JP2020064289A - 光学装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】設計自由度と光効率を向上させ、部品数を低減できる光学装置を提供する。【解決手段】光学装置は、光を照射する光照射部１０と、光照射部の光出射側に配置され、光照射部１０に第１焦点を形成する第１非球面レンズ部２０と、光照射部の光出射側に配置され、光照射部１０に第１焦点と重なるように第２焦点を形成する第２非球面レンズ部３０とを含むことを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、光学装置に関し、より詳細には、設計自由度と光効率を向上させ、部品数を低減できる光学装置に関する。
一般的に、プロジェクション光学系は、単一の非球面レンズを用いて光学系を構成する。単一の非球面レンズは、１つの焦点距離を有する非球面レンズである。
最近は、横方向の長さが縦方向の長さより長く形成される横スリムレンズを複数用いて横スリム型光学系を構成する。
しかし、従来は、複数の横スリムレンズが複数用いられるので、設計自由度と光効率が低下することがあった。また、光学系の部品数と製造費用が増加することがあった。したがって、これを改善する必要性が要請される。
本発明の背景技術は、特許文献１（２０１３．０９．２７．公開、発明の名称：自動車の照明装置）に開示されている。
大韓民国公開特許公報第２０１３−０１０６１０５号
本発明は、上記の問題点を改善するためになされたものであって、その目的は、設計自由度と光効率を向上させ、部品数を低減できる光学装置を提供することである。
本発明に係る光学装置は、光を照射する光照射部と、前記光照射部の光出射側に配置され、前記光照射部に第１焦点を形成する第１非球面レンズ部と、前記光照射部の光出射側に配置され、前記光照射部に前記第１焦点と重なるように第２焦点を形成する第２非球面レンズ部とを含むことを特徴とする。
前記第１非球面レンズ部の第１焦点距離と前記第２非球面レンズ部の第２焦点距離とは、互いに異なって形成される。
前記第２非球面レンズ部の前記第２焦点距離は、前記第１非球面レンズ部の前記第１焦点距離より長く形成される。
前記第１非球面レンズ部の前記第１焦点距離をｆ１とし、前記第１非球面レンズ部の幅の半分をｂとし、前記第２非球面レンズ部の前記第２焦点距離をf２とし、前記第１非球面レンズ部と前記第２非球面レンズ部との間の間隔をｄとする場合、前記第１非球面レンズ部と前記第２非球面レンズ部との間隔ｄ＝ｂ（ｆ２−ｆ１）／ｆ１であってもよい。
前記第２非球面レンズ部は、前記第１非球面レンズ部の両側にそれぞれ配置される。
前記第２非球面レンズ部は、主光軸を基準として両側が対称に形成される。
前記第１非球面レンズ部は、前記光照射部側に第１球面部が形成され、前記光照射部の反対側に第１平面部が形成される。
前記第２非球面レンズ部は、前記光照射部側に第２球面部が形成され、前記光照射部の反対側に第２平面部が形成される。
前記第１非球面レンズ部は、縦方向の長さが横方向の長さより長く形成される。
前記第１非球面レンズ部は、縦方向の長さが横方向の長さより３倍以上長く形成される。
前記第２非球面レンズ部は、縦方向の長さが横方向の長さより長く形成される。
前記第２非球面レンズ部は、縦方向の長さが横方向の長さより３倍以上長く形成される。
前記光照射部は、ＬＥＤ素子であってもよい。
前記光照射部は、光を照射するＬＥＤ素子と、前記ＬＥＤ素子から照射される光が透光し、前記第１焦点と前記第２焦点とが重なって形成されるオプティック部とを含むことができる。
本発明によれば、光照射部に第１焦点と第２焦点とが重なって形成されるので、第１非球面レンズ部と第２非球面レンズ部に入射する光の損失が減少するに伴い、光強度が増加することができる。また、光強度の増加に伴い、ＬＥＤ素子の個数を減少させることができる。
また、本発明によれば、第１非球面レンズ部の第１焦点距離と第２非球面レンズ部の第２焦点距離とが異なって形成されるので、１つの光学装置で実現可能な光強度の範囲を増大させることができる。したがって、設計自由度を向上させることができる。
本発明の一実施形態に係る光学装置を示す斜視図である。 本発明の一実施形態に係る光学装置の第１非球面レンズ部と第２非球面レンズ部を示す正面図である。 本発明の一実施形態に係る光学装置における第１非球面レンズ部と第２非球面レンズ部の設計因子を示す図である。 本発明の一実施形態に係る光学装置における光損失の原理を概略的に示す図である。 本発明の一実施形態に係る光学装置における非球面レンズ部の厚さと焦点距離との関係を示す表である。 本発明の一実施形態に係る光学装置における焦点距離とレンズ厚さとの関係を示すグラフである。
以下、添付した図面を参照して、本発明に係る光学装置の一実施例を説明する。光学装置を説明する過程において、図面に示された線の厚さや構成要素の大きさなどは、説明の明瞭性と便宜上誇張されて示されていてもよい。また、後述する用語は、本発明における機能を考慮して定義された用語であって、これは、使用者、運用者の意図または慣例によって異なる。そのため、これらの用語に対する定義は、本明細書全般にわたる内容に基づいて行われなければならない。
図１は、本発明の一実施形態に係る光学装置を示す斜視図であり、図２は、本発明の一実施形態に係る光学装置の第１非球面レンズ部と第２非球面レンズ部を示す正面図であり、図３は、本発明の一実施形態に係る光学装置における第１非球面レンズ部と第２非球面レンズ部の設計因子を示す図であり、図４は、本発明の一実施形態に係る光学装置における光損失の原理を概略的に示す図である。
図１〜図４を参照すれば、本発明の一実施形態に係る光学装置は、光照射部１０と、第１非球面レンズ部２０と、第２非球面レンズ部３０とを含む。
光照射部１０は、光を照射する。光照射部１０は、ＬＥＤ素子１１（ＬＥＤ）であってもよい。また、光照射部１０は、光を照射するＬＥＤ素子１１と、ＬＥＤ素子１１から照射される光を透光させ、第１非球面レンズ部２０によって形成される第１焦点Ｐ１と、第２非球面レンズ部３０によって形成される第２焦点Ｐ２とが重なるオプティック部１３とを含むことができる。オプティック部１３は、光が透過可能な透光性材質で形成される。光照射部１０は、光学装置の設計や大きさなどに応じて適切に選択可能である。
第１非球面レンズ部２０は、光照射部１０の光出射側に配置され、縦方向の長さが横方向の長さに比べて長く形成され（Ｌ１＞Ｌ２）、光照射部１０に第１焦点Ｐ１が形成される。第１非球面レンズ部２０は、光照射部１０側に第１球面部２１が形成され、光照射部１０の反対側に第１平面部２３が形成される。第１非球面レンズ部２０は、縦方向が横方向に比べて長く形成される第１縦スリム非球面レンズである。
第２非球面レンズ部３０は、光照射部１０の光出射側に配置され、縦方向の長さが横方向の長さに比べて長く形成され（Ｌ３＞Ｌ４）、光照射部１０に第１焦点Ｐ１と重なるように第２焦点Ｐ２を形成する。第２非球面レンズ部３０は、光照射部１０側に第２球面部３１が形成され、光照射部１０の反対側に第２平面部３３が形成される。光照射部１０に第１焦点Ｐ１と第２焦点Ｐ２とが重なって形成されるので、第１非球面レンズ部２０と第２非球面レンズ部３０に出射される光の損失が減少する。その結果、光強度（ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）は増加することができる。
第２非球面レンズ部３０は、第１非球面レンズ部２０の両側にそれぞれ配置される。したがって、第１非球面レンズ部２０の両側から第２非球面レンズ部３０を介して均一な光強度の光が出射できる。
第１非球面レンズ部２０の第１焦点距離ｆ１と第２非球面レンズ部３０の第２焦点距離ｆ２とは、互いに異なって形成される。例えば、第２非球面レンズ部３０の第２焦点距離ｆ２は、第１非球面レンズ部２０の第１焦点距離ｆ１より長く形成される。また、第１非球面レンズ部２０の第１焦点距離ｆ１は、第２非球面レンズ部３０の第２焦点距離ｆ２より長く形成されてもよい。ここで、第１非球面レンズ部２０の第１焦点距離ｆ１は、第１球面部２１の中心部と光照射部１０との間の最短距離で定義される。第２非球面レンズ部３０の焦点距離は、第２球面部３１の中心部と光照射部１０との間の最短距離で定義される。
第２非球面レンズ部３０の第２球面部３１は、第１非球面レンズ部２０の第１球面部２１より光照射部１０から遠く配置される。
第２非球面レンズ部３０は、主光軸ｘを基準として両側が対称に形成される。このとき、第２球面部３１は、主光軸ｘを基準として対称の形態に形成される。すなわち、第２非球面レンズ部３０が主光軸ｘを基準として回転対称形に形成される。
第１非球面レンズ部２０と第２非球面レンズ部３０との間隔は、以下のように規定される。
第１非球面レンズ部２０の第１焦点距離をｆ１とし、第１非球面レンズ部２０の幅ａの半分（ａ／２）をｂとし、第２非球面レンズ部３０の第２焦点距離をｆ２とし、第１非球面レンズ部２０と第２非球面レンズ部３０との間の間隔をｄと定義する。
このとき、第２非球面レンズ部３０の端部分と焦点とを連結する延長線Ｌｆと焦点との関係は、長方形の公式により（ｂ＋ｄ）／ｆ２＝ｂ／ｆ１の関係になる。したがって、第１非球面レンズ部２０と第２非球面レンズ部３０との間隔ｄはｄ＝ｂ（ｆ２−ｆ１）／ｆ１になる。
第１非球面レンズ部２０と第２非球面レンズ部３０が前記数式により設定される場合、光学装置が前記数式で標準化される。したがって、光学装置の設計が容易になり、設計時間が短縮できる。
第１非球面レンズ部２０は、縦方向の長さＬ１が横方向の長さＬ２より３倍以上長く形成される。また、第２非球面レンズ部３０は、縦方向の長さＬ３が横方向の長さＬ４より３倍以上長く形成される。
上記のように構成される本発明の一実施形態に係る光学装置の一例に関して説明する。
図５は、本発明の一実施形態に係る光学装置における非球面レンズ部の厚さと焦点距離との関係を示す表であり、図６は、本発明の一実施形態に係る光学装置における焦点距離とレンズ厚さとの関係を示すグラフである。
図５〜図６を参照すれば、第１非球面レンズ部２０と第２非球面レンズ部３０は、縦方向の長さが横方向の長さより３倍以上長く形成される。この時、共通の焦点を有する２つの非球面レンズ部２０、３０を１つのモジュールに適用する場合、非球面レンズ部２０、３０の厚さが増加するほど、非球面レンズ部２０、３０の焦点距離ｆ１,ｆ２が減少する。また、非球面レンズ部２０、３０の屈折率が増加するに伴い、非球面レンズ部２０、３０の厚さが減少する。
第１非球面レンズ部２０の最小焦点距離ｆ１が３５ｍｍに設定されたときに、７０ｍｍ以上の第１非球面レンズ部２０の厚さが適用され、第２非球面レンズ部３０は、厚さが８０ｍｍ以上必要になることにより、最小５０ｍｍの焦点距離ｆ２が確保される（図６参照）。
この時、第１非球面レンズ部２０の片側入射角は約１５．９゜程度になり、第２非球面レンズ部３０の片側入射角は３８．６゜程度になる。これは、一般的な第１非球面レンズ部２０の厚さが７０ｍｍの場合、片側入射角３８゜程度形成されるので、光学装置の光効率の補償が可能になることが分かる。ここで、片側入射角は、レンズ部において主光軸ｘからレンズ部の一側端部（幅方向の半分）まで光の入射するときの角度を意味する。
一方、一般的な縦スリム光学系は、中心光度が約３５，０００ｃｄであり、光効率が２０％程度の性能を有する。しかし、本発明の一実施形態に係る光学装置は、中心光度が約６０，０００ｃｄであり、光効率が３１％程度の性能を有する。したがって、本発明に係る光学装置の光効率は、従来に比べて約５０％程度の光効率が上昇可能なため、光効率が上昇するだけ、ＬＥＤ素子１１の設置個数を減少させることができる。
上記のように、光照射部１０に第１焦点Ｐ１と第２焦点Ｐ２とが重なって形成されるので、第１非球面レンズ部２０と第２非球面レンズ部３０に入射する光の損失が減少するに伴い、光強度が増加することができる。また、光強度の増加に伴い、ＬＥＤ素子の個数を減少させることができる。
また、第１非球面レンズ部２０の第１焦点距離ｆ１と第２非球面レンズ部３０の第２焦点距離ｆ２とが異なって形成されるので、１つの光学装置で実現可能な光強度の範囲を拡大させることができる。したがって、設計自由度を向上させることができる。
本発明は、図面に示された実施例を参照して説明されたが、これは例示的なものに過ぎず、当該技術の属する分野における通常の知識を有する者であれば、これより多様な変形および均等な他の実施例が可能であることを理解するであろう。
したがって、本発明の真の技術的保護範囲は、請求の範囲によって定められなければならない。
１０：光照射部
１１：ＬＥＤ素子
１３：オプティック部
２０：第１非球面レンズ部
２１：第１球面部
２３：第１平面部
３０：第２非球面レンズ部
３１：第２球面部
３３：第２平面部
ｘ：主光軸
Ｐ１：第１焦点
Ｐ２：第２焦点
ｆ１：第１焦点距離
ｆ２：第２焦点距離

Claims (14)

  1. 光を照射する光照射部と、
    前記光照射部の光出射側に配置され、前記光照射部に第１焦点を形成する第１非球面レンズ部と、
    前記光照射部の光出射側に配置され、前記光照射部に前記第１焦点と重なるように第２焦点を形成する第２非球面レンズ部とを含むことを特徴とする光学装置。
  2. 前記第１非球面レンズ部の第１焦点距離と前記第２非球面レンズ部の第２焦点距離とは、互いに異なって形成されることを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
  3. 前記第２非球面レンズ部の前記第２焦点距離は、前記第１非球面レンズ部の前記第１焦点距離より長く形成されることを特徴とする請求項２に記載の光学装置。
  4. 前記第１非球面レンズ部の前記第１焦点距離をｆ１とし、前記第１非球面レンズ部の幅の半分をｂとし、前記第２非球面レンズ部の前記第２焦点距離をｆ２とし、前記第１非球面レンズ部と前記第２非球面レンズ部との間の間隔をｄとする場合、
    前記第１非球面レンズ部と前記第２非球面レンズ部との間隔ｄ＝ｂ（ｆ２−ｆ１）／ｆ１
    であることを特徴とする請求項３に記載の光学装置。
  5. 前記第２非球面レンズ部は、前記第１非球面レンズ部の両側にそれぞれ配置されることを特徴とする請求項３に記載の光学装置。
  6. 前記第２非球面レンズ部は、主光軸を基準として両側が対称に形成されることを特徴とする請求項５に記載の光学装置。
  7. 前記第１非球面レンズ部は、前記光照射部側に第１球面部が形成され、前記光照射部の反対側に第１平面部が形成されることを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
  8. 前記第２非球面レンズ部は、前記光照射部側に第２球面部が形成され、前記光照射部の反対側に第２平面部が形成されることを特徴とする請求項７に記載の光学装置。
  9. 前記第１非球面レンズ部は、縦方向の長さが横方向の長さより長く形成されることを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
  10. 前記第１非球面レンズ部は、縦方向の長さが横方向の長さより３倍以上長く形成されることを特徴とする請求項９に記載の光学装置。
  11. 前記第２非球面レンズ部は、縦方向の長さが横方向の長さより長く形成されることを特徴とする請求項９に記載の光学装置。
  12. 前記第２非球面レンズ部は、縦方向の長さが横方向の長さより３倍以上長く形成されることを特徴とする請求項１１に記載の光学装置。
  13. 前記光照射部は、ＬＥＤ素子であることを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
  14. 前記光照射部は、
    光を照射するＬＥＤ素子と、
    前記ＬＥＤ素子から照射される光が透光し、前記第１焦点と前記第２焦点とを重なって形成するオプティック部とを含むことを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
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