JP5506408B2 - 光学ユニット - Google Patents

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、低背化・薄型化を図るためにフレネルレンズを採用することも提案されている。

従来、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、上記特許文献１から３のレンズでは、入射した光の一部が反射面に達せずロスが生じてしまい、光の利用効率を最大とすることが難しいという不都合があった。例えば、特許文献３では、入射面と屈折レンズ部との間に、入射した光が反射面に到達しない部分があるため、この部分を透過した光が損失となっている。
また、ＬＥＤを光源として使用した場合、放射光は放射角度が大きくなるほど光強度が小さくなる配光分布を有しているため、図３に示すように、従来のＴＩＲ（Total Internal Reflection）レンズ１を使用したとき、光源２に対向して配置されたＴＩＲレンズ１の凹状レンズ部３の入射面から入射された光は、外側の凸状レンズ部４の反射面で全反射されるが、比較的光強度の強い中央部周辺の光Ｌ２が凸状レンズ部４の外周側の反射面で反射されることになる。したがって、このＴＩＲレンズ１では、中心付近の光度が高いが、中間付近の光度が低くなると共に外側の光度が高くなってしまう。そのため、このＴＩＲレンズ１を従来の手法でフレネルレンズ化しても、出射された光に光軸を中心としたリング状のフレアが発生して見栄えが悪くなってしまう。
さらに、特許文献３のレンズでは、反射レンズ部の入射面及び出射面が共に非球面となっているため、加工も難しくコストも高くなってしまう問題がある。
また、このレンズのように中心に下凸状の屈折レンズ部が形成されている場合や中心近傍がフラット形状の入射面である場合、光源の色ムラが照射面に反映（結像）されてしまう不都合があった。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、入射した光の利用効率を飛躍的に高めると共に出射する光の分布を整えることができ、色ムラも抑制可能な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プリズム部からなるフレネルレンズ部を入射面に有するレンズ部材であって、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、前記フレネルレンズ部が、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と共に、前記入射面の中心部まで形成されていることを特徴とする。

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、光強度の強い中央部の光が中央部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、本発明では中央部から出射させることができる。これにより、中心から外側に向かって徐々に光度が下がって中心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。
さらに、このフレネルレンズ部が入射面の中心部まで形成されているので、光源の色ムラが照射面に反映（結像、投影）されることが抑制される。
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、前記フレネルレンズ部の反対側の出射面に、出射される前記光の拡散性および指向性の少なくとも一方を制御する凹凸が形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、フレネルレンズ部の反対側の出射面に、出射される光の拡散性および指向性の少なくとも一方を制御する凹凸が形成されているので、フレネルレンズ部で可能な限り集光させた光を、出射面の凹凸による屈折や散乱によって所望の拡散性や指向性で出射させることが容易になる。

さらに、本発明のレンズ部材は、前記凹凸が、出射される前記光を拡散させる拡散性を有する形状とされ、前記出射面のうち中心部側が、外周側よりも高い拡散性の前記凹凸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、出射面のうち中心部側が、外周側よりも高い拡散性の凹凸を有しているので、特に光源の色ムラが反映されやすい中心部側でより多く光を拡散させることで、効果的に色ムラを抑制することができると共に、外周側では低い拡散性により正面照度の低下を抑制したり、狭指向性を得ることも可能である。

また、本発明のレンズ部材は、前記凹凸が、出射される前記光を特定の方向に多く拡散させる異方性拡散形状と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、凹凸が、出射される光を特定の方向に多く拡散させる異方性拡散形状とされているので、一様に光を拡散させるのではなく、特定方向において狭い指向性を持たせて出射させることが可能である。

また、本発明のレンズ部材は、前記フレネルレンズ部の反対側の出射面に、透過される前記光の拡散性および指向性の少なくとも一方を制御する光学シートが設置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、フレネルレンズ部の反対側の出射面に、透過される光の拡散性および指向性の少なくとも一方を制御する光学シートが設置されているので、フレネルレンズ部で可能な限り集光させた光を、出射面側の光学シートによる屈折や散乱によって所望の拡散性や指向性で出射させることが容易になる。例えば、透過する光を一様に散乱させる拡散シート、透過する光を特定の方向に多く散乱または屈折させる異方性拡散シートまたはプリズムシート等の光学シートにより、多様な光の拡散性や指向性を任意に設定することが可能になる。

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利用効率が高いと共に見栄えの良好な照明、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、中央部までフレネルレンズ部で形成されたレンズ部材によって、配列されたＬＥＤ素子の配置や色ムラが照射面に反映されてしまうことを抑制することができる。

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、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、出射される光の見栄えを改善することができると共に、光の利用効率を飛躍的に向上させることができる。また、上記フレネルレンズ部が入射面の中心部まで形成されているので、光源の色ムラが照射面に反映（結像、投影）されることが抑制され、色度差の小さい良好な照明光を得ることができる。

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、レンズ部材を示す平面図である。 図１のＡ−Ａ線断面図である。 第１実施形態において、従来のＴＩＲレンズ及び仮想レンズの原理説明図である。 第１実施形態において、レンズ部材及び光学ユニットの原理説明図である。 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実施形態において、色ムライメージを示す画像である。 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。 比較例において、色ムライメージを示す画像である。 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、レンズ部材の出射面を示す拡大図である。 第２実施形態において、色ムライメージを示す画像である。 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、レンズ部材の出射面を示す模式図である。 第３実施形態において、レンズ部材の出射面における外周側と中央部側との凹凸を示す模式的な拡大平面図である。 第３実施形態において、レンズ部材の出射面における凹凸の例を示す模式的な拡大断面図である。 本発明に係るレンズ部材及び光学ユニットの第４実施形態において、出射面側から見たレンズ部材を示す斜視図である。 第４実施形態において、照度分布イメージを示す画像である。 本発明に係るレンズ部材及び光学ユニットの第５実施形態において、出射面側から見たレンズ部材を示す斜視図である。 本発明に係るレンズ部材及び光学ユニットの第６実施形態において、出射面側から見たレンズ部材を示す斜視図である。 第６実施形態において、指向性を示すグラフである。 第６実施形態において、照度分布イメージを示す画像である。 本発明に係るレンズ部材及び光学ユニットの第７実施形態において、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から図４に示すように、ＬＥＤである光源２に対向配置される仮想レンズ１１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３ａ〜３ｃ，４ａ〜４ｃに分割してこれらに対応した屈折角の異なる複数のプリズム部１３，１３Ａ〜１３Ｃからなるフレネルレンズ部１４を入射面に有するＴＩＲレンズである。
なお、このレンズ部材１０は、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は、上記仮想レンズ１１が、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３と、該凹状レンズ部３の周囲に配され凹状レンズ部３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４と、を有しているＴＩＲレンズと仮定して、プリズム部１３，１３Ａ〜１３Ｃが、凹状レンズ部３の分割領域３ａ〜３ｃに対応したプリズム入射面１３ａと該分割領域３ａ〜３ｃから入射された光を全反射させる凸状レンズ部４の分割領域４ａ〜４ｃに対応したプリズム反射面１３ｂとで構成されている。

すなわち、図３及び図４に示すように、仮想レンズ１１の凹状レンズ部３において中央部周辺の内側の分割領域３ａと該分割領域３ａから入射した光が全反射される凸状レンズ部４の外周部周辺の外側の分割領域４ａとは、フレネルレンズ化により、本実施形態のレンズ部材１０の中央部周辺のプリズム部１３Ａのプリズム入射面１３ａと該プリズム部１３Ａのプリズム反射面１３ｂとに相当する。

また、仮想レンズ１１の凹状レンズ部３において分割領域３ａの外側の分割領域３ｂと該分割領域３ｂから入射した光が全反射される凸状レンズ部４の分割領域４ａ内側の分割領域４ｂとは、本実施形態のレンズ部材１０の中心部と外周近傍との中間部におけるプリズム部１３Ｂのプリズム入射面１３ａと該プリズム部１３Ｂのプリズム反射面１３ｂとに相当する。
さらに、仮想レンズ１１の凹状レンズ部３において凸状レンズ部４に近い外側の分割領域３ｃと該分割領域３ｃから入射した光が全反射される凸状レンズ部４の内周部周辺の内側の分割領域４ｃとは、本実施形態のレンズ部材１０の外周部周辺のプリズム部１３Ｃのプリズム入射面１３ａと該プリズム部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４のうち外側の分割領域４ａ〜４ｃに対応するプリズム部１３ほど内側に配置され、内側の分割領域４ａ〜４ｃに対応するプリズム部１３ほど外側に配置されて構成されていると共に、入射面の中心部まで形成されている。したがって、各プリズム部１３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。

上記プリズム反射面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。
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。また、プリズム入射面１３ａは、平面又は凸状の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。
なお、本実施形態では、フレネルレンズ部１４の反対側の出射面は、平坦面とされている。

上記光源２は、複数のＬＥＤ素子を配列したものであって、例えば、格子状に複数のＬＥＤ素子を配置した、いわゆるマルチチップＬＥＤが採用される。なお、光源２として、マルチチップＬＥＤだけでなく、１つのＬＥＤ素子を有するものも採用可能である。

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３に示す仮想レンズ１１では、光源２から直上の中央部に向けて出射された最も光強度の強い光Ｌ１は、内側の凹状レンズ部３の入射面中央部（分割領域３ａ）から入射されると共に凸状レンズ部４の外縁近傍の反射面（分割領域４ａ）で全反射され、出射面の外周部近傍から出射される。
これに対して仮想レンズ１１を図４に示すようにフレネル化した本実施形態のレンズ部材１０では、光源２から直上の中央部に向けて出射された最も光強度の強い光Ｌ１は、内側中央部のプリズム部１３Ａ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１３Ａのプリズム反射面１３ｂで全反射され、出射面の中央部から出射される。

また、仮想レンズ１１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中央部周辺の光Ｌ２は、内側の凹状レンズ部３の入射面（分割領域３ｂ）から入射されると共に凸状レンズ部４の外側の反射面（分割領域４ｂ）で全反射され、出射面の中央部と外縁との中間部から出射される。
これに対して本実施形態のレンズ部材１０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中央部周辺の光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、出射面の中央部と外縁との中間部から出射される。

さらに、仮想レンズ１１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３の入射面（分割領域３ｃ）から入射されると共に凸状レンズ部４の内側の反射面（分割領域４ｃ）で全反射され、出射面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１０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。

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について、光源２から出射した光を透過させた際の照明光の色ムラを調べた結果を、図７に示す。また、比較のために、図８に示すように、入射面の中央部に凸レンズ部１０１が形成されたレンズ部材１００を比較例として作製し、このレンズ部材１００についても同様に色ムラを調べた結果を、図９に示す。なお、図７および図９に示す色ムライメージは、カラー画像をグレースケールの白黒画像に変換したものであり、画像の横にＸＹ色度座標を示している。

これらの結果から、比較例のレンズ部材１００では、黄色に近い領域や青色に近い領域が局所的に発生して色ムラがあるのに対し、本実施形態のレンズ部材１０では、黄色や青色に近い領域が少なく全体として色ムラが低減されていることがわかる。

上述したように本実施形態のレンズ部材１０では、フレネルレンズ部１４が、凸状レンズ部４のうち外側の分割領域３ａ〜３ｃに対応するプリズム部１３ほど内側に配置され、内側の分割領域３ａ〜３ｃに対応するプリズム部１３ほど外側に配置されて構成されているので、光強度の強い中央部の光が中央部のプリズム部１３Ａ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１３Ａ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１０では中央部から出射させることができる。
これにより、本実施形態のレンズ部材１０では、中心から外側に向かって徐々に光度が下がって中心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１３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。
また、このフレネルレンズ部１４が入射面の中心部まで形成されているので、光源２の色ムラが照射面に反映（結像、投影）されることが抑制される。
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１０を得ることができる。

したがって、このレンズ部材１０を備えた光学ユニット１２０では、ＬＥＤの光源２から出射された光の利用効率が高いと共に見栄えの良好な照明、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、この光学ユニット１２０では、光源２が、複数のＬＥＤ素子を配列したものであるので、中央部までフレネルレンズ部１４で形成されたレンズ部材１０によって、配列されたＬＥＤ素子の配置や色ムラが照射面に反映されてしまうことを抑制することができる。

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１０から図１５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、フレネルレンズ部１４の反対側の出射面が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１０および図１１に示すように、フレネルレンズ部１４の反対側の出射面に、出射される光の拡散性および指向性の少なくとも一方を制御する凹凸２１が形成されている点である。
すなわち、第２実施形態のレンズ部材２０では、図１１に示すように、例えば凹凸２１として、出射される光を拡散させる拡散性を有した楕円形状の凸部が出射面に複数配列されている。なお、この凹凸２１は、効率的に光を屈折させるために非球面の凸部とすることが好ましい。また、他の凹凸として、例えば四角錐形状などを採用しても構わない。

この第２実施形態のレンズ部材２０について、第１実施形態と同様に、色ムラを調べた結果を、図１２に示す。この結果から、第１実施形態のレンズ部材１０に比べて、さらに色ムラが低減されていることがわかる。
このように、第２実施形態のレンズ部材２０では、フレネルレンズ部１４の反対側の出射面に、出射される光の拡散性および指向性の少なくとも一方を制御する凹凸２１が形成されているので、フレネルレンズ部１４で可能な限り集光させた光を、出射面の凹凸２１による屈折や散乱によって所望の拡散性や指向性で出射させることが容易になる。

また、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、凹凸２１が出射面に均一に配列されているのに対し、第３実施形態のレンズ部材３０では、図１３に示すように、出射面のうち中心部側が、外周側よりも高い拡散性の凹凸３１を有している点である。

すなわち、第３実施形態のレンズ部材３０では、図１３および図１４の（ａ）に示すように、中央部側に設けられ凸レンズ状の凹凸３１の設置密度が高くされて光の拡散性が高い高拡散性領域３２Ａと、図１４の（ｂ）に示すように、該高拡散性領域３２Ａの周囲に外周まで設けられ凹凸３１の設置密度が高拡散性領域３２Ａよりも低くされて光の拡散性が低い低拡散性領域３２Ｂと、が出射面に形成されている。なお、図１３では、高拡散性領域３２Ａにハッチングを施している。

このように第３実施形態のレンズ部材３０では、出射面のうち中心部側が、外周側よりも高い拡散性の凹凸３１を有しているので、特に光源２の色ムラが反映されやすい中心部側でより多く光を拡散させることで、効果的に色ムラを抑制することができると共に、外周側では低い拡散性により正面照度の低下を抑制したり、狭指向性を得ることも可能である。

なお、第３実施形態の他の例として、図１５の（ａ）に示す中央部側の高拡散性領域３２Ａに形成された凸レンズ状の凹凸３１が、図１５の（ｂ）に示す外周側の低拡散性領域３２Ｂに形成された凸レンズ状の凹凸３１よりも高さが高く設定されて高い拡散性を持たせたものでも構わない。
また、他の例として、図１５の（ａ）に示す中央部側の高拡散性領域３２Ａに形成された凸レンズ状の凹凸３１が、図１５の（ｃ）に示す外周側の低拡散性領域３２Ｂに形成された凸レンズ状の凹凸３１よりも曲率が小さく設定されて高い拡散性を持たせたものでも構わない。
なお、上記第３実施形態では、高拡散性領域３２Ａと低拡散性領域３２Ｂとが内側と外側とで明確に分かれているが、凹凸３１の密度、高さまたは曲率を漸次変えて拡散性を外側から内側に高めるようにしても構わない。

次に、本発明に係るレンズ部材及び光学ユニットの第４から第７実施形態について、図１６から図２２を参照して以下に説明する。

第４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、フレネルレンズ部１４の反対側の出射面に凸部ドット状の凹凸２１が複数形成されているのに対し、第４実施形態のレンズ部材４０では、図１６に示すように、出射面に中心軸を中心にした円環突条形状の凹凸４１が複数同心円上に形成されている点である。
この凹凸４１は、例えば断面円弧状の蒲鉾型凸部とされている。

この第４実施形態のレンズ部材４０について、照度分布イメージを調べた結果を、図１７に示す。なお、この図１７は、カラー画像の照度分布イメージをグレースケールの白黒画像に変換したものである。この結果から、中央部側ほど照度が高い等方性の拡散性が得られていることがわかる。

また、第５実施形態と第４実施形態との異なる点は、第４実施形態では、出射面に円環突条形状の凹凸４１が複数同心円上に形成されているのに対し、第５実施形態のレンズ部材５０では、図１８に示すように、出射面の中心から放射状に延在する直線突条形状の凹凸５１が複数形成されている点である。
この第５実施形態のレンズ部材５０においても、第４実施形態と同様に、中央部側ほど照度が高い等方性の拡散性が得られる。

次に、第６実施形態と第４実施形態との異なる点は、第４実施形態では、出射面に円環突条形状の凹凸４１が複数同心円上に形成されているのに対し、第６実施形態のレンズ部材６０では、図１９に示すように、特定方向に互いに平行に延在した直線突条形状の凹凸６１が複数形成されている点である。
すなわち、第６実施形態では、凹凸６１が、出射される光を特定の方向に多く拡散させる異方性拡散形状とされている。

この第６実施形態のレンズ部材６０では、図２０に示すように、凹凸６１の延在方向（Ｘ方向）の指向性が狭く、凹凸６１の延在方向に直交する方向（Ｙ方向）の指向性が広くなる指向性を有している。したがって、第６実施形態のレンズ部材６０では、第４および第５実施形態とは異なり、図２１に示すように、照度分布イメージが、Ｙ方向に広く偏った異方性の拡散性が得られる。

このように第６実施形態のレンズ部材６０では、凹凸６１が、出射される光を特定の方向に多く拡散させる異方性拡散形状とされているので、一様に光を拡散させるのではなく、特定方向において狭い指向性を持たせて出射させることが可能である。
なお、第２実施形態のレンズ部材２０のように、一定方向に長径を配した楕円形状の凹凸２１を全て同一方向に向けて配列することでも、同様に出射される光を特定の方向に多く拡散させる異方性を得ることができる。

なお、上記第２から第６実施形態における出射面の凹凸は、いずれも凸形状であるが、凹形状としても同様の拡散性や指向性を得ることが可能である。

次に、第７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、フレネルレンズ部１４の反対側の出射面に、出射される光の拡散性および指向性を制御する凹凸２１が形成されているのに対し、第７実施形態のレンズ部材７０では、図２２に示すように、フレネルレンズ部１４の反対側の出射面に、透過される光の拡散性および指向性の少なくとも一方を制御する光学シート７１が設置されている点である。

すなわち、第７実施形態のレンズ部材７０では、フレネルレンズ部１４の反対側の出射面に直接凹凸を形成するのではなく、透過する光を一様に散乱させる拡散シート、透過する光を特定の方向に多く散乱または屈折させる異方性拡散シートまたはプリズムシートなどの光学シート７１を設置して、多様な光の拡散性や指向性を任意に設定可能としている。なお、光学シート７１としては、レンズ部材本体の材料と屈折率差が小さい材料とすることが好ましい。

このように第７実施形態のレンズ部材７０では、フレネルレンズ部１４の反対側の出射面に、透過される光の拡散性および指向性の少なくとも一方を制御する光学シート７１が設置されているので、フレネルレンズ部１４で可能な限り集光させた光を、出射面側の光学シート７１による屈折や散乱によって所望の拡散性や指向性で出射させることが容易になる。

次に、上記比較例のレンズ部材、第１実施形態のレンズ部材、第７実施形態においてヘイズ値２９％および４６％の拡散シートを光学シートとしたレンズ部材、および第２実施形態のレンズ部材について、面内色度差、正面照度および半値幅（ＦＷＨＭ）を測定した結果を、以下の表１に示す。

この結果から、比較例のレンズ部材に比べて、第１実施形態のレンズ部材、第７実施形態においてヘイズ値２９％および４６％の拡散シートを光学シートとしたレンズ部材、第２実施形態のレンズ部材の順で、面内色度差が小さくなっており、色ムラが低減されていることがわかる。

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、３…凹状レンズ部、３ａ〜３ｃ…凹状レンズ部の分割領域、４…凸状レンズ部、４ａ〜４ｃ…凸状レンズ部の分割領域、１０，２０，・・・７０…レンズ部材、１１…仮想レンズ、１３，１３Ａ〜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、２１，３１，・・・６１…凹凸、７１…光学シート、１２０…光学ユニット、ＡＸ…光源の光軸

Claims (4)

1. 光源と、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プリズム部からなるフレネルレンズ部を入射面に有するレンズ部材とを備えた光学ユニットであって、
   前記光源は、複数のＬＥＤ素子を配列したものであり、
   前記仮想レンズは、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ため出射面側に凸な曲面で穿たれた仮想入射面と出射面とに挟まれた凹状レンズ部と、前記凹状レンズ部の周囲に配され、前記仮想入射面の開口部と前記出射面の周囲とを接続し、前記出射面とは反対側に凸な曲面からなる表面を含み、前記凹状レンズ部から入射された光を前記表面で出射面側へ全反射させる凸状レンズ部と、を有するＴＩＲレンズであり、
   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、
   前記フレネルレンズ部が、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と共に、前記光源の中心の直上部である前記入射面の中心部まで形成されていることを特徴とする光学ユニット。
2. 請求項１に記載の光学ユニットにおいて、
   前記フレネルレンズ部の反対側の出射面に、出射される前記光の拡散性および指向性の少なくとも一方を制御する凹凸が形成されていることを特徴とする光学ユニット。
3. 請求項２に記載の光学ユニットにおいて、
   前記凹凸が、同心円上に複数形成されている円環突条形状又は放射状に延在する直線突状形状をなし、出射される前記光を拡散させる拡散性を有する形状とされ、
   前記出射面のうち中心部側が、外周側よりも高い拡散性の前記凹凸を有していることを特徴とする光学ユニット。
4. 請求項１に記載の光学ユニットにおいて、
   前記フレネルレンズ部の反対側の出射面に、透過される前記光の拡散性および指向性の少なくとも一方を制御する光学シートが設置されていることを特徴とする光学ユニット。