WO2013024836A1 - レンズ部材及びこのレンズ部材を使用した発光装置 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a lens member and a light emitting device in which the lens member and a light source are arranged to face each other.
- light-emitting devices such as headlights and tail lamps for lighting, projectors, flashes, automobiles, and the like have increased in number using light-emitting diodes (LEDs) as light sources.
- LEDs light-emitting diodes
- a lens that collects or collimates light emitted from the light emission surface of the LED is used.
- a convex refractive lens is usually used.
- the convex portion has a thickness, it has been proposed to adopt a Fresnel lens in order to reduce the thickness.
- a grating-like refractive prism portion is provided in the central portion in the vicinity of the optical axis (that is, the central axis of the lens) of the inner surface that is the light incident surface facing the light source, and a lattice-like shape is provided around the lattice-like refractive prism portion.
- a lens for a lamp having a reflective prism portion has been proposed (see Patent Document 1).
- the Fresnel lens surface provided on the light incident surface has a plurality of prisms, and a part of the incident light beam is totally reflected by a non-lens surface provided on a part of the plurality of prisms, and then the light.
- a lens member formed so as to emit light to a light exit surface opposite to the entrance surface has been proposed (see Patent Document 2). Further, the light reflecting surface has a refractive lens portion and a reflector portion provided at a central portion around the central axis of the lens member, and the reflector portion makes a light beam incident from an inner surface portion and forms a parabolic shape.
- An optical device that totally reflects and converts it into parallel rays has been proposed (see Patent Document 3). *
- the tip of the prism when the tip of the prism is configured with an acute angle by the prism incident surface and the prism reflection surface, when the resin is filled in the mold, the tip may be thin and the resin may not enter the tip. is there. In this case, the prism tip is rounded, and light incidence and reflection are not performed with high accuracy at the prism tip, leading to performance degradation such as front illuminance on the light exit surface of the Fresnel lens. Etc. Further, in the lens member described in Patent Document 3, it is necessary to set the light reflecting surface of the prism to be high in order to reflect all the light incident from the light incident surface near the tip of the rounded prism. As a result, there is a disadvantage that the lens thickness is increased. *
- the emitted light from the LED used as the light source has a light distribution in which the light intensity decreases as the light emission angle increases.
- the LED 2 is arranged opposite to the light incident surface of the conventional TIR (Total Internal Reflection) lens 1
- the LED 2 is arranged opposite to the light emitting surface of the LED 2.
- the light incident from the light incident surface of the concave lens surface 3 on the inner side of the TIR lens 1 is totally reflected by the light reflecting surface of the outer convex lens surface 4.
- the TIR lens 1 When light having a relatively high light intensity finally enters the light incident surface of the TIR lens 1 at a position close to the central axis AX ′ from the periphery of the central portion of the LED 2, the light is incident above the outer periphery of the convex lens surface 4. It is reflected by the light reflecting surface. Therefore, the TIR lens 1 has a high luminous intensity in the vicinity of the central axis AX ', but the luminous intensity in the vicinity of the middle near the central axis decreases and the luminous intensity in the vicinity of the middle increases.
- the light incident surface of the lens arranged opposite to the light source is divided into a plurality of concentric divided regions with the optical axis of the light source as the center, and consists of a plurality of prism portions having different refraction angles corresponding thereto.
- a lens member having a Fresnel lens on a light incident surface has been proposed.
- the TIR lens is disposed below the TIR lens with the central axis as a center, and has a concave lens surface disposed opposite to the light emitting surface of the light source, and a convex lens surface on the peripheral side surface of the TIR lens.
- the light incident from the concave lens surface is totally reflected by the convex lens surface and is positioned above the TIR lens and directed to the light emitting surface of the TIR lens above the light emitting surface of the light source and parallel to the light emitting surface of the light source. It is configured to make it.
- This TIR lens is made into a Fresnel lens and divided into a plurality of prisms. Each prism includes a prism incident surface corresponding to a divided region of the concave lens surface, and a prism reflecting surface corresponding to the divided region of the convex lens surface that totally reflects light incident from the divided region.
- the prism corresponding to the divided area on the outer upper side of the convex lens surface in the TIR lens is arranged at the inner position of the Fresnel lens (position closer to the central axis). Is done.
- the TIR lens there has been proposed a lens member that is arranged at a position outside the Fresnel lens (an outer peripheral region of the Fresnel lens) as the prism corresponding to the divided region on the outer lower side of the convex lens surface (Patent Documents 4 and 5). reference). *
- the lens surface of the TIR lens when the lens surface of the TIR lens is converted into a Fresnel lens into a plurality of prisms, the above-described divisional arrangement is made, so that the light around the central portion where the light intensity is relatively close to the central axis.
- the light is incident from the light incident surface of the prism and is totally reflected by the light reflecting surface of the prism. Therefore, strong light emitted from the outside in the conventional TIR lens can be emitted near the middle of the inside.
- a luminance distribution that is naturally seen by the human eye as a light source can be obtained as the light intensity gradually decreases from the bright center toward the outside and becomes darker.
- the light incident surface and the light reflection surface corresponding to each other constitute one prism via the ridge line, and a plurality of prisms are continuously arranged, the light incident from the light incident surface in each prism Are totally reflected when they reach the adjacent light reflecting surfaces. From the above, by using this lens member together with a light source, it is possible to obtain an illumination device with dramatically improved light utilization efficiency.
- JP-A-57-55002 JP 59-119340 A Japanese Patent Laid-Open No. 5-281402 JP 2010-262187 A JP 2011-141450 A
- the lens members described in Patent Documents 4 and 5 can be thinned to some extent, but the outer peripheral side of the lens member is thick depending on the shape of the TIR lens before the Fresnel lens is formed. In some cases, the entire lens member becomes thick accordingly. For this reason, there is a demand for a lens member that is thinner and has a higher light collecting property. In particular, if the lens member has a thickness, the molding time at the time of resin molding becomes longer by that thickness, so that it is necessary to reduce the thickness in terms of cost and mass productivity.
- the present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a lens member that can be further reduced in thickness and has high light condensing properties, and a light-emitting device using the lens member.
- the lens member according to the present invention includes a light incident surface, a light emitting surface opposite to the light incident surface, a Fresnel lens disposed on a central axis passing through the center of the light incident surface, and a central axis. And a diffraction grating structure disposed outside the Fresnel lens.
- the Fresnel lens includes a first Fresnel lens having a plurality of annular prisms arranged around a central axis of the light incident surface and divided from a convex lens, and a central axis of the light incident surface. And a second Fresnel lens having a plurality of annular prisms arranged at the outside of the first Fresnel lens as the center and divided from the TIR lens.
- the diffraction grating structure has a plurality of annular fine grooves having a constant groove pitch, and the annular fine grooves have a substantially triangular cross section.
- the annular microgroove of the diffraction grating structure has an outer slope and an inner slope closer to the central axis of the light incident surface than the outer slope, and the outer slope and the inner slope of the annular microgroove. Is changed based on the distance from the central axis.
- the annular prism included in the Fresnel lens and the diffraction grating structure are different from each other in the incident angle range of the received light.
- the light-emitting device includes the lens member according to the present invention, and a light source having a light-emitting surface that is disposed to face the light incident surface of the lens member and has the center axis coincided with the center of the lens member, The outer peripheral edge of the light emitting surface of the light source is located inside the inner diameter of the diffraction grating structure arranged around the central axis.
- the present invention has the following effects. That is, according to the lens member and the light emitting device according to the present invention, the annular light is formed on the outer peripheral side of the Fresnel lens, diffracts the light from the light source, and is diffracted from the exit surface disposed on the opposite side of the light incident surface. Since it has a diffraction grating structure that can emit light, the entire structure can be made thinner and a high light collecting property can be obtained. Therefore, it is possible to obtain an illumination or the like that can be manufactured at a low cost, is excellent in mass productivity, and has high light collecting properties.
- the lens member concerning a 1st embodiment it is a graph which shows the ratio (cumulative) of the amount of light reaching the lens to the distance from the lens center.
- the incident angle range ⁇ with respect to the distance from the lens center (angle difference between the light incident angle from the closest position and the light incident angle from the farthest position on the light emitting surface). It is a graph which shows.
- the lens member concerning a 1st embodiment it is a graph which shows the amount of light reaching the lens to the distance from the lens center. It is sectional drawing of the light-emitting device using the lens member which concerns on 1st Embodiment. It is a perspective view which shows the external appearance shape of the light-emitting device shown in FIG.
- the lens member 10 includes a light incident surface 10a, a light reflecting surface 10b opposite to the light incident surface 10a, and a central axis AX passing through the center of the light incident surface 10a. And a diffraction grating structure 15 disposed outside the Fresnel lens 14 around the central axis AX.
- the lens member 10 is shown as a circular plate lens.
- the central axis AX is an imaginary line indicating the center of the lens member 10. When the central axis AX is arranged together with the light source 2, the central axis AX is arranged so as to coincide with the optical axis of the light source 2. Opposite to the light emitting surface 2a.
- the Fresnel lens 14 provided on the light incident surface 10a of the lens member 10 has a plurality of concentric annular prisms with the central axis AX as the center. *
- the Fresnel lens 14 is divided from a first Fresnel lens 14a having a plurality of annular prisms divided from a convex lens 6 as shown in FIG. 5 and a TIR lens 1 as shown in FIG. And a second Fresnel lens 14b having an annular prism.
- the first Fresnel lens 14a has a plurality of annular prisms around the convex lens 14c disposed on the central axis AX of the light incident surface 10a, and the second Fresnel lens 14b is centered on the central axis AX. Are arranged on the outside of the first Fresnel lens 14a. *
- the first Fresnel lens 14 a has a plurality of concentric divisions with the light incident surface 6 a of the convex lens 6 disposed at a position facing the light source 2 as the center about the optical axis AX of the light source 2. This is divided into regions a to f, and these divided pieces are Fresneled as a plurality of annular prisms a ′ to f ′ having different refraction angles.
- the light emitted from the light emitting surface 2a of the light source 2 is incident on the annular prisms a 'to f', then is refracted upward and is directly emitted from the light emitting surface 10b.
- the second Fresnel lens 14b is divided into a plurality of concentric divided regions 3a to 3c and 4a to 4c with the light incident surface of the TIR lens 1 centered on the optical axis of the light source 2.
- These divided pieces are Fresneled as a plurality of annular prisms 13A to 13C having different refraction angles as shown in FIG. *
- the second Fresnel lens 14b will be described in more detail.
- the region of the second Fresnel lens 14b functions as a TIR lens. That is, the TIR lens 1 as shown in FIG. 6 has a concave lens surface 3 that is arranged around the optical axis AX ′ and allows light from the light source 2 to enter the inside, and a concave shape that is arranged around the concave lens surface 3.
- a convex lens surface 4 that totally reflects light incident from the lens surface 3 toward the upper exit surface side at the peripheral side surface. As shown in FIG.
- the annular prisms 13A to 13C of the second Fresnel lens 14b are incident on the prism incident surface 13a corresponding to the divided regions 3a to 3c of the concave lens surface 3 and the divided regions 3a to 3c.
- a prism reflection surface 13b corresponding to the divided regions 4a to 4c of the convex lens surface 4 that totally reflects light.
- the outer divided region 4a around the outer periphery of the lens 4 is formed by Fresnel lens, and the prism incident surface 13a of the annular prism 13A and the prism reflecting surface 13b of the annular prism 13A around the center of the lens member 10 of the present embodiment. It corresponds to. *
- 4b corresponds to the prism incident surface 13a of the annular prism 13B and the prism reflecting surface 13b of the annular prism 13B at the intermediate portion between the central portion and the outer periphery of the lens member 10 of the present embodiment.
- the divided region 4c corresponds to the prism incident surface 13a of the annular prism around the outer periphery of the second Fresnel lens 14b, and the reflecting surface 13b of the prism of the annular prism 13C.
- the second Fresnel lens 14b is disposed on the inner side (position closer to the central axis AX) of the convex lens surface 4 of the TIR lens 1 so that the annular prism corresponding to the divided region 4a on the outer side is located on the lower side.
- the annular prism corresponding to the divided region 4c is arranged on the outer side (a position far in the direction perpendicular to the central axis AX). Therefore, the vertex angle of each of the annular prisms 13A to 13C changes depending on the position relative to the light source 2.
- the apex angle is an angle formed by the incident surface 13a and the prism reflecting surface 13b in each prism of the annular prisms 13A to 13C on which the prism refracting surface 13c is formed.
- the prism reflecting surface 13b is formed of a flat surface or a quadratic curved surface such as a paraboloid, a hyperboloid, or an ellipsoid.
- the prism incident surface 13a is inclined with respect to the optical axis AX and is directed to the light source 2 side.
- the prism incident surface 13a is formed of a flat surface or a convex secondary curved surface, but is preferably formed of a flat surface in consideration of workability.
- the light emitting surface 10b opposite to the light incident surface 10a provided with the Fresnel lens 14 is a flat surface. *
- the diffraction grating structure 15 disposed around the Fresnel lens 14 has a plurality of concentric annular fine grooves 15a.
- the diffraction grating structure 15 diffracts the light from the light source 2 and emits it as diffracted light from the light emitting surface 10b disposed on the opposite side of the light incident surface 10a.
- the diffraction grating structure 15 has a plurality of concentric annular microgrooves 15a around the central axis AX of the light incident surface 10a arranged outside the Fresnel lens.
- Each annular microgroove 15a has a substantially triangular cross section as shown in FIG. 8, and these annular microgrooves 15a behave in a wave-optic manner in accordance with the wavelength of incident light, and have optical interference.
- it is formed with a fine groove pitch of, for example, 10 ⁇ m or less.
- the groove pitch is a width p between two reference lines passing through the centers of two adjacent annular microgrooves 15a.
- the groove pitch p is constant throughout the diffraction grating structure 15. is there.
- annular fine groove 15a is set to 90 degrees or less. *
- the top portions (the top portions of the sawtooth portions) between the plurality of annular fine grooves 15a constituting the diffraction grating structure 15 are the first Fresnel lens 14a and the second Fresnel lens 14b of the Fresnel lens 14.
- the height positions of the tops are set constant so that the tops are arranged on a plane on the light incident surface 10a side parallel to the light emitting surface 10b.
- the tips of the plurality of annular prisms of the first Fresnel lens 14 a and the tips of the plurality of annular prisms of the second Fresnel lens 14 b are flush with the tips of the diffraction grating structure 15 disposed outside the Fresnel lens 14. is there.
- the convex lens 14c arranged on the central axis AX is also arranged on the same plane K as the top of each annular prism, and the height position is set constant. ing.
- the first Fresnel lens 14a further has a convex lens 14c on the central axis AX
- the diffraction grating structure 15 has a plurality of annular fine grooves 15a, the top of the convex lens 14c, the first Fresnel lens.
- the tips of the plurality of annular prisms 14a and the tips of the plurality of annular prisms of the second Fresnel lens 14b are flush with the tips of the annular fine grooves 15a of the diffraction grating structure 15.
- the light incident surface 10a of the lens member 10 includes the Fresnel lens 14 including the first Fresnel lens 14a and the second Fresnel lens 14b each having an annular prism centered on the central axis AX.
- the diffraction grating structure 15 having a plurality of concentric annular microgrooves 15a centering on the central axis AX is disposed outside the Fresnel lens 14.
- the whole is integrally formed in a disc shape with a light transmitting material such as acrylic resin.
- the light source 2 includes a plurality of LED elements arranged in a planar shape, and, for example, an LED in which a plurality of LED elements are arranged in a circular area on a circuit board is employed. Therefore, the light source 2 is not a point light source but a surface light source having a light emitting surface with a relatively large area. As shown in FIGS. 1 and 4, the light source 2 has a light emitting surface 2 a facing the Fresnel lens 14, and the radius R of the light emitting surface 2 a is the radial direction of the first Fresnel lens 14 a of the Fresnel lens 14. Is set smaller than the radial distance r ′′ of the second Fresnel lens 14b.
- the distance to the inner diameter of the diffraction grating structure 15 is set larger than the radius R of the light emitting surface of the light source.
- the light source 2 not only an LED in which a plurality of LED elements are arranged in a planar shape but also one having one LED element can be adopted.
- the first and second Fresnel lenses 14a and 14b and the diffraction grating structure 15 constituting the light incident surface 10a of the lens member 10 are configured with the following ratios, a balanced and highly condensing lens is used. can get.
- the radius of the light emitting surface 2 a of the light source 2 is R
- the distance in the radial direction from the central axis AX of the light incident surface 10 a of the lens member 10 is r
- the lens member from the light emitting surface 2 a of the light source 2 is used.
- ⁇ is an angle difference between the incident angle ⁇ n of light from the nearest position on the light emitting surface 2a and the incident angle ⁇ f of light from the farthest position.
- the radial distance r ′ of the first Fresnel lens 14a is preferably in a range of r ′ ⁇ R, and the second Fresnel lens 14b has a radial distance r ′′ of r ′′ ⁇ R and ⁇ > 15. A range of ° is desirable.
- the incidence and emission of light from the light source 2 in the lens member 10 of the present embodiment will be described.
- the incidence and emission of light in the Fresnel lens 14 disposed at the center of the light incident surface 10a of the lens member 10 will be described.
- the first Fresnel lens 14 a the light emitted from the light source 2 is refracted by the light incident surface 10 a of the lens member 10, and the refracted light is directed upward, and the light emitting surface of the lens member 10. 10b is emitted as parallel light.
- the light refracted on the incident surface of the annular prism is directly emitted from the light emitting surface 10b of the lens member 10 as parallel light with the light beam directed upward without going to the reflecting surface of the annular prism. Will be. *
- TI that is incident on the outer surface of the convex lens surface 4 and is totally reflected by the light reflecting surface (divided region 4a) near the outer edge of the convex lens surface 4 and positioned above the light source.
- the light is emitted from the vicinity of the outer peripheral portion of the light exit surface of the R lens.
- the second Fresnel lens 14b in which the TIR lens 1 is formed into a Fresnel as shown in FIG. 7 the light L1 having the highest light intensity emitted from the light source 2 toward the central portion directly above the inner central portion. Is incident from the prism incident surface 13a of the annular prism 13A, is totally reflected by the prism reflecting surface 13b of the annular prism 13A, and is emitted from the central portion of the light emitting surface 10b of the lens member 10.
- the light L2 around the central portion having a relatively strong light intensity emitted from the light source 2 in a slightly oblique direction with respect to the optical axis AX is a light incident surface (divided region) of the inner concave lens surface 3. 3b), and is totally reflected by the light reflecting surface (divided region 4b) outside the convex lens surface 4 and emitted from an intermediate portion between the central portion and the outer edge of the emitting surface.
- the lens member 10 of the present embodiment as shown in FIG. 7, the light L2 around the central portion having a relatively strong light intensity emitted from the light source 2 in a slightly oblique direction with respect to the optical axis AX is generated.
- the TIR lens 1 in the TIR lens 1, light L3 having a relatively low light intensity emitted from the light source 2 in a largely oblique direction with respect to the optical axis AX is incident from the light incident surface (divided region 3c) of the inner concave lens surface 3. At the same time, the light is totally reflected by the light reflecting surface (divided region 4c) inside the convex lens surface 4 and emitted from the periphery of the central portion of the emitting surface.
- the light L3 having a relatively low light intensity emitted from the light source 2 in a largely oblique direction with respect to the optical axis AX is transmitted from the prism incident surface 13a of the outer annular prism 13C. In addition to being incident, it is totally reflected by the prism reflecting surface 13b of the annular prism 13C, and is emitted from the vicinity of the outer edge of the region of the light emitting surface 10b facing the second Fresnel lens 14b.
- the light emitted from the light source 2 is refracted by the light incident surface 10a, and the refracted light is totally reflected by the reflecting surface and heads upward.
- 10 light exit surfaces 10 b are emitted as parallel light.
- the annular prism constituting the Fresnel lens 14 refracts the light incident on the light incident surface 10a from the light source 2 only on the incident surface of the annular prism, or on both the incident surface and the reflecting surface of the annular prism. By being refracted, the light is emitted from the light emitting surface 10b of the lens member 10 as parallel light.
- the diffraction grating structure 15 typically includes blue light (wavelength ⁇ 1 : 460 nm, for example), green light among light components contained in white light as light from the light source 2.
- the shape is designed using three types (wavelength ⁇ 2 : 555 nm, for example) and red light (wavelength ⁇ 3 : 630 nm, for example).
- the groove pitch of the annular fine groove 15a is p
- the incident angle of light with respect to a vertical imaginary line parallel to the central axis of the light incident surface is ⁇ i
- the following relational expression is established in the diffraction grating structure 15.
- the white light By setting in this way, among the light components constituting the white light, three types of short wavelength, intermediate wavelength, and long wavelength are diffracted and emitted in almost the same direction within a narrow angle difference of ⁇ ⁇ .
- the diffraction grating structure 15 can be obtained, and the white light as a whole can be emitted in substantially the same direction.
- the angle ⁇ of the outer slope 15b and the angle ⁇ of the inner slope 15c constituting the annular fine groove 15a are changed according to the distance r from the center (lens center) of the light incident surface.
- the emission direction of the diffracted light by each annular fine groove 15a is set to be the same direction. That is, as shown in FIG. 10, the apex angle ⁇ m of the sawtooth portion between the annular microgrooves 15a, the angle ⁇ of the outer inclined surface 15b and the angle ⁇ of the inner inclined surface 15c constituting this apex angle ⁇ m are shown in FIG.
- the distance is slightly changed according to the distance r from the lens center based on the optical design. That is, since the apex angle ⁇ m, the angle ⁇ of the outer slope 15b, and the angle ⁇ of the inner slope 15c change, the depth H of the annular microgroove 15a also slightly changes according to the distance r. *
- the light emitting surface diameter of the light source 2 is 8.5 mm
- the inner diameter of the diffraction grating structure 15 is 7 mm
- the outer diameter of the diffraction grating structure 15 is 12 mm
- the distance h is set to 3.0 mm.
- the apex angle ⁇ m, the angle ⁇ , and the angle ⁇ of the sawtooth portion, the angle ⁇ of the outer inclined surface 15b, and the angle ⁇ of the inner inclined surface 15c are considered in consideration of the accuracy of optical design.
- angle ⁇ of the outer slope 15b and the angle ⁇ of the inner slope 15c can be obtained by the following calculation formula. These angles ⁇ and ⁇ are preferably set so that the light emission direction in the diffraction grating structure 15 coincides with the light emission direction in geometric optics, and the following equations (7), (8), and (9): A range that satisfies the above is desirable. *
- Tan ⁇ P / H-tan ⁇ (7)
- ⁇ 45- ⁇ (arcsin ⁇ sin (90- ⁇ '- ⁇ ) / n ⁇ + ⁇ ) ⁇ / 2
- R is the radius of the light emitting surface 2a of the light source 2
- r is the radial distance of the light incident surface from the central axis AX of the light incident surface 10a of the lens member 10
- h is the light emitting surface of the light source 2.
- ⁇ ′ is the incident angle of the light incident on the light incident surface 10a of the lens member 10 from the light emitting surface 2a of the light source 2
- p is the diffraction grating structure.
- the groove pitch of the annular fine groove 15 a, H is the depth of the annular fine groove 15 a, and n is the refractive index of the lens member 10. *
- the ratio (cumulative) of the amount of light reaching the lens with respect to the distance r from the lens center varies according to the distance r from the lens center as shown in FIG. It changes even if the distance h between the lens member 10 and the light emitting surface 2a of the light source 2 changes.
- the ratio (cumulative) of the reached light quantity is set to 95% or more, it is necessary to set the distance h between the lens member 10 and the light emitting surface 2a of the light source 2 to 3.0 mm or less from the simulation result.
- an incident angle range ⁇ with respect to the distance r from the center of the lens (an angle difference between the incident angle ⁇ n of light from the nearest position on the light emitting surface and the incident angle ⁇ f of light from the farthest position) is simulated. For example, the characteristics shown in FIG. 13 are obtained. From this simulation result, ⁇ is large and effective to be refracted by the Fresnel lens 14 until the distance r from the lens center is about 7 mm, and ⁇ is small when the distance r is 7 mm or more. It turns out that it is effective to make it diffract. For example, when the distance h between the lens member 10 and the light emitting surface of the light source 2 is set to 3.0 mm, the incident angle range ⁇ is 15 ° or less when the distance r from the lens center is 7 mm or more.
- the amount of light reaching the lens with respect to the distance r from the center of the lens is obtained by simulation, for example, the characteristics shown in FIG. 14 are obtained. From this simulation result, the amount of reached light is large until the distance r from the lens center is about 7 mm, and refracting by the Fresnel lens 14 is effective.
- the area of the Fresnel lens 14 is made as small as possible, and the diffraction grating Whether the inner diameter of the structure 15 can be reduced is important in reducing the thickness and collecting light.
- the light emitting device includes an LED as the light source 2, the lens member 10, and a casing 121 that stores them.
- the casing 121 includes a hemispherical portion 122 in which the light source 2 is installed at the center of the upper surface portion, and a substantially cylindrical lens support frame portion 123 that houses the lens member 10 and is installed on the upper surface portion of the hemispherical portion 122.
- the lens support frame portion 123 is installed on the upper surface portion of the hemispherical portion 122 with the lens member 10 facing the light source 2 with its central axis aligned with the central axis of the hemispherical portion.
- FIG. 17 shows the results of examining the directivity of the entire lens in the lens member 10, the directivity when only the Fresnel lens 14 is used, and the directivity when only the diffraction grating structure 15 is used.
- the directivity in the central axis direction is higher in the case of only the diffraction grating structure 15 than in the case of only the Fresnel lens 14. Therefore, the directivity of the entire lens combined with the Fresnel lens 14 is higher than that of the Fresnel lens 14 alone.
- the lens member 10 of the present embodiment is arranged in a ring shape around the Fresnel lens 14 and the Fresnel lens 14 arranged around the central axis AX of the light incident surface 10a, and diffracts the light from the light source 2.
- the diffraction grating structure 15 that can be emitted as diffracted light from the light emitting surface 10b disposed on the opposite side of the light incident surface 10a
- the light that has reached the center of the light incident surface 10a from the light source 2 Is refracted and condensed by the Fresnel lens 14 and emitted from the light exit surface 10b
- the light reaching the outer peripheral side region of the Fresnel lens 14 is diffracted and condensed by the diffraction grating structure 15 and exits from the light exit surface 10b. Is done. *
- the outer peripheral end may be thick and the entire lens member may be thickened.
- the outer peripheral side of the light incident surface 10a is a diffraction grating structure 15 that can be formed on a flat plate surface, and the whole can be made thinner.
- the light incident angle ⁇ n from the nearest position on the light emitting surface and the light incident from the farthest position
- the angle difference with the angle ⁇ f is smaller on the outer peripheral side of the light incident surface 10 a than on the central portion, and high condensing performance can be obtained by diffraction at the diffraction grating structure 15. For this reason, it is possible to obtain higher directivity by the light condensing property of both the Fresnel lens 14 on the lens center side and the diffraction grating structure 15 on the outer peripheral side.
- the lens member 10 of this embodiment since the diffraction grating structure 15 is provided on the outer peripheral side, the curvature is smaller than that of the center of the lens, and it is easy to manufacture a fine diffraction grating with high accuracy.
- the molding time is shortened during resin molding, the lens can be manufactured at low cost, and is excellent in mass productivity.
- it can be manufactured by a manufacturing method other than resin molding such as injection molding, and for example, it can also be manufactured by a method of imprinting on a glass substrate.
- it can also produce using lens materials other than resin, for example, it is also possible to form the Fresnel lens 14 and the diffraction grating structure 15 with the resin on the upper surface of a glass substrate.
- the region of the Fresnel lens 14 and the diffraction grating structure 15 are arranged on the same plane K, the region of the Fresnel lens 14 and the diffraction grating structure are arranged.
- the 15 regions can have the same thickness, and the entire lens can be formed into a thin flat plate having a constant thickness.
- the diffraction grating structure 15 includes a plurality of annular microgrooves 15a having a substantially triangular cross section and arranged in a concentric circle with the center of the light incident surface as an axis.
- the desired light collecting property can be obtained by setting the shape (groove pitch, depth, outer slope and inner slope constituting the annular fine groove).
- angles of the outer inclined surface 15b and the inner inclined surface 15c constituting the annular fine groove 15a are changed according to the distance r from the central axis AX (lens center) of the light incident surface 10a, and diffracted light by each annular fine groove 15a. Since the emission direction is set in the same direction, higher light condensing performance can be obtained as compared with the case where the angles of the outer slope 15b and the inner slope 15c are constant.
- the Fresnel lens 14 is arranged on the inner side of the convex lens surface 4 of the TIR lens 1 shown in FIG. 6 so that the annular prisms corresponding to the outer divided areas 3a to 3c are located closer to the inner divided areas 3a to 3c. Since the corresponding annular prism is arranged on the outer side, the light having the strong central portion is incident from the prism incident surface 13a of the central annular prism 13A and the prism reflecting surface of the annular prism 13A. It is totally reflected at 13b. Therefore, strong light emitted from the outside in the conventional TIR lens or Fresnel lens can be emitted from the central portion in the lens member 10 of the present embodiment.
- a luminance distribution is obtained in which the luminous intensity gradually decreases from the center toward the outside, and the center is bright and the outside is dark, thereby suppressing the occurrence of ring-shaped lens flare and improving the appearance. can do.
- the Fresnel lens 14 is composed of the first Fresnel lens 14a and the second Fresnel lens 14b, and the number of divisions is increased when the Fresnel is formed. became. *
- the Fresnel lens 14 receives strong light from the light emitting surface 2a immediately below the light source and can efficiently refract and collect the light.
- the diffraction grating structure 15 light from the light emitting surface 2 a incident from an oblique direction can be received and efficiently diffracted and condensed.
- the thin lens member 10 enables high use efficiency of light emitted from the LED as the light source 2, and a thin illumination, projector, LED optical products such as flash and automobile headlamps and taillamps can be obtained.
- the difference between the second embodiment and the first embodiment is that, in the first embodiment, the light emitting surface 10b on the opposite side of the Fresnel lens 14 and the diffraction grating structure 15 is a flat surface, whereas the second embodiment is different from the first embodiment.
- the lens member 20 of the embodiment as shown in FIG. 18, a large number of light emitting surfaces 20b on the opposite side to the light incident surface 20a on which the Fresnel lens 14 and the diffraction grating portion 15 similar to those in the first embodiment are provided.
- the unevenness 21 is arranged to control at least one of the diffusibility and directivity of the light emitted from the light emitting surface 20b.
- the unevenness 21 a plurality of elliptical convex portions having diffusibility are arranged on the light emitting surface 20 b in order to diffuse the emitted light.
- corrugation 21 is an aspherical convex part in order to refract light efficiently.
- a quadrangular pyramid shape or the like may be adopted as another unevenness.
- the unevenness 21 that controls at least one of the diffusibility and directivity of the light emitted from the light emitting surface 20b is arranged, so that the Fresnel lens 14 and the diffraction grating are arranged.
- the light condensed as much as possible by the structure 15 can be easily emitted with desired diffusivity and directivity by refraction and scattering by the unevenness 21 of the light emission surface 20b.
- color unevenness can be reduced by the unevenness 21 of the light emitting surface 20b compared to the lens member 10 of the first embodiment.
- the unevenness 21 on the lens center side of the light exit surface 20b may be an unevenness 21 that has higher diffusibility than the outer peripheral side.
- the center side of the light emitting surface 20a has higher diffusibility than the outer peripheral side. Therefore, it is possible to effectively diffuse the color by diffusing more light especially on the center side where the color unevenness of the light source 2 is easily reflected.
- an optical sheet that controls at least one of diffusibility and directivity of transmitted light may be installed on the light exit surface of the lens member. That is, instead of forming irregularities directly on the light exit surface, a diffusion sheet that uniformly scatters transmitted light, an anisotropic diffusion sheet or prism sheet that scatters or refracts much transmitted light in a specific direction, etc.
- the optical sheet may be installed so that various light diffusibility and directivity can be arbitrarily set.
- the optical sheet is preferably a material having a small refractive index difference from the material of the lens member body.
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Abstract
【課題】 さらなる薄型化が可能であり、高い集光性を有するレンズ部材及び発光装置を提供する。【解決手段】 光入射面10aと、光入射面10aとは反対側面の光出射面10bと、光入射面10aの中心を通る中心軸AX上に配置されたフレネルレンズ14と、中心軸AXを中心としてフレネルレンズ14の外側に配置された回折格子構造15とを有し、フレネルレンズ14が、光入射面10aの中心軸AXを中心として配置され凸レンズから分割された複数の環状プリズムを有する第1フレネルレンズ14aと、光入射面10aの中心軸AXを中心として第1フレネルレンズ14aの外側に配置されTIRレンズから分割された複数の環状プリズムを有する第2フレネルレンズ14bとを備えるレンズ部材。
Description
本発明は、レンズ部材及びこのレンズ部材と光源とを対向配置させた発光装置に関する。
近年、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発光装置は、光源として発光ダイオード(LED)を用いたものが増えている。このような発光装置や、特に狭指向性のLEDの光源として使用する装置等には、LEDの光射出面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。このようなレンズとしては、通常、凸状の屈折レンズが使用されているが、凸部に厚みがあるので、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、光源と対向する光入射面である内面の光軸(すなわちレンズの中心軸)近傍の中央部に格子状屈折系プリズム部を有すると共に、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を有する灯具のレンズが提案されている(特許文献1参照)。また、光入射面に設けたフレネルレンズ面が複数のプリズムを有し、入射した光線の一部がその複数のプリズムの一部のプリズムに設けられた非レンズ面で全反射されたのち、光入射面とは反対側の光出射面へ出射するように形成したレンズ部材が提案されている(特許文献2参照)。さらに、レンズ部材の中心軸を中心とした中心部に設けた屈折レンズ部と反射体部とを有し、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光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(特許文献3参照)。
しかしながら、上記のフレネルレンズでは、プリズム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時に、先端が細く樹脂が先端まで入りきらない場合がある。この場合、プリズムの先端に丸みがついて、プリズムの先端で光の入射と反射とが高精度で行われず、このフレネルレンズの光出射面の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等があった。また、上記特許文献3に記載されたレンズ部材では、丸みが付いたプリズムの先端部に近い光入射面から入射された光を全て反射させるには、プリズムの光反射面を高く設定する必要があり、結果として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乃至3に記載されたレンズでは、プリズムの光入射面から入射した光の一部がプリズムの光反射面に達せずにロスが生じてしまい、光源から出射された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、中心軸を中心とした凸形状の屈折レンズ部と、屈折レンズ部の外側に位置する反射体部との間に、入射した光が反射体部の光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、光源として使用されるLEDからの放射光は、光の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する。図6に示すように、光源2であるLEDの光出射面を従来のTIR(Total Internal Reflection)レンズ1の光入射面に対向配置させたとき、LED2の光出射面に対向して配置されたTIRレンズ1の内側の凹状レンズ面3の光入射面から入射された光は、外側の凸状レンズ面4の光反射面で全反射される。最終的に比較的光強度の強い光が、LED2の中央部周辺から中心軸AX’に近い位置でTIRレンズ1の光入射面に入射光L2として入射した場合、凸状レンズ面4の外周上方の光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は、中心軸AX’付近の光度は高いが、中心軸付近の外側の中間付近の光度が低くなると共に、中間付近の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を従来の手法でそのままフレネルレンズ化しても、出射された光はTIRレンズ1の時と同様に光軸を中心としたリング状の不要な光(レンズフレア)が発生して見栄えが悪くなる問題が残る。さらに、特許文献3に記載されたレンズでは、反射レンズ部の光入射面及び出射面が共に非球面となっているため、フレネルレンズ化する際の加工も難しくコストも高くなってしまう問題があった。
その対策として、光源に対向配置されるレンズの光入射面を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を光入射面に有するレンズ部材が提案されている。TIRレンズは、中心軸を中心としてTIRレンズの下方に配され、光源の発光面と対向配置される凹状レンズ面と、TIRレンズの周側面における凸状レンズ面と、を有し、下方の該凹状レンズ面から入射された光を、凸状レンズ面で全反射させて、TIRレンズの上部に位置し、光源の発光面の上方で光源の発光面と平行なTIRレンズの光出射面に向かわせるよう構成されている。このTIRレンズをフレネルレンズ化して複数のプリズムに分割する。各プリズムは、凹状レンズ面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光を全反射させる凸状レンズ面の分割領域に対応したプリズム反射面とで構成される。フレネルレンズとして、TIRレンズから分割されたプリズムが配置される場合、TIRレンズにおいて凸状レンズ面のうち外側上方の分割領域に対応するプリズムほどフレネルレンズの内側位置(中心軸に近い位置)に配置される。TIRレンズにおいて、凸状レンズ面のうち外側下方の分割領域に対応するプリズムほど、フレネルレンズの外側位置(フレネルレンズの外周領域)に配置されたレンズ部材が提案されている(特許文献4,5参照)。
このレンズ部材では、TIRレンズのレンズ面を複数のプリズムにフレネルレンズ化する際に、上記の分割配置がなされているので、比較的光強度の強い中央部周辺の光が中心軸に近い位置のプリズムの光入射面から入射されると共に該プリズムの光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、内側の中間付近で出射させることができる。これにより、明るい中心から外側に向かって徐々に光度が下がって暗くなる、光源として人の目に自然に見える輝度分布が得られる。結果として、不自然に見えていたリング状のレンズ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、互いに対応した光入射面と光反射面とが稜線を介して一つのプリズムを構成し、かつ複数のプリズムが連続して配置されているので、各プリズムにおいて光入射面から入射された光が全て隣接する光反射面に到達した時点で全反射される。上記から、このレンズ部材を光源と共に使用することで、光の利用効率を飛躍的に向上させた照明装置を得ることができる。
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、特許文献4,5に記載されたレンズ部材では、ある程度の薄型化を図ることが可能であるが、フレネルレンズ化される前のTIRレンズの形状によってはレンズ部材の外周側が肉厚になることもあり、その分、レンズ部材全体が厚くなってしまう不都合があった。このため、より薄型で集光性の高いレンズ部材が要望されている。特に、レンズ部材が厚みを有すると、樹脂成形時の成形時間もその厚み分長くなることから、コスト面及び量産性の点からも薄型化が必要とされている。また、複数のLED素子を面状に配置して広い発光面とした、光束量の多い光源と共に使用される場合でも高い信頼性を得ることが出来る、板状のレンズ部材が要望されている。
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、さらなる薄型化が可能であり、高い集光性を有するレンズ部材及びこのレンズ部材を使用した発光装置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、本発明に係るレンズ部材は、光入射面と、光入射面とは反対側面の光出射面と、光入射面の中心を通る中心軸上に配置されたフレネルレンズと、中心軸を中心としてフレネルレンズの外側に配置された回折格子構造とを有する。
また、本発明に係るレンズ部材は、前記フレネルレンズが、光入射面の中心軸を中心として配置され凸レンズから分割された複数の環状プリズムを有する第1フレネルレンズと、光入射面の中心軸を中心として第1フレネルレンズの外側に配置されTIRレンズから分割された複数の環状プリズムを有する第2フレネルレンズとを備える。
また、本発明に係るレンズ部材は、前記回折格子構造が、溝ピッチが一定である複数の環状微細溝を有し、この環状微細溝が略三角形状の断面を有している。
また、本発明に係るレンズ部材は、前記回折格子構の環状微細溝が、外側斜面と外側斜面より光入射面の中心軸に近い内側斜面とを有し、環状微細溝の外側斜面と内側斜面の傾斜角度が、中心軸からの距離に基づいて変化している。
また、本発明に係るレンズ部材は、フレネルレンズに含まれる環状プリズムと回折格子構造とは、受ける光の入射角の範囲が互いに異なっている。
また、本発明に係る発光装置は、本発明に係るレンズ部材と、レンズ部材の光入射面と対向配置されて、レンズ部材の中心軸と中心を一致させた発光面を有する光源とを備え、光源の発光面の外周縁が、中心軸を中心とした配置された回折格子構造の内径より内側に位置している。
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発光装置によれば、フレネルレンズの外周側に環状に形成されて光源からの光を回折させて光入射面の反対側に配された出射面から回折光として出射可能な回折格子構造を有しているので、全体をより薄型化することができると共に高い集光性を得ることができる。したがって、低コストで作製でき、量産性にも優れていると共に、高い集光性を有した照明等を得ることができる。
以下、添付図面に基づいて本発明に係るレンズ部材及びこのレンズ部材を用いた発光装置の実施形態を説明する。なお、以下の説明に用いる各図面の中には、各部材や形状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ものがある。
本実施形態におけるレンズ部材10は、図1に示されるように、光入射面10aと、光入射面10aとは反対側の光反射面10bと、光入射面10aの中心を通る中心軸AX上に配置されたフレネルレンズ14と、中心軸AXを中心としてフレネルレンズ14の外側に配置された回折格子構造15と、を有している。図1乃至図4に示される実施例においては、レンズ部材10は円形の板状レンズとして示されている。なお、中心軸AXはレンズ部材10の中心を示す仮想線であり、光源2と共に配置された場合、光源2の光軸と一致して配置され、レンズ部材10の光入射面10aは光源2の発光面2aと対向配置される。レンズ部材10の光入射面10aに設けられたフレネルレンズ14は中心軸AXを中心として複数の同心円状の環状プリズムを有する。
この実施形態において、上記フレネルレンズ14は、図5に示されるような凸レンズ6から分割された複数の環状プリズムを有する第1フレネルレンズ14aと、図6に示されるようなTIRレンズ1から分割された環状プリズムを有する第2フレネルレンズ14bとで構成されている。第1フレネルレンズ14aは、光入射面10aの中心軸AX上に配置された凸状レンズ14cを中心としてその回りに複数の環状プリズムを有し、第2フレネルレンズ14bは、中心軸AXを中心とした複数の環状プリズムを有して第1フレネルレンズ14aの外側に配置されている。
前記第1フレネルレンズ14aは、図5に示されるように、光源2と対向する位置に配置された凸レンズ6の光入射面6a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a~fに分割し、これら分割片を屈折角の異なる複数の環状プリズムa’~f’としてフレネル化したものである。光源2の発光面2aから出射した光は、環状プリズムa’~f’に入射した後、上方向に屈折してそのまま光出射面10bから出射する。
また、前記第2フレネルレンズ14bは、図6に示されるように、TIRレンズ1の光入射面を光源2の光軸を中心とした複数の同心円状の分割領域3a~3cと4a~4cに分割し、これら分割片を図7に示したように屈折角の異なる複数の環状プリズム13A~13Cとしてフレネル化したものである。
上記第2フレネルレンズ14bをさらに詳細に説明する。第2フレネルレンズ14bの領域は、TIRレンズとして機能する。すなわち、図6に示したようなTIRレンズ1は、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面3と、該凹状レンズ面3の回りに配され凹状レンズ面3から入射された光を周辺側面で上方の出射面側へ全反射させる凸状レンズ面4とを有している。図7に示したように、第2フレネルレンズ14bの環状プリズム13A~13Cは、凹状レンズ面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面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6及び図7に示したように、TIRレンズ1の凹状レンズ面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面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の中央部周辺の環状プリズム13Aのプリズム入射面13aと該環状プリズム13Aのプリズム反射面13bとに相当する。
また、TIRレンズ1の凹状レンズ面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面4の分割領域4aの内側の分割領域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環状プリズム13Bのプリズム入射面13aと、該環状プリズム13Bのプリズム反射面13bとに相当する。
さらに、TIRレンズ1の凹状レンズ面3において、凸状レンズ面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面4の内周部周辺の分割領域4cとは、第2フレネルレンズ14bの外周部周辺における環状プリズムのプリズム入射面13aと、該環状プリズム13Cのプリズムに反射面13bとに相当する。
このように第2フレネルレンズ14bは、TIRレンズ1における凸状レンズ面4のうち、外側上方の分割領域4aに対応する環状プリズムほど内側(中心軸AXに近い位置)に配置され、外側下方の分割領域4cに対応する環状プリズムほど外側(中心軸AXに垂直方向で遠い位置)に配置されて構成されている。したがって、各環状プリズム13A~13C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が形成された環状プリズム13A~13Cの各プリズムにおける入射面13aとプリズム反射面13bとが成す角度である。
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。また、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14が設けられた光入射面10aの反対側の光出射面10bは、平坦面とされている。
上記フレネルレンズ14の回りに配置された回折格子構造15は、同心円状の複数の環状微細溝15aを有している。回折格子構造15は、光源2からの光を回折させて光入射面10aの反対側に配置された光出射面10bから回折光として出射する。
上記回折格子構造15は、図1に示すように、光入射面10aの中心軸AXを中心とした同心円状の複数の環状微細溝15aをフレネルレンズ14の外側に配置したものである。各環状微細溝15aは、図8に示されるように略三角形状の断面を有しており、これら環状微細溝15aは、入射される光の波長に対応して波動光学的な振る舞い、光干渉の効果を得るために、例えば10μm以下の微細な溝ピッチで形成されている。この溝ピッチは図10で示されるように、隣り合う2つの環状微細溝15aの中心を通る2つの基準線間の幅pのことであり、溝ピッチpは回折格子構造15の全体を通して一定である。また、各環状微細溝15a間の鋸歯における頂角は、90°以下に設定される。
また、図8に示されるように、回折格子構造15を構成する複数の環状微細溝15a間の頂部(鋸歯部分の頂部)は、前記フレネルレンズ14の第1フレネルレンズ14a及び第2フレネルレンズ14bの各環状プリズムの頂部と同一平面K上に配置されている。このレンズ部材10では、上記各頂部が、光出射面10bと平行な光入射面10a側の平面上に配置されるように、上記各頂部の高さ位置が一定に設定されている。すなわち、第1フレネルレンズ14aの複数の環状プリズムの各先端及び第2フレネルレンズ14bの複数の環状プリズムの各先端は、フレネルレンズ14の外側に配置された回折格子構造15の先端と面一である。なお、本実施例において、中心軸AX上に配置された凸状レンズ14cも、その頂部が各環状プリズムの頂部と同一平面K上に配置されているもので、高さ位置が一定に設定されている。すなわち、第1フレネルレンズ14aはさらに中心軸AX上に凸状レンズ14cを有し、前記回折格子構造15は複数の環状微細溝15aを有し、前記凸状レンズ14cの頂部、第1フレネルレンズ14aの複数の環状プリズムの各先端及び第2フレネルレンズ14bの複数の環状プリズムの各先端は、前記回折格子構造15が有する環状微細溝15a間の先端と面一である。
このように、本発明の実施例に係るレンズ部材10の光入射面10aには、中心軸AXを中心とした環状プリズムを有する第1フレネルレンズ14a及び第2フレネルレンズ14bからなるフレネルレンズ14が配置され、このフレネルレンズ14の外側には中心軸AXを中心とした同心円状の複数の環状微細溝15aを有する回折格子構造15が配置されている。なお、このレンズ部材10の実施例としては、例えばアクリル樹脂などの光透過性材料で全体が円板状に一体成形されたものである。
上記光源2は、複数のLED素子を面状に配列したものであって、例えば、回路基板上の円形領域に複数のLED素子を配置したLEDが採用される。したがって、光源2は、点光源ではなく、比較的広い面積の発光面を有する面光源である。また、図1及び図4に示されるように、光源2はフレネルレンズ14に対向した発光面2aを有し、この発光面2aの半径Rは、フレネルレンズ14の第1フレネルレンズ14aの半径方向の距離r’より大きく、第2フレネルレンズ14bの半径方向の距離r”より小さく設定されている。すなわち、回折格子構造15の内径までの距離は、光源の発光面の半径Rよりも大きく設定されている。なお、光源2として、複数のLED素子を面状に配置した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。
レンズ部材10の光入射面10aを構成する第1及び第2フレネルレンズ14a,14b、回折格子構造15は、以下のような比率で構成された場合にバランスのとれた集光性の高いレンズが得られる。例えば、図1及び図4において、光源2の発光面2aの半径をR、レンズ部材10の光入射面10aの中心軸AXから半径方向の距離をrとし、光源2の発光面2aからレンズ部材10の光入射面10aまでの距離をh、光源2の発光面2aからレンズ部材10の光入射面10aに入射する光の入射角の範囲をΔθとしたとき、回折格子構造15は、Δθ=arctan{(r+R)/h}-arctan{(r-R)/h}≦15°の範囲であることが望ましい。なお、Δθは、発光面2aのうち最も近い位置からの光の入射角度θnと最も遠い位置からの光の入射角度θfとの角度差である。
また、第1フレネルレンズ14aの半径方向の距離r’は、r’<Rの範囲が望ましく、第2フレネルレンズ14bは、半径方向の距離r”が、r”≧Rで、かつΔθ>15°の範囲であることが望ましい。
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。 まず、レンズ部材10の光入射面10aの中央部に配置されたフレネルレンズ14における光の入射及び出射について説明する。図4に示されるように、第1フレネルレンズ14aでは光源2から出射された光はレンズ部材10の光入射面10aで屈折し、この屈折した光が上方に向かい、レンズ部材10の光出射面10bから平行光として出射される。すなわち、第1フレネルレンズ14aでは環状プリズムの入射面で屈折した光は、環状プリズムの反射面に向かうことなく上方に光線を向けて、直接レンズ部材10の光出射面10bから平行光として出射されることになる。
次に、第2フレネルレンズ14bにおける光の入射及び出射について説明する。例えば、図6に示したTIRレンズ1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、内側の凹状レンズ面3の光入射面中央部(分割領域3a)から入射されると共に、凸状レンズ面4の外縁近傍の光反射面(分割領域4a)で全反射され、光源の上方に位置するTI
Rレンズの光出射面の外周部近傍から出射される。これに対して、TIRレンズ1を図7に示すようなフレネル化した第2フレネルレンズ14b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、内側中央部の環状プリズム13Aのプリズム入射面13aから入射されると共に、該環状プリズム13Aのプリズム反射面13bで全反射され、レンズ部材10の光出射面10bの中央部から出射される。
Rレンズの光出射面の外周部近傍から出射される。これに対して、TIRレンズ1を図7に示すようなフレネル化した第2フレネルレンズ14b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、内側中央部の環状プリズム13Aのプリズム入射面13aから入射されると共に、該環状プリズム13Aのプリズム反射面13bで全反射され、レンズ部材10の光出射面10bの中央部から出射される。
また、TIRレンズ1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、内側の凹状レンズ面3の光入射面(分割領域3b)から入射されると共に、凸状レンズ面4の外側の光反射面(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、図7に示されるように、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、内側の環状プリズム13Bのプリズム入射面13aから入射されると共に、該環状プリズム13Bのプリズム反射面13bで全反射され、光出射面10bのうち第2フレネルレンズ14bに対向した領域の中央部と外縁との中間部から出射される。
さらに、TIRレンズ1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、内側の凹状レンズ面3の光入射面(分割領域3c)から入射されると共に、凸状レンズ面4の内側の光反射面(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、外側の環状プリズム13Cのプリズム入射面13aから入射されると共に、該環状プリズム13Cのプリズム反射面13bで全反射され、光出射面10bのうち第2フレネルレンズ14bに対向した領域の外縁部近傍から出射される。
すなわち、図4に示されるように、第2フレネルレンズ14bでは光源2から出射された光は光入射面10aで屈折し、この屈折した光が反射面で全反射して上方に向かい、レンズ部材10の光出射面10bから平行光として出射される。
上述したように、フレネルレンズ14を構成する環状プリズムは、光源2から光入射面10aに入射された光を環状プリズムの入射面のみで屈折し、あるいは環状プリズムの入射面と反射面の両方で屈折することによって、レンズ部材10の光出射面10bから平行光として出射する。
次に、回折格子構造15の設計について説明する。 上記回折格子構造15は、図9に示されるように、光源2からの光が白色光として、白色光に含まれる光成分のうち代表的に青色光(波長λ1:例えば460nm)、緑色光(波長λ2:例えば555nm)及び赤色光(波長λ3:例えば630nm)の3種類を用いて形状が設計される。
すなわち、環状微細溝15aの溝ピッチをp、光入射面の中心軸と平行な垂直仮想線に対する光の入射角度をθi、中心軸と平行な垂直仮想線に対する上記3種類の光(回折光)の出射角度をθ1(青色光)、θ2(緑色光)、θ3(赤色光)、回折光の次数をmとしたとき、回折格子構造15では、以下の関係式が成立する。 p(sinθi+sinθ2)=mλ2・・・(1) p(sinθi+sinθ1)=(m+m0)λ1・・・(2) p(sinθi+sinθ3)=(m-m0)λ3・・・(3)
ここで、白色光の分光を抑える為には、 |θ2-θ1|=δ1,|θ2-θ3|=δ3とすると0≦δ1≦5,0≦δ3≦5が必要である。 ただ、計算を簡単にするため、δ1=δ3と仮定して計算を行う。つまり、 0≦δ≦5 ・・・(4)が必要な条件である。
上記(2)(3)(4)式から以下の式(5)(6)が導かれる。 m{λ2(1-sinδ/sinθi)-λ1}≦m0λ1≦m{λ2(1+sinδ/sinθi)-λ1}・・・(5) m{λ3-λ2(1+sinδ/sinθi)}≦m0λ1≦m{λ3-λ2(1-sinδ/sinθi)}・・・(6) このとき、式(1)(5)(6)を満たせば、λ1,λ2,λ3がθ2±δの方向へ回折されることになる。
このように設定することで、白色光を構成する光成分のうち短波長、中間的な波長、長波長の3種類において、角度差が±δの狭い範囲でほぼ同方向に回折させて出射させる回折格子構造15を得ることができ、白色光全体として、ほぼ同方向へ出射させることができる。
また、図10に示されるように、環状微細溝15aを構成する外側斜面15bの角度α及び内側斜面15cの角度βは、光入射面の中心(レンズ中心)からの距離rに応じて変更され、各環状微細溝15aによる回折光の出射方向が同方向になるように設定されている。すなわち、図10に示すように、環状微細溝15a間の鋸歯部の頂角θmと、この頂角θmを構成する外側斜面15bの角度α及び内側斜面15cの角度βは、例えば図11に示すように、光学設計に基づいてレンズ中心からの距離rに応じて僅かに変化させている。すなわち、頂角θm、外側斜面15bの角度α及び内側斜面15cの角度βが変化するため、距離rに応じて環状微細溝15aの深さHも僅かに変化している。
なお、この光学設計のシミュレーションでは、光源2の発光面直径を8.5mm、回折格子構造15の内径を7mm、回折格子構造15の外径を12mm、光源2の発光面2aとレンズ部材10との距離hを3.0mmに設定している。また、図11のグラフでは、鋸歯部の頂角θmと外側斜面15bの角度α及び内側斜面15cの角度βとについて、光学設計の精度を考慮して、頂角θm、角度α及び角度βに対して、それぞれ-5.0degとした頂角θm(min)、角度α(min)及び角度β(min)と、+5.0degとした頂角θm(max)、角度α(max)及び角度β(max)についても参考に図示している。
また、上記外側斜面15bの角度α及び内側斜面15cの角度βを、下記の計算式によって求めることもできる。これらの角度α、βは、回折格子構造15での光の出射方向が幾何光学における光の出射方向と一致するような角度とするのが望ましく、下記の式(7)(8)(9)を満たすような範囲が望ましい。
Tanα=P/H-tanβ・・・(7) β=45-{(arcsin{sin(90-θ’-α)/n}+α)}/2・・・(8) arctan{(r-R)/h}≦θ’≦arctan{(r+R)/h}・・・(9)
ここで、上記の式において、Rは光源2の発光面2aの半径、rはレンズ部材10の光入射面10aの中心軸AXから光入射面の半径方向の距離、hは光源2の発光面2aからレンズ部材10の光入射面10aまでの距離、θ’は光源2の発光面2aからレンズ部材10の光入射面10aに入射する光の中心軸AXに対する入射角度、pは前記回折格子構造の環状微細溝15aの溝ピッチ、Hは環状微細溝15aの深さ、nはレンズ部材10の屈折率である。
上記(7)(8)(9)式を用いて外側斜面15bの角度α、内側斜面15cの角度β及び頂角θmを計算し、その計算値を図11にそれぞれ点線でプロットしたところ、その値がシュミレーションの中心値と略一致することがわかった。したがって、上記の計算式は妥当なものである。
上記回折格子構造15を設定する際に、レンズ中心からの距離rに対するレンズへの到達光量の割合(累計)は、図12に示すように、レンズ中心からの距離rに応じて変化するが、レンズ部材10と光源2の発光面2aとの距離hが変わっても変化する。例えば、到達光量の割合(累計)を95%以上に設定すると、このシミュレーション結果から、レンズ部材10と光源2の発光面2aとの距離hを3.0mm以下に設定する必要がある。
また、レンズ中心からの距離rに対する入射角の範囲Δθ(発光面のうち最も近い位置からの光の入射角度θnと最も遠い位置からの光の入射角度θfとの角度差)をシミュレーションにより求めると、例えば図13に示すような特性となる。このシミュレーション結果から、レンズ中心からの距離rが7mm程度までは、Δθが大きく、フレネルレンズ14により屈折させることが効果的であると共に、7mm以上では、Δθが小さくなるので、回折格子構造15により回折させることが効果的であることがわかる。例えば、レンズ部材10と光源2の発光面との距離hを3.0mmに設定した場合、レンズ中心からの距離rが7mm以上では、入射角の範囲Δθが15°以下となる。
さらに、レンズ中心からの距離rに対するレンズへの到達光量をシミュレーションにより求めると、例えば図14に示すような特性となる。このシミュレーション結果から、レンズ中心からの距離rが7mm程度までは到達光量が大きく、フレネルレンズ14により屈折させることが効果的である。
したがって、本実施形態のレンズ部材10では、フレネルレンズ14の半径が大きいほどレンズが肉厚になってしまうため、これらシミュレーション結果を考慮して、上記フレネルレンズ14の領域をできるだけ小さくし、回折格子構造15の内径を小さくできるかが、薄型化及び集光性において重要になる。
次に、上述した本発明のレンズ部材を組み込んだ発光装置について説明する。この発光装置は、図15及び図16に示されるように、光源2としてのLED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が設置される半球状部122と、レンズ部材10を収納すると共に半球状部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。このレンズ支持枠部123は、その中心軸を半球状部の中心軸に合わせてレンズ部材10を光源2に対向させた状態にして、半球状部122の上面部に設置される。
次に、レンズ部材10におけるレンズ全体の指向性と、フレネルレンズ14のみの場合の指向性と、回折格子構造15のみの場合の指向性とについて調べた結果を、図17に示す。この結果からわかるように、回折格子構造15のみの場合は、フレネルレンズ14のみの場合よりも中心軸方向への指向性が高い。そのため、フレネルレンズ14と合成されたレンズ全体の指向性では、フレネルレンズ14のみの場合よりも高い指向性が得られる。
このように本実施形態のレンズ部材10は、光入射面10aの中心軸AXの回りに配置されたフレネルレンズ14と、フレネルレンズ14の回りに円環状に配置され、光源2からの光を回折させて光入射面10aの反対側に配置された光出射面10bから回折光として出射可能な回折格子構造15とを有しているので、光源2から光入射面10aの中央部に到達した光は、フレネルレンズ14により屈折され集光されて光出射面10bから出射され、フレネルレンズ14の外周側領域に到達した光は、回折格子構造15により回折され集光されて光出射面10bから出射される。
すなわち、レンズ部材10の光入射面10aの外周側までフレネルレンズ14にした場合、TIRレンズ1の形状によっては外周端では肉厚になってレンズ部材全体が厚くなってしまうおそれがある。これに対して、本実施形態のレンズ部材10では光入射面10aの外周側が平板面に形成可能な回折格子構造15となっており、全
体をより薄型化することができる。また、特に、点光源ではなく、比較的広い面積の発光面を有する面光源からの光に対し、発光面のうち最も近い位置からの光の入射角度θnと最も遠い位置からの光の入射角度θfとの角度差が、光入射面10aの外周側では中央部よりも小さくなり、回折格子構造15での回折によって高い集光性を得ることができる。このため、レンズ中心側のフレネルレンズ14と外周側の回折格子構造15との両方の集光性によって、より高い指向性を得ることが可能になる。
体をより薄型化することができる。また、特に、点光源ではなく、比較的広い面積の発光面を有する面光源からの光に対し、発光面のうち最も近い位置からの光の入射角度θnと最も遠い位置からの光の入射角度θfとの角度差が、光入射面10aの外周側では中央部よりも小さくなり、回折格子構造15での回折によって高い集光性を得ることができる。このため、レンズ中心側のフレネルレンズ14と外周側の回折格子構造15との両方の集光性によって、より高い指向性を得ることが可能になる。
なお、本実施形態のレンズ部材10では外周側に回折格子構造15を設けているので、レンズ中心部に比べて曲率が小さく、微細な回折格子を高精度に作製することが容易である。また、レンズ全体をさらに薄くすることが可能になるため、樹脂成形の際には成形時間が短くなり、低コストで作製可能になり、量産性にも優れている。さらに、射出成形等の樹脂成形以外の製造方法でも作製可能であり、例えばガラス基板上にインプリントする手法でも作製可能である。また、レンズ材料として樹脂以外を用いて作製することもでき、例えばガラス基板の上面に樹脂によりフレネルレンズ14や回折格子構造15を形成することも可能である。
また、フレネルレンズ14の環状プリズムの頂部と回折格子構造15を構成する複数の環状微細溝15a間の頂部とが、同一平面K上に配置されているので、フレネルレンズ14の領域と回折格子構造15の領域とを同一厚さにすることができ、レンズ全体を厚さ一定の薄い平板状とすることができる。
また、回折格子構造15が、略三角形状の断面を有して光入射面の中心を軸とした同心円を描いて配置された複数の環状微細溝15aで構成されているので、環状微細溝15aの形状(溝ピッチ、深さ、環状微細溝を構成する外側斜面及び内側斜面)の設定により所望の集光性を得ることができる。
さらに、環状微細溝15aを構成する外側斜面15b及び内側斜面15cの角度が、光入射面10aの中心軸AX(レンズ中心)からの距離rに応じて変更され、各環状微細溝15aによる回折光の出射方向が同方向に設定されているので、外側斜面15b及び内側斜面15cの角度が一定の場合に比べて、より高い集光性を得ることができる。
また、フレネルレンズ14が、図6に示されたTIRレンズ1の凸状レンズ面4のうち外側の分割領域3a~3cに対応する環状プリズムほど内側に配置され、内側の分割領域3a~3cに対応する環状プリズム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環状プリズム13Aのプリズム入射面13aから入射されると共に、該環状プリズム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、リング状のレンズ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とが稜線を介して連続して各環状プリズム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。なお、本実施形態ではフレネルレンズ14が第1フレネルレンズ14aと第2フレネルレンズ14bとで構成され、フレネル化する際に分割数を多くしているので、より集光性を高めることも可能となった。
さらに、回折格子構造15の内径が、光源2の発光面2aの外径よりも大きいので、フレネルレンズ14では対向直下の発光面2aから強い光を受けて効率的に屈折させ集光できると共に、回折格子構造15では斜め方向から入射される発光面2aからの光を受けて効率的に回折させ集光させることができる。したがって、このレンズ部材10を備えた発光装置120では、高い正面照度等が得られると共に薄いレンズ部材10により、光源2としてのLEDから出射された光の利用効率が高くかつ薄型の照明、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。
次に、本発明に係るレンズ部材及び発光装置の第2実施形態について、図18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14及び回折格子構造15の反対側の光出射面10bが平坦面であったのに対し、第2実施形態のレンズ部材20では、図18に示したように、第1実施形態と同様のフレネルレンズ14及び回折格子部15が設けられる光入射面20aとは反対側の光出射面20bの全体に多数の凹凸21が配置され、光出射面20bから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している点である。すなわち、第2実施形態のレンズ部材20では、凹凸21の例としては、出射される光を拡散させるために、拡散性を有する楕円形状の凸部を光出射面20bに複数配列した構成からなる。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、光出射面20bから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が配置されているので、フレネルレンズ14及び回折格子構造15で可能な限り集光させた光を、光出射面20b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、光出射面20b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、色ムラを低減させることができる。
なお、光出射面20bのうちレンズ中心部側の凹凸21を、外周側よりも拡散性が高くなるような凹凸21にしても構わない。この場合、光出射面20aのうち中心部側が外周側よりも拡散性が高くなるので、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となる。
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、上記レンズ部材の光出射面に、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、上記光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、レンズ部材の光出射面に、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、レンズ部材の光入射面に配置したフレネルレンズや回折格子構造で可能な限り集光させた光を、光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。
1 TIRレンズ 2 光源 3 凹状レンズ面 3a~3c 凹状レンズ面の分割領域 4 凸状レンズ面 4a~4c 凸状レンズ面の分割領域 6 凸レンズ 10 レンズ部材 10a 光入射面 10b 光出射面 13A~13C 環状プリズム 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 14a 第1フレネルレンズ 14b 第2フレネルレンズ 14c 凸状レンズ 15 回折格子構造 15a 環状微細溝 15b 外側斜面 15c 内側斜面 21 凹凸 20 レンズ部材 120 発光装置 AX 光入射面の中心軸
Claims (13)
- 光入射面と、光入射面とは反対側面の光出射面と、光入射面の中心を通る中心軸上に配置されたフレネルレンズと、中心軸を中心としてフレネルレンズの外側に配置された回折格子構造と、を有するレンズ部材。
- 前記フレネルレンズは、光入射面の中心軸を中心として配置され凸レンズから分割された複数の環状プリズムを有する第1フレネルレンズと、光入射面の中心軸を中心として第1フレネルレンズの外側に配置されTIRレンズから分割された複数の環状プリズムを有する第2フレネルレンズとを備える、請求項1に記載のレンズ部材。
- 前記回折格子構造は、溝ピッチが一定である複数の環状微細溝を有する請求項1に記載のレンズ部材。
- フレネルレンズに含まれる環状プリズムと、回折格子構造とは、受ける光の入射角の範囲が互いに異なる、請求項1に記載のレンズ部材。
- 前記第1フレネルレンズの複数の環状プリズムの各先端及び第2フレネルレンズの複数の環状プリズムの各先端は、フレネルレンズの外側に配置された回折格子構造の先端と面一である、請求項2に記載のレンズ部材。
- 前記第1フレネルレンズはさらに中心軸上に凸状レンズを有し、前記回折格子構造は複数の環状微細溝を有し、 前記凸状レンズの頂部、第1フレネルレンズの複数の環状プリズムの各先端及び第2フレネルレンズの複数の環状プリズムの各先端は、前記回折格子構造が有する環状微細溝間の先端と面一である、請求項2に記載のレンズ部材。
- 前記環状微細溝はそれぞれが略三角形状の断面を有している、請求項3に記載のレンズ部材。
- 前記環状微細溝のそれぞれが、外側斜面と外側斜面より光入射面の中心軸に近い内側斜面とを有し、環状微細溝の外側斜面と内側斜面の傾斜角度が、中心軸からの距離に基づいて変化する、請求項3に記載のレンズ部材。
- 請求項1記載のレンズ部材と、 レンズ部材の光入射面と対向配置されて、レンズ部材の中心軸と中心を一致させた発光面を有する光源とを備え、 光源の発光面の外周縁が、中心軸を中心として光入射面に配置された回折格子構造の内径より内側に位置する、発光装置。
- 光源の発光面の半径をR、レンズ部材の光入射面の中心軸から光入射面の半径方向の距離をrとし、光源の発光面からレンズ部材の入射面までの距離をh、光源の発光面からレンズ部材の光入射面に入射する光の入射角の範囲をΔθとしたとき、回折格子構造は、Δθ=arctan{(r+R)/h}-arctan{(r-R)/h}≦15°の範囲にある、請求項9に記載の発光装置。
- 光源の発光面の半径をR、レンズ部材の光入射面の中心軸から光入射面の半径方向の距離をrとしたとき、第1フレネルレンズは、r<Rの範囲にある、請求項9に記載の発光装置。
- 光源の発光面の半径をR、レンズ部材の光入射面の中心軸から光入射面の半径方向の距離をrとし、光源の発光面からレンズ部材の光入射面に入射する光の入射角の範囲をΔθとしたとき、第2フレネルレンズは、r≧Rで、かつΔθ>15°の範囲にある、請求項9に記載の発光装置。
- 光源の発光面の半径をR、レンズ部材の光入射面の中心軸から光入射面の半径方向の距離をrとし、光源の発光面からレンズ部材の入射面までの距離をh、光源の発光面からレンズ部材の光入射面に入射する光の線と中心軸とのなす角度をθ’とし、前記回折格子構造の環状微細溝の溝ピッチをp、環状微細溝の溝深さをH、レンズ部材の屈折率をnとしたとき、前記環状微細溝の外側斜面の傾斜角度α及び内側傾斜角度βは、以下の式を満たす値である、請求項9に記載の発光装置。 Tanα=P/H-tanβ・・・(7) β=45-{(arcsin{sin(90-θ’-α)/n}+α)}/2・・・(8) arctan{(r-R)/h}≦θ’≦arctan{(r+R)/h}・・・(9)
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