一种复合抛物反射微准直透镜的偏振复用导光结构及其实现方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及照明光学领域，具体涉及一种复合抛物反射微准直透镜的偏振复用导 光结构及其实现方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，随着照明需求的进一步扩大，社会各个领域对于照明质量和照明系统结 构的要求越来越苛刻，能够实现多元化目标的照明光学器件具有更加广阔的应用前景。以 液晶显示器为例，液晶显示器是被动发光器件，需要设计特殊的结构为其提供光源，背光模 组作为一种光的引导分布模块，本身并不能发光，需要借助光源为液晶显示器件提供光源， 实现最终的均光照明。以LED模组为例，主要包括光源LED、反射片、导光板、扩散膜、增光膜 等部件。背光模组按其规模主要有侧光式结构与直下式结构两种。侧光式结构具有轻薄化 的特点，且光源选择较为灵活。将光源放置于模组的边缘，通过导光板将光均匀的从正面导 出，并由扩散膜和增光片将光线控制在选择的视角范围内。当光线从侧面进入导光板内后， 由于全反射原理光线将在导光板内向前传播而不能从正面出射，而导光板的作用即改变 LED入射光的方向，将从侧面入射的线光源改变传播方向，转变为正面出射的均匀面光源， 通过表面微结构的设计，破坏原有的全反射，使光线在其中发生反射与折射，达到出射时的 均匀亮度;反射片可以将从导光板下表面透出的光线反射回导光板中，提高光能的利用率； 扩散膜的作用在于柔和光线分布，尽量减小亮暗区的差异，使光的分布更加均匀;棱镜片则 是将散射的光束会聚，通常还贴上增光膜，以提高视角范围内的正面亮度。直下式结构不需 要导光板，LED阵列直接布置在背光体的底部，通过一定高度的混光，各颗LED发出的光线也 能在背光体的顶部形成一个均匀的光能量分布，实现均匀出射。
[0003] 许多应用中要求均匀面光源，例如液晶显示的背光源，在传统的侧入式导光板结 构设计中，入射光源为LED灯条，即为线光源，为了将点光源转变为面光源，则需要导光板的 加入。为了实现液晶对光的调制作用，须在液晶盒上下表面贴合两个偏振片，分别用于起偏 和检偏。下偏振片用于起偏，允许某一方向的偏振光通过，与光源相比，会产生50%的光能 损失，所以液晶显示器对光能的利用率很低，成为一直困扰很多设计者的问题，为了提高光 能利用率，研究者展开了许多工作。在US20020176165中研究者在传统导光模组出光侧加入 反射偏振器，在调光网点的下侧采用脊状表面和独立的相位延迟薄膜，将被反射偏振器反 射的偏振光线加以利用，在脊状槽中与相位延迟片两次接触后，得到可以透过反射偏振器 的偏振光，达到偏振光复用的目的。该设计虽然能够提高光能利用率，但由于该结构尚无法 实现对出射光扩散角度的控制，容易造成液晶发生色偏问题，且系统需要采用几个独立组 件的集合，难以实现集成化。在CN102454915中研究者利用偏振分光棱镜将入射光源分为振 动方向相互垂直的两束偏振光，再利用光转换器将其中一束偏振状态的光进行调制，使得 背光光源出射的自然光完全转化为某一方向的线偏振光，该偏振光的振动方向与下偏振片 相匹配，最终进入到液晶显示器中，提高了光能利用率。然而，该设计也存在液晶盒模块调 制作用受到大角度入射光的限制，容易发生色偏的问题，且系统结构不利于薄型化。综上， 现有的照明装置都难以兼顾光学性能和集成度高的问题，而一些照明需求例如液晶显示背 光模组还对准直性、偏振性有所要求，而对偏振光学模组而言，偏振复用对于提升光能利用 率显得更为重要，为了解决这一问题，有必要提供一种结构功能完整、工艺易于实现、成本 低廉的偏振复用准直面光源结构。
【发明内容】
[0004] 有鉴于此，本发明的目的是提供一种复合抛物反射微准直透镜的偏振复用导光结 构及其实现方法，用于实现偏振光复用的准直面光源出射。该结构能够实现较高纯度的偏 振光复用输出，并且出射光具有高准直性，且结构紧凑，加工工艺易于实现，相对于其他导 光结构设计，集成度更高，结构功能更完整，由于出射光具有偏振性和准直特性，特别适合 于需要偏振准直面光源的照明应用，并有利于系统结构的薄型化设计。
[0005] 为实现上述目的，本发明采取如下技术方案:一种复合抛物反射微准直透镜的偏 振复用导光结构，所述导光结构包括复用光源模组、导光结构主体以及微透镜阵列组;所述 复用光源模组包括入射光源、半开口型光源反光罩、四分之一波片以及反射偏振器;所述入 射光源位于所述导光结构主体的侧边并被所述反光罩包覆，所述反光罩的开口正对导光结 构主体侧边的入光处，所述反光罩内壁镀金属反射膜;所述四分之一波片贴合于所述反光 罩内壁;所述反射偏振器置于入射光源与导光结构主体之间，紧贴所述导光结构主体侧边 的入光处，用以将光线分为两种偏振方向垂直的线偏振光，并透过第一线偏振光与反射第 二线偏振光；
[0006] 所述微透镜阵列组包括抛物反射微准直透镜与凹形调光网点，所述凹形调光网点 位于导光结构主体最终出光面一侧，导光结构主体中与网点相对的一侧胶合所述抛物反射 微准直透镜。
[0007] 进一步地，所述入射光源在导光结构主体的侧面放置，当入射光源为条形结构，即 线光源形式，则所述半开口型反光罩采用椭球柱状反光罩；
[0008] 当入射光源为单颗LED的组合，即单颗LED按线状排列的集合，则所述半开口型反 光罩采用与LED数量相同的单椭球反射罩拼接而成，每个反射罩对应包裹一个点光源；
[0009] 其中，光源的位置在椭球反射罩的一个焦点附近，导光板入光侧的位置则在另一 焦点附近，使光能都能经反射罩的反射进入导光主体结构，实现高光能利用率。
[0010] 进一步地，该结构集成了抛物面光学元件的性质和作用，以及偏振复用元件的作 用，集成度较高，且可以实现偏振准直的面光源照明要求。
[0011] 进一步地，入射光源发出的自然光进入导光结构主体之前，将完全转变为单一振 动方向的线偏振光，起到偏振复用的作用，光能利用率高。
[0012] 进一步地，所述导光结构主体中光线满足全反射条件，则所述抛物反射微准直透 镜的折射率与所述导光结构主体折射率相异，并小于所述导光结构主体材料的折射率。
[0013] 进一步地，所述抛物反射微准直透镜的实际焦点位于所述凹形调光网点处，且所 述抛物反射微准直透镜与空气接触的抛物面需镀上一层反射膜，目的是使从调光网点入射 至抛物面的光线经反射后平行地由出光侧出射，而不能由抛物面直接射出导光结构主体； 并且每一个抛物反射微准直透镜都对应着唯一的调光网点，且凹形调光网点位于抛物反射 微准直透镜的焦点上。
[0014] 进一步地，所述抛物反射微准直透镜为平面加抛物曲面的结构，平面紧贴所述导 光结构主体，由于抛物反射微准直透镜与导光主体的折射率不同，则其焦距f可由下公式确 定：
[0015] nisin0i = n2sin02
[0016]
[0017]
[0018] 其中，m、n2 分别是导光板材料的折射率、抛物反射型微准直透镜的折射率、 导光板介质层入射角、抛物反射微准直透镜介质层出射角。根据几何关系解得焦距f的长 度。建立直角坐标系，以各抛物反射微透镜的顶点为原点，沿导光板长边方向为X方向，沿导 光板短边方向为y方向，原点指向调光网点面的方向定义为z轴正方向，x、y、z三轴的正方向 呈右手螺旋定则。根据焦距f可以得到以微透镜顶点为坐标原点的抛物曲面方程：
[0019]
[0020] 抛物反射微准直透镜的有效作用口径根据导光主体的厚度In以及全反射角确定， 设置调光网点与相应微透镜边缘连线和法线之间的夹角Θ大于或等于全反射角，使得网点 之间散射的光线不会发生串扰，则抛物反射微透镜的有效作用口径，即透镜的最小口径可 由以下公式确定：
[0021] r = 2hitan9 〇
[0022] 进一步地，所述凹形调光网点置于导光主体结构的出光处，每一个调光网点采用 激光刻蚀或者热压印法制作出几何形状的凹槽，网点直径相同，当网点与导光主体接触角 (即，网点圆锥体凹槽的底角)相同，网点分布按远离入射面方向呈由疏到密方式排布，用以 控制出射面的照度分布的均匀性。
[0023] 进一步地，当网点在导光主体出光侧按均匀方式排布，则所述凹形调光网点沿远 离入射面方向，底角逐渐增加，即，网点对光线角度的调制能力也逐渐增加。
[0024] 进一步地，所述调光网点的形状为圆