CN113503520B - 一种环形匀光透镜、透镜组件及光电编码器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种环形匀光透镜、透镜组件及光电编码器，环形匀光透镜包括透镜本体，透镜本体包括入射面、黑色吸光面、全反射面、出射面和透镜支撑面，透镜本体的入射面和黑色吸光面向内凹陷形成入射槽，入射槽的侧面为入射面，入射槽的顶面为黑色吸光面，透镜本体的外侧面包括透镜支撑面和全反射面，透镜本体的顶面至少包括出射面，透镜支撑面竖向设置并连接出射面和全反射面，全反射面的底部和顶部分别连接入射面和透镜支撑面，经光源发出的光经过入射面到达全反射面，被全反射面反射之后传播至出射面，经出射面后竖向平行出射至照明目标面。本发明能够更好地将光源的光照范围照射指定的应用范围，且具有准直功能，最终实现光线平行出光。

Description

一种环形匀光透镜、透镜组件及光电编码器
技术领域
本发明属于光电技术领域，具体涉及一种环形匀光透镜、透镜组件及光电编码器。
背景技术
光电编码器是振镜系统中扫描电机常用的一种位置检测装置，它通常采用专业定制的扇形结构光电池作为信号接收器件，电机轴转动时带动固定在其上的遮光片旋转，使得光电池表面接收光线的区域面积发生线性变化，从而产生的输出电流也发生相应变化，根据光电池输出电流值可以检测到电机轴旋转的角度位置。
但光电编码器采用的LED光源发散角较大，在直接使用时，无法达到均匀光照的目的，这样导致光电池输出电流强度弱，易受噪声干扰；其次，改变或降低了输出电流与电机轴旋转角度的线性相关性。
综上所述，亟需提供一种具有准直功能，最终实现光线平行出光、且出光均匀，能够更好地将光源的光照范围照射指定的应用范围内的环形匀光透镜、透镜组件及光电编码器。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有准直功能，最终实现光线平行出光、且出光均匀，能够更好地将光源的光照范围照射指定的应用范围内的环形匀光透镜、透镜组件及光电编码器。
上述目的是通过如下技术方案实现：一种环形匀光透镜，包括透镜本体，所述透镜本体沿中心轴中心对称设置，所述透镜本体包括入射面、黑色吸光面、全反射面、出射面和透镜支撑面，所述透镜本体的入射面和黑色吸光面向内凹陷形成入射槽，所述入射槽的侧面为所述入射面，所述入射槽的顶面为黑色吸光面，所述透镜本体的外侧面包括所述透镜支撑面和全反射面，所述透镜本体的顶面至少包括所述出射面，所述透镜支撑面竖向设置并连接所述出射面和全反射面，所述全反射面的底部和顶部分别连接所述入射面和透镜支撑面，经光源不同角度发出的光经过所述入射面折射后到达所述全反射面，被所述全反射面反射之后传播至所述出射面，经所述出射面发生光线折射后竖向平行出射至照明目标面。
从光源出射的光线首先经过透镜本体的入射面后达到全反射面，光线被全反射面反射之后继续传播至透镜的出射面，在出射面上发生光线折射后平行出射至照明目标面。光线从入射面与黑色吸光面的连接处入射时的光线的入射角度(入射光线与光轴的夹角)为最小入射角度，光线从入射面与全反射面的连接处入射时的光线的入射角度为最大入射角度，当光线入射角度小于最小入射角度时直接射在黑色吸光面被其吸收，在最小入射角度和最大入射角度之间入射的光线经全反射面反射后再经出射面发生光线折射后竖向平行出射至照明目标面，此时照明目标面上出现匀光的照明圆环。
进一步的技术方案是，所述全反射面和出射面均为自由曲面，通过控制所述反射面和出射面的曲率实现出射光竖向平行出射至照明目标面。如此，采用双自由曲面技术，分别对从光源发出的光束进行照度分布控制以及方向控制。
进一步的技术方案是，光线的入射角度与光线达到目标面上的位置关系如下式所示：
Figure GDA0003902918000000021
其中，r为光线到达目标面上距离光轴的距离，θ为入射光线与光轴的夹角，θmin为从入射面与黑色吸光面的连接处入射的入射光线与光轴的夹角，θmax为从入射面与全反射面的连接处入射的入射光线与光轴的夹角，Rmin为从入射面与全反射面的连接处入射的光线到达目标面上距离光轴的距离，Rmax为从入射面与黑色吸光面的连接处入射的光线到达目标面上距离光轴的距离，所述透镜本体的中心轴与光轴一致。
如此，可通过光线的入射角度与光线达到目标面上的位置关系以及透镜本体的折射率可设计反射面和出射面的曲率实现出射光竖向平行出射至照明目标面。Rmin为照明圆环的内半径，Rmax为照明圆环的外半径。由边缘光线定理，如果从角度(θmin～θmax)之间出射的某一角度为θ的光线达到目标面上距离光轴为r处，则r值一定在Rmin与Rmax之间，则由角度(θmin～θmax)之间出射的光线到达目标面上(Rmin～r)的范围内。
进一步的技术方案是，所述全反射面和出射面的自由曲面均沿所述透镜本体的中心轴中心对称设置，根据光线的入射角度与光线达到目标面上的位置关系以及透镜本体的折射率，由等光程原理经过曲面拟合的方法得到所述全反射面和出射面的母线，实现所述全反射面和出射面的自由曲面的构建。
进一步的技术方案是，所述透镜本体的顶面还包括中心平面，所述中心平面设置在所述透镜本体的顶面的中部，所述出射面圆环设置在所述透镜本体的顶面的外侧，所述中心平面和黑色吸光面水平设置，从入射面与全反射面的连接处入射的光线传播至所述出射面与所述中心平面的连接处。此时Rmin为中心平面的半径。
进一步的技术方案是，所述入射面与光轴的夹角为3～7°。
为实现上述目的，本发明还提供一种透镜组件，包括支撑件以及上述任一所述的环形匀光透镜，所述支撑件与所述透镜支撑面相连。具体安装时，支撑件与透镜支撑面连接方式可以通过胶水、螺丝等固定。
为实现上述目的，本发明还提供一种光电编码器，包括PCB、LED光源以及所述的透镜组件，所述环形匀光透镜通过所述支撑件设置在所述PCB上，所述LED光源设置在所述PCB上并与其电连接，所述LED光源设置在所述入射槽内，所述LED光源的光轴与所述环形匀光透镜的中心轴一致。
本发明应用是将光源放置于一种经过特殊设计的环形匀光透镜内，使从光源不同角度发出的光，经过入射面折射后到达全反射面，再根据照射范围进行第二个自由曲面曲率的设计，通过采用上述技术方案，匀光透镜能够更好地将光源的光照范围照射指定的应用范围。本发明使大发散角的光源经过设计的双自由曲面透镜发散角小于1°，具有准直功能，最终实现光线平行出光、且出光均匀，均匀性达到85％以上，且自由曲面透镜表面连续光滑易于加工成型，结构简单利于装调。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明一种实施方式所涉及的环形匀光透镜的设置光源后的剖面示意图；
图2为本发明一种实施方式所涉及的环形匀光透镜的工作原理示意图；
图3为本发明一种实施方式所涉及的光线经环形匀光透镜后在照明目标面上形成的照明圆环；
图4为本发明一种实施方式所涉及的光电编码器的工作原理以及全反射面和出射面的母线构件过程示意图；
1 光源 2 入射面 3 全反射面 4 出射面
5 照明目标面 6 光轴 7 中心平面 8 透镜本体
9 透镜支撑面 10 支撑件 11 PCB 12 黑色吸光面
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。此外，本领域技术人员根据本文件的描述，可以对本文件中实施例中以及不同实施例中的特征进行相应组合。
本发明实施例如下，参照图1，一种环形匀光透镜，包括透镜本体8，所述透镜本体8沿中心轴中心对称设置，所述透镜本体8包括入射面2、黑色吸光面12、全反射面3、出射面4和透镜支撑面9，所述透镜本体8的入射面2和黑色吸光面12向内凹陷形成入射槽，所述入射槽的侧面为所述入射面2，所述入射槽的顶面为黑色吸光面12，所述透镜本体8的外侧面包括所述透镜支撑面9和全反射面3，所述透镜本体8的顶面至少包括所述出射面4，所述透镜支撑面9竖向设置并连接所述出射面4和全反射面3，所述全反射面3的底部和顶部分别连接所述入射面2和透镜支撑面9，经光源1不同角度发出的光经过所述入射面2折射后到达所述全反射面3，被所述全反射面3反射之后传播至所述出射面4，经所述出射面4发生光线折射后竖向平行出射至照明目标面5。
如图2所示，从光源1出射的光线首先经过透镜本体8的入射面2后达到全反射面3，光线被全反射面3反射之后继续传播至透镜的出射面4，在出射面4上发生光线折射后平行出射至照明目标面5。光线从入射面2与黑色吸光面12的连接处入射时的光线的入射角度(入射光线与光轴6的夹角)为最小入射角度，光线从入射面2与全反射面3的连接处入射时的光线的入射角度为最大入射角度，当光线入射角度小于最小入射角度时直接射在黑色吸光面12被其吸收，在最小入射角度和最大入射角度之间入射的光线经全反射面3反射后再经出射面4发生光线折射后竖向平行出射至照明目标面5，此时照明目标面5上出现匀光的照明圆环。
在上述实施例的基础上，本发明另一实施例中，如图1，所述全反射面3和出射面4均为自由曲面，通过控制所述反射面和出射面4的曲率实现出射光竖向平行出射至照明目标面5。如此，采用双自由曲面技术，分别对从光源1发出的光束进行照度分布控制以及方向控制。
在上述实施例的基础上，本发明另一实施例中，如图2，光线的入射角度与光线达到目标面上的位置关系如下式所示：
Figure GDA0003902918000000051
其中，r为光线到达目标面上距离光轴6的距离，θ为入射光线与光轴6的夹角，θmin为从入射面2与黑色吸光面12的连接处入射的入射光线与光轴6的夹角，θmax为从入射面2与全反射面3的连接处入射的入射光线与光轴6的夹角，Rmin为从入射面2与全反射面3的连接处入射的光线到达目标面上距离光轴6的距离，Rmax为从入射面2与黑色吸光面12的连接处入射的光线到达目标面上距离光轴6的距离，所述透镜本体8的中心轴与光轴6一致。
从光源1出射的最大角度的光线(如图2中带箭头的虚线所示)会在透镜的出射面4上最靠近光轴6的地方平行出射，从光源1出射的最小角度的光线(如图2中带箭头的实线所示)会在透镜的出射面4上最远离光轴6的地方平行出射。
具体地，如图2所示，光源1出射的角度为θmin的光线到达入射面2上的点A1(入射面2与黑色吸光面12的连接处)处，光源1出射的角度为θmax的光线到达入射面2上的点A3(入射面2与全反射面3的连接处)处，则只有角度θmin到θmax之间的光线才能被入射面2所接收，而从0°到θmin之间的光线则会达到黑色吸收面。图2和图3所示的照明圆环的内半径为Rmin，外半径为Rmax，想要实现照度值为E0的均匀光照度分布，则照明目标面5上所接收到的总的能量应等同LED在角度范围(θmin～θmax)之间所出射的总的光通量。如果从角度(θmax～θmax)之间出射的某一角度为θ的光线从A2点入射，经B2点全反射，最后从C2点射出，达到目标面上距离光轴6为r处，并满足如上关系式；如此，可通过光线的入射角度与光线达到目标面上的位置关系以及透镜本体8的折射率可设计反射面和出射面4的曲率实现出射光竖向平行出射至照明目标面5。Rmin为照明圆环的内半径，Rmax为照明圆环的外半径。由边缘光线定理，如果从角度(θmin～θmax)之间出射的某一角度为θ的光线达到目标面上距离光轴6为r处，则r值一定在Rmin与Rmax之间，则由角度(θmin～θmax)之间出射的光线到达目标面上(Rmin～r)的范围内。
在上述实施例的基础上，本发明另一实施例中，如图2和图4，所述全反射面3和出射面4的自由曲面均沿所述透镜本体8的中心轴中心对称设置，根据光线的入射角度与光线达到目标面上的位置关系以及透镜本体8的折射率，由等光程原理经过曲面拟合的方法得到所述全反射面3和出射面4的母线，实现所述全反射面3和出射面4的自由曲面的构建。
两个自有曲面的母线具体构建过程参见图4，将光源1放置在坐标原点处(光轴6与透镜本体8的中心轴线一致)，确定黑色出射面4的高度(距离坐标原典)为h，入射面2与光轴6之间的夹角为β。将光线角度(θmin～θmax)分成n等份，每个角度分别为θ1，θ2，…,θn，根据等光程原理，从角度θi出射的光线所走的光程必须等于角度为θ1的光线对应的光程，即可通过曲面拟合的方法得到全反射面3和出射面4的母线，在知晓透镜本体8材质特性(折射率)后，由r与θ的关系式可以确定从光源1发出角度为θ的光线应该抵达照明目标面5上距离光轴6为r的距离处，进而实现双自由曲面构建。
在上述实施例的基础上，本发明另一实施例中，如图1，所述透镜本体8的顶面还包括中心平面7，所述中心平面7设置在所述透镜本体8的顶面的中部，所述出射面4圆环设置在所述透镜本体8的顶面的外侧，所述中心平面7和黑色吸光面12水平设置，从入射面2与全反射面3的连接处入射的光线传播至所述出射面4与所述中心平面7的连接处。此时Rmin为中心平面7的半径。
在上述实施例的基础上，本发明另一实施例中，所述入射面2与光轴6的夹角为3～7°。
本发明还提供一种透镜组件，实施例如下，如图4，包括支撑件10以及上述任一所述的环形匀光透镜，所述支撑件10与所述透镜支撑面9相连。具体安装时，支撑件10与透镜支撑面9连接方式可以通过胶水、螺丝等固定。
本发明还提供一种光电编码器，实施例如下，如图4，包括PCB11、LED光源1以及所述的透镜组件，所述环形匀光透镜通过所述支撑件10设置在所述PCB11上，所述LED光源1设置在所述PCB11上并与其电连接，所述LED光源1设置在所述入射槽内，所述LED光源1的光轴6与所述环形匀光透镜的中心轴一致。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种环形匀光透镜，包括透镜本体，所述透镜本体沿中心轴中心对称设置，所述透镜本体包括入射面、黑色吸光面、全反射面、出射面和透镜支撑面，其特征在于，所述透镜本体的入射面和黑色吸光面向内凹陷形成入射槽，所述入射槽的侧面为所述入射面，所述入射槽的顶面为黑色吸光面，所述透镜本体的外侧面包括所述透镜支撑面和全反射面，所述透镜本体的顶面至少包括所述出射面，所述透镜支撑面竖向设置并连接所述出射面和全反射面，所述全反射面的底部和顶部分别连接所述入射面和透镜支撑面，经光源不同角度发出的光经过所述入射面折射后到达所述全反射面，被所述全反射面反射之后传播至所述出射面，经所述出射面发生光线折射后竖向平行出射至照明目标面；所述全反射面和出射面均为自由曲面，通过控制所述反射面和出射面的曲率实现出射光竖向平行出射至照明目标面，所述全反射面和出射面的自由曲面均沿所述透镜本体的中心轴中心对称设置，根据光线的入射角度与光线达到目标面上的位置关系以及透镜本体的折射率，由等光程原理经过曲面拟合的方法得到所述全反射面和出射面的母线，实现所述全反射面和出射面的自由曲面的构建；光线的入射角度与光线达到目标面上的位置关系如下式所示：
Figure FDA0003873940140000011
其中，r为光线到达目标面上距离光轴的距离，θ为入射光线与光轴的夹角，θmin为从入射面与黑色吸光面的连接处入射的入射光线与光轴的夹角，θmax为从入射面与全反射面的连接处入射的入射光线与光轴的夹角，Rmin为从入射面与全反射面的连接处入射的光线到达目标面上距离光轴的距离，Rmax为从入射面与黑色吸光面的连接处入射的光线到达目标面上距离光轴的距离，所述透镜本体的中心轴与光轴一致。
2.根据权利要求1所述的环形匀光透镜，其特征在于，所述透镜本体的顶面还包括中心平面，所述中心平面设置在所述透镜本体的顶面的中部，所述出射面圆环设置在所述透镜本体的顶面的外侧，所述中心平面和黑色吸光面水平设置，从入射面与全反射面的连接处入射的光线传播至所述出射面与所述中心平面的连接处。
3.根据权利要求2所述的环形匀光透镜，其特征在于，所述入射面与光轴的夹角为3～7°。
4.一种透镜组件，其特征在于，包括支撑件以及权利要求1～3任意一项所述的环形匀光透镜，所述支撑件与所述透镜支撑面相连。
5.一种光电编码器，其特征在于，包括PCB、LED光源以及权利要求4所述的透镜组件，所述环形匀光透镜通过所述支撑件设置在所述PCB上，所述LED光源设置在所述PCB上并与其电连接，所述LED光源设置在所述入射槽内，所述LED光源的光轴与所述环形匀光透镜的中心轴一致。
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