一种用于扩展光源的透镜及其设计方法技术

本发明专利技术公开了一种用于扩展光源的透镜及其设计方法，涉及透镜领域，包括面对扩展光源的前表面和背对扩展光源的后表面；其中，这些表面中的至少一个包括一个中心部分和多个同心围绕所述中心部分的环形部分；其中每个所述环形部分对应于所述扩散光源的一小部分，以用来对该扩展光源发出的光线进行聚焦或者对准。上述透镜及其设计方法能够提供一种具有高精度的低成本的透镜设计，尤其能够满足扩展光源透光率需求的一种透镜设计。

Lens for expanding light source and design method thereof

The invention discloses an extended light source lens and lens design method, relates to the field, including the front surface and the back face of the extended source expansion light source surface; among them, the surface of the at least one includes a center portion and a plurality of concentric annular portion around the central portion of each of them; the annular part corresponds to a small portion of the diffused light source, to send to the extended source light focusing or alignment. The lens and the design method thereof can provide a lens design with high precision and low cost lens design, in particular, to meet the needs of the light transmittance of an extended light source.

【技术实现步骤摘要】
一种用于扩展光源的透镜及其设计方法
本专利技术涉及一种透镜，特别是具有环形区域的透镜，该透镜设计成对诸如线光源或表面光源的扩展光源发出的光线进行聚焦或者对准。
技术介绍
无限远的光源通常被当作具有可忽略尺寸的点光源13，由图1中的虚线11表示，该点光源的光线在所有方向均匀漫射。现实中，没有光源实际上是无限小的。例如，发光二极管和图像传感器上的像素具有实际尺寸，因此可以被作为扩展光源，诸如精细线光源或表面光源。尽管如此，假设光源为一个点光源能使相关的光学分析变得较为简单。因此，用于物距和图像距离、焦距及放大的方程推导均基于光源理论上来说是点光源的假设。在图1中，实线12表示从扩展光源漫射的光线。与各向同性点光源不同，从扩展光源14的中心漫射的光扩散程度低因此具有较高的光强；而从扩展光源边缘漫射的光扩散程度高而具有较低的光强。因此，基于上述点光源的假设和忽略扩展光源特性的光学透镜设计，不管使用何种材料，都会产生不良影响。例如，当所述光学透镜设计用于一般的照明目的，它将在光的中心部分和边缘部分产生不同的亮度，从而影响照明效果。类似地，当所述光学透镜设计用于成像，透镜不能很好地聚焦或对准从而产生畸变，这是光学透镜设计产生不清楚图像的根本问题。如果扩展光源相对很大，就不会只有畸变这么简单，还会产生图像失真。因此，诸如球面透镜的普通透镜设计，当应用于较大的线光源或表面光源，不宜按点光源的假设进行设计。图2比较了点光源23的折射光21与扩展光源24的折射光22通过平凹透镜25时的不同。为了将上述不良影响降低到最小，工业界广泛使用球面透镜。图3显示了球面透镜31的形状与非球面透镜32的形状差别。非球面透镜表面的曲率可以被特别研磨或制模以容纳光源的尺寸和大小。由于非球面结构的唯一性，传统工具不具有非球面加工的能力，因此需要特殊的工艺方法来制备非球面透镜，诸如超精密气囊抛光法。采购和使用这种复杂的设备带来高生产成本，并且这种高生产成本将最终转移到消费者。因此，非球面透镜的市场价格一直非常高。此外，不仅设计复杂，并且具有较高的生产成本，而且非球面透镜的平面精度比传统的透镜要低。因此，具有高精度的成本有效的透镜设计，特别是能够满足扩展光源透光率需求的透镜设计，是本专利技术的主要目标。
技术实现思路
本专利技术的主要目标是提供一种用于聚焦和对准来自扩展光源的光线的透镜，所述扩展光源为诸如线光源或表面光源。为了获得上述目标，提供一种用于聚焦或对准扩展光源发出光线的透镜，包括面对扩展光源的前表面，背离扩展光源的后表面。这些表面中的至少一个包括一个中心区域和多个同心围绕所述中心部分的环形部分。每个环形部分对应于扩散光源的一小部分。优选地，所述前表面是平的表面，并且所述后表面是凸多边形表面包括中央部分和同心围绕中央部分的多个环形部分。优选地，环形部分的剖面图为线段，并且所述线段可以表示为：y＝knx+kn-1an-1+kn-2an-2+…+k2a2+k1a1+h(1)其中，k为每个所述环形部分的斜率；a为每个所述环形部分在x-轴上的投影宽度；h为位于最外部所述环形部分边缘的厚度；n表示所述环形部分的数量。优选地，该位于最外部的所述环形部分以下列方程(2)中表示的角度θ11折射来自扩展光源最外部的光线：其中n1·sinθ'21＝n2·sinθ'11(3)n1·sinθ11＝n2·sinθ21(4)其中n1是空气的折射率；n2是所述透镜材料的折射率；θ11是当光线从所述扩展光源的最外部经过位于最外部的所述环形部分离开所述透镜的折射角；θ‘11是当光线从所述扩展光源的最外部进入所述透镜的折射角；θ21是当光线从所述扩展光源的最外部经过位于最外部的所述环形部分即将离开所述透镜的入射角；θ‘21是当光线从所述扩展光源的最外部进入所述透镜的入射角；h为位于最外部所述环形部分边缘的厚度；L为所述扩展光源的直径；D为所述透镜的直径；H为所述透镜和所述扩展光源之间的距离。优选地，位于最外部的所述环形部分配置为具有如下列方程(5)表示的宽度：其中其中，B、G和c是辅助长度，β是辅助角度；m1是位于最外部的所述环形部分的宽度；θ11是当光线从所述扩展光源的最外部经过位于最外部的所述环形部分离开所述透镜的折射角；θ‘11是当光线从所述扩展光源的最外部已进入所述透镜的折射角；θ‘21是当光线从所述扩展光源的最外部进入所述透镜的入射角；θ‘22是当光线从所述扩展光源的次外部进入所述透镜的入射角；为假设所述扩展光源被分为n部分，所述扩展光源每一部分的尺寸；h为位于最外部的所述环形部分边缘的厚度；H为所述透镜和所述扩展光源之间的距离。每一环形部分可具有不同的宽度以适用于所述透镜的不同应用。优选地，该透镜由包括光学级聚合物和玻璃在内的光学或成像目的的材料制成。优选地，该透镜为用于包括电影摄影机、数码相机、移动电话和平板电脑在内的光学器件的透镜。该透镜为用于包括3D显示、电视和图像投影仪在内的光学器件的透镜。该透镜还可以为用于照明设备的透镜。本专利技术还提供了一种设计用于聚焦和对准来自扩展光源光线的透镜的方法，包括下列步骤：测量扩展光源的尺寸；确定对应于所述扩展光源的透镜表面的环形部分的数量；计算每个所述环形部分的宽度；计算所述环形区域的平坦表面面积；并且通过将中心部分与所述环形部分相连接形成透镜表面，其中所述环形部分同心环绕所述中心部分。透镜一般来说分为平面透镜、凸透镜、凹透镜、非球面透镜，以及自由曲面透镜。在自由曲面透镜中，可进一步分为连续表面透镜和非连续表面透镜。在本专利技术的一个实施方式中，传统凸透镜的凸表面被一个由多个环状部分同心环绕的中心部分所替代，并因此属于自由曲面非连续表面透镜。当扩展光源的光，诸如线性光源或表面光源，穿过该新的透镜结构，每个环形部分对应扩展光源的一小部分。从而实现了一种特别处理扩展光源照明和成像的方法。本专利技术保持了传统曲面镜的特点，但是具有小的环结构(即，所述多个环形部分)，对应扩展光源的每个小的部分。本专利技术具有一个简单的结构(即，包括中心部分和同心环绕所述中心部分的多个环形部分的凸多边形表面)。对该简单结构的细化可以通过传统的机械工具来实现，可以显著降低生产成本，但同时实现上述处理扩展光源照明和成像的目的。附图说明图1为比较点光源和扩展光源之间光扩散的光线图；图2为分别来自点光源和扩展光源的折射光的光线图；图3分别为非球面透镜和球面透镜的剖面图；图4为本专利技术中心部分和多个环形部分的三维视图；图5为显示穿过本专利技术的准直光线几何图形，沿图4的A-A线的剖面图；图6为显示穿过本专利技术的光线的入射角和折射角与环形部分宽度之间关系的示意图。具体实施方式本专利技术提供一种透镜设计，用于聚焦或对准来自诸如线光源或表面光源的扩展光源的光线。与点光源不同，扩展光源以不均匀的方式传播光线。扩展光源中心的光线扩散程度低，并具有较高的光强，而扩展光源边缘的光线扩散程度高并且具有较低的光强。如果没有具有能调整光线折射角并能对应于扩展光源每一部分的特性的透镜，会产生亮度不均匀以及图像色差或图像畸变。因此，本专利技术的至少一个表面包括被多个环形区域围绕的中心区域，来替代单一的连续曲面。当来自扩展光源的光通过本专利技术，每个环形部分对应于扩展光源的一小部分。可以调整环形区域中每一个的宽度和本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于扩展光源的透镜，包括：面对扩展光源的前表面；背对扩展光源的后表面；其中，这些表面中的至少一个包括一个中心部分和多个同心围绕所述中心部分的环形部分；其中每个所述环形部分对应于所述扩散光源的一小部分。

【技术特征摘要】
2016.06.10 HK 16106705.51.一种用于扩展光源的透镜，包括：面对扩展光源的前表面；背对扩展光源的后表面；其中，这些表面中的至少一个包括一个中心部分和多个同心围绕所述中心部分的环形部分；其中每个所述环形部分对应于所述扩散光源的一小部分。2.如权利要求1所述的用于扩展光源的透镜，其特征在于，所述前表面是平的表面，并且所述后表面是凸多边形表面包括所述中央部分和所述多个环形部分。3.如权利要求1或2所述的用于扩展光源的透镜，其特征在于，所述环形部分的剖面图为直线线段，并且所述线段表示为：y＝knx+kn-1an-1+kn-2an-2+…+k2a2+k1a1+h(1)其中，k为每个所述环形部分的斜率；a为每个所述环形部分在x轴上的投影宽度；h为位于最外部所述环形部分边缘的厚度；n表示所述环形部分的数量。4.如权利要求3所述的用于扩展光源的透镜，其特征在于，所述最外部的所述环形部分以下列方程(2)中表示的角度θ11折射来自所述扩展光源最外部的光线：其中n1·sinθ'21＝n2·sinθ'11(3)n1·sinθ11＝n2·sinθ21(4)其中n1是空气的折射率；n2是所述透镜材料的折射率；θ11是当光线从所述扩展光源的最外部经过位于最外部的所述环形部分离开所述透镜的折射角；θ‘11是当光线从所述扩展光源的最外部进入所述透镜的折射角；θ21是当光线从所述扩展光源的最外部经过位于最外部的所述环形部分即将离开所述透镜的入射角；θ‘21是当光线从所述扩展光源的最外部进入所述透镜的入射角；h为位于最外部所述环形部分边缘的厚度；L为所述扩展光源的直径；D为所述透镜的直径；H为所述透镜和所述扩展光源之间的距离。5.如权利要求4所述的用于扩展光源的透镜，其特征在于，最外部的所述环形部分配置为具有如下列方程(5)表示的宽度：其中其中，B、G和c是辅助长度，β是辅助角度；m1是位于最外部的所述环形部分的宽度；θ11是当光线从所述扩展光源的最外部经过位于最外部的所述环形部分离开所述透镜的折射角；θ‘11是当光线从所述扩展光源的最外部已进入所述透镜的折射角；θ‘21是当光线从所述扩展光源的最外部进入所述透镜的入射角；θ‘22是当光线从所述扩展光源的次外部进入所述透镜的入射角；为假设所述扩展光源被分为n部分，所述扩展光源每一部分的尺寸；h为位于最外部的所述环形部分边缘的厚度；H为所述透镜和所述扩展光源之间的距离。6.如权利要求1或2所述的用于扩展光源的透镜，其特征在于，每一所述环形部分具有不同的宽度以适用于所述透镜的不同应用。7.如权利要求1或2所述的用于扩展光源的透镜，其特征在于，所述透镜由包括光学级聚合物和玻璃在内的光学或成像目的的材料制成。8.如权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：李应樵，林浩生，
申请(专利权)人：万维数码有限公司，
类型：发明
国别省市：中国香港,81