CN114270227B - 由组装的模制部件形成的龙勃透镜 - Google Patents

Abstract

公开了一种龙勃透镜，所述龙勃透镜由可以容易地组装成球体的多个楔形区段形成。所述楔形区段可以由注射模制塑料形成，这可以显著地降低制造透镜的成本。公开了楔形区段的不同构型。

Description

由组装的模制部件形成的龙勃透镜

发明背景

技术领域

本发明涉及无线通信，并且更具体地涉及用于增强天线射束质量的梯度折射率(gradient-index)透镜。

背景技术

龙勃透镜是球对称的折射率梯度透镜。其形状和折射率梯度使得其在从光学到无线电传播的应用中是有用的。典型的龙勃透镜在其中心处具有第一折射率n_c。折射率径向地减小到表面处的第二折射率n_s。折射率梯度可以理想地遵循半径的连续函数，但是具有呈同心球体形式的多个阶梯式折射率的变型是可能的，每个同心球体具有不同的折射率。具有阶梯式折射率可能导致不理想的性能，但其使得龙勃透镜更易于制造。因此，折射率的梯度越精细，透镜的性能就越好。

制造具有精细折射率梯度的龙勃透镜的常规方法涉及3D打印，其中沿x/y/z方向的3维支柱网格可以用作格架或支架。通过3D打印机在支架内支柱的交叉处形成精细结构(例如，立方体)。这些立方体的尺寸可以被设计成使得它们的体积从中心处的初始值开始，并且在每个支架连结件处的立方体的体积根据给定支架接头距中心的距离而减小。

这种方法以及其他常规制造方法的问题在于它们就制造龙勃透镜所需的设备和时间而言都是昂贵的。

因此，所需要的是一种龙勃透镜设计，所述设计提供精细的折射率梯度并且制造容易且便宜。

发明内容

因此，本发明涉及一种由组装的模制部件形成的龙勃透镜，其消除了由于相关技术的限制和缺点而导致的一个或多个问题。

本发明的一方面涉及具有多个楔形区段的折射率梯度透镜，每个楔形区段包含折射率梯度透镜的纵向切片。每个楔形区段包括具有极边缘的板和设置在所述板上的多个折射率梯度形成特征。

应理解，前述一般说明和以下具体实施方式均仅是示例性和解释性的，并且不限制所要求保护的本发明。

附图说明

并入本文并形成说明书的一部分的附图展示了由组装的模制部件形成的龙勃透镜。与说明一起，附图进一步用于解释本文所述的由组装的模制部件形成的龙勃透镜的原理，并且由此使得相关领域技术人员能够制造和使用由组装的模制部件形成的龙勃透镜。

图1展示了根据本公开文本的示例性组装的折射率梯度透镜。

图2展示了图1的折射率梯度透镜的示例性楔形区段。

图3A是图2的楔形区段的剖视图，示出了赤道截面。

图3B展示了图3A剖开的楔形区段的赤道截面。

图4A展示了根据本公开文本的第二示例性组装的折射率梯度透镜。

图4B是图4A的折射率梯度透镜的楔形区段的剖视图，示出了赤道截面。

图4C是图4B的楔形区段的一部分的另一视图。

具体实施方式

现在将详细参考根据本文参考附图描述的原理的由组装的模制部件形成的龙勃透镜的实施方案。不同附图中的相同附图标记可以标识相同或相似的元件。

图1展示了根据本公开文本的示例性折射率梯度透镜，诸如龙勃透镜100。折射率梯度透镜100由连结在一起以形成球体的多个楔形区段105形成。如所展示的，每个楔形区段105成形为类似楔形，但是其他形状也是可能的并且在本公开文本的范围内。每个楔形区段105可以限定或包含龙勃透镜100的球体的给定纵向切片或区段。每个楔形区段105可以由诸如ABS、ASA或尼龙等注射模制塑料形成。塑料材料可以是用作电介质的各种材料，但是最佳选择应当表现出可控的介电常数、在期望操作频率下的低损耗、良好的机械强度、韧性和抗冲击性。所使用的塑料应在吸水性、UV稳定性和热尺寸稳定性等方面具有良好的环境弹性。在示例性实施方案中，可以使用额定介电常数为3.5的ASA塑料。

示例性折射率梯度球体100可以具有例如200mm的直径，但是折射率梯度球体100是可缩放的并且可以具有不同的尺寸。示例性折射率梯度球体100可以由32个楔形区段105形成，但是不同数量的楔形区段105是可能的并且在本公开文本的范围内。

图2展示了示例性楔形区段105的侧视图。楔形区段105可以由板202形成，多个折射率梯度形成特征被设置在所述板上，在这个实施方案中，所述多个折射率梯度形成特征包括同心环或弧207。在示例性实施方案中，楔形区段105具有一组50个同心环或弧207。每个同心环或弧207具有与其半径对应的最大高度，使得一旦被组装，每个同心环或弧207就可以与相邻的半球形楔形区段105的对应同心环邻接。楔形区段105具有极边缘210和极边缘中心220。考虑到每个同心环或弧207的最大高度是其半径的函数，将理解的是，最靠近极边缘中心215的同心环或弧207将具有最短的最大高度。每个同心环或弧207可以具有0.045英寸的厚度并且可以彼此间隔开随着半径而增大的距离，从而使得例如最靠近极边缘中心220的间距可以是1/32英寸并且外边缘处的间距可以是11/2英寸，并且可以总体上遵循指数模型。楔形区段105还具有容纳连结件(未示出)的切口230，所述连结件可以使用螺栓和垫圈或其他合适的紧固件将楔形区段105保持在一起。

图3A是楔形区段105的剖视图300，示出了赤道截面315。展示了极边缘310和多个同心环或弧207。如所展示的，每个同心环或弧207根据弧从赤道截面315到极边缘310的角度而渐缩。这是因为楔形区段105在它们相应的极边缘210处连结在一起，并且每个同心环或弧207可以邻接其在相邻楔形区段105中的对应部分。

图3B进一步展示了赤道截面315。

因此，当楔形区段105连结在一起时，形成楔形区段105的材料的体积密度根据距龙勃透镜100的中心的径向距离而减小，使得在距球体中心的任何给定半径处，由所述半径限定的体积壳将具有恒定的折射率，并且径向向外推移的每个同心体积壳将具有相对于其内部相邻体积壳更低的折射率。

图4A展示了根据本公开文本的第二示例性组装的龙勃透镜400。龙勃透镜400由多个楔形区段405构成，所述多个楔形区段可以以类似于龙勃透镜100的楔形区段105的方式组装。

图4B是楔形区段405的剖视图，以类似于图3A的方式示出了赤道截面415。代替具有同心环作为其折射率梯度形成特征，楔形区段405可以具有板402，多个径向脊407被形成在所述板上。最靠近(并且最平行于)极边缘410的径向脊407将在楔形区段405的外边缘处具有最短的最大高度，并且最靠近(并且最平行于)龙勃透镜400的赤道平面的径向脊407将在楔形区段405的外边缘处具有最高的最大高度。示例性龙勃透镜400的径向脊407可以由限定每个径向脊407的多个杆412构成。

图4C是楔形区段405的一部分的另一视图。展示了多个径向脊407，每个径向脊由一排杆412形成。

以上折射率梯度透镜的变型是可能的并且在本公开文本的范围内。例如，球体的直径(以及因此其楔形区段)可以被缩放以适应不同的频带。进一步地，取决于预期折射率梯度透镜的尺寸、所使用的材料以及所采用的连结楔形区段以组装折射率梯度透镜的设施和技术，可以使用更多或更少的楔形区段。

楔形区段105/405可以是半圆形的，如图2所展示，在这种情况下，图3A、图4B和图4C中的图将被认为是剖视图以展示赤道截面315/415。替代性地，楔形区段105/405可以是半球形区段，在这种情况下，图3A、图4B和图4C中的附图示出了整个物体，并且半球形截面315/415是物体的实际边缘。将理解，这种变型是可能的，并且在本发明的范围内。

在进一步的变型中，本公开文本的折射率梯度透镜的形状可以是非球形的。例如，它们可以具有泪滴形状、橄榄球形状、或两者的某种组合。这可以改变由耦接到折射率梯度透镜的辐射体所发射的射束的形状，但其可被定制以产生期望形状的射束。进一步地，虽然以上公开的实施方案涉及球对称的折射率梯度，但是对此的变型是可能的。例如，通过选择性地设计环207或脊407的厚度、形状、间距和位置，在根据本公开文本的折射率梯度透镜内可能有不同的(例如，非球对称的)体积分布梯度。此外，示例性折射率梯度透镜可以具有非球形形状以及非球对称的折射率梯度的组合。将理解，这种变型是可能的，并且在本公开文本的范围内。

虽然以上已经描述了本发明的各种实施方案，但应理解，这些实施方案仅以举例方式而非限制性的方式呈现。对相关领域的技术人员将显而易见的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节上做出各种改变。因此，本发明的广度和范围不应受任何上述示例性实施方案的限制，而应仅根据所附权利要求及其等效物来限定。

Claims (15)

1.一种折射率梯度透镜，所述折射率梯度透镜包括连接在一起以形成球形透镜的多个纵向楔形区段，其中每个纵向楔形区段提供所述折射率梯度透镜的纵向切片，并且其中每个纵向楔形区段包括：

具有极边缘和弧边缘的板；以及

从所述板的每个面延伸的多个弧形折射率梯度形成特征，所述折射率梯度形成特征中的每一个具有根据距所述球形透镜的极边缘中心的距离的相应高度，由此所述折射率梯度形成特征具有更靠近所述极边缘中心的较小高度。

2.根据权利要求1所述的折射率梯度透镜，其中所述多个折射率梯度形成特征包括多个同心弧，其中所述同心弧中的每个同心弧的中心被设置在所述极边缘中心处。

3.根据权利要求2所述的折射率梯度透镜，其中所述同心弧中的每个同心弧具有与所述折射率梯度透镜的赤道截面对应的最大高度。

4.根据权利要求3所述的折射率梯度透镜，其中所述多个同心弧包括在邻近的同心弧之间的间距，所述间距根据半径而增大。

5.根据权利要求4所述的折射率梯度透镜，其中所述多个同心弧包括50个同心弧。

6.根据权利要求1所述的折射率梯度透镜，其中所述板和所述多个折射率梯度形成特征由一件材料形成。

7.根据权利要求6所述的折射率梯度透镜，其中所述一件材料包括注射模制塑料。

8.根据权利要求1所述的折射率梯度透镜，其中所述多个纵向楔形区段包括32个楔形区段。

9.根据权利要求1所述的折射率梯度透镜，其中每个纵向楔形区段进一步包括容纳连结件的切口。

10.根据权利要求1所述的折射率梯度透镜，其中所述多个折射率梯度形成特征包括多个径向脊，其中所述多个径向脊中的每个径向脊具有最大高度，所述最大高度对应于所述径向脊的外边缘并且对应于所述径向脊相对于所述折射率梯度透镜的赤道平面的纵向角度。

11.根据权利要求10所述的折射率梯度透镜，其中所述多个径向脊中的每个径向脊包括多个杆。

12.根据权利要求1所述的折射率梯度透镜，其中所述折射率梯度形成特征限定以所述极边缘中心为中心的球对称的折射率梯度。

13.根据权利要求1所述的折射率梯度透镜，其中所述折射率梯度形成特征限定以所述极边缘中心为中心的非球对称的折射率梯度。

14.根据权利要求1所述的折射率梯度透镜，其中所述折射率梯度形成特征的高度从所述极边缘中心到所述弧边缘平滑地增加。

15.根据权利要求1所述的折射率梯度透镜，其中，对于每个纵向楔形区段，所述板和所述折射率梯度形成特征由注射模制塑料形成。