CN101263406B - 菲涅尔透镜 - Google Patents

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Abstract

使用折射率为例如1.494的丙烯酸类树脂时，菲涅尔透镜被构造为：在要求偏向角为19.5°或更小的链段，使用不会导致任何反射的单纯折射棱镜；在要求偏向角为31.0°或更大的链段，则使用光在其中完全内部反射一次、然后再折射的单步完全反射棱镜；在要求偏向角不小于19.5°，但不大于31.0°的链段，使用光在其中完全内部反射两次、然后再折射的两步完全反射棱镜。

Description

菲涅尔透镜
技术领域
本发明涉及菲涅尔透镜。
背景技术
菲涅尔透镜是一种质量轻且结构紧凑的平直透镜，其构造方法为：使用由多个同轴排列或平行排列的棱镜所形成的一系列不连续曲面替代凸透镜或凹透镜的曲面，从而将透镜厚度降至达到必要曲面所要求的最低厚度。
菲涅尔透镜广泛用于将点光源的光束转换为平行光束，如用于液晶显示器背光的透镜，或者相反，将平行光束聚集为限定光束，如用于太阳能发电系统的聚光透镜。
菲涅尔透镜中，F数(焦距/透镜直径)较小，远离光轴位置的透镜周边区域处的光束偏转角(即人们所知的偏向角)较大。在此区域中，由于各棱镜的斜面角度较大，且折射界面上的入射角随之较大，所以折射界面处的反射增加，而透射比减小。针对这一问题，已为人们所知的是，可以通过设计棱镜的顶角以使入射光首先在棱镜斜面处完全反射，然后在垂直面折射来提高需要较大偏向角的链段处的透射比，并且此类菲涅尔透镜公开于例如美国专利No.4,755,921、未经审查的日本专利公布No.2002-221605、以及美国专利No.4,337,759中。
发明内容
本发明提供一种菲涅尔透镜，其使用的棱镜的透射比与现有技术相比有所改进。
根据本发明，提供了由多个棱镜构造而成的菲涅尔透镜，其中，所述多个棱镜中至少有一些各自具有一个顶角，所述顶角可导致平行于光轴且来自焦点的入射光或从其相对侧进入的入射光被完全内部反射至少两次。
例如，菲涅尔透镜包括由各自顶角都不会导致入射光被完全反射的棱镜所形成的第一链段，以及由各自顶角都会导致入射光完全内部反射两次的棱镜形成且邻近此处的第二链段。
菲涅尔透镜还可以进一步包括邻近第二链段且由各自顶角都会导致入射光完全内部反射一次的棱镜形成的第三链段。
通过入射光在其中会完全内部反射至少两次的棱镜来形成菲涅尔透镜的一部分，折射面处的反射减少，从而进一步改善透射比。
附图说明
图1是表示入射光进入凹槽侧这一类聚光菲涅尔透镜的图表。
图2是表示入射光进入扁平侧这一类聚光菲涅尔透镜的图表。
图3是表示在其部分中使用单步完全反射棱镜的菲涅尔透镜的图表。
图4是说明单步完全反射棱镜中的光路的图表。
图5是说明两步完全反射棱镜中的光路的图表。
图6是说明折射棱镜中的光路的图表。
图7是描绘偏向角β和透射比作为顶角α的函数的坐标图。
图8是描绘不同类型棱镜的透射比I作为偏向角β的函数的坐标图。
图9是表示与根据现有技术的透镜比较，根据本发明的菲涅尔透镜的聚光能力的坐标图。
图10是表示本发明的菲涅尔透镜的一个实例的图表，其中使用的丙烯酸类树脂在546nm波长下的折射率集中在1.494左右，不小于1.484，但不大于1.504。
图11是描绘使用折射率为1.40的硅橡胶时，不同类型的棱镜透射比I作为偏向角β的函数的坐标图。
图12是表示本发明的菲涅尔透镜的一个实例的图表，其中使用的硅橡胶在546nm波长下的折射率集中在1.400左右，不小于1.390，但不大于1.410这一情况下的一个实例。
具体实施方式
用于太阳能发电系统或类似环境中的聚光菲涅尔透镜与用于液晶显示器背景光或类似环境中获得平行光的菲涅尔透镜的唯一差异是光进入透镜的方向。因此，以下说明涉及聚光菲涅尔透镜，但本说明同样适用于获得平行光的菲涅尔透镜的情况。另外，本说明还涉及其中的棱镜沿同心圆排列的圆形菲涅尔透镜，但同样的说明也适用于其中的棱镜并列平行排列的直线菲涅尔透镜。
有两类聚光菲涅尔透镜：第一类中，入射光进入凹槽侧12，用于形成许多棱镜的许多凹槽10在此处形成，如图1所示；第二类中，入射光进入扁平侧14，如图2所示。在入射光进入凹槽侧12的类型(如图1所示)中，入射到棱镜垂直面17附近部分的光16在垂直面17处完全反射，而不在预期焦点处聚焦；因此，此类光对于聚光能力来说不起任何作用。因此，要高效率地聚集太阳光，入射光进入扁平侧的类型(如图2所示)能够有效地获得聚光能力。然而，棱镜的斜面18的角度随与光轴之间的距离增大而增大，此外，随着斜面角度增大，界面处的反射会增强，而聚光能力会减弱。针对这一问题，在远离光轴位置的链段中，设计棱镜使得光首先在斜面18处完全反射，然后在垂直面17处折射，如图3所示。这样就可达到较高的聚光能力。这在被表示为焦距对透镜直径的比率的F数(焦距/透镜直径)较小的区域尤其有效，并且聚焦能力大于折射型菲涅尔透镜可达到的聚焦能力。
在通常使用的完全反射棱镜中，垂直入射到平面“a”的光在斜面“c”完全反射一次，然后在垂直面“b”折射后被导引至焦点，如图4所示。
另一方面，在诸如图5所示之类棱镜的情况下，垂直入射到平面“a”的光在斜面“c”完全反射一次，又在垂直面“b”完全反射，然后在斜面“c”折射后被导引至焦点。在此类棱镜中，获得同样的偏向角β所需的、折射处的入射角更小，因而因菲涅尔透镜反射导致的损耗会减少。因此，与包括其中光经历一次完全内部反射的棱镜的传统反射/折射菲涅尔透镜相比，包括其中光经历两次完全内部反射的反射/折射的棱镜的菲涅尔透镜预期可以达到更高的聚光效率。
对于图6所示的折射型，偏向角β由以下公式给定：
β＝sin-1(nsinα)-α
其中，α是棱镜的顶角，n是棱镜材料的折射率。
对于图4所示的单步完全反射型，偏向角β(deg)由以下公式给定：
β＝90-sin-1(nsin(2α-90))
对于图5所示的两步完全反射型，偏向角β由以下公式给定：
β＝α-sin-1(3α-180)
通常，进行m次完全内部反射，其中m是偶整数时，偏向角β由以下公式给定：
β＝α-sin-1(nsin((m+1)α-90m))
m是奇整数时，则由以下公式给定：
β＝90-sin-1(nsin((m+1)α-90m))
表1至5分别表示使用波长546nm下折射率为1.494的丙烯酸类树脂作为棱镜材料时，折射棱镜、单步完全反射棱镜、两步完全反射棱镜、三步完全反射棱镜和四步完全反射棱镜的不同顶角相对应的偏向角β和透射比I的计算结果。在这些表中，用“*”标记的区域表示由于邻近棱镜的干涉作用导致透射比下降的区域。这些结果在图7中以坐标图的形式绘出。
表1
表1折射型
  α°   β°   I
  0.0   0.0   0.923
  2.0   1.0   0.923
  4.0   2.0   0.923
  6.0   3.0   0.923
  8.0   4.0   0.923
  10.0   5.0   0.923
  12.0   6.0   0.923
  14.0   7.1   0.923
  15.0   8.0   0.923
  16.0   8.6   0.923
  18.0   10.0   0.922
  α°   β°   I
  19.0   10.2   0.922
  20.0   10.9   0.922
  21.0   11.0   0.921
  22.0   12.0   0.921
  23.0   13.0   0.920
  24.0   13.3   0.919
  25.0   14.0   0.918
  26.0   15.1   0.917
  27.0   15.9   0.916
  28.0   16.9   0.914
  29.0   18.0   0.912
  30.0   18.8   0.909
  31.0   19.9   0.906
  32.0   20.9   0.901
  32.1   20.9   0.901
  32.7   21.1   0.898
  33.0   21.8   0.896
  33.1   22.0   0.895
  33.2   22.0   0.895
  22.0   12.0   0.921
  33.3   22.1   0.894
  33.4   22.0   0.893
  33.5   22.0   0.893
  34.0   23.0   0.889
  34.5   23.5   0.885
  35.0   23.8   0.880
  35.2   24.5   0.878
  35.4   24.5   0.876
  35.6   25.0   0.873
  35.8   25.0   0.871
  36.0   25.2   0.868
  36.2   25.6   0.865
  36.4   26.0   0.862
  36.6   26.3   0.859
  36.8   26.8   0.856
  37.0   26.8   0.852
  37.5   28.0   0.841
  38.0   29.0   0.829
  38.5   30.0   0.813
  36.6   26.3   0.859
  39.0   32.0   0.793
  39.5   32.8   0.769
  40.0   34.1   0.736
  40.5   35.8   0.691
  41.0   38.0   0.622
表2
表2单步完全反射型
  α°   β°   I
  59.0   45.0   0.823
  59.3   44.5   0.850
  59.4   43.2   0.857
  59.5   42.8   0.866
  59.7   43.0   0.879
  59.8   42.8   0.885
  59.9   42.0   0.893
  60.0   41.3   0.909
  60.1   41.3   0.908
  60.2   41.0   0.907
  60.3   40.0   0.907
  60.4   40.0   0.906
  α°   β°   I
  60.5   40.0   0.905
  60.6   39.0   0.904
  60.7   38.9   0.904
  60.8   38.3   0.903
  60.9   38.0   0.902
  61.0   37.5   0.901
  61.1   37.0   0.900
  61.2   36.8   0.899
  61.3   36.4   0.898
  61.4   36.0   0.897
  61.5   35.9   0.895
  61.6   35.0   0.894
  61.7   34.7   0.893
  61.8   34.1   0.891
  61.9   33.8   0.890
  62.0   33.3   0.888
  62.1   32.6   0.886
  62.2   32.3   0.885
  62.3   31.9   0.883
  60.7   38.9   0.904
  62.4   31.4   0.881
  62.5   31.0   0.879
  62.6   30.4   0.877
  62.7   30.0   0.875
  62.8   29.1   0.872
  62.9   28.8   0.870
  63.0   28.1   0.867
  63.1   28.0   0.864
  63.2   27.0   0.861
  63.3   26.8   0.857
  63.4   26.5   0.854
  63.5   25.5   0.850
  63.6   25.0   0.846
  63.7   24.8   0.841
  63.8   24.0   0.836
  63.9   23.2   0.831
  64.0   22.9   0.826
表3
表3两步完全反射型
  α°   β°   I
  66.9   34.6   0.844
  67   34.5   0.854
  67.1   33.9   0.861
  67.2   33.6   0.867
  67.3   33.1   0.874
  67.4   32   0.880
  67.5   32   0.884
  67.6   31.6   0.889
  67.7   31.5   0.892
  67.8   31.1   0.901
  67.9   30.2   0.908
  68   30   0.914
  68.1   29.7   0.919
  68.2   29.1   0.918
  68.3   29.1   0.918
  68.4   28.6   0.918
  68.5   28   0.917
  68.6   28   0.917
  68.7   27   0.917
  68.8   26.8   0.916
  68.9   26   0.916
  69   25.6   0.915
  69.1   25.2   0.915
  69.2   24.9   0.914
  69.3   24.8   0.914
  69.4   23.6   0.913
  69.5   23.2   0.912
  69.6   23   0.912
  69.7   22.4   0.911
  69.8   22   0.910
  69.9   21.9   0.909
  70   21.1   0.908
  70.1   20.6   0.907
  70.2   20   0.906
  70.3   19.2   0.905
  70.9   16.6   0.895
表4
表4三步完全反射型
  α°   β°   I
  73.9   49   0.586
  74.2   47.1   0.797
  α°   β°   I
  74.3   46   0.811
  74.4   45.5   0.830
  74.5   45   0.848
  74.6   44.1   0.863
  74.7   43   0.877
  74.8   42.6   0.891
  74.9   42   0.904
  75   41   0.908
  75.1   40   0.907
  75.2   39.7   0.905
  75.3   38.7   0.904
  75.4   37.9   0.902
  75.5   36.8   0.900
  75.6   36   0.898
  75.7   35.2   0.895
  75.8   34.2   0.893
  75.9   33.8   0.890
  76   32.8   0.887
  76.2   31   0.879
  75   41   0.908
  76.3   30   0.875
  76.4   28.6   0.870
  76.5   27.8   0.864
  76.6   27   0.857
  76.7   26   0.849
  76.8   24.5   0.841
  76.9   23   0.831
  77   22   0.820
  77.2   19.5   0.789
  77.4   16.8   0.744
  77.6   13   0.667
  77.8   7   0.498
  α°   β°   I
  73.9   49   0.586
  74.2   47.1   0.797
表5
表5四步完全反射型
  α°   β°   I
  77.9   29.5   0.711
  78   28.8   0.908
  α°   β°   I
  78.1   28   0.906
  78.2   27   0.904
  78.3   26   0.902
  78.4   25   0.899
  78.5   24   0.897
比较表1和表2可以看出，在较大偏向角β区域内，单步完全反射棱镜获得的透射比高于折射棱镜获得的透射比。例如，在折射棱镜的情况下，当顶角α为38.5°时，偏向角β为30.0°，并且在这种情况下，透射比I为0.813；另一方面，在单步完全反射棱镜(其中提供相同偏向角的顶角α为62.7°)的情况下，可以获得更高的透射比I，即0.875。
进一步参见表3，应该指出的是，仍然是在两步完全反射棱镜的情况下，当顶角α为68°时，获得的偏向角为30°，从而获得甚至更高的透射比I，即0.914。
图8表示不同类型棱镜的透射比I作为偏向角β的函数的坐标图，其中偏向角β沿横坐标绘出，透射比I沿纵坐标绘出。从图8中可以看出，在折射率为1.494的丙烯酸类树脂的情况下，在链段20(在此处，β＜19.5°)处获得最高透射比I的棱镜是折射棱镜，在区域22(在此处，19.5°＜β＜31.0°)处获得最高透射比I的棱镜是两步完全反射棱镜，在区域24(在此处，31.0°＜β)处获得最高透射比I的棱镜是单步完全反射棱镜。
表6表示的是，仅使用折射棱镜(表示为现有技术1)、在20°≤β的链段使用单步完全反射棱镜(表示为现有技术2)、以及根据本发明在20°≤β≤29°链段使用两步完全反射棱镜和在29°≤β链段使用单步完全反射棱镜(表示为本发明)这几种情况下，f数不同的多种透镜的聚光能力。结果以坐标图形式显示在图9中。
表6
表6聚光能力比较
  F数   现有技术1   本发明   现有技术2
  2.00   0.922
  1.75   0.921
  1.50   0.918
  1.35   0.916
  1.20   0.912
  F数   现有技术1   本发明   现有技术2
  1.10   0.909
  1.00   0.904   0.914
  0.95   0.899   0.915
  0.90   0.893   0.915   0.897
  0.85   0.886   0.915   0.895
  0.80   0.875   0.913   0.893
  0.75   0.862   0.897   0.893
  0.70   0.846   0.899   0.893
  0.65   0.822   0.902   0.893
  0.60   0.789   0.903   0.896
  0.55   0.742   0.901   0.895
  0.50   0.677   0.889   0.886
  2.00   0.922
从表6和图9可以看出，在f数为1.00或更小的透镜的情况下，本发明的菲涅尔透镜由于在其部分中使用两步完全反射棱镜，可以获得较高的聚光能力。
下面，将对这样一个情况进行描述：使用波长546nm下折射率集中在1.494左右，不小于1.484，但不大于1.504的丙烯酸类树脂构造尺寸为200mm正方形、焦距为200mm的正方圆形菲涅尔透镜(切割为正方形的同心菲涅尔透镜)。200mm正方形透镜的对角线长282mm，相对于正方形对角线的F数小于1，为0.709。因此，如果仅使用折射棱镜构成透镜，那么透镜整体的聚光效率会显著下降。因此，完全反射棱镜用于远离光轴位置的部分。也就是说，在边界外的部分(该边界两侧的折射棱镜透射比与反射棱镜透射比的关系相反)，每个都进行两次完全内部反射的完全反射棱镜和每个都进行一次完全内部反射的完全反射棱镜的布置如图10中所示。更具体地讲，在图10中，折射棱镜用于偏向角在0度到19.5度范围内的链段，而两步完全反射棱镜布置在19.5度到31度的链段，单步完全反射棱镜则布置在31度到35.26度的链段。这样构造而成的菲涅尔透镜比仅使用折射棱镜和单步完全反射棱镜构造而成的菲涅尔透镜获得的聚光效率更高。
表7至9分别表示在使用波长546nm下折射率为1.400的硅橡胶作为棱镜材料时，折射棱镜、单步完全反射棱镜、两步完全反射棱镜的偏向角β和透射比I的计算结果。图11表示不同类型棱镜的透射比I作为偏向角β的函数的坐标图。
表7
表7折射型(硅橡胶)
  α°   β°   I
  3.0   1.5   0.944
  13.0   5.0   0.943
  23.0   11.0   0.942
  30.8   15.6   0.934
  32.0   16.0   0.932
  34.0   18.1   0.925
  36.0   19.5   0.916
  37.0   21.2   0.909
  38.0   22.0   0.900
  39.0   23.1   0.884
  40.0   24.8   0.873
  41.0   26.7   0.851
  42.0   28.0   0.819
  43.0   30.7   0.769
表8
表8单步完全反射型
(硅橡胶)
  α°   β°   I
  61.5   40.0   0.928
  α°   β°   I
  62.0   38.0   0.925
  62.5   36.3   0.921
  63.0   34.5   0.915
  63.5   32.4   0.908
  64.0   30.0   0.899
  64.5   27.2   0.887
  65.0   25.0   0.871
  65.5   22.1   0.849
  66.0   19.4   0.815
表9
表9两步完全反射型
(硅橡胶)
  α°   β°   I
  68.0   32.7   0.892
  68.5   31.0   0.918
  69.0   29.0   0.939
  69.5   27.0   0.937
  70.0   24.6   0.935
  70.5   22.6   0.932
  71.0   20.0   0.927
  71.5   18.0   0.922
从图11中可以看出，在波长564nm下折射率集中在1.400左右，不小于1.390，但不大于1.410的硅橡胶的情况下，在链段30(在此处，β＜18.2°)处使用折射棱镜、在链段32(在此处，18.2°＜β＜31.8°)处使用两步完全反射棱镜，以及在链段34(在此处，31.8°＜β)处使用单步完全反射棱镜的情况下，如图12所示，可获得具有高聚光能力的菲涅尔透镜。

Claims (4)

1.由多个棱镜构造而成的菲涅尔透镜，其中所述多个棱镜中至少一些棱镜每个都具有顶角，所述顶角能导致来自焦点的入射光或平行于光轴、从其相对侧进入的入射光被完全内部反射至少两次，所述菲涅尔透镜包括由棱镜构成的第一链段，所述第一链段的棱镜每个都具有不会导致所述入射光被完全反射的顶角；以及邻近第一链段的由棱镜构成的第二链段，所述第二链段的棱镜每个都具有可导致所述入射光被完全内部反射两次的顶角。
2.根据权利要求1所述的菲涅尔透镜，还包括邻近所述第二链段的第三链段，且所述第三链段由棱镜构成，所述第三链段的棱镜每个都具有可导致所述入射光被完全内部反射一次的顶角。
3.根据权利要求2所述的菲涅尔透镜，其中所述菲涅尔透镜由波长546nm下折射率集中在1.494左右，不小于1.484，但不大于1.504的丙烯酸类树脂材料构成，并且其中所述第一链段中的每个棱镜的偏向角不大于20度，所述第二链段中的每个棱镜的偏向角不小于19度但不大于32度，以及所述第三链段中的每个棱镜的偏向角不小于30度。
4.根据权利要求2所述的菲涅尔透镜，其中所述菲涅尔透镜由波长546nm下折射率集中在1.400左右，不小于1.390，但不大于1.410的硅橡胶材料构成，并且其中所述第一链段中的每个棱镜的偏向角不大于19度，所述第二链段中的每个棱镜的偏向角不小于18度但不大于32度，以及所述第三链段中的每个棱镜的偏向角不小于31度。
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