透镜设计

基于菲涅尔透镜的配光设计

内容：一、概述

二、设计方法

三、设计步骤

报告人：陈志强

学号：************

专业：光信1501

1、菲涅尔透镜概述

菲涅尔透镜(Fresnellens)又称螺纹透镜，是由法国物理学家奥古斯汀·菲涅尔

（Augustin·Fresnel)发明的，他在1822年最初使用这种透镜设计用于建立一个玻璃菲涅

尔透镜系统--灯塔透镜。菲涅尔透镜多是由聚烯烃材料注压而成的薄片，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，它的纹理是利用光的干涉及扰射和

根据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是表面光

洁，纹理清晰，其厚度随用途而变，多在1mm左右，特性为面积较大，厚度薄及侦测距离远。

2、基本原理

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1-1）

另外一种理解就是，透镜连续表面部分“坍陷”到一个平面上。从剖面看，其表面由一系列

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。每个凹槽都可以看做一个独立的小透镜，

把光线调整成平行光或聚光。这种透镜还能够消除部分球差。

图1-1

3、光学特性

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（即菲涅耳带)的

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。

二、设计方法

1、光源

本设计光源采用给定的点源，在TP软件中可以找到格点光源来仿真。

2、目标光斑

不同接收面的目标光斑有很大差异，具体如图3-9——图3-12。

3、环结构设计

设定环数为3个。

4、目标面

此设计目标接收面设置了4个，可参见图3-6。

三、设计步骤

1、光源格点光源参数如图3-1

图3-1

2、确定环带数

按照设计要求可知环带数为3

3、求多环带母线

由Matlab程序可求出环带母线坐标，如下表。

xyzxyz

29.088577231.048611014.51531432.50345790

28.168293831.54828414013.49706332.74791820

27.2394332..47470132.97457030

26.302268832.49907135011.4485433.18334530

25.357095732.94989579010.41889133.37417950

24.404198633.3841560309.386067933.54701470

23.443867733.8017197808.350386133.70179840

22.476395634.2024598507.312160633.83848340

21.50207730.3005398806.271707833.9570280

20.521208630.6672715305.229344634.05739620

19.534089331..185388434.13955730

18.541019731.3491052603.140157434.20348640

17.542302331.6639996402.093969834.24916390

16.538241331.9614160401.047144434.2765760

15.529142732.241263860034.28571430

4、导入SW建模，TP仿真

a、母线绘制

将上述三维坐标点存为.txt格式的文件可以直接导入SW画出菲涅尔透镜母线，如

图3-2

图3-2

b、构建三维模型

透镜三维模型如图3-3

图3-3

c、TP仿真

将三维模型导入TP并设定好所有参数

由图3-4可以明显观察到焦点分布，并列分布在同一条直线上，前后位置不一。

图3-5为完整的TP模型

图3-4

图3-5

如图3-6，设置了4个不同的接收面，其中接受面1在第一个焦点之前，接收面2位

于第二个交点处，接收面3位于第二和第三个焦点中间，接收面4位于第三个焦点之后。

这样设置接收面的优点在于可以清楚的获得不同位置的光照分布，便于对比后分析结

果。

图3-6

图3-7——3-8是光线相对比较多的TP仿真三维模型

图3-7

图3-8

5、结果分析

图3-9——3-12依次为接收面1——接收面4的照度、均匀度分布图.

如图3-9，为接收面1的照度、均匀度分布图，可以明天观察到3个环，达到设计目标。

图3-9

如图3-10，当接收面位于第一个焦点处，中心亮度明显很高，但边缘亮度低，这说明在

这个面上，中心处的能量相对较与非中心处较高。另一方面也说明在此焦点上，光线能够很

好的会聚，这对于菲涅尔透镜来说即为目的，达到最好的聚焦效果以满足需求。

图3-10

图3-11

如图3-12，为接收面4接收到的光线照度、均匀度分布。此时环带变宽，暗环消失，说

明在此位置出，亮环可以把周围照亮。

图3-12

参考文献：

［1］祝华，贺叶美,李栋,等.基于菲涅尔透镜的室内LED射灯配光设计［Ｊ］．光学仪

器，2011，33(2):38-42．

［2］张航，周海波，刘超，等.蜂窝式阵列菲涅尔透镜的配光设计［Ｊ］.光学仪

器,2016,38(1):53-58