TWI783088B

TWI783088B - 光學元件以及光學系統裝置

Info

Publication number: TWI783088B
Application number: TW107143012A
Authority: TW
Inventors: 縄田晃史; 粟屋信義; 田中覚
Original assignee: 日商Ｓｃｉｖａｘ股份有限公司
Priority date: 2017-12-14
Filing date: 2018-11-30
Publication date: 2022-11-11
Also published as: TW201928252A

Abstract

本發明之目的在於提供一種製作容易且將光無耗費地導向前方的光學元件以及使用前述光學元件之光學系統裝置。本發明之光學元件10係具有將基準平面形狀1旋轉而得的旋轉體或平行移動而得的平行移動體的至少一部分，基準平面形狀1係具有：射入部2，用以使來自預定位置9的光射入；射出部3，係將通過射入部2且直接照射的光反射；以及第一反射部4，係將以射出部3反射的光往射出部3反射。另外，基準平面形狀1亦可具有：第二反射部，係將通過射入部2且直接照射的光往射出部3反射。光學系統裝置係於預定位置9配置有光源。

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以及使用前述光學元件之光學系統裝置。

近年來，使用LED(Light Emitting Diode；發光二極體)作為照明用之光源。據此，正開發一種光學系統裝置，係將光無耗費地導向前方。例如，已有提案出一種光學裝置，係具有折射透鏡部以及複數個反射體部(例如專利文獻1)。

[先前技術文獻]

[專利文獻]

專利文獻1：日本特開平5-281402號公報。

然而，前述光學裝置係凹凸構造多且構造複雜而難以製作。

對此，本發明之目的在於提供一種製作容易且將光無耗費地導向前方的光學元件以及使用前述光學元件之光學系統裝置。

本發明之光學元件係具有將基準平面形狀旋轉而得的旋轉體或平行移動而得的平行移動體的至少一部分；前述基準平面形狀係具有：射入部，用以使來自預定位置的光射入；射出部，係將通過前述射入部且直接照射的光反射；以及第一反射部，係將以前述射出部反射的光往前述射出部反射。

該情形中，較佳為前述射入部係以前述預定位置作為中心的圓弧。另外，該情形中，較佳為前述射出部係以前述預定位置作為焦點的拋物線。

另外，前述第一反射部可為以使在前述射出部中的折射方向成為連結前述預定位置與前述射出部的最短直線的方向之方式將光反射的形狀。

另外，前述第一反射部亦可為以使前述射出部中的折射方向成為在預定的聚光位置聚光的方向之方式將光反射的形狀。

另外，前述第一反射部係較佳為將通過前述射入部且以前述射出部反射的光全反射的形狀，但亦可為利用金屬反射。

另外，前述基準平面形狀亦可具有：第二反射部，係將通過前述射入部且直接照射的光往前述射出部反射。

另外，前述第二反射部可為以前述射出部中的折射方向成為將前述預定位置與前述射出部連結的最短直線的方向之方式將光反射的形狀。

另外，前述第二反射部亦可為以前述射出部中的折射方向成為在預定的聚光位置聚光的方向之方式將光反射的形狀。

另外，前述第二反射部係較佳為將通過前述射入部的光全反射的形狀，但亦可為利用金屬反射。

另外，前述基準平面形狀亦可於前述第一反射部與前述第二反射部之間具有連接部，於從前述連接部所形成的面的至少一部分具有用以將前述光學元件固定於任意場所的接合部。

另外，亦可於由前述射入部所形成的面以及由前述射出部所形成的面之任一方或兩方形成有反射防止膜。

另外，本發明之光學系統裝置係具有前述光學元件以及配置於前述預定位置的光源。

該情形中，前述光源亦可埋設於前述射入部。

另外，當前述射入部為以前述預定位置作為中心的圓弧時，前述圓弧的半徑係較佳為前述光源的最大半徑的4倍以上。

另外，亦可於前述光源中的與前述光學元件對向之側配置有鏡。該情形中，前述鏡係較佳為形成為將從前述光源射入的光往射入方向反射的球面狀。

由於本發明係於光學元件的凹凸少之構造，故能夠利用射出成形等簡單地製作。

1、1A‧‧‧基準平面形狀

2‧‧‧射入部

3‧‧‧射出部

4、42‧‧‧第一反射部

5、52‧‧‧第二反射部

6‧‧‧連接部

8‧‧‧光源

9‧‧‧預定位置

10、10A‧‧‧光學元件

95‧‧‧聚光位置

100、100A、200‧‧‧光學系統裝置

O‧‧‧原點

圖1為顯示本發明之光學元件之基準平面形狀的圖。

圖2為顯示本發明之光學元件(旋轉體)的立體圖。

圖3為顯示本發明之光學元件(旋轉體)的(a)側面圖以及(b)俯視圖。

圖4為顯示本發明之光學元件(平行移動體)的立體圖。

圖5為顯示本發明之另一個光學元件(平行移動體)的立體圖。

圖6為顯示本發明之光學元件(平行移動體)的(a)側面圖以及(b)俯視圖。

圖7為顯示本發明之另一個光學元件的基準平面形狀的圖。

圖8為用以說明本發明之聚光型的光學系統裝置的側面圖。

圖9為用以說明本發明之光學系統裝置的側面圖。

圖10為用以說明本發明之另一個光學系統裝置的側面圖。

圖11為顯示本發明之另一個光學元件的基準平面形狀的圖。

圖12為顯示本發明之另一個光學元件(旋轉體)的(a)側面圖以及(b)俯視圖。

圖13為顯示本發明之另一個光學元件(平行移動體)的(a)側面圖以及(b)俯視圖。

圖14為顯示本發明之聚光型的光學元件的基準平面形狀的圖。

圖15為顯示本發明之光學系統裝置的照度分布的圖。

圖16為顯示本發明之另一個光學系統裝置的照度分布的圖。

圖17為顯示本發明之又另一個光學系統裝置的照度分布的圖。

以下對本發明之光學元件進行說明。

本發明之光學元件10係將作為基準的平面形狀(以下亦稱基準平面形狀1。參照圖1)旋轉而得的旋轉體(參照圖2、圖3)或平行移動而得的平行移動體(參照圖4至圖6)，且用以控制射入的光。在此，該光學元件10係只要具有基準平面形狀1的旋轉體或平行移動體的至少一部分即可。例如，在將光學元件10以射出成型形成的情形中，由於需要屬於樹脂之注入口的閘(gate)，因此於完成品中存有將閘切離後的切剖面，但即使存有如此之切剖面仍包含於本發明之光學元件10。

該光學元件10的材質係只要為對於欲控制的光為透明則無論為何種材質皆可，例如可使用透明的電介質。具體而言，玻璃等的無機物或環烯烴聚合物(COP；Cyclo olefin polymer)等的樹脂等係符合。

如圖1所示，基準平面形狀1係具有：射入部2，係用以至少使來自預定位置9的光射入；射出部3，係將通過射入部2且直接照射的光反射；以及第一反射部4，係將以射出部反射的光往射出部反射。而且，圖1中，為求方便而以預定位置9作為原點O，將從原點O往紙面右方向作為x軸、往上方向作為y軸、往深度方向作為z軸。

射入部2雖只要可使來自預定位置9的光射入則可為任何形狀，但較佳為盡可能不將來自預定位置9的光反射的形狀。如此，射入部2的形狀係較佳為以預定位置9作為中心的圓弧。藉此，由於來自預定位置9的光係往射入部2垂直地射入，故能最為抑制反射。

另外，在將射入部2作成圓弧的情形中，該圓弧的半徑越大則越能使配置在預定位置9的光源近似為點光源且縮小誤差，故較佳。具體而言，圓弧的半徑係配置在預定位置9的光源的最大半徑(光源的外形之中，從預定位置9最遠離的位置的大小)的4倍以上，較佳為10倍以上，更佳為100倍以上。另外，由於射出角大的光係光路長變短，故誤差變大。在此，如圖7所示，亦可用射出角越大的光則接受該光的射入部2的圓弧越大的方式將射入部2以半徑不同的複數個圓弧構成。

射出部3雖為從預定位置9射入光學元件10的光最後射出的部分，但形成為將通過射入部2且直接照射的光反射的形狀。該射出部3的形狀只要滿足前述條件則任何形狀皆可，例如當射入部2為以預定位置9作為中心的圓弧時，則可為以預定位置9作為焦點的拋物線。藉此，從預定位置9射入的光係於射入部2全部直線前進後，以射出部3全部於x軸方向反射，故存有光路計算容易的優點。而且，為了控制射出的全部的光的方向，射出部3係較佳為使通過射入部2且直接照射的光全反射的形狀。

第一反射部4係只要為可將從射出部3反射的光往射出部3反射的形狀則可為任何形狀，但較佳為成為反射的光以射出部3對預定方向折射的角度的形狀。例如，第一反射部4可以為以使在射出部3中的折射方向成為連結預定位置9與射出部3的最短直線(圖1中的直線OF)的方向亦即成為y軸方向之方式將光反射的形狀。另外，如圖2所示，第一反射部4亦可以以使射出部3中的折射方向成為在預定的聚光位置95聚光的方向之方式將光反射的形狀。

第一反射部4雖可為利用金屬反射，但會產生因光能量之吸收所致的損失。因此，反射部4係較佳為使從射出部3反射的光全反射。只要第一反射部4使從射出部3反射的光的射入角成為臨界角以上則可利用全反射。例如，將構成光學元件10的透明電介質設為環烯烴聚合物(COP)，則折射率為1.41，故臨界角成為約45度。

另外，當光源的射出角較連結射出部3的最外部與預定位置9(光源位置)的直線還廣時，基準平面形狀1亦可進一步具有第二反射部5。

第二反射部5只要為可使通過射入部2且來自預定位置9的光往射出部3反射的形狀則可為任何形狀，但較佳為成為反射的光以射出部3對預定方向折射的角度的形狀。例如，第二反射部5亦可以射出部3中的折射方向成為將預定位置9與射出部3連結的最短直線(圖1中的直線OF)的方向亦即成為y軸方向之方式將光反射的形狀。另外，如圖8所示，第二反射部5亦可以射出部3中的折射方向成為在預定的聚光位置95聚光的方向之方式將光反射的形狀。

另外，如圖1所示，於基準平面形狀1中，較佳為第一反射部4與第二反射部5之間的連接部6係不妨礙光學元件10內的光路的形狀。該情形中，從該連接部6所形成的面亦可於至少一部分具有用以將該光學元件10固定於任意場所的接合部。接合部可利用由接著劑等所進行的化學性接合或螺桿(screw)等的物理性接合。如上所述地形成的接合部具有不會給本發明之光學元件10的光路帶來影響且不會耗費光的優點。

而且，於上述由射入部所構成的面以及由射出部所構成的面之任一方或兩方亦可形成有習知的反射防止膜。

另外，如圖9所示，本發明之光學系統裝置100係由上述本發明之光學元件10以及配置於該光學元件10的預定位置9的光源8所構成。

作為光源，雖只要為可發生光之光源則任何光源皆可，但較適合使用光放射狀地擴展的點光源或線光源。具體而言，例如LED、電燈泡、螢光燈等係符合。

另外，在將射入部2作成圓弧的情形中，由於圓弧的半徑越大則越能使配置在預定位置9的光源8近似為點光源且縮小誤差，故較佳。具體而言，圓弧的半徑係配置在預定位置9的光源8的最大半徑(光源的外形之中，從預定位置9最遠離的位置的大小)的4倍以上，較佳為10倍以上，更佳為100倍以上。

另外，如圖10所示，亦可為在上述本發明之光學元件10的預定位置9埋設光源8的光學系統裝置200。此時，若將用以埋設的材料作成與構成光學元件10的材料或構成光源8的表面的材料的折射率相近的材料，則可防止或抑制射入部2中的光的反射(參照圖11)。具體而言，用以埋設的材料與構成光學元件10的材料或構成光源8的表面的材料的折射率差為10%以內，較佳為相同。

而且，使用於光學系統裝置200的光學元件10的射入部2亦可作成易於埋設光源8的形狀。例如如圖12、圖13所示，將射入部2作成與光源8同形狀的凹部即可。

另外，光學系統裝置100、200亦可為於光源8中的與光學元件10對向之側配置有鏡。該情形中，該鏡較佳為形成為將從光源8射入的光反射至射入方向的球面狀。藉此，光源8中的往沒有光學元件10之側射出的光亦能有效活用。

然後，說明本發明之光學元件10的實施例。本發明之光學元件10係可形成為：(1)如圖2、圖3所示，將基準平面形狀1以通過預定位置的直線作為中心線旋轉的旋轉體；或(2)如圖4至圖6所示，將基準平面形狀1作成於該基準平面形狀1的法線方向平行移動的形體。若反向表現，則於(1)的旋轉體中，包含中心線的剖面係成為與基準平面形狀1同形。另外，於(2)的平行移動體中，在垂直於平行移動之方向的平面而得的剖面係成為與基準平面形狀1同形狀。

首先，作為第1實施例，對於將從預定位置射入的光於y軸方向作為平行光而射出的光學元件10的基準平面形狀1進行說明。該基準平面形狀1係由射入部2、射出部3、第一反射部4、第二反射部5以及連接部6所構成。該基準平面形狀1的作成方法係成為如以下所述。

首先，作成中心為O且以直線OA作為半徑r的圓弧以作為射入部2。該圓弧係可用下述數學式表示。

[數學式]x²+y²=r²

然後，作成以點O作為焦點的拋物線EF以作為射出部3。最外部E係配合用途而自由設計即可。當以該拋物線的頂點與焦點之間的距離(焦點距離)作為f，則拋物線係可以下述數學式表示。

然後，作成曲線BC以作為第二反射部5。曲線BC的形狀只要設計為在曲線BC上的任意點反射的光係在射出部5往y軸方向折射即可。具體而言，曲線BC上的任意點中的反射方向係可由在該點中的接線使射入角與反射角成為相同而計算得出。如此，只要設計為該反射光係藉由拋物線EF上的折射而朝向與y軸成為平行的位置即可。該計算可使用牛頓拉福森法(Newton-Raphson method) 等的解析法。另外，該計算可使用電腦進行。

然後，將第一反射部4作成為曲線DE。形狀的生成方向為從E至D。曲線DE的形狀只要設計為在曲線DE上的任意點反射的光係在射出部往y軸方向折射即可。具體而言，曲線DE上的任意點中的反射方向係可由在該點中的接線使射入角與反射角成為相同而計算得出。如此，只要設計為該反射光係藉由拋物線EF上的折射而朝向與y軸成為平行的位置即可。該計算可使用牛頓拉福森法等的解析法。另外，該計算可使用電腦進行。

最後，將連接部6作成為CD。CD部只要不妨礙光路則為任何形狀皆可，於實施例1(圖1)中，為與x軸方向平行的直線。

實施例1的光學元件10係將如上所述地作成的基準平面形狀1以y軸作為中心線旋轉而成為如圖2所示的旋轉體。

另外，本發明之光學元件亦可為使該基準平面形狀1於z軸方向平行移動而得的如圖4所示的平行移動體。該情形中，如圖5、圖6所示，較佳為該光學元件10係成為基準平面形狀1對於y軸鏡面對稱的方式。

另外，如圖8所示，作為第2實施例，針對將從預定位置9射入的光以在預定的聚光位置95聚光的方式射出的光學元件10之基準平面形狀1A進行說明。如圖14所示，該基準平面形狀1A係由射入部2、射出部3、第一反射部42、第二反射部52以及連接部6所構成。該基準平面形狀1A的作成方法係如以下所述。

首先，與第1實施例同樣地作成中心為O且以直線OA作為半徑r的圓弧以作為射入部2。該圓弧係可以下述數學式表示。

[數學式]x²+y²=r²

然後，作成以點O作為焦點的拋物線EF作為射出部3。最外部E係配合用途而自由設計即可。當以該拋物線的頂點與焦點之間的距離(焦點距離)作為f，則拋物線係可以下述數學式表示。

然後，作成曲線BC以作為第二反射部5。曲線BC的形狀只要設計為在曲線BC上的任意點反射的光係在射出部3往預定的聚光位置95的方向折射即可。具體而言，曲線BC上的任意點中的反射方向係可由在該點中的接線使射入角與反射角成為相同而計算得出。如此，只要設計為該反射光係藉由拋物線EF上的折射而朝向預定的聚光位置95即可。該計算可使用牛頓拉福森法等的解析法。另外，該計算可使用電腦進行。

然後，將第一反射部42作成為曲線DE。形狀的生成方向為從E至D。曲線DE的形狀只要設計為在曲線DE上的任意點反射的光係在射出部3往預定的聚光位置95的方向折射即可。具體而言，曲線DE上的任意點中的反射方向係可由在該點中的接線使射入角與反射角成為相同而計算得出。如此，只要設計為該反射光係藉由拋物線EF上的折射而朝向預定的聚光位置95即可。該計算可使用牛頓拉福森法等的解析法。另外，該計算可使用電腦進行。

最後，將連接部6作成為CD。CD部只要不妨礙光路則為任何形狀皆可，於實施例2(圖14)中，為與x軸方向平行的直線。

實施例2的光學元件10A係將如上所述地作成的基準平面形狀1以y軸作為中心線旋轉，而成為如圖8所示的旋轉體。

另外，本發明之光學元件亦可為使該基準平面形狀1於z軸方向平行移動而得的平行移動體。該情形中，較佳為該光學元件10係成為基準平面形狀1對於y軸鏡面對稱的方式。

然後，將使用本發明之光學系統裝置控制光之情形中的照度分布使用模擬確認。模擬係使用光學模擬軟體Light Tools(Synopsys公司製)。

◎模擬1

首先，模擬使用如圖9所示的光學系統裝置100控制光之情形中的照度分布。在此，如圖2、圖3所示，作為光學元件10係使用將如圖1所示的基準平面形狀1旋轉而得的旋轉體，使從預定位置9射入的光於y軸方向作為平行光射出。該光學元件10中的從預定位置9至射入部2為止的距離(半徑OB)為2.67mm。另外，光學元件10的厚度(x軸與點E之間的距離)為11.2mm。光學元件10的半徑(y軸與點E之間的距離)為12.9mm。另外，假定配置於預定位置9的光源8係直徑0.01mm且使放射功率1W的朗伯光分佈的光射出。照度分布係計算從射出部3遠離50mm之場所。將該模擬結果顯示於圖15。由圖15可知，照度分布係成為與光學元件10的半徑同程度，將光作為平行光取出。

◎模擬2

然後，模擬使用如圖8所示的光學系統裝置控制光之情形中的照度分布。在此，如圖8所示，作為光學元件10A係使用將如圖14所示的基準平面形狀1A旋轉而得的旋轉體，使從預定位置9射入的光聚光於預定的聚光位置95。該光學元件10中的從預定位置9至射入部2為止的距離(半徑OB)為7mm。另外，光學元件10的厚度(x軸與點E之間的距離)為30mm。光學元件10的半徑(y軸與點E之間的距離)為34mm。另外，假定配置於預定位置9的光源8係直徑0.01mm且使放射功率1W的朗伯光分佈的光射出。照度分布係計算從射出部3遠離500mm的場所。將該模擬結果顯示於圖16。由圖16可知光係良好地聚光。

◎模擬3

然後，模擬使用如圖10所示的光學系統裝置200控制光之情形中的照度分布。在此，如圖12所示，作為光學元件10係使用將如圖11所示的基準平面形狀1旋轉而得的旋轉體，使從預定位置9射入的光於y軸方向作為平行光射出。光學元件10的厚度(x軸與點E之間的距離)為11.2mm。光學元件10的半徑(y軸與點E之間的距離)為12.9mm。另外，假定配置於預定位置9的光源8係直徑0.01mm且射出藉由埋設而沒有菲涅耳反射的放射功率1W 的等向性之配光的光。照度分布係計算從射出部3遠離50mm之場所。將該模擬結果顯示於圖17。圖17可知，照度分布係成為與光學元件10的半徑同程度，將光作為平行光取出。另外，由於沒有射入部2中的菲涅耳反射，故可知相較於未埋設的情形(模擬1)更提高光利用效率約2%。

1‧‧‧基準平面形狀

2‧‧‧射入部

3‧‧‧射出部

4‧‧‧第一反射部

5‧‧‧第二反射部

6‧‧‧連接部

9‧‧‧預定位置

O‧‧‧原點

Claims

一種光學元件，係具有使基準平面形狀以通過預定位置之中心線作為中心而旋轉的旋轉體的至少一部分；前述基準平面形狀係具有：射入部，係以前述預定位置作為中心的圓弧，用以使來自預定位置的光射入；射出部，係以前述預定位置作為焦點的拋物線，將通過前述射入部且直接照射的光反射；以及第一反射部，係以前述射出部中的射出方向成為與前述中心線平行的方式將以前述射出部反射的光往前述射出部反射。
如請求項1所記載之光學元件，其中前述第一反射部係將通過前述射入部且以前述射出部反射的光全反射的形狀。
如請求項1所記載之光學元件，其中前述第一反射部係利用金屬反射。
如請求項1至3中任一項所記載之光學元件，其中前述基準平面形狀係具有：第二反射部，係將通過前述射入部且直接照射的光往前述射出部反射。
如請求項4所記載之光學元件，其中前述第二反射部為以前述射出部中的射出方向成為與前述中心線的方向平行之方式將光反射的形狀。
如請求項4所記載之光學元件，其中前述第二反射部係將通過前述射入部的光全反射的形狀。
如請求項4所記載之光學元件，其中前述第二反射部中的反射係利用金屬反射。
如請求項4所記載之光學元件，其中前述基準平面形狀係於前述第一反射部與前述第二反射部之間具有連接部，於從前述連接部所形成的面的至少一部分具有用以將前述光學元件固定於任意場所的接合部。
如請求項1至3中任一項所記載之光學元件，其中於由前述射入部所形成的面以及由前述射出部所形成的面之任一方或兩方形成有反射防止膜。
一種光學系統裝置，係具有如請求項1所記載之光學元件以及配置於前述預定位置的光源。
如請求項10所記載之光學系統裝置，其中前述光源係埋設於前述射入部。
如請求項10所記載之光學系統裝置，其中於前述光源中的與前述光學元件對向之側配置有鏡。
如請求項12所記載之光學系統裝置，其中前述鏡係形成為將從前述光源射入的光往射入方向反射的球面狀。
一種光學系統裝置，係具有如請求項1所記載之光學元件以及配置於前述預定位置的光源；前述圓弧的半徑係前述光源的最大半徑的4倍以上。