一种折衍射混合透镜设计方法及透镜技术

本发明专利技术提供一种折衍射混合透镜设计方法及透镜，根据主波长λ

【技术实现步骤摘要】
一种折衍射混合透镜设计方法及透镜


[0001]本专利技术涉汽车照明
，具体涉及一种折衍射混合透镜设计方法及透镜。

技术介绍

[0002]透镜是远近光模组的核心器件，具有偏折光线、将近光挡板影像投射到车前的功能，透镜的成本、重量和光学效果是远近光模组的重点关注项。玻璃透镜具有较低的色散和优秀的耐热性能，但加工难度大、成本高、重量偏重；塑料透镜具有重量轻、成本低、易加工的优势，但常用的塑料材料有自身的缺陷，如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)有较低的色散，但耐热性能无法满足汽车前照灯要求；聚碳酸酯(PC)的耐热性能优秀，但色散较大，会导致近光截止线发蓝或发黄。
[0003]折衍射混合透镜是较为理想的解决方案，该技术在传统透镜的表面设置衍射微结构，将透镜的屈光度分解为折射屈光和衍射屈光，利用衍射透镜的负色散特性，抵消材料引入的透镜色差。单透镜远近光模组采用折衍射混合透镜，可以确保截止线锐利、弱化截止线发彩；像素式大灯模组采用折衍射混合透镜，可以省略消色差镜片，从而减少镜片数量，降低模组重量和成本。玻璃基材的折衍射混合透镜加工繁琐、在工艺、成本本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种折衍射混合透镜设计方法，其特征在于：平行光从透镜的一侧入射，经透镜折衍射后在透镜另一侧会聚，透镜入射平行光的一侧称为第一光学面，另一侧称为第二光学面，光线会聚的点称为后焦点，且第一光学面的面型记为z1，第二光学面的面型记为z2；所述第一光学面和所述第二光学面分别与光轴相交，两交点之间的距离为透镜的中心厚度d；后焦点与第二光学面之间的距离为f，所述第一光学面和第二光学面中的一个面上带有衍射微结构；设计方法包括以下步骤：步骤1：根据选定的主波长λ
a
和副波长λ
b
以及透镜的材质，确定主波长λ
a
在透镜内的折射率n
a
以及副波长λ
b
在透镜内的折射率n
b
；步骤2：根据后焦点与第二光学面的距离f，计算透镜的光程调制量δOPL；步骤3：根据主波长λ
a
的折射率n
a
和副波长λ
b
的折射率n
b
，计算并分配透镜的折射光程调制量δOPL
r
和衍射光程调制量δOPL
d
；步骤4：根据折射光程调制量δOPL
r
和透镜中心厚度d，计算第一光学面和第二光学面的近似面型，分别为面型z1和面型z2；步骤5：根据入射平行光到后焦点的实际光程，对步骤4计算的透镜近似面型z1和z2进行精确调整，至入射平行光的各光线的实际光程相等，此时，获得第一光学面和第二光学面调整后的精确面型，分别为面型z
′1和面型z
′2；步骤6：根据衍射光程调制量δOPL
d
，计算衍射微结构的近似结构；步骤7：根据入射平行光到后焦点的实际光程，对步骤6中衍射微结构的近似结构进行精确调整，至入射平行光的各光线的实际光程之差为主波长λ
a
的整数倍，此时获得衍射微结构的精确结构z
step
′
；步骤8：根据步骤5获得的第一光学面和第二光学面整后的精确面型z
′1和z
′2，以及步骤7获得的衍射微结构的精确结构z
step
′
，确定待设计透镜的结构和参数，完成折衍射混合透镜的设计。2.如权利要求1所述的折衍射混合透镜设计方法，其特征在于：步骤2中计算透镜的光程调制量δOPL具体包括以下步骤：平行光经过折衍射混合透镜能够将会聚到透镜的后焦点，因此，根据费马原理，透镜口径内的任意光线，当入射光线平行于光轴时，则光线到后焦点的光程相等，且为常数，则入射光线光程表示为：OPL(r)＝C
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)其中，C为常数；r为透镜表面任意点到光轴的距离，且r∈[0,R]，R为折衍射混合透镜的通光半径；透镜表面到后焦点的光程为：由于透镜中心点的通光半径r＝0，因此，根据公式(2)通过透镜中心点的光线光程为：L(0)＝f
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)然后以该光线为基准，折衍射混合透镜的光程调制量δOPL为：
其中，L(r)表示透镜上距离光轴r的点到透镜后焦点的距离；n
空气
表示空气折射率。3.如权利要求2所述的折衍射混合透镜设计方法，其特征在于：步骤3中计算并分配透镜的折射光程调制量δOPL
r
和衍射光程调制量δOPL
d
的具体包括以下步骤：透镜基于折射材料与空气的折射率差异，利用透镜的厚度变化制造光程差，使光线偏转，因此，对薄透镜，其厚度梯度、折射率与折射光程调制量的关系为：δOPL
r
＝δt
×
(n
‑
1)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)其中，δOPL
r
是折射光程调制量，δt是透镜在光轴方向的厚度差，n是透镜折射率；对于不同波长的光线a和b，透镜引入的调制量与材料对两个波长的折射率相关：其中，δOPL
ra
是光线a的折射光程调制量，δOPL
rb
是光线b的折射光程调制量，n
a
是光线a在透镜内的折射率，n
b
是光线b在透镜内的折射率；以光线a的波长作为主波长λ
a
，则光线b的折射光程调制量与主波长λ
a
的偏差ΔOPL
r
为：衍射透镜利用衍射微结构产生相位调制，从而实现光程调制，因此衍射光程调制量δOPL
d
与相位调制量φ的关系为：δOPL
d
＝φ
×
λ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)以光线a的波长作为主波长λ
a
，光线b的波长作为副波长λ
b
，则光线b的衍射光程调制量与主波长λ
a
的偏差ΔOPL
d
为：其中，δOPL
da
是光线a的衍射光程调制量，δOPL
db
是光线b的衍射光程调制量，λ
a
为光线a的波长，λ
b
为光线b的波长；由于透镜的总光程调制量为折射光程调制量与衍射光程调制量之和，因此，对于光线a的光程调制量为：由于折射光程调制量δOPL
ra
和衍射光程调制量δOPL
da
成正比关系，即：由于λ
a
、λ
b
和n
a
、n
b
都是预先给定值，因此，根据公式(10)和公式(11)，能够解出透镜对光线a的折射光程调制量δOPL
ra
和衍射光程调制量δOPL
da
；当确定了光线a的折射光程调制量δOPL
ra
和衍射光程调制量δOPL
da
后，根据公式(6)和公式(9)计算出光线b的折射光程调制量δOPL
rb
和衍射光程调制量δOPL
db
，从而计算出透镜总的折射光程调制量δOPL
r
和总的衍射光程调制量δOPL
d
：δOPL
r
＝δOPL
ra
+δOPL

【专利技术属性】
技术研发人员：郑贤良，徐悦佳，程哲，
申请(专利权)人：常州星宇车灯股份有限公司，
类型：发明
国别省市：