具有菲涅耳透镜面的透镜及采用该透镜的照明装置

摘要

提供一种透镜，具有包括多个面的透明部件、分别设于该透明部件的多个面的菲涅耳透镜面，透明部件具有包括第一面和与该第一面相对的第二面的大体板状的形状，菲涅耳透镜面为设于透明部件的上述第一面和第二面的透镜。

说明书

技术领域

本发明涉及具有菲涅耳透镜面的透镜的改良及采用了该改良透镜的照明装置。

背景技术

以往，对于用于CD和DVD的读写或其他各种光学应用仪器的大多照明装置，通过将透镜贴在具有LED元件和灯的支承体上，或使透镜与支承体一体地形成，以使来自LED元件等的光具有规定的聚光特性。为使这样的照明装置变薄，有必要配置LED使其与透镜相接近，并扩大透镜的口径和聚光力(即减小F数)。作为透镜，可采用成形为大体半球状的凸透镜的透明部件，或具有凸透镜部和在该凸透镜部的外周呈平面地排列同心圆型的很多棱镜而构成的菲涅耳透镜面的透明部件。

所谓的菲涅耳透镜面为由凸状的透镜部，以及在该凸状的透镜部的外周、由形成与凸透镜部的中心轴同轴的一系列小且宽度狭窄的同心棱镜所构成的面。F数称为透镜等光学系统的口径比的倒数。口径比表示透镜光学系统的开口直径和透镜焦距之比。

图8表示第1以往的照明装置。该照明装置具有树脂制的壳体60、配置于该壳体内的作为光源的片状的LED61、与该LED相对且支承于壳体的半球状的凸透镜62。符号63为LED61的导线。在该照明装置中，虽然凸透镜62具有良好的聚光作用，但是由于透镜的口径和曲率大，所以透镜变厚，因而产生无法使照明装置小型化、特别是薄化的问题。

图9A和图9B表示第2以往的照明装置。该照明装置具有壳体70、配置于该壳体内的作为光源的片状的LED71、与该LED相对且支承于壳体70的具有折射型的菲涅耳透镜面的透镜72。符号73为LED71的导线。对于透镜72，调整一个凸透镜部74和与该凸透镜部74的中心轴(光轴)同轴的很多环状的棱镜部75(各棱镜的斜边是仿原来的凸透镜面、或为了部分地补偿折射特性而对形状进行若干修正的直线或曲线)的顶部，使其分别大致等高地在轴方向偏离，去除毛边以确保棱镜部75和中心部的透镜作用，同时具有整体薄的结构。

具有该菲涅耳透镜面的透镜72，相比于上述图8所示的半球状的凸透镜62，在具有相同口径和F数的情况下可形成得较薄，因此，也可以使照明装置变薄。但是，由于棱镜部75的各棱镜斜面的倾斜越靠近透镜的外周部就变得越陡，并且各棱镜的间隔也随之变密，所以对于棱镜部75的面的加工，换而言之，金属模的切削加工变得困难，而对于口径比大的透镜，则有在某半径的外侧产生棱镜部的加工极限的问题。另外，随着朝向透镜72的外周部，自光源入射到棱镜部75的入射光和透镜的光轴的角度增加，从而产生光的利用效率低下的问题。

图10A和图10B表示第3以往的照明装置。该照明装置具有壳体80、配置于该壳体内的多个LED81、与这些LED相对且支承于壳体80的透镜阵列82。这些透镜阵列82由呈平面状相近排列的多个半球状的凸透镜83构成。各LED81配置于各半球状的凸透镜83的光轴上。符号84表示各LED的导线。该照明装置具有适度聚光的高照明度。但是，在该以往例中，与第1以往例同样地存在难于使透镜阵列82和照明装置变薄的问题。

图11A和图11B表示第4以往的照明装置。该照明装置具有和第3以往的照明装置大致相同的目的。该照明装置具有配置于壳体90内的多个LED91、支承于壳体90的具有多个菲涅耳透镜面的透镜阵列92。透镜阵列92具有分别与各LED91相对地配置的菲涅耳透镜面93。该照明装置虽然较薄，但是与第2以往例同样地存在加工极限的问题。

图12A和图12B表示第5以往的照明装置。在该照明装置中，在透镜100的中心部正下方紧密接触地配置有多个LED101(例如发出红、绿、蓝各色光的3个LED)，从而可以得到任意的发光色。符号102表示棱镜部。LED101被埋入透镜100的内部。该照明装置的主要问题在于，透镜100的菲涅耳透镜面中的光轴为1个，由于无法在这一个光轴上同时配置多个LED，从而无法相对于所有的LED101设计理想的透镜。

发明内容

因此，本发明的第一个目的是提供：合成很多菲涅耳透镜面的设计自由度大的透镜和采用该透镜并改善了其特性的照明装置。

本发明的第二个目的是提供：与以往具有菲涅耳透镜面的透镜相比折射率变大且具有难于产生菲涅耳透镜面的加工极限的结构的透镜，和采用该透镜的薄型的照明装置。

本发明的第三个目的是提供：具有含有相对于相近光源最佳透镜形状的菲涅耳透镜面的透镜和采用该透镜的照明装置。

根据本发明的一个实施例，透镜由具有多个面的透明部件构成，该透明部件的多个面具有设于各面上的菲涅耳透镜面。

根据本发明的另一个实施例，透镜由透明部件构成，具有设于该透明部件的至少一个面的多个菲涅耳透镜面，这些多个菲涅耳透镜面的各中心轴线相互错开规定距离。

根据本发明的又一个实施例，透镜由透明部件构成，具有设于该透明部件的至少一个面的菲涅耳透镜面，该菲涅耳透镜面具有由设于透明部件的曲面构成的凸透镜部和形成于该凸透镜部的外周的曲面上的多个棱镜部。

附图说明

图1为作为本发明的第1实施例的具有菲涅耳透镜面的透镜和照明装置的剖面图。

图2为本发明的第2实施例的透镜的剖面图。

图3为本发明的第3实施例的透镜的剖面图。

图4为采用本发明的第3实施例的透镜的照明装置的剖面图。

图5为采用本发明的第3实施例的透镜的照明装置的变型例的剖面图。

图6为说明采用本发明的第3实施例的透镜的照明装置中的聚光状态的图。

图7A为表示本发明的第4实施例的透镜和照明装置的平面图。

图7B为图7A的A-A线剖面图。

图8为第1以往例的采用半球状透镜的照明装置的剖面图。

图9A为表示第2以往例的采用具有菲涅耳透镜面的透镜的照明装置的平面图。

图9B为图9A的剖面图。

图10A为表示第3以往例的采用半球状透镜阵列和多个LED的照明装置的平面图。

图10B为图10A的剖面图。

图11A为第4以往例的采用具有菲涅耳透镜面的透镜阵列和多个LED的照明装置的平面图。

图11B为图11A的剖面图。

图12A为第5以往例的采用具有菲涅耳透镜面的透镜和多色的LED的照明装置的平面图。

图12B为图12A的剖面图。

具体实施方式

下面参照附图，详细说明本发明的几个理想实施例。

图1表示采用本发明的具有菲涅耳透镜面的透镜的照明装置的第1实施例。该实施例的照明装置具有壳体1、配置于该壳体内的光源2、与该光源相对地配置且由适当的方式而固定于壳体1的透镜3。在本实施例中，光源2由LED构成。符号4表示LED的导线。

上述透镜3具有透明部件5、分别设置于该透明部件5的多个面的菲涅耳透镜面6。在本实施例中，透明部件5为大体板状，在其第一面、例如上面7，和第二面、例如下面8，分别设有菲涅耳透镜面6。在本实施例中，透明部件5的上面7和下面8为平坦面，在这些平坦的上面和下面上形成菲涅耳透镜面6。对于这些菲涅耳透镜面6，在本实施例中，其分别具有设于中央部的例如凸状的透镜面9和设于该透镜面9的周围的很多大体三角形状的棱镜部10。设置于透明部件5的上面7的菲涅耳透镜面6的中心轴线和设于透明部件5的下面8的菲涅耳透镜面6的中心轴线为同轴地配置。

在本实施例中，由于上下各菲涅耳透镜面6的聚光力可以为总的要求的聚光力的一半，所以各棱镜部10的顶角或斜面的倾斜相比于第2以往例可很平缓。因此，可以没有加工极限地形成棱镜部10，且可充分地扩大棱镜部10的直径，可使照明装置相比于以往形成大口径或以同口径而使F数变小，另外，可使作为光源2的LED相比之下更加接近透镜3。由此可使照明装置更加地薄。

图2表示本发明的透镜的第2实施例。本实施例的透镜20的上下棱镜部22a、22b的基底面23a、23b不似上述第1实施例那样形成为平坦面，而是形成为凸透镜状的曲面。更具体地说，对于本实施例的透明部件24，与棱镜部22a的基底面23a相应的上面和与棱镜部22b的基底面23b相应的下面分别形成为凸状的曲面，并在形成这些曲面的上下面设有菲涅耳透镜面6。这样，通过在上下面为凸状的透明部件24上设有菲涅耳透镜面6，可使合成焦距变得更短。

形成菲涅耳透镜面中的棱镜部的基底面的曲面可以只设于透明部件24的一个面上，例如上面。另外，曲面的形状不仅限于凸状，可在透镜上追加任意的特征，或以补偿透镜的弱点(例如改善聚光度、某种像差的修正、改善向棱镜部的入射光的方向等)为目的的任意的曲面亦可。该曲面不必与透镜共用中心轴。另外，在将光源侧的基底面23b形成为凹面的情况下，可使入射到透镜周边部的光和位于基底面23b的入射部位的法线所成的角小于基底面23b为平面或凸面时所成的角，所以容易使光入射到棱镜部22b，从而可提高光的利用效率。

图3表示本发明的透镜的第3实施例。该实施例中的透镜30是将设于透明部件31的上下面的菲涅耳透镜面32a、32b中的棱镜部33a和33b各自的中心轴线(光轴)35a、35b错开规定距离d而成的透镜。这是为了调节透镜30的聚光性。

图4和图5表示将该透镜30装入壳体1的照明装置的两个例子。图4表示在两个中心轴35a、35b的大致延长线上分别配置有一个LED36的照明装置，图5表示在两个中心轴35a、35b的延长线上的大致中间位置配置1个LED37的照明装置。

图6为说明本发明的第3实施例中的透镜的聚光状态的图。符号38表示两根聚光曲线，表示自1个(或相接近的2个)LED37发出的光应由棱镜部33a或33b中的任意一方的透镜所会聚的光的强度分布与位置的关系。两根聚光曲线38相应于两个透镜的光轴的偏离d而相隔d’。曲线形状因光源的位置或数量以及其他的条件而未必相同。同样，一般情况下d’≠d。自LED37发出的光通过上下两个菲涅耳透镜面32a、32b这两个面，所以合成的聚光曲线(未图示)成为近似于各聚光曲线38的和的形状，因此，由光源照射的面要比具有单一光轴的菲涅耳透镜面的照射面(沿光轴的偏离方向)大很多。即，能够扩大可以均一的照度所照射的面。

图7A和图7B表示本发明的透镜的第4实施例和采用该透镜的照明装置。本实施例与采用图12A和图12B进行说明的第5以往例相对应，在透镜40的内部埋有3个LED41、42、43。透明部件44具有仅设于其一面如上面的3个菲涅耳透镜面45、46、47。这些菲涅耳透镜面45、46、47由各中心轴线相偏离的3层面构成。各棱镜面48的半径方向的节距事实上十分密集(细密)，而图7B的图示为了方便仅作了粗略的描述。3个菲涅耳透镜面45、46、47的中心轴线，在平面图中配置于大致正三角形的各顶点。另外，在这些3个菲涅耳透镜面的各中心轴线上配置有LED41、42、43的各发光面的中心。3个LED41、42、43发出例如红R、绿G、蓝B的光。

在3个棱镜面交错的部分，透镜的断面可以为各种构成，在本实施例中，如图7B所示，透镜具有连接自其基准面49突出的棱镜部的侧面。这样，由于本实施例在对应于各LED的正上方均具有一个菲涅耳透镜面，所以除了容易设计之外，可以最大限度地利用各LED的输出。另外，由并未位于各LED正上方的其他LED部也可以得到扩大了的照射面。各菲涅耳透镜面可以形成于曲面上，也可以沿透镜的上下适当地分割而形成。此外，各LED的发光面的位置也可以从各菲涅耳透镜面的光轴适当地偏离。

根据本发明，由于可以得到合成了多个菲涅耳透镜面的透镜效果，所以即使由单个的透镜也可以得到优良的特性，可以形成薄且设计自由度大的透镜。例如，通过将多个菲涅耳透镜面设于透镜材料的上下面，即使为相同的聚光力，也可以使棱镜部的倾斜变平缓，可以克服加工极限而得到口径比大的透镜。另外，通过在上下的菲涅耳透镜面或相同面上形成中心轴偏离的菲涅耳透镜面，可以得到更大的设计自由度。另外，通过将菲涅耳透镜面载于曲面上，可以更加提高透镜效果或对其加以修正。采用具有这些特征的至少一个的透镜的照明装置，具有聚光特性优良且可薄化的效果。

组合上述各实施例所具有特征，可以构成新的实施例或某个实施例的变型例。另外，虽然未作为实施例而加以提出，但是形成采用了第4以往例(图11A和图11B)那样的透镜阵列的复合照明装置，也可以赋予本发明的效果。另外，也可以形成采用现有技术并进行进一步变型的实施例。