一种非等深非等宽的菲涅尔透镜的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种菲涅尔透镜，尤其涉及一种齿深非等深齿距非等宽的菲涅尔透 镜。
【背景技术】
[0002] 菲涅尔透镜具有面积大、重量轻、价格低和轻便易携带等优点，是一种应用十分广 泛的光学元件，其设计和制造涉及多个领域。菲涅尔透镜主要用途有:一是聚焦作用，这种 透镜作为聚光元件广泛应用于太阳能、投影仪、单反相机、裸眼3D显示等领域;二是将探测 区域内分为若干个明暗带，使进入探测区域的移动物体能以温度变化的形式在被动式红外 探测器(Passive Infrared Detection，简称:PIR探测器)上产生变化热释红外信号。
[0003] 菲涅尔透镜通常是由许多个小锯齿构成，通过控制这些锯齿的工作面角度，从而 达到对指定光谱范围的光带通(反射或者折射)的作用。传统的菲涅尔透镜结构可以分为等 齿深和等齿距结构两种：
[0004] 第一种:等齿深菲涅尔透镜，如图1所示，假设等齿深菲涅尔透镜的深度为h，根据 折射定律求出等深锯齿下每一个的锯齿宽度d。这种等齿深设计的特点是每一个锯齿的齿 距d从中心齿向两边递减，由于中间锯齿一般比较宽，因此为了提高中间锯齿的聚光效率， 该部分多被加工成球面或非球面。当齿深h设定在微米量级（lum-50um)时，中间锯齿的圆 弧部分几乎呈一个平面，刀具从邻近锯齿进入中间锯齿后，其轨迹方程发生突变，容易在深 度控制和面型精度上出现较大的误差，影响光学效果。
[0005] 例如，基于折射定律，以20um为固定齿深，焦距设定为120mm，透镜半宽设为40mm进 行等深菲涅尔透镜设计，可以得到透镜中心锯齿半宽为1.6732mm，最小齿宽为0.035mm，它 的齿距随着锯齿序号的变化如图2所示。从图2可以明显看出，在中心锯齿附近，X方向的齿 宽变化非常陡峭，大约在第20个锯齿附近出现了一个接近90度的弯角。当刀具进入前20个 锯齿时，由于在X方向由微米量级变为毫米量级，而在Z方向为微米量级，容易在Z方向上出 现较大的进给误差。
[0006] 由此可见，等深菲涅尔透镜结构容易面临中间圆弧部分加工误差较大的问题，尤 其当锯齿深度设定得较小时最为明显。
[0007] 第二种:等齿距菲涅尔透镜，如图3所示，设定齿距d为恒定值，根据折射定律求出 不同锯齿的深度h。这种等齿距设计的特点是齿深由中心向两边递增，其存在以下缺点:一、 由于中间部分锯齿深度几乎接近〇,因此当恒定齿距较小时，这部分的深度控制同样容易面 临精度不够的问题。二、由于边缘齿深较大，这部分的锯齿较易产生崩裂、断角等问题，从而 影响光学质量。三、因为UV材料的紫外固化特性，齿深变化太大的齿形结构容易导致UV材料 在固化成型时大面积地在X方向流动，增加锯齿的面型误差，所以这种等距设计一般不能应 用于基于UV材料的卷对卷(roll-to-roll)压纹加工方案上。
[0008] 例如，以0.1mm作为恒定齿距，半宽为40mm，焦距为120mm，根据折射定律设计等宽 菲涅尔透镜，所得到的中间锯齿齿深为0 · 07um，边缘齿深为69 · 2um，中间12个锯齿的齿深都 在lum以下。如果要良好控制中间12个齿的齿深误差，加工设备的精度起码需要达到0.07um 以下，而目前国内大部分厂商，即使拥有单点金刚石车床，都只能控制最小切削厚度在 0. lum以上，因此对于0.1mm等齿距菲涅尔透镜的加工上存在较大的误差。
[0009] 综上所述，无论是等深菲涅尔透镜还是等宽菲涅尔透镜，在透镜中心附近都存在 加工误差的限制，大大制约了菲涅尔透镜技术在一些特殊的领域上的应用。
【发明内容】
[0010] 本发明的目的在于提供一种非等深非等宽的菲涅尔透镜，该非等深非等宽的菲涅 尔透镜可有效减小透镜中间锯齿的加工误差，降低加工难度；同时能将锯齿的齿深或齿距 变化的速率减缓，使采用Roll-to-roll UV压纹法的加工工艺得到该非等深非等宽的菲涅 尔透镜成为可能。
[0011] 为了实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案如下：
[0012] -种非等深非等宽的菲涅尔透镜，其包括一入射面及一出射面，在所述入射面环 设有多个凸起的齿纹，该透镜的齿距从中心锯齿开始向两边递减，且透镜的齿深从中心锯 齿开始向两边递增。
[0013] 作为一种具体的实施例，所述齿距的分布服从等差递减数列。
[0014] 作为一种具体的实施例，所述齿距的分布服从等比递减数列。
[0015] 作为一种具体的实施例，所述齿深的分布服从等差递增数列。
[0016] 作为一种具体的实施例，所述齿深的分布服从等比递增数列。
[0017] 进一步地，该非等深非等宽的菲涅尔透镜采用PMMA、UV或玻璃材料制成。
[0018] 作为一种具体的实施例，该非等深非等宽的菲涅尔透镜呈圆环形。
[0019] 作为一种具体的实施例，该非等深非等宽的菲涅尔透镜为线性结构。
[0020] 本发明提供的技术方案具有如下有益效果：
[0021] 本发明的非等深非等宽的菲涅尔透镜，有效减小透镜中间锯齿的加工误差，降低 加工难度；同时能将锯齿的齿深或齿距变化的速率减缓，使得该设计能同时应用在PMMA热 压法以及Roll-to-roll UV压纹法的加工工艺上。
【附图说明】
[0022] 图1是现有技术中的等深菲涅尔透镜的结构示意图。
[0023]图2是等深菲涅尔透镜的齿距随齿距随着锯齿序号的变化图。
[0024] 图3是现有技术中的等宽菲涅尔透镜的结构示意图。
[0025] 图4是本发明的非等深非等宽的菲涅尔透镜一种实施例的结构示意图。
[0026]图5是光线从光轴上点A传播至菲涅尔透镜的第η个锯齿上，经该锯齿折射后与光 轴相交于点Β光传播不意图。
[0027]图6是本发明的齿距分布服从等差递减数列时，齿距的宽度随锯齿序号变化示意 图。
[0028] 图7是本发明的齿距分布服从等差递减数列时，其齿深随锯齿序号变化示意图。
[0029] 图8是本发明的齿距分布服从等差递减数列时，其齿深随锯齿序号变化，与等宽菲 涅尔透镜齿深随锯齿序号变化的对比图。
[0030] 图9是本发明的齿距分布服从等差递减数列时，其齿距随锯齿序号变化，与等深菲 涅尔透镜的齿距随锯齿序号变化的对比图。
【具体实施方式】
[0031] 为了充分地了解本发明的目的、特征和效果，以下将结合附图对本发明的构思、具 体结构及产生的技术效果作进一步说明。
[0032] 本发明提供了一种非等深非等宽的菲涅尔透镜，其包括一入射面及一出射面，在 所述入射面环设有多个凸起的齿纹。其中，该透镜的齿距从中心锯齿开始向两边递减，且透 镜的齿深从中心锯齿开始向两边递增。如图4所示，可以清楚地看出，本发明的菲涅尔透镜 的齿距从中心锯齿向两边递减，齿深向两边递增。
[0033]优选地，本发明的非等深非等宽的菲涅尔透镜的齿距的分布服从等差递减数列、 等比递减数列变化，相应地，该菲涅尔透镜的齿深根据折射定律计算求得，随着齿距从中心 锯齿开始向两边递减，齿深从中心锯齿向两边递增。
[0034] 优选地，本发明的非等深非等宽的菲涅尔透镜的齿深的分布服从等差递增数列、 等比递增数列变化，相应地，该菲涅尔透镜的齿距根据折射定律计算求得，随着齿深从中心 锯齿开始向两边递增，齿距从中心锯齿向两边递减。
[0035] 该非等深非等宽的菲涅尔透镜采用PMMA、UV或玻璃材料制成。该非等深非等宽的 菲涅尔透镜呈圆环形或线性结构。
[0036] 需要说明的是，本发明的菲涅尔透镜的材料包括但不限于上述的PMMA、UV或玻璃 材料，其结构也不限于上述的圆环形或线性结构，只要在齿距从中心锯齿开始向两边递减， 且透镜的齿深向两边递增的菲涅尔透镜，均在本发明的保护范围之内。