CN102590902A - 一种菲涅尔聚光透镜及菲涅尔聚光透镜的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光斑能量分布较均匀的菲涅尔聚光透镜。该菲涅尔聚光透镜包括入射面和出射面，所述入射面为平面，所述出射面上设有多条凹陷的齿槽，所述齿槽包括起聚光作用的第一表面和与该第一表面相交的第二表面，通过该菲涅尔聚光透镜上各第一表面将垂直于入射面射入的光线折射到位于出射面外侧一假定的接收面上所形成的光斑中各点的最小辐照度E_min与该光斑的平均辐照度E_av之比为0.6至0.99，且所述入射面的面积是光斑面积的5至2000倍。此外，本发明还提供一种菲涅尔聚光透镜的设计方法，从而设计出光斑能量分布较均匀的菲涅尔聚光透镜。

Description

一种菲涅尔聚光透镜及菲涅尔聚光透镜的设计方法

技术领域

本发明涉及菲涅尔聚光透镜，具体涉及菲涅尔聚光透镜表面齿槽的构造以及菲涅尔聚光透镜表面齿槽构造的设计方法。

背景技术

聚光光伏发电技术是公认的可降低光伏发电成本的有效途径。一个完整的聚光光伏发电系统主要包括复眼式聚光太阳电池组件、太阳跟踪器、电能存储或逆变设备等几部分。复眼式聚光太阳电池组件作为光电转换部件，主要由复眼式透镜聚光器和安装有光伏电池晶片的电路板所组成。其中，复眼式透镜聚光器包括多块平面阵列的聚光透镜，使用时通过太阳跟踪器使聚光透镜基本正对阳光照射方向，然后通过这些聚光透镜分别将太阳光汇聚并投射到电路板上与各个聚光透镜相对应的光伏电池晶片的接收面上，从而使各个光伏电池晶片中产生电流，这些电流通过电路板上的线路输出。公开号为CN101640502A的发明专利申请文件所公开的聚光太阳电池组件极具代表性。该电池组件中采用的点聚光菲涅尔透镜已成为业界公认的聚光透镜的最佳选折。仍有许多公开了采用聚光菲涅尔透镜作聚光透镜的聚光光伏发电技术的参考文献，在此不再赘述。

如图5a、图5b所示，现有的菲涅尔聚光透镜包括入射面3和出射面1，所述入射面3为平面，所述出射面1上设有多条凹陷的齿槽2，所述齿槽2包括起聚光作用的第一表面2a和与该第一表面相交的第二表面2b。当这些齿槽设计为同心的环形槽时，该聚光透镜可以将入射光线汇聚在一点上，即成为点聚光菲涅尔透镜；当这些齿槽设计为相互平行的直槽时，该聚光透镜可将入射光线汇聚在一条直线上，即成为线聚光菲涅尔透镜。受加工影响，连接于相邻两个第一表面首尾之间的第二表面的两端将不可避免的通过内圆角R1和外圆角R2与所述相邻两个第一表面连接；即便是高超的清角工艺也只能将内圆角和外圆角的半径控制在0.1毫米左右。此外，对于连接于相邻两个第一表面首尾之间的第二表面，如图5a所示，现有的菲涅尔聚光透镜多是将其设计为朝聚光透镜的焦点方向倾斜的形式，即使得第二表面2b面向聚光透镜的焦点一侧，这样设计的主要目的是使第二表面产生一定的拔模斜度，以满足透镜模具成型时的脱模要求；此外，也有的菲涅尔聚光透镜是将第二表面2b设计成与入射面垂直，即如图5b所示的情形。

总之，上述的菲涅尔聚光透镜一直存在光损失较大的问题。对于图5a所示的菲涅尔聚光透镜，从内圆角R1、外圆R2角以及第二表面2b这三个区域通过的光线将全部偏离透镜焦点，即从上述这三个区域通过的光线将全部损失；而对于图5b所示的菲涅尔聚光透镜，从内圆角R1和外圆角R2这两个区域通过的光线将全部偏离透镜焦点，即从这两个区域通过的光线全部损失，而由于其第二表面2b与入射面3垂直，因此可视为第二表面2b上未产生光损失。可见，虽然图5b所示的菲涅尔聚光透镜光损失较图5a所示的菲涅尔聚光透镜小，但由于内圆角和外圆角的存在，故图5b所示的菲涅尔聚光透镜的光损失问题依然有待改善。

另一方面，授权公告号为CN101943765B的发明专利文件(下称参考文件)公开了一种平凸透镜(参见说明书第8-20段、说明书第46-54段以及说明附图2-3)，其教导本领域技术人员可通过该透镜的旋转凸面将光线等比例压缩到接收面上来提高聚光后光斑能量分布的均匀性。本申请的发明人在上述文件的基础上开始尝试将参考文件所公开的平凸透镜进行菲涅尔化设计，以降低透镜的厚度。起初采用的设计方法是：先将该平凸透镜的旋转凸面划分为多条同心的环带，其次将各环带与透镜入射面之间多余的部分去掉，然后对这些环带进行轴向的平移，最后再对除最边缘环带外的其余环带进行调整。其调整的原因是：当透镜为参考文件中的平凸透镜时，假定通过该透镜入射面上的P1点射入的光线经折射后达到接收面上的P2点(如图8a所示)，而将该平凸透镜转化为菲涅尔透镜后，由于折射面向入射面方向平移了一段距离，从菲涅尔透镜入射面上相同的P1点射入的光线经折射后将不再达到接收面上相同的P2点，因此，通过对环带曲线的调整以使从菲涅尔透镜入射面上相同的P1点射入的光线经折射后能够达到接收面上相同的P2点(如图8b所示)。

然而，经过模拟试验表明，按上述方法所设计的菲涅尔透镜并不能达到预想的光斑能量分布均匀性。经过分析后发现，其根本原因在于光的色散问题。当透镜为图8a所示的形式时，通过该透镜入射面上的P1点射入的光线经折射后发生色散并在接收面上的P2点的周围形成一个光斑，但由于平凸透镜的旋转凸面是连续的，因此光斑与光斑互相叠加后也基本上形成了一个能量均衡的状态；将其透镜菲涅尔化之后，由于其厚度变薄，通过该透镜入射面上相同P1点射入的光线经折射后在接收面上相同P2点周围所形成的光斑将变大，这时光斑能量分布将会发生变化，光斑能量分布的均匀性下降。总之，如果用光斑中各点的最小辐照度E_min与该光斑的平均辐照度E_av之比来表征光斑能量分布均匀性的话，一般的球面透镜所形成的光斑中各点的最小辐照度E_min与该光斑的平均辐照度E_av之比仅为0.35左右，而按上述方法所设计的菲涅尔透镜在模拟聚光实验中所形成的光斑中各点的最小辐照度E_min与该光斑的平均辐照度E_av之比也只能达到0.5左右。

发明内容

本发明旨在解决的技术问题是提供一种光斑能量分布较均匀的菲涅尔聚光透镜。

为此，本发明的菲涅尔聚光透镜包括入射面和出射面，所述入射面为平面，所述出射面上设有多条凹陷的齿槽，所述齿槽包括起聚光作用的第一表面和与该第一表面相交的第二表面，通过该菲涅尔聚光透镜上各第一表面将垂直于入射面射入的光线折射到位于出射面外侧一假定的接收面上所形成的光斑中各点的最小辐照度E_min与该光斑的平均辐照度E_av之比为0.6至0.99，且所述入射面的面积是光斑面积的5至2000倍。其中，所述光斑中各点的最小辐照度E_min与该光斑的平均辐照度E_av之比最好为0.7以上。此外，所述入射面的面积最好是光斑面积的10倍以上。需说明，本申请所说的辐照度包含AM1.5以及AM0的辐照情况。

在此基础上，本发明还要降低该菲涅尔聚光透镜的光损失。为此，所述第二表面的两端分别通过内圆角和外圆角与相邻两个第一表面的首尾连接；且所述第二表面朝所述入射面方向倾斜以使通过该透镜的光损失小于当第二表面垂直与入射面时通过透镜的光损失。

由于第二表面朝入射面倾斜，即第二表面面向聚光透镜的入射面一侧，故第二表面与入射面之间的夹角为锐角。当第二表面与入射面之间的夹角较大(即第二表面倾斜程度偏小)时，相邻的内圆角和外圆角之间在透镜的径向方向上部分重叠，在重叠区域光线不通过外圆角，即外圆角上只有部分区域会产生光的损失，故整个菲涅尔聚光透镜的光损失相比当第二表面垂直与入射面时得以减小；当第二表面与入射面之间的夹角较继续减小时，最终可使光线完全不通过外圆角区域，且此时光线经第一表面偏折后亦不会通过第二表面，故对于整个菲涅尔聚光透镜而言，光线仅在内圆角区域产生损失，使得整个菲涅尔聚光透镜的光损失得以进一步减小；若第二表面与入射面之间的夹角较继续减小，达到使部分光线经第一表面偏折后仍能通过第二表面的程度时，此时第二表面倾斜程度偏大，整个菲涅尔聚光透镜的光损失将随之增大，但依然可以在一定程度内小于当第二表面垂直与入射面时而通过透镜的光损失。由此可见，本发明应优先选择使第二表面的倾斜程度以使光既不通过与该第二表面连接的外圆角也不通过该第二表面为宜；其次，若在不得不适当减小第二表面的倾斜度(如透镜材料所限等)的情况下，也可选择让第二表面的倾斜程度能够使光仅通过与该第二表面连接的外圆角的部分区域。

内圆角和外圆角的半径当然越小越好，本发明优选内圆角和外圆角的半径在0.1毫米以下。此外，本发明优选的第二表面的倾斜程度为第二表面的两端点在所述入射面上的投影距离为0.3至0.6毫米之间。

由于第二表面朝入射面倾斜的设计使得第二表面的拔模斜度为负，从而对产品脱模造成一定程度的阻碍，因此在产品脱模时有可能造成菲涅尔聚光透镜表面损伤。对此，本发明的菲涅尔聚光透镜最好是由经模具成型时不产生拔模损伤的柔性材料制成，比如硅胶等。

由于采用了与现有菲涅尔聚光透镜的表面齿槽不同的结构，既提高了聚光后光斑能量分布的均匀性，又减小了光的损失，提高了光能的利用效率，如将其运用至聚光光伏发电领域时可提高发电效率。

本发明所要解决的另一技术问题是提供一种菲涅尔聚光透镜的设计方法，从而设计出光斑能量分布较均匀的菲涅尔聚光透镜。

由该方法所设计的透镜包括入射面和出射面，所述入射面为平面，所述出射面上设有多条凹陷的齿槽，所述齿槽包括起聚光作用的第一表面和与该第一表面相交的第二表面，其步骤是：

首先，确定一个与该透镜侧面正投影方向垂直且经过透镜中心的纵截面，使该透镜的所有的第一表面在该纵截面上反映为多条间断的曲线，然后按照从透镜边缘向透镜中心的方向将这些曲线分别标定为C1、C2…Cn，令各曲线C1、C2…Cn上距离所述透镜中心最远的一端为曲线的起始端；

其次，设定各曲线C1、C2…Cn的起始端与所述透镜中心的距离分别为a1、a2…an，并设定通过该透镜上各曲线C1、C2…Cn的起始端将垂直于透镜入射面射入的光线折射到位于出射面外侧一假定的接收面上所形成的光点与所述透镜中心的距离分别为b1、b2…bn；其中，距离a1根据透镜的半径确定，距离a1与距离b1之比为

至

距离a2、a3…an根据距离a1及齿槽数量确定，距离b2、b3…bn根据距离b1及齿槽数量确定；

再次，令各曲线C1、C2…Cn均满足以下公式：

$(h+y)\frac{n\frac{\frac{\mathrm{dy}}{\mathrm{dx}}}{\sqrt{1+{\left(\frac{\mathrm{dy}}{\mathrm{dx}}\right)}^2}}-\frac{\mathrm{dy}}{\mathrm{dx}}\sqrt{1-n^2\frac{{\left(\frac{\mathrm{dy}}{\mathrm{dx}}\right)}^2}{1+{\left(\frac{\mathrm{dy}}{\mathrm{dx}}\right)}^2}}}{\sqrt{1-n^2\frac{{\left(\frac{\mathrm{dy}}{\mathrm{dx}}\right)}^2}{1+{\left(\frac{\mathrm{dy}}{\mathrm{dx}}\right)}^2}}+n\sqrt{\frac{{\left(\frac{\mathrm{dy}}{\mathrm{dx}}\right)}^2}{1+{\left(\frac{\mathrm{dy}}{\mathrm{dx}}\right)}^2}}}=(1+\frac{\mathrm{bi}}{\mathrm{ai}})x$

式中，系数b表示所述入射面与接收面之间的距离；系数ai表示第i(i＝1、2…n)个曲线Ci的起始端与所述透镜中心的距离；系数bi表示通过所述曲线Ci的起始端将垂直于透镜入射面射入的光线折射到接收面上所形成的光点与所述透镜中心的距离，变量x为所述曲线上任意一点与透镜中心的距离，变量y为该点与透镜入射面之间的距离；

然后，模拟通过上述曲线C1、C2…Cn将垂直于入射面射入的光线折射到所述接收面上所形成光斑的能量分布情况，当该光斑中各点的最小辐照度E_min与该光斑的平均辐照度E_av之比小于0.6时，对距离b2、b3…bn中的部分或全部进行调整，直到该光斑中各点的最小辐照度E_min与该光斑的平均辐照度E_av之比达到0.6至0.99；

最后，以确定出的曲线C1、C2…Cn为母线进行旋转或平移得到该透镜的各第一表面。

该方法关键的步骤在于根据光斑中各点的最小辐照度E_min与该光斑的平均辐照度E_av之比逆向调整距离b2、b3…bn的值，从而使光斑中各点的最小辐照度E_min与该光斑的平均辐照度E_av之比达到0.6至0.99。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

附图说明

图1为本发明菲涅尔聚光透镜的立体示意图。

图2为图1中的A向示图。

图3为图2中的局部放大图。

图4a为本发明透镜中第二表面的倾斜程度偏小时的示意图。

图4b为本发明透镜中第二表面的倾斜程度适中时的示意图。

图4c为本发明透镜中第二表面的倾斜程度偏大时的示意图。

图5为本发明透镜与现有透镜的光损失区域比较示意图。

图5a为现有透镜(第二表面面向焦点一侧倾斜)的光损失区域示意图。

图5b为现有透镜(第二表面与入射面垂直)的光损失区域示意图。

图5c为本发明透镜的光损失区域示意图。

图6为成型本发明透镜的模具示意图。

图7为图6中动模的结构示意图。

图8a为参考文件中平凸透镜的聚光示意图。

图8b为将图8a的平凸透镜菲涅尔化后的聚光示意图。

图9为本发明的菲涅尔聚光透镜的聚光示意图。

图10为本发明实施例1的菲涅尔聚光透镜聚光光斑剖面的辐照度曲线图。

图11为本发明实施例2的菲涅尔聚光透镜聚光光斑剖面的辐照度曲线图。

图10、11中横坐标为光斑上各点位置(单位mm)，纵坐标为辐照度大小(单位W/m²)。

具体实施方式

如图1所示的菲涅尔聚光透镜，包括入射面3和出射面1，所述入射面3为平面，所述出射面1上设有多条凹陷的齿槽2，所述齿槽2包括起聚光作用的第一表面2a和与该第一表面2a相交的第二表面2b；从图2至图3中可以清楚看出，所述第二表面2b的两端分别通过内圆角R1和外圆角R2与相邻两个第一表面2a的首尾连接，且所述第二表面2b朝所述入射面3方向倾斜；而通过图4a至图4c可以看出，当第二表面2b的倾斜程度处于图4a所示的偏小情形时，垂直于入射面3射入的光线A1从与该第二表面2b连接的内圆角R1的左端点外发生折射后指向透镜的焦点，另一垂直于入射面3射入的光线A2从与该第二表面2b连接的外圆角R2的右端点外发生折射后指向透镜的焦点，而位于光线A1和光线A2之间的关光束则在通过内圆角R1和外圆角R2时损失，不再汇聚于焦点，但值得注意时的是，由于相邻的内圆角R1和外圆角R2之间在透镜的径向方向上部分重叠，在重叠区域(即内圆角R1的右端点与外圆角R2的左端点之间的区域)光线不通过外圆角R2，即外圆角R2上只有部分区域会产生光的损失，故整个菲涅尔聚光透镜的光损失相比当第二表面2b垂直与入射面时得以减小；当第二表面2b的倾斜程度处于如图4b所示的情形时，垂直于入射面3射入的光线A1从与该第二表面2b连接的内圆角R1的左端点外发生折射后指向透镜的焦点，另一垂直于入射面3射入的光线A2从该内圆角R1的右端点外经过并到达上部的第一表面2a后发生折射而指向透镜的焦点，由于光线完全不通过外圆角R2区域，且此时光线经第一表面2b偏折后亦不会通过第二表面2b，故对于整个菲涅尔聚光透镜而言，光线仅在内圆角R1区域产生损失，使得整个菲涅尔聚光透镜的光损失得以进一步减小；而当第二表面2b的倾斜程度处于如图4c所示的情形时，这时，垂直于入射面3射入的光线A1从与该第二表面2b连接的内圆角R1的左端点外发生折射后即将与该第二表面2b接触，一旦当第二表面2b的倾斜程度继续增大，光线A1将通过第二表面2b，由此将在第二表面2b上产生光的损失，但即便如此，在一定程度内继续增大第二表面2b的倾斜程度仍旧能使通过透镜的光损失相比当第二表面2b垂直与入射面时更小。

由此可以看出，最优的选择是使第二表面2b的倾斜程度以使光既不通过与该第二表面2b连接的外圆角R2也不通过该第二表面2b为宜。在此基础上，最好使内圆角R1和外圆角R2的半径在0.1毫米以下，这样，当第二表面2b的两端点在所述入射面3上的投影距离D为0.3至0.6毫米之间可使光既不通过与该第二表面2b连接的外圆角R2也不通过该第二表面2b。

图5为本发明透镜与现有透镜的光损失区域比较示意图。其中，图5a为现有透镜(第二表面2b面向焦点一侧倾斜)的光损失区域示意图；图5b为现有透镜(第二表面2b与入射面3垂直)的光损失区域示意图；图5c为本发明透镜(第二表面2b的倾斜程度以使光既不通过与该第二表面2b连接的外圆角R2也不通过该第二表面2b)的光损失区域示意图。在图5a至图5c中，虚线之间的区域表示透镜的光损失区域4。从三图的比较可以看出，图5c中的光损失区域4明显小于图5a和图5b的光损失区域4。

本发明的菲涅尔聚光透镜可以通过硅胶注射成型，由此需要设计成型模具。如图6至图7所示，用于成型菲涅尔聚光透镜的模具包括动模5和定模6，所述动模5或定模6上加工有成型菲涅尔聚光透镜出射面1上的多条凹陷齿槽2的齿纹8，所述齿纹8包括用于成型所述齿槽2的第二表面2b的第二成型面8b，所述第二成型面8b沿齿纹8的齿底至齿尖方向朝动模5的外侧倾斜以使成型后的透镜的第二表面2b朝透镜的入射面3方向倾斜，进而使通过该透镜的光损失小于当第二表面2b垂直与入射面3时而通过透镜的光损失。

在图6所示的动、定模合模状态下，动模5和定模6之间会形成注射型腔7，在不考虑材料收缩等变形情况下，该注射型腔7的形状和大小理论上与成型后的菲涅尔聚光透镜的形状、大小一致。

如图7所示，所述动模5上齿纹8的第一成型面8a用于成型透镜的第一表面2a，因此要求其具有较高的加工精度；而由于透镜的第二表面2b并不起聚光作用，只要保证第二表面2b的倾斜角度在要求的范围内即可，故模具第二成型面8b的加工精度可适当降低，但必须尽可能保证第一成型面8a与第二成型面8b之间的角为尖角。

如上文所说，由于本发明优先选择使第二表面2b的倾斜程度以使光既不通过与该第二表面2b连接的外圆角R2也不通过该第二表面2b为宜，若在不得不适当减小第二表面2b的倾斜度(如透镜材料所限等)的情况下，也可选择让第二表面2b的倾斜程度能够使光仅通过与该第二表面2b连接的外圆角R2的部分区域，因此，在设计模具的第二成型面8b时也应以上该条件为准。

在所述第二表面2b的倾斜程度以使光既不通过与该第二表面2b连接的外圆角R2也不通过该第二表面2b的基础之上，本发明还将按以下方法对透镜进行优化设计。当然，即使第二表面2b仍为图5a-5b所示的情形，本申请仍然可以按照以下方法对透镜进行优化。其步骤为：

如图9所示，首先，确定一个与该透镜侧面正投影方向垂直且经过透镜中心10的纵截面，使该透镜的所有的第一表面2a在该纵截面上反映为多条间断的曲线，然后按照从透镜边缘向透镜中心10的方向将这些曲线分别标定为C1、C2、C3、C4，令各曲线C1、C2、C3、C4上距离所述透镜中心10最远的一端为曲线的起始端；

其次，设定各曲线C1、C2、C3、C4的起始端与所述透镜中心10的距离分别为a1、a2、a3、a4，并设定通过该透镜上各曲线C1、C2、C3、C4的起始端将垂直于透镜入射面3射入的光线折射到位于出射面1外侧一假定的接收面9上所形成的光点与所述透镜中心10的距离分别为b1、b2、b3、b4；其中，距离a1等于透镜的半径，本实施例将其设定为11.4mm；距离a1与距离b1之比为

至

本实施例将其设定为16(该)，说明所设计的菲涅尔聚光透镜的聚光倍数为256倍(即入射面3的面积是光斑面积的256倍)，故距离b1约为0.72，距离a2、a3、a4分别设为9.5mm、7.5mm、5mm，距离b2、b3、b4分别设为0.59、0.47、0.31；

再次，令各曲线C1、C2、C3、C4均满足以下公式：

$(h+y)\frac{n\frac{\frac{\mathrm{dy}}{\mathrm{dx}}}{\sqrt{1+{\left(\frac{\mathrm{dy}}{\mathrm{dx}}\right)}^2}}-\frac{\mathrm{dy}}{\mathrm{dx}}\sqrt{1-n^2\frac{{\left(\frac{\mathrm{dy}}{\mathrm{dx}}\right)}^2}{1+{\left(\frac{\mathrm{dy}}{\mathrm{dx}}\right)}^2}}}{\sqrt{1-n^2\frac{{\left(\frac{\mathrm{dy}}{\mathrm{dx}}\right)}^2}{1+{\left(\frac{\mathrm{dy}}{\mathrm{dx}}\right)}^2}}+n\sqrt{\frac{{\left(\frac{\mathrm{dy}}{\mathrm{dx}}\right)}^2}{1+{\left(\frac{\mathrm{dy}}{\mathrm{dx}}\right)}^2}}}=(1+\frac{\mathrm{bi}}{\mathrm{ai}})x$

式中，系数h表示所述入射面3与接收面9之间的距离，本实施例将其设定为24mm；系数ai表示第i(i＝1、2、3、4)个曲线Ci的起始端与所述透镜中心10的距离；系数bi表示通过所述曲线Ci的起始端将垂直于透镜入射面3射入的光线折射到接收面9上所形成的光点与所述透镜中心10的距离，变量x为所述曲线上任意一点与透镜中心10的距离，变量y为该点与透镜入射面3之间的距离；

然后，在AM0条件下通过TracePro软件模拟通过上述曲线C1、C2、C3、C4后将垂直于入射面3射入的光线折射到所述接收面9上所形成光斑的能量分布情况，如果从该光斑的辐照度曲线图上反映该光斑上各点对应的辐照度大小波动比较剧烈时，说明光斑能量分布不均匀，这时可根据具体的光斑能量分布情况选择对距离b2、b3、b4中的部分或全部数值进行调整，当该光斑的辐照度曲线图如图10所示时，经验判断此时光斑能量分布比较均匀，这时再通过对图10所示的曲线进行定量分析，找出该光斑中各点的最小辐照度E_min为400KW/m²，然后通过计算得到该光斑的平均辐照度E_av为449K W/m²，从而得到光斑中各点的最小辐照度E_min与该光斑的平均辐照度E_av之比为0.89，说明对距离b2、b3、b4进行调整后明显提高了光斑的能量分布的均匀性，调整后的距离b2、b3、b4分别为0.6mm、0.5mm、0.35mm；

最后，以确定出的曲线C1、C2、C3、C4为母线绕透镜中心10进行旋转从而得到该透镜的各第一表面2a。

本发明还设计出了一种光斑能量分布更均匀的菲涅尔聚光透镜。该透镜的出射面1上仅设有三条同心布置的齿槽2，与这三条齿槽2的第一表面2a分别对应的曲线C1、C2、C3均满足上述方程，其中，系数h为48mm，距离a1、a2、a3分别为14.2mm、11mm、8mm，距离b1、b2、b3分别为2.84mm、2.19mm、1.615mm；在AM0条件下通过TracePro软件模拟通过曲线C1、C2、C3后所形成光斑的能量分布情况如图11所示，光斑中各点的最小辐照度E_min为35.5KW/m²，然后通过计算得到该光斑的平均辐照度E_av为37.1KW/m²，从而得到光斑中各点的最小辐照度E_min与该光斑的平均辐照度E_av之比为0.957。

Claims (10)

1.一种菲涅尔聚光透镜，包括入射面(3)和出射面(1)，所述入射面(3)为平面，所述出射面(1)上设有多条凹陷的齿槽(2)，所述齿槽(2)包括起聚光作用的第一表面(2a)和与该第一表面(2a)相交的第二表面(2b)，其特征是：通过该菲涅尔聚光透镜上各第一表面(2a)将垂直于入射面(3)射入的光线折射到位于出射面(1)外侧一假定的接收面(9)上所形成的光斑中各点的最小辐照度E_min与该光斑的平均辐照度E_av之比为0.6至0.99，且所述入射面(3)的面积是光斑面积的5至2000倍。

2.如权利要求1所述的一种菲涅尔聚光透镜，其特征是：所述光斑中各点的最小辐照度E_min与该光斑的平均辐照度E_av之比为0.7以上。

3.如权利要求1或2所述的一种菲涅尔聚光透镜，其特征是：所述入射面(3)的面积是光斑面积的10倍以上。

4.如权利要求1或2所述的一种菲涅尔聚光透镜，其特征是：所述第二表面(2b)的两端分别通过内圆角(R1)和外圆角(R2)与相邻两个第一表面(2a)的首尾连接；所述第二表面(2b)朝所述入射面(3)方向倾斜以使通过该透镜的光损失小于当第二表面(2b)垂直与入射面(3)时通过透镜的光损失。

5.如权利要求4所述的一种菲涅尔聚光透镜，其特征是：所述第二表面(2b)的倾斜程度以使光既不通过与该第二表面(2b)连接的外圆角(R2)也不通过该第二表面(2b)。

6.如权利要求4所述的一种菲涅尔聚光透镜，其特征是：所述第二表面(2b)的倾斜程度以使光仅通过与该第二表面(2b)连接的外圆角(R2)的部分区域。

7.如权利要求4至6中任意一项权利要求所述的一种菲涅尔聚光透镜，其特征是：所述内圆角(R1)和外圆角(R2)的半径在0.1毫米以下。

8.如权利要求7所述的一种菲涅尔聚光透镜，其特征是：所述第二表面(2b)的两端点在所述入射面(3)上的投影距离(D)为0.3至0.6毫米之间。

9.如权利要求3至5中任意一项权利要求所述的一种菲涅尔聚光透镜，其特征是：该菲涅尔聚光透镜是由经模具成型时不产生拔模损伤的柔性材料制成。

10.菲涅尔聚光透镜的设计方法，由该方法所设计的透镜包括入射面(3)和出射面(1)，所述入射面(3)为平面，所述出射面(1)上设有多条凹陷的齿槽(2)，所述齿槽(2)包括起聚光作用的第一表面(2a)和与该第一表面(2a)相交的第二表面(2b)，其特征是：

首先，确定一个与该透镜侧面正投影方向垂直且经过透镜中心(10)的纵截面，使该透镜的所有的第一表面(2a)在该纵截面上反映为多条间断的曲线，然后按照从透镜边缘向透镜中心(10)的方向将这些曲线分别标定为C1、C2…Cn，令各曲线C1、C2…Cn上距离所述透镜中心(10)最远的一端为曲线的起始端；

其次，设定各曲线C1、C2…Cn的起始端与所述透镜中心(10)的距离分别为a1、a2…an，并设定通过该透镜上各曲线C1、C2…Cn的起始端将垂直于透镜入射面(3)射入的光线折射到位于出射面(1)外侧一假定的接收面(9)上所形成的光点与所述透镜中心(10)的距离分别为b1、b2…bn；其中，距离a1根据透镜的半径确定，距离a1与距离b1之比为

至

距离a2、a3…an根据距离a1及齿槽(2)数量确定，距离b2、b3…bn根据距离b1及齿槽(2)数量确定；

再次，令各曲线C1、C2…Cn均满足以下公式：

$(h+y)\frac{n\frac{\frac{\mathrm{dy}}{\mathrm{dx}}}{\sqrt{1+{\left(\frac{\mathrm{dy}}{\mathrm{dx}}\right)}^2}}-\frac{\mathrm{dy}}{\mathrm{dx}}\sqrt{1-n^2\frac{{\left(\frac{\mathrm{dy}}{\mathrm{dx}}\right)}^2}{1+{\left(\frac{\mathrm{dy}}{\mathrm{dx}}\right)}^2}}}{\sqrt{1-n^2\frac{{\left(\frac{\mathrm{dy}}{\mathrm{dx}}\right)}^2}{1+{\left(\frac{\mathrm{dy}}{\mathrm{dx}}\right)}^2}}+n\sqrt{\frac{{\left(\frac{\mathrm{dy}}{\mathrm{dx}}\right)}^2}{1+{\left(\frac{\mathrm{dy}}{\mathrm{dx}}\right)}^2}}}=(1+\frac{\mathrm{bi}}{\mathrm{ai}})x$

式中，系数h表示所述入射面(3)与接收面(9)之间的距离；系数ai表示第i(i＝1、2…n)个曲线Ci的起始端与所述透镜中心(10)的距离；系数bi表示通过所述曲线Ci的起始端将垂直于透镜入射面(3)射入的光线折射到接收面(9)上所形成的光点与所述透镜中心(10)的距离，变量x为所述曲线上任意一点与透镜中心(10)的距离，变量y为该点与透镜入射面(3)之间的距离；

然后，模拟通过上述曲线C1、C2…Cn将垂直于入射面(3)射入的光线折射到所述接收面(9)上所形成光斑的能量分布情况，当该光斑中各点的最小辐照度E_min与该光斑的平均辐照度E_av之比小于0.6时，对距离b2、b3…bn中的部分或全部进行调整，直到该光斑中各点的最小辐照度E_min与该光斑的平均辐照度E_av之比达到0.6至0.99；

最后，以确定出的曲线C1、C2…Cn为母线进行旋转或平移得到该透镜的各第一表面(2a)。

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