技術領域

本發明涉及LED等光源的二次光學元件的技術領域，更具體而言，涉及一種具有短距勻光效果的單自由曲面厚透鏡及其陣列。

背景技術

在普通照明及公共顯示等領域內，傳統光源（如冷陰極熒光燈等）和新型光源（如LED等）都有著極為廣泛的應用。最近幾年，隨著液晶顯示技術的發展和相關產品的成熟，冷陰極熒光燈和LED被越來越多地用作液晶顯示中的背光源。尤其是LED，作為新一代光源，其體積小、壽命長、顯色性好、功耗小、發光效率高，更符合當前綠色環保的理念，因而其應用范圍從最初的電子裝置的狀態指示燈，隨后逐漸拓展到普通照明（如汽車燈、路燈等）和公共顯示（如交通信號燈、大型LED顯示屏等），如今則在大面積平板顯示和便攜式顯示領域內具有極其巨大的應用潛力。

然而，包括冷陰極熒光燈和LED在內的各種光源，其輻射光都具有一定的角度分布和空間分布，因此，在以上提及的所有應用中，相應的光學配光元件必不可少。其中，能夠獲得均勻照明的透鏡及其陣列作為最基本的配光元件，被大量研究并廣泛使用于各種場合。但這些器件大多只能在遠距離大范圍內獲得均勻照明，即從這類器件出射的光束發散角度大，所需勻光距離長。這些不足嚴重限制了其在液晶背光顯示中的應用，其原因在于：液晶面板對大角度入射光的透過率不高，故若光束發散角度太大則能量利用率會顯著降低；而所需的勻光距離太長則不利于顯示模塊的小型化，難以獲得超薄產品；在特殊應用場合（如室外極高亮度照明顯示、特定視角顯示、立體空間范圍內均勻照明等），對光束能量的角度分布有比較苛刻的要求，這類透鏡也無法滿足。

針對上述問題，本發明提出了一種具有單自由曲面的厚透鏡及其陣列。利用它可以對冷陰極熒光燈和LED等光源的輻射光進行整形，在很短的距離內獲得勻光效果，并部分控制光束的發散程度，因而可用在特種照明、液晶顯示的背光等領域。

發明內容

本發明的主要目的是提供一種二次光學元件，利用該二次光學元件對冷陰極熒光燈和LED等光源的輻射光進行整形，以獲得方向和能量分布均符合要求的光束，提高照明效果，同時縮短勻光距離。

為了達成上述目的，本發明提供了一種具有短距勻光效果的單自由曲面厚透鏡及其陣列，其一個表面為設定曲面，另一表面為自由曲面；所述厚透鏡及其陣列的前后表面控制光線的折射即行進方向，而其厚度則決定光線在透鏡徑向上的偏移量，從而使得光源的輻射光經該透鏡之后，被整形為在探測面上能量具有特定空間分布的光束，能量的角度分布也能夠被部分控制。

其中，所述厚透鏡及其陣列的設定表面是平面、球面、拋物面或其他任意設定的曲面。

其中，所述厚透鏡及其陣列的自由曲面表面是根據光通量守恒定律和折射定律，由光源、所述的設定表面以及所需的整形后光束的各種參數共同決定的自由曲面。

其中，所述厚透鏡及其陣列的前表面可以全部是折射面或者部分為折射面部分為反射面。

其中，所述厚透鏡及其陣列采用菲涅爾透鏡結構，即前后表面是臺階型的。

其中，所述厚透鏡的口徑形狀是圓形、矩形、多邊形和任意曲線中的一種，口徑大小與所要收集的光源光線的角度范圍、光源與厚透鏡前表面之間的距離、厚透鏡厚度、厚透鏡后表面與能量探測面之間的距離以及所需的光斑尺寸等參數有關。

其中，當光源為如LED的點狀光源時，所述厚透鏡的面型呈旋轉對稱；當光源為如冷陰極熒光燈管的絲狀時，所述厚透鏡的面型呈平移對稱。

其中，所述厚透鏡及其陣列的照明光源是冷陰極熒光燈管、LED光源中的一種。

其中，所述厚透鏡及其陣列的照明光源具有朗伯型或其它任意可測的發光強度分布。

其中，經所述厚透鏡及其陣列整形后的光束發散角與光源的幾何尺寸和勻光距離有關，最小控制在±1°內。

其中，經所述厚透鏡及其陣列整形后的光束能量在所要求的某個位置處的探測面內具有特定的空間分布，該探測平面置于厚透鏡及其陣列后，與厚透鏡及其陣列后表面的距離最小值可達0.5mm，最大值則無限制。

其中，經所述厚透鏡及其陣列整形后的光束口徑及其在探測面上的光斑形狀由所述的透鏡口徑與所述的整形后光束的角度分布共同決定。

其中，所述厚透鏡陣列采用矩形排列、六角排列、三角排列組合方式中的一種。

其中，所述厚透鏡及其陣列的材料選自：冕牌玻璃、火石玻璃、石英玻璃材料中的一種，或者選自甲基丙烯酸酯樹脂、丙烯酸酯樹脂、聚苯乙烯樹脂、聚碳酸酯樹脂、甲基丙烯酸甲酯-苯乙烯共聚物、丙烯腈-苯乙烯共聚物及聚對苯二甲酸乙二酯有機樹脂材料中的一種。