CN112946791A - 透镜和光源组件 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种透镜和光源组件。透镜包括第一表面和第二表面，第一表面靠近透镜的光轴处为凸面，第二表面位于第一表面相反的一侧，第二表面自边缘朝向光轴处沿远离第一表面方向凸出预定高度后，再朝向光轴处与第一表面一侧凹陷，使得第二表面形成环设光轴外围的环形凸起部，其中，第一表面可接收靠近第一表面且位于光轴上的光源发出的光源光线，并对光源光线进行初步汇聚，第二表面可接收初步汇聚的光源光线并进行再次汇聚，从而通过环形凸起部发出环形汇聚光线，进一步通过多路导光元件即可将环形汇聚光线分光为多路光线。通过上述方式，可获得均匀性较佳的多路分光，而且实现结构简单、成本较低。

Description

透镜和光源组件

技术领域

本申请涉及透镜和光源技术领域，尤其涉及一种透镜和光源组件。

背景技术

通常地，一些生化分析、智能检测等设备需使用具有多路均匀光线的光源组件。具体地，可以采用分光器件或装置，对光源发出的光线进行多路分光，从而获得具有多路光线。

然而，一些相关技术中，具有多路光线的光源组件可能存在光能浪费多、均匀性较差、或者光学元件较多而复杂、成本较大等问题，有必要改善。

发明内容

鉴于此，有必要提供一种可用于具有多路光线的光源组件中的透镜和具有多路光线的光源组件。

第一方面，本申请实施例提供一种透镜，所述透镜包括：

第一表面，所述第一表面靠近所述透镜的光轴处为凸面；

第二表面，所述第二表面位于所述第一表面相反的一侧，所述第二表面自边缘朝向所述光轴处沿远离所述第一表面方向凸出预定高度后，再朝向所述光轴处与所述第一表面一侧凹陷，使得所述第二表面形成环设所述光轴外围的环形凸起部，

其中，所述第一表面可接收靠近所述第一表面且位于所述光轴上的光源发出的光源光线，并对所述光源光线进行初步汇聚，所述第二表面可接收初步汇聚的所述光源光线并进行再次汇聚，从而通过所述环形凸起部发出环形汇聚光线。

本申请实施例提供的透镜中，第一表面可接收靠近第一表面且位于光轴上的光源发出的光源光线，并对光源光线进行汇聚，第二表面可接收汇聚的所述光源光线进行再次汇聚，从而通过环形凸起部发出环形汇聚光线，进一步通过多路导光元件即可将环形汇聚光线分光为多路光线。可以理解，通过上述透镜获得环形汇聚光线，再进行多路分光，不仅可以获得均匀性较佳的多路分光，而且实现结构简单、成本较低。

在其中的一个实施例中，所述第一表面为非球面；和/或所述第二表面包括第一部分和第二部分，所述第一部分连接所述第二表面边缘和所述第二表面的所述预定高度处之间，所述第二部分连接于所述第二表面的所述预定高度处和所述第二表面的所述光轴处之间，所述第一部分和所述第二部分均为非球面。可以理解，第一表面和/或第二表面的第一部分和第二部分采用非球面，可以减少光线扭曲，有利于获得较为均匀的光线。

在其中的一个实施例中，所述第一表面、所述第一部分和第二部分均为非球面，所述第一表面的非球面的顶点的曲率范围为(2～3.3)，所述第一表面的非球面的圆锥系数范围为(-2.3～-2.4)，所述第一部分和所述第二部分的非球面的顶点的曲率范围均为(1.6～3.8)，所述第一部分和所述第二部分的非球面的圆锥系数范围均为(-2.3～-2.4)。可以理解，符合上述关系式和参数范围的非球面有利于减少光线扭曲，有利于获得较为均匀的光线。

在其中的一个实施例中，所述第二表面的沿所述光轴所在的平面的截面包括沿所述光轴对称的两个凸起部分，每个所述凸起部分以与所述光轴平行且通过所述预设高度处的直线为对称轴呈轴对称设置。可以理解，通过上述设计，不仅可以获得环形汇聚光线，还可以使得获得的环形汇聚光线较为均匀，进而经多个导光元件耦合发出的多路出光光线均匀性可以较佳。

在其中的一个实施例中，所述透镜还包括连接表面，所述连接表面连接于所述第一表面的边缘与所述第二表面的边缘之间，所述连接表面为绕所述光轴环设的圆柱形侧面。可以理解，通过连接表面，透镜可以保持必要的厚度，使得第一表面和第二表面可以对光源光线进行两次汇聚，从而可产生较为均匀的环形汇聚光线。

在其中的一个实施例中，所述透镜的厚度T满足以下条件式：0.2<T/D<3，其中D为所述透镜的外径。可以理解，通过上述条件式：0.2<T/D<3，使得透镜厚度、尺寸适宜，且有利于产生较为均匀的环形汇聚光线。

在其中的一个实施例中，所述透镜的外径D满足以下条件式：3mm<D<20mm。可以理解，通过上述条件式：3mm<D<20mm，使得透镜厚度适宜，且有利于产生较为均匀的环形汇聚光线。

第二方面，本申请实施例提供一种光源组件，其包括：

上述任意一实施例所述的透镜；

光源，设置于所述透镜的所述第一表面所在的一侧且位于所述光轴上；

多个导光元件，所述导光元件包括入光部、出光部和连接于所述入光部与所述出光部的导光部，多个所述导光元件的入光部位于所述透镜的所述第二表面所在一侧，且多个所述导光元件的入光部对应所述环形凸起部依次环设，

其中，所述第一表面用于接收所述光源发出的光源光线，使得所述第二表面的所述环形凸起部发出环形汇聚光线，且所述环形汇聚光线射入多个所述入光部，进而多个所述出光部分别发出出光光线。

本申请实施例提供的光源组件中，透镜的第一表面可接收靠近第一表面且位于光轴上的光源发出的光源光线，并对光源光线进行汇聚，第二表面可接收汇聚的所述光源光线进行再次汇聚，从而通过环形凸起部发出环形汇聚光线，进一步地，环形汇聚光线射入多个导光元件的入光部，进而多个出光部分别发出出光光线，进而获得多路光线。可以理解，光源组件中，通过上述透镜获得环形汇聚光线，再通过多个导光光线进行多路分光，不仅可以获得均匀性较佳的多路分光，而且实现结构简单、成本较低。

在其中的一个实施例中，所述导光元件为光纤。可以理解，光纤的成本较低、耦合效率高，进而使得光源组件的整体成本较低、光利用率较高。

在其中的一个实施例中，所述导光元件的数值孔径NA1满足以下条件式：0.1<NA1<0.6。通过满足上述条件式：0.1<NA1<0.6，导光元件的光耦合效率较高，使得光源组件的光利用率较高。

在其中的一个实施例中，所述第二表面的沿所述光轴所在的平面的截面包括沿所述光轴对称的两个凸起部分，每个所述凸起部分对应的透镜数值孔径NA2满足以下条件式：NA2<NA1，其中，NA1为所述导光元件的数值孔径。可以理解，通过满足上述条件式：NA2<NA1，导光元件的光耦合效率较高，使得光源组件的光利用率较高。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或相关技术中的技术方案，下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1是本申请一种实施例的透镜的立体图；

图2是本申请一种实施例的透镜的剖面图；

图3是本申请一种实施例的光源组件的结构示意图；

图4是本申请一种实施例的光源组件的光路示意图。

具体实施方式

为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的较佳实施方式。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本申请的公开内容理解的更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“内”、“外”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体地实施例的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“和/或和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

一种相关技术的光源组件中，采用凸透镜将光源发光的光源光线汇聚，再照射紧致规则排列的多路光纤，这样多路光纤的一端均能耦合到一部分光源光线，光纤的另一端即可作为多路光源使用，即实现了多路分光。然而，这种光源组件往往耦合效率不佳，因为大部分光源光线没有耦合到光纤，使得光能浪费较多，光利用率较低，而且不同路光纤耦合量也有差异，均匀度较差。

另一些相关技术的光源组件中，采用多个分光片、反光片等配合光源实现多路分光，但是，这种实现方式使用光学元件较多而复杂、成本较大，不适用于低成本小型化的应用场景。

有鉴于此，本申请实施例提供一种透镜，所述透镜包括：

第一表面，所述第一表面靠近所述透镜的光轴处为凸面；

第二表面，所述第二表面位于所述第一表面相反的一侧，所述第二表面自边缘朝向所述光轴处沿远离所述第一表面方向凸出预定高度后，再朝向所述光轴处与所述第一表面一侧凹陷，使得所述第二表面形成环设所述光轴外围的环形凸起部，

其中，所述第一表面可接收靠近所述第一表面且位于所述光轴上的光源发出的光源光线，并对所述光源光线进行初步汇聚，所述第二表面可接收初步汇聚的所述光源光线并进行再次汇聚，从而通过所述环形凸起部发出环形汇聚光线。

相较于上述相关技术，本申请实施例提供的透镜中，第一表面可接收靠近第一表面且位于光轴上的光源发出的光源光线，并对光源光线进行汇聚，第二表面可接收汇聚的所述光源光线进行再次汇聚，从而通过环形凸起部发出环形汇聚光线，进一步通过多路导光元件即可将环形汇聚光线分光为多路光线。可以理解，通过上述透镜获得环形汇聚光线，再进行多路分光，不仅可以获得均匀性较佳的多路分光，而且实现结构简单、成本较低。

下面结合附图，对本申请的实施例提供的透镜和光源组件作进一步的详细说明。

如图1和图2所示，本申请实施例提供的透镜10包括第一表面12、位于第一表面12相反一侧的第二表面14、和连接于第一表面12和第二表面14之间的连接表面16。透镜10具有光轴L，光轴L穿过第一表面12和第二表面14的中心，连接表面16绕光轴L环设。

具体地，第一表面12靠近光轴L处为凸面；第二表面14自边缘朝向光轴处沿远离第一表面12方向先凸出预定高度后，再朝向光轴L处与第一表面12一侧凹陷，使得第二表面14形成环设光轴L外围的环形凸起部。其中，第一表面12可接收靠近第一表面12的光源发出的光源光线，并对所述光源光线进行初步汇聚，第二表面14可接收初步汇聚的所述光源光线并进行再次汇聚，从而通过所述环形凸起部发出环形汇聚光线。其中，光源可以位于光轴L上的光源，如位于第一表面12的焦点处。

相较于上述相关技术，本申请实施例提供的透镜10中，第一表面12可接收靠近第一表面12且位于光轴L上的光源发出的光源光线，并对光源光线进行汇聚，第二表面14可接收汇聚的所述光源光线进行再次汇聚，从而通过环形凸起部发出环形汇聚光线，进一步通过多路导光元件即可将环形汇聚光线分光为多路光线。可以理解，通过上述透镜10获得环形汇聚光线，再进行多路分光，不仅可以获得均匀性较佳的多路分光，而且实现结构简单、成本较低。

可以理解，本实施例中，第一表面12和第二表面14的边缘均为圆形，第一表面12边缘的圆形和第二表面14边缘的圆形的尺寸可以相同，连接表面16可以为绕光轴L环设的圆柱形侧面，且连接表面16的圆柱形侧面也以光轴L为中心轴。可以理解，通过连接表面16，透镜10可以保持必要的厚度，使得第一表面12和第二表面14可以对光源光线进行两次汇聚，从而可产生较为均匀的环形汇聚光线。

第二表面14包括第一部分142和第二部分144，第一部分142连接第二表面14边缘和第二表面14的所述预定高度处H之间，第二部分144连接于第二表面14的预定高度处H和第二表面14的光轴处F(即第二表面14与光轴L的相交处)之间。可以理解，所述预定高度处H为第二表面14凸出的最顶端的位置处。

第一表面12、第一部分142和第二部分144均为非球面。非球面满足以下关系式：

其中，z为非球面上相应点到与该物侧面或像侧面的顶点相切的平面的距离，r为非球面上相应点到光轴的距离，c为非球面的顶点(于光轴L处)的曲率，k为圆锥系数。具体地，第一表面12的非球面的顶点的曲率范围可以为(2～3.3)，第一表面12的非球面的圆锥系数范围可以为(-2.3～-2.4)，第一部分142和第二部分144的非球面的顶点的曲率范围均可以为(1.6～3.8)，第一部分142和第二部分144的非球面的圆锥系数范围均可以为(-2.3～-2.4)。

进一步地，表1还提供了透镜10的第一表面12、第一部分142或第二部分144的几种非球面系数示例。

表1透镜10的几种非球面系数示例

可以理解，第一表面12采用非球面，可以减少光线扭曲，有利于获得较为均匀的初次汇聚光线。第二表面14的第一部分142和第二部分144采用非球面，也可以减少光线扭曲，有利于获得较为均匀的环形汇聚光线。此外，符合上述参数范围的非球面也更有利于减少光线扭曲，获得较为均匀的光线。

如图2所示，第二表面14的沿光轴L所在的平面的截面包括沿光轴L对称的两个凸起部分14a，每个凸起部分14a以与光轴L平行且通过预设高度处L的直线为对称轴呈轴对称O-O设置。可以理解，通过上述设计，使得第二表面14不仅可以获得环形汇聚光线，还可以使得获得的环形汇聚光线较为均匀。

进一步地，透镜10的厚度T(即透镜10沿光轴L处的厚度)满足以下条件式：0.2<T/D<3，其中D为透镜10的外径。可以理解，通过上述条件式：0.2<T/D<3，使得透镜10厚度、尺寸适宜，且有利于产生较为均匀的环形汇聚光线。

更进一步地，透镜10的外径D满足以下条件式：3mm<D<20mm。可以理解，通过上述条件式：3mm<D<20mm，使得透镜10厚度适宜，且有利于产生较为均匀的环形汇聚光线。

第二方面，如图3和图4所示，本申请实施例提供一种光源组件40，其包括上述任意一实施例所述的透镜10、光源20和多个导光元件30。

光源20设置于透镜10的第一表面12所在的一侧，如位于光轴L上，具体地，光源20可以为点光源，如LED光源，且可以位于第一表面12的焦点处。

多个导光元件30中，每个导光元件30包括入光部32、出光部34和连接于入光部32与出光部34的导光部36，多个导光元件30的入光部32位于透镜10的第二表面14所在一侧，且多个导光元件30的入光部32对应环形凸起部依次环设。导光元件30可以为光纤，入光部32和出光部34可以分别为光纤的一个端面，导光部36可以为光纤的主体。具体地，如图4所示，每个凸起部分14a的截面大致呈凸透镜形状，导光元件30的入光部32可以位于每个凸起部分14a的焦点处。

可以理解，第一表面12用于接收光源20发出的光源光线，使得第二表面14的所述环形凸起部发出环形汇聚光线，且所述环形汇聚光线射入多个入光部32，进而多个出光部34分别发出出光光线，形成多路光源。

本申请实施例提供的光源组件40中，透镜10的第一表面12可接收靠近第一表面12且位于光轴L上的光源20发出的光源光线，并对光源光线进行汇聚，第二表面14可接收汇聚的所述光源光线进行再次汇聚，从而通过、环形凸起部发出环形汇聚光线，进一步地，环形汇聚光线射入多个导光元件30的入光部32，进而多个出光部34分别发出出光光线，进而获得多路光线。可以理解，光源组件40中，通过上述透镜10获得环形汇聚光线，再通过多个导光光线进行多路分光，不仅可以获得均匀性较佳的多路分光，而且实现结构简单、成本较低。

可以理解，导光元件30为光纤，由于光纤的成本较低、耦合效率高，进而使得光源组件40的整体成本较低、光利用率较高。

进一步地，导光元件30的数值孔径NA1满足以下条件式：0.1<NA1<0.6。通过满足上述条件式：0.1<NA1<0.6，导光元件30的光耦合效率较高，使得光源组件40的光利用率较高。

更进一步地，第二表面14的每个凸起部分14a对应的透镜数值孔径NA2满足以下条件式：NA2<NA1。可以理解，通过满足上述条件式：NA2<NA1，导光元件30的光耦合效率较高，使得光源组件40的光利用率较高。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，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，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种透镜，其特征在于，所述透镜包括：

第一表面，所述第一表面靠近所述透镜的光轴处为凸面；

第二表面，所述第二表面位于所述第一表面相反的一侧，所述第二表面自边缘朝向所述光轴处沿远离所述第一表面方向凸出预定高度后，再朝向所述光轴处与所述第一表面一侧凹陷，使得所述第二表面形成环设所述光轴外围的环形凸起部，

其中，所述第一表面可接收靠近所述第一表面的光源发出的光源光线，并对所述光源光线进行初步汇聚，所述第二表面可接收初步汇聚的所述光源光线并进行再次汇聚，从而通过所述环形凸起部发出环形汇聚光线。

2.根据权利要求1所述的透镜，其特征在于，

所述第一表面为非球面；和/或

所述第二表面包括第一部分和第二部分，所述第一部分连接所述第二表面边缘和所述第二表面的所述预定高度处之间，所述第二部分连接于所述第二表面的所述预定高度处和所述第二表面的所述光轴处之间，所述第一部分和所述第二部分均为非球面。

3.根据权利要求2所述的透镜，其特征在于，所述第一表面、所述第一部分和第二部分均为非球面，所述第一表面的非球面的顶点的曲率范围为(2～3.3)，所述第一表面的非球面的圆锥系数范围为(-2.3～-2.4)，所述第一部分和所述第二部分的非球面的顶点的曲率范围均为(1.6～3.8)，所述第一部分和所述第二部分的非球面的圆锥系数范围均为(-2.3～-2.4)。

4.根据权利要求1所述的透镜，其特征在于，所述第二表面的沿所述光轴所在的平面的截面包括沿所述光轴对称的两个凸起部分，每个所述凸起部分以与所述光轴平行且通过所述预设高度处的直线为对称轴呈轴对称设置。

5.根据权利要求1所述的透镜，其特征在于，所述透镜还包括连接表面，所述连接表面连接于所述第一表面的边缘与所述第二表面的边缘之间，所述连接表面为绕所述光轴环设的圆柱形侧面。

6.根据权利要求1所述的透镜，其特征在于，所述透镜的厚度T满足以下条件式：0.2<T/D<3，其中D为所述透镜的外径。

7.根据权利要求1所述的透镜，其特征在于，所述透镜的外径D满足以下条件式：3mm<D<20mm。

8.一种光源组件，其特征在于，所述光源组件包括：

根据权利要求1-7项任意一项所述的透镜；

光源，设置于所述透镜的所述第一表面所在的一侧；

多个导光元件，所述导光元件包括入光部、出光部和连接于所述入光部与所述出光部的导光部，多个所述导光元件的入光部位于所述透镜的所述第二表面所在一侧，且多个所述导光元件的入光部对应所述环形凸起部依次环设，

其中，所述第一表面用于接收所述光源发出的光源光线，使得所述第二表面的所述环形凸起部发出所述环形汇聚光线，且所述环形汇聚光线射入多个所述入光部，进而多个所述出光部分别发出出光光线。

9.根据权利要求8所述的光源组件，其特征在于，所述光源位于所述光轴上。

10.根据权利要求8所述的光源组件，其特征在于，所述第二表面的沿所述光轴所在的平面的截面包括沿所述光轴对称的两个凸起部分，每个所述凸起部分对应的透镜数值孔径NA2满足以下条件式：NA2<NA1，其中，NA1为所述导光元件的数值孔径。

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