基于菲涅爾透鏡的配光設計

1、.1基于菲涅爾透鏡的配光設計容：一、概述二、設計方法三、設計步驟報告人：志強*：3專業(yè)：光信15011、菲涅爾透鏡概述菲涅爾透鏡 (Fresnel lens)又稱螺紋透鏡，是由法國物理學家奧古斯汀菲涅爾AugustinFresnel)創(chuàng)造的，他在1822年最初使用這種透鏡設計用于建立一個玻璃菲涅爾透鏡系統(tǒng)-燈塔透鏡。菲涅爾透鏡多是由聚烯烴材料注壓而成的薄片，也有玻璃制作的，鏡片外表一面為光面，另一面刻錄了由小到大的同心圓，它的紋理是利用光的干預及擾射和根據(jù)相對靈敏度和接收角度要求來設計的，透鏡的要求很高，一片優(yōu)質的透鏡必須是外表光潔，紋理清晰，其厚度隨用途而變，多在1mm左右，特性為面積較大，

2、厚度薄及偵測距離遠。根本原理假設一個透鏡的折射能量僅僅發(fā)生在光學外表如：透鏡外表，拿掉盡可能多的光學材料，而保存外表的彎曲度。如圖1-1另外一種理解就是，透鏡連續(xù)外表局部“坍陷到一個平面上。從剖面看，其外表由一系列鋸齒型凹槽組成，中心局部是橢圓型弧線。每個凹槽都與相鄰凹槽之間角度不同，但都將光線集中一處，形成中心焦點，也就是透鏡的焦點。每個凹槽都可以看做一個獨立的小透鏡，把光線調整成平行光或聚光。這種透鏡還能夠消除局部球差。圖1-1光學特性使用普通的凸透鏡，會出現(xiàn)邊角變暗、模糊的現(xiàn)象，這是因為光的折射只發(fā)生在介質的交界面，凸透鏡片較厚，光在玻璃中直線傳播的局部會使得光線衰減。如果可以去掉直線傳

3、播的局部，只保存發(fā)生折射的曲面，便能省下大量材料同時到達一樣的聚光效果。菲涅耳透鏡就是采用這種原理的。菲涅爾透鏡看上去像一片有無數(shù)多個同心圓紋路即菲涅耳帶)的玻璃，卻能到達凸透鏡的效果，如果投射光源是平行光，會聚投射后能夠保持圖像各處亮度的一致。二、設計方法1、光源本設計光源采用給定的點源，在TP軟件中可以找到格點光源來仿真。2、目標光斑不同接收面的目標光斑有很大差異，具體如圖3-9圖3-12。3、環(huán)構造設計設定環(huán)數(shù)為3個。目標面此設計目標接收面設置了4個，可參見圖3-6。三、設計步驟1、光源格點光源參數(shù)如圖3-1圖3-12、確定環(huán)帶數(shù)按照設計要求可知環(huán)帶數(shù)為33、求多環(huán)帶母線由Matlab程

4、序可求出環(huán)帶母線坐標，如下表。*yz*yz29.088577231.048611014.51531432.5034579028.168293831.54828414013.49706332.7479182027.2394332.03182002012.47470132.9745703026.302268832.49907135011.4485433.1833453025.357095732.94989579010.41889133.3741795024.404198633.3841560309.386067933.5470147023.443867733.8017197808.35038613

5、3.7017984022.476395634.2024598507.312160633.8384834021.50207730.3005398806.271707833.957028020.521208630.6672715305.229344634.0573962019.534089331.0168288204.185388434.1395573018.541019731.3491052603.140157434.2034864017.542302331.6639996402.093969834.2491639016.538241331.9614160401.047144434.276576

6、015.529142732.241263860034.285714304、導入SW建模，TP仿真a、母線繪制將上述三維坐標點存為.t*t格式的文件可以直接導入SW畫出菲涅爾透鏡母線，如圖3-2圖3-2b、構建三維模型透鏡三維模型如圖3-3圖3-3c、TP仿真將三維模型導入TP并設定好所有參數(shù)由圖3-4可以明顯觀察到焦點分布，并列分布在同一條直線上，前后位置不一。圖3-5為完整的TP模型圖3-4圖3-5如圖3-6，設置了4個不同的接收面，其中承受面1在第一個焦點之前，接收面2位于第二個交點處，接收面3位于第二和第三個焦點中間，接收面4位于第三個焦點之后。這樣設置接收面的優(yōu)點在于可以清楚的獲得不同

7、位置的光照分布，便于比照后分析結果。圖3-6圖3-73-8是光線相比照擬多的TP仿真三維模型圖3-7圖3-8結果分析圖3-93-12依次為接收面1接收面4的照度、均勻度分布圖.如圖3-9，為接收面1的照度、均勻度分布圖，可以明天觀察到3個環(huán)，到達設計目標。圖3-9如圖3-10，當接收面位于第一個焦點處，中心亮度明顯很高，但邊緣亮度低，這說明在這個面上，中心處的能量相對較與非中心處較高。另一方面也說明在此焦點上，光線能夠很好的會聚，這對于菲涅爾透鏡來說即為目的，到達最好的聚焦效果以滿足需求。圖3-10圖3-11如圖3-12，為接收面4接收到的光線照度、均勻度分布。此時環(huán)帶變寬，暗環(huán)消失，說明在此位置出，亮環(huán)可以把周