本發(fā)明涉及照明設(shè)計(jì)領(lǐng)域，特別是一種利用菲涅爾透鏡模塊產(chǎn)生方形聚焦空心光束的方法。

背景技術(shù)：

傳統(tǒng)的菲涅爾透鏡是由具有特定齒形的同心圓環(huán)組成，可形成點(diǎn)，圓形以及圓環(huán)等中心對(duì)稱(chēng)圖案。而對(duì)于方形空心這種特殊的圖案，則采用自由曲面透鏡，衍射光學(xué)元件和投影成像等方法實(shí)現(xiàn)。自由曲面透鏡和衍射光學(xué)元件由于加工復(fù)雜，所以造價(jià)較為昂貴，而投影成像方法則是把圖案刻在菲林片上，使得系統(tǒng)具有設(shè)計(jì)復(fù)雜，光學(xué)效率較低等缺點(diǎn)。

本申請(qǐng)通過(guò)模塊菲涅爾透鏡產(chǎn)生方形的聚焦空心光束。菲涅爾透鏡結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，很容易通過(guò)精密五軸加工機(jī)床制造獲得。另外菲涅爾透鏡為平面結(jié)構(gòu)，可以有效減小系統(tǒng)的尺寸。由于所產(chǎn)生的方形空心光束具有能量密度高且光強(qiáng)分布均勻，可用于激光切割，智能裝配uv固化以及特殊照明圖案等領(lǐng)域。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的是提出一種利用菲涅爾透鏡模塊產(chǎn)生方形聚焦空心光束的方法，利用模塊化的菲涅爾透鏡產(chǎn)生方形的聚焦空心光束圖案，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，光學(xué)效率高。

本發(fā)明采用以下方案實(shí)現(xiàn)：一種利用菲涅爾透鏡模塊產(chǎn)生方形聚焦空心光束的方法，包括以下步驟：

步驟s1：采用若干個(gè)具有相同半徑和圓心角的扇形菲涅爾透鏡區(qū)塊組成一圓形菲涅爾透鏡模塊，在所述圓形菲涅爾透鏡模塊下方放置一探測(cè)面；

步驟s2：將一束平行光垂直入射至所述圓形菲涅爾透鏡模塊上，出射的光在探測(cè)面上獲得方形的空心光圖案；

其中，分隔角為ω的菲涅爾透鏡模塊形成邊長(zhǎng)為d的方形空心光，位于方位角θ的扇形菲涅爾透鏡區(qū)塊生成方形空心光圖案中同樣方位角為θ的點(diǎn)。

進(jìn)一步地，步驟s1中，所述圓形菲涅爾透鏡模塊的設(shè)計(jì)具體為：

設(shè)計(jì)區(qū)間取值在方位角θ為0至設(shè)扇形菲涅爾透鏡區(qū)塊的標(biāo)識(shí)為n，n表示從為0至區(qū)間的第n個(gè)區(qū)塊，則第n個(gè)扇形菲涅爾透鏡區(qū)塊產(chǎn)生的聚焦點(diǎn)到坐標(biāo)原點(diǎn)的距離rn由下式可得：

其中，θ為第n個(gè)區(qū)塊的方位角，由下式?jīng)Q定：

θn＝(n-1)ω(1≤n≤π/4ω)。

進(jìn)一步地，步驟s2中，所述平行光垂直入射至所述圓形菲涅爾透鏡模塊上后，經(jīng)斜角為α的齒形折射至所述探測(cè)面，對(duì)于第n個(gè)區(qū)塊，α表示為：

其中，

β＝arctan[((ρ-rn)/f)]；

式中，n1，n2分別表示空氣和菲涅爾透鏡材料的折射率，ρ為齒形中心到中心軸的距離，f為焦距；

齒高h(yuǎn)表示為：

h＝ρ×tan(α)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明有以下有益效果：本發(fā)明利用模塊化的菲涅爾透鏡產(chǎn)生方形的聚焦空心光束圖案，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，光學(xué)效率高。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例中模塊菲涅爾透鏡產(chǎn)生方形空心光束的三維示意圖。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例中從扇形透鏡區(qū)塊到目標(biāo)面的拓?fù)潢P(guān)系示意圖。

圖3為本發(fā)明實(shí)施例中模塊菲涅爾透鏡齒形結(jié)構(gòu)二維圖。

圖4為本發(fā)明實(shí)施例中通過(guò)光線追跡模擬二維示光強(qiáng)分布圖。

圖5為本發(fā)明實(shí)施例中通過(guò)光線追跡模擬三維示光強(qiáng)分布圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。

本實(shí)施例提供了一種利用菲涅爾透鏡模塊產(chǎn)生方形聚焦空心光束的方法，包括以下步驟：

步驟s1：采用若干個(gè)具有相同半徑和圓心角的扇形菲涅爾透鏡區(qū)塊組成一圓形菲涅爾透鏡模塊，在所述圓形菲涅爾透鏡模塊下方放置一探測(cè)面；

步驟s2：將一束平行光垂直入射至所述圓形菲涅爾透鏡模塊上，出射的光在探測(cè)面上獲得方形的空心光圖案；

其中，分隔角為ω的菲涅爾透鏡模塊形成邊長(zhǎng)為d的方形空心光，位于方位角θ的扇形菲涅爾透鏡區(qū)塊生成方形空心光圖案中同樣方位角為θ的點(diǎn)。

如圖1所示，圖1為模塊菲涅爾透鏡產(chǎn)生方形空心光束的三維示意圖。一束平行光垂直入射至一個(gè)圓形的模塊菲涅爾透鏡上，出射的光在探測(cè)面上獲得方形的空心光圖案。模塊菲涅爾透鏡由若干個(gè)扇形透鏡區(qū)塊組成，每個(gè)透鏡區(qū)塊有相同的半徑和圓心角，外形與傳統(tǒng)的菲涅爾透鏡相似，由同心圓環(huán)的齒形組成。入射的平行光經(jīng)過(guò)扇形透鏡區(qū)塊，在接收平面上產(chǎn)生不同徑向距離的聚焦點(diǎn)光斑，這些點(diǎn)光斑拼接組合形成方形的空心光圖案。從扇形透鏡區(qū)塊到目標(biāo)面的拓?fù)潢P(guān)系如圖2所示，分隔角為ω的模塊菲涅爾透鏡形成邊長(zhǎng)為d的方形空心光。位于方位角為θ的透鏡模塊生成方形空心光圖案中同樣方位角為θ的點(diǎn)。

進(jìn)一步地，步驟s1中，所述圓形菲涅爾透鏡模塊的設(shè)計(jì)具體為：

設(shè)計(jì)區(qū)間取值在方位角θ為0至設(shè)扇形菲涅爾透鏡區(qū)塊的標(biāo)識(shí)為n，n表示從為0至區(qū)間的第n個(gè)區(qū)塊，則第n個(gè)扇形菲涅爾透鏡區(qū)塊產(chǎn)生的聚焦點(diǎn)到坐標(biāo)原點(diǎn)的距離rn由下式可得：

其中，θ為第n個(gè)區(qū)塊的方位角，由下式?jīng)Q定：

θn＝(n-1)ω(1≤n≤π/4ω)。

在本實(shí)施例中，如圖3所示，圖3為模塊菲涅爾透鏡的二位圖，步驟s2中，所述平行光垂直入射至所述圓形菲涅爾透鏡模塊上后，經(jīng)斜角為α的齒形折射至所述探測(cè)面，對(duì)于第n個(gè)區(qū)塊，α表示為：

其中，

β＝arctan[((ρ-rn)/f)]；

式中，n1，n2分別表示空氣和菲涅爾透鏡材料的折射率，ρ為齒形中心到中心軸的距離，f為焦距；

齒高h(yuǎn)表示為：

h＝ρ×tan(α)。

特別的，在本實(shí)施例中，設(shè)計(jì)產(chǎn)生邊長(zhǎng)為4mm的方形空心光束圖案。模塊菲涅爾透鏡設(shè)計(jì)參數(shù)如下：孔徑為25mm,分隔角2.5°，菲涅爾透鏡區(qū)塊齒形采用等寬不等高的設(shè)計(jì)，齒寬設(shè)為p＝0.2mm，材料為亞克力(折射率為1.493)，f＝150mm。入射光孔徑為17×17mm。

已知分隔角為2.5°，在0到的設(shè)計(jì)區(qū)間內(nèi)，有18個(gè)區(qū)塊。根據(jù)扇形區(qū)塊與方形圖案的對(duì)應(yīng)關(guān)系，第n個(gè)區(qū)塊產(chǎn)生的聚焦點(diǎn)到坐標(biāo)原點(diǎn)的距離為：

令每個(gè)區(qū)塊由i個(gè)具有不同齒形的同心圓環(huán)組成，根據(jù)傾角方程，可得第n個(gè)區(qū)塊的第i環(huán)傾角為：

其中，

相對(duì)應(yīng)的齒高為：

hni＝ρ×tan(αi)；

故可求得模塊菲涅爾透鏡不同區(qū)塊的齒形坐標(biāo)點(diǎn)集合。

通過(guò)光線追跡模擬二維與三維光強(qiáng)分布圖，如圖4以及圖5所示。若定義照度均勻度為在有效光形區(qū)域內(nèi)的最小照度與平均照度之比，照度均勻度可達(dá)到92.5％。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，凡依本發(fā)明申請(qǐng)專(zhuān)利范圍所做的均等變化與修飾，皆應(yīng)屬本發(fā)明的涵蓋范圍。