JP2021007077A - 光学レンズ - Google Patents

Abstract

【課題】効率の良い配光制御を簡易な構成により容易に行うことが可能な光学レンズを提供する。
【解決手段】ＬＥＤ２２の各列ごとに対応して両側方向に連なり、各列単位でＬＥＤ２２からの光の光路を定める複数の配光制御部１１を備え、一の配光制御部１１は、これに対応した列のＬＥＤ２２から入射した光を光軸と交差する両側方向のうち一方向に出射し、他の配光制御部１１は、これに対応した列のＬＥＤ２２から入射した光を光軸と交差する両側方向のうち他方向に出射する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光源の前方に配置され、光源からの光を配光制御する光学レンズに関する。

従来より、鉄道車両の外側壁のドア上付近には、停車時にドアの開閉を点灯して知らせる車側灯が設けられている（例えば特許文献１）。一般に車側灯は、灯自体の両側、つまり車両の前後方向より、ホームの駅員や乗車中の車掌が点灯状況を確認するものである。よって、車側灯は基本的には、灯自体の両側（車両の前方および後方）の２方向に光を照射し、また灯自体の前方（車両の側方）にも配光するように構成されていた。

車側灯の光源は、以前は電球が用いられていたが、最近はＬＥＤ（発光ダイオード）が用いられている（例えば特許文献１）。ＬＥＤを用いる場合、車両の外側壁に元々あった電球用の取付部を流用し、ＬＥＤ用の基板だけ交換することが考えられる。ここで特許文献１に記載のように、単に一枚の基板上に配置したＬＥＤを用いるだけでは、その照射方向がＬＥＤの狭い指向特性により、前方だけに集中して肝心の両側には必要な光度を得られないという問題があった。

そこで、例えば２枚のＬＥＤの基板を用意して、それぞれの基板を両側の２方向に傾けて配置することが実施されていた。しかしながら、基板が２枚必要であり、各基板を支持するための板金も別途必要となり、方向の違う各基板への配線も煩雑となり、組み立てが面倒でコストが嵩むという問題があった。さらに、車側灯の配光を両側だけでなく前方にも確保するには、一部のＬＥＤを基板から直角に曲げて前方に向ける等の特別な作業も必要となり、なおさら面倒であった。

このような問題を解決するために、車側灯にＬＥＤを用いた場合の特別な配光制御を簡易に行うための手段として、レンズを用いた配光制御が考えられる。例えば車側灯に関するものではないが、基板上のＬＥＤからの直進方向の光を横方向に拡散させることができるレンズも知られている（例えば特許文献２）。このレンズは、１つのＬＥＤから入射した光を、その光軸と直交する両側のみならず、略水平な全周方向へ向けるように横方向へ拡散させるものである。

特開２００６−２３２０３７号公報 特開２０１３−６１３９９号公報

しかながら、前述した特許文献２に記載のレンズを、車側灯の配光制御に利用する場合には、車側灯としては不要な方向への配光制御も多く含むものとなり、照射効率が良くないという問題があった。特に、光源に対する両側を主とする配光制御は、実際には実現が困難であった。

本発明は、以上のような従来の技術の有する問題点に着目してなされたものであり、必要な方向に絞った効率の良い配光制御を簡易な構成により容易に行うことが可能な光学レンズを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の一態様は、
光源の前方に配置され、光源からの光を配光制御する光学レンズにおいて、
前記光源は、基板上で両側方向に少なくとも複数列に並び、互いに光軸が平行となる同方向に配置された複数の発光素子を備え、
前記発光素子の各列ごとに対応して両側方向に連なり、前記各列単位で発光素子からの光の光路を定める複数の配光制御部を備え、
前記各配光制御部のうち少なくとも、
一の配光制御部は、該配光制御部に対応した列の発光素子から入射した光を、該発光素子の光軸と交差する両側方向のうち一方向に出射し、
他の配光制御部は、該配光制御部に対応した列の発光素子から入射した光を、該発光素子の光軸と交差する両側方向のうち前記一方向と逆向きの他方向に出射する。

本発明に係る光学レンズによれば、必要な方向に絞った効率の良い配光制御を簡易な構成により容易に行うことが可能となる。

本発明の第１の実施の形態に係る光学レンズの配光制御を示す説明図である。 本発明の第１の実施の形態に係る光学レンズを示す斜視図である。 本発明の第１の実施の形態に係る光学レンズを示す底面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る光学レンズを示す側面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る光学レンズを示す正面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る光学レンズを示す背面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る光学レンズを備えた車側灯の一部を示す斜視図である。 本発明の第１の実施の形態に係る光学レンズを備えた車側灯の一部を示す正視図である。 図８のIX−IX線断面図である。 図８のＸ−Ｘ線断面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る光学レンズを備えた車側灯の配光制御を示す説明図である。 本発明の第１の実施の形態に係る光学レンズを備えた車側灯の配光制御を示す説明図である。 本発明の第１の実施の形態に係る光学レンズを備えた車側灯を示す正面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る光学レンズを備えた車側灯の配光制御を示す説明図である。 本発明の第２の実施の形態に係る光学レンズを示す斜視図である。 本発明の第２の実施の形態に係る光学レンズを示す正面図である。 図１６のXVII−XVII線断面図である。 図１６のXVIII−XVIII線断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る光学レンズの配光制御を示す説明図である。 本発明の第３の実施の形態に係る光学レンズを示す斜視図である。 本発明の第３の実施の形態に係る光学レンズを示す底面図である。 本発明の第３の実施の形態に係る光学レンズを示す側面図である。 本発明の第３の実施の形態に係る光学レンズを示す正面図である。 本発明の第３の実施の形態に係る光学レンズを示す背面図である。 図２３のXXV−XXV線断面図である。 図２３のXXVI−XXVI線断面図である。 本発明の第３の実施の形態に係る光学レンズを備えた車側灯の配光制御を示す説明図である。 本発明の第３の実施の形態に係る光学レンズを備えた車側灯の配光制御を示す説明図である。

以下、図面に基づき本発明を代表する各実施の形態を説明する。
各実施の形態に係る光学レンズ１０は、光源の前方に配置され、光源からの光を配光制御するものである。以下、光学レンズ１０を、例えば鉄道車両の外側壁に設ける車側灯１に適用した例について説明する。なお、本発明は、以下に説明する実施の形態に限定されるものではない。また、既に周知な事項の詳細な説明や、実質的に同一の構成に対する重複説明等は、適宜省略する場合がある。

［第１の実施の形態］
＜光源の構成＞
先ず、光学レンズ１０と組み合わされて配光が制御される光源２０について説明する。
本実施の形態に係る光源２０は、１つの基板２１上に実装された複数の発光素子を備えている。ここで発光素子は、例えばＬＥＤ２２が適している。ＬＥＤ２２（図９参照）は、具体的には例えば表面実装型のＬＥＤチップであり、その構成は一般的であるので詳細な説明は省略する。

ＬＥＤ２２は、表面実装型のＬＥＤチップに限らず、チップを砲弾型のモールドに埋め込んだＬＥＤランプでも良い。何れにせよＬＥＤ２２からの光は、基板２１の基準面と略直交する光軸を中心に所定角度に広がる照射範囲で出射される。なお、ＬＥＤ２２の発光色は任意に選択される。

図７〜図１０に示すように、基板２１は、例えば円形に形成され、その表面上に配線回路が設けられ、配線回路上に複数のＬＥＤ２２が実装されている。ここで各ＬＥＤ２２の配置は、基板２１上で両側方向に少なくとも複数列に並び、互いに光軸が平行となる同方向、すなわち前方に向けて配置されている。

本実施の形態における各ＬＥＤ２２は、基板２１の表面上の中央寄りの部位で、図９に示すように両側方向に４列に並ぶと共に、図１０に示すように各列ごとに６個ずつ等間隔に配置され、合計２４個のＬＥＤ２２がマトリクス状に並ぶように実装されている。このように配置されたＬＥＤ２２の前方に重なるように、光学レンズ１０は配置されている。なお、基板２１の形状は円形に限られるものではなく、適宜定め得る設計事項である。

＜光学レンズの構成＞
（概要）
図１〜図６に示すように、光学レンズ１０は、前記基板２１上の各ＬＥＤ２２の光軸が向かう前方を覆う状態に組み合わされて（図７参照）、各ＬＥＤ２２からの光をＬＥＤ２２の列単位で配光制御するものである。本実施の形態に係る光学レンズ１０は、後述する車側灯１を構成する光学部品として利用される。

図１〜図６において、最初に直交座標系における３軸の方向を定義する。Ｘ軸は、ＬＥＤ２２の列が並ぶ方向と一致し、かつＬＥＤ２２の光軸と直交する方向と一致する光学レンズ１０（および基板２１）の両側方向を示す。Ｙ軸は、Ｘ軸に直交する方向であり、ＬＥＤ２２の光軸と平行な方向と一致する光学レンズ１０（および基板２１）の前後方向を示す。Ｚ軸は、Ｘ軸およびＹ軸に直交する方向であり、ＬＥＤ２２が各列ごとに６個ずつ並ぶ方向（行方向）と一致する光学レンズ１０（および基板２１）の上下方向を示す。

図１に示すように、光学レンズ１０は、全体的には平面視で上下方向に長い縦長矩形であり、その上下方向の全長に亘って同一の横断面形状（図８参照）に形成されている。なお、光学レンズ１０は、例えばアクリルやポリカーボネート等の透明材質から成形型で一体成形したり、あるいは透明材質の塊から切削して形成しても良い。

（配光制御部）
光学レンズ１０は、基板２１上の各ＬＥＤ２２からの光をＬＥＤ２２の列単位で配光制御する。すなわち、光学レンズ１０は、ＬＥＤ２２の各列（４列）ごとに対応して両側方向に連なり、各列単位で複数（６個）並ぶＬＥＤ２２からの光の進路を定める複数（４つ）の配光制御部１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄを備えている。なお、配光制御部１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄを総称するときは、単に配光制御部１１と表記する。

各配光制御部１１は、光学レンズ１０の両側方向の中心線Ｌ（図１参照）を間にして左右対称に同数ずつ設けられている。本実施の形態では、光学レンズ１０の中心線Ｌを間にして、左右両側に２つずつ合計４つの配光制御部１１が互いに隣接し合う状態で一体に連なっている。各配光制御部１１は、前記基板２１上で両側方向に４列に並ぶＬＥＤ２２の各列に対応するものである。なお、各配光制御部１１は、それぞれ光学レンズ１０の一部の領域として横並びに一体成形されているが、別体として設けたものを一体に組み合わせて良い。

（両側の配光制御）
各配光制御部１１のうち左側に並ぶ２つの配光制御部１１Ａ，１１Ｂは、それぞれの配光制御部１１に対応した列のＬＥＤ２２から入射した光を、各列単位でＬＥＤ２２の光軸と交差する両側方向のうち一方向（図１中で紙面左方向）に出射するように形成されている。ここで「光軸と交差する両側方向のうち一方向」とは、光軸と直交する方向に限られることはなく、光軸と交差する角度が直角に近い範囲で光軸の両側に延びる方向のうちの一方向であれば足りる。

一方、各配光制御部１１のうち右側に並ぶ２つの配光制御部１１Ｃ，１１Ｄは、それぞれの配光制御部１１に対応した列のＬＥＤ２２から入射した光を、各列単位でＬＥＤ２２の光軸と交差する両側方向のうち前記一方向とは逆向きの他方向（図１中で紙面右方向）に出射するように形成されている。ここで「前記一方向とは逆向きの他方向」とは、必ずしも前記一方向に延びる直線上での逆向きの方向に限られることはなく、一方向に延びる直線と、前記中心線Ｌを軸として線対称に延びる方向であっても良い。

各配光制御部１１のうち、左端の配光制御部１１Ａと右端の配光制御部１１Ｄとが、左右対称となり互いに逆向きの同形状に形成されている。同様に左側の配光制御部１１Ｂと右側の配光制御部１１Ｃとが、左右対称となり互いに逆向きの同形状に形成されている。なお、各配光制御部１１ごとに、それぞれの上端面から下端面に亘る上下方向においては、ほぼ同一の横断面形状（図８参照）となっている。

各配光制御部１１は、必ずしも左右対称に同数ずつ設ける必要はない。すなわち、光学レンズ１０の両側方向において、一端側と他端側の境とする中間線（必ずしも両端の中央に位置する中心線とは限らない）を間にして、それぞれ光の照射方向をＬＥＤ２２の光軸と交差する両側方向のうち一方向とその逆向きの他方向に振り分け可能であれば、中間線を間にした左右で配光制御部１１の形状や数を異ならせることも可能である。

（片側の配光制御）
光学レンズ１０を、その両側方向の中心線Ｌ（図１参照）を境として両側に分けたと仮定した場合、片側半分における各配光制御部１１は、両側方向の中央側（一端側）から外側（他端側）に向かう順で、各配光制御部１１に対応した列のＬＥＤ２２から入射した光を光軸方向に導く光路が順次短くなっている。なお、本実施の形態では、光学レンズ１０の片側半分における配光制御部１１の数は２つだけであるが、３つ以上並べて構成しても良い。

各配光制御部１１の光路の長さを高さと言い換えれば、例えば右側半分の２つの配光制御部１１Ｃ，１１Ｄは、それぞれ対応した列のＬＥＤ２２から入射した光を、外側（他端側）に隣接する配光制御部１１と干渉しない高さの位置（前後位置）からＬＥＤ２２の光軸と交差する両側方向のうち同一方向（前記他方向）に出射するように構成されている。本実施の形態では、各配光制御部１１Ｃ，１１Ｄは、それぞれ頂端側から光を同一方向（前記他方向）に出射する部位（後述する出射部１４）が階段状に順次低くなっている。

光学レンズ１０の左側半分における各配光制御部１１Ａ，１１Ｂについても左右対称に同様であり、２つの配光制御部１１Ａ，１１Ｂは、それぞれ対応した列のＬＥＤ２２から入射した光を、外側（他端側）に隣接する配光制御部１１と干渉しない高さ位置（前後位置）からＬＥＤ２２の光軸と交差する両側方向のうち同一方向（前記一方向）に出射するように構成されている。なお、光学レンズ１０の左右両側を予め別体として分けて成形したもの同士を後から一体に組み合わせても良い。

（配光制御部の詳細）
図１に示すように、各配光制御部１１は、それぞれ大きさや向きに相違はあるが、基本的な構成は共通している。すなわち、各配光制御部１１は、入射部１２と、反射部１３と、出射部１４と、を備えている。入射部１２は、ＬＥＤ２２に各列単位で対向して配置され、ＬＥＤ２２からの光軸を中心とする光が入射する部位である。反射部１３は、入射部１２の前方に対向する位置で、入射部１２から到達した光の進路を全反射して、一方向または他方向に変換する部位である。出射部１４は、反射部１３の側方に対向する位置で、反射部１３から全反射された光を外部へ出射する部位である。

図６に示すように、入射部１２は、光学レンズ１０の後面側であり、入射部１２には、基板２１上に各列単位で複数個ずつ並ぶＬＥＤ２２（図１０参照）に対応する矩形の区画がマス目状に設けられている。各マス目ごとに、ＬＥＤ２２の光軸を中心とする円弧形で外側に膨らむ断面形状の入射面が形成されている。入射部１２の各区画は、ＬＥＤ２２から入射した光を光軸と平行にはならない程度に集光しやすい自由曲面に設計されている。

図１０に示すように、基板２１上にはＬＥＤ２２の各列ごとに、実際には６個ずつＬＥＤ２２が並んでいるが、本実施の形態では、光学レンズ１０の上下端において、それぞれ同様の矩形の区画が１行分追加されている。このような配光制御部１１の縦方向の全長は適宜変更し得る設計事項であり、例えば光学レンズ１０の上下端における配光を考慮したものである。

図１および図２に示すように、反射部１３は、光学レンズ１０の前面側において、入射部１２の前方に対向する位置で、ＬＥＤ２２の光軸と斜めに交差する断面形状の全入射面を有している。全入射面は、入射部１２から到達した光を全反射させて、ＬＥＤ２２の各列単位で光軸と交差する両側方向のうち一方向（または他方向）に光路を変換する臨界角に設計されている。また、全入射面は、到達した光の光路を上記した一方向（または他方向）に全反射させつつ、前後方向や上下方向の反射角度にも所定の広がりを持たせる自由曲面に設計すると良い。

出射部１４は、反射部１３の側方に対向する位置で、全入射面との頂端を境に逆方向へ傾斜する断面形状の出射面を有している。出射面は、反射部１３から全反射された光を、ほぼそのままの角度で外部に出射させても良く、さらに前後方向や上下方向の反射角度にも所定の広がりを持たせる自由曲面に設計しても良い。特に、出射面における光の屈折率は、例えば出射部１４からの出射光が後述するグローブ４を通過するときの屈折との相対的な関係を考慮して適宜定めると良い。前記反射部１３についても同様である。

（前方の配光制御）
各配光制御部１１の間は、反射部１３の傾斜した外表面（全入射面の外側）と、出射部１４の出射面より垂下する外表面と、に挟まれた略Ｖ字形断面の凹溝となっている。かかる各配光制御部１１の間の凹溝は、特に配光制御を行うことはなく、ＬＥＤ２２からの光軸を中心とする光をそのまま外部に向けて出射可能な領域となっている。

＜車側灯の構成＞
図１３および図１４に示すように、車側灯１は、前述した光学レンズ１０および光源２０を支持する取付台２と、取付台２を収納する灯体３と、灯体３の上端側で光学レンズ１０を囲むグローブ４等を備えている。なお、図７〜図１０では、車側灯１のうち取付台２を抜き出して、取付台２上に光学レンズ１０および光源２０を取り付けた状態を示している。

灯体３は、例えば中空の円筒形に金属等で形成されている。取付台２は、例えば底板の両側に一対の側板を立設した板金から形成され、各側板の上端間に光源２０の基板２１が組み付けられている。各図において、取付台２の内部構造は省略するが、取付台２の底板には端子台２ａが組み付けられている。

グローブ４は、取付台２上の光学レンズ１０および光源２０を囲むように覆うドーム状の透明部材であり、例えばガラスや合成樹脂により形成されている。図１４に示すように、グローブ４の内周側は、光学レンズ１０から出射された光を必要に応じて屈折させるレンズ面として形成しても良い。例えばグローブ４の外表面からは、ＬＥＤ２２の光軸と直交する方向を中心とするほぼ均一な強度分布の光を拡散させるように設計すると良い。

＜光学レンズの作用＞
次に、本実施の形態に係る光学レンズ１０の作用について説明する。
（両側の配光制御）
図１に示すように、光学レンズ１０では、その両側方向の中心線Ｌを境にして、左側の配光制御部１１Ａ，１１Ｂと、右側の配光制御部１１Ｃ，１１Ｄとが、それぞれ左右対称に並んでいる。ここで各配光制御部１１は、それぞれ基板２１上で両側方向に４列に並ぶＬＥＤ２２の各列ごとに対応している。そして、各配光制御部１１によって、ＬＥＤ２２の各列ごとに光の光路が定められる。

各配光制御部１１のうち、左側の配光制御部１１Ａ，１１Ｂは、これらに対応した列にある６個のＬＥＤ２２から入射した光を、ＬＥＤ２２の光軸と交差する両側方向のうち一方向（図１中で紙面左方向）に出射する。また、右側の配光制御部１１Ｃ，１１Ｄは、これらに対応した列にある６個のＬＥＤ２２から入射した光を、ＬＥＤ２２の光軸と交差する両側方向のうち前記一方向と逆向きの他方向（図１中で紙面右方向）に出射する。

図１中の光線に示したように、基板２１上に並ぶＬＥＤ２２から前方（Ｙ軸方向）に出射された光は、各配光制御部１１によって、ＬＥＤ２２の光軸と交差する両側に向けて分配される。特に本実施の形態では、光学レンズ１０から両側への照射光を、両側方向の中心線Ｌを間にして左右対称として、それぞれＬＥＤ２２の光軸と略直交する方向（Ｘ軸方向）にも向かわせている。

このように、各配光制御部１１による両側方向の一方向および他方向への配光制御により、通常のＬＥＤ２２では光軸と略直交する光度の低い両側に対しても、光度のピークが来るような照射が可能となる。また、光が光軸周りの全周方向に拡散することはなく、照射が不要な方向への配光の無駄も省いて、両側方向のうち一方向および他方向に光を高光度に収束させることも可能となる。特に本実施の形態では、各配光制御部１１が両側方向の中心線Ｌを間にして左右対称に同数ずつ設けられているため、一方向と他方向とに均等な強度分布の光を分配することができる。

（片側の配光制御）
また、図１に示すように、光学レンズ１０では、その両側方向の中心線Ｌを境にした左右両側において、それぞれの各配光制御部１１が、中央側（一端側）から外側（他端側）に向かう順で、各配光制御部１１に対応した列のＬＥＤ２２から入射した光を光軸方向に導く光路が順次短くなっている。ここで各配光制御部１１の最大光路の長さを高さと言い換えれば、例えば右側半分では、中央側の配光制御部１１Ｃが高く，外側の配光制御部１１Ｄが低くなっている。

このように、各配光制御部１１の高さを順次低くすることにより、それぞれ対応した列のＬＥＤ２２から入射した光を、外側（他端側）に隣接する配光制御部１１と干渉しない高さ位置からＬＥＤ２２の光軸と交差する両側方向のうち同一方向（前記他方向）に出射することができる。これにより、各配光制御部１１が両側方向に並んでいても、それぞれ光照射側に位置する他の配光制御部１１が光の出射を邪魔することはなく、ＬＥＤ２２の各列ごとに対応した光を効率良く同一方向に出射することが可能となる。

特に、本実施の形態では、各配光制御部１１Ｃ，１１Ｄは、それぞれ頂端側から光を同一方向（前記他方向）に出射する部位（出射部１４）が階段状に順次低くなっている。これにより、各配光制御部１１Ｃ，１１Ｄごとに、階段状に異なる位置から同一方向に対して均等な強度分布の光を分配することができる。各配光制御部１１Ｃ，１１Ｄが階段状に並ぶ横幅（階段の踏面に相当）は、ＬＥＤ２２の各列の間隔に合わせてほぼ等間隔であるが、ＬＥＤ２２の各列間の間隔が異なれば必ずしも等間隔でなくても良い。なお、光学レンズ１０の左側半分の各配光制御部１１Ａ，１１Ｂについても同様であり、重複した説明は省略する。

（配光制御の詳細）
図１において、光源２０の基板２１上において、４列ごとに６個ずつ並ぶＬＥＤ２２から照射された光は、それぞれ対向する光学レンズ１０における配光制御部１１の入射部１２から内部に入射する。入射部１２から入射した光は、ＬＥＤ２２の光軸を中心として前方に進行する。このような入射部１２により、個々のＬＥＤ２２からの光を漏らさず受け入れて、ＬＥＤ２２の光軸の先に位置する反射部１３に対して、適度な照射角度に集光した状態で効率良く向かわせることができる。

続いて、入射部１２から配光制御部１１の内部を前方へ進む光が反射部１３に到達すると、光の進路は全反射面での全反射により前述した一方向または他方向に変換される。このような反射部１３での全反射によれば、ＬＥＤ２２の光軸と略直交するような方向でも配光制御を効率良く行うことができ、光を所望の方向へ容易に進行させることが可能となる。

ここで「略直交」とは、厳密な意味で直角に交差することを意味するものではなく、ほぼ直角に交差するように視認できる程度で足りる。本実施の形態では、図１に示すように、反射部１３により全反射される一方向または他方向は、ＬＥＤ２２の光軸と直交する方向よりもやや前方（図１中では紙面上方）に傾斜しつつ前後方向に少し広がっており、また、図１２に示すように、光軸と直交する方向に対して上下方向にも広がりを持たせている。

反射部１３により全反射された光が出射部１４に到達すると、ほぼそのままの角度、あるいは前後方向や上下方向にさらに広がりを持たせるように屈折して外部に出射される。なお、出射部１４から出射された光を、さらにグローブ４を通過させることにより、いっそう照射角範囲を広げたり、光の拡散効果を高めたり、所望の色に発光させることも可能となる。

以上の入射部１２、反射部１３および出射部１４による一連の光の屈折ないし反射によれば、光学レンズ１０における両側方向の一方向および他方向への配光制御を効率良く実現することができる。一般に光の反射率は、鏡面よりも全反射の方が高い。よって、光学レンズ１０の全反射を利用することで、配光制御を効率良く行うことができ、光を所望の方向へ容易に進行させることが可能となり、光の取り出し効率も高まる。

（前方の配光制御）
図１において、各配光制御部１１の間は、反射部１３の傾斜した外表面（全入射面の外側）と、出射部１４の出射面より垂下する外表面と、に挟まれた略Ｖ字形断面の凹溝となっているが、かかる部位では特に配光制御を行うことはなく、ＬＥＤ２２からの光軸を中心とする光がそのまま前方に向けて自由に出射される。

これにより、ＬＥＤ２２の光軸が向かう光学レンズ１０の前方においても、比較的光度は低いが十分に視認可能な程度の光を照射することができる。従って、例えば車側灯１に求められる灯自体の前方（正面側）への配光も確保することができる。なお、反射部１３で全反射せずに漏れる光や、出射部１４から漏れる光によっても、前方への照射光を補うことができる。

（その他の作用）
また、光学レンズ１０は一つの透明材料のみで一体成形することが可能であり、構造の簡素化により容易に製造することができ、コストを抑えることができる。なお、光学レンズ１０による照射光の光線追跡の結果は、実測でもコンピュータでのシミュレーションでも大きく異なることはない。

以上のような光学レンズ１０は、図１３に示すように、車側灯１に適用される。本光学レンズ１０によれば、簡易な構成により、車側灯１に求められる理想的な配光、すなわち、灯自体の両側（車両の前方および後方）の２方向に光を照射し、かつ灯自体の前方（車両の側方）にも発光させる制御を効率良く容易に実現することができる。

一般に駅員や車掌は車側灯の点灯を車両の前方または後方から視認により確認する。ここで車側灯の両側方向への光度が弱いと、車両外側壁での他の光の反射等と区別がつきにくく、車側灯の点灯を正確に判断することが困難であった。これに対して、本光学レンズ１０を利用した車側灯によれば、点灯を容易かつ正確に判断することができる。

なお、光源２０のＬＥＤ２２は、基板２１上でマトリックス状に並ぶが、各ＬＥＤ２２への配線回路の接続は、何れかで断線等の故障が生じた場合においても、車側灯１における左右両側の点灯状態のバランスが崩れないように設定すると良い。

［第２の実施の形態］
図１５〜図１９は、第２実施の形態を示している。
本第２実施の形態に係る光学レンズ１０Ａは、基本的には第１の実施の形態に係る光学レンズ１０と同様の構成であるが、各配光制御部１１の上下端に追加配光制御部１５を設けた点で異なっている。なお、第１実施の形態と同種の部位による前述した両側の配光制御、片側の配光制御、配光制御の詳細、それに前方の配光制御については重複した説明を省略する。

＜光学レンズの構成＞
図１５〜図１８に示すように、追加配光制御部１５は、各配光制御部１１の両側方向と直交する上下方向の上下端に、それぞれ上下端付近に重なるＬＥＤ２２からの光を、上端より少なくとも上方および下端より少なくとも下方に向けて屈折させるものである。追加配光制御部１５によって、４列単位で６個ずつ並ぶＬＥＤ２２のうち上下端のものからも光を十分に取り込み活用することができる。

上下の追加配光制御部１５は、それぞれの位置である上端よりも上方、あるいは下端よりも下方に、上下端のＬＥＤ２２から入射した光を屈折可能な自由曲面を備えるものであれば良く、その具体的な形状は適宜定め得る設計事項である。例えば第２の実施の形態では、各追加配光制御部１５は、それぞれ対応する配光制御部１１ごとに区分けされた形状であるが、両側方向の全幅に亘って一律な同一断面形状としても良い。

＜光学レンズの作用＞
図１９に示すように、配光制御部１１の上端に連なる追加配光制御部１５により、上端付近に重なるＬＥＤ２２からの光が局所的に上方に広がるように屈折する。同様に、配光制御部１１の下端にある追加配光制御部１５により、下端付近に重なるＬＥＤ２２からの光も局所的に下方に広がるように屈折する。

これにより、光学レンズ１０Ａによる上下方向の照射範囲を広げることができる。従って、光学レンズ１０Ａの照射時に、前方から見た発光面積が小さく見えることはなく、上下方向も含めて全体的に光って見えるため、見栄えを向上させることができる。なお、第１実施の形態と同種の部位には同一符号を付して重複した説明を省略する。

［第３の実施の形態］
図２０〜図２８は、第３実施の形態を示している。
本第３実施の形態に係る光学レンズ１０Ｂは、基本的には第１の実施の形態に係る光学レンズ１０と同様に構成されているが、各配光制御部１１の上下端に亘る頂端側の形状等が異なっている。なお、第１実施の形態と同種の部位による前述した両側の配光制御、片側の配光制御、配光制御の詳細、それに前方の配光制御については重複した説明を省略する。

＜光学レンズの構成＞
図２０〜図２６に示すように、各配光制御部１１ごとに、ＬＥＤ２２が対向する側とは反対側で両側方向と直交する上下方向に延びる頂端側は、基板２１と平行な一直線上に沿う形状ではなく、ＬＥＤ２２からの光を上下方向にも向けて屈折させる形状に設けられている。かかる形状は、例えば円弧状に湾曲した形状や、中央が最も高く上下端に向かって順次低くなる階段状の形状等が考えられるが、本実施の形態では、各配光制御部１１の頂端側が所定間隔おきに異なる形状となっている。

すなわち、各配光制御部１１のうち両側方向の中心線寄りの配光制御部１１Ｂ，１１Ｃでは、上下方向に延びる頂端側は、ＬＥＤ２２の各列の中央側の４区画（入射部１２）に相当する部分では前方に出っ張り、その両端となる上下端の区画（入射部１２）に相当する部分では低くなっている。

また、各配光制御部１１のうち両側方向の両端となる配光制御部１１Ａ，１１Ｄでは、上下方向に延びる頂端側は、ＬＥＤ２２の各列の中央側の２区画（入射部１２）に相当する部分では前方に出っ張り、その両側となる上下端の区画（入射部１２）に相当する部分では低くなっている。

第３実施の形態では、４列ごとに６個ずつ並ぶ個々のＬＥＤ２２ごとに、それぞれ異なる形状の配光制御部１１における反射部１３と出射部１４を有するように構成されている。ここで配光制御部１１の数は、基本的にはＬＥＤ２２の各列の数に相当するものであるが、各列ごとのＬＥＤの数（行数）の分だけ、配光制御部１１をさらに分割して捉えることもできる。

また、各配光制御部１１ごとに、反射部１３と出射部１４の形状に合わせて、入射部１２の形状も調整しても良い。第３の実施の形態の入射部１２は、前述した第１の実施の形態とは異なり、入射部１２から入射した光を、光軸と平行に直進（コリメート）させるように設計されている。

さらに、前述したように、光学レンズ１０をグローブ４で囲む場合には、グローブ４の影響を受けにくくするために、入射部１２から入射した光を、反射部１３の放物線により全反射させるとき、一部の光線は焦点を結ばせた後に拡散させたり、出射範囲を狭めると良い。これは、前述した第１，第２の実施の形態に関しても同様である。なお、光学レンズ１０Ｂの上下端には、基板２１上にネジ等で固定するための取付部１６が設けられている。取付部１６は、特に配光制御を行うものではない。

＜光学レンズの作用＞
各配光制御部１１の上下方向に延びる頂端側（反射部１３と出射部１４）は、それぞれＬＥＤ２２から入射した光を上下方向にも向けて屈折させる。すなわち、図２８に示すように、各配光制御部１１から両側方向のうち一方向（他方向）に照射される光は、頂端側の形状によって上下方向にも広がるように反射される。

これにより、各配光制御部１１ごとに、光学レンズ１０Ｂによる上下方向の照射範囲を広げることができる。従って、第２の実施の形態と同様に、光学レンズ１０Ｂの照射時に、前方から見た発光面積が小さく見えることはなく、上下方向も含めて全体的に光って見えるため、見栄えを向上させることができる。なお、第１実施の形態と同種の部位には同一符号を付して重複した説明を省略する。

特に、第３の実施の形態では、各配光制御部１１の頂端側に位置する反射部１３と出射部１４とが、各列ごとに複数並ぶＬＥＤ２２単位の区画（入射部１２）に応じて、それぞれ異なる形状で個別の配光制御を行うことができる。このような配光制御部１１により、ＬＥＤ２２の各列単位での図２７に示す両側の配光制御、片側の配光制御に加えて、ＬＥＤ２２の各行単位でも個別の細かな配光制御が可能となる。

［本発明の構成と作用効果］
以上、本発明の各種の実施の形態について説明したが、本発明は前述した実施の形態に限定されるものではない。前述した各種の実施の形態から導かれる本発明について、以下に説明する。

先ず、本発明は、光源２０の前方に配置され、光源２０からの光を配光制御する光学レンズ１０において、
前記光源２０は、基板２１上で両側方向に少なくとも複数列に並び、互いに光軸が平行となる同方向に配置された複数の発光素子２２を備え、
前記発光素子２２の各列ごとに対応して両側方向に連なり、前記各列単位で発光素子２２からの光の光路を定める複数の配光制御部１１を備え、
前記各配光制御部１１のうち少なくとも、
一の配光制御部１１は、該配光制御部１１に対応した列の発光素子２２から入射した光を、該発光素子２２の光軸と交差する両側方向のうち一方向に出射し、
他の配光制御部１１は、該配光制御部１１に対応した列の発光素子２２から入射した光を、該発光素子２２の光軸と交差する両側方向のうち前記一方向と逆向きの他方向に出射する。

このような本発明によれば、光学レンズ１０では、発光素子２２の各列ごとに対応して、複数の配光制御部１１が両側方向に連なっている。各配光制御部１１は、それぞれ基板２１上で両側方向に複数列に並ぶ発光素子２２の各列ごとに対応している。各配光制御部１１によって、発光素子２２の各列ごとに光の光路が定められている。

各配光制御部１１のうち、少なくとも一の配光制御部１１Ａ，１１Ｂは、該配光制御部１１に対応した列の発光素子２２から入射した光を、該発光素子２２の光軸と交差する両側方向のうち一方向に出射する。また、少なくとも他の配光制御部は、該配光制御部に対応した列の発光素子から入射した光を、該発光素子の光軸と交差する両側方向のうち前記一方向と逆向きの他方向に出射する。

これにより、通常の発光素子２２では光軸と略直交するような光度の低い両側に対しても、光度のピークが来るような照射が可能となる。また、光が光軸周りの全周方向に拡散することはなく、照射が不要な方向への配光の無駄も省いて、両側方向のうち一方向および他方向に光を高光度に収束させることもできる。

また、本発明において、前記各配光制御部１１は、光学レンズ１０の両側方向の中心線Ｌを間にして左右対称に同数ずつ設けられ、
前記一の配光制御部１１を含む左右一方の側の配光制御部１１は、該配光制御部１１に対応した列の発光素子２２から入射した光を前記一方向に出射し、
前記他の配光制御部１１を含む左右他方の側の配光制御部１１は、該配光制御部１１に対応した列の発光素子２２から入射した光を前記他方向に出射する。

このような本発明によれば、左右一方の側の配光制御部１１から光が出射される一方向と、左右他方の側の配光制御部１１から光が出射される他方向とで、それぞれの照射範囲における均等な光の強度分布を実現することが可能となる。

また、本発明において、前記配光制御部１１は、
前記発光素子２２に各列単位で対向して配置され、発光素子２２からの光軸を中心とする光が入射する入射部１２と、
前記入射部１２の前方に対向する位置で、入射部１２から到達した光の進路を全反射により、前述した一方向または他方向に変換する反射部１３と、
前記反射部１３の側方に対向する位置で、反射部１３から全反射された光を外部へ出射する出射部１４と、を備える。

このような本発明によれば、光源２０の各列単位で発光素子２２から照射された光は、それぞれ対向する配光制御部１１の入射部１２から内部に入射する。入射部１２から入射した光は、発光素子２２の光軸を中心として前方に進行する。

入射部１２からの光が反射部１３に到達すると、光の進路は全反射によって一方向または他方向に変換される。このような全反射によれば、発光素子２２の光軸と略直交するような方向でも配光制御を効率良く行うことができ、光を所望の方向へ容易に進行させることが可能となる。

反射部１３により全反射された光が出射部１４に到達すると、一方向または他方向に向けて外部に出射される。
以上の入射部１２、反射部１３および出射部１４による一連の光の屈折ないし反射によれば、光学レンズ１０における両側方向の一方向および他方向への配光制御を効率良く実現することができる。

また、本発明では、前記各配光制御部１１の間を、発光素子２２からの光を外部に出射可能な領域とした。
このような本発明によれば、発光素子２２の光軸が向かう前方も、比較的光度は低いが十分に視認可能な程度の光で照らすことができる。従って、例えば車側灯１に求められる灯自体の前方（正面側）への配光も確保することができる。

また、本発明では、前記各配光制御部１１の両側方向と直交する上下方向の上下端に、それぞれ上下端付近に重なる前記発光素子２２からの光を、上端より少なくとも上方および下端より少なくとも下方に向けて屈折させる追加配光制御部１５を設けた。

このような本発明によれば、配光制御部１１の上下端にある追加配光制御部１５によって、発光素子２２からの光が上端よりも上方および下端よりも下方に向けて局所的に広がるように屈折する。これにより、光学レンズ１０による上下方向の照射範囲を広げることができる。

また、本発明では、前記各配光制御部１１ごとに、それぞれ前記発光素子２２が対向する側とは反対側で両側方向と直交する上下方向に延びる頂端側を、前記発光素子２２からの光を前記上下方にも広げて屈折させる形状に設けた。

このような本発明によれば、各配光制御部１１の上下方向に延びる頂端側は、それぞれ発光素子２２からの光を上下方向にも広げて屈折させる。これにより、各配光制御部１１ごとに、光学レンズ１０による上下方向の照射範囲を広げることができる。

［別の本発明の構成と作用効果］
以上に説明した本実施の形態から導かれる別の本発明は、
光源２０の前方に配置され、光源２０からの光を配光制御する光学レンズ１０において、
前記光源２０は、基板２１上で両側方向に少なくとも複数列に並び、互いに光軸が平行となる同方向に配置された複数の発光素子２２を備え、
前記発光素子２２の各列ごとに対応して両側方向に連なり、前記各列単位で発光素子２２からの光の光路を定める複数の配光制御部１１を備え、
前記各配光制御部１１は、両側方向の一端側から他端側に向かう順で、各配光制御部１１に対応した列の発光素子２２から入射した光を光軸方向に導く光路が順次短くなり、
前記各配光制御部１１は、それぞれ対応した列の発光素子２２から入射した光を、他端側に隣接する配光制御部１１と干渉しない位置から該発光素子２２の光軸と交差する両側方向のうち同一方向に出射することを特徴とする。

このような別の本発明によれば、光学レンズ１０の各配光制御部１１は、両側方向の一端側から他端側に向かう順で、各配光制御部に対応した列の発光素子２２から入射した光を光軸方向に導く光路が順次短くなっている。よって、各配光制御部１１は、それぞれ対応した列の発光素子２２から入射した光を、他端側に隣接する配光制御部１１と干渉しない位置から該発光素子２２の光軸と交差する同一方向に出射することができる。

これにより、各配光制御部１１が両側方向に並んでいても、それぞれ他端側に隣接する配光制御部１１が光の出射を邪魔することはなく、ＬＥＤ２２の各列ごとに対応した光を効率良く、特に発光素子２２の光軸と交差する両側方向のうち同一方向に出射することが可能となる。従って、通常の発光素子２２では光軸と略直交するような光度の低い方向に対しても、光度のピークが来るような照射が可能となる。また、光が光軸周りの全周方向に拡散することもなく、同一方向に光を高光度に収束させることができる。

また、別の本発明において、前記各配光制御部１１は、それぞれ両側方向の一端側から他端側に向かう順で、各配光制御部１１の頂端側から光を前記同一方向に出射する部位が階段状に低くなる。
このような別の本発明によれば、各配光制御ごとに、階段状に異なる位置から互いに光の照射を妨げることなく、それぞれ同一方向に対して均等な強度分布の光を分配することができる。

また、別の本発明において、前記配光制御部１１は、
前記発光素子２２に各列単位で対向して配置され、発光素子２２からの光軸を中心とする光が入射する入射部１２と、
前記入射部１２の前方に対向する位置で、入射部１２から到達した光の進路を全反射により、前述した同一方向に変換する反射部１３と、
前記反射部１３の側方に対向する位置で、反射部１３から全反射された光を外部へ出射する出射部１４と、を備える。

このような別の本発明によれば、光源２０の各列単位で発光素子２２から照射された光は、それぞれ対向する配光制御部１１の入射部１２から内部に入射する。入射部１２から入射した光は、発光素子２２の光軸を中心として前方に進行する。

入射部１２からの光が反射部１３に到達すると、光の進路は全反射によって同一方向に変換される。このような全反射によれば、発光素子２２の光軸と略直交するような方向でも配光制御を効率良く行うことができ、光を所望の方向へ容易に進行させることが可能となる。

反射部１３により全反射された光が出射部１４に到達すると、同一方向に向けて外部に出射される。
以上の入射部１２、反射部１３および出射部１４による一連の光の屈折ないし反射によれば、光学レンズ１０における両側方向のうち同一方向への配光制御を効率良く実現することができる。

［本発明および別発明の組み合わせ］
以上に説明した本発明と別発明とは、適宜組み合わせることができる。
すなわち、光源２０の前方に配置され、光源２０からの光を配光制御する光学レンズ１０において、
前記光源２０は、基板２１上で両側方向に少なくとも複数列に並び、互いに光軸が平行となる同方向に配置された複数の発光素子２２を備え、
前記発光素子２２の各列ごとに対応して両側方向に連なり、前記各列単位で発光素子２２からの光の光路を定める複数の配光制御部１１を備え、
前記各配光制御部１１のうち少なくとも、
一の配光制御部１１は、該配光制御部１１に対応した列の発光素子２２から入射した光を、該発光素子２２の光軸と交差する両側方向のうち一方向に出射し、
他の配光制御部１１は、該配光制御部１１に対応した列の発光素子２２から入射した光を、該発光素子２２の光軸と交差する両側方向のうち前記一方向と逆向きの他方向に出射し、
前記各配光制御部１１は、両側方向の一端側から他端側に向かう順で、各配光制御部１１に対応した列の発光素子２２から入射した光を光軸方向に導く光路が順次短くなり、
前記各配光制御部１１は、それぞれ対応した列の発光素子２２から入射した光を、他端側に隣接する配光制御部１１と干渉しない位置から該発光素子２２の光軸と交差する両側方向のうち同一方向に出射することを特徴とする。
これにより、本発明および別発明のそれぞれの作用効果を併せ持つことができる。なお、その他の構成についても適宜組み合わせることができることは言うまでもない。

以上、本発明の実施の形態を図面によって説明してきたが、具体的な構成は前述したような実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における変更や追加があっても本発明に含まれる。

例えば、光学レンズ１０，１０Ａ，１０Ｂの全体形状、配光制御部１１の数や形状、入射部１２、反射部１３、それに出射部１４の具体的な形状は、図示したものに限定するものではなく、適宜変更が可能である。また、光学レンズ１０，１０Ａ，１０Ｂは、鉄道車両の車側灯１に限らず様々な照明装置の光学部品として活用することができる。

本発明に係る光学レンズは、様々な照明装置の光学部品として幅広く適用することができる。

１…車側灯
２…取付台
３…灯体
４…グローブ
１０，１０Ａ，１０Ｂ…光学レンズ
１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄ…配光制御部
１２…入射部
１３…反射部
１４…出射部
１５…追加配光制御部
１６…取付部
２０…光源
２１…基板
２２…ＬＥＤ（発光素子）

Claims (6)

1. 光源の前方に配置され、光源からの光を配光制御する光学レンズにおいて、
   前記光源は、基板上で両側方向に少なくとも複数列に並び、互いに光軸が平行となる同方向に配置された複数の発光素子を備え、
   前記発光素子の各列ごとに対応して両側方向に連なり、前記各列単位で発光素子からの光の光路を定める複数の配光制御部を備え、
   前記各配光制御部のうち少なくとも、
   一の配光制御部は、該配光制御部に対応した列の発光素子から入射した光を、該発光素子の光軸と交差する両側方向のうち一方向に出射し、
   他の配光制御部は、該配光制御部に対応した列の発光素子から入射した光を、該発光素子の光軸と交差する両側方向のうち前記一方向と逆向きの他方向に出射することを特徴とする光学レンズ。
2. 前記各配光制御部は、光学レンズの両側方向の中心線を間にして左右対称に同数ずつ設けられ、
   前記一の配光制御部を含む左右一方の側の配光制御部は、該配光制御部に対応した列の発光素子から入射した光を前記一方向に出射し、
   前記他の配光制御部を含む左右他方の側の配光制御部は、該配光制御部に対応した列の発光素子から入射した光を前記他方向に出射することを特徴とする請求項１に記載の光学レンズ。
3. 前記配光制御部は、
   前記発光素子に各列単位で対向して配置され、前記発光素子からの光軸を中心とする光が入射する入射部と、
   前記入射部の前方に対向する位置で、前記入射部から到達した光の進路を全反射により前記一方向または前記他方向に変換する反射部と、
   前記反射部の側方に対向する位置で、前記反射部から全反射された光を外部へ出射する出射部と、を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の光学レンズ。
4. 前記各配光制御部の間を、前記発光素子からの光を外部に出射可能な領域としたことを特徴とする請求項１，２または３に記載の光学レンズ。
5. 前記各配光制御部の両側方向と直交する上下方向の上下端に、それぞれ上下端付近に重なる前記発光素子からの光を、上端より少なくとも上方および下端より少なくとも下方に向けて屈折させる追加配光制御部を設けたことを特徴とする請求項１，２，３または４に記載の光学レンズ。
6. 前記各配光制御部ごとに、それぞれ前記発光素子が対向する側とは反対側で両側方向と直交する上下方向に延びる頂端側を、前記発光素子からの光を前記上下方向にも広げて屈折させる形状に設けたことを特徴とする請求項１，２，３，４または５に記載の光学レンズ。

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