CN103543480B - 太阳花型排列方式的龙虾眼透镜 - Google Patents

Abstract

太阳花型排列方式的龙虾眼透镜，属于光学元件技术领域，为了控制成像能量的分布，得到一个能量分布相对均匀的图像，并且在有限的透镜空间中更多的充填微通道管，使得收集能量的能力提高，该龙虾眼透镜具有多个微通道单元，每个微通道单元的中心在整个透镜面上有各自的极坐标，把每个微通道单元安置在各自的坐标上： 其中r为极坐标半径，θ为极坐标角度，c为尺度常数；与现有龙虾眼透镜排列方式相比，太阳花型排列方式的龙虾眼透镜在同等的面积下可以排列更多的微通道管，有效地利用入射能量；并且由于微通道成螺旋形排列，在像面上可以得到更加均匀的能量分布，避免在成像面上产生十字像。

Description

太阳花型排列方式的龙虾眼透镜

技术领域

本发明涉及太阳花型排列方式的龙虾眼透镜，属于光学元件技术领域。

背景技术

现有光学系统受限于单一的光轴，致使系统的视场有限，若增加视场范围，像质会急速下降。如何在不降低像质的情况下尽可能大的放大光学系统的视场一直是光学领域的难题。

龙虾眼是利用反射原理成像。龙虾眼的结构形式是矩形棱台结构。平行光入射后，经过棱台内壁反射到焦面上。这样的龙虾眼结构具有两个重要的特性：一是这种龙虾眼型光学系统源于模仿龙虾的视觉系统，有多个通道的略入射反射镜构成，此结构的球对称性决定该系统没有特定的光轴，在任意方向上的聚焦能力都相同，可实现全方位的视场；二是对于任意给定的点，许多通道参与成像并且是由反射成像，这种反射成像是全谱段光波会聚到同一像点上，可使像更加明亮并且包含更加丰富的信息。根据龙虾眼的以上两种特性，研究发明出了龙虾眼透镜。

如图1所示，龙虾眼透镜由若干微通道管构成，每个微通道管都有各自的光轴。微通道管呈锥顶角为α的正四棱台状，正四棱台的四个等腰梯形侧面内壁为反射壁，正四棱台的底面四个边构成微通道管的外缘，各微通道管的外缘位于半径为r1的球面上，正四棱台的顶面四个边构成微通道管的内缘，各微通道管的内缘位于半径为r2的球面上。各微通道管轴线为同一球体各个方位、俯仰方向的半径，各微通道管构成的龙虾眼透镜是一个球体，半径为r1，该球体的某个球冠也是一种龙虾眼透镜，称为球冠龙虾眼透镜。入射光直接入射或通过反射壁反射后在成像器件上成像。龙虾眼透镜通过反射进行光传输，成像为实像，只有轴上像差，没有色差，而且视场达到360°。

如图2所示，a为圆形排列方式的龙虾眼透镜；b为方形排列方式的龙虾眼透镜。这两种现有龙虾眼透镜微通道管的排列方式都不理想，方形排列方式会使像面上参与成像的光线分布不均匀,而圆形排列方式在透镜空间中又会有较大的空隙，浪费了透镜上有限的空间。因此，现有的龙虾眼结构排列方式造成光成像时，能量分布不均匀以及能量较低。

发明内容

为了控制成像能量的分布，得到一个能量分布相对均匀的图像，并且在有限的透镜空间中更多的充填微通道管，使得收集能量的能力提高，提供一种太阳花型排列方式的龙虾眼透镜。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：

太阳花型排列方式的龙虾眼透镜具有多个微通道单元，每个微通道单元的中心在整个透镜面上有各自的极坐标，把每个微通道单元安置在各自的坐标上：

$r=c\sqrt{n}$

其中r为极坐标半径，θ为极坐标角度，c为尺度常数。

本发明的有益效果是，与现有龙虾眼透镜排列方式相比，太阳花型排列方式的龙虾眼透镜在同等的面积下可以排列更多的微通道管，有效地利用入射能量；并且由于微通道成螺旋形排列，在像面上可以得到更加均匀的能量分布，避免在成像面上产生十字像。

附图说明

图1是入射光通过龙虾眼透镜成像示意图。

图2中a为圆形排列方式的龙虾眼透镜；b为方形排列方式的龙虾眼透镜。

图3是太阳花型排列方式的龙虾眼透镜结构示意图。

图4是方形排列方式龙虾眼透镜在像面区域上能量分布图。

图5是太阳花型排列方式的龙虾眼透镜在像面区域上能量分布图。

具体实施方式

如图3所示，太阳花型排列方式的龙虾眼透镜具有多个微通道单元，每个微通道单元的中心在整个透镜面上有各自的极坐标，把每个微通道单元安置在各自的坐标上：

$r=c\sqrt{n}$

其中r为极坐标半径，θ为极坐标角度，c为尺度常数，尺度常数与微通道的边缘尺寸d有关，其应满足c<0.5966d的条件。

当龙虾眼透镜按照太阳花型排列方式排列时，会产生与黄金分割比有关的特质。

按照太阳花型排列方式的龙虾眼透镜的排列图案符合斐波那契数列，在太阳花型排列方式的龙虾眼透镜上面，各微通道会从中心开始组成两条曲线两条曲线向相反方向延展，从中心开始一直延伸到边缘，这两条曲线形成一个恒定的角度，这个角度值是137.5°，放在一起就形成了螺旋形。这个角度是这样得到的：

其中为黄金分割比例。

用计算机模拟上述太阳花型排列方式的龙虾眼透镜的排列方法，若排列的发散角β为137.4°，该龙虾眼透镜上各微通道单元之间就会出现间隙，且只能看到一组顺时针方向的螺旋线；若发散角β为137.6°，该龙虾眼透镜上各微通道单元之间也会出现间隙，会看到一组逆时针方向的螺旋线；而只有当发散角等于137.5°时，该龙虾眼透镜上各微通道单元之间才呈现彼此紧密镶合、没有缝隙的两组反向螺旋线。这个统计结果显示，只有选择137.5°的发散角排列模式，该龙虾眼透镜上各微通道单元之间排列分布才最多、最紧密和最匀称。

在计算机上同时对包括太阳花型的三种龙虾眼透镜排列方式分别在直径为100mm的圆面上进行模拟时，采用太阳花排列方式可以排列17711个微通道，比采用圆形排列方式的龙虾眼透镜多约15%，比采用方形排列方式的龙虾眼透镜多约2%。

从模拟中可以看出太阳花式龙虾眼透镜在同等面积下明显比圆形排列方式排列更多的微通道，即接收更多的能量。与方形排列方式对比，其排列密度无明显提高，但方形排列方式的龙虾眼透镜的像面能量分布不均匀，图4即为方形排列方式龙虾眼透镜在像面区域上能量分布图，在图中可以看出在对角线上能量大，其它区域能量少。如图5所示，采用太阳花排列方法的能量分布较为均匀。

Claims (1)

1.太阳花型排列方式的龙虾眼透镜，具有多个微通道单元，其特征是，每个微通道单元的中心在整个透镜面上有各自的极坐标，把每个微通道单元安置在各自的坐标上：

$r=c\sqrt{n}$

其中r为极坐标半径，θ为极坐标角度，c为尺度常数。