CN109247025B - 光学元件及光学系统装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供一种制作容易且无浪费地将光导向前方的光学元件及使用该光学元件的光学系统装置。具有使基准平面形状(1)旋转而得到的旋转体或使基准平面形状(1)平行移动而得到的平行移动体的至少一部分的光学元件(10)中，基准平面形状(1)包括：用于使来自规定位置(9)的光入射的入射部(2)；将通过入射部(2)被直接照射的光反射的出射部(3)；以及将由出射部(3)反射的光向出射部(3)反射的第一反射部(4)。此外，基准平面形状(1)也可以具有将通过入射部(2)被直接照射的光向出射部(3)反射的第二反射部。光学系统装置将光源配置在规定位置(9)。

Description

光学元件及光学系统装置
技术领域
本发明涉及一种光学元件及使用该光学元件的光学系统装置。
背景技术
近年来，使用LED作为照明用光源。与此对应，无浪费地将光导向前方的光学系统装置的开发也在推进。例如，提出了一种具有折射透镜部和多个反射体部的光学装置(例如专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平5-281402
发明内容
但是，前述的光学装置中，凹凸结构多，结构复杂，制作困难。
因此，本发明的目的在于提供一种制作容易且无浪费地将光导向前方的光学元件及使用该光学元件的光学系统装置。
本发明的光学元件，其具有使基准平面形状旋转而得到的旋转体或使基准平面形状平行移动而得到的平行移动体的至少一部分，上述光学元件的特征在于：上述基准平面形状包括：用于使来自规定位置的光入射的入射部；将通过上述入射部被直接照射的光反射的出射部；以及将由上述出射部反射的光向上述出射部反射的第一反射部。
在这种情况下，上述入射部优选是以上述规定位置为中心的圆弧。此外，在这种情况下，上述出射部优选是以上述规定位置为焦点的抛物线。
此外，上述第一反射部为以使上述出射部处的折射方向成为连接上述规定位置和上述出射部的最短直线的方向的方式将光反射的形状。
此外，上述第一反射部也能够为以使上述出射部处的折射方向成为在规定的聚光位置进行聚光的方向的方式将光反射的形状。
此外，上述第一反射部优选为使通过上述入射部且由上述出射部反射的光全反射的形状，上述第一反射部也能够是利用金属反射的反射部。
此外，上述基准平面形状也可以具有使通过上述入射部被直接照射的光向上述出射部反射的第二反射部。
此外，上述第二反射部能够为以使上述出射部处的折射方向成为连接上述规定位置和上述出射部的最短直线的方向的方式将光反射的形状。
此外，上述第二反射部也能够为以使上述出射部处的折射方向成为在规定的聚光位置进行聚光的方向的方式将光反射的形状。
此外，上述第二反射部优选为使通过上述入射部的光全反射的形状，上述第二反射部也能够是利用金属反射的反射部。
此外，上述基准平面形状在上述第一反射部与上述第二反射部之间具有连接部，在由该连接部形成的面的至少一部分具有用于将该光学元件固定于任意场所的接合部。
此外，也可以在由上述入射部形成的面和由上述出射部形成的面中的任一方或两方形成有防反射膜。
此外，本发明的光学系统装置具备上述的本发明的光学元件和配置在上述规定位置的光源。
在这种情况下，上述光源也可以埋设在上述入射部中。
此外，在上述入射部为以上述规定位置为中心的圆弧的情况下，该圆弧的半径优选为上述光源的最大半径的4倍以上。
此外，也可以在上述光源的与上述光学元件相向的一侧配置有镜子。在这种情况下，优选的是，该镜子呈使从上述光源入射的光沿着入射方向反射的球面形状。
发明效果
本发明是在光学元件中凹凸较少的结构，因此通过注塑成形等就能够容易地制作。
附图说明
图1是表示本发明的光学元件涉及的基准平面形状的图。
图2是表示本发明的光学元件(旋转体)的立体图。
图3是表示本发明的光学元件(旋转体)的(a)侧视图及(b)俯视图。
图4是表示本发明的光学元件(平行移动体)的立体图。
图5是表示本发明的另一光学元件(平行移动体)的立体图。
图6是表示本发明的光学元件(平行移动体)的(a)侧视图及(b)俯视图。
图7是表示本发明的另一光学元件涉及的基准平面形状的图。
图8是用于说明本发明的聚光型光学系统装置的侧视图。
图9用于说明本发明的光学系统装置的侧视图。
图10是用于说明本发明的另一光学系统装置的侧视图。
图11是表示本发明的另一光学元件涉及的基准平面形状的图。
图12是表示本发明的另一光学元件(旋转体)的(a)侧视图及(b)俯视图。
图13是表示本发明的另一光学元件(平行移动体)的(a)侧视图及(b)俯视图。
图14是表示本发明的聚光型光学元件涉及的基准平面形状的图。
图15是表示本发明的光学系统装置的照度分布的图。
图16是表示本发明的另一光学系统装置的照度分布的图。
图17是表示本发明的又一光学系统装置的照度分布的图。
附图标记说明
1 基准平面形状
1A 基准平面形状
2 入射部
3 出射部
4 第一反射部
5 第二反射部
6 连接部
8 光源
9 规定位置
10 光学元件
42 第一反射部
52 第二反射部
95 聚光位置
100 光学系统装置
100A 光学系统装置
200 光学系统装置
具体实施方式
以下，对本发明的光学元件进行说明。
本发明的光学元件10是使成为基准的平面形状(以下称为基准平面形状1，参照图1)旋转而得到的旋转体(参照图2、图3)或平行移动而得到的平行移动体(参照图4～图6)，用于控制入射的光。这里，该光学元件10只要具有基准平面形状1的旋转体或平行移动体的至少一部分即可。例如，在通过注塑成形来形成光学元件10的情况下，因需要作为树脂注入口的浇口而在完成品中产生截断浇口的切削面，即使有这样的切削面也包含在本发明的光学元件10中。
该光学元件10的材质只要对于想要控制的光是透明的即可，可以是任意材质，例如能够使用透明的电介质。具体而言，玻璃等无机物或环烯烃聚合物(Cycloolefinpolymer)(COP)等树脂等是适合的。
如图1所示，基准平面形状1包括：用于至少使来自规定位置9的光入射的入射部2、将通过入射部2被直接照射的光反射的出射部3、以及将由出射部反射的光向出射部反射的第一反射部4。另外，在图1中，为了便于说明，将规定位置9设为原点O，将相对于原点O的纸面右方向设为x轴、相对于原点O的上方向设为y轴、纵深方向设为z轴。
入射部2只要能够使来自规定位置9的光入射即可，可以是任意形状，最好是尽可能不反射来自规定位置9的光的形状。因此，入射部2的形状优选以规定位置9为中心的圆弧。由此，来自规定位置9的光垂直地入射到入射部2，因此能够最大程度抑制反射。
此外，在将入射部2设为圆弧的情况下，该圆弧的半径越大，配置在规定位置9的光源越能够近似为点光源，误差会越小，故优选。具体而言，圆弧的半径为配置在规定位置9的光源的最大半径(光源外形中距离规定位置9最远的位置的大小)的4倍以上，优选为10倍以上，更优选为100倍以上。此外，出射角较大的光的光路长度较短，因此误差较大。因此，也可以如图7所示那样，以光的出射角越大而接收该光的入射部2的圆弧越大的方式，使入射部2由半径不同的多个圆弧构成。
出射部3是从规定位置9入射光学元件10的光最终进行出射的部分，形成为将通过入射部2被直接照射的光反射的形状。该出射部3的形状只要满足上述条件即可，可以是任意形状，例如在入射部2是以规定位置9为中心的圆弧的情况下，能够设为以规定位置9为焦点的抛物线。由此，具有如下优点：从规定位置9入射的光全部直行通过入射部2之后，在出射部3全部沿着x轴方向反射，因此容易进行光路计算。另外，为了控制出射的全部的光的方向，出射部3优选使通过入射部2被直接照射的光全反射的形状。
第一反射部4只要是将从出射部3被反射的光向出射部3反射的形状即可，可以是任意形状，优选如下形状：可形成进行反射的光在出射部3会沿着规定方向折射的角度。例如，第一反射部4能够采用如下形状：以使出射部3处的折射方向成为连接规定位置9和出射部3的最短直线(图1中的直线OF)的方向即y轴方向的方式将光反射。此外，如图2所示，第一反射部4还能够采用如下形状：以使出射部3处的折射方向成为可在规定的聚光位置95会聚的方向的方式将光反射。
第一反射部4也可以是利用金属反射的反射部，但是因光能的吸收而产生损失。因此，反射部4优选是使从出射部3被反射的光全反射的反射部。只要是使从出射部3被反射的光的入射角成为临界角以上这样的第一反射部4，就能够利用全反射。例如，如果使构成光学元件10的透明电介质为环烯烃聚合物(COP)，则折射率为1.41，因此临界角为大致45度。
此外，在与连接出射部3的最外部和规定位置9(光源位置)的直线相比光源的出射角较大的情况下，基准平面形状1也可以还具有第二反射部5。
第二反射部5只要是使通过入射部2的来自规定位置9的光向出射部3反射的形状即可，可以是任意形状，优选如下形状：可形成进行反射的光在出射部3会沿着规定方向折射的角度。例如，第二反射部5能够设为如下形状：以使出射部3处的折射方向成为连接规定位置9和出射部3的最短直线(图1中的直线OF)的方向即y轴方向的方式将光反射。此外，如图8所示，第二反射部5也能够设为如下形状：以使出射部3处的折射方向成为可在规定的聚光位置95会聚的方向的方式将光反射。
此外，在图1所示的基准平面形状1中，第一反射部4与第二反射部5之间的连接部6优选不妨碍光学元件10内的光路的形状。在这种情况下，由该连接部6形成的面也可以在至少一部分具有用于将该光学元件10固定于任意场所的接合部。接合部能够用于通过粘接剂等进行的化学接合、或者如螺钉等那样的物理接合。这样形成的接合部具有不对本发明的光学元件10的光路产生影响从而不会使光浪费的优点。
另外，由上述的入射部构成的面及由出射部构成的面中的任一方或两方也可以形成有公知的防反射膜。
此外，如图9所示，本发明的光学系统装置100包括上述的本发明的光学元件10、以及配置在该光学元件10的规定位置9的光源8。
作为光源，只要产生光即可，可以是任意光源，能够适用光呈放射状扩展的点光源或线光源。具体而言，例如LED或白炽灯泡、日光灯等是适合的。
此外，在使入射部2为圆弧的情况下，圆弧的半径越大，配置在规定位置9的光源8越近似点光源，误差会越小，故优选。具体而言，圆弧的半径为配置在规定位置9的光源8的最大半径(光源外形中距离规定位置9最远的位置的大小)的4倍以上，优选为10倍以上，更优选为100倍以上。
此外，如图10所示，也可以将光源8埋设在上述的本发明的光学元件10的规定位置9来作为光学系统装置200。此时，如果使用于进行埋设的材料为折射率与构成光学元件10的材料或构成光源8的表面的材料相近的材料，则能够防止或抑制入射部2处的光的反射(参照图11)。具体而言，用于进行埋设的材料与构成光学元件10的材料或构成光源8的表面的材料的折射率差为10％以内，优选为相同材料。
另外，用于光学系统装置200的光学元件10的入射部2也可以采用容易埋设光源8的形状。例如，如图12、图13所示那样使入射部2采用与光源8形状相同的凹部即可。
此外，光学系统装置100、200也可以在光源8的与光学元件10相向的一侧配置有镜子。在这种情况下，优选该镜子呈使从光源8入射的光沿着入射方向反射的球面形状。由此，向光源8的没有光学元件10的一侧出射的光也能够有效利用。
接着，对本发明的光学元件10的实施例进行说明。本发明的光学元件10能够(1)如图2、图3所示那样作为使基准平面形状1以通过规定位置的直线为中心线旋转而得到的旋转体来形成，或者(2)如图4～图6所示那样作为使基准平面形状1沿着该基准平面形状1的法线方向平行移动而得到的形体来形成。反言之，在(1)的旋转体中，包含中心线的截面与基准平面形状1为相同形状。此外，在(2)的平行移动体中，基于与平行移动的方向垂直的平面而产生的截面与基准平面形状1为相同形状。
首先，作为第1实施例，对使从规定位置入射的光沿着y轴方向作为平行光出射的光学元件10的基准平面形状1进行说明。该基准平面形状1包括入射部2、出射部3、第一反射部4、第二反射部5和连接部6。该基准平面形状1的作成方法如下所述。
首先，作为入射部2，作成中心为O且以直线OA为半径r的圆弧。该圆弧由下述式表示。
(数1)
x2+y2＝r2
接着，作为出射部3，作成以点O为焦点的抛物线EF。最外部E根据用途自由设计即可。当设该抛物线的顶点与焦点的距离(焦点距离)为f时，抛物线由下述式表示。
(数2)
Figure BDA0001886468390000061
接着，作为第二反射部5，作成曲线BC。曲线BC的形状以使在曲线BC上的任意点反射的光在出射部5沿着y轴方向折射的方式设计即可。具体而言，曲线BC上的任意点处的反射方向能够基于在该点处的切线入射角与反射角相同这一情况来计算。因此，以该反射光因抛物线EF上的折射而朝向与y轴平行的位置的方式设计即可。该计算能够使用牛顿-拉夫逊法等解析法。此外，该计算能够使用计算机进行。
接着，将第一反射部4作为曲线DE来作成。形状的生成方向设为从E到D。曲线DE的形状以使在曲线DE上的任意点反射的光在出射部沿着y轴方向折射的方式设计即可。具体而言，曲线DE上的任意点处的反射方向能够基于在该点处的切线入射角与反射角相同这一情况来计算。因此，以使该反射光因抛物线EF上的折射而朝向与y轴平行的位置的方式设计即可。该计算能够使用牛顿-拉夫逊法等解析法。此外，该计算能够使用计算机进行。
最后，将连接部6作为CD来作成。CD部只要不妨碍光路，就可以是任意形状，在实施例1(图1)中，设为与x轴方向平行的直线。
关于实施例1的光学元件10，只要使这样作成的基准平面形状1以y轴为中心线旋转，就成为图2那样的旋转体。
此外，关于本发明的光学元件，只要使该基准平面形状1沿着z轴方向平行移动，就也能够成为图4那样的平行移动体。在这种情况下，该光学元件10优选为如图5、图6所示那样基准平面形状1相对于y轴呈镜面对称。
此外，作为第2实施例，对如图8所示那样使从规定位置9入射的光以在规定的聚光位置95进行聚光的方式出射的光学元件10的基准平面形状1A进行说明。如图14所示，该基准平面形状1A包括入射部2、出射部3、第一反射部42、第二反射部52和连接部6。该基准平面形状1A的作成方法如下所述。
首先，与第1实施例同样，作为入射部2，作成中心为O且以直线OA为半径r的圆弧。该圆弧由下述式表示。
(数3)
x2+y2＝r2
接着，作为出射部3，作成以点O为焦点的抛物线EF。最外部E根据用途自由设计即可。当设该抛物线的顶点与焦点的距离(焦点距离)为f时，抛物线由下述式表示。
(数4)
Figure BDA0001886468390000071
接着，作为第二反射部52，作成曲线BC。曲线BC的形状以使在曲线BC上的任意点反射的光在出射部3朝向规定的聚光位置95的方向折射的方式设计即可。具体而言，曲线BC上的任意点处的反射方向能够基于在该点处的切线入射角与反射角相同这一情况来计算。因此，以使该反射光因抛物线EF上的折射而朝向规定的聚光位置95的方式设计即可。该计算能够使用牛顿-拉夫逊法等解析法。此外，该计算能够使用计算机来进行。
接着，将第一反射部42作为曲线DE作成。形状的生成方向设为从E至D。曲线DE的形状以使在曲线DE上的任意点反射的光在出射部3朝向规定的聚光位置95的方向折射的方式设计即可。具体而言，曲线DE上的任意点处的反射方向能够基于在该点处的切线入射角与反射角相同这一情况来计算。因此，该反射光以因抛物线EF上的折射而朝向规定的聚光位置95的方式设计即可。该计算能够使用牛顿-拉夫逊法等解析法。此外，该计算能够使用计算机来进行。
最后，将连接部6作为CD作成。CD部只要不妨碍光路即可，可以是任意形状，在实施例2(图14)中，设为与x轴方向平行的直线。
关于实施例2的光学元件10A，只要将这样作成的基准平面形状1以y轴为中心线旋转，就成为图8所示那样的旋转体。
此外，关于本发明的光学元件，只要使该基准平面形状1沿着z轴方向平行移动，就也能够成为平行移动体。在这种情况下，该光学元件10优选为基准平面形状1相对于y轴呈镜面对称。
接着，使用仿真对使用本发明的光学系统装置来控制光的情况下的照度分布进行了确认。仿真使用光学仿真软件Light Tools(Synopsys公司制)。
◎仿真1
首先，对使用图9所示的光学系统装置100来控制光的情况下的照度分布进行了仿真。这里，作为光学元件10使用如下元件：该元件是如图2、图3所示那样使图1所示的基准平面形状1旋转而得到的旋转体，并且使从规定位置9入射的光沿着y轴方向作为平行光出射。从该光学元件10的规定位置9到入射部2的距离(半径OB)设为2.67mm。此外，光学元件10的厚度(x轴与点E的距离)设为11.2mm。光学元件10的半径(y轴与点E的距离)设为12.9mm。此外，假设配置在规定位置9的光源8是辐射功率1W的、出射朗伯光分布的光的、直径为0.01mm的光源。关于照度分布，计算与出射部3相隔50mm的场所的照度分布。图15示出该仿真结果。从图15可知，照度分布为与光学元件10的半径相同的程度，将光作为平行光取出。
◎仿真2
接着，对使用图8所示的光学系统装置控制光的情况下的照度分布进行了仿真。这里，作为光学元件10A使用如下元件：该元件是如图8所示那样使图14所示的基准平面形状1A旋转而得到的旋转体，并且使从规定位置9入射的光在规定的聚光位置95进行聚光。从该光学元件10的规定位置9到入射部2的距离(半径OB)设为7mm。此外，光学元件10的厚度(x轴与点E的距离)设为30mm。光学元件10的半径(y轴与点E的距离)设为34mm。此外，假设配置在规定位置9的光源8是辐射功率1W的、出射朗伯光分布的光的、直径为0.01mm的光源。关于照度分布，计算与出射部3相隔500mm的场所的照度分布。图16示出该仿真结果。从图16可知光良好地进行聚光。
◎仿真3
接着，对使用图10所示的光学系统装置200控制光的情况下的照度分布进行了仿真。这里，作为光学元件10使用如下元件：该元件是如图12所示那样使图11所示的基准平面形状1旋转而得到的旋转体，并且使从规定位置9入射的光沿着y轴方向作为平行光出射。光学元件10的厚度(x轴与点E的距离)设为11.2mm。光学元件10的半径(y轴与点E的距离)设为12.9mm。此外，假设配置在规定位置9的光源8是通过埋设而没有菲涅尔反射的、辐射功率1W的、出射各向同性光分布的、光的直径为0.01mm的光源。关于照度分布，计算与出射部3相隔50mm的场所的照度分布。图17示出该仿真结果。从图17可知照度分布为与光学元件10的半径相同的程度，将光作为平行光取出。此外可知，由于入射部2不再有菲涅尔反射，所以与不进行埋设的情况(仿真1)相比光利用效率提高大致2％。

Claims (14)

1.一种光学元件，其具有使基准平面以通过规定位置的中心线为中心进行旋转而得到的旋转体的至少一部分，所述光学元件的特征在于：
所述基准平面形状包括：
用于使来自规定位置的光入射的入射部，所述入射部是以所述规定位置为中心的圆弧；
将通过所述入射部被直接照射的光反射的出射部，所述出射部是以所述规定位置为焦点的抛物线；以及
将由所述出射部反射的光以使所述出射部的出射方向成为与所述中心线平行的方式向所述出射部反射的第一反射部。
2.根据权利要求1所述的光学元件，其特征在于：
所述第一反射部为使通过所述入射部且由所述出射部反射的光全反射的形状。
3.根据权利要求1所述的光学元件，其特征在于：
所述第一反射部是利用金属反射的反射部。
4.根据权利要求1所述的光学元件，其特征在于：
所述基准平面形状具有使通过所述入射部被直接照射的光向所述出射部反射的第二反射部。
5.根据权利要求4所述的光学元件，其特征在于：
所述第二反射部为以使所述出射部处的出射方向成为与所述中心线的方向平行的方式将光反射的形状。
6.根据权利要求4所述的光学元件，其特征在于：
所述第二反射部为使通过所述入射部的光全反射的形状。
7.根据权利要求4所述的光学元件，其特征在于：
所述第二反射部处的反射是利用金属反射的反射。
8.根据权利要求4所述的光学元件，其特征在于：
所述基准平面形状在所述第一反射部与所述第二反射部之间具有连接部，在由该连接部形成的面的至少一部分具有用于将该光学元件固定于任意场所的接合部。
9.根据权利要求1所述的光学元件，其特征在于：
在由所述入射部形成的面和由所述出射部形成的面中的任一方或两方形成有防反射膜。
10.一种光学系统装置，其特征在于，具备：
权利要求1所述的光学元件；以及
配置在所述规定位置的光源。
11.根据权利要求10所述的光学系统装置，其特征在于：
所述光源埋设在所述入射部中。
12.一种光学系统装置，其特征在于，具备：
权利要求1所述的光学元件；以及
配置在所述规定位置的光源，
所述圆弧的半径是所述光源的最大半径的4倍以上。
13.根据权利要求10所述的光学系统装置，其特征在于：
在所述光源的与所述光学元件相向的一侧配置有镜子。
14.根据权利要求13所述的光学系统装置，其特征在于：
所述镜子呈使从所述光源入射的光沿着入射方向反射的球面形状。
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