光学元件的制作方法

光学元件的制作方法
【专利摘要】提供能够减小因方向而产生的色差、使来自光源的光扩散的光学元件。该光学元件具有覆盖配置在平面上的光源的入射面(101)和覆盖该入射面的出射面(103)。该入射面构成为：以通过配置在该平面上的该光源的中心且与该平面垂直的轴为光轴(AX)，该入射面具有相对于周边而在该光轴附近凹陷的形状，设该光轴与该入射面的交点为O1，在该光学元件的包含该光轴且与该平面垂直的任意一个截面中，设该入射面上的点P处的该入射面的法线相对于该光轴的角度为φh、该入射面上的点P在该光轴方向上离点O1的距离为z，在使点P沿着该入射面，从点O1移动到该平面上时，φh相对于z具有至少一个极大值和至少一个极小值。
【专利说明】光学元件

【技术领域】
[0001] 本发明涉及使来自光源的光扩散的光学元件。

【背景技术】
[0002] 近年来，为了照明而大多使用LED(发光二极管）光源。LED光源的朝前方照射的 光的比例较高，因此往往与LED光源组合使用使来自LED光源的光扩散的光学元件。尤其 是，在使用LED光源来作为照射较大范围的背光用等照明单元的光源的情况下，为了以较 少的数量的LED光源实现紧凑的照明单元，使用了将来自LED光源的光扩散为宽角度的光 学元件（专利文献1)。
[0003] 大光量的LED光源由蓝色等短波长的光的发光芯片和发出绿色、黄色、红色等较 长波长的荧光的荧光部件构成。在这样的LED光源中，将短波长的光的发光芯片配置在中 心部，从其周围起，配置有发出长波长的荧光的荧光部件的情况较多。在这样的LED光源 中，发出短波长的光的部分的位置和发出长波长的光的部分的位置不同。因此，在利用光学 元件来扩散来自LED光源的光的情况下，有时会产生短波长的光较强的方向和长波长的光 较强的方向。其结果是，有时会根据方向而产生蓝色或红色等色差。作为照明单元，产生这 样的色差不是优选的。但是，到此为止，没有开发出能够减小因方向而产生的色差且使来自 光源的光扩散的光学元件。
[0004] 现有技术文献
[0005] 专利文献
[0006] 专利文献1 :日本专利第3875247号公报


【发明内容】

[0007] 发明要解决的问题
[0008] 因此，对于能够减小因方向而产生的色差且使来自光源的光扩散的光学元件存在 需求。
[0009] 用于解决问题的手段
[0010] 本发明的第1方式的光学元件具有覆盖配置在平面上的光源的入射面和覆盖该 入射面的出射面，且构成为来自该光源的光在通过该入射面和该出射面后照射到外部。该 入射面构成为：设通过该光源的中心且与该平面垂直的轴为光轴，该入射面具有相对于周 边而在该光轴附近凹陷的形状，设该光轴与该入射面的交点为01，在该光学元件的包含该 光轴且与该平面垂直的任意截面中，设该入射面上的点P处的该入射面的法线相对于该光 轴的角度为、该入射面上的点P在该光轴方向上离点01的距离为Z，在使点P沿着该入 射面，从点01移动到该平面上时，￠11相对于z具有至少一个极大值和至少一个极小值。
[0011] 根据本方式的光学元件，入射面构成为：小h相对于Z具有至少一个极大值和至少 一个极小值，因此，在与光源组合使用时，来自光源的各点的光线根据到达该入射面的位置 而朝各个方向折射。因此，能够减小因从光学元件射出的光的方向而产生的色差。
[0012] 本发明的实施方式的光学兀件是第1方式的光学兀件，且该入射面为关于该光轴 旋转对称的形状。
[0013] 本实施方式的光学元件能够容易地通过注塑成型等进行制造。
[0014] 本发明的实施方式的光学元件是第1方式的光学元件，且该入射面构成为：将该 光轴的周围分割成多个角度区间，该入射面在各个角度区间中具有不同的形状。
[0015] 根据本实施方式，能够针对与光轴的周围的角度区间对应的每个方向实现不同的 光分布。
[0016] 本发明的实施方式的光学兀件是第1方式的光学兀件，且该入射面构成为：仅在 该多个角度区间的一部分的角度区间中，在使点P沿着该入射面，从点01移动到该平面上 时，4>h相对于z具有至少一个极大值和至少一个极小值。
[0017] 根据本实施方式，能够仅针对光轴的周围的一部分的角度区间，减小因方向而产 生的色差。
[0018] 本发明的实施方式的光学元件，该入射面构成为：设该光轴与该平面的交点为 P0,设连接点P0和该入射面上的点p的直线与该光轴所成的角度为eP
[0019] 在 30。< 0r < 90。的范围内，
[0020] 4>h相对于z具有至少一个极大值和至少一个极小值。
[0021] 本实施方式的光学元件在没有极大值和极小值的情况下，cth相对于z的斜率大 致固定，
[0022] 在30° < 0r < 90°的范围的入射面的区域中，
[0023] 入射面构成为4>h相对于z具有至少一个极大值和至少一个极小值，因此，在与光 源组合使用时，与不存在极大值和极小值的情况相比，来自光源的各点的光线根据到达该 入射面的位置而朝各个方向折射。因此，能够减小因从光学元件射出的光的方向而产生的 色差。
[0024] 本发明的实施方式的光学元件是第1方式的光学元件，且存在（th之差为10度以 上的相邻的极大值和极小值。
[0025] 根据本实施方式，在与光源组合使用时，来自光源的各点的光线在该入射面处折 射后，根据该光线到达该入射面的位置，其行进方向的变化幅度较大。因此，能够减小因从 光学元件射出的光的方向而产生的色差。
[0026] 本发明的实施方式的光学元件是第1方式的光学元件，且存在（th之差为20度以 上的相邻的极大值和极小值。
[0027] 根据本实施方式，在与光源组合使用时，来自光源的各点的光线在该入射面处折 射后，根据该光线到达该入射面的位置，其行进方向的变化幅度较大。因此，能够减小因从 光学元件射出的光的方向而产生的色差。
[0028] 本发明的第2方式的光学元件具有覆盖配置在平面上的光源的入射面和覆盖该 入射面的出射面，且构成为来自该光源的光在通过该入射面和该出射面后照射到外部。该 入射面构成为：设通过该光源的中心且与该平面垂直的轴为光轴，该入射面具有相对于周 边而在该光轴附近凹陷的形状，设该光轴与该入射面的交点为01，设该光轴与该平面的交 点为P0,在该光学元件的包含该光轴且与该平面垂直的任意截面中，设连接点P0和该入射 面上的点p的直线与该光轴所成的角度为ep设从点P0朝点p行进的光在光学元件内的 行进方向与该光轴所成的角度为ei，在使点P沿着该入射面，从点〇1移动到该平面上时， 01相对于吣具有至少一个极大值和至少一个极小值。
[0029] 根据本方式的光学元件，入射面构成为：ei相对于吣具有至少一个极大值和至 少一个极小值，因此，在与光源组合使用时，来自光源的各点的光线根据到达该入射面的位 置而朝各个方向折射。因此，能够减小因从光学元件射出的光的方向而产生的色差。
[0030] 本发明的实施方式的光学兀件是第2方式的光学兀件，且该入射面为关于该光轴 旋转对称的形状。
[0031] 本实施方式的光学元件，能够容易地通过注塑成型等进行制造。
[0032] 本发明的实施方式的光学兀件是第2方式的光学兀件，且该入射面构成为：将该 光轴的周围分割成多个角度区间，该入射面在各个角度区间中具有不同的形状。
[0033] 根据本实施方式，能够针对与光轴的周围的角度区间对应的每个方向实现不同的 光分布。
[0034] 本发明的实施方式的光学兀件是第2方式的光学兀件，且该入射面构成为：仅在 该多个角度区间的一部分的角度区间中，在使点P沿着该入射面，从点〇1移动到该平面上 时，9 1相对于吣具有至少一个极大值和至少一个极小值。
[0035] 根据本实施方式，能够仅针对光轴的周围的一部分的角度区间，减小因方向而产 生的色差。
[0036] 本发明的实施方式的光学兀件是第2方式的光学兀件，且该入射面构成为：
[0037] 在 30。< 0r < 90。的范围内，
[0038] 9i相对于吣具有至少一个极大值和至少一个极小值。
[0039] 本实施方式的光学元件在没有极大值和极小值的情况下，ei相对于吣的斜率大 致固定，
[0040] 在30° < 0r < 90°的范围的入射面的区域中，
[0041] 入射面构成为：Qi相对于Q!?具有至少一个极大值和至少一个极小值，因此，在与 光源组合使用时，与不存在极大值和极小值的情况相比，来自光源的各点的光线根据到达 该入射面的位置而朝各个方向折射。因此，能够减小因从光学元件射出的光的方向而产生 的色差。
[0042] 本发明的实施方式的光学兀件是第2方式的光学兀件，且存在0j?之差为5度以 上的相邻的极大值和极小值。
[0043] 根据本实施方式，在与光源组合使用时，来自光源的各点的光线在该入射面处折 射后，根据该光线到达该入射面的位置，其行进方向的变化幅度较大。因此，能够减小因从 光学元件射出的光的方向而产生的色差。
[0044] 本发明的实施方式的光学元件是第2方式的光学元件，且存在吣之差为10度以 上的相邻的极大值和极小值。
[0045] 根据本实施方式，在与光源组合使用时，来自光源的各点的光线在该入射面处折 射后，根据该光线到达该入射面的位置，其行进方向的变化幅度较大。因此，能够减小因从 光学元件射出的光的方向而产生的色差。
[0046] 本发明的第3方式的照明单元具有光源和本发明中的任意一个方式或实施方式 的光学元件。
[0047] 本方式的照明单元使用了本发明中的任意一个方式或实施方式的光学元件，因 此，能够减小因从光学元件射出的光的方向而产生的色差。

【专利附图】

【附图说明】
[0048] 图1是示出与本发明的光学元件同时使用的LED光源的结构的一例的图。
[0049] 图2是为了扩散LED光源的光而使用的本发明的一个实施方式的光学元件的包含 中心轴AX的剖视图。
[0050] 图3是将图2的剖视图中的入射面的部分放大的图。
[0051] 图4是示出在平面上配置多组光源以及光学元件而成的照明单元的结构的一例 的图。
[0052] 图5是示出实施例1的光学元件的z与入射面的法线和中心轴AX所成的角度（th 之间的关系的图。
[0053] 图6是示出实施例1的光学元件的L与0i之间的关系的图。
[0054] 图7是示出实施例1的光学元件的L与叭之间的关系的图。
[0055] 图8是示出将实施例1的光学元件组合到图1所示的光源中的情况下的光的强度 分布的图。
[0056] 图9是示出将比较例1的光学元件组合到图1所示的光源中的情况下的光的强度 分布的图。
[0057] 图10是针对实施例1的光学元件示出从图3的点P0射出的光线的强度分布的图。
[0058] 图11是针对实施例1的光学元件示出从图3的点P1射出的光线的强度分布的图。
[0059] 图12是针对实施例1的光学元件示出从图3的点P2射出的光线的强度分布的图。
[0060] 图13是示出实施例2的光学元件的z与入射面的法线和中心轴AX所成的角度 cth之间的关系的图。
[0061] 图14是示出实施例2的光学元件的L与0i之间的关系的图。
[0062] 图15是示出实施例2的光学元件的L与0e之间的关系的图。
[0063] 图16是示出将实施例2的光学元件组合到图1所示的光源中的情况下的光的强 度分布的图。
[0064] 图17是示出将比较例2的光学元件组合到图1所示的光源中的情况下的光的强 度分布的图。
[0065] 图18是示出实施例3的光学元件的z与入射面的法线和中心轴AX所成的角度 cth之间的关系的图。
[0066] 图19是示出实施例3的光学元件的L与0i之间的关系的图。
[0067] 图20是示出实施例3的光学元件的L与0e之间的关系的图。
[0068] 图21是示出将实施例3的光学元件组合到图1所示的光源中的情况下的光的强 度分布的图。
[0069] 图22是示出将比较例3的光学元件组合到图1所示的光源中的情况下的光的强 度分布的图。
[0070] 图23是示出将树脂浇口（gate)配置在光学元件的出射面的中心的情况的图。
[0071] 图24是示出将光学元件的出射面的中心设置为圆锥台形状，并在此配置有树脂 浇口的情况的图。
[0072] 图25是示出在光学元件的底面上配置1个树脂浇口的情况的图。
[0073] 图26是示出在光学元件的底面上配置2个树脂浇口的情况的图。
[0074] 图27是示出在出射面的周边部分具有扩散结构或扩散材料的光学元件的结构的 图。
[0075] 图28是示出在底面具有扩散结构或扩散材料的光学元件的结构的图。

【具体实施方式】
[0076] 图1是示出与本发明的光学元件同时使用的LED光源200的结构的一例的图。图 1(a)是示出LED光源200的与发光面垂直的截面的图。图1(b)是LED光源200的俯视图。 通常，大光量的白色LED光源由发出蓝色等短波长的光的芯片和在接收到来自发光芯片的 光的情况下发出绿色、黄色、红色等较长波长的光的荧光剂构成。在图1中，在LED光源200 的中心位置处配置有蓝色的发光芯片201，在比发光芯片201所占的区域更大的区域内，以 覆盖发光芯片201的方式配置有荧光剂203。在图1(b)的俯视图中，发光芯片201是一个 边为1. 0mm的正方形，突光剂203的形状是直径为3. 0mm的圆形。蓝色的光A从位于中心 附近的发光芯片201射出。较长波长的光B从配置在包含LED光源的周边部分的区域的荧 光剂射出。在具有图1那样的结构的LED光源中，射出蓝色光的位置和射出较长波长的光 的位置不同。
[0077] 图2是为了扩散LED光源200的光而使用的本发明的一个实施方式的光学元件 100的包含中心轴AX的剖视图。本实施方式的光学元件100具有关于中心轴AX旋转对称 的形状。在光学元件100的与LED光源200相对的面105中，相对于周边，在中心轴AX附 近具有凹陷，该凹陷的面形成入射面101。在本说明书中，将与LED光源200相对的面105 称作底面105。光学元件100的入射面101以及底面105以外的面形成出射面103。
[0078] 光学元件100和LED光源200被配置为：光学元件100的中心轴AX通过LED光 源200的中心、即图1(b)中的圆的中心。在该情况下，中心轴AX成为包含光学元件100和 LED光源200的光学系统的光轴。
[0079] 从光源200射出的光经过入射面101进入光学元件101，并从出射面103向外部射 出。在该情况下，从光源200射出的光在入射面101和出射面103的几乎所有部分中朝远 离中心轴AX的方向折射，其结果是，光被扩散。
[0080] 在本实施方式中，LED光源200的面为平面，但光源的面不是一定为平面。本发明 是配置在平面上的光源，可以应用发出短波长的光的部分的位置不同于发出长波长的光的 部分的位置的任意光源。
[0081] 图3是将图2的剖视图中的入射面的部分放大的图。设光源200的发光面205与 中心轴AX的交点为点P0。从点P0射出的光线的行进方向与中心轴AX所成的角度为0 ,， 设该光线在入射面101折射后，光线在光学元件100内的行进方向与中心轴AX所成的角度 为0i。此外，设该光线在出射面折射后，其行进方向与中心轴AX所成的角度为0J图2)。 在图3中，设从发光芯片201的边下垂到发光面205的垂线的脚为P1，设荧光剂的端部的 点、即图1(b)的荧光剂的周边的圆周上的点为P2。
[0082] 入射面101被设定为，从点P0起，以规定的范围的0 ,射出的光线满足：
[0083] 0r < 0 it)
[0084] 在图3中，规定的范围为0度?约20度的范围。此外，在上述范围内，随着角度0, 增大，角度 0i单调增大。
[0085] 出射面103被设定为，以上述范围内的角度吣射出的光线满足：
[0086]0i< 0e。
[0087] 出射面的中心轴AX附近的形状不限于凸面，也不限于凹面，而可以为凹面、凸面、 平面中的任意一个。优选为在透镜内部不发生全反射的出射面形状。在该情况下，设光学 元件的折射率为n，则光学元件内的光线角度与出射面的法线的角度小满足
[0088] 小 <sin-l(l/n)的条件。
[0089] 此外，在图3中，设入射面101的法线与中心轴AX所成的角度为（th。角度（th以 图3的向下方向为基准。SP，在入射面101的顶点处，（th= 180度。
[0090] 在以0度?约20度的范围的角度L，从点P0射出的光所到达的入射面101的区 域中，随着角度e,增大，角度小^1单调减少。在从点P0,以超过约20度的角度0,射出的 光所到达的入射面101的区域中，随着角度吣增大，角度反复地增大/减少。在本说 明书中，也将该入射面1〇〇的区域称作入射面的扩散区域。关于入射面101的扩散区域的 形状，后面将详细说明。
[0091] 图4是示出在面300上配置有多组光源200以及光学元件100而成的照明单元的 结构的一例的图。照明单元还具有扩散板400。利用照明单元，能够均匀地照射前方（图4 的上侧）。
[0092] 在以下记述中，对本发明的光学元件的实施例和比较例进行说明。实施例和比较 例的光学元件的材料为聚甲基丙烯酸甲酯树脂（PMMA)，折射率为1. 492 (d线，587. 56nm)， 阿贝数为56. 77 (d线，587. 56nm)。此外，在实施例和比较例中，只要没有另外说明，则长度 的单位则为毫米。
[0093] 实施例1
[0094] 在图2中，设入射面101与中心轴AX的交点的坐标为01，出射面103与中心轴AX 的交点的坐标为02。
[0095] 在本实施例中，P0与02之间的距离T为
[0096] T= 5. 752mm,
[0097] P0与01之间的距离h为
[0098] h= 4. 400mm。
[0099] 在用z表示以01为基准的、中心轴AX方向上的距离时，
[0100] 在0彡z彡1. 5mm的范围内，
[0101] 入射面101的形状由下式表示。
[0102] [公式 1]

【权利要求】
1. 一种光学元件，其具有覆盖配置在平面上的光源的入射面和覆盖该入射面的出射 面，且构成为来自该光源的光在通过该入射面和该出射面之后照射到外部，其中， 该入射面构成为：设通过该光源的中心且与该平面垂直的轴为光轴，该入射面具有相 对于周边而在该光轴附近凹陷的形状，设该光轴与该入射面的交点为01，在该光学元件的 包含该光轴且与该平面垂直的任意截面中，设该入射面上的点P处的该入射面的法线相对 于该光轴的角度为ΦΚ该入射面上的点P在该光轴方向上离点01的距离为Z，在使点P沿 着该入射面从点01移动到该平面上时，φ?ι相对于Z具有至少一个极大值和至少一个极小 值。
2. 根据权利要求1所述的光学元件，其中， 该入射面为关于该光轴旋转对称的形状。
3. 根据权利要求1所述的光学元件，其中， 该入射面构成为：将该光轴的周围分割成多个角度区间，该入射面在各个角度区间中 具有不同的形状。
4. 根据权利要求3所述的光学元件，其中， 该入射面构成为：仅在该多个角度区间的一部分的角度区间中，在使点Ρ沿着该入射 面从点01移动到该平面上时，φ?ι相对于Ζ具有至少一个极大值和至少一个极小值。
5. 根据权利要求1?4中的任意一项所述的光学元件，其中， 该入射面构成为：设该光轴与该平面的交点为Ρ0,设连接点Ρ0和该入射面上的点Ρ的 直线与该光轴所成的角度为ΘΓ， 在30° < ΘΓ <90°的范围内，Φ?ι相对于ζ具有至少一个极大值和至少一个极小值。
6. 根据权利要求1?5中的任意一项所述的光学元件，其中， 存在Φ?ι之差为10度以上的相邻的极大值和极小值。
7. 根据权利要求6所述的光学元件，其中， 存在Φ?ι之差为20度以上的相邻的极大值和极小值。
8. -种光学元件，其具有覆盖被设置在平面上的光源的入射面和覆盖该入射面的出射 面，且构成为来自该光源的光在通过该入射面和该出射面之后照射到外部，其中， 所述光学元件的入射面构成为：设通过该光源的中心且与该平面垂直的轴为光轴，该 入射面具有相对于周边而在该光轴附近凹陷的形状，设该光轴与该入射面的交点为01，设 该光轴与该平面的交点为Ρ0,在该光学元件的包含该光轴且与该平面垂直的任意截面中， 设连接点Ρ0和该入射面上的点Ρ的直线与该光轴所成的角度为Θ r，设从点Ρ0朝点Ρ行进 的光在光学元件内的行进方向与该光轴所成的角度为Θ i，在使点P沿着该入射面从点01 移动到该平面上时，Θ i相对于Θ r具有至少一个极大值和至少一个极小值。
9. 根据权利要求8所述的光学元件，其中， 该入射面为关于该光轴旋转对称的形状。
10. 根据权利要求8所述的光学元件，其中， 该入射面构成为：将该光轴的周围分割成多个角度区间，该入射面在各个角度区间中 具有不同的形状。
11. 根据权利要求10所述的光学元件，其中， 该入射面构成为：仅在该多个角度区间的一部分的角度区间中，在使点P沿着该入射 面从点01移动到该平面上时，φ?ι相对于Z具有至少一个极大值和至少一个极小值。
12. 根据权利要求8?11中的任意一项所述的光学元件，其中， 该入射面构成为：在30° < ΘΓ< 90°的范围内，0i相对于ΘΓ具有至少一个极大 值和至少一个极小值。
13. 根据权利要求8?12中的任意一项所述的光学元件，其中， 存在Θ r之差为5度以上的相邻的极大值和极小值。
14. 根据权利要求13所述的光学元件，其中， 存在Θ r之差为1〇度以上的相邻的极大值和极小值。
15. -种照明单元，其具有光源和权利要求1?14中的任意一项所述的光学元件。
【文档编号】F21V5/00GK104272015SQ201280072744
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2012年8月9日 优先权日:2012年5月3日
【发明者】池田贤元, 关大介, 幡手公英 申请人:纳卢克斯株式会社