WO2018207501A1

WO2018207501A1 - 光学素子および光学系装置

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Publication number: WO2018207501A1
Application number: PCT/JP2018/014167
Authority: WO
Inventors: 縄田晃史; 粟屋信義; 田中覚
Original assignee: Ｓｃｉｖａｘ株式会社
Priority date: 2017-05-11
Filing date: 2018-04-02
Publication date: 2018-11-15
Also published as: KR20200005416A; US10823371B2; CN109247025A; KR102571548B1; EP3623693A4; EP3623693A1; US20200056759A1; JPWO2018207501A1; JP7075668B2; CN109247025B

Abstract

作製が容易で光を前方へ無駄なく導く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。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、所定位置９からの光を入射させるための入射部２と、入射部２を通過し直接照射された光を反射する出射部３と、出射部３で反射した光を、出射部３へ反射する第１の反射部４と、を有する。また、基準平面形状１は、入射部２を通過し直接照射された光を、出射部３へ反射する第２の反射部を有していても良い。光学系装置は、所定位置９に光源が配置される。

Description

光学素子および光学系装置

　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、前述の光学装置は、凹凸構造が多く、構造が複雑で作製が難しかった。

　そこで本発明は、作製が容易で光を前方へ無駄なく導く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、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、所定位置からの光を入射させるための入射部と、前記入射部を通過し直接照射された光を反射する出射部と、前記出射部で反射した光を、前記出射部へ反射する第１の反射部と、を有することを特徴とする。

　この場合、前記入射部は、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、この場合、前記出射部は、前記所定位置を焦点とする放物線である方が好ましい。

　また、前記第１の反射部は、前記出射部における屈折方向が前記所定位置と前記出射部とを結ぶ最短直線の方向となるように、光を反射する形状とすることができる。

　また、前記第１の反射部は、前記出射部における屈折方向が所定の集光位置で集光する方向となるように、光を反射する形状とすることもできる。

　また、前記第１の反射部は、前記入射部を通過し前記出射部で反射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、前記基準平面形状は、前記入射部を通過し直接照射された光を、前記出射部へ反射する第２の反射部を有していても良い。

　また、前記第２の反射部は、前記出射部における屈折方向が前記所定位置と前記出射部とを結ぶ最短直線の方向となるように、光を反射する形状とすることができる。

　また、前記第２の反射部は、前記出射部における屈折方向が所定の集光位置で集光する方向となるように、光を反射する形状とすることもできる。

　また、前記第２の反射部は、前記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、前記基準平面形状は、前記第１の反射部と前記第２の反射部との間に接続部を有し、当該接続部から形成された面の少なくとも一部に、当該光学素子を任意の場所に固定するための接合部を有していても良い。

　また、前記入射部から形成された面および前記出射部から形成された面のいずれか一方又は両方に反射防止膜が形成されていても良い。

　また、本発明の光学系装置は、上述した本発明の光学素子と、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。

　この場合、前記光源は前記入射部に埋設されていても良い。

　また、前記入射部が前記所定位置を中心とする円弧である場合には、当該円弧の半径は、前記光源の最大半径の４倍以上である方が好ましい。

　また、前記光源の前記光学素子と対向する側に鏡が配置されていても良い。この場合、当該鏡は、前記光源から入射した光を入射方向に反射させる球面状に形成される方が好ましい。

　本発明は、光学素子に凹凸が少ない構造であるため、射出成形等で簡易に作製することが可能である。

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。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。本発明の集光型の光学系装置を説明するための側面図である。本発明の光学系装置を説明するための側面図である。本発明の別の光学系装置を説明するための側面図である。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（ａ）側面図および（ｂ）平面図である。本発明の別の光学素子（平行移動体）を示す（ａ）側面図および（ｂ）平面図である。本発明の集光型の光学素子に係る基準平面形状を示す図である。本発明の光学系装置の照度分布を示す図である。本発明の別の光学系装置の照度分布を示す図である。本発明の更に別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。図１参照）を回転して得られる回転体（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、入射した光を制御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、図１に示すように、少なくとも所定位置９からの光を入射させるための入射部２と、入射部２を通過し直接照射された光を反射する出射部３と、出射部で反射した光を、出射部へ反射する第１の反射部４とを有する。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。

　入射部２は、所定位置９からの光を入射可能であ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、入射部２の形状は、所定位置９を中心とする円弧が好ましい。これにより、所定位置９からの光は、入射部２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。

　また、入射部２を円弧とする場合、当該円弧の半径は、大きいほど所定位置９に配置される光源を点光源と近似でき、誤差が小さくなるため好ましい。具体的には、円弧の半径は、所定位置９に配置される光源の最大半径（光源の外形のうち、所定位置９から最も離れた位置の大きさ）の４倍以上、好ましくは１０倍以上、更に好ましくは１００倍以上が良い。また、出射角の大きい光は光路長が短くなるため、誤差が大きくなる。そこで、図７に示すように、出射角の大きい光ほど当該光を受ける入射部２の円弧が大きくなるように、入射部２を半径の異なる複数の円弧で構成しても良い。

　出射部３は、所定位置９から光学素子10に入射した光が最終的に出射する部分であるが、入射部２を通過し直接照射された光を反射する形状に形成される。当該出射部３の形状は、前記条件を満たせばどのようなものでも良いが、例えば、入射部２が所定位置９を中心とする円弧である場合には、所定位置９を焦点とする放物線とすることができる。これにより、所定位置９から入射した光は、入射部２を総て直進した後、出射部３で総てｘ軸方向に反射するため、光路計算をし易いというメリットがある。なお、出射する総ての光の方向を制御するためには、出射部３は、入射部２を通過し直接照射された光を全反射させる形状が好ましい。

　第１の反射部４は、出射部３から反射された光を出射部３へ反射させる形状であればどのようなものでも良いが、好ましくは、反射する光が出射部３で所定方向に屈折する角度となる形状が好ましい。例えば、第１の反射部４は、出射部３における屈折方向が所定位置９と出射部３とを結ぶ最短直線（図１中の直線ＯＦ）の方向、すなわちｙ軸方向となるように、光を反射する形状とすることができる。また、第１の反射部４は、図２に示すように、出射部３における屈折方向が所定の集光位置95で集光する方向となるように、光を反射する形状とすることもできる。

　第１の反射部４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４は、出射部３から反射された光を全反射させるものである方が好ましい。出射部３から反射された光の入射角が臨界角以上となるような第１の反射部４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。

　また、出射部３の最外部と所定位置９（光源位置）とを結んだ直線より光源の出射角が広い場合、基準平面形状１は、更に第２の反射部５を有していても良い。

　第２の反射部５は、入射部２を通過した所定位置９からの光を、出射部３へ反射させる形状であればどのようなものでも良いが、好ましくは、反射する光が出射部３で所定方向に屈折する角度となる形状が好ましい。例えば、第２の反射部５は、出射部３における屈折方向が所定位置９と出射部３とを結ぶ最短直線（図１中の直線ＯＦ）の方向、すなわちｙ軸方向となるように、光を反射する形状とすることができる。また、第２の反射部５は、図８に示すように、出射部３における屈折方向が所定の集光位置95で集光する方向となるように、光を反射する形状とすることもできる。

　また、図１に示す基準平面形状１において、第１の反射部４と第２の反射部５との間の接続部６は、光学素子10内の光路を妨げない形状が好ましい。この場合、当該接続部６から形成された面は、少なくとも一部に、当該光学素子10を任意の場所に固定するための接合部を有していても良い。接合部は、接着剤等による化学的接合や、ねじなどのような物理的接合に利用することができる。このように形成された接合部は、本発明の光学素子10の光路に影響を与えず、光を無駄にすることがないというメリットがある。

　なお、上述した入射部からなる面および出射部からなる面のいずれか一方又は両方は、周知の反射防止膜が形成されていても良い。

　また、本発明の光学系装置100は、図９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８とで構成される。

　光源としては、光を発生するものであればどのようなものでも良いが、光が放射状に広がる点光源又は線光源を好適に用いることができる。具体的には、例えば、ＬＥＤや白熱球、蛍光灯等が該当する。

　また、入射部２を円弧とする場合には、円弧の半径は、大きいほど所定位置９に配置される光源８を点光源と近似でき、誤差が小さくなるため好ましい。具体的には、円弧の半径は、所定位置９に配置される光源８の最大半径（光源の外形のうち、所定位置９から最も離れた位置の大きさ）の４倍以上、好ましくは１０倍以上、更に好ましくは１００倍以上が良い。

　また、図１０に示すように、上述した本発明の光学素子10の所定位置９に光源８を埋設して光学系装置200としても良い。この際、埋設するための材料を、光学素子10を構成する材料や光源８の表面を構成する材料の屈折率と近い材料とすれば、入射部２における光の反射を防止又は抑制することができる（図１１参照）。具体的には、埋設するための材料と光学素子10を構成する材料や光源８の表面を構成する材料との屈折率差が１０％以内、好ましくは同一のものが良い。

　なお、光学系装置200に用いる光学素子10の入射部２は、光源８を埋設し易い形状にしても良い。例えば、図１２，図１３に示すように、入射部２を光源８と同形の凹部とすれば良い。

　また、光学系装置100,200は、光源８の光学素子10と対向する側に鏡が配置されていても良い。この場合、当該鏡は、光源８から入射した光を入射方向に反射させる球面状に形成される方が好ましい。これにより、光源８の光学素子10がない側へ出射された光も有効活用することができる。

　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、第１実施例として、所定位置から入射した光をｙ軸方向に平行光として出射させる光学素子10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、入射部２と、出射部３と、第１の反射部４と、第２の反射部５と、接続部６とからなる。当該基準平面形状１の作成方法は以下の通りとなる。

　まず、入射部２として、中心がＯ、直線ＯＡを半径ｒとする円弧を作成する。当該円弧は、下記式で表される。

　次に、出射部３として、点Ｏを焦点とする放物線ＥＦを作成する。最外部Ｅは用途に合わせて自由に設計すれば良い。当該放物線の頂点と焦点との距離（焦点距離）をｆとすると、放物線は下記式で表される。

　次に、第２の反射部５として、曲線ＢＣを作成する。曲線ＢＣの形状は、曲線ＢＣ上の任意の点で反射した光が出射部５でｙ軸方向に屈折するように設計すれば良い。具体的には、曲線ＢＣ上の任意の点における反射方向は、当該点における接線で入射角と反射角が同じになることから計算できる。したがって、その反射光が、放物線ＥＦ上における屈折でｙ軸と平行となる位置に向かう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、コンピュータを用いて行うことができる。

　次に、第１の反射部４を曲線ＤＥとして作成する。形状の生成方向はＥからＤとする。曲線ＤＥの形状は、曲線ＤＥ上の任意の点で反射した光が出射部でｙ軸方向に屈折するように設計すれば良い。具体的には、曲線ＤＥ上の任意の点における反射方向は、当該点における接線で入射角と反射角が同じになることから計算できる。したがって、その反射光が、放物線ＥＦ上における屈折でｙ軸と平行となる位置に向かう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、コンピュータを用いて行うことができる。

　最後に接続部６をＣＤとして作成する。ＣＤ部は光路を妨げなければどのような形状でも良く、実施例１（図１）では、ｘ軸方向と平行な直線としている。

　実施例１の光学素子10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の様な回転体となる。

　また、本発明の光学素子は、当該基準平面形状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することもできる。この場合、当該光学素子10は、図５、図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。

　また、第２実施例として、図８に示すように、所定位置９から入射した光を所定の集光位置95で集光するように出射させる光学素子10の基準平面形状１Ａについて説明する。当該基準平面形状１Ａは、図１４に示すように、入射部２と、出射部３と、第１の反射部42と、第２の反射部52と、接続部６とからなる。当該基準平面形状１Ａの作成方法は以下の通りとなる。

　まず、第１実施例と同様に、入射部２として、中心がＯ、直線ＯＡを半径ｒとする円弧を作成する。当該円弧は、下記式で表される。

　次に、第２の反射部52として、曲線ＢＣを作成する。曲線ＢＣの形状は、曲線ＢＣ上の任意の点で反射した光が出射部３で所定の集光位置95の方向に屈折するように設計すれば良い。具体的には、曲線ＢＣ上の任意の点における反射方向は、当該点における接線で入射角と反射角が同じになることから計算できる。したがって、その反射光が、放物線ＥＦ上における屈折で所定の集光位置95に向かう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、コンピュータを用いて行うことができる。

　次に、第１の反射部42を曲線ＤＥとして作成する。形状の生成方向はＥからＤとする。曲線ＤＥの形状は、曲線ＤＥ上の任意の点で反射した光が出射部３で所定の集光位置95の方向に屈折するように設計すれば良い。具体的には、曲線ＤＥ上の任意の点における反射方向は、当該点における接線で入射角と反射角が同じになることから計算できる。したがって、その反射光が、放物線ＥＦ上における屈折で所定の集光位置95に向かう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、コンピュータを用いて行うことができる。

　最後に接続部６をＣＤとして作成する。ＣＤ部は光路を妨げなければどのような形状でも良く、実施例２（図１４）では、ｘ軸方向と平行な直線としている。

　実施例２の光学素子10Ａ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８に示す様な回転体となる。

　また、本発明の光学素子は、当該基準平面形状１をｚ軸方向に平行移動させれば平行移動体とすることもできる。この場合、当該光学素子10は、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、本発明の光学系装置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を用いて確認した。シミュレーションには、光学シミュレーションソフトLight Tools（Synopsys社製）を用いた。

◎シミュレーション１
　まず、図９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10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から入射部２までの距離（半径ＯＢ）は、２．６７ｍｍとした。また、光学素子10の厚み（ｘ軸と点Ｅの距離）は、１１．２ｍｍとした。光学素子10の半径（ｙ軸と点Ｅの距離）は１２．９ｍｍとした。また、所定位置９に配置される光源８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のものを仮定した。照度分布は、出射部３から５０ｍｍ離れた場所のものを計算した。当該シミュレーション結果を図１５に示す。図１５より、照度分布は光学素子10の半径と同程度となっており、光を平行光として取り出せていることがわかる。

◎シミュレーション２
　次に、図８示す光学系装置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10Ａとしては、図８に示すように、図１４に示す基準平面形状１Ａを回転して得られた回転体であって、所定位置９から入射した光を所定の集光位置95に集光するものを用いた。当該光学素子10の所定位置９から入射部２までの距離（半径ＯＢ）は、７ｍｍとした。また、光学素子10の厚み（ｘ軸と点Ｅの距離）は、３０ｍｍとした。光学素子10の半径（ｙ軸と点Ｅの距離）は３４ｍｍとした。また、所定位置９に配置される光源８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のものを仮定した。照度分布は、出射部３から５００ｍｍ離れた場所のものを計算した。当該シミュレーション結果を図１６に示す。図１６より、光がよく集光していることがわかる。

◎シミュレーション３
　次に、図１０示す光学系装置200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10としては、図１２に示すように、図１１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。光学素子10の厚み（ｘ軸と点Ｅの距離）は、１１．２ｍｍとした。光学素子10の半径（ｙ軸と点Ｅの距離）は１２．９ｍｍとした。また、所定位置９に配置される光源８は、埋設によってフレネル反射のない放射パワー１Ｗの等方的な配光の光を出射する直径０．０１ｍｍのものを仮定した。照度分布は、出射部３から５０ｍｍ離れた場所のものを計算した。当該シミュレーション結果を図１７に示す。図１７より、照度分布は光学素子10の半径と同程度となっており、光を平行光として取り出せていることがわかる。また、入射部２におけるフレネル反射がなくなるため、埋設しない場合（シミュレーション１）と比べると光利用効率が約２％向上することがわかった。

　１　基準平面形状
　１Ａ　基準平面形状
　２　入射部
　３　出射部
　４　第１の反射部
　５　第２の反射部
　６　接続部
　８　光源
　９　所定位置
　10　光学素子
　42　第１の反射部
　52　第２の反射部
　95　集光位置
　100　光学系装置
　100Ａ　光学系装置
　200　光学系装置

Claims

　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、
　所定位置からの光を入射させるための入射部と、
　前記入射部を通過し直接照射された光を反射する出射部と、
　前記出射部で反射した光を、前記出射部へ反射する第１の反射部と、
を有することを特徴とする光学素子。
　前記入射部は、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１記載の光学素子。
　前記出射部は、前記所定位置を焦点とする放物線であることを特徴とする請求項２記載の光学素子。
　前記第１の反射部は、前記出射部における屈折方向が前記所定位置と前記出射部とを結ぶ最短直線の方向となるように、光を反射する形状であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の光学素子。
　前記第１の反射部は、前記出射部における屈折方向が所定の集光位置で集光する方向となるように、光を反射する形状であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の光学素子。
　前記第１の反射部は、前記入射部を通過し前記出射部で反射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１ないし５のいずれかに記載の光学素子。
　前記第１の反射部は、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１ないし５のいずれかに記載の光学素子。
　前記基準平面形状は、前記入射部を通過し直接照射された光を、前記出射部へ反射する第２の反射部を有す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。
　前記第２の反射部は、前記出射部における屈折方向が前記所定位置と前記出射部とを結ぶ最短直線の方向となるように、光を反射する形状であることを特徴とする請求項８記載の光学素子。
　前記第２の反射部は、前記出射部における屈折方向が所定の集光位置で集光する方向となるように、光を反射する形状であることを特徴とする請求項８記載の光学素子。
　前記第２の反射部は、前記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８ないし１０のいずれかに記載の光学素子。
　前記第２の反射部における反射は、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８ないし９のいずれかに記載の光学素子。
　前記基準平面形状は、前記第１の反射部と前記第２の反射部との間に接続部を有し、当該接続部から形成された面の少なくとも一部に、当該光学素子を任意の場所に固定するための接合部を有することを特徴とする請求項１ないし１２のいずれかに記載の光学素子。
　前記入射部から形成された面および前記出射部から形成された面のいずれか一方又は両方に反射防止膜が形成されていることを特徴とする請求項１ないし１３のいずれかに記載の光学素子。
　請求項１ないし１４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。
　前記光源は前記入射部に埋設されていることを特徴とする請求項１５記載の光学系装置。
　請求項２記載の光学素子と、
　前記所定位置に配置される光源と、
を具備し、
　前記円弧の半径は、前記光源の最大半径の４倍以上であることを特徴とする光学系装置。
　前記光源の前記光学素子と対向する側に鏡が配置されることを特徴とする請求項１５ないし１７のいずれかに記載の光学系装置。
　前記鏡は、前記光源から入射した光を入射方向に反射させる球面状に形成されることを特徴とする請求項１５ないし１７のいずれかに記載の光学系装置。