JPH02503131A - 一体成型形コリメータ - Google Patents

一体成型形コリメータ

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JPH02503131A
JPH02503131A JP63503950A JP50395088A JPH02503131A JP H02503131 A JPH02503131 A JP H02503131A JP 63503950 A JP63503950 A JP 63503950A JP 50395088 A JP50395088 A JP 50395088A JP H02503131 A JPH02503131 A JP H02503131A
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ナウチノ‐プロイズボドストベンノエ オビエディネニエポ アフトエレクトロニキ イ アフトトラクトルノム エレクトロオボルドバニユ
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 一体成型形コリメータ 技術分野 本発明は照明装置に関し、さらに詳しく言えば、一体成型形のコリメータに関す るものである。
すべての照明装置において光線をある一定の方向に向かわせるための不可欠の構 成要素はコリメータであり、このコリメータは、一般に、凸状の反射器または集 光用レンズのいずれかの形状を有している。さらに、反射部および屈折部を備え た連合の光学規準整正システムが使用されている。例えば、自動車のヘッドライ トまたは点滅ランプのような量産装置においては、この量産装置が単一の一体成 型品として作り出される場合に製造上の観点より上記の連合の光学規準整正シス テムが最も適切なものとなる。
上記コリメータの利点は、高い効率と、軸方向の寸法が比較的小さいこと(出口 の開口部の直径と比較して)と、成型時の光学材料の注入量が少な(て済むこと と、別個の製造工程にて反射防止用コーティングを行う必要がないこととである 。完全に一体成型形のコリメータの場合には、このコリメータが単一の製造工程 により一直線上で成型されるので、型による成型作業が簡単になるという明らか な利点を有している。ただし、照明装置(例えば、自動車の照明用ライトおよび 点滅光源)の生産性を向上させるに際しては、上記の一体成形における利点と共 に技術的な問題が生じてくる。
従来の技術 従来の第1の例として、コリメータとしての機能を備えた透明な部材から作製さ れ、かつ同一物質からなる(一体成型形の)光学部品が知られている(米国特許 第2254962号)。
この光学部品は、集光用レンズ(屈折器)と、この集光用レンズと同軸上に配置 される反射光学上のリング(反射器)とを備えており、上記集光用レンズの内側 の端は、この集光用レンズにより取り囲まれるレンズの外側の端に連結している 。
上記光学部品、すなわちコリメータは、光学的な効率が高くなるように考慮され てはいる(すなわち、コリメータが光源を取り囲む角度が大きい)が、上記コリ メータ内に中程度の量の光学材料を注入した場合でも光の出口部分の直径が小さ なものとなる(換言すれば、上記出口部分の横断面の寸法を大きくしたいときは 非常に多量の光学材料を注入することが必要になる)、その上、上記コリメータ においては、小形の放射量が少ない)光源が要求されるので、ある一定の方向に 向う光線を多量に生成することが難しい。
従来の第2の例として、自動車のヘッドライトに用いられる一体成型形コリメー タが知られている(米国特許第3883733号;フランス特許第250774 1号)。この一体成型形コリメータは、透明な部材からなる支持層を有しており 、この支持層は、屈折器ならびに反射器としての機能をそれぞれ有する屈折光学 上ならびに反射光学上の構成部品(フレネルのリング)を共通に支持している。
上記コリメータにおいては、光学材料の注入量が比較的少ないことが要求される 一方で、光の出口部分の直径を適当な大きさにすることができる。しかしながら 、光学的な意味において、上記屈折器および反射器の2種の構成部品は各々独立 に動作しているので、成型作業を単純化した場合には、コリメータ内での実質的 な包括角(inclu−sion angle)があまりにも小さなものとなっ てしまう(米国特許第2883733号)。また一方で、光学的な効率を適当な レベルにまで高(した場合には、成型工程があまりにも複雑になってしまう(フ ランス特許第2507741号)。
技術的な要素において本発明に最も近い第3の従来例として、米国特許第429 2664号に公開されている装置に組み込まれた一体成型形コリメータが挙げら れる。このコリメータは、円形でかつ軸上に開口部を有する凹状の反射器と、上 記開口部の前面に配置される凸状の屈折器とを有している。さらに、この屈折器 の最前部は、上記反射器の軸上の開口部の前面に配置される円板形の集光用レン ズの形状を有しており、かつ、上記屈折器の側面部は、上記レンズおよび反射器 と連結して同一物質からなる単一の構成部品を形成すると共に反射器と光学的に 結合している(光源からの光線は、反射器に到達する前に屈折器の側面部を横切 らなければならない)。上記コリメータが単一の成型工程により一直線上で(反 射器の軸に沿って)成型される可能性、すなわち、負の成型角が存在しない可能 性は、コリメータの前面部の各点における法線ならびに上記コリメータの背面部 の各点における法線により提供される。ここで、上記前面部の法線はコリメータ の軸に対して正の方向に投影されており、上記背面部の法線はその軸に対して負 の方向に投影されている。しかしながら、上起第3の従来例のコリメータにおい ては、反射器の軸方向の寸法が中程度の値になっている場合でも、光源から屈折 器の側面部に入射される光景の大部分が、反射器に到達せずに上記コリメータの 軸に対して大きな角度でもって上記コリメータ外に出ていく(このために、この コリメータを組み込んでいる装置の光効率が低下する)。したがって、光源から の光量の使用効率が比較的小さくなってしまう。
発明の開示 本発明の目的は、一体成型形コリメータを製造する際の問題点を解決することで ある。すなわち、上記一体成型形コリメータにおける軸方向の寸法を増加させな (とも光源の光量の使用率が向上するように屈折部および反射部を光学的に結合 させ、かつ、これらの屈折部および反射部を単一の成型工程により一直線上で成 型する可能性を維持させることである。
上記問題点は、本発明の一体成型形コリメータにより解決される。このコリメー タは、軸上に開口部を有する凹状の反射器と、上記開口部の前面に配置されると 共に上記反射器と光学的に結合した状態で上記反射器により取り囲まれる屈折器 とを備えている。さらに、上記反射器の前面部の各点における法線は、上記コリ メータの軸に対して正の方向に投影されており、かつ、上記反射器の背面部の各 点における法線は、上記コリメータの軸に対して負の方向に投影されている。さ らに、本発明のコリメータにおいては、屈折器の少なくとも一部が、上記コリメ ータの軸と一致する回転対称軸を有する集光用の環状レンズの形状をなしており 、この環状レンズのプロファイル(profile)の光軸は、上記コリメータ の焦点を含むと共に反射器と相交わっている。さらに、上記環状レンズの外側表 面の各点における法線は、コリメータの軸に対して正の方向に投影されており、 かつ、上記環状レンズの内側表面の各点における法線は、コリメータの軸に対し て負の方向に投影されている。
本発明の一体成型形コリメータにおいて開示された構成によれば、環状レンズの 集光作用のために反射器による光源の実質的な包括角が増加するので、軸方向の 寸法を増加させることなく光学的な効率の向上が実現され、かつ、上記コリメー タが単一の成型工程により一直線上で成型される可能性を維持することができる 。
本発明の好適実施例において、環状レンズの一部は、屈折光学による複数のフレ ネルのリングの形状を有している。これらのフレネルのリングは、反射器側のレ ンズ支持層の外側表面ならびにコリメータの出口開口部側の上記支持層の内側表 面に位置している。このような構成にすれば、成型作業の容易性を犠牲にするこ となく、かつコリメータ内への光学材料の注入量を増加させることなく上記コリ メータの光学的な効率を向上させることができる。
本発明の他の実施例において、コリメータの屈折器は、上記コリメータと共通の 焦点を有すると共に環状レンズの前面に配置される集光用の円板形レンズを備え ている。ここで、上記集光用の円板形レンズの直径は、環状レンズの前面の縁部 の直径に等しくなっている。さらに、上記環状レンズのプロファイルにおける後 部(反射器に最も近い部分)は凸子状(凸面がコリメータの焦点の方に向かって いる)になっており、かつ、上記プロファイルにおける前部は平凸状になってい る。さらに、上記環状レンズのプロファイルにおける平坦部分は、コリメータの 軸と1°以内の角度を形成している。
このような構成にすれば、円板形レンズにより反射器の開口部をほぼ完全に被う ことができる(−直線上での成型の容易性を犠牲にすることはない)。この結果 、コリメータの開口部領域を横切って通過する光束の分布がより均一なものとな る。
さらに、本発明によれば、上記環状レンズの前部および後部が、各々異なった倍 率を有する一体成型形コリメータを備えていることも可能である。ここで、環状 レンズの前部の倍率を後部の倍率よりも大きくして上記環状レンズのプロファイ ルの前部の長さくコリメータの軸方向の)を後部の長さよりも短くすれば、反射 器およびコリメータの全体の寸法を最適化することができる。また一方で、所定 の包括角を維持すると共に環状レンズの厚みの制限も超えないようにすることも できる。
図面の簡単な説明 以下、第1図〜第5図の添付図面に従って本発明の実施例を詳細に説明する。
第1図は本発明の一実施例による一体成型形コリメータの断面図、 第2図は本発明の他の実施例による一体成型形コリメータの断面図、 第3図は第2図の■−■断面図、 第4図は第2図のIV−IV断面図で・ある。
発明を実施するための最良の形態 第1図に示すコリメータは、任意の要求どおりの色を有する透明ガラスまたはプ ラスチックから作製されると共に同一物質からなる一体成型品である。この一体 成型品において、共通の支持層は凸状(光線の方向に向かっている)の屈折器1 を有している。この屈折器1は、上記支持層と同軸(軸0−o’ )上で形成さ れると共に凹状の反射器2により取り囲まれている。さらに、上記支持層は、軸 Oo′上に共通の焦点F、すなわち、光源を配置すべき点を有している。上記屈 折器1は、260°ま、で直線的に変化する包括角φを有しており、かつ、下記 の集光用レンズから構成されている。すなわち、円板形レンズ3および環状レン ズ4である。さらに、この環状レンズ4の前側の縁部は、上記円板形レンズ2の 外径部分と連結しており、また一方で、後側の縁部の反射器2の内径部分と連結 している。上記円板形レンズ3の光軸ならびに上記環状レンズ4の回転対称軸は 、共に軸Oo′に一致する。上記環状レンズ4全体の光軸FQは、コリメータの 焦点Fを含むと共に約60°〜100°の角度ψでもって軸OO′に到達し、ま た一方で、反射器2と相交わっている。この場合、環状レンズ4への光の入射量 が減少しても、上記環状レンズ4の前部の支持層の内側表面ならびに上記後部の 支持層の外側表面にそれぞれ形成されたフレネルのリング5.6を使用すること により、大きな包括角を維持することができる。上記反射器2は、光線をすべて 内部に反射させるプリズム状のリング7から形成されている(反射光学上のフレ ネルのリング)。
上記円板状レンズ3は、点Fから出て行く光線の発散を軸OO′に対して最小に するように作られている。また一方で、環状レンズ4は、点Fから入射される光 線を反射器2に集めるように作られている。もし、長さFQ(ただし、Qは環状 レンズ4の光学中心を示す)が上記環状レンズ4の焦点距離に等しければ(すな わち、点Fから出て行く光線が、軸FQを軸OO′のまわりに回転させて形成さ れる発散防止用の円錐面を有する環状レンズ4により屈折された後に平行になれ ば)、反射器2の支持層は、テーバ角がψ/2に等しい円錐台の側面を有するこ とになる。さらに、反射光学上のリング7の断面は、上記支持層に連結する底部 を有する2等辺三角形をなしている。この2等辺三角形の側面は、リング7の入 −δの角度を有している。ここで、δは下記の式により決定される範囲より選定 されるものである。すなわち、ただし、nは屈折率である。
この不等式(1)の左側の部分は、製造条件により下記のように説明される。す なわち、成型用の型を形成している部分が負の傾斜を持ってはならない。換言す れば、反射器2の前面部の各点における法線が軸OO′に対して正の(同符号の )方向に投影され、かつ、後面部の各点における法線が上記軸00′に対して同 符号の(負の)方向に投影されなければならないということである。上記不等式 (1)の右側の部分は、リング7の反射面へ光線の入射角が、この光線をすべて 内部に反射させるための臨界角を超えなければならないという要求により規定さ れる。ψ<90°のときにリング7の連結部分における光損失を最小にするため に、下記の式より支持層の厚さhを選定することが好ましい。すなわち、ただし 、Tは、リング7の反射面への光線の入射角であり、また、Sはリング70幅で ある。
もし、δがOに近い価(δ→0)であり、かつ式(2)が満足されれば、隣り合 ったリング7間の光損失は完全に抑えられる。さらに、ψが90″に近い値(ψ →90°)であれば(ならびにδ→0)、支持層の厚さhがどのような値であっ ても上記光損失を抑えることができる。もしψが90°より大きければ(ψ〉9 0°)、上記光損失を完全に抑えることは不可能である。この場合、上記光損失 は、ψが大きくなるにつれて大きくなるが、hには無関係である。
さらに、屈折器1の支持層の厚さは、屈折光学上のフレネルのリング5.6の寸 法にも光学的に関係していない。したがって、この場合は、適度な強度と、コリ メータの色付き部材に要求される光フイルタ特性とを考慮して他の定数とは別に 上記の支持層の厚さを選定することができる。
屈折光学上のフレネルのリング5.6の連結用77セツト(connectio n facets) 90部分において一直線上での成型作業を妨げることがな いように、環状レンズ4の前部(軸FQから)のフレネルのリング5は、上記レ ンズ4の支持層の内側に形成されており、かつ、後部のフレネルのリング6は、 上記支持層の外側に形成されている。さらに、環状レンズ4の前部がその凹面に より焦点Fに向かい、かつ後部がその凸面により上記焦点Fに向かうように、環 状レンズ4の中心Qにおいて支持層の縦方向の曲率がその符号を変えている。フ レネルのリング5.6の屈折面に対する法線N / 、 Nllは、軸FQに対 して90”以下の角度(90a−ψ)を形成している。
このような構成においては、上記法線が特有な意味を存することが保証されてい る。すなわち、上記法線を軸oO′上に投じて得られる投影の方向は、軸00′ に沿って行われる成型の観点からして環状レンズの外側表面に対する法線では正 になり、かつ、内側表面に対する法線では負になることである。さらに、環状レ ンズ4の中央部に関しても同様のことが言える。すなわち、この場合はψが少な くとも90°以上(ψ≧90’ )なので、軸FQは、環状レンズ4の表面に対 して直角ではなく(一般的に生ずる事実である)、直角よりも(ψ−90°)だ け大きい角度で交わる。反射器2と屈折器1との連結領域においては、屈折光学 上のリング8の形状を、リング7の形状と幾分違わせることにより、上記反射器 2により光線が遮られないようにその進路を変えるようにしている。
一般に、ここで述べているタイプのコリメータは、カンテラやヘッドライト等に おいて保護用のガラス10または散光器の後部に配置される。ヘッドライトにお いては、ガラス10は、コリメータ内の円板形レンズ3の機能を補って反射器2 の軸上の開口部を完全に被うための出口部分を備えた集光用レンズ11の形状を なすことが好ましい。この場合、円板形レンズ3は、集光用レンズ11に入射さ れる光線に対して単に光フィルタとして作用するだけなので、上記レンズ3を完 全に取り去るかあるいはその倍率を0にしてもよい。
焦点Fに配置される光源により発生する光束は2つの部分に分かれる。これらの うちの一方の部分は、レンズ3を照射する光線12を含んでいる。この光線12 は、レンズ3により(さらに、付加的な集光用レンズ11の助けにより)軸Oo ′に平行な一定方向のビームに変換される。また、他方の部分は、環状レンズ4 を照射する光線13を含んでいる。この光線13は、上記環状レンズ4により軸 00′に対して角度ψの方向に向けられた後、反射器2により軸OO′に平行な ビームに変換される。上記光束のわずかな部分、すなわち光線14は、屈折器1 により変換されることなく、反射器8の反射光学上のリング8に直接入射される 。
第2図に示す本発明の他の実施例によるコリメータは、下記の点において第1図 のコリメータと異なる。すなわち、環状レンズ4のプロファイルの形状がより単 純になり、かつ平坦になっている点ならびに反射器2の構造がより複雑になって いる点である。第2図において、環状レンズ4の前部(光軸FQの前部)は平凸 状のプロファイルを有しており、かつ、後部16(光軸FQの後部)は凸子状の プロファイルを有している。さらに、上記レンズ4の凸面は焦点Fに向かってお り、かつ、平坦な部分、すなわち真っすぐな部分はコリメータの軸00′ (こ の軸00′はまた成型軸でもある)にほぼ平行な状態になっている。ただし、こ の場合、レンズ4の内側表面および外側表面に対する法線N’、N”により投じ られる投影の方向に関して必要な符号(−直線上での成型作業を行うために)、 すなわち1.負の符号および正の符号をそれぞれ提供するために、上記の真っす ぐな部分は、厳密な平行状態より30’ (0,5°)から60’ (1” ) までの値を存する成型角δの分だけわずかにずれる。さらに、上記レンズ4は、 反射器2の開口部をほんのわずかな距離(レンズ4の厚さ程度)だけ被うのみで ある。したがって、コリメータと共通の焦点を有し、かつ、環状レンズ4の最前 部の直径に等しい直径を有する集光用の円板形レンズ3により反射器2の開口部 を被っても、コリメータの光の出口部分において暗点が生じることはない。また 、−直線上での成型作業の容易性を犠牲にすることもない。
第2図に示すように、屈折光学上のフレネルのリング5゜6(第1図)を取り去 った場合は、広角の環状レンズ4の焦点をコリメータの焦点と完全に一致させる ことは難しい、すなわち、軸方向の寸法が小さい円錐形の層上に形成される反射 器2と、上記レンズ4とを光学的に結合させるためには、上記レンズ4の倍率が 充分でない。しかしながら、上記レンズ4の後部16の倍率を小さくして上記レ ンズ4の屈折効果をその前部15に集中させることにより、上記レンズ4の軸方 向の寸法を実質的に小さくすることが可能となる。
上記レンズ4の前部15の開口角型、は15°〜20°に収まっており、上記前 部15はコリメータと共通の焦点を存している。
さらに、上記前部15と光学的に結合する反射器2の前部17は、正確な円錐形 を有している。軸FQは軸00′に対して60゜〜70°の範囲で角度ψを形成 している。上記レンズ4の後部16の開口角ψ2は30°〜60°になっており 、その倍率(屈折率がOの零圧折点Qからレンズの縁部までの厚さが前部15と 同じ値である)は比較的小さい。したがって、反射器2において上記後部16に 対応する背面部18は凹状のプロファイルを有しており、この凹状の面は、軸F Qが反射器2と和文わる点Pにおいて円錐形部17に連結している。例えば、上 記凹状のプロファイルは、レンズ4の後部16により形成される点Fの虚像の点 Fに焦点を有する放物面であってもよい。
第2図に示す実施例においては、コリメータの屈折器2は、支持層の背面部にお いて放射状をなしている反射光学上の複数の構成部品を有している。すなわち、 第3図および第4図においてそれぞれ異なった断面図により図示されている複数 のプリズム19である。これらのプリズム19の各々の反射面20は、これらの 反射面20の交点であるリッジ(ridge)21に垂直な断面において、2千 面よりなる直角の面を形成しており、これらの直角の面により光線をすべて内部 に反射させるようにしている。この場合、上記反射面20の長さは、軸00′か らの距離に比例する。上記リッジ21は支持層の前部表面に平行になっており、 かつ、プリズム19の各々の入口および出口の屈折面の機能を結び付けている。
ここでは、反射器2の前面部により反射される光線22が、プリズム19の各々 の反射面20により反射される光線23と同じ方向を向いており、かつ、上記光 線22は、環状レンズ4により提供される光フィルタの存在によって同一の色に することができるので、上記反射器2は、フレネルの反射に伴って生ずる光損失 を抑えるという利点を有することになる。
第2図のコリメータの前面部全体は平面状になっているので、保護用のガラスが 無くても正常に動作する。
上記の2つの実施例(第1図および第2図)においては、反射光学上のリング7 (第1図)またはプリズム19(第2図〜第4図)、すなわち光線をすべて内部 に反射させるためのプリズム19を一体成型形コリメータに組み込んでいるので 、反射器2にミラーコーティングをする必要がな(なる。
成型用の型の製造上の観点からすれば、環状の反射光学上のリング7(第1図) が好ましいが、放射状のプリズム19(第2図〜第4図)により、反射能力が増 大すると共に反射器2の前面側を平面にすることも可能となる。
さらに、2色成形により本発明のコリメータを製造することも可能である。この 場合、集光用の円板形レンズ3および環状レンズ4を含むコリメータの凸部と、 屈折器1(第1図)に光学的結合しておらず、かつ、着色した部材またはほんの り色を付けた部材から作られる反射光学上のリング8とにより2色成形が行われ る。上記の部材は、光信号の色を決定する光フィルタの機能を有している。さら に、コリメータの凸部、すなわち反射器2(リング8を除く)は未着色の部材か ら作られる。したがって、光信号の色が保持されると共に反射光学上の反射器2 の内部における光の吸収量が減少する。
産業上の利用可能性 本発明は、光線がある一定の方向に向かうように設定されていると共に大量に生 産される照射装置、例えば、自動車用の故障表示ランプ、制動用ランプおよびヘ ッドライトや、交通信号灯や、小形ないし中形のサーチライトや、懐中電灯等の 種々の応用が可能な携帯用カンテラ等に最も効果的に適用される。
手続補正書く方式) 平成2年7月13 日 特許庁長官 植 松   敏 殿 1、事件の表示 PCT/5U8810OO30 2、発明の名称 一体成型形コリメータ 3、補正をする者 事件との関係   特許出願人 工しクトロオボルドバニュ 4、代理人 住所 〒105東京都港区虎ノ門−丁目8番10号靜光虎ノ門ビル 電話504 −07215、補正命令の日付 6、補正の対象 明細書及び請求の範囲の翻訳文 7、補正の内容 明細書、請求の範囲の翻訳文の浄書(内容に変更なし) 8、添附書類の目録 明細書及び請求の範囲の翻訳文  各 1 通国際調査報告

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 1.軸上に開口部を有する凹状の反射器と、前記開口部の前面に配置されると共 に前記反射器と光学的に結合した状態で前記反射器により取り囲まれる屈折器と を備えており、前記反射器の前面部の端点における法線は、コリメータの軸に対 して正の方向に投影されており、かつ、前記反射器の背面部の各点における法線 は、前記コリメータの軸に対して負の方向に投影されている一体成型形コリメー タであって、屈折器(1)の少なくとも一部が、前記コリメータの軸(OO′) と一致する回転対称軸を有する集光用の環状レンズ(4)の形状をなしており、 該環状レンズ(4)のプロファイルの光軸(FQ)は、前記コリメータの焦点( F)を含むと共に反射器(2)と相交わっており、前記環状レンズ(4)の外側 表面の各点における法線(N′′)は、前記コリメータの前記軸(OO′)に対 して正の方向に投影されており、かつ、前記環状レンズ(4)の内側表面の各点 における法線(N′)は、前記コリメータの前記軸(OO′)に対して負の方向 に投影されていることを特徴とする一体成型形コリメータ。
  2. 2.前記環状レンズ(4)の一部が、屈折光学による複数のフレネルのリング( 5,6)の形状を有しており、該フレネルのリング(5,6)は、前記反射器( 2)側の前記環状レンズ(4)の支持層の外側表面ならびに前記コリメータの出 口開口部側の前記支持層の内側表面に位置している請求項1記載の一体成型形コ リメータ。
  3. 3.前記屈折器(1)が、前記コリメータと共通の焦点を有すると共に前記環状 レンズ(4)の前面に配置される集光用の円板形レンズ(3)を備えており、該 円板形レンズ(3)の直径は、前記環状レンズ(4)の前面の縁部の直径に等し い値であり、前記環状レンズ(4)のプロファイルにおける後部(16)が凸平 伏になっていると共に前記プロファイルにおける前部(15)が平凸状になって おり、かつ、前記プロファイルにおける平坦部分が前記コリメータの前記軸(O O′)と1°以内の角度(δ)を形成している請求項1記載の一体成型形コリメ ータ。
  4. 4.前記環状レンズ(4)の前記前部(15)が、前記後部(16)よりも大き い倍率を有しており、かつ、前記コリメータの前記軸(OO′)方向における前 記前部(15)の長さが、前記後部(16)の長さよりも短い請求項1記載の一 体成型形コリメータ。
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