CN115586593A - 透镜及照明系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及光波导技术领域，提供一种透镜及照明系统，所述透镜包括多个排列设置的匀光单元；所述匀光单元的一端具有入光单元面，另一端具有与所述入光单元面相向设置的出光单元面，以及连接于所述入光单元面和所述出光单元面之间的多个反射侧壁；其中，与各所述匀光单元的排列方向相平行的各所述反射侧壁为第一反射壁，其余反射侧壁为第二反射壁，所述第一反射壁构成匀光单元面；各所述匀光单元面拼接形成所述透镜的总匀光面，各所述出光单元面拼接形成所述透镜的总出光面。本申请通过将透镜微模块化，解决了现有的照明系统无法同时匀光和聚散光束的问题，从而解决AR投影系统中各项异性的照明需求。

Description

透镜及照明系统

技术领域

本申请涉及光波导技术领域，尤其提供一种透镜和照明系统。

背景技术

针对成像光路的照明结构，需要根据与成像结构相匹配的光学性能来进行设计，其光学性能包括发散角、均匀性、亮度等，对此，现有照明技术主要有匀光棒和透镜照明两种方式。

首先，对于匀光棒匀光技术，根据匀光棒匀光的原理，照明均匀性与匀光棒的端面尺寸成反比关系，与匀光棒的长度成正比关系。需求照明的视场越大，要求匀光棒的端面尺寸越大，光线一次反射的路径就越长，反射的次数也需要增加。因此，为实现大视场、高均匀性的照明，需要增大匀光棒的长度。为增强照明均匀性，满足更大视场光学系统均匀照明的需求，通过增大匀光棒长度的方法导致照明光学系统体积增大，尤其是长度会迅速增大，这导致整个产品的体积增大和成本的提高。其次，基于现有透镜的照明结构，按照成像设计的方法让光线经过透镜或透镜组进行角度和均匀性的控制，如果是单片透镜，只能做到收束，很难做到匀光；如果是多片透镜，会大大增加体积和成本。

综上，现有匀光棒在通过平行侧壁内反射的方式进行匀光的过程中对光线各个方向的角度都不会产生影响，而透镜照明结构在聚光的同时也不能实现匀光效果，甚至会让光线更不均匀，如常规的聚光镜会让中心亮度提升，周围亮度下降。因此，现有技术中在同一照明系统无法同时实现两种效果的各向异性叠加。

发明内容

本申请实施例的目的在于提供一种照明组件及照明系统，旨在解决现有的照明系统无法同时匀光和聚集光束、或无法同时匀光和发散光束的问题，从而解决AR投影系统中各项异性的照明需求。

为实现上述目的，本申请实施例采用的技术方案是：

第一方面，本申请实施例提供一种透镜，所述透镜包括多个排列设置的匀光单元；所述匀光单元的一端具有入光单元面，另一端具有与所述入光单元面相向设置的出光单元面，以及连接于所述入光单元面和所述出光单元面之间的多个反射侧壁；其中，与各所述匀光单元的排列方向相平行的各所述反射侧壁为第一反射壁，其余反射侧壁为第二反射壁，所述第一反射壁构成匀光单元面；各所述匀光单元面拼接形成所述透镜的总匀光面，各所述出光单元面拼接形成所述透镜的总出光面。

在一个实施例中，所述出光单元面为光聚光面，所述光聚焦面朝向所述入光单元面向外凸伸。

在一个实施例中，所述出光单元面为光发散面，所述光发散面背离所述入光单元面向内凹陷。

在一个实施例中，所述匀光单元为平凸柱面镜状。

在一个实施例中，各所述匀光单元的所述反射侧壁为全反射面，各匀光单元的所述出光单元面的曲率半径大于相应匀光单元的长度，各匀光单元的出光单元面任意一点到入光单元面的距离最小值与匀光单元沿排列方向的尺寸的比值大于3。

在一个实施例中，各所述匀光单元的尺寸和形状均分别相同，各所述匀光单元的母线相互平行。

在一个实施例中，每相邻两个所述匀光单元的所述出光单元面之间平齐连接，且每相邻两个所述匀光单元的所述匀光单元面之间平齐连接。

在一个实施例中，各所述匀光单元的所述第二反射壁为平板状。

在一个实施例中，每相邻的两个所述匀光单元的相邻所述第一反射侧壁粘接；每相邻的两个所述匀光单元的相邻所述第二反射侧壁粘接。

第二方面，本申请实施例还提供一种照明系统，包括面光源和前述的透镜，所述面光源对应所述入光单元面设置。

本申请实施例的有益效果：本申请实施例透镜作为一种微透镜模组，实现了可同时用于对光束的匀化和对光束的聚光/散光，即具备各项异性。本微透镜模组可作为匀光器件来实现良好的照明均匀性，其中，光束的匀化原理为：将入射至微透镜模组的光线或全部光线进行多次反射，使光束分布均匀，进而实现光束匀化的效果。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的透镜的结构示意图；

图2(a)为本申请一实施例提供的匀光单元的结构示意图；

图2(b)为图2(a)所示本申请一实施例提供的匀光单元的正视图；

图2(c)为图2(a)所示本申请一实施例提供的匀光单元的右视图；

图3为本申请实施例透镜基材分割为匀光单元的分割示意图；

图4为本申请实施例匀光单元在XZ面内的光路示意图；

图5为本申请实施例匀光单元在YZ面内的光路示意图；

图6为本申请另一实施例提供的匀光单元的结构示意图；

图7为本申请实施例提供的照明系统；

图8为本申请实施例照明系统在XZ面内的光路示意图；

图9为本申请实施例照明系统在YZ面内的光路示意图；

其中，图中各附图标记：

1、透镜；10、匀光单元；101、入光单元面；102、出光单元面；1031、第一反射壁；1032、第二反射壁；11、总匀光面；12、总出光面；2、面光源。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

请参考图1，图2(a)~图2(c)，本申请一实施例提供一种透镜1，所述透镜1包括多个排列设置的匀光单元10；所述匀光单元10的一端具有入光单元面101，另一端具有与所述入光单元面101相向设置的出光单元面102，以及连接于所述入光单元面101和所述出光单元面102之间的多个反射侧壁；所述反射侧壁包括第一反射壁1031和第二反射壁1032，所述第一反射壁1031为与各所述匀光单元10的排列方向相平行的各所述反射侧壁，所述第二反射壁1032为其余所述反射侧壁；其中，所述第一反射壁1031构成匀光单元面；各所述匀光单元面拼接形成所述透镜1的总匀光面11，各所述出光单元面102拼接形成所述透镜1的总出光面12。

本实施例中，应当理解的是，通常球面镜或柱面镜可以实现聚焦作用，凹面镜可以实现散光作用。同时，光棒可以实现匀光作用，在一维阵列波导的光路中，存在两个方向（即与光的行进方向相垂直的方向）对照明口径要求不同的情形，因而对两个方向的光线的处理也会不同。

请参阅图3，作为本实施例透镜1的一种可行的制备方式，匀光单元10可由现有柱面镜分割并加工制得，分割方式具体可为沿着柱面母线的方向，即沿着图3所示Y轴方向进行分割，分割面使用保证全反射或者镀反射面，将分割所得片层状镜片单元分别进行镜面加工并确保实现各匀光单元10的全反射，该加工后的分割面即构成匀光单元10的反射侧壁，即第二反射壁1032；最后，将所得匀光单元10沿着厚度方向（即图3所示Y轴方向）依次叠加排列，组装，从而制得本实施例透镜1。每个匀光单元10具备四个反射侧壁。在YZ面上，定义与各匀光单元10的排列方向相平行的各反射侧壁为第一反射壁1031，第一反射壁1031即构成匀光单元10的匀光单元10面，各匀光单元10的入光单元面101，出光单元面101及反射侧壁围合形成各匀光单元10的匀光空间。当然，本实施例的透镜1结构不限于通过以上制备方法制备获得，如，也可通过利用现成已有的同规模微透镜1镜片组通过排列叠加组装获得。

请参阅图7，利用本实施例提供的透镜1，当沿垂直于匀光单元10的入光单元面101提供一面光源2，光线沿着平行于反射侧壁方向进入匀光单元10。在XZ面内，光线从入光单元面101进入各匀光单元10，沿Z轴方向穿过各匀光单元10，最后经各匀光单元10的出光单元面101导出。XZ面内，各匀光单元10的出光单元面101由于保留了透镜1原材料的形状，因此本实施例包含多个匀光单元10的透镜1保留了原柱面镜的光传输功能。此时，所有匀光单元10的出光单元面101拼接形成透镜1的总出光面12。作为本实施例的一种实施方式，匀光单元10在XZ面内的光路示意图，请参阅图4。

同时，在YZ面内，光线将从入光单元面101进入各匀光单元10，射至第二反射壁1032，在匀光单元10内部经第二反射壁1032多次反射，沿Z轴方向穿过各匀光单元10，最后经各匀光单元10的出光单元面101导出。由于透镜1在Y轴方向上被分割为多个微匀光单元10结构，本实施透镜1在YZ面内光线被每个微匀光单元10以光棒的形式匀光。此时，所有匀光单元10的匀光单元10面拼接形成透镜1的总匀光面11。作为本实施例的一种实施方式，匀光单元10在YZ面内的光路示意图，请参阅图5。

本实施例中，各匀光单元10的切割制备及组装方式可以有多种，也可参考现有透镜1的制备技术制备获得。如，可根据实际应用需要切割出不同尺寸规格、不同形状的匀光单元10面，并将所得匀光单元10沿着厚度方向（即图3所示Y轴方向）依次叠加排列，组装，从而制得本实施例透镜1。

本实施例透镜作为一种微透镜模组，通过将透镜微模块化，将入射至微透镜模组的光线或全部光线进行多次反射，使光束分布均匀，进而实现光束匀化的效果，同时实现了透镜对光束的匀化和对光束的聚光/散光，解决了现有的照明系统无法同时匀光和汇聚光束，或无法同时匀光和发散光束的问题，可满足AR投影系统中各项异性的照明需求。

请参阅图2(a)~图2(c)，可选的，本实施例中，出光单元面101可为光聚焦面，光聚焦面背离入光单元面101向外凸伸。本实施例中，可理解的是，将本实施例的聚光型透镜1罩设在光源上时，一方面，光源朝正面射出的光线能透过聚光面实现聚光以用于较大角度的汇聚式照明；另一方面，在沿匀光单元10排列设置的方向上，由于透镜1由多个微单元的组合形成，各微单元结构相当于光棒作用，光线的均匀性基本保持与射入透镜1前一致。因此，本实施例透镜1避免了发生干涉，有利于保证光线的投影效果和用于照明的光量，从而能提高光线的有效利用率。上述只是用聚光透镜1进行本实施例透镜1描述，实际使用过程中可以根据需要用不同光焦度的匀光单元10制备出本实施例各项异性的透镜1。

请参阅图6，可选的，本申请另一实施例中，出光单元面101还可为光发散面，光发散面朝向入光单元面101向内凹陷。本实施例中，可理解的是，将本实施例的散光型透镜1罩设在光源上时，一方面，光源朝正面射出的光线能透过发散面实现光学发散，以用于较大角度的发散光照明，另一方面，在沿匀光单元10排列设置的方向上，由于透镜1由多个微单元的组合形成，各微单元结构相当于光棒作用，光线的均匀性基本保持与射入透镜1前一致。因此，本实施例透镜1避免了发生干涉，有利于保证光线的投影效果和用于照明的光量，从而能提高光线的有效利用率。

可选的，匀光单元10为平凸柱面镜状。本实施例中，可理解的是，匀光单元10的结构可任意设计，如，为获得最佳匀光效果且便于加工，可将匀光单元10件形状设计为规则形状的微单元结构，如平凸柱面镜，平凹柱面镜等。

可选的，各匀光单元10的反射侧壁为全反射面；各匀光单元10的出光单元面101的曲率半径大于相应匀光单元10的长度；各匀光单元10的出光单元面101任意一点到入光单元面101的距离最小值，与匀光单元10沿排列方向的尺寸（即匀光单元10的厚度）之比大于3。

本实施例中，可理解的是，对于所有的导光材料的直光棒（直光棒是指侧壁相平行且侧壁垂直入光单元面的光棒，即柱状而非锥状），光源发出的所有光线（正负180度之间）都能够在光棒内全反射传输。因为几乎所有导光材料折射率都大于1.414，即所有材料对空气的全反射角都小于45度，这样光线从入光单元面进入光棒时的出射角均小于45度，这样就使得光线在到达和入光单元面垂直的侧壁的时候，入射角均大于45度（和入光单元面的出射角互为余角），这样就一定符合全反射条件。

因此，当设计匀光单元10的长度和厚度的比例大于3，此时透镜1匀光效果将达到较佳状态。曲率半径越小聚光能力越强，但实际使用需要和光学系统的需求匹配，通常限制于工艺实现上，本实施例中，设计曲率半径大于匀光单元10的长度，透镜1的球面为不超过半球的球冠部分，同时可加工性较好。

可选的，各匀光单元10的尺寸和形状均分别相同，各匀光单元10的母线相互平行，以确保透镜1同时具有良好的可加工性及匀光效果。

可选的，每相邻两个匀光单元10的出光单元面101之间平齐连接，且每相邻两个匀光单元10的匀光单元10面之间平齐连接，从而获得带平滑的总出光面12及平滑的总匀光面11的透镜1。若各匀光单元10的出光单元面101不平滑过渡，如呈一定角度设置时，则光线经透镜1将向四周射出发散型足够的光线。

可选的，设计各匀光单元10的第二反射壁1032为平板状。如果第二反射壁1032设计为折线状的话，在折线的部分匀光单元10入射角将发生改变，这可能将影响全反射，因此，为确保全反射效果，本实施例设计各匀光单元10的第二反射壁1032为平板状。

可选的，每相邻的两个匀光单元10的相邻第一反射壁1031粘接；每相邻的两个匀光单元10的相邻第二反射壁1032粘接。本实施例中，可理解的是，作为本实施例的一种实现方式，每相邻两个匀光单元10的各反射侧壁之间可为间隙，也可以通过其他组装方式实现匀光单元10的无间隙排列组装。每相邻两个匀光单元10的各入光单元面101之间可能有间隙，也可以无缝间隙平滑过渡。

当相邻两个匀光单元10之间存在间隙，间隙可为空气间隙，也可在间隙内填充胶水以实现各匀光单元10的排列胶粘为一体。本实施例中，将透镜1罩设在光源上时，光源射出的光线经过入光单元面101和反射侧壁后从间隙以外的位置射出，射向透镜1四周以供照明使用。

请参阅图7~图9，本实施例还提供一种照明系统，该照明系统包括面光源2和前述的透镜1，面光源2对应入光单元面101设置。作为一种可实施的方式，各匀光单元10可排列布置为与面光源2的光出射方向相垂直的水平平面内，光源发出的光经各匀光单元10的入光单元面101射入匀光单元10内部，并在第二反射壁1032上多次反射，最后由总出光面12聚焦射出。本实施例照明系统中，如图8所示，面光源2的光线射入本实施例照明系统的匀光单元10，在匀光单元面内，由于经过第二反射壁1032多次反射，使得最终射出匀光单元10时的光线发散角保持不变，光线均匀性好。如图9所示，光线经过本实施例照明系统的出光单元面102射出时，光线发散角保持不变，光线均匀性好。

本照明系统可以向四周射出足够的光线以供照明使用。本实施例中，可理解的是，当将本实施例透镜1用于照明系统时，一方面，光源朝正面射出的光线能透过聚光部实现聚光以用于投影，另一方面，光源朝透镜1的反射侧壁射出的光线能透过反射侧壁朝四周射出，以供照明使用，可以更好地营造氛围，投影光线和照明光线在隔光段位置分隔开来后，避免发生干涉，有利于保证光线的投影效果和用于照明的光量，从而能提高光线的有效利用率。

此外，本照明系统可应用于投影照明系统、显微成像照明系统等，光源通常采用高相干性、高功率的激光光源。本照明系统通常被设置于照明光源和光机部分的衔接位置处，用于接收光源发射的一定角度范围的入射光光束，并将光束匀化后再输出给后续的照明组件，进入投影物镜或显微物镜中，最后实现均匀照明或成像。

由于传统的一维阵列波导的AR投影结构是长条状的光瞳，这就需要作用在反射式屏幕（例如，LCOS、DLP等）上的照明光线在水平和数值两个方向上有不同的张角，本申请实施例提供的带有各项异性透镜1的光学系统，由于结合了匀光棒和透镜1两种照明方式取长补短进行照明控制，将被特别适用于该场景。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种透镜，其特征在于：所述透镜包括多个排列设置的匀光单元；所述匀光单元的一端具有入光单元面，另一端具有与所述入光单元面相向设置的出光单元面，以及连接于所述入光单元面和所述出光单元面之间的多个反射侧壁；其中，与各所述匀光单元的排列方向相平行的各所述反射侧壁为第一反射壁，其余反射侧壁为第二反射壁，所述第一反射壁构成匀光单元面；各所述匀光单元面拼接形成所述透镜的总匀光面，各所述出光单元面拼接形成所述透镜的总出光面。

2.根据权利要求1所述的透镜，其特征在于：所述出光单元面为光聚光面，所述光聚焦面朝向所述入光单元面向外凸伸。

3.根据权利要求1所述的透镜，其特征在于：所述出光单元面为光发散面，所述光发散面背离所述入光单元面向内凹陷。

4.根据权利要求1所述的透镜，其特征在于：所述匀光单元为平凸柱面镜状。

5.根据权利要求4所述的透镜，其特征在于：各所述匀光单元的所述反射侧壁为全反射面，各匀光单元的所述出光单元面的曲率半径大于相应匀光单元的长度，各匀光单元的出光单元面任意一点到入光单元面的距离最小值与匀光单元沿排列方向的尺寸的比值大于3。

6.根据权利要求1所述的透镜，其特征在于：各所述匀光单元的尺寸和形状均分别相同，各所述匀光单元的母线相互平行。

7.根据权利要求1所述的透镜，其特征在于：每相邻两个所述匀光单元的所述出光单元面之间平齐连接，每相邻两个所述匀光单元的所述匀光单元面之间平齐连接。

8.根据权利要求1所述的透镜，其特征在于：各所述匀光单元的所述第二反射壁为平板状。

9.根据权利要求1所述的透镜，其特征在于：每相邻的两个所述匀光单元的相邻所述第一反射侧壁粘接；每相邻的两个所述匀光单元的相邻所述第二反射侧壁粘接。

10.一种照明系统，其特征在于：包括面光源和如权利要求1至9任一项所述的透镜，所述面光源对应所述入光单元面设置。

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