集光光学素子及びそれを用いた装置
【課題】
ＬＥＤの放射光の距離による照度低下を少なくする集光光学素子を提供することを目的とする。
【解決手段】
光源ＬＥＤ１は、プリント配線板１２に半田付けで固定される。ＬＥＤの前面に、０．５ｍｍ以内の隙間を設けて集光プリズム９を配置する。集光プリズムは、一体形成された高さ規制ボス１０及び位置決め用の取り付けフック１１で、プリント配線板上に設置される。ＬＥＤの放射光は内側楕円円錐面１４及び凹球面１５より入射され、外側楕円円錐面１６で反射して出射面８に行く光と、凸球面１７より出射する光となる。この出射する光の角度を、光源ＬＥＤ１の光中心の垂線に近平行になるように、内側楕円円錐面の角度等を設定する。放射光は集光プリズムを経由する事で円柱状の光に変換され、距離による照度低下の少ない光となる。
ＬＥＤの放射光の距離による照度低下を少なくする集光光学素子を提供することを目的とする。
【解決手段】
光源ＬＥＤ１は、プリント配線板１２に半田付けで固定される。ＬＥＤの前面に、０．５ｍｍ以内の隙間を設けて集光プリズム９を配置する。集光プリズムは、一体形成された高さ規制ボス１０及び位置決め用の取り付けフック１１で、プリント配線板上に設置される。ＬＥＤの放射光は内側楕円円錐面１４及び凹球面１５より入射され、外側楕円円錐面１６で反射して出射面８に行く光と、凸球面１７より出射する光となる。この出射する光の角度を、光源ＬＥＤ１の光中心の垂線に近平行になるように、内側楕円円錐面の角度等を設定する。放射光は集光プリズムを経由する事で円柱状の光に変換され、距離による照度低下の少ない光となる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プリント基板上に配置されたＬＥＤからの光を集光する光学素子及びそれを用いた装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＬＥＤから放射された光を集光する方法としては、「凸レンズ方式」が開示されている。（例えば、特許文献１参照。）これは、図１５に示すように、プリント配線板１２に半田付けされた光源ＬＥＤ１上に、最適な間隔を保つ為の間隔部材２を介して凸レンズ３を配置し、ＬＥＤ光を集光する方式である。また「集光プリズム方式」も開示されている。（例えば、特許文献２参照。）これは、図１６に示すように、光源ＬＥＤ１をプリズム４の内側凹部内に差し込む方式がとられている。
【０００３】
「凸レンズ方式」では、図１５の光線追跡図が示すように、光源ＬＥＤ１が放射する光を、前面に設けた凸レンズ３を介して凸レンズの光を絞り込む作用を使い、放射状の角度を狭くする事が可能になる。
【０００４】
また「集光プリズム方式」では、プリズム４のプリズム中央部分の凹部の内部垂直面５の内側に、光源ＬＥＤ１を差し込む構造になっている。図１６の光線追跡図が示すように、光源ＬＥＤ１が放射する外向きに出る光は、中央近傍の逆凸球面６に入る光と分割され、凹部の内部垂直面５より入射し、プリズム外形部に設けた反射球面７で反射し出射面８より出射する。結果として、このプリズムより出射された光は、ＬＥＤの光中芯の垂線を中心とする円柱状のまとまった光となる。この光の特長は、光源からの距離が離れても、「凸レンズ方式」のように放射状の角度を持った光ではないため、距離による照度の低下を改善することができる点にある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−２２１０４２号公報
【特許文献２】実用新案登録第３０９９０３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
「凸レンズ方式」の場合、凸レンズを経由した光源ＬＥＤが放射する光は、凸レンズ効果により絞り込まれ、狭められた角度をもった放射状の光になる。しかし、角度を持った放射状の光は、光源ＬＥＤからの距離が２倍になると明るさは１/４になる。これは、点光源から出た光の照度は、照度の逆二乗になる法則に従うためである。この法則により光源ＬＥＤの前面に凸レンズ配した場合、距離が離れると明るさが大きく低下するという問題がある。
【０００７】
一方、従来の「集光プリズム方式」では、光源ＬＥＤの中心近傍の光と反射球面を経由した光とは、距離に大きな隔たりが出る。その結果、出射した光は、中心近傍の円形の光とその外側のリング状の光に分割された光となるという問題がある。
【０００８】
光源ＬＥＤからの光は、ＬＥＤ素子の構造に起因して水平方向から出射する。この水平方向の光を、ＬＥＤ内部の反射板や蛍光体を介することで、ＬＥＤの正面方向の光に変換している。その結果、図１７に示すように、ＬＥＤの光中心の９０〜１２０°の広がりを持った広角に放射された光として出射する。この光をできるだけ集める目的で、上述したように、凸レンズを付けた集光形のＬＥＤとし提案されているが、凸レンズの光を絞り込む機能により、出射角度を絞り込むことはできるが、角度を持つ光として放射されることを免れない。角度を持った光は距離が離れるに従い、同じ面積あたりの光量は低下することになり、照明装置や表示装置としては光量不足になり暗くなるという問題がある。この対応としては、ＬＥＤ自体に流す電流を増やして発光量を増加した高輝度ＬＥＤが使われたり、ＬＥＤの数を増やして光量を増したりする方法がある。しかし、高輝度ＬＥＤを使ったり、ＬＥＤの数を増やしたりすることは、ＬＥＤに流す電流が増加して消費電力の増加につながる。ＬＥＤに流す電流の一部は発光に寄与せず、ＬＥＤ素子の発熱等を起こして熱に変換される。特に、高輝度化された光源ＬＥＤでは、発熱により光源ＬＥＤの構造体が熱劣化をおこし、ＬＥＤの寿命が短くなることがある。この対応としてＬＥＤ取り付けのプリント配線板を放熱構造の基板とする、又は、特別な放熱器等が必要になり、製作コストや消費電力の増加を招くことになる。本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、ＬＥＤ光の距離による照度低下の少ない新たな構造の集光光学素子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】
【０００９】
上記目的を達成するために、第１の手段は、ＬＥＤの光を集光する一体成形された光透過性合成樹脂からなる集光光学素子であって、ＬＥＤの光中心軸から約１５度以下の角度の光を取り込む凹球面１５と、前記凹球面から取り込まれた光を前記光中心軸に略平行に屈折し出射させる凸球面１７と、前記光中心軸から約１５度〜約６０度の角度の範囲の光を取り込む、ＬＥＤの光放射面の前方にあって前記光中心軸上の点を頂点とする略楕円円錐状の内側楕円円錐面１４と、前記内側楕円円錐面から取り込まれた光を前記光中心軸に略平行に全反射するための、前記光放射面の後方にあって前記光中心軸上の点を頂点とする略楕円円錐状の外側楕円円錐面１６と、前記外側楕円円錐面で反射した光を出射させる出射面８と、を備えることを特徴とする。
【００１０】
第２の手段は、第１の手段に記載の集光光学素子であって、プリント配線板への取り付けフック１１と、内側楕円円錐面の底部を光放射面との間隔を０．５ミリ以内に接することなく配置するための高さ規制ボス１０と、凸球面の頂上部に射出成形のゲート１８と、を備えることを特徴とする。
【００１１】
第３の手段は、ＬＥＤの光を集光する光透過性合成樹脂からなる集光光学素子であって、ＬＥＤの光中心軸と平行で中心軸を同じくする貫通穴を有する集光プリズム１９と、前記貫通穴と嵌合する凸部を有する集光レンズ２０とから構成され、前記集光プリズムが、プリント配線板への取り付けフック１１と、前記貫通穴壁面２２の底部をＬＥＤの光放射面との間隔を０．５ミリ以内に接することなく配置するための高さ規制ボス１０と、前記貫通穴壁面から取り込まれた光を前記光中心軸に略平行に全反射するための、前記光放射面の後方にあって前記中心軸上の点を頂点とする略楕円円錐状の外側楕円円錐面１６と、を備え、前記集光レンズが、前記凸部の先端部分に備わり、取り込まれた光を前記光中心軸に略平行に屈折させる凸形状の非球面レンズ２１と、前記非球面レンズから入った光及び前記外側楕円円錐面で反射した光の出射面２３と、を備えることを特徴とする。
【００１２】
第４の手段は、第３の手段に記載の集光光学素子であって、出射面が凹球面であることを特徴とする。
【００１３】
第５の手段は、第３の手段に記載の集光光学素子であって、出射面に、同一断面Ｒ形状の凹面を有する環状溝が、光中心軸を中心とする同心円状に連続的に複数形成されていることを特徴とする。
【００１４】
第６の手段は、第３の手段に記載の集光光学素子であって、出射面が、平行に複数連続して形成された同一断面形状の三角プリズムを有する面であることを特徴とする。
【００１５】
第７の手段は、照明装置であって、プリント配線板上に搭載されたＬＥＤの光放射面上に、第１〜６のいずれかの手段に記載の集光光学素子を有することを特徴とする。
【００１６】
第８の手段は、表示装置であって、プリント配線板上に搭載されたＬＥＤの光放射面上に、第１〜６のいずれかの手段に記載の集光光学素子を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の集光光学素子を光源ＬＥＤ１の前面に配置することで、ＬＥＤの広角に放射された光を正面に向けることができ、高輝度ＬＥＤを使用したり、ＬＥＤの数を増やしたりすることなく、小電力で必要部分に対して十分な光を届けることができ、明るい照明ができることになり、ＬＥＤに対し最適電流を流し点灯することにより、ＬＥＤの発熱も少なく、特別な放熱の必要がない低コストで省エネな照明器具、表示パネル等を作ることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】実施形態１における集光光学素子の（a）斜視図、（ｂ）上面図、（ｃ）Ａ−Ａ断面図、（ｄ）Ｂ−Ｂ断面図である。
【図２】実施形態１におけるプリント基板への集光光学素子の取り付け前の図である。
【図３】実施形態２における集光プリズムと中心レンズの(a)取り付け前、(b)取り付け後の側面断面図である。
【図４】実施形態２におけるプリント配線板へ取り付け前の斜視図である。
【図５】実施形態２における集光レンズ形態２の（a）上面図、（ｂ）Ａ−Ａ断面図である。
【図６】実施形態２における集光レンズ形態３の（a）上面図、（ｂ）Ａ−Ａ断面図、（ｃ）出射面拡大図である。
【図７】実施形態２における集光レンズ形態４の（a）上面図、（ｂ）Ａ−Ａ断面図、（ｃ）出射面拡大図である。
【図８】実施形態１の光線追跡図である。
【図９】実施形態１の光線追跡詳細図である。
【図１０】実施形態１における中心近傍光と外向きの光の光線追跡解析図である。
【図１１】実施形態２における集光レンズ形態２の光線追跡図である。
【図１２】実施形態２における集光レンズ形態３の光線追跡図である。
【図１３】実施形態２における集光レンズ形態４の光線追跡図である。
【図１４】ＬＥＤの指向特性と本発明の指向特性の説明図である。
【図１５】「凸レンズ方式」における光線追跡図ある。
【図１６】「集光プリズム方式」における光線追跡図である。
【図１７】光源ＬＥＤの出射された光の広がりを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下に本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２０】
〔実施形態１〕
本発明の実施形態１を、図１、図２及び図８〜１０を参照して説明する。図１は、本発明の集光プリズム９の構造を示している。
【００２１】
集光プリズム９は光透過性のよい合成樹脂、例えば、透明又はごく僅かに着色されたアクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、シリコン樹脂等を成形したもので、プリント配線板１２に位置決め及び固定する取り付けフック１１と、高さ規制ボス１０を、一体形成したものである。
【００２２】
取り付けの最初の段階では、プリント配線板１２の上に半田付けされた光源ＬＥＤ１の放射する光中心を基準として、本発明の集光プリズム９の光学中心軸が合い、取り付けフック１１がスムーズに入り、フック部で抜け防止ができる大きさの穴を、プリント配線板１２に設ける。また、高さ規制ボス１０を設け、これがプリント配線板１２の平面部にあたることにより、光源ＬＥＤ１の放射面との間に、０．５ミリ以内の空間が取れ、尚且つ内側楕円円錐面１４の底部が光源ＬＥＤ１の放射面より下にならない最適な空間距離を守ることができる。
【００２３】
プリズム部分は、光源ＬＥＤ１の出射面より放射された９０〜１２０°の角度の光を距離０．５ミリ以内の位置で取り込ことが可能な内側楕円円錐面１４と、当該内側楕円円錐面の頂点近傍と、光源ＬＥＤ１の放射した光の中心軸より１５°以内の光との交点を底辺とする凹球面１５を設ける。また、内側楕円円錐面１４より集光プリズム内に取り込まれた光を、光源ＬＥＤの光中心の垂線に近平行に全反射するための外側楕円円錐面１６を設ける。さらに、内側楕円円錐面の頂点近傍に設けた凹球面１５から集光プリズム内に取り込まれた光を、光源ＬＥＤ１の光中心の垂線に近平行になるように屈折させる為の凸球面１７を設ける。また、外側楕円円錐面１６で反射された光を出射する為の出射面８を設ける。なお、凸球面１７の頂点部には本集光プリズムを成形するときに合成樹脂を流し込むためのゲート１８を設ける。
【００２４】
図２は、上記のプリント配線板１２、光源ＬＥＤ１及び集光プリズム９の関係を斜視した図である。
【００２５】
図８〜１０は、集光プリズムによって光源ＬＥＤ１から放射された光の光線追跡を示す。図１０を用いて、本発明の特徴的な光線の追跡を説明する。光源ＬＥＤ１より放射される光の中心近傍の光（a）は、ＬＥＤの光中心軸に対し１５°以内の光である。また、外向きの光（ｂ）は、ＬＥＤの光中心軸に対し１５°以上で凹球面１５より入射する光以外の外向きの光である。外向きの光（ｂ）は、内側楕円円錐面１４よりプリズム内に入る。この時の光の角度は楕円円錐の垂線に対して角度θであり、プリズムに入るときの角度は材質が有する屈折率分だけ屈折し、小さな角度θ’となる。プリズム内に入った光は外側楕円円錐面１６に当たる。この時の角度を楕円円錐面の垂線対する角度θを全反射角度以上の角度とし、外側楕円円錐面で反射された光の角度はθ＝θ’となる。外側楕円円錐面１６で反射された光θ’が光源ＬＥＤの光中心の垂線と近平行になるように、内側楕円円錐面１４の円錐角度と外側楕円円錐面１６の円錐角度を設定する。
【００２６】
同様に、光源ＬＥＤ１の放射した光の中央部近傍の光（a）は、内側楕円円錐面１４に入った後の角度が狭くなり、外側楕円円錐面１６に到達しなくなる。そこで、光源ＬＥＤ１の放射光の中央近傍の光（a）を、内側楕円円錐頂点近傍に凹球面１５を設けてプリズム内に導く。この時の光源ＬＥＤ１から放射された光は、凹球面の垂線に対し角度θでプリズム内に入る。プリズムに入った光の角度は、プリズムの有する屈折率により、もとの角度より小さい角度θ’となる。この光は直進し、凸球面１７に達する。凸球面１７部分より光が出るときは、前記屈折率の関係で角度θは大きくなり、θ’として出射される。この出射光の角度θ’を、光源ＬＥＤの光中心の垂線に近平行になるように、凹球面１５の球面形状と凸球面１７の球面形状を設定する。
【００２７】
凸球面１７の頂点部に、集光プリズム９を成形するための合成樹脂注入時のゲート１８を設ける。本発明のプリズムでは、内側楕円円錐面１４の円錐角度及び外側楕円円錐面１６の円錐角度、並びに、凹球面１５の球面形状及び凸球面１７の球面形状が重要である。本プリズムに使用する合成樹脂は、加熱溶解時と冷却固化したときの体積に変化があり、体積収縮が起きる。体積収縮の影響を最小にするには、合成樹脂注入口からプリズムの形状が同心円状にあり、各部分の形状が左右対称になることが望ましい。本発明のプリズムでは、前記条件満たす目的で、凸球面１７頂点部分に合成樹脂注入口ゲート１８を設けることで、成形時に起きる寸法変化、歪等を最小限にとどめることができる。なお、集光プリズムを形成するに際しては、合成樹脂の注入口は、前記凸レンズ中央部以外に設けることも妨げない。
【００２８】
図８と図９は、本発明のプリズムが光源ＬＥＤ１が放射する光を受けた場合の光線追跡図である。図８（a）は、プリズム形状における大まかな光源ＬＥＤ1からの光を追跡した図である。光源ＬＥＤ１の放射面と集光プリズム９の間に、０．５ミリ以内の隙間を設けることで、光源ＬＥＤ1から出た全ての光を集光プリズム９の中に取り込む。光源ＬＥＤ1の放射した光中心の垂線に対し角度を持つ光は、内側楕円円錐面１４より入り屈折し外側楕円円錐面１６で全反射し、出射面８で屈折して出射される。光源ＬＥＤ1から放射した光中心近傍の光は、凹球面１５より入り屈折し凸球面１７より屈折して出射される。図８（b）は、出射された光の分布を示す。光源ＬＥＤ１から放射した光において、角度を持った光と中央近傍の光では距離に大きな違いがなく、出射された光の濃淡の少ない光となる。図９は図８の光線追跡本数を増やしたものである。
【００２９】
集光プリズム成形時の合成樹脂注入口を凸球面１７頂点部分に設けるが、ゲート１８による出射光への影響は、図８及び図９に示すように、出射面全体面積に比較し小さく、出射される光に対する影響は少ない。
【００３０】
〔実施形態２〕
本発明の実施形態２を、図３〜７を参照し説明をする。図３は本発明の実施形態２の側面図と断面図である。同図（a）は、光源ＬＥＤ１をプリント配線板１２に半田付されたものと、本発明の集光プリズム１９と集光レンズ２０の関係を表している。
【００３１】
取り付けは、プリント配線板１２上に半田付けされた光源ＬＥＤ１の放射する光中心を基準として、本発明の集光プリズム１９の光学中心軸が合い、集光プリズム１９の取り付けフック１１がスムーズに入り、フック部で抜け防止ができる大きさの穴をプリント配線板１２に設ける。集光プリズム１９と光源ＬＥＤ１の間に０．５ミリ以内の空間を取る為の高さ規制ボス１０が、プリント配線板１２の平面部分にあたり、光源ＬＥＤ１の光中心と本発明の集光プリズム１９の光学中心軸と所定空間がずれることなく取り付けられる。
【００３２】
集光プリズム１９及び集光レンズ２０は、光透過性のよい合成樹脂、例えば、透明又はごく僅かに着色されたアクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、シリコン樹脂等で成形したもので、集光プリズム１９はプリント配線板１２に取り付ける取り付けフック１１と高さ規制ボス１０を一体成形したもので、中央部分に集光レンズ２０と嵌合する貫通の穴がある。集光レンズ２０は集光プリズム１９の中央貫通穴に嵌合する凸部を有し、先端部分に非球面レンズ２１が形成される。また、集光プリズム１９に対し適正な高さを保つ傘状の円形平板部分を有している。
【００３３】
図３においては、集光プリズム１９と集光レンズ２０は、光源ＬＥＤ１が放射した光の角度を持った光の一部を、集光プリズム１９中央の貫通穴壁面２２より取り込み、外側楕円円錐面１６で反射し出射面８に向ける。外側楕円円錐面１６の角度は、貫通穴壁面２２に光源ＬＥＤ１が放射した光が入射するときに、材質による屈折率により屈折した光の角度と、外側楕円円錐面１６で全反射された光の角度が、光源ＬＥＤ１の光中心の垂線に近平行になるように決める。光源ＬＥＤ１が放射した光は、非球面部の垂線に対し、材質の有する屈折率により屈折した角度の光になり、集光レンズ２０内に入る。この時の光の角度が、光源ＬＥＤの光中心の垂線に近平行になるように、非球面形状を設定する。集光プリズム１９と集光レンズ２０を嵌合した場合、集光プリズム１９の出射面８から出た光は、集光レンズ２０の傘状円形平面部裏面に入り、集光レンズ２０の凸形状の非球面レンズ２１から入った光と一緒になり、集光レンズ２０の集光レンズ出射面２３より出射される。
【００３４】
図４は、プリント配線板１２、光源ＬＥＤ１、集光プリズム１９及び集光レンズ２０の関係を斜視した図である。
【００３５】
集光プリズム１９と集光レンズ２０を分離し組み合わせることで、集光レンズ出射面２３に色々な形状の出射面を設定することができるようになる。その結果、出射される光のアレンジが可能になる。集光プリズム１９をベースにして、集光レンズ２０の形態違い品を組み合わせることで、広範囲な光の演出が可能になる。
【００３６】
図５は集光レンズ形態２の平面図と断面図で、集光レンズ２０の出射面２３に凹球面２４を設けてある。集光プリズム１９及び集光レンズ２０に入った光源ＬＥＤ１が放射した光は、集光プリズム１９内と集光レンズ２０内を進み、凹球面２４から出射される。集光プリズム１９と集光レンズ２０内を進む光源ＬＥＤの光中心の垂線に近平行な光は、屈折して凹球面２４の凹レンズ作用に従い、狭い範囲の放射状の光となる。図１１は集光レンズ２０の凹球面２４による光線を追跡した図である。
【００３７】
図６は、集光レンズ出射面２３の集光レンズ形態３を表した図である。集光レンズ出射面２３の中心から同心円状のＲ形状を持つ同心Ｒ面２５を図示している。同図(ｃ)は、同心Ｒ面２５の拡大図である。集光プリズム１９内と集光レンズ２０内に進む光源ＬＥＤ１が放射する光の中心垂線に近平行な光は、同心Ｒ面２５により屈折し、左右の光になる。図１２は、集光レンズ２３の集光レンズ出射面２５の光線を追跡した図であり、拡散された光となる。同図（b）は、同心Ｒ面２５の光線追跡詳細図である。
【００３８】
図７は、集光レンズ出射面２３の集光レンズ形態４を表している。図示するように、円形平板状部分に同一ピッチプリズム２６を施してある。同図(ｃ)は、集光レンズ出射面２３に施す同一ピッチプリズム２６の部分拡大図である。集光プリズム１９内と集光レンズ２０内を進む光源ＬＥＤ１が放射した光中心の垂線に近平行な光は、集光レンズ２０の同一ピッチプリズム２６のプリズムを形成している片方の斜面で反射し、対向する斜面より屈折して出射される。出射された光は、光源ＬＥＤ１の光中心の垂線に対し、所定角度を持つ光となる。図１３は、集光レンズ形態４の形状での光線追跡図である。同図は、出射された光が、光源ＬＥＤ１の放射する光中心の垂線に対し、所定角度を持っていることを示す。同図（b）は出射面の同一ピッチプリズム部分を拡大した光線追跡を示す。
【００３９】
上述のように、実施形態１では、集光プリズム９が有する光学作用の屈折、反射を用いて、光源ＬＥＤ１の放射した光を、光中心の垂線に近平行な光とすることで、正面光量を増やし照度アップを図る。実施形態２では、集光プリズム１９と集光レンズ２０に分割することで、光源ＬＥＤ１の放射する光を、光学作用により光源ＬＥＤ１の光中心の垂線に近平行な光にし、集光レンズ２０の出射面に設ける色々の形状で出射する光に変化を付けた演出ができる。
【００４０】
本発明の集光プリズムでは、光源ＬＥＤの放射する光を正確に集めるため、光源ＬＥＤの光中心と本発明の集光プリズムの光学中心軸を正確に合わせることが肝要である。本発明では、光源ＬＥＤとの位置、高さを合わせる目的のフック及びボス部分を、集光プリズムと一体化することで、取り付け位置ズレや高さズレ等の防止を可能にしている。なお、脱落防止のフック部分を無くし、高さ規制のボス部の貫通穴を使って、ネジ等で固定することもできる。
【符号の説明】
【００４１】
１ 光源ＬＥＤ
２ 間隔部材
３ 凸レンズ
４ プリズム
５ 内部垂直面
６ 逆凸球面
７ 反射球面
８ 出射面
９ 集光プリズム
１０ 高さ規制ボス
１１ 取り付けフック
１２ プリント配線板
１３ 位置決め穴
１４ 内側楕円円錐面
１５ 凹球面
１６ 外側楕円円錐面
１７ 凸球面
１８ ゲート
１９ 集光プリズム
２０ 集光レンズ
２１ 非球面レンズ
２２ 貫通穴壁面
２３ 集光レンズ出射面
２４ 凹球面
２５ 同心Ｒ面
２６ 同一ピッチプリズム
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プリント基板上に配置されたＬＥＤからの光を集光する光学素子及びそれを用いた装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＬＥＤから放射された光を集光する方法としては、「凸レンズ方式」が開示されている。（例えば、特許文献１参照。）これは、図１５に示すように、プリント配線板１２に半田付けされた光源ＬＥＤ１上に、最適な間隔を保つ為の間隔部材２を介して凸レンズ３を配置し、ＬＥＤ光を集光する方式である。また「集光プリズム方式」も開示されている。（例えば、特許文献２参照。）これは、図１６に示すように、光源ＬＥＤ１をプリズム４の内側凹部内に差し込む方式がとられている。
【０００３】
「凸レンズ方式」では、図１５の光線追跡図が示すように、光源ＬＥＤ１が放射する光を、前面に設けた凸レンズ３を介して凸レンズの光を絞り込む作用を使い、放射状の角度を狭くする事が可能になる。
【０００４】
また「集光プリズム方式」では、プリズム４のプリズム中央部分の凹部の内部垂直面５の内側に、光源ＬＥＤ１を差し込む構造になっている。図１６の光線追跡図が示すように、光源ＬＥＤ１が放射する外向きに出る光は、中央近傍の逆凸球面６に入る光と分割され、凹部の内部垂直面５より入射し、プリズム外形部に設けた反射球面７で反射し出射面８より出射する。結果として、このプリズムより出射された光は、ＬＥＤの光中芯の垂線を中心とする円柱状のまとまった光となる。この光の特長は、光源からの距離が離れても、「凸レンズ方式」のように放射状の角度を持った光ではないため、距離による照度の低下を改善することができる点にある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−２２１０４２号公報
【特許文献２】実用新案登録第３０９９０３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
「凸レンズ方式」の場合、凸レンズを経由した光源ＬＥＤが放射する光は、凸レンズ効果により絞り込まれ、狭められた角度をもった放射状の光になる。しかし、角度を持った放射状の光は、光源ＬＥＤからの距離が２倍になると明るさは１/４になる。これは、点光源から出た光の照度は、照度の逆二乗になる法則に従うためである。この法則により光源ＬＥＤの前面に凸レンズ配した場合、距離が離れると明るさが大きく低下するという問題がある。
【０００７】
一方、従来の「集光プリズム方式」では、光源ＬＥＤの中心近傍の光と反射球面を経由した光とは、距離に大きな隔たりが出る。その結果、出射した光は、中心近傍の円形の光とその外側のリング状の光に分割された光となるという問題がある。
【０００８】
光源ＬＥＤからの光は、ＬＥＤ素子の構造に起因して水平方向から出射する。この水平方向の光を、ＬＥＤ内部の反射板や蛍光体を介することで、ＬＥＤの正面方向の光に変換している。その結果、図１７に示すように、ＬＥＤの光中心の９０〜１２０°の広がりを持った広角に放射された光として出射する。この光をできるだけ集める目的で、上述したように、凸レンズを付けた集光形のＬＥＤとし提案されているが、凸レンズの光を絞り込む機能により、出射角度を絞り込むことはできるが、角度を持つ光として放射されることを免れない。角度を持った光は距離が離れるに従い、同じ面積あたりの光量は低下することになり、照明装置や表示装置としては光量不足になり暗くなるという問題がある。この対応としては、ＬＥＤ自体に流す電流を増やして発光量を増加した高輝度ＬＥＤが使われたり、ＬＥＤの数を増やして光量を増したりする方法がある。しかし、高輝度ＬＥＤを使ったり、ＬＥＤの数を増やしたりすることは、ＬＥＤに流す電流が増加して消費電力の増加につながる。ＬＥＤに流す電流の一部は発光に寄与せず、ＬＥＤ素子の発熱等を起こして熱に変換される。特に、高輝度化された光源ＬＥＤでは、発熱により光源ＬＥＤの構造体が熱劣化をおこし、ＬＥＤの寿命が短くなることがある。この対応としてＬＥＤ取り付けのプリント配線板を放熱構造の基板とする、又は、特別な放熱器等が必要になり、製作コストや消費電力の増加を招くことになる。本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、ＬＥＤ光の距離による照度低下の少ない新たな構造の集光光学素子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】
【０００９】
上記目的を達成するために、第１の手段は、ＬＥＤの光を集光する一体成形された光透過性合成樹脂からなる集光光学素子であって、ＬＥＤの光中心軸から約１５度以下の角度の光を取り込む凹球面１５と、前記凹球面から取り込まれた光を前記光中心軸に略平行に屈折し出射させる凸球面１７と、前記光中心軸から約１５度〜約６０度の角度の範囲の光を取り込む、ＬＥＤの光放射面の前方にあって前記光中心軸上の点を頂点とする略楕円円錐状の内側楕円円錐面１４と、前記内側楕円円錐面から取り込まれた光を前記光中心軸に略平行に全反射するための、前記光放射面の後方にあって前記光中心軸上の点を頂点とする略楕円円錐状の外側楕円円錐面１６と、前記外側楕円円錐面で反射した光を出射させる出射面８と、を備えることを特徴とする。
【００１０】
第２の手段は、第１の手段に記載の集光光学素子であって、プリント配線板への取り付けフック１１と、内側楕円円錐面の底部を光放射面との間隔を０．５ミリ以内に接することなく配置するための高さ規制ボス１０と、凸球面の頂上部に射出成形のゲート１８と、を備えることを特徴とする。
【００１１】
第３の手段は、ＬＥＤの光を集光する光透過性合成樹脂からなる集光光学素子であって、ＬＥＤの光中心軸と平行で中心軸を同じくする貫通穴を有する集光プリズム１９と、前記貫通穴と嵌合する凸部を有する集光レンズ２０とから構成され、前記集光プリズムが、プリント配線板への取り付けフック１１と、前記貫通穴壁面２２の底部をＬＥＤの光放射面との間隔を０．５ミリ以内に接することなく配置するための高さ規制ボス１０と、前記貫通穴壁面から取り込まれた光を前記光中心軸に略平行に全反射するための、前記光放射面の後方にあって前記中心軸上の点を頂点とする略楕円円錐状の外側楕円円錐面１６と、を備え、前記集光レンズが、前記凸部の先端部分に備わり、取り込まれた光を前記光中心軸に略平行に屈折させる凸形状の非球面レンズ２１と、前記非球面レンズから入った光及び前記外側楕円円錐面で反射した光の出射面２３と、を備えることを特徴とする。
【００１２】
第４の手段は、第３の手段に記載の集光光学素子であって、出射面が凹球面であることを特徴とする。
【００１３】
第５の手段は、第３の手段に記載の集光光学素子であって、出射面に、同一断面Ｒ形状の凹面を有する環状溝が、光中心軸を中心とする同心円状に連続的に複数形成されていることを特徴とする。
【００１４】
第６の手段は、第３の手段に記載の集光光学素子であって、出射面が、平行に複数連続して形成された同一断面形状の三角プリズムを有する面であることを特徴とする。
【００１５】
第７の手段は、照明装置であって、プリント配線板上に搭載されたＬＥＤの光放射面上に、第１〜６のいずれかの手段に記載の集光光学素子を有することを特徴とする。
【００１６】
第８の手段は、表示装置であって、プリント配線板上に搭載されたＬＥＤの光放射面上に、第１〜６のいずれかの手段に記載の集光光学素子を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の集光光学素子を光源ＬＥＤ１の前面に配置することで、ＬＥＤの広角に放射された光を正面に向けることができ、高輝度ＬＥＤを使用したり、ＬＥＤの数を増やしたりすることなく、小電力で必要部分に対して十分な光を届けることができ、明るい照明ができることになり、ＬＥＤに対し最適電流を流し点灯することにより、ＬＥＤの発熱も少なく、特別な放熱の必要がない低コストで省エネな照明器具、表示パネル等を作ることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】実施形態１における集光光学素子の（a）斜視図、（ｂ）上面図、（ｃ）Ａ−Ａ断面図、（ｄ）Ｂ−Ｂ断面図である。
【図２】実施形態１におけるプリント基板への集光光学素子の取り付け前の図である。
【図３】実施形態２における集光プリズムと中心レンズの(a)取り付け前、(b)取り付け後の側面断面図である。
【図４】実施形態２におけるプリント配線板へ取り付け前の斜視図である。
【図５】実施形態２における集光レンズ形態２の（a）上面図、（ｂ）Ａ−Ａ断面図である。
【図６】実施形態２における集光レンズ形態３の（a）上面図、（ｂ）Ａ−Ａ断面図、（ｃ）出射面拡大図である。
【図７】実施形態２における集光レンズ形態４の（a）上面図、（ｂ）Ａ−Ａ断面図、（ｃ）出射面拡大図である。
【図８】実施形態１の光線追跡図である。
【図９】実施形態１の光線追跡詳細図である。
【図１０】実施形態１における中心近傍光と外向きの光の光線追跡解析図である。
【図１１】実施形態２における集光レンズ形態２の光線追跡図である。
【図１２】実施形態２における集光レンズ形態３の光線追跡図である。
【図１３】実施形態２における集光レンズ形態４の光線追跡図である。
【図１４】ＬＥＤの指向特性と本発明の指向特性の説明図である。
【図１５】「凸レンズ方式」における光線追跡図ある。
【図１６】「集光プリズム方式」における光線追跡図である。
【図１７】光源ＬＥＤの出射された光の広がりを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下に本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２０】
〔実施形態１〕
本発明の実施形態１を、図１、図２及び図８〜１０を参照して説明する。図１は、本発明の集光プリズム９の構造を示している。
【００２１】
集光プリズム９は光透過性のよい合成樹脂、例えば、透明又はごく僅かに着色されたアクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、シリコン樹脂等を成形したもので、プリント配線板１２に位置決め及び固定する取り付けフック１１と、高さ規制ボス１０を、一体形成したものである。
【００２２】
取り付けの最初の段階では、プリント配線板１２の上に半田付けされた光源ＬＥＤ１の放射する光中心を基準として、本発明の集光プリズム９の光学中心軸が合い、取り付けフック１１がスムーズに入り、フック部で抜け防止ができる大きさの穴を、プリント配線板１２に設ける。また、高さ規制ボス１０を設け、これがプリント配線板１２の平面部にあたることにより、光源ＬＥＤ１の放射面との間に、０．５ミリ以内の空間が取れ、尚且つ内側楕円円錐面１４の底部が光源ＬＥＤ１の放射面より下にならない最適な空間距離を守ることができる。
【００２３】
プリズム部分は、光源ＬＥＤ１の出射面より放射された９０〜１２０°の角度の光を距離０．５ミリ以内の位置で取り込ことが可能な内側楕円円錐面１４と、当該内側楕円円錐面の頂点近傍と、光源ＬＥＤ１の放射した光の中心軸より１５°以内の光との交点を底辺とする凹球面１５を設ける。また、内側楕円円錐面１４より集光プリズム内に取り込まれた光を、光源ＬＥＤの光中心の垂線に近平行に全反射するための外側楕円円錐面１６を設ける。さらに、内側楕円円錐面の頂点近傍に設けた凹球面１５から集光プリズム内に取り込まれた光を、光源ＬＥＤ１の光中心の垂線に近平行になるように屈折させる為の凸球面１７を設ける。また、外側楕円円錐面１６で反射された光を出射する為の出射面８を設ける。なお、凸球面１７の頂点部には本集光プリズムを成形するときに合成樹脂を流し込むためのゲート１８を設ける。
【００２４】
図２は、上記のプリント配線板１２、光源ＬＥＤ１及び集光プリズム９の関係を斜視した図である。
【００２５】
図８〜１０は、集光プリズムによって光源ＬＥＤ１から放射された光の光線追跡を示す。図１０を用いて、本発明の特徴的な光線の追跡を説明する。光源ＬＥＤ１より放射される光の中心近傍の光（a）は、ＬＥＤの光中心軸に対し１５°以内の光である。また、外向きの光（ｂ）は、ＬＥＤの光中心軸に対し１５°以上で凹球面１５より入射する光以外の外向きの光である。外向きの光（ｂ）は、内側楕円円錐面１４よりプリズム内に入る。この時の光の角度は楕円円錐の垂線に対して角度θであり、プリズムに入るときの角度は材質が有する屈折率分だけ屈折し、小さな角度θ’となる。プリズム内に入った光は外側楕円円錐面１６に当たる。この時の角度を楕円円錐面の垂線対する角度θを全反射角度以上の角度とし、外側楕円円錐面で反射された光の角度はθ＝θ’となる。外側楕円円錐面１６で反射された光θ’が光源ＬＥＤの光中心の垂線と近平行になるように、内側楕円円錐面１４の円錐角度と外側楕円円錐面１６の円錐角度を設定する。
【００２６】
同様に、光源ＬＥＤ１の放射した光の中央部近傍の光（a）は、内側楕円円錐面１４に入った後の角度が狭くなり、外側楕円円錐面１６に到達しなくなる。そこで、光源ＬＥＤ１の放射光の中央近傍の光（a）を、内側楕円円錐頂点近傍に凹球面１５を設けてプリズム内に導く。この時の光源ＬＥＤ１から放射された光は、凹球面の垂線に対し角度θでプリズム内に入る。プリズムに入った光の角度は、プリズムの有する屈折率により、もとの角度より小さい角度θ’となる。この光は直進し、凸球面１７に達する。凸球面１７部分より光が出るときは、前記屈折率の関係で角度θは大きくなり、θ’として出射される。この出射光の角度θ’を、光源ＬＥＤの光中心の垂線に近平行になるように、凹球面１５の球面形状と凸球面１７の球面形状を設定する。
【００２７】
凸球面１７の頂点部に、集光プリズム９を成形するための合成樹脂注入時のゲート１８を設ける。本発明のプリズムでは、内側楕円円錐面１４の円錐角度及び外側楕円円錐面１６の円錐角度、並びに、凹球面１５の球面形状及び凸球面１７の球面形状が重要である。本プリズムに使用する合成樹脂は、加熱溶解時と冷却固化したときの体積に変化があり、体積収縮が起きる。体積収縮の影響を最小にするには、合成樹脂注入口からプリズムの形状が同心円状にあり、各部分の形状が左右対称になることが望ましい。本発明のプリズムでは、前記条件満たす目的で、凸球面１７頂点部分に合成樹脂注入口ゲート１８を設けることで、成形時に起きる寸法変化、歪等を最小限にとどめることができる。なお、集光プリズムを形成するに際しては、合成樹脂の注入口は、前記凸レンズ中央部以外に設けることも妨げない。
【００２８】
図８と図９は、本発明のプリズムが光源ＬＥＤ１が放射する光を受けた場合の光線追跡図である。図８（a）は、プリズム形状における大まかな光源ＬＥＤ1からの光を追跡した図である。光源ＬＥＤ１の放射面と集光プリズム９の間に、０．５ミリ以内の隙間を設けることで、光源ＬＥＤ1から出た全ての光を集光プリズム９の中に取り込む。光源ＬＥＤ1の放射した光中心の垂線に対し角度を持つ光は、内側楕円円錐面１４より入り屈折し外側楕円円錐面１６で全反射し、出射面８で屈折して出射される。光源ＬＥＤ1から放射した光中心近傍の光は、凹球面１５より入り屈折し凸球面１７より屈折して出射される。図８（b）は、出射された光の分布を示す。光源ＬＥＤ１から放射した光において、角度を持った光と中央近傍の光では距離に大きな違いがなく、出射された光の濃淡の少ない光となる。図９は図８の光線追跡本数を増やしたものである。
【００２９】
集光プリズム成形時の合成樹脂注入口を凸球面１７頂点部分に設けるが、ゲート１８による出射光への影響は、図８及び図９に示すように、出射面全体面積に比較し小さく、出射される光に対する影響は少ない。
【００３０】
〔実施形態２〕
本発明の実施形態２を、図３〜７を参照し説明をする。図３は本発明の実施形態２の側面図と断面図である。同図（a）は、光源ＬＥＤ１をプリント配線板１２に半田付されたものと、本発明の集光プリズム１９と集光レンズ２０の関係を表している。
【００３１】
取り付けは、プリント配線板１２上に半田付けされた光源ＬＥＤ１の放射する光中心を基準として、本発明の集光プリズム１９の光学中心軸が合い、集光プリズム１９の取り付けフック１１がスムーズに入り、フック部で抜け防止ができる大きさの穴をプリント配線板１２に設ける。集光プリズム１９と光源ＬＥＤ１の間に０．５ミリ以内の空間を取る為の高さ規制ボス１０が、プリント配線板１２の平面部分にあたり、光源ＬＥＤ１の光中心と本発明の集光プリズム１９の光学中心軸と所定空間がずれることなく取り付けられる。
【００３２】
集光プリズム１９及び集光レンズ２０は、光透過性のよい合成樹脂、例えば、透明又はごく僅かに着色されたアクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、シリコン樹脂等で成形したもので、集光プリズム１９はプリント配線板１２に取り付ける取り付けフック１１と高さ規制ボス１０を一体成形したもので、中央部分に集光レンズ２０と嵌合する貫通の穴がある。集光レンズ２０は集光プリズム１９の中央貫通穴に嵌合する凸部を有し、先端部分に非球面レンズ２１が形成される。また、集光プリズム１９に対し適正な高さを保つ傘状の円形平板部分を有している。
【００３３】
図３においては、集光プリズム１９と集光レンズ２０は、光源ＬＥＤ１が放射した光の角度を持った光の一部を、集光プリズム１９中央の貫通穴壁面２２より取り込み、外側楕円円錐面１６で反射し出射面８に向ける。外側楕円円錐面１６の角度は、貫通穴壁面２２に光源ＬＥＤ１が放射した光が入射するときに、材質による屈折率により屈折した光の角度と、外側楕円円錐面１６で全反射された光の角度が、光源ＬＥＤ１の光中心の垂線に近平行になるように決める。光源ＬＥＤ１が放射した光は、非球面部の垂線に対し、材質の有する屈折率により屈折した角度の光になり、集光レンズ２０内に入る。この時の光の角度が、光源ＬＥＤの光中心の垂線に近平行になるように、非球面形状を設定する。集光プリズム１９と集光レンズ２０を嵌合した場合、集光プリズム１９の出射面８から出た光は、集光レンズ２０の傘状円形平面部裏面に入り、集光レンズ２０の凸形状の非球面レンズ２１から入った光と一緒になり、集光レンズ２０の集光レンズ出射面２３より出射される。
【００３４】
図４は、プリント配線板１２、光源ＬＥＤ１、集光プリズム１９及び集光レンズ２０の関係を斜視した図である。
【００３５】
集光プリズム１９と集光レンズ２０を分離し組み合わせることで、集光レンズ出射面２３に色々な形状の出射面を設定することができるようになる。その結果、出射される光のアレンジが可能になる。集光プリズム１９をベースにして、集光レンズ２０の形態違い品を組み合わせることで、広範囲な光の演出が可能になる。
【００３６】
図５は集光レンズ形態２の平面図と断面図で、集光レンズ２０の出射面２３に凹球面２４を設けてある。集光プリズム１９及び集光レンズ２０に入った光源ＬＥＤ１が放射した光は、集光プリズム１９内と集光レンズ２０内を進み、凹球面２４から出射される。集光プリズム１９と集光レンズ２０内を進む光源ＬＥＤの光中心の垂線に近平行な光は、屈折して凹球面２４の凹レンズ作用に従い、狭い範囲の放射状の光となる。図１１は集光レンズ２０の凹球面２４による光線を追跡した図である。
【００３７】
図６は、集光レンズ出射面２３の集光レンズ形態３を表した図である。集光レンズ出射面２３の中心から同心円状のＲ形状を持つ同心Ｒ面２５を図示している。同図(ｃ)は、同心Ｒ面２５の拡大図である。集光プリズム１９内と集光レンズ２０内に進む光源ＬＥＤ１が放射する光の中心垂線に近平行な光は、同心Ｒ面２５により屈折し、左右の光になる。図１２は、集光レンズ２３の集光レンズ出射面２５の光線を追跡した図であり、拡散された光となる。同図（b）は、同心Ｒ面２５の光線追跡詳細図である。
【００３８】
図７は、集光レンズ出射面２３の集光レンズ形態４を表している。図示するように、円形平板状部分に同一ピッチプリズム２６を施してある。同図(ｃ)は、集光レンズ出射面２３に施す同一ピッチプリズム２６の部分拡大図である。集光プリズム１９内と集光レンズ２０内を進む光源ＬＥＤ１が放射した光中心の垂線に近平行な光は、集光レンズ２０の同一ピッチプリズム２６のプリズムを形成している片方の斜面で反射し、対向する斜面より屈折して出射される。出射された光は、光源ＬＥＤ１の光中心の垂線に対し、所定角度を持つ光となる。図１３は、集光レンズ形態４の形状での光線追跡図である。同図は、出射された光が、光源ＬＥＤ１の放射する光中心の垂線に対し、所定角度を持っていることを示す。同図（b）は出射面の同一ピッチプリズム部分を拡大した光線追跡を示す。
【００３９】
上述のように、実施形態１では、集光プリズム９が有する光学作用の屈折、反射を用いて、光源ＬＥＤ１の放射した光を、光中心の垂線に近平行な光とすることで、正面光量を増やし照度アップを図る。実施形態２では、集光プリズム１９と集光レンズ２０に分割することで、光源ＬＥＤ１の放射する光を、光学作用により光源ＬＥＤ１の光中心の垂線に近平行な光にし、集光レンズ２０の出射面に設ける色々の形状で出射する光に変化を付けた演出ができる。
【００４０】
本発明の集光プリズムでは、光源ＬＥＤの放射する光を正確に集めるため、光源ＬＥＤの光中心と本発明の集光プリズムの光学中心軸を正確に合わせることが肝要である。本発明では、光源ＬＥＤとの位置、高さを合わせる目的のフック及びボス部分を、集光プリズムと一体化することで、取り付け位置ズレや高さズレ等の防止を可能にしている。なお、脱落防止のフック部分を無くし、高さ規制のボス部の貫通穴を使って、ネジ等で固定することもできる。
【符号の説明】
【００４１】
１ 光源ＬＥＤ
２ 間隔部材
３ 凸レンズ
４ プリズム
５ 内部垂直面
６ 逆凸球面
７ 反射球面
８ 出射面
９ 集光プリズム
１０ 高さ規制ボス
１１ 取り付けフック
１２ プリント配線板
１３ 位置決め穴
１４ 内側楕円円錐面
１５ 凹球面
１６ 外側楕円円錐面
１７ 凸球面
１８ ゲート
１９ 集光プリズム
２０ 集光レンズ
２１ 非球面レンズ
２２ 貫通穴壁面
２３ 集光レンズ出射面
２４ 凹球面
２５ 同心Ｒ面
２６ 同一ピッチプリズム
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＬＥＤの光を集光する一体成形された光透過性合成樹脂からなる集光光学素子であって、ＬＥＤの光中心軸から約１５度以下の角度の光を取り込む凹球面（１５）と、前記凹球面から取り込まれた光を前記光中心軸に略平行に屈折し出射させる凸球面（１７）と、前記光中心軸から約１５度〜約６０度の角度の範囲の光を取り込む、ＬＥＤの光放射面の前方にあって前記光中心軸上の点を頂点とする略楕円円錐状の内側楕円円錐面（１４）と、前記内側楕円円錐面から取り込まれた光を前記光中心軸に略平行に全反射するための、前記光放射面の後方にあって前記光中心軸上の点を頂点とする略楕円円錐状の外側楕円円錐面（１６）と、前記外側楕円円錐面で反射した光を出射させる出射面（８）と、を備えることを特徴とする集光光学素子。
【請求項２】
プリント配線板への取り付けフック（１１）と、内側楕円円錐面の底部を光放射面との間隔を０．５ミリ以内に接することなく配置するための高さ規制ボス（１０）と、凸球面の頂上部に射出成形のゲート（１８）と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の集光光学素子。
【請求項３】
ＬＥＤの光を集光する光透過性合成樹脂からなる集光光学素子であって、ＬＥＤの光中心軸と平行で中心軸を同じくする貫通穴を有する集光プリズム（１９）と、前記貫通穴と嵌合する凸部を有する集光レンズ（２０）とから構成され、
前記集光プリズムが、プリント配線板への取り付けフック（１１）と、前記貫通穴壁面（２２）の底部をＬＥＤの光放射面との間隔を０．５ミリ以内に接することなく配置するための高さ規制ボス（１０）と、前記貫通穴壁面から取り込まれた光を前記光中心軸に略平行に全反射するための、前記光放射面の後方にあって前記中心軸上の点を頂点とする略楕円円錐状の外側楕円円錐面（１６）と、を備え、
前記集光レンズが、前記凸部の先端部分に備わり、取り込まれた光を前記光中心軸に略平行に屈折させる凸形状の非球面レンズ（２１）と、前記非球面レンズから入った光及び前記外側楕円円錐面で反射した光の出射面（２３）と、
を備えることを特徴とする集光光学素子。
【請求項４】
出射面が凹球面であることを特徴とする請求項３に記載の集光光学素子。
【請求項５】
出射面に、同一断面Ｒ形状の凹面を有する環状溝が、光中心軸を中心とする同心円状に連続的に複数形成されていることを特徴とする請求項３に記載の集光光学素子。
【請求項６】
出射面が、平行に複数連続して形成された同一断面形状の三角プリズムを有する面であることを特徴とする請求項３に記載の集光光学素子。
【請求項７】
プリント配線板上に搭載されたＬＥＤの光放射面上に、請求項１〜６のいずれかの項に記載の集光光学素子を有することを特徴とする照明装置。
【請求項８】
プリント配線板上に搭載されたＬＥＤの光放射面上に、請求項１〜６のいずれかの項に記載の集光光学素子を有することを特徴とする表示装置。
【請求項１】
ＬＥＤの光を集光する一体成形された光透過性合成樹脂からなる集光光学素子であって、ＬＥＤの光中心軸から約１５度以下の角度の光を取り込む凹球面（１５）と、前記凹球面から取り込まれた光を前記光中心軸に略平行に屈折し出射させる凸球面（１７）と、前記光中心軸から約１５度〜約６０度の角度の範囲の光を取り込む、ＬＥＤの光放射面の前方にあって前記光中心軸上の点を頂点とする略楕円円錐状の内側楕円円錐面（１４）と、前記内側楕円円錐面から取り込まれた光を前記光中心軸に略平行に全反射するための、前記光放射面の後方にあって前記光中心軸上の点を頂点とする略楕円円錐状の外側楕円円錐面（１６）と、前記外側楕円円錐面で反射した光を出射させる出射面（８）と、を備えることを特徴とする集光光学素子。
【請求項２】
プリント配線板への取り付けフック（１１）と、内側楕円円錐面の底部を光放射面との間隔を０．５ミリ以内に接することなく配置するための高さ規制ボス（１０）と、凸球面の頂上部に射出成形のゲート（１８）と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の集光光学素子。
【請求項３】
ＬＥＤの光を集光する光透過性合成樹脂からなる集光光学素子であって、ＬＥＤの光中心軸と平行で中心軸を同じくする貫通穴を有する集光プリズム（１９）と、前記貫通穴と嵌合する凸部を有する集光レンズ（２０）とから構成され、
前記集光プリズムが、プリント配線板への取り付けフック（１１）と、前記貫通穴壁面（２２）の底部をＬＥＤの光放射面との間隔を０．５ミリ以内に接することなく配置するための高さ規制ボス（１０）と、前記貫通穴壁面から取り込まれた光を前記光中心軸に略平行に全反射するための、前記光放射面の後方にあって前記中心軸上の点を頂点とする略楕円円錐状の外側楕円円錐面（１６）と、を備え、
前記集光レンズが、前記凸部の先端部分に備わり、取り込まれた光を前記光中心軸に略平行に屈折させる凸形状の非球面レンズ（２１）と、前記非球面レンズから入った光及び前記外側楕円円錐面で反射した光の出射面（２３）と、
を備えることを特徴とする集光光学素子。
【請求項４】
出射面が凹球面であることを特徴とする請求項３に記載の集光光学素子。
【請求項５】
出射面に、同一断面Ｒ形状の凹面を有する環状溝が、光中心軸を中心とする同心円状に連続的に複数形成されていることを特徴とする請求項３に記載の集光光学素子。
【請求項６】
出射面が、平行に複数連続して形成された同一断面形状の三角プリズムを有する面であることを特徴とする請求項３に記載の集光光学素子。
【請求項７】
プリント配線板上に搭載されたＬＥＤの光放射面上に、請求項１〜６のいずれかの項に記載の集光光学素子を有することを特徴とする照明装置。
【請求項８】
プリント配線板上に搭載されたＬＥＤの光放射面上に、請求項１〜６のいずれかの項に記載の集光光学素子を有することを特徴とする表示装置。
【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】
【公開番号】特開２０１１−１９８４７３（Ｐ２０１１−１９８４７３Ａ）
【公開日】平成２３年１０月６日（２０１１．１０．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−６０４７６（Ｐ２０１０−６０４７６）
【出願日】平成２２年３月１７日（２０１０．３．１７）
【出願人】（３０９０４３８８３）いがり産業株式会社 (1)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１０月６日（２０１１．１０．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月１７日（２０１０．３．１７）
【出願人】（３０９０４３８８３）いがり産業株式会社 (1)
【Ｆターム（参考）】
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