JP6413651B2 - Fresnel lens and method of manufacturing Fresnel lens - Google Patents

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Description

本発明は、フレネルレンズおよびその製造方法に関するものであり、さらに詳しくは、曲面の内側にプリズム面を有する樹脂製フレネルレンズおよびその製造方法に関するものである。   The present invention relates to a Fresnel lens and a manufacturing method thereof, and more particularly to a resin-made Fresnel lens having a prism surface inside a curved surface and a manufacturing method thereof.

集光型太陽光発電装置においては、曲面形状を有するフレネルレンズを用いて、太陽光の集光が行われることが多い。例えば特許文献1,2に示されるように、この種のフレネルレンズにおいては、曲面形状の外側の面が平滑な入射面とされる。そして、曲面形状の内側面には複数の同心円状の突条が形成され、突条を構成する光軸から離れた側の面がプリズム面とされる。プリズム面から出射された光は、光軸上の焦点に集光される。   In a concentrating solar power generation apparatus, sunlight is often collected using a Fresnel lens having a curved surface shape. For example, as shown in Patent Documents 1 and 2, in this type of Fresnel lens, the outer surface of the curved surface is a smooth incident surface. A plurality of concentric protrusions are formed on the inner surface of the curved surface, and the surface on the side away from the optical axis constituting the protrusion is a prism surface. The light emitted from the prism surface is collected at a focal point on the optical axis.

金型成形を用いてこのようなフレネルレンズを樹脂より製造するに場合に、曲面形状の内側に形成されるプリズム面が、光軸方向に型開きを行う際にアンダーカットとなる。このようなアンダーカット構造を有する内側面から金型を抜くために、特許文献1に示されるように、金型が複数に分割される。つまり、光軸を含む部位に配置されたセンターコアと、センターコアの周囲に配置されたスライドコアとに金型を分割し、センターコアを抜いた後に、スライドコアを径方向にスライドさせて抜く。   When such a Fresnel lens is manufactured from resin using mold molding, the prism surface formed inside the curved surface becomes undercut when the mold is opened in the optical axis direction. In order to remove the mold from the inner surface having such an undercut structure, as shown in Patent Document 1, the mold is divided into a plurality of parts. In other words, the mold is divided into a center core disposed at a portion including the optical axis and a slide core disposed around the center core, and after removing the center core, the slide core is slid in the radial direction and removed. .

特開2006−35817号公報JP 2006-35817 A 特開2012−9846号公報JP 2012-9846 A

特許文献1に示されるように、金型を複数に分割して抜く場合、金型の分割境界に位置するフレネルレンズのプリズム面と、分割した金型の端縁とが摺動し、このプリズム面に損傷が生じるおそれがある。すると、このプリズム面の光学特性が変化し、設計どおりの光透過率(レンズ効率)や集光率が得られなくなる可能性がある。また、摺動によってプリズム面に損傷までは生じなくても、プリズム面の機械的強度が低下する可能性がある。   As shown in Patent Document 1, when a mold is divided and removed, the prism surface of the Fresnel lens located at the division boundary of the mold and the edge of the divided mold slide, and this prism The surface may be damaged. Then, the optical characteristics of the prism surface change, and there is a possibility that the light transmittance (lens efficiency) and the light collection rate as designed cannot be obtained. Further, even if the prism surface is not damaged by sliding, the mechanical strength of the prism surface may be lowered.

本発明が解決しようとする課題は、金型成形時に、金型との摺動によってプリズム面に損傷や機械的強度の低下が発生することで光学特性が劣化するのが抑制されたフレネルレンズを提供すること、およびそのようなフレネルレンズの製造方法を提供することにある。   The problem to be solved by the present invention is to provide a Fresnel lens in which optical properties are prevented from deteriorating due to damage to the prism surface or reduction in mechanical strength caused by sliding with the mold during mold molding. And providing a method of manufacturing such a Fresnel lens.

上記課題を解決するために、本発明にかかるフレネルレンズは、樹脂よりなり、光軸を中心とする曲面形状の内側に、複数のプリズム面を有し、前記プリズム面が前記光軸方向に対してアンダーカットとなっていない非アンダーカット部と、前記非アンダーカット部と隣接して前記非アンダーカット部よりも前記光軸から離れた部位に形成され、前記プリズム面が前記光軸に対してアンダーカットとなっているアンダーカット部とを有し、前記非アンダーカット部と前記アンダーカット部との境界に位置するプリズム面の、前記非アンダーカット部と前記アンダーカット部の隣接方向に沿った幅は、隣接する2つのプリズム面のうち小さい方の幅の2倍以上であることを要旨とする。   In order to solve the above problems, a Fresnel lens according to the present invention is made of resin, and has a plurality of prism surfaces inside a curved surface centered on the optical axis, and the prism surfaces are in the optical axis direction. A non-undercut portion that is not undercut, and a portion that is adjacent to the non-undercut portion and further away from the optical axis than the non-undercut portion, and the prism surface is formed with respect to the optical axis. An undercut portion that is an undercut, and along the adjacent direction of the non-undercut portion and the undercut portion of the prism surface located at the boundary between the non-undercut portion and the undercut portion The gist is that the width is at least twice the smaller one of the two adjacent prism surfaces.

ここで、前記フレネルレンズは、前記非アンダーカット部、前記アンダーカット部、前記境界において、等しい肉厚を有していることが好ましい。   Here, it is preferable that the Fresnel lens has an equal thickness at the non-undercut portion, the undercut portion, and the boundary.

この場合に、前記フレネルレンズは、相互に平行な第一辺と第二辺を有する平行四辺形と、前記平行四辺形の第一辺を底辺とする三角形と、からなる五角形を断面に有する五角形プリズムが複数集合された形状を有し、各五角形プリズムは、前記平行四辺形の第一辺と第二辺の間の距離が等しくなっており、前記平行四辺形の第二辺が入射面となり、前記三角形の底辺以外の辺の一方が前記プリズム面となるように、前記平行四辺形の第一辺および第二辺に交差する辺において隣接されていることが好ましい。   In this case, the Fresnel lens is a pentagon having a pentagon formed in a cross section including a parallelogram having a first side and a second side parallel to each other and a triangle having the first side of the parallelogram as a base. Each pentagonal prism has an equal distance between the first side and the second side of the parallelogram, and the second side of the parallelogram is the entrance surface. It is preferable that the sides of the parallelogram are adjacent to each other at the side intersecting the first side and the second side so that one of the sides other than the base of the triangle becomes the prism surface.

一方、本発明にかかるフレネルレンズの製造方法は、上記のようなフレネルレンズを製造する方法において、金型を前記曲面形状の内側から抜くに際し、前記アンダーカット部と前記非アンダーカット部の境界で前記金型を分割し、前記非アンダーカット部に位置する金型を前記光軸方向に抜いた後、前記アンダーカット部に位置する金型を前記光軸側にずらして抜くことを要旨とする。   On the other hand, the manufacturing method of the Fresnel lens according to the present invention is a method of manufacturing a Fresnel lens as described above, and when the mold is removed from the inside of the curved surface shape, at the boundary between the undercut portion and the non-undercut portion. The gist is to divide the mold, and after removing the mold located in the non-undercut portion in the optical axis direction, the mold located in the undercut portion is shifted to the optical axis side and removed. .

上記発明にかかるフレネルレンズは、成形後、非アンダーカット部とアンダーカット部との境界で金型を分割し、非アンダーカット部に対応する金型を抜いた後、アンダーカット部に対応する金型を光軸側にずらして抜くことで、製造することができる。この際、非アンダーカット部とアンダーカット部の境界に位置するプリズム面が、分割した金型の端縁と摺動するが、このプリズム面が隣接するプリズム面の2倍以上の幅を有していることで、摺動時に他のプリズム面の幅と同じ幅領域にわたってプリズム面の損傷や強度低下が起こったとしても、他のプリズム面の幅と同じかそれよりも広い幅を有する残りの領域には損傷や機械的強度の低下が発生しない。これにより、非アンダーカット部とアンダーカット部の間に幅の広いプリズム部が設けられない場合に比べ、透過率(レンズ効率)や集光率の低下等、離型時の摺動によるフレネルレンズの光学特性の低下が起こりにくくなる。   After the molding, the Fresnel lens according to the above invention is formed by dividing the mold at the boundary between the non-undercut portion and the undercut portion, and after removing the mold corresponding to the non-undercut portion, the mold corresponding to the undercut portion. It can be manufactured by shifting the mold to the optical axis side and removing it. At this time, the prism surface located at the boundary between the non-undercut portion and the undercut portion slides with the edge of the divided mold, and this prism surface has a width twice or more that of the adjacent prism surface. Therefore, even if the prism surface is damaged or the strength is reduced over the same width region as the other prism surface during sliding, the remaining width having the same or wider width than the other prism surface There is no damage or loss of mechanical strength in the area. As a result, compared with the case where a wide prism portion is not provided between the non-undercut portion and the undercut portion, the Fresnel lens is caused by sliding at the time of releasing, such as a decrease in transmittance (lens efficiency) and light collection rate. Deterioration of the optical characteristics is less likely to occur.

ここで、フレネルレンズが、非アンダーカット部、アンダーカット部、境界において、等しい肉厚を有している場合には、フレネルレンズ全体において、一定の機械強度を得ることができる。   Here, when the Fresnel lens has the same thickness at the non-undercut portion, the undercut portion, and the boundary, a constant mechanical strength can be obtained in the entire Fresnel lens.

この場合に、フレネルレンズを上記のような五角形プリズムの集合体として形成すれば、フレネルレンズ全体において、フレネルレンズの肉厚となる平行四辺形の第一辺と第二辺の間の距離を一定としながら、各プリズム面から出射した光を焦点上に集光できるフレネルレンズを設計することができる。   In this case, if the Fresnel lens is formed as an assembly of pentagonal prisms as described above, the distance between the first side and the second side of the parallelogram that is the thickness of the Fresnel lens is constant throughout the Fresnel lens. However, it is possible to design a Fresnel lens that can collect the light emitted from each prism surface on the focal point.

一方、上記発明にかかるフレネルレンズの製造方法においては、隣接するプリズム面の2倍の幅を有するプリズム面が形成されている非アンダーカット部とアンダーカット部の境界で金型の分割を行うので、分割された金型の端縁とプリズム面が摺動したとしても、その摺動によって、境界部のプリズム面全体に損傷や機械的強度の低下を与えることが避けられる。これにより、製造されたフレネルレンズにおいて、光学特性が低下するのを抑制することができる。   On the other hand, in the method for manufacturing a Fresnel lens according to the invention, the mold is divided at the boundary between the non-undercut portion and the undercut portion where the prism surface having a width twice that of the adjacent prism surface is formed. Even if the edge of the divided mold and the prism surface slide, it is possible to avoid damaging the entire prism surface at the boundary and reducing the mechanical strength due to the sliding. Thereby, in the manufactured Fresnel lens, it can suppress that an optical characteristic falls.

本発明の一実施形態にかかるフレネルレンズの概略を示す上面図である。It is a top view which shows the outline of the Fresnel lens concerning one Embodiment of this invention. 上記フレネルレンズの斜視図である。It is a perspective view of the Fresnel lens. 上記フレネルレンズの断面図であり、(a)は全体図、(b)は非アンダーカット部を示す拡大図である。図(b)中には、円で囲んだ部位をさらに拡大したものも併せて示している。It is sectional drawing of the said Fresnel lens, (a) is a general view, (b) is an enlarged view which shows a non-undercut part. In FIG. (B), a further enlarged portion surrounded by a circle is also shown. 上記フレネルレンズの断面図であり、(a)は全体図、(b)はアンダーカット部を示す拡大図である。It is sectional drawing of the said Fresnel lens, (a) is a general view, (b) is an enlarged view which shows an undercut part. 非アンダーカット部とアンダーカット部の境界付近を示す図であり、(a)はレンズ内面を光軸に沿って見た状態、(b)は断面を示している。It is a figure which shows the boundary vicinity of a non-undercut part and an undercut part, (a) is the state which looked at the lens inner surface along the optical axis, (b) has shown the cross section. 上記フレネルレンズを製造するための金型を示す斜視図であり、(a)は内側用型、(b)は外側用型である。It is a perspective view which shows the metal mold | die for manufacturing the said Fresnel lens, (a) is an inner side type | mold, (b) is an outer side type | mold. 上記フレネルレンズの製造方法を示す模式図であり、(a),(b)は離型の工程を順に示している。金型(内側用型)のみの概略斜視図を示すとともに、金型とレンズの関係を断面図(X−XおよびY−Y断面)にて示す。It is a schematic diagram which shows the manufacturing method of the said Fresnel lens, (a), (b) has shown the release process in order. A schematic perspective view of only the mold (inner mold) is shown, and the relationship between the mold and the lens is shown in cross-sectional views (XX and YY cross sections). 上記フレネルレンズの製造方法において図7に続く工程を順に示す模式図である。FIG. 8 is a schematic diagram sequentially illustrating steps subsequent to FIG. 7 in the manufacturing method of the Fresnel lens. レンズ効率の測定方法を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the measuring method of lens efficiency. 上記フレネルレンズにおけるレンズ効率の測定結果を示す図であり、(a)は本発明の実施形態にかかるレンズ、(b)は従来のレンズを示している。図(b)には、各領域を識別するための補助線と符号も併せて示している。It is a figure which shows the measurement result of the lens efficiency in the said Fresnel lens, (a) shows the lens concerning embodiment of this invention, (b) has shown the conventional lens. FIG. 2B also shows auxiliary lines and symbols for identifying each region. (a)五角形プリズムを示す概略図と、(b)五角形プリズムを集合させて設計したフレネルレンズを示す概略図である。(A) Schematic showing a pentagonal prism, (b) Schematic showing a Fresnel lens designed by assembling pentagonal prisms. 上記フレネルレンズを用いた太陽光発電装置の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the solar power generation device using the said Fresnel lens.

以下、本発明の一実施形態にかかるフレネルレンズについて、図面を参照しながら説明する。   Hereinafter, a Fresnel lens according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

[太陽光発電装置]
最初に、本発明の一実施形態にかかるフレネルレンズ10が好適に使用される太陽光発電装置50について、簡単に説明する。図12に、太陽光発電装置50の概略を示す。太陽光発電装置50は、入射された太陽光の光エネルギーを電気エネルギーに変換し、出力するものである。太陽光発電装置50は、複数のフレネルレンズ10と、複数の発電レシーバ51が、マトリクス状に支持板53上に配置されてなる。フレネルレンズ10は、1つ1つが曲面形状を有し、各発電レシーバ51に対応して、多数がマトリクス状に配列されている。なお、太陽光発電装置50においては、昆虫や雨滴の侵入を避けるために外周部に壁面部材が設けられ、発電レシーバ51がフレネルレンズ10および支持板53と壁面部材によって形成された筐体に収容されてもよいが、図12では壁面部材を除いて示している。
[Solar power generator]
First, the solar power generation device 50 in which the Fresnel lens 10 according to the embodiment of the present invention is preferably used will be briefly described. In FIG. 12, the outline of the solar power generation device 50 is shown. The solar power generation device 50 converts the light energy of incident sunlight into electrical energy and outputs it. The solar power generation device 50 includes a plurality of Fresnel lenses 10 and a plurality of power generation receivers 51 arranged on a support plate 53 in a matrix. Each Fresnel lens 10 has a curved surface shape, and a large number are arranged in a matrix corresponding to each power generation receiver 51. In the solar power generation device 50, a wall member is provided on the outer peripheral portion to prevent insects and raindrops from entering, and the power generation receiver 51 is accommodated in a housing formed by the Fresnel lens 10, the support plate 53, and the wall member. However, in FIG. 12, the wall surface member is excluded.

フレネルレンズ10は、一次光学系として、発電レシーバ51に太陽光を集光する役割を果たす。発電レシーバ51は、半導体よりなる太陽光発電素子52を備え、集光された太陽光の光エネルギーを電気エネルギーに変換して出力する。発電レシーバ51は、太陽光発電素子52に加え、集光した太陽光を空間的に均一にして太陽光発電素子52の表面に導く光学部材(二次光学系またはホモジナイザと称する;図略)、および太陽光発電素子52によって得られた電流の取り出し等に使用される回路系(図略)等を備える。   The Fresnel lens 10 serves as a primary optical system for concentrating sunlight on the power generation receiver 51. The power generation receiver 51 includes a solar power generation element 52 made of a semiconductor, and converts the light energy of the collected sunlight into electric energy and outputs the electric energy. In addition to the solar power generation element 52, the power generation receiver 51 is an optical member (referred to as a secondary optical system or a homogenizer; not shown) for spatially uniforming the collected sunlight and guiding it to the surface of the solar power generation element 52; And a circuit system (not shown) used for taking out the current obtained by the photovoltaic power generation element 52 and the like.

太陽光発電素子52は、半導体表面(受光面)の中心がフレネルレンズ10の焦点位置となるように、かつ半導体表面がフレネルレンズ10の光軸に垂直になるように配置される。太陽光がフレネルレンズ10の光軸(回転対称軸)に平行に入射されると、太陽光発電素子52の半導体表面上の焦点位置にスポット状に集光され、高い電流密度で発電が行われる。よって、フレネルレンズ10を備えない平板型の太陽光発電装置と比較して、小面積の太陽光発電素子52を用いて高効率の発電を行うことができる。   The solar power generation element 52 is disposed so that the center of the semiconductor surface (light receiving surface) is the focal position of the Fresnel lens 10 and the semiconductor surface is perpendicular to the optical axis of the Fresnel lens 10. When sunlight enters parallel to the optical axis (rotation symmetry axis) of the Fresnel lens 10, it is condensed in a spot shape at the focal position on the semiconductor surface of the photovoltaic power generation element 52, and power generation is performed at a high current density. . Therefore, it is possible to perform power generation with high efficiency using the photovoltaic power generation element 52 having a small area, as compared with a flat panel photovoltaic power generation apparatus that does not include the Fresnel lens 10.

このように、太陽光発電装置50は、フレネルレンズ10で太陽光を集光して発電を行うものであるので、フレネルレンズ10の光軸が、太陽光の入射方向に向いている場合に、太陽光発電装置50での発電効率が最も高くなる。このため、太陽光発電装置50は方位角方向および高度方向の配置角度を変化させられる太陽追尾装置(不図示)に支持されており、常にフレネルレンズ10の光軸が太陽光の入射方向に向くように制御されている。これにより、太陽の天球上での位置が変化しても高効率での発電が持続される。   Thus, since the solar power generation device 50 collects sunlight with the Fresnel lens 10 and generates power, when the optical axis of the Fresnel lens 10 is directed to the incident direction of sunlight, The power generation efficiency in the solar power generation device 50 is the highest. For this reason, the solar power generation device 50 is supported by a solar tracking device (not shown) that can change the azimuth angle direction and the altitude direction, and the optical axis of the Fresnel lens 10 is always directed to the incident direction of sunlight. So that it is controlled. Thereby, even if the position of the sun on the celestial sphere changes, power generation with high efficiency is maintained.

[フレネルレンズの構成]
以下、図1〜図5を参照しながら、フレネルレンズ10の構成について説明する。
[Configuration of Fresnel lens]
Hereinafter, the configuration of the Fresnel lens 10 will be described with reference to FIGS.

図1,2および図3(a)、図4(a)に全体像を示すように、フレネルレンズ10は、ポリメチルメタクリレート(PMMA)に代表されるアクリル系、ポリカーボネート系等の樹脂材料よりなり、光軸Aを中心としてドーム状に盛り上がった曲面形状(例えば略部分球形状)を有している。入射面となる曲面形状の外側面(凸面)14は、平滑な面を有している。一方、内側面(凹面)15には、平滑な基面15aから内側に突出して、光軸Aを中心とした同心円状の突条が多数形成されている。各突条は、フレネルレンズ10の径方向に直交する断面が鋸歯状の形状を有し、各突条を構成する径方向外側の平面が、入射した太陽光を屈折させて光軸A上の焦点に集光するプリズム面P1〜P3となっている。一方、各突条の径方向内側の面は、各プリズム面を分割する分割面S1〜S3となっている。フレネルレンズ10全体にわたり、内側面15の基面15aの径方向に、プリズム面と分割面が交互に形成されている。本実施形態にかかるフレネルレンズ10は、プリズム面P1〜P3の幅(フレネルレンズ10の面内における径方向に沿った長さ)W1〜W3の設定に特徴を有する。また、フレネルレンズ10の肉厚d、つまり外側面14と内側面15の基面15aとの間の距離が、全域で等しくなっていることが好ましい。   As shown in FIGS. 1, 2, 3 (a), and 4 (a), the Fresnel lens 10 is made of an acrylic or polycarbonate resin material typified by polymethyl methacrylate (PMMA). And has a curved surface shape (for example, a substantially partial spherical shape) that swells in a dome shape around the optical axis A. A curved outer surface (convex surface) 14 serving as an incident surface has a smooth surface. On the other hand, the inner side surface (concave surface) 15 is formed with a number of concentric ridges centered on the optical axis A and protruding inward from the smooth base surface 15a. Each protrusion has a sawtooth shape in cross section perpendicular to the radial direction of the Fresnel lens 10, and a radially outer plane constituting each protrusion refracts incident sunlight and lies on the optical axis A. The prism surfaces P1 to P3 are focused on the focal point. On the other hand, the radially inner surface of each protrusion is divided surfaces S1 to S3 that divide each prism surface. Over the entire Fresnel lens 10, prism surfaces and split surfaces are alternately formed in the radial direction of the base surface 15 a of the inner surface 15. The Fresnel lens 10 according to the present embodiment is characterized by setting widths W1 to W3 of the prism surfaces P1 to P3 (lengths along the radial direction in the surface of the Fresnel lens 10). Further, it is preferable that the thickness d of the Fresnel lens 10, that is, the distance between the outer side surface 14 and the base surface 15 a of the inner side surface 15 is equal throughout the entire area.

図1,2に示すように、フレネルレンズ10は、非アンダーカット部11、第一アンダーカット部12、第二アンダーカット部13よりなる。非アンダーカット部11は、光軸Aを含む略円形の部分として、フレネルレンズ10の中央部に設けられている。そして、非アンダーカット部11の径方向外側に隣接して、4つの第一アンダーカット部12が配置されている。さらに、各第一アンダーカット部12の間に、計4つの第二アンダーカット部13が配置されている。非アンダーカット部11、第一アンダーカット部12、第二アンダーカット部13は、全て一体に連続して樹脂材料より成形されており、境界部に不連続な破断部や接合部等を有するわけではないが、後述するように、成形時に用いる金型がこれらの領域の境界で分割されているため、図1,2に示すように、フレネルレンズ10の内側面15には、各部の境界に当たる部位に、金型の分割境界によって形成される筋状の痕跡16が現れている。   As shown in FIGS. 1 and 2, the Fresnel lens 10 includes a non-undercut portion 11, a first undercut portion 12, and a second undercut portion 13. The non-undercut portion 11 is provided in the central portion of the Fresnel lens 10 as a substantially circular portion including the optical axis A. And the four 1st undercut parts 12 are arrange | positioned adjacent to the radial direction outer side of the non-undercut part 11. FIG. Further, a total of four second undercut portions 13 are arranged between the first undercut portions 12. The non-undercut portion 11, the first undercut portion 12, and the second undercut portion 13 are all integrally formed from a resin material and have a discontinuous breakage or joint at the boundary. However, as will be described later, since the mold used at the time of molding is divided at the boundary between these regions, the inner surface 15 of the Fresnel lens 10 hits the boundary of each part as shown in FIGS. A streak-like trace 16 formed by the dividing boundary of the mold appears at the site.

図3に、非アンダーカット部11の構成を示す。非アンダーカット部11は、光軸Aを含むフレネルレンズ10の頂部に形成されている。フレネルレンズ10の頂部は、内側に向かって窪んだ形状をとっている。これは、外側面14で光線を外側に屈折させるようにすることで、後述する分割面S1を内側に向けることができ、これによってフレネルレンズ10の製造時に金型が抜きやすくなるからである。非アンダーカット部11のプリズム面P1は、光軸Aに対してθ1の角度を有している。ここで、角度θ1は、フレネルレンズ10内側の光軸A上から径方向外側を通り、フレネルレンズ10外側の光軸A上に向かう角度として規定する。以降、光軸Aを基準として記載する全角度(φ1,θ2,φ2)についても同様とする。プリズム面P1を透過する光を光軸A上の点に集光する必要から、光軸Aに対するプリズム面P1の角度θ1は、90°≦θ1<180°となっている。なお、図3では、光軸Aから離れた位置に入射した光も高効率で光軸A上の焦点に集めるため、プリズム面P1の角度θ1は、径方向外側ほど大きくなっている。一方、分割面S1の光軸Aに対する角度φ1は、φ1≧0°となっている。図3では、φ1≒0°としており、図3(b)中の円で囲んだ拡大図では、分かりやすいように、φ1を実際よりも大きくして示している。プリズム面P1の角度θ1と分割面S1の角度φ1がこのような値をとっていることで、非アンダーカット部11のプリズム面P1は、光軸A方向に対してアンダーカットとなっていない。つまり、金型成形時にプリズム面P1および分割面S1よりなる突条が、光軸Aに沿って金型を抜く際に引掛りを形成するアンダーカットとならない。プリズム面P1は、幅W1を有している。なお、プリズム面P1の幅W1および角度θ1、φ1は、全てのプリズム面P1および分割面S1において同じでなくてもよく、例えば連続的に変化してもよい。   FIG. 3 shows the configuration of the non-undercut portion 11. The non-undercut portion 11 is formed on the top of the Fresnel lens 10 including the optical axis A. The top of the Fresnel lens 10 has a shape that is recessed toward the inside. This is because the split surface S1 described later can be directed inward by making the light rays refracted outward at the outer surface 14, which makes it easier to remove the mold when the Fresnel lens 10 is manufactured. The prism surface P1 of the non-undercut portion 11 has an angle θ1 with respect to the optical axis A. Here, the angle θ1 is defined as an angle passing from the optical axis A inside the Fresnel lens 10 to the optical axis A outside the Fresnel lens 10 through the radially outer side. Hereinafter, the same applies to all angles (φ1, θ2, φ2) described with reference to the optical axis A. Since the light passing through the prism surface P1 needs to be collected at a point on the optical axis A, the angle θ1 of the prism surface P1 with respect to the optical axis A is 90 ° ≦ θ1 <180 °. In FIG. 3, the light incident on the position away from the optical axis A is also collected at the focal point on the optical axis A with high efficiency, and therefore the angle θ1 of the prism surface P1 increases toward the outer side in the radial direction. On the other hand, the angle φ1 of the dividing surface S1 with respect to the optical axis A is φ1 ≧ 0 °. In FIG. 3, φ1≈0 °, and in the enlarged view surrounded by a circle in FIG. 3B, φ1 is shown larger than the actual one for easy understanding. Since the angle θ1 of the prism surface P1 and the angle φ1 of the division surface S1 take such values, the prism surface P1 of the non-undercut portion 11 is not undercut with respect to the optical axis A direction. That is, the protrusion formed by the prism surface P1 and the dividing surface S1 at the time of molding the mold does not form an undercut that forms a catch when the mold is pulled along the optical axis A. The prism surface P1 has a width W1. Note that the width W1 and the angles θ1 and φ1 of the prism surface P1 may not be the same in all the prism surfaces P1 and the divided surfaces S1, and may change continuously, for example.

図4にアンダーカット部12,13の構成を示す。アンダーカット部12,13は、図に示すように、第一アンダーカット部12と第二アンダーカット部13よりなり、非アンダーカット部11とフレネルレンズ10の径方向に隣接して、光軸Aから離れた部位に形成されている。第一アンダーカット部12と第二アンダーカット部13は、上述したように一体に連続しており、同じ断面形状を有する連続した突条を内側面15に有している。アンダーカット部12,13は、フレネルレンズ10の径方向外側の、曲面状に傾斜した面に形成されている。アンダーカット部12,13のプリズム面P2は、光軸Aに対して角度θ2を有している。また、分割面S2は、光軸Aに対して角度φ2を有している。プリズム面P2の角度θ2は、プリズム面P2を透過する光を光軸A上の点に集光する必要から、90°≦θ2<180°となっている。また、光軸Aから離れた位置に存在するアンダーカット部12,13に入射した光を光軸A上の焦点に集光するため、アンダーカット部12,13のプリズム面P2の角度θ2は、非アンダーカット部11のプリズム面P1の角度θ1よりも大きくなっている。一方、分割面S2の光軸Aに対する角度φ2は、分割面S2で光が全反射するのを避けるため、φ2<0°となっている。プリズム面P2の角度θ2および分割面S2の角度φ2が上記のような値をとっているため、アンダーカット部12,13のプリズム面P2は、光軸A方向に対してアンダーカットとなっている。つまり、金型成形時にプリズム面P2および分割面S2よりなる突条が、光軸Aに沿って型を抜く際に引掛りを形成するアンダーカットとなる。   FIG. 4 shows the configuration of the undercut portions 12 and 13. As shown in the drawing, the undercut portions 12 and 13 are composed of a first undercut portion 12 and a second undercut portion 13, and are adjacent to the non-undercut portion 11 and the Fresnel lens 10 in the radial direction, and the optical axis A. It is formed in the part away from. The first undercut portion 12 and the second undercut portion 13 are integrally continuous as described above, and have continuous protrusions on the inner side surface 15 having the same cross-sectional shape. The undercut portions 12 and 13 are formed on a curved surface inclined radially outward of the Fresnel lens 10. The prism surface P2 of the undercut portions 12 and 13 has an angle θ2 with respect to the optical axis A. Further, the dividing surface S2 has an angle φ2 with respect to the optical axis A. The angle θ2 of the prism surface P2 is 90 ° ≦ θ2 <180 ° because light passing through the prism surface P2 needs to be collected at a point on the optical axis A. Further, in order to condense the light incident on the undercut portions 12 and 13 existing at a position away from the optical axis A at the focal point on the optical axis A, the angle θ2 of the prism surface P2 of the undercut portions 12 and 13 is: The angle θ1 of the prism surface P1 of the non-undercut portion 11 is larger. On the other hand, the angle φ2 of the split surface S2 with respect to the optical axis A is φ2 <0 ° in order to avoid total reflection of light on the split surface S2. Since the angle θ2 of the prism surface P2 and the angle φ2 of the dividing surface S2 take the above values, the prism surface P2 of the undercut portions 12 and 13 is undercut with respect to the optical axis A direction. . That is, when the mold is formed, the ridge formed by the prism surface P2 and the dividing surface S2 becomes an undercut that forms a catch when the mold is pulled along the optical axis A.

アンダーカット部12,13のプリズム面P2は、幅W2を有している。アンダーカット部12,13のプリズム面P2の幅W2は、非アンダーカット部11のプリズム面P1の幅W1と同じであっても、異なっていても構わないが、本実施形態においては、幅W2を幅W1よりも狭くしている。プリズム面P2の幅W2および角度θ2、φ2は、全てのプリズム面P2および分割面S2において同じでなくてもよく、例えば連続的に変化してもよい。   The prism surface P2 of the undercut portions 12 and 13 has a width W2. The width W2 of the prism surface P2 of the undercut portions 12 and 13 may be the same as or different from the width W1 of the prism surface P1 of the non-undercut portion 11, but in this embodiment, the width W2 is different. Is narrower than the width W1. The width W2 and the angles θ2 and φ2 of the prism surface P2 may not be the same in all the prism surfaces P2 and the divided surfaces S2, and may change continuously, for example.

なお、光学的な要請からは、フレネルレンズ10全体がアンダーカット部12,13より形成されていてもよいが、後述するように、金型成形において、金型を分割することで離型が行えるように、頂部の領域に非アンダーカット部11が形成されている。   In addition, from the optical request, the entire Fresnel lens 10 may be formed by the undercut portions 12 and 13. However, as will be described later, in the mold molding, the mold can be released by dividing the mold. Thus, the non-undercut part 11 is formed in the area | region of the top part.

図5に、非アンダーカット部11とアンダーカット部12,13の間の境界B近傍の構成を示す。境界プリズム面P3は、幅W3を有している。なお、各プリズム面P1,P2,P3の幅W1,W2,W3は、実際のプリズム面P1〜P3の面に沿って、フレネルレンズ10の径方向に測定した長さであるが、図5の光軸Aに平行に見た図においては、各部の幅は、光軸Aに直交する面に投影した際の幅W1’,W2’,W3’として表示している。   FIG. 5 shows a configuration near the boundary B between the non-undercut portion 11 and the undercut portions 12 and 13. The boundary prism surface P3 has a width W3. The widths W1, W2, and W3 of the prism surfaces P1, P2, and P3 are the lengths measured in the radial direction of the Fresnel lens 10 along the actual prism surfaces P1 to P3. In the figure viewed parallel to the optical axis A, the width of each part is displayed as widths W1 ′, W2 ′, and W3 ′ when projected onto a plane orthogonal to the optical axis A.

境界プリズム面P3の幅W3は、非アンダーカット部11のプリズム面P1の幅W1、およびアンダーカット部12,13のプリズム面P2の幅W2のうち小さい方の2倍以上となっている。ここで、プリズム面P1,P2の幅W1,W2が、それぞれ全プリズム面P1,P2において同じでない場合には、境界プリズム面P3の幅W3は、境界プリズム面P3に隣接するプリズム面P1の幅W1およびプリズム面P2の幅W2のうち小さい方の2倍以上である。さらに好ましくは、境界プリズム面P3の幅W3は、非アンダーカット部11のプリズム面P1の幅W1、およびアンダーカット部12,13のプリズム面P2の幅W2のいずれもの2倍以上であるとよい。 The width W3 of the boundary prism surface P3 is more than twice the smaller one of the width W1 of the prism surface P1 of the non-undercut portion 11 and the width W2 of the prism surface P2 of the undercut portions 12 and 13. Here, when the widths W1 and W2 of the prism surfaces P1 and P2 are not the same in all the prism surfaces P1 and P2, respectively, the width W3 of the boundary prism surface P3 is the width of the prism surface P1 adjacent to the boundary prism surface P3. It is twice or more of the smaller one of W1 and the width W2 of the prism surface P2. More preferably, the width W3 of the boundary prism surface P3 is not less than twice the width W1 of the prism surface P1 of the non-undercut portion 11 and the width W2 of the prism surface P2 of the undercut portions 12 and 13. .

[フレネルレンズの製造方法]
次に、上記のようなフレネルレンズ10を製造するための、本発明の一実施形態にかかるフレネルレンズの製造方法について説明する。フレネルレンズ10は、図6に示すような金型を用いた射出成型によって形成される。つまり、重ね合わせた際に間に空間を有するように形成された内側用型20(図6(a))と外側用型30(図6(b))とを用い、その空間に溶融樹脂を流し込み、凝固後に型を抜く(離型する)ことによってフレネルレンズ10を製造することができる。山形の形状を有する内側用型20によって、フレネルレンズ10の内側面15が成形され、窪み形状を有する外側用型30によって外側面14が成形される。本明細書では、製造装置や製造工程の詳細につての説明は省略するが、特許文献1に記載されているのと同様の製造装置および製造工程を適用することができる。
[Fresnel lens manufacturing method]
Next, the manufacturing method of the Fresnel lens concerning one Embodiment of this invention for manufacturing the above Fresnel lenses 10 is demonstrated. The Fresnel lens 10 is formed by injection molding using a mold as shown in FIG. That is, the inner mold 20 (FIG. 6 (a)) and the outer mold 30 (FIG. 6 (b)) formed so as to have a space between them when they are overlapped, and molten resin is put into the space. The Fresnel lens 10 can be manufactured by pouring and removing the mold (releasing) after solidification. The inner surface 15 of the Fresnel lens 10 is molded by the inner mold 20 having the mountain shape, and the outer surface 14 is molded by the outer mold 30 having the depression shape. In the present specification, description of details of the manufacturing apparatus and the manufacturing process is omitted, but the same manufacturing apparatus and manufacturing process as described in Patent Document 1 can be applied.

本製造方法においては、内側用型20の抜き方に特徴を有する。図7,8に、内側用型20を抜く工程を模式的に示す。図では、各工程について、内側用型20のみの概略斜視図と、内側用型20とフレネルレンズ10の関係を示すX−X断面図およびY−Y断面図を示している。なお、図においては、各工程を分かりやすいように示しており、各部材の位置関係等は、必ずしも実際のものと一致するわけではない。   This manufacturing method is characterized by how to remove the inner mold 20. 7 and 8 schematically show the process of removing the inner mold 20. In the figure, for each step, a schematic perspective view of only the inner mold 20, and an XX sectional view and a YY sectional view showing the relationship between the inner mold 20 and the Fresnel lens 10 are shown. In the figure, each process is shown in an easy-to-understand manner, and the positional relationship of each member does not necessarily match the actual one.

図6(a)および図7(a)に示すように、本製造方法に用いる内側用型20は、センターコア21、第一スライドコア22、第二スライドコア23よりなっている。センターコア21はフレネルレンズ10の非アンダーカット部11に、第一スライドコア22は第一アンダーカット部12に、第二スライドコア23は第二アンダーカット部13にそれぞれ対応し、各部の内側面15を成形する。そして、センターコア21と第一スライドコア22および第二スライドコア23との間の境界は、フレネルレンズ10の非アンダーカット部11とアンダーカット部12,13の間の境界Bに一致している。第一スライドコア22は、内側用型20の径方向(中心部から周辺部に向かう方向)に細長い形状を有しているが、その幅は、中心部において広く、周辺部に向かうほど狭くなっている。各コア21,22,23は、離型時に分割できるように、分離した部材で形成しておくか、一体の部材として形成して境界部にひびを形成しておく。   As shown in FIG. 6A and FIG. 7A, the inner mold 20 used in this manufacturing method includes a center core 21, a first slide core 22, and a second slide core 23. The center core 21 corresponds to the non-undercut portion 11 of the Fresnel lens 10, the first slide core 22 corresponds to the first undercut portion 12, and the second slide core 23 corresponds to the second undercut portion 13, respectively. 15 is molded. The boundary between the center core 21 and the first slide core 22 and the second slide core 23 coincides with the boundary B between the non-undercut portion 11 and the undercut portions 12 and 13 of the Fresnel lens 10. . The first slide core 22 has an elongated shape in the radial direction of the inner mold 20 (the direction from the center to the periphery), but the width is wide at the center and narrows toward the periphery. ing. Each of the cores 21, 22, and 23 is formed by a separated member so that it can be divided at the time of mold release, or is formed as an integral member to form a crack at the boundary portion.

図7(a)のように、フレネルレンズ10を成形し、外側用型を開いた後、図7(b)のように、内側用型20のセンターコア21と第一スライドコア22および第二スライドコア23との間を分割し、センターコア21を光軸A方向に沿って内側に抜く(方向D1)。非アンダーカット部11には、アンダーカットが形成されていないので、センターコア21をこのようにして光軸Aに沿って抜くことが可能である。一方、アンダーカット部12,13には、光軸A方向に対するアンダーカットが形成されているので、第一スライドコア22および第二スライドコア23をセンターコア21のように光軸A方向に沿って抜くことはできない。   After forming the Fresnel lens 10 and opening the outer mold as shown in FIG. 7A, the center core 21 and the first slide core 22 and the second slide core 22 of the inner mold 20 are opened as shown in FIG. 7B. The space between the slide core 23 is divided, and the center core 21 is pulled inward along the optical axis A direction (direction D1). Since the undercut is not formed in the non-undercut portion 11, the center core 21 can be pulled out along the optical axis A in this way. On the other hand, since the undercut portions 12 and 13 are formed with undercuts in the optical axis A direction, the first slide core 22 and the second slide core 23 are arranged along the optical axis A direction like the center core 21. I can't pull it out.

そこで次に、図8(a)のように、第一スライドコア22を第二スライドコア23と分割し、フレネルレンズ10の光軸Aの側に向かってずらす(方向D2)。第一スライドコア22の幅が、中心側ほど広く、周辺部側ほど狭くなっているので、このように、センターコア21を抜いてできた中心部の空間に向かって第二スライドコア22をずらす操作が行いやすくなっている。これにより、フレネルレンズ10の第一アンダーカット部12から第一スライドコア22を抜くことができる。   Therefore, next, as shown in FIG. 8A, the first slide core 22 is divided with the second slide core 23 and shifted toward the optical axis A side of the Fresnel lens 10 (direction D2). Since the width of the first slide core 22 is wider toward the center side and narrower toward the peripheral side, the second slide core 22 is shifted toward the center space formed by removing the center core 21 in this way. Easy to operate. Thereby, the first slide core 22 can be removed from the first undercut portion 12 of the Fresnel lens 10.

最後に、図8(b)のように、センターコア22を抜いて生じた空間と、第一スライドコア22をずらすことで第一スライドコア22と第二スライドコア23の間に生じた空隙を利用して、第二スライドコア23を、径方向内側に向かって、倒すようにする(方向D3)。これにより、第二スライドコア23を、第二アンダーカット部13から抜くことができる。なお、図8(b)の斜視図では、見やすいように、4つの第二スライドコア23のうち2つを抜いた後の状態を示している。このようにして、内側用型20を分割して抜くことで、アンダーカット部12,13を有するフレネルレンズ10を金型成形によって製造することができる。   Finally, as shown in FIG. 8B, the space generated by removing the center core 22 and the gap generated between the first slide core 22 and the second slide core 23 by shifting the first slide core 22 are formed. Using the second slide core 23, the second slide core 23 is tilted inward in the radial direction (direction D3). Thereby, the second slide core 23 can be removed from the second undercut portion 13. In addition, in the perspective view of FIG.8 (b), the state after extracting two of the four 2nd slide cores 23 is shown for easy viewing. Thus, the Fresnel lens 10 having the undercut portions 12 and 13 can be manufactured by mold molding by dividing the inner mold 20 and removing it.

[離型時の摺動の影響]
フレネルレンズ10を上記のように製造する場合に、図7(b)の工程で、センターコア21を光軸A方向に沿って抜くに際し、センターコア21の端縁に当接しているフレネルレンズ10の境界部Bの部位において、境界プリズム面P3とセンターコア21の端縁が摺動する。また、図8(a)で第一スライドコア22を光軸Aに向かってずらす際に、境界プリズム面P3と第一スライドコア22の端縁が摺動する。この摺動は、最大で、アンダーカット部12,13のプリズム面P2の幅W2に等しい距離にわたって起こる。このように、図7(b)および図8(a)の工程で境界プリズム面P3と分割された内側用金型20の端縁との間で摺動が起こると、境界プリズム面P3に傷やひび割れ等の損傷が発生するおそれがある。これらの損傷は、境界プリズム面P3における光の透過率を低下させたり、屈折率や出射方向の変化による集光性の低下を引き起こしたりし、フレネルレンズ10全体として、集光効率の低下等、光学特性の劣化につながる可能性がある。また、摺動によって境界プリズム面P3に明らかな損傷が発生しなくても、境界プリズム面P3の機械的強度が低下する可能性もある。
[Influence of sliding during mold release]
When the Fresnel lens 10 is manufactured as described above, the Fresnel lens 10 is in contact with the edge of the center core 21 when the center core 21 is removed along the optical axis A direction in the step of FIG. The boundary prism surface P3 and the edge of the center core 21 slide at the boundary portion B. 8A, when the first slide core 22 is shifted toward the optical axis A, the boundary prism surface P3 and the edge of the first slide core 22 slide. This sliding occurs over a distance equal to the width W2 of the prism surface P2 of the undercut portions 12 and 13 at the maximum. As described above, if sliding occurs between the boundary prism surface P3 and the edge of the divided inner mold 20 in the steps of FIGS. 7B and 8A, the boundary prism surface P3 is damaged. Damage such as cracks may occur. These damages reduce the light transmittance at the boundary prism surface P3, or cause a decrease in light condensing performance due to a change in the refractive index or the emission direction. It may lead to degradation of optical properties. Even if the boundary prism surface P3 is not obviously damaged by sliding, the mechanical strength of the boundary prism surface P3 may be lowered.

しかし、本フレネルレンズ10においては、境界プリズム面P3の幅W3が、プリズム面P1,P2の幅W1,W2のうち小さい方の2倍以上となっており、このような摺動が仮に幅W1またはW2にわたって起こり、境界プリズム面P3上で摺動が起こった領域全体に損傷や機械的強度の低下が発生するとしても、幅W1,W2と同じかそれよりも広い幅領域を占める境界プリズム面P3の残りの部分は、損傷や機械的強度の低下を受けず、他のプリズム面P1,P2と同程度の光学特性と機械的強度を維持することになる。これにより、境界プリズム面P3での摺動によって与えられるフレネルレンズ10の光学特性への影響を、小さく抑えることができる。境界プリズム面P3の幅W3がプリズム面P1,P2の幅W1,W2のいずれもの2倍以上であれば、摺動による光学特性への影響を、さらに高確度で抑制することができる。   However, in the present Fresnel lens 10, the width W3 of the boundary prism surface P3 is more than twice the smaller one of the widths W1 and W2 of the prism surfaces P1 and P2, and such sliding temporarily assumes the width W1. Alternatively, the boundary prism surface that occupies a width region that is the same as or wider than the widths W1 and W2 even if damage or a decrease in mechanical strength occurs over the entire region where sliding occurs on the boundary prism surface P3. The remaining portion of P3 is not damaged or deteriorated in mechanical strength, and maintains optical characteristics and mechanical strength comparable to those of the other prism surfaces P1 and P2. Thereby, the influence on the optical characteristic of the Fresnel lens 10 given by sliding on the boundary prism surface P3 can be suppressed to a small level. If the width W3 of the boundary prism surface P3 is at least twice as large as the widths W1 and W2 of the prism surfaces P1 and P2, the influence on the optical characteristics due to sliding can be suppressed with higher accuracy.

ここで、上記のようなフレネルレンズ10の光学特性として、レンズ効率の空間分布を実測した結果を示す。測定方法を図9に模式的に示す。つまり、He−Neレーザー91(3Bクラス、5×のエキスパンダおよび1/4λ円偏光板付き)から出力される円偏光Lを、レンズホルダ93に保持したフレネルレンズ10の光軸に平行に照射した。そして、He−Neレーザー91を支持しているX−Yステージ92およびレンズホルダ93を支持しているX−Y−Z調節器(またはゴニオステージ)94を用いて光Lをフレネルレンズ10のレンズ面で面掃引しながら、積分球95およびディテクタ96を用いて、フレネルレンズ10を透過した光Lの全強度を測定した。さらに、面掃引を行ったフレネルレンズ10のレンズ面に相当する全領域を625領域に分割し(1領域あたり25mm×25mm)、分割領域ごとに光強度を積分した。得られた光強度をフレネルレンズ10を通過せずに積分球に入射する光Lの強度(He−Neレーザー91の中心軸と積分球95の開口中心を一致させ、積分球95の開口面をレーザー光軸に垂直になるようにして測定)で規格化することで、各分割領域におけるレンズ効率の空間分布をマッピングした。   Here, as an optical characteristic of the Fresnel lens 10 as described above, a result of actually measuring a spatial distribution of lens efficiency is shown. The measurement method is schematically shown in FIG. That is, the circularly polarized light L output from the He—Ne laser 91 (with the 3B class, 5 × expander and ¼λ circularly polarizing plate) is irradiated in parallel to the optical axis of the Fresnel lens 10 held in the lens holder 93. did. Then, the light L is converted into the lens of the Fresnel lens 10 by using the XY stage 92 supporting the He-Ne laser 91 and the XYZ controller (or gonio stage) 94 supporting the lens holder 93. The total intensity of the light L transmitted through the Fresnel lens 10 was measured using the integrating sphere 95 and the detector 96 while sweeping the surface. Further, the entire region corresponding to the lens surface of the Fresnel lens 10 subjected to the surface sweep was divided into 625 regions (25 mm × 25 mm per region), and the light intensity was integrated for each divided region. The intensity of the light L that is incident on the integrating sphere without passing through the Fresnel lens 10 (the central axis of the He-Ne laser 91 and the aperture center of the integrating sphere 95 are made to coincide with each other) The spatial distribution of the lens efficiency in each divided region was mapped by normalizing the measurement so that it was perpendicular to the laser optical axis.

図10に、実測によって得られたフレネルレンズ10のレンズ効率の空間分布を示す。(a)が、上記のように、境界プリズム面P3の幅W3をプリズム面P1,P2の幅W1およびW2の2倍以上とした場合に当たる。なお、ここではW1=W2としている。一方、(b)が、境界プリズム面P3の幅をアンダーカット部12,13のプリズム面の幅W2と同じとした場合に当たる。   FIG. 10 shows the spatial distribution of the lens efficiency of the Fresnel lens 10 obtained by actual measurement. (A) corresponds to the case where the width W3 of the boundary prism surface P3 is at least twice the widths W1 and W2 of the prism surfaces P1 and P2, as described above. Here, W1 = W2. On the other hand, (b) corresponds to the case where the width of the boundary prism surface P3 is the same as the width W2 of the prism surfaces of the undercut portions 12 and 13.

いずれの場合にも、非アンダーカット部11とアンダーカット部12,13の間の境界Bに当たる境界プリズム面P3が配置された領域に、円環状にレンズ効率の低い領域が生じている。しかし、図10(a)の境界プリズム面P3の幅W3を広くしている場合には、比較的円環の幅が小さく、また、全周にわたる円環の均一性も高い。これに対し、図10(b)の境界プリズム面P3の幅を広くしていない場合には、レンズ効率が低下している領域の円環の幅が図10(a)の場合と比べて広くなっている。さらに、円環の下端部に、広い領域にわたる大きなレンズ効率の低下が見られるというように、空間的に不均一にレンズ効率の低下が起こっている。図10(a),(b)の比較は、境界プリズム面P3の幅W3を広くすることで、離型時の摺動によるレンズ効率の低下を低減できることを示している。   In either case, a region having a low lens efficiency is formed in an annular shape in a region where the boundary prism surface P3 corresponding to the boundary B between the non-undercut portion 11 and the undercut portions 12 and 13 is disposed. However, when the width W3 of the boundary prism surface P3 in FIG. 10A is increased, the width of the ring is relatively small and the uniformity of the ring over the entire circumference is also high. On the other hand, when the width of the boundary prism surface P3 in FIG. 10B is not widened, the width of the ring in the region where the lens efficiency is lowered is wider than that in the case of FIG. It has become. Further, the lens efficiency is reduced in a spatially non-uniform manner, such as a large reduction in lens efficiency over a wide area at the lower end of the ring. Comparison between FIGS. 10A and 10B shows that the reduction in lens efficiency due to sliding during mold release can be reduced by increasing the width W3 of the boundary prism surface P3.

[フレネルレンズの詳細形状]
上記のように、フレネルレンズ10においては、肉厚d、つまり外側面14と内側面15の基面15aとの間の距離が、全域で等しくなっていることが好ましい。このように、肉厚が一定で、かつ、全域で1つの焦点に集光することができるフレネルレンズは、複数の微小な五角形プリズムの集合体として形成することができる。
[Detailed shape of Fresnel lens]
As described above, in the Fresnel lens 10, it is preferable that the thickness d, that is, the distance between the outer surface 14 and the base surface 15 a of the inner surface 15 is equal throughout the entire area. As described above, the Fresnel lens having a constant thickness and capable of focusing on one focal point in the entire region can be formed as an assembly of a plurality of minute pentagonal prisms.

図11(a)に、五角形プリズム80の概略を示す。五角形プリズム80は、五角形ABDECを断面として有している。五角形ABDECは、平行四辺形(長方形の場合も含む)ABDCと三角形DECを辺CDにおいて接合した形状を有する。辺CDは、平行四辺形ABDCの1辺(第一辺)であると同時に、三角形DECの底辺となっている。このような断面形状を有する五角形プリズム80において、平行四辺形ABDCおよび三角形DECの内角を適切に選択すれば、図11(a)に示すように、平行四辺形ABDCの辺AB(第二辺)に非垂直に光Lを入射させた際に、端点Bから入射した成分が三角形DECの辺CEの端点Eを通るように光Lを屈折させ、辺CEから出射させることができる。この際、辺ABの少なくとも一部に入射される光Lが、最小振れ角条件(辺ABへの入射角と辺CEからの出射角が等しくなる条件)を満たすようにできる。よって、平行四辺形ABDCの内角が同じで、プリズム80の厚さd(辺ABと辺CDの間の距離)が同じであっても、光Lの入射方向に対する平行四辺形ABDCの配置角度と、三角形DECの内角を異ならせることで、光Lを任意の点に向かって屈折させ、出射させることが可能となる。つまり、平行四辺形ABDCの内角が同じ複数の五角形プリズム80を複数配列して、全プリズム80から出射される光を共通の焦点に集めることが可能である。このことを利用して、複数の五角形プリズム80の集合体として、上記のようなフレネルレンズ10を構成することができる。   FIG. 11A shows an outline of the pentagonal prism 80. The pentagonal prism 80 has a pentagonal ABDEC as a cross section. The pentagon ABDEC has a shape in which a parallelogram (including a rectangle) ABDC and a triangle DEC are joined at a side CD. The side CD is one side (first side) of the parallelogram ABDC and at the same time the bottom side of the triangle DEC. In the pentagonal prism 80 having such a cross-sectional shape, if the internal angles of the parallelogram ABDC and the triangle DEC are appropriately selected, the side AB (second side) of the parallelogram ABDC as shown in FIG. When the light L is incident non-perpendicularly, the light L can be refracted so that the component incident from the end point B passes through the end point E of the side CE of the triangle DEC and can be emitted from the side CE. At this time, the light L incident on at least a part of the side AB can satisfy the minimum deflection angle condition (a condition in which the incident angle to the side AB is equal to the emission angle from the side CE). Therefore, even if the internal angle of the parallelogram ABDC is the same and the thickness d of the prism 80 (the distance between the side AB and the side CD) is the same, the arrangement angle of the parallelogram ABDC with respect to the incident direction of the light L By making the inner angles of the triangle DEC different, the light L can be refracted and emitted toward an arbitrary point. That is, it is possible to arrange a plurality of pentagonal prisms 80 having the same inner angle of the parallelogram ABDC and collect light emitted from all the prisms 80 at a common focal point. By utilizing this fact, the Fresnel lens 10 as described above can be configured as an assembly of a plurality of pentagonal prisms 80.

具体的には、図11(b)に模式的に示すように、平行四辺形部分の内角が等しく、肉厚dが等しいが、三角形部分の内角が異なる五角形プリズム80(81〜84)を、平行四辺形部分で複数隣接させた形状として、フレネルレンズ10を設計すればよい。この際、五角形プリズム82,83について符号を付して示すように、平行四辺形ABDC,A’B’D’C’の第一辺CD,C’D’をフレネルレンズ10の内側面15の基面15aとし、第二辺AB,A’B’を外側面14とするように、それらの辺と交差する辺AC,B’D’において、2つの五角形プリズム82,83を隣接させる。すると、三角形DEC、D’E’C’の底辺と交差する一方の辺である辺CE,C’E’が入射光Lを屈折させて出射するプリズム面P,P’となる。それらのプリズム面P,P’は、三角形DECの底辺と交差する他方の辺である辺DE,D’E’よりなる分割面S,S’によって分割された状態となる。このようにして、プリズム面P,P’と分割面S,S’よりなる突条形状を内側面15に有するフレネルレンズ10を設計することができる。各五角形プリズム80(81〜84)において、三角形DECの内角を、フレネルレンズ10の光軸Aに対する辺ABの傾き角に応じて変化させれば、光軸Aに平行に入射して各プリズム面(P,P’)から出射した光を光軸A上の共通の焦点に集めることができる。   Specifically, as schematically shown in FIG. 11 (b), pentagonal prisms 80 (81 to 84) having the same internal angle of the parallelogram portion and the same thickness d but different internal angles of the triangular portion, The Fresnel lens 10 may be designed as a shape in which a plurality of parallelogram portions are adjacent to each other. At this time, as indicated with reference numerals for the pentagonal prisms 82 and 83, the first sides CD and C′D ′ of the parallelograms ABDC and A′B′D′C ′ are formed on the inner surface 15 of the Fresnel lens 10. Two pentagonal prisms 82 and 83 are adjacent to each other on the sides AC and B′D ′ intersecting with the base surface 15 a and the second sides AB and A′B ′ as the outer surface 14. Then, the sides CE and C'E 'which are one side intersecting the bottom side of the triangles DEC and D'E'C' become the prism surfaces P and P 'that refract the incident light L and emit it. These prism surfaces P and P 'are in a state of being divided by dividing surfaces S and S' composed of sides DE and D'E 'which are the other sides intersecting the bottom side of the triangle DEC. In this way, it is possible to design the Fresnel lens 10 having the inner surface 15 having a ridge shape composed of the prism surfaces P and P ′ and the split surfaces S and S ′. In each pentagonal prism 80 (81-84), if the inner angle of the triangle DEC is changed according to the inclination angle of the side AB with respect to the optical axis A of the Fresnel lens 10, each prism surface enters parallel to the optical axis A. Light emitted from (P, P ′) can be collected at a common focal point on the optical axis A.

実際にフレネルレンズ10を設計するにあたり、外側面14の形状と焦点の位置、各五角形プリズムの幅(辺ABの長さ)さえ定めれば、最小振れ角条件において、辺ABに入射した光Lが焦点に向かって出射され、かつ端点Bに入射された成分が端点Eを通過するという条件から、各五角形プリズム80に共通となる平行四辺形ABDCの内角(およびその結果定まる共通の肉厚d)を含む各五角形プリズム80の各形状パラメータが、自動的に定まることになる。つまり、プリズム80からの光Lの出射方向を規定することで、入射面である辺ABに対する出射面である辺CEの角度と配置が定まり、さらに、端点Bから入射された光Lの光路と出射面の交点として、出射面の端点Eが定まる。このようにして、五角形プリズム80の断面形状が一義的に定められる。   In actually designing the Fresnel lens 10, as long as the shape of the outer surface 14 and the position of the focal point and the width of each pentagonal prism (the length of the side AB) are determined, the light L incident on the side AB under the minimum deflection angle condition. Is emitted toward the focal point and the component incident on the end point B passes through the end point E, the inner angle of the parallelogram ABDC common to each pentagonal prism 80 (and the common wall thickness d determined as a result thereof) Each shape parameter of each pentagonal prism 80 including) is automatically determined. That is, by defining the emission direction of the light L from the prism 80, the angle and arrangement of the side CE that is the emission surface with respect to the side AB that is the incidence surface are determined, and the optical path of the light L incident from the end point B is The end point E of the exit surface is determined as the intersection of the exit surfaces. In this way, the cross-sectional shape of the pentagonal prism 80 is uniquely determined.

以上のように、五角形プリズム80の集合体としてフレネルレンズ10を構成すれば、非アンダーカット部11、アンダーカット部12,13およびそれらの境界部Bの全体にわたって、同じ肉厚dを有し、かつ共通の焦点に光を集められるフレネルレンズ10を得ることができる。全域にわたって同じ肉厚dを有することで、フレネルレンズ10全体において、同程度の機械的強度を得ることができる。なお。光学設計や製造における公差に起因する五角形プリズム80ごとの肉厚dのばらつきとして、±10%程度は許容される。例えば、フレネルレンズ10がPMMA樹脂よりなる場合に、肉厚dは、2.5〜6mmの範囲にあることが好適である。この範囲よりも薄いと、十分な機械的強度を得にくくなる一方、この範囲よりも厚いと、質量が大きくなりすぎるうえ、フレネルレンズ10による光学損失が無視できなくなる。   As described above, if the Fresnel lens 10 is configured as an assembly of pentagonal prisms 80, the non-undercut portion 11, the undercut portions 12, 13 and the boundary portion B thereof have the same thickness d, In addition, it is possible to obtain the Fresnel lens 10 that can collect light at a common focal point. By having the same thickness d over the entire area, the same mechanical strength can be obtained in the entire Fresnel lens 10. Note that. As a variation in the thickness d for each pentagonal prism 80 due to tolerances in optical design and manufacturing, about ± 10% is allowed. For example, when the Fresnel lens 10 is made of PMMA resin, the thickness d is preferably in the range of 2.5 to 6 mm. If it is thinner than this range, it becomes difficult to obtain sufficient mechanical strength. On the other hand, if it is thicker than this range, the mass becomes too large and the optical loss due to the Fresnel lens 10 cannot be ignored.

また、フレネルレンズ10を五角形プリズム80の集合体として設計することで、上記のように、少数のパラメータを指定するだけで、各部のパラメータを自動的に決定することができる。よって、フレネルレンズ10の設計、製造工程が簡素なものとなる。なお、上記のフレネルレンズにおいては、各部位のプリズム面P1〜P3の幅W1〜W3の関係が規定されているが、プリズム面P1〜P3の幅W1〜W3は、各五角形プリズムの幅(辺ABの長さ)によって、調節することができる。   Further, by designing the Fresnel lens 10 as an assembly of pentagonal prisms 80, the parameters of each part can be automatically determined by only specifying a small number of parameters as described above. Therefore, the design and manufacturing process of the Fresnel lens 10 are simplified. In the above-described Fresnel lens, the relationship between the widths W1 to W3 of the prism surfaces P1 to P3 of each part is defined, but the widths W1 to W3 of the prism surfaces P1 to P3 are the widths (sides) of each pentagonal prism. (Length of AB) can be adjusted.

上記で示した特許文献2においても、フレネルレンズが複数のプリズム部の集合体として設計されているが、本実施形態とは異なり、各プリズム部が台形とされている。この場合には、レンズの肉厚を、入射光を所望の焦点に集光させるための光学最適化設計と独立に定めることができない。よって、光学最適化設計の結果、レンズの肉厚が小さい部分が生じてしまう可能性がある(例えば特許文献2の図1)。   Also in Patent Document 2 shown above, the Fresnel lens is designed as an aggregate of a plurality of prism portions, but unlike the present embodiment, each prism portion has a trapezoidal shape. In this case, the lens thickness cannot be determined independently of the optical optimization design for condensing incident light at a desired focal point. Therefore, as a result of the optical optimization design, there is a possibility that a portion having a small lens thickness may be generated (for example, FIG. 1 of Patent Document 2).

以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。   As mentioned above, although embodiment of this invention was described in detail, this invention is not limited to the said embodiment, A various change is possible in the range which does not deviate from the summary of this invention.

10 フレネルレンズ
11 非アンダーカット部
12 第一アンダーカット部
13 第二アンダーカット部
14 外側面
15 内側面
20 内側用型
21 センターコア
22 第一スライドコア
23 第二スライドコア
80 五角形プリズム
A 光軸
B 境界
P1 非アンダーカット部のプリズム面
P2 アンダーカット部のプリズム面
P3 境界プリズム面
S1 非アンダーカット部の分割面
S2 アンダーカット部の分割面
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Fresnel lens 11 Non-undercut part 12 First undercut part 13 Second undercut part 14 Outer side face 15 Inner side face 20 Inner side mold 21 Center core 22 First slide core 23 Second slide core 80 Pentagon prism A Optical axis B Boundary P1 Prism surface P2 of non-undercut portion Prismatic surface P3 of undercut portion Boundary prism surface S1 Split surface S2 of non-undercut portion Split surface of undercut portion

Claims (4)

樹脂よりなり、光軸を中心とする曲面形状の内側に、複数のプリズム面を有し、
前記プリズム面が前記光軸方向に対してアンダーカットとなっていない非アンダーカット部と、前記非アンダーカット部と隣接して前記非アンダーカット部よりも前記光軸から離れた部位に形成され、前記プリズム面が前記光軸に対してアンダーカットとなっているアンダーカット部とを有し、
前記非アンダーカット部と前記アンダーカット部との境界に位置するプリズム面の、前記非アンダーカット部と前記アンダーカット部の隣接方向に沿った幅は、隣接する2つのプリズム面のうち小さい方の幅の2倍以上であることを特徴とするフレネルレンズ。
Made of resin, with a plurality of prism surfaces inside the curved shape centered on the optical axis,
The prism surface is formed in a portion that is not undercut with respect to the optical axis direction, and a portion that is adjacent to the non-undercut portion and further away from the optical axis than the non-undercut portion, An undercut portion in which the prism surface is undercut with respect to the optical axis;
The width of the prism surface located at the boundary between the non-undercut portion and the undercut portion along the adjacent direction of the non-undercut portion and the undercut portion is the smaller of the two adjacent prism surfaces. A Fresnel lens characterized by being at least twice the width.
前記非アンダーカット部、前記アンダーカット部、前記境界において、等しい肉厚を有していることを特徴とする請求項1に記載のフレネルレンズ。   The Fresnel lens according to claim 1, wherein the non-undercut portion, the undercut portion, and the boundary have equal thicknesses. 前記フレネルレンズは、相互に平行な第一辺と第二辺を有する平行四辺形と、前記平行四辺形の第一辺を底辺とする三角形と、からなる五角形を断面に有する五角形プリズムが複数集合された形状を有し、
各五角形プリズムは、前記平行四辺形の第一辺と第二辺の間の距離が等しくなっており、前記平行四辺形の第二辺が入射面となり、前記三角形の底辺以外の辺の一方が前記プリズム面となるように、前記平行四辺形の第一辺および第二辺に交差する辺において隣接されていることを特徴とする請求項2に記載のフレネルレンズ。
The Fresnel lens includes a plurality of pentagonal prisms having a cross section of a pentagon made up of a parallelogram having first and second sides parallel to each other and a triangle having the first side of the parallelogram as a base. Having a shaped shape,
Each pentagonal prism has the same distance between the first side and the second side of the parallelogram, the second side of the parallelogram is the entrance surface, and one of the sides other than the base of the triangle is The Fresnel lens according to claim 2, wherein the Fresnel lens is adjacent to each other at a side intersecting the first side and the second side of the parallelogram so as to be the prism surface.
請求項1から3のいずれか1項に記載のフレネルレンズを製造する方法において、
金型を前記曲面形状の内側から抜くに際し、
前記アンダーカット部と前記非アンダーカット部の境界で前記金型を分割し、前記非アンダーカット部に位置する金型を前記光軸方向に抜いた後、
前記アンダーカット部に位置する金型を前記光軸側にずらして抜くことを特徴とするフレネルレンズの製造方法。
In the method of manufacturing the Fresnel lens according to any one of claims 1 to 3,
When removing the mold from the inside of the curved surface,
After dividing the mold at the boundary between the undercut part and the non-undercut part, and after removing the mold located in the non-undercut part in the optical axis direction,
A method of manufacturing a Fresnel lens, wherein a mold located at the undercut portion is shifted and removed toward the optical axis side.
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