CN112346254A - 光学单元、照明设备、显示器及光通信设备 - Google Patents

光学单元、照明设备、显示器及光通信设备 Download PDF

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Abstract

本发明涉及光学单元、照明设备、显示器及光通信设备。一种光学单元，包括球透镜和光源。球透镜被配置为聚光并出射已聚的光。光源具有发光表面，并且被配置为向球透镜出射光。发光表面比球透镜的焦点位置更接近球透镜。

Description

光学单元、照明设备、显示器及光通信设备
相关申请的交叉引证
本申请要求于2019年8月7日提交的日本专利申请号2019-145583的优先权，其全部内容通过引用结合于此。
技术领域
本发明涉及使用来自光源的光的光学单元、照明设备、显示器及光通信设备。
背景技术
已提出了各种方法以用于聚集来自诸如发光二极管(LED)的光源的表现出朗伯分布(Lambertian distribution)的光，以获得期望的光分布特性。例如，参考日本未审查专利申请公开号2014-011107和2014-149915。
发明内容
根据本公开的一实施例的光学单元包括球透镜和光源。球透镜被配置为聚光并出射已聚的光。光源具有发光表面，并且光源被配置为朝球透镜出射光。发光表面位于相比球透镜的焦点位置更接近球透镜的位置。
根据本公开的一实施例的照明设备包括球透镜和光源。球透镜被配置为聚光并出射已聚的光作为照明光。光源具有发光表面，并且光源被配置为朝球透镜出射光。发光表面位于相比球透镜的焦点位置更接近球透镜的位置。
根据本公开的一实施例的显示器包括：多个球透镜，被配置为聚光并出射已聚的光；以及多个光源，分别与多个球透镜相对应地设置。多个光源中的每个光源具有发光表面，并且光源被配置为朝多个球透镜中相对应的一个球透镜出射光。该发光表面位于比多个球透镜中相对应的一个球透镜的焦点位置更接近多个球透镜中相对应的一个球透镜的位置。
根据本公开的一实施例的光通信设备包括光发射器，该光发射器包括球透镜和光源。球透镜被配置为聚光并出射已聚的光。光源具有发光表面，并且光源被配置为朝球透镜出射光。发光表面位于相比球透镜的焦点位置更接近球透镜的位置。
附图说明
所包括的附图提供了对本公开的进一步理解，并且这些附图被并入本说明书且构成本说明书的部分。附图示出了实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。
图1是示出朗伯光分布的光源的光分布特性的示例的特性图。
图2是示出使用反射壁时的光源的光分布特性的示例的特性图。
图3是示出其中球透镜与朗伯光分布的光源组合在一起的根据本公开的一实施例的光学单元的光分布特性的示例的特性图。
图4是示出半宽度相对于出射光束的方位角的概述的说明图。
图5是示出根据比较例的光学单元的配置示例以及出射光束的轨迹的仿真结果的侧视图。
图6是示出根据一实施例的光学单元的配置示例以及出射光束的轨迹的仿真结果的侧视图。
图7是示出根据比较例的光学单元与根据一实施例的光学单元之间的光分布特性的比较的特性图。
图8是示出根据一实施例的光学单元中的阵列球透镜的示例的侧视图。
图9是示出根据一实施例的光学单元中的阵列球透镜的示例的透视图。
图10是示出根据一实施例的光学单元中的阵列球透镜的示例的平面图。
图11是示出根据一实施例的制造光学单元中的阵列球透镜的替代方法的示例的侧视图。
图12是示出限制光的百叶窗的示例的截面图。
图13是示出使用百叶窗的光学单元的光分布特性的示例的特性图。
图14的(A)部分和(B)部分是示出球透镜的尺寸等的说明图。
图15是示出根据一实施例的照明设备和显示器的第一配置示例的截面图。
图16是示出根据一实施例的照明设备和显示器的第二配置示例的截面图。
图17是示出球透镜中的逆反射的说明图。
图18是示出在根据一实施例的光学单元中的光学片层中使用漫射片的情况下的光的再循环效应的概述的说明图。
图19是示出球形像差的发生的概述的说明图。
图20是说明球表面上的斯涅尔定律(Snell’s law)的概述的说明图。
图21是示出来自被平行光照射的球透镜的出射光束的轨迹的仿真结果的侧视图。
图22是示出来自被平行光照射的球透镜的出射光束的轨迹的仿真结果的俯视透视图。
图23是示出来自被平行光照射的球透镜的出射光束的光分布特性的仿真结果的特性图。
图24A至图24E是示出根据一实施例的光学单元的随光源直径相对于球透镜的透镜直径变化的多个配置示例的配置图。
图25是示出根据一实施例的光学单元的随光源直径相对于球透镜的透镜直径变化的光学特性的仿真结果的说明图。
图26是示出根据一实施例的光学单元的随光源直径相对于球透镜的透镜直径变化的光分布特性的仿真结果的特性图。
图27的(A)部分至(E)部分是示出根据一实施例的光学单元中的随光源直径相对于球透镜的透镜直径变化的出射光束的轨迹的仿真结果的侧视图。
图28是示出根据一实施例的光学单元中的透镜直径与光源直径之间的关系对光利用效率的影响的说明图。
图29是示出根据使用光学片的比较例的光学单元的光分布特性的特性图。
图30是示出其中利用根据一实施例的光学单元实现接近于图29所示的光分布特性的光分布特性的示例的特性图。
图31的(A)部分和(B)部分是示出其中根据一实施例的光学单元中的具有基本上为正方形形状的发光表面的光源的配置示例的配置图。
图32是示出图31的配置示例的光学特性的仿真结果的说明图。
图33是示出图31的配置示例的光分布特性的仿真结果的特性图。
图34是示出根据一实施例的光学单元的随光源的发光表面与球透镜之间的距离变化的光学特性的仿真结果的说明图。
图35是示出根据一实施例的光学单元中的光源的发光表面与球透镜之间的距离和球透镜的透镜直径的比值与穿过透镜的光束的比例和未穿过透镜的光束的比例的关系的仿真结果的特性图。
图36是示出根据一实施例的光学单元中的光源的发光表面与球透镜之间的距离和球透镜的透镜直径的比值与半宽度的关系的仿真结果的特性图。
图37是示出根据一实施例的光学单元的光学特性的在存在和不存在朝球透镜反射来自光源的光束的壁的情况下的仿真结果的说明图。
图38是示出在根据一实施例的在光学单元中不存在壁的情况下的出射光束的轨迹的仿真结果的侧视图。
图39是示出在根据一实施例的在光学单元中存在壁的情况下的出射光束的轨迹的仿真结果的侧视图。
图40是示出在根据一实施例的在光学单元中存在壁且将壁描绘为透明的情况下的出射光束的轨迹的仿真结果的侧视图。
图41是示出在根据一实施例的光学单元中存在和不存在壁的情况下的出射光束的光分布特性的仿真结果的特性图。
图42是示出根据比较例的设置有阵列壁的光学单元的示例的截面图。
图43是示出根据比较例的光学单元中的阵列壁的配置示例的平面图。
图44是示出根据设置有阵列壁的一实施例的光学单元的配置示例的截面图。
图45是示出根据一实施例的光学单元中的阵列壁和球透镜的配置示例的平面图。
图46是示出非朗伯光分布的光源的配置示例以及出射光束的轨迹的仿真结果的侧视图。
图47是示出非朗伯光分布的光源的光分布特性的示例的特性图。
图48是示出其中非朗伯光分布的光源与球透镜组合在一起的根据一实施例的光学单元的配置示例以及出射光束的轨迹的仿真结果的侧视图。
图49是示出根据一实施例的光学单元的在非朗伯光分布的光源与球透镜组合在一起的情况下的光分布特性的示例的特性图。
图50是示出图47所示的光分布特性与图49所示的光分布特性之间的比较的特性图。
图51是示出其中根据一实施例的光学单元中的以增强的填充密度布置多个球透镜的第一配置示例的平面图。
图52是示出其中根据一实施例的光学单元中的以增强的填充密度布置多个球透镜的第二配置示例的平面图。
图53是示出图52所示的第二配置示例中的多个球透镜的尺寸示例的平面图。
图54是示意性示出根据一实施例的光通信设备的配置示例的框图。
图55是示意性示出根据一实施例的光通信设备中的光发射器的配置示例的截面图。
图56是示意性示出根据一实施例的光通信设备中的光接收器的配置示例的截面图。
图57是示出针对根据一实施例的光通信设备的根据比较例的光通信设备的第一配置示例的截面图。
图58是示出针对根据一实施例的光通信设备的根据比较例的光通信设备的第二配置示例的截面图。
具体实施方式
为了聚光以获得期望的光分布特性，而所期望的是较高的光利用效率。
期望提供一种可以以高效率获得所需光分布特性的光学单元、照明设备、显示器及光通信设备。
以下，将参考附图详细描述本公开的一些示例性实施例。注意，以下描述针对本公开的说明性示例，而不应被解释为对本公开的限制。包括但不限于数值、形状、材料、部件、部件的位置以及部件如何彼此耦接的因素仅是说明性的，而不应解释为对本公开的限制。此外，以下示例性实施例中未在本公开的最通用的独立权利要求中叙述的元件是可选的并且可以根据需要提供。附图是示意性的，而不旨在按比例绘制。相同的元件用相同的参考标号表示，以避免任何冗余的描述。注意，描述将按以下顺序给出。
0.比较例
1.第一实施例(光学单元、照明设备和显示器)(图1至图53)
1.1.概述
1.2.详细配置条件和工作方式
1.3.效果
1.4.修改示例
2.第二实施例(应用光通信设备的示例)(图54至图58)
2.1.配置
2.2.工作方式和效果
3.其它实施例
<0.比较例>
已提出了各种方法以用于聚集来自诸如发光二极管(LED)的光源的表现出朗伯分布的光。例如，日本未审查专利申请公开号2014-011107(JP-A2014-011107)提出了一种包括多个半球透镜的透镜阵列布置在多个LED元件基板的顶表面上的配置，这些多个LED元件基板上设置有相应的LED元件。倾斜反射表面设置在每个LED元件基板的壁面上。根据JP-A2014-011107中描述的技术，通过以下两个步骤来调整来自LED元件的光的方向。作为第一步骤，使来自LED元件的光照射到前述反射表面上并从前述反射表面反射。作为第二步骤，利用透镜阵列调整反射光的方向。
根据JP-A2014-011107中描述的技术，由于在第一步骤中来自LED元件的光在LED元件基板的壁面处经受反射，所以导致了反射损失。此外，由于在第二步骤中使用的透镜阵列的透镜是半球形，所以存在难以实现较大的折射效果的问题。
众所周知，基础技术与JP-A2014-011107中描述的技术一样，在作为初级反射表面的LED元件周围形成凹部或凸部(bank)，以在某种程度上初始调整光束的方向，并且使用设置在初级反射表面上方的聚光透镜来进一步调整光束的方向。
相反，根据本公开的技术，如将在后面描述，可以省略JP-A2014-011107中描述的技术中的初级反射表面。本公开的特征在于，使从LED出射的光直接进入透镜。因为该特征不会引起在初级反射表面处发生的任何反射损失，所以该特征可以提高光利用效率。
日本未审专利申请公开号2014-149915(JP-A2014-149915)提出了一种关于导光板系统的光源单元的技术。根据其中描述的技术，将形成在导光板上的光束的各个出射点假设为次级光源，并且在导光板上的出射点处放置平凸形状的聚光透镜，以允许出射准直光。然而，因为平凸透镜仅在一侧具有折射表面，所以存在对获得较大的折射角的限制。
对于通过导光板出射的光束，光束矢量的方向受到一定的限制。利用这一点，在JP-A2014-149915中描述的技术遵循以下两个步骤：第一步骤，使用导光板限制光束的出射范围；以及第二步骤，使用透镜进一步调整光束方向。
在JP-A2014-011107和JP-A2014-149915中描述的两种技术都执行逐步聚集来自光源的光，并且不同于完全单独取决于透镜的折射效果的聚光方法。
<1.第一实施例>
[1.1.概述]
根据本公开的第一实施例的光学单元(如后面将描述的图6所示)包括：球透镜2，聚光并出射已聚的光；和光源1，朝球透镜2出射光。球透镜2是包括对要使用的透射光的材料的球形透镜。光源1包括例如LED并且该光源1放置在球透镜2附近。光源1具有发光表面。在一实施例中，发光表面位于相比球透镜2的焦点位置更接近球透镜2的位置。
图1示出朗伯光分布的光源1的光分布特性的示例。图2示出使用反射壁时的光源1的光分布特性的示例。图3示出其中球透镜2与朗伯光分布的光源1组合在一起的根据本公开的第一实施例的光学单元的光分布特性的示例。在图1至图3中的每个图中，横轴表示出射光束的方位角(以度为单位)，而纵轴表示光束的强度(以cd为单位)。除非另有说明，否则这同样适用于后面将参考的示出光分布的其它附图。
图1所示的朗伯光分布的光源1的特性是常见的，例如表面安装的LED。图2示出在图1所示的朗伯光分布特性的光源1的周围设置圆柱形反射壁从而使光分布角范围变窄的情况下的特性。
图1所示的由光源1设置的朗伯光分布表现出约为例如±60度的半宽度。如图2所示，例如反射壁的使用使半宽度约为±50°度。在光源1产生如图1所示的朗伯光分布的情况下，难以利用现有技术再聚集从光源1出射的光。例如，参见图2，仅仅设置圆柱形反射壁不足以实现足够小的半宽度。相反，如图3所示，根据第一实施例的光学单元可以准直光束以获得约为例如±15度的半宽度。
应注意，图3所示的特性是示例性的，并且可以利用根据第一实施例的光学单元适当地调整半宽度。如将在后面描述，通过调整例如但不限于球透镜2的透镜直径D与光源1的发光表面和球透镜2之间的距离ΔL之间的比值ΔL/D、球透镜2的透镜直径D与光源直径Φ之间的比值Φ/D，来适当地调整半宽度。如本文所使用，“光源直径”是指光源1的发光表面的直径，该直径包括发光表面的圆当量直径。
现在，将给出光分布的半宽度相对于角度的描述。这里，光分布是指光束相对于出射的光束的方位角的强度分布。角度是指出射的光束的方位角。图4示出半宽度相对于出射光束的方位角的概述。在图4中，横轴表示出射光束的方位角(以度为单位)，而纵轴表示光束的强度(以cd或a.u.(任意单位)为单位)。如图4所示，光束的强度为峰值的一半处的方位角之间的差被称为半峰全宽度(FWHM)。如本文所使用，术语“半宽度”是指作为半峰全宽度的一半的半峰半宽度(HWHM)。
图5至图7示出更具体的特性的仿真结果。图5示出根据比较例的光学单元的配置示例以及出射光束的轨迹的仿真结果的侧视图。图6示出根据第一实施例的光学单元的配置示例以及出射光束的轨迹的仿真结果的侧视图。图7示出根据比较例的光学单元与根据第一实施例的光学单元之间的光分布特性的比较。
根据图5所示的比较例的光学单元具有如下结构，其中朗伯光分布的光源1(诸如LED)被圆柱形壁3包围。壁3具有内表面(壁面)，该内表面用作反射表面4以引起来自光源1的光的散射反射。假设在没有壁3的情况下半宽度为±60度，反射表面4可以提供约为例如±50度的半宽度。然而，在根据图5所示的比较例的光学单元中，较大比例的光束被反射离开壁3的反射表面4。这使光学单元受到散射反射的影响，从而导致较低的效率。例如，光利用效率为88.442％。
相反，在图6所示的根据第一实施例的光学单元中，球透镜2设置在光源1的上方，与根据比较例的光学单元的构造相反。壁3可以放置有位于光源1和球透镜2周围的反射表面4，从而将来自光源1的光朝球透镜2反射。球透镜2可以包括例如但不限于具有7.1mm的透镜直径D和1.49的均匀折射率n的材料。壁3可以具有例如但不限于7.0mm的内径。在根据图6所示的第一实施例的光学单元中，光源1放置有发光表面，该发光表面位于相比球透镜2的焦点位置更接近球透镜2的位置。这使得从光源1发射的光几乎全部被捕获到球透镜2中，以实现提高的光利用效率。根据图6所示的第一实施例的光学单元，实现了例如为98.153％的光利用效率。此外，如图7所示，根据图6所示的第一实施例的光学单元与根据图5所示的比较例的光学单元相比，图6所示的光学单元对出射光束表现出明显更高的聚光性能，能够聚光以提供约为15度的半宽度。这意味着根据图6所示的第一实施例的光学单元，能够同时提高光利用率和聚光性能。
根据第一实施例的光学单元可以具有其中单个球透镜2与诸如LED元件的单个光源1相对应的基本配置；然而，包括多个光源1和多个球透镜2的阵列配置也是可能的。通过将光源1和球透镜2二维地布置成阵列，可以提供作为整体的表面光源配置。
图8至图10示出根据第一实施例的光学单元中的阵列球透镜2的配置示例。图8是侧视图。图9是透视图。图10是平面图。
如图8至图10所示的配置示例，例如，球状透镜2可以通过整体模塑彼此排列和集成。除了球透镜2之外，配置示例还可以包括边沿部(外围部)5，该边沿部5在厚度上是均匀的。可以与多个球透镜2对应地分别设置多个光源1。例如，在通过在平面上以规则间距布置多个光源1来形成表面光源的情况下，球透镜2与光源1组合布置成的阵列提供了具有实现较高聚光性能的光分布特性的表面光源，并且提高了表面光源的光利用效率。在图8至图10所示的配置示例中，多个球透镜2全部彼此集成；然而，考虑到诸如膨胀和收缩的尺寸的潜在变化，多个球透镜2在设计上可以尽可能地在平面内被划分为多个分开的区域。在图8至图10所示的配置示例中，如图10中的实线40所示，三个相邻的球透镜2彼此间隔开并放置在虚拟的、基本上为等边三角形的三个顶点位置处。这使得可以提供亮度不均匀性减小了的表面光源。应注意，为了尽可能密集地布置球透镜2，如图10中虚线41所示，例如，可以增大球透镜2的透镜直径D，以允许每个相邻的球透镜2彼此接触或几乎接触。
阵列球透镜2可以通过除整体模塑之外的方法制造。图11示出用于阵列球透镜2的这种其它制造方法的示例。例如，阵列球透镜2可以通过将两个阵列构件彼此接合来制造。这两个阵列构件可以是，例如但不限于，球透镜2和边沿部5的整个阵列结构的上部和下部在沿图8和图9所示的边沿部5的厚度的任何一点处被划分。作为非限制性示例，图11示出通过将包括多个半球透镜或基本上为半球透镜(半球形或基本上为半球形的透镜)2A和边沿部5A的第一阵列构件和包括多个半球透镜或基本上为半球透镜(半球形或基本上为半球形透镜)2B和边沿部5B的第二阵列构件彼此接合，来制造阵列球透镜2的方法。应注意，边沿部5A和边沿部5B的厚度可以不同。
图12示出限制光的百叶窗110的示例。图13示出使用百叶窗110的光学单元的光分布特性的示例。
如图12所示，百叶窗110包括具有宽度A的遮光层(光吸收层)111和具有宽度B的透光层112，该遮光层111和该透光层112可以以固定的大小比例交替地布置。尽管在图12中未示出，但百叶窗110可以设置在光源1上方。来自光源1的光束被遮光层111部分地切断。基于与百叶窗110的厚度da的关系，透射过百叶窗110处的透光层112的光束的最大角θa确定如下：tan(θa)＝da/B，然后θa＝atan(da/B)。来自光源1的光束被限制在某一范围内，以使透射光束处于θa或更小的角度。作为光学单元的所得到的光分布特性如图13所示。
为了获得期望方向上的光作为光学单元，使用图12所示的百叶窗110是一种可考虑方法。百叶窗110吸收并消除特定方向以外的方向上的光，从而允许特定方向上的光保留。在使用百叶窗110的方法中，光束在不旨在使用的方向上被百叶窗110吸收，并且从而作为损失被消除。因此，尽管可以获得期望方位角的光束，但该方法在光利用效率方面通常极低。
在第一实施例中，提出了使用球透镜2聚集并准直来自光源1的光束的方法。为了有效地聚集光束，存在诸如球透镜2的最佳透镜直径D、光源1相对于球透镜2的大小的最佳大小(光源直径Φ)、最佳位置关系的最佳配置条件。这些最佳配置条件将在后面详细描述。
现在，在描述根据第一实施例的光学单元的最佳配置条件之前，将参考图14的(A)部分和(B)部分描述球透镜2的尺寸定义等。为说明起见，图14的(A)部分和(B)部分示出使平行光束沿与用作光学单元的情况相反的方向进入球透镜2的状态。
关于球透镜2的各种参数定义如下。
d：入射光束直径
D：球透镜2的透镜直径
EFL：球透镜2的焦距
BFL：球透镜2的后焦点
n：球透镜2的材料的折射率
nm：目标空间(图像空间)的折射率(在空气的情况下等于1)
NA：孔径比
EFL＝nD/4(n-1)
BFL＝EFL-D/2
NA可以由以下表达式(1)表示。
Figure BDA0002563400240000121
这里，当已进入球透镜2的平行光束从球透镜2出射时，在球透镜2的切面位置处的光束透射区域的直径将被称为光束透射区域直径，并且由符号Φq表示。光束透射区域直径Φq是说明区域Q的直径，该说明区域Q将在后面说明最佳配置条件时用作光源1的发光区域的比较参考。在根据第一实施例的光学单元中，光源直径为Φ的大小的光源1可以靠近区域Q布置。如将在后面描述，在一示例性实施例中，具有满足Φ/D<38％的光源直径Φ的微光源可以布置为与球透镜2接触的光源1。
根据第一实施例的光学单元可用作照明设备和显示器。
图15示出根据第一实施例的照明设备和显示器的第一配置示例。图15所示的显示器包括作为光学调制器的液晶显示装置120，以及包括根据第一实施例的光学单元的直接式背光源(照明设备)。液晶显示装置120是调制来自照明设备的照明光以显示图像的光学调制器。
照明设备可以包括光源布置层10、出射和聚光功能层20和光学片层130。光学片层130可与根据本公开的一实施例的“光学片”的特定但非限制性示例相对应。在光源配置层10上可以排列多个光源1。与多个光源1相对应的多个球透镜2可以排列在出射和聚光功能层20中。多个光源1分别与多个球透镜2相对应地设置。多个光源1中的每个光源1具有发光表面，并且朝多个球透镜2中相对应的一个球透镜2出射光。发光表面位于相比多个球透镜2中相对应的一个球透镜2的焦点更接近多个球透镜2中相对应的一个球透镜2的位置。多个球透镜2中的每个球透镜2可以聚集来自光源1中的对应一个光源1的光，并且可以将已聚的光通过光学片层130朝液晶显示装置120出射。多个球透镜2和多个光源1可以作为整体形成表面光源。
注意，可以在不使用诸如液晶显示装置120的光学调制器的情况下配置显示器。例如，多个光源1和多个球透镜2可以排列成阵列，以允许多个光源1中的至少一个和多个球透镜2中的至少一个的组合形成一个像素。可以通过逐像素地调整来自光源1的光的出射强度来显示图像。在这种情况下，可以从配置中省略光学片层130。
光学片层130可以包括例如光漫射层131和光学膜132，因此可以使来自多个球透镜2的照明光的面内亮度均匀化，并且可以通过将在后面描述的逆反射效应提高光利用效率。
图16示出根据第一实施例的照明设备和显示器的第二配置示例。在图16所示的显示器器中，与图15所示的显示器的配置相反，包括光源1和球透镜2的照明设备部分可以包含在光学盒140中。光学盒140可以设置有在球透镜2的光出射表面侧放置的光学片层130。
在图15和图16中的每个图所示的照明设备和显示器中，球透镜2具有不同于通常使用的附接透镜的球形形状。这对从外部进入球透镜2的光束产生逆反射效应。因此，当一些光从光学片层130反射为朝球透镜2的返回光时，返回光可以再次进入光学片层130。由此提高了光利用效率。
将参考图17给出球透镜2上的逆反射的描述。通常，已知以入射角2α进入球透镜2的光在表面处折射，在球透镜2内部反射，然后在表面处再次折射，并从球透镜2出射。在这种情况下，假设入射角为2α，出射角等于2α。这为球透镜2提供了在光进入的方向上使光返回的功能。这被称为逆反射。虽然理想的是，在任何方向进入的光不断地在光已进入的方向上返回，但在范围上存在一些限制。在根据第一实施例的光学单元中，球透镜2由于其球形形状而表现出逆反射性质。因此，被光学片层反射并进入球透镜2的返回光通过从球透镜2的全反射在该进入的入射方向上再次出射。
有效地使用逆反射效应的发生，能够提高光利用效率。例如，如果将曾经从球透镜2出射的光束假设为初级光，并且将由诸如光学片层130的外部部件反射的光假设为初级反射光，则存在初级反射光能够被球透镜2再次反射，并且能够在与光的入射方位角相同的方位角处从球透镜2出射作为次级光的性质。光的反射重复n次，直到反射光耗尽。如果这种循环被称为再循环效应，则根据第一实施例，球透镜2的使用可以比当前可能更有效地产生再循环效应。通过现有透镜系统无法实现的这种特征，可以增加光束的最终出射，从而提高光利用效率。
图18示出在根据第一实施例的光学单元中的光学片层130中使用漫射片的情况下的光的再循环效应的概述。
图18示出其中光学片层130(漫射片)布置在光源部100上方的配置示例。光源部100可以包括板30和设置在其上的多个阵列球透镜2。板30可以设置有将来自光源1(图18中未示出)的光朝球透镜2反射的壁。
作为非限制性示例，可以将White Optics(注册商标)DF-90用作光学片层130(漫射片)，该White Optics(注册商标)DF-90是可从位于美国德克萨斯州纽卡斯特的WhiteOptics,LLC获得的用于折射透镜系统的低损失漫射片。漫射片应具有已知固定值的光谱透射率Tr1。允许来自光源部100的一阶入射光L1的部分从漫射片出射作为基于光谱透射率Tr1的一阶透射光，而一阶入射光L1的另一部分被漫射片反射为一阶反射返回光Lr1。一阶反射返回光Lr1被光源部100再次反射并且再次进入漫射片作为二阶入射光L2。允许来自光源部100的二阶入射光L2的部分从漫射片出射作为基于光谱透射率Tr1的二阶透射光，而二阶入射光L2的另一部分被漫射片反射为二阶反射返回光Lr2。然后，以同样的方式，重复循环过程，其中允许部分n阶入射光Ln从漫射片出射作为基于光谱透射率Tr1的n阶透射光。
如果利用积分球形测量在前述再循环过程期间的透射光的总光通量，则测量值包括从一阶到n阶透射光产生的所有出射光束的组合总数。如果比较在具有漫射片的情况和不具有漫射片的情况之间的光通量的总和，则具有漫射片的情况中的光谱透射率由于存在二阶至n阶透射光而比单独测量一阶透射光的情况表现出更高的测量值。使用这种测量方法可以估计再循环效应的程度。在存在再循环效应的情况下，透射率的测量值的增加量是二阶至n阶透射光的总和。
通常，有效地重新聚集分散的光束(表现为朗伯光分布)是极其困难的。根据第一实施例的光学单元的特征包括以下方面。
1)光源1(主要是LED)位于相比球透镜2的焦点位置更接近球透镜2的位置。即使光束表现出朗伯光分布，但这种配置允许从光源1出射的几乎全部光束被捕获到球透镜2中。因此，在不需要经过其它逐步聚光过程的情况下，可以实现有效的聚光。
2)在光源1在平面内二维排列的情况下，可以通过与光源1相对应地类似地排列球透镜2产生平面形状的准直光源。
3)球透镜2的球形形状赋予发光表面逆反射性质，这提供了构造成盒状结构的适用性。
[1.2.详细配置条件和工作方式]
根据第一实施例的光学单元利用球透镜2的球形像差以用于获得有效的聚光性质的一目的。虽然像差在处理图像的光学系统中是被不期望的特性，但是根据第一实施例的光学单元利用球形像差的基本性质以提高对进入球透镜2的光束的捕获效率。关于这一点，首先，将给出球形像差的典型性质的描述。
图19示出球形像差发生的概述。图20示出球形上的斯涅尔定律的概述。
图19示出平行于光轴的进入具有曲率半径r的球形折射表面的光束LA和LB。在该附图中，光束LA和LB被描绘为从折射率n1等于1的介质(空气)进入折射率n2大于1的介质X。此外，图19描绘了光束LA比光束LB更远离光轴，并且光束LB比光束LA更接近光轴。
光束LA和LB分别以入射角θ1A和θ1B进入空气和具有曲率半径的球形介质X之间的介质。在这种情况下，如图19所示，光束LA和LB以彼此不同的入射角θ1A和θ1B进入到介质X。
具体地，光束LA的入射角θ1A相对较大，而光束LB的入射角θ1B相对较小。这里，如图20所示，在以入射角θ1从具有折射率n1的介质进入具有折射率n2的介质的光束以折射角θ2被折射的情况下，根据斯涅尔定律，下列关系式成立：n1sinθ1＝n2sinθ2。在图19的情况下，当光束LA和LB被折射时，斯涅尔定律对于介质的折射率n1和n2(n1＜n2)、入射角θ1A与θ1B以及折射角θ2A与θ2B之间的关系也成立。因此，具有较大入射角的光束LA比光束LB折射得更大。因为θ1A＞θ1B和θ2A＞θ2B的关系，所以光束LA会聚到在光束LB会聚到的点k前面的点m。会聚点之间的位置差称为球形像差或轴上像差。
轴上像差例如在具有大曲率的球透镜2中较大以用于根据第一实施例的光学单元。这指示球透镜2为光束提供了较大的折射量(即，具有使透射通过远离光轴的透镜的外围部的光会聚到透镜附近的位置的高性质)。
图21和图22示出来自被平行光照射的球透镜2的出射光束的轨迹的仿真结果。图21是侧视图。图22是俯视透视图。图23示出来自被平行光照射的球透镜2的出射光束的光分布特性的仿真结果。
为了解释，图21至图23示出在使平行光束沿与用作光学单元的情况相反的方向进入球透镜2的状态下的仿真结果。此外，图21至图23示出其使来自虚拟光源101的平行光束进入球透镜2的状态下的仿真结果，该虚拟光源101具有与球透镜2的透镜直径D相同直径的圆形发光区域。仿真使用1W的辐射强度作为计算的基础。
如图23所示，即使平行的光束进入球透镜2，出射光束表现出最大±90度的分布角范围，该范围指示可以获得以直角弯曲的程度广泛传播的光分布。
而图23示出通过允许平行光进入球透镜2来研究创建焦点的性质的结果，将从回溯图21和图22所示的光束轨迹的角度来考虑。通过使用产生以朗伯光分布为典型的宽范围光分布的光源1(例如LED)来收集光。在这种情况下，建议利用球透镜2，从光源1以较大角度发射的光束甚至可以以极大的折射角进入球透镜2并被捕获至其中以用于利用。通过采用上述像差的性质，使得根据第一实施例的光学单元的技术成为可能。
接下来，将描述球透镜2与诸如LED的光源1组合时的最佳配置条件。
(透镜直径D与光源直径Φ之间的关系)
球透镜2的尺寸定义等如图14的(A)部分和(B)部分所示。因为球透镜2是球形，所以一旦确定了透镜直径D和透镜材料的折射率n，以同样的方式确定和简化诸如焦距EFL、孔径比NA等的其他参数就会比较容易。如上所述，从焦距EFL减去球透镜2的半径(D/2)得到后焦BFL。
在使平行光进入球透镜2的情况下，因为如上所述的球形像差的存在，所以透射通过球透镜2的光的会聚点不固定在单个点上。鉴于此，将基于假设存在很多光束作为整体组装成一组光束给出描述。在使平行光进入球透镜2的情况下，可以将该组光束的轨迹的集合视为集中在形状像锥体的三维区域的范围内，如图21中的虚线所示，将后焦点BFL的最大长度视为锥体的高度。因此，为了便于解释，考虑具有如图14的(B)部分所示的直径Φq的与锥体的底面相对应的区域Q。
通过关注形成椎体区域的底面的圆形区域Q的直径Φq，仿真了球透镜2针对光源1的光源直径Φ在圆形区域Q的直径Φq内的情况和光源直径Φ不在直径Φq内的情况的聚光等状态。结果在图25至图28中示出。
图24A至图24E示出根据第一实施例的光学单元的随光源直径Φ相对于球透镜2的透镜直径D变化的多个配置示例。图25示出仿真根据第一实施例的光学单元的随光源直径Φ相对于球透镜2的透镜直径D变化的光学特性的结果。图26示出仿真根据第一实施例的光学单元的随光源直径Φ相对于球透镜2的透镜直径D变化的光分布特性的结果。图27的(A)至(E)部分示出仿真根据第一实施例的光学单元中的随光源直径Φ相对于球透镜2的透镜直径D变化的出射光束的轨迹的结果。图28示出根据第一实施例的光学单元中的透镜直径D与光源直径Φ之间的关系对光利用效率的影响。在图28中，横轴表示Φ/D(％)，而纵轴表示光束的比例(％)。图28示出直径Φ/D和穿过球透镜2的光束的比例与未穿过球透镜2的光束的比例的关系。
图25至图28示出如图24A至图24E所示的设置具有光源直径Φ的圆板形状的表面光源作为光源1与球透镜2接触的情况下的仿真结果。图25至图28示出对于具有如图24A至图24E所示的变化的光源直径Φ和固定的球透镜2的透镜直径D的多个配置示例的仿真结果。为了仿真的目的，朗伯光束从光源1的整个发光表面(即，圆板形状的表面光源)朝球透镜2均匀地出射。为了与光源1的光源直径Φ进行比较，图24A至图24E还示出了上述图14的(B)部分所示的说明性圆形区域Q。
图25示出作为光学特性的光源直径Φ[mm]的值、光源直径Φ与透镜直径D的比值(Φ/D)[％]、穿过透镜(球透镜2)的光束的比例[％]、未穿过透镜(球透镜2)的光束的比例[％]以及从球透镜2出射的光束的半宽度[deg]当中的关系的仿真结果。注意，在图25中，“未穿过透镜的光束的比例”不包括例如在球透镜2内部被吸收的任何成分，而是基本上表示未进入球透镜2的光束的比例。这同样适用于说明后面参考的仿真结果的其他附图。
如图25所示，在光源直径Φ对透镜直径D的比值(Φ/D)为20％的情况下，该比值与上述区域Q中的比值相对应，获得10度的半宽度，并且从光源1发射的光束的几乎90％会从球透镜2出射，该90％指示了较高的光利用效率。此外，如图25至图28所示的仿真结果可以看出，可通过基于目标聚光程度调整光源直径Φ来调整半宽度。
图29示出根据使用光学片的比较例的光学单元的光分布特性的示例。
图30示出其中通过根据第一实施例的光学单元实现接近于图29所示的光分布特性的光分布特性的示例。
图29所示的示例性光分布特性是利用其中两个叠置的光学片代替球透镜2的配置获得的光学片，每个光学片包括棱镜片以用于增强亮度。光分布特性表现出约为±38度的半宽度。图30指示了当直径Φ/D＝83％时，实现了半宽度约为±39度(即，接近图29所示的光分布特性)。因此可以看出，83％或更小的Φ/D会导致比利用根据比较例的光学单元使用光学片而获得的的图29所示的聚光性能更好的聚光性能。
图25至图28所示的仿真结果指示当光源直径Φ变得大于区域Q的直径Φq时，聚光效率降低且半宽度增加。此外，当光源直径Φ变得大于区域Q的直径Φq时，进入球透镜2的外围部的光束的比例增加，并因此，如关于球形像差的前述原理所述，折射角较大的光束增加。这导致了光束的更宽分布，并相应地导致了更大的半宽度。这些结果也可以从图27的(A)至(E)部分所示的光束的轨迹中观察到。
前面的描述涉及光源1的发光表面为圆形的示例；然而，实际的LED元件通常具有矩形的发光表面。因此，将给出在光源1具有矩形发光表面的情况下的特性的描述。
图31示出在其中根据第一实施例的光学单元中的代替具有圆形发光表面的光源1的被设置为具有基本上为方形形状的发光表面的光源1A(例如LED封装件)的配置示例。图32示出图31的配置示例的光学特性的仿真结果。图33示出图31的配置示例的光分布特性的仿真结果。图33还示出具有光源直径Φ为2.0的圆形光源1的光分布特性以作为比较例。
图31示出光源1A被封装到LED封装件中的示例，该LED封装件具有边长为a的基本上为正方形形状的荧光体发射区域(基本上为发光区域)1B。在这种情况下，如果发光表面积a2被转换成具有等效面积的圆，则根据a2＝πr2的关系，圆具有等于
Figure BDA0002563400240000201
的半径r。
对于图32所示的情况，假设a＝2mm，则计算r如下：
Figure BDA0002563400240000202
Figure BDA0002563400240000203
因此，如果将基本上为正方形的光源1转换成圆形的光源1，则光源直径Φ与2r相对应为2.25675833。在这种情况下，Φ/D约为38％，而光束利用率几乎为80％，与根据例如上面的图29所示的使用光学片的比较例的光学单元的情况相比，80％指示获得了相当良好的聚光性能。
(光源1与球透镜2之间的距离)
通过上述方式，确定了光源1的光源直径Φ和球透镜2的透镜直径D之间的用于获得预定的光利用效率和聚光程度的合适的尺寸比值Φ/D。然后，一旦确定了球状透镜2的透镜直径D，多个球状透镜2可以在平面中排列和布置。作为非限制性示例，多个球透镜2可以被排列和布置成如下配置，其中如图10所示，三个相邻的球透镜2放置在虚拟的基本为等边三角形的顶点位置处。
在同样地在平面内排列和布置多个光源1的情况下，光源1的布置密度和相对位置配确定为与球透镜2相对应。因此，在以较高密度排列和布置具有较小的透镜直径D的球透镜2的情况下，有必要将光源1相应地设计成合适的光源直径Φ。此外，有必要设计光源1的发光表面与球透镜2之间的距离ΔL的最佳值。
在根据第一实施例的光学单元中，为了光束的发射，光源1接近球透镜2放置以几乎与球透镜2接触。更具体地，在一示例性实施例中，在球透镜2具有6mm的透镜直径D的情况下，光源1被放置在不很大程度地偏离附近位置，该附近位置为球透镜2正下方且与球透镜2的距离略低于大约200微米。在一示例性实施例中，ΔL/D可以是3.5％或更小。这是基于图34至图36所示的仿真结果。
图34示出根据第一实施例的光学单元的随光源1的发光表面与球透镜2之间的距离ΔL变化的光学特性的仿真结果。图35示出根据第一实施例的光学单元中的球透镜2的距离ΔL和透镜直径D的比值与穿过球透镜2的光束的比例和未穿过球透镜2的光束的比例的关系的仿真结果。图36示出根据第一实施例的光学单元中的球透镜2的距离ΔL和透镜直径D的比值与半宽度的关系的仿真结果。
如上所述，在一示例性实施例中，ΔL/D可以是3.5％或更小。现在将描述这样做的原因。图34示出在Φ/D固定为38％的情况下的光学特性。图34示出作为光学特性的光源1的发光表面与球透镜2之间的距离ΔL[μm]、距离ΔL与透镜直径D的比值(ΔL/D)[％]、穿过透镜(球透镜2)的光束的比例[％]、未穿过透镜(球透镜2)的光束的比例[％]以及从球透镜2出射的光束的半宽度[deg]当中的关系的仿真结果。在图35中，横轴表示ΔL/D[％]，而纵轴表示光束的比例[％]。图36还示出基于仿真结果将ΔL/D与半宽度之间的关系转换成线性关系的结果。
图35所示的仿真结果指示，期望在效率方面，ΔL/D约为3.5％或更小。此外，图35所示的仿真结果指示距离ΔL的变化对半宽度的影响程度远低于光源直径Φ的变化对半宽度的影响。ΔL/D变化1％导致(ΔWH)/(ΔL/D)约为0.28[度/％]，其中WH表示半宽度。如果使用距离ΔL与球透镜2的透镜直径D的比值ΔL/D超过3.5％的光学单元，则未进入球透镜2的光束的比例增加，这导致未能成为预期聚光目标的光束的比例增加。
综上，可以实现几乎90％的聚光效率和10度或更小的半宽度的条件包括第一条件，即假设光源1的发光区域为具有光源直径Φ、比值Φ/D为20％或更小的圆形形状。
此外，作为基于前述的实际范围，Φ/D<38％的范围(其中可以实现80％的聚光效率和15至18度的半宽度的)可被采用为可用范围方面的第二条件。
半宽度随光源直径Φ的增大而变宽。对于其中30度或更小的半宽度就足够的应用，Φ/D可以增加到50％。超出这一范围将导致损失增加，因此超过的范围通常不再被视为实际范围。
然而，通过不仅设置球透镜2，而且还设置如上述图16所示的内表面(壁面)用作反射表面4的壁3。在某些情况下，即使不符合上述条件，仍可以被实际使用。
(在存在用于将来自光源1的光束向球透镜2反射的壁3的情况下的特性)
图37示出根据第一实施例的光学单元的光学特性的在存在和不存在向球透镜2反射来自光源1的光束的壁3的情况下的仿真结果。图38示出在根据第一实施例的光学单元中不存在壁3的情况下的出射光束束的轨迹的仿真结果。图39示出在根据第一实施例的光学单元中存在壁3的情况下的出射光束的轨迹的仿真结果。图40示出在根据第一实施例的光学单元中存在壁3且将壁3描绘为透射的情况下的出射光束的轨迹的仿真结果。图41示出在根据第一实施例的光学单元中存在和不存在壁3的情况下的出射光束的光分布特性的仿真结果。
图37示出仿真作为光学特性的光源1的发光表面与球透镜2之间的距离ΔL[μm]、距离L与透镜直径D的比值(ΔL/D)[％]、穿过透镜(球透镜2)的光束的比例[％]、未穿过透镜(球透镜2)的光束的比例[％]、以及在存在壁3和不存在壁3的情况下从球透镜2出射的光的半宽度[deg]当中的关系的结果。
如图37所示，设置壁3增加了可被捕获到球透镜2中的光束，使得可以捕获几乎所有的光束。这样做的一原因是，如图38至图40所示，未被球透镜2捕获的光束从壁3的反射表面4反射而进入球透镜2。在未有设置壁3的情况下，如图38至图40所示，因为来自光源1的光束在横向方向上传播，所以从球透镜2出射的光束的方位角增大。根据图41，可以看出，设置壁3在某种程度上产生了调整出射光束的方位角的效果。该示指示了添加有助于将光束捕获到球透镜2中的过程在减少杂散光方面是有效的。
如上所述使用壁3的方法在排列中也是有用的。图42示出根据比较例的包括阵列壁3(板30)的光学单元的示例。图43示出根据比较例的光学单元中的阵列壁3(板30)的平面配置示例。图44示出根据第一实施例的设置有阵列壁3(板30)的光学单元的配置示例。图45示出根据第一实施例的光学单元中的阵列壁3(板30)和球透镜2的平面配置示例。
根据图42和图43所示的比较例的光学单元包括多个阵列光源1和板30。板30在分别与光源1性对应的位置处具有孔31。孔31为圆柱形或类似于倒置的截断锥体的形状。每个孔31被反射表面4包围，以用于反射来自光源1的光束。此外，图42和图43所示的比较例的光学单元在板30的上方设置有光学片层130，以便均匀化和增强亮度。相反，根据图44和图45所示的第一实施例的光学单元具有其中球透镜2分别放置在板30的孔31中的配置。注意，球透镜2可以被整体地模塑成如图8至图10所示的配置示例中那样的阵列结构。
(光源1为非朗伯光源的示例)
到目前为止，已利用具有朗伯光分布特性的光源1进行了描述。然而，根据第一实施例的光学单元也适用于光源1具有非朗伯光分布特性的情况。通常，可从光源获得各种光分布。一些光源可提供较宽的光分布，而其它光源可提供更窄的光分布以用于聚光应用。
图46示出非朗伯光分布的光源1的配置示例以及出射光束的轨迹的仿真结果。图47示出非朗伯光分布的光源1的光分布特性的示例。图48示出其中根据第一实施例的光学单元的非朗伯光分布的光源1与球透镜2组合在一起的配置示例以及出射光束的轨迹的仿真结果。图49示出根据第一实施例的光学单元的非朗伯分布光的光源1与球透镜2组合在一起的情况下的光分布特性的示例。图50示出图47所示的光分布特性和图49所示的光分布特性之间的比较。
图46所示的非朗伯光分布的光源1已封装到包括其上安装有树脂透镜的LED的LED封装中，并且被配置为出射光束，这些光束如图47所示相对于方位角表现出相对较窄的光分布。
图48示出其中图46所示的非朗伯光分布的光源1与球透镜2组合在一起的配置示例。图46所示的非朗伯光分布的光源1已封装到上述具有安装在光源1上的树脂透镜的LED封装中。将整个LED封装的大小假设为大约6mm，并将该大小假设为光源1的光源直径Φ，考虑到前述区域Q，球透镜2的透镜直径D可以确定为满足Φ/D＝20％。因此，D＝30mm。
图48示出在光源1上方设置透镜直径D为30mm且折射率n为1.49的树脂球透镜2的情况下的光束轨迹。如图49和图50所示，可以看出球透镜2的设置显著地减小了半宽度，从而导致聚光性能提高。由此可以看出，在期望实现一定水平的聚光(如果不是完全平行的光)的情况下，根据第一实施例的光学单元的方法在各种方式中广泛有效且有用。如图49和图50所示，可以聚集来自非朗伯光分布的光源1的光束而无损失。这使得可以单向地准直光束。
(球透镜2的平面布置的优化)
接下来，将给出在如图8和图10所示排列多个球透镜2时尽可能密集地排列多个球透镜2的方法的描述。通过尽可能密集地布置多个球透镜2，可以减少亮度的不均匀性。这里，为了说明的简单性，假设在二维平面中布置多个圆。作为用于增加多个球透镜2的布置密度(填充密度)的布置组合的示例，从平铺圆的方法已知了各种类型的几何图案。通过使用这种方法来增强填充密度的技术适用于根据第一实施例的光学单元的技术。通过不仅排列具有相同透镜直径的单个类型的球透镜2，还组合排列具有不同透镜直径的两种或更多种类型的球透镜2，可以实现更高的填充密度，其结果可以增强每单位面积的亮度，并以及有助于减少光学亮度的不均匀性。注意，两种或更多种类型的球透镜2可以各自包括多个球透镜2。
图51示出其中根据第一实施例的光学单元中的以增强的填充密度布置多个球透镜2的第一配置示例。
多个球透镜2的填充密度由实际平铺的球透镜2的投影面积(圆的总面积)与球透镜要平铺的区域的面积之的比值表示。参考图51，填充密度是将球透镜2平铺在其中的矩形中所包含的圆的面积与整个矩形的面积的比值，并且如下确定。
在具有半径r为1的单个种类的球透镜2以最高填充密度平铺在长度为15、而宽度为
Figure BDA0002563400240000251
的矩形内的情况下，圆的总面积与每个单个圆的面积乘以圆的总数相对应(即，45)，因此如下确定。
π×45＝141.3717…(A)
矩形面积如下。
Figure BDA0002563400240000252
填充密度确定如下。
表达式(A)/表达式(B)＝0.906899682
图52示出其中在根据第一实施例的光学单元中的以增强的填充密度布置多个球透镜2的第二配置示例。图53示出图52所示的第二配置示例中的多个球透镜2的尺寸示例。
图52所示的第二配置示例是其中与作为辅助透镜的多个第二型球透镜22一起布置多个第一型球透镜21的示例，该第二型球透镜22的直径比第一型球透镜21小。
为了说明简单，这里假设在二维平面中布置两种类型的圆(即，大圆(第一类型球透镜21)和小圆(第二类型球透镜22))。
图52和图53示出其中除了具有半径为1的大圆之外，以最高填充密度通过在大圆之间的空间中设置了具有半径为
Figure BDA0002563400240000261
的小圆来布置圆的示例。如图53所示，因为大圆的半径为1，并且连接三个相邻圆的圆心的线定义了一具有两个45度角的等腰直角三角形，所以三角形的斜边长度为
Figure BDA0002563400240000262
因此，小圆的半径为
Figure BDA0002563400240000263
由此得出结论，在第一类型和第二类型的球透镜21和22以最高填充密度布置在长度为15且宽度为11的矩形内的情况下，大圆的总面积为41.25π，而小圆的总面积为
Figure BDA0002563400240000264
这两种类型的圆(即，大圆和小圆)的总面积与矩形的面积的比值为填充密度，确定如下。
Figure BDA0002563400240000265
因此，填充密度为0.920151185，相对于布置单个类型的球透镜2的情况实现了进一步的提高。
注意，可以布置三种或更多种的直径不同的球透镜2。
[1.3.影响]
如上所述，根据第一实施例的光学单元、照明设备及显示器，来自光源1的光由球透镜2聚集并出射。这使得可以有效地获得期望的光分布特性。
例如，根据第一实施例的光学单元，光源1的发光表面位于比球透镜2的焦点位置更接近球透镜2的位置。这使得即使出射光束的分布是朗伯分布，也可以捕获从光源1出射到球透镜2中的几乎所有光束。因此，在不需要球透镜2以外的任何逐步聚光处理的情况下就可以进行有效的聚光。
此外，利用根据第一实施例的光学单元，在多个光源1以二维阵列布置在平面内的情况下，也可以通过以类似的阵列布置球透镜2，来产生平面形状的基本准直光源。
此外，根据第一实施例的光学单元，球透镜2的球形形状赋予发光表面逆反射性质。这为构造成阵列或盒结构提供了适用性。
在根据第一实施例的光学单元中，要使用的光源1的光源直径Φ和球透镜2的透镜直径D在例如透镜材料的折射率n为1.4-1.8的情况下可以满足的比值Φ/D为38％或更小的关系。另外，关于光源1的发光表面和球透镜2之间的距离ΔL，在一示例性实施例中，球透镜2与光源1彼此非常接近地放置，以实现ΔL/D为3.5％或更小。然而，在球透镜2和光源1难以彼此接近地放置以实现ΔL/D为3.5％或更低的情况下，设置围绕球透镜2和光源1的反射表面4，使得可以将光利用效率维持在实际范围内。即使从光源1出射的光束的分布是非朗伯分布，但根据第一实施例的光学单元也能够表现出聚光效应。在这种情况下，满足要使用的光源1的光源直径Φ与球透镜2的透镜直径D之间的上述关系是更有效。
应当理解，本文描述的效果仅仅是说明性的而非限制性的示例，并且可以实现任何其它效果。这同样适用于下面描述的其它实施例的效果。
[1.4.修改示例]
到目前为止的描述未提到光源1的颜色。不同颜色的多个光源1可以以阵列配置布置。
<2.第二实施例>
接下来，将描述本公开的第二实施例。在以下描述中，对与根据前述第一实施例的光学单元的部件共同的部件被分配相同的附图标记，并且将省略其冗余的描述。
[2.1.配置]
根据第一实施例的光学单元可应用于例如使用可见光或近红外光的光通信设备。
图54示意性示出根据本公开的第二实施例的光通信设备210的配置示例。
光通信设备210可以包括发送部211T和接收部211R。
发送部211T可以包括发送信号处理器212T和光发射器213T。发送信号处理器212T可以生成发送信号，并且可以将发送信号输出到光发射器213T。光发射器213T可以将从发送信号处理器212T接收的发送信号转换成光信号，并且可以输出光信号。
接收部211R可以包括光接收器213R和接收信号处理器212R。光接收器213R可以从光发射器213T接收光信号，并且可以将光信号转换成电信号。接收信号处理器212R可以处理来自光接收器213R的光电转换信号作为接收信号。
图55示意性地示出光发射器213T的配置示例。
光发射器213T包括一维或二维排列并设置有边沿部5的多个球透镜2、以及分别与多个球透镜2相对应地设置的多个光源1。除了出射的不是照明光而是光信号之外，光源1和球透镜2的功能基本上类似于根据前述第一实施例的照明设备中的功能。
图56示意性地示出光接收器213R的配置示例。
光接收器213R包括一维或二维排列并设置有边沿部5的多个球透镜2，以及分别与多个球透镜2相对应地设置的多个光电检测器(光接收装置)220。注意，为了与光发射器213T包括的球透镜2区别，下文将光接收器213R包括的球透镜2称为第二球透镜2。每个第二球透镜2聚集光(光信号)，并向与光电检测器220中的对应一个出射已聚的光。每个光电检测器220具有光接收表面，并且接收从第二球透镜2中相对应的一个出射的光。光接收表面位于相比第二球透镜2中相对应的一个的焦点位置更接近第二球透镜2中相对应的一个的位置。光电检测器220可以放置在与根据前述第一实施例的光学单元的光源1相对应的位置处。
[2.2.工作方式和效果]
关于用于例如卫星通信的电磁波区域，已尝试在用于传输的有限功率的约束下跨较大距离传输电磁波。例如，使用诸如抛物面天线的集中装置来实现出射电磁波的方位的已增强的方向性。抛物面天线重量较重，该天线对安装在卫星设备上构成限制。
利用根据前述第一实施例的光学单元聚光的原理和方法可以在减轻重量方面提供对不可见光的电磁波区域的潜在应用性。作为当前情况下的一示例，对于毫米波也存在类似的概念。然而，在该示例中，应为所使用的透镜不是球透镜2，所以难以有效地增加阵列中的填充密度。
作为针对根据第二实施例的光通信设备210的比较例，在图57和图58中示出了用于毫米波段的光通信设备的配置示例。图57和图58示出光通信设备中的发送部的配置示例以用于毫米波段。
根据图57所示的比较例的光通信设备具有其中波导150与毫米波透镜151组合在一起的配置。根据图58所示的比较例的光通信设备是卡塞格伦天线(Cassegrainantenna)，并且具有其中毫米波透镜(初级辐射器)161、副反射器162以及主反射器163组合在一起的配置。
光虽然是电磁波的一种，但具有不同于电磁波的性质。诸如X射线和伽马射线的辐射也是波长极短的电磁波之一。可见光是可见光区的电磁波之一，该可见光具有为纳米量级的波长。关于波长比可见光长的诸如微波和毫米波的用于雷达的无线电波，存在通过使用电介质透镜来实现类似于根据前述第一实施例的光学单元的聚光性能的聚光性能的天线的配置示例。
在这方面，将描述特定于可见光的一些特性。具有波长比红外线更长的微波和毫米波因为其的波长比可见光更长，所以比光更具有衍射性。因此，由于衍射现象，它们很容易地被障碍物等阻碍直线传播，并然后被削弱。当与可见光比较时，它们在某一方向直线传播的能力较差。
另一方面，波长短于可见光的波长且短于或等于紫外线的电磁波更能直线传播，但具有对生命有害的能量且容易被地球大气吸收，因而不适用于通信。例如，如果使用这种电磁波的无线电设备安装在卫星等上以用于与地面通信，则这些电磁波不利地被吸收到大气中而无法到达地面。考虑到这一点，电磁波中直线传播能力较高且不被空气吸收的电磁波之一是可见光。因此，可见光在用于通信中的电磁波当中相对容易处理。
然而，在可见光当中，蓝光在大气中发生散射。在进行从空中到地面的竖直传输的情况下，更接近红区的光束因此更理想。虽然肉眼看不到，但接近可见光的近红外辐射范围较不容易受到衍射的影响，且比在波长方面长于红外线的无线电波更能直线传播。例如，从实际使用即使在雾中也能够捕获物体的清晰(sharp)图像的红外相机这一事实来看，该性质被认为是显而易见的。因此，应用于例如红外LED的根据前述第一实施例的光学单元的技术被认为在红外LED用于通信的发送侧的情况下非常有利。此外，当利用光源1的光转换效率提高时，将其光通信的应用可以省去抛物面天线，从而通过重量减轻导致例如航空航天领域的发展的可能性。
其它配置、操作及效果基本上类似于根据前述第一实施例的光学单元的配置、操作及效果。
<3.其它实施例>
尽管参考上文的示例性实施例和应用示例描述了本公开，但这些示例性实施例和应用示例不应被解释为限制本公开的范围，而是可以以广泛的各种方式进行修改。应当理解，本文描述的效果仅仅是示例。本公开的示例性实施例和应用示例的效果不限于本文描述的那些，而是可以不同于本文描述的那些。本公开还可包括本文所述效果以外的任何效果。此外，该技术包括本文描述且并入的一些或全部的各种实施例和修改中的任何可能组合。
根据本公开的上述示例性实施例，可以实现至少以下配置。根据具有以下配置的公开，来自光源的光由球透镜聚集，并且已聚的光由球透镜出射。这使得可以有效地获得期望的光分布特性。
(1)一种光学单元，包括：
球透镜，被配置为聚光并出射已聚的光；以及
光源，具有发光表面，并且被配置为朝球透镜出射光，该发光表面位于相比球透镜的焦点位置更接近球透镜的位置。
(2)根据(1)所述的光学单元，其中，ΔL/D为3.5％或更小，其中，D表示球透镜的透镜直径，且ΔL表示光源的发光表面与球透镜之间的距离。
(3)根据(1)或(2)所述的光学单元，其中，Φ/D为38％或更小，其中，D表示球透镜的透镜直径，且Φ表示光源直径，该光源直径是光源的发光表面的直径，该光源直径包括发光表面的圆当量直径。
(4)根据(1)至(3)中任一项所述的光学单元，还包括壁，该壁具有被配置为用作反射表面的内表面，该壁被放置有位于球透镜周围的反射表面，并且被配置为朝球透镜反射来自光源的光。
(5)根据(1)至(4)中任一项所述的光学单元，还包括光学片，该光学片被配置为允许来自球透镜的出射光的第一部分穿过，并且将出射光的第二部分反射为返回光到球透镜。
(6)根据(5)所述的光学单元，还包括光学盒，该光学盒包含光源和球透镜，该光学盒设置有放置在球透镜的光出射表面侧的光学片。
(7)根据(1)至(6)中任一项所述的光学单元，其中，
球透镜包括多个球透镜，并且
光源包括多个光源，该多个光源分别与多个球透镜相对应地设置。
(8)根据(7)的所述光学单元，其中，多个球透镜彼此排列并集成。
(9)根据(1)至(6)中任一项所述的光学单元，其中，
球透镜包括多个球透镜，
光源包括多个光源，
多个球透镜包括具有不同透镜直径的两种或更多种类型的球透镜，该两种或更多种类型的球透镜各自包括多个球透镜，并且
多个光源分别与多个球透镜相对应地设置。
(10)根据(1)至(9)中任一项所述的光学单元，其中，光源具有朗伯光分布特性。
(11)根据(1)至(10)中任一项所述的光学单元，其中，球透镜被配置为出射准直光。
(12)根据(1)至(11)中任一项所述的光学单元，其中，球透镜包括具有均匀折射率的材料。
(13)一种照明设备，包括：
球透镜，被配置为聚光并出射已聚的光作为照明光；以及
光源，具有发光表面，并且光源被配置为朝球透镜出射光，该发光表面位于相比球透镜的焦点位置更接近球透镜的位置。
(14)根据(13)所述的照明设备，其中，
球透镜包括多个球透镜，
光源包括多个光源，该多个光源分别与多个球透镜相对应地设置，并且
多个球透镜和多个光源作为整体形成表面光源。
(15)一种显示器，包括：
多个球透镜，被配置为聚光并出射已聚的光；以及
多个光源，分别与多个球透镜相对应地设置，该多个光源中的每个光源具有发光表面并且被配置为朝多个球透镜中相对应的一个球透镜出射光，该发光表面位于相比多个球透镜中相对应的一个球透镜的焦点位置更接近多个球透镜中相对应的一个球透镜的位置。
(16)根据(15)所述的显示器，还包括光学调制器，该光学调制器被配置为调制从多个球透镜出射的光。
(17)根据(15)的显示器，其中，多个球透镜中的至少一个球透镜形成一个像素。
(18)一种包括光发射器的光通信设备，该光发射器包括：
球透镜，被配置为聚光并出射已聚的光；以及
光源，具有发光表面，并且光源被配置为朝球透镜出射光，该发光表面位于相比球透镜的焦点位置更接近球透镜的位置。
(19)根据(18)所述的光通信设备，还包括光接收器，该光接收器包括：
第二球透镜，被配置为聚光；以及
光接收设备，具有光接收表面并且被配置为接收从第二球透镜出射的光，该光接收表面位于相比第二球透镜的焦点位置更接近第二球透镜的位置。
根据本公开的至少一实施例的光学单元、照明设备、显示器及光通信设备，来自光源的光被聚集并由球透镜出射。
尽管已根据示例性实施例描述了本公开，但本公开不限于此。应理解，在不脱离由所附权利要求限定的本公开的范围的情况下，本领域技术人员可以在所描述的实施例中进行变型。权利要求书中的限制将基于权利要求书中使用的语言被广义地解释，而不限于本说明书中描述的示例或在申请的实施过程期间描述的示例，并且这些示例将被解释为非排他性的。例如，在本公开中，术语“优选地”、“优选的”等是非排他性的并且表示“优选地”，但不限于此。如本文所使用，除非上下文另外明确指示，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”包括复数引用。术语“基本上”及其变体被定义为大体上但不一定全部是如本领域普通技术人员理解的所指定的那样。本文中使用的术语“近似”或“大约”可以允许值或范围中的可变性程度。此外，本公开中的任何元件或部件都不旨在专用于公众，而不管元件或部件是否在所附权利要求中明确地叙述。

Claims (19)

1.一种光学单元，包括：
球透镜，被配置为聚光并出射已聚的光；以及
光源，具有发光表面，并且所述光源被配置为朝所述球透镜出射光，所述发光表面位于相比所述球透镜的焦点位置更接近所述球透镜的位置。
2.根据权利要求1所述的光学单元，其中，ΔL/D为3.5％或更小，其中，D表示所述球透镜的透镜直径，且ΔL表示所述光源的所述发光表面与所述球透镜之间的距离。
3.根据权利要求1所述的光学单元，其中，Φ/D为38％或更小，其中，D表示所述球透镜的透镜直径，且Φ表示光源直径，所述光源直径是所述光源的所述发光表面的直径，所述光源直径包括所述发光表面的圆当量直径。
4.根据权利要求1所述的光学单元，还包括壁，所述壁具有被配置为用作反射表面的内表面，所述壁被设置为使得所述反射表面位于所述球透镜周围，并且被配置为朝所述球透镜反射来自所述光源的光。
5.根据权利要求1所述的光学单元，还包括光学片，所述光学片被配置为允许来自所述球透镜的出射光的第一部分穿过，并且将所述出射光的第二部分反射为返回光到所述球透镜。
6.根据权利要求5所述的光学单元，还包括光学盒，所述光学盒包含所述光源和所述球透镜，所述光学盒设置有放置在所述球透镜的光出射表面侧的所述光学片。
7.根据权利要求1所述的光学单元，其中，
所述球透镜包括多个球透镜，并且
所述光源包括多个光源，所述多个光源分别与所述多个球透镜相对应地设置。
8.根据权利要求7所述的光学单元，其中，所述多个球透镜彼此排列并集成。
9.根据权利要求1所述的光学单元，其中，
所述球透镜包括多个球透镜，
所述光源包括多个光源，
所述多个球透镜包括具有不同透镜直径的两种或更多种类型的球透镜，所述两种或更多种类型的球透镜各自包括多个球透镜，并且
所述多个光源分别与所述多个球透镜相对应地设置。
10.根据权利要求1所述的光学单元，其中，所述光源具有朗伯光分布特性。
11.根据权利要求1所述的光学单元，其中，所述球透镜被配置为出射准直光。
12.根据权利要求1所述的光学单元，其中，所述球透镜包括具有均匀折射率的材料。
13.一种照明设备，包括：
球透镜，被配置为聚光并出射已聚的光作为照明光；以及
光源，具有发光表面，并且所述光源被配置为朝所述球透镜出射光，所述发光表面位于相比所述球透镜的焦点位置更接近所述球透镜的位置。
14.根据权利要求13所述的照明设备，其中，
所述球透镜包括多个球透镜，
所述光源包括多个光源，所述多个光源分别与所述多个球透镜相对应地设置，并且
所述多个球透镜和所述多个光源作为整体形成表面光源。
15.一种显示器，包括：
多个球透镜，被配置为聚光并出射已聚的光；以及
多个光源，分别与所述多个球透镜相对应地设置，所述多个光源中的每个光源具有发光表面并且被配置为朝所述多个球透镜中相对应的一个球透镜出射光，所述发光表面位于相比所述多个球透镜中所述相对应的一个球透镜的焦点位置更接近所述多个球透镜中所述相对应的一个球透镜的位置。
16.根据权利要求15所述的显示器，还包括光学调制器，所述光学调制器被配置为调制从所述多个球透镜出射的光。
17.根据权利要求15所述的显示器，其中，所述多个球透镜中的至少一个球透镜形成一个像素。
18.一种包括光发射器的光通信设备，所述光发射器包括：
球透镜，被配置为聚光并出射已聚的光；以及
光源，具有发光表面，并且所述光源被配置为朝所述球透镜出射光，所述发光表面位于相比所述球透镜的焦点位置更接近所述球透镜的位置。
19.根据权利要求18所述的光通信设备，还包括光接收器，所述光接收器包括：
第二球透镜，被配置为聚光；以及
光接收设备，具有光接收表面并且被配置为接收从所述第二球透镜出射的光，所述光接收表面位于相比所述第二球透镜的焦点位置更接近所述第二球透镜的位置。
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