專利名稱：菲涅爾透鏡及具有菲涅爾透鏡的照明設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及菲涅耳透鏡以及具有菲涅耳透鏡的照明設(shè)備，尤其涉及用作舞臺和演播室的照明聚光燈的使用菲涅耳透鏡的照明設(shè)備，以及其中使用的菲涅耳透鏡。
背景技術(shù)：
在舞臺照明和演播室照明中使用的照明設(shè)備通常懸掛在天花板上?？紤]到掉落的可能性，從安全的角度考慮，希望照明設(shè)備重量輕。一般，照明設(shè)備裝有高亮度的光源。因此，由于在照明時(shí)光源的熱輻射，照明設(shè)備會被加熱到很高的溫度。因此，希望在照明設(shè)備中使用的透鏡相對較薄，以便散熱。菲涅耳透鏡就具有實(shí)現(xiàn)體積薄、重量輕的特點(diǎn)。因此，在此領(lǐng)域的照明設(shè)備中，將菲涅耳透鏡用作投射光線的透鏡已經(jīng)是通常的做法。
一般，凸透鏡被形成為具有較厚的鏡體，具有球面或者橢球面以提供足夠的透鏡光學(xué)能力，因此其重量變得較大。相反，菲涅耳透鏡具有同心布置的菲涅耳透鏡區(qū)，對應(yīng)于凸透鏡的球缺面的同心布置。因此，菲涅耳透鏡具有階梯形的透鏡表面，其折射面等效于凸透鏡的折射面。在一種菲涅耳透鏡設(shè)計(jì)中，將一個(gè)凸透鏡分割為同心的凸透鏡球缺，各凸透鏡球缺的較厚的部分被減薄，凸透鏡的球缺表面被安排為菲涅耳透鏡區(qū)，菲涅耳透鏡區(qū)以相同的方式同心布置。由于菲涅耳透鏡與凸透鏡相比不是那么厚，因此能夠?qū)崿F(xiàn)具有與凸透鏡相同的透鏡光學(xué)能力的較薄的透鏡。這樣，能夠?qū)⒎颇哥R制造成較薄的透鏡而不會變厚，從而使透鏡獲得了重量輕的特性，熱量不在透鏡中聚集，從而也可以獲得較好的散熱特性。由于這些特性，菲涅耳透鏡被用作光分布控制透鏡，使得在用于舞臺照明或者演播室照明(在這些情況下要使用高亮度、生熱多的光源)的照明設(shè)備中既能實(shí)現(xiàn)聚光照明又能實(shí)現(xiàn)泛光照明。
在用于舞臺照明和演播室照明的照明設(shè)備中，被投射到地面的照明光束最好具有平滑而均勻的照明分布，在其投射范圍內(nèi)沒有亮度的不均勻性。但是，在使用傳統(tǒng)的菲涅耳透鏡的照明設(shè)備中，無法抑制照明強(qiáng)度的不均勻性，因此不能獲得充分的舞臺效果。
菲涅耳透鏡中照明光束的不均勻亮度的原因在于菲涅耳透鏡區(qū)的直立面。在具有從凸透鏡切割出來的形狀的菲涅耳透鏡中，在菲涅耳透鏡區(qū)之間形成了階梯，不可避免地會具有直立面。直立面導(dǎo)致光線被反射或者折射到輻射區(qū)的外部，并且直立面部分地阻擋了照明光束，在照明光束中會出現(xiàn)暗線，比其周圍要暗，從而導(dǎo)致亮度的不均勻。
例如在日本專利申請公開No.8-306216中已經(jīng)公開了一種具有改善照明光束的不均勻性的透鏡結(jié)構(gòu)的菲涅耳透鏡。該菲涅耳透鏡被形成為基本上為彎月形透鏡的形式，其底面不是平坦的，而基本上是圓形的。在該菲涅耳透鏡中，每一個(gè)菲涅耳透鏡區(qū)的直立面相對于光軸的角度隨著離開透鏡中心的徑向距離而變大，直立面在徑向上傾斜。在這樣的菲涅耳透鏡中，入射到直立面上的光線減少了，削弱了照明的亮度不均勻性。另外，在日本專利申請公開No.8-306216中提出了一種菲涅耳透鏡，其中階梯的節(jié)距變小，從而降低亮度的不均勻性。
盡管在傳統(tǒng)的菲涅耳透鏡中已經(jīng)作出了減少照明光束中的亮度不均勻性的設(shè)計(jì)，但是傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)仍然未能充分地降低不均勻性。原因在于，如果從相鄰的菲涅耳透鏡區(qū)投射的光線照射底面上的相鄰的區(qū)域，則照明區(qū)域會相互部分重疊，從而在這些照明區(qū)域中產(chǎn)生相對較強(qiáng)的照明部分。
對于地面上的照明分布，照明分布是由來自透鏡區(qū)的光束分量產(chǎn)生的基本上為矩形的分布分量構(gòu)成的，相鄰的矩形分布分量相互重疊，因此總的照明分布具有對應(yīng)于重疊的分布分量的尖峰。由于這些尖峰，傳統(tǒng)的菲涅耳透鏡具有照明光束中亮度不均勻的特性。
另外，即使將菲涅耳透鏡設(shè)計(jì)為使得其透鏡區(qū)在照明分布分量之間不形成重疊，由于制造的誤差等，透鏡區(qū)的透鏡表面也會稍有偏移，結(jié)果，仍然會發(fā)生照明分布分量的重疊，導(dǎo)致照明不均勻。
如上所述，在使用傳統(tǒng)的菲涅耳透鏡的照明設(shè)備中，還沒有提出有效的方法來解決不均勻照明的問題，因此期望有改進(jìn)的菲涅耳透鏡的出現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種獲得高度的舞臺效果以減少照明不均勻性的照明設(shè)備，以及實(shí)現(xiàn)這樣的照明設(shè)備的菲涅耳透鏡。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種具有光軸的菲涅耳透鏡，包括N個(gè)由折射率為n的透鏡材料制成的菲涅耳透鏡區(qū)，它們圍繞一個(gè)公共光軸同心地布置，被配置為將來自光源的光線以規(guī)定的輻射視角φ投射到照明區(qū)，并將它們分別形成為隆脊?fàn)睿渲?，每一個(gè)菲涅耳透鏡區(qū)包括彎曲為朝向照明區(qū)的凹形面并具有頂部區(qū)和底部區(qū)的透鏡表面；布置在相鄰的透鏡表面之間、與所述頂部區(qū)和底部區(qū)相接的直立面，所述頂部區(qū)和底部區(qū)在包括所述光軸的橫剖面中分別限定與每一個(gè)透鏡表面的頂部區(qū)和底部區(qū)相切的第一和第二切線，所述第一和第二切線之間的角度被定義為θ，并滿足不等式θ≥φ/(2nN)。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，還提供了一種照明設(shè)備，包括發(fā)射光線的光源和具有光軸的菲涅耳透鏡，該菲涅耳透鏡包括N個(gè)由折射率為n的透鏡材料制成的菲涅耳透鏡區(qū)，它們圍繞一個(gè)公共光軸同心地布置，被配置為將來自光源的光線以規(guī)定的輻射視角φ投射到照明區(qū)，并將它們分別形成為隆脊?fàn)?，其中，每一個(gè)菲涅耳透鏡區(qū)包括彎曲為朝向照明區(qū)的凹形面并具有頂部區(qū)和底部區(qū)的透鏡表面；布置在相鄰的透鏡表面之間、與所述頂部區(qū)和底部區(qū)相接的直立面，所述頂部區(qū)和底部區(qū)在包括所述光軸的橫剖面中分別限定與每一個(gè)透鏡表面的頂部區(qū)和底部區(qū)相切的第一和第二切線，所述第一和第二切線之間的角度被定義為θ，并滿足不等式θ≥φ/(2nN)。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，還提供了一種照明設(shè)備，包括發(fā)射光線的光源；由折射率為n的透鏡材料制成的具有光軸的菲涅耳透鏡，將來自光源的光線以規(guī)定的輻射視角φ投射到照明區(qū)，該菲涅耳透鏡包括圍繞一個(gè)公共光軸同心地布置的多個(gè)菲涅耳透鏡區(qū)，它們分別形成為隆脊?fàn)?，其中，每一個(gè)菲涅耳透鏡區(qū)包括彎曲為朝向照明區(qū)的凹形面并具有頂部區(qū)和底部區(qū)的透鏡表面；布置在相鄰的透鏡表面之間、與所述頂部區(qū)和底部區(qū)相接的直立面，從相鄰?fù)哥R表面投射的光線分別照射具有一寬度的環(huán)形的帶狀區(qū)域，這些帶狀區(qū)域相互重疊至少該寬度的一半。


圖1是簡要圖示根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的照明設(shè)備的透視圖；圖2是在圖1所示的照明設(shè)備中，用于聚光照明的光學(xué)系統(tǒng)的示意圖；圖3是在圖1所示的照明設(shè)備中，用于泛光照明的光學(xué)系統(tǒng)的示意圖；圖4是在圖3所示的泛光照明中發(fā)散照明光束的示意圖；圖5是圖1到3所示的菲涅耳透鏡的形狀的正視圖；圖6是沿圖5所示菲涅耳透鏡的VI-VI線的剖面圖；圖7是圖6中部分B的放大剖面圖；圖8是圖2所示光學(xué)系統(tǒng)中發(fā)散照明光束的示意圖；
圖9是通過圖7所示菲涅耳透鏡的光線的光路的示意圖；圖10是圖8中發(fā)散光束中的照明光線的重疊關(guān)系的示意圖；圖11是圖10所示光線E3的光路的示意圖；圖12是圖10所示光線F1的光路的示意圖；圖13是圖1所示照明設(shè)備中照明光束的照度分布的曲線圖；圖14是根據(jù)比較例的菲涅耳透鏡的結(jié)構(gòu)的示意圖；圖15是根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例要安裝在照明設(shè)備中的菲涅耳透鏡的示意正視圖；圖16是沿著圖14所示XV-XV線的菲涅耳透鏡剖面圖；圖17是圖15所示部分E的放大剖面圖；圖18是根據(jù)第二比較例的菲涅耳透鏡的結(jié)構(gòu)以及通過該菲涅耳透鏡的光線的光路的示意圖；圖19是安裝圖18所示的第二比較例的菲涅耳透鏡的照明設(shè)備中的照明光束的照度分布的曲線圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖更詳細(xì)地說明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的菲涅耳透鏡以及帶有這樣的菲涅耳透鏡的照明設(shè)備。在下面的說明中，原則上同樣的附圖標(biāo)記指同一部件，從而省略其說明。
圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例具有菲涅耳透鏡的照明設(shè)備的示意透視圖。如圖1所示，照明設(shè)備2具有外殼3和布置在外殼3的開口中的菲涅耳透鏡1，光源5布置在外殼3中的菲涅耳透鏡1的光軸上，如圖2和圖3所示。另外，在外殼3中，在光源5的后側(cè)布置作為反光單元的凸反射鏡6，以將來自光源5的光束反射到菲涅耳透鏡1。另外，在外殼3的前側(cè)提供光控制器，也就是擋板4，以阻擋穿過菲涅耳透鏡1的部分光束，以對光束整形。
菲涅耳透鏡1由折射材料制成，折射材料比如是透明樹脂或者玻璃等。最好使用具有較大比例的二氧化硅并包括硼酸(B2O3)、氧化鈉或者氧化鉀、氧化鋁(Al2O3)等的耐熱玻璃。外殼3可以由任何材料制成。但是，外殼最好由金屬材料制成，比如鐵或者鋁等，以具有較好的散熱特性和充分的強(qiáng)度。
圖2所示的光源5和反光單元6被保持并固定到外殼3上。這些部件最好可以沿著光軸移動而以任意位置關(guān)系被固定，以便可以設(shè)定菲涅耳透鏡1和光源5或者反光單元6之間的距離，并可以調(diào)節(jié)這些部件之間的位置關(guān)系，以便可以實(shí)現(xiàn)如圖2所示的聚光照明或者如圖3所示的泛光照明。
如圖2和圖3所示，來自光源5的光線被直接投射到菲涅耳透鏡1上，從反光單元6反射的光線也被導(dǎo)向菲涅耳透鏡1。被導(dǎo)向菲涅耳透鏡1的光線在菲涅耳透鏡1的后表面上折射，然后穿過菲涅耳透鏡1。在菲涅耳透鏡1的各透鏡區(qū)的透鏡表面上光線被再次折射，從而指向照明區(qū)7。從菲涅耳透鏡1出射的光線被控制和引向各規(guī)定的方向，從而光線作為發(fā)散光束或者會聚光束被投射到照明區(qū)7。在圖2中，來自菲涅耳透鏡1的各透鏡表面的光線基本上平行于菲涅耳透鏡1的光軸50被投射，光線作為聚光照明光束被導(dǎo)向照明區(qū)7。聚光照明光束照射較窄的照明區(qū)7，具有發(fā)射聚光照明光束功能的照明設(shè)備就是所謂的聚光燈。在圖2所示的光學(xué)系統(tǒng)中，光源5的光斑基本上被布置在反光單元6也就是凹面反射鏡的焦點(diǎn)上，光源5的發(fā)光點(diǎn)基本上被布置在菲涅耳透鏡1的后焦點(diǎn)上，來自光源5和反光單元6的光線作為基本上平行的光束從菲涅耳透鏡1投射出去。
在照明設(shè)備2中，如果光源5和反光單元6被移動得靠近菲涅耳透鏡1，如圖3所示，則從照明設(shè)備2投射如圖4所示的發(fā)散光束。發(fā)散光束照明如圖4所示的較寬的照明區(qū)7，該照明設(shè)備2用作發(fā)射發(fā)散光束的泛光燈，均勻地照明比較寬的區(qū)域7。在圖3所示的光學(xué)系統(tǒng)中，光源5的發(fā)光點(diǎn)基本上被布置在作為凹面反射鏡的反光單元6的焦點(diǎn)上，光源5的發(fā)光點(diǎn)基本上被布置在菲涅耳透鏡1的后焦點(diǎn)和菲涅耳透鏡1之間，來自光源5和反光單元6的光線作為發(fā)散光束從菲涅耳透鏡1投射出去。
作為一個(gè)例子，圖1到4的菲涅耳透鏡被形成為圖5所示的形狀。在菲涅耳透鏡1中，從前面看時(shí)，其將光線引導(dǎo)到規(guī)定方向的有效面積被形成為圓形，由在其中央?yún)^(qū)域的凸透鏡部分11和圍繞該中央?yún)^(qū)域同心布置的菲涅耳透鏡區(qū)12構(gòu)成。該菲涅耳透鏡1在其最外圍具有一個(gè)凸緣部分13，其與菲涅耳透鏡1一體地形成，用于固定和保持菲涅耳透鏡1。
圖6是菲涅耳透鏡1的沿著圖5所示的VI-VI線的剖面圖，該VI-VI線過菲涅耳透鏡1的光軸。如圖6所示，菲涅耳透鏡1具有基本上平坦的面對光源5的表面，以及對著照明區(qū)7的菲涅耳透鏡區(qū)12。菲涅耳透鏡區(qū)12被同心地布置，從而形成周期性布置的隆脊，隆脊的頂部和底部交替重復(fù)，形成菲涅耳透鏡區(qū)12的鋸齒狀。菲涅耳透鏡1的直徑、凸透鏡部分11的直徑以及凸緣部分13的寬度可以根據(jù)要使用的照明設(shè)備的尺寸和重量來任意地確定，本發(fā)明并不受這些值的局限。但是，考慮到照明設(shè)備的重量要輕，要容易制造，凸透鏡部分11的直徑最好設(shè)置為10mm到60mm，凸緣部分13的寬度最好設(shè)置為3mm到20mm。
出于同樣的原因，菲涅耳透鏡區(qū)12的隆脊的頂部和底部的節(jié)距最好是2mm到10mm。菲涅耳透鏡區(qū)12的頂部和底部之間的節(jié)距并不一定要均勻地設(shè)置，而是可以在2mm和10mm之間變化地設(shè)置。順便說明，在圖6所示的菲涅耳透鏡1中，光源側(cè)的表面被形成為平坦表面。
圖7是圖6所示的部分B的放大剖面圖。在一個(gè)菲涅耳透鏡區(qū)12的隆脊的橫剖面中，區(qū)12由具有透鏡功能的透鏡表面21、對應(yīng)于連接相鄰區(qū)12的透鏡表面的階梯的直立面22以及隆脊的尖端或者頂部23以及底部24構(gòu)成。透鏡表面21不是形成在朝向外部的對應(yīng)于平坦或者凸透鏡的表面部分的凸表面上，而是形成在朝向外部的凹表面上。凹表面的形狀形成從頂部23到底部24沒有拐點(diǎn)的平滑曲線。
該凹表面的形狀由與透鏡表面21的頂部23附近的區(qū)域相切的切線C以及與隔著直立面22相鄰的透鏡表面21的底部24附近的區(qū)域相切的切線D確定。所述切線C和D在遠(yuǎn)離光軸并在菲涅耳透鏡1和光源之間的位置相交。如圖7所示，如果在切線C和切線D之間的角度被定義為θ，則滿足下述等式θ≥φ/(2nN) (1)這里，φ是圖4所示的照明設(shè)備的最大照明視角。n是菲涅耳透鏡1的折射率，N是構(gòu)成菲涅耳透鏡1的菲涅耳透鏡區(qū)12的數(shù)量，換句話說也就是透鏡表面21的總數(shù)。透鏡表面21的總數(shù)N由菲涅耳透鏡1的直徑、在中央的凸透鏡部分11的直徑、菲涅耳透鏡區(qū)12的節(jié)距以及凸緣部分13的寬度確定。
如果滿足等式(1)，則從相鄰?fù)哥R表面21投射的光線束在照明區(qū)7相互重疊一般或者更多，從而，可以抑制照明的不均勻性。
下面說明實(shí)現(xiàn)等式(1)的過程。通常用于照明的菲涅耳透鏡1將從圖4所示的光源的發(fā)光點(diǎn)投射出來的光線或者光束轉(zhuǎn)換為發(fā)散方向的照明視角為φ(0°＜φ＜90°)的光束，并將它們引導(dǎo)到照明區(qū)7。在這樣的照明設(shè)備中，如圖8所示，從菲涅耳透鏡1的每一個(gè)菲涅耳透鏡區(qū)也就是每一個(gè)透鏡表面出射的光束在發(fā)散方向的發(fā)散角ω幾乎與將照明視角φ除以透鏡表面數(shù)N所獲得的值相同。取決于透鏡表面的寬度，發(fā)散角ω不是恒定的，而是稍有變化，但是可以認(rèn)為基本上是恒定的。因此，對于從每一個(gè)透鏡表面出射的光束在發(fā)散方向的發(fā)散角ω，基本上成立下述等式ω＝φ/N (2)另一方面，在圖5和圖6所示的菲涅耳透鏡1中，從每一個(gè)透鏡表面出射的光線在徑向以發(fā)散角ω被輻射這里，菲涅耳透鏡1的透鏡表面被設(shè)計(jì)為使得從相鄰?fù)哥R表面發(fā)散的光線在相鄰?fù)哥R的相互輻射范圍的一般的范圍也就是ω/2的角度范圍中相互重疊。這里，考慮如圖9和10所示從相鄰?fù)哥R表面21投射的光束組E和光束組F，從相鄰?fù)哥R表面投射的光束在ω/2的角度范圍上相互重疊的情形意味著包含各光線束中的光束F1的輸出角t2和光束E3的輸出角t1的差變?yōu)棣?2，如圖11和12所示。也就是，下面的等式成立t2-t1＝ω/2 (3)
在圖9所示的例子中，光線束E1、E2、E3……從沿著菲涅耳透鏡1的徑向在內(nèi)圓周一側(cè)布置的透鏡表面射出，光線束F1、F2、F3……從在外圓周一側(cè)布置的透鏡表面射出。在投射光線束E1、E2、E3……的透鏡表面中，最靠近在外圓周側(cè)相鄰的透鏡表面的光線束E3過底部24附近的點(diǎn)G。在投射光線束F1、F2、F3……的透鏡表面中，最靠近在內(nèi)圓周側(cè)相鄰的透鏡表面的光線束F1過頂部附近的點(diǎn)H。由于底部24附近的點(diǎn)G和頂部附近的點(diǎn)H相鄰，光線束E3和光線束F1幾乎平行地入射到底部24附近的點(diǎn)G和菲涅耳透鏡1的頂部附近的點(diǎn)H。入射到底部24附近的點(diǎn)G的光線束E3被透鏡表面的對應(yīng)于底部24附近的點(diǎn)G的微小區(qū)域折射，并從該微小區(qū)域投射出。同樣，入射到頂部附近的點(diǎn)H的光線束F1被透鏡表面的對應(yīng)于頂部附近的點(diǎn)H的微小區(qū)域折射，并從該微小區(qū)域投射出。結(jié)合圖7所說明的與這兩個(gè)微小區(qū)域相切的切線的角度之間的差θ可以被視為等于圖11和12所示的各光束E3和F1的入射角i1和i2之間的差。也就是滿足下列等式θ＝i1-i2(4)這里，圖11圖示了在底部24附近的點(diǎn)G中的光線束E3的軌跡，圖12圖示了在頂部附近的點(diǎn)H中的光線束F1的軌跡。如圖11所示，按照入射角i1入射到透鏡表面的入射光線束E3被透鏡表面折射，按照出射角t1出射。如圖12所示，按照入射角i2入射到透鏡表面的入射光線束F1被透鏡表面折射，按照出射角t2出射。根據(jù)光束反射和折射定律斯涅耳定律，在透鏡折射率n、入射角i1和i2以及出射角t1和t2之間，滿足下述關(guān)系式n sin i1＝sin t1n sin i2＝sin t2(5)這里，由于θ極小，通過引入近似sinθ≈θ，將上述等式近似表達(dá)為ni1＝t1ni2＝t2(6)
對于大約60度或者以下的角度(這是菲涅耳透鏡中的透鏡的入射角和出射角的一般范圍)，該近似等式都能很好地成立。
使用上述等式(2)，(3)，(4)和(6)，對相鄰的底部24附近的點(diǎn)和頂部附近的點(diǎn)處的切線形成的角度θ獲得使相鄰?fù)哥R表面出射的光束在相互輻射范圍的一半的范圍，也就是在ω/2的角度范圍中相互重疊的條件式，如下θ＝φ/(2nN) (7)因此，如果等式(1)的條件得到滿足，則從相互相鄰的透鏡表面21出射的光線束在照射面上相互重疊一般或者更多。
下面進(jìn)一步研究如圖5和6所示的菲涅耳透鏡1，圖中凸透鏡部分11被布置在中央，菲涅耳透鏡區(qū)12同心地圍繞它。假設(shè)該菲涅耳透鏡1的N個(gè)菲涅耳透鏡區(qū)12，也就是N個(gè)透鏡表面本身具有照明視角φf。在這樣的菲涅耳透鏡中，通過引入與上述等式(7)相同的條件，獲得下述關(guān)系式θ＝φf/(2nN)(8)可以考慮，對于整個(gè)菲涅耳透鏡的照明視角，僅由中央透鏡11產(chǎn)生的照明視角φ0足夠小。因此，僅由N個(gè)菲涅耳透鏡區(qū)12產(chǎn)生的照明視角φf可以被視為基本上等于整個(gè)菲涅耳透鏡的照明視角φ。也就是，下面的近似等式成立，并且在這種情況下等式(7)也近似成立φf＝φ-φ0＝φ(9)因此，在這種情況下，同樣，如果等式(1)的條件得到滿足，則從相互相鄰的透鏡表面21出射的光線束在被照射面上相互重疊一半或更多。
在等式(1)確實(shí)相等的情況下，也就是，如果使用等式(7)成立的結(jié)構(gòu)的菲涅耳透鏡1，通過從各透鏡表面出射的光束，照明區(qū)7被如圖13所述的照度分布所照明。如圖13所示，從各透鏡表面出射的光線束E和F的照度分布變?yōu)榻咏嵝?，分別如虛線52所示。從整個(gè)菲涅耳透鏡1出射的光束的照度分布(它們相互重疊)變?yōu)槠交鶆虻恼斩确植?，如圖13中的實(shí)線54所示。
下面說明作為第一比較例的如圖14所示的菲涅耳透鏡的照度分布。在如圖14所示的該菲涅耳透鏡93中，虛線所示的凸透鏡91的透鏡表面被分割為同心的凹透鏡區(qū)，各凹透鏡區(qū)的較厚部分被減薄，并被代以菲涅耳透鏡區(qū)94，菲涅耳透鏡區(qū)以相同的方式同心布置。在這樣的取代凸透鏡91的菲涅耳透鏡93中，在菲涅耳透鏡區(qū)94之間出現(xiàn)階梯，在階梯上總是有直立面95，直立面95使得光束被反射或者折射到照明區(qū)的外部，直立面95阻擋了照明光束，在照明光束中出現(xiàn)比周圍暗的暗線，導(dǎo)致亮度不均勻，在照度分布中出現(xiàn)低照度水平的區(qū)域。與此相對照，根據(jù)圖6所示的菲涅耳透鏡1，如圖13中的實(shí)線54所示，可以實(shí)線平滑、均勻的照度分布。
順便說明，圖13圖示了從相互相鄰的透鏡表面出射的光束或光線束相互在被照明面上僅重疊一半的情況，如果重疊一半或者更多，也就是如果等式(1)成立，則可以形成充分平滑的照度分布。另外，即使由于生產(chǎn)誤差等使得一個(gè)透鏡表面出射的光束的照明區(qū)產(chǎn)生位移，整個(gè)照度分布也不會改變很大，因此可以抑制照度的不均勻性。
下面結(jié)合圖15到17描述根據(jù)本發(fā)明的菲涅耳透鏡1的另一個(gè)實(shí)施例。圖15圖示了根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的菲涅耳透鏡1的正視圖。圖15所示的菲涅耳透鏡1也被形成為圓形，由在中央的凸透鏡部分11和圍繞中央部分同心形成的菲涅耳透鏡區(qū)12構(gòu)成。另外，菲涅耳透鏡1在最外緣具有凸緣部分13，后者用于在菲涅耳透鏡區(qū)12的外部固定和保持透鏡。
圖16是菲涅耳透鏡1沿著圖15所示的XV-XV線的剖面圖。菲涅耳透鏡1在光源側(cè)具有圓弧形的底面，構(gòu)成菲涅耳透鏡1的菲涅耳透鏡區(qū)12分別被形成為隆脊形狀。菲涅耳透鏡區(qū)同心地布置，形成為這樣的形狀頂部和底部交替重復(fù)，菲涅耳透鏡1的整體形狀為鋸齒狀，其頂部和底部內(nèi)接與圓弧17并沿著該圓弧布置。整個(gè)菲涅耳透鏡1是彎月形，其剖面基本上為圓弧形狀。
菲涅耳透鏡1的直徑、凸透鏡部分11的直徑以及凸緣部分13的寬度的值可以根據(jù)要使用的照明設(shè)備的尺寸和重量來任意地確定，本發(fā)明并不受這些值的局限。但是，考慮到照明設(shè)備的重量要輕，要容易制造，凸透鏡部分11的直徑最好設(shè)置為10mm到60mm，凸緣部分13的寬度最好設(shè)置為3mm到20mm。出于同樣的原因，構(gòu)成菲涅耳透鏡區(qū)12的隆脊的頂部和底部的節(jié)距最好是2mm到10mm。菲涅耳透鏡區(qū)12中所包含的齒頂和齒根之間的節(jié)距并不一定要均勻地設(shè)置，而是可以在2mm和10mm之間變化地設(shè)置。
圖17是圖16所示的部分E的放大剖面圖。如圖17所示，當(dāng)注意一個(gè)菲涅耳透鏡區(qū)12的隆脊時(shí)，菲涅耳透鏡區(qū)12由具有透鏡功能的透鏡表面21、作為相鄰?fù)哥R表面之間的階梯的直立面22以及齒尖的頂部23和齒根的底部24構(gòu)成。以與圖7所示的透鏡表面21相同的方式，透鏡表面21被形成為朝向外部的凹形。該凹形被形成為從頂部23到底部24沒有拐點(diǎn)的平滑曲線。
透鏡表面由與透鏡表面21的頂部23附近的區(qū)域相切的切線C以及與隔著直立面22相鄰的透鏡表面21的底部24附近的區(qū)域相切的切線D限定。所述切線C和D在遠(yuǎn)離光軸的位置相交。此時(shí)，與上述實(shí)施例的方式一樣，切線C和切線D之間形成的角度θ滿足等式(1)。
根據(jù)如上所述的菲涅耳透鏡，可以使得被相鄰?fù)哥R表面出射的光線束E和F照射的區(qū)域的徑向?qū)挾鹊拇蠹s一半或者更多相互重疊。
作為第二比較例，下面說明如圖18所示的在彎月形透鏡上形成的菲涅耳透鏡。在如圖18所示的菲涅耳透鏡中，從中心朝向透鏡的外圍，每一個(gè)菲涅耳透鏡區(qū)100的直立面95與光軸之間的角度隨著基本上圓弧形的底面形狀變大，并且直立面95徑向膨脹。在這樣的菲涅耳透鏡中，進(jìn)入直立面95的光束量減少了，減少了照明光束中的亮度不均勻性，但是，如圖19所示，在照度分布中出現(xiàn)由于光束的重疊而產(chǎn)生的峰。也就是，僅由每個(gè)區(qū)94的透鏡表面101a和101b出射的光束形成的區(qū)域P和Q中的照度分布變?yōu)榛旧暇匦蔚姆植既鐖D19中的附圖標(biāo)記60所示，但是，由于出現(xiàn)這些區(qū)域的相互重疊現(xiàn)象，作為其總和的從整個(gè)菲涅耳透鏡出射的光束的照度分布具有對應(yīng)于重疊區(qū)域的尖峰。由于這些尖峰62，在圖18所示的菲涅耳透鏡中，產(chǎn)生了照明光束的不均勻性。與此相對照，根據(jù)圖17所示的菲涅耳透鏡1，如圖13中的實(shí)線54所示，可以實(shí)現(xiàn)平滑的均勻的照度分布。
在上面的實(shí)施例中，為了進(jìn)一步抑制不均勻的照明，菲涅耳透鏡的后表面14或者直立面22或者二者都可以形成為具有散射光束的功能的粗糙面。作為形成粗糙面的一個(gè)具體實(shí)例，有一種方法是形成這樣的結(jié)構(gòu)隨機(jī)地或者按照網(wǎng)狀圖案布置直徑0.1mm到3mm、高度0.1mm到3mm的極小的穹頂形狀的凹陷或者凸起。另外，另一種方法是通過對后表面14矩形化學(xué)處理而形成隨機(jī)的凹陷和凸起的結(jié)構(gòu)。
另外，為了簡化菲涅耳透鏡1的制造，形成菲涅耳透鏡形狀的頂部23或者底部24或者二者在徑向上的剖面形狀可以被形成為被包含在基本上圓弧形的形狀中。為了抑制對照明光束的影響，最好使得圓弧的曲率半徑為0.05mm到1mm。通過將頂部23形成為基本上圓弧形狀，可以獲得透鏡表面的頂部23難以破裂(會導(dǎo)致不均勻的照明光束)的菲涅耳透鏡。另外，在用金屬模型成型工藝制造菲涅耳透鏡的情況下，通過使頂部23和底部24形成基本上圓弧形狀，熔融玻璃容易進(jìn)入金屬模型中的小空穴。因此，可以通過容易的制造工藝獲得形狀復(fù)雜的菲涅耳透鏡。
根據(jù)本發(fā)明，菲涅耳透鏡的各透鏡表面的結(jié)構(gòu)被形成為使得相鄰?fù)哥R表面照射的區(qū)域相互重疊一半或者更多。因此，可以抑制由于被照射面上的暗線或者亮線而導(dǎo)致的不均勻照明。
本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員很容易知道其它的優(yōu)點(diǎn)和改進(jìn)方案。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于這里所圖示和描述的具體細(xì)節(jié)和代表性實(shí)施例。因此，在所附權(quán)利要求及其等效方案所限定的總體發(fā)明構(gòu)思的實(shí)質(zhì)范圍內(nèi)可以作出各種修改。
權(quán)利要求
1.一種具有光軸的菲涅耳透鏡，包括N個(gè)由折射率為n的透鏡材料制成的菲涅耳透鏡區(qū)，它們圍繞一個(gè)公共光軸同心地布置，被配置為將來自光源的光線以規(guī)定的輻射視角中投射到照明區(qū)，并將它們分別形成為隆脊?fàn)睿渲?，每一個(gè)菲涅耳透鏡區(qū)包括彎曲為朝向照明區(qū)的凹形面并具有頂部區(qū)和底部區(qū)的透鏡表面；布置在相鄰的透鏡表面之間、與所述頂部區(qū)和底部區(qū)相接的直立面，所述頂部區(qū)和底部區(qū)在包括所述光軸的橫剖面中分別限定與每一個(gè)透鏡表面的頂部區(qū)和底部區(qū)相切的第一和第二切線，所述第一和第二切線之間的角度被定義為θ，并滿足不等式θ≥φ/(2nN)。
2.如權(quán)利要求1所述的菲涅耳透鏡，其中，所述透鏡表面和所述直立面之間的頂部區(qū)和底部區(qū)是圓形的。
3.如權(quán)利要求1所述的菲涅耳透鏡，還包括在所述光軸上的凸透鏡部分。
4.如權(quán)利要求1所述的菲涅耳透鏡，其中，所述菲涅耳透鏡包括對著所述光源的平坦面。
5.如權(quán)利要求1所述的菲涅耳透鏡，其中，所述菲涅耳透鏡具有基本上為彎月形透鏡的形式，具有一個(gè)圓弧面，該圓弧面上布置所述多個(gè)菲涅耳透鏡區(qū)的所述頂部區(qū)。
6.如權(quán)利要求1所述的菲涅耳透鏡，其中，所述透鏡表面散射光線。
7.如權(quán)利要求1所述的菲涅耳透鏡，其中，所述菲涅耳透鏡具有一個(gè)對著所述光源的、散射光線的后表面。
8.如權(quán)利要求7所述的菲涅耳透鏡，其中，所述直立面散射光線。
9.一種照明設(shè)備，包括發(fā)射光線的光源和具有光軸的菲涅耳透鏡，該菲涅耳透鏡包括N個(gè)由折射率為n的透鏡材料制成的菲涅耳透鏡區(qū)，它們圍繞一個(gè)公共光軸同心地布置，被配置為將來自光源的光線以規(guī)定的輻射視角中投射到照明區(qū)，并將它們分別形成為隆脊?fàn)?，其中，每一個(gè)菲涅耳透鏡區(qū)包括彎曲為朝向照明區(qū)的凹形面并具有頂部區(qū)和底部區(qū)的透鏡表面；布置在相鄰的透鏡表面之間、與所述頂部區(qū)和底部區(qū)相接的直立面，所述頂部區(qū)和底部區(qū)在包括所述光軸的橫剖面中分別限定與每一個(gè)透鏡表面的頂部區(qū)和底部區(qū)相切的第一和第二切線，所述第一和第二切線之間的角度被定義為θ，并滿足不等式θ≥φ/(2nN)。
10.一種照明設(shè)備，包括發(fā)射光線的光源；由折射率為n的透鏡材料制成的具有光軸的菲涅耳透鏡，將來自光源的光線以規(guī)定的輻射視角φ投射到照明區(qū)，該菲涅耳透鏡包括圍繞一個(gè)公共光軸同心地布置的多個(gè)菲涅耳透鏡區(qū)，它們分別形成為隆脊?fàn)?，其中，每一個(gè)菲涅耳透鏡區(qū)包括彎曲為朝向照明區(qū)的凹形面并具有頂部區(qū)和底部區(qū)的透鏡表面；布置在相鄰的透鏡表面之間、與所述頂部區(qū)和底部區(qū)相接的直立面，從相鄰?fù)哥R表面投射的光線分別照射具有一寬度的環(huán)形的帶狀區(qū)域，這些帶狀區(qū)域相互重疊至少該寬度的一半。
全文摘要
本申請涉及菲涅耳透鏡及具有菲涅耳透鏡的照明設(shè)備。該菲涅耳透鏡由折射率為n的透鏡材料制成，將來自光源的光束以規(guī)定的輻射視角φ聚焦，具有N個(gè)環(huán)形圍繞公共光軸同心布置的環(huán)形透鏡表面21，以及多個(gè)在這些透鏡表面21之間相間地相鄰布置的多個(gè)環(huán)形直立面22，隔著至少一個(gè)直立面22相鄰的兩個(gè)透鏡表面21為凹形面，與通過這些透鏡表面12的光軸的橫剖面的形狀的直立面21相交的交點(diǎn)處的切線C和D在外部與光軸相交，如果將這些切線之間形成的角度定義為θ，則滿足關(guān)系式θ≥φ/(2nN)。
文檔編號F21V5/04GK1828339SQ20051010396
公開日2006年9月6日 申請日期2005年9月16日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月16日
發(fā)明者森野剛志, 本宮佳典, 白土昌孝, 德原直人 申請人:株式會社東芝, 東芝照明技術(shù)株式會社