JP5606137B2 - 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、従来のフレネルレンズでは、プリズム部の先端がプリズム入射面とプリズム反射面とにより鋭角に構成されている場合、金型に樹脂を充填する樹脂成型時に、先端が細く樹脂が先端まで入りきらずに、成型状態で先端にＲがついた形状となってしまう。このため、プリズム部の先端で光の入射と反射とを高精度で行うことができず、正面照度等の性能劣化の原因となってしまうという問題があった。
また、上記特許文献３の技術では、Ｒ形状の入射面から入射された光を全て反射するために必要とされる反射面が高く、レンズ厚が厚くなってしまう不都合もあった。
さらに、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。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、樹脂成型時に十分に樹脂を先端まで充填することができ、正面照度等の性能を良好に維持でき、さらには、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、レンズの薄型化も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を有し、少なくとも一部の前記プリズム部が、先端における前記プリズム入射面と前記プリズム反射面との間に、入射した光を出射面に向けて屈折させるプリズム屈折面を有していることを特徴とする。

このレンズ部材では、少なくとも一部のプリズム部が、先端におけるプリズム入射面とプリズム反射面との間に、入射した光を出射面に向けて屈折させるプリズム屈折面を有しているので、先端の鋭角が緩和され、樹脂成型時に十分に樹脂を先端まで充填することができる。さらに、プリズム入射面とプリズム反射面との間にプリズム屈折面を有しているので、従来の特許文献３の技術のようにＲ形状の入射面を形成する場合に比べて、必要とされるプリズム反射面の高さを小さく維持でき、レンズの薄型化が可能になる。

また、本発明のレンズ部材は、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、互いに対応したプリズム入射面とプリズム反射面とが稜線またはプリズム屈折面を介して連続して各プリズム部を構成しているので、プリズム入射面から入射された光が全てプリズム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。
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、前記プリズム屈折面が、内側に配された前記プリズム部に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、プリズム屈折面が、内側に配されたプリズム部に形成されているので、内側のプリズム部ほど先端が鋭角になると共にプリズム屈折面の角度がプリズム入射面に対して鈍角となり、内側のプリズム部ほど上記効果を得ることができる。
なお、外側のプリズム部ほどプリズム屈折面の角度がプリズム入射面に対して鋭角になり、ある径以上では、屈折の限界角度を超えてしまうため、上記効果を得にくくなる。
また、外側のプリズム部の先端にもプリズム屈折面を形成すると、全体の正面照度は向上するが、プリズム屈折面に入射した光を出射面に向けて垂直に屈折させることができなくなり、半値幅が広くなる傾向を有する。

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。

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、高い正面照度等が得られるレンズ部材により、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。

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、少なくとも一部のプリズム部が、先端におけるプリズム入射面とプリズム反射面との間に、入射した光を出射面に向けて屈折させるプリズム屈折面を有しているので、レンズ厚を薄くできると共に、プリズム部先端の鋭角が緩和され、樹脂成型時に十分に樹脂を先端まで充填することができる。
さらに、フレネルレンズ部を、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せ、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せた構成とすることで、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。

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、レンズ部材の屈折レンズ配置領域と屈折レンズ配置無し領域を示す説明図である。 第１実施形態において、プリズム部の先端を示す拡大断面図である。 プリズム部の先端が、理想的な場合（ａ）と、成型時に充填が不十分な場合（ｂ）と、プリズム屈折面を設けた第１実施形態の場合（ｃ）と、における光路を簡易的に示す説明図である。 プリズム部の理想的な先端（ａ）と、従来例のプリズム部の先端（ｂ）と、プリズム屈折面を設けた第１実施形態のプリズム部の先端（ｃ）と、における光路を示す説明図である。 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。 プリズム部の先端が、理想的な場合（先端理想形状）と、プリズム屈折面を設けた第１実施形態の場合（本発明屈折面形状）と、成型時に充填が不十分な場合（先端成型不十分形状）と、のシミュレーションによるレンズ照度分布を示すグラフである。 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。

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１１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とを有している。

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。なお、この頂角は、プリズム屈折面１３ｃが形成されたプリズム部１３の場合、プリズム入射面１３ａとプリズム反射面１３ｂとの角度である。

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。

さらに、図５および図６に示すように、少なくとも一部のプリズム部１３は、先端におけるプリズム入射面１３ａとプリズム反射面１３ｂとの間に、入射した光を出射面に向けて屈折させるプリズム屈折面１３ｃを有している。このプリズム屈折面１３ｃは、光源２からの光が直上の出射面に向けて屈折する角度に設定されている。すなわち、プリズム屈折面１３ｃは、図６に示すように、プリズム部１３の先端を切り欠いた面であって内側から外側に向けて出射面側に傾いた傾斜面とされている。

また、プリズム入射面１３ａとプリズム屈折面１３ｃとのなす角度は、内側に比べて外側に配されたプリズム部１３ほど小さくなっている。すなわち、内側のプリズム部１３ほど先端が鋭角になると共にプリズム屈折面１３ｃの角度がプリズム入射面１３ａに対して鈍角となっている。また、中心軸に直交する面に対するプリズム屈折面１３ｃの角度で言えば、外側ほどプリズム屈折面１３ｃの角度が大きくなっている。したがって、外側のプリズム部１３ほど、プリズム屈折面１３ｃに光が入射し難くなり、プリズム屈折面１３ｃによる効果が低下すると共に、先端形状が鋭角になって樹脂成型が不十分になるおそれがある。

このため、本実施形態では、プリズム屈折面１３ｃが、内側に配されたプリズム部１３に形成され、外側のプリズム部１３には形成されていない。すなわち、図６における内側の屈折レンズ配置領域では、プリズム屈折面１３ｃが形成されたプリズム部１３が設けられ、外側の屈折レンズ配置無し領域では、プリズム屈折面１３ｃが形成されていないプリズム部１３が設けられている。

プリズム屈折面１３ｃは、平面又は曲面の傾斜面で構成されている。すなわち、加工や設計のし易さを考慮した場合、平面形状のプリズム屈折面１３ｃが採用され、高精度な屈折特性を得る場合には、２次曲面の一部としての曲面形状のプリズム屈折面１３ｃが採用される。なお、プリズム屈折面１３ｃを２次曲面とする場合、各プリズム部１３を同一の２次曲面を構成する曲面にしても構わず、また理想的にはプリズム部１３毎に光学的設計を行って別々の適切な２次曲面としても構わない。

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、プリズム屈折面１３ｃが形成されたプリズム部１３での光の入射及び出射について説明する。
図７の（ａ）に示すように、プリズム入射面１３ａとプリズム反射面１３ｂとでプリズム部１３が構成され先端まで十分に樹脂が充填された理想的な形状の場合に比べ、図７の（ｂ）に示すように、成型時に樹脂が先端まで未充填で先端にＲがついた形状となった場合、先端部での光の入射と反射とが設計通りに行われず、Ｒ部分から入射して制御できていない光のロスにより、正面照度等の性能が劣化してしまう。これに対して、本実施形態では、図７の（ｃ）に示すように、プリズム部１３の先端にプリズム屈折面１３ｃが形成されており、先端の角度が緩くなって成型時の樹脂充填性が向上すると共に、プリズム屈折面１３ｃに入射した光が正面（出射面）へ向けて屈折することで、入射した光を無駄なく正面から出射させることができる。

また、図８の（ａ）に示すように、理想的な形状の場合に比べ、図８の（ｂ）に示すように、従来の特許文献３の技術の場合、入射面がＲとなり、理想的な形状よりは先端が鈍角になって樹脂の充填性が向上するが、反射面に必要とされる高さが大きくなり、レンズが厚くなって薄型化が困難である。これに対して、図８の（ｃ）に示すように、本実施形態では、入射面の一部をプリズム屈折面１３ｃとし、理想的な形状の場合よりも先端を鈍角にすると共に、必要な反射面の高さも小さく維持でき、レンズの薄型化も可能である。

次に、本実施形態の光学ユニット１２０は、図９及び図１０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、プリズム部１３の先端が、理想的な場合（先端理想形状）と、内側のプリズム部１３にプリズム屈折面１３ｃを設けた本実施形態の場合（本発明屈折面形状）と、成型時に充填が不十分な場合（先端成型不十分形状）と、におけるレンズ照度分布をシミュレーションによって調べた結果を、図１１に示す。また、それぞれの正面照度および理想的な場合を１００％としたときの正面照度の比率を、以下の表１に示す。

このレンズ照度分布からわかるように、プリズム部１３の先端が理想的な場合に比べて、成型時に充填が不十分な場合は、正面照度が８７％に劣化してしまっているのに対し、本実施形態では、正面照度が９２％まで改善されている。

上述したように本実施形態のレンズ部材１０では、少なくとも一部のプリズム部１３が、先端におけるプリズム入射面１３ａとプリズム反射面１３ｂとの間に、入射した光を出射面に向けて屈折させるプリズム屈折面１３ｃを有しているので、先端の鋭角が緩和され、樹脂成型時に十分に樹脂を先端まで充填することができる。さらに、プリズム入射面１３ａとプリズム反射面１３ｂとの間にプリズム屈折面１３ｃを有しているので、従来の特許文献３の技術のようにＲ形状の入射面を形成する場合に比べて、必要とされるプリズム反射面１３ｂの高さを小さく維持でき、レンズの薄型化が可能になる。

また、プリズム屈折面１３ｃが、内側に配されたプリズム部１３に形成されているので、内側のプリズム部１３ほど先端が鋭角になると共にプリズム屈折面１３ｃの角度がプリズム入射面１３ａに対して鈍角となり、内側のプリズム部１３ほど上記効果を得ることができる。
なお、プリズム部１３の先端が鈍角化されるため、金型の加工深さを浅くすることができ、バイトの劣化が減少するなど、金型製造においてメリットを有している。

さらに、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、互いに対応したプリズム入射面１３ａとプリズム反射面１３ｂとが稜線またはプリズム屈折面１３ｃを介して連続して各プリズム部１３を構成しているので、プリズム入射面１３ａから入射された光が全てプリズム反射面１３ｂ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、高い正面照度等が得られるレンズ部材１０により、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実施形態について、図１２を参照して以下に説明する。なお、以下の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１２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、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２実施形態のレンズ部材２０では、出射面の凹凸２１によって、第１実施形態のレンズ部材１０に比べて、さらに色ムラを低減させることができる。

なお、出射面のうち中心部側の凹凸２１を、外周側よりも高い拡散性の凹凸２１にしても構わない。この場合、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２１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、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。

例えば、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を設置しても構わない。
すなわち、フレネルレンズ部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もよい。なお、光学シートとしては、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を設置することにより、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。

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…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、１３ｃ…プリズム屈折面、１４…フレネルレンズ部、２１…凹凸、１２０…光学ユニット、ＡＸ…光源の光軸

Claims (2)

1. 光源と、レンズ部材と、を備えている光学ユニットであって、
   前記光源は、格子状に複数のＬＥＤ素子を配置したマルチチップＬＥＤであり、
   前記レンズ部材は、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、前記光軸を含むようにして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、を有するＴＩＲレンズであり、
   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、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を有し、前記光軸を通る断面が、光軸の周辺部に前記光源に向う突起と、前記光軸周辺部から外周部の間の凹部とを有し、
   少なくとも一部の前記プリズム部が、先端における前記プリズム入射面と前記プリズム反射面との間に、入射した光を出射面に向けて屈折させるプリズム屈折面を有し、
   前記プリズム屈折面が、内側に配された前記プリズム部に形成され、
   前記光源の中心軸と前記光軸が一致し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。