CN111492272A - 光学元件及光学系统装置 - Google Patents

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CN111492272A CN201880037479.2A CN201880037479A CN111492272A CN 111492272 A CN111492272 A CN 111492272A CN 201880037479 A CN201880037479 A CN 201880037479A CN 111492272 A CN111492272 A CN 111492272A
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田中觉
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Abstract

本发明的目的在于提供一种不仅控制光的照射方向还能够对照度进行控制的光学元件及使用该光学元件的光学系统装置。光学元件(10)，其具有使将来自规定位置的光变换为与规定方向平行的光的基准平面形状(1)进行旋转而得到的旋转体或使该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，基准平面形状(1)包括照度调节部(2)和出射方向调节部(3)，照度调节部(2)为对从规定位置(9)入射的光的方向进行变换以使得出射方向调节部(3)的照度变得均匀的形状，出射方向调节部(3)为通过折射将光的方向变换为规定方向的形状。

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作为照明用的光源。与此相应，将光无浪费地导向前方的光学系统装置的开发也在推进。例如，提出了包括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，LED等一般的面发光光源的配光特性是朗伯配光，在单纯地将光导向前方的方面存在照度不均匀的问题。
因此，本发明的目的在于提供一种不仅控制光的照射方向还能够控制照度的光学元件及使用该光学元件的光学系统装置。
本发明提供一种光学元件，其具有使将来自规定位置的光变换为与规定方向平行的光的基准平面形状进行旋转而得到的旋转体或使该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，所述基准平面形状包括照度调节部和出射方向调节部，所述照度调节部为对从所述规定位置入射的光的方向进行变换以使得所述出射方向调节部的照度变得均匀的形状，所述出射方向调节部为通过折射将光的方向变换为所述规定方向的形状。
在这种情况下，所述照度调节部具有第1入射部，该第1入射部为使从所述规定位置入射的光折射以使得与所述出射方向调节部之间的在所述规定方向上的距离为100μm以内的基准线上的照度变得均匀的形状。另外，也可以是，所述照度调节部包括：使来自所述规定位置的光入射的第2入射部；以及反射部，其使通过所述第2入射部的光反射以使得与所述出射方向调节部之间的在所述规定方向上的距离为100μm以内的基准线上的照度变得均匀。所述第2入射部更优选为以所述规定位置为中心的圆弧。另外，所述反射部更优选为使通过所述第2入射部的光全反射的形状，但是也能够采用利用金属反射的反射部。
另外，也可以是，所述出射方向调节部具有不产生衍射的大小的凹凸构造。
另外，所述照度调节部能够采用对从规定位置以朗伯配光入射的光的方向进行变换以使得所述基准线上的照度变得均匀的部件。
另外，本发明的光学系统装置具备配置在所述规定位置的光源和上述的本发明的光学元件。
另外，所述光学系统装置也可以包括：第1透镜，其使从所述光学元件出射的平行光会聚；缝隙，其具有比由所述会聚透镜会聚的光的宽度小的开口；以及第2透镜，其使通过所述缝隙的开口的光恢复为平行光。
另外，也可以是，所述光学系统装置包括配置在所述光源与所述光学元件之间且具有比从所述光源出射的光的宽度小的开口的缝隙。
发明效果
本发明的光学元件及使用该光学元件的光学系统装置包括对光的照度进行控制的照度调节部和对光的方向进行控制的出射方向调节部，因此不仅控制光的照射方向还能够对照度进行控制。
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是用于说明基准线的决定方法的图。
图8是用于说明照度不均Ia的图。
图9是用于说明照度不均Iz的图。
图10是表示本发明涉及的出射方向调节部的一部分的概略放大图。
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)的立体图。
图13是用于说明本发明的光学系统装置的截面图。
图14是用于说明本发明的另一光学系统装置的概略侧视图。
图15是用于说明本发明的又一光学系统装置的概略侧视图。
图16是表示本发明的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
2 照度调节部
3 出射方向调节部
5 光源
9 规定位置
10 光学元件
21 第1入射部
22 第2入射部
23 反射部
25 基准线
31 凹凸构造
60 第1透镜
70 缝隙
80 第2透镜
90 缝隙
100 光学系统装置
110 光学系统装置
120 光学系统装置
具体实施方式
以下，对本发明的光学元件10进行说明。本发明的光学元件10是使作为基准的平面形状(以下称为基准平面形状1。例如参照图1)旋转而得到的旋转体(例如参照图2、图3)或使该基准平面形状平行移动而得到的平行移动体(参照图4～图6)，用于将来自规定位置的光变换为与规定方向(图1中y轴方向)平行的光。这里，该光学元件10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，在通过注塑成型形成光学元件10的情况下，由于需要作为树脂注入口的浇口，所以在完成品中产生因切开浇口而形成的切削面，即使是具有这样的切削面的光学元件，也包含在本发明的光学元件10内。
该光学元件10的材质针对要控制的光而言是透明的即可，可以是任意的材质，例如能够使用透明的电介质。具体而言，有玻璃等无机物或环烯烃聚合物(COP)等树脂等。
基准平面形状1将来自规定位置的光变换为与规定方向(图1中的y轴方向)平行的光，如图1所示，至少包括照度调节部2和出射方向调节部3。此外，图1中，方便起见，以规定位置9为原点O，将从原点O起纸面右方向设为x轴、上方向设为y轴、进深方向设为z轴。
照度调节部2是对从规定位置9入射的光的方向进行变换以使得出射方向调节部3的照度或与出射方向调节部3之间在规定方向上的距离为100μm以内的基准线上的照度变得均匀的部分。对从规定位置9入射的光的方向进行变换时，还考虑配置在规定位置9的光源的配光。例如，已知LED的配光为朗伯配光。因此，采用如下形状即可：在将本发明的光学元件10与LED一起使用的情况下，对从规定位置9以朗伯配光入射的光的方向进行变换以使得出射方向调节部3的照度或与出射方向调节部3之间在规定方向上的距离为100μm以内的基准线上的照度变得均匀。
作为这样的照度调节部2，能够使用第1入射部21，该第1入射部21为使从规定位置9入射的光折射以使得出射方向调节部3的照度或与出射方向调节部3之间在规定方向上的距离为100μm以内的基准线上的照度变得均匀的形状。在这种情况下，第1入射部21的形状形成为使出射方向调节部3的照度或与出射方向调节部3之间在规定方向(图1中为y轴方向)上的距离为100μm以内的基准线上的照度为一定即可，可以采用任意的形状。当然，优选考虑配置在规定位置9的光源的配光而对光的方向进行变换以使得出射方向调节部3的照度或与出射方向调节部3之间在规定方向上的距离为100μm以内的基准线上的照度变得均匀的形状。
另外，从规定位置9入射至第1入射部21的光的角度变大时，反射的光增加，会产生浪费。在这种情况下，照度调节部2也可以包括：使来自规定位置9的光入射的第2入射部22；以及反射部23，其使通过第2入射部22的光反射以使得出射方向调节部3的照度或与出射方向调节部3之间在规定方向上的距离为100μm以内的基准线上的照度变得均匀。当然，照度调节部2也能够包括第1入射部21、以及第2入射部22及反射部23双方。
第2入射部22的形状为能够将来自规定位置9的光导向反射部23即可，可以是任意的形状，但尽可能不反射来自规定位置9的光的形状为佳。因此，第2入射部22的形状最优选以规定位置9为中心的圆弧。由此，来自规定位置9的光垂直地入射至第2入射部22，因此能够最大程度地抑制反射。
反射部23的形状形成为使得出射方向调节部3的照度或与出射方向调节部3之间在规定方向上的距离为100μm以内的基准线上的照度为一定即可，可以是任意的形状。当然，优选如下形状：考虑配置在规定位置9的光源的配光而对通过第2入射部22的光的方向进行变换，以使得出射方向调节部3的照度或与出射方向调节部3之间在规定方向上的距离为100μm以内的基准线上的照度变得均匀。
另外，反射部23也可以是利用金属反射的反射部，但是会产生因光能的吸收所导致的损失。因此，反射部23更优选为使通过第2入射部22的光全反射的部件。只要是从规定位置9经由第2入射部22后接收到的光的入射角为临界角以上的反射部23，就能够利用全反射。例如，当使构成光学元件10的透明电介质为环烯烃聚合物(COP)时，折射率为1.41，因此临界角为大约45度。
此外，照度是否均匀在出射方向调节部3进行判断，但是也可以利用下述方法来判断如菲涅尔透镜那样的形成为凹凸形状的出射方向调节部3的照度是否均匀。
首先，决定基准平面形状1。该基准平面形状1在例如光学元件10是旋转体的情况下，在该旋转体中，包含中心线(旋转轴)的截面为基准平面形状1。另外，在光学元件10为平行移动体的情况下，在该平行移动体中，由与平行移动的方向垂直的平面形成的截面为基准平面形状1。
接着，将该基准平面形状1取入至光学仿真软件。作为光学仿真软件，例如使用LightTools(Synopsys公司制)即可。
接着，在基准平面形状1上决定与规定方向(y轴)垂直的基准线25。基准线25如图7所示，基于出射方向调节部3的凹凸构造31的谷底的点32(照度调节部2侧的点)利用最小二乘法进行计算来求取即可。此时，也可以去除极端不同的特异的点。
接着，计算在将该光学元件10所使用的光源配置在规定位置9的情况下基准线25上的位置与照度的关系。然后，计算基于该照度分布的曲线利用最小二乘法计算出的照度平均线及其照度不均Ia。如图8所示，当基于照度分布的曲线在该照度平均线的方向上抽取基准长度L1、在该抽取部分的平均线的方向上取x轴、在纵倍率的方向上取y轴、并由y＝f(x)表示照度分布的曲线时，Ia使用将由下式求取的值用瓦特毎平方毫米(W/mm2)表示而得到的下述式。此外，基准长度L1至少为照度平均线的长度的50％以上的长度。
(数学式1)
Figure BDA0002304389620000051
但是，简便而言，如图9所示，也可以用下述十点平均照度Iz的公式来替代Ia：该十点平均照度Iz的公式是在照度分布的照度平均线的方向上抽取基准长度L1，基于该抽取部分的照度平均线求取在纵倍率的方向上测定的、从最高的峰顶至第5高的峰顶的标高(Zp)的绝对值的平均值与从最低的谷底至第5低的谷底的标高(Zv)的绝对值的平均值之和，并将该值用瓦特毎平方毫米(W/mm2)表示而得到的。
(数学式2)
Figure BDA0002304389620000061
这样计算出的Ia或Iz如果为0.001(W/mm2)以下，优选为0.0005(W/mm2)以下，则视为照度均匀。
出射方向调节部3是通过折射将光的方向变换为规定方向的部分。例如，采用使光向基准平面形状的y轴方向折射的形状即可。
另外，为了使出射的光的照度变得均匀，出射方向调节部3更优选尽可能靠近基准线25。因此，出射方向调节部3优选采用凹凸构造31，该凹凸构造31距基准线25的距离h为100μm以内，优选为50μm以内(参照图10)。另外，在使出射方向调节部3的形状为凹凸构造31的情况下，在基准线25上设置的凹凸构造31的间距p更优选为针对配置在规定位置9的光源的光不产生衍射的大小。具体而言，可以将凹凸构造31的间距p设为50μm以上，优选为100μm以上。
此外，出射方向调节部3不限定于如凹凸构造31这样的菲涅尔状的部件，例如如图11、图12所示，显然也可以为曲线。在这种情况下，不存在在实际制造中凹凸构造31的角变成圆形而使效率下降的问题。另外，与凹凸构造的情况相比，能够将模具的制造成本抑制得较低。并且，凹凸构造31存在如果大小减小则会产生衍射的问题，但是在曲线的情况下还具有能够避免衍射问题的优点。
另外，将照度调节部2和射出方向调节部3连接的连接部4也可以是任意的部件，但是优选不妨碍光路的部件。
另外，如图13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5。
在这种情况下，光学元件10的照度调节部2是考虑光源5的配光而对光源5的光的方向进行变换以使得出射方向调节部3的照度或与出射方向调节部3之间在规定方向上的距离为100μm以内的基准线上的照度变得均匀的部件。因此，在光源5的配光为朗伯配光的情况下，照度调节部2为对从规定位置9以朗伯配光入射的光的方向进行变换以使得出射方向调节部3的照度或与出射方向调节部3之间在规定方向上的距离为100μm以内的基准线上的照度变得均匀的形状。
另外，如图14所示，本发明的另一光学系统装置110包括：上述的本发明的光学元件10和使从光学元件10出射的平行光会聚的第1透镜60；缝隙(aperture)70，其具有比由第1透镜60会聚的光的宽度小的开口；以及使通过缝隙70的开口的光恢复为平行光的第2透镜80。由此，能够使照射的光的边缘尖锐(sharp)。
另外，如图15所示，本发明的又一光学系统装置120具有缝隙90，该缝隙90配置在光源5与光学元件10之间，具有比从光源5出射的光的宽度小的开口。由此，能够使照射的光的边缘尖锐。
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能够形成为如图2、图3所示那样形成为(1)使基准平面形状1以通过规定位置的直线为中心线进行旋转而得到的旋转体，或者如图4～图6所示那样形成为(2)使基准平面形状1在该基准平面形状1的法线方向上平行移动而得到的形体。反而言之，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。另外，在(2)的平行移动体中，由与平行移动的方向垂直的平面形成的截面与基准平面形状1为相同形状。
首先，对这种情况下的基准平面形状1进行说明。如图1所示，该基准平面形状1包括作为照度调节部2的第1入射部21、第2入射部22、反射部23、以及出射方向调节部3，并且采用使从规定位置9入射的光沿着y轴方向作为平行光出射的形状。基准平面形状1的制作方法如下所述。
首先，将第1入射部21在反射的光不多的程度的区域内制作成曲线AB。曲线AB的形状按如下方式设计即可：在曲线AB上的任意点进行了折射的光在出射方向调节部3的照度或与出射方向调节部3之间在规定方向上的距离为100μm以内的基准线上的直线FG的照度变得均匀。具体而言，以如下方式计算即可：在出射方向调节部3或与出射方向调节部3之间在规定方向上的距离为100μm以内的基准线上的直线FG的任意点的照度，与用曲线AB上的照度的累计值除以其长度而得到的值相同。该计算能够使用牛顿拉福森方法等解析法。另外，该计算能够使用计算机进行。
接着，作为第2入射部，制作中心为O且以直线OB为半径r的圆弧。该圆弧由下述式表示。
(数学式3)
x2+y2＝r2
接着，计算通过第2入射部22的光由反射部23反射而通过的出射方向调节部3的照度或与出射方向调节部3之间在规定方向上的距离为100μm以内的基准线上的直线GE的长度。在反射部23的反射为全反射的情况下，直线GE的长度能够用圆弧BC上的照度的累计值除以所述直线FG上的照度来计算。当然，在反射部23的反射为金属反射的情况下，需要考虑吸收造成的损失。
接着，作为反射部23，制作曲线CD。曲线CD的形状按如下方式设计即可：在曲线CD上的任意点进行了折射的光在出射方向调节部3的照度或与出射方向调节部3之间在规定方向上的距离为100μm以内的基准线上的直线GE的照度变得均匀。该计算能够使用牛顿拉福森方法等解析法。另外，该计算能够使用计算机进行。
接着，作为出射方向调节部3，制作曲线FE。曲线FE设计成使来自第1入射部21的光及来自反射部23的光以沿着y轴成为平行光的方式进行折射的形状即可。
最后，将连接照度调节部2和出射方向调节部3的连接部4作为ED制作。ED部只要不妨碍光路，就可以为任意的形状。
本发明的光学元件，如果使像这样制作的基准平面形状1以y轴为中心线进行旋转，则像图2、图3那样成为旋转体。
另外，本发明的光学元件，如果使基准平面形状1沿着z轴方向平行移动，则成为图4那样的平行移动体。在这种情况下，该光学元件更优选为如图5、图6所示那样使基准平面形状1相对于y轴成镜面对称。
接着，对使用图11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，使用作为如图2、图3所示那样使图1所示的基准平面形状1进行旋转而得到且使从规定位置9入射的光沿着y轴方向作为平行光出射的旋转体。该光学元件10的规定位置9与y轴上的第1入射部之间的距离(OA)设为4mm。另外，从该光学元件10的规定位置9至第2入射部的距离(半径OC)设为5.86mm，作为第2入射部的圆弧的角度(∠BOC)设为35度。另外，规定位置9与基准线25的距离(OF)设为10mm，光学元件10的出射方向调节部侧的半径(FE)设为10mm。另外，配置在规定位置9的光源5使用辐射功率为1W的使朗伯配光的光出射且直径为0.01mm的光源。关于照度分布，计算距出射方向调节部50mm的场所的照度分布。此外，仿真使用光学仿真软件LightTools(Synopsys公司制)。
图16中示出该仿真结果。照度不均为0.0005(W/mm2)以下。

Claims (11)

1.一种光学元件，其具有使将来自规定位置的光变换为与规定方向平行的光的基准平面形状进行旋转而得到的旋转体或使该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，所述光学元件的特征在于：
所述基准平面形状包括照度调节部和出射方向调节部，
所述照度调节部为对从所述规定位置入射的光的方向进行变换以使得所述出射方向调节部的照度变得均匀的形状，
所述出射方向调节部为通过折射将光的方向变换为所述规定方向的形状。
2.根据权利要求1所述的光学元件，其特征在于：
所述照度调节部具有第1入射部，该第1入射部为使从所述规定位置入射的光折射以使得与所述出射方向调节部之间的在所述规定方向上的距离为100μm以内的基准线上的照度变得均匀的形状。
3.根据权利要求1或2所述的光学元件，其特征在于：
所述照度调节部包括：
使来自所述规定位置的光入射的第2入射部；以及
反射部，其使通过所述第2入射部的光反射以使得与所述出射方向调节部之间的在所述规定方向上的距离为100μm以内的基准线上的照度变得均匀。
4.根据权利要求3所述的光学元件，其特征在于：
所述第2入射部为以所述规定位置为中心的圆弧。
5.根据权利要求3或4所述的光学元件，其特征在于：
所述反射部为使通过所述第2入射部的光全反射的形状。
6.根据权利要求3或4所述的光学元件，其特征在于：
所述反射部为利用金属反射的反射部。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的光学元件，其特征在于：
所述出射方向调节部具有不产生衍射的大小的凹凸构造。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的光学元件，其特征在于：
所述照度调节部为对从规定位置以朗伯配光入射的光的方向进行变换以使得所述基准线上的照度变得均匀的部件。
9.一种光学系统装置，其特征在于，具备：
权利要求1～8中任一项所述的光学元件；以及
配置在所述规定位置的光源。
10.根据权利要求9所述的光学系统装置，其特征在于，具备：
第1透镜，其使从所述光学元件出射的平行光会聚；
缝隙，其具有比由所述会聚透镜会聚的光的宽度小的开口；以及
第2透镜，其使通过所述缝隙的开口的光恢复为平行光。
11.根据权利要求9所述的光学系统装置，其特征在于：
具备配置在所述光源与所述光学元件之间且具有比从所述光源出射的光的宽度小的开口的缝隙。
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