JP2006330371A - 薄型化球面レンズ - Google Patents

Abstract

【課題】 薄型化球面レンズの提供。
【解決手段】 薄型化球面レンズ（１００）は入光面（１１０）及び該入光面（１１０）と背向する複数の出光面（１２０）を具え、そのうち、該入光面（１１０）は球面とされ、これら出光面（１２０）はレンズの光軸（１４０）に沿って画定された複数の曲面の各曲面の一部を切り取って形成され、各曲面の曲げ率半径は異なり、各曲面より射出される光線の焦点距離は同じとされた。
【選択図】 図６

Description

本発明は一種の薄型化球面レンズに係り、特に、薄型化を達成できる球面レンズに関する。

現在使用されているパッシブ式に赤外線（ＰＩＲ）を使用して人体を検出するほとんどの製品は、高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）材料で形成されたレンズアレイにより人体の放出する赤外線を集める。一般にレンズは二種類に分けられ、そのうち一種類は伝統的なフレネルレンズ、もう一種は球面レンズであり、これら二種類のレンズの違いにより、アレイの外形も異なる。通常、フレネルレンズを使用したレンズアレイは、図１及び図２に示されるように、その外形が通常は扁平で且つ外観が矩形の片状体１０であり、そのうち一面は平面とされて出光面１２とされ、もう一面は複数の同心円状の模様１４が刻まれて入光面１６とされ、各模様１４は小型のプリズムと見なされ、通過する光線がプリズムの屈折により焦点の方向に転向することにより、集光の効果を達成し、もう一種類は図３に示されるように、球面レンズ２２で構成されたレンズアレイである。

しかし、上述の二種類のレンズは実際の応用上、以下のような問題を有している。
１，伝統的なフレネルレンズはプリズムの原理を利用して光線を集めるため、真に光線を一点に集められるか否かは模様の密度により決定され、密度が低過ぎると、集光が正確でなくなり、真に一点に集めることができない。ただし模様密度が高過ぎると、入射光線が回折を発生して集光不能となる。特許文献１には一種のフレネルレンズが記載され、それはレンズの入光面表面に複数の溝が開設され、これらの溝の幅が中心より辺縁に向けて漸次縮小され、溝の深さが一致するよう制御され、それ以前のフレネルレンズの溝幅が一致しても深さが不一致の設計のためにレンズの厚さが溝の深さに制限され、薄型化の目的を達成できなかったという問題を解決している。ただし、このフレネルレンズはアレイに配列された後、いずれも湾曲して柱状となるが、このために主光軸がレンズと垂直にならなくなり、エネルギー散逸を形成する。
２．別の種類の広く使用されているレンズは球面レンズであり、フレネルレンズとは異なり平坦で軽薄であり、その外形は二つの球状の表面で構成さ、角度と距離を検出する必要のあるレンズが一つに集められてレンズアレイを形成し、レンズの両面がいずれも球状表面であるため、一面が東風されて同じ曲げ率半径の球面とされ、このような外観はフレネルレンズで形成された柱状レンズアレイとは非常に異なり、そのレンズアレイ外表は球状を呈する（図３）。伝統的な球面レンズアレイの長所は外表が球殻状を呈するため、人体の発散する赤外線を検出する時、主光軸がレンズと垂直となり、非常に良好な集光効果を維持することである。しかし、球面レンズアレイの欠点はフレネルレンズと反対であり、レンズの孔径を増加したい時にはレンズの厚さを増さねば孔径を増加できず、厚さの増加は赤外線透過率を下げることである。ゆえにこのような球面レンズはいずれも一定の孔径サイズを維持する必要がある。室温が摂氏２８度を超過するとき、非常に容易に検出距離が低減する。

米国特許第４７８７７２２号明細書

本発明の目的は、一種の薄型化球面レンズを提供することにあり、それは球面レンズの孔径を増した状況にあって、球面レンズの厚さを増すことなく、且つ良好な焦点効果を維持できるものとする。

上述の目的のため、本発明は一種の薄型化球面レンズを提供し、それは入光面及び該入光面と背向する複数の出光面を具え、そのうち、該入光面は球面とされ、これら出光面はレンズの光軸に沿って画定された複数の曲面の各曲面の一部を切り取って形成され、各曲面の曲げ率半径は異なり、各曲面より射出される光線の焦点距離は同じとされる。

請求項１の発明は、薄型化球面レンズであって、この薄型化球面レンズ（１００）は入光面（１１０）及び該入光面（１１０）と背向する複数の出光面（１２０）を具え、そのうち、該入光面（１１０）は球面とされ、これら出光面（１２０）はレンズの光軸（１４０）に沿って画定された複数の曲面の各曲面の一部を切り取って形成され、各曲面の曲げ率半径は異なり、各曲面より射出される光線の焦点距離は同じとされたことを特徴とする、薄型化球面レンズとしている。
請求項２の発明は、請求項１記載の薄型化球面レンズにおいて、薄型化球面レンズ（１００）の孔径の最大値が焦点距離の約２倍とされたことを特徴とする、薄型化球面レンズとしている。
請求項３の発明は、請求項１記載の薄型化球面レンズにおいて、各曲面の一部を切り取って深さと幅の異なる複数の溝（１３０）が形成されたことを特徴とする、薄型化球面レンズとしている。
請求項４の発明は、請求項３記載の薄型化球面レンズにおいて、深さと幅の異なる複数の溝（１３０）がレンズの光軸（１４０）に沿って環状に配設されたことを特徴とする、薄型化球面レンズとしている。
請求項５の発明は、請求項３記載の薄型化球面レンズにおいて、溝（１３０）の幅が薄型化球面レンズ（１００）の光軸（１４０）に近隣の部分より辺縁に向けて漸次縮小することを特徴とする、薄型化球面レンズとしている。
請求項６の発明は、請求項３記載の薄型化球面レンズにおいて、各溝（１３０）の底部のレンズの光軸（１４０）より最も離れた位置から該入光面（１１０）までの距離がいずれも同じとされたことを特徴とする、薄型化球面レンズとしている。

本発明は球面レンズに対する改良を行い、それは球面レンズの一つの球面上よりレンズの円心に沿って画定された複数の曲面より各曲面の一部を切り取って、複数の、伝統的なフレネルレンズに運用されている溝を形成して、複数の出光面を画定し、これらの溝の深さと幅は異なり、これらの出光面の曲げ率半径設計は異なり、これらの出光面より射出される光線はいずれも同一点上に集光され（図８）、焦点距離が同じとされることである。ゆえに、球面レンズの、レンズの孔径を増加するためにレンズの厚さを増さねばならず、そのためにレンズの薄型化を達成できなくなる欠点を有効に改善する。

このほか、本発明の薄型化球面レンズはその入光面と出光面が球面設計とされるため、伝統的なフレネルレンズがアレイ配列された後に湾曲する柱状とされなければならず、このために主光軸がレンズと垂直にならず、良好な焦点効果を得られない問題がない。このほか、本発明の薄型化球面レンズは焦電型赤外線センサ警報器、赤外線感応警報器及びその他の集光レンズを必要とする各種光学装置に適用可能で、その実用性が高い。

まず我々は周知の球面レンズの成像の状況から推論される本発明の薄型化球面レンズの全体の過程について詳細に記述する。図４は周知の球面レンズ３０の正常な画像であり、前述したことから光線（例えば赤外線）の入射エネルギーを増すには、レンズの孔径を増すことが最も明らか直接的方法であることが分かる。ただしレンズの厚さも一定の範囲の間に保持しなければならず、過度に厚くすることはできない。この原則に基づき、図５に示されるように、我々は孔径値をφ２＞φ１、外側の曲げ率半径はＲ値に維持して不変とし、且つレンズ辺縁厚さをｂ値に維持し、中心厚さを増厚してａ＋ｃとし、続いて内部の曲げ率半径をｒ２に調整し、球面レンズ５０の焦点距離を同様にｆとし、球面レンズ４０及び球面レンズ５０の焦点距離を同様にｆとし、これにより、我々は球面レンズ５０の中心を円心とし、φ１を直径として一つの円を描き、ならびにこの円形を球面レンズ４０に投射した体積を除去した。言い換えると、残った球面レンズ５０の内側表面積をπｃφ２の部分とし、これにより、既に部分体積を除去した球面レンズ５０と球面レンズ４０を結合した外形に基づき、外観を球表面に形成し、もう一面は溝を具えた球状レンズとなした。この球面レンズは球面レンズ５０と同等の孔径値を具備し、並びに球面レンズ４０と同じ中心厚さを具え、且つ同じ焦点距離値の結果を達成できる。上述の推論方式に基づき、我々は続いて１０個の球面レンズを推論した。図６及び以下の表を参照されたい。

上述の表及び図６からこのような結論が導かれる。上述の推論方式によりシミュレートされる球面レンズは球面レンズの孔径が増しても、球面レンズの中心厚さは所定範囲内に制御可能で、且つ球面レンズより射出される光線はいずれも同一点に集光される。

以上に基づき、我々は上述のこのようなレンズを定義することができる。図７及び図８に示されるように、本発明の薄型化球面レンズ１００は、例えばガラス、アクリル、プラスチック（例えば高密度ポリエチレン或いは或いはその他の良好な可塑性を具えた材料）等、集光特性を具えた透明、半透明及び非透明材料で形成され、それは入光面１１０及び入光面１１０と背向する複数の出光面１２０を具えている。そのうち、入光面１１０は光線が入射する面とされ、複数の出光面１２０は薄型化球面レンズ１００の光軸１４０に沿って画定された複数の曲面の各曲面の一部を切り取って、伝統的なフレネルレンズに運用されているものと同等の複数の溝が形成されてなり、図中、これらの溝１３０の深さと幅は異なり、且つ該これらの出光面１２０の曲げ率半径設計も異なり、各出光面１２０より射出される光線の焦点距離は同じとされる。このほか、各溝１３０の深さと幅は対応するこれら出光面１２０の曲げ率半径に対応して決定される。本実施例では、これらの深さと幅の異なる溝１３０は、薄型化球面レンズ１００の光軸１４０に沿って環状に配設され、これらの溝１３０の幅は薄型化球面レンズ１００の光軸１４０に近隣の部分より辺縁に向けて漸次縮小される。このほか、各溝１３０の底部の光軸１４０より最も離れた位置から入光面１１０までの距離はいずれもｄとされ、且つ光軸１４０と平行とされる。本発明により設計された薄型化球面レンズ１００はその孔径の最大値が焦点距離の約２倍とされる。

周知のフレネルレンズで構成されたレンズアレイの表示図である。 周知のフレネルレンズの光路表示図である。 周知の球面レンズで構成されたレンズアレイの表示図である。 周知の球面レンズの成像図である。 本発明の推論方式でシミュレートされた溝を具えた球面レンズの表示図である。 本発明の推論方式でシミュレートされた別の球面レンズの表示図である。 本発明の薄型化球面レンズの側面図である。 本発明の薄型化球面レンズの光路表示図である。

符号の説明

１０ 片状体
１２ 出光面
１４ 模様
１６ 入光面
２２ 球面レンズ
３０ 球面レンズ
４０ 球面レンズ
５０ 球面レンズ
１００ 薄型化球面レンズ
１１０ 入光面
１２０ 出光面
１４０ 光軸
１３０ 溝

Claims (6)

1. 薄型化球面レンズであって、この薄型化球面レンズ（１００）は入光面（１１０）及び該入光面（１１０）と背向する複数の出光面（１２０）を具え、そのうち、該入光面（１１０）は球面とされ、これら出光面（１２０）はレンズの光軸（１４０）に沿って画定された複数の曲面の各曲面の一部を切り取って形成され、各曲面の曲げ率半径は異なり、各曲面より射出される光線の焦点距離は同じとされたことを特徴とする、薄型化球面レンズ。
2. 請求項１記載の薄型化球面レンズにおいて、薄型化球面レンズ（１００）の孔径の最大値が焦点距離の約２倍とされたことを特徴とする、薄型化球面レンズ。
3. 請求項１記載の薄型化球面レンズにおいて、各曲面の一部を切り取って深さと幅の異なる複数の溝（１３０）が形成されたことを特徴とする、薄型化球面レンズ。
4. 請求項３記載の薄型化球面レンズにおいて、深さと幅の異なる複数の溝（１３０）がレンズの光軸（１４０）に沿って環状に配設されたことを特徴とする、薄型化球面レンズ。
5. 請求項３記載の薄型化球面レンズにおいて、溝（１３０）の幅が薄型化球面レンズ（１００）の光軸（１４０）に近隣の部分より辺縁に向けて漸次縮小することを特徴とする、薄型化球面レンズ。
6. 請求項３記載の薄型化球面レンズにおいて、各溝（１３０）の底部のレンズの光軸（１４０）より最も離れた位置から該入光面（１１０）までの距離がいずれも同じとされたことを特徴とする、薄型化球面レンズ。
   

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