特許 6413651 フレネルレンズおよびフレネルレンズの製造方法

(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】6413651

(24)【登録日】2018年10月12日

(45)【発行日】2018年10月31日

(54)【発明の名称】フレネルレンズおよびフレネルレンズの製造方法

(51)【国際特許分類】

   B29C 33/44 20060101AFI20181022BHJP

   G02B 3/08 20060101ALI20181022BHJP

   H02S 40/22 20140101ALI20181022BHJP

   B29L 11/00 20060101ALN20181022BHJP

【ＦＩ】

   B29C33/44

   G02B3/08

   H02S40/22

   B29L11:00

【請求項の数】4

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2014-223929(P2014-223929)

(22)【出願日】2014年11月4日

(65)【公開番号】特開2015-128895(P2015-128895A)

(43)【公開日】2015年7月16日

【審査請求日】2017年9月25日

(31)【優先権主張番号】特願2013-250882(P2013-250882)

(32)【優先日】2013年12月4日

(33)【優先権主張国】JP

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）（出願人による申告）国等の委託研究の成果に係る特許出願（平成２３年度革新的太陽光発電技術研究開発、産業活力再生特別措置法第３０条の適用を受けるもの）

(73)【特許権者】

【識別番号】000003713

【氏名又は名称】大同特殊鋼株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002158

【氏名又は名称】特許業務法人上野特許事務所

(74)【代理人】

【識別番号】100095669

【弁理士】

【氏名又は名称】上野 登

(72)【発明者】

【氏名】永井 宏和

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 政也

(72)【発明者】

【氏名】徳安 大地

(72)【発明者】

【氏名】保浦 健二

(72)【発明者】

【氏名】荒木 建次

【審査官】 山本 雄一

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１２−６１７３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開昭５６−２６７０１（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 特開２００３−１９５０１３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２９Ｃ ３３／００−３３／７６

Ｇ０２Ｂ ３／０８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

樹脂よりなり、光軸を中心とする曲面形状の内側に、複数のプリズム面を有し、
前記プリズム面が前記光軸方向に対してアンダーカットとなっていない非アンダーカット部と、前記非アンダーカット部と隣接して前記非アンダーカット部よりも前記光軸から離れた部位に形成され、前記プリズム面が前記光軸に対してアンダーカットとなっているアンダーカット部とを有し、
前記非アンダーカット部と前記アンダーカット部との境界に位置するプリズム面の、前記非アンダーカット部と前記アンダーカット部の隣接方向に沿った幅は、隣接する２つのプリズム面のうち小さい方の幅の２倍以上であることを特徴とするフレネルレンズ。

【請求項2】

前記非アンダーカット部、前記アンダーカット部、前記境界において、等しい肉厚を有していることを特徴とする請求項１に記載のフレネルレンズ。

【請求項3】

前記フレネルレンズは、相互に平行な第一辺と第二辺を有する平行四辺形と、前記平行四辺形の第一辺を底辺とする三角形と、からなる五角形を断面に有する五角形プリズムが複数集合された形状を有し、
各五角形プリズムは、前記平行四辺形の第一辺と第二辺の間の距離が等しくなっており、前記平行四辺形の第二辺が入射面となり、前記三角形の底辺以外の辺の一方が前記プリズム面となるように、前記平行四辺形の第一辺および第二辺に交差する辺において隣接されていることを特徴とする請求項２に記載のフレネルレンズ。

【請求項4】

請求項１から３のいずれか１項に記載のフレネルレンズを製造する方法において、
金型を前記曲面形状の内側から抜くに際し、
前記アンダーカット部と前記非アンダーカット部の境界で前記金型を分割し、前記非アンダーカット部に位置する金型を前記光軸方向に抜いた後、
前記アンダーカット部に位置する金型を前記光軸側にずらして抜くことを特徴とするフレネルレンズの製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、フレネルレンズおよびその製造方法に関するものであり、さらに詳しくは、曲面の内側にプリズム面を有する樹脂製フレネルレンズおよびその製造方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

集光型太陽光発電装置においては、曲面形状を有するフレネルレンズを用いて、太陽光の集光が行われることが多い。例えば特許文献１，２に示されるように、この種のフレネルレンズにおいては、曲面形状の外側の面が平滑な入射面とされる。そして、曲面形状の内側面には複数の同心円状の突条が形成され、突条を構成する光軸から離れた側の面がプリズム面とされる。プリズム面から出射された光は、光軸上の焦点に集光される。

【0003】

金型成形を用いてこのようなフレネルレンズを樹脂より製造するに場合に、曲面形状の内側に形成されるプリズム面が、光軸方向に型開きを行う際にアンダーカットとなる。このようなアンダーカット構造を有する内側面から金型を抜くために、特許文献１に示されるように、金型が複数に分割される。つまり、光軸を含む部位に配置されたセンターコアと、センターコアの周囲に配置されたスライドコアとに金型を分割し、センターコアを抜いた後に、スライドコアを径方向にスライドさせて抜く。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００６−３５８１７号公報

【特許文献2】特開２０１２−９８４６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１に示されるように、金型を複数に分割して抜く場合、金型の分割境界に位置するフレネルレンズのプリズム面と、分割した金型の端縁とが摺動し、このプリズム面に損傷が生じるおそれがある。すると、このプリズム面の光学特性が変化し、設計どおりの光透過率（レンズ効率）や集光率が得られなくなる可能性がある。また、摺動によってプリズム面に損傷までは生じなくても、プリズム面の機械的強度が低下する可能性がある。

【0006】

本発明が解決しようとする課題は、金型成形時に、金型との摺動によってプリズム面に損傷や機械的強度の低下が発生することで光学特性が劣化するのが抑制されたフレネルレンズを提供すること、およびそのようなフレネルレンズの製造方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記課題を解決するために、本発明にかかるフレネルレンズは、樹脂よりなり、光軸を中心とする曲面形状の内側に、複数のプリズム面を有し、前記プリズム面が前記光軸方向に対してアンダーカットとなっていない非アンダーカット部と、前記非アンダーカット部と隣接して前記非アンダーカット部よりも前記光軸から離れた部位に形成され、前記プリズム面が前記光軸に対してアンダーカットとなっているアンダーカット部とを有し、前記非アンダーカット部と前記アンダーカット部との境界に位置するプリズム面の、前記非アンダーカット部と前記アンダーカット部の隣接方向に沿った幅は、隣接する２つのプリズム面のうち小さい方の幅の２倍以上であることを要旨とする。

【0008】

ここで、前記フレネルレンズは、前記非アンダーカット部、前記アンダーカット部、前記境界において、等しい肉厚を有していることが好ましい。

【0009】

この場合に、前記フレネルレンズは、相互に平行な第一辺と第二辺を有する平行四辺形と、前記平行四辺形の第一辺を底辺とする三角形と、からなる五角形を断面に有する五角形プリズムが複数集合された形状を有し、各五角形プリズムは、前記平行四辺形の第一辺と第二辺の間の距離が等しくなっており、前記平行四辺形の第二辺が入射面となり、前記三角形の底辺以外の辺の一方が前記プリズム面となるように、前記平行四辺形の第一辺および第二辺に交差する辺において隣接されていることが好ましい。

【0010】

一方、本発明にかかるフレネルレンズの製造方法は、上記のようなフレネルレンズを製造する方法において、金型を前記曲面形状の内側から抜くに際し、前記アンダーカット部と前記非アンダーカット部の境界で前記金型を分割し、前記非アンダーカット部に位置する金型を前記光軸方向に抜いた後、前記アンダーカット部に位置する金型を前記光軸側にずらして抜くことを要旨とする。

【発明の効果】

【0011】

上記発明にかかるフレネルレンズは、成形後、非アンダーカット部とアンダーカット部との境界で金型を分割し、非アンダーカット部に対応する金型を抜いた後、アンダーカット部に対応する金型を光軸側にずらして抜くことで、製造することができる。この際、非アンダーカット部とアンダーカット部の境界に位置するプリズム面が、分割した金型の端縁と摺動するが、このプリズム面が隣接するプリズム面の２倍以上の幅を有していることで、摺動時に他のプリズム面の幅と同じ幅領域にわたってプリズム面の損傷や強度低下が起こったとしても、他のプリズム面の幅と同じかそれよりも広い幅を有する残りの領域には損傷や機械的強度の低下が発生しない。これにより、非アンダーカット部とアンダーカット部の間に幅の広いプリズム部が設けられない場合に比べ、透過率（レンズ効率）や集光率の低下等、離型時の摺動によるフレネルレンズの光学特性の低下が起こりにくくなる。

【0012】

ここで、フレネルレンズが、非アンダーカット部、アンダーカット部、境界において、等しい肉厚を有している場合には、フレネルレンズ全体において、一定の機械強度を得ることができる。

【0013】

この場合に、フレネルレンズを上記のような五角形プリズムの集合体として形成すれば、フレネルレンズ全体において、フレネルレンズの肉厚となる平行四辺形の第一辺と第二辺の間の距離を一定としながら、各プリズム面から出射した光を焦点上に集光できるフレネルレンズを設計することができる。

【0014】

一方、上記発明にかかるフレネルレンズの製造方法においては、隣接するプリズム面の２倍の幅を有するプリズム面が形成されている非アンダーカット部とアンダーカット部の境界で金型の分割を行うので、分割された金型の端縁とプリズム面が摺動したとしても、その摺動によって、境界部のプリズム面全体に損傷や機械的強度の低下を与えることが避けられる。これにより、製造されたフレネルレンズにおいて、光学特性が低下するのを抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】本発明の一実施形態にかかるフレネルレンズの概略を示す上面図である。

【図2】上記フレネルレンズの斜視図である。

【図3】上記フレネルレンズの断面図であり、（ａ）は全体図、（ｂ）は非アンダーカット部を示す拡大図である。図（ｂ）中には、円で囲んだ部位をさらに拡大したものも併せて示している。

【図4】上記フレネルレンズの断面図であり、（ａ）は全体図、（ｂ）はアンダーカット部を示す拡大図である。

【図5】非アンダーカット部とアンダーカット部の境界付近を示す図であり、（ａ）はレンズ内面を光軸に沿って見た状態、（ｂ）は断面を示している。

【図6】上記フレネルレンズを製造するための金型を示す斜視図であり、（ａ）は内側用型、（ｂ）は外側用型である。

【図7】上記フレネルレンズの製造方法を示す模式図であり、（ａ），（ｂ）は離型の工程を順に示している。金型（内側用型）のみの概略斜視図を示すとともに、金型とレンズの関係を断面図（Ｘ−ＸおよびＹ−Ｙ断面）にて示す。

【図8】上記フレネルレンズの製造方法において図７に続く工程を順に示す模式図である。

【図9】レンズ効率の測定方法を示す模式図である。

【図10】上記フレネルレンズにおけるレンズ効率の測定結果を示す図であり、（ａ）は本発明の実施形態にかかるレンズ、（ｂ）は従来のレンズを示している。図（ｂ）には、各領域を識別するための補助線と符号も併せて示している。

【図11】（ａ）五角形プリズムを示す概略図と、（ｂ）五角形プリズムを集合させて設計したフレネルレンズを示す概略図である。

【図12】上記フレネルレンズを用いた太陽光発電装置の一例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、本発明の一実施形態にかかるフレネルレンズについて、図面を参照しながら説明する。

【0017】

［太陽光発電装置］
最初に、本発明の一実施形態にかかるフレネルレンズ１０が好適に使用される太陽光発電装置５０について、簡単に説明する。図１２に、太陽光発電装置５０の概略を示す。太陽光発電装置５０は、入射された太陽光の光エネルギーを電気エネルギーに変換し、出力するものである。太陽光発電装置５０は、複数のフレネルレンズ１０と、複数の発電レシーバ５１が、マトリクス状に支持板５３上に配置されてなる。フレネルレンズ１０は、１つ１つが曲面形状を有し、各発電レシーバ５１に対応して、多数がマトリクス状に配列されている。なお、太陽光発電装置５０においては、昆虫や雨滴の侵入を避けるために外周部に壁面部材が設けられ、発電レシーバ５１がフレネルレンズ１０および支持板５３と壁面部材によって形成された筐体に収容されてもよいが、図１２では壁面部材を除いて示している。

【0018】

フレネルレンズ１０は、一次光学系として、発電レシーバ５１に太陽光を集光する役割を果たす。発電レシーバ５１は、半導体よりなる太陽光発電素子５２を備え、集光された太陽光の光エネルギーを電気エネルギーに変換して出力する。発電レシーバ５１は、太陽光発電素子５２に加え、集光した太陽光を空間的に均一にして太陽光発電素子５２の表面に導く光学部材（二次光学系またはホモジナイザと称する；図略）、および太陽光発電素子５２によって得られた電流の取り出し等に使用される回路系（図略）等を備える。

【0019】

太陽光発電素子５２は、半導体表面（受光面）の中心がフレネルレンズ１０の焦点位置となるように、かつ半導体表面がフレネルレンズ１０の光軸に垂直になるように配置される。太陽光がフレネルレンズ１０の光軸（回転対称軸）に平行に入射されると、太陽光発電素子５２の半導体表面上の焦点位置にスポット状に集光され、高い電流密度で発電が行われる。よって、フレネルレンズ１０を備えない平板型の太陽光発電装置と比較して、小面積の太陽光発電素子５２を用いて高効率の発電を行うことができる。

【0020】

このように、太陽光発電装置５０は、フレネルレンズ１０で太陽光を集光して発電を行うものであるので、フレネルレンズ１０の光軸が、太陽光の入射方向に向いている場合に、太陽光発電装置５０での発電効率が最も高くなる。このため、太陽光発電装置５０は方位角方向および高度方向の配置角度を変化させられる太陽追尾装置（不図示）に支持されており、常にフレネルレンズ１０の光軸が太陽光の入射方向に向くように制御されている。これにより、太陽の天球上での位置が変化しても高効率での発電が持続される。

【0021】

［フレネルレンズの構成］
以下、図１〜図５を参照しながら、フレネルレンズ１０の構成について説明する。

【0022】

図１，２および図３（ａ）、図４（ａ）に全体像を示すように、フレネルレンズ１０は、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）に代表されるアクリル系、ポリカーボネート系等の樹脂材料よりなり、光軸Ａを中心としてドーム状に盛り上がった曲面形状（例えば略部分球形状）を有している。入射面となる曲面形状の外側面（凸面）１４は、平滑な面を有している。一方、内側面（凹面）１５には、平滑な基面１５ａから内側に突出して、光軸Ａを中心とした同心円状の突条が多数形成されている。各突条は、フレネルレンズ１０の径方向に直交する断面が鋸歯状の形状を有し、各突条を構成する径方向外側の平面が、入射した太陽光を屈折させて光軸Ａ上の焦点に集光するプリズム面Ｐ１〜Ｐ３となっている。一方、各突条の径方向内側の面は、各プリズム面を分割する分割面Ｓ１〜Ｓ３となっている。フレネルレンズ１０全体にわたり、内側面１５の基面１５ａの径方向に、プリズム面と分割面が交互に形成されている。本実施形態にかかるフレネルレンズ１０は、プリズム面Ｐ１〜Ｐ３の幅（フレネルレンズ１０の面内における径方向に沿った長さ）Ｗ１〜Ｗ３の設定に特徴を有する。また、フレネルレンズ１０の肉厚ｄ、つまり外側面１４と内側面１５の基面１５ａとの間の距離が、全域で等しくなっていることが好ましい。

【0023】

図１，２に示すように、フレネルレンズ１０は、非アンダーカット部１１、第一アンダーカット部１２、第二アンダーカット部１３よりなる。非アンダーカット部１１は、光軸Ａを含む略円形の部分として、フレネルレンズ１０の中央部に設けられている。そして、非アンダーカット部１１の径方向外側に隣接して、４つの第一アンダーカット部１２が配置されている。さらに、各第一アンダーカット部１２の間に、計４つの第二アンダーカット部１３が配置されている。非アンダーカット部１１、第一アンダーカット部１２、第二アンダーカット部１３は、全て一体に連続して樹脂材料より成形されており、境界部に不連続な破断部や接合部等を有するわけではないが、後述するように、成形時に用いる金型がこれらの領域の境界で分割されているため、図１，２に示すように、フレネルレンズ１０の内側面１５には、各部の境界に当たる部位に、金型の分割境界によって形成される筋状の痕跡１６が現れている。

【0024】

図３に、非アンダーカット部１１の構成を示す。非アンダーカット部１１は、光軸Ａを含むフレネルレンズ１０の頂部に形成されている。フレネルレンズ１０の頂部は、内側に向かって窪んだ形状をとっている。これは、外側面１４で光線を外側に屈折させるようにすることで、後述する分割面Ｓ１を内側に向けることができ、これによってフレネルレンズ１０の製造時に金型が抜きやすくなるからである。非アンダーカット部１１のプリズム面Ｐ１は、光軸Ａに対してθ１の角度を有している。ここで、角度θ１は、フレネルレンズ１０内側の光軸Ａ上から径方向外側を通り、フレネルレンズ１０外側の光軸Ａ上に向かう角度として規定する。以降、光軸Ａを基準として記載する全角度（φ１，θ２，φ２）についても同様とする。プリズム面Ｐ１を透過する光を光軸Ａ上の点に集光する必要から、光軸Ａに対するプリズム面Ｐ１の角度θ１は、９０°≦θ１＜１８０°となっている。なお、図３では、光軸Ａから離れた位置に入射した光も高効率で光軸Ａ上の焦点に集めるため、プリズム面Ｐ１の角度θ１は、径方向外側ほど大きくなっている。一方、分割面Ｓ１の光軸Ａに対する角度φ１は、φ１≧０°となっている。図３では、φ１≒０°としており、図３（ｂ）中の円で囲んだ拡大図では、分かりやすいように、φ１を実際よりも大きくして示している。プリズム面Ｐ１の角度θ１と分割面Ｓ１の角度φ１がこのような値をとっていることで、非アンダーカット部１１のプリズム面Ｐ１は、光軸Ａ方向に対してアンダーカットとなっていない。つまり、金型成形時にプリズム面Ｐ１および分割面Ｓ１よりなる突条が、光軸Ａに沿って金型を抜く際に引掛りを形成するアンダーカットとならない。プリズム面Ｐ１は、幅Ｗ１を有している。なお、プリズム面Ｐ１の幅Ｗ１および角度θ１、φ１は、全てのプリズム面Ｐ１および分割面Ｓ１において同じでなくてもよく、例えば連続的に変化してもよい。

【0025】

図４にアンダーカット部１２，１３の構成を示す。アンダーカット部１２，１３は、図に示すように、第一アンダーカット部１２と第二アンダーカット部１３よりなり、非アンダーカット部１１とフレネルレンズ１０の径方向に隣接して、光軸Ａから離れた部位に形成されている。第一アンダーカット部１２と第二アンダーカット部１３は、上述したように一体に連続しており、同じ断面形状を有する連続した突条を内側面１５に有している。アンダーカット部１２，１３は、フレネルレンズ１０の径方向外側の、曲面状に傾斜した面に形成されている。アンダーカット部１２，１３のプリズム面Ｐ２は、光軸Ａに対して角度θ２を有している。また、分割面Ｓ２は、光軸Ａに対して角度φ２を有している。プリズム面Ｐ２の角度θ２は、プリズム面Ｐ２を透過する光を光軸Ａ上の点に集光する必要から、９０°≦θ２＜１８０°となっている。また、光軸Ａから離れた位置に存在するアンダーカット部１２，１３に入射した光を光軸Ａ上の焦点に集光するため、アンダーカット部１２，１３のプリズム面Ｐ２の角度θ２は、非アンダーカット部１１のプリズム面Ｐ１の角度θ１よりも大きくなっている。一方、分割面Ｓ２の光軸Ａに対する角度φ２は、分割面Ｓ２で光が全反射するのを避けるため、φ２＜０°となっている。プリズム面Ｐ２の角度θ２および分割面Ｓ２の角度φ２が上記のような値をとっているため、アンダーカット部１２，１３のプリズム面Ｐ２は、光軸Ａ方向に対してアンダーカットとなっている。つまり、金型成形時にプリズム面Ｐ２および分割面Ｓ２よりなる突条が、光軸Ａに沿って型を抜く際に引掛りを形成するアンダーカットとなる。

【0026】

アンダーカット部１２，１３のプリズム面Ｐ２は、幅Ｗ２を有している。アンダーカット部１２，１３のプリズム面Ｐ２の幅Ｗ２は、非アンダーカット部１１のプリズム面Ｐ１の幅Ｗ１と同じであっても、異なっていても構わないが、本実施形態においては、幅Ｗ２を幅Ｗ１よりも狭くしている。プリズム面Ｐ２の幅Ｗ２および角度θ２、φ２は、全てのプリズム面Ｐ２および分割面Ｓ２において同じでなくてもよく、例えば連続的に変化してもよい。

【0027】

なお、光学的な要請からは、フレネルレンズ１０全体がアンダーカット部１２，１３より形成されていてもよいが、後述するように、金型成形において、金型を分割することで離型が行えるように、頂部の領域に非アンダーカット部１１が形成されている。

【0028】

図５に、非アンダーカット部１１とアンダーカット部１２，１３の間の境界Ｂ近傍の構成を示す。境界プリズム面Ｐ３は、幅Ｗ３を有している。なお、各プリズム面Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３の幅Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３は、実際のプリズム面Ｐ１〜Ｐ３の面に沿って、フレネルレンズ１０の径方向に測定した長さであるが、図５の光軸Ａに平行に見た図においては、各部の幅は、光軸Ａに直交する面に投影した際の幅Ｗ１’，Ｗ２’，Ｗ３’として表示している。

【0029】

境界プリズム面Ｐ３の幅Ｗ３は、非アンダーカット部１１のプリズム面Ｐ１の幅Ｗ１、およびアンダーカット部１２，１３のプリズム面Ｐ２の幅Ｗ２のうち小さい方の２倍以上となっている。ここで、プリズム面Ｐ１，Ｐ２の幅Ｗ１，Ｗ２が、それぞれ全プリズム面Ｐ１，Ｐ２において同じでない場合には、境界プリズム面Ｐ３の幅Ｗ３は、境界プリズム面Ｐ３に隣接するプリズム面Ｐ１の幅Ｗ１およびプリズム面Ｐ２の幅Ｗ２のうち小さい方の２倍以上である。さらに好ましくは、境界プリズム面Ｐ３の幅Ｗ３は、非アンダーカット部１１のプリズム面Ｐ１の幅Ｗ１、およびアンダーカット部１２，１３のプリズム面Ｐ２の幅Ｗ２のいずれもの２倍以上であるとよい。

【0030】

［フレネルレンズの製造方法］
次に、上記のようなフレネルレンズ１０を製造するための、本発明の一実施形態にかかるフレネルレンズの製造方法について説明する。フレネルレンズ１０は、図６に示すような金型を用いた射出成型によって形成される。つまり、重ね合わせた際に間に空間を有するように形成された内側用型２０（図６（ａ））と外側用型３０（図６（ｂ））とを用い、その空間に溶融樹脂を流し込み、凝固後に型を抜く（離型する）ことによってフレネルレンズ１０を製造することができる。山形の形状を有する内側用型２０によって、フレネルレンズ１０の内側面１５が成形され、窪み形状を有する外側用型３０によって外側面１４が成形される。本明細書では、製造装置や製造工程の詳細につての説明は省略するが、特許文献１に記載されているのと同様の製造装置および製造工程を適用することができる。

【0031】

本製造方法においては、内側用型２０の抜き方に特徴を有する。図７，８に、内側用型２０を抜く工程を模式的に示す。図では、各工程について、内側用型２０のみの概略斜視図と、内側用型２０とフレネルレンズ１０の関係を示すＸ−Ｘ断面図およびＹ−Ｙ断面図を示している。なお、図においては、各工程を分かりやすいように示しており、各部材の位置関係等は、必ずしも実際のものと一致するわけではない。

【0032】

図６（ａ）および図７（ａ）に示すように、本製造方法に用いる内側用型２０は、センターコア２１、第一スライドコア２２、第二スライドコア２３よりなっている。センターコア２１はフレネルレンズ１０の非アンダーカット部１１に、第一スライドコア２２は第一アンダーカット部１２に、第二スライドコア２３は第二アンダーカット部１３にそれぞれ対応し、各部の内側面１５を成形する。そして、センターコア２１と第一スライドコア２２および第二スライドコア２３との間の境界は、フレネルレンズ１０の非アンダーカット部１１とアンダーカット部１２，１３の間の境界Ｂに一致している。第一スライドコア２２は、内側用型２０の径方向（中心部から周辺部に向かう方向）に細長い形状を有しているが、その幅は、中心部において広く、周辺部に向かうほど狭くなっている。各コア２１，２２，２３は、離型時に分割できるように、分離した部材で形成しておくか、一体の部材として形成して境界部にひびを形成しておく。

【0033】

図７（ａ）のように、フレネルレンズ１０を成形し、外側用型を開いた後、図７（ｂ）のように、内側用型２０のセンターコア２１と第一スライドコア２２および第二スライドコア２３との間を分割し、センターコア２１を光軸Ａ方向に沿って内側に抜く（方向Ｄ１）。非アンダーカット部１１には、アンダーカットが形成されていないので、センターコア２１をこのようにして光軸Ａに沿って抜くことが可能である。一方、アンダーカット部１２，１３には、光軸Ａ方向に対するアンダーカットが形成されているので、第一スライドコア２２および第二スライドコア２３をセンターコア２１のように光軸Ａ方向に沿って抜くことはできない。

【0034】

そこで次に、図８（ａ）のように、第一スライドコア２２を第二スライドコア２３と分割し、フレネルレンズ１０の光軸Ａの側に向かってずらす（方向Ｄ２）。第一スライドコア２２の幅が、中心側ほど広く、周辺部側ほど狭くなっているので、このように、センターコア２１を抜いてできた中心部の空間に向かって第二スライドコア２２をずらす操作が行いやすくなっている。これにより、フレネルレンズ１０の第一アンダーカット部１２から第一スライドコア２２を抜くことができる。

【0035】

最後に、図８（ｂ）のように、センターコア２２を抜いて生じた空間と、第一スライドコア２２をずらすことで第一スライドコア２２と第二スライドコア２３の間に生じた空隙を利用して、第二スライドコア２３を、径方向内側に向かって、倒すようにする（方向Ｄ３）。これにより、第二スライドコア２３を、第二アンダーカット部１３から抜くことができる。なお、図８（ｂ）の斜視図では、見やすいように、４つの第二スライドコア２３のうち２つを抜いた後の状態を示している。このようにして、内側用型２０を分割して抜くことで、アンダーカット部１２，１３を有するフレネルレンズ１０を金型成形によって製造することができる。

【0036】

［離型時の摺動の影響］
フレネルレンズ１０を上記のように製造する場合に、図７（ｂ）の工程で、センターコア２１を光軸Ａ方向に沿って抜くに際し、センターコア２１の端縁に当接しているフレネルレンズ１０の境界部Ｂの部位において、境界プリズム面Ｐ３とセンターコア２１の端縁が摺動する。また、図８（ａ）で第一スライドコア２２を光軸Ａに向かってずらす際に、境界プリズム面Ｐ３と第一スライドコア２２の端縁が摺動する。この摺動は、最大で、アンダーカット部１２，１３のプリズム面Ｐ２の幅Ｗ２に等しい距離にわたって起こる。このように、図７（ｂ）および図８（ａ）の工程で境界プリズム面Ｐ３と分割された内側用金型２０の端縁との間で摺動が起こると、境界プリズム面Ｐ３に傷やひび割れ等の損傷が発生するおそれがある。これらの損傷は、境界プリズム面Ｐ３における光の透過率を低下させたり、屈折率や出射方向の変化による集光性の低下を引き起こしたりし、フレネルレンズ１０全体として、集光効率の低下等、光学特性の劣化につながる可能性がある。また、摺動によって境界プリズム面Ｐ３に明らかな損傷が発生しなくても、境界プリズム面Ｐ３の機械的強度が低下する可能性もある。

【0037】

しかし、本フレネルレンズ１０においては、境界プリズム面Ｐ３の幅Ｗ３が、プリズム面Ｐ１，Ｐ２の幅Ｗ１，Ｗ２のうち小さい方の２倍以上となっており、このような摺動が仮に幅Ｗ１またはＷ２にわたって起こり、境界プリズム面Ｐ３上で摺動が起こった領域全体に損傷や機械的強度の低下が発生するとしても、幅Ｗ１，Ｗ２と同じかそれよりも広い幅領域を占める境界プリズム面Ｐ３の残りの部分は、損傷や機械的強度の低下を受けず、他のプリズム面Ｐ１，Ｐ２と同程度の光学特性と機械的強度を維持することになる。これにより、境界プリズム面Ｐ３での摺動によって与えられるフレネルレンズ１０の光学特性への影響を、小さく抑えることができる。境界プリズム面Ｐ３の幅Ｗ３がプリズム面Ｐ１，Ｐ２の幅Ｗ１，Ｗ２のいずれもの２倍以上であれば、摺動による光学特性への影響を、さらに高確度で抑制することができる。

【0038】

ここで、上記のようなフレネルレンズ１０の光学特性として、レンズ効率の空間分布を実測した結果を示す。測定方法を図９に模式的に示す。つまり、Ｈｅ−Ｎｅレーザー９１（３Ｂクラス、５×のエキスパンダおよび１／４λ円偏光板付き）から出力される円偏光Ｌを、レンズホルダ９３に保持したフレネルレンズ１０の光軸に平行に照射した。そして、Ｈｅ−Ｎｅレーザー９１を支持しているＸ−Ｙステージ９２およびレンズホルダ９３を支持しているＸ−Ｙ−Ｚ調節器（またはゴニオステージ）９４を用いて光Ｌをフレネルレンズ１０のレンズ面で面掃引しながら、積分球９５およびディテクタ９６を用いて、フレネルレンズ１０を透過した光Ｌの全強度を測定した。さらに、面掃引を行ったフレネルレンズ１０のレンズ面に相当する全領域を６２５領域に分割し（１領域あたり２５ｍｍ×２５ｍｍ）、分割領域ごとに光強度を積分した。得られた光強度をフレネルレンズ１０を通過せずに積分球に入射する光Ｌの強度（Ｈｅ−Ｎｅレーザー９１の中心軸と積分球９５の開口中心を一致させ、積分球９５の開口面をレーザー光軸に垂直になるようにして測定）で規格化することで、各分割領域におけるレンズ効率の空間分布をマッピングした。

【0039】

図１０に、実測によって得られたフレネルレンズ１０のレンズ効率の空間分布を示す。（ａ）が、上記のように、境界プリズム面Ｐ３の幅Ｗ３をプリズム面Ｐ１，Ｐ２の幅Ｗ１およびＷ２の２倍以上とした場合に当たる。なお、ここではＷ１＝Ｗ２としている。一方、（ｂ）が、境界プリズム面Ｐ３の幅をアンダーカット部１２，１３のプリズム面の幅Ｗ２と同じとした場合に当たる。

【0040】

いずれの場合にも、非アンダーカット部１１とアンダーカット部１２，１３の間の境界Ｂに当たる境界プリズム面Ｐ３が配置された領域に、円環状にレンズ効率の低い領域が生じている。しかし、図１０（ａ）の境界プリズム面Ｐ３の幅Ｗ３を広くしている場合には、比較的円環の幅が小さく、また、全周にわたる円環の均一性も高い。これに対し、図１０（ｂ）の境界プリズム面Ｐ３の幅を広くしていない場合には、レンズ効率が低下している領域の円環の幅が図１０（ａ）の場合と比べて広くなっている。さらに、円環の下端部に、広い領域にわたる大きなレンズ効率の低下が見られるというように、空間的に不均一にレンズ効率の低下が起こっている。図１０（ａ），（ｂ）の比較は、境界プリズム面Ｐ３の幅Ｗ３を広くすることで、離型時の摺動によるレンズ効率の低下を低減できることを示している。

【0041】

［フレネルレンズの詳細形状］
上記のように、フレネルレンズ１０においては、肉厚ｄ、つまり外側面１４と内側面１５の基面１５ａとの間の距離が、全域で等しくなっていることが好ましい。このように、肉厚が一定で、かつ、全域で１つの焦点に集光することができるフレネルレンズは、複数の微小な五角形プリズムの集合体として形成することができる。

【0042】

図１１（ａ）に、五角形プリズム８０の概略を示す。五角形プリズム８０は、五角形ＡＢＤＥＣを断面として有している。五角形ＡＢＤＥＣは、平行四辺形（長方形の場合も含む）ＡＢＤＣと三角形ＤＥＣを辺ＣＤにおいて接合した形状を有する。辺ＣＤは、平行四辺形ＡＢＤＣの１辺（第一辺）であると同時に、三角形ＤＥＣの底辺となっている。このような断面形状を有する五角形プリズム８０において、平行四辺形ＡＢＤＣおよび三角形ＤＥＣの内角を適切に選択すれば、図１１（ａ）に示すように、平行四辺形ＡＢＤＣの辺ＡＢ（第二辺）に非垂直に光Ｌを入射させた際に、端点Ｂから入射した成分が三角形ＤＥＣの辺ＣＥの端点Ｅを通るように光Ｌを屈折させ、辺ＣＥから出射させることができる。この際、辺ＡＢの少なくとも一部に入射される光Ｌが、最小振れ角条件（辺ＡＢへの入射角と辺ＣＥからの出射角が等しくなる条件）を満たすようにできる。よって、平行四辺形ＡＢＤＣの内角が同じで、プリズム８０の厚さｄ（辺ＡＢと辺ＣＤの間の距離）が同じであっても、光Ｌの入射方向に対する平行四辺形ＡＢＤＣの配置角度と、三角形ＤＥＣの内角を異ならせることで、光Ｌを任意の点に向かって屈折させ、出射させることが可能となる。つまり、平行四辺形ＡＢＤＣの内角が同じ複数の五角形プリズム８０を複数配列して、全プリズム８０から出射される光を共通の焦点に集めることが可能である。このことを利用して、複数の五角形プリズム８０の集合体として、上記のようなフレネルレンズ１０を構成することができる。

【0043】

具体的には、図１１（ｂ）に模式的に示すように、平行四辺形部分の内角が等しく、肉厚ｄが等しいが、三角形部分の内角が異なる五角形プリズム８０（８１〜８４）を、平行四辺形部分で複数隣接させた形状として、フレネルレンズ１０を設計すればよい。この際、五角形プリズム８２，８３について符号を付して示すように、平行四辺形ＡＢＤＣ，Ａ’Ｂ’Ｄ’Ｃ’の第一辺ＣＤ，Ｃ’Ｄ’をフレネルレンズ１０の内側面１５の基面１５ａとし、第二辺ＡＢ，Ａ’Ｂ’を外側面１４とするように、それらの辺と交差する辺ＡＣ，Ｂ’Ｄ’において、２つの五角形プリズム８２，８３を隣接させる。すると、三角形ＤＥＣ、Ｄ’Ｅ’Ｃ’の底辺と交差する一方の辺である辺ＣＥ，Ｃ’Ｅ’が入射光Ｌを屈折させて出射するプリズム面Ｐ，Ｐ’となる。それらのプリズム面Ｐ，Ｐ’は、三角形ＤＥＣの底辺と交差する他方の辺である辺ＤＥ，Ｄ’Ｅ’よりなる分割面Ｓ，Ｓ’によって分割された状態となる。このようにして、プリズム面Ｐ，Ｐ’と分割面Ｓ，Ｓ’よりなる突条形状を内側面１５に有するフレネルレンズ１０を設計することができる。各五角形プリズム８０（８１〜８４）において、三角形ＤＥＣの内角を、フレネルレンズ１０の光軸Ａに対する辺ＡＢの傾き角に応じて変化させれば、光軸Ａに平行に入射して各プリズム面（Ｐ，Ｐ’）から出射した光を光軸Ａ上の共通の焦点に集めることができる。

【0044】

実際にフレネルレンズ１０を設計するにあたり、外側面１４の形状と焦点の位置、各五角形プリズムの幅（辺ＡＢの長さ）さえ定めれば、最小振れ角条件において、辺ＡＢに入射した光Ｌが焦点に向かって出射され、かつ端点Ｂに入射された成分が端点Ｅを通過するという条件から、各五角形プリズム８０に共通となる平行四辺形ＡＢＤＣの内角（およびその結果定まる共通の肉厚ｄ）を含む各五角形プリズム８０の各形状パラメータが、自動的に定まることになる。つまり、プリズム８０からの光Ｌの出射方向を規定することで、入射面である辺ＡＢに対する出射面である辺ＣＥの角度と配置が定まり、さらに、端点Ｂから入射された光Ｌの光路と出射面の交点として、出射面の端点Ｅが定まる。このようにして、五角形プリズム８０の断面形状が一義的に定められる。

【0045】

以上のように、五角形プリズム８０の集合体としてフレネルレンズ１０を構成すれば、非アンダーカット部１１、アンダーカット部１２，１３およびそれらの境界部Ｂの全体にわたって、同じ肉厚ｄを有し、かつ共通の焦点に光を集められるフレネルレンズ１０を得ることができる。全域にわたって同じ肉厚ｄを有することで、フレネルレンズ１０全体において、同程度の機械的強度を得ることができる。なお。光学設計や製造における公差に起因する五角形プリズム８０ごとの肉厚ｄのばらつきとして、±１０％程度は許容される。例えば、フレネルレンズ１０がＰＭＭＡ樹脂よりなる場合に、肉厚ｄは、２．５〜６ｍｍの範囲にあることが好適である。この範囲よりも薄いと、十分な機械的強度を得にくくなる一方、この範囲よりも厚いと、質量が大きくなりすぎるうえ、フレネルレンズ１０による光学損失が無視できなくなる。

【0046】

また、フレネルレンズ１０を五角形プリズム８０の集合体として設計することで、上記のように、少数のパラメータを指定するだけで、各部のパラメータを自動的に決定することができる。よって、フレネルレンズ１０の設計、製造工程が簡素なものとなる。なお、上記のフレネルレンズにおいては、各部位のプリズム面Ｐ１〜Ｐ３の幅Ｗ１〜Ｗ３の関係が規定されているが、プリズム面Ｐ１〜Ｐ３の幅Ｗ１〜Ｗ３は、各五角形プリズムの幅（辺ＡＢの長さ）によって、調節することができる。

【0047】

上記で示した特許文献２においても、フレネルレンズが複数のプリズム部の集合体として設計されているが、本実施形態とは異なり、各プリズム部が台形とされている。この場合には、レンズの肉厚を、入射光を所望の焦点に集光させるための光学最適化設計と独立に定めることができない。よって、光学最適化設計の結果、レンズの肉厚が小さい部分が生じてしまう可能性がある（例えば特許文献２の図１）。

【0048】

以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。

【符号の説明】

【0049】

１０ フレネルレンズ
１１ 非アンダーカット部
１２ 第一アンダーカット部
１３ 第二アンダーカット部
１４ 外側面
１５ 内側面
２０ 内側用型
２１ センターコア
２２ 第一スライドコア
２３ 第二スライドコア
８０ 五角形プリズム
Ａ 光軸
Ｂ 境界
Ｐ１ 非アンダーカット部のプリズム面
Ｐ２ アンダーカット部のプリズム面
Ｐ３ 境界プリズム面
Ｓ１ 非アンダーカット部の分割面
Ｓ２ アンダーカット部の分割面

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】