CN104272015A

CN104272015A - 光学元件

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Publication number: CN104272015A
Application number: CN201280072744.3A
Authority: CN
Inventors: 池田贤元; 关大介; 幡手公英
Original assignee: Nalux Co Ltd
Current assignee: Nalux Co Ltd
Priority date: 2012-05-03
Filing date: 2012-08-09
Publication date: 2015-01-07
Anticipated expiration: 2032-08-09
Also published as: US20150029727A1; CN104272015B; WO2013164898A1; KR101960131B1; US9435507B2; KR20150012260A

Abstract

提供能够减小因方向而产生的色差、使来自光源的光扩散的光学元件。该光学元件具有覆盖配置在平面上的光源的入射面(101)和覆盖该入射面的出射面(103)。该入射面构成为：以通过配置在该平面上的该光源的中心且与该平面垂直的轴为光轴(AX)，该入射面具有相对于周边而在该光轴附近凹陷的形状，设该光轴与该入射面的交点为O1，在该光学元件的包含该光轴且与该平面垂直的任意一个截面中，设该入射面上的点P处的该入射面的法线相对于该光轴的角度为φh、该入射面上的点P在该光轴方向上离点O1的距离为z，在使点P沿着该入射面，从点O1移动到该平面上时，φh相对于z具有至少一个极大值和至少一个极小值。

Description

光学元件

技术领域

本发明涉及使来自光源的光扩散的光学元件。

背景技术

近年来，为了照明而大多使用LED(发光二极管)光源。LED光源的朝前方照射的光的比例较高，因此往往与LED光源组合使用使来自LED光源的光扩散的光学元件。尤其是，在使用LED光源来作为照射较大范围的背光用等照明单元的光源的情况下，为了以较少的数量的LED光源实现紧凑的照明单元，使用了将来自LED光源的光扩散为宽角度的光学元件(专利文献1)。

大光量的LED光源由蓝色等短波长的光的发光芯片和发出绿色、黄色、红色等较长波长的荧光的荧光部件构成。在这样的LED光源中，将短波长的光的发光芯片配置在中心部，从其周围起，配置有发出长波长的荧光的荧光部件的情况较多。在这样的LED光源中，发出短波长的光的部分的位置和发出长波长的光的部分的位置不同。因此，在利用光学元件来扩散来自LED光源的光的情况下，有时会产生短波长的光较强的方向和长波长的光较强的方向。其结果是，有时会根据方向而产生蓝色或红色等色差。作为照明单元，产生这样的色差不是优选的。但是，到此为止，没有开发出能够减小因方向而产生的色差且使来自光源的光扩散的光学元件。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第3875247号公报

发明内容

发明要解决的问题

因此，对于能够减小因方向而产生的色差且使来自光源的光扩散的光学元件存在需求。

用于解决问题的手段

本发明的第1方式的光学元件具有覆盖配置在平面上的光源的入射面和覆盖该入射面的出射面，且构成为来自该光源的光在通过该入射面和该出射面后照射到外部。该入射面构成为：设通过该光源的中心且与该平面垂直的轴为光轴，该入射面具有相对于周边而在该光轴附近凹陷的形状，设该光轴与该入射面的交点为O1，在该光学元件的包含该光轴且与该平面垂直的任意截面中，设该入射面上的点P处的该入射面的法线相对于该光轴的角度为φh、该入射面上的点P在该光轴方向上离点O1的距离为z，在使点P沿着该入射面，从点O1移动到该平面上时，φh相对于z具有至少一个极大值和至少一个极小值。

根据本方式的光学元件，入射面构成为：φh相对于z具有至少一个极大值和至少一个极小值，因此，在与光源组合使用时，来自光源的各点的光线根据到达该入射面的位置而朝各个方向折射。因此，能够减小因从光学元件射出的光的方向而产生的色差。

本发明的实施方式的光学元件是第1方式的光学元件，且该入射面为关于该光轴旋转对称的形状。

本实施方式的光学元件能够容易地通过注塑成型等进行制造。

本发明的实施方式的光学元件是第1方式的光学元件，且该入射面构成为：将该光轴的周围分割成多个角度区间，该入射面在各个角度区间中具有不同的形状。

根据本实施方式，能够针对与光轴的周围的角度区间对应的每个方向实现不同的光分布。

本发明的实施方式的光学元件是第1方式的光学元件，且该入射面构成为：仅在该多个角度区间的一部分的角度区间中，在使点P沿着该入射面，从点O1移动到该平面上时，φh相对于z具有至少一个极大值和至少一个极小值。

根据本实施方式，能够仅针对光轴的周围的一部分的角度区间，减小因方向而产生的色差。

本发明的实施方式的光学元件，该入射面构成为：设该光轴与该平面的交点为P0，设连接点P0和该入射面上的点P的直线与该光轴所成的角度为θ_r，

在30°＜θ_r＜90°的范围内，

φh相对于z具有至少一个极大值和至少一个极小值。

本实施方式的光学元件在没有极大值和极小值的情况下，φh相对于z的斜率大致固定，

在30°＜θ_r＜90°的范围的入射面的区域中，

入射面构成为φh相对于z具有至少一个极大值和至少一个极小值，因此，在与光源组合使用时，与不存在极大值和极小值的情况相比，来自光源的各点的光线根据到达该入射面的位置而朝各个方向折射。因此，能够减小因从光学元件射出的光的方向而产生的色差。

本发明的实施方式的光学元件是第1方式的光学元件，且存在φh之差为10度以上的相邻的极大值和极小值。

根据本实施方式，在与光源组合使用时，来自光源的各点的光线在该入射面处折射后，根据该光线到达该入射面的位置，其行进方向的变化幅度较大。因此，能够减小因从光学元件射出的光的方向而产生的色差。

本发明的实施方式的光学元件是第1方式的光学元件，且存在φh之差为20度以上的相邻的极大值和极小值。

本发明的第2方式的光学元件具有覆盖配置在平面上的光源的入射面和覆盖该入射面的出射面，且构成为来自该光源的光在通过该入射面和该出射面后照射到外部。该入射面构成为：设通过该光源的中心且与该平面垂直的轴为光轴，该入射面具有相对于周边而在该光轴附近凹陷的形状，设该光轴与该入射面的交点为O1，设该光轴与该平面的交点为P0，在该光学元件的包含该光轴且与该平面垂直的任意截面中，设连接点P0和该入射面上的点P的直线与该光轴所成的角度为θ_r，设从点P0朝点P行进的光在光学元件内的行进方向与该光轴所成的角度为θ_i，在使点P沿着该入射面，从点O1移动到该平面上时，θ_i相对于θ_r具有至少一个极大值和至少一个极小值。

根据本方式的光学元件，入射面构成为：θ_i相对于θ_r具有至少一个极大值和至少一个极小值，因此，在与光源组合使用时，来自光源的各点的光线根据到达该入射面的位置而朝各个方向折射。因此，能够减小因从光学元件射出的光的方向而产生的色差。

本发明的实施方式的光学元件是第2方式的光学元件，且该入射面为关于该光轴旋转对称的形状。

本实施方式的光学元件，能够容易地通过注塑成型等进行制造。

本发明的实施方式的光学元件是第2方式的光学元件，且该入射面构成为：将该光轴的周围分割成多个角度区间，该入射面在各个角度区间中具有不同的形状。

本发明的实施方式的光学元件是第2方式的光学元件，且该入射面构成为：仅在该多个角度区间的一部分的角度区间中，在使点P沿着该入射面，从点O1移动到该平面上时，θ_i相对于θ_r具有至少一个极大值和至少一个极小值。

本发明的实施方式的光学元件是第2方式的光学元件，且该入射面构成为：

在30°＜θ_r＜90°的范围内，

θ_i相对于θ_r具有至少一个极大值和至少一个极小值。

本实施方式的光学元件在没有极大值和极小值的情况下，θ_i相对于θ_r的斜率大致固定，

在30°＜θ_r＜90°的范围的入射面的区域中，

入射面构成为：θ_i相对于θ_r具有至少一个极大值和至少一个极小值，因此，在与光源组合使用时，与不存在极大值和极小值的情况相比，来自光源的各点的光线根据到达该入射面的位置而朝各个方向折射。因此，能够减小因从光学元件射出的光的方向而产生的色差。

本发明的实施方式的光学元件是第2方式的光学元件，且存在θ_r之差为5度以上的相邻的极大值和极小值。

本发明的实施方式的光学元件是第2方式的光学元件，且存在θ_r之差为10度以上的相邻的极大值和极小值。

本发明的第3方式的照明单元具有光源和本发明中的任意一个方式或实施方式的光学元件。

本方式的照明单元使用了本发明中的任意一个方式或实施方式的光学元件，因此，能够减小因从光学元件射出的光的方向而产生的色差。

附图说明

图1是示出与本发明的光学元件同时使用的LED光源的结构的一例的图。

图2是为了扩散LED光源的光而使用的本发明的一个实施方式的光学元件的包含中心轴AX的剖视图。

图3是将图2的剖视图中的入射面的部分放大的图。

图4是示出在平面上配置多组光源以及光学元件而成的照明单元的结构的一例的图。

图5是示出实施例1的光学元件的z与入射面的法线和中心轴AX所成的角度φh之间的关系的图。

图6是示出实施例1的光学元件的θ_r与θ_i之间的关系的图。

图7是示出实施例1的光学元件的θ_r与θ_e之间的关系的图。

图8是示出将实施例1的光学元件组合到图1所示的光源中的情况下的光的强度分布的图。

图9是示出将比较例1的光学元件组合到图1所示的光源中的情况下的光的强度分布的图。

图10是针对实施例1的光学元件示出从图3的点P0射出的光线的强度分布的图。

图11是针对实施例1的光学元件示出从图3的点P1射出的光线的强度分布的图。

图12是针对实施例1的光学元件示出从图3的点P2射出的光线的强度分布的图。

图13是示出实施例2的光学元件的z与入射面的法线和中心轴AX所成的角度φh之间的关系的图。

图14是示出实施例2的光学元件的θ_r与θ_i之间的关系的图。

图15是示出实施例2的光学元件的θ_r与θ_e之间的关系的图。

图16是示出将实施例2的光学元件组合到图1所示的光源中的情况下的光的强度分布的图。

图17是示出将比较例2的光学元件组合到图1所示的光源中的情况下的光的强度分布的图。

图18是示出实施例3的光学元件的z与入射面的法线和中心轴AX所成的角度φh之间的关系的图。

图19是示出实施例3的光学元件的θ_r与θ_i之间的关系的图。

图20是示出实施例3的光学元件的θ_r与θ_e之间的关系的图。

图21是示出将实施例3的光学元件组合到图1所示的光源中的情况下的光的强度分布的图。

图22是示出将比较例3的光学元件组合到图1所示的光源中的情况下的光的强度分布的图。

图23是示出将树脂浇口(gate)配置在光学元件的出射面的中心的情况的图。

图24是示出将光学元件的出射面的中心设置为圆锥台形状，并在此配置有树脂浇口的情况的图。

图25是示出在光学元件的底面上配置1个树脂浇口的情况的图。

图26是示出在光学元件的底面上配置2个树脂浇口的情况的图。

图27是示出在出射面的周边部分具有扩散结构或扩散材料的光学元件的结构的图。

图28是示出在底面具有扩散结构或扩散材料的光学元件的结构的图。

具体实施方式

图1是示出与本发明的光学元件同时使用的LED光源200的结构的一例的图。图1(a)是示出LED光源200的与发光面垂直的截面的图。图1(b)是LED光源200的俯视图。通常，大光量的白色LED光源由发出蓝色等短波长的光的芯片和在接收到来自发光芯片的光的情况下发出绿色、黄色、红色等较长波长的光的荧光剂构成。在图1中，在LED光源200的中心位置处配置有蓝色的发光芯片201，在比发光芯片201所占的区域更大的区域内，以覆盖发光芯片201的方式配置有荧光剂203。在图1(b)的俯视图中，发光芯片201是一个边为1.0mm的正方形，荧光剂203的形状是直径为3.0mm的圆形。蓝色的光A从位于中心附近的发光芯片201射出。较长波长的光B从配置在包含LED光源的周边部分的区域的荧光剂射出。在具有图1那样的结构的LED光源中，射出蓝色光的位置和射出较长波长的光的位置不同。

图2是为了扩散LED光源200的光而使用的本发明的一个实施方式的光学元件100的包含中心轴AX的剖视图。本实施方式的光学元件100具有关于中心轴AX旋转对称的形状。在光学元件100的与LED光源200相对的面105中，相对于周边，在中心轴AX附近具有凹陷，该凹陷的面形成入射面101。在本说明书中，将与LED光源200相对的面105称作底面105。光学元件100的入射面101以及底面105以外的面形成出射面103。

光学元件100和LED光源200被配置为：光学元件100的中心轴AX通过LED光源200的中心、即图1(b)中的圆的中心。在该情况下，中心轴AX成为包含光学元件100和LED光源200的光学系统的光轴。

从光源200射出的光经过入射面101进入光学元件101，并从出射面103向外部射出。在该情况下，从光源200射出的光在入射面101和出射面103的几乎所有部分中朝远离中心轴AX的方向折射，其结果是，光被扩散。

在本实施方式中，LED光源200的面为平面，但光源的面不是一定为平面。本发明是配置在平面上的光源，可以应用发出短波长的光的部分的位置不同于发出长波长的光的部分的位置的任意光源。

图3是将图2的剖视图中的入射面的部分放大的图。设光源200的发光面205与中心轴AX的交点为点P0。从点P0射出的光线的行进方向与中心轴AX所成的角度为θ_r，设该光线在入射面101折射后，光线在光学元件100内的行进方向与中心轴AX所成的角度为θ_i。此外，设该光线在出射面折射后，其行进方向与中心轴AX所成的角度为θ_e(图2)。在图3中，设从发光芯片201的边下垂到发光面205的垂线的脚为P1，设荧光剂的端部的点、即图1(b)的荧光剂的周边的圆周上的点为P2。

入射面101被设定为，从点P0起，以规定的范围的θ_r射出的光线满足：

θ_r≤θ_i。

在图3中，规定的范围为0度～约20度的范围。此外，在上述范围内，随着角度θ_r增大，角度θ_i单调增大。

出射面103被设定为，以上述范围内的角度θ_r射出的光线满足：

θ_i≤θ_e。

出射面的中心轴AX附近的形状不限于凸面，也不限于凹面，而可以为凹面、凸面、平面中的任意一个。优选为在透镜内部不发生全反射的出射面形状。在该情况下，设光学元件的折射率为n，则光学元件内的光线角度与出射面的法线的角度φ满足

φ＜sin-1(1/n)的条件。

此外，在图3中，设入射面101的法线与中心轴AX所成的角度为φh。角度φh以图3的向下方向为基准。即，在入射面101的顶点处，φh＝180度。

在以0度～约20度的范围的角度θ_r，从点P0射出的光所到达的入射面101的区域中，随着角度θ_r增大，角度φh单调减少。在从点P0，以超过约20度的角度θ_r射出的光所到达的入射面101的区域中，随着角度θ_r增大，角度φh反复地增大/减少。在本说明书中，也将该入射面100的区域称作入射面的扩散区域。关于入射面101的扩散区域的形状，后面将详细说明。

图4是示出在面300上配置有多组光源200以及光学元件100而成的照明单元的结构的一例的图。照明单元还具有扩散板400。利用照明单元，能够均匀地照射前方(图4的上侧)。

在以下记述中，对本发明的光学元件的实施例和比较例进行说明。实施例和比较例的光学元件的材料为聚甲基丙烯酸甲酯树脂(PMMA)，折射率为1.492(d线，587.56nm)，阿贝数为56.77(d线，587.56nm)。此外，在实施例和比较例中，只要没有另外说明，则长度的单位则为毫米。

实施例1

在图2中，设入射面101与中心轴AX的交点的坐标为O1，出射面103与中心轴AX的交点的坐标为O2。

在本实施例中，P0与O2之间的距离T为

T＝5.752mm，

P0与O1之间的距离h为

h＝4.400mm。

在用z表示以O1为基准的、中心轴AX方向上的距离时，

在0≤z≤1.5mm的范围内，

入射面101的形状由下式表示。

[公式1]

z = \frac{{cr}^{2}}{1 + \sqrt{1 - (1 + k) c^{2} r^{2}}} + Σ_{i = 1}^{N} A_{i} r^{i} - - - (1)

c＝1/R

此处，r为距中心轴AX的距离，c为曲率，R为曲率半径，k为圆锥曲线系数(conic)，A_i为非球面系数。

表1是示出表示实施例1的入射面的形状的式(1)的系数的数值的表。

[表1]

R	-1.201
		k	-0.7990
A1	0.000
		A2	0.000
A3	0.000
		A4	0.000

从z＝1.5mm起到面105为止的入射面101的区域、即入射面的扩散区域的形状由以下的点群的三次样条曲线表示。三次样条曲线是指如下曲线：在通过所给的多个点的顺滑的曲线中，对被相邻的点夹着的各区间，使用在全部点处连续的独立的三次多项式。

表2是示出上述点群的表。

[表2]

z	r
		1.500	1.70
1.661	1.80
		1.822	1.82
1.983	1.85
		2.144	1.95
2.306	1.97
		2.467	2.00
2.628	2.10
		2.789	2.12
2.950	2.15
		3.111	2.25
3.272	2.27
		3.433	2.30
3.594	2.40
		3.756	2.42
3.917	2.45
		4.078	2.55
4.239	2.57
		4.400	2.60

图5是示出实施例1的光学元件的入射面101的z与角度φh之间的关系的图，该角度φh是入射面101的法线和中心轴AX所成的角度。图5的横轴表示z，纵轴表示φh。根据图5，在z为1.5mm以下的范围内，随着z增大，φh单调减少。在z超过1.5mm的范围内，随着z增大，φh反复地增大/减少。换言之，在z超过1.5mm的范围内，作为z的函数的φh具有极大值和极小值。

具体而言，在图5中，φh存在6个极大值和6个极小值。此外，忽略极小值附近的φh的偏差。相邻的极大值与极小值的φh之差为约30度。

在用z表示以O2为基准的、中心轴AX方向上的距离时，出射面103的中心轴AX附近的形状为来自光源的光线不在出射面发生全反射的形状，且由下式表示。

[公式2]

z = \frac{{cr}^{2}}{1 + \sqrt{1 - (1 + k) c^{2} r^{2}}} + Σ_{i = 1}^{N} A_{i} r^{i} - - - (2)

c＝1/R

此处，r为距中心轴AX的距离，c为曲率，R为曲率半径，k为圆锥曲线系数，A_i为非球面系数。

表3是示出表示实施例1的出射面的形状的式(2)系数的数值的表。

[表3]

R	-2.222
		k	-7.513
A1	0.000
		A2	-3.75E-02
A3	-4.78E-04
		A4	-2.51E-04
A5	0.000
		A6	0.000
A7	0.000
		A8	0.000
A9	0.000
		A10	0.000

图6是示出实施例1的光学元件的θ_r与入射面的θ_i之间的关系的图。图6的横轴表示θ_r，纵轴表示θ_i。在θ_r为约30度以下的范围内，随着θ_r增大，θ_i单调增大。在θ_r超过约30度的范围内，随着θ_r增大，θ_i以反复地增大/减少的方式增大。换言之，在θ_r超过30度的范围内，作为θ_r的函数的θ_i具有极大值和极小值。

具体而言，在图6中，在θ_r为约30度～90度的范围内，θ_i存在6个极大值和6个极小值。此外，忽略极大值附近的θ_i的值的偏差。相邻的极大值与极小值的θ_i之差为约15度。

图7是示出实施例1的光学元件的θ_r与出射面的θ_e之间的关系的图。图7的横轴表示θ_r，纵轴表示θ_e。在θ_r为约30度以下的范围内，随着θ_r增大，θ_e单调增大。在θ_r超过约30度的范围内，随着θ_r增大，θ_e以峰值与峰值之间约10度的幅度反复地增大/减少的方式增大。换言之，在θ_r超过约30度的范围内，作为θ_r的函数的θ_e具有极大值和极小值。

比较例1

在本比较例中，P0与O2之间的距离T为

T＝5.752mm，

P0与O1之间的距离h为

h＝4.400mm。

在用z表示以O1为基准的、中心轴AX方向上的距离时，入射面的形状由式(1)表示。此外，式(1)的系数的值是表1中的值。即，比较例1的入射面的形状在z为1.5mm以下的范围内与实施例1的入射面的形状相同，在z超过1.5mm的范围内，作为z的函数的φh不具有极大值和极小值，随着z增大，φh单调减少。换言之，比较例1的光学元件的入射面在不具有入射面的扩散区域这点上与实施例1的入射面不同。

在用z表示以O2为基准的、中心轴AX方向上的距离时，出射面的中心轴AX附近的形状为来自光源的光线不在出射面发生全反射的形状，且由式(2)表示。此外，式(2)的系数的值是表3中的值。即，比较例1的出射面为与实施例1的出射面相同的形状。

实施例1与比较例1的性能比较

对将实施例1和比较例1的光学元件组合到图1所示的光源中的情况下的光分布进行比较，由此对实施例和比较例1的性能进行比较。

图8是示出将实施例1的光学元件组合到图1所示的光源中的情况下的光的强度分布的图。图8的横轴表示与中心轴AX所成的角度为θ的方向。图8的纵轴表示朝与中心轴AX所成的角度为θ的方向射出的光的强度的相对值。图8的实线表示波长小于500纳米的光(短波长侧的光)的相对强度。在相对强度中，将最大值表示为100％。图8的虚线表示波长为500纳米以上的光(长波长侧的光)的相对强度。在相对强度中，将最大值表示为100％。

图9是示出将比较例1的光学元件组合到图1所示的光源中的情况下的光的强度分布的图。图9的横轴表示与中心轴AX所成的角度为θ的方向。图9的纵轴表示朝与中心轴AX所成的角度为θ的方向射出的光的强度的相对值。图9的实线表示波长小于500纳米的光(短波长侧的光)的相对强度。在相对强度中，将最大值表示为100％。图9的虚线表示波长为500纳米以上的光(长波长侧的光)的相对强度。在相对强度中，将最大值表示为100％。

对图8和图9进行比较，在关于比较例1的图9中，短波长侧的光的强度与长波长侧的光的强度之差较大。尤其是，在θ为60度附近，两者之差较大。在两者之差增大时，会产生色差。例如，如图9所示，当长波长侧的强度在θ为60度附近较大的情况下，在θ为60度附近时，红色变强。

这样，与比较例1的光学元件相比，实施例1的光学元件能够抑制产生色差。

图10是针对实施例1的光学元件示出从图3中的点P0射出的光线的强度分布的图。点P0为光源200的发光面205与中心轴AX的交点。图10的横轴表示与中心轴AX所成的角度为θ的方向。图10的纵轴表示朝与中心轴AX所成的角度为θ的方向射出的光的强度的相对值。实线表示实施例1的强度分布，虚线表示比较例1的强度分布。在强度相对值中，以实施例1和比较例1的强度的最大值为100％来进行表示。

图11是针对实施例1的光学元件示出从图3中的点P1射出的光线的强度分布的图。点P1是从发光芯片201的边下垂到发光面205的垂线的脚。图11的横轴表示与中心轴AX所成的角度为θ的方向。图11的纵轴表示朝与中心轴AX所成的角度为θ的方向射出的光的强度的相对值。图11中的实线表示实施例1的强度分布，虚线表示比较例1的强度分布。在强度的相对值中，以实施例1和比较例1的强度的最大值为100％来进行表示。

图12是针对实施例1的光学元件，示出从图3中的点P2射出的光线的强度分布的图。点P2是荧光剂的周边的圆周上的点。图11的横轴表示与中心轴AX所成的角度为θ的方向。图12的纵轴表示朝与中心轴AX所成的角度为θ的方向射出的光的强度的相对值。图12中的实线表示实施例1的强度分布，虚线表示比较例1的强度分布。在强度相对值中，以实施例1和比较例1的强度的最大值为100％来进行表示。

在图10～图12中，对从P0～P2射出的光线进行比较，在各个情况下，与比较例1的光线相比，实施例1的光线分布到更大的范围。图8和图9中的作为对象的光是合成来自光源面上的各点的光线而得到的。因此，在从各种点射出的光线分布到更大范围的实施例1的情况下，不易受到光源面上的位置差导致的光的色差的影响。

实施例2

在本实施例中，P0与O2之间的距离T为

T＝5.513mm，

P0与O1之间的距离h为

h＝3.569mm。

在用z表示以O1为基准的、中心轴AX方向上的距离时，

在0≤z≤2.689mm的范围内，

入射面101的形状由下式表示。

[公式3]

z = \frac{{cr}^{2}}{1 + \sqrt{1 - (1 + k) c^{2} r^{2}}} + Σ_{i = 1}^{N} A_{i} r^{i} - - - (1)

c＝1/R

表4是示出表示实施例2的入射面的形状的式(1)的系数的数值的表。

[表4]

R	-0.9793
		k	-0.7528
A1	0.000
		A2	0.000
A3	0.000
		A4	0.000

从z＝2.689mm起到面105为止的入射面101的区域、即入射面的扩散区域的形状由以下的点群的三次样条曲线表示。三次样条曲线是指如下曲线：在通过所给的多个点的顺滑的曲线中，对被相邻的点夹着的各区间，使用在全部点处连续的独立的三次多项式。

表5是示出上述点群的表。

[表5]

z	r
		2.689	1.82
2.789	1.90
		2.889	1.90
2.989	1.90
		3.089	1.95
3.189	1.95
		3.289	1.95
3.389	2.00
		3.489	2.00
3.589	2.00

图13是示出实施例2的光学元件的入射面101的z与入射面101的法线和中心轴AX所成的角度φh之间的关系的图。图13的横轴表示z，纵轴表示φh。根据图13，在z为2.689mm以下的范围内，随着z增大，φh单调减少。在z超过2.689mm的范围内，随着z增大，φh反复地增大/减少。换言之，在z超过2.689mm的范围内，作为z的函数的φh具有极大值和极小值。

具体而言，在图13中，φh存在3个极大值和3个极小值。此外，忽略极小值附近的φh的偏差。相邻的极大值与极小值的φh之差为约30度。

[公式4]

z = \frac{{cr}^{2}}{1 + \sqrt{1 - (1 + k) c^{2} r^{2}}} + Σ_{i = 1}^{N} A_{i} r^{i} - - - (2)

c＝1/R

表6是示出表示实施例2的出射面的形状的式(2)的系数的数值的表。

[表6]

R	-1.000
		k	-8.9797
A1	0.000
		A2	-5.28E-02
A3	-4.04E-04
		A4	-6.21E-05
A5	0.000
		A6	1.72E-06
A7	0.000
		A8	-3.63E-08
A9	0.000
		A10	-1.42E-10

图14是示出实施例2的光学元件的θ_r与θ_i之间的关系的图。图14的横轴表示θ_r，纵轴表示θ_i。在θ_r为约55度以下的范围内，随着θ_r增大，θ_i单调增大。在θ_r超过约55度的范围内，随着θ_r增大，θ_i以反复地增大/减少的方式增大。换言之，在θ_r超过约55度的范围内，作为θ_r的函数的θ_i具有极大值和极小值。

具体而言，在图14中，在θ_r为约55度～90度的范围内，θ_i存在3个极大值和3个极小值。此外，忽略极大值附近的θ_i的值的偏差。相邻的极大值与极小值的θ_i之差为约15度。

图15是示出实施例2的光学元件的θ_r与θ_e之间的关系的图。图15的横轴表示θ_r，纵轴表示θ_e。在θ_r为约55度以下的范围内，随着θ_r增大，θ_e单调增大。在θ_r超过约55度的范围内，随着θ_r增大，θ_e以峰值与峰值之间最大约15度的幅度反复地增大/减少的方式增大。换言之，在θ_r超过约55度的范围内，作为θ_r的函数的θ_e具有极大值和极小值。

比较例2

在本比较例中，P0与O2之间的距离T为

T＝5.513mm，

P0与O1之间的距离h为

h＝3.569mm。

在用z表示以O1为基准的、中心轴AX方向上的距离时，入射面的形状由式(1)表示。此外，式(1)的系数的值是表4中的值。即，比较例2的入射面的形状在z为2.689mm以下的范围内与实施例1的入射面的形状相同，在z超过2.689mm的范围内，作为z的函数的φh不具有极大值和极小值，随着z增大，φh单调减少。换言之，比较例2的入射面在不具有入射面的扩散区域这点上与实施例2的入射面不同。

在用z表示以O2为基准的、中心轴AX方向上的距离时，出射面的中心轴AX附近的形状为来自光源的光线不在出射面发生全反射的形状，且由式(2)表示。此外，式(2)的系数的值是表6中的值。即，比较例2的出射面是与实施例2的出射面相同的形状。

实施例2与比较例2的性能比较

对将实施例2以及比较例2的光学元件组合到图1所示的光源中的情况下的光分布进行比较，由此对实施例2和比较例2的性能进行比较。

图16是示出将实施例2的光学元件组合到图1所示的光源中的情况下的光的强度分布的图。图16的横轴表示与中心轴AX所成的角度为θ的方向。图16的纵轴表示朝与中心轴AX所成的角度为θ的方向射出的光的强度的相对值。图16的实线表示波长小于500纳米的光(短波长侧的光)的相对强度。在相对强度中，将最大值表示为100％。图16的虚线表示波长为500纳米以上的光(长波长侧的光)的相对强度。在相对强度中，将最大值表示为100％。

图17是示出将比较例2的光学元件组合到图1所示的光源中的情况下的光的强度分布的图。图17的横轴表示与中心轴AX所成的角度为θ的方向。图17的纵轴表示朝与中心轴AX所成的角度为θ的方向射出的光的强度的相对值。图17的实线表示波长小于500纳米的光(短波长侧的光)的相对强度。在相对强度中，将最大值表示为100％。图17的虚线表示波长为500纳米以上的光(长波长侧的光)的相对强度。在相对强度中，将最大值表示为100％。

对图16和图17进行比较，在关于比较例2的图17中，短波长侧的光的强度与长波长侧的光的强度之差较大。尤其是，在θ为60度附近，两者之差较大。在两者之差增大时，会产生色差。例如，如图17所示，当长波长侧的强度在θ为60度附近较大的情况下，在θ为60度附近时，红色变强。

这样，与比较例2的光学元件相比，实施例2的光学元件能够抑制产生色差。

实施例3

在本实施例中，P0与O2之间的距离T为

T＝5.385mm，

P0与O1之间的距离h为

h＝3.829mm。

在用z表示以O1为基准的、中心轴AX方向上的距离时，

在0≤z≤1.322mm的范围内，

入射面101的形状由下式表示。

[公式5]

z = \frac{{cr}^{2}}{1 + \sqrt{1 - (1 + k) c^{2} r^{2}}} + Σ_{i = 1}^{N} A_{i} r^{i} - - - (1)

c＝1/R

表7是示出表示实施例3的入射面的形状的式(1)的系数的数值的表。

[表7]

R	-0.8668
		k	-0.7490
A1	0.000
		A2	0.000
A3	0.000
		A4	0.000

从z＝1.322mm起到面105为止的入射面101的区域、即入射面的扩散区域的形状由下式表示。

[公式6]

z = \frac{{cr}^{2}}{1 + \sqrt{1 - (1 + k) c^{2} r^{2}}} + Σ_{i = 1}^{N} A_{i} r^{i} + B \sin Kr - - - (3)

c＝1/R

此处，r为距中心轴AX的距离，c为曲率，R为曲率半径，k为圆锥曲线系数，A_i为非球面系数。此外，K为常数。K的单位为1/mm。

表8是示出表示实施例3的入射面的形状的式(3)的系数的数值的表。

[表8]

R	-0.8668
		k	-0.7490
A1	0.000
		A2	0.000
A3	0.000
		A4	0.000
B	0.050
		K	52.5

图18是示出实施例3的光学元件的入射面101的z与入射面101的法线和中心轴AX所成的角度φh之间的关系的图。图13的横轴表示z，纵轴表示φh。根据图18，在z为1.322mm以下的范围内，随着z增大，φh单调减少。在z超过1.322mm的范围内，随着z增大，φh反复地增大/减少。换言之，在z超过1.322mm的范围内，作为z的函数的φh具有极大值和极小值。

在图18中，具体而言，φh存在4个极大值和3个极小值。此外，忽略极小值附近的φh的偏差。相邻的极大值与极小值的φh之差为约30度。

[公式7]

z = \frac{{cr}^{2}}{1 + \sqrt{1 - (1 + k) c^{2} r^{2}}} + Σ_{i = 1}^{N} A_{i} r^{i} - - - (2)

c＝1/R

表9是示出表示实施例3的出射面的形状的式(2)的系数的数值的表。

[表9]

R	-0.6625
		k	-8.5998
A1	0.000
		A2	-5.35E-02
A3	-5.32E-04
		A4	-8.50E-04
A5	0.000
		A6	3.31E-06
A7	0.000
		A8	-3.94E-08
A9	0.000
		A10	-3.22E-10

图19是示出实施例3的光学元件的θ_r与θ_i之间的关系的图。图19的横轴表示θ_r，纵轴表示θ_i。在θ_r为约32度以下的范围内，随着θ_r增大，θ_i单调增大。在θ_r超过约32度的范围内，随着θ_r增大，θ_i以反复地增大/减少的方式增大。换言之，在θ_r超过约32度的范围内，作为θ_r的函数的θ_i具有极大值和极小值。

具体而言，在图19中，在θ_r为约32度～90度的范围内，θ_i存在3个极大值和4个极小值。此外，忽略极大值附近的θ_i的值的偏差。相邻的极大值与极小值的θ_i之差为15度～20度。

图20是示出实施例3的光学元件的θ_r与θ_e之间的关系的图。图20的横轴表示θ_r，纵轴表示θ_e。在θ_r为约32度以下的范围内，随着θ_r增大，θ_e单调增大。在θ_r超过约32度的范围内，随着θ_r增大，θ_e以峰值与峰值之间最大约15度的幅度反复地增大/减少的方式增大。换言之，在θ_r超过约32度的范围内，作为θ_r的函数的θ_e具有极大值和极小值。

比较例3

在本比较例中，P0与O2之间的距离T为

T＝5.385mm，

P0与O1之间的距离h为

h＝3.829mm。

在用z表示以O1为基准的、中心轴AX方向上的距离时，入射面的形状由式(1)表示。此外，系数的值是表7中的值。即，比较例3的入射面的形状在z为1.322mm以下的范围内与实施例3的入射面的形状相同，在z超过1.322mm的范围内，作为z的函数的φh不具有极大值和极小值，随着z增大，φh单调减少。换言之，比较例3的光学元件的入射面在不具有入射面的扩散区域这点上与实施例3的入射面不同。

在用z表示以O2为基准的、中心轴AX方向上的距离时，出射面的中心轴AX附近的形状为来自光源的光线不在出射面发生全反射的形状，且由式(2)表示。此外，系数的值为表9中的值。即，比较例3的出射面与实施例3的出射面为相同的形状。

实施例3与比较例3的性能比较

对将实施例3以及比较例3的光学元件组合到图1所示的光源中的情况下的光分布进行比较，由此，对实施例2和比较例2的性能进行比较。

图21是示出将实施例3的光学元件组合到图1所示的光源中的情况下的光的强度分布的图。图21的横轴表示与中心轴AX所成的角度为θ的方向。图21的纵轴表示朝与中心轴AX所成的角度为θ的方向射出的光的强度的相对值。图21的实线表示波长小于500纳米的光(短波长侧的光)的相对强度。在相对强度中，将最大值表示为100％。图21的虚线表示波长为500纳米以上的光(长波长侧的光)的相对强度。在相对强度中，将最大值表示为100％。

图22是示出将比较例3的光学元件组合到图1所示的光源中的情况下的光的强度分布的图。图22的横轴表示与中心轴AX所成的角度为θ的方向。图22的纵轴表示朝与中心轴AX所成的角度为θ的方向射出的光的强度的相对值。图22的实线表示波长小于500纳米的光(短波长侧的光)的相对强度。在相对强度中，将最大值表示为100％。图22的虚线表示波长为500纳米以上的光(长波长侧的光)的相对强度。在相对强度中，将最大值表示为100％。

对图21和图22进行比较，在关于比较例3的图22中，短波长侧的光的强度与长波长侧的光的强度之差较大。尤其是，在θ为65度附近时，两者之差较大。在两者之差较大时，会产生色差。例如，如图22所示，当长波长侧的强度在θ为65度附近较大的情况下，在θ为65度附近时，红色变强。

这样，与比较例3的光学元件相比，实施例3的光学元件能够抑制产生色差。

其它优选实施方式

本发明的光学元件优先使用模具，利用注塑成型进行制造。在该情况下，向模具中注入树脂(塑胶)的树脂浇口的位置给产品带来影响。

图23是示出将树脂浇口1031配置在光学元件的出射面103的中心的情况的图。图23(a)是示出配置有树脂浇口1031的状态的图。图23(b)是示出通过如图23(a)那样配置的树脂浇口1031而制造出的光学元件的形状的图。优选的是，树脂浇口痕1033为散射面，使中心附近的强光扩散，尤其是，在位于靠近被照射面的位置时，促进光源的中心部的强光线的扩散。

图24是示出在光学元件的出射面103的中心设置有圆锥台形状1035，并将树脂浇口1037配置在该圆锥台形状1035上的情况的图。图24(a)是示出配置有树脂浇口1037的状态的图。图24(b)是示出通过如图24(a)那样配置的树脂浇口1037而制造出的光学元件的形状的图。优选的是，圆锥台形状1035使中心附近的强光扩散，并且，树脂浇口痕为散射面，使中心附近的强光扩散，尤其是，在位于靠近被照射面的位置时，促进光源的中心部的强光线的扩散。

图25是示出在光学元件的底面105上配置有1个树脂浇口1051的情况的图。根据本实施方式，树脂浇口痕不对光学面带来影响。

图26是示出在光学元件的底面105上配置有2个树脂浇口1051A以及1051B的情况的图。根据本实施方式，树脂浇口痕不对光学面带来影响。

优选的是，在光学元件的出射面的一部分或底面上具有用于扩散光的扩散结构或扩散材料。扩散结构是从表面上去掉从表面起直径小于1mm的球面或非球面形状后的面、在表面上加上从表面起直径小于1mm的球面或非球面形状后的面、从表面上去掉从表面起直径小于1mm的圆锥、三角锥、四棱锥后的面、在表面上加上从表面起直径小于1mm的圆锥、三角锥、四棱锥后的面、通过粗糙化形成的褶皱面、以微透镜阵列等为代表的微小的曲面、棱镜等折射结构或棱镜等全反射结构等。扩散材料为丙烯树脂粉末、聚苯乙烯粒子、硅粉末、银粉末、氧化钛粉末、铝粉末、白炭黑、氧化镁、氧化锌等的散射材料。

图27是示出在出射面的周边部分具有扩散结构或扩散材料1039的光学元件的结构的图。图27中的表现为圆形的部分表示扩散结构或扩散材料。根据本实施方式的光学元件，使从出射面的周边部分射出的光进一步扩散。

图28是示出在底面具有扩散结构或扩散材料1053的光学元件的结构的图。根据本实施方式的光学元件，能够防止经由光学元件的底面到达被照射面的光线在被照射面上生成亮度不均。此处，作为经由光学元件的底面到达被照射面的光线，认为有在光学元件内全反射的光线、从被照射面反射的光线、来自相邻的光学元件的光线等。

此外，作为入射面的扩散区域的结构，可以替代上述的光学面的形状，而具有上述扩散结构或扩散材料。

光学元件的入射面和出射面的形状不限于关于轴AX旋转对称的形状。例如，也可以是将轴AX的周围分割成多个角度区间，在各个角度区间内设为不同的形状。关于角度区间，可以是90度的4个角度区间以及60度的6个角度区间等的等间隔区间，也可以不是这样。

此外，可以仅针对一部分的角度区间，在入射面中设置扩散区域。

根据上述实施方式，能够针对与轴AX的周围的角度区间对应的每个方向实现不同的光分布。例如，尤其是，能够针对轴AX的周围的特定的方向，减小色差。

Claims

1.一种光学元件，其具有覆盖配置在平面上的光源的入射面和覆盖该入射面的出射面，且构成为来自该光源的光在通过该入射面和该出射面之后照射到外部，其中，

该入射面构成为：设通过该光源的中心且与该平面垂直的轴为光轴，该入射面具有相对于周边而在该光轴附近凹陷的形状，设该光轴与该入射面的交点为O1，在该光学元件的包含该光轴且与该平面垂直的任意截面中，设该入射面上的点P处的该入射面的法线相对于该光轴的角度为φh、该入射面上的点P在该光轴方向上离点O1的距离为z，在使点P沿着该入射面从点O1移动到该平面上时，φh相对于z具有至少一个极大值和至少一个极小值。

2.根据权利要求1所述的光学元件，其中，

该入射面为关于该光轴旋转对称的形状。

3.根据权利要求1所述的光学元件，其中，

该入射面构成为：将该光轴的周围分割成多个角度区间，该入射面在各个角度区间中具有不同的形状。

4.根据权利要求3所述的光学元件，其中，

该入射面构成为：仅在该多个角度区间的一部分的角度区间中，在使点P沿着该入射面从点O1移动到该平面上时，φh相对于z具有至少一个极大值和至少一个极小值。

5.根据权利要求1～4中的任意一项所述的光学元件，其中，

该入射面构成为：设该光轴与该平面的交点为P0，设连接点P0和该入射面上的点P的直线与该光轴所成的角度为θr，

在30°＜θr＜90°的范围内，φh相对于z具有至少一个极大值和至少一个极小值。

6.根据权利要求1～5中的任意一项所述的光学元件，其中，

存在φh之差为10度以上的相邻的极大值和极小值。

7.根据权利要求6所述的光学元件，其中，

存在φh之差为20度以上的相邻的极大值和极小值。

8.一种光学元件，其具有覆盖被设置在平面上的光源的入射面和覆盖该入射面的出射面，且构成为来自该光源的光在通过该入射面和该出射面之后照射到外部，其中，

所述光学元件的入射面构成为：设通过该光源的中心且与该平面垂直的轴为光轴，该入射面具有相对于周边而在该光轴附近凹陷的形状，设该光轴与该入射面的交点为O1，设该光轴与该平面的交点为P0，在该光学元件的包含该光轴且与该平面垂直的任意截面中，设连接点P0和该入射面上的点P的直线与该光轴所成的角度为θr，设从点P0朝点P行进的光在光学元件内的行进方向与该光轴所成的角度为θi，在使点P沿着该入射面从点O1移动到该平面上时，θi相对于θr具有至少一个极大值和至少一个极小值。

9.根据权利要求8所述的光学元件，其中，

该入射面为关于该光轴旋转对称的形状。

10.根据权利要求8所述的光学元件，其中，

11.根据权利要求10所述的光学元件，其中，

12.根据权利要求8～11中的任意一项所述的光学元件，其中，

该入射面构成为：在30°＜θr＜90°的范围内，θi相对于θr具有至少一个极大值和至少一个极小值。

13.根据权利要求8～12中的任意一项所述的光学元件，其中，

存在θr之差为5度以上的相邻的极大值和极小值。

14.根据权利要求13所述的光学元件，其中，

存在θr之差为10度以上的相邻的极大值和极小值。

15.一种照明单元，其具有光源和权利要求1～14中的任意一项所述的光学元件。