CN101720444B - 透镜系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种透镜系统，包括：用于将光源发出的光聚集的聚光透镜，以及聚焦透镜，所述聚焦透镜用于将所述聚光透镜发出的光聚焦于预定范围，其中，所述聚光透镜设置于一第一透镜镜筒中，所述聚焦透镜设置于一第二透镜镜筒中，所述第一透镜镜筒和所述第二透镜镜筒绕一调节槽轴向转动以改变所述聚焦透镜和聚焦透镜物方部分之间的间距，从而调节形成于所述聚焦透镜外部的光学图像的尺寸。因此，简化结构、通过仅使用两个透镜使透镜镜筒小型化并无损失地保持光源发出的光的高强度是可能的。

Description

透镜系统
技术领域
本发明涉及一种透镜系统，所述透镜系统能将位于希望距离处的光源发出的光聚焦于适当的范围，更特别地，涉及一种透镜系统，所述透镜系统具有简单的结构和小型的透镜镜筒，且能无损失地保持光源发出光的高强度。
背景技术
医用头灯等特殊照灯的光源需要通过小透镜系统发出大量的光。
然而，传统的透镜系统被构造为使用至少三个透镜。例如，可使用至少三个聚光透镜或聚焦透镜，或者可使用菲涅耳(Fresnel)透镜。但是，当使用多个透镜时，所述透镜系统的结构是复杂的，并且很难减小其尺寸。
此外，将光源发出的光所通过的所述聚焦透镜的部件直径机械减小，以减小所述聚焦透镜发出的聚焦光所形成的图像尺寸。例如，可将机械部件，比如用于改变所述直径的光闸设置到所述聚焦透镜的后面。
然而，当选择用于减小所述直径的部件时，可产生相当大的光强损失。当为了细致观察特定区域而应减小图像时，这样的光强损失可使此任务变得困难。
发明内容
技术问题
本发明的目的之一是提供一种透镜系统，所述透镜系统能将透镜数量最少化以简化结构并减少所述透镜系统的尺寸，并能保持从光源发出的光的高光强。
技术方案
本发明提供一种透镜系统，所述透镜系统包括用于将光源发出的光聚集的聚光透镜，以及聚焦透镜，所述聚焦透镜用于将所述聚光透镜发出的光聚焦于预定范围，其中，所述聚光透镜设置于一第一透镜镜筒中，所述聚焦透镜设置于一第二透镜镜筒中，所述第一透镜镜筒和所述第二透镜镜筒绕一调节槽轴向转动以改变所述聚焦透镜和聚焦透镜物方部分之间的间距，从而调节形成于所述聚焦透镜外部的光学图像的尺寸。
当所述聚光透镜为双凸透镜时，接近所述光源的所述聚光透镜的曲率半径为RA，远离所述光源的所述聚光透镜的曲率半径为RB，而所述光源的发光部分的长度为H时，可满足下述关系：
Hx0.8＜RA|＜Hx1.5且|RA|x0.6＜|RB|＜|RA|x0.9
此外，当所述聚光透镜为双凸透镜时，接近所述光源的所述聚光透镜的曲率半径为RA，远离所述光源的所述聚光透镜的曲率半径为RB，而所述聚焦透镜的物方部分的孔径尺寸为AP时，可满足下述关系：
0.5＜|RA|/AP＜1.5且0.5＜|RB|/AP＜1.5
更优选地，当所述聚光透镜为双凸透镜时，接近所述光源的所述聚光透镜的曲率半径为RA，远离所述光源的所述聚光透镜的曲率半径为RB时，|RA|与|RB|可在2.5至7.5毫米的范围内。
此外，当所述聚焦透镜的物方部分的孔径尺寸为AP且所述聚焦透镜的焦距为FL时，可满足下述关系：
4＜FL/AP＜7
更优选地，所述聚焦透镜可为双凸透镜，且所述聚焦透镜两侧的曲率半径可在25±8毫米的范围内。
有益效果
根据本发明，按照本发明的透镜系统具有简单的结构和仅使用两个透镜的小透镜镜筒，且可无损失地保持光源发出的光的高强度。
附图说明
图1是按照本发明一实施例的透镜系统的剖面图；
图2是用于解释按照本发明一实施例的透镜系统发出的光的光路视图；
图3至5是按照本发明一实施例的聚光透镜的侧视图和正视图；
图6和7是按照本发明一实施例的聚焦透镜的侧视图和正视图；以及
图8和9是用于解释利用按照本发明的透镜系统的第一透镜镜筒和第二透镜镜筒的调节槽使聚光透镜和聚焦透镜间的距离改变的视图
具体实施方式
在下文中，将参照附图描述本发明的一实施例。
<实施例>
现将参照附图描述本发明的一实施例：
图1是按照本发明一实施例的透镜系统的剖面图。参见图1，所述透镜系统包括光源100、聚光透镜101、第一透镜镜筒103、调节槽104、第二透镜镜筒105以及聚焦透镜106。
所述光源100可为发光二极管(LED)。
所述聚光透镜101设置于所述光源100之后，以最大程度地聚集所述光源发出的光。所述聚焦透镜106将位于希望距离处的所述聚光透镜101发出的光聚焦于适当的范围。
所述聚光透镜101设置于所述第一透镜镜筒103内，而所述聚焦透镜106设置于所述第二透镜镜筒105内。所述第一透镜镜筒103和所述第二透镜镜筒105绕所述调节槽104转动，以容易地改变所述聚焦透镜106和所述聚焦透镜的物方部分102之间的间距。也就是说，当情况需要调节形成于所述聚焦透镜外的光学图像的尺寸时，利用所述调节槽104没有任何光强损失地调节所述光学图像的尺寸是可能的。
图2是用于解释按照本发明一实施例的透镜系统发出的光的光路视图。
参见图2(a)，当所述聚焦透镜106与图像表面之间具有预定距离时，从所述聚焦透镜发出的光到达所述希望的图像表面以形成图像。图2(b)是图2(a)中透镜系统的放大视图，示出从所述光源100发出的光通过所述聚光透镜101并向所述聚焦透镜106传输。
在下文中，将参照附图描述按照本发明一实施例的所述聚光透镜和所述聚焦透镜的结构。
图3至5是按照本发明一实施例的聚光透镜的侧视图和正视图。在该实施例中，为了利用单独的聚光透镜使光强最大化，优选最大程度地减少所述光源和所述聚光透镜之间的间距。这不仅有助于减小所述透镜系统的尺寸，还允许所述光源发出的光更有效地聚集。
参照图3和图4，所述聚光透镜可为双凸透镜，且所述聚光透镜的球面的曲率半径必须具有以下特征。即当所述聚光透镜为双凸透镜，接近所述光源的所述聚光透镜的曲率半径为RA，远离所述光源的所述聚光透镜的曲率半径为RB，而所述光源的发光部分的长度为H时，可满足下述关系：
[公式1]
Hx0.8＜|RA|＜Hx1.5
[公式2]
|RA|x0.6＜|RB|＜|RA|x0.9
公式1涉及与所述光源相邻的球面曲率半径的形状，且为了最大程度聚集所述光源发出的光，所述聚光透镜可在特定的范围内。公式2涉及远离所述光源的球面曲率半径的形状，且用于以更大的折射力聚集从所述光源输入的光。
不仅所述聚光透镜与所述光源之间具有关联，所述聚光透镜与图1所示的所述聚焦透镜的物方部分孔的孔径尺寸AP也有关联。即优选地满足下面的公式3和4：
[公式3]
0.5＜|RA|/AP＜1.5
[公式4]
0.5＜|RB|/AP＜1.5
其中，在公式1和3中，当所述聚光透镜的曲率半径RA小于最低界限时，所述聚光透镜的曲率迅速改变，以致于过多的光不能进入所述透镜系统。另一方面，当所述聚光透镜的曲率半径RA等于或大于最高界限时，所述曲率过小，以致无法合适地聚光。
此外，在公式2和4中，当所述聚光透镜的曲率半径RB等于或小于最低界限时，所述透镜的曲率迅速改变，以致于光被完全反射而无法被传送，因而失去了光强。另外，当所述曲率过小时，所述透镜的外部直径也被减小，从而造成光强的损失。此外，当所述曲率过小时，应增加所述透镜的厚度，这使减小所述透镜系统整体尺寸的任务困难。另一方面，当所述聚光透镜的曲率半径RB等于或大于最高界限时，光不能被充分聚集。
因此，在本发明的一实施例中，所述聚光透镜具有在2.5至7.5毫米范围内的|RA|和|RB|。最优选地，如图4和5所示，|RA|为5.5毫米，而|RB|为4.1毫米。其中，与所述光源相邻的所述聚光透镜的直径Φ为6.4毫米，远离所述光源的所述聚光透镜的直径Φ为5.7毫米。优选地，所述透镜的厚度为3毫米，所述聚光透镜材料在用D线(波长587.56纳米)作光源时的折射率为1.5168，而所述聚光透镜材料的发散值v为64.2。
图6和7是按照本发明一实施例的聚焦透镜的侧视图和正视图。
虽然按照本发明的所述聚光透镜应具有小尺寸，但必须将其构造为在一定距离L形成适当尺寸的图像。因此，如图1所示，当所述聚焦透镜在其上形成图像的所述物方部分102的孔径尺寸为AP且所述聚焦透镜的焦距为FL时，所述聚焦透镜可满足下面的公式5。
[公式5]
4＜FL/AP＜7
其中，当所述焦距FL与所述聚焦透镜的孔径尺寸AP的比率大于公式5的上限时，所述聚焦透镜变得过大，且当其小于下限时，形成清晰图像的边界并提供清晰的图像是困难的。
因此，按照本发明的一实施例，所述聚焦透镜的曲率半径R为25±8毫米。最优选地，如图6和7所示，R为27.2毫米。其中，所述聚焦透镜的直径Φ为19毫米，所述透镜的厚度为6毫米，所述聚光透镜材料在用D线(波长587.56纳米)作光源时的折射率为1.5168，而所述聚焦透镜材料的发散值v为64.2。
在下文中，将描述一种改变聚焦透镜与所述聚焦透镜的物方部分102间的间距以调节聚焦图像尺寸的方法。
参照图1，利用所述调节槽104，所述透镜系统的所述第一透镜镜筒103和所述第二透镜镜筒105可改变所述聚光透镜101和所述聚焦透镜106之间的距离。这样的例子如图8和9所示。
参照图8，在图3到7示出的透镜系统的情况中，当所述聚焦透镜与所述聚焦透镜的物方部分间的间距L为21毫米时，所述聚焦图像的尺寸为70毫米。然而，如图9所示，当所述聚焦透镜与所述聚焦透镜的物方部分102间的间距L为28.5毫米时，所述聚焦图像的尺寸为40毫米。
通过所述聚焦透镜实现光成像意味着光以希望的尺寸聚焦于希望的距离。其中，所述聚焦光的图像边界应是清晰的。即按照本发明的透镜系统，与现有技术不同，当需要聚焦图像的尺寸减小时，改变所述聚焦透镜与所述聚焦透镜的物方部分102间的间距，以便无光强损失地减小所述图像的尺寸。由于当同样数量的光无光强损失地聚焦为小图像时光可以更有效地聚集，实现光强的高水平是可能的。因此，当将按照本发明的所述透镜系统用于医院中的医疗时，用其观察特殊区域是非常高效的。
虽然参照其实施例已对本发明进行了说明，但本发明属于的本领域的技术人员可理解的是，可进行对所描述实施例的各种改变而不脱离所附的权利要求及其等同物所限定的本发明的精神和范围。

Claims (3)

1.一种透镜系统，包括：用于将光源发出的光聚集的聚光透镜，以及聚焦透镜，所述聚焦透镜用于将所述聚光透镜发出的光聚焦于预定范围，其特征在于：所述聚光透镜设置于一第一透镜镜筒中，所述聚焦透镜设置于一第二透镜镜筒中，所述第一透镜镜筒和所述第二透镜镜筒绕一调节槽轴向转动以改变所述聚焦透镜和聚焦透镜物方部分之间的间距，从而调节形成于所述聚焦透镜外部的光学图像的尺寸；当所述聚光透镜为双凸透镜时，接近所述光源的所述聚光透镜的曲率半径为RA，远离所述光源的所述聚光透镜的曲率半径为RB，而所述光源的发光部分的长度为H时，满足下述关系：
[公式6]
H×0.8＜|RA|＜H×1.5
[公式7]
|RA|×0.6＜|RB|＜|RA|×0.9。
2.如权利要求1所述的透镜系统，其特征在于：当所述聚光透镜为双凸透镜时，接近所述光源的所述聚光透镜的曲率半径为RA，远离所述光源的所述聚光透镜的曲率半径为RB时，|RA|与|RB|在2.5至7.5毫米的范围内。
3.如权利要求1所述的透镜系统，其特征在于：所述聚光透镜为双凸透镜，所述聚焦透镜两侧的曲率半径在25±8毫米的范围内。
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