CN105182546A - 匀光元件及光源系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种匀光元件和光源系统，该匀光元件用于对光源产生的入射光线整形，匀光元件包括一自由曲面，该自由曲面由位于光源的中心轴方向的预定位置的一标准曲面变形获得；除中心轴方向外，沿着从该中心轴至中心轴的侧向的方向，入射光线在自由曲面上的入射角度与该入射光线在标准曲面上的入射角度的差值保持同号，入射光线在自由曲面上的入射角度与该入射光线在标准曲面上的入射角度的差值的绝对值单调递增，且该入射光线在自由曲面上的入射角度与该入射光线在标准曲面上的入射角度的差值的绝对值的变化率递减，以使自由曲面的出射光线在预定立体角内比入射光线具有更均匀的光强分布。本发明能够避免串扰等造成的光利用率降低的问题。

Description

匀光元件及光源系统
本申请为申请人于2011年12月31日递交的申请号为201110459896.6，发明名称为"匀光元件及光源系统"的分案申请。
技术领域
本发明涉及照明及显示领域，特别是涉及一种匀光元件及光源系统。
背景技术
半导体激光、LED等光源在照明、投影、光学照排、光存储等领域中应用广泛。在这些应用中，需要将光源在目标平面上尽量形成一个一定尺寸、具有规则形状的照度分布，如矩形均匀分布。
而常用的光源的光分布都不够理想，比如半导体激光在截面上的光分布一般为椭圆高斯，其长轴和短轴上的光分布如图1所示，发光二极管在截面上的光分布一般为钟形，在截面上的光分布如图2所示。
有文献提出基于复眼透镜的方法(论文LaserBeamShapingTechniques)。如图3所示：尺寸为D的平行光束入射到包括两个复眼透镜的复眼透镜对，复眼透镜对利用其中的微透镜11、12将光束分为若干个子光束，每个子光束用一对微透镜11、12分别处理，形成矩形光分布，并且由于子光束面积很小，这个矩形内的光分布接近均匀。最后再经过一个焦距为F的正常透镜13，子光束在目标平面上叠加，从而在尺寸为S的矩形内得到均匀照度。这种方法对加工精度要求很高，并且微透镜11、12之间的光会有一定的串扰，造成目标平面上出现旁瓣光斑，另外每个复眼透镜中的各微透镜之间的衔接部分会影响光的出射，这些都造成光利用率的降低。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种匀光元件及光源系统，能够避免上述串扰等造成的光利用率降低的问题。
本发明提供一种匀光元件，用于对光源产生的入射光线整形，该入射光线在与该光源的中心轴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减弱，其特征在于，匀光元件包括一自由曲面，该自由曲面由位于光源的中心轴方向的预定位置的一标准曲面变形获得，该标准曲面为可对入射光线整形为平行光的曲面；
除中心轴方向外，沿着从该中心轴至中心轴的侧向的方向，入射光线在自由曲面上的入射角度与该入射光线在标准曲面上的入射角度的差值保持同号，入射光线在自由曲面上的入射角度与该入射光线在标准曲面上的入射角度的差值的绝对值单调递增，且该入射光线在自由曲面上的入射角度与该入射光线在标准曲面上的入射角度的差值的绝对值的变化率递减，以使自由曲面的出射光线在预定立体角内比入射光线具有更均匀的光强分布。
本发明还提供一种匀光元件，用于对光源产生的入射光线整形，该入射光线在与该光源的中心轴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减弱，其特征在于，匀光元件包括一自由曲面，该自由曲面由位于光源的中心轴方向的预定位置的一标准曲面变形获得，该标准曲面为可将入射光线汇聚于预定区域的中心点的曲面；
除中心轴方向外，沿着从该中心轴至中心轴的侧向的方向，入射光线在自由曲面上的入射角度与该入射光线在标准曲面上的入射角度的差值保持同号，入射光线在自由曲面上的入射角度与该入射光线在标准曲面上的入射角度的差值的绝对值单调递增，且该入射光线在自由曲面上的入射角度与该入射光线在标准曲面上的入射角度的差值的绝对值的变化率递减，以使自由曲面的出射光线在预定区域内比入射光线具有更均匀的照度分布。
本发明还提供一种光源系统，该光源系统包括上述的匀光元件。
与现有技术相比，本发明包括如下有益效果：
本发明中，自由曲面通过在标准曲面的基础上，采用上述技术方案中的变形规律进行变形得到，该自由曲面能够将第一光斑的照度分布由中央向外减弱的入射光线整形成具有更均匀的光强或照度分布。相对于现有技术，本发明的自由曲面无需多个微透镜组成，因而可避免上述串扰等造成的光利用率降低的问题，具有结构简单，光利用率高的优点。
附图说明
图1是半导体激光在目标平面上的长轴和短轴上的光分布；
图2是发光二极管在目标平面上的长轴和短轴上的光分布；
图3是现有技术的复眼透镜的光路图；
图4是现有技术的非球面透镜的光路图；
图5是本发明的匀光元件的一个实施例的光路图；
图6是本发明的匀光元件的另一实施例的光路图；
图7是本发明的匀光元件的另一实施例的光路图；
图8是本发明的匀光元件的另一实施例的光路图；
图9是本发明的匀光元件的另一实施例的光路图；
图10是本发明的匀光元件的另一实施例的光路图；
图11是本发明的匀光元件的另一实施例的光路图；
图12是本发明的光源系统的一个实施例的光路图；
图13是本发明的光源系统的另一实施例的光路图；
图14是本发明的光源系统的另一实施例的光路图；
图15是本发明的光源系统的另一实施例的光路图；
图16是本发明的光源系统的另一实施例的光路图；
图17是本发明的光源系统的另一实施例的光路图；
图18是本发明的光源系统的另一实施例的光路图；
图19是本发明的光源系统的另一实施例的光路图；
图20是本发明的光源系统的另一实施例的光路图；
图21是本发明的光源系统的另一实施例的光路图；
图22是本发明的光源系统的另一实施例的光路图；
图23是本发明的光源系统的另一实施例的光路图；
图24是本发明的光源系统的另一实施例的光路图；
图25是本发明的光源系统的另一实施例的光路图；
图26-27是本发明的光源系统的另一实施例的光路图；
图28是本发明的光源系统的另一实施例的光路图；
图29是本发明的光源系统的另一实施例的光路图；
图30是本发明的光源系统的另一实施例的光路图；
图31是一个实施例中的矩形立体角示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
专业术语解释：
矩形立体角：如图31所示，过矩形ABCD中心点的垂线上有一点O，矩形ABCD对点O张成的立体角为一矩形立体角；
矩形立体角的大角：如图31所示，连接宽AB的中点和宽CD的中点的线段对点O张成的角度；
矩形立体角的小角：如图31所示，连接长AD的中点和长BC的中点的线段对点O张成的角度；
照度：单位面积的光通量；
光强：单位立体角内的光通量。
请参见图5a与图5b，图5a是本发明的匀光元件一个实施例的光路图，图5b是图5a所示实施例中自由曲面34的原理分析图。
如图5a所示，在本实施例中，匀光元件包括一用于对光源31产生的入射光线整形的自由曲面33(或34)。光源31可以为点光源，即入射到自由曲面33(或34)的入射光线由点光源直接产生。光源31产生的入射光线在与该光源31的中心轴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减弱。第一光斑的照度分布可以为椭圆高斯分布或朗伯分布。
自由曲面33(或34)由位于光源31的中心轴方向的预定位置的一标准曲面32变形获得，该标准曲面为可对光源31产生的入射光线整形为平行光的曲面。预定位置离光源越远，自由曲面的尺寸越大，制作成本较高；预定位置离光源越近，自由曲面的尺寸越小，制作难度越高，因而预定位置可根据实际需求进行设置。自由曲面33(或34)和标准曲面32均为透射曲面。关于标准曲面，本实施例中具体为可对光源31产生的入射光线整形为平行光的椭圆面。
针对自由曲面33，本实施例进行如下限定：除了光源31的中心轴方向外，沿着从该中心轴至中心轴的侧向的方向(包括从a至b的方向、或从a至c的方向)，光源31产生的入射光线在自由曲面33上的入射角度与该入射光线在标准曲面32上的入射角度的差值保持同号(具体为均保持正号)，光源31产生的入射光线在自由曲面33上的入射角度与该入射光线在标准曲面32上的入射角度的差值的绝对值单调递增，且该入射光线在自由曲面33上的入射角度与该入射光线在标准曲面32上的入射角度的差值的绝对值的变化率递减，以使自由曲面33的出射光线在预定立体角内比光源31产生的入射光线具有更均匀的光强分布。例如，沿着从a至b的方向以及从a至c的方向，光源31产生的入射光线在自由曲面33上的入射角度与该入射光线在标准曲面32上的入射角度的差值均由1度至10度连续递增，且该递增的速率逐渐减小。
针对自由曲面34，本实施例进行如下限定：除了光源31的中心轴方向外，沿着从该中心轴至中心轴的侧向的方向(包括从d至e的方向、或从d至f的方向)，光源31产生的入射光线在自由曲面34上的入射角度与该入射光线在标准曲面32上的入射角度的差值保持同号(具体为均保持负号)，光源31产生的入射光线在自由曲面34上的入射角度与该入射光线在标准曲面32上的入射角度的差值的绝对值单调递增，且该入射光线在自由曲面34上的入射角度与该入射光线在标准曲面32上的入射角度的差值的绝对值的变化率递减，以使自由曲面34的出射光线在预定立体角内比光源31产生的入射光线具有更均匀的光强分布。例如，沿着从d至e的方向以及从d至f的方向，光源31产生的入射光线在自由曲面34上的入射角度与该入射光线在标准曲面32上的入射角度的差值均由-1度至-10度连续递减，且该递减的速率逐渐减小。
预定立体角可以根据不同需求设置。例如，预定立体角可以为45度以内的锥角，也可以30度以内的锥角。预定立体角可以为底面为矩形的锥形的锥角，也可以为底面为正六边形的锥形的锥角。
自由曲面33(或34)的出射光线在预定立体角内比光源31产生的入射光线具有更均匀的光强分布，是指自由曲面33(或34)的出射光线在预定立体角内的光强均匀度比光源31产生的入射光线在预定立体角内的光强均匀度更高。预定立体角内的光强均匀度可以采用多种方式表示，例如，可以为预定立体角内的光强最小值与预定立体角内的光强平均值的比值；也可以预定立体角内的光强最大值与预定立体角内的光强平均值的比值；也可以为预定立体角内的光强平均值和预定立体角内的光强最大值与光强最小值之差的比值；此处不作一一列举。
为便于理解，以下对本实施例中自由曲面34实现较高的光强均匀度的原理进行分析；同时，为便于描述，以下将中心轴的侧向简称为侧边：
如图5a和图5b所示，标准曲面32将光源31发出的入射光线整形成平行光，即标准曲面32所有的出射光线分布在0度立体角内。因此，自由曲面34改变入射光线的入射角，将使相应出射光线偏离0度；入射角的改变量(绝对值)从光源的中心轴向侧边递增，例如改变量依次为20度和30度，则从光源的中心轴向侧边，自由曲面34的出射光线与0度的偏离也递增，因而可使自由曲面34的出射光线分布在预定立体角内；当光源31产生的入射光线的光强分布从中心轴向侧边递减时，可以通过使自由曲面34对该入射光线入射角的改变量的变化率递减，提高自由曲面34的出射光线在预定立体角内的光强分布的均匀性。
例如，为简化问题描述，以二维情况进行解释，此时立体角简化为角度，同时，可以将自由曲面34的出射光线的角度改变量近似视为自由曲面34的入射光线入射角的改变量。如图5b所示，光源产生的入射光线分布在0-40度内，自由曲面34的出射光线的预定角度在0-30度内。由于光源产生的入射光线在光源的中心轴处的光强较大，例如，该入射光线在0-20度内的光通量是20-40度内光通量的2倍。为使自由曲面34的出射光线在0-30度内光强均匀，那么，0-20度内的入射光线对应的出射光线应分布在0-20度内，即20度的入射光线对应的出射光线应偏离中心轴方向20度，而20-40度内的入射光线对应的出射光线应分布在20-30度内，即40度的入射光线的出射光线偏离中心轴30度。因此，20度的入射光线的入射角变化量为20，因0度的入射光线的入射角变化量为0，则0-20度内入射光线的入射角变换量的平均变化率约为(20-0)/(20-0)＝1；40度的入射光线的入射角变化量为30，因20度的入射光线的入射角变化量为20，则20-40度入射光线的入射角变化量的平均变化率约为(30-20)/(40-20)＝0.5，是0-20度内入射光线的入射角变换量的平均变化率的1/2。由此可见，可以通过使自由曲面34对该入射光线入射角的改变量的变化率递减，提高自由曲面34的出射光线在预定立体角内的光强分布的均匀性。
容易理解的是，上述变化率递减程度不同，自由曲面34的出射光线在预定立体角内的光强分布的均匀性也不同，本领域技术人员可以根据对均匀性的不同要求，通过仿真实验等确定该变化率的递减程度。值得说明的是，当变化率递减程度过大时，会导致自由曲面34的出射光线在大角度范围内光强大，小角度范围内光强小，并造成比光源产生的入射光线的光强分布更不均匀，因而上述变化率的递减程度需控制在一定范围内，当然，这点本领域技术人员也可以很容易地通过仿真实验确定。
自由曲面33实现较高的光强均匀度的原理与自由曲面34的相同，此处不再进行分析。
本实施例中，自由曲面通过在标准曲面的基础上，采用上述技术方案中的变形规律进行变形得到，该自由曲面能够将第一光斑的照度分布由中央向外减弱的入射光线整形成具有更均匀的光强分布。相对于现有技术，本发明的自由曲面无需多个微透镜组成，因而可避免上述串扰等造成的光利用率降低的问题，具有结构简单，光利用率高的优点。
请参见图6，图6是本发明的匀光元件另一实施例的光路图。如图6所示，在本实施例中，本发明的匀光元件包括一用于对光源51产生的入射光线整形的自由曲面53(或54)，该入射光线在与该光源51的中心轴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减弱。自由曲面53(或54)由位于光源51的中心轴方向的预定位置的一标准曲面52变形获得。
本实施例与图5a所示实施例的区别之处包括以下两点：
(1)本实施例中，标准曲面52与自由曲面53(或54)均为反射曲面。具体地，标准曲面52为可对光源51产生的入射光线整形为平行光的抛物面。
(2)图5a所示实施例中，沿着从光源31的中心轴至侧边的方向，不管是从a至b的方向，还是从a至c的方向，光源31产生的入射光线在自由曲面33上的入射角度与该入射光线在标准曲面32上的入射角度的差值均保持正号；沿着从光源31的中心轴至侧边的方向，不管是从d至e的方向，还是从d至f的方向，光源31产生的入射光线在自由曲面34上的入射角度与该入射光线在标准曲面32上的入射角度的差值均保持负号。而本实施例中，沿着从光源51的中心轴至侧边的方向，即从a至b的方向以及从a至c的方向，光源51产生的入射光线在自由曲面53上的入射角度与该入射光线在标准曲面52上的入射角度的差值分别保持负号与正号；沿着从光源51的中心轴至侧边的方向，即从d至e的方向以及从d至f的方向，光源51产生的入射光线在自由曲面54上的入射角度与该入射光线在标准曲面52上的入射角度的差值分别保持正号与负号。
例如，沿着从a至b的方向，光源51产生的入射光线在自由曲面53上的入射角度与该入射光线在标准曲面52上的入射角度的差值由-1度至-10度连续递减，且该递减的速率逐渐减小；沿着从a至c的方向，光源51产生的入射光线在自由曲面53上的入射角度与该入射光线在标准曲面52上的入射角度的差值由1度至10度连续递增，且该递增的速率逐渐减小；沿着从d至e的方向，光源51产生的入射光线在自由曲面54上的入射角度与该入射光线在标准曲面52上的入射角度的差值由1度至10度连续递增，且该递增的速率逐渐减小；沿着从d至f的方向，光源51产生的入射光线在自由曲面54上的入射角度与该入射光线在标准曲面52上的入射角度的差值由-1度至-10度连续递减，且该递减的速率逐渐减小。
请参见图7，图7是本发明的匀光元件的另一实施例的光路图。如图7所示，在本实施例中，本发明的匀光元件包括一用于对光源(图未示)产生的入射光线整形的自由曲面72(或73)，该入射光线在与该光源的中心轴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减弱。自由曲面72(或73)由位于光源的中心轴方向的预定位置的一标准曲面71变形获得。
本实施例与图6所示实施例的区别之处在于：本实施例中，自由曲面72(或73)的入射光线为平行光线；标准曲面71为可对入射光线进行折叠的反射平面。
请参见图8，图8是本发明的匀光元件另一实施例的光路图。本实施例包括自由曲面91，自由曲面91是图5a或图6实施例中的自由曲面的具体表现形式。
如图8所示，在本实施例中，光源系统包括点光源O、自由曲面91。自由曲面91的出射光线的集合为92。自由曲面91上的点到点光源O的距离由以下公式通过数值方式求解获得：
其中，i(m)为点光源O产生的入射光线的光强分布，m为从点光源O到自由曲面91上的点的单位向量，ρ(m)为在m方向上点光源O到自由曲面91上的点的距离，可用于表达自由曲面91，m0为选取的某一方向，ρ0为在m0方向上点光源到自由曲面91上的点的距离，f(T(m))为自由曲面91的出射光线在预定立体角内的光强分布，n1为入射光线所在介质的折射率、n2为自由曲面91的出射光线所在介质的折射率，e＝eijdtidtj表示曲面的第一基本型，eij＝(eij)-1，ti与tj分别为曲面的参数方程中的两个参数。当自由曲面91为反射面时，n1＝-n2。
优选地，预定立体角为预定矩形立体角，f(T(m))为自由曲面的出射光线在该预定矩形立体角内的均匀光强分布，以适应目前显示领域中广泛使用的矩形显示屏幕。此时，更优选地，预定矩形立体角的大角和小角均大于等于0.01度且小于等于3度。当然，预定立体角也可以为其它类型的立体角，例如底面为正三角形、正六边形或椭圆形的锥形的立体角。
此外，m0优选为点光源的中心轴方向，以便于计算。此时，ρ0优选大于等于2mm且小于等于50mm。
点光源O产生的入射光线的光强分布可以有多种。在本发明的一备选实施例中，点光源O产生的入射光线的光强分布可为椭圆高斯形的光强分布，即其中I0为点光源O的中心轴方向的光强，(θ,φ)为以点光源O为原点且以点光源O的中心轴方向为极轴的球坐标中的单位向量m对应的点的坐标，σx为椭圆高斯的长轴与极轴所在的平面内光强降低到I0的时的角度，σy为椭圆高斯的短轴与极轴所在的平面内光强降低到I0的时的角度。在本发明的另一备选实施例中，点光源O产生的入射光线的光强分布为朗伯的光强分布，即i(m)＝I0cos(θ)，其中I0为点光源O的中心轴方向的光强，θ为单位向量m与中心轴方向的夹角。
上述实施例是对匀光元件为可实现光强均匀度较高的自由曲面进行说明，以下对匀光元件为可实现照度均匀度较高的自由曲面进行详细说明。
请参见图9，图9是本发明的匀光元件另一实施例的光路图。如图9所示，本实施例中，匀光元件包括一用于对光源41产生的入射光线整形的自由曲面43。光源41可以为点光源，即入射到自由曲面43的入射光线由点光源直接产生。光源41产生的入射光线在与该光源41的中心轴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减弱。第一光斑的照度分布可以为椭圆高斯分布或朗伯分布。自由曲面43由位于光源41的中心轴方向的预定位置的一标准曲面42变形获得。
本实施例与图5所示实施例的区别之处包括以下两点：
(1)本实施例中，标准曲面42为可将光源41产生的入射光线汇聚于预定区域的中心点的曲面，具体为笛卡尔椭圆面。预定区域可以根据实际需求进行设置，可以具有多种，例如一特定尺寸和形状的矩形区域、椭圆形区域、三角形区域或正六边形区域等。
(2)除了光源41的中心轴方向外，沿着从该中心轴至侧边的方向(包括从d至e的方向、或从d至f的方向)，光源41产生的入射光线在自由曲面43上的入射角度与该入射光线在标准曲面42上的入射角度的差值保持同号(具体为均保持负号)，光源41产生的入射光线在自由曲面43上的入射角度与该入射光线在标准曲面42上的入射角度的差值的绝对值单调递增，且该入射光线在自由曲面43上的入射角度与该入射光线在标准曲面42上的入射角度的差值的绝对值的变化率递减，以使自由曲面43的出射光线在预定区域内比光源41产生的入射光线具有更均匀的照度分布。即本实施例中，自由曲面43是为了实现更均匀的照度分布，而非光强分布。
自由曲面43的出射光线在预定区域内比光源41产生的入射光线具有更均匀的照度分布，是指自由曲面43的出射光线在预定区域内的照度均匀度比光源41产生的入射光线在预定区域内的照度均匀度更高。预定区域内的照度均匀度可以采用多种方式表示，例如，可以为预定区域内的照度最小值与预定区域内的照度平均值的比值；也可以预定区域内的照度最大值与预定区域内的照度平均值的比值；也可以为预定区域内的照度平均值和预定区域内的照度最大值与照度最小值之差的比值；此处不作一一列举。自由曲面43实现较高的照度均匀度的原理与自由曲面34的相同，此处不再进行分析。
容易理解的是，本实施例中也可以对标准曲面42进行变形得到另一自由曲面，光源41产生的入射光线在该自由曲面上的入射角度与该入射光线在标准曲面42上的入射角度的差值保持同号(具体为均保持正号)，该自由曲面类似于图5所示实施例中的自由曲面34。
本实施例中，自由曲面通过在标准曲面的基础上，采用上述技术方案中的变形规律进行变形得到，该自由曲面能够将第一光斑的照度分布由中央向外减弱的入射光线整形成具有更均匀的照度分布。相对于现有技术，本发明的自由曲面无需多个微透镜组成，因而可避免上述串扰等造成的光利用率降低的问题，具有结构简单，光利用率高的优点。
请参见图10，图10是本发明的匀光元件另一实施例的光路图。如图10所示，本实施例中，匀光元件包括一用于对光源61产生的入射光线整形的自由曲面63(或64)，该入射光线在与该光源61的中心轴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减弱。自由曲面63(或64)由位于光源61的中心轴方向的预定位置的一标准曲面62变形获得。
本实施例与图9所示实施例的区别之处在于：本实施例中，自由曲面63(或64)和标准曲面62均为反射曲面，标准曲面62为可将入射光线汇聚于预定区域的中心点的椭圆面。
本实施例中，沿着从光源61的中心轴至两个侧边的方向，即从中心轴至右侧边的方向、以及从中心轴至左侧边的方向，光源61产生的入射光线在自由曲面63上的入射角度与该入射光线在标准曲面62上的入射角度的差值分别保持负号与正号。沿着从光源61的中心轴至两个侧边的方向，即从中心轴至右侧边的方向、以及从中心轴至左侧边的方向，光源61产生的入射光线在自由曲面64上的入射角度与该入射光线在标准曲面62上的入射角度的差值分别保持正号与负号。
请参见图11，图11是本发明的匀光元件另一实施例的光路图。如图11所示，本实施例中，匀光元件包括一用于对光源(图未示)产生的入射光线整形的自由曲面82(或83)，该入射光线在与该光源的中心轴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减弱。自由曲面82(或83)由位于光源的中心轴方向的预定位置的一标准曲面81变形获得。
本实施例与图10所示实施例的区别之处在于：本实施例中，自由曲面82(或83)的入射光线为平行光线，标准曲面81为可将入射光线汇聚于预定区域的中心点的抛物面。
本实施例中，沿着从光源的中心轴至两个侧边的方向，即从中心轴至右侧边的方向、以及从中心轴至左侧边的方向，光源产生的入射光线在自由曲面82上的入射角度与该入射光线在标准曲面81上的入射角度的差值分别保持负号与正号。沿着从光源的中心轴至两个侧边的方向，即从中心轴至右侧边的方向、以及从中心轴至左侧边的方向，光源产生的入射光线在自由曲面83上的入射角度与该入射光线在标准曲面81上的入射角度的差值分别保持正号与负号。
此外，与图5a、图6所示实施例相同，图9、图10所示实施例中的自由曲面也可以采用图8所示实施例的具体表现形式。如图8所示，当图8所示实施例为图9、图10所示实施例的具体表现形式时，自由曲面91上的点到点光源O的距离由以下公式通过数值方式求解获得：
其中，i(m)为点光源O产生的入射光线的光强分布，m为从点光源O到自由曲面91上的点的单位向量，ρ(m)为在m方向上点光源O到自由曲面91上的点的距离，可用于表达自由曲面91，m0为选取的某一方向，ρ0为在m0方向上点光源到自由曲面91上的点的距离，f(T(m))为自由曲面91的出射光线在预定区域内的照度分布，n1为入射光线所在介质的折射率、n2为自由曲面91的出射光线所在介质的折射率，e＝eijdtidtj表示曲面的第一基本型，eij＝(eij)-1，ti与tj分别为曲面的参数方程中的两个参数。当自由曲面91为反射面时，n1＝-n2。
图9所示实施例中已提到，预定区域可以根据实际需求进行设置，可以具有多种。优选地，预定区域为预定矩形区域，f(T(m))为自由曲面的出射光线在该预定矩形区域内的均匀照度分布，以适应目前显示领域中广泛使用的矩形显示屏幕。此时，更优选地，预定矩形区域与光源O的距离大于10mm且小于500mm，该预定矩形区域的长和宽均大于等于1mm且小于等于5mm。
此外，m0优选为点光源的中心轴方向，以便于计算。此时，ρ0优选大于等于2mm且小于等于50mm。
点光源O产生的入射光线的光强分布可以有多种。在本发明的一备选实施例中，点光源O产生的入射光线的光强分布可为椭圆高斯形的光强分布，即其中I0为点光源O的中心轴方向的光强，(θ,φ)为以点光源O为原点且以点光源O的中心轴方向为极轴的球坐标中的单位向量m对应的点的坐标，σx为椭圆高斯的长轴与极轴所在的平面内光强降低到I0的时的角度，σy为椭圆高斯的短轴与极轴所在的平面内光强降低到I0的时的角度。在本发明的另一备选实施例中，点光源O产生的入射光线的光强分布为朗伯的光强分布，即i(m)＝I0cos(θ)，其中I0为点光源O的中心轴方向的光强，θ为单位向量m与中心轴方向的夹角。
以下将列举本发明的光源系统的各种实现形式。
请参见图12，图12是本发明的光源系统的一个实施例的光路图。如图12所示，在本实施例中，光源系统包括一光源121、包括透射曲面122与透射曲面124的匀光元件、以及成像透镜123。
光源121具体为单个点光源121，其产生的光线在与该光源121的中心轴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减弱。具体地，光源121产生的光线的光强分布可以为椭圆高斯形的光强分布，也可以为朗伯的光强分布。
匀光元件为一透镜(未标示)，透射曲面122和透射曲面124为该透镜的两个面。透射曲面124设置为与入射光方向垂直，以不改变入射光方向，而透射曲面122为图5所示实施例中的自由曲面，透射曲面122的出射光线在预定立体角内比入射光线具有更均匀的光强分布。
优选地，光源121照射在透射曲面122上的光束经透射曲面122整形，其光强在一个矩形立体角内均匀分布，然后经过成像透镜123，光束在成像透镜123的焦平面的预定矩形区域内形成均匀照度分布的第二光斑S。
请参见图13，图13是本发明的光源系统的另一实施例的光路图。如图13所示，本实施例与图12所示实施例的区别之处在于：本实施例中包括多个点光源以及与该多个点光源分别对应的匀光元件，每个匀光元件将对应的点光源的光整形成在预定矩形立体角内光强均匀分布并落在同个成像透镜的不同位置上，各个匀光元件的出射光在成像透镜的焦平面的相同位置上形成相同的矩形均匀照度分布的第二光斑。
具体地，本实施例包括3个点光源141、142、143，与该3个点光源分别对应的3个匀光元件，3个匀光元件分别包括透射曲面148与144、透射曲面149与145、透射曲面150与146。其中透射曲面148、149、150设置为与入射光方向垂直。不同位置的透射曲面144、145、146的形状完全相同，各透射曲面将入射光整形成在预定矩形立体角内光强均匀分布的光束。不同位置的透射曲面144、145、146的出射光经过成像透镜147，在成像透镜147焦平面的相同位置上形成相同的矩形均匀照度分布的第二光斑。
请参见图14，图14是本发明的光源系统的另一实施例的光路图。如图14所示，本实施例包括光源131、匀光元件132及成像透镜133。本实施例与图12所示实施例的区别之处在于：本实施例中的匀光元件为一反射曲面132，反射曲面132为图6所示实施例中的自由曲面。
请参见图15，图15是本发明的光源系统的另一实施例的光路图。本实施例与图14所示实施例的区别之处在于：本实施例中包括多个点光源以及与该多个点光源分别对应的匀光元件，每个匀光元件将对应的点光源的光整形成在预定矩形立体角内光强均匀分布并落在同个成像透镜的不同位置上，各个匀光元件的出射光在成像透镜的焦平面的相同位置上形成相同的矩形均匀照度分布的第二光斑。
具体地，本实施例包括3个点光源151、152、153，与该3个点光源分别对应的3个匀光元件，3个匀光元件分别包括反射曲面154、155、156。不同位置的反射曲面154、155、156的形状完全相同，且朝向相同，各自将入射光整形成在预定矩形立体角内光强均匀分布的光束。不同位置的反射曲面154、155、156的出射光经过成像透镜157，在成像透镜157焦平面的相同位置上形成相同的矩形均匀照度分布的第二光斑。
请参见图16，图16是本发明的光源系统的另一实施例的光路图。如图16所示，在本实施例中，光源系统包括点光源161、162、分别与点光源161、162对应的反射曲面163、166，不同位置的反射曲面163、166的形状完全相同。光源系统进一步包括反射平面164、165以及成像透镜167。反射曲面163和166分别对点光源161、162产生的光进行整形，反射平面164和165分别反射曲面163和166的出射光进行光路折叠。反射平面164、165的出射光经过成像透镜167，在成像透镜167的焦平面的相同位置上形成相同的矩形均匀照度分布的第二光斑。其中，反射曲面163、166为图6所示实施例中的自由曲面。
本实施例中，点光源161、162的朝向一致，因而具有便于安装的优点。并且，两个反射曲面163和166相向设置，反射平面与对应的反射曲面相向设置，两个相邻反射平面164、165无缝拼接，使得反射平面164、165的出射光有一部分重叠或仅有较小的间隔，从而使光源系统更加紧凑，并提高成像透镜167的利用率。
此外，还可设置多套光源、反射曲面及反射平面并使该多套沿垂直于如图16所示的截面方向进行排列，以提高光源系统的光功率密度。
请参见图17，图17是本发明的光源系统的另一实施例的光路图。如图17所示，在本实施例中，光源系统包括点光源171、172、分别与点光源171、172对应的反射曲面173、174、以及成像透镜175。本实施例与图16所示实施例的区别之处在于：本实施例中的点光源171、172相向设置，反射曲面173、174相互背向设置并无缝拼接，使得反射曲面173、174的出射光有一部分重叠或仅有较小的间隔，从而使光源系统更加紧凑，并提高成像透镜167的利用率。
此外，还可设置多套光源与反射曲面并使该多套沿垂直于如图17所示的截面方向进行排列，以提高光源系统的光功率密度。
请参见图18，图18是本发明的光源系统的另一实施例的光路图。如图18所示，在本实施例中，光源系统包括多个点光源211、212、213，分别与多个点光源211、212、213对应的多个反射曲面214、215、216，以及分别与多个反射曲面214、215、216对应的反射平面217、218、219。反射曲面214、215、216均为图6所示实施例中的自由曲面。点光源211、212、213，反射曲面214、215、216以及反射平面217、218、219均朝向一致，因而具有便于安装的优点。反射曲面214、215、216的出射光线分别经反射平面217、218、219改变光线方向从而向上传播，这样每个反射曲面214、215、216的出射光不受彼此遮挡，可以方便地制作成二维的阵列。
请参见图19，图19是本发明的光源系统的另一实施例的光路图。如图19所示，本实施例在图18所示实施例的基础上，再加上按一定梯度排列的反射平面227、228，以压缩光源系统的出射光束的尺寸。
请参见图20-21，图20-21是本发明的光源系统的另一实施例的光路图。其中图20为侧视图，图21为俯视图，如图20-21所示，多个反射曲面237、238、238’、239、241、241’、242、243、243’相同，其出射光线都在预定矩形立体角内具有均匀光强分布，各反射曲面的出射光线在成像透镜231的焦平面的相同位置上形成相同的矩形均匀照度分布的第二光斑。反射曲面237、238、238’、239、241、241’、242、243、243’在侧视图和俯视图中均按一定梯度或交错排列，从而在两个维度上均压缩光源系统出射光束的尺寸。同时，由于交错排列，点光源之间的距离增大，有利于散热。侧视图中，虚线与实线分别表示在不同平面内的反射曲面和光源。其中，反射曲面237、238、238’、239、241、241’、242、243、243’为图6所示实施例中的自由曲面。
请参见图22，图22是本发明的光源系统的另一实施例的光路图。如图22所示，在本实施例中，光源(图未示)提供准直光束，多个反射曲面201、202、203均为图7所示实施例中的自由曲面，且形状相同。反射曲面201、202、203的出射光经一成像透镜204，并在成像透镜204焦平面的相同位置上形成相同的矩形均匀照度分布的第二光斑。优选地，反射曲面201、202、203按一定梯度排列，以使光源系统的出射光束具有较小的尺寸。
请参见图23，图23是本发明的光源系统的另一实施例的光路图。如图23所示，在本实施例中，光源系统包括点光源91，由透射曲面92和透射曲面93组成的匀光元件，点光源91产生的光线直接出射到透射曲面93上。匀光元件为一透镜(未标示)，透射曲面92和透射曲面93为该透镜的两个面，透射曲面93设置为与入射光方向垂直，因此不改变光线的方向，透射曲面92为图9所示实施例中的自由曲面。光源91照射在匀光元件上的光束经透射曲面92整形，在目标平面的预定矩形区域内形成均匀照度分布的第二光斑S。
请参见图24，图24是本发明的光源系统的另一实施例的光路图。如图24所示，本实施例的光源系统包括点光源101与反射曲面102，反射曲面为图10所示实施例中的自由曲面。本实施例与图23所示实施例的区别之处在于：本实施例中的匀光元件为反射曲面102。
请参见图25，图25是本发明的光源系统的另一实施例的光路图。如图25所示，在本实施例中，光源系统包括多个按阵列排列的点光源111、112、113，以及分别与点光源111、112、113对应的多个匀光元件。多个匀光元件均为透镜，每个透镜分别由透射曲面114与117、透射曲面115与118、透射曲面116与119组成。透射曲面117、118、119分别接收对应点光源产生的光，并设置为与入射光方向垂直，因而不改变入射光方向。透射曲面114、115、116均为图9所示实施例中的自由曲面。各点光源照射在对应的匀光元件上的光束分别经透射曲面114、115、116整形，不同位置的透射曲面114、115、116形状不同，以使透射曲面114、115、116的出射光在目标平面的相同位置上形成相同的矩形均匀照度分布的第二光斑。
请参见图26，图26是本发明的光源系统的另一实施例的光路图。如图26所示，在本实施例中，光源系统包括多个点光源181、182、183，以及反射曲面184，该反射曲面184为图11所示实施例中的自由曲面。光源系统进一步包括分别与多个点光源181、182、183对应的多个准直元件185、186、187。多个点光源181、182、183发出的光分别经过准直元件185、186、187后，出射为多束平行光。各束平行光经反射曲面184整形并在目标平面上共同组成矩形均匀照度分布的第二光斑。
在本实施例中，当点光源的光分布为椭圆高斯分布时，被反射曲面184反射后的光路可以与点光源光分布形成的椭圆的长轴或短轴在同一个平面内。优选地，反射曲面184反射后的光路与椭圆的短轴在同一个平面内，此时由于反射曲面184在这个平面内的入射光发散角较小，其出射光与入射光更容易相分离。
请参见图27，图27是本发明的光源系统的另一实施例的光路图。如图27所示，光源系统包括提供多束准直光束的光源、以及分别与多束准直光束对应的多个不同的反射曲面191、192、193。其中，反射曲面191、192、193均为图11所示实施例中的自由曲面。各反射曲面分别在目标平面的同一位置上形成相同的矩形均匀照度分布的光斑，各光斑相互叠加。反射曲面191、192、193按一定梯度排列，从而使得光源系统的出射光束具有较小的尺寸。
请参见图28，图28是本发明的光源系统的另一实施例的光路图。如图28所示，在本实施例中，光源系统包括点光源251与透镜252。透镜252由曲面254与曲面253组成，光源251产生的光朝向曲面253出射。曲面254可以为任意面，曲面253可以为上述的具有光线整形功能的透射曲面中的任何一个，例如图5或图9所示实施例中的自由曲面。
请参见图29，图29是本发明的光源系统的另一实施例的光路图。如图29所示，在本实施例中，光源系统包括点光源261与透镜262。透镜262由曲面263、264组成，曲面263设置为与入射光方向垂直，因而不改变入射光方向，而曲面264可以为上述的具有光线整形功能的透射曲面中的任何一个，例如图5或图9所示实施例中的自由曲面。点光源261位于透镜262的外部，点光源产生的光朝向曲面263出射，再经曲面264整形。
请参见图30，图30是本发明的光源系统的另一实施例的光路图。如图30所示，在本实施例中，光源系统包括点光源271与透镜272。透镜272由曲面273、274组成，曲面273可以为上述的具有光线整形功能的透射曲面中的任何一个，例如图5或图9所示实施例中的自由曲面，而曲面274设置为与入射光方向垂直，因而不改变入射光方向。点光源271位于透镜272的外部，点光源产生的光朝向曲面273出射并被曲面273整形，被整形的光再透射曲面274。这样，整个透镜272的输出光分布实际上为曲面273的输出光分布。
综上所述，本发明中，自由曲面通过在标准曲面的基础上，采用上述技术方案中的变形规律进行变形得到，该自由曲面能够将第一光斑的照度分布由中央向外减弱的入射光线整形成具有更均匀的光强或照度分布。相对于现有技术，本发明的自由曲面无需多个微透镜组成，因而可避免上述串扰等造成的光利用率降低的问题，具有结构简单，光利用率高的优点。
以上仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种光源系统，其特征在于，包括：点光源和匀光元件；
所述点光源产生的光线在该点光源的中心轴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减弱；
所述匀光元件包括第一透射曲面和第二透射曲面；
所述第一透射曲面用于对所述点光源产生的入射光线进行整形，使得所述第一透射曲面的出射光线在预定立体角内比所述入射光线具有更均匀的光强分布；
所述第二透射曲面设置为与入射至其上的光线的方向垂直，以不改变光线方向；其中：
所述第二透射曲面位于所述点光源与所述第一透射曲面之间，所述点光源产生的光线直接出射到所述第二透射曲面上，经所述第二透射曲面透射后再由所述第一透射曲面进行所述整形，
或者，
所述第一透射曲面位于所述点光源与所述第二透射曲面之间，所述点光源产生的光线直接出射到所述第一透射曲面上，经所述第一透射曲面进行所述整形后再经所述第二透射曲面透射。
2.根据权利要求1所述的光源系统，其特征在于，所述光源系统还包括成像透镜，由所述匀光元件整形得到的光束经过所述成像透镜，然后在所述成像透镜的焦平面的预定区域内形成均匀照度分布的第二光斑。
3.根据权利要求2所述的光源系统，其特征在于，所述光源系统包括多个所述点光源，以及包括与该多个点光源一一对应的多个所述匀光元件，每个所述匀光元件将对应的所述点光源的光进行所述整形；
由各个所述匀光元件整形得到的光束落在所述成像透镜的不同位置上，各光束经过所述成像透镜后，在所述成像透镜的焦平面的相同位置上形成相同形状的多个均匀照度分布的第二光斑，该多个第二光斑相互重合。
4.根据权利要求1所述的光源系统，其特征在于，所述点光源产生的入射光线的光强分布为椭圆高斯形的光强分布，或者，所述点光源产生的入射光线的光强分布为朗伯的光强分布。
5.根据权利要求1至4任一所述的光源系统，其特征在于，所述第一透射曲面由位于所述点光源的中心轴方向的预定位置的一标准曲面变形获得，该标准曲面为可对所述入射光线整形为平行光的透射曲面；
除所述中心轴方向外，沿着从该中心轴至中心轴的侧向的方向，所述入射光线在所述第一透射曲面上的入射角度与该入射光线在所述标准曲面上的入射角度的差值保持同号，所述入射光线在所述第一透射曲面上的入射角度与该入射光线在标准曲面上的入射角度的差值的绝对值单调递增，且该入射光线在所述第一透射曲面上的入射角度与该入射光线在标准曲面上的入射角度的差值的绝对值的变化率递减。
6.根据权利要求5所述的光源系统，所述标准曲面为能够对所述入射光线整形为平行光的椭圆面。
7.一种光源系统，其特征在于，包括：点光源和匀光元件；
所述点光源产生的光线在该点光源的中心轴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减弱；
所述匀光元件包括第一透射曲面和第二透射曲面；
所述第一透射曲面用于对所述点光源产生的入射光线进行整形，使得所述第一透射曲面的出射光线在预定区域内比所述入射光线具有更均匀的照度分布；
所述第二透射曲面设置为与入射至其上的光线的方向垂直，以不改变光线方向；其中：
所述第二透射曲面位于所述点光源与所述第一透射曲面之间，所述点光源产生的光线直接出射到所述第二透射曲面上，经所述第二透射曲面透射后再由所述第一透射曲面进行所述整形，
或者，
所述第一透射曲面位于所述点光源与所述第二透射曲面之间，所述点光源产生的光线直接出射到所述第一透射曲面上，经所述第一透射曲面进行所述整形后再经所述第二透射曲面透射。
8.根据权利要求7所述的光源系统，其特征在于，所述光源系统包括按阵列排列的多个所述点光源，以及包括与该多个点光源一一对应的多个所述匀光元件，每个所述匀光元件将对应的所述点光源的光进行所述整形；
不同位置的所述匀光元件的第一透射曲面的形状不同，以使各个所述匀光元件整形得到的光束在目标平面的相同位置上形成相同形状的多个均匀照度分布的第二光斑，该多个第二光斑相互重合。
9.根据权利要求7所述的光源系统，其特征在于，所述点光源产生的入射光线的光强分布为椭圆高斯形的光强分布，或者，所述点光源产生的入射光线的光强分布为朗伯的光强分布。
10.根据权利要求7至9任一所述的光源系统，其特征在于，所述第一透射曲面由位于所述点光源的中心轴方向的预定位置的一标准曲面变形获得，该标准曲面为可将入射光线汇聚于预定区域的中心点的透射曲面；
除所述中心轴方向外，沿着从该中心轴至中心轴的侧向的方向，所述入射光线在所述第一透射曲面上的入射角度与该入射光线在标准曲面上的入射角度的差值保持同号，所述入射光线在所述第一透射曲面上的入射角度与该入射光线在标准曲面上的入射角度的差值的绝对值单调递增，且该入射光线在所述第一透射曲面上的入射角度与该入射光线在标准曲面上的入射角度的差值的绝对值的变化率递减。
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