(完整版)基于菲涅尔透镜的配光设计

基于菲涅尔透镜的配光设计
内容：一、概述
二、设计方法
三、设计步骤
报告人：陈志强
学号：************
专业：光信1501
1、菲涅尔透镜概述
菲涅尔透镜(Fresnel lens)又称螺纹透镜，是由法国物理学家奥古斯汀·菲涅尔（Augustin·Fresnel)发明的，他在1822年最初使用这种透镜设计用于建立一个玻璃菲涅尔透镜系统--灯塔透镜。

菲涅尔透镜多是由聚烯烃材料注压而成的薄片，也有玻璃制作的，镜片表面一面为光面，另一面刻录了由小到大的同心圆，它的纹理是利用光的干涉及扰射和根据相对灵敏度和接收角度要求来设计的，透镜的要求很高，一片优质的透镜必须是表面光洁，纹理清晰，其厚度随用途而变，多在1mm左右，特性为面积较大，厚度薄及侦测距离远。

2、基本原理
假设一个透镜的折射能量仅仅发生在光学表面（如：透镜表面），拿掉尽可能多的光学材料，而保留表面的弯曲度。

（如图1-1）
另外一种理解就是，透镜连续表面部分“坍陷”到一个平面上。

从剖面看，其表面由一系列锯齿型凹槽组成，中心部分是椭圆型弧线。

每个凹槽都与相邻凹槽之间角度不同，但都将光线集中一处，形成中心焦点，也就是透镜的焦点。

每个凹槽都可以看做一个独立的小透镜，把光线调整成平行光或聚光。

这种透镜还能够消除部分球差。

图1-1
3、光学特性
使用普通的凸透镜，会出现边角变暗、模糊的现象，这是因为光的折射只发生在介质的交界面，凸透镜片较厚，光在玻璃中直线传播的部分会使得光线衰减。

如果可以去掉直线传播的部分，只保留发生折射的曲面，便能省下大量材料同时达到相同的聚光效果。

菲涅耳透镜就是采用这种原理的。

菲涅尔透镜看上去像一片有无数多个同心圆纹路（即菲涅耳带)的玻璃，却能达到凸透镜的效果，如果投射光源是平行光，汇聚投射后能够保持图像各处亮度的一致。

二、设计方法
1、光源
本设计光源采用给定的点源，在TP软件中可以找到格点光源来仿真。

2、目标光斑
不同接收面的目标光斑有很大差异，具体如图3-9——图3-12。

3、环结构设计
设定环数为3个。

4、目标面
此设计目标接收面设置了4个，可参见图3-6。

三、设计步骤
1、光源格点光源参数如图3-1
图3-1
2、确定环带数
按照设计要求可知环带数为3
3、求多环带母线
由Matlab程序可求出环带母线坐标，如下表。

4、导入SW建模，TP仿真
a、母线绘制
将上述三维坐标点存为.txt格式的文件可以直接导入SW画出菲涅尔透镜母线，如图3-2
图3-2
b、构建三维模型
透镜三维模型如图3-3
图3-3
c、TP仿真
将三维模型导入TP并设定好所有参数
由图3-4可以明显观察到焦点分布，并列分布在同一条直线上，前后位置不一。

图3-5为完整的TP模型
图3-4
图3-5
如图3-6，设置了4个不同的接收面，其中接受面1在第一个焦点之前，接收面2位于第二个交点处，接收面3位于第二和第三个焦点中间，接收面4位于第三个焦点之后。

这样设置接收面的优点在于可以清楚的获得不同位置的光照分布，便于对比后分析结果。

图3-6
图3-7——3-8是光线相对比较多的TP仿真三维模型
图3-7
图3-8
5、结果分析
图3-9——3-12依次为接收面1——接收面4的照度、均匀度分布图.
如图3-9，为接收面1的照度、均匀度分布图，可以明天观察到3个环，达到设计目标。

图3-9
如图3-10，当接收面位于第一个焦点处，中心亮度明显很高，但边缘亮度低，这说明在这个面上，中心处的能量相对较与非中心处较高。

另一方面也说明在此焦点上，光线能够很好的会聚，这对于菲涅尔透镜来说即为目的，达到最好的聚焦效果以满足需求。

图3-10
图3-11
如图3-12，为接收面4接收到的光线照度、均匀度分布。

此时环带变宽，暗环消失，说明在此位置出，亮环可以把周围照亮。

图3-12
参考文献：
［1］祝华，贺叶美,李栋,等.基于菲涅尔透镜的室内LED射灯配光设计［Ｊ］．光学仪器，2011，33(2):38-42．
［2］张航，周海波，刘超，等.蜂窝式阵列菲涅尔透镜的配光设计［Ｊ］. 光学仪器,2016,38(1): 53-58。