薄型化球面透鏡的製作方法

2023-10-08 17:44:29

專利名稱：薄型化球面透鏡的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種球面透鏡，特別涉及一種可達到薄型化的球面透鏡。
背景技術：
市面上最常用於偵測人體的電子元件為焦電型紅外線感應器(Pyroelectric Infrared Sensor)，利用其特性可以有多種應用。其中以防盜器材所利用的程度最高，當感應器發現能量分布密度與之前的有所差異時，感應器就會產生一個信號把燈打亮，或是開啟警報器而達到防盜的效果。
目前使用被動式紅外線(PIR)來偵測人體的絕大部分產品都是通過高密度聚乙烯(HDPE)材質所作成的透鏡陣列來聚焦人體所散發出紅外線。而一般的透鏡可分為兩種，一種為傳統的菲涅爾透鏡(Fresnel lens)，另一種為普通的球面透鏡(spherical lens)，隨著這兩種透鏡的不同，通常陣列的外型也不同。通常使用菲涅爾透鏡的陣列，如圖1及圖2所示，其外型通常是一扁平且外觀為矩形的片狀體10，其中一面為平面用以作為出光面12，另一面則刻有許多同心圓的花紋14用以作為入光面16，而每一個花紋14視為一個小型的稜鏡，通過的光線經過稜鏡的偏折會轉向焦點的方向，從而達到聚光的效果，而另一種就是如圖3所示，以普通的球面透鏡22組成的透鏡陣列20。
然而，上述兩種透鏡在實際應用上還是有一些問題1、傳統的菲涅爾透鏡因為是使用稜鏡的原理將光線聚焦，所以是否能夠真的將光線聚焦於一點，必須視花紋的密度而定，若是密度太疏，則聚焦不夠精準，無法真正聚集成一點，但是花紋密度太高時，則會使入射光線產生繞射而無法聚焦。美國專利號4787722披露了一種菲涅爾透鏡，主要是在透鏡作為入光面的表面上開設多個溝槽(grooves)，且這些溝槽的寬度是由中心向邊緣漸縮，以將該溝槽的深度控至一致，從而可解決過去菲涅爾透鏡因溝槽的寬度一致、但深度不一致的設計，使得透鏡的厚度必須受限於溝槽的深度而無法達到薄型化的目的。但是，上述的菲涅爾透鏡在排列成陣列之後都彎曲成柱狀，然而這樣會造成主光軸無法跟透鏡垂直，造成彗星相差及能量散失。
2、另一種廣泛使用的透鏡為球面透鏡，其不同於菲涅爾透鏡的平坦和輕薄，它的外型由兩球狀的表面組成，將所要偵測的角度與距離的透鏡聯集在一起形成透鏡陣列，因為透鏡的兩面都是球狀表面，所以可將一面固定成相同曲率半徑的球面，這樣外觀就跟菲涅爾透鏡所形成的柱狀透鏡陣列不一樣，它的透鏡陣列外表呈球狀(可見於圖3)，傳統球面透鏡陣列的優點是因為外表呈球殼狀，所以在偵測人體散發的紅外線時，主光軸可與透鏡垂直，維持很好的聚焦效果。然而，球面透鏡陣列的缺點正好跟菲涅爾透鏡陣列相反，若想要增加透鏡的孔徑時，受於限制必須要加大透鏡厚度才能增加孔徑，但是厚度增加也會導致紅外線穿透率降低，所以這種球面透鏡必須維持在一定的孔徑大小。當室溫超過28℃時很容易降低偵測距離。

發明內容
因此，本發明的目的在於提供一種薄型化球面透鏡，其在增加球面透鏡的孔徑的情況下並不會增加球面透鏡的厚度，且可維持良好的聚焦效果。
基於上述目的，本發明提供一種薄型化球面透鏡，該薄型化球面透鏡由一入光面及一與入光面相對應的多個出光面所構成。其中入光面為一球面，而多個出光面是由入光面所相對的另一球面上，由多個沿透鏡的光軸劃定的曲面並經截取每一曲面的部分以形成多個運用於傳統菲涅爾透鏡上的溝槽，該溝槽深度與寬度不同，該出光面的曲率半徑設計不同，以使由該出光面出射的光線的焦距相同。
由於本發明在球面透鏡的出光面上通過調整該出光面的曲率半徑的方式，截取每一曲面的部分形成多個運用於傳統菲涅爾透鏡上的溝槽，以使由該出光面出射的光線均能聚焦於同一點上，故可有效解決球面透鏡為了增加透鏡的孔徑，必須增加透鏡的厚度，而導致透鏡無法達到薄型化的缺陷。


圖1是現有的菲涅爾透鏡所構成的透鏡陣列的示意圖。
圖2是現有的菲涅爾透鏡的光路示意圖。
圖3是現有的球面透鏡所構成的透鏡陣列的示意圖。
圖4是普通球面透鏡的成像圖。
圖5是根據本發明的推導方式所模擬出具有溝槽的球面透鏡的示意圖。
圖6是本發明的推導方式所模擬出具有溝槽的另一球面透鏡的示意圖。
圖7是本發明的薄型化球面透鏡的一較佳實施例的側視圖。
圖8是本發明的薄型化球面透鏡的一較佳實施例的光路示意圖。
具體實施例方式
有關本發明的較佳實施例與技術內容，現結合

如下首先，我們先由一個現有的球面透鏡成像的情形到推導至本發明薄型化球面透鏡的整個過程作一詳細的描述，請參閱圖4，由圖中可以看到一個普通球面透鏡30正常的圖像，由於在前述可知要增加光線(如紅外線)的入射能量，以增大透鏡的孔徑是最明顯而直接的方法，但透鏡的厚度又要保持在一定範圍之間，不能過厚，基於上述的原則，請參閱圖5，我們先模擬出一孔徑值為1的球面透鏡40，其外側的曲率半徑為R、內部的曲率半徑為r1、中心厚度為a、邊緣厚度為b及焦距值為f(圖未示出)。再模擬出另一孔徑值為2的球面透鏡50，其中孔徑值為2＞1、外側的曲率半徑維持在R值不變，且透鏡邊緣厚度值也維持在b值，而中心厚度加厚成a+c，接著將內部的曲率半徑調整為r2，使球面透鏡50的焦距值同樣為f，由於球面透鏡40及球面透鏡50的焦距值同樣為f，因此，我們以球面透鏡50的中心為圓心，1為直徑，畫出一個圓，並將這個圓形投影到球面透鏡40的體積移除，換言之，就是留下球面透鏡50內側表面積為πc2的部分，這樣，若可根據已移除部分體積的球面透鏡50與球面透鏡40所結合的外型，製作出一外觀為球表面，另一面為具有溝槽的球狀透鏡，此球面透鏡將具有等同於球面透鏡50的孔徑值，並具有等同於球面透鏡40的中心厚度，且又能達到相同焦距值的結果。
根據上述的推導方式，我們繼續推導至十個球面透鏡。請參閱圖6及下方的數值表

由上述表格及圖6可得出這樣的結論，藉由上述推導方式所模擬出來的球面透鏡，即便將球面透鏡孔徑增加，還是可將球面透鏡的中心厚度控制在一適當範圍內，且由球面透鏡出射的光線均能聚焦在同一點上。
基於上述，我們可以為上述這種透鏡加以定義，請參閱圖7及圖8，本發明的薄型化球面透鏡100，例如是由玻璃、壓克力、或塑料(如高密度聚乙烯或其它具有良好可塑性的材質)等具有聚焦特性的透明、半透明及非透明材質所制，其具有入光面110及與入光面110相對應的多個出光面120，其中入光面110是光線入射的那一面，而多個出光面120是多個沿薄型化球面透鏡100的光軸140劃定的曲面經截取每一曲面的部分而形成多個等同於運用在傳統菲涅爾透鏡上的溝槽，圖中該溝槽130深度與寬度不同，且該出光面120的曲率半徑設計不同，以使由該出光面120所出射的光線其焦距均相同。此外，每個溝槽130的深度與寬度視對應的該出光面120的曲率半徑而定。以本實施例而言，該深度及寬度不同的溝槽130沿著薄型化球面透鏡100的光軸140環繞，而那些溝槽130的寬度則由鄰近於薄型化球面透鏡100的光軸140處向邊緣處漸縮。另外，由每一條溝槽130底部最遠離光軸140的位置到入光面110的距離均為d，且與光軸140平行。而根據本發明所設計的薄型化球面透鏡100其孔徑的最大值約為焦距的2倍。
值得注意的是，本發明針對球面透鏡加以改良，在球面透鏡的一球面上截取多個沿透鏡的圓心劃定的曲面的每一曲面的部分，而形成多個運用於傳統菲涅爾透鏡上的溝槽，以劃分出多個出光面，該溝槽深度與寬度不同，該出光面的曲率半徑設計不同，以使由該出光面出射的光線均能聚焦於同一點上(如圖8所示)，而使焦距相同。故可有效解決球面透鏡為了增加透鏡的孔徑，必須增加透鏡的厚度，而會導致透鏡無法達到薄型化的缺陷。
綜上所述，本發明的薄型化球面透鏡至少具有下列優點1、本發明的薄型化球面透鏡即便是增加球面透鏡的孔徑，也不會大幅度地增加球面透鏡的厚度(特別是針對中心厚度)，而可朝向薄型化發展。
2、本發明的薄型化球面透鏡其入光面及出光面即為球面設計，故無須如傳統菲涅爾透鏡在排列成陣列之後，必須彎曲成柱狀而造成主光軸無法跟透鏡垂直，導致無法維持很好的聚焦效果。
3、本發明的薄型化球面透鏡可適用於如焦電型紅外線感應警報器、紅外線感應警報器及其它需聚焦的鏡片等各式光學裝置上，其實用性高。
以上所述僅為本發明的優選實施例而已，並不用於限制本發明，對於本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等均應包括在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種薄型化球面透鏡，其特徵在於所述薄型化球面透鏡具有一入光面及與所述入光面相對應的多個出光面，其中所述入光面是球面，而所述出光面是由多個沿透鏡的光軸劃定的曲面並經截取每一曲面的部分而形成，且所述每一曲面的曲率半徑不同，而由所述每一曲面出射的光線其焦距相同。
2.根據權利要求1所述的薄型化球面透鏡，其特徵在於，所述薄型化球面透鏡其孔徑的最大值為焦距的2倍。
3.根據權利要求1所述的薄型化球面透鏡，其特徵在於，截取每一曲面的部分而形成多個深度及寬度不同的溝槽。
4.根據權利要求3所述的薄型化球面透鏡，其特徵在於，所述深度及寬度不同的溝槽沿著透鏡的光軸環繞。
5.根據權利要求3所述的薄型化球面透鏡，其特徵在於，所述溝槽的寬度由鄰近於所述薄型化球面透鏡的光軸處向邊緣處漸縮。
6.根據權利要求3所述的薄型化球面透鏡，其特徵在於，各個溝槽底部最遠離透鏡光軸的位置到所述入光面的距離均相同。
全文摘要
本發明提供了一種薄型化球面透鏡，主要在球面透鏡的一球面上通過截取多個沿透鏡的光軸劃定的曲面的部分而形成多個運用於傳統菲涅爾透鏡上的溝槽，進而劃分出多個出光面，該溝槽的深度與寬度不同，且該出光面的曲率半徑不同，而由該出光面出射的光線均能聚焦於同一點，這樣可有效解決球面透鏡為了增加透鏡的孔徑必須增加透鏡的厚度，而導致的球面透鏡無法達到薄型化的缺陷。
文檔編號G02B3/00GK1854768SQ20051006904
公開日2006年11月1日 申請日期2005年4月29日 優先權日2005年4月29日
發明者龍定華 申請人:雲辰電子開發股份有限公司