CN103148443B

CN103148443B - 一种用以获得均匀平行光束的双自由曲面厚透镜及其阵列

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Publication number: CN103148443B
Application number: CN201310039858.4A
Authority: CN
Inventors: 康学亮; 丁立; 黄坤; 李永平
Original assignee: University of Science and Technology of China USTC
Current assignee: University of Science and Technology of China USTC
Priority date: 2013-01-31
Filing date: 2013-01-31
Publication date: 2016-01-20
Anticipated expiration: 2033-01-31
Also published as: CN103148443A

Abstract

本发明提出了一种用以获得均匀平行光束的双自由曲面厚透镜及其阵列，涉及冷阴极荧光灯管和LED等光源的二次光学元件的技术领域，在本发明所述的双自由曲面厚透镜及其阵列中，透镜及其阵列的前后两个表面均为自由曲面，它们的具体面型是根据光通量守恒定律和折射定律，由光源的发光特性与所需的光束能量的空间分布和角度分布所确定的。该透镜及其阵列能够实现对冷阴极荧光灯管和LED等光源的辐射光整形，整形后光束能量在空间和角度上的分布均可以同时被完全地控制，尤其是能够获得能量均匀的平行光束。本发明专利用于特种照明、液晶显示的背光等领域，可进一步缩小匀光光学***的空间体积，同时极大地提高照明效果。

Description

一种用以获得均匀平行光束的双自由曲面厚透镜及其阵列

技术领域

本发明涉及冷阴极荧光灯和LED等光源的二次光学元件，更具体而言，涉及一种用以获得均匀平行光束的双自由曲面厚透镜及其阵列，其为对光束能量的空间分布和角度分布同时实现整形的双自由曲面透镜及其阵列。

背景技术

在普通照明及公共显示等领域内，传统光源（如冷阴极荧光灯等）和新型光源（如LED等都有着极为广泛的应用。随着应用需求的变化和相关技术的不断发展，冷阴极荧光灯和LED的应用范围也不再仅限于这两个领域，而是越来越多地被用作液晶显示的背光源。尤其是LED，作为新一代光源，其体积小、寿命长、显色性好、功耗小、发光效率高，在大面积平板显示和便携式显示领域内显示了更大的应用前景。

然而，包括冷阴极荧光灯和LED在内的各种光源，其辐射光都具有一定的角度分布和空间分布，因此，在以上提及的所有应用中，相应的光学配光元件必不可少。其中，能够获得均匀照明的透镜及其阵列作为最基本的配光元件，已被广泛地研究和应用。但大多此类器件只能在远距离、大面积内获得均匀照明，即从这类器件出射的光束发散角大，所需匀光距离长，且出射光束能量的角度分布无法被控制，故只能在透镜及其阵列后某个位置处的探测面上获得均匀照明，此照明在其他位置处则不再均匀。而在液晶显示中，因为液晶面板对大角度入射光的透过率不高，要想提高能量利用率就需控制背光源的发散角度；为了显示模块的小型化则需尽量缩短匀光距离；而为了减小装配误差对照明效果的影响则需使匀光效果在尽可能大的距离内维持。所以，目前发展的透镜及其阵列的不足严重限制了其在液晶背光显示中的应用。

此外，在特殊照明场合，如太阳光模拟、室外极高亮度照明显示、特定视角显示等，对光束能量的空间分布和角度分布同时提出了非常苛刻的要求，这类透镜也无法满足。

究其原因，是因为这类透镜只有一个自由曲面，只能对光线在探测面上的位置（对应能量的空间分布）和角度（对应能量的角度分布）二者之一进行控制，无法同时兼顾。针对此问题，本发明提出了一种前后表面均为自由曲面的厚透镜及其阵列。利用它可以对冷阴极荧光灯和LED等光源的辐射光进行整形，不仅能在探测面上获得所需的能量空间分布，并且能同时完全控制光束能量的角度分布，从而在该透镜及其阵列后相当大的距离内均可维持此照明效果，因而，可用在特种照明、液晶显示的背光等领域。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种用以获得均匀平行光束的双自由曲面厚透镜及其阵列，其为一种二次光学元件，利用该二次光学元件对冷阴极荧光灯和LED等光源的辐射光进行整形，获得光束方向和能量分布同时满足要求的光束，特别是获得光强均匀的平行光束，以进一步提高照明效果，缩小匀光光学***的空间体积。

为了达成上述目的，本发明提供了一种用以获得均匀平行光束的双自由曲面厚透镜及其阵列，其为一前后表面均为自由曲面的厚透镜及其阵列，所述双自由曲面厚透镜及其阵列的前后表面对光线产生折射即控制行进方向，而其厚度则决定光线在双自由曲面厚透镜及其阵列径向上的偏移量，从而使得光源的辐射光经该双自由曲面厚透镜及其阵列之后，被整形为能量同时具有所需空间分布和角度分布的光束。

其中，所述双自由曲面厚透镜及其阵列的前后表面均是根据光通量守恒定律和折射定律，由光源的发光特性和所要求的光束整形后能量的空间分布和角度分布等共同确定的自由曲面。

其中，所述双自由曲面厚透镜及其阵列的前表面全部是折射面或者部分为折射面部分为反射面。

其中，所述双自由曲面厚透镜及其阵列采用菲涅尔透镜结构，即前后表面是台阶型的自由曲面。

其中，所述双自由曲面厚透镜的口径形状是圆形、矩形、多边形和任意曲线中的一种，口径大小与所要收集的光源光线的角度范围、光源与透镜前表面之间的距离、透镜厚度、整形后光束的发散角以及所需的光斑尺寸参数有关。

其中，当光源为如LED的点状光源时，所述双自由曲面厚透镜的面型呈旋转对称；当光源为如冷阴极荧光灯管的丝状光源时，所述双自由曲面厚透镜的面型呈平移对称。

其中，所述双自由曲面厚透镜及其阵列的照明光源是冷阴极荧光灯、LED光源中的一种。

其中，所述双自由曲面厚透镜及其阵列的照明光源具有朗伯型或其它任意可测的发光强度分布。

其中，经所述双自由曲面厚透镜及其阵列整形后的光束发散角与光源的几何尺寸有关，最小控制在±0.3°内。

其中，经所述双自由曲面厚透镜及其阵列整形后的光束能量在探测面内具有所要求的空间分布，且该分布在透镜后数厘米的距离内保持不变，即在此范围内的所有探测面上都具有相同的能量分布。

其中，经所述双自由曲面厚透镜及其阵列整形后的光束口径及其在探测面上的光斑形状由所述的透镜口径与所述的整形后光束的发散角共同决定。

其中，所述双自由曲面厚透镜阵列采用矩形排列、六角排列、三角排列的组合方式中的一种。

其中，所述双自由曲面厚透镜及其阵列的材料选自：冕牌玻璃、火石玻璃、石英玻璃材料中的一种；或者选自甲基丙烯酸酯树脂、丙烯酸酯树脂、聚苯乙烯树脂、聚碳酸酯树脂、甲基丙烯酸甲酯—苯乙烯共聚物、丙烯腈—苯乙烯共聚物及聚对苯二甲酸乙二酯有机树脂材料中的一种。

根据上述方案，本发明所提供的二次光学元件显示了非常优秀的光束整形能力。所述透镜及其阵列可以对冷阴极荧光灯、LED等光源的辐射光进行整形，整形后的光束能量同时具有所需的空间分布和角度分布，在紧贴透镜后表面处就可形成所需的空间分布，即匀光距离被极大地缩短；由于光束的方向性可被同时完全地控制，故在透镜阵列的应用中，显著降低了各透镜之间的串扰，因而能够在很长的距离内保持大面积的均匀照明。特别地，利用该双自由曲面透镜可以获得均匀性和方向性极佳的大面积照明光，非常适合用作太阳光模拟器件。此外，该透镜的设计方法简单，无需求解偏微分方程，通过解二元四次方程组就可直接获得透镜的具体面型，非常适合当前的加工制造技术。

附图说明

图1为本发明提出的双自由曲面透镜实现光束整形的原理示意图；

图2为经双自由曲面透镜整形后的光束在探测面上能量的空间分布和角度分布；

图3为矩形双自由曲面透镜实现光束整形的光路示意图以及探测面上的能量空间分布；

图4为本发明提出的双自由曲面透镜对小尺寸光源的辐射光的整形效果；

图5为本发明提出的双自由曲面透镜阵列实现光束整形的光路示意图；

图6为经图5中所述透镜阵列整形后光束在探测面上能量的空间分布和角度分布；

其中，图中标记：1为光源，2为双自由曲面透镜，3为能量探测面。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明作进一步说明。

实施例1双自由曲面透镜实现光束整形

参阅图1所示，其为本发明所提出的双自由曲面透镜实现光束整形的原理示意图，包括一发光特性已知的光源1，一双自由曲面透镜2，和一能量探测面3。从光源1发出的光线依次经透镜2的前表面21和后表面22折射，最终到达探测面3。其中自由曲面21和22的具体面型是根据光通量守恒定律和折射定律，由光源1的发光特性以及所要求的整形后光束的各种参数等共同确定的。

光源1与透镜前表面21之间的距离和透镜中心厚度都可以被调节，以优化透镜的面型参数和整个光学***的长度，使之更适合加工，同时符合使用环境的要求。

对于图1中的透镜结构，当光源1是一发光面为1mm×1mm的正方形、发光强度分布为朗伯型的LED时，在距透镜后表面0.5mm处的探测平面3上形成了半径为8mm的均匀光斑，光斑能量在空间上的二维分布和过中心的一维分布分别如图2（a）和（b）所示；在距透镜后表面6.5mm的探测平面上，此分布则如图2（c）和（d）所示。光斑能量在角度上的二维分布和过中心的一维分布分别如图2（e）和（f）所示。可以看出两个位置处的探测面上的均匀性（用能量衬度表示）均约为(I_max-I_min)/(I_max+I_min)＝0.08，经透镜整形后光束的发散角为±3.1°。正是因为发散角如此之小，所以在紧靠透镜后表面直至距透镜后表面1厘米的距离内，光束的能量衬度可保持在0.1以下。

透镜的口径和整形后光斑的形状不只限于圆形，还可以是矩形或者其它形状。

该透镜的加工可以选用机械铣磨、压模法等。

实施例2具有矩形口径的双自由曲面透镜实现光束整形

在某些场合（如透镜阵列），所需透镜的口径或光斑的形状为矩形或者六角形。图3（a）为矩形口径的双自由曲面透镜实现光束整形的光路示意图，图3（b）给出了光源1是一发光面为1mm×1mm的正方形、发光强度分布为朗伯型的LED时，靠近透镜后表面的探测面上光斑能量的二维空间分布，能量衬度约为(I_max-I_min)/(I_max+I_min)＝0.05，此均匀性可在距透镜后表面近1厘米范围内的所有探测面上保持。此时整形后光束的发散角为6.0°。

当光源1的发光面减小至0.2mm×0.2mm的正方形时，紧贴透镜后表面的探测面上光斑能量的二维空间分布和过中心的一维分布分别如图4（a）和图4（b）所示，能量衬度约为(I_max-I_min)/(I_max+I_min)＝0.04。光斑能量的二维角度分布和过中心的一维分布分别如图4（c）和图4（d）所示，发散角约为1.35°。如此小的发散角使整形后光束在从透镜后表面直至距透镜后表面数厘米的距离内，能量衬度均可保持在0.15以下。当光源1的发光面继续减小时，整形后光束的能量均匀性可再提高，发散角进一步减小，能量均匀性可维持的距离进一步增大。

在纯折射结构的透镜中，大角度入射光线在透镜前表面的反射会产生巨大的损耗，如果在透镜的前表面采用折射面和反射面的复合型结构，可提高能量使用效率。

实施例3双自由曲面透镜阵列实现光束整形

通常，为了获得更大的照明面积或者提高照明亮度、缩小匀光距离，往往需要将多个透镜组合排布在一起形成透镜阵列，对具有相同排列方式的光源阵列的辐射光进行整形。图5为矩形排列的2×2双自由曲面透镜阵列实现光束整形的光路示意图。该透镜阵列可对2×2LED（发光面为1mm×1mm的正方形，发光强度分布为朗伯型）阵列所发出的光实现整形，图6（a）和图6（b）分别给出了距透镜阵列后表面1.5mm的探测平面上光斑能量的二维空间分布和过中心的一维分布，其能量衬度约为(I_max-I_min)/(I_max+I_min)＝0.09；图6（c）和图6（d）则分别为其二维角度分布和过中心的一维分布，发散角为±6.4°。由于双自由曲面可以完全控制光束的角度分布，故在从透镜阵列后表面到距透镜阵列后表面13mm的范围内的所有探测平面上，能量衬度值均不高于0.15。在此特别指出，图6（a）中位于矩形光斑边缘的多个小光斑为串扰所产生，即每个LED的大角度辐射光没有被与其对应的整形透镜收集，而是投射进入邻近整形透镜之后被汇聚。此部分串扰光线的角度一般约为40°，远远大于主光斑的发散角，故在很多场合其影响可不计；如需要，此串扰可通过在透镜前施加光阑或者改变透镜前表面的结构（前表面为凹曲面或者折射反射复合曲面）进一步减小甚至消除。

透镜阵列的排列方式不只限于矩形排列，还可以是六角排列或者其他排列组合方式；只是，此时透镜的口径和光斑的形状也要相应地改为六边形或者其他形状。

这些实施例通过透镜及其阵列实现了对LED光源辐射光的整形，采用结构简单的二次光学元件，在紧靠透镜后表面处即可获得能量均匀性和方向性极佳的大面积照明，且此照明效果可以在透镜后很大的距离内保持，尤其是可获得光强均匀的平行光。

以上结合附图对本发明的具体实施方式做了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。

Claims

1.一种能够同时控制光束方向和能量空间分布的双自由曲面厚透镜及其阵列，其特征在于：

所述双自由曲面厚透镜及其阵列的前后表面均为自由曲面，对光线产生折射即控制行进方向，而其厚度则决定光线在双自由曲面厚透镜及其阵列径向上的偏移量，从而使得光源的辐射光经该双自由曲面厚透镜及其阵列之后，被整形为能量同时具有所需空间分布和角度分布的光束，能够满足对照明光线的方向和能量位置分布同时有具体要求的特定应用场合，能够获得均匀平行光束；

所述双自由曲面厚透镜及其阵列的前后表面均是根据光通量守恒定律和折射定律，由光源的发光特性和所要求的光束整形后能量的空间分布和角度分布共同确定的自由曲面，该双自由曲面厚透镜及其阵列显示了非常优秀的光束整形能力，所述透镜及其阵列可以对冷阴极荧光灯、LED光源的辐射光进行整形，整形后的光束能量同时具有所需的空间分布和角度分布，在紧贴透镜后表面处就可形成所需的空间分布，即匀光距离被极大地缩短；由于光束的方向性可被同时完全地控制，故在透镜阵列的应用中，显著降低了各透镜之间的串扰，因而能够在很长的距离内保持大面积的均匀照明，利用该双自由曲面透镜可以获得均匀性和方向性极佳的大面积照明光，非常适合用作太阳光模拟器件，该透镜的设计方法简单，无需求解偏微分方程，通过解二元四次方程组就可直接获得透镜的具体面型，非常适合当前的加工制造技术；

所述双自由曲面厚透镜及其阵列的前表面全部是折射面或者部分为折射面部分为反射面；

所述双自由曲面厚透镜及其阵列采用菲涅尔透镜结构，即前后表面是台阶型的自由曲面；

所述双自由曲面厚透镜的口径形状是圆形、矩形、多边形和任意曲线中的一种，口径大小与所要收集的光源光线的角度范围、光源与透镜前表面之间的距离、透镜厚度、整形后光束的发散角以及所需的整形后光束的各种参数有关；

在限定出射光束为均匀平行光束后，当光源为点状光源时，所述双自由曲面厚透镜的面型呈旋转对称；当光源为丝状光源时，所述双自由曲面厚透镜呈平移对称；

当限定出射光束为均匀平行光束时，经所述双自由曲面厚透镜及其阵列整形后的光束发散角与光源的几何尺寸有关，最小控制在±0.3°内

或者，当限定出射光束为均匀平行光束时，经所述双自由曲面厚透镜及其阵列整形后的光束能量在目标面内具有所要求的空间分布，且该分布在透镜后数厘米的距离内保持不变，即在此范围内的所有探测面上都具有相同的能量分布。

2.根据权利要求1所述的双自由曲面厚透镜及其阵列，其特征在于，所述双自由曲面厚透镜及其阵列的照明光源是冷阴极荧光灯、LED光源中的一种。

3.根据权利要求1所述的双自由曲面厚透镜及其阵列，其特征在于，所述双自由曲面厚透镜及其阵列的照明光源具有朗伯型或其它任意可测的发光强度分布。

4.根据权利要求1所述的双自由曲面厚透镜及其阵列，其特征在于，当限定出射光束为均匀平行光束时，经所述双自由曲面厚透镜及其阵列整形后的光束口径及其在目标面上的光斑形状由透镜口径与整形后光束的发散角共同决定。

5.根据权利要求1所述的双自由曲面厚透镜及其阵列，其特征在于，所述双自由曲面厚透镜阵列采用矩形排列、六角排列、三角排列的组合方式中的一种。

6.根据权利要求1所述的双自由曲面厚透镜及其阵列，其特征在于，所述双自由曲面厚透镜及其阵列的材料选自：冕牌玻璃、火石玻璃、石英玻璃材料中的一种；或者选自甲基丙烯酸酯树脂、丙烯酸酯树脂、聚苯乙烯树脂、聚碳酸酯树脂、甲基丙烯酸甲酯—苯乙烯共聚物、丙烯腈—苯乙烯共聚物及聚对苯二甲酸乙二酯有机树脂材料中的一种。