摘要：針對半導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，本利用非成像光學方法設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，根據不同應用，曲面面形可設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計方法，并結合一些應用舉例顯示了該設計方法的行性。最后討論了凹凸面形、前后曲面微透鏡陣列各自的應用場合及優缺點。

0 引言

近年來隨著半導體光源的快速發展，傳統的照明設計已經不能滿足應用要求。半導體光源（發光二極管和激光二極管）具有明顯的點源特性，比較容易準直成平行光或準平行光，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。

微透鏡陣列目前應用也比較廣泛，如復眼相機、焦平面光束變換、LED照明、平板顯示、立體顯示等領域。微透鏡的制作方法已經從光學冷加工向模版壓印的方式過渡，降低了成本，這也是其應用領域擴大的一個重要原因。而微透鏡陣列模板主要由高精度五軸聯動自由曲面機加工、深紫外激光雕刻或掃描式曝光、灰度光刻等工藝手段制作。因為工藝技術的進步，隨著陣列周期尺度的減小，面形精度仍然能夠保持。近些年來國內一些高校和企業也引進了一些高精度的加工設備，但設計手段相對缺乏。

微透鏡陣列用于半導體光源均勻照明的研究已經很多，但設計上多是基于復眼透鏡聚焦成像的傳統光學處理方法，系統的復雜度較大，應用上也多局限在如投影機系統的小范圍均勻照明。有文章報道了一種“工程化散射片”，市場上也有其產品，與本文描述的散射片功能類似，但其設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。

從基本的幾何結構出發，設計了單片散射透鏡，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，并且根據不同應用，曲面面形設計成不同的非球面形式。

1 基本原理和基本假設

如圖1(a)所示，平行光或準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，并且在這個角度范圍內有確定的強度分布。

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現從散射透鏡出射的光束具有一定的角度分布和分布范圍。

特別補充說明一點，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，但是單元尺度要比光的波長大很多，才能避免衍射效應，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.光度分布仿真結果

......

6 結論

本文提出一種利用微透鏡陣列實現均勻散射的設計方法，根據不同應用，微透鏡單元面形可設計成不同的非球面形式，通過仿真驗證了該設計方法的可行性。采用這種方法設計的單鏡片散射系統結構簡單，成本低，并且均勻角度范圍或均勻照射面積大，可以用于實際意義上的環境照明。

審核編輯：湯梓紅