专利名称：菲涅尔透镜及具有菲涅尔透镜的照明设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及菲涅耳透镜以及具有菲涅耳透镜的照明设备，尤其涉及用作舞台和演播室的照明聚光灯的使用菲涅耳透镜的照明设备，以及其中使用的菲涅耳透镜。
背景技术：
在舞台照明和演播室照明中使用的照明设备通常悬挂在天花板上。考虑到掉落的可能性，从安全的角度考虑，希望照明设备重量轻。一般，照明设备装有高亮度的光源。因此，由于在照明时光源的热辐射，照明设备会被加热到很高的温度。因此，希望在照明设备中使用的透镜相对较薄，以便散热。菲涅耳透镜就具有实现体积薄、重量轻的特点。因此，在此领域的照明设备中，将菲涅耳透镜用作投射光线的透镜已经是通常的做法。
一般，凸透镜被形成为具有较厚的镜体，具有球面或者椭球面以提供足够的透镜光学能力，因此其重量变得较大。相反，菲涅耳透镜具有同心布置的菲涅耳透镜区，对应于凸透镜的球缺面的同心布置。因此，菲涅耳透镜具有阶梯形的透镜表面，其折射面等效于凸透镜的折射面。在一种菲涅耳透镜设计中，将一个凸透镜分割为同心的凸透镜球缺，各凸透镜球缺的较厚的部分被减薄，凸透镜的球缺表面被安排为菲涅耳透镜区，菲涅耳透镜区以相同的方式同心布置。由于菲涅耳透镜与凸透镜相比不是那么厚，因此能够实现具有与凸透镜相同的透镜光学能力的较薄的透镜。这样，能够将菲涅耳透镜制造成较薄的透镜而不会变厚，从而使透镜获得了重量轻的特性，热量不在透镜中聚集，从而也可以获得较好的散热特性。由于这些特性，菲涅耳透镜被用作光分布控制透镜，使得在用于舞台照明或者演播室照明(在这些情况下要使用高亮度、生热多的光源)的照明设备中既能实现聚光照明又能实现泛光照明。
在用于舞台照明和演播室照明的照明设备中，被投射到地面的照明光束最好具有平滑而均匀的照明分布，在其投射范围内没有亮度的不均匀性。但是，在使用传统的菲涅耳透镜的照明设备中，无法抑制照明强度的不均匀性，因此不能获得充分的舞台效果。
菲涅耳透镜中照明光束的不均匀亮度的原因在于菲涅耳透镜区的直立面。在具有从凸透镜切割出来的形状的菲涅耳透镜中，在菲涅耳透镜区之间形成了阶梯，不可避免地会具有直立面。直立面导致光线被反射或者折射到辐射区的外部，并且直立面部分地阻挡了照明光束，在照明光束中会出现暗线，比其周围要暗，从而导致亮度的不均匀。
例如在日本专利申请公开No.8-306216中已经公开了一种具有改善照明光束的不均匀性的透镜结构的菲涅耳透镜。该菲涅耳透镜被形成为基本上为弯月形透镜的形式，其底面不是平坦的，而基本上是圆形的。在该菲涅耳透镜中，每一个菲涅耳透镜区的直立面相对于光轴的角度随着离开透镜中心的径向距离而变大，直立面在径向上倾斜。在这样的菲涅耳透镜中，入射到直立面上的光线减少了，削弱了照明的亮度不均匀性。另外，在日本专利申请公开No.8-306216中提出了一种菲涅耳透镜，其中阶梯的节距变小，从而降低亮度的不均匀性。
尽管在传统的菲涅耳透镜中已经作出了减少照明光束中的亮度不均匀性的设计，但是传统的设计仍然未能充分地降低不均匀性。原因在于，如果从相邻的菲涅耳透镜区投射的光线照射底面上的相邻的区域，则照明区域会相互部分重叠，从而在这些照明区域中产生相对较强的照明部分。
对于地面上的照明分布，照明分布是由来自透镜区的光束分量产生的基本上为矩形的分布分量构成的，相邻的矩形分布分量相互重叠，因此总的照明分布具有对应于重叠的分布分量的尖峰。由于这些尖峰，传统的菲涅耳透镜具有照明光束中亮度不均匀的特性。
另外，即使将菲涅耳透镜设计为使得其透镜区在照明分布分量之间不形成重叠，由于制造的误差等，透镜区的透镜表面也会稍有偏移，结果，仍然会发生照明分布分量的重叠，导致照明不均匀。
如上所述，在使用传统的菲涅耳透镜的照明设备中，还没有提出有效的方法来解决不均匀照明的问题，因此期望有改进的菲涅耳透镜的出现。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种获得高度的舞台效果以减少照明不均匀性的照明设备，以及实现这样的照明设备的菲涅耳透镜。
根据本发明的一个方面，提供了一种具有光轴的菲涅耳透镜，包括N个由折射率为n的透镜材料制成的菲涅耳透镜区，它们围绕一个公共光轴同心地布置，被配置为将来自光源的光线以规定的辐射视角φ投射到照明区，并将它们分别形成为隆脊状，其中，每一个菲涅耳透镜区包括弯曲为朝向照明区的凹形面并具有顶部区和底部区的透镜表面；布置在相邻的透镜表面之间、与所述顶部区和底部区相接的直立面，所述顶部区和底部区在包括所述光轴的横剖面中分别限定与每一个透镜表面的顶部区和底部区相切的第一和第二切线，所述第一和第二切线之间的角度被定义为θ，并满足不等式θ≥φ/(2nN)。
根据本发明的另一方面，还提供了一种照明设备，包括发射光线的光源和具有光轴的菲涅耳透镜，该菲涅耳透镜包括N个由折射率为n的透镜材料制成的菲涅耳透镜区，它们围绕一个公共光轴同心地布置，被配置为将来自光源的光线以规定的辐射视角φ投射到照明区，并将它们分别形成为隆脊状，其中，每一个菲涅耳透镜区包括弯曲为朝向照明区的凹形面并具有顶部区和底部区的透镜表面；布置在相邻的透镜表面之间、与所述顶部区和底部区相接的直立面，所述顶部区和底部区在包括所述光轴的横剖面中分别限定与每一个透镜表面的顶部区和底部区相切的第一和第二切线，所述第一和第二切线之间的角度被定义为θ，并满足不等式θ≥φ/(2nN)。
根据本发明的另一方面，还提供了一种照明设备，包括发射光线的光源；由折射率为n的透镜材料制成的具有光轴的菲涅耳透镜，将来自光源的光线以规定的辐射视角φ投射到照明区，该菲涅耳透镜包括围绕一个公共光轴同心地布置的多个菲涅耳透镜区，它们分别形成为隆脊状，其中，每一个菲涅耳透镜区包括弯曲为朝向照明区的凹形面并具有顶部区和底部区的透镜表面；布置在相邻的透镜表面之间、与所述顶部区和底部区相接的直立面，从相邻透镜表面投射的光线分别照射具有一宽度的环形的带状区域，这些带状区域相互重叠至少该宽度的一半。
图1是简要图示根据本发明的一个实施例的照明设备的透视图；图2是在图1所示的照明设备中，用于聚光照明的光学系统的示意图；图3是在图1所示的照明设备中，用于泛光照明的光学系统的示意图；图4是在图3所示的泛光照明中发散照明光束的示意图；图5是图1到3所示的菲涅耳透镜的形状的正视图；图6是沿图5所示菲涅耳透镜的VI-VI线的剖面图；图7是图6中部分B的放大剖面图；图8是图2所示光学系统中发散照明光束的示意图；
图9是通过图7所示菲涅耳透镜的光线的光路的示意图；图10是图8中发散光束中的照明光线的重叠关系的示意图；图11是图10所示光线E3的光路的示意图；图12是图10所示光线F1的光路的示意图；图13是图1所示照明设备中照明光束的照度分布的曲线图；图14是根据比较例的菲涅耳透镜的结构的示意图；图15是根据本发明的另一个实施例要安装在照明设备中的菲涅耳透镜的示意正视图；图16是沿着图14所示XV-XV线的菲涅耳透镜剖面图；图17是图15所示部分E的放大剖面图；图18是根据第二比较例的菲涅耳透镜的结构以及通过该菲涅耳透镜的光线的光路的示意图；图19是安装图18所示的第二比较例的菲涅耳透镜的照明设备中的照明光束的照度分布的曲线图。
具体实施例方式
下面结合附图更详细地说明根据本发明的实施例的菲涅耳透镜以及带有这样的菲涅耳透镜的照明设备。在下面的说明中，原则上同样的附图标记指同一部件，从而省略其说明。
图1是根据本发明的一个实施例具有菲涅耳透镜的照明设备的示意透视图。如图1所示，照明设备2具有外壳3和布置在外壳3的开口中的菲涅耳透镜1，光源5布置在外壳3中的菲涅耳透镜1的光轴上，如图2和图3所示。另外，在外壳3中，在光源5的后侧布置作为反光单元的凸反射镜6，以将来自光源5的光束反射到菲涅耳透镜1。另外，在外壳3的前侧提供光控制器，也就是挡板4，以阻挡穿过菲涅耳透镜1的部分光束，以对光束整形。
菲涅耳透镜1由折射材料制成，折射材料比如是透明树脂或者玻璃等。最好使用具有较大比例的二氧化硅并包括硼酸(B2O3)、氧化钠或者氧化钾、氧化铝(Al2O3)等的耐热玻璃。外壳3可以由任何材料制成。但是，外壳最好由金属材料制成，比如铁或者铝等，以具有较好的散热特性和充分的强度。
图2所示的光源5和反光单元6被保持并固定到外壳3上。这些部件最好可以沿着光轴移动而以任意位置关系被固定，以便可以设定菲涅耳透镜1和光源5或者反光单元6之间的距离，并可以调节这些部件之间的位置关系，以便可以实现如图2所示的聚光照明或者如图3所示的泛光照明。
如图2和图3所示，来自光源5的光线被直接投射到菲涅耳透镜1上，从反光单元6反射的光线也被导向菲涅耳透镜1。被导向菲涅耳透镜1的光线在菲涅耳透镜1的后表面上折射，然后穿过菲涅耳透镜1。在菲涅耳透镜1的各透镜区的透镜表面上光线被再次折射，从而指向照明区7。从菲涅耳透镜1出射的光线被控制和引向各规定的方向，从而光线作为发散光束或者会聚光束被投射到照明区7。在图2中，来自菲涅耳透镜1的各透镜表面的光线基本上平行于菲涅耳透镜1的光轴50被投射，光线作为聚光照明光束被导向照明区7。聚光照明光束照射较窄的照明区7，具有发射聚光照明光束功能的照明设备就是所谓的聚光灯。在图2所示的光学系统中，光源5的光斑基本上被布置在反光单元6也就是凹面反射镜的焦点上，光源5的发光点基本上被布置在菲涅耳透镜1的后焦点上，来自光源5和反光单元6的光线作为基本上平行的光束从菲涅耳透镜1投射出去。
在照明设备2中，如果光源5和反光单元6被移动得靠近菲涅耳透镜1，如图3所示，则从照明设备2投射如图4所示的发散光束。发散光束照明如图4所示的较宽的照明区7，该照明设备2用作发射发散光束的泛光灯，均匀地照明比较宽的区域7。在图3所示的光学系统中，光源5的发光点基本上被布置在作为凹面反射镜的反光单元6的焦点上，光源5的发光点基本上被布置在菲涅耳透镜1的后焦点和菲涅耳透镜1之间，来自光源5和反光单元6的光线作为发散光束从菲涅耳透镜1投射出去。
作为一个例子，图1到4的菲涅耳透镜被形成为图5所示的形状。在菲涅耳透镜1中，从前面看时，其将光线引导到规定方向的有效面积被形成为圆形，由在其中央区域的凸透镜部分11和围绕该中央区域同心布置的菲涅耳透镜区12构成。该菲涅耳透镜1在其最外围具有一个凸缘部分13，其与菲涅耳透镜1一体地形成，用于固定和保持菲涅耳透镜1。
图6是菲涅耳透镜1的沿着图5所示的VI-VI线的剖面图，该VI-VI线过菲涅耳透镜1的光轴。如图6所示，菲涅耳透镜1具有基本上平坦的面对光源5的表面，以及对着照明区7的菲涅耳透镜区12。菲涅耳透镜区12被同心地布置，从而形成周期性布置的隆脊，隆脊的顶部和底部交替重复，形成菲涅耳透镜区12的锯齿状。菲涅耳透镜1的直径、凸透镜部分11的直径以及凸缘部分13的宽度可以根据要使用的照明设备的尺寸和重量来任意地确定，本发明并不受这些值的局限。但是，考虑到照明设备的重量要轻，要容易制造，凸透镜部分11的直径最好设置为10mm到60mm，凸缘部分13的宽度最好设置为3mm到20mm。
出于同样的原因，菲涅耳透镜区12的隆脊的顶部和底部的节距最好是2mm到10mm。菲涅耳透镜区12的顶部和底部之间的节距并不一定要均匀地设置，而是可以在2mm和10mm之间变化地设置。顺便说明，在图6所示的菲涅耳透镜1中，光源侧的表面被形成为平坦表面。
图7是图6所示的部分B的放大剖面图。在一个菲涅耳透镜区12的隆脊的横剖面中，区12由具有透镜功能的透镜表面21、对应于连接相邻区12的透镜表面的阶梯的直立面22以及隆脊的尖端或者顶部23以及底部24构成。透镜表面21不是形成在朝向外部的对应于平坦或者凸透镜的表面部分的凸表面上，而是形成在朝向外部的凹表面上。凹表面的形状形成从顶部23到底部24没有拐点的平滑曲线。
该凹表面的形状由与透镜表面21的顶部23附近的区域相切的切线C以及与隔着直立面22相邻的透镜表面21的底部24附近的区域相切的切线D确定。所述切线C和D在远离光轴并在菲涅耳透镜1和光源之间的位置相交。如图7所示，如果在切线C和切线D之间的角度被定义为θ，则满足下述等式θ≥φ/(2nN) (1)这里，φ是图4所示的照明设备的最大照明视角。n是菲涅耳透镜1的折射率，N是构成菲涅耳透镜1的菲涅耳透镜区12的数量，换句话说也就是透镜表面21的总数。透镜表面21的总数N由菲涅耳透镜1的直径、在中央的凸透镜部分11的直径、菲涅耳透镜区12的节距以及凸缘部分13的宽度确定。
如果满足等式(1)，则从相邻透镜表面21投射的光线束在照明区7相互重叠一般或者更多，从而，可以抑制照明的不均匀性。
下面说明实现等式(1)的过程。通常用于照明的菲涅耳透镜1将从图4所示的光源的发光点投射出来的光线或者光束转换为发散方向的照明视角为φ(0°＜φ＜90°)的光束，并将它们引导到照明区7。在这样的照明设备中，如图8所示，从菲涅耳透镜1的每一个菲涅耳透镜区也就是每一个透镜表面出射的光束在发散方向的发散角ω几乎与将照明视角φ除以透镜表面数N所获得的值相同。取决于透镜表面的宽度，发散角ω不是恒定的，而是稍有变化，但是可以认为基本上是恒定的。因此，对于从每一个透镜表面出射的光束在发散方向的发散角ω，基本上成立下述等式ω＝φ/N (2)另一方面，在图5和图6所示的菲涅耳透镜1中，从每一个透镜表面出射的光线在径向以发散角ω被辐射这里，菲涅耳透镜1的透镜表面被设计为使得从相邻透镜表面发散的光线在相邻透镜的相互辐射范围的一般的范围也就是ω/2的角度范围中相互重叠。这里，考虑如图9和10所示从相邻透镜表面21投射的光束组E和光束组F，从相邻透镜表面投射的光束在ω/2的角度范围上相互重叠的情形意味着包含各光线束中的光束F1的输出角t2和光束E3的输出角t1的差变为ω/2，如图11和12所示。也就是，下面的等式成立t2-t1＝ω/2 (3)
在图9所示的例子中，光线束E1、E2、E3……从沿着菲涅耳透镜1的径向在内圆周一侧布置的透镜表面射出，光线束F1、F2、F3……从在外圆周一侧布置的透镜表面射出。在投射光线束E1、E2、E3……的透镜表面中，最靠近在外圆周侧相邻的透镜表面的光线束E3过底部24附近的点G。在投射光线束F1、F2、F3……的透镜表面中，最靠近在内圆周侧相邻的透镜表面的光线束F1过顶部附近的点H。由于底部24附近的点G和顶部附近的点H相邻，光线束E3和光线束F1几乎平行地入射到底部24附近的点G和菲涅耳透镜1的顶部附近的点H。入射到底部24附近的点G的光线束E3被透镜表面的对应于底部24附近的点G的微小区域折射，并从该微小区域投射出。同样，入射到顶部附近的点H的光线束F1被透镜表面的对应于顶部附近的点H的微小区域折射，并从该微小区域投射出。结合图7所说明的与这两个微小区域相切的切线的角度之间的差θ可以被视为等于图11和12所示的各光束E3和F1的入射角i1和i2之间的差。也就是满足下列等式θ＝i1-i2(4)这里，图11图示了在底部24附近的点G中的光线束E3的轨迹，图12图示了在顶部附近的点H中的光线束F1的轨迹。如图11所示，按照入射角i1入射到透镜表面的入射光线束E3被透镜表面折射，按照出射角t1出射。如图12所示，按照入射角i2入射到透镜表面的入射光线束F1被透镜表面折射，按照出射角t2出射。根据光束反射和折射定律斯涅耳定律，在透镜折射率n、入射角i1和i2以及出射角t1和t2之间，满足下述关系式n sin i1＝sin t1n sin i2＝sin t2(5)这里，由于θ极小，通过引入近似sinθ≈θ，将上述等式近似表达为ni1＝t1ni2＝t2(6)
对于大约60度或者以下的角度(这是菲涅耳透镜中的透镜的入射角和出射角的一般范围)，该近似等式都能很好地成立。
使用上述等式(2)，(3)，(4)和(6)，对相邻的底部24附近的点和顶部附近的点处的切线形成的角度θ获得使相邻透镜表面出射的光束在相互辐射范围的一半的范围，也就是在ω/2的角度范围中相互重叠的条件式，如下θ＝φ/(2nN) (7)因此，如果等式(1)的条件得到满足，则从相互相邻的透镜表面21出射的光线束在照射面上相互重叠一般或者更多。
下面进一步研究如图5和6所示的菲涅耳透镜1，图中凸透镜部分11被布置在中央，菲涅耳透镜区12同心地围绕它。假设该菲涅耳透镜1的N个菲涅耳透镜区12，也就是N个透镜表面本身具有照明视角φf。在这样的菲涅耳透镜中，通过引入与上述等式(7)相同的条件，获得下述关系式θ＝φf/(2nN)(8)可以考虑，对于整个菲涅耳透镜的照明视角，仅由中央透镜11产生的照明视角φ0足够小。因此，仅由N个菲涅耳透镜区12产生的照明视角φf可以被视为基本上等于整个菲涅耳透镜的照明视角φ。也就是，下面的近似等式成立，并且在这种情况下等式(7)也近似成立φf＝φ-φ0＝φ(9)因此，在这种情况下，同样，如果等式(1)的条件得到满足，则从相互相邻的透镜表面21出射的光线束在被照射面上相互重叠一半或更多。
在等式(1)确实相等的情况下，也就是，如果使用等式(7)成立的结构的菲涅耳透镜1，通过从各透镜表面出射的光束，照明区7被如图13所述的照度分布所照明。如图13所示，从各透镜表面出射的光线束E和F的照度分布变为接近提醒，分别如虚线52所示。从整个菲涅耳透镜1出射的光束的照度分布(它们相互重叠)变为平滑而均匀的照度分布，如图13中的实线54所示。
下面说明作为第一比较例的如图14所示的菲涅耳透镜的照度分布。在如图14所示的该菲涅耳透镜93中，虚线所示的凸透镜91的透镜表面被分割为同心的凹透镜区，各凹透镜区的较厚部分被减薄，并被代以菲涅耳透镜区94，菲涅耳透镜区以相同的方式同心布置。在这样的取代凸透镜91的菲涅耳透镜93中，在菲涅耳透镜区94之间出现阶梯，在阶梯上总是有直立面95，直立面95使得光束被反射或者折射到照明区的外部，直立面95阻挡了照明光束，在照明光束中出现比周围暗的暗线，导致亮度不均匀，在照度分布中出现低照度水平的区域。与此相对照，根据图6所示的菲涅耳透镜1，如图13中的实线54所示，可以实线平滑、均匀的照度分布。
顺便说明，图13图示了从相互相邻的透镜表面出射的光束或光线束相互在被照明面上仅重叠一半的情况，如果重叠一半或者更多，也就是如果等式(1)成立，则可以形成充分平滑的照度分布。另外，即使由于生产误差等使得一个透镜表面出射的光束的照明区产生位移，整个照度分布也不会改变很大，因此可以抑制照度的不均匀性。
下面结合图15到17描述根据本发明的菲涅耳透镜1的另一个实施例。图15图示了根据本发明另一个实施例的菲涅耳透镜1的正视图。图15所示的菲涅耳透镜1也被形成为圆形，由在中央的凸透镜部分11和围绕中央部分同心形成的菲涅耳透镜区12构成。另外，菲涅耳透镜1在最外缘具有凸缘部分13，后者用于在菲涅耳透镜区12的外部固定和保持透镜。
图16是菲涅耳透镜1沿着图15所示的XV-XV线的剖面图。菲涅耳透镜1在光源侧具有圆弧形的底面，构成菲涅耳透镜1的菲涅耳透镜区12分别被形成为隆脊形状。菲涅耳透镜区同心地布置，形成为这样的形状顶部和底部交替重复，菲涅耳透镜1的整体形状为锯齿状，其顶部和底部内接与圆弧17并沿着该圆弧布置。整个菲涅耳透镜1是弯月形，其剖面基本上为圆弧形状。
菲涅耳透镜1的直径、凸透镜部分11的直径以及凸缘部分13的宽度的值可以根据要使用的照明设备的尺寸和重量来任意地确定，本发明并不受这些值的局限。但是，考虑到照明设备的重量要轻，要容易制造，凸透镜部分11的直径最好设置为10mm到60mm，凸缘部分13的宽度最好设置为3mm到20mm。出于同样的原因，构成菲涅耳透镜区12的隆脊的顶部和底部的节距最好是2mm到10mm。菲涅耳透镜区12中所包含的齿顶和齿根之间的节距并不一定要均匀地设置，而是可以在2mm和10mm之间变化地设置。
图17是图16所示的部分E的放大剖面图。如图17所示，当注意一个菲涅耳透镜区12的隆脊时，菲涅耳透镜区12由具有透镜功能的透镜表面21、作为相邻透镜表面之间的阶梯的直立面22以及齿尖的顶部23和齿根的底部24构成。以与图7所示的透镜表面21相同的方式，透镜表面21被形成为朝向外部的凹形。该凹形被形成为从顶部23到底部24没有拐点的平滑曲线。
透镜表面由与透镜表面21的顶部23附近的区域相切的切线C以及与隔着直立面22相邻的透镜表面21的底部24附近的区域相切的切线D限定。所述切线C和D在远离光轴的位置相交。此时，与上述实施例的方式一样，切线C和切线D之间形成的角度θ满足等式(1)。
根据如上所述的菲涅耳透镜，可以使得被相邻透镜表面出射的光线束E和F照射的区域的径向宽度的大约一半或者更多相互重叠。
作为第二比较例，下面说明如图18所示的在弯月形透镜上形成的菲涅耳透镜。在如图18所示的菲涅耳透镜中，从中心朝向透镜的外围，每一个菲涅耳透镜区100的直立面95与光轴之间的角度随着基本上圆弧形的底面形状变大，并且直立面95径向膨胀。在这样的菲涅耳透镜中，进入直立面95的光束量减少了，减少了照明光束中的亮度不均匀性，但是，如图19所示，在照度分布中出现由于光束的重叠而产生的峰。也就是，仅由每个区94的透镜表面101a和101b出射的光束形成的区域P和Q中的照度分布变为基本上矩形的分布如图19中的附图标记60所示，但是，由于出现这些区域的相互重叠现象，作为其总和的从整个菲涅耳透镜出射的光束的照度分布具有对应于重叠区域的尖峰。由于这些尖峰62，在图18所示的菲涅耳透镜中，产生了照明光束的不均匀性。与此相对照，根据图17所示的菲涅耳透镜1，如图13中的实线54所示，可以实现平滑的均匀的照度分布。
在上面的实施例中，为了进一步抑制不均匀的照明，菲涅耳透镜的后表面14或者直立面22或者二者都可以形成为具有散射光束的功能的粗糙面。作为形成粗糙面的一个具体实例，有一种方法是形成这样的结构随机地或者按照网状图案布置直径0.1mm到3mm、高度0.1mm到3mm的极小的穹顶形状的凹陷或者凸起。另外，另一种方法是通过对后表面14矩形化学处理而形成随机的凹陷和凸起的结构。
另外，为了简化菲涅耳透镜1的制造，形成菲涅耳透镜形状的顶部23或者底部24或者二者在径向上的剖面形状可以被形成为被包含在基本上圆弧形的形状中。为了抑制对照明光束的影响，最好使得圆弧的曲率半径为0.05mm到1mm。通过将顶部23形成为基本上圆弧形状，可以获得透镜表面的顶部23难以破裂(会导致不均匀的照明光束)的菲涅耳透镜。另外，在用金属模型成型工艺制造菲涅耳透镜的情况下，通过使顶部23和底部24形成基本上圆弧形状，熔融玻璃容易进入金属模型中的小空穴。因此，可以通过容易的制造工艺获得形状复杂的菲涅耳透镜。
根据本发明，菲涅耳透镜的各透镜表面的结构被形成为使得相邻透镜表面照射的区域相互重叠一半或者更多。因此，可以抑制由于被照射面上的暗线或者亮线而导致的不均匀照明。
本领域的普通技术人员很容易知道其它的优点和改进方案。因此，本发明的保护范围不限于这里所图示和描述的具体细节和代表性实施例。因此，在所附权利要求及其等效方案所限定的总体发明构思的实质范围内可以作出各种修改。
权利要求
1.一种具有光轴的菲涅耳透镜，包括N个由折射率为n的透镜材料制成的菲涅耳透镜区，它们围绕一个公共光轴同心地布置，被配置为将来自光源的光线以规定的辐射视角中投射到照明区，并将它们分别形成为隆脊状，其中，每一个菲涅耳透镜区包括弯曲为朝向照明区的凹形面并具有顶部区和底部区的透镜表面；布置在相邻的透镜表面之间、与所述顶部区和底部区相接的直立面，所述顶部区和底部区在包括所述光轴的横剖面中分别限定与每一个透镜表面的顶部区和底部区相切的第一和第二切线，所述第一和第二切线之间的角度被定义为θ，并满足不等式θ≥φ/(2nN)。
2.如权利要求1所述的菲涅耳透镜，其中，所述透镜表面和所述直立面之间的顶部区和底部区是圆形的。
3.如权利要求1所述的菲涅耳透镜，还包括在所述光轴上的凸透镜部分。
4.如权利要求1所述的菲涅耳透镜，其中，所述菲涅耳透镜包括对着所述光源的平坦面。
5.如权利要求1所述的菲涅耳透镜，其中，所述菲涅耳透镜具有基本上为弯月形透镜的形式，具有一个圆弧面，该圆弧面上布置所述多个菲涅耳透镜区的所述顶部区。
6.如权利要求1所述的菲涅耳透镜，其中，所述透镜表面散射光线。
7.如权利要求1所述的菲涅耳透镜，其中，所述菲涅耳透镜具有一个对着所述光源的、散射光线的后表面。
8.如权利要求7所述的菲涅耳透镜，其中，所述直立面散射光线。
9.一种照明设备，包括发射光线的光源和具有光轴的菲涅耳透镜，该菲涅耳透镜包括N个由折射率为n的透镜材料制成的菲涅耳透镜区，它们围绕一个公共光轴同心地布置，被配置为将来自光源的光线以规定的辐射视角中投射到照明区，并将它们分别形成为隆脊状，其中，每一个菲涅耳透镜区包括弯曲为朝向照明区的凹形面并具有顶部区和底部区的透镜表面；布置在相邻的透镜表面之间、与所述顶部区和底部区相接的直立面，所述顶部区和底部区在包括所述光轴的横剖面中分别限定与每一个透镜表面的顶部区和底部区相切的第一和第二切线，所述第一和第二切线之间的角度被定义为θ，并满足不等式θ≥φ/(2nN)。
10.一种照明设备，包括发射光线的光源；由折射率为n的透镜材料制成的具有光轴的菲涅耳透镜，将来自光源的光线以规定的辐射视角φ投射到照明区，该菲涅耳透镜包括围绕一个公共光轴同心地布置的多个菲涅耳透镜区，它们分别形成为隆脊状，其中，每一个菲涅耳透镜区包括弯曲为朝向照明区的凹形面并具有顶部区和底部区的透镜表面；布置在相邻的透镜表面之间、与所述顶部区和底部区相接的直立面，从相邻透镜表面投射的光线分别照射具有一宽度的环形的带状区域，这些带状区域相互重叠至少该宽度的一半。
全文摘要
本申请涉及菲涅耳透镜及具有菲涅耳透镜的照明设备。该菲涅耳透镜由折射率为n的透镜材料制成，将来自光源的光束以规定的辐射视角φ聚焦，具有N个环形围绕公共光轴同心布置的环形透镜表面21，以及多个在这些透镜表面21之间相间地相邻布置的多个环形直立面22，隔着至少一个直立面22相邻的两个透镜表面21为凹形面，与通过这些透镜表面12的光轴的横剖面的形状的直立面21相交的交点处的切线C和D在外部与光轴相交，如果将这些切线之间形成的角度定义为θ，则满足关系式θ≥φ/(2nN)。
文档编号F21V5/04GK1828339SQ20051010396
公开日2006年9月6日 申请日期2005年9月16日 优先权日2004年9月16日
发明者森野刚志, 本宮佳典, 白土昌孝, 德原直人 申请人:株式会社东芝, 东芝照明技术株式会社