專利名稱：面光源準直裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學準直領(lǐng)域，尤其是面光源光學準直裝置。
背景技術(shù)：
平面光源常用在照明、LCD顯示背光源、燈箱等方面，為了廣視角考量，普通平面光 源發(fā)光角度很大。近年來，隨著節(jié)能議題和3D顯示的發(fā)展，高準直平面光源的研究成為了執(zhí)占。除了激光外，一般的光源通常為散射型光源，亦即發(fā)光角度大，不具有準直出光特 性。要達到準直出光特性，必須要加上一些光學元件才能控制光線射出方向集中在小角度 內(nèi)?，F(xiàn)在常用的面光源準直手段有3M棱鏡膜，可以使光線一定程度的收斂，收斂角度為70 度左右，起到一定的準直作用。但是對于準直要求比較高的光學系統(tǒng)，這種準直度是很難符 合要求的。也有用點光源加透鏡方式實現(xiàn)準直面光源的方法，但是由于點光源發(fā)光角度過 大，使得雜散和全反射現(xiàn)象過于嚴重，使得準直效果較差。為了解決這種問題，有一種方法 是使用吸光罩將大角度光線吸收掉，只讓小角度光線進入透鏡，以改善出射光線準直效果， 但是這種方法使得最后能量利用率太低，大部分光線都被吸光罩吸收掉了。綜上所述，現(xiàn)有面光源準直技術(shù)存在準直效果差或者能量利用率低等問題。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的技術(shù)問題是提供一種面光源準直裝置，使其不僅可以獲得較好的準 直效果，又可以獲得比較高的能量利用率。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是
一種面光源準直裝置，其包括反射片和依次設(shè)置在該反射片上方的準直層和校正層， 該準直層采用光密材料，其包括若干微準直透鏡，該校正層包括與該若干微準直透鏡對準 的若干微棱鏡；該若干微準直透鏡和該若干微棱鏡可以陳列形式緊密排布，也可以按照需 要以其他方式分布；
該微準直透鏡包括光束收斂部和光束準直部；該光束收斂部的底面設(shè)有小孔，底面在 小孔以外部分覆設(shè)有反射膜；該光束準直部設(shè)置在該光束收斂部的上部，包括標準透鏡和 環(huán)繞在該標準透鏡周邊的一層或多層傾斜旋轉(zhuǎn)透鏡，該標準透鏡的中心對準該光束收斂部 的小孔；
該微棱鏡包括與該微準直透鏡的標準透鏡對準的平面部分和與該微準直透鏡的各層 傾斜旋轉(zhuǎn)透鏡對應且對準的棱鏡旋轉(zhuǎn)部分，該棱鏡旋轉(zhuǎn)部分用于將與該微準直透鏡傾斜旋 轉(zhuǎn)透鏡出射的光線大致偏轉(zhuǎn)至該小孔的軸線方向。作為改進之一所述微準直透鏡的標準透鏡距離小孔距離為其透鏡焦距；所述微 準直透鏡的傾斜旋轉(zhuǎn)透鏡距離小孔距離為其透鏡焦距。作為改進之二 所述準直層采用玻璃材料或PMMA材料。
作為改進之三所述微準直透鏡最外層的傾斜旋轉(zhuǎn)透鏡的外緣與所述小孔外沿之 間連線與光束收斂部法線之間的夾角小于所述準直層所采用材料的臨界角。經(jīng)過光束收斂 部的光線被光束準直部分為若干部分，每部分光線對于對應的透鏡都是近軸光線。中間小 角度部分經(jīng)過標準透鏡沿垂直方向準直射出，不會在標準透鏡表面發(fā)生全反射；而周圍角 度部分經(jīng)過傾斜旋轉(zhuǎn)透鏡沿與垂直方向一定角度準直射出，不會在傾斜旋轉(zhuǎn)透鏡表面發(fā)生 全反射。即進入小孔的光線被全部利用，從 而保證了較高的能量利用率。作為改進之四所述光束收斂部的的底面在小孔以外部分覆設(shè)有反射膜。該反射 膜可以減少光損，進一步提高對面光源的能量利用率?，F(xiàn)有技術(shù)相比，有益效果是
一方面，當面光源設(shè)置在反射面上方且位于微準直透鏡的光束收斂部底部下方時，發(fā) 光面發(fā)出的光線一部分直接進入小孔，一部分經(jīng)光束收斂部下表面反射膜和微準直透鏡的 底面多次反射進入小孔，從而將面光源的光線匯集起來，即將面光源轉(zhuǎn)換成點光源。這種匯 集光線的方式光損較小。另一方面，微準直透鏡的光束收斂部可收斂從小孔進入光束收斂部的光線，其中 位于小孔軸線附近的光線射向光束準直部的標準透鏡，并經(jīng)過微棱鏡的平面部分射出；其 中偏離小孔軸線一定角度內(nèi)的光線大致以光束準直部的傾斜旋轉(zhuǎn)透鏡的光軸為中心，這部 分光線通過傾斜旋轉(zhuǎn)透鏡進一步會聚后，再經(jīng)過對應的微棱鏡的棱鏡旋轉(zhuǎn)部分的偏轉(zhuǎn)調(diào)整 而以近似平行于小孔軸線的方向射出。最后出射的光線都以大致平行于小孔軸線方向射 出，準直效果較好。因此本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，可以同時獲得較好的準直效果和較高的能量利用率。
圖1為實施例一的結(jié)構(gòu)示意圖2為實施例一的微準直透鏡和微棱鏡結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3為實施例一的微準直透鏡和微棱鏡光路示意圖； 圖4為實施例二的微準直透鏡和微棱鏡光路示意圖。
具體實施例方式實施例一
如圖1所示，本實施例的面光源準直裝置包括反射片1和依次設(shè)置在該反射片1上方 的準直層3和校正層4。該準直層3選用材料為PMMA，折射率為1. 49，全反射的臨界角是 42.15°，其由多個微準直透鏡30周期性緊密排列組成。校正層4放置于準直層3之上，并 和準直層3嚴格對準。校正層4由多個微棱鏡40周期性緊密排列組成。如圖2所示，該微準直透鏡30包括光束收斂部31和光束準直部32 ；該光束收斂 部31的底面311設(shè)有小孔312，底面311在小孔312以外部分覆設(shè)有反射膜；該光束準直 部32設(shè)置在該光束收斂部31的上部，包括標準透鏡321和環(huán)繞在該標準透鏡321周邊的 一層傾斜旋轉(zhuǎn)透鏡322，該標準透鏡321的中心對準該光束收斂部31的小孔312 ；
如圖2所示，該微棱鏡40包括與該微準直透鏡30的標準透鏡321對準的平面部分41和與該微準直透鏡30的傾斜 旋轉(zhuǎn)透鏡322對應且對準的棱鏡旋轉(zhuǎn)部分42，該棱鏡旋轉(zhuǎn)部分 42用于將與該微準直透鏡30傾斜旋轉(zhuǎn)透鏡322出射的光線大致偏轉(zhuǎn)至該小孔312的軸線 方向。在本實施方式中，棱鏡旋轉(zhuǎn)部分42與各層微準直透鏡30對應且對準是指，若該微 準直透鏡30包括多層傾斜旋轉(zhuǎn)透鏡322，則棱鏡旋轉(zhuǎn)部分42則具有與各層傾斜旋轉(zhuǎn)透鏡 322對應的多個部分，且該各個部分與各層傾斜旋轉(zhuǎn)透鏡322對準。此外，小孔312的軸線 方向與該標準透鏡321的光軸重合，且垂直于該微棱鏡40的平面部分41。如圖2、圖3所示，本實施例的工作原理如下
發(fā)光面2為一朗伯體面光源，放置反射片1上方，發(fā)光面發(fā)出的光線有一部分通過小 孔312進入準直層，另外一部分光線射到小孔312周邊反射膜層上，被反射回背光源，經(jīng)過 反射片1反射之后重新進入小孔312。重復以上過程，由背光源發(fā)出的光線最終通過小孔 312進入光束收斂部31，經(jīng)過PMMA材料的折射，進入光束收斂部31的光線角度為正負42 度，小于PMMA材料的全反射臨界角，因此進入微準直透鏡30的光束收斂部31的光不會在 其內(nèi)部發(fā)生全反射。隨后光線進入光束準直部32，這些光線可以分為兩部分(1)正負14 度內(nèi)的光線進入標準透鏡321，不會發(fā)生全反射現(xiàn)象，這部分光線經(jīng)標準透鏡321折射后沿 垂直方向準直出射；(2)正負14度之外的光線，這些光線進入傾斜旋轉(zhuǎn)透鏡322。由于本 實施例的傾斜旋轉(zhuǎn)透鏡321的外緣與小孔312外沿之間連線與光束收斂部31的法線之間 的夾角小于準直層所采用材料的臨界角，即小于42. 15°，因此此部分光線也不會發(fā)生全反 射。最后光線經(jīng)傾斜旋轉(zhuǎn)透鏡322折射后沿與垂直方向成28度角方向準直出射。光線進入校正層4之后，沿垂直方向準直出射的光線經(jīng)過平面部分41，不發(fā)生折 射，保持傳播方向不變，繼續(xù)沿垂直方向出射。而沿與垂直方向成28度角方向準直出射的 光線經(jīng)過棱鏡旋轉(zhuǎn)部分42，發(fā)生折射，傳播方向發(fā)生改變，變成沿垂直方向準直出射。最后整個朗伯體面光源經(jīng)過該準直裝置之后，變成準直光出射。由于進入小孔312 的光線全部被準直，能量利用率高，完全滿足后續(xù)光學系統(tǒng)對于高亮度、高準直面光源的要 求。實施例二
本實施例與實施例一的區(qū)別在于(1)本實施例的準直層選用材料為F12玻璃，折射率 為1. 64 ； (2)如圖4所示，微準直透鏡的光束準直部有兩層傾斜旋轉(zhuǎn)透鏡322’、323’，微棱 鏡的棱鏡旋轉(zhuǎn)部分42’具有與該兩層傾斜旋轉(zhuǎn)透鏡322’、323’對應且對準的兩層結(jié)構(gòu)。如圖4所示，本實施例的工作原理如下發(fā)光面為一朗伯體面光源放置反射片上 方，發(fā)光面發(fā)出的光線有一部分通過小孔進入準直裝置，另外一部分光線射到小孔周邊反 射膜層上，被反射回背光源，經(jīng)過反射片反射之后重新進入小孔。重復以上過程，由背光源 發(fā)出的光線最終通過小孔進入光束收斂部，經(jīng)過F12玻璃的折射，進入光束收斂部的光線 角度為正負37. 5度。隨后光線進入光束準直部，這些光線可以分為三部分(1)發(fā)散角為 7. 5度內(nèi)的光線進入標準透鏡，不會發(fā)生全反射現(xiàn)象，光線經(jīng)標準透鏡折射后沿垂直方向準 直出射；(2)發(fā)散角度為7. 5度至22. 5度之內(nèi)的光線進入傾斜旋轉(zhuǎn)透鏡的第一層322’，不 發(fā)生全反射現(xiàn)象，經(jīng)該層透鏡折射后沿與垂直方向成15度角方向準直出射；(3)發(fā)散角度 為22. 5度至37. 5度之內(nèi)的光線進入傾斜旋轉(zhuǎn)透鏡的第二層323，，不發(fā)生全反射現(xiàn)象，經(jīng)該 層透鏡折射后沿與垂直方向成30度角方向準直出射。
光線進入校正層之后，沿垂直方向準直出射的光線經(jīng)過平面部分，不發(fā)生折射，保 持傳播方向不變，繼續(xù)沿垂直方向出射。而沿與垂直方向成15度角方向準直出射的光線經(jīng) 過棱鏡旋轉(zhuǎn)部分42’的第一層，發(fā)生折射，傳播方向發(fā)生改變，變成沿垂直方向準直出射。而 沿與垂直方向成30度角方向準直出射的光線經(jīng)過棱鏡旋轉(zhuǎn)部分42’的第二層，發(fā)生折射， 傳播方向發(fā)生改變，變成沿垂直方向準直出射。整個朗伯體面光源經(jīng)過該準直裝置之后，變成準直光出射，獲得的準直面光源準 直度高。由于進入小孔的光線全部被準直，能量利用率高，完全滿足后續(xù)光學系統(tǒng)對于高亮 度、高準直面光源的要求。
權(quán)利要求
1.一種面光源準直裝置，其特征在于包括反射片和依次設(shè)置在該反射片上方的準直 層和校正層，該準直層采用光密材料，其包括若干微準直透鏡，該校正層包括與該若干微準 直透鏡對準的若干微棱鏡；該微準直透鏡包括光束收斂部和光束準直部；該光束收斂部的底面設(shè)有小孔；該光束 準直部設(shè)置在該光束收斂部的上部，包括標準透鏡和環(huán)繞在該標準透鏡周邊的一層或多層 傾斜旋轉(zhuǎn)透鏡，該標準透鏡的中心對準該光束收斂部的小孔；該微棱鏡包括與該微準直透鏡的標準透鏡對準的平面部分和與該微準直透鏡的各層 傾斜旋轉(zhuǎn)透鏡對應且對準的棱鏡旋轉(zhuǎn)部分，該棱鏡旋轉(zhuǎn)部分用于將與該微準直透鏡傾斜旋 轉(zhuǎn)透鏡出射的光線大致偏轉(zhuǎn)至該小孔的軸線方向。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的面光源準直裝置，其特征在于所述微準直透鏡的標準透鏡 距離小孔距離為其透鏡焦距；所述微準直透鏡的傾斜旋轉(zhuǎn)透鏡距離小孔距離為其透鏡焦 距。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的面光源準直裝置，其特征在于所述準直層采用玻璃材料或 PMMA材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3任一所述的面光源準直裝置，其特征在于所述微準直透鏡最 外層的傾斜旋轉(zhuǎn)透鏡的外緣與所述小孔外沿之間連線與光束收斂部法線之間的夾角小于 所述準直層所采用材料的臨界角。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至3任一所述的面光源準直裝置，其特征在于所述光束收斂部的 的底面在小孔以外部分覆設(shè)有反射膜。
全文摘要
本發(fā)明涉及光學準直領(lǐng)域，尤其是面光源光學準直裝置。該裝置包括反射片和依次設(shè)置在該反射片上方的準直層和校正層。該準直層的底部覆設(shè)設(shè)有反射層和小孔，通過反射層和反射片的作用，將位于反射片和準直層之間的面光源匯集進入該小孔中而成為點光源。該準直層將進入該小孔的光線劃分成若干區(qū)域并分別予以會聚從而避免在準直層內(nèi)發(fā)生全反射而造成光損。該校正層用于進一步調(diào)整準直層出射的光線，使光線可以以大致平行于小孔軸線的方向射出。因此本發(fā)明具有更高的準直效果和更高的能量利用率。
文檔編號F21V5/04GK102095161SQ201010564539
公開日2011年6月15日 申請日期2010年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月30日
發(fā)明者張洪哲, 彭曉林, 黃永峰 申請人:廣東威創(chuàng)視訊科技股份有限公司