可见光通信中菲涅耳透镜仿真设计与优化

可见光通信是一种在白光LED技术上发展起来的新兴光无线通信技术,具有发射功率高、无电磁干扰等优点。相比常规透镜,在可见光通信系统的光接收天线上,使用菲涅耳透镜可以降低成本,减小透镜厚度和接收焦距。本文利用Zemax软件对菲涅耳透镜进行了设计、仿真与优化,首先分析了透镜设计技术要求,提出了基于菲涅耳透镜的设计与仿真方法及参数设置,然后对几类透镜进行了仿真与性能分析,在此基础上进行了透镜设计优化。结果表明,在光垂直入射且探测器尺寸为1.5×1.5mm2情况下,可保证F数＜1,并得到优化的透镜结构和参数,使集光效率达到90%,为基于菲涅耳透镜的天线设计提供了理论与应用基础。     

聚光光伏系统菲涅耳聚光器性能分析与仿真

对太阳能聚光光伏发电技术中的聚光系统进行了研究,分析了菲涅耳透镜应用于太阳能聚光器的优点、聚光特性以及光学效率,推导并获得了平面向外、菲涅耳面向太阳电池的点聚焦菲涅耳透镜的设计公式。在ZEMAX软件的非序列模式中实现了基于非成像光学理论的光线追迹仿真,对某一尺寸的菲涅耳透镜的焦平面上光斑能量分布情况进行了分析与模拟。研究结果表明,利用通常的菲涅尔透镜实现聚光作用的聚焦光斑的光能量主要集中在太阳电池的中心部位,呈现为从中心往外围能量越来越弱的同心圆环。要使太阳电池接收到的光能量尽可能均匀,则需要增加二次聚光元件。     

用于LED均匀照明的自由曲面菲涅耳TIR透镜光学设计

为了提高透镜的散热能力,设计了一种新型全内反射（TIR）透镜,该透镜的出射面中央为自由曲面菲涅耳面。采用斯涅尔定律和全反射定律分别求解TIR透镜折射部分和反射部分自由曲面的面形。同时,采用一种菲涅耳透镜的普适设计方法将折射部分自由曲面转变成菲涅耳面。通过蒙特卡洛光线追迹模拟自由曲面菲涅耳TIR透镜的照明效果,结果显示:当光源尺寸为2 mm×2 mm时,其远场照度均匀性为82%,光效为96.6%,透镜质量为21.94 g。与未加菲涅耳面的TIR透镜相比,带自由曲面菲涅耳面的TIR透镜在光效仅下降2%,在照度均匀性未变的情况下,透镜质量减少了约20%。这说明对TIR透镜的自由曲面出射面进行菲涅耳化可明显地缩小透镜的体积和质量,缩短光线在透镜内部的光程,因此可有效提高透镜的散热效率和使用寿命,同时保持良好的照明效果。     

大口径菲涅耳透镜远距离宽光谱聚光系统设计

针对使用光纤光谱仪探测远距离宽光谱弱信号的应用需求,基于成像光学与非成像光学的混合设计方法,设计了大口径菲涅耳透镜聚光系统。系统由直径为1.1 m的菲涅耳透镜、匀光棒、全反射准直器和中继透镜组组成,接收端为直径为2 mm、数值孔径为0.22的光纤束。大口径菲涅耳透镜具有质轻体小的优点,解决了传统大口径透镜体积大质量大的问题。由匀光棒和全反射准直器组成的非成像光学元件后组可减小由菲涅耳透镜口径增大引起的球差和宽光谱色差,使光信号能量分布更加均匀且出射角度减小;中继透镜组进一步控制光束发散角和光斑尺寸,使光信号在光纤束端面高效率耦合,提高系统的光能利用率。仿真和实验结果均表明,所设计的后组系统能够减小像差影响,有效控制光束发散角度和光斑尺寸,提高光能利用率,满足光纤光谱仪对远距离宽光谱弱信号进行光谱探测的需要。     

入射光波波长对菲涅耳透镜衍射效率的影响

使用离子束刻蚀法成功制作高衍射效率 16阶菲涅耳透镜。菲涅耳透镜的衍射效率是评价菲涅耳透镜质量的一个重要指标。对于宽带光学系统 ,除设计、制作误差外 ,入射光波波长对菲涅耳透镜的衍射效率也有影响。针对宽带折衍混合光学系统 ,分析不同入射光波波长对菲涅耳透镜衍射效率的影响。使用四种不同光源 ,对菲涅耳透镜的衍射效率进行测试。指出在短波方向 ,衍射效率下降较多 ;在长波方向 ,衍射效率下降较少     

均匀会聚菲涅尔透镜设计及性能研究

提出了一种均匀会聚菲涅尔透镜设计方案,透镜基于离轴聚焦设计,采用方形非旋转对称结构,利用光强叠加实现均匀会聚.文章基于该方法建立了几何聚光比分别为56、100、400和900倍,焦距分别为300 mm、400 mm、500和600 mm的透镜模型,并利用光学仿真软件对其聚光性能进行分析.研究结果表明:基于该方法设计的透镜能够较好地实现均匀会聚,且聚光效率和聚光分布均匀度均超过80％,可以满足聚光光伏需要.     

基于平板型导光板的太阳能聚光系统

针对传统线性聚光系统聚光光斑辐照度不均匀的问题,提出了一种由曲面线聚焦菲涅耳聚光器阵列及平板型导光板所组成的、系统高度小于40mm的小体积聚光系统方案,建立了曲面线聚焦菲涅耳透镜的一般方程,给出导光板V形槽设计公式,并采用正交试验法和光学仿真实验对聚光器系统的各项结构参数进行优化设计,同时分析了曲面线聚焦菲涅耳的加工误差及导光板安装偏角误差的影响。结果表明:优化后系统在采光面积500mm×200mm、聚光比50倍时,聚光效率可达75%,聚焦光斑均匀性优于88%,且入射太阳光偏角在±7°内聚光效率大于50%。通过拼接可获得不同聚光倍数系统,由仿真实验得出在160倍聚光比内,效率高于50%,均匀性优于85%。     

高倍聚光光伏可拆卸型二次反射镜设计与研究

高倍聚光光伏技术是将垂直入射于菲涅耳透镜上的太阳光聚焦到电池片上,通过光电转换产生电能,但实际应用时,由于跟踪器跟踪精度低、支架受风会抖动等因素存在,无法保证太阳光始终垂直入射于菲涅耳透镜。针对该问题,在菲涅耳透镜和太阳能电池之间增加一个可拆卸的倒置的去掉顶部的棱锥形二次反射镜来提高聚光光伏的接收角,给出了具体的设计实例,并应用Solidworks软件和Tracepro软件对设计实例进行了计算机光学模拟。结果证实该二次反射镜能很好地提高聚光光伏的接收角,并改善菲涅耳透镜聚焦光斑的能量均匀性。     

太阳能采集用1000mm口径菲涅耳透镜设计

针对太阳能利用率较低、光伏发电成本过高的问题,从聚光器的角度出发,采用菲涅耳透镜对太阳光进行聚焦.在分析菲涅耳透镜结构的基础上,提出了透镜主要性能指标,设计了一个满足要求的1 000 mm口径透镜,对聚光时透镜位置的放置进行了讨论.该设计具有一定的通用性,可以适用于其他大口径的菲涅耳透镜设计,对于促进太阳能采集发展具有重要意义.     

用于投射式LED汽车前照灯的新型配光镜的设计

在投射式LED汽车前照灯系统中,用大齿距等厚菲涅耳非球面透镜代替传统的非球面透镜作为投射透镜.可使系统轻量化、小型化,提高系统总体性能,满足更加自由的汽车造型要求.根据斯涅耳定律和费马原理,推导出了新型大齿距菲涅耳非球面透镜面型设计的一般公式,建立了面型与齿距厚度、后截距、入射光孔径角等的关系.应用Matlab和Tracepro软件,建立了实体模型.仿真结果表明:新型透镜可满足汽车前灯国标(GB4599-2007)的配光要求;与非球面透镜相比,新型透镜的扩光能力更好,视野范围更宽,能有效改善眩光的影响,并减少了系统尺寸,使得系统更加紧凑.     

离子束刻蚀法制作菲涅耳透镜

由于衍射光学元件独特色的色散特性及体积小、重量轻可进行复制等优点,它在国防、生产及科研等领域的作用越来越重要,应用于光学成像系统,不仅能改善系统成像质量,而且能实现系统的轻量化、小型化,增加系统设计的自由度。使用离子束刻蚀法制作的16阶菲涅耳透镜应用于折衍混合CCD相机;测量菲涅耳透镜的衍射效率并分析了影响衍射效率的因素。     

一种高效均匀复合型菲涅尔透镜设计北大核心

针对可见光通信系统中菲涅尔透镜天线无法兼顾高聚光效率和均匀性的问题,设计了一款复合型菲涅尔透镜。通过采用分区法将透镜分成内环区和外环区,提高了菲涅尔透镜的聚光效率,并结合分布式焦点法对透镜结构进行优化,改善了聚光光斑能量均匀性。仿真结果表明,该复合型菲涅尔透镜实现了高聚光效率下的能量均匀分布,适用于高增益、短焦距和小视场角的可见光通信系统。     

特殊面形的菲涅尔透镜的设计与分析

对连续位相型菲涅尔透镜的设计，采用简单的线性面形代替复杂的抛物面面形有可能降低控制面形的难度，文中分析了这两种面形的差异，通过数值模拟，发现采用线性面形时光学函数和点扩散函数十分接近理想函数，从而在理论上论证了这种代替的可行性。     

一种环面焦斑菲涅耳聚光器的设计与分析

在聚光光伏系统中,聚光光斑辐照度的不均匀性会降低光伏系统的光电转换效率,且会在光伏电池表面形成热斑效应,灼伤光伏电池。基于多焦点方法,设计了一种环形焦斑菲涅耳太阳能聚光镜,每环小透镜在焦平面上具有一个环面焦斑,且环面焦斑在接受面上均匀依次排列,实现均匀聚光。以口径400mm,具有200环,焦斑半径20mm,F数为0.8的圆状环面焦斑菲涅耳聚光器为实例,用TracePro模拟平行太阳光垂直照射下时的照度图,得到其理想光学效率为86.77%,光能均匀度为0.8,表明环状焦斑菲涅耳聚光器具有较高的光能利用率和照明均匀性。分析了焦斑均匀性与聚光器F数的关系,当F数一定时,焦斑均匀性随着聚光器口径的增大而逐渐降低。     

光互连模块中位相型菲涅耳微透镜列阵的研制与应用

本文分析了位相型菲涅耳透镜的设计原理研制了四位相菲涅耳微镜列阵并应用于全交叉光互连网络模块中。制作的菲涅耳微透镜列阵具有单元尺寸小，占空比为１００％，焦距短，易于对准，光强分布均匀的优点，能够满足光互连网络小型化，集成化，模块化的需要。     

激光表面改性3kW半导体激光器矩形光斑聚焦系统研究

针对3 k W半导体激光器应用于机器人表面改性系统,聚焦光斑不均匀问题,提出了一种采用菲涅耳透镜对面阵高功率半导体激光器输出光斑进行聚焦匀化的方法,设计出尺寸为10 mm×2 mm的均匀矩形光斑。利用Zemax和Matlab软件进行仿真分析,研究了菲涅耳透镜楞距和入射光发散角对聚焦系统焦斑均匀性的影响。结果表明,当菲涅耳透镜楞距在1 mm以内时,焦斑均匀性最佳约为94.90%。随着楞距的继续增大,输出光斑均匀性会逐渐降低。当楞距增大到2.5 mm后,光斑的均匀性不再随楞距的增大而变化,基本稳定在93.85%左右。焦斑的均匀性会随着发散角的增大有所提高,但是发散角太大会使聚焦难度增加,而且光斑均匀性也随之劣化。当菲涅耳透镜楞距为1 mm,入射光发散角在12.5~20 mrad范围内时,焦斑均匀性最好约为95.22%。     

色散对液晶菲涅耳透镜衍射效率的影响研究

首先研究了液晶菲涅耳透镜和传统菲涅耳透镜的区别,并给出液晶菲涅耳透镜衍射效率的计算公式。接着,研究了液晶材料的色散和入射波长偏离量化波长对衍射效率的影响。经过计算分析并通过相应的实验发现,当量化波长为470nm时,在400nm和700nm处衍射效率分别下降了9.0%和27.5%,说明波长偏离对液晶菲涅耳透镜的衍射效率影响较大;当量化波长为510nm时,波长偏离在400nm和700nm处产生的衍射效率下降大致相当,约为20.0%;当在400nm和700nm处液晶的折射率变化量Δn基本相等时,液晶色散造成的衍射效率降低都约为8.0%。结果表明,和波长偏离相比,液晶色散对衍射效率的影响相对较小,且液晶菲涅耳透镜的量化波长应在470～510nm区间选取。实验测量了色散对液晶菲聂耳透镜衍射效率的影响,测量结果和理论计算结果非常接近,说明分析结论有效。     

激光陀螺抗辐照读出系统方案研究

为了提高环形激光陀螺(RLG)的空间环境适应性,提出了基于菲涅耳透镜的RLG抗辐照读出方案。该方案采用菲涅耳透镜对RLG输出的顺/逆时针光进行会聚,在其焦平面前方得到了条纹数不变、尺寸显著减小的干涉条纹。相比于采用普通凸透镜,基于菲涅耳透镜的读出系统在球差校正和安装便利性等方面更具优势。计算结果表明,该方案能将RLG输出光斑尺寸降低到原水平的1%以下,显著降低了对光电管的尺寸要求,从而大幅减小了辐照对探测器的损伤,提高了RLG的空间环境适应性。     

LED交通信号灯光学设计

设计了一款在规定角度范围内光强均匀分布且直观无明显的颗粒感的LED 交通信号灯。将高亮度LED 的出射光用菲涅耳透镜进行准直,利用斯涅尔定律,设计了枕型透镜来实现指定方向上的照明,并将之排成阵列,以获得一定角度范围内的光强均匀分布。利用ZEMAX 光学设计软件对设计方案进行了模拟,分别给出了水平和竖直两个方向上角度光强均匀分布的结果。通过仿真人眼对信号灯的成像,呈现人眼的观察效果,结果表明该设计满足设计要求。     

菲涅耳微透镜列阵衍射效率的测试

提出了一种测试菲涅耳微透镜列阵衍射效率的有效方法，采用Ｈｅ－Ｎｅ激光器作为测试光源，利用计算机辅助测试构成了一个衍射效率测试光路系统，对测试原理进行了分析，该方法具有简便易行的特点，适于测试具有微小单元尺寸、周期密排的二元微光学元件的衍射效率。