CN103901509A - 一种产生单个局域空心光束的led透镜 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种产生单个局域空心光束的LED透镜，其具有类椭球体状的透镜本体，此透镜本体沿其长轴方向的一头呈平切状，形成一垂直于透镜本体的长轴的圆形横切面，此圆形横切面的中部具有作为入射面的内凹球面，LED光源对应于此内凹球面的球心位置，此透镜本体的外轮廓曲面即为出射面。出射面分为中间部分和外围部分，中间部分和外围部分将产生两束不同锥角的锥面波，两束锥面波分别相干叠加，形成两束近似贝塞尔光，在两束近似贝塞尔光之间便会出现即Bottle beam。与其它产生Bottle beam的方法相比，本发明通过单一元件即可获得单个Bottle beam，元件加工相对容易，转换效率高，结构简单，成本低。

Description

一种产生单个局域空心光束的LED透镜

技术领域

本发明涉及一种以发光二极管（LED）作为光源可产生单个局域空心光束（Bottle beam）的LED透镜，可用于产生空心光束，作为光镊捕获和操控微粒，在粒子囚禁、原子冷却等方面有极高的应用价值，亦可用于科学研究等方面。

背景技术

局域空心光束（Bottle beam）是一束沿着光传播方向上有强度为零的三维密闭区域的光束，周围围绕着高强度的光。Bottle beam可作为光镊和光学扳手等有力工具，还可用于囚禁微观粒子、中性原子、分子和生物细胞等，在生命科学与纳米科技领域中有着重要的应用。

传统产生Bottle beam都是采用相干性极高的激光作为光源。然而非相干光源产生的Bottle beam具有波前相位不易发生畸变、光强分布比较均匀等优点，对于粒子囚禁、原子冷却等有极高的应用价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可产生单个局域空心光束的LED透镜，其采用非相干光源LED来产生Bottle beam，通过单一元件便可直接获得单个Bottle beam，具有转换效率高，成本低，结构简单，元件加工相对容易、成本低的优点。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种可产生单个局域空心光束的LED透镜，具有类椭球体状的透镜本体，其长轴与短轴的长度比为10-11：2-3，此透镜本体沿其长轴方向的一头呈平切状，形成一垂直于透镜本体的长轴的圆形横切面，此圆形横切面的中部具有作为入射面的内凹球面，此内凹球面的球心位置与此圆形横切面的圆心位置重叠在一起，LED光源对应放置于此内凹球面的球心位置，此透镜本体的外轮廓曲面即为出射面。

所述出射面分为两部分，即靠近所述透镜本体的长轴的对入射光线的偏折角较大的中间部分和环绕包围此中间部分的对入射光线的偏折角较小的外围部分。

以所述中间部分的任一点与所述球心位置的连线为入射线，此入射线与所述透镜本体的长轴的夹角≦45°。

上述透镜本体为PMMA透镜。

采用上述方案后，本发明可产生单个局域空心光束的LED透镜，透镜的入射面为球面，LED光源放置在此球面的球心处，光线经过此球面后传播方向不变，光线经过出射面后按对光线偏折能力的不同可以将出射面分为两部分，即靠近透镜本体长轴的中间部分和环绕包围中间部分的外围部分，光线经过中间部分后，偏折角较大，照射到目标平面上坐标的绝对值较大；光线经过外围部分后，偏折角较小，照射到目标平面上坐标的绝对值较小。中间部分和外围部分将产生两束不同锥角的锥面波，两束锥面波分别相干叠加，形成两束近似贝塞尔光，在两束近似贝塞尔光之间出现了一个没有光通过的区域，即Bottle beam。调节光束照射在目标平面上的坐标值即可调节Bottlebeam的尺寸。

本发明的优点在于通过单一元件可直接获得单个Bottle beam，转换效率高，成本低，结构简单，元件加工相对容易，并且LED作为一种新型非相干光源具有体积小、耗电量低、寿命长、高亮度低热量、坚固耐用，使产生Bottle beam的成本大大降低。此发明为获取Bottlebeam提供了一种简洁实用的新方法。

附图说明

图1为本发明中透镜的出射面求解原理图。

图2为本发明中透镜产生Bottle beam的光路示意图。

图3为本发明中透镜的母线图。

图4为本发明中透镜的立体图。

图5为本发明中透镜另一角度的立体图。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明新型LED透镜的结构和原理作近一步详细的说明。

本发明的一种可产生单个局域空心光束的LED透镜，如图3-5所示，具有类椭球体状的PMMA材料制成的透镜本体100，透镜本体100的长轴与短轴的长度比为10-11：2-3，此透镜本体100沿其长轴方向的一头呈平切状，形成一垂直于椭球体的长轴的圆形横切面11，此圆形横切面11的中部具有作为入射面的内凹球面111，此内凹球面111的球心位置与此圆形横切面11的圆心位置重叠在一起，LED光源对应放置于此内凹球面111的球心位置，此透镜本体100的外轮廓曲面12即为出射面。此出射面分为两部分，即靠近透镜本体100的长轴13的对入射光线的偏折角较大的中间部分和环绕包围此中间部分的对入射光线的偏折角较小的外围部分。以此中间部分的任一点与所述球心位置的连线为入射线，此入射线与透镜本体的长轴13的夹角≦45°。

如图1所示，以光源所在位置为原点建立直角坐标系,以LED光源的晶元所在平面为XY平面（其中Y轴垂直于XZ所在平面，即垂直于纸面，因此，图中Y轴没有标出）,垂直晶元平面方向为Z轴.以XZ所在平面为例,h为目标平面与光源的距离.入射光线与透镜出射面的交点为A,坐标为(x,z),出射光线与目标平面的交点为B,坐标为(r,h),则可以得到:

入射光线的单位矢量: $\stackrel{\→}{\mathrm{in}}=\frac{1}{\sqrt{x^2+z^2}}(x,z)---\left(1\right)$ 出射光线的单位矢量: $\stackrel{\→}{\mathrm{out}}=\frac{1}{\sqrt{{(r-x)}^2+{(h-z)}^2}}(r-x,h-z)---\left(2\right)$

在图1所示的四分之一出射面内将(0,π/2)内的角度m等分,对应于入射光线i₀-i_m与Z轴的夹角为θ₀-θ_m,经过透镜出射面折射后,θ₀-θ_m/2对应图2所示目标平面上点:x=-r₂,θ_m/2-θ_m对应目标平面上的点:x=-r₁。

设初始光线i₀沿Z轴正向,在它的传播路径上选择一个初始点S₀(0,Z₀)作为出射面的起点，i₀经出射面折射后对应于目标面上的点H(-r₂,h)，由这两点的坐标通过公式（1）,（2）可求出初始光线入射方向和出射方向的单位矢量。由折射定律可求出自由曲面在初始点S₀处的法向矢量:

$\stackrel{\→}{N_0}=n\·{\stackrel{\→}{\mathrm{in}}}_0-{\stackrel{\→}{\mathrm{out}}}_0---\left(3\right)$

n为透镜材料的折射率,由法向矢量和起始点坐标求出S₀点的切平面T₀。

求出光线i₁与切平面T₀的交点S₁(X₁,Z₁),并由目标平面上的对应点H(-r₂,h)求出点S₁处的入射光线和出射光线的单位矢量

再根据(3)式求出在S₁点表面的法向矢量

由法向矢量和S₁点的坐标求出切平面T₁,再求出光线i₂与切平面T₁的交点S₂(X₂,Z₂),依据上述步骤,迭代求出透镜出射面在XZ平面截线上的离散数据点S₀,S₁......S_m的坐标,即确定了透镜出射面在XZ平面上的截线.在迭代求解过程中,角度等分越小,计算结果与预期目标越接近,误差越小。

如图2所示，位于O点的LED点光源发出的光经过透镜本体的出射面之后被分为四部分,四部分的光束被分别聚焦到离透镜某一距离h处的目标平面上x=r₁,r₂,-r₁,-r₂的地方。其中LED发出的光通过透镜本体的出射面上的AB₁段（OB₁与Z轴的夹角约45°，AB₁段即为中间部分）后汇聚于目标平面上x=-r₂处,偏折角较大。透镜本体的出射面上B₂C段（外围部分）后汇聚于目标平面上x=-r₁处,偏折角较小。而透镜本体的出射面关于Z轴旋转对称,因此在这四部分光束交叉的中间区域,会产生一个没有光通过的区域(图2中阴影区域PQRS所示),从而形成了局域空心光束,即Bottle beam.在Bottle beam的两端的区域内(端点AP,RT所夹的四边形区域),分别有两个锥面波相叠加,形成近似无衍射贝塞尔光束。Bottle beam的起点位置即为图2中线段B₁H与Z轴的交点P,终点位置即为线段B₂G与Z轴的交点R，Bottlebeam的暗域半径最大位置及最大暗域半径可由线段D₁E与B₂G的交点Q算出。调整光束照射在目标平面上的坐标位置即可调整Bottlebeam的尺寸大小。

Claims (4)

1.一种可产生单个局域空心光束的LED透镜，其特征在于：具有类椭球体状的透镜本体，其长轴与短轴的长度比为10-11：2-3，此透镜本体沿其长轴方向的一头呈平切状，形成一垂直于透镜本体的长轴的圆形横切面，此圆形横切面的中部具有作为入射面的内凹球面，此内凹球面的球心位置与此圆形横切面的圆心位置重叠在一起，LED光源对应放置于此内凹球面的球心位置，此透镜本体的外轮廓曲面即为出射面。

2.根据权利要求1所述的一种可产生单个局域空心光束的LED透镜，其特征在于：所述出射面分为两部分，即靠近所述透镜本体的长轴的对入射光线的偏折角较大的中间部分和环绕包围此中间部分的对入射光线的偏折角较小的外围部分。

3.根据权利要求2所述的一种可产生单个局域空心光束的LED透镜，其特征在于：以所述中间部分的任一点与所述球心位置的连线为入射线，此入射线与所述透镜本体的长轴的夹角≦45°。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种可产生单个局域空心光束的LED透镜，其特征在于：上述透镜本体为PMMA透镜。

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