柱面菲涅尔透镜出光特性研究
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关键 词 ： 菲 涅 尔透镜 ； 光照度 ； 光 学特性
中 图分 类 号 ： Ｖ ４ ４ ２
文 献标 识 码 ： Ａ
文章编号： １ ０ ０ ６ — ８ ９ ３ ７（ ２ ０ １ ３ ） １ ５ — ０ ０ ２ ８ — ０ ２
菲涅尔透镜是在透镜的一侧有等距 的齿纹。 通过这些 柱面菲涅尔透镜是在传统菲涅尔透镜上做 了一些改 将 圆形条纹调整为横向排列， 不再是 同心圆排列 。 可使 齿纹 ， 可以达到对指定光谱范围的光带通 （ 反射或者折射 ） 进： 的作用。 菲涅尔透镜是透镜的一个分支 ， 由于它同其他的 平行光汇聚行一条亮线 。 本次研究我们使用 的￣ ＿ ｆ ＝ １ ６ ０ ｍ ｍ 透镜相 比， 具有体积小 ， 重量轻 ， 结构 紧凑 的优点 ， 同时它 的柱面菲涅尔透镜。 如 图３ 所示 ， 将柱面菲涅尔透镜固定距
陈 红。 孙 可， 周 泽 军
（ 南京信息职业技术学院微 电子学院 ， 江苏 南京 ２ １ ０ ０ ２ ３ ）
摘 要： 利用柱 面菲 涅 尔透 镜 ， 采 用 线性 光源研 究 柱面 菲涅 尔透镜在 制作 灯具 中的 出光特性 。 在研 究过 程 中为 了使光 源能 够 充分 的利 用光源 ， 降低能耗 ， 减 少成 本 ， 用更 少的 光源打 到所 需的 效果 ， 这 时可利 用柱 面菲 涅 尔透 镜 的光 学特性 ， 实现 将线 光
作者 简介 ： 陈红（ １ ９ ８ １ 一） ， 女， 山 东郓城人 ， 硕 士研 究 生 ， 讲师 ， 主要研 较宽 ， 两侧较窄的现象 ， 中间较宽的区域为光线较多， 照度
究方 向光 电子技 术 ， 电子 通信 。
较强 ， 能够看 出， 柱面菲涅尔透镜对光线 出射方 向作 了一
第３ ２卷第 １ ５期
具 有 良好 聚光性 和 成像 性 能 。 假设 一 个 透镜 的 折射 能量 仅 离光屏一倍焦距 的位置 ， 使用 日光灯所发出的光线 ， 可在 仅发生在光学表面（ 如： 透镜表面 ） ， 拿掉尽可能多的光学 光屏上看到一条十分 明显的亮线； 本次所应用的原理是基
材料 ， 而保 留表面的弯 曲度 。
置光学材质 ； 定义光源参数 ； 进行光 线追踪 ； 分析模拟结
果。
； ． —
／
图２ 圆形菲涅 尔透镜
由于在Ｔ ｒ ａ ｃ ｅ Ｐ ｒ ｏ 软件 中并没有柱状菲涅尔透镜 ， 而柱 状凸透镜的出光效果与柱状菲涅尔透镜类似 ， 因此在透镜 仿真上 ， 使用了柱状凸透镜来代替柱状菲涅尔透镜得到仿 真光谱图， 如图４ 所示。 图４ 可以看出 ， 经过仿真后 的出光 图形 ， 呈现中间区域
源所发 出的光 线进行 偏折 形成 平行光 。 光 源采 用 了 Ｌ Ｅ Ｄ灯条 ， Ｃ Ｃ Ｆ Ｌ 等光 源进行 了测 试 比较 ， 测试 内容 包括 无透镜 情 况下光 源 在 距 离测量屏 一 定距 离时 ， 测量 屏上 光强 的分布 、 有透镜 情况 下光源在 距 离测量屏 一定距 离时， 测量屏 上光 强的分 布。
图４光谱分析图
定 的改变 ， 将 原始 的经过仿真后 ， 对实际的面光 源的出光 特性进行测量分析和比较。
嚣通透 镜
菇澄
图 １传 统 透 镜 到 菲 涅 尔 透镜 结构 的 变化
于光路可逆性 ， 对柱面菲涅尔透镜聚光作用的逆运用 。
wk.baidu.com
如图１ 所示 ， 从剖面看 ， 表面 由锯齿型凹槽组成 ， 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。 柱面菲涅尔透镜是一种新型菲涅尔透镜 ， 其特性不同
图３ 柱 面 菲 涅 尔 透镜
于以往的圆形菲涅尔透镜 ， 其可将平行光进行汇聚在焦距 位置形成一条亮线。 本次研究是基于柱面菲涅尔透镜进行
因此使用何种原始光源在本次研究过程 中起着至关 重要 的作用 ， 其决定 了最终 的出光效果 ， 通过分析菲涅尔 的， 由于光路的可逆 ， 分析其将线性光源变为平行光的功 透镜 的光学特性 ， 需要一种 出光宽度较窄、 亮度较大的光 能 特性 。 源。 在此选用４ ＷＴ ５ 型Ｌ Ｅ Ｄ 灯管为发光光源。 １ 出光模 型搭 建 利用加工好 的灯具外壳 ， 分别对Ｌ Ｅ Ｄ 光源柱面菲涅尔 如图２ 所示为圆形菲涅尔透镜 ， 光线从一侧进入 ， 经过
透镜 的出光 效果 进行 测量 。
菲涅尔透镜在另一侧出来聚焦成一点或 以平行光射出。 焦 ２ 出光特 性测 量 点在光线 的另一侧 ， 并且是有限共轭 。 这类透镜通常设计 在实际测量之前 ， 利用Ｔ ｒ ａ ｃ ｅ Ｐ ｒ ｏ 软件对当前 的灯具模 为准直镜 （ 如投影用菲涅尔透镜 ， 放大镜 ） 以及聚光镜（ 如 型进行仿真模拟 ， Ｔ ｒ ａ ｃ ｅ Ｐ ｒ ｏ 是一套普遍用于照明系统 、 光学 太阳能用聚光聚热用菲涅尔透镜 ） 。 分析 、 辐射度分析及光度分析的光线模拟软件。 利用该软 件的仿真方法为： 根据之前确定的尺寸 ， 建立几何模 型； 设
陈红 ， 等： 柱 面菲涅尔透镜 出光 特性 研究
表１照度分布 图 （ 距离光屏 １ Ｍ）
ｘ协删 ・ ｅ 把ｒ ｓ ）
ｌ 附棚 ｒ ａ ＇ ｌ ￣ ｌ ｃ ｅ Ｏ Ｍ ａ ｘ ０’ ２ Ｂ ７ 鲁Ｉ ＾ ： ａｏ ０ ２ 勰 ∞ “ Ｒ Ｍ ￥ ￣ Ｏ０ ０ ９ ４ ０ ８ ４ ． Ｔ ｏ ｔ ａ ｌ Ｆ Ｉ Ｕ Ｋ ： Ｏ Ｏ ． ４ ＂ ￣ ８ ５ ｇ栅 ８ ３ ４ ５ 删 ｌ Ｉ Ｒ ａ ｙ ｓ
第 ３ ２卷第 １ ５期
Ｖｏ １ ． ３ ２ Ｎ ｏ ． １ ５
企 业 技 术 开 发
Ｔ ＥＣ ＨＮＯＬ ＯＧＩ Ｃ ＡＬ ＤＥ ＶＥＬ Ｏ Ｐ ＭＥ ＮＴ ＯＦ Ｅ ＮＴ Ｅ ＲＰ ＲＩ Ｓ Ｅ
２ ０ １ ３年 ５月
Ｍａ ｖ ． ２ ０ １ ３
柱面菲涅 尔透镜 出光特性研 究
中 图分 类 号 ： Ｖ ４ ４ ２
文 献标 识 码 ： Ａ
文章编号： １ ０ ０ ６ — ８ ９ ３ ７（ ２ ０ １ ３ ） １ ５ — ０ ０ ２ ８ — ０ ２
菲涅尔透镜是在透镜的一侧有等距 的齿纹。 通过这些 柱面菲涅尔透镜是在传统菲涅尔透镜上做 了一些改 将 圆形条纹调整为横向排列， 不再是 同心圆排列 。 可使 齿纹 ， 可以达到对指定光谱范围的光带通 （ 反射或者折射 ） 进： 的作用。 菲涅尔透镜是透镜的一个分支 ， 由于它同其他的 平行光汇聚行一条亮线 。 本次研究我们使用 的￣ ＿ ｆ ＝ １ ６ ０ ｍ ｍ 透镜相 比， 具有体积小 ， 重量轻 ， 结构 紧凑 的优点 ， 同时它 的柱面菲涅尔透镜。 如 图３ 所示 ， 将柱面菲涅尔透镜固定距
陈 红。 孙 可， 周 泽 军
（ 南京信息职业技术学院微 电子学院 ， 江苏 南京 ２ １ ０ ０ ２ ３ ）
摘 要： 利用柱 面菲 涅 尔透 镜 ， 采 用 线性 光源研 究 柱面 菲涅 尔透镜在 制作 灯具 中的 出光特性 。 在研 究过 程 中为 了使光 源能 够 充分 的利 用光源 ， 降低能耗 ， 减 少成 本 ， 用更 少的 光源打 到所 需的 效果 ， 这 时可利 用柱 面菲 涅 尔透 镜 的光 学特性 ， 实现 将线 光
作者 简介 ： 陈红（ １ ９ ８ １ 一） ， 女， 山 东郓城人 ， 硕 士研 究 生 ， 讲师 ， 主要研 较宽 ， 两侧较窄的现象 ， 中间较宽的区域为光线较多， 照度
究方 向光 电子技 术 ， 电子 通信 。
较强 ， 能够看 出， 柱面菲涅尔透镜对光线 出射方 向作 了一
第３ ２卷第 １ ５期
具 有 良好 聚光性 和 成像 性 能 。 假设 一 个 透镜 的 折射 能量 仅 离光屏一倍焦距 的位置 ， 使用 日光灯所发出的光线 ， 可在 仅发生在光学表面（ 如： 透镜表面 ） ， 拿掉尽可能多的光学 光屏上看到一条十分 明显的亮线； 本次所应用的原理是基
材料 ， 而保 留表面的弯 曲度 。
置光学材质 ； 定义光源参数 ； 进行光 线追踪 ； 分析模拟结
果。
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图２ 圆形菲涅 尔透镜
由于在Ｔ ｒ ａ ｃ ｅ Ｐ ｒ ｏ 软件 中并没有柱状菲涅尔透镜 ， 而柱 状凸透镜的出光效果与柱状菲涅尔透镜类似 ， 因此在透镜 仿真上 ， 使用了柱状凸透镜来代替柱状菲涅尔透镜得到仿 真光谱图， 如图４ 所示。 图４ 可以看出 ， 经过仿真后 的出光 图形 ， 呈现中间区域
源所发 出的光 线进行 偏折 形成 平行光 。 光 源采 用 了 Ｌ Ｅ Ｄ灯条 ， Ｃ Ｃ Ｆ Ｌ 等光 源进行 了测 试 比较 ， 测试 内容 包括 无透镜 情 况下光 源 在 距 离测量屏 一 定距 离时 ， 测量 屏上 光强 的分布 、 有透镜 情况 下光源在 距 离测量屏 一定距 离时， 测量屏 上光 强的分 布。
图４光谱分析图
定 的改变 ， 将 原始 的经过仿真后 ， 对实际的面光 源的出光 特性进行测量分析和比较。
嚣通透 镜
菇澄
图 １传 统 透 镜 到 菲 涅 尔 透镜 结构 的 变化
于光路可逆性 ， 对柱面菲涅尔透镜聚光作用的逆运用 。
wk.baidu.com
如图１ 所示 ， 从剖面看 ， 表面 由锯齿型凹槽组成 ， 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。 柱面菲涅尔透镜是一种新型菲涅尔透镜 ， 其特性不同
图３ 柱 面 菲 涅 尔 透镜
于以往的圆形菲涅尔透镜 ， 其可将平行光进行汇聚在焦距 位置形成一条亮线。 本次研究是基于柱面菲涅尔透镜进行
因此使用何种原始光源在本次研究过程 中起着至关 重要 的作用 ， 其决定 了最终 的出光效果 ， 通过分析菲涅尔 的， 由于光路的可逆 ， 分析其将线性光源变为平行光的功 透镜 的光学特性 ， 需要一种 出光宽度较窄、 亮度较大的光 能 特性 。 源。 在此选用４ ＷＴ ５ 型Ｌ Ｅ Ｄ 灯管为发光光源。 １ 出光模 型搭 建 利用加工好 的灯具外壳 ， 分别对Ｌ Ｅ Ｄ 光源柱面菲涅尔 如图２ 所示为圆形菲涅尔透镜 ， 光线从一侧进入 ， 经过
透镜 的出光 效果 进行 测量 。
菲涅尔透镜在另一侧出来聚焦成一点或 以平行光射出。 焦 ２ 出光特 性测 量 点在光线 的另一侧 ， 并且是有限共轭 。 这类透镜通常设计 在实际测量之前 ， 利用Ｔ ｒ ａ ｃ ｅ Ｐ ｒ ｏ 软件对当前 的灯具模 为准直镜 （ 如投影用菲涅尔透镜 ， 放大镜 ） 以及聚光镜（ 如 型进行仿真模拟 ， Ｔ ｒ ａ ｃ ｅ Ｐ ｒ ｏ 是一套普遍用于照明系统 、 光学 太阳能用聚光聚热用菲涅尔透镜 ） 。 分析 、 辐射度分析及光度分析的光线模拟软件。 利用该软 件的仿真方法为： 根据之前确定的尺寸 ， 建立几何模 型； 设
陈红 ， 等： 柱 面菲涅尔透镜 出光 特性 研究
表１照度分布 图 （ 距离光屏 １ Ｍ）
ｘ协删 ・ ｅ 把ｒ ｓ ）
ｌ 附棚 ｒ ａ ＇ ｌ ￣ ｌ ｃ ｅ Ｏ Ｍ ａ ｘ ０’ ２ Ｂ ７ 鲁Ｉ ＾ ： ａｏ ０ ２ 勰 ∞ “ Ｒ Ｍ ￥ ￣ Ｏ０ ０ ９ ４ ０ ８ ４ ． Ｔ ｏ ｔ ａ ｌ Ｆ Ｉ Ｕ Ｋ ： Ｏ Ｏ ． ４ ＂ ￣ ８ ５ ｇ栅 ８ ３ ４ ５ 删 ｌ Ｉ Ｒ ａ ｙ ｓ
第 ３ ２卷第 １ ５期
Ｖｏ １ ． ３ ２ Ｎ ｏ ． １ ５
企 业 技 术 开 发
Ｔ ＥＣ ＨＮＯＬ ＯＧＩ Ｃ ＡＬ ＤＥ ＶＥＬ Ｏ Ｐ ＭＥ ＮＴ ＯＦ Ｅ ＮＴ Ｅ ＲＰ ＲＩ Ｓ Ｅ
２ ０ １ ３年 ５月
Ｍａ ｖ ． ２ ０ １ ３
柱面菲涅 尔透镜 出光特性研 究