CN101743489A - 透镜 - Google Patents

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Abstract

一种太阳能聚集器，包括：具有多个棱镜特征部(10、12、14)的弧形线性菲涅耳透镜(16)。所述棱镜特征部被布置为至少两段，在每段中所述棱镜特征部具有相同的顶角，所述相同的顶角在相邻段之间不同。一种制造用于制作菲涅耳透镜光学膜(16)的模具(2)的方法被公开。该方法包括旋转模具坯，并通过重复将切割工具(4)推进到所述模具坯的表面然后将所述工具撤离所述模具坯的表面，在所述模具坯上形成多个不同的棱镜特征部(10、12、14)。

Description

透镜
技术领域
本发明涉及诸如菲涅耳型透镜之类的透镜装置，在其上形成透镜的光学膜，以及用于制作这种膜的模具。本发明具体但不排它地涉及这种透镜在太阳能聚集器中的使用。
背景技术
太阳能聚集器是将光从太阳直射的相对较大的区域聚焦到能量变换器设备(例如，光伏电池)所处的较小区域的光学系统，从而允许使用较小的变换器，以减小通常由能量变换器的价格所决定的太阳能系统的成本。
这种太阳能聚集器可以由菲涅耳透镜制成。通常这种透镜具有大(毫米或零点几毫米数量级)的棱镜特征部。这需要使用平面模具和批处理方法，在单片丙烯酸塑料中铸造这些结构，这意味着制造成本相当高。
发明内容
从本发明的第一方面看，提供一种太阳能聚集器，该太阳能聚集器包括弧形线性菲涅耳透镜，该弧形线性菲涅耳透镜包括多个棱镜特征部，所述棱镜特征部被布置为至少两段，其中，在每段中所述棱镜特征部具有相同的顶角，所述相同的顶角在相邻的段之间不同。
本发明还扩展到一种光学聚集器膜，该光学聚集器膜包括多个棱镜特征部，在该膜被弯曲时所述多个棱镜特征部共同形成诸如菲涅耳透镜之类的透镜装置，所述棱镜特征部被布置为至少两段，其中，在每段中所述棱镜特征部具有相同的顶角，所述相同的顶角在相邻的段之间不同。所述棱镜特征部优选适于在所述膜被弯曲时形成透镜装置。
在本发明的至少一个优选实施例中，允许太阳能聚集器由弧形线性菲涅耳透镜制成，该弧形线性菲涅耳透镜由可以以连续的鼓模制工艺制作的光学膜制成。与现有技术的批量模制工艺相比，这种工艺显著降低了成本。
本发明还扩展到一种光学膜，该光学膜包括多个棱镜特征部，在该膜被弯曲时所述多个棱镜特征部共同形成菲涅耳透镜，所述棱镜特征部被布置为至少两段，其中，在每段中所述棱镜特征部具有相同的顶角，所述相同的顶角在相邻的段之间不同。
对从其中穿过的光进行操控的大面积透明聚合物膜被用于多种应用中，从光学效果礼品包装纸到平板液晶显示器(LCD)中的背光亮度增强。一种这类型的膜是表面起伏光学膜。这些膜上呈现出浮出的诸如微棱镜或微透镜之类的透明结构，用于操控穿过膜的光的方向和扩散。可以制作高准确度的微光学结构，并且由于膜制作宽度大且制作速度快，光学膜的成本相对较低。
因此，根据本发明至少优选实施例的膜为使用批制作工艺在模具中制作的精密铸造塑胶光学器件提供可行的成本低的替换。
光学膜通常通过使用模制工艺来制造以形成必需的特征部，不管这些特征部通过模压、铸造还是其它技术被印到膜上。当前，没有用于在模具上使用光学表面(例如，具有RMS粗糙度＜8纳米的光学表面)来制造任意精密微光学特征的通用目的的方法。现有技术中存在多种制作方法，每种方法都只能制作某种类型的结构，但不能制作其它类型的结构。这些技术包括：金刚石雕刻、激光烧蚀、铣削、电火花雕刻和刻蚀。金刚石雕刻可以是单点金刚石车削(single point diamond turning)或者是金刚石表面轮廓加工(surfacecontouring)。这种工具或者使用飞刀切削(其中该工具被旋转)、雕合(其中该工具沿线移动)或者通过例如使用车床移动表面来相对于表面移动。在激光烧蚀中，可以通过使用激光去除部分而雕刻。如果使用微激光运动控制或掩膜来将总体激光控制到微米的准确度，则可以创建复杂的表面特征。铣削涉及使用小型钻头从表面升起或者降低到低于表面。
线性菲涅耳透镜将光聚到中心条——这区别于将光聚到点或面的全3D透镜。用于线性棱镜透镜的模制鼓比用于全3D菲涅耳透镜的模制鼓较容易制作，这是因为棱镜结构在一个方向上延伸，并且微精密车床机器能够使用金刚石工具制造这种铸造鼓，在该微精密车床机器上，鼓绕轴(C轴)旋转且切割工具仅在一个方向(X方向)上沿鼓移动。该方法可以或者使用单点金刚石车削(由于金刚石工具被定位然后被推入表面内，因此可以直接形成与该工具的形状相匹配的结构)，或者金刚石轮廓加工(在较小工具沿鼓来回移动时通过该工具移入和移出的轨迹而形成结构)。
太阳能使用太阳光来提供能源。能量变换器将太阳光转换为可以被传输或存储的能量形式。这种能量变换器包括将光转换为电能的光伏电池、将光(红外和可见光)转换为热量用于例如升高水或一些其它流体的温度的太阳能加热器、太阳能制氢以及将太阳能聚焦到用于向远端传输光的光波导中的室内日间采光，在远端，光从光纤中散出，例如以提供建筑物内部的日间采光。
大面积的太阳能单元非常昂贵。因此，所提供的根据本发明优选实施例的太阳能聚集器系统的优点在于，与总大小相同的光伏单元相比，能够降低光学系统的成本并减小能量变换单元的尺寸。
由于光学膜可以使用卷盘到卷盘(reel-to-reel)制造工艺来制作，这种制作工艺可以以高速(例如每分钟30米)制作宽膜(例如达2m宽)，因此可以在极节省成本的情况下制成光学膜。在这种膜上可以可靠地并且准确地被复制上复杂的微光学结构。
因此，使用所提供的低成本光学膜制作太阳能聚集器具有显著的优点，结果是有效透镜——即将足够的一部分入射光聚集在期望的目标区域内的有效透镜。有效透镜的效率通常会好于75％，或者可能的话，好于80％。
圆柱形菲涅耳透镜由在一个方向上延伸的棱镜结构构建而成。由于旋转的鼓能够被切割上棱镜图案，并且得到的鼓在制造工艺中直接用作模具，因此与全二维菲涅耳透镜相比，这些结构更易于制作。执行该功能的高精度鼓切割机床也是可以获得的。
至少在本发明的优选实施例中，提供圆柱形弧形菲涅耳透镜装置。这是有益的，两个主要原因如下。首先，弧形改善了透镜的效率，这是由于使前表面相对于入射的直射的太阳光成角度，使得从透镜的前表面的反射增加，增加的反射比由透镜背面的棱镜特征引起的菲涅耳损耗所抵消的还要多。第二，这意味着，对于与透镜表面不垂直的入射光，可以避免优选棱镜结构的两个面之间的干扰。换句话说，可以布置使得非功能面，即不是光线最初出射的面，能够被从光路径的线路中移出。这意味着，透镜在光的入射角方面可以具有一定的容许能力，而不会使透镜的效率有显著降低。这在诸如太阳能聚集器之类的透镜的实际实现中是考虑的重要内容。
根据本发明指明的棱镜特征部的布置尤其有利，原因在于其使用用于连续地模制光学膜的模具鼓的例如使用金刚石的单点车削而提高了制造效率。这区别于切割工具相对于鼓表面移进移出以在鼓上形成棱镜特征的轮廓加工方法。轮廓加工通常会用于形成期望形状的棱镜结构，但是由于工具的形状不是正好匹配于顶点的形状，因此通常会导致钝的顶点。随着棱镜特征的尺寸减小，受该问题影响的棱镜的比例会增加。因此，得到的特征部通常必须要比工具大，从而使这种技术所导致的不可避免的弧形顶点不构成棱镜形状的重要部分，这导致透镜的效率降低。
单点车削可用于创建极尖的棱镜特征部，即使该特征部的特征尺寸很小，但单点车削方法的局限在于，得到的特征部的形状由工具的形状决定。这意味着需要不同的工具来制作不同的形状。为了形成光从表面出射的角度必需在整个透镜上增加的透镜装置，传统的透镜设计注定需要大量各自具有不同的棱镜特征的不同工具。
然而，从前述描述中显而易见地是，这里公开的透镜设计使得可以以显著更有效的技术来制造用于诸如菲涅耳透镜之类的有效线性透镜装置模具，由于优选实施例的特征尺寸小且保持高的透镜效率，因此该模具可用于制作连续模制的光学膜。
当从本发明的进一步方面看时，提供一种制造模具的方法，所述模具用于制作菲涅耳透镜光学膜；所述方法包括：旋转模具坯，并通过重复将切割工具推进到所述模具坯的表面然后将所述工具撤离所述模具坯的表面，在所述模具坯上形成多个不同的棱镜特征部。
在一组实施例中，切割工具在各次切割之间旋转。通过以分散步骤相对于盘或鼓的旋转轴来旋转单个切割工具，可以形成不同形状但具有相同的顶角的棱镜特征部。因此，显而易见的是，可以使用单个工具形成根据本发明的透镜装置的给定段中的棱镜特征部。通过使用这种变化和较小数目的段，仅需要较小数目的工具，这使必须购买多个工具并且在制作过程中必需更换工具相关联的制作成本最小化。
在以上所述的实施例中，切割工具沿相同的线推进到所述模具坯的表面和撤离所述模具坯的表面，该工具的旋转发生在切割之间。对于每次切割，这形成与工具形状(旋转了不同的角度)匹配并且具有尖的棱镜顶点的棱镜形状。
虽然具有对于每个棱镜使用单个切割工具的优点，但以上所述的单点车削技术也确实具有一些缺点。一个是需要在切割过程中保持切割工具相对于模具坯的旋转轴具有恒定的角度，以保证棱镜的两个平的面处于正确的角度，并且棱镜顶点足够尖。然而，这有时很难实现，原因在于这需要在工具沿两个独立的轴移动时对工具的移动进行协调。另一缺点是，为了切割组成透镜所需的全部棱镜，仍然需要更换工具至少一次。
在进一步的一组实施例中，该方法包括沿不同的方向将所述切割工具推进到所述模具坯的表面和将所述切割工具撤离所述模具坯的表面。这允许棱镜的顶角被切割得大于工具的顶角，进而允许使用单个工具可以切割更多样的棱镜，并且因此给出了优化菲涅耳透镜设计的更强能力。这在某些实施例中允许使用单个工具对制造用于制作菲涅耳透镜的模具所需的全部棱镜进行切割。
在一组这种实施例中，工具在切割过程中被旋转。对于单点车削，将工具推进，如同该工具仅切割棱镜的一个面，以创建第一面。然而，将工具头保持在相对于模具坯的固定位置上，使该工具旋转，直到其处于第二面的期望角度，然后该工具或者被撤回以切割该面，或者被返回以使该工具的任意面都不与表面相接触，然后撤回。
在另一组这类实施例中，该工具被推进以创建第一面，然后工具头沿期望的第二面无旋转地撤回。这种棱镜扫描切割避免了保证工具头被保持在固定位置的需要，该固定位置是该工具被绕其旋转的位置。避免工具绕其顶点的旋转还最小化了损伤工具顶点的风险。
在以上所述的实施例组中，可以使用单个较小的工具来切割各种角度的具有尖顶点的小棱镜。顶角可以从由该工具的顶角本身所设定的最小值到任何期望的角度变化。实践中，可以选择具有对应于(即刚好小于)所需的最小棱镜顶角的角度的工具。这允许最小角度的棱镜被使用单点车削切割，而其它角度的棱镜通过使该工具沿不同的方向推进和撤回来切割。因此，一组优选实施例包括：使用单个工具在所述模具坯中切割多个棱镜，所述棱镜中的至少一个棱镜具有与所述工具的顶角对应的顶角。
这可以与金刚石轮廓加工对比，金刚石轮廓加工是趋向于仅能够制作十倍于工具顶角数量级的顶角的粗糙技术。这是因为金刚石轮廓加工仅使用工具的头来切割棱镜特征部，而不是使用工具的面和头来切割棱镜特征部。
模具坯可以是用于形成放射状(radial)棱镜模具的扁平圆盘，但优选是用于形成线性透镜模具的鼓，原因之前已经给出。
优选地，模制坯具有金属表面。更优选地，模制坯具有由电镀铜或镍制成的表面。
在优选实施例中，该方法包括使用棱镜形的工具。在优选实施例中，该方法包括使用金刚石工具。
优选地，该工具所切割的结构的深度在10微米至100微米之间。更优选地，该工具所切割的结构的深度在10微米至40微米之间。优选地，该工具头具有比半微米半径更尖的弧度。
可以理解，该方法的至少以上所述的某些实施例允许制作用于制成不具有本发明第一方面的结构的线性且放射状菲涅耳透镜的模具。本发明还扩展到使用这些方法制作的模具，并扩展到使用这种模具制作的光学膜菲涅耳透镜。
当从本发明的进一步的方面看时，提供一种制造光学膜的方法，包括：将透明材料的连续膜移到模制鼓上，所述模制鼓具有适于将对应的线性特征部传递给移到所述鼓上的膜的起伏表面，所述特征部具有棱镜截面并且被布置为合作形成透镜装置，所述透镜装置具有与所述线性特征部平行的线性焦轴。
本发明还扩展到使用以上所述的方法制造的光学膜，并扩展到使用该膜，优选被弯成绕与所述焦轴平行的轴的曲面，制成的诸如线性菲涅耳透镜之类的线性透镜装置。
在本发明的优选实施例中，所述透明材料的膜被从卷轴上卷下。
在本方法的优选实施例中，在将膜移到所述鼓上之前，该膜被涂覆有例如腊克(lacquer)或树脂之类的能够在紫外光中固化的层。
优选地，该方法包括在紫外光中固化该膜。优选地，固化步骤发生在该膜离开所述模制鼓之前。
该方法优选包括将该膜卷绕到第二卷轴上的步骤。
在某些实施例中，由所述鼓的表面起伏印制的特征部被布置为至少两段，在每段中，所述棱镜特征部具有相同的顶角，所述相同的顶角在相邻段之间不同。这在模制鼓的可制造方面具有益处，如以上所述。然而并不是必不可少的。
优选地，无论是光学膜本身上的还是用于制造光学膜的模具上的棱镜结构均具有不大于50微米，优选不大于30微米的深度。这最小化了根据优选实施例所采用的UV可固化树脂的成本，并且还可以有助于最大化制造速度和保证准确的微光学形状复制。
优选地，对根据本发明的光学膜进行处理，以最小化光从上表面的反射，上表面通常(但不是必需)没有棱镜特征部。这在增加光透射通过膜有益，尤其是在增透特性对于入射与法线之间相对较大的角度来说仍然有效的情况下更是如此。例如，在用于实现例如太阳能聚集器中使用的菲涅耳型透镜装置的弧形膜的情况下，到达膜的边缘的直射太阳光就是这样具有大的入射角。如果不是这样，阳光中相当大的部分会被从该表面反射走。一种这类处理方案就是提供浮出的纳米结构，例如尺寸在大约100至300nm量级的凸起形。这些结构小于可见光的波长，并且采用了减小反射的分级折射率表面。这种膜可以保持极高的光学透射率。
优选地，根据本发明的光学膜包括疏水的外表面。这允许该膜至少在某种程度上可以自清洁，从而使其可以在不提供透明保护层的情况下，远离会对光透射产生不利影响的污垢等，其中提供透明保护层会增加成本，并且保护层本身也会减小总的光透射。
制作具有极高疏水性能的外表面的一种方式是，在膜上涂覆一层极疏水的聚合物，例如含氟聚合物。另一实现方式是合并具有高疏水涂层的结构表面，以创建“超疏水的”表面。这种表面具有超过150度的水接触角。通常，这种结构通过合并微结构(例如，微凸起形)和纳米结构以创建“莲花效果”表面来实现。然而，在当前应用中，微凸起形会干扰透镜的正确的光传输，因此优选仅使用纳米结构。
根据前述内容可以理解，浮出的纳米结构(当与高疏水涂层时组合时)可以具有抗反射和自清洁的效果。
附图说明
现在仅以示例方式参考附图来描述本发明的某些优选实施例，附图中：
图1是根据本发明用于切割模具的设备的示意图；
图2是可以以相同顶角形成的不同棱镜形状的示意性图示；
图3是根据本发明的模具切割方法的示意性图示；
图4是根据本发明的不同的模具切割方法的示意性图示；
图5是线性弧形菲涅耳透镜的形成的示意性图示；
图6a至图6d是根据本发明的太阳能聚集器的结构的示意性图示；
图7是用于菲涅耳透镜的理想角度条件的示意性图示；
图8是与图7类似的示出次最佳角度条件的示意性图示；
图9是与图7类似的示出另一次最佳角度条件的示意性图示；
图10是优选实施例如何能够避开棱镜顶点的进一步示意性图示；
图11是实现本发明的弧形线性透镜的示意性表示；
图12是根据本发明的横跨(across)膜的宽度的示例性棱镜面角度的图；并且
图13是与图12的平角度相对应的棱镜轴角度的变化图。
具体实施方式
图1示意性地示出根据本发明实施例的光学膜的制作中所使用的用于切割模制鼓2的布置。鼓2由诸如电镀铜或镍之类的合适的金属制成，并且被安装为绕其纵轴的方向C旋转。金刚石头切割工具4安装在支撑架6上，支撑架6可以平行于鼓2的轴在方向X上平移，并且支撑架6还可以在方向B上关于平行于鼓的一切线的轴旋转。支撑架还可以向鼓推进，或远离鼓。
一般而言，工具的顶角(从而使由使用该工具切割的模具形成的最终棱镜的内角)优选大于30度左右，使得该工具不太长，并且不会很薄且易碎。这也是根据本发明的优选实施例的菲涅耳透镜装置的设计中的要素。
理想地但不是必要地，用于给定工具的切割角被设置为使得每个面与垂直方向的角度大于3度左右。这有助于保证棱镜可以在高速光学膜制造过程中从模具中取出——需要使用不收缩的光学UV腊克(optical UV curablelacquers)来保证铸造的形状精密复制模具的形状，因此这会使“不容易制作的(difficult)”结构很难无损伤地从模具中取出。
为了制作用于制作光学膜的模制鼓，首先将合适的金刚石尖切割工具4安装在支撑架6上。然后，鼓2以合适的速度，例如每分钟大约600转的速度被旋转，如箭头6所示。工具4的切割角度通过在预先编程的控制器的控制下以方向B旋转支撑架6来设置。改变工具的切割角度的效果可以在图2中看出。图2示出可以通过改变单个工具的切割角度而实现的三个示例性棱镜形状。
一旦切割角度已经被设置，则支撑架由控制器沿X轴平移，以沿X轴将工具4的顶点定位在期望的位置处。然后，工具4移向鼓2，切割鼓的表面，直到工具顶点达到正确深度。然后，工具被撤回，并且通过关于B旋转来设置新的切割角度。接着，支撑架6移动到X轴上的新的位置，并且重复切割操作。这里，可以看到模具的一部分被形成，该部分模具会在光学膜上产生最终透镜装置的一段，其中一系列棱镜特征部具有相同的顶角。
使用第一工具切割出一系列特征部之后，针对具有不同顶角的特征部而更换工具。然后，重复以上所述的切割程序，以制作最终棱镜布置中的另一段。
应当理解，必须停止机器来更换工具，这对制作效率以及购买工具的成本会有影响。然而，根据本发明优选实施例的棱镜布置允许在更换工具次数最小的情况下有效地制作棱镜。根据本发明的示例确实被制作为仅具有两片——也就是说仅使用两种不同的工具。
对切割工艺的调整示于图3中。该图示出包括角度工具旋转的棱镜切割，由于单个工具4能够创建多个不同的顶角，因此该切割不需要更换机器中的工具4。所使用的工具4具有刚好比该结构中待切割的最窄的棱镜小的顶角D。切割程序是首先定位工具4，使得工具4的面中的一个面50与待切割的第一面52对准。然后，工具4沿面52的方向推进到模制鼓2中，以切割面52。然后，在到达待切割的棱镜的顶点54时，工具4停止并旋转，直到其位于待切割的另一面56的位置。在旋转期间，通过调整X、Z和B轴，工具头被保持在与顶点54相同的位置处。然后，该工具在使得工具4的另一面58切割第二面56的方向上从模制鼓2中撤回。当然，如果需要最小角度的棱镜，则不对工具执行旋转，而是简单地沿相同的轴撤回。
另一方法示出在图4中，该方法避免了工具4绕轴旋转，但是仍然能够仅使用单个工具4，同样使其顶角D刚好小于该结构中待切割的最窄的棱镜。该图示出借助于棱镜扫描(sweep)的切割，首先将工具4推进到模制鼓2中，以切割棱镜的第一面52。然后，在到达待切割的棱镜的顶点54时，工具4停止并沿第二面56的方向从模制鼓2中(无旋转地)撤回，从而使工具4的头切割面56。
前述工艺的结果是在制造表面起伏的光学膜的工艺中所使用的鼓形模具，鼓的表面被刻有必需的微光学结构的倒置。
光学膜的制作如下。首先，诸如聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚萘二甲酸乙二酯(PEN)、ETFE、丙烯酸或类似的光学透明聚合物膜之类的基膜被涂覆有UV腊克，UV腊克本身具有高的透明度并且固化为具有已知的折射率的材料。合适的树脂的示例是可以在商业上从新泽西州07004费尔菲尔德9 Audrey Place的Rad-Cure Corporation获得的Rad-Kote X-6JA-68-A。这种腊克已被形成为通过可见光固化，并且其粘性为500cP。
涂覆后的膜被压到鼓上，涂覆侧与鼓接触。以此方式，涂层被压到模具的倒置特征部中。此时，使用UV光来部分地或完全地对涂层进行固化，从而使其采取模具的倒置形式。将得到的膜从鼓中拉出，得到表面是期望的微光学特征部的基膜。以上过程被实施为连续的工艺，该工艺可以以例如每分钟15米的高产率制造光学膜。
一旦极低成本的高效线性菲涅耳透镜可用，就可以构建多个重要的系统，这些系统例如可操作为提供由被配置为实用系统的系统所产生的电能、制氢或热量形式的可再生能源，或者提供由被配置为建筑物整合系统形式的系统所产生的电能、制氢或热量形式的可再生能源，还可以操作为去除来自入射光的直射太阳能加热(从而减小建筑物冷却系统对能量的需求)，并且仍然能够使用散射的日光照亮内部。
以下图示出作为太阳能聚集器的示例性实施方式，但是本领域普通技术人员能够设计出其它类似系统。
如以上所述制作的连续膜示意性地示于图5中，并且包括膜表面8，从该膜的表面突出的棱镜倾斜特征部10、12、14。中间的棱镜10与两个外侧的棱镜12、14具有不同的顶角。两个外侧的棱镜12、14具有相同的顶角，因此可以由相同的工具形成，但是具有不同的(镜像)形状。该膜被切成条，接着这些条被弯曲，以形成圆柱形的弧形菲涅耳透镜装置，如图5的右手侧以及图6的中间上部分所示。这样是有利的，首要的原因在于，弧形提供额外的折射效应。然而，其还能够避免棱镜的两个面之间的干扰，如以下参考图7至图10更详细解释的。
如图6的左上部示意性示出的，膜条16在其下表面(当该膜被卷曲时变为内表面)上具有棱镜特征部10、12、14，但是在外表面上形成有具有100-300纳米数量级尺度的纳米凸起。并且还有疏水含氟聚合物涂层(未示出)。然后，在这些突起之间给出具有增透性质和自清洁性质的膜16。
膜16的条被卷曲为(接近)圆柱形，并且被装配到底托20、20’、20”上，底托的三个示例示于图6的右上部分。沿着第一底托20的细长基座的是充当用于将光转换为电能的光伏材料的条。从图6的左下部分中的示意性图示可以看出，透镜16用于将光聚焦到位于变换器22处的长条形焦轴上，这样能使所产生的电能的量最大化。
第二底托替代20’不同之处在于，能量变换器被布置为管24，例如管24包含被加热然后用于太阳能加热或用于驱动诸如斯特灵发动机之类的高效涡轮发电机的工作流体。
第三底托替代20”具有沿焦轴的一排分散的光伏电池26。
被安装的膜卷16和能量变换器条22、26的组件可以通过使用具有电机化旋转以及太阳指示传感器(未示出)的单个驱动柱而旋转，该单个驱动柱由杆28与其它柱16连在一起，以将它们一起旋转。
透镜可以被安装在玻璃后面，但是由于膜的外表面上有自清洁膜，因此任它们同样地暴露——例如以类似的方式暴露于办公室、温室或暖房中建筑物整合窗口布置中的太阳挡帘中。这种太阳能模块还可以被安装在建筑物中，例如替代百叶帘。直射的太阳光被移走，从而减小了建筑物上的热负荷，并且可以用于产生电能、氢或者热(或组合)。非直射的太阳光进入室内(并且可以例如进一步由其它光学膜散射)。
如上所述，提供的透镜装置包括以具有相同顶角的段布置的棱镜特征部，并且弧形线性菲涅耳型透镜的使用还有助于保证非光学功能的棱镜面很好地远离传播穿过棱镜结构并从棱镜结构中出来的光。这将参考图7至图10更详细地进行解释。
首先参见图7，图7示出两个相邻并且相同的棱镜特征部10。每个棱镜特征部10具有两个面：与膜的表面8成角度A的阿尔法面30；和与膜的表面8成角度B的贝塔面32。为了避免对透镜的操作产生不利影响，穿过膜的光必须仅与棱镜的一个面——用于将光重定向使其与目标相交的贝塔面30——相合。另外的阿尔法面32不进行光学操作，而仅充当将透镜“变平”为菲涅耳透镜的功能。
两组可能的光线与阿尔法面30相交：以角度θ2穿过棱镜10的光；和已经穿过相邻棱镜10并且由相邻棱镜10折射向目标的、以角度θ3被该棱镜折射的光。这两种情况分别示于图8和图9中。
为了使阿尔法面30避免光路径中的第一光路径，则对于给定形状的棱镜，需要有角度A的单一值使：θ3＜(90度-A)＜θ2
换句话说，阿尔法面30与膜表面8的法线形成的角度必须在与θ3之间。
这是图7中所示的情况。
很显然，如果90-A大于θ2，则穿过棱镜的光会与阿尔法面30相交，如图8中所示。类似地，如果90-A小于θ3，则从棱镜出来的光会与左手的(阿尔法)面相交。
为了满足该条件，θ3必须小于或等于θ2，以将正确的阿尔法面角度“夹(squeeze)”在这些值之间。θ3＝θ2的极端情况仅在贝塔面32垂直于在棱镜中传播的光线从而不会发生偏折时才发生。在这种情况下，由于棱镜内光线的任意偏离均会导致一些光与阿尔法面30相交，因此设计需要保持贝塔面32与棱镜内的光线垂直。所以，这种设计会在入射角方面没有容限，并且棱镜与正确定向的任意偏离都会导致一些盲区(shadowing)。这在大多数实际环境中是不可避免的。例如，太阳能跟踪系统的准确度通常在2度左右。
如果棱镜的角度小于90度，则在棱镜内的光线与折射出射的光线之间产生角度差，这使得阿尔法面30处于这些角度之间(因此与这两束光线脱离)。另外，对于恒定棱镜顶角的段，给出了可接受入射角的范围。
最后，通过使角度差C处于阿尔法面角度A与在棱镜10中传播的光线之间，棱镜内的所有光都会避开棱镜顶点D，在实际的实施中，棱镜定点D与偏离棱镜定点面的准确度相比会被变圆/降低。这在图10中示出，其中可以看出，仅使用贝塔面的圈出的部分32’。因此，大约适合于该角度差中间值的阿尔法面30的角度A是优选的。
下表示出针对棱镜内的光线与出射光线之间的角度差的不同值的棱镜角度，棱镜材料的折射率取1.53(对具有不同折射率的材料，这些角度也会不同)。
角度差(度)                    棱镜顶角(度)
  0   90
  1   87.607
  2   85.226
  4   80.515
  6   75.924
  8   71.502
  10   67.288
随着角度差增加使得棱镜内的光线与贝塔表面32形成的角度增加，后表面的菲涅尔反射也增加，因此棱镜的总透射率降低。因此，期望将角度差设置为在使可接受入射角的范围最大的大值与使透射率最大的小值之间的合适的折衷值。实验示出6度或更小的角度差很可能是最佳的。因此，优选的最小棱镜内角是75度或更大。可以从一系列这种恒定的顶角段构建透镜，角度差在横跨棱镜的各个段中增加。
最后的角度约束是贝塔面32必须真正折射光，因此该角度必须小于临界角，即棱镜内的光线与贝塔面32形成的角度必须小于由下式给出的θcrit：
θ crit = arcsin ( n 2 n 1 )
其中n2是棱镜材料的折射率，n1是空气的折射率。
因此，对于n2＝1.53和n1＝1.004，临界角是40.863度。
根据本发明的示例透镜设计示于图9中。这里棱镜材料具有1.53的折射率。
与目标36的宽度相应的中间部分形状34没有棱镜。内棱镜段38被提供在无棱镜段34的两侧。段38中的棱镜具有接近直角的顶点，例如给出2度的偏转的87.61度。膜的弧度，即膜的表面相对于入射太阳光的角度，是使得产生2度的偏转，偏转的光到达目标36的左边远端的边缘。透镜的第二外侧段由给出4度的角度偏转的具有80.51度的顶角的棱镜形成，4度的角度偏转允许+/-2度的准直准确度。因此，具有内棱镜表面的弧形膜导致光线的偏转，这将照射到其上的准直的太阳光聚焦到目标36处的线性条上。在每个段38、40内，棱镜的顶角保持恒定，但是在每段内，棱镜被旋转，从而给出透镜效应。
图12是阿尔法面和贝塔面与法线所成的角度(分别是上面的曲线和下面的曲线)的图，该图是随着横跨膜的右半部分从中间(图的左侧)向边缘(图的右侧)移动的过程中，工具的切割角度和工具的内角发生改变而创建的。不考虑第一段34(无棱镜，参见图11)，仅考虑两段：第一段38具有固定的87.61度内角，对应于工具横跨该窄段稍稍旋转；另一段40具有固定的80.51的内角，但是面的角度随着对用于制造该膜的鼓的切割的工具被旋转而横跨膜改变。可以看出，在切割用于产生该膜的模制鼓的表面时，仅需要更换工具一次。阿尔法面和贝塔面与法线所成的角度当然通过与每个工具有关进而与每段有关的固定内角而以三角形式相关。
图13也示出棱镜工具横跨膜的旋转效应，这次通过绘制工具的中心轴的角度得到该图。可以看出工具的角度在各段之间改变，从而给出图12中所示的变化的“阿尔法”和“贝塔”面的角度。
本领域技术人员应当理解，对所描述的实施例的多种变化和修改处于本发明的范围内。例如，使用参考图3和图4所描述的技术允许在需要的情况下制作不具有顶角相同的多个段的光学膜。它们也确实可以被应用于制作用于点透镜的盘形模具。

Claims (49)

1.一种太阳能聚集器，包括弧形线性菲涅耳透镜，该弧形线性菲涅耳透镜包括多个棱镜特征部，所述棱镜特征部被布置为至少两段，其中，在每段中所述棱镜特征部具有相同的顶角，所述相同的顶角在相邻的段之间不同。
2.如权利要求1所述的太阳能聚集器，其中所述弧形线性菲涅耳透镜是圆柱形的。
3.一种光学聚集器膜，包括多个棱镜特征部，在所述膜被弯曲时所述多个棱镜特征部共同形成透镜装置，所述棱镜特征部被布置为至少两段，其中，在每段中所述棱镜特征部具有相同的顶角，所述相同的顶角在相邻的段之间不同。
4.如权利要求3所述的光学聚集器膜，其中，在所述膜被弯曲时所述棱镜特征部适于形成透镜装置。
5.如权利要求3或4所述的光学聚集器膜，其中，在所述膜被弯曲时所述透镜装置是圆柱形的。
6.一种光学膜，包括多个棱镜特征部，在所述膜被弯曲时所述多个棱镜特征部共同形成菲涅耳透镜，所述棱镜特征部被布置为至少两段，其中，在每段中所述棱镜特征部具有相同的顶角，所述相同的顶角在相邻的段之间不同。
7.如权利要求6所述的光学膜，其中，在所述膜被弯曲时所述菲涅耳透镜是圆柱形的。
8.如权利要求6或7所述的光学膜，其中，所述棱镜特征部具有不大于50微米、优选不大于30微米的深度。
9.如权利要求6至8中任一项所述的光学膜，其中，所述膜被处理，以最小化光从上表面的反射。
10.如权利要求9所述的光学膜，其中，所述膜通过提供浮出的纳米结构而被处理。
11.如权利要求6至9中任一项所述的光学膜，包括疏水的外表面。
12.如权利要求11所述的光学膜，其中，所述表面被构建为仅由纳米结构组成。
13.一种制造模具的方法，所述模具用于制作菲涅耳透镜光学膜，所述方法包括：旋转模具坯，并通过重复将切割工具推进到所述模具坯的表面然后将所述工具撤离所述模具坯的表面，在所述模具坯上形成多个不同的棱镜特征部。
14.如权利要求13所述的制造模具的方法，包括：沿同一条线将所述切割工具推进到所述模具坯的表面和将所述切割工具撤离所述模具坯的表面。
15.如权利要求13所述的制造模具的方法，包括：沿不同的方向将所述切割工具推进到所述模具坯的表面和将所述切割工具撤离所述模具坯的表面。
16.如权利要求15所述的制造模具的方法，包括：仅使用单个切割工具。
17.如权利要求13至16中任一项所述的制造模具的方法，包括：在各次切割之间旋转所述切割工具。
18.如权利要求13至17中任一项所述的制造模具的方法，包括：在切割过程中旋转所述切割工具。
19.如权利要求18所述的制造模具的方法，包括：在旋转过程中将工具头保持在固定的位置。
20.如权利要求18或19所述的制造模具的方法，包括：推进所述切割工具，以切割所述棱镜特征部的第一面，将所述切割工具旋转到所述棱镜特征部的第二面的期望角度，并撤回所述切割工具。
21.如权利要求20所述的制造模具的方法，包括：沿所述第二面的角度撤回所述切割工具，从而切割所述第二面。
22.如权利要求20所述的制造模具的方法，包括：使所述工具返回，使得在撤回所述工具之前，所述工具的任意面均不与所述表面接触。
23.如权利要求13至17中任一项所述的制造模具的方法，包括：推进所述切割工具，以切割所述棱镜特征部的第一面，并且沿所述棱镜特征部的第二面撤回所述切割工具，从而切割所述第二面，其中所述工具在切割过程中不旋转。
24.如权利要求13至23中任一项所述的制造模具的方法，包括：使用单个工具在所述模具坯中切割多个棱镜，所述棱镜中的至少一个棱镜具有与所述工具的顶角对应的顶角。
25.如权利要求13至24中任一项所述的制造模具的方法，其中，所述模具坯是用于形成放射状透镜模具的扁平圆盘。
26.如权利要求13至24中任一项所述的制造模具的方法，其中，所述模具坯是用于形成线性透镜模具的鼓。
27.如权利要求13至26中任一项所述的制造模具的方法，其中，所述模具坯具有金属表面。
28.如权利要求13至27中任一项所述的制造模具的方法，其中，所述模具坯具有由电镀铜或镍制成的表面。
29.如权利要求13至28中任一项所述的制造模具的方法，其中，所述切割工具是棱镜形的。
30.如权利要求13至29中任一项所述的制造模具的方法，其中，所述切割工具是金刚石工具。
31.如权利要求13至30中任一项所述的制造模具的方法，其中，所述工具切割的结构的深度在10微米至100微米之间，优选在10微米至40微米之间。
32.如权利要求13至31中任一项所述的制造模具的方法，其中，所述切割工具头具有比半微米半径还尖的弧度。
33.一种使用权利要求13至32中任一项所述的方法制造的模具。
34.一种使用权利要求33的模具制造的光学膜菲涅耳透镜。
35.一种制造光学膜的方法，包括：将透明材料的连续膜移到模制鼓上，所述模制鼓具有表面起伏，该表面起伏适于将对应的线性特征部传递给移到所述鼓上的膜，所述特征部具有棱镜剖面并且被布置为合作形成透镜装置，所述透镜装置具有与所述线性特征部平行的线性焦轴。
36.如权利要求35所述的制造光学膜的方法，包括：将所述透明材料的膜从卷轴上卷下。
37.如权利要求36所述的制造光学膜的方法，包括：将所述膜卷绕到第二卷轴上。
38.如权利要求35、36或37所述的制造光学膜的方法，包括：在将所述膜移到所述鼓上之前，在所述膜上涂覆能够在紫外光下固化的层。
39.如权利要求35至38中任一项所述的制造光学膜的方法，包括：在紫外光下固化所述膜。
40.如权利要求39所述的制造光学膜的方法，其中，所述固化步骤发生在所述膜离开所述模制鼓之前。
41.如权利要求35至40中任一项所述的制造光学膜的方法，其中，由所述鼓的表面起伏传递的特征部被布置为至少两段，其中在每段中所述棱镜特征部具有相同的顶角，所述相同的顶角在相邻的段之间不同。
42.如权利要求35至41中任一项所述的制造光学膜的方法，其中，所述棱镜特征部具有不大于50微米、优选不大于30微米的深度。
43.如权利要求35至42中任一项所述的方法，包括：对所述膜进行处理，以最小化光从上表面的反射。
44.如权利要求43所述的方法，包括：通过提供浮出的纳米结构对所述膜进行处理。
45.如权利要求43或44所述的方法，包括：采用疏水的外表面。
46.如权利要求45所述的方法，包括：提供仅由纳米结构组成的结构表面。
47.一种使用权利要求35至46中任一项所述的方法制造的光学膜。
48.一种使用权利要求47的光学膜制造的线性透镜。
49.如权利要求48所述的线性透镜，其中所述膜被弯曲为绕与所述焦轴平行的轴的弧形。
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