CN109247028A

CN109247028A - 光学元件及光学系统装置

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Publication number: CN109247028A
Application number: CN201780033662.0A
Authority: CN
Inventors: 绳田晃史; 粟屋信义; 田中觉
Original assignee: Scivax Corp
Current assignee: Scivax Corp
Priority date: 2017-05-11
Filing date: 2017-07-21
Publication date: 2019-01-18
Also published as: WO2018207380A1; WO2018207765A1; EP3623852A1; US20200063944A1; EP3623852A4; TW201901214A; KR20200007631A; JPWO2018207380A1

Abstract

本发明提供一种制作容易且能够无浪费地将光导向前方较大范围的光学元件及使用该光学元件的光学系统装置。控制从规定位置(30)入射的光的配光进行出射的光学元件，其具备反射利用部，该反射利用部包括：多个凸结构(15)，该凸结构(15)包括能够使来自规定位置(30)的光透过的入射面(11)和使透过该入射面(11)的光沿着规定方向反射的反射面(12)；以及出射面(19)，其使由反射面(12)反射的光沿着规定的配光方向出射。

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，提出了一种由多个透镜组合而成的光学透镜组件，所述透镜包括：光入射的输入面、使光出射的输出面、以及在输入面与输出面之间延伸并将从输入面入射的光向输出面侧反射的侧面(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2015-529849

发明内容

但是，上述的光学透镜组件存在因作为构件的各透镜是分离的而需要进行装配的问题。此外，还存在可装配的透镜的数量或可制作的各透镜的大小具有限度的问题。

因此，本发明的目的在于提供一种制作容易且能够无浪费地将光导向前方较大范围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，其具有相向的第一面及第二面，其特征在于：所述第一面配置有多个凸结构，该凸结构具有入射面和反射面，所述入射面采用能够将从规定位置入射的光引导至所述反射面的形状，所述反射面使透过所述入射面的光反射到所述第二面。

在这种情况下，所述凸结构呈圆状，各凸结构作为同心圆配置或者形成为直线状，各凸结构彼此能够以平行地配置的方式形成。

优选的是，在所述凸结构呈圆形并且各凸结构作为同心圆配置的情况下，所述入射面的、通过所述同心圆的中心且与该同心圆垂直的截面是以所述规定位置为中心的圆弧。此外，优选，所述反射面的所述截面是以所述规定位置为焦点的抛物线。

此外，也可以是，在所述同心圆的中心部分配置有折射透镜。

此外，优选的是，在所述凸结构形成为直线状且各凸结构彼此平行地配置的情况下，所述入射面的与所述凸结构的直线方向垂直的截面是以通过所述规定位置且与所述直线方向平行的基准线和所述截面的交点为中心的圆弧。此外，优选所述反射面的所述截面是以所述交点为焦点的抛物线。

此外，优选的是，所述凸结构相对于包含通过所述规定位置且与该凸结构的直线方向平行的基准线的、与所述凸结构的直线方向平行的平面呈镜面对称地配置。

此外，也可以是，在所述平面配置有镜面对称的直线状的折射透镜。

此外，优选的是，所述反射面使透过所述入射面的光全反射到所述第二面。

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、以及配置在所述规定位置的光源。

此外，本发明的另一光学系统装置具备上述的本发明的光学元件、以及配置在比所述规定位置更靠近光学元件的位置的光源。

此外，本发明的另一光学系统装置具备上述的本发明的光学元件、以及配置在比所述规定位置更远离光学元件的位置的光源。

发明效果

根据本发明，光学元件是使多个凸结构形成为一体的构造，能够通过注塑成形等容易地制作。此外，由于不需要装配，所以具有凸结构的数量或大小的自由度较大的效果。

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的第一面侧的俯视图。

图3是表示本发明的光学元件的立体图。

图4是表示本发明的另一光学元件的立体图。

图5是用于说明本发明的光学元件涉及的凸结构的截面的说明图。

图6是表示本发明的光学元件的光的路径的图。

图7用于说明本发明的光学元件的凸结构的决定方法的说明图。

图8是表示本发明的另一光学元件的第一面侧的俯视图。

图9是表示本发明的另一光学元件的立体图。

图10用于说明本发明的光学元件涉及的凸结构的截面的说明图。

图11用于说明本发明的另一光学元件涉及的凸结构的截面的说明图。

图12是表示本发明的另一光学元件涉及的基准平面形状的图。

附图标记说明

10 第一面

11 入射面

11A 入射面

11B 入射面

12 反射面

12A 反射面

15 凸结构

15A 凸结构

15B 凸结构

20 第二面

30 规定位置

31 光

50 折射透镜

51 切线

52 法线

110 圆

120 抛物线

130 曲线

C 同心圆

P 中心

具体实施方式

以下，对本发明的光学元件进行说明。

本发明的光学元件是控制从规定位置入射的光的配光来进行出射的元件，至少具备反射利用部。此外，如图1所示，该光学元件具有相向的第一面10及第二面20，例如采用板状的透明电介质构成。

在第一面10侧配置有多个凸结构15，该凸结构15具有能够使来自规定位置30的光透过的入射面11、以及使透过该入射面11的光沿着规定方向反射的反射面12。此外，入射面11采用能够将从规定位置30入射的光引导至反射面12的形状，反射面12使透过入射面11的光向第二面20侧反射。

在第二面20侧具有使由反射面12反射的光沿着规定的配光方向出射的出射面19。

这里，本发明的光学元件能够(1)如图2、图3所示那样作为使成为基准的平面形状以通过规定位置30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所示那样作为使成为基准的平面形状与该平面形状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成为基准的平面形状为相同形状。此外，在(2)的平行移动体中，与平行移动的方向垂直的平面的截面与成为基准的平面形状为相同形状。

首先，对本发明的光学元件是(1)、即使成为基准的平面形状(以下称为基准平面形状)以通过规定位置30的直线为中心线旋转而得到的旋转体的情况进行说明。在这种情况下，如图2、图3所示，包括入射面11和反射面12的凸结构15呈圆形。此外，如图2所示，该各凸结构15在俯视时作为同心圆配置。

在(1)的情况下，入射面11只要能够将从规定位置30入射的光在也考虑折射等的情况下引导至反射面12即可，可以是任意面。例如，在基准平面形状(或者通过同心圆C的中心P且与该同心圆C垂直的截面)中入射面11优选是如图5所示那样以规定位置30为中心的圆110的圆弧。由此，光31从规定位置30垂直地入射入射面11，因而几乎没有反射地直行前进。

反射面12只要使经由入射面11接收到的光向第二面20侧反射即可，可以是任意面。例如，反射面12在基准平面形状中能够为如图5所示那样以规定位置30为焦点的抛物线120。特别是，如图5所示，在基准平面形状中与入射面11对应的圆弧的中心点和与反射面12对应的抛物线的焦点为同一点的情况下，光学元件能够使从规定位置30到达入射面11的光31以保持原样直行前进的方式透过，进一步使该光31由反射面12以与连接所述抛物线的顶点和焦点的直线140的方向Z平行的方式反射。因此，如图6所示那样，在出射面19是与连接规定位置30和同心圆C的中心P的直线140的方向Z垂直的平面的情况下，如果在规定位置30放置点光源，则能够将该点光源的光31转换为与方向Z平行的平行光。

另外，凸结构15的位置如图1所示那样以与第二面平行的方式从外侧顺序配置即可。但是，在这种情况下，在同心圆C的中心附近的凸结构15中，透过入射面11的光射不到反射面12。在这种情况下，凸结构15随着靠近同心圆C的中心而适当较大地形成即可。

此外，凸结构15也可以如图7～图9所示那样使凸结构15的大小为相同程度，在随着靠近同心圆C的中心而鼓起的曲线130上或直线上配置。在这种情况下，由于凸结构15的大小均匀，所以与图1～图3所示的光学元件相比具有如下优点：能够使从第二面20侧出射的平行光均匀。另外，曲线130(或直线)只要使从规定位置30经由入射面11入射的光射到反射面12即可，无论怎样形成均可。优选的是，以使从第二面20侧出射的平行光的宽度、或者作为不出现平行光的阴影的部分的宽度均匀的方式调节入射面11、反射面12的大小或凸结构15的位置。

另外，对使用入射面11和反射面12将光导向第二面20的反射利用区域进行了说明，但是存在下述情况：在上述的同心圆C的中心P附近无法作成可将光引导至反射面12的入射面11的角度会出现。在这种情况下，也可以在同心圆C的中心P附近形成使来自规定位置30的光折射的折射利用部。

该折射利用部包括：能够使来自规定位置30的光透过的折射利用部入射面51、以及使透过折射利用部入射面51的光沿着规定的配光方向出射的折射利用部出射面59，例如能够使用折射透镜50。此外，作为该折射透镜50，能够使用如图6所示那样使来自配置在规定位置30的点光源的光以从第二面20侧垂直出射的方式折射的折射透镜。此外，折射透镜也可以是菲涅尔透镜状的透镜。另外，出射面19和折射利用部出射面59也可以具有重叠的部分。

接着，对本发明的光学元件是(2)、即使成为基准的平面形状(以下称为基准平面形状)与该平面形状的法线方向平行移动的形体的情况进行说明。在这种情况下，如图4所示，包括入射面11和反射面12的凸结构15呈所述法线方向的直线状。此外，各凸结构彼此平行地配置。

在(2)的情况下，入射面11只要能够将从规定位置30入射的光在也考虑折射等的情况下引导至反射面12即可，可以是任意面。例如，在基准平面形状中入射面11优选是如图10所示那样以规定位置30为中心的圆110的圆弧。由此，光31从规定位置30垂直地入射入射面11，因而几乎没有反射地直行前进。

反射面12只要使经由入射面11接收到的光向第二面20侧反射即可，可以是任意面。例如，反射面12在基准平面形状中能够为如图10所示那样以规定位置30为焦点的抛物线。特别是，如图10所示，在基准平面形状中与入射面11对应的圆弧的中心点和与反射面12对应的抛物线的焦点是同一点的情况下，光学元件能够使从规定位置30到达入射面11的光31以保持原样直行前进的方式透过，进而使该光31由反射面12以与连接所述抛物线的顶点和焦点的直线140的方向Z平行的方式反射。因此，在出射面19是与方向Z垂直的平面的情况下，如果将点光源放置在规定位置30，则从该点光源到达光学元件的光中与凸结构15的直线方向正交的方向的分量能够全都转换为与直线方向140平行的平行光。

另外，本发明的光学元件优选如图11所示那样在基准平面形状中相对于直线140呈镜面对称。

此外，对使用入射面11和反射面12将光导向第二面20侧的反射利用区域进行了说明，但是存在下述情况：在直线140附近无法作成可将光引导至反射面12的入射面11的角度会出现。在这种情况下，也可以在直线140附近形成使来自规定位置30的光折射的折射利用部。

该折射利用部包括：能够使来自规定位置30的光透过的折射利用部入射面51、以及使透过折射利用部入射面51的光沿着规定的配光方向出射的折射利用部出射面59，例如能够使用折射透镜50。此外，作为该折射透镜50，能够使用如图11所示那样使来自配置在规定位置30的点光源的光以从第二面20侧垂直出射的方式折射的透镜。此外，折射透镜也可以是菲涅尔透镜状的透镜。另外，出射面19和折射利用部出射面59也可以具有重叠的部分。

第二面20侧为用于使光出射的面。在上述说明中，对构成第二面20的出射面19或折射利用部出射面59是平面的情况进行了说明，但是该第二面20不必要是平面，也可以是凸透镜或凹透镜那样的曲面形状，也可以形成菲涅尔透镜那样的凹凸结构。此外，也可以形成与上述的第一面的凹凸结构15相同种类或不同种类的凹凸结构。当然，也可以是它们的组合。

另外，作为上述的反射面12的反射方法，有利用全反射的方法和利用金属的反射的方法。在利用全反射的情况下，以使从规定位置30经由入射面11接收到的光的入射角为临界角以上的方式形成反射面12即可。例如，如果使构成光学元件的透明电介质为环烯烃聚合物(Cyclo olefin polymer)(COP)，则折射率为1.41，因此临界角为大致45度。另一方面，在利用金属的反射的情况下，在反射面12的表面通过蒸镀来形成银等金属即可。

此外，在上述说明中，对于本发明的光学元件，使光从第一面10入射，并使光从第二面20出射，但是相反地也能够使光从第二面20入射，并使光从第一面10出射。

此外，本发明的光学元件无论在(1)、(2)哪种情况下，都如图12所示那样，在基准平面形状中构成从规定位置30起为最靠外侧的凸结构15A的入射面11A，以使来自规定位置30的光的入射角的范围θ比构成相邻的凸结构15B的入射面11B大的方式形成较佳。更优选的是，在基准平面形状中以能够在180度的范围(相对于方向Z而言是90度的范围)内接收来自规定位置30的光的方式形成从规定位置30起为最靠外侧的凸结构15A。通过采用这样的结构，能够使来自入射面11A的光由反射面12A反射，更有效地利用来自规定位置30的光。另外，这里来自规定位置30的光的入射角的范围是指能够从规定位置30入射各凸结构的入射面的光的入射角的最大值与最小值的差。因此，在构成图12所示的最靠外侧的凸结构15A的入射面11A的情况下，来自规定位置30的光的入射角的范围是指θ₁，在构成相邻的凸结构15B的入射面11B的情况下，来自规定位置30的光的入射角的范围是指θ₂。

接着，对本发明的光学系统装置进行说明。本发明的第一光学系统装置包括上述的本发明的光学元件和配置在规定位置30的光源。另外，关于光学元件，由于与上述的本发明的光学元件相同，所以省略说明。

作为光源，只要可以产生光即可，可以是任意光源，能够使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。

本发明的光学系统装置通过采用这样的结构，当从光源出射的光入射光学元件的第一面10时，能够使其从第二面20作为平行光出射。

此外，本发明的第二光学系统装置包括上述的本发明的光学元件、以及配置在比规定位置30更靠近光学元件的位置的光源。另外，关于光学元件及光源，由于与上述的本发明的光学装置相同，所以省略说明。

本发明的光学系统装置通过采用这样的结构，当从光源出射的光入射光学元件的第一面10时，能够使其从第二面20作为会聚光出射。

此外，本发明的第三光学系统装置包括上述的本发明的光学元件、以及配置在比规定位置30更远离光学元件的位置的光源。另外，关于光学元件及光源，由于与上述的本发明的光学元件相同，因此省略说明。

本发明的光学系统装置通过采用这样的结构，当从光源出射的光入射光学元件的第一面10时，能够使其从第二面20作为漫射光出射。

此外，在本发明的第一～第三光学系统装置中，优选在光源的与光学元件相向的一侧配置能够将光源的光反射的镜子。由此，向光源的没有光学元件的一侧出射的光也能够有效利用。例如，该镜子呈使从光源入射的光沿着入射方向反射的球面形状即可。

Claims

1.一种光学元件，其控制从规定位置入射的光的配光进行出射，所述光学元件的特征在于：

具备反射利用部，

该反射利用部包括：

多个凸结构，该凸结构具有能够使来自所述规定位置的光透过的入射面、以及使透过该入射面的光沿着规定方向反射的反射面；以及

出射面，其使由所述反射面反射的光沿着规定的配光方向出射。

2.根据权利要求1所述的光学元件，其特征在于：

所述光学元件是使成为基准的平面形状以通过所述规定位置的直线为中心线旋转而得到的旋转体。

3.根据权利要求1所述的光学元件，其特征在于：

所述光学元件是使成为基准的平面形状与该平面形状的法线方向平行移动而得到的形体。

4.根据权利要求2或3所述的光学元件，其特征在于：

所述入射面在所述平面形状中是以所述规定位置为中心的圆弧。

5.根据权利要求4所述的光学元件，其特征在于：

所述反射面在所述平面形状中是以所述规定位置为焦点的抛物线。

6.根据权利要求5所述的光学元件，其特征在于：

所述出射面在所述平面形状中呈能够使由所述反射面反射的光垂直地透过的直线状。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的光学元件，其特征在于：

构成从所述规定位置起为最靠外侧的凸结构的入射面以使来自所述规定位置的光的入射角的范围比构成相邻的凸结构的入射面大的方式形成。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的光学元件，其特征在于：

还具备使来自所述规定位置的光折射的折射利用部，

该折射利用部包括：能够使来自所述规定位置的光透过的折射利用部入射面、以及使透过所述折射利用部入射面的光沿着规定的配光方向出射的折射利用部出射面。

9.根据权利要求8所述的光学元件，其特征在于：

所述折射利用部出射面形成在平面上，所述折射利用部入射面使来自所述规定位置的光以垂直地入射所述折射利用部出射面的方式折射。

10.根据权利要求8或9所述的光学元件，其特征在于：

所述折射利用部入射面呈菲涅尔透镜状。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的光学元件，其特征在于：

所述反射面使透过所述入射面的光全反射到所述出射面。

12.一种光学系统装置，其特征在于，具备：

权利要求1至11中的任一项所述的光学元件；以及

配置在所述规定位置的光源。

13.一种光学系统装置，其特征在于，具备：

权利要求1至11中的任一项所述的光学元件；以及

配置在比所述规定位置更靠近光学元件的位置的光源。

14.一种光学系统装置，其特征在于，具备：

权利要求1至11中的任一项所述的光学元件；以及

配置在比所述规定位置更远离光学元件的位置的光源。

15.根据权利要求12至14中任一项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。

16.根据权利要求15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。