透镜设计

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透镜设计范文第1篇

放大镜，学生一般是熟悉的，但作为规范的物理名称―凸透镜，学生并非都知道。本节课的目的是为了加深学生对凸透镜的认识，不仅让学生通过实验探究凸透镜对光线的会聚作用，同时还启示学生粗略测量凸透镜焦距的方法。对凹透镜只要求学生能够知道什么是凹透镜，以及凹透镜对光线有发散作用。

二、教学目标

1.知识与能力目标

通过观看微课视频，学生能认识凸透镜的会聚作用、凸透镜的焦点和焦距；通过实验培养学生的实验操作能力，对实验现象、数据的初步分析能力。

2.过程与方法目标

通过师生互动问答、生生合作探究等课堂活动，启发学生从物理现象中归纳科学规律的方法。

3.情感、态度、价值观目标

通过小组合作探究，培养学生与他人协作的意识以及愿意探究、勇于创新的科学精神。

三、教学重难点

学生通过实验分析总结得出凸透镜成像的规律既是本节重点也是难点。

四、教学方法

教法：演示实验法、探究、归纳、分析法。学法：自主学习法、观察法、实验探究法。

五、教具准备

教学多媒体、光具座、蜡烛、光屏、移动摄像头、笔记本等。

六、教学思路

将学生按照学习水平进行均衡分组，让特优生在小组内起带动作用。

课堂环节一，通过师生间互动问答的形式，检验学生对双基知识的掌握。

课堂环节二，在学生初步尝试找到像的基础上，让学生动手探究凸透镜成放大、缩小的实像，以及放大的虚像。每组将数据及时提供，由专人负责输入屏幕上的excel表格内。并就学生存在的疑问进行师生、生生间交流解答。

课堂环节三，利用excel表格对数据进行降序或升序排列，得出成像规律。通过小组间实验展示的竞赛环节，通过各组间的评价点拨，拓展学生对问题情境的感受，激发学生的积极性，提高学习效率。

七、课堂学习形式预告

课前自主学习：学生观看微课视频完成进阶练习―教师批阅课前学案。

对知识的课堂内化、训练展示：提出学生自学中的疑惑（疑难问题梳理）―分组讨论设计凸透镜成像规律的实验方案―学生展示分组探究成果，得出结论―评价点拨，完成课堂学案。

八、自学质疑观察记录

课堂组织：物理课代表已经把实验器材准备就绪，并把学生分成二人一组。

学生表现：认真反复观看视频，边看书，边填写课前学案。利用凸透镜努力寻找蜡烛的像。

阅读教材：学生认真勾画课本中的重点内容，培养良好的学习习惯。

观看微课：观看微课时暂停、做笔记次数过多。

完成学案：建议合上课本，观看视频后再思考完成。

合作互学：先“一对一”合作，遇到疑难问题再小组合作。

九、教学过程

1.疑难突破设计

（1）疑难问题梳理：不明白什么是像距；不会判断实像和虚像。

（2）疑难突破设计。问题1解决方案：让一名动手能力强的学生通过实验，边讲解边示范。重点强调要拿光屏的刻度减去凸透镜的刻度，计算要仔细（利用移动摄像头展示）。问题2解决方案：学生通过实验介绍，能呈现在光屏上的像称为实像，不能在光屏上呈现、只能用眼睛看到的像称为虚像（摄像展示）。

2.训练展示设计（难易程度：A.识记B.理解C.应用）

（1）展示内容：让蜡烛火焰经凸透镜成放大的实像。由第1组丁鹏同学展示。难易程度：B。存在的问题及改进措施：学生很容易找到放大的像，但不会正确比较物距和像距与一倍焦距、两倍焦距的关系。

（2）展示内容：让蜡烛火焰经凸透镜成缩小的实像。由第5组张玲同学展示。难易程度：B。存在的问题及改进措施：实验现象很明显，展示效果好。

（3）展示内容：让蜡烛火焰经凸透镜成放大的虚像。由第6组徐言同学展示。难易程度：C。存在的问题及改进措施：学生无法正确观察虚像。

3.评价点拨设计（难易程度：A.识记B.理解C.应用）

（1）点评内容：让蜡烛火焰经凸透镜成放大的实像。第2组杨文点评。难易程度：C。变式训练和问题预设：课堂反馈学案的第5题。存在的问题及改进措施：主要点评实验操作的关键；语言要简洁，建议用物理符号代替。

（2）点评内容：让蜡烛火焰经凸透镜成缩小的实像。第4组刘丽点评。难易程度：B。变式训练和问题预设：课堂反馈学案的第6题。存在的问题及改进措施：点评题目时要思路清晰，方法简洁；适当做些板书更有助于其他学生理解。

（3）点评内容：让蜡烛火焰经凸透镜成放大的虚像。第4组邢胜点评。难易程度：A。变式训练和问题预设：课堂反馈学案的第1题。存在的问题及改进措施：点评时要时刻把握节奏，注意学生间互动；点评完毕要对展示的学生进行评价，并询问其他学生是否还有疑问。

4.布置作业

课后练习1～5题。

5.总结反思设计

问题引领：凸透镜成像的规律是什么？如何利用凸透镜的三条特殊光线，作凸透镜成实像和虚像的光路图？

透镜设计范文第2篇

关键词： 紫外； 微透镜阵列； 组合多层镀膜与剥离

中图分类号： TN 43； TN 23 文献标识码： A doi： 10.3969/j.issn.10055630.2012.02.013

引 言

紫外凝视成像器件（FPA）要求具有探测灵敏度高、重量轻、体积小，但由于复杂的读出电路使得探测器有效光敏面的占空比即填充因子小于1，从而限制了探测器的性能。利用微透镜阵列作为聚能器件与探测器耦合，可以有效地改善探测器的性能。微透镜阵列是一系列直径在10～1 000 μm之间的微小透镜在基板上按照一定形状排列形成的阵列。这种技术在上世纪90年代就开始运用在红外探测上了，并有效地提高了红外成像阵列的探测性能[13]。

近年来，紫外探测器在军用和民用领域的应用越来越广泛，各国对其的研究也越来越重视。在军事上，导弹预警、制导、紫外通讯、生化分析等方面都有紫外探测的需求。在民用上，广泛应用于明火探测、生物医药分析、臭氧监测、海上油监、太阳照度监测、公安侦察、紫外树脂固化、燃烧工程及紫外水净化处理中的紫外线测量、火焰探测等领域。紫外探测技术是继红外和激光探测技术之后的又一军民两用光电探测技术[4，5]。

紫外光电系统迫切需要大规模高性能的紫外成像器件。为此文中针对背照式紫外成像器件的紫外辐射从其背面入射的这一特点，通过将紫外成像器件与微透镜阵列单片集成，以解决紫外成像器件与微透镜阵列混合集成存在的光辐射损失大、可靠性低、工艺重复性差等问题。

1 紫外微透镜阵列的设计

衍射微透镜阵列与紫外FPA的集成如图1所示，通过微透镜对光的会聚作用，提高FPA对光的利用率。

二元位相型衍射微透镜是基于菲涅尔波带片的傍轴衍射原理设计，是将菲涅尔波带片制备成闪耀的相位结构。

但是由于连续面型的衍射微透镜难于加工，目前都用多台阶结构来近似连续面型结构，台阶数越多其衍射效率就越高。在许多应用场合中，当微光学元件的特征尺寸为波长量级或亚波长量级，刻蚀深度也较大，标量衍射理论中的假设和近似便不再成立，必须采用严格的矢量衍射理论。当元件的特征尺寸大于波长时，衍射与偏振态无关，光的性质与入射角、波长基本无关，文中正是应用标量衍射理论来设计微透镜阵列[1]。

微透镜阵列的一级衍射效率可以表述为

2 微透镜阵列的制备

目前，制作二元光学器件的方法很多，如灰阶掩模板法、光刻法、激光热敏加工法、金刚石车削法、准分子激光加工法等。这些方法存在一系列的譬如工作温度高、设备昂贵、工艺兼容性差、成本高等问题。考虑到在紫外波段，表面浮雕结构的深度为纳米量级，现采用组合多层镀膜与剥离的微细加工工艺制备衍射微透镜的表面浮雕结构。

组合多层镀膜与剥离的微细加工工艺制备衍射微透镜阵列的步骤如下：（1）利用光刻技术直接在背照式紫外探测器芯片的光入射面制备光刻掩模图形；（2）采用镀膜方法在具有光刻掩模图形的表面沉积膜层；（3）将具有膜层的芯片浸入去胶剂中，浸泡3～5 min；（4）通过摇晃或超声震动，将光刻胶上的膜层和光刻胶去除干净，上述工艺完成，可获得2台阶的表面浮雕结构，如图2（a）；（5）通过一次重复（1）到（4）的工艺步骤，可获得所需4台阶的表面浮雕结构，如图2（b），通过两次重复（1）到（4）的工艺步骤，可获得所需8台阶的表面浮雕结构，如图2（c）；（6）最终将具有衍射微透镜的紫外成像阵列芯片用去离子水清洗1～2 min；最后用高纯氮气吹干。图2就是采用组合多层镀膜与剥离的微细加工工艺制备8台阶衍射微透镜阵列[9]的流程图。

应用JC5003/D型磁控溅射镀膜设备，在衬底温度不超过80 ℃的条件下制备GaN膜层，实验中光刻胶为AZP4620。在制备工艺中发现，涂光刻胶时，在不影响均匀性和分辨力的前提下，光刻胶越厚越好，这样容易剥离不需要的GaN膜层。此外，曝光时一定要保持曝光充分，以确保显影时能够显示清晰的图形。当微透镜台阶深度比较大时，曝光量小于曝光阈值的区域就比较小，所以微透镜面形失真的区域比较小。而当要制备的微透镜台阶深度较小时，抗蚀剂表面曝光量小于曝光阈值的区域就变得非常大，显影结束后微透镜面形失真的区域将大大降低对光的调制能力。

通过上述的设计方法和工艺技术，制备了用于128×128紫外FPA的衍射微透镜阵列，其中焦距为178 μm，中心距为50 μm，环带数为2，台阶数为8，中心波长为350 nm。其显微照片如图3所示。

组合多层镀膜与剥离的微细加工工艺技术整个过程简单，薄膜厚度可精确至纳米级，精度高，操作方便，重复性好，实用性强，较之目前市场上譬如灰度等级掩模与刻蚀，激光束辅助加工技术等有不可比拟的优势。由于这种工艺方法的膜层厚度可精确到纳米级，深度误差对衍射微透镜的影响不大。因此，制备主要有两种误差：线宽误差和对准误差。（1）线宽误差。产生的原因主要有：不准确的曝光量导致线条

线宽变化；剥离工艺不完整引起的线宽变化。光刻应该注意基片的抗蚀膜平面必须保持平整，局部变化

高度应小于焦深范围。否则，刻线会明显出现局部离焦导致曝光不足，局部线条不清晰[9]。线宽误差对衍射效率影响较大，尤其是第一次套刻，所以必须严格控制第一次套刻时的线宽误差。（2）对准误差。它是在掩模图形多次转印过程中由于掩模版之间的对准误差而引起浮雕轮廓相对理论设计轮廓的偏差。其中以对准误差对衍射效率的影响最大，制备过程中控制好套刻中的对准误差尤为重要[10]。

3 光学性能的测试

3.1 衍射效率

4 结 论

文中从提高紫外成像器件的探测性能出发，用标量衍射理论设计了中心波长为350 nm的128×128衍射微透镜阵列。提出了一整套以组合多层镀膜与剥离技术为主的制备衍射微透镜阵列的工艺方法。用组合多层镀膜与剥离的工艺方法制备了2环带8台阶的衍射微透镜阵列。实验结果表明衍射效率可以达到86%。因此，将衍射微透镜阵列与紫外成像探测器集成可以较好地提高成像器件的整体性能，有利于加大民用和军用领域的紫外应用。

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透镜设计范文第3篇

关键词：LED路灯;自由曲面透镜;二次光学设计

中图分类号：TN31;O43

      文献标识码：A文章编号：1005-3824（2014）05-0013-05

0 引 言

发光二极管（light emitting diode）作为新一代的绿色光源，具有寿命长、体积小、电光效率高、环保节能等诸多优点，已经广泛应用于景观装饰照明、汽车尾灯、显示屏等领域^[1]。不同于传统光源，LED不含汞、铅等有害金属;其出射光中没有紫外和红外光;其寿命是荧光灯的10倍，白炽灯的100倍，LED也因此成为21世纪最有价值的第4代新型光源^[2-3]。

LED路灯大部分采用的是白光LED光源，光源的辐射角分布为11001200的朗伯分布，表现为中心照射区域的光斑亮度很高，但随着照明区域的半径增大亮度衰减得很快^[4]。如果不经过配光，LED路灯将会在照明路面上形成一个不均匀的圆形光斑，约50%的光将会散落到马路之外，造成光浪费，还会对远处的行人和车辆造成眩光，达不到照明要求^[5]。所以，对LED路灯进行二次光学设计，使其照明区域的光照均匀度、形状等满足道路照明要求，是LED路灯设计过程中不可或缺的环节。二次光学设计属于非成像光学领域，利用非成像光学理论设计自由曲面透镜对LED路灯进行配光^[5]，以达到均匀照明的目的，是目前LED路灯二次配光设计常用方法。而对于自由曲面透镜的设计，目前常用的主要有试错法、裁剪法、数值优化法、偏微分方程法、网格法以及SMS法^[6]，前5种方法主要针对点光源，最后的SMS法则多用于扩展光源。

1 LED路灯配光特点及要求

LED的光强辐射一般以蝙蝠翼型、朗伯型、聚光型以及侧射型等类型分布，其中大部分都为近似朗伯分布，即光分布是以垂直于发光面的轴线为零度角的余弦分布，其光强变化规律为

I（）=I0×cos（）（1）

其中：I0为主轴上的光强;为光线与LED主光轴的夹角。

没有经过配光的LED光源一般产生的为圆形光斑，这样的光源容易产生斑马效应，而且会造成路面以外的光浪费，因此，需要通过对LED进行二次配光，使得LED路灯发出的光在路面上形成一个矩形光斑，同时兼顾眩光控制与照度均匀度，达到道路照明要求。

在城市道路照明设计行业标准中，根据道路照明的不同场合，把道路分为主干道、次干道、快速道和支路等。不同的道路有不同的照明要求，具体设计要求如表1。

2 基于非成像光学的LED路灯配光技术

2.1 非成像光学简介

与传统光学设计不同，LED路灯的配光设计，不需要在路面上形成清晰的像，而是要求把圆形光斑变成矩形光斑，尽可能使光线都分布在路面上，即二次光学设计。二次光学设计主要考虑怎样把LED发出的光线集中到期望的照明区域上，进而让整个系统发出的光能满足照明要求。二次光学设计属于非成像光学的研究范畴。不同于传统成像光学系统，非成像光学不再以获得最好的物象为目的，所以不需要在目标照明面上形成清晰的像，而是追求光能利用率的最大化，另一个不同于成像光学系统的特点在于，不再使用像差理论和成像质量来评判系统性能的优劣，在非成像光学系统中，光能利用率被用来作为系统的评价标准。目前，为了满足道路均匀照明要求，对LED路灯进行二次配光的一种行之有效的方法是利用非成像光学理论构建自由曲面透镜。

表1 机动车交通道路照明标准^[7]

2.2 自由曲面透镜常用设计方法

为了让配光过程中的能量损失较少，普遍采用光学面数量较少、对光线的反射折射较少的透镜来对LED进行二次配光，透镜的配光能力决定于其光学面的面型。要达到均匀照明的配光效果，这种光学面的面型需要有足够的自由度，能同时实现系统的光强分配和照明空间角的改变，称之为自由曲面。自由曲面透镜结构简单，配光效果好，是目前为止LED均匀照明最理想的配光光学元件。

目前，常用的自由曲面设计方法主要分为两大类，一类是针对点光源的，包括试错法、裁剪法、数值优化法、偏微分方程法和网格法，另一个类是针对面光源的SMS法（多重表面同步设计法）。其中，试错法的可变参数多，没有固定的优化模式，大多依赖于设计员的经验进行，主要通过三维建模软件solidworks、PROE或UG等绘制出光学元器件结构，再在非成像光学分析软件中，通过非序列光线追迹来判断照明面的照度及整个光强的分布^[8];裁剪法通过对光学透镜的面形进行裁剪来控制波前走向，以此获得均匀的照度或能量分布;数值优化法结合几何近似方法与变分积分方法，对非线性二阶Monte-Amphere方程进行求解，此方法最先由J.Bortz、N.Shatz等人应用于LED配光透镜设计，主要应用于只有一个光学面的给定照度分布问题;SMS方法^[9]是针对扩展光源设计而言的，对一个配光光学透镜，可以同时设计出透镜的2个或多个表面的面型，通过多个光学面，控制扩展光源2端发出的2个波面，变换成给定的2个输出波面;而对于点光源而言，常采用偏微分方程法和网格法，下面本文将对这2种方法做详细介绍与比较。

2.3 自由曲面透镜常用设计方法

偏微分方程法，系统效率高于82%。

图1 自由曲面透镜与配光效果图

通过偏微分方程法来求解自由曲面面型，本质上是建立入射、出射和自由曲面法向矢量3者之间的矢量关系方程组，同时添加限制条件，限制条件根据光 源的发光特性以及所需照明来设定，这样，使得方程有唯一解或者有限个解。自由曲面是一空间曲面，求解自由曲面面型数据时，首先在空间中建立三维坐标系，设LED光源位于空间坐标系的原点，自由曲面上的任意一点坐标为qθ，φ，ρθ，φ，目标照明面上的点为wx，y，z，入射光线、出射光线以及q点处的法向矢量分布用In、Out和N表示，根据Snell定律可以建立起自由曲面上点q和目标照明面上点w的关系表达式，再由能量守恒定律求得自由曲面上点q的分量与光线出射角之间的关系表达式，由此得到qθ，φ，ρθ，φ在θ，φ的一阶偏微分方程，最后运用数值方法求解出自由曲面面型数据。

2.4 网格法

网格法的设计思想具有直观的物理意义。在忽略能量损失的情况下，由能量守恒原理可知，光源发出的能量等于目标照明面上获得的能量，采用相同的规则对光源和目标照明面进行网格划分，每个网格内所对应的能量相等，根据这个映射关系，建立能量分配的对应关系，通过计算机迭代求解出自由曲面表面离散数据点的坐标，以及所对应的法矢量，从而确定了自由曲面的表面。

同样，跟偏微分方程法一样，LED视为点光源，位于原点处，建立如图2所示的空间坐标系。其中，θ为光线与Y轴所组成的平面和Z轴的夹角，φ为光线与Y轴的夹角。由光源的余弦分布可知，沿着光线i→的光强为I0cosθsinφ^[12]，其中I0为中心光强。

图2 LED光源空间坐标

2.4.1 划分网格

设目标照明面如图3所示，是一个长为a，宽为b的矩形区域，LED光源的总光通量为，目标照明面的平均照度为Ev，中心光强为I0=/π。在X轴方向已步长k等分为m份，Y轴方向上也以同样的步长k等分为n份，这样就得到了xm和ym的数组，对应于光源立体角来说，则在θ角上等分成m份，角等分成n份。

图3 目标照明面网格图

2.4.2 迭代计算

经过网格划分后，在X轴方向有m条矩形区域，通过能量守恒定律，可以建立起光源出光方向与目标照明面上点的一条纵向对应关系，以此求得步长Δθ1～Δθm，Δφ1～Δφn。其具体步骤如下：

首先计算X轴方向上每条矩形区域所对应的能量：

EΔx=Ev·k·b（2）

每一份θ角内，以LED光源发出的能量作为研究对象，根据能量守恒定律可得：

∫θ1θ0∫π0I0cosθ·sin2φdθdφ=EΔx（3） 

则：

Δθ1=EΔxI0cosθ∫π0sin2φdφ（4）

由θ1=θ0+Δθ1，x1=x0+Δx可以得到一条光线与目标照明面上的一个点的能量对应关系：θ1，φ1→x1，y0。按照这样的步骤依次迭代可计算出Δθ2，…，Δθm，并可得到光源光线与目标照明面上的点的纵向对应关系θφ0=fxy0，即

θ1，φ1→x1，y0

θ2，φ1→x2，y0

θ3，φ1→x3，y0

……

θm，φ1→xm，y0

按照以上建立纵向对应关系的方法，建立能量横向对应关系，以此得到步长Δφ1～Δφn。

在目标照明面的Δx，Δy范围内，由能量守恒可得：

∫θ1θ0∫φ1φ0I0cosθ·sin2φdθdφ=Ev·k2（5）

则：

Δφ1=EΔx，ΔyI0∫θ1θ0cosθsin2φ0（6）

由φ1=φ0+Δφ1，y1=y0+Δy可以得到一条光线与目标照明面上的一个点的能量对应关系：θ0，φ1→x0，y1。按照这样的步骤依次迭代可计算出Δφ2，…，Δφm，并可得到光源光线与目标照明面上的点的纵向对应关系φθ0=gyx0，即：

θ0，φ1→x0，y1

θ0，φ2→x0，y2

θ0，φ3→x0，y3

……

θ0，φn→x0，yn

这样，可以依次迭代求出光源光线在整个空间坐标系中与目标照明面上点的对应关系：即θm，φn→xm，yn。

迭代计算时，首先确定透镜的一个初始计算点，应用反射定律求得自由曲面初始点的法向量，从而确定该点的切平面，再由该切平面与第二点的入射光线相交确定第二点。总体思想是，通过前一个点的切平面与下一条光线相交求得下一点，通过计算机迭代计算出自由曲面所有点的坐标，由此得到自由曲面的面型。

3 LED路灯自由曲面透镜设计方法的比较  

无论采用哪种自由曲面透镜设计方法，最终的目的都是要让LED路灯的配光达到道路照明要求。上述的自由曲面透镜设计方法各有优缺点，如表2所示。

其中，偏微分方程法求解自由曲面，目的性强，计算速度很快，可以很快得到面型的数据，而且没有试错法中反复优化的过程，但是，由于偏微分方程组复杂，求解过程麻烦，这类方程的可解性也很低，要求设计人员有扎实的数学功底和编程能力，并且偏微分方程法多适合点光源，对于扩展光源，多用SMS法。

网格法比较直观，根据能量守恒，建立光源与目标照明面的映射关系来求解面型数据，并且可以通过对网格的细化，可以得到更加精确的结果。网格法可以解决复杂照度分布的问题，求解上比偏微分方程法简单，设计效率高，不用进行误差校验，是一种行之有效的自由曲面透镜设计方法，具有良好的研究前景。

4 结 论

近年来，LED路灯的应用越来越广泛，对LED路灯二次光学设计的要求也越来越高，二次光学设计也逐渐成为非成像光学中的一个重要研究方向。本文简要介绍了LED路灯自由曲面透镜的设计方法，并就现在最常用的2种设计方法做了详细介绍与对比，认为网格法具有良好的发展前景。目前，对于点光源的二次配光设计问题，已经有相当成熟的解决办法，但是对于扩展光源来说，还需要进一步提出比较成熟的解决方案，加快LED路灯应用于更加广阔的领域。

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透镜设计范文第4篇

关键词：菲涅尔透镜；光照度；光学特性

中图分类号：V442 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2013）15-0028-02

菲涅尔透镜是在透镜的一侧有等距的齿纹。通过这些齿纹，可以达到对指定光谱范围的光带通（反射或者折射）的作用。菲涅尔透镜是透镜的一个分支，由于它同其他的透镜相比，具有体积小，重量轻，结构紧凑的优点，同时它具有良好聚光性和成像性能。假设一个透镜的折射能量仅仅发生在光学表面（如：透镜表面），拿掉尽可能多的光学材料，而保留表面的弯曲度。

如图1所示，从剖面看，表面由锯齿型凹槽组成，中心部分是椭圆型弧线。每个凹槽都与相邻凹槽之间角度不同，但都将光线集中一处，形成中心焦点，也就是透镜的焦点。

柱面菲涅尔透镜是一种新型菲涅尔透镜，其特性不同于以往的圆形菲涅尔透镜，其可将平行光进行汇聚在焦距位置形成一条亮线。本次研究是基于柱面菲涅尔透镜进行的，由于光路的可逆，分析其将线性光源变为平行光的功能特性。

1 出光模型搭建

如图2所示为圆形菲涅尔透镜，光线从一侧进入，经过菲涅尔透镜在另一侧出来聚焦成一点或以平行光射出。焦点在光线的另一侧，并且是有限共轭。这类透镜通常设计为准直镜（如投影用菲涅尔透镜，放大镜）以及聚光镜（如太阳能用聚光聚热用菲涅尔透镜）。

柱面菲涅尔透镜是在传统菲涅尔透镜上做了一些改进：将圆形条纹调整为横向排列，不再是同心圆排列。可使平行光汇聚行一条亮线。本次研究我们使用的是f=160 mm的柱面菲涅尔透镜。如图3所示，将柱面菲涅尔透镜固定距离光屏一倍焦距的位置，使用日光灯所发出的光线，可在光屏上看到一条十分明显的亮线；本次所应用的原理是基于光路可逆性，对柱面菲涅尔透镜聚光作用的逆运用。

因此使用何种原始光源在本次研究过程中起着至关重要的作用，其决定了最终的出光效果，通过分析菲涅尔透镜的光学特性，需要一种出光宽度较窄、亮度较大的光源。在此选用4WT5型LED灯管为发光光源。

利用加工好的灯具外壳，分别对LED光源柱面菲涅尔透镜的出光效果进行测量。

2 出光特性测量

在实际测量之前，利用TracePro软件对当前的灯具模型进行仿真模拟，TracePro是一套普遍用于照明系统、光学分析、辐射度分析及光度分析的光线模拟软件。利用该软件的仿真方法为：根据之前确定的尺寸，建立几何模型；设置光学材质；定义光源参数；进行光线追踪；分析模拟结果。

由于在TracePro软件中并没有柱状菲涅尔透镜，而柱状凸透镜的出光效果与柱状菲涅尔透镜类似，因此在透镜仿真上，使用了柱状凸透镜来代替柱状菲涅尔透镜得到仿真光谱图，如图4所示。

图4可以看出，经过仿真后的出光图形，呈现中间区域较宽，两侧较窄的现象，中间较宽的区域为光线较多，照度较强，能够看出，柱面菲涅尔透镜对光线出射方向作了一定的改变，将原始的经过仿真后，对实际的面光源的出光特性进行测量分析和比较。

对有柱面菲涅尔透镜面光源以及无透镜的LED光源的出光特性进行测试比较，对光照区域范围、照度值进行比较。

将光源置于距离测量屏1 m的位置；利用九点法测量出光效果，在测量屏上设定9点，作为测量点；利用照度计测量照度值；作出图表分析照度值。

从表1、图5中可以得知，有柱面菲涅尔透镜的光源照度值为无透镜LED光源照度值的3倍左右。

3 结 论

综上所述，此新型柱面菲涅尔透镜在用作光源透镜时，能够有效的提高光源的出射照度，对光线出射的角度进行有效的控制，并且在有该透镜的情况下，能够有效的提高被照射区域的照度值，有无透镜对被照射区域的照度有明显区别，该透镜能将相同光源相同照射条件下的照度值提升3倍左右，由此看来，该透镜在作为照明光源的出射透镜中能够起到良好的作用。

参考文献：

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透镜设计范文第5篇

关键词： 分光膜； 膜系； 优化设计； 镀制工艺

中图分类号： O 484.4文献标识码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2013.02.018

引言自聚焦透镜作为一种重要的光学器件，具有很好的聚光、准直和成像特性[13]，被广泛应用于光纤通信、光纤传感和光成像系统中[4]，尤其是在光纤通信中，可作为耦合器、连接器、光开关、衰减器和波分复用器等[5]。因此，不断地改进和开发自聚焦透镜的性能具有非常重要的意义。而光学薄膜作为光学仪器的重要组成部分，特别是在光无源器件中，可通过在指定的基底上镀制若干层薄膜来实现一定的分光和滤光的目的，进而改善其性能。基于自聚焦透镜在激光泵浦聚光、医用内窥镜、光纤一体化设备、准直器、耦合器和透镜矩阵中的应用要求，本文研制了自聚焦透镜上95∶5分光膜。1自聚焦透镜95∶5分光膜的设计自聚焦透镜95∶5分光膜的参数要求如下：自聚焦透镜的分光波段为1 470～1 610 nm，该波段内反射率R和透射率T分光比R∶T=95∶5。 光学薄膜的设计方法通常有解析法和各种优化设计法。解析法采用规整膜系，工艺上易实现，沉积误差较小，但光谱性能略差[6]。变尺度优化法通过改变膜层厚度和优化参数等计算评价函数的导数，从而寻找最佳膜系。因此，针对所使用镀膜机的特点和控制精度，综合运用解析法和变尺度优化法设计膜系。图1分光膜的反射率设3% of lightsplitting film根据薄膜的理化性能需求，选用高低两种折射率膜料设计膜系[7]，其中，Ta2O5为高折射率膜料， SiO2为低折射率膜料，经过多次实验测定并验证高低折射率膜料的折射率分别为nH=2.07，nL=1.465。为便于膜系实际镀制时监控，选择一个合适的监控片监控膜系的沉积，自聚焦透镜的中心折射率为1.6，可考虑选择F7玻璃作为监控片，1 535 nm作为参考波长，在此参考波长下用解析法设计一个初始膜系：Sub（HL）^8Air其中，H代表四分之一参考波长高折射率材料，L代表四分之一参考波长低折射率材料。初始膜系的设计在膜系设计中起着非常重要的作用，一个合适的初始膜系可以为下一步的优化设计工作奠定一个较好的基础，从而简化后续计算分析过程，得到更为理想的膜系设计曲线。对初始设计膜系最后三层采用变尺度优化法优化，最终得到如下16层可镀制膜系：Sub（HL）^6 H 1.2800L 1.7H 0.2710LAir所设计出的自聚焦透镜95∶5分光膜的反射光谱如图1中实线所示，在1 470～1 610 nm 波段范围内，分光比基本上为R∶T=95∶5，与膜系设计目标一致。光学仪器第35卷

第2期高晓丹：自聚焦透镜分光膜的研制

2设计膜系的误差分析虽然分光膜的设计膜系具有较好的分光特性，分光偏差不到±0.1%，但实际镀制时需要结合多方面可能导致误差的因素，也就是需要考虑设计膜系的鲁棒性。鉴于该设计膜系的镀膜基底是自聚焦透镜，虽然自聚焦透镜端面半径不到1 mm，但其折射率沿径向具有梯度分布，所以有必要分析基底材料折射率发生变化时，设计膜系的鲁棒性。自聚焦透镜的端面折射率沿径向呈梯度减少，当沿径向的折射率相对于中心折射率存在3%偏差时，其设计膜系的拟合曲线如图1中虚线所示。对比设计膜系的理论反射率曲线和基底折射率存在3%偏差时的拟合曲线，可以发现，两组反射率曲线的误差近似为0.1%，在实际应用需求所允许的范围以内。所以，该设计膜系具有较好的鲁棒性。3自聚焦透镜95∶5分光膜的镀制光学薄膜能否镀制成功，不仅取决于膜系设计，在很大程度上，更取决于镀制工艺，一个好的膜系没有合适的工艺，依然得不到符合参数要求的薄膜[6]。在德国莱宝APS1104型镀膜机上经过大量实验，确定了一套合适的镀制工艺。首先是自聚焦透镜的固定工艺。将自聚焦透镜和用来固定自聚焦透镜的夹持片用丙酮清洗干净，以毛玻璃作为定位片，将自聚焦透镜与夹持片放置其上，并将自聚焦透镜在夹持片Φ1.8孔中放正，即垂直毛玻璃定位表面。将三者放入烘箱中，逐步升高炉温至180 ℃，将高温胶熔化，点在自聚焦透镜与夹持片的结合处，使之固化。镀膜材料是纯度为99.99%的Ta2O5和SiO2膜料，蒸镀前先对Ta2O5进行预熔。采用德国莱宝APS1104型真空镀膜机对所设计的膜系进行实际镀制，高折射率材料和低折射率材料分别用电子枪ESQ14和ESV212蒸发，由于所设计的膜系包含非规整膜层，为了提高监控精度，实际镀制时采用透射式OMS3000光学监控系统和QSM石英晶体振荡膜厚控制系统共同监控薄膜的厚度，其中规整膜层主要采用光学监控，晶控为辅，而非规整膜层采用晶振控制为主，光控为辅。为了能够得到均匀致密的分光膜，采用等离子体辅助淀积系统[8]，在高真空的条件下，离子源辉光放电，不仅可以清洁基片，还可以激活镀件表面的原子，使蒸镀的膜料分子在基片表面形成部分化学吸附键，增强薄膜与基片的吸附力，从而减少应力的影响[9]。蒸镀前先对镀膜机抽真空至1×10-6 Pa，然后采用离子源对基片加热，基片温度的不同会导致薄膜折射率、几何密度、散射、附着力、硬度和应力等产生不同的变化[1012]，离子源加热温度设置为150 ℃。图2镀制的分光膜的测试曲线

Fig.2Tested curve of the deposited lightsplitting film高、低折射率材料的蒸发速率分别为0.65 nm/s和1.3 nm/s，为了减小薄膜的吸收，在蒸镀过程中充高纯氧，严格控制离子源的参数，以保证材料折射率的稳定和材料的均匀蒸发，镀膜过程中的真空度维持在1×10-2 Pa。图2是所镀制分光膜的光谱测试曲线。由测试曲线可见，该分光膜在1 470～1 610 nm 波段范围内，基本实现了R∶T=95∶5的分光比。由于实验仪器条件的限制，所使用测试仪器的光谱范围局限于1 310±25 nm，1 550±25 nm波段范围，导致测试曲线在其它波段存在较大的波纹，但基本上能反映分光的设计要求。由此可见，采用该设计膜系及其工艺镀制的分光膜完全符合自聚焦透镜分光膜的实际应用需求。4结论以Ta2O5和SiO2为介质材料，运用TFCalc膜系设计软件的综合解析法和变尺度优化法进行膜系设计，设计出1 470～1 610 nm波段分光比为95∶5的自聚焦透镜分光膜。分析了该设计膜系在基底折射率呈梯度减少时的拟合曲线，并针对德国莱宝APS1104型镀膜机制订了合适的镀制工艺，实际镀制出的分光膜能较好地满足实际应用的需求。参考文献：

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透镜设计范文第6篇

0引言

将空间光场高效耦合进较小芯径光纤特别是单模光纤的技术已广泛用于光纤激光器［1－2］、空间激光通信［3－4］和天文观测［5－6］等研究领域．当前本文研究组提出的全光纤转动喇曼激光雷达研究课题将采用光纤布喇格光栅（FiberBraggGrating，FBG）作为分光系统的核心器件，而由多模光纤制成的布喇格光栅由于其光谱特性的多峰性，不能满足大气分子纯转动喇曼信号精细光谱分离的要求，故系统中将采用单模光纤作为连接传输器件［7－8］．因此激光雷达的空间回波光场耦合进单模光纤的耦合效率将是该系统信噪比的关键因素，耦合效率越高信噪比将越好．当前将空间光场耦合进小芯径光纤的耦合器主要有球透镜［9－10］、格林透镜和非球面透镜［11］等，球透镜一般耦合效率略低，而格林透镜主要用于光场前向传输的空间激光通信领域，在激光雷达领域的应用研究表明需要定制特种参量器件，成本较高［12］，此外目前现有产品主要用于近红外的通信波段，而正在研究的全光纤激光雷达系统则工作在可见光波段．另外，Chiou，A．等人曾利用互泵浦相位共轭技术设计了光致折变空间模式转换器提高多模光场耦合进单模光纤的效率，使耦合效率突破了纤芯直径比或模式数量比的限制［13］，但是该方法需要选择合适的晶体，且对空间结构稳定性要求较高，不适用于正在研究的全光纤激光雷达系统．非球面透镜以其灵活的光场分布调整能力已应用于激光光束整形［14］，另外非球面透镜具有很强的集光能力，这或许可提高空间光场耦合进单模光纤的效率．本文以设计用于全光纤喇曼激光雷达的单模光纤耦合系统为研究目标，采用成本较低的非球面透镜作为核心耦合器件，结合现有卡塞格林望远镜，通过ZEMAX光学软件搭建望远镜与单模光纤的耦合系统；由于激光雷达系统是一种能量探测系统，不同于成像系统的高像质要求，为充分利用非球面透镜较强的集光能力，以将空间光场耦合进单模光纤的效率为优化目标对系统结构参量进行优化分析；直接与通常多模光纤（如芯径0．1～0．4mm）进行耦合效率比较，会因绝对耦合效率值低而弱化对比效果，此处构建初步实验系统进行耦合实验，采用不同型号单模光纤（芯径约为3～10μm）的耦合效果进行相对耦合效率对比分析，测试和分析非球面透镜对耦合效率的改善作用，得到了构建全光纤喇曼激光雷达系统的有益结论．

1非球面透镜的单模光纤耦合系统及优化设计

喇曼激光雷达系统的发射激光束进入大气，经与大气分子相互作用产生携带大气状态信息的后向喇曼散射信号，由于信号较弱通常需要对一定时间的回波信号进行统计平均，故一般可忽略大气湍流对光场传输的影响，故通常假设发射激光束是高斯分布，而把望远镜接收的大气后向散射光看作是高斯分布的空间平面光场，其耦合理论分析已较为成熟［10］．其次由于大气分子散射在各个方向具有随机性，故通过望远镜耦合进单模光纤相对于多模光纤的总耦合效率ηT可表示为ηT＝ηM?ηS（1）式中，ηM是横向模式数导致的耦合效率，如果耦合进多模光纤的模式数为M且假设各模式能量相同，则该参量为1／M，ηS为单横模空间光场入射时的耦合效率，也是文献资料讨论最多的耦合参量［3，13］，其在广泛采用的ZEMAX光学软件中可表示为单模光纤的总耦合效率，故ηS＝S?T（2）式中，S为系统耦合效率或结构耦合效率，主要反映望远镜入瞳孔径及中央遮挡引起的光能损失，还包括光学元件吸收和光学薄膜的影响，在该耦合系统中主要体现中央遮挡对耦合效率的影响，可表示为［10］式中，FS（x，y）为入射光场的幅值分布，t（x，y）为光学系统的幅值传递函数，E表示入瞳平面；而T可称为接收耦合效率，主要反映由于光学系统像差引起的波前相位变化与光纤导模失配产生的损耗，是通过光学器件可改善的主要参量，其定义式为［10］T＝［Fr（x，y）W＊（x，y）dxdy2］／［Fr（x，y）?F＊r（x，y）dxdyW（x，y）W＊（x，y）dxdy］（4）式中，Fr（x，y）为光纤导模的模场分布，W＊（x，y）为出瞳波前的复数共轭．故ZEMAX软件可对单横模空间光场耦合进单模光纤的耦合效率进行较好的仿真分析．结合通用多模光纤耦合的喇曼激光雷达系统的经验，以实验室现有的日本TAKAHASHI公司Mewlon－250型卡塞格林望远镜为基础进行望远镜单模光纤耦合器结构设计，其三维结构如图1．该望远镜属于Dall－Kirkham结构，其主镜M1为直径260mm且锥度系数－0．6925的椭球面，副镜M2为直径72mm的球面，反射镜表面镀多层铝膜以提高回波光场信号的收集效率，P1为入瞳，B1为中央遮挡．望远镜有效焦距为3m，且主镜与副镜之间距离可通过电机控制进行调节，使焦距可在2．74m到3．25m间变化．由于直接从望远镜耦合进光纤，光路较长，对系统机械稳定性要求较高，同时为尽量与单模光纤的数值孔径0．13进行匹配，通常在望远镜底部增加一片附加正透镜L1（图1右下局部放大图）以缩短光路［10］，减少其合成焦距，提高系统机械稳定性．由于单模光纤传输条件依赖于光纤芯径与数值孔径，结合市场调研情况选择美国Nufern公司460－HP单模光纤作为目标光纤．望远镜与单模光纤耦合系统的效率依赖于望远镜焦距、附加正透镜型号及位置、非球面透镜AL型号及位置等，且因激光雷达遥感技术是一种能量探测而不是成像系统，故理论上需要以单模光纤耦合效率为优化目标对上述结构参量进行优化设计．但ZEMAX软件很难对附加正透镜型号和非球面透镜型号等离散数据进行全局优化设计，由于附加透镜和非球面透镜对耦合效率影响最大的参量是焦距，而将望远镜接收耦合系统的组合焦距设计在900mm左右可使激光雷达探测效果更佳［12］，通过ZEMAX仿真选择美国CVI公司PLCX－50．0－51．5UV平凸透镜作为附加透镜，由于非球面透镜加工及检测较为复杂［15］，通过调研选择美国Thorlabs公司多种焦距且反映集光能力参量数值孔径（NA）较大的非球面透镜（如355390，355660，352330，A414，352340，A230，A390，A110，A240）分别进行优化设计和仿真分析，最终确定由1个偶次非球面和1个球面组成的A390非球面透镜（图1右上局部放大图）作为耦合系统核心器件．该非球面透镜的有效焦距为4．60mm，NA为0．53，其偶次非球面（图1局部放大图左侧面）为式中，c为曲面的曲率，其数值为半径3．50mm的倒数，锥度系数k为－0．3366000，r为横向坐标；球面（图1右上局部放大图右侧面）的曲率半径为－42．19mm．然后以耦合进单模光纤的耦合效率为优化目标函数对各光学器件间相对位置进行优化设计，通过POPD（物理光学传输）等运算符进行优化表明，当未采用非球面透镜时，附加正透镜距望远镜副镜672．7mm，像面距附加正透镜51mm，系统效率S为76．4％，接收效率T为46．1％，单模光场总耦合效率ηS为35．2％；当采用非球面透镜时，附加正透镜距副镜704．5mm，非球面透镜距附加正透镜35．39mm，光纤端面距非球面透镜1．268mm，单模光纤的接收效率T可改善为67．6％，单模光场总耦合效率ηS可提高至51．7％，耦合效率比未采用非球面透镜耦合时提高约45％．故非球面透镜将改变望远镜接收会聚光场的能量分布，提高其与单模光纤导模分布的匹配效率，进而提高望远镜与单模光纤的耦合效率．为说明非球面透镜对焦平面上爱里斑能量集中程度的改变，图2给出了软件仿真得到的采用非球面透镜前后的包围圆能量变化情况，可看出通过增加非球面透镜可使半径为1．6μm的圆内的能量由40％增加到约68％，且在2μm附近出现平坦区，这可减少光纤对准时横向偏移的准确度要求，而通常光纤对准误差中影响最大就是横向偏移误差［10，12］．对不同视场角情况进一步仿真分析表明，在0．004°内其包围圆能量分布曲线变化不大。为进一步分析视场角对爱里斑耦合能量分布的影响，图3（a）～（c）给出了所设计耦合系统入射角度分别为0、0．002°和0．004°的点列图，可看出当视场角不为0时，存在较为明显的彗差，但其能量基本处于黑色实线圆（直径为4．41μm）所表示的衍射极限范围内．由于通常激光雷达系统进行的是能量探测，不同于天文领域的成像光学系统，一般不考虑光学系统的成像质量，这就使我们可将提高耦合能量作为设计和优化的唯一目标．激光雷达发射系统一般具有0．1mrad的发散角，而激光雷达中接收视场角一般要求略大于发射系统发散角，取0．12mrad，故可认为接收回波信号将大略位于0．004°范围内，图3仿真结果表明在半径59μm的范围内放置单模耦合光纤，都将获得较好的耦合效率．另外，由于激光雷达系统利用发射光束的回波信号，而不是空间激光通信系统中的前向传输信号，回波信号将在耦合平面上形成一个面积较大的弥散斑，故在此系统中可通过在光纤耦合平面放置多芯光纤束来提高系统总耦合能量．

2耦合实验系统及数据分析

2．1耦合实验系统为验证上述耦合系统的效果，搭建图4实验系统进行初步实验，图中光源发出的光，经正透镜会聚后，分别进入直接耦合a和非球面透镜耦合b两个子系统，输出光进入色散型光谱仪（OSA），利用该实验系统可进行三方面耦合效果分析．首先可验证非球面透镜对耦合效率的改善作用，由于实验中直接耦合进单模光纤因其芯径太小导致对安装误差要求较高，故此处未采用单模光纤直接耦合作为耦合效率提高程度比较的基础，而是将入射光先耦合进大芯径多模光纤（0．2mm）后，再经FC接头直接耦合进入单模或小芯径光纤（芯径约为3～10μm），虽FC接头同型光纤互联时插入损耗典型值为0．2dB（95．5％），但其主要原因是光纤对准误差，此处因大芯径光纤NA为0．22，其芯径为小芯径光纤几十倍，故对准误差对插入损耗影响很小，可用于该实验测试；而非球面透镜耦合子系统b利用非球面耦合透镜直接将入射光耦合进入单模或小芯径光纤，这两种子系统方案足以说明非球面透镜对耦合效率的改善作用．其次，利用不同芯径光纤的耦合效率比可粗略分析相同入射光场的耦合效果，实验中单模光纤位置需要测试几种不同的小芯径光纤的耦合效果，如美国Nufern公司的460－HP光纤、1550B－HP光纤和英国Fibercore公司的SM980－5．8－125光纤（表1），但实际上只有460－HP光纤能够实现532nm波段的单横模传输，其目的在于为非球面透镜改善单模光纤相对耦合效率提供更可靠的数据，并分析耦合效率比与芯径比平方之间关系．最后可分析入射光场横向模场分布对耦合进单模光纤效率的影响，将光源分别采用波长位于532nm附近LED灯和激光器，以分别模拟多横模和单横模光源的耦合效果，实验分析入射光场横模分布对耦合进单模光纤的影响，实验中LED灯型号为LED525E，其发散角为15°，中心波长为525nm，3dB带宽为5nm，功率为15mW；而激光器将使用Nd∶YAG激光器的二倍频激光．另外，实验中不同芯径单模光纤长度为2m，且需要采用两个半径为10mm圆环进行扰模处理，而对于多模光纤因其主要作用是减少不同小芯径耦合光纤的安装误差，故未对其进行扰模．实验中将采用PrincetonInstruments公司的SP2500光谱仪作为耦合系统的光电探测系统，它采用精密的光栅镀膜技术，可将光能损失降至最低，其扫描光谱给出了不同波长的功率相对值．为尽量减弱光电转换中非线性效应对测量结果的影响，评价光谱仪相对光强参量的线性度是非常必要的，将是该实验系统有效性的重要保障．首先采用一组滤光片对光谱仪相对强度值进行测量，为减少不同滤光片厚度对耦合光路的影响，构造实验系统时首先使LED灯发出的光通过一个透镜进行准直，经滤光片后再利用正透镜使光线汇聚并耦合进多模光纤．为减少实验中系统误差，未采用标称透过率，而是首先利用实验系统对各滤光片进行测试，然后计算每个滤光片的透过率，图5（a）给出了其中1组实测数据，点划线表示未加滤光片衰减时LED灯的光谱分布，虚线为增加某滤光片时的光谱分布，而实线是由这两组数据计算得到的透过率曲线，可看出透过率曲线在490～560nm基本比较稳定，说明滤光片对不同波长光信号的衰减率基本是一致的，而在该范围之外则由于光功率较低而导致透过率起伏较大，故实验数据处理时宜采用490～560nm的透过率平均值作为该滤光片透过率值．然后将上步中测得的透过率作为真值，计算2个及以上的滤光片组成滤光片组的理论真值，并利用光谱仪测试通过该滤光片组的透过光功率，并将理论值与测得值进行比较以评价光谱仪相对光强参量的线性度．图5（b）给出了测量点与其拟合直线，其斜率为0．985，截距为173．7，相关度为0．9994，可说明光谱仪相对强度与入射光强之间具有很好的线性．

2．2实验数据分析当采用LED灯作为光源时，可评价多横模光源的耦合性能．图6（a）给出了耦合进光纤460－HP的功率谱特性，其中点划线是直接耦合时光功率谱的相对强度，实线表示非球面透镜耦合时的相对强度，非球面透镜耦合比直接耦合时耦合效率增加约48％；图6（b）给出了耦合进光纤1550B－HP的功率谱特性，点划线是直接耦合时光功率谱的相对强度，实线表示非球面透镜耦合时的相对强度，非球面透镜耦合比直接耦合的效率增加约47％，耦合效率的增加量大略与仿真结果45％相当，这可说明利用图4中子系统a和b耦合效率的比值可反映非球面透镜对耦合效率的改善作用．

2．3直接耦合和非球面透镜耦合分别耦合进460－HP与1550BHP光纤的耦合效率比约为13％和12％，这大略等于通常采用的光纤芯径比平方12％［13］．当采用激光作为光源时，可评价单横模光源的耦合性能．图7（a）给出了耦合进光纤460－HP的功率谱特性，点划线表示直接耦合时光功率谱的相对强度，实线为非球面透镜耦合时的相对强度，非球面透镜耦合比直接耦合时耦合效率增加约31％；图7（b）给出了耦合进光纤SM980－5．8－125的功率谱特性，点划线为直接耦合时光功率谱的相对强度，实线表示非球面透镜耦合时的相对强度，非球面透镜耦合比直接耦合时耦合效率增加约20％，耦合效率的增加量与仿真耦合的45％偏离较大，这或可归因于单模激光耦合时耦合效率对位置的调整极为敏感．另外，直接耦合和非球面透镜耦合方式耦合进460HP光纤与SM980－5．8－125光纤的耦合效率之比分别约为88％和86％，这偏离光纤模场芯径之比平方36％较大，其耦合效率之比约为模场芯径比平方的.

2．4倍，这可能是由于高斯分布的单模激光模场与光纤模场匹配效率较高，且其能量大部分位于纤芯中心导致的，该结论对全光纤激光雷达系统具有重要意义．另外多横模特性光源（LED灯）与单横模特性光源（激光）的耦合效果对比，不仅说明非球面透镜对望远镜与单模光纤的耦合效率具有明显改善，而且对高斯分布的激光耦合进小芯径光纤不宜采用芯径比平方估算耦合效率，这对于搭建采用该激光器的全光纤喇曼激光雷达系统具有积极意义．

透镜设计范文第7篇

关键词：可视电话 可视门铃 显像管电子枪 电子透镜

中图分类号：TD355 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2013）05（a）-0073-01

近些年来，随着经济社会的发展和人们生活水平的提高，在通话过程中能够看到对方越来越成了人们的需要。尤其是随着高层建筑物建造的数量越来越多，出于安全的考虑，人们普遍希望在与外界进行通话和联系的时候能够看到对面的面目。在这样的背景下，可视电话、可视门铃应运而生，必将成为人们消费的热点，有着巨大的市场潜力和广阔的发展前景。可视电话、可视门铃的体积小，这对显像管提出了更高的要求，显像管必须体积小，显像管电子枪也必须做得很短，这样才能满足可视电话、可视门铃的要求。为了适应市场的需要，满足可视电话、可视门铃生产的需要，我们根据实际情况，研制出了适合其显像管用的短电子枪。

1 可视电话、可视门铃用显像管电子枪的特点

显像管电子枪是可视电话、可视门铃的重要组成部分，对可视电话、可视门铃正常功能的发挥有着重要的作用。具体来说，它具有以下几个方面的特点。电子透镜长度较短，应小于26 mm；芯柱与调制极间的距离要缩短（4.5FS管子总高度应小于123 mm）；弹簧片长度要缩短；电子枪的主要参数（4.5英寸FS的CRT）：偏转角90 °；管颈直径20 mm；热丝电压12 V；热丝电流75 mA；加速电压300V；阳极电压8 kV；截止电压-18～-42V；聚焦电压0～300 V。

2 电子透镜的结构和工作原理

（1）电子透镜的结构。就其类型来看，短电子枪是静电聚焦、磁偏转三电位电子枪。阴极透镜由三个部分组成，包括阴极K、调制极M和加速极A1；预透镜由两个部分组成，包括加速极A1和聚焦极A2；主透镜由两个部分组成，包括聚焦极A2和阳极A3；阳极A3接高压，聚焦极A2很短而且膜孔很大，A3伸入A2圆筒内，改变A2上的聚焦电压，就可以改变透镜的焦距又可以同时把束张角也改变，这样得到的透镜焦距效果是最佳的。

（2）电子透镜的工作原理。从阴极可以发射面的任意一个点出发，以轴向初速度为零的电子形成一条主电子轨迹，该点发射的电子被阴极透镜会聚成很细的电子束。由阴极可以发射面无数发射点发射的电子，在阴极透镜场的作用下形成相应的电子束，叠加所有细电子束就汇成了总电子束。经过交叉截面平面以后，电子束又开始发散，由于在该区域仍然有透镜场存在，在他的影响下电子形成弯曲的电子轨迹，进入预透镜之前，把电子束轨迹反向延长，在Z轴的另一处得到一个虚的最小横截面。它是预透镜的物点。电子束经过主透镜场的聚焦作用成像于荧光屏上（像点），经聚焦的高速电子轰击荧光粉激发出符合要求的光点。

3 电子透镜结构设计

显像管电子枪的电子透镜长度应该小于26 mm，为了满足可视电话、可视门铃的需要，达到最佳的设计效果，在设计的时候，我们采用三电位型的结构。

（1）采用氧化物阴极。为了满足所需要的分辨率，而使得阴极负载并不重，调制极膜孔0.38 mm，而且膜孔周围是减薄的。加速极仍是0.67 mm的膜孔。聚焦极的膜孔有可能会比较大，他的长度要尽量短，有一端的边向外翻，另一端有冲大膜孔而留下的痕迹，这样所得到的机械强度才是最佳的。

（2）保证阴极透镜结构尺寸合适。我们要保证在参数指标的范围内，如聚焦电压等等，还需要使阴极透镜与聚焦透镜相互融合起来，只有这样，才能收到更好的设计效果，满足可视电话、可视门铃的需要。

（3）适当调整主透镜的结构尺寸。通过调整得到最合适的尺寸，让电子束聚焦在荧光屏上，这样就会让聚焦功能达到最佳状态。

4 试验结果与分析

将我们研制出的电子枪组装成了7只4.5英寸的黑白显像管，在热丝电压12 V，加速极电压300 V，阳极电压8kV的条件下进行测试，得出了测试结果，如表1所示。

通过分析上面的测试结果我们可以得知：热丝电流在75 mA±7 mA范围内是合格的。截止电压最大值为42 V，最小值为38 V，相差4 V，其一致性好；并且，其中心值及范围是可以变动的，他可以根据用户在工作中的需要而改变，具有相当的灵活性，这样就能够更好的满足用户的需要。聚焦电压在0～150 V，一致性也好，这就说明该工艺设计是合理的。显像管屏面至芯柱末端（排气后余管长度

5 结语

总之，显像管电子枪是可视电话、可视门铃的重要组成部分，对其功能的发挥起着巨大的作用，为了适应可视电话、可视门铃的实际需要，我们需要研制出短的、适合显像管需要的电子枪。文章通过理论分析、结构设计、试验对显像管电子枪的研制进行了探讨分析，实践表明，该方案是切实可行的，适应了可视电话、可视门铃生产的实际需要，今后在实际工作中值得进一步推广和运用。为了进一步优化设计，达到最佳的设计效果，满足市场发展的需求，今后在研发过程中，仍然可以优化电子透镜电极之间的距离。

参考文献

[1] 鲁开宏.可视电话与视像会议系统[J].电视技术，2000（2）.

透镜设计范文第8篇

在中考物理实验复习时，首先教师要在基本测量仪器的使用上花一定的时间，让学生对所有基本测量仪器都能熟练了解并会应用.如：温度计、刻度尺、秒表、托盘天平、量筒、弹簧测力计、液体压强计、电压表、电流表、电阻箱、电能表、测电笔等的读数问题和使用方法.其次，重点“重现”教材中的典型实验，培养学生的实验分析能力.由于教材中探究实验较多，掌握实验的原理和研究方法又十分重要的，但在短暂的中考复习阶段，不可能把每一个实验都重新做一遍，这就要求教师复习时要针对典型的实验进行“重现”，并且针对不同的实验采用不同的重现方式，即通过恰当的手段、细致的观察、科学的推理、分析得出物理规律，从而培养学生的科学探究能力、实验分析能力及实事求是的科学态度，提高实验复习的实效.

1重现探究过程， 加深学生对科学探究方法的理解

初中物理中体现“控制变量法”的探究实验比较多，如“探究影响滑动摩擦力大小的因素”，“探究压力作用的效果”，“探究影响液体内部压强大小的因素”，“探究影响浮力大小的因素”，“探究动能、重力势能的大小与哪些因素有关”，“探究影响导体电阻大小的因素”，“探究通过导体的电流与电压、电阻的关系”，“探究影响电流做功多少的因素”，“探究影响电流热效应的因素”等等，我们可以归类进行复习，选其中的一个进实验室重新做一遍，体验探究的过程，加深学生对这种科学探究方法的理解，提高复习的实效.如让学生再次做 “探究影响滑动摩擦力大小的因素”实验：学生首先要明确实验目的，然后按照科学探究的步骤展开，即本次实验提出什么样的问题，怎样进行猜想和假设，如何设计实验（需要测量哪些物理量，要用到哪些仪器，实验的步骤是什么？），数据记录，然后进行分析和比较，最后归纳写出结论.让学生讨论为什么要使木块做匀速直线运动，书写实验结论时要注意要点（控制变量）.再结合例题1进行巩固练习.

例题1在探究滑动摩擦力与什么因素有关的实验中，

（1）木块在水平放置的毛巾、木板、棉布的表面上运动时必须保持运动，根据的原理，得到摩擦力的大小.

（2）分析以下实验数据，得出的结论是：.

（3）有些同学猜想滑动摩擦力可能还跟接触面的大小有关，请针对这一猜想完成以下探究内容.

A.简述主要实验步骤（可以配以图来说明）：

B.设计记录数据或现象的表格（只列出表格中栏目名称）：

C.根据可能出现的实验现象分析得出相应的结论：

实验次数 接触面的材料 压力（N） 滑动摩擦力（N）1 木块与木板 4 0.82 木块与木板 6 1.23 木块与棉布 6 24 木块与毛巾 6 2.52重现物理规律，加强学生对重要规律的掌握

当然也有些实验是不适宜让学生重新再做的，就可以利用播放多媒体课件的方法把一些实验过程及规律重现出来，如“平面镜成像规律”，“凸透镜成像规律”，“二力平衡的条件”，“阿基米德原理”，“杠杆平衡条件”等等.这些实验可以让学生边回忆边复述实验中的要点与注意点，教师作适当的补充与分析，既节省复习时间又提高实效.例如在“凸透镜成像规律”复习中，该内容是重点又是难点，在进行复习时可以先让学生回忆成像规律，然后再利用课件来演示凸透镜成像的规律，重温“一倍焦距分虚实二倍焦距分大小”“物近像远像变大”等记忆口诀，并投影出问题让学生讨论：烛焰的中心、凸透镜的中心及光屏的中心是在同一高度还是同一直线；蜡烛烧短后，像如何移动；若用物体遮住凸透镜的上半部分，像有何变化；如何用凸透镜成像规律估测凸透镜的焦距等，学生通过讨论来解答达到复习巩固的目的.而在处理有关凸透镜的习题时，有时应把具体的数据化为规律或把规律化为具体数据，帮助学生理解成像规律的具体运用.结合例题2、例题3教会学生熟练地运用规律来解题.

例2在探究凸透镜成像的实验中，当烛焰、凸透镜、光屏位于如图1所示的位置时，烛焰在光屏上呈现一个清晰的缩小的像，要使烛焰在光屏上呈现一个清晰的放大的像，调节的方法是

A.透镜不动，蜡烛向透镜移动，光屏向透镜移动

B.透镜不动，蜡烛向透镜移动，光屏远离透镜移动

C.透镜不动，蜡烛远离透镜移动，光屏远离透镜移动

D.透镜不动，蜡烛远离透镜移动，光屏向透镜移动

例题3在探究凸透镜成像规律的实验中，当凸透镜、光屏和烛焰的位置如图2所示时，光屏上能成一清晰的像.则

A.所成的像是正立缩小的实像

B.所成的像是倒立缩小的实像

C.把蜡烛向左移动，调整光屏的位置，得到的像变小