LED光源的片狀透鏡設計方法
光學(xué)元件是很精密的元件,制作成本較高,如果能減少元件的厚度,甚至做成片狀透鏡,則不但可以減少光學(xué)元件的尺寸,從而縮小燈具或其他設備的大小,還可以節省材料,降低成本。由于厚度減少,光吸收也減少,燈具或儀器效率也會(huì )隨之提高,因此做成高質(zhì)量的薄片形的光學(xué)零件一直是光學(xué)設計追求的目標之一。
本文引用地址:http://dyxdggzs.com/article/169226.htm菲涅爾(Fresnel)透鏡是一種片狀的薄形透鏡,它一直以其輕、薄、價(jià)格低廉優(yōu)勢而在一些方面得到應用。但市場(chǎng)上的菲涅爾透鏡多為等差半徑的同心圓結構,其制作缺乏精確的光學(xué)設計過(guò)程,導致成像質(zhì)量不是很高,有的甚至只是簡(jiǎn)單的波紋結構,其光學(xué)質(zhì)量就更差了。即使是較好的菲涅爾透鏡,也是通常將普通透鏡分為小段后,近似為折線(xiàn),并經(jīng)過(guò)不同距離的簡(jiǎn)單平移而形成,這些設計方法上的缺陷造成了菲涅爾透鏡的低質(zhì)量。
LED體積很小,但市場(chǎng)上銷(xiāo)售的LED用杯狀透鏡大都厚度在10mm以上,這成為LED在某些場(chǎng)合應用的致命問(wèn)題,雖然可以用菲涅爾透鏡來(lái)減薄透鏡的厚度和減少光吸收,但如何進(jìn)行精確的光學(xué)設計卻很少見(jiàn)到文獻報道。
本文介紹的是能獲得精確的超薄鋸齒形透鏡的設計方法,其光學(xué)質(zhì)量好,光線(xiàn)利用率較高。因為一般的菲涅爾透鏡在理論上就存在浪費,即透過(guò)透鏡的光線(xiàn)理論上就有一部分不能到達設計的目的地,本方法得到的透鏡對點(diǎn)光源來(lái)說(shuō)理論上不存在浪費。此外,各個(gè)小鋸齒之間的距離也可根據需要而不同,而且在同一透鏡中不同位置的鋸齒間距也可變化,從而使這種方法設計的鋸齒形透鏡有更廣泛的適應性,即它可以適應不同的使用條件和不同的加工條件的需求。
這種鋸齒形透鏡適用LED為光源的二次光學(xué)透鏡。對于LED這種尺寸很小的光源,具有小而薄的光學(xué)透鏡是非常有意義的。
一、設計原理
單個(gè)透鏡一般是一個(gè)表面形狀為曲面的透明材料,其作用是改變光線(xiàn)的方向,形成所需的光強空間分布。其缺點(diǎn)是往往比較厚,因此體積大成本高,而且吸收也就大,特別是曲率大的透鏡更是如此。為簡(jiǎn)單計,舉一個(gè)平凸透鏡的例子,原始的平凹透鏡見(jiàn)圖1(a),相應地傳統的菲涅爾透鏡見(jiàn)圖1(b),為了說(shuō)明原理,圖中齒距畫(huà)得比較大。
圖1 傳統菲涅爾透鏡的形成原理
菲涅爾透鏡的設計原理其實(shí)是用若干小面來(lái)代替整個(gè)連續的大曲面。圖1(c)為傳統菲涅爾透鏡設計原理。圖1(b)的鋸齒狀菲涅爾透鏡的功能和圖1(a)的原始透鏡相同。傳統的設計方法可以用圖1(c)表示。實(shí)際上圖1(b)的菲涅爾透鏡可以看成是由圖1(a)的透鏡刪除多個(gè)矩形部分,再把剩余部分往下移動(dòng)成一個(gè)片狀而成為菲涅爾透鏡的。見(jiàn)圖1(c),其中臺階狀陰影就是被刪除的多個(gè)矩形組成的部分。
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