基于菲涅爾透鏡的配光設(shè)計(jì)

1、.1基于菲涅爾透鏡的配光設(shè)計(jì)容：一、概述二、設(shè)計(jì)方法三、設(shè)計(jì)步驟報(bào)告人：志強(qiáng)*：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(guó)物理學(xué)家?jiàn)W古斯汀菲涅爾AugustinFresnel)創(chuàng)造的，他在1822年最初使用這種透鏡設(shè)計(jì)用于建立一個(gè)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(yù)及擾射和根據(jù)相對(duì)靈敏度和接收角度要求來(lái)設(shè)計(jì)的，透鏡的要求很高，一片優(yōu)質(zhì)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(cè)距離遠(yuǎn)。根本原理假設(shè)一個(gè)透鏡的折射能量?jī)H僅發(fā)生在光學(xué)外表如：透鏡外表，拿掉盡可能多的光學(xué)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(gè)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(gè)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(diǎn)，也就是透鏡的焦點(diǎn)。每個(gè)凹槽都可以看做一個(gè)獨(dú)立的小透鏡，把光線調(diào)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(xué)特性使用普通的凸透鏡，會(huì)出現(xiàn)邊角變暗、模糊的現(xiàn)象，這是因?yàn)楣獾恼凵渲话l(fā)生在介質(zhì)的交界面，凸透鏡片較厚，光在玻璃中直線傳播的局部會(huì)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(shí)到達(dá)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(wú)數(shù)多個(gè)同心圓紋路即菲涅耳帶)的玻璃，卻能到達(dá)凸透鏡的效果，如果投射光源是平行光，會(huì)聚投射后能夠保持圖像各處亮度的一致。二、設(shè)計(jì)方法1、光源本設(shè)計(jì)光源采用給定的點(diǎn)源，在TP軟件中可以找到格點(diǎn)光源來(lái)仿真。2、目標(biāo)光斑不同接收面的目標(biāo)光斑有很大差異，具體如圖3-9圖3-12。3、環(huán)構(gòu)造設(shè)計(jì)設(shè)定環(huán)數(shù)為3個(gè)。目標(biāo)面此設(shè)計(jì)目標(biāo)接收面設(shè)置了4個(gè)，可參見(jiàn)圖3-6。三、設(shè)計(jì)步驟1、光源格點(diǎn)光源參數(shù)如圖3-1圖3-12、確定環(huán)帶數(shù)按照設(shè)計(jì)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(biāo)，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(dǎo)入SW建模，TP仿真a、母線繪制將上述三維坐標(biāo)點(diǎn)存為.t*t格式的文件可以直接導(dǎo)入SW畫(huà)出菲涅爾透鏡母線，如圖3-2圖3-2b、構(gòu)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(dǎo)入TP并設(shè)定好所有參數(shù)由圖3-4可以明顯觀察到焦點(diǎn)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(shè)置了4個(gè)不同的接收面，其中承受面1在第一個(gè)焦點(diǎn)之前，接收面2位于第二個(gè)交點(diǎn)處，接收面3位于第二和第三個(gè)焦點(diǎn)中間，接收面4位于第三個(gè)焦點(diǎn)之后。這樣設(shè)置接收面的優(yōu)點(diǎn)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(jié)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(jié)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(gè)環(huán)，到達(dá)設(shè)計(jì)目標(biāo)。圖3-9如圖3-10，當(dāng)接收面位于第一個(gè)焦點(diǎn)處，中心亮度明顯很高，但邊緣亮度低，這說(shuō)明在這個(gè)面上，中心處的能量相對(duì)較與非中心處較高。另一方面也說(shuō)明在此焦點(diǎn)上，光線能夠很好的會(huì)聚，這對(duì)于菲涅爾透鏡來(lái)說(shuō)即為目的，到達(dá)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(shí)環(huán)帶變寬，暗環(huán)消失，說(shuō)明在此位置出，亮環(huán)可以把周