菲涅尔透镜
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2023年3月19日发(作者：ist机场)一种菲涅尔透镜式近光模组设计浅析
摘要：汽车前照灯近光PES模组一般采用光学凸透镜作为聚光和投射光学
元器件。由于模组尺寸需要最小化，这就要求透镜焦距需要尽量的短，导致光学
凸透镜往往设计的比较厚，重量较重且占用了较多的空间。本文利用菲涅尔透镜
独特的结构和光学性能，将原本较厚的凸透镜减薄，取代原有近光模组上的厚凸
透镜，实现与原LED近光模组类似的光形。并且菲涅尔透镜上自带的凹槽结构可
以自然克服太阳光聚焦问题。在尺寸及成本上，菲涅尔透镜也有明显优势。同时
通过LucideShape模拟对比了菲涅尔花纹在透镜前后表面形成光形的区别。综合
来看，菲涅尔透镜是取代普通厚透镜最佳选择。
关键字：菲涅尔；透镜；近光模组；光学模拟
一、引言
目前现有的近光PES模组普遍都采用凸透镜作为光学透镜。早期的凸透镜都
采用玻璃材质，特点是具有优良的光学性能，色散较少，耐热性好，但重量较重，
需要与透镜支架及相关固定件配合使用。随着LED冷光源的大量运用，使得塑料
透镜替代玻璃透镜成为可能，并且已经在较多车灯中推广运用。塑料透镜的引入，
使得透镜重量减轻的同时，提高了产能，其固定方式也更加灵活，可以通过摩擦
焊、激光焊等先进工艺直接与透镜支架固定。并且塑料透镜还具有造型多变的特
点，可以结合光学设计及造型需要，设计成方形甚至异形，给造型提供了更加丰
富的元素。但是塑料透镜受其注塑工艺影响，成本较高、注塑时间较长，并且由
于原材料折射率较高，存在较难解决的色散缺陷。另外，无论玻璃透镜还是塑料
透镜，都存在太阳光聚焦的难题，当特定角度太阳光通过透镜会汇聚在透镜周围
装饰件上，会引起灼烧，给车灯安全带来隐患。
相比凸透镜，菲涅耳透镜具有轻薄、便于制造等优势。其特殊的结构使得重
量及价格都大大低于普通凸透镜，并且菲涅耳透镜还具有天然的防止太阳光聚焦
的优势。本文通过Lucidshape光学模拟，将设计好的菲涅耳透镜替换原有近光
模组上的凸透镜，光形虽然有一定的变化（横向及纵向略微变宽），但仍能满足
近光法规要求，且路面均匀性不改变。文中还对比菲涅耳透镜花纹设置在透镜前
后表面时色散情况，通过对比发现菲涅尔透镜没有明显色散的缺陷。同时，菲涅
耳透镜这样的透镜形式也给造型也添加了新的元素。
二、理论解释
菲涅尔透镜由于其独特的形状和结构，我们也称其为螺纹透镜，最早是在18
世纪初，由法国物理学家奥古斯汀·菲涅尔（Augustin·Fresnel)发明的。最初
是用于减轻灯塔上原来庞大的凸透镜重量才设计发明了这样子的透镜，达到了与
原透镜同样的聚焦光线和产生较远距离的照明的效果[1]。
菲涅尔透镜一般由塑料或烃类材料，通过注塑和压制而成。其形状大都为薄
片装。通常菲涅尔透镜的表面一面为光面，另一面由不同直径的同心圆组成锯齿
状，通过去除正常凸透镜多余光学材料，保留曲面形状设计而成[2]，如图1左
上图所示。从侧剖面看，光滑的透镜表面变成了一圈圈锯齿形的凹槽，将每一段
曲面的部分看作是一个单独的小透镜，原来一个大透镜就被分割成几十个圆环式
的小透镜，并且具有相同的焦点位置。由于锯齿形状和透镜变薄，不同波长的光
线在菲涅尔透镜内的光程变短，这样的变化使得菲涅尔透镜还能够抵消部分球形
像差和色差。
从物理意义上，我们也可以将菲涅尔透镜理解为菲涅尔波带片，菲涅尔波带
片具有和一般凸透镜同样的光学性能，可以汇聚平行入射光，将光的能量集中在
一个点上，如图1菲涅尔透镜光路所示。同时，也具有和凸透镜类似的成像公式：
1/ρ+1/R0=1/f
其中，ρ为光源到波带的距离，R0为透镜中心到像点的距离，f为整个波带
片的焦距。
波带片的焦距：f=R2/mλ
其中，R透镜半径，m为波带数，λ为入射光波长。
通过以上公式可以计算出菲涅尔透镜每一圆环凹槽的焦距和成像位置。同样
为了得到同一位置的焦点，也可以通过以上公式反推设计每一圆环凹槽的形状。
菲涅尔透镜相比普通凸透镜具有又薄又轻等优势，但其成像质量却不如普通
凸透镜，这是由于加工需要考虑拔模角，圆角等问题，造成面形无法达到理想的
设计状态，存在的偏差导致每一小段凹槽无法聚焦在一个点，这就使其只能用在
很多对成像精度要求不高，成像质量不需要很完美的场合，比如车灯，红外探测
器[3]，太阳能聚光器，投射照明系统[4]等。
三、模拟结果
利用菲涅尔透镜的优势，我们考虑通过在原LED近光模组的基础上，用菲涅
尔透镜更换凸透镜，达到与原光形相似的结果。如图1右上图和下图所示，为原
LED模组结构，及更换的菲涅尔透镜情况。
图1菲涅尔透镜设计及光路和LED模组更换菲涅尔透镜
在不更换其他零部件的前提下，我们直接换上菲涅尔透镜，用LucidShape
进行模拟。考虑到菲涅尔花纹可以在前表面，也可以在后表面，我们设计了两种
菲涅尔透镜，分别在相同焦距下，将凸透镜的前表面“坍塌”和后表面“坍塌”，
得到了菲涅尔花纹在透镜出射面和透镜入射面两种透镜。通过模拟我们对比了原
LED近光模组在分别使用厚凸透镜，菲涅尔透镜花纹在出射面和菲涅尔透镜花纹
在入射面的三种透镜下的光形及配光情况，如图2所示.
图2三种透镜下的光形及配光结果
两种菲涅尔花纹的方案与原透镜相比对光形都有一定的影响，横向及纵向都
略微变宽，光形也更发散。这与菲涅尔花纹表面是不连续有关，且因为需要考虑
加工工艺，在菲涅尔花纹上增加拔模角和圆角，使得经过这部分的光线发生了偏
离，导致光形变宽。但整个光形还是保持原来的形状，仍可以满足近光配光法规。
图3三种透镜下路面对比和色散对比
图3上图为各种方案路面对比。从路面对比可以看出，没有明显的优劣，均
匀性都较好，并且由于菲涅尔花纹导致光形变宽，路面宽度也有所增加，特别是
菲涅尔花纹在入射面的透镜，使路面光形变宽更明显。
图3下图为各方案色散对比从色散对比可以看到，菲涅尔花纹无论在入射面
还是出射面，都具有较好的色散表现，截止线拐点区域截止线颜色明显好于双曲
面透镜，没有出现多种颜色的情况。
从上述几个方面可以看到，菲涅耳透镜可以完全取代原有近光模组上的凸透
镜，在无需更改原有光学设计基础上，只需要更改透镜支架就可以完成取代。透
镜的更改在造型方面也可以进行全新设计，结合菲涅耳透镜的结构特点，提供独
特的造型方案。
另外从尺寸及成本上，菲涅尔透镜也有相当大的优势。透镜厚度减小使得模
组整体前后尺寸减小至少10mm；重量减轻使得原材料节省，直接降低成本价格；
注塑时间减少8s左右，又提高生产效率，在各方面都比原来凸透镜更具优势。
四、总结
本文验证了菲涅尔透镜在车灯模组上取代传统厚凸透镜的可行性，得到了直
接更换透镜对光形影响较小的结果。并在此基础上尝试将菲涅尔花纹设计在透镜
的入光面及出光面，得到了不同的光形和色散效果。从各方面综合看，菲涅尔透
镜具有绝对的优势，对后续批量应用菲涅尔透镜奠定了基础。同时在造型上也有
更多的变化，使得车灯更有辨识度。
参考文献：
[1]海大鹏.菲涅尔透镜的加工工艺研究[D].哈尔滨工业大学,2007.
[2]余晶莹,李卓.菲涅尔透镜及其应用领域的专利分析[J].中国发明与专
利,2013,12:60-65.
[3]梁海生.用于红外成像的菲涅尔透镜设计与分析.西安工业大学,2013.
[4]刘永强,申作春,芦宇,等.均匀会聚菲涅尔透镜设计及性能研究[J].
光电子技术,2012,32(4):5.
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