一种利用菲涅尔透镜模块产生方形聚焦空心光束的方法与流程

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。

技术实现要素：

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rn由下式可得：

其中，θ为第n个区块的方位角，由下式决定：

θn＝(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-rn)/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＝ρ×tan(α)。

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。

图2为本发明实施例中从扇形透镜区块到目标面的拓扑关系示意图。

图3为本发明实施例中模块菲涅尔透镜齿形结构二维图。

图4为本发明实施例中通过光线追迹模拟二维示光强分布图。

图5为本发明实施例中通过光线追迹模拟三维示光强分布图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

本实施例提供了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。

如图1所示，图1为模块菲涅尔透镜产生方形空心光束的三维示意图。一束平行光垂直入射至一个圆形的模块菲涅尔透镜上，出射的光在探测面上获得方形的空心光图案。模块菲涅尔透镜由若干个扇形透镜区块组成，每个透镜区块有相同的半径和圆心角，外形与传统的菲涅尔透镜相似，由同心圆环的齿形组成。入射的平行光经过扇形透镜区块，在接收平面上产生不同径向距离的聚焦点光斑，这些点光斑拼接组合形成方形的空心光图案。从扇形透镜区块到目标面的拓扑关系如图2所示，分隔角为ω的模块菲涅尔透镜形成边长为d的方形空心光。位于方位角为θ的透镜模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rn由下式可得：

其中，θ为第n个区块的方位角，由下式决定：

θn＝(n-1)ω(1≤n≤π/4ω)。

在本实施例中，如图3所示，图3为模块菲涅尔透镜的二位图，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-rn)/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＝ρ×tan(α)。

特别的，在本实施例中，设计产生边长为4mm的方形空心光束图案。模块菲涅尔透镜设计参数如下：孔径为25mm,分隔角2.5°，菲涅尔透镜区块齿形采用等宽不等高的设计，齿宽设为p＝0.2mm，材料为亚克力(折射率为1.493)，f＝150mm。入射光孔径为17×17mm。

已知分隔角为2.5°，在0到的设计区间内，有18个区块。根据扇形区块与方形图案的对应关系，第n个区块产生的聚焦点到坐标原点的距离为：

令每个区块由i个具有不同齿形的同心圆环组成，根据倾角方程，可得第n个区块的第i环倾角为：

其中，

相对应的齿高为：

hni＝ρ×tan(αi)；

故可求得模块菲涅尔透镜不同区块的齿形坐标点集合。

通过光线追迹模拟二维与三维光强分布图，如图4以及图5所示。若定义照度均匀度为在有效光形区域内的最小照度与平均照度之比，照度均匀度可达到92.5％。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。