匀光元件及光源系统的制作方法
【专利说明】
[0001] 本申请为申请人于2011年12月31日递交的申请号为201110459896. 6,发明名称 为"匀光元件及光源系统"的分案申请。
技术领域
[0002] 本发明设及照明及显示领域，特别是设及一种匀光元件及光源系统。
【背景技术】
[0003] 半导体激光、L邸等光源在照明、投影、光学照排、光存储等领域中应用广泛。在运 些应用中，需要将光源在目标平面上尽量形成一个一定尺寸、具有规则形状的照度分布，如 矩形均匀分布。
[0004] 而常用的光源的光分布都不够理想，比如半导体激光在截面上的光分布一般为楠 圆高斯，其长轴和短轴上的光分布如图1所示，发光二极管在截面上的光分布一般为钟形， 在截面上的光分布如图2所示。 阳0化]有文献提出基于复眼透镜的方法（论文LaserBeam化apingTechniques)。如 图3所示：尺寸为D的平行光束入射到包括两个复眼透镜的复眼透镜对，复眼透镜对利用其 中的微透镜11、12将光束分为若干个子光束，每个子光束用一对微透镜11、12分别处理，形 成矩形光分布，并且由于子光束面积很小，运个矩形内的光分布接近均匀。最后再经过一个 焦距为F的正常透镜13,子光束在目标平面上叠加，从而在尺寸为S的矩形内得到均匀照 度。运种方法对加工精度要求很高，并且微透镜11、12之间的光会有一定的串扰，造成目标 平面上出现旁瓣光斑，另外每个复眼透镜中的各微透镜之间的衔接部分会影响光的出射， 运些都造成光利用率的降低。
【发明内容】
[0006] 本发明主要解决的技术问题是提供一种匀光元件及光源系统，能够避免上述串扰 等造成的光利用率降低的问题。
[0007] 本发明提供一种匀光元件，用于对光源产生的入射光线整形，该入射光线在与该 光源的中屯、轴垂直的平面上形成第一光斑，第一光斑的照度分布由中央向外减弱，其特征 在于，匀光元件包括一自由曲面，该自由曲面由位于光源的中屯、轴方向的预定位置的一标 准曲面变形获得，该标准曲面为可对入射光线整形为平行光的曲面；
[0008] 除中屯、轴方向外，沿着从该中屯、轴至中屯、轴的侧向的方向，入射光线在自由曲面 上的入射角度与该入射光线在标准曲面上的入射角度的差值保持同号，入射光线在自由曲 面上的入射角度与该入射光线在标准曲面上的入射角度的差值的绝对值单调递增，且该入 射光线在自由曲面上的入射角度与该入射光线在标准曲面上的入射角度的差值的绝对值 的变化率递减，W使自由曲面的出射光线在预定立体角内比入射光线具有更均匀的光强分 布。
[0009] 本发明还提供一种匀光元件，用于对光源产生的入射光线整形，该入射光线在与 该光源的中屯、轴垂直的平面上形成第一光斑，第一光斑的照度分布由中央向外减弱，其特 征在于，匀光元件包括一自由曲面，该自由曲面由位于光源的中屯、轴方向的预定位置的一 标准曲面变形获得，该标准曲面为可将入射光线汇聚于预定区域的中屯、点的曲面；
[0010] 除中屯、轴方向外，沿着从该中屯、轴至中屯、轴的侧向的方向，入射光线在自由曲面 上的入射角度与该入射光线在标准曲面上的入射角度的差值保持同号，入射光线在自由曲 面上的入射角度与该入射光线在标准曲面上的入射角度的差值的绝对值单调递增，且该入 射光线在自由曲面上的入射角度与该入射光线在标准曲面上的入射角度的差值的绝对值 的变化率递减，W使自由曲面的出射光线在预定区域内比入射光线具有更均匀的照度分 布。
[0011] 本发明还提供一种光源系统，该光源系统包括上述的匀光元件。
[0012] 与现有技术相比，本发明包括如下有益效果：
[0013] 本发明中，自由曲面通过在标准曲面的基础上，采用上述技术方案中的变形规律 进行变形得到，该自由曲面能够将第一光斑的照度分布由中央向外减弱的入射光线整形成 具有更均匀的光强或照度分布。相对于现有技术，本发明的自由曲面无需多个微透镜组成， 因而可避免上述串扰等造成的光利用率降低的问题，具有结构简单，光利用率高的优点。
【附图说明】
[0014] 图1是半导体激光在目标平面上的长轴和短轴上的光分布；
[0015] 图2是发光二极管在目标平面上的长轴和短轴上的光分布；
[0016] 图3是现有技术的复眼透镜的光路图；
[0017] 图4是现有技术的非球面透镜的光路图；
[0018] 图5是本发明的匀光元件的一个实施例的光路图；
[0019] 图6是本发明的匀光元件的另一实施例的光路图；
[0020] 图7是本发明的匀光元件的另一实施例的光路图；
[0021] 图8是本发明的匀光元件的另一实施例的光路图；
[0022] 图9是本发明的匀光元件的另一实施例的光路图；
[0023] 图10是本发明的匀光元件的另一实施例的光路图；
[0024] 图11是本发明的匀光元件的另一实施例的光路图； 阳0巧]图12是本发明的光源系统的一个实施例的光路图；
[00%]图13是本发明的光源系统的另一实施例的光路图；
[0027] 图14是本发明的光源系统的另一实施例的光路图；
[0028] 图15是本发明的光源系统的另一实施例的光路图；
[0029] 图16是本发明的光源系统的另一实施例的光路图；
[0030] 图17是本发明的光源系统的另一实施例的光路图；
[0031] 图18是本发明的光源系统的另一实施例的光路图；
[0032] 图19是本发明的光源系统的另一实施例的光路图；
[0033] 图20是本发明的光源系统的另一实施例的光路图；
[0034] 图21是本发明的光源系统的另一实施例的光路图；
[0035] 图22是本发明的光源系统的另一实施例的光路图；
[0036] 图23是本发明的光源系统的另一实施例的光路图；
[0037]图24是本发明的光源系统的另一实施例的光路图；
[0038] 图25是本发明的光源系统的另一实施例的光路图；
[0039]图26-27是本发明的光源系统的另一实施例的光路图；
[0040] 图28是本发明的光源系统的另一实施例的光路图；
[0041] 图29是本发明的光源系统的另一实施例的光路图；
[0042] 图30是本发明的光源系统的另一实施例的光路图；
[0043] 图31是一个实施例中的矩形立体角示意图。
【具体实施方式】 W44] 下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
[0045] 专业术语解释：
[0046] 矩形立体角：如图31所示，过矩形ABCD中屯、点的垂线上有一点0,矩形ABCD对点 0张成的立体角为一矩形立体角；
[0047] 矩形立体角的大角：如图31所示，连接宽AB的中点和宽CD的中点的线段对点0 张成的角度；
[0048] 矩形立体角的小角：如图31所示，连接长AD的中点和长BC的中点的线段对点0 张成的角度；
[0049] 照度：单位面积的光通量；
[0050] 光强：单位立体角内的光通量。
[0051] 请参见图5a与图化，图5a是本发明的匀光元件一个实施例的光路图，图化是图 5a所示实施例中自由曲面34的原理分析图。
[0052] 如图5a所示，在本实施例中，匀光元件包括一用于对光源31产生的入射光线整形 的自由曲面33(或34)。光源31可W为点光源，即入射到自由曲面33(或34)的入射光线 由点光源直接产生。光源31产生的入射光线在与该光源31的中屯、轴垂直的一平面上形成 第一光斑，第一光斑的照度分布由中央向外减弱。第一光斑的照度分布可W为楠圆高斯分 布或朗伯分布。
[0053]自由曲面33 (或34)由位于光源31的中屯、轴方向的预定位置的一标准曲面32变 形获得，该标准曲面为可对光源31产生的入射光线整形为平行光的曲面。预定位置离光源 越远，自由曲面的尺寸越大，制作成本较高；预定位置离光源越近，自由曲面的尺寸越小，审U 作难度越高，因而预定位置可根据实际需求进行设置。自由曲面33 (或34)和标准曲面32 均为透射曲面。关于标准曲面，本实施例中具体为可对光源31产生的入射光线整形为平行 光的楠圆面。
[0054] 针对自由曲面33,本实施例进行如下限定：除了光源31的中屯、轴方向外，沿着从 该中屯、轴至中屯、轴的侧向的方向（包括从a至b的方向、或从a至C的方向），光源31产 生的入射光线在自由曲面33上的入射角度与该入射光线在标准曲面32上的入射角度的差 值保持同号（具体为均保持正号），光源31产生的入射光线在自由曲面33上的入射角度 与该入射光线在标准曲面32上的入射角度的差值的绝对值单调递增，且该入射光线在自 由曲面33上的入射角度与该入射光线在标准曲面32上的入射角度的差值的绝对值的变化 率递减，W使自由曲面33的出射光线在预定立体角内比光源31产生的入射光线具有更均 匀的光强分布。例如，沿着从a至b的方向W及从a至C的方向，光源31产生的入射光线 在自由曲面33上的入射角度与该入射光线在标准曲面32上的入射角度的差值均由1度至 10度连续递增，且该递增的速率逐渐减小。
[0055] 针对自由曲面34,本实施例进行如下限定：除了光源31的中屯、轴方向外，沿着从 该中屯、轴至中