一種用于擴展光源的透鏡及其設計方法與流程

本發明涉及一種透鏡，特別是具有環形區域的透鏡，該透鏡設計成對諸如線光源或表面光源的擴展光源發出的光線進行聚焦或者對準。

背景技術：

無限遠的光源通常被當作具有可忽略尺寸的點光源13，由圖1中的虛線11表示，該點光源的光線在所有方向均勻漫射。現實中，沒有光源實際上是無限小的。例如，發光二極管和圖像傳感器上的像素具有實際尺寸，因此可以被作為擴展光源，諸如精細線光源或表面光源。盡管如此，假設光源為一個點光源能使相關的光學分析變得較為簡單。因此，用于物距和圖像距離、焦距及放大的方程推導均基于光源理論上來說是點光源的假設。

在圖1中，實線12表示從擴展光源漫射的光線。與各向同性點光源不同，從擴展光源14的中心漫射的光擴散程度低因此具有較高的光強；而從擴展光源邊緣漫射的光擴散程度高而具有較低的光強。因此，基于上述點光源的假設和忽略擴展光源特性的光學透鏡設計，不管使用何種材料，都會產生不良影響。例如，當所述光學透鏡設計用于一般的照明目的，它將在光的中心部分和邊緣部分產生不同的亮度，從而影響照明效果。類似地，當所述光學透鏡設計用于成像，透鏡不能很好地聚焦或對準從而產生畸變，這是光學透鏡設計產生不清楚圖像的根本問題。如果擴展光源相對很大，就不會只有畸變這么簡單，還會產生圖像失真。因此，諸如球面透鏡的普通透鏡設計，當應用于較大的線光源或表面光源，不宜按點光源的假設進行設計。圖2比較了點光源23的折射光21與擴展光源24的折射光22通過平凹透鏡25時的不同。

為了將上述不良影響降低到最小，工業界廣泛使用球面透鏡。圖3顯示了球面透鏡31的形狀與非球面透鏡32的形狀差別。非球面透鏡表面的曲率可以被特別研磨或制模以容納光源的尺寸和大小。由于非球面結構的唯一性，傳統工具不具有非球面加工的能力，因此需要特殊的工藝方法來制備非球面透鏡，諸如超精密氣囊拋光法。采購和使用這種復雜的設備帶來高生產成本，并且這種高生產成本將最終轉移到消費者。因此，非球面透鏡的市場價格一直非常高。此外，不僅設計復雜，并且具有較高的生產成本，而且非球面透鏡的平面精度比傳統的透鏡要低。因此，具有高精度的成本有效的透鏡設計，特別是能夠滿足擴展光源透光率需求的透鏡設計，是本發明的主要目標。

技術實現要素：

本發明的主要目標是提供一種用于聚焦和對準來自擴展光源的光線的透鏡，所述擴展光源為諸如線光源或表面光源。

為了獲得上述目標，提供一種用于聚焦或對準擴展光源發出光線的透鏡，包括面對擴展光源的前表面，背離擴展光源的后表面。這些表面中的至少一個包括一個中心區域和多個同心圍繞所述中心部分的環形部分。每個環形部分對應于擴散光源的一小部分。

優選地，所述前表面是平的表面，并且所述后表面是凸多邊形表面包括中央部分和同心圍繞中央部分的多個環形部分。

優選地，環形部分的剖面圖為線段，并且所述線段可以表示為：

y＝knx+kn-1an-1+kn-2an-2+…+k2a2+k1a1+h(1)

其中，k為每個所述環形部分的斜率；

a為每個所述環形部分在x-軸上的投影寬度；

h為位于最外部所述環形部分邊緣的厚度；

n表示所述環形部分的數量。

優選地，該位于最外部的所述環形部分以下列方程(2)中表示的角度θ11折射來自擴展光源最外部的光線：

其中

n1·sinθ'21＝n2·sinθ'11(3)

n1·sinθ11＝n2·sinθ21(4)

其中

n1是空氣的折射率；

n2是所述透鏡材料的折射率；

θ11

是當光線從所述擴展光源的最外部經過位于最外部的所述環形部分離開所述透鏡的折射角；

θ‘11是當光線從所述擴展光源的最外部進入所述透鏡的折射角；

θ21

是當光線從所述擴展光源的最外部經過位于最外部的所述環形部分即將離開所述透鏡的入射角；θ‘21是當光線從所述擴展光源的最外部進入所述透鏡的入射角；

h為位于最外部所述環形部分邊緣的厚度；

l為所述擴展光源的直徑；

d為所述透鏡的直徑；

h為所述透鏡和所述擴展光源之間的距離。

優選地，位于最外部的所述環形部分配置為具有如下列方程(5)表示的寬度：

其中

其中，b、g和c是輔助長度，β是輔助角度；

m1是位于最外部的所述環形部分的寬度；

θ11

是當光線從所述擴展光源的最外部經過位于最外部的所述環形部分離開所述透鏡的折射角；

θ‘11是當光線從所述擴展光源的最外部已進入所述透鏡的折射角；

θ‘21是當光線從所述擴展光源的最外部進入所述透鏡的入射角；

θ‘22是當光線從所述擴展光源的次外部進入所述透鏡的入射角；

為假設所述擴展光源被分為n部分，所述擴展光源每一部分的尺寸；

h為位于最外部的所述環形部分邊緣的厚度；

h為所述透鏡和所述擴展光源之間的距離。

每一環形部分可具有不同的寬度以適用于所述透鏡的不同應用。

優選地，該透鏡由包括光學級聚合物和玻璃在內的光學或成像目的的材料制成。

優選地，該透鏡為用于包括電影攝影機、數碼相機、移動電話和平板電腦在內的光學器件的透鏡。該透鏡為用于包括3d顯示、電視和圖像投影儀在內的光學器件的透鏡。該透鏡還可以為用于照明設備的透鏡。

本發明還提供了一種設計用于聚焦和對準來自擴展光源光線的透鏡的方法，包括下列步驟：測量擴展光源的尺寸；確定對應于所述擴展光源的透鏡表面的環形部分的數量；計算每個所述環形部分的寬度；計算所述環形區域的平坦表面面積；并且通過將中心部分與所述環形部分相連接形成透鏡表面，其中所述環形部分同心環繞所述中心部分。

透鏡一般來說分為平面透鏡、凸透鏡、凹透鏡、非球面透鏡，以及自由曲面透鏡。在自由曲面透鏡中，可進一步分為連續表面透鏡和非連續表面透鏡。在本發明的一個實施方式中，傳統凸透鏡的凸表面被一個由多個環狀部分同心環繞的中心部分所替代，并因此屬于自由曲面非連續表面透鏡。當擴展光源的光，諸如線性光源或表面光源，穿過該新的透鏡結構，每個環形部分對應擴展光源的一小部分。從而實現了一種特別處理擴展光源照明和成像的方法。

本發明保持了傳統曲面鏡的特點，但是具有小的環結構(即，所述多個環形部分)，對應擴展光源的每個小的部分。本發明具有一個簡單的結構(即，包括中心部分和同心環繞所述中心部分的多個環形部分的凸多邊形表面)。對該簡單結構的細化可以通過傳統的機械工具來實現，可以顯著降低生產成本，但同時實現上述處理擴展光源照明和成像的目的。

附圖說明

圖1為比較點光源和擴展光源之間光擴散的光線圖；

圖2為分別來自點光源和擴展光源的折射光的光線圖；

圖3分別為非球面透鏡和球面透鏡的剖面圖；

圖4為本發明中心部分和多個環形部分的三維視圖；

圖5為顯示穿過本發明的準直光線幾何圖形，沿圖4的a-a線的剖面圖；

圖6為顯示穿過本發明的光線的入射角和折射角與環形部分寬度之間關系的示意圖。

具體實施方式

本發明提供一種透鏡設計，用于聚焦或對準來自諸如線光源或表面光源的擴展光源的光線。與點光源不同，擴展光源以不均勻的方式傳播光線。擴展光源中心的光線擴散程度低，并具有較高的光強，而擴展光源邊緣的光線擴散程度高并且具有較低的光強。如果沒有具有能調整光線折射角并能對應于擴展光源每一部分的特性的透鏡，會產生亮度不均勻以及圖像色差或圖像畸變。因此，本發明的至少一個表面包括被多個環形區域圍繞的中心區域，來替代單一的連續曲面。當來自擴展光源的光通過本發明，每個環形部分對應于擴展光源的一小部分。可以調整環形區域中每一個的寬度和連接角，這樣從擴展光源傳播的光線可以聚焦在沒有畸變的焦平面或通過平行光射線來對準。

本發明包括兩個表面。前表面面對擴展光源而后表面背對擴展光源。至少一個表面包括同心環繞中心區域的多個環形部分。所述中心部分和同心環繞該中心部分的多個環形部分形成一個多邊形表面。優選地，所述多邊形表面為凸面，盡管凹面也適合。優選地，透鏡的后表面具有多個環形部分，盡管前表面也適合。

圖4顯示了本發明的一個實施方式。在該實施方式中，本發明透鏡4包括面對擴展光源的平坦前表面(該附圖中未示出)，以及一個凸面多邊形后表面41。該凸面多邊形后表面41包括一個中心部分42和同心圍繞該中心部分的環形部分43。如圖所示，有四個環形部分43a，43b，43c和43d。環形部分43的數量和寬度取決于擴展光源的尺寸。可以理解的是，不偏離公開范圍，對環形部分43的數量和寬度可以調整是可以實現的。

圖5顯示了沿圖4的a-a線的本發明透鏡4剖面圖。假設擴展光源51在底部的發射率是平均分散在一定數量的小的部分中，并且每個小的部分對應透鏡4的一個部分。中心部分42對應擴展光源51的中心部分51e，并允許從擴展光源51的中心部分51e發射的光從中間通過。每個環形部分43對應擴展光源51的一小部分。例如，環形部分43a，43b，43c和43d分別對應于擴展光源的部分51a，51b，51c和51d。為了保證從擴展光源51發射的光聚焦于焦平面或者對準平行光射線，每個環形部分43的寬度和平坦表面面積，以及每個環形部分43連接到相鄰中心部分42或環形部分43的角度，以對應于擴展光源51入射角的方式進行計算。如圖5所示，環形部分43的剖面圖為可以表示為如下等式的線段

y＝knx+kn-1an-1+kn-2an-2+…+k2a2+k1a1+h(1)

其中，k為每個所述環形部分的斜率；

a為每個所述環形部分在x-軸上的投影寬度；

h為位于最外部所述環形部分邊緣的厚度；

n表示所述環形部分的數量。

如圖6所示，本發明的設計運用了折射的基本原理。可以因此確定擴展光源每一部

分發出的光的入射角和折射角以及每個環形部分平坦表面面積。例如，下文顯示的計算最外

部的環形部分寬度m1的方程。

首先，在最外部的環形部分以角度θ11折射從擴展光源最外部發出的光，角度θ11

可以從下列方程來獲得：

其中

n1·sinθ'21＝n2·sinθ'11(3)

n1·sinθ11＝n2·sinθ21(4)

其中

n1是空氣的折射率；

n2是所述透鏡材料的折射率；

θ11

是當光線從所述擴展光源的最外部經過位于最外部的所述環形部分離開所述透鏡的折射角；

θ‘11是當光線從所述擴展光源的最外部進入所述透鏡的折射角；

θ21

是當光線從所述擴展光源的最外部經過位于最外部的所述環形部分即將離開所述透鏡的入射角；θ‘21是當光線從所述擴展光源的最外部進入所述透鏡的入射角；

h為位于最外部所述環形部分邊緣的厚度；

l為所述擴展光源的直徑；

d為所述透鏡的直徑；

h為所述透鏡和所述擴展光源之間的距離。

可以從下列方程來確定最外部的環形部分寬度m1：

其中

其中，為便于計算，如圖6所示，b,g和c是輔助長度，β是輔助角度；

m1是位于最外部的所述環形部分的寬度；

θ11

是當光線從所述擴展光源的最外部經過位于最外部的所述環形部分離開所述透鏡的折射角；θ‘11是當光線從所述擴展光源的最外部已進入所述透鏡的折射角；

θ‘21是當光線從所述擴展光源的最外部進入所述透鏡的入射角；

θ‘22是當光線從所述擴展光源的次外部進入所述透鏡的入射角；

為假設所述擴展光源被分為n部分，所述擴展光源每一部分的尺寸；

h為位于最外部的所述環形部分邊緣的厚度；

h為所述透鏡和所述擴展光源之間的距離。

由于d，h和l的值是已知的，而h和n的值在設計本發明的過程中可以設定，因此能夠確定擴展光源每一部分光的入射角和折射角，以及每個環形部分的寬度。可以根據獲得的每個環形部分的寬度值來計算每個環形部分的平坦表面面積。可以計算和調節每個環形部分的寬度和平坦表面面積以適用于本發明的不同應用。

實踐中，通過上述計算可以獲得糾正已折射光線不均勻的亮度和畸變的滿意效果。

本發明通過光學或成像目的的材料來制備，包括光學聚合物和玻璃。

本發明能夠應用于任何光學器件，諸如用于膠卷相機、數碼相機、移動電話或平板電腦的透鏡，圖像投影儀，三維電視或三維顯示的柱狀透鏡。

本發明還提供了一種設計用于聚焦和對準來自擴展光源光線的透鏡的方法，包括下列步驟：測量擴展光源的尺寸；確定對應于擴展光源的透鏡表面的環形部分的數量；計算每個環形區域的寬度；計算該環形區域的平坦表面面積；并且通過將中心部分與該環形部分相連接形成透鏡表面，其中該環形部分同心環繞中心部分。

計算每個環形部分寬度的步驟還包括，當光從擴展光源穿過該環形部分時，計算折射角度；并基于該獲得的折射角計算每個環形部分的寬度。

當光從擴展光源穿過該環形部分時，計算折射角度的步驟通過下列方程(2)來表述，其中自擴展光源的光由擴展光源最外部的光來表示，并且該環形部分由最外部的環形部分來表示：

其中

n1·sinθ'21＝n2·sinθ'11(3)

n1·sinθ11＝n2·sinθ21(4)

其中

n1是空氣的折射率；

n2是所述透鏡材料的折射率；

θ11

是當光線從所述擴展光源的最外部經過位于最外部的所述環形部分離開所述透鏡的折射角；

θ‘11是當光線從所述擴展光源的最外部進入所述透鏡的折射角；

θ21

是當光線從所述擴展光源的最外部經過位于最外部的所述環形部分即將離開所述透鏡的入射角；θ‘21是當光線從所述擴展光源的最外部進入所述透鏡的入射角；

h為位于最外部所述環形部分邊緣的厚度；

l為所述擴展光源的直徑；

d為所述透鏡的直徑；

h為所述透鏡和所述擴展光源之間的距離。

基于折射角計算每個環形部分的寬度的步驟由下列方程(5)表示，其中每個環形部

分的寬度由最外部的環形部分的寬度來表示：

其中

其中，為便于計算，如圖6所示，b,g和c是輔助長度，β是輔助角度；

m1是位于最外部的所述環形部分的寬度；

θ11

是當光線從所述擴展光源的最外部經過位于最外部的所述環形部分離開所述透鏡的折射角；

θ‘11是當光線從所述擴展光源的最外部已進入所述透鏡的折射角；

θ‘21是當光線從所述擴展光源的最外部進入所述透鏡的入射角；

θ‘22是當光線從所述擴展光源的次外部進入所述透鏡的入射角；

為假設所述擴展光源被分為n部分，所述擴展光源每一部分的尺寸；

h為位于最外部的所述環形部分邊緣的厚度；

h為所述透鏡和所述擴展光源之間的距離。

可以理解上述具體實施方式僅以示意的方式展示和描述。本發明的不同實施方式在不偏離公開范圍的情況下均是可能的，諸如環形環的數量，每個環形環的寬度變化，以及計算寬度和平坦表面面積的方法。上述實施方式展示可能的公開范圍但不限于該公開范圍。