专利名称：面光源准直装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及光学准直领域，尤其是面光源光学准直装置。
背景技术：
平面光源常用在照明、LCD显示背光源、灯箱等方面，为了广视角考量，普通平面光 源发光角度很大。近年来，随着节能议题和3D显示的发展，高准直平面光源的研究成为了执占。除了激光外，一般的光源通常为散射型光源，亦即发光角度大，不具有准直出光特 性。要达到准直出光特性，必须要加上一些光学元件才能控制光线射出方向集中在小角度 内。现在常用的面光源准直手段有3M棱镜膜，可以使光线一定程度的收敛，收敛角度为70 度左右，起到一定的准直作用。但是对于准直要求比较高的光学系统，这种准直度是很难符 合要求的。也有用点光源加透镜方式实现准直面光源的方法，但是由于点光源发光角度过 大，使得杂散和全反射现象过于严重，使得准直效果较差。为了解决这种问题，有一种方法 是使用吸光罩将大角度光线吸收掉，只让小角度光线进入透镜，以改善出射光线准直效果， 但是这种方法使得最后能量利用率太低，大部分光线都被吸光罩吸收掉了。综上所述，现有面光源准直技术存在准直效果差或者能量利用率低等问题。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供一种面光源准直装置，使其不仅可以获得较好的准 直效果，又可以获得比较高的能量利用率。为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是
一种面光源准直装置，其包括反射片和依次设置在该反射片上方的准直层和校正层， 该准直层采用光密材料，其包括若干微准直透镜，该校正层包括与该若干微准直透镜对准 的若干微棱镜；该若干微准直透镜和该若干微棱镜可以陈列形式紧密排布，也可以按照需 要以其他方式分布；
该微准直透镜包括光束收敛部和光束准直部；该光束收敛部的底面设有小孔，底面在 小孔以外部分覆设有反射膜；该光束准直部设置在该光束收敛部的上部，包括标准透镜和 环绕在该标准透镜周边的一层或多层倾斜旋转透镜，该标准透镜的中心对准该光束收敛部 的小孔；
该微棱镜包括与该微准直透镜的标准透镜对准的平面部分和与该微准直透镜的各层 倾斜旋转透镜对应且对准的棱镜旋转部分，该棱镜旋转部分用于将与该微准直透镜倾斜旋 转透镜出射的光线大致偏转至该小孔的轴线方向。作为改进之一所述微准直透镜的标准透镜距离小孔距离为其透镜焦距；所述微 准直透镜的倾斜旋转透镜距离小孔距离为其透镜焦距。作为改进之二 所述准直层采用玻璃材料或PMMA材料。
作为改进之三所述微准直透镜最外层的倾斜旋转透镜的外缘与所述小孔外沿之 间连线与光束收敛部法线之间的夹角小于所述准直层所采用材料的临界角。经过光束收敛 部的光线被光束准直部分为若干部分，每部分光线对于对应的透镜都是近轴光线。中间小 角度部分经过标准透镜沿垂直方向准直射出，不会在标准透镜表面发生全反射；而周围角 度部分经过倾斜旋转透镜沿与垂直方向一定角度准直射出，不会在倾斜旋转透镜表面发生 全反射。即进入小孔的光线被全部利用，从 而保证了较高的能量利用率。作为改进之四所述光束收敛部的的底面在小孔以外部分覆设有反射膜。该反射 膜可以减少光损，进一步提高对面光源的能量利用率。现有技术相比，有益效果是
一方面，当面光源设置在反射面上方且位于微准直透镜的光束收敛部底部下方时，发 光面发出的光线一部分直接进入小孔，一部分经光束收敛部下表面反射膜和微准直透镜的 底面多次反射进入小孔，从而将面光源的光线汇集起来，即将面光源转换成点光源。这种汇 集光线的方式光损较小。另一方面，微准直透镜的光束收敛部可收敛从小孔进入光束收敛部的光线，其中 位于小孔轴线附近的光线射向光束准直部的标准透镜，并经过微棱镜的平面部分射出；其 中偏离小孔轴线一定角度内的光线大致以光束准直部的倾斜旋转透镜的光轴为中心，这部 分光线通过倾斜旋转透镜进一步会聚后，再经过对应的微棱镜的棱镜旋转部分的偏转调整 而以近似平行于小孔轴线的方向射出。最后出射的光线都以大致平行于小孔轴线方向射 出，准直效果较好。因此本发明与现有技术相比，可以同时获得较好的准直效果和较高的能量利用率。
图1为实施例一的结构示意图2为实施例一的微准直透镜和微棱镜结构示意图； 图3为实施例一的微准直透镜和微棱镜光路示意图； 图4为实施例二的微准直透镜和微棱镜光路示意图。
具体实施例方式实施例一
如图1所示，本实施例的面光源准直装置包括反射片1和依次设置在该反射片1上方 的准直层3和校正层4。该准直层3选用材料为PMMA，折射率为1. 49，全反射的临界角是 42.15°，其由多个微准直透镜30周期性紧密排列组成。校正层4放置于准直层3之上，并 和准直层3严格对准。校正层4由多个微棱镜40周期性紧密排列组成。如图2所示，该微准直透镜30包括光束收敛部31和光束准直部32 ；该光束收敛 部31的底面311设有小孔312，底面311在小孔312以外部分覆设有反射膜；该光束准直 部32设置在该光束收敛部31的上部，包括标准透镜321和环绕在该标准透镜321周边的 一层倾斜旋转透镜322，该标准透镜321的中心对准该光束收敛部31的小孔312 ；
如图2所示，该微棱镜40包括与该微准直透镜30的标准透镜321对准的平面部分41和与该微准直透镜30的倾斜 旋转透镜322对应且对准的棱镜旋转部分42，该棱镜旋转部分 42用于将与该微准直透镜30倾斜旋转透镜322出射的光线大致偏转至该小孔312的轴线 方向。在本实施方式中，棱镜旋转部分42与各层微准直透镜30对应且对准是指，若该微 准直透镜30包括多层倾斜旋转透镜322，则棱镜旋转部分42则具有与各层倾斜旋转透镜 322对应的多个部分，且该各个部分与各层倾斜旋转透镜322对准。此外，小孔312的轴线 方向与该标准透镜321的光轴重合，且垂直于该微棱镜40的平面部分41。如图2、图3所示，本实施例的工作原理如下
发光面2为一朗伯体面光源，放置反射片1上方，发光面发出的光线有一部分通过小 孔312进入准直层，另外一部分光线射到小孔312周边反射膜层上，被反射回背光源，经过 反射片1反射之后重新进入小孔312。重复以上过程，由背光源发出的光线最终通过小孔 312进入光束收敛部31，经过PMMA材料的折射，进入光束收敛部31的光线角度为正负42 度，小于PMMA材料的全反射临界角，因此进入微准直透镜30的光束收敛部31的光不会在 其内部发生全反射。随后光线进入光束准直部32，这些光线可以分为两部分(1)正负14 度内的光线进入标准透镜321，不会发生全反射现象，这部分光线经标准透镜321折射后沿 垂直方向准直出射；(2)正负14度之外的光线，这些光线进入倾斜旋转透镜322。由于本 实施例的倾斜旋转透镜321的外缘与小孔312外沿之间连线与光束收敛部31的法线之间 的夹角小于准直层所采用材料的临界角，即小于42. 15°，因此此部分光线也不会发生全反 射。最后光线经倾斜旋转透镜322折射后沿与垂直方向成28度角方向准直出射。光线进入校正层4之后，沿垂直方向准直出射的光线经过平面部分41，不发生折 射，保持传播方向不变，继续沿垂直方向出射。而沿与垂直方向成28度角方向准直出射的 光线经过棱镜旋转部分42，发生折射，传播方向发生改变，变成沿垂直方向准直出射。最后整个朗伯体面光源经过该准直装置之后，变成准直光出射。由于进入小孔312 的光线全部被准直，能量利用率高，完全满足后续光学系统对于高亮度、高准直面光源的要 求。实施例二
本实施例与实施例一的区别在于(1)本实施例的准直层选用材料为F12玻璃，折射率 为1. 64 ； (2)如图4所示，微准直透镜的光束准直部有两层倾斜旋转透镜322’、323’，微棱 镜的棱镜旋转部分42’具有与该两层倾斜旋转透镜322’、323’对应且对准的两层结构。如图4所示，本实施例的工作原理如下发光面为一朗伯体面光源放置反射片上 方，发光面发出的光线有一部分通过小孔进入准直装置，另外一部分光线射到小孔周边反 射膜层上，被反射回背光源，经过反射片反射之后重新进入小孔。重复以上过程，由背光源 发出的光线最终通过小孔进入光束收敛部，经过F12玻璃的折射，进入光束收敛部的光线 角度为正负37. 5度。随后光线进入光束准直部，这些光线可以分为三部分(1)发散角为 7. 5度内的光线进入标准透镜，不会发生全反射现象，光线经标准透镜折射后沿垂直方向准 直出射；(2)发散角度为7. 5度至22. 5度之内的光线进入倾斜旋转透镜的第一层322’，不 发生全反射现象，经该层透镜折射后沿与垂直方向成15度角方向准直出射；(3)发散角度 为22. 5度至37. 5度之内的光线进入倾斜旋转透镜的第二层323，，不发生全反射现象，经该 层透镜折射后沿与垂直方向成30度角方向准直出射。
光线进入校正层之后，沿垂直方向准直出射的光线经过平面部分，不发生折射，保 持传播方向不变，继续沿垂直方向出射。而沿与垂直方向成15度角方向准直出射的光线经 过棱镜旋转部分42’的第一层，发生折射，传播方向发生改变，变成沿垂直方向准直出射。而 沿与垂直方向成30度角方向准直出射的光线经过棱镜旋转部分42’的第二层，发生折射， 传播方向发生改变，变成沿垂直方向准直出射。整个朗伯体面光源经过该准直装置之后，变成准直光出射，获得的准直面光源准 直度高。由于进入小孔的光线全部被准直，能量利用率高，完全满足后续光学系统对于高亮 度、高准直面光源的要求。
权利要求
1.一种面光源准直装置，其特征在于包括反射片和依次设置在该反射片上方的准直 层和校正层，该准直层采用光密材料，其包括若干微准直透镜，该校正层包括与该若干微准 直透镜对准的若干微棱镜；该微准直透镜包括光束收敛部和光束准直部；该光束收敛部的底面设有小孔；该光束 准直部设置在该光束收敛部的上部，包括标准透镜和环绕在该标准透镜周边的一层或多层 倾斜旋转透镜，该标准透镜的中心对准该光束收敛部的小孔；该微棱镜包括与该微准直透镜的标准透镜对准的平面部分和与该微准直透镜的各层 倾斜旋转透镜对应且对准的棱镜旋转部分，该棱镜旋转部分用于将与该微准直透镜倾斜旋 转透镜出射的光线大致偏转至该小孔的轴线方向。
2.根据权利要求1所述的面光源准直装置，其特征在于所述微准直透镜的标准透镜 距离小孔距离为其透镜焦距；所述微准直透镜的倾斜旋转透镜距离小孔距离为其透镜焦 距。
3.根据权利要求1所述的面光源准直装置，其特征在于所述准直层采用玻璃材料或 PMMA材料。
4.根据权利要求1至3任一所述的面光源准直装置，其特征在于所述微准直透镜最 外层的倾斜旋转透镜的外缘与所述小孔外沿之间连线与光束收敛部法线之间的夹角小于 所述准直层所采用材料的临界角。
5.根据权利要求1至3任一所述的面光源准直装置，其特征在于所述光束收敛部的 的底面在小孔以外部分覆设有反射膜。
全文摘要
本发明涉及光学准直领域，尤其是面光源光学准直装置。该装置包括反射片和依次设置在该反射片上方的准直层和校正层。该准直层的底部覆设设有反射层和小孔，通过反射层和反射片的作用，将位于反射片和准直层之间的面光源汇集进入该小孔中而成为点光源。该准直层将进入该小孔的光线划分成若干区域并分别予以会聚从而避免在准直层内发生全反射而造成光损。该校正层用于进一步调整准直层出射的光线，使光线可以以大致平行于小孔轴线的方向射出。因此本发明具有更高的准直效果和更高的能量利用率。
文档编号F21V5/04GK102095161SQ201010564539
公开日2011年6月15日 申请日期2010年11月30日 优先权日2010年11月30日
发明者张洪哲, 彭晓林, 黄永峰 申请人:广东威创视讯科技股份有限公司