CN107003433B - 菲涅尔透镜系统 - Google Patents

Abstract

一种菲涅尔透镜系统，包括位于同一光路上的至少两个齿面(501,502)，每个齿面(501,502)含有至少一个菲涅尔单元，每个菲涅尔单元为由一个原始曲面生成的菲涅尔折射面，两个齿面(501,502)中至少一个为复合菲涅尔折射面或者填充式菲涅尔折射面，或者，两个齿面(501,502)为同一物理界面，其所在的元件具有反射式的背面。所述菲涅尔透镜系统能够充分发挥菲涅尔透镜厚度薄的优势，在不明显增加系统厚度的情况下即可实现更强的光路调整功能。

Description

菲涅尔透镜系统

技术领域

本发明涉及光学元件技术领域，具体涉及菲涅尔透镜系统。

背景技术

菲涅尔(Fresnel)透镜是一种薄型透镜。通过将普通透镜连续的曲面分割成若干段，在减少每段的厚度后将各段曲面置于同一平面或基本光滑的曲面上即形成为菲涅尔透镜。菲涅尔透镜的折射面一般呈不连续的阶梯状或齿状。本文中，将透镜的曲面(非光滑面)称为折射面。

菲涅尔透镜的一种常规的结构可参考图1。图1中，虚线表示曲面的中心，普通透镜100的原始曲面101被分割成若干个同心的镜片环201，在降低每个镜片环的厚度后将它们设置在同一个平面上即成为菲涅尔透镜200。这种由原始曲面演变而来的不连续的折射面可称为菲涅尔折射面。由于光线的折射发生在透镜的曲面上而与透镜的厚度无关，因此理论上菲涅尔折射面与相应的原始曲面相比具有近似的光学性能，但厚度却大为减少。厚度减少可以减少光能的吸收和衰减，在很多应用中，这是菲涅尔透镜的一个重要优点。

可以将由一个原始曲面生成的菲涅尔折射面称为一个菲涅尔单元，而一个菲涅尔单元可以采用五组基本参数来描述：中心位置、面积、焦距、折射面形状、以及分割环的位置和数量。

简明起见，本文中将具有菲涅尔折射面的一面称为“齿面”，将相对光滑和平坦的另一面称为“背面”，将一面为齿面而另一面为背面的菲涅尔透镜称为“单面菲涅尔透镜”。

菲涅尔透镜不仅可用于聚焦光信号，例如红外线，以便于感应器探测，例如图2中示出的被动红外探测器“PIR”，也可用于聚焦其它电磁波信号，如微波、无线电、X-光、伽玛射线等。因此，本文中所称的“光”，可以指整个电磁波谱里任意谱段的电磁波。

由于单个菲涅尔单元的聚焦范围有限，为增加信号感应范围，也有在齿面上集合多个菲涅尔单元的情况。可将只含有一个菲涅尔单元的齿面称为“简单菲涅尔折射面”，采用这种齿面的单面菲涅尔透镜可称为“单面简单菲涅尔透镜”。相应地，可将含有两个以上菲涅尔单元的齿面称为“复合菲涅尔折射面”，而采用这种齿面的单面菲涅尔透镜可称为“单面复合菲涅尔透镜”。

单面复合菲涅尔透镜的背面通常为宏观曲面，例如平面、共轴面(包括旋转曲面，如球面、椭球面、圆柱面、抛物柱面、双曲柱面，以及高阶多项式曲面等)、由多个平面拼接成的折面以及梯台面等。图2示出了几种单面复合菲涅尔透镜的结构，其中，虚线表示经过各个菲涅尔单元的中心的光路。图2(a)中齿面含有三个水平排列的菲涅尔单元，背面为平面(方形)；图2(b)中齿面含有五个菲涅尔单元，1个位于中央，其他4个分布在四周，背面为平面(圆形)；图2(c)中背面为圆柱面；图2(d)中背面为球面；图2(e)中背面为三个平面拼接成的折面；图2(f)中背面为梯台面。

目前已有的菲涅尔透镜一般是单面简单菲涅尔透镜以及单面复合菲涅尔透镜，这些透镜的性能受到极大的限制。因此，有必要对菲涅尔透镜系统进行进一步的研究和发展。

发明内容

依据本发明提供一种菲涅尔透镜系统，包括位于同一光路上的至少两个齿面，每个齿面含有至少一个菲涅尔单元，每个菲涅尔单元为由一个原始曲面生成的菲涅尔折射面，两个齿面中至少一个为复合菲涅尔折射面或者填充式菲涅尔折射面，或者，两个齿面为同一物理界面，其所在的元件具有反射式的背面。

依据本发明的菲涅尔透镜系统可以有各种优秀的实现形式，其所包含的两个齿面可以设置在两个分离的元件上，也可以背靠背地合在一起成为一个双面菲涅尔透镜的两个面。

依据本发明的菲涅尔透镜系统具有两个以上的齿面，能够充分发挥菲涅尔透镜厚度薄的优势，在不明显增加系统厚度的情况下即可实现更强的光路调整功能，例如聚焦。增强的聚焦能力能够减小焦距以及感应器的面积，有助于缩小器件的尺寸。此外，依据本发明提出的各种优选方案，极大地丰富和扩展了传统菲涅尔透镜的结构和功能。

以下结合附图，对依据本发明的具体示例进行详细说明。

附图说明

图1是现有菲涅尔透镜的一种结构原理示意图；

图2是现有几种单面复合菲涅尔透镜的结构示意图；

图3是本发明中用于生成菲涅尔折射面的两种共轴面的示意图；

图4是本发明中填充式菲涅尔折射面的示意图；

图5是本发明中两个齿面上菲涅尔单元同心布置的示意图；

图6是本发明中两个齿面上菲涅尔单元错心布置的示意图；

图7是本发明中两个齿面背靠背结合的结构示意图；

图8是本发明中反射式菲涅尔透镜的结构示意图；

图9是实施例1中菲涅尔透镜系统的结构示意图；

图10是实施例2中菲涅尔透镜系统的结构示意图；

图11是本发明中光谱段的两种划分方式的示意图。

具体实施方式

依据本发明的菲涅尔透镜系统具有位于同一光路上的至少两个齿面，因此，可称为“多面菲涅尔透镜系统”。根据位于同一光路上齿面的数量，可以具体命名为“双面菲涅尔透镜系统”、“三面菲涅尔透镜系统”等。在依据本发明的透镜系统中，可以有一个或多个元件，基于单个元件上所设置的齿面的数量，同样可分别称为“单面菲涅尔透镜”、“双面菲涅尔透镜”等。

需要注意的是，“双面菲涅尔透镜系统”与“双面菲涅尔透镜”是有差别的。双面菲涅尔透镜是指一个透镜的两个面都是齿面，而一个双面菲涅尔透镜系统可以由一个双面菲涅尔透镜组成，也可由两个单面菲涅尔透镜系统组成。

系统中的每个齿面含有至少一个菲涅尔单元，每个菲涅尔单元为由一个原始曲面生成的菲涅尔折射面。传统的用于生成菲涅尔折射面的原始曲面一般为绕光轴对称的曲面，例如球面、旋转抛物面等旋转曲面。传统的原始曲面的焦点在一个点上，因此，可称为“共点面”。在本发明中，原始曲面可以是任何形式的共轴面，可根据应用的需要具体设置。所称共轴面是指焦点在同一直线上(而不一定是在同一个点上)的曲面，该直线可称为“共轴线”。传统的共点面可视为共轴面的共轴线退化为一个点时的特例。采用共轴但不共点的原始曲面，可以将用于设置在聚焦位置的感应器件从较小的面积(对应于焦点)扩展为长条形(对应于由焦点组成的共轴线)，从而在不显著增加成本的情况下，提升信号收集的能力并有助于解决局部过热问题。典型的共轴面包括旋转曲面(含二次或高阶旋转曲面)、柱面、锥面等。其中柱面又可称为等截面共轴面，这种曲面沿着共轴线的垂直方向在任何一点切开，所得到的横截面的形状和大小都是一致的，圆柱面是柱面的一种特例。锥面沿着共轴线的横截面则具有相似的形状但大小不同，圆锥面是锥面的一种特例。图3示出了以上两种共轴面，其中图3(a)为等截面共轴面，图3(b)为锥形共轴面，其焦点F均位于各自的共轴线L上。

单个齿面可以是含有两个以上菲涅尔单元的复合菲涅尔折射面。一般而言，复合菲涅尔折射面上各个菲涅尔单元的基本参数(例如，面积、焦距、所对应的原始曲面的形状、同心环的数量等)均可以灵活布置，可以完全相同、部分相同或完全不同。在一种实施方式中，复合菲涅尔折射面上的每个菲涅尔单元各自有自己的光学中心，但焦点落在同一个点，或者一条直线，或者一个有限的区域内。这可以通过对构成该复合菲涅尔折射面的每个菲涅尔单元进行空间布置来实现。可以认为这些菲涅尔单元被布置在一个宏观曲面上，例如平面、二次曲面(包括球面、椭球面、圆柱面、抛物柱面、双曲柱面)、高阶多项式曲面(非球面的通常实现方式)、以及由多个平面拼接成的折面以及梯台面等。

单个齿面还可以是填充式菲涅尔折射面。所称填充式菲涅尔折射面可通过在一个由固体材料形成的菲涅尔折射面(可称为“母面”)上填充透明材料而形成。由填充的透明材料所形成的菲涅尔折射面可称为“子面”，其形状与母面完全互补，形成子面的材料与形成母面的材料的折射率不同，当然，形成子面的材料也与周围环境(例如空气)的折射率不同。形成子面的填充材料选自固体、液体或气体。固体填充材料例如可选择亚克力、塑胶或树脂，液体填充材料例如可选择水，气体填充材料例如可选择惰性气体。

参考图4，材料301形成具有凸面302的菲涅尔单元，材料303形成具有凹面304的菲涅尔单元，这两个菲涅尔单元的形状完全互补，通过面对面紧密贴合形成一个齿面。可以将材料301形成的菲涅尔透镜称为“母镜”，将母镜封闭在一个上部留有空间并且透明的腔体里，然后在腔体中填充透明材料303，即可获得另一个凹凸性质与母镜完全相反的菲涅尔透镜，可称为“子镜”。

填充式菲涅尔折射面的结构使得能够通过调整齿面两侧材料的折射率来获得不同的聚焦能力，为菲涅尔透镜系统的光学设计提供更多的灵活度并降低成本。在一种实施方式中，材料301和303是不同的固体材料，分别制成菲涅尔单元后再紧密贴合在一起。需要说明的是，固体的填充式菲涅尔透镜与两个面对面紧贴在一起的传统菲涅尔透镜在结构上是一样的，但其填充式的加工过程、加工难度、以及由此对(母镜和子镜的)材料的要求都是不同的。在另一种优选的实施方式中，材料301为固体而材料303为液体或气体，先将固体材料301制成菲涅尔单元，然后在其齿面上填充并封装液体或气体材料303即可形成填充式菲涅尔折射面。采用这种方式可省去一个菲涅尔单元的加工。所使用的液体填充材料例如可以是水，气体可以是惰性气体如氮气。利用液体来制作填充式菲涅尔折射面有诸多优点，一方面可以通过液体轻易地对透镜进行加热或冷却，另一方面，液体能够与固体材料制成的菲涅尔单元无缝结合，轻易地克服菲涅尔透镜容易产生炫光的弱点，使得菲涅尔透镜系统能够用于高分辨率的成像系统，例如数码相机和手机的镜头。传统菲涅尔透镜的炫光通常是由于菲涅尔透镜的齿面的不连续性引起的，而这种不连续性能够由互补的液体或气体透镜进行补偿，从而大幅削弱炫光。将这种通过液体或气体填充形成的填充式菲涅尔透镜应用于广角镜头的第一级镜头，能够大幅度减小镜头的尺寸。

两个齿面上的菲涅尔单元的相对位置可以有两种优选的布置方式。一种布置方式可参考图5，其中，两个齿面上的菲涅尔单元的数量相同且同心布置。所谓同心布置指两个齿面上的菲涅尔单元的光轴两两重合。至于菲涅尔单元的其他基本参数，例如焦距、所对应的原始曲面的形状以及同心环的数量等可以相同也可以不同，可根据光学设计的需要进行配置。图5中示例性地用虚线画出了两个光轴，每个光轴对应于两个齿面上的各一个菲涅尔单元。同心布置方式的优点在于能够加强菲涅尔单元中心附近的信号。另一种布置方式可参考图6，其中，两个齿面上的菲涅尔单元的数量不同且错心布置，并且错心布置优选采用错开距离相等的方式。所谓错心布置指两个齿面上的菲涅尔单元的光轴彼此错开，所称错开距离相等是指，一个齿面上的某个菲涅尔单元的光轴与另一个齿面上围绕该光轴的最近的几个菲涅尔单元的光轴之间的距离相等，图6中，光轴以虚线表示，下方齿面上的一个菲涅尔单元的光轴位于上方齿面上的四个菲涅尔单元的光轴的中心。错心且等距的布置方式的优点在于能够均衡信号，减少感应范围中的死角和盲区。

一般而言，两个以上的齿面可以灵活地组合以形成为一个或多个元件。例如将复合菲涅尔折射面应用于单面元件，即形成为单面复合菲涅尔透镜，例如图2中所示的几种。单面复合菲涅尔透镜也可以被认为是把两个以上的单面简单菲涅尔透镜的背面布置在一个宏观曲面上形成的。在一种实施方式中，两个齿面分别位于两个分离的元件上，形成由两个单面菲涅尔透镜组成的系统，这两个元件之间的朝向关系可以是齿面对齿面，或齿面对背面，或背面对背面。在另一种实施方式中，参考图7，两个齿面以背靠背的方式设置在同一元件上。两个齿面所属的部分可采用相同或不同的材料，因此图7中的分界线以虚线表示。当背靠背式的两个菲涅尔透镜由相同的材料制成时，就构成了双面菲涅尔透镜，并可采用一体成型的方式来制作，例如可采用亚克力、树脂或其它塑胶材料通过压模的方式来制作，其两个齿面的凹凸特性可以相同也可以不同。在另一种实施方式中，系统中有三个齿面，一个应用于单面元件，另外两个形成为背靠背式的双面菲涅尔透镜。在其他实施方式中，还可根据需要对上述列举的结构形式进行组合和扩展。

值得一提的是，系统中的两个齿面可以通过设置反射面的方式由同一个物理界面来充当。参考图8，元件400具有反射式的背面401(内表面为镜面)，背面401可采用例如在单面菲涅尔透镜的光滑面镀反射膜或者粘贴具有反射能力的贴片等方式形成。由于反射，入射光路两次经过其物理折射界面402，因此该物理界面等效于两个齿面，元件400也可被称为反射式双面菲涅尔透镜，并且这两个齿面的凹凸性质是一致的。通过设置反射式背面的方式，能够简便地增加光路中的齿面数，降低制作和安装的成本，并且大大丰富了菲涅尔透镜的使用形态。

以下通过具体示例来对依据本发明的菲涅尔透镜系统的应用进行举例说明。

实施例1

依据本发明的菲涅尔透镜系统的一种实施方式可参考图9，含有两个齿面，其中一个齿面501为复合菲涅尔折射面，另一个齿面502仅包含一个菲涅尔单元，图中虚线所示为菲涅尔单元的光轴。这两个齿面分别设置在两个分离的单面元件上，形成一个单面复合菲涅尔透镜和一个单面简单菲涅尔透镜。这两个单面透镜以齿面对背面的方式依次排列在光路上，用于共同将信号聚焦到感应器503上，其中，复合菲涅尔透镜可视为该聚焦系统的物镜，而其后的简单菲涅尔透镜可视为目镜。本实施例透镜系统可用于检测远距离的信号，也可用于实现分级聚光。

作为一种优选的实施方式，这两个透镜中的一个或者两个可以由电机驱动。例如，由电机驱动充当目镜的透镜以进行自动对焦，或者，进一步由电机驱动充当物镜的透镜以进行变焦。

实施例2

依据本发明的菲涅尔透镜系统的另一种实施方式可参考图10，含有三个齿面。其中，第一个齿面601为复合菲涅尔折射面，设置在一个单面元件上，形成单面复合菲涅尔透镜，用于对光信号进行第一次聚焦；第二个齿面和第三个齿面可以是复合菲涅尔折射面也可以仅包含一个菲涅尔单元，例如，第二个齿面和第三个齿面可具有如图5或图6所示的相对位置关系，这两个齿面可以共同布置于一个元件，也可以分别设置于两个单面元件。本实施例中，第二个齿面602和第三个齿面603以背靠背的方式形成为一个双面菲涅尔透镜，用于对光信号进行第二次聚焦。

本实施例中，由上述两个透镜组成的聚焦系统将光波按照不同光谱段的中心波长，聚焦到3个不同的焦平面上，其中焦平面F1、F2、F3分别对应于三个光谱段的中心波长λ1、λ2、λ3。一般而言，镜头的焦距与波长为单调递增的关系，换言之，光波的中心波长越长，其所聚焦到的焦平面就越远，这种关系在传统的镜头设计中通常是需要克服的，但在本实施例中，可顺应并利用该原理来产生多个焦平面。对本领域技术人员而言，可以通过对齿面进行光学设计以及施加适当的镀膜等，来更好地将不同波长的光波聚焦在不同焦距的焦平面上。根据实际需要，焦平面的数量可以为1至4个。当焦平面设计为1个时，意味着需要像传统镜头设计一样，尽量消除波长对焦距的影响。而采用多个焦平面，不仅光学设计更加容易，不同谱段的光也能够在不同的焦平面得到更好的特殊利用和处理。

本实施例中，可以在各个焦平面上设置相应光谱段的感应器，来达到对属于该光谱段的波长的最佳响应，在不同的焦平面上设置不同的感应器还能达到最大化利用入射光能量的效果。此外，将不同光谱段的光聚焦到不同的焦平面上，从而为多层感光提供便利。本实施例中的三个焦平面对应于划分的三个光谱段。在其他实施方式中，可以将感兴趣的光谱范围按照波长λ划分为不同的区间，具体划分方式可参考已有的通用规则，也可根据实际应用的需要进行调整。图11示出了两种常见的划分方式。一种是将光谱分为可见光谱段701和(近)红外光谱段702两个区间，参考图11(a)，其中以虚线示出了这两个区间的中心波长的位置，可见光谱段包含红703、绿704、蓝705三个谱段。另一种是将光谱分为紫外光谱段706、可见光谱段707和红外光谱段708三个区间，参考图11(b)，其中同样以虚线示出了三个区间的中心波长的位置。

本实施例的原理，还可应用于设计现代无线通信领域里的天线，使得天线能够同时接收不同频段的信号，因为基于本发明的菲涅尔透镜系统可适用于电磁波的任何谱段。

以上应用具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，应该理解，以上实施方式只是用于帮助理解本发明，而不应理解为对本发明的限制。对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，可以对上述具体实施方式进行变化。

Claims (9)

1.一种菲涅尔透镜系统，其特征在于，包括位于同一光路上的至少两个齿面，每个齿面含有至少一个菲涅尔单元，每个菲涅尔单元为由一个原始曲面生成的菲涅尔折射面，

所述两个齿面均为含有两个以上菲涅尔单元的复合菲涅尔折射面，两个所述复合菲涅尔折射面上的菲涅尔单元的数量不同且错心布置，所谓错心布置指两个齿面上的菲涅尔单元的光轴彼此错开。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述错心布置采用错开距离相等的方式，所称错开距离相等是指，一个齿面上的一个菲涅尔单元的光轴与另一个齿面上围绕该光轴的最近的几个菲涅尔单元的光轴之间的距离相等。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述原始曲面为焦点在同一直线上的共轴面，所述共轴面包括旋转二次曲面、旋转高阶多项式曲面、柱面和锥面。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，每个齿面上的菲涅尔单元共背，并且背面形成为宏观曲面。

5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述宏观曲面选自平面、共轴面、由多个平面拼接成的折面和梯台面。

6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，同一齿面上的菲涅尔透镜单元，对相同谱段的光，都聚焦在同一个点，或者一条直线，或者一个有限的区域内。

7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统将光按照不同谱段的中心波长，聚焦到相应的焦平面上，以便于在所述焦平面上设置相应谱段的感应器，所述焦平面的数量为1至4个。

8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述焦平面的焦距越长，所对应的中心波长越长。

9.如权利要求1-8任一项所述的系统，其特征在于，所述两个齿面分别位于两个分离的元件上，所述两个分离的元件中的一个由电机驱动以进行自动对焦，和/或，所述两个分离的元件中的另一个由电机驱动以进行变焦。