透镜设计范文

透镜设计篇1

摘要： 在激光扫描系统中fθ透镜是重要的必不可少的部件，它在激光打标机、传真机、印刷机和用于制作半导体集成电路的激光图形发生器以及激光扫描精密计量设备等等光电系统中得到广泛的应用。文中设计了用于非接触在线检测工件尺寸的fθ透镜。这种透镜的特点是一种负畸变透镜，属于像方远心光路，工作波长为单色光，像质要求波像差要小于λ/4，而且要求整个像面成平面且像质一致，无渐晕存在。所设计的fθ透镜结构简单紧凑、焦距小、扫描精度高、加工成本较低，性能达到衍射极限，并具有像面上照度分布均匀，能量集中度高和相对畸变小等优点。

关键词： 激光扫描系统； fθ透镜； 光学设计

引言激光扫描系统是将时间信息转变为空间信息的一种系统。其整个过程是：首先使某种信息通过光调制器对激光进行调制，调制后的激光通过光束扫描器在空间改变方向，再经fθ透镜在接收屏上成一维或两维图像。在国内外市场上，fθ透镜有着很广泛的应用，如印刷机、激光传真机、导弹跟踪瞄准、生物芯片扫描仪、大型水晶工艺品的内部雕刻、表面装饰、激光防伪、光学精细、刻印加工、激光打标以及用于制作半导体集成电路的激光图形发生器以及激光扫描精密计量设备等等。国内生产平像场fθ透镜的公司有：上海主波光电科技有限公司，北京力量激光元件有限责任公司，北京大恒光电技术研究所，中国科学院光电技术研究所，武汉焦点光学技术有限公司，光研科学（台湾）有限公司。目前，国外生产平像场fθ透镜的公司有：Sintec Optronics，Anvik Corporation，Cascade Laser Corporation，Roden Stock Corporation。平像场fθ透镜的工作波段主要在532 nm，1 064 nm及10.6 μm，对于前两个波长的fθ透镜的则采用三片透镜或者四片透镜的结构，而对于二氧化碳激光的fθ透镜一般采用的是一片透镜或者两片透镜结构[1]。文中的目的是设计一种非接触在线检测工件尺寸的fθ透镜，用于实验室对光学零件的检测。1设计思路fθ透镜作为激光扫描系统中不可或缺的成分，它的位置分为光束扫描器之前和之后两种扫描方式，如图1所示。当fθ透镜位于扫描器之前时，见图1（a），激光光束经fθ透镜汇聚后，经扫描器反射成像，因为焦距是一定的，所以所成像的像面为曲面，与要求中像面为平面不符合，故此方案甚不理想。当fθ透镜置于扫描器之后时，见图1（b），经过不同角度射入fθ透镜的光束，在其像方焦平面上生成像面是平的且为一维空间的扫描像，但该fθ透镜设计较困难，要求当扫描器以固定的转速转动时，经过fθ透镜的光线必须以恒定的速度移动，即扫描器的转动与像面上像点的移动保持一种线性的关系，所以也称该透镜为线性成像透镜。

透镜设计篇2

新课程标准突出了探究性学习过程，使科学知识内容由简单的获取向理解科学过程转变。根据新课程理念，一些教师在本节课的教学过程中会事先设计好如下实验表格：

这样的设计，使这节内容变为验证性质的实验课而非探究性学习，甚至有学生会疑惑，为什么选择的是2倍焦距，而不是3倍或4倍焦距，也往往将学生的思维锁定在表格设计的范围内。

我认为学生虽然有了一定的观察能力、实验能力和思维能力，但分析判断能力还不成熟。因此实际教学中还是需要采取以导为主的策略，及时向学生展示正确的操作规范，给予学生必要的指导。

在新课引入方面我们可以这样设计：上节课我们已经学习了生活中的透镜，知道照相机、投影仪和放大镜的成像特点，学生也能粗略了解使用照相机时，物体要离凸透镜较远，而使用放大镜时，物体要离凸透镜较近，使用投影仪时物体离凸透镜不能太远也不能太近，从而知道凸透镜成像的特点可能与物体到凸透镜的远近距离有一定关系。紧接着进一步让学生用这节课的实验凸透镜看一看近处的文字，或者看一看远处的景物，让学生进一步知道我们实验用的凸透镜和照相机、投影仪的镜头和放大镜是同一种仪器，从而进行本节课的探究实验。在新课教学中，老师不妨在不告诉学生凸透镜焦距是多大的情况下要求学生利用实验凸透镜先在光屏上形成一个缩小的像，利用小组间的竞争特点，可以在黑板或实物投影片上让已经做出实验的小组负责人将本组实验的物距和像距写在黑板或实物投影片上，一定要告诉学生，如果你的数据和其他组的学生一样，就必须重新进行实验，直到在得到一个清晰缩小像的同时，你的像距和物距又和其他组的数据不同，教师做这样的要求，无疑在这种合作和竞争的环境下又让学生多次进行实验，得到不同数据，为下一步让学生找出实验规律提供有效的数据支持。（要求实验中凸透镜的焦距都是相等的）

例如学生得出如下数据：

由于实验中学生是随机上来写本组实验数据的，老师可以根据学生的实际能力做适当引导，如果学生分析能力较差，我们就可以引导他们把物距按照大小排序完再进行实验分析。

学生基本上能得出以下实验结论：

（1）物体在光屏上成清晰倒立缩小实像的条件是：像距小于物距；

（2）当物距越大时，像距越小（即物远像近的重要特点）。

我们在得到物体成清晰倒立缩小实像的数据时，不妨让学生思考：如果将物体放在原来光屏位置的时候（即原来的像距变为物距时），它的像距和成像有什么特点？此设计方案目的是让学生进一步知道折射现象中光路的可逆性，学生进行此实验的过程实际上是进一步熟悉实验操作，很容易得出以下结论：

（1）物体在光屏上成清晰倒立放大实像的条件是：像距大于物距；

（2）当物距越大时，像距越小（即物远像近的重要特点）。

此时课堂讨论会进入高潮部分，教师可以做适当引导：根据实验数据，物距在30cm（a点），像距在15cm（b点）得到一个缩小的实像；物距在15cm（c点），像距在30cm（d点）得到一个缩小的实像。（如图所示）由测量数据可以推出：当物体从c点向左移动，同时将d点处的光屏向左移动时，在光屏上能形成一个与物等大的像；当像距等于物距时，像的高度等于物体的高度。

这样引导，学生能很自然地推理得到。学生通过实验实际操作时，当物距在20cm，像距在20cm，得到一个等大的实像。

这时教师可以直接告诉学生实验中的凸透镜的焦距大小是10cm，也可以用平行光源测出实验凸透镜的焦距。这时学生会很自然地想到20cm即两倍焦距是放大和缩小像的分界点。进一步可以探究，物体在焦点时（物体在1倍焦距）凸透镜成什么样的像，学生通过实验发现得不到物体的像，把物体放在1倍焦距以内，无论怎样移动光屏都接受不到凸透镜成的像，但在凸透镜的一侧通过凸透镜观看蜡烛，看到一个正立放大的像，由于这个像光屏接受不到，我们把它称为虚像。此时可以用光路图（如图）对虚像进行讲解，让学生进一步了解虚像的概念。

在学生总结规律的情况下教师可以进一步补充说明：1倍焦距是凸透镜实像和虚像的分界点，2倍焦距是凸透镜放大像和缩小像的分界点。

进而给学生展示“两点三段”的成像特点：（用u表示物距，v表示像距，f表示焦距）

当u>2f成倒立、缩小实像2f>v>f；

当u=2f成倒立、等大实像v=2f；

当2f>u>f成倒立、放大实像v>2f；

当u=f不成像；

当u

透镜设计篇3

关键词：LED路灯;自由曲面透镜;二次光学设计

中图分类号：TN31;O43

      文献标识码：A文章编号：1005-3824（2014）05-0013-05

0 引 言

发光二极管（light emitting diode）作为新一代的绿色光源，具有寿命长、体积小、电光效率高、环保节能等诸多优点，已经广泛应用于景观装饰照明、汽车尾灯、显示屏等领域^[1]。不同于传统光源，LED不含汞、铅等有害金属;其出射光中没有紫外和红外光;其寿命是荧光灯的10倍，白炽灯的100倍，LED也因此成为21世纪最有价值的第4代新型光源^[2-3]。

LED路灯大部分采用的是白光LED光源，光源的辐射角分布为11001200的朗伯分布，表现为中心照射区域的光斑亮度很高，但随着照明区域的半径增大亮度衰减得很快^[4]。如果不经过配光，LED路灯将会在照明路面上形成一个不均匀的圆形光斑，约50%的光将会散落到马路之外，造成光浪费，还会对远处的行人和车辆造成眩光，达不到照明要求^[5]。所以，对LED路灯进行二次光学设计，使其照明区域的光照均匀度、形状等满足道路照明要求，是LED路灯设计过程中不可或缺的环节。二次光学设计属于非成像光学领域，利用非成像光学理论设计自由曲面透镜对LED路灯进行配光^[5]，以达到均匀照明的目的，是目前LED路灯二次配光设计常用方法。而对于自由曲面透镜的设计，目前常用的主要有试错法、裁剪法、数值优化法、偏微分方程法、网格法以及SMS法^[6]，前5种方法主要针对点光源，最后的SMS法则多用于扩展光源。

1 LED路灯配光特点及要求

LED的光强辐射一般以蝙蝠翼型、朗伯型、聚光型以及侧射型等类型分布，其中大部分都为近似朗伯分布，即光分布是以垂直于发光面的轴线为零度角的余弦分布，其光强变化规律为

I（）=I0×cos（）（1）

其中：I0为主轴上的光强;为光线与LED主光轴的夹角。

没有经过配光的LED光源一般产生的为圆形光斑，这样的光源容易产生斑马效应，而且会造成路面以外的光浪费，因此，需要通过对LED进行二次配光，使得LED路灯发出的光在路面上形成一个矩形光斑，同时兼顾眩光控制与照度均匀度，达到道路照明要求。

在城市道路照明设计行业标准中，根据道路照明的不同场合，把道路分为主干道、次干道、快速道和支路等。不同的道路有不同的照明要求，具体设计要求如表1。

2 基于非成像光学的LED路灯配光技术

2.1 非成像光学简介

与传统光学设计不同，LED路灯的配光设计，不需要在路面上形成清晰的像，而是要求把圆形光斑变成矩形光斑，尽可能使光线都分布在路面上，即二次光学设计。二次光学设计主要考虑怎样把LED发出的光线集中到期望的照明区域上，进而让整个系统发出的光能满足照明要求。二次光学设计属于非成像光学的研究范畴。不同于传统成像光学系统，非成像光学不再以获得最好的物象为目的，所以不需要在目标照明面上形成清晰的像，而是追求光能利用率的最大化，另一个不同于成像光学系统的特点在于，不再使用像差理论和成像质量来评判系统性能的优劣，在非成像光学系统中，光能利用率被用来作为系统的评价标准。目前，为了满足道路均匀照明要求，对LED路灯进行二次配光的一种行之有效的方法是利用非成像光学理论构建自由曲面透镜。

表1 机动车交通道路照明标准^[7]

2.2 自由曲面透镜常用设计方法

为了让配光过程中的能量损失较少，普遍采用光学面数量较少、对光线的反射折射较少的透镜来对LED进行二次配光，透镜的配光能力决定于其光学面的面型。要达到均匀照明的配光效果，这种光学面的面型需要有足够的自由度，能同时实现系统的光强分配和照明空间角的改变，称之为自由曲面。自由曲面透镜结构简单，配光效果好，是目前为止LED均匀照明最理想的配光光学元件。

目前，常用的自由曲面设计方法主要分为两大类，一类是针对点光源的，包括试错法、裁剪法、数值优化法、偏微分方程法和网格法，另一个类是针对面光源的SMS法（多重表面同步设计法）。其中，试错法的可变参数多，没有固定的优化模式，大多依赖于设计员的经验进行，主要通过三维建模软件solidworks、PROE或UG等绘制出光学元器件结构，再在非成像光学分析软件中，通过非序列光线追迹来判断照明面的照度及整个光强的分布^[8];裁剪法通过对光学透镜的面形进行裁剪来控制波前走向，以此获得均匀的照度或能量分布;数值优化法结合几何近似方法与变分积分方法，对非线性二阶Monte-Amphere方程进行求解，此方法最先由J.Bortz、N.Shatz等人应用于LED配光透镜设计，主要应用于只有一个光学面的给定照度分布问题;SMS方法^[9]是针对扩展光源设计而言的，对一个配光光学透镜，可以同时设计出透镜的2个或多个表面的面型，通过多个光学面，控制扩展光源2端发出的2个波面，变换成给定的2个输出波面;而对于点光源而言，常采用偏微分方程法和网格法，下面本文将对这2种方法做详细介绍与比较。

2.3 自由曲面透镜常用设计方法

偏微分方程法，系统效率高于82%。

图1 自由曲面透镜与配光效果图

通过偏微分方程法来求解自由曲面面型，本质上是建立入射、出射和自由曲面法向矢量3者之间的矢量关系方程组，同时添加限制条件，限制条件根据光 源的发光特性以及所需照明来设定，这样，使得方程有唯一解或者有限个解。自由曲面是一空间曲面，求解自由曲面面型数据时，首先在空间中建立三维坐标系，设LED光源位于空间坐标系的原点，自由曲面上的任意一点坐标为qθ，φ，ρθ，φ，目标照明面上的点为wx，y，z，入射光线、出射光线以及q点处的法向矢量分布用In、Out和N表示，根据Snell定律可以建立起自由曲面上点q和目标照明面上点w的关系表达式，再由能量守恒定律求得自由曲面上点q的分量与光线出射角之间的关系表达式，由此得到qθ，φ，ρθ，φ在θ，φ的一阶偏微分方程，最后运用数值方法求解出自由曲面面型数据。

2.4 网格法

网格法的设计思想具有直观的物理意义。在忽略能量损失的情况下，由能量守恒原理可知，光源发出的能量等于目标照明面上获得的能量，采用相同的规则对光源和目标照明面进行网格划分，每个网格内所对应的能量相等，根据这个映射关系，建立能量分配的对应关系，通过计算机迭代求解出自由曲面表面离散数据点的坐标，以及所对应的法矢量，从而确定了自由曲面的表面。

同样，跟偏微分方程法一样，LED视为点光源，位于原点处，建立如图2所示的空间坐标系。其中，θ为光线与Y轴所组成的平面和Z轴的夹角，φ为光线与Y轴的夹角。由光源的余弦分布可知，沿着光线i→的光强为I0cosθsinφ^[12]，其中I0为中心光强。

图2 LED光源空间坐标

2.4.1 划分网格

设目标照明面如图3所示，是一个长为a，宽为b的矩形区域，LED光源的总光通量为，目标照明面的平均照度为Ev，中心光强为I0=/π。在X轴方向已步长k等分为m份，Y轴方向上也以同样的步长k等分为n份，这样就得到了xm和ym的数组，对应于光源立体角来说，则在θ角上等分成m份，角等分成n份。

图3 目标照明面网格图

2.4.2 迭代计算

经过网格划分后，在X轴方向有m条矩形区域，通过能量守恒定律，可以建立起光源出光方向与目标照明面上点的一条纵向对应关系，以此求得步长Δθ1～Δθm，Δφ1～Δφn。其具体步骤如下：

首先计算X轴方向上每条矩形区域所对应的能量：

EΔx=Ev·k·b（2）

每一份θ角内，以LED光源发出的能量作为研究对象，根据能量守恒定律可得：

∫θ1θ0∫π0I0cosθ·sin2φdθdφ=EΔx（3） 

则：

Δθ1=EΔxI0cosθ∫π0sin2φdφ（4）

由θ1=θ0+Δθ1，x1=x0+Δx可以得到一条光线与目标照明面上的一个点的能量对应关系：θ1，φ1→x1，y0。按照这样的步骤依次迭代可计算出Δθ2，…，Δθm，并可得到光源光线与目标照明面上的点的纵向对应关系θφ0=fxy0，即

θ1，φ1→x1，y0

θ2，φ1→x2，y0

θ3，φ1→x3，y0

……

θm，φ1→xm，y0

按照以上建立纵向对应关系的方法，建立能量横向对应关系，以此得到步长Δφ1～Δφn。

在目标照明面的Δx，Δy范围内，由能量守恒可得：

∫θ1θ0∫φ1φ0I0cosθ·sin2φdθdφ=Ev·k2（5）

则：

Δφ1=EΔx，ΔyI0∫θ1θ0cosθsin2φ0（6）

由φ1=φ0+Δφ1，y1=y0+Δy可以得到一条光线与目标照明面上的一个点的能量对应关系：θ0，φ1→x0，y1。按照这样的步骤依次迭代可计算出Δφ2，…，Δφm，并可得到光源光线与目标照明面上的点的纵向对应关系φθ0=gyx0，即：

θ0，φ1→x0，y1

θ0，φ2→x0，y2

θ0，φ3→x0，y3

……

θ0，φn→x0，yn

这样，可以依次迭代求出光源光线在整个空间坐标系中与目标照明面上点的对应关系：即θm，φn→xm，yn。

迭代计算时，首先确定透镜的一个初始计算点，应用反射定律求得自由曲面初始点的法向量，从而确定该点的切平面，再由该切平面与第二点的入射光线相交确定第二点。总体思想是，通过前一个点的切平面与下一条光线相交求得下一点，通过计算机迭代计算出自由曲面所有点的坐标，由此得到自由曲面的面型。

3 LED路灯自由曲面透镜设计方法的比较  

无论采用哪种自由曲面透镜设计方法，最终的目的都是要让LED路灯的配光达到道路照明要求。上述的自由曲面透镜设计方法各有优缺点，如表2所示。

其中，偏微分方程法求解自由曲面，目的性强，计算速度很快，可以很快得到面型的数据，而且没有试错法中反复优化的过程，但是，由于偏微分方程组复杂，求解过程麻烦，这类方程的可解性也很低，要求设计人员有扎实的数学功底和编程能力，并且偏微分方程法多适合点光源，对于扩展光源，多用SMS法。

网格法比较直观，根据能量守恒，建立光源与目标照明面的映射关系来求解面型数据，并且可以通过对网格的细化，可以得到更加精确的结果。网格法可以解决复杂照度分布的问题，求解上比偏微分方程法简单，设计效率高，不用进行误差校验，是一种行之有效的自由曲面透镜设计方法，具有良好的研究前景。

4 结 论

近年来，LED路灯的应用越来越广泛，对LED路灯二次光学设计的要求也越来越高，二次光学设计也逐渐成为非成像光学中的一个重要研究方向。本文简要介绍了LED路灯自由曲面透镜的设计方法，并就现在最常用的2种设计方法做了详细介绍与对比，认为网格法具有良好的发展前景。目前，对于点光源的二次配光设计问题，已经有相当成熟的解决办法，但是对于扩展光源来说，还需要进一步提出比较成熟的解决方案，加快LED路灯应用于更加广阔的领域。

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，2008.

透镜设计篇4

【关键词】简易透镜；中学物理；实验教学

0 引言

培养学生创造性思维，引导学生进行研究性学习，培养学生创新意识是目前教学的趋势，这也是目前新课程教材增加了许多研究性实验的原因。随着高效课堂的深入，实验教学在中学学科教学中的地位越来越重要[1]。笔者在实验教学中发现，在原有物理光学透镜实验中，演示时需多次更换透镜，过程操作繁琐且缺乏趣味性，致学生对实验课积极性锐减。鉴于此，笔者利用低碳环保的一些成本低廉的材料，制作出了使用方便的简易透镜合成演示仪，很好地解决了广大师生在透镜实验中的这一问题，使中学物理实验课真正达到高效。

1 简易透镜合成演示仪的设计及制作

1.1 设计方案、原理及创新点

1.1.1 设计方案

制作的简易透镜合成演示仪，利用水透镜代替玻璃透镜，同装置演示不同焦距的凸透镜及凹透镜特性演示实验。简易透镜合成演示仪装置[2]，包括透镜圆环5，连通管9，透镜圆环5两面均覆有透明胶膜6，其两侧分置的光屏2和光源14，和光屏2滑动连接的滑轨1，透镜圆环5上方设有的排气管3，下方经连通管9连接的排水管7和压水阀10，排气管3上设有的排气阀4，排水管7上设有的排水阀8；压水阀10另一端又连接的吸水阀11和活塞13，吸水阀11另一端连接的水箱12。在进行透镜特性实验时，先在水箱12内加适量清水，关闭排水阀8，然后通过活塞13的运动结合压水阀10和吸水阀11的配合运动向透镜圆环5内打水，通过控制透明胶膜6鼓起或内陷程度，来演示透镜特性实验。

1.1.2 设计原理

1.1.3 创新点

把水透镜安装到光学演示装置上，解决了原有实验中多次更换透镜的不足。最主要的是该演示仪中的水透镜能够连续变焦，实现不同焦距、不同类型透镜实验。同时还节约经费、操作简易、实验对比明显。尤其适合广大农村学校使用。

1.2 所需的材料和工具及加工

材料：铝合金窗框料，10cm长钢筋（直径6mm），302胶水，100ml注射器，250ml吊桶，输液器、废卷尺，乳胶膜，光屏等。

工具：剪刀，美工刀片，钢锯，丝锥等。

加工技法：均为手工制作。

1.3 制作过程

（1）用长70cm的55系列铝合金框料为轨道底座。

（2）用长度3cm的55系列铝合金断桥隔热材料制作光学滑块。

（3）再在光学滑块上用丝锥开丝孔（6mm）。

（4）用100ml注射器和透性薄膜制作水透镜，再连接水槽和注射器，制成可变焦水透镜。

（5）将光屏、水透镜、光源等原件连接到光学滑块上，制成简易透镜合成演示仪。如图4。

2 简易透镜合成演示仪的应用

2.1 简易透镜合成演示仪演示实验

2.1.1 凸透镜合成演示

在进行透镜特性实验时，向透镜圆环5内打水，使透明胶膜6鼓起并调整好鼓起高度，可通过则鼓起高度实现不同焦距的凸透镜实验，实现其成像等特性实验。

2.1.2 凹透镜合成演示

同上所述，向鼓起透明胶膜的透镜圆环内抽水，由于大气压作用，使其内陷，通过调整透明胶膜内陷程度来实现不同焦距的凹透镜实验，实现其成像等特性实验。全部实验完毕后，打开排气阀4和排水阀10清空装置中残留的水待下次使用。

2.2 其他用途

演示仪中的水透镜，可应用到诸如照相机、摄像机、望远镜、显微镜、潜望镜等透镜装置。

3 简易透镜合成演示仪的优势

3.1 准确示范该装置可通过控制透镜圆环上透明胶膜鼓起高度及内陷深度来实现不同焦距的透镜特性演示实验，准确的示范教学中透镜成像特性。

3.2 趣味的物理实验教学增强了创新思维能力

传统的物理透镜实验教学过程中，要不断的更换不同焦距透镜，这样就会使学生在实验过程中产生疲劳等，改装的简易透镜合成演示仪不仅增加了趣味性，也增加了学生的动手操作能力及创新设计思维能力。

3.3 方便灵活设计理念激发了学生的创作激情

该系统的建立，不仅很好的解决了传统物理实验教学中实验仪器的繁琐，还对开拓学生思维、激发学生学习兴趣起到了良好的促进作用。尤其对培养中学生创新能力方面起到积极作用。

【参考文献】

[1]张锐.USB免驱动视频头显微数码成像系统构建及其应用[J].生物学通报.2013，48（4）：53-54.

透镜设计篇5

关键词：菲涅尔透镜；光照度；光学特性

中图分类号：V442 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2013）15-0028-02

菲涅尔透镜是在透镜的一侧有等距的齿纹。通过这些齿纹，可以达到对指定光谱范围的光带通（反射或者折射）的作用。菲涅尔透镜是透镜的一个分支，由于它同其他的透镜相比，具有体积小，重量轻，结构紧凑的优点，同时它具有良好聚光性和成像性能。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的，由于光路的可逆，分析其将线性光源变为平行光的功能特性。

1 出光模型搭建

如图2所示为圆形菲涅尔透镜，光线从一侧进入，经过菲涅尔透镜在另一侧出来聚焦成一点或以平行光射出。焦点在光线的另一侧，并且是有限共轭。这类透镜通常设计为准直镜（如投影用菲涅尔透镜，放大镜）以及聚光镜（如太阳能用聚光聚热用菲涅尔透镜）。

柱面菲涅尔透镜是在传统菲涅尔透镜上做了一些改进：将圆形条纹调整为横向排列，不再是同心圆排列。可使平行光汇聚行一条亮线。本次研究我们使用的是f=160 mm的柱面菲涅尔透镜。如图3所示，将柱面菲涅尔透镜固定距离光屏一倍焦距的位置，使用日光灯所发出的光线，可在光屏上看到一条十分明显的亮线；本次所应用的原理是基于光路可逆性，对柱面菲涅尔透镜聚光作用的逆运用。

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，通过分析菲涅尔透镜的光学特性，需要一种出光宽度较窄、亮度较大的光源。在此选用4WT5型LED灯管为发光光源。

利用加工好的灯具外壳，分别对LED光源柱面菲涅尔透镜的出光效果进行测量。

2 出光特性测量

在实际测量之前，利用TracePro软件对当前的灯具模型进行仿真模拟，TracePro是一套普遍用于照明系统、光学分析、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；设置光学材质；定义光源参数；进行光线追踪；分析模拟结果。

由于在TracePro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，呈现中间区域较宽，两侧较窄的现象，中间较宽的区域为光线较多，照度较强，能够看出，柱面菲涅尔透镜对光线出射方向作了一定的改变，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。

对有柱面菲涅尔透镜面光源以及无透镜的LED光源的出光特性进行测试比较，对光照区域范围、照度值进行比较。

将光源置于距离测量屏1 m的位置；利用九点法测量出光效果，在测量屏上设定9点，作为测量点；利用照度计测量照度值；作出图表分析照度值。

从表1、图5中可以得知，有柱面菲涅尔透镜的光源照度值为无透镜LED光源照度值的3倍左右。

3 结 论

综上所述，此新型柱面菲涅尔透镜在用作光源透镜时，能够有效的提高光源的出射照度，对光线出射的角度进行有效的控制，并且在有该透镜的情况下，能够有效的提高被照射区域的照度值，有无透镜对被照射区域的照度有明显区别，该透镜能将相同光源相同照射条件下的照度值提升3倍左右，由此看来，该透镜在作为照明光源的出射透镜中能够起到良好的作用。

参考文献：

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[3] 刘永强，申作春，芦宇，等.均匀会聚菲涅尔透镜设计及性能研究[J].光电子技术，2012，（4）：263-266，272.

[4] 王蓉，刘玉玲，余飞鸿.LED光源照明微投影仪系统的设计[J].光学仪器，2006，（2）：22-26.

透镜设计篇6

【关键词】空间光通信;光学系统设计;光学天线;增益;偏轴

0.引言

随着航天技术的不断发展, 目前围绕地球轨道运行着数以千计的各种飞行器, 这些飞行器之间以及飞行器与地面站之间都需要进行通信。庞大的通信数据量给通信系统带来极大的挑战, 同时大量卫星通信地面站的建立也会带来庞大的地面运行、维护费用及大量的地面运行维护人员, 这些都会降低系统的效率、可靠性及保密性。因此, 建立卫星与卫星间的通信链路——中继星及中继链路变得势在必行。相对于传统的通信方式相比，空间光通信的主要优点是：

(1)具有微米级的波束发散角。(2)高数据传输率。(3)体积小、重量轻。(4)架设灵活方便。(5)保密性强。(6)无需申请频率。(7)经济性适用性强。

1.空间光通信中光学天线系统设计

1.1光学系统设计概述

随着科技的飞速发展，光学仪器已普遍应用在社会的各个领域。光学系统作为光学仪器的核心部分，其像质的优劣决定了光学仪器整体质量的好坏。然而，一个好的光学系统是靠好的光学设计去实现的。所以，光学系统设计是实现各种光学仪器的基础。所谓的光学系统设计，就是根据仪器所提出的使用要求，来确定满足各种使用要求的数据，即设计出光学系统的外形体积、重量、性能参数和各光组的结构等。

光学系统设计是20世纪发展起来的一门学科，至今已经历了一个漫长的过程。最初生产的光学仪器是利用人们直接磨制的各种透镜，并把它们按不同情况进行组合，找出成像质量比较好的结构。但这需要花费很长的时间、人力和物力，而且未必能找到满意的结构。所以，后来便用计算的方法代替这过程，即利用“光路计算”或“像差计算”来确定光学系统的结构参数。与实际制作透镜相比，这当然是一个很大的进步，但这样的方法仍然不能满足光学仪器生产的需要。因为光学系统的结构参数与像差之间的关系相当复杂，要找到一个理想的结果，需要经过长期的计算过程。光学系统设计经历了人工设计和光学自动设计两个阶段，实现了由手工计算像差、人工修改结构参数进行设计，到使用电子计算机和光学自动设计程序进行设计的巨大飞跃。

1.2光学系统设计概述过程

(1)根据使用要求制定合理的技术指标。从光学系统对使用要求满足程度出发，制定光学系统合理的技术指标。

(2)光学系统总体设计。这过程的核心是确定光学原理方案和外形尺寸计算，一般都按理想光学系统的理论和计算公式进行外形尺寸计算。

(3)光学部件的设计。一般包括选型、确定初始结构参数和像差校正三个阶段。

(4)长光路的拼接和统算。以总体设计为依据，以像差评价为准绳，来进行长光路的拼接和统算。若结果不合理，则应反复计算并调整各光组的位置和结构，直到达到预期目标为止。

1.3学系统设计软件

常用的光学设计软件有两类，一种用于设计照明系统，另一种用于设计成像系统。常用的照明设计软件有Lightools、Tracepro和ASAP，成像设计软件有 Codev、Zemax和Oslo。

收光学天线，它是空间光通信系统的重要组成部分。发射天线的作用是对光束进行双曲线的实轴，b0为双曲线的虚轴，2c0为双曲线焦距。并运用先进的光学设计软件Zemax对结构进行优化。

1.4光学天线系统的设计要求

光学天线系统的主要设计要求如下：

(1)光学天线有较大的入瞳直径，以便能最大限度地收集来自光源的信号。

(2)天线的成像质量高，斯特列尔比(Strehl Ratio)大于0.8。

(3)天线主、次镜反射率大于95%，透镜透射率大于90%。

(4)光学主天线(卡塞格伦天线)具有低的遮挡率，小于0.4。

(5)系统中所有的光学零件采用的材料质量轻，热膨胀系数小，稳定性高，使用寿命长。

2.卡塞格伦天线子系统的设计

2.1卡塞格伦天线子系统的镜面组合

本系统中的卡塞格伦光学天线采用抛物面镜作主镜，双曲面镜作次镜，且抛物面与双曲面共焦。下面将对抛物面镜和双曲面镜的方程及参数进行介绍。

2.2卡塞格伦天线子系统的成像质量分析

常用的评价方法有：点列图、瑞利判断、斯特列尔(Strehl)判断，点扩散函数(PSF)、光学传递函数(MTF)、波像差、场曲和畸变曲线等。

3.光学天线系统的设计

发射端光学天线的作用是将光源的发散角压缩后再通过发射望远镜进一步准直。接收端光学天线的作用是将接收到的空间激光信号收集并汇聚到光接收器件的有效接收表面光学系统设计的准则是：只要可以满足成像质量要求，设计的系统越简单越好。发射光与接收光利用分色镜隔离，本系统有三条通道：发射通道、实验通道和接收通道。下图为接收光学天线系统的三维仿真图，发射光学天线系统图与其类似。

在接收光学天线系统中，激光束先由接收卡塞格伦天线主、次镜反射后传到双分离透镜，经过双分离透镜准直整形和分色镜透射后的光束发将变窄，然后凹透镜再对光束进一步准直。为了隔离杂散光及背景光，在凹透镜前插入了一个滤波片。经滤波片和分束镜后出来的光束将分成两束光，此时的光束宽度约7.3mm。透射出的光经汇聚后进入实验通道。而为了实现耦合透镜对入射光的要求（光束宽度小于2mm）和提高系统的成像质量，经分束镜反射后的光束先经压缩透镜组整形后再进入耦合透镜。最后以FC/PC光纤引出，进入后面的模块。

4.光学天线系统的测试及性能分析

4.1光学天线系统成像质量分析

系统焦平面成像达到了衍射极限，与卡塞格伦天线子系统的像质比较，光源经过整个系统后的像质更优劣，这是因为经过相对较多的光学元件后，像差得到了更好的校正。

4.2光束发散损耗

随着通信距离、发散角的增加和接收天线主镜口径的减小，由于光束发散引起的损耗越来越大。但是我们从图5-4中可以看出，在相同传输距离下，当接收系统孔径超过10cm时，由接收孔径大小造成的损耗差别很小，并且随着传输距离的增加这种差别会更小。因此，综合损耗因素和系统体积因素，接收孔径一般在10cm～20cm左右。

5.结束语

透镜设计篇7

教学目标

知识目标

（1）了解什么是凸透镜，什么是凹透镜；

（2）知道凸透镜的会聚作用和凹透镜的发散作用；

（3）知道凸透镜的焦点、焦距和主光轴；

（4）知道如何利用凸透镜产生平行光．

能力目标

通过观察各种透镜，观察凸透镜和凹透镜对光的会聚作用和发散作用的演示实验，培养学生的观察能力，学会注意观察事物的本质特征，培养学生的概括、归纳能力．

通过对如何利用凸透镜产生平行光的讨论和演示实验，培养学生应用物理知识解决实际问题的能力．

情感目标

通过介绍我国古代劳动人民利用冰透镜对准阳光取火的事例，对学生进行爱国主义民族自豪感教育，激励学生为振兴中华努力学习．

教学建议

教材分析

本节介绍了什么是凸透镜、凹透镜、薄透镜、透镜的主光轴、光心、焦点、焦距及透镜对光线的作用等知识，这些知识既是有关透镜的基本知识，也是后面学习凸透镜成像的准备．教材对主光轴、光心讲得很简单，仅使学生认识就行了．本节重点是讲述凸透镜对光的会聚作用，凸透镜的焦点、焦距．对凹透镜也讲得比较简单，主要是让学生认识凹透镜对光的发散作用．关于凹透镜的虚焦点，可略讲．

教法建议

本节教法应以实验法为主，辅以启发式教学法和讨论法．应指导学生观察实验现象，在头脑中形成清晰的表象，讨论分析实验结果．

教学设计示例

一、难点分析

1．凸透镜和凹透镜对光的作用

讲解凸透镜和凹透镜对光的作用，除按照教材要求进行实验，通过实验取得丰富的感性知识外，还可以利用光的折射的初步规律，参照下图来进行分析．当一条平行于玻璃三棱镜底边的光由空气射入玻璃时，折射光线靠近法线折射．光进入玻璃以后又从玻璃射入空气中，发生第二次折射，这时折射光线将远离法线折射，两次折射的折射光线都由玻璃三棱镜（透镜）薄的位置向玻璃三棱镜厚的部分倾斜，因此可以分析出凸透镜对光会起聚作用．如上图（乙）

凹透镜对光起发散作用，可以用上述方法，参照下图（甲），和图（乙）来进行分析．

2．正确理解“会聚”和“发散”

凸透镜对光的会聚作用是表明光通过凸透镜以后会变得收拢些，但是并不意味着一定会聚于一点．如下图所示，以S点发出的光是发散光束，光经过凸透镜折射后仍是发散的，并不能会聚，凸透镜在这里的作用只是减弱了它的发散程度．

凹镜对光的发散作用是表明光通过凹透镜以后会更散开一些，但是散开不一定不能会聚，如下图所示，从左侧来的两束光由于凹透镜的作用没有在S点会聚，而是在S′会聚，它减弱了入射光的会聚程度．

通过以上分析可以知道，当判断透镜对光束是起会聚作用还是发散作用时（或者根据给定的光束判断透镜的种类），一定不能仅仅依据折射光是否能会聚于一点来判断透镜的作用或种类，而应当对折射光束与入射光束进行比较，再依据前边的分析得出正确的结论．

二、课时安排

1课时

三、学生活动设计

1．观察凸透镜和凹透镜。

让学生观察凸透镜和凹透镜，观察各种形状的凸透镜和凹透镜的实物及截面图，进而通过提问，认识这两种透镜．

2．通过实验，观察凸透镜对光有会聚作用，凹透镜对光有发散作用．

3．观察凸透镜对光有会聚作用，凹透镜对光有发散作用的演示实验，并通过分析进一步认识什么是会聚，什么是发散．

4．利用光的折射规律，分析平行于玻璃三棱镜底边的光通过三棱镜以后的光路，从理论上弄清凸透镜为什么对光线起会聚作用，凹透镜为什么对光起发散作用．

四、教学过程设计

1．引入课题

列举放大镜的镜片、眼镜的镜片、照相机的镜头、幻灯机的镜头、以及电影放映机、显微镜、望远镜等仪器的镜头．可以把教学内容事先绘制在胶片上用投影幻灯打在幕布上，方便课堂教学．

2．新课教学

让学生观察凸透镜和凹透镜，观察各种形状的凸透镜和凹透镜的截面形状，进而通过提问，认识这两种透镜．

组织学生观察、讨论，引导同学先找出带有共性的特征，这些特征是什么？

再分析不同类别的透镜有什么不同特征．

用投影仪打出如下六个透镜的截面图，

使学生能明确辨别出哪些是凸透镜，哪些是凹透镜．

用投影仪打出下面的图，具体讲解薄透镜“薄”的含义．

教师介绍光具座等实验仪器及使用方法，应在演示台上边演示边讲解，讲述中应强调以下几点：

（1）光源发出的光是平行光，从无穷远射来的光是平行光，前边所提到的太阳光也是平行光．

（2）让透镜正对着射来的平行光，这样入射光线将与主光轴平行，我们只研究与主光轴平行的光经过透镜发生折射的现象．

（3）注意观察光线经过这两类透镜折射以后是否能会聚于一点．（指导学生注意调节光屏位置）

学生开始实验，教师在学生中巡视，并进行指导，实验结束后提问．

演示实验可以用激光演示仪进行，如果没有条件可以用烟箱，不论用什么仪器，都应使学生能清楚地观察到，平行光经过透镜前后光的传播路径．

实验进行过程中，可以边让学生观察，边提问学生，以引起学生注意．

通过前边的实验同学们对光通过透镜前后的路径，以及两类透镜对光的作用有了比较深刻的感性认识．教师应通过图形对这两类透镜进行对比分析．

3．总结

研究两种透镜及它们对光线的作用，尤其是重点研究凸透镜对光线的作用．教师可提问学生，由学生总结发言，以利于学生的思考与理解．

探究活动

【课题】调查近视镜和老花镜

【组织形式】学生活动小组

【活动流程】

提出问题；猜想与假设；制订计划与设计实验；进行实验与收集证据；分析与论证；评估；交流与合作．

【参考方案】实验分析近视镜和老花镜属于何种透镜，分析其对光线的作用．

【备注】

1、写出探究过程报告．

透镜设计篇8

【关键词】LED灯组 耦合调光技术 光学助降系统 卤钨灯

1 引言

常规光学助降系统多采用卤钨灯作为光源。卤钨灯光源存在几个不足：

（1）功耗大、光能利用率低。卤钨灯发出的光为白炽光，而光学助降系统需要使用单色光，因此需要增加滤光片进行滤光。采用滤光片时，光能效率和滤光片带宽设计两个指标很难均衡，在整个发光系统中，90%以上的能量都以热和其他波段光的形式被耗费掉了。

（2）产品寿命短、维护复杂。要保证其发光强度，需加大卤钨灯功率，导致其使用寿命缩短，维护成本提高。

（3）光源发光面积大，耦合效率低，不利于光束整形。卤钨灯通常发光面积直径都大于100mm，需要设计较大的透镜才能把光耦合进传输光纤，并且卤钨灯发光平行性较差，不利于光束整形。

LED作为一种新型发光源，具有节能、环保、寿命长、体积小、可靠性高等优点，得到越来越广泛的应用。鉴于LED光源的诸多优点，其在光学助降系统中具有良好的应用前景。

本文介绍了一种基于耦合调光技术的LED灯组设计方法，以及应用于某光学助降系统的实现方案。方案中，将高亮度LED用作光学助降光源，通过LED光束耦合、精确整形以及调光设计，实现了对LED亮度的均匀量化控制，实现了远距离、高精度下滑道指示。

2 光学助降系统基本原理

光学助降系统是保证固定翼飞机安全回落的重要手段。飞机在下滑降落全过程中，飞行员需要根据目视观察陆上助降标示，结合飞行经验和陆上引导员的指令，完成航向标校和下滑角标校，在着陆区准确着陆。

光学助降系统也称菲涅尔透镜光学助降系统（FLOLS），由4组灯组成。最主要的是中央竖排的由5个灯箱组成的分段主灯箱，它通过菲涅尔透镜发出5层光束，形成5层坡面，光束的颜色自中间向上下两边依次为橙色、黄色和红色。主灯箱光束与飞机的理想下滑道平行，与水平面保持一定的角度。主灯箱两侧各有一组水平排列的绿色基准灯，当进近飞机沿正确下滑道下滑时，飞行员可以看到橙色光束处于绿色基准灯中央，保持这样的下滑角就可以准确着陆。

3 LED灯组工作原理

光学助降系统LED灯组光学结构示意图如图1所示。

LED光源阵列经汇聚后耦合进石英传光束，从传光束出射的光经菲涅尔透镜汇聚整形后，形成22?发散角光束，该光束经柱透镜阵列后被展宽，形成22?×40°角度的狭长光束出射。

相邻灯箱之间光轴夹角为20?，5个灯箱上下排列，其光纤出光端面虚像汇聚于一点，形成1.7°×40°共5层的光波束面，其排列示意图如图2所示。

3.1 菲涅耳透镜

从光源发射的光束经菲涅耳透镜后，变为发散角22?的近似平行光。设光源半径为r，透镜的焦距为f，光源经透镜后其发散半角为a，散角的计算公式为：

α=atan（r/f）

在单体灯箱尺寸一定的情况下，要求菲涅尔透镜的系统焦距尽可能短。目前根据导光光纤的特性，石英光纤常见的数值孔径为0.22，塑料光纤数值孔径为0.5。实际设计中，可根据要实现出光面的大小和焦距，确定选用哪种数值孔径的光纤。

3.2 柱透镜阵列

光源经菲涅耳透镜后，发散角可近似为平行光。经柱透镜阵列后，其横向发散半角为θ，与柱透镜阵列中单柱镜半径r、半弦长h（弦长H）、透镜折射率n等有关，计算如下。

由图4可得：

h=r×sinα

n×sinα=sinβ

θ=β-α

可以得出：

3.3 耦合光纤

需要为LED设计耦合光路，并且通过两级整形，将LED光源耦合到光纤接收端面。首先是将LED光源通过聚光杯进行整形，再将聚光杯的出射光束，通过整形透镜耦合到光纤的接收端面上。单体灯箱LED光源数为12个，因此，耦合光纤采用12路光纤合束设计。

LED光源自身的发散角度大，需要根据LED光源面积选定与之匹配的聚光杯。经过聚光杯后的出光面面积为A，角度为β。若采用胶合透镜作为整形透镜，可以根据下面的公式确定胶合透镜的参数，式中d1为口径，f1为焦距，NA1为数值孔径，A1整形透镜出光光斑。

为使从整形透镜出射的光束完全耦合到光纤上，则光纤的数值孔径NA、接受端面S应满足下面的条件：

NA≥NA1

S≥A1

4 耦合调光系统设计

4.1 调光系统组成

LED灯组调光系统由上位机、CPLD调光电路、LED驱动电路、温度控制组成。上位机通过串口接收用户的调光指令，再将调光指令转发至CPLD调光电路。CPLD调光电路接收到调光指令后，产生相应的脉冲信号，然后，通过调整PWM脉冲信号的占空比控制LED灯组亮度，驱动LED灯阵以不同亮度发光。调光系统原理框图如图5所示。

4.2 CPLD调光控制

CPLD调光电路接收上位机发送的调光控制信息。上位机向CPLD调光电路发送的指令一共有三种，分别为亮度粗调指令、亮度精调指令和闪烁指令。实现上位机与CPLD通信的方法，是在CPLD内部建立锁存器，并将锁存器作为上位机的扩展存储空间，其地址映射为上位机的存储空间地址。当上位机需要向CPLD发送指令时，之需将数据写入到相应的地址空间就可以了。

CPLD向LED驱动单元发送3路相同的PMW脉冲信号，脉冲频率为1kHz，PWM占空比根据控制信息调整，实现对LED驱动板的控制。CPLD调光电路接收LED驱动板的短路、断路信息和温控板的状态信息、温度反馈值。其原理框图如图6所示。

4.3 LED驱动单元

驱动电路的功能是接收通信板发送的PWM脉宽调制信号，对LED灯阵的发光亮度进行调节。

LED灯阵由12只LED组成，采用4只串联成一路共3路的方式工作，每一路由相互独立的信号控制。单路LED电路框图见图7所示。

4.4 发光板设计

发光板由一组高亮LED灯组成。为保证发光板的出光亮度一致，任一LED灯组发光板的组成及LED灯的数量应设计为一致，采用串并联的结构连接。以由3个链路、12个LED灯组成一个发光板为例，其连接方式如图8所示。

每一路都有单独的信号控制，可单独打开或关闭。

5 结语

通过耦合调光技术的合理设计，较好地解决了LED亮度均匀量化控制问题，并且成功地把以耦合调光技术实现的LED灯组应用到了某光学助降系统，取得了良好的试验效果。现有技术具备了3个特点：

（1）调光方便，可任意调整LED灯组的亮度、频率等；

（2）以软串联的形式代替传统惯用的硬件串联的方法，维护方便；

（3）可靠性高、使用寿命长，降低了使用成本。

参考文献

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作者单位