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Die Erfindung betrifft eine Oberflächenstruktur sowie eine Fresnel-Linse, die mindestens eine derartige Oberflächenstruktur aufweist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Werkzeug zur Herstellung einer Oberflächenstruktur und ein Verfahren zur Herstellung einer Oberflächenstruktur oder Fresnel-Linse. Darüber hinaus betrifft die Erfindung die Verwendung einer Fresnel-Linse.
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Gewöhnliche Linsen mit großem Linsendurchmesser und kurzer Brennweite sind sehr dick und schwer zu fertigen. Um dieses Problem zu umgehen, werden daher vielfach Fresnel-Linsen eingesetzt. Dabei wird die Linsenoberfläche in kleine Prismen unterteilt, die nebeneinander in einer Ebene angeordnet werden. So entsteht eine im Wesentlichen flache Linse, wie sie im Alltag bei Overhead-Projektoren oder als Streulinse an Heckscheiben von Autos zu finden sind.
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In der konzentrierenden Photovoltaik werden Fresnel-Linsen eingesetzt, um Solarstrahlung auf kleine Solarzellen zu konzentrieren. Dabei ist es nicht das Ziel, ein möglichst sauberes Bild der Sonne zu erzeugen (abbildende Optik), sondern lediglich möglichst viel Licht auf die Solarzelle zu konzentrieren (nichtabbildende Optik). In manchen Anwendungen und konkreten Systemen wird auch angestrebt, ein möglichst homogenes Profil der Bestrahlungsstärke im Brennfleck zu erreichen.
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Durch die geringe Größe der Solarzellen, auf die das Licht in der hochkonzentrierenden Photovoltaik konzentriert wird, werden hohe Ansprüche an die Präzision der Fresnel-Linsen gestellt. Gleichzeitig sind die Fresnel-Linsen Einflüssen der Umgebungstemperatur ausgesetzt. In vielen Wüstengebieten sind Temperaturen deutlich unter 0°C im Winter keine Seltenheit, im Sommer übersteigen die Mittagstemperaturen dagegen leicht 40°C. Durch die temperaturbedingte Expansion der in der Linse verwendeten Materialien ändert sich zum Einen der Brechungsindex dieser Materialien, zum Anderen verformt sich die Linse. Die Einflüsse der Temperatur führen somit dazu, dass eine Fresnel-Linse ihre Funktion als Konzentrator abhängig von ihrer Temperatur, und damit mittelbar abhängig von der Umgebungstemperatur, der Einstrahlung und anderen meteorologischen Parametern, wie z. B. Windstärke und -richtung, unterschiedlich gut erfüllt.
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Der Linsengeometrie liegen Annahmen über den Brechungsindex des Linsenmaterials zugrunde. Weil der Brechungsindex temperaturabhängig ist, wird die Fresnel-Linse damit auf eine bestimmte Temperatur optimiert, z. B. der mittleren Temperatur im Betrieb. Abweichungen von dieser Temperatur führen dazu, dass die Fresnel-Linse ihren Zweck wegen der damit verbundenen Brechungsindexänderung weniger gut erfüllt.
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In der Regel ist die im Herstellprozess der Fresnel-Linse verwendete Urform so gestaltet, dass sie der gewünschten Linsenstruktur im laufenden Betrieb entspricht. Damit steigt der negative Einfluss von temperaturbedingten Deformationen auf die Funktion mit der Temperaturdifferenz zwischen Betriebstemperatur und Herstellungstemperatur an. Die Produktionstemperatur liegt in der Regel jedoch deutlich unter (z. B. Raumtemperatur) oder über (z. B. thermoplastische Abformung) den typischen Temperaturen, die im Betrieb auftreten.
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Zusätzlich können beim Herstellungsprozess der Fresnel-Linsen zusätzliche Verformungen auftreten, z. B. durch Volumenschrumpf. Die produzierten Fresnel-Linsen sind damit kein getreues Abbild des Werkzeugs mehr und bieten keine optimale Funktionalität.
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In der konzentrierenden Photovoltaik werden derzeit zwei Materialkombinationen bevorzugt eingesetzt:
Fresnel-Linsen aus Polymethylmethacrylat (PMMA), ausgeführt als massive Linsenplatte, oder Fresnel-Linsen aus Silikon, die auf einer Glasplatte aufgebracht werden. Eine Fresnel-Linse aus PMMA ohne innere Spannungen dehnt sich isotrop aus, d. h. bei Temperaturänderungen im Betrieb ändert sich ihre Größe, nicht jedoch die Proportionen. Dieser Idealfall tritt in der Realität jedoch selten auf, so dass sich auch diese Linsen durch innere Spannungen oder inhomogene Temperaturverteilungen verformen.
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In der
DE 29 20 630 A1 sowie in der
US 3,982,822 sind Fresnel-Linsen beschrieben, die aus zwei Materialien mit unterschiedlichen Expansionskoeffizienten gefertigt sind. Bei diesen Fresnel-Linsen wurde die thermische Expansion nach bisherigem Stand der Technik in der Produktion nur unter dem Gesichtspunkt der Haltbarkeit berücksichtigt (siehe z. B.
US 3,982,822 ). Die thermische Expansion wurde aus optischer Sicht bisher als unproblematisch eingestuft (siehe
DE 29 20 630 A1 und
US 3,982,822 ).
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Es hat sich jedoch herausgestellt, dass thermische Effekte die optischen Eigenschaften der Fresnel-Linsen merklich beeinflussen. Durch die geringe thermische Expansion von Glas spielt die großflächige Formänderung nur eine untergeordnete Rolle. Der deutlich größere thermische Expansionskoeffizient von Silikon führt jedoch dazu, dass sich die im Vergleich zu Glas deutlich elastischere Silikonstruktur verformt. Diese Verformung findet auf der Größenskala einzelner Fresnel-Prismen bzw. -Facetten statt. Dabei verformen sich beispielsweise ursprünglich gerade geformte Prismenflanken. Analoge Effekte bzw. Verformungen sind dabei bei allen Systemen zu erwarten, bei denen sich die thermische Ausdehnung eines Substratmaterials von der eines Linsenmaterials unterscheidet.
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Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen und eine Oberflächenstruktur sowie eine Fresnel-Linse bereitzustellen, die vereinfacht zu fertigen sind und dennoch sehr gute optische Eigenschaften aufweisen.
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Diese Aufgabe wird durch die Oberflächenstruktur mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Anspruch 9 betrifft eine Fresnel-Linse. Anspruch 18 betrifft ein Werkzeug zur Herstellung einer Oberflächenstruktur, Anspruch 20 ein Verfahren zur Herstellung einer Oberflächenstruktur oder Fresnel-Linse und Anspruch 21 die Verwendung einer Fresnel-Linse. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen enthalten.
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Erfindungsgemäß wird eine Oberflächenstruktur mit mindestens einer durch eine Wirkflanke und eine Störflanke gebildeten Facette bereitgestellt, wobei die Wirkflanke mindestens zwei Segmente mit gleicher oder verschiedener Länge aufweist. Die Segmente weisen erfindungsgemäße zumindest bereichsweise ein identisches Oberflächenprofil auf und die Segmente sind so angeordnet, dass mindestens ein Segment zumindest bereichsweise durch eine Drehung um einen Winkel größer 0° und kleiner 10° und eine Verschiebung in ein benachbartes Segment überführbar ist.
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Die Segmente weisen zumindest bereichsweise ein identisches Oberflächenprofil auf, da zumindest ein Abschnitt eines Segments in zumindest einen Abschnitt eines weiteren Segments überführt werden kann. Somit ist die Wirkflanke, wenn sie nach einem Vertikalschnitt durch die Facette betrachtet wird, in Segmente unterteilbar und die Segmente sind darüber hinaus in Abschnitte unterteilbar. Diese Abschnitte sind nicht physikalisch sichtbar, da es z. B. bei einem geraden Segment keine physikalische Unterteilung der Länge in Abschnitte gibt.
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Die Drehung um den vorgesehenen Winkel kann sowohl in positive als auch in negative Drehrichtung erfolgen.
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Die Drehachse liegt dabei vorzugsweise parallel zu den Kanten zwischen den einzelnen Segmenten und/oder parallel zu der Kante zwischen der Wirk- und der Störflanke. Vorzugsweise stimmt die Drehachse mit einer der Kanten zwischen den einzelnen Segmenten und/oder der Kante zwischen der Wirkflanke und Störflanke überein.
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Bei gekrümmten Kanten, z. B. in Punkt-fokussierenden Fresnel-Linsen, entspricht die Drehachse vorzugsweise einer Tangente, die an die Kante angelegt wird. Die Drehachse steht damit vorzugsweise senkrecht auf der Ebene, durch die das Oberflächenprofil bestimmt wird.
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Die Untergrenze für den Winkel kann 0,1 Bogensekunden, bevorzugt 1 Bogensekunde betragen. Folglich umfasst die erfindungsgemäße Oberflächenstruktur auch Wirkflanken, die beispielsweise 100 Segmente aufweisen. Vorzugsweise liegt die Änderung des Winkels zwischen zwei Segmenten in der Größenordnung von 10 Bogensekunden bis 1° und ist bei Oberflächenstrukturen mit mehr als zwei Segmenten oder mehreren Facetten nicht für alle benachbarten Segmente gleich.
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Die Verschiebung erfolgt vorzugsweise in der Ebene senkrecht zu der Kante bzw. den Kanten zwischen den einzelnen Segmenten und/oder der Kante zwischen der Wirkflanke und der Störflanke.
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Unter Oberflächenprofilen wird dabei vorzugsweise die Kontur verstanden, die ein Segment im Querschnitt senkrecht durch eine Facette bildet. Das Profil längs der Oberflächenstruktur, also parallel zu den Kanten zwischen den Segmenten und/oder parallel zu der Kante zwischen der Wirkflanke und der Störflanke, ist damit nicht festgelegt.
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Unter Segmenten werden hier einzelne Abschnitte verstanden, aus denen die Wirkflanke der Oberflächenstruktur zusammengesetzt ist. An der Stelle, an der zwei Segmente aneinandergrenzen, entsteht in der Regel eine Kante, die im Gegensatz zur Kante zwischen der Wirkflanke und der Störflanke meist einen sehr stumpfen Winkel aufweist.
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Dies ermöglicht beispielsweise auch eine erleichterte Fertigung der Oberflächenstruktur, bei der beispielweise ein stempelartig ausgebildetes Werkzeug zur Formung der Oberflächenstruktur eingesetzt wird.
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Die Flanke eines Fresnel-Prismas, an der das Licht gebrochen wird, wird als Wirkflanke bezeichnet. Die optisch ungenutzte Flanke wird als Störflanke bezeichnet. Bei Fresnel-Prismen, bei denen die lichtlenkende Wirkung mit Hilfe der Totalreflexion an einer Flanke erzielt wird (TIR-Fresnel-Prismen), wird die Flanke, an der die Totalreflexion erfolgt, als Wirkflanke bezeichnet, die andere Flanke der Facette wird als Störflanke bezeichnet. Bei Werkzeugen zur Herstellung von Fresnel-Linsen werden die Flanken jeweils analog zu der von ihr abgeformten Struktur bezeichnet. Bei Oberflächenstrukturen, die keine optische Funktion besitzen und nicht als Werkzeug für deren Herstellung dienen, wird die längere Flanke der Oberfläche als Wirkflanke bezeichnet.
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Die Oberflächenstruktur kann derart ausgebildet sein, dass ein im Profil der Facette durch die Endpunkte der Störflanke und der Wirkflanke aufgespanntes Dreieck einen Innenwinkel von weniger als 100° am gemeinsamen Endpunkt der Störflanke und der Wirkflanke besitzt.
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Weiterhin kann die Oberflächenstruktur so ausgebildet sein, dass die geraden Verbindungen des Berührpunktes der Störflanke und der Wirkflanke mit den Enden jeweils der Störflanke und der Wirkflanke einen Winkel von weniger als 100° einschließen.
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Bevorzugt sind die Segmente gerade, konkav oder konvex.
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Weiterhin können die Segmente der Oberflächenstruktur so angeordnet sein, dass eine vorbestimmte thermische Verformung kompensiert wird.
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Mit Hilfe von Computersimulationen kann nach der Finite-Elemente-Methode (FEM) berechnet werden, wie sich die Geometrie eines Fresnel-Prismas bzw. einer Fresnel-Facette und auch der Oberflächenstruktur aufgrund von thermischer Expansion der verwendeten Materialien bei Temperaturänderung verändert. Mit diesen Simulationen lässt sich auch ermitteln, wie die Oberflächenstruktur geformt sein muss, damit sie nach einer bekannten, bestimmten Temperaturänderung die gewünschte Form besitzt.
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Darüber hinaus können auch ohne Berücksichtigung von temperatur- oder herstellungsbedingten Verformungen schwierig zu fertigende Oberflächenstrukturen, wie z. B. Fresnel-Linsen mit sphärischen Wirkflanken, durch eine wesentlich einfacher zu fertigende erfindungsgemäße Oberflächenstruktur ersetzt werden.
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Die Segmente der Oberflächenstruktur können dabei mit zumeist unterschiedlichen Drehwinkeln in die jeweils benachbarten Segmente überführt werden, wobei die Segmentlänge variieren kann. Auch Oberflächenstrukturen, bei denen die Segmente mit teilweise gleichen und/oder sich periodisch wiederholenden Drehwinkeln in die jeweils benachbarten Segmente überführt werden können, sind möglich.
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Bevorzugt ist die Wirkflanke konkav oder konvex. Weiterhin kann die Wirkflanke auch im Wesentlichen konkav, im Wesentlichen konvex sowie im Wesentlichen eben bzw. planar sein.
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Die Höhe der mindestens einen Facette in der Oberflächenstruktur beträgt vorzugsweise zwischen 50 μm und 3 mm.
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Das Material der Oberflächenstruktur enthält bevorzugt Silikon, Polymethylmethacrylat, Acrylglas, organische Gläser, für Licht transparente Kunststoffe, insbesondere Ionomere, Polyvinylbutyral, Ethylenvinylacetat, Polyurethan; Glas, Silber, Aluminium, Kupfer, Nickel, Nickellegierungen und/oder Messing oder besteht daraus.
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Weiterhin ist eine Fresnel-Linse, die mindestens eine erfindungsgemäße Oberflächenstruktur aufweist, erfindungsgemäß.
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Bevorzugt kann diese Fresnel-Linse zusätzlich mindestens eine Oberflächenstruktur mit sphärischen Wirkflanken aufweisen.
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Die Wirkung der segmentierten Wirkflanken besteht darin, dass sich die Fresnel-Linse durch thermische Ausdehnung bzw. Kontraktion so verformt, dass diese bei der mittleren Betriebstemperatur ihre gewünschte Form erhält bzw. sich dieser annähert, obwohl die mittlere Betriebstemperatur nicht der Temperatur während der Produktion entspricht.
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Als Vorteil wird erreicht, dass die Temperatur, bei der eine Fresnel-Linse ihre beste optimale Funktion aufweist, weitgehend unabhängig von der Temperatur, bei der die Fresnel-Linse hergestellt wird, gewählt werden kann. Insbesondere kann eine Herstelltemperatur gewählt werden, die aus Gründen der Prozessführung als vorteilhaft angesehen wird, auch wenn diese nicht der mittleren Betriebstemperatur entspricht. Dadurch werden im Betrieb Abweichungen von der Temperatur minimiert, bei der diese Linse optimal funktioniert, und die Funktion der Linse deutlich verbessert.
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Das Zusammensetzen der Wirkflanken aus einzelnen, gleichartigen Segmenten ermöglicht die Produktion von Einzellinsen oder Prägewerkzeugen mit heutigen Ultrapräzisions-Drehmaschinen (Diamantschneiden) auch für große Linsendurchmesser.
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Die erfindungsgemäß vorgesehene segmentierte Wirkflankenform kann neben der Anpassung auf thermische Verformungen auch verwendet werden, um anderweitige Verformungen auszugleichen. Bei einkomponentigen Fresnel-Linsen, z. B. aus Polymethylmethacrylat (PMMA), kann es durch Volumenschrumpf während der Herstellung zu Verformungen der Wirkflanken kommen, deren Auswirkungen sich ebenfalls durch eine segmentweise angepasste Wirkflankenform reduzieren lassen.
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Weiterhin ist es möglich, eine beliebige Wirkflankenform durch eine erfindungsgemäß segmentierte Wirkflankenform anzunähern. Insbesondere ermöglicht dies ein Annähern von Geometrien, die andernfalls nur schwierig herstellbar wären.
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Die Fresnel-Linse kann weiterhin mindestens zwei Oberflächenstrukturen aufweisen, die konzentrisch angeordnet sind. Folglich kann beispielsweise eine Punkt-fokussierende Fresnel-Linse erhalten werden, die sowohl sphärische bzw. Freiform-Wirkflanken als auch erfindungsgemäß segmentierte Wirkflanken aufweist.
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Weiterhin kann die Fresnel-Linse mindestens zwei Oberflächenstrukturen aufweisen, die linear und parallel nebeneinander angeordnet sind. Somit kann eine lineare Linien-fokussierende Fresnel-Linse erhalten werden, wobei diese sowohl erfindungsgemäße Oberflächenstrukturen mit segmentierter Wirkflanke sowie auch sphärische bzw. Freiform-Wirkflanken aufweisen kann.
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Weiterhin kann die Fresnel-Linse auf einem Träger, enthaltend oder bestehend aus Glas, Polymethylmethacrylat, Acrylglas, organischen Gläsern, für Licht transparenten Kunststoffen, insbesondere Ionomeren, Polyvinylbutyral, Ethylenvinylacetat und/oder Polyurethan, aufgebracht sein.
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Dabei kann der Träger für die Fresnel-Linse eine runde, ovale, quadratische, rechteckige oder hexagonale Form aufweisen. Diese ist in Abhängigkeit vom Einsatzbereich entsprechend auswählbar. Weiterhin kann die Fresnel-Linse mindestens zwei Materialien mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen. Somit kann beispielsweise ein Träger aus besonders stabilem Material mit einer Oberflächenstruktur aus einfach formbarem Material realisiert werden.
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Weiterhin kann die Fresnel-Linse eine Sammellinse oder eine Zerstreuungslinse sein. Darüber hinaus kann sie eine Punkt-fokussierende oder eine Linien-fokussierende Fresnel-Linse sein.
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Weiterhin sind auch Anordnungen mehrerer erfindungsgemäßer Fresnel-Linsen möglich. Diese können sich bevorzugt auf einem gemeinsamen Träger befinden.
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Erfindungsgemäß ist ein Werkzeug zur Herstellung einer zuvor beschriebenen Oberflächenstruktur, wobei das Werkzeug eine Negativstruktur mindestens einer Facette, mindestens einer Wirkflanke oder mindestens eines Segments aufweist.
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Dies umfasst insbesondere auch Werkzeuge zur Herstellung erfindungsgemäßer Fresnel-Linsen. Auch Werkzeuge, die die Negativstruktur der Oberflächenstruktur nur von Teilen einzelner Fresnel-Linsen oder auch mehrerer vollständiger Fresnel-Linsen enthalten, sind erfindungsgemäß.
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Die Werkzeuge für die Herstellung der Fresnel-Linsen werden in der Regel mit Diamanten geschnitten (mikromechanische Herstellung einer Urform für die Fresnel-Linsen oder Fresnel-Linsen-Werkzeug). Es ist jedoch technisch sehr aufwändig, Linsenwerkzeuge mit einer Freiformgeometrie herzustellen. Freiformen sind mit diesem Verfahren zwar herstellbar, aber deutlich schwieriger herzustellen als Werkzeugformen, die abschnittsweise mit der Kante eines Diamanten geschnitten werden können. So gefertigte Urformen für Fresnel-Linsen weisen in der Regel gerade Wirk- und Störflanken auf, da die verwendeten Schneidekanten des Diamanten in der Regel gerade sind. Optisch interessant ist vor allem die Verformung der Wirkflanke.
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Die Störflanke besitzt für die Linse keine nützliche optische Funktion, sie wird in der Regel so steil wie möglich gewählt, um die optischen Verluste gering zu halten. Limitierend ist dabei die Entformung der Linse aus dem Werkzeug. Da Deformationen der Störflanke keinen Einfluss auf die optische Funktion der Fresnel-Linse haben, kann die Formoptimierung auch unter der Randbedingung durchgeführt werden, dass die optisch nicht relevanten Störflanken in der resultierenden Werkzeugform gerade sind oder eine andere für die Produktion günstige Form aufweisen. Dies behebt jedoch nicht die Schwierigkeit, die Wirkflanke als Freiformgeometrie schneiden zu müssen.
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Zur Vereinfachung der Werkzeugherstellung wird daher vorgeschlagen, die optimale Wirkflankengeometrie des Werkzeugs mit mehreren geraden oder einheitlich gekrümmten Segmenten anzunähern (siehe 3a). Thermische Verformungen führen bei einer mit einem solchen Werkzeug produzierten Fresnel-Linse dazu, dass sich Form der Wirkflanken bei einer von der Herstellungstemperatur abweichenden Temperatur einer bestimmten, gewünschten Geometrie annähert, diese aber nicht exakt wiedergibt. Bereits in den Computerrechnungen zur Formoptimierung kann berücksichtigt werden, dass die Wirkflanken in der resultierenden Werkzeugform aus mehreren geraden oder einheitlich gekrümmten Segmenten bestehen sollen.
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Dabei kann ein Werkzeug mit einer durch Computersimulationen (z. B. FEM) ermittelten Form geschnitten werden, so dass beispielsweise eine Fresnel-Linse produzierbar ist, die bei einer Temperatur, die nicht der Herstellungstemperatur entspricht, eine bestimmte gewünschte Form besitzt.
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Weiterhin kann das Werkzeug aus aushärtbaren Kunststoffen, fluorierten Kohlenwasserstoffen, Ethylen-Tetrafluorethylen (ETFE), Polytetrafluorethylen (PTFE), Kunststoffen, die gegebenenfalls steif sind, Polymethylmethacrylat (PMMA), Aluminium, Kupfer, Nickel, Nickellegierungen, Messing bestehen oder dieses enthalten.
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Erfindungsgemäß ist auch ein Verfahren zur Herstellung einer zuvor beschriebenen Oberflächenstruktur oder Fresnel-Linse, wobei durch eine Simulationsberechnung für vorgegebene Temperaturänderungen die thermische Verformung der Oberflächenstruktur bestimmt wird, das für den beim Einsatz auftretenden Temperaturbereich angestrebte Oberflächenprofil der Wirkflanke bestimmt wird und die Anordnung der Segmente in der Form erfolgt, dass die simulierte thermische Verformung berücksichtigt wird.
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Auf diese Weise können Oberflächenstrukturen sowie Linsen sowohl einfach als auch kostengünstig hergestellt werden. Weiterhin weisen derart hergestellte Oberflächenstrukturen sowie Fresnel-Linsen die Fähigkeit auf, möglichst viel Licht auf Solarzellen zu konzentrieren, sofern sie als Konzentratorlinse eingesetzt werden.
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Die Herstellung kann beispielsweise durch Prägen, Gießen oder Spritzgießen erfolgen, wobei sich der flüssige oder weiche Werkstoff zumindest teilweise im Kontakt mit dem Werkzeug befindet und sich der Werkstoff bzw. das eingesetzte Material zumindest teilweise verfestigt, wobei die Temperatur während der Herstellung der Oberflächenstruktur oder Fresnel-Linse (= Fertigungstemperatur) nicht der Temperatur während der Verwendung der Oberflächenstruktur (= Betriebstemperatur) entspricht.
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Weiterhin ist die Verwendung mindestens einer erfindungsgemäßen Fresnel-Linse in einem Konzentrator-Photovoltaik-Modul erfindungsgemäß.
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Es ist einerseits die Verwendung einer einzelnen erfindungsgemäßen Fresnel-Linse in einem Konzentrator-Photovoltaik-Modul möglich. Andererseits sind aber auch Anordnungen mehrerer erfindungsgemäßer Fresnel-Linsen in einem Konzentrator-Photovoltaik-Modul möglich. Diese können sich bevorzugt auf einem gemeinsamen Träger befinden.
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Anhand der nachfolgenden 1 bis 5 sowie den Beispielen 1 bis 3 soll der anmeldungsgemäße Gegenstand näher erläutert werden, ohne diesen auf diese Varianten einzuschränken.
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1 zeigt eine schematische Darstellung der thermischen Deformation einer Fresnel-Linsenstruktur.
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2 zeigt den schematischen Aufbau einer Fresnel-Linsenstruktur.
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3a bis 3d zeigen verschiedene Oberflächenstrukturen, die auf einem Träger angeordnet sind.
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4a zeigt eine Punkt-fokussierende Linse.
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4b zeigt eine Linien-fokussierende Linse.
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4c zeigt eine Oberflächenstruktur mit segmentierten Wirkflanken.
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5a zeigt eine Punkt-fokussierende Linse.
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5b zeigt asphärisch geschnittene Wirkflanken.
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5c zeigt erfindungsgemäß segmentierte Wirkflanken.
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5d zeigt gerade Wirkflanken.
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1 zeigt eine Oberflächenstruktur 1, die auf einem Träger 4 angeordnet ist. Hier ist die schematische Darstellung der thermischen Deformation einer Fresnel-Linsenstruktur als Oberflächenstruktur 1' auf einer Glasplatte als Träger 4 bei Erwärmung über die Herstellungstemperatur gezeigt. Der doppelt schraffierte Bereich zeigt die undeformierte Oberflächenstruktur 1 aus elastischem Material mit hoher thermischer Expansion (z. B. Silikon). Der Träger 4 ist beispielsweise aus einem Material mit geringer thermischer Expansion (z. B. Glas) gefertigt. Die Wirkflanke 2 sowie die Störflanke 3 betreffen die Oberflächenstruktur 1 im Normalzustand. Die Wirkflanke 2' sowie die Störflanke 3' betreffen die Form der Oberflächenstruktur im deformierten Zustand 1', der aufgrund einer Temperaturerhöhung erhalten wird. Dabei ist die Verformung stark übertrieben dargestellt.
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2 zeigt schematisch eine Oberflächenstruktur 1, die auf einem Träger 4 angeordnet ist. Die Oberflächenstruktur weist Wirkflanken 2 sowie Störflanken 3 auf.
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3a zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Oberflächenstruktur 1''' bei Betriebstemperatur auf einem Träger 4. Dabei ist die ideale Form der Wirkflanke der Oberflächenstruktur bei Fertigungstemperatur 1'' durch drei gerade Segmente 5, 5', 5'' angenähert, so dass sich bei der Temperaturänderung die Wirkflanke 2''' (bei Betriebstemperatur) ergibt, die näherungsweise eben ist. Da in dieser Geometrie ausschließlich gerade Segmente 5, 5', 5'' vorkommen, ist eine derartige, segmentierte Wirkflanke 2'' (bei Fertigungstemperatur) deutlich einfacher herzustellen, als aus dem Stand der Technik bekannte Wirkflankenformen. Die Störflanke 3'' wurde gerade gefertigt. Bei Betriebstemperatur weist die Störflanke eine konkave Form 3''' auf.
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3b zeigt eine Oberflächenstruktur 1''' bei Betriebstemperatur, die auf einem Träger 4 angeordnet ist. Bei Fertigungstemperatur weist die Oberflächenstruktur 1'' eine konvexe Wirkflanke 2'' auf. Bei Betriebstemperatur weist die Wirkflanke 2''' eine gerade Form auf. Die Störflanke 3'' wurde gerade gefertigt. Bei Betriebstemperatur weist die Störflanke 3''' eine konvexe Form auf. Durch einen derartigen Aufbau würde die thermische Verformung der Wirkflanke genau kompensiert werden. Sie entspricht nur dahingehend dem Stand der Technik, dass gekrümmte Wirkflanken bereits beschrieben sind und bei Fresnel-Linsen mit großskaligen Facetten auch aus optischen Gründen eingesetzt werden. Bei kleinskaligen Facetten ist eine solche Form jedoch nur sehr schwer (wenn überhaupt) in guter Qualität herstellbar.
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In 3c ist eine Oberflächenstruktur 1'' (bei Fertigungstemperatur) mit konvexer Wirkflanke 2'' sowie konvexer Störflanke 3'' bei Fertigungstemperatur dargestellt. Bei Betriebstemperatur weist die Wirkflanke 2''' sowie die Störflanke 3''' der Oberflächenstruktur 1''' eine gerade Form auf. Die Oberflächenstruktur 1'' bzw. 1''' ist hier auf einem Träger 4 angeordnet. Es ist darauf hinzuweisen, dass derartige Formen im Gegensatz zu den erfindungsgemäßen segmentierten Formen, wie sie in 3a dargestellt sind, weitaus aufwändiger herstellbar sind.
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3d zeigt eine Oberflächenstruktur 1'' bzw. 1''' auf eine Träger 4, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist. Sowohl die Wirkflanke 2'' als auch die Störflanke 3'' weisen bei Fertigungstemperatur eine gerade Form auf. Bei Betriebstemperatur sind sowohl die Wirkflanke 2''' als auch die Störflanke 3''' konkav.
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4a zeigt eine kreisförmige, Punkt-fokussierende Linse, die erfindungsgemäß segmentierte Wirkflanken aufweist.
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In 4b ist eine rechteckige, Linien-fokussierende Linse mit erfindungsgemäß segmentierten Wirkflanken dargestellt.
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4c zeigt eine Oberflächenstruktur, wie sie für die Punkt-fokussierende Linse sowie die Linien-fokussierende Linse eingesetzt werden kann. In dieser Ausführungsform sind die Wirkflanken aus drei Segmenten, die verschieden lang sind, aufgebaut. Die Störflanke weist eine gerade Form auf.
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5a zeigt eine kreisförmige, Punkt-fokussierende Linse, die verschiedenartig aufgebaute Oberflächenstrukturen gemäß 5b, 5c sowie 5d aufweist.
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In 5b ist eine Oberflächenform der Oberflächenstruktur dargestellt, wie sie im Zentrum der Punktfokussierenden Linse gemäß 5a vorliegt. Hierbei weist die Störflanke eine gerade Form auf. Die Wirkflanke ist hier asphärisch geschnitten.
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5c zeigt eine erfindungsgemäße Oberflächenstruktur. Dabei weisen die segmentierten Wirkflanken eine nach außen abnehmende Anzahl an Segmenten auf. Die Störflanke ist gerade. Diese Oberflächenstruktur liegt in der Punkt-fokussierenden Linse im Bereich zwischen Zentrum (5b) und äußerem Bereich (5d) vor.
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5d zeigt eine Oberflächenstruktur, die sowohl gerade Wirkflanken als auch gerade Störflanken aufweist. Diese Oberflächenform wird im äußeren Bereich der Punkt-fokussierenden Linse gemäß 5a eingesetzt.
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Beispiel 1
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Punkt-fokussierende Fresnel-Linse mit konzentrischen Fresnel-Prismen, bei der alle Wirkflanken eine Struktur aus drei Segmenten ähnlich der in 3a besitzen. Die genaue Form der einzelnen Wirkflanken ist für jedes Fresnel-Prisma und somit für jede Wirkflanke einzeln optimiert. Jedes der drei Segmente einer Wirkflanke besitzt dadurch einen eigenen Winkel und die Länge der einzelnen Segmente ist ebenfalls nicht konstant, d. h. die drei Segmente einer Wirkflanke sind in der Regel nicht gleich lang (4a).
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Beispiel 2
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Lineare, linienfokussierende Fresnel-Linse mit linearen Fresnel-Prismen, deren Wirkflanken jeweils aus drei Segmenten bestehen, die denen aus 3a ähneln. Die genaue Form der einzelnen Wirkflanken ist für jedes Fresnel-Prisma einzeln optimiert. Jedes Segment besitzt dadurch einen eigenen Winkel und eine eigene Länge (4b).
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Beispiel 3
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Punktfokussierende Fresnel-Linse mit konzentrischen Fresnel-Prismen, bei der die mittleren Prismen bzw. Facetten asphärische oder sphärische Wirkflanken besitzen und sich weiter außen segmentierte Wirkflanken anschließen. Die Anzahl der Segmente pro Wirkflanke nimmt dabei mit zunehmendem Abstand der Fresnel-Prismen von der optischen Achse ab. Im Außenbereich der Linse besitzen die Fresnel-Prismen nur eine gerade Wirkflanke. Die genaue Anordnung sowie der Winkel der einzelnen Segmente einer Wirkflanke sind für jedes Fresnel-Prisma einzeln optimiert, um bei Betriebstemperatur insgesamt die gewünschte Wirkflankenform bestmöglich anzunähern (5).
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 2920630 A1 [0009, 0009]
- US 3982822 [0009, 0009, 0009]
