CN102287755A

CN102287755A - 光束控制部件以及具备此光束控制部件的光学装置

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Publication number: CN102287755A
Application number: CN2011101610148A
Authority: CN
Inventors: 齐藤共启
Original assignee: Enplas Corp
Current assignee: Enplas Corp
Priority date: 2010-06-16
Filing date: 2011-06-15
Publication date: 2011-12-21
Anticipated expiration: 2031-06-15
Also published as: JP5581127B2; CN102287755B; US20110310618A1; JP2012002990A; US8425087B2

Abstract

公开了一种能够兼顾光学性能的稳定化、制造的容易化以及光的利用效率的提高的光束控制部件。反射面(15)形成为最远离出射区域(5)的顶端部比最靠近出射区域(5)的底端部位于径向内侧并且与连结顶端部和底端部的相对于光轴而倾斜的虚拟平面交叉一次的面形状。通过该面形状，抑制随着光轴与从光源射出的光的中心轴的偏离引起的、从出射区域(5)射出的光的配光偏离设计上的配光的现象。

Description

光束控制部件以及具备此光束控制部件的光学装置

技术领域

本发明涉及光束控制部件以及具备此光束控制部件的光学装置，尤其涉及适合于将从光源射出的光照射至被照射面的光束控制部件以及具备此光束控制部件的光学装置。

背景技术

一直以来，作为适合于薄型化以及轻量化的透镜，已知的是透镜面被分割成同心状的多个区域的具有剖面锯齿状形状(以下，称作菲涅尔形状)的透镜(所谓的菲涅尔透镜)。此种透镜被用于薄型化特别有利的用途或者能够忽略衍射影响的用途(例如放大镜、照明***)等。

当将此种透镜组装入照明用途的产品时，在形成为菲涅尔形状的一个透镜面侧，将LED(发光二极管：Light Emitting Diode)等光源以从该光源射出的光的中心轴与透镜的光轴成同轴的方式进行对齐之后予以固定。

另外，此种透镜的菲涅尔形状有仅具备使从光源射出的光折射的折射面的类型和不仅具备折射面还具备反射面的类型。后者(具备折射面及反射面的菲涅尔形状)比前者(仅具备折射面的菲涅尔形状)更能够高效地捕捉从光源(例如LED)以较大的发散角射出的光并使其会聚。

但是，在具备反射面的菲涅尔形状中，反射面上的、相对于入射角变动的出射角的变动比折射面的情况大，因此入射角的变动对来自透镜的射出光的配光即射出光的光度分布造成的影响较大。

因此，例如当因透镜与光源产生安装误差(从光源射出的光的中心轴相对于透镜的光轴而向垂直方向发生偏离的轴偏)而菲涅尔形状的反射面上的光的入射角偏离设计上的入射角时，反射面上的光的出射角即反射角将会大大偏离设计上的出射角(反射角)。

此时，会产生来自透镜的射出光的配光大大偏离设计上的配光而无法获得满意的光学特性的问题。

作为解决该问题的方法，例如专利文献1所示，考虑增多菲涅尔形状的剖面锯齿状的突起部的个数。根据该现有技术的方法，能够一定程度地抑制伴随轴偏产生的配光的偏差。

专利文献

【专利文献1】：日本特开2007-134316号公报

发明内容

但是，增多菲涅尔形状的突起部的个数的结构会致使透镜成形的模具的形状变得复杂。而且，会由于各突起部的反射面过小等原因而导致反射时的光的损失变大，因此光的利用效率变差。

本发明的目的在于提供一种能够兼顾光学性能的稳定化和制造的容易化以及光利用效率的提高的光束控制部件以及具备此光束控制部件的光学装置。

本发明的光束控制部件包括：入射区域，从光源射出的光射入到该入射区域；以及出射区域，在光轴方向上与该入射区域相向，使射入所述入射区域的光朝向被照射面侧射出，其中，所述入射区域具有从所述光轴方向观察的形状呈以光轴为中心的圆环状并且剖面形状呈锯齿状的突起部，所述突起部具有第1倾斜面及第2倾斜面，所述第1倾斜面使从所述光源射出的一部分光射入并使该射入的光折射，所述第2倾斜面形成在相对于该第1倾斜面的径向外侧的位置，使从所述第1倾斜面射入所述突起部的光朝向所述出射区域进行全反射，所述第2倾斜面中，最远离所述出射区域的顶端部比最靠近所述出射区域的底端部更位于所述径向内侧，并且所述第2倾斜面形成为，与连结所述顶端部和所述底端部的相对于所述光轴而倾斜的虚拟平面交叉一次的面形状，通过该面形状，抑制随着上述光轴与从上述光源射出的光的中心轴的偏离引起的、从上述出射区域射出的光的配光偏离设计上的配光的现象。

并且，具备强度从中心轴侧朝向周边侧(广角侧)依次变低的强度梯度的一部分光源光经由突起部的第1倾斜面，该一部分光源光中的相对低强度的光到达第2倾斜面的顶端部侧，该一部分光源光中的相对高强度的光到达第2倾斜面的底端部侧。这样，以与虚拟平面交叉一次的方式形成第2倾斜面。

根据本发明，在由第2倾斜面全反射光时，光将被反射向从第2倾斜面的顶端部侧朝向底端部侧的光的强度梯度缓和的方向。这不受有无轴偏的影响。由此，即使在产生了轴偏的情况下，也能够抑制来自出射区域的射出光(即，来自光束控制部件的射出光)的配光大大偏离设计上(无轴偏)的配光。另外，根据本发明，能够不通过突起部的个数而是通过第2倾斜面的面形状来实现抑制伴随此类轴偏引起的配光偏离的功能，因此不需要在使光束控制部件成形的模具上形成多个细微的突起部，能够简化模具结构。而且，根据本发明，通过减少突起部的个数，能够使用足够大的全反射面，因此能够在第2倾斜面上获得充分光量的反射光。其结果，能够兼顾光学性能的稳定化、制造的容易化以及光的利用效率的提高。

附图说明

图1是表示本发明的光束控制部件的实施方式的主视图。

图2是图1的俯视图。

图3是图2的右侧视图。

图4是图2的A-A剖视图。

图5是表示本发明的光束控制部件以及光学装置的实施方式的概略仰视图。

图6是表示本发明的光束控制部件以及光学装置的实施方式的概略纵剖视图。

图7是表示本发明的光束控制部件的实施方式的主要部分放大图。

图8是表示本发明的光束控制部件的实施例的设计上的光强度特性图表。

图9是表示本发明的光束控制部件的实施例的轴偏发生时的光强度特性图表。

图10是表示比较例的光束控制部件的纵剖视图。

图11是图10的光束控制部件的光路图。

图12是图10的光束控制部件的设计上的光强度特性图表。

图13是图10的光束控制部件的轴偏发生时的光强度特性图表。

附图标记说明

1：光束控制部件

4：入射区域

5：出射区域

11：第1突起部

12：第2突起部

15：反射面(第2倾斜面)

具体实施方式

以下，参照附图详细说明本发明的实施方式。

图1是表示本实施方式的光束控制部件的主视图。另外，图2是图1的俯视图。而且，图3是图2的右侧视图。另外，图4是图2的A-A剖视图。

如图1所示，本实施方式的光束控制部件1由在俯视图上呈圆形状的光束控制单元2和包围该光束控制单元2的圆筒状的边缘部(edge section)3构成。光束控制部件1通过使用PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯：polymethylmethacrylate)、PC(聚碳酸酯：polycarbonate)、COP(环烯烃树脂：cycloolefin resin)、EP(环氧树脂：epoxy resin)、硅树脂(siliconeresin)等透明树脂材料的射出成形法等而形成。

如图4所示，光束控制单元2具有在光轴OA方向上彼此相向的入射区域4与出射区域5的两个光束控制面4、5。

如图5以及图6所示，从配置在光轴OA上的与入射区域4相向的位置处的光源6射出的光射入至入射区域4。此外，光源6朝向光束控制部件1侧射出相对于光轴OA方向(图6中的Z轴方向)而具备规定发散角的光。另外，从光源6射出的光的中心轴与光束控制部件1的光轴OA在设计上一致。该光源6也可以是LED。

射入至入射区域4的光在光束控制单元2的内部行进之后，从出射区域5射出至被照射面侧。

以下，更详细地说明入射区域4。如图4至图6所示，入射区域4具有：圆形(凸透镜面形状)的中央部8，包含与光轴OA的交点(面顶点)且以光轴OA为中心；同心的第1突起部11，包围该中央部8；以及同心的第2突起部12，包围该第1突起部11。

第1突起部11与第2突起部12在径向(图5中的X轴、Y轴方向)上彼此连接。

另外，第1突起部11以及第2突起部12的从光轴OA方向观察的形状呈以光轴OA为中心的圆环状，并且纵剖面(A-A剖面)形状呈锯齿状。

此种入射区域4的面形状相当于菲涅尔形状。但是，本实施方式的菲涅尔形状如后所述，具有与以往不同的特征。

而且，第1突起部11以及第2突起部12各自具有作为第1倾斜面的折射面14及作为第2倾斜面的反射面15，该反射面15形成在相对于该折射面14的以光轴OA为基准的径向外侧(远离光轴OA的一侧)的位置。

此处，从光源6射出的一部分光即射入整个入射区域4的一部分光射入折射面14。射入该折射面14的光被折射面14折射向反射面15侧。

另一方面，被折射面14折射的光源6的光从突起部11、12的内侧以临界角以上的入射角射入反射面15。该射入的光被反射面15全反射至出射区域5侧。

并且，作为本实施方式的菲涅尔形状的特征性结构，关于反射面15的面形状，反射面15中的在光轴OA方向上最远离出射区域5的顶端部比反射面15中的在光轴OA方向上最靠近出射区域5的底端部位于径向内侧。而且，本实施方式中，反射面15的面形状形成为，与连结顶端部和底端部的相对于光轴OA而倾斜的虚拟平面交叉一次。

此种反射面15的面形状具有抑制随着光束控制部件1的光轴OA与从光源6射出的光的中心轴的轴偏引起的、从出射区域5射出的光的配光偏离设计上的配光的功能。

即，当从如图6般配置的光源6朝向入射区域4射出的光为带有具备强度从中心轴侧朝向周边侧依次变低的强度梯度(换言之，配光)的规定发散角的光(例如，LED的射出光)时，从折射面14射入光束控制部件1内并向反射面15内部射入的光源6的光也当然具备强度梯度。具体而言，具有强度从反射面15的顶端部侧朝向底端部侧依次变高的强度梯度。

并且，在此种前提下，假设反射面15为一个平坦面(相当于虚拟平面)，则反射面15的强度梯度在该反射面15的反射后还被继续保持。在此种假设性结构中，当产生从光源6射出的光的中心轴相对于光束控制部件1的光轴OA向垂直方向(图5中的X轴、Y轴方向)发生偏离的轴偏时，来自反射面15的光的反射方向在保持强度梯度的状态下偏离设计上的反射方向。其结果，从光束控制部件射出的光的配光(光度的分布)将会大大偏离设计上的配光。

对此，只要像本实施方式这样，使反射面15形成为与虚拟平面交叉一次的面形状，则射入反射面15的光将被反射向在反射后强度梯度缓和的方向，这样就不会受有无轴偏的影响。

因此，根据本实施方式的反射面15的面形状，即使在产生了轴偏的情况下，也能够抑制来自出射区域5的射出光(即，来自光束控制部件1的射出光)的配光偏离设计上(无轴偏)的配光的现象。

另外，根据本实施方式，能够不通过突起部11、12的个数而是通过反射面15的面形状来实现抑制伴随此类轴偏引起的配光偏离的功能，因此不需要在使光束控制部件1成形的模具上形成多个细微的突起部，能够简化模具结构。而且，通过减少突起部11、12的个数，能够使用足够大的反射面15，因此能够在反射面15上获得充分光量的反射光，并且也能够减少从模具向成形品的转印容易变得不够充分的突起部的顶端部的数量。因此，转印不够充分的突起部顶端部的光的损失也能够被抑制到最小限度。

其结果，能够兼顾通过抑制伴随轴偏造成的配光偏离实现的光学性能的稳定化、通过简单的模具形状实现的制造上的容易化以及通过获得充分光量的反射光实现的光的利用效率的提高。

此外，本实施方式中，也可以将反射面15的面形状形成为从顶端部侧朝向底端部侧以依次折曲的方式连接多个平面而得到的多棱面形状。此时，平面的连接数量可根据设计理念适当选择。但是，若从制造的容易化的角度出发，其数量较为理想的是在能够抑制配光偏离的限度下尽可能少的数量。

根据此种结构，能够简化反射面15的面形状，因此能够更容易地制造光束控制部件1。

另外，也可使反射面15的面形状为图7所示的面形状。但是，在图7中，为便于说明而仅示出了第1突起部11的反射面15，对于第2突起部12的反射面15，只要采用同样的面形状即可。即，图7所示的反射面15被分割成包含顶端部的第1反射面15a、在底端部侧连接于该第1反射面15a的与虚拟平面S交叉一次的第2反射面15b、及在底端部侧连接于该第2反射面15b的包含底端部的第3反射面15c。更具体而言，第1反射面15a形成为相对于光轴OA(换言之，图7中的Z轴)比虚拟平面S更大地倾斜的倾斜面(锥面)，从而使除顶端部以外的部位比虚拟平面S更位于径向外侧。第2反射面15b形成为相对于光轴OA比虚拟平面S更小地倾斜的倾斜面(锥面)，从而使自与虚拟平面S的交差部靠近顶端部侧的部位比虚拟平面S更位于径向外侧，并且使自交差部更近底端部侧的部位比虚拟平面S更位于径向内侧。此外，第2反射面15b与虚拟平面S的交差部呈以光轴OA为中心的圆形。第3反射面15c形成为相对于光轴OA比虚拟平面S更大地倾斜的倾斜面(锥面)，从而使除底端部以外的部位比虚拟平面S更位于径向内侧。此外，第1反射面15a与第3反射面15c也可彼此平行。

根据此种结构，射入第1反射面15a的相对低强度的光源6的光与射入第3反射面15c的相对高强度的光源6的光被反射向彼此靠近的方向。另一方面，射入第2反射面15b的相对中等程度强度的光源6的光以相对于第1反射面15a以及第3反射面15c的反射方向向图7中的右侧偏离的方式被反射。并且，被反射向彼此靠近的方向的来自第1反射面15a的反射光与来自第3反射面15c的反射光通过在被照射面上合成而使强度达到中等程度，从而与来自第2反射面15b的反射光的强度差异降低。由此，能够缓和来自出射区域5的射出光的强度梯度，因此能够确实地抑制伴随轴偏造成的配光偏离。另外，由于能够将反射面15的形状设为简单的形状且有利于模具形状的转印以及从模具脱模的形状，因此能够更容易地制造光束控制部件1。

此外，在图7中，分割成的三个反射面15a、15b、15c均设为平面，但也可使各反射面15a、15b、15c中的至少一个形成为曲面。

而且，除了上述结构以外，在本实施方式中，如图4、图6以及图7所示，折射面14形成为在光轴OA方向上最远离出射区域5的顶端部相对于在光轴OA方向上最靠近出射区域5的底端部位于径向外侧的倾斜面。

通过此种结构，能够将折射面14的面形状设为简单且容易从模具脱模的形状，因此能够更容易地制造光束控制部件1。

而且，本实施方式中的光束控制部件1如图6所示，使光源6与入射区域4侧相向配置，在进行从该光源6射出的光的中心轴与光束控制部件1的光轴OA的对齐(对轴)之后，将光源6安装到光束控制部件1上。由此，构成本发明的光学装置。即使在因此时的光源6的安装误差而产生轴偏的情况下，也能够通过上述反射面15的面形状来发挥稳定的光学性能。此外，对于光束控制部件1与光源6的对轴，也可借助通过使两零件1、6的定位结构(例如，抵接部或嵌合部)之间彼此卡合而实现的机械定位、或者通过光学检测两零件1、6的定位标记而实现的光学定位来进行。

另外，在此种光学装置中，较为理想的是，从出射区域5射出的光(经光束控制部件1控制并射出的光)中的25％以上(更理想的是30％以上)的光量的光经由第1突起部11通过。此种结构等同于从出射区域5射出的光中的25％以上(更理想的是30％以上)的光量的光被第1突起部11的反射面15全反射的结构。另外，此种结构能够通过调整第1突起部11的反射面15的形成位置、大小以及角度而实现。

通过该结构，第1突起部11的反射面15实现的光的反射光量对光束控制部件1整体的配光造成的影响变大，因此通过反射面15的面形状来抑制配光偏离的效果变得更加显著。

[实施例]

在本实施例中，对于具备图7所示结构的反射面15的光束控制部件1，通过模拟计算出与作为光源6的LED无轴偏时的配光和有轴偏时的配光。其中，作为轴偏，设定作为LED的安装误差实际可设想的0.1mm(Y轴方向)。另外，被第1突起部11的反射面15反射的光的光量设为从LED射出并射入光束控制部件1内之后从出射区域5射出的有效光的光量的34％。

并且，无轴偏时的配光即设计上的配光如图8所示，有轴偏时的配光如图9所示。

此外，图8以及图9表示来自光束控制部件1的射出光的强度相对于来自LED的光的辐射强度的比例(％)的分布，该分布相当于来自光束控制部件1的射出光的配光。另外，在图8以及图9中，角度0°相当于光轴OA方向上的前方(照射方向)。而且，在图8以及图9中，示出了以光轴OA方向为中心而在X轴方向上发散的分布成分(X成分)与在Y轴方向上发散的分布成分(Y成分)。

如图8以及图9所示，可知的是，在本实施例的光束控制部件1中，能够将伴随0°～-10°的角度范围内的轴偏造成的配光变动抑制于不超过15％的程度。

[比较例]

在本比较例中，如图10所示，对于相对于上述实施例而仅将反射面15的面形状改为一个平坦面的光束控制部件，通过模拟计算出与LED无轴偏时的配光和有轴偏时的配光。此外，图11表示本比较例中的LED的光的光路，由该图11可知的是，对于设为平坦的平面的反射面15而言，射入反射面15的光的排列在反射后仍未发生变化，LED的光的强度梯度被直接反映在来自光束控制部件的射出光上。

在这样的比较例的光束控制部件中，无轴偏时的配光如图12所示，有轴偏时的配光如图13所示。

如图12以及图13所示，可知的是，在本比较例的光束控制部件1中，伴随0°～-10°的角度范围内的轴偏造成的配光变动最大超过20％。

因此，可知的是，本实施例的光束控制部件1相对于比较例，更有利于抑制伴随轴偏造成的配光偏离。

此外，本发明并不限定于上述实施方式，在无损本发明的特征的限度内能够进行各种变更。

例如，可以预料的是，本实施方式的借助反射面15的面形状实现的配光偏离的抑制效果并不限定于仅对轴偏有效，对于反射面15的尺寸误差(位置或斜率的误差)或光轴OA的倾斜(相对于光源6的光的中心轴的斜率)也有效。

另外，反射面15的面形状并不限定于图7所示的多棱面形状，只要是与虚拟平面S交叉一次的形状，就可以是S字曲线状等曲面形状。

而且，本实施方式的光束控制部件1也能够借助以反射面15被设为一个平坦面的光束控制部件的成形模具为基础，并通过对该基础成形模具的轻微加工而获得的模具来成形。此时，能够有效利用现有的设备来降低制造成本。

另外，本实施方式的光束控制部件1能够有效适用于聚光系照明，例如展示窗的照明或移动电话所搭载的摄像机用的照明(闪光灯)等。

本申请享有并要求2010年6月16日提交的日本发明专利申请No.2010-137096的权益，该日本发明专利申请的包括说明书、附图和摘要在内的公开内容通过全文引用而包含于本申请中。

Claims

1.一种光束控制部件，包括：

入射区域，从光源射出的光射入到该入射区域；以及

出射区域，在光轴方向上与该入射区域相向，使射入所述入射区域的光朝向被照射面侧射出，

其中，所述入射区域具有从所述光轴方向观察的形状呈以光轴为中心的圆环状并且剖面形状呈锯齿状的突起部，

所述突起部具有第1倾斜面及第2倾斜面，所述第1倾斜面使从所述光源射出的一部分光射入并使该射入的光折射，所述第2倾斜面形成在相对于该第1倾斜面的径向外侧的位置，使从所述第1倾斜面射入所述突起部的光朝向所述出射区域进行全反射，

所述第2倾斜面中，最远离所述出射区域的顶端部比最靠近所述出射区域的底端部更位于所述径向内侧，并且所述第2倾斜面形成为，与连结所述顶端部和所述底端部的相对于所述光轴而倾斜的虚拟平面交叉一次的面形状。

2.如权利要求1所述的光束控制部件，其中，

所述第2倾斜面形成为，从所述顶端部侧朝向所述底端部侧以依次折曲的方式连接多个平面而得到的多棱面形状。

3.如权利要求1所述的光束控制部件，其中，

所述第2倾斜面由包含所述顶端部的第1反射面、在所述底端部侧连接于该第1反射面的与所述虚拟平面交叉一次的第2反射面、及在所述底端部侧连接于该第2反射面的包含所述底端部的第3反射面构成，

所述第1反射面形成为相对于所述光轴比所述虚拟平面更大地倾斜的倾斜面，从而使除所述顶端部以外的部位比所述虚拟平面更位于所述径向外侧，

所述第2反射面形成为相对于所述光轴比所述虚拟平面更小地倾斜的倾斜面，从而使自与所述虚拟平面的交差部靠近所述顶端部侧的部位比所述虚拟平面更位于所述径向外侧，并且使自所述交差部靠近所述底端部侧的部位比所述虚拟平面更位于所述径向内侧，

所述第3反射面形成为相对于所述光轴比所述虚拟平面更大地倾斜的倾斜面，从而使除所述底端部以外的部位比所述虚拟平面更位于所述径向内侧。

4.如权利要求1所述的光束控制部件，其中，

所述第1倾斜面形成为，最远离所述出射区域的顶端部比最靠近所述出射区域的底端部更位于所述径向外侧的倾斜面。

5.一种光学装置，将从光源射出的光照射至被照射面，

其中，如权利要求1所述的光束控制部件以使其入射区域朝向所述光源侧并且使其光轴与从所述光源射出的光的中心轴对齐的状态，配置在相对于所述光源的所述光的射出侧的位置。

6.如权利要求5所述的光学装置，其中，

从所述出射区域射出的光中的25％以上的光量的光通过所述入射区域的突起部。