菲涅耳透镜
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菲涅尔透镜的原理
菲涅尔透镜的原理菲涅尔透镜是一种常见的光学元件，它是由一系列环状的凸透镜组成。
菲涅尔透镜的设计原理是基于菲涅尔透镜的麦克斯韦方程组。
菲涅尔透镜的主要功能是将光线聚焦到一个点上，从而产生放大效果。
下面将详细介绍菲涅尔透镜的原理和应用。
菲涅尔透镜的原理是基于光的折射现象。
当光线从一种介质传播到另一种具有不同折射率的介质中时，光线会发生折射。
根据斯涅尔定律，入射角和折射角之间有一个固定的关系。
菲涅尔透镜利用这种折射现象，通过改变光线的传播方向和聚焦效果来实现光的放大。
菲涅尔透镜的结构和传统的透镜有所不同。
传统的透镜是由一段连续的曲面组成，而菲涅尔透镜是由一系列环状的凸透镜组成。
这种结构的设计使得透镜更加轻薄和便于制造。
菲涅尔透镜的每一个环状凸透镜都有一个特定的曲率半径，使得光线在透镜内部发生折射后能够聚焦到一个点上。
菲涅尔透镜常用于光学仪器中，例如显微镜、望远镜和摄影镜头等。
在显微镜中，菲涅尔透镜可以将样品上的光线聚焦到物镜上，从而放大样品的细节。
在望远镜中，菲涅尔透镜可以将远处的物体光线聚焦到观察者的眼睛上，从而使得远处的物体看起来更大更清晰。
在摄影镜头中，菲涅尔透镜可以帮助摄影师将景物聚焦到感光元件上，从而得到清晰的照片。
除了光学仪器，菲涅尔透镜还可以应用于太阳能集热器。
太阳能集热器利用菲涅尔透镜的聚焦效果将太阳光线聚焦到一个小面积上，从而产生高温。
这种高温可以用于加热水或发电等应用。
菲涅尔透镜在太阳能领域的应用具有重要的意义，可以提高太阳能的利用效率。
菲涅尔透镜的设计和制造需要考虑多个因素，例如透镜的曲率半径、透镜的厚度和透镜的材料等。
这些因素会影响透镜的焦距和聚焦效果。
因此，在实际应用中需要根据具体的需求选择合适的菲涅尔透镜参数。
总结起来，菲涅尔透镜是一种基于光的折射现象的光学元件。
它通过改变光线的传播方向和聚焦效果来实现光的放大。
菲涅尔透镜广泛应用于光学仪器和太阳能集热器等领域。
在设计和制造菲涅尔透镜时，需要考虑多个因素，以满足具体的应用需求。
菲涅尔双镜干涉原理
菲涅尔双镜干涉原理一、引言菲涅尔双镜干涉原理是一种基于干涉现象的实验方法，通过使用两块特殊设计的菲涅尔透镜，可以观察到特定干涉条纹。
本文将介绍菲涅尔双镜干涉原理及其应用。
二、菲涅尔双镜干涉原理的基本概念1. 菲涅尔透镜菲涅尔透镜是一种特殊设计的透镜，它由一系列圆环状的凸透镜组成。
这些凸透镜的厚度逐渐减小，从而形成了一种非常薄的透镜结构。
菲涅尔透镜通过这种特殊的设计，使得光线在通过透镜时发生折射，并产生干涉现象。
2. 干涉现象当光线通过菲涅尔透镜时，由于透镜的特殊结构，光线会经历不同的光程差。
当光程差满足一定条件时，就会出现明暗相间的干涉条纹。
这些干涉条纹的形成是由于光的波动性质导致的，它们可以用来研究光的干涉性质。
三、菲涅尔双镜干涉原理的实验过程菲涅尔双镜干涉实验可以通过以下步骤进行：1. 准备两块菲涅尔透镜，将它们放置在一定的距离上，使得它们之间的光程差满足干涉条件。
2. 将一束单色光照射到菲涅尔透镜上，并观察透镜出射的光线。
可以看到在透镜出射光线的交叉区域，会形成明暗相间的干涉条纹。
3. 调整菲涅尔透镜的位置和角度，可以改变干涉条纹的密度和形态。
通过观察和记录不同条件下的干涉条纹，可以进一步研究光的干涉性质。
四、菲涅尔双镜干涉原理的应用菲涅尔双镜干涉原理在科学研究和实际应用中有着广泛的应用，以下是其中的几个例子：1. 光学测量菲涅尔双镜干涉原理可以用于精密测量，例如测量物体的形状和表面粗糙度。
通过观察干涉条纹的变化，可以推断出物体的形状和表面特征。
2. 光学显微镜菲涅尔双镜干涉原理可以用于增强显微镜的分辨率。
通过将菲涅尔透镜放置在样品和目镜之间，可以使显微镜的分辨率提高，从而观察到更细微的结构和细节。
3. 光学信息处理菲涅尔双镜干涉原理还可以用于光学信息处理。
通过调整菲涅尔透镜的位置和角度，可以实现光场的调制和变换，进而实现光学信号的处理和传输。
五、总结菲涅尔双镜干涉原理是一种基于干涉现象的实验方法，通过使用特殊设计的菲涅尔透镜，可以观察到明暗相间的干涉条纹。
菲涅尔透镜的原理
菲涅尔透镜的原理菲涅尔透镜，又称凸透镜，是一种常见的光学元件，它基于菲涅尔透镜的原理，广泛应用于光学仪器、照明设备和摄影器材等领域。
菲涅尔透镜的原理是基于菲涅尔原理，即将透镜表面分成一系列环形的透镜片，每个透镜片都是一个横截面为等腰梯形的小透镜。
这些小透镜片的边缘被切割成一系列的楔形槽，使得整个透镜表面呈现出一系列的圆环状凸面。
菲涅尔透镜之所以能够起到聚光或发散光线的作用，是因为它的表面形状使得光线在透镜上发生了折射。
当平行光线垂直射入透镜时，经过透镜表面的每个小透镜片时，光线会根据斯涅尔定律发生折射。
斯涅尔定律表明，入射角、折射角和透镜的折射率之间存在着一定的关系，即入射角的正弦值与折射角的正弦值成正比。
通过合理设计透镜片的形状和大小，可以实现对光线的聚焦或发散。
菲涅尔透镜的一个重要特点是它比传统的球面透镜更薄，因为透镜表面被切割成了一系列的透镜片，减少了透镜的厚度。
这使得菲涅尔透镜在一些特殊的应用场景中具有独特的优势。
例如，在照明设备中，菲涅尔透镜可以用来集中光线，增加照明的亮度和聚光距离。
在摄影器材中，菲涅尔透镜可以用来调整焦距，实现不同距离的拍摄效果。
除了在照明和摄影领域，菲涅尔透镜还广泛应用于太阳能集热器、光学显微镜、望远镜和激光设备等领域。
在太阳能集热器中，菲涅尔透镜可以聚集太阳光线，提高能量的收集效率。
在光学显微镜中，菲涅尔透镜可以用来调整物镜的焦距，实现对样品的放大观察。
在望远镜和激光设备中，菲涅尔透镜可以用来聚焦光线，提高成像的清晰度和激光束的聚束度。
菲涅尔透镜是一种基于菲涅尔原理的光学元件，它通过改变透镜表面的形状和结构，实现对光线的聚焦或发散。
菲涅尔透镜具有薄、轻、透明等特点，广泛应用于光学仪器、照明设备和摄影器材等领域。
通过合理设计和使用菲涅尔透镜，可以提高光线的利用效率，改善成像和观察效果，推动光学技术的发展和应用。
菲涅尔透镜
菲涅尔衍射与菲涅尔波带片
一．菲涅耳半波带法 2 3 以P0为中心，r0 2 , r0 2 , r0 2 , 为半径在波面n个环带，其中每一环带
的相应边缘两点或相邻带的对应点到P0点的光程差为 ，所 2
以把它们叫作半波带。
三、菲涅尔透镜
菲涅尔波带片和普通透镜相比还有一个差别：波带片的焦距与波长密 切相关其数值与波长成反比，使得波带片色差较大。 菲涅尔透镜就很好第修正了波带片色差问题。
四、菲涅尔透镜的形状
1.圆形菲涅尔透镜 2.菲涅尔透镜阵列 4.线性菲涅尔透镜 5.衍射菲涅尔透镜 7.菲涅尔光束分离器和菲涅尔棱镜。 3.柱状菲涅尔透镜 6.菲涅尔反射透镜
菲涅尔透镜简介
菲涅尔透镜介绍菲涅尔透镜 (Fresnel lens) ，又名螺纹透镜，一般由高透明材料注塑或压注而成的薄片，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，它的纹理是根据光的干涉及扰射以及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表面光洁，纹理清晰，其厚度随用途而变，多在1-2mm左右，特性为面积大、厚度薄及侦测距离远。
菲涅尔透镜在很多时候相当于红外线及可见光的凸透镜，效果较好，但成本比普通的凸透镜低很多。
多用于对精度要求不是很高的场合，如投影机、薄膜放大镜、红外探测器及照明等。
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的平板玻璃，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。
菲涅尔透镜的应用菲涅尔透镜应用于多个领域，包括：投影显示：菲涅尔投影电视，背投菲涅尔屏幕，高射投影仪，准直器；聚光聚能：太阳能用菲涅尔透镜，摄影用菲涅尔聚光灯，菲涅尔放大镜；航空航海：灯塔用菲涅尔透镜，菲涅尔飞行模拟；科技研究：激光检测系统等；红外探测：无源移动探测器；照明光学：汽车头灯，交通标志，光学着陆系统。
智能家居：安防系统探测器等我公司生产的菲涅尔镜,采用主要注塑和热压两种方式。
注塑菲涅尔透镜：设备是进口的高精密注塑机，主要生产小规格菲涅尔透镜（8吋以下），可以大规模提供需求。
热压菲涅尔透镜：设备是根据工艺需求自主设计制造的专用自动热压机。
热压的菲涅尔镜产品精度高，质量好，主要用在成像方面，产品尺寸规格3-10吋，也可以定制超大尺寸的产品。
外形由数控激光激光机切割，产品形状任意，可以根据客户需要选择定制。
菲涅尔透镜最高温度
菲涅尔透镜最高温度摘要：1.菲涅尔透镜简介2.菲涅尔透镜的最高温度及其影响因素3.高温环境下菲涅尔透镜的性能变化4.提高菲涅尔透镜耐高温性能的方法5.菲涅尔透镜在高温应用领域的案例正文：菲涅尔透镜是一种广泛应用于光学领域的重要元件，具有体积小、重量轻、成像质量高等优点。
在许多高温环境中，菲涅尔透镜的性能和可靠性成为关键因素。
本文将探讨菲涅尔透镜的最高温度及其影响因素，以及在高温环境下菲涅尔透镜的性能变化和应用案例。
一、菲涅尔透镜简介菲涅尔透镜（Fresnel lens）是一种根据光的传播原理设计的透镜，其主要特点是曲率半径较小，光线在透镜表面发生折射和反射。
菲涅尔透镜根据其材料和用途可分为多种类型，如玻璃菲涅尔透镜、塑料菲涅尔透镜、圆形菲涅尔透镜等。
在光学领域，菲涅尔透镜广泛应用于太阳能聚光、照明系统、投影仪、摄像机等。
二、菲涅尔透镜的最高温度及其影响因素菲涅尔透镜的最高温度主要取决于其材料和制造工艺。
一般来说，玻璃菲涅尔透镜的最高温度较低，约为150℃左右；塑料菲涅尔透镜的最高温度较高，可达200℃左右。
在高温环境下，菲涅尔透镜的性能会受到影响，如透光率下降、光学性能劣化等。
三、高温环境下菲涅尔透镜的性能变化1.透光率下降：随着温度的升高，菲涅尔透镜的材料会发生一定程度的膨胀，导致透镜表面的曲率发生变化。
这将使得透镜的光学性能下降，透光率降低。
2.光学性能劣化：高温环境可能导致菲涅尔透镜表面出现污损、划痕等缺陷，进而影响透镜的光学性能。
3.热应力损坏：在高温环境下，菲涅尔透镜可能会受到热应力的影响，导致透镜表面出现裂纹、脱落等现象。
四、提高菲涅尔透镜耐高温性能的方法1.选用高温性能较好的材料：在设计菲涅尔透镜时，选用高温性能较好的材料，如碳化硅、氧化铝等，以提高透镜的耐高温性能。
2.优化制造工艺：采用先进的制造工艺，如激光烧蚀、化学气相沉积等，以提高菲涅尔透镜的耐高温性能。
3.表面涂层处理：在菲涅尔透镜表面涂覆一层高温涂料，以提高透镜的耐高温性能和抗腐蚀性能。
菲涅尔透镜焦距公式
菲涅尔透镜焦距公式菲涅尔透镜是一种非常有趣且实用的光学元件，而要深入理解它，就不得不提到菲涅尔透镜的焦距公式。
咱们先来说说啥是菲涅尔透镜。
想象一下，你在大太阳下，拿着放大镜去聚焦阳光，想把一张纸给点着。
这个放大镜就是一种透镜，能把光线聚集到一个点上。
菲涅尔透镜呢，和咱们常见的那种厚厚的凸透镜不太一样，它看起来就像是一圈一圈的波纹，但是它也有把光线聚焦的本事。
我记得有一次，我带着一群小朋友去做科普实验。
当时，我就拿着一个菲涅尔透镜给他们展示。
小朋友们都好奇得不行，一个个眼睛瞪得大大的。
我给他们解释说，这个看起来有点奇怪的东西，其实有着很神奇的功能。
那菲涅尔透镜的焦距公式到底是啥呢？其实啊，菲涅尔透镜的焦距公式可以表示为：f = r / (n - 1) 。
这里的“f”就是焦距，“r”是透镜的曲率半径，“n”是透镜材料的折射率。
比如说，咱们有一个菲涅尔透镜，它的曲率半径是 10 厘米，材料的折射率是 1.5 。
那咱们就能通过这个公式算出它的焦距。
把数字带进去，f = 10 / (1.5 - 1) = 20 厘米。
这就意味着，平行的光线通过这个透镜后，会在距离透镜 20 厘米的地方聚焦。
在实际应用中，菲涅尔透镜的焦距可是非常重要的。
比如在太阳能聚光器里，要是焦距算错了，那可就没法有效地把阳光聚集起来发电啦。
又比如说在一些灯具的设计中，如果焦距不对，灯光就没法照到我们想要照亮的地方。
我还记得有一次去参观一个工厂，他们正在生产一种使用菲涅尔透镜的新型灯具。
工程师们就在那仔细地计算着焦距，调试着设备，就为了能让这个灯具达到最佳的照明效果。
总之，菲涅尔透镜的焦距公式虽然看起来有点复杂，但只要咱们搞清楚了其中的原理，就能更好地利用这种神奇的光学元件，为我们的生活带来更多的便利和惊喜。
从那次给小朋友们做科普实验，到后来参观工厂，我越发觉得光学世界的奇妙。
就像这菲涅尔透镜的焦距公式，小小的公式背后，藏着大大的智慧和无限的可能。
菲涅尔透镜又称阶梯镜
菲涅尔透镜又称阶梯镜，即有"阶梯"形不连续表面组成的透镜。
"阶梯"由一系列同心圆环状带区构成，又称环带透镜。
通过菲涅尔透镜观察远处的物体，则物体的像是倒立的，而观察近处的物体时会产生放大效果。
菲涅尔透镜作用有两个：一是聚焦作用，即将热释红外信号折射（反射）在PIR上，第二个作用是将探测区域内分为若干个明区和暗区，使进入探测区域的移动物体能以温度变化的形式在PIR上产生变化热释红外信号。
菲涅尔透镜,简单的说就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.传统的打磨光学器材的带通光学滤镜造价昂贵。
菲涅尔透镜可以极大的降低成本。
典型的例子就是PIR （被动红外线探测器）。
PIR广泛的用在警报器上。
如果你拿一个看看，你会发现在每个PIR上都有个塑料的小帽子。
这就是菲涅尔透镜。
小帽子的内部都刻上了齿纹。
这种菲涅尔透镜可以将入射光的频率峰值限制到10微米左右（人体红外线辐射的峰值）。
成本相当的低。
菲涅尔透镜的种类很多，其几何形状、探测角、焦距及用途也不尽相同。
常用的菲涅尔透镜可大致归纳为以下几类。
1．长方形透镜。
是常用普通型透镜。
如0—6型尺寸为68X 38mm，焦距为29mm，水平角12Oo，垂直角8O。
，探测距离大于1Om；0—1A型尺寸为58．8X 45mm，水平角85。
，垂直角450。
探测距离大于1Om。
2．半球状透镜。
适合吊顶安装，若设计成小型探测器，4—56可作吊顶武自动灯、自动门等。
如：Q-8型半球形透镜，直径为24mm，水平探测角1 00。
，垂直探测角60。
，探测距离3— 5m；另外，还有RS-8型半球状透镜等。
3．水平薄片形。
这类透镜设计独特，如：SC一62型透镜，探测区域是两个水平1o0o、垂直1．91。
的窄平面，对应两个高精度传感器，特别适合对某一水平高度进行监测；SC一82型透镜，水平角140o，垂直角12。
菲涅尔透镜的简介课件
常用三区多段镜片区段划分、垂直和平 面感应图
第7页，共25页。
红外感光常用的外形
第8页，共25页。
菲涅尔透镜太阳能
• 数百或数千平方米的阳光聚焦到光能转换以往 整个工程造价大部分为跟踪控制系统成本的局面，使其在整个工程造 价中只占很小的一部分。同时对集热核心部件镜面反射材料，以及太 阳能中高温直通管采取国产化市场化生产，降低了成本，并且在运输 安装费用上降低大量费用。 这两项突破彻底克服了长期制约太阳能在中高温领域内大规模应用 的技术障碍，为实现太阳能中高温设备制造标准化和产业化规模化运 作开辟了广阔的道路。我公司利用该项技术生产一套200平方米的太 阳能热水系统约二十万元左右，一年四季都可以产生100度以上的热 水（温度还可以更高，如二、三的工业用热）第4页，共25页。
典型的应用
• 菲涅尔镜片是红外线探头的“眼镜”，它 就象人的眼镜一样，配用得当与否直接影 响到使用的功效，配用不当产生误动作和 漏动作，致使用户或者开发者对其失去信 心。配用得当充分发挥人体感应的作用， 使其应用领域不断扩大。
第5页，共25页。
常用镜片外观示意图
第6页，共25页。
第3页，共25页。
这就是菲涅尔透镜。小帽子的内部都刻上了 齿纹。这种菲涅尔透镜可以将入射光的频 率峰值限制到10微米左右（人体红外线辐 射的峰值）。成本相当的低。 菲涅耳透 镜可以把透过窄带干涉滤光镜的光聚焦在 硅光电二级探测器的光敏面上，菲涅尔透 镜由有机玻璃制成,不能用任何有机溶液(如 酒精等)擦拭，除尘时可先用蒸馏水或普通 净水冲洗,再用脱脂棉擦拭。
•
菲涅尔透镜的在很多时候相当于红外线及可见
光的凸透镜，效果较好，但成本比普通的凸透镜低
很多。多用于对精度要求不是很高的场合，如幻灯
菲涅尔透镜
菲涅尔透镜又称阶梯镜，即有"阶梯"形不连续表面组成的透镜。
"阶梯"由一系列同心圆环状带区构成，又称环带透镜。
通过菲涅尔透镜观察远处的物体，则物体的像是倒立的，而观察近处的物体时会产生放大效果。
菲涅尔透镜作用有两个：一是聚焦作用，即将热释红外信号折射（反射）在PIR上，第二个作用是将探测区域内分为若干个明区和暗区，使进入探测区域的移动物体能以温度变化的形式在PIR上产生变化热释红外信号。
菲涅尔透镜,简单的说就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.传统的打磨光学器材的带通光学滤镜造价昂贵。
菲涅尔透镜可以极大的降低成本。
典型的例子就是PIR（被动红外线探测器）。
PIR广泛的用在警报器上。
如果你拿一个看看，你会发现在每个PIR上都有个塑料的小帽子。
这就是菲涅尔透镜。
小帽子的内部都刻上了齿纹。
这种菲涅尔透镜可以将入射光的频率峰值限制到10微米左右（人体红外线辐射的峰值）。
成本相当的低。
菲涅尔透镜的种类很多，其几何形状、探测角、焦距及用途也不尽相同。
常用的菲涅尔透镜可大致归纳为以下几类。
1．长方形透镜。
是常用普通型透镜。
如0—6型尺寸为68X 38mm，焦距为29mm，水平角12Oo，垂直角8O。
，探测距离大于1Om；0—1A型尺寸为58．8X 45mm，水平角85。
，垂直角450。
探测距离大于1Om。
2．半球状透镜。
适合吊顶安装，若设计成小型探测器，4—56可作吊顶武自动灯、自动门等。
如：Q-8型半球形透镜，直径为24mm，水平探测角1 00。
，垂直探测角60。
，探测距离3— 5m；另外，还有RS-8型半球状透镜等。
3．水平薄片形。
这类透镜设计独特，如：SC一62型透镜，探测区域是两个水平1o0o、垂直1．91。
的窄平面，对应两个高精度传感器，特别适合对某一水平高度进行监测；SC 一82型透镜，水平角140o，垂直角12。
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文章编号:100525630(2006)0120034205菲涅耳透镜的通光分析及设计方法探讨Ξ陈 杰,李湘宁,叶宏伟(上海理工大学光电学院,上海200093) 摘要:研究了菲涅耳透镜成像质量差的原因,提出一种改进的方法,即改善轴外点的成像质量以增大菲涅耳透镜的视场。
分析了三种常用的设计菲涅耳透镜的方法,用光学设计软件Zem ax 模拟设计结果,对三种设计方法进行比较。
得出结论:像面为曲面时可校正场曲;基面和底面为曲面的菲涅耳透镜与平面型菲涅尔透镜相比彗差较小。
关键词:菲涅耳透镜;像差;设计;曲面中图分类号:O 43 文献标识码:AAna lyo is of Fresnel len s tran s m issiv ity and research of designCH EN J ie ,L I X iang 2n ing ,Y E H ong 2w ei(Co llege of Op tics and E lectron ics ,U n iversity of Shanghai fo r Science and T echno logy ,Shanghai 200093,Ch ina ) Abstract :T he flaw of F resnel len s w as analyzed ,and a m ethod w as b rough t up to b roaden the angle of F resnel len s and to i m p rove i m aging quality .T h ree m ethods of F resnel len s design w ere listed ,and there typ e of len s w ere si m u lated ,and the resu lts of si m u lati on s w ere com p ared ,and the conclu si on is :cu rve detecto r can ligh ten field cu rvatu re .T he i m aging quality of cu rve F resnel len s is better than p lane one ,becau se com a aberrati on w as co rrected .Key words :F resnel len s ;aberrati on ;design ;cu rve1 引 言当前广泛使用的菲涅耳透镜普遍使用轴上点消球差的方法设计[1]。
如图1所示,左边是一个经过消球差设计的菲涅耳透镜(为清楚起见,齿形有相当程度的夸大),平行光经过透镜以后,会聚到同一点;右边的非球面平凸透镜具有相同的功能,但是与菲涅耳透镜相比更厚,需要更多的材料。
与传统的光学玻璃透镜相比,菲涅耳透镜具有重量轻,材料来源丰富,成本低,制作方便,口径大,厚度薄等特点。
2 入射光束分析当前菲涅耳透镜与传统透镜相比成像质量较差,尤其是对轴外点成像;当透镜相对口径较大时,这种缺点更为明显[2]。
菲涅耳透镜成像质量差主要有以下几个原因:(1)一般设计菲涅耳透镜时只能保证通过工作面上一点的光线会聚到焦点F 。
如图2(a )所示,平行光从A 点入射,出射后会聚到点F ,则从B 、C 两点入射的光线势必不能与主光轴相交与点F ,会产生球差,第28卷 第1期2006年2月 光 学 仪 器O PT I CAL I N STRUM EN T S V o l .28,N o.1Feb ruary,2006Ξ收稿日期:200525213基金项目:上海市重点学科建设资助项目(T 0501);上海市教委重点学科资助项目(四期)作者简介:陈 杰(19812),男,湖北随州人,硕士研究生,主要从事光学设计方面的研究。
透镜的齿距越大,球差越大。
缩小透镜的齿距可以减轻这个问题,由于齿距不可能无限制的缩小,所以这个问题只能尽量减轻,不可能完全消除;如果透镜的齿距较宽,把工作面设计成曲面可以解决这个问题,即把图2(a )中的直线BC 改为弧形,使射到弧BC 上的所有水平平行光都能会聚到点F ,但是齿距较宽的菲涅耳透镜一般厚度较大而且厚薄不均匀,应用场合受限制。
(2)非工作面上的光线损失。
在非工作面上损失的光线有两种:从非工作面入射的光线,如图2(a )中从D 点入射的光线;以及从工作面入射以后被折射到非工作面上的光线,如图2(b )中入射位置较低的光线,光线经过非工作面以后不能到达F 点,而且出射的方向未知,会对整体成像产生干扰。
所以,非工作面的面积越小越好。
但是非工作面无法消除,只能尽量减小。
减小透镜的齿距,可以减小非工作面与工作面的面积之比,提高光线的利用率。
(a ) (b )图1 等效的菲涅耳透镜与非球面透镜(a )消球差的菲涅耳透镜;(b )消球差的非球面透镜。
(a ) (b )图2 通过菲涅耳透镜的光线分析(a )光路示意图;(b )单齿非工作面挡光示意图。
图2(b )中表现了平行光垂直入射时菲涅耳透镜的一个齿上与基面垂直的非工作面挡光的情况(其中n 为折射率、Α为工作面角度,i 为入射角、r 为出射角、h 为齿深、k 为齿距、t 为光线不能通过的区域的高度),当光线入射位置高于图中光线时,就可以从透镜的另一面出射,会聚于透镜的焦点处;如果光线入射位置低于图中的光线,会被非工作面阻挡。
把光线能通过的高度与齿距之比k -t k叫做这个齿上的通光比,记为Γ,根据图中所示的几何关系:i =Α(1)sin i sin r =n (2)co s r =sin (i -r )co s i (3)・53・第1期陈 杰等: 菲涅耳透镜的通光分析及设计方法探讨 由以上公式可以推出:t=h sin(Α-arcsinsinΑn)co sΑco s(arcsinsinΑn)(4)从而就可以计算出Γ的值。
画出菲涅耳透镜从中心到边缘每个齿上的通光比,如图3所示。
可以看出,越靠近边缘的齿上通光比越小,又因为越靠近边缘,齿深越大,所以可以得出结论:齿深越浅,通光比越大,光线利用率越高。
图3 菲涅耳透镜各个齿上的通光比3 设计方法3.1 轴上点消球差的平面型菲涅耳透镜这种透镜一面是菲涅耳面,菲涅耳面的齿形分布在平面上,透镜的另外一个面为平面。
计算每一个工作面上一条与主光轴平行的光线从菲涅耳面入射[如图2(a)所示从点A入射],通过菲涅耳透镜后会聚于同一点F。
在平行光垂直入射的情况下,在焦面上能得到一个弥散斑,如果设计合理,有可能把这个弥散斑控制在较小的范围内。
但是斜入射平行光经过透镜后将会得到一个无法控制的弥散斑,最小弥散斑的位置也会离开焦面,从而产生场曲。
从图4中还可以看出明显的彗差,随视场增大,彗差会更加严重,而且会出现像散,图5为视场分别为0°、2°、4°、6°、8°、10°、12°、14°的点列图,可以看出随着视场逐渐增大,彗差和像散越来越严重。
图4 轴上点消球差光路图 图5 轴上点消球差各视场点列图・63・ 光 学 仪 器第28卷3.2 综合考虑轴上点与轴外点优化设计的平面型菲涅耳透镜这种透镜与上述轴上点消球差的平面型菲涅耳透镜类似,菲涅耳面的基面和底面为平面,所不同的是利用Zem ax 软件综合考虑不同的视场进行优化计算。
比较图4与图6中的光路图,可以发现图6中的光路场曲较小。
图7显示了各视场的点列图,与前一种透镜比较各视场像点形状,可以发现优化后视场较小时像质与优化前相比稍差,但是在大视场的情况下像点较小,像差也较小。
图6 多视场优化设计光路图 图7 优化后各视场点列图3.3 曲面型菲涅耳透镜如果把上节中两种透镜的像面改为曲面,可以有效校正场曲,图8和图9中是把像面改为曲面以后的光路图与点列图。
与上述两种透镜的点列图相比,几乎没有场曲,但还是有明显的彗差。
图8 像面为曲面的光路图 图9 像面为曲面的点列图把菲涅耳透镜的齿形分布的基面和底面都改为曲面,为了使透镜厚薄均匀,通常使两个曲面的曲率半径之差为定值,该值即为菲涅耳透镜的厚度。
在Zem ax 软件中,有一类面型叫做扩展菲涅耳面(Ex tendedF resnel )可以将菲涅耳面的基底设置为平面、球面或者二次曲面[3]。
图10所示的菲涅耳透镜基面与底面为弧面,曲率半径之差恒定,像面也设置为弧面,从图11的点列图中可以看出成像质量并没有明显的改善,与上述像面为曲面的点列图相差无几。
图10 基面与底面相同的菲镜光路图 图11 基面与底面相同的点列图如果不要求基面和底面保持一致,则校正像差的结果比较明显。
如图12所示,透镜的基面与底面形状・73・第1期陈 杰等: 菲涅耳透镜的通光分析及设计方法探讨 不同,从图13的点列图可以看出像差得到了很好的校正,几乎只剩下球差。
图12 基面与底面不同的菲镜光路图 图13 基面与底面不同的点列图4 结 论在上述几种透镜中,轴上光束与轴外光束的成像、透光情况有差异。
通常设计菲涅耳透镜时主要考虑轴上物点的成像情况,如此轴外物点的成像情况就得不到保证。
三种设计方法中:(1)轴上点消球差的平面型菲涅耳透镜在小视场的情况下像质较好,但是无法满足稍大视场的要求;(2)多视场优化设计的平面型菲涅耳透镜在大视场情况下像质稍好,但是轴上点像质不及轴上点消球差的平面菲涅耳透镜;(3)多视场优化设计的曲面型菲涅耳透镜成像质量较好,但是加工困难,成本较高,适用于对像质要求较高的场合。
因此设计菲涅耳透镜时要根据不同的应用场合,选择适当的设计方法和面型。
5 参考文献[1] 陆汉民,等.光学技术手册[M ].北京:机械工业出版社,1987.782.[2] 张 兰.菲涅耳透镜对平行光的成像特性分析[J ].光学仪器,2000,22(1):15～18.[3] Zem ax D evelopm ent Company .,Zem ax 光学设计程式使用手册[Z ].台北:讯技科技股份有限公司.2004,244.消 息1280像素×1024像素双波长焦平面列阵据美国《L aser Focu s W o rld 》杂志报道,美国国防高级研究计划局(DA R PA )最近授于美国传感器有限公司(SU I )一份总价值为457万美元的合同,要求该公司为其研制一种新型的1280像素×1024像素可见光短波红外双波长焦平面列阵。
这种新型焦平面列阵为非致冷InGaA s 焦平面列阵,其像素间距为15Λm ,工作波长为0.4Λm ～1.7Λm 。
当以视频速率工作时,其读出噪声小于10个电子。