匀光装置、投射器以及匀光装置的设计方法与流程

1.本发明涉及光学透镜领域，尤其涉及一种匀光装置、一种投射器以及一种匀光装置的设计方法。


背景技术：

2.柱面镜阵列表面的柱面表面结构可以将入射光线聚焦到线上，或改变图像的宽高比、拉伸图像。相比于大柱面镜，柱面镜阵列在将入射光扩展为线性的同时，也使光源能量沿扩展方向均匀化。因此，柱面镜阵列常用于对激光或照明光在一维方向的聚焦、匀化。
3.传统的柱面镜阵列设计时，通常只考虑单个柱面镜单元的设计，再由多个相同的柱面镜单元直接排列形成阵列，或者以简单的旋转对称的方式排列形成阵列。这种设计可以满足小角度的配光角的制造要求，但是在大角度配光要求时，如图1所示，在两个柱面镜相交的位置存在大角度倾斜，同时还会出现尖角。在设计时，尖角处的面型精度要求极高；在加工和制造时，尖角处极易变形，无法满足设计要求，并且尖角处容易造成模具损伤，影响模具寿命和加工面型的轮廓。
4.背景技术部分的内容仅仅是公开发明人所知晓的技术，并不当然代表本领域的现有技术。


技术实现要素：

5.有鉴于现有的一个或多个缺陷，本发明提供一种匀光装置，包括：
6.多个第一柱面镜单元，所述第一柱面镜单元包括第一光学表面和第二光学表面，所述第一光学表面由凸曲线沿所述第一柱面镜单元的垂直平面扫掠形成，所述第二光学表面为平面；和
7.多个第二柱面镜单元，所述第二柱面镜单元包括第三光学表面和第四光学表面，所述第三光学表面由凹曲线沿所述第二柱面镜单元的垂直平面扫掠形成，所述第四光学表面为平面，其中所述凹曲线的圆角半径满足加工制造的工艺要求；
8.所述多个第一柱面镜单元和所述多个第二柱面镜单元交替的相邻排列形成柱面镜阵列，所述柱面镜阵列的母线由所述凸曲线和凹曲线通过阵列形成，所述凸曲线在所述柱面镜阵列的垂直平面的投影长度大于所述凹曲线的投影长度，所述柱面镜阵列的平面由所述第二光学表面与所述第四光学表面通过阵列形成。
9.根据本发明的一个方面，其中所述凸曲线与所述凹曲线在相交处的斜率相等。
10.根据本发明的一个方面，其中所述凸曲线的投影长度与所述凹曲线的投影长度的比值大于等于3。
11.根据本发明的一个方面，其中所述凸曲线为轴对称曲线，并且其对称轴的两边的曲线斜率变化为连续单调。
12.根据本发明的一个方面，其中所述凹曲线为轴对称曲线，并且其对称轴的两边的曲线斜率变化为连续单调。
13.根据本发明的一个方面，其中所述凸曲线的斜率和所述凹曲线的斜率在相交处最大。
14.根据本发明的一个方面，其中所述凸曲线具有一个顶点，其顶点的垂线与入射光的方向平行；所述凹曲线具有一个顶点，其顶点的垂线与入射光的方向平行。
15.根据本发明的一个方面，其中所述柱面镜阵列的出射光的角度范围大于等于100
°
，所述出射光的角度范围为光强最大值的全宽角度。
16.根据本发明的一个方面，其中所述柱面镜阵列的出射光的角度范围为100
°‑
130
°
。
17.根据本发明的一个方面，其中所述凸曲线的曲线方程为多项式方程曲线或贝塞尔曲线或自由曲线，所述凹曲线的曲线方程为多项式方程曲线或贝塞尔曲线或自由曲线。
18.根据本发明的一个方面，其中所述凸曲线的曲线方程za为多项式方程曲线时满足：
[0019][0020][0021]
所述凹曲线的曲线方程zb为多项式方程曲线时满足：
[0022]
zb＝za(la)-z
b0
(la) z
b0
,y∈[la,la 2lb]
[0023]
za′
(la)＝zb′
(la)
[0024]
其中，ca为所述凸曲线的曲率，ka为所述凸曲线的圆锥系数，cb为所述凹曲线的曲率，kb为所述凹曲线的圆锥系数。
[0025]
本发明还提供一种投射器，包括：
[0026]
光源，用于产生光束；和
[0027]
如上所述的匀光装置，所述光束经过所述匀光装置后在出射光方向上的光强均匀分布。
[0028]
根据本发明的一个方面，所述投射器还包括：
[0029]
准直透镜，设置于所述光源和所述匀光装置之间，用于将所述光束进行准直后投射至所述匀光装置。
[0030]
本发明还提供一种如上所述的匀光装置的设计方法，包括：
[0031]
s10：设计多个第一柱面镜单元，其中所述第一柱面镜单元包括第一光学表面和第二光学表面，所述第一光学表面由凸曲线沿所述第一柱面镜单元的垂直平面扫掠形成，所述第二光学表面为平面；
[0032]
s20：设计多个第二柱面镜单元，其中所述第二柱面镜单元包括第三光学表面和第四光学表面，所述第三光学表面由凹曲线沿所述第二柱面镜单元的垂直平面扫掠形成，所述第四光学表面为平面，其中所述凹曲线的圆角半径满足加工和生产过程的工艺要求；
[0033]
s30：将所述多个第一柱面镜单元和所述多个第二柱面镜单元交替的相邻排列形成柱面镜阵列，所述柱面镜阵列的母线由所述凸曲线和凹曲线通过阵列形成，所述凸曲线在所述柱面镜阵列的垂直平面的投影长度大于所述凹曲线的投影长度；
[0034]
s40：根据凹曲线的参数调整凸曲线的参数，以使得出射光方向上的光强均匀分布。
[0035]
本发明以柱面镜单元的设计为基础，通过对柱面镜阵列的面型进行分区设计和调整，使得两个柱面镜单元相交的位置形成圆角，提升了可制造性。
附图说明
[0036]
构成本公开的一部分的附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。在附图中：
[0037]
图1示出了传统柱面镜阵列中在两个柱面镜单元相交的位置出现尖角的示意图；
[0038]
图2a和图2b示出了本发明一个实施例的匀光装置示意图；
[0039]
图3示出了本发明另一个实施例的匀光装置示意图；
[0040]
图4示出了图3实施例的角度光强分布曲线图；
[0041]
图5示出了图3实施例的照明效果和照度分布曲线对比示意图；
[0042]
图6a和图6b示出了本发明一个实施例的凸曲线和凹曲线的示意图；
[0043]
图7示出了本发明一个实施例的匀光装置设计方法流程图。
具体实施方式
[0044]
在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。
[0045]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"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发明和简化描述，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发明的限制。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所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
[0046]
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语"安装"、"相连"、"连接"应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接:可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；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发明中的具体含义。
[0047]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之"上"或之"下"可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征"之上"、"上方"和"上面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征"之下"、"下方"和"下面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
[0048]
下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
[0049]
本发明结合设计和加工的需求，提出一种匀光装置及其设计方法，可以很好的解决传统设计方法带来的加工困难或模具容易受损的问题。
[0050]
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
[0051]
图2a和图2b示出了本发明一个实施例的匀光装置的示意图，匀光装置100包括多个第一柱面镜单元101和多个第二柱面镜单元102，具体如下：
[0052]
第一柱面镜单元101包括第一光学表面s1和第二光学表面s2，第一光学表面s1由凸曲线沿第一柱面镜单元101的垂直平面(垂直于纸面的平面)扫掠形成，第二光学表面s2为平面，第一光学表面s1与第二光学表面s2相对设置，入射光依次经过第一光学表面s1、第二光学表面s2后出射。
[0053]
第二柱面镜单元102包括第三光学表面s3和第四光学表面s4，第三光学表面s3由凹曲线沿第二柱面镜单元102的垂直平面(垂直于纸面的平面)扫掠形成，第四光学表面s4为平面，第三光学表面s3与第四光学表面s4相对设置，入射光依次经过第三光学表面s3、第四光学表面s4后出射。其中凹曲线的圆角半径满足加工制造的工艺要求，下文将通过实施例进一步介绍。本领域技术人员可以理解，工艺要求指的是在实际加工和生产过程中，比如模具制造、注塑、微纳加工、纳米压印等过程，受到工艺水平的限制，不能保证尖角的形貌，因此根据实际的工艺水平，设计出合适的圆角有利于加工制造，尤其是小尺寸的柱面镜阵列。
[0054]
多个第一柱面镜单元101和多个第二柱面镜单元102交替的相邻排列形成柱面镜阵列，其中第一光学表面s1与第三光学表面s3相接并周期排列，第二光学表面s2与第四光学表面s4相接并周期排列。结合图1和图2b，传统的柱面镜在设计时，将相同的柱面镜单元排列成柱面镜阵列，尤其是在大角度配光要求时，在两个柱面镜单元的交接处会形成尖角，难以准确加工，并且在加工过程中，会产生圆角，从而导致实际结果和设计结果不一致，因此不能保证质量；本实施例针对现有问题进行分区设计，将尖角区域设计成第二柱面镜单元102，采用圆角加工更加友好并能保证柱面镜阵列的面型质量，从而实现同样的均匀照明的效果。
[0055]
在处理掉尖角后，为了实现同样的均匀照明效果，柱面镜阵列的弯曲程度需要加大，本实施例在分区设计的基础上，将第一柱面镜单元101和第二柱面镜单元102进行独立设计，之后再根据第二柱面镜单元102的面型参数调整第一柱面镜单元101的面型参数，从而实现同样的均匀照明效果。下文将进一步介绍。
[0056]
综上所述，本发明注重解决柱面镜阵列的面型加工问题和配光需要，将柱面镜阵列由多个第一柱面镜单元101和多个第二柱面镜单元102周期性排列，不会产生尖角，并且圆角加工更加的友好且能保证面型的质量。
[0057]
继续参考图2b，柱面镜阵列的母线由凸曲线和凹曲线通过阵列形成，凸曲线在柱面镜阵列的垂直平面(垂直于纸面的平面)的投影长度大于凹曲线的投影长度。本实施例中的第一柱面镜单元101由凸曲线扫掠形成，第二柱面镜单元102由凹曲线扫掠形成，其中凸曲线的投影长度要大于凹曲线的投影长度，既区别于传统的对称波浪形柱面镜，还能实现匀光的设计要求。
[0058]
根据本发明的一个优选实施例，其中凸曲线与凹曲线在相交处的斜率相等。例如，在设计时，凸曲线和凹曲线由曲线方程控制，凸曲线和凹曲线在相交处相切，从而在组合后形成平滑的母线，区别于现有的具有过渡区域的设计，更易加工制造，并且凸曲线和凹曲线具有明显的特征条件和比例关系，下文将进一步介绍。
[0059]
根据本发明的一个优选实施例，其中凸曲线的投影长度与凹曲线的投影长度的比值大于等于3。传统的柱面镜阵列设计时，通常只考虑单个柱面镜单元的设计，再由多个相同的柱面镜单元直接排列形成阵列，或者以简单的旋转对称的方式排列形成阵列。这种设计可以满足小角度的配光角的制造要求，但是在大角度配光要求时，如图1所示，在两个柱面镜相交的位置存在大角度倾斜，同时还会出现尖角。因此，本优选实施例针对大角度配光要求，将凸曲线的投影长度与凹曲线的投影长度的比值设计成大于等于3，不仅满足模具加工的要求，还能实现匀光的设计要求。
[0060]
根据本发明的一个优选实施例，其中柱面镜阵列的出射光的角度范围大于等于100
°
，所述出射光的角度范围为光强最大值的全宽角度。在大于等于100
°
的角度范围内，柱面镜阵列的内部不会发生强烈的全反射，可以实现大角度的配光设计。
[0061]
根据本发明的一个优选实施例，其中柱面镜阵列的出射光的角度范围为100
°‑
130
°
。
[0062]
图3示出了本发明另一个实施例的匀光装置示意图，匀光装置200包括柱面镜阵列，柱面镜阵列的母线包括凸曲线和凹曲线，凸曲线的投影长度与凹曲线的投影长度的比例为4:1，更进一步地，凹曲线的圆角考虑到实际加工的条件设计为半径0.15mm，柱面镜的材料例如为pmma(聚甲基丙烯酸甲酯,又称丙烯酸或有机玻璃)，光源发出准直光，准直光经过柱面镜阵列后的出射光被投影屏接收。通过光学软件进行仿真优化，可以得到角度光强分布曲线，如图4所示，角度光强的最大值位于
±
62
°
，亦即出射光的角度范围为124
°
。图5示出了投影屏上的照明效果和照度分布曲线对比示意图，由图可见，在大角度的配光要求下，准直光通过柱面镜阵列后产生均匀的照明效果。
[0063]
根据本发明的一个优选实施例，其中凸曲线为轴对称曲线，并且其对称轴的两边的曲线斜率变化为连续单调。
[0064]
根据本发明的一个优选实施例，其中凹曲线为轴对称曲线，并且其对称轴的两边的曲线斜率变化为连续单调。
[0065]
根据本发明的一个优选实施例，其中凸曲线的斜率和凹曲线的斜率在相交处最大。
[0066]
图6a和图6b示出了本发明一个实施例的凸曲线和凹曲线的示意图，将凸曲线和凹曲线在y轴z轴平面投影，其中，凸曲线在y轴方向上的半宽为la，对于顶点经过原点的凸曲线，其在区间[-la,0]内的导数单调递减，在区间[0,la]内的导数单调递增；凹曲线在y轴方向上的半宽为lb，对于与顶点经过原点的凸曲线相邻的凹曲线，其在区间[la,la lb]内的
导数单调递减,在区间[la lb,la 2lb]内的导数为单调递增。在凸曲线和凹曲线的相交点d处，凸曲线的斜率单调递增至最大值，凹曲线的斜率从最大值单调递减，凸曲线的斜率最大值等于凹曲线的斜率最大值，从而凸曲线和凹曲线排列组合形成平滑的母线。
[0067]
根据本发明的一个优选实施例，其中凸曲线具有一个顶点，其顶点的垂线与入射光的方向平行；凹曲线具有一个顶点，其顶点的垂线与入射光的方向平行。参考图3，凸曲线和凹曲线各具有一个顶点，均位于柱面镜阵列的朝向入射光的一侧，顶点的垂线平行于纸面。光源发出准直光，准直光投射至柱面镜阵列时，其入射方向与顶点的垂线平行，以实现均匀的照明效果并且出射光角度最大化。本发明不对光源发出的光束进行限制，例如光源也可以发出近似准直光，则凸曲线顶点的垂线方向以及凹曲线顶点的垂线方向大致与该近似准直光平行；又例如光源发出扩散光，可以在光源与柱面镜阵列之间设置准直透镜，以对该扩散光进行准直，这些都在本发明的保护范围内。
[0068]
根据本发明的一个优选实施例，其中凸曲线的曲线方程为多项式方程曲线或贝塞尔曲线或自由曲线，凹曲线的曲线方程为多项式方程曲线或贝塞尔曲线或自由曲线。在仿真设计时，凸曲线和凹曲线分别由曲线方程控制，凸曲线和凹曲线均为贝塞尔曲线或者均为自由曲线，只要满足上述优选实施例的凸曲线和凹曲线设计要求，都可以实现本发明的避免出现尖角、易加工以及均匀的照明效果。本发明还提供一种曲线表达形式，下文将进一步介绍。
[0069]
根据本发明的一个优选实施例，其中凸曲线的曲线方程za为多项式方程曲线时满足：
[0070][0071][0072]
凹曲线的曲线方程zb为多项式方程曲线时满足：
[0073]
zb＝za(la)-z
b0
(la) z
b0
,y∈[la,la 2lb]
[0074]
za′
(la)＝zb′
(la)
[0075]
其中，ca为所述凸曲线的曲率，ka为所述凸曲线的圆锥系数，cb为所述凹曲线的曲率，kb为所述凹曲线的圆锥系数。上述多项式曲线方程示出了yz平面上的凸曲线和凹曲线的特征条件和比例关系，根据曲线方程控制凹曲线的曲率变化，以形成圆角处理的效果，再调整凸曲线的相应参数，从而实现匀光效果。
[0076]
综上所述，本发明以柱面镜单元的设计为基础，对柱面镜阵列的设计进行改进，以更好的适应于加工制造过程。具体表现在对柱面镜阵列的面型进行分区设计和调整，为满足模具加工的需要，先通过控制凹曲线的曲率变化，满足模具加工对尖角的要求，再对凸曲线进行相应参数的调整设计，实现一个方向上的均匀照明，从而提升了可制造性并实现相同的匀光效果。
[0077]
本发明还提供一种投射器，包括：
[0078]
光源，用于产生光束；和
[0079]
如上所述的匀光装置，所述光束经过所述匀光装置后在出射光方向上的光强均匀分布。
[0080]
根据本发明的一个优选实施例，所述投射器还包括：
[0081]
准直透镜，设置于所述光源和所述匀光装置之间，用于将所述光束进行准直后投射至所述匀光装置。
[0082]
本发明还提供一种如上所述的匀光装置的设计方法，图7示出了本发明一个实施例的匀光装置的设计方法流程图，结合图2a和图2b，所述设计方法包括：
[0083]
在步骤s10：设计多个第一柱面镜单元101，其中所述第一柱面镜单元101包括第一光学表面s1和第二光学表面s2，所述第一光学表面s1由凸曲线沿所述第一柱面镜单元101的垂直平面扫掠形成，所述第二光学表面s2为平面；
[0084]
在步骤s20：设计多个第二柱面镜单元102，其中所述第二柱面镜单元102包括第三光学表面s3和第四光学表面s4，所述第三光学表面s3由凹曲线沿所述第二柱面镜单元102的垂直平面扫掠形成，所述第四光学表面s4为平面，其中所述凹曲线的圆角半径满足加工和生产过程的工艺要求；
[0085]
在步骤s30：将所述多个第一柱面镜单元101和所述多个第二柱面镜单元102交替的相邻排列形成柱面镜阵列，所述柱面镜阵列的母线由所述凸曲线和凹曲线通过阵列形成，所述凸曲线在所述柱面镜阵列的垂直平面的投影长度大于所述凹曲线的投影长度；
[0086]
在步骤s40：根据凹曲线的参数调整凸曲线的参数，以使得出射光方向上的光强均匀分布。
[0087]
根据本发明的一个优选实施例，其中所述凸曲线与所述凹曲线在相交处的斜率相等。
[0088]
根据本发明的一个优选实施例，其中所述凸曲线的投影长度与所述凹曲线的投影长度的比值大于等于3。
[0089]
根据本发明的一个优选实施例，其中所述凸曲线为轴对称曲线，并且其对称轴的两边的曲线斜率变化为连续单调。
[0090]
根据本发明的一个优选实施例，其中所述凹曲线为轴对称曲线，并且其对称轴的两边的曲线斜率变化为连续单调。
[0091]
根据本发明的一个优选实施例，其中所述凸曲线的斜率和所述凹曲线的斜率在相交处最大。
[0092]
根据本发明的一个优选实施例，其中所述凸曲线具有一个顶点，其顶点的垂线与入射光的方向平行；所述凹曲线具有一个顶点，其顶点的垂线与入射光的方向平行。
[0093]
根据本发明的一个优选实施例，其中所述柱面镜阵列的出射光的角度范围大于等于100
°
，所述出射光的角度范围为光强最大值的全宽角度。
[0094]
根据本发明的一个优选实施例，其中所述柱面镜阵列的出射光的角度范围为100
°‑
130
°
。
[0095]
根据本发明的一个优选实施例，其中所述凸曲线的曲线方程为多项式方程曲线或贝塞尔曲线或自由曲线，所述凹曲线的曲线方程为多项式方程曲线或贝塞尔曲线或自由曲线。
[0096]
根据本发明的一个优选实施例，其中所述凸曲线的曲线方程za为多项式方程曲线
时满足：
[0097][0098][0099]
所述凹曲线的曲线方程zb为多项式方程曲线时满足：
[0100]
zb＝za(la)-z
b0
(la) z
b0
,y∈[la,la 2lb]
[0101]
za′
(la)＝zb′
(la)
[0102]
其中，ca为所述凸曲线的曲率，ka为所述凸曲线的圆锥系数，cb为所述凹曲线的曲率，kb为所述凹曲线的圆锥系数。
[0103]
综上所述，本发明提供一种匀光装置的设计方法，以柱面镜单元的设计为基础，对柱面镜阵列的面型进行分区设计和调整。为满足模具加工的需要，先通过控制凹曲线的曲率变化，满足模具加工对尖角的要求，再对凸曲线进行相应参数的调整设计，实现一个方向上的均匀照明，从而既提升了可制造性又实现同样的匀光效果。
[0104]
本说明书提供了如实施例或流程图所述的方法操作步骤，但基于常规或者无创造性的劳动可以包括更多或者更少的操作步骤。实施例中列举的步骤顺序仅仅为众多步骤执行顺序中的一种方式，不代表唯一的执行顺序。在实际中的系统或设备产品执行时，可以按照实施例或者流程图所示的方法顺序执行或者并行执行。
[0105]
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本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施例所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。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。