專利名稱：勻光裝置及光源系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及照明與顯示技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種勻光裝置及光源系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體激光、LED等光源在照明、投影、光學(xué)照排、光存儲(chǔ)等領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。在這些應(yīng)用中，需要將光源在目標(biāo)平面上盡量形成一個(gè)一定尺寸、具有規(guī)則形狀的照度分布，如矩形均勻分布。而常用的光源，如半導(dǎo)體激光、LED,其發(fā)光面的最大長度都小于與相鄰光學(xué)兀件的十分之一且該發(fā)光面的面積小于相鄰光線元件面積的十分之一，都可以近似地看作點(diǎn)光源，但是其光分布都不夠理想，比如半導(dǎo)體激光在截面上的光分布一般為橢圓高斯，其長軸 和短軸上的光分布如圖I所不，發(fā)光二極管在截面上的光分布一般為鐘形，在截面上的光分布如圖2所示。有文獻(xiàn)提出基于復(fù)眼透鏡(論文Laser Beam Shaping Techniques)解決對近似點(diǎn)光源進(jìn)行整形的方法。如下圖3所示尺寸為D的平行光束入射到包括兩個(gè)復(fù)眼透鏡的復(fù)眼透鏡對，復(fù)眼透鏡對利用其中的微透鏡11、12將光束分為若干個(gè)子光束，每個(gè)子光束用一對微透鏡11、12分別處理，形成矩形光分布，并且由于子光束面積很小，這個(gè)矩形內(nèi)的光分布接近均勻。最后再經(jīng)過一個(gè)焦距為F的正常透鏡13，子光束在目標(biāo)平面上疊加，從而在尺寸為S的矩形內(nèi)得到均勻照度。這種方法對加工精度要求很高，并且微透鏡11、12之間的光會(huì)有一定的串?dāng)_，造成目標(biāo)平面上出現(xiàn)旁瓣光斑，另外每個(gè)復(fù)眼透鏡中的各微透鏡之間的銜接部分會(huì)影響光的出射，這些都造成光利用率的降低，使得整形效果較差。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型主要解決的技術(shù)問題是提供一種勻光裝置及光源系統(tǒng)，能夠解決對點(diǎn)光源出射光束的整形效果較差的問題。本實(shí)用新型提供一種勻光裝置，對光源產(chǎn)生的入射光線整形，光源為發(fā)光面的最大長度小于等于該光源與相鄰光學(xué)元件的距離的十分之一且該光源的發(fā)光面的面積小于相鄰光學(xué)兀件接收光源入射光的表面面積的十分之一，該光源為近似點(diǎn)光源，并且光源的入射光線在與該光源的中心軸垂直的任意平面上形成的光斑的照度分布由中央向外減弱，勻光裝置的特征在于，勻光裝置至少包括勻光透鏡，該勻光透鏡包括第一曲面，該第一曲面接收光源的出射光線并改變其傳播方向，使得光源的出射光線交于一點(diǎn)或者出射光線所在直線相交于一點(diǎn)，該點(diǎn)為光源的成像點(diǎn)；第二曲面，該第二曲面的入射光線為從第一曲面出射的光線，所述第二曲面為自由曲面，并由位于光源的中心軸方向的預(yù)定位置的一標(biāo)準(zhǔn)曲面變形獲得，該標(biāo)準(zhǔn)曲面為可對入射光線整形為平行光的曲面；除中心軸方向外，沿著從該中心軸至中心軸的側(cè)向的方向，入射光線在第二曲面上的入射角度與該入射光線在標(biāo)準(zhǔn)曲面上的入射角度的差值保持同號，入射光線在第二曲面上的入射角度與該入射光線在標(biāo)準(zhǔn)曲面上的入射角度的差值的絕對值單調(diào)遞增，且該入射光線在第二曲面上的入射角度與該入射光線在標(biāo)準(zhǔn)曲面上的入射角度的差值的絕對值的變化率遞減，以使第二曲面的出射光線在預(yù)定立體角內(nèi)比入射光線具有更均勻的光強(qiáng)分布。本實(shí)用新型還提供一種勻光裝置，對光源產(chǎn)生的入射光線整形，光源為發(fā)光面的最大長度小于等于該光源至相鄰光學(xué)元件的距離的十分之一且該光源的發(fā)光面的面積小于相鄰光學(xué)兀件接收光源入射光的表面面積的十分之一，該光源為近似點(diǎn)光源，并且光源的入射光線在與該光源的中心軸垂直的任意平面上形成的光斑的照度分布由中央向外減弱，勻光裝置的特征在于，勻光裝置至少包括勻光透鏡，該勻光透鏡包括第一曲面，該第一曲面接收光源的出射光線并改變其傳播方向，使得光源的出射光線交于一點(diǎn)或者出射光線所在直線相交于一點(diǎn)，該點(diǎn)為光源的成像點(diǎn)； 第二曲面，該第二曲面的入射光線為從第一曲面出射的光線，所述第二曲面為自由曲面，并由位于光源的中心軸方向的預(yù)定位置的一標(biāo)準(zhǔn)曲面變形獲得，該標(biāo)準(zhǔn)曲面為可將入射光線匯聚于預(yù)定區(qū)域的中心點(diǎn)的曲面；除中心軸方向外，沿著從該中心軸至中心軸的側(cè)向的方向，入射光線在第二曲面上的入射角度與該入射光線在標(biāo)準(zhǔn)曲面上的入射角度的差值保持同號，入射光線在第二曲面上的入射角度與該入射光線在標(biāo)準(zhǔn)曲面上的入射角度的差值的絕對值單調(diào)遞增，且該入射光線在第二曲面上的入射角度與該入射光線在標(biāo)準(zhǔn)曲面上的入射角度的差值的絕對值的變化率遞減，以使第二曲面的出射光線在預(yù)定區(qū)域內(nèi)比入射光線具有更均勻的照度分布。本實(shí)用新型還提供一種光源系統(tǒng)，該光源系統(tǒng)包括上述的勻光裝置。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型包括如下有益效果本實(shí)用新型中，第二曲面通過在標(biāo)準(zhǔn)曲面的基礎(chǔ)上，采用上述技術(shù)方案中的變形規(guī)律進(jìn)行變形得到，該自由曲面能夠?qū)⒌谝还獍叩恼斩确植加芍醒胂蛲鉁p弱的入射光線整形成具有更均勻的光強(qiáng)或照度分布，第一曲面對點(diǎn)光源的出射光線折射后使得出射光線相交于一點(diǎn)或者出射光線所在的直線相交于一點(diǎn)，相當(dāng)于第二曲面接收的是一點(diǎn)光源的出射光，從而使得第二曲面的整形效果更好。相對于現(xiàn)有技術(shù)，本實(shí)用新型的自由曲面無需多個(gè)微透鏡組成，因而可避免上述串?dāng)_等造成的光利用率降低的問題，具有結(jié)構(gòu)簡單，整形效果好的優(yōu)點(diǎn)。

圖I是半導(dǎo)體激光在目標(biāo)平面上的長軸和短軸上的光分布圖；圖2是發(fā)光二極管在目標(biāo)平面上的長軸和短軸上的光分布圖；圖3是現(xiàn)有技術(shù)的復(fù)眼透鏡的光路圖；圖4a是本實(shí)用新型勻光裝置的一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4b是圖4a中所示的勻光透鏡的第一曲面成像示意圖；圖4c是圖4a中所示的勻光透鏡的第二曲面的光路示意圖；圖4d是圖4c所示實(shí)施例中第二曲面的原理分析圖；圖5a是本實(shí)用新型勻光裝置的又一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；[0025]圖5b是圖5a所示的勻光透鏡的第二曲面的光路示意圖；圖6a是本實(shí)用新型勻光裝置的又一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6b是圖6a中所示的勻光透鏡的第一曲面成像示意圖；圖7a是本實(shí)用新型勻光裝置的又一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖7b是圖7a中所示的光學(xué)引導(dǎo)裝置的光路示意圖；圖8是矩形立體角的示意圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施方式對本實(shí)用新型實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說明。
·[0032]專業(yè)術(shù)語解釋矩形立體角如圖8所示，過矩形AB⑶中心點(diǎn)的垂線上有一點(diǎn)0，矩形AB⑶對點(diǎn)O張成的立體角為一矩形立體角；矩形立體角的大角如圖8所示，連接寬AB的中點(diǎn)和寬⑶的中點(diǎn)的線段對點(diǎn)O張成的角度；矩形立體角的小角如圖8所示，連接長AD的中點(diǎn)和長BC的中點(diǎn)的線段對點(diǎn)O張成的角度；照度單位面積的光通量；光強(qiáng)單位立體角內(nèi)的光通量。實(shí)施例一圖4a為本實(shí)用新型勻光裝置的一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖4a所示，勻光裝置220對光源210產(chǎn)生的入射光線整形，該勻光裝置220只包括勻光透鏡，該勻光透鏡包括第一曲面221和第二曲面222。光源210為發(fā)光面的最大長度小于等于該光源與相鄰光學(xué)元件的距離的十分之一且該光源的發(fā)光面的面積小于所述相鄰光學(xué)元件接收光源入射光的表面面積的十分之一，該光源為近似點(diǎn)光源，并且光源210的出射光線在與該光源的中心軸垂直的任意平面上形成的光斑的照度分布由中央向外減弱。在本實(shí)施例中，光源210為半導(dǎo)體激光光源，其發(fā)光面的最大長度小于該光源與勻光透鏡220的距離的十分之一且其發(fā)光面的面積小于勻光透鏡220的第一曲221的面積十分之一，因此可以看作是近似點(diǎn)光源。半導(dǎo)體激光的照度分布為高斯分布，因此其出射光線在與該光源的中心軸垂直的任意平面上形成的光斑的照度分布是由中央向外減弱的。在本實(shí)用新型的其它實(shí)施例中，光源210還可以是LED等光源，只要滿足該光源的發(fā)光面最大長度小于等于該光源與相鄰光學(xué)元件的距離的十分之一且該發(fā)光面的面積小于所述相鄰光學(xué)元件接收光源入射光的表面面積的十分之一，以及出射光線在與該光源的中心軸垂直的任意平面上形成的光斑的照度分布由中央向外減弱即可。如圖4a所示，勻光透鏡220的第一曲面221為內(nèi)凹的球面，該第一曲面221接收光源210的出射光線，并改變?nèi)肷涔獾膫鞑シ较?，使得光?10的出射光線的反向延長線交于一點(diǎn)，該點(diǎn)為光源210的成像點(diǎn)230。這里的成像點(diǎn)230為光源210透射第一曲面221后光線反向延長線所成的虛像。本實(shí)施例中的成像點(diǎn)230的位置是根據(jù)第一曲面221和光源210的位置變化而變化的。以本實(shí)施例中第一曲面221為球面為例，圖4b是圖4a中所示的勻光透鏡的第一曲面成像示意圖，如圖4b所示，成像點(diǎn)230與第一曲面221的距離近似為像距V，光源210與第一曲面221的距離近似為物距u (u > O)，第一曲面221的焦距為f (對
于凹面鏡，f < O),由透鏡成像公式
權(quán)利要求1.一種勻光裝置，對光源產(chǎn)生的入射光線整形，所述光源的發(fā)光面的最大長度小于等于該光源與相鄰光學(xué)元件的距離的十分之一且該光源的發(fā)光面的面積小于所述相鄰光學(xué)元件接收光源入射光的表面面積的十分之一，該光源為近似點(diǎn)光源，并且所述光源的入射光線在與該光源的中心軸垂直的任意平面上形成的光斑的照度分布由中央向外減弱，所述勻光裝置的特征在于，所述勻光裝置至少包括勻光透鏡，該勻光透鏡包括 第一曲面，該第一曲面接收所述光源的出射光線并改變其傳播方向，使得所述光源的出射光線交于一點(diǎn)或者出射光線所在直線相交于一點(diǎn)，該點(diǎn)為所述光源的成像點(diǎn)； 第二曲面，該第二曲面的入射光線為從第一曲面出射的光線，所述第二曲面為自由曲面，并由位于所述光源的中心軸方向的預(yù)定位置的一標(biāo)準(zhǔn)曲面變形獲得，該標(biāo)準(zhǔn)曲面為可對入射光線整形為平行光的曲面； 除所述中心軸方向外，沿著從該中心軸至中心軸的側(cè)向的方向，所述入射光線在第二曲面上的入射角度與該入射光線在標(biāo)準(zhǔn)曲面上的入射角度的差值保持同號，所述入射光線在第二曲面上的入射角度與該入射光線在標(biāo)準(zhǔn)曲面上的入射角度的差值的絕對值單調(diào)遞增，且該入射光線在所述第二曲面上的入射角度與該入射光線在標(biāo)準(zhǔn)曲面上的入射角度的差值的絕對值的變化率遞減，以使所述第二曲面的出射光線在預(yù)定立體角內(nèi)比所述入射光線具有更均勻的光強(qiáng)分布。
2.一種勻光裝置，對光源產(chǎn)生的入射光線整形，所述光源為發(fā)光面的最大長度小于等于該光源至相鄰光學(xué)元件的距離的十分之一且該光源的發(fā)光面的面積小于所述相鄰光學(xué)元件接收光源入射光的表面面積的十分之一，該光源為近似點(diǎn)光源，并且所述光源的入射光線在與該光源的中心軸垂直的任意平面上形成的光斑的照度分布由中央向外減弱，所述勻光裝置的特征在于，所述勻光裝置至少包括勻光透鏡，該勻光透鏡包括 第一曲面，該第一曲面接收所述光源的出射光線并改變其傳播方向，使得所述光源的出射光線交于一點(diǎn)或者出射光線所在直線相交于一點(diǎn)，該點(diǎn)為所述光源的成像點(diǎn)； 第二曲面，該第二曲面的入射光線為從第一曲面出射的光線，所述第二曲面為自由曲面，并由位于所述光源的中心軸方向的預(yù)定位置的一標(biāo)準(zhǔn)曲面變形獲得，該標(biāo)準(zhǔn)曲面為可將入射光線匯聚于預(yù)定區(qū)域的中心點(diǎn)的曲面； 除所述中心軸方向外，沿著從該中心軸至中心軸的側(cè)向的方向，所述入射光線在所述第二曲面上的入射角度與該入射光線在標(biāo)準(zhǔn)曲面上的入射角度的差值保持同號，所述入射光線在所述第二曲面上的入射角度與該入射光線在標(biāo)準(zhǔn)曲面上的入射角度的差值的絕對值單調(diào)遞增，且該入射光線在所述第二曲面上的入射角度與該入射光線在標(biāo)準(zhǔn)曲面上的入射角度的差值的絕對值的變化率遞減，以使所述第二曲面的出射光線在預(yù)定區(qū)域內(nèi)比所述入射光線具有更均勻的照度分布。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的勻光裝置，其特征在于，所述勻光透鏡的第一曲面為凸面。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的勻光裝置，其特征在于，所述勻光透鏡的第一曲面為球面、非球面或者自由曲面。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的勻光裝置，其特征在于，所述第一曲面為旋轉(zhuǎn)對稱的自由曲面或者非球面，使得所述光源與該光源的成像點(diǎn)位于勻光透鏡中心軸上。
6.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的勻光裝置，其特征在于，所述第一曲面或/和第二曲面的表面鍍有增透膜或者濾光膜。
7.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的勻光裝置，其特征在于，所述勻光透鏡的入射光線與所述第一曲面的最大夾角等于或者近似等于所述勻光透鏡的出射光線與所述第二曲面的最大夾角。
8.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的勻光裝置，其特征在于，所述勻光裝置還包括弓I導(dǎo)光學(xué)元件，該引導(dǎo)光學(xué)元件設(shè)置在所述勻光透鏡的第一曲面與所述光源之間，接收所述光源的出射光線并透射該出射光線至所述第一曲面。
9.一種光源系統(tǒng)，其特征在于，所述光源系統(tǒng)包括權(quán)利要求I至8中任一項(xiàng)所述的勻光裝置。
專利摘要本實(shí)用新型提供一種對點(diǎn)光源產(chǎn)生的入射光線整形的勻光裝置及包括該勻光裝置的光源系統(tǒng)，該點(diǎn)光源的入射光線在與該光源的中心軸垂直的任意平面上形成的光斑的照度分布由中央向外減弱。該勻光裝置的特征在于，勻光裝置至少包括勻光透鏡，該勻光透鏡包括第一曲面和第二曲面。第一曲面接收光源的出射光線并改變其傳播方向，使得光源的出射光線交于一點(diǎn)或者出射光線所在直線相交于一點(diǎn)并出射至第二曲面。第二曲面為接收從第一曲面折射的入射光線的自由曲面，該第二曲面由位于光源的中心軸方向的預(yù)定位置的一標(biāo)準(zhǔn)曲面變形獲得，并且第二曲面可以對入射光線整形為均勻的光強(qiáng)分布或者照度分布。本實(shí)用新型中的勻光裝置及光源系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)良好的整形效果。
文檔編號F21V5/04GK202675155SQ20122028751
公開日2013年1月16日 申請日期2012年6月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月18日
發(fā)明者胡飛, 曹亮亮 申請人:深圳市繹立銳光科技開發(fā)有限公司