勻光元件及光源系統技術方案

本發明專利技術公開了一種勻光元件和光源系統，該勻光元件用于對光源產生的入射光線整形，勻光元件包括一自由曲面，該自由曲面由位于光源的中心軸方向的預定位置的一標準曲面變形獲得；除中心軸方向外，沿著從該中心軸至中心軸的側向的方向，入射光線在自由曲面上的入射角度與該入射光線在標準曲面上的入射角度的差值保持同號，入射光線在自由曲面上的入射角度與該入射光線在標準曲面上的入射角度的差值的絕對值單調遞增，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準曲面上的入射角度的差值的絕對值的變化率遞減，以使自由曲面的出射光線在預定立體角內比入射光線具有更均勻的光強分布。本發明專利技術能夠避免串擾等造成的光利用率降低的問題。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及照明及顯示領域，特別是涉及一種勻光元件及光源系統。
技術介紹
半導體激光、LED等光源在照明、投影、光學照排、光存儲等領域中應用廣泛。在這些應用中，需要將光源在目標平面上盡量形成一個一定尺寸、具有規則形狀的照度分布，如矩形均勻分布。而常用的光源的光分布都不夠理想，比如半導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1所示，發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。有文獻提出基于復眼透鏡的方法(論文Laser Beam Shaping Techniques)。如下圖3所示:尺寸為D的平行光束入射到包括兩個復眼透鏡的復眼透鏡對，復眼透鏡對利用其中的微透鏡11、12將光束分為若干個子光束，每個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，這個矩形內的光分布接近均勻。最后再經過一個焦距為F的正常透鏡13，子光束在目標平面上疊加，從而在尺寸為S的矩形內得到均勻照度。這種方法對加工精度要求很高，并且微透鏡11、12之間的光會有一定的串擾，造成目標平面上出現旁瓣光斑，另外每個復眼透鏡中的各微透鏡之間的銜接部分會影響光的出射，這些都造成光利用率的降低。
技術實現思路
本專利技術主要解決的技術問題是提供一種勻光元件及光源系統，能夠避免上述串擾等造成的光利用率降低的問題。本專利技術提供一種勻光元件，用于對光源產生的入射光線整形，該入射光線在與該光源的中心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心軸方向的預定位置的一標準曲面變形獲得，該標準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準曲面上的入射角度的差值保持同號，入射光線在自由曲面上的入射角度與該入射光線在標準曲面上的入射角度的差值的絕對值單調遞增，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準曲面上的入射角度的差值的絕對值的變化率遞減，以使自由曲面的出射光線在預定立體角內比入射光線具有更均勻的光強分布。本專利技術還提供一種勻光元件，用于對光源產生的入射光線整形，該入射光線在與該光源的中心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心軸方向的預定位置的一標準曲面變形獲得，該標準曲面為可將入射光線匯聚于預定區域的中心點的曲面；除中心軸方向外，沿著從該中心軸至中心軸的側向的方向，入射光線在自由曲面上的入射角度與該入射光線在標準曲面上的入射角度的差值保持同號，入射光線在自由曲面上的入射角度與該入射光線在標準曲面上的入射角度的差值的絕對值單調遞增，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準曲面上的入射角度的差值的絕對值的變化率遞減，以使自由曲面的出射光線在預定區域內比入射光線具有更均勻的照度分布。本專利技術還提供一種光源系統，該光源系統包括上述的勻光元件。與現有技術相比，本專利技術包括如下有益效果:本專利技術中，自由曲面通過在標準曲面的基礎上，采用上述技術方案中的變形規律進行變形得到，該自由曲面能夠將第一光斑的照度分布由中央向外減弱的入射光線整形成具有更均勻的光強或照度分布。相對于現有技術，本專利技術的自由曲面無需多個微透鏡組成，因而可避免上述串擾等造成的光利用率降低的問題，具有結構簡單，光利用率高的優點。附圖說明圖1是半導體激光在目標平面上的長軸和短軸上的光分布；圖2是發光二極管在目標平面上的長軸和短軸上的光分布；圖3是現有技術的復眼透鏡的光路圖；圖4是現有技術的非球面透鏡的光路圖；圖5是本專利技術的勻光元件的一個實施例的光路圖；圖6是本專利技術的勻光元件的另一實施例的光路圖；圖7是本專利技術的勻光元件的另一實施例的光路圖；圖8是本專利技術的勻光元件的另一實施例的光路圖；圖9是本專利技術的勻光元件的另一實施例的光路圖；圖10是本專利技術的勻光元件的另一實施例的光路圖；圖11是本專利技術的勻光元件的另一實施例的光路圖；圖12是本專利技術的光源系統的一個實施例的光路圖；圖13是本專利技術的光源系統的另一實施例的光路圖；圖14是本專利技術的光源系統的另一實施例的光路圖；圖15是本專利技術的光源系統的另一實施例的光路圖；圖16是本專利技術的光源系統的另一實施例的光路圖；圖17是本專利技術的光源系統的另一實施例的光路圖；圖18是本專利技術的光源系統的另一實施例的光路圖；圖19是本專利技術的光源系統的另一實施例的光路圖；圖20是本專利技術的光源系統的另一實施例的光路圖；圖21是本專利技術的光源系統的另一實施例的光路圖；圖22是本專利技術的光源系統的另一實施例的光路圖；圖23是本專利技術的光源系統的另一實施例的光路圖；圖24是本專利技術的光源系統的另一實施例的光路圖；圖25是本專利技術的光源系統的另一實施例的光路圖26-27是本專利技術的光源系統的另一實施例的光路圖；圖28是本專利技術的光源系統的另一實施例的光路圖；圖29是本專利技術的光源系統的另一實施例的光路圖；圖30是本專利技術的光源系統的另一實施例的光路圖。具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本專利技術進行詳細說明。專業術語解釋:矩形立體角:如圖31所示，過矩形AB⑶中心點的垂線上有一點0，矩形AB⑶對點O張成的立體角為一矩形立體角；矩形立體角的大角:如圖31所示，連接寬AB的中點和寬⑶的中點的線段對點O張成的角度；矩形立體角的小角:如圖31所示，連接長AD的中點和長BC的中點的線段對點O張成的角度；照度:單位面積的光通量；光強:單位立體角內的光通量。請參見圖5a與圖5b，圖5a是本專利技術的勻光元件一個實施例的光路圖，圖5b是圖5a所示實施例中自由曲面34的原理分析圖。如圖5a所示，在本實施例中，勻光元件包括一用于對光源31產生的入射光線整形的自由曲面33 (或34)。光源31可以為點光源，即入射到自由曲面33 (或34)的入射光線由點光源直接產生。光源31產生的入射光線在與該光源31的中心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以為橢圓高斯分布或朗伯分布。自由曲面33(或34)由位于光源31的中心軸方向的預定位置的一標準曲面32變形獲得，該標準曲面為可對光源31產生的入射光線整形為平行光的曲面。預定位置離光源越遠，自由曲面的尺寸越大，制作成本較高；預定位置離光源越近，自由曲面的尺寸越小，制作難度越高，因而預定位置可根據實際需求進行設置。自由曲面33 (或34)和標準曲面32均為透射曲面。關于標準曲面，本實施例中具體為可對光源31產生的入射光線整形為平行光的橢圓面。針對自由曲面33，本實施例進行如下限定:除了光源31的中心軸方向外，沿著從該中心軸至中心軸的側向的方向(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準曲面32上的入射角度的差值保持同號(具體為均保持正號)，光源31產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準曲面32上的入射角度的差值的絕對值單調遞增，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準曲面32上的入射角度的差值的絕對值的變化率遞減，以使自由曲面33的出射光線本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種勻光元件，用于對光源產生的入射光線整形，該入射光線在與該光源的中心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，所述勻光元件包括一自由曲面，該自由曲面由位于所述光源的中心軸方向的預定位置的一標準曲面變形獲得，該標準曲面為可對所述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向的方向，所述入射光線在自由曲面上的入射角度與該入射光線在標準曲面上的入射角度的差值保持同號，所述入射光線在自由曲面上的入射角度與該入射光線在標準曲面上的入射角度的差值的絕對值單調遞增，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準曲面上的入射角度的差值的絕對值的變化率遞減，以使自由曲面的出射光線在預定立體角內比所述入射光線具有更均勻的光強分布。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：曹亮亮，楊毅，胡飛，
申請(專利權)人：深圳市光峰光電技術有限公司，
類型：發明
國別省市：