CN1576898B - 菲涅耳透镜和具有菲涅耳透镜的照明装置 - Google Patents

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Abstract

折射型菲涅耳透镜部分设在片状透镜的上表面的中心部分。反射型菲涅耳透镜部分设在片状透镜下表面的外围部分。

Description

菲涅耳透镜和具有菲涅耳透镜的照明装置
发明背景
本发明涉及一种菲涅耳透镜和一种用于便携式电话、电子设备等的照明装置，该照明装置包括菲涅耳透镜和用作光源的LED。
用于便携式电话和小型电子设备的照明显示的照明装置包括光源，例如LED或灯，和半球形透镜或菲涅耳透镜。由于菲涅耳透镜具有薄的厚度，因此可以把照明装置制成小尺寸。
已知有两种类型的菲涅耳透镜。一种为折射型，另一种为反射型。
图7为表示折射型菲涅耳透镜的平面视图，图8为使用菲涅耳透镜的照明装置的截面侧视图，图9为图8的A部分的放大视图，图10为图8的B部分的放大视图。
菲涅耳透镜1包括形成于透镜片构件1a上表面中心部分的中心凸透镜2和多个与凸透镜2同轴设置的环形圆周透镜3。每个圆周透镜3具有棱镜的截面形状，如图9所示，该棱镜的截面形状由外半球形折射面3a和内圆柱面3b构成。
棱镜的截面面积朝着边缘的方向减小。凸透镜2和环形透镜3的高度实质上彼此相等，并且折射面3a的倾斜角朝着边缘的方向增加，使得相邻棱镜之间的距离朝着边缘的方向减小。
图8所示照明装置4包括支撑菲涅耳透镜1的外壳5和安装在外壳5的底部7上的LED6。
从LED6发射的光线8在进入透镜片构件1a时稍微折射，并且在从透镜出射时进一步折射。设置折射面3a的角度，使光线8如图8所示平行射出菲涅耳透镜。
反射型菲涅耳透镜在日本专利申请公开2001-337206中披露。
图11为表示反射型菲涅耳透镜的平面视图，图12为使用菲涅耳透镜的照明装置的截面侧视图，图13为图12的C部分的放大视图，图14为图12的D部分的放大视图。
菲涅耳透镜10包括多个同轴形成于透镜片构件11底面的环形透镜13。每个环形透镜13具有棱镜形状的截面，如图14所示，该棱镜形状的截面包括一个外圆柱入射面13a和一个内倾斜反射面13b。
棱镜的截面面积朝着边缘的方向增加。反射面13b的倾斜角朝着边缘的方向减小，使得相邻棱镜之间的距离朝着边缘的方向增加。
图12所示的照明装置14包括支撑菲涅耳透镜10的外壳15和安装在外壳15的底部17上的LED16。
从LED16发射的光线18在进入圆柱入射面13a时发生折射，并且在反射面13b上向上反射。设置反射面13b的角度，使光线18如图12所示平行射出菲涅耳透镜。
尽管可以把菲涅耳透镜制成上述小尺寸，但是，存在制造小尺寸菲涅耳透镜工序困难的问题。如图9所示，棱镜的倾斜角度在折射型透镜边缘区域，以及如图13所示，在反射型透镜的中心区域变大，从而使棱镜在两个区域内的密度增加。菲涅耳透镜由在铸模中树脂浇铸制成。铸模由切削工具形成。为了切削金属以形成具有这种大倾斜角度的棱镜，切削工具的顶角非常小，并且因此切削工具的宽度非常小。这种切削工具的尖端容易破碎。因此，很难制造菲涅耳透镜的铸模。换句话说，棱镜顶角存在制造极限。
发明概述
本发明的目的是提供一种易于制造的菲涅耳透镜。
本发明的另一个目的是提供一种照明装置，该照明装置可以汇聚具有大散射角度的光线。为了达到本发明的目的，提供了一种包括下述要求中至少一点的菲涅耳透镜。
(1)片状透镜，具有上表面和下表面，在上表面的片状透镜中心部分上提供折射型菲涅耳透镜部分，在下表面的片状透镜外围部分上提供反射型菲涅耳透镜部分。
(2)在(1)的基础上，进一步有，形成在片状透镜上表面的折射型菲涅耳透镜的外径与形成在片状透镜下表面的反射型菲涅耳透镜的内径重迭。
(3)在(1)的基础上，进一步有，折射型菲涅耳透镜部分的光轴与反射型菲涅耳透镜部分的光轴偏心设置。
为了达到本发明的目的，用于本发明的一种照明设备包括下述要求：
(4)一种照明装置，包括如(1)中所述的菲涅耳透镜，其特征在于，该照明装置包括：外壳；安装在外壳底部的光源；所述菲涅耳透镜安装于外壳上部并且位于所述光源之上。
(5)在(3)的基础上，进一步有，光源还包括至少一个LED芯片，所述至少一个LED芯片放置在邻近于所述折射型菲涅耳透镜部分的光轴和所述反射型菲涅耳透镜部分的光轴中的至少一个。
本发明的这些和其它目的以及特征将从下面参照附图的详细描述中更加清楚。
附图的简要说明
图1为表示根据本发明第一实施方案的菲涅耳透镜的截面侧视图；
图2为菲涅耳透镜的平面视图；
图3为使用菲涅耳透镜的照明装置的截面侧视图；
图4为根据本发明第二实施方案的菲涅耳透镜的截面侧视图；
图5为表示根据本发明第三实施方案的截面侧视图；
图6为表示根据本发明第四实施方案的截面侧视图；
图7为表示传统的折射型菲涅耳透镜的平面视图；
图8为使用菲涅耳透镜的传统照明装置的截面侧视图；
图9为图8的A部分的放大视图；
图10为图8的B部分的放大视图；
图11为表示传统反射型菲涅耳透镜的平面视图；
图12为使用菲涅耳透镜的传统照明装置的截面侧视图；
图13为图12的C部分的放大视图；
图14为图12的D部分的放大视图。
优选实施方案的详细描述
图1为表示根据本发明第一实施方案的菲涅耳透镜的截面侧视图，图2为该菲涅耳透镜的平面视图，图3为使用该菲涅耳透镜的照明装置的截面侧视图。菲涅耳透镜通过浇铸一种高度透明并适于精密浇铸的树脂，例如，丙烯(acryl)、聚碳酸酯等制成。
菲涅耳透镜20包括形成于片状透镜22上表面中心部分的折射型菲涅耳透镜部分21，和形成于片状透镜22下表面外围部分的反射型菲涅耳透镜部分23。由透明树脂制成的片状透镜22具有平板形状。折射型菲涅耳透镜部分21包括形成于片状透镜22上表面中心部分的中心凸透镜24，和一系列与凸透镜24同轴设置的环形折射型透镜部分25。折射型透镜部分25具有棱镜形状的截面。折射型透镜部分25由透镜组成，每个透镜具有在制造极限内的相对小的顶角。关于顶角角度的制造极限大约为52°。
反射型菲涅耳透镜部分23与折射型菲涅耳透镜部分21同轴，并且包括一系列环形反射型透镜部分26。反射型透镜部分26具有棱镜形状的截面。
参考图3，因为本发明的这些设计，从LED31各个方向发出并进入折射型菲涅耳透镜部分25或反射型菲涅耳透镜部分26的光线33因此可具有光汇聚效果。同样，因为消除制造极限产生部分以形成用于本发明的片状菲涅耳透镜，折射型菲涅耳透镜部分和反射型菲涅耳透镜部分的每个棱镜的角度都保持为相对钝角。
示于图3的照明装置28包括支撑菲涅耳透镜20的外壳30和安装在外壳30的底部32的LED31。
如图3所示，从LED31发射的中心区域的光线33从折射面25a出射时发生折射，并且，边缘区域的光线34在反射面26b反射。
在菲涅耳透镜中，由于折射型菲涅耳透镜设置在透镜片构件上表面的中心区域，并且反射型菲涅耳透镜设置在透镜片下表面的边缘区域，透镜片构件的整个表面被有效利用，从而光源在各个方向发射的所有光线进入两种类型菲涅耳透镜中的任一种。因此，可以提供一种具有薄厚度、大孔径和高NA(数值孔径)的非常有效的菲涅耳透镜。
此外，如图1和3所示，在第一实施方案的菲涅耳透镜中，折射型菲涅耳透镜部分的外径大于或等于反射型菲涅耳透镜部分的内径，这样，如图2所示，形成重迭部分。因此，没有被反射型菲涅耳透镜部分23反射的光线33被折射型菲涅耳透镜部分21捕捉并汇聚，从而将利用率增加到最高。
图4为根据本发明第二实施方案的菲涅耳透镜的截面侧视图。菲涅耳透镜包括折射型菲涅耳透镜部分34，和环绕折射型菲涅耳透镜部分34设置的反射型菲涅耳透镜部分38，该折射型菲涅耳透镜部分34包括设置在透镜片构件37的底面的中心凸透镜35和环形折射型透镜部分36。
在透镜中，从光源41发射的光线40在折射型透镜部分36中折射，边缘光线42被反射型菲涅耳透镜部分38反射。
图5为表示本发明第三实施方案的截面侧视图。与图1相同的部件用相同的附图标记表示。
在菲涅耳透镜中，包络折射型菲涅耳透镜部分21的棱镜的顶角或底部的平面43形成诸如球面一类的曲面。通过这种曲面，能够改善透镜21边缘区域的光线34的入射状态。
曲面可以形成于反射型透镜部分23，或者形成于两种透镜之上。
图6为表示本发明第四实施方案的截面侧视图。
在菲涅耳透镜中，设置折射型菲涅耳透镜部分21和反射型菲涅耳透镜部分23，使得折射型菲涅耳透镜部分21的光轴44和反射型菲涅耳透镜部分23的光轴45偏心设置。
为了将光线适当地入射两种菲涅耳透镜部分，两个LED46和47设置在有效的位置。两种菲涅耳透镜部分在不同点聚焦。因此，可以提供一种具有特殊功能的照明装置。此外，可以提供一种在片状透镜同一表面偏心设置两种菲涅耳透镜部分的照明装置。
菲涅耳透镜的结构不限于上述结构。例如，可以采用具有椭圆形状的菲涅耳透镜部分。椭圆形菲涅耳透镜部分包括多个椭圆棱镜，每个椭圆棱镜具有平行于光轴的圆柱轴，这些棱镜设置在轴向方向以形成薄菲涅耳透镜。
由于椭圆形菲涅耳透镜部分具有多个焦点，这些透镜具有独特的透镜作用。例如，如果透镜用于汇聚光线，光线汇聚成亮线。如果透镜用于CCD照相机或COMS照相机，该透镜可以读取畸变图像。此外，还可以使折射型菲涅耳透镜和反射型菲涅耳透镜设置在透镜片构件同侧。
根据本发明，菲涅耳透镜由折射型菲涅耳透镜部分和反射型菲涅耳透镜部分的适当组合构成，每个菲涅耳透镜部分的棱镜具有在制造极限内的顶角。因此，菲涅耳透镜具有薄厚度、大孔径和高NA，并且易于制造。此外，本发明的菲涅耳透镜可以用于除照明外的其它光学物品上，例如，图像形成和图像读取
使用本发明的菲涅耳透镜的照明装置可以制造成具有薄厚度和小尺寸并且具有高利用率的装置。此外，照明装置亮度得到改善。通过各种不同的菲涅耳透镜部分的组合以及LED位置的设置，照明装置具有高性能的照明效果。
尽管已经结合本发明的优选特定实施方案描述了本发明，应当理解，该描述意为举例说明，并无意限制本发明的范围，本发明的范围由下面的权利要求限定。

Claims (4)

1.一种菲涅耳透镜，包括：
片状透镜，具有上表面和下表面，
其特征在于：
在上表面的片状透镜中心部分上提供折射型菲涅耳透镜部分，在下表面的片状透镜外围部分上提供反射型菲涅耳透镜部分。
2.如权利要求1所述的菲涅耳透镜，其特征在于，在顶视图上看，形成在所述片状透镜上的所述折射型菲涅耳透镜部分的外径与形成在所述片状透镜下表面的反射型菲涅耳透镜部分的内径重迭。
3.如权利要求1所述的菲涅耳透镜，其特征在于，所述折射型菲涅耳透镜部分的光轴与所述反射型菲涅耳透镜部分的光轴偏心设置。
4.一种照明装置，包括如权利要求1所述的菲涅耳透镜，其特征在于，该照明装置包括：
外壳；
安装在外壳底部的光源；
所述菲涅耳透镜安装于外壳上部并且位于所述光源之上。
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