原创 OCAD应用：菲涅尔透镜初始结构设计

图1.菲涅尔透镜结构形式

菲涅尔透镜是一种利用多层环形圆锥表面构成的特殊面型结构，用以使光线按预定会聚角会聚的光学元件，他等效于一个球面透镜，如图2所示。菲涅尔透镜多用于要求结构简单的大孔径非成像系统，特别是照明系统更为常见。这类系统往往只需要一个单片透镜，工艺简单可以模压成形。在对该类透镜初始结构设计时利用 OCAD 程序也非常简单。只要在数据表格中的“表面面型”栏内选择“菲涅尔面”，接着界面会出现菲涅尔面型设计窗体如图3。在此窗体表格内首先 利用其中“下插入”或“删除”工具按钮确定菲涅尔面的环形圈数，再给出菲涅尔面的表面等效焦距值，进一步按“确定”按钮即可自动算出该菲涅尔面的各环锥面倾斜角度值。

 

图2.菲涅尔透镜设计菜单

图3.菲涅尔表面设计窗体

菲涅尔面的基底一般是平面，有时为了某种特殊用途也可以是球面，但这时的球面半径仅仅只作为菲尼尔面的基底，没有像球面透镜那样具有光焦度的贡献。决定该面光焦度的是菲涅尔面的等值焦距而不是该面基底半径。带有球面基底的菲尼尔面的设计方法与以上相同。

由图3可以看出，OCAD 在对菲涅尔透镜自动设计时可以严格把各环带中点的光线汇聚于一点，但对于整个环带菲涅尔透镜而言，其横向像差取决于环带宽度，因为就每个环带而言只是个平面光锥，只使光线转折不能会聚也不能消色差。菲涅尔透镜的光斑点列图如图4。

 

图4.菲涅尔透镜光斑点列图

图5.菲涅尔透镜光学零件图

对带有菲涅尔面型的光学系统（菲涅尔透镜）设计完成之后，OCAD 可以像其他非球面镜一样绘制各种光学图纸。在绘制零件图是还可以绘出菲涅尔面的所有面型参数，如图5所示。