CN1854768A

CN1854768A - 薄型化球面透镜

Info

Publication number: CN1854768A
Application number: CNA2005100690455A
Authority: CN
Inventors: 龙定华
Original assignee: YUCHEN ELECTRONIC DEVELOPMENT Co Ltd
Current assignee: YUCHEN ELECTRONIC DEVELOPMENT Co Ltd
Priority date: 2005-04-29
Filing date: 2005-04-29
Publication date: 2006-11-01
Anticipated expiration: 2025-04-29
Also published as: CN100394217C

Abstract

本发明提供了一种薄型化球面透镜，主要在球面透镜的一球面上通过截取多个沿透镜的光轴划定的曲面的部分而形成多个运用于传统菲涅尔透镜上的沟槽，进而划分出多个出光面，该沟槽的深度与宽度不同，且该出光面的曲率半径不同，而由该出光面出射的光线均能聚焦于同一点，这样可有效解决球面透镜为了增加透镜的孔径必须增加透镜的厚度，而导致的球面透镜无法达到薄型化的缺陷。

Description

薄型化球面透镜

技术领域

本发明涉及一种球面透镜，特别涉及一种可达到薄型化的球面透镜。

背景技术

市面上最常用于侦测人体的电子元件为焦电型红外线感应器(Pyroelectric Infrared Sensor)，利用其特性可以有多种应用。其中以防盗器材所利用的程度最高，当感应器发现能量分布密度与之前的有所差异时，感应器就会产生一个信号把灯打亮，或是开启警报器而达到防盗的效果。

目前使用被动式红外线(PIR)来侦测人体的绝大部分产品都是通过高密度聚乙烯(HDPE)材质所作成的透镜阵列来聚焦人体所散发出红外线。而一般的透镜可分为两种，一种为传统的菲涅尔透镜(Fresnel lens)，另一种为普通的球面透镜(spherical lens)，随着这两种透镜的不同，通常阵列的外型也不同。通常使用菲涅尔透镜的阵列，如图1及图2所示，其外型通常是一扁平且外观为矩形的片状体10，其中一面为平面用以作为出光面12，另一面则刻有许多同心圆的花纹14用以作为入光面16，而每一个花纹14视为一个小型的棱镜，通过的光线经过棱镜的偏折会转向焦点的方向，从而达到聚光的效果，而另一种就是如图3所示，以普通的球面透镜22组成的透镜阵列20。

然而，上述两种透镜在实际应用上还是有一些问题：

1、传统的菲涅尔透镜因为是使用棱镜的原理将光线聚焦，所以是否能够真的将光线聚焦于一点，必须视花纹的密度而定，若是密度太疏，则聚焦不够精准，无法真正聚集成一点，但是花纹密度太高时，则会使入射光线产生绕射而无法聚焦。美国专利号4787722披露了一种菲涅尔透镜，主要是在透镜作为入光面的表面上开设多个沟槽(grooves)，且这些沟槽的宽度是由中心向边缘渐缩，以将该沟槽的深度控至一致，从而可解决过去菲涅尔透镜因沟槽的宽度一致、但深度不一致的设计，使得透镜的厚度必须受限于沟槽的深度而无法达到薄型化的目的。但是，上述的菲涅尔透镜在排列成阵列之后都弯曲成柱状，然而这样会造成主光轴无法跟透镜垂直，造成彗星相差及能量散失。

2、另一种广泛使用的透镜为球面透镜，其不同于菲涅尔透镜的平坦和轻薄，它的外型由两球状的表面组成，将所要侦测的角度与距离的透镜联集在一起形成透镜阵列，因为透镜的两面都是球状表面，所以可将一面固定成相同曲率半径的球面，这样外观就跟菲涅尔透镜所形成的柱状透镜阵列不一样，它的透镜阵列外表呈球状(可见于图3)，传统球面透镜阵列的优点是因为外表呈球壳状，所以在侦测人体散发的红外线时，主光轴可与透镜垂直，维持很好的聚焦效果。然而，球面透镜阵列的缺点正好跟菲涅尔透镜阵列相反，若想要增加透镜的孔径时，受于限制必须要加大透镜厚度才能增加孔径，但是厚度增加也会导致红外线穿透率降低，所以这种球面透镜必须维持在一定的孔径大小。当室温超过28℃时很容易降低侦测距离。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种薄型化球面透镜，其在增加球面透镜的孔径的情况下并不会增加球面透镜的厚度，且可维持良好的聚焦效果。

基于上述目的，本发明提供一种薄型化球面透镜，该薄型化球面透镜由一入光面及一与入光面相对应的多个出光面所构成。其中入光面为一球面，而多个出光面是由入光面所相对的另一球面上，由多个沿透镜的光轴划定的曲面并经截取每一曲面的部分以形成多个运用于传统菲涅尔透镜上的沟槽，该沟槽深度与宽度不同，该出光面的曲率半径设计不同，以使由该出光面出射的光线的焦距相同。

由于本发明在球面透镜的出光面上通过调整该出光面的曲率半径的方式，截取每一曲面的部分形成多个运用于传统菲涅尔透镜上的沟槽，以使由该出光面出射的光线均能聚焦于同一点上，故可有效解决球面透镜为了增加透镜的孔径，必须增加透镜的厚度，而导致透镜无法达到薄型化的缺陷。

附图说明

图1是现有的菲涅尔透镜所构成的透镜阵列的示意图。

图2是现有的菲涅尔透镜的光路示意图。

图3是现有的球面透镜所构成的透镜阵列的示意图。

图4是普通球面透镜的成像图。

图5是根据本发明的推导方式所模拟出具有沟槽的球面透镜的示意图。

图6是本发明的推导方式所模拟出具有沟槽的另一球面透镜的示意图。

图7是本发明的薄型化球面透镜的一较佳实施例的侧视图。

图8是本发明的薄型化球面透镜的一较佳实施例的光路示意图。

具体实施方式

有关本发明的较佳实施例与技术内容，现结合附图说明如下：

首先，我们先由一个现有的球面透镜成像的情形到推导至本发明薄型化球面透镜的整个过程作一详细的描述，请参阅图4，由图中可以看到一个普通球面透镜30正常的图像，由于在前述可知要增加光线(如红外线)的入射能量，以增大透镜的孔径是最明显而直接的方法，但透镜的厚度又要保持在一定范围之间，不能过厚，基于上述的原则，请参阅图5，我们先模拟出一孔径值为₁的球面透镜40，其外侧的曲率半径为R、内部的曲率半径为r₁、中心厚度为a、边缘厚度为b及焦距值为f(图未示出)。再模拟出另一孔径值为₂的球面透镜50，其中孔径值为₂＞₁、外侧的曲率半径维持在R值不变，且透镜边缘厚度值也维持在b值，而中心厚度加厚成a+c，接着将内部的曲率半径调整为r₂，使球面透镜50的焦距值同样为f，由于球面透镜40及球面透镜50的焦距值同样为f，因此，我们以球面透镜50的中心为圆心，₁为直径，画出一个圆，并将这个圆形投影到球面透镜40的体积移除，换言之，就是留下球面透镜50内侧表面积为πc₂的部分，这样，若可根据已移除部分体积的球面透镜50与球面透镜40所结合的外型，制作出一外观为球表面，另一面为具有沟槽的球状透镜，此球面透镜将具有等同于球面透镜50的孔径值，并具有等同于球面透镜40的中心厚度，且又能达到相同焦距值的结果。

根据上述的推导方式，我们继续推导至十个球面透镜。请参阅图6及下方的数值表：

Lens编号	内部曲率半径(mm)	外部曲率半径(mm)	孔径(mm)	中心厚度(mm)
Lens编号	内部曲率半径(mm)	外部曲率半径(mm)	孔径(mm)	中心厚度(mm)	Lens01	r₁＝30.78	R＝30	3.889725709	1.0
Lens02	r₂＝31.39	R＝30	5.559020800	1.5	Lens01	r₁＝30.78	R＝30	3.889725709	1.0
Lens02	r₂＝31.39	R＝30	5.559020800	1.5	Lens03	r₃＝32.18	R＝30	6.776599537	2.0
Lens04	r₄＝33.05	R＝30	7.912425212	2.5	Lens03	r₃＝32.18	R＝30	6.776599537	2.0
Lens04	r₄＝33.05	R＝30	7.912425212	2.5	Lens05	r₅＝33.90	R＝30	8.819136757	3.0
Lens06	r₆＝34.80	R＝30	9.731063561	3.5	Lens05	r₅＝33.90	R＝30	8.819136757	3.0
Lens06	r₆＝34.80	R＝30	9.731063561	3.5	Lens07	r₇＝35.65	R＝30	10.48948465	4.0
Lens08	r₈＝36.65	R＝30	11.36879943	4.5	Lens07	r₇＝35.65	R＝30	10.48948465	4.0
Lens08	r₈＝36.65	R＝30	11.36879943	4.5	Lens09	r₉＝37.90	R＝30	12.12500299	5.0
Lens10	r₁₀＝38.90	R＝30	12.82884031	5.5	Lens09	r₉＝37.90	R＝30	12.12500299	5.0

由上述表格及图6可得出这样的结论，藉由上述推导方式所模拟出来的球面透镜，即便将球面透镜孔径增加，还是可将球面透镜的中心厚度控制在一适当范围内，且由球面透镜出射的光线均能聚焦在同一点上。

基于上述，我们可以为上述这种透镜加以定义，请参阅图7及图8，本发明的薄型化球面透镜100，例如是由玻璃、压克力、或塑料(如：高密度聚乙烯或其它具有良好可塑性的材质)等具有聚焦特性的透明、半透明及非透明材质所制，其具有入光面110及与入光面110相对应的多个出光面120，其中入光面110是光线入射的那一面，而多个出光面120是多个沿薄型化球面透镜100的光轴140划定的曲面经截取每一曲面的部分而形成多个等同于运用在传统菲涅尔透镜上的沟槽，图中该沟槽130深度与宽度不同，且该出光面120的曲率半径设计不同，以使由该出光面120所出射的光线其焦距均相同。此外，每个沟槽130的深度与宽度视对应的该出光面120的曲率半径而定。以本实施例而言，该深度及宽度不同的沟槽130沿着薄型化球面透镜100的光轴140环绕，而那些沟槽130的宽度则由邻近于薄型化球面透镜100的光轴140处向边缘处渐缩。另外，由每一条沟槽130底部最远离光轴140的位置到入光面110的距离均为d，且与光轴140平行。而根据本发明所设计的薄型化球面透镜100其孔径的最大值约为焦距的2倍。

值得注意的是，本发明针对球面透镜加以改良，在球面透镜的一球面上截取多个沿透镜的圆心划定的曲面的每一曲面的部分，而形成多个运用于传统菲涅尔透镜上的沟槽，以划分出多个出光面，该沟槽深度与宽度不同，该出光面的曲率半径设计不同，以使由该出光面出射的光线均能聚焦于同一点上(如图8所示)，而使焦距相同。故可有效解决球面透镜为了增加透镜的孔径，必须增加透镜的厚度，而会导致透镜无法达到薄型化的缺陷。

综上所述，本发明的薄型化球面透镜至少具有下列优点：

1、本发明的薄型化球面透镜即便是增加球面透镜的孔径，也不会大幅度地增加球面透镜的厚度(特别是针对中心厚度)，而可朝向薄型化发展。

2、本发明的薄型化球面透镜其入光面及出光面即为球面设计，故无须如传统菲涅尔透镜在排列成阵列之后，必须弯曲成柱状而造成主光轴无法跟透镜垂直，导致无法维持很好的聚焦效果。

3、本发明的薄型化球面透镜可适用于如焦电型红外线感应警报器、红外线感应警报器及其它需聚焦的镜片等各式光学装置上，其实用性高。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等均应包括在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种薄型化球面透镜，其特征在于所述薄型化球面透镜具有一入光面及与所述入光面相对应的多个出光面，其中所述入光面是球面，而所述出光面是由多个沿透镜的光轴划定的曲面并经截取每一曲面的部分而形成，且所述每一曲面的曲率半径不同，而由所述每一曲面出射的光线其焦距相同。

2.根据权利要求1所述的薄型化球面透镜，其特征在于，所述薄型化球面透镜其孔径的最大值为焦距的2倍。

3.根据权利要求1所述的薄型化球面透镜，其特征在于，截取每一曲面的部分而形成多个深度及宽度不同的沟槽。

4.根据权利要求3所述的薄型化球面透镜，其特征在于，所述深度及宽度不同的沟槽沿着透镜的光轴环绕。

5.根据权利要求3所述的薄型化球面透镜，其特征在于，所述沟槽的宽度由邻近于所述薄型化球面透镜的光轴处向边缘处渐缩。

6.根据权利要求3所述的薄型化球面透镜，其特征在于，各个沟槽底部最远离透镜光轴的位置到所述入光面的距离均相同。