第卷第期光學(xué)儀器年月文章編號(hào)蜂窩式陣列菲涅爾透鏡的配光設(shè)計(jì)張航周海波劉超徐軍陳鋼四川工業(yè)學(xué)院應(yīng)用化學(xué)系浙江摘要單元結(jié)構(gòu)陣列排布和偏轉(zhuǎn)控制是陣列菲涅爾透鏡的三個(gè)重要誘因單元結(jié)構(gòu)采用了棱鏡加菲涅爾透鏡結(jié)構(gòu)排布方法引入蜂窩式陣列構(gòu)成蜂窩式陣列菲涅爾透鏡該透鏡可以將準(zhǔn)直光源發(fā)出的光線投射到遠(yuǎn)半徑為的方形區(qū)域內(nèi)并產(chǎn)生特定圖形通過(guò)調(diào)整菲涅爾透鏡的各個(gè)獨(dú)立環(huán)帶的夾角以及每位菲涅爾透鏡的背側(cè)光面夾角的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)了一款蜂窩式陣列菲涅爾透鏡的光學(xué)設(shè)計(jì)通過(guò)光學(xué)仿真剖析結(jié)果表明該設(shè)計(jì)方式靈活可靠光線控制療效良好具有實(shí)現(xiàn)圖象骨料光的能力關(guān)鍵詞光學(xué)設(shè)計(jì)菲涅爾透鏡多焦點(diǎn)蜂窩式陣列中圖分類號(hào)文獻(xiàn)標(biāo)志碼引言在年的萊比錫車(chē)展上奔馳公司發(fā)布消息將生產(chǎn)以激光為大燈光源的新型車(chē)其采用的激光光源為激光晶閘管具有響應(yīng)速率快煤耗低壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)相對(duì)于燈而言激光燈源還具有較強(qiáng)的聚束性用激光車(chē)燈作車(chē)輛前照燈其亮度必須符合相關(guān)照明標(biāo)準(zhǔn)即在配光屏上近光應(yīng)形成明顯的疏密截至線為了達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)一般的方式是以非成像光學(xué)原理為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)在光源前加特制的配光透鏡收稿日期基金項(xiàng)目江西省公益性技術(shù)應(yīng)用研究計(jì)劃項(xiàng)目作者簡(jiǎn)介張航男副院長(zhǎng)主要從事非成像光學(xué)照明量子點(diǎn)應(yīng)用的研究光學(xué)儀器第卷目前以非成像光學(xué)理論為基礎(chǔ)而設(shè)計(jì)的配光透鏡主要有自由曲面透鏡自由曲面反射鏡和菲涅爾透鏡等自由曲面透鏡能控制光線的出射角重新分配光強(qiáng)因而提升光能的借助率設(shè)計(jì)方式主要有網(wǎng)格界定法偏微分多項(xiàng)式法和法等可適用于點(diǎn)源或大型擴(kuò)充光源這類透鏡多被拿來(lái)實(shí)現(xiàn)以為光源的均勻照明自由曲面反射器通常以邊光原理等理論結(jié)合反射定理按照光源的發(fā)光特點(diǎn)和接收面上的光強(qiáng)分布要求完善偏微分等式借助數(shù)值求解的方式求出反射面以達(dá)到均勻照明的要求菲涅爾透鏡的設(shè)計(jì)方式與自由曲面有所不同是由美國(guó)化學(xué)學(xué)家發(fā)明的普通透鏡對(duì)光線起偏折作用的主要是透鏡表面的曲率將透鏡中多余的平行層抽去便產(chǎn)生了菲涅爾透鏡它是凸透鏡的一種異化仍具有凝聚光線和成像的特點(diǎn)與傳統(tǒng)透鏡相比菲涅爾透鏡有用材少重量輕和容積小的特征且具有良好的聚光性能因所需功能不同菲涅爾透鏡被設(shè)計(jì)成不同類型有平板型弧型透射式和反射式等本文首次將多焦點(diǎn)的蜂窩式菲涅爾透鏡陣列應(yīng)用到平行光的配光設(shè)計(jì)英文中通過(guò)估算每位菲涅爾的環(huán)帶角度和傾斜角度來(lái)優(yōu)化出射光的分布并設(shè)計(jì)出符合要求的菲涅爾透鏡陣列進(jìn)一步通過(guò)光學(xué)仿真檢查菲涅爾透鏡的出光療效結(jié)果表明設(shè)計(jì)是符合預(yù)設(shè)目標(biāo)的具有良好的投光療效通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)方式和設(shè)計(jì)效率結(jié)合集成光學(xué)中的光刻工藝可實(shí)現(xiàn)圖象級(jí)的配光鏡頭設(shè)計(jì)菲涅爾透鏡單元的設(shè)計(jì)方式設(shè)計(jì)目標(biāo)將平行光照射到菲涅爾透鏡陣列上并在距離透鏡陣列遠(yuǎn)的接收面上產(chǎn)生特定的圖形總體的設(shè)計(jì)思路按照菲涅爾透鏡規(guī)格和焦點(diǎn)距離的設(shè)定確定菲涅爾透鏡環(huán)帶夾角及其數(shù)目將單元透鏡按蜂窩狀的排列方法進(jìn)行組合得到原始透鏡陣列依據(jù)偏角最小的原則將處于不同空間位置的單元菲涅爾透鏡產(chǎn)生的焦點(diǎn)與圖形上的點(diǎn)構(gòu)建對(duì)應(yīng)關(guān)系借此確定菲涅爾透鏡迎光面的傾斜角度一次獲得所需的透鏡陣列本文設(shè)計(jì)的菲涅爾透鏡為平凸型透鏡即迎光面為平面出光面是由一系列環(huán)帶狀球面和中心球冠面共同構(gòu)成按照焦點(diǎn)的設(shè)定各環(huán)帶都具有不同的夾角平行光經(jīng)過(guò)每位環(huán)帶表面的折射后集中到一處并在焦平面處產(chǎn)生焦點(diǎn)每位環(huán)帶面相當(dāng)于一個(gè)獨(dú)立的透鏡都起到一定的聚光作用因本文的配光設(shè)計(jì)并非嚴(yán)格的成像系統(tǒng)故沒(méi)有像差球差等要求因而為簡(jiǎn)化加工工藝節(jié)省加工成本在設(shè)計(jì)時(shí)菲涅爾透鏡的球面環(huán)帶都采用斜面或平面取代菲涅爾透鏡單元的設(shè)計(jì)過(guò)程確定焦距借助折射定理求出菲涅爾透鏡各個(gè)環(huán)帶的角度在物理軟件中得到透鏡的一條母線將得到的透鏡母線的座標(biāo)信息導(dǎo)出三維制圖軟件生成透鏡實(shí)體依據(jù)出光療效和設(shè)計(jì)要求來(lái)調(diào)整環(huán)帶的角度以優(yōu)化投光療效如圖所示菲涅爾透鏡兩側(cè)為光線入射方向光源為單一波長(zhǎng)的光線光線照射到菲涅爾透鏡的平面兩側(cè)因光線垂直射入透鏡故不發(fā)生偏折當(dāng)光線經(jīng)過(guò)傾斜的環(huán)帶面時(shí)按照折射定理光線發(fā)生偏轉(zhuǎn)每個(gè)環(huán)帶面都相當(dāng)于一個(gè)棱鏡光線在環(huán)帶面處發(fā)生偏折偏折后朝設(shè)定的焦點(diǎn)方向出射最終在接收面上匯聚到一處圖中是第個(gè)環(huán)帶中心離光軸的高度為該環(huán)帶的夾角為透鏡的焦距為折射光線與光軸的傾角按照折射定理和幾何知識(shí)可得圖菲涅爾透鏡光路圖將式式聯(lián)立借助三角幾何關(guān)系可得每位透鏡的環(huán)帶夾角為第期張航等蜂窩式陣列菲涅爾透鏡的配光設(shè)計(jì)在物理軟件中借助循環(huán)迭代的方式可以得到透鏡環(huán)帶各點(diǎn)的座標(biāo)值由式可知只要確定透鏡焦距第個(gè)環(huán)帶中心離光軸的高度和透鏡材料的折射率就可以估算出菲涅爾透鏡各環(huán)帶的夾角在設(shè)計(jì)上將菲涅爾中心的球冠面定為一圓平面直徑為環(huán)帶長(zhǎng)度的一半其余環(huán)帶的長(zhǎng)度相同由此可得第個(gè)環(huán)帶中心離光軸的高度和環(huán)帶長(zhǎng)度的數(shù)目關(guān)系為剖析可知當(dāng)環(huán)帶長(zhǎng)度確定對(duì)某個(gè)環(huán)帶而言即環(huán)帶中心到光軸的距離不變的情況下環(huán)帶夾角的值隨菲涅爾透鏡焦距的減小而降低圖分別是在和時(shí)環(huán)帶夾角和透鏡焦距的關(guān)系從圖中可以看出在時(shí)隨著的減小而降低而且減少的幅度較大在時(shí)隨著的減小而降低此時(shí)減少的幅度較小本文設(shè)計(jì)的菲涅爾透鏡焦距為透鏡半徑為基底的長(zhǎng)度為參照?qǐng)D可知菲涅爾透鏡環(huán)帶的偏折角度較小經(jīng)過(guò)軟件的迭代計(jì)算得到了菲涅爾透鏡環(huán)帶面的一條母線將其座標(biāo)數(shù)圖分別為和時(shí)與的關(guān)系據(jù)導(dǎo)出三維制圖軟件經(jīng)過(guò)繞軸旋轉(zhuǎn)等操作便得到了單個(gè)透鏡實(shí)體如圖所示圖菲涅爾透鏡的輪廓及透鏡實(shí)體透鏡的蜂窩式組合光線穿過(guò)透鏡在焦平面處會(huì)聚若要在焦平面處產(chǎn)生圖形就須要有多個(gè)焦點(diǎn)即須要有多個(gè)透鏡組合產(chǎn)生一個(gè)陣列從理論上而言透鏡的數(shù)目越多得到的焦點(diǎn)數(shù)也越多能夠產(chǎn)生精細(xì)復(fù)雜的圖形為了使整個(gè)透鏡陣列的排布緊致提升光線借助率設(shè)計(jì)時(shí)將透鏡按蜂窩狀的形式進(jìn)行排布構(gòu)建單元編號(hào)其中是層數(shù)是序數(shù)將坐落陣列中心的透鏡進(jìn)行編號(hào)編號(hào)為再將其周?chē)蝗M(jìn)行編號(hào)從正上方的透鏡單元按逆秒針的方向依次編號(hào)為用相同的方式對(duì)各個(gè)內(nèi)圈的透鏡進(jìn)行編號(hào)圖即為透鏡陣列的模型和實(shí)體圖透鏡生成偏轉(zhuǎn)透鏡陣列由多個(gè)相同的透鏡實(shí)體按蜂窩狀進(jìn)行排列若單個(gè)透鏡的直徑為為了使透鏡布滿平面又要使透光學(xué)儀器第卷鏡之間的重疊部份最少則相鄰的兩個(gè)菲涅爾透鏡之間的距離應(yīng)為按蜂窩式排列后產(chǎn)生原始的透鏡槡陣列此時(shí)透鏡陣列具有會(huì)聚光線的作用但還不足以產(chǎn)生特定的圖形每位菲涅爾透鏡陣列的焦點(diǎn)都在其透鏡的光軸上因而當(dāng)平行光照射到透鏡陣列后在接收面上的各個(gè)焦點(diǎn)排布也是呈蜂窩狀的如圖所示為了使透鏡陣列能將光線按特定方向進(jìn)行偏轉(zhuǎn)將焦點(diǎn)凝聚到特定的位置現(xiàn)對(duì)每位菲涅爾透鏡的平圖蜂窩式陣列透鏡和實(shí)體模型面兩側(cè)進(jìn)行切割產(chǎn)生斜面致使光線發(fā)生離軸偏轉(zhuǎn)對(duì)陣列中的某個(gè)透鏡作剖析設(shè)該透鏡的中心點(diǎn)圖初始陣列透鏡和偏轉(zhuǎn)陣列透鏡的仿真結(jié)果的座標(biāo)為它所對(duì)應(yīng)焦點(diǎn)的設(shè)定座標(biāo)為因?yàn)槿肷涔馐茄剌S正方向入射的經(jīng)過(guò)該透鏡中心的光線的偏折角度為槡由光線的偏轉(zhuǎn)角可以算出每表透鏡斜面的角度陣列個(gè)菲涅爾透鏡平面應(yīng)摘除的角度大小及方向可以用其表面的法向量來(lái)表示表中列舉的是對(duì)應(yīng)于各個(gè)焦點(diǎn)的菲涅爾透鏡的斜面角度法向量右側(cè)一欄為陣列中菲涅爾透鏡的編號(hào)表格左邊為對(duì)應(yīng)的偏轉(zhuǎn)向量座標(biāo)向量坐標(biāo)的項(xiàng)是斜面法向與軸負(fù)方向的傾角項(xiàng)是斜面法向方向在平面的投影與軸正方向的傾角規(guī)定順秒針為正逆秒針為負(fù)表中沒(méi)有列舉的單元菲涅爾透鏡被處理成失焦?fàn)顟B(tài)其光通量分散在目標(biāo)面上作為背景亮度確定了透鏡陣列中單個(gè)菲涅爾透鏡的位置排列和其斜面的傾斜情況就可以在三維制圖軟件中對(duì)透鏡陣列第期張航等蜂窩式陣列菲涅爾透鏡的配光設(shè)計(jì)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置和調(diào)整借此獲得透鏡陣列實(shí)體光學(xué)仿真與結(jié)果剖析光學(xué)仿真將透鏡實(shí)體導(dǎo)出光學(xué)仿真軟件設(shè)置其材料屬性為在透鏡后方距透鏡陣列處構(gòu)建直徑為的方形光源面設(shè)置其表面的光學(xué)屬性光線垂直于發(fā)光面波長(zhǎng)為光腰線數(shù)為條在透鏡陣列的前方距透鏡處放置一個(gè)半徑為的接收面設(shè)置好整個(gè)模型后對(duì)其進(jìn)行光線追跡結(jié)果剖析光線追跡結(jié)果和接收面中心的光強(qiáng)分布如圖所示實(shí)驗(yàn)表明平行光經(jīng)過(guò)該菲涅爾透鏡陣列后所產(chǎn)生的紋樣符合設(shè)計(jì)要求圖形清晰可辨整體光效達(dá)到投射療效剖析在接收面上的每位圖形點(diǎn)的光強(qiáng)硬度基本一致對(duì)其做進(jìn)一步的剖析可得圖形點(diǎn)光硬度基本一致每位圖形點(diǎn)在接收面處的規(guī)格在左右整個(gè)接收面的半徑為離透鏡陣列的距離為圖象清晰度的縱深剖析本文設(shè)計(jì)的透鏡陣列焦距為因?yàn)榻M成陣列的每位透鏡將平行光凝聚到不同的焦點(diǎn)上且每位透鏡對(duì)光線的偏折方向都各有差別當(dāng)接收面放置于設(shè)定的焦距處獲得的圖象符合設(shè)計(jì)要求若接收面放置的位置在設(shè)定焦距之前或以后產(chǎn)生的圖象將和預(yù)期的不同圖分別為接收面在和處呈現(xiàn)的圖象圖在和處的亮度圖機(jī)械公差剖析實(shí)際的機(jī)械加工會(huì)存在一定的公差這將影響透鏡投光療效因而須要對(duì)透鏡進(jìn)行必要的機(jī)械公差考察考察方式是對(duì)每位菲涅爾透鏡的傾斜面加上一定的模擬公差將由此得到的透鏡陣列進(jìn)行光線追跡并與原圖進(jìn)行比對(duì)精密機(jī)械的加工公差約為對(duì)組成陣列的每位單元透鏡斜面較厚兩側(cè)的如圖實(shí)線部份所示值加上該公差圖為加了公差后的投射療效圖最小值最大值平均值總光通量光通量發(fā)射通量條光線對(duì)比圖和圖加入公差后對(duì)紋樣產(chǎn)生的影響較小因而該菲涅爾透鏡陣列的設(shè)計(jì)是可行的光學(xué)儀器第卷圖加入公差后的療效圖結(jié)論文中提出了以單色平行光為光源的配光設(shè)計(jì)方式以蜂窩式菲涅爾透鏡陣列對(duì)光線進(jìn)行重新分配在具有聚光性能的透鏡上降低偏轉(zhuǎn)誘因使光線能在一定角度內(nèi)實(shí)現(xiàn)偏轉(zhuǎn)因而在接收面得到特定的圖象在光學(xué)軟件中對(duì)其進(jìn)行光學(xué)仿真得到了半徑為的投射紋樣光效較高焦點(diǎn)位置符合設(shè)計(jì)要求該方法能在以激光等聚束性較好的光源為前提的圖形配光設(shè)計(jì)中得到應(yīng)用后續(xù)將舉辦菲涅爾透鏡個(gè)數(shù)目級(jí)更高的陣列每位透鏡單元相當(dāng)于一個(gè)象素點(diǎn)在現(xiàn)有的集成光學(xué)制造工藝下精細(xì)的透鏡制做早已可以實(shí)現(xiàn)再將單個(gè)透鏡的環(huán)帶數(shù)目等誘因考慮進(jìn)去以期盼得到能實(shí)現(xiàn)圖形質(zhì)量好且光效高的配光透鏡參考文獻(xiàn)馮剛瓊王建萍奔馳首家采用激光大燈車(chē)輛科技張康蘇成悅王維江均勻照明圓形光斑的自由曲面透鏡設(shè)計(jì)照明工程學(xué)報(bào)賀志華董前民王少雷等用于公路均勻照明的自由曲面透鏡設(shè)計(jì)照明工程學(xué)報(bào)鄧燕羅元基于非成像光學(xué)的路燈透鏡設(shè)計(jì)方式數(shù)字通訊陳巧云朱向冰倪建等一種實(shí)現(xiàn)均勻照明的反射器設(shè)計(jì)照明工程學(xué)報(bào)祝華賀葉美李棟等基于菲涅爾透鏡的室內(nèi)射燈配光設(shè)計(jì)光學(xué)儀器吳賀利菲涅爾太陽(yáng)能聚光器研究上海蘇州理工學(xué)院編輯張磊
