JPWO2019117283A1

JPWO2019117283A1 - 光学素子および光学系装置

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Publication number: JPWO2019117283A1
Application number: JP2019536330A
Authority: JP
Inventors: 晃史縄田; 田中　覚; 覚田中
Original assignee: Scivax Corp
Current assignee: Scivax Corp
Priority date: 2017-12-14
Filing date: 2018-12-14
Publication date: 2020-10-22
Also published as: CN111492272A; TW201930928A; WO2019117283A1; US20210140605A1

Abstract

光の照射方向だけでなく照度の制御も行うことができる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。所定位置からの光を所定方向と平行な光に変換する基準平面形状１を回転して得られる回転体又は平行移動して得られる平行移動体の少なくとも一部を有する光学素子10であって、基準平面形状１は照度調節部２と出射方向調節部３とからなり、照度調節部２は、出射方向調節部３における照度が均一になるように所定位置９から入射した光の方向を変換する形状であり、出射方向調節部３は、屈折により光の方向を所定方向に変換する形状である。

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、屈折レンズ部と複数の反射体部とを有する光学装置が提案されている（例えば、特許文献１）。

特開平５−２８１４０２

しかしながら、LED等の一般的な面発光光源の配光特性はランバーシアン配光であり、単純に光を前方に導くだけでは、照度が不均一になるという問題があった。

そこで本発明は、光の照射方向だけでなく照度の制御も可能な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、所定位置からの光を所定方向と平行な光に変換する基準平面形状を回転して得られる回転体又は平行移動して得られる平行移動体の少なくとも一部を有するものであって、前記基準平面形状は照度調節部と出射方向調節部とからなり、前記照度調節部は、前記出射方向調節部における照度が均一になるように前記所定位置から入射した光の方向を変換する形状であり、前記出射方向調節部は、屈折により光の方向を前記所定方向に変換する形状であることを特徴とする。

この場合、前記照度調節部は、前記出射方向調節部との前記所定方向における距離が１００μｍ以内である基準線上における照度が均一になるように前記所定位置から入射した光を屈折させる形状である第１入射部を有する。また、前記照度調節部は、前記所定位置からの光を入射させる第２入射部と、前記出射方向調節部との前記所定方向における距離が１００μｍ以内である基準線上における照度が均一になるように前記第２入射部を通過した光を反射させる反射部と、を有するようにしても良い。前記第２入射部は、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、前記反射部は、前記第２入射部を通過した光を全反射させる形状である方が好ましいが、金属反射を利用したものとすることもできる。

また、前記出射方向調節部は、回折が生じない大きさの凹凸構造からなるようにしても良い。

また、前記照度調節部は、前記基準線上における照度が均一になるように所定位置からランバーシアン配光で入射した光の方向を変換するものとすることができる。

また、本発明の光学系装置は、前記所定位置に配置される光源と、上述した本発明の光学素子と、を具備することを特徴とする。

また、前記光学系装置は、前記光学素子から出射された平行光を集光する第１レンズと、前記集光レンズで集光された光の幅より小さい開口を有するアパーチャと、前記アパーチャの開口を通過した光を平行光に戻す第２レンズと、を有するようにしてもよい。

また、前記光学系装置は、前記光源と前記光学素子の間に配置され、前記光源から出射された光の幅より小さい開口を有するアパーチャを有するようにしてもよい。

本発明は、光学素子およびそれを用いた光学系装置は、光の照度を制御する照度調節部と、光の方向を制御する出射方向調節部とで構成するので、光の照射方向だけでなく照度の制御も行うことができる。

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（回転体）を示す斜視図である。本発明の光学素子（回転体）を示す（ａ）側面図および（ｂ）平面図である。本発明の光学素子（平行移動体）を示す斜視図である。本発明の別の光学素子（平行移動体）を示す斜視図である。本発明の光学素子（平行移動体）を示す（ａ）側面図および（ｂ）平面図である。基準線の決定の仕方を説明するための図である。照度むらＩａを説明するための図である。照度むらＩｚを説明するための図である。本発明に係る出射方向調節部を示す一部概略拡大図である。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。本発明の別の光学素子（回転体）を示す斜視図である。本発明の光学系装置を説明するための断面図である。本発明の別の光学系装置を説明するための概略側面図である。本発明の更に別の光学系装置を説明するための概略側面図である。本発明の光学系装置の照度分布を示す図である。

以下に、本発明の光学素子10について説明する。本発明の光学素子10は、基準となる平面形状（以下、基準平面形状１という。例えば、図１参照）を回転して得られる回転体（例えば、図２、図３参照）又は平行移動して得られる平行移動体（図４〜図６参照）であって、所定位置からの光を所定方向（図１ではｙ軸方向）と平行な光に変換するためのものである。ここで、当該光学素子10は、基準平面形状１の回転体又は平行移動体の少なくとも一部を有するものであれば良い。例えば、光学素子10を射出成型で形成する場合、樹脂の注入口であるゲートが必要となるため完成品には、ゲートを切り離したカット面ができるが、このようなカット面があっても本発明の光学素子10に含まれる。

当該光学素子10の材質は、制御したい光に対し透明であればどのようなものでも良く、例えば、透明な誘電体を用いることができる。具体的には、ガラス等の無機物やシクロオレフィンポリマー（ＣＯＰ）等の樹脂等が該当する。

基準平面形状１は、所定位置からの光を所定方向（図１ではｙ軸方向）と平行な光に変換するもので、図１に示すように、少なくとも照度調節部２と出射方向調節部３とからなる。なお、図１では、便宜状、所定位置９を原点Ｏとし、原点Ｏから紙面右方向をｘ軸、上方向をｙ軸、奥行き方向をｚ軸とする。

照度調節部２は、出射方向調節部３もしくは出射方向調節部３との所定方向における距離が１００μｍ以内である基準線上における照度が均一になるように所定位置９から入射した光の方向を変換する部分である。所定位置９から入射した光の方向を変換する際には、所定位置９に配置される光源の配光も考慮される。例えば、ＬＥＤは、その配光がランバーシアン配光となることが知られている。したがって、本発明の光学素子10をＬＥＤと共に用いる場合には、出射方向調節部３もしくは出射方向調節部３との所定方向における距離が１００μｍ以内である基準線上における照度が均一になるように所定位置９からランバーシアン配光で入射した光の方向を変換する形状とすれば良い。

このような照度調節部２としては、出射方向調節部３もしくは出射方向調節部３との所定方向における距離が１００μｍ以内である基準線上における照度が均一になるように所定位置９から入射した光を屈折させる形状である第１入射部21を用いることができる。この場合、第１入射部21の形状は、出射方向調節部３もしくは出射方向調節部３との所定方向（図１ではｙ軸方向）における距離が１００μｍ以内である基準線上の照度が一定になるように形成されれば、どのようなものでも良い。もちろん、所定位置９に配置される光源の配光を考慮して、出射方向調節部３もしくは出射方向調節部３との所定方向における距離が１００μｍ以内である基準線上における照度が均一になるように光の方向を変換する形状が好ましい。

また、所定位置９から第１入射部21に入射する光の角度が大きくなると反射する光が多くなり無駄が生じる。その場合には、照度調節部２を、所定位置９からの光を入射させる第２入射部22と、出射方向調節部３もしくは出射方向調節部３との所定方向における距離が１００μｍ以内である基準線上における照度が均一になるように第２入射部22を通過した光を反射させる反射部23と、で構成しても良い。もちろん、照度調節部２は、第１入射部21と、第２入射部22および反射部23と、の両方で構成することも可能である。

第２入射部22の形状は、所定位置９からの光を反射部23に導くことができればどのような形状でも良いが、所定位置９からの光をなるべく反射しない形状が良い。したがって、第２入射部22の形状は、所定位置９を中心とする円弧が最も好ましい。これにより、所定位置９からの光は、第２入射部22へ垂直に入射するので、反射を最も抑制することができる。

反射部23の形状は、出射方向調節部３もしくは出射方向調節部３との所定方向における距離が１００μｍ以内である基準線上の照度が一定になるように形成されれば、どのようなものでも良い。もちろん、所定位置９に配置される光源の配光を考慮して、出射方向調節部３もしくは出射方向調節部３との所定方向における距離が１００μｍ以内である基準線上における照度が均一になるように第２入射部22を通過した光の方向を変換する形状が好ましい。

また、反射部23は、金属反射を利用したものでも良いが、光エネルギーの吸収による損失が生じる。したがって、反射部23は、第２入射部22を通過した光を全反射させるものである方が好ましい。所定位置９から第２入射部22を介して受けた光の入射角が臨界角以上となるような反射部23であれば全反射が利用できる。例えば、光学素子10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。

なお、照度が均一であるか否かは出射方向調節部３にて判定するが、フレネルレンズのような凹凸形状をした出射方向調節部３の照度が均一であるか否かは下記の方法によって判定しても良い。

まず、基準平面形状１を決定する。当該基準平面形状１は、例えば、光学素子10が回転体である場合には、当該回転体において、中心線（回転軸）を含む断面が基準平面形状１となる。また、光学素子10が平行移動体である場合には、当該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が基準平面形状１となる。

次に、当該基準平面形状１を光学シミュレーションソフトに取り込む。光学シミュレーションソフトとしては、例えば、LightTools（Synopsys社製）を用いれば良い。

次に、基準平面形状１上に所定方向（ｙ軸）と垂直な基準線25を決定する。基準線25は、図７に示すように、出射方向調節部３の凹凸構造31の谷底の点32（照度調節部２側の点）から最小自乗法により計算して求めれば良い。この際、極端に異なる特異な点は除いても良い。

次に、所定位置９に当該光学素子10に用いられる光源を配置した場合の基準線25上の位置と照度の関係を計算する。そして、当該照度分布のグラフから最小自乗法で計算した照度平均線と、その照度むらＩａを計算する。Ｉａは、図８に示すように、照度分布のグラフからその照度平均線の方向に基準長さＬ１だけを抜き取り、この抜き取り部分の平均線の方向にｘ軸を、縦倍率の方向にｙ軸を取り、照度分布のグラフをｙ＝ｆ（ｘ）で表したときに、次の式によって求められる値をワット毎平方ミリメートル（Ｗ／ｍｍ^２）で表した下記式を用いる。なお、基準長さＬ１は、少なくとも照度平均線の長さの５０％以上の長さとする。

ただし、簡易的には、図９に示すように、Ｉａの代わりに照度分布の照度平均線の方向に基準長さＬ１だけを抜き取り、この抜き取り部分の照度平均線から縦倍率の方向に測定した、最も高い山頂から５番目までの山頂の標高（Ｚｐ）の絶対値の平均値と、最も低い谷底から５番目までの谷底の標高（Ｚｖ）の絶対値の平均値との和を求め、この値をワット毎平方ミリメートル（Ｗ／ｍｍ^２）で表した下記十点平均照度Ｉｚの式を用いても良い。

このように計算したＩａ又はＩｚは、０．００１（Ｗ／ｍｍ^２）以下、好ましくは、０．０００５（Ｗ／ｍｍ^２）以下であれば、照度が均一であるとみなせる。

出射方向調節部３は、屈折により光の方向を所定方向に変換する部分である。例えば、基準平面形状のｙ軸方向に屈折させる形状とすれば良い。

また、出射方向調節部３は、出射する光の照度が均一になるようにするためには、基準線25になるべく近い方が好ましい。したがって、出射方向調節部３は、基準線25からの距離ｈが１００μｍ以内、好ましくは５０μｍ以内となる凹凸構造31とするのが好ましい（図１０参照）。また、出射方向調節部３の形状を凹凸構造31とする場合、基準線25上に設ける凹凸構造31のピッチｐは、所定位置９に配置する光源の光に対し回折が生じない大きさである方が好ましい。具体的には、凹凸構造31のピッチｐを５０μｍ以上、好ましくは１００μｍ以上とするのが良い。

なお、出射方向調節部３は、凹凸構造31のようなフレネル状のものに限定されるものではなく、例えば、図１１、図１２に示すように、曲線であっても勿論構わない。この場合、実際の製造で、凹凸構造31の角が丸くなって効率が落ちるという問題がない。また、凹凸構造の場合と比較して金型の製造コストを低く抑えることができる。更に、凹凸構造31は、大きさを小さくすると回折を起こすという問題があるが、曲線の場合、回折の問題を回避できるという利点もある。

また、照度調節部２と射出方向調節部３を接続する接続部４はどのようなものでも良いが、光路を妨げないものが好ましい。

また、本発明の光学系装置100は、図１３に示すように、上述した本発明の光学素子10と、当該光学素子10の所定位置９に配置される光源５とで構成される。

この場合、光学素子10の照度調節部２は、出射方向調節部３もしくは出射方向調節部３との所定方向における距離が１００μｍ以内である基準線上における照度が均一になるように、光源５の配光を考慮して、光源５の光の方向を変換するものである。したがって、光源５の配光がランバーシアン配光である場合には、照度調節部２は、出射方向調節部３もしくは出射方向調節部３との所定方向における距離が１００μｍ以内である基準線上における照度が均一になるように所定位置９からランバーシアン配光で入射した光の方向を変換する形状となる。

また、本発明の別の光学系装置110は、図１４に示すように、上述した本発明の光学素子10と光学素子10から出射された平行光を集光する第１レンズ60と、第１レンズ60で集光された光の幅より小さい開口を有するアパーチャ70と、アパーチャ70の開口を通過した光を平行光に戻す第２レンズ80と、を有する。これにより、照射する光のエッジをシャープにすることができる。
また、本発明のさらに別の光学系装置120は、図１５に示すように、光源５と光学素子10の間に配置され、光源５から出射された光の幅より小さい開口を有するアパーチャ90を有するものである。これにより、照射する光のエッジをシャープにすることができる。
次に、本発明の光学素子10の実施例について説明する。本発明の光学素子10は、図２、図３に示すように、（１）基準平面形状１を、所定位置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〜図６に示すように（２）基準平面形状１を、当該基準平面形状１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、基準平面形状１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、基準平面形状１と同形となる。

まず、この場合の基準平面形状１について説明する。当該基準平面形状１は、図１に示すように、照度調節部２である第１入射部21、第２入射部22、反射部23と、出射方向調節部３とからなり、所定位置９から入射した光をｙ軸方向に平行光として出射させる形状とする。基準平面形状１の作成方法は以下の通りとなる。

まず、第１入射部21を反射する光が多くならない程度の領域に曲線ＡＢとして作成する。曲線ＡＢの形状は曲線ＡＢ上の任意の点で屈折した光が出射方向調節部３もしくは出射方向調節部３との所定方向における距離が１００μｍ以内である基準線上の直線ＦＧで照度が均一になるように設計すれば良い。具体的には、出射方向調節部３もしくは出射方向調節部３との所定方向における距離が１００μｍ以内である基準線上の直線ＦＧの任意の点における照度が、曲線ＡＢ上の照度の積算値をその長さで除算した値と同じになるように計算すれば良い。当該計算は、ニュートンラプソン法等の解析法を用いることができる。また、当該計算は、コンピューターを用いて行うことができる。

次に第２入射部として、中心がＯ、直線ＯＢを半径ｒとする円弧を作成する。当該円弧は、下記式で表わされる。

次に第２入射部22を通過した光が反射部23で反射され通過する出射方向調節部３もしくは出射方向調節部３との所定方向における距離が１００μｍ以内である基準線上の直線ＧＥの長さを計算する。直線ＧＥの長さは、反射部23の反射が全反射である場合には、円弧ＢＣ上の照度の積算値を前記直線ＦＧ上の照度で除算してやれば計算できる。もちろん、反射部23の反射が金属反射である場合には、吸収による損失を考慮する必要がある。

次に、反射部23として曲線ＣＤを作成する。曲線ＣＤの形状は曲線ＣＤ上の任意の点で屈折した光が出射方向調節部３もしくは出射方向調節部３との所定方向における距離が１００μｍ以内である基準線上の直線ＧＥで照度が均一になるように設計すれば良い。当該計算は、ニュートンラプソン法等の解析法を用いることができる。また、当該計算は、コンピューターを用いて行うことができる。

次に、出射方向調節部３として曲線ＦＥを作成する。曲線ＦＥは第１入射部21からの光及び、反射部23からの光をｙ軸に平行光となるように屈折する形状に設計すればよい。

最後に照度調節部２と出射方向調節部３を接続する接続部４をＥＤとして作成する。ＥＤ部は光路を妨げなければどのような形状でも良い。

本発明の光学素子は、この様にして作成した基準平面形状１を、ｙ軸を中心線として回転させれば、図２、図３の様に回転体となる。

また、本発明の光学素子は、基準平面形状１をｚ軸方向に平行移動させれば図４の様な平行移動体となる。この場合、当該光学素子は、図５、６に示すように、基準平面形状１がｙ軸に対して鏡面対称なものである方が好ましい。

次に、図１１示す光学系装置100を用いて光を制御した場合の照度分布をシミュレーションした。ここで、光学素子としては、図２、図３に示すように、図１に示す基準平面形状１を回転して得られた回転体であって、所定位置９から入射した光をｙ軸方向に平行光として出射させるものを用いた。当該光学素子10の所定位置９とｙ軸上の第１入射部までの距離（ＯＡ）は４ｍｍとした。また、当該光学素子10の所定位置９から第２入射部までの距離（半径ＯＣ）は５．８６ｍｍとし、第２入射部である円弧の角度（∠ＢＯＣ）は３５度とした。また、所定位置９と基準線25の距離（ＯＦ）は１０ｍｍとし、光学素子10の出射方向調節部側の半径（ＦＥ）は１０ｍｍとした。また、所定位置９に配置される光源５は、放射パワー１Ｗのランバーシアン配光の光を出射する直径０．０１ｍｍのものを用いた。照度分布は、出射方向調節部から５０ｍｍ離れた場所のものを計算した。なお、シミュレーションには、光学シミュレーションソフトLightTools（Synopsys社製）を用いた。

当該シミュレーション結果を図１６に示す。照度むらは、０．０００５（Ｗ／ｍｍ^２）以下であった。

１基準平面形状
２照度調節部
３出射方向調節部
５光源
９所定位置
10 光学素子
21 第１入射部
22 第２入射部
23 反射部
25 基準線
31 凹凸構造
60 第１レンズ
70 アパーチャ
80 第２レンズ
90 アパーチャ
100 光学系装置
110 光学系装置
120 光学系装置

Claims

所定位置からの光を所定方向と平行な光に変換する基準平面形状を回転して得られる回転体又は平行移動して得られる平行移動体の少なくとも一部を有する光学素子であって、
前記基準平面形状は照度調節部と出射方向調節部とからなり、
前記照度調節部は、前記出射方向調節部における照度が均一になるように前記所定位置から入射した光の方向を変換する形状であり、
前記出射方向調節部は、屈折により光の方向を前記所定方向に変換する形状であることを特徴とする光学素子。
前記照度調節部は、
前記出射方向調節部との前記所定方向における距離が１００μｍ以内である基準線上における照度が均一になるように前記所定位置から入射した光を屈折させる形状である第１入射部を有することを特徴とする請求項１記載の光学素子。
前記照度調節部は、
前記所定位置からの光を入射させる第２入射部と、
前記出射方向調節部との前記所定方向における距離が１００μｍ以内である基準線上における照度が均一になるように前記第２入射部を通過した光を反射させる反射部と、
を有することを特徴とする請求項１又は２記載の光学素子。
前記第２入射部は、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３記載の光学素子。
前記反射部は、前記第２入射部を通過した光を全反射させる形状であることを特徴とする請求項３又は４記載の光学素子。
前記反射部は、金属反射を利用したものであることを特徴とする請求項３又は４記載の光学素子。
前記出射方向調節部は、回折が生じない大きさの凹凸構造からな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。
前記照度調節部は、前記基準線上における照度が均一になるように所定位置からランバーシアン配光で入射した光の方向を変換するものであ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。
請求項１ないし８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。
前記光学素子から出射された平行光を集光する第１レンズと、
前記集光レンズで集光された光の幅より小さい開口を有するアパーチャと、
前記アパーチャの開口を通過した光を平行光に戻す第２レンズと、
を具備することを特徴とする請求項９記載の光学系装置。
前記光源と前記光学素子の間に配置され、前記光源から出射された光の幅より小さい開口を有するアパーチャを具備することを特徴とする請求項９記載の光学系装置。