CN103792601A - 非成像双曲面聚光透镜 - Google Patents

Abstract

一种非成像双曲面聚光透镜，它的几何形状是侧面为双曲面的旋转体，光入射端面和光出射端面与非成像双曲面聚光透镜的中心线垂直，光出射端面的直径d为0.5～1.5mm，光入射端面的直径D为5～15d。这种结构的非成像双曲面聚光透镜，垂直入射于光入射端面的激光束，以非成像双曲面聚光透镜中心线为中心轴、光出射端面直径d为横截面范围内的光线，沿非成像双曲面聚光透镜中心线直行射出，其余光线，以大的入射角入射到非成像双曲面聚光透镜侧面的双曲面上，通过多次全反射聚集在非成像双曲面聚光透镜的光出射端面射出。本发明具有结构简单、成型容易、体积小、成本低、使用方便、聚光效率高等优点，可用于激光束的聚光。

Description

非成像双曲面聚光透镜

技术领域

本发明属于聚光透镜技术领域，具体涉及到采用双曲面反射聚光的透镜。

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。上世纪60年代发明的自聚焦棒式透镜，由于其独特的光学特性以及可与半导体激光器和光导纤维完美结合的特点，在光纤通信、光纤传感、光学仪器、医疗仪器等光信息的传输与检测方面获得了广泛应用。但上述透镜由于其结构特征、制作工艺、制造成本以及应用特性等方面所限，在应用上仍存在一定的局限性。

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不足，提供一种制造工艺简单、生产成本低、聚光效果好的非成像双曲面聚光透镜。

解决上述技术问题所采用的技术方案是：它的几何形状是光入射端面D和光出射端面d为平面并与非成像双曲面聚光透镜的中心线垂直，侧面为双曲面旋转体，光出射端面的直径d为0.5～1.5mm，光入射端面的直径D为5～15d。

本发明的双曲面是以直角坐标系中双曲线方程

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

为母线，y轴为中心轴旋转形成的双曲旋转曲面，方程（1）以非成像双曲面聚光透镜聚光段输出端面的直径及其延长线为x轴，中心线为y轴，x为非成像双曲面聚光透镜的半径变量，d/2≤︱x︱≤D/2，y为半径变量x所对应的非成像双曲面聚光透镜的高度，y≥0，n为1～5。

由于本发明采用了以双曲线围绕中心轴旋转构成的非成像双曲面聚光透镜，垂直入射于光入射端面的光线中，以非成像双曲面聚光透镜中心线为中心轴、光出射端面横截面范围内的光线，沿非成像双曲面聚光透镜中心线直行射出，其它光线，以大的入射角入射到非成像双曲面聚光透镜侧面的双曲面上，通过多次全反射聚集在非成像双曲面聚光透镜的光出射端面射出。本发明具有结构简单、成型容易、体积小、成本低、使用方便、聚光效率高等优点

附图说明

图1是本发明实施例1的结构示意图。

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

以光出射端面的直径d为1.0mm、入射端面的直径D等于10d为例，非成像双曲面聚光透镜的结构如下：

在图1中，本实施例的非成像双曲面聚光透镜的几何形状是光入射端面和光出射端面与非成像双曲面聚光透镜的中心线垂直的平面、侧面为双曲面旋转体，侧面的双曲旋转曲面是以直角坐标系中双曲线方程

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

为母线，y轴为中心轴旋转形成的双曲旋转曲面，方程（1）以非成像双曲面聚光透镜聚光段输出端面的直径及其延长线为x轴，中心线为y轴，x为非成像双曲面聚光透镜的半径变量，d/2≤︱x︱≤D/2，y为半径变量x所对应的非成像双曲面聚光透镜的高度，y≥0，非成像双曲面聚光透镜的光入射端面直径D为10mm，即D等于10d，非成像双曲面聚光透镜的光出射端面直径d为1.0mm，n为3。非成像双曲面聚光透镜采用冕玻璃（H-K9）制成，其外表面为光滑表面。

实施例2

以光出射端面的直径d为1.0mm、入射端面的直径D等于5d为例，非成像双曲面聚光透镜的结构如下：

本实施例的非成像双曲面聚光透镜的几何形状是侧面为双曲面的旋转体，侧面的双曲旋转曲面是以直角坐标系中双曲线方程为母线，y轴为中心轴旋转形成的双曲旋转曲面，双曲线方程与实施例1的双曲线方程（1）相同，在双曲线方程（1）中，x为非成像双曲面聚光透镜的半径变量，y为半径变量x所对应的非成像双曲面聚光透镜的高度，其中d/2≤︱x︱≤D/2，y≥0，非成像双曲面聚光透镜光入射端面的直径D为5mm，非成像双曲面聚光透镜光出射端面的直径d为1.0mm，即D等于5d，n为3。制备非成像双曲面聚光透镜的材料与实施例1相同，非成像双曲面聚光透镜的外表面为光滑表面，非成像双曲面聚光透镜的其它几何特征与实施例1相同。

实施例3

以光出射端面的直径d为1.0mm、入射端面的直径D等于15d为例，非成像双曲面聚光透镜的结构如下：

本实施例的非成像双曲面聚光透镜的几何形状是侧面为双曲面的旋转体，侧面的双曲旋转曲面是以直角坐标系中双曲线方程为母线，y轴为中心轴旋转形成的双曲旋转曲面，双曲线方程与实施例1的双曲线方程(1)相同，在双曲线方程(1)中，x为非成像双曲面聚光透镜的半径变量，y为半径变量x所对应的非成像双曲面聚光透镜的高度，其d/2≤︱x︱≤D/2，y≥0，非成像双曲面聚光透镜光入射端面的直径D为15mm，非成像双曲面聚光透镜光出射端面的直径d为1.0mm，即D等于15d，n为3。制备非成像双曲面聚光透镜的材料与实施例1相同，非成像双曲面聚光透镜的外表面为光滑表面，非成像双曲面聚光透镜的其它几何特征与实施例1相同。

实施例4

以光非成像双曲面聚光透镜出射端面的直径d为0.5mm为例，非成像双曲面聚光透镜的结构如下：

在以上的实施例1～3中，非成像双曲面聚光透镜的几何形状是侧面为双曲面的旋转体，侧面的双曲旋转曲面是以直角坐标系中双曲线方程为母线，y轴为中心轴旋转形成的双曲旋转曲面，双曲线方程与实施例1的双曲线方程(1)相同，在双曲线方程(1)中，x为非成像双曲面聚光透镜的半径变量，y为半径变量x所对应的非成像双曲面聚光透镜的高度，其中d/2≤︱x︱≤D/2，y≥0，非成像双曲面聚光透镜光入射端面的直径D与d的比值与相应的实施例相同，非成像双曲面聚光透镜光出射端面的直径d为0.5mm，n为3。制备非成像双曲面聚光透镜的材料与实施例1相同，非成像双曲面聚光透镜的外表面为光滑表面，非成像双曲面聚光透镜的其它几何特征与实施例1相同。

实施例5

以光非成像双曲面聚光透镜出射端面的直径d为1.5mm为例，非成像双曲面聚光透镜的结构如下：

在以上的实施例1～3中，非成像双曲面聚光透镜的几何形状是侧面为双曲面的旋转体，侧面的双曲旋转曲面是以直角坐标系中双曲线方程为母线，y轴为中心轴旋转形成的双曲旋转曲面，双曲线方程与实施例1的双曲线方程（1）相同，在双曲线方程(1)中，x为非成像双曲面聚光透镜的半径变量，y为半径变量x所对应的非成像双曲面聚光透镜的高度，其中d/2≤︱x︱≤D/2，y≥0，非成像双曲面聚光透镜光入射端面的直径D与d的比值与相应的实施例相同，非成像双曲面聚光透镜光出射端面的直径d为1.5mm，n为3。制备非成像双曲面聚光透镜的材料与实施例1相同，非成像双曲面聚光透镜的外表面为光滑表面，非成像双曲面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，非成像双曲面聚光透镜的几何形状是侧面为双曲面的旋转体，侧面的双曲旋转曲面是以直角坐标系中双曲线方程为母线，y轴为中心轴旋转形成的双曲旋转曲面，双曲线方程与实施例1的双曲线方程(1)相同，在双曲线方程（1）中，x为非成像双曲面聚光透镜的半径变量，y为半径变量x所对应的非成像双曲面聚光透镜的高度，其中d/2≤︱x︱≤D/2，y≥0，非成像双曲面聚光透镜光入射端面的直径D与d的比值与相应的实施例相同，非成像双曲面聚光透镜光出射端面的直径d与相应的实施例相同，n为1。制备非成像双曲面聚光透镜的材料与实施例1相同，非成像双曲面聚光透镜的外表面为光滑表面，非成像双曲面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，非成像双曲面聚光透镜的几何形状是侧面为双曲面的旋转体，侧面的双曲旋转曲面是以直角坐标系中双曲线方程为母线，y轴为中心轴旋转形成的双曲旋转曲面，双曲线方程与实施例1的双曲线方程（1）相同，在双曲线方程（1）中，x为非成像双曲面聚光透镜的半径变量，y为半径变量x所对应的非成像双曲面聚光透镜的高度，其中d/2≤︱x︱≤D/2，y≥0，非成像双曲面聚光透镜光入射端面的直径D与d的比值与相应的实施例相同，非成像双曲面聚光透镜光出射端面的直径d与相应的实施例相同，n为5。制备非成像双曲面聚光透镜的材料与实施例1相同，非成像双曲面聚光透镜的外表面为光滑表面，非成像双曲面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：

本发明结构简单、成型容易、体积小、成本低、使用方便且聚光效率高；垂直入射于光输入端面的光线中，以透镜的中心线为中心轴、光的出射端面为横截面范围内的光线沿中心线直行通过透镜，由光的出射端面射出，其它光线，以大的入射角入射到侧面的双曲面（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输出端面的双曲面上，光线以多次全反射形成的折线形式传输到光的输出端面射出。由于从光的输入端面到输出端面间双曲面的法线与透镜中心线的夹角逐渐增大到90°，因此同一束光在折线传输过程中的反射角逐次加大，所有反射光的方向在光的输出端面（y为0处）趋于一致，并以小的发散角由光的输出端面射出，实现了光的高效聚集。

Claims (2)

1.一种非成像双曲面聚光透镜，其特征在于：它的几何形状是光入射端面和光出射端面为平面并与非成像双曲面聚光透镜的中心线垂直，侧面为双曲面旋转体，光出射端面的直径d为0.5～1.5mm，光入射端面的直径D为5～15d。

2.根据权利要求1所述的非成像双曲面聚光透镜，其特征在于：所述的双曲面是以直角坐标系中双曲线方程

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

为母线，y轴为中心轴旋转形成的双曲旋转曲面，方程（1）以非成像双曲面聚光透镜聚光段输出端面的直径及其延长线为x轴，中心线为y轴，x为非成像双曲面聚光透镜的半径变量，d/2≤︱x︱≤D/2，y为半径变量x所对应的非成像双曲面聚光透镜的高度，y≥0，n为1～5。