JP2020008659A - 光学素子および光学系装置 - Google Patents

Abstract

【課題】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。【解決手段】所定位置Ｏから入射した光を所定のターゲット面５に照射する光学素子１であって、所定位置Ｏからの光を受ける入射面11と、入射面11を通過した光を出射する出射面12とを有し、入射面11と出射面12は、ターゲット面５内における照度が均一となるように光を屈折させる形状とする。また、当該光学素子１と、その所定位置Ｏに配置される光源９とで光学系装置を構成する。【選択図】図１

Description

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、ディスプレイ用の光源としてＬＥＤが用いられている。それに応じて、光を無駄なく前方へ均一に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系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、従来の光学系装置では、照射する光の照度を均一にすることについては考慮されていない。

そこで本発明は、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。

上記目的を達成するために、本発明の光学素子は、所定位置から入射した光を所定のターゲット面に照射する光学素子であって、前記所定位置からの光を受ける入射面と、前記入射面を通過した光を出射する出射面とを有し、前記入射面と前記出射面は、前記ターゲット面内における照度が均一となるように前記光を屈折させる形状であることを特徴とする。

ここで、前記入射面と出射面は、前記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、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。

また、本発明の別の光学素子は、所定位置から入射した光を平行光に変換するレンズに照射する光学素子であって、前記所定位置からの光を受ける入射面と、前記入射面を通過した光を出射する出射面とを有し、当該入射面と出射面は、前記レンズを通過した前記平行光の照度が均一となるように前記光を屈折させる形状であることを特徴とする。

ここで、前記入射面と出射面は、前記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、本発明の別の光学系装置は、上述した光学素子と、前記所定位置に配置される光源と、前記光学素子を通過した光を平行光に変換する前記レンズと、を具備することを特徴とする。この場合、前記レンズはフレネルレンズであっても良い。

また、本発明の光学系装置は、前記光源が前記光学素子に埋設されていても良い。

本発明の光学素子およびそれを用いた光学系装置は、光の照度を均一に制御することができる。

本発明の光学素子の光路を説明するための断面図である。 本発明の光学系装置を説明するための断面図である。 本発明の光学素子を示す側面図である。 本発明の別の光学素子の光路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断面図である。 本発明に係るレンズを説明するための一部概略拡大図である。 本発明の別の光学素子を示す側面図である。 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。 本発明の別の光学系装置の配置を示す平面図である。 本発明の別の光学系装置を示す側面図である。 本発明の光学素子をハニカム状に配置した時の照度分布を示す図である。 本発明の光学素子をハニカム状に配置した時の輝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。なお、光学素子の材質は、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。

本発明の光学素子１は、図１〜図３に示すように、所定位置から入射した光を所定のターゲット面５に照射する光学素子であって、入射面11と出射面12とで構成される。

入射面11は所定位置からの光を受け、出射面12に光を屈折させるためのものであり、また、出射面12は入射面11からの光をターゲット面５へと光を屈折させるためのものである。

ここで入射面11と出射面12は、ターゲット面５における照度が均一になるように所定位置からの光を屈折させる形状になっている。当該形状は、例えば、下記のように決定することができる。

まず、図１に示すように、ターゲット面５に対し光源９の光軸が垂直となるようにして、広がり角がθの光を照射する場合を考える。この場合、光源９を配置する所定位置を原点Ｏ、光源９の光軸方向をｙ軸、ｙ軸と垂直方向をｘ軸とする。また、ターゲット面５と光源９の間に配置される光学素子１の入射面11とｙ軸の交点をＡ_０、出射面12とｙ軸の交点をＢ_０、屈折率をｎ_１とする。また、ターゲット面５とｙ軸の交点をＴ_０、ターゲット面５に対する光の照射半径をＲ、半径ＲのＮ等分をδｒ、当該Ｎ等分して生成される幅δｒの線分をｙ軸を中心に回転させてできる輪帯の面積をδＳ_ｉとする。

また、入射面11と出射面12によってターゲット面５における照度が均一になるように制御するためには、所定位置に配置される光源９の配光も考慮する必要がある。そこで、光源９の広がり角０〜θの全光量Ｐを求め、全光量Ｐと光源９の広がり角０〜θまでの各光量の比が、ターゲット面５の照射面積と各輪帯の面積δＳ_ｉの比（光量比）となるような分割角δθ_ｉを求める。具体的には、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。ランバーシアン配光とは、角度θ方向の光度が光軸上（θ＝０）の光度Ｉｖのｃｏｓθ倍で表すことができる配光パターンである。このようなランバーシアン配光の場合、分割角δθ_ｉは、次のように計算することができる。

まず、光源９の全光量Ｐが１の時、広がり角０〜θの範囲の光量Ｐ_１（θ）は、

と表される。したがって、θ〜θ＋δθの範囲の光量は、

また、光源９からの全光量が半径Ｒのターゲット面５に均一に当たる場合、半径ｒの領域内の光量は面積に比例するので、

したがって、ｒ〜ｒ＋δｒの範囲の光量は、

式（２）と式（４）は等しいので、ｒ、θ、微少量δｒの値が与えられると、δθを求めることができる。

δθを決定後、空気中の光線ＯＡ_ｉが屈折して屈折率ｎ_１の媒質内の光線Ａ_ｉＢ_ｉに進むような傾きベクトル［Ｖａ_ｉ］を求める。すると、［ＯＡ_ｉ＋１］＝［ＯＡ_ｉ］＋［Ｖａ_ｉ］であるから位置ベクトル［ＯＡ_ｉ＋１］を求めることができる。

次に、屈折率ｎ_１の媒質内の光線Ａ_ｉＢ_ｉが屈折して空気中の光線Ｂ_ｉＴ_ｉに進むような傾きベクトル［Ｖｂ_ｉ］を求める。すると、［ＯＢ_ｉ＋１］＝［ＯＢ_ｉ］＋［Ｖｂ_ｉ］であるから位置ベクトル［ＯＢ_ｉ＋１］を求めることができる。

これをｉが０〜Ｎ−１まで繰り返せば曲面Ａ_０Ａ_Ｎと、曲面Ｂ_０Ｂ_Ｎを決定することができる。すなわち、図１の平面図をｙ軸を中心に回転すると本発明の光学素子の形状となる。

なお、点Ａ_０と点Ｂ_０は、曲面Ａ_０Ａ_Ｎと、曲面Ｂ_０Ｂ_Ｎを形成できれば任意に決定することができる。

また、曲面Ａ_０Ａ_Ｎを球面状とするかあるいは、光源を埋設できる形状とすることもできる。この場合には、光源からの光線は曲面Ｂ_０Ｂ_Ｎまで直進するため、曲面Ｂ_０Ｂ_Ｎの形状のみ決定すれば良い。すなわち、光線ＯＢ_ｉが屈折率ｎの媒質内から屈折して空気中の光線Ｂ_ｉＴ_ｉに進むような傾きベクトル［Ｖｂ_ｉ］を求める。すると、［ＯＢ_ｉ＋１］＝［ＯＢ_ｉ］＋［Ｖｂ_ｉ］であるから位置ベクトル［ＯＢ_ｉ＋１］を求めることができ、これをｉが０〜Ｎ−１まで繰り返せば曲面Ｂ_０Ｂ_Ｎを決定することができる。

光学素子１をこのように形成することにより、所定位置Ｏからの光は照度が均一となるようにターゲット面５に照射される。

また、図２に示すように、上述した本発明の光学素子１と、当該光学素子の所定位置Ｏに配置される光源９とで、本発明の光学系装置を構成することができる。光学系装置をこのように構成することにより、光源９からの光を、照度が均一となるようにターゲット面に照射することができる。

また、本発明の別の形態の光学素子２は、図４〜図６に示すように、所定位置から入射した光を平行光に変換するレンズ３に照射する光学素子であって、入射面21と出射面22とで構成される。

入射面21は所定位置からの光を受け、出射面22に光を屈折させるためのものであり、また、出射面22は入射面21からの光を平行光に変換するレンズ３へと光を屈折させるためのものである。

ここで、入射面21と出射面22はレンズ３を通過した平行光の照度が均一になるように所定位置からの光を屈折させる形状になっている。当該形状は、例えば、下記のように決定することができる。

まず、図４に示すように、レンズ３のターゲット面６に対し光源９の光軸が垂直となるようにして、広がり角がθの光を照射する場合を考える。この場合、光源９を配置する所定位置を原点Ｏ、光源９の光軸方向をｙ軸、ｙ軸と垂直方向をｘ軸とする。また、ターゲット面６と光源９の間に配置される光学素子２の入射面21とｙ軸の交点をＡ_０、出射面22とｙ軸の交点をＢ_０、屈折率をｎ_２とする。また、レンズ３の入射面31とy軸の交点をＣ_０、ターゲット面６とｙ軸の交点をＴ_０、レンズ３からの光の出射半径をＲ、半径ＲのＮ等分をδｒ、当該Ｎ等分して生成される幅δｒの輪帯の面積δＳ_ｉ、レンズの屈折率をｎ_３とする。

また、入射面21と出射面22によってレンズ３から出射される光における照度が均一になるように制御するためには、所定位置に配置される光源９の配光も考慮する必要がある。そこで、光源９の広がり角０〜θの全光量Ｐを求め、全光量Ｐと光源９の広がり角０〜θまでの各光量の比が、ターゲット面６の照射面積と各輪帯の面積δＳ_ｉの比（光量比）となるような分割角δθ_ｉを求める。具体的には、例えば、ランバーシアン配光の場合、分割角δθ_ｉは、次のように計算することができる。

まず、光源９の全光量Ｐが１の時、広がり角０〜θの範囲の光量Ｐ_１（θ）は、

と表される。したがって、θ〜θ＋δθの範囲の光量は、

また、光源９からの全光量が半径Ｒのターゲット面６に均一に当たる場合、半径ｒの領域内の光量は面積に比例するので、

したがって、ｒ〜ｒ＋δｒの範囲の光量は、

式（６）と式（８）は等しいので、ｒ、θ、微少量δｒの値が与えられると、δθを求めることができる。

δθを決定後、空気中の光線ＯＡ_ｉが屈折して屈折率ｎの媒質内の光線Ａ_ｉＢ_ｉに進むような傾きベクトル［Ｖａ_ｉ］を求める。すると、［ＯＡ_ｉ＋１］＝［ＯＡ_ｉ］＋［Ｖａ_ｉ］であるから位置ベクトル［ＯＡ_ｉ＋１］を求めることができる。

次に、屈折率ｎ_２の媒質内の光線Ａ_ｉＢ_ｉが屈折して空気中の光線Ｂ_ｉＣ_ｉに進むような傾きベクトル［Ｖｂ_ｉ］を求める。ここで、Ｃ_ｉは空気中の光線Ｂ_ｉＣ_ｉが平面Ｃ_０Ｃ_Ｎで屈折率ｎ_３の媒質内を屈折して光線Ｃ_ｉＴ_ｉに進むように決めれば良い。これにより、［ＯＢ_ｉ＋１］＝［ＯＢ_ｉ］＋［Ｖｂ_ｉ］であるから位置ベクトル［ＯＢ_ｉ＋１］を求めることができる。

これをｉが０〜Ｎ−１まで繰り返せば曲面Ａ_０Ａ_Ｎ、曲面Ｂ_０Ｂ_Ｎ、曲面Ｃ_０Ｃ_Ｎ、曲面Ｔ_０Ｔ_Ｎ決定することができる。すなわち、図４の平面図をｙ軸を中心に回転すると本発明の光学素子の形状となる。

なお、点Ａ_０、点Ｂ_０、点Ｃ_０、点Ｔ_０は、曲面Ａ_０Ａ_Ｎ、曲面Ｂ_０Ｂ_Ｎを形成できれば任意に決定することができる。

また、曲面Ａ_０Ａ_Ｎを球面状とするかあるいは、光源を埋設できる形状とすることもできる。この場合には、光源からの光線は曲面Ｂ_０Ｂ_Ｎまで直進するため、曲面Ｂ_０Ｂ_Ｎの形状のみ決定すれば良い。すなわち、光線ＯＢ_ｉが屈折率ｎの媒質内から屈折して空気中の光線Ｂ_ｉＣ_ｉに進むような傾きベクトル［Ｖｂ_ｉ］を求める。すると、［ＯＢ_ｉ＋１］＝［ＯＢ_ｉ］＋［Ｖｂ_ｉ］であるから位置ベクトル［ＯＢ_ｉ＋１］を求めることができ、これをｉが０〜Ｎ−１まで繰り返せば曲面Ｂ_０Ｂ_Ｎを決定することができる。

光学素子２をこのように形成することにより、所定位置Ｏからの光はレンズ３から出射される光における照度が均一となるように当該レンズ３に照射される。

なお、レンズ３をフレネルレンズとする場合、ターゲット面６上に配置される凹凸部は次のように決定される。まず、図７に示すように、ターゲット面６に対する光線Ｃ_ｉＴ_ｉの傾きから角度αを求める。また、光線Ｃ_ｉＴ_ｉが屈折してｙ軸方向に進むような出射面32とターゲット面との角度βを求める。最後に、点Ｔ_ｉ、点Ｔ_ｉ＋１、角度α、角度βを用いて三角形の頂点Ｑ_ｉの座標を決めれば良い。

また、図５に示すように、上述した本発明の光学素子２と、当該光学素子の所定位置Ｏに配置される光源９とで、光学素子を通過した光を平行光に変換するレンズとで、本発明の光学系装置を構成することができる。光学系装置をこのように構成することにより、光源９からの光を、照度が均一な平行光とすることができる。

なお、本発明において、照度が均一であるか否かは、次のようにして求める。まず、光学素子の照度分布のグラフから計算した平均照度Ｉ_ＡＶと照度むらＩａを計算する。Ｉａは次のように計算する。まず、図８に示すように、照度分布のグラフから平均照度Ｉ_ＡＶを表す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をｘ軸とし、縦倍率の方向にｙ軸を取る。そして、照度分布の曲線を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／ｍｍ^２）で表したものをＩａとする。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。

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／ｍｍ^２）で表した下記十点平均照度むらＩｚの式を用いても良い。

このように計算した照度むらＩａ又は十点平均照度むらＩｚが、平均照度Ｉ_ＡＶに対して１０％以下、好ましくは５％以下、更に好ましくは３％以下であれば、照度が均一であるとみなせる。

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等をシミュレーションした。当該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。

◎シミュレーション１
まず、図２に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、光学素子としては、図３に示すように、図１に示す形状をｙ軸を中心に回転して得られた回転体であって、直径が２２．６ｍｍ、最大厚みが７．５ｍｍのものを用いた。また、光源９は、ランバーシアン配光で波長が５５０ｎｍである光を照射する直径１μｍのものを用い、光学素子の所定位置に配置した。また、ターゲット面５は、ｙ軸と垂直な平面であって、光源との距離が２０ｍｍとなるように配置した。

ターゲット面５の位置（レシーバ７の位置）における照度分布のシミュレーション結果を図１０に示す。平均照度に対する照度むらは、３％以下であった。したがって、光源９の光がターゲット面において均一になっていることがわかる。

◎シミュレーション２
次に、図５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、光学素子としては、図６に示すように、図４に示す形状をｙ軸を中心に回転して得られた回転体であって、直径が２２．６ｍｍ、最大厚みが８．２ｍｍのものを用いた。また、光源９は、ランバーシアン配光で波長が５５０ｎｍである光を照射する直径１μｍのものを用い、光学素子２の所定位置に配置した。また、レンズ３の光源側は、ｙ軸と垂直な平面であって、光源９との距離が１９ｍｍとなるように配置した。また、レンズ３の厚みは１ｍｍとした。

光源９から距離が５０ｍｍとなる位置（レシーバ７の位置）における照度分布のシミュレーション結果を図１１に示す。平均照度に対する照度むらは、５％以下であった。したがって、光源９の光がターゲット面６において均一になっていることがわかる。

◎シミュレーション３
次に、図１２に示すように、シミュレーション２で用いた光学系装置の光学素子２と平面視でｙ軸を中心に正六角形にカットしたレンズ３をハニカム状に複数配置した。これを図１３に示すように光源９から距離が５０ｍｍとなる位置（レシーバ７の位置）において測定した照度分布のシミュレーション結果を図１４に示す。当該照度分布では、照度にややばらつきがあるが、これは、レンズ３を正六角形にカットしたことにより漏れ出た平行光ではない斜め方向の光の影響である。しかし、光源とレシーバを配置する照射面が十分に離れていれば、レシーバには平行光のみが照射され、当該斜め方向の光の影響は小さい。そこで、放射角が±２度以内の光線のみを計算した輝度分布を図１５に示す。図１５に示すように、輝度分布では輝度が均一になっていることがわかる。

１ 光学素子
２ 光学素子
３ レンズ
５ ターゲット面
６ ターゲット面
９ 光源
11 入射面
12 出射面
21 入射面
22 出射面
31 入射面
32 出射面

Claims (8)

1. 所定位置から入射した光を所定のターゲット面に照射する光学素子であって、
   前記所定位置からの光を受ける入射面と、前記入射面を通過した光を出射する出射面とを有し、前記入射面と前記出射面は、前記ターゲット面内における照度が均一となるように前記光を屈折させる形状であることを特徴とする光学素子。
2. 前記入射面と出射面は、前記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記載の光学素子。
3. 所定位置から入射した光を平行光に変換するレンズに照射する光学素子であって、
   前記所定位置からの光を受ける入射面と、前記入射面を通過した光を出射する出射面とを有し、当該入射面と出射面は、前記レンズを通過した前記平行光の照度が均一となるように前記光を屈折させる形状であることを特徴とする光学素子。
4. 前記入射面と出射面は、前記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３記載の光学素子。
5. 請求項１又は２記載の光学素子と、
   前記所定位置に配置される光源と、
   を具備することを特徴とする光学系装置。
6. 請求項３又は４記載の光学素子と、
   前記所定位置に配置される光源と、
   前記光学素子を通過した光を平行光に変換する前記レンズと、
   を具備することを特徴とする光学系装置。
7. 前記レンズがフレネルレンズであることを特徴とする請求項６記載の光学系装置。
8. 前記光源は前記光学素子に埋設されていることを特徴とする請求項５ないし７のいずれかに記載の光学系装置。

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