專利名稱：一種用以獲得均勻平行光束的雙自由曲面厚透鏡及其陣列的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及冷陰極熒光燈和LED等光源的二次光學元件，更具體而言，涉及一種用以獲得均勻平行光束的雙自由曲面厚透鏡及其陣列，其為對光束能量的空間分布和角度分布同時實現整形的雙自由曲面透鏡及其陣列。
背景技術：
在普通照明及公共顯示等領域內，傳統(tǒng)光源(如冷陰極熒光燈等)和新型光源(如LED等都有著極為廣泛的應用。隨著應用需求的變化和相關技術的不斷發(fā)展，冷陰極熒光燈和LED的應用范圍也不再僅限于這兩個領域，而是越來越多地被用作液晶顯示的背光源。尤其是LED，作為新一代光源，其體積小、壽命長、顯色性好、功耗小、發(fā)光效率高，在大面積平板顯示和便攜式顯示領域內顯示了更大的應用前景。然而,包括冷陰極突光燈和LED在內的各種光源,其福射光都具有一定的角度分布和空間分布，因此，在以上提及的所有應用中，相應的光學配光元件必不可少。其中，能夠獲得均勻照明的透鏡及其陣列作為最基本的配光元件，已被廣泛地研究和應用。但大多此類器件只能在遠距離、大面積內獲得均勻照明，即從這類器件出射的光束發(fā)散角大，所需勻光距離長，且出射光束能量的角度分布無法被控制，故只能在透鏡及其陣列后某個位置處的探測面上獲得均勻照明，此照明在其他位置處則不再均勻。而在液晶顯示中，因為液晶面板對大角度入射光的透過率不高，要想提高能量利用率就需控制背光源的發(fā)散角度；為了顯示模塊的小型化則需盡量縮短勻光距離；而為了減小裝配誤差對照明效果的影響則需使勻光效果在盡可能大的距離內維持。所以，目前發(fā)展的透鏡及其陣列的不足嚴重限制了其在液晶背光顯示中的應用。此外，在特殊照明場合，如太陽光模擬、室外極高亮度照明顯示、特定視角顯示等，對光束能量的空間分布和角度分布同時提出了非?？量痰囊?，這類透鏡也無法滿足。究其原因，是因為這類透鏡只有一個自由曲面，只能對光線在探測面上的位置(對應能量的空間分布)和角度(對應能量的角度分布)二者之一進行控制，無法同時兼顧。針對此問題，本發(fā)明提出了一種前后表面均為自由曲面的厚透鏡及其陣列。利用它可以對冷陰極熒光燈和LED等光源的輻射光進行整形，不僅能在探測面上獲得所需的能量空間分布，并且能同時完全控制光束能量的角度分布，從而在該透鏡及其陣列后相當大的距離內均可維持此照明效果，因而，可用在特種照明、液晶顯示的背光等領域。

發(fā)明內容
本發(fā)明的主要目的是提供一種用以獲得均勻平行光束的雙自由曲面厚透鏡及其陣列，其為一種二次光學元件，利用該二次光學元件對冷陰極熒光燈和LED等光源的輻射光進行整形，獲得光束方向和能量分布同時滿足要求的光束，特別是獲得光強均勻的平行光束，以進一步提高照明效果，縮小勻光光學系統(tǒng)的空間體積。為了達成上述目的，本發(fā)明提供了 一種用以獲得均勻平行光束的雙自由曲面厚透鏡及其陣列，其為一前后表面均為自由曲面的厚透鏡及其陣列，所述雙自由曲面厚透鏡及其陣列的前后表面對光線產生折射即控制行進方向，而其厚度則決定光線在雙自由曲面厚透鏡及其陣列徑向上的偏移量，從而使得光源的輻射光經該雙自由曲面厚透鏡及其陣列之后，被整形為能量同時具有所需空間分布和角度分布的光束。其中，所述雙自由曲面厚透鏡及其陣列的前后表面均是根據光通量守恒定律和折射定律，由光源的發(fā)光特性和所要求的光束整形后能量的空間分布和角度分布等共同確定的自由曲面。其中，所述雙自由曲面厚透鏡及其陣列的前表面全部是折射面或者部分為折射面部分為反射面。其中，所述雙自由曲面厚透鏡及其陣列采用菲涅爾透鏡結構，即前后表面是臺階型的自由曲面。其中，所述雙自由曲面厚透鏡的口徑形狀是圓形、矩形、多邊形和任意曲線中的一種，口徑大小與所要收集的光源光線的角度范圍、光源與透鏡前表面之間的距離、透鏡厚度、整形后光束的發(fā)散角以及所需的光斑尺寸參數有關。其中，當光源為如LED的點狀光源時，所述雙自由曲面厚透鏡的面型呈旋轉對稱；當光源為如冷陰極熒光燈管的絲狀光源時，所述雙自由曲面厚透鏡的面型呈平移對稱。其中，所述雙自由曲面厚透鏡及其陣列的照明光源是冷陰極熒光燈、LED光源中的一種。其中，所述雙自由曲面厚透鏡及其陣列的照明光源具有朗伯型或其它任意可測的發(fā)光強度分布。其中，經所述雙自由曲面厚透鏡及其陣列整形后的光束發(fā)散角與光源的幾何尺寸有關，最小控制在±0.3°內。其中，經所述雙自由曲面厚透鏡及其陣列整形后的光束能量在探測面內具有所要求的空間分布，且該分布在透鏡后數厘米的距離內保持不變，即在此范圍內的所有探測面上都具有相同的能量分布。其中，經所述雙自由曲面厚透鏡及其陣列整形后的光束口徑及其在探測面上的光斑形狀由所述的透鏡口徑與所述的整形后光束的發(fā)散角共同決定。其中，所述雙自由曲面厚透鏡陣列采用矩形排列、六角排列、三角排列的組合方式中的一種。其中，所述雙自由曲面厚透鏡及其陣列的材料選自:冕牌玻璃、火石玻璃、石英玻璃材料中的一種；或者選自甲基丙烯酸酯樹脂、丙烯酸酯樹脂、聚苯乙烯樹脂、聚碳酸酯樹月旨、甲基丙烯酸甲酯一苯乙烯共聚物、丙烯腈一苯乙烯共聚物及聚對苯二甲酸乙二酯有機樹脂材料中的一種。根據上述方案，本發(fā)明所提供的二次光學元件顯示了非常優(yōu)秀的光束整形能力。所述透鏡及其陣列可以對冷陰極熒光燈、LED等光源的輻射光進行整形，整形后的光束能量同時具有所需的空間分布和角度分布，在緊貼透鏡后表面處就可形成所需的空間分布，即勻光距離被極大地縮短；由于光束的方向性可被同時完全地控制，故在透鏡陣列的應用中，顯著降低了各透鏡之間的串擾，因而能夠在很長的距離內保持大面積的均勻照明。特別地，利用該雙自由曲面透鏡可以獲得均勻性和方向性極佳的大面積照明光，非常適合用作太陽光模擬器件。此外，該透鏡的設計方法簡單，無需求解偏微分方程，通過解二元四次方程組就可直接獲得透鏡的具體面型，非常適合當前的加工制造技術。


圖1為本發(fā)明提出的雙自由曲面透鏡實現光束整形的原理示意圖；圖2為經雙自由曲面透鏡整形后的光束在探測面上能量的空間分布和角度分布；圖3為矩形雙自由曲面透鏡實現光束整形的光路示意圖以及探測面上的能量空間分布；圖4為本發(fā)明提出的雙自由曲面透鏡對小尺寸光源的輻射光的整形效果；圖5為本發(fā)明提出的雙自由曲面透鏡陣列實現光束整形的光路示意圖；圖6為經圖5中所述透鏡陣列整形后光束在探測面上能量的空間分布和角度分布；其中，圖中標記:I為光源，2為雙自由曲面透鏡，3為能量探測面。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例，對本發(fā)明作進一步說明。實施例1雙自由曲面透鏡實現光束整形參閱圖1所示，其為本發(fā)明所提出的雙自由曲面透鏡實現光束整形的原理示意圖，包括一發(fā)光特性已知的光源1，一雙自由曲面透鏡2，和一能量探測面3。從光源I發(fā)出的光線依次經透鏡2的前表面21和后表面22折射，最終到達探測面3。其中自由曲面21和22的具體面型是根據光通量守恒定律和折射定律，由光源I的發(fā)光特性以及所要求的整形后光束的各種參數等共同確定的。光源I與透鏡前表面21之間的距離和透鏡中心厚度都可以被調節(jié)，以優(yōu)化透鏡的面型參數和整個光學系統(tǒng)的長度，使之更適合加工，同時符合使用環(huán)境的要求。對于圖1中的透鏡結構，當光源I是一發(fā)光面為ImmX Imm的正方形、發(fā)光強度分布為朗伯型的LED時，在距透鏡后表面0.5mm處的探測平面3上形成了半徑為8mm的均勻光斑，光斑能量在空間上的二維分布和過中心的一維分布分別如圖2 (a)和(b)所示；在距透鏡后表面6.5mm的探測平面上，此分布則如圖2 (c)和(d)所示。光斑能量在角度上的二維分布和過中心的一維分布分別如圖2 (e)和(f)所示?？梢钥闯鰞蓚€位置處的探測面上的均勻性(用能量襯度表示)均約為(Imax-1min)/(Imax+Imin) = 0.08，經透鏡整形后光束的發(fā)散角為±3.1°。正是因為發(fā)散角如此之小，所以在緊靠透鏡后表面直至距透鏡后表面I厘米的距離內，光束的能量襯度可保持在0.1以下。透鏡的口徑和整形后光斑的形狀不只限于圓形，還可以是矩形或者其它形狀。該透鏡的加工可以選用機械銑磨、壓模法等。實施例2具有矩形口徑的雙自由曲面透鏡實現光束整形在某些場合(如透鏡陣列)，所需透鏡的口徑或光斑的形狀為矩形或者六角形。圖3 (a)為矩形口徑的雙自由曲面透鏡實現光束整形的光路示意圖，圖3 (b)給出了光源I是一發(fā)光面為1_X1_的正方形、發(fā)光強度分布為朗伯型的LED時,靠近透鏡后表面的探測面上光斑能量的二維空間分布，能量襯度約為(Imax-1min)/(Imax+Imin) = 0.05，此均勻性可在距透鏡后表面近I厘米范圍內的所有探測面上保持。此時整形后光束的發(fā)散角為6.0°。當光源I的發(fā)光面減小至0.2mmX 0.2mm的正方形時,緊貼透鏡后表面的探測面上光斑能量的二維空間分布和過中心的一維分布分別如圖4 (a)和圖4 (b)所示，能量襯度約為(Imax-1min)/(I_+Imin) =0.04。光斑能量的二維角度分布和過中心的一維分布分別如圖4 (c)和圖4 (d)所示，發(fā)散角約為1.35°。如此小的發(fā)散角使整形后光束在從透鏡后表面直至距透鏡后表面數厘米的距離內，能量襯度均可保持在0.15以下。當光源I的發(fā)光面繼續(xù)減小時，整形后光束的能量均勻性可再提高，發(fā)散角進一步減小，能量均勻性可維持的距離進一步增大。在純折射結構的透鏡中，大角度入射光線在透鏡前表面的反射會產生巨大的損耗，如果在透鏡的前表面采用折射面和反射面的復合型結構，可提高能量使用效率。實施例3雙自由曲面透鏡陣列實現光束整形通常，為了獲得更大的照明面積或者提高照明亮度、縮小勻光距離，往往需要將多個透鏡組合排布在一起形成透鏡陣列，對具有相同排列方式的光源陣列的輻射光進行整形。圖5為矩形排列的2X2雙自由曲面透鏡陣列實現光束整形的光路示意圖。該透鏡陣列可對2X2LED (發(fā)光面為ImmX Imm的正方形，發(fā)光強度分布為朗伯型)陣列所發(fā)出的光實現整形，圖6 (a)和圖6 (b)分別給出了距透鏡陣列后表面1.5mm的探測平面上光斑能量的二維空間分布和過中心的一維分布，其能量襯度約為(Imax-1min)/(Imax+Imin) = 0.09 ;圖6(c)和圖6 (d)則分別為其二維角度分布和過中心的一維分布,發(fā)散角為±6.4°。由于雙自由曲面可以完全控制光束的角度分布，故在從透鏡陣列后表面到距透鏡陣列后表面13_的范圍內的所有探測平面上，能量襯度值均不高于0.15。在此特別指出，圖6 (a)中位于矩形光斑邊緣的多個小光斑為串擾所產生，即每個LED的大角度輻射光沒有被與其對應的整形透鏡收集，而是投射進入鄰近整形透鏡之后被匯聚。此部分串擾光線的角度一般約為40°，遠遠大于主光斑的發(fā)散角，故在很多場合其影響可不計；如需要，此串擾可通過在透鏡前施加光闌或者改變透鏡前表面的結構(前表面為凹曲面或者折射反射復合曲面)進一步減小甚至消除。透鏡陣列的排列方式不只限于矩形排列，還可以是六角排列或者其他排列組合方式；只是，此時透鏡的口徑和光斑的形狀也要相應地改為六邊形或者其他形狀。這些實施例通過透鏡及其陣列實現了對LED光源輻射光的整形，采用結構簡單的二次光學元件，在緊靠透鏡后表面處即可獲得能量均勻性和方向性極佳的大面積照明，且此照明效果可以在透鏡后很大的距離內保持，尤其是可獲得光強均勻的平行光。以上結合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
做了說明，但這些說明不能被理解為限制了本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的保護范圍由隨附的權利要求書限定，任何在本發(fā)明權利要求基礎上的改動都是本發(fā)明的保護范圍。
權利要求
1.一種用以獲得均勻平行光束的雙自由曲面厚透鏡及其陣列，其特征在于，其為一前后表面均為自由曲面的厚透鏡及其陣列，所述雙自由曲面厚透鏡及其陣列的前后表面對光線產生折射即控制行進方向，而其厚度則決定光線在雙自由曲面厚透鏡及其陣列徑向上的偏移量，從而使得光源的輻射光經該雙自由曲面厚透鏡及其陣列之后，被整形為能量同時具有所需空間分布和角度分布的光束。
2.根據權利要求1所述的一種用以獲得均勻平行光束的雙自由曲面厚透鏡及其陣列，其特征在于，所述雙自由曲面厚透鏡及其陣列的前后表面均是根據光通量守恒定律和折射定律，由光源的發(fā)光特性和所要求的光束整形后能量的空間分布和角度分布等共同確定的自由曲面。
3.根據權利要求1所述的一種用以獲得均勻平行光束的雙自由曲面厚透鏡及其陣列，其特征在于，所述雙自由曲面厚透鏡及其陣列的前表面全部是折射面或者部分為折射面部分為反射面。
4.根據權利要求1所述的一種用以獲得均勻平行光束的雙自由曲面厚透鏡及其陣列，其特征在于，所述雙自由曲面厚透鏡及其陣列采用菲涅爾透鏡結構，即前后表面是臺階型的自由曲面。
5.根據權利要求1所述的一種用以獲得均勻平行光束的雙自由曲面厚透鏡及其陣列，其特征在于，所述雙自由曲面厚透鏡的口徑形狀是圓形、矩形、多邊形和任意曲線中的一種，口徑大小與所要收集的光源光線的角度范圍、光源與透鏡前表面之間的距離、透鏡厚度、整形后光束的發(fā)散角以及所需的整形后光束的各種參數有關。
6.根據權利要求1所述的一種用以獲得均勻平行光束的雙自由曲面厚透鏡及其陣列，其特征在于，當光源為如LED的點狀光源時，所述雙自由曲面厚透鏡的面型呈旋轉對稱；當光源為如冷陰極熒光燈管的絲狀光源時，所述雙自由曲面厚透鏡呈平移對稱。
7.根據權利要求1所述的一種用以獲得均勻平行光束的雙自由曲面厚透鏡及其陣列，其特征在于，所述雙自由曲面厚透鏡及其陣列的照明光源是冷陰極熒光燈、LED光源中的一種。
8.根據權利要求1所述的一種用以獲得均勻平行光束的雙自由曲面厚透鏡及其陣列，其特征在于，所述雙自由曲面厚透鏡及其陣列的照明光源具有朗伯型或其它任意可測的發(fā)光強度分布。
9.根據權利要求1所述的一種用以獲得均勻平行光束的雙自由曲面厚透鏡及其陣列，其特征在于，經所述雙自由曲面厚透鏡及其陣列整形后的光束發(fā)散角與光源的幾何尺寸有關，最小控制在±0.3°內。
10.根據權利要求1所述的一種用以獲得均勻平行光束的雙自由曲面厚透鏡及其陣列，其特征在于，經所述雙自由曲面厚透鏡及其陣列整形后的光束能量在探測面內具有所要求的空間分布，且該分布在透鏡后數厘米的距離內保持不變，即在此范圍內的所有探測面上都具有相同的能量分布。
11.根據權利 要求1所述的一種用以獲得均勻平行光束的雙自由曲面厚透鏡及其陣列，其特征在于，經所述雙自由曲面厚透鏡及其陣列整形后的光束口徑及其在探測面上的光斑形狀由權利要求5所述的透鏡口徑與由權利要求9所述的整形后光束的發(fā)散角共同決定。
12.根據權利要求1所述的一種用以獲得均勻平行光束的雙自由曲面厚透鏡及其陣列，其特征在于，所述雙自由曲面厚透鏡陣列采用矩形排列、六角排列、三角排列的組合方式中的一種。
13.根據權利要求1所述的一種用以獲得均勻平行光束的雙自由曲面厚透鏡及其陣列，其特征在于，所述雙自由曲面厚透鏡及其陣列的材料選自:冕牌玻璃、火石玻璃、石英玻璃材料中的一種；或者 選自甲基丙烯酸酯樹脂、丙烯酸酯樹脂、聚苯乙烯樹脂、聚碳酸酯樹月旨、甲基丙烯酸甲酯一苯乙烯共聚物、丙烯腈一苯乙烯共聚物及聚對苯二甲酸乙二酯有機樹脂材料中的一種。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種用以獲得均勻平行光束的雙自由曲面厚透鏡及其陣列，涉及冷陰極熒光燈管和LED等光源的二次光學元件的技術領域，在本發(fā)明所述的雙自由曲面厚透鏡及其陣列中，透鏡及其陣列的前后兩個表面均為自由曲面，它們的具體面型是根據光通量守恒定律和折射定律，由光源的發(fā)光特性與所需的光束能量的空間分布和角度分布所確定的。該透鏡及其陣列能夠實現對冷陰極熒光燈管和LED等光源的輻射光整形，整形后光束能量在空間和角度上的分布均可以同時被完全地控制，尤其是能夠獲得能量均勻的平行光束。發(fā)明用于特種照明、液晶顯示的背光等領域，可進一步縮小勻光光學系統(tǒng)的空間體積，同時極大地提高照明效果。
文檔編號G02B3/06GK103148443SQ201310039858
公開日2013年6月12日 申請日期2013年1月31日 優(yōu)先權日2013年1月31日
發(fā)明者康學亮, 丁立, 黃坤, 李永平 申請人:中國科學技術大學