CN213810466U - 一种变焦透镜 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种变焦透镜，由第一入光面、第二入光面和第一出光面、第二出光面和杯体面组成；杯体面由杯体入光面和杯体反光面组成，杯体反光面为一棱镜面；杯体面包括杯体入光面和杯体反光面，其被经过光轴的平面截取的曲线为两条相互平行的直线；第二入光面包含靠上端的大角度入光面和靠下端的小角度入光面；第二出光面包含靠上端的大角度出光面和靠下端的小角度出光面。本实用新型变焦范围大、注塑成本低、重量轻且便于使用。

Description

一种变焦透镜

技术领域

本实用新型涉及透镜技术领域，特别是涉及一种变焦透镜。

背景技术

变焦透镜已广泛应用于室内商业照明和户外手电同照明。LED的变焦方案中，有的需要更长的变焦行程，有的需要更短的变焦行程。在专利CN201630054292.7记录的技术方案中，变焦行程很短，缺点是由于两件的耦合效率较低加上变焦逸散光无法收集，造成效率较低；另一种利用全反射透镜技术的变焦方案如中国专利CN201811261600公开的一种组合透镜及采用该组合透镜的灯具，包括透镜，所述透镜上设置有供光线折射出透镜的出射区域，还包括有与所述出射区域配合设置的柔光镜片，所述柔光镜片具有入射侧面和出射侧面，由所述出射区域射出的光线中，至少有一部分由所述入射侧面折射进入柔光镜片，再由所述出射侧面折射至照明区域，所述柔光镜片上设有柔光区域，所述柔光区域用于对照射在其上的光线进行扩散，使由所述柔光区域射出光线形成边缘柔和的光斑单元。该专利的组合透镜可以保证很高的效率和光斑品质，但是变焦范围较小，单一透镜只能做到从12度到36度的变焦范围。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，设计一种变焦范围大、注塑成本低、重量轻且便于使用的基于一体注塑成型的变焦透镜。

为实现上述实用新型目的，本实用新型的技术方案是：

一种变焦透镜方案，该变焦透镜为由第一入光面、第二入光面和第一出光面、第二出光面和杯体面组成的杯状结构；所述杯状结构的底部开设有用于安装光源的安装槽；所述安装槽的开口朝下且其顶部向上突出所述杯状结构的底面；所述安装槽的顶部内表面为第一入光面，其顶部外表面为第一出光面，其内侧面为第二入光面，外侧面为第二出光面；所述第二入光面包括靠上端的大角度入光面和靠下端的小角度入光面；第二出光面包括靠上端的大角度出光面和靠下端的小角度出光面；所述杯体面由杯体入光面和杯体反光面组成，杯体反光面为电镀的光滑曲面或非电镀的齿状反光面或棱镜面；所述杯体面被经过光轴的平面截取的曲线为两条相互平行的直线；

从光源发出的光线分两种机制出射：机制一是经过第一入光面折射后，经过第一出光面折射出射；机制二是经过第二入光面折射后，再经过第二出光面折射，进入杯体入光面，再经过杯体反光面全反射后，从杯体入光面出射。其中，机制二的光线又分为两套光路，一套光线经过大角度入光面和大角度出光面；另一套经过小角度入光面和小角度出光面；大角度入光面在小角度入光面的上面，大角度入光面和小角度入光面非平滑连接共同构成机制二的第二入光面；大角度出光面在小角度出光面的上面，大角度出光面和小角度出光面非平滑连接共同构成机制二的第二出光面。

优选地，所述大角度入光面和大角度出光面被经过光轴的平面截取的曲线为平行的两条直线或者相同的两条自由曲线。

优选地，所述大角度入光面被经过光轴的平面截取的曲线为一直线，大角度出光面被经过光轴的平面截取的曲线为一内凹的曲线。

优选地，所述大角度入光面和大角度出光面被经过光轴的平面截取的曲线为内凹曲线，所述大角度出光面截取曲线的凹陷程度大于所述大角度入光面截取曲线的凹陷程度；所述大角度出光面截取曲线斜率的最大值和最小值的差值大于所述大角度入光面截线斜率的最大值和最小值的差值。

优选地，所述大角度入光面和大角度出光面被经过光轴的平面截取的曲线为外凸曲线，所述大角度出光面截取曲线的突出程度小于所述大角度入光面截取曲线的突出程度；所述大角度出光面截取曲线斜率的最大值和最小值的差值小于所述大角度入光面截取曲线斜率的最大值和最小值的差值。

优选地，所述小角度出光面被经过光轴的平面截取的曲线为凸出的曲线，所述小角度入光面被经过光轴的平面截取的曲线为直线。

优选地，所述小角度出光面被经过光轴的平面截取的曲线为向外凸出的曲线，所述小角度入光面被经过光轴的平面截取的曲线为向内凸出的曲线；所述小角度入光面最低点的横坐标与透镜底部最大口径的比值不小于0.6；所述第一入光面为近似平面的球面，第一出光面为向外凸起的非球面曲面；所述杯体反光面被经过光轴的平面截取的曲线为直线，该直线与水平面的夹角β不小于60度且不大于75度。

优选地，还包括位于所述安装槽内的光源第一焦点和光源第二焦点，所述光源第二焦点位于所述光源第一焦点的上方，本实用新型的光源在光源第一焦点O1和光源第二焦点O2之间移动，当光源从光源第一焦点到O1光源第二焦点O2移动时，光束角逐渐增大；其中，光源在光源第一焦点O1的时候，光斑角度最小；当光源在光源第二焦点O2的时候，光斑角度最大；所述光源第一焦点与第一入光面边缘端点的连线同光轴的夹角不大于30度；所述光源第二焦点与第一入光面边缘端点连线同光轴的夹角不小于50度；所述光源第一焦点O1与小角度入光面底端端点的连线同光轴夹角不小于60度；所述光源第二焦点与小角度入光面顶部端点的连线同光轴夹角不小于75度；所述光源第一焦点发出的光线经过小角度入光面和小角度出光面折射后的光线为平行光束，该光束与水平面的夹角α与所述杯体面截线与水平面夹角β的关系为：

β＝α/2+π/4。

优选地，所述小角度入光面和小角度出光面为自由曲面，其截线按照以下方法生成：

给定小角度出光面截线的曲线函数f(x,y)，根据杯体面截线与水平面夹角α和光源第一焦点O₁，按照以下步骤逐点生成小角度入光面截线曲线：

(a)大角度出光面截线的终点同时为小角度出光面起点P₀设定为初始点；

(b)计算通过P₀的函数

的法线方向，计算出经过P₀角度α的直线

经过曲面折射后的光线，给定光线长度l得到小角度入光面截线初始点Q₀；

(c)通过Q₀到光源第一焦点O₁的连线Q₀O₁和P₀Q₀，根据斯聂尔定律计算出小角度入光面第一点的切向矢量

(d)计算与直线

向下偏离dl的且与其平行的直线

与函数f(x,y)的交点P₁；

(e)计算通过P₁的函数f(x,y)|P₁的法线方向，计算出经过P₁斜率α的直线

经过曲面折射后的光线

与经过Q₀方向为

的直线

相交于Q₁；

(f)通过Q₁到第一焦点O₁的连线Q₁O₁和P₁Q₁，根据斯聂尔定律计算出小角度入光面第二点的切向矢量

(g)根据dl的偏移量不断重复(d)到(f)的步骤，从而计算出小角度入光面截线上各点Q₂,Q₃,Q₄,...,Q_n，直到O₁Q_n与光轴的夹角小于设定值；

(h)将Q₀到Q_n平滑连接形成小角度入光面截线；

2)给定小角度入光面截线的曲线函数g(x,y)，根据杯面截线的斜率α和小角度焦点O₁，按照以下方法逐点生成小角度出光面截线曲线：

(a).大角度入光面截线的终点同时为小角度入光面起点Q₀设定为初始点；

(b).计算通过Q₀的函数

的法线方向

根据斯聂尔定律计算出直线O₁Q₀经过曲面

折射后的光线

给定光线长度l得到小角度出光面截线初始点P₀；

(c).通过直线P₀Q₀经过P₀出射到角度α的直线，根据斯聂尔定律计算出小角度出光面第一点的切向矢量

(d).计算从下焦点O₁与直线与

偏离微小角度dθ的直线与函数g(x,y)交点Q₁；

(e).计算通过Q₁的函数

的法线方向，根据斯聂尔定律计算出经过直线O₁Q₁曲面

折射后的光线

与经过P₀方向为

的直线

相交于P₁；

(f).通过直线P₁Q₁经过P₁出射到角度α的直线，根据斯聂尔定律计算出小角度出光面第一点的切向矢量

(g).根据dθ的偏移量不断重复(d)到(f)的步骤，从而计算出小角度入光面截线上各点P₂,P₃,P₄,...,P_n，直到O₁Q_n与光轴的夹角小于设定值；

(h).将P₀到P_n平滑连接形成小角度出光面截线。

优选地，所述杯体反光面为棱镜面，每个棱镜面为V字形槽状结构，其构成方式为：

(1)由一条从内向外延展的曲线作为母线U，选定母线的底部端点O和光轴I；

(2)在该母线所在平面内做母线底部端点O的法线方向矢量L和切线方向矢量N；

(3)将L绕N方向分别旋转角度γ和-γ，形成两条射线L1和L2；

(4)将母线U分别沿L1和L2延展，形成类似一个V字形状凹槽；

(5)将凹槽绕I旋转角度θ和-θ，生成交叉的3个V字形槽状结构；

(6)去掉中间V字形凹槽与其他两个V字形凹槽交叉的部分，保留剩下的部分即为所述外形轮廓；

(7)齿面，按照圆周分布的个数为m＝360/θ，且m为整数，所述旋转角度θ不大于6度。

本实用新型的有益效果：

与现有技术相比，本实用新型取得的有益效果为：本实用新型可以保证杯面截线为直线和光源在光源第一焦点的情况下实现准直出射的光路。杯面截线为直线的情况下，杯面反光面设置成棱镜面所使用的加工设备采用三轴加工中心或车床即可，不需要使用五轴加工技术，且加工稳定性更高且加工成本大幅降低。

本实用新型使用直线作为杯面母线的另一个好处，是大角度入光面和大角度出光面对应的光路经过直线杯面后，光形分布不会改变。这对于大角度变焦而言，意味着直线的杯面可以将原有均匀发散的光源出光继续均匀发散而不会改变其分布，从而可以更好的保证大角度扩散的均匀性。

附图说明

图1为本实用新型实施例1的不同出光机制的光线图；

图2为本实用新型实施例1的光源在第一焦点的光线图；

图3为本实用新型实施例1的光源在第二焦点的光线图；

图4为本实用新型实施例1的透镜截面结构图；

图5为本实用新型实施例1的小角度入光面截线曲线生成图；

图6为本实用新型实施例1的小角度出光面截线曲线生成图；

图7是本实用新型机制一的光线在第一焦点的光斑图；

图8是本实用新型机制一的光线在第一焦点时的光照强度和入射角度关系图；

图9是本实用新型机制一的光线在第一焦点和第二焦点中点的光斑图；

图10是本实用新型机制一的光线在第一焦点和第二焦点中点时的光照强度和入射角度关系图；

图11是本实用新型机制一的光线在第二焦点的光斑图；

图12是本实用新型机制一的光线在第二焦点的光照强度和入射角度的关系图；

图13是本实用新型经过实施例1的大角度入光面和大角度出光面的光线在第一焦点的光斑图；

图14是本实用新型经过实施例1的大角度入光面和大角度出光面的光线在第一焦点的光照强度和入射角度的关系图；

图15是本实用新型经过实施例1的大角度入光面和大角度出光面的光线在第一焦点和第二焦点中点的光斑图；

图16是本实用新型经过实施例1的大角度入光面和大角度出光面的光线在第一焦点和第二焦点的中点的光照强度和入射角度的关系图；

图17是本实用新型经过实施例1的大角度入光面和大角度出光面的光线在第二焦点的光斑图；

图18是本实用新型经过实施例1的大角度入光面和大角度出光面的光线在第二焦点的光照强度和入射角度的关系图；

图19是本实用新型经过实施例1的小角度入光面和小角度出光面的光线在第一焦点的光斑图；

图20是本实用新型经过实施例1的小角度入光面和小角度出光面的光线在第一焦点的光照强度和入射角度的关系图；

图21是本实用新型经过实施例1的小角度入光面和小角度出光面的光线在第一焦点和第二焦点中点的光斑图；

图22是本实用新型经过实施例1的小角度入光面和小角度出光面的光线在第一焦点和第二焦点的中点的光照强度和入射角度的关系图；

图23是本实用新型经过实施例1的小角度入光面和小角度出光面的光线在第二焦点的光斑图；

图24是本实用新型经过实施例1的小角度入光面和小角度出光面的光线在第二焦点的光照强度和入射角度的关系图；

图25为本实用新型实施例1的棱镜面的结构图；

图26为本实用新型实施例2的透镜截面结构图；

图27是本实用新型实施例3的透镜截面结构图；

图28是本实用新型实施例4的透镜截面结构图；

图29是本实用新型实施例5的透镜截面结构图。

附图中的标记所对应的技术特征为：1-透镜，11-第一入光面，12-第一出光面，13-大角度入光面，14-小角度入光面，15-大角度出光面，16-小角度出光面；17-杯面入光面，18-杯面反射面，19-安装槽，21-杯面入光面，22-杯面反射面，31-大角度入光面，32-大角度出光面，41-小角度入光面，42-小角度出光面，51-第一入光面，52-第一出光面。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步说明。

实施例1

如图1至图4所示，一种变焦透镜，该变焦透镜1为由第一入光面11、第二入光面和第一出光面12、第二出光面和杯体面组成的杯状结构；所述杯状结构的底部开设有用于安装光源的安装槽19；所述安装槽19的开口朝下且其顶部向上突出所述杯状结构的底面；所述安装槽的顶部内表面为第一入光面11，其顶部外表面为第一出光面12，其内侧面为第二入光面，外侧面为第二出光面；所述第二入光面包括靠上端的大角度入光面13和靠下端的小角度入光面14；第二出光面包括靠上端的大角度出光面15和靠下端的小角度出光面；所述杯体面由杯体入光面17和杯体反光面18组成，杯体反光面18为电镀的光滑曲面或非电镀的齿状反光面或棱镜面；在本实施例中所述杯体反光面18为棱镜面；所述杯体面被经过光轴的平面截取的曲线为两条相互平行的直线；

如图1至图4所示，从光源发出的光线分两种机制出射：机制一是经过第一入光面11折射后，经过第一出光面12折射出射；机制二是经过第二入光面折射后，再经过第二出光面折射，进入杯体入光面17，再经过杯体反光面18全反射后，从杯体入光面17出射。其中，机制二的光线又分为两套光路，一套光线经过大角度入光面13和大角度出光面15；另一套经过小角度入光面14和小角度出光面16；大角度入光面13在小角度入光面14的上面，大角度入光面13和小角度入光面14非平滑连接共同构成机制二的第二入光面；大角度出光面15在小角度出光面16的上面，大角度出光面15和小角度出光面16非平滑连接共同构成机制二的第二出光面。

如图7至图12所示，还包括位于所述安装槽内的光源第一焦点O1和光源第二焦点O2，所述光源第二焦点O2位于所述光源第一焦点O1的上方，本实用新型的光源在光源第一焦点O1和光源第二焦点O2之间移动，当光源从光源第一焦点O1到光源第二焦点O2移动时，光束角逐渐增大；其中，光源在光源第一焦点O1的时候，光斑角度最小；当光源在光源第二焦点O2的时候，光斑角度最大。所述光源第一焦点O1与小角度入光面14底端端点的连线同光轴夹角不小于60度；所述光源第二焦点O2与小角度入光面14顶端端点的连线同光轴夹角不小于75度。

其中：光源第一焦点O₁与所述小角度入光面最低点的纵向距离与小角度入光面最低点的横坐标的比值不低于0.2，不大于0.5，在本实施例中优选为0.346，；O₁O₂的长度与杯体顶部的口径比值不小于0.2，在本实施例中优选为0.27；

如图7和图8所示，在第一焦点的时候：机制一的光线在经过第一入光面11和第一出光面12的光线被准直出射。机制二的光线分两部分，靠上面的部分光线经过大角度入光面13后，从大角度出光面15出射，出射后的光线会直接出射不再进入杯体面，从而形成大角度逸散光，在实施例中，这部分光线对应的光源第一焦点O1连线与光轴夹角的覆盖范围为26度至31度，能量占比较小；靠下的部分光线经过靠下部的小角度入光面14后，从小角度出光面16出射，会进入杯面反光面的入光面，经过杯面反光面18反射后，准直出射。在本实用新型中，杯体面的截线为直线，因此从光源第一焦点O₁发出的经过小角度出光面16的光线为平行光线，与水平面夹角α由以下方程决定：

α＝2β-π/2，

其中β为杯面截线与水平面的夹角。由此可知，这部分光线也会被准直出射。在本实用新型中，这部分能量最大，典型值包括了从中心31度到65度左右的光线，光通量占比超过50％。

如图13至图18所示，随着光源从第一焦点O1逐渐向焦点O2移动，一方面，经过第一入光面11和第二入光面12的光线会均匀扩撒开；另一方面，经过更多光线经过大角度入光面13和大角度出光面15后，会逐渐散开得照射到杯体面上。由于本实用新型大角度入光面13和大角度出光面15基本为相同的截线，光线经过这两个曲面后不会改变原来光路，使得杯体面反射的光斑也是均匀散开的；或者大角度出光面15和大角度入光面13均为凸出的曲线，且大角度入光面13的凸出程度更大；最后，由于焦点变化后从小角度入光面14和小角度出光面15的光线的角度虽然也会改变但改变不大，会影响光斑扩散的速度，但这部分光线的能量在变焦过程中大幅减弱从而使得它所的不良影响不断减少，因此变焦过程中光斑整体均匀性和扩散速度很快，可以在到达第二焦点O2的时候达到60度的角度。在光源到达光源第二焦点O2的时候，大部分光线从第一入光面11和第一出光面12形成大角度出光，光源第二焦点O2与第一入光面11端点连线与光轴的夹角不小于50度，在本实施例中优选为60度；机制二的光线中，从大角度入光面13和大角度出光面15经过杯面均匀柔和出射的角度范围覆盖60-79度；仅有很少的能量(79度-90度)从小角度入光面和小角度出光面出射。

在设计中，为了降低机制一的光线角度，要求光源第一焦点O1的位置尽量远离第一入光面11，并减少光源第一焦点O1进入第一机制的光线的比例，需要适当设置光源第一焦点O1与第一入光面11连线与光轴的夹角，过小会造成大角度进入第一入光面11和第一出光面12的角度范围不够从而影响均匀扩散的光斑质量；过大则会降低从第一入光面11和第一出光面12的光线角度，更降低了进入第二种机制的光线的比例，从而降低最小角度对应中心光强。本实用新型将光源第一焦点O1与第一入光面11边缘端点连线同光轴的夹角不大于30度，在本实施例中优选为25度。

如图4所示，此外，机制二的光线中，大角度入光面13和大角度出光面15为平行或近似平行的曲线，一来可以保证光源第一焦点O1的光线经过这两个曲面的时候不会向杯面偏折，不会形成难看的杂光；二来可以在变焦过程中均匀散开到杯面反射，使得反射后的光斑均匀扩散。

在光源在光源第一焦点O1的位置，本实用新型通过漏掉部分角度的光线保证了足够的中心光强和较小的角度。本实用新型中，光源第一焦点O1与小角度入光面14底部的连线与水平面的夹角不大于30度，不小于20度，在本实施例中优选为25度。

本实用新型的变焦透镜的总口径为35mm，以小角度入光面14底部为Y＝0位置，光轴与Y＝0直线交点为原点计算，光源第一焦点O1位于Y＝-2～-3的范围；光源第二焦点O1位于Y＝6～7的范围。本实用新型的重要特征是，杯体入光面17和杯体反射面18的被经过光轴的平面截取的曲线为直线，本实施例中该直线与水平面的夹角β介于60至75度之间。

本实施例11和12对应机制一的光路，这部分机制的光线控制角度对应光源在第一焦点为半角范围大约在25～30度；对应第二焦点的半角范围为55～65度。曲面11为近似平面，12为凸起的非球面曲面。当光源从第一焦点向第二焦点移动的过程中，机制一的控制的光通量逐渐增多，从20％到75％左右，出射光斑角度均匀扩大，从3～5度扩大到60度。

如图13至图18所示，大角度入光面13和小角度入光面14为非平滑连接的两条不同的曲线；大角度出光面15和小角度出光面16为非平滑连接的两条不同的曲线。其中，所述大角度入光面13和大角度出光面15为近似平行的两条相同的曲线，本实施例中，该曲线近似直线略微弯曲的曲线，所述光源第一焦点O1对应这部分光线半角度大约为26度至35度，所述光源第二焦点O2对应这部分光线半角度为60-79度。光源在任何位置，光源发出的光线经过大角度入光面13和大角度出光面15后基本不改变入射到13前的光线方向，在光源第一焦O1的时候，透过大角度出光面13和大角度出光面15的光线掠过杯面形成背景光线，不会进入杯面形成突兀的杂光；当光源从第一焦点向第二焦点移动的时候，越来越多的光线进入大角度入光面13和大角度出光面15，这部分光路控制的光斑能量逐渐增加。同时，并且由于入射光线角度增加，这些通过大角度入光面13和15的光线偏折角度也更大，从而使得这部分光线越来越多进入到杯面。先进入杯面的是靠透镜上端的光线，出射角度较小；光源向上移动以后，入射到杯面的光线逐渐增大，造成了反射光线的角度也不断增加，从而使得对应这部分光路的光斑角度逐渐增大。在光源达到第二焦点O2的时候，所有经过大角度入光面13和大角度入出面15的光线都可以经杯面出射，出光角度增加到50-60度。

所述小角度入光面14和小角度出光面16，本实施例中，小角度入光面14为向内凹陷的曲面，曲面设计方法如下：

如图5所示,给定小角度出光面截线的曲线函数f(x,y)，根据杯体面截线与水平面夹角α和光源第一焦点O₁，按照以下步骤逐点生成小角度入光面截线曲线：

(a)大角度出光面截线的终点同时为小角度出光面起点P₀设定为初始点；

(b)计算通过P₀的函数

的法线方向，计算出经过P₀角度α的直线

经过曲面折射后的光线，给定光线长度l得到小角度入光面截线初始点Q₀；

(c)通过Q₀到光源第一焦点O₁的连线Q₀O₁和P₀Q₀，根据斯聂尔定律计算出小角度入光面第一点的切向矢量

(d)计算与直线

向下偏离dl的且与其平行的直线

与函数f(x,y)的交点P₁；

(e)计算通过P₁的函数

的法线方向，计算出经过P₁斜率α的直线

经过曲面折射后的光线

与经过Q₀方向为

的直线

相交于Q₁；

(f)通过Q₁到第一焦点O₁的连线Q₁O₁和P₁Q₁，根据斯聂尔定律计算出小角度入光面第二点的切向矢量

(g)根据dl的偏移量不断重复(d)到(f)的步骤，从而计算出小角度入光面截线上各点Q₂,Q₃,Q₄,...,Q_n，直到O₁Q_n与光轴的夹角小于设定值；

(h)将Q₀到Q_n平滑连接形成小角度入光面截线；

如图6所示,所述小角度出光面16为向外凸起的曲面，曲面设计方法如下：给定小角度入光面截线的曲线函数g(x,y)，根据杯面截线的斜率α和小角度焦点O₁，按照以下方法逐点生成小角度出光面截线曲线：

(a).大角度入光面截线的终点同时为小角度入光面起点Q₀设定为初始点；

(b).计算通过Q₀的函数

的法线方向

根据斯聂尔定律计算出直线O₁Q₀经过曲面

折射后的光线

给定光线长度l得到小角度出光面截线初始点P₀；

(c).通过直线P₀Q₀经过P₀出射到角度α的直线，根据斯聂尔定律计算出小角度出光面第一点的切向矢量

(d).计算从下焦点O₁与直线与

偏离微小角度dθ的直线与函数g(x,y)交点Q₁；

(e).计算通过Q₁的函数

的法线方向，根据斯聂尔定律计算出经过直线O₁Q₁曲面

折射后的光线

与经过P₀方向为

的直线

相交于P₁；

(f).通过直线P₁Q₁经过P₁出射到角度α的直线，根据斯聂尔定律计算出小角度出光面第一点的切向矢量

(g).根据dθ的偏移量不断重复(d)到(f)的步骤，从而计算出小角度入光面截线上各点P₂,P₃,P₄,...,P_n，直到O₁Q_n与光轴的夹角小于设定值；

(h).将P₀到P_n平滑连接形成小角度出光面截线。

如图19和图20所示，光源在光源第一焦点O1对应的这部分角度为26度到65度；在光源第二焦点O2对应这部分角度为79度到90度。在光源第一焦点O1的时候，所有经过小角度入光面14和从小角度出光面16出射的光线为水平面夹角α＝40～50度的平行光，所述光源第一焦点发出的光线经过小角度入光面和小角度出光面折射后的光线为平行光束，该光束与水平面的夹角α与所述杯体面截线与水平面夹角β的关系为：

β＝α/2+π/4。

如图19至图24所示，从光路可知，光源在光源第一焦点O1的时候，经过小角度入光面14和小角度出光面16的从杯面反射的光线与光轴平行。远离光源第一焦点O1，这部分光线能量逐渐降低，角度也逐渐增大，当光源在光源第二焦点O2的时候，大约只有5％的能量通过小角度入光面14和小角度出光面16进入杯面，基本可以忽略。通过分开两部分光路控制大角度和小角度光能量，可以在光源第一焦点O1的时候保证中心光强并去除杂乱光线，又可以保证光源第二焦点O2大角度的光斑质量和能量利用率。

杯体面是将经过杯面入光面17和杯面出光面18出射光线汇聚出射。本实施例的杯面分入光面17和反光面18，其中反光面18为棱镜面组成。

如图25所示，本实用新型的棱镜面截线为直线，所述棱镜面为V字形槽状结构，所述棱镜面的构成方式为：

(1)由一条从内向外延展的曲线作为母线U，选定母线的底部端点O和光轴I；

(2)在该母线所在平面内做母线底部端点O的法线方向矢量L和切线方向矢量N；

(3)将L绕N方向分别旋转角度γ和-γ，形成两条射线L1和L2；

(4)将母线U分别沿L1和L2延展，形成类似一个V字形状凹槽；

(5)将凹槽绕I旋转角度θ和-θ，生成交叉的3个V字形槽状结构；

(6)去掉中间V字形凹槽与其他两个V字形凹槽交叉的部分，保留剩下的部分即为所述外形轮廓；

(7)齿面，按照圆周分布的个数为m＝360/θ，且m为整数，所述旋转角度θ不大于6度。

从透镜的整体外形上，小角度入光面14的底部端点间距与杯体顶部的口径比值不小于0.2，与杯面底部边缘直径即透镜底部最大口径的比值不小于0.6；

本实用新型可以保证杯体面截线为直线的情况下，在第一焦点的情况下实现准直出射的光路。通常情况下，在杯面截线为曲线的情况下，杯面反光面做成齿状面必须沿着曲线轮廓线各点正交的平面方向延展，而相应的加工手段必须采用能够自动调节对准角度的五轴加工设备才能实现，不仅降低了加工精度，也极大地增加了加工难度和成本。由于我国大量采用的加工设备都是大多是三轴加工中心或车床，能够使用五轴加工技术实现完美齿面加工的供应商非常少，且成本极高。杯面截线为直线的情况下，杯面反光面设置成棱镜面所使用的加工设备采用三轴加工中心或车床即可，不需要使用五轴加工技术，且加工稳定性更高且加工成本大幅降低。

本实用新型使用直线作为杯面母线的另一个好处，是大角度入光面和大角度出光面对应的光路经过直线杯面后，光形分布不会改变。这对于大角度变焦而言，意味着直线的杯面可以将原有均匀发散的光源出光继续均匀发散而不会改变其分布，从而可以更好的保证大角度扩散的均匀性。

实施例2

本实用新型的实施方式之一，如图26所示，本实施例的主要技术方案与实施例1基本相同，在本实施例中未作解释的特征，采用实施例1中的解释，在此不再进行赘述。本实施例与实施例1的区别在于：本实施例中杯面的杯体入光面21为镀反射膜，杯体反射面22为承载面无光学作用，这种方案较实施例1省去了复杂的棱镜面加工，模具更简单成本更低。

实施例3

本实用新型的实施方式之一，如图27所示，本实施例的主要技术方案与实施例1或者实施例2基本相同，在本实施例中未作解释的特征，采用实施例1或者实施例2中的解释，在此不再进行赘述。本实施例与实施例1或者实施例2的区别在于：

本实施例中的大角度入光面31和大角度出光面32的被经过光轴的平面截取的曲线为同的两条内凹曲线，所述大角度出光面截取曲线的凹陷程度大于所述大角度入光面截取曲线的凹陷程度；所述大角度出光面截取曲线斜率的最大值和最小值的差值大于所述大角度入光面截线斜率的最大值和最小值的差值；这种改动不影响从大角度出光面15出光的角度，但是可以和内腔小角度入光面14连接的时候更加顺畅。

实施例4

本实用新型的实施方式之一，如图28所示，本实施例的主要技术方案与实施例1、实施例2或者实施例3基本相同，在本实施例中未作解释的特征，采用实施例1、实施例2或者实施例3中的解释，在此不再进行赘述。本实施例与实施例1、实施例2或者实施例3的区别在于：本实施例中的小角度入光面41的曲线为直线，小角度出光面42的曲线为一凸出的曲线。小角度入光面41和小角度出光面42的设计方法根据实施例1中给定小角度入光面截线的曲线函数g(x,y)计算。

实施例5

本实用新型的实施方式之一，如图29所示，本实施例的主要技术方案与实施例1、实施例2、实施例3或者实施例4基本相同，在本实施例中未作解释的特征，采用实施例1、实施例2、实施例3或者实施例4中的解释，在此不再进行赘述。本实施例与实施例1、实施例2、实施例3或者实施例4的区别在于：本实施例中的第一入光面51为向内凹陷的曲面，第一出光面52为向外凸出的曲面。相比实施例1的小角度会稍大，但大角度会更好。

根据上述说明书的揭示和教导，本实用新型所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本实用新型并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对实用新型的一些修改和变更也应当落入本实用新型的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本实用新型构成任何限制。

Claims (10)

1.一种变焦透镜，其特征在于，该变焦透镜为由第一入光面、第二入光面和第一出光面、第二出光面和杯体面组成的杯状结构；所述杯状结构的底部开设有用于安装光源的安装槽；所述安装槽的开口朝下且其顶部向上突出所述杯状结构的底面；所述安装槽的顶部内表面为第一入光面，其顶部外表面为第一出光面，其内侧面为第二入光面，外侧面为第二出光面；所述第二入光面包括靠上端的大角度入光面和靠下端的小角度入光面；第二出光面包括靠上端的大角度出光面和靠下端的小角度出光面；所述杯体面由杯体入光面和杯体反光面组成，所述杯体反光面为一棱镜面；所述杯体面被经过光轴的平面截取的曲线为两条相互平行的直线。

2.根据权利要求1所述的一种变焦透镜，其特征在于：所述大角度入光面和大角度出光面被经过光轴的平面截取的曲线为平行的两条直线或者相同的两条自由曲线。

3.根据权利要求2所述的一种变焦透镜，其特征在于：所述大角度入光面被经过光轴的平面截取的曲线为一直线，大角度出光面被经过光轴的平面截取的曲线为一内凹的曲线。

4.根据权利要求2所述的一种变焦透镜，其特征在于：所述大角度入光面和大角度出光面被经过光轴的平面截取的曲线为内凹曲线，所述大角度出光面截取曲线的凹陷程度大于所述大角度入光面截取曲线的凹陷程度；所述大角度出光面截取曲线斜率的最大值和最小值的差值大于所述大角度入光面截线斜率的最大值和最小值的差值。

5.根据权利要求2所述的一种变焦透镜，其特征在于：所述大角度入光面和大角度出光面被经过光轴的平面截取的曲线为外凸曲线，所述大角度出光面截取曲线的突出程度小于所述大角度入光面截取曲线的突出程度；所述大角度出光面截取曲线斜率的最大值和最小值的差值小于所述大角度入光面截取曲线斜率的最大值和最小值的差值。

6.如权利要求1所述的一种变焦透镜，特征在于，所述第一入光面为近似平面的球面，第一出光面为向外凸起的非球面曲面；

所述小角度入光面和小角度出光面为自由曲面，所述小角度出光面被经过光轴的平面截取的曲线为凸出的曲线，所述小角度入光面被经过光轴的平面截取的曲线为直线或向内凸出的曲线。

7.根据权利要求6所述的一种变焦透镜，其特征在于：所述小角度出光面被经过光轴的平面截取的曲线为向外凸出的曲线，所述小角度入光面最低点的横坐标与变焦透镜底部最大口径的比值不小于0.6。

8.根据权利要求6所述的一种变焦透镜，其特征在于：所述杯体面被经过光轴的平面截取的曲线为直线，该直线与水平面的夹角β不小于60度且不大于75度。

9.根据权利要求1所述的一种变焦透镜，其特征在于：还包括光源第一焦点和光源第二焦点，所述光源第二焦点位于所述安装槽内；所述光源第一焦点位于所述安装槽外且位于所述光源第二焦点的正下方；光源从光源第一焦点到光源第二焦点移动时，光束角逐渐增大。

10.根据权利要求9所述的一种变焦透镜，其特征在于：所述光源第一焦点与第一入光面边缘端点的连线同光轴的夹角不大于30度；所述光源第二焦点与第一入光面边缘端点连线同光轴的夹角不小于50度；

所述光源第一焦点与小角度入光面底端端点的连线同光轴夹角不小于60度；所述光源第二焦点与小角度入光面顶部端点的连线同光轴夹角不小于75度。

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