CN110645511B - 光学装置以及照明装置 - Google Patents

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Abstract

提供对于朗伯配光的光能得到光度分布更接近于均等的线状或方形状的配光的光学装置。提供光学装置，其具有：配置成使具备与第1轴平行的光轴的配光特性的第1光向围绕第1轴的圆弧状的第1范围反射的第1反射面；和在第1轴交叉且夹着第1反射面而配置的第2反射面以及第3反射面。

Description

光学装置以及照明装置
技术领域
本发明涉及适合线状或方形状的区域的照明的光学装置以及利用其的照明装置。
背景技术
在专利文献1中记载有提供一种照明装置，该照明装置能由少量的光源模块形成长的线状的照射范围。专利文献1的照明装置具备各4个配置成2列的光源组件。各光源组件由一对光源模块构成。光源模块对发光元件的发散光进行配光，将其配光成经由光源透镜向基板的前方辐射的第1出射光、经由光源透镜折射后被第2反射板反射而向基板的前方辐射的第2出射光。在光源组件中，2个光源模块的基板以形成锐角的状态背对背地配置，光源组件形成按照从一个光源模块的基板到另一个光源模块的基板之间的角度进行扩展的一定宽度的线状照明光。因此，能通过照明装置得到长的线状的照射范围。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：JP特开2012-074278号公报
从LED发出的光基本上成为光轴上的光度最高(最大)的配光图案即朗伯配光(ランパーシアン配光)。因此，若想要通过少量的或集中的照明装置对长的线状的照射范围进行照明，就需要集中配置大量的LED，改变大量的光轴的角度来使之沿着照明对象的线分散，或者相对于设置成与线斜向交叉的光轴，对向线的端侧照明的光、和向线的中央侧照明的光进行不同的复杂的处理，来控制配光分布。因此，谋求能将朗伯配光简单地变换成线状或方形状的配光的光学装置。
发明内容
本发明的一个方案是光学装置，具有：配置成使沿着第1轴入射的、具备与第1轴平行的光轴的配光特性的第1光向围绕第1轴的圆弧状的第1范围反射的第1反射面；和在第1轴交叉且夹着第1反射面而配置的第2反射面以及第3反射面。
本发明的其他方案之一是光学装置，具有：俯视观察下为大致扇形且包含设置于与俯视平面正交的第1轴的一端的开口的光学元件；和在第1轴交叉且夹着光学元件而配置的反射面。光学元件包含：沿着第1轴断续地配置且从开口的相反侧起朝向开口以内径分阶段地扩大的方式依次配置的同心圆弧状的扇形的第1透过面、第2透过面以及第3透过面；和分别配置成向第1透过面、第2透过面以及第3透过面的与开口相反的一侧以锐角倾斜的圆弧状的第4反射面、第5反射面以及第6反射面。
本发明的进一步不同的其他方案之一是具有上述的光学装置和输出第1光的光源的照明装置。
发明效果
在本发明的光学装置中，对于沿着第1轴入射的光(第1光)，通过围绕第1轴以圆弧状配置的反射面(第1反射面、或第4反射面以及第5反射面)、和将以圆弧状配置的反射面夹入而配置的反射面(第2反射面以及第3反射面)，将朗伯配光的光变换成光度分布更接近于均等的线状或方形状的配光并出射。
附图说明
图1是表示照明装置的一例的立体图。
图2是表示将照明装置安装在天花板的示例的图。
图3(a)是从前方(照射方向)表示投射组件的图，图3(b)是从Z轴方向表示投射组件的图。
图4是分割表示投射组件的图。
图5是表示光学元件的结构的截面图。
图6(a)是表示入射光的配光分布的图，图6(b)是示意表示由光学元件11的反射面31对入射光进行反射的情形的图。
图7是表示出射光的配光分布的示例的图。
图8是表示不同的照明装置的一例的截面图。
图9是表示由照明装置进行照明的示例的图。
图10是表示由照明装置进行照明的其他示例的图。
图11是表示照明装置的光泄漏的其他示例的图。
图12是进一步表示不同的照明装置的一例的截面图。
附图标记说明
1 照明装置
5 投射组件
10 光学装置(光学系统)
11 光学元件(透光性构件)
23 第2反射面
24 第3反射面
31、31a～31f 第1反射面
具体实施方式
图1示出本发明所涉及的照明装置的一例。该照明装置1包含：将被控制成对桌上等方形状或线状的区域2进行照明的光(光束)3向前方19投影或投射的投射组件5；收纳投射组件5的方形的外壳4；和对成为投射组件5的光源的LED6进行驱动的驱动电路8。投射组件5包含：光学装置(光学系统)10，该光学装置(光学系统)10包含围绕(18)成为中心的轴(第1轴、Z轴)12以圆弧状扩展的、俯视观察下(在与Z轴12正交的X-Y平面中观察到的形状)为大致扇形的柱状、杆状或圆柱透镜状的透光性构件(光学元件)11；和从光学元件11的一个端面入射源头光(第1光)7的LED6。
如图2所示那样，照明装置1通过安装在天花板9而能集中地对桌上等方形状、或线状的细长的区域2进行照明。照明对象只要是方形或细长的区域，就并不限于桌上，也可以是墙壁、室内外的招牌或海报等，照明装置1能集中地对这些方形或细长的区域2进行照明。光学装置10包含：俯视观察下为大致扇形且柱状地沿着成为扇形的中心的第1轴12延伸的透光性构件11；和夹着透光性构件11而配置的反射构件21以及22。
图3从照明装置1提取出包含光学装置10的投射组件5来进行表示。图3(a)是从投射侧(前方)19来观察投射组件5的立体图，图3(b)是从投射侧19的相反侧来观察投射组件5的立体图。另外，图4将投射组件5以及光学装置10展开表示。
如图4所示那样，光学装置10围绕成为中心轴的第1轴(Z轴)12包含透光性构件(光学元件)11，该透光性构件(光学元件)11在与Z轴12正交的平面(X-Y平面)中观察到的形状(俯视观察下)是以角度θ(中心角θ、开度角θ)扩展的大致扇形，是透光性的构件，例如由丙烯酸树脂或玻璃等构成。光学元件11是整体沿着Z轴12延伸的柱状，Z轴12那侧(内侧)形成为Z轴12的一端(底面侧、Z轴负方向)成为开口13的空洞14，相反侧的投射侧(前方、外侧)19的面(出射面)15成为大致圆弧状。光学装置10还包含夹着光学元件11而配置的反射构件21以及22。反射构件21以及22在面向光学元件11的那侧包含反射面23以及24。反射面(第2反射面)23以及反射面(第3反射面)24是在Z轴12交叉且将光学元件11夹入地配置的反射面。
如图5以截面示出的那样，光学元件11整体上是在内部包含沿着Z轴12形成的空洞14的圆柱透镜，且包含从空洞14的开口13那侧起沿着Z轴12交替配置有透过面和反射面的多级的内表面(透过/反射面)16。光学元件11的内表面16从开口13的相反侧起朝向开口13、即从Z轴12的正侧起朝向负侧包含：分阶段地配置的同心圆弧状的扇形的多个透过面32；和被这些透过面32分割成多个的圆弧状的反射面(第1反射面)31，该第1反射面31沿着Z轴12相对于X-Y平面以锐角倾斜地扩展。光学元件11的内表面16包含从开口13的相反侧起朝向开口13、即从Z轴12的正侧起朝向负侧以内径16r分阶段地扩大的方式依次配置的同心圆弧状的扇形的多个透过面32。
具体地，在本例的光学元件11中，第1反射面31从开口13的相反侧(上侧、Z轴正方向)起朝向开口13、即从Z轴12的正侧起朝向负侧包含被与Z轴12垂直且与X-Y平面平行的6个透过面(第1～第6透过面)32a～32f分割出的6个反射面(第4～第9反射面)31a～31f。即，光学元件11包含从Z轴12的正侧起朝向负侧交替地配置的6个透过面(第1～第6透过面)32a～32f和6个反射面(第4～第9反射面)31a～31f。光学元件11进一步在最靠开口13那侧包含围绕Z轴12而形成的圆弧状的透过性的面33。
因此，光学元件11包含：沿着第1轴(Z轴)12断续地配置且从开口13的相反侧起朝向开口13以内径16r分阶段地扩大的方式依次配置的同心圆弧状的扇形的第1透过面32a、第2透过面32b以及第3透过面32c；和分别配置成向第1透过面32a、第2透过面32b以及第3透过面32c的与开口13相反的一侧以锐角倾斜的圆弧状的第4反射面31a、第5反射面31b以及第6反射面31c。
进一步具体地，距开口13最远的第1透过面32a是以Z轴12为中心的扇状的透过面。距开口13最远的第4反射面31a是配置成将透过第1透过面32a的光向围绕(18)Z轴12的圆弧状的角度θ的范围(第1范围)反射的面。第4反射面31a是在第1透过面32a的与开口13相反的一侧以Z轴12为中心相对于X-Y面倾斜从而以大致扇形形成倒圆锥台的反射面，且将与Z轴12平行的光轴7a的光7向与Z轴12正交的方向19反射。第5反射面31b是配置于第2透过面32b的内边32b1与第1透过面32a的外边32a2之间的圆弧状的反射面，以便反射透过第2透过面32b的光7。第6反射面31c是配置于第3透过面32c的内边32c1与第2透过面32b的外边32b2之间的圆弧状的反射面，以便反射透过第3透过面32c的光7。关于第7反射面31d以及第8反射面31e，也相对于第4透过面32d以及第5透过面32e同样地构成。
光学元件11的外表面15可以是圆柱面，在本例中，外表面15与反射面31a～31f以及透过面33对应地沿着Z轴12被划分成7个区域15a～15g。外表面15的这些区域15a～15g被最佳化成复曲面状的自由曲面，以使得更均等地输出由反射面31a～31f反射的光以及透过透过面33的光。
光学装置(光学系统、光学系)10被安装成使反射构件21以及22的第2反射面23以及第3反射面24紧贴于俯视观察下为大致扇形的圆柱透镜状的光学元件11的侧面17a以及17b。
如图3以及图4所示那样，照明装置1的投射组件5包含光学装置10和安装于该光学元件11的开口13的基板6a。在基板6a装备LED6，从LED6沿着Z轴12与Z轴12平行地从开口13向设置于光学元件11的内部14的第1反射面31入射照明用的光7。由分断的反射面31a～31f构成的第1反射面31配置成将具备与Z轴12平行的光轴7a的配光特性的照明用的光(第1光)7向围绕(18)Z轴12的中心角θ的第1范围反射。光学装置10具有：第1反射面31；和在Z轴12交叉且夹着第1反射面31配置的第2反射面以及第3反射面。第2反射面23将第1光7围绕(18)Z轴12地向第1反射面31的方向反射，第3反射面24将来自LED6的光7围绕(18)Z轴12地向与第2反射面23相反的方向反射。
因此，光学装置10通过在Z轴12以中心角θ交叉的第2反射面23以及第3反射面24将从光源即LED6沿着Z轴12出射的光7向角度θ的范围的第1反射面31的方向相互反射(折叠)。光学装置10进一步通过第1反射面31在与Z轴12垂直的方向上向围绕Z轴12的角度θ的范围进行反射输出。
第2反射面23以及第3反射面24只要配置成将来自LED6的光7向角度θ的范围折叠进去即可，只要至少配置于LED6的附近即可。这些反射面23以及24可以配置成与第1反射面31交叉，能将来自LED6的光7效率良好地向第1反射面31的方向折叠进去，使得不会出现泄漏。
图6示意示出通过光学装置10的光学元件11使沿着Z轴12入射的光(入射光)7被第1反射面31反射而向与Z轴12正交的方向19出射的情形。如图6(a)所示那样，从LED(光源)6输出的光7具备以光轴7a为中心的朗伯配光分布。该光7的围绕光轴7a的分量被第2反射面23以及第3反射面24向中心角θ的扇形的光学元件11的方向反射。另外，该光7的相对于光轴7a的配光角φ的分量如图6(b)所示那样，被光学元件11的多个透过面32a～32f、和分割成多个的第1反射面31a～31f分为多个组(光束)，各个光束向与光轴7a正交的方向19输出。进而，从LED6输出的光7的配光角φ大的分量经由光学元件11的开口13的附近的透过面33向与光轴7a正交的方向19输出。
因此，该光学装置10通过第1反射面31、第2反射面23以及第3反射面24将具备朗伯配光的光7向与光轴7a正交的方向19以圆弧状反射，能将其变换成具备适于对线状或方形状的区域进行照明的配光的照明光3。进而，通过第1反射面31向与光轴7a正交的方向19反射来将光7变换成与光轴7a正交的方向，由此能将光度围绕光轴7a以配光角φ发生变化的朗伯配光的光度为共同的部分拉长，从线状或方形状的配光的端拉长到端。例如，能将光轴7a上的光度最高的光(光束)拉长，从线状或方形状的配光的端拉长到端。另外，因此，通过控制第1反射面的曲率或倾斜度，并控制线状或方形状的宽度方向的光度，能得到光度分布更接近于均等的线状或方形状的配光。
图7(a)以及(b)示出从投射组件5输出的光3的配光分布的示例。图7(a)是将光学元件11的外表面15设为圆柱面时的配光分布的一例，图7(b)是将外表面15分割成区域15a～15g时的配光分布的一例。通过使用光学装置10，能将从LED6输出的具备朗伯配光分布的光7变换成光度分布在水平方向上大致均匀的光3并输出。另外，通过使用自由曲面对外表面15进行最佳化，能使从光学装置10输出的光3的分布进一步均匀。
图8使用截面来示出本发明的照明装置的一例。该照明装置1a的投射组件5a包含光学装置10a，该光学装置10a包含：俯视观察下为大致扇形的连续的第1反射面31；和将第1反射面31夹入而配置的第2反射面(未图示)以及第3反射面24。在该投射组件5a中，也能通过光学装置10a将从LED6向Z轴12的方向输入的光7变换成与Z轴12正交的方向19，变换成光度在水平方向上大致均匀的光3并输出。
另一方面，在该投射组件5a的光学装置10a中，通过采用连续的第1反射面31，从而第1反射面31所占的区域扩大，难以使装置紧凑地集中。与此相对，在利用圆柱状的光学元件11的光学装置10中，能如菲涅耳透镜那样将第1反射面31分割成多个来在圆柱透镜的内部作为多个全反射面31a～31f进行安装。即，光学装置10包含在沿着Z轴(第1轴)12的方向上被分割且将来自LED6的光(第1光)7围绕(18)Z轴12向与Z轴12正交的方向19反射的多个反射面31a～31f。进而，光学装置10包含光学元件(透光性构件)11，该光学元件(透光性构件)11在内侧具备这些多个反射面31a～31e，内表面16是包含多个反射面31a～31f、和与多个反射面31a～31f分别对应的多个透过面32a～32f的多级状，与Z轴(第1轴)12垂直的截面是扇形。
因此，能提供紧凑的光学装置10以及利用其的紧凑的照明装置1。进而，光学元件11具备多个反射面31a～31f和与其对应的多个外表面15的区域(出射面)15a～15f。因此，能将这些多个反射面和出射面分别相对于被它们反射的光以及透过的光进行最佳化，能提供可变换成水平方向的光度分布更加均匀的光3并输出的光学装置10。
与光学元件11的多个反射面31a～31f对应地设置的多个出射面15a～15f各自典型地是包含沿着Z轴12的方向的截面分别弯曲的部分的复曲面状。进而，多个出射面15a～15f能任意设计，也可以包含与Z轴12垂直的截面是非圆形的部分。
图9(a)示出将来自具备投射组件5的照明装置1的光3投射到屏幕的一例。如图9(b)所示那样，发现在方形的照明区域2的上下出现多个光泄漏81～84。根据发明者们的实验可知，圆弧状的光泄漏81～83的主要原因是光学元件11的最下层的透过面33以及出射面15g中的表面反射所引起的杂散光。光学元件11在多级状的内表面16的最靠入射侧的最下级包含在与Z轴12正交的方向19上透过光7的一部分的面，能将朗伯配光分布的光7的配光角φ最大的分量向与Z轴12正交的方向19输出。因此，能通过在透光性构件即光学元件11的最下级的内表面33以及外表面(出射面)15g中的至少任一者设置防反射层，或实施扩散加工例如绉纹加工，来抑制圆弧状的光泄漏81～83。
根据发明者们的实验可知，角状的光泄漏84的主要原因是光学元件11的侧面17a以及17b中的内表面反射。因此，通过对光学元件11的配置于围绕Z轴12的方向的两侧的端面17a以及17b实施防反射或扩散加工，能防止光泄漏84。具体地，通过将端面17a以及17b涂黑或设置绉纹面，能防止光泄漏84。
图10示出将来自利用进行了这些对策的光学元件11的照明装置1的光3投影到屏幕的示例。几乎看不到光泄漏，可知通过上述的对策抑制了光泄漏。
图11(a)示出有时会呈现在照明装置1的周边例如天花板9的杂散光85的一例。认为该杂散光85的主要原因是光学元件11的内表面16的反射面31以及透过面32中的反射光。
图12示出不同的照明装置1b的一例。在该照明装置1b中，在上述说明的照明装置1的光学元件11的外表面(出射面)15的前方19包含配置于各层(区域)15a～15g的边界的多个遮板(遮蔽板)90。遮板90是从光学元件11的外表面15向前方19与出射方向平行、即与X-Y平面平行延伸的板状的构件。如图11(b)所示那样，在设置有遮板90的照明装置1b中，几乎观测不到杂散光85。
通过遮板90，能使从光学元件11的外表面15输出的照明光3进一步平行，能抑制因光学元件11的内部的杂散光而生成的发散光的影响。在照明装置1b中，将多个遮板90以各层15a～15g为单位在Z轴方向上分散配置，但也可以以多个层为单位来配置，还可以与层没有关系地在Z轴方向上以给定的间隔配置。多个遮板90的间隔以及从光学元件11的外表面15起的突出量(长度)能根据为了对照明区域2进行照明而要求的照明光3的平行度、成为杂散光的来自光学元件11的外表面15的发散光的强度以及扩展(角度)等来决定。遮板90的长度的一例是设为与光学元件11的半径(从光轴到外表面的距离)相同的程度。若遮板90的间隔过窄，就易于成为在照明目标发生亮度不均的主要原因，若遮板90的间隔过宽，例如若是仅装备于上下的程度，就难以阻止杂散光的影响。因此，按各层15a～15g的间隔来设置遮板90是适合的一例。
如以上说明的那样，照明装置1包含旋转体的透镜(折射器、透过性构件、光学元件)11，光学元件11是以扇型打开的圆柱(角度的一部分缺失的圆柱、旋转体)，被与光学元件11的侧面17a以及17b平行的面和光学元件11的入射面(开口)13包围的空间部14在与侧面17a以及17b平行的面具有反射面23以及24。在这些面23以及24的交点(Z轴)12的内侧配置成为光源的LED6。因此，在圆柱状的光学元件11的内部，在从旋转轴上(中心轴、Z轴)12偏心的位置配置光源即LED6，通过反射面23以及24将来自LED6的光7折叠进去，以光源存在于Z轴12的方式从光学元件11输出光3。
光学元件11包含圆弧部的出射面15a～15g。另外，光学元件11在内部(内表面)16的底面侧(开口13那侧)包含透过部(弯曲面内壁)33，在上表面侧(光轴方向、开口13的相反侧)包含全反射面31a～31f。全反射面31a～31f是倾斜面内壁(Total InternalReflection：全内反射)，使与Z轴12以及光轴7a垂直的平行光3围绕(18)Z轴12出射。光学元件11的圆弧部的出射面15a～15g具有具备透镜功能的弯曲面。因此，在将光学元件11在沿着光轴方向7a的方向上切断的截面中，在反射部的全反射面31a～31f具有直线或曲面，并且在出射面15a～15g也具有直线或曲面。
因此，通过光学装置10可将来自光源(LED)6的光7效率良好且更均等地变换成线状或方形状的配光。因此，通过使用光学装置10，能提供能对线状或方形状的区域更均等地明亮地进行照明的照明装置1。
另外，在上述中，以在内表面16将第1反射面31进行6分割而配置的光学元件11为例进行了说明，但第1反射面31也可以配置成5分割以下，还可以配置成7分割以上。扇形的光学元件11示出中心角(开度角)θ为90度的示例，但中心角θ也可以是90度以下，还可以是90度以上。另外，作为光源配置的LED6的数量并不限定于1个，也可以配置多个多色的LED来作为光源。进而，照明装置1也可以将包含多个光学元件11的多个光学装置10、或多个投射组件5按Z轴12并列或共同的方式来配置。

Claims (16)

1.一种光学装置，其特征在于，具有：
配置成使沿着第1轴入射的、具备与所述第1轴平行的光轴的配光特性的第1光向围绕所述第1轴的圆弧状的第1范围反射的第1反射面；和
在所述第1轴交叉且夹着所述第1反射面而配置的第2反射面以及第3反射面，
所述第1反射面包含在沿着所述第1轴的方向上被分割的多个反射面，
所述光学装置还具有所述第1轴的一端成为开口且沿着所述第1轴设置的空间，使得将从所述开口导入的所述第1光引导到所述多个反射面，
所述第2反射面以及所述第3反射面面向所述空间而配置。
2.根据权利要求1所述的光学装置，其特征在于，
所述第2反射面以及所述第3反射面中的至少一个反射面与所述第1反射面交叉。
3.根据权利要求1所述的光学装置，其特征在于，
所述光学装置包含透光性构件，
该透光性构件在内侧具备所述多个反射面，内表面是包含所述多个反射面、和与所述多个反射面分别对应的多个透过面的多级状，与所述第1轴垂直的截面是扇形。
4.根据权利要求3所述的光学装置，其特征在于，
所述透光性构件包含与所述多个反射面对应地设置的多个出射面。
5.根据权利要求4所述的光学装置，其特征在于，
所述多个出射面包含沿着所述第1轴的方向的截面分别弯曲的部分。
6.根据权利要求4所述的光学装置，其特征在于，
所述多个出射面包含与所述第1轴垂直的截面为非圆形的部分。
7.根据权利要求3所述的光学装置，其特征在于，
所述透光性构件在所述多级状的内表面的最靠入射侧的最下级包含透过所述第1光的一部分的面。
8.根据权利要求7所述的光学装置，其特征在于，
在所述透光性构件的所述最下级的内表面以及外表面中的至少任一者设置防反射层。
9.根据权利要求7所述的光学装置，其特征在于，
对所述透光性构件的所述最下级的内表面以及外表面中的至少任一者实施扩散加工。
10.根据权利要求3～9中任一项所述的光学装置，其特征在于，
所述透光性构件包含配置于围绕所述第1轴的方向的两侧的端面，对所述端面实施防反射或扩散加工。
11.一种光学装置，具有：
俯视观察下为大致扇形且包含设置为与俯视平面正交的第1轴的一端成为开口的空间的光学元件；和
在所述第1轴交叉且面向所述空间配置为夹着所述光学元件的反射面，
该光学装置的特征在于，
所述光学元件包含：
沿着所述第1轴断续地配置且从所述开口的相反侧起朝向所述开口以内径分阶段地扩大的方式依次配置的同心圆弧状的扇形的第1透过面、第2透过面以及第3透过面；和
分别配置成向所述第1透过面、所述第2透过面以及所述第3透过面的与所述开口相反的一侧以锐角倾斜的圆弧状的第4反射面、第5反射面以及第6反射面。
12.一种光学装置，其特征在于，具有：
配置于围绕第1轴的圆弧状的第1范围的第1反射面，该第1反射面将与所述第1轴平行的光轴的第1光向与所述第1轴正交的方向反射；和
在所述第1轴交叉且夹着所述第1反射面而配置的第2反射面以及第3反射面，
所述第1反射面包含在沿着所述第1轴的方向上被分割的多个反射面，
所述光学装置还具有所述第1轴的一端成为开口且沿着所述第1轴设置的空间，使得将从所述开口导入的所述第1光引导到所述多个反射面，
所述第2反射面以及所述第3反射面面向所述空间而配置。
13.一种照明装置，其特征在于，具有：
权利要求1～10以及权利要求12中任一项所述的光学装置；和
输出所述第1光的光源。
14.根据权利要求13所述的照明装置，其特征在于，
所述光源的所述光轴从所述第1轴偏离。
15.一种照明装置，其特征在于，具有：
权利要求11所述的光学装置；和
从所述开口输入与所述第1轴平行的光轴的第1光的光源。
16.根据权利要求15所述的照明装置，其特征在于，
所述光源的光轴从所述第1轴偏离。
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