用于均匀照明的单片微透镜阵列面形设计

摘要 ：针对半导体光源不易均匀散射到一定的角度范围或均匀照射到确定平面上的问题，本利用非成像光学方法设计了一种基于微透镜阵列的均匀散射透镜。该散射透镜由相同面元的微镜周期性密排而成，微透镜单元为单曲面，根据不同应用，曲面面形可设计成不同的非球面形介绍了凸形、前曲面单片微透镜阵列的设计方法，并结合一些应用举例显示了该设计方法的行性。最后讨论了凹凸面形、前后曲面微透镜阵列各自的应用场合及优缺点。

0 引言

近年来随着半导体光源的快速发展，传统的照明设计已经不能满足应用要求。半导体光源（发光二极管和激光二极管）具有明显的点源特性，比较容易准直成平行光或准平行光，但不易均匀散射到一定的角度范围或均匀照射到确定的平面上。本文讨论微透镜阵列正是基于这个目的：将平行或准平行光均匀散射或投射，满足确定的使用要求。

微透镜阵列目前应用也比较广泛，如复眼相机、焦平面光束变换、LED照明、平板显示、立体显示等领域。微透镜的制作方法已经从光学冷加工向模版压印的方式过渡，降低了成本，这也是其应用领域扩大的一个重要原因。而微透镜阵列模板主要由高精度五轴联动自由曲面机加工、深紫外激光雕刻或扫描式曝光、灰度光刻等工艺手段制作。因为工艺技术的进步，随着阵列周期尺度的减小，面形精度仍然能够保持。近些年来国内一些高校和企业也引进了一些高精度的加工设备，但设计手段相对缺乏。

微透镜阵列用于半导体光源均匀照明的研究已经很多，但设计上多是基于复眼透镜聚焦成像的传统光学处理方法，系统的复杂度较大，应用上也多局限在如投影机系统的小范围均匀照明。有文章报道了一种“工程化散射片”，市场上也有其产品，与本文描述的散射片功能类似，但其设计原理是基于非周期性的微透镜阵列，与本文中描述的散射镜片不同。

从基本的几何结构出发，设计了单片散射透镜，该散射透镜由相同面元的微透镜周期性密排而成，微透镜单元为单曲面，并且根据不同应用，曲面面形设计成不同的非球面形式。

1 基本原理和基本假设

如图1(a)所示，平行光或准平行光入射到微透镜阵列形式的散射透镜上，被散射到一定角度范围内，并且在这个角度范围内有确定的强度分布。

图1.微透镜阵列散射片示意图及等效原理图

空间上，入射光斑一般并不均匀，但假设透镜单元尺度比光斑尺度小很多的情况下，每个透镜单元上的光分布近似均匀，同时假设各单元形状相同，那么把各单元相同位置上接受的光通量求和，那么这个“求和”的分布将进一步均匀化。于是微透镜阵列等价为一个单元，并且由与单元宽度相同的均匀光束入射，如图1(b)所示。这样可以控制透镜单元的面形实现从散射透镜出射的光束具有一定的角度分布和分布范围。

特别补充说明一点，虽然微透镜阵列的单元尺度尽可能比光斑尺度小很多，这样才有均匀入射假设，但是单元尺度要比光的波长大很多，才能避免衍射效应，所以一般情况下，微透镜的单元尺度都在50μm以上。

2 一维线阵情况

图4.微透镜阵列外形图

图5.光度分布仿真结果

......

6 结论

本文提出一种利用微透镜阵列实现均匀散射的设计方法，根据不同应用，微透镜单元面形可设计成不同的非球面形式，通过仿真验证了该设计方法的可行性。采用这种方法设计的单镜片散射系统结构简单，成本低，并且均匀角度范围或均匀照射面积大，可以用于实际意义上的环境照明。

审核编辑：汤梓红