光学系统设计中的光源与透镜

光学系统设计

1 光源

我国幅员辽阔，有众多大小河流，内河的航标灯需求量较大，而较长的海岸线对于沿海航标灯也有一定需求。由于航标灯应用地域不同，对光强的要求也不同。因此我们的航标灯光源采用碟状结构，与相应光学系统相匹配构成一个相对独立的发光单元，则实际应用中，可以根据需要选择灯具中所使用的单元数目，获得不同的射程。

根据上述设计思想，设计中确定单个发光单元的半值全扩散角度为8°，最大光强值为30cd，则两个发光单元就能基本满足内河的需要，射程可达3.8nm;而三个至四个单元就能达到一般的近海要求，射程可达5.5nm。因此，我们考虑在每个单元中，用28颗LED

2 透镜设计

将扩散光源放置在凸透镜的某个位置上，可以使出射光发生不同的变化.

由此可见，将光源放置于适当偏离焦点的位置上，无论是在焦点内还是在焦点外，都可以使光源出射光适当收敛。

我们选择将光源放于透镜焦点的内侧，光源离透镜越远，透镜收集到的光源光通量越少，因而透镜系统的效率越低。

根据单凸透镜的计算公式：

r=(nL-1)f

其中r——凸面曲率半径

nL——透镜材料折射率

f——透镜焦距

在选定透镜材料的情况下，焦距越大，曲率半径越大。在同样透镜孔径Φ的条件下，曲率半径越大，透镜越薄，而透镜越厚，像差会越明显，从而影响使用效果。因此，尽可能选择焦距较大的透镜。

同时，焦距的增大，光学系统尺寸的增加，因此，透镜的焦距也不可以一味追求最大。

根据前面所讨论的航标灯的配光要求可见，透镜的作用主要使碟形光源垂直方向上的光收敛，同时不影响水平光分布的均匀度。

由于透镜厚度不是很大，因此没有采用菲涅耳透镜，避免增加加工的繁琐性和成本。