CN110822311A - 一种基于微透镜阵列的准直光源 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于微透镜阵列的准直光源，其包括依次平行设置的发光光源、小孔光阑阵列和第一微透镜阵列，发光光源发出的光向各个方向漫射，从所述的小孔光阑阵列的小孔出射，形成一个点光源，点光源从所述的微透镜阵列出射后形成平行光。相对现有双远心结构的平行光源，本发明的基于微透镜阵列的的准直光源的轴向距离小、重量轻、成本低，且易于装配大面积平行光源。

Description

一种基于微透镜阵列的准直光源
技术领域
本发明涉及平行光源，具体涉及一种基于微透镜阵列的准直光源。
背景技术
平行光源可以应用在众多场合中，例如工业微结构检测、近眼显示设备的背光源等。现今市面上的平行光源，大都采用双远心等光学结构来制造平行光源，这样的结构在体积方面光轴的轴向距离较长，携带、装配都不方便。且存在光源面积做不大的问题，因为当光源面积变大，镜片面积也会同样增大，加工难度、生产成本、装校成本也会提高很多。且这样结构较大的平行光源不能用于诸多对体积要求苛刻的场景中的应用，例如上述的近眼显示设备背光源等。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出一种基于微透镜阵列的准直光源，该准直光源的光轴方向的厚度小，且该准直光源不需要大口径透镜，适于大面积平行光源的生产和装配。
具体技术方案如下：
一种基于微透镜阵列的准直光源，其特征在于，该准直光源包括依次平行设置的发光光源、小孔光阑阵列和第一微透镜阵列，
当所述的发光光源为点光源、漫射型面光源、MiniLED时，所述的小孔光阑阵列的每个小孔都位于第一微透镜阵列的其中一个微透镜的焦点上；
当所述的发光光源为MicroLED时，分为以下两种情况：
(1)当小孔光阑阵列的小孔的孔径大于MicroLED的发光点的尺寸时，小孔光阑阵列的小孔孔径不应大于MicroLED每个发光点间距的1/4，且MicroLED的每个发光点都位于其中一个微透镜的焦点上；
(2)当小孔光阑阵列的小孔孔径不大于MicroLED的发光点的尺寸时，所述的小孔光阑阵列的每个小孔的几何中心都位于其中一个微透镜的焦点上；
当所述的发光光源为侧入射光源和导光板的组合时，所述的导光板和所述的小孔光阑阵列平行，所述的小孔光阑阵列的每个小孔的几何中心都位于其中一个微透镜的焦点上；
发光光源发出的光向各个方向漫射，从所述的小孔光阑阵列的小孔出射，形成一个点光源阵列，光线从所述的微透镜阵列出射后形成平行光。
进一步地，还包括第二微透镜阵列，设置在所述的小孔光阑阵列和发光光源之间，且所述的第一微透镜阵列和第二微透镜阵列对称分布在所述的小孔光阑阵列的两侧，所述的第二微透镜阵列和第一微透镜阵列结构完全相同。
进一步地，当所述的发光光源为点光源、漫射型面光源、MiniLED以及侧入射光源和导光板的组合时，所述的小孔光阑阵列的小孔的口径范围为50um-300um。
本发明的有益效果如下：
相对现有双远心结构的平行光源，本发明的基于微透镜阵列的的准直光源的轴向距离小，体积小、重量轻、成本低，且易于装配大面积平行光源。
附图说明
图1为本发明的基于微透镜阵列的准直光源的实施例一的结构示意图；
图2为本发明的基于微透镜阵列的准直光源的实施例二的结构示意图；
图3为本发明的基于微透镜阵列的准直光源的实施例三的结构示意图；
图4为本发明的基于微透镜阵列的准直光源的实施例四的结构示意图；
图5为实施例四中的微透镜阵列的3D结构示意图；
图6为实施例四的光源发光后经过微型阵列透镜准直后的效果图；
图7为实施例四的从发光光源到接收面的纵向的剖面图；
图8为实施例五中的微透镜阵列的结构示意图；
图9为实施例五的光源发光后经过微型阵列透镜准直后的效果图；
图10为实施例五的从发光光源到接收面的纵向的剖面图；
图11为实施例五的接收面接收到的光能量分布图。
图中，1-第一微透镜阵列，2-小孔光阑阵列，3-发光光源，4-第二微透镜阵列，301-侧面光源，302-导光板。
具体实施方式
下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明的基于微透镜阵列的准直光源，该准直光源包括依次平行设置的发光光源3、小孔光阑阵列2和第一微透镜阵列1，发光光源3发出的光向各个方向漫射，从所述的小孔光阑阵列2的小孔出射，形成一个点光源阵列，光线从所述的微透镜阵列出射后形成平行光。
当发光光源3为点光源、漫射型面光源、MiniLED时，小孔光阑阵列2的每个小孔都位于第一微透镜阵列1的其中一个微透镜的焦点上；如图1所示，作为其中一种实施方式，所述的发光光源选自漫射型面光源，由光源和扩散板或漫射板组成。
当所述的发光光源为MicroLED时，分为以下两种情况：
(1)当小孔光阑阵列的小孔的孔径大于MicroLED的发光点的尺寸时，小孔光阑阵列的小孔孔径不应大于MicroLED每个发光点间距的1/4，且MicroLED的每个发光点都位于其中一个微透镜的焦点上；
(2)当小孔光阑阵列的小孔孔径不大于MicroLED的发光点的尺寸时，所述的小孔光阑阵列的每个小孔的几何中心都位于其中一个微透镜的焦点上；
当所述的发光光源为侧入射光源301和导光板302的组合时，所述的导光板302和所述的小孔光阑阵列2平行，所述的小孔光阑阵列2的每个小孔都位于其中一个微透镜的焦点上；如图2所示，侧面光源301发出的光在导光板302内传输并发生散射，特定位置和角度出射的散射光经过小孔光阑阵列2的小孔后出射，在每个光阑小孔处形成点光源。所以该点发出光线经过第一微透镜阵列1后都会发生折射并以平行光的形式出射。多个该结构拼接后便可获得大面积平行光源。
为了更好地控制杂散光，得到准直度更高的平行光源，本发明的准直光源还包括第二微透镜阵列4，设置在小孔光阑阵列2和发光光源3之间，且第一微透镜阵列1和第二微透镜阵列4对称分布在所述的小孔光阑阵列2的两侧，且第二微透镜阵列4和第一微透镜阵列1结构完全相同，如图3所示。
当所述的发光光源为点光源、漫射型面光源、MiniLED以及侧入射光源和导光板的组合时，小孔光阑阵列的小孔的口径范围为50um-300um。孔径太大会影响出光的平行度，太小会降低光能的利用率。
当光源为MicroLED时，小孔孔径可相对较宽，因为MicroLED本身的发光点尺寸小于80um，经过微透镜阵列后的出射光能保持较高的平行度。但根据奈奎斯特采样定理，小孔孔径不应大于MicroLED发光点间距的1/4，即如果发光点间距为2mm，光阑的小孔孔径应不大于500um。否则发光点发出的光会进入邻近的微透镜，影响出光的平行度。并且此时为保证出光平行度，应将发光点位置置于微透镜焦点处。
如图4所示，发光光源选自MicroLED，该实施例中晶粒尺寸为15um，晶粒间距为15um。MicroLED因尺寸小，本身可以直接用作点光源，因此第一微透镜阵列1的焦点不再是微透镜阵列膜层与光源的交界处，而是MicroLED的发光点，光阑的尺寸也因此相对更大些。经过光学软件的设计，可以得出此时准直微透镜的焦距及其面型，可以是球面、非球面、自由曲面等。一般地光源厚度越小，光阑口径也越小，杂散光也越少。
用以上晶粒参数为基础，利用光学设计优化准直得到的单透镜参数为:r＝0.2mm，厚度＝0.1mm，透镜与MicroLED之间的间距为0.002mm。小孔光阑阵列2贴合在微透镜阵列1的后表面，每个小孔的孔径为0.2mm，材料为PMMA。在照明软件进行单透镜、单MicroLED的阵列化并模拟后，新的阵列光源整体尺寸为X半宽：0.225mm，Y半高：0.165mm。其中，微透镜阵列1的3D示意图如5所示，光源发光后经过微型阵列透镜准直后的效果图如图6所示，图7给出了从发光光源到接收面的纵向的剖面图，右侧为MicroLED经过微型准直透镜阵列准直后发出的平行光，左侧为设计中设置的接收面，其距离达到了30mm，相比于其光源尺寸，是一个比较远的距离，可以看到准直度较好。
作为另一种实施方式，发光光源选自MiniLED，如图8所示，MiniLED的尺寸为200um，利用光学设计优化准直得到的单透镜参数为:r＝2.8mm,厚度＝1.4mm，单透镜与MiniLED之间的间距为0.08mm。小孔光阑阵列2贴合在微透镜阵列1的后表面，每个小孔的孔径为0.03mm，材料为PMMA。在照明软件进行单透镜、单MiniLED的阵列化并模拟后，新的阵列光源整体尺寸为X半宽：1.1mm，Y半高：1.1mm得到的结果如图9-11所示。其中图8为第一微透镜阵列1的3D视图，图9为光源发光后经过第一微透镜阵列1准直后的效果，图10为从发光光源到接收面的纵向的剖面图，左侧为MiniLED经过微型准直透镜阵列准直后发出的平行光，右侧为设计中设置的接收面，其距离达到了140mm，相比于其光源尺寸，是一个比较远的距离，可以看到准直度较好。图11为接收面接收到的光能量分布，可以看出大部分光依然落在(±1.3mm)*(±1.3mm)范围内，基本接近光源尺寸，即光线的平行度较好。
本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于微透镜阵列的准直光源，其特征在于，该准直光源包括依次平行设置的发光光源、小孔光阑阵列和第一微透镜阵列，
当所述的发光光源为点光源、漫射型面光源、MiniLED时，所述的小孔光阑阵列的每个小孔都位于第一微透镜阵列的其中一个微透镜的焦点上；
当所述的发光光源为MicroLED时，分为以下两种情况：
(1)当小孔光阑阵列的小孔的孔径大于MicroLED的发光点的尺寸时，小孔光阑阵列的小孔孔径不应大于MicroLED每个发光点间距的1/4，且MicroLED的每个发光点都位于其中一个微透镜的焦点上；
(2)当小孔光阑阵列的小孔孔径不大于MicroLED的发光点的尺寸时，所述的小孔光阑阵列的每个小孔的几何中心都位于其中一个微透镜的焦点上；
当所述的发光光源为侧入射光源和导光板的组合时，所述的导光板和所述的小孔光阑阵列平行，所述的小孔光阑阵列的每个小孔的几何中心都位于其中一个微透镜的焦点上。
发光光源发出的光向各个方向漫射，从所述的小孔光阑阵列的小孔出射，形成一个点光源阵列，光线从所述的微透镜阵列出射后形成平行光。
2.根据权利要求1所述的基于微透镜阵列的准直光源，其特征在于，还包括第二微透镜阵列，设置在所述的小孔光阑阵列和发光光源之间，且所述的第一微透镜阵列和第二微透镜阵列对称分布在所述的小孔光阑阵列的两侧，所述的第二微透镜阵列和第一微透镜阵列结构完全相同。
3.根据权利要求1所述的基于微透镜阵列的准直光源，其特征在于，当所述的发光光源为点光源、漫射型面光源、MiniLED以及侧入射光源和导光板的组合时，所述的小孔光阑阵列的小孔的口径范围为50um-300um。
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