TW201901191A - 光學元件以及光學系統裝置 - Google Patents

Abstract

本發明係提供一種製作容易且將光無耗費地導向前方廣範圍的光學元件，以及使用該光學元件的光學系統裝置。該光學元件係用以將從預定位置30射入的光之配光控制而射出，並具備由複數個凸構造15與射出面19所構成的反射利用部，複數個該凸構造15係由能夠透過來自預定位置30的光之射入面11及使透過該射入面11後的光往預定方向反射之反射面12所構成，該射出面19係使以反射面12反射後的光往預定的配光方向射出。

Description

光學元件以及光學系統裝置

本發明係關於一種光學元件及使用其之光學系統裝置。

近年來，LED(Light Emitting Diode；發光二極體)被使用作為照明用的光源。將光無耗費地導向前方之光學系統裝置的開發也與其對應地進行中。例如，已有提案出一種將具有以下的面之透鏡予以複數組合的光學透鏡組裝體(例如專利文獻1)：輸入面，係供光射入；輸出面，係使光射出；以及側面，係延伸於輸入面與輸出面之間，將從輸入面射入的光向輸出面側反射。

[先前技術文獻]

[專利文獻]

專利文獻1：日本特開第2015-529849號公報。

然而，由於在前述的光學透鏡組裝體中作為要件的各透鏡分離著，因此存在著必定要進行組裝的問題。而且，也存在能夠組裝的透鏡數量、能夠製作的各透鏡之大小有極限等問題。

因此，本發明係將提供一種製作容易且將光無耗費地導向前方廣範圍的光學元件及使用其之光學系統裝置設為目的。

本發明之光學元件的特徵在於：具有對向的第一面及第二面，前述第一面係供具有射入面及反射面的凸構造複數配置，前述射入面係由能夠將從預定位置射入的光引導至前述反射面的形狀所構成，前述反射面係使透過前述射入面後的光反射至前述第二面的面。

在此情形下，前述凸構造係以如下方式形成：形成為圓狀且各個凸構造係作為同心圓而配置，或者形成為直線狀且各個凸構造彼此平行地配置。

在前述凸構造形成為圓狀且各個凸構造係作為同心圓而配置的情形下，前述射入面雖為通過前述同心圓的中心且垂直於該同心圓的剖面，但較佳為將前述預定位置作為中心的圓弧。又，前述反射面雖為前述剖面，但較佳為將 前述預定位置作為焦點的拋物線。

又，於前述同心圓的中心部分亦可配置有折射透鏡。

又，在前述凸構造形成為直線狀且各個凸構造彼此平行地配置的情形下，前述射入面雖為垂直於前述凸構造之直線方向的剖面，但較佳為將基準線與前述剖面的交點作為中心的圓弧，該基準線係通過前述預定位置且平行於前述直線方向。又，前述反射面雖為前述剖面，但較佳為將前述交點作為焦點的拋物線。

又，前述凸構造較佳為相對於平行於前述凸構造的直線方向的平面而鏡面對稱地配置，前述凸構造係包含通過前述預定位置且平行於該凸構造之直線方向的基準線。

又，在前述平面中亦可配置有鏡面對稱的直線狀之折射透鏡。

又，前述反射面較佳為將透過前述射入面後的光全反射至前述第二面的面。

又，本發明之光學系統裝置的特徵在於：具備上述本發明之光學元件與被配置於前述預定位置的光源。

又，本發明之另一光學系統裝置的特徵在於：具備上述本發明之光學元件與被配置於比前述預定位置離光學元件更近的位置的光源。

又，本發明之另一光學系統裝置的特徵在於：具備上述本發明之光學元件與被配置於比前述預定位置離光學元件更遠的位置的光源。

本發明由於係光學元件為將複數個凸構造作為一體的構造，故能夠以射出成形等簡易地製造。又，由於不需要組裝，故具有凸構造的數量上、大小上自由度高的功效

10‧‧‧第一面

11、11A、11B‧‧‧射入面

12、12A‧‧‧反射面

15、15A、15B‧‧‧凸構造

19‧‧‧射出面

20‧‧‧第二面

30‧‧‧預定位置

31‧‧‧光

50‧‧‧折射透鏡

51‧‧‧折射利用部射入面

59‧‧‧折射利用部射出面

110‧‧‧圓

120‧‧‧拋物線

130‧‧‧曲線

140‧‧‧直線

C‧‧‧同心圓

P‧‧‧中心

Z‧‧‧方向

θ₁、θ₂‧‧‧角度

圖1係顯示本發明之光學元件的基準平面形狀的圖。

圖2係顯示本發明之光學元件的第一面側的俯視圖。

圖3係顯示本發明之光學元件的立體圖。

圖4係顯示本發明之另一光學元件的立體圖。

圖5係說明本發明之光學元件的凸構造之剖面的說明圖。

圖6係顯示在本發明之光學元件中光的經過路徑的圖。

圖7係說明本發明之光學元件的凸構造之決定方法的說明圖。

圖8係顯示本發明之另一光學元件的第一面側的俯視圖。

圖9係顯示本發明之另一光學元件的立體圖。

圖10係說明本發明之光學元件的凸構造之剖面的說明圖。

圖11係說明本發明之另一光學元件的凸構造之剖面的說明圖。

圖12係顯示本發明之另一光學元件的基準平面形狀的圖。

以下，對本發明之光學元件進行說明。

本發明之光學元件係將從預定位置射入的光之配光控制而射出，至少具備反射利用部。又，該光學元件係如圖1所示，具有對向的第一面10及第二面20，例如由板狀的透明介電體所構成。

於第一面10側係複數配置有具備射入面11及反射面12的凸構造15，該射入面11係能夠透過來自預定位置30的光，該反射面12係使透過該射入面11後的光往預定方向反射。又，射入面11係由能夠將從預定位置30射入的光引導至反射面12的形狀所構成，反射面12係使透過射入面11後的光反射至第二面20側的面。

於第二面20側係具有使以反射面12反射後的光往預定的配光方向射出的射出面19。

在此，本發明之光學元件係能夠如圖2、圖3所示(1)作為旋轉體而形成，該旋轉體係使成為基準的平面形狀以通過預定位置30之直線作為中心線而旋轉，或如圖4所示(2)作為將成為基準的平面形狀於該平面形狀的法線方向平行移動的形狀體而形成。反過來表達的話，在(1)的旋轉體中，含有中心線的剖面係成為與作為基準的平面形狀相同的形狀。又，在(2)的平行移動體中，由垂直於平行移動方向的平面所形成的剖面係成為與作為基準的平面形狀相同的形狀。

首先，對本發明的光學元件為(1)使成為基準的平面形狀(以下稱為基準平面形狀)以通過預定位置30之直線作為中心線而旋轉的旋轉體之情形進行說明。在此情形下，如圖2、圖3所示，由射入面11與反射面12所構成的凸構造15係形成為圓狀。又，如圖2所示，該各個凸構造15係於俯視觀看時作為同心圓C而配置。

在(1)的情形下，若也考慮折射等而能夠將從預定位置30射入的光引導至反射面12，則射入面11可以是任何面。例如，在基準平面形狀(或通過同心圓C的中心P且垂直於 該同心圓C的剖面)中，如圖5所示，射入面11較佳為將預定位置30做為中心的圓110之圓弧。藉此，由於光31係從預定位置30垂直地射入於射入面11，因此幾乎不會反射地直線前進。

若能滿足使透由射入面11而接受的光反射至第二面20側之條件，則反射面12可為任何面。例如，在基準平面形狀中，如圖5所示，反射面12能夠設成將預定位置30作為焦點的拋物線120。特別是如圖5所示，於基準平面形狀中，在對應於射入面11的圓弧之中心點與對應於反射面12的拋物線之焦點相同的情形下，光學元件係使從預定位置30到達了射入面11的光31以不變地直線前進的方式透過，進一步地能夠使該光31於反射面12與直線140之方向Z平行地反射，該直線140係連結前述拋物線的頂點與焦點。因此，如圖6所示，方向Z為連結預定位置30與同心圓C之中心P的直線140，在射出面19為垂直於方向Z的平面時，若於預定位置30放置點光源，則能夠將該點光源的光31轉換成平行於方向Z的平行光。

另外，如圖1所示，凸構造15之位置以與第二面成為平行的方式從外側依序地配置即可。但是在此情形下，於同心圓C的中心附近之凸構造15中，透過射入面11後的光會變得碰不到反射面12。在此情形下，凸構造15只要隨著靠近同心圓C的中心而形成得適當大即可。

又，如圖7至圖9所示，凸構造15亦可配置於隨著從外側靠近中心側(預定位置側)而變高(膨脹)的曲線130上或直線上。換句話說，亦能夠以凸構造15的頂點位置隨著從外側靠近中心側而變高(膨脹)的方式配置。在此情形下，由於能夠將凸構造15的大小均勻化而分散不出現平行光的陰影部分，因此相較於圖1至圖3所示的光學元件具有能夠將從第二面20側射出的平行光均勻化的優點。另外，只要符合從預定位置30透由射入面11而射入的光碰到反射面12的條件，則曲線130(或直線)可任意地形成。較佳為：以從第二面20側射出的平行光之寬度、變成不出現平行光之陰影部分的寬度成為均勻的方式，對射入面11、反射面12的大小、凸構造15的位置進行調節。

另外，雖然已對使用射入面11與反射面12來將光導至第二面20的反射利用區域進行了說明，但在上述的同心圓C之中心P附近，有會產生無法做成射入面11之角度的情形，該射入面11係用以將光引導至反射面12。在此狀況下，亦可於同心圓C之中心P附近形成折射利用部，該折射利用部係使來自預定位置30的光折射。

該折射利用部係由折射利用部射入面51與折射利用部射出面59構成，例如可使用折射透鏡50，該折射利用部射入面51係能夠透過來自預定位置30的光，該折射利 用部射出面59係使透過折射利用部射入面51後的光往預定的配光方向射出。又，以作為該折射透鏡50而言，如圖6所示，能夠使用使來自配置於預定位置30之點光源的光以從第二面20側垂直地射出的方式折射的透鏡。又，折射透鏡可為菲涅耳透鏡(Fresnel lens)狀的透鏡。另外，射出面19與折射利用部射出面59亦可有重疊的部分。

接下來對本發明之光學元件為(2)將成為基準的平面形狀(以下稱為基準平面形狀)於該平面形狀的法線方向平行移動的形狀體的情形進行說明。在此情形下，如圖4所示，由射入面11與反射面12所構成的凸構造15係形成為直線狀。又，各個凸構造係彼此平行地配置。

在(2)的情形下，若也考慮折射等而能夠將從預定位置30射入的光引導至反射面12，則射入面11可以是任何面。例如，在基準平面形狀中，如圖10所示，射入面11較佳為將預定位置30做為中心的圓110之圓弧。藉此，由於光31係從預定位置30垂直地射入於射入面11，因此幾乎不會反射地直線前進。

若能滿足使透由射入面11而接受的光反射至第二面20側之條件，則反射面12可為任何面。例如，在基準平面形狀中，如圖10所示，反射面12能夠設成將預定位置30作為焦點的拋物線。特別是如圖10所示，於基準平面 形狀中，在對應於射入面11的圓弧之中心點與對應於反射面12的拋物線之焦點相同的情形下，光學元件係使從預定位置30到達了射入面11的光31以不變地直線前進的方式透過，進一步地能夠使該光31於反射面12與直線140之方向Z平行地反射，該直線140係連結前述拋物線的頂點與焦點。因此，在射出面19為垂直於方向Z的平面的情形下，若於預定位置30放置點光源，則能夠將從該點光源到達光學元件的光中的與凸構造15之直線方向正交之方向的成分通通轉換成平行於直線方向140的平行光。

另外，如圖1所示，凸構造15之位置以與第二面成為平行的方式從外側依序地配置即可。但是在此情形下，在中心附近(預定位置側附近)之凸構造15中，透過射入面11後的光會變得碰不到反射面12。在此情形下，凸構造15只要隨著靠近中心(預定位置側)而形成得適當大即可。

又，雖然沒有圖示，凸構造15亦可配置於在基準平面形狀中隨著從外側靠近中心側(預定位置側)而變高(膨脹)的曲線上或直線上。換句話說，亦能夠以凸構造15的頂點位置隨著從外側靠近中心側而變高(膨脹)的方式配置。在此情形下，由於能夠將凸構造15的大小均勻化而分散不出現平行光的陰影部分，因此具有能夠將從第二面20側射出的平行光均勻化的優點。另外，只要符合從預定位置30透由射入面11而射入的光碰到反射面12的條件，則曲線 (或直線)可任意地形成。較佳為：以從第二面20側射出的平行光之寬度、變成不出現平行光之陰影部分的寬度成為均勻的方式，對射入面11、反射面12的大小、凸構造15的位置進行調節。

另外，如圖11所示，本發明之光學元件較佳為在基準平面形狀中相對於直線140而鏡面對稱地形成。

又，雖然已對使用射入面11與反射面12來將光導至第二面20側的反射利用區域進行了說明，但在直線140附近有會產生無法做成射入面11之角度的情形，該射入面11係用以將光引導至反射面12。在此狀況下，亦可於直線140附近形成折射利用部，該折射利用部係使來自預定位置30的光折射。

該折射利用部係由折射利用部射入面51與折射利用部射出面59構成，例如可使用折射透鏡50，該折射利用部射入面51係能夠透過來自預定位置30的光，該折射利用部射出面59係使透過折射利用部射入面51後的光往預定的配光方向射出。又，以作為該折射透鏡50而言，如圖11所示，能夠使用使來自配置於預定位置30之點光源的光以從第二面20側垂直地射出的方式折射的透鏡。又，折射透鏡可為菲涅耳透鏡狀的透鏡。另外，射出面19與折射利用部射出面59亦可有重疊的部分。

第二面20側係用以將光射出的面。在上述說明中，雖然已對構成第二面20的射出面19或折射利用部射出面59為平面的情形進行了說明，但該第二面20並沒有必要為平面，亦可為凸透鏡或凹透鏡般的曲面狀，亦可形成有如菲涅耳透鏡般的凹凸構造。又，亦可形成有與上述第一面之凸構造15同種類或不同種類的凹凸構造。當然也可採用該等之組合。

另外，以作為上述反射面12中的反射方法而言，存在利用全反射的方法與利用金屬反射的方法。在利用全反射的情形中，以從預定位置30透由射入面11而接受的光之入射角成為臨界角以上的方式來形成反射面12即可。例如，若將構成光學元件的透明介電體設成環烯烴聚合物(COP；cycloolefin polymer)，由於折射率為1.41，故臨界角成為約45度。另一方面，在利用金屬反射的情形中，於反射面12之表面將銀等的金屬予以蒸鍍而形成即可。

又，在上述說明中，雖然對本發明之光學元件從第一面10使光射入並從第二面20使光射出，也能反過來從第二面20使光射入並從第一面10使光射出。

又，如圖12所示，本發明之光學元件不論在(1)、(2)的任一情形中，較佳皆為以如下方式形成：在基準平面形 狀中，射入面11A與射入面11B相比，來自預定位置30的光之入射角範圍θ變得更廣，該射入面11A係用以構成距離預定位置30最外側的凸構造15A，該射入面11B係用以構成鄰接的凸構造15B。更佳為如以下方式形成距離預定位置30最外側的凸構造15A：在基準平面形狀中，能夠以180度的範圍(相對於方向Z成90度的範圍)接受來自預定位置30的光。藉由如此地構成，能夠以反射面12A使來自射入面11A的光反射而進一步有效活用來自預定位置30的光。另外，在此所謂的來自預定位置30的光之入射角的範圍係意指：能夠使從預定位置30射入到各個凸構造之射入面的光之入射角最大值與最小值的差。因此，在圖12所示之構成最外側的凸構造15A之射入面11A的情形下，所謂來自預定位置30的光之入射角的範圍係意指θ₁，在構成鄰接的凸構造15B之射入面11B的情形下，所謂來自預定位置30的光之入射角的範圍係意指θ₂。

接下來對本發明之光學系統裝置進行說明。本發明之第一光學系統裝置係由上述本發明之光學元件與被配置於預定位置30的光源所構成。另外，對於光學元件而言，由於與上述本發明之光學元件相同故省略說明。

以作為光源來說，只要是產生光的構件不論是何種構件皆可，能夠使用放射狀擴散光的點光源或是線光源。具體來說，例如LED或白熾燈泡、螢光燈等為符合。

本發明之光學系統裝置係如上述地構成，藉此從光源射出後的光射入光學元件的第一面10時，能夠作為來自第二面20的平行光而射出。

又，本發明之第二光學系統裝置係以上述本發明之光學元件與被配置於比預定位置30離光學元件更近之位置的光源所構成。另外，對於光學元件及光源而言，由於與上述本發明之光學裝置相同故省略說明。

本發明之光學系統裝置係如上述地構成，藉此從光源射出後的光射入光學元件的第一面10時，能夠作為來自第二面20的會聚光而射出。

又，本發明之第三光學系統裝置係以上述本發明之光學元件與被配置於比預定位置30離光學元件更遠之位置的光源所構成。另外，對於光學元件及光源而言，由於與上述本發明之光學裝置相同故省略說明。

本發明之光學系統裝置係如上述地構成，藉此從光源射出後的光射入光學元件的第一面10時，能夠作為來自第二面20的擴散光而射出。

又，在本發明之第一光學系統裝置至第三光學系統裝 置中，較佳為在光源的與光學元件對向側配置能夠將光源的光予以反射的鏡。藉此，也能夠有效活用光源往沒有光學元件側射出的光。例如，該鏡形成為使從光源射入的光往射入方向反射的球面狀即可。

Claims (17)

1. 一種光學元件，用以將從預定位置射入的光之配光控制而射出，係具備：反射利用部，係由複數個凸構造與射出面所構成；複數個前述凸構造係由射入面及反射面構成，前述射入面係能夠透過來自前述預定位置的光，前述反射面係使透過前述射入面後的光往預定方向反射；前述射出面係使以前述反射面反射後的光往預定的配光方向射出。
2. 如請求項1所記載之光學元件，其中前述光學元件係使成為基準的平面形狀以通過前述預定位置之直線作為中心線而旋轉的旋轉體。
3. 如請求項1所記載之光學元件，其中前述光學元件係將成為基準的平面形狀於前述平面形狀的法線方向平行移動的形狀體。
4. 如請求項2或3所記載之光學元件，其中於前述平面形狀中，前述射入面係將前述預定位置作為中心的圓弧。
5. 如請求項4所記載之光學元件，其中於前述平面形狀中，前述反射面係將前述預定位置作為焦點的拋物線。
6. 如請求項5所記載之光學元件，其中於前述平面形狀中，前述射出面係形成為能夠將以前述反射面反射後的光垂直地透過的直線狀。
7. 如請求項1至3中任一項所記載之光學元件，其中前述光學元件係以前述凸構造之各自的頂點位置隨著從外側靠近中心側而變高的方式配置。
8. 如請求項1至3中任一項所記載之光學元件，其中構成離前述預定位置最外側之凸構造的射入面係以如下方式形成：比起構成鄰接之凸構造的射入面，來自前述預定位置的光之入射角的範圍變得更廣。
9. 如請求項1至3中任一項所記載之光學元件，其中更具備：折射利用部，係使來自前述預定位置的光折射；前述折射利用部係由折射利用部射入面與折射利用部射出面所構成，前述折射利用部射入面係能夠透過來自前述預定位置的光，前述折射利用部射出面係使透過前述折射利用部射入面後的光往預定的配光方向射出。
10. 如請求項9所記載之光學元件，其中前述折射利用部射出面係形成於平面上，前述折射利用部射入面係使來自前述預定位置的光以垂直地射入於前述折射利用部射出面的方式折射的面。
11. 如請求項9所記載之光學元件，其中前述折射利用部射入面係形成為菲涅耳透鏡狀。
12. 如請求項1至3中任一項所記載之光學元件，其中前述反射面係使透過前述射入面後的光全反射至前述射出面的面。
13. 一種光學系統裝置，係具備：如請求項1至12中任一項所記載之光學元件；以及光源，係被配置於前述預定位置。
14. 一種光學系統裝置，係具備：如請求項1至12中任一項所記載之光學元件；以及光源，係被配置於比前述預定位置離光學元件更近的位置。
15. 一種光學系統裝置，係具備：如請求項1至12中任一項所記載之光學元件；以及光源，係被配置於比前述預定位置離光學元件更遠的位置。
16. 如請求項13至15中任一項所記載之光學系統裝置，其中於前述光源的與前述光學元件對向之側配置有鏡。
17. 如請求項16所記載之光學系統裝置，其中前述鏡係形成為使從前述光源射入後的光往射入方向反射的球面狀。