CN103703675A - 用于形成优化透镜的方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本技术一般涉及高性能透镜的制造方法，所述高性能透镜特别是包括玻璃载体和在所述玻璃载体的表面上的至少部分透射层的透镜，所述至少部分透射层具有由一个或多个拔模面耦接在一起的一个或多个坡面。所述方法包括识别所述坡面和拔模面中的几何误差以创建校正因子和基于所述校正因子来形成校正的坡面和拔模面。本技术还涉及所得到的透镜和透镜阵列。

Description

用于形成优化透镜的方法及其装置

本申请要求2011年6月17日提交的美国临时专利申请序列No.61/498,288的权益，所述申请的全部内容以引用的方式并入本文。

技术领域

本技术一般涉及透镜的制造方法，且更具体涉及高性能玻璃上硅菲涅尔透镜的制造。本技术还涉及所得到的透镜和透镜阵列。

发明背景

提高太阳能电池的效率对于增加部署至关重要，从而减少随后的温室气体排放。随着国家寻求清洁替代能源，这个问题已经变得更加迫切。然而，这必须以相对于其它能源具有竞争力的成本来实现。一种蓄势待发的解决方案是被称为聚光光伏（CPV）和聚光太阳能发电（CSP）的太阳能发电分支，其中成本的降低是来自于用较低成本的光学系统取代低效率的光伏（PV）电池材料。典型的聚光光伏（CPV）设备包括设置以把太阳能聚焦到相应的光伏电池阵列以产生电力的透镜阵列。通常，用以把太阳光聚焦到光电池的透镜是包括上层或载体和菲涅尔（Fresnel）光学结构的菲涅尔透镜。菲涅尔光学结构包括成规定角度的多个棱镜面。

玻璃上硅（SOG）初级光学器件是用于CPV和CSP阵列的一个选项。在SOG光学器件中，菲涅尔透镜是具有浇铸到光电池的底面或侧面的菲涅尔结构的由作为载体和硅树脂层的玻璃（或其它柔性高透射和UV稳定聚合物）制成的混合物。因此，在所述SOG初级光学器件中，玻璃载体暴露于上风侧，而由硅树脂制成的微结构菲涅尔透镜在初级光学器件的内表面上，其中它免于暴露于天气因素。这些SOG CPV或CSP用于太阳能电池板/模块，因为它们只需要非常薄的硅树脂层且非常耐用，表现出抗水、极端温度，和其它环境因素。

SOG结构中的玻璃通常热膨胀系数为8-10ppm/℃，而不同于通常热膨胀系数在20-50ppm/℃范围中的硅树脂。如下文所阐释，这种差异可导致制造上的问题。

菲涅尔透镜是通过在升高的温度下热固化硅树脂来制造的。在固化温度，玻璃的尺寸大于它在环境温度下的尺寸。当菲涅尔透镜被带回到环境时，由于玻璃和硅树脂的收缩率不同，硅树脂制的菲涅尔结构与模具的形状偏离。玻璃由于材料组合物的强度而结果具有较小的拉伸应力，且硅树脂具有较大的压应力，所述较大的压应力引入与光学设计值的偏离，从而导致斜坡中的某一光曲率。这种尺寸变化在菲涅尔结构的硅树脂面中产生应力，所述应力使所述面改变形状并具有弯曲的表面而不是模具的直面。这种形状的变化使得菲涅尔透镜的性能偏离最佳，而导致光学效率损失。

因此，需要补偿由于典型的制造和固化过程而产生的与光学设计的偏差的透镜的制造方法。也需要提供一种不受现有技术的性能退化影响的透镜。本技术针对克服现有技术中的这些及其它缺陷。

发明概要

本技术涉及透镜的制造方法。所述方法包括：提供第一玻璃载体；在所述第一玻璃载体的表面上提供第一至少部分透射层；在所述第一至少部分透射层的表面上形成由一个或多个拔模（draft）面耦接在一起的一个或多个坡面；识别所述第一至少部分透射层的所述一个或多个坡面和一个或多个拔模面中的几何误差以创建校正因子；和基于所述校正因子在第二玻璃载体的表面上的第二至少部分透射层的表面上形成由一个或多个拔模面耦接在一起的校正的一个或多个坡面。

本技术还涉及使用上述方法制成的透镜。所述透镜包括玻璃载体和在所述玻璃载体的表面上的至少部分透射层，其中所述至少部分透射层在其表面上具有由一个或多个拔模面耦接在一起的一个或多个坡面。由一个或多个拔模面耦接在一起的所述一个或多个坡面是利用校正因子所形成的校正的坡面和拔模面，所述校正因子由透镜结构的面中识别的几何误差决定。

本技术还涉及包括本文所述的透镜的阵列和相对于所述透镜的阵列被配置以把通过所述透镜的阵列的光能转换成电力的光伏电池阵列的系统。

在典型的玻璃上硅光学产品中，当硅树脂中的谷几乎接触玻璃时，浇铸光学结构的坡面和拔模面交叉点。所述产品在升高的温度下处理以固化硅树脂；然而，由于应力变形，最终产品在室温下具有与理论形状或用以形成透镜的工具的形状不同的三维形状。另外，用以制造透镜的工具的不精确性所产生的几何误差和模具复制误差产生与光学设计的偏离和性能下降。本文所述的方法和装置克服了透镜面中的这些几何误差。

附图简述

图1是示出根据本发明的一个实施方案的用于制造透镜的方法的功能框图；

图2是根据本技术的一个实施方案的透镜的剖视图；

图3示出根据本发明的一个实施方案的根据花键轮廓的菲涅尔透镜的棱镜面的斜坡的变形；和

图4是示出根据本发明的一个实施方案的示例性硅树脂材料在不同温度下的折射率的图表。

具体实施方式

本技术涉及透镜的制造方法及其装置。

参看图1，示出根据本技术的一个实施方案的用于制造透镜的方法10。透镜可为包括多个棱镜面的菲涅尔透镜，所述棱镜面包括例如图2中示出的由一个或多个拔模面耦接在一起的一个或多个坡面。使用本技术，产生补偿由工具不精确性、模具复制误差以及玻璃载体与至少部分透射层之间的热膨胀系数失配所产生的误差的高性能、优化透镜，所述热膨胀系数失配由于玻璃和至少部分透射层的不同热膨胀率而导致尺寸上的变化。

在步骤12中，使用机床来形成用于在透镜中形成光学结构的母机。在一个实施方案中，母机由用于在透镜中形成坡面和拔模面的机床加工。母机可使用单点金刚石切削工具形成，但是也可使用用其它切削工具形成的母机。母机可包括规定的坡面和拔模面以执行所期望的聚焦功能。母机的合适的材料包括但不限于黄铜、铝、高磷镍和聚合物。

在步骤12中，透镜的坡面和拔模面的理论尺寸和形状是基于透镜的所期望的特性来计算的。然后使用这些计算来编程机床并加工母机。可定制设计实现坡面和拔模面的光学设计的软件。一旦加工，就可复制母机，使得母机可用以形成所期望的光学结构。复制母机的技术包括例如在美国专利No.4,501,646中描述的电铸，其全部内容以引用的方式并入本文。

在本技术的一个方面，母机可使用例如单点金刚石工具的高精密机床来形成，从而由于切削力而产生具有小于2微米的峰谷磨圆或磨损的母机。这允许形成尖锐的峰和谷，从而产生更高性能的透镜。机床可具有高结构刚度、高位置精度和可重复性旋转轴和平移轴，和充足的隔振。

具有所需刚度的机床的实例包括Ametek制造的Nanoform250单点金刚石车床。液体静压导轨和空气轴承工件夹紧主轴设计来制造金属光学结构，例如菲涅尔透镜母机。所述机床使用高分辨率光学编码器（0.016千分尺反馈分辨率）来提供使得轴移动亚微米水平的反馈。所述机器建有液体静压导轨，在所述液体静压导轨的整个行程和刚度具有在10微米范围内的行程平直度。旋转精度在加工菲涅尔透镜母机也需要的2弧秒范围内。旋转轴的径向和轴向刚度分别为刚度225和600牛顿/微米。隔振是使用花岗岩基座和支撑机床的主动隔振器通过质量阻尼的组合来实现的。

在一个实施方案中，母机形成以产生具有光滑或低均方根（RMS）表面光洁度的坡面，从而避免光从反射表面散射。在一个实施方案中，提供小于5埃RMS的坡面的表面光洁度。在另一实施方案中，提供小于3埃RMS的坡面的表面光洁度。

在另一实施方案中，用于加工母机的切割技术包括设置金刚石工具面平行于主基板，且然后在每个连续面上把所述表面旋转到规定角度。如上所述，坡面和拔模面的光学设计可被编程为机器码。直线坡菲涅尔透镜的表面的光学规定是在透镜表面上的给定位置的每个面的角度的定义。把这个规定加工到母机中的能力要求把设计转换成机器码，使得每个槽正确设置且金刚石工具旋转到适当的角度。

再参看图1，在步骤14中，复制的母机用以形成具有由一个或多个拔模面耦接在一起的一个或多个坡面的透镜。在一个实施方案中，透镜包括玻璃载体和在玻璃载体的表面上的至少部分透射层。复制的母机用以在至少部分透射层中形成由一个或多个拔模面耦接在一起的一个或多个坡面。

玻璃载体提供部分透射层的上层或载体，但是其它材料也可应用于玻璃载体。

在一个示例性实施方案中，玻璃载体的厚度在约2.0mm到约6.0mm之间。在另一实施方案中，玻璃载体的折射率在约1.515与约1.519之间。在又一实施方案中，玻璃载体是铁含量小于约0.4%的低铁浮法玻璃。在另一实施方案中，根据TVG DIN EN1863,A2部分热处理强化了玻璃载体。

在步骤14中，材料选择以浇铸到玻璃载体上来提供透镜的至少部分透射层。如本文所使用，术语“至少部分透射”意指至少部分地允许光穿过的材料。在一个实施方案中，至少部分透射层是高透射的，从而允许来自特定光源的基本上所有的光穿过。光源可为任何合适的光源，包括但不限于，阳光、灯光和人工光。

在一个示例性实施方案中，选择用于至少部分透射层的材料是硅树脂，但是也可使用其它材料，例如柔性、高透射和紫外线稳定的聚合物。合适的至少部分透射层包括但不限于Dow Corning Sylgard184或等效物和单组分透明硅树脂。

在一个实施方案中，选择用于至少部分透射层的材料具有基本上与透镜的选定操作温度范围相同的固化温度。在一个实施方案中，固化温度等于或低于透镜的选定操作温度范围。在一个实施方案中，选定材料为在较低温度下更快固化的定制硅树脂。所述定制硅树脂可基于所期望的固化温度和速度来创建且可获得为例如Loctite5033Nuva-Sil硅树脂。

在一个实施方案中，具有由一个或多个拔模面耦接在一起的一个或多个坡面的至少部分透射层形成菲涅尔透镜。在一个实施方案中，菲涅尔透镜的面角被设计，使得在光的一个波长的标称焦距实现最小光斑直径。在这个标称焦距，较短和较长的波长将具有较大的直径（其中最小光斑直径大于或小于这个标称距离）。可利用二次光学元件（SOE）来改善较短和较长波长的光的聚焦。在另一实施方案中，菲涅尔透镜包括多焦点方法。多个槽带用以聚焦一组特定波长。一组相邻面可与特定的一组波长相关，其中每个棱镜形状精心制作以聚焦相关波长。这个设计方法可标称地把光导向到光伏电池位置或CPV中的SOE接受区域。

本领域中已知并例如在美国专利No.4,170,616中描述了用于形成包括由一个或多个拔模面耦接在一起的一个或多个坡面的透镜的技术，其全部内容以引用的方式并入本文。

在步骤16中，由复制的母机制造的一个或多个透镜的面的性能和表面形状被特征化以识别校正因子。所述校正因子可基于所产生透镜的坡面和拔模面尺寸的任何误差，且是基于所发现的误差而对光学设计的几何形状的调整。

校正因子可基于机床的精度和可重复性。例如，校正因子可基于行程或旋转精度的机床轴的直线度的测量和轴的设置可重复性来产生。所述校正因子可用以补偿来自轴的真实位置或旋转的这些误差，以使所述部分更好地匹配设计规定。

在又一实施方案中，校正因子可包括加工复制引起的尺寸变化。母机是通过电铸来复制的，且该过程可引入尺寸变化，从而使面的位置和角度与标称值不同。量化所述改变并使用所述数据来补偿透镜加工程序将使最终产品更像光学规定。

校正因子也可包括聚合物加工引起的尺寸变化。母机工具是通过电铸来复制，然后最终光学器件是通过压缩成型、注射成型或浇铸聚合物来制造。所有这些聚合物过程在形成可被量化的结构之后都具有特定的材料收缩。把所述收缩补偿到透镜结构的编程中将使最终部分更像所期望的光学规定，并提高所述部分的性能。

在一个实施方案中，已开发出根据花键轮廓来特征化棱镜面的变形坡的示例性方法，且所述方法在图3示出。特别说来，校正被定义为花键轮廓且从理论斜面轮廓减去。然后，所得物用作斜坡表面的校正的形状。

一旦在步骤16决定了误差和校正因子，机床就在步骤18重新编程以补偿特征化期间所发现的误差。完成光学设计的软件可定制设计来合并机床的精度和可重复性的校正因子并补偿进一步处理。

在步骤20中，第二母机是基于补偿的光学设计由重新编程的机床来加工的。然后又可如上文所述复制母机，且在步骤22中，制造补偿一般在处理期间产生的各种几何误差的高性能透镜。

如图4示出，硅树脂的折射率具有温度依赖性。温度依赖性也可用以设计透镜的母机，从而对于不同的正常操作温度进行最佳的执行。例如，如果已知CPV设备的操作温度范围，那么棱镜规定可使用此范围内的硅树脂的折射率的值组成最佳性能。不同的固化温度或不同的硅树脂材料可用于各种地理位置，这取决于在所述位置上的平均操作温度。

参看图2，示出根据本技术的一个实施方案制造的透镜100。透镜100包括玻璃载体102和至少部分透射层104。玻璃载体102具有第一表面106和第二表面108。在一个实施方案中，当用于CPV中时，玻璃载体102的第一表面106暴露于天气。

上文描述了玻璃载体102的合适的尺寸和特性。

参看图2，至少部分透射层104邻近第二表面108。如本文所使用，术语“邻近”意指玻璃载体和至少部分透射层可接触或不接触，但是在两者之间不存在任何同类物质。在图2示出的实施方案中，至少部分透射层104邻近并接触第二表面108。

在一个示例性实施方案中，至少部分透射层是硅树脂层。上文描述了合适的至少部分透射层。在一个示例性实施方案中，至少部分透射层104的厚度在约0.1mm到约2.0mm之间。在另一实施方案中，当在具有589纳米波长的钠D线且21℃下测量时，至少部分透射层104的折射率在约1.405与约1.420之间。

至少部分透射层104包括由一个或多个拔模（或起伏）面112耦接在一起的一个或多个坡面110。坡面110和拔模面112形成面峰114和面谷116。参看图2，示出了面角Β和拔模角Α，以及面宽度或间距FW和光轴O。基于透镜阵列的预期使用和特性来决定坡面110和拔模面112以及所得到的面角、拔模角和间距的特定尺寸。面角通常为从零或平行于表面到与表面成最大约42度。面的高度可以是恒定的或可变的，且基于光学设计，范围通常从约0.1mm到约1.0mm。典型的间距或面间隔可以是恒定的或可变的，且范围在约0.2mm到约0.9mm。

在图2示出的实施方案中，具有由一个或多个拔模面耦接在一起的一个或多个坡面的至少部分透射层形成菲涅尔透镜。

在另一实施方案中，坡面和拔模面是用校正因子形成的校正的坡面和拔模面，所述校正因子是使用上述方法通过特征化透镜结构的面识别的几何误差来决定的。

本技术的又一方面涉及包括任何上述实施方案的透镜的阵列和相对于所述透镜的阵列配置以把通过所述透镜的阵列的光能转换成电力的光伏电池阵列的系统。

在一个实施方案中，系统是CPV设备。为了进一步优化提供全太阳光谱和光伏电池上所需均匀性的透镜设计，二次光学元件（SOE）和反射器也可并入CPV设备。

如上文所讨论，可用各种技术来使用菲涅尔透镜把太阳能波长聚焦到光伏电池上。所述示例性技术使得所述各种技术能够被优化以得到光伏电池的最高效率。如果使用点聚焦菲涅尔透镜，那么来自设计波长的光将具有光伏电池上的最小光束直径。光伏电池的位置可调整为更高或更低以散焦点并实现更均匀的辐照度，从而提高电池效率。自然地，较小或较大波长不会聚焦到相同的直径且必须基于光伏电池的特性被平衡为折衷，或者可使用另外的收集光学器件或SOE来重新获得。SOE的典型实施方案包括直接放置在光伏电池上的玻璃TIR反射器或金属反射器。

CPV设备可使用或不使用SOE。SOE的一些优势包括跟踪误差的耐受性增加、光伏电池上的照度均匀度改善、广泛光谱范围上的效率提高、聚焦比增大，且允许的装配公差改善。另一方面，添加SOE增大了设备成本，使装配变得复杂并增加了可能故障模式的数量。

因此描述了本发明的基本概念，本领域技术人员将显而易见，上文的详细公开旨在仅以举例的方式提供，而不是限制性的。会有各种改变、改善和修改，且虽然没有明确表述但是本领域技术人员理解所述改变、改善和修改。本文旨在建议所述改变、改善和修改，且它们属于本发明的精神和范围。此外，处理元件的列举次序或顺序，或数字、字母或其它指定的使用因此不旨在把所请求的过程限于任何次序，除非如可在权利要求书中指定。因此，本发明仅由所附权利要求及其等同物限制。

Claims (25)

1.一种用于制造透镜的方法，所述方法包括：

提供第一玻璃载体；

在所述第一玻璃载体的表面上提供第一至少部分透射层；

在所述第一至少部分透射层的表面上形成由一个或多个拔模面耦接在一起的一个或多个坡面；

识别所述第一至少部分透射层的所述一个或多个坡面和一个或多个拔模面中的几何误差以创建校正因子；和

使用所述校正因子在第二玻璃载体的表面上的第二至少部分透射层的表面上形成由一个或多个拔模面耦接在一起的校正的一个或多个坡面。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述第一至少部分透射层和第二至少部分透射层是硅树脂。

3.如权利要求1所述的方法，其中所述第一至少部分透射层和第二至少部分透射层具有基本上与所述透镜的选定操作温度范围相同的固化温度。

4.如权利要求1所述的方法，其中所述形成由一个或多个拔模面耦接在一起的一个或多个坡面还包括：

获得机床加工的第一母机以在所述至少部分透射层中形成由一个或多个拔模面耦接在一起的所述一个或多个坡面；和

用所述第一母机在所述至少部分透射层中形成由一个或多个拔模面耦接在一起的所述一个或多个坡面。

5.如权利要求4所述的方法，其中所述第一母机具有小于2微米的峰谷磨圆。

6.如权利要求4所述的方法，其中所述获得所述第一母机包括用具有结构刚度、位置精度、可重复性旋转轴和平移轴，和隔振的机床来加工所述第一母机。

7.如权利要求1所述的方法，其中所述形成由一个或多个拔模面耦接在一起的校正的一个或多个坡面还包括：

用机床获得第二母机以在所述第二至少部分透射层中形成由一个或多个拔模面耦接在一起的所述校正的一个或多个坡面；和

用所述第二母机在所述第二至少部分透射层中形成由一个或多个拔模面耦接在一起的所述校正的一个或多个坡面。

8.如权利要求7所述的方法，其中所述第二母机具有小于2微米的峰谷磨圆。

9.如权利要求7所述的方法，其中所述获得所述第二母机包括用具有结构刚度、位置精度、可重复性旋转轴和平移轴，和隔振的机床来加工所述第二母机。

10.如权利要求1所述的方法，其中所述校正因子基于用以制造第一母机的机床的不精确性，所述第一母机用于形成由一个或多个拔模面耦接在一起的所述一个或多个坡面。

11.如权利要求1所述的方法，其中所述校正因子基于复制引起的尺寸变化。

12.如权利要求1所述的方法，其中所述校正因子基于材料加工引起的所述第一至少部分透射层的尺寸变化。

13.如权利要求1所述的方法，其中由一个或多个拔模面耦接在一起的所述校正的一个或多个坡面形成菲涅尔光学结构。

14.如权利要求1所述的方法，其还包括为所述校正的一个或多个坡面提供小于5埃RMS的表面光洁度。

15.如权利要求1所述的方法，其还包括为所述校正的一个或多个坡面提供小于3埃RMS的表面光洁度。

16.一种透镜，其包括：

玻璃载体；和

在所述玻璃载体的表面上的至少部分透射层，其中所述至少部分透射层在其表面上具有由一个或多个拔模面耦接在一起的一个或多个坡面，其中由一个或多个拔模面耦接在一起的所述一个或多个坡面是利用校正因子形成的校正的坡面和拔模面，所述校正因子由在透镜结构的面中识别的几何误差决定。

17.如权利要求16所述的透镜，其中所述至少部分透射层是硅树脂。

18.如权利要求16所述的透镜，其中所述至少部分透射层具有基本上与所述透镜的选定操作温度范围相同的固化温度。

19.如权利要求16所述的透镜，其中具有由一个或多个拔模面耦接在一起的一个或多个坡面的所述至少部分透射层形成菲涅尔光学结构。

20.如权利要求16所述的透镜，其中所述校正因子基于用以制造母机的机床的不精确性，所述母机用于形成由一个或多个拔模面耦接在一起的所述一个或多个坡面。

21.如权利要求16所述的透镜，其中所述校正因子基于复制引起的尺寸变化。

22.如权利要求16所述的透镜，其中所述校正因子基于材料加工引起的所述至少部分透射层的尺寸变化。

23.如权利要求16所述的透镜，其中所述校正的一个或多个坡面的表面光洁度小于5埃RMS。

24.如权利要求16所述的透镜，其中所述校正的一个或多个坡面的表面光洁度小于3埃RMS。

25.一种系统，其包括：

如权利要求16所述的透镜的阵列；和

光伏电池阵列，其相对于所述透镜的阵列被配置以把通过所述透镜的阵列的光能转换成电力。

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