CN112432136A - 一种折反射式光学模组 - Google Patents

Abstract

本发明属于照明设备的技术领域，具体涉及一种折反射式光学模组，包括光源和透镜，透镜设置于光源的前方，透镜包括第一表面、第二表面和第三表面，第二表面连接于第三表面，光源射出的光线依次经过第一表面、第二表面和第三表面，第一表面为旋转对称曲面，第一表面用于会聚光线，第二表面为反光面，第二表面用于全反射光线，第三表面用于改变光线的出射角度。本发明在不改变光源的安装角度的前提下，通过在光源之前设置透镜实现光线的出射角度的改变，其能够对光线的出射角度进行高精度调整，能够实现出射光斑的整形。

Description

一种折反射式光学模组

技术领域

本发明属于照明设备的技术领域，具体涉及一种折反射式光学模组。

背景技术

在机器视觉、照明设备技术领域，都会用到特定的光源。通常来说，光源照明的好坏会直接影响到机器视觉系统采集信息的质量，因此，对光源的应用研究一直是重点。

然而，发明人发现了在一些特殊的机器视觉应用中，需要对特定的光源的发光角度进行调节，并且，一般改变光源发光角度的方案是改变灯板的角度，即通过改变灯的摆放角度从而改变光源的发光方向，这种方案的缺点是改变灯板的角度会使得整块灯板不是一个平面，而且，对于多阵列的LED灯，各个灯板均需要改变一定的角度既不利于PCB板的批量制造，也不利于对各个LED灯角度的精度把控及保障LED灯的发光角度的一致性，从而不能很好地满足机器视觉及照明的需求。

因此，亟需一种新型的光学模组以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有技术的不足，提供一种折反射式光学模组，其能够在不改变光源的安装角度的前提下，通过在光源之前设置透镜实现光线的出射角度的改变，其能够对光线的出射角度进行高精度的调整，能够实现出射光斑的整形。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种折反射式光学模组，包括光源和透镜，所述透镜设置于所述光源的前方，所述透镜包括第一表面、第二表面和第三表面，所述第二表面连接于所述第三表面，所述光源射出的光线依次经过所述第一表面、所述第二表面和所述第三表面，所述第一表面为旋转对称曲面，所述第一表面用于会聚光线，所述第二表面为反光面，所述第二表面用于全反射光线，所述第三表面用于改变光线的出射角度。

进一步地，所述第一表面的光轴和所述第二表面的光轴的夹角为θ1；所述第一表面的光轴和所述第三表面的光轴的夹角为θ2。

进一步地，所述第二表面的折射率为n，光线从所述第一表面向所述第二表面入射的角度为I，满足关系式：I>arcsin(1/n)，从而满足全反射的效果。

进一步地，所述第一表面为球面，所述第一表面向所述光源外凸。

进一步地，所述第一表面为非球面，所述第一表面的非球面面型的表达式为

其中，z为非球面的矢高量，c为非球面的曲率，r是以透镜长度单位为单位的径向坐标，k、α₁～α₈均为非球面系数。

进一步地，所述第二表面和所述第三表面均为Zernike多项式曲面，其表达式为

其中，z为曲面的矢高量，等号右边的第一项是Conic曲面部分，c为曲面的曲率，r是以透镜长度为单位的径向坐标，k为二次非球面常数，N为多项式系数的个数，A_i为第i项的多项式系数，E_i(x，y)为第i项的x和y的高次多项式，x和y均为多项式的变量，并且，在所述第二表面和所述第三表面中，所述N的值均为3～10。

进一步地，所述光源和所述透镜的数量均为若干个，若干个所述透镜之间设置有透光层，所述透光层与相邻的所述透镜的所述第一表面连接，所述透光层不影响光线从所述第一表面依次经过所述第二表面和所述第三表面。

进一步地，所述光学模组还包括PCB板，若干个所述光源均匀地分布于所述PCB板，若干个所述透镜均匀地分布于若干个所述光源的前方，所述光源为LED光源或COB光源。

本发明的有益效果在于：本发明包括光源和透镜，透镜设置于光源的前方，透镜包括第一表面、第二表面和第三表面，第二表面连接于第三表面，光源射出的光线依次经过第一表面、第二表面和第三表面，第一表面为旋转对称曲面，第一表面用于会聚光线，第二表面为反光面，第二表面用于全反射光线，第三表面用于改变光线的出射角度，从而使光线经过第二表面的全反射后再由第三表面调节光线的偏转方向，使得在不改变光源的安装角度的前提下，实现了光线的出射角度的调整，并实现了出射光斑的整形，同时，本发明无须调整光源的位置，还显著地克服了现有技术中的光源的发光角度不一致而导致照明均匀度低的缺陷。

附图说明

图1为本发明的实施例1的结构示意图。

图2为本发明的实施例1的透镜的结构示意图。

图3为本发明的实施例1的出射光偏转的效果图。

图4为本发明的实施例2的结构示意图。

图5为图4中H部分的放大图。

其中：1-光源；2-透镜；3-PCB板；21-第一表面；22-第二表面；23-第三表面；24-透光层；211-第一表面的光轴；221-第二表面的光轴；231-第三表面的光轴；L1-光源的中心和第一表面的中心的距离；L2-第一表面的中心和第二表面的中心的距离；L3-第二表面的中心和第三表面的中心的距离；θ1-第一表面的光轴和第二表面的光轴的夹角；θ2-第二表面的光轴和第三表面的光轴的夹角；α-出射光的偏转角度；I-光线从第一表面向第二表面入射的角度。

具体实施方式

如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件，本领域技术人员应可理解，制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接受的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决技术问题，基本达到技术效果。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以下结合附图1～5和具体实施例对本发明作进一步详细说明，但不作为对本发明的限定。

实施例1

一种折反射式光学模组，如图1所示，包括光源1和透镜2，透镜2设置于光源1的前方，光源1可以为LED光源或COB光源，透镜2包括第一表面21、第二表面22和第三表面23，第二表面22连接于第三表面23，光源1射出的光线依次经过第一表面21、第二表面22和第三表面23，第一表面21为旋转对称曲面，第一表面21用于会聚光线，第二表面22为反光面，第二表面22用于全反射光线，第三表面23用于改变光线的出射角度，并且，第二表面22和第三表面23的衔接处设置有倒角，从而使得第二表面22和第三表面23的衔接处显得更圆滑。

并且，如图2所示，光源1的中心和第一表面21的中心的距离为L1，第一表面21的中心和第二表面22的中心的距离为L2，第二表面22的中心和第三表面23的中心的距离为L3，满足关系式：0.59≤L1/L2≤0.6，2.5≤L2/L3≤2.55。

其中，光源1的中心和第一表面21的中心的距离可以为2.9mm～3mm，第一表面21的中心和第二表面22的中心的距离可以为4.9mm～5mm，第二表面22的中心和第三表面23的中心的距离可以为1.95mm～2mm。

优选地，第一表面的光轴211和第二表面的光轴221的夹角为θ1，59°≤θ1≤60°；第一表面的光轴211和第三表面的光轴231的夹角为θ2，90°≤θ2≤91°。

优选地，第一表面21为非球面，第一表面21为相对于透镜2的光轴旋转对称的非球面面型，其表达式为：

其中，z为第一表面21的矢高量，等号右边的第一项是Conic曲面部分，c为第一表面21的曲率，r是以透镜长度为单位的径向坐标，k、α₁～α₈均为非球面系数，并且，第一表面21的曲率为0.24mm^-1～0.25mm^-1，第一表面21的非球面系数k为1.92～1.93，α₁～α₈的值均为0。

优选地，第二表面22为Zernike多项式自由曲面，其表达式为

其中，z为第二表面22的矢高量，等号右边的第一项是Conic曲面部分，c为第二表面22的曲率，r是以透镜长度为单位的径向坐标，k为二次非球面常数，N为多项式系数的个数，A_i为第i项的多项式系数，E_i(x，y)为第i项的x和y的高次多项式，x和y均为多项式的变量，并且，第二表面22的曲率为-0.025mm^-1～-0.024mm^-1，第二表面22的二次非球面常数k为-49～-48.9，N的值为3，A₁＝-8.158x10^-4，A₂＝-1.332，A₃＝11.92，A₁、A₂、A₃分别对应于x、y、xy这三个扩展多项式。

优选地，第二表面22的折射率n为1.49～1.52，第二表面22的材料可以为PMMA，当光线从第一表面21射向第二表面22时，如图3所示，光线从第一表面21向第二表面22入射的角度I满足关系式：I>arcsin(1/n)，从而使光线在第二表面22的照射满足全反射的效果。

优选地，第三表面23为Zernike多项式自由曲面，表达式为

其中，z为第三表面23的矢高量，等号右边的第一项是Conic曲面部分，c为第三表面23的曲率，r是以透镜长度为单位的径向坐标，k为二次非球面常数，N为多项式系数的个数，A_i为第i项的多项式系数，E_i(x，y)为第i项的x和y的高次多项式，x和y均为多项式的变量，并且，第三表面23的曲率为-0.07mm^-1～-0.06mm^-1，第三表面23的二次非球面常数k为1.78～1.79，N的值为3，A₁＝-1.774x10^-3，A₂＝-13.41，A₃＝1.015x10³，A₁、A₂、A₃分别对应于x、y、xy这三个扩展多项式，同时，第一表面21、第二表面22和第三表面23均具有很好的消除像差的效果，从而优化了光线的出射效果。

并且，在透镜2对光线的调整作用下，出射光的偏转角度α的值为44°～45°，从而实现了对光出射角度的调节和对光斑的整形。

实施例2

如图4所示，本实施例与实施例1不同的是，光源1和透镜2的数量均为若干个，若干个透镜2之间设置有透光层24，透光层24与相邻的透镜2的第一表面21连接，即在相邻的两个透镜2中，透光层24分别连接于一个透镜2的第一表面21和另一个透镜2的第一表面21，透光层24的厚度为0.3mm～0.6mm，并且，光学模组还包括PCB板3，若干个光源1均匀地分布于PCB板3，若干个透镜2均匀地分布于若干个光源1的前方，使得每个透镜2和每个光源1能够一一对应，从而构成了光源阵列和透镜阵列，满足了大面积的检测和照明的需求。

如图5所示，在透镜2对光线的调整作用下，出射光的偏转角度α的值为44°～45°，从而实现了对光出射角度的调节和对光斑的整形。

本实施例的其他结构均与实施例1相同，这里不再赘述。

显然，本发明对光源具有很好的光斑整形的作用，从而在不改变光源的安装角度的前提下，实现了对光线的出射角度的高效调整。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还能够对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上述的具体实施方式，凡是本领域技术人员在本发明的基础上所作出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (8)

1.一种折反射式光学模组，其特征在于：包括光源(1)和透镜(2)，所述透镜(2)设置于所述光源(1)的前方，所述透镜(2)包括第一表面(21)、第二表面(22)和第三表面(23)，所述第二表面(22)连接于所述第三表面(23)，所述光源(1)射出的光线依次经过所述第一表面(21)、所述第二表面(22)和所述第三表面(23)，所述第一表面(21)为旋转对称曲面，所述第一表面(21)用于会聚光线，所述第二表面(22)为反光面，所述第二表面(22)用于全反射光线，所述第三表面(23)用于改变光线的出射角度。

2.如权利要求1所述的折反射式光学模组，其特征在于：所述第一表面的光轴(211)和所述第二表面的光轴(221)的夹角为θ1；所述第一表面的光轴(211)和所述第三表面的光轴(231)的夹角为θ2。

3.如权利要求1～2任一项所述的折反射式光学模组，其特征在于：所述第二表面(22)的折射率为n，光线从所述第一表面(21)向所述第二表面(22)入射的角度为I，满足关系式：I>arcsin(1/n)。

4.如权利要求1～2任一项所述的折反射式光学模组，其特征在于：所述第一表面(21)为球面，所述第一表面(21)向所述光源(1)外凸。

5.如权利要求1～2任一项所述的折反射式光学模组，其特征在于：所述第一表面(21)为非球面，所述第一表面(21)的非球面面型的表达式为

其中，z为非球面的矢高量，c为非球面的曲率，r是以透镜长度单位为单位的径向坐标，k、α₁～α₈均为非球面系数。

6.如权利要求1～2任一项所述的折反射式光学模组，其特征在于：所述第二表面(22)和所述第三表面(23)均为Zernike多项式曲面，其表达式为

其中，z为曲面的矢高量，等号右边的第一项是Conic曲面部分，c为曲面的曲率，r是以透镜长度为单位的径向坐标，k为二次非球面常数，N为多项式系数的个数，A_i为第i项的多项式系数，E_i(x，y)为第i项的x和y的高次多项式，x和y均为多项式的变量。

7.如权利要求1所述的折反射式光学模组，其特征在于：所述光源(1)和所述透镜(2)的数量均为若干个，若干个所述透镜(2)之间设置有透光层(24)，所述透光层(24)与相邻的所述透镜(2)的所述第一表面(21)连接。

8.如权利要求7所述的折反射式光学模组，其特征在于：所述光学模组还包括PCB板(3)，若干个所述光源(1)均匀地分布于所述PCB板(3)，若干个所述透镜(2)均匀地分布于若干个所述光源(1)的前方。

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