CN110927841A - 光陷阱 - Google Patents

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马宇轩
冯国进
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    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
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Abstract

本发明提供一种光陷阱，包括腔体、低反射镜以及锥形反射组；所述腔体的第一端设置有第一开口，所述腔体的第二端倾斜设置；所述低反射镜位于所述腔体的第二端并固定设置于所述腔体内；所述锥形反射组与所述低反射镜位置相对地设置在所述腔体内且所述锥形反射组上与所述第一开口相对应的位置处设置有第二开口。本发明提供的光陷阱，通过在腔体内设置斜向放置的低反射镜，并在腔体内与低反射镜相对的位置处设置锥形反射组，能够在不增加腔体长度的前提下，通过低反射镜的反射以及锥形反射组的漫反射，有效增加了光程，减小了光泄露，大幅度降低了漫射光逃逸的比例，提高了光陷阱的光吸收率。

Description

光陷阱
技术领域
本发明涉及光学设备领域，特别是涉及一种光陷阱。
背景技术
光陷阱是一种通过表面具有高吸收率材料的腔体结构将光吸收的一种装置。广泛应用于太阳能电池、光功率测量以及改善光学系统信噪比等领域。目前的光陷阱对光吸收率主要由内壁表面材料的吸收率以及腔体内部的结构决定。内壁材料吸收率越高，腔体吸收率也越高。当内壁材料吸收率确定之后，改变腔体的结构可以改变光线在腔体内发生反射的次数，反射次数越多，光能被吸收越多，从而提升空腔的吸收率。
常用的光陷阱一般为内部喷涂漫射材料的锥腔式结构。入射光线进入腔体底部的锥腔发生第一次反射后，会有一定比例的漫射光直接从入口处逃离出腔体，从而限制了腔体吸收率的提高。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的是提供一种光陷阱，以解决现有技术的光陷阱中的入射光容易泄露的问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种光陷阱，包括腔体、低反射镜以及锥形反射组；所述腔体的第一端设置有第一开口，所述腔体的第二端倾斜设置；所述低反射镜位于所述腔体的第二端并固定设置于所述腔体内；所述锥形反射组与所述低反射镜位置相对地设置在所述腔体内且所述锥形反射组上与所述第一开口相对应的位置处设置有第二开口。
进一步地，所述锥形反射组包括多个锥形凸起，多个所述锥形凸起的凸起方向朝向所述低反射镜。
进一步地，每个所述锥形凸起的高度与所述锥形凸起的底边宽度的比值为5:1。
进一步地，每个所述锥形凸起的底边宽度的取值范围为1毫米至3毫米。
进一步地，所述腔体的第二端的倾斜角度的取值范围为大于10°且小于20°。
进一步地，所述第二开口的直径等于所述第一开口的直径。
进一步地，所述腔体内部涂设有吸光涂料。
进一步地，所述低反射镜的反射率小于5％。
进一步地，所述腔体的长度小于或等于15厘米。
进一步地，所述第一开口和/或所述第二开口的直径大于或等于5毫米。
(三)有益效果
本发明提供的光陷阱，通过在腔体内设置斜向放置的低反射镜，并在腔体内与低反射镜相对的位置处设置锥形反射组，能够在不增加腔体长度的前提下，通过低反射镜的反射以及锥形反射组的漫反射，有效增加了光程，减小了光泄露，大幅度降低了漫射光逃逸的比例，提高了光陷阱的光吸收率。
附图说明
图1为本发明实施例提供的光陷阱的示意性结构图；
图2为本发明实施例提供的光陷阱对光的反射与漫反射示意性光路图。
附图标号说明：
100、腔体；102、低反射镜；104、锥形反射组；106、第一开口；108、第二开口；110、锥形凸起；112、光陷阱。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
结合参考图1和图2，本发明提供一种光陷阱112，包括腔体100、低反射镜102以及锥形反射组104；腔体100的第一端设置有第一开口106，腔体100的第二端倾斜设置；低反射镜102位于腔体100的第二端并固定设置于腔体100内；锥形反射组104与低反射镜102位置相对地设置在腔体100内且锥形反射组104上与第一开口106相对应的位置处设置有第二开口108。
本发明提供的光陷阱112，通过在腔体100内设置斜向放置的低反射镜102，并在腔体100内与低反射镜102相对的位置处设置锥形反射组104，能够在不增加腔体100长度的前提下，通过低反射镜102的反射以及锥形反射组104的漫反射，有效增加了光程，减小了入射光的泄露，大幅度降低了漫射光逃逸的比例，提高了光陷阱112的入射光的吸收率。
具体来说，本发明实施例中的腔体100可以由金属材料制成或者由3D打印形成，只要能够保证腔体100的可制造性、密封性即可。此外，本发明实施例中的腔体100形状可以成圆筒形或立方体形。
以腔体100由3D打印制造、形状为圆筒形为例。
其中，腔体100的第一端设置有第一开口106，第一开口106的形状可以是圆孔或方孔；腔体100的第二端倾斜设置。换而言之，腔体100的第二端与第一端是不平行的。
在腔体100的第二端内部，固定连接有低反射镜102，需要说明的是，本发明实施例中与现有技术的区别点之一在于：使用的是低反射镜102。
相应的，为了提高入射光在腔体100内的漫反射，在腔体100内与低反射镜102对应的位置还设置有锥形反射组104。如图1所示，锥形反射组104与低反射镜102之间是间隔设置的。
优选地，锥形反射组104所在的平面是与腔体100的第一端所在的平面相互平行的。
此外，为了保证入射光能够透过锥形反射组104，在锥形反射组104上与第一开口106对应的位置处还开设有第二开口108。其中，第二开口108的形状可以是圆孔或方孔。
进一步地，第二开口108的直径等于第一开口106的直径。这样可以保证入射光能够顺利地入射到腔体100内，当入射光经过低反射镜102的反射以及锥形反射组104的漫反射后只有少量的光从第二开口108或第一开口106中溢出。
再进一步地，第一开口106和/或第二开口108的直径大于或等于5毫米。这样设置第一开口106和/或第二开口108的直径，能够进一步地防止光从第一开口106和/或第二开口108流失。
进一步地，请继续参考图1，锥形反射组104包括多个锥形凸起110，多个锥形凸起110的凸起方向朝向低反射镜102。
其中，每个锥形凸起110可以是圆锥形或者棱锥形，每个锥形凸起110的凸起方向均是朝向低反射镜102的。也就是说，当入射光依次通过第一开口106、第二开口108照射到低反射镜102上时，可以直接反射到锥形反射组104中的锥形凸起110上完成漫反射。
进一步地，每个锥形凸起110的高度与锥形凸起110的底边宽度的比值为5:1；每个锥形凸起110的底边宽度的取值范围为1毫米至3毫米。
当锥形凸起110的底边宽度的取值范围为1毫米至3毫米时，每个锥形凸起110的高度的取值范围为5毫米至15毫米。
通过将每个锥形凸起110的高度与锥形凸起110的底边宽度的比值设定为5:1，可以保证入射光能够在每个锥形凸起110上完成近似为理想的漫反射。
进一步地，腔体100的第二端的倾斜角度的取值范围为大于10°且小于20°。
如图1所示，腔体100的第二端的倾斜角度具体是指腔体100的第二端所在的平面与竖直平面之间的夹角，该夹角的取值范围为10°至20°之间。
进一步地，腔体100内部涂设有吸光涂料，也就是说，腔体100内部除镜面部分均应喷涂高吸收率的黑色涂料。
进一步地，低反射镜102的反射率小于5％。这样一来，由于低反射镜102的低反射率，能够保证低反射镜102反射的辐射能量占总辐射能量的百分比较低，进而增加了入射光的能量的损失，提高吸收。低反射镜102的反射为表面光洁的镜面反射。
进一步地，腔体100的长度小于或等于15厘米。
假定入射光的能量为1，经过低反射镜102的反射后，能量剩余不超过0.05，反射到锥形反射组104上，由于腔体100对入射光的吸收率约0.99，故残留在腔体100中的光的总能量为0.05×0.01＝0.0005；经过锥形反射组104的漫反射后，该部分比例一般为1％，考虑到这部分光还会经过至少一次低反射镜102的镜面反射的吸收，故直接泄露出的光能量为0.0005×0.05×0.01＝0.00000025。考虑到剩余腔体100内的光能量还会有一定比例的溢出，但需要经过多次的低反射镜102的反射，故该部分的泄露量可以约为0.000001，即吸收率可达0.999999。
由此，本发明实施例提供的光陷阱112能够有效地减小了入射光的泄露，大幅度降低了漫射光逃逸的比例，提高了光陷阱112的入射光的吸收率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光陷阱，其特征在于，包括腔体(100)、低反射镜(102)以及锥形反射组(104)；
所述腔体(100)的第一端设置有第一开口(106)，所述腔体(100)的第二端倾斜设置；
所述低反射镜(102)位于所述腔体(100)的第二端并固定设置于所述腔体(100)内；
所述锥形反射组(104)与所述低反射镜(102)位置相对地设置在所述腔体(100)内且所述锥形反射组(104)上与所述第一开口(106)相对应的位置处设置有第二开口(108)。
2.根据权利要求1所述的光陷阱，其特征在于，所述锥形反射组(104)包括多个锥形凸起(110)，多个所述锥形凸起(110)的凸起方向朝向所述低反射镜(102)。
3.根据权利要求2所述的光陷阱，其特征在于，每个所述锥形凸起(110)的高度与所述锥形凸起(110)的底边宽度的比值为5:1。
4.根据权利要求2所述的光陷阱，其特征在于，每个所述锥形凸起(110)的底边宽度的取值范围为1毫米至3毫米。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的光陷阱，其特征在于，所述腔体(100)的第二端的倾斜角度的取值范围为大于10°且小于20°。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的光陷阱，其特征在于，所述第二开口(108)的直径等于所述第一开口(106)的直径。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的光陷阱，其特征在于，所述腔体(100)内部涂设有吸光涂料。
8.根据权利要求1至4中任一项所述的光陷阱，其特征在于，所述低反射镜(102)的反射率小于5％。
9.根据权利要求1至4中任一项所述的光陷阱，其特征在于，所述腔体(100)的长度小于或等于15厘米。
10.根据权利要求1至4中任一项所述的光陷阱，其特征在于，所述第一开口(106)和/或所述第二开口(108)的直径大于或等于5毫米。
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