[发明专利]一种透镜和透镜系统及其用途

权利要求书

1.一种透镜，其特征在于，所述透镜包括前表面、后表面、以及在所述前表面和所述后表面之间延伸的侧表面；所述后表面限定了面向后部的腔；所述前表面包括中央表面、以及环绕连接所述中央表面的边缘表面，所述边缘表面在所述中央表面和所述侧表面之间延伸；所述透镜限定了中心轴线；所述腔包括侧壁和底部，所述侧壁和所述底部限定了腔体空间，所述中心轴线穿过所述中央表面和所述底部；所述边缘表面在所述中心横截面上对应的线段，即边缘线段，由平行于所述中心轴线的线段和垂直于所述中心轴线的线段交替连接组成；

所述透镜通过所述中心轴线的任意横截面，即中心横截面，图形都相同；所述中央表面在所述中心横截面上对应的线段，即中央线段，呈弧线；所述中央线段的弧形凸起方向远离所述底部；所述边缘线段平行于所述中心轴线的延伸方向与所述中央线段的弧形凸起方向相同，所述边缘线段在垂直于所述中心轴线方向上远离所述中央线段延伸；所述侧壁在所述中心横截面上对应的线段，即侧壁线段，呈直线或弧线；所述腔的所述侧壁平行于所述中心轴线；所述边缘表面的尺寸满足：经所述侧表面反射的反射光都直接从所述边缘表面射出；所述侧表面的形状满足：所述侧表面全反射由所述侧壁进入的入射光；所述中央表面与所述底部相配合以满足：位于所述中心轴线的点光源发出的入射光由所述底部射入所述透镜，则相应的出射光只从所述中央表面射出；所述边缘表面的形状满足：从所述中央表面射出的出射光不会被所述边缘表面阻挡；其中，所述侧表面的形状通过以下方式确定：

i)所述侧表面在所述中心横截面上对应的曲线上的点Pn的切线，其方程满足：

公式1：

ii)将所述点Pn的邻点Pn+1取在所述切线上，得到所述点Pn+1的光线方程：

公式2：

iii)设定约束条件：

iv)将点P0，a＝1°代入所述公式1和所述公式2，得到：

公式3：

公式4：

v)求解所述公式3和所述公式4的方程组得到点P1(X1，Y1)；

vi)再次将所述点P1(X1，Y1)，a＝2°代入所述公式1和所述公式2得到新的方程组，即公式5和公式6：

公式5：

公式6：

vii)求解所述公式5和所述公式6的方程组得到点P2(X2，Y2)；

viii)以此类推，求得所述点Pn的一系列坐标；

ix)将求得的所述点Pn的一系列离散的点P0-Pn，拟合成曲线方程；

其中，(Xn，Yn)表示所述点Pn在坐标系中的坐标，所述坐标系的横轴为所述中心轴线，纵轴垂直所述中心轴线；r表示所述腔在所述底部的开孔半径，R表示所述底部的半径，n表示所述透镜的折射率，a表示入射光与所述中心轴线的夹角。

2.如权利要求1所述的透镜，其特征在于，所述底部是弧面或平面。

3.如权利要求1所述的透镜，其特征在于，所述侧表面镀有全反射膜。

4.如权利要求3所述的透镜，其特征在于，所述全反射膜是银。

5.如权利要求1所述的透镜，其特征在于，所述透镜的材料是聚甲基丙烯酸甲酯。

6.一种采用如权利要求1-5任一项所述的透镜的透镜系统，其特征在于，包括所述透镜、光源，所述光源提供所述透镜的入射光。

7.如权利要求6所述的透镜系统，其特征在于，所述光源在所述透镜的中心轴线上。

8.如权利要求7所述的透镜系统，其特征在于，所述光源可沿所述中心轴线移动。

9.如权利要求8所述的透镜系统，其特征在于，所述光源的移动范围是在所述透镜的腔的内部。

10.如权利要求9所述的透镜系统，其特征在于，所述光源的移动范围是距离所述腔0mm至深入所述腔内10mm。