知財求人 - 知財ポータルサイト「IP Force」
(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】
(24)【登録日】2023-01-26
(45)【発行日】2023-02-03
(54)【発明の名称】投光レンズ及び投光装置
(51)【国際特許分類】
G02B 3/02 20060101AFI20230127BHJP
G02B 3/06 20060101ALI20230127BHJP
【ＦＩ】
G02B3/02
G02B3/06
【請求項の数】
10
(21)【出願番号】P 2021536580
(86)(22)【出願日】2019-08-01
(86)【国際出願番号】 JP2019030274
(87)【国際公開番号】W WO2021019771
(87)【国際公開日】2021-02-04
【審査請求日】2022-01-17
(73)【特許権者】
【識別番号】397002201
【氏名又は名称】株式会社トヨテック
(74)【代理人】
【識別番号】110000534
【氏名又は名称】弁理士法人真明センチュリー
(72)【発明者】
【氏名】山本 高広
【審査官】横井 亜矢子
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１１－０４０３１５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００８－１０８６７４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１３－０３０４４６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１６－２２４３８９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１８－１８１７２６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００７－２２７４１０（ＪＰ，Ａ）
【文献】登録実用新案第３１５３６４７（ＪＰ，Ｕ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０２Ｂ ３／００－３／１４
Ｆ２１Ｖ ５／０４
Ｈ０１Ｌ ３３／５８
Ｈ０１Ｓ ５／０２２
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
光源から出射された光が入射する入射面と、前記入射面とは反対側の面であって前記入射面を通った光を投光側へ出射する出射面と、を備え、
前記入射面および前記出射面と交わる光軸をＺ軸とし、そのＺ軸と直交しつつ互いに直交する軸をＸ軸およびＹ軸とした場合、
前記入射面および前記出射面は、ＸＺ断面およびＹＺ断面においてそれぞれＺ軸に関し線対称に形成され、
ＸＺ断面における前記入射面は、前記光源側に凹の曲線であって、Ｚ軸から離れるにつれて曲率の絶対値が小さくなり、
ＹＺ断面における前記出射面は、前記投光側に凹の曲線であり、
ＸＺ断面において、Ｚ軸と前記入射面との交点における前記入射面の曲率の絶対値は、Ｚ軸と前記出射面との交点における前記出射面の曲率の絶対値よりも大きく、
ＹＺ断面において、Ｚ軸と前記入射面との交点における前記入射面の曲率の絶対値は、Ｚ軸と前記出射面との交点における前記出射面の曲率の絶対値よりも小さいことを特徴とする投光レンズ。
【請求項2】
前記入射面は、Ｚ軸と前記入射面との交点におけるＸＺ断面の曲率の絶対値が、Ｚ軸と前記入射面との交点におけるＹＺ断面の曲率の絶対値よりも大きく、前記出射面は、Ｚ軸と前記出射面との交点におけるＹＺ断面の曲率の絶対値が、Ｚ軸と前記出射面との交点におけるＸＺ断面の曲率の絶対値よりも大きいことを特徴とする請求項１記載の投光レンズ。
【請求項3】
前記入射面および前記出射面は、ＸＺ断面およびＹＺ断面に関してそれぞれ対称に形成されるアナモフィック面であることを特徴とする請求項１又は２に記載の投光レンズ。【請求項4】
前記入射面および前記出射面の一方は、Ｘ軸方向またはＹ軸方向のいずれか一方に垂直な断面が直線状のシリンドリカル面であり、前記入射面および前記出射面の他方は、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に垂直な断面が両方とも曲線状のトロイダル面であることを特徴とする請求項３記載の投光レンズ。
【請求項5】
ＸＺ断面における前記出射面は、Ｚ軸近傍が凹であってＺ軸から離れた位置で凸に変化する曲線により形成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の投光レンズ。【請求項6】
ＹＺ断面における前記出射面は、Ｚ軸から離れるにつれて曲率の絶対値が小さくなる凹の曲線であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の投光レンズ。【請求項7】
ＸＺ断面において、前記光源から出射された光線は、発散角が０°より大きく半値半角以下の範囲の内側光線を含み、
前記入射面への前記内側光線の入射位置がＺ軸から離れるにつれて前記入射面への前記内側光線の入射角が大きくなる位置に前記光源を置いた場合に、
前記内側光線が前記入射面に入射して屈折した第１Ｘ屈折光線は、前記内側光線を延長した第１Ｘ延長線に対してＺ軸とは反対側に位置し、
前記第１Ｘ屈折光線が前記出射面に入射して屈折した第２Ｘ屈折光線は、前記第１Ｘ屈折光線を延長した第２Ｘ延長線に対してＺ軸とは反対側に位置し、
前記第１Ｘ屈折光線と前記第１Ｘ延長線との間の第１Ｘ偏角は、前記入射面への前記内側光線の入射位置がＺ軸から離れるにつれて大きくなり、
前記第２Ｘ屈折光線と前記第２Ｘ延長線との間の第２Ｘ偏角は、前記出射面への前記第１Ｘ屈折光線の入射位置がＺ軸から離れるにつれて大きくなるように、
前記入射面および前記出射面の形状が設定されていることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の投光レンズ。
【請求項8】
ＹＺ断面において、前記入射面から前記出射面へ向かう光線が第１Ｙ屈折光線であり、
前記第１Ｙ屈折光線が前記出射面に入射して屈折した第２Ｙ屈折光線は、前記第１Ｙ屈折光線を延長した第２Ｙ延長線に対してＺ軸とは反対側に位置し、
前記第２Ｙ屈折光線と前記第２Ｙ延長線との間の第２Ｙ偏角は、前記出射面への前記第１Ｙ屈折光線の入射位置がＺ軸から離れるにつれて大きくなるように、
前記出射面の形状が設定されていることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の投光レンズ。
【請求項9】
前記光源から出射された光の波長における屈折率が１．５６以上の材料によって形成されていることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の投光レンズ。【請求項10】
Ｚ軸方向に光を出射する光源と、請求項１から９のいずれかに記載の投光レンズと、を備える投光装置であって、前記光源から出射される光は、ＸＺ断面およびＹＺ断面における光強度分布がそれぞれＺ軸に関して線対称であり、Ｚ軸から離れるにつれて光強度が小さくなり、ＸＺ断面における発散角がＹＺ断面における発散角よりも大きいことを特徴とする投光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、光源からの光を矩形状の範囲に投光する投光レンズ及び投光装置に関するものである。
【背景技術】
【0002】
物体検出装置や距離計測装置の投光系、表示装置のバックライト等に用いられる投光装置には、光源からの光を投光レンズによって広い範囲に投光するものが知られている。特許文献１には、投光範囲を長円状にしつつ、その投光範囲内の光強度を確保するために、出射面を複雑な三次元形状に形成すると共に、その出射面による投光範囲の形成などに影響を及ぼさないように入射面を半球状にする投光レンズが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特許第６４６０８７８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、上記特許文献１に記載された技術では、投光レンズを通った光の投光範囲が長円状なので、例えば、物体検出装置により矩形状の範囲の物体を検出するために、その検出範囲を長円状の投光範囲の内側に含めた場合、検出範囲外に投光される光量が多くなり易い。そうすると、相対的に検出範囲内の光強度が低下し、物体検出装置の検出感度が低下するという問題が生じる。
【0005】
本発明は上述した問題点を解決するためになされたものであり、投光範囲を矩形状に近づけつつ、その投光範囲内の光強度を確保できる投光レンズ及び投光装置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】
【0006】
この目的を達成するために本発明の投光レンズは、光源から出射された光が入射する入射面と、前記入射面とは反対側の面であって前記入射面を通った光を投光側へ出射する出射面と、を備え、前記入射面および前記出射面と交わる光軸をＺ軸とし、そのＺ軸と直交しつつ互いに直交する軸をＸ軸およびＹ軸とした場合、前記入射面および前記出射面は、ＸＺ断面およびＹＺ断面においてそれぞれＺ軸に関し線対称に形成され、ＸＺ断面における前記入射面は、前記光源側に凹の曲線であって、Ｚ軸から離れるにつれて曲率の絶対値が小さくなり、ＹＺ断面における前記出射面は、前記投光側に凹の曲線であり、ＸＺ断面において、Ｚ軸と前記入射面との交点における前記入射面の曲率の絶対値は、Ｚ軸と前記出射面との交点における前記出射面の曲率の絶対値よりも大きく、ＹＺ断面において、Ｚ軸と前記入射面との交点における前記入射面の曲率の絶対値は、Ｚ軸と前記出射面との交点における前記出射面の曲率の絶対値よりも小さい。
【発明の効果】
【0007】
請求項１記載の投光レンズによれば、ＸＺ断面において、入射面が光源側に凹の曲線であり、Ｚ軸と入射面との交点における入射面の曲率の絶対値が、Ｚ軸と出射面との交点における出射面の曲率の絶対値よりも大きいので、光源からの光を入射面によって主にＸ軸方向に広げることができる。また、ＹＺ断面において、出射面が投光側に凹の曲線であり、Ｚ軸と入射面との交点における入射面の曲率の絶対値が、Ｚ軸と出射面との交点における出射面の曲率の絶対値よりも小さいので、光を出射面によって主にＹ軸方向に広げることができる。このように、光源からの光を、入射面によって主にＸ軸方向に広げた後、出射面によって主にＹ軸方向に広げるので、投光レンズを通った光の投光範囲を矩形状に近づけることができる。
【0008】
さらに、ＸＺ断面における入射面の曲率の絶対値がＺ軸から離れるにつれて小さくなるので、入射面によって光線束を、Ｚ軸近傍で大きく拡散しつつ、Ｚ軸からＸ軸方向に離れた周辺部で小さく拡散できる。これにより、出射面に到達した光の光強度を、Ｚ軸近傍で減少できると共に、Ｚ軸からＸ軸方向に離れた周辺部で増加できる。光源から出射される光の光強度が大きい部分をＺ軸に合わせることによって、入射面を通って出射面に到達した光の光強度をＸ軸方向の略全長に亘って確保できる。このような光強度の光線束が出射面によって主にＹ軸方向に広げられるので、投光レンズを通った光の光強度を投光範囲の略全体に亘って確保できる。
【0009】
請求項２記載の投光レンズによれば、請求項１記載の投光レンズの奏する効果に加え、次の効果を奏する。入射面は、Ｚ軸と入射面との交点におけるＸＺ断面の曲率の絶対値が、Ｚ軸と入射面との交点におけるＹＺ断面の曲率の絶対値よりも大きいので、光を入射面によってＹ軸方向に小さくＸ軸方向に大きく拡散できる。また、出射面は、Ｚ軸と出射面との交点におけるＹＺ断面の曲率の絶対値が、Ｚ軸と出射面との交点におけるＸＺ断面の曲率の絶対値よりも大きいので、光を出射面によってＸ軸方向に小さくＹ軸方向に大きく拡散できる。これらの結果、光源からの光をＸ軸方向に広げる役割とＹ軸方向に広げる役割とを、それぞれ入射面と出射面とに分担させ易くできるので、投光レンズを通った光の投光範囲をより矩形状に近づけつつ、その投光範囲内の光強度を確保し易くできる。
【0010】
請求項３記載の投光レンズによれば、請求項１又は２に記載の投光レンズの奏する効果に加え、次の効果を奏する。入射面および出射面は、ＸＺ断面およびＹＺ断面に関してそれぞれ対称に形成されるアナモフィック面である。これにより、入射面におけるＸ軸方向への光の広げ方とＹ軸方向への光の広げ方とをそれぞれ個別に設定し易くできると共に、出射面におけるＸ軸方向への光の広げ方とＹ軸方向への光の広げ方とをそれぞれ個別に設定し易くできる。その結果、光の投光範囲を矩形状に近づけつつ、その投光範囲内の光強度を確保するための投光レンズを設計し易くできる。
【0011】
請求項４記載の投光レンズによれば、請求項３記載の投光レンズの奏する効果に加え、次の効果を奏する。入射面および出射面の一方は、Ｘ軸方向またはＹ軸方向のいずれか一方に垂直な断面が直線状のシリンドリカル面である。入射面および出射面の他方は、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に垂直な断面が両方とも曲線状のトロイダル面である。トロイダル面よりも形成が容易で、誤差感度の小さいシリンドリカル面によって、一方向に光を拡散し易くできると共に、トロイダル面によって、他方向に光を拡散し易くしつつ一方向の光の拡散の仕方を調整できる。その結果、投光レンズを通った光の投光範囲を矩形状に調整し易くできると共に、その投光範囲内の光強度を確保し易くできる。
【0012】
請求項５記載の投光レンズによれば、請求項１から４のいずれかに記載の投光レンズの奏する効果に加え、次の効果を奏する。ＸＺ断面における出射面は、Ｚ軸近傍が凹であってＺ軸から離れた位置で凸に変化する曲線により形成されている。これにより、出射面から出射された光線束を、Ｚ軸近傍で大きく拡散しつつ、Ｚ軸からＸ軸方向に離れた周辺部で小さく拡散できるので、光強度をＺ軸からＸ軸方向に離れた周辺部で増加できる。
【0013】
請求項６記載の投光レンズによれば、請求項１から５のいずれかに記載の投光レンズの奏する効果に加え、次の効果を奏する。ＹＺ断面における出射面は、Ｚ軸から離れるにつれて曲率の絶対値が小さくなる凹の曲線である。これにより、出射面から出射された光線束を、Ｚ軸近傍で大きく拡散しつつ、Ｚ軸からＹ軸方向に離れた周辺部で小さく拡散できるので、光強度をＺ軸からＹ軸方向に離れた周辺部で増加できる。
【0014】
請求項７記載の投光レンズによれば、請求項１から６のいずれかに記載の投光レンズの奏する効果に加え、次の効果を奏する。ＸＺ断面において、光源から出射された光線は、発散角が０°より大きく半値半角以下の範囲の内側光線を含む。ＸＺ断面において、内側光線が入射面に入射して屈折した光線を第１Ｘ屈折光線とし、内側光線を延長した線を第１Ｘ延長線とする。さらに、第１Ｘ屈折光線が出射面に入射して屈折した光線を第２Ｘ屈折光線とし、第１Ｘ屈折光線を延長した線を第２Ｘ延長線とする。入射面への内側光線の入射位置がＺ軸から離れるにつれて、入射面への内側光線の入射角が大きくなる位置に光源を置いた場合に、以下の２つの条件を満たす形状に、ＸＺ断面における入射面および出射面が設定されている。
【0015】
１つ目の条件は、第１Ｘ屈折光線が第１Ｘ延長線に対してＺ軸とは反対側に位置し、第２Ｘ屈折光線が第２Ｘ延長線に対してＺ軸とは反対側に位置することである。２つ目の条件は、入射面への内側光線の入射位置がＺ軸から離れるにつれて、第１Ｘ屈折光線と第１Ｘ延長線との間の第１Ｘ偏角が大きくなり、出射面への第１Ｘ屈折光線の入射位置がＺ軸から離れるにつれて、第２Ｘ屈折光線と第２Ｘ延長線との間の第２Ｘ偏角が大きくなることである。これらが満たされることで、内側光線をＸ軸方向の広い範囲に拡散でき、投光レンズをＸ軸方向に広角化できる。
【0016】
請求項８記載の投光レンズによれば、請求項１から７のいずれかに記載の投光レンズの奏する効果に加え、次の効果を奏する。ＹＺ断面において、入射面から出射面へ向かう光線を第１Ｙ屈折光線とし、第１Ｙ屈折光線が出射面に入射して屈折した光線を第２Ｙ屈折光線とし、第１Ｙ屈折光線を延長した線を第２Ｙ延長線とする。ＹＺ断面において、第２Ｙ屈折光線が第２Ｙ延長線に対してＺ軸とは反対側に位置すると共に、出射面への第１Ｙ屈折光線の入射位置がＺ軸から離れるにつれて、第２Ｙ屈折光線と第２Ｙ延長線との間の第２Ｙ偏角が大きくなるように、出射面の形状が設定されている。これにより、出射面によってＹ軸方向の広い範囲に光線を拡散できるので、Ｙ軸方向に投光レンズを広角化できる。
【0017】
請求項９記載の投光レンズによれば、請求項１から８のいずれかに記載の投光レンズの奏する効果に加え、次の効果を奏する。光源から出射された光の波長における屈折率が１．５６以上の材料によって投光レンズが形成されている。これにより、投光レンズを小型化しながら広角化できる。
【0018】
請求項１０記載の投光装置は、Ｚ軸方向に光を出射する光源と、請求項１から９のいずれかに記載の投光レンズと、を備えるものであって、請求項１から９のいずれかに記載の投光レンズの奏する効果に加え、次の効果を奏する。光源から出射される光は、ＸＺ断面およびＹＺ断面における光強度分布がそれぞれＺ軸に関して線対称であり、Ｚ軸から離れるにつれて光強度が小さくなり、ＸＺ断面における発散角がＹＺ断面における発散角よりも大きい。この光は、光強度が入射面によってＺ軸近傍で減少しつつＺ軸からＸ軸方向に離れた周辺部で増加するように、入射面によって主にＸ軸方向に広げられた後、出射面によってＹ軸方向に広げられる。その結果、投光装置は、光の投光範囲を矩形状に近づけつつ、その投光範囲の略全体に亘って光強度を確保できる。
【図面の簡単な説明】
【0019】
【図1】第１実施例における投光装置の斜視図である。
【図2】（ａ）は投光レンズのＸＺ断面図であり、（ｂ）は投光レンズのＹＺ断面図である。
【図3】光源から出射される光の光強度分布図である。
【図4】（ａ）はＸＺ断面の入射面における入射角、屈折角、偏角と光源からの光線の発散角との関係図であり、（ｂ）はＸＺ断面の出射面における入射角、屈折角、偏角と光源からの光線の発散角との関係図であり、（ｃ）はＹＺ断面の出射面における入射角、屈折角、偏角と光源からの光線の発散角との関係図である。
【図5】（ａ）は投光装置による投光範囲を示す図であり、（ｂ）はＸ軸方向の光強度分布図であり、（ｃ）はＹ軸方向の光強度分布図である。
【図6】（ａ）は第２実施例における投光レンズのＸＺ断面図であり、（ｂ）は投光レンズのＹＺ断面図である。
【図7】（ａ）は投光装置による投光範囲を示す図であり、（ｂ）はＸ軸方向の光強度分布図であり、（ｃ）はＹ軸方向の光強度分布図である。
【図8】（ａ）は第３実施例における投光レンズのＸＺ断面図であり、（ｂ）は投光レンズのＹＺ断面図である。
【図9】（ａ）は投光装置による投光範囲を示す図であり、（ｂ）はＸ軸方向の光強度分布図であり、（ｃ）はＹ軸方向の光強度分布図である。
【図10】（ａ）は第４実施例における投光レンズのＸＺ断面図であり、（ｂ）は投光レンズのＹＺ断面図である。
【図11】（ａ）は投光装置による投光範囲を示す図であり、（ｂ）はＸ軸方向の光強度分布図であり、（ｃ）はＹ軸方向の光強度分布図である。
【図12】（ａ）は第５実施例における投光レンズのＸＺ断面図であり、（ｂ）は投光レンズのＹＺ断面図である。
【図13】（ａ）は投光装置による投光範囲を示す図であり、（ｂ）はＸ軸方向の光強度分布図であり、（ｃ）はＹ軸方向の光強度分布図である。
【発明を実施するための形態】
【0020】
以下、好ましい実施形態について、添付図面を参照して説明する。まず、一実施形態における投光装置および投光レンズについて、図１から図４（ｃ）を参照し、第１実施例の投光装置１０及び投光レンズ１１を用いて説明する。なお、図２（ａ）及び図２（ｂ）は、光源２を模式的に点状とし、投光レンズ１１の各断面のみを図示して、その断面の奥に見える部分を省略している。
【0021】
図１に示すように、投光装置１０は、近赤外光を出射する光源２と、その光源２からの光を拡散して投光側（光源２とは反対側）へ出射する投光レンズ１１と、を備えている。投光装置１０は、物体検出装置や距離計測装置の投光系に用いられる。光源２から投光レンズ１１へ向かう光軸をＺ軸とし、そのＺ軸と直交しつつ互いに直交する軸をそれぞれＸ軸およびＹ軸とする。Ｚ軸およびＸ軸を含む断面をＸＺ断面とし、Ｚ軸およびＹ軸を含む断面をＹＺ断面とする。各図面には、これらのＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸が一点鎖線で示されている。
【0022】
光源２は、７５０～１４００ｎｍの範囲から選択された単波長の近赤外光によるガウシアンビームをＺ軸方向に出射するレーザーダイオード素子である。図３に例示されるように、光源２から出射される光は、ＸＺ断面およびＹＺ断面における光強度分布がＺ軸に関して線対称であり、Ｚ軸から離れるにつれて光強度が小さくなる。また、光源２から出射される光は、ＸＺ断面における発散角θがＹＺ断面における発散角θよりも大きく、その投光範囲がＸ軸を長軸とした楕円形状である。
【0023】
図１、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、投光レンズ１１は、光源２から入射した光を広い範囲に投光するための１枚のレンズである。投光レンズ１１は、投光範囲が矩形状に近づくと共に、その投光範囲の略全体に亘って光強度を確保できるように、光源２から入射した光を変換して投光する。
【0024】
光源２から出射される光が単波長なので、色収差を考慮せずに投光レンズ１１を設計できる。また、投光レンズ１１は、光源２から出射された光の波長における屈折率が１．５６以上の材料によって形成されている。これにより、投光レンズ１１を小型化しながら広角化できる。
【0025】
投光レンズ１１は、光源２から出射された光が入射する入射面１２と、入射面１２とは反対側の面である出射面１３と、を備えている。入射面１２及び出射面１３は、Ｚ軸と交わり、ＸＺ断面およびＹＺ断面がそれぞれＺ軸に関して線対称に形成されている。なお、入射面１２は、ＸＺ断面が必ず曲線であり、ＹＺ断面が直線であっても良い。また、出射面１３は、ＹＺ断面が必ず曲線であり、ＸＺ断面が直線であっても良い。
【0026】
本明細書において、入射面１２及び出射面１３の形状の説明は、各面の有効径内に関するものであり、その有効径外の入射面１２及び出射面１３の形状は適宜設定可能である。なお、入射面１２及び出射面１３の有効径内は、光源２から出射された光線のうち、Ｚ軸上の光強度を１とした場合に１／ｅ２（ｅ：ネイピア数）以上の相対強度をもつ光線が通る範囲である。
【0027】
まず、入射面１２及び出射面１３のＸＺ断面およびＹＺ断面について説明する。ＸＺ断面において、入射面１２は、光源２側に凹の曲線であって、Ｚ軸から離れるにつれて曲率の絶対値が小さくなる。さらにＸＺ断面において、Ｚ軸と入射面１２との交点における入射面１２の曲率の絶対値が、Ｚ軸と出射面１３との交点における出射面１３の曲率の絶対値よりも大きい。これにより、光源２からの光を入射面１２によって主にＸ軸方向に広げることができる。
【0028】
ＹＺ断面において、出射面１３は、投光側（図２（ｂ）紙面上側）に凹の曲線である。さらにＹＺ断面において、Ｚ軸と入射面１２との交点における入射面１２の曲率の絶対値が、Ｚ軸と出射面１３との交点における出射面１３の曲率の絶対値よりも小さい。これにより、入射面１２からの光を出射面１３によって主にＹ軸方向に広げることができる。
【0029】
このように、投光レンズ１１は、光源２からの光を入射面１２によって主にＸ軸方向に広げて帯状に形成した後、Ｘ軸方向に長い帯状の光を出射面１３によって主にＹ軸方向に広げる。その結果、投光レンズ１１を通った光の投光範囲を矩形状に近づけることができる。
【0030】
さらに、このような投光レンズ１１によれば、Ｘ軸方向への光の広げ方とＹ軸方向への光の広げ方とをそれぞれ個別に設定し易くできる。そのため、光源２からの光の発散角θがＸＺ断面とＹＺ断面とで異なっていても、投光装置１０は、光の投光範囲を矩形状に近づけ易くできる。
【0031】
また、ＸＺ断面における入射面１２の曲率の絶対値がＺ軸から離れるにつれて小さくなるので、光源２からの複数の光線からなる光線束を、入射面１２によって、Ｚ軸近傍で大きく拡散しつつ、Ｚ軸からＸ軸方向に離れたＸ周辺部で小さく拡散できる。これにより、出射面１３に到達した光の光強度を、Ｚ軸近傍で減少できると共に、Ｘ周辺部で増加できる。
【0032】
光源２からの光はＺ軸から離れるにつれて光強度が小さくなるので、光源２から入射面１２を通って出射面１３に到達した光の光強度をＸ軸方向の略全長に亘って確保できる。このような光強度の光線束が出射面１３によって主にＹ軸方向に広げられるので、投光レンズ１１を通った光の光強度を矩形状の投光範囲の略全体に亘って確保できる。よって、矩形状の範囲の物体を検出する物体検出装置の投光系に投光装置１０を用いる場合、その検出範囲と、投光装置１０による投光範囲とを合わせ易くできるので、検出範囲内の光強度を大きくでき、検出感度を向上できる。
【0033】
光源２からの光は、ＸＺ断面における発散角θがＹＺ断面における発散角θよりも大きいため、投光装置１０による投光範囲をＸ軸方向に大きくし易い。この大きく広げ易いＸ軸方向の略全長に亘って、光強度を入射面１２によって確保できるので、投光装置１０による投光範囲の略全体に亘って光強度を確保し易くできる。また、元々Ｙ軸方向の広がりが小さい光源２からの光を、入射面１２によってＹ軸方向に大きく広げることなく、出射面１３によって主にＹ軸方向に大きく広げるので、投光レンズ１１をＹ軸方向に小型化できる。
【0034】
ＹＺ断面における出射面１３の曲率の絶対値は、Ｚ軸から離れるにつれて小さくなる。これにより、出射面１３によって光線束を、Ｚ軸近傍で大きく拡散しつつ、Ｚ軸からＹ軸方向に離れたＹ周辺部で小さく拡散できる。これにより、出射面１３から出射された光の光強度を、Ｚ軸近傍で減少できると共に、Ｙ周辺部で増加できる。特に、Ｚ軸から離れるにつれて光強度が小さくなる光源２からの光が、光強度をＺ軸近傍で減少させつつＹ周辺部で増加させる投光レンズ１１を通るので、投光装置１０により投光される光の光強度をＹ軸方向の略全長に亘って確保できる。
【0035】
以上のように、投光装置１０により投光される光の光強度は、入射面１２及び出射面１３によってＺ軸近傍が減少しつつ、入射面１２によってＸ周辺部が増加し、出射面１３によってＹ周辺部が増加する。そのため、投光装置１０は、矩形状に近づけた投光範囲内において、光強度の等強度線を矩形状に近づけることができる。
【0036】
ＸＺ断面における出射面１３は、Ｚ軸近傍が投光側に凹であってＺ軸から離れた位置で投光側に凸に変化する曲線により形成されていることが好ましい。これにより、出射面１３から出射された光線束を、Ｘ周辺部でより小さく拡散できるので、Ｘ周辺部の光強度をより増加できる。
【0037】
特に、出射面１３のＸＺ断面において、凹から凸に変わる変曲点までのＺ軸からのＸ軸方向の距離は、Ｚ軸から有効径（光源２から出射された１／ｅ２の相対強度の光線が通る位置）までのＸ軸方向の距離を１００％とした場合に、７５％以下であることが好ましい。これにより、出射面１３から出射された光線束を、Ｘ周辺部の広い範囲で小さく拡散できるので、Ｘ周辺部の光強度をより一層増加できる。
【0038】
入射面１２は、Ｚ軸と入射面１２との交点におけるＸＺ断面の曲率の絶対値が、Ｚ軸と入射面１２との交点におけるＹＺ断面の曲率の絶対値よりも大きいことが好ましい。これにより、光を入射面１２によってＹ軸方向に小さくＸ軸方向に大きく拡散できる。また、出射面１３は、Ｚ軸と出射面１３との交点におけるＹＺ断面の曲率の絶対値が、Ｚ軸と出射面１３との交点におけるＸＺ断面の曲率の絶対値よりも大きいことが好ましい。これにより、光を出射面１３によってＸ軸方向に小さくＹ軸方向に大きく拡散できる。
【0039】
これらの結果、光源２からの光をＸ軸方向に広げる役割とＹ軸方向に広げる役割とを、それぞれ入射面１２と出射面１３とに分担させ易くできる。よって、投光レンズ１１を通った光の投光範囲をより矩形状に近づけつつ、その投光範囲内の光強度を確保し易くできる。
【0040】
次に、入射面１２及び出射面１３の全体形状について説明する。入射面１２及び出射面１３は、ＸＺ断面およびＹＺ断面に関してそれぞれ対称に形成されるアナモフィック面であることが好ましい。なお、アナモフィック面には、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に垂直な断面が両方とも曲線状のトロイダル面と、Ｘ軸方向またはＹ軸方向のいずれか一方に垂直な断面が直線状であって、Ｘ軸方向またはＹ軸方向のいずれか他方に垂直な断面が曲線状であるシリンドリカル面と、がある。
【0041】
なお、Ｚ軸と各面との交点を原点とし、Ｘ軸方向の距離をｘ、Ｙ軸方向の距離をｙ、Ｚ軸方向の距離をｚとしたとき、トロイダル面（アナモフィック面）は以下の式（１）で示され、Ｘ軸方向に垂直な断面が直線状であるシリンドリカル面は以下の式（２）で示される。ｚは、原点よりも投光側の位置で正の値となる。また、Ｙ軸方向に垂直な断面が直線状であるシリンドリカル面の形状を示す式は、式（２）のｘをｙに、ｃｘをｃｙに、ｋｘをｋｙに変更したものである。
【0042】
【数1】
【数2】
ｃｘ：ＸＺ断面とＺ軸との交点におけるＸＺ断面の曲率
ｃｙ：ＹＺ断面とＺ軸との交点におけるＹＺ断面の曲率
ｋｘ：ＸＺ断面のコーニック定数
ｋｙ：ＹＺ断面のコーニック定数
Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ａｉ，Ｂｉ：非球面係数（ｉは４～２０の範囲の偶数）
【0043】
入射面１２及び出射面１３がいずれもアナモフィック面であれば、入射面１２におけるＸ軸方向への光の広げ方とＹ軸方向への光の広げ方とをそれぞれ個別に設定し易くできると共に、出射面１３におけるＸ軸方向への光の広げ方とＹ軸方向への光の広げ方とをそれぞれ個別に設定し易くできる。その結果、投光装置１０による光の投光範囲を矩形状に近づけつつ、投光範囲内の光強度を確保するための投光レンズ１１を設計し易くできる。
【0044】
さらに、入射面１２及び出射面１３がいずれもアナモフィック面なので、Ｘ軸方向の全体に亘ってＹ軸方向への光の広げ方を設定しながら、Ｙ軸方向の全体に亘ってＸ軸方向への光の広げ方を設定できると共に、それらの設定を個別にできる。その結果、投光装置１０は、矩形状に近づけた投光範囲内において、光強度の等強度線を矩形状に近づけ易くできる。
【0045】
入射面１２及び出射面１３の一方がシリンドリカル面であり、他方がトロイダル面であることがより好ましい。これにより、トロイダル面よりも形成が容易で、誤差感度の小さいシリンドリカル面によって、一方向に光を拡散し易くできると共に、トロイダル面によって、他方向に光を拡散し易くしつつ一方向の光の拡散の仕方を調整できる。その結果、投光レンズ１１を通った光の投光範囲を矩形状に調整し易くできると共に、その投光範囲内の光強度を確保し易くできる。加えて、その投光範囲内の光強度の等強度線を矩形状に近づけ易くできる。
【0046】
次に図２（ａ）及び図２（ｂ）を参照しながら、光源２から出射された光線の経路についてより詳しく説明する。図２（ａ）に示すように、ＸＺ断面において、光源２から出射される光線は入射面１２及び出射面１３によってそれぞれ屈折し、１本の光線の経路が形成される。このＸＺ断面における１本の光線の経路に関して、各線および各角度を以下の通り定義する。
【0047】
光源２から入射面１２までの光線をＸ光線１４とする。Ｘ光線１４が入射面１２に入射して屈折した光線を第１Ｘ屈折光線１５とする。Ｘ光線１４を延長した仮想線を第１Ｘ延長線１６とする。第１Ｘ屈折光線１５が出射面１３に入射して屈折した光線を第２Ｘ屈折光線１７とする。第１Ｘ屈折光線１５を延長した仮想線を第２Ｘ延長線１８とする。
【0048】
Ｘ光線１４と、そのＸ光線１４が入射した位置の入射面１２の法線１９との角度を入射角α１とする。第１Ｘ屈折光線１５と、その第１Ｘ屈折光線１５が交わる位置の入射面１２の法線１９との角度を屈折角α２とする。第１Ｘ屈折光線１５と、その第１Ｘ屈折光線１５が入射した位置の出射面１３の法線２０との角度を入射角α３とする。第２Ｘ屈折光線１７と、その第１Ｘ屈折光線１７が交わる位置の出射面１３の法線２０との角度を屈折角α４とする。第１Ｘ屈折光線１５と、その第１Ｘ屈折光線１５が入射面１２で交わる位置の第１Ｘ延長線１６との角度を第１Ｘ偏角α５とする。第２Ｘ屈折光線１７と、その第２Ｘ屈折光線１７が出射面１３で交わる位置の第２Ｘ延長線１８との角度を第２Ｘ偏角α６とする。
【0049】
ＸＺ断面において、Ｘ光線１４は、発散角θが０°より大きく半値半角以下の範囲のＸ内側光線を含んでいる。なお、Ｘ光線１４の半値半角とは、Ｘ光線１４のうちＺ軸上の光強度を１とした場合に０．５の相対強度をもつ光線と、Ｚ軸との間の角度である。
【0050】
ＸＺ断面における入射面１２が光源２側に凹の曲線であるとき、入射面１２へのＸ内側光線の入射位置がＺ軸から離れるにつれて、入射面１２へのＸ内側光線の入射角α１が大きくなる位置に光源２を置いた場合に、そのＸ内側光線により形成される各径路が以下の２つの条件を満たす形状に入射面１２及び出射面１３を設定することが好ましい。
【0051】
１つ目の条件は、第１Ｘ屈折光線１５が第１Ｘ延長線１６に対してＺ軸とは反対側に位置し、第２Ｘ屈折光線１７が第２Ｘ延長線１８に対してＺ軸とは反対側に位置することである。２つ目の条件は、入射面１２へのＸ内側光線の入射位置がＺ軸から離れるにつれて第１Ｘ偏角α５が大きくなり、出射面１３への第１Ｘ屈折光線１５の入射位置がＺ軸から離れるにつれて第２Ｘ偏角α６が大きくなることである。これらが満たされることで、Ｘ内側光線をＸ軸方向の広い範囲に拡散でき、投光レンズ１１をＸ軸方向に広角化できる。
【0052】
次いで、図２（ｂ）に示すＹＺ断面においても同様に、光源２から出射される光線は入射面１２及び出射面１３によってそれぞれ屈折し、１本の光線の経路が形成される。このＹＺ断面における１本の光線の経路に関して、各線および各角度を以下の通り定義する。
【0053】
光源２から入射面１２までの光線をＹ光線２２とする。Ｙ光線２２が入射面１２に入射して屈折した光線を第１Ｙ屈折光線２３とする。Ｙ光線２２を延長した仮想線を第１Ｙ延長線２４とする。第１Ｙ屈折光線２３が出射面１３に入射して屈折した光線を第２Ｙ屈折光線２５とする。第１Ｙ屈折光線２３を延長した仮想線を第２Ｙ延長線２６とする。
【0054】
Ｙ光線２２と、そのＹ光線２２が入射した位置の入射面１２の法線２７との角度を入射角β１とする。第１Ｙ屈折光線２３と、その第１Ｙ屈折光線２３が交わる位置の入射面１２の法線２７との角度を屈折角β２とする。第１Ｙ屈折光線２３と、その第１Ｙ屈折光線２３が入射した位置の出射面１３の法線２８との角度を入射角β３とする。第２Ｙ屈折光線２５と、その第２Ｙ屈折光線２５が交わる位置の出射面１３の法線２８との角度を屈折角β４とする。第１Ｙ屈折光線２３と、その第１Ｙ屈折光線２３が入射面１２で交わる位置の第１Ｙ延長線２４との角度を第１Ｙ偏角β５とする。第２Ｙ屈折光線２５と、その第２Ｙ屈折光線２５が出射面１３で交わる位置の第２Ｙ延長線２６との角度を第２Ｙ偏角β６とする。
【0055】
ＹＺ断面における入射面１２は直線でも良いので、第２Ｙ屈折光線２５が第２Ｙ延長線２６に対してＺ軸とは反対側に位置すると共に、出射面１３への第１Ｙ屈折光線２３の入射位置がＺ軸から離れるにつれて第２Ｙ偏角β６が大きくなるように、出射面１３の形状が設定されることが好ましい。これにより、出射面１３によってＹ軸方向の広い範囲にＹ光線２２を拡散できるので、投光レンズ１１をＹ軸方向に広角化できる。
【0056】
なお、ＹＺ断面においても同様に、Ｙ光線２２は、発散角θが０°より大きく半値半角以下の範囲のＹ内側光線を含んでいる。なお、Ｙ光線２２の半値半角とは、Ｙ光線２２のうちＺ軸上の光強度を１とした場合に０．５の相対強度をもつ光線と、Ｚ軸との間の角度である。
【0057】
入射面１２のＹＺ断面を曲線により形成しても良い。このとき、ＹＺ断面において、入射面１２へのＹ内側光線の入射位置がＺ軸から離れるにつれて、入射面１２へのＹ内側光線の入射角β１が大きくなる位置に光源２を置いた場合に、そのＹ内側光線により形成される各径路が以下の２つの条件を満たす形状に入射面１２を設定することが好ましい。
【0058】
１つ目の条件は、第１Ｙ屈折光線２３が第１Ｙ延長線２４に対してＺ軸とは反対側に位置することである。２つ目の条件は、入射面１２へのＹ内側光線の入射位置がＺ軸から離れるにつれて第１Ｙ偏角β５が大きくなることである。これらが満たされることで、入射面１２のＹＺ断面が曲線により形成されても、内側光線をＹ軸方向の広い範囲に拡散でき、投光レンズ１１をＹ軸方向に広角化できる。
【実施例】
【0059】
以下、実施例を参照して本発明を具体的に説明するが、本発明はこの実施例に限定されない。なお、各実施例で共通する説明は、第１実施例でのみ説明し、その他の実施例での説明を省略する。
【0060】
（第１実施例）
図１、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、第１実施例における投光装置１０は、光源２と、１枚の投光レンズ１１とを備えている。光源２は、図３に示す光強度分布を有するピーク波長９０５ｎｍの近赤外光を、Ｚ軸方向に出射するレーザーダイオード素子である。光源２からの光の光強度がＺ軸上で最も大きくなるように、光源２が配置されている。なお、Ｚ軸に垂直な断面において、光源２からの光の投光範囲は、Ｘ軸を長軸とした楕円形状である。
図１、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、第１実施例における投光装置１０は、光源２と、１枚の投光レンズ１１とを備えている。光源２は、図３に示す光強度分布を有するピーク波長９０５ｎｍの近赤外光を、Ｚ軸方向に出射するレーザーダイオード素子である。光源２からの光の光強度がＺ軸上で最も大きくなるように、光源２が配置されている。なお、Ｚ軸に垂直な断面において、光源２からの光の投光範囲は、Ｘ軸を長軸とした楕円形状である。
【0061】
なお、図３に示す光強度分布図は、横軸がＺ軸からの発散角θ（°＝ｄｅｇ）である。図３の縦軸は、Ｚ軸上（発散角θが０°）の光強度を１とした場合の相対的な光強度（ＲＥＬＡＴＩＶＥ ＩＮＴＥＮＳＩＴＹ）である。ＸＺ断面における光強度分布を実線で示し、ＹＺ断面における光強度分布を破線で示している。
【0062】
ＸＺ断面において、相対強度が０．５となるときの発散角θである半値半角は約１５°であり、相対強度が１／ｅ２（約０．１３５）となるときの発散角θは約２７°である。ＹＺ断面において、相対強度が０．５となるときの発散角θである半値半角は約８°であり、相対強度が１／ｅ２となるときの発散角θは約１３°である。
【0063】
投光レンズ１１は、Ｘ軸方向に垂直な断面が直線状であるシリンドリカル面により形成される入射面１２と、トロイダル面により形成される出射面１３と、を備えている。光源２から入射面１２までのＺ軸上の距離は１０．５ｍｍであり、入射面１２から出射面１３までのＺ軸上の距離は４．７ｍｍである。投光レンズ１１は、波長９０５ｎｍの光に対する屈折率が１．６３の合成樹脂により形成されている。
【0064】
また、この投光レンズ１１の光学諸値およびレンズデータを表１に示す。なお、本明細書では、一部の値を１０のべき乗数をＥを用いて表す（例えば、１．０×１０－４は１．０Ｅ－４である）。式（１）や式（２）に示されているが、表１に記載がない定数は０とする。
【表1】
【0065】
表１に示す光学諸値を式（１）及び式（２）に代入して得られた入射面１２及び出射面１３の形状は、以下の通りである。入射面１２のＸＺ断面は、光源２側に凹の曲線であり、Ｚ軸から離れるにつれて曲率の絶対値が小さくなる。
【0066】
出射面１３のＸＺ断面は、Ｚ軸近傍が投光側に凹であってＺ軸から離れた位置で投光側に凸に変化する曲線により形成されている。その凹から凸に変化する変曲点までのＺ軸からのＸ軸方向の距離は、Ｚ軸から有効径までのＸ軸方向の距離を１００％とした場合に、４０％となる。出射面１３のＹＺ断面は、投光側に凹の曲線であって、Ｚ軸から離れるにつれて曲率の絶対値が小さくなる。
【0067】
入射面１２のＸＺ断面の曲率ｃｘの絶対値０．６６７は、出射面１３のＸＺ断面の曲率ｃｘの絶対値０．００４よりも大きく、直線状である入射面１２のＹＺ断面の曲率０よりも大きい。出射面１３のＹＺ断面ｃｙの曲率の絶対値０．４１７は、入射面１２のＹＺ断面の曲率０よりも大きく、出射面１３のＸＺ断面の曲率ｃｘの絶対値０．００４よりも大きい。
【0068】
入射面１２のＸＺ断面における入射角α１、屈折角α２、第１Ｘ偏角α５と、ＸＺ断面における発散角θとの関係図を図４（ａ）に示す。出射面１３のＸＺ断面における入射角α３、屈折角α４、第２Ｘ偏角α６と、ＸＺ断面における発散角θとの関係図を図４（ｂ）に示す。出射面１３のＹＺ断面における入射角β３、屈折角β４、第２Ｙ偏角β６と、ＹＺ断面における発散角θとの関係図を図４（ｃ）に示す。
【0069】
図４（ａ）、図４（ｂ）及び図４（ｃ）は、横軸が発散角θであり、縦軸がその断面における各角度（ｄｅｇ）である。なお、横軸の発散角θが大きい程、各断面への光線の入射位置がＺ軸から離れていることを近似的に示している。また、各図面では、入射角のグラフを実線で示し、屈折角のグラフを破線で示し、偏角のグラフを一点鎖線で示している。さらに、各図面には、半値半角の位置Ａと、相対強度が１／ｅ２となるときの発散角θの位置Ｂとを二点鎖線で示している。
【0070】
第１Ｘ屈折光線１５が第１Ｘ延長線１６に対してＺ軸とは反対側に位置する場合に、第１Ｘ偏角α５を正の値とする。同様に、第２Ｘ屈折光線１７が第２Ｘ延長線１８に対してＺ軸とは反対側に位置する場合に、第２Ｘ偏角α６を正の値とし、第２Ｙ屈折光線２５が第２Ｙ延長線２６に対してＺ軸とは反対側に位置する場合に、第２Ｙ偏角β６を正の値とする。
【0071】
図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、第１Ｘ偏角α５及び第２Ｘ偏角α６が正の値である。加えて、位置Ａよりも発散角θが小さい範囲では、即ち、Ｘ内側光線が入射面１２へ入射する範囲では、発散角θが大きくなるにつれて入射角α１、第１Ｘ偏角α５及び第２Ｘ偏角α６が大きくなる。これにより、Ｘ内側光線が屈折した第１Ｘ屈折光線１５や第２屈折光線１７を、入射面１２及び出射面１３によってＸ軸方向の広い範囲に拡散できる。その結果、投光レンズ１１をＸ軸方向に広角化できることが分かる。
【0072】
さらに、位置Ａよりも発散角θが小さい範囲において、発散角θが大きくなるにつれて、第１Ｘ偏角α５の増加率が低下していく。この範囲において、入射面１２から出射された第１Ｘ屈折光線１５同士の間隔を、Ｚ軸からＸ軸方向に離れるにつれて小さくできることが分かる。同様に、位置Ａよりも発散角θが小さい範囲において、発散角θが大きくなるにつれて、第２Ｘ偏角α６の増加率が低下するので、出射面１３から出射された第２Ｘ屈折光線１７同士の間隔を、Ｚ軸からＸ軸方向に離れるにつれて小さくできることが分かる。
【0073】
また、発散角θが大きくなるにつれて、位置Ａと位置Ｂとの間で、第１Ｘ偏角α５及び第２Ｘ偏角α６の増加が減少へと変化する。この第１Ｘ偏角α５及び第２Ｘ偏角α６が減少する範囲では、入射面１２から出射された第１Ｘ屈折光線１５同士の間隔や、出射面１３から出射された第２Ｘ屈折光線１７同士の間隔を、Ｚ軸からＸ軸方向に離れるにつれてより小さくできることが分かる。
【0074】
また、図４（ｃ）に示すように、第２Ｙ偏角β６が正の値であり、発散角θが大きくなるにつれて第２Ｙ偏角β６が大きくなる。これにより、出射面１３によってＹ軸方向の広い範囲に第２Ｙ屈折光線２５を拡散でき、投光レンズ１１をＹ軸方向に広角化できることが分かる。さらに、発散角θが大きくなるにつれて、第２Ｙ偏角β６の増加率が低下するので、出射面１３から出射された第２Ｙ屈折光線２５同士の間隔を、Ｚ軸からＹ軸方向に離れるにつれて小さくできることが分かる。
【0075】
なお、図示しないが、直線状の入射面１２のＹＺ断面における入射角β１、屈折角β２、第１Ｙ偏角β５の絶対値は、ＹＺ断面における発散角θの増加に比例して増加する。第１Ｙ屈折光線２３が第１Ｙ延長線２４に対してＺ軸側に位置するので、第１Ｙ偏角β５は負の値である。
【0076】
次に、光源２を中心とした所定の球面上に実施例１の投光装置１０から投光された光の投光範囲の外形線を図５（ａ）に示す。図５（ａ）の縦軸は、投光装置１０から出射された光線とＸＺ断面とのＹ軸方向の角度（Ｙ ＡＮＧＬＥ（ｄｅｇ））である。図５（ａ）の横軸は、投光装置１０から出射された光線とＹＺ断面とのＸ軸方向の角度（Ｘ ＡＮＧＬＥ（ｄｅｇ））である。なお、Ｘ軸方向の角度およびＹ軸方向の角度が０°の位置がＺ軸である。
【0077】
投光装置１０は、光源２からの楕円形状の光を投光レンズ１１によって、図５（ａ）に示すように、Ｘ軸方向に長い矩形状（長方形状）に形成できる。また、ＸＺ断面およびＹＺ断面に関して、光源２からの光、入射面１２及び出射面１３が対称なので、投光装置１０による投光範囲や、投光範囲内の光強度分布をＸＺ断面およびＹＺ断面に関して対称にできる。
【0078】
投光装置１０による投光範囲において、Ｙ軸方向の角度が０°のときのＸ軸方向の光強度分布を実線で、Ｙ軸方向の角度が±２０°のときのＸ軸方向の光強度分布を破線で図５（ｂ）に示し、Ｘ軸方向の角度が０°のときのＹ軸方向の光強度分布を実線で、Ｘ軸方向の角度が±４５°のときのＹ軸方向の光強度分布を破線で図５（ｃ）に示す。図５（ｂ）及び図５（ｃ）の縦軸は、投光装置１０による投光範囲のうち最も大きな光強度を１００％とした場合の相対的な光強度（ＲＥＬＡＴＩＶＥ ＩＮＴＥＮＳＩＴＹ（％））である。図５（ｂ）の横軸はＸ軸方向の角度であり、図５（ｃ）の横軸はＹ軸方向の角度である。
【0079】
図５（ｂ）及び図５（ｃ）に示すように、投光装置１０は、投光範囲の略全体に亘って、相対強度が５０％以上となるように光強度を確保できる。さらに、投光装置１０は、投光範囲内の光強度を、Ｚ軸近傍で小さく、Ｚ軸から離れた周辺部で大きくできる。
【0080】
（第２実施例）
図６（ａ）及び図６（ｂ）に示すように、第２実施例における投光装置３０は、光源２と、１枚の投光レンズ３１とを備えている。投光レンズ３１は、Ｘ軸方向に垂直な断面が直線状であるシリンドリカル面により形成される入射面３２と、Ｙ軸方向に垂直な断面が直線状であるシリンドリカル面により形成される出射面３３と、を備えている。光源２から入射面３２までのＺ軸上の距離は１０．０ｍｍであり、入射面３２から出射面３３までのＺ軸上の距離は４．１ｍｍである。投光レンズ３１は、波長９０５ｎｍの光に対する屈折率が１．６３の合成樹脂により形成されている。
図６（ａ）及び図６（ｂ）に示すように、第２実施例における投光装置３０は、光源２と、１枚の投光レンズ３１とを備えている。投光レンズ３１は、Ｘ軸方向に垂直な断面が直線状であるシリンドリカル面により形成される入射面３２と、Ｙ軸方向に垂直な断面が直線状であるシリンドリカル面により形成される出射面３３と、を備えている。光源２から入射面３２までのＺ軸上の距離は１０．０ｍｍであり、入射面３２から出射面３３までのＺ軸上の距離は４．１ｍｍである。投光レンズ３１は、波長９０５ｎｍの光に対する屈折率が１．６３の合成樹脂により形成されている。
【0081】
また、この投光レンズ３１の光学諸値およびレンズデータを表２に示す。式（２）等に示されているが、表２に記載がない定数は０とする。
【表2】
【0082】
表２に示す光学諸値を式（２）等に代入して得られた入射面３２及び出射面３３の形状は、以下の通りである。入射面３２のＸＺ断面は、光源２側に凹の曲線であり、Ｚ軸から離れるにつれて曲率の絶対値が小さくなる。出射面３３のＹＺ断面は、投光側に凹の曲線であって、Ｚ軸から離れるにつれて曲率の絶対値が小さくなる。
【0083】
入射面３２のＸＺ断面の曲率ｃｘの絶対値０．４３５は、直線状である出射面３３のＸＺ断面の曲率０よりも大きく、直線状である入射面３２のＹＺ断面の曲率０よりも大きい。出射面３３のＹＺ断面ｃｙの曲率の絶対値０．０９１は、入射面３２のＹＺ断面の曲率０よりも大きく、出射面３３のＸＺ断面の曲率０よりも大きい。
【0084】
なお、入射面３２のＸＺ断面における入射角α１、屈折角α２、第１Ｘ偏角α５と、ＸＺ断面における発散角θとの関係図は、位置Ａよりも発散角θが小さい範囲で、発散角θの増加に伴って第１Ｘ偏角α５が増加から減少に転じることを除いて、図４（ａ）に示した実施例１の関係図と略同様の挙動を示すことが確認されたので、その図示と説明とを省略する。同様に、出射面３３のＹＺ断面における入射角β３、屈折角β４、第２Ｙ偏角β６と、ＹＺ断面における発散角θとの関係図は、位置Ａよりも発散角θが小さい範囲で、発散角θの増加に伴って第２Ｙ偏角β６が増加から減少に転じることを除いて、図４（ｃ）に示した実施例１の関係図と略同様の挙動を示すことが確認されたので、その図示と説明とを省略する。
【0085】
また、直線状の出射面３３のＸＺ断面における入射角α３、屈折角α４、第２Ｘ偏角α６の絶対値は、ＸＺ断面における発散角θの増加に比例して増加する。直線状の入射面３２のＹＺ断面における入射角β１、屈折角β２、第１Ｙ偏角β５の絶対値は、ＹＺ断面における発散角θの増加に比例して増加する。なお、第２Ｘ偏角α６は正の値であり、第１Ｙ偏角β５は負の値である。
【0086】
次に、光源２を中心とした所定の球面上に実施例２の投光装置３０から投光された光の投光範囲の外形線を図７（ａ）に示す。投光装置３０は、光源２からの楕円形状の光を投光レンズ３１によって、図７（ａ）に示すように、Ｘ軸方向に長い矩形状（長方形状）に形成できる。
【0087】
投光装置３０による投光範囲において、Ｙ軸方向の角度が０°のときのＸ軸方向の光強度分布を実線で、Ｙ軸方向の角度が±１０°のときのＸ軸方向の光強度分布を破線で図７（ｂ）に示し、Ｘ軸方向の角度が０°のときのＹ軸方向の光強度分布を実線で、Ｘ軸方向の角度が±４０°のときのＹ軸方向の光強度分布を破線で図７（ｃ）に示す。図７（ｂ）及び図７（ｃ）に示すように、投光装置３０は、投光範囲の略全体に亘って、相対強度が５０％以上となるように光強度を確保できる。
【0088】
（第３実施例）
図８（ａ）及び図８（ｂ）に示すように、第３実施例における投光装置４０は、光源２と、１枚の投光レンズ４１とを備えている。投光レンズ４１は、Ｘ軸方向に垂直な断面が直線状であるシリンドリカル面により形成される入射面４２と、Ｙ軸方向に垂直な断面が直線状であるシリンドリカル面により形成される出射面４３と、を備えている。光源２から入射面４２までのＺ軸上の距離は１０．０ｍｍであり、入射面４２から出射面４３までのＺ軸上の距離は４．１ｍｍである。投光レンズ４１は、波長９０５ｎｍの光に対する屈折率が１．６３の合成樹脂により形成されている。
図８（ａ）及び図８（ｂ）に示すように、第３実施例における投光装置４０は、光源２と、１枚の投光レンズ４１とを備えている。投光レンズ４１は、Ｘ軸方向に垂直な断面が直線状であるシリンドリカル面により形成される入射面４２と、Ｙ軸方向に垂直な断面が直線状であるシリンドリカル面により形成される出射面４３と、を備えている。光源２から入射面４２までのＺ軸上の距離は１０．０ｍｍであり、入射面４２から出射面４３までのＺ軸上の距離は４．１ｍｍである。投光レンズ４１は、波長９０５ｎｍの光に対する屈折率が１．６３の合成樹脂により形成されている。
【0089】
また、この投光レンズ４１の光学諸値およびレンズデータを表３に示す。式（２）等に示されているが、表３に記載がない定数は０とする。
【表3】
【0090】
表３に示す光学諸値を式（２）等に代入して得られた入射面４２及び出射面４３の形状は、以下の通りである。入射面４２のＸＺ断面は、光源２側に凹の曲線であり、Ｚ軸から離れるにつれて曲率の絶対値が小さくなる。出射面４３のＹＺ断面は、投光側に凹の曲線であって、Ｚ軸から離れるにつれて曲率の絶対値が小さくなる。
【0091】
入射面４２のＸＺ断面の曲率ｃｘの絶対値０．４３５は、直線状である出射面４３のＸＺ断面の曲率０よりも大きく、直線状である入射面４２のＹＺ断面の曲率０よりも大きい。出射面４３のＹＺ断面ｃｙの曲率の絶対値０．３３３は、入射面４２のＹＺ断面の曲率０よりも大きく、出射面４３のＸＺ断面の曲率０よりも大きい。
【0092】
なお、入射面４２のＸＺ断面における入射角α１、屈折角α２、第１Ｘ偏角α５と、ＸＺ断面における発散角θとの関係図は、位置Ａよりも発散角θが小さい範囲で、発散角θの増加に伴って第１Ｘ偏角α５が増加から減少に転じることを除いて、図４（ａ）に示した実施例１の関係図と略同様の挙動を示すことが確認されたので、その図示と説明とを省略する。同様に、出射面４３のＹＺ断面における入射角β３、屈折角β４、第２Ｙ偏角β６と、ＹＺ断面における発散角θとの関係図は、図４（ｃ）に示した実施例１の関係図と略同様の挙動を示すことが確認されたので、その図示と説明とを省略する。
【0093】
また、直線状の出射面４３のＸＺ断面における入射角α３、屈折角α４、第２Ｘ偏角α６の絶対値は、ＸＺ断面における発散角θの増加に比例して増加する。直線状の入射面４２のＹＺ断面における入射角β１、屈折角β２、第１Ｙ偏角β５の絶対値は、ＹＺ断面における発散角θの増加に比例して増加する。なお、第２Ｘ偏角α６は正の値であり、第１Ｙ偏角β５は負の値である。
【0094】
次に、光源２を中心とした所定の球面上に実施例３の投光装置４０から投光された光の投光範囲の外形線を図９（ａ）に示す。投光装置４０は、光源２からの楕円形状の光を投光レンズ４１によって変換し、図９（ａ）に示すように、投光範囲をＸ軸方向に長い矩形状（長方形状）に近づけることができる。具体的に、角を対角方向外側へ延ばした矩形状に投光範囲を近づけることができる。
【0095】
投光装置４０による投光範囲において、Ｙ軸方向の角度が０°のときのＸ軸方向の光強度分布を実線で、Ｙ軸方向の角度が±２０°のときのＸ軸方向の光強度分布を破線で図９（ｂ）に示し、Ｘ軸方向の角度が０°のときのＹ軸方向の光強度分布を実線で、Ｘ軸方向の角度が±４０°のときのＹ軸方向の光強度分布を破線で図９（ｃ）に示す。図９（ｂ）及び図９（ｃ）に示すように、投光装置４０は、投光範囲の略全体に亘って、相対強度が５０％以上となるように光強度を確保できる。
【0096】
（第４実施例）
図１０（ａ）及び図１０（ｂ）に示すように、第４実施例における投光装置５０は、光源２と、１枚の投光レンズ５１とを備えている。投光レンズ５１は、Ｘ軸方向に垂直な断面が直線状であるシリンドリカル面により形成される入射面５２と、Ｙ軸方向に垂直な断面が直線状であるシリンドリカル面により形成される出射面５３と、を備えている。光源２から入射面５２までのＺ軸上の距離は１０．５ｍｍであり、入射面５２から出射面５３までのＺ軸上の距離は４．１ｍｍである。投光レンズ５１は、波長９０５ｎｍの光に対する屈折率が１．６３の合成樹脂により形成されている。
図１０（ａ）及び図１０（ｂ）に示すように、第４実施例における投光装置５０は、光源２と、１枚の投光レンズ５１とを備えている。投光レンズ５１は、Ｘ軸方向に垂直な断面が直線状であるシリンドリカル面により形成される入射面５２と、Ｙ軸方向に垂直な断面が直線状であるシリンドリカル面により形成される出射面５３と、を備えている。光源２から入射面５２までのＺ軸上の距離は１０．５ｍｍであり、入射面５２から出射面５３までのＺ軸上の距離は４．１ｍｍである。投光レンズ５１は、波長９０５ｎｍの光に対する屈折率が１．６３の合成樹脂により形成されている。
【0097】
また、この投光レンズ５１の光学諸値およびレンズデータを表４に示す。式（２）等に示されているが、表４に記載がない定数は０とする。
【表4】
【0098】
表４に示す光学諸値を式（２）等に代入して得られた入射面５２及び出射面５３の形状は、以下の通りである。入射面５２のＸＺ断面は、光源２側に凹の曲線であり、Ｚ軸から離れるにつれて曲率の絶対値が小さくなる。出射面５３のＹＺ断面は、投光側に凹の曲線であって、Ｚ軸から離れるにつれて曲率の絶対値が小さくなる。
【0099】
入射面５２のＸＺ断面の曲率ｃｘの絶対値０．７１４は、直線状である出射面５３のＸＺ断面の曲率０よりも大きく、直線状である入射面５２のＹＺ断面の曲率０よりも大きい。出射面５３のＹＺ断面ｃｙの曲率の絶対値０．３５７は、入射面５２のＹＺ断面の曲率０よりも大きく、出射面５３のＸＺ断面の曲率０よりも大きい。
【0100】
なお、入射面５２のＸＺ断面における入射角α１、屈折角α２、第１Ｘ偏角α５と、ＸＺ断面における発散角θとの関係図は、位置Ａよりも発散角θが小さい範囲で、発散角θの増加に伴って第１Ｘ偏角α５が増加から減少に転じることを除いて、図４（ａ）に示した実施例１の関係図と略同様の挙動を示すことが確認されたので、その図示と説明とを省略する。同様に、出射面５３のＹＺ断面における入射角β３、屈折角β４、第２Ｙ偏角β６と、ＹＺ断面における発散角θとの関係図は、図４（ｃ）に示した実施例１の関係図と略同様の挙動を示すことが確認されたので、その図示と説明とを省略する。
【0101】
また、直線状の出射面５３のＸＺ断面における入射角α３、屈折角α４、第２Ｘ偏角α６の絶対値は、ＸＺ断面における発散角θの増加に比例して増加する。直線状の入射面５２のＹＺ断面における入射角β１、屈折角β２、第１Ｙ偏角β５の絶対値は、ＹＺ断面における発散角θの増加に比例して増加する。なお、第２Ｘ偏角α６は正の値であり、第１Ｙ偏角β５は負の値である。
【0102】
次に、光源２を中心とした所定の球面上に実施例４の投光装置５０から投光された光の投光範囲の外形線を図１１（ａ）に示す。投光装置５０は、光源２からの楕円形状の光を投光レンズ５１によって変換し、図１１（ａ）に示すように、投光範囲をＸ軸方向に長い矩形状（長方形状）に近づけることができる。
【0103】
投光装置５０による投光範囲において、Ｙ軸方向の角度が０°のときのＸ軸方向の光強度分布を実線で、Ｙ軸方向の角度が±２０°のときのＸ軸方向の光強度分布を破線で図１１（ｂ）に示し、Ｘ軸方向の角度が０°のときのＹ軸方向の光強度分布を実線で、Ｘ軸方向の角度が±４５°のときのＹ軸方向の光強度分布を破線で図１１（ｃ）に示す。図１１（ｂ）及び図１１（ｃ）に示すように、投光装置５０は、投光範囲の略全体に亘って、相対強度が５０％以上となるように光強度を確保できる。
【0104】
（第５実施例）
図１２（ａ）及び図１２（ｂ）に示すように、第５実施例における投光装置６０は、光源２と、１枚の投光レンズ６１とを備えている。投光レンズ６１は、Ｘ軸方向に垂直な断面が直線状であるシリンドリカル面により形成される入射面６２と、トロイダル面により形成される出射面６３と、を備えている。光源２から入射面６２までのＺ軸上の距離は１０．５ｍｍであり、入射面６２から出射面６３までのＺ軸上の距離は４．１ｍｍである。投光レンズ６１は、波長９０５ｎｍの光に対する屈折率が１．６３の合成樹脂により形成されている。
図１２（ａ）及び図１２（ｂ）に示すように、第５実施例における投光装置６０は、光源２と、１枚の投光レンズ６１とを備えている。投光レンズ６１は、Ｘ軸方向に垂直な断面が直線状であるシリンドリカル面により形成される入射面６２と、トロイダル面により形成される出射面６３と、を備えている。光源２から入射面６２までのＺ軸上の距離は１０．５ｍｍであり、入射面６２から出射面６３までのＺ軸上の距離は４．１ｍｍである。投光レンズ６１は、波長９０５ｎｍの光に対する屈折率が１．６３の合成樹脂により形成されている。
【0105】
また、この投光レンズ６１の光学諸値およびレンズデータを表５に示す。式（１）及び式（２）に示されているが、表５に記載がない定数は０とする。
【表5】
【0106】
表５に示す光学諸値を式（１）及び式（２）に代入して得られた入射面６２及び出射面６３の形状は、以下の通りである。入射面６２のＸＺ断面は、光源２側に凹の曲線であり、Ｚ軸から離れるにつれて曲率の絶対値が小さくなる。出射面６３のＸＺ断面は、Ｚ軸近傍が投光側に凸の曲線により形成されている。出射面６３のＹＺ断面は、投光側に凹の曲線であって、Ｚ軸から離れるにつれて曲率の絶対値が小さくなる。
【0107】
入射面６２のＸＺ断面の曲率ｃｘの絶対値０．７１４は、出射面６３のＸＺ断面の曲率ｃｘの絶対値０．００２よりも大きく、直線状である入射面６２のＹＺ断面の曲率０よりも大きい。出射面６３のＹＺ断面ｃｙの曲率の絶対値０．４１７は、入射面６２のＹＺ断面の曲率０よりも大きく、出射面６３のＸＺ断面の曲率ｃｘの絶対値０．００２よりも大きい。
【0108】
なお、入射面６２のＸＺ断面における入射角α１、屈折角α２、第１Ｘ偏角α５と、ＸＺ断面における発散角θとの関係図は、図４（ａ）に示した実施例１の関係図と略同様の挙動を示すことが確認されたので、その図示と説明とを省略する。同様に、出射面６３のＸＺ断面における入射角α３、屈折角α４、第２Ｘ偏角α６と、ＸＺ断面における発散角θとの関係図は、図４（ｂ）に示した実施例１の関係図と略同様の挙動を示すことが確認されたので、その図示と説明とを省略する。
【0109】
同様に、出射面６３のＹＺ断面における入射角β３、屈折角β４、第２Ｙ偏角β６と、ＹＺ断面における発散角θとの関係図は、図４（ｃ）に示した実施例１の関係図と略同様の挙動を示すことが確認されたので、その図示と説明とを省略する。また、直線状の入射面６２のＹＺ断面における入射角β１、屈折角β２、第１Ｙ偏角β５の絶対値は、ＹＺ断面における発散角θの増加に比例して増加する。なお、第１Ｙ偏角β５は負の値である。
【0110】
次に、光源２を中心とした所定の球面上に実施例５の投光装置６０から投光された光の投光範囲の外形線を図１３（ａ）に示す。投光装置６０は、光源２からの楕円形状の光を投光レンズ６１によって変換し、図１３（ａ）に示すように、投光範囲をＸ軸方向に長い矩形状（長方形状）に近づけることができる。具体的に、角をＸ軸方向外側へ延ばした矩形状に投光範囲を近づけることができる。
【0111】
投光装置６０による投光範囲において、Ｙ軸方向の角度が０°のときのＸ軸方向の光強度分布を実線で、Ｙ軸方向の角度が±２０°のときのＸ軸方向の光強度分布を破線で図１３（ｂ）に示し、Ｘ軸方向の角度が０°のときのＹ軸方向の光強度分布を実線で、Ｘ軸方向の角度が±４５°のときのＹ軸方向の光強度分布を破線で図１３（ｃ）に示す。図１３（ｂ）及び図１３（ｃ）に示すように、投光装置６０は、投光範囲の略全体に亘って、相対強度が５０％以上となるように光強度を確保できる。
【0112】
次に、上記実施例１～５を比較する。Ｙ軸方向の投光範囲が狭い実施例２では投光範囲を矩形状にできるが、実施例２に対してＹ軸方向の投光範囲を広げた実施例３，４の投光範囲は、実施例２の投光範囲と比較して矩形状から遠ざかる。一方、このような実施例２～４に対して、実施例１，５では、投光範囲をＹ軸方向に広くできると共に、投光範囲をより矩形状に近づけながら、その投光範囲の略全体に亘って光強度を確保し易くできる。ここで、実施例２～４の出射面３３，４３，５３がシリンドリカル面であるに対し、実施例１，５の出射面１３，６３はトロイダル面である。これらの結果、トロイダル面を用いることによって、投光装置１０，６０による投光範囲を広げても、その投光範囲を矩形状に近づけ易くできると共に、投光範囲の略全体に亘って光強度を確保し易くできることが分かる。
【0113】
出射面６３のＸＺ断面のＺ軸近傍が投光側に凸の曲線である実施例５と比べて、出射面１３のＸＺ断面のＺ近傍が投光側に凹の曲線である実施例１では、投光範囲をより矩形状に近づけながら、その投光範囲の略全体に亘って光強度を確保し易くできる。よって、出射面１３のＸＺ断面のＺ近傍を投光側に凹の曲線とすることで、投光装置１０による投光範囲を矩形状に近づけ易くできると共に、投光範囲の略全体に亘って光強度を確保し易くできることが分かる。
【0114】
以上、実施形態および実施例に基づき本発明を説明したが、本発明は上記形態および上記実施例に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良変形が可能であることは容易に推察できるものである。投光レンズ１１，３１，４１，５１，６１の光源２側や投光側に、屈折力が殆どないレンズ（カバーガラス等）を設けても良い。
【0115】
上記形態および上記実施例では、光源２が、波長９０５ｎｍの近赤外光を出射するレーザーダイオード素子である場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。例えば、波長７５０～１４００ｎｍの近赤外光を出射する光源や、１４００ｎｍ以上の赤外光を出射する光源、３８０～７５０ｎｍの可視光を出射する光源、３８０ｎｍ以下の紫外光を出射する光源を用いても良い。この波長における屈折率が１．５６以上の材料によって投光レンズ１１，３１，４１，５１，６１を形成することで、投光レンズ１１，３１，４１，５１，６１を小型化しながら広角化できる。
【0116】
また、単波長の光を出射する光源に限らず、複数のピーク波長を有するスペクトルの光を出射する光源、例えばＬＥＤ光源を用いても良い。この場合、最も強度が大きいピーク波長における屈折率が１．５６以上の材料によって投光レンズ１１，３１，４１，５１，６１を形成することで、投光レンズ１１，３１，４１，５１，６１を小型化しながら広角化できる。また、光源の種類に応じて、表示装置のバックライト等に本発明の投光装置を用いても良い。
【0117】
なお、レーザーダイオード素子以外の光源であっても、一般的に、光源から出射された光の光強度は、中心部で大きく、中心部から離れた部分で小さくなる。この光の中心部をＺ軸に合わせることで、投光装置から投光された光の光強度を投光範囲の略全体に亘って確保できる。
【0118】
上記実施例では、入射面１２，３２，４２，５２，６２がシリンドリカル面であり、出射面１３，３３，４３，５３，６３がシリンドリカル面またはトロイダル面である場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。例えば、入射面をトロイダル面にして出射面をシリンドリカル面にしたり、入射面および出射面の両方をトロイダル面にしても良い。また、入射面や出射面の少なくとも一方を、アナモフィック面以外の自由曲面としても良く、Ｚ軸に関して軸対称な面としても良い。
【符号の説明】
【0119】
２ 光源
１０，３０，４０，５０，６０ 投光装置
１１，３１，４１，５１，６１ 投光レンズ
１２，３２，４２，５２，６２ 入射面
１３，３３，４３，５３，６３ 出射面
１５ 第１Ｘ屈折光線
１６ 第１Ｘ延長線
１７ 第２Ｘ屈折光線
１８ 第２Ｘ延長線
２３ 第１Ｙ屈折光線
２５ 第２Ｙ屈折光線
２６ 第２Ｙ延長線
α５ 第１Ｘ偏角
α６ 第２Ｘ偏角
β６ 第２Ｙ偏角
１０，３０，４０，５０，６０ 投光装置
１１，３１，４１，５１，６１ 投光レンズ
１２，３２，４２，５２，６２ 入射面
１３，３３，４３，５３，６３ 出射面
１５ 第１Ｘ屈折光線
１６ 第１Ｘ延長線
１７ 第２Ｘ屈折光線
１８ 第２Ｘ延長線
２３ 第１Ｙ屈折光線
２５ 第２Ｙ屈折光線
２６ 第２Ｙ延長線
α５ 第１Ｘ偏角
α６ 第２Ｘ偏角
β６ 第２Ｙ偏角
【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】