TWI621880B - 光學元件 - Google Patents

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TWI621880B
TWI621880B TW103123668A TW103123668A TWI621880B TW I621880 B TWI621880 B TW I621880B TW 103123668 A TW103123668 A TW 103123668A TW 103123668 A TW103123668 A TW 103123668A TW I621880 B TWI621880 B TW I621880B
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池田賢元
Katsumoto Ikeda
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納盧克斯股份有限公司
Nalux Co., Ltd.
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    • F21V5/00—Refractors for light sources
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    • G02B19/00—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics
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    • G02B19/0033—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the use
    • G02B19/0047—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the use for use with a light source
    • G02B19/0061—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the use for use with a light source the light source comprising a LED

Abstract

本發明提供一種光學元件，該光學元件使來自光源的光擴散且可減小視光的方向而產生的色差。本發明的光學元件具備覆蓋被配置於平面上的光源的入射面及覆蓋該入射面的出射面，且所述光學元件構成為，來自該光源的光通過該入射面及該出射面之後照射至外部，光學元件將該光學元件的中心軸作為光軸，在包含該光軸且垂直於該平面的該光學元件的剖面上，將該出射面上的點Q處的該出射面的法線相對於該光軸的角度設為φ，將點Q與該光軸相距的距離設為r時，以相對於r的φ具有至少3個極小值與至少3個極大值的方式來構成該出射面。

Description

光學元件
本發明是有關於一種使來自光源的光擴散的光學元件。
近年來，發光二極體(Light Emitting Diode，LED)光源被多用於照明用途。LED光源朝前方照射的光的比例高，因此多數情況下，將使來自LED光源的光擴散的光學元件與LED光源組合使用。尤其，當使用LED光源來作為照射廣範圍的背光(backlight)用等的照明單元(unit)的光源時，為了利用少量的LED光源來實現小型(compact)的照明單元，而使用使來自LED光源的光廣角度地擴散的光學元件(專利文獻1)。
光量大的LED光源包含：藍色等短波長的光的發光晶片(chip)以及發出綠色、黃色、紅色等波長更長的螢光的螢光構件。在此種LED光源中，多將短波長光的發光晶片配置於中心部，並在該發光晶片的周圍配置發出波長更長的螢光的螢光構件。在此種LED光源中，發出短波長光的部分的位置與發出長波長光的部分的位置不同。因此，當藉由光學元件而使來自LED光源的光 擴散時，有時會產生短波長的光變強的方向與長波長的光變強的方向。其結果，有時會視光的方向，而產生帶有藍色或帶有紅色等的色差。作為照明單元而言，產生此類色差並不佳。然而，至今為止，尚未開發出可減小視光的方向而產生的色差的，並使來自光源的光擴散的光學元件。
現有技術文獻 專利文獻
專利文獻1：日本專利特開2006-92983號公報
因此，存在對於下述光學元件的需求(needs)，該光學元件使來自光源的光擴散且可減小視光的方向而產生的色差。
本發明的光學元件具備入射面及出射面，所述入射面覆蓋被配置於平面上的光源，所述出射面覆蓋所述入射面，且所述光學元件構成為，來自所述光源的光通過所述入射面及所述出射面之後照射至外部，光學元件將所述光學元件的中心軸作為光軸，在包含所述光軸且垂直於所述平面的所述光學元件的剖面上，將所述出射面上的點Q處的所述出射面的法線相對於所述光軸的角度設為φ，將點Q與所述光軸相距的距離設為r時，以相對於r的φ具有至少3個極小值與至少3個極大值的方式來構成所述出射面。
在本發明的光學元件中，以相對於r的φ具有至少3個 極小值與至少3個極大值的方式來構成出射面，因此通過具備所述極小值及所述極大值的出射面的區域的光朝各種方向散射，由此，視光的方向而特定波長的光變強的傾向得以緩和。因此，本發明的光學元件可減小視光的方向而產生的色差。
再者，在本說明書及申請專利範圍中，相對於r的φ的極小值包含與φ的谷底對應的局部的最小值。而且，極大值包含與φ的峰頂對應的局部的最大值。
本發明的第1實施形態的光學元件中，以相對於r的φ具有至少6個極小值與至少6個極大值的方式來構成所述出射面。
本實施形態的光學元件中，以相對於r的φ具有至少6個極小值與至少6個極大值的方式來構成出射面，因此可更有效地減小視光的方向而產生的色差。
本發明的第2實施形態的光學元件中，φ的所述至少3個極小值與所述至少3個極大值全部為正，將與鄰接的極小值及極大值對應的φ的2個值之差設為△φ時，以△φ≦20°的方式來構成所述出射面。
當φ為正時，若△φ過大，則由光學元件帶來的光的擴散功能會下降。本實施形態中，由於適當地規定了△φ，因此既可維持由光學元件帶來的光的擴散功能，又可有效地減小視光的方向而產生的色差。
本發明的第3實施形態的光學元件如第2實施形態的光學元件，其中 以△φ≦15°的方式來構成所述出射面。
本實施形態中，由光學元件帶來的光的擴散功能的下降變得更小。
本發明的第4實施形態的光學元件中，將所述出射面與所述光軸相距的距離的最大值設為rmax，關於φ的所述至少3個極小值與所述至少3個極大值，將與鄰接的極小值及極大值對應的r的2個值之差設為△r時，以△r/rmax≦0.05的方式來構成所述出射面。
本實施形態的光學元件中，由於適當地規定了△r，因此可更有效地減小視光的方向而產生的色差。
本發明的第5實施形態的光學元件如第2實施形態的光學元件，其中將△r的最大值設為△rmax時，以0.01≦△rmax/rmax≦0.05的方式來構成所述出射面。
本實施形態的光學元件中，由於適當地規定了△r，因此可更有效地減小視光的方向而產生的色差。
本發明的第6實施形態的光學元件如第2實施形態或第3實施形態的光學元件，其中僅在所述出射面的0.5rmax≦r的範圍內具備所述至少3個極小值及所述至少3個極大值。
比起自光學元件的中心軸的周邊部分出射的光，對於自光學元件的外側部分出射的光而言，視光的方向而產生的色差更 大。本實施形態的光學元件中，在所述出射面的0.5rmax≦r的範圍內具備散射區域，該散射區域亦即具備極大值及極小值以使通過該區域後的光朝各種方向散射的區域，因此可更有效地減小視光的方向而產生的色差。
而且，本實施形態的光學元件中，散射區域僅存在於0.5rmax≦r的範圍內，而不存在於中心軸的周圍。因此，通過出射面的中心軸周圍的光將以遠離中心軸的方式擴散，而不會受到所述散射區域的影響。
如此，根據本實施形態的光學元件，可使通過出射面的中心軸周圍的光以遠離中心軸的方式而擴散，並且可使通過出射面外側的光朝各種方向散射，從而可有效地減小視光的方向而產生的色差。
本發明的第7實施形態的光學元件中，將所述光軸與所述入射面的交點設為O1，將所述光軸與所述平面的交點設為P0，在包含所述光軸且垂直於所述平面的所述光學元件的任意剖面上，將連接點P0的所述入射面上的點P的直線與所述光軸所成的角度設為θr，將自點P0朝點P行進的光通過光學元件後的行進方向與所述光軸所成的角度設為θe，當使點P自點O1沿著所述入射面而移動時，以在相對於θr的θe為60°≦θe的範圍內具有至少3個極小值與至少3個極大值的方式來構成所述光學元件。
視光的方向而產生色差的主要是滿足60°≦θe的光。本 實施形態的光學元件以在相對於θr的θe為60°≦θe的範圍內具有至少3個極小值與至少3個極大值的方式而構成，因此可更有效地減小視光的方向而產生的色差。
本發明的第8實施形態的光學元件如第7實施形態的光學元件，其中在相對於θr的θe為60°≦θe的範圍內以相對於r的φ具有至少6個極小值與至少6個極大值的方式來構成所述出射面。
本實施形態的光學元件中，在相對於θr的θe為60°≦θe的範圍內以相對於r的φ具有至少6個極小值與至少6個極大值的方式來構成出射面，因此可更有效地減小視光的方向而產生的色差。
本發明的第9實施形態的光學元件如第7實施形態或第8實施形態的光學元件，其中以θe的所述至少3個極小值與所述至少3個極大值中鄰接的極小值與極大值之差的最大值為5度以上的方式來構成所述光學元件。
本實施形態的光學元件以鄰接的極小值與極大值之差△θe的最大值為5度以上的方式而構成，因此可更有效地減小視光的方向而產生的色差。
本發明的第10實施形態的光學元件以△θe的最大值為15度以下的方式而構成。
本實施形態的光學元件以△θe的最大值為15度以下的 方式而構成，因此可維持由光學元件帶來的光的擴散功能，並且可更有效地減小視光的方向而產生的色差。
本發明的第11實施形態的光學元件中，所述出射面呈關於所述光軸而旋轉對稱的形狀。
本實施形態的光學元件可容易地製造。
本發明的第12實施形態的光學元件中，將所述光軸的周圍分割成多個角度區間，以各個角度區間的出射面全部具有不同形狀的方式來構成所述光學元件。
根據本實施形態，可在與光軸周圍的角度區間對應的每個方向上實現不同的光分佈。
本發明的第13實施形態的光學元件中，將所述光軸的周圍分割成多個角度區間，僅在所述多個角度區間的一部分角度區間中，出射面具有本發明或者如第1實施形態至第10實施形態中任一實施形態所述的形狀。
根據本實施形態，僅對於光軸周圍的一部分角度區間，可減小視光的方向而產生的色差。
本發明的第14實施形態的光學元件中，0.5rmax≦r的範圍的出射面的表面部分以包含散射材料的方式而形成。
本實施形態的光學元件中，0.5rmax≦r的範圍的出射面的表面部分包含散射材料，因此可更有效地減小視光的方向而產生的色差。
100‧‧‧光學元件
101‧‧‧入射面
103‧‧‧出射面
105‧‧‧底面
200‧‧‧LED光源
201‧‧‧發光晶片
203‧‧‧螢光劑
205、305‧‧‧面
310、320‧‧‧基板
400‧‧‧擴散板
A、B‧‧‧光
AX‧‧‧中心軸
d1、d2、r‧‧‧距離
O1、O2‧‧‧交點
P、P0、P2、Q‧‧‧點
P1‧‧‧足部
rmax‧‧‧r的最大值
θe、θi、θr、φ‧‧‧角度
圖1(a)、圖1(b)是表示與本發明的光學元件一同使用的LED光源的結構的一例的圖。
圖2是為了使LED光源的光擴散而使用的本發明的一實施形態的光學元件的包含中心軸AX的剖面圖。
圖3是表示將光源及光學元件的多個組配置於基板的面上的照明單元的結構的一例的圖。
圖4是表示實施例1的光學元件的r與φ的關係的圖。
圖5是表示實施例1的光學元件的θr與θe的關係的圖。
圖6是表示在圖1(a)、圖1(b)所示的光源中組合有實施例1的光學元件時的光的強度分佈的圖。
圖7是表示在圖1(a)、圖1(b)所示的光源中組合有比較例1的光學元件時的光的強度分佈的圖。
圖8是表示實施例2的光學元件的r與φ的關係的圖。
圖9是表示實施例2的光學元件的θr與θe的關係的圖。
圖10是表示在圖1(a)、圖1(b)所示的光源中組合有實施例2的光學元件時的光的強度分佈的圖。
圖11是表示在圖1(a)、圖1(b)所示的光源中組合有比較例2的光學元件時的光的強度分佈的圖。
圖12是表示實施例3的光學元件的r與φ的關係的圖。
圖13是表示實施例3的光學元件的θr與θe的關係的圖。
圖14是表示在圖1(a)、圖1(b)所示的光源中組合有實施 例3的光學元件時的光的強度分佈的圖。
圖15是表示在圖1(a)、圖1(b)所示的光源中組合有比較例3的光學元件時的光的強度分佈的圖。
圖1(a)、圖1(b)是表示與本發明的光學元件一同使用的LED光源200的結構的一例的圖。圖1(a)是表示LED光源200的垂直於面205的剖面的圖。圖1(b)是LED光源200的平面圖。一般而言，光量大的白色LED光源包含：晶片，發出藍色等短波長的光；以及螢光劑，在接受到來自發光晶片的光時，發出綠色、黃色、紅色等波長較長的光。在圖1(a)、圖1(b)中，在LED光源200的中心位置配置有藍色的發光晶片201，且覆蓋發光晶片201而在比發光晶片201所佔的區域更廣的區域內配置有螢光劑203。在圖1(b)的平面圖中，發光晶片201是一邊為1.0mm的正方形，螢光劑203的形狀是直徑為3.0mm的圓形。藍色的光A是自位於中心附近的發光晶片201出射。波長較長的光B是自配置在包含LED光源的周邊部分的區域中的螢光劑出射。在具有圖1(a)、圖1(b)般的結構的LED光源中，藍色光所出射的位置與波長更長的光所出射的位置不同。
圖2是為了使LED光源200的光擴散而使用的、本發明的一實施形態的光學元件100的包含中心軸AX的剖面圖。本實施形態的光學元件100具有針對中心軸AX而旋轉對稱的形 狀。光學元件100的底面105在中心軸AX附近具有凹部，該凹部的面形成入射面101。光學元件100的入射面101及底面105以外的面形成出射面103。
光學元件100及LED光源200是以光學元件100的中心軸AX通過LED光源200的中心、即通過圖1(b)中的圓的中心的方式而配置。此時，中心軸AX構成包含光學元件100及LED光源200的光學系統的光軸。而且，在圖2中，將入射面101與中心軸AX的交點的座標設為O1，將出射面103與中心軸AX的交點的座標設為O2。
自光源200出射的光經過入射面101而進入光學元件100，並自出射面103朝向外部出射。此時，自光源200出射的光在入射面101及出射面103的幾乎所有部分朝向遠離中心軸AX的方向折射，其結果得以擴散。
本實施形態中，LED光源200的面為平面，但光源的面無須為平面。本發明可適用於如下所述的任意光源，該光源是配置於平面的光源，且發出短波長光的部分的位置與發出長波長光的部分的位置不同。
圖2中，將所述平面表示為面205。將光源200的面205與中心軸AX的交點設為點P0。將自點P0出射的光線的行進方向與中心軸AX所成的角度設為θr，將該光線在入射面101折射之後的、光學元件100內的光線的行進方向與中心軸AX所成的角度設為θi。進而，將該光線在出射面103折射之後的行進方向與 中心軸AX所成的角度設為θe。圖2中，將自發光晶片201的邊往下至面205的垂線的足部設為P1，將螢光劑端部的點、即圖1(b)的螢光劑的周緣的圓周上的點設為P2。
本實施形態中，若將P1及P2與中心軸AX相距的距離分別設為d1及d2，則d1=0.5(mm)、d2=1.5(mm)。
出射面的中心軸AX附近的形狀既不限定於凸面，亦不限定於凹面，為凹面、凸面、平面中的哪一種皆可。較佳為不會在透鏡(lens)內部引起全反射的出射面形狀。此時，將光學元件的折射率設為n時，光學元件內的光線與出射面的法線的角度α滿足α<sin-1(1/n)的條件。
而且，在圖2中，將出射面103的某點Q處的法線與中心軸AX所成的角度設為φ。以中心軸AX為基準，將順時針的角度設為正，將逆時針的角度設為負。在圖2中，出射面103與中心軸AX的交點處的、出射面103的法線的角度為0度。
圖3是表示將光源200及光學元件100的多個組配置於基板320的面305上的照明單元的結構的一例的圖。基板310及基板320是用於配置光源200及光學元件100的基板。照明單元更具備擴散板400。藉由照明單元可均勻地照射更前方(圖3的上側)。
以下，對本發明的光學元件的實施例及比較例進行說 明。實施例及比較例的光學元件的材料為聚甲基丙烯酸甲酯樹脂(polymethyl methacrylate，PMMA)，折射率為1.492(d線、587.56nm)，阿貝數(Abbe number)為56.77(d線、587.56nm)。而且，在實施例及比較例中，只要未特別說明，則長度的單位為毫米(millimeter)。
實施例1
本實施例中，P0與O2的距離T為T=5.500mm，P0與O1的距離h為h=4.450mm。
出射面103的形狀以下述式來表示。
當0≦r<6.8及8.5<r≦rmax時
當6.8≦r≦8.5時
其中，r的函數z是以式(1)與式(2)連續地連接的方式而規定。
此處[數3] c=1/R
[數4]r 2=x 2+y 2
r為與中心軸AX相距的距離。rmax為出射面上的r的最大值，rmax=9.25(mm)。z是以出射面與中心軸AX的交點O2為基準的、中心軸AX方向的座標。c為曲率，R為曲率半徑，k為圓錐係數(conic coefficient)，Ai為非球面係數。而且，π為圓周率，B為振幅，K為頻率。進而rt=r-6.8。
表1是表示式(1)及式(2)的係數的數值的表，所述式(1)及式(2)表示實施例1的出射面的形狀。
圖4是表示實施例1的光學元件的r與φ的關係的圖。圖4中的橫軸表示與光軸AX相距的距離r。圖4中的縱軸表示在出射面103上，與光軸AX相距的距離為r的點處的法線與中心軸AX所成的角度φ。
圖4中，當r=0時，φ=0。在0<r<0.9的範圍中，隨著r增加，φ單調地減小。在0.9<r<6.5的範圍中，隨著r增加，φ單調地增加。
在6.8≦r≦8.5的範圍中，隨著r增加，φ一邊振動一邊增加。如上所述，r的函數z是以式(1)與式(2)連續地連接的方式而規定，因此在r小於6.8的區域中亦觀察到振動。
振動的週期p如下。
p=2/K=0.2
而且，若用p'來表示以rmax對p進行標準化所得的值，則p'=p/rmax=0.022。
振動的振幅的最大值、即r的函數φ的鄰接的極大值與極小值之差的最大值為12度。在6.8≦r≦8.5的範圍中，存在至少9個極大值及至少9個極小值。具備極大值及極小值的所述形狀使通過上述範圍的光朝各種方向散射。因此，將上述範圍亦稱作出射面103的散射區域。
在8.5<r≦rmax的範圍中，隨著r增加，φ單調地增加。
入射面101的形狀以下述式來表示。
此處[數6]c=1/R
[數7]r 2=x 2+y 2
r為與中心軸AX相距的距離。z是以入射面與中心軸AX的交點O1為基準的、中心軸AX方向的座標。c為曲率，R為曲率半徑，k為圓錐係數，Ai為非球面係數。
表2是表示式(3)的係數的數值的表，所述式(3)表示實施例1的入射面的形狀。
圖5是表示實施例1的光學元件的θr與θe的關係的圖。圖5中的橫軸表示自點P0出射的光線的行進方向與中心軸AX所成的角度θr。圖5中的縱軸表示自點P0出射的光線在出射面折射 後的行進方向與中心軸AX所成的角度θe。
圖5中，當θr=0時，θe=0。在0(度)<θr<40(度)的範圍中，隨著θr增加，θe單調地增加。在40(度)≦θr≦62(度)的範圍中，隨著θr增加，θe一邊振動一邊增加。振動的週期為2度至3度。振動的振幅的最大值、即θr的函數θe的鄰接的極大值與極小值之差的最大值為10度。在40(度)≦θr≦62(度)的範圍中，存在至少9個極大值及至少9個極小值。該些θe的極大值及極小值為69度至78度的範圍。在62(度)<θr的範圍中，隨著θr增加，θe單調地增加。
比較例1
本比較例中，P0與O2的距離T為T=5.500mm，P0與O1的距離h為h=4.450mm。
出射面的形狀以式(1)來表示。
表3是表示式(1)的係數的數值的表，所述式(1)表示比較例1的出射面的形狀。
入射面的形狀以式(3)來表示，式(3)的係數以表2來給出。
換言之，比較例1的入射面的形狀與實施例1的入射面的形狀完全相同。而且，比較例1的出射面的形狀除了不具備散射區域以外，與實施例1的出射面的形狀相同。
實施例1與比較例1的性能比較
藉由對在圖1(a)、圖1(b)所示的光源中組合有實施例1及比較例1的光學元件時的光的分佈進行比較，從而比較實施例1與比較例1的性能。
圖6是表示在圖1(a)、圖1(b)所示的光源中組合有實施例1的光學元件時的光的強度分佈的圖。圖6的橫軸表示與中心軸AX所成的角度為θ的方向。圖6的縱軸表示朝與中心軸AX所成的角度為θ的方向出射的光的強度的相對值。圖6的實線表示波長小於500奈米的光(短波長側的光)的相對強度。相對強度是將最大值設為100%而表示。圖6的虛線表示波長為500奈米以上的光(長波長側的光)的相對強度。相對強度是將最大值 設為100%而表示。
圖7是表示在圖1(a)、圖1(b)所示的光源中組合有比較例1的光學元件時的光的強度分佈的圖。圖7的橫軸表示與中心軸AX所成的角度為θ的方向。圖7的縱軸表示朝與中心軸AX所成的角度為θ的方向出射的光的強度的相對值。圖7的實線表示波長小於500奈米的光(短波長側的光)的相對強度。相對強度是將最大值設為100%而表示。圖7的虛線表示波長為500奈米以上的光(長波長側的光)的相對強度。相對強度是將最大值設為100%而表示。
若比較圖6與圖7，則針對比較例1的圖7中，短波長側的光的強度與長波長側的光的強度之差較大。尤其，在θ為65度附近處兩者之差大。若兩者之差大，則會產生色差。例如，如圖7所示，在θ為65度附近處兩者之差大，且長波長側的強度大的情況下，在θ為65度附近處，紅色變強。
如此，實施例1的光學元件與比較例1的光學元件相比，可抑制色差的產生。
實施例2
本實施例中，P0與O2的距離T為T=5.536mm，P0與O1的距離h為h=4.536mm。
出射面103的形狀以下述式來表示。
當0≦r<7.0及8.5<r≦rmax時
當7.0≦r≦8.5時
其中，r的函數z是以式(1)與式(2)連續地連接的方式而規定。
此處[數10]c=1/R
[數11]r 2=x 2+y 2
r為與中心軸AX相距的距離。rmax為出射面上的r的最大值，rmax=9.25(mm)。z是以出射面與中心軸AX的交點O2為基準的中心軸AX方向的座標。c為曲率，R為曲率半徑，k為圓錐係數，Ai為非球面係數。而且，π為圓周率，B為振幅，K為頻率。進而rt=r-7.0。
表4是表示式(1)及式(2)的係數的數值的表，所述式(1)及式(2)表示實施例2的出射面的形狀。
圖8是表示實施例2的光學元件的r與φ的關係的圖。圖8中的橫軸表示與光軸AX相距的距離r。圖8中的縱軸表示在出射面103上，與光軸AX相距的距離為r的點處的法線與中心軸AX所成的角度φ。
圖8中，當r=0時，φ=0。在0<r<0.95的範圍中，隨著r增加，φ單調地減小。在0.95<r<6.5的範圍中，隨著r增加，φ單調地增加。
在7.0≦r≦8.5的範圍中，隨著r增加，φ一邊振動一邊增加。如上所述，r的函數z是以式(1)與式(2)連續地連接的方式而規定，因此在r小於7.0的區域中亦觀察到振動。
振動的週期p如下。
p=2/K=0.2
而且，若用p'來表示以rmax對p進行標準化所得的值，則p'=p/rmax=0.022。
振動的振幅的最大值、即r的函數φ的鄰接的極大值與極小值之差的最大值為12度。在7.0≦r≦8.5的範圍中，存在至少8個極大值及至少8個極小值。將上述範圍亦稱作出射面103的散射區域。
在8.5<r≦rmax的範圍中，隨著r增加，φ單調地增加。
入射面101的形狀以下述式來表示。
此處[數13]c=1/R
[數14]r 2=x 2+y 2
r為與中心軸AX相距的距離。z是以入射面與中心軸AX的交點O1為基準的中心軸AX方向的座標。c為曲率，R為曲率半徑，k為圓錐係數，Ai為非球面係數。
表5是表示式(3)的係數的數值的表，所述式(3)表 示實施例2的入射面的形狀。
圖9是表示實施例2的光學元件的θr與θe的關係的圖。圖9中的橫軸表示自點P0出射的光線的行進方向與中心軸AX所成的角度θr。圖9中的縱軸表示自點P0出射的光線在出射面折射後的行進方向與中心軸AX所成的角度θe。
圖9中，當θr=0時，θe=0。在0(度)<θr<40(度)的範圍中，隨著θr增加，θe單調地增加。在40(度)≦θr≦70(度)的範圍中，隨著θr增加，θe振動。振動的週期為1度至2度。振動的振幅的最大值，即θr的函數θe的鄰接的極大值與極小值之差的最大值為約10度。在40(度)≦θr≦70(度)的範圍中，存在至少10個極大值及至少10個極小值。該些θe的極大值及極小值為69度至80度的範圍。
比較例2
本比較例中，P0與O2的距離T為T=5.536mm，P0與O1的距離h為 h=4.536mm。
出射面的形狀以式(1)表示。
表6是表示式(1)的係數的數值的表，所述式(1)表示比較例2的出射面的形狀。
入射面的形狀以式(3)來表示，式(3)的係數以表5來給出。
換言之，比較例2的入射面的形狀與實施例2的入射面的形狀完全相同。而且，比較例2的出射面的形狀除了不具備散射區域以外，與實施例2的出射面的形狀相同。
實施例2與比較例2的性能比較
藉由對在圖1(a)、圖1(b)所示的光源中組合有實施例2及比較例2的光學元件時的光的分佈進行比較，從而比較實施例2 與比較例2的性能。
圖10是表示在圖1(a)、圖1(b)所示的光源中組合有實施例2的光學元件時的光的強度分佈的圖。圖10的橫軸表示與中心軸AX所成的角度為θ的方向。圖10的縱軸表示朝與中心軸AX所成的角度為θ的方向出射的光的強度的相對值。圖10的實線表示波長小於500奈米的光(短波長側的光)的相對強度。相對強度是將最大值設為100%而表示。圖10的虛線表示波長為500奈米以上的光(長波長側的光)的相對強度。相對強度是將最大值設為100%而表示。
圖11是表示在圖1(a)、圖1(b)所示的光源中組合有比較例2的光學元件時的光的強度分佈的圖。圖11的橫軸表示與中心軸AX所成的角度為θ的方向。圖11的縱軸表示朝與中心軸AX所成的角度為θ的方向出射的光的強度的相對值。圖11的實線表示波長小於500奈米的光(短波長側的光)的相對強度。相對強度是將最大值設為100%而表示。圖11的虛線表示波長為500奈米以上的光(長波長側的光)的相對強度。相對強度是將最大值設為100%而表示。
若比較圖10與圖11，則針對比較例2的圖11中，短波長側的光的強度與長波長側的光的強度之差大。尤其，在θ為65度附近處兩者之差大。若兩者之差大，則會產生色差。例如，如圖11所示，在θ為65度附近處兩者之差大，且長波長側的強度大的情況下，在θ為65度附近處，紅色變強。
如此，實施例2的光學元件與比較例2的光學元件相比，可抑制色差的產生。
實施例3
本實施例中，P0與O2的距離T為T=5.555mm，P0與O1的距離h為h=4.555mm。
出射面103的形狀是由以下的點群的三次樣條曲線(spline curve)來表示。三次樣條曲線是指通過所給出的多個控制點的平滑的曲線，對於由相鄰的點所夾著的各區間，使用在所有點中連續的各別的三次的多項式。
表7是表示三次樣條曲線的點群的表。r為與中心軸AX相距的距離。rmax為出射面上的r的最大值，rmax=9.25(mm)。z是以出射面與中心軸AY的交點O2為基準的中心軸AX方向的座標。
圖12是表示實施例3的光學元件的r與φ的關係的圖。圖12中的橫軸表示與光軸AX相距的距離r。圖12中的縱軸表示在出射面103上，與光軸AX相距的距離為r的點處的法線與中心軸AX所成的角度φ。
圖12中，當r=0時，φ=0。在0<r<0.95的範圍中，隨著r增加，φ單調地減小。
在6.5≦r≦rmax的範圍中，隨著r增加，φ一邊振動一邊增加。振動的週期p為0.1至0.2。而且，若用p'來表示以rmax對p進行標準化所得的值，則p'為0.011至0.022。振動的振幅的最大值，即r的函數φ的鄰接的極大值與極小值之差的最大值為約12度。在6.5≦r≦rmax的範圍中，存在至少18個極大值及至少18個極小值。將上述範圍亦稱作出射面103的散射區域。
入射面101的形狀以下述式來表示。
此處[數16]c=1/R
[數17]r 2=x 2+y 2
r為與中心軸AX相距的距離。z是以入射面與中心軸AX的交點O1為基準的中心軸AX方向的座標。c為曲率，R為曲率半徑，k為圓錐係數，Ai為非球面係數。
表8是表示式(3)的係數的數值的表，所述式(3)表示實施例3的入射面的形狀。
圖13是表示實施例3的光學元件的θr與θe的關係的圖。圖13中的橫軸表示自點P0出射的光線的行進方向與中心軸 AX所成的角度θr。圖13中的縱軸表示自點P0出射的光線在出射面折射後的行進方向與中心軸AX所成的角度θe。
圖13中，當θr=0時，θe=0。在0(度)<θr<40(度)的範圍中，隨著θr增加，θe單調地增加。在40(度)≦θr≦70(度)的範圍中，隨著θr增加，θe振動。振動的週期為1度至2度。振動的振幅的最大值，即θr的函數θe的鄰接的極大值與極小值之差的最大值為約10度。在40(度)≦θr≦70(度)的範圍中，存在至少18個極大值及至少18個極小值。該些θe的極大值及極小值為69度至80度的範圍。
比較例3
本比較例中，P0與O2的距離T為T=5.555mm，P0與O1的距離h為h=4.555mm。
出射面的形狀是由以下的點群的三次樣條曲線來表示。
表9是表示三次樣條曲線的點群的表。r為與中心軸AX相距的距離。rmax為出射面上的r的最大值，rmax=9.25(mm)。z是以出射面與中心軸AX的交點O2為基準的中心軸AX方向的座標。
入射面的形狀以式(3)來表示，式(3)的係數以表8來給出。
換言之，比較例3的入射面的形狀與實施例3的入射面的形狀完全相同。而且，比較例3的出射面的形狀除了不具備散射區域以外，與實施例3的出射面的形狀相同。
實施例3與比較例3的性能比較
藉由對在圖1(a)、圖1(b)所示的光源中組合有實施例3及比較例3的光學元件時的光的分佈進行比較，從而比較實施例3 與比較例3的性能。
圖14是表示在圖1(a)、圖1(b)所示的光源中組合有實施例3的光學元件時的光的強度分佈的圖。圖14的橫軸表示與中心軸AX所成的角度為θ的方向。圖14的縱軸表示朝與中心軸AX所成的角度為θ的方向出射的光的強度的相對值。圖14的實線表示波長小於500奈米的光(短波長側的光)的相對強度。相對強度是將最大值設為100%而表示。圖14的虛線表示波長為500奈米以上的光(長波長側的光)的相對強度。相對強度是將最大值設為100%而表示。
圖15是表示在圖1(a)、圖1(b)所示的光源中組合有比較例3的光學元件時的光的強度分佈的圖。圖15的橫軸表示與中心軸AX所成的角度為θ的方向。圖15的縱軸表示朝與中心軸AX所成的角度為θ的方向出射的光的強度的相對值。圖15的實線表示波長小於500奈米的光(短波長側的光)的相對強度。相對強度是將最大值設為100%而表示。圖15的虛線表示波長為500奈米以上的光(長波長側的光)的相對強度。相對強度是將最大值設為100%而表示。
若比較圖14與圖15，則針對比較例3的圖15中，短波長側的光的強度與長波長側的光的強度之差大。尤其，在θ為65度附近處兩者之差大。若兩者之差大，則會產生色差。例如，如圖15所示，在θ為65度附近處兩者之差大，且長波長側的強度大的情況下，在θ為65度附近處紅色變強。
如此，實施例3的光學元件與比較例3的光學元件相比，可抑制色差的產生。
其他的較佳實施形態
實施例1至實施例3的光學元件係關於中心軸AX而旋轉對稱。其他實施形態中，亦可以如下方式來構成光學元件，即，將光學元件的中心軸AX周圍分割成多個角度區間，各個角度區間的出射面全部具有不同的形狀。角度區間既可為90度的4個角度區間及60度的6個角度區間等相等間隔的角度區間，亦可並非如此。亦可構成為，各個區間的出射面具有實施例1至實施例3中任一實施例所示的形狀，即具有散射區域。或者，亦可構成為，僅一部分區間的出射面具有散射區域，而其他區間的出射面不具有散射區域。
根據上述實施形態，可在與軸AX周圍的角度區間對應的每個方向上實現不同的光分佈。例如，尤其亦可對軸AX周圍的特定方向來減小色差。
而且，作為散射區域的形狀，較佳的是，在出射面上具備用於使光擴散的擴散結構。擴散結構為自面上減去直徑比面小1mm的球面或非球面形狀所得的面；在面上加上直徑比面小1mm的球面或非球面形狀所得的面；自面上減去直徑比面小1mm的圓錐、三棱錐、四棱錐所得的面；在面上加上直徑比面小1mm的圓錐、三棱錐、四棱錐所得的面；藉由粗糙化形成的褶皺面；以微透鏡陣列(microlens array)等為代表的微小的曲面或稜鏡(prism) 等的折射結構、稜鏡等的全反射結構等。
而且，為了在出射面的0.5rmax≦r的範圍內形成散射區域，亦可使出射面的表面部分由包含散射材料的材料來形成。散射材料為丙烯酸粉末、聚苯乙烯(polystyrene)粒子、矽(silicon)粉末、銀粉末、氧化鈦粉末、鋁粉末、白碳(white carbon)、氧化鎂、氧化鋅等。出射面的表面部分是指自出射面算起為例如0.1毫米深的區域。藉由此種散射材料，自出射面出射的光得到進一步擴散。
亦可如實施例1至實施例3所示般，僅由出射面的形狀來形成出射面的散射區域。而且，亦可如上所述般，僅藉由散射材料來形成出射面的散射區域。進而，亦可將形狀與散射材料予以組合而形成散射區域。

Claims (12)

  1. 一種光學元件，具備入射面及出射面，所述入射面覆蓋被配置於平面上的光源，所述出射面覆蓋所述入射面，且所述光學元件構成為，來自所述光源的光通過所述入射面及所述出射面之後照射至外部，其特徵在於：將所述光學元件的中心軸作為光軸，將所述光軸與所述平面的交點設為點P0，在包含所述光軸且垂直於所述平面的所述光學元件的剖面上，將連接所述點P0及所述入射面上的點的直線與所述光軸所成的角度設為θr，將所述出射面上的點Q處的所述出射面的法線相對於所述光軸的角度設為φ，將所述點Q與所述光軸相距的距離設為r，將所述出射面內的點與所述光軸相距的距離的最大值設為rmax，關於θr及φ，以所述光軸為基準將順時針的角度設為正，在0.5rmax≦r的範圍中，以相對於r的φ具有多個極小值與多個極大值，及在自所述點P0射出且以正的角度θr進入的光線所通過的所述出射面的區域中所述多個極小值與所述多個極大值為正的方式來構成所述出射面，所述出射面的形狀為相對於所述光軸而旋轉對稱。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的光學元件，其中以所述多個極小值為至少8個極小值，所述多個極大值為至少8個極大值的方式來構成所述出射面。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的光學元件，其中所述多個極小值與所述多個極大值中，將與鄰接的極小值及極大值對應的φ的2個值之差設為△φ時，以△φ≦20°的方式來構成所述出射面。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的光學元件，其中以△φ≦15°的方式來構成所述出射面。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的光學元件，其中關於φ的所述多個極小值與所述多個極大值，將與鄰接的極小值及極大值對應的r的2個值之差設為△r時，以△r/rmax≦0.05的方式來構成所述出射面。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的光學元件，其中將△r的最大值設為△rmax時，以0.01≦△rmax/rmax≦0.05的方式來構成所述出射面。
  7. 一種光學元件，具備入射面及出射面，所述入射面覆蓋被配置於平面上的光源，所述出射面覆蓋所述入射面，且所述光學元件構成為，來自所述光源的光通過所述入射面及所述出射面之後照射至外部，其特徵在於：將所述光學元件的中心軸作為光軸，將所述光軸與所述入射面的交點設為O1，將所述光軸與所述平面的交點設為P0，在包含所述光軸且垂直於所述平面的所述光學元件的任意剖面上，將連接點P0及所述入射面上的點P的直線與所述光軸所成的角度設為θr，將自所述點P0朝所述點P行進的光通過光學元件後的行進方向與所述光軸所成的角度設為θe，在θr≧0的範圍內，當使所述點P自點O1沿著所述入射面而移動時，以在相對於θr的θe為60°≦θe的範圍內具有多個極小值與多個極大值的方式來構成所述光學元件，所述出射面的形狀為相對於所述光軸而旋轉對稱。
  8. 如申請專利範圍第7項所述的光學元件，其中以θe的所述多個極小值與所述多個極大值中鄰接的極小值與極大值之差△θe的最大值為5度以上的方式來構成所述光學元件。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的光學元件，其中以△θe的最大值為15度以下的方式來構成所述光學元件。
  10. 如申請專利範圍第1項或第7項所述的光學元件，其中將所述光軸的周圍分割成多個角度區間，以各所述多個角度區間的出射面全部具有不同形狀的方式來構成所述光學元件。
  11. 如申請專利範圍第1項或第7項所述的光學元件，其中將所述光軸的周圍分割成多個角度區間，且所述出射面構成為僅位於所述多個角度區間的一部分角度區間中。
  12. 如申請專利範圍第1項或第7項所述的光學元件，其中0.5rmax≦r的範圍的出射面的表面部分以包含散射材料的方式而形成。
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