專利名稱：：菲涅爾透鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及菲涅爾透鏡。
背景技術(shù)：
：菲涅爾透鏡是一種質(zhì)量輕且結(jié)構(gòu)緊湊的平直透鏡，其構(gòu)造方法為使用由多個(gè)同軸排列或平行排列的棱鏡所形成的一系列不連續(xù)曲面替代凸透鏡或凹透鏡的曲面，從而將透鏡厚度降至達(dá)到必要曲面所要求的最低厚度。菲涅爾透鏡廣泛用于將點(diǎn)光源的光束轉(zhuǎn)換為平行光束，如用于液晶顯示器背光的透鏡，或者相反，將平行光束聚集為限定光束，如用于太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的聚光透鏡。菲涅爾透鏡中，F(xiàn)數(shù)(焦距/透鏡直徑)較小，遠(yuǎn)離光軸位置的透鏡周邊區(qū)域處的光束偏轉(zhuǎn)角(即人們所知的偏向角)較大。在此區(qū)域中，由于各棱鏡的斜面角度較大，且折射界面上的入射角隨之較大，所以折射界面處的反射增加，而透射比減小。針對(duì)這一問題，已為人們所知的是，可以通過設(shè)計(jì)棱鏡的頂角以使入射光首先在棱鏡斜面處完全反射，然后在垂直面折射來提高需要較大偏向角的鏈段處的透射比，并且此類菲涅爾透鏡公開于例如美國(guó)專利No.4/755,921、未經(jīng)審查的日本專利公布No.2002-221605、以及美國(guó)專利No.4，337，759中。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提供一種菲涅爾透鏡，其使用的棱鏡的透射比與現(xiàn)有技術(shù)相比有所改進(jìn)。根據(jù)本發(fā)明，提供了由多個(gè)棱鏡構(gòu)造而成的菲涅爾透鏡，其中，所述多個(gè)棱鏡中至少有一些各自具有一個(gè)頂角，所述頂角可導(dǎo)致平行于光軸且來自焦點(diǎn)的入射光或從其相對(duì)側(cè)進(jìn)入的入射光被完全內(nèi)部反射至少兩次。例如，菲涅爾透鏡包括由各自頂角都不會(huì)導(dǎo)致入射光被完全反射的棱鏡所形成的第一鏈段，以及由各自頂角都會(huì)導(dǎo)致入射光完全內(nèi)部反射兩次的棱鏡形成且鄰近此處的第二鏈段。菲涅爾透鏡還可以進(jìn)一步包括鄰近第二鏈段且由各自頂角都會(huì)導(dǎo)致入射光完全內(nèi)部反射一次的棱鏡形成的第三鏈段。通過入射光在其中會(huì)完全內(nèi)部反射至少兩次的棱鏡來形成菲涅爾透鏡的一部分，折射面處的反射減少，從而進(jìn)一步改善透射比。圖1是表示入射光進(jìn)入凹槽側(cè)這一類聚光菲涅爾透鏡的圖表。圖2是表示入射光進(jìn)入扁平側(cè)這一類聚光菲涅爾透鏡的圖表。圖3是表示在其部分中使用單步完全反射棱鏡的菲涅爾透鏡的圖4是說明單步完全反射棱鏡中的光路的圖表。圖是說明兩步完全反射棱鏡中的光路的圖表。圖6是說明折射棱鏡中的光路的圖表。圖7是描繪偏向角P和透射比作為頂角a的函數(shù)的坐標(biāo)圖。圖8是描繪不同類型棱鏡的透射比I作為偏向角e的函數(shù)的坐圖9是表示與根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的透鏡比較，根據(jù)本發(fā)明的菲涅爾透鏡的聚光能力的坐標(biāo)圖。圖10是表示本發(fā)明的菲涅爾透鏡的一個(gè)實(shí)例的圖表，其中使用的丙烯酸類樹脂在546nm波長(zhǎng)下的折射率集中在1.494左右，不小于1.484，但不大于1.504。圖11是描繪使用折射率為1.40的硅橡膠時(shí)，不同類型的棱鏡透射比I作為偏向角e的函數(shù)的坐標(biāo)圖。圖12是表示本發(fā)明的菲涅爾透鏡的一個(gè)實(shí)例的圖表，其中使用的硅橡膠在546nm波長(zhǎng)下的折射率集中在1.400左右，不小于1.390，但不大于1.410這一情況下的一個(gè)實(shí)例。具體實(shí)施方式用于太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)或類似環(huán)境中的聚光菲涅爾透鏡與用于液晶顯示器背景光或類似環(huán)境中獲得平行光的菲涅爾透鏡的唯一差異是光進(jìn)入透鏡的方向。因此，以下說明涉及聚光菲涅爾透鏡，但本說明同樣適用于獲得平行光的菲涅爾透鏡的情況。另外，本說明還涉及其中的棱鏡沿同心圓排列的圓形菲涅爾透鏡，但同樣的說明也適用于其中的棱鏡并列平行排列的直線菲涅爾透鏡。有兩類聚光菲涅爾透鏡第一類中，入射光進(jìn)入凹槽側(cè)12，用于形成許多棱鏡的許多凹槽10在此處形成，如圖1所示；第二類中，入射光進(jìn)入扁平側(cè)14,如圖2所示。在入射光進(jìn)入凹槽側(cè)12的類型(如圖1所示)中，入射到棱鏡垂直面17附近部分的光16在垂直面17處完全反射，而不在預(yù)期焦點(diǎn)處聚焦；因此，此類光對(duì)于聚光能力來說不起任何作用。因此，要高效率地聚集太陽(yáng)光，入射光進(jìn)入扁平側(cè)的類型(如圖2所示)能夠有效地獲得聚光能力。然而，棱鏡的斜面18的角度隨與光軸之間的距離增大而增大，此外，隨著斜面角度增大，界面處的反射會(huì)增強(qiáng)，而聚光能力會(huì)減弱。針對(duì)這一問題，在遠(yuǎn)離光軸位置的鏈段中，設(shè)計(jì)棱鏡使得光首先在斜面18處完全反射，然后在垂直面17處折射，如圖3所示。這樣就可達(dá)到較高的聚光能力。這在被表示為焦距對(duì)透鏡直徑的比率的F數(shù)(焦距/透鏡直徑)較小的區(qū)域尤其有效，并且聚焦能力大于折射型菲涅爾透鏡可達(dá)到的聚焦能力。在通常使用的完全反射棱鏡中，垂直入射到平面"a"的光在斜面"c"完全反射一次，然后在垂直面"b"折射后被導(dǎo)引至焦點(diǎn)，如圖4所示。另一方面，在諸如圖5所示之類棱鏡的情況下，垂直入射到平面"a"的光在斜面"c"完全反射一次，又在垂直面"b"完全反射，然后在斜面"c"折射后被導(dǎo)引至焦點(diǎn)。在此類棱鏡中，獲得同樣的偏向角e所需的、折射處的入射角更小，因而因菲涅爾透鏡反射導(dǎo)致的損耗會(huì)減少。因此，與包括其中光經(jīng)歷一次完全內(nèi)部反射的棱鏡的傳統(tǒng)反射/折射菲涅爾透鏡相比，包括其中光經(jīng)歷兩次完全內(nèi)部反射的反射/折射的棱鏡的菲涅爾透鏡預(yù)期可以達(dá)到更高的聚光效率。對(duì)于圖6所示的折射型，偏向角e由以下公式給定P=sin"(nsina)-a其中，a是棱鏡的頂角，n是棱鏡材料的折射率。對(duì)于圖4所示的單步完全反射型，偏向角e(deg)由以下公式給定3=90-sin"(nsin(2a-90))對(duì)于圖5所示的兩步完全反射型，偏向角e由以下公式給定P=a-sin陽(yáng)1(3a-180)通常，進(jìn)行m次完全內(nèi)部反射，其中m是偶整數(shù)時(shí)，偏向角0由以下公式給定3=a-sin"(nsin((m+l)a-90m))m是奇整數(shù)時(shí)，則由以下公式給定6=90-sin-1(nsin((m+l)a-90m))表1至5分別表示使用波長(zhǎng)546nm下折射率為1.494的丙烯酸類樹脂作為棱鏡材料時(shí)，折射棱鏡、單步完全反射棱鏡、兩步完全反射棱鏡、三步完全反射棱鏡和四步完全反射棱鏡的不同頂角相對(duì)應(yīng)的偏向角e和透射比I的計(jì)算結(jié)果。在這些表中，用"*"標(biāo)記的區(qū)域表示由于鄰近棱鏡的干涉作用導(dǎo)致透射比下降的區(qū)域。這些結(jié)果在圖7中以坐標(biāo)圖的形式繪出。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>表2表2單步完全反射型<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>表3表3兩步完全反射型<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>68.9260.9166925.60.91569.125.20.91569.224.90.91469.324.80.91469.423.60.91369.523,20.91269.6230.91269.722.40.91169.8220.91069.921.90.9097021.10.90870.120.6O.術(shù)70.2200.90670.319.20.90570.916.60.895表4表4三步完全反射型a0I73.9490.58674.247.10.79774,3460.81174.445.50,83074.5450.84874.644.10.86374.7430.87774.842.60.89174.9420.90412<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>表5表5四步完全反射型<table>tableseeoriginaldocumentpage14</column></row><table>比較表1和表2可以看出，在較大偏向角e區(qū)域內(nèi)，單步完全反射棱鏡獲得的透射比高于折射棱鏡獲得的透射比。例如，在折射棱鏡的情況下，當(dāng)頂角a為38.5°時(shí)，偏向角P為30.0°，并且在這種情況下，透射比I為0.813;另一方面，在單步完全反射棱鏡(其中提供相同偏向角的頂角a為62.7°)的情況下，可以獲得更高的透射比I，即0.875。進(jìn)一步參見表3，應(yīng)該指出的是，仍然是在兩步完全反射棱鏡的情況下，當(dāng)頂角a為68°時(shí)，獲得的偏向角為30°，從而獲得甚至更高的透射比I，即0.914。圖8表示不同類型棱鏡的透射比I作為偏向角e的函數(shù)的坐標(biāo)圖，其中偏向角e沿橫坐標(biāo)繪出，透射比I沿縱坐標(biāo)繪出。從圖8中可以看出，在折射率為1.494的丙烯酸類樹脂的情況下，在鏈段20(在此處，P<19.5°)處獲得最高透射比I的棱鏡是折射棱鏡，在區(qū)域22(在此處，19.5°<P<31.0°)處獲得最高透射比I的棱鏡是兩步完全反射棱鏡，在區(qū)域24(在此處，31.0°<e)處獲得最高透射比I的棱鏡是單步完全反射棱鏡。表6表示的是，僅使用折射棱鏡(表示為現(xiàn)有技術(shù)1)、在20°《e的鏈段使用單步完全反射棱鏡(表示為現(xiàn)有技術(shù)2)、以及根據(jù)本發(fā)明在20°《P《29°鏈段使用兩步完全反射棱鏡和在29°《e鏈段使用單步完全反射棱鏡(表示為本發(fā)明)這幾種情況下，f數(shù)不同的多種透鏡的聚光能力。結(jié)果以坐標(biāo)圖形式顯示在圖9中。表6表6聚光能力比較<table>tableseeoriginaldocumentpage15</column></row><table>從表6和圖9可以看出，在f數(shù)為1.00或更小的透鏡的情況下，本發(fā)明的菲涅爾透鏡由于在其部分中使用兩步完全反射棱鏡，可以獲得較高的聚光能力。下面，將對(duì)這樣一個(gè)情況進(jìn)行描述使用波長(zhǎng)546mn下折射率集中在1.494左右，不小于1.484，但不大于1.504的丙烯酸類樹脂構(gòu)造尺寸為200mm正方形、焦距為200mm的正方圓形菲涅爾透鏡(切割為正方形的同心菲涅爾透鏡)。200mm正方形透鏡的對(duì)角線長(zhǎng)282mm，相對(duì)于正方形對(duì)角線的F數(shù)小于1，為0.709。因此，如果僅使用折射棱鏡構(gòu)成透鏡，那么透鏡整體的聚光效率會(huì)顯著下降。因此，完全反射棱鏡用于遠(yuǎn)離光軸位置的部分。也就是說，在邊界外的部分(該邊界兩側(cè)的折射棱鏡透射比與反射棱鏡透射比的關(guān)系相反)，每個(gè)都進(jìn)行兩次完全內(nèi)部反射的完全反射棱鏡和每個(gè)都進(jìn)行一次完全內(nèi)部反射的完全反射棱鏡的布置如圖10中所示。更具體地講，在圖10中，折射棱鏡用于偏向角在0度到19.5度范圍內(nèi)的鏈段，而兩步完全反射棱鏡布置在19.5度到31度的鏈段，單步完全反射棱鏡則布置在31度到35.26度的鏈段。這樣構(gòu)造而成的菲涅爾透鏡比僅使用折射棱鏡和單步完全反射棱鏡構(gòu)造而成的菲涅爾透鏡獲得的聚光效率更高。表7至9分別表示在使用波長(zhǎng)546nm下折射率為1.400的硅橡膠作為棱鏡材料時(shí)，折射棱鏡、單步完全反射棱鏡、兩步完全反射棱鏡的偏向角e和透射比I的計(jì)算結(jié)果。圖11表示不同類型棱鏡的透射比I作為偏向角P的函數(shù)的坐標(biāo)圖。表7表7折射型(硅橡膠)<table>tableseeoriginaldocumentpage17</column></row><table>表8表8單步完全反射型(硅橡膠)<table>tableseeoriginaldocumentpage17</column></row><table>表9表9兩步完全反射型<table>tableseeoriginaldocumentpage18</column></row><table>從圖11中可以看出，在波長(zhǎng)564nm下折射率集中在1.400左右，不小于1.390，但不大于1.410的硅橡膠的情況下，在鏈段30(在此處，P<18.2°)處使用折射棱鏡、在鏈段32(在此處，18.2°<0<31.8°)處使用兩步完全反射棱鏡，以及在鏈段34(在此處，31.8°<0)處使用單步完全反射棱鏡的情況下，如圖12所示，可獲得具有高聚光能力的菲涅爾透鏡。權(quán)利要求1.由多個(gè)棱鏡構(gòu)造而成的菲涅爾透鏡，其中所述多個(gè)棱鏡中至少一些棱鏡每個(gè)都具有頂角，所述頂角能導(dǎo)致來自焦點(diǎn)的入射光或平行于光軸、從其相對(duì)側(cè)進(jìn)入的入射光被完全內(nèi)部反射至少兩次。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的菲涅爾透鏡，包括由棱鏡構(gòu)成的第一鏈段，所述棱鏡每個(gè)都具有不會(huì)導(dǎo)致所述入射光被完全反射的頂角；以及鄰近第一鏈段的由棱鏡構(gòu)成的第二鏈段，所述棱鏡每個(gè)都具有可導(dǎo)致所述入射光被完全內(nèi)部反射兩次的頂角。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的菲涅爾透鏡，還包括鄰近所述第二鏈段的第三鏈段，且所述第三鏈段由棱鏡構(gòu)成，所述棱鏡每個(gè)都具有可導(dǎo)致所述入射光被完全內(nèi)部反射一次的頂角。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的菲涅爾透鏡，其中所述菲涅爾透鏡由波長(zhǎng)546nm下折射率集中在1.494左右，不小于1.484，但不大于1.504的丙烯酸類樹脂材料構(gòu)成，并且其中所述第一鏈段中的每個(gè)棱鏡的偏向角不大于20度，所述第二鏈段中的每個(gè)棱鏡的偏向角不小于19度但不大于32度，以及所述第三鏈段中的每個(gè)棱鏡的偏向角不小于30度。5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的菲涅爾透鏡，其中所述菲涅爾透鏡由波長(zhǎng)546nm下折射率集中在1.400左右，不小于1.390，但不大于1.410的硅橡膠材料構(gòu)成，并且其中所述第一鏈段中的每個(gè)棱鏡的偏向角不大于19度，所述第二鏈段中的每個(gè)棱鏡的偏向角不小于18度但不大于32度，以及所述第三鏈段中的每個(gè)棱鏡的偏向角不小于31度。全文摘要使用折射率為例如1.494的丙烯酸類樹脂時(shí)，菲涅爾透鏡被構(gòu)造為在要求偏向角為19.5°或更小的鏈段，使用不會(huì)導(dǎo)致任何反射的單純折射棱鏡；在要求偏向角為31.0°或更大的鏈段，則使用光在其中完全內(nèi)部反射一次、然后再折射的單步完全反射棱鏡；在要求偏向角不小于19.5°，但不大于31.0°的鏈段，使用光在其中完全內(nèi)部反射兩次、然后再折射的兩步完全反射棱鏡。文檔編號(hào)G02B3/08GK101263406SQ200680033855公開日2008年9月10日申請(qǐng)日期2006年9月11日優(yōu)先權(quán)日2005年9月14日發(fā)明者中村恒久,天野貴志申請(qǐng)人:3M創(chuàng)新有限公司