專利名稱：聚光透鏡和多分割透鏡的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種聚光透鏡和多分割透鏡。
背景技術：
—直以來，眾所周知的是，如圖15所示，第一面為平面110、第二面為雙曲面120，聚光透鏡101以使雙曲面120的旋轉(zhuǎn)軸C與平面110的法線H所成角度為Θ的方式傾斜(日本專利公告特公平7-36041號公報:稱為專利文獻I)。在如圖15所示的聚光透鏡101的結(jié)構(gòu)中，相對于旋轉(zhuǎn)軸C以某角度δ入射且在聚光透鏡101內(nèi)與雙曲面120的旋轉(zhuǎn)軸C平行的光線，無像差地被聚光至焦點F。其中，設聚光透鏡101的折射率為η，則角度δ滿足斯涅耳定律，即sin(0 + S)=nsin0。因此，在圖15的聚光透鏡101中，可以抑制軸外像差的產(chǎn)生，并且能夠有效地使與平面110的法線H傾斜相交方向上的光線聚光。另外，專利文獻I中公開的聚光透鏡101，其對象光線為紅外線。專利文獻I中公開了利用聚乙烯作為透鏡材料。此外，專利文獻I中記載了一種多分割透鏡，其并列有多個聚光透鏡且各聚光透鏡的焦點在同一位置。此外，專利文獻I中提出了如下方案:如圖16A和圖16B所示，將聚光透鏡101設為菲涅耳透鏡，為了抑制軸外像差的產(chǎn)生，將第二面的各雙曲面121，122，123共有的旋轉(zhuǎn)軸C相對于第一面即平面110傾斜相交。這里，各雙曲面121，122，123分別構(gòu)成透鏡面。專利文獻I中記載了如下內(nèi)容:在圖16A和圖16B所示的聚光透鏡101中，對應于各雙曲面121，122，123共有的旋轉(zhuǎn)軸C與平面110之間所成的角度，可以使在焦點處無像差聚光的平行光線與平面110的法線H之間形成角度。因此，圖16A和圖16B的聚光透鏡101中，可以抑制軸外像差的產(chǎn)生，并`且能夠有效地使與平面110的法線H傾斜相交方向上的光線聚光。另外，以往提出了相比具有單一的圓錐面的旋轉(zhuǎn)三透鏡(axicon lens),可以加深焦點深度的旋轉(zhuǎn)三透鏡(日本公開專利公報特開2009-82958號公報:稱為專利文獻2)。專利文獻2中記載了如下方法:如圖17A、圖17B和圖17C所示，準備3個透鏡部件221a，221b，221c，這三個透鏡部件中由圓錐面構(gòu)成的透鏡面與光軸OX所成的角度不同。如圖17D所示，通過將三個透鏡部件221a，221b，221c在光軸方向進行配置，與具有單一的圓錐面的旋轉(zhuǎn)三透鏡相比，可以加深焦點深度。另外，在專利文獻2中提出，將上述的三個透鏡部件221a，221b，221c組合后，可得到具有三個圓錐面的旋轉(zhuǎn)三透鏡，但如圖17E所示，利用樣條曲線(自由曲線)構(gòu)成透鏡面213，也可得到旋轉(zhuǎn)三透鏡。在該圖17E所示的旋轉(zhuǎn)三透鏡的構(gòu)成中，與具有單一的圓錐面的旋轉(zhuǎn)三透鏡相比，可以加深焦點深度。另外，以往提出了一種光學式檢測裝置，該光學式檢測裝置具備多分割透鏡和紅外線檢測元件，所述多分割透鏡由焦點位置設為大致相同的多個透鏡在一平面上組合而成，所述紅外線檢測元件為配置在所述焦點位置上的受光元件(例如，日本專利第3090336號公報:稱為專利文獻3，日本專利第3090337號公報:稱為專利文獻4)。
專利文獻3、4中公開的多分割透鏡中的各透鏡，其第一面為平面，第二面為雙曲面，該雙曲面具有相對于第一面的法線傾斜相交的主軸。此外，專利文獻3、4中公開的多分割透鏡，其對象光線為紅外線，且公開了利用聚乙烯作為透鏡材料。此外，專利文獻3、4中記載了通過射出成型而制作多分割透鏡。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明所解決的課題專利文獻I中公開的圖15的聚光透鏡101中，雙曲面120的旋轉(zhuǎn)軸C相對于平面110的法線H傾斜相交，雙曲面120相對于平面110的法線H不旋轉(zhuǎn)對稱。因此，很難通過車床等進行的旋轉(zhuǎn)加工來制作聚光透鏡101和該聚光透鏡101用的模具。此外，在圖16A和圖16B的聚光透鏡101中，構(gòu)成出射面的各雙曲線121，122，123的旋轉(zhuǎn)軸C相對于入射面即平面110的法線H傾斜相交，各雙曲面121，122，123相對于平面110的法線H不旋轉(zhuǎn)對稱。因此，很難通過車床等進行的旋轉(zhuǎn)加工來制作聚光透鏡101和聚光透鏡101用的模具。由此，在制作所述圖15、圖16A和圖16B的聚光透鏡101和聚光透鏡101用的模具時，需要使用多軸控制的加工機，只將如圖18所示的刀尖半徑(也稱刀尖圓弧半徑，cornerradius)為幾微米(μ m)的鋒利的車刀(工具)130的刀尖與工件140點接觸，以微小間距進行切割加工，以便形成雙曲面120、121，122，123或與該雙曲面120、121，122，123對應的曲面。工件140是直接形成聚光透鏡101的基材，或形成模具的基材。因此，如上所述的聚光透鏡101或聚光透鏡101用的模具的加工時間變長，成為聚光透鏡101的成本增加的主要原因。另外，上述的多分割透鏡的各透鏡的第二面為相對于第一面的法線傾斜相交的雙曲面，且相對于第一面的法線不旋轉(zhuǎn)對稱，因此，很難通過車床等進行的旋轉(zhuǎn)加工來制作該多分割透鏡用的模具。 此外，專利文獻2公開的旋轉(zhuǎn)三透鏡，其不能使從相對于透鏡厚度方向傾斜的方向入射的光線在焦點聚光。綜上所述，專利文獻2公開的旋轉(zhuǎn)三透鏡與如專利文獻I公開的聚光透鏡101那樣使從相對于第一面(平面110)傾斜的方向入射的光線在焦點F聚光，換言之，與光軸相對于透鏡厚度方向傾斜相交(傾斜)的聚光透鏡101在用途上有所不同。鑒于上述理由，本發(fā)明提供一種聚光透鏡和多分割透鏡，其目的在于，可以在利用由外界向第一面傾斜入射的入射光線時抑制軸外像差的產(chǎn)生，并且可以降低成本。解決課題的手段本發(fā)明涉及一種聚光透鏡，該聚光透鏡具有位于第一面相反側(cè)的至少具有一個透鏡面的第二面，其特征在于，所述透鏡面由多個透鏡功能面構(gòu)成，所述各透鏡功能面由橢圓錐的側(cè)面的一部分構(gòu)成，所述第一面上的各點的法線中任意的法線與所述橢圓錐的中心軸不平行，其中所述任意的法線與由所述橢圓錐的側(cè)面的一部分構(gòu)成的所述透鏡功能面交叉，所述橢圓錐的中心軸對應于該任意的法線交叉的所述透鏡功能面，且所述中心軸相互不平行。所述聚光透鏡，優(yōu)選位于外側(cè)的所述透鏡功能面對應的所述橢圓錐越大，所述中心軸與所述法線之間所成角度越大。
所述聚光透鏡，優(yōu)選具有多個所述透鏡面的菲涅爾透鏡。所述聚光透鏡，優(yōu)選具有多個所述透鏡面和位于該多個所述透鏡面靠內(nèi)側(cè)的中央透鏡面，所述中央透鏡面由曲率連續(xù)變化的非球面的一部分構(gòu)成，所述第一面上的各點的法線中任意的法線和所述非球面的對稱軸不平行，其中，所述任意的法線與由所述非球面的一部分構(gòu)成的所述中央透鏡面交叉，所述非球面的對稱軸對應于與該任意的法線交叉的所述中央透鏡面。所述聚光透鏡，優(yōu)選所述非球面為雙曲面。所述聚光透鏡，優(yōu)選透鏡材料為聚乙烯，所述第一面為位于所述第二面?zhèn)认喾磦?cè)的凸起的曲面。本發(fā)明涉及一種由多個透鏡在一面上組合而成的多分割透鏡，所述多分割透鏡的特征在于，所述各透鏡由所述聚光透鏡構(gòu)成。


圖1是實施方式I的聚光透鏡的幾何學形狀的說明圖。圖2是實施方式I的聚光透鏡的截面圖。圖3是入射至實施方式I的聚光透鏡的光線的行進路線的說明圖。圖4中圖5A是表示實施方式2的多分割透鏡的應用例的簡略截面圖。圖5B是實施方式2的多分割透鏡的應用例中主要部分簡略仰視圖。圖5是實施方式3的聚光透鏡的幾何學形狀的說明圖。圖6是實施方式4的聚光透鏡的幾何學形狀的說明圖。圖7是實施方式4的聚光透鏡的截面圖。圖8是入射至實施方式4的聚光透鏡的光線的行進路線的說明圖。圖9是實施方式4的聚光透鏡的制作方法的說明圖。圖10中圖1OA是表示實施方式5的多分割透鏡的應用例的簡略截面圖。圖1OB是實施方式5的多分割透鏡的應用例中主要部分簡略仰視圖。圖11是實施方式6的聚光透鏡的幾何學形狀的說明圖。圖12是實施方式6的聚光透鏡的制造方法的說明圖。圖13是以往的無像差透鏡的原理說明圖。圖14是實施方式7的聚光透鏡的幾何學形狀的說明圖。

圖15是以往例中聚光透鏡的截面圖。圖16中圖16A是以往例中菲涅爾透鏡的俯視圖。圖16B是以往例中菲涅爾透鏡的截面圖。圖17中圖17A-圖17E是用于說明旋轉(zhuǎn)三透鏡的簡略圖。圖18是以往例中菲涅爾透鏡的制作方法的說明圖。
具體實施例方式(實施方式I)以下，參照圖1-圖3對本實施方式的聚光透鏡I進行說明。本實施方式的聚光透鏡I具有透鏡面21，該透鏡面21由位于第一面10相反側(cè)的第二面20構(gòu)成。聚光透鏡I的光軸(未圖示)相對于透鏡厚度方向(圖1的上下方向)傾斜相交(傾斜)。透鏡面21由多個透鏡功能面(傾斜面)23構(gòu)成。該透鏡面21以與透鏡厚度方向交叉的虛擬面VP為邊界，分為與該虛擬面VP所成角度不同的透鏡功能面23。變換角度來看，聚光透鏡I的第二面20側(cè)成為與下述構(gòu)造同樣的構(gòu)造:如圖2所示，在透鏡厚度方向上對存在于一個虛擬面VP的兩側(cè)的層251; 252進行層疊，去除層251; 252之間的邊界，對存在于另一個虛擬面VP的兩側(cè)的層252，253進行層疊，除去層25。252之間的邊界后的構(gòu)造。這里，規(guī)定各虛擬面VP與透鏡厚度方向交叉。聚光透鏡I的各透鏡功能面23分別由橢圓錐30的側(cè)面的一部分構(gòu)成，第一面10上的各法線中的任意的法線與橢圓錐30的中心軸不平行(也就是說，傾斜)，其中，所述任意的法線與由橢圓錐30的側(cè)面的一部分構(gòu)成的透鏡功能面23交叉，所述橢圓錐30的中心軸對應于該任意的法線交叉的透鏡功能面23，且中心軸互相不平行(也就是說，傾斜)。這里，各橢圓錐30的頂點位于第二面20側(cè)，同時其底面(未圖不)位于第一面10側(cè)。另外,各橢圓錐30的中心軸(未圖示)相對于第一面10的各點的各個法線傾斜相交。此外，在將連接聚光透鏡I的第一面10上的點和該點的法線與透鏡功能面23交叉的點的方向規(guī)定為透鏡厚度方向的情況下，如果第一面10為平面，那么沿第一面10上的各點的法線的方向即為透鏡厚度方向。本實施方式的聚光透鏡I的第一面10為平面，因此各橢圓錐30各自的中心軸相對于透鏡厚度方向傾 斜相交。由此，聚光透鏡I的各透鏡功能面23各自的頂點位于第二面20側(cè)，同時其底面(未圖示)位于第一面10側(cè)，并且由橢圓錐30的側(cè)面的一部分構(gòu)成，該橢圓錐30的中心軸相對于透鏡厚度方向傾斜相交。另外，上述的虛擬面VP為包括2個橢圓錐30之間的相交線的面，所述2個橢圓錐30分別與位于該虛擬面VP的兩側(cè)的2個透鏡功能面23對應。此外，聚光透鏡I中，位于外側(cè)的透鏡功能面23對應的橢圓錐30越大，中心軸與法線之間所成角度越大。圖3中，在將第一面10作為入射面，第二面20作為出射面的情況下，將光線的行進路徑表示為細實線附上標記。本實施方式的聚光透鏡I中，如圖3所示可知，從與聚光透鏡I的第一面10的法線傾斜相交的方向(與聚光透鏡I的透鏡厚度方向傾斜相交的方向)向第一面10入射的光線，在聚光透鏡I的第二面20側(cè)的I個焦點F (FO)附近聚光。以入射角Q1入射至第一面10的光線在第一面10折射，如果將其折射角設為Ci2，那么Ci2可根據(jù)斯涅耳定律求出。這里，如果將第一面10接觸的介質(zhì)的折射率設為Ill，透鏡材料的折射率設為n2，根據(jù)斯涅耳定律，則[公式I]
ηα W1
mmJL::: 1
sina, / .L.Xr因此，本實施方式的聚光透鏡I中，例如，介質(zhì)為空氣即Ii1=I,透鏡材料為聚乙烯即n2=l.53，a i = 45°，那么α 2 = 27.5°。本實施方式的聚光透鏡1，通過使用所述橢圓錐30的側(cè)面的一部分構(gòu)成各透鏡功能面23，因此可以使以折射角Ci2進行折射的平行光在焦點F附近聚光。這一點可以根據(jù)基于光線追蹤法的模擬實驗進行確認。
本實施方式的聚光透鏡I中，由于第一面10為平面，因此各虛擬面VP是與第一面平行的平面，另外，橢圓錐30的中心軸相對于第一面10上的各點各自的法線傾斜相交。并且，在包括沿透鏡厚度方向的I條虛擬直線的截面形狀(這里為包括第一面10的法線H的剖面形狀)上，與第一面10平行的面和透鏡功能面23之間所成角度為鈍角。本申請的發(fā)明人為了解決既可以抑制軸外像差的產(chǎn)生，又可以降低成本的問題，做了如下考慮:首先，對于由多個雙曲面(雙葉雙曲面中一方的雙曲面)各自的一部分構(gòu)成了第二面20這樣的基本構(gòu)造，在包括沿透鏡厚度方向的I條虛擬直線的截面形狀上，與多個雙曲面各自的所述一部分基于直線近似，其中，所述多個雙曲面的主軸相對于第一面10的法線傾斜相交。這里，在雙曲面中，與該雙曲面的轉(zhuǎn)動軸正交的截面上的各點的切線的集合為圓錐。因此，在出射面的各透鏡功能面的形狀以入射面的法線為旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)對稱的聚光透鏡中，各透鏡功能面可以由圓錐的側(cè)面的一部分近似。另外，在以任意的平面的中心為原點，規(guī)定X軸和y軸在該任意的平面互相正交，且規(guī)定Z軸與該任意的平面正交的正交坐標系中，將圓錐的任意點的坐標設為(X，y, Z)，以b, C為系數(shù)，則圓錐的方程式可表示為下列標準形式。[公式2]
權利要求
1.一種聚光透鏡，第一面的相反側(cè)的第二面至少具有I個透鏡面，所述聚光透鏡的特征在于， 所述透鏡面由多個透鏡功能面構(gòu)成， 各所述透鏡功能面由橢圓錐的側(cè)面的一部分構(gòu)成， 所述第一面上的各點的法線中任意的法線和所述橢圓錐的中心軸不平行，其中，所述任意的法線與由所述橢圓錐的側(cè)面的一部分構(gòu)成的所述透鏡功能面交叉，所述橢圓錐的中心軸對應于與該任意的法線交叉的所述透鏡功能面，且所述中心軸互相不平行。
2.根據(jù)權利要求1所述的聚光透鏡，其特征在于， 位于外側(cè)的與所述透鏡功能面對應的所述橢圓錐越大，所述中心軸和所述法線之間所成角度越大。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的聚光透鏡，其特征在于， 所述聚光透鏡為具有多個所述透鏡面的菲涅爾透鏡。
4.根據(jù)權利要求1或2所述的聚光透鏡，其特征在于， 所述聚光透鏡具有多個所述透鏡面和位于該多個所述透鏡面靠內(nèi)側(cè)的中央透鏡面， 所述中央透鏡面由曲率連續(xù)變化 的非球面的一部分構(gòu)成， 所述第一面上的各點的法線中任意的法線和所述非球面的對稱軸不平行，其中，所述任意的法線與由所述非球面的一部分構(gòu)成的所述中央透鏡面交叉，所述非球面的對稱軸對應于與該任意的法線交叉的所述中央透鏡面。
5.根據(jù)權利要求4所述的聚光透鏡，其特征在于， 所述非球面為雙曲面。
6.根據(jù)權利要求1至5中任意一項所述的聚光透鏡，其特征在于， 透鏡材料為聚乙烯，所述第一面為位于所述第二面?zhèn)认喾磦?cè)的凸起的曲面。
7.一種多分割透鏡，由多個透鏡在一面上組合而成，其特征在于， 各所述透鏡由權利要求1至6中任意一項所述的聚光透鏡構(gòu)成。
全文摘要
一種聚光透鏡，第一面的相反側(cè)的第二面至少具有1個透鏡面，所述聚光透鏡的特征在于，所述透鏡面由多個透鏡功能面構(gòu)成，各所述透鏡功能面由橢圓錐的側(cè)面的一部分構(gòu)成，所述第一面上的各點的法線中任意的法線和所述橢圓錐的中心軸不平行，其中，所述任意的法線與由所述橢圓錐的側(cè)面的一部分構(gòu)成的所述透鏡功能面交叉，所述橢圓錐的中心軸對應于與該任意的法線交叉的所述透鏡功能面，且所述中心軸互相不平行。
文檔編號G02B3/00GK103229076SQ201280003948
公開日2013年7月31日 申請日期2012年2月29日 優(yōu)先權日2011年3月1日
發(fā)明者大井香菜, 西川尚之 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社