CN103792600A - 线聚光透镜 - Google Patents

Abstract

一种线聚光透镜，它是由透明固体光学材料制成的光入射端面和光出射端面为长度相同的矩形平面、左右侧面为双曲柱面、前后侧面为平面的柱状体，光出射端面的宽度d为0.5～1.5mm，光入射端面的宽度D为5～15d，光入射端面和光出射端面与线聚光透镜的宽度中心平面垂直。垂直入射于光入射端面的光线中，以宽度中心平面为对称、光出射端面范围内的光线，沿中心平面直行通过透镜由光出射端面射出，其它的光线，以大的入射角入射到侧面的双曲柱面上形成全反射，反射光又作为下一个反射点的入射光多次全反射形成的折线传输到光出射端面射出，实现了面光源向线光源的聚集转换。本发明具有结构简单、体积小、成本低、聚光效率高等优点。

Description

线聚光透镜

技术领域

本发明属于聚光透镜技术领域，具体涉及一种线聚光透镜。

背景技术

光能量的聚集是光学及其应用技术领域的基本问题之一，聚光透镜是激光加工、光学通信、太阳能利用等领域的基本元件，已有的球面聚光透镜和菲涅尔聚光透镜以其不同的使用特性获得了广泛应用。将大面积的面光源汇聚为线光源在光学工程和太阳能利用中有广泛需求，目前普遍采用矩形菲涅尔聚光透镜将面光源汇聚为线光源，但菲涅尔聚光透镜的应用存在加工难度大、生产成本高、安装空间大的不足。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的缺点，提供一种结构简单、制造容易，且成本低、聚光效果好的线聚光透镜。

解决上述技术问题所采用的技术方案是：它是由透明固体光学材料制成的光入射端面和光出射端面为长度相同的矩形平面、左右侧面为双曲柱面、前侧面和后侧面为平面的柱状体，光出射端面的宽度d为0.5～1.5mm，光入射端面的宽度D为5～15d，光入射端面和光出射端面与线聚光透镜的宽度中心平面垂直。

本发明的双曲柱面是以直角坐标系中的方程

$\frac{{4x}^2}{d}-\frac{y^2}{{\left(\mathrm{nd}\right)}^2}=1---\left(1\right)$

为母线，方程（1）以光出射端面的宽度及其延长线为x轴，x为线聚光透镜的半宽度变量，d/2≤︱x︱≤D/2，线聚光透镜的宽度中心平面与前侧面或后侧面的交线为y轴，y为线聚光透镜半宽度变量x所对应的线聚光透镜高度，y≥0，n为1～5。

本发明的左侧面与右侧面是关于宽度中心平面相对称的双曲柱面。

本发明的光入射端面与光出射端相互平行，前侧面与后侧面相互平行且与光入射端面垂直。

由于本发明采用光入射端面和光出射端面为矩形平面、左侧面和右侧面为双曲柱面、前侧面和后侧面为平面的柱体，垂直入射于光入射端面的光线中，以宽度中心平面为对称、光出射端面范围内的光线，沿中心平面直行通过透镜由光出射端面射出，其它的光线，以大的入射角入射到侧面的双曲柱面（由玻璃到空气的界面）上并形成全反射，反射光又作为下一个反射点的入射光入射到更靠近光出射端面双曲柱面上，光线多次全反射形成的折线形式传输到光出射端面射出，实现了面光源向线光源的聚集转换。本发明具有结构简单、成型容易、体积小、成本低、使用方便且聚光效率高等优点。

附图说明

图1是本发明实施例1的主视图。

图2是图1的左视图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于这些实施例。

实施例1

以光出射端面的宽度d为1.0mm、入射端面的宽度D等于10d为例，线聚光透镜的结构如下：

在图1、2中，本实施例的线聚光透镜的几何形状是：光入射端面为矩形平面，光出射端面为矩形平面，光入射端面和光出射端面的长度相同，光出射端面的宽度d为1.0mm，光入射端面的宽度D等于10d，光入射端面与光出射端相互平行，光入射端面和光出射端面与线聚光透镜的宽度中心平面垂直，前侧面和后侧面为平面，前侧面与后侧面相互平行且与光入射端面垂直。左侧面和右侧面为双曲柱面，左侧面与右侧面关于宽度中心平面相对称。

上述的双曲柱面是以直角坐标系中的方程

$\frac{{4x}^2}{d}-\frac{y^2}{{\left(\mathrm{nd}\right)}^2}=1---\left(1\right)$

为母线，方程（1）以光出射端面的宽度及其延长线为x轴，x为线聚光透镜的半宽度变量，d/2≤︱x︱≤D/2，线聚光透镜的宽度中心平面与前侧面或后侧面的交线为y轴，y为线聚光透镜半宽度变量x所对应的线聚光透镜高度，y≥0，n为4。线聚光透镜采用冕玻璃（H-K9）制成，其外表面为光滑表面。

使用时面光源从光入射端面垂直入射，经线聚光透镜后聚集成线光源，由光出射端面射出，实现了面光源向线光源的聚集转换。

实施例2

以光出射端面的宽度d为1.0mm、入射端面的宽度D等于5d为例，线聚光透镜的结构如下：

本实施例线聚光透镜的光入射端面为矩形平面，光出射端面为矩形平面，光入射端面和光出射端面的长度相同，光出射端面的宽度d为1.0mm，光入射端面的宽度D为5d，光入射端面与光出射端相互平行，光入射端面和光出射端面与线聚光透镜的宽度中心平面垂直。前侧面和后侧面为平面，前侧面与后侧面相互平行且与光入射端面垂直。左侧面和右侧面为双曲柱面，左侧面与右侧面关于宽度中心平面相对称。

左侧面和右侧面双曲柱面的母线在直角坐标系中的方程与实施例1的双曲线方程（1）相同，在双曲线方程（1）中，n为4。制备线聚光透镜的材料与实施例1相同，线聚光透镜的外表面为光滑表面，线聚光透镜的其它几何特征与实施例1相同。

实施例3

以光出射端面的宽度d为1.0mm、入射端面的宽度D等于15d为例，线聚光透镜的结构如下：

本实施例线聚光透镜的光入射端面为矩形平面，光出射端面为矩形平面，光入射端面和光出射端面的长度相同，光出射端面的宽度d为1.0mm，光入射端面的宽度D为15d，光入射端面与光出射端相互平行，光入射端面和光出射端面与线聚光透镜的宽度中心平面垂直。前侧面和后侧面为平面，前侧面与后侧面相互平行且与光入射端面垂直。左侧面和右侧面为双曲柱面，左侧面与右侧面关于宽度中心平面相对称。

左侧面和右侧面双曲柱面的母线在直角坐标系中的方程与实施例1的双曲线方程（1）相同，在双曲线方程（1）中，n为4。制备线聚光透镜的材料与实施例1相同，线聚光透镜的外表面为光滑表面，线聚光透镜的其它几何特征与实施例1相同。

实施例4

以线聚光透镜出射端面的宽度d为0.5mm为例，线聚光透镜的结构如下：

在以上的实施例1～3中，线聚光透镜的光入射端面为矩形平面，光出射端面为矩形平面，光入射端面和光出射端面的长度相同，光出射端面的宽度d为0.5mm，光入射端面的宽度D与光出射端面的宽度d的比值与相应的实施例相同。光入射端面与光出射端相互平行，光入射端面和光出射端面与线聚光透镜的宽度中心平面垂直。前侧面和后侧面为平面，前侧面与后侧面相互平行且与光入射端面垂直。

左侧面和右侧面为双曲柱面，左侧面与右侧面关于宽度中心平面相对称。左侧面和右侧面双曲柱面的母线在直角坐标系中的方程与实施例1的双曲线方程(1)相同，在双曲线方程（1）中，n为4。制备线聚光透镜的材料与实施例1相同，线聚光透镜的外表面为光滑表面，线聚光透镜的其它几何特征与实施例1相同。

实施例5

以线聚光透镜出射端面的宽度d为1.5mm为例，线聚光透镜的结构如下：

在以上的实施例1～3中，线聚光透镜的光入射端面为矩形平面，光出射端面为矩形平面，光入射端面和光出射端面与线聚光透镜的宽度中心平面垂直，光入射端面和光出射端面的长度相同，光出射端面的宽度d为1.5mm，光入射端面的宽度D与光出射端面的宽度d的比值与相应的实施例相同。光入射端面与光出射端相互平行，光入射端面和光出射端面与线聚光透镜的宽度中心平面垂直。前侧面和后侧面为平面，前侧面与后侧面相互平行且与光入射端面垂直。

左侧面和右侧面为双曲柱面，左侧面与右侧面关于宽度中心平面相对称。左侧面和右侧面双曲柱面的母线在直角坐标系中的方程与实施例1的双曲线方程(1)相同，在双曲线方程（1）中，n为4。制备线聚光透镜的材料与实施例1相同，线聚光透镜的外表面为光滑表面，线聚光透镜的其它几何特征与实施例1相同。

实施例6

在以上的实施例1～5中，线聚光透镜的几何形状是光入射端面为矩形平面，光出射端面为矩形平面，光入射端面和光出射端面与线聚光透镜的中心线垂直，光入射端面和光出射端面的长度相同，光出射端面的宽度d和光入射端面的宽度D与相应的实施例相同。光入射端面与光出射端相互平行，光入射端面和光出射端面与线聚光透镜的宽度中心平面垂直。前侧面和后侧面为平面，前侧面与后侧面相互平行且与光入射端面垂直。

左侧面和右侧面为双曲柱面，左侧面与右侧面关于宽度中心平面相对称。左侧面和右侧面双曲柱面的母线在直角坐标系中的方程与实施例1的双曲线方程(1)相同，在双曲线方程（1）中，n为1。制备线聚光透镜的材料与实施例1相同，线聚光透镜的外表面为光滑表面，线聚光透镜的其它几何特征与实施例1相同。

实施例7

在以上的实施例1～5中，线聚光透镜的几何形状是光入射端面为矩形平面，光出射端面为矩形平面，光入射端面和光出射端面与线聚光透镜的中心线垂直，光入射端面和光出射端面的长度相同，光出射端面的宽度d和光入射端面的宽度D与相应的实施例相同。光入射端面与光出射端相互平行，光入射端面和光出射端面与线聚光透镜的宽度中心平面垂直。前侧面和后侧面为平面，前侧面与后侧面相互平行且与光入射端面垂直。

左侧面和右侧面为双曲柱面，左侧面与右侧面关于宽度中心平面相对称。左侧面和右侧面双曲柱面的母线在直角坐标系中的方程与实施例1的双曲线方程(1)相同，在双曲线方程（1）中，n为5。制备线聚光透镜的材料与实施例1相同，线聚光透镜的外表面为光滑表面，线聚光透镜的其它几何特征与实施例1相同。

本发明的工作原理如下：

垂直入射于光入射端面的光线中，以宽度中心平面为对称、光出射端面为截面范围内的光线，沿中心平面直行通过线聚光透镜由光出射端面射出，其它的光线，以大的入射角入射到侧面的双曲柱面由玻璃到空气的界面上并形成全反射，反射光又作为下一个反射点的入射光入射到更靠近光出射端面的双曲柱面上，光线以多次全反射形成的折线形式传输到光出射端面射出，由于从光入射端面到光出射端面间双曲柱面的法线与宽度中心平面间的夹角逐渐增大到900，同一束光在折线传输过程中的反射角逐次加大，最后所有反射光的方向在光出射端面趋于一致，并以小的发散角由光的输出端面射出，实现了面光源向线光源的聚集转换。

Claims (4)

1.一种线聚光透镜，其特征在于：它是由透明固体光学材料制成的光入射端面和光出射端面为长度相同的矩形平面、左右侧面为双曲柱面、前侧面和后侧面为平面的柱状体，光出射端面的宽度d为0.5～1.5mm，光入射端面的宽度D为5～15d，光入射端面和光出射端面与线聚光透镜的宽度中心平面垂直。

2.根据权利要求1所述的线聚光透镜，其特征在于：所述的双曲柱面是以直角坐标系中的方程

$\frac{{4x}^2}{d}-\frac{y^2}{{\left(\mathrm{nd}\right)}^2}=1---\left(1\right)$

为母线，方程（1）以光出射端面的宽度及其延长线为x轴，x为线聚光透镜的半宽度变量，d/2≤︱x︱≤D/2，线聚光透镜的宽度中心平面与前侧面或后侧面的交线为y轴，y为线聚光透镜半宽度变量x所对应的线聚光透镜高度，y≥0，n为1～5。

3.根据权利要求1所述的线聚光透镜，其特征在于：所述的左侧面与右侧面是关于宽度中心平面相对称的双曲柱面。

4.根据权利要求1所述的线聚光透镜，其特征在于：所述的光入射端面与光出射端相互平行，前侧面与后侧面相互平行且与光入射端面垂直。

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