第卷第期光学仪器年月文章编号蜂窝式阵列菲涅尔透镜的配光设计张航周海波刘超徐军陈钢四川工业学院应用化学系浙江摘要单元结构阵列排布和偏转控制是阵列菲涅尔透镜的三个重要诱因单元结构采用了棱镜加菲涅尔透镜结构排布方法引入蜂窝式阵列构成蜂窝式阵列菲涅尔透镜该透镜可以将准直光源发出的光线投射到远半径为的方形区域内并产生特定图形通过调整菲涅尔透镜的各个独立环带的夹角以及每位菲涅尔透镜的背侧光面夹角的优化实现了一款蜂窝式阵列菲涅尔透镜的光学设计通过光学仿真剖析结果表明该设计方式灵活可靠光线控制疗效良好具有实现图象骨料光的能力关键词光学设计菲涅尔透镜多焦点蜂窝式阵列中图分类号文献标志码引言在年的莱比锡车展上奔驰公司发布消息将生产以激光为大灯光源的新型车其采用的激光光源为激光晶闸管具有响应速率快煤耗低寿命长等优点相对于灯而言激光灯源还具有较强的聚束性用激光车灯作车辆前照灯其亮度必须符合相关照明标准即在配光屏上近光应形成明显的疏密截至线为了达到标准一般的方式是以非成像光学原理为设计基础在光源前加特制的配光透镜收稿日期基金项目江西省公益性技术应用研究计划项目作者简介张航男副院长主要从事非成像光学照明量子点应用的研究光学仪器第卷目前以非成像光学理论为基础而设计的配光透镜主要有自由曲面透镜自由曲面反射镜和菲涅尔透镜等自由曲面透镜能控制光线的出射角重新分配光强因而提升光能的借助率设计方式主要有网格界定法偏微分多项式法和法等可适用于点源或大型扩充光源这类透镜多被拿来实现以为光源的均匀照明自由曲面反射器通常以边光原理等理论结合反射定理按照光源的发光特点和接收面上的光强分布要求完善偏微分等式借助数值求解的方式求出反射面以达到均匀照明的要求菲涅尔透镜的设计方式与自由曲面有所不同是由美国化学学家发明的普通透镜对光线起偏折作用的主要是透镜表面的曲率将透镜中多余的平行层抽去便产生了菲涅尔透镜它是凸透镜的一种异化仍具有凝聚光线和成像的特点与传统透镜相比菲涅尔透镜有用材少重量轻和容积小的特征且具有良好的聚光性能因所需功能不同菲涅尔透镜被设计成不同类型有平板型弧型透射式和反射式等本文首次将多焦点的蜂窝式菲涅尔透镜阵列应用到平行光的配光设计英文中通过估算每位菲涅尔的环带角度和倾斜角度来优化出射光的分布并设计出符合要求的菲涅尔透镜阵列进一步通过光学仿真检查菲涅尔透镜的出光疗效结果表明设计是符合预设目标的具有良好的投光疗效通过优化设计方式和设计效率结合集成光学中的光刻工艺可实现图象级的配光镜头设计菲涅尔透镜单元的设计方式设计目标将平行光照射到菲涅尔透镜阵列上并在距离透镜阵列远的接收面上产生特定的图形总体的设计思路按照菲涅尔透镜规格和焦点距离的设定确定菲涅尔透镜环带夹角及其数目将单元透镜按蜂窝状的排列方法进行组合得到原始透镜阵列依据偏角最小的原则将处于不同空间位置的单元菲涅尔透镜产生的焦点与图形上的点构建对应关系借此确定菲涅尔透镜迎光面的倾斜角度一次获得所需的透镜阵列本文设计的菲涅尔透镜为平凸型透镜即迎光面为平面出光面是由一系列环带状球面和中心球冠面共同构成按照焦点的设定各环带都具有不同的夹角平行光经过每位环带表面的折射后集中到一处并在焦平面处产生焦点每位环带面相当于一个独立的透镜都起到一定的聚光作用因本文的配光设计并非严格的成像系统故没有像差球差等要求因而为简化加工工艺节省加工成本在设计时菲涅尔透镜的球面环带都采用斜面或平面取代菲涅尔透镜单元的设计过程确定焦距借助折射定理求出菲涅尔透镜各个环带的角度在物理软件中得到透镜的一条母线将得到的透镜母线的座标信息导出三维制图软件生成透镜实体依据出光疗效和设计要求来调整环带的角度以优化投光疗效如图所示菲涅尔透镜两侧为光线入射方向光源为单一波长的光线光线照射到菲涅尔透镜的平面两侧因光线垂直射入透镜故不发生偏折当光线经过倾斜的环带面时按照折射定理光线发生偏转每个环带面都相当于一个棱镜光线在环带面处发生偏折偏折后朝设定的焦点方向出射最终在接收面上汇聚到一处图中是第个环带中心离光轴的高度为该环带的夹角为透镜的焦距为折射光线与光轴的倾角按照折射定理和几何知识可得图菲涅尔透镜光路图将式式联立借助三角几何关系可得每位透镜的环带夹角为第期张航等蜂窝式阵列菲涅尔透镜的配光设计在物理软件中借助循环迭代的方式可以得到透镜环带各点的座标值由式可知只要确定透镜焦距第个环带中心离光轴的高度和透镜材料的折射率就可以估算出菲涅尔透镜各环带的夹角在设计上将菲涅尔中心的球冠面定为一圆平面直径为环带长度的一半其余环带的长度相同由此可得第个环带中心离光轴的高度和环带长度的数目关系为剖析可知当环带长度确定对某个环带而言即环带中心到光轴的距离不变的情况下环带夹角的值随菲涅尔透镜焦距的减小而降低图分别是在和时环带夹角和透镜焦距的关系从图中可以看出在时随着的减小而降低而且减少的幅度较大在时随着的减小而降低此时减少的幅度较小本文设计的菲涅尔透镜焦距为透镜半径为基底的长度为参照图可知菲涅尔透镜环带的偏折角度较小经过软件的迭代计算得到了菲涅尔透镜环带面的一条母线将其座标数图分别为和时与的关系据导出三维制图软件经过绕轴旋转等操作便得到了单个透镜实体如图所示图菲涅尔透镜的轮廓及透镜实体透镜的蜂窝式组合光线穿过透镜在焦平面处会聚若要在焦平面处产生图形就须要有多个焦点即须要有多个透镜组合产生一个阵列从理论上而言透镜的数目越多得到的焦点数也越多能够产生精细复杂的图形为了使整个透镜阵列的排布紧致提升光线借助率设计时将透镜按蜂窝状的形式进行排布构建单元编号其中是层数是序数将坐落阵列中心的透镜进行编号编号为再将其周围一圈进行编号从正上方的透镜单元按逆秒针的方向依次编号为用相同的方式对各个内圈的透镜进行编号图即为透镜阵列的模型和实体图透镜生成偏转透镜阵列由多个相同的透镜实体按蜂窝状进行排列若单个透镜的直径为为了使透镜布满平面又要使透光学仪器第卷镜之间的重叠部份最少则相邻的两个菲涅尔透镜之间的距离应为按蜂窝式排列后产生原始的透镜槡阵列此时透镜阵列具有会聚光线的作用但还不足以产生特定的图形每位菲涅尔透镜阵列的焦点都在其透镜的光轴上因而当平行光照射到透镜阵列后在接收面上的各个焦点排布也是呈蜂窝状的如图所示为了使透镜阵列能将光线按特定方向进行偏转将焦点凝聚到特定的位置现对每位菲涅尔透镜的平图蜂窝式阵列透镜和实体模型面两侧进行切割产生斜面致使光线发生离轴偏转对阵列中的某个透镜作剖析设该透镜的中心点图初始阵列透镜和偏转阵列透镜的仿真结果的座标为它所对应焦点的设定座标为因为入射光是沿轴正方向入射的经过该透镜中心的光线的偏折角度为槡由光线的偏转角可以算出每表透镜斜面的角度阵列个菲涅尔透镜平面应摘除的角度大小及方向可以用其表面的法向量来表示表中列举的是对应于各个焦点的菲涅尔透镜的斜面角度法向量右侧一栏为阵列中菲涅尔透镜的编号表格左边为对应的偏转向量座标向量坐标的项是斜面法向与轴负方向的倾角项是斜面法向方向在平面的投影与轴正方向的倾角规定顺秒针为正逆秒针为负表中没有列举的单元菲涅尔透镜被处理成失焦状态其光通量分散在目标面上作为背景亮度确定了透镜阵列中单个菲涅尔透镜的位置排列和其斜面的倾斜情况就可以在三维制图软件中对透镜阵列第期张航等蜂窝式阵列菲涅尔透镜的配光设计的参数进行设置和调整借此获得透镜阵列实体光学仿真与结果剖析光学仿真将透镜实体导出光学仿真软件设置其材料属性为在透镜后方距透镜阵列处构建直径为的方形光源面设置其表面的光学属性光线垂直于发光面波长为光腰线数为条在透镜阵列的前方距透镜处放置一个半径为的接收面设置好整个模型后对其进行光线追迹结果剖析光线追迹结果和接收面中心的光强分布如图所示实验表明平行光经过该菲涅尔透镜阵列后所产生的纹样符合设计要求图形清晰可辨整体光效达到投射疗效剖析在接收面上的每位图形点的光强硬度基本一致对其做进一步的剖析可得图形点光硬度基本一致每位图形点在接收面处的规格在左右整个接收面的半径为离透镜阵列的距离为图象清晰度的纵深剖析本文设计的透镜阵列焦距为因为组成阵列的每位透镜将平行光凝聚到不同的焦点上且每位透镜对光线的偏折方向都各有差别当接收面放置于设定的焦距处获得的图象符合设计要求若接收面放置的位置在设定焦距之前或以后产生的图象将和预期的不同图分别为接收面在和处呈现的图象图在和处的亮度图机械公差剖析实际的机械加工会存在一定的公差这将影响透镜投光疗效因而须要对透镜进行必要的机械公差考察考察方式是对每位菲涅尔透镜的倾斜面加上一定的模拟公差将由此得到的透镜阵列进行光线追迹并与原图进行比对精密机械的加工公差约为对组成阵列的每位单元透镜斜面较厚两侧的如图实线部份所示值加上该公差图为加了公差后的投射疗效图最小值最大值平均值总光通量光通量发射通量条光线对比图和图加入公差后对纹样产生的影响较小因而该菲涅尔透镜阵列的设计是可行的光学仪器第卷图加入公差后的疗效图结论文中提出了以单色平行光为光源的配光设计方式以蜂窝式菲涅尔透镜阵列对光线进行重新分配在具有聚光性能的透镜上降低偏转诱因使光线能在一定角度内实现偏转因而在接收面得到特定的图象在光学软件中对其进行光学仿真得到了半径为的投射纹样光效较高焦点位置符合设计要求该方法能在以激光等聚束性较好的光源为前提的图形配光设计中得到应用后续将举办菲涅尔透镜个数目级更高的阵列每位透镜单元相当于一个象素点在现有的集成光学制造工艺下精细的透镜制做早已可以实现再将单个透镜的环带数目等诱因考虑进去以期盼得到能实现图形质量好且光效高的配光透镜参考文献冯刚琼王建萍奔驰首家采用激光大灯车辆科技张康苏成悦王维江均匀照明圆形光斑的自由曲面透镜设计照明工程学报贺志华董前民王少雷等用于公路均匀照明的自由曲面透镜设计照明工程学报邓燕罗元基于非成像光学的路灯透镜设计方式数字通讯陈巧云朱向冰倪建等一种实现均匀照明的反射器设计照明工程学报祝华贺叶美李栋等基于菲涅尔透镜的室内射灯配光设计光学仪器吴贺利菲涅尔太阳能聚光器研究上海苏州理工学院编辑张磊
