JPWO2018207380A1 - 光学素子および光学系装置 - Google Patents

光学素子および光学系装置 Download PDF

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Abstract

作製が容易で光を前方の広い範囲へ無駄なく導く光学素子およびそれを用いた光学系装置を提供する。所定位置30から入射した光の配光を制御して出射する光学素子であって、所定位置30からの光を透過可能な入射面11および当該入射面11を透過した光を所定方向に反射させる反射面12からなる複数の凸構造15と、反射面12で反射した光を所定の配光方向に出射させる出射面19とからなる反射利用部を具備する。

Description

本発明は、光学素子およびそれを用いた光学系装置に関するものである。
近年、照明用の光源としてＬＥＤが用いられている。それに応じて、光を無駄なく前方へ導く光学系装置の開発も進んでいる。例えば、光が入射する入力面と、光を出射させる出力面と、入力面と出力面との間に延在し入力面から入射した光を出力面側に反射する側面とを有するレンズを複数組み合わせた光学レンズ組立体が提案されている（例えば、特許文献１）。
特開２０１５−５２９８４９
しかしながら、前述の光学レンズ組立体は、要素となる各レンズが分離しているため、組み立てが必要になるという問題があった。また、組み立てることができるレンズの数や作製できる各レンズの大きさに限界があるという問題もあった。
そこで本発明は、作製が容易で光を前方の広い範囲へ無駄なく導く光学素子およびそれを用いた光学系装置を提供することを目的とする。
本発明の光学素子は、対向する第１の面および第２の面を有するものであって、前記第１の面は、入射面及び反射面を有する凸構造が複数配置され、前記入射面は、所定位置から入射した光を前記反射面に案内可能な形状からなり、前記反射面は、前記入射面を透過した光を前記第２の面に反射させるものであることを特徴とする。
この場合、前記凸構造は、円状に形成され、各凸構造は同心円として配置されるか、あるいは、直線状に形成され、各凸構造同士は平行に配置されるように形成できる。
前記凸構造が円状に形成され、各凸構造は同心円として配置される場合、前記入射面は、前記同心円の中心を通り当該同心円に垂直な断面が、前記所定位置を中心とする円弧である方が好ましい。また、前記反射面は、前記断面が、前記所定位置を焦点とする放物線である方が好ましい。
また、前記同心円の中心部分に屈折レンズが配置されていても良い。
また、前記凸構造が直線状に形成され、各凸構造同士は平行に配置される場合、前記入射面は、前記凸構造の直線方向に垂直な断面が、前記所定位置を通り前記直線方向に平行な基準線と前記断面との交点を中心とする円弧である方が好ましい。また、前記反射面は、前記断面が、前記交点を焦点とする放物線である方が好ましい。
また、前記凸構造は、前記所定位置を通り当該凸構造の直線方向に平行な基準線を含み前記凸構造の直線方向と平行な平面に対して鏡面対称に配置される方が好ましい。
また、前記平面において鏡面対称な直線状の屈折レンズが配置されていても良い。
また、前記反射面は、前記入射面を透過した光を前記第２の面に全反射させるものである方が好ましい。
また、本発明の光学系装置は、上述した本発明の光学素子と、前記所定位置に配置される光源と、を具備することを特徴とする。
また、本発明の別の光学系装置は、上述した本発明の光学素子と、前記所定位置より光学素子から近い位置に配置される光源と、を具備することを特徴とする。
また、本発明の別の光学系装置は、上述した本発明の光学素子と、前記所定位置より光学素子から遠い位置に配置される光源と、を具備することを特徴とする。
本発明は、光学素子が複数の凸構造を一体とした構造であるため、射出成形等で簡易に作製することが可能である。また、組立を必要としないため、凸構造の数や大きさの自由度が大きいという効果がある。
本発明の光学素子に係る基準平面形状を示す図である。 本発明の光学素子の第１の面側を示す平面図である。 本発明の光学素子を示す斜視図である。 本発明の別の光学素子を示す斜視図である。 本発明の光学素子に係る凸構造の断面を説明する説明図である。 本発明の光学素子における光の経路を示す図である。 本発明の光学素子の凸構造の決定方法を説明する説明図である。 本発明の別の光学素子の第１の面側を示す平面図である。 本発明の別の光学素子を示す斜視図である。 本発明の光学素子に係る凸構造の断面を説明する説明図である。 本発明の別の光学素子に係る凸構造の断面を説明する説明図である。 本発明の別の光学素子に係る基準平面形状を示す図である。
以下に、本発明の光学素子について説明する。
本発明の光学素子は、所定位置から入射した光の配光を制御して出射するものであって、少なくとも反射利用部を備えるものである。また、当該光学素子は、図１に示すように、対向する第１の面10および第２の面20を有するもので、例えば、板状の透明誘電体からなる。
第１の面10側には、所定位置30からの光を透過可能な入射面11及び当該入射面11を透過した光を所定方向に反射させる反射面12を有する凸構造15が複数配置される。また、入射面11は、所定位置30から入射した光を反射面12に案内可能な形状からなり、反射面12は、入射面11を透過した光を第２の面20側に反射させるものである。
第２の面20側には、反射面12で反射した光を所定の配光方向に出射させる出射面19を有する。
ここで、本発明の光学素子は、図２、図３に示すように、（１）基準となる平面形状を、所定位置30を通る直線を中心線として回転させた回転体として形成したり、図４に示すように（２）基準となる平面形状を、当該平面形状の法線方向に平行移動した形体として形成したりすることができる。逆の表現をすると、（１）の回転体において、中心線を含む断面は、基準となる平面形状と同形となる。また、（２）の平行移動体において、平行移動した方向に垂直な平面による断面は、基準となる平面形状と同形となる。
まず、本発明の光学素子が（１）基準となる平面形状（以下、基準平面形状という）を、所定位置30を通る直線を中心線として回転させた回転体である場合について説明する。この場合、図２、図３に示すように、入射面11と反射面12からなる凸構造15は円状に形成される。また、図２に示すように、当該各凸構造15は平面視で同心円Ｃとして配置される。
（１）の場合、入射面11は、所定位置30から入射した光を屈折等も考慮して反射面12に案内可能であればどのようなものでも良い。例えば、基準平面形状（又は同心円Ｃの中心Ｐを通り当該同心円Ｃに垂直な断面）において、入射面11は、図５に示すように、所定位置30を中心とする円110の円弧である方が好ましい。これにより、光31は所定位置30から入射面11に垂直に入射するため、ほとんど反射することなく直進する。
反射面12は、入射面11を介して受けた光を第２の面20側に反射させるものであればどのようなものでも良い。例えば、反射面12は、基準平面形状において、図５に示すように、所定位置30を焦点とする放物線120とすることができる。特に、図５に示すように、基準平面形状において、入射面11に対応する円弧の中心点と反射面12に対応する放物線の焦点が同一である場合、光学素子は、所定位置30から入射面11に到達した光31をそのまま直進するように透過させ、更に当該光31を反射面12で、前記放物線の頂点と焦点を結ぶ直線140の方向Ｚと平行に反射させることができる。したがって、図６に示すように、出射面19が、所定位置30と同心円Ｃの中心Ｐを結ぶ直線140の方向Ｚに垂直な平面の場合、所定位置30に点光源を置くと、当該点光源の光31を方向Ｚと平行な平行光に変換することが可能となる。
なお、凸構造15の位置は、図１に示すように、第２の面に平行となるように外側から順番に配置すれば良い。ただし、この場合、同心円Ｃの中心付近の凸構造15においては、入射面11を透過した光が反射面12に当たらなくなる。この場合、凸構造15は、同心円Ｃの中心に近づくにつれて適宜大きく形成されれば良い。
また、凸構造15は、図７〜図９に示すように、凸構造15の大きさを同程度とし、同心円Ｃの中心に近づくにつれて膨らむ曲線130上又は直線上に配置するようにしても良い。この場合、凸構造15の大きさが均一であるため、図１〜図３に示す光学素子に比較して、第２の面20側から出射する平行光を均一にすることができるというメリットがある。なお、曲線130（又は直線）は、所定位置30から入射面11を介して入射した光が反射面12に当たるものであれば、どのように形成しても良い。好ましくは、第２の面20側から出射する平行光の幅や、平行光が出ない陰になる部分の幅が均一になるように、入射面11、反射面12の大きさや、凸構造15の位置を調節するのが良い。
なお、入射面11と反射面12を用いて光を第２の面20に導く反射利用領域について説明したが、上述した同心円Ｃの中心Ｐ付近においては、反射面12に光を案内する入射面11を作成できない角度が生じる場合がある。この場合には、同心円Ｃの中心Ｐ付近に、所定位置30からの光を屈折させる屈折利用部を形成しても良い。
当該屈折利用部は、所定位置30からの光を透過可能な屈折利用部入射面51と、屈折利用部入射面51を透過した光を所定の配光方向に出射させる屈折利用部出射面59とからなるもので、例えば、屈折レンズ50を用いることができる。また、当該屈折レンズ50としては、図６に示すように、所定位置30に配置された点光源からの光を第２の面20側から垂直に出射するように屈折させるものを用いることができる。また、屈折レンズは、フレネルレンズ状のものでも良い。なお、出射面19と屈折利用部出射面59は重なる部分があっても構わない。
次に、本発明の光学素子が（２）基準となる平面形状（以下、基準平面形状という）を、当該平面形状の法線方向に平行移動した形体である場合について説明する。この場合、図４に示すように、入射面11と反射面12からなる凸構造15は前記法線方向の直線状に形成される。また、各凸構造同士は平行に配置される。
（２）の場合、入射面11は、所定位置30から入射した光を屈折等も考慮して反射面12に案内可能であればどのようなものでも良い。例えば、基準平面形状において、入射面11は、図１０に示すように、所定位置30を中心とする円110の円弧である方が好ましい。これにより、光31は所定位置30から入射面11に垂直に入射するため、ほとんど反射することなく直進する。
反射面12は、入射面11を介して受けた光を第２の面20側に反射させるものであればどのようなものでも良い。例えば、反射面12は、基準平面形状において、図１０に示すように、所定位置30を焦点とする放物線とすることができる。特に、図１０に示すように、基準平面形状において、入射面11に対応する円弧の中心点と反射面12に対応する放物線の焦点が同一である場合、光学素子は、所定位置30から入射面11に到達した光31をそのまま直進するように透過させ、更に当該光31を反射面12で、前記放物線の頂点と焦点を結ぶ直線140の方向Ｚと平行に反射させることができる。したがって、出射面19が、方向Ｚと垂直な平面の場合、所定位置30に点光源を置くと、当該点光源から光学素子に至った光のうち凸構造15の直線方向と直交する方向の成分は、総て直線方向140と平行な平行光に変換することが可能となる。
なお、本発明の光学素子は、図１１に示すように、基準平面形状において、直線140に対して鏡面対称に形成される方が好ましい。
また、入射面11と反射面12を用いて光を第２の面20側に導く反射利用領域について説明したが、直線140付近においては、反射面12に光を案内する入射面11を作成できない角度が生じる場合がある。この場合には、直線140付近に、所定位置30からの光を屈折させる屈折利用部を形成しても良い。
当該屈折利用部は、所定位置30からの光を透過可能な屈折利用部入射面51と、屈折利用部入射面51を透過した光を所定の配光方向に出射させる屈折利用部出射面59とからなるもので、例えば、屈折レンズ50を用いることができる。また、当該屈折レンズ50としては、図１１に示すように、所定位置30に配置された点光源からの光を第２の面20側から垂直に出射するように屈折させるものを用いることができる。また、屈折レンズは、フレネルレンズ状のものでも良い。なお、出射面19と屈折利用部出射面59は重なる部分があっても構わない。
第２の面20側は、光を出射するための面になる。上記説明では、第２の面20を構成する出射面19や屈折利用部出射面59が平面の場合について説明しているが、当該第２の面20は平面である必要はなく、凸レンズや凹レンズのような曲面状であっても良いし、フレネルレンズのような凹凸構造が形成されていても良い。また、上述した第１の面の凹凸構造15と同種又は異種の凹凸構造が形成されていても良い。もちろん、これらの組み合わせでも構わない。
なお、上述した反射面12における反射方法としては、全反射を利用したものと、金属による反射を利用したものがある。全反射を利用する場合には、所定位置30から入射面11を介して受けた光の入射角が臨界角以上となるように反射面12を形成すれば良い。例えば、光学素子を構成する透明誘電体をシクロオレフィンポリマー（ＣＯＰ）とすると、屈折率が１．４１であるため、臨界角は約４５度となる。一方、金属による反射を利用する場合には、反射面12の表面に、銀等の金属を蒸着して形成すれば良い。
また、上記説明では、本発明の光学素子に対して、第１の面10から光を入射させ、第２の面20から光を出射させていたが、逆に第２の面20から光を入射させ、第１の面10から光を出射させることも可能である。
また、本発明の光学素子は、（１）、（２）のいずれの場合においても、図１２に示すように、基準平面形状において、所定位置30から最も外側の凸構造15Ａを構成する入射面11Ａは、隣接する凸構造15Ｂを構成する入射面11Ｂよりも、所定位置30からの光の入射角の範囲θが広くなるように形成する方が良い。更に好ましくは、基準平面形状において、所定位置30からの光を180度の範囲（方向Ｚに対し９０度の範囲）で受けることができるように所定位置30から最も外側の凸構造15Ａを形成する方が良い。このように構成することにより、入射面11Ａからの光を反射面12Ａで反射させて、所定位置30からの光を更に有効に活用することができる。なお、ここで所定位置30からの光の入射角の範囲とは、所定位置30から各凸構造の入射面に入射させることができる光の入射角の最大値と最小値の差を意味する。したがって、図１２に示す最も外側の凸構造15Ａを構成する入射面11Ａの場合、所定位置30からの光の入射角の範囲とはθ１を意味し、隣接する凸構造15Ｂを構成する入射面11Ｂの場合、所定位置30からの光の入射角の範囲とはθ２を意味する。
次に、本発明の光学系装置について説明する。本発明の第１の光学系装置は、上述した本発明の光学素子と、所定位置30に配置される光源とで構成される。なお、光学素子については、上述した本発明の光学素子と同様であるため、説明は省略する。
光源としては、光を発生するものであればどのようなものでも良いが、光が放射状に広がる点光源又は線光源を用いることができる。具体的には、例えば、ＬＥＤや白熱球、蛍光灯等が該当する。
本発明の光学系装置は、このように構成されることにより、光源から出射した光は、光学素子の第１の面10に入射すると、第２の面20から平行光として出射させることができる。
また、本発明の第２の光学系装置は、上述した本発明の光学素子と、所定位置30より光学素子から近い位置に配置される光源とで構成される。なお、光学素子および光源については、上述した本発明の光学装置と同様であるため、説明は省略する。
本発明の光学系装置は、このように構成されることにより、光源から出射した光は、光学素子の第１の面10に入射すると、第２の面20から収束光として出射させることができる。
また、本発明の第３の光学系装置は、上述した本発明の光学素子と、所定位置30より光学素子から遠い位置に配置される光源とで構成される。なお、光学素子および光源については、上述した本発明の光学素子と同様であるため、説明は省略する。
本発明の光学系装置は、このように構成されることにより、光源から出射した光は、光学素子の第１の面10に入射すると、第２の面20から拡散光として出射させることができる。
また、本発明の第１〜第３の光学系装置において、光源の光学素子と対向する側に光源の光を反射可能な鏡を配置する方が好ましい。これにより、光源の光学素子がない側へ出射された光も有効活用することができる。例えば、当該鏡は、光源から入射した光を入射方向に反射させる球面状に形成されれば良い。
10 第１の面
11 入射面
11Ａ 入射面
11Ｂ 入射面
12 反射面
12Ａ 反射面
15 凸構造
15Ａ 凸構造
15Ｂ 凸構造
20 第２の面
30 所定位置
31 光
50 屈折レンズ
51 接線
52 法線
110 円
120 放物線
130 曲線
Ｃ 同心円
Ｐ 中心

Claims (16)

  1. 所定位置から入射した光の配光を制御して出射する光学素子であって、
    前記所定位置からの光を透過可能な入射面および当該入射面を透過した光を所定方向に反射させる反射面からなる複数の凸構造と、前記反射面で反射した光を所定の配光方向に出射させる出射面とからなる反射利用部を具備することを特徴とする光学素子。
  2. 基準となる平面形状を、前記所定位置を通る直線を中心線として回転させた回転体であることを特徴とする請求項１記載の光学素子。
  3. 基準となる平面形状を、当該平面形状の法線方向に平行移動した形体であることを特徴とする請求項１記載の光学素子。
  4. 前記入射面は、前記平面形状において、前記所定位置を中心とする円弧であることを特徴とする請求項２又は３記載の光学素子。
  5. 前記反射面は、前記平面形状において、前記所定位置を焦点とする放物線であることを特徴とする請求項４記載の光学素子。
  6. 前記出射面は、前記平面形状において、前記反射面で反射した光を垂直に透過可能な直線状に形成されることを特徴とする請求項５記載の光学素子。
  7. 前記所定位置から最も外側の凸構造を構成する入射面は、隣接する凸構造を構成する入射面よりも、前記所定位置からの光の入射角の範囲が広くなるように形成されることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の光学素子。
  8. 前記所定位置からの光を屈折させる屈折利用部を更に具備し、
    当該屈折利用部は、前記所定位置からの光を透過可能な屈折利用部入射面と、前記屈折利用部入射面を透過した光を所定の配光方向に出射させる屈折利用部出射面とからなることを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の光学素子。
  9. 前記屈折利用部出射面は平面上に形成され、前記屈折利用部入射面は前記所定位置からの光を前記屈折利用部出射面に垂直に入射するように屈折させるものであることを特徴とする請求項８記載の光学素子。
  10. 前記屈折利用部入射面はフレネルレンズ状に形成されることを特徴とする請求項８又は９記載の光学素子。
  11. 前記反射面は、前記入射面を透過した光を前記出射面に全反射させるものであることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれかに記載の光学素子。
  12. 請求項１ないし１１のいずれかに記載の光学素子と、
    前記所定位置に配置される光源と、
    を具備することを特徴とする光学系装置。
  13. 請求項１ないし１１のいずれかに記載の光学素子と、
    前記所定位置より光学素子から近い位置に配置される光源と、
    を具備することを特徴とする光学系装置。
  14. 請求項１ないし１１のいずれかに記載の光学素子と、
    前記所定位置より光学素子から遠い位置に配置される光源と、
    を具備することを特徴とする光学系装置。
  15. 前記光源の前記光学素子と対向する側に鏡が配置されることを特徴とする請求項１２ないし１４のいずれかに記載の光学系装置。
  16. 前記鏡は、前記光源から入射した光を入射方向に反射させる球面状に形成されることを特徴とする請求項１５記載の光学系装置。
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