CN106908869B - 一种增大光束传播散射汇聚角度的透镜及制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种增大光束传播散射汇聚角度的透镜及制造方法，包括：曲面，所述曲面一侧设有若干组凹凸镜，所述每组中凹镜与凸镜相连，所述曲面一侧设有若干个区域，分别设有一组所述凹凸镜，所述每组中凹镜的径向高度大于所述凸镜的径向高度，本发明结合几何学投影原理，分析光束在入射面的入射角度变化分布，模拟出入射纵截面高阶次连续的曲线，来设计“凹/凸透镜”合理的组合；并通过光学软件仿真，验证光束扩散效果，通过不断调整入射曲面进行优化；之后以PC为材质，波长为960nm的红外光源提供光束，对所设计的透镜进行实验，再进行设计优化；最后提出FFT.Ken透镜。

Description

一种增大光束传播散射汇聚角度的透镜及制造方法
技术领域
本发明涉及光线照明、信号传播、科技研究、能量扩散/汇聚等多个领域，具体涉及一种基于光学原理增大光束传播散射/汇聚角度的透镜(FFT.Ken透镜)及制造方法。
背景技术
目前针对扩大光束传播散射/汇聚角度的透镜，都基于光学基本的折射及散射原理，例如最基础的凸透镜(图1)与凹透镜(图2)。
在基本的光学原理上，有根据光的干涉及扰射以及相对灵敏度和入射角来要求来设计纹理的菲涅尔透镜(图3)。菲涅尔透镜是由法国物理学家Augustin.Fresnel发明的，1822年他以这种透镜设计建立了一个玻璃菲涅尔透镜系统——“灯塔透镜”。这种透镜工作原理为假设一个透镜的折射能量仅仅发生在光学表面，拿掉尽可能多的光学材料，而保留表面的弯曲度。
目前已有的基本凸透镜与凹透镜无法在单个透镜、厚度有限、表面曲率不允许过大的条件下，将光束传播散射/汇聚到足够角度——例如120°光束入射，经透镜后传播角度无法达到180°，如图4、图5。
发明内容
为了解决上述不足的缺陷，本发明提供了增大光束传播散射汇聚角度的透镜及制造方法，可以解决红外控制信号发射灯，在有限设计空间及成本要求下，发射角度不足的问题。本发明在初衷之上，更希望提出一种新透镜，用来解决光照明及光信号传播等更一般情形的扩散/汇聚角度不足的问题。
本发明提供了一种增大光束传播散射汇聚角度的透镜，包括：
曲面，所述曲面一侧设有若干组凹凸镜，所述每组中凹镜与凸镜相连，所述曲面一侧设有若干个区域，分别设有一组所述凹凸镜。
上述的透镜，其中，所述每组中凹镜的径向高度大于所述凸镜的径向高度。
另一方面，一种增大光束传播散射汇聚角度的透镜的制造方法，包括以下步骤：
步骤(1)：根据透镜实际尺寸、厚度要求，给定入射面径界面的初步曲线；
步骤(2)：根据上述的初步曲线确定入射面径界面对称的一侧的凹凸镜组合数量；
步骤(3)：将光源发出的光束按发射角度均分若干个区域，沿光束入射传播方向投影在入射面径界面的初步曲线上，则该初步曲线上也将划分相应个区域；
步骤(4)：取初步曲线一侧若干个区域，其中每个区域为一组凹凸镜；
步骤(5)：利用光学仿真软件，对光束入射经上述步骤(1)-步骤(4)的透镜进行仿真模拟，达到可接受的增大光束扩散角度后，即可得到该透镜的设计。
上述的方法，其中，所述步骤(2)中，入射面径界面对称的一侧的凹凸镜组合数量为3-7组。
上述的方法，其中，所述步骤(3)中：
若入射面径界面对称的一侧的凹凸镜组合数量为5组，则将光源发出的光束按发射角度均分10个区域。
上述的方法，其中，所述步骤(4)中：
取初步曲线一侧5个区域，其中另一侧与该侧对称；
每个区域为一组凹凸组合，其中凹下的部分应大于凸出的部分，两者占初步曲线比例为2:1，并且沿光束入射传播方向上，凸出部分不能有投影在凹下部分之上，各区域交界处应平滑。
本发明具有以下优点：
1、解决红外控制信号发射灯，在有限设计空间及成本要求下，发射角度不足的问题。
2、在不增加出射面曲率，或加厚透镜厚度的情况下，本发明通过设计入射曲面形态增大光束扩散角度。
3、本发明结合几何学投影原理，分析光束在入射面的入射角度变化分布，模拟出入射纵截面高阶次连续的曲线，来设计“凹/凸透镜”合理的组合；并通过光学软件仿真，验证光束扩散效果，通过不断调整入射曲面进行优化；之后以PC为材质，波长为960nm的红外光源提供光束，对所设计的透镜进行实验，再进行设计优化；最后提出FFT.Ken透镜。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明及其特征、外形和优点将会变得更明显。在全部附图中相同的标记指示相同的部分。并未刻意按照比例绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。
图1为现有的凸透镜。
图2为现有的凹透镜。
图3为现有的菲涅尔透镜。
图4为现有的凸透镜径截面、图5为凸透镜扩散效果。
图6为一般凹透镜光束散射传播纵截面示意图。
图7为本发明中透镜的扩散效果示意图。
图8a、图8b、图8c为本发明透镜的不同方向的视图。
图9为本发明中制造方法的流程图。
具体实施方式
在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的步骤以及详细的结构，以便阐释本发明的技术方案。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。
参照图1-图9所示，本发明提供了一种增大光束传播散射汇聚角度的透镜，包括：
曲面，所述曲面一侧设有若干组凹凸镜，所述每组中凹镜与凸镜相连，所述曲面一侧设有若干个区域，分别设有一组所述凹凸镜，本发明的透镜在单个透镜、厚度有限、表面曲率不允许过大的条件下，结合几何投影原理，提出“凹凸”组合的入射面(当为了扩散光束时，该面为入射面；当为了汇聚光束时，根据光路可逆定律，该面为出射面)，以达到增大光束传播散射/汇聚角度的效果。
本发明一优选而非限制性的实施例中，每组中凹镜的径向高度大于所述凸镜的径向高度，且“凸出”部分不能有投影在“凹下”部分之上。
本发明的另一面，一种增大光束传播散射汇聚角度的透镜的制造方法，包括以下步骤：
步骤(1)：根据透镜实际尺寸、厚度要求，给定入射面径界面的初步曲线；本发明的制造方法，针对不同波长光束，选用对应的材料，根据本发明设计制造透镜即可达到增大光照明及光信号传播等扩散角度的效果。例如一款红外控制设备，其发射端采用波长为960nm的红外光源，由实际光源与透镜距离和光源发出光束的角度范围，根据几何学投影原理，分析光束在透镜入射面的入射角度变化分布，模拟出入射纵截面高阶次连续的曲线，最后可使用使用PC材料制作需要的FFT.Ken透镜，利用其增大光束扩散角度的作用，显著拓展了红外控制的空间范围。
步骤(2)：根据上述的初步曲线确定入射面径界面对称的一侧的凹凸镜组合数量，其中入射面径界面对称的一侧的凹凸镜组合数量为3-7组，优选为5组；
步骤(3)：将光源发出的光束按发射角度均分若干个区域，沿光束入射传播方向投影在入射面径界面的初步曲线上，则该初步曲线上也将划分相应个区域，若入射面径界面对称的一侧的凹凸镜组合数量为5组，则将光源发出的光束按发射角度均分10个区域，沿光束入射传播方向投影在入射面径界面的初步曲线上，则该初步曲线上也将划分10个区域(两侧对称各5个)；
步骤(4)：取初步曲线一侧若干个区域，其中每个区域为一组凹凸镜，进一步，取初步曲线一侧5个区域，其中另一侧与该侧对称，进一步优选，每个区域为一组凹凸组合，其中凹下的部分应大于凸出的部分，两者占初步曲线比例为2:1，并且沿光束入射传播方向上，凸出部分不能有投影在凹下部分之上，各区域交界处应平滑；
步骤(5)：利用光学仿真软件，对光束入射经上述步骤(1)-步骤(4)的透镜进行仿真模拟，达到可接受的增大光束扩散角度后，即可得到该透镜的设计，也就是说利用光学仿真软件，如TracePro，对光束入射经之前四步设计的透镜进行仿真模拟，根据仿真效果调整样条曲线；然后经多次优化，达到可接受的增大光束扩散角度后，确认最终设计，并根据该设计使用已选择的材料制作FFT.Ken透镜。本发明的方法制造的透镜可以实现在单个透镜、厚度有限、表面曲率不允许过大的条件下，结合几何投影原理，提出“凹凸”组合的入射面(当为了扩散光束时，该面为入射面；当为了汇聚光束时，根据光路可逆定律，该面为出射面)，以达到增大光束传播散射/汇聚角度的效果。
以上对本发明的较佳实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例，这并不影响本发明的实质内容。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (2)

1.一种增大光束传播散射汇聚角度的透镜的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤(1)：根据透镜实际尺寸、厚度要求，给定入射面径界面的初步曲线；
步骤(2)：根据上述的初步曲线确定入射面径界面对称的一侧的凹凸镜组合数量；
步骤(3)：将光源发出的光束按发射角度均分若干个区域，沿光束入射传播方向投影在入射面径界面的初步曲线上，则该初步曲线上也将划分相应个区域；
步骤(4)：取初步曲线一侧若干个区域，其中每个区域为一组凹凸镜；
步骤(5)：利用光学仿真软件，对光束入射经上述步骤(1)-步骤(4)的透镜进行仿真模拟，达到可接受的增大光束扩散角度后，即可得到该透镜的设计，所述步骤(4)中：取初步曲线一侧5个区域，其中另一侧与该侧对称；
每个区域为一组凹凸组合，其中凹下的部分应大于凸出的部分，两者占初步曲线比例为2:1，并且沿光束入射传播方向上，凸出部分不能有投影在凹下部分之上，各区域交界处应平滑，所述步骤(3)中：若入射面径界面对称的一侧的凹凸镜组合数量为5组，则将光源发出的光束按发射角度均分10个区域，所述散射汇聚角度为在不增加出射面曲率，或加厚透镜厚度的情况下，通过设计入射曲面形态增大光束扩散角度。
2.如权利要求1所述的一种增大光束传播散射汇聚角度的透镜的制造方法，其特征在于，所述步骤(2)中，入射面径界面对称的一侧的凹凸镜组合数量为3-7组。
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