特開 2024-31786 集光レンズ、集光レンズ付き光検出器、及び集光レンズユニット

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024031786

(43)【公開日】2024-03-07

(54)【発明の名称】集光レンズ、集光レンズ付き光検出器、及び集光レンズユニット

(51)【国際特許分類】

   G02B 17/00 20060101AFI20240229BHJP

   G02B 3/04 20060101ALI20240229BHJP

   G02B 3/08 20060101ALI20240229BHJP

   G02B 5/08 20060101ALI20240229BHJP

   G02B 5/10 20060101ALI20240229BHJP

   G02B 13/00 20060101ALI20240229BHJP

【ＦＩ】

G02B17/00

G02B3/04

G02B3/08

G02B5/08 A

G02B5/10

G02B13/00

【審査請求】未請求

【請求項の数】14

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023071466

(22)【出願日】2023-04-25

(31)【優先権主張番号】22191693.5

(32)【優先日】2022-08-23

(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP

(71)【出願人】

【識別番号】000236436

【氏名又は名称】浜松ホトニクス株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】511281578

【氏名又は名称】フレイエ ユニヴェルシテイト ブリュッセル

【氏名又は名称原語表記】ＶＲＩＪＥ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＥＩＴ ＢＲＵＳＳＥＬ

【住所又は居所原語表記】Ｐｌｅｉｎｌａａｎ ２， Ｂ－１０５０ Ｅｌｓｅｎｅ， Ｂｅｌｇｉｕｍ

(74)【代理人】

【識別番号】100088155

【弁理士】

【氏名又は名称】長谷川 芳樹

(74)【代理人】

【識別番号】100113435

【弁理士】

【氏名又は名称】黒木 義樹

(74)【代理人】

【識別番号】100140442

【弁理士】

【氏名又は名称】柴山 健一

(74)【代理人】

【識別番号】100177910

【弁理士】

【氏名又は名称】木津 正晴

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 智彦

(72)【発明者】

【氏名】松本 逸

(72)【発明者】

【氏名】村松 博一

(72)【発明者】

【氏名】ニェ ユンフェン

(72)【発明者】

【氏名】オットヴェール ハイディ

(72)【発明者】

【氏名】ティエンポン ヒューゴ

【テーマコード（参考）】

2H042

2H087

【Ｆターム（参考）】

2H042DA02

2H042DA17

2H042DD09

2H087LA01

2H087PA01

2H087PB01

2H087QA02

2H087QA06

2H087TA01

2H087TA04

(57)【要約】

【課題】薄型化及び高効率化を図ることができる集光レンズ、集光レンズ付き光検出器、及び集光レンズユニットを提供する。
【解決手段】集光レンズは、光軸方向における第１側の表面である入射面と、光軸方向における第２側の表面である出射面及び反射面と、を備える。入射面は、光軸方向から見た場合に、中央部と、中央部を囲む外側部と、を有する。入射面は、中央部の中心に向かって窪む凹部の内面によって形成されている。反射面は、光軸方向から見た場合に、出射面を囲んでいる。反射面は、外側に向かうほど第１側に向かうように延在している。入射面の外側部に入射した第１光は、外側部を透過して反射面で反射され、それから入射面で反射されて出射面に入射する。入射面の中央部に入射した第２光は、中央部を透過して出射面に入射する。入射面の中央部は、反射面で反射された第１光を出射面に向けて反射させると共に、第２光を透過させる。
【選択図】図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

光軸方向に沿って入射した光を集光して出射させるための集光レンズであって、
前記光軸方向における第１側の表面である入射面と、
前記光軸方向における第２側の表面である出射面及び反射面と、を備え、
前記入射面は、前記光軸方向から見た場合に、中央部と、前記中央部を囲む外側部と、を有し、
前記入射面は、前記中央部の中心に向かって窪む凹部の内面によって形成されており、
前記反射面は、前記光軸方向から見た場合に、前記出射面を囲んでおり、
前記反射面は、外側に向かうほど前記第１側に向かうように延在しており、
前記入射面の前記外側部に入射した第１光は、前記外側部を透過して前記反射面で反射され、前記入射面で反射されて前記出射面に入射し、
前記入射面の前記中央部に入射した第２光は、前記中央部を透過して前記出射面に入射し、
前記中央部は、前記反射面で反射された前記第１光を前記出射面に向けて反射させると共に、前記第２光を透過させる、集光レンズ。

【請求項2】

前記出射面は、前記光軸方向に垂直な平坦面である、請求項１に記載の集光レンズ。

【請求項3】

前記出射面は、前記出射面の中心に向かって窪む凹部の内面によって形成されている、請求項１に記載の集光レンズ。

【請求項4】

前記出射面は、前記出射面の中心に向かって窪むように湾曲している、請求項３に記載の集光レンズ。

【請求項5】

前記入射面において前記光軸方向に平行に入射した光が前記出射面に入射しない領域を非有効領域とすると、
前記光軸方向に平行な光に対する前記集光レンズの集光効率が５０％以上となるように、前記入射面に前記非有効領域が設定されている、請求項１～４のいずれか一項に記載の集光レンズ。

【請求項6】

前記入射面において前記光軸方向に平行に入射した光が前記出射面に入射しない領域を非有効領域とすると、
前記非有効領域の面積が前記入射面全体の面積の５０％以下となるように、前記入射面に前記非有効領域が設定されている、請求項１～４のいずれか一項に記載の集光レンズ。

【請求項7】

前記入射面において前記光軸方向に平行に入射した光が前記出射面に入射しない領域を非有効領域とすると、
前記入射面は、前記非有効領域を有していない、請求項１～４のいずれか一項に記載の集光レンズ。

【請求項8】

前記光軸方向に垂直な断面において、前記入射面は、互いに向かい合う一対の部分を有しており、前記一対の部分の各々は、前記第１側に向かって膨らむように湾曲している、請求項１～４のいずれか一項に記載の集光レンズ。

【請求項9】

前記光軸方向に垂直な断面において、前記反射面は、第１部分と、前記第１部分に対して前記第１側に位置する第２部分と、を有し、前記第１部分は、前記第２側に向かって膨らむように湾曲しており、前記第２部分は、前記第１側に向かって窪むように湾曲している、請求項１～４のいずれか一項に記載の集光レンズ。

【請求項10】

前記反射面は、前記反射面上に反射層が形成されていることにより、光を反射させる、請求項１～４のいずれか一項に記載の集光レンズ。

【請求項11】

前記入射面は、前記入射面上に反射防止層が形成されていることにより、光の反射を防止する、請求項１～４のいずれか一項に記載の集光レンズ。

【請求項12】

受光面を有する光検出部と、
前記出射面が前記受光面と向かい合うように配置された請求項１～４のいずれか一項に記載の集光レンズと、を備える、集光レンズ付き光検出器。

【請求項13】

前記出射面と前記受光面とが光学カップリング剤を介して互いに接続されている、請求項１２に記載の集光レンズ付き光検出器。

【請求項14】

請求項１～４のいずれか一項に記載の集光レンズと、
前記集光レンズと組み合わせられた反射部材と、を備え、
前記反射部材は、光を反射させる反射面を有し、
前記集光レンズの前記反射面は、前記反射部材の前記反射面が前記集光レンズの前記反射面に沿って配置されていることにより、光を反射させる、集光レンズユニット。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示の一側面は、集光レンズ、集光レンズ付き光検出器、及び集光レンズユニットに関する。

【背景技術】

【0002】

例えば、光源から到来する光を光検出器の受光面に効率的に入射させるために、受光面上に集光レンズを配置し、集光レンズによって光を集光する場合がある。一方、非特許文献「K.Okamoto, N.Yamada, Optical and thermal analysis of a solarconcentrator for CPV modules based on LED package technology, Proceedings ofthe 23rd International Photovoltaic Science and Engineering Conference(PVSEC-23), Taiwan (28 October - 1 November, 2013), 4-P-42.」には、屈折、反射及び全反射を利用した太陽光用のＲＸＩ集光器（concentrator）が開示されている。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0003】

上記非特許文献に記載されたＲＸＩ集光器の形状を集光レンズの形状として採用した場合、集光レンズを薄型化し得る。一方、集光レンズには、集光効率を高めることが求められる。通常、集光効率を高めるためには大きな光学系が必要となり、特に光軸方向における長さを長くする必要があり、薄型化と相反する。

【0004】

本開示の一側面は、薄型化及び高効率化を図ることができる集光レンズ、集光レンズ付き光検出器、及び集光レンズユニットを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本開示の一側面に係る集光レンズは、光軸方向に沿って入射した光を集光して出射させるための集光レンズであって、光軸方向における第１側の表面である入射面と、光軸方向における第２側の表面である出射面及び反射面と、を備え、入射面は、光軸方向から見た場合に、中央部と、中央部を囲む外側部と、を有し、入射面は、中央部の中心に向かって窪む凹部の内面によって形成されており、反射面は、光軸方向から見た場合に、出射面を囲んでおり、反射面は、外側に向かうほど第１側に向かうように延在しており、入射面の外側部に入射した第１光は、外側部を透過して反射面で反射され、入射面で再度反射されてそれから出射面に入射し、入射面の中央部に入射した第２光は、中央部を透過して出射面に入射し、中央部は、反射面で反射された第１光を出射面に向けて反射させると共に、第２光を透過させる。

【0006】

この集光レンズでは、入射面の外側部に入射した第１光は、外側部を透過して反射面で反射され、入射面で反射されて出射面に入射する。一方、入射面の中央部に入射した第２光は、中央部を透過して出射面に入射する。中央部は、反射面で反射された第１光を出射面に向けて反射させると共に、第２光を透過させる。すなわち、中央部は、反射面で反射された第１光を出射面に向けて反射させる反射面として機能すると共に、第２光を透過（屈折）させる透過面としても機能する。この集光レンズでは、第１光が進行する第１系統と第２光が進行する第２系統の２つの系統の光路が存在しており、第１系統及び第２系統の２つの光路が空間的に重なっている。これにより、薄型化及び高効率化を図ることができる。

【0007】

出射面は、光軸方向に垂直な平坦面であってもよい。この場合、例えば光検出器の受光面又は窓部材上に出射面を好適に配置することができる。

【0008】

出射面は、出射面の中心に向かって窪む凹部の内面によって形成されていてもよい。この場合、集光レンズ内を進行して出射面に入射した光が全反射されることを抑制することができる。

【0009】

出射面は、出射面の中心に向かって窪むように湾曲してもよい。この場合、集光レンズ内を進行して出射面に入射した光が全反射されることを抑制することができる。

【0010】

入射面において光軸方向に平行に入射した光が出射面に入射しない領域を非有効領域とすると、光軸方向に平行な光に対する集光レンズの集光効率が５０％以上となるように、入射面に非有効領域が設定されていてもよい。この場合、入射面が非有効領域を含むことで、入射面を広くすることができる。また、入射面を広くしつつ、集光効率を５０％以上とすることができる。

【0011】

入射面において光軸方向に平行に入射した光が出射面に入射しない領域を非有効領域とすると、非有効領域の面積が入射面全体の面積の５０％以下となるように、入射面に非有効領域が設定されていてもよい。この場合、入射面が非有効領域を含むことで、入射面を広くすることができる。また、非有効領域の面積が入射面全体の面積の５０％以下であることで、入射面を広くしつつ、集光効率を高めることができる。

【0012】

入射面において光軸方向に平行に入射した光が出射面に入射しない領域を非有効領域とすると、入射面は、非有効領域を有していなくてもよい。この場合、入射面を狭くして小型化を図ることができると共に、集光効率を高めることができる。

【0013】

光軸方向に垂直な断面において、入射面は、互いに向かい合う一対の部分を有しており、一対の部分の各々は、第１側に向かって膨らむように湾曲していてもよい。この場合、第１系統及び第２系統の２つの光路を好適に実現することができる。

【0014】

光軸方向に垂直な断面において、反射面は、第１部分と、第１部分に対して第１側に位置する第２部分と、を有し、第１部分は、第２側に向かって膨らむように湾曲しており、第２部分は、第１側に向かって窪むように湾曲していてもよい。この場合、反射面に入射した第１光を入射面に向けて好適に反射させることができる。

【0015】

反射面は、反射面上に反射層が形成されていることにより、光を反射させてもよい。この場合、反射面に入射した第１光を好適に反射させることができる。

【0016】

入射面は、入射面上に反射防止層が形成されていることにより、光の反射を防止してもよい。この場合、入射光が入射面を好適に透過する。

【0017】

本開示の一側面に係る集光レンズ付き光検出器は、受光面を有する光検出部と、出射面が受光面と向かい合うように配置された上記集光レンズと、を備える。この集光レンズ付き光検出器によれば、上述した理由により、薄型化及び高効率化を図ることができる。

【0018】

出射面と受光面とが光学カップリング剤を介して互いに接続されていてもよい。この場合、集光レンズ内を進行して出射面に入射した光が全反射されることを抑制することができる。

【0019】

本開示の一側面に係る集光レンズユニットは、上記集光レンズと、集光レンズと組み合わせられた反射部材と、を備え、反射部材は、光を反射させる反射面を有し、集光レンズの反射面は、反射部材の反射面が集光レンズの反射面に沿って配置されていることにより、光を反射させる。この集光レンズユニットによれば、上述した理由により、薄型化及び高効率化を図ることができる。反射部材が集光レンズと組み合わせられているため、強度を向上することができる。

【発明の効果】

【0020】

本開示の一側面によれば、薄型化及び高効率化を図ることができる集光レンズ、集光レンズ付き光検出器、及び集光レンズユニットを提供することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】図１は、実施形態に係る集光レンズ付き光検出器の断面図である。

【図2】図２は、実施形態に係る集光レンズの斜視図である。

【図3】図３（ａ）は第１系統を説明するための図であり、図３（ｂ）は第２系統を説明するための図である。

【図4】図４は、集光レンズにおける２つの光路を説明するための図である。

【図5】図５（ａ）、図５（ｂ）及び図５（ｃ）は、それぞれ、光軸方向に対して５度、１０度、２０度傾斜して光が入射した場合の光路を示す図である。

【図6】図６は、第１シミュレーションを説明するための図である。

【図7】図７（ａ）及び図７（ｂ）は、第１シミュレーションの結果を示すグラフである。

【図8】図８は、第２シミュレーションを説明するための図である。

【図9】図９は、第２シミュレーションの結果を示すグラフである。

【図10】図１０は、第３シミュレーションの結果を示すグラフである。

【図11】図１１は、第４シミュレーションを説明するための図である。

【図12】図１２は、第４シミュレーションの結果を示すグラフである。

【図13】図１３（ａ）は実施形態の集光レンズを示す図であり、図１３（ｂ）は第１変形例の集光レンズを示す図である。

【図14】図１４は、第５シミュレーションの結果を示すグラフである。

【図15】図１５（ａ）、図１５（ｂ）及び図１５（ｃ）は、第２変形例を説明するための図である。

【図16】図１６（ａ）及び図１６（ｂ）は、第３変形例の集光レンズを示す図である。

【図17】図１７は、第４変形例の集光レンズを示す図である。

【図18】図１８（ａ）及び図１８（ｂ）は、第４変形例の集光レンズを示す図である。

【図19】図１９は、第６シミュレーションの結果を示すグラフである。

【図20】図２０（ａ）、図２０（ｂ）及び図２０（ｃ）は、他の変形例を説明するための図である。

【図21】図２１（ａ）は集光レンズユニットの断面図であり、図２１（ｂ）は集光レンズユニットの分解図である。

【発明を実施するための形態】

【0022】

以下、本開示の実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。以下の説明において、同一又は相当要素には同一符号を用い、重複する説明を省略する。

【0023】

図１に示されるように、集光レンズ付き光検出器１（以下、単に光検出器１ともいう）は、光検出部２と、集光レンズ１０とを備えている。光検出部２は、この例では略直方体状に形成された光電子増倍管（ＰＭＴ：Photomultiplier Tube）であり、光透過性を有する窓部材３の内面上に光電面である受光面２ａを有している。光電子増倍管では、受光面２ａへの光の入射により放出された光電子が増幅されて検出される。或いは、光検出部２は、半導体により形成された固体素子を含んで構成されていてもよい。窓部材３の外面上には、窓部材３を介して受光面２ａと向かい合うように集光レンズ１０が配置されている。

【0024】

集光レンズ１０は、光軸方向Ｄに沿って入射した光を集光して出射させるための集光レンズである。光軸方向Ｄは、集光レンズ１０の光軸Ｌに平行な方向である。集光レンズ１０は、後述する反射層４３を除き、例えばガラス等の透光性材料により形成されている。当該透光性材料は、集光レンズ１０の屈折率が１．４８以上、好ましくは１．８以上となるように選択され得る。この例では、集光レンズ１０は、扁平な略円錐台形状に形成されている。

【0025】

図１及び図２に示されるように、集光レンズ１０は、入射面２０と、出射面３０と、反射面４０と、側面４５とを備えている。入射面２０は、光軸方向Ｄにおける第１側Ｓ１の表面であり、出射面３０及び反射面４０は、光軸方向Ｄにおける第２側Ｓ２の表面である。第２側Ｓ２は、第１側Ｓ１とは反対側である。図１及び図２において、第１側Ｓ１は図中上側であり、第２側Ｓ２は図中下側である。

【0026】

入射面２０には、光軸方向Ｄにおける第１側Ｓ１から光が入射する。入射面２０は、光軸方向Ｄにおける第１側Ｓ１を向いている。入射面２０は、光軸方向Ｄから見た場合に、中央部２１と、中央部２１を囲む外側部２２とを有している。中央部２１は、例えば、光軸Ｌ上に位置し、光軸方向Ｄから見た場合に円形状を呈する領域である。外側部２２は、例えば、入射面２０の外縁部（外周部）を構成し、光軸方向Ｄから見た場合に中央部２１を包囲する円環状を呈する領域である。

【0027】

入射面２０は、中央部２１の中心２１ａに向かって窪む凹部（凹面部）２３の内面によって形成されている。この例では、凹部２３は、中心２１ａに向けて尖った略円錐状に形成されている。光軸方向Ｄに垂直な断面（例えば図１に示される断面）において、入射面２０は、互いに向かい合う一対の部分２０ａを有している。一対の部分２０ａは、光軸方向Ｄに垂直な方向において互いに向かい合っており、中央部２１の中心２１ａにおいて互いに接続されている。各部分２０ａは、中心２１ａから径方向（光軸方向Ｄに垂直な方向）における外側に向かって延在している。各部分２０ａは、外側に向かうほど第１側Ｓ１に向かうように延在している。各部分２０ａは、第１側Ｓ１に向かって膨らむように湾曲している。各部分２０ａは、例えば円弧状に湾曲した円弧面となっている。この例では、集光レンズ１０は周方向に関して一様な形状を有しており、入射面２０は、光軸方向Ｄに垂直ないずれの断面においても同一の形状を有している。

【0028】

入射面２０上には、全面にわたって反射防止層２４が形成されている。反射防止層２４は、例えばＭｇＦ_２等の所望の光学特性を備えた材料の蒸着により入射面２０上に形成された反射防止膜である。反射防止層２４は、入射光が入射面２０において反射されてしまい集光レンズ１０内に導光されないことを防止する。

【0029】

出射面３０は、入射面２０に入射して集光レンズ１０内において集光された光、及び集光レンズ１０内を透過（屈折）した光が出射する表面である。出射面３０は、光軸Ｌ上に位置しており、入射面２０の中央部２１と光軸方向Ｄにおいて向かい合っている。この例では、出射面３０は、光軸方向Ｄに垂直な平坦面であり、円形状に形成されている。出射面３０は、窓部材３を介して光検出部２の受光面２ａと向かい合っている。

【0030】

出射面３０と窓部材３との間には光学カップリング剤５が配置されており、出射面３０と受光面２ａとは光学カップリング剤５を介して互いに接続されている。光学カップリング剤５は、例えば光学グリスにより層状に形成されており、出射面３０の全面に接触している。光学カップリング剤５は、集光レンズ１０の屈折率と窓部材３の屈折率の間の屈折率を有している。

【0031】

反射面４０は、集光レンズ１０内を進行して反射面４０に入射した光を反射させる表面である。反射面４０は、光軸方向Ｄから見た場合に、出射面３０を囲んでいる。この例では、反射面４０は、略円錐台形状の面であり、光軸方向Ｄから見た場合に円環状を呈している。反射面４０は、入射面２０の外側部２２と光軸方向Ｄにおいて向かい合っている。

【0032】

反射面４０は、出射面３０の外縁から径方向における外側に向かって延在している。反射面４０は、外側に向かうほど第１側Ｓ１に向かうように延在している。反射面４０は、第１部分４１と、第１部分４１に対して第１側Ｓ１に位置する第２部分４２とを有している。第１部分４１は、第２側Ｓ２に向かって膨らむように湾曲している。第２部分４２は、第１側Ｓ１に向かって窪むように湾曲している。すなわち、反射面４０は、光軸方向Ｄに垂直な断面において略Ｓ字状に湾曲している。

【0033】

反射面４０上には、全面にわたって反射層４３が形成されている。反射層４３は、例えばアルミニウム等の金属材料の蒸着により反射面４０上に形成された反射膜である。反射面４０は、反射層４３が形成されていることにより光を反射させる。この例では、反射面４０の外縁と入射面２０の外縁とは、側面４５により互いに接続されている。側面４５は、光軸Ｌを中心線とする円筒状の面である。

【0034】

図３（ａ）～図５（ｃ）を参照しつつ、集光レンズ１０内を光が進行する光路について説明する。集光レンズ１０では、第１系統及び第２系統の２つの系統の光路が存在している。第１系統は、入射面２０の外側部２２に入射した第１光Ｌ１が出射面３０へ進行する光路であり、第２系統は、入射面２０の中央部２１に入射した第２光Ｌ２が出射面３０へ進行する光路である。集光レンズ１０では、第１系統及び第２系統の２つの光路が空間的に重なっており、それにより集光レンズ１０の薄型化及び高効率化が図られている。

【0035】

図３（ａ）は第１系統を説明するための図であり、図３（ｂ）は第２系統を説明するための図である。図３（ｂ）では、入射面２０の外側部２２が省略されている。図４には、第１系統及び第２系統の両方の光路が示されている。図３（ａ）、図３（ｂ）及び図４では、光が光軸方向Ｄに平行に入射面２０に入射する場合の光路の例が示されている。

【0036】

図３（ａ）に示されるように、外側部２２に入射した第１光Ｌ１は、外側部２２を透過して反射面４０で反射される。外側部２２を透過する際、第１光Ｌ１は屈折する。外側部２２への入射位置に応じて、第１光Ｌ１は、反射面４０の第１部分４１又は第２部分４２のいずれかにより反射される。この例では、外側部２２における内側部分を透過した第１光Ｌ１は第１部分４１で反射され、外側部２２における外側部分を透過した第１光Ｌ１は第２部分４２で反射される。続いて、第１光Ｌ１は、入射面２０で反射されて出射面３０に入射する。第１光Ｌ１の入射面２０における反射は全反射である。外側部２２への入射位置に応じて、第１光Ｌ１は、入射面２０の中央部２１又は外側部２２のいずれかにより反射される。その後、第１光Ｌ１は、出射面３０を透過して出射面３０から出射され、窓部材３を透過して光検出部２の受光面２ａに入射する。

【0037】

図３（ｂ）に示されるように、入射面２０の中央部２１に入射した第２光Ｌ２は、中央部２１を透過して出射面３０に入射する。中央部２１を透過する際、第２光Ｌ２は屈折する。その後、第２光Ｌ２は、出射面３０を透過して出射面３０から出射され、窓部材３を透過して光検出部２の受光面２ａに入射する。このように、中央部２１は第２光Ｌ２を透過させる。また、上述したとおり、中央部２１は、反射面４０で反射された第１光Ｌ１を出射面３０に向けて反射させる反射面としても機能する。すなわち、中央部２１は、反射面４０で反射された第１光Ｌ１を出射面３０に向けて反射させる反射面として機能すると共に、第２光Ｌ２を透過（屈折）させる透過面としても機能する。そのため、図４に示されるように、集光レンズ１０では、第１系統及び第２系統の２つの光路が空間的に重なっている。より具体的には、第１系統及び第２系統の光路の両方が、集光レンズ１０において光軸方向Ｄから見た場合に中央部２１と重なる領域を通っている。

【0038】

図５（ａ）、図５（ｂ）及び図５（ｃ）は、それぞれ、光軸方向Ｄに対して５度、１０度、２０度傾斜して光が入射面２０に入射した場合の光路を示す図である。図５（ａ）～図５（ｃ）に示されるように、光軸方向Ｄに対して傾斜して光が入射した場合にも、光軸方向Ｄに平行に光が入射した場合と同様に、第１光Ｌ１及び第２光Ｌ２は集光レンズ１０内を進行して出射面３０に入射する。この場合にも、第１系統及び第２系統の２つの光路は空間的に重なっている。このように、集光レンズ１０は、光軸方向Ｄに平行に入射する光の集光だけでなく、光軸方向Ｄに対して傾斜して入射する光の集光にも有効である。したがって、集光レンズ１０は、散乱光の集光にも好適に用いられ得る。
［作用及び効果］

【0039】

集光レンズ１０では、入射面２０の外側部２２に入射した第１光Ｌ１は、外側部２２を透過して反射面４０で反射され、入射面２０で反射されて出射面３０に入射する。一方、入射面２０の中央部２１に入射した第２光Ｌ２は、中央部２１を透過して出射面３０に入射する。中央部２１は、反射面４０で反射された第１光Ｌ１を出射面３０に向けて反射させると共に、第２光Ｌ２を透過させる。すなわち、中央部２１は、反射面４０で反射された第１光Ｌ１を出射面３０に向けて反射させる反射面４０として機能すると共に、第２光Ｌ２を透過（屈折）させる透過面としても機能する。集光レンズ１０では、第１光Ｌ１が進行する第１系統と第２光Ｌ２が進行する第２系統の２つの系統の光路が存在しており、第１系統及び第２系統の２つの光路が空間的に重なっている。これにより、薄型化及び高効率化を図ることができる。

【0040】

出射面３０が、光軸方向Ｄに垂直な平坦面である。これにより、例えば光検出部２の受光面２ａ又は窓部材３上に出射面３０を好適に配置することができる。

【0041】

光軸方向Ｄに垂直な断面において、入射面２０が、互いに向かい合う一対の部分２０ａを有し、各部分２０ａが、第１側Ｓ１に向かって膨らむように湾曲している。これにより、第１系統及び第２系統の２つの光路を好適に実現することができる。

【0042】

光軸方向Ｄに垂直な断面において、反射面４０が、第１部分４１と、第１部分４１に対して第１側Ｓ１に位置する第２部分４２と、を有し、第１部分４１は第２側Ｓ２に向かって膨らむように湾曲しており、第２部分４２は第１側Ｓ１に向かって窪むように湾曲している。これにより、反射面４０に入射した第１光Ｌ１を入射面２０に向けて好適に反射させることができる。

【0043】

反射面４０が、反射面４０上に反射層４３が形成されていることにより、光を反射させる。これにより、反射面４０に入射した第１光Ｌ１を好適に反射させることができる。

【0044】

出射面３０と光検出部２の受光面２ａとが光学カップリング剤５を介して互いに接続されている。これにより、集光レンズ１０内を進行して出射面３０に入射した光が全反射されることを抑制することができる。

【0045】

図６、図７（ａ）及び図７（ｂ）を参照しつつ、第１シミュレーションの結果について説明する。第１シミュレーションでは、レンズの入射面のサイズを同一として、実施形態の集光レンズ１０を他のレンズと比較した。この例では、入射径Ｘを８ｍｍとし、受光面２ａのサイズを３ｍｍ×３ｍｍとした。なお、いずれのレンズも光検出部２と光学的に結合されているが、図６では、図面の簡略化のため受光面２ａを含む窓部材３のみが図示され、受光面２ａの位置が点線で表されている。図６の上部には、集光レンズ１０が示されている。図６の中央部には、第１比較例の非球面単レンズ５１が示されている。図６の下部には、第２比較例の中空型のＣＰＣ（Compound Parabolic Concentrator：複合放物面集光器）５２が示されている。集光レンズ１０では、受光面２ａとレンズ先端との間の距離Ｔは２．５ｍｍであった。非球面単レンズ５１では距離Ｔは７．８ｍｍであり、ＣＰＣ５２では距離Ｔは７．８ｍｍであった。ＣＰＣ５２の受光許容角度は１９度とした。このように、集光レンズ１０では、他のレンズと比較して、同じ入射径Ｘを有しつつ、受光面２ａとレンズ先端との間の距離Ｔを十分に小さくすることができる。つまり、他のレンズと比較して、集光に要する距離を小さくすることができる。

【0046】

図７（ａ）には、実施形態の集光レンズ１０、第１比較例の非球面単レンズ５１、及び第２比較例のＣＰＣ５２についての入射角度（°）と集光効率（％）の関係が示されている。図７（ｂ）には、それらについての光源からの距離（ｍｍ）と検出光量（Ｗ）の関係が示されている。入射角度は、上述した集光レンズ１０における光軸方向Ｄに対する入射光の角度に対応する。第１シミュレーションでは、光源を直径８ｍｍで総光量が１Ｗである散乱光源とした。

【0047】

図７（ａ）から、集光レンズ１０では、非球面単レンズ５１及びＣＰＣ５２と比べて、入射角度の大きい光に対する集光効率が高いことが分かる。図７（ｂ）から、集光レンズ１０では、非球面単レンズ５１及びＣＰＣ５２と比べて、散乱光に対する集光効率が高いことが分かる。したがって、集光レンズ１０は、散乱光の集光に好適に用いられ得る。

【0048】

図８及び図９を参照しつつ、第２シミュレーションの結果について説明する。第２シミュレーションでは、実施形態の光検出器１を他の光検出器と比較すると共に、集光レンズ１０を有しない場合の光検出器１（光検出部２）と比較した。図８の上部には、第３比較例の光検出器５３が示されている。光検出器５３の外径Ｙは１５ｍｍであり、入射径Ｘ（光電面の有効径）は８ｍｍであった。光軸方向における光検出器５３の長さＨは１１ｍｍであった。図８の中央部には、光検出器１が示されている。図８の下部には、集光レンズ１０を有しない場合の光検出器１（光検出部２）に相当する第４比較例の光検出器５４が示されている。光検出器１の入射径Ｘは８ｍｍであり、光軸方向における光検出器１の長さＨは６ｍｍであった。光検出器５４の入射面は光検出部２の受光面２ａと同一であり、３ｍｍ×３ｍｍの正方形状の面とした。光軸方向における光検出器５４の長さＨは４ｍｍであった。なお、光検出器５３は、光軸方向に沿った方向で電子増倍を行うように配置された電子増倍部を有するのに対して、光検出器５４は、例えば欧州特許第２５５７５８９号に示されるような光軸方向に垂直な方向に電子増倍を行うように配置された電子増倍部を有する。そのため、光検出器５３が筒状の外形を有するのに対して、光検出器５４は高さ方向の大きさが抑制された平板状（平たい直方体状）の外形を有する。そのため、集光レンズ１０と光検出器５４とを組み合わせた光検出器１は、光検出器５３と同じ入射径Ｘを有しながら、光軸方向における長さＨ（つまり高さ）は、光検出器５３と比較して十分小さくなっている。つまり、光検出器１は、集光レンズ１０と光検出器５４とを組み合わせることで、光電子増倍管を用いながらも非常に高さの小さい光検出器とすることができる。

【0049】

図９には、実施形態の光検出器１、第３比較例の光検出器５３、及び第４比較例の光検出器５４についての光源からの距離と検出光量の関係が示されている。破線中には当該グラフの一部が拡大して示されている。第２シミュレーションでは、光源を直径８ｍｍで総光量が１Ｗである散乱光源とした。

【0050】

図９から、実施形態の光検出器１と、光検出器１の集光レンズ１０と同じサイズの光電面を有する第３比較例の光検出器５３とを比べると、光源からの距離が近い場合には光検出器１の検出光量は光検出器５３の検出光量よりも小さいが、光源からの距離が遠くなるにつれて光検出器１の検出光量は光検出器５３の検出光量に漸近することが分かる。また、光検出器１と、集光レンズ１０を有しない第４比較例の光検出器５４とを比べると、光検出器１の検出光量は光検出器５４の検出光量よりも大きいことが分かる。

【0051】

図１０を参照しつつ、第３シミュレーションの結果について説明する。第３シミュレーションでは、光源を総光量が１Ｗである点光源とした。その他の点については第２シミュレーションと同一とした。図１０から、光検出器１と光検出器５３とを比べると、光源からの距離が近い場合には光検出器１の検出光量は光検出器５３の検出光量よりも小さいが、光源からの距離が遠くなるにつれて光検出器１の検出光量は光検出器５３の検出光量に漸近することが分かる。また、光検出器１と光検出器５４とを比べると、光源からの距離が近い場合には光検出器１の検出光量は光検出器５４の検出光量よりも小さいが、光源からの距離が６ｍｍよりも大きい領域においては光検出器１の検出光量は光検出器５４の検出光量よりも大きいことが分かる。

【0052】

図１１及び図１２を参照しつつ、第４シミュレーションの結果について説明する。第４シミュレーションでは、上述した光検出器５３に対応する光検出器に集光レンズ１０を取り付けた場合と取り付けていない場合とを比較した。図１１の上部には、第５比較例の光検出器５５が示されている。光検出器５５の外径Ｙは２５ｍｍであり、入射径Ｘ（光電面の有効径）は２２ｍｍであった。光軸方向における光検出器５５の長さＨは４４ｍｍであった。図１１の中央部には、本開示の一実施形態である光検出器６０が示されている。光検出器６０は、光検出部２及び集光レンズ１０を備えている。図１１の下部には、集光レンズ１０を有しない場合の光検出器６０（光検出部２）に相当する第６比較例の光検出器５６が示されている。光検出器６０の入射径Ｘは２１ｍｍであり、光軸方向における光検出器６０の長さＨは１６ｍｍであった。光検出器５６の外径Ｙは１５ｍｍであった。光検出器５６の入射面は光検出器６０の光検出部２の受光面２ａと同一であり、直径８ｍｍの円形状の面とした。光軸方向における光検出器５６の長さＨは１１ｍｍであった。

【0053】

図１２には、実施形態の光検出器６０、第５比較例の光検出器５５、及び第６比較例の光検出器５６についての光源からの距離と検出光量の関係が示されている。破線中には当該グラフの一部が拡大して示されている。第４シミュレーションでは、光源を直径２２ｍｍで総光量が１Ｗである散乱光源とした。

【0054】

図１２から、光検出器６０と、光検出器６０の集光レンズ１０とほぼ同じサイズの光電面を有する光検出器５５とを比べると、光源からの距離が近い場合には光検出器６０の検出光量は光検出器５５の検出光量よりも小さいが、光源からの距離が遠くなるにつれて光検出器６０の検出光量は光検出器５５の検出光量に漸近することが分かる。また、光検出器６０と、集光レンズ１０を有しない光検出器５６とを比べると、光検出器６０の検出光量は光検出器５６の検出光量よりも大きいことが分かる。

【0055】

図１３（ａ）は実施形態の集光レンズ１０を示す図であり、図１３（ｂ）は第１変形例の集光レンズ１０Ａを示す図である。図１３（ａ）に示されるように、入射面２０において光軸方向Ｄに平行に入射した光が出射面３０に入射しない領域を非有効領域Ｒとすると、集光レンズ１０の入射面２０は、非有効領域Ｒを有している。具体的には、非有効領域Ｒは、入射面２０における中央部２１と外側部２２との間の境界部分に存在している。一方、第１変形例の集光レンズ１０Ａは、非有効領域Ｒを有していない。すなわち、集光レンズ１０Ａでは、入射面２０の全体が有効領域となっており、入射面２０に入射した光は、入射面２０に対する入射位置にかかわらず、出射面３０に入射する。また、集光レンズ１０Ａにおいては、集光レンズ１０と比べて受光面２ａにおける集光スポットがより点に近くなるように、形状の変更が行われている。また、そのような設計に有利になるように、より屈折率の高いガラス材料へと材質変更が行われている。

【0056】

図１４は、第５シミュレーションの結果を示すグラフである。図１４には、実施形態の集光レンズ１０及び第１変形例の集光レンズ１０Ａについての入射角度と集光効率の関係が示されている。図１４から、非有効領域Ｒを有しない集光レンズ１０Ａのほうが、非有効領域Ｒを有する集光レンズ１０よりも集光効率が高いことが分かる。

【0057】

このように、第１変形例の集光レンズ１０Ａは、集光効率の向上の観点から有利である。また、集光レンズ１０Ａは、入射面２０を狭くして小型化を図る観点からも有利である。一方、実施形態の集光レンズ１０は、入射面２０が非有効領域Ｒを含むことで、入射面２０を広くすることができる点で有利である。また、入射光の形状や集光したい領域を加味して、非有効領域Ｒを設定してもよい。非有効領域Ｒの大きさは、これらの点を考慮して設定され得る。例えば、光軸方向Ｄに平行な光に対する集光レンズ１０の集光効率が５０％以上となるように、入射面２０に非有効領域Ｒが設定されてもよい。図１４に示されるように、実施形態では、光軸方向Ｄに平行な光に対する集光レンズ１０の集光効率（すなわち入射角度が０°の場合の集光効率）が９０％よりも高くなっている。或いは、非有効領域Ｒの面積が入射面２０全体の面積の５０％以下となるように、入射面２０に非有効領域Ｒが設定されてもよい。

【0058】

図１５（ａ）、図１５（ｂ）及び図１５（ｃ）は、第２変形例の集光レンズ１０Ｂを示す図である。集光レンズ１０Ｂでは、実施形態の集光レンズ１０よりも非有効領域Ｒが広く設定されている。集光レンズ１０Ｂでは、出射面３０は、出射面３０の中心に向かって窪む略円錐状の凹部３１の内面によって形成されている。凹部３１の内部は、空隙（空気層）となっている。

【0059】

上述した図１４には、第２変形例の集光レンズ１０Ｂについての入射角度と集光効率の関係が併せて示されている。図１４から、非有効領域Ｒが広い集光レンズ１０Ｂの集光効率は、非有効領域Ｒが狭い集光レンズ１０、及び非有効領域Ｒを有しない集光レンズ１０Ａの集光効率よりも低いことが分かる。これは、図１５（ｂ）に示されるように、集光レンズ１０Ｂでは、非有効領域Ｒに入射して反射面４０で反射され、それから入射面２０に入射した光が、入射面２０で全反射されずに入射面２０を透過してしまうからであると考えられる。また、図１５（ｃ）に示されるように、出射面３０を形成する凹部３１の内部が空気層となっていることにより、出射面３０に入射した光が出射面３０で全反射されてしまうからでもあると考えられる。すなわち、実施形態の集光レンズ１０及び第１変形例の集光レンズ１０では、反射面４０で反射されて入射面２０に入射した第１光Ｌ１が、入射面２０の広い範囲において全反射されて出射面３０に入射するため、集光効率が向上されている。また、出射面３０が光軸方向Ｄに垂直な平坦面であり、出射面３０と窓部材３との間に空気層が形成されていないことによっても、集光効率が向上されている。

【0060】

図１６（ａ）～図１８を参照しつつ、第６シミュレーションの結果について説明する。第６シミュレーションでは、実施形態の集光レンズ１０を第３変形例の集光レンズ１０Ｃ及び第４変形例の集光レンズ１０Ｄと比較した。実施形態の集光レンズ１０では出射面３０上に光学カップリング剤５が配置されていたのに対し、図１６（ａ）に示される第３変形例の集光レンズ１０Ｃでは出射面３０上に光学カップリング剤５が配置されていない。なお、図１６（ａ）に示されるシミュレーションでは、窓部材３を省略して空気層を設けることで光学カップリング剤５が配置されていない状態としている。集光レンズ１０Ｃでは、入射面２０における外縁部に非有効領域Ｒが存在している。これは、図１６（ｂ）に示されるように、入射面２０の外縁部を入射して出射面３０に到達した光が出射面３０で全反射されてしまうからであると考えられる。図１９には、実施形態の集光レンズ１０及び第３変形例の集光レンズ１０Ｃについての入射角度と集光効率の関係が示されている。図１９から、実施形態の集光レンズ１０の集光効率は第３変形例の集光レンズ１０Ｃの集光効率よりも高いことが分かる。このように、実施形態の集光レンズ１０では、出射面３０が光学カップリング剤５を介して受光面２ａに接続されていることにより、集光効率が向上されている。

【0061】

図１７に示されるように、第４変形例の集光レンズ１０Ｄでは、出射面３０は、出射面３０の中心に向かって窪む略半球状の凹部３１の内面（Ｒ面）によって形成されており、出射面３０の中心に向かって窪むように湾曲している。この例では、出射面３０は、入射面２０の側に向かって凸の連続した湾曲面である。凹部３１の内部は、例えば空隙（空気層）となっている。第４変形例では、上述した第２変形例とは異なり、出射面３０がＲ状に湾曲しているため、出射面３０での全反射が抑制されている。図１９には、第４変形例の集光レンズ１０Ｄについての入射角度と集光効率の関係が併せて示されている。図１９から、入射角度が小さい場合には第４変形例の集光レンズ１０Ｄの集光効率は第３変形例の集光レンズ１０Ｃの集光効率よりも高いが、入射角度が大きい場合には集光レンズ１０Ｄの集光効率は集光レンズ１０Ｃの集光効率よりも低いことが分かる。これは、図１８（ａ）及び図１８（ｂ）に示されるように、集光レンズ１０Ｄでは、入射角度によっては光が出射面３０で全反射されてしまい、入射面２０に非有効領域が生じてしまうためであると考えられる。

【0062】

第４変形例の集光レンズ１０Ｄにおいて、出射面３０を構成する凹部３１の内部に光学カップリング剤が配置されてもよい。この場合、出射面３０での全反射を抑制して集光効率を向上することができる。ただし、凹部３１内に空気が残存しないように凹部３１内に光学カップリング剤を充填する作業は容易ではなく、作業性が低下し得る。すなわち、実施形態の集光レンズ１０では、平坦な出射面３０と窓部材３との間に光学カップリング剤５を配置すればよいため、作業性を向上することができる。

【0063】

図２０（ａ）、図２０（ｂ）及び図２０（ｃ）は、他の変形例を説明するための図である。図２０（ａ）に示されるように、出射面３０は、集光レンズ１０に形成された凸部３２の表面であってもよい。集光レンズ１０は、光軸方向Ｄから見た場合に、図２０（ｂ）に示されるように矩形状に形成されていてもよいし、図２０（ｃ）に示されるように楕円形状に形成されていてもよい。或いは、集光レンズ１０は、光軸方向Ｄから見た場合に六角形状又は八角形状に形成されていてもよい。

【0064】

図２１（ａ）及び図２１（ｂ）には、集光レンズユニット１００が示されている。集光レンズユニット１００は、集光レンズ１０と、集光レンズ１０と組み合わせられた反射部材１１０を備えている。この例では、集光レンズ１０の反射面４０上に反射層４３が形成されておらず、反射部材１１０が、光を反射させる反射面１２０を有している。反射部材１１０には、集光レンズ１０の形状に対応した形状の配置孔１１１が形成されている。配置孔１１１は、光軸方向Ｄにおける第１側Ｓ１及び第２側Ｓ２の両方に開口している。集光レンズ１０は、入射面２０が配置孔１１１の一方の開口から露出すると共に出射面３０が配置孔１１１の他方の開口から露出するように、配置孔１１１内に配置されている。出射面３０は、上記実施形態と同様に、光学カップリング剤５を介して窓部材３に接続されている。

【0065】

配置孔１１１の内面は、反射面１２０となっている。例えば、反射部材１１０が光反射性を有する材料により形成されると共に鏡面加工が施されることにより、反射面１２０が形成されていてもよい。或いは、例えば、アルミニウム等の金属材料からなる反射膜が蒸着されることにより、反射面１２０が形成されていてもよい。反射部材１１０の反射面１２０が集光レンズ１０の反射面４０に沿って配置されていることにより、集光レンズ１０の反射面４０が光を反射させる。反射部材１１０の反射面１２０と集光レンズ１０の反射面４０とは向かい合っており、反射面１２０と反射面４０とは光学カップリング剤を介して互いに接続されている。

【0066】

集光レンズユニット１００によっても、上述した理由により、薄型化及び高効率化を図ることができる。また、反射部材１１０が集光レンズ１０と組み合わせられているため、強度を向上することができると共に、集光レンズ１０単体と比べて、取り扱いや光検出部２に対する固定などの作業容易性も向上することができる。また、上記実施形態の集光レンズ１０では、例えばマスキング等により集光レンズ１０の反射面４０のみに反射膜を蒸着する必要があるのに対し、集光レンズユニット１００では、配置孔１１１の内面に反射膜を蒸着しさえすればよいため、蒸着工程を容易化することができ、作業性を向上することができる。

【0067】

本開示は、上記実施形態及び変形例に限られない。本開示の実施形態及び変形例の特徴及び態様は、上述した特定の組合せだけではなく、互いに適宜に組み合わせられ得る。例えば、集光レンズユニット１００は、実施形態の集光レンズ１０に代えて、第１～第４変形例の集光レンズ１０Ａ～１０Ｄのいずれかを備えていてもよい。各構成の材料及び形状には、上述した材料及び形状に限らず、様々な材料及び形状を採用することができる。集光レンズ１０の形状は集光レンズの材料に応じて変化し得る。

【0068】

集光レンズ１０は、光軸方向Ｄから見た場合に入射面２０から外側に延在するフランジ部を有していてもよい。フランジ部は、環状に形成されてもよいし、周方向における一部のみに形成されてもよい。窓部材３は省略されてもよい。集光レンズ１０は出射面３０が光検出部２の受光面２ａと向かい合うように配置されていればよく、出射面３０は窓部材３を介することなく受光面２ａ上に配置されていてもよい。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】