(57)【要約】【課題】光軸方向における小型化と適正な指向特性の実現とを図ることのできる光学ユニットおよび集光レンズを提供すること。【解決手段】光学ユニット１は、集光レンズ２と、集光レンズ２の光軸Ｌ方向の一方側Ｌ１において光軸Ｌ上に設けられた受光素子９１等の光学素子９とを有している。集光レンズ２は、レンズ部３と、レンズ部３の外周側で光軸Ｌ方向の一方側Ｌ１に突出した透光性の筒状の胴部４とを備えている。レンズ部３１の光軸方向の他方側Ｌ２の面が、集光性のフレネルレンズ部３１になっており、一方側Ｌ１の面が、凸レンズ面３２になっている。胴部４の外周面４ｂには、他方側Ｌ２から一方側Ｌ１に向けて外径が連続的に縮小している反射面４１が設けられている。かかる反射面４１では、金属層等の反射層が形成されておらず、胴部４と空気層とが接する界面での反射が利用される。【選択図】図２
2017067970.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レンズ部、および前記レンズ部の外周側で光軸方向の一方側に突出した透光性の筒状の胴部を備えた集光レンズと、
受光素子あるいは発光素子からなり、前記レンズ部に対する前記一方側において前記レンズ部の光軸上に設けられた光学素子と、
を有し、
前記レンズ部の前記光軸方向の他方側の面が、集光性のフレネルレンズ部になっており、
前記レンズ部の前記一方側の面が、凸レンズ面になっており、
前記胴部の外周面には、前記他方側から前記一方側に向けて外径が連続的に縮小している反射面が設けられていることを特徴とする光学ユニット。
【請求項２】
前記光学素子は、受光素子からなることを特徴とする請求項１に記載の光学ユニット。
【請求項３】
前記反射面は、前記胴部と空気層とが接する界面での反射が利用されることを特徴とする請求項１または２に記載の光学ユニット。
【請求項４】
前記胴部の前記他方側の面は、平面あるいは凸曲面になっていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の光学ユニット。
【請求項５】
前記胴部の前記他方側の面は、平面になっていることを特徴とする請求項４に記載の光学ユニット。
【請求項６】
前記胴部の内周面は、前記他方側から前記一方側に向けて内径が連続的に拡大しているテーパ面になっていることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載の光学ユニット。
【請求項７】
前記フレネルレンズ部の直径をφFresnelとし、
前記凸レンズ面の直径をφASPとしたとき、
φFresnel、およびφASPは、以下の式
φASP  ≦  φFresnel
を満たすことを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載の光学ユニット。
【請求項８】
前記凸レンズ面において最も前記一方側に位置する部分から前記光学素子の中心までの距離をｄAirとし、
前記反射面の前記光軸方向における長さをｄMirrorとし、
前記フレネルレンズ部において最も前記他方側に位置する部分から前記凸レンズ面において最も前記一方側に位置する部分までの距離をｄLensとしたとき、
ｄAir、ｄMirror、およびｄLensは、以下の式
ｄAir  ≦  ｄMirror−ｄLens
を満たすことを特徴とする請求項７に記載の光学ユニット。
【請求項９】
前記レンズ部と前記発光素子との間に位置する媒体の屈折率をｎ1とし、
前記レンズ部の屈折率をｎ2とし、
前記凸レンズ面の半径をｒとしたとき、
φFresnel、φASP、ｎ1、ｎ2、ｄLens、およびｒは、以下の式
φASP  ≦  φFresnel  ≦  ２×ｄLens×ｔａｎθ＋φASP
但し、θ＝Ｓｉｎ−１（（ｎ1×φASP）／（ｎ2×２×ｒ））
を満たすことを特徴とする請求項８に記載の光学ユニット。
【請求項１０】
前記反射面が円錐面からなり、
前記反射面が前記光軸となす角度をθMirrorとしたとき、
θMirror、およびｎ2は、以下の式
θMirror  ≦  π／２−Ｓｉｎ−１（１／ｎ2）
を満たすことを特徴とする請求項９に記載の光学ユニット。
【請求項１１】
前記胴部の最も前記他方側に位置する部分の直径をφLensとしたとき、
φLens、φASP、ｄLens、ｄMirror、ｄAir、およびθMirrorは、以下の式
φLens  ≦  φASP＋２×（ｄLens＋ｄAir）×ｔａｎ（θMirror）
を満たすことを特徴とする請求項９または１０に記載の光学ユニット。
【請求項１２】
前記フレネルレンズ部を構成する各レンズ面の曲率半径をＲFresnelとし、
前記凸レンズ面の曲率半径をＲASPとしたとき、
ＲFresnel、およびＲASPは、以下の式
ＲFresnel  ≧  ＲASP
を満たすことを特徴とする請求項１乃至１１の何れか一項に記載の光学ユニット。
【請求項１３】
レンズ部と、
前記レンズ部の外周側で光軸方向の一方側に突出した透光性の筒状の胴部と、
を備え、
前記レンズ部の前記光軸方向の他方側の面が、集光性のフレネルレンズ部になっており、
前記レンズ部の前記一方側の面が、凸レンズ面になっており、
前記胴部の外周面には、前記他方側から前記一方側に向けて外径が連続的に縮小している反射面が設けられていることを特徴とする集光レンズ。
【請求項１４】
前記反射面は、前記胴部と空気層とが接する界面での反射が利用されることを特徴とする請求項１３に記載の集光レンズ。
【請求項１５】
前記胴部の前記他方側の面は、平面あるいは凸曲面になっていることを特徴とする請求項１３または１４に記載の集光レンズ。
【請求項１６】
前記胴部の前記他方側の面は、平面になっていることを特徴とする請求項１５に記載の集光レンズ。
【請求項１７】
前記胴部の内周面は、前記他方側から前記一方側に向けて内径が連続的に拡大しているテーパ面になっていることを特徴とする請求項１３乃至１６の何れか一項に記載の集光レンズ。
【請求項１８】
前記フレネルレンズ部の直径をφFresnelとし、
前記凸レンズ面の直径をφASPとしたとき、
φFresnel、およびφASPは、以下の式
φASP  ≦  φFresnel
を満たすことを特徴とする請求項１３乃至１６の何れか一項に記載の集光レンズ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、受光素子や発光素子の指向性を改善するための光学ユニットおよび集光レンズに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオード等の発光素子において、所定の角度範囲の全体にわたって十分な光を出射するように砲弾形のレンズが設けられることが多い（特許文献１参照）。例えば、発光ダイオードは、±５０°の角度方向に光を出射するため、±３０°の角度範囲にわたって十分な光を出射する場合、砲弾形のレンズの正のパワーを利用して、±３０°の角度範囲の全体における出射光量を増大させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−６９０８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、砲弾形のレンズでは、光軸方向の寸法が長いという問題点がある。そこで、レンズの正面を正のパワーを有するフレネルレンズ部にして光軸方向の小型化を図ることが考えられるが、かかる構成の場合、正面方向の出射光量が低下するという問題点がある。かかる問題点は、発光素子に限らず、受光素子において、所定の角度範囲にわたって十分な感度を有するようにレンズを設ける場合も同様に存在する。
【０００５】
以上の問題点に鑑みて、本発明の課題は、光軸方向における小型化と適正な指向特性の実現とを図ることのできる光学ユニットおよび集光レンズを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明に係る光学ユニットは、レンズ部、および前記レンズ部の外周側で光軸方向の一方側に突出した透光性の筒状の胴部を備えた集光レンズと、受光素子あるいは発光素子からなり、前記レンズ部に対する前記一方側において前記レンズ部の光軸上に設けられた光学素子と、を有し、前記レンズ部の前記光軸方向の他方側の面が、集光性のフレネルレンズ部になっており、前記レンズ部の前記一方側の面が、凸レンズ面になっており、前記胴部の外周面には、前記他方側から前記一方側に向けて外径が連続的に縮小している反射面が設けられていることを特徴とする。
【０００７】
また、本発明に係る集光レンズは、レンズ部と、前記レンズ部の外周側で光軸方向の一方側に突出した透光性の筒状の胴部と、を備え、前記レンズ部の前記光軸方向の他方側の面が、集光性のフレネルレンズ部になっており、前記レンズ部の前記一方側の面が、凸レンズ面になっており、前記胴部の外周面には、前記他方側から前記一方側に向けて外径が連続的に縮小している反射面が設けられていることを特徴とする。
【０００８】
本発明において、集光レンズのレンズ部が光軸方向の一方側に凸レンズ面を備え、光軸方向の他方側に集光性のフレネルレンズ部を備えているため、レンズ部は正のパワーを有している。このため、レンズ部に対する一方側においてレンズ部の光軸上に設けた発光素子においては、所定の角度範囲にわたって十分な光を出射することができる。また、レンズ部に対する一方側においてレンズ部の光軸上に受光素子を設けた場合、所定の角度範囲にわたって十分な感度を有する。また、集光レンズは、レンズ部の外周側で光軸方向の一
方側に突出した透光性の筒状の胴部を備え、かかる胴部の外周面には、他方側から一方側に向けて外径が連続的に縮小している反射面が設けられている。このため、レンズ部にフレネルレンズ部を設けて光軸方向の小型化を図った場合でも、正面方向の出射光量や感度に優れている。従って、光軸方向における小型化、および適正な指向特性の実現の双方を図ることができる。
【０００９】
本発明において、前記光学素子は、受光素子からなる態様を採用することができる。
【００１０】
本発明において、前記反射面では、前記胴部と空気層とが接する界面での反射が利用されることが好ましい。かかる構成によれば、胴部の外周面に金属層等の反射層を設けなくても、反射面を構成することができるので、集光レンズの低コスト化を図ることができる。
【００１１】
本発明において、前記胴部の前記他方側の面は、平面あるいは凸曲面になっている態様を採用することができる。かかる構成によれば、光学素子として発光素子を設けた場合には、胴部の反射面に入射した光を適正に正面方向に出射することができ、光学素子として受光素子を設けた場合には、胴部の反射面に入射した光を適正に受光素子に導くことができる。
【００１２】
本発明において、前記胴部の前記他方側の面は、平面になっている態様を採用することができる。すなわち、反射面の傾き等の構成を適正化すれば、胴部の他方側の面については、平面とすることができる。
【００１３】
本発明において、前記胴部の内周面は、前記他方側から前記一方側に向けて内径が連続的に拡大しているテーパ面になっていることが好ましい。かかる構成によれば、集光レンズのうち、胴部に入射した光の利用効率を高めることができる。
【００１４】
本発明において、前記フレネルレンズ部の直径をφFresnelとし、前記凸レンズ面の直径をφASPとしたとき、φFresnel、およびφASPは、以下の式を満たすことが好ましい。
φASP≦φFresnel
かかる構成によれば、集光レンズのうち、レンズ部に入射した光の利用効率を高めることができる。
【００１５】
本発明において、前記凸レンズ面において最も前記一方側に位置する部分から前記光学素子の中心までの距離をｄAirとし、前記反射面の前記光軸方向における長さをｄMirrorとし、前記フレネルレンズ部において最も前記他方側に位置する部分から前記凸レンズ面において最も前記一方側に位置する部分までの距離をｄLensとしたとき、ｄAir、ｄMirror、およびｄLensは、以下の式を満たすことが好ましい。
ｄAir≦ｄMirror−ｄLens
かかる構成によれば、集光レンズのうち、反射面に入射した光の利用効率を高めることができる。
【００１６】
本発明において、前記レンズ部と前記発光素子との間に位置する媒体の屈折率をｎ1とし、前記レンズ部の屈折率をｎ2とし、前記凸レンズ面の半径をｒとしたとき、φFresnel、φASP、ｎ1、ｎ2、ｄLens、およびｒは、以下の式を満たすことが好ましい。
φASP≦φFresnel≦２×ｄLens×ｔａｎθ＋φASP
但し、θ＝Ｓｉｎ−１（（ｎ1×φASP）／（ｎ2×２×ｒ））
かかる構成によれば、集光レンズのうち、レンズ部に入射した光の利用効率を高めることができる。
【００１７】
本発明において、前記反射面が円錐面からなり、前記反射面が前記光軸となす角度をθMirrorとしたとき、θMirror、およびｎ2は、以下の式を満たすことが好ましい。
θMirror≦π／２−Ｓｉｎ−１（１／ｎ2）
かかる構成によれば、反射面に対する入射角度を大きくすることができるので、反射面に金属層を設けなくても、反射面に入射した光を全反射させることができる。それ故、簡素な構成で、反射面に入射した光の利用効率を高めることができる。
【００１８】
本発明において、前記胴部の最も前記他方側に位置する部分の直径をφLensとしたとき、φLens、φASP、ｄLens、ｄMirror、ｄAir、およびθMirrorは、以下の式を満たすことが好ましい。
φLens≦φASP＋２×（ｄLens＋ｄAir）×ｔａｎ（θMirror）
かかる構成によれば、集光レンズに入射した光の利用効率を高めることができる。
【００１９】
本発明において、前記フレネルレンズ部を構成する各レンズ面の曲率半径をＲFresnelとし、前記凸レンズ面の曲率半径をＲASPとしたとき、ＲFresnel、およびＲASPは、以下の式を満たすことが好ましい。
ＲFresnel≧ＲASP
かかる構成によれば、集光レンズのうち、レンズ部を通過する光の収差を容易に低減することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明において、集光レンズのレンズ部が光軸方向の一方側に凸レンズ面を備え、光軸方向の他方側に集光性のフレネルレンズ部を備えているため、レンズ部は正のパワーを有している。このため、レンズ部に対する一方側においてレンズ部の光軸上に設けた発光素子においては、所定の角度範囲にわたって十分な光を出射することができる。また、レンズ部に対する一方側においてレンズ部の光軸上に設けた受光素子においては、所定の角度範囲にわたって十分な感度を有する。また、集光レンズは、レンズ部の外周側で光軸方向の一方側に突出した透光性の胴部を備え、かかる胴部の外周面には、他方側から一方側に向けて外径が連続的に縮小している反射面が設けられている。このため、レンズ部にフレネルレンズ部を設けて光軸方向の小型化を図った場合でも、正面方向の出射光量や感度に優れている。従って、光軸方向における小型化、および適正な指向特性の実現の双方を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明を適用した光学ユニットの説明図である。
【図２】本発明を適用した光学ユニットの集光レンズの説明図である。
【図３】図２に示す集光レンズの各部位の寸法等を示す説明図である。
【図４】本発明を適用した光学ユニットの感度の指向性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図面を参照して、本発明を実施するための形態を説明する。なお、以下の説明においては、光軸Ｌの一方側にＬ１を付し、他方側にＬ２を付して説明する。また、本発明を適用した集光レンズ２は、受光素子９１または発光素子９２からなる光学素子９とともに光学ユニット１を構成する。以下の説明では、光学素子９が受光素子９１である場合を中心に説明する。
【００２３】
（光学ユニットの構成）
図１は、本発明を適用した光学ユニット１の説明図であり、図１（ａ）、（ｂ）は、光学ユニット１を光軸Ｌ方向の他方側Ｌ２からみた斜視図、および光学ユニット１を光軸Ｌ方向に一方側Ｌ１からみた斜視図である。図２は、本発明を適用した光学ユニット１の集
光レンズ２の説明図であり、図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、集光レンズ２を光軸Ｌ方向の他方側Ｌ２からみた正面図、光軸Ｌに沿って集光レンズ２を切断したときの断面図、およびフレネルレンズ部３１において線Ｐで囲んだ領域のレンズ面を拡大して示す断面図である。
【００２４】
図１および図２に示す光学ユニット１は、集光レンズ２と、集光レンズ２の光軸Ｌ（中心光軸）上に配置された光学素子９とを有している。光学素子９は、受光素子９１または発光素子９２からなる。光学素子９が受光素子９１である場合、光学ユニット１は、集光レンズ２の側から入射した光を受光素子９１に集光する。これに対して、光学素子９が発光素子９２である場合、光学ユニット１は、発光素子９２が出射した発散光を集光レンズ２によって発散角を狭めて出射する。本形態において、光学素子９は、受光素子９１であり、通信用の近赤外光（波長７８０ｎｍ〜１１００ｎｍ）を集光レンズ２によって受光素子９１に集光する。その場合、正面（角度０°）を含めて、例えば、±３０°の角度範囲にわたって高い感度が求められる。
【００２５】
（集光レンズ２の構成）
本形態において、集光レンズ２は、レンズ部３と、レンズ部３の外周側で光軸Ｌ方向の一方側Ｌ１に突出した透光性の筒状の胴部４とを備えており、光学素子９（受光素子９１）は、レンズ部３に対する一方側Ｌ１において、レンズ部３の光軸Ｌ（中心光軸）上に配置されている。本形態において、レンズ部３と胴部４とは、透光性樹脂を一体に成形した樹脂成形品であり、アクリル樹脂、ポリカーボネート等からなる。レンズ部３は、光軸Ｌ方向の他方側Ｌ２からみたとき円形であり、胴部４も、レンズ部３と同様、光軸Ｌ方向の他方側Ｌ２からみたとき円形である。また、レンズ部３の光軸Ｌ方向の他方側Ｌ２の端面３ａと、胴部４の光軸Ｌ方向の他方側Ｌ２の端面４ａとは、光軸Ｌ方向において同一の位置にあり、端面３ａ、４ａは、集光レンズ２の光軸Ｌ方向の他方側Ｌ２で一体の端面２ａを構成している。
【００２６】
レンズ部３の光軸Ｌ方向の他方側Ｌ２の面（端面３ａ）は、集光性のフレネルレンズ部３１になっており、レンズ部３の光軸Ｌ方向の一方側Ｌ１の面は、凸レンズ面３２になっている。フレネルレンズ部３１は、中央が円形の凸曲面３１５になっており、凸曲面３１５の周りには、他方側Ｌ２に突出した鋸歯状の環状凸部からなるレンズ面３１０が同心円状に複数、配列されている。本形態において、環状のレンズ面３１０は、４列のレンズ面３１１、３１２、３１３、３１４が同心円状に形成されており、径方向内側から径方向外側に向かうにともなって、レンズ面３１０の幅が狭くなっている。ここで、凸曲面３１５およびレンズ面３１０を連続面を構成するように結合させたときの球面は非球面であり、凸レンズ面３２は球面である。
【００２７】
胴部４の外周面４ｂには、光軸Ｌ方向の他方側Ｌ２から一方側Ｌ２に向けて外径が連続的に縮小している反射面４１が設けられている。本形態において、反射面４１は円錐面からなる。胴部４において、反射面４１に対して光軸Ｌ方向の一方側Ｌ１には、角筒状の筒部４２が設けられており、筒部４２の内側に光学素子９（受光素子９１）が配置されている。ここで、反射面４１は、胴部４と空気層とが接する界面での反射が利用され、金属層等の反射層が形成されていない。また、胴部４の内周面４３は、光軸Ｌ方向の他方側Ｌ２から一方側Ｌ１に向けて内径が連続的に拡大しているテーパ面になっている。
【００２８】
本形態において、胴部４の他方側Ｌ２の端面４ａは、平面あるいは凸曲面になっている。本形態において、胴部４の他方側Ｌ２の端面４ａは、平面になっている。
【００２９】
（光学ユニット１の作用）
このように構成した光学ユニット１においては、光軸Ｌ方向の他方側Ｌ２から集光レン
ズ２の端面２ａに入射した光のうち、レンズ部３の端面３ａに入射した光は、フレネルレンズ部３１によって凸レンズ面３２に集光した後、受光素子９１に向けて集光する。また、胴部４の端面４ａに入射した光は、反射面４１で反射した後、胴部４の内周面４３で屈折し、受光素子９１に集光する。このため、受光素子９１は、所定の角度範囲にわたって十分な感度を有することになる。
【００３０】
（集光レンズ２のレンズ部３の詳細構成）
図３は、図２に示す集光レンズ２の各部位の寸法等を示す説明図である。
【００３１】
図２に示すように、本形態に集光レンズ２において、フレネルレンズ部３１の直径をφFresnelとし、凸レンズ面３２の直径をφASPとしたとき、φFresnel、およびφASPは、以下の式を満している。
φASP≦φFresnel・・条件式（１）
【００３２】
また、レンズ部３と受光素子９１との間に位置する媒体の屈折率をｎ1とし、レンズ部３の屈折率をｎ2とし、凸レンズ面３２の半径ｒとしたとき、φFresnel、φASP、ｎ1、ｎ2、ｄLens、およびｒは、以下の式を満たしている。
φASP≦φFresnel≦２×ｄLens×ｔａｎθ＋φASP・・条件式（２）
但し、θ＝Ｓｉｎ−１（（ｎ1×φASP）／（ｎ2×２×ｒ））
【００３３】
このため、集光レンズ２のうち、レンズ部３に入射した光の利用効率を高めることができる。すなわち、レンズ部３の最も外縁に入射した光であっても、凸レンズ面３２を介して受光素子９１の中心９０に到達するようになっており、それには、以下の条件を満たす必要がある。
【００３４】
まず、レンズ部３の一方側Ｌ１の面が、凸レンズ面３２の光軸Ｌ方向の最も一方側Ｌ１に位置する部分を通る平面であると仮定したとき、レンズ部３の光軸Ｌ方向の一方側Ｌ１の面の外縁と受光素子９１の中心９０とを結ぶ線が光軸Ｌとなす角度をθ1とし、レンズ部３の光軸Ｌ方向の一方側Ｌ１の面の外縁とフレネルレンズ部３１の外縁とを結ぶ線が光軸Ｌとなす角度をθとする。また、フレネルレンズ部３１において光軸Ｌ方向の最も他方側Ｌ２に位置する部分から凸レンズ面３２において光軸Ｌ方向の最も一方側Ｌ１に位置する部分までの距離をｄLensとし、ΦASPとφFresnelとの差の１／２をΔφとする。ここで、凸レンズ面３２が正パワーを有していなくても、レンズ部３の最も外縁に入射した光が受光素子９１の中心９０に到達するには、レンズ部３の最も外縁に入射した光が受光素子９１の中心９０に到達する必要があり、それには以下の条件を満たす必要がある。
【００３５】
まず、以下の式が成り立つ。
Δφ＝（φFresnel−φASP）／２＝ｄLens×ｔａｎθ
従って、以下の式が得られる。
φFresnel＝２×ｄLens×ｔａｎθ＋φASP
【００３６】
ここで、レンズ部３の最も外縁に入射した光が受光素子９１の中心９０に到達するには、以下の条件が成り立つ。
φFresnel≦φASP＋２×ｄLens×ｔａｎθ
【００３７】
また、スネルの法則からθ＜θ1なので、以下の条件式（１）、（２）が得られる。
φASP≦φFresnel・・条件式（１）
φASP≦φFresnel≦２×ｄLens×ｔａｎθ＋ΦASP・・条件式（２）
【００３８】
なお、θについてスネルの法則より、以下の式が成り立つ。
ｎ1×ｓｉｎθ1＝ｎ2×ｓｉｎθ
ｓｉｎθ＝（ｎ1×ｓｉｎθ1）／ｎ2
θ＝ｓｉｎ−１（（ｎ1×ｓｉｎθ1）／ｎ2））
θ＝Ｓｉｎ−１（（ｎ1×φASP）／（ｎ2×２×ｒ））
【００３９】
（集光レンズ２の反射面４１と凸レンズ面３２との関係）
凸レンズ面３２において光軸Ｌ方向の最も一方側Ｌに位置する部分から受光素子９１の中心９０までの距離をｄAirとし、反射面４１の光軸Ｌ方向における長さをｄMirrorとし、フレネルレンズ部３１において光軸Ｌ方向の最も他方側Ｌ２に位置する部分から凸レンズ面３２において最も一方側Ｌ１に位置する部分までの距離をｄLensとしたとき、ｄAir、ｄMirror、およびｄLensは、以下の式を満たしている。
ｄAir≦ｄMirror−ｄLens・・条件式（３）
【００４０】
このため、集光レンズ２のうち、反射面４１に入射した光の利用効率を高めることができる。すなわち、凸レンズ面３２において最も一方側Ｌに位置する部分から受光素子９１の中心９０までの距離ｄAirが適正であって、反射面４１が凸レンズ面３２より一方側Ｌ１まで延在している必要があり、それには、以下の式が成り立つ必要がある。
ｄLens＋ｄAir≦ｄMirror
【００４１】
それ故、以下の条件式（３）を得ることができる。
ｄAir≦ｄMirror−ｄLens・・条件式（３）
【００４２】
（集光レンズ２の反射面４１での全反射条件）
反射面４１が光軸Ｌとなす角度をθMirrorとしたとき、θMirror、およびｎ2は、以下の式を満している。
θMirror≦π／２−Ｓｉｎ−１（１／ｎ2）・・条件式（４）
【００４３】
このため、反射面４１に対する入射角度を臨界角より大きくすることができるので、反射面４１に金属層等の反射層を設けなくても、反射面４１に入射した光を全反射させることができる。それ故、簡素な構成で、反射面４１に入射した光の利用効率を高めることができる。すなわち、光軸Ｌに平行に進行してきた光が反射面４１に入射する際の臨界角をθnとし、空気層の屈折率を１としたとき、入射角θnとし、空気層の屈折率を１としたとき、スネルの法則から以下の式が成り立つ。
ｎ2×ｓｉｎθn＝１×ｓｉｎ（９０°）
ｓｉｎθn＝１／ｎ2
θn＝Ｓｉｎ−１（１／ｎ2）
【００４４】
それ故、以下のように、条件式（４）が得られる。
θMirror≦π／２−Ｓｉｎ−１（１／ｎ2）・・条件式（４）
（集光レンズ２の反射面４１の寸法）
【００４５】
胴部４の最も他方側Ｌ２に位置する部分の直径をφLensとしたとき、φLens、φASP、ｄLens、ｄMirror、ｄAir、およびθMirrorは、以下の式を満たしている。
φLens≦φASP＋２×（ｄLens＋ｄAir）×ｔａｎ（θMirror）・・条件式（５）
【００４６】
このため、集光レンズ２に入射した光の利用効率を高めることができる。すなわち、反射面４１は、胴部４の他方側Ｌ２の面から光軸Ｌ方向において受光素子９１に近い位置まで延在している方が好ましい。ここで、以下の式が成り立つ。
ΦLens／２≦ΦASP／２＋（ｄLens＋ｄAir）×ｔａｎ（θMirror）
【００４７】
それ故、以下の条件式（５）が得られる。
φLens≦φASP＋２×（ｄLens＋ｄAir）×ｔａｎ（θMirror）・・条件式（５）
【００４８】
（収差対策）
フレネルレンズ部３１を構成する各レンズ面３１０（図２参照）の曲率半径をＲFresnelとし、凸レンズ面３２の曲率半径をＲASPとしたとき、ＲFresnel、およびＲASPは、以下の式を満している。
ＲFresnel≧ＲASP
【００４９】
このため、集光レンズ２のうち、レンズ部３を通過する光の球面収差、コマ収差、非点収差を容易に低減することができる。それ故、感度を向上することができる。
【００５０】
（本形態の主な効果）
図４は、本発明を適用した光学ユニット１の感度の指向性を示すグラフであり、図４（ａ）、（ｂ）は、本発明を適用した光学ユニット１の感度の指向性のシミュレーション結果を示すグラフ、および砲弾形のレンズを用いた参考例の感度の指向性のシミュレーション結果を示すグラフである。
【００５１】
以上説明したように、本形態に係る光学ユニット１において、集光レンズ２のレンズ部３が光軸Ｌ方向の一方側Ｌ１に凸レンズ面３２を備え、光軸Ｌ方向の他方側Ｌ２に集光性のフレネルレンズ部３１を備えているため、レンズ部３は正のパワーを有している。このため、レンズ部３に対する一方側Ｌ１においてレンズ部３の光軸Ｌ上に設けた受光素子９１においては、所定の角度範囲にわたって十分な感度を有する。また、集光レンズ２は、レンズ部３の外周側で光軸Ｌ方向の一方側Ｌ１に突出した透光性の筒状の胴部４を備え、かかる胴部４の外周面４ｂには、他方側Ｌ２から一方側Ｌ１に向けて外径が連続的に縮小している反射面４１が設けられている。このため、胴部４に入射した光を反射面４１で反射して受光素子９１に入射させることができるので、正面方向の感度を高めることができる。従って、レンズ部３にフレネルレンズ部３１を設けることにより、集光レンズ２の光軸Ｌ方向の小型化を図った場合でも、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、砲弾形のレンズを用いた場合と同等の指向性を得ることができる。より具体的には、本形態の集光レンズ２によれば、光軸Ｌ方向の寸法を例えば６ｍｍ以下にまで小型化した場合でも、光軸Ｌ方向の寸法が１１ｍｍ程度の砲弾形のレンズと同様、正面（角度０°）を含めて、例えば、±３０°の角度範囲にわたって高い感度を得ることができる。従って、本形態によれば、光軸Ｌ方向における光学ユニット１や集光レンズ２の小型化を図ることができるとともに、適正な指向特性を実現することができる。
【００５２】
また、反射面４１では、胴部４と空気層とが接する界面での反射が利用される。このため、胴部４１の外周面に金属層等の反射層を設けなくても、反射面４１を構成することができるので、集光レンズ２の低コスト化を図ることができる。
【００５３】
また、本形態では、反射面４１の傾き等の構成を適正化すれば、胴部４の他方側Ｌ２の面については、平面とすることができるので、集光レンズ２の構成の簡素化を図ることができる。
【００５４】
また、胴部４の内周面４３は、他方側Ｌ２から一方側Ｌ１に向けて内径が連続的に拡大しているテーパ面になっているため、集光レンズ２のうち、胴部４に入射した光の利用効率を高めることができる。
【００５５】
（他の実施の形態）
上記実施の形態において、胴部４の他方側Ｌ２の端面４ａが平面になっていたが、胴部
４の他方側Ｌ２の端面４ａを、光軸Ｌの側から外周側に向けて湾曲した凸曲面としてもよい。
【００５６】
上記実施の形態では、反射面４１が円錐面であったが、反射面４１については、他方側Ｌ２から一方側Ｌ１に向けて外径が連続的に縮小している非球面や、断面が放物線の放物面であってもよい。かかる構成のうち、反射面４１が放物面であれば、受光素子９１への集光性等を高めることができる。
【００５７】
上記実施の形態では、光学素子９として受光素子９１を用いた場合を中心に説明したが、光学素子９として発光素子９２を用いる場合に本発明を適用してもよく、この場合、光学ユニット１から出射される光の指向性を改善することができる。
【符号の説明】
【００５８】
１  光学ユニット、２  集光レンズ、２ａ、３ａ、４ａ  端面、３  レンズ部、４  胴部、４ｂ  外周面、９  光学素子、３１  フレネルレンズ部、３２  凸レンズ面、４１  反射面、４３  内周面、９１  受光素子、９２  発光素子、３１０、３１１、３１２、３１３、３１４  レンズ面、３１５  凸曲面、Ｌ  光軸
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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