柱面菲涅尔透镜出光特性研究

柱面菲涅尔透镜出光特性研究

摘 要：利用柱面菲涅尔透镜，采用线性光源研究柱面菲涅尔透镜在制作灯具中的出光特性。在研究过程中为了使光源能够充分的利用光源，降低能耗，减少成本，用更少的光源打到所需的效果，这时可利用柱面菲涅尔透镜的光学特性，实现将线光源所发出的光线进行偏折形成平行光。光源采用了LED灯条，CCFL等光源进行了测试比较，测试内容包括无透镜情况下光源在距离测量屏一定距离时，测量屏上光强的分布、有透镜情况下光源在距离测量屏一定距离时，测量屏上光强的分布。

关键词：菲涅尔透镜；光照度；光学特性

菲涅尔透镜是在透镜的一侧有等距的齿纹。通过这些齿纹，可以达到对指定光谱范围的光带通（反射或者折射）的作用。菲涅尔透镜是透镜的一个分支，由于它同其他的透镜相比，具有体积小，重量轻，结构紧凑的优点，同时它具有良好聚光性和成像性能。假设一个透镜的折射能量仅仅发生在光学表面（如：透镜表面），拿掉尽可能多的光学材料，而保留表面的弯曲度。

如图1所示，从剖面看，表面由锯齿型凹槽组成，中心部分是椭圆型弧线。每个凹槽都与相邻凹槽之间角度不同，但都将光线集中一处，形成中心焦点，也就是透镜的焦点。

柱面菲涅尔透镜是一种新型菲涅尔透镜，其特性不同于以往的圆形菲涅尔透镜，其可将平行光进行汇聚在焦距位置形成一条亮线。本次研究是基于柱面菲涅尔透镜进行的，由于光路的可逆，分析其将线性光源变为平行光的功能特性。

1 出光模型搭建

如图2所示为圆形菲涅尔透镜，光线从一侧进入，经过菲涅尔透镜在另一侧出来聚焦成一点或以平行光射出。焦点在光线的另一侧，并且是有限共轭。这类透镜通常设计为准直镜（如投影用菲涅尔透镜，放大镜）以及聚光镜（如太阳能用聚光聚热用菲涅尔透镜）。

柱面菲涅尔透镜是在传统菲涅尔透镜上做了一些改进：将圆形条纹调整为横向排列，不再是同心圆排列。可使平行光汇聚行一条亮线。本次研究我们使用的是f=160 mm的柱面菲涅尔透镜。如图3所示，将柱面菲涅尔透镜固定距离光屏一倍焦距的位置，使用日光灯所发出的光线，可在光屏上看到一条十分明显的亮线；本次所应用的原理是基于光路可逆性，对柱面菲涅尔透镜聚光作用的逆运用。

因此使用何种原始光源在本次研究过程中起着至关重要的作用，其决定了最终的出光效果，通过分析菲涅尔透镜的光学特性，需要一种出光宽度较窄、亮度较大的光源。在此选用4WT5型LED灯管为发光光源。

利用加工好的灯具外壳，分别对LED光源柱面菲涅尔透镜的出光效果进行

测量。

2 出光特性测量

在实际测量之前，利用TracePro软件对当前的灯具模型进行仿真模拟，TracePro是一套普遍用于照明系统、光学分析、辐射度分析及光度分析的光线模拟软件。利用该软件的仿真方法为：根据之前确定的尺寸，建立几何模型；设置光学材质；定义光源参数；进行光线追踪；分析模拟结果。

由于在TracePro软件中并没有柱状菲涅尔透镜，而柱状凸透镜的出光效果与柱状菲涅尔透镜类似，因此在透镜仿真上，使用了柱状凸透镜来代替柱状菲涅尔透镜得到仿真光谱图，如图4所示。

图4可以看出，经过仿真后的出光图形，呈现中间区域较宽，两侧较窄的现象，中间较宽的区域为光线较多，照度较强，能够看出，柱面菲涅尔透镜对光线出射方向作了一定的改变，将原始的经过仿真后，对实际的面光源的出光特性进行测量分析和比较。

对有柱面菲涅尔透镜面光源以及无透镜的LED光源的出光特性进行测试比较，对光照区域范围、照度值进行比较。

将光源置于距离测量屏1 m的位置；利用九点法测量出光效果，在测量屏上设定9点，作为测量点；利用照度计测量照度值；作出图表分析照度值。

从表1、图5中可以得知，有柱面菲涅尔透镜的光源照度值为无透镜LED光源照度值的3倍左右。

3 结 论

综上所述，此新型柱面菲涅尔透镜在用作光源透镜时，能够有效的提高光源的出射照度，对光线出射的角度进行有效的控制，并且在有该透镜的情况下，能够有效的提高被照射区域的照度值，有无透镜对被照射区域的照度有明显区别，该透镜能将相同光源相同照射条件下的照度值提升3倍左右，由此看来，该透镜在作为照明光源的出射透镜中能够起到良好的作用。

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