光学系统的制作方法

1.本公开涉及光学系统。


背景技术：

2.在专利文献1中，公开了向对象空间投影虚像的图像显示装置。该图像显示装置是汽车用hud(head-up display)装置。从仪表板内的汽车用hud装置(光学系统)发出的图像光即投射光被挡风玻璃反射，朝向作为视觉辨认者的司机。
3.由此，用户(司机)能够将导航图像等的图像视觉辨认为虚像，视觉辨认为在路面等的背景重叠有虚像。
4.在先技术文献
5.专利文献
6.专利文献1：日本特开2020-183979号公报


技术实现要素：

7.本发明的一方式是一种光学系统，具备：光源，出射光；导光板，具有所述光源的光入射的入射面以及相互对置的第1面以及第2面，该第2面是光的出射面；和光控制体，对朝向所述入射面的光进行聚光，将聚光的光出射到该入射面，在所述第1面，设置将通过所述导光板的内部的光向所述第2面反射的棱镜，所述光控制体具有：第1入射面，对从所述光源出射的光的一部分进行聚光并出射到所述入射面；和第1反射面，对从该光源出射而未通过该第1入射面的光进行反射并出射到该入射面，所述第1入射面的第1焦点位置是在使平行光从所述导光板的所述入射面向所述光控制体的该第1入射面入射的情况下该平行光聚集于一点的位置，所述第1反射面的第2焦点位置是在使平行光从所述导光板的所述入射面向所述光控制体的该第1反射面入射的情况下该平行光聚集于一点的位置，所述第1焦点位置和所述第2焦点位置被设定于相互不同的位置并且从所述光源的发光面分离的位置。
附图说明
8.图1是表示本实施方式所涉及的光学系统的概要的剖视图。
9.图2是表示第1入射面的第1焦点位置与第1反射面的第2焦点位置的位置关系的剖视图。
10.图3是表示第1入射面的第1焦点位置与光源的位置关系的剖视图。
11.图4是表示第1反射面的第2焦点位置与光源的位置关系的剖视图。
12.图5是表示导光板的最大厚度、光源的大小以及从光源到第1入射面的距离的剖视图。
13.图6是表示通过光控制体来控制从光源的发光面的端部出射的光、使导光板的第2面整体进行面发光的状态的图。
14.图7是表示不能通过光控制体来控制从光源的发光面的端部出射的光的状态的
图。
15.图8是对光控制体以及导光板的具体尺寸进行说明的图。
16.图9是表示第1焦点位置距光源的发光面的偏移量和光的提取效率的关系的曲线图。
17.图10是表示第2焦点位置距光源的发光面的偏移量和光的提取效率的关系的曲线图。
具体实施方式
18.在专利文献1所述的光学系统中，光控制体中的折射面的焦点位置与全反射面的焦点位置一致。因此，若光源的大小相比于导光板大到一定以上，则担心不能有效控制从光源的发光面的端部出射的光、基于棱镜的光的提取效率降低。
19.在此，也考虑通过将光源接近于导光板来进行对应，但在导光板由树脂构成的情况下，担心由于光源的热而导致导光板熔融，不能接近一定距离以上。
20.本发明鉴于所涉及的方面而作出，其目的在于，提供一种能够实现光的提取效率的提高的光学系统。
21.以下，参照附图来说明本发明的实施方式。另外，本发明并不限定于以下的实施方式。此外，在不脱离起到本发明的效果的范围的范围内，能够适当变更。
22.如图1所示，光学系统100具备：光源1、导光板2、光控制体6。
23.光源1例如由发光二极管(light emitting diode：led)元件或者有机el(organic electro-luminescence：oel)元件等的固体发光元件构成。省略图示，光源1在图1的纸面进深方向隔开间隔而被设置多个。
24.导光板2与光源1的发光面对置配置。导光板2由形成为平板状的透明的树脂材料构成。导光板2例如由聚丙烯、聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚氯乙烯、abs树脂、丙烯酸、聚酰胺、聚碳酸酯、特氟龙(注册商标)等构成。
25.导光板2具有：光入射的入射面3、相互对置的第1面4以及第2面5。入射面3形成于导光板2的4个侧面之中的一个侧面。第1面4以及第2面5设置在导光板2的厚度方向上对置的两面。
26.在第1面4，设置多个棱镜10。棱镜10将通过导光板2的内部的光向第2面5反射。棱镜10构成为对入射的光进行全反射。另外，棱镜10并不局限于对入射的光全部全反射的方式，也能够包含一部分的光不全反射而通过棱镜10的内部的方式。
27.第1面4与入射面3不正交，倾斜规定角度。具体地，第1面4倾斜为随着远离入射面3而接近于第2面5。
28.第2面5是光的出射面。第2面5与入射面3正交。导光板2构成为光从侧面的入射面3入射，作为出射面的第2面5面发光。
29.光控制体6被配置于比导光板2的入射面3更靠光源1侧。光控制体6与导光板2一体形成。省略图示，但光控制体6在图1中在纸面进深方向隔开间隔而设置多个。多个光控制体6被设置于与多个光源1分别对置的位置。
30.光控制体6例如是准直透镜，对朝向入射面3的光进行聚光，将聚光的光向入射面3出射。光控制体6具有第1入射面7、第2入射面8、第1反射面9。
31.第1入射面7使从光源1出射的光的一部分折射，将折射的光向入射面3出射。从光源1出射而未通过第1入射面7的光向第2入射面8入射。第1反射面9使通过第2入射面8的光全反射，将全反射的光导向入射面3。
32.光控制体6进行控制以使得从光源1出射的光的一部分或者全部折射，从而缩窄从光源1出射的光的扩散角，朝向入射面3出射。光控制体6控制向光控制体6入射的光的扩散角，以使得向入射面3出射的光的光路接近于与第2面5平行的光路。在导光板2，从入射面3入射的光的大部分在棱镜10反射并从第2面5出射。
33.如上述那样，在本实施方式中，使通过光控制体6并被控制扩散角的光在设置于导光板2的第1面4的棱镜10直接反射，从第2面5出射。
34.因此，在本实施方式中，相比于在导光板2的第1面4以及第2面5反复全反射并使光从第2面5出射的方式，能够实现光的提取效率的提高。所谓本实施方式中的“提取效率”，是指从导光板2的第2面5(出射面)出射的光的光量相对于向导光板2的入射面3入射的光的光量所占的比例。
35.然而，若光源1的大小相比于导光板2大到一定以上，则担心不能有效控制从光源1的发光面的端部出射的光、基于棱镜10的光的提取效率降低。
36.因此，在本实施方式中，通过适当设定光控制体6中的第1入射面7以及第1反射面9的焦点位置、各部的尺寸，实现光的提取效率的提高。
37.具体地，如图2所示，第1入射面7的第1焦点位置11与第1反射面9的第2焦点位置12被设定于相互不同的位置并且与光源1的发光面分离的位置。
38.第1入射面7的第1焦点位置11是在使平行光从导光板2的入射面3向光控制体6的第1入射面7入射的情况下平行光聚焦于一点的位置。第1反射面9的第2焦点位置12是在使平行光从导光板2的入射面3向光控制体6的第1反射面9入射的情况下平行光聚焦于一点的位置。
39.这样，通过将第1焦点位置11和第2焦点位置12设定于不同的位置，能够将从光源1的发光面的端部出射的光高效地向导光板2的第1面4出射。由此，能够改善导光板2的光利用效率。
40.图3是表示第1入射面的第1焦点位置与光源的位置关系的剖视图。如图3所示，将从光控制体6中的最接近于光源1的部分到第1入射面7的第1焦点位置11的距离设为f。此外，将从光控制体6中的最接近于光源1的部分到光源1的发光面的距离设为d。
41.在此，为了有效利用从光源1的发光面的端部出射的光，需要使距离f比距离d大，减少光源1的大小的影响。因此，距离f与距离d设定为满足以下的式(1)。
42.d≤f
···
(1)
43.图4是表示第1反射面的第2焦点位置与光源的位置关系的剖视图。如图4所示，将从光控制体6中的最接近于光源1的部分到第1反射面9的第2焦点位置12的距离设为f’。
44.在此，为了有效利用从光源1的发光面的端部出射的光，需要使距离f’比距离d大，减少光源1的大小的影响。因此，距离f’和距离d设定为满足以下的式(2)。
45.d≤f’···
(2)
46.此外，由于第1入射面7相比于第1反射面9而相对于光源1的位置更接近，因此更容易受到光源1的大小的影响。因此，优选距离f和距离f’满足以下的式(3)。
47.f’≤f
···
(3)
48.图5是表示导光板的最大厚度、光源的大小以及从光源到第1入射面的距离的剖视图。如图5所示，将导光板2的最大厚度设为t，将光源1的大小设为a。
49.在此，增大导光板2的厚度能够减少光源1的大小的影响来有效利用光，但光学系统100的整体的尺寸变得非常大。因此，导光板2的最大厚度t设定为满足以下的式(4)，优选满足以下的式(5)，进一步优选满足以下的式(6)。
50.t/20≤a
···
(4)
51.t/10≤a
···
(5)
52.t/5≤a
···
(6)
53.如图3所示，将距离f与距离d的差设为距离h。第1入射面7通过控制从光源1出射的光，将光有效地向第1面4照射。因此，若距离h变得过大，则不能有效地控制光。因此，距离h设定为满足以下的式(7)，优选满足以下的式(8)，进一步优选满足以下的式(9)。
54.h≤10a
···
(7)
55.h≤5a
···
(8)
56.h≤a
···
(9)
57.如图4所示，将距离f’与距离d的差设为距离h’。第1反射面9通过控制从光源1出射的光，来将光有效地向第1面4照射。因此，若距离h’变得过大，则不能有效地控制光。因此，距离h’设定为满足以下的式(10)，优选满足以下的式(11)，进一步优选满足以下的式(12)。
58.h’≤10a
···
(10)
59.h’≤5a
···
(11)
60.h’≤a
···
(12)
61.如图5所示，将从第1入射面7中的最接近于光源1的部分到光源1的距离设为g。在此，为了有效地控制从光源1的发光面的端部出射的光，考虑使光源1接近于光控制体6。
62.但是，若光源1过于接近于导光板2，则担心由于光源1的热而导光板2熔融。因此，距离d、光源1的大小a、距离g优选满足以下的式(13)、式(14)。
63.d≥0
···
(13)
64.a≤g
···
(14)
65.以下，对本实施方式的光学系统100的发光原理进行说明。首先，如图6所示，从光源1出射的光通过光控制体6，从而被控制扩散角。
66.被控制扩散角的光从光控制体6向导光板2的入射面3出射。在此，第1面4倾斜为随着远离入射面3而向第2面5靠近。因此，向入射面3入射的光的大部分未到达第2面5以及与导光板2的入射面3对置的侧面，而到达第1面4。
67.并且，向入射面3入射的光的大部分在第1面4以及第2面5不反射，在设置于第1面4的多个棱镜10之中的任一个棱镜10全反射。
68.在棱镜10全反射的光沿着与第2面5大致正交的光路，从第2面5出射。由此，第2面5整体进行面发光。
69.另一方面，如图7的比较例所示，在使第1入射面7的第1焦点位置11与第1反射面9的第2焦点位置12一致的光学系统200中，存在不能有效控制从光源1的发光面的端部出射的光的问题。
70.具体地，如图7所示，向入射面3入射的光的一部分不朝向第1面4以及导光板2的侧面，而朝向第2面5。朝向第2面5的光能够在第2面5全反射。并且，在第2面5全反射的光朝向第1面4，在棱镜10不反射，光从第1面4漏出的可能性变高。
71.以下，说明通过将第1焦点位置11和第2焦点位置12相对于光源1的发光面偏移，光的提取效率如何变化。
72.图8是对光控制体以及导光板的具体尺寸进行说明的图。如图8所示，将导光板2的最大厚度t设为8mm，将光控制体6中的最接近于光源1的部分与第1入射面7的距离l1设为1mm，将光控制体6中的最接近于光源1的部分的开口宽度l2设为4.3mm，将距离d设为1mm，将光源1的大小a设为1mm。
73.在图9所示的曲线图中，将第1焦点位置11位于光源1的发光面时的偏移量设为0mm，将第1焦点位置11在远离导光板2的方向偏移。
74.如图9所示，在第1焦点位置11的偏移量是0mm的情况下，光的提取效率是49.9％。并且，可知越将第1焦点位置11偏移，效率越提高。在本实施方式中，从与其他指标的平衡考虑，将第1焦点位置11的偏移量设定为0.4mm。该情况下，效率为50.5％。
75.在图10所示的曲线图中，将第2焦点位置12位于光源1的发光面时的偏移量设为0mm，将第2焦点位置12在远离导光板2的方向偏移。
76.如图10所示，在第2焦点位置12的偏移量是0mm的情况下，光的提取效率是50.5％。并且，可知若将第2焦点位置12偏移，则到偏移量为0.3mm为止效率提高，之后效率降低。在本实施方式中，将第2焦点位置12的偏移量设定为0.2mm。该情况下，效率为52.3％。
77.这样，通过将第1焦点位置11的偏移量设定为0.4mm，将第2焦点位置12的偏移量设定为0.2mm，能够将光的提取效率从最低的49.9％提高到52.3％。
78.如上述那样，通过本发明的一方式，能够实现光的提取效率的提高。具体地说，通过将第1入射面的第1焦点位置和第1反射面的第2焦点位置设定为相互不同的位置并且远离光源的发光面的位置，能够有效地控制从光源的发光面的端部出射的光，提高基于棱镜的光的提取效率。
79.产业上的可利用性
80.如以上说明那样，本发明可得到能够实现光的提取效率的提高这一实用性高的效果，因此极其有用且产业上的可利用性较高。
[0081]-符号说明-[0082]
1光源
[0083]
2导光板
[0084]
3入射面
[0085]
4第1面
[0086]
5第2面
[0087]
6光控制体
[0088]
7第1入射面
[0089]
9第1反射面
[0090]
10棱镜
[0091]
11第1焦点位置
[0092]
12第2焦点位置
[0093]
100光学系统。

技术特征：
1.一种光学系统，具备：光源，出射光；导光板，具有所述光源的光入射的入射面以及相互对置的第1面以及第2面，该第2面是光的出射面；和光控制体，对朝向所述入射面的光进行聚光，将聚光的光出射到该入射面，在所述第1面，设置将通过所述导光板的内部的光向所述第2面进行反射的棱镜，所述光控制体具有：第1入射面，对从所述光源出射的光的一部分进行聚光并出射到所述入射面；和第1反射面，对从该光源出射而未通过该第1入射面的光进行反射并出射到该入射面，所述第1入射面的第1焦点位置是在使平行光从所述导光板的所述入射面向所述光控制体的该第1入射面入射的情况下该平行光聚集于一点的位置，所述第1反射面的第2焦点位置是在使平行光从所述导光板的所述入射面向所述光控制体的该第1反射面入射的情况下该平行光聚集于一点的位置，所述第1焦点位置和所述第2焦点位置被设定于相互不同的位置并且从所述光源的发光面分离的位置。2.根据权利要求1所述的光学系统，其中，从所述光控制体中的最接近于所述光源的部分到所述第1入射面的所述第1焦点位置为止的距离f、和从该光控制体中的最接近于该光源的部分到该光源的发光面为止的距离d满足如下条件：d≤f。3.根据权利要求1或者2所述的光学系统，其中，从所述光控制体中的最接近于所述光源的部分到所述第1反射面的所述第2焦点位置为止的距离f’、和从该光控制体中的最接近于该光源的部分到该光源的发光面为止的距离d满足如下条件：d≤f”。4.根据权利要求1至3的任一项所述的光学系统，其中，从所述光控制体中的最接近于所述光源的部分到所述第1入射面的所述第1焦点位置为止的焦点距离f、和从该光控制体中的最接近于该光源的部分到所述第1反射面的所述第2焦点位置为止的距离f’满足如下条件：f’≤f。5.根据权利要求1至4的任一项所述的光学系统，其中，所述导光板的最大厚度t与所述光源的大小a满足如下条件：t/20≤a。6.根据权利要求1至4的任一项所述的光学系统，其中，从所述光控制体中的最接近于所述光源的部分到所述第1入射面的所述第1焦点位置为止的距离f、从该光控制体中的最接近于该光源的部分到该光源的发光面为止的距离d、距离f与距离d的差即距离h、和该光源的大小a满足如下条件：h≤5a。7.根据权利要求1至6的任一项所述的光学系统，其中，
从所述光控制体中的最接近于所述光源的部分到所述第1反射面的所述第2焦点位置为止的距离f’、从该光控制体中的最接近于该光源的部分到该光源的发光面为止的距离d、距离f’与距离d的差即距离h’、和该光源的大小a满足如下条件：h’≤5a。

技术总结
光控制体(6)具有第1入射面(7)和第1反射面(9)。第1入射面(7)对从光源(1)出射的光的一部分进行聚光，并出射到导光板(2)的入射面(3)。第1反射面(9)对从光源(1)出射而未通过第1入射面(7)的光进行反射，出射到导光板(2)的入射面(3)。第1入射面(7)的第1焦点位置(11)与第1反射面(9)的第2焦点位置(12)被设定于相互不同的位置并且从光源(1)的发光面分离的位置。置。置。


技术研发人员：荒木要介 上水和平 高田和政 藤田胜
受保护的技术使用者：松下知识产权经营株式会社
技术研发日：2021.12.13
技术公布日：2023/10/5