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。     

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.     

集成菲涅耳微透镜的准直微光源

已研制成功无须外置任何准直透镜的超级准直微光源.它是在目前最小的激光器内将激光二极管(LD)或发光二极管(LED)之类的光源与准直微透镜集成.为达到结构紧凑,得到细 而高质量准直光束的目的,在世界上首次用短焦菲涅耳微透镜(MFL)作为准直光学元件.光源为LD时的出射光束在50mA的驱动电流下有高于3mW的功率,光束直径仅1.3mm,能量     

菲涅尔透镜提高太阳能利用率的研究

随着经济的发展,能源短缺,太阳能越来越受到重视.采用聚光器可提高太阳照射在单位面积上的能量密度,从而克服太阳能分散性的缺点.本文主要介绍了太阳能聚光器的特点,分析了菲涅尔透镜的结构、优点及成像特性.通过实验,分析了菲涅尔透镜在提高太阳能利用率时的各种损失因素.     

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。     

基于菲涅尔透镜的新型立体显示系统

利用菲涅尔透镜的光学成像原理来形成立体显示的观看视域。菲涅尔透镜前光源位置的不同,在成像区域所形成的像的位置也是不同和分离的,因而人眼可以分别观看到不同光源的光线。对应于不同光源成像的时候,LCD屏上也是对应着显示左右眼图像对,进而人眼将感受到图像的立体信息.实现图像的立体显示。再利用透镜分别对视域的X、Y、Z向进行扩展,分别形成两个对应于人的左右眼的视域,从而人眼可以在更大的空间自由观看立体图像。采用Samsung 170EU液晶屏,焦距为700 mm的菲涅尔透镜和两组3×4的LED光源作为一个光源组进行实验,在光源距离菲涅尔透镜1925 mm处取得了视窗大小约为X向±20°,Y向深度为20 mm,Z向深度为930～1260 mm的视窗。     

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。     

二元位相型菲涅尔透镜列阵器件的研制及其应用实验

详细介绍了二元位相型菲涅尔透镜列阵器件（ＢＰＦＬＡＳ）的设计原理、制作过程和测试方法，研制了２４×２４元８阶ＢＰＦＬＡｓ，对０．８４μｍ波长的焦距为４６．５ｍｍ，单元尺寸为１．５×１．５ｍｍ２，衍射效率达７７．３％．有关应用实验表明，该器件具有平行光分束、多路成像及傅里叶交换功能，在列阵发光器件的光学准直，光学相关器等方面有广泛的应用前景．     

一种设计大数值孔径衍射元件的优化方法

本文以菲涅耳衍射透镜的设计为例，在单位周期内的相位台阶数与最小特征尺寸之间关系的基础上，提出了减小元件边缘单位周期内的台阶数，以增大最小特征尺寸的一种新的设计大数值孔径衍射元件的优化设计方法，并对衍射效率进行了讨论。确定了多台阶衍射透镜优化设计的结构参数。最后给出了设计实例，与深浮雕法和相位匹配法比较，本文法设计的元件仅需套刻3次，而衍射效率的理论值达55.4%，是一种有效的优化方法。     

基于Zernike多项式的大口径离轴抛物面平行光管定焦技术

根据Zernike多项式的第四项系数q4和Seidel像差Focus项的对应关系,选用Zernike多项式第四项的系数q4的值作为激光干涉仪法定焦的判据。利用该判据定焦,方法可行,定焦结果稳定。根据q4值的正负可以判断干涉仪发出的球面波的交点处于大口径离轴抛物面平行光管的焦前或是焦后,从而指导干涉仪的前后移动。利用基于Zernike多项式的激光干涉仪法确定了大口径离轴抛物面平行光管的焦面,由标定实验可知,利用这种方法定焦效果不错,定焦后的平行光管出射光束平行性误差优于0.22″。     

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。     

Design of objective lens with reflective spherical Fresnel zone plate

An objective lens composed of a spherical Fresnel zone plate mirror and aspheric mirrors is designed.The Fresnel zone plate with a spherical shape is analyzed, and the method to approximately replace the aspherical mirror with spherical Fresnel zone plate is deduced. The objective lens is designed with a single spherical Fresnel zone plate mirror and three aspherical mirrors. Under the condition of 100 × magnification,2.5 Fresnel number and 120° field angle, the modulation transfer function can reach above 40% at 0.6 line pairs/mm on the magnification side, and the distortion is less than 2.2%. This method can provide a reference for the application of Fresnel zone plate in visible light imaging, and has a bright future with the continuous development of the fabrication technique of Fresnel devices.     

计算机源生全息菲涅耳透镜及其在微光学互连中的应用

本文简要叙述了菲涅耳源生全息透镜成象的原理，以及制造工艺，并研制了四位相台阶０．４×１０ｍｍ＾２大小的菲涅耳微镜列阵。最后提出了用离轴衍射的菲涅耳透镜实验现自由空间互连的两种方式，并讨论了其在微光学互连中的应用前景。     

菲涅耳透镜制作及其在CCD相机中的应用

衍射光学元件在国防、生产及科研等领域起着越来越重要的作用.使用薄膜沉积法和离子束刻蚀法制作16阶菲涅耳透镜,应用于折衍混合CCD相机.进行CCD相机光学系统成像质量评价和室外成像实验.该透镜的引入,不仅改善系统成像质量,而且实现了系统的轻量化、小型化,增加了系统设计的自由度.     

使用菲涅耳透镜的太阳光抽运Nd:YAG激光器

太阳能是规模最大的可再生能源,为充分利用这一资源,太阳光直接抽运激光器是一种明智的选择。提出并搭建了采用两级会聚系统的太阳光抽运激光器系统。使用菲涅耳透镜作为大口径成像型第一级会聚系统,漫反射锥形聚光腔作为非成像型第二级会聚系统提高入射太阳光到工作物质的耦合效率。采用Nd:YAG晶体作为工作物质,获得了2.85 W的激光输出,从太阳光到激光的转换效率为0.43%。从菲涅耳透镜会聚效率、聚光腔内激光棒轴线上的功率分布等会聚系统方面和激光输出特性方面分析了该太阳光抽运激光器的性能;探讨了转换效率低的原因,并提出了相应的改进措施。     

基于平行光管的渐进多焦点眼镜片测量系统设计

在对加工完毕的渐变焦眼镜进行测量时,现有的镜片测量设备无法集精度、稳定和方便于一身。文中系统采用哈特曼夏克传感器（Hartmann-Shack Sensor,HSS）作为测量核心,使用F550平行光管作为光源,并使用单透镜对光线进行缩小,使其恰好进入哈特曼夏克传感器,实现光瞳衔接。用QT编写测量软件用于采集测量数据,得到Zernike 系数,最后求得镜片的光焦度值以及散光值。将通过此系统采集到的数据和中国万新光学集团所检测到的数据相对比,数据基本一致,验证了该系统的精确性和可靠性。     

一种宽1dB增益带宽全介质Fresnel透镜天线

高增益和宽1dB增益带宽天线具有重要意义。文中提出一种E 波段全介质菲涅尔(Fresnel)波带透镜 天线,它包括一个菲涅尔波带透镜以及一个作为馈源的喇叭天线。透镜对电场进行操控,使穿过透镜的电磁波相位变 化满足需求,从而使透镜口径面处的电场分布更加均匀。与传统菲涅尔透镜的焦点电场相比,本透镜在焦点处的电场 值约提高了1. 6~3. 0 V,说明透镜的聚焦特性提高,从而实现更高的增益和带宽。该透镜天线的口径为72 mm,整体剖 面高度仅为52. 47 mm,焦径比为0. 66。透镜采用3D 打印技术进行加工,降低了加工成本。与传统菲涅尔透镜相比,实 测结果表明,该透镜天线在70 GHz 峰值增益达到了27. 5 dBi,1 dB 增益带宽34. 2% (63~89 GHz),占总带宽85. 53%。