(57)【要約】      （修正有）【課題】発光素子からの光を集光して出力するレンズにおいて、界面における全反射による損失を回避しつつ、狭指向性を高めることが可能なレンズを提供する。【解決手段】レンズ６の曲面部分の辺縁に反射屈折界面１を設け、さらに外側に側方反射面２を設ける。光源から反射屈折界面１に臨界角以上で入射した光は、側方に全反射して側方反射面２に入射し、反射して前方に射出する。反射屈折界面１と光学中心との間にトロイダル面５を設けることにより、反射屈折界面１を円錐面で構成することもできる。光源からの放射角が約５０°を超える範囲の光は間接反射面４で反射し、反射屈折界面１に臨界角以内で入射し、前方に射出する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光軸レンズの辺縁に接する反射屈折界面を光学中心に対して臨界角以上となる角度で設け、光学中心の側方に間接反射面を設けた構造を有し、
光学中心からの光が前記反射屈折界面で側方に全反射し、かつ光学中心からの光が前記間接反射面で反射した後に前記反射屈折界面で屈折して前方に射出することを特徴とするレンズ。
【請求項２】
前記反射屈折界面は曲率円、放物線、あるいは直線を光軸で回転したトロイダル面あるいは円錐面であることを特徴とする請求項１に記載のレンズ。
【請求項３】
請求光１に記載のレンズの前記反射屈折界面と光学中心との間に凸面トロイダル面を設け、凸面トロイダル面による屈折光を前記反射屈折界面に入射することを特徴とするレンズ。
【請求項４】
前記反射屈折界面の側方に側方反射面あるいは円錐反射面と屈折射出面を設けた構造からなり、側方反射面は反射屈折界面からの反射光を反射して屈折射出面から前方に射出することを特徴とする請求項１に記載のレンズ。
【請求項５】
前記間接反射面は放物線、直線、曲率円、あるいはこれらを組み合わせた曲線の回転面であることを特徴とする請求項１に記載のレンズ。
【請求項６】
前記側方反射面は前記反射屈折界面で反射した光を臨界角以上で入射する配置であることを特徴とする請求項４に記載のレンズ。
【請求項７】
前記間接反射面に接して嵌合部を設けた構造から成り、位置調整可能なことを特徴とする請求項１に記載のレンズ。
【請求項８】
光軸レンズの辺縁部に接する反射屈折界面を光学中心に対して臨界角以上となる角度で設け、その側方に側方反射面、屈折射出面、間接反射面、及び光学中心の位置に光源を設けたことを特徴とする照明装置。
【請求項９】
前記間接反射面の反射光を前記反射屈折界面で屈折して射出する光の指向角を光軸レンズの指向角と概略一致させて励起光と蛍光を混色することを特徴とする請求項８に記載の照明装置。
【請求項１０】
前記間接反射面とケース間の空隙の下部に空間を設け、封止樹脂を注入してからレンズを被せることにより封止樹脂の余剰量をこの空間に流出することを特徴とする請求項８に記載の照明装置。
【請求項１１】
光軸レンズの辺縁部に接する反射屈折界面を光学中心に対して臨界角以上となる角度で設け、その側方に側方反射面、屈折射出面、間接反射面、及び光学中心の位置に受光素子を設けたことを特徴とする受光装置。
【請求項１２】
光軸レンズの辺縁部に接する反射屈折界面を光学中心に対して臨界角以上となる角度で設け、その側方に側方反射面、屈折射出面、間接反射面、及び光学中心の位置を光ディスク装置のビームウェスト位置とすることを特徴とする光学装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はレンズの側面から光軸の略法線方向に界面を形成し、界面による全反射光を光軸方向に変換しつつ、界面から屈折光を射出するレンズ、およびこのレンズを使用した照明装置、受光装置、光学装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオード（ＬＥＤ）は金属製リードフレームのカップ内に発光素子を設けて樹脂モールドしたリードフレーム型ＬＥＤと、発光素子を基板上に樹脂モールドした表面実装型がある。リードフレーム型ＬＥＤの多くが円筒の先端部に球面レンズを形成しているので砲弾型ＬＥＤとも呼ばれている。焦点距離が球面レンズの半径の約３倍以上あるため、半球面に繋げた円筒部が長いレンズ形状である。球面レンズは図１１に示すように周辺光の収差が大きく、寸法が大きいため特許文献１の従来例や特許文献２など多くは曲率半径の２〜２．５倍程度の位置に発光素子を設け、焦点位置より先端側に設けられている。
樹脂封止表面が平坦な表面実装型ＬＥＤの光度半値角は約１２０°である。照明装置はこれより半値角を狭めて使用する用途が多く、特許文献３は曲率半径の２倍程度の位置に発光素子が設けられた図１２のようなレンズが図示されている。曲率半径の２倍程度の位置に発光素子が設けると放射角は約１５°で、ＬＥＤの光度半値角が３０°などの用途に利用されている。発光素子と楕円レンズ面の先端との距離を規定することによってレンズ面の周辺で外側に射出するようにした楕円レンズのＬＥＤが特許文献１に開示されている。
【０００３】
レンズ付表面実装ＬＥＤは先端側に球面レンズが大きく突き出た形状なので、低背化する目的でフレネルレンズを設けた発光装置が特許文献４に開示されている。特許文献４は蛍光体を透明材料に分散して発光素子を覆い、その上部にフレネルレンズを形成した発光装置の提案である。
【０００４】
光度半値角が約１２０°の表面実装型ＬＥＤを照明装置に用いるとき、外部レンズは集光角が約４０°以下なので凹面鏡を用いる必要があるが、凹面鏡のような作用をする半球面状レンズが特許文献５に開示されている。特許文献５は射出面を半球面レンズの平面とし、半球面の頂部にＬＥＤ設置用の凹部入射面が形成された発光装置である。光源からの放射光は凹部入射面を直進して半球面状レンズの内部を拡散し、半球面状レンズの周辺側では臨界角より大きい入射角のため全反射して平面の射出面から射出する。光源からの拡散光も平面の射出面から射出するので、凹面の反射光と光源からの拡散光が混合した光である。放射面側から入射する外光はレンズの頂部付近では臨界角より小さい入射角のため外光を後方へ透過させて擬似点灯を防止する発光装置である。
【０００５】
特許文献６は特許文献５の凹部入射面の一部にＬＥＤ素子に対面する凸面入射面を形成し、発光素子からレンズ射出面に向かう光を集光している。前記凸面入射面以外への光は特許文献５と同様である。発光素子の正面の凸面で多くが集光されて光束の不均一度が大きくなるため、射出面に微小なレンズを複数配置して配光制御する信号灯の提案である。特許文献７は特許文献６のレンズ側面の半球面と凹部入射面を拡散処理して励起光と蛍光をレンズ中央部で混色して蛍光変換白色ＬＥＤの励起光と蛍光の色むらを低減することを目的としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−４６０１３号公報
【特許文献２】特開２００８−２５８５３０号公報
【特許文献３】特許第３９９５９０６号公報
【特許文献４】特開２００７−８８０９３号公報
【特許文献５】特許第２９５２１２７号公報
【特許文献６】特開２００６−４８１６５号公報
【特許文献７】特許第４６３５７４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
球面レンズの内部の焦点ｆ２に埋設した発光素子からの近軸光線はほぼ平行光になるが、周辺光は図１１に示すように球面収差が大きくなる。球面レンズの内部の焦点距離ｆ２は屈折率１．４のシリコーン樹脂で球面の曲率半径ｒの３．５倍、屈折率１．４７のエポキシ樹脂で球面の曲率半径ｒの３．１倍が必要なので球面レンズに円筒面を繋げた構造である。周辺光の収差が大きい上に寸法が長いため、多くは曲率半径の２〜２．５倍程度にして寸法を短縮し、周辺光の球面収差を緩和している。２．５倍程度でもレンズ頂部が突き出して発光素子の上部寸法が長く、小型化あるいは低背化が困難になっている。
【０００８】
狭指向角のＬＥＤはレンズの円筒部が長いため、発光素子から球面と円筒面の境界付近に入射した光は全反射して球面レンズの頂部付近に集光するが、頂部付近で屈折して側面方向に射出する光と、頂部付近で全反射して発光素子側に戻る光がある。このような全反射光の光跡は図１１に示しているが、特許文献１の図８にも示されている。球面レンズの頂部付近で全反射して発光素子側に戻ると多重反射して多くは内部損失になる。従来の楕円レンズは楕円面の外周部で臨界角に近いため、これを超えると全反射が発生して側面方向への漏れと発光素子側に戻る光が増える。
【０００９】
曲率半径の２倍程度の位置に発光素子を設けると、球面と円筒面の境界付近に入射した光は入射角が臨界角以内なので上記全反射を避けることが出来るが放射角が増大する。特許文献１は楕円レンズにより頂部における全反射で発光素子側に戻る内部損失を回避したシミュレーション結果を基に提案されている。周辺光と光軸光の光路長を等しくとった楕円レンズは本願の図４などのように平行光として射出可能なので狭指向角の用途に適し、楕円面外周部における入射角は臨界角４２．９°に近く、これを超えると全反射が発生する。このため、特許文献１のレンズ面の周辺で外側に射出しているシミュレーション結果は楕円体曲線による効果ではなく、発光素子の位置による効果である。このように全反射を回避して狭指向角を実現するのは従来の楕円レンズでは困難であり、全反射の回避と狭指向角の実現はトレードオフの関係にある。
【００１０】
特許文献４はフレネルレンズによれば低背化出来るという解釈で開口数を非常に大きくしているが、フレネルレンズはレンズ厚自体を薄くすることが出来るだけである。特許文献４の図１のように開口数０．９４と無闇に大きくすると、フレネルレンズの周辺部は光源に対向する僅かの屈折面に斜め光が入射して僅かな面だけが射出に関与する上に、光源からの距離の２乗に反比例して光束密度が低い。光軸付近では光源に近接しているので光束密度が高く、フレネル凹凸の陰の面が少ないので光軸付近に励起光が集中して光束むらが大きい。発光素子近傍の蛍光体からの光だけが上記励起光と同等の集光作用を行ない、それ以外の蛍光体からの光はレンズに対して斜光線なので光度半値角が非常に大きくなる。図１３に示すように、蛍光体からの光の入射角によってはフレネルレンズ面で蛍光体側に全反射して内部損失を生じる。レンズ幅と同等に蛍光体層が広がっているので全反射による内部損失の割合が増大する。蛍光変換ＬＥＤの光軸付近は励起光の青みが強く、周辺側ほど蛍光体層内の光路長が長くなるので周辺側は黄色などの蛍光が強くなる。蛍光体からの斜光線により蛍光だけの指向角が非常に大きく、極端に低背化しているので色むらが顕著になる。
【００１１】
特許文献５には「所望角度範囲に放射させる」と記載されているが、光源からの拡散光が平面射出面で屈折すると、臨界角以内では図１４のように平面に沿った方向に拡散する。光源からの拡散光が臨界角を超えると平面射出面で全反射して光源側に再帰反射する。球面反射面の周辺部における反射も逆経路で光源側に再帰反射する。半球面方向に射出した光は図１４のように半球面に沿って多重反射して周辺部から光軸方向に射出する。このため、光軸方向に射出するのはレンズ中央部と周辺部のみであり、その他は広範囲の拡散光である。このように、前記半球面レンズで所望角度範囲に任意に制御して放射するのは困難である。
【００１２】
特許文献６は特許文献５におけるＬＥＤ設置凹部にＬＥＤ素子に対面して凸面を形成し、発光素子の正面の凸面で多くが集光され、図１５のように狭い射出範囲に集中して光束の不均一度が大きくなる。半球面方向に放射した光は半球面に沿って多重反射して周辺部から光軸方向に射出するので、特許文献５と同様にレンズ中央部と周辺部のみ光軸方向に射出する。このため、光束の不均一度を緩和するために射出面に微小レンズを多数配置して拡散させているが、表示面の輝度むらの改善は困難である。
【００１３】
特許文献７は特許文献６における射出面側の微小レンズの代わりに半球面の反射面と凹部入射面に拡散処理し、拡散処理によって励起光と蛍光の色むらを低減と同時に光束の不均一度を改善する提案である。しかし、半球面の反射面に凹凸拡散処理を行なうと図１６に示すように、拡散した後に平面射出面で全反射して光源側に戻る光と、別の半球面で透過する光と、凹凸面で屈折・透過して光量損失になる光がある。凹部入射面に拡散処理を行なうと平面射出面の周辺部で全反射した後に光源側に戻る光がある。特許文献７の図２のような凹凸があるとレンズを金型から抜くことが出来ない。白色塗料による凹部入射面の拡散処理は拡散した後に平面射出面で全反射して光源側に戻る光、別の半球面で透過する光、凹凸面で屈折・透過する光および反射率による光量損失がある。白色塗料は凹部入射面では透過率７０％以上を有し、半球面の反射面では反射率９０％以上を有するという矛盾した特性である。励起光は凹部入射面の凸面でレンズ中心部から垂直方向に射出し、蛍光は半球面の反射面でレンズ中心部に反射すると図１６のように射出面に沿って側方に屈折するか全反射するので色むらの低減は出来ない。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
ＬＥＤレンズの曲面と円筒部の境界付近は入射角が臨界角以上になり、レンズ頂部付近に向けて全反射を生じる領域である。発光素子からの入射角が臨界角以上になる界面は光軸の法線方向にも存在し得る。前方が空気などの低屈折率物質ｎ１で後方が透光物質の高屈折率物質ｎ２の界面をレンズ円筒部と球面の境界付近から光軸の法線方向側に突き出すと図１のようにこの界面が実現する。発光素子の放射角をθ、界面が光軸となす角度をω、臨界角をθｃとすると、これらは数１で表され、臨界角θｃは数２で表される。
【数１】
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【数２】
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光軸の法線方向側に突き出した界面は後述するように屈折面としても兼用するので反射屈折界面１と呼び、ＬＥＤのレンズは球面レンズあるいは楕円レンズが光軸周辺に形成されているので光軸レンズ６と呼ぶことにする。ＬＥＤレンズの光軸から曲面辺縁までは光軸レンズ６の曲面で、曲面辺縁の外側に接して反射屈折界面１を設けている。曲率半径の２〜２．５倍程度の位置に発光素子を設けた光軸レンズ６の集光角は約３０〜４０°である。反射屈折界面１とレンズの境界における発光素子からの放射角θが３３°のとき、屈折率１．４７のエポキシ樹脂の場合、臨界角は４２．９°のため境界における傾斜角ωは数１により８０．１°以下の必要がある。このため界面は光軸レンズ６との境界部では漏斗状に窪み、光軸レンズ６との境界線は環状のＶ字溝である。臨界角余裕をとり約１６°を差し引いて図１では境界部の傾斜角ωは６４°である。図１は反射屈折界面１が楕円１eの場合を実線、放物線１pを破線で示し、反射屈折界面１が放物線の場合は平行光を射出可能だが光学系が非常に大きくなる。反射屈折界面１を回転楕円体にすると発光素子からの放射角θによる反射光が楕円の焦点近傍に収束するので光学系を小型化可能である。図１の楕円の離心率ｅは０．８３である。
【００１５】
反射屈折界面１が光軸で回転している楕円面、放物面などで構成される場合はトロイダル面である。トロイダル面を入射面側に移動して反射屈折界面１を円錐面にした構造は後述する。このトロイダル面は断面視で楕円の一部分なので曲率円で近似し、Ｃ１は曲率円の中心である。曲率円とは曲線上の近接３点に接触する円である。曲線を１個の曲率円でなく複数の曲率円で近似することも出来る。トロイダル面は円弧の中心を通らない別の軸を回転軸にして形成される円環状の面で、乱視矯正レンズなどのレンズとして利用されているが、臨界角以上で入射すれば全反射面にもなる。図２は４つのトロイダル面を曲率円で構成した断面図である。曲率円の中心Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３を示しているが、Ｃ４は曲率半径が大きいので図面範囲外にある。図２は反射屈折界面１の境界における傾斜角ωを６５°とし、曲率半径を図１の場合より２０％長くしている。
【００１６】
図２を用いて反射屈折界面１上の傾斜角ωを説明する。発光素子の位置を原点、円の中心Ｃ１の座標を（ｍ，ｎ）、半径ｒとする。光軸レンズ６と反射屈折界面１の境界点のｘ座標を１とし、図２の円をこの比で表すと、境界に入射する放射角θが３３°の直線は数３で示され、境界点のｙ座標ｃは１．５４である。
【数３】
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円は数４で示され、これらの交点は数５で求められる。
【数４】
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【数５】
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円の数４の代わりに直接に楕円、双曲線、放物線などの式を用いても交点を求めることが出来る。
これを用いて放射角θの交点座標とその接線を求めると数６で示され、傾斜角ωを数７で求めることが出来る。
【数６】
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【数７】
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例えば放射角θ＝４０°の交点座標はｘ＝１．４０，ｙ＝１．６６である。交点座標の接線方程式から交点の傾斜角ωは７５．４°である。
【００１７】
従来のレンズは円筒面に発光素子からの光が入射すると全反射して球面レンズの頂部付近に集光するが、図２は円筒面の代わりに反射屈折界面１があり、発光素子からの入射光は臨界角以上で入射して側方に全反射する。反射方向が光軸となす角度βは入射角をα、上記ω、θを用いて数８で表される。
【数８】
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【００１８】
図２は発光素子から発散される光の放射角θが約３３°〜４７°の範囲で反射屈折界面１に入射しているが、発光素子の放射角θが約５０°を越える領域では別の反射面に入射する。発光素子から放射角θが約５０°以上の側面方向に拡散する光を反射屈折界面１の方向に反射する前記反射面を間接反射面４と呼ぶことにする。側面に発光されて間接反射面４で反射すると、前記反射屈折界面１に臨界角以内になるので屈折して前方に射出する。反射屈折界面１は反射面と屈折面を兼用すると前述したが、屈折面にもなる理由は間接反射面４の位置が反射屈折界面１の法線方向側にあるので間接光になり、反射屈折界面１への入射角εが臨界角以内になると屈折するためである。反射屈折界面１は側方反射面２に反射して屈折射出面３から光軸方向に射出するが、その代わりに、間接反射面４の反射光を反射屈折界面１で屈折して光軸方向に射出する構造である。このように、反射屈折界面１は発光素子からの発散光を側方に全反射する機能と、間接反射面４からの反射光を光軸方向に屈折して透過する機能を兼用している。
【００１９】
反射屈折界面１が凸面の屈折トロイダル面の場合、屈折して平行光に変換するには間接反射面４の反射光は平行光よりもやや拡散光である。凹面、凸面の定義は対象の光に対するものであり、反射屈折界面１が側方に反射する場合は凹面として作用し、屈折して射出する場合は凸面として作用する。ＬＥＤは蛍光体を用いる場合も多く、発光素子と蛍光体を総称して光源と呼ぶことにする。間接反射面４は発光素子９からの拡散光を断面視で平行光に近づけ、光軸側に傾いて変換している。このため、間接反射面４は放物面、円錐面、あるいは放物面と円錐面の中間的な曲線で、放物線のｙ軸より内側に回転軸が傾斜したトロイダル面である。反射屈折界面１の射出光が拡散光の場合は前述の間接反射面４の拡散角度より広くても狭くても可能である。広い場合の間接反射面４は円錐面に近くなり、狭い場合はその逆である。間接反射面４が光軸となす角度をηとすると、光源から放射角θの光の反射光が光軸となす角度ρは数９で表される。
【数９】
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反射屈折界面１の光軸レンズとの境界に入射角εで入射して、反射屈折界面１の傾斜ωにより光軸方向となす角γで射出するとき数１０で表される。
【数１０】
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【００２０】
反射屈折界面１の凹反射面のトロイダル面をレンズの入射面に移動して反射屈折界面１を円錐面にすることも出来る。入射面のトロイダル面を入射トロイダル面５と呼ぶと、入射トロイダル面５により断面視で平行に変換出来るので反射屈折界面１が円錐面になり、射出光を光軸に平行にするのが容易になる。円錐面が光軸となす傾斜角ωと側方反射面２が数１と臨界角条件を満たせば良いので数７よりも容易に設定出来る。入射トロイダル面５は次のように構成される。屈折率ｎ２の透光物質で、より低屈折率ｎ１の物質との界面に曲率半径ｒの凸面円弧を形成し、低屈折率ｎ１側の焦点から凸面で屈折して透光物質中に略平行光が伝播するとき、低屈折率ｎ１側の焦点距離ｆ１と高屈折率ｎ２側の焦点距離ｆ２は近軸光線については数１１で表される。
【数１１】
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図３の入射トロイダル面５は発光素子９に対面して環状に周回している。円弧だけでなく、楕円、放物線、双曲線など集光作用のある凸面であれば環状の入射トロイダル面５を形成出来る。ここで、光学中心とは発光素子、受光素子、ビームウェスト位置などを表し、平行光に変換する場合は焦点に一致するが、拡散光に変換する場合は後述するように焦点からずれた位置である。入射トロイダル面５を使用して反射屈折界面１から平行光を射出する場合の間接反射面４は放物線のｙ軸より内側に回転軸を傾斜したトロイダル面である。
【００２１】
反射屈折界面１による側面方向への反射光を前方に反射する反射面を側方反射面２と呼び、側方反射面２は外周方向に向かう光を斜め前方に反射する。側方反射面２が光軸となす角度χは接線方程式から求められ、側方反射面２の反射光が光軸となす角度をδとすると、これらの関係は数１２で表される。
【数１２】
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反射屈折界面１は凹面のトロイダル面なので放射角θが増大するに従って反射方向が時計方向に回転して後方になり、反射屈折界面１の反射光は断面視で収束光である。図２では反射屈折界面１の反射光は３０°の収束光だが側方反射面２の凸面によって１８°に縮小している。
【００２２】
反射屈折界面１の曲率円中心を原点側に近づけると反射角βが増大して側方反射面２の傾斜角χが時計方向に回転する。この反射光を直接屈折射出面３に入射するよりも急傾斜の円錐面で反射した方が容易に射出光を光軸方向に変換する例を図８に示す。側方反射面２が２つになるが、全反射面を１面増やしても効率には影響がないので２番目の円錐の側方反射面２は屈折射出面３から光軸に平行にするためのマッチング機能に専用している。図８の側方反射面２は図２の側方反射面２の中心Ｃ２よりも原点側に近づきＣ１位置に近似している。凹面の反射屈折界面１による集光距離の約半分の焦点距離で凸面の側方反射面２を設けることにより平行光に変換可能である。側方反射面２の反射光は数１２を用いて光線追跡すると、ほぼ平行な光が２番目の円錐の側方反射面２に入射している。図３、図４のように入射トロイダル面５で平行光に変換する例と比較すると、図８のように入射面を平面に出来、封止樹脂を注入した直後にレンズ７を被せるので生産性が良い特徴がある。
【００２３】
側方反射面２による斜め前方への反射光を透明物質中から空気中に射出するのが屈折射出面３である。光軸方向に射出するときの屈折射出面３が光軸となす角度ζは、反射光方向が回転軸となす角度δとして、スネルの法則から数１３が導かれる。空気中の場合はｎ１≒１としてｎ１を省略している。
【数１３】
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図３の構造では屈折射出面３への入射光が断面視で平行光になるが、図２の構造では図８の例を除き拡散光になる。射出光を平行光にする場合は側方反射面２の反射光は断面視で平行よりもやや開いた拡散光を平行光に戻すので図２の屈折射出面３は凸面のトロイダル面である。図２では反射屈折界面１の反射光は３０°の収束光だが側方反射面２の凸面によって１８°に縮小している。光度半値角がこれより広ければ屈折射出面３は円錐面、凹面も可能である。
【００２４】
発光素子９は約３００μｍ角などのチップが使われ、チップの中心光と周辺光では光軸レンズ６で屈折する方向が異なり、平行性の誤差になる。発光素子９の中心と周辺の寸法差をｄ、焦点距離をｆとすると、拡散角度φは数１４で示される。
【数１４】
2014003168.tif 000016
３００μｍ角の発光素子９はｄが０．１５ｍｍなので、ｆ＝７．８ｍｍ、ｎ２＝１．４７のときの拡散角度φは１．１°である。蛍光変換白色ＬＥＤの場合は蛍光体層の寸法ｄが発光素子より大きく、拡散角度φが大きくなる。例えば、砲弾型ＬＥＤのカップ寸法を半径が約０．５ｍｍとすると蛍光体層の寸法ｄ＝０．５ｍｍ、焦点距離ｆ＝７．８ｍｍ、ｎ２＝１．４７のとき拡散角度φは３．７°である。
【００２５】
発光素子９が光軸レンズ６の内部にあるので焦点距離ｆ２は数１１で示され、近軸光線は球面で屈折して平行光に変換されるが、放射角θが大きくなるとｓｉｎθ≒θの近似による球面収差によって平行光からずれる。発光素子を焦点からずらしても拡散光を生じる。図１の発光素子９の周辺からレンズ口径部に入射する光線が光軸と交差する点をＧとすると、Ｇに点光源を設けても同じ拡散角になる。Ｆの位置に発光素子を設け、レンズの曲率半径ｒをｆ／ｇ倍にしても同じ拡散角φになる。曲率半径を数７のｆ／ｇ倍にすると拡散光になる。
【００２６】
球面レンズは球面収差があるので図３、図４、図８の光軸レンズ６は楕円レンズを用いており、周辺光と光軸光の光路長を等しくとった楕円レンズは平行光として射出可能である。楕円面は数１５で表され、長軸をｘとすると発光素子は射出面から離心率ｅの遠い側の位置ａ・ｅに設ける構造である。
【数１５】
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等光路長の原理と楕円の長軸ａ、短軸ｂの係数を結びつける直接的な関数がないので反復計算あるいはスネル則に基づいた光線追跡が必要である。これらの方法により屈折率１．４７のエポキシ樹脂ではほぼａ＝４、ｂ＝３、 ｅ＝０．６６である。屈折率が異なる物質ではスネル則に基づいた光線追跡あるいは軸光と周辺光の光路長が等しくなる楕円面形状にするとほぼ平行光を射出することが出来る。楕円レンズ単独の集光角は約３０°である。
【００２７】
蛍光体層が平坦なＬＥＤは傾斜光方向によって蛍光体層の長さが変わるので方向によって色分離が起こり易い。蛍光体層を半球に形成すれば防止出来るが製造が難しくなる。このため、従来は拡散によって励起光と蛍光を混色する提案が多くあるが、狭指向角かつ十分な混色は困難である。
図７は平坦な蛍光体層でも光軸レンズと反射屈折界面１の指向角を一致させれば加法混色で加算平均されるので色分離を防止することが出来る。励起光と蛍光が同一方向に射出すると加法混色によって平均化されるメカニズムについて説明する。光軸レンズ６の射出光は励起光が優勢な青白色だが、間接反射面４の反射光は蛍光が優勢なので黄白色である。図７の光軸レンズ６の光軸左側は左側に励起光が優勢な青白色光を拡散するが、光軸右側の反射屈折界面１から黄白色光を左側に拡散して光軸レンズ６の指向角に概略一致させれば、その指向角範囲は加法混色されて補色の白色に認識される。光軸レンズ６の射出光３本と間接反射面４の反射光３本を比較すると傾斜がほぼ一致している。光軸の右方向も同様な理由で加算平均される。放射角約３０〜５０°の光は励起光と蛍光がバランスする領域なので補色の白色の光が屈折射出面３から射出する。平均化により光度半値角３０°の範囲に色分離なく照明出来る。
【００２８】
レンズ半径に対する光源からレンズ先端までの比は図１１のレンズが約３倍、従来の楕円レンズはその比が約２．５倍あるが、反射屈折界面１、側方反射面２などで形成したレンズ７はその比を約１〜１．２に薄型化している。更に全反射損失や側面漏れ光がない利点がある。図１２のレンズはレンズ半径に対する光源からレンズ先端までの比は約２倍にして光度半値角が１５°以上という条件で全反射を回避しているが、本願レンズは約１〜１．２倍に薄型化出来る。放射角は前述のような制約がなく平行光を射出する。光度半値角は１５°の例を図６、３０°の例を図７に示すように独立して設定出来る。
【００２９】
光の進行方向をＬＥＤの逆にして、光学中心にフォトダイオード、フォトトランジスタなどの受光素子を設けると、指向角の設定に応じて高効率に集光することが出来る。例えば赤外線センサによる人体検出では図１２のように指向角が広すぎると外乱赤外線を感知するが、指向角の要求に合わせて設計が出来る。レンズ７は図３のような単独レンズとして組み合わせて使用するだけでなく、発光素子９をケース内に収めた部品にすることも出来る。レンズが低背なので受光素子の他、フォトインタラプタ、フォトカプラなどを小型に形成することが出来る。
【００３０】
レンズ７は開口数ＮＡが大きく、光束密度の均一度が高いので光ディスク装置の集光レンズや対物レンズなどに使用することが出来る。対物レンズの場合は平行光を焦点に集光するので光の進行方向をＬＥＤの場合の逆にした利用方法である。回転軸方向から平行光を入射して光学中心位置に集光する対物レンズのとき、この光学中心の寸法はビームウェスト径と呼ばれ、ビームウェスト径は開口数ＮＡと波長λにより０．８２λ／ＮＡで設定可能なので、光軸レンズ６をＮＡ０．４５のＣＤ用、屈折射出面３をＮＡ０．６５のＤＶＤ用、反射屈折界面１をＮＡ０．８５のＢＤ用にして、ディスク厚に応じて焦点距離を変えれば光ディスク用多焦点レンズに利用出来る。
【００３１】
焦点からレンズの開口径に入射する範囲を口径角θと呼び、この正弦値ｓｉｎθを開口数ＮＡで表示してレンズの明るさの指標に利用されている。照明装置では光源側の口径角を集光角θと呼んでいるが、放射角が大きければ集光角を大きくすることが出来るので照明装置の放射角に依存する。平行光に変換するコリメーターで集光角を比較すると、図１１の発光素子が半径の約３倍位置の球面レンズは約２５°、図１２の発光素子が半径の約２倍位置の球面レンズは約４７°、図４の楕円レンズ単体では約３０°である。これに対して、図２の反射屈折界面１、間接反射面４などを組み合わせたレンズ全体は焦点を取り囲むように配置されているため８０°の範囲から集光出来る。
発光素子表面を均等拡散面としてランベルトの余弦則を積分すると光源から半球面に放射された光のレンズへの集光率が数１６により求められる。集光率の残余は側方に射出されて多くは損失になる。
【数１６】
2014003168.tif 000018
約４％の界面反射を差し引いて各レンズの集光率を比較すると、図１１の球面レンズは約０．３８、図１２の球面レンズは約０．６９、楕円レンズ単体が約０．４６、図４の楕円レンズと反射屈折界面１などを組み合わせたレンズ全体は約０．９４である。従来の楕円レンズは約半分が発光素子側に全反射あるいは側方に射出して有効に活用出来ない光である。反射屈折界面１と間接反射面４でこの光を集光して効率が約２倍になる。図１２の発光素子が半径の約２倍位置の球面レンズに比べて約１．４倍の集光率による効率向上になり、同一光束を得る場合にＬＥＤ数を２７％削減出来る。狭指向角の図１１のレンズに比べて約２．５倍の集光率のためＬＥＤ数を６０％削減し、大幅にコストダウンが可能である。効率向上により発熱量も低下するので信頼性が向上する。あるいは同一温度上昇にしてヒートシンクの表面積を削減することも可能である。
【００３２】
ＬＥＤ射出面の輝度むらが天井灯などの照明装置で問題にされることはないが、信号灯の表示面はＬＥＤの高輝度部分とその周囲の暗部が顕著で輝度むらが非常に大きい。従来例の図１５は全光の約６４％が光軸近傍の面積比約８％の領域に集中し、残りの３６％はレンズ周辺部から射出するので輝度比は８７：０：１３である。
これに対して図４は楕円レンズの外側の反射屈折界面１は間接反射面４に入射した光が射出し、屈折射出面３は間接反射面４に入射した光が射出する。これらの射出光の比率を数１６により求めると、楕円レンズが５０％、反射屈折界面１が１３％、屈折射出面３が３７％である。レンズ面の射出面積比は約１：２．２：２．４なので輝度比は約７４：１６：１１であり、従来例に比べて輝度むらが改善される。
【発明の効果】
【００３３】
１．従来のレンズ付ＬＥＤは球面レンズ円筒部のレンズ長／半径比３．１、楕円レンズ円筒部のレンズ長／半径比２．５でレンズ寸法が長いが、本願レンズはレンズ長／半径比が約１．０〜１．２で半分以下に小型化される。
２．従来のＬＥＤは球面と円筒面の境界付近で全反射して頂部付近で側面に漏れるか発光素子方向に多重反射して損失になるが、本願レンズは発光素子から反射屈折界面１と間接反射面４に入射して屈折射出面３から射出するのでこのような全反射損失が存在せず、光路が明確である。
３．従来のＬＥＤで全反射損失回避するには広指向角にせざるを得ないが、本願レンズはトレードオフの関係がないので全反射損失を伴わずに狭指向角配光を独立して設定出来る。
４．従来の球面レンズのＬＥＤは周辺光が球面収差により約１０°の拡散光になるが、図４のレンズは光学中心からの光をほぼ平行光にすることが出来る。
５．集光角を約８０°に高めることが出来、光度半値角１２０°の表面実装型ＬＥＤを使用しても、発光素子からの殆どの放射光を活用でき、効率改善に寄与する
６．フレネルレンズ付表面実装型ＬＥＤのような励起光と蛍光の光束むら、色むらや蛍光の再帰反射損失がなく、光軸レンズ６と反射屈折界面１の指向角に概略一致させれば、加法混色されて補色の白色に認識される。
７．半球面レンズは光束むらが大きく、拡散処理によりレンズ中心部に反射させても射出面で側面方向に屈折するので均一化出来ない。本願レンズは反射屈折界面１、屈折射出面３から射出して輝度比を均一化出来、光軸レンズ６と反射屈折界面１の指向角の一致により励起光と蛍光を加法混色して平均化可能である。 
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】球面レンズの辺縁部に接して反射屈折界面１、側方反射面２、屈折射出面３、間接反射面４を設けたレンズの構造の原理を示す断面図
【図２】球面レンズの辺縁部に接して反射屈折界面１、側方反射面２、屈折射出面３、間接反射面４を設けたレンズの機能を説明するための断面図
【図３】楕円レンズの辺縁部に接して反射屈折界面１、側方反射面２、屈折射出面３、間接反射面４を設け、入射面に入射トロイダル面５を設けたレンズの断面図
【図４】楕円レンズの辺縁部に接して反射屈折界面１、側方反射面２、屈折射出面３、間接反射面４を設け、入射面に入射トロイダル面５を設けた表面実装型ＬＥＤの断面図
【図５】球面レンズの辺縁部に接して反射屈折界面１、側方反射面２、屈折射出面３、間接反射面４を設けた表面実装型ＬＥＤの断面図
【図６】球面レンズの辺縁部に接して反射屈折界面１、側方反射面２、屈折射出面３、間接反射面４を設けたリードフレーム型ＬＥＤの断面図
【図７】球面レンズの辺縁部に接して反射屈折界面１、側方反射面２、屈折射出面３、間接反射面４を設けたリードフレーム型ＬＥＤの断面図
【図８】楕円レンズの辺縁部に接して反射屈折界面１、２つの側方反射面２、屈折射出面３、間接反射面４を設けた表面実装型ＬＥＤの断面図
【図９】反射屈折界面１、側方反射面２、屈折射出面３、間接反射面４からなるアダプターを楕円レンズの辺縁部に設けたリードフレーム型ＬＥＤの断面図
【図１０】屈折射出面３の位置を移動して形成したレンズアレイの断面図
【図１１】球面レンズの内部焦点に発光素子を設ける構造の従来のレンズ
【図１２】球面レンズの内部焦点より先端側に発光素子を設ける構造の従来のレンズ
【図１３】フレネルレンズを用いた従来の表面実装型蛍光白色ＬＥＤ
【図１４】半球面レンズの側面の全反射光と光源からの拡散光を平面から射出する従来のレンズ
【図１５】図１４の凹部入射面の発光素子対向面に凸面を設けた従来のレンズ
【図１６】図１５の半球面レンズの反射面と凹部入射面に拡散処理した従来のレンズ
【発明を実施するための形態】
【００３５】
実施例１
図３は入射トロイダル面５を用いたレンズ７を単独で示した断面図である。入射トロイダル面５の曲率半径と焦点距離ｆ１はレンズ材料に屈折率ｎ２＝１．４９のポリメチルメタクリレートを使用し、曲率半径ｒ＝１ｍｍとすると数１１により焦点距離ｆ１＝２．０４ｍｍである。入射トロイダル面５で断面視平行光に変換出来るため、θを３６°に設定すると反射屈折界面１が回転軸となす傾斜角ω６８°、側方反射面２の傾斜角χ５０°の円錐面である。屈折射出面３は数１２により光軸に平行に射出することが出来る。反射屈折界面１が円錐面なので間接反射面４の反射光は断面視で平行である。このため、間接反射面４は放物線のｙ軸より内側に回転軸が傾斜したトロイダル面である。光軸レンズ６は数１５による楕円レンズを用いると平行光を射出することが出来る。
図３では焦点を１点で示しているが、光ディスク用多焦点レンズとして用いる場合は焦点位置がディスク厚に応じて複数になる。図３では平行光の例を示しているが拡散光に変更することも可能である。拡散光の場合の光軸レンズ６は光学中心位置を曲率半径比が小さい位置に変更し、入射トロイダル面５の光学中心を焦点からずらし、間接反射面４を円錐面に近づければ反射屈折界面１の射出光を拡散光に変更することが出来る。
図３はレンズを支持部材に嵌合するための連結部１７を間接反射面４の下部と上部に２ヶ所例示したものである。この連結部１７はネジ加工を施し、位置調整して指向角を調整することが可能な例を示しているが、テーパーなどにして嵌め込む構造などに変更可能である。このレンズ７と任意のＬＥＤ、受光素子などと組み合わせて照明装置、光学装置などを製造することが出来る。支持基板の形状・寸法を変更により任意の照明装置を製造することが出来るので設計自由度が高い特徴がある。
発光素子が埋設されたＬＥＤは指向角を調整するには外部にレンズを設ける必要があるが、図３のレンズ７は連結部１７のネジ加工により位置調整して指向角調整が可能なのでスポット照明装置などに有用である。スポット照明装置など頻繁に位置調整する用途では金属製ネジ加工部品をレンズ７に嵌合しても良い。図３で示したレンズ７を使用して大光量のヘッドライトなどの狭指向角用途に応用する場合は基板に複数のレンズ７を嵌合して照明装置を製造することが出来る。
【００３６】
実施例２
入射トロイダル面５を用いた表面実装型ＬＥＤの例を図４に示す。発光素子９は封止樹脂１０に埋設し、入射トロイダル面５の焦点２０に設ければ断面視で平行に変換出来る。入射トロイダル面５を用いた表面実装型ＬＥＤは封止樹脂１０との間に空気などの低屈折率層が必要なので封止樹脂とレンズ７が分離した構造になる。反射膜を形成する場合を除き間接反射面４と側方反射面２を全反射面にするための空隙８が必要である。図面では要部を図示し、発光素子９の接続などは省略している。
屈折射出面３を光軸に垂直な例を示すと、入射トロイダル面５によるθを３８°に設定すると反射屈折界面１の傾斜ωは６４°、側方反射面２の傾斜χは４５°の円錐面である。屈折射出面３に垂直に入射するので直進して光軸に平行に射出することが出来るが、曲面にして拡散光を射出することも容易である。屈折射出面３から拡散光を射出する場合は間接反射面４を放物面でなく円錐面に近くすると拡散角度を一致させることが出来る。光軸レンズ６は数１５による楕円レンズを用いると平行光を射出することが出来る。この構造は発光素子９から屈折射出面３に直射しない構造なので拡散角約８０°の光を全て光軸にほぼ平行に射出することが出来る。
【００３７】
実施例３
図２の構造を用いた拡散角１２°の表面実装型ＬＥＤの断面図を図５に示す。単独のレンズ７として利用する場合は入射面を凹球面に変更すれば良い。光軸レンズ６は先端から曲率半径の約２．３倍の位置に発光素子９を設けると拡散角１０°、光軸を基準に対称で表示すると±５°である。これに発光素子寸法による誤差を含め拡散角約１２°である。光軸レンズ６と反射屈折界面１の境界は放射角θが３３°の点に設定し、境界の座標（１，１．５４）の比率で各寸法を設定出来る。反射屈折界面１の曲率円中心Ｃ１（１．９，−０．２８）、半径１．７３である。反射屈折界面１の反射光は収束光になり、凸面の側方反射面２に入射角４８°〜５０°で入射する。側方反射面２の反射光は断面視で平行に近い光を屈折射出面３に入射するが、屈折射出面３は傾斜した湾曲面のため射出方向を光軸に対し０〜１２°の範囲で射出する。最も辺縁部の射出光の指向角は約１２°あるが、光軸レンズ６の放射角±７．５°よりも大きい比率は全光の約４％である。発光素子９から側方に発光した光は間接反射面４で反射し、反射屈折界面１に入射して屈折し、±３°の範囲で前方に射出している。間接反射面４は放物面と円錐面の中間的なトロイダル面で、回転軸が放物線のｙ軸より内側に傾斜している。
図５はレンズの発光素子側を平坦にして封止樹脂の余剰量を流出させる例で示しているが、発光素子９周囲の封止樹脂を球面で成型すれば空隙が生じても直進するのでレンズ７を凹球面で形成しても良い。封止樹脂の余剰量を流出させるには間接反射面４とケース間の空隙８の下部に空間を設け、封止空間体積より過剰な封止樹脂を注入してからレンズを被せれば余剰量がこの空間に流出するので間接反射面４に付着を防止することが出来る。
レンズ７と封止樹脂の屈折率が異なる場合は屈折の影響を考慮して各反射面を設計する。屈折射出面３には発光素子９からの放射角θが４７〜５０°間の約３°の直接光が入射し、屈折して光軸から６０°の方向に射出する。この光量比率は全体の約４％なので従来の円筒面を有するレンズの約３０〜６０％に比べて極めて小さいが、これをケース反射面１５で光軸方向に反射して改善している。
【００３８】
実施例４
図２の構造によるリードフレーム型ＬＥＤを形成したのが図６である。光軸レンズは球面レンズ半径の約２．１倍の位置に発光素子を設けると発光素子からの光の拡散角度φは１５°である。反射屈折界面１の射出光の拡散角度を広げるため間接反射面４はほぼ円錐面である。図５は蛍光体１１を用いた例で図示しており、蛍光体の寸法に基づく拡散角度を含めると拡散角度φは約２０°である。蛍光体を使用したＬＥＤは傾斜光方向によって蛍光体層の長さが変わるので色分離が起こり易いが、図６の光軸レンズと反射屈折界面１の指向角が一致し、ほぼ光軸方向に射出するので励起光と蛍光が加算平均されて色分離を防止することが出来る。
側方反射面２による口径が従来の円筒面より突出するスペースを利用してリードフレームを側方に伸ばし、底面側の寸法を短縮しても半田実装時の半田槽から発光素子までの距離および熱抵抗が同等である。この構造により従来の砲弾のような長い形状に比べて背丈を縮小し、高さを直径の約０．６倍にすることが出来る。図１１の砲弾型ＬＥＤは直径５ｍｍ、高さ１０ｍｍ、リードフレーム間距離２．５ｍｍと縦長なので実装時の安定性が悪いが、これと同一体積で構成すると直径約７ｍｍ、高さ約５ｍｍ、リードフレーム間距離５ｍｍになり安定性が良いので実装効率が向上する。
【００３９】
実施例５
図７は図６の曲率半径よりも小さくした拡散角３０°のリードフレーム型ＬＥＤの例である。この光学系は図１のように、反射屈折界面１の曲率半径が小さいので径が図６よりも約１０％小型化される。光軸レンズ６は球面レンズ半径の約２倍の位置に発光素子を設けると発光素子と蛍光体からの拡散角度φは約３０°である。これに合わせて反射屈折界面１、側方反射面２、屈折射出面３、間接反射面４を拡散角度φ約３０°に設定している。実施例５は段落００２７で説明したように拡散角度φ３０°にわたって励起光と蛍光を同一方向に平均化して混色することにより色分離を防止出来る特徴がある。反射屈折界面１の射出光の拡散角度を広げるため間接反射面４は円錐面である。この光学系を使用して拡散角３０°の表面実装型ＬＥＤに変更することも出来る。
側方反射面２による口径が従来の円筒面より突出するのでこのスペースを利用してリードフレームを側方に伸ばして低背化した形状である。実施例４よりも直径を小型化することが可能である。
【００４０】
実施例６
光軸に平行光を射出する図８による表面実装型ＬＥＤの実施例を説明する。側方反射面２は図１〜３よりも曲率半径を大きく設定出来るので、楕円の焦点２０までの収束距離に等しい側方反射面２の焦点距離の設定で平行光に変換している。反射屈折界面１の曲率円中心Ｃ１（１．９２，−０．３８）、ｒ＝２．３１、側方反射面２の曲率円中心Ｃ１（２．２７，０）、ｒ＝１．５、としてほぼ平行光を射出できる。側方反射面２は数１２により斜め上方に反射し、屈折射出面３で数１３により光軸に平行に変換する。
入射トロイダル面５で変換する例と比べると、この構造は入射面を平面にして生産性が向上する特徴がある。封止樹脂の余剰量を流出させるにはケース内の空隙８の下部にＶ字型で示した空間を設け、封止樹脂を注入してからレンズを被せれば余剰量がこの空間に流出するので間接反射面４への影響を防止することが出来る。レンズ７と封止樹脂の屈折率が異なる場合は屈折の影響を考慮する必要がある。封止樹脂１０を球面で成型し、レンズ７の入射面を球面にすれば空間が生じても直進するので影響を生じない。
【００４１】
実施例７
反射屈折界面１、側方反射面２、屈折射出面３、間接反射面４と光軸レンズ６で構成されるレンズ７を集合してレンズアレイにするとＬＥＤ１６と組み合わせて照明装置を構成することが出来る。成型時にレンズアレイを構成した例を連結部に重点を置いて図１０に示している。図２の屈折射出面３の構造では連結部の厚さ確保が難しいので、屈折射出面３を互いに連結相手側に移動すると連結部の厚さを増大する。屈折射出面３が互いに連結相手側に移動しても屈折方向は変化しないので指向角を維持して照明装置を構成することが出来る。
レンズアレイは多点で繋げて平面を構成し、ＬＥＤ１６は基板１４上にレンズアレイのピッチで配置すれば容易に面照明装置を製造することが出来る。図１０のように２点で繋げると棒状、円環状などのレンズアレイになるが、支持体（図示せず）でレンズを挟めば支持体による強度確保が出来る。棒状、円環状などのレンズアレイをＬＥＤ１６などと共に基板１４上に配置すれば直線蛍光管、円環蛍光管を用いた照明装置に電源部の変更で容易に置き換えることが出来る。
成型時にレンズアレイを構成する以外に、図３のレンズ７の単体を穴明き支持基板に複数嵌合してレンズアレイにすることも可能である。
【００４２】
実施例８
反射屈折界面１、側方反射面２、屈折射出面３、間接反射面４で構成される領域をアダプターとして従来のレンズ付ＬＥＤ１６に被せれば、頂部に向けて全反射する光を反射屈折界面１と屈折射出面４から光軸方向に射出することが出来る。反射屈折界面１、側方反射面２、屈折射出面３、間接反射面４で構成される領域のアダプターを楕円レンズに被せた状態を図９に示す。従来のＬＥＤレンズとこのアダプターの界面に空隙が生じると効果が低下するので接合面１７に接着剤を塗って被せると空隙の反射を防止することが出来る。
【符号の説明】
【００４３】
１：反射屈折界面                        ２：側方反射面
３：屈折射出面                          ４：間接反射面
５：入射トロイダル面                    ６：光軸レンズ
７：レンズ                              ８：空隙     
９：発光素子                            １０：封止樹脂
１１：蛍光体                            １２：ケース
１３：電極・リードフレーム              １４：基板
１５：ケース反射面                      １６：ＬＥＤ
１７：接合・連結部                      １８：ボンディングワイヤ
１９：回転軸                            ２０：焦点
【図１】
2014003168.tif 000019
【図２】
2014003168.tif 000020
【図３】
2014003168.tif 000021
【図４】
2014003168.tif 000022
【図５】
2014003168.tif 000023
【図６】
2014003168.tif 000024
【図７】
2014003168.tif 000025
【図８】
2014003168.tif 000026
【図９】
2014003168.tif 000027
【図１０】
2014003168.tif 000028
【図１１】
2014003168.tif 000029
【図１２】
2014003168.tif 000030
【図１３】
2014003168.tif 000031
【図１４】
2014003168.tif 000032
【図１５】
2014003168.tif 000033
【図１６】
2014003168.tif 000034
【手続補正書】
【提出日】平成24年8月8日(2012.8.8)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光軸レンズの辺縁に接する反射屈折界面を光学中心に対して臨界角以上となる角度で設け、光学中心の側方に間接反射面を設けた構造を有し、
光学中心からの光が前記反射屈折界面で側方に全反射し、かつ光学中心からの光が前記間接反射面で反射した後に前記反射屈折界面で屈折して前方に射出することを特徴とするレンズ。
【請求項２】
前記反射屈折界面は曲率円、放物線、あるいは直線を光軸で回転したトロイダル面あるいは円錐面であることを特徴とする請求項１に記載のレンズ。
【請求項３】
請求光１に記載のレンズの前記反射屈折界面と光学中心との間に凸面トロイダル面を設け、凸面トロイダル面による屈折光を前記反射屈折界面に入射することを特徴とするレンズ。
【請求項４】
前記反射屈折界面の側方に側方反射面あるいは円錐反射面と屈折射出面を設けた構造からなり、側方反射面は反射屈折界面からの反射光を反射して屈折射出面から前方に射出することを特徴とする請求項１に記載のレンズ。
【請求項５】
前記間接反射面は放物線、直線、曲率円、あるいはこれらを組み合わせた曲線の回転面であることを特徴とする請求項１に記載のレンズ。
【請求項６】
前記側方反射面は前記反射屈折界面で反射した光を臨界角以上で入射する配置であることを特徴とする請求項４に記載のレンズ。
【請求項７】
光軸レンズの辺縁部に接する反射屈折界面を光学中心に対して臨界角以上となる角度で設け、その側方に側方反射面、屈折射出面、間接反射面、及び光学中心の位置に光源を設けたことを特徴とする照明装置。
【請求項８】
前記間接反射面の反射光を前記反射屈折界面で屈折して射出する光の指向角を光軸レンズの指向角と概略一致させて励起光と蛍光を混色することを特徴とする請求項７に記載の照明装置。
【請求項９】
光軸レンズの辺縁部に接する反射屈折界面を光学中心に対して臨界角以上となる角度で設け、その側方に側方反射面、屈折射出面、間接反射面、及び光学中心の位置に受光素子を設けたことを特徴とする受光装置。
【請求項１０】
光軸レンズの辺縁部に接する反射屈折界面を光学中心に対して臨界角以上となる角度で設け、その側方に側方反射面、屈折射出面、間接反射面、及び光学中心の位置を光ディスク装置のビームウェスト位置とすることを特徴とする光学装置。
【手続補正書】
【提出日】平成24年12月14日(2012.12.14)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
曲率円、放物線を光軸で回転したトロイダル面、あるいは直線を光軸で回転した円錐面からなる反射屈折界面を光軸レンズの辺縁に接し、光学中心に対して臨界角以上となる角度で設け、前記反射屈折界面の側方に側方反射面と屈折射出面を設け、光学中心の側方に間接反射面を設けた構造を有し、
光学中心からの光が前記反射屈折界面で側方に全反射し、側方反射面は反射屈折界面からの反射光を反射して屈折射出面から前方に射出し、かつ光学中心からの光が前記間接反射面で反射した後に前記反射屈折界面で屈折して前方に射出する配置であることを特徴とするレンズ。
【請求項２】
前記側方反射面は前記反射屈折界面で反射した光を臨界角以上で入射する配置であることを特徴とする請求項１に記載のレンズ。
【請求項３】
前記間接反射面は回転軸が光軸より内側に傾斜した放物線、直線、曲率円、あるいはこれらを組み合わせた曲線の回転面であることを特徴とする請求項１に記載のレンズ。
【請求項４】
前記反射屈折界面と光学中心との間にレンズの屈折率とは異なる層を設け、
前記レンズの屈折率とは異なる層と前記レンズとの界面は、
反射屈折界面が円錐面のときはトロイダル面と球面の組み合わせからなり、
反射屈折界面がトロイダル面のときは球面あるいは平面からなる
ことを特徴とする請求項１に記載のレンズ。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のレンズと、前記レンズの光学中心の位置に光源を設けたことを特徴とする照明装置。
【請求項６】
前記間接反射面の反射光が前記反射屈折界面で屈折して射出する光の指向角を光軸レンズの指向角と概略一致させることにより、前記光学中心からの励起光と蛍光を混色することを特徴とする請求項５に記載の照明装置。
【請求項７】
請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のレンズと、前記レンズの光学中心の位置に、請求項１の配置により光の逆進性を用いて受光素子を設けたことを特徴とする受光装置。
【請求項８】
請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のレンズと、前記レンズの光学中心の位置を光ディスク装置のビームウェスト位置に一致させ、光軸の前方から光軸に平行に入射した光を光学中心位置に集光することを特徴とする光学装置。