[发明专利]一种具有短距匀光效果的单自由曲面厚透镜及其阵列

说明书

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，包括冷阴极荧光灯和LED在内的各种光源，其辐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。