一种透镜和透镜系统及其用图
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种光学器件，尤其涉及一种透镜和透镜系统及用途。
【背景技术】
[0002] 随着半导体材料和工艺的不断发展，发光二极管（LED)正逐渐取代传统光源。这 是由于发光二极管特殊的发光原理是其在达到同等亮度情况下所需消耗的能量远远低于 普通白炽灯，而且其具有寿命长、无污染等优点，在照明和背光领域有着广阔的前景。
[0003] 在LED照明产品中，人们为得到适当的光线分布和光照强度，往往需要在LED灯珠 前再安装一个透镜，以此实现对光线的会聚，如采用菲涅尔透镜可将处从其焦点发出的光 线转变为平行光。
[0004] 另外，为了进一步将LED光线充分利用，目前的主流方法是在透镜上设置一个腔 体，将LED光源设置在该腔体内。因为LED作为点光源时发出的光是分布在180度空间内 的，利用上述方法理论上可以使LED发出的所有光都能射入透镜，再根据透镜的结构对入 射光的出射方向进行调整，以达到会聚、匀光等效果。
[0005] 在一些使用情况下还有对于出射光光斑的要求，这通常可以通过调整LED光源与 透镜的相对位置来实现。
[0006] 要实现如上所述的所有需求，需要通过精确的模拟计算来得到透镜的形状。目前 此类透镜一般都具有前表面、侧表面、后表面，后表面会限定一个腔体来作为LED光源的放 置区域，以使LED发出的所有光线都能被限制在腔体内。此时需要根据设计的光路来计算 推导出前表面、后表面和侧表面的弧面形状，这也涉及到了各表面相互间的配合，这对于实 现光线的光路控制尤为重要。
[0007] 在不考虑透镜材料成本的前提下，以上的这种设计是较容易实现了。随着对于透 镜成本的进一步考虑，各种更节省材料的产品设计不断产生，其主要通过减小前表面和后 表面间的距离，即将透镜做的更薄，来实现对于材料的节省。对于前表面、后表面和侧表面 的弧面形状精度及其相互间配合的要求甚至更高，从而设计难度更大，设计周期也更长。
[0008] 同样对于透镜的加工来说，需要精确控制或加工难度大的加工面越多，对于透镜 的制备越困难，由此直接影响产品的成品率。
[0009] 因此，本领域的技术人员致力于开发一种能够实现对于LED光源(或类似于LED的 光源）光线的高利用率、并具备会聚、调焦功能，且节省材料、结构简单，尽可能降少高精度 要求光学面的透镜。
【发明内容】
[0010] 为实现上述目的，本发明提供了一种透镜，和该透镜配合光源的透镜系统及其用 途。
[0011] 透镜包括前表面、后表面、以及在所述前表面和所述后表面之间延伸的侧表面，所 述前表面位于所述透镜的前部，所述后表面位于所述透镜的后部；所述后表面限定了面向 后部的腔；所述前表面包括中央表面、以及环绕连接所述中央表面的边缘表面，所述边缘表 面在所述中央表面和所述侧表面之间延伸；所述透镜限定了中心轴线；所述腔包括侧壁和 底部，所述侧壁和所述底部限定了腔体空间，所述中心轴线穿过所述中央表面和所述底部； 所述边缘表面在所述中心横截面上对应的线段，即边缘线段，由平行于所述中心轴线的线 段和垂直于所述中心轴线的线段交替连接组成，类似于直角阶梯形状。
[0012] 进一步地，所述透镜通过所述中心轴线的任意横截面，即中心横截面，图形都相 同，即限定了透镜是一个轴对称体，中心轴就是中心轴线
[0013] 进一步地，所述中央表面在所述中心横截面上对应的线段，即中央线段，呈弧线。 或者说，所述中央表面是弧面。
[0014] 进一步地，所述中央线段的弧形凸起方向远离所述底部，即所述中央表面向所述 透镜前部凸起。
[0015] 进一步地，所述边缘线段平行于所述中心轴线的延伸方向与所述中央线段的弧形 凸起方向相同，所述边缘线段在垂直于所述中心轴线方向上远离所述中央线段延伸。即所 述边缘表面与所述中央表面大致形成碗形，且碗的开口位于所述透镜的前部，与所述腔的 开口相反。
[0016] 进一步地，所述侧壁在所述中心横截面上对应的线段，即侧壁线段，呈直线或弧 线。
[0017] 进一步地，所述侧壁线段平行于所述中心轴线，即所述侧壁呈圆柱形。
[0018] 进一步地，所述底部是弧面或平面，当所述底部是弧面时，弧面的凸起方向不限， 可以与所述中央表面的凸起方向相同，也可以与其相反。原则是所述底部与所述中央表面 相配合形成凸透镜或实现凸透镜的效果。
[0019] 进一步地，所述侧壁与所述侧表面相配合以满足：位于所述中心轴线的点光源发 出的入射光由所述侧壁射入所述透镜后经所述侧表面反射的反射光平行于所述中心轴线。 在透镜折射率和光源位置确定的条件下，针对光线的折射、反射光路，采用数学方法对侧表 面在中心横截面上的对应曲线进行推导，得到曲线方程，从而也就确定了侧表面的曲面形 貌。
[0020] 进一步地，所述边缘表面的尺寸满足：经所述侧表面反射的反射光都直接从所述 边缘表面射出。结合所述侧表面的反射光平行于所述中心轴线，此时所述边缘表面的出射 光是准直光束。
[0021] 进一步地，所述侧表面的形状满足：所述侧表面全反射由所述侧壁进入的入射光。
[0022] 进一步地，所述中央表面与所述底部相配合以满足：位于所述中心轴线的点光源 发出的入射光由所述底部射入所述透镜，则相应的出射光只从所述中央表面射出。这在透 镜折射率确定的情况下，可以简单地通过折射率方程来得出所述中央表面与所述底部的尺 寸组合。
[0023] 进一步地，所述边缘表面的形状满足：从所述中央表面射出的出射光不会被所述 边缘表面阻挡。即所述边缘表面的台阶高度不会阻挡从所述中央表面射出的出射光。
[0024] 进一步地，所述侧表面镀有全反射膜。
[0025] 进一步地，所述全反射膜是银。
[0026] 进一步地，所述透镜的材料是聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA)。
[0027] 采用上述透镜的透镜系统，包括所述透镜、光源，所述光源提供所述透镜的入射 光。
[0028] 进一步地，所述光源在所述透镜的中心轴线上。
[0029] 进一步地，所述光源可沿所述中心轴线移动。
[0030] 进一步地，所述光源的移动范围是在所述透镜的腔的内部，包括与所述腔距离为〇 的位置。
[0031] 进一步地，所述光源的移动范围是距离所述腔0mm至深入所述腔内10mm。
[0032] 进一步地，当所述光源在距离所述腔0mm至深入所述腔内10mm过程中移动时，从 所述透镜的中央表面射出的出射光的最大夹角是8-90度。
[0033] 进一步地，所述光源是LED光源，或类似LED的光源，即具有LED光源单色性好，发 出的光是分布在180度空间内等特性的光源。
[0034] 上述透镜系统可用于具有可调焦功能的手电筒。
[0035] 本发明的透镜和透镜系统有以下优点：
[0036] 1、能够充分利用LED光源(或类似LED的光源）发射光，实现了对于光能的高利用 率；
[0037] 2、将出射光分为准直出射光和可调出射光，设计上可以很方便的调整两部分出射 光的比例，以适应不同使用需求；
[0038] 3、可调光斑范围大，可满足多种使用要求；
[0039] 4、加工精度或难度较大的光学面只有侧表面，从而降低了制造难度。
[0040]5、透镜类似碗形，节省了制作材料。
【附图说明】
[0041] 图1是本发明的透镜的一个较佳实施例的正视图；
[0042] 图2是沿图1中A-A向的剖视图；
[0043] 图3是图2所示透镜部分准直光线的入射、出射示意图，只示出了中心轴线右侧的 光线；
[0044] 图4是图2所示透镜全部准直光线的入射、出射示意图；
[0045] 图5是图2所示透镜部分聚焦光线的入射、出射示意图，光源位于透镜的腔外，只 示出了中心轴线右侧的光线；
[0046] 图6是图2所示透镜全部聚焦光线的入射、出射示意图，光源位于透镜的腔外；
[0047] 图7是图2所示透镜部分聚焦光线的入射、出射示意图，光源位于透镜的腔内，只 示出了中心轴线右侧的光束；
[0048] 图8是图2所示透镜全部聚焦光线的入射、出射示意图，光源位于透镜的腔内；
[0049] 图9是图2所示透镜所有光线的入射、出射示意图，光源位于透镜的腔内；
[0050] 图10是图2所示透镜的侧表面在中心横截面上对应曲线