一种用于大视场光线聚焦的菲涅尔透镜的设计与zemax建模吴旭婷，李湘宁，蔡伟(上海理工大学光电信息与计算机工程学院，上海200093)摘要：介绍了一种用于大视场菲涅尔聚焦透镜的设计。并结合实例进行研究，提出了一种基于ZEX的特殊面型构造菲涅尔透镜的建模。1.引言大视场菲涅尔透镜是会聚太阳光的一种光学元件，它通常要求在给定的接收角内有较好的光学聚光性能。菲涅耳透镜表面通常有槽沟，它可以设计成点聚焦式的（圆槽沟）或线聚焦式的（直线槽沟)，其形状有平板形、圆柱面形（仅线聚焦式）和小球面形（仅点聚焦式）。槽沟可以压在光线入射面上或出射面上，或者两面都有。现已表明，出射面压槽沟的透镜，光学率最高，因此在设计中运用了此方法。由于该透镜的特殊聚光要求，本文着重研究出射面有槽沟的菲涅尔透镜的光学问题在Zmax软件中利用自定义面型的功能来建模。2.设计原理众所周知，菲涅耳透镜有非球面透镜的作用，是由一系列同心楼形槽构成的光学系统，每个环带都相当于一个独立的折射面，在平行光垂直入射情况下，在其焦面上能得到一个无像差的会聚点。本设计中菲涅尔的聚焦靠三棱镜序列实现，光线经过棱镜发生折射现象，光线发生一次折射，由棱镜另一面射出发生二次折射。棱镜的顶角为a,棱镜材料折射率为，如图1所示`工作侧面（受光面）干扰侧图1菲涅耳透镜的折射光学总偏向角B与折射率n、工作侧面角a和入射角日的一般函数关系式为：B=0:-a +arcsin(nsin(a-arcsin(sin 0/n)))(1)本设计中的菲涅尔透镜是对太阳光能的聚焦，为了菲涅尔聚焦透镜在每个时间段都能接收正向74?1994-2015 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net入射的光能，所以在此例中需要将所有的面元旋转180得到一个半圆柱状的入射面，从而满足大视场的要求。3.实际建模利用线聚焦的方法，首先确定焦距和棱的宽度。以设计实例做参照，在本设计中采用受光面的宽度为200mm,一个棱齿的宽度为a为0.5m。材料也是关键的因素，这里我们选用有优质透光率的有机玻璃PA(折射率n=1.587),其透过率大于92%。大视场菲涅尔透镜的棱齿在光线正入射的情况下使光线偏折并向焦平面会聚，这是在中心距：处入射光的偏向角应是：工作侧面角a的一般数学表达式为：a arctg((sine-sin(-B))/(n*n-sine-cos(0-B)))(3)在Zemax中只模拟正向入射时的情祝，即式(3)中日=0°，sin已=0的情况，再结合齿的宽度即可求得每个齿的高度h=a*a,理想的聚光情况如图2所示。主光轴基面厚度图2各棱齿理想偏向角示意图运用Zmax中的列表径向，面元阵列，并以TOB为副档名进行建模。根据上述程序运行所得的计算结果，得到构成透镜齿棱的每个点的位置（在zmax中x,y,z成右手坐标系)，即每一个y值对应一个z值，这些y、z值可以组成一个TOB格式的数据文件。从而在y、z平面上得到一个菲涅尔聚焦透镜的一个截面，由于根据数据所建的模型只是菲涅尔聚焦透镜的一个截面，为了得到一个立体的半圆柱状的聚光面，需要再在此基础上再将其绕z轴旋转180°得到模型如3图所示。75?1994-2015 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net图3菲涅尔聚焦透镜模型图结束语本文在实际的设计过程中，通过结合使用Zemax的TOB文件结构在非序列下较好的对大视场菲涅尔透镜进行建模，为之后的模拟奠定了较好的基础。参考文献：1.Krasina E A.Tveriyaovich E V.Romankevich A V.Optical efficiency of solar engineering Fresnel lenses[J).AppliedSolar Energy.1989,(6):6-10.[2].张明，黄良甫，罗柒泰，安栋粱，孙燕杰，王多书郭俊涛.空间用平板形非涅尔透镜的设计和光学效率研究[J刀光电工程，2001,28(5)：18-21.76?1994-2015 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net