勻光元件及光源系統(tǒng)的制作方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】
[0001] 本申請(qǐng)為申請(qǐng)人于2011年12月31日遞交的申請(qǐng)?zhí)枮?01110459896. 6,發(fā)明名稱(chēng) 為"勻光元件及光源系統(tǒng)"的分案申請(qǐng)。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明設(shè)及照明及顯示領(lǐng)域，特別是設(shè)及一種勻光元件及光源系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0003] 半導(dǎo)體激光、L邸等光源在照明、投影、光學(xué)照排、光存儲(chǔ)等領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。在運(yùn) 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。
[0004] 而常用的光源的光分布都不夠理想，比如半導(dǎo)體激光在截面上的光分布一般為楠 圓高斯，其長(zhǎng)軸和短軸上的光分布如圖1所示，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。 陽(yáng)0化]有文獻(xiàn)提出基于復(fù)眼透鏡的方法（論文LaserBeam化apingTechniques)。如 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(duì)，復(fù)眼透鏡對(duì)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(duì)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，運(yùn)個(gè)矩形內(nèi)的光分布接近均勻。最后再經(jīng)過(guò)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。運(yùn)種方法對(duì)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， 運(yùn)些都造成光利用率的降低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明主要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種勻光元件及光源系統(tǒng)，能夠避免上述串?dāng)_ 等造成的光利用率降低的問(wèn)題。
[0007] 本發(fā)明提供一種勻光元件，用于對(duì)光源產(chǎn)生的入射光線整形，該入射光線在與該 光源的中屯、軸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減弱，其特征 在于，勻光元件包括一自由曲面，該自由曲面由位于光源的中屯、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(duì)入射光線整形為平行光的曲面；
[0008] 除中屯、軸方向外，沿著從該中屯、軸至中屯、軸的側(cè)向的方向，入射光線在自由曲面 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(hào)，入射光線在自由曲 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(duì)值單調(diào)遞增，且該入 射光線在自由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(duì)值 的變化率遞減，W使自由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。
[0009] 本發(fā)明還提供一種勻光元件，用于對(duì)光源產(chǎn)生的入射光線整形，該入射光線在與 該光源的中屯、軸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減弱，其特 征在于，勻光元件包括一自由曲面，該自由曲面由位于光源的中屯、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)域的中屯、點(diǎn)的曲面；
[0010] 除中屯、軸方向外，沿著從該中屯、軸至中屯、軸的側(cè)向的方向，入射光線在自由曲面 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(hào)，入射光線在自由曲 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(duì)值單調(diào)遞增，且該入 射光線在自由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(duì)值 的變化率遞減，W使自由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。
[0011] 本發(fā)明還提供一種光源系統(tǒng)，該光源系統(tǒng)包括上述的勻光元件。
[0012] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明包括如下有益效果：
[0013] 本發(fā)明中，自由曲面通過(guò)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。相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的自由曲面無(wú)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(wèn)題，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，光利用率高的優(yōu)點(diǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0014] 圖1是半導(dǎo)體激光在目標(biāo)平面上的長(zhǎng)軸和短軸上的光分布；
[0015] 圖2是發(fā)光二極管在目標(biāo)平面上的長(zhǎng)軸和短軸上的光分布；
[0016] 圖3是現(xiàn)有技術(shù)的復(fù)眼透鏡的光路圖；
[0017] 圖4是現(xiàn)有技術(shù)的非球面透鏡的光路圖；
[0018] 圖5是本發(fā)明的勻光元件的一個(gè)實(shí)施例的光路圖；
[0019] 圖6是本發(fā)明的勻光元件的另一實(shí)施例的光路圖；
[0020] 圖7是本發(fā)明的勻光元件的另一實(shí)施例的光路圖；
[0021] 圖8是本發(fā)明的勻光元件的另一實(shí)施例的光路圖；
[0022] 圖9是本發(fā)明的勻光元件的另一實(shí)施例的光路圖；
[0023] 圖10是本發(fā)明的勻光元件的另一實(shí)施例的光路圖；
[0024] 圖11是本發(fā)明的勻光元件的另一實(shí)施例的光路圖； 陽(yáng)0巧]圖12是本發(fā)明的光源系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例的光路圖；
[00%]圖13是本發(fā)明的光源系統(tǒng)的另一實(shí)施例的光路圖；
[0027] 圖14是本發(fā)明的光源系統(tǒng)的另一實(shí)施例的光路圖；
[0028] 圖15是本發(fā)明的光源系統(tǒng)的另一實(shí)施例的光路圖；
[0029] 圖16是本發(fā)明的光源系統(tǒng)的另一實(shí)施例的光路圖；
[0030] 圖17是本發(fā)明的光源系統(tǒng)的另一實(shí)施例的光路圖；
[0031] 圖18是本發(fā)明的光源系統(tǒng)的另一實(shí)施例的光路圖；
[0032] 圖19是本發(fā)明的光源系統(tǒng)的另一實(shí)施例的光路圖；
[0033] 圖20是本發(fā)明的光源系統(tǒng)的另一實(shí)施例的光路圖；
[0034] 圖21是本發(fā)明的光源系統(tǒng)的另一實(shí)施例的光路圖；
[0035] 圖22是本發(fā)明的光源系統(tǒng)的另一實(shí)施例的光路圖；
[0036] 圖23是本發(fā)明的光源系統(tǒng)的另一實(shí)施例的光路圖；
[0037]圖24是本發(fā)明的光源系統(tǒng)的另一實(shí)施例的光路圖；
[0038] 圖25是本發(fā)明的光源系統(tǒng)的另一實(shí)施例的光路圖；
[0039]圖26-27是本發(fā)明的光源系統(tǒng)的另一實(shí)施例的光路圖；
[0040] 圖28是本發(fā)明的光源系統(tǒng)的另一實(shí)施例的光路圖；
[0041] 圖29是本發(fā)明的光源系統(tǒng)的另一實(shí)施例的光路圖；
[0042] 圖30是本發(fā)明的光源系統(tǒng)的另一實(shí)施例的光路圖；
[0043] 圖31是一個(gè)實(shí)施例中的矩形立體角示意圖。
【具體實(shí)施方式】 W44] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0045] 專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)解釋?zhuān)?br>[0046] 矩形立體角：如圖31所示，過(guò)矩形ABCD中屯、點(diǎn)的垂線上有一點(diǎn)0,矩形ABCD對(duì)點(diǎn) 0張成的立體角為一矩形立體角；
[0047] 矩形立體角的大角：如圖31所示，連接寬AB的中點(diǎn)和寬CD的中點(diǎn)的線段對(duì)點(diǎn)0 張成的角度；
[0048] 矩形立體角的小角：如圖31所示，連接長(zhǎng)AD的中點(diǎn)和長(zhǎng)BC的中點(diǎn)的線段對(duì)點(diǎn)0 張成的角度；
[0049] 照度：?jiǎn)挝幻娣e的光通量；
[0050] 光強(qiáng)：?jiǎn)挝涣Ⅲw角內(nèi)的光通量。
[0051] 請(qǐng)參見(jiàn)圖5a與圖化，圖5a是本發(fā)明的勻光元件一個(gè)實(shí)施例的光路圖，圖化是圖 5a所示實(shí)施例中自由曲面34的原理分析圖。
[0052] 如圖5a所示，在本實(shí)施例中，勻光元件包括一用于對(duì)光源31產(chǎn)生的入射光線整形 的自由曲面33(或34)。光源31可W為點(diǎn)光源，即入射到自由曲面33(或34)的入射光線 由點(diǎn)光源直接產(chǎn)生。光源31產(chǎn)生的入射光線在與該光源31的中屯、軸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減弱。第一光斑的照度分布可W為楠圓高斯分 布或朗伯分布。
[0053]自由曲面33 (或34)由位于光源31的中屯、軸方向的預(yù)定位置的一標(biāo)準(zhǔn)曲面32變 形獲得，該標(biāo)準(zhǔn)曲面為可對(duì)光源31產(chǎn)生的入射光線整形為平行光的曲面。預(yù)定位置離光源 越遠(yuǎn)，自由曲面的尺寸越大，制作成本較高；預(yù)定位置離光源越近，自由曲面的尺寸越小，審U 作難度越高，因而預(yù)定位置可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行設(shè)置。自由曲面33 (或34)和標(biāo)準(zhǔn)曲面32 均為透射曲面。關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)曲面，本實(shí)施例中具體為可對(duì)光源31產(chǎn)生的入射光線整形為平行 光的楠圓面。
[0054] 針對(duì)自由曲面33,本實(shí)施例進(jìn)行如下限定：除了光源31的中屯、軸方向外，沿著從 該中屯、軸至中屯、軸的側(cè)向的方向（包括從a至b的方向、或從a至C的方向），光源31產(chǎn) 生的入射光線在自由曲面33上的入射角度與該入射光線在標(biāo)準(zhǔn)曲面32上的入射角度的差 值保持同號(hào)（具體為均保持正號(hào)），光源31產(chǎn)生的入射光線在自由曲面33上的入射角度 與該入射光線在標(biāo)準(zhǔn)曲面32上的入射角度的差值的絕對(duì)值單調(diào)遞增，且該入射光線在自 由曲面33上的入射角度與該入射光線在標(biāo)準(zhǔn)曲面32上的入射角度的差值的絕對(duì)值的變化 率遞減，W使自由曲面33的出射光線在預(yù)定立體角內(nèi)比光源31產(chǎn)生的入射光線具有更均 勻的光強(qiáng)分布。例如，沿著從a至b的方向W及從a至C的方向，光源31產(chǎn)生的入射光線 在自由曲面33上的入射角度與該入射光線在標(biāo)準(zhǔn)曲面32上的入射角度的差值均由1度至 10度連續(xù)遞增，且該遞增的速率逐漸減小。
[0055] 針對(duì)自由曲面34,本實(shí)施例進(jìn)行如下限定：除了光源31的中屯、軸方向外，沿著從 該中屯、軸至中