TW202246699A - 照明裝置、透鏡、擴散元件與透鏡組、及行進體 - Google Patents

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Abstract

本發明係關於一種照明裝置，其包含光源、擴散元件以及透鏡群，光源射出平行光或發散光；擴散元件接收從光源射出的光並以50°以上、110°以下的擴散角射出光；透鏡群具有負屈光度，於其第一面從擴散元件接收光後，以140°以上的配光角從其第二面射出光。

Description

照明裝置、透鏡、擴散元件與透鏡組、及行進體
本發明係有關照明裝置。
近年來，車用的周遭監視感測器或車內監視感測器，以及醫院、工廠等設施中監視人等移動體的監視感測器，其照明均使用以雷射為光源的照明裝置。
此類照明裝置為使從一個光源射出的雷射光儘可能進行大範圍照明，會擴大雷射光光束的傳播，要求以廣角（例如180度）射出光。此處所謂的廣角，可例如在水平方向的廣角，或水平方向加上垂直方向的廣角。
習知的雷射光擴散手段，舉例來說，會使用柔光罩或蛋白石等類型的擴散板、微透鏡陣列或微稜鏡陣列、DOE等擴散元件使光擴散。但是，單獨使用擴散板或擴散元件（以下稱為「擴散元件」）的構造，要有效率地使雷射光廣角化是有極限的。為了超越其極限，以下使光擴散廣角化的方法已眾所周知：組合擴散元件及含有負屈光度的透鏡，使已透過擴散元件擴散的光藉由透鏡更加擴散。
舉例來說，以下的專利文獻1中揭露了一種以確保人眼安全性為目的的雷射照明裝置，其具備雷射光源、微元件透鏡及彎月形透鏡，微元件透鏡使從雷射光源射出的雷射光擴散，彎月形透鏡具有負屈光度，可使來自微元件透鏡的雷射光擴散。
[專利文獻1]  日本公開2018-133138號公報
專利文獻1所揭露的雷射照明裝置因放大了投影在人眼上的外在光源尺寸，為能確保對眼睛的安全性，將具有負屈光度的彎月形透鏡設在微元件透鏡的後方，但有關配光角度只記載了係為廣角（例如140度），並未進一步揭露使光更為擴散的構造。
本發明係有鑑於上述問題點而構思，其目的係提供可使光擴散更為廣角的照明裝置。
為解決上述課題，本發明一態樣的照明裝置係包含光源、擴散元件以及透鏡群，光源射出平行光或發散光；擴散元件接收從光源射出的光並以50°以上、110°以下的擴散角射出光；透鏡群具有負屈光度，於其第一面從擴散元件接收光後，以140°以上的配光角從其第二面射出光。
又，將以上構成要件任意組合，或將本發明的表現於方法、裝置、系統等之間所做的變換，均為本發明的有效態樣。
以效果而言，本發明可提供可使光擴散更為廣角的照明裝置。
以下針對本發明的實施型態進行說明。各圖中所示同一或同等的構成元件、構件、處理將以相同的符號表示，適當地省略重複說明。又，實施型態僅為舉例，並非針對發明予以限定，實施型態中記述的所有特徵及其組合也不一定代表發明的本質。
圖1係本發明一實施形態之照明裝置10的概略剖面圖。圖2係本發明一實施形態之照明裝置10的概略斜視圖。如圖1及圖2所示，照明裝置10具備光源12、擴散元件14以及透鏡群16。
光源12射出平行光或發散光。可特別採用射出同調性雷射光的雷射光源作為光源12。擴散元件14係接收從光源12射出的光，並以50°以上、110°以下的擴散角射出光。擴散元件14可為板狀，可特別是在板材的任一主平面具備複數微透鏡的微透鏡陣列。透鏡群16具有負屈光度。透鏡群16接收從擴散元件14所射出的光，並以140°以上的配光角將光射出。透鏡群16可特別是單一的彎月形透鏡。所謂的「透鏡群」可由一個或多個透鏡所構成，如以複數個透鏡構成，係表示該複數個透鏡合而為一。
擴散角度越大，具備微透鏡之擴散元件14的全透光率會越低。另一方面，透鏡群16的全透光率也是擴散角度越大其透光率越低，因相對於透鏡面的射入角度變大時 ，反射率也會變大。
假設光源12為雷射光源，使從光源12所射出之光的強度分布呈對稱的軸為照明裝置10的光軸Ax。光軸Ax可垂直於光源12的光射出面12a，也可通過光射出面12a的中心。如圖1所示，為了方便之後說明，定義X、Y、Z各座標軸如下：與光軸A x平行的方向為Z方向，與Z方向垂直並與紙面平行的方向為Y方向，與紙面垂直的方向為X方向。
透鏡群16係單透鏡或與透鏡群16等效的單透鏡，其接收從擴散元件14所射出之光的面為第一面16a，與第一面16a大略相對並將光射出的面為第二面16b。若透鏡群16為彎月形透鏡的單透鏡，假設第一面16a的曲率為C1，第二面16b的曲率為C2，則C1＜0、C2＜0、∣C2∣＜∣C1∣（此係有負屈光度的情況）。曲率係指各面之軸旁區域近似於球面時軸旁半徑的倒數。當彎月形透鏡其∣C2∣＜∣C1∣時，稱之為具有負屈光度的彎月形透鏡。
圖3係用以定義從照明裝置10構成要件所射出之光相對於光軸的角度。如圖3所示，從擴散元件14、透鏡群16其第一面16a、第二面16b所射出之光相對於Z軸的角度分別為θ 1、θ 2、θ 3。若θ 1未滿25°（擴散角未滿50°），透鏡群16的第二面16b為平面或凹面，在其界面的反射率將變得非常大，結果將使照明裝置10整體的光利用效率降低。若θ 1超過55°（擴散角超過110度），擴散元件14的微透鏡在透鏡面的傾斜角度將變大而增加反射損失，也會使照明裝置10整體的光利用效率降低。因此，θ 1在25°以上、55°以下（50° ≦ 2 × θ 1≦ 110°）較為理想。
從照明裝置10所射出之光相對於光軸Ax的角度為θ 3時，2×θ 3的最大值配光角可在160°以上、180°以下。
此外，照明裝置10中，有關θ 1～θ 3係滿足下列之式(1)： θ 2－θ 1≦ θ 3－θ 2･･･(1) 式(1)的左半段表示光在透鏡群16其第一面16a上的角度變化量；式(1)的右半段表示光在透鏡群16其第二面16b上的角度變化量。若滿足式(1)的條件，彎月形透鏡的透光率將提升。
當θ 1較小，在θ 2－θ 1= θ 3－θ 2時的透光率將最大。另一方面，當θ 1較大，為了滿足θ 2－θ 1= θ 3－θ 2的條件，第一面16a的傾斜角度會超過90°，而使透鏡群16的製作更為困難。因此，第一面16a的傾斜角度在90°以下且使θ 2－θ 1儘可能接近θ 3－θ 2係為最佳條件。
此外，假設照明裝置10從透鏡群16所射出的每單位立體角光強度為F(θ 3)，該F(θ 3) 係滿足下列之式(2)： F(θ 3) = (1-R 32(θ 2)) × F(θ 2) × Δθ 2× sinθ 2/ (Δθ 3×sinθ 3) = (1-R 32(θ 2)) × (1-R 21(θ 1)) × F(θ 1) × Δθ 1× sinθ 1/ (Δθ 3× sinθ 3) = 定值･･･(2) 但是，R 21(θ 1)係在透鏡群16其第一面16a的反射損失，R 32(θ 2)係在透鏡群16其第二面16b的反射損失，F(θ 1)係從擴散元件14射出之每單位立體角光強度，F(θ 2)係從透鏡群16其第二面16b射出之每單位立體角光強度。此外，Δθ 1、Δθ 2、Δθ 3分別為θ 1、θ 2、θ 3的微小角度。
為了使從照明裝置10所發射的每單位立體角光強度（光度）固定，必須滿足式(2)。圖4係表示光線L相對於Z軸的角度θ，與光線L之方位角Φ之間的關係。式(2)以F(θ 1)、F(θ 2)、F(θ 3)不受方位角Φ影響而呈定值為前提。
照明裝置10中，從照明裝置10所射出的每單位立體角光強度為F(θ 3)時，可滿足式(2) 且F(θ 3) 可隨θ 3的增加而增加。
有時會希望照明裝置的光強度因應θ 3而變化。舉例來說，若用安裝在天花板的監視裝置對其下方的人進行監視，監視裝置與其正下方的人距離較近，而與其斜下方的人距離較遠。此時，朝下安裝之照明裝置與其增加正下方的光強度，不如加強朝向斜下方的光強度，更能擴大可監視的範圍。伴隨θ 3的增加而增加的函數可以下列式(3A)為例，但不限於此： F(θ 3) = (cosθ 3) -2･･･(3A)
又，為了修正光檢出部其中央及周邊部位的感度差，隨著θ 3變大，也有希望照明裝置之光強度加大的情況。伴隨θ 3的增加而增加的函數，可以下列的式(3B)及(3C)為例： F(θ 3) = (cosθ 3) -4･･･(3B) F(θ 3) = (cosθ 3) -n･･･(3C) 但n係以正實數表示。
本實施型態之照明裝置10所使用的光源12可採用垂直共振腔面射型雷射（VCSEL）或邊緣發射雷射二極體等指向性高的構件。又，亦可組合使用如LED這類指向性低的發光元件及準直透鏡作為光源12。VCSEL或雷射的構造，可採用在一個殼體內配列複數個發光點或發光元件的陣列。從光源12所射出的光不需要完全對準，舉例來說，可係擴散約20°左右的發散光。
光源12具有光射出面（發光面）12a，以特定角度內的光度分布從光射出面12a射出光。使光度分布略為對稱的軸稱為光軸Ax。光軸Ax有時垂直於光射出面12a，有時垂直於光源12其殼體的部分底面，有時通過光射出面12a的中心。光源12的配置一般來說，會使光軸Ax與正交座標軸的Z軸平行，以利說明照明裝置10或其包含的零件。
如採用由雷射或LED等半導體所構成的發光元件作為光源12，優點為體積小且較為省電。又，如考量加上調變時的反應性良好，舉例來說，透過電阻加熱等方式而發光的白熾燈或螢光燈等光源在這一點上有利。
擴散元件14接收從光源12所射出的光後，只要能射出擴大擴散角的光，則擴散元件14為任何構造皆宜。擴散元件14可為玻璃或樹脂等材質所構成的平板狀，例如藉由磨削、研磨或噴砂使表面粗糙的柔光罩擴散板，或藉由氫氟酸等物質使表面腐蝕而添加特定粗糙度的腐蝕型擴散板，或者在由玻璃或樹脂等材質所構成的平板表面形成乳白色、白色或灰色薄膜的蛋白石擴散板。
此外，由玻璃或樹脂等材質所構成的基材表面係由複數微小的微透鏡或微稜鏡等凹凸構造所形成，因其具有性能良好及控制性佳的優點，可作為擴散元件14使用。
由微透鏡陣列所構成的擴散元件14，雖係於表面隨機配置微小的透鏡（微透鏡）或配列圓柱透鏡，但其各自的微透鏡可為凸狀也可為凹狀，或混合配置凸透鏡及凹透鏡。
擴散元件14的微透鏡其大小不需要均等，又，透鏡的高度不同亦可。只要可得特定的擴散角，且在必要的方向中可得均等的光強度，從入射側觀看微透鏡時其（俯視）外形為多角形、圓形、橢圓形，或混合此些形狀均可。另外，微透鏡間也可空出間隙。
擴散元件14上各個微透鏡的直徑可為數μm～數百μm，例如：10μm～200μm。
擴散元件14其微透鏡陣列的微透鏡可以樹脂或玻璃為材料且用模具形成，例如可將樹脂倒入模具成形，或將玻璃表面以酸做蝕刻處理，或者藉由噴砂處理形成微小凹凸。微透鏡只要以光源12之光波長可透過的材料形成即可，除此之外的波長不需要為透明。
圖5(a)及圖5(b)係說明擴散元件14的圖。圖5(a)係擴散元件14的概略正面圖，圖5(b)係圖5(a)所示之擴散元件14其沿A-A線段的概略剖面圖。圖6 係表示出一部份擴散元件14的俯瞰圖。
擴散元件14係微透鏡陣列，其包含板20及形成在板20表面的複數個微透鏡22。
在本實施型態之擴散元件14從正面觀看的形狀為四角形，但只要其尺寸足以接收從光源12來的光，任何形狀均可，可為多角形、圓形或橢圓形等形狀。
擴散元件14在其他實施例中，其微透鏡22可形成在板20之表裡的主平面，如此一來可使擴散效率提升。又，微透鏡22可形成在折射型之凸透鏡或凹透鏡的表面，如此一來可使擴散光折射，進而控制擴散角的擴大或縮小。擴散元件14可具備上述微透鏡22。
擴散元件14除了具備上述微透鏡22以外，可讓擴散元件14的內部含有尺寸能使光散射的微粒子（擴散性粒子），設法提高擴散元件14的擴散能量。在擴散元件14的表面或微透鏡22的表面形成包含擴散粒子的膜，也可望達到同樣的作用。若為瑞利散射，能使光散射的微粒子尺寸可約為1nm～100nm；若為米氏散射則尺寸要更小，或可約為1μm～100μm。微粒子可採用PMMA等樹脂材質，此外亦可為SiO 2或MgF 2所構成的微粒子，更可採用前述材質的中空粒子。
此外，在擴散元件14的表面可形成抑制反射且提升透光性的反射防止膜（包含即使反射率實質上不為零但可抑制反射者）。藉由形成反射防止膜可提高照明裝置10的照明亮度。反射防止膜可透過將MgF 2、SiO 2、TiO 2或Ta 2O 5等無機材料或樹脂等材料在擴散元件14的表面形成單層或多層塗層而得。也可將含有中空或實心之SiO 2或MgF 2等物質的微粒子包含在黏著劑內加以塗層而形成反射防止膜。塗層的方法除了真空蒸鍍、濺鍍、離子鍍著等物理的方法之外，也可將膜的液態前軀物塗布在表面，並使其乾燥。
透鏡群16具備透鏡系統，接收由擴散元件14以特定擴散角所射出的光，並擴大擴散角後射出光。一般而言，具有擴大擴散角機能的透鏡系統係凹透鏡系統。凹透鏡系統係具有負屈光度的透鏡系統。透鏡群16係由一塊以上的透鏡所構成，也可包含面與面相黏合的透鏡群。又，鄰接透鏡中，面與面之間可包含折射率與透鏡不同的層。
如以一塊軸對稱的透鏡（單鏡）構成透鏡群16，可例如是平凹透鏡、凹凹透鏡、凹凸透鏡等類型。凹凸透鏡的一部分可稱之為彎月形透鏡，具有負屈光度的彎月形透鏡可為特別是周邊部的厚度比中心部厚的彎月形透鏡。彎月形透鏡具有凹透鏡及凸透鏡的一部分作用，一般而言其球面像差比平凹透鏡等透鏡小係眾所周知，優點是容易控制其擴散角。
透鏡群16只要以光源12之光波長可透過的材料形成即可，除此之外的波長不需要為透明，可用樹脂或玻璃為材料形成。
又，如使用彎月形透鏡作為透鏡群16，可讓透鏡內部含有尺寸能使光散射的微粒子（擴散性粒子），以其光擴散作用設法擴大透過鏡頭群16的擴散角度。在透鏡表面形成包含擴散粒子的膜，也可望達到同樣的作用。可能使光散射的微粒子尺寸係如上述。微粒子可為無色或透明的微粒子，材質除了PMMA等樹脂以外，亦可採用SiO 2或MgF 2所構成的微粒子，更可採用前述材質的中空粒子。
此外，在透鏡群16的表面可形成抑制反射且提升透光性的反射防止膜（包含即使反射率實質上不為零但可抑制反射者）。藉由形成反射防止膜可提高照明裝置10的照明亮度。反射防止膜可透過將MgF 2、SiO 2、TiO 2或Ta 2O 5等無機材料或樹脂等材料在透鏡的表面形成單層或多層塗層而得。也可將含有中空或實心之SiO2或MgF2等物質的微粒子包含在黏著劑內加以塗層而形成反射防止膜。塗層的方法除了真空蒸鍍、濺鍍、離子鍍著等物理的方法之外，也可將膜的液態前軀物塗布在表面，並使其乾燥或硬化而固定住膜。
本發明一實施形態之照明裝置10具備光源12、擴散元件14以及透鏡群16，擴散元件14接收從光源12所射出的光並以特定擴散角射出光，透鏡群16接收從擴散元件14所射出的光並以更擴大的特定擴散角射出光。
為舉例說明照明裝置10，係採用如下設備：光源12使用具備約1mm × 1mm之光射出面的雷射（VCSEL陣列；多數的VCSEL型半導體雷射的發光點係呈陣列狀配列並在殼體內與其一體化）；擴散元件14使用如圖5(a)所示的略平板狀微透鏡陣列；透鏡群16使用一個軸對稱的彎月形透鏡。
在由正交座標軸所構成的空間中，配置光源12使其光軸Ax平行於Z方向（光軸Ax為Z軸亦可）。配置擴散元件14使光源12的光軸Ax通過擴散元件14的幾何中心，以接收從光源12來的光。此時，擴散元件14的受光面較佳為具有足夠尺寸可於必要範圍內接收從光源12所射出光，或幾乎所有的光。若在略平行平板的一面形成大多數的微透鏡22，可將微透鏡22所形成的面作為受光面，或將與其相對的面作為受光面亦可。由微透鏡陣列所構成的擴散元件14略呈平行平板狀，其俯視尺寸為0.25mm × 0.25mm ～ 5mm × 5mm，厚度為0.1mm～3mm，至少在一面上形成大多數的微透鏡22，各個微透鏡22的尺寸為2.5μm～100μm，Sag量（微透鏡的高度）為5μm～500μm。
如使用一塊軸對稱的彎月形透鏡為透鏡群16，透鏡的對稱軸（也可為透鏡的光軸）係與光源的軸Ax一致，配置彎月形透鏡16使其凹形面相對於擴散元件14。舉例來說，彎月形透鏡16的直徑為5mm～50mm，中心厚度為0.25mm～15mm。
此外，照明裝置10也可具備殼體（圖未繪示），將上述構成要件或其他構成要件一體化地保存。
以下針對彎月形透鏡16的形狀加以說明。從光源12射入擴散元件14的光，藉由配列在擴散元件14上的微透鏡等構件加以擴散，擴大至特定範圍。如圖1或圖2所示，從擴散元件14所射出的光係相對於光軸Ax略呈對稱，像在圓錐、角錐或是在圓台狀、錐台狀內側擴展的態樣。
關於從擴散元件14所射出的光，其光強度可隨著與Z軸所成的角度（θ 1）變化，但較佳係不隨θ 1變化而使光強度一定，如此會使後段（後鏡）的彎月形透鏡16較容易設計。
另一方面，在以Z軸為中心的旋轉方向（Φ方向）上，其光強度可為一定。若後段的彎月形透鏡16其形狀相對於Z軸係呈軸對稱的形狀，通過擴散元件14後的光強度於各Φ為一定時，為了使照明裝置10的照明光均等，將不需修正後段的透鏡群16，因而較為有利。
關於從擴散元件14所射出的光，從擴散元件14所射出的光與Z軸（光軸Ax）之間形成的角度（θ 1）為發散角。如考量從擴散元件14所射出光強度的發散角相依性，最大強度為Io時（於此假設在光軸Ax（θ 1= 0°）上的強度為最大），1/2 × Io所成角度的全寬（半值全寬）為擴散角。又，若最大強度Io不在光軸Ax上（例如光強度分布為甜甜圈狀或Bat-Wing狀等情況），對應1/2 × Io所成強度之角度的最大值與最小值其差為擴散角。由微透鏡所構成的擴散元件14，其擴散角較佳係50°以上、110°以下。若擴散角未滿50°，於後段之彎月形透鏡16擴展光時，透鏡面上的反射損失會變大；若擴散角超過110°，擴散元件14上的反射損失會變大，而使從照明裝置10所放射的光之總量減少。
於擴散元件14擴展至特定擴散角的光，從彎月形透鏡16的第一面（受光面）16a射入、折射並增大發散角。該光線從透鏡內到達第二面（射出面）16b後折射射出。
在此，設想追蹤從光源12所射出的光線。如圖3所示，從光源12之光射出面12a所放射的光（例如平行於光軸Ax的光線），於擴散元件14擴展至發散角 θ 1的角度，並於彎月形透鏡16之第一面16a擴展至 θ 2，再於彎月形透鏡16之第二面16b擴展至θ 3。 θ 1～θ 3均為與Z軸（光軸）間所形成的角。
從擴散元件14所放射的光強度分布相對於Z軸呈對稱時，θ 1的最大值（θ 1max）係擴散元件14其擴散角的1/2。同樣的，彎月形透鏡16其第一面16a及第二面16b的發散角最大值θ 2max及θ 3max也分別為彎月形透鏡16其第一面16a及第二面16b之擴散角的1/2。
圖7係表示從擴散元件14所射出之光束的概念圖。從擴散元件14射出的光，其發射角係包含θ 1及θ 1+ Δθ 1（但Δθ 1係微小角度）的環帶。假設通過擴散元件14後的光強度分布為F(θ 1)。光強度分布係相對於Z軸呈對稱，因此即使變化方位（Φ），F(θ 1)也是定值。
如圖7所示，通過θ 1及θ 1+ Δθ 1之環帶內的光能源E(θ 1)，於Δθ 1夠小時以下列之式(4)表示： E(θ 1) = F(θ 1)･Δθ 1･r 1･(2πr 1)･sinθ 1/ (4π･r 1 2)･4π = 2π･F(θ 1)･Δθ 1･sinθ 1･･･(4)
同樣的，通過彎月形透鏡16的第一面16a後，通過θ 2及θ 2+ Δθ 2之環帶內的光能源E(θ 2)，於Δθ 2足夠小時以下列之式(5)表示： E(θ 2) = 2π･F(θ 2)･Δθ 2･sinθ 2･･･(5)
同樣的，通過彎月形透鏡16的第二面16b後，通過θ 3及θ 3+ Δθ 3之環帶內的光能源E(θ 3)，於Δθ 3夠小時以下列之式(6)表示： E(θ 3) = 2π･F(θ 3)･Δθ 3･sinθ 3･･･(6)
在彎月形透鏡16的第一面16a及第二面16b會發生反射損失。假設在第一面16a所發生的反射損失為R 21(θ 1)，在第二面16b所發生的反射損失為R 32(θ 12)，則下列之式(7)、(8)會成立： (1-R 21(θ 1))･F(θ 1)･Δθ 1･sinθ 1= F(θ 2)･Δθ 2･sinθ 2･･･(7) (1-R 32(θ 2))･F(θ 2)･Δθ 2･sinθ 2= F(θ 3)･Δθ 3･sinθ 3･･･(8) 如此一來下列之式(9) 也將成立： (1-R 32(θ 2))･(1-R 21(θ 1))･F(θ 1)･Δθ 1･sinθ 1= (1-R 32(θ 2))･F(θ 2)･Δθ 2･sinθ 2= F(θ 3)･Δθ 3･sinθ 3･･･(9)
如將式(9)以F(θ 3)表示，將如下列之式(10)： F(θ 3) = (1-R 32(θ 2))･F(θ 2)･Δθ 2･sinθ 2/ (Δθ 3･sinθ 3) = (1-R 32(θ 2))(1-R 21(θ 1))･F(θ 1)･Δθ 1･sinθ 1/ (Δθ 3･sinθ 3) ･･･(10)
為了使照明裝置10的光度一定，設定各參數時式(10)所示的F(θ 3)必須為一定值。
另一方面，為了使F(θ3)隨著θ 3變大而增加，只要滿足式(10)，並使F(θ 3) 成為單純增加的函數即可。該函數舉例來說，可為下列之式(11)或式(12)所示函數，或先前之式(3C)所示函數： F(θ 3) = (cosθ 3) -2･･･(11) F(θ 3) = (cosθ 3) -3･･･(12)
若在彎月形透鏡16的透鏡面上施作AR（減低反射）塗層等處理，以抑制由反射所造成的損失，在可忽視反射損失的情況下針對F(θ 3)所求出的上式(10)會成為下列的式(13)： F(θ 3) = F(θ 2)･Δθ 2･sinθ 2/ (Δθ 3･sinθ 3) = F(θ 1)･Δθ 1･sinθ 1/ (Δθ 3･sinθ 3) ･･･(13) 只要使F(θ 3) = 一定值，即可得到均等的照明，而只要使F(θ 3) 成為隨著θ 3變大而增加的函數，即可得到隨著該函數改變放射強度的照明裝置10。而根據式(13) 以及各種的F(θ 1)、F(θ 2)、F(θ 3) ，即可決定彎月形透鏡16其透鏡面的形狀。舉例來說，若使F(θ 1) 為不因θ 1改變的定值，也使F(θ 3) 為不因θ 3改變的定值，則可由式(13)得下列的式(14)： Δθ 3･sinθ 3= C･Δθ 1･sinθ 1･･･(14) 但C為定數。
θ 1= 0時，因為光線的前進與Z軸平行，使θ 3= 0。θ 1= Δθ 1時，可透過式(14)求得Δθ 3，並透過θ 3(k)= θ 3(k-1)+ Δθ 3(k)（k = 1時，因為θ 3(1-1)= 0，θ 3(1)= 0 + Δθ 3= Δθ 3）求得θ 3(1)。將θ 1依Δθ 1逐漸增加，透過上式計算Δθ 3，如同θ 3(k)= θ 3(k-1)+ Δθ 3(k)再加上前一個θ 3，則可從彎月形透鏡16的中心向外側依序求出對應θ 1的θ 3。定數C係以特定的θ 1來決定成為目標的θ 3。如此一來，即可求得對應θ 1的θ 3。若在彎月形透鏡16的透鏡面有反射損失的情況，或有F(θ 3)不是定值的情況，只要使用式(11)或式(12)，同樣可以求得對應θ 1的θ 3。此時，因並未特別規定θ 2，而可取得各種數值。舉例來說，若θ 2= θ 1，光在彎月形透鏡16其第一面16a上完全不能擴展，則光在第二面16b上會大幅彎曲。此外，θ 2＜ θ 1的情況在算式上也是成立的。此時，擴展到θ 1的光會暫時縮小到θ 2後再度擴展，增大在透鏡面的反射損失，因而使透光率大幅降低。
彎月形透鏡16其第一面16a及第二面16b的形狀，只要決定θ 1及對應其之θ 2與對應該θ 2的θ 3，即可透過追蹤光線求得。以下簡單說明其方法。
彎月形透鏡16相對於Z軸為旋轉對稱時，在Z軸與彎月形透鏡16的交叉點上，透鏡面的切面係與Z軸正交。因此，θ 1= 0時，光係垂直射入彎月形透鏡16的透鏡面。
當光以θ 1=Δθ 1的角度射入彎月形透鏡16的第一面16a，會在該面上折射，朝θ 2的方向前進。此時，射入透鏡面的角度係根據折射法則明確地決定，而那時透鏡面與Z軸之間所成的角度也明確地決定。同樣的，如將θ 1依Δθ 1逐漸增加，可計算該光通過透鏡面時與Z軸之間所成的角度，以結果而言，可求出θ 1角度的光通過透鏡面的所有傾斜角度。
因彎月形透鏡16中央之透鏡面的傾斜角已定，若從其座標向外周方向的透鏡面係平滑連接，亦即只要決定透鏡座標使透鏡面的微分係數連續變化，即可決定彎月形透鏡16的透鏡面形狀。彎月形透鏡16其第二面16b的透鏡面形狀也可透過同樣的計算方法決定。
如上所述，即使決定 θ 1及θ 3，因 θ 2有任意性，以某一組 θ 1及 θ 3而言，彎月形透鏡16有無限種形狀。因此，進行彎月形透鏡16的設計時，必須決定最合適的 θ 2。
最合適的 θ 2可透過以下方法決定。在彎月形透鏡16的第一面16a中，光的進行方向只有 θ 2- θ 1撓曲，此時的撓曲角 Δθ 21以Δθ 21= θ 2- θ 1定義。同樣的，彎月形透鏡16其第二面16b的撓曲角 Δθ 32定義為Δθ 32= θ 3- θ 2。依據圖1及圖4，成立下列式(15)的關係： θ 3= θ 1+ Δθ 21+ Δθ 32･･･(15)
式(15)係表示以擴散元件14擴展至θ 1的光在彎月形透鏡16的第一面16a只多擴展Δθ 21，而在彎月形透鏡16的第二面16b只有多擴展Δθ 32。
照明裝置10的發散角θ 3中，如將在擴散元件14以及彎月形透鏡16其第一面16a及第二面16b所撓曲的量視為各要素的貢獻率，則以下列的式(16)～(18)定義： η 1= θ 1/ θ 3･･･(16) η 21= Δθ 21/ θ 3･･･(17) η 32= Δθ 32/ θ 3･･･(18)
很明顯的，η 1、 η 21及η 32的總和為1，並且即使變化θ 3，該些貢獻率也不變。可使θ 3一定，組合各種η 1、 η 21及η 32以計算照明裝置10的光放射效率。假設從光源12所放射的光能量為1，光放射效率係表示通過彎月形透鏡16而從照明裝置10所放射的光能量。此光能量不只某一個θ 3的方向，而是放射至所有方向的光能量之積分。
圖8係表示照明裝置10之光放射效率計算結果的其中一例。圖8中，圖表的縱軸為光放射效率，圖表的橫軸為η 21/ η 32。當θ 1max= 40°、θ 3max= 90°時，計算各種η 21及η 32的光放射效率。此例中，η 1= 40 / 90 = 0.44、η 21+ η 32= 0.56。
由圖8可得知，光放射效率會隨著η 21/ η 32增大而提升，在η 21/ η 32約為0.74時最大。又，此計算例中，設定彎月形透鏡16的折射率為1.586，放射光的配光分布為均等（但F(θ 3) = 定值）。
又，雖然η 21/ η 32＞ 0.74時光放射效率為零，但此時彎月形透鏡其第一面的傾斜角為90°以上，會使透鏡的製作困難，表示此為無法實現的範圍。
圖9係表示照明裝置10之光放射效率計算結果的其中另一例。此例係於θ 1max= 40°、θ 3max= 70°時，計算各種η 21及η 32的光放射效率。此例中，η 1= 40 / 70 = 0.57、η 21+ η 32= 0.43。
圖9所示的例子相較於圖8所示的例子，在彎月形透鏡16撓曲的角度變小。圖9所示的例子中，可得知光放射效率隨著η 21/ η 32增大而提升，在η 21/ η 32= 1時取得最大值，而在超過1時會再度減少。與圖8所示的例子相異，在圖9所示的條件中，彎月形透鏡16其第一面16a的傾斜角度不會超過90°，因此彎月形透鏡16可在η 21/ η 32的大範圍內製作。
其他 θ 1、θ 2、θ 3的組合也可透過同樣方式計算照明裝置10的光放射效率，如分別計算光放射效率為最大的條件可得知： η 21≦ η 32･･･(19) 但是，式(19)的等號係成立在彎月形透鏡16其第一面16a的傾斜角呈90°以下時的情況，除此之外係表示，在彎月形透鏡16其第一面16a的傾斜角不超過90°的範圍內，若儘可能使η 21變大，光放射效率也會變大。
如將式(19)以角度表示，則： Δθ 21/ θ 3≦ Δθ 32/ θ 3･･･(20) 或 θ 2－ θ 1≦ θ 3－ θ 2･･･(21) 為最佳條件。
如參照式(20)、式(21)，可針對不同的 θ 1、 θ 3，決定使光放射效率變最高的 θ 2。例如於θ 1=40°、θ 3=90°時，根據圖8可知η 21/ η 32= 0.74時照明裝置10之光放射效率最大，再根據以下的關係求出 θ 2： η 21= Δθ 21/ θ 3= (θ 2－ θ 1) / θ 3･･･(22) η 32= Δθ 32/ θ 3= (θ 3－ θ 2) / θ 3･･･(23) 則 θ 2= 61.26°。又，於θ 1=40°、θ 3=70°時，根據圖9可知η 21/ η 32= 1時照明裝置10之光放射效率為最大，則此時求出的 θ 2= 55°。
圖10～圖14係表示照明裝置10的光放射效率為最大時θ 1max、θ 2max、θ 3max之組合的計算結果。圖10係表示在θ 3max= 90°的情況下， 變化θ 1max時之貢獻率變化。圖11係表示在θ 3max= 85°的情況下，變化θ 1max時之貢獻率變化。圖12係表示在θ 3max= 80°的情況下， 變化θ 1max時之貢獻率變化。圖13係表示在θ 3max=75°的情況下， 變化θ 1max時之貢獻率變化。圖14係表示在θ 3max=70°的情況下， 變化θ 1max時之貢獻率變化。又，請注意在圖13及圖14中， η 21及η 32的曲線有部份重疊，目視無法分辨。
由圖10可知，θ 3max=90°時，只要θ 1max變大，η 21及η 32會變不一致。此係因為彎月形透鏡16其第一面16a的傾斜角度超過90°，無法滿足η 21= η 32的條件所致。又，由圖11可知，θ 3max=85°時也是只要θ 1max變大，η 21及η 32就會變不一致，但其差異較圖10其θ 3max=90°時更小。並且，由圖12～14可得知，θ 3max= 80°、75°、70°時，幾乎全部θ 1max的範圍內均為η 21= η 32。
圖15係在圖10～圖14的各條件下，以等高線表示照明裝置10之光發射效率。由圖15可得知，光放射效率會隨著θ 3max變大而降低，同時使光放射效率成最大的θ 1max也變大。例如：當θ 3max為90°時，在θ 1max= 40°時的光放射效率為最大（約0.78）； 當θ 3max為70°時，在θ 1max= 30°附近的光放射效率為最大（約0.81）。
由圖15可得知如下內容： (1) 在θ 1max= 27°～58°且θ 3max= 70°～90°的範圍內，光放射效率為0.75以上。 (2) 在θ 1max= 29°～54°且θ 3max= 70°～90°的範圍內，光放射效率為0.76以上。 (3) 在θ 1max= 38°～43°且θ 3max= 70°～90°的範圍內，光放射效率為0.78以上。 (4) 在θ 1max= 32°～42°且θ 3max= 74°～84°的範圍內，光放射效率為0.79以上。 (5) 在θ 1max= 30°～38°且θ 3max= 70°～78°的範圍內，光放射效率為0.80以上。
另一方面，如上所述，當光擴散至140°以上（70° ≦ θ 3max）時，具有使光放射效率最大的θ 2，該最適合的θ 2係由上述的式(19)或式(21)決定。
又，有關照明裝置10的配光（也稱作光強度的放射角分布或光強度分布）， 在-70° ≦ θ 3≦ 70°的範圍或-80° ≦ θ 3≦ 80°的範圍，其CV值（變異係數；Coefficient of  variation）在0.05以下較佳，在0.04以下更佳，在0.035以下特別理想。
以上係根據本發明的實施型態內容設計光源12、擴散元件14及透鏡群16，並使用Zemax公司製的OpticsStudio 5 Ver 20.1模擬照明裝置10會得到如何的配光特性。
光源12係使用Vixar公司製的NIR-VCSEL（Part Number: V0081）。此光源係發出主波長為940nm的近紅外線。又，此光源12係將複數個發光區域呈六角形密集配列的陣列狀光源，且為總數281個的VCSEL發光部集合體，發光部（發光面）的大小約1.0mm × 1.0mm。
圖16係表示從用於模擬之光源所射出的光強度分布。光強度分布略呈軸對稱，FWHM（半值全幅）為18°，光軸Ax（放射角度 = 0°）的附近的光強度比較小，且表示特定射出角度的最大光強度分布係呈接近甜甜圈狀的分布。
擴散元件14係使用在單面形成複數個微透鏡的板狀微透鏡陣列。圖17係用於模擬之微透鏡陣列在0.25mm × 0.25mm範圍內的平面圖。圖18係圖17所示之微透鏡陣列的部分剖面圖。
Figure 02_image001
微透鏡陣列係主平面為1mm × 1mm、厚度為0.4mm的板狀，主平面的一側上形成複數個凸面狀的微透鏡。微透鏡陣列的平均配列節距約為24μm且為隨機形成。微透鏡係呈軸對稱的凸面，其基本形狀表示於下列的式(22)： 但是，C = 0.010133、K = －0.7、a 2= 28.95186、a 4= 123969.3、a 6= 0，r表示與對稱軸之間的距離[mm]，Z表示Sag量[mm]。
此外，各微透鏡係形成為在主平面的平行方向上有±9μm的隨機變動，且在主平面的垂直方向上有±1μm的隨機變動。
上述微透鏡陣列可例如透過以下方式形成：準備與微透鏡陣列之透鏡形狀凹凸相反的模具，在2mm × 2mm × t0.4mm（t為厚度）的平行平板狀透明基板一面上藉由樹脂鑄塑。樹脂舉例來說可使用光硬化樹脂（Daicel股份有限公司製的CELLOXIDE 2021P） （主成分：(3',4'-Epoxycyclohexane)methyl 3,4-epoxycyclohexylcarboxylate）來形成特定形狀。
透鏡群16係使用彎月形透鏡。圖19模擬所用之彎月形透鏡的概略剖面圖。彎月形透鏡16係為軸對稱的透鏡，假設與軸之間的距離為r、Sag量為Z，根據θ 1、θ 2及θ 3計算而得的上述透鏡面設計步驟，求出第一面（光射入面）16a及第二面（光射出面）16b的（r、Z）數據群。下表1即表示彎月形透鏡16其第一面16a及第二面16b的（r、Z）數據。 [表1]
Figure 02_image003
實際的彎月形透鏡16係切削加工聚碳酸酯（Takiron公司製，型號PCET1600）製作而成。透過上述實施型態所說明之方法，求出對應於與光軸Ax（Z軸）間之距離r的Sag量（Z值），將其數據資料輸入機械加工裝置進行加工。
圖20進行模擬之照明裝置10的構造示意圖。將上述的光源12、擴散元件（微透鏡陣列）14及透鏡群（彎月形透鏡）16配置如圖20所示。光源12的光強度分布係將其呈軸對稱的軸（Z軸）作為光源12的光軸Ax。
關於在單一面上由複數個微透鏡所形成的擴散元件14，其由微透鏡所形成的面為第一面14a，相反側的平坦面則為第二面14b。配置擴散元件14時，使擴散元件14的第一面14a與光源12的發光面12a相對，接著使光源12的光軸Ax與擴散元件14的第二面14b垂直並通過擴散元件14其主平面的幾何學中心。此外，配置彎月形透鏡16時，使其第一面16a與擴散元件14相對，並使彎月形透鏡16的光軸與光源12的光軸一致。如光源12的光軸為Z方向，則從光源12所射出的方向為正向。
又，關於各構成要素在Z方向上的間隔，假設光源12其發光面12a與擴散元件14其第二面14b之間的距離為d 1，擴散元件14其第二面14b與彎月形透鏡16其第二面16b之間的距離為d 2。使d 1在0.2mm～1.5mm的範圍內變化，並使d 2在1.5mm～5.0mm的範圍內變化，再進行微調整使θ 3max變大且使配光的不規律情況（CV值）變小。 適切值之一如下：d 1約0.7mm，d 2約3.5mm。
在模擬時，首先，如圖16所示的配光（光強度分布）以1×10 6條的光線從光源12的發光面12a射出，計算出從擴散元件14所射出之光的配光（光強度分布）。其次在擴散元件14的大小及配置中，從擴散元件14所射出的光的配光以5×10 7條的光線射出，求出到透鏡群（彎月形透鏡）16的射入光及從透鏡群16的射出光的光束，求出照明裝置10的光強度分布。
此外，準備上述光源12、擴散元件14及彎月形透鏡16，製作實際的照明裝置10。圖21係表示測定照明裝置10的配光的測定系統100。此測定系統100具備含有光圈102及光電元件104的光檢出器106。固定照明裝置10使其發光，光檢出器106透過例如彎月形透鏡等的透鏡群16的主點為中心掃描照明裝置10的周圍，可測定光強度角度θ 3的相依性。
圖22係以模擬求出之照明裝置10光強度分布與實測之照明裝置10光強度分布示意圖。以模擬求出之照明裝置10光強度分布係以虛線表示。實測之照明裝置10光強度分布（實測值）則以圓圈表示。
實測值相對於模擬有若干不同，但θ 3max為94°（對應光強度0.5的角（對應半值的角）），相較於例如上述專利文獻1所記載的技術，係擴散至更廣角但可提供相同配光的照明裝置。
表示不規律配光的CV值（變異係數；Coefficient of variation）數值在-70° ≦ θ 3≦ 70°的範圍內，模擬值為0.0228；實測值為0.0329。在-80° ≦ θ 3≦ 80°的範圍內，模擬值為0.0344，實測值為0.0339。
以上係說明如何藉由將｜θ 3｜的值設定為從0°到最大值θ 3max的角度，來設計可照明以光軸Ax為中心之領域的方法及例子。關於｜θ 3｜的值，舉例來說，可設計彎月形透鏡16的形狀使光在40°～90°或30°～80°的範圍內射出。例如可採用具有如圖23所示之配光分布的照明裝置。該光量分布也有時被稱為中低光量分布、甜甜圈型光量分布或環狀光量分布。又，其對應的形狀因令人聯想到蝙蝠展翅的形狀，因此也被稱為Bat-Wing。
圖24行走機器人200的示意圖，其具備的照明裝置具有圖23所示的配光分布。行進機器人200係例如自動掃地機器人，所搭載的照明裝置10其光軸Ax與行進面202呈直角方向。
關於行進機器人200的環境認知，在行進面202附近的感測當然是必須的，但也有不需要感測其上部空間的情況。在該情況下，可將照明裝置10如圖23所示配置，因其配光分布不會使為了照明的光射出至光軸Ax的附近，可使光軸Ax側邊之照明領域204的光量變強，可望提升光的利用效率。
如上所述，有時會希望照明裝置不要將光射出至光軸Ax的附近，或光量較小。此時，將構成擴散元件14之微透鏡陣列其條件予以特定，即可對此類照明裝置所需的特性作出貢獻。
圖25係微透鏡陣列114之部分剖面其中一例的示意圖。微透鏡122的最高點為頂點122a，包含頂點122a的頂點附近部分為頂部122b。圖25係以凸狀的微透鏡122表示，但凹狀的微透鏡也相同，此時以微透鏡的最低點為頂點亦可。
如使來自光源的光射入如25所示形狀之微透鏡陣列114所構成的擴散元件，則光源其光軸附近的光量較小，可得到甜甜圈狀的光量分布。
圖26係圖25所示之微透鏡122的概略擴大圖。通過微透鏡122之頂點122a的直線為微透鏡122的光軸122c。微透鏡122的頂部122b尖銳，從頂點122a到微透鏡122兩側的傾斜度在頂部122b係陡峭。以略呈平行射入微透鏡122的光線L，因陡峭的斜度而使撓曲角變大，結果使光軸122c附近的光線變少而使光量變小。若微透鏡122的頂部122b不尖銳（包含具有部分幾乎呈平坦的面（垂直於光軸122c的面）），則一部分射入微透鏡122的光不會大幅度撓曲即射出，使光軸122c附近光量降低的情況減少。
如上述特定的微透鏡122剖面形狀，只要頂點122a處的面其傾斜度急速變化即可，如將面以與光軸122c之距離r及Sag量Z的函數表示，在頂點122a處關於r的二次微分係數為不連續亦可。圖27(a)～(g)係微透鏡122的剖面形狀例示圖。該些形狀如刀子般的刀刃剖面形狀也可如後述方式稱之。圖27(a)係表示凸面（Convex）形狀的微透鏡122。圖27(b)係表示平面（flat）形狀的微透鏡122。圖27(c)係表示凹面（hollow）形狀的微透鏡122。圖27(d)係表示由凸面及平面所構成對稱形狀的微透鏡122。圖27(e)係表示由凸面及平面所構成非對稱形狀的微透鏡122。圖27(f)係表示由複數個平面所構成非對稱形狀的微透鏡122。圖27(g)係表示由複數個平面所構成對稱形狀的微透鏡122。
其次，針對照明裝置10，具體思考從照明裝置10所射出之每單位立體角光強度F(θ 3)如何隨著｜θ 3｜增加而在某範圍內增加。｜θ 3｜表示θ 3的絕對值。各記號若無特別的備註，則表示與上述相同或相對應的參數或物理量。
F(θ 3)隨著｜θ 3｜的增加而增加的函數可透過式(3A)、式(3B)或一般化之式(3C)加以例示，但不限於此。再者，之所以需要例示光強度隨著｜θ 3｜的增加而增加，是因為要提高感測性能時常被要求這樣的光強度分布；除此之外，也可設計例如光強度隨著｜θ 3｜的增加而減少的函數，或設計彎月形透鏡的形狀使其只在特定角度範圍內射出光。
之所以透過式(3C)等公式舉例表示F(θ 3)係有如下原因：來自光源的放射態樣（包含以模擬等方式定義的光源放射態樣），係包含放射角θ之餘弦函數cosθ的函數，而照度隨著遠離光軸而降低，係與和cos 4θ成比例（cos4法則）一事有關，因此如欲表示放射角度與光強度變化的關係，使用包含θ之餘弦函數的函數公式較有親和性。
又，如需特定用途的照明裝置，多傾向使F(θ 3)隨著放射角θ 3的增加而在一定範圍內增加。此外，也有對應放射角θ 3以間歇值（離散地）指定光強度的情況。此時，亦可使離散的（散布的）數據符合連續函數{cos(α × θ 3)} -n（n、α為正實數）。
又，照明裝置10中，從照明裝置10所射出的每單位立體角光強度F(θ 3)在-80° ≦ θ 3≦ 80°時，可滿足{cos(α × θ 3)} -n≦ F(θ 3) ≦ {cos(β × θ 3)} -m且{cos(α × θ 3)} -n＜ {cos(β × θ 3)} -m亦可。n、m為正實數，α及β亦為正實數。又，{cos(α × θ 3)} -n≦ F(θ 3) ≦ {cos(β × θ 3)} -m且{cos(α × θ 3)} -n＜ {cos(β × θ 3)} -m中，1 ≦n、m ≦ 5且可為0.1 ≦ α、β ≦ 2.5。再者，-85° ≦ θ 3≦ 85°中，{cos(α × θ 3)} -n≦ F(θ 3) ≦ {cos(β × θ 3)} -m且{cos(α × θ 3)} -n＜{cos(β × θ 3)} -m亦可｡n、m為正實數，α及β亦為正實數。抑或，{cos(α × θ 3)} -n≦ F(θ 3) ≦{cos(β × θ 3)} -m且{cos(α × θ 3)} -n＜ {cos(β × θ 3)} -m中，1 ≦ n、m ≦ 5且可為0.1 ≦ α、β≦ 2.5。並且，上述函數中 θ 3= 0時，可使光強度為F(0) = 1，或使其正規化，在特定的 θ 3範圍內使F(θ 3)的最小值等於1。針對市面上流通的照明裝置，亦可藉由圖22所示的方法測定光強度， 使θ 3= 0時的光強度為F(0) = 0，或使其正規化，在特定的 θ 3範圍內使F(θ 3)的最小值等於1後作為對照組加以比較（以下亦同）。
又，照明裝置10中，從照明裝置10所射出的每單位立體角光強度F(θ 3)在-80° ≦ θ 3≦ 80°時，如α ＝ β ＝1，可為(cosθ 3) -0.1≦ F(θ 3) ≦ (cosθ 3) -1.2。或，較佳係可為(cosθ 3) -0.2≦ F(θ 3) ≦ (cosθ 3) -1。再者，-80° ≦ θ 3≦ 80°時，如α = β = 1，可為(cosθ 3) -0.1≦ F(θ 3) ≦ (cosθ 3) -1.2。或，較佳係可為(cosθ 3) -0.2≦ F(θ 3) ≦ (cosθ 3) -1。
特別是將照明裝置10作為攜帶型照明裝置而用於智慧型手機等攜帶型電腦或終端裝置時，若從照明裝置10所射出的每單位立體角光強度F(θ 3)在-80° ≦ θ 3≦ 80°範圍內，可滿足{cos(α × θ 3)} -0.1≦ F(θ 3) ≦ {cos(β × θ 3)} -7（但0＜α、β＜1），且可訂定α及β使F(θ 3)在θ 3為70°～90°的角度範圍內不急遽變大。針對θ 3在70°～90°角度範圍內的角度θ 0 3（例如θ 0 3= 70°、80°、90°均有可能），可訂定為F(θ 0 3) = 1～10（但不包含1）範圍內的數值。α及β較佳可訂定為F(θ 0 3) = 1.1～10範圍內的數值。此外，-80° ≦ θ 3≦ 80°中，可為{cos(0.9 × θ 3)} -0.1≦ F(θ 3) ≦ {cos(0.415 × θ 3)} -10，也可為{cos(0.4 × θ 3)} -1.5≦ F(θ 3) ≦{cos(0.465 × θ 3)} -7.5。若用於上述用途或其他應用，以照明裝置所照射的面中，在中央部及周邊部之光強度的比較佳為1：10～1：5左右。並且，多半使用如上述包含餘弦函數的配光分布。
圖28係表示於0＜θ 3時（請注意= 0係對稱，因此只表示0＜θ 3的區域），F(θ 3) = {cos(0.9 × θ 3)} -0.1與F(θ 3) = {cos(0.415 × θ 3)} -10的函數，及該些函數間所包含之數個函數的圖表。圖29中係表示F(θ 3) = {cos(0.4 × θ 3)} -1.5與F(θ 3) = {cos(0.465×θ 3)} -7.5的函數，及該些函數間所包含之數個函數的圖表。
以F(θ 3) = (cosθ 3) -3為例說明。F(θ 3)係以已說明之式(10)，或式(13)表示。F(θ 3) = (cosθ 3) -3時，式(13)係如下列式(23)計算： (cosθ 3) -3= F(θ 1)･Δθ 1･sinθ 1/ (Δθ 3･sinθ 3)･･･(23) 此外，若使F(θ 1)一定而不因θ 1變動，則可透過式(23)求得下式： (Δθ 3･sinθ 3)(cosθ 3) -3= C･Δθ 1･sinθ 1･･･(24) 但C為定數。
比較式(24)及式(14)，左邊的(cosθ 3) -3項係被乘數部分不同，透過與段落0068所記載相同的方法，可依序求出對應θ 1的θ 3。但是，要注意(cosθ 3) -3在θ 3= 90°時會成為無限大。想使發射角大於180°時，要選擇接近目的之光強度且θ 3= 90°也不發散的F(θ 3)函數。例如以下這類函數： F(θ 3) = {cos(α × θ 3)} -3･･･(25) 但 α為1以下的正實數。 透過上式，可求得θ 1及對應其之θ 3。但是，與F(θ 3)為定值時相同，因θ 2有任意性，因此有將此最佳化的需要。最適合的θ 2可與F(θ 3)為定值時相同的方式求得。
圖30係下列式(26)所示的光強度分布： F(θ 3) = {cos(0.512 × θ 3)} -3･･･(26) 又， α值在θ 3= 90°時，決定F(90) = 3。
圖31係表示照明裝置10之光放射效率計算結果其中又一例。圖31中，圖表的縱軸為光放射效率，圖表的橫軸為η 21/ η 32。θ 1max= 40°且θ 3max= 90°時，計算各種η 21及η 32的光放射效率。此例中，η 1= 40 / 90 = 0.44、η 21 +η 32= 0.56。
由圖31可知，光放射效率會隨著η 21/ η 32的增加提升，在η 21/ η 32約0.73時最大。又，此計算例中，彎月形透鏡16的折射率為1.586，放射光的配光分布係跟隨式(26)。又，雖然η 21/ η 32＞0.73時光放射效率為零，但此時對應於彎月形透鏡之射入面的第一面其傾斜角為90°以上，會使透鏡的製作困難，表示此為無法實現的範圍。
圖32係表示照明裝置10之光放射效率計算結果其中再一例。圖中係以θ 1max= 40°、θ 3max= 70°時，計算各種η 21及η 32的光反射效率。此例中，η 1= 40 / 70 = 0.57、η 21+ η 32= 0.43。。
圖32所示的例子相較於圖31所示的例子，在彎月形透鏡16撓曲的角度變小。圖31所示的例子中，可得知光放射效率隨著η 21/ η 32增大而提升，在η 21/ η 32= 1時取得最大值，而在超過1時會再度減少。與圖29所示的例子相異，圖32所示之例子的條件中，光放射效率的最大值較小，但彎月形透鏡16其第一面16a的傾斜角度不會超過90°，因此彎月形透鏡16可在η 21/ η 32的大範圍內製作。
其他θ 1、θ 2、θ 3的組合也可透過同樣方式計算照明裝置10的光放射效率，如分別計算光放射效率為最大的條件，會得到下列的式(27)： η 21≦ η 32･･･(27) 但是，式(27)的等號係成立在彎月形透鏡16其第一面16a的傾斜角呈90°以下時的情況，除此之外係表示，在彎月形透鏡16其第一面16a的傾斜角不超過90°的範圍內，若儘可能使η 21變大，光放射效率也會變大。
如將式(27)以角度表示，會導出下列的式(28)或式(29)，係為最適用條件： Δθ 21/ θ 3≦ Δθ 32/ θ 3･･･(28) 或 θ 2- θ 1≦ θ 3- θ 2･･･(29)
如參照式(28)、式(29) ，可針對不同的θ 1、θ 3決定使光放射效率變最高的  θ 2。例如於θ 1= 40°、θ 3= 90°時，根據圖29可知η 21/ η 32= 0.73時照明裝置10之光放射效率最大，再根據下列式(22)及式(23)的關係求出 θ 2= 61.14°： η 21= Δθ 21/ θ 3= (θ 2-θ 1) / θ 3･･･(22) η 32= Δθ 32/ θ 3= (θ 3-θ 2) / θ 3･･･(23) 又，θ 1=40°、θ 3=70°時，根據圖32可知η 21/ η 32= 1時照明裝置10的光放射效率為最大，此時計算 θ 2，可得θ 2= 55°。
圖33～圖37係表示照明裝置10的光放射效率為最大時θ 1max、θ 2max、θ 3max之組合的計算結果。圖33係表示在θ 3max= 90°的情況下，變化θ 3max時之貢獻率變化。圖34係表示在θ 3max= 85°的情況下，變化θ 3max時之貢獻率變化。圖35係表示在θ 3max= 80°的情況下，變化θ 3max時之貢獻率變化。圖36係表示在θ 3max= 75°的情況下，變化θ 3max時之貢獻率變化。圖37係表示在θ 3max= 70°的情況下，變化θ 3max時之貢獻率變化。又，請注意在圖34及圖35中，η 21及η 32的曲線有部分重疊，目視無法分辨。
由圖33可知，θ 3max=　90°時，只要θ 1max變大，η 21及η 32會變不一致。此係因為彎月形透鏡16其第一面16a的傾斜角度超過90°，無法滿足η 21= η 32的條件所致。又，由圖34可知，θ 3max= 85°時也是只要θ 1max變大，η 21及η 32就會不一致，但其差異較圖10其 θ 3max= 90°時小。又，由圖33～圖37可知，θ 3max= 80°、75°、70°時，幾乎全部θ 1max的範圍內均為η 21= η 32。
圖38係在圖33～圖37的各條件下，以等高線表示照明裝置10之光發射效率。由圖38可知，光放射效率會隨著θ 3max變大而降低，同時使光放射效率成最大的θ 1max也變大。例如：當θ 3max為90°時，在θ 1max= 40°時的光放射效率為最大（約0.77）； 當θ 3max為70°時，在θ 1max= 30°附近的光放射效率為最大（約0.81）。
由圖38可得知如下事項： (1')在θ 1max= 30°～58°且θ 3max= 70°～90°的範圍內，光放射效率為0.75以上。 (2')在θ 1max= 34°～52°且θ 3max= 70°～90°的範圍內，光放射效率為0.76以上。 (3')在θ 1max= 40°～43°且θ 3max= 70°～90°的範圍內，光放射效率為0.77以上。 (4')在θ 1max= 30°～42°且θ 3max= 70°～80°的範圍內，光放射效率為0.79以上。 (5')在θ 1max= 30°～38°且θ 3max= 70°～75°的範圍內，光放射效率為0.80以上。
另一方面，如上所述，當光擴散至140°以上（70° ≦ θ 3max）時，有使光放射效率最大的θ 2，該最適合的θ 2可由上述的式(A5)或式(29)決定。
為實現圖30的配光，彎月形透鏡16其第一面16a及第二面16b（r、Z）的數據表示於下表2。 r、Z的意義係根據式(22)。將彎月形透鏡16表示於 r－Z座標上的結果如圖39所示。設定第二面16b的頂點為（r，Z）=（0，0）。表2所記載之彎月形透鏡16的形狀係以圖30的配光為目標值 ，於θ 3max= 90°、θ 1max= 40°的條件下，藉由上述方法設計。配置係與光強度固定時相同，使用的光源、擴散板也相同，只有彎月形透鏡依據表2變更設計，製作出實際的彎月形透鏡並測定配光。圖40即表示所測定出的配光分布。又，圖中的虛線係為目標的配光分布。實測值相對於模擬會有若干不同，但θ 3 0 3為85°（對應光強度0.5的角（對應半值的角）），相較於例如上述專利文獻1所記載的技術，係擴散至更廣角但可提供相同配光的照明裝置。 [表2]
Figure 02_image005
以上係針對本發明實施型態所做的相關說明。只要是本領域技術人員均可理解，上述實施型態僅為舉例，各該構成要素及各處理過程的組合可做各種變化，且各變化型態均包含在本發明的保護範圍內。
10:照明裝置 12:光源 12a:光射出面（發光面） 122、22:微透鏡 14:擴散元件 14a:第一面 14b:第二面 16:透鏡群；彎月形透鏡 16a:第一面 16b:第二面 20:板 100:測定系統 102:光圈 104:光電元件 106:光檢出器 114:微透鏡陣列 122a:頂點 122b:頂部 122c:光軸 200::行進機器人 202:行進面 204:照明領域 Ax:光軸 d1、d2、r:距離 L:光線
圖1係本發明一實施形態之照明裝置的概略剖面圖。 圖2係本發明一實施形態之照明裝置的概略斜視圖。 圖3係用以定義從照明裝置構成要件所射出之光相對於光軸的角度。 圖4係表示光線相對於Z軸的角度與光線L之方位角之間的關係圖。 圖5之圖5(a)及圖5(b)係用以說明擴散元件。 圖6係表示出一部份擴散元件的俯瞰圖。 圖7係表示從擴散元件所射出之光束的概念圖。 圖8係表示照明裝置之光發射效率計算結果其中一例。 圖9係表示照明裝置之光發射效率計算結果其中另一例。 圖10係表示在θ 3max= 90°的情況下，變化θ 1max時之貢獻率變化。 圖11係表示在θ 3max= 85°的情況下，變化θ 1max時之貢獻率變化。 圖12係表示在θ 3max= 80°的情況下，變化θ 1max時之貢獻率變化。 圖13係表示在θ 3max= 75°的情況下，變化θ 1max時之貢獻率變化。 圖14係表示在θ 3max= 70°的情況下，變化θ 1max時之貢獻率變化。 圖15係在圖10～圖14的各條件下，以等高線表示照明裝置之光發射效率。 圖16係從模擬所用之光源射出的光其光強度分布圖。 圖17係模擬所用之微透鏡陣列的平面圖。 圖18係圖17所示之微透鏡陣列的部份剖面圖。 圖19係模擬所用之彎月形透鏡的概略剖面圖。 圖20係進行模擬之照明裝置的構造示意圖。 圖21係測定照明裝置之配光的測定系統示意圖。 圖22係以模擬求出之照明裝置光強度分布與實測之照明裝置光強度分布的示意圖。 圖23係表示照明裝置之配光分布其中一例。 圖24係行走機器人的示意圖，其具備的照明裝置具有圖23所示的配光分布。 圖25係微透鏡陣列之部分剖面其中一例的示意圖。 圖26係圖25所示之微透鏡的概略擴大圖。 圖27之圖27(a)～圖27(g)係微透鏡的剖面形狀例示圖。 圖28係表示F(θ 3) =｛cos(0.9 × θ 3)｝ -0.1與F(θ 3) =｛cos(0.415 × θ 3)｝ -10的函數，及該些函數間所包含之數個函數的圖表。 圖29係表示F(θ 3) =｛cos(0.4 × θ 3)｝ -1.5與F(θ 3) =｛cos(0.465 × θ 3)｝ -7.5的函數，及該些函數間所包含之數個函數的圖表。 圖30係以F(θ 3) =｛cos(0.512 × θ 3)｝ -3表示光強度分布的示意圖。 圖31係表示照明裝置之光發射效率計算結果其中又一例的圖。 圖32係表示照明裝置之光發射效率計算結果其中再一例的圖。 圖33係表示在θ 3max= 90°的情況下，變化θ 1max時之貢獻率變化。 圖34係表示在θ 3max= 85°的情況下，變化θ 1max時之貢獻率變化。 圖35係表示在θ 3max= 80°的情況下，變化θ 1max時之貢獻率變化。 圖36係表示在θ 3max= 75°的情況下，變化θ 1max時之貢獻率變化。 圖37係表示在θ 3max= 70°的情況下，變化θ 1max時之貢獻率變化。 圖38係在圖33～圖37的各條件下，以等高線表示照明裝置之光發射效率。 圖39係為了實現圖30的配光而將彎月形透鏡標示在r-Z座標上的圖。 圖40係以模擬求出之照明裝置光強度分布與實測之照明裝置光強度分布的示意圖。
10:照明裝置
12:光源
12a:光射出面(發光面)
14:擴散元件
16:透鏡群
16a:第一面
16b:第二面
Ax:光軸

Claims (15)

  1. 一種照明裝置，其包括： 一光源，其係射出平行光或發散光； 一擴散元件，其係接收從該光源射出的光，並以50°以上、110°以下的擴散角射出光；以及 一透鏡群，其係具有負屈光度，於一第一面從該擴散元件接收光後，以140°以上的配光角從一第二面射出光。
  2. 如請求項1所述的照明裝置，該透鏡群包含一彎月形透鏡，其係具有負屈光度。
  3. 如請求項1所述的照明裝置，該擴散元件為一微透鏡陣列。
  4. 如請求項1至3項任一項所述的照明裝置，該透鏡群係具有負屈光度的單一彎月形透鏡。
  5. 如請求項1至3項任一項所述的照明裝置，如將從該擴散元件所射出之光相對於光軸的角度設為θ 1，將從該透鏡群之該第一面所射出之光相對於該光軸的角度設為θ 2，將從該透鏡群之該第二面所射出之光相對於該光軸的角度設θ 3，係滿足θ 2－θ 1≦θ 3－θ 2。
  6. 如請求項5所述的照明裝置，在-70° ≦ θ 3≦ 70°的範圍內，該照明裝置之光強度的配光分布CV值係為0.05以下（但CV值係由 θ 3在該範圍內之該照明裝置的光強度平均值除以該照明裝置之光強度標準偏差所求得）。
  7. 如請求項6所述的照明裝置，如θ 1的最大值為θ 1max，θ 3的最大值為θ 3max，在θ 1max= 27°～58°且θ 3max= 70°～90°的範圍內，光放射效率係為0.75以上。
  8. 如請求項6所述的照明裝置，在-80° ≦ θ 3≦ 80°的範圍內，如將從該透鏡群所射出的每單位立體角之光強度設為F(θ 3)，F(θ 3) 係隨著θ 3的絕對值｜θ 3｜增加而單純增加。
  9. 如請求項8所述的照明裝置，在-80° ≦ θ 3≦ 80°的範圍內，該F(θ 3)係滿足下述算式： ｛cos(0.9×θ 3)｝ -0.1≦ F(θ 3) ≦｛cos(0.415×θ 3)｝ -10。
  10. 如請求項7所述的照明裝置，如θ 1的最大值為θ 1max，θ 3的最大值為θ 3max， 在θ 1max= 30°～58°且θ 3max= 70°～90°的範圍內，光放射效率係為0.75以上。
  11. 如請求項10所述的照明裝置，如θ 3的最大值為θ 3max， 在θ 1max= 30°～38°且θ 3max= 70°～75°的範圍內，光放射效率係為0.80以上。
  12. 一種透鏡，其係使用如請求項6所述的照明裝置。
  13. 一種擴散元件及透鏡的組合，其係使用如請求項6所述的照明裝置。
  14. 一種感測裝置，其係包含如請求項6所述的照明裝置。
  15. 一種行進體，其係包含如請求項14所述的感測裝置。
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