CN109827149A - 一种矩形光斑的闪光灯透镜系统及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明系提供一种矩形光斑的闪光灯透镜系统及其设计方法，包括光源，光源的出光面设有微透镜阵列，微透镜阵列包括一体成型的若干微透镜单元，微透镜单元包括棱柱透镜部，棱柱透镜部靠近光源的一端一体成型有入光透镜部，棱柱透镜部远离光源的一端一体成型有出光透镜部；棱柱透镜部与入光透镜部之间设有入光矩形边框，入光矩形边框水平方向的长度和竖直方向的长度分别为a和b，出光透镜部的焦距满足以下方程：f＝(a/2)/(HFOV/2)，棱柱透镜部的厚度为t＝f，出光透镜部的曲率半径为r＝((n‑1)/n)*f。本发明利用大量离散化的矩形物像组成一个足够大的矩形光斑，光能的利用率极高，装配的容错率高，系统的出光口面积小。

Description

一种矩形光斑的闪光灯透镜系统及其设计方法

技术领域

本发明涉及闪光灯透镜系统，具体公开了一种矩形光斑的闪光灯透镜系统及其设计方法。

背景技术

闪光灯是加强曝光量的方式之一，主要用于拍摄领域，在光线不足的环境下，摄像头需要配合闪光灯才能够获得明亮清晰的拍摄效果。闪光灯被广泛应用于各种电子产品，手机闪光灯、平板电脑闪光灯都是当下主流的应用。

闪光灯一般指整个闪光灯透镜系统，主要包括光源和透镜。现有的闪光灯透镜系统，设置一颗LED灯珠或多颗LED灯珠作为光源，透镜的形状常设置为圆形，也有部分设置为方形，设置单颗LED灯珠的闪光灯透镜系统，无论透镜的形状设置为圆形还是方形，透镜的表面都设置有圆形的菲涅尔纹路，若设置多颗LED灯珠，则透镜的表面都有对应数量的圆形菲涅尔纹路，最终获得的光斑均为接近圆形的对称光斑。手机摄像头的拍摄视场为矩形，圆形的光斑需要完全包裹矩形视场才能满足曝光需求，但这样会存在大量的无效光斑范围，这种闪光灯透镜系统对光能的利用率较低，能源浪费较大。此外，现有闪光灯透镜系统的容错率较小，在装配时，透镜中菲涅尔纹路的圆心必须与LED灯珠的中心对齐，一般要求精度在0.1mm内，否则最终获得的光斑会明显不对称，且光斑的均匀性将明显下降，特别是应用于双色闪光灯，两个透镜的中心如果没有与各自的LED灯珠对齐，则会出现明显的色差。

发明内容

基于此，有必要针对现有技术问题，提供一种矩形光斑的闪光灯透镜系统及其设计方法，光能的利用率极高，装配的容错率高，且系统整体的出光口面积小，满足小型化设计。

为解决现有技术问题，本发明公开一种矩形光斑的闪光灯透镜系统，包括光源，光源的出光面设有微透镜阵列，微透镜阵列包括一体成型的若干微透镜单元，微透镜单元包括棱柱透镜部，棱柱透镜部靠近光源的一端一体成型有入光透镜部，棱柱透镜部远离光源的一端一体成型有出光透镜部；棱柱透镜部与入光透镜部之间设有入光矩形边框，入光矩形边框水平方向的长度和竖直方向的长度分别为a和b，a≠b，出光透镜部的焦距满足以下方程：f＝(a/2)/(HFOV/2)，HFOV为a方向上的视场角，棱柱透镜部的厚度为t＝f，出光透镜部的曲率半径为r＝((n-1)/n)*f，n为微透镜单元的折射率。

进一步的，光源的发光面为k*k的正方形，微透镜阵列包括i*j个微透镜单元，k<i*a<1.5k，k<j*b<1.5k。

进一步的，i*a＝1.2k，k<j*b＝1.2k。

进一步的，0.05mm≤a≤0.5mm，0.05mm≤b≤0.5mm。

进一步的，入光透镜部的焦距为p＝f，入光透镜部的曲率半径为q＝r。

进一步的，入光透镜部为非球面透镜，入光透镜部中心处的曲率半径为q＝r。

进一步的，出光透镜部为非球面透镜，出光透镜部中心处的曲率半径为r。

进一步的，光源和微透镜阵列之间设有准直透镜。

进一步的，准直透镜为菲涅尔透镜，准直透镜的光轴与光源的光轴共轴。

本发明还公开一种矩形光斑的闪光灯透镜系统的设计方法，包括以下步骤：

A、在光源的出光面处设置微透镜阵列，将微透镜阵列离散分割为若干微透镜单元，将微透镜单元划分为依次设置的入光透镜部、棱柱透镜部和出光透镜部，在入光透镜部和棱柱透镜部之间设置入光矩形边框；

B、根据需求设置入光矩形边框水平方向的长度和竖直方向的长度为a和b，a≠b，设置水平方向所需的配光视场角为HFOV，计算获得出光透镜部的焦距满足下式：f＝(a/2)/(HFOV/2)；

C、设置棱柱透镜部的厚度为t＝f；

D、设置出光透镜部的曲率半径为r＝((n-1)/n)*f，n为微透镜单元的折射率。

本发明的有益效果为：本发明公开一种矩形光斑的闪光灯透镜系统及其设计方法，通过成像原理，利用大量离散化的矩形物像组成一个足够大的矩形光斑，矩形光斑略大于矩形视场，形状大小匹配几乎没有能量浪费，光能的利用率极高，微透镜阵列中各个微透镜单元都是等效的，即使微透镜阵列与光源装配时有较大的偏差，最终所获矩形光斑还是对称的，装配的容错率高，装配操作方便，由于矩形光斑是利用成像原理获得的，因而系统整体的出光口面积可设置为稍大于光源，系统的出光口面积小，能够满足当下电子产品小型化设计的需求。

附图说明

图1为本发明实施例一的立体结构示意图。

图2为本发明实施例一的主视结构示意图。

图3为本发明中微透镜单元的结构示意图。

图4为本发明实施例二的矩形光斑照度图。

图5为本发明实施例二的立体结构示意图。

图6为本发明实施例二的主视结构示意图。

图7为本发明实施例二的矩形光斑照度图。

附图标记为：光源10、微透镜阵列11、准直透镜12、微透镜单元20、入光透镜部21、棱柱透镜部22、入光矩形边框221、出光透镜部23。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的特征、技术手段以及所达到的具体目的、功能，下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

参考图1至图7。

本发明实施例一公开一种矩形光斑的闪光灯透镜系统，如图1-3所示，包括光源10，优选地，光源10为LED灯珠，光源10的出光面设有微透镜阵列11，微透镜阵列11包括一体成型的若干微透镜单元20，即若干微透镜单元20呈阵列排布一体成型获得微透镜阵列11，微透镜单元20包括棱柱透镜部22，棱柱透镜部22靠近光源10的一端一体成型有入光透镜部21，棱柱透镜部22远离光源10的一端一体成型有出光透镜部23，优选地，入光透镜部21和出光透镜部23均为平凸透镜结构，棱柱透镜部22为直四棱柱透镜结构，各个棱柱透镜部22的侧面接触相连，微透镜单元20内部各个部分的折射率连续相等；棱柱透镜部22与入光透镜部21之间设有入光矩形边框221，入光矩形边框221位于棱柱透镜部22和入光透镜部21的连接面上，入光矩形边框221水平方向的长度和竖直方向的长度分别为a和b，a≠b，优选地，a:b为4:3，出光透镜部23的焦距满足以下方程：f＝(a/2)/(HFOV/2)，HFOV为a方向上的视场角，a为水平方向上入光矩形边框221的长度，HFOV则为水平方向上的视场角，棱柱透镜部22的厚度为t＝f，即微透镜阵列的厚度为t＝f，根据配光所需的视场角，计算获得出光透镜部23的焦距，并将微透镜单元20的厚度设置为与焦距相等，能够有效确保入光矩形边框221在出光透镜部23的焦平面上，从而确保入光矩形边框221的物像能够准确落入出光透镜部23上，出光透镜部23的曲率半径为r＝((n-1)/n)*f，n为微透镜单元20的折射率。

工作时，光源10发出的光线经过微透镜阵列11后形成矩形光斑的配光效果，具体为：光源10发出的光线射进入光透镜部21，光线照射到入光矩形边框221后经过棱柱透镜部22在出光透镜部23上形成入光矩形边框221的物像，若干个部分重叠且同向阵列排布的矩形物像共同形成一个尺寸足够大且能量充足的矩形配光效果，配光光斑略大于摄像头的矩形视场，形状大小匹配，几乎没有能量浪费。本发明通过成像的方式调整光斑的形状，而非单纯通过不同方向的折射率不同来调整，能够确保光调节的效果，同时能够有效缩小微透镜阵列11整体结构的尺寸，从而能够有效缩小闪光灯透镜系统的占用空间，即闪光灯透镜系统的出光口能够获得有效的缩小，对于小型电子产品如手机等的设计有极大的帮助，此外，微透镜阵列11的中心无需与光源10的中心对齐，因为各个微透镜单元20都是等效的，即使转配有较大的偏差，光斑仍是对称的，矩形光斑的照度图如图4所示。

本发明通过成像原理，利用大量离散化的矩形物像组成一个足够大的矩形光斑，矩形光斑略大于矩形视场，形状大小匹配几乎没有能量浪费，光能的利用率极高，微透镜阵列11中各个微透镜单元20都是等效的，即使微透镜阵列11与光源10装配时有较大的偏差，最终所获矩形光斑还是对称的，装配的容错率高，装配操作方便，由于矩形光斑是利用成像原理获得的，因而系统整体的出光口面积可设置为稍大于光源10，系统的出光口面积小，能够满足当下电子产品小型化设计的需求。

在本实施例中，光源10的发光面为k*k的正方形，微透镜阵列11包括i*j个微透镜单元20，k<i*a<1.5k，k<j*b<1.5k，根据需求缩小微透镜阵列11的面积并且使之匹配大于光源10的发光面，能够有效确保对光源10发出光能的利用率，同时能够有效缩小闪光灯透镜系统的出光口径。

基于上述实施例，i*a＝1.2k，k<j*b＝1.2k，一般情况下设置微透镜阵列11的尺寸为光源10发光面的1.2倍，能够确保对光能的利用率，同时能够确保微透镜阵列11的尺寸足够小，传统的闪光灯透镜系统中出光口的大小都要设置为光源10发光面大小的3～4倍，本发明的设置能够显著降低闪光灯透镜系统的出光口大小，对手机等小型电子设备的布局提供极佳的设计基础。

基于上述实施例，0.05mm≤a≤0.5mm，0.05mm≤b≤0.5mm，根据应用需求设置单个微透镜单元20的尺寸，以上范围内的尺寸便于加工，且光调节性能好。

在本实施例中，入光透镜部21的焦距为p＝f，入光透镜部21的曲率半径为q＝r，入光透镜部21主要用于收集来自光源10内的光线，设置入光透镜部21的焦距与棱柱透镜部22的厚度匹配，从而确保入光透镜部21的等效焦点在出光透镜部23上，从而能够显著提高光能的利用率。

基于上述实施例，入光透镜部21为非球面透镜，入光透镜部21中心处的曲率半径为q＝r，为进一步提高配光的均匀性，设置入光透镜部21为非球面透镜，以p为中心的曲率半径，根据需求通过软件优化能够获得入光透镜部21的圆锥系数和其他非球面系数。

在本实施例中，出光透镜部23为非球面透镜，出光透镜部23中心处的曲率半径为r，为进一步提高成像效果，设置出光透镜部23为非球面透镜，以r为中心的曲率半径，根据需求通过软件优化能够获得出光透镜部23的圆锥系数和其他非球面系数。

实施例二，基于实施例一，如图5-6所示，光源10和微透镜阵列11之间设有准直透镜12，设置准直透镜12能够进一步提高对光源10所发出光能的利用率，同时能够进一步提高配光的均匀性，矩形光斑的照度图如图7所示。

基于上述实施例，准直透镜12为菲涅尔透镜，准直透镜12的光轴与光源10的光轴共轴，能够进一步提高对光能的利用率，同时能够提高配光效果。

本发明实施例还公开一种矩形光斑的闪光灯透镜系统的设计方法，包括以下步骤：

A、在光源10的出光面处设置微透镜阵列11，将微透镜阵列11离散分割为若干微透镜单元20，将微透镜单元20划分为依次设置的入光透镜部21、棱柱透镜部22和出光透镜部23，在入光透镜部21和棱柱透镜部22之间设置入光矩形边框221；

B、根据需求设置入光矩形边框221水平方向的长度和竖直方向的长度为a和b，a≠b，光源10的发光面为k*k的正方形，微透镜阵列11包括i*j个微透镜单元20，k<i*a<1.5k，k<j*b<1.5k，设置水平方向所需的配光视场角为HFOV，计算获得出光透镜部23的焦距满足下式：f＝(a/2)/(HFOV/2)；

C、设置棱柱透镜部22的厚度为t＝f，即微透镜阵列的厚度为t＝f；

D、设置出光透镜部23的曲率半径为r＝((n-1)/n)*f，n为微透镜单元20的折射率。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种矩形光斑的闪光灯透镜系统，其特征在于，包括光源(10)，所述光源(10)的出光面设有微透镜阵列(11)，所述微透镜阵列(11)包括一体成型的若干微透镜单元(20)，所述微透镜单元(20)包括棱柱透镜部(22)，所述棱柱透镜部(22)靠近所述光源(10)的一端一体成型有入光透镜部(21)，所述棱柱透镜部(22)远离所述光源(10)的一端一体成型有出光透镜部(23)；所述棱柱透镜部(22)与所述入光透镜部(21)之间设有入光矩形边框(221)，所述入光矩形边框(221)水平方向的长度和竖直方向的长度分别为a和b，a≠b，所述出光透镜部(23)的焦距满足以下方程：f＝(a/2)/(HFOV/2)，HFOV为a方向上的视场角，所述棱柱透镜部(22)的厚度为t＝f，所述出光透镜部(23)的曲率半径为r＝((n-1)/n)*f，n为所述微透镜单元(20)的折射率。

2.根据权利要求1所述的一种矩形光斑的闪光灯透镜系统，其特征在于，所述光源(10)的发光面为k*k的正方形，所述微透镜阵列(11)包括i*j个微透镜单元(20)，k<i*a<1.5k，k<j*b<1.5k。

3.根据权利要求2所述的一种矩形光斑的闪光灯透镜系统，其特征在于，i*a＝1.2k，k<j*b＝1.2k。

4.根据权利要求2或3所述的一种矩形光斑的闪光灯透镜系统，其特征在于，0.05mm≤a≤0.5mm，0.05mm≤b≤0.5mm。

5.根据权利要求1所述的一种矩形光斑的闪光灯透镜系统，其特征在于，所述入光透镜部(21)的焦距为p＝f，所述入光透镜部(21)的曲率半径为q＝r。

6.根据权利要求5所述的一种矩形光斑的闪光灯透镜系统，其特征在于，所述入光透镜部(21)为非球面透镜，所述入光透镜部(21)中心处的曲率半径为q＝r。

7.根据权利要求1所述的一种矩形光斑的闪光灯透镜系统，其特征在于，所述出光透镜部(23)为非球面透镜，所述出光透镜部(23)中心处的曲率半径为r。

8.根据权利要求1所述的一种矩形光斑的闪光灯透镜系统，其特征在于，所述光源(10)和所述微透镜阵列(11)之间设有准直透镜(12)。

9.根据权利要求8所述的一种矩形光斑的闪光灯透镜系统，其特征在于，所述准直透镜(12)为菲涅尔透镜，所述准直透镜(12)的光轴与所述光源(10)的光轴共轴。

10.一种矩形光斑的闪光灯透镜系统的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

A、在光源(10)的出光面处设置微透镜阵列(11)，将所述微透镜阵列(11)离散分割为若干微透镜单元(20)，将所述微透镜单元(20)划分为依次设置的入光透镜部(21)、棱柱透镜部(22)和出光透镜部(23)，在所述入光透镜部(21)和所述棱柱透镜部(22)之间设置入光矩形边框(221)；

B、根据需求设置所述入光矩形边框(221)水平方向的长度和竖直方向的长度为a和b，a≠b，设置水平方向所需的配光视场角为HFOV，计算获得所述出光透镜部(23)的焦距满足下式：f＝(a/2)/(HFOV/2)；

C、设置所述棱柱透镜部(22)的厚度为t＝f；

D、设置所述出光透镜部(23)的曲率半径为r＝((n-1)/n)*f，n为所述微透镜单元(20)的折射率。