本发明涉及照明及显示领域， 特别是涉及一种匀光元件及光源系统。 背景技术

半导体激光、 LED 等光源在照明、 投影、 光学照排、 光存储等领域中应用 广泛。 在这些应用中， 需要将光源在目标平面上尽量形成一个一定尺 寸、 具有 规则形状的照度分布， 如矩形均匀分布。

而常用的光源的光分布都不够理想， 比如半导体激光在截面上的光分布一 般为椭圓高斯， 其长轴和短轴上的光分布如图 1 所示， 发光二极管在截面上的 光分布一般为钟形， 在截面上的光分布如图 2所示。

有文献提出基于复眼透镜的方法 (论文 Laser Beam Shaping Techniques)„ 如 下图 3所示： 尺寸为 D的平行光束入射到包括两个复眼透镜的复眼� �镜对， 复 眼透镜对利用其中的微透镜 11、 12 将光束分为若干个子光束， 每个子光束用一 对微透镜 11、 12分别处理， 形成矩形光分布， 并且由于子光束面积很小， 这个 矩形内的光分布接近均勾。 最后再经过一个焦距为 F的正常透镜 13 , 子光束在 目标平面上叠加， 从而在尺寸为 S 的矩形内得到均匀照度。 这种方法对加工精 度要求很高， 并且微透镜 11、 12之间的光会有一定的串扰， 造成目标平面上出 现旁瓣光斑， 另外每个复眼透镜中的各微透镜之间的衔接部 分会影响光的出射， 这些都造成光利用率的降低。 发明内容

本发明主要解决的技术问 ¾是提供一种匀光元件及光源系统， 能够避免上 述串扰等造成的光利用率降低的问题。

本发明提供一种勾光元件， 用于对光源产生的入射光线整形， 该入射光线 在与该光源的中心轴垂直的平面上形成第一光 斑， 第一光斑的照度分布由中央 向外减弱， 其特征在于， 勾光元件包括一自由曲面， 该自由曲面由位于光源的 中心轴方向的预定位置的一标准曲面变形获^� �， 该标准曲面为可对入射光线整 形为平行光的曲面；

除中心轴方向外， 沿着从该中心轴至中心轴的侧向的方向， 入射光线在自 入射光线在自由曲面上的入射角度与该入射光 线在标准曲面上的入射角度的差 值的绝对值单调递增， 且该入射光线在自由曲面上的入射角度与该入 射光线在 标准曲面上的入射角度的差值的绝对值的变化 率递减， 以使自由曲面的出射光 线在预定立体角内比入射光线具有更均勾的光 强分布。

本发明还提供一种勾光元件， 用于对光源产生的入射光线整形， 该入射光 线在与该光源的中心轴垂直的平面上形成第一 光斑， 第一光斑的照度分布由中 央向外减弱， 其特征在于， 匀光元件包括一自由曲面， 该自由曲面由位于光源 的中心轴方向的预定位置的一标准曲面变形获 得， 该标准曲面为可将入射光线 汇聚于预定区域的中心点的曲面；

除中心轴方向外， 沿着从该中心轴至中心轴的侧向的方向， 入射光线在自 由曲面上的入射角度与该入射光线在标准曲面 上的入射角度的差值保持同号， 值的绝对值单调递增， 且该入射光线在自由曲面上的入射角度与该入 射光线在 标准曲面上的入射角度的差值的绝对值的变化 率递减， 以使自由曲面的出射光 线在预定区域内比入射光线具有更均匀的照度 分布。

本发明还提供一种光源系统， 该光源系统包括上述的勾光元件。

与现有技术相比， 本发明包括如下有益效果：

本发明中， 自由曲面通过在标准曲面的基础上， 采用上述技术方案中的变 形规律进行变形得到， 该自由曲面能够将第一光斑的照度分布由中央 向外减弱 的入射光线整形成具有更均勾的光强或照度分 布。 相对于现有技术， 本发明的 自由曲面无需多个微透镜组成， 因而可避免上述串扰等造成的光利用率降低的 问题， 具有结构筒单， 光利用率高的优点。 - . 附图说明

图 1是半导体激光在目标平面上的长轴和短轴上� �光分布；

图 2是发光二极管在目标平面上的长轴和短轴上� �光分布； 图 3是现有技术的复眼透镜的光路图；

图 4是现有技术的非球面透镜的光路图；

图 5是本发明的勾光元件的一个实施例的光路图� � 图 6是本发明的勾光元件的另一实施例的光路图� � 图 7是本发明的勾光元件的另一实施例的光路图� � 图 8是本发明的勾光元件的另一实施例的光路图� � 图 9是本发明的勾光元件的另一实施例的光路图� � 图 10是本发明的勾光元件的另一实施例的光路图� �� 图 1 1是本发明的勾光元件的另一实施例的光路图� � 图 12 是本发明的光源系统的一个实施例的光路图； 图 13是本发明的光源系统的另一实施例的光路图� �� 图 14是本发明的光源系统的另一实施例的光路图� �� 图 15是本发明的光源系统的另一实施例的光路图� �� 图 16是本发明的光源系统的另一实施例的光路图� �� 图 17是本发明的光源系统的另一实施例的光路图� �� 图 1 8是本发明的光源系统的另一实施例的光路图� � 图 19是本发明的光源系统的另一实施例的光路图� �� 图 20是本发明的光源系统的另一实施例的光路图� �� 图 21是本发明的光源系统的另一实施例的光路图� �� 图 22是本发明的光源系统的另一实施例的光路图� �� 图 23 是本发明的光源系统的另一实施例的光路图； 图 24是本发明的光源系统的另一实施例的光路图� �� 图 25是本发明的光源系统的另一实施例的光路图� �� 图 26-27是本发明的光源系统的另一实施例的光路� ��； 图 28是本发明的光源系统的另一实施例的光路图� �� 图 29是本发明的光源系统的另一实施例的光路图� �� 图 30是本发明的光源系统的另一实施例的光路图� �� 图 3 1是本发明的矩形立体角的示意图。 具体实施方式 下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明 。

专业术语解释：

矩形立体角： 如图 31所示， 过矩形 ABCD中心点的垂线上有一点 O, 矩形 ABCD对点 O张成的立体角为一矩形立体角；

矩形立体角的大角： 如图 31所示， 连接宽 AB的中点和宽 CD的中点的线 段对点 O张成的角度；

矩形立体角的小角： 如图 31所示， 连接长 AD的中点和长 BC的中点的线 段对点 O张成的角度；

照度： 单位面积的光通量；

光强： 单位立体角内的光通量。

请参见图 5a与图 5b， 图 5a是本发明的匀光元件一个实施例的光路图， 图 5b是图 5a所示实施例中自由曲面 34的原理分析图。

如图 5a所示， 在本实施例中， 匀光元件包括一用于对光源 31 产生的入射 光线整形的自由曲面 33 (或 34 )。 光源 31可以为点光源， 即入射到自由曲面 33 (或 34 ) 的入射光线由点光源直接产生。 光源 31 产生的入射光线在与该光源 31 的中心轴垂直的一平面上形成第一光斑， 第一光斑的照度分布由中央向外减 弱。 第一光斑的照度分布可以为椭圓高斯分布或朗 伯分布。

自由曲面 33 (或 34 ) 由位于光源 31 的中心轴方向的预定位置的一标准曲 面 32 变形获得， 该标准曲面为可对光源 31产生的入射光线整形为平行光的曲 面。 预定位置离光源越远， 自由曲面的尺寸越大， 制作成本较高； 预定位置离 光源越近， 自由曲面的尺寸越小， 制作难度越高， 因而预定位置可根据实际需 求进行 ¾：置。 自由曲面 33 (或 34 )和标准曲面 32均为透射曲面。 关于标准曲 面， 本实施例中具体为可对光源 31产生的入射光线整形为平行光的椭圓面。

针对自由曲面 33， 本实施例进行如下限定: 除了光源 31的中心轴方向外， 沿着从该中心轴至中心轴的侧向的方向（包括 从 a至 b的方向、或从 a至 c的方 向）， 光源 31产生的入射光线在自由曲面 33上的入射角度与该入射光线在标准 曲面 32上的入射角度的差值保持同号 (具体为均保持正号）， 光源 31产生的入 射光线在自由曲面 33上的入射角度与该入射光线在标准曲面 32上的入射角度 的差值的绝对值单调递增， 且该入射光线在自由曲面 33上的入射角度与该入射 光线在标准曲面 32上的入射角度的差值的绝对值的变化率递减� �� 以使自由曲面 33的出射光线在预定立体角内比光源 31产生的入射光线具有更均勾的光强分布。 例如， 沿着从 a至 b的方向以及从 a至 c的方向， 光源 3 1产生的入射光线在自 由曲面 33上的入射角度与该入射光线在标准曲面 32上的入射角度的差值均由 1 度至 10度连续递增， 且该递增的速率逐渐减小。

针对自由曲面 34， 本实施例进行如下限定： 除了光源 31的中心轴方向外， 沿着从该中心轴至中心轴的侧向的方向（包括 从 d至 e的方向、或从 d至 f的方 曲面 32上的入射角度的差值保持同号 （具体为均保持负号）， 光源 3 1产生的入 射光线在自由曲面 34上的入射角度与该入射光线在标准曲面 32上的入射角度 的差值的绝对值单调递增， 且该入射光线在自由曲面 34上的入射角度与该入射 光线在标准曲面 32上的入射角度的差值的绝对值的变化率递减� �� 以使自由曲面 34的出射光线在预定立体角内比光源 31产生的入射光线具有更均勾的光强分布。 例如， 沿着从 d至 e的方向以及从 d至 f的方向， 光源 31产生的入射光线在自 度至 - 10度连续递减， 且该递减的速率逐渐减小。

预定立体角可以根据不同需求设置。 例如， 预定立体角可以为 45度以内的 锥角， 也可以 30度以内的锥角。 预定立体角可以为底面为矩形的锥形的锥角， 也可以为底面为正六边形的锥形的锥角。

自由曲面 33 (或 34 ) 的出射光线在预定立体角内比光源 31产生的入射光 线具有更均勾的光强分布， 是指自由曲面 33 (或 34 ) 的出射光线在预定立体角 内的光强均匀度比光源 31 产生的入射光线在预定立体角内的光强均匀度 更高。 预定立体角内的光强均匀度可以采用多种方式 表示， 例如， 可以为预定立体角 内的光强最小值与预定立体角内的光强平均值 的比值； 也可以预定立体角内的 光强最大值与预定立体角内的光强平均值的比 值； 也可以为预定立体角内的光 强平均值和预定立体角内的光强最大值与光强 最小值之差的比值； 此处不作一 一列举。

为便于理解， 以下对本实施例中自由曲面 34实现较高的光强均匀度的原理 进行分析； 同时， 为便于描述， 以下将中心轴的侧向简称为侧边： ―

如图 5a和图 5b所示， 标准曲面 32将光源 31发出的入射光线整形成平行 光， 即标准曲面 32所有的出射光线分布在 0度立体角内。 因此， 自由曲面 34 改变入射光线的入射角， 将使相应出射光线偏离 0度； 入射角的改变量 （绝对 值） 从光源的中心轴向侧边递增， 例如改变量依次为 20度和 30度， 则从光源 的中心轴向侧边， 自由曲面 34的出射光线与 0度的偏离也递增， 因而可使自由 曲面 34的出射光线分布在预定立体角内； 当光源 31产生的入射光线的光强分 布从中心轴向侧边递减时， 可以通过使自由曲面 34对该入射光线入射角的改变 量的变化率递减， 提高自由曲面 34的出射光线在预定立体角内的光强分布的均 匀性。

例如， 为简化问题描述， 以二维情况进行解释， 此时立体角简化为角度， 同时， 可以将自由曲面 34的出射光线的角度改变量近似视为自由曲面 34的入 射光线入射角的改变量。 如图 5b所示， 光源产生的入射光线分布在 0-40度内， 自由曲面 34的出射光线的预定角度在 0-30度内。由于光源产生的入射光线在光 源的中心轴处的光强较大， 例如， 该入射光线在 0-20度内的光通量是 20-40度 内光通量的 2倍。为使自由曲面 34的出射光线在 0-30度内光强均匀，那么，0-20 度内的入射光线对应的出射光线应分布在 0-20度内，即 20度的入射光线对应的 出射光线应偏离中心轴方向 20度， 而 20-40度内的入射光线对应的出射光线应 分布在 20-30度内， 即 40度的入射光线的出射光线偏离中心轴 30度。 因此， 20 度的入射光线的入射角变化量为 20， 因 0度的入射光线的入射角变化量为 0 , 则 0-20度内入射光线的入射角变换量的平均变化� �约为（20-0 ) / ( 20-0 ) =1 ; 40 度的入射光线的入射角变化量为 30,因 20度的入射光线的入射角变化量为 20， 则 20-40度入射光线的入射角变化量的平均变化率� ��为 （ 30-20/( 40-20)=0.5 , 是 0-20度内入射光线的入射角变换量的平均变化� �的 1/2。 由此可见， 可以通过 使自由曲面 34对该入射光线入射角的改变量的变化率递减� �� 提高自由曲面 34 的出射光线在预定立体角内的光强分布的均匀 性。

容易理解的是， 上述变化率递减程度不同， 自由曲 ¾ 34的出射光线在预定 立体角内的光强分布的均勾性也不同 , 本领域技术人员可以根据对均匀性的不 同要求， 通过仿真实验等确定该变化率的递减程度。 值得说明的是， 当变化率 递减程度过大时， 会导致自由曲面 34的出射光线在大角度范围内光强大， 小角 度范围内光强小， 并造成比光源产生的入射光线的光强分布更不 均匀， 因而上 述变化率的递减程度需控制在一定范围内， 当然， 这点本领域技术人员也可以 很容易地通过仿真实验确定。 自由曲面 33 实现较高的光强均匀度的原理与自由曲面 34的相同， 此处不 再进行分析。

本实施例中， 自由曲面通过在标准曲面的基础上， 采用上述技术方案中的 变形规律进行变形得到， 该自由曲面能够将第一光斑的照度分布由中央 向外减 弱的入射光线整形成具有更均勾的光强分布。 相对于现有技术， 本发明的自由 曲面无需多个微透镜组成， 因而可避免上述串扰等造成的光利用率降低的 问题， 具有结构简单， 光利用率高的优点。

请参见图 6 , 图 6是本发明的勾光元件另一实施例的光路图。 如图 6所示， 在本实施例中， 本发明的勾光元件包括一用于对光源 51产生的入射光线整形的 自由曲面 53 (或 54 ), 该入射光线在与该光源 51的中心轴垂直的一平面上形成 第一光斑， 第一光斑的照度分布由中央向外减弱。 自由曲面 53 (或 54 ) 由位于 光源 5 1的中心轴方向的预定位置的一标准曲面 52变形获得。

本实施例与图 5a所示实施例的区别之处包括以下两点：

( 1 )本实施例中， 标准曲面 52与自由曲面 53 (或 54 ) 均为反射曲面。 具 体地， 标准曲面 52为可对光源 51产生的入射光线整形为平行光的抛物面。

( 2 ) 图 5a所示实施例中， 沿着从光源 31的中心轴至侧边的方向， 不管是 从 a至 b的方向， 还是从 a至 c的方向， 光源 31产生的入射光线在自由曲面 33 上的入射角度与该入射光线在标准曲面 32上的入射角度的差值均保持正号； 沿 着从光源 31的中心轴至侧边的方向， 不管是从 d至 e的方向， 还是从 d至 f的 方向， 光源 31 产生的入射光线在自由曲面 34上的入射角度与该入射光线在标 准曲面 32上的入射角度的差值均保持负号。 而本实施例中， 沿着从光源 51 的 中心轴至侧边的方向， 即从 a至 b的方向以及从 a至 c的方向， 光源 51产生的 入射光线在自由曲面 53上的入射角度与该入射光线在标准曲面 52上的入射角 度的差值分别保持负号与正号； 沿着从光源 51的中心轴至侧边的方向， 即从 d 至 e的方向以及从 d至 f的方向，光源 51产生的入射光线在自由曲面 54上的入 射角度与该入射光线在标准曲面 52上的入射角度的差值分别保持正号与负号。

例如， 沿着从 a至 b的方向， 光源 51产生的入射光线在自由曲面 53上的 入射角度与该入射光线在标准曲面 52上的入射角度的差值由 -1 .度至 - 10度连续 递减， 且该递减的速率逐渐减小； 沿着从 a至 c的方向， 光源 51产生的入射光 线在自由曲面 53上的入射角度与该入射光线在标准曲面 52上的入射角度的差 值由 1度至 10度连续递增， 且该递增的速率逐渐减小； 沿着从 d至 e的方向， 光源 51 产生的入射光线在自由曲面 54上的入射角度与该入射光线在标准曲面 52上的入射角度的差值由 1度至 10度连续递增， 且该递增的速率逐渐减小； 沿 着从 d至 f的方向，光源 51产生的入射光线在自由曲面 54上的入射角度与该入 射光线在标准曲面 52上的入射角度的差值由 -1度至 -10度连续递减， 且该递减 的速率逐渐减小。

请参见图 7，图 7是本发明的匀光元件的另一实施例的光路图� �如图 7所示， 在本实施例中， 本发明的勾光元件包括一用于对光源 （图未示） 产生的入射光 线整形的自由曲面 72 (或 73 ), 该入射光线在与该光源的中心轴垂直的一平面 上形成第一光斑， 第一光斑的照度分布由中央向外减弱。 自由曲面 72 (或 73 ) 由位于光源的中心轴方向的预定位置的一标准 曲面 71变形获得。

本实施例与图 6所示实施例的区别之处在于：本实施例中， 自由曲面 72 (或 73 )的入射光线为平行光线；标准曲面 71为可对入射光线进行折叠的反射平面。

请参见图 8， 图 8是本发明的勾光元件另一实施例的光路图。 本实施例包括 自由曲面 91 ,自由曲面 91是图 5a或图 6实施例中的自由曲面的具体表现形式。

如图 8所示， 在本实施例中， 光源系统包括点光源 O、 自由曲面 91。 自由 曲面 91的出射光线的集合为 92。 自由曲面 91上的点到点光源 0的距离由以下 公式通过数值方式求解获得：

其中， ⁽ )为点光源 O产生的入射光线的光强分布， m为从点光源 O到自 由曲面 91上的点的单位向量， 为在 m方向上点光源 O到自由曲面 91上的 点的距离， 可用于表达自由曲面 91， ^w 。为选取的某一方向， P。为在 ^w 。方向上点 光源到自由曲面 91上的点的距离， /(^ ))为自由曲面 91 的出射光线在预定立 体角内的光强分布， "'为入射光线所在介质的折射率、 " ² 为自由曲面 91的出射 光线所在介质的折射率， ^{e = e} "H表示曲面的第一基本型， e ^v = ( )_' , ⁵ ' =^ / St' , \ ^{= e} ° ^im0 ti与 tj分别为曲面的参数方程中的两个参数。 当自由曲面 91为反射 面时，

优选地， 预定立体角为预定矩形立体角， 为自由曲面的出射光线在 该预定矩形立体角内的均匀光强分布， 以适应目前显示领域中广泛使用的矩形 显示屏幕。 此时， 更优选地， 预定矩形立体角的大角和小角均大于等于 0.01度 且小于等于 3 度。 当然， 预定立体角也可以为其它类型的立体角， 例如底面为 正三角形、 正六边形或椭圓形的锥形的立体角。

此外， m。优选为点光源的中心轴方向， 以便于计算。 此时， _P 。优选大于等 于 2mm且小于等于 50 mm。

点光源 O产生的入射光线的光强分布可以有多种。 在本发明的一备选实施 例中， 点光源 入射光线的光强分布可为椭圆高斯形的光强分 布， 即 i(m) = I ₀ exp ，其中 /。为点光源 O的中心轴方向的光强,

(0， )为以点光源 O为原点且以点光源 O的中心轴方向为极轴的球坐标中的单位 向量 m对应的点的坐标， 为椭圓高斯的长轴与极轴所在的平面内光强降 低到

/。的 exp (-丄)时的角度， σ,,为椭圆高斯的短轴与极轴所在的平面内光� �降低到 /。

2

的 _eX p( 时的角度。 在本发明的另一备选实施例中， 点光源 O产生的入射光线 的光强分布为朗伯的光强分布， 即 (m) = / ₀ cos(6>)， 其中 /。为点光源 O的中心轴 方向的光强， 6>为单位向量 m与中心轴方向的夹角。

上述实施例是对勾光元件为可实现光强均 度较高的自由曲面进行说明， 以下对勾光元件为可实现照度均匀度较高的自 由曲面进行详细说明。

请参见图 9， 图 9是本发明的匀光元件另一实施例的光路图。 如图 9所示， 本实施例中，匀光元件包括一用于对光源 41产生的入射光线整形的自由曲面 43。 光源 41可以为点光源， 即入射到自由曲面 43的入射光线由点光源直接产生。 光源 41产生的入射光线在与该光源 41的中心轴垂直的一平面上形成第一光斑， 第一光斑的照度分布由中央向外减弱。 第一光斑的照度分布可以为椭圆高斯分 布或朗伯分布。 自由曲面 43 由位于光源 41 的中心轴方向的预定位置的一标准 曲面 42变形获得。 本实施例与图 5所示实施例的区别之处包括以下两点：

( 1 )本实施例中， 标准曲面 42为可将光源 41产生^入射光线汇聚于预定 区域的中心点的曲面， 具体为笛卡尔椭圆面。 预定区域可以根据实际需求进行 设置， 可以具有多种， 例如一特定尺寸和形状的矩形区域、 椭圓形区域、 三角 形区域或正六边形区域等。

( 2 ) 除了光源 41 的中心轴方向外， 沿着从该中心轴至侧边的方向 （包括 从 d至 e的方向、 或从 d至 f的方向）， 光源 41产生的入射光线在自由曲面 43 上的入射角度与该入射光线在标准曲面 42上的入射角度的差值保持同号（具体 为均保持负号）， 光源 41产生的入射光线在自由曲面 43上的入射角度与该入射 光线在标准曲面 42上的入射角度的差值的绝对值单调递增， 且该入射光线在自 由曲面 43上的入射角度与该入射光线在标准曲面 42上的入射角度的差值的绝 对值的变化率递减， 以使自由曲面 43的出射光线在预定区域内比光源 41产生 的入射光线具有更均匀的照度分布。 即本实施例中， 自由曲面 43是为了实现更 均匀的照度分布， 而非光强分布。

自由曲面 43 的出射光线在预定区域内比光源 41产生的入射光线具有更均 匀的照度分布， 是指自由曲面 43的出射光线在预定区域内的照度均匀度比光� �� 41 产生的入射光线在预定区域内的照度均匀度更 高。 预定区域内的照度均匀度 可以采用多种方式表示， 例如， 可以为预定区域内的照度最小值与预定区域内 的照度平均值的比值； 也可以预定区域内的照度最大值与预定区域内 的照度平 均值的比值； 也可以为预定区域内的照度平均值和预定区域 内的照度最大值与 照度最小值之差的比值； 此处不作——列举。 自由曲面 43实现较高的照度均匀 度的原理与自由曲面 34的相同， 此处不再进行分析。

容易理解的是， 本实施例中也可以对标准曲面 42进行变形得到另一自由曲 面 42 上的入射角度的差值保持同号 （具体为均保持正号）， 该自由曲面类似于 图 5所示实施例中的自由曲面 34。

本实施例中， 自由曲面通过在标准曲面的基础上， 采用上述技术方案中的 变形规律进行变形得到， 该自由曲面能够将第一光斑的照度分布由中央 向外减 弱的入射光线整形成具有更均句的照度分布。 相对于现有技术， 本发明的自由 曲面无需多个微透镜组成， 因而可避免上述串扰等造成的光利用率降低的 问题， 具有结构简单， 光利用率高的优点。

请参见图 10， 图 10是本发明的匀光元件另一实施例的光路图。 如图 10所 示， 本实施例中， 匀光元件包括一用于对光源 61产生的入射光线整形的自由曲 面 63 (或 64 ), 该入射光线在与该光源 61的中心轴垂直的一平面上形成第一光 斑， 第一光斑的照度分布由中央向外减弱。 自由曲面 63 (或 64 ) 由位于光源 61 的中心轴方向的预定位置的一标准曲面 62变形获得。

本实施例与图 9所示实施例的区别之处在于： 本实施例中， 自由曲面 63 (或 64 ) 和标准曲面 52均为反射曲面， 标准曲面 52为可将入射光线汇聚于预定区 域的中心点的椭圓面。

本实施例中， 沿着从光源 61的中心轴至两个侧边的方向， 即从中心轴至右 侧边的方向、 以及从中心轴至左侧边的方向， 光源 61产生的入射光线在自由曲 面 63上的入射角度与该入射光线在标准曲面 62上的入射角度的差值分别保持 负号与正号。 沿着从光源 61的中心轴至两个侧边的方向， 即从中心轴至右侧边 的方向、 以及从中心轴至左侧边的方向， 光源 61产生的入射光线在自由曲面 64 上的入射角度与该入射光线在标准曲面 62上的入射角度的差值分别保持正号与 负号。

请参见图 11， 图 11是本发明的勾光元件另一实施例的光路图。 如图 11所 示， 本实施例中， 勾光元件包括一用于对光源 （图未示） 产生的入射光线整形 的自由曲面 82 (或 83 ), 该入射光线在与该光源 81的中心轴垂直的一平面上形 成第一光斑， 第一光斑的照度分布由中央向外减弱。 自由曲面 82 (或 83 ) 由位 于光源的中心轴方向的预定位置的一标准曲面 81变形获得。

本实施例与图 10 所示实施例的区别之处在于： 本实施例中， 自由曲面 82 (或 83 )的入射光线为平行光线， 标准曲面 81为可将入射光线汇聚于预定区域 的中心点的抛物面。

本实施例中，. 沿着从光源的中心轴至两个侧边的方向， 即从中心轴至右侧 边的方向、 以及从中心轴至左侧边的方向， 光源产生的入射光线在自由曲面 82 上的入射角度与该入射光线在标准曲面 81上的入射角度的差值分别保持负号与 正号。 沿着从光源的中心轴至两个侧边的方向， 即从中心轴至右侧边的方向、 以及从中心轴至左侧边的方向， 光源产生的入射光线在自由曲面 83上的入射角 度与该入射光线在标准曲面 81上的入射角度的差值分别保持正号与负号。 此外， 与图 5a、 图 6所示实施例相同， 图 9、 图 10所示实施例中的自由曲 面也可以采用图 8所示实施例的具体表现形式。 如图 8所示， 当图 8所示实施 例为图 9、 图 10所示实施例的具体表现形式时， 自由曲面 91上的点到点光源 O 的距离由以下公式通过数值方式求解获得：

其中， ^)为点光源 O产生的入射光线的光强分布， m为从点光源（ 到自 由曲面 91上的点的单位向量， 为在 m方向上点光源 O到自由曲面 91上的 点的距离， 可用于表达自由曲面 91 , ^m 。为选取的某一方向， P。为在 ^w 。方向上点 光源到自由曲面 91上的点的距离， ^m 、、^自由曲面 91的出射光线在预定区 域内的照度分布， "'为入射光线所在介质的折射率、 " ² 为自由曲面 91 的出射光 线所在介质的折射率， '表示曲面的第一基本型， ^d '： ^{d l dt} ti与 tj分别为曲面的参数方程中的两个参数。 当自由曲面 91为反射 面时， "1 =- "2。

图 9 所示实施例中已提到， 预定区域可以根据实际需求进行设置， 可以具 有多种。 优选地， 预定区域为预定矩形区域， 为自由曲面的出射光线在 该预定矩形区域内的均匀照度分布， 以适应目前显示领域中广泛使用的矩形显 示屏幕。 此时， 更优选地， 预定矩形区域与光源 O 的距离大于 10mm 且小于 500mm, 该预定矩形区域的长和宽均大于等于 lmm且小于等于 5mm。

此外， w。优选为点光源的中心轴方向， 以便于计算。 此时， _P 。优选大于等 于 2mm且小于等于 50 mm。

点光源 O产生的入射光线的光强分布可以有多种。 在本发明的一备选实施 例中， 点光源 光强分布可为椭圓高斯形的光强分布， 即 i(m) = I _Q exp ，其中 /。为点光源 O的中心轴方向的光强， ((9， )为以点光源 0为原点且以点光源 O的中心轴方向为极轴的球坐标中的单位 向量 m对应的点的坐标， σ,为椭圓高斯的长轴与极轴所在的平面内光强 降低到

/。的 exp (- 时的角度， 为椭圆高斯的短轴与极轴所在的平面内光强降 低到 I。 的 exp(- 时的角度。 在本发明的另一备选实施例中， 点光源 O产生的入射光线 的光强分布为朗伯的光强分布， 即 /(m) = /。 cos(6>) , 其中 /。为点光源 O的中心轴 方向的光强， 0为单位向量 m与中心轴方向的夹角。

以下将列举本发明的光源系统的各种实现形式 。

请参见图 12 , 图 12是本发明的光源系统的一个实施例的光路图� �� 如图 12 所示， 在本实施例中， 光源系统包括一光源 121、 包括透射曲面 122与透射曲面 124的匀光元件、 以及成像透镜 123。

光源 121具体为单个点光源 121，其产生的光线在与该光源 121的中心轴垂 直的平面上形成第一光斑， 第一光斑的照度分布由中央向外减弱。 具体地， 光 源 121 产生的光线的光强分布可以为椭圆高斯形的光 强分布， 也可以为朗伯的 光强分布。

匀光元件为一透镜（未标示）， 透射曲面 122和透射曲面 124为该透镜的两 个面。 透射曲面 124设置为与入射光方向垂直， 以不改变入射光方向， 而透射 曲面 122为图 5所示实施例中的自由曲面， 透射曲面 122的出射光线在预定立 体角内比入射光线具有更均勾的光强分布。

优选地， 光源 121照射在透射曲面 122上的光束经透射曲面 122整形， 其 光强在一个矩形立体角内均勾分布， 然后经过成像透镜 123， 光束在成像透镜 123的焦平面的预定矩形区域内形成均勾照度分 布的第二光斑8。

请参见图 13， 图 13是本发明的光源系统的另一实施例的光路图� �� 如图 13 所示， 本实施例与图 12所示实施例的区别之处在于： 本实施例中.包括多个点光 源以及与该多个点光源分别对应的勾光元件， 每个勾光元件将对应的点光源的 光整形成在预定矩形立体角内光强均匀分布并 落在同个成像透镜的不同位置上， 各个勾光元件的出射光在成像透镜的焦平面的 相同位置上形成相同的矩形均匀 照度分布的第二光斑。

具体地， 本实施例包括 3个点光源 141、 142、 143 , 与该 3个点光源分别对 应的 3个匀光元件， 3个匀光元件分别包括透射曲面 148与 144、 透射曲面 149 与 145、 透射曲面 150与 146。 其中透射曲面 148、 149、 150设置为与入射光方 向垂直。 不同位置的透射曲面 144、 145、 146 的形状完全相同， 各透射曲面将 入射光整形成在预定矩形立体角内光强均勾分 布的光束。 不同位置的透射曲面 144、 145、 146的出射光经过成像透镜 147, 在成像透镜 147焦平面的相同位置 上形成相同的矩形均勾照度分布的第二光斑。

请参见图 14 , 图 14是本发明的光源系统的另一实施例的光路图� �� 如图 14 所示， 本实施例包括光源 131、 勾光元件 132及成像透镜 133。 本实施例与图 12 所示实施例的区别之处在于： 本实施例中的匀光元件为一反射曲面 13.2 , 反射曲 面 132为图 6所示实施例中的自由曲面。

请参见图 15 , 图 15是本发明的光源系统的另一实施例的光路图� �� 本实施例 与图 14所示实施例的区别之处在于： 本实施例中包括多个点光源以及与该多个 点光源分别对应的匀光元件， 每个勾光元件将对应的点光源的光整形成在预 定 矩形立体角内光强均勾分布并落在同个成像透 镜的不同位置上， 各个匀光元件 的出射光在成像透镜的焦平面的相同位置上形 成相同的矩形均匀照度分布的第 二光斑

具体地， 本实施例包括 3个点光源 151、 152、 153 , 与该 3个点光源分别对 应的 3个匀光元件， 3个匀光元件分别包括反射曲面 154、 155、 156。 不同位置 的反射曲面 154、 155、 156 的形状完全相同， 且朝向相同， 各自将入射光整形 成在预定矩形立体角内光强均匀分布的光束。 不同位置的反射曲面 154、 155、 156的出射光经过成像透镜 157， 在成像透镜 157焦平面的相同位置上形成相同 的矩形均匀照度分布的第二光斑。

请参见图 16， 图 16是本发明的光源系统的另一实施例的光路图� �� 如图 16 所示， 在本实施例中， 光源系统包括点光源 161、 162、 分别与点光源 161、 162 对应的反射曲面 163、 166 , 不同位置的反射曲面 163、 166的形状完全相同。 光 源系统进一步包括反射平面 164、 165以及成像透镜 167 。 反射曲面 163和 166 分别对点光源 161、 162产生的光进行整形， 反射平面 164和 165分别反射曲面 163和 166的出射光进行光路折叠。 反射平面 164、 165的出射光经过成像透镜 167, 在成像透镜 167.的焦平面的相同位置上形成相同的矩形均� �照度分布的第 二光斑。 其中， 反射曲面 163、 166为图 6所示实施例中的自由曲面。

本实施例中， 点光源 161、 162的朝向一致， 因而具有便于安装的优点。 并 且， 两个反射曲面 163和 166相向设置，反射平面与对应的反射曲面相向 设置， 两个相邻反射平面 164、 165无缝拼接， 使得反射平面 164、 165 的出射光有一 部分重叠或仅有较小的间隔， 从而使光源系统更加紧凑， 并提高成像透镜 167 的利用率。

此外， 还可设置多套光源、 反射曲面及反射平面并使该多套沿垂直于如图 16所示的截面方向进行排列， 以提高光源系统的光功率密度。

请参见图 17， 图 17是本发明的光源系统的另一实施例的光路图� �� 如图 17 所示， 在本实施例中， 光源系统包括点光源 171、 172、 分别与点光源 171、 172 对应的反射曲面 173、 174、 以及成像透镜 175 。 本实施例与图 16所示实施例 的区别之处在于： 本实施例中的点光源 171、 172相向设置， 反射曲面 173、 174 相互背向设置并无缝拼接， 使得反射曲面 173、 174的出射光有一部分重叠或仅 有较小的间隔， 从而使光源系统更加紧凑， 并提高成像透镜 167的利用率。

此外， 还可设置多套光源与反射曲面并使该多套沿垂 直于如图 17所示的截 面方向进行排列， 以提高光源系统的光功率密度。

请参见图 18 , 图 18是本发明的光源系统的另一实施例的光路图� �� 如图 18 所示， 在本实施例中， 光源系统包括多个点光源 211、 212、 213 , 分别与多个点 光源 211、 212、 213对应的多个反射曲面 214、 215、 216, 以及分别与多个反射 曲面 214、 215、 216对应的反射平面 217、 218、 219。 反射曲面 214、 215、 216 均为图 6所示实施例中的自由曲面。点光源 211、 212、 213 ,反射曲面 214、 215、 216以及反†平面 217、 218、 219均朝向一致， 因而具有便于安装的优点。 反射 曲面 214、 215、 216的出射光线分别经反射平面 217、 218、 219改变光线方向 从而向上传 ·， 这样每个反射曲面 214、 215、 216 的出射光不受彼此遮挡， 可 以方便地制作成二维的阵列。

请参见图 19, 图 19是本发明的光源系统的另一实施例的光路图� �� 如图 19 所示， 本实施例在图 18所示实施例的基础上， 再加上按一定梯度排列的反射平 面 227、 228 , 以压缩光源系统的出射光束的尺寸。

请参见图 20-21， 图 20-21是本发明的光源系统的另一实施例的光路� ��。 其 中图 20为侧视图， 图 21为俯视图， 如图 20-21所示， 多个反射曲面 237、 238、 238，、 239、 241、 241 '、 242、 243、 243，相同， 其出射光线都在预定矩形立体角 内具有均匀光强分布， 各反射曲面的出射光线在成像透镜 231 的焦平面的相同 位置上形成相同的矩形均勾照度分布的第二光 斑。 反射曲面 237、 238、 238，、 239、 241、 241 '、 242、 243 > 243，在侧视图和俯视图中均按一定梯度或交错 排列， 从而在两个维度上均压缩光源系统出射光束的 尺寸。 同时， 由于交错排列， 点 光源之间的距离增大， 有利于散热。 侧视图中， 虛线与实线分别表示在不同平 面内的反射曲面和光源。其中，反射曲面 237、 238、 238，、 239、 241、 241 '、 242、 243 > 243'为图 6所示实施例中的自由曲面。

请参见图 22 , 图 22 是本发明的光源系统的另一实施例的光路图。 如图 22 所示， 在本实施例中， 光源（图未示）提供准直光束， 多个反射曲面 201、 202、 203均为图 7所示实施例中的自由曲面， 且形状相同。 反射曲面 201、 202、 203 的出射光经一成像透镜 204，并在成像透镜 204焦平面的相同位置上形成相同的 矩形均 照度分布的第二光斑。 优选地， 反射曲面 201、 202、 203 按一定梯度 排列， 以使光源系统的出射光束具有较小的尺寸。

. 请参见图 23 , 图 23 是本发明的光源系统的另一实施例的光路图。 如图 23 所示， 在本实施例中， 光源系统包括点光源 91 , 由透射曲面 92和透射曲面 93 组成的勾光元件， 点光源 91 产生的光线直接出射到透射曲面 93上。 勾光元件 为一透镜（未标示）， 透射曲面 92和透射曲面 93为该透镜的两个面， 透射曲面 93设置为与入射光方向垂直， 因此不改变光线的方向， 透射曲面 92为图 9所示 实施例中的自由曲面。 光源 91照射在勾光元件上的光束经透射曲面 92整形， 在目标平面的预定矩形区域内形成均匀照度分 布的第二光斑 S。

请参见图 24, 图 24是本发明的光源系统的另一实施例的光路图� �� 如图 24 所示， 本实施例的光源系统包括点光源 101 与反射曲面 102 , 反射曲面为图 10 所示实施例中的自由曲面。 本实施例与图 23所示实施例的区别之处在于： 本实 施例中的勾光元件为反射曲面 102。

请参见图 25 , 图 25是本发明的光源系统的另一实施例的光路图� �� 如图 25 所示， 在本实施例中， 光源系统包括多个按阵列排列的点光源 111、_ 112、 113 , 以及分别与点光源 1 1 1、 112、 1 13对应的多个匀光元件。多个匀光元件均为.透 镜， 每个透镜分别由透射曲面 114与 117、透射曲面 115与 1 18、透射曲面 116与 119 组成。 透射曲面 117、 118、 119分别接收对应点光源产生的光， 并设置为与入射 光方向垂直， 因而不改变入射光方向。 透射曲面 114、 115、 116均为图 9所示实 施例中的自由曲面。 备点光源照射在对应的勾光元件上的光束分别 经透射曲面 1 14、 1 15、 1 16整形， 不同位置的透射曲面 1 14、 1 15、 116形状不同， 以使透射 曲面 1 14、 1 15、 116的出射光在目标平面的相同位置上形成相同 的矩形均匀照度 分布的第二光斑。

请参见图 26， 图 26是本发明的光源系统的另一实施例的光路图� �� 如图 26 所示， 在本实施例中， 光源系统包括多个点光源 181、 182、 183 , 以及反射曲面 184, 该反射曲面 184为图 11 所示实施例中的自由曲面。 光源系统进一步包括 分别与多个点光源 181、 182、 183对应的多个准直元件 185、 186、 187。 多个点 光源 181、 182、 183发出的光分别经过准直元件 185、 186、 187后， 出射为多 束平行光。 各束平行光经反射曲面 184 整形并在目标平面上共同组成矩形均匀 照度分布的第二光斑。

在本实施例中， 当点光源的光分布为椭圆高斯分布时， 被反射曲面 184 反 射后的光路可以与点光源光分布形成的椭圓的 长轴或短轴在同一个平面内。 优 选地， 反射曲面 184 反射后的光路与椭圓的短轴在同一个平面内， 此时由于反 射曲面 184 在这个平面内的入射光发散角较小， 其出射光与入射光更容易相分 离。

请参见图 27， 图 27是本发明的光源系统的另一实施例的光路图� �� 如图 27 所示， 光源系统包括提供多束准直光束的光源、 以及分别与多束准直光束对应 的多个不同的反射曲面 191、 192、 193。 其中， 反射曲面 191、 192、 193均为图 1 1 所示实施例中的自由曲面。 各反射曲面分别在目标平面的同一位置上形成 相 同的矩形均匀照度分布的光斑， 各光斑相互叠加。 反射曲面 191、 192、 193 按 一定梯度排列， 从而使得光源系统的出射光束具有较小的尺寸 。

请参见图 28 , 图 28是本发明的光源系统的另一实施例的光路图� �� 如图 28 所示, 在本实施例中， 光源系统包括点光源 251 与透镜 252。 透镜 252 由曲面 254与曲面 253组成， 光源 251产生的光朝向曲面 253出 †。 曲面 254可以为任 意面， 曲面 253 可以为上述的具有光线整形功能的透射曲面中 的任何一个， 例 如图 5或图 9所示实施例中的自由曲面。

请参见图 29， 图 29是本发明的光源系统的另一实施例的光路图� �� 如图 29 所示， 在本实施例中， 光源系统包括点光源 261 与透镜 262。 透镜 262 由曲面 263、 264组成， 曲面 263设置为与入射光方向垂直， 因而不改变入射光方向， 而曲面 264可以为上述的具有光线整形功能的透射曲面 中的任何一个，例如图 5 或图 9所示实施例中的自由曲面。 点光源 261位于透镜 262的外部， 点光源产 生的光朝向曲面 263出射， 再经曲面 264整形。

请参见图 30, 图 30是本发明的光源系统的另一实施例的光路图� �� 如图 30 所示， 在本实施例中， 光源系统包括点光源 271 与透镜 272。 透镜 272 由曲面 273、 274组成， 曲面 273可以为上述的具有光线整形功能的透射曲面 中的任何 一个， 例如图 5或图 9所示实施例中的自由曲面， 而曲面 273设置为与入射光 方向垂直， 因而不改变入射光方向。 点光源 271位于透镜 272的外部， 点光源 产生的光朝向曲面 273出射并被曲面 273整形， 被整形的光再透射曲面 274。 这 样， 整个透镜 272的输出光分布实际上为曲面 273的输出光分布。

综上所述， 本发明中， 自由曲面通过在标准曲面的基础上， 采用上述技术 方案中的变形规律进行变形得到， 该自由曲面能够将第一光斑的照度分布由中 央向外减弱的入射光线整形成具有更均匀的光 强或照度分布。 相对于现有技术， 本发明的自由曲面无需多个微透镜组成， 因而可避免上述串扰等造成的光利用 率降低的问题， 具有结构简单， 光利用率高的优点。 以上仅为本发明的实施例， 并非因此限制本发明的专利范围， 凡是利用本发明 说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程 变换， 或直接或间接运用在其他 相关的技术领域， 均同理包括在本发明的专利保护范围内。