転放物面からなる光反射面５４が形成されている。

そこで、ＬＥＤ光源５１から出射されて導光レンズ５０の光入射面５３に至った光線は、光入射面５３から導光レンズ５０内に入射する。このとき、光入射面５３は上述したように発光源となるＬＥＤチップ５２の位置Ｘｐ近傍を中心とする球面であるため、ＬＥＤ光源５１から出射されて光入射面５３に至った光線は光入射面５３において屈折されることなく導光レンズ５０内に直進する。

導光レンズ５０内に入射した光線は導光レンズ５０内を導光されてその一部が光反射面５４に至る。このとき、光反射面５４は上述したように発光源となるＬＥＤチップ５２の位置Ｘｐ近傍を仮想焦点とする回転放物面であるため、ＬＥＤ光源５１から直進して導光レンズ５０の光反射面５４に至った光線は光反射面５４で全反射されて略平行光となって光軸Ｘを中心軸とする放射方向（軸Ｙに平行な方向）に向かう（例えば、特許文献１参照。）。

このような光路形成が行われる導光レンズ５０は、ＬＥＤ光源５１から出射された光線のうち光軸Ｘに対して角度αの範囲内に向かって出射された光線のみが光反射面５４で全反射される。そのため、光軸Ｘを中心軸とする放射方向（軸Ｙに平行な方向）に向かう光線を使用する光学系を構成する場合、ＬＥＤ光源５１から出射された全光束のうち一部の光束しか光学系の構成に寄与せず、光の利用効率が低いものとなる。

光反射面５４の面積を拡大してＬＥＤ光源５１の光線出射角度の範囲を角度αから角度βに広げると光の利用効率が高くなるが、同時に導光レンズ５０が光軸Ｘを中心軸とする放射方向（軸Ｙに平行な方向）に大きくなり、導光レンズ５０が大型化してしまう。

そこで、図６に示すような導光レンズ６０が考案される。考案された導光レンズ６０は、ＬＥＤ光源６１を覆うように位置するＬＥＤ光源６１側に凸状の、ＬＥＤ光源６１内に位置するＬＥＤチップ６２の位置Ｘｑ近傍を焦点とする双曲面或いは双曲面に近似した非球面からなる第１光入射面６３と、ＬＥＤ光源６１を囲むように位置する、光軸Ｘを中心軸とする円筒系曲面からなる第２光入射面６４と、第１光入射面６３及び第２光入射面６４の外側に位置し、光軸Ｘに対してＬＥＤ光源６１の照射方向に向かって凸状に開いた放物系曲線を光軸Ｘを中心軸として回転した放物系曲面からなる第１光反射面６５と、第１光入射面６３、第２光入射面６４、及び第1光反射面６５の上方（ＬＥＤ光源の照射方向）に位置し、光軸Ｘに対してＬＥＤ光源６１の照射方向に向かって開いた直線を光軸Ｘを中心軸として回転した凹状の傾斜系曲面からなる第２光反射面６６と、第１光反射面６５と第２光反射面６６に繋がり、ＬＥＤ光源６１の光軸Ｘを中心軸とする円筒系曲面からなる光出射面６７を備えている。

そこで、ＬＥＤ光源６１から出射されて導光レンズ６０の第１光入射面６３に至った光線は、第１光入射面６３から導光レンズ６０内に入射する。このとき、第１光入射面６３は上述したように発光源となるＬＥＤチップ６２の位置Ｘｑ近傍を焦点とする双曲面或いは双曲面に近似した非球面であるため、ＬＥＤ光源６１から出射されて第１光入射面６３に至った光線は第１光入射面６３において略平行光となって導光レンズ６１内に入射し、第２光反射面６６に向かう。

導光レンズ６０内を第２光反射面６６に向けて導光された光線は第２光反射面６６で全反射されて略平行光のままＬＥＤ光源６１の光軸Ｘを中心軸とする放射方向（軸Ｙに平行な方向）に向かい、光出射面６７の第１光出射部６８から外部に向けて出射される。

一方、ＬＥＤ光源６１から出射されて導光レンズ６０の第２光入射面６４に至った光線は、第２光入射面６４で屈折されて導光レンズ６０内に入射し、第１光反射面６５に向かう。導光レンズ６０内を第１光反射面６５に向けて導光された光線は第１光反射面６５で全反射されて略平行光となって第２光反射面６６に向かう。

導光レンズ６０内を第２光反射面６６に向けて導光された光線は第２光反射面６６で全反射されて略平行光のままＬＥＤ光源６１の光軸Ｘを中心軸とする放射方向（軸Ｙに平行な方向）に向かい、光出射面６７の第２光出射部６９から外部に向けて出射される。
特開２００８−３４１２４号公報

ところで、このような光路形成が行われる導光レンズ６０は、ＬＥＤ光源６１から出射された光線のうち導光レンズ６０内に入射して第２光反射面６６で全反射された光線のみが光出射面６７から外部に向けて出射される。そのため、光軸Ｘを中心軸とする放射方向（軸Ｙに平行な方向）に向かう光線を使用する光学系を構成する場合、ＬＥＤ光源６１から出射された全光束に対する光の利用効率を高めるためには第２光反射面６６の光軸Ｘ方向の長さを長くする必要がある。すると、導光レンズ６０が光軸Ｘの方向に大きくなり、導光レンズ６０の高さが高くなる。

同時に、導光レンズ６０の体積が大きくなるために成形のタクトタイムが長くなって生産効率が低下し、肉厚が厚くなるために成形時にヒケが生じて光学性能が悪くなる。

そこで、本発明は上記問題に鑑みて創案なされたもので、その目的とするところは、小型で良好な光学性能を有し、短いタクトタイムで効率よく成形が可能な導光レンズを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の請求項１に記載された発明は、光源から入射した光の光路を制御して外部に出射する導光レンズであって、前記導光レンズの前記光源側の上方に第１光入射面、斜方に第２光入射面、側方に第３光入射面を有し、前記導光レンズの前記光源と反対側の、前記第１光入射面に対応する位置に第１光反射面、前記第１光反射面の斜方に第２光反射面を有し、前記導光レンズの前記光源と反対側の、前記第１光反射面の側方に第１光出射面、前記第２光反射面の側方に第２光出射面、前記第３光入射の側方に第３光出射面を有しており、前記光源から出射した光は、前記第１光入射面、前記第１光反射面、及び前記第１光出射面を経て外部に出射される第一の光路、前記第２光入射面、前記第２光反射面、及び前記第２光出射面を経て外部に出射される第二の光路、前記第３光入射面及び前記第３光出射面を経て外部に出射される第三の光路のうちいずれかの光路に沿って進み、前記第二の光路の、前記第２光入射面と前記第２光出射面の間に空気層が設けられていることを特徴とするものである。

また、本発明の請求項２に記載された発明は、光源から入射した光の光路を制御して外部に出射する導光レンズであって、前記導光レンズの前記光源側の上方に第１光入射面、斜方に第２光入射面、側方に第３光入射面を有し、前記導光レンズの前記光源と反対側の、前記第１光入射面に対応する位置に第１光反射面、前記第１光反射面の斜方に第２光反射面を有し、前記導光レンズの前記光源と反対側の、前記第１光反射面の側方に第１光出射面、前記第２光反射面の側方に第２光出射面、前記第３光入射の側方に第３光出射面を有しており、前記光源から出射した光は、前記第１光入射面、前記第１光反射面、及び前記第１光出射面を経て外部に出射される第一の光路、前記第２光入射面、前記第２光反射面、及び前記第２光出射面を経て外部に出射される第二の光路、前記第３光入射面及び前記第３光出射面を経て外部に出射される第三の光路のうちいずれかの光路に沿って進み、前記第一の光路の、前記第１光反射面と前記第１光出射面との間、及び、前記第二の光路の、前記第２光入射面と前記第２光出射面の間に空気層が設けられていることを特徴とするものである。

また、本発明の請求項３に記載された発明は、請求項１または２において、前記導光レンズは回転体形状、及び、柱状形状のうちいずれかの形状を呈していることを特徴とするものである。

本発明は、光源から出射された光が３つの光路のうちいずれかの光路を経て外部に出射されるようにした。その結果、光源から出射される光の利用効率が向上し、光損失の少ない導光レンズが実現した。

また、光路中に空気層を設けることにより導光レンズの上部領域が光路形成に有効に利用され、高さ方向に対する小型化が可能となった。その結果、導光レンズの体積が低減されると共に肉厚の均一化が図られ、成形のタクトタイムが短縮されて生産効率が向上すると共に、成形時のヒケが低減されて良好な光学性能を確保することができるようになった。

以下、この発明の好適な実施形態を図１から図４を参照しながら、詳細に説明する（同一部分については同じ符号を付す）。尚、以下に述べる実施形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの実施形態に限られるものではない。

図１は本発明の導光レンズの斜視図、図２は同じく、本発明の導光レンズの断面図である。導光レンズ１は４つの光入射面（第１光入射面２、第２光入射面３、第３光入射面４、第４光入射面５）、２つの光反射面（第１光反射面７、第２光反射面８）、及び３つの光出射面（第１光出射面９、第２光出射面１０、第３光出射面１１）で構成されている。

導光レンズ１は点光源（例えば、ＬＥＤ）Ｐを仮想し、光源Ｐの光軸Ｘを中心軸とする回転体形状を呈している。光源Ｐの上方に、該光源Ｐ側に凸状の、光源Ｐの位置近傍を焦点とし光源Ｐの光軸Ｘを主軸とする双曲面或いは双曲面に近似した非球面からなる第１光入射面２が位置している。

光源Ｐの斜上方に、前記第１光入射面２の上端から下方に延びる、光源Ｐ側に凸状の湾曲線を、光軸Ｘを中心軸として回転させて得られる回転湾曲面からなる第２光入射面３が位置している。

第２光入射面３の光源Ｐと反対側に、該第２光入射面３の下端（光源Ｐ側の端）から光軸Ｘに平行に且つ上方（光源Ｐと反対側）に延びる直線を光軸Ｘを中心軸として回転させて得られる円筒状曲面からなる第４光出射面１２が位置している。

第４光出射面１２の斜上方に、該第４光出射面１２の上端（光源Ｐと反対側の端）から光軸Ｘに垂直に延びる直線を光軸Ｘを中心軸として回転させて得られる円環状平面からなる第４光入射面５が位置している。

第４光出射面１２と空気層１５を介して対向する位置に、第４光入射面５の外端（光軸Ｘと反対側の端）から光軸Ｘに平行に且つ下方に、光源Ｐを通り光軸Ｘに垂直な軸Ｙの位置まで延びる直線を光軸Ｘを中心軸として回転させて得られる円筒状曲面からなる第３光入射面４が位置している。

更に、導光レンズ１の第１光入射面２の反対面の該第１光入射面２に対応する位置には、光軸Ｘから該光軸Ｘに対して上方に向かって外側に開いた直線を光軸Ｘを中心軸として回転させて得られた凹状の傾斜系曲面からなる第１光反射面７が位置している。

第１光反射面７の斜上方に、該第１光反射面７の上端から光軸Ｘに垂直に延びる直線を光軸Ｘを中心軸として回転させて得られる円環状平面からなる第１接続面１６が位置している。

第１接続面１６の斜上方に、該第１接続面１６の外端から光軸Ｘに対して上方に向かって外側に開いた直線を光軸Ｘを中心軸として回転させて得られた傾斜系曲面からなる第２光反射面８が位置している。

第２光反射面８の上端から光軸Ｘに平行に且つ下方に、第４光出射面１２の下端を通り光軸Ｘに垂直な面近傍の位置まで延びる直線を光軸Ｘを中心軸として回転させて得られる円筒状曲面からなる第２光出射面１０及び第１光出射面９が位置している。

第１光出射面９の下方に、該第１光出射面９から延びる、光軸Ｘと反対側に凸状の湾曲線を、光軸Ｘを中心軸として回転させて得られる回転湾曲面からなる第３光出射面１１が位置している。

第３光入射面４の下端と第３光出射面１１の下端は円環状平面からなる第２接続面１７で繋がっている。

そこで、このような構成の導光レンズ１において、光源Ｐから出射された光線は３つの光路に分かれて外部に出射される。

そのうち、第一の光路を辿る光線は、光源Ｐから出射して第１光入射面２に向かう光線Ｌ１であり、第１光入射面２に至った光線Ｌ１は該第１光入射面２で屈折されて略平行光となって導光レンズ１内に入射し、第１光反射面７に向かう。

導光レンズ１内を光軸Ｘと略平行に第１光反射面７に向かって導光された光線Ｌ１は第１光反射面７に至り、該第１光反射面７で全反射されて略平行光のまま光軸Ｘを中心軸とする放射方向（軸Ｙに平行な方向）に向かう。

導光レンズ１内を、光軸Ｘを中心軸とする放射方向に向かって導光された光線Ｌ１は第１光出射面９に至り、該第１光出射面９から外部に向けて略平行光の状態で出射される。

また、第二の光路を辿る光線は、光源Ｐから出射して第２光入射面３に向かう光線Ｌ２であり、第２光入射面３に至った光線Ｌ２は該第２光入射面３で屈折されて導光レンズ１内に入射し、第４光出射面１２に向かう。

導光レンズ１内を第４光出射面１２に向かって導光された光線Ｌ２は第４光出射面１２に至り、第４光出射面１２に至った光線Ｌ２は該第４光出射面１２で屈折されて空気層１５内に出射し、第４光入射面５に向かう。

空気層１５内を第４光入射面５に向かって伝搬された光線Ｌ２は第４光入射面５に至り、第４光入射面５に至った光線Ｌ２は該第４光入射面５で屈折されて導光レンズ１内に入射し、第２光反射面８に向かう。

導光レンズ１内を第２光反射面８に向かって導光された光線Ｌ２は第２光反射面８に至り、第２光反射面８に至った光線Ｌ２は該第２光反射面８で全反射されて略平行光となって光軸Ｘを中心軸とする放射方向（軸Ｙに平行な方向）に向かう。

導光レンズ１内を、光軸Ｘを中心軸とする放射方向（軸Ｙに平行な方向）に向かって導光された光線Ｌ２は第２光出射面１０に至り、該第２光出射面１０から外部に向けて略平行光の状態で出射される。

更に、第三の光路を辿る光線は、光源Ｐから出射して第３光入射面４に向かう光線Ｌ３であり、第３光入射面４に至った光線Ｌ３は該第３光入射面４で屈折されて導光レンズ１内に入射し、第３光出射面１１に向かう。

導光レンズ１内を第３光出射面１１に向かって導光された光線Ｌ３は第３光出射面１１に至り、第３光出射面１１に至った光線Ｌ３は該第３光出射面１１で屈折されて略平行光となって第３光出射面１１から外部に向けて出射される。

このように、光源Ｐから出射して導光レンズ１内の第一の光路を導光された光線Ｌ１、第二の光路を導光された光線Ｌ２、及び第三の光路を導光された光線Ｌ３は、いずれも互いに略平行光となって導光レンズ１から光軸Ｘを中心軸とする放射方向（軸Ｙに平行な方向）に向けて出射される。

特に、第３の光路を辿る光線Ｌ３は光源Ｐの側方に向けて出射される。そのため、外部に対する光出射面（第１光出射面９、第２光出射面１０及び第３光出射面１１）の利用効率が向上し、広範囲に亘って均一化された出射光を得ることができる。

更に、光源Ｐから出射した光は必ず３つの光路のうちいずれかの光路を辿って外部に出射される。そのため、光源Ｐから出射された光の利用効率が高く、光損失の少ない導光レンズが実現する。

また、第二の光路には途中に空気層１５が設けられており、導光レンズ１から空気層１５に出射するときの屈折及び空気層１５から導光レンズ１に入射するときの屈折を利用することにより光線Ｌ２を導光レンズの上部領域に導光し、該上部領域に位置する第２光出射面１０から外部に向けて出射するようにしている。そのため、導光レンズ１の上部領域が光路形成に有効に利用され、従来の導光レンズに対して高さ方向に対する小型化が可能となる。

また、導光レンズ１に空気層１５を設けることにより導光レンズ１の体積が低減されると共に肉厚の均一化が図られている。そのため、成形のタクトタイムが短縮されて生産効率が向上すると共に、成形時のヒケが低減されて良好な光学性能を確保することができる。

上記、光入射面（第１光入射面２、第２光入射面３、第３光入射面４、第４光入射面５）、光反射面（第１光反射面７、第２光反射面８）、及び光出射面（第１光出射面９、第２光出射面１０、第３光出射面１１、第４光出射面１２）で構成された導光レンズ１において、第１光入射面２は平面、光源Ｐと反対側に凹状の凹面、或いは自由曲面でもよい。第２光入射面３は平面、光源Ｐと反対側に凹状の凹面、或いは自由曲面でもよい。第３光入射面４は平面、凸面、凹面、或いは自由曲面でもよい。第４光入射面５は平面、凸面、凹面、或いは自由曲面でもよい。

第１光反射面７は平面、上方に凸状に湾曲した放物曲面、楕円曲面、或いは自由曲面でもよい。第２光反射面８は平面、上方に凸状に湾曲した放物曲面、楕円曲面、或いは自由曲面でもよい。

第１光出射面９は平面、凸面、凹面、或いは自由曲面でもよい。第２光出射面１０は平面、凸面、凹面、或いは自由曲面でもよい。第３光出射面１１は平面、凸面、或いは自由曲面でもよい。第４光出射面１２は平面、凸面、凹面、或いは自由曲面でもよい。

なお、図３に示すように、空気層１５を上方に延長し、光源Ｐから出射して導光レンズ１の第１光反射面７で全反射した光線Ｌ４を第５光出射面１３から空気層１５に出射し、空気層１５を伝搬された光線Ｌ４が第５光入射面６から導光レンズ１内に入射し、導光レンズ１内を導光されて第６光出射面１４から外部に向けて出射されるようにしてもよい。

この場合、第５光入射面６及び第６光出射面１４はいずれも平面、凸面、凹面、或いは自由曲面でもよい。

図４の導光レンズ１は、光入射面、光反射面、及び光出射面の構成を図１と同様のものとし、図１が光軸Ｘを中心軸とする回転体形状であるのに対し、光軸Ｘに垂直な方向に延びる柱状形状を呈している。そのため、光源は線状光源（例えば、冷陰極蛍光ランプ）Ｑが使用され、該線状光源Ｑは導光レンズ１の長手方向と平行に配置される。

当然、各光入射面（第１光入射面２、第２光入射面３、第３光入射面４、第４光入射面５）、各光反射面（第１光反射面７、第２光反射面８）、及び各光出射面（第１光出射面９、第２光出射面１０、第３光出射面１１）はいずれも導光レンズ１の長手方向と平行に延長されている。

各光線（Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３）が辿る光路（第一の光路、第二の光路、第三の光路）はいずれも導光レンズ１の長手方向に垂直な平面上に形成される。

導光レンズ１の各光入射面、各光反射面、及び各光出射面と各光線の光路の関係、その効果は上記図１及び図２と同様であるので、ここでは説明を省略する。

本発明の実施形態の斜視図である。図１の断面図である。本発明の他の実施形態の断面図である。本発明の他の実施形態の斜視図である。従来例の部分断面図である。他の従来例の断面図である。

符号の説明

１導光レンズ
２第１光入射面
３第２光入射面
４第３光入射面
５第４光入射面
６第５光入射面
７第１光反射面
８第２光反射面
９第１光出射面
１０第２光出射面
１１第３光出射面
１２第４光出射面
１３第５光出射面
１４第６光出射面
１５空気層
１６第１接続面
１７第２接続面

Claims

光源から入射した光の光路を制御して外部に出射する導光レンズであって、
前記導光レンズの前記光源側の上方に第１光入射面、斜方に第２光入射面、側方に第３光入射面を有し、前記導光レンズの前記光源と反対側の、前記第１光入射面に対応する位置に第１光反射面、前記第１光反射面の斜方に第２光反射面を有し、
前記導光レンズの前記光源と反対側の、前記第１光反射面の側方に第１光出射面、前記第２光反射面の側方に第２光出射面、前記第３光入射の側方に第３光出射面を有しており、
前記光源から出射した光は、前記第１光入射面、前記第１光反射面、及び前記第１光出射面を経て外部に出射される第一の光路、前記第２光入射面、前記第２光反射面、及び前記第２光出射面を経て外部に出射される第二の光路、前記第３光入射面及び前記第３光出射面を経て外部に出射される第三の光路のうちいずれかの光路に沿って進み、
前記第二の光路の、前記第２光入射面と前記第２光出射面の間に空気層が設けられていることを特徴とする導光レンズ。
光源から入射した光の光路を制御して外部に出射する導光レンズであって、
前記導光レンズの前記光源側の上方に第１光入射面、斜方に第２光入射面、側方に第３光入射面を有し、前記導光レンズの前記光源と反対側の、前記第１光入射面に対応する位置に第１光反射面、前記第１光反射面の斜方に第２光反射面を有し、
前記導光レンズの前記光源と反対側の、前記第１光反射面の側方に第１光出射面、前記第２光反射面の側方に第２光出射面、前記第３光入射の側方に第３光出射面を有しており、
前記光源から出射した光は、前記第１光入射面、前記第１光反射面、及び前記第１光出射面を経て外部に出射される第一の光路、前記第２光入射面、前記第２光反射面、及び前記第２光出射面を経て外部に出射される第二の光路、前記第３光入射面及び前記第３光出射面を経て外部に出射される第三の光路のうちいずれかの光路に沿って進み、
前記第一の光路の、前記第１光反射面と前記第１光出射面との間、及び、前記第二の光路の、前記第２光入射面と前記第２光出射面の間に空気層が設けられていることを特徴とする導光レンズ。
前記導光レンズは回転体形状、及び、柱状形状のうちいずれかの形状を呈していることを特徴とする請求項１または２に記載の導光レンズ。