CN219082910U - 一种透镜和照明模组 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种透镜和照明模组，涉及光学技术领域，透镜具有相对设置的入射面和出射面，入射面具有至少一个焦点，入射面包括阵列排布的多个子入射面，出射面包括相互连接的多个子出射面，多个子出射面和多个子入射面一一对应,光线由至少一个焦点射出，并经多个子入射面入射透镜，再经对应的子出射面平行出射。在入射面形成了阵列排布的子入射面，可理解为将入射面分割成口径较小的子入射面，使得在焦距设计较小时，子入射面的曲率更小，光线由出射面出射后，可以根据不同的变化形式进行应用，有效减薄了透镜的厚度，降低了成本。

Description

一种透镜和照明模组

技术领域

本申请涉及光学技术领域，具体涉及一种透镜和照明模组。

背景技术

在实际应用过程中，小焦距的透镜可以很大程度的节省器件的尺寸，以适应小尺寸的场景需求。但是，透镜的焦距越小，在透镜出光面曲率一定的情况下，透镜入光面的曲率就越大；如果透镜的入光面口径也比较大的话，就会导致近透镜的厚度更大；而透镜的厚度和加工工艺的难度息息相关，透镜越厚，透镜加工成型时的冷却时间和保压时间都会增加，这就会降低生产效率；有时即使冷却时间和保压时间满足要求，但是由于透镜过厚，加工成型过程中，透镜内部不好控制的应力也会导致透镜面型的公差较大。

实用新型内容

本申请实施例的目的在于提供一种透镜和照明模组，能够使透镜满足小焦距、厚度薄的需求，降低透镜的加工公差，提高生产效率，减小器件的尺寸。

本申请实施例的一方面，提供了一种透镜，具有相对设置的入射面和出射面，所述入射面具有至少一个焦点，所述入射面包括阵列排布的多个子入射面，所述出射面包括相互连接的多个子出射面，多个所述子出射面和多个所述子入射面一一对应,光线由至少一个所述焦点射出，并经多个所述子入射面入射所述透镜，再经对应的所述子出射面平行出射。

可选地，多个所述子入射面共焦点，光线由所述焦点射出后入射多个所述子入射面。

可选地，多个所述子入射面的焦点位于同一个平面上，多个经所述焦点的光轴相互平行，多束光线分别由对应的所述焦点并沿对应的所述光轴分别经过所述子入射面后入射所述透镜。

可选地，所述子入射面为曲面，所述曲面凸向所述焦点方向。

可选地，相邻所述子出射面曲率相等，相邻所述子入射面的曲率不相等。

本申请实施例的另一方面，提供了一种照明模组，包括光源和上述的透镜，所述光源出射的光线会聚于所述透镜的焦点、再由所述焦点入射所述透镜；或者，所述光源为点光源，所述点光源位于所述焦点处。

本申请实施例的另一方面，提供了一种照明模组，包括：多个光源和上述的透镜，多个所述光源出射的光线分别会聚于所述透镜的对应的所述焦点、再由所述焦点入射所述透镜；或者，所述光源为点光源，多个所述点光源分别位于对应的所述焦点处。

本申请实施例提供的透镜和照明模组，透镜具有相对设置的入射面和出射面，入射面具有至少一个焦点，入射面包括阵列排布的多个子入射面，出射面包括相互连接的多个子出射面，多个子出射面和多个子入射面一一对应,光线由至少一个焦点射出，并经多个子入射面入射透镜，再经对应的子出射面平行出射。在入射面形成了阵列排布的子入射面，可理解为将入射面分割成口径较小的子入射面，使得在焦距设计较小时，子入射面的曲率更小，光线由出射面出射后，可以根据不同的变化形式进行应用，有效减薄了透镜的厚度，降低了成本。

在第一个实施例中，多个子入射面共焦点，每个子入射面对应一个光轴，因此该透镜具有单一焦点，但是光轴不唯一的特性；光线由焦点经过多个子入射面入射透镜，再经对应的子出射面平行出射，换言之，每个子出射面均可出射平行光线，但是由于光轴并不平行，且光线由一个焦点入射每个子入射面，经子入射面及其对应的子出射面折射后会聚形成平行光线，但相邻子入射面和子出射面对应的出射光线并不互相平行，使得光线由出射面出射后呈现局部平行整体发散的状态。这样一来，经过出射面后能形成整体上发散但每个子入射面、光轴和子出射面对应的立体角范围内的平行的光线，满足了应用于大范围平行光线的场景需求，可将点光源转换成发散的平行光线，增加照明的均匀性；且基于设计较小焦距的情况下，由于入射面被分割为多个子入射面，使得子入射面的口径较小，子入射面的曲率减小，视觉上透镜变得更薄，因此该透镜的厚度较薄，便于加工，减少了材料的使用，节省了成本。

在第二个实施例中，入射面包括阵列排布的多个子入射面，多个子入射面的焦点位于同一个平面上，多个经焦点的光轴相互平行；出射面包括相互连接的多个子出射面，多个子出射面和多个子入射面一一对应,多束光线分别由对应的焦点并沿对应的光轴分别经过多个子入射面入射透镜，再经对应的子出射面平行出射。也可将点光源转换成的平行光线，增加照明的均匀性；透镜的厚度较薄，满足便于加工，成本降低的需求。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本实施例一提供的透镜结构示意图之一；

图2是本实施例一提供的透镜结构示意图之二；

图3是本实施例一提供的透镜结构示意图之三；

图4是本实施例一提供的透镜结构示意图之四；

图5是本实施例二提供的透镜结构示意图之一；

图6是本实施例二提供的透镜结构示意图之二；

图7是本实施例二提供的透镜结构示意图之三；

图8是本实施例二提供的透镜结构示意图之四；

图9是本实施例提供的透镜设计过程图；

图10是本实施例提供的透镜光路图。

图标：10a-子入射面；20-出射面；20a-子出射面；S-焦点。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

现有技术中，能实现透镜焦距小、并且厚度较薄的方法主要是将透镜设计为菲涅尔透镜，菲涅尔透镜的特点是将透镜的前表面或后表面划分成若干有限个圆环面，每个圆环面具有唯一的光轴，每个圆环面的焦距不一样，但是焦点在同一点，最后得到每个圆环面的高度近似在同一平面的效果。

但是，当前菲涅尔透镜具有单一焦点和单一光轴，从焦点发出的点光源经过菲涅尔透镜发出的是平行光，不能让点光源转变成平行的发散光，因此菲涅尔透镜在某些需要大范围均匀照明的场所就不能满足要求。

有鉴于此，为解决上述问题，请参照图1和图2所示，本申请实施例提供一种透镜，透镜具有相对设置入射面和出射面20，入射面具有至少一个焦点S，入射面包括阵列排布的多个子入射面10a，出射面20包括相互连接的多个子出射面20a，多个子出射面20a和多个子入射面10a一一对应,光线由至少一个焦点S射出并经多个子入射面10a入射透镜，再经对应的子出射面20a平行出射。

在本申请的一个实施例中，多个子入射面10a共焦点S；入射面包括多个子入射面10a，多个子入射面10a沿二维X、Y方向阵列排布；示例地，图2为6*6的阵列单元，每个单元代表一个子入射面10a，且这些子入射面10a共用一个焦点S，光线由位于焦点S处的光源出射并射向每个子入射面10a，或者光源出射的光线会聚于焦点S处再由焦点S射向每个子入射面10a。

出射面20包括多个子出射面20a，多个子出射面20a相互连接，每个子出射面20a对应一个子入射面10a，当由焦点S入射子入射面10a的光线经对应的子出射面20a射出后，形成的是平行光线。

需要说明的是，以图1为例，由焦点S入射一个子入射面10a的光线经对应子出射面20a出射后，由该子出射面20a出射的光线为平行光线，但是，由于多个子入射面10a对应的光轴不平行，焦点S射向多个子入射面10a的光线呈现发散状态，因此相邻子出射面20a出射的光线不平行。

上述透镜具有单一焦点S，但是光轴不唯一；每个子入射面10a对应一个光轴，各光轴之间不平行，且由焦点S射向多个子入射面10a的光线呈现发散状态，经子入射面10a及其对应的子出射面20a折射后会聚形成平行光线，但相邻子入射面10a和子出射面20a对应的出射光线并不互相平行。

进一步地，子入射面10a为曲面，曲面凸向焦点S方向。如图3和图4所示，图3示出了六个子入射面10a，图4为图3的侧视图，图4中上下两侧的子入射面10a的口径相等；而位于中间的子入射面10a的口径明显和上下两侧子入射面10a的口径不相等，且小于上下两侧子入射面10a的口径。

在上下两侧的子入射面10a对应的子出射面20a和中间的子入射面10a对应的子出射面20a曲率相等的情况下，由于位于中间的子入射面10a的口径较小，在透镜焦距设计得较短时，中间的子入射面10a曲率较小，在视觉上中间部分透镜更薄。

因此，可以将透镜入射面分割成多个子入射面10a，使子入射面10a口径变小，在透镜的焦距设计得较小时，子入射面10a的曲率减小，视觉上透镜变得更薄，使得透镜的厚度能控制在10mm以内，这样就能极大地降低了透镜的加工公差，提高生产效率，并且可以减小器件的尺寸。该透镜的特点是能将点光源转变成扩散的平行光线，在某些需要大范围均匀照明的环境，该透镜就能发挥很大的作用。

需知，焦点S处即可为点光源，也可以是其他光源出射的光线会聚于焦点S，再由焦点S发散入射透镜本体。

综上，本申请第一个实施例提供的透镜，具有相对的入射面和出射面20，入射面包括阵列排布的多个子入射面10a，多个子入射面10a共焦点S，每个子入射面10a对应一个光轴，因此该透镜具有单一焦点S，但是光轴不唯一的特性；出射面20包括多个相互连接的子出射面20a，多个子出射面20a和多个子入射面10a一一对应,光线由焦点S经过多个子入射面10a入射透镜，再经对应的子出射面20a平行出射，换言之，每个子出射面20a均可出射平行于对应光轴的光线，但是由于光轴不唯一，光线由一个焦点S入射每个子入射面10a，入射整体入射面的光线呈现发射状态，光线出射时会聚，形成平行光线，而相邻子出射面20a出射的光线互相并不平行，使得光线由出射面20出射后呈现局部平行整体发散的状态。这样一来，经过出射面20后能形成整体上发散但每个子入射面10a、光轴和子出射面20a对应的立体角范围内的平行的光线，满足了应用于大范围平行光线的场景需求，可将点光源转换成发散的平行光线，增加照明的均匀性；且基于设计较小焦距的情况下，由于入射面被分割为多个子入射面10a，使得子入射面10a的口径较小，子入射面10a的曲率减小，视觉上透镜变得更薄，因此该透镜的厚度较薄，便于加工，减少了材料的使用，节省了成本。

将上述透镜应用于照明模组时，本申请实施例还公开一种照明模组，包括光源和前述的透镜，光源出射的光线会聚于透镜的焦点S、再由焦点S入射透镜。

光源的具体形式不做限定，光源和焦点S之间可设置光学元件，光源出射的光线经光学元件后会聚于焦点S，再由焦点S射向各子入射面10a，并由对应的子出射面20a平行出射，对于出射面20来说，形成发散的平行光线，利于增加大范围照明的均匀性。且，由于透镜的厚度较薄，使得照明模组的整体尺寸可较小，便于小尺寸场景需求。

此外，当光源为点光源时，点光源位于焦点S处，直接朝向多个子入射面10a出射光线，其原理与上述一致，此处不赘述。

另一方面，在前述透镜的基础上，请参照图5和图6所示，本申请第二个实施例还公开一种透镜，具有相对的入射面和出射面20，入射面包括阵列排布的多个子入射面10a，每个子入射面10a分别具有一个焦点S，且多个子入射面10a的焦点S位于同一个平面上，多个经焦点S的光轴相互平行；出射面20包括多个相互连接的子出射面20a，多个子出射面20a和多个子入射面10a一一对应,多束光线分别由对应的焦点S并沿对应的光轴分别经过多个子入射面10a后入射透镜，再经对应的子出射面20a平行出射。

本实施例和前述实施例不同之处在于，本实施例中的一个子入射面10a对应一个焦点S，图6示出了6*6的阵列单元，则6*6的子入射面10a共对应有三十六个焦点S，每个焦点S出射光线沿对应的光轴入射对应的子入射面10a，再由对应的子出射面20a出射形成平行光线；并且，由于每个光轴相互平行，因此除了每个子出射面20a出射平行光线外，相邻子出射面20a的光线也相互平行。也可将点光源发出的光线转换成发散的平行光线，增加照明的均匀性；同样地，该透镜的厚度较薄，便于加工，减少了材料的使用，节省了成本。

本申请两个实施例中的透镜，由于在入射面均形成了阵列排布的子入射面10a，可理解为将入射面分割成口径较小的子入射面10a，使得在焦距设计较小时，子入射面10a的曲率更小，光线由出射面20出射后，可以根据不同的变化形式进行应用，有效减薄了透镜的厚度，降低了成本。

同前述实施例相同地，本申请实施例的透镜，其子入射面10a为曲面，曲面凸向焦点S方向。

同前述实施例相同地，相邻子入射面10a的口径可以不相等、可以相等，在子出射面20a曲率相等的情况下，子入射面10a的口径越小，其曲率越小，对应的该部分透镜越薄。如图7和图8所示，示出了具有十个子入射面10a的阵列单元，每个子入射面10a对应一个焦点S，位于图7横排中间的四个子入射面10a和位于上下两侧的子入射面10a的口径不同且小于位于上下两侧的子入射面10a的口径，在子出射面20a曲率相同的情况下，横排中间的四个子入射面10a对应的部分透镜更薄。

同样地，在多个焦点S位于同一平面上、光轴之间相互平行的基础上，本申请实施例还公开了一种照明模组，包括多个光源和前述的透镜，多个光源出射的光线分别会聚于透镜的对应焦点S、再由焦点S入射对应的子入射面10a；光源和焦点S之间可设置光学元件，用于将光源出射的光线会聚在焦点S处，每个焦点S的光线沿对应的光轴入射对应的子入射面10a，由对应的子出射面20a出射平行光线。

或者，光源为点光源，多个点光源分别位于对应的焦点S处，点光源直接朝向对应的子入射面10a出射光线。

该照明模组包含与前述实施例中的透镜相同的结构和有益效果。透镜的结构和有益效果已经在前述实施例中进行了详细描述，在此不再赘述。

除此之外，本申请实施例的透镜在设计时，以第一种共焦点S的透镜为例，其过程为：已知透镜的入射面和透镜的焦点S位置，由透镜焦点S的位置向透镜的入射面辐射出若干有限个光轴，然后以该光轴的方向和焦点S的位置生成透镜的多个子出射面20a，再将每个子出射面20a连接形成出射面20。

对多个焦点S在同一平面、光轴相互平行的透镜来说，其设计过程为：已知透镜的入射面和透镜的每一个焦点S位置，由每一个焦点S和与焦点S对应的光轴，根据透镜的子入射面10a生成对应的子出射面20a，将每个子出射面20a连接形成出射面20。

生成透镜出射面20的原理：已知透镜的入射面，根据光学折射定律,通过前一个入射点和目标出射方向，求解出法向量，根据光线折射定律n₁sinθ₁＝n₂sinθ₂,持续迭代求解出整个目标曲面的点阵，利用Catia曲面拟合技术，最终拟合出目标曲面，即出射面20。

如图9所示，图9示出了迭代过程，S点为焦点S，P₀、P₁、P₂、P ₃为出射点，i₀、i₁、i₂、i₃为由焦点S射向子入射面10a的光线，P₀P₁的连线方向即为法向量方向T₀、P₁P₂的连线方向即为法向量方向T₁、P₂P₃的连线方向即为法向量方向T₂依次类推，得出出射面20。

如图10所示，由焦点S出射的光线入射一个子入射面10a后，根据该子入射面10a和焦点S位置，由上述方式可得到对应的一个子出射面20a，多个子出射面20a连接形成出射面20。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种透镜，其特征在于，具有相对设置的入射面和出射面，所述入射面具有至少一个焦点，所述入射面包括阵列排布的多个子入射面，所述出射面包括相互连接的多个子出射面，多个所述子出射面和多个所述子入射面一一对应,光线由至少一个所述焦点射出，并经多个所述子入射面入射所述透镜，再经对应的所述子出射面平行出射。

2.根据权利要求1所述的透镜，其特征在于，多个所述子入射面共焦点，光线由所述焦点射出后入射多个所述子入射面。

3.根据权利要求1所述的透镜，其特征在于，多个所述子入射面的焦点位于同一个平面上，多个经所述焦点的光轴相互平行，多束光线分别由对应的所述焦点并沿对应的所述光轴分别经过所述子入射面后入射所述透镜。

4.根据权利要求1至3任一项所述的透镜，其特征在于，所述子入射面为曲面，所述曲面凸向所述焦点方向。

5.根据权利要求1至3任一项所述的透镜，其特征在于，相邻所述子出射面曲率相等，相邻所述子入射面的曲率不相等。

6.一种照明模组，其特征在于，包括光源和如权利要求2或4或5所述的透镜，所述光源出射的光线会聚于所述透镜的焦点、再由所述焦点入射所述透镜；

或者，所述光源为点光源，所述点光源位于所述焦点处。

7.一种照明模组，其特征在于，包括多个光源和如权利要求3至5任一项所述的透镜，多个所述光源出射的光线分别会聚于所述透镜的对应的所述焦点、再由所述焦点入射所述透镜；

或者，所述光源为点光源，多个所述点光源分别位于对应的所述焦点处。

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