DE102009020799A1 - Fresnellinse - Google Patents

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DE200910020799
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Inventor
Hans-Martin Bitzer
Frank Dr. Kühnlenz
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Orafol Fresnel Optics GmbH
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Fresnel Optics GmbH
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    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B3/00Simple or compound lenses
    • G02B3/02Simple or compound lenses with non-spherical faces
    • G02B3/08Simple or compound lenses with non-spherical faces with discontinuous faces, e.g. Fresnel lens

Abstract

Die Erfindung betrifft Fresnellinsen, die bei vorgegebener Brennweite eine Fokussierung von Licht auf eine in einem Abstand zur Fresnellinse angeordnete Fläche ermöglichen. Aufgabe der Erfindung ist es, Lichtverluste durch Beugung von Lichtstrahlung in unerwünschte Richtung, die in Folge von Spitzenverrundung auftreten, zu reduzieren. Bei der erfindungsgemäßen Fresnellinse ist ebenfalls an einer Oberfläche eine optisch aktive Struktur mit ausgehend von der optischen Achse alternierend angeordneten ringförmigen optisch aktiven Wirkflanken und optisch inaktiven Störflanken ausgebildet. Dabei verkleinert sich mit steigendem Abstand von der optischen Achse die Länge der Wirkflanken in radial nach außen weisender Richtung unter Berücksichtigung der jeweiligen Brennweite der Fresnellinse sukzessive. Die Länge der Störflanken wird aber konstant gehalten. Dementsprechend verkleinert sich der Winkel α, mit dem die Wirkflanken in Bezug zur optischen Achse geneigt sind, allein durch die Verkürzung der Länge der Wirkflanken. Dadurch kann erreicht werden, dass der Abstand (pitch) von nebeneinander angeordneten Spitzen der optischen Struktur in der Nähe der optischen Achse der Fresnellinse deutlich größer gehalten werden kann, als bei herkömmlichen Fresnellinsen, was wiederum zur Folge hat, dass die Anzahl der Spitzen mit deren Spitzenverrundung und damit auch die zu Lichtverlusten führende Fläche einer Fresnellinse verringert werden kann.

Description

  • Die Erfindung betrifft Fresnellinsen, die bei vorgegebener Brennweite eine Fokussierung von Licht auf eine in einem Abstand zur Fresnellinse angeordnete Fläche ermöglichen. Dabei wird häufig auch der Abstand der Fresnellinse zu einer Fläche/Ebene, auf die die fokussierte Strahlung abgebildet wird, berücksichtigt, um eine möglichst homogene Intensitätsverteilung über die zu beleuchtende Fläche zu erreichen. Dies kann für eine Beleuchtung ausgenutzt werden. Es ist aber auch ein Einsatz in der Photovoltaik möglich. Dabei kann Sonnenlicht auf Solarzellen gerichtet und für die Gewinnung elektrischer Energie genutzt werden.
  • Bekanntermaßen weisen Fresnellinsen den Vorteil einer flachen Bauweise gegenüber konvexen optischen Linsen auf. Dies muss aber durch Verluste erkauft werden, da die für die Lichtbrechung nutzbare Fläche gegenüber konventionellen optischen Linsen kleiner ist.
  • Fresnellinsen weisen an einer Oberfläche eine optisch aktive Struktur auf. Dabei sind um die optische Achse einer Fresnellinse ringförmige Wirkflanken und Störflanken ausgebildet, die in einem Winkel zueinander ausgereichtet sind, mit dem die Brennweite bestimmt ist. Für die Lichtbrechung werden in der Regel nur die Flächenbereiche der Wirkflanken genutzt und auf Störflanken auftreffende Strahlung wird in nicht gewünschte Richtungen gebrochen, ist daher für eine Nutzung verloren.
  • Durch die Keilform von Wirk- und Störflanken sind Spitzen vorhanden, an denen jeweils eine Wirkflanke in eine Störflanke übergeht. Herstellungsbedingt tritt an Spitzen eine Verrundung auf, durch die ebenfalls in diesem Bereich Lichtverluste auftreten, da dort die Lichtbrechung nicht in der gewünschten Richtung erreichbar ist.
  • Üblicherweise sind Fresnellinsen so ausgebildet, dass bei der jeweiligen vorgegebenen Brennweite der Abstand der Spitzen (pitch) senkrecht zur optischen Achse der Fresnellinse konstant gehalten wird. Dadurch ergibt es sich, dass mit ansteigendem Abstand von der optischen Achse die Länge von Störflanken größer wird. Dies hat zur Folge, dass die Täler der keilförmigen Struktur in die radial nach außen gerichtete Richtung tiefer werden und sich der Winkel α, mit dem die Wirkflanken in Bezug zur optischen Achse geneigt sind, in diese Richtung verkleinert. Störflanken sind dabei üblicherweise nahezu parallel zur optischen Achse ausgerichtet, um die Lichtverluste klein zu halten aber auch eine Entformung bei der Herstellung zu ermöglichen.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, Lichtverluste durch Beugung von Lichtstrahlung in unerwünschte Richtung, die in Folge von Spitzenverrundung auftreten, zu reduzieren.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Fresnellinse, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung, können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen erreicht werden.
  • Bei der erfindungsgemäßen Fresnellinse ist ebenfalls an einer Oberfläche eine optisch aktive Struktur mit ausgehend von der optischen Achse alternierend angeordneten ringförmigen optisch aktiven Wirkflanken und optisch inaktiven Störflanken ausgebildet. Dabei verkleinert sich mit steigendem Abstand von der optischen Achse die Länge der Wirkflanken in radial nach außen weisender Richtung unter Berücksichtigung der jeweiligen Brennweite der Fresnellinse sukzessive. Die Länge der Störflanken wird aber konstant gehalten. Dementsprechend verkleinert sich der Winkel α mit dem die Wirkflanken in Bezug zur optischen Achse geneigt sind, allein durch die Verkürzung der Länge der Wirkflanken.
  • Dadurch kann erreicht werden, dass der Abstand (pitch) von nebeneinander angeordneten Spitzen der optischen Struktur in der Nähe der optischen Achse der Fresnellinse deutlich größer gehalten werden kann, als bei herkömmlichen Fresnellinsen, was wiederum zur Folge hat, dass die Anzahl der Spitzen mit deren Spitzenverrundung und damit auch die zu Lichtverlusten führende Fläche einer Fresnellinse verringert werden kann.
  • Da sich aber die Länge der Wirkflanken mit steigendem Abstand von der optischen Achse sukzessive verringert, wird ab einem brennweitenabhängigen Abstand ein Zustand erreicht, dass der jeweilige Abstand von nebeneinander angeordneten Spitzen gleich groß und dann weiter radial nach außen gerichtet sogar kleiner, als bei herkömmlichen Fresnellinsen wird.
  • Ab einer bestimmten Größe der Fläche von Fresnellinsen kann es daher erforderlich sein, mit einer entsprechenden Optimierung eine Fresnellinse zur Verfügung zu stellen, bei der ein Bereich A vorhanden ist, bei dem sich in radial nach außen gerichteter Richtung die Länge der Wirkflanken sukzessive verkleinert und die Länge von Störflanken konstant gehalten ist, an den sich dann ein Bereich B anschließt, bei dem sich mit wachsendem Abstand zur optischen Achse die Länge von Störflanken sukzessive vergrößert und dadurch der Neigungswinkel αvon Wirkflanken in Bezug zur optischen Achse O entsprechend verkleinert sowie der Abstand der zwischen jeweils einer Wirkflanke und einer Störflanke vorhandenen Spitze zwischen nebeneinander angeordneten Spitzen dort konstant ist.
  • Die Grenze zwischen dem Bereich A und dem Bereich B sollte in einem Abstand zur optischen Achse angeordnet sein, bei dem der Abstand der zwischen jeweils einer Wirkflanke und einer Störflanke vorhandenen Spitze in Folge der Verkürzung der Länge von Wirkflanken im Bereich A gleich groß, wie der Abstand zwischen nebeneinander angeordneten Spitzen im Bereich B geworden ist.
  • Dadurch ist es möglich die nutzbare Lichtstrahlung auch bei größeren Fresnellinsen zu erhöhen.
  • Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
  • Dabei zeigen:
  • 1 eine bei einer erfindungsgemäßen Fresnellinse einsetzbare optisch aktive Struktur;
  • 2 eine bei einer herkömmlichen und in einem Bereich B einer erfindungsgemäßen Fresnellinse einsetzbare optisch aktive Struktur;
  • 3 eine zwei Bereiche A und B, mit unterschiedlicher optisch aktiver Struktur, aufweisende Fresnellinse;
  • 4 eine mit einer Wirk- und einer Störflanke gebildete Struktur und
  • 5 ein Diagramm der Verluste an auf eine Fläche fokussierter Lichtstrahlung in Bezug zum Abstand zur optischen Achse, für eine herkömmlich und für eine erfindungsgemäß ausgebildete Fresnellinse mit jeweils gleicher Brennweite.
  • Mit 1 soll eine optisch aktive Struktur einer erfindungsgemäßen Fresnellinse gezeigt werden, die zumindest in einem Bereich A, ausgehend von der optischen Achse O einer Fresnellinse ausgebildet ist.
  • Dabei wird deutlich, dass die am nächsten zur optischen Achse O angeordnete Wirkflanke 1 die größte Länge aufweist. Mit wachsendem Abstand zur optischen Achse, was mit dem Pfeil verdeutlicht ist, wird die Länge der Wirkflanken 1 sukzessive kleiner. Die jeweilige Kürzung der Länge von Wirkflanken wird durch die Brennweite bestimmt. Die Länge der Störflanken 2 ist dabei konstant. Sie sind in Bezug zur optischen Achse O auch im gleichen Winkel, bevorzugt nahezu parallel zur optischen Achse ausgerichtet.
  • In Gegenüberstellung dazu ist in 2 eine herkömmlich ausgebildete Fresnelstruktur gezeigt. Bei dieser sind die Längen der Störflanken 2 in der Nähe der optischen Achse O kleiner und vergrößern sich mit steigendem Abstand zur optischen Achse O sukzessive. Die Täler zwischen den Spitzen 3 von nebeneinander angeordneten Wirkflanken 1 und Störflanken 2 werden dabei radial nach außen tiefer. Die Spitzen 3 haben dabei konstante Abstände zueinander.
  • In nichtdargestellter Form ist die nicht mit einer Struktur versehene Oberfläche an der gegenüberliegenden Seite der Fresnellinse als planare Fläche, die senkrecht zur optischen Achse O ausgerichtet ist, ausgebildet.
  • In 3 ist eine Fresnellinse dargestellt, die gemäß den Ansprüchen 2 und 3 ausgebildet ist. Dabei würde die in 1 gezeigte optisch aktive Struktur in einem kreisförmigen Bereich A unmittelbar um die optische Achse O ausgebildet sein, an den sich radial nach außen ein kreisringförmiger Bereich B anschließt, an dem eine optisch aktive Struktur ausgebildet ist, wie sie in 2 gezeigt ist.
  • In 4 ist eine Wirkflanke 1 und eine Störflanke 2 gezeigt, die sich in einer Spitze 3 treffen. Außerdem sind die Achsrichtung der optischen Achse O und der Neigungswinkel α mit angegeben. Der Neigungswinkel α mit dem die Wirkflanke 1 in Bezug zur optischen Achse O ausgerichtet ist, verkleinert sich bei einer erfindungsgemäßen Fresnellinse durch die Verkürzung der Länge der Wirkflanken 1, zumindest jedoch in einem Bereich A, sukzessive. Dadurch wird der Abstand von Spitzen 3, die jeweils nebeneinander angeordnet sind, in radial nach außen gerichteter Richtung sukzessive kleiner. Im Bereich, der nah um die optische Achse O angeordnet ist, sind die Abstande von nebeneinander angeordneten Spitzen 3 bei der Erfindung aber größer, als bei herkömmlichen Fresnellinsen, wodurch die Gesamtanzahl an Spitzen 3 und Rillen einer Fresnellstruktur verkleinert werden kann.
  • Bei Annahme einer Spitzenverrundung von 10 μm, was ein realer Wert sein dürfte, wurden Berechnungen durchgeführt, mit denen nachgewiesen werden kann, dass die durch die Verrundung der Spitzen 3 auftretenden Lichtverluste um ca. 1 reduziert werden konnten. Dies ist bei einem Einsatz in der Photovoltaik ein bemerkenswerter Fortschritt.
  • Mit dem in 5 gezeigten Diagramm, kann in Gegenüberstellung für eine erfindungsgemäße Fresnellinse (untere Kennlinie – punktiert) und eine herkömmliche Fresnellinse (obere Kennlinie – durchgezogen), der jeweilige Intensitätsverlust an eigentlich nutzbarer Lichtstrahlung, in Abhängigkeit des Abstandes zur optischen Achse O, erkannt werden. Dabei wird deutlich, dass weiter entfernt von der optischen Achse O auftreffende Lichtstrahlung in beiden Fällen mit kleinerer Intensität auf eine Fläche fokussiert wird. Die Verluste bei einer herkömmlichen Fresnellinse aber bei dem untersuchten Beispiel bis zu einem Abstand von mindestens 40 mm zur optischen Achse aber größer, als bei der Erfindung sind.
  • Im Diagram wird aber nicht deutlich, dass bei Fres nellinsen mit einem noch größeren Außendurchmesser bzw. größerer Fläche, sich dieser Effekt umkehrt und dann mit größer werdendem Abstand zur optischen Achse O die auftretenden Lichtverluste einer herkömmlichen Fresnelstruktur kleiner, als bei einer erfindungsgemäßen werden, da bei dieser die Abstände kleiner und damit die Anzahl an Spitzen 3 radial nach außen größer werden.

Claims (3)

  1. Fresnellinse, bei der an einer Oberfläche eine optisch aktive Struktur mit ausgehend von der optischen Achse alternierend angeordneten ringförmigen optisch aktiven Wirkflanken und optisch inaktiven Störflanken ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass sich mit steigendem Abstand von der optischen Achse die Länge der Wirkflanken (1) in sich radial nach außen weisender Richtung unter Berücksichtigung der jeweiligen Brennweite der Fresnellinse sukzessive verkleinert und die Länge der Störflanken (2) konstant gehalten ist.
  2. Fresnellinse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Länge der Wirkflanken (1) in einem Bereich (A) um die optische Achse (O) verkleinert, an den sich radial nach außen ein Bereich (B) anschließt, bei dem sich mit wachsendem Abstand zur optischen Achse die Länge von Störflanken (2) sukzessive vergrößert und damit der Abstand der zwischen jeweils einer Wirkflanke (1) und einer Störflanke (2) vorhandenen Spitze (3) zwischen nebeneinander angeordneten Spitzen (3) konstant ist.
  3. Fresnellinse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Grenze zwischen dem Bereich (A) und dem Bereich (B) in einem Abstand zur optischen Achse (O) angeordnet ist, bei dem der Abstand der zwischen jeweils einer Wirkflanke (1) und einer Störflanke (2) vorhandenen Spitze (3) in Folge der Verkürzung der Länge von Wirkflanken (1) im Bereich (A) gleich groß, wie der Abstand zwischen nebeneinander angeordneten Spitzen (3) im Bereich (B) geworden ist.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102012211748A1 (de) * 2012-07-05 2013-10-31 Osram Gmbh Optisches kollimationssystem

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US4307711A (en) * 1980-02-25 1981-12-29 Doundoulakis George J Sun tracking solar energy collector system

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