菲涅耳透镜的通光分析及设计方法探讨

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1、光学仪器第)!卷第"期(]v)!-%v")##&年)月6"n#[7$#%ln&i’g%nlq1sht3hk-)##&文章编号!"##$%$&’#()##&*#"%##’+%#$菲涅耳透镜的通光分析及设计方法探讨,陈杰-李湘宁-叶宏伟(上海理工大学光电学院-上海)###.’*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01234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5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!

2、菲涅耳透镜5像差5设计5曲面中图分类号!6+’文献标识码!789:;<=>?=@ABC?9C;;C9?DB:9?E>??>F>D<:9GBC?C:BHI=@GC?>J9KLMNOPQ-RSTPUVW%VPVW-XMLYVW%ZQP([]]1^1_6‘abcd3efg]1cahebcd-iebj1hdbak_lm3e^m3b_hlcb1ec13efn1cme]^k-lm3e^m3b)###.’-[mbe3*8o?DB:HD!nm1_]3p_qh1de1]]1edp3d3e3]kr1f-3ef321amfp3dsht^mat‘ash3f1eam13e^]1_

3、qh1de1]]1ed3efab2‘hj1b23^be^ut3]bakvnmh1121amfd_qh1de1]]1edf1db^ep1h1]bda1f-3efam1h1ak‘1_]1edp1h1db2t]3a1f-3efam1h1dt]ad_db2t]3abedp1h1c2‘3h1f-3efam1cec]tdbebd!cthj1f1a1cahc3e]b^ma1e_b1]fcthj3ath1vnm1b23^be^ut3]bak_cthj1qh1de1]]1edbds1aa1ham3e‘]3e1e1-s1c3td1c233s1hh3abep3dchh1

4、ca1fvwC

5、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5当透镜相对口径较大时-这种缺点更为明显z){

6、/菲涅耳透镜成像质量差主要有以下几个原因!("*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q/如图)(3*所示-平行光从7点入射-出射后会聚到点q-则从}~[两点入射的光线势必不能与主光轴相交与点q-会产生球差-,收稿日期!)##$%$%"’基金项目!上海市重点学科建设资助项目(n#$#"*5上海市教委重点学科资助项目(四期*作者简介!陈杰(".!"%*-男-湖北随州人-硕士研究生-主要从事光学设计方面的研究/第.期陈杰等+菲涅耳透镜的通光分析及设计方法探讨@?A@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

7、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$%&’中的直线()改为弧形!使射到弧()上的所有水平平行光都能会聚到点*!但是齿距较宽的菲涅耳透镜一般厚度较大而且厚薄不均匀!应用场合受限制"%$’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$%&’中从,点入射的光线#以及从工作面入射以后被折射到非工作面上的光线!如图$%-’中入射位置较低的光线!光线经过非工作面以后不能到达*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!

8、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"%&’%-’图.等效的菲涅耳透镜与非球面透镜%&’消球差的菲涅耳透镜#%-’消球差的非球面透镜"%&’%-’图$通过菲涅耳透镜的光线分析%&’光路示意图#%-’单齿非工作面挡光示意图"图$%-’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/为折射率01为工作面角度!2为入射角03为出射角04为齿深05为齿距06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