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CN105393157B - 光学元件 - Google Patents

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CN105393157B
CN105393157B CN201480035593.3A CN201480035593A CN105393157B CN 105393157 B CN105393157 B CN 105393157B CN 201480035593 A CN201480035593 A CN 201480035593A CN 105393157 B CN105393157 B CN 105393157B
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optical element
exit facet
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plane
light
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池田贤元
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Nalux Co Ltd
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    • F21—LIGHTING
    • F21V—FUNCTIONAL FEATURES OR DETAILS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS THEREOF; STRUCTURAL COMBINATIONS OF LIGHTING DEVICES WITH OTHER ARTICLES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F21V5/00—Refractors for light sources
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B19/00—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics
    • G02B19/0004—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the optical means employed
    • G02B19/0009—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the optical means employed having refractive surfaces only
    • G02B19/0014—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the optical means employed having refractive surfaces only at least one surface having optical power
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
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Abstract

提供一种光学元件，能够减小因光的方向而产生的色差并使来自光源的光扩散。本发明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之后照射到外部，其中，该出射面构成为：设该光学元件的中心轴为光轴，在该光学元件的包含该光轴且与该平面垂直的截面中，设该出射面上的点Q处的该出射面的法线相对于该光轴的角度为φ、该点Q距该光轴的距离为r，φ相对于r具有至少三个极小值和至少三个极大值。

Description

光学元件
技术领域
本发明涉及使来自光源的光扩散的光学元件。
背景技术
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)。
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，有时会根据光的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光的方向而产生的色差且使来自光源的光扩散的光学元件。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2006-92983号公报
发明内容
发明要解决的问题
因此，对于能够减小因光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。
用于解决问题的手段
本发明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，该出射面构成为：设该光学元件的中心轴为光轴，在该光学元件的包含该光轴且与该平面垂直的截面中，设该出射面上的点Q处的该出射面的法线相对于该光轴的角度为φ、该点Q与距光轴的距离为r，φ相对于r具有至少三个极小值和至少三个极大值。
根据本发明的光学元件，出射面构成为：φ相对于r具有至少三个极小值和至少三个极大值，因此，在具有所述极小值和所述极大值的出射面的区域中通过的光朝向各个方向散射，由此缓解特定波长的光因光的方向而增强的趋势。因此，本发明的光学元件能够减小因光的方向而产生的色差。
另外，在本说明书及权利要求书中，φ相对于r的极小值包含与φ的谷底对应的局部部位的最小值。并且，极大值包含与φ的山脊的顶点对应的局部部位的最大值。
本发明的第1实施方式的光学元件，该出射面构成为：φ相对于r具有至少六个极小值和至少六个极大值。
根据本实施方式的光学元件，出射面构成为：φ相对于r具有至少六个极小值和至少六个极大值，因此能够更有效地减小因光的方向而产生的色差。
本发明的第2实施方式的光学元件的该出射面构成为：φ的所述至少三个极小值和所述至少三个极大值全部为正，设与相邻的极小值和极大值对应的φ的两个值之差为Δφ，
Δφ≤20°。
如果在φ为正时Δφ过大，则基于光学元件的光的扩散功能降低。根据本实施方式，由于设定适当的Δφ，因而能够维持基于光学元件的光的扩散功能，有效地减小因光的方向而产生的色差。
本发明的第3实施方式的光学元件是根据第2实施方式所述的光学元件，该出射面构成为：
Δφ≤15°。
根据本实施方式，基于光学元件的光的扩散功能的降低进一步减小。
本发明的第4实施方式的光学元件，该出射面构成为：设该出射面距该光轴的距离的最大值为rmax，关于φ的所述至少三个极小值和所述至少三个极大值，设与相邻的极小值和极大值对应的r的两个值之差为Δr，
Δr/rmax≤0.05。
在本实施方式的光学元件中，由于设定适当的Δr，因而能够有效地减小因光的方向而产生的色差。
本发明的第5实施方式的光学元件是在第2实施方式所述的光学元件中，该出射面构成为：设Δr的最大值为Δrmax，
0.01≤Δrmax/rmax≤0.05。
根据本实施方式的光学元件，由于设定适当的Δr，因而能够有效地减小因光的方向而产生的色差。
本发明的第6实施方式的光学元件是根据第2或第3实施方式所述的光学元件，仅在该出射面的0.5rmax≤r的范围内具有所述至少三个极小值和所述至少三个极大值。
从光学元件的外侧的部分射出的光因光的方向而产生的色差，大于从光学元件的中心轴的周边的部分射出的光。本实施方式的光学元件具有极大值和极小值，且仅在该出射面的0.5rmax≤r的范围内具有通过该区域的光朝向各个方向散射的区域即散射区域，因此能够有效地减小因光的方向而产生的色差。
另外，在本实施方式的光学元件中，散射区域仅存在于0.5rmax≤r的范围内，不存在于中心轴的周围。因此，在出射面的中心轴的周围通过的光以不受所述散射区域的影响且远离中心轴的方式扩散。
这样根据本实施方式的光学元件，能够使在出射面的中心轴的周围通过的光以远离中心轴的方式扩散，使在出射面的外侧通过的光朝向各个方向散射，有效地减小因光的方向而产生的色差。
本发明的第7实施方式的光学元件构成为：设该光轴与该入射面的交点为O1，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θr，设从点P0朝点P行进的光通过光学元件后的行进方向与该光轴所成的角度为θe，在使点P从点O1沿着该入射面移动时，θe相对于θr在60°≤θe的范围内具有至少三个极小值和至少三个极大值。
因光的方向而产生的色差的主要是满足60°≤θe的光。本实施方式的光学元件构成为，θe相对于θr在60°≤θe的范围内具有至少三个极小值和至少三个极大值，因此能够有效地减小因光的方向而产生的色差。
本发明的第8实施方式的光学元件是在第7实施方式所述的光学元件中，该出射面构成为，关于θe相对于θr，在60°≤θe的范围内，使得φ相对于r具有至少六个极小值和至少六个极大值。
根据本实施方式的光学元件，出射面构成为，关于θe相对于θr，在60°≤θe的范围内，使得φ相对于r具有至少六个极小值和至少六个极大值，因此能够有效地减小因光的方向而产生的色差。
本发明的第9实施方式的光学元件是根据第7或第8实施方式所述的光学元件且构成为：θe的所述至少三个极小值和所述至少三个极大值中、相邻的极小值与极大值之差的最大值为5度以上。
根据本实施方式的光学元件，相邻的极小值与极大值之差Δθe的最大值为5度以上，因此能够有效地减小因光的方向而产生的色差。
本发明的第10实施方式的光学元件构成为：Δθe的最大值为15度以下。
本实施方式的光学元件构成为Δθe的最大值为15度以下，因此能够维持基于光学元件的光的扩散功能，有效地减小因光的方向而产生的色差。
本发明的第11实施方式的光学元件，该出射面为关于该光轴旋转对称的形状。
本实施方式的光学元件能够容易制造。
本发明的第12实施方式的光学元件构成为：将该光轴的周围分割成多个角度区间，各个角度区间的出射面具有全部不同的形状。
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。
本发明的第13实施方式的光学元件将该光轴的周围分割成多个角度区间，仅在该多个角度区间的一部分的角度区间中，出射面具有本发明或者第1实施方式～第10实施方式中任意一个方式所述的形状。
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，减小因光的方向而产生的色差。
本发明的第14实施方式的光学元件形成为：0.5rmax≤r的范围的出射面的表面部分包含散射材料。
根据本实施方式的光学元件，0.5rmax≤r的范围的出射面的表面部分包含散射材料，因此能够有效地减小因光的方向而产生的色差。
附图说明
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。
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。
图3是示出在基板的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。
图4是示出实施例1的光学元件的r与φ之间的关系的图。
图5是示出实施例1的光学元件的θr与θe之间的关系的图。
图6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。
图7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。
图8是示出实施例2的光学元件的r与φ之间的关系的图。
图9是示出实施例2的光学元件的θr与θe之间的关系的图。
图10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。
图11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。
图12是示出实施例3的光学元件的r与φ之间的关系的图。
图13是示出实施例3的光学元件的θr与θe之间的关系的图。
图14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。
图15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。
具体实施方式
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的与面205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，荧光剂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。
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。光学元件100的底面105在中心轴AX附近具有凹陷，该凹陷的面形成入射面101。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。
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。并且，在图2中，设入射面101和中心轴AX的交点的坐标为O1，设出射面103和中心轴AX的交点的坐标为O2。
从光源200射出的光经过入射面101进入光学元件100，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。
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，可以应用于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的任意光源。
在图2中，将上述的平面表示为面205。设光源200的面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θr，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θi。此外，设该光线在出射面折射后的行进方向与中心轴AX所成的角度为θe。在图2中，设从发光芯片201的边下垂到面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。
在本实施方式中，设P1及P2距中心轴AX的距离分别为d1及d2，d1＝0.5(mm)，d2＝1.5(mm)。
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与出射面的法线的角度α满足
α＜sin-1(1/n)的条件。
此外，在图2中，设出射面103的某个点Q处的法线与中心轴AX所成的角度为φ。设以中心轴AX为基准时顺时针的角度为正，设逆时针的角度为负。在图2中，出射面103和中心轴AX的交点处的出射面103的法线的角度为0度。
图3是示出在基板320的面305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。基板310和基板320是用于配置光源200和光学元件100的基板。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3的上侧)。
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。
实施例1
在本实施例中，P0与O2之间的距离T为
T＝5.500mm，
P0与O1的距离h为
h＝4.450mm。
出射面103的形状由下式表示。
在0≤r<6.8以及8.5<r≤rmax时，
[公式1]
在6.8≤r≤8.5时，
[公式2]
其中，以将式(1)和式(2)连续地连接的方式来规定r的函数z。
此处，
[公式3]
c＝1/R
[公式4]
r2＝x2+y2
r为距中心轴AX的距离。rmax为出射面中的r的最大值，rmax＝9.25(mm)。z为以出射面和中心轴AX的交点O2为基准的中心轴AX方向的坐标。c为曲率，R为曲率半径，k为圆锥曲线系数(conic)，Ai为非球面系数。此外，π为圆周率，B为振幅，K为频率。另外，
rt＝r-6.8。
表1是示出表示实施例1的出射面的形状的式(1)及式(2)的系数的数值的表。
[表1]
R 1.452
k -5.372
A1 0.000
A2 -7.131E-02
A3 -4.205E-04
A4 5.871E-05
A5 2.648E-06
A6 1.921E-08
A7 1.819E-08
A8 3.274E-09
A9 4.862E-10
A10 -4.438E-10
A11 7.082E-13
A12 -5.008E-13
ω -0.02
B 0.004
K 10
图4是示出实施例1的光学元件的r与φ的关系的图。图4的横轴表示距光轴AX的距离r。图4的纵轴表示在出射面103中距光轴AX的距离为r的点处的法线与中心轴AX所成的角度φ。
根据图4，r＝0时，φ＝0。在0<r<0.9的范围内，随着r增大，φ单调减少。在0.9<r<6.5的范围内，随着r增大，φ单调增大。
在6.8≤r≤8.5的范围内，随着r增大，φ振动且增大。如上所述，以将式(1)和式(2)连续地连接的方式来规定r的函数z，因而在r小于6.8的区域中也观察到振动。
振动的周期p如下所述。
p＝2/K＝0.2
此外，在用p’表示利用rmax将p归一化而得的值时，
p’＝p/rmax＝0.022
振动的振幅的最大值即r的函数φ的相邻的极大值与极小值之差的最大值为12度。在6.8≤r≤8.5的范围内，存在至少9个极大值和至少9个极小值。具有极大值和极小值的上述的形状使通过上述范围的光朝向各个方向散射。因此，也将上述范围称为出射面103的散射区域。
在8.5<r≤rmax的范围内，随着r增大，φ单调增大。
入射面101的形状由下式表示。
[公式5]
此处，
[公式6]
c＝1/R
[公式7]
r2＝x2+y2
r为距中心轴AX的距离。z为以入射面和中心轴AX的交点O1为基准的中心轴AX方向的坐标。c为曲率，R为曲率半径，k为圆锥曲线系数，Ai为非球面系数。
表2是示出表示实施例1的入射面的形状的式(3)的系数的数值的表。
[表2]
R -1.1353
k -0.7990
A1 0.000
A2 -0.040
A3 0.058
A4 0.000
图5是示出实施例1的光学元件的θr与θe之间的关系的图。图5的横轴表示从点P0射出的光线的行进方向与中心轴AX所成的角度θr。图5的纵轴表示从点P0射出的光线在出射面折射后的行进方向与中心轴AX所成的角度θe。
在图5中，θr＝0时，θe＝0。在0＜θr＜40(度)的范围内，随着θr增大，θe单调增大。在40(度)≤θr≤62(度)的范围内，随着θr增大，θe振动且增大。振动的周期为2度～3度。振动的振幅的最大值即θr的函数θe相邻的极大值与极小值之差的最大值为10度。在40(度)≤θr≤62(度)的范围内，存在至少9个极大值和至少9个极小值。这些θe的极大值和极小值在69度～78度的范围内。在62(度)＜θr的范围内，随着θr增大，θe单调增大。
比较例1
在本比较例中，P0与O2之间的距离T为
T＝5.500mm，
P0与O1的距离h为
h＝4.450mm。
出射面的形状由式(1)表示。
表3是示出表示比较例1的出射面的形状的式(1)的系数的数值的表。
[表3]
R 1.452
k -5.372
A1 0.000
A2 -7.131E-02
A3 -4.205E-04
A4 5.871E-05
A5 2.648E-06
A6 1.921E-08
A7 1.819E-08
A8 3.274E-09
A9 4.862E-10
A10 -4.438E-10
A11 7.082E-13
A12 -5.008E-13
入射面的形状由式(3)表示，式(3)的系数根据表2赋值。
换言之，比较例1的入射面的形状与实施例1的入射面的形状完全相同。此外，比较例1的出射面的形状不具有散射区域，除此以外是与实施例1的出射面相同的形状。
实施例1与比较例1的性能比较
对将实施例1和比较例1的光学元件组合到图1所示的光源中的情况下的光分布进行比较，由此对实施例1和比较例1的性能进行比较。
图6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。图6的横轴表示与中心轴AX所成的角度为θ的方向。图6的纵轴表示朝与中心轴AX所成的角度为θ的方向射出的光的强度的相对值。图6的实线表示波长小于500纳米的光(短波长侧的光)的相对强度。在相对强度中，将最大值表示为100％。图6的虚线表示波长为500纳米以上的光(长波长侧的光)的相对强度。在相对强度中，将最大值表示为100％。
图7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。图7的横轴表示与中心轴AX所成的角度为θ的方向。图7的纵轴表示朝与中心轴AX所成的角度为θ的方向射出的光的强度的相对值。图7的实线表示波长小于500纳米的光(短波长侧的光)的相对强度。在相对强度中，将最大值表示为100％。图7的虚线表示波长为500纳米以上的光(长波长侧的光)的相对强度。在相对强度中，将最大值表示为100％。
对图6和图7进行比较，在关于比较例1的图7中，短波长侧的光的强度与长波长侧的光的强度之差较大。尤其是，在θ为65度附近，两者之差较大。在两者之差增大时，会产生色差。例如，如图7所示，在θ为65度附近，两者之差较大，当长波长侧的强度较大的情况下，在θ为65度附近时，红色变强。
这样，与比较例1的光学元件相比，实施例1的光学元件能够抑制产生色差。
实施例2
在本实施例中，P0与O2的距离T为
T＝5.536mm，
P0与O1的距离h为
h＝4.536mm。
出射面103的形状由下式表示。
在0≤r<7.0以及8.5<r≤rmax时，
[公式8]
在7.0≤r≤8.5时，
[公式9]
其中，以将式(1)和式(2)连续地连接的方式来规定r的函数z。
此处，
[公式10]
c＝1/R
[公式11]
r2＝x2+y2
r为距中心轴AX的距离。rmax为出射面中的r的最大值，rmax＝9.25(mm)。z为以出射面和中心轴AX的交点O2为基准的中心轴AX方向的坐标。c为曲率，R为曲率半径，k为圆锥曲线系数，Ai为非球面系数。此外，π为圆周率，B为振幅，K为频率。另外，
rt＝r-7.0。
表4是示出表示实施例2的出射面的形状的式(1)及式(2)的系数的数值的表。
[表4]
R 1.452
k -5.372
A1 0.000
A2 -7.131E-02
A3 -4.205E-04
A4 5.871E-05
A5 3.648E-06
A6 1.921E-08
A7 1.819E-08
A8 3.274E-09
A9 4.862E-10
A10 -4.438E-10
A11 7.082E-13
A12 -5.008E-13
ω -0.024
B 0.004
K 10
图8是示出实施例2的光学元件的r与φ的关系的图。图8的横轴表示距光轴AX的距离r。图8的纵轴表示在出射面103中距光轴AX的距离为r的点处的法线与中心轴AX所成的角度φ。
根据图8，r＝0时，φ＝0。在0＜r＜0.95的范围内，随着r增大，φ单调减少。在0.95＜r＜6.5的范围内，随着r增大，φ单调增大。
在7.0≤r≤8.5的范围内，随着r增大，φ振动且增大。如上所述，以将式(1)和式(2)连续地连接的方式来规定r的函数z，因而在r小于7.0的区域中也观察到振动。
振动的周期p如下所述。
p＝2/K＝0.2
此外，在用p’表示利用rmax将p归一化的值时，
p’＝p/rmax＝0.022
振动的振幅的最大值即r的函数φ相邻的极大值与极小值之差的最大值为12度。在7.0≤r≤8.5的范围内，存在至少8个极大值和8个极小值。也将上述范围称为出射面103的散射区域。
在8.5＜r≤rmax的范围内，随着r增大，φ单调增大。
入射面101的形状由下式表示。
[公式12]
此处，
[公式13]
c＝1/R
[公式14]
r2＝x2+y2
r为距中心轴AX的距离。z为以入射面和中心轴AX的交点O1为基准的中心轴AX方向的坐标。c为曲率，R为曲率半径，k为圆锥曲线系数，Ai为非球面系数。
表5是示出表示实施例2的入射面的形状的式(3)的系数的数值的表。
[表5]
R -1.1353
k -0.758
A1 0.000
A2 -0.040
A3 0.058
A4 0.000
图9是示出实施例2的光学元件的θr与θe之间的关系的图。图9的横轴表示从点P0射出的光线的行进方向与中心轴AX所成的角度θr。图9的纵轴表示从点P0射出的光线在出射面折射后的行进方向与中心轴AX所成的角度θe。
在图9中，θr＝0时，θe＝0。在0＜θr＜40(度)的范围内，随着θr增大，θe单调增大。在40(度)≤θr≤70(度)的范围内，随着θr增大，θe振动。振动的周期为1度～2度。振动的振幅的最大值即θr的函数θe相邻的极大值与极小值之差的最大值为约10度。在40(度)≤θr≤70(度)的范围内，存在至少10个极大值和至少10个极小值。这些θe的极大值和极小值在69度～80度的范围内。
比较例2
在本比较例中，P0与O2之间的距离T为
T＝5.536mm，
P0与O1的距离h为
h＝4.536mm。
出射面的形状由式(1)表示。
表6是示出表示比较例2的出射面的形状的式(1)的系数的数值的表。
[表6]
R 1.452
k -5.372
A1 0.000
A2 -7.131E-02
A3 -4.205E-04
A4 5.871E-05
A5 3.648E-06
A6 1.921E-08
A7 1.819E-08
A8 3.274E-09
A9 4.862E-10
A10 -4.438E-10
A11 7.082E-13
A12 -5.008E-13
入射面的形状由式(3)表示，式(3)的系数根据表5赋值。
换言之，比较例2的入射面的形状与实施例2的入射面的形状完全相同。此外，比较例2的出射面的形状不具有散射区域，除此以外是与实施例2的出射面相同的形状。
实施例2与比较例2的性能比较
对将实施例2和比较例2的光学元件组合到图1所示的光源中的情况下的光分布进行比较，由此对实施例2和比较例2的性能进行比较。
图10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。图10的横轴表示与中心轴AX所成的角度为θ的方向。图10的纵轴表示朝与中心轴AX所成的角度为θ的方向射出的光的强度的相对值。图10的实线表示波长小于500纳米的光(短波长侧的光)的相对强度。在相对强度中，将最大值表示为100％。图10的虚线表示波长为500纳米以上的光(长波长侧的光)的相对强度。在相对强度中，将最大值表示为100％。
图11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。图11的横轴表示与中心轴AX所成的角度为θ的方向。图11的纵轴表示朝与中心轴AX所成的角度为θ的方向射出的光的强度的相对值。图11的实线表示波长小于500纳米的光(短波长侧的光)的相对强度。在相对强度中，将最大值表示为100％。图11的虚线表示波长为500纳米以上的光(长波长侧的光)的相对强度。在相对强度中，将最大值表示为100％。
对图10和图11进行比较，在关于比较例2的图11中，短波长侧的光的强度与长波长侧的光的强度之差较大。尤其是，在θ为65度附近，两者之差较大。在两者之差增大时，会产生色差。例如，如图11所示，在θ为65度附近，两者之差较大，当长波长侧的强度较大的情况下，在θ为65度附近时，红色变强。
这样，与比较例2的光学元件相比，实施例2的光学元件能够抑制产生色差。
实施例3
在本实施例中，P0与O2的距离T为
T＝5.555mm，
P0与O1的距离h为
h＝4.555mm。
出射面103的形状由以下的点群的三次样条曲线表示。三次样条曲线是指如下曲线：在通过所给的多个控制点的顺滑的曲线中，对被相邻的点夹着的各区间使用了在全部点处连续的独立的三次多项式而得的曲线。
表7是表示三次样条曲线的点群的表。r为距中心轴AX的距离。rmax为出射面中的r的最大值，rmax＝9.25(mm)。z为以出射面和中心轴AX的交点O2为基准的中心轴AX方向的坐标。
[表7]
图12是示出实施例3的光学元件的r与φ的关系的图。图12的横轴表示距光轴AX的距离r。图12的纵轴表示在出射面103中距光轴AX的距离为r的点处的法线与中心轴AX所成的角度φ。
根据图12，r＝0时，φ＝0。在0<r<0.95的范围内，随着r增大，φ单调减少。
在6.5≤r≤rmax的范围内，随着r增大，φ振动且增大。振动的周期p为0.1～0.2。此外，在用p’表示利用rmax将p归一化的值时，p’为0.011～0.022。振动的振幅的最大值即r的函数φ相邻的极大值与极小值之差的最大值为约12度。在6.5≤r≤rmax的范围内，存在至少18个极大值和18个极小值。也将上述范围称为出射面103的散射区域。
入射面101的形状由下式表示。
[公式15]
此处，
[公式16]
c＝1/R
[公式17]
r2＝x2+y2
r为距中心轴AX的距离。z为以入射面和中心轴AX的交点O1为基准的中心轴AX方向的坐标。c为曲率，R为曲率半径，k为圆锥曲线系数，Ai为非球面系数。
表8是示出表示实施例3的入射面的形状的式(3)的系数的数值的表。
[表8]
R -1.1397
k -0.768
A1 0.000
A2 -0.054
A3 0.052
A4 0.000
图13是示出实施例3的光学元件的θr与θe的关系的图。图13的横轴表示从点P0射出的光线的行进方向与中心轴AX所成的角度θr。图13的纵轴表示从点P0射出的光线在出射面折射后的行进方向与中心轴AX所成的角度θe。
在图13中，θr＝0时，θe＝0。在0＜θr＜40(度)的范围内，随着θr增大，θe单调增大。在40(度)≤θr≤70(度)的范围内，随着θr增大，θe振动。振动的周期为1度～2度。振动的振幅的最大值即θr的函数θe相邻的极大值与极小值之差的最大值为约10度。在40(度)≤θr≤70(度)的范围内，存在至少18个极大值和至少18个极小值。这些θe的极大值和极小值在69度～80度的范围内。
比较例3
在本比较例中，P0与O2的距离T为
T＝5.555mm，
P0与O1的距离h为
h＝4.555mm。
出射面的形状由以下的点群的三次样条曲线表示。
表9是示出表示三次样条曲线的点群的表。r为距中心轴AX的距离。rmax为出射面中的r的最大值，rmax＝9.25(mm)。z为以出射面和中心轴AX的交点O2为基准的中心轴AX方向的坐标。
[表9]
入射面的形状由式(3)表示，式(3)的系数根据表8赋值。
换言之，比较例3的入射面的形状与实施例3的入射面的形状完全相同。此外，比较例3的出射面的形状不具有散射区域，除此以外是与实施例3的出射面相同的形状。
实施例3与比较例3的性能比较
对将实施例3和比较例3的光学元件组合到图1所示的光源中的情况下的光分布进行比较，由此对实施例3和比较例3的性能进行比较。
图14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。图14的横轴表示与中心轴AX所成的角度为θ的方向。图14的纵轴表示朝与中心轴AX所成的角度为θ的方向射出的光的强度的相对值。图14的实线表示波长小于500纳米的光(短波长侧的光)的相对强度。在相对强度中，将最大值表示为100％。图14的虚线表示波长为500纳米以上的光(长波长侧的光)的相对强度。在相对强度中，将最大值表示为100％。
图15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。图15的横轴表示与中心轴AX所成的角度为θ的方向。图15的纵轴表示朝与中心轴AX所成的角度为θ的方向射出的光的强度的相对值。图15的实线表示波长小于500纳米的光(短波长侧的光)的相对强度。在相对强度中，将最大值表示为100％。图15的虚线表示波长为500纳米以上的光(长波长侧的光)的相对强度。在相对强度中，将最大值表示为100％。
对图14和图15进行比较，在关于比较例3的图15中，短波长侧的光的强度与长波长侧的光的强度之差较大。尤其是，在θ为65度附近，两者之差较大。在两者之差增大时，会产生色差。例如，如图15所示，在θ为65度附近，两者之差较大，当长波长侧的强度较大的情况下，在θ为65度附近时，红色变强。
这样，与比较例3的光学元件相比，实施例3的光学元件能够抑制产生色差。
其它优选实施方式
实施例1～3的光学元件关于中心轴AX旋转对称的形状。在其它实施方式中也可以构成如下的光学元件：将光学元件的中心轴AX的周围分割成多个角度区间，使各个角度区间的出射面具有全部不同的形状。关于角度区间，可以是90度的4个角度区间以及60度的6个角度区间等的等间隔区间，也可以不是这样。也可以构成为，各个区间的出射面具有诸如实施例1～3中任意一例所示的形状、即具有散射区域。或者，也可以构成为，仅一部分区间的出射面具有散射区域，其它区间的出射面不具有散射区域。
根据上述实施方式，能够针对与轴AX的周围的角度区间对应的每个方向实现不同的光分布。例如，尤其是，能够针对轴AX的周围的特定的方向，减小色差。
此外，作为散射区域的形状优选的是，在出射面具有用于扩散光的扩散结构。扩散结构是从表面上去掉从表面起直径小于1mm的球面或非球面形状后的面、在表面上加上从表面起直径小于1mm的球面或非球面形状后的面、从表面上去掉从表面起直径小于1mm的圆锥、三角锥、四棱锥后的面、在表面上加上从表面起直径小于1mm的圆锥、三角锥、四棱锥后的面、通过粗糙化形成的褶皱面、以微透镜阵列等为代表的微小的曲面、棱镜等折射结构或棱镜等全反射结构等。
另外，为了在出射面的0.5rmax≤r的范围内形成散射区域，也可以由包含散射材料的材料形成出射面的表面部分。散射材料为丙烯树脂粉末、聚苯乙烯粒子、硅粉末、银粉末、氧化钛粉末、铝粉末、白炭黑、氧化镁、氧化锌等。出射面的表面部分是指从出射面起例如0.1mm深的区域。利用这样的散射材料，从出射面射出的光进一步被扩散。
也可以仅由如实施例1～3所示的出射面的形状形成出射面的散射区域。此外，也可以如上所述仅由散射材料形成出射面的散射区域。另外，还可以将形状和散射材料进行组合来形成散射区域。

Claims (16)

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，
该出射面构成为：设该光学元件的中心轴为光轴，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截面中，设连接点P0和该入射面上的点的直线与该光轴所成的角度为θr，设该出射面上的点Q处的该出射面的法线相对于该光轴的角度为φ、点Q距该光轴的距离为r，设该出射面内的点距该光轴的距离的最大值为rmax，对于θr以及φ，以该光轴为基准设顺时针的角度为正，
关于该出射面，在0.5rmax≤r的范围内，φ相对于r具有多个极小值和多个极大值，
在该出射面的从点P0出来以正角度θr行进的光线所通过的区域中，该多个极小值和该多个极大值为正，
该出射面的形状关于该光轴旋转对称，
该出射面构成为：设与所述多个极小值和所述多个极大值中的相邻的极小值和极大值对应的φ的两个值之差为Δφ，
Δφ≤20°。
2.根据权利要求1所述的光学元件，其中，
该出射面构成为：所述多个极小值至少为8个极小值，所述多个极大值至少为8个极大值。
3.根据权利要求1所述的光学元件，其中，
该出射面构成为：Δφ≤15°。
4.根据权利要求1所述的光学元件，其中，
所述光学元件构成为：将该光轴的周围分割成多个角度区间，各个角度区间的出射面具有全部不同的形状。
5.根据权利要求1所述的光学元件，其中，该光轴的周围被分割成多个角度区间，该出射面构成为仅位于该多个角度区间的一部分的角度区间中。
6.根据权利要求1所述的光学元件，其中，
所述光学元件形成为：0.5rmax≤r的范围的出射面的表面部分包含散射材料。
7.一种光学元件，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，
该出射面构成为：设该光学元件的中心轴为光轴，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截面中，设连接点P0和该入射面上的点的直线与该光轴所成的角度为θr，设该出射面上的点Q处的该出射面的法线相对于该光轴的角度为φ、点Q距该光轴的距离为r，设该出射面内的点距该光轴的距离的最大值为rmax，对于θr以及φ，以该光轴为基准设顺时针的角度为正，
关于该出射面，在0.5rmax≤r的范围内，φ相对于r具有多个极小值和多个极大值，
在该出射面的从点P0出来以正角度θr行进的光线所通过的区域中，该多个极小值和该多个极大值为正，
该出射面的形状关于该光轴旋转对称，
该出射面构成为：关于φ的所述多个极小值和所述多个极大值，设与相邻的极小值和极大值对应的r的两个值之差为Δr，
Δr/rmax≤0.05。
8.根据权利要求7所述的光学元件，其中，
该出射面构成为：设Δr的最大值为Δrmax，
0.01≤Δrmax/rmax≤0.05。
9.根据权利要求7所述的光学元件，其中，
所述光学元件构成为：将该光轴的周围分割成多个角度区间，各个角度区间的出射面具有全部不同的形状。
10.根据权利要求7所述的光学元件，其中，该光轴的周围被分割成多个角度区间，该出射面构成为仅位于该多个角度区间的一部分的角度区间中。
11.根据权利要求7所述的光学元件，其中，
所述光学元件形成为：0.5rmax≤r的范围的出射面的表面部分包含散射材料。
12.一种光学元件，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，
所述光学元件构成为：设该光学元件的中心轴为光轴，设该光轴与该入射面的交点为O1，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θr，设从点P0朝点P行进的光通过光学元件后的行进方向与该光轴所成的角度为θe，在θr≥0的范围中，在使点P从点O1沿着该入射面移动时，θe相对于θr在60°≤θe的范围内具有多个极小值和多个极大值，该出射面的形状关于该光轴旋转对称，
所述光学元件构成为：θe的所述多个极小值和所述多个极大值中、相邻的极小值与极大值之差Δθe的最大值为5度以上。
13.根据权利要求12所述的光学元件，其中，
所述光学元件构成为：Δθe的最大值为15度以下。
14.根据权利要求12所述的光学元件，其中，
所述光学元件构成为：将该光轴的周围分割成多个角度区间，各个角度区间的出射面具有全部不同的形状。
15.根据权利要求12所述的光学元件，其中，该光轴的周围被分割成多个角度区间，该出射面构成为仅位于该多个角度区间的一部分的角度区间中。
16.根据权利要求12所述的光学元件，其中，
所述光学元件形成为：0.5rmax≤r的范围的出射面的表面部分包含散射材料。
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