[发明专利]一种双面菲涅尔透镜

摘要

本发明公开了一种双面菲涅尔透镜，包括入射面和出射面，所述入射面和出射面均为设置有多条凹陷的齿槽，每个齿槽中对应的用于起聚光作用的齿面均为弧面结构，下部齿槽的弧面轮廓形状随与之对应的上部齿槽的轮廓形状的变化而变化。本发明通过双面的结构设计，可将聚光器焦距与聚光器口径的比压缩至0.7，同时齿槽中的齿面采用弧面结构，可实现齿间距可以任意选择的同时，依然能获得较小的光斑，即使用较大的齿间距在提高光效的同时满足较高的聚光倍数。

主权项

1.一种双面菲涅尔透镜，包括入射面和出射面，其特征在于：所述入射面和出射面均为设置有多条凹陷的齿槽，每个齿槽中对应的用于起聚光作用的齿面均为弧面结构，下部齿槽的弧面轮廓形状随与之对应的上部齿槽的轮廓形状的变化而变化，将光线离散化且从右至左进行编号，分别为0、1、2、3至N，且假设相邻两条光线之间的间距为ΔX，通过每一根光线的光路确定其所通过对应齿槽中上、下部弧形齿面轮廓形状的曲线方程；首先，确定上部齿面的方程，其曲线方程满足：yn＝yn‑1+ΔX*tgβxn＝xn‑1‑ΔXsinβ＝nsinθ其中，xn为第N+1条光线的X值，m是第N+1条光线通过该曲线后在焦点处的X值，a为透镜半口径，b为焦点半径，yn为第N+1条光线与曲线交点的Y值，ΔX为相邻两条光线的间距，β为光线的入射角，θ为折射角，α为折射光线与X轴的夹角，h为X轴与焦点的垂直距离，n是材料折射率；其中a、b,ΔX、h、n为已知，且y0＝0，通过上式，选取适当的X值，即可求得每一个齿的曲线点；其次，当所述上部齿面的曲线方程确定后，再确定下部齿面的方程，其曲线方程满足：Δx＝[xn‑1‑ctgαn‑1*(yn‑1+h0)]‑[xn‑ctgαn(yn+h0)]………公式1Δx'＝Δx‑ctg(αn‑1)*(y'n‑1‑h0)+ctgαn(y'n‑h0)…………公式2y'0＝y'n‑1‑Δx'*tgφn‑1…………公式3x'n＝x'n‑1‑Δx'………公式5其中，h₀为玻璃厚度，b为第一条入射光线与y＝h'直线的交点与Y轴的垂直距离，h'为光斑到玻璃上表面的距离，x₀为第一条入射光线在上部聚光折射面的起始位置，α₀为第一条入射光线通过上部聚光折射面后与X轴的夹角，α_n为第n+1条入射光线通过上部聚光折射面后与X轴的夹角，β₀为第一条入射光线与下部聚光折射面横截面交点处的曲线法线之间的夹角，β_n为第n+1条入射光线与下部聚光折射面横截面交点处的曲线法线之间的夹角，θ₀为第一条入射光线在下部聚光折射面横截面的入射角，φ₀为第一条入射光线与下部聚光折射面横截面交点处的曲线法线与Y轴的锐角夹角，φ_n为第n+1条入射光线与下部聚光折射面横截面交点处的曲线法线与Y轴的锐角夹角，△x为第一条入射光线和第二条入射光线分别与玻璃下表面交点的距离，△x′为第一条入射光线和第二条入射光线分别与下部聚光折射面折射点的水平距离，n为材料折射率，x'₀和y'₀为第一条入射光线经上部聚光折射面折射后，其折射光线与下部聚光折射面交汇处的点在坐标系中的坐标；N为一个自然数，即将整个曲面的横截面分成N等分，d为光线等比压缩的比例，数值上等于公式1可由上部齿面求得，将公式2代入公式3，结合公式1求得y'_n，将y'_n代入公式6求得β_n，将y'_n代入公式2求得Δx'，将Δx'代入公式5求得x'_n，这样就得到下部齿面的各点坐标(y'_n，x'_n)，即得到下部齿面的曲线；其中，对应上、下齿槽的上、下齿面相当于构成一个独立的透镜，假定整个菲涅尔透镜的半径为R，即x0＝R，y0和x0为入射光线由透镜边缘处入射的位置，此时y0＝0，x0＝R，R为整个菲涅尔透镜的半径，通过上述的方程即可求得上下两条连续曲线，在合理的高度位置H处截断连续曲线，截断位置的X值为x1，截取齿面宽度为W1，则x1＝R‑W1，以此作为下一个齿面的初始计算点，在下一个齿面高度接近H时，截断曲线；以此类推，直到xn＝0时，整个菲涅尔透镜计算完毕，xn为第n个截断位置的X值。