JP6073718B2

JP6073718B2 - 光学レンズ

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Publication number: JP6073718B2
Application number: JP2013056657A
Authority: JP
Inventors: 岡村　武昭; 武昭岡村; 勇輔佐伯
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 2013-03-19
Filing date: 2013-03-19
Publication date: 2017-02-01
Anticipated expiration: 2033-03-19
Also published as: JP2014182939A

Description

本発明は、光学レンズに関するものであり、詳しくは、光源と導光板との間に配設して、光源からの出射光の光路制御を行って導光板に入射させる機能を持たせた光学レンズに関する。

従来、面発光の導光板に光を入射する場合、導光板に垂直な方向から入射する方法と導光板に平行な方向から入射する方法とがある。

そのうち、導光板に垂直な方向から光を入射する方法は、導光板の厚み方向に対するスペースが必要となり、光源及び導光板を含む光学ユニットの大型化を招くことになる。

一方、導光板に平行な方向から光を入射する方法は、導光板の厚み方向に対するスペースを必要とせず、光学ユニットの薄型化を図ることができる。

導光板に平行な方向から光を入射する方法の従来例としては、例えば、特許文献１に図１として示された構成のものが開示されている。それは、導光板の平坦な端面近傍に光源のＬＥＤを複数個配置し、ＬＥＤからの出射光を端面を介して導光板内に入射させるものである。この場合、ＬＥＤから導光板の厚み方向に垂直な方向（面方向）に出射された光は、ＬＥＤの光軸に対する角度が大きくなるにつれて端面で反射される割合が高くなり、導光板内への光の取り込み効率が低下する。

そこで、導光板内への光の取り込み効率を高めるために、導光板の光入射面を凹円弧状とする方法、及び、凹円弧状の光入射面をシボ状の粗面にする方法が開示されている（特許文献２参照。）。

特開２００２−１００２２９号公報特開２００７−１８８６４５号公報

ところで、上記特許文献２に記載された導光板の光入射面を凹円弧状とする方法は、導光板の面方向に対する光取り込み効率は改善されるが、導光板の厚み方向に対する光取り込み効率が低下する。また、凹円弧状の光入射面をシボ状の粗面にする方法は、光源からの出射光が光源近傍の光入射面で拡散されるため、導光板の、光源から離れた位置に到達する光の光量が低下する。

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、光源と導光板との間に配設して、光源からの出射光を導光板内に最大限に取り込んで光の利用効率を高めることができる、光学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、光源と、端面から入射した光を導光して表面の光出射面から面状に出射する導光板との間に配設して、前記光源からの出射光の光路制御を行って前記導光板の端面から該導光板内に入射させる光学レンズであって、前記光学レンズは細長形状を有し、且つ裏面側と表面側の互いに対向する位置の夫々に光入射部と光出射部が設けられると共に前記光入射部と前記光出射部が長手方向に所定の間隔で複数箇所に設けられており、前記光入射部は、前記レンズの厚み方向に延びる軸を主軸とする凸状の双曲線を前記レンズの長手方向に沿って円弧状に延長した凹円弧状双曲面からなる第１光入射面と、前記第１光入射面の前記レンズの短手方向の両側に位置し、前記双曲線の両端の夫々から下方外側に延びる直線を前記レンズの長手方向に沿って円弧状に延長した扇状平面からなる一対の第２光入射面を備え、前記光出射部は、前記レンズの短手方向に延長された凸円柱面からなる第１光出射面を備え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、請求項１において、隣接する前記光入射部同士の間には、前記レンズの短手方向に延びる三角柱が長手方向に連続して平行に並設された光反射部が形成され、隣接する前記光出射部同士の間には、平坦面からなる第２光出射面が形成さ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又は請求項２において、前記導光板の端面の形状は、前記レンズの表面の形状に沿った形状を有し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４に記載された発明は、請求項１〜請求項３のいずれかにおいて、前記導光板は、裏面に光拡散処理が施さ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５に記載された発明は、請求項１〜請求項４のいずれかにおいて、前記レンズと前記導光板は、屈折率が同一あるいはほぼ同じ屈折率であることを特徴とするものである。

また、本発明の請求項６に記載された発明は、請求項１〜請求項５いずれかにおいて、前記第１光入射面の焦点位置に光源としてＬＥＤを配設することを特徴とするものである。

本発明の光学レンズは、光入射部に、レンズの厚み方向に延びる軸を主軸とする凸状の双曲線を前記レンズの長手方向に沿って円弧状に延長した凹円弧状双曲面からなる第１光入射面を設けた。それにより、光源から出射して第１光入射面を介してレンズ内に入射した光は、レンズの長手方向に対しては放射状に広がり短手方向に対しては集光するように光路制御されて第１光出射面を介して導光板内に取り込まれる。

その結果、導光板は光出射面において、レンズの長手方向の光路制御によって光出射面の広範囲に亘って発光領域が形成され、レンズの短手方向の光路制御によって光出射面の発光領域の高輝度化が図られる。

実施形態の光学レンズの側面図である。実施形態の光学レンズの長手方向に沿う縦断面図である。実施形態の光学レンズの短手方向に沿う縦断面図である。実施形態の光学レンズの背面図である。導光板に対する光学レンズの取り付け説明図である。導光板に光学レンズを取り付けた状態を導光板の面方向から見た図である。導光板に光学レンズを取り付けた状態を導光板の厚み方向から見た図である。光線追跡のシミュレーション結果を導光板の面方向から見た図である。光線追跡のシミュレーション結果を導光板の厚み方向から見た図である。

以下、この発明の好適な実施形態を図１〜図９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は実施形態の光学レンズの側面図、図２は長手方向に沿う縦断面図、図３は短手方向に沿う縦断面図、図４は背面図である。

本発明の光学レンズ（以下、「レンズ」と略称する）１は、光源にＬＥＤを用いることを想定し、ＬＥＤ光源からの出射光が入射する光入射面を有する裏面１０と、裏面１０の反対側の面でレンズ１内を導光された光が出射する光出射面を有する表面２０を備え、細長の形状を有している。

そのうち、裏面１０には、ＬＥＤ光源からの出射光がレンズ１内に入射する光入射部１１及びレンズ１内を導光中の光が内部反射（以下、「内部反射」は「全反射」を意味する）される光反射部１５を有している。

光入射部１１は、レンズ１の面方向に垂直な直線Ｙに対して所定の角度θだけ短手方向に傾いた軸を主軸Ｘとする下方に凸の双曲線を、レンズ１の長手方向に沿って円弧状に延長した円弧状双曲面からなる第１光入射面１２を有している。

また、第１光入射面１２の、レンズ１の短手方向の一方の側には、第１光入射面１２の双曲線の一方の上端から下方外側（第１光入射面１２と反対側）に向けて延びる略直線を、レンズ１の長手方向に沿って円弧状に延長した扇状平面からなる第２光入射面１３が形成され、第１光入射面１２の、レンズ１の短手方向の他方の側には、第１光入射面１２の双曲線の他方の上端から下方外側（第１光入射面１２と反対側）に向けて延びる略直線を、レンズ１の長手方向に沿って円弧状に延長した扇状平面からなる第３光入射面１４が形成されている。

更に、第２光入射面１３の上端から外側（第１光入射面１２と反対側）に延びる略直線を、レンズ１の長手方向に沿って円弧状に延長した扇状平面からなる第１光反射面１６、及び第３光入射面１４の上端から外側（第１光入射面１２と反対側）に延びる略直線を、レンズ１の長手方向に沿って円弧状に延長した扇状平面からなる第２光反射面１７が形成されている。

上記第１光入射面１２、第２光入射面１３及び第３光入射面１４で構成される光入射部１１は、第２光入射面１３と第１光反射面１６との交線、及び第３光入射面１４と第２光反射面１７との交線に対して凹んだ位置に形成されている。

光入射部１１は、レンズ１の長手方向に所定の間隔を置いて複数箇所に設けられており、隣接する光入射部１１同士の間には、短手方向に延びる三角柱１８が長手方向に連続して平行に並設された光反射部１５が形成されている。

光入射部１１と光反射部１５は、光入射部１１から長手方向の隣接する光入射部１１側に向かって斜め上方に傾斜する第１傾斜面１９を介して接続されている。

光出射面２０は、光入射部１１の直上を上方に凸の円柱面からなる第１光出射面２１とし、光反射部１５の略反対側に位置する略平坦面を第２光出射面２２としている。円柱面からなる第１光出射面２１は、直下の円弧状双曲面からなる第１光入射面１２に対して、互いの中心を結ぶ線がレンズ１の面方向に垂直な線となる位置関係にある。

第１光出射面２１と第２光出射面２２は、第１光出射面２１の下端から長手方向の隣接する第１光出射面２１側に向かって斜め上方に傾斜する第２傾斜面２３を介して接続されている。

上記構成のレンズ１は、図５（導光板に対するレンズの取り付け説明図）にあるように、導光板３０の端部３１に取り付け、ＬＥＤ光源から出射されてレンズ１によって導光・光路制御された光を導光板３０内に導入するものである。導光板３０は、全面に亘って厚みがほぼ均一な平板状をなしており、端面３１ａの形状はレンズ１の表面２０の形状に沿った形状を有しており、レンズ１の表面２０が導光板３０の端面３１ａに嵌合した状態で、導光板３０に保持される。

図６及び図７は、導光板３０にレンズ１を取り付けた状態を示しており、図６は導光板３０の面方向から見た図、図７は導光板３０の厚み方向から見た図である。

また、導光板３０は、レンズ１の面方向に垂直な方向（厚み方向）に対して所定の角度だけ短手方向に傾いて配置されている。この場合、導光板３０の厚み方向の中心軸Ｄと、円弧状双曲面からなる第１光入射面１２の主軸Ｘとは、レンズ１の面方向に垂直な直線Ｙに対して互いに反対方向に傾いている（図７参照）。

なお、ＬＥＤ光源２は、導光板３０の面方向から見た場合、円柱面からなる第１光出射面２１の中心と円弧状双曲面からなる第１光入射面１２の中心を結ぶ線Ｐの線上に配置され、導光板３０の厚み方向から見た場合、円弧状双曲面からなる第１光入射面１２の主軸Ｘ上の焦点位置に配置される。

図８及び図９は、導光板にレンズを取り付けた状態における、ＬＥＤ光源２から出射された光の光線追跡のシミュレーション結果である。図８は上記図６と同様に導光板３０の面方向から見た図であり、図９は図７と同様に導光板３０の厚み方向から見た図である。

図８より、ＬＥＤ光源２から出射されて第１光入射面１２からレンズ１内に放射状に入射した光のうち、第１光出射面２１に向かう光Ｌ１は放射状にレンズ１内を導光されて第１光出射面２１に至り、該第１光出射面２１及び、導光板３０の、第１光出射面２１の形状に沿った形状の端面３１ａを介して導光板３０内に入射し、レンズ１内を導光された光が屈折することなくそのまま導光板３０内を放射状に導光される。したがって、ＬＥＤ光源２から出射された光が導光板３０の面方向に対してＬＥＤ光源２を中心とする放射状に広がり、導光板３０の広範囲の領域にまで届くことになる。

また、ＬＥＤ光源２から出射されて第１光入射面１２からレンズ１内に放射状に入射した光のうち、第２光出射面２２に向かう光Ｌ２はレンズ１内を導光されて第２光出射面２２に至る。第２光出射面２２に至った光は、該第２光出射面２２で内部反射されて光反射部１５の三角柱１８の第３光反射面１８ａで内部反射されて反射光が導光板３０内を導光されて第２光出射面２２及び導光板３０の端面３１ａを介して導光板３０内に入射する。

あるいは、第２光出射面２２に至った光は、該第２光出射面２２で内部反射されて光反射部１５の三角柱１８の第３光反射面１８ａと第２光出射面２２との間で内部反射を繰り返しながら第２光出射面２２及び導光板３０の端面３１ａを介して導光板３０内に入射する。

このように、ＬＥＤ光源２から出射されて第１光入射面１２からレンズ１内に入射して第２光出射面２２に向かう光Ｌ２は、該第２光出射面２２から導光板３０の端面３１ａを介して導光板３０内に入射するものとなり、導光板３０の、隣接する夫々の第１光出射面２１からの出射光Ｌ１が到達する領域同士の間の領域に配光される。

したがって、導光板３０の面方向に対しては、光Ｌ１と光Ｌ２が互いの届かない領域を補完することにより導光板３０の全面に亘って光の配光が施されるよう、レンズ１によって必要な光路制御が行われる

一方、図９より、ＬＥＤ光源２から出射されて円弧状双曲面からなる第１光入射面１２に照射された光Ｌ３は、該第１光入射面１２で集光されて主軸Ｘに沿ってレンズ１内を導光され、第１光出射面２１及び導光板３０の端面３１ａを介してレンズ１内を導光された全ての光が導光板３０内に入射される。

この場合、導光板３０は、一方の面が光出射面３２であり他方の面（裏面）３３がシボ加工等による光拡散面となっており、且つ円弧状双曲面からなる第１光入射面１２の主軸Ｘに対して傾けた状態に配置されている。そのため、端面３１ａを介して導光板３０内に入射した光は、導光板３０内を導光されて直接導光板３０に光出射面３２に至り、一部がそのまま光出射面３２から外部に出射されると共にそれ以外は内部反射されて光拡散面の裏面３３側に向かい、裏面３３と光出射面３２との間で内部反射を繰り返しながら光出射面３２を介して外部に出射される。

また、ＬＥＤ光源２から出射されて第２光入射面１３に照射された光Ｌ４は、第２光入射面１３からレンズ１内に入射してレンズ１内を導光されて第１光反射面１６で内部反射され、反射光が導光板３０内を導光されて第１光出射面２１及び導光板３０の端面３１ａを介して導光板３０内に入射される。導光板３０内に入射した光は、上記同様に、裏面３３と光出射面３２との間で内部反射を繰り返しながら光出射面３２を介して外部に出射される。

このように、ＬＥＤ光源２から出射されて第１光入射面１２からレンズ１内に入射した光Ｌ３及び第２光入射面１３からレンズ１内に入射した光Ｌ４は、いずれもそのほとんどが導光板３０内に入射する。したがって、ＬＥＤ光源２からの出射光が効率良く導光板３０内に導入されて光の利用効率が高められる。

以上の構成により、ＬＥＤ光源２から出射されてレンズ１で光路制御された光を取り込んだ導光板３０は光出射面３２において、レンズ１の長手方向の光路制御によって光出射面３２の広範囲に亘って発光領域が形成され、レンズ１の短手方向の光路制御によって光出射面３２の発光領域の高輝度化が図られる。

なお、レンズ１及び導光板３０は互いに同一の透明材料で形成されることが好ましいが、必ずしも同一材料に限られるものではない。その場合は、屈折率が同一の材料あるいは互いの屈折率がほぼ同一の材料が好ましい。

上記実施形態においては、導光板３０の厚み方向の中心軸Ｄと円弧状双曲面からなる第１光入射面１２の主軸Ｘとは、レンズ１の面方向に垂直な直線Ｙに対して互いに反対方向に傾いた状態としたが、必ずしもこれに限られるものではなく、例えば、導光板３０の厚み方向の中心軸Ｄ及び第１光入射面１２の主軸Ｘが、レンズ１の面方向に垂直な直線Ｙに対して同一方向となる状態にあってもかまわない。この場合においても、レンズ１による光路制御の光学的な効果は充分に発揮される。

１… 光学レンズ
２… ＬＥＤ光源
１０… 裏面
１１… 光入射部
１２… 第１光入射面
１３… 第２光入射面
１４… 第３光入射面
１５… 光反射部
１６… 第１光反射面（全反射面）
１７… 第２光反射面（全反射面）
１８… 三角柱
１８ａ… 第３光反射面（全反射面）
１９… 第１傾斜面
２０… 表面
２１… 第１光出射面
２２… 第２光出射面
２３… 第２傾斜面
３０… 導光板
３１… 端部
３１ａ… 端面
３２… 光出射面
３３… 裏面

Claims

光源と、端面から入射した光を導光して表面の光出射面から面状に出射する導光板との間に配設して、前記光源からの出射光の光路制御を行って前記導光板の端面から該導光板内に入射させる光学レンズであって、
前記光学レンズは細長形状を有し、且つ裏面側と表面側の互いに対向する位置の夫々に光入射部と光出射部が設けられると共に前記光入射部と前記光出射部が長手方向に所定の間隔で複数箇所に設けられており、
前記光入射部は、前記レンズの厚み方向に延びる軸を主軸とする凸状の双曲線を前記レンズの長手方向に沿って円弧状に延長した凹円弧状双曲面からなる第１光入射面と、前記第１光入射面の前記レンズの短手方向の両側に位置し、前記双曲線の両端の夫々から下方外側に延びる直線を前記レンズの長手方向に沿って円弧状に延長した扇状平面からなる一対の第２光入射面を備え、
前記光出射部は、前記レンズの短手方向に延長された凸円柱面からなる第１光出射面を備えていることを特徴とする光学レンズ。
隣接する前記光入射部同士の間には、前記レンズの短手方向に延びる三角柱が長手方向に連続して平行に並設された光反射部が形成され、隣接する前記光出射部同士の間には、平坦面からなる第２光出射面が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光学レンズ。
前記導光板の端面の形状は、前記レンズの表面の形状に沿った形状を有していることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光学レンズ。
前記導光板は、裏面に光拡散処理が施されていることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の光学レンズ。
前記レンズと前記導光板は、屈折率が同一あるいはほぼ同じ屈折率であることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の光学レンズ。
前記第１光入射面の焦点位置に光源としてＬＥＤを配設することを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載の光学レンズ。