WO2019117283A1 - 光学素子および光学系装置 - Google Patents

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optical element
illuminance
incident
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縄田晃史
田中覚
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Ｓｃｉｖａｘ株式会社
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21V—FUNCTIONAL FEATURES OR DETAILS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS THEREOF; STRUCTURAL COMBINATIONS OF LIGHTING DEVICES WITH OTHER ARTICLES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F21V7/00—Reflectors for light sources
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    • G02B3/06—Simple or compound lenses with non-spherical faces with cylindrical or toric faces
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
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    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/08—Mirrors
    • G02B5/10—Mirrors with curved faces

Definitions

  • the present invention relates to an optical element and an optical system apparatus using the same.
  • the light distribution characteristic of a general surface emitting light source such as an LED is Lambertian light distribution, and there is a problem that the illuminance becomes non-uniform simply by guiding the light forward.
  • an object of the present invention is to provide an optical element capable of controlling not only the irradiation direction of light but also the illuminance, and an optical system apparatus using the same.
  • the optical element according to the present invention has at least a part of a rotating body obtained by rotating a reference plane shape for converting light from a predetermined position into light parallel to a predetermined direction or a parallel moving body obtained by parallel movement.
  • the reference plane shape includes an illuminance adjustment unit and an emission direction adjustment unit, and the illuminance adjustment unit sets the direction of light incident from the predetermined position so that the illuminance in the emission direction adjustment unit becomes uniform.
  • the emission direction adjusting unit is configured to convert the direction of light into the predetermined direction by refraction.
  • the illuminance adjusting unit is configured to refract light incident from the predetermined position so that the illuminance on the reference line whose distance from the emission direction adjusting unit in the predetermined direction is within 100 ⁇ m is uniform.
  • 1 has an incident part.
  • the illuminance adjustment unit is configured such that the illuminance on a reference line having a distance of 100 ⁇ m or less in the predetermined direction between the second incident unit for causing light from the predetermined position to enter and the emission direction adjustment unit is uniform. It may be made to have a reflective part which reflects the light which passed the 2nd incidence part.
  • the second incident portion is preferably an arc centered on the predetermined position.
  • the said reflection part is a shape which totally reflects the light which passed the said 2nd incident part, it can also be what utilized metal reflection.
  • the emission direction adjusting unit may be formed of a concavo-convex structure of a size that does not cause diffraction.
  • the illuminance adjusting unit may convert the direction of the light incident from the predetermined position by the Lambertian light distribution so that the illuminance on the reference line becomes uniform.
  • the optical system apparatus of the present invention is characterized by comprising the light source disposed at the predetermined position, and the above-described optical element of the present invention.
  • a first lens for condensing parallel light emitted from the optical element an aperture having an opening smaller than the width of light collected by the condensing lens, and an opening of the aperture
  • a second lens that returns the light passing through to a parallel light a first lens for condensing parallel light emitted from the optical element, an aperture having an opening smaller than the width of light collected by the condensing lens, and an opening of the aperture
  • the optical system device may be disposed between the light source and the optical element, and may have an aperture having an opening smaller than the width of light emitted from the light source.
  • the optical element and the optical system apparatus using the optical element are configured by the illuminance adjustment unit that controls the illuminance of light and the emission direction adjustment unit that controls the direction of the light, not only the irradiation direction of the light Control of illumination can also be performed.
  • the optical element 10 of the present invention is a rotating body (for example, see FIGS. 2 and 3) obtained by rotating a planar shape (hereinafter referred to as a reference planar shape 1; for example, refer to FIG. It is a translating unit (see FIGS. 4 to 6) obtained by converting the light from the predetermined position into light parallel to the predetermined direction (the y-axis direction in FIG. 1).
  • the optical element 10 only needs to have at least a part of the rotating body or the translation body of the reference plane shape 1.
  • a gate that is an injection port for resin is required, and a finished product has a cut surface from which the gate is separated.
  • the present invention It is included in the optical element 10 of the invention.
  • the material of the optical element 10 may be any material as long as it is transparent to light to be controlled.
  • a transparent dielectric can be used.
  • inorganic substances such as glass, resins such as cycloolefin polymer (COP), etc. correspond.
  • the reference plane shape 1 converts light from a predetermined position into light parallel to a predetermined direction (y-axis direction in FIG. 1), and as shown in FIG. 1, at least the illuminance adjusting unit 2 and the emitting direction adjusting unit 3 It consists of In FIG. 1, for convenience, the predetermined position 9 is the origin O, the x direction is the x direction on the paper surface from the origin O, the y direction is the upper direction, and the z axis is the depth direction.
  • the illuminance adjusting unit 2 converts the direction of light incident from the predetermined position 9 so that the illuminance on the reference line having a distance of 100 ⁇ m or less in the predetermined direction to the emitting direction adjusting unit 3 or the emitting direction adjusting unit 3 is uniform. It is a part.
  • the light distribution of the light source disposed at the predetermined position 9 is also taken into consideration. For example, it is known that the light distribution of the LED is Lambertian light distribution.
  • the predetermined position is such that the illuminance on the reference line having a distance of 100 ⁇ m or less in the predetermined direction to the emission direction adjustment unit 3 or the emission direction adjustment unit 3 is uniform.
  • the shape may be such that the direction of the incident light is converted by the Lambertian light distribution from 9 on.
  • the light incident from the predetermined position 9 is uniform so that the illuminance on the reference line having a distance of 100 ⁇ m or less in the predetermined direction to the emitting direction adjusting unit 3 or the emitting direction adjusting unit 3 is uniform.
  • the 1st entrance part 21 which is the shape made to refract can be used.
  • the shape of the first incident portion 21 is such that the illuminance on the reference line having a distance of 100 ⁇ m or less in the predetermined direction (the y-axis direction in FIG. 1) with the emission direction adjustment portion 3 or the emission direction adjustment portion 3 is constant. As long as it is formed, it may be anything.
  • the illuminance on the reference line having a distance of 100 ⁇ m or less in the predetermined direction from the emission direction adjustment unit 3 or the emission direction adjustment unit 3 is uniform.
  • the shape which changes the direction of light is preferable.
  • the reference in which the distance in the predetermined direction of the 2nd incidence part 22 which makes the light from predetermined position 9 enter into illumination adjustment part 2, and outgoing radiation direction adjustment part 3 or outgoing radiation direction adjustment part 3 is 100 micrometers or less It may be configured by a reflecting portion 23 that reflects the light that has passed through the second incident portion 22 so that the illuminance on the line becomes uniform.
  • the illuminance adjustment unit 2 can also be configured by both the first incident unit 21 and the second incident unit 22 and the reflecting unit 23.
  • the shape of the second incident portion 22 may be any shape as long as the light from the predetermined position 9 can be guided to the reflection portion 23, but it is preferable that the light from the predetermined position 9 is not reflected as much as possible. Therefore, the shape of the second incident portion 22 is most preferably a circular arc having the predetermined position 9 as a center. As a result, the light from the predetermined position 9 is perpendicularly incident on the second incident portion 22, so that the reflection can be suppressed most.
  • the shape of the reflection portion 23 may be any shape as long as the illuminance on the reference line having a distance of 100 ⁇ m or less in the predetermined direction with the emission direction adjustment portion 3 or the emission direction adjustment portion 3 is constant. .
  • the illuminance on the reference line having a distance of 100 ⁇ m or less in the predetermined direction from the emission direction adjustment unit 3 or the emission direction adjustment unit 3 is uniform.
  • the shape which changes the direction of the light which passed the 2nd incidence part 22 is preferred.
  • the reflection unit 23 may use metal reflection, loss due to absorption of light energy occurs. Therefore, it is preferable that the reflecting unit 23 totally reflect the light having passed through the second incident unit 22. If the reflection part 23 is such that the incident angle of the light received from the predetermined position 9 via the second incident part 22 is equal to or more than the critical angle, total reflection can be used.
  • the critical angle is approximately 45 degrees because the refractive index is 1.41.
  • the emission direction adjustment unit 3 determines whether the illuminance is uniform or not, whether the illuminance of the emission direction adjustment unit 3 having a concavo-convex shape such as a Fresnel lens is uniform is determined by the following method. You may judge.
  • the reference plane shape 1 is determined.
  • the cross-section including the center line (rotational axis) of the reference plane shape 1 is the reference plane shape 1 in the rotating body.
  • a cross section of a plane perpendicular to the parallelly displaced direction in the parallel displacement body is the reference plane shape 1.
  • the reference plane shape 1 is taken into optical simulation software.
  • LightTools manufactured by Synopsys
  • Synopsys may be used as the optical simulation software.
  • a reference line 25 perpendicular to the predetermined direction (y axis) is determined on the reference plane shape 1.
  • the reference line 25 may be calculated from the point 32 (point on the illuminance adjustment unit 2 side) of the valley bottom of the concavo-convex structure 31 of the emission direction adjustment unit 3 by the least square method. At this time, extremely different singular points may be excluded.
  • the relationship between the position on the reference line 25 and the illuminance when the light source used for the optical element 10 is disposed at the predetermined position 9 is calculated.
  • the illuminance average line calculated by the least square method from the graph of the illuminance distribution and the illuminance unevenness Ia are calculated. As shown in FIG.
  • Ia extracts only the reference length L1 from the graph of the illuminance distribution in the direction of the illuminance average line, and the x axis in the direction of the average line of this sampling portion and the y axis in the direction of longitudinal magnification
  • the following equation is used representing the value obtained by the following equation in watts per square millimeter (W / mm 2 ).
  • the reference length L1 is at least 50% or more of the length of the average illuminance line.
  • Ia or Iz calculated in this manner is 0.001 (W / mm 2 ) or less, preferably 0.0005 (W / mm 2 ) or less, the illuminance can be considered to be uniform.
  • the emission direction adjustment unit 3 is a portion that converts the direction of light into a predetermined direction by refraction.
  • the reference plane shape may be a shape that is refracted in the y-axis direction.
  • the emission direction adjustment unit 3 in order for the emission direction adjusting unit 3 to make the illuminance of the emitted light uniform, it is preferable that the emission direction adjustment unit 3 be as close as possible to the reference line 25. Therefore, it is preferable that the emitting direction adjusting unit 3 have a concavo-convex structure 31 having a distance h from the reference line 25 within 100 ⁇ m, preferably within 50 ⁇ m (see FIG. 10). Further, when the shape of the emission direction adjustment unit 3 is the concavo-convex structure 31, the pitch p of the concavo-convex structure 31 provided on the reference line 25 is a size that does not cause diffraction of the light of the light source disposed at the predetermined position 9 Is preferred. Specifically, the pitch p of the concavo-convex structure 31 may be 50 ⁇ m or more, preferably 100 ⁇ m or more.
  • the emitting direction adjusting unit 3 is not limited to the Fresnel-like one such as the concavo-convex structure 31.
  • it may be a curved line.
  • the corner of the concavo-convex structure 31 is rounded and the efficiency is reduced in actual manufacturing.
  • the manufacturing cost of the mold can be reduced.
  • the concavo-convex structure 31 has a problem that diffraction occurs when the size is reduced, in the case of a curve, there is also an advantage that the problem of diffraction can be avoided.
  • emission direction adjustment part 3 may be what, it is preferable that the thing which does not obstruct an optical path.
  • the optical system device 100 of the present invention is configured of the above-described optical element 10 of the present invention and a light source 5 disposed at a predetermined position 9 of the optical element 10.
  • the illuminance adjusting unit 2 of the optical element 10 arranges the light sources 5 so that the illuminance on the reference line having a distance of 100 ⁇ m or less in the predetermined direction with the emitting direction adjusting unit 3 or the emitting direction adjusting unit 3 is uniform.
  • the direction of the light of the light source 5 is converted in consideration of the light. Therefore, when the light distribution of the light source 5 is Lambertian light distribution, the illuminance adjusting unit 2 is an illuminance on the reference line whose distance from the emitting direction adjusting unit 3 or the emitting direction adjusting unit 3 in a predetermined direction is within 100 ⁇ m.
  • the shape is such that the direction of light incident from the predetermined position 9 by the Lambertian light distribution is converted so as to be uniform.
  • another optical system device 110 of the present invention includes a first lens 60 for condensing parallel light emitted from the optical element 10 of the present invention and the optical element 10 described above;
  • the aperture 70 has an aperture smaller than the width of the light collected by the lens 60, and the second lens 80 returns the light passing through the aperture of the aperture 70 to parallel light.
  • the edge of the light to be irradiated can be sharpened.
  • yet another optical system device 120 of the present invention is disposed between the light source 5 and the optical element 10, and has an aperture 90 having an aperture smaller than the width of light emitted from the light source 5. It is possessed. Thereby, the edge of the light to be irradiated can be sharpened.
  • the optical element 10 of the present invention forms the reference plane shape 1 as a rotating body rotated about a straight line passing through a predetermined position, or as shown in FIGS.
  • the reference plane shape 1 can be formed as a feature which is translated in the normal direction of the reference plane shape 1 or the like.
  • the cross section including the center line has the same shape as the reference plane shape 1.
  • the cross section by a plane perpendicular to the direction in which the parallel movement is made is the same shape as the reference plane shape 1.
  • the reference plane shape 1 in this case will be described.
  • the reference plane shape 1 includes a first incident part 21, a second incident part 22, a reflecting part 23 which is an illuminance adjustment part 2, and an emission direction adjustment part 3.
  • the incident light is shaped to be emitted as parallel light in the y-axis direction.
  • the method of creating the reference plane shape 1 is as follows.
  • a curve AB is created in a region where the amount of light reflected by the first incident portion 21 does not increase.
  • the shape of the curve AB is such that the light refracted at an arbitrary point on the curve AB has a uniform illuminance at a straight line FG on the reference line whose distance in the predetermined direction from the emission direction adjustment unit 3 or the emission direction adjustment unit 3 is within 100 ⁇ m
  • the illuminance at an arbitrary point on a straight line FG on the reference line having a distance of 100 ⁇ m or less in the predetermined direction from the emitting direction adjusting unit 3 or the emitting direction adjusting unit 3 corresponds to the integrated value of the illuminance on the curve AB. It should be calculated to be the same as the value divided by the length.
  • the calculation can use an analysis method such as the Newton-Rapson method.
  • the calculation can be performed using a computer.
  • the length of a straight line GE on a reference line having a distance of 100 ⁇ m or less in a predetermined direction from the emitting direction adjusting unit 3 or the emitting direction adjusting unit 3 through which light transmitted through the second incident unit 22 is reflected by the reflection unit 23 and passes Calculate
  • the length of the straight line GE can be calculated by dividing the integrated value of the illuminance on the arc BC by the illuminance on the straight line FG when the reflection of the reflecting portion 23 is total reflection.
  • the reflection of the reflection part 23 is metal reflection, it is necessary to consider the loss due to absorption.
  • a curve CD is created as the reflecting portion 23.
  • the shape of the curve CD is such that the illuminance refracted at an arbitrary point on the curve CD becomes uniform at a straight line GE on the reference line whose distance in the predetermined direction from the emission direction adjustment unit 3 or the emission direction adjustment unit 3 is within 100 ⁇ m It should be designed as The calculation can use an analysis method such as the Newton-Rapson method. In addition, the calculation can be performed using a computer.
  • the curve FE may be designed in such a shape as to refract the light from the first incident portion 21 and the light from the reflecting portion 23 so as to be parallel light to the y axis.
  • connection unit 4 connecting the illumination adjustment unit 2 and the emission direction adjustment unit 3 is created as an ED.
  • the ED portion may have any shape as long as it does not interfere with the light path.
  • the optical element of the present invention becomes a rotating body as shown in FIG. 2 and FIG. 3 if the reference plane shape 1 created in this way is rotated with the y axis as a center line.
  • the optical element of the present invention becomes a parallel moving body as shown in FIG. 4 if the reference plane shape 1 is translated in the z-axis direction.
  • the reference plane shape 1 is preferably mirror-symmetrical to the y axis.
  • the optical element as shown in FIG. 2 and FIG. 3, it is a rotating body obtained by rotating the reference plane shape 1 shown in FIG. 1, and light incident from the predetermined position 9 is in the y-axis direction Used as parallel light.
  • the distance (OA) from the predetermined position 9 of the optical element 10 to the first incident portion on the y axis was 4 mm.
  • the distance (radius OC) from the predetermined position 9 of the optical element 10 to the second incident portion was 5.86 mm
  • the angle ( ⁇ BOC) of the arc as the second incident portion was 35 degrees.
  • the distance (OF) between the predetermined position 9 and the reference line 25 is 10 mm
  • the radius (FE) of the optical element 10 on the emission direction adjusting unit side is 10 mm.
  • the light source 5 disposed at the predetermined position 9 had a diameter of 0.01 mm for emitting Lambertian light having a radiation power of 1 W.
  • the illuminance distribution was calculated at a distance of 50 mm from the emission direction adjustment unit.
  • optical simulation software LightTools (made by Synopsys) was used for simulation.
  • the simulation result is shown in FIG.
  • the illuminance unevenness was 0.0005 (W / mm 2 ) or less.

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Abstract

光の照射方向だけでなく照度の制御も行うことができる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。所定位置からの光を所定方向と平行な光に変換する基準平面形状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は照度調節部２と出射方向調節部３とからなり、照度調節部２は、出射方向調節部３における照度が均一になるように所定位置９から入射した光の方向を変換する形状であり、出射方向調節部３は、屈折により光の方向を所定方向に変換する形状である。

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、LED等の一般的な面発光光源の配光特性はランバーシアン配光であり、単純に光を前方に導くだけでは、照度が不均一になるという問題があった。
　そこで本発明は、光の照射方向だけでなく照度の制御も可能な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、所定位置からの光を所定方向と平行な光に変換する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照度調節部と出射方向調節部とからなり、前記照度調節部は、前記出射方向調節部における照度が均一になるように前記所定位置から入射した光の方向を変換する形状であり、前記出射方向調節部は、屈折により光の方向を前記所定方向に変換する形状であることを特徴とする。
　この場合、前記照度調節部は、前記出射方向調節部との前記所定方向における距離が１００μｍ以内である基準線上における照度が均一になるように前記所定位置から入射した光を屈折させる形状である第１入射部を有する。また、前記照度調節部は、前記所定位置からの光を入射させる第２入射部と、前記出射方向調節部との前記所定方向における距離が１００μｍ以内である基準線上における照度が均一になるように前記第２入射部を通過した光を反射させる反射部と、を有するようにしても良い。前記第２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、前記反射部は、前記第２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、前記出射方向調節部は、回折が生じない大きさの凹凸構造からなるようにしても良い。
　また、前記照度調節部は、前記基準線上における照度が均一になるように所定位置からランバーシアン配光で入射した光の方向を変換するものとすることができる。
　また、本発明の光学系装置は、前記所定位置に配置される光源と、上述した本発明の光学素子と、を具備することを特徴とする。
　また、前記光学系装置は、前記光学素子から出射された平行光を集光する第１レンズと、前記集光レンズで集光された光の幅より小さい開口を有するアパーチャと、前記アパーチャの開口を通過した光を平行光に戻す第２レンズと、を有するようにしてもよい。
　また、前記光学系装置は、前記光源と前記光学素子の間に配置され、前記光源から出射された光の幅より小さい開口を有するアパーチャを有するようにしてもよい。
　本発明は、光学素子およびそれを用いた光学系装置は、光の照度を制御する照度調節部と、光の方向を制御する出射方向調節部とで構成するので、光の照射方向だけでなく照度の制御も行うことができる。
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。 基準線の決定の仕方を説明するための図である。 照度むらＩａを説明するための図である。 照度むらＩｚを説明するための図である。 本発明に係る出射方向調節部を示す一部概略拡大図である。 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）を示す斜視図である。 本発明の光学系装置を説明するための断面図である。 本発明の別の光学系装置を説明するための概略側面図である。 本発明の更に別の光学系装置を説明するための概略側面図である。 本発明の光学系装置の照度分布を示す図である。
　以下に、本発明の光学素子10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。例えば、図１参照）を回転して得られる回転体（例えば、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、所定位置からの光を所定方向（図１ではｙ軸方向）と平行な光に変換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、所定位置からの光を所定方向（図１ではｙ軸方向）と平行な光に変換するもので、図１に示すように、少なくとも照度調節部２と出射方向調節部３とからなる。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。
　照度調節部２は、出射方向調節部３もしくは出射方向調節部３との所定方向における距離が１００μｍ以内である基準線上における照度が均一になるように所定位置９から入射した光の方向を変換する部分である。所定位置９から入射した光の方向を変換する際には、所定位置９に配置される光源の配光も考慮される。例えば、ＬＥＤは、その配光がランバーシアン配光となることが知られている。したがって、本発明の光学素子10をＬＥＤと共に用いる場合には、出射方向調節部３もしくは出射方向調節部３との所定方向における距離が１００μｍ以内である基準線上における照度が均一になるように所定位置９からランバーシアン配光で入射した光の方向を変換する形状とすれば良い。
　このような照度調節部２としては、出射方向調節部３もしくは出射方向調節部３との所定方向における距離が１００μｍ以内である基準線上における照度が均一になるように所定位置９から入射した光を屈折させる形状である第１入射部21を用いることができる。この場合、第１入射部21の形状は、出射方向調節部３もしくは出射方向調節部３との所定方向（図１ではｙ軸方向）における距離が１００μｍ以内である基準線上の照度が一定になるように形成されれば、どのようなものでも良い。もちろん、所定位置９に配置される光源の配光を考慮して、出射方向調節部３もしくは出射方向調節部３との所定方向における距離が１００μｍ以内である基準線上における照度が均一になるように光の方向を変換する形状が好ましい。
　また、所定位置９から第１入射部21に入射する光の角度が大きくなると反射する光が多くなり無駄が生じる。その場合には、照度調節部２を、所定位置９からの光を入射させる第２入射部22と、出射方向調節部３もしくは出射方向調節部３との所定方向における距離が１００μｍ以内である基準線上における照度が均一になるように第２入射部22を通過した光を反射させる反射部23と、で構成しても良い。もちろん、照度調節部２は、第１入射部21と、第２入射部22および反射部23と、の両方で構成することも可能である。
　第２入射部22の形状は、所定位置９からの光を反射部23に導くことができ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、第２入射部22の形状は、所定位置９を中心とする円弧が最も好ましい。これにより、所定位置９からの光は、第２入射部22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。
　反射部23の形状は、出射方向調節部３もしくは出射方向調節部３との所定方向における距離が１００μｍ以内である基準線上の照度が一定になるように形成されれば、どのようなものでも良い。もちろん、所定位置９に配置される光源の配光を考慮して、出射方向調節部３もしくは出射方向調節部３との所定方向における距離が１００μｍ以内である基準線上における照度が均一になるように第２入射部22を通過した光の方向を変換する形状が好ましい。
　また、反射部23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23は、第２入射部22を通過した光を全反射させるものである方が好ましい。所定位置９から第２入射部22を介して受けた光の入射角が臨界角以上となるような反射部23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。
　なお、照度が均一であるか否かは出射方向調節部３にて判定するが、フレネルレンズのような凹凸形状をした出射方向調節部３の照度が均一であるか否かは下記の方法によって判定しても良い。
　まず、基準平面形状１を決定する。当該基準平面形状１は、例えば、光学素子10が回転体である場合には、当該回転体において、中心線（回転軸）を含む断面が基準平面形状１となる。また、光学素子10が平行移動体である場合には、当該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が基準平面形状１となる。
　次に、当該基準平面形状１を光学シミュレーションソフトに取り込む。光学シミュレーションソフトとしては、例えば、LightTools（Synopsys社製）を用いれば良い。
　次に、基準平面形状１上に所定方向（ｙ軸）と垂直な基準線25を決定する。基準線25は、図７に示すように、出射方向調節部３の凹凸構造31の谷底の点32（照度調節部２側の点）から最小自乗法により計算して求めれば良い。この際、極端に異なる特異な点は除いても良い。
　次に、所定位置９に当該光学素子10に用いられる光源を配置した場合の基準線25上の位置と照度の関係を計算する。そして、当該照度分布のグラフから最小自乗法で計算した照度平均線と、その照度むらＩａを計算する。Ｉａは、図８に示すように、照度分布のグラフからその照度平均線の方向に基準長さＬ１だけを抜き取り、この抜き取り部分の平均線の方向にｘ軸を、縦倍率の方向にｙ軸を取り、照度分布のグラフをｙ＝ｆ（ｘ）で表したときに、次の式によって求められる値をワット毎平方ミリメートル（Ｗ／ｍｍ２）で表した下記式を用いる。なお、基準長さＬ１は、少なくとも照度平均線の長さの５０％以上の長さとする。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　ただし、簡易的には、図９に示すように、Ｉａの代わりに照度分布の照度平均線の方向に基準長さＬ１だけを抜き取り、この抜き取り部分の照度平均線から縦倍率の方向に測定した、最も高い山頂から５番目までの山頂の標高（Ｚｐ）の絶対値の平均値と、最も低い谷底から５番目までの谷底の標高（Ｚｖ）の絶対値の平均値との和を求め、この値をワット毎平方ミリメートル（Ｗ／ｍｍ２）で表した下記十点平均照度Ｉｚの式を用いても良い。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　このように計算したＩａ又はＩｚは、０．００１（Ｗ／ｍｍ２）以下、好ましくは、０．０００５（Ｗ／ｍｍ２）以下であれば、照度が均一であるとみなせる。
　出射方向調節部３は、屈折により光の方向を所定方向に変換する部分である。例えば、基準平面形状のｙ軸方向に屈折させる形状とすれば良い。
　また、出射方向調節部３は、出射する光の照度が均一になるようにするためには、基準線25になるべく近い方が好ましい。したがって、出射方向調節部３は、基準線25からの距離ｈが１００μｍ以内、好ましくは５０μｍ以内となる凹凸構造31とするのが好ましい（図１０参照）。また、出射方向調節部３の形状を凹凸構造31とする場合、基準線25上に設ける凹凸構造31のピッチｐは、所定位置９に配置する光源の光に対し回折が生じない大きさである方が好ましい。具体的には、凹凸構造31のピッチｐを５０μｍ以上、好ましくは１００μｍ以上とするのが良い。
　なお、出射方向調節部３は、凹凸構造31のようなフレネル状のものに限定されるものではなく、例えば、図１１、図１２に示すように、曲線であっても勿論構わない。この場合、実際の製造で、凹凸構造31の角が丸くなって効率が落ちるという問題がない。また、凹凸構造の場合と比較して金型の製造コストを低く抑えることができる。更に、凹凸構造31は、大きさを小さくすると回折を起こすという問題があるが、曲線の場合、回折の問題を回避できるという利点もある。
　また、照度調節部２と射出方向調節部３を接続する接続部４はどのようなものでも良いが、光路を妨げないものが好ましい。
　また、本発明の光学系装置100は、図１３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５とで構成される。
　この場合、光学素子10の照度調節部２は、出射方向調節部３もしくは出射方向調節部３との所定方向における距離が１００μｍ以内である基準線上における照度が均一になるように、光源５の配光を考慮して、光源５の光の方向を変換するものである。したがって、光源５の配光がランバーシアン配光である場合には、照度調節部２は、出射方向調節部３もしくは出射方向調節部３との所定方向における距離が１００μｍ以内である基準線上における照度が均一になるように所定位置９からランバーシアン配光で入射した光の方向を変換する形状となる。
　また、本発明の別の光学系装置110は、図１４に示すように、上述した本発明の光学素子10と光学素子10から出射された平行光を集光する第１レンズ60と、第１レンズ60で集光された光の幅より小さい開口を有するアパーチャ70と、アパーチャ70の開口を通過した光を平行光に戻す第２レンズ80と、を有する。これにより、照射する光のエッジをシャープにすることができる。
　また、本発明のさらに別の光学系装置120は、図１５に示すように、光源５と光学素子10の間に配置され、光源５から出射された光の幅より小さい開口を有するアパーチャ90を有するものである。これにより、照射する光のエッジをシャープにすることができる。
　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、この場合の基準平面形状１について説明する。当該基準平面形状１は、図１に示すように、照度調節部２である第１入射部21、第２入射部22、反射部23と、出射方向調節部３とからなり、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形状とする。基準平面形状１の作成方法は以下の通りとなる。
　まず、第１入射部21を反射する光が多くならない程度の領域に曲線ＡＢとして作成する。曲線ＡＢの形状は曲線ＡＢ上の任意の点で屈折した光が出射方向調節部３もしくは出射方向調節部３との所定方向における距離が１００μｍ以内である基準線上の直線ＦＧで照度が均一になるように設計すれば良い。具体的には、出射方向調節部３もしくは出射方向調節部３との所定方向における距離が１００μｍ以内である基準線上の直線ＦＧの任意の点における照度が、曲線ＡＢ上の照度の積算値をその長さで除算した値と同じになるように計算すれば良い。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、コンピューターを用いて行うことができる。
　次に第２入射部として、中心がＯ、直線ＯＢを半径ｒとする円弧を作成する。当該円弧は、下記式で表わされる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　次に第２入射部22を通過した光が反射部23で反射され通過する出射方向調節部３もしくは出射方向調節部３との所定方向における距離が１００μｍ以内である基準線上の直線ＧＥの長さを計算する。直線ＧＥの長さは、反射部23の反射が全反射である場合には、円弧ＢＣ上の照度の積算値を前記直線ＦＧ上の照度で除算してやれば計算できる。もちろん、反射部23の反射が金属反射である場合には、吸収による損失を考慮する必要がある。
　次に、反射部23として曲線ＣＤを作成する。曲線ＣＤの形状は曲線ＣＤ上の任意の点で屈折した光が出射方向調節部３もしくは出射方向調節部３との所定方向における距離が１００μｍ以内である基準線上の直線ＧＥで照度が均一になる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、コンピューターを用いて行うことができる。
　次に、出射方向調節部３として曲線ＦＥを作成する。曲線ＦＥは第１入射部21からの光及び、反射部23からの光をｙ軸に平行光となるように屈折する形状に設計すればよい。
　最後に照度調節部２と出射方向調節部３を接続する接続部４をＥＤとして作成する。ＥＤ部は光路を妨げなければどのような形状でも良い。
　本発明の光学素子は、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、図３の様に回転体となる。
　また、本発明の光学素子は、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なる。この場合、当該光学素子は、図５、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。
　次に、図１１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とｙ軸上の第１入射部までの距離（ＯＡ）は４ｍｍとした。また、当該光学素子10の所定位置９から第２入射部までの距離（半径ＯＣ）は５．８６ｍｍとし、第２入射部である円弧の角度（∠ＢＯＣ）は３５度とした。また、所定位置９と基準線25の距離（ＯＦ）は１０ｍｍとし、光学素子10の出射方向調節部側の半径（ＦＥ）は１０ｍｍとした。また、所定位置９に配置される光源５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のものを用いた。照度分布は、出射方向調節部から５０ｍｍ離れた場所のものを計算した。なお、シミュレーションには、光学シミュレーションソフトLightTools（Synopsys社製）を用いた。
　当該シミュレーション結果を図１６に示す。照度むらは、０．０００５（Ｗ／ｍｍ２）以下であった。
　１　基準平面形状
　２　照度調節部
　３　出射方向調節部
　５　光源
　９　所定位置
　10　光学素子
　21　第１入射部
　22　第２入射部
　23　反射部
　25　基準線
　31　凹凸構造
　60　第１レンズ
　70　アパーチャ
　80　第２レンズ
　90　アパーチャ
　100　光学系装置
　110　光学系装置
　120　光学系装置

Claims (11)

  1. 　所定位置からの光を所定方向と平行な光に変換する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照度調節部と出射方向調節部とからなり、
    　前記照度調節部は、前記出射方向調節部における照度が均一になるように前記所定位置から入射した光の方向を変換する形状であり、
    　前記出射方向調節部は、屈折により光の方向を前記所定方向に変換する形状であることを特徴とする光学素子。
  2. 　前記照度調節部は、
    　前記出射方向調節部との前記所定方向における距離が１００μｍ以内である基準線上における照度が均一になるように前記所定位置から入射した光を屈折させる形状である第１入射部を有することを特徴とする請求項１記載の光学素子。
  3. 　前記照度調節部は、
    　前記所定位置からの光を入射させる第２入射部と、
    　前記出射方向調節部との前記所定方向における距離が１００μｍ以内である基準線上における照度が均一になるように前記第２入射部を通過した光を反射させる反射部と、
    を有することを特徴とする請求項１又は２記載の光学素子。
  4. 　前記第２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３記載の光学素子。
  5. 　前記反射部は、前記第２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３又は４記載の光学素子。
  6. 　前記反射部は、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３又は４記載の光学素子。
  7. 　前記出射方向調節部は、回折が生じない大きさの凹凸構造からなることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の光学素子。
  8. 　前記照度調節部は、前記基準線上における照度が均一になるように所定位置からランバーシアン配光で入射した光の方向を変換するものであ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。
  9. 　請求項１ないし８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。
  10. 　前記光学素子から出射された平行光を集光する第１レンズと、
    　前記集光レンズで集光された光の幅より小さい開口を有するアパーチャと、
    　前記アパーチャの開口を通過した光を平行光に戻す第２レンズと、
    を具備することを特徴とする請求項９記載の光学系装置。
  11. 　前記光源と前記光学素子の間に配置され、前記光源から出射された光の幅より小さい開口を有するアパーチャを具備することを特徴とする請求項９記載の光学系装置。
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