[发明专利]一种透镜和透镜系统及其用途

说明书

本发明公开了一种透镜和透镜系统及其用途，透镜包括前表面、后表面、以及在前表面和后表面之间延伸的侧表面；后表面限定了面向后部的腔；前表面包括中央表面、以及环绕连接中央表面的边缘表面，边缘表面在中央表面和侧表面之间延伸；透镜是一个轴对称体，其限定了中心轴线；透镜配合放置于中心轴线且可在腔内移动的LED光源或与其类似的光源组成透镜系统，实现对于光源出射光的高利用率，以及对入射光的准直和调焦功能。该透镜系统可用于具有可调焦功能的手电筒。

技术领域

本发明涉及一种光学器件，尤其涉及一种透镜和透镜系统及用途。

背景技术

随着半导体材料和工艺的不断发展，发光二极管（LED）正逐渐取代传统光源。这是由于发光二极管特殊的发光原理是其在达到同等亮度情况下所需消耗的能量远远低于普通白炽灯，而且其具有寿命长、无污染等优点，在照明和背光领域有着广阔的前景。

在LED照明产品中，人们为得到适当的光线分布和光照强度，往往需要在LED灯珠前再安装一个透镜，以此实现对光线的会聚，如采用菲涅尔透镜可将处从其焦点发出的光线转变为平行光。

另外，为了进一步将LED光线充分利用，目前的主流方法是在透镜上设置一个腔体，将LED光源设置在该腔体内。因为LED作为点光源时发出的光是分布在180度空间内的，利用上述方法理论上可以使LED发出的所有光都能射入透镜，再根据透镜的结构对入射光的出射方向进行调整，以达到会聚、匀光等效果。

在一些使用情况下还有对于出射光光斑的要求，这通常可以通过调整LED光源与透镜的相对位置来实现。

要实现如上所述的所有需求，需要通过精确的模拟计算来得到透镜的形状。目前此类透镜一般都具有前表面、侧表面、后表面，后表面会限定一个腔体来作为LED光源的放置区域，以使LED发出的所有光线都能被限制在腔体内。此时需要根据设计的光路来计算推导出前表面、后表面和侧表面的弧面形状，这也涉及到了各表面相互间的配合，这对于实现光线的光路控制尤为重要。

在不考虑透镜材料成本的前提下，以上的这种设计是较容易实现了。随着对于透镜成本的进一步考虑，各种更节省材料的产品设计不断产生，其主要通过减小前表面和后表面间的距离，即将透镜做的更薄，来实现对于材料的节省。对于前表面、后表面和侧表面的弧面形状精度及其相互间配合的要求甚至更高，从而设计难度更大，设计周期也更长。

同样对于透镜的加工来说，需要精确控制或加工难度大的加工面越多，对于透镜的制备越困难，由此直接影响产品的成品率。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种能够实现对于LED光源（或类似于LED的光源）光线的高利用率、并具备会聚、调焦功能，且节省材料、结构简单，尽可能降少高精度要求光学面的透镜。

发明内容

为实现上述目的，本发明提供了一种透镜，和该透镜配合光源的透镜系统及其用途。

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，所述前表面位于所述透镜的前部，所述后表面位于所述透镜的后部；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，类似于直角阶梯形状。

进一步地，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，即限定了透镜是一个轴对称体，中心轴就是中心轴线

进一步地，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。或者说，所述中央表面是弧面。

进一步地，所述中央线段的弧形凸起方向远离所述底部，即所述中央表面向所述透镜前部凸起。