任务一 照明中常用的透镜
透镜是照明灯具中不可或缺的光学元件，它一般有以下几种材料种类：
（1）硅胶透镜 硅胶是一种高活性吸附材料，属于非晶态物质，其化学分子式为mSiO2·nH2O。不溶于水和任何溶剂，无毒无味，化学性质稳定，除强碱、氢氟酸外不与任何物质发生反应。各种型号的硅胶因其制造方法不同形成不同的微孔结构。硅胶的化学组分和物理结构决定了它具有许多其他同类材料难以替代的特点，即吸附性高、热稳定性好、化学性质稳定、有较高的机械强度等。因为硅胶耐温高（也可以过回流焊），所以常用于直接封装在LED芯片上。一般硅胶透镜体积小，直径为3～10mm。
（2）PMMA透镜 光学级PMMA（Polymethyl Methacrylate）也称为聚甲基丙烯酸甲酯，俗称有机玻璃或亚克力，是迄今为止合成透明材料中质地最优异、价格比较适宜的品种。P MMA是目前最优良的高分子透明材料，有极好的透光性能，可见光透过率达到92%。紫外光会穿透PMMA，与聚碳酸酯（PC）相比，PMMA具有更佳的稳定性。PMMA允许小于2800nm波长的红外线通过；存在特殊的有色PMMA，可以让特定波长的红外光透过，同时阻挡可见光。PMMA是塑胶类材料，它的优点有生产效率高（可以通过注塑完成），透光率高（3mm厚度时穿透率在93%左右）；它的缺点主要是耐温70%（热变形温度为90℃）。
（3）PC透镜 光学级PC（Polycarbonate）也称聚碳酸酯，属于塑胶类材料，由于聚碳酸酯结构上的特殊性，现已成为五大工程塑料中增长速度最快的通用工程塑料。采用光学级PC制作的光学透镜不仅可用于照相机、显微镜、望远镜和光学测试仪器等，还可用于电影投影机透镜、复印机透镜、红外自动调焦投影仪透镜、激光束打印机透镜，以及各种棱镜、多面反射镜等诸多系统，应用范围广。它的优点有生产效率高（可以通过注塑完成），耐温高（130℃以上）；它的缺点主要是透光率稍低（87%）。
（4）玻璃透镜 玻璃是一种无规则结构的非晶态固体，玻璃具有高透过率。玻璃分为两种，冕牌玻璃（K）和火石玻璃（F），其中，K代表冕牌玻璃，F代表火石玻璃。冕牌玻璃的特征是其折射率较小而色相系数较大，有QK、K、P K、BaK、ZK、LaK等；火石玻璃的特征则相反，其折射率较大而色相系数较小，有KF、QF、BaF、F、ZF、ZBaF、LaF、TF、AlaF等。另外，材料的光学均匀性、化学稳定性（折射率大时往往较软，化学稳定性差）、气泡、条纹、内应力等，皆对成像有影响。总之应根据仪器要求挑选不同等级的玻璃。光学玻璃材料具有透光率高（97%）、耐高温、耐紫外线等优点；它的缺点主要是易碎、非球面精度不易实现、生产效率低和成本高等。
（一）凸透镜和凹透镜
凸透镜和凹透镜在照明光学设计中是应用的最简单的透镜形式。凹透镜可以实现对光线的发散；凸透镜可以实现对光线的会聚和发散（会聚之后再发散），如图2-1所示。
图2-1 凹透镜和凸透镜
调整凹透镜和凸透镜与光源的距离或调整透镜的曲率半径，均可以实现对光线出射角度的调整。
以图2-1中凸透镜为例，当其孔径为D，曲率半径为r，凸透镜折射率为n时，其出射光线发散角度为
凸透镜或凹透镜的阵列组合可形成复眼透镜，与全反射透镜组合，控制全反射透镜的发光角度。
（二）棱镜
棱镜可以用来改变光线前进的方向，使光线偏折一定的角度。通过切割球面获得偏心球面透镜，在偏折光线的同时，也可起到扩散或汇聚光线的作用。
光线经棱镜折射后，出射光线向棱镜较厚的一边折射。从图2-2中，还可以看出，棱镜对不同波长颜色的光线，偏折角度是不同的。对蓝光偏折角度最大，对红光偏折角度最小，这就是著名的牛顿色散实验。根据折射定律分析此现象可知，同种材料，对于不同波长，其折射率是不同的。
在照明光学设计中，在需形成非对称光形效果，如非对称照度分布或非对称光强分布时，经常采用棱镜来实现此效果。且棱镜的采用，并非一定要用平面棱镜的结构，大多数情况下，均是对光线的偏转和光束角的调整同时进行，即采用偏心的球面透镜（见图2-3）或柱面镜，在改变主光线传播方向的同时，改变整个光束发散角度。此种透镜在警示灯具、自行车灯、汽车车灯等灯具中均有使用。
图2-2 三棱镜对白光的色散示意图
图2-3 偏心球面镜
偏转角计算公式如下：
（三）菲涅尔透镜
菲涅尔透镜（Fresnel lens）又称为螺纹透镜，是由法国物理学家奥古斯汀·菲涅尔（Augustin Fresnel）发明的，他在1822年最初使用这种透镜设计用于建立一个玻璃菲涅尔透镜系统——灯塔透镜。菲涅尔透镜多是由聚烯烃材料注压而成的薄片，也有玻璃制作的，镜片表面一面为光面，另一面刻录了由小到大的同心圆，如图2-4所示，它的纹理是利用光的干涉及衍射和根据相对灵敏度和接收角度要求来设计的，透镜的要求很高，一片优质的透镜必须是表面光洁，纹理清晰，其厚度随用途而变，多在1mm左右，特性为面积较大，厚度薄及侦测距离远。
菲涅尔透镜的设计思想是将透镜分成若干个具有不同曲率的环带，使通过每一环带的光线近似汇聚在同一像点上。菲涅尔透镜设计原理如图2-5所示，这也是传统透镜到菲涅尔透镜结构的变化过程。菲涅尔透镜的作用主要有两个，一个是聚焦作用；另一个是准直作用。
图2-4 菲涅尔透镜
图2-5 菲涅尔透镜设计原理图
菲涅尔透镜的分类：
（1）从光学设计上划分 分为正菲涅尔透镜和负菲涅尔透镜。
1）正菲涅尔透镜：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、放大镜等）以及聚光镜（如太阳能用聚光聚热用菲涅尔透镜等）。
2）负菲涅尔透镜：和正菲涅尔透镜刚好相反，焦点和光线在同一侧，通常在其表面进行涂层，作为第一反射面使用。
（2）从结构上划分 主要有圆形菲涅尔透镜、菲涅尔透镜阵列、柱状菲涅尔透镜、线性菲涅尔透镜、衍射菲涅尔透镜、菲涅尔反射透镜、菲涅尔光束分离器和菲涅尔棱镜。
圆形菲涅尔透镜和线性菲涅尔透镜如图2-6所示。
在大孔径的照明系统中，常采用菲涅尔透镜（螺纹透镜）来代替单透镜或二次曲面透镜，其优点有：①减小透镜的质量和厚度；②在一定程度上减小单透镜带来的球差（即不同入射高度的光线，经单透镜球面折射之后，不会聚于同一点的现象）。球差的原理如图2-7所示。
菲涅尔透镜既可以校正球差，又可以减小透镜的重量和厚度，制造费用降低，光能的吸收损失减少，这在大口径的照明系统中是非常重要的。基于以上优点，菲涅尔透镜应用于多个领域，主要包括：
图2-6 两种不同聚焦方式的平板菲涅尔透镜
图2-7 单透镜球差原理示意图
1）投影显示：主要包括菲涅尔投影电视，背投菲涅尔屏幕，高射投影仪，准直器。
2）聚光聚能：主要包括太阳能用菲涅尔透镜，摄影用菲涅尔聚光灯，菲涅尔放大镜。
3）航空航海：主要包括灯塔用菲涅尔透镜，菲涅尔飞行模拟；大型航标灯（专用菲涅尔透镜配合海上灯塔光源而特别设计）；焦距短，透光率高；光线发散角小；在气象能见度10海里[1]的条件下，灯光射程可达30海里。
4）科技研究：主要包括激光检测系统等。
5）红外探测：主要包括无源移动探测器。
6）照明光学：主要包括汽车头灯，交通标志，光学着陆系统。
菲涅尔透镜设计主要的步骤包括分割环带高度和计算曲率半径，除此之外还有如分角度法和分厚度法等多种菲涅尔透镜设计方法。后面项目会做专门详细的介绍具体设计方法，这里不做赘述。
（四）全反射透镜
全反射透镜是指一面或多面，运用全反射原理，实现光线收集或分配的透镜元件。全反射透镜广泛应用于照明的各个领域，射灯、准直透镜、航空障碍灯、自行车灯均有使用。
全内反射透镜（Total Internal Reflection，TIR）是一种典型的复杂结构光学元件。它一般运用二次曲面，形成全反射面，参与光线的汇聚，之后通过复眼透镜或其他透镜形式的组合，最终实现对光线的收集和光通量分配，达到预定的照明效果，如图2-8所示。全内反射透镜原理分为两个部分，中间类似于一个凸透镜，将LED小角度光线会聚；边缘利用全反射原理，将LED大角度光线转换到所需角度范围内，达到出射均匀的目的。
图2-8 全内反射透镜
若对全内反射透镜的出光面做某些处理，如将出射界面为平面做成特殊的表面，出射光的角度将发生变化，从而改变光出射均匀性，如图2-9～图2-11所示。也可将其出光界面做成蜂窝状，在透镜的出光面上增加蜂窝阵列，使得出光更加均匀，不需要新的模具，增加出光角度，防止出现芯片镜像，效率将降低2%～3%，如图2-12a和图2-12b对比图所示。
图2-9 出射界面为平面
图2-10 出射界面为圆锥面
图2-11 出射界面为圆弧面
图2-12 TIR蜂窝面出光面与平面出光面光束角和效率对比
（五）自由曲面透镜
在照明光学设计中，自由曲面透镜的使用也是很常见的，使用自由曲面透镜可以实现LED在目标面上辐照度的均匀分布。相对于常规的光学曲面，自由曲面具有更灵活的空间布局和更高的设计自由度，采用自由曲面可以大大简化照明系统的结构，准确控制光束分布并有效实现复杂的照明。自由曲面透镜照明设计的几个比较常见的应用有道路照明、投影仪照明和汽车前大灯照明等，其透镜均采用自由曲面实现对光线的有效控制并最终获取符合要求的照度分布或光强分布。
自由曲面透镜设计的每一个步骤都涉及复杂的数学或物理理论，基于点光源自由曲面设计通常采用数值方法近似求解偏微分方程、裁剪法或划分网格等方法，而这些方法仅对点光源适用，针对扩展光源却无法适用，它还必须另外引入优化算法进一步的优化才能获得较好的结果。
对于自由曲面透镜设计，后续将有专门一项目任务举例进行详细介绍其设计方法。