CN107327806A - 一种基于偏心光源的小角度光束透镜 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于偏心光源的小角度光束透镜，在入射端设置入射面Ⅰ、次入射面、入射面Ⅱ、全反射面Ⅱ，出射端设置出射面ⅠA、出射面ⅠB、出射面ⅡA、出射面ⅡB，一路光线从入射面Ⅰ进入，经过全反射面ⅠA反射后，从出射面ⅠA平行射出，另一路光线从入射面Ⅱ进入，经过全反射面Ⅱ反射后从出射面ⅡA平行射出，从而使得整体光线出来后始终是偏离透镜中心线。本发明的RGB合成白光均匀，光斑效果均匀。

Description

一种基于偏心光源的小角度光束透镜

技术领域

本发明涉及一种基于偏心光源的小角度光束透镜，属于透镜技术领域。

背景技术

目前市面上的透镜都是基于光源的发光面的中心与透镜的旋转中心对齐的情况下设计的，没有针对光源发光面的中心不与透镜的旋转中心对齐的情况设计，但是特别是舞台灯光行业中RGB三合一、RGBW四合一、RGBWA五合一等等光源很常见，这些光源的每个发光面都不在透镜中心，都处于偏心状态，若以传统方式去设计旋转对称透镜，最终各种单色光经过透镜后都不在光斑面的中心，所以就会出现RGB合成白光会很不均匀，光斑效果很差。

发明内容

为了解决现有技术的上述问题，本发明提供了一种基于偏心光源的小角度光束透镜，专门针对光源处于偏心状态，使得各色光经过透镜后单色光光斑的中心点都处在接受面的中心，这样的最终的混光效果就会很好。

本发明通过下述技术方案来实现。一种基于偏心光源的小角度光束透镜，所述透镜一端为出射端，另一端为入射端，出射端和入射端之间的外壁由全反射面ⅠA和全反射面ⅠB组成；

所述入射端包括透镜底座面和位于透镜底座面中间的入射面Ⅰ、次入射面、入射面Ⅱ、全反射面Ⅱ，所述入射面Ⅰ、次入射面、入射面Ⅱ、全反射面Ⅱ均为凸曲面，所述入射面Ⅱ和全反射面Ⅱ位于中心并且向远离中心线的方向凸起，所述入射面Ⅰ位于入射面Ⅱ外侧，次入射面位于全反射面Ⅱ外侧，所述入射面Ⅰ和次入射面向中心线方向凸起；

所述出射端的出射面由出射面ⅠA、出射面ⅠB、出射面ⅡA、出射面ⅡB组成，所述出射面ⅡA、出射面ⅡB位于中心，而所述出射面ⅠA、出射面ⅠB位于外侧，并且所述出射面ⅡA、出射面ⅡB相对于所述出射面ⅠA、出射面ⅠB下凹，所述出射面ⅡA、出射面ⅡB向远离中心线的方向凸起，所述出射面ⅡA、出射面ⅡB交汇于中心线上。

进一步优选，所述出射面ⅠB与出射面ⅠA对称，所述出射面ⅠB与所述出射面ⅡB之间通过拔模面B衔接，所述出射面ⅠA与所述出射面ⅡA通过拔模面A衔接。

进一步优选，所述透镜底座面由透镜底座面A和透镜底座面B构成；全反射面ⅠB是全反射面ⅠA的对称面，全反射面ⅠB上端与出射面ⅠB交汇，全反射面ⅠB下端与透镜底座面B交汇，全反射面ⅠA上端与出射面ⅠA交汇，全反射面ⅠA下端与透镜底座面A交汇。

进一步优选，所述入射面Ⅰ的上端与入射面Ⅱ上端交汇，所述入射面Ⅰ的下端与透镜底座面A交汇，所述次入射面的上端与全反射面Ⅱ上端交汇，所述次入射面的下端与透镜底座面B交汇，所述入射面Ⅱ下端与全反射面Ⅱ下端交汇且交汇点位于中心线上。

进一步优选，出射面ⅠA是与透镜中心线成一定角度的平面，或者是由有限个细小的曲面链接成的曲面。

进一步优选，所述入射面Ⅰ各节点的曲率满足使入射光线经过后到达全反射面ⅠA的时候都满足全反射的条件。

进一步优选，所述入射面Ⅱ的曲率满足；使入射光线经过后发生大角度折射，到达全反射面Ⅱ的时候都满足全反射的条件。并分配经光路A和光路B出射的能量比例，使最终光斑能量分布均匀；还能阻挡经入射面Ⅰ后极少量的反射杂光，使之不能从透镜正方向出射，以免造成中心光斑边缘出现杂光晕。

进一步优选，所述全反射面Ⅱ的曲率满足：使经过入射面Ⅱ到达全反射面Ⅱ的光线发生全反射，并使大部分光线都能集中在出射面ⅡA上。

进一步优选，所述出射面ⅡA的曲率满足，使大部分光线出射后与透镜中心线平行或者偏差微小的角度。

进一步优选，拔模面A与拔模面B是锥状曲面。

本发明利用两条互不干涉的独立光路进行优化分布，从而达到入射光斑中心在整个接收平面的中心；因为两条光路都是独立的，可以单独控制方向，如果没有入射面Ⅱ和全反射面Ⅱ，光线就会从全反射面ⅠB与全反射面ⅠA同时全反射出去，由于全反射面ⅠB与全反射面ⅠA是完全旋转对称的，一个面曲率变化，另一个面曲率也相同的变化；而且，光源处于偏心状态，光线从同一个点到全反射面ⅠB与全反射面ⅠA的距离不一样，所以光线反射出来的角度是不一样的，整体光线出来后始终是偏离透镜中心线的，这就决定了理论上是无法调整光斑中心在透镜的中心线上的。本发明的RGB合成白光均匀，光斑效果均匀。

附图说明

图1是本发明的小角度光束透镜示意图。

图2是本发明的光路示意图。

图3是性能测试结果图。

图中： 1——全反射面ⅠA、10——全反射面ⅠB、2——出射面ⅠA、20——出射面ⅠB、3——拔模面A、30——拔模面B、4——出射面ⅡA、40——出射面ⅡB、5——入射面Ⅰ、50——次入射面、6——入射面Ⅱ、60——全反全反射面Ⅱ、7——透镜底座面A、70——透镜底座面B。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细说明。

一种基于偏心光源的小角度光束透镜，所述透镜一端为出射端，另一端为入射端，出射端和入射端之间的外壁由全反射面ⅠA1和全反射面ⅠB10组成。所述入射端包括透镜底座面和位于透镜底座面中间的入射面Ⅰ5、次入射面50、入射面Ⅱ6、全反射面Ⅱ60，所述透镜底座面由透镜底座面A7和透镜底座面B70构成，所述入射面Ⅰ5、次入射面50、入射面Ⅱ6、全反射面Ⅱ60均为凸曲面，所述入射面Ⅱ6和全反射面Ⅱ60位于中心并且向远离中心线的方向凸起，所述入射面Ⅰ5位于入射面Ⅱ6外侧，次入射面50位于全反射面Ⅱ60外侧，所述入射面Ⅰ5和次入射面50向中心线方向凸起。所述出射端的出射面由出射面ⅠA2、出射面ⅠB20、出射面ⅡA4、出射面ⅡB40组成，所述出射面ⅡA4、出射面ⅡB40位于中心，而所述出射面ⅠA2、出射面ⅠB20位于外侧，并且所述出射面ⅡA4、出射面ⅡB40相对于所述出射面ⅠA2、出射面ⅠB20下凹，这样才能更方便的对接其他透镜。所述出射面ⅡA4、出射面ⅡB40向远离中心线的方向凸起，所述出射面ⅡA4、出射面ⅡB40交汇于中心线上。

更具体的是，所述出射面ⅠB20与出射面ⅠA2对称，所述出射面ⅠB20与所述出射面ⅡB40之间通过拔模面B30衔接，所述出射面ⅠA2与所述出射面ⅡA4通过拔模面A3衔接。全反射面ⅠB10是全反射面ⅠA1的对称面，全反射面ⅠB10上端与出射面ⅠB20交汇，全反射面ⅠB10下端与透镜底座面B70交汇，全反射面ⅠA1上端与出射面ⅠA2交汇，全反射面ⅠA1下端与透镜底座面A7交汇。

更具体的是，所述入射面Ⅰ5的上端与入射面Ⅱ6上端交汇，所述入射面Ⅰ5的下端与透镜底座面A7交汇，所述次入射面50的上端与全反射面Ⅱ60上端交汇，所述次入射面50的下端与透镜底座面B70交汇，所述入射面Ⅱ6下端与全反射面Ⅱ60下端交汇且交汇点位于中心线上。

结合图1和图2，说明光路和各面的曲率或形状控制。

光路A：空气→入射面Ⅰ5→全反射面ⅠA1→出射面ⅠA2

入射面Ⅰ5：轮廓为样条曲线，通过各节点的曲率来控制入射光线经过后到达全反射面ⅠA1的时候都满足全反射的条件。

全反射面ⅠA1：轮廓为样条曲线，通过各节点的曲率来控制出射光线的主要方向。

出射面ⅠA2：与透镜中心线成一定角度的平面，用来微调从全反射面ⅠA1反射的光线，使之光线整体发生倾斜一定角度。或者是由有限个细小的曲面链接成的曲面，用来微调从全反射面ⅠA1反射的光线，使光线整体或者部分发生微小发散效果，使光斑更均匀。

光路B：空气→入射面Ⅱ6→全反射面Ⅱ60→出射面ⅡA4

入射面Ⅱ6：轮廓为样条曲线，通过各节点的曲率来控制入射光线经过后发生大角度折射，到达全反射面Ⅱ60的时候都满足全反射的条件。分配经光路A和光路B出射的能量比例，使最终光斑能量分布均匀；还能阻挡经入射面Ⅰ5后极少量的反射杂光，使之不能从透镜正方向出射，以免造成中心光斑边缘出现杂光晕。

全反射面Ⅱ60：轮廓为样条曲线，通过各节点的曲率来控制发生全反射的光线出射方向，使大部分光线都能集中在出射面ⅡA4上。

出射面ⅡA4：轮廓为样条曲线，通过各节点的曲率来控制出射光线的主要方向，使大部分光线出射后尽量与透镜中心线平行或者偏差微小的角度。

其它少量能量的光路所涉及的曲面解释：

拔模面A3与拔模面B30：锥状曲面，主要是考虑加工时所需要的拔模斜度，有利于透镜成型；另外可以在面上镀膜或者采取其它方式，使之少量的杂散光入射到曲面时尽量吸收掉，以避免产生杂光晕。

透镜底座面A7和透镜底座面B70：透镜底座面A7和透镜底座面B70为平面，透镜底座，也可以在其上面加定位柱，方便透镜与光源基板的定位安装；另外也可以在其面上镀膜或者采取其它方式，使之少量的杂散光入射到曲面时尽量吸收掉，以避免产生杂光晕。最好地，透镜底座面A7和透镜底座面B70对称。

全反射面ⅠB10与出射面ⅠB20：分别是全反射面ⅠA1与出射面ⅠA2的对称面，由于只有少量的光经过这两个面，其面的曲率分别由全反射面ⅠA1和出射面ⅠA2控制，不会对光斑产生大的影响。

如图2 所示，偏心光源光线经过透镜的两条主光路分别是:1、一部分光线经过入射面Ⅰ5产生折射后，到达全反射面ⅠA1后，由于折射原理，光线会产生全反射，经过全反射面的光线会到达出射面ⅠA2后，进入空气中；

另一部分光线会经过入射面Ⅱ6后折射到全反射面Ⅱ60，反射的光线再经过出射面ⅡA4后进入空气。只有少量的光线会经过次入射面50后到达全反射面ⅠB10反射经过出射面ⅠB20出射到空气中，此部分的能量相对较少，不会对整体的光斑能量分布产生决定性的影响。

图3是本发明测试结果，光斑均匀分布，完全满足使用需求，角度小，可控制在0°——12°（按照光斑最大照度的5%的点计算光斑有效角度）。

Claims (10)

1.一种基于偏心光源的小角度光束透镜，所述透镜一端为出射端，另一端为入射端，出射端和入射端之间的外壁由全反射面ⅠA（1）和全反射面ⅠB（10）组成；其特征是：

所述入射端包括透镜底座面和位于透镜底座面中间的入射面Ⅰ（5）、次入射面（50）、入射面Ⅱ（6）、全反射面Ⅱ（60），所述入射面Ⅰ（5）、次入射面（50）、入射面Ⅱ（6）、全反射面Ⅱ（60）均为凸曲面，所述入射面Ⅱ（6）和全反射面Ⅱ（60）位于中心并且向远离中心线的方向凸起，所述入射面Ⅰ（5）位于入射面Ⅱ（6）外侧，次入射面（50）位于全反射面Ⅱ（60）外侧，所述入射面Ⅰ（5）和次入射面（50）向中心线方向凸起；

所述出射端的出射面由出射面ⅠA（2）、出射面ⅠB（20）、出射面ⅡA（4）、出射面ⅡB（40）组成，所述出射面ⅡA（4）、出射面ⅡB（40）位于中心，而所述出射面ⅠA（2）、出射面ⅠB（20）位于外侧，并且所述出射面ⅡA（4）、出射面ⅡB（40）相对于所述出射面ⅠA（2）、出射面ⅠB（20）下凹，所述出射面ⅡA（4）、出射面ⅡB（40）向远离中心线的方向凸起，所述出射面ⅡA（4）、出射面ⅡB（40）交汇于中心线上。

2.根据权利要求1所述的基于偏心光源的小角度光束透镜，其特征是：所述出射面ⅠB（20）与出射面ⅠA（2）对称，所述出射面ⅠB（20）与所述出射面ⅡB（40）之间通过拔模面B（30）衔接，所述出射面ⅠA（2）与所述出射面ⅡA（4）通过拔模面A（3）衔接。

3.根据权利要求1所述的基于偏心光源的小角度光束透镜，其特征是：所述透镜底座面由透镜底座面A（7）和透镜底座面B（70）构成；全反射面ⅠB（10）是全反射面ⅠA（1）的对称面，全反射面ⅠB（10）上端与出射面ⅠB（20）交汇，全反射面ⅠB（10）下端与透镜底座面B（70）交汇，全反射面ⅠA（1）上端与出射面ⅠA（2）交汇，全反射面ⅠA（1）下端与透镜底座面A（7）交汇。

4.根据权利要求1所述的基于偏心光源的小角度光束透镜，其特征是：所述入射面Ⅰ（5）的上端与入射面Ⅱ（6）上端交汇，所述入射面Ⅰ（5）的下端与透镜底座面A（7）交汇，所述次入射面（50）的上端与全反射面Ⅱ（60）上端交汇，所述次入射面（50）的下端与透镜底座面B（70）交汇，所述入射面Ⅱ（6）下端与全反射面Ⅱ（60）下端交汇且交汇点位于中心线上。

5.根据权利要求1所述的基于偏心光源的小角度光束透镜，其特征是：出射面ⅠA（2）是与透镜中心线成一定角度的平面，或者是由有限个细小的曲面链接成的曲面。

6.根据权利要求1所述的基于偏心光源的小角度光束透镜，其特征是：所述入射面Ⅰ（5）各节点的曲率满足使入射光线经过后到达全反射面ⅠA（1）的时候都满足全反射的条件。

7.根据权利要求1所述的基于偏心光源的小角度光束透镜，其特征是：所述入射面Ⅱ（6）的曲率满足：使入射光线经过后发生大角度折射，到达全反射面Ⅱ（60）的时候都满足全反射的条件。

8.根据权利要求1所述的基于偏心光源的小角度光束透镜，其特征是：所述全反射面Ⅱ（60）的曲率满足：使经过入射面Ⅱ（6）到达全反射面Ⅱ（60）的光线发生全反射，并使光线都能集中在出射面ⅡA（4）上。

9.根据权利要求1所述的基于偏心光源的小角度光束透镜，其特征是：所述出射面ⅡA（4）的曲率满足：使光线出射后与透镜中心线平行或者偏差微小的角度。

10.根据权利要求2所述的基于偏心光源的小角度光束透镜，其特征是：拔模面A（3）与拔模面B（30）是锥状曲面。