特許 5872236 光学モジュールおよび光学システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5872236

(24)【登録日】2016年1月22日

(45)【発行日】2016年3月1日

(54)【発明の名称】光学モジュールおよび光学システム

(51)【国際特許分類】

   G02B 3/08 20060101AFI20160216BHJP

   F21V 13/02 20060101ALI20160216BHJP

   F21V 5/04 20060101ALI20160216BHJP

   F21Y 115/10 20160101ALN20160216BHJP

【ＦＩ】

   G02B3/08

   F21V13/02 400

   F21V5/04

   F21Y101:02

【請求項の数】2

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2011-222463(P2011-222463)

(22)【出願日】2011年10月7日

(65)【公開番号】特開2013-83734(P2013-83734A)

(43)【公開日】2013年5月9日

【審査請求日】2014年8月25日

(73)【特許権者】

【識別番号】000002303

【氏名又は名称】スタンレー電気株式会社

(72)【発明者】

【氏名】岡田 英隆

【審査官】 藤岡 善行

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００８−２９３７９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−００９９２６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０２Ｂ ３／０８

Ｆ２１Ｖ １３／０２

Ｆ２１Ｖ ５／０４

Ｆ２１Ｓ ２／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

互いに光軸が１つの点に交差するように配置された複数の光源と、該複数の光源の光軸が交差する１つの点を焦点とする光学レンズとを備え、
前記光学レンズは、各光源のそれぞれに対応させて、第１の入光面と、第２の入光面と、全反射面とを有するとともに、光学レンズ光軸を有しており、
前記第１の入光面は、これに対応する光源からの光を前記焦点へ向けて屈折させ、
前記第２の入光面は、これに対応する光源からの光を前記全反射面に向けて屈折させ、 前記全反射面は、前記第２の入光面からの光を前記焦点へ向けて全反射するようになっており、
前記焦点は、前記光学レンズの出光面に対して前記光学レンズの内部に位置しており、
前記光学レンズの出光面は、球形状（球体）の少なくとも一部となっており、前記焦点は、この球形状（球体）の中心点となるように設定されており、
前記全反射面から前記焦点に向けて全反射された光の全てを出射できる位置まで、前記出光面の球形状（球体）が形成されており、
前記複数の光源の光軸は、前記出光面上のうち少なくとも前記出光面の端部、及び前記光学レンズ光軸と前記出光面との交点を通過せず、前記端部と前記交点との間の領域を通過することを特徴とする光学モジュール。

【請求項2】

請求項１記載の光学モジュールと、該光学モジュールの前記焦点を仮想光源として設計された光学系とを有し、該光学系によって前記光学モジュールからの光を制御することを特徴とする光学システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光学モジュールおよび光学システムに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、複数の光源からの光を１つの焦点に集光させる光学モジュールとして、特許文献１に記載されているものが知られている。図１は特許文献１に示されている光学モジュールの一例を示す図、図２は図１の光学モジュールの変形例を示す図である。

【0003】

図１または図２に示す従来の光学モジュールでは、複数の光源３０からの光を光学レンズ１００内に平行光で入光させ、または、光学レンズ１００内で屈折、全反射により平行光にした上で、この平行光を出光部２０で全反射、屈折させて、光学レンズ１００の外部の１つの焦点Ｆに集光させるようになっている。

【0004】

このような光学モジュールは、図３に示すように他の光学レンズ１１０と組み合わせたり、図４に示すように反射面１２０と組み合わせたりして、光学システムを設計、構築することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１１−１０８５８４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、上述した従来の光学モジュールでは、光学レンズ１００内において平行光を出光部２０で全反射と屈折とにより１つの焦点（集光点）Ｆに集光させるようにしているので、平行光を全反射、屈折させる分、光の利用効率が悪く、また、１つの焦点（集光点）Ｆにおける光の集光幅（面積）が大きくなってしまう（１つの焦点（集光点）を中心に所定の幅でばらついてしまう）という問題があった。

【0007】

また、上述した従来の光学モジュールでは、光学レンズ１００の外部の１つの焦点（集光点）Ｆに集光させるようになっているため、図３に示すような他の光学レンズ１１０と組み合わせたり、図４に示すような反射面１２０と組み合わせたりして、光学システムを設計、構築するときに、上記焦点（集光点）Ｆの位置がどこにあるかを把握しにくく、光学システムを設計、構築しずらい（他の光学レンズ１１０や反射面１２０を設計しずらい）という問題もあった。

【0008】

本発明は、光の利用効率を高め、１つの焦点（集光点）における光の集光幅（面積）を小さくすることができ、上記焦点（集光点）の位置を容易に把握することが可能な光学モジュールおよび光学システムを提供することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、互いに光軸が１つの点に交差するように配置された複数の光源と、該複数の光源の光軸が交差する１つの点を焦点とする光学レンズとを備え、
前記光学レンズは、各光源のそれぞれに対応させて、第１の入光面と、第２の入光面と、全反射面とを有するとともに、光学レンズ光軸を有しており、
前記第１の入光面は、これに対応する光源からの光を前記焦点へ向けて屈折させ、
前記第２の入光面は、これに対応する光源からの光を前記全反射面に向けて屈折させ、 前記全反射面は、前記第２の入光面からの光を前記焦点へ向けて全反射するようになっており、
前記焦点は、前記光学レンズの出光面に対して前記光学レンズの内部に位置しており、
前記光学レンズの出光面は、球形状（球体）の少なくとも一部となっており、前記焦点は、この球形状（球体）の中心点となるように設定されており、
前記全反射面から前記焦点に向けて全反射された光の全てを出射できる位置まで、前記出光面の球形状（球体）が形成されており、
前記複数の光源の光軸は、前記出光面上のうち少なくとも前記出光面の端部、及び前記光学レンズ光軸と前記出光面との交点を通過せず、前記端部と前記交点との間の領域を通過することを特徴とする光学モジュールである。

【0011】

また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の光学モジュールと、該光学モジュールの前記焦点を仮想光源として設計された光学系とを有し、該光学系によって前記光学モジュールからの光を制御することを特徴とする光学システムである。

【発明の効果】

【0012】

請求項１記載の発明によれば、光の利用効率を高め、１つの焦点（集光点）における光の集光幅（面積）を小さくすることができ、さらに、上記焦点（集光点）の位置を容易に把握することが可能となる。

【0014】

また、請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の光学モジュールと、該光学モジュールの前記焦点を仮想光源として設計された光学系とを有し、該光学系によって前記光学モジュールからの光を制御するようになっており、請求項１記載の光学モジュールが用いられることにより、光学システムの設計、構築を容易に行うことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】特許文献１に示されている光学モジュールの一例を示す図である。

【図2】図１の光学モジュールの変形例を示す図である。

【図3】従来の光学システムの一例を示す図である。

【図4】従来の光学システムの他の例を示す図である。

【図5】本発明の光学モジュールの一構成例を示す図である。

【図6】本発明の光学モジュールの一構成例を示す図である。

【図7】本発明の光学モジュールの一構成例を示す図である。

【図8】本発明の光学モジュールを用いた光学システムの構成例を示す図である。

【図9】図８の光学システムの具体例を示す図である。

【図10】図８の光学システムの具体例を示す図である。

【発明を実施するための最良の形態】

【0016】

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

【0017】

図５、図６、図７は本発明の光学モジュールの一構成例を示す図である。なお、図５は断面図、図６は図５の矢印Ａの方向から見た上面図、図７は図５の矢印Ｂの方向から見た底面図である。

【0018】

図５、図６、図７を参照すると、この光学モジュール１０は、互いに光軸Ｘ１が１つの点Ｆ０に交差するように配置された複数の光源１と、該複数の光源１の光軸Ｘ１が交差する１つの点Ｆ０を焦点とする光学レンズ２とを備えている。なお、図５、図６、図７において、Ｘ２は光学レンズ２の光軸である。

【0019】

ここで、各光源１には、発光ダイオード（ＬＥＤ）等を用いることができる。

【0020】

また、光学レンズ２は、各光源１のそれぞれに対応させて、第１の入光面３と、第２の入光面４と、全反射面５と、出光面６とを有し、第１の入光面３は、これに対応する光源１からの光を焦点Ｆ０へ向けて屈折させ、第２の入光面４は、これに対応する光源１からの光を全反射面５に向けて屈折させ、全反射面５は、第２の入光面４からの光を焦点Ｆ０へ向けて全反射するようになっている。

【0021】

より詳細に、図５、図６、図７の例では、第１の入光面３、第２の入光面４、全反射面５は、これに対応する光源１の光軸Ｘ１を回転軸とした回転体形状となっている。また、第２の入光面４は、これに対応する光源１の光軸Ｘ１に対して角度θ（０°〜臨界角（実用的には、２°〜臨界角））で開いた面形状となっており、角度θが大きい程、第２の入光面４に入射した光は屈折角が小さくなるので、角度θはできる限り小さい方が好ましい。また、全反射面５の裏側には、アルミ蒸着等の表面処理が施されていても良い。

【0022】

また、この光学モジュール１０では、上記焦点Ｆ０は、光学レンズ２の出光面６に対して光学レンズ２の内部、または、光学レンズ２の出光面６上に位置しており、焦点Ｆ０に集光された後の光は、光学レンズ２の出光面６から外部に出射するようになっている。ここで、図５、図６、図７の例では、出光面６は、例えば所定の半径Ｒ（実用的な任意の大きさに設定可能）をもつ球形状（球体）の表面の少なくとも一部となっており、この球形状（球体）の中心点が焦点Ｆ０となるように設定されている（すなわち、出光面６は、焦点Ｆ０に集光された後の光が出光面６によって屈折されずにそのまま透過する形状のものとなっている）。

【0023】

このような構成の光学モジュール１０では、互いに光軸Ｘ１が１つの点Ｆ０に交差するように配置された複数の光源１と、該複数の光源１の光軸Ｘ１が交差する１つの点Ｆ０を焦点とする光学レンズ２とを備えており、複数の光源１からの光の多くをより直接的に焦点Ｆ０に集光させるので（複数の光源１の各々と焦点Ｆ０とが光学的に直結しているので）、従来技術のように平行光を全反射と屈折とにより焦点（集光点）Ｆに集光させる場合に比べて、光の利用効率（光の利用率）を高めることができ、また、１つの焦点（集光点）Ｆ０における光の集光幅（面積）を小さくすることができる。

【0024】

また、このような構成の光学モジュール１０では、上記焦点Ｆ０は、光学レンズ２の出光面６に対して光学レンズ２の内部、または、光学レンズ２の出光面６上に位置しているので、上記焦点（集光点）Ｆ０の位置を容易に把握することが可能となる。特に、光学レンズ２の出光面６が、例えば所定の半径をもつ球形状（球体）の表面の少なくとも一部となっており、この球形状（球体）の中心点が焦点Ｆ０となるように設定されているときには、上記焦点（集光点）Ｆ０の位置を極めて容易に把握することが可能となる。

【0025】

このように、光学モジュール１０は上記のような利点を有しているので、図８に示すように、光学モジュール１０と、光学モジュール１０の上記焦点Ｆ０を仮想光源として設計された光学系１２とを組み合わせ、該光学系１２によって光学モジュール１０からの光を制御する光学システムを設計、構築するとき、このような光学システムを容易に設計、構築することが可能となる。

【0026】

図９には、図８に示すような光学システムの一例が示されている。図９の光学システムは、光学系１２が、光学モジュール１０の光学レンズ２の上方に設けられた集光レンズ１３として構成されており、集光レンズ１３は、光学レンズ２の焦点Ｆ０に集光され出光面６から出射された光を所定の光分布のものにするようになっている（図９の例では、出光面６から出射された光を光学システム（例えば灯具）の光軸方向Ｘ２（この例では、光学レンズ２の光軸Ｘ２と同じ方向となっている）へ平行光にするようになっている）。この場合、本発明では、上述したような光学モジュール１０が用いられることにより（光学レンズ２の焦点（集光点）Ｆ０の位置を極めて容易に把握することができ、光学レンズ２の焦点（集光点）Ｆ０における光の集光幅（面積）を小さくすることができることにより）、集光レンズ１３の設計が極めて容易となる（視覚的に設計、検討することができる）。

【0027】

また、図１０には、図８に示すような光学システムの他の例が示されている。図１０の光学システムは、光学系１２が、光学モジュール１０の光学レンズ２の上方に設けられた集光レンズ１４と、反射面１５として構成されており、集光レンズ１４は、光学レンズ２の焦点Ｆ０に集光され出光面６から出射された光を所定の光分布のものにするようになっている（図１０の例では、光学システム（例えば灯具）の光軸方向Ｘ２（この例では、光学レンズ２の光軸Ｘ２と同じ方向となっている）へ平行光にするようになっている）。また、反射面１５は、焦点Ｆ０に焦点をもつ放物面であり、この放物反射面１５の内面には、アルミ蒸着等の表面処理が施されている。この放物反射面１５は、焦点Ｆ０に焦点をもつ放物面であることから、光学レンズ２の焦点Ｆ０に集光され出光面６から出射された光を所定の光分布のものにするようになっている（図１０の例では、光学システム（例えば灯具）の光軸方向Ｘ２（この例では、光学レンズ２の光軸Ｘ２と同じ方向となっている）へ平行光にするようになっている）。このように、図１０の光学システムも、集光レンズ１４と反射面１５とにより、出光面６から出射された光を所定の光分布のものにするようになっている（図１０の例では、光学システム（例えば灯具）の光軸方向Ｘ２（この例では、光学レンズ２の光軸Ｘ２と同じ方向となっている）へ平行光にするようになっている）。この場合、本発明では、上述したような光学モジュール１０が用いられることにより（光学レンズ２の焦点（集光点）Ｆ０の位置を極めて容易に把握することができ、光学レンズ２の焦点（集光点）Ｆ０における光の集光幅（面積）を小さくすることができることにより）、集光レンズ１４、反射面１５の設計が極めて容易となる（視覚的に設計、検討することができる）。

【0028】

具体的に、光学システムとして例えばスポットレンズを設計する際に、本発明では、上述したような光学モジュール１０が用いられることにより（光学レンズ２の焦点（集光点）Ｆ０における光の集光幅（面積）を小さくすることができることにより）、光源面積を小さな扱いで設計できるので、従来に比べて、スポット光をより容易に得ることができる。

【0029】

なお、上述の例では、光学レンズ２の第１の入光面３、第２の入光面４、全反射面５は、これに対応する光源１の光軸Ｘ１を回転軸とした回転体形状であるとしたが、光学レンズ２の第１の入光面３、第２の入光面４、全反射面５を多角形形状（例えば８角形形状など）のものにすることも可能である。

【0030】

また、上述した光学システムにより、灯具を構成することもできる。

【産業上の利用可能性】

【0031】

本発明は、スポットライト照明、ビームライト照明、ライトアップ照明等の一般照明全般に利用可能である。

【符号の説明】

【0032】

１ 光源
２ 光学レンズ
３ 第１の入光面
４ 第２の入光面
５ 全反射面
６ 出光面
１０ 光学モジュール
１２ 光学系
１３、１４ 集光レンズ
１５ 反射面

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】