CN103163572A - 透镜、发光装置和扫描仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于线性光源(L)的透镜，包括光入射面(1)、光出射面(2)、分别连接光入射面(1)和光出射面(2)的两个侧面(3)，其中光入射面(1)具有弧状的第一入射面(1a)和分别连接第一入射面(1a)和侧面(3)的第二入射面(1b)，第一和第二入射面(1a，1b)限定出远离光源(L)凹陷的腔体，其中来自光源(L)的第一部分光线通过第一入射面(1a)汇聚后通过光出射面(2)射出，第二部分光线通过第二入射面(1b)折射并由侧面(3)反射后经过光出射面(2)射出。光束通过该透镜被高效地汇聚射出并在待照射目标上实现预期的带状光分布图案。此外本发明还涉及一种具有该透镜的发光装置和一种安装有该发光装置的扫描仪。

Description

透镜、发光装置和扫描仪

技术领域

本发明涉及一种用于线性光源的透镜、一种具有该透镜的发光装置和一种包括该发光装置的扫描仪。

背景技术

随着LED照明技术的发展，人们越来越多地将LED照明装置应用到各种环境中。在需要高亮度照明的环境中、例如扫描仪中，包括在扫描仪中的照明装置通常需要通过透镜将由光源发出的光束进行汇聚，并且在轴向方向上形成均匀狭长的带状光分布图案。

现有技术中提出了一种方案，可以在线性的光源和待照射目标之间平行于该光源布置圆柱形的透镜，并且使线性光源平行于圆柱形透镜的纵向延伸方向布置。在此情况下，来自光源的和光轴夹角较小的部分光束可以通过透镜汇聚并且射向待照射目标，然而和光轴夹角较大的其它光束无法通过圆柱形透镜进行汇聚。因此对安装有这种透镜的照明装置的效率产生了负面影响。现有技术中进一步提出，为了实现汇聚光束，在光源和待照射目标之间布置导光板，来自光源的光束大部分射入导光板中，并且经过多次全内反射后到达待照射目标。安装有这种导光板的照明装置可以获得均匀的光分布图案，但其中存在的缺点是，为了提高照明效率，要将作为光出射面的导光板的端面非常接近待照射目标布置，因此这种照明装置在实际应用中的局限性非常大。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出一种用于线性光源的透镜，光束通过该透镜被高效地汇聚射出并且在待照射目标上形成预期的带状光分布图案。此外，本发明还提出一种具有上述类型的透镜的照明装置。

本发明的第一个目的通过一种用于线性光源的透镜来实现，该透镜包括光入射面、光出射面以及分别连接光入射面和光出射面的两个侧面，其特征在于，光入射面具有弧状的第一入射面和分别连接第一入射面和侧面的第二入射面，第一入射面和第二入射面限定出远离线性光源凹陷的腔体，其中来自线性光源的第一部分光线通过第一入射面汇聚之后通过光出射面射出，来自光源的第二部分光线通过第二入射面折射并由侧面反射之后经过光出射面射出。

在根据本发明的设计方案中，透镜的光入射面限定出一个凹陷的腔体，线性光源安置在该凹陷的腔体中，利用该腔体可以将线性光源发出的光线尽可能多地收集并且使这些光线分别到达中央的第一入射面和第一入射面两侧的第二入射面上。在线性光源发出的光线中，和光轴夹角较小的第一部分光线射向设计为弧状的第一入射面，并且汇聚地直接由光出射面射出。和光轴的夹角较大的第二部分光线射向第二入射面，分别在透镜的彼此相对的两个侧面上进行反射，然后朝向光轴汇聚并由光出射面射出。根据应用情况不同，可以通过调整透镜和待照明物体之间的距离以及透镜的光入射面和侧面的曲线轮廓来改变出射光的汇聚程度，由此获得宽度和亮度不同的带状光分布图案。

根据本发明的一个优选的设计方案，第一入射面在横截面上为圆弧形。“横截面”在本文中是指同时垂直于光出射面以及线性光源的光轴所在平面的平面。第一入射面的横截面轮廓优选设计为圆弧，根据光学原理可以得知，这样有利于对光线进行汇聚。优选地，第一入射面可以用以下方程限定：

$p\left(t\right)=\frac{{(1-t)}^2{\mathrm{\ω}}_0{v}_0+2t(1-t){\mathrm{\ω}}_1{v}_1+t^2{\mathrm{\ω}}_2{v}_2}{{(1-t)}^2{\mathrm{\ω}}_0+2t(1-t){\mathrm{\ω}}_1+t^2{\mathrm{\ω}}_2}$ 0≤t≤1，

其中v₀，v₁，v₂为预定的控制顶点，ω₀，ω₁，ω₂为设定的权重。

根据本发明的一个优选的设计方案，第一入射面在横截面上为样条曲线形。

根据本发明的一个优选的设计方案，腔体的宽度在8-12mm之间。这样可以利用透镜自身的结构尺寸获取尽可能多的光线。

根据本发明的一个优选的设计方案，侧面在横截面上为抛物线曲线形。通过这种具有抛物线轮廓的侧面可以将通过第二入射面射入透镜的光线以朝向光轴汇聚的趋势反射出去。

根据本发明的另一个优选的设计方案，侧面在横截面上为贝塞尔曲线，。优选地，贝塞尔曲线可以用以下方程限定：

$p\left(t\right)=\frac{{(1-t)}^2{\mathrm{\ω}}_0{v}_0+2t(1-t){\mathrm{\ω}}_1{v}_1+t^2{\mathrm{\ω}}_2{v}_2}{{(1-t)}^2{\mathrm{\ω}}_0+2t(1-t){\mathrm{\ω}}_1+t^2{\mathrm{\ω}}_2},$ 0≤t≤1，

其中v₀，v₁，v₂为预定的控制顶点，ω₀，ω₁，ω₂为设定的权重。具有由此限定出的轮廓的透镜特别适用于扫描仪。

根据本发明的一个优选的设计方案，透镜关于线性光源的光轴所在的平面对称。由此可以通过透镜对称的设计来获得对称均匀的光分布图案。

根据本发明的一个优选的设计方案，光出射面为垂直于光轴所在的平面的平坦表面。光出射面设计为平坦表面可以使光线高效地射出，避免例如在凹凸不平的光出射面上出现的反射和折射。

根据本发明的一个优选的设计方案，第二入射面设计成平坦的表面。由于第二部分光线和光轴之间的夹角相对于第一部分光线和光轴之间的夹角较大，因此第二部分光线直接经过平坦的第二入射面射入透镜中，避免由于在第二入射面上出现多次折射而产生的光损失。

优选地，第二入射面和光轴所在的平面之间的夹角为2至5度。这种将第二入射面相对于光轴所在的平面略微倾斜的设计有利于在制作过程中对透镜进行拔模。

根据本发明的一个优选的设计方案，线性光源的出光面与第二入射面和侧面的连接边缘位于同一平面内。这样设计可以保证光入射面可以在理想情况下接收到线性光源发出的从0°到180°的范围内的光线、即全部的光线。

本发明还涉及一种发光装置，该发光装置具有上面提到的透镜。优选地，该发光装置的光源是LED线性光源，LED光源作为绿色能源具有寿命长、光效高的特点。

此外本发明还涉及一种安装有上述发光装置的扫描仪。在这种也可以有复印、传真或其他功能的扫描仪中，根据本发明设计的透镜可以使发光装置发出的光线带状或条状地汇聚射出，以便可以高效节能地进行扫描或者复印等操作。

优选地，发光装置的光源包括交替排布的蓝色LED、红色LED和绿色LED线性阵列。由此可以实现彩色扫描的效果。

附图说明

附图构成本说明书的一部分，用于帮助进一步理解本发明。这些附图图解了本发明的实施例，并与说明书一起用来说明本发明的原理。在附图中相同的部件用相同的标号表示。图中示出：

图1是根据本发明的透镜的立体图；

图2是根据本发明的透镜的横截面图；

图3是根据本发明的发光装置的光路图；

图4是根据本发明的发光装置的光分布图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的透镜的立体图。从图中可见，该透镜设计为细长形以与线性光源L(未示出)相匹配。透镜具有光入射面1、光出射面2以及分别连接光入射面1和光出射面2的两个侧面3，其中两个侧面3彼此相对。根据本发明，光入射面1设计为曲面，用于尽可能多地接收来自线性光源L的光线，并使这些光线通过透镜汇聚地照射在待照射目标，以获得均匀的带状或条状光分布图案。

从图2示出的横截面图中进一步可见，透镜关于线性光源L的光轴所在的平面α对称，以获得均匀的光分布图案。光入射面1包括位于中央的第一入射面1a和在其两侧的第二入射面1b。第一入射面1a在横截面上设计为圆弧形或样条曲线形，用于直接将入射光线进行汇聚。第一入射面1a可以用以下方程限定：

$p\left(t\right)=\frac{{(1-t)}^2{\mathrm{\ω}}_0{v}_0+2t(1-t){\mathrm{\ω}}_1{v}_1+t^2{\mathrm{\ω}}_2{v}_2}{{(1-t)}^2{\mathrm{\ω}}_0+2t(1-t){\mathrm{\ω}}_1+t^2{\mathrm{\ω}}_2},$ 0≤t≤1，

其中v₀，v₁，v₂为预定的控制顶点，ω₀，ω₁，ω₂为设定的权重。

此外，为了避免光损失将两个对称设置的第二入射面1b设计为平面，并且它们和第一入射面1a共同限定出朝向线性光源L的开放的腔体R。腔体R的宽度优选地在8-12mm之间。线性光源L的延伸方向几乎平行于第一入射面1a的纵向延伸方向设置，以获得均匀的光分布图案。为了简化制造，第二入射面1b和光轴所在的平面α分别具有2°至5°的夹角。这样可以简单地实现拔模。

优选地，分别将光轴两侧的第二入射面1b和相应侧面3连接的两个边缘与线性光源L的出光面位于同一平面内，以便接收由光源L发出的尽可能多的光线。在理想的情况下，线性光源L发出的全部光线、即从0°到180°的范围内的光线可以全部通过光入射面1射入透镜中。

侧面3具有内反射面，用于将通过第二入射面1b射入透镜的光线反射至光出射面2，这些光线以朝向光轴汇聚的趋势通过光出射面2射出。为了实现良好的汇聚效果，侧面3设计为抛物线或贝塞尔曲线或样条曲线。贝塞尔曲线可以用以下方程限定：

$p\left(t\right)=\frac{{(1-t)}^2{\mathrm{\ω}}_0{v}_0+2t(1-t){\mathrm{\ω}}_1{v}_1+t^2{\mathrm{\ω}}_2{v}_2}{{(1-t)}^2{\mathrm{\ω}}_0+2t(1-t){\mathrm{\ω}}_1+t^2{\mathrm{\ω}}_2},$ 0≤t≤1，

其中v₀，v₁，v₂为预定的控制顶点，ω₀，ω₁，ω₂为设定的权重。

光出射面2为垂直于光轴所在的平面的平坦表面。由于光出射面2上不存在凹凸不平的结构，因此可以避免例如由此引起的反射和折射，以便使光线高效均匀地通过光出射面2射出。

图3示出了根据本发明的发光装置的光路图。可以清楚地看出，在线性光源L发出的光线中，和光轴夹角较小的第一部分光线S1射向位于透镜中央的第一入射面1a，和光轴夹角较大的第二部分光线S2分别射向第二入射面1b，分别在相对的侧面3上进行一次反射，然后也以朝向光轴汇聚的趋势由光出射面2射出。结合图4可以看出，例如在发光装置和待照射目标之间的间距为75mm时，可以在待照射目标上获得10mm宽的均匀光分布图案，并且光效率可以达到大约80％。该结果可以在透镜具有由以上方程限定出的轮廓的情况下测定出来。

当然，可以根据实际情况的需要，通过调整透镜的轮廓来获得所期望的光分布图案。例如可以改变第一入射面1a或侧面3的轮廓、或者光入射面1限定出的腔体R的大小来调节经过透镜的光线的汇聚程度。由此可以得到宽度以及亮度可以调整的光分布图案。

此外可以在扫描仪或多功能扫描仪中安装根据本发明的发光装置，并且利用线性LED作为发光装置的光源。由此可以高效节能地实现扫描或复印或类似功能。在光源为红光LED、绿光LED和蓝光LED交替排布形成的线性LED阵列的情况下，还可以实现彩色扫描的功能。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

参考标号

1           光入射面

1a          第一入射面

1b          第二入射面

2           光出射面

3           侧面

6           出光面

L           线性光源

R           腔体

S1          第一部分光线

S2          第二部分光线

α          光轴所在的平面

v₀，v₁，v₂  控制顶点

Claims (17)

1.一种用于线性光源(L)的透镜，包括光入射面(1)、光出射面(2)以及分别连接所述光入射面(1)和所述光出射面(2)的两个侧面(3)，其特征在于，所述光入射面(1)具有弧状的第一入射面(1a)和分别连接所述第一入射面(1a)和所述侧面(3)的第二入射面(1b)，所述第一入射面(1a)和所述第二入射面(1b)限定出远离所述线性光源(L)凹陷的腔体(R)，其中来自所述线性光源(L)的第一部分光线(S1)通过所述第一入射面(1a)汇聚之后通过所述光出射面(2)射出，来自所述线性光源(L)的第二部分光线(S2)通过第二入射面(1b)折射并由所述侧面(3)反射之后经过所述光出射面(2)射出。

2.根据权利要求1所述的透镜(1)，其特征在于，所述第一入射面(1a)在横截面上为圆弧形。

3.根据权利要求2所述的透镜(1)，其特征在于，所述第一入射面(1a)可以用以下方程限定：

$p\left(t\right)=\frac{{(1-t)}^2{\mathrm{\ω}}_0{v}_0+2t(1-t){\mathrm{\ω}}_1{v}_1+t^2{\mathrm{\ω}}_2{v}_2}{{(1-t)}^2{\mathrm{\ω}}_0+2t(1-t){\mathrm{\ω}}_1+t^2{\mathrm{\ω}}_2},$ 0≤t≤1，

其中v₀，v₁，v₂为预定的控制顶点，ω₀，ω₁，ω₂为设定的权重。

4.根据权利要求1所述的透镜(1)，其特征在于，所述第一入射面(1a)在横截面上为样条曲线形。

5.根据权利要求1所述的透镜(1)，其特征在于，所述腔体(R)的宽度在8-12mm之间。

6.根据权利要求1所述的透镜(1)，其特征在于，所述侧面(3)在横截面上为抛物线曲线形。

7.根据权利要求1所述的透镜(1)，其特征在于，所述侧面(3)在横截面上为贝塞尔曲线形。

8.根据权利要求7所述的透镜(1)，其特征在于，所述贝塞尔曲线可以用以下方程限定：

$p\left(t\right)=\frac{{(1-t)}^2{\mathrm{\ω}}_0{v}_0+2t(1-t){\mathrm{\ω}}_1{v}_1+t^2{\mathrm{\ω}}_2{v}_2}{{(1-t)}^2{\mathrm{\ω}}_0+2t(1-t){\mathrm{\ω}}_1+t^2{\mathrm{\ω}}_2},$ 0≤t≤1，

其中v₀，v₁，v₂为预定的控制顶点，ω₀，ω₁，ω₂为设定的权重。

9.根据权利要求1所述的透镜，其特征在于，所述透镜关于所述光源(L)的光轴所在的平面(α)对称。

10.根据权利要求9所述的透镜，其特征在于，所述光出射面(2)为垂直于所述平面(α)的平坦表面。

11.根据权利要求1-10中任一项所述的透镜(1)，其特征在于，所述第二入射面(1b)设计成平坦的表面。

12.根据权利要求11所述的透镜(1)，其特征在于，所述第二入射面(1b)和所述光轴所在的平面(α)之间的夹角为2至5度。

13.根据权利要求12所述的透镜(1)，其特征在于，所述光源(L)的出光面(6)与所述第二入射面(1b)和侧面(3)的连接边缘位于同一平面内。

14.一种发光装置，其特征在于，所述发光装置具有根据权利要求1至13中任一项所述的透镜。

15.根据权利要求14所述的发光装置，其特征在于，所述发光装置的光源(L)是LED线性光源。

16.一种扫描仪，其特征在于，所述扫描仪包括根据权利要求14至15中任一项所述的发光装置。

17.根据权利要求16所述的扫描仪，其特征在于，所述发光装置的光源(L)包括交替排布的蓝色LED、红色LED和绿色LED线性阵列。

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