专利名称：一种具有短距匀光效果的单自由曲面厚透镜及其阵列的制作方法
技术领域：
本发明涉及LED等光源的二次光学元件的技术领域，更具体而言，涉及一种具有短距匀光效果的单自由曲面厚透镜及其阵列。
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。最近几年，随着液晶显示技术的发展和相关产品的成熟，冷阴极荧光灯和LED被越来越多地用作液晶显示中的背光源。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，更符合当前绿色环保的理念，因而其应用范围从最初的电子装置的状态指示灯，随后逐渐拓展到普通照明(如汽车灯、路灯等)和公共显示(如交通信号灯、大型LED显示屏等)，如今则在大面积平板显示和便携式显示领域内具有极其巨大的应用潜力。然而，包括冷阴极突光灯和LED在内的各种光源,其福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，被大量研究并广泛使用于各种场合。但这些器件大多只能在远距离大范围内获得均匀照明，即从这类器件出射的光束发散角度大，所需匀光距离长。这些不足严重限制了其在液晶背光显示中的应用，其原因在于:液晶面板对大角度入射光的透过率不高，故若光束发散角度太大则能量利用率会显著降低；而所需的匀光距离太长则不利于显示模块的小型化，难以获得超薄产品；在特殊应用场合(如室外极高亮度照明显示、特定视角显示、立体空间范围内均匀照明等)，对光束能量的角度分布有比较苛刻的要求，这类透镜也无法满足。针对上述问题，本发明提出了一种具有单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，在很短的距离内获得匀光效果，并部分控制光束的发散程度，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，以获得方向和能量分布均符合要求的光束，提高照明效果，同时缩短匀光距离。为了达成上述目的，本发明提供了 一种具有短距匀光效果的单自由曲面厚透镜及其阵列，其一个表面为设定曲面，另一表面为自由曲面；所述厚透镜及其阵列的前后表面控制光线的折射即行进方向，而其厚度则决定光线在透镜径向上的偏移量，从而使得光源的辐射光经该透镜之后，被整形为在探测面上能量具有特定空间分布的光束，能量的角度分布也能够被部分控制。其中，所述厚透镜及其阵列的设定表面是平面、球面、抛物面或其他任意设定的曲面。
其中，所述厚透镜及其阵列的自由曲面表面是根据光通量守恒定律和折射定律，由光源、所述的设定表面以及所需的整形后光束的各种参数共同决定的自由曲面。其中，所述厚透镜及其阵列的前表面可以全部是折射面或者部分为折射面部分为反射面。其中，所述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。其中，所述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、光源与厚透镜前表面之间的距离、厚透镜厚度、厚透镜后表面与能量探测面之间的距离以及所需的光斑尺寸等参数有关。其中，当光源为如LED的点状光源时，所述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时，所述厚透镜的面型呈平移对称。其中，所述厚透镜及其阵列的照明光源是冷阴极荧光灯管、LED光源中的一种。其中，所述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，经所述厚透镜及其阵列整形后的光束发散角与光源的几何尺寸和匀光距离有关，最小控制在±1°内。其中，经所述厚透镜及其阵列整形后的光束能量在所要求的某个位置处的探测面内具有特定的空间分布，该探测平面置于厚透镜及其阵列后，与厚透镜及其阵列后表面的距离最小值可达0.5mm,最大值则无限制。其中，经所述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角度分布共同决定。其中，所述厚透镜阵列采用矩形排列、六角排列、三角排列组合方式中的一种。其中，所述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的整形效果是显著的。所述透镜及其阵列可以对冷阴极荧光灯管和LED等光源的辐射光进行整形，使得整形后的光束在距透镜后表面很近(毫米级)的探测面上就可形成所需的能量分布，即匀光距离被极大地缩短；由于光束的方向性亦可被部分控制，故在透镜阵列的应用中，显著降低了各透镜之间的串扰，从而实现大面积的均匀照明。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，非常适合当前的注塑制造技术。
图1为本发明提出的单自由曲面透镜实现光束整形的原理示意图(以透镜前表面是平面为例);图2为经单自由曲面透镜整形后光束在探测面上能量的空间分布和角度分布；图3为本发明提出的具有菲涅尔结构的单自由曲面透镜及其整形效果；图4为本发明提出的单自由曲面透镜阵列实现光束整形的光路示意图；图5为经图4中所述透镜阵列整形后光束在探测面上能量的分布空间和角度分布；其中，图中标记:1为光源，2为单自由曲面透镜，3为能量探测面。
具体实施例方式为使本发明更加明了，兹配合附图及实施例，进行详细说明。实施例1单自由曲面透镜实现光束整形图1为本发明所提出的单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1，一单自由曲面透镜2，其前表面设定为平面21，后表面为自由曲面22，和一能量探测面3。从光源I发出的光线依次经透镜2的前后两个表面21和22折射，最终到达探测面3。其中自由曲面22的具体面型是根据光通量守恒定律和折射定律，由光源I的发光特性、设定表面21的面型以及所指定的整形后光束的各种参数等共同决定的。在此需要特别指出的是透镜2的厚度具有重要意义，该参数决定了经前表面21折射的光线在透镜2中传播时产生的横向偏移量，从而使得光束的能量得以重新分配，最终在从后表面22出射到达探测面3时具有所需的能量分布。图1中透镜前表面21为设定曲面，为降低加工难度而被设为平面，但透镜2结构不限于此:设定曲面可采用球面、抛物面或者其他任意面型；也可以让后表面为设定曲面，而前表面为自由曲面。通过调节光源I与透镜前表面21之间的距离、透镜中心厚度、透镜后表面22与探测面3之间的距离，可以优化整形后光束的发散角度，即能量的角度分布，同时还可以使得器件参数适合加工，符合具体的使用环境。对于图1中的透镜结构，当光源I是一发光面为ImmX Imm的正方形、发光强度分布为朗伯型的LED时，在距透镜后表面2mm处的探测平面3上形成了半径为8mm的均匀光斑，具体的能量二维空间分布和过中心的一维分布分别如图2 Ca)和(b)所示；能量二维角度分布和过中心的一维分布分别如图2 (c)和(d)所示。用能量衬度表示的均匀性约为(Imax-1mJ/(ImaX+ImJ = 0.09，光束经透镜整形后发散角为±3.6°。如此小的发散角使得在距透镜后表面0.5mm至3.5mm的所有探测平面上光斑的能量衬度均在0.1以下，因而能够显著地增大装配误差的宽容度。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他形状。该透镜的加工可以选用机械铣磨、压模法等。实施例2具有菲涅尔结构的单自由曲面透镜实现光束整形为减小透镜厚度，减轻透镜质量，减少材料消耗，缩短匀光距离，透镜可以采用菲涅尔结构，如图3 (a)所示，(b)为其圆形口径的立体建模图。此时，透镜的厚度可以小于3mm,当光源是一发光面为ImmX Imm的正方形、发光强度分布为朗伯型的LED时,在距光源
10.5mm的探测面上，就可获得能量衬度约为(Imax-1min) / (Imax+Imin) = 0.08的光斑，能量二维空间分布和过中心的一维分布分别如图3 (c)和(d)。菲涅尔结构可以在前后表面中的任意一个或者两个表面上均采用。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难以承受的损耗，如果在透镜的前表面采用折射面和反射面的复合型结构，可提高能量利用效率。实施例3单自由曲面透镜阵列实现光束整形
如果将多个透镜按照一定的排列方式组合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，可获得更大的照明面积，或者提高照明亮度，缩小匀光距离。图4为矩形排列的2X2透镜阵列实现光束整形的光路示意图，此时，每个透镜的口径不再是圆形，而是矩形。该透镜阵列可对2X 2LED(发光面为1_X Imm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5 (a)和(b)分别给出了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(Imax-1min)/(Imax+Imin) = 0.10 ；(c)和(d)则分别为二维角度分布和过中心的一维分布,发散角约为±6.4°。其中，(a)中矩形光斑的边缘有多个小的光斑，这是串扰所产生的，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约为45°，远远大于主光斑的发散角，故在很多场合其影响可不计；若有需要，可通过施加光阑或者改变前表面结构(前表面为凹曲面或者折射反射复合曲面)将此串扰减小甚至消除。透镜阵列的排列方式不只限于矩形排列，还可以是六角(蜂窝状)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，在非常短的匀光距离内获得了能量均匀性和方向性极佳的大面积照明效果O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。
权利要求
1.一种具有短距匀光效果的单自由曲面厚透镜及其阵列，其特征在于，其一个表面为设定曲面，另一表面为自由曲面；所述厚透镜及其阵列的前后表面控制光线的折射即行进方向，而其厚度则决定光线在透镜径向上的偏移量，从而使得光源的辐射光经该透镜之后，被整形为在探测面上能量具有特定空间分布的光束，能量的角度分布也能够被部分控制。
2.根据权利要求1所述的具有短距匀光效果的单自由曲面厚透镜及其阵列，其特征在于，所述厚透镜及其阵列的设定表面是平面、球面、抛物面或其他任意设定的曲面。
3.根据权利要求2所述的具有短距匀光效果的单自由曲面厚透镜及其阵列，其特征在于，所述厚透镜及其阵列的自由曲面表面是根据光通量守恒定律和折射定律，由光源、所述的设定表面以及所需的整形后光束的各种参数共同决定的自由曲面。
4.根据权利要求1所述的具有短距匀光效果的单自由曲面厚透镜及其阵列，其特征在于，所述厚透镜及其阵列的前表面可以全部是折射面或者部分为折射面部分为反射面。
5.根据权利要求1所述的具有短距匀光效果的单自由曲面厚透镜及其阵列，其特征在于，所述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。
6.根据权利要求1所述的具有短距匀光效果的单自由曲面厚透镜及其阵列，其特征在于，所述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、光源与厚透镜前表面之间的距离、厚透镜厚度、厚透镜后表面与能量探测面之间的距离以及所需的整形后光束的各种参数有关。
7.根据权利要求1所述的具有短距匀光效果的单自由曲面厚透镜及其阵列，其特征在于，当光源为如LED的点状光源时，所述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时，所述厚透镜的面型呈平移对称。
8.根据权利要求1所述的具有短距匀光效果的单自由曲面厚透镜及其阵列，其特征在于，所述厚透镜及其阵列的照明光源是冷阴极荧光灯管、LED光源中的一种。
9.根据权利要求1所述的具有短距匀光效果的单自由曲面厚透镜及其阵列，其特征在于，所述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。
10.根据权利要求1所述的具有短距匀光效果的单自由曲面厚透镜及其阵列，其特征在于，经所述厚透镜及其阵列整形后的光束发散角与光源的几何尺寸和匀光距离有关，最小控制在±1°内。
11.根据权利要求1所述的具有短距匀光效果的单自由曲面厚透镜及其阵列，其特征在于，经所述厚透镜及其阵列整形后的光束能量在所要求的某个位置处的探测面内具有特定的空间分布，该探测平面置于厚透镜及其阵列后，与厚透镜及其阵列后表面的距离最小值可达0.5mm,最大值则无限制。
12.根据权利要求1所述的具有短距匀光效果的单自由曲面厚透镜及其阵列，其特征在于，经所述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权利要求6所述的透镜口径与由权利要求10所述的整形后光束的角度分布共同决定。
13.根据权利要求1所述的具有短距匀光效果的单自由曲面厚透镜及其阵列，其特征在于，所述厚透镜阵列采用矩形排列、六角排列、三角排列组合方式中的一种。
14.根据权利要求1所述的具有短距匀光效果的单自由曲面厚透镜及其阵列，其特征在于，所述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、甲基丙烯酸甲酯一苯乙烯共聚物、丙烯腈一苯 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。
全文摘要
本发明提出了一种具有短距匀光效果的单自由曲面厚透镜及其阵列，涉及冷阴极荧光灯和LED等光源的二次光学元件技术领域，其一个表面为任意设定的曲面，另一表面为自由曲面。在二次光学元件中，透镜及其阵列的前后表面对光线产生折射以控制其行进方向，而厚度则决定了光线在透镜径向上的偏移量，从而使得冷阴极荧光灯和LED等光源的辐射光经该透镜之后，在探测面上能量具有特定的空间分布，整形后光束的发散角也可部分控制。本发明能够对冷阴极荧光灯和LED等光源辐射光进行整形，获得方向性和均匀性极佳的光束，将其应用于无旁扰均匀照明、液晶显示的背光等领域，可显著提高照明效果，缩短匀光距离。
文档编号F21V5/04GK103116197SQ20131003892
公开日2013年5月22日 申请日期2013年1月31日 优先权日2013年1月31日
发明者康学亮, 张晓波, 曹国威, 李永平 申请人:中国科学技术大学