CN106195909A - 利用自聚焦透镜组合的平行复合光导入光纤的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用自聚焦透镜组合的平行复合光导入光纤的装置，由透镜、透镜组、自聚焦透镜、螺旋套筒和光纤组成，其中，透镜、透镜组和自聚焦透镜依次相连组成三级透镜，每一级透镜的焦点处于同一条直线上；透镜组与自聚焦透镜安装在螺旋套筒内，自聚焦透镜与光纤相连。其太阳光传输效率可达70％—80％。不仅可以弥补由于色散导致的传输损耗，校正色散，而且缩短了整体透镜组的焦距，并且利用自聚焦透镜，使得与轴线有一定角度的光线也可进入透镜进行聚焦，同时，得到的密度大、能量高的光斑有利于光纤的传输，有效的提高了太阳光的导入率。

Description

利用自聚焦透镜组合的平行复合光导入光纤的装置

技术领域

本发明涉及太阳光导入光纤技术领域，具体涉及一种利用自聚焦透镜组合的平行复合光导入光纤的装置。

背景技术

太阳光导入系统在近20年来发展迅速，是一种绿色照明技术，节能环保，有利于人们的身心健康和提高人们的生活质量。典型的阳光导入系统主要由太阳光采集装置、太阳跟踪装置、太阳光传输装置以及照明装置四部分组成，按照集光器的集光方式不同分为反射式太阳光导入系统和透射式太阳光导入系统。其中，反射式阳光导入系统存在系统体积大，安装位置受限，导光效率不高的缺陷。透射式太阳光导入系统典型代表是日本的向日葵“Himanwari”系统，其主要利用菲涅尔透镜来收集太阳光，利用光缆作为传输介质，再利用太阳光跟追设备实时捕捉最有效的太阳光线。但是“Himanwari”系统仍存在光纤耦合和传输效率低的问题，仍然是整个技术应用中的难点问题。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种自聚焦透镜组合的平行复合光导入光纤的装置，以有效提高太阳光的利用效率。

为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：

一种利用自聚焦透镜组合的平行复合光导入光纤的装置，其特征在于，由透镜、透镜组、自聚焦透镜、螺旋套筒和光纤组成，其中，透镜、透镜组和自聚焦透镜依次相连组成三级透镜，每一级透镜的焦点处于同一条直线上；透镜组与自聚焦透镜安装在螺旋套筒内，自聚焦透镜与光纤相连。

根据本发明，所述透镜选择具有尺寸较大、厚度较小、重量轻、孔径比较小特点的菲涅尔透镜。

优选的，所述螺旋套筒的旋转移动能够改变透镜组与透镜的距离。

所述菲涅尔透镜的形状是矩形或者异形，同时，菲涅尔透镜斜面倾角角度应满足：

$tan\mathrm{\α}=\frac{r^{\′}}{n\sqrt{r^{\′2}+f^{\′2}}-f^{\′}}$

其中，α是透镜上单个小斜面倾角的角度，n是菲涅尔透镜所用材料的折射率与空气折射率的比值，F'是出射光线与轴线的交界点，而f'是点F'与透镜平面中心点之间的距离，r'是小斜面的中间点与轴线之间的距离。

所述透镜选择镀膜会聚透镜，该镀膜会聚透镜采用光学镀膜，镀膜材料选硫化锌、氟化镁、二氧化钛、氧化锆其中一种。

优选的，所述透镜组由会聚透镜和发散透镜组合而成，透镜组的聚透镜级数由所选用透镜的反射率和透镜的尺寸决定：

当透镜的尺寸越大，透镜组的聚透镜级数越多；

当透镜选用的反射率越小，透镜组的聚透镜级数越多。

所述透镜选用直径为200～300mm的会聚透镜情况下，透镜组采用一个发散透镜。

所述自聚焦透镜用于保证进入光纤的太阳光入射角小于45度，保证进入光纤的光线入射角小于光纤的临界入射角。

所述自聚焦透镜的直径取2mm～4mm。

所述透镜与透镜组的位置距离取300～500mm，透镜组与自聚焦透镜的位置距离取200～400mm。

与现有技术相比，本发明的利用自聚焦透镜组合的平行复合光导入光纤的装置具有如下优点：

(1)透镜首先对进入的太阳光进行聚焦，形成光斑；然后利用透镜组对光线的会聚和发散作用，得到平行光，弥补了复合光的色散现象；再通过自聚焦透镜，对光线再次进行聚焦，最终可以得到密度大、能量高的光斑。

(2)利用镀膜会聚透镜，有效的提高了太阳光的透过率；采用矩形菲涅尔透镜或异形菲涅尔透镜，制作简单方便。

(3)透镜组由会聚透镜和发散透镜组合而成，缩短了整体透镜组的焦距。

(4)利用自聚焦透镜，使得与轴线有一定角度的光线也可进入透镜进行聚焦，同时，得到的密度大、能量高的光斑有利于光纤的传输，有效的提高了太阳光的导入率。

附图说明

图1为本发明的利用自聚焦透镜组合的平行复合光导入光纤的装置示意图。

图2为本发明的利用自聚焦透镜组合的平行复合光导入光纤的装置的工作原理示意图。

图3是实施例中的实验平台示意图。

图中标记分别表示：1、第一级透镜、2、第二级透镜组、3、自聚焦透镜、4、螺旋套筒、5、光纤、6、矩形菲涅尔透镜、7、追光器、8、竖直转轴、9、底座。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

具体实施方式

在阳光导入装置中，要提高阳光导入效率，需要考虑到复合光的色散现象和阳光偏轴现象。

本实施例给出的利用自聚焦透镜组合的平行复合光导入光纤的装置，保证了太阳光入射角度在1.2度的范围内可也达到70％—80％的导光效率。

参见图1，本实施例给出一种利用自聚焦透镜组合的平行复合光导入光纤的装置，其中的平行复合光指一般太阳光，该装置由透镜1、透镜组2、自聚焦透镜3、螺旋套筒4和光纤5组成，其中，透镜1、透镜组2和自聚焦透镜3依次相连且焦点处于同一条直线上，透镜组2与自聚焦透镜3安装在螺旋套筒4内，自聚焦透镜3与光纤5相连，光纤5将阳光传输到所需要照明的场所。

其中，透镜1的功能为聚焦，透镜组2和自聚焦透镜3组成透镜组，透镜组通过螺旋套筒4的旋转进行移动，改变透镜组与透镜1的距离。

透镜1首先对进入的太阳光进行聚焦，形成光斑；然后利用透镜组2对光线的会聚和发散作用，得到平行光，弥补了复合光的色散现象；再通过自聚焦透镜3，对光线再次进行聚焦，使得进入光纤的光斑直径在0.6～1mm之间，有利于光纤传输。

本实施例的利用自聚焦透镜组合的平行复合光导入光纤的装置，可适用于多种太阳能利用装置，如隧道日光照明装置、太阳能发电装置，为这些装置高效率地导入太阳光。

使用时，将透镜1固定在追光器的上聚光面顶端，由透镜组2与自聚焦透镜3组成的透镜组固定在追光器的上聚光面底端，透镜组2通过螺旋套筒4固定，可以通过螺旋套筒4的旋转进行移动，改变其与透镜1的距离。

需要注意的是，追光器要保证平行光偏轴角度在1.2度的范围内。

所述透镜组2由会聚透镜和发散透镜组合而成。透镜组2的聚透镜级数由所选用透镜1的反射率和透镜1的尺寸决定：

当透镜1的尺寸越大，透镜组2的聚透镜级数越多；当透镜1选用的反射率越小，透镜组2的聚透镜级数越多。

当透镜1选用直径为200～300mm的会聚透镜情况下，透镜组2可采用一个发散透镜。

自聚焦透镜3可以保证进入光纤的太阳光入射角小于45度，保证进入光纤的光线入射角小于光纤的临界入射角，有效的提高阳光导入效率。

所述自聚焦透镜3的直径取2mm～4mm。

所述透镜1与透镜组2的位置距离取300～500mm，透镜组2与自聚焦透镜3的位置距离取200～400mm。

透镜1也可采用尺寸较大的镀膜会聚透镜。该镀膜会聚透镜可以采用光学镀膜，镀膜材料可选硫化锌、氟化镁、二氧化钛、氧化锆等其中之一。

将该利用自聚焦透镜组合的平行复合光导入光纤的装置安装在隧道外，应用于隧道日光照明。

实验平台如图3所示，包括底座9，底座9通过竖直转轴8连接追光器7，追光器7上有矩形菲涅尔透镜6；将透镜1固定在追光器的上聚光面顶端，由透镜组2与自聚焦透镜3组成的透镜组固定在追光器的上聚光面底端，透镜组2通过螺旋套筒4固定，改变其与透镜1的距离。光纤5通过连接线与螺旋套筒4连接。在此次实验中，透镜1选用4个矩形菲涅尔透镜6，其焦距为200mm，齿距为1mm，用于接收汇聚太阳光，矩形菲涅尔透镜6的材料为高透光性树脂或石英，优选石英，折射率为1.49，采用氟化镁镀膜。菲涅尔透镜6中心小曲面直径定为20mm，入射点取斜面中心，每个斜面距主光轴的距离构成一个首项为20.5mm，公差为1mm的等差数列。

菲涅尔透镜的斜面倾角角度应满足：

$tan\mathrm{\α}=\frac{r^{\′}}{n\sqrt{r^{\′2}+f^{\′2}}-f^{\′}}$

其中，α是透镜上单个小斜面倾角的角度，n是菲涅尔透镜所用材料的折射率与空气折射率的比值，F'是出射光线与轴线的交界点，而f'是点F'与透镜平面中心点之间的距离，r'是小斜面的中间点与轴线之间的距离。

自聚焦透镜3选取直径为3mm的自聚焦透镜，菲涅尔透镜6与透镜组2的位置距离取400mm，透镜组2与自聚焦透镜3的位置距离取300mm。

在不同太阳光照度条件下，针对隧道照明的不同长度位置，透镜组2设置不同的组数，对太阳光经过上述实施例的利用自聚焦透镜组合的平行复合光导入光纤的装置进入光纤后的照度值进行了实测，对仿真结果进行了验证，验证了该利用自聚焦透镜组合的平行复合光导入光纤的装置可以保证阳光导入效率在75％以上。

Claims (10)

1.一种利用自聚焦透镜组合的平行复合光导入光纤的装置，其特征在于，由透镜(1)、透镜组(2)、自聚焦透镜(3)、螺旋套筒(4)和光纤(5)组成，其中，透镜(1)、透镜组(2)和自聚焦透镜(3)依次相连组成三级透镜，每一级透镜的焦点处于同一条直线上；透镜组(2)与自聚焦透镜(3)安装在螺旋套筒(4)内，自聚焦透镜(3)与光纤(5)相连。

2.如权利要求1所述的利用自聚焦透镜组合的平行复合光导入光纤的装置，其特征在于，所述透镜(1)选择菲涅尔透镜。

3.如权利要求1所述的利用自聚焦透镜组合的平行复合光导入光纤的装置，其特征在于，所述螺旋套筒(4)的旋转移动能够改变透镜组与透镜(1)的距离。

4.如权利要求2所述的利用自聚焦透镜组合的平行复合光导入光纤的装置，其特征在于，所述菲涅尔透镜的形状是矩形或者异形，同时，菲涅尔透镜斜面倾角角度应满足：

$tan\mathrm{\α}=\frac{r^{\′}}{n\sqrt{r^{\′2}+f^{\′2}}-f^{\′}}$

其中，α是透镜上单个小斜面倾角的角度，n是菲涅尔透镜所用材料的折射率与空气折射率的比值，F'是出射光线与轴线的交界点，而f'是点F'与透镜平面中心点之间的距离，r'是小斜面的中间点与轴线之间的距离。

5.如权利要求1所述的利用自聚焦透镜组合的平行复合光导入光纤的装置，其特征在于，所述透镜(1)选择镀膜会聚透镜，该镀膜会聚透镜采用光学镀膜，镀膜材料选硫化锌、氟化镁、二氧化钛、氧化锆其中一种。

6.如权利要求1所述的利用自聚焦透镜组合的平行复合光导入光纤的装置，其特征在于，所述透镜组(2)由会聚透镜和发散透镜组合而成，透镜组(2)的聚透镜级数由所选用透镜(1)的反射率和透镜(1)的尺寸决定：

当透镜(1)的尺寸越大，透镜组(2)的聚透镜级数越多；

当透镜(1)选用的反射率越小，透镜组(2)的聚透镜级数越多。

7.如权利要求6所述的利用自聚焦透镜组合的平行复合光导入光纤的装置，其特征在于，所述透镜(1)选用直径为200～300mm的会聚透镜情况下，透镜组(2)采用一个发散透镜。

8.如权利要求1所述的利用自聚焦透镜组合的平行复合光导入光纤的装置，其特征在于，所述自聚焦透镜(3)用于保证进入光纤的太阳光入射角小于45度，保证进入光纤的光线入射角小于光纤的临界入射角。

9.如权利要求1所述的利用自聚焦透镜组合的平行复合光导入光纤的装置，其特征在于，所述自聚焦透镜(3)的直径取2mm～4mm。

10.如权利要求1所述的利用自聚焦透镜组合的平行复合光导入光纤的装置，其特征在于，所述透镜(1)与透镜组(2)的位置距离取300～500mm，透镜组(2)与自聚焦透镜(3)的位置距离取200～400mm。