JP5584858B2 - Optical device - Google Patents
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Description
本発明は、光源からの光の方向を変える光学素子であって、該光学素子の中心の周りの屈折レンズ部とその外側の反射体部を備えた光学素子を含む光学装置に関する。
The present invention is an optical element for changing the direction of the light from the light source, an optical system including an optical element having a refracting lens portion and the reflector portion of the outside around the center of the optical element.
光源からの光を効率的に前方に照射するために、その中心の周りの屈折レンズ部とその外側の反射体部を備えた光学素子が開発されている(たとえば、特許文献１乃至３など)。このような光学素子は、屈折レンズ部のみからなるものと比較して、薄さを保持したままで光を効率的に前方に照射することができる点で有利である。
In order to efficiently irradiate the light from the light source forward, an optical element having a refractive lens portion around the center and a reflector portion outside the center has been developed (for example,
上記のような光学素子は、光学素子の中心に対応する場所に位置する点光源からの光をほぼ平行な光束として前方に照射するように構成されている(特許文献１の要約、図１、特許文献２の要約、図２、特許文献３の図４など)。
The optical element as described above is configured to irradiate light from a point light source located at a location corresponding to the center of the optical element as a substantially parallel light beam (summary of
近年、光源が発光ダイオード素子(以下、ＬＥＤ素子とも呼称する)から構成されることが多くなっている。より具体的に、面上に配置された複数のＬＥＤ素子によって光源が形成されることも多い。従来の点光源用に開発された光学素子を、面上に配置された複数のＬＥＤ素子によって形成された光源に使用すると、面上において光学素子の中心に対応する位置から離れた場所に位置する光源からの光の作用により、光の進行方向の角度に対する光の強度分布が滑らかにならずに、所定の照射面における輝度分布にムラが生じてしまう。 In recent years, a light source is often composed of a light emitting diode element (hereinafter also referred to as an LED element). More specifically, the light source is often formed by a plurality of LED elements arranged on the surface. When an optical element developed for a conventional point light source is used for a light source formed by a plurality of LED elements arranged on a surface, the optical element is located on a surface away from a position corresponding to the center of the optical element. Due to the action of the light from the light source, the light intensity distribution with respect to the angle of the light traveling direction is not smooth, and unevenness occurs in the luminance distribution on the predetermined irradiation surface.
このように、その中心の周りの屈折レンズ部とその外側の反射体部を備えた光学素子であって、面上に配置されたＬＥＤ素子によって形成された光源のように所定の拡がりを有する光源に使用した場合に、光の進行方向の角度に対する光の強度分布が滑らかになり、所定の照射面における輝度分布にムラを生じさせない光学素子は開発されていない。 Thus, an optical element having a refractive lens part around its center and a reflector part outside thereof, and having a predetermined spread like a light source formed by LED elements arranged on the surface No optical element has been developed in which the light intensity distribution with respect to the angle of the light traveling direction becomes smooth when used in the above, and does not cause unevenness in the luminance distribution on the predetermined irradiation surface.
したがって、その中心の周りの屈折レンズ部とその外側の反射体部を備えた光学素子であって、所定の拡がりを有する光源に使用した場合に、光の進行方向の角度に対する光の強度分布が滑らかになり、所定の照射面における輝度にムラを生じさせない光学素子を備えた光学装置に対するニーズがある。
Therefore, an optical element having a refractive lens portion around its center and a reflector portion outside thereof, and when used for a light source having a predetermined spread, the light intensity distribution with respect to the angle of the light traveling direction is There is a need for an optical device that includes an optical element that is smooth and does not cause uneven brightness on a predetermined irradiated surface.
本発明の第１の態様による光学装置は、光源と、該光源からの光の方向を変える光学素子と、を含む光学装置であって、該光学素子は、その中心の周りの屈折レンズ部とその外側の反射体部を備え、該屈折レンズ部は該光源からの光を屈折させて前方に照射し、該反射体部は、該光源からの光を全反射させて前方に照射させるように構成され、該光学素子の中心と該光源の中心を結ぶ線を光軸として、該屈折レンズ部の該中心付近の焦点距離は、該光源の中心位置までの光軸上の距離よりも小さく、該屈折レンズ部の周縁部分の焦点距離は、該光源の中心位置までの光軸上の距離よりも大きくなるように構成されている。
The optical device according to the first aspect of the present invention, light source, an optical device comprising an optical element for changing the direction of light, of from the light source, optical element, the refractive lens unit around the center of its The refracting lens part refracts the light from the light source and irradiates it forward, and the reflector part totally reflects the light from the light source and irradiates the light forward. The focal length near the center of the refractive lens unit is smaller than the distance on the optical axis to the center position of the light source, with the line connecting the center of the optical element and the center of the light source as the optical axis. The focal length of the peripheral portion of the refractive lens unit is configured to be larger than the distance on the optical axis to the center position of the light source.
本態様によれば、所定の拡がりを有する光源に使用した場合に、光の進行方向の角度に対する光の強度分布が滑らかになり、照射面における輝度にムラを生じさせない光学装置が得られる。
According to this aspect, when used for a light source having a predetermined spread, the light intensity distribution with respect to the angle of the light traveling direction becomes smooth, and an optical device that does not cause unevenness in luminance on the irradiated surface can be obtained.
本発明の第１の態様の第１の実施形態の光学装置は、該屈折レンズ部がフレネルレンズである。
In the optical device according to the first embodiment of the first aspect of the present invention, the refractive lens portion is a Fresnel lens.
フレネルレンズを使用することにより、屈折レンズ部の厚さを薄くすることができる。 By using a Fresnel lens, the thickness of the refractive lens portion can be reduced.
本発明の第１の態様の第２の実施形態の光学装置は、該屈折レンズ部の該中心付近の焦点距離は、該光源の中心位置までの光軸上の距離の０．５倍よりも小さく、該屈折レンズ部の周縁部分の焦点距離は、該光源の中心位置までの光軸上の距離の１．２倍よりも大きくなるように構成されている。
In the optical device according to the second embodiment of the first aspect of the present invention, the focal length near the center of the refractive lens unit is more than 0.5 times the distance on the optical axis to the center position of the light source. It is small, and the focal length of the peripheral portion of the refractive lens portion is configured to be larger than 1.2 times the distance on the optical axis to the center position of the light source.
本発明の第１の態様の第３の実施形態の光学装置は、該反射体部の、該屈折レンズ部に隣接する部分の焦点距離が、該光源の中心位置までの光軸上の距離の０．８倍よりも小さくなるように構成されている。
In the optical device according to the third embodiment of the first aspect of the present invention, the focal length of the portion adjacent to the refractive lens portion of the reflector portion is the distance on the optical axis to the center position of the light source. It is configured to be smaller than 0.8 times.
本発明の第１の態様の第４の実施形態の光学装置は、該光軸に垂直な面に配置された発光素子からなる光源を含む。
The optical device of the fourth embodiment of the first aspect of the present invention includes a light source composed of light emitting elements arranged in a plane perpendicular to the optical axis.
本実施形態によれば、光の進行方向の角度に対する光の強度分布が滑らかになり、照射面における輝度にムラを生じさせない光学装置が得られる。
According to the present embodiment , the optical intensity distribution with respect to the angle of the light traveling direction becomes smooth, and an optical device that does not cause unevenness in luminance on the irradiated surface can be obtained.
本発明の第１の態様の第５の実施形態の光学装置は、該光源の発光領域の該光軸からの距離の最大値をＲＬとし、該光学素子から該光源との間の該光軸上の距離をＬとして、
ＲＬ≦Ｌ≦３ＲＬ
である。
In the optical device according to the fifth embodiment of the first aspect of the present invention, the maximum value of the distance from the optical axis of the light emitting region of the light source is R L , and the light between the optical element and the light source. Let L be the distance on the axis.
R L ≦ L ≦ 3R L
It is.
本発明の第１の態様の第６の実施形態の光学装置は、該屈折レンズの該光軸に垂直な断面が円形であり、その半径をＤａとして、
ＲＬ＋Ｌ／２≦Ｄａ≦ＲＬ＋Ｌ
である。
The optical device according to the sixth embodiment of the first aspect of the present invention has a circular cross section perpendicular to the optical axis of the refractive lens, and its radius is Da.
R L + L / 2 ≦ Da ≦ R L + L
It is.
図２は、本発明の実施例の光学素子１００と光源２０１とを含む照明装置の断面図である。光学素子１００及び光源２０１の中心を通る光軸Ａを定める。図２の断面図は、光軸Ａを含む断面図である。
FIG. 2 is a cross-sectional view of an illumination device including the
光学素子１００は、光軸Ａに関して回転対称な形状を有する。光学素子１００は、光軸Ａの周囲の屈折レンズ部１０１、及びその外側の反射体部１０３から形成される。屈折レンズ部１０１は、光源２０１からの光線を屈折させて前方、すなわち図２における上方へ向ける。反射体部１０３は、光源２０１からの光線を全反射させて同様に前方へ向ける。屈折レンズ部１０１の光軸Ａに垂直な断面の半径をＤａとし、反射体部１０３の光軸Ａに垂直な断面の半径をＤｂとする。また、光源２０１の発光部分の光軸Ａからの最大距離をＲＬとする。
The
光源２０１の周囲には、リフレクター２０３が備わる。光源２０１と光学素子１００との間の光軸Ａに沿った距離をＬとする。
A
最初に、本発明による光学素子１００の設計方法を説明する。
First, a method for designing the
図１は、本発明による光学素子１００の設計方法を説明するための流れ図である。
FIG. 1 is a flowchart illustrating a method for designing an
図１のステップＳ０１０において、光学素子１００と光源２０１との間の光軸Ａに沿った距離Ｌ、及び屈折レンズ部１０１の光軸Ａに垂直な断面の半径Ｄａを定める。距離Ｌ及び半径Ｄａは、以下の式を満たすように定める。
ＲＬ≦Ｌ≦３ＲＬ （１）
ＲＬ＋Ｌ／２≦Ｄａ≦ＲＬ＋Ｌ （２）
上記のように定めることにより、所定の大きさの発光領域からの光を適切に前方に照射させることが可能となる。
In step S010 of FIG. 1, a distance L along the optical axis A between the
R L ≦ L ≦ 3R L (1)
R L + L / 2 ≦ Da ≦ R L + L (2)
By determining as described above, it is possible to appropriately irradiate the light from the light emitting region having a predetermined size forward.
Ｌが下限値ＲＬを下回ると、光源の光軸から離れた部分からの光線を、適切な角度でレンズに入射させることが困難となるため、光源からの光を適切に前方に照射させることが困難となり都合が悪い。また、Ｌが上限値３ＲＬを上回ると照明装置が大きくなり、小型化という点から都合が悪い。 When L is lower than the lower limit value RL , it becomes difficult to cause light rays from a portion away from the optical axis of the light source to enter the lens at an appropriate angle. Is difficult and inconvenient. Also, L is an illumination device is increased beyond the upper limit 3R L, inconvenient from the viewpoint of downsizing.
Ｄａが下限値ＲＬ＋Ｌ／２を下回ると、反射体部１０３の屈折レンズ部１０１付近のプリズムが光軸に近づくので、光源の光軸から離れた部分からの光線を適切に前方に偏向することが困難となり都合が悪い。また、Ｄａが上限値ＲＬ＋Ｌを上回ると、屈折レンズ部１０１の周縁部分において、フレネルレンズの垂直面に入射する光線が多くなるため、光源からの光を適切に前方に照射させることが困難となり都合が悪い。
When Da falls below the lower limit value R L + L / 2, the prism in the vicinity of the
図１のステップＳ０２０において、反射体部１０３の光軸Ａに垂直な断面の半径Ｄｂを定める。発光領域において光軸からの距離がＲＬである点からの光線のうち、光軸Ａとなす角度が８０°以下である光線を取り込むことができるように、半径Ｄｂを定める。図１に示すように、リフレクター２０３を使用することにより、リフレクターを使用しない場合よりも半径Ｄｂを小さくすることができる。
In step S020 in FIG. 1, a radius Db of a cross section perpendicular to the optical axis A of the
図１のステップＳ０３０において、屈折レンズ部１０１の光学面の形状を定める。屈折レンズ部１０１の光学面の形状は、光源と反対の側(図１における上方)から光軸に平行な光線を照射した場合の焦点距離が、光軸Ａの周りの中心部分では、距離Ｌよりも短く、周縁部分では、距離Ｌよりも長くなるように構成する。具体的に屈折レンズ部１０１の焦点距離は、０．５Ｌから１．２Ｌを含む範囲に、光軸Ａ付近では、０．５Ｌよりも小さく、屈折レンズ部１０１の周縁部では１．２Ｌよりも大きくなるように分布させるのが好ましい。
In step S030 in FIG. 1, the shape of the optical surface of the
ここで、光軸との距離をｒとしたとき、ｒにおける焦点距離とは、光軸に平行であり光軸からの距離がｒである光線を、光源とは反対側から該光学素子に入射したとき、該光学素子の内部で０回または１回全反射したのちに出射した光線が光軸と交わる点と、該屈折レンズ部の光源側での光軸と交わる点との距離を示す。ただし、出射した光線が該光学素子に再び入射する場合や、出射した光線が光軸と交わらない場合は焦点距離を算出しない。 Here, when the distance from the optical axis is r, the focal length at r is a light beam which is parallel to the optical axis and whose distance from the optical axis is r, and enters the optical element from the side opposite to the light source. In this case, the distance between the point where the light beam emitted after total reflection once or once within the optical element intersects the optical axis and the point where the light axis of the refractive lens unit intersects the light axis is shown. However, the focal length is not calculated when the emitted light beam is incident on the optical element again or when the emitted light beam does not intersect the optical axis.
図１６は、光学素子の焦点距離を説明するための図である。 FIG. 16 is a diagram for explaining the focal length of the optical element.
図１７は、実施例の光学素子の屈折レンズ部１０１の光軸からの距離と焦点距離との関係を示す図である。図１７の横軸は、光軸からの距離を示し、縦軸は焦点距離を距離Ｌで除した値を示す。焦点距離は、０．０２０Ｌから１．６０Ｌの範囲に分布している。さらに詳細に、焦点距離は光軸付近で０．０２Ｌであり、光軸から所定の距離（８ミリメータ）までは単調に増加し、１．４Ｌを超える。光軸からの距離が該所定の距離よりも大きい領域では、焦点距離は、ほぼ１．４Ｌ乃至１．６Ｌの範囲である。
FIG. 17 is a diagram illustrating the relationship between the distance from the optical axis of the
図３は、実施例の屈折レンズ部１０１に、光源と反対の側から光軸に平行な光線を照射した場合の光路図である。図３において光源２０１の発光面をＰで示した。
FIG. 3 is an optical path diagram when the
図１のステップＳ０４０において、反射体部１０３の光学面の形状を定める。反射体部１０３の光学面の形状は、光源と反対の側(図１における上方)から光軸に平行な光線を照射した場合の焦点距離が、光軸Ａに近い、屈折レンズ部１０１に隣接する部分では、距離Ｌよりも短く、周縁部分では、距離Ｌ以上となるように構成する。具体的に反射体部１０３の焦点距離は、０．８Ｌから１．１Ｌを含む範囲に、屈折レンズ部１０１の周縁部分では０．８Ｌよりも小さくなるように分布させるのが好ましい。
In step S040 in FIG. 1, the shape of the optical surface of the
図１９は、実施例の光学素子の反射体部１０３の光軸からの距離と焦点距離との関係を示す図である。図１９の横軸は、光軸からの距離を示し、縦軸は焦点距離を距離Ｌで除した値を示す。図中の縦軸に平行な実線はプリズムの分割位置を示す。焦点距離は、０．５８Ｌから１．１２Ｌの範囲に分布している。なお、焦点距離のデータが無い部分は、全反射面で全反射した後、他のプリズムに入射している場合や、プリズムの垂直側の面で反射している場合など正しい焦点距離を算出できない部分である。
FIG. 19 is a diagram illustrating the relationship between the distance from the optical axis of the
図４は、実施例の反射体部１０３に、光源と反対の側から光軸に平行な光線を照射した場合の光路図である。図４において光源２０１の発光面をＰで示した。
FIG. 4 is an optical path diagram in the case where a light beam parallel to the optical axis is irradiated onto the
図１のステップＳ０５０において、屈折レンズ部１０１及び反射体部１０３の光学面の形状を調整する。最初に、ステップＳ０３０及びＳ０４０で定めた光学面の形状に基づいたシミュレーションによって配光分布を求める。つぎに、配光分布が所望のものとなるように光学面の形状を調整する。配光分布の調整の仕方については後で詳細に説明する。
In step S050 of FIG. 1, the shape of the optical surfaces of the
ここで、本発明の実施例の照明装置について説明する。実施例の照明装置は、図１に示したように構成される
図１５は、実施例の光源２０１の平面図である。本実施例では、９個のＬＥＤ素子が正方形の中心、４個の頂点及び４個の辺の中心の位置に配置されている。ＬＥＤ素子には、中心からの距離がｄ１のものとｄ１より長いｄ２のものとが存在する。ここで、ｄ１＝３．８５ｍｍ、ｄ２＝５．４４ｍｍである。各ＬＥＤ素子の光束は、２２２．２[ｌｍ]である。[ｌｍ]は、ルーメンを意味する。
Here, the illuminating device of the Example of this invention is demonstrated. The illumination device of the embodiment is configured as shown in FIG. 1. FIG. 15 is a plan view of the
光源には、ＬＥＤ素子以外の素子を使用してもよい。また、素子は、単一の円上に配置しても、同心円状に配置してもよい。 Elements other than LED elements may be used as the light source. The elements may be arranged on a single circle or concentric circles.
光学素子１００と光源２０１との間の光軸Ａに沿った距離Ｌ、屈折レンズ部１０１の光軸Ａに垂直な断面の半径Ｄａ、及び反射体部１０３の光軸Ａに垂直な断面の半径Ｄｂは、以下のとおりである。
Ｌ ＝１２．０ｍｍ
Ｄａ ＝１５．０ｍｍ
Ｄｂ ＝４２．５ｍｍ
ここで、ＲＬは、光源２０１の発光部分の光軸Ａからの最大距離であるので、
ＲＬ＝ｄ２＝５．４４ｍｍ
である。したがって、上述の式（１）及び式（２）は満たされている。
The distance L along the optical axis A between the
L = 12.0mm
Da = 15.0mm
Db = 42.5mm
Here, RL is the maximum distance from the optical axis A of the light emitting portion of the
R L = d2 = 5.44 mm
It is. Therefore, the above formulas (1) and (2) are satisfied.
リフレクター２０３の材料は、表面の反射率が９５％、散乱特性がランバーシアン散乱である白色樹脂である。
The material of the
光学素子１００の材料は、屈折率ｎ＝１．４９３５のアクリル樹脂である。
The material of the
反射体部１０３のプリズムにおける全反射面の面定義式は以下のとおりである。
表１は、Ｓ１からＳ２１の２１個のプリズムの上記の面定義式の係数及び定数の値を示す表である。ｒｉｎはプリズムの内側部分の光軸からの距離を示し、ｒｏｕｔはプリズムの外側部分の光軸からの距離を示す。表における長さの単位はミリメータである。
屈折レンズ部１０１のフレネルレンズを形成する入射面の面定義式は以下のとおりである。フレネルレンズの溝の深さは、０．９４ｍｍである。
表２は、上記の定義式の係数及び定数の値を示す表である。表における長さの単位はミリメータである。
光学素子１００の出射面の面定義式は以下のとおりである。
表３は、上記の定義式の係数及び定数の値を示す表である。表における長さの単位はミリメータである。
リフレクター２０３の反射面の定義式は以下の通りである。
表４は、上記の定義式の係数及び定数の値を示す表である。表における長さの単位はミリメータである。
ここで、従来技術による比較例について説明する。 Here, the comparative example by a prior art is demonstrated.
図５は、比較例による光学素子１５０と光源２５１を含む照明装置の断面図である。ここで、実施例の光源２０１と比較例の光源２５１は同じものである。光学素子１５０及び光源２５１の中心を通る光軸Ａを定める。図５の断面図は、光軸Ａを含む断面図である。
FIG. 5 is a cross-sectional view of an illumination device including an
光学素子１５０は、光軸Ａに関して回転対称な形状を有する。光学素子１５０は、光軸Ａの周囲の屈折レンズ部１５１、及びその外側の反射体部１５３から形成される。屈折レンズ部１５１は、光源２０１からの光線を屈折させて前方、すなわち図５における上方へ向ける。反射体部１５３は、光源２５１からの光線を全反射させて同様に前方へ向ける。光源２５１の周囲には、リフレクター２５３が備わる。
The
光学素子１５０と光源２５１との間の光軸Ａに沿った距離Ｌ、屈折レンズ部１５１の光軸Ａに垂直な断面の半径Ｄａ、及び反射体部１５３の光軸Ａに垂直な断面の半径Ｄｂは、実施例と同じであり、以下のとおりである。
The distance L along the optical axis A between the
Ｌ ＝１２．０ｍｍ
Ｄａ ＝１５．０ｍｍ
Ｄｂ ＝４２．５ｍｍ
光学素子１５０の材料は、実施例の光学素子１０１の材料と同じである。また、光源２５１及びリフレクター２５３の構成及び材料は、実施例の光源１５１及びリフレクター１５３の構成及び材料と同じである。
L = 12.0mm
Da = 15.0mm
Db = 42.5mm
The material of the
図１８は、比較例の光学素子の屈折レンズ部１５１の光軸からの距離と焦点距離との関係を示す図である。図１８の横軸は、光軸からの距離を示し、縦軸は焦点距離を距離Ｌで除した値を示す。焦点距離は、周縁部を除いて０．９Ｌから１．０Ｌの範囲に分布している。
FIG. 18 is a diagram showing the relationship between the distance from the optical axis of the
図６は、比較例の屈折レンズ部１５１に、光源と反対の側から光軸に平行な光線を照射した場合の光路図である。図６において光源２５１の発光面をＰで示した。
FIG. 6 is an optical path diagram when the
図２０は、比較例の光学素子の反射体部１５３の光軸からの距離と焦点距離との関係を示す図である。図２０の横軸は、光軸からの距離を示し、縦軸は焦点距離を距離Ｌで除した値を示す。図中の縦軸に平行な実線はプリズムの分割位置を示す。焦点距離は、横軸の全範囲でほぼＬである。なお、焦点距離のデータが無い部分は、全反射面で全反射した後、他のプリズムに入射している場合や、プリズムの垂直側の面で反射している場合など正しい焦点距離を算出できない部分である。
FIG. 20 is a diagram illustrating the relationship between the distance from the optical axis of the
図７は、比較例の反射体部１５３に、光源と反対の側から光軸に平行な光線を照射した場合の光路図である。図７において光源２５１の発光面をＰで示した。
FIG. 7 is an optical path diagram when the
図６及び図７を参照すると、光軸に平行な光線は、発光面と光軸との交点に集光している。その理由は、従来の光学素子は、点光源からの光を光軸に平行な平行光線とするように設計されているからである。このように、従来技術の光学素子の形状は、上述した本発明による光学素子の形状と全く異なる。 Referring to FIGS. 6 and 7, the light beam parallel to the optical axis is condensed at the intersection of the light emitting surface and the optical axis. This is because the conventional optical element is designed so that the light from the point light source is a parallel light beam parallel to the optical axis. Thus, the shape of the optical element of the prior art is completely different from the shape of the optical element according to the present invention described above.
つぎに、本発明の実施例の光学素子１００を使用した照明装置の配光分布と比較例の光学素子１５０を使用した照明装置の配光分布とを互いに比較しながら説明する。
Next, the light distribution of the illumination device using the
図８は、本発明の実施例の光学素子１００を使用した照明装置の配光分布を示す図である。図８の横軸は光軸に対する角度を示し、縦軸は、所定の角度の方向における光の相対強度を示す。図８の実線は、光学素子１００の全体を通過した光の分布を示す。太い点線は、屈折レンズ部１０１を通過した光の分布を示し、細い点線は、反射体部１０３を通過した光の分布を示す。
FIG. 8 is a diagram showing a light distribution of an illumination device using the
図１１は、比較例の光学素子１５０を使用した照明装置の配光分布を示す図である。図１１の横軸は光軸に対する角度を示し、縦軸は、所定の角度の方向における光の相対強度を示す。図１１の実線は、光学素子１５０の全体を通過した光の分布を示す。太い点線は、屈折レンズ部１５１を通過した光の分布を示し、細い点線は、反射体部１５３を通過した光の分布を示す。
FIG. 11 is a diagram illustrating a light distribution of an illumination device using the
図８における実線の形状と図１１における実線の形状を比較すると、図８においては、光の強度がピークから滑らかに低下しているのに対し、図１１においては、光の強度の低下が急激な部分と緩慢な部分とが存在している。 Comparing the shape of the solid line in FIG. 8 and the shape of the solid line in FIG. 11, in FIG. 8, the light intensity decreases smoothly from the peak, whereas in FIG. There is a slow part and a slow part.
図１４は、図８における実線及び図１１における実線の、角度と曲率との関係を示す図である。図１４の横軸は、光軸に対する角度を示し、縦軸は、所定の角度における実線の曲率を示す。曲率は以下の式で求めた。
図１４の実線で示す実施例の曲率は、ほぼ−０．２から０．２の範囲であるが、破線で示す比較例の曲率は、５度付近で０．６を上回り、この部分は暗く見える。また、比較例の曲率は、７度付近で−０．４を下回り、この部分で明るく見える。このように、比較例の曲率の変化は照射面において、好ましくない輝度のムラを生じる。 The curvature of the embodiment shown by the solid line in FIG. 14 is approximately in the range of −0.2 to 0.2, but the curvature of the comparative example shown by the broken line exceeds 0.6 around 5 degrees, and this portion is dark. appear. Further, the curvature of the comparative example is less than −0.4 at around 7 degrees, and appears bright at this portion. Thus, the change in the curvature of the comparative example causes an undesirable luminance unevenness on the irradiated surface.
図９は、中心からの距離がｄ１のＬＥＤ素子及び実施例の光学素子１００による光度分布を示す図である。図９の横軸は光軸に対する角度を示し、縦軸は、所定の角度の方向における光度（ルーメン／ステラジアン）を示す。図９において太い実線は、屈折レンズ部１０１による光度分布を示し、細い点線は、反射体部１０３による光度分布を示す。
FIG. 9 is a diagram showing the luminous intensity distribution of the LED element whose distance from the center is d1 and the
図１０は、中心からの距離がｄ２のＬＥＤ素子及び実施例の光学素子１００による光度分布を示す図である。図１０の横軸は光軸に対する角度を示し、縦軸は、所定の角度の方向における光度（ルーメン／ステラジアン）を示す。図１０において太い実線は、屈折レンズ部１０１による光度分布を示し、細い点線は、反射体部１０３による光度分布を示す。
FIG. 10 is a diagram illustrating the luminous intensity distribution of the LED element whose distance from the center is d2 and the
図１２は、中心からの距離がｄ１のＬＥＤ素子及び比較例の光学素子１５０による光度分布を示す図である。図１２の横軸は光軸に対する角度を示し、縦軸は、所定の角度の方向における光度（ルーメン／ステラジアン）を示す。図１２において太い実線は、屈折レンズ部１５１による光度分布を示し、細い点線は、反射体部１５３による光度分布を示す。
FIG. 12 is a diagram showing luminous intensity distributions of the LED element whose distance from the center is d1 and the
図１３は、中心からの距離がｄ２のＬＥＤ素子及び比較例の光学素子１５０による光度分布を示す図である。図１３の横軸は光軸に対する角度を示し、縦軸は、所定の角度の方向における光度（ルーメン／ステラジアン）を示す。図１３において太い実線は、屈折レンズ部１５１による光度分布を示し、細い点線は、反射体部１５３による光度分布を示す。
FIG. 13 is a diagram showing the luminous intensity distribution of the LED element whose distance from the center is d2 and the
実施例の光度分布を示す図９及び図１０と比較例の光度分布を示す図１２及び図１３とを比較すると、実施例における、太い実線で示す屈折レンズ部による光度のピークは、比較例における、太い実線で示す屈折レンズ部による光度のピークよりも小さくなっていることがわかる。これは、上述のように、実施例の屈折レンズ部１０１の焦点距離を発光面からシフトさせたためである。
9 and 10 showing the luminous intensity distribution of the example and FIGS. 12 and 13 showing the luminous intensity distribution of the comparative example, the peak of the luminous intensity due to the refractive lens portion indicated by a thick solid line in the example is in the comparative example. It can be seen that the light intensity is smaller than the light intensity peak due to the refractive lens portion indicated by a thick solid line. This is because the focal length of the
さらに、種々の形状の光学素子について検討した結果、光源の中心から離れたＬＥＤ素子による光度分布が以下の条件を満たすときに、光学素子全体によって適切な光強度分布が得られることが分かった。 Furthermore, as a result of examining optical elements having various shapes, it has been found that an appropriate light intensity distribution can be obtained by the entire optical element when the luminous intensity distribution by the LED elements away from the center of the light source satisfies the following conditions.
１．４≦Ｉｂｄ／Ｉａｄ≦２．０ （３）
１．４≦θａｄ／θｂｄ≦２．０ （４）
ここで、Ｉａｄは屈折レンズ部１０１を通った光線による光度のピーク値であり、Ｉｂｄは反射体部１０３を通った光線による光度のピーク値である。また、θａｄは屈折レンズ部１０１を通った光線による光度のピーク値が生じる角度であり、θｂｄは反射体部１０３を通った光線による光度のピーク値が生じる角度である。
1.4 ≦ Ibd / Iad ≦ 2.0 (3)
1.4 ≦ θad / θbd ≦ 2.0 (4)
Here, Iad is a peak value of luminous intensity due to the light beam that has passed through the
式（３）の項が下限値を下回った場合には、図９及び図１０において小さな角度の光線の強度が小さくなりすぎるので、図８の実線の曲率が大きくなる部分が生じる。また、式（３）の項が上限値を上回った場合には、図９及び図１０において小さな角度の光線の強度が大きくなりすぎるので、同様に、図８の実線の曲率が大きくなる部分が生じる。 When the term of the expression (3) is below the lower limit value, the intensity of the light beam having a small angle becomes too small in FIGS. 9 and 10, so that a portion where the curvature of the solid line in FIG. Further, when the term of the expression (3) exceeds the upper limit value, the intensity of the light beam at a small angle in FIGS. 9 and 10 becomes too large. Similarly, there is a portion where the curvature of the solid line in FIG. Arise.
式（４）の項が上限値を上回った場合には、図９及び図１０においてθａｄとθｂｄが離れすぎてしまうので、実線の光度と点線の光度の合計値が、θａｄとθｂｄの中間において小さくなり、図８の実線の曲率が大きくなる部分が生じる。式（４）の項の下限値は、通常は、１でよいが、薄型にする場合には１．４とするのが好ましい。 When the term of the equation (4) exceeds the upper limit value, θad and θbd are too far apart in FIGS. 9 and 10, so that the total value of the light intensity of the solid line and the light intensity of the dotted line is intermediate between θad and θbd. The part which becomes small and the curvature of the continuous line of FIG. 8 becomes large arises. The lower limit of the term of the formula (4) is usually 1 but is preferably 1.4 when making it thin.
光学素子全体によって適切な光強度分布を得るには、特に、式（３）を満たすことが重要である。 In order to obtain an appropriate light intensity distribution by the entire optical element, it is particularly important to satisfy the expression (3).
実施例の光度分布を表す図９において、Ｉａｄ=１０２４［ｃｄ］、Ｉｂｄ=１８０９［ｃｄ］、θａｄ＝７．０［°］、θｂｄ＝１３．０［°］であるので、Ｉｂｄ／Ｉａｄ=１．７７、θａｄ／θｂｄ＝１．８６となる。したがって、式（３）及び式（４）が満たされる。ここで、［ｃｄ］は、カンデラを意味する。 In FIG. 9 showing the luminous intensity distribution of the example, since Iad = 1024 [cd], Ibd = 1809 [cd], θad = 7.0 [°], and θbd = 13.0 [°], Ibd / Iad = 1.77 and θad / θbd = 1.86. Therefore, Expression (3) and Expression (4) are satisfied. Here, [cd] means candela.
実施例の光度分布を表す図１０において、Ｉａｄ=７１１［ｃｄ］、Ｉｂｄ=１０４９［ｃｄ］、θａｄ＝１１．０［°］、θｂｄ＝２２．０［°］であるので、Ｉｂｄ／Ｉａｄ=１．４８、θａｄ／θｂｄ＝２．００となる。したがって、式（３）及び式（４）が満たされる。 In FIG. 10 showing the light intensity distribution of the example, since Iad = 711 [cd], Ibd = 1049 [cd], θad = 11.0 [°], and θbd = 22.0 [°], Ibd / Iad = 1.48, θad / θbd = 2.00. Therefore, Expression (3) and Expression (4) are satisfied.
比較例の光度分布を表す図１２において、Ｉａｄ=２０００［ｃｄ］、Ｉｂｄ=１５７０［ｃｄ］、θａｄ＝７．０［°］、θｂｄ＝１３．０［°］であるので、Ｉｂｄ／Ｉａｄ=０．７９、θａｄ／θｂｄ＝１．７５となる。したがって、式（３）は満たされない。 In FIG. 12 showing the light intensity distribution of the comparative example, because Iad = 2000 [cd], Ibd = 1570 [cd], θad = 7.0 [°], and θbd = 13.0 [°], Ibd / Iad = 0.79 and θad / θbd = 1.75. Therefore, equation (3) is not satisfied.
比較例の光度分布を表す図１３において、Ｉａｄ=１３８７［ｃｄ］、Ｉｂｄ=１０５４［ｃｄ］、θａｄ＝１０．０［°］、θｂｄ＝２２．０［°］であるので、Ｉｂｄ／Ｉａｄ=０．７６、θａｄ／θｂｄ＝２．２０となる。したがって、式（３）及び式（４）は満たされない。 In FIG. 13 showing the light intensity distribution of the comparative example, since Iad = 1387 [cd], Ibd = 1054 [cd], θad = 10.0 [°], and θbd = 22.0 [°], Ibd / Iad = 0.76 and θad / θbd = 2.20. Therefore, Expression (3) and Expression (4) are not satisfied.
上述した図１のステップＳ０５０において、配光分布が所望のものとなるように屈折レンズ部１０１及び反射体部１０３の光学面の形状を調整する際に、光源の中心からの距離が最大であるＬＥＤ素子について式（３）が満たされるように光学面の形状を調整する。
In step S050 of FIG. 1 described above, the distance from the center of the light source is the maximum when adjusting the shape of the optical surfaces of the
Claims (7)
該光学素子は、その中心の周りの屈折レンズ部とその外側の反射体部を備え、該屈折レンズ部は該光源からの光を屈折させて前方に照射し、該反射体部は、該光源からの光を全反射させて前方に照射させるように構成され、該光学素子の中心と該光源の中心を結ぶ線を光軸として、該屈折レンズ部の該中心付近の焦点距離は、該光源の中心位置までの光軸上の距離よりも小さく、該屈折レンズ部の周縁部分の焦点距離は、該光源の中心位置までの光軸上の距離よりも大きくなるように構成された光学装置。 An optical device comprising a light source, an optical element for changing the direction of light from the light source, the,
Optical element comprises a refracting lens portion and the reflector portion of the outside around the center of its, the refractive lens unit is illuminated toward the forward direction by refracting the light from the light source, the reflector unit, said It is configured so that light from the light source is totally reflected and irradiated forward, and the focal length near the center of the refractive lens portion is the optical axis as a line connecting the center of the optical element and the center of the light source. An optical device configured to be smaller than the distance on the optical axis to the center position of the light source, and the focal length of the peripheral portion of the refractive lens portion to be larger than the distance on the optical axis to the center position of the light source .
ＲＬ≦Ｌ≦３ＲＬ
である請求項１から５のいずれかに記載の光学装置。 The maximum value of the light emitting region of the light source from the optical axis is R L, and the distance on the optical axis between the optical element and the light source is L,
R L ≦ L ≦ 3R L
The optical device according to any one of claims 1 to 5 .
ＲＬ＋Ｌ／２≦Ｄａ≦ＲＬ＋Ｌ
である請求項６に記載の光学装置。 A section perpendicular to the optical axis of the refractive lens is circular, and its radius is Da.
R L + L / 2 ≦ Da ≦ R L + L
The optical device according to claim 6.
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