[发明专利]一种利用菲涅尔透镜模块产生方形聚焦空心光束的方法

说明书

本发明涉及一种利用菲涅尔透镜模块产生方形聚焦空心光束的方法，包括以下步骤：步骤S1：采用若干个具有相同半径和圆心角的扇形菲涅尔透镜区块组成一圆形菲涅尔透镜模块，在所述圆形菲涅尔透镜模块下方放置一探测面；步骤S2：将一束平行光垂直入射至所述圆形菲涅尔透镜模块上，出射的光在探测面上获得方形的空心光图案。本发明利用模块化的菲涅尔透镜产生方形的聚焦空心光束图案，设计简单，光学效率高。

技术领域

本发明涉及照明设计领域，特别是一种利用菲涅尔透镜模块产生方形聚焦空心光束的方法。

背景技术

传统的菲涅尔透镜是由具有特定齿形的同心圆环组成，可形成点，圆形以及圆环等中心对称图案。而对于方形空心这种特殊的图案，则采用自由曲面透镜，衍射光学元件和投影成像等方法实现。自由曲面透镜和衍射光学元件由于加工复杂，所以造价较为昂贵，而投影成像方法则是把图案刻在菲林片上，使得系统具有设计复杂，光学效率较低等缺点。

本申请通过模块菲涅尔透镜产生方形的聚焦空心光束。菲涅尔透镜结构简单，很容易通过精密五轴加工机床制造获得。另外菲涅尔透镜为平面结构，可以有效减小系统的尺寸。由于所产生的方形空心光束具有能量密度高且光强分布均匀，可用于激光切割，智能装配UV固化以及特殊照明图案等领域。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提出一种利用菲涅尔透镜模块产生方形聚焦空心光束的方法，利用模块化的菲涅尔透镜产生方形的聚焦空心光束图案，设计简单，光学效率高。

本发明采用以下方案实现：一种利用菲涅尔透镜模块产生方形聚焦空心光束的方法，包括以下步骤：

步骤S1：采用若干个具有相同半径和圆心角的扇形菲涅尔透镜区块组成一圆形菲涅尔透镜模块，在所述圆形菲涅尔透镜模块下方放置一探测面；

步骤S2：将一束平行光垂直入射至所述圆形菲涅尔透镜模块上，出射的光在探测面上获得方形的空心光图案；

其中，分隔角为ω的菲涅尔透镜模块形成边长为d的方形空心光，位于方位角θ的扇形菲涅尔透镜区块生成方形空心光图案中同样方位角为θ的点。

进一步地，步骤S1中，所述圆形菲涅尔透镜模块的设计具体为：

设计区间取值在方位角θ为0至设扇形菲涅尔透镜区块的标识为n，n表示从为0至区间的第n个区块，则第n个扇形菲涅尔透镜区块产生的聚焦点到坐标原点的距离r_n由下式可得：

其中，θ为第n个区块的方位角，由下式决定：

θ_n＝(n-1)ω(1≤n≤π/(4ω))。

进一步地，步骤S2中，所述平行光垂直入射至所述圆形菲涅尔透镜模块上后，经斜角为α的齿形折射至所述探测面，对于第n个区块，α表示为：

其中，

β＝arctan[((ρ-r_n)/f)]；

式中，N₁，N₂分别表示空气和菲涅尔透镜材料的折射率，ρ为齿形中心到中心轴的距离，f为焦距；

齿高h表示为：

h＝p×tan(α)。

其中p为菲涅尔透镜的齿宽。

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：本发明利用模块化的菲涅尔透镜产生方形的聚焦空心光束图案，设计简单，光学效率高。

附图说明

图1为本发明实施例中模块菲涅尔透镜产生方形空心光束的三维示意图。