【技术实现步骤摘要】
一种双曲面菲涅尔透镜结构及其设计方法
[0001]本申请属于光学
，特别涉及一种双曲面菲涅尔透镜结构及其设计方法。
技术介绍
[0002]由光学原理可知，透镜材料本身厚度只是对反射等透光率相关，一个透镜表面曲率是决定透镜对光束起到折射的主要因素。菲涅尔透镜是保留普通透镜的表面曲率作用而去除透镜的轴向厚度作用的透镜，其相对普通透镜具有重量轻、厚度薄、透光率高等优点。现有的菲涅尔透镜一般多为单面菲涅尔透镜，且菲涅尔面为平面基底，即基底平面的轴心线为直线。
[0003]单面菲涅尔透镜即其镜片的其中一个表面为光面(通常为平面)，另一表面为菲涅尔面。单面菲涅尔透镜结构使得聚光组件的厚度比较厚。为此出现了双面菲涅尔透镜。CN201510828765.9即公开了“一种双面菲涅尔透镜”，其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，依然能获得较小的光斑。但是，该菲涅尔透镜的菲涅尔面基底是平面基底，且两面的面型是关联设计，设计自由度较小，不能实现更小焦距，材料厚度并没有得到有效减少。
[0004]平面菲涅尔透镜即为在平面基底上制造曲面菲涅尔环带，此菲涅尔透镜在像差校正方面仍然没有大的改善。为此，CN201510869556.9公开了一种“虚拟现实用曲面菲涅尔光学塑料单透镜光学系统”，该单透镜靠近人眼的光学面为球面，靠近屏幕的光学面为曲面基底的菲涅尔透镜面，用于将屏幕图像以放大虚像方式成像在人眼前方。但是其仍然为单面菲涅尔透镜，同样存在重量大、占用空间大、视场较小、设计自由度较小等问题。>[0005]总之，用传统的沉降方法极大的减少透镜与光学性能无关的透镜材料，为了提高菲涅尔透镜的聚光性能，科技人员首先尝试单透镜的环带优化。然后设计了一面是曲面另一面是平面菲涅尔面的单透镜，再到对称的双平面菲涅尔透镜。更进一步的设计方法出现了曲面和曲面菲涅尔面的双面透镜的设计技术，并有学者将这种双面镜片组合成相位透镜。这一系列的设计探索，取得了极大突破，验证了菲涅尔透镜在高质量成像的应用可行性。但是现有菲涅尔透镜仍然存在视场不够大、设计自由度低，基底设计与表面菲涅尔微织构设计分离等问题，且成像质量有待进一步改善。
技术实现思路
[0006]本专利技术所要解决的技术问题在于提供一种最大限度地减小菲涅尔透镜的重量、空间和视场限制的双面菲涅尔透镜。
[0007]本专利技术所要解决的另一技术问题在于提供一种尽可能提高光效的同时满足聚光倍数的双面菲涅尔透镜的设计方法。
[0008]为解决上述技术问题，本专利技术的技术解决方案是：
[0009]一种双曲面菲涅尔透镜结构，其包括前表面和后表面，该前表面和后表面都是由若干齿槽状同心环带组成的菲涅尔面，且前表面和后表面的每个环带的齿底基底均为曲面
基底，前表面齿底基底为凸曲面，后表面齿底基底为凹曲面。
[0010]优选的，所述的前表面和后表面的菲涅尔面型都为凸曲面。
[0011]优选的，所述菲涅尔面型的凸曲面为双曲面、抛物面、椭球面或球面。
[0012]优选的，所述前表面和后表面的基底的旋转母线相同，且是等距关系。
[0013]优选的，所述基底凸曲面为双曲面、抛物面、椭球面或球面。
[0014]优选的，所述的前表面每个环带的齿高均相等；或者所述后表面的每个环带的齿高均相等；或者所述前表面和后表面每个环带的齿高均相等。
[0015]优选的，平行光线经过所述透镜前表面在后表面的每个环带弧面折射后汇聚在同一点，即形成菲涅尔透镜的每环的焦距不同，但焦点相同。
[0016]一种双曲面菲涅尔透镜结构设计方法，以双曲面菲涅尔透镜的前表面和后表面相对应的每环带焦点相同为依据，以中间环带焦点位置J和曲率C为基准，分别对前表面和后表面各环带曲率进行计算，实现各环带焦点一致设计。
[0017]优选的，对菲涅尔透镜的前表面和后表面各环带曲率确定后，采用对前表面的各齿槽齿尖遮挡部分修形或/和将后表面环带向中心移位使前表面的第n个环折射的光线均将从后表面的第n个环发出的方法以实现所述双曲面菲涅尔透镜的优化设计。
[0018]一种双曲面菲涅尔透镜结构设计方法，包括如下步骤：
[0019]一、确定连续双凸透镜：根据所述菲涅尔透镜的设计焦距并配合选定的菲涅尔面型结构，设计一个连续双曲面凸透镜；
[0020]二、曲面基底的双面菲涅尔透镜：采用沉降拉伸法，根据环带半径，将步骤一所得的凸透镜的前后表面分别沉降在曲面基底上，其中前表面基底为凸曲面，后表面基底为凹曲面；
[0021]三、重新设计各环带曲率：对步骤二所得菲涅尔透镜的前后表面各环带曲率重新设计，使各环带焦点一致，此时，中间环带的焦距为设计焦距。
[0022]优选的，所述步骤二中，所形成双面菲涅尔透镜第1环带前表面半径为：其他各环带半径大小为：而后表面各环带半径与前表面一一对应。
[0023]优选的，所述步骤三中，步骤二所得菲涅尔透镜的前表面各环带曲率设计采用平凸环拼接的思路，即将透镜后表面的光学球面近似看成平面，再由前一环带推导出后一环带曲率；
[0024]优选的，所述步骤三中，步骤二所得菲涅尔透镜的后表面各环带曲率设计采用双凸环拼接的思路，即把双面菲涅尔透镜的每个环带当做双凸透镜圆环进行拼接，再依据凸透镜焦距公式由前表面环带曲率计算现对应的后表面环带曲率。
[0025]优选的，进一步包括步骤四、双凸面菲涅尔透镜的优化，包括前表面环带齿尖修形和后表面环带移位。
[0026]优选的，所述前表面环带齿尖修形采用如下步骤：步骤三所得的双曲面菲涅尔透镜，光线从透镜前表面第n环带上射入时，第n环带上必定有一点A其折射光线经过第n
‑
1环带上的齿底点C，而第n环带原齿顶为A
’
点，将A
’
AC围成的三角区域去除，使点A作为第n环带的新齿顶，实现透镜前表面的齿尖修形。
[0027]优选的，所述后表面环带移位采用如下步骤：步骤1.用光学几何原理和光线追踪
法，将分别经过透镜前表面各环带的齿顶和齿底的折射光线延伸至透镜后表面各环带对应的光学球面上；步骤2.找出通过前表面第n环的齿底的折射光线与后表面基底的交点a；以原第n环光学曲面的曲面半径为半径构建虚拟光学曲面，使得该虚拟光学曲面经过点a；然后找出通过前表面第n环的齿顶的折射光线与后表面经过点a的第n环虚拟光学曲面的交点b，则曲面ab为与原后表面第n环光学曲面曲率相等的平移后的新曲面；步骤3.找出通过前表面第n
‑
1环的齿底的折射光线与后表面基底的交点c，则交点c为透镜后表面第n
‑
1环的新齿底，连接bc，完成对第n环带的移位。
[0028]采用上述方案后，本专利技术具有如下有益效果：
[0029]1.本专利技术所述的菲涅尔透镜基底面型为曲面，一方面，基底采用曲面设计，且菲涅尔各环的面型也是设计变量，使得菲涅尔透镜设计自由度更大，菲涅尔结构型面更加丰富，当K取不同值时可分本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种双曲面菲涅尔透镜结构，其特征在于：其包括前表面和后表面，该前表面和后表面都是由若干齿槽状同心环带组成的菲涅尔面，且前表面和后表面的每个环带的齿底基底均为曲面基底，前表面齿底基底为凸曲面，后表面齿底基底为凹曲面。2.根据权利要求1所述的一种双曲面菲涅尔透镜结构，其特征在于：所述的前表面和后表面的菲涅尔面型都为凸曲面；该凸曲面可以为双曲面、抛物面、椭球面或球面。3.根据权利要求1所述的一种双曲面菲涅尔透镜结构，其特征在于：所述前表面和后表面的基底的旋转母线相同，且是等距关系；该基底凸曲面可以为双曲面、抛物面、椭球面或球面。4.根据权利要求1所述的一种双曲面菲涅尔透镜结构，其特征在于：所述的前表面每个环带的齿高均相等；或者所述后表面的每个环带的齿高均相等；或者所述前表面和后表面每个环带的齿高均相等。5.根据权利要求1
‑
4任一所述的一种双曲面菲涅尔透镜结构，其特征在于：平行光线经过所述透镜前表面在后表面的每个环带弧面折射后汇聚在同一点，即形成菲涅尔透镜的每环的焦距不同，但焦点相同。6.根据权利要求1
‑
5任一所述的一种双曲面菲涅尔透镜结构设计方法，其特征在于：以双曲面菲涅尔透镜的前表面和后表面相对应的每环带焦点相同为依据，以中间环带焦点位置J和曲率C为基准，分别对前表面和后表面各环带曲率进行计算，实现各环带焦点一致设计。7.根据权利要求6所述的一种双曲面菲涅尔透镜结构设计方法，其特征在于：对菲涅尔透镜的前表面和后表面各环带曲率确定后，采用对前表面的各齿槽齿尖遮挡部分修形或/和将后表面环带向中心移位使前表面的第n个环折射的光线均将从后表面的第n个环发出的方法以实现所述双曲面菲涅尔透镜的优化设计。8.根据权利要求1
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5任一所述的一种双曲面菲涅尔透镜结构设计方法，其特征在于包括如下步骤：一、确定连续双凸透镜：根据所述菲涅尔透镜的设计焦距并配合选定的菲涅尔面型结构，设计一个连续双曲面凸透镜；二、曲面基底的双面菲涅尔透镜：采用沉降拉伸法，根据环带半径，将步骤一所得的凸透镜的前后表面分别沉降在曲面基底上，其中前表面基底为凸曲面，后表面基底为凹曲面；三、...
【专利技术属性】
技术研发人员：莫靖宇，常雪峰，刘坚，罗善明，仁青多吉，
申请(专利权)人：集美大学，
类型：发明
国别省市：
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