TWI634281B - 光學元件 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種光學元件，其可縮小根據方向而產生的色差，且擴散來自光源的光。本發明的光學元件包括：入射面(101)，其覆蓋配置於平面上的光源；以及射出面(103)，其覆蓋該入射面。將通過配置於該平面上的該光源的中心且與該平面垂直的軸設為光軸(AX)，該入射面具有相對於周緣而該光軸附近凹陷的形狀，將該光軸與該入射面的交點設為O1，在包含該光軸且與該平面垂直的該光學元件的任意剖面上，將該入射面上的點P上的該入射面的法線相對於該光軸的角度設為φh，將該入射面上的點P的自點O1算起的該光軸方向上的距離設為z，以如下方式而構成該入射面，即，當使點P沿該入射面自點O1移動至該平面為止時，在與點O1相鄰的第1區域內，隨著z增加，φh單調減少，並且在較第1區域更靠近該平面的第2區域內，相對於z而言φh具有至少一個極大值及至少一個極小值。

Description

光學元件

本發明是有關於一種擴散來自光源的光的光學元件。

近年來，於照明用途中多使用發光二極體(light-emitting diode，LED)光源。LED光源中，向前方照射的光的比例高，因此多數情況是將擴散來自LED光源的光的光學元件與LED光源組合起來使用。特別是使用LED光源作為對大範圍進行照射的背光源(back light)用等的照明單元的光源時，為了以少量數目的LED光源實現緊湊(compact)的照明單元，而使用廣角度地擴散來自LED光源的光的光學元件(專利文獻1)。

大光量的LED光源包括：藍色等短波長的光的發光晶片；以及螢光構件，其發出綠色、黃色、紅色等更長波長的螢光。在此種LED光源中，多數情況是短波長的光的發光晶片配置於中心部，且在其周圍配置發出更長波長的螢光的螢光構件。在此種LED光源中，發出短波長的光的部分的位置與發出長波長的光的部分的位置不同。因此，當藉由光學元件而擴散來自LED光源的光時，存在產生短波長的光增強的方向及長波長的光增強的方向的情況。其結果為，存在根據方向而產生帶藍色或帶紅色等色差 的情況。產生此種色差，作為照明單元而言欠佳。但是，迄今為止尚未開發出可縮小根據方向而產生的色差且擴散來自光源的光的光學元件。

[先前技術文獻]

[專利文獻]

[專利文獻1]日本專利3875247號公報

因此，存在對如下光學元件的需求，所述光學元件可縮小根據方向而產生的色差，且擴散來自光源的光。

本發明的第1實施方式的光學元件包括：入射面，其覆蓋配置於平面上的光源；以及射出面，其覆蓋該入射面；且以來自該光源的光通過該入射面及該射出面後照射至外部的方式而構成。將通過該光源的中心且與該平面垂直的軸設為光軸，該入射面具有相對於周緣而該光軸附近凹陷的形狀，將該光軸與該入射面的交點設為O1，在包含該光軸且與該平面垂直的該光學元件的任意剖面上，將該入射面上的點P上的該入射面的法線相對於該光軸的角度設為φh，將該入射面上的點P的自點O1算起的該光軸方向上的距離設為z，以如下方式而構成該入射面，即，當使點P沿該入射面自點O1移動至該平面為止時，在與點O1相鄰的第1區域內，隨著z增加，φh單調減少，並且在較第1區域更靠近該平面的第2區域內，相對於z而言φh具有至少一個極大值及至少一個極小值。

根據本實施方式的光學元件，以相對於z而言φh具有至少一個極大值及至少一個極小值的方式而構成入射面，因此當與光源組合起來使用時，來自光源的各點的光線根據該入射面上的抵達位置而向各種方向折射。因此，可縮小根據自光學元件射出的光的方向而產生的色差。

本發明的實施形態的光學元件如第1實施方式的光學元件，該入射面為關於該光軸而旋轉對稱的形狀。

本實施形態的光學元件可藉由射出成形等而容易地製造。

本發明的實施形態的光學元件如第1實施方式的光學元件，將該光軸的周圍分割成多個角度區間，以該入射面在各個角度區間具有不同形狀的方式而構成該入射面。

根據本實施形態，可在每個與光軸的周圍的角度區間相對應的方向上實現不同的光的分佈。

本發明的實施形態的光學元件如第1實施方式的光學元件，以如下方式而構成該入射面，即，僅在該多個角度區間的一部分角度區間內，使點P沿該入射面自點O1移動至該平面為止時，相對於z而言φh具有至少一個極大值及至少一個極小值。

根據本實施形態，可僅關於光軸的周圍的一部分角度區間，縮小根據方向而產生的色差。

本發明的第1實施方式的變形實施方式的光學元件包括：入射面，其覆蓋配置於平面上的光源；以及射出面，其覆蓋 該入射面；且以來自該光源的光通過該入射面及該射出面後照射至外部的方式而構成。將通過該光源的中心且與該平面垂直的軸設為光軸，該入射面具有相對於周緣而該光軸附近凹陷的形狀，將該光軸與該入射面的交點設為O1，在包含該光軸且與該平面垂直的該光學元件的任意剖面上，將該入射面上的點P上的該入射面的法線相對於該光軸的角度設為φh，將該入射面上的點P的自點O1算起的該光軸方向上的距離設為z，以如下方式而構成該入射面，即，當使點P沿該入射面自點O1移動至該平面為止時，在30°<θr<90°的條件下，相對於z而言φh具有至少一個極大值及至少一個極小值。

本實施方式的光學元件是以如下方式而構成入射面，即，當無極大值及無極小值時在相對於z而言φh的傾斜度為大致固定的範圍、即為 30°<θr<90° 的範圍的入射面的區域內，相對於z而言φh具有至少一個極大值及至少一個極小值，因此在與光源組合起來使用時，與無極大值及無極小值時相比較，來自光源的各點的光線根據該入射面上的 抵達位置而向各種方向折射。因此，可縮小根據自光學元件射出的光的方向而產生的色差。

本發明的實施形態的光學元件如第1實施方式或其變形實施方式的光學元件，存在φh的差為10度以上的相鄰的極大值及極小值。

根據本實施形態，當與光源組合起來使用時，來自光源的各點的光線在該入射面上折射後的行進方向根據該入射面上的抵達位置而產生的變化程度大。因此，可縮小根據自光學元件射出的光的方向而產生的色差。

本發明的實施形態的光學元件如第1實施方式或其變形實施方式的光學元件，存在φh的差為20度以上的相鄰的極大值及極小值。

根據本實施形態，當與光源組合起來使用時，來自光源的各點的光線在該入射面上折射後的行進方向根據該入射面上的抵達位置而產生的變化程度大。因此，可縮小根據自光學元件射出的光的方向而產生的色差。

本發明的第2實施方式的光學元件包括：入射面，其覆蓋配置於平面上的光源；以及射出面，其覆蓋該入射面；且以來自該光源的光通過該入射面及該射出面後照射至外部的方式而構成。將通過該光源的中心且與該平面垂直的軸設為光軸，該入射面具有相對於周緣而該光軸附近凹陷的形狀，將該光軸與該入射面的交點設為O1，將該光軸與該平面的交點設為P0，在包含該光 軸且與該平面垂直的該光學元件的任意剖面上，將連結點P0和該入射面上的點P的直線與該光軸所成的角度設為θr，將行進方向與該光軸所成的角度設為θi，上述行進方向為自點P0行進至點P的光的光學元件內的方向，以如下方式而構成該入射面，即，當使點P沿該入射面自點O1移動至該平面為止時，相對於θr的θi具有至少一個極大值及至少一個極小值。

根據本實施方式的光學元件，以相對於θr的θi具有至少一個極大值及至少一個極小值的方式而構成入射面，因此當與光源組合起來使用時，來自光源的各點的光線根據該入射面上的抵達位置而向各種方向折射。因此，可縮小根據自光學元件射出的光的方向而產生的色差。

本發明的實施形態的光學元件如第2實施方式的光學元件，該入射面為關於該光軸而旋轉對稱的形狀。

本實施形態的光學元件可藉由射出成形等而容易地製造。

本發明的實施形態的光學元件如第2實施方式的光學元件，將該光軸的周圍分割成多個角度區間，以該入射面在各個角度區間具有不同形狀的方式而構成該入射面。

根據本實施形態，可在每個與光軸的周圍的角度區間相對應的方向上實現不同的光的分佈。

本發明的實施形態的光學元件如第2實施方式的光學元件，以如下方式而構成該入射面，即，僅在該多個角度區間的一 部分角度區間內，使點P沿該入射面自點O1移動至該平面為止時，相對於θr的θi具有至少一個極大值及至少一個極小值。

根據本實施形態，可僅關於光軸的周圍的一部分角度區間，縮小根據方向而產生的色差。

本發明的實施形態的光學元件如第2實施方式的光學元件，以如下方式而構成該入射面，即，在 30°<θr<90° 的條件下，相對於θr的θi具有至少一個極大值及至少一個極小值。

本實施形態的光學元件是以如下方式而構成入射面，即，當無極大值及無極小值時在相對於θr的θi的傾斜度為大致固定的範圍、即為 30°<θr<90° 的範圍的入射面的區域內，相對於θr的θi具有至少一個極大值及至少一個極小值，因此當與光源組合起來使用時，與無極大值及無極小值時相比較，來自光源的各點的光線根據該入射面上的抵達位置而向各種方向折射。因此，可縮小根據自光學元件射出的光的方向而產生的色差。

本發明的實施形態的光學元件如第2實施方式的光學元 件，存在θi的差為5度以上的相鄰的極大值及極小值。

根據本實施形態，當與光源組合起來使用時，來自光源的各點的光線在該入射面上折射後的行進方向根據該入射面上的抵達位置而產生的變化程度大。因此，可縮小根據自光學元件射出的光的方向而產生的色差。

本發明的實施形態的光學元件如第2實施方式的光學元件，存在θi的差為10度以上的相鄰的極大值及極小值。

根據本實施形態，當與光源組合起來使用時，來自光源的各點的光線在該入射面上折射後的行進方向根據該入射面上的抵達位置而產生的變化程度大。因此，可縮小根據自光學元件射出的光的方向而產生的色差。

本發明的第3實施方式的照明單元包括：光源；以及如本發明的任一實施方式或任一實施形態的光學元件。

本實施方式的照明單元是使用本發明的任一實施方式或任一實施形態的光學元件，因此可縮小根據自光學元件射出的光的方向而產生的色差。

100‧‧‧光學元件

101‧‧‧入射面

103‧‧‧射出面

105‧‧‧光學元件100的與LED光源200相對向的面(底面)

200‧‧‧LED光源

201‧‧‧發光晶片

203‧‧‧螢光劑

205‧‧‧發光面

300‧‧‧面

400‧‧‧擴散板

1031、1037、1051、1051A、1051B‧‧‧樹脂澆口

1033‧‧‧樹脂澆口痕跡

1035‧‧‧圓錐台形狀

1039、1053‧‧‧擴散構造或擴散材料

A‧‧‧藍色的光

B‧‧‧更長波長的光

AX‧‧‧軸(光軸、中心軸)

O1‧‧‧光軸與入射面的交點(入射面101與中心軸AX的交點)

O2‧‧‧射出面103與中心軸AX的交點

P0‧‧‧光軸與平面的交點(光源200的發光面205與中心軸AX的交點)

P1‧‧‧自發光晶片201的邊下引至發光面205的垂線的垂足

P2‧‧‧螢光劑的周緣的圓周上的點

θi‧‧‧自點P0行進至點P的光的光學元件內的行進方向與光軸所成的角度(光線經入射面101折射後的光學元件100內的光線的行進方向與中心軸AX所成的角度)

θr‧‧‧連結點P0和入射面上的點P的直線與光軸所成的角度(自 點P0射出的光線的行進方向與中心軸AX所成的角度)

θe‧‧‧光線經射出面折射後的行進方向與中心軸AX所成的角度

φh‧‧‧入射面101上的法線與中心軸AX所成的角度(入射面上的點P上的入射面的法線相對於光軸的角度)

圖1是表示與本發明的光學元件一併使用的LED光源的構成的一例的圖。

圖2是用以擴散LED光源的光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是圖2的剖面圖中入射面的部分的放大圖。

圖4是表示在面上配置有光源及光學元件的多個組的照明單元的構成的一例的圖。

圖5是表示實施例1的光學元件的z與入射面上的法線和中心軸AX所成的角度φh的關係的圖。

圖6是表示實施例1的光學元件的θr與θi的關係的圖。

圖7是表示實施例1的光學元件的θr與θe的關係的圖。

圖8是表示使實施例1的光學元件組合至圖1所示的光源時的光的強度分佈的圖。

圖9是表示使比較例1的光學元件組合至圖1所示的光源時的光的強度分佈的圖。

圖10是關於實施例1的光學元件，表示自圖3中的點P0射出的光線的強度分佈的圖。

圖11是關於實施例1的光學元件，表示自圖3中的點P1射出的光線的強度分佈的圖。

圖12是關於實施例1的光學元件，表示自圖3中的點P2射出的光線的強度分佈的圖。

圖13是表示實施例2的光學元件的z與入射面上的法線和中心軸AX所成的角度φh的關係的圖。

圖14是表示實施例2的光學元件的θr與θi的關係的圖。

圖15是表示實施例2的光學元件的θr與θe的關係的圖。

圖16是表示使實施例2的光學元件組合至圖1所示的光源時 的光的強度分佈的圖。

圖17是表示使比較例2的光學元件組合至圖1所示的光源時的光的強度分佈的圖。

圖18是表示實施例3的光學元件的z與入射面上的法線和中心軸AX所成的角度φh的關係的圖。

圖19是表示實施例3的光學元件的θr與θi的關係的圖。

圖20是表示實施例3的光學元件的θr與θe的關係的圖。

圖21是表示使實施例3的光學元件組合至圖1所示的光源時的光的強度分佈的圖。

圖22是表示使比較例3的光學元件組合至圖1所示的光源時的光的強度分佈的圖。

圖23是表示在光學元件的射出面的中心配置有樹脂澆口(gate)的情況的圖。

圖24是表示在光學元件的射出面的中心設置有圓錐台形狀，在該圓錐台形狀上配置有樹脂澆口的情況的圖。

圖25是表示在光學元件的底面上配置有1個樹脂澆口的情況的圖。

圖26是表示在光學元件的底面上配置有2個樹脂澆口的情況的圖。

圖27是表示在射出面的周邊部分包含擴散構造或擴散材料的光學元件的構成的圖。

圖28是表示在底面上包含擴散構造或擴散材料的光學元件的 構成的圖。

圖1是表示與本發明的光學元件一併使用的LED光源200的構成的一例的圖。圖1之(a)是表示與LED光源200的發光面垂直的剖面的圖。圖1之(b)是LED光源200的平面圖。 通常，大光量的白色LED光源包括：晶片，其發出藍色等短波長的光；以及螢光劑，其在接收到來自發光晶片的光時，發出綠色、黃色、紅色等更長波長的光。圖1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，而在較發光晶片201所佔的區域更大的區域內配置有螢光劑203。在圖1之(b)的平面圖中，發光晶片201是每邊為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射出。更長波長的光B是自配置於包含LED光源的周邊部分的區域內的螢光劑射出。在具有如圖1所示的構成的LED光源中，射出藍色的光的位置與射出更長波長的光的位置不同。

圖2是用以擴散LED光源200的光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具有關於中心軸AX而旋轉對稱的形狀。光學元件100的與LED光源200相對向的面105相對於周緣在中心軸AX附近具有凹陷，該凹陷的面形成入射面101。與LED光源200相對向的面105在本說明書中稱為底面105。光學元件100的入射面101及底面105以外的面形成射出面103。

光學元件100及LED光源200配置成光學元件100的中心軸AX通過LED光源200的中心，即，通過圖1之(b)中的圓的中心。此時，中心軸AX形成包含光學元件100及LED光源200的光學系統的光軸。

自光源200射出的光經由入射面101進入至光學元件101，並自射出面103向外部射出。此時，自光源200射出的光在入射面101及射出面103的大部分上朝向遠離中心軸AX的方向折射，且其結果為被擴散。

在本實施形態中，LED光源200的面為平面，但光源的面不必為平面。本發明可適用於配置於平面上，且發出短波長的光的部分的位置與發出長波長的光的部分的位置不同的任意光源。

圖3是圖2的剖面圖中入射面的部分的放大圖。將光源200的發光面205與中心軸AX的交點設為點P0。將自點P0射出的光線的行進方向與中心軸AX所成的角度設為θr，將該光線經入射面101折射後的光學元件100內的光線的行進方向與中心軸AX所成的角度設為θi。此外，將該光線經射出面折射後的行進方向與中心軸AX所成的角度設為θe(圖2)。在圖3中，將自發光晶片201的邊下引至發光面205的垂線的垂足設為P1，將螢光劑的端部的點，即，將圖1之(b)的螢光劑的周緣的圓周上的點設為P2。

入射面101是以如下方式來確定：關於自點P0以規定 的範圍的θr射出的光線，滿足 θr≦θi。

在圖3中，規定的範圍是0度至約20度的範圍。又，在上述範圍內，隨著角度θr增加，角度θi單調增加。

射出面103是以如下方式來確定：關於以上述範圍的角度θr射出的光線，滿足 θi≦θe。

射出面的中心軸AX附近的形狀既不限定於凸面，亦不限定於凹面，凹面、凸面、平面中的任一者均可。在透鏡內部不產生全反射的射出面形狀亦較佳。此時，將光學元件的折射率設為n，光學元件內的光線角度與射出面的法線的角度φ滿足如下條件： φ<sin^-1(1/n)。

又，在圖3中，將入射面101上的法線與中心軸AX所成的角度設為φh。角度φh是以圖3的向下的方向為基準。即，在入射面101的頂點，φh=180度。

在自點P0以0度至約20度的範圍的角度θr射出的光所抵達的入射面101的區域內，隨著角度θr增加，角度φh單調減少。在自點P0以超過約20度的角度θr射出的光所抵達的入射面101的區域內，隨著角度θr增加，角度φh反覆地增加及減少。在本說明書中將該入射面100的區域亦稱為入射面的擴散區域。關於入射面101的擴散區域的形狀，後文將詳細說明。

圖4是表示將光源200及光學元件100的多個組配置於面300上的照明單元的構成的一例的圖。照明單元更包括擴散板400。可藉由照明單元而均勻地照射前方(圖4的上側)。

以下，說明本發明的光學元件的實施例及比較例。實施例及比較例的光學元件的材料為聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate，PMMA)，折射率為1.492(d射線，587.56nm)，阿貝數(Abbe number)為56.77(d射線，587.56nm)。又，在實施例及比較例中，長度的單位只要無其他記載即為毫米(millimeter)。

實施例1

在圖2中，將入射面101與中心軸AX的交點的座標設為O1，且將射出面103與中心軸AX的交點的座標設為O2。

在本實施例中，P0與O2的距離T為 T=5.752mm， P0與O1的距離h為 h=4.400mm。

當用z表示以O1為基準的中心軸AX方向的距離時， 在 0≦z≦1.5mm 的範圍內，入射面101的形狀可用下式表示。

此處，r為自中心軸AX算起的距離，c為曲率，R為曲率半徑，k為圓錐係數(conic coefficient)，A_i為非球面係數。

表1是表示式(1)的係數的數值的表，該式(1)表示 實施例1的入射面的形狀。

自z=1.5mm至面105為止的入射面101的區域，即入射面的擴散區域的形狀可藉由以下點群的三次樣條(cubic spline)曲線來表示。所謂三次樣條曲線，是通過所給出的多個點的光滑曲線，且對於相鄰的點所夾的各區間，使用在所有的點上為連續的個別的三次多項式。

表2是表示上述點群的表。

圖5是表示實施例1的光學元件的入射面101的z與入射面101上的法線和中心軸AX所成的角度φh的關係的圖。圖5的橫軸表示z，縱軸表示φh。根據圖5，在z為1.5mm以下的範圍內，隨著z增加，φh單調減少。在z超過1.5mm的範圍內，隨著z增加，φh反覆地增加及減少。換言之，在z超過1.5mm的範圍內，z的函數φh具有極大值及極小值。

在圖5中，具體而言，關於φh，存在6個極大值與6個極小值。再者，極小值附近的φh的偏差已忽視。相鄰的極大值與極小值的φh的差為約30度。

若用z表示以O2為基準的中心軸AX方向的距離，則射出面103的中心軸AX附近的形狀為來自光源的光線不藉由射出面而全反射的形狀，可用以下的數式表示。

此處，r為自中心軸AX算起的距離，c為曲率，R為曲率半徑，k為圓錐係數，Ai為非球面係數。

表3是表示式(2)係數的數值的表，該式(2)表示實施例1的射出面的形狀。

圖6是表示實施例1的光學元件的θr與入射面上的θi 的關係的圖。圖6的橫軸表示θr，縱軸表示θi。在θr為約30度以下的範圍內，隨著θr增加，θi單調增加。在θr超過約30度的範圍內，隨著θr增加，θi一面反覆地增加及減少，一面進行增加。 換言之，在θr超過30度的範圍內，θr的函數θi具有極大值及極小值。

在圖6中，具體而言，在θr為約30度至90度的範圍內，關於θi，存在6個極大值與6個極小值。再者，極大值附近的θi的值的偏差已忽視。相鄰的極大值與極小值的θi的差為約15度。

圖7是表示實施例1的光學元件的θr與射出面上的θe的關係的圖。圖7的橫軸表示θr，縱軸表示θe。在θr為約30度以下的範圍內，隨著θr增加，θe單調增加。在θr超過約30度的範圍內，隨著θr增加，θe的峰-峰值(peak to peak)一面以約10度的幅度反覆地增加及減少，一面進行增加。換言之，在θr超過約30度的範圍內，θr的函數θe具有極大值及極小值。

比較例1

在本比較例中，P0與O2的距離T為 T=5.752mm， P0與O1的距離h為

h=4.400mm。

若用z表示以O1為基準的中心軸AX方向的距離，則入射面的形狀可用式(1)表示。又，式(1)的係數的值為表1的值。即，比較例1的入射面的形狀在z為1.5mm以下的範圍內，與實施例1的入射面的形狀相同，且即便在z超過1.5mm的範圍內，z的函數φh亦不具有極大值及極小值，而隨著z增加，φh單調減少。換言之，比較例1的光學元件的入射面與實施例1的入射面的不同點在於，不包含入射面的擴散區域。

若用z表示以O2為基準的中心軸AX方向的距離，則射出面的中心軸AX附近的形狀為來自光源的光線不藉由射出面而全反射的形狀，可用式(2)表示。又，式(2)的係數的值為表3的值。即，比較例1的射出面具有與實施例1的射出面相同的形狀。

實施例1與比較例1的性能比較

藉由比較使實施例1及比較例1的光學元件組合至圖1所示的光源時的光的分佈，來比較實施例與比較例1的性能。

圖8是表示使實施例1的光學元件組合至圖1所示的光源時的光的強度分佈的圖。圖8的橫軸表示與中心軸AX所成的角度為θ的方向。圖8的縱軸表示向與中心軸AX所成的角度為θ的方向射出的光的強度的相對值。圖8的實線表示波長未達500奈米的光(短波長側的光)的相對強度。相對強度將最大值設為100%來表示。圖8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%來表示。

圖9是表示使比較例1的光學元件組合至圖1所示的光源時的光的強度分佈的圖。圖9的橫軸表示與中心軸AX所成的角度為θ的方向。圖9的縱軸表示向與中心軸AX所成的角度為θ的方向射出的光的強度的相對值。圖9的實線表示波長未達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%來表示。圖9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%來表示。

若比較圖8與圖9，則關於比較例1的圖9中，短波長側的光的強度與長波長側的光的強度的差較大。特別是在θ為60度附近，兩者的差較大。若兩者的差大，則會產生色差。例如，如圖9所示，在θ為60度附近，長波長側的強度大時，在θ為60度附近，紅度增強。

如上所述，實施例1的光學元件與比較例1的光學元件相比較，可抑制色差產生。

圖10是關於實施例1的光學元件，表示自圖3中的點P0射出的光線的強度分佈的圖。點P0是光源200的發光面205與中心軸AX的交點。圖10的橫軸表示與中心軸AX所成的角度為θ的方向。圖10的縱軸表示向與中心軸AX所成的角度為θ的方向射出的光的強度的相對值。實線表示實施例1的強度分佈，虛線表示比較例1的強度分佈。強度的相對值是將實施例1及比較例1的強度的最大值設為100%來表示。

圖11是關於實施例1的光學元件，表示自圖3中的點P1射出的光線的強度分佈的圖。點P1是自發光晶片201的邊下引至發光面205的垂線的垂足。圖11的橫軸表示與中心軸AX所成的角度為θ的方向。圖11的縱軸表示向與中心軸AX所成的角度為θ的方向射出的光的強度的相對值。圖11中的實線表示實施例1的強度分佈，虛線表示比較例1的強度分佈。強度的相對值是將實施例1及比較例1的強度的最大值設為100%來表示。

圖12是關於實施例1的光學元件，表示自圖3中的點P2射出的光線的強度分佈的圖。點P2是螢光劑的周緣的圓周上的點。圖12的橫軸表示與中心軸AX所成的角度為θ的方向。圖12的縱軸表示向與中心軸AX所成的角度為θ的方向射出的光的強度的相對值。圖12中的實線表示實施例1的強度分佈，虛線表示比較例1的強度分佈。強度的相對值是將實施例1及比較例1的強度的最大值設為100%來表示。

在圖10至圖12中，若比較自P0、P1以及P2射出的光線，則在各情況下，實施例1的光線較比較例1的光線分佈於更大的範圍。圖8及圖9的作為對象的光是使來自光源面上的各種點的光線組合而成的光。因此，自各種點射出的光線分佈於更大範圍的實施例1的情況下，更難以受到由光源面上的位置的差所帶來的光的色差的影響。

實施例2

在圖2中，將入射面101與中心軸AX的交點的座標設為O1， 且將射出面103與中心軸AX的交點的座標設為O2。

在本實施例中，P0與O2的距離T為 T=5.513mm， P0與O1的距離h為

h=3.569mm。

若用z表示以O1為基準的中心軸AX方向的距離，則在 0≦z≦2.689mm 的範圍內，入射面101的形狀可用下式表示。

此處，r為自中心軸AX算起的距離，c為曲率，R為曲率半徑，k為圓錐係數，A_i為非球面係數。

表4是表示式(1)的係數的數值的表，該式(1)表示 實施例2的入射面的形狀。

自z=2.689mm至面105為止的入射面101的區域，即入射面的擴散區域的形狀可用以下點群的三次樣條曲線來表示。 所謂三次樣條曲線，是通過所給出的多個點的光滑曲線，且對於相鄰的點所夾的各區間，使用在所有的點上為連續的個別的三次多項式。

表5是表示上述點群的表。

圖13是表示實施例2的光學元件的入射面101的z與入射面101上的法線和中心軸AX所成的角度φh的關係的圖。圖13的橫軸表示z，縱軸表示φh。根據圖13，在z為2.689mm以下的範圍內，隨著z增加，φh單調減少。在z超過2.689mm的範圍內，隨著z增加，φh反覆地增加及減少。換言之，在z超過2.689mm的範圍內，z的函數φh具有極大值及極小值。

在圖13中，具體而言，關於φh，存在3個極大值與3個極小值。再者，極小值附近的φh的偏差已忽視。相鄰的極大值與極小值的φh的差為約30度。

若用z表示以O2為基準的中心軸AX方向的距離，則射出面103的中心軸AX附近的形狀為來自光源的光線不藉由射出面而全反射的形狀，可用以下的數式表示。

此處，r為自中心軸AX算起的距離，c為曲率，R為曲率半徑，k為圓錐係數，A_i為非球面係數。

表6是表示式(2)的係數的數值的表，該式(2)表示實施例2的射出面的形狀。

圖14是表示實施例2的光學元件的θr與θi的關係的圖。圖14的橫軸表示θr，縱軸表示θi。在θr為約55度以下的範圍內，隨著θr增加，θi單調增加。在θr超過約55度的範圍內，隨著θr增加，θi一面反覆地增加及減少，一面進行增加。換言之，在θr超過約55度的範圍內，θr的函數θi具有極大值及極小值。

在圖14中，具體而言，在θr為約55度至90度的範圍內，關於θi，存在3個極大值與3個極小值。再者，極大值附近的θi的值的偏差已忽視。相鄰的極大值與極小值的θi的差為約15度。

圖15是表示實施例2的光學元件的θr與θe的關係的圖。圖15的橫軸表示θr，縱軸表示θe。在θr為約55度以下的範圍內，隨著θr增加，θe單調增加。在θr超過約55度的範圍內，隨著θr增加，θe的峰-峰值一面以最大約15度的幅度反覆地增加及減少，一面進行增加。換言之，在θr超過約55度的範圍內，θr的函數θe具有極大值及極小值。

比較例2

在本比較例中，P0與O2的距離T為 T=5.513mm， P0與O1的距離h為

h=3.569mm。

若用z表示以O1為基準的中心軸AX方向的距離，則入射面的形狀可用式(1)表示。又，式(1)的係數的值為表4的值。即，比較例2的入射面的形狀在z為2.689mm以下的範圍 內，與實施例1的入射面的形狀相同，且即便在z超過2.689mm的範圍內，z的函數φh亦不具有極大值及極小值，而隨著z增加，φh單調減少。換言之，比較例2的入射面與實施例2的入射面的不同點在於，不具有入射面的擴散區域。

若用z表示以O2為基準的中心軸AX方向的距離，則射出面的中心軸AX附近的形狀為來自光源的光線不藉由射出面而全反射的形狀，可用式(2)表示。又，式(2)的係數的值為表6的值。即，比較例2的射出面具有與實施例2的射出面相同的形狀。

實施例2與比較例2的性能比較

藉由比較使實施例2及比較例2的光學元件組合至圖1所示的光源時的光的分佈，來比較實施例2與比較例2的性能。

圖16是表示使實施例2的光學元件組合至圖1所示的光源時的光的強度分佈的圖。圖16的橫軸表示與中心軸AX所成的角度為θ的方向。圖16的縱軸表示向與中心軸AX所成的角度為θ的方向射出的光的強度的相對值。圖16的實線表示波長未達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%來表示。圖16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%來表示。

圖17是表示使比較例2的光學元件組合至圖1所示的光源時的光的強度分佈的圖。圖17的橫軸表示與中心軸AX所成的角度為θ的方向。圖17的縱軸表示向與中心軸AX所成的角度 為θ的方向射出的光的強度的相對值。圖17的實線表示波長未達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%來表示。圖17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%來表示。

若比較圖16與圖17，則關於比較例2的圖17中，短波長側的光的強度與長波長側的光的強度的差較大。特別是在θ為60度附近，兩者的差較大。若兩者的差大，則會產生色差。例如，如圖17所示，在θ為60度附近，長波長側的強度大時，在θ為60度附近，紅度增強。

如上所述，實施例2的光學元件與比較例2的光學元件相比較，可抑制色差產生。

實施例3

在圖2中，將入射面101與中心軸AX的交點的座標設為O1，且將射出面103與中心軸AX的交點的座標設為O2。

在本實施例中，P0與O2的距離T為T=5.385mm，P0與O1的距離h為

h=3.829mm。

若用z表示以O1為基準的中心軸AX方向的距離，則 在 0≦z≦1.322mm

的範圍內，入射面101的形狀可用下式表示。

此處，r為自中心軸AX算起的距離，c為曲率，R為曲率半徑，k為圓錐係數，A_i為非球面係數。

表7是表示式(1)的係數的數值的表，該式(1)表示實施例3的入射面的形狀。

自z=1.322mm至面105為止的入射面101的區域，即入射面的擴散區域的形狀可用以下的數式表示。

此處，r為自中心軸AX算起的距離，c為曲率，R為曲率半徑，k為圓錐係數，A_i為非球面係數。又，K為常數。K的單位為1/mm。

表8是表示式(3)的係數的數值的表，該式(3)表示實施例3的入射面的形狀。

圖18是表示實施例3的光學元件的入射面101的z與入射面101上的法線和中心軸AX所成的角度φh的關係的圖。圖13的橫軸表示z，縱軸表示φh。根據圖18，在z為1.322mm以下的範圍內，隨著z增加，φh單調減少。在z超過1.322mm的範圍內，隨著z增加，φh反覆地增加及減少。換言之，在z超過1.322mm的範圍內，z的函數φh具有極大值及極小值。

在圖18中，具體而言，關於φh，存在4個極大值與3個極小值。再者，極小值附近的φh的偏差已忽視。相鄰的極大值與極小值的φh的差為約30度。

若用z表示以O2為基準的中心軸AX方向的距離，則射出面103的中心軸AX附近的形狀為來自光源的光線不藉由射出面而全反射的形狀，可用以下的數式表示。

此處，r為自中心軸AX算起的距離，c為曲率，R為曲率半徑，k為圓錐係數，A_i為非球面係數。

表9是表示式(2)的係數的數值的表，該式(2)表示實施例3的射出面的形狀。

圖19是表示實施例3的光學元件的θr與θi的關係的圖。圖19的橫軸表示θr，縱軸表示θi。在θr為約32度以下的範圍內，隨著θr增加，θi單調增加。在θr超過約32度的範圍內，隨著θr增加，θi一面反覆地增加及減少，一面進行增加。換言之，在θr超過約32度的範圍內，θr的函數θi具有極大值及極小值。

在圖19中，具體而言，在θr為約32度至90度的範圍內，關於θi，存在3個極大值與4個極小值。再者，極大值附近的θi的值的偏差已忽視。相鄰的極大值與極小值的θi的差為15度至20度。

圖20是表示實施例3的光學元件的θr與θe的關係的圖。圖20的橫軸表示θr，縱軸表示θe。在θr為約32度以下的範圍內，隨著θr增加，θe單調增加。在θr超過約32度的範圍內，隨著θr增加，θe的峰-峰值一面以最大約15度的幅度反覆地增加 及減少，一面進行增加。換言之，在θr超過約32度的範圍內，θr的函數θe存在極大值及極小值。

比較例3

在本比較例中，P0與O2的距離T為T=5.385mm，P0與O1的距離h為

h=3.829mm。

若用z表示以O1為基準的中心軸AX方向的距離，則入射面的形狀可用式(1)表示。又，係數的值為表7的值。即，比較例3的入射面的形狀在z為1.322mm以下的範圍內，與實施例3的入射面的形狀相同，且即便在z超過1.322mm的範圍內，z的函數φh亦不具有極大值及極小值，而隨著z增加，φh單調減少。換言之，比較例3的光學元件的入射面與實施例3的入射面的不同點在於，不具有入射面的擴散區域。

若用z表示以O2為基準的中心軸AX方向的距離，則射出面的中心軸AX附近的形狀為來自光源的光線不藉由射出面而全反射的形狀，可用式(2)表示。又，係數的值為表9的值。 即，比較例3的射出面具有與實施例3的射出面相同的形狀。

實施例3與比較例3的性能比較

藉由比較使實施例3及比較例3的光學元件組合至圖1所示的光源時的光的分佈，來比較實施例2與比較例2的性能。

圖21是表示使實施例3的光學元件組合至圖1所示的光源時的光的強度分佈的圖。圖21的橫軸表示與中心軸AX所成的角度為θ的方向。圖21的縱軸表示向與中心軸AX所成的角度為θ的方向射出的光的強度的相對值。圖21的實線表示波長未達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%來表示。圖21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%來表示。

圖22是表示使比較例3的光學元件組合至圖1所示的光源時的光的強度分佈的圖。圖22的橫軸表示與中心軸AX所成的角度為θ的方向。圖22的縱軸表示向與中心軸AX所成的角度為θ的方向射出的光的強度的相對值。圖22的實線表示波長未達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%來表示。圖22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%來表示。

若比較圖21與圖22，則關於比較例3的圖22中，短波長側的光的強度與長波長側的光的強度的差較大。特別是在θ為65度附近，兩者的差較大。若兩者的差大，則會產生色差。例如，如圖22所示，在θ為65度附近，長波長側的強度大時，在θ為65度附近，紅度增強。

如上所述，實施例3的光學元件與比較例3的光學元件相比較，可抑制色差產生。

其他較佳實施形態

本發明的光學元件較佳為使用模具藉由射出成形來製造。此時，向模具中注入樹脂(塑膠)的樹脂澆口的位置會對製品造成影響。

圖23是表示在光學元件的射出面103的中心配置有樹脂澆口1031的情況的圖。圖23之(a)是表示配置有樹脂澆口1031的狀態的圖。圖23之(b)是表示藉由如圖23之(a)般配置的樹脂澆口1031而製造的光學元件的形狀的圖。由於樹脂澆口痕跡1033為散射面，會對中心附近的強光進行擴散，特別是被照射面位於附近時會促進光源的中心部的強烈光線的擴散，因此較佳。

圖24是表示在光學元件的射出面103的中心設置有圓錐台形狀1035，並在該圓錐台形狀1035上配置有樹脂澆口1037的情況的圖。圖24之(a)是表示配置有樹脂澆口1037的狀態的圖。圖24之(b)是表示藉由如圖24之(a)般配置的樹脂澆口1037而製造的光學元件的形狀的圖。由於圓錐台形狀1035會對中心附近的強光進行擴散，並且樹脂澆口痕跡為散射面，會對中心附近的強光進行擴散，特別是被照射面位於附近時會促進光源的中心部的強烈光線的擴散，因此較佳。

圖25是表示在光學元件的底面105上配置有1個樹脂澆口1051的情況的圖。根據本實施形態，樹脂澆口痕跡不會對光 學面造成影響。

圖26是表示在光學元件的底面105上配置有2個樹脂澆口1051A及1051B的情況的圖。根據本實施形態，樹脂澆口痕跡不會對光學面造成影響。

在光學元件的射出面的一部分或底面上包含用以使光擴散的擴散構造或擴散材料亦較佳。擴散構造是自面上減去自面算起直徑未達1mm的球面或非球面形狀而成的面，在面上添加自面算起直徑未達1mm的球面或非球面形狀而成的面，自面上減去自面算起直徑未達1mm的圓錐、三角錐、四角錐而成的面，在面上添加自面算起直徑未達1mm的圓錐、三角錐、四角錐而成的面，由經粗糙化而成的褶皺面、微透鏡陣列(microlens array)等所代表的微小曲面或微小稜鏡等折射構造，稜鏡等全反射構造等。擴散材料是丙烯酸粉末、聚苯乙烯粒子、矽粉末、銀粉末、氧化鈦粉末、鋁粉末、白碳(white carbon)、氧化鎂、氧化錫等散射材料。

圖27是表示在射出面的周邊部分包含擴散構造或擴散材料1039的光學元件的構成的圖。圖27的以圓形表現的部分表示擴散構造或擴散材料。根據本實施形態的光學元件，自射出面的周邊部分射出的光被進一步擴散。

圖28是表示在底面上包含擴散構造或擴散材料1053的光學元件的構成的圖。根據本實施形態的光學元件，可防止經由光學元件的底面抵達至被照射面的光線在被照射面上生成亮斑。 此處，作為經由光學元件的底面抵達至被照射面的光線，可認為是在光學元件內經全反射的光線、自被照射面反射的光線、來自相鄰的光學元件的光線等。

又，作為入射面的擴散區域的構造，亦可取代上述光學面的形狀，而包含上述擴散構造或擴散材料。

光學元件的入射面及射出面的形狀並不限於關於軸AX而旋轉對稱的形狀。例如，亦可將軸AX的周圍分割成多個角度區間，在各個角度區間設為不同的形狀。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區間，亦可不為上述相等間隔的區間。

又，亦可僅關於一部分角度區間，在入射面上設置擴散區域。

根據上述實施形態，可在每個與軸AX的周圍的角度區間相對應的方向上實現不同的光的分佈。例如，特別是亦可對軸AX的周圍的特定的方向縮小色差。

Claims (15)

1. 一種光學元件，包括：入射面，覆蓋配置於平面上的光源；以及射出面，覆蓋上述入射面；且以來自上述光源的光通過上述入射面及上述射出面後照射至外部的方式而構成，將通過上述光源的中心且與上述平面垂直的軸設為光軸，上述入射面具有相對於周緣而上述光軸附近凹陷的形狀，將上述光軸與上述入射面的交點設為O1，在包含上述光軸且與上述平面垂直的上述光學元件的任意剖面上，將上述入射面上的點P上的上述入射面的法線相對於上述光軸的角度設為φh，將上述入射面上的點P的自點O1算起的上述光軸方向上的距離設為z，以如下方式而構成上述入射面，即，當使上述點P沿上述入射面自上述點O1移動至上述平面為止時，在與上述點O1相鄰的第1區域內，隨著上述z增加，上述φh單調減少，並且在較上述第1區域更靠近上述平面的第2區域內，相對於上述z而言上述φh具有至少一個極大值及至少一個極小值。
2. 如申請專利範圍第1項所述的光學元件，其中上述入射面為關於上述光軸而旋轉對稱的形狀。
3. 如申請專利範圍第1項所述的光學元件，其中將上述光軸的周圍分割成多個角度區間，以上述入射面在各個上述角度區間具有不同形狀的方式而構成上述入射面。
4. 如申請專利範圍第3項所述的光學元件，其中以如下方式而構成上述入射面，即，僅在上述多個角度區間 的一部分角度區間內，使上述點P沿上述入射面自上述點O1移動至上述平面為止時，相對於上述z而言上述φh具有至少一個極大值及至少一個極小值。
5. 一種光學元件，包括：入射面，覆蓋配置於平面上的光源；以及射出面，覆蓋上述入射面；且以來自上述光源的光通過上述入射面及上述射出面後照射至外部的方式而構成，將通過上述光源的中心且與上述平面垂直的軸設為光軸，上述入射面具有相對於周緣而上述光軸附近凹陷的形狀，將上述光軸與上述入射面的交點設為O1，在包含上述光軸且與上述平面垂直的上述光學元件的任意剖面上，將上述入射面上的點P上的上述入射面的法線相對於上述光軸的角度設為φh，將上述入射面上的點P的自點O1算起的上述光軸方向上的距離設為z，將上述光軸與上述平面的交點設為P0，將連結點P0和上述入射面上的點P的直線與上述光軸所成的角度設為θr，以如下方式而構成上述入射面，即，當使上述點P沿上述入射面自上述點O1移動至上述平面為止時，在30°<θr<90°的條件下，相對於上述z而言上述φh具有至少一個極大值及至少一個極小值。
6. 如申請專利範圍第1項至第5項中任一項所述的光學元 件，其中存在上述φh的差為10度以上的相鄰的極大值及極小值。
7. 如申請專利範圍第6項所述的光學元件，其中存在上述φh的差為20度以上的相鄰的極大值及極小值。
8. 一種光學元件，包括：入射面，覆蓋配置於平面上的光源；以及射出面，覆蓋上述入射面；且以來自上述光源的光通過上述入射面及上述射出面後照射至外部的方式而構成，將通過上述光源的中心且與上述平面垂直的軸設為光軸，上述入射面具有相對於周緣而上述光軸附近凹陷的形狀，將上述光軸與上述入射面的交點設為O1，在包含上述光軸且與上述平面垂直的上述光學元件的任意剖面上，將上述入射面上的點P上的上述入射面的法線相對於上述光軸的角度設為φh，將上述入射面上的點P的自點O1算起的上述光軸方向上的距離設為z，將上述光軸與上述平面的交點設為P0，在包含上述光軸且與上述平面垂直的上述光學元件的任意剖面上，將連結點P0和上述入射面上的點P的直線與上述光軸所成的角度設為θr，將行進方向與上述光軸所成的角度設為θi，上述行進方向為自上述點P0行進至上述點P的光的上述光學元件內的方向，以如下方式而構成上述入射面，即，當使上述點P沿上述入射面自點O1移動至上述平面為止時，相對於上述θr的上述θi具有至少一個極大值及至少一個極小值。
9. 如申請專利範圍第8項所述的光學元件，其中上述入射面為關於上述光軸而旋轉對稱的形狀。
10. 如申請專利範圍第8項所述的光學元件，其中將上述光軸的周圍分割成多個角度區間，以上述入射面在各個上述角度區間具有不同形狀的方式而構成上述入射面。
11. 如申請專利範圍第10項所述的光學元件，其中以如下方式而構成上述入射面，即，僅在上述多個角度區間的一部分角度區間內，使上述點P沿上述入射面自上述點O1移動至上述平面為止時，相對於上述θr而言上述θi具有至少一個極大值及至少一個極小值。
12. 如申請專利範圍第8項至第11項中任一項所述的光學元件，其中以如下方式而構成上述入射面，即，在30°<θr<90°的條件下，相對於上述θr的上述θi具有至少一個極大值及至少一個極小值。
13. 如申請專利範圍第8項至第11項中任一項所述的光學元件，其中存在上述θi的差為5度以上的相鄰的極大值及極小值。
14. 如申請專利範圍第13項所述的光學元件，其中存在上述θi的差為10度以上的相鄰的極大值及極小值。
15. 一種照明單元，其包括：光源；以及如申請專利範圍第1項至第14項中任一項所述的光學元件。