透镜部件和使用该透镜部件的光学单元的制作方法

专利名称：透镜部件和使用该透镜部件的光学单元的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种透镜部件和一种使用该透镜部件的光学单元，该光学单元用在 LED照明设备等中。
背景技术：
诸如照明设备、投影仪、闪光灯、汽车前灯和尾灯等使用LED作为光源的LED光学 产品，或例如窄方向性LED的基础光学设备等，通常使用透镜来聚焦或准直LED发射的光 线。尽管这种透镜经常使用凸折射透镜，但为了减小高度和变薄，也提出采用菲涅耳透镜。传统上，提出一种用于灯配件的透镜，该透镜具有在靠近光轴的内表面的中心部 分中形成的栅格形状的折射系统棱镜，而且具有在该栅格形状的折射系统棱镜的周围部分 形成的栅格形状的反射系统棱镜(例如参考JP57-55002A)。此外，也有提议使用菲涅耳透 镜，在该菲涅耳透镜表面形成有作为光入射面的一部分棱镜，使得入射光线的一部分在无 透镜面被全内反射之后从光出射面发射(例如参考JP59-119340A)。另外，提出一种由具有 在光轴中心部分设置的透镜体的折射透镜部分和反射体部分构成的一种光学设备，该反射 体部分允许光线从内表面部分进入，并在抛物面形状的反射面上将光线全内反射，从而将 光线转化成平行光束(例如参考JP05-281402A)。然而，上述传统技术具有以下问题。那就是，在JP57-55002A、JP59-119340A和 JP05-281402A中所公开的透镜具有下述缺点，即因为一部分入射光不能到达反射面而产生 损失，导致光的使用效率难以最大化。例如，在JP05-281402A中，在光入射面和折射透镜部 分之间具有入射光不能到达反射面的部分，导致通过这一部分的光产生损失。此外，当LED作为光源使用时，辐射光具有发射角越大，光强度越小的光分布；因 此，如图29所示，当使用传统的TIR(全内反射)透镜时，从面对光源2布置的TIR透镜1 的凹透镜部分3的光入射面进入的光线在外部凸透镜部分4的反射面被全内反射；但是，这 导致在中心部分附近光强相对强烈的光线L2在凸透镜部分4的外围区域的反射面被反射。因此，在这种TIR透镜1中，中心附近的亮度高，但是在中间附近变低而在外部又 重新变高。结果，即使这种TIR透镜1变成菲涅耳透镜，若使用传统的方法，会产生有害外 观的定心在光轴上的环形闪光。另外，在JP05-281402A所公开的透镜中，反射透镜部分的光入射面和光出射面都 形成为非球形表面，因此存在加工困难和增加成本的问题。此外，其中凸折射透镜部分形成在中心，或者中心附近是平面形状的光入射面的 透镜，存在着在光辐射面上能够看到光源色彩变化的缺点。

发明内容
本发明的目的是提供一种与传统大体积的全内反射透镜相比更薄的板状的透镜 部件，另一目的是提供一种具有高的光使用效率的透镜部件，进一步的目的是提供一种显 著提高入射光线的使用效率的光学单元。
板状的透镜部件具有多个同心环形棱镜，每个棱镜包括从全内反射透镜的光入射 面划分得到的内环表面和从全内反射透镜的光反射面划分得到的外环表面，其中所述光入 射面具有设置在所述全内反射透镜的下部分的凹入形状，所述光反射面具有位于所述全内 反射透镜的外侧的凸出形状，以包围所述光入射面。大体积全内反射透镜的所述光入射面 和所述光反射面是菲涅耳化的，或者在板状的透镜部件表面上划分成一组同心环形棱镜， 全内反射透镜的划分部分有效地设置在板状的透镜部件的表面上。所述板状的透镜部件包括设置为面对光源的具有凹入形状的光源相对面，和与光 源相对面相反的光出射面。此外，所述同心环形棱镜形成在所述光源相对面上，所述同心环 形棱镜均包括内环表面和外环表面，所述外环表面位于内环表面的外侧以形成每个棱镜， 其中在所述全内反射透镜的光反射面的划分部分中，远离所述全内反射透镜的中心轴线的 划分部分分配给邻近所述板状透镜部件的中心轴线的同心环形棱镜的外环表面。所述板状 透镜部件的中心轴线与所述光源相对面的中心轴线一致，所述光源相对面具有从所述全内 反射透镜菲涅耳化的菲涅耳透镜表面，该菲涅耳透镜表面包括定心在中心轴线上的所述同 心环形棱镜。在每个同心环形棱镜中，所述内环表面比所述外环表面更靠近中心轴线，所述外 环表面是全内反射表面，在所述外环表面上将通过所述内环表面接收的光线全内反射。因此，在传统的大体积全内反射透镜中，在侧向离开光源的光轴的位置从光反射 面出射的相对强烈的光线，可从邻近光源的中心轴线或板状透镜部件的中心轴线的区域出 射。结果，出射光线看起来在透镜中心具有最高的光强，光强从中心向透镜的外围逐渐降 低，板状透镜部件防止出现环形透镜闪光或显著的环形暗区或亮区。而且，因为从每个同心环形棱镜的内环表面进入的来自光源的光线从每个棱镜的 相应的外环表面全内反射，所以光线的使用效率能够得到显著提高。在根据本发明的另一实施方式的透镜部件中，光源相对面包括在光源相对面的中 心轴线上形成的突出部分，该突出部分以圆锥形向光源突出，光源设置为面对所述光源相 对面。此外，所述突出部分的顶点位于所述光源相对面的中心轴线上，所述同心环形棱镜从 靠近所述突出部分的顶点的位置向所述光源相对面的外周区域连续形成。本发明的光学单元包括上述的本发明的透镜部件和包括至少一个发光二极管元 件的光源，所述光源的光轴与所述光源相对面的中心轴线同轴设置。因为本发明的光学单元的光源的光轴与光源相对面的中心轴线同轴设置，所以从 光源发射的光的使用效率很高。从而本发明的光学单元能够使诸如照明设备、投影仪、闪光 灯、汽车前灯和尾灯等LED光学产品实现卓越的性能。


图1是根据本发明的第一实施方式的透镜部件从透镜部件的光出射面看去的平 面图。图2是沿着图1所示的透镜部件的线II-II剖取的剖面图。图3是示出根据本发明的透镜部件的原理的说明图。图4是根据本发明的第二实施方式的透镜部件的平面图。图5是沿着图4所示的透镜部件的线V-V剖取的剖面图。
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图6是安装有根据第一实施方式的透镜部件的光学单元的剖视图。图7是图6所示的光学单元的立体图。图8A是用于模拟的传统TIR透镜的剖面图。图8B是用于模拟的根据第一实施方式的透镜部件的剖面图。图9A是亮度特性图表，其中阴影用于表示根据传统TIR透镜的模拟的光出射面的 亮度分布。图9B是亮度特性图表，其中阴影用于表示根据第一实施方式的透镜部件的模拟 的光出射面的亮度分布。图IOA是表示根据传统TIR透镜的模拟的剖面亮度分布的图表。图IOB是表示根据第一实施方式的透镜部件的模拟的剖面亮度分布的图表。图11是安装有根据第二实施方式的透镜部件的光学单元的剖视图。图12是表示通过在树脂中混合有磷光体的密封树脂密封的作为光源的LED元件 以及根据第二实施方式的透镜部件的色彩变化的图像。图13是表示在与通过包括磷光体的密封树脂密封的LED元件一起使用时与根据 第二实施方式的透镜部件比较色彩变化的透镜部件的剖面图。图14是示出如13所示的透镜部件的色彩变化的图像。图15是根据本发明的第三实施方式的透镜部件的剖面图。图16是示出根据第三实施方式的透镜部件的光出射面的放大平面图。图17是示出与通过包括磷光体的密封树脂密封的LED元件一起使用的根据第三 实施方式的透镜部件的色彩变化的图像。图18是示出根据本发明第四实施方式的透镜部件的光出射面的示意性视图。图19A是示意性示出在根据本发明第四实施方式的透镜部件的光出射面的中心 部分形成的不规则部的放大平面图。图19B是示意性示出在根据本发明第四实施方式的透镜部件的光出射面的周围 部分形成的不规则部的放大平面图。图20A是示出在根据本发明第四实施方式的透镜部件的光出射面形成的不规则 部的一个实施例的放大示意性剖面图。图20B是说明在根据本发明第四实施方式的透镜部件的光出射面形成的不规则 部的另一个实施例的放大示意性剖面图。图20C是说明在根据本发明第四实施方式的透镜部件的光出射面形成的不规则 部的又一个实施例的放大示意性剖面图。图21是根据本发明的第五实施方式的透镜部件的光出射面侧的立体图。图22A是示出根据本发明第五实施方式的透镜部件的照度分布的图像。图22B是解释图22A中根据本发明第五实施方式的透镜部件的图像的用色彩标记 的照度图表。图23是根据本发明的第六实施方式的透镜部件的光出射面侧的立体图。图24是根据本发明的第七实施方式的透镜部件的光出射面侧的立体图。图25是示出根据本发明第七实施方式的透镜部件的光线的方向性的图表。图26A是示出根据本发明第七实施方式的透镜部件的照度分布的图像。
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图26B是解释图26A中根据本发明第七实施方式的透镜部件的图像的用色彩作标 记的照度图表。图27是根据本发明的第八实施方式的透镜部件的剖面图。图28A是根据本发明的第九实施方式的透镜部件的剖面图。图28B是根据本发明的第十实施方式的透镜部件的剖面图。图28C是根据本发明的第十一实施方式的透镜部件的剖面图。图29是示出传统TIR透镜的原理的说明图。
具体实施例方式现在参照附图详细描述本发明的实施方式。图1-3示出了根据本发明第一实施方式的透镜部件10。需要注意的是，在以下说 明的不同图中的比例可以适当地改变以使得各个部件在图中显示为可以辨认的尺寸。板状的透镜部件10具有多个同心环形棱镜，每个棱镜包括从图29中所示的传统 TIR透镜1的光入射面3划分得到的内环表面和从传统TIR透镜1的光反射面4划分得到 的外环表面，其中光入射面3具有在传统TIR透镜1的下部分设置的凹面形状，光反射面具 有位于传统TIR透镜1的外围侧的凸面形状，以包围光入射面。光入射面面对光源2布置， 光源2使用LED，光入射面的中心轴线和光源的中心轴线相互一致，同心环形棱镜形成为将 中心轴线对中在光源相对面上，每个同心环形棱镜包括内环表面13a和外环表面13b，外环 表面13b位于内环表面的外侧以形成各个棱镜，其中在从传统TIR透镜1的光反射面4划 分得到的部分4a-4c中，远离TIR透镜1的中心轴线AX的划分部分(这里为4a)分配至同 心环形棱镜的邻近板状透镜部件的中心轴线AX定位的外环表面(这里为13A)。板状透镜 部件的中心轴线AX与光源相对面的中心轴线AX —致，光源相对面具有一个将传统TIR透 镜1菲涅耳化得到的菲涅耳透镜表面，菲涅耳透镜表面包括围绕中心轴线形成的所述同心 环形棱镜。在每个同心环形棱镜中，内环表面13a比外环表面13b更靠近中心轴线AX，外环表 面13b为全内反射表面，该全内反射表面在外环表面13b上将通过内环表面13a接收的光 线全内反射。光源相对面15整体形成为凹面形状，使得光源相对面15的中心轴线与光源2的 光轴AX同轴，光源2面对光源相对面15布置。光源相对面15包括多个在中心轴线上对中 的同心环形棱镜13和13A-13C，多个同心环形棱镜13具有相互不同的折射角。注意，透镜 部件10由诸如丙烯酸树脂的透光材料整体形成。此外，在第一实施方式中的光源2可以是 其中布置有多个LED元件的光源，也可以是具有布置成栅格图案的多个LED元件的光源。在 包括LED元件的光源的情况下，光源的光发射面的中心被认为是光源的光轴。当然，包括单 个LED元件的光源也可以用作光源2以取代包括多个LED元件的光源。如图29所示的传统TIR透镜1包括光入射面和光反射面，该光入射面具有凹面形 状或者凹透镜部分3，布置该TIR透镜的下部分以围绕光轴AX的外围，构造成允许来自光 源2的光线进入TIR透镜1内部，光反射面具有凸面形状或者凸透镜部分4，布置成围绕凹 透镜部分3，构造成在该凸透镜部分4的表面将从凹透镜部分3进入的光线向该TIR透镜1 的光出射面侧全内反射。透镜部件10具有棱镜13和13A-13C，它们均由与凹透镜部分3的划分区域3a_3c对应的棱镜光入射面13a和与凸透镜部分4的划分区域4a_4c对应的棱镜 光反射面13b构成，凸透镜部分4构造成将从划分区域3a-3c进入的光线全内反射。这些 棱镜光入射面13a和棱镜光反射面13b分别构造成棱镜13的内环表面和外环表面。也就是说，如图29和图3所示，在传统TIR透镜1的凹透镜部分3的中心部分附 近的内侧上的划分区域3a、在凸透镜部分4的外围区域附近的外侧上的划分区域4a(此处 从划分区域3a进入的光线被全内反射)，经过菲涅耳透镜的转换，在透镜部件10的邻近中 心区域，分别对应于棱镜13A的棱镜光入射面13a和棱镜光反射面13b。此外，位于传统TIR透镜1的凹透镜部分3的凸透镜部分4附近的外侧上的划分 区域3c、和位于的凸透镜部分4的内周部分附近的内侧的划分区域4c (此处从划分区域3c 进入的光被全内反射)，在透镜部件10的外周部分附近分别对应于棱镜13C的棱镜光入射 面13a和棱镜光反射面13b。这样，透镜部件10的菲涅耳透镜表面14构造成使得与棱镜13对应的传统TIR 透镜1的凸透镜部分4的划分区域4a-4c越向外，棱镜13越向内布置，与棱镜13对应的划 分区域4a-4c越向内，棱镜13越向外布置。因此，每个棱镜13具有根据相对于光源2的位 置而改变的顶点角。这样，具有相互不同的折射角的多个同心环形棱镜从靠近光源相对面 15的中心轴线的位置向光源相对面15的周缘连续形成，但位于光源相对面15的周缘的棱 镜被设置为高于靠近凸透镜部分12的棱镜。此外，透镜部件10包括位于其光轴AX上的凸透镜部分12，凸透镜部分12构造成 聚焦入射光，与突出形成于传统TIR透镜1的中心的凸透镜部分Ia对应。也就是说，向光 源2突出的凸透镜部分12设置于环面菲涅耳透镜表面14的中心。该凸透镜部分12例如 是由非球面构成的凸折射透镜。上述棱镜光入射面13a以与光轴AX倾斜的角度指向光源2侧。此外，棱镜光入射 面13a由同心凹面、平面、或凸二次曲面构成，但是考虑到加工，优选构造为平面。同时，上 述棱镜光反射面13b由同心平面、凸面、或诸如抛物面、双曲面或椭圆面的二次曲面构成， 但是考虑到加工，优选构造为平面。注意，在图2、3所示的透镜部件10中，在形成为光源相 对面的菲涅耳透镜表面14的相反侧上形成的光出射面16构造为平面，但也可以形成为具 有构造成控制出射光线的传播的微小不规则部(未图示)。接着，描述在第一实施方式的透镜部件10中来自光源2的光线的入射和出射。例 如，在第一实施方式的透镜部件10中，如图29所示的传统TIR透镜1是如图3所示的菲涅 耳转换透镜，与所述TIR透镜1类似地，从光源2沿直接向上方向出射的具有最强的光强的 光线Ll被设置在光源2的光轴AX上的凸透镜部分12聚焦而从相反侧的光出射面的中心 发射。而且，在所述TIR透镜1中，相对于光源2的光轴AX沿轻微倾斜的方向在中心部 分附近发射的具有相对强烈的光强的光线L2，从内侧的凹透镜部分3的光入射面(划分区 域3a)进入，在位于凸透镜部分4的外侧的光反射面(划分区域4a)全内反射，而从光出射 面的外周部分附近出射。相比之下，在第一实施方式的透镜部件10中，相对于光源2的光轴AX沿轻微倾斜 的方向在中心部分附近发出的具有相对强烈的光强的光线L2，从内侧的棱镜13A的棱镜光 入射面13a进入，在棱镜13A的棱镜光反射面13b全内反射，而从光出射面的中心部分附近出射。而且，在所述TIR透镜1中，相对于光源2的光轴AX沿高度倾斜的方向发出的具 有相对微弱的光强的光线L3，从内侧的凹透镜部分3的光入射面(划分区域3c)进入，在位 于凸透镜部分4的内侧的光反射面(划分区域4c)全内反射，而从光出射面的中心部分附 近出射。相比之下，在透镜部件10中，相对于光源2的光轴AX沿高度倾斜的方向发出的具 有相对微弱的光强的光线L3，从外侧的棱镜13C的棱镜光入射面13a进入，在该棱镜13C的 棱镜光反射面13b全内反射，而从光出射面的外周部分附近出射。图4和图5描述了根据本发明第二实施方式的透镜部件30。注意，在第二实施方 式中，与第一实施方式类似的结构具有与第一实施方式相同的标号。与第一实施方式的透 镜部件10类似，第二实施方式的透镜部件30为TIR透镜，其中菲涅耳透镜表面14 (如图3 所示)形成为光源相对面15上的光入射面，菲涅耳透镜表面14包括多个具有不同折射角 的棱镜13和13A-13C，但每个棱镜13和13A-13C的形状与第一实施方式的透镜部件10中 的棱镜形状不同。也就是说，在光源相对面15的中心轴线上形成突出部分17，该突出部分17以圆锥 形向光源2突出，光源2设置为面对光源相对面15。此外，突出部分17的顶点位于光源相 对面15的中心轴线上，多个具有相互不同的折射角的同心环形棱镜13和13A-13C从靠近 突出部分17顶点的位置向光源相对面15的周缘连续形成。此外，每个棱镜13和13A-13C 包括棱镜光入射面13a和棱镜光反射面13b。注意，透镜部件30也可由诸如丙烯酸树脂的 透光材料整体形成。注意，在第二实施方式中，和第一实施方式类似，光源2采用具有布置 成栅格图案的多个LED元件的所谓的多芯片LED。接着，描述安装有根据第一实施方式的透镜部件10的光学单元。如图6和7所 示，光学单元20具有容纳在外壳21中的透镜部件10和作为光源2的LED。外壳21包括 具有在上表面部分的中心有安装光源2的半球形部分22，以及基本为圆柱形的透镜支撑框 架23，透镜支撑框架23安装在半球形部分22的上表面部分以容纳透镜部件10。注意，透 镜支撑框架23在半球形部分22的上表面部分安装成下述状态透镜部件10面对光源2并 且透镜部件10的中心轴线与光源2的中心对准。接着，对根据第一实施方式的透镜部件10的亮度特性与传统TIR透镜1进行比较 的模拟结果进行说明。图8A和8B是用于模拟的传统TIR透镜1和根据第一实施方式的透镜部件10的 各自的剖面图。首先，当对如图8A所示的传统TIR透镜1的光出射面的亮度分布进行模拟 时，产生如图9A所示的环状闪光，在剖面亮度分布的模拟结果中，出现如图IOA所示的亮度
的落差。相比之下，当对如图8B所示的第一实施方式的透镜部件10的光出射面的亮度分 布进行模拟时，如图9B所示，不会产生TIR透镜1中产生的类型的环状闪光。而且，在剖面 亮度分布的模拟结果中，亮度从中心向外侧逐渐降低，从而改善外观。注意，上述的亮度特 性是光方向性FWHM(半峰全宽)模拟。因为第一实施方式的透镜部件10中的菲涅耳透镜表面14以下述方式构造与传 统TIR透镜1的凹透镜部分3的较外侧的划分区域3c对应的棱镜13A位于更加内侧的位
9置，与较内侧的划分区域3a对应的棱镜13C位于更加外侧的位置，所以在中心部分附近的 具有相对强烈的光强的光线从内侧的棱镜13A的棱镜光入射面13a进入，并在棱镜13A的 棱镜光反射面13b处全内反射。从而，在第一实施方式的透镜部件10中，在传统TIR透镜1或传统菲涅耳透镜的 外侧发出的强光，能够在透镜部件10内侧的中间附近发射。此外，因为凸透镜部分12包含 在光轴AX上，入射光线进一步聚焦，因此能够提高中心部分的亮度。这样使得第一实施方式的透镜部件10实现了这样的亮度分布，其中中心亮度大， 外侧亮度暗，亮度从中心向外侧逐渐降低，并抑制了环状闪光的产生，改善了外观。此外，因 为每个棱镜13的作为光入射面的内表面和作为光反射面的外环表面通过脊线连续形成， 所有从光入射面进入的光线均到达光反射面并被全内反射，因此光的使用效率得到显著提 高。注意，菲涅耳透镜表面14的光聚焦能力可以通过在菲涅耳转化中增加划分部分的数量 而得到进一步提高。此外，因为棱镜光反射面13b形成为平面形状，加工变得非常容易，制造成本也 低。另外，因为棱镜光入射面13a以相对于光轴AX倾斜的方向指向光源2侧，光线容易进 入，并且因为棱镜光入射面13a和光轴AX不平行，在成型过程中的可脱模性得到提高，并能 得到高质量的透镜部件10。而且，通过使用光出射面16的不规则部，在与菲涅耳透镜表面14相反的一侧的光 出射面上形成用于控制所发射光线的传播的微小的不规则部，使得容易发射通过菲涅耳透 镜表面14尽可能以理想方向性聚焦的光线。从而，设有透镜部件10的光学单元20能够得到，诸如照明设备、投影仪、闪光灯、 汽车前灯和尾灯等LED光学产品，这些光学产品具有从LED光源2发出的光线的高使用效 率，并具有卓越的外观。安装有根据第二实施方式的透镜单元30的光学单元120如图11所示。与前面的 第一实施方式所描述的情况类似，光学单元120具有容纳在外壳121中的板状的透镜部件 30和作为光源2的LED。在上述实施方式中，利用板状透镜的结构说明从板状透镜部件的 光出射面所出射的光线的强度，但在本实施方式中，当与一光源一起使用时说明板状透镜 部件30，在该光源中，至少一个LED元件被包含荧光材料或磷光体的密封树脂密封；例如， 被包含有以YAG作为磷光体的密封树脂密封的至少一个蓝光发射二极管元件(蓝光LED元 件)。从该光源2所发射的光线通过从蓝光LED元件所发出的蓝光和在通过YAG磷光体后 变成的黄光的混合效应而显示为白光。因为不同方向的光线的强度不同，所以沿着光源的 光轴方向的光线趋向为带蓝色的白光，但是在与光轴交叉的横向的邻近区域发出的光线趋 向为带黄色的白光。外壳121包括在上表面部分的中心安装有光源2的半球形部分122，和基本为圆柱 形的透镜支撑框架123，透镜支撑框架123安装在半球形部分122的上表面部分以容纳透镜 部件30。此外，透镜支撑框架123在半球形部分122的上表面部分安装成下述状态透镜 部件30面对光源2并且透镜部件30的中心轴线与光源2的中心对齐。接着，研究通过第二实施方式的板状透镜部件30之后的照明光线的色度。结果如 图12所示。此外，作为比较，如图13所示，对在光入射面的中心部分一体形成有凸透镜部 分101的作为比较目的的透镜部件100的色彩变化也进行了类似的研究。结果如图14所示。注意，如图12和14所示的色彩变化图像是转化为灰度级的黑白图像的彩色图像。在比较中发现，在作为比较目的的透镜部件100中，具有局部产生微黄区域和微 蓝区域的色彩变化，在第二实施方式的透镜部件30中，色彩变化总体降低，微黄区域和微 蓝区域很少。注意，即使上述光学单元120中布置的光源2具有多个排列在其中的蓝光LED元 件，并且即使LED元件具有多个光轴；邻近透镜部件30的中心部分形成的同心环形棱镜13 也能防止板状透镜的中心部分的色彩变化。相比于在板状透镜的周围部分的同心环形棱镜 13，在中心部分的同心环形棱镜13优选设置地更密集或紧密。接着，参照图15和16，下面描述根据本发明第三实施方式的透镜部件。注意，在第 三实施方式中，与第二实施方式中所描述的结构相同的元件具有相同的标号，相关描述也 随之省略。第三实施方式的透镜部件40具有与第二实施方式的透镜部件相同的基本形状， 区别仅在于与菲涅耳透镜表面14相反的光出射面16的形状。也就是说，与第二实施方式 的透镜部件30中与菲涅耳透镜表面14相反的光出射面16为平面不同，第三实施方式的透 镜部件40中与菲涅耳透镜表面14相反的光出射面16在其上形成有多个不规则部41，如 图15和16所示，多个不规则部41构造成控制从光出射面16所出射的光线的散射能力和 方向性中的至少一个。如图16所示，第三实施方式中的不规则部是排列在光出射面16上的多个椭圆形 状的凸起部分41，凸起部分具有将发射光线散射的散射能力。注意，凸起部分41优选具有 非球面以有效折射光线。而且，例如，凸起部分可以具有四边形棱锥的形状。在图17中，对第三实施方式的透镜部件40的色彩变化进行了研究。该图像表示， 相比于第二实施方式的透镜部件30，色彩变化进一步减小。这样，在第三实施方式的透镜部件40中，在与菲涅耳透镜表面14相反的光出射面 16上形成凸起部分41以控制所发射光线的散射性能和方向性中的至少一个，通过使用由 于光出射面16上的凸起部分41而产生的折射和散射，使得容易发射通过菲涅耳透镜表面 14尽可能地以理想的散射性能或方向性聚焦的光线。在图18和19中，示意性地示出了根据第四实施方式的透镜部件50的光出射面 16。与根据第三实施方式的透镜部件40具有均勻排列在整个光出射面16上的凸起部分41 不同，根据第四实施方式的透镜部件50具有光出射面16，该光出射面16的中心部分包括散 射性能高于周围部分的区域。也就是说，当光出射面16的中心部分如图19A所示形成有的 高密度的凸起部分51的同时，光出射面16的周围部分如图19B所示形成有的低密度的凸 起部分51。这导致在光出射面16的中心部分形成具有高的光线散射性能的高散射性能区 域52A，并且在光出射面16的周围部分形成具有低的光线散射性能的低散射性能区域52B， 如图18所示。如上所述，在第四实施方式的透镜部件50中，光出射面16的中心部分具有比周围 部分更高的光线散射性能，从而在光源2的色彩变化非常容易被看到的中心部分有更多的 光线被扩散，从而使得色彩变化被有效抑制；另一方面，光出射面16的周围部分的光散射 性能比中心部分低，从而还能够抑制正面照明的减少，获得窄的方向性。注意，在第四实施方式中，通过改变在光出射面16的中心部分和周围部分形成的凸起部分51的形状，也可以赋予光散射性能的差异。也就是说，如图20A和20B所示，通过 将中心部分的高散射性能区域52A上形成的凸起部分51的高度设置为大于周围部分的低 散射性能区域52B上形成的凸起部分51的高度，能够提高光散射性能。此外，如图20A和20C所示，通过将中心部分的高散射性能区域52A上形成的凸起 部分51的曲率设置成小于周围部分的低散射性能区域52B上形成的凸起部分51的曲率， 也能够提高光散射性能。注意，在如图18所示的实施方式中，描述了高散射性能区域52A和低散射性能区 域52B清楚分开的情况。但是，凸起部分51的密度或高度或者曲率等可以逐渐改变，从而 从外侧到内侧平稳增加散射性能。图21示出了根据本发明的第五实施方式的透镜部件60的光出射面16。与在之前 的第三和第四实施方式中提到的透镜部件的光出射面设有多个点状凸起部分不同，第五实 施方式的透镜部件60的光出射面16具有同心形成在其上的多个环状凸起部分61。例如， 凸起部分61在弧形横截面具有半圆柱形状。图22A示出了根据第五实施方式的透镜部件60的照度分布图，图22B是用色彩作 标记的照度表。图22A中的刻度(mm)代表透镜的尺寸，图22B中的刻度(Lux)代表照度 量。注意，图22A是一幅转化为灰度级的黑白图像的照度分布的彩色图像，说明各向同性散 射性能是如何得到的，使得越靠近面对光源的透镜部件60的中心部分，照度越高。图23示出了根据本发明的第六实施方式的透镜部件70的光出射面16。与前述的 第五实施方式的透镜部件的光出射面具有在其上同心形成的多个环形凸起部分不同，第六 实施方式的透镜部件70的光出射面16具有形成在其上的多个线性凸起部分71，该线性凸 起部分71从中心径向延伸。注意，与前述的第五实施方式类似，同样地在根据第六实施方 式的透镜部件70中，也得到各向同性散射性能，使得与光出射面16的周围部分相比，越靠 近光出射面16的中心部分，照度越高。图24示出了根据本发明的第七实施方式的透镜部件80的光出射面16。与前述 的第五实施方式的透镜部件的光出射面16具有在其上同心形成的多个环形凸起部分51不 同，第七实施方式的透镜部件80具有多个线性凸起部分81，该线性凸起部分81沿X方向延 伸，与Y方向平行地排列。也就是说，线性凸起部分81作为各向异性散射形状形成在第七 实施方式的光出射面16上，在特定的方向散射大量发射的光线。如图25所示，上述的第七实施方式的透镜部件80具有方向性，该方向性在线性凸 起部分81的延伸方向(X方向)较窄，在与线性凸起部分81的延伸方向正交的方向(Y方 向)较宽。这导致获得Y方向的照度提高的偏置的各向异性散射性能，这在图26A和26B 所示的照度分布图像中显示得很清楚。这样使在根据第七实施方式的透镜部件80的光出射面16上形成的线性凸起部分 81具有各向异性散射形状，由此大量的发射光线在特定的方向扩散，可获得光的窄方向性 并沿特定方向发射光线，而不是均勻散射光线。注意，如在第三实施方式中描述的前述透镜部件40那样，将椭圆形凸起部分41设 置成面对同样的方向，也可以得到大量发射的光线在特定的方向散射的各向异性。此外，在 前述的从第三至第七实施方式中，形成在透镜部件的光出射面上的不规则部均是从光出射 面突出的凸起部分；但是，通过形成具有凹部的光出射面，也能够得到类似的散射性能和方向性。图27示出了根据本发明的第八实施方式的透镜部件90的剖面图。前述第三至第 七实施方式的透镜部件的与菲涅耳透镜表面14相反的光出射面16在其上形成有用来控制 发射光线的散射性能和方向性的不规则部，与此不同，第八实施方式的透镜部件90的光出 射面16具有设置在其全部表面上的一个光学片91，以控制通过光学片91的光线的散射性 能和方向性中的至少一个。例如，光学片91为均勻散射透射光线的散射片、沿特定方向散射或折射大量透射 光线的各向异性扩散片，或棱镜片。在整个光出射面16上设置这样的光学片91，从而能够 任意设定各种光散射性能和方向性。注意，与构成透镜部件90的材料的折射率差异小的材 料优选用来形成光学片91。这样在透镜部件90的光出射面16上设置光学片91，以控制透射光线的散射性能 和方向性中的至少一个，通过使用在光出射面16侧的光学片91产生的折射和散射，容易地 发射通过菲涅耳透镜表面14尽可能地以理想的散射性能或方向性聚焦的光线。接着，对于上述比较例的透镜部件100、第二实施方式的透镜部件30、第八实施方 式的具有HAZE值为29%和46%的散射片作为光学片91的透镜部件90和第三实施方式的 透镜部件40的面内色度变化、正面照度、半峰全宽(FWHM)的测量结果，在表1中示出。表1 从表1所示的结果中可以清楚看出，相比于比较例的透镜部件100，第二实施方式 的透镜部件30、第八实施方式的具有HAZE值为29 %和46 %的散射片作为光学片91的透镜 部件90、第三实施方式的透镜部件40，依次具有更小的面内色度变化和降低的色彩变化。虽然已经描述了本发明的透镜部件和光学单元的优选实施方式，但本发明并不局 限于这些实施方式，并且可以理解，可以对这些实施方式进行各种修正和替换。例如，如图 29所示，相应于具有与传统TIR透镜形状不同的凹透镜部分和凸透镜部分的TIR透镜，如 图28A、28B和28C所示的透镜部件10AU0B和IOC可以构造成中心凸透镜部分12具有与 上述第一实施方式不同的曲率，并且菲涅耳透镜表面14具有与上述第一实施方式数量不 同的划分部分。相关申请的交叉引用
本申请基于并要求2009年5月5日提交的日本专利申请No. 2009-114065和2010 年1月7日提交的日本专利申请No. 2010-002291的优先权，其全部内容通过引用结合于 此。
权利要求
一种板状的透镜部件，该透镜部件构造为具有同心环形棱镜，每个同心环形棱镜包括从全内反射透镜的光入射面划分得到的内环表面和从所述全内反射透镜的光反射面划分得到的外环表面，其中所述光入射面具有设置在所述全内反射透镜的下部分的凹入形状，所述光反射面具有位于所述光入射面的外侧的凸出形状，所述板状的透镜部件包括面对光源设置并具有凹入形状的光源相对面；和与所述光源相对面相反的光出射面，所述同心环形棱镜均包括所述内环表面和所述外环表面，所述外环表面位于所述内环表面的外侧以形成每个棱镜，所述同心环形棱镜设置在所述光源相对面上，其中在所述全内反射透镜的所述光反射面的划分部分中，远离所述全内反射透镜的中心轴线的划分部分被分配给邻近所述板状的透镜部件的中心轴线设置的所述同心环形棱镜的所述外环表面，所述板状的透镜部件的中心轴线与所述光源相对面的中心轴线相对应，并且所述光源相对面具有将所述全内反射透镜菲涅耳化得到的菲涅耳透镜表面，该菲涅耳透镜表面包括定心在所述中心轴线上的所述同心环形棱镜，并且每个所述同心环形棱镜包括所述内环表面和所述外环表面，所述内环表面比所述外环表面更靠近所述中心轴线，在每个所述同心环形棱镜中，所述外环表面是全内反射表面，在所述外环表面上将通过所述内环表面接收的光线全内反射。
2.根据权利要求1所述的透镜部件，其中，每个所述内环表面包括凹面，每个所述外环 表面包括凸面。
3.根据权利要求1所述的透镜部件，其中，每个所述外环表面包括平面。
4.根据权利要求1所述的透镜部件，其中，每个所述内环表面包括平面，并且所述同心 的外环表面包括平面。
5.根据权利要求1所述的透镜部件，其中，每个所述内环表面包括平面，并且所述同心 的外环表面包括二次曲面。
6.根据权利要求1所述的透镜部件，其中，所述光源相对面包括在所述光源相对面的 中心轴线上与所述光源相对面一体形成的凸透镜，该凸透镜向所述光源突出。
7.根据权利要求1所述的透镜部件，其中，所述同心环形棱镜的每个所述内环表面相 对于所述光源相对面的中心轴线成倾斜角度地面对所述光源。
8.根据权利要求1所述的透镜部件，其中，位于所述光源相对面的外围区域的所述同 心环形棱镜设置为比邻近所述光源相对面的所述中心轴线的所述同心环形棱镜高。
9.根据权利要求1所述的透镜部件，其中，多个微小不规则部形成在与所述光源相对 面相反的光出射面上，所述多个微小不规则部构造成控制所发射光线的传播。
10.根据权利要求1所述的透镜部件，其中，从靠近所述光源相对面的所述中心轴线的 位置至外围区域，连续形成折射角彼此不同的多个所述同心环形棱镜。
11.一种光学单元，该光学单元包括权利要求1所述的透镜部件；和包括至少一个发光二极管元件的光源，所述光源的光轴与所述光源相对面的中心轴线同轴设置。
12.根据权利要求1所述的透镜部件，其中，所述光源相对面包括在所述光源相对面的 中心轴线上突出的呈圆锥形的突出部分。
13.根据权利要求12所述的透镜部件，其中，所述突出部分的顶点位于所述光源相对 面的所述中心轴线上，所述同心环形棱镜从靠近所述突出部分顶点的位置至所述光源相对 面的外围区域连续形成。
14.根据权利要求12所述的透镜部件，其中，多个微小不规则部形成在所述光出射面上。
15.根据权利要求14所述的透镜部件，其中，每个所述微小不规则部具有各向异性散 射形状。
16.根据权利要求12所述的透镜部件，其中，一光学片设置在所述光出射面上，所述光 学片构造成控制光线的散射。
17.根据权利要求12所述的透镜部件，其中，一光学片设置在与所述光源相对面相反 的所述光出射面上，所述光学片构造成控制光线的方向性。
全文摘要
本发明提供一种板状的透镜部件。该透镜部件具有同心环形棱镜，每个同心环形棱镜包括从传统全内反射透镜的光入射面划分得到的内环表面和从全内反射透镜的光反射面划分得到的外环表面，其中光入射面具有设置在全内反射透镜的下部分的凹入形状，光反射面具有位于全内反射透镜的外围侧的凸出形状，以包围光入射面。大体积全内反射透镜的光入射面和光反射面是菲涅耳化的，或者在板状的透镜部件表面上划分成一组同心环形棱镜，全内反射透镜的划分部分的位置有效地设置在板状的透镜部件的表面上。
文档编号F21V5/04GK101907263SQ20101024033
公开日2010年12月8日 申请日期2010年5月7日 优先权日2009年5月9日
发明者安原良, 宫下纯司, 萱沼安昭 申请人:西铁城电子股份有限公司;西铁城控股株式会社