JP6057272B2 - Optical member and illumination device using the same - Google Patents
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Description
本発明は、例えば、点光源の光を大面積の面状強度分布を持つ光に変換するのに好適な凹型レンズおよび光学部材、ならびにこれらを使用した照明装置に関する。 The present invention relates to, for example, a concave lens and an optical member suitable for converting light from a point light source into light having a large area planar intensity distribution, and an illumination device using these.
レーザおよび発光ダイオード(LED)などは指向性の高い光源であるため、電球や蛍光灯のように広い配光を有する光度分布を実現できない。このため、LEDなどを電球や蛍光灯に代わる次世代光源として使用するためには、例えばLEDを多数ならべ、光を面状にかつ略均一の強度で広げることが必要である。 Lasers, light emitting diodes (LEDs), and the like are light sources with high directivity, and thus cannot achieve a luminous intensity distribution having a wide light distribution like a light bulb or a fluorescent lamp. For this reason, in order to use an LED or the like as a next-generation light source that replaces a light bulb or a fluorescent lamp, it is necessary to arrange a large number of LEDs, for example, to spread light in a planar shape with a substantially uniform intensity.
光源の光を単に広げるためだけには、従来、拡散板や拡散フィルムなどの光拡散素子、あるいは光の屈折を使用した凸レンズ(砲弾型LEDのレンズも含む)や凹レンズ、さらには凸レンズを薄型化したフレネルレンズやキノフォームなどが用いられてきた。 In order to simply spread the light from the light source, conventionally thin light diffusing elements such as diffusing plates and diffusing films, or convex lenses (including bullet-type LED lenses) and concave lenses that use light refraction are made thinner. Fresnel lenses and kinoforms that have been used have been used.
しかしながら、上記で取り上げた光学部品は点光源の配光制御を目的とした素子ではないだけでなく、次のような問題がある。すなわち、例えば、拡散板によって光を拡散させると、透過率が悪くなり光の使用効率が悪くなる。また、図11に示したように、凹レンズ2は屈折を使用したレンズであるため、その焦点距離は、基板材料の屈折率と曲率半径とに依存しており、焦点距離を自由に制御することができない。さらに、レンズ形状を薄くすることができないという問題もある。
However, the optical component taken up above is not only an element intended for light distribution control of a point light source, but also has the following problems. That is, for example, if light is diffused by the diffusion plate, the transmittance is deteriorated and the light use efficiency is deteriorated. Moreover, as shown in FIG. 11, since the
本発明は、このような従来の実情に鑑み、LEDなどのように消費エネルギーが少なく、指向性の高い光エネルギーを有効使用して、大面積の表示部を略均一な照度分布で高範囲に照射することのできる凹型レンズおよび光学部材、ならびにこれらを使用した照明装置を提供することを目的としている。 In view of such a conventional situation, the present invention uses a light energy with low energy consumption and high directivity, such as an LED, so that a large-area display unit can be in a high range with a substantially uniform illuminance distribution. An object of the present invention is to provide a concave lens and an optical member that can irradiate, and an illumination device using these.
本発明者らは、できるだけ多くの光を外部に広げて取り出すために、高い透過性を有し、焦点距離の制御が容易な手法を見出し、本発明を完成するに至った。 The present inventors have found a technique having high transparency and easy control of the focal length in order to spread and extract as much light as possible to the outside, and have completed the present invention.
上記目的を達成するための本発明に係る凹型レンズは、光を透過させる透明基材の少なくとも一方の表面に、同心円状の構造体で、その中心を通る断面が三角形状の構造体を複数形成したことを特徴としている。 In order to achieve the above object, a concave lens according to the present invention forms a plurality of concentric structures on a surface of a transparent base material that transmits light, and a plurality of structures having a triangular cross section passing through the center. It is characterized by that.
また、本発明に係る凹型レンズにおいては、前記三角形状の構造体が、下記式(1)を満たすm番目の輪帯半径と、m−1番目の輪帯半径との間に存在することが好ましい。
m番目の輪帯半径(μm):r(m)=(m2λ0 2+2mλ0f)1/2 …(1)
(mは1以上の任意の整数を表し、fは任意の数で焦点距離(μm)を表し、λ0は任意の数で光源波長(μm)を表す。)
In the concave lens according to the present invention, the triangular structure may exist between an m-th zone radius that satisfies the following expression (1) and an m-1 zone radius. preferable.
m-th zone radius (μm): r (m) = (m 2 λ 0 2 + 2mλ 0 f) 1/2 (1)
(M represents an arbitrary integer of 1 or more, f represents an arbitrary number of focal lengths (μm), and λ 0 represents an arbitrary number of light source wavelengths (μm).)
さらに、本発明に係る凹型レンズにおいては、前記三角形状の構造体の高さが、すべて下記式(2)で表されることが好ましい。
高さ(μm):h=λ0/(n−1)…(2)
(λ0は任意の数で光源波長(μm)を表し、nは構造体を形成している物質のλ0に対する屈折率を表す。)
Furthermore, in the concave lens according to the present invention, it is preferable that all the heights of the triangular structures are represented by the following formula (2).
Height (μm): h = λ 0 / (n−1) (2)
(Λ 0 represents an arbitrary number of light source wavelengths (μm), and n represents a refractive index with respect to λ 0 of the substance forming the structure.)
また、本発明に係る光学部材は、光を透過させる透明基材の少なくとも一方の表面に、断面が矩形状の構造体を複数形成したことを特徴としている。 The optical member according to the present invention is characterized in that a plurality of structures having a rectangular cross section are formed on at least one surface of a transparent base material that transmits light.
さらに、本発明に係る光学部材においては、前記矩形状の構造体が、同心円状に形成されていることが好ましい。 Furthermore, in the optical member according to the present invention, it is preferable that the rectangular structure is formed concentrically.
また、本発明に係る光学部材においては、前記矩形状の構造体が、下記式(1)を満たすm番目の輪帯半径と、m−1番目の輪帯半径との間に1つ以上存在する群であることが好ましい。
m番目の輪帯半径(μm):r(m)=(m2λ0 2+2mλ0f)1/2 …(1)
(mは1以上の任意の整数を表し、fは任意の数で焦点距離(μm)を表し、λ0は任意の数で光源波長(μm)を表す。)
In the optical member according to the present invention, at least one rectangular structure is present between the m-th zone radius and the m-1-th zone radius satisfying the following formula (1). It is preferable to be a group.
m-th zone radius (μm): r (m) = (m 2 λ 0 2 + 2mλ 0 f) 1/2 (1)
(M represents an arbitrary integer of 1 or more, f represents an arbitrary number of focal lengths (μm), and λ 0 represents an arbitrary number of light source wavelengths (μm).)
さらに、本発明に係る光学部材においては、前記矩形状の構造体の高さTが、0.4μm≦T≦1.2μmであることが好ましい。 Furthermore, in the optical member according to the present invention, it is preferable that the height T of the rectangular structure is 0.4 μm ≦ T ≦ 1.2 μm.
また、本発明に係る光学部材においては、前記矩形状の構造体が、下記条件1)〜5)を満たす構造体の群であることが好ましい。
1)m番目の構造体の群の幅(μm):dm=r(m)−r(m-1)
2)m番目の構造体の幅を任意の数に分割した幅(μm):
gm=dm/xm
(xmはm番目の構造体において、1以上の任意の整数を表す。)
3)m番目の構造体に相当する位置におけるi番目の高さ(μm):
Tm(i)={T/(xm−1)}・(i−1)
(Tは前記矩形状の構造体の高さを表し、iは1〜xmの整数を表す。)
4)m番目の構造体の群に存在するi番目の構造体のデューティー比:
tm(i)=1−Tm(i)/T
5)m番目の構造体の群に存在するi番目の構造体の幅:tm(i)・gm
In the optical member according to the present invention, it is preferable that the rectangular structure is a group of structures that satisfy the following conditions 1) to 5).
1) Width of group of m-th structure (μm): d m = r (m) −r (m−1)
2) Width obtained by dividing the width of the m-th structure into an arbitrary number (μm):
g m = d m / x m
(X m represents an arbitrary integer of 1 or more in the m-th structure.)
3) i-th height (μm) at a position corresponding to the m-th structure:
T m (i) = {T / (x m -1)} · (i-1)
(T represents the height of the rectangular structure, and i represents an integer of 1 to x m .)
4) Duty ratio of the i-th structure existing in the group of the m-th structure:
t m (i) = 1−T m (i) / T
5) Width of the i-th structure existing in the group of the m-th structure: t m (i) · g m
このような構成の凹型レンズまたは光学部材であれば、大面積に対する照射光度を略均一にして広げるにあたり、薄型レンズで高い透過性を有し、焦点距離の制御が容易で、コスト的にも安価に形成することができる。 With a concave lens or optical member having such a configuration, a thin lens has high transparency, easy control of the focal length, and low cost in spreading the illumination intensity with respect to a large area to be substantially uniform. Can be formed.
また、本発明に係る照明装置は、上記いずれかに記載の凹型レンズまたは光学部材と、光源とから構成されることを特徴としている。 In addition, an illumination device according to the present invention includes any one of the concave lenses or optical members described above and a light source.
また、本発明に係る照明装置は、その光源が白色LEDであることが好ましい。
また、本発明に係る照明装置においては、光源波長λ0が、0.555±0.020μmとして設計されていることが好ましい。
また、本発明に係る照明装置においては、焦点距離fが、0.3〜0.1mmであることが好ましい。
In the illumination device according to the present invention, the light source is preferably a white LED.
In the lighting device according to the present invention, the light source wavelength λ 0 is preferably designed to be 0.555 ± 0.020 μm.
Moreover, in the illuminating device which concerns on this invention, it is preferable that the focal distance f is 0.3-0.1 mm.
このような構成の照明装置であれば、例えば、店頭などに載置される看板などの照明装置として有効使用を図ることができる。 If it is an illuminating device of such a structure, effective use can be aimed at as illuminating devices, such as a signboard mounted in a shop front etc., for example.
本発明によれば、指向性の強い点光源の光を略均一の強度で大面積の面状強度分布を持つ光に変換することができ、焦点距離を構造で制御でき、電子線描画で容易に作製可能である。さらに本発明のレンズ形状の金型を作製し、射出成型が可能になれば、安価に作製可能で、大面積に対する照度を略均一にして照射することが可能になる。 According to the present invention, it is possible to convert light from a highly directional point light source into light having a substantially uniform intensity and a large area planar intensity distribution, the focal length can be controlled by the structure, and easy by electron beam drawing. Can be produced. Furthermore, if the lens-shaped mold of the present invention is manufactured and injection molding becomes possible, it can be manufactured at low cost, and irradiation can be performed with substantially uniform illuminance for a large area.
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。
図1は、本発明の一実施形態に係る凹型レンズ10を使用した照明装置12の概略図である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic view of an
凹型レンズ10は、フレネル型の凹レンズであり、光透過性で平板状に形成された透明基材14の一方面に、高さhが一定である断面三角形状の凸部16a、16b、16c、16d…を半径方向に有している。これら各凸部16a、16b、16c、16d…の三角形の一辺をなす垂直な面13は、径方向の外側に配置される構造となっている。すなわち、三角形の斜面が外側に傾く姿勢となっている。さらに、この凹型レンズ10では、径方向の外側に近づくに従って、凸部間の間隙r1、r2、r3、r4が、所定の割合で小さくなるように設定されている。
The
このように形成された凹型レンズ10と光源18とを組み合わせた照明装置12の場合、光源18から矢印Y方向に光が照射されると、その光は、透明基材14を射出するときに構造の厚い方向に向かって光が回折するため、それぞれy方向に広がって進む。これにより、点状の光源18であっても、大面積を照射することが可能になる。また、このとき、光の回折現象により射出面側では光の強度を略均一にして光の広がりを得ることができる。
In the case of the illuminating
このような照明装置12は、図2に示したように、例えば、コンビニエンスストアの看板照明などとして使用することができる。
図2に示したように、この看板照明20では、例えば、プラスチック製の筐体22内に、上記の照明装置12が収容されている。そして、この照明装置12では、LEDランプ18から照射された指向性の強い光がリフレクター26によって開口面側に反射され、その光が凹型レンズ10により広範囲に亘って発散されることにより、乳白色の板体28に記載された情報が外方に表示される。
Such an illuminating
As shown in FIG. 2, in the
このような使い勝手であれば、消費エネルギーが少なく指向性の高いLEDあるいはレーザーエネルギーを有効使用して大面積の表示部を略均一な照度分布で照射することが可能であり、長期間の継続使用においても安価に稼動させることができる。 With such ease of use, it is possible to irradiate a large display area with a substantially uniform illuminance distribution by effectively using LED or laser energy with low energy consumption and high directivity, and continuous use over a long period of time Can be operated at low cost.
なお、図2に示した照明装置20では、リフレクター26の天板から板体28の下面までの距離Eは6cmで、筐体22の幅Fは20cmである。
このようにLEDランプ18と、光を出射させる照明板28との間隔が近距離であっても、光を外方に向かって略均一に照らすことが可能である。
In the
Thus, even if the distance between the
なお、光源は、LEDランプ18、レーザなどに何ら限定されず、有機EL、電球、蛍光灯などであっても同様の効果を奏することができる。
凹型レンズ10を構成する透明基材14は、透明な有機系の高分子であれば特に限定されない。代表的には、環状オレフィン系樹脂、ポリカーボネート樹脂、アクリル樹脂、ポリエステル樹脂、ポリサルホン樹脂などからなる高分子フィルムで透明性の高いものであれば、何でもよい。また2種以上の樹脂をブレンドして使用することも可能である。これらの樹脂の中で、光学特性や耐熱性の点から環状オレフィン系樹脂が好ましい。
Note that the light source is not limited to the
The
凹型レンズ10を看板用の照明装置に用いた場合の効果を調べるため、室内での実験を行った。この実験では、図3に示したように、光源18として光源波長が532nmの単色(緑色)のレーザを用いた。そして、直径1mmのピンホール19から20cm離れた壁21に向かってレーザ光を照射し、幅方向にどの程度の広がりを見せるかの確認を行った。光の広がりSは10cmになることが確認され、照明装置として十分の機能を発揮することが確認された。
以下に、図2に示した看板用の照明装置12として凹型レンズ10を使用する場合に、好ましい態様について、図4を参照しながら説明する。
In order to investigate the effect when the
Below, when using the
この図4に示した例では、例えば、凹型レンズ10における、例えば、センターに形成された凸部16aを、複数の領域(2,4,6)に分割してそれをバイナリ化して同等品を得るための設計の段階を順番に示している。
In the example shown in FIG. 4, for example, the
図4(A)は、本発明の一実施形態による凹型レンズを示したものである。この凹型レンズは、透明基材14の一方面に同心円状の構造体で、その中心を通る断面が三角形状の構造体16a、16b…16mを複数形成している。
FIG. 4A shows a concave lens according to an embodiment of the present invention. This concave lens is a concentric structure on one surface of the
上記三角形状の構造体は、下記式(1)を満たすm番目の輪帯半径と、m−1番目の輪帯半径との間に存在している。
m番目の輪帯半径(μm):r(m)=(m2λ0 2+2mλ0f)1/2 …(1)
(mは1以上の任意の整数を表し、fは任意の数で焦点距離(μm)を表し、λ0は任意の数で光源波長(μm)を表す。)
The triangular structure exists between an m-th zone radius that satisfies the following formula (1) and an m-1 zone radius.
m-th zone radius (μm): r (m) = (m 2 λ 0 2 + 2mλ 0 f) 1/2 (1)
(M represents an arbitrary integer of 1 or more, f represents an arbitrary number of focal lengths (μm), and λ 0 represents an arbitrary number of light source wavelengths (μm).)
また、図4(A)に示した凹型レンズにおける三角形状の構造体16a、16b…16mの高さhは、下記式(2)で表される高さ(μm)を有している。
高さ(μm):h=λ0/(n−1)…(2)
(nは構造体を形成している物質のλ0に対する屈折率を表す。)
このような輪帯半径と高さとを有する鋸歯状の凹型レンズであれば、指向性の高い光を、射出面側では光の強度を略均一にして光の広がりを得ることができる。
Further, the height h of the
Height (μm): h = λ 0 / (n−1) (2)
(N represents the refractive index with respect to λ 0 of the substance forming the structure.)
With a serrated concave lens having such an annular radius and height, it is possible to obtain light spreading with light having high directivity and light intensity substantially uniform on the exit surface side.
したがって、この図4(A)に示した鋸歯状の凹型レンズと、光源18とを組み合わせて照明装置とし、その照明装置を図2に示したような照明看板20に好ましく採用することができる。
Therefore, the sawtooth concave lens shown in FIG. 4A and the
さらに、本発明では、図4(A)に示した凹型レンズに基づいて図4(C)に示したようなバイナリ型の回折型光学部材を作製し、凹型レンズと同様の機能を持たすことができる。 Furthermore, in the present invention, a binary type diffractive optical member as shown in FIG. 4C is produced based on the concave lens shown in FIG. 4A, and the same function as the concave lens can be obtained. it can.
ここで、本発明において、平板状の透明基材14の表面を加工するために、例えば、LSI製造に汎用に用いられるフォトリソグラフィとドライエッチングの技術や紫外線硬化樹脂に金型をプレスして作製する技術が採用されている。
Here, in the present invention, in order to process the surface of the flat
フォトリソグラフィとドライエッチングの技術で作製する場合、具体的には、透明基材にフォトレジストをスピンコートし、フォトマスクを介してUV光により露光/現像することで微細構造パターンをフォトレジストに転写する。その上で、ドライエッチングにより位相をラジアンに相当する深さまで基材をエッチングし、基材に微細構造を転写し、最後にレジストを除去することによって、図4(C)に示すように凹凸部を有する断面形状が完成する。 When producing by photolithography and dry etching technology, specifically, a photoresist is spin-coated on a transparent substrate, and exposure / development is performed with UV light through a photomask to transfer the fine structure pattern to the photoresist. To do. Then, the substrate is etched to a depth corresponding to radians by dry etching, the fine structure is transferred to the substrate, and finally the resist is removed, as shown in FIG. A cross-sectional shape having is completed.
なお、図4(A)の凹型レンズから最終的に図4(C)あるいは図5(B)に示したようなバイナリ型の回折型光学部材を作製する場合、以下の条件で行われる。 When a binary diffractive optical member as shown in FIG. 4C or FIG. 5B is finally produced from the concave lens of FIG. 4A, the following conditions are used.
すなわち、さらに、1)〜5)の条件を満たすように設定される。
1)m番目の構造体の群の幅(μm):dm=r(m)−r(m-1)
2)m番目の構造体の幅を任意の数に分割した幅(μm):gm=dm/xm
(xmはm番目の構造体において、1以上の任意の整数を表す。)
3)m番目の構造体に相当する位置におけるi番目の高さ(μm):
Tm(i)={T/(xm−1)}・(i−1)
(iは1〜xmの整数を表す。
Tは構造体の高さであり、0.4μm≦T≦1.2μmである。)
4)m番目の構造体の群に存在するi番目の構造体のデューティー比:
tm(i)=1−Tm(i)/T
5)m番目の構造体の群に存在するi番目の構造体の幅:tm(i)・gm
(mは1以上の任意の整数を表し、fは任意の数で焦点距離(μm)を表し、
λ0は任意の数で光源波長(μm)を表す。)
That is, it is further set to satisfy the conditions 1) to 5).
1) Width of group of m-th structure (μm): d m = r (m) −r (m−1)
2) Width obtained by dividing the width of the m-th structure into an arbitrary number (μm): g m = d m / x m
(X m represents an arbitrary integer of 1 or more in the m-th structure.)
3) i-th height (μm) at a position corresponding to the m-th structure:
T m (i) = {T / (x m -1)} · (i-1)
(I is an integer of 1 to x m.
T is the height of the structure, and 0.4 μm ≦ T ≦ 1.2 μm. )
4) Duty ratio of the i-th structure existing in the group of the m-th structure:
t m (i) = 1−T m (i) / T
5) Width of the i-th structure existing in the group of the m-th structure: t m (i) · g m
(M represents an arbitrary integer of 1 or more, f represents an arbitrary number of focal lengths (μm),
λ 0 is an arbitrary number and represents the light source wavelength (μm). )
上記の条件において、凸部16aなどを複数の領域に分割する。分割数は任意であるが、好ましくは、2,4,6…などのように偶数である。
上記の条件を当てはめて、例えば、m番目の構造体の群の幅dmを、4つに分割したときの幅gmは、gm=dm/4である。このときの高さTm(i)は、上記3)より、Tm(i)={T/(xm−1)}・(i−1)であるため、
Tm(1)=0
Tm(2)=T/3
Tm(3)=2T/3
Tm(4)=T
となり、中心に向かう構造体(J、K、L、M)の群の高さは、中心に向かうにつれて次第に小さくなり、構造体Mの高さは0である。
Under the above conditions, the
By applying the above conditions, for example, the width g m when the width d m of the group of m-th structure was divided into four is g m = d m / 4. The height T m (i) at this time is T m (i) = {T / (x m −1)} · (i−1) from the above 3).
T m (1) = 0
T m (2) = T / 3
T m (3) = 2T / 3
T m (4) = T
Thus, the height of the group of structures (J, K, L, M) toward the center gradually decreases toward the center, and the height of the structure M is zero.
また、このときのデューティー比は、上記4)より、tm(i)=1−Tm(i)/Tであるため、
tm(1)=1
tm(2)=2/3
tm(3)=1/3
tm(4)=0
となる。
Further, the duty ratio at this time is t m (i) = 1−T m (i) / T from the above 4).
t m (1) = 1
t m (2) = 2/3
t m (3) = 1/3
t m (4) = 0
It becomes.
なお、上記3)に記載したi番目の高さTm(i)とは、例えば、図4(B)に示したように、突起体の深さWiである。
これにより、図4(C)に示したように、構造体(O,P,Q,R)の各幅は、上記5)より、tm(i)・gmで示されるので、t1、t2、t3と中心に向かうほど狭くなり、t4は幅0である。
Note that the i-th height T m (i) described in the above 3) is, for example, the depth W i of the protrusion as shown in FIG. 4B.
Thus, as shown in FIG. 4 (C), each width of the structure (O, P, Q, R), from the 5), as demonstrated by the t m (i) · g m ,
すなわち、構造体Oの幅を1としたとき、構造体Pは2/3の割合、構造体Qは1/3の割合、構造体Rは零となる。
図5(A),(B)は、このようにして鋸歯状の突起体16a、16b、…16mからバイナリ化を図った例を示している。
That is, when the width of the structure O is 1, the structure P has a ratio of 2/3, the structure Q has a ratio of 1/3, and the structure R has zero.
FIGS. 5A and 5B show an example in which binarization is performed from the
図5(B)に示されるように、回折型光学部材40では、周期dは、外方に向かうほど短くなる。
As shown in FIG. 5B, in the diffractive
[実施例1]
図6は、1周期あたりの突起体の数N=2(上記式2)において、xm=4)の回折型光学部材の右半分の構造図である。作製した回折型光学部材50にレーザ光(ダイオード励起緑色固体レーザ、PROPHOTNIX社製、λ=0.532μm)を照射し、その遠視野像と光強度測定とから焦点距離の確認を行った。
[Example 1]
FIG. 6 is a structural diagram of the right half of the diffractive optical member with the number of protrusions per cycle N = 2 (the above formula 2), x m = 4). The produced diffractive
また、1周期あたりの突起体の数Nと回折光強度との関係を調べるために、それぞれの回折型光学部材のcenter、middle、edge部分の周期構造を有する回折パターンを作製し、一次回折光強度の測定を行った。 In addition, in order to investigate the relationship between the number N of protrusions per period and the intensity of diffracted light, a diffraction pattern having a periodic structure of the center, middle, and edge portions of each diffractive optical member is prepared, and the first-order diffracted light Intensity measurements were taken.
この結果から、回折型光学部材の中央部分であるcenter構造では、1周期あたりの突起体の数N=4(上記式2)において、xm=6)のとき、回折型光学部材の中間領域であるmiddle構造では、N=2(上記式2)において、xm=4)のとき、回折型光学部材の外側付近であるedge構造では、N=1(上記式2)において、xm=2)のときに、強い一次回折光強度が得られた。 From this result, in the center structure which is the central portion of the diffractive optical member, when the number of protrusions per period N = 4 (x m = 6 in the above equation 2), the intermediate region of the diffractive optical member In the middle structure, where N = 2 (in the above formula 2), x m = 4), in the edge structure near the outside of the diffractive optical member, in the N = 1 (the above formula 2), x m = In the case of 2), a strong first-order diffracted light intensity was obtained.
この結果から、第1周期目(center構造)をN=4、第2周期〜第36周期目をN=2、第37周期〜第109周期目をN=1として、構造変調型回折型光学部材を作製した。 From this result, it is assumed that the first period (center structure) is N = 4, the second period to the 36th period is N = 2, and the 37th period to the 109th period is N = 1. A member was prepared.
作製した構造変調型回折型光学部材を用いて、フォトダイオードで遠視野像の光強度測定を行った。その結果、図7に示すように、center、middle、edge部分において1周期あたりの突起体の数が異なる構造変調型回折型光学部材を作製することにより、全ての周期においてN=1の回折型光学部材を作製したときに比べて、最も好ましい照度分布を得ることができた。 Using the structural modulation type diffractive optical member thus fabricated, the light intensity of the far-field image was measured with a photodiode. As a result, as shown in FIG. 7, by producing a structure-modulating diffractive optical member having different numbers of protrusions per period in the center, middle, and edge portions, N = 1 diffraction type in all periods The most preferable illuminance distribution was obtained as compared with the case where the optical member was produced.
[実施例2]
表面実装タイプLED(GOLDEN DRAGON ULTRA WHITE,LUW W5SM−JZKY−4C8E、OSRAM社製)の発光ピークをLED配光測定器(IMS−5000、朝日分光(株)製)で測定したところ、発光スペクトルは0.380〜0.800μmの間に広がっており、ピークは青色LEDのピーク0.446μmとYAG蛍光体のピーク0.555μmとがあった。
[Example 2]
When the emission peak of a surface mount type LED (GOLDEN DRAGON ULTRA WHITE, LUW W5SM-JZKY-4C8E, manufactured by OSRAM) was measured with an LED light distribution meter (IMS-5000, manufactured by Asahi Spectroscopy), the emission spectrum was It spreads between 0.380 and 0.800 μm, and the peak was a blue LED peak 0.446 μm and a YAG phosphor peak 0.555 μm.
光源波長を0.446μm,0.500μm,0.555μm,0.780μmとして設計し、1周期当たりの突起体の数Nを全ての周期でN=1とし、焦点距離を何れも2mmとして、直径1mmの回折型光学部材を作製した。
The light source wavelength is designed to be 0.446 μm, 0.500 μm, 0.555 μm, 0.780 μm, the number N of protrusions per cycle is N = 1 in all cycles, the focal length is 2 mm, and the
LEDに直径1mmのピンホールを取り付け、上記で作製した回折型光学部材をLED上に搭載し、回折型光学部材から30mm離れたところでフォトダイオードによる光強度分布測定を行った。その結果、図8に示すように、いずれの光源波長で設計した回折型光学部材であっても、回折型光学部材を搭載しない(ピンホールのみ)場合と比べ、回折型光学部材を搭載した場合の方が、LEDの光が拡散していることがわかった。 A 1 mm diameter pinhole was attached to the LED, the diffractive optical member produced above was mounted on the LED, and the light intensity distribution was measured with a photodiode at a distance of 30 mm from the diffractive optical member. As a result, as shown in FIG. 8, even when the diffractive optical member is designed for any light source wavelength, the diffractive optical member is mounted as compared with the case where the diffractive optical member is not mounted (only the pinhole). It was found that the light from the LED was diffused.
[実施例3]
実施例2のフォトダイオードの代わりに回折型光学部材から0.7mの場所にスクリーンを設置し、スクリーンに投影された像を撮影した。また、色度の空間分布をLED配光測定器(IMS−5000、朝日分光(株)製)で測定を行い、色度座標上で、x=0.310,y=0.316からの色度のずれを、標準偏差として計算した。
[Example 3]
Instead of the photodiode of Example 2, a screen was installed at a position 0.7 m from the diffractive optical member, and an image projected on the screen was taken. In addition, the spatial distribution of chromaticity is measured with an LED light distribution meter (IMS-5000, manufactured by Asahi Spectroscopy Co., Ltd.), and the color from x = 0.310 and y = 0.316 on the chromaticity coordinates. The degree deviation was calculated as the standard deviation.
その結果、光源波長を0.446μmから0.555μmとして設計した回折型光学部材になるにつれて、青色から白色に変化し、光源波長を0.780μmとして設計した回折型光学部材については赤味が増してくることがわかった。また、図9に示すように、光源波長を0.555μmとして設計した回折型光学部材が、広い角度範囲にわたって標準偏差が最も小さくなることがわかった。このように本発明に係る照明装置の一実施態様においては、光源波長λ0が、0.555±0.020μmとして、つまり0.555−0.020μm≦λ0≦0.555+0.020μmとして設計されていることが好ましい。 As a result, as the diffractive optical member is designed with a light source wavelength of 0.446 μm to 0.555 μm, the color changes from blue to white, and redness increases for the diffractive optical member designed with a light source wavelength of 0.780 μm. I knew it would come. Further, as shown in FIG. 9, it was found that the standard deviation of the diffractive optical member designed with the light source wavelength of 0.555 μm is the smallest over a wide angle range. Thus, in one embodiment of the lighting device according to the present invention, the light source wavelength λ 0 is designed to be 0.555 ± 0.020 μm, that is, 0.555−0.020 μm ≦ λ 0 ≦ 0.555 + 0.020 μm. It is preferable that
[実施例4]
光源波長を0.555μmとして設計し、焦点距離を0.3mmとした他は実施例2と同様にして回折型光学部材を作製し、実施例2と同様の測定を行った。その結果、図10に示すように、焦点距離が0.3mmでも、回折型光学部材を搭載しない(ピンホールのみ)場合と比べ、回折型光学部材を搭載した場合の方が、LEDの光が拡散していることがわかった。このように本発明に係る照明装置の一実施態様においては、焦点距離fが、0.3〜0.1mmであることが好ましい。
[Example 4]
A diffractive optical member was prepared in the same manner as in Example 2 except that the light source wavelength was designed to be 0.555 μm and the focal length was set to 0.3 mm, and the same measurement as in Example 2 was performed. As a result, as shown in FIG. 10, even when the focal length is 0.3 mm, the LED light is more light when the diffractive optical member is mounted than when the diffractive optical member is not mounted (only the pinhole). I found that it was spreading. Thus, in one embodiment of the lighting device according to the present invention, the focal length f is preferably 0.3 to 0.1 mm.
10 凹型レンズ
12 照明装置
13 壁面
16 透明基材
16a、16b、16c、16d 突起体
18 光源(532nmの緑色レーザ)
19 ピンホール
20 看板
21 壁
22 筐体
26 リフレクター
DESCRIPTION OF
19
Claims (10)
前記矩形状の構造体が、下記条件1)〜5)を満たす構造体の群であることを特徴とする光学部材。
1)m番目の構造体の群の幅(μm):dm=r(m)−r(m-1)
2)m番目の構造体の幅を任意の数に分割した幅(μm):
gm=dm/xm
(xmはm番目の構造体において、1以上の任意の整数を表す。)
3)m番目の構造体に相当する位置におけるi番目の高さ(μm):
Tm(i)={T/(xm−1)}・(i−1)
(Tは前記矩形状の構造体の高さを表し、iは1〜xmの整数を表す。)
4)m番目の構造体の群に存在するi番目の構造体のデューティー比:
tm(i)=1−Tm(i)/T
5)m番目の構造体の群に存在するi番目の構造体の幅:tm(i)・gm(ここでm番目の構造体の群に存在する各構造体の各幅は、光学部材の中心に向かうほど狭くなる。) An optical member in which a plurality of structures having a rectangular cross section are formed on at least one surface of a transparent substrate that transmits light,
The optical member, wherein the rectangular structure is a group of structures satisfying the following conditions 1) to 5).
1) Width of group of m-th structure (μm): d m = r (m) −r (m−1)
2) Width obtained by dividing the width of the m-th structure into an arbitrary number (μm):
g m = d m / x m
(X m represents an arbitrary integer of 1 or more in the m-th structure.)
3) i-th height (μm) at a position corresponding to the m-th structure:
T m (i) = {T / (x m -1)} · (i-1)
(T represents the height of the rectangular structure, and i represents an integer of 1 to x m .)
4) Duty ratio of the i-th structure existing in the group of the m-th structure:
t m (i) = 1−T m (i) / T
5) Width of the i-th structure existing in the m-th structure group: t m (i) · g m (where each width of the structure existing in the m-th structure group is optical (Narrower toward the center of the member.)
m番目の輪帯半径(μm):r(m)=(m2λ0 2+2mλ0f)1/2 …(1)
(mは1以上の任意の整数を表し、fは任意の数で焦点距離(μm)を表し、λ0は任意の数で光源波長(μm)を表す。) The said rectangular structure is a group which exists in one or more between the mth ring zone radius which satisfy | fills following formula (1), and the m-1st ring zone radius, It is characterized by the above-mentioned. The optical member according to 1 or 2.
m-th zone radius (μm): r (m) = (m 2 λ 0 2 + 2mλ 0 f) 1/2 (1)
(M represents an arbitrary integer of 1 or more, f represents an arbitrary number of focal lengths (μm), and λ 0 represents an arbitrary number of light source wavelengths (μm).)
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