用于均勻照明的單片微透鏡陣列面形設(shè)計

摘要：針對半導(dǎo)體光源不易均勻散射到一定的角度范圍或均勻照射到確定平面上的問題，本利用非成像光學(xué)方法設(shè)計了一種基于微透鏡陣列的均勻散射透鏡。該散射透鏡由相同面元的微鏡周期性密排而成，微透鏡單元為單曲面，根據(jù)不同應(yīng)用，曲面面形可設(shè)計成不同的非球面形介紹了凸形、前曲面單片微透鏡陣列的設(shè)計方法，并結(jié)合一些應(yīng)用舉例顯示了該設(shè)計方法的行性。最后討論了凹凸面形、前后曲面微透鏡陣列各自的應(yīng)用場合及優(yōu)缺點(diǎn)。

0 引言

近年來隨著半導(dǎo)體光源的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的照明設(shè)計已經(jīng)不能滿足應(yīng)用要求。半導(dǎo)體光源（發(fā)光二極管和激光二極管）具有明顯的點(diǎn)源特性，比較容易準(zhǔn)直成平行光或準(zhǔn)平行光，但不易均勻散射到一定的角度范圍或均勻照射到確定的平面上。本文討論微透鏡陣列正是基于這個目的：將平行或準(zhǔn)平行光均勻散射或投射，滿足確定的使用要求。

微透鏡陣列目前應(yīng)用也比較廣泛，如復(fù)眼相機(jī)、焦平面光束變換、LED照明、平板顯示、立體顯示等領(lǐng)域。微透鏡的制作方法已經(jīng)從光學(xué)冷加工向模版壓印的方式過渡，降低了成本，這也是其應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)大的一個重要原因。而微透鏡陣列模板主要由高精度五軸聯(lián)動自由曲面機(jī)加工、深紫外激光雕刻或掃描式曝光、灰度光刻等工藝手段制作。因?yàn)楣に嚰夹g(shù)的進(jìn)步，隨著陣列周期尺度的減小，面形精度仍然能夠保持。近些年來國內(nèi)一些高校和企業(yè)也引進(jìn)了一些高精度的加工設(shè)備，但設(shè)計手段相對缺乏。

微透鏡陣列用于半導(dǎo)體光源均勻照明的研究已經(jīng)很多，但設(shè)計上多是基于復(fù)眼透鏡聚焦成像的傳統(tǒng)光學(xué)處理方法，系統(tǒng)的復(fù)雜度較大，應(yīng)用上也多局限在如投影機(jī)系統(tǒng)的小范圍均勻照明。有文章報道了一種“工程化散射片”，市場上也有其產(chǎn)品，與本文描述的散射片功能類似，但其設(shè)計原理是基于非周期性的微透鏡陣列，與本文中描述的散射鏡片不同。

從基本的幾何結(jié)構(gòu)出發(fā)，設(shè)計了單片散射透鏡，該散射透鏡由相同面元的微透鏡周期性密排而成，微透鏡單元為單曲面，并且根據(jù)不同應(yīng)用，曲面面形設(shè)計成不同的非球面形式。

1 基本原理和基本假設(shè)

如圖1(a)所示，平行光或準(zhǔn)平行光入射到微透鏡陣列形式的散射透鏡上，被散射到一定角度范圍內(nèi)，并且在這個角度范圍內(nèi)有確定的強(qiáng)度分布。

圖1.微透鏡陣列散射片示意圖及等效原理圖

空間上，入射光斑一般并不均勻，但假設(shè)透鏡單元尺度比光斑尺度小很多的情況下，每個透鏡單元上的光分布近似均勻，同時假設(shè)各單元形狀相同，那么把各單元相同位置上接受的光通量求和，那么這個“求和”的分布將進(jìn)一步均勻化。于是微透鏡陣列等價為一個單元，并且由與單元寬度相同的均勻光束入射，如圖1(b)所示。這樣可以控制透鏡單元的面形實(shí)現(xiàn)從散射透鏡出射的光束具有一定的角度分布和分布范圍。

特別補(bǔ)充說明一點(diǎn)，雖然微透鏡陣列的單元尺度盡可能比光斑尺度小很多，這樣才有均勻入射假設(shè)，但是單元尺度要比光的波長大很多，才能避免衍射效應(yīng)，所以一般情況下，微透鏡的單元尺度都在50μm以上。

2 一維線陣情況

圖4.微透鏡陣列外形圖

圖5.光度分布仿真結(jié)果

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6 結(jié)論

本文提出一種利用微透鏡陣列實(shí)現(xiàn)均勻散射的設(shè)計方法，根據(jù)不同應(yīng)用，微透鏡單元面形可設(shè)計成不同的非球面形式，通過仿真驗(yàn)證了該設(shè)計方法的可行性。采用這種方法設(shè)計的單鏡片散射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本低，并且均勻角度范圍或均勻照射面積大，可以用于實(shí)際意義上的環(huán)境照明。

審核編輯：湯梓紅