[发明专利]一种菲涅尔聚光透镜及菲涅尔聚光透镜的设计方法

权利要求书

1.一种菲涅尔聚光透镜，包括入射面(3)和出射面(1)，所述入射面(3)为平面，所述出射面(1)上设有多条凹陷的齿槽(2)，所述齿槽(2)包括起聚光作用的第一表面(2a)和与该第一表面(2a)相交的第二表面(2b)，其特征是：通过该菲涅尔聚光透镜上各第一表面(2a)将垂直于入射面(3)射入的光线折射到位于出射面(1)外侧一假定的接收面(9)上所形成的光斑中各点的最小辐照度E_min与该光斑的平均辐照度E_av之比为0.6至0.99，且所述入射面(3)的面积是光斑面积的5至2000倍。

2.如权利要求1所述的一种菲涅尔聚光透镜，其特征是：所述光斑中各点的最小辐照度E_min与该光斑的平均辐照度E_av之比为0.7以上。

3.如权利要求1或2所述的一种菲涅尔聚光透镜，其特征是：所述入射面(3)的面积是光斑面积的10倍以上。

4.如权利要求1或2所述的一种菲涅尔聚光透镜，其特征是：所述第二表面(2b)的两端分别通过内圆角(R1)和外圆角(R2)与相邻两个第一表面(2a)的首尾连接；所述第二表面(2b)朝所述入射面(3)方向倾斜以使通过该透镜的光损失小于当第二表面(2b)垂直与入射面(3)时通过透镜的光损失。

5.如权利要求4所述的一种菲涅尔聚光透镜，其特征是：所述第二表面(2b)的倾斜程度以使光既不通过与该第二表面(2b)连接的外圆角(R2)也不通过该第二表面(2b)。

6.如权利要求4所述的一种菲涅尔聚光透镜，其特征是：所述第二表面(2b)的倾斜程度以使光仅通过与该第二表面(2b)连接的外圆角(R2)的部分区域。

7.如权利要求4至6中任意一项权利要求所述的一种菲涅尔聚光透镜，其特征是：所述内圆角(R1)和外圆角(R2)的半径在0.1毫米以下。

8.如权利要求7所述的一种菲涅尔聚光透镜，其特征是：所述第二表面(2b)的两端点在所述入射面(3)上的投影距离(D)为0.3至0.6毫米之间。

9.如权利要求3至5中任意一项权利要求所述的一种菲涅尔聚光透镜，其特征是：该菲涅尔聚光透镜是由经模具成型时不产生拔模损伤的柔性材料制成。

10.菲涅尔聚光透镜的设计方法，由该方法所设计的透镜包括入射面(3)和出射面(1)，所述入射面(3)为平面，所述出射面(1)上设有多条凹陷的齿槽(2)，所述齿槽(2)包括起聚光作用的第一表面(2a)和与该第一表面(2a)相交的第二表面(2b)，其特征是：

首先，确定一个与该透镜侧面正投影方向垂直且经过透镜中心(10)的纵截面，使该透镜的所有的第一表面(2a)在该纵截面上反映为多条间断的曲线，然后按照从透镜边缘向透镜中心(10)的方向将这些曲线分别标定为C1、C2…Cn，令各曲线C1、C2…Cn上距离所述透镜中心(10)最远的一端为曲线的起始端；

其次，设定各曲线C1、C2…Cn的起始端与所述透镜中心(10)的距离分别为a1、a2…an，并设定通过该透镜上各曲线C1、C2…Cn的起始端将垂直于透镜入射面(3)射入的光线折射到位于出射面(1)外侧一假定的接收面(9)上所形成的光点与所述透镜中心(10)的距离分别为b1、b2…bn；其中，距离a1根据透镜的半径确定，距离a1与距离b1之比为至距离a2、a3…an根据距离a1及齿槽(2)数量确定，距离b2、b3…bn根据距离b1及齿槽(2)数量确定；

再次，令各曲线C1、C2…Cn均满足以下公式：

(h+y)ndydx1+(dydx)2-dydx1-n2(dydx)21+(dydx)21-n2(dydx)21+(dydx)2+n(dydx)21+(dydx)2=(1+biai)x]]>

式中，系数h表示所述入射面(3)与接收面(9)之间的距离；系数ai表示第i(i＝1、2…n)个曲线Ci的起始端与所述透镜中心(10)的距离；系数bi表示通过所述曲线Ci的起始端将垂直于透镜入射面(3)射入的光线折射到接收面(9)上所形成的光点与所述透镜中心(10)的距离，变量x为所述曲线上任意一点与透镜中心(10)的距离，变量y为该点与透镜入射面(3)之间的距离；

然后，模拟通过上述曲线C1、C2…Cn将垂直于入射面(3)射入的光线折射到所述接收面(9)上所形成光斑的能量分布情况，当该光斑中各点的最小辐照度E_min与该光斑的平均辐照度E_av之比小于0.6时，对距离b2、b3…bn中的部分或全部进行调整，直到该光斑中各点的最小辐照度E_min与该光斑的平均辐照度E_av之比达到0.6至0.99；

最后，以确定出的曲线C1、C2…Cn为母线进行旋转或平移得到该透镜的各第一表面(2a)。