棱鏡透鏡的制作方法

專利名稱：棱鏡透鏡的制作方法
技術領域：
本發明涉及棱鏡(菲涅耳)透鏡。
背景技術：
菲涅耳光學透鏡在一系列應用中是重要的。一個重要領域是太陽能聚光器。菲涅 耳光學透鏡被用在該應用中利用光電池或太陽能熱加熱以進行太陽能動力發電，菲涅耳光 學透鏡還用于采光，例如菲涅耳透鏡捕獲穿過反射管到建筑物的房間中的光。菲涅耳棱鏡 透鏡是這種太陽能聚光器系統的常見部件。通常該透鏡具有一些較大的面并且相對較厚。 為了制造這種透鏡，需要進行鑄造，如注模或熱壓印。菲涅耳透鏡可為平坦的或凸曲形類型。典型的圓頂形或部分球形的菲涅耳透鏡被 設計為聚焦到一點上，典型的部分圓柱形菲涅耳透鏡被設計為聚焦到一條線上。US6111190 以用于空間衛星動力系統的太陽能聚光器為背景公開了上述兩種樣態。已知用薄膜來制造菲涅耳透鏡。其優點在于在制造成本降低的同時仍能提供高質 量的光學器件。制造使用連續輥對輥(roll to roll)過程和更少量的塑料材料。然而，一 個因素是隨著結構的深度減小，面的總數量增加，這通常導致更差的性能，從而使存在于菲 涅耳透鏡中的問題惡化。光傳播到目標區域的效率隨著遠離菲涅耳透鏡的中心而下降。其部分原因是由于 菲涅耳損耗-由于光需要偏轉的角度增加，菲涅耳棱鏡的角度增加，并且由在與棱鏡的分 界面處的反射引起的損耗也增加。另外，由于與棱鏡的非光學面相互作用發生光的散射并 且由于在成形不理想的棱鏡的峰和/或谷處發生散射，光從一個面過渡到另一個面的區域 損耗。因為在透鏡的外部部分中有更多的面，該效應在透鏡的外部部分更嚴重。最后，棱鏡 朝向透鏡邊緣具有銳利的角，并且切削工具在透鏡的該部分中無法形成同樣好的峰和谷， 從而由于逐漸成圓形的峰/谷的擴散透鏡作用再次導致較大的光損耗。如果菲涅耳為凸曲形類型則上述問題可以減輕。雖然這增加了透鏡前面的反射， 從而減小了透鏡的前面部分的效率，但它減小了后面的菲涅耳損耗。這是由于所需的轉角 的減少；因為光不在這種銳角處與菲涅耳棱鏡相遇，在此分界面處的菲涅耳反射損耗減小。 凸曲形類型的菲涅耳透鏡的進一步的優點是不同波長的光的轉角之間的差別、即透鏡色差 減小。對于例如丙烯酸塑料的典型透鏡材料來說，紅光具有大約1.48的有效折射率，而藍 光具有大約1. 51的有效折射率。表面的曲率使得其不與入射光正交，導致在前表面處產生 一些折射，用于至少部分地補償菲涅耳棱鏡的色差，從而允許更小的目標區域并因此獲得 更好的透鏡總聚光率。最后，光在光與豎直的非光學面的相互作用處以及光與可以是曲形 的或表示光學缺陷的棱鏡頂點的相互作用處損耗。通過將表面彎曲，光以能用于保持光遠 離非光學面和棱鏡的峰的角度穿過透鏡。傳統類型的曲形菲涅耳透鏡的制造技術典型地包含精密注模零件，但這不適用于 薄膜透鏡。

發明內容
本發明的一個方面涉及具有超過平坦薄膜菲涅耳透鏡的改進性能的薄膜菲涅耳 透鏡，并且在制造上是可實現的。因此，從一個方面來看，提供了一種點聚焦薄膜菲涅耳透 鏡，具有帶有透鏡面的基本平坦的內部區域和帶有透鏡面的外部區域，所述外部區域從所 述內部區域向外伸出，并且以實際的角度傾斜遠離所述內部區域的平面。在一優選樣態中，所述外部區域以線性方式并以恒定的角度延伸遠離所述內部區 域，使得所述透鏡具有截頭圓錐體的形式。可選擇地，所述外部區域可以以彎曲方式并以單 調漸增的角度延伸遠離所述內部區域，使得所述透鏡具有例如平底碟的形式。使用多個以 漸增的角度遠離所述內部區域的平面的線性延伸部分，可近似曲形區域的外形。當使用曲 形區域時，曲率半徑優選是恒定的但也可以變化，例如表面角度可被優化以使透鏡效率最 大化。可以是混合樣態，帶有沿徑向布置的一個或更多個線性延伸部分和一個或更多個彎 曲部分。使用以單一的傾斜角度線性延伸的外部區域意味著外部區域的效率不能被充分 優化。然而，對包括內部區域的整個透鏡具有總體優化。此外，制造不復雜。曲形外部區域 可以是、或接近于基本球形表面的一部分從而提高透鏡的所有邊緣部分的效率，但制造更 加復雜。所述外部區域優選至少部分地圍繞所述內部區域延伸。優選地，所述外部區域基 本完全圍繞所述內部區域延伸。外部區域的徑向長度可以是基本恒定的。然而，其他樣態 也是可能的。例如，膜可以具有多邊形形狀，比如正方形、六邊形或帶有任何期望數量的邊、 或星形，并且角部分(在星構造中是鄰近“角”的部分)可被彎曲遠離多邊形的中心區域的 平面，從而形成不連續的外部區域，外部區域的徑向長度在任何兩個相鄰角之間先減小然 后增加。例如，這種樣態可包含帶有彎曲遠離中心部分的平面的四個部分(角部)的平坦 正方形，或者帶有八個彎曲角的平坦八角星形。顯然，所述部分將相相對于內部區域的平面 全部朝相同的方向彎曲。這種使用帶有彎曲的角部分的多邊形或星形的樣態將提高透鏡的最外部分的效 率，透鏡的最外部分是平坦的點聚焦菲涅耳透鏡的效率顯著下降的部分。此類型的結構可 由平坦膜容易地制造。安裝可能需要一些額外的努力但仍然相對簡單，特別在四角向下翻 轉結構的情況中。由于正方形可容易地平鋪(tiled on)在最初的連續膜上，因此如果使用 帶有向下翻轉的角的正方形將會使膜浪費量最小化。但是，這種系統有一些缺點。相比于相當的平坦正方形，在太陽能聚光器應用中 透鏡面對太陽的面積減小。如果徑向固定的棱鏡外形被切割，即所述棱鏡外形是圓對稱 的-可能出現這種情況-因為向下翻轉部分在兩個曲率方向上不具有正確的曲率外形而導 致光焦點將會分散。為此修改圍繞透鏡的棱鏡外形以進行補償的更復雜的方法將會使制造 更加復雜和昂貴。從圓錐形外部區域形成的膜將具有正確的圓形曲率(circular curvature)，因為 膜沿從透鏡中心向外的方向保持平坦。在截頭圓錐體的情況中，如果起始材料是圓形膜則圓錐體的底部將是水平和連續 的。如果初始時膜為正方形并且以相同的方式形成為截頭圓錐體，則圓錐體的底部將不水 平而具有四個尖端。
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截頭圓錐體形式的透鏡可由兩個部分組成，即形成圓錐體的截頭頂部的的圓形內 部透鏡區域和具有兩個端部的外部透鏡區域，外部透鏡區域圍繞內部透鏡區域的周界延伸 并接合到內部透鏡區域的周界，并且外部透鏡區域的兩個端部被接合在一起。外部透鏡區 域形成圓錐體的主體。外部透鏡區域可為分開的圓環的形式。在此情況中，起始材料可為圓形透鏡膜。圓 形內部透鏡區域可由環形槽限定，并且環形外部透鏡區域由限定待被去除的部分的兩個徑 向切口而分開，從而當兩個端部接合到一起時形成圓錐體的主體。在可選擇的樣態中，外部棱鏡區域可以為當端部被接合到一起時外形在俯視中為 多邊形，比如正方形。在這種情況下，起始材料將是例如畸變的正方形膜。然后，該畸變的 正方形膜被提供有限定內部區域的環形槽，并且外部透鏡區域由限定待被去除的部分的兩 個徑向切口而分開，從而當兩個端部接合到一起時形成圓錐體的主體。截頭圓錐體樣態提高透鏡的所有外部部分的效率并使透鏡膜的重要部分能夠保 持光遠離棱鏡頂點，從而導致更好的性能。原模被相對容易地制造，對于本領域技人員來說 就像對傳統的平坦膜菲涅耳結構進行修改一樣熟悉。在外部透鏡區域中只有一條接合線， 以及在內部和外部區域之間的圓形接合線。接合可通過焊接、粘接等來實現，或者所述部分 可例如被放置到層壓保持器(laminated holder)中。以相似的方式，帶有曲形外部區域的圓頂形透鏡可由兩個部分組裝，即通過合適 的方法接合到一起的曲形外部區域和接合到曲形外部區域的圓形內部區域。然而，在優選 樣態中，外部區域與內部區域是一體的。這可以通過在圓形膜中制造一系列切口而獲得，該 切口從內部區域的圓形周界徑向向外延伸。切口用于限定被間隙分隔的多個膜分段。然后 在相鄰膜分段之間的間隙被連接，形成曲形外部區域。可以有例如十六個膜分段。分段可 通過焊接、粘接等被直接接合到一起，或者所述部分可例如被放置到層壓保持器中并使用 黏合劑。在這種樣態中，相鄰膜分段之間的多條接合線將使效率稍微減小并且目標焦點將 由于透鏡的分段性質而分散(也就是說每個分段在圍繞透鏡的方向上無法獲得正確的曲 率)。盡管增加分段的數量會減小光焦點的分散，通過接縫數量的增加對降低效率和復雜性 的作用是無益的。由于這些原因，并因為制造復雜性的增加，膜分段的數量不應該太多。對于由圓形膜片形成的透鏡而言，當從膜片上切割出圓形時將會有產生一些廢 料。在截頭圓錐體的情況中，還會有來自于圓形內部區域和外部區域之間的環形間隙的廢 料，以及從外部區域去除以獲得圓頂結構的材料。在由分段形成圓頂形外部區域的情況中， 將會有從膜的每個分段之間去除的廢棄的材料。在截頭圓錐體情況中，內部區域與外部區域之間的周界接合和外部區域的端部之 間的接合從所述透鏡的中心移位，并開始于圓形內部區域的徑向長度。在由分段制成曲形 外部區域的情況中，在優選樣態中內部和外部區域之間沒有接縫，并且相鄰的分段之間的 接合終止于內部區域的邊界處，遠離透鏡的中心。透鏡的內部區域不需要完全平坦。實際上，根據本發明的另一方面，內部區域可為 圓頂形，但是具有比外部區域小的傾斜度或曲率半徑。例如，圓形內部區域可通過提供相對 窄的徑向槽并將端部接合到一起而形成為淺圓錐體。以上述方式，外部區域可為截頭圓錐 體或曲形的主體，并且接合到中心區域。通常，優選中心區域是基本平坦或者具有提供小于由外部區域提供的圓錐或曲線效果的傾斜角度或曲率半徑。同樣優選的是在中心區域內沒
有接縫。內部和外部區域的相對比例和尺寸取決于聚光器透鏡的總尺寸和透鏡的設計焦 距。從傾斜的外部元件到平坦的內部元件的過渡被放置在設計需要的位置_例如在圓錐形 外部區域樣態中，過渡必須產生在菲涅耳棱鏡的底角達到90°并且光穿過棱鏡內的角度與 光從棱鏡出射的角度相同的位置。如果圓錐形表面朝透鏡的中心進一步向內延伸，則穿過 棱鏡并從棱鏡出射的光將與棱鏡的非光學面相互作用，這將導致效率的損耗。在一些優選實施例中，內部區域是圓形的，最小半徑為整個透鏡半徑的約14%到 約15%并且最大半徑為整個透鏡半徑的約55%到約60%，并優選具有處于整個透鏡半徑 的約25 %到約45 %的范圍之內的半徑，更優選地在約28 %到29 %與約35 %到約36 %之 間。在一些優選實施例中，內部區域具有為整個透鏡半徑的約1/7的最小半徑和為整個透 鏡半徑的約4/7的最大半徑，更優選地在約2/7與約3/7之間。在一些實施例中，內部區域 的半徑在約2/7與約5/14之間，或者在約2/7與約3/7之間。已經發現，對于平坦圓形菲 涅耳透鏡的內部區域，該區域的效率在半徑值遠大于整個透鏡半徑的約28%到約29%或 約2/7時顯著惡化，實際值取決于透鏡的焦距和制造質量。在一些典型應用中，內部區域是圓形的，最小半徑為約1cm、最大半徑為約4cm，更 優選為約3cm或約2. 5cm或約2cm。在一些實施例中，內部區域的半徑可以在約1. 5cm與 約3cm之間，例如在約1. 5cm與約2. 5cm之間。在一些實施例中，內部區域的半徑在約2cm 與約2. 5cm之間，或者在約2cm與約3cm之間。在這種應用中典型的總透鏡半徑可以在約 5cm到約IOcm之間，并且可能在約7cm的區域內。在線性外部區域的情況中，比如當透鏡為截頭圓錐體形式時，已經發現，遠離內部 區域的平面的傾斜角影響透鏡的效率。隨著傾斜角的增加，由于傾斜角更好地與最優角度 匹配，透鏡的外部傾斜部分的效率被改進。對于透鏡的內部傾斜部分而言，由于與最優值不 匹配而導致效率下降。增加傾斜角的另一效果是增加所需要的內部平坦透鏡區域的尺寸。這是因為從傾 斜的到平坦區域的過渡產生在當圓錐區段上的α角等于光在棱鏡內的角度和從棱鏡出射 的角度時-α面被“擠出(squeezed out)”。傾斜角越高，導致平坦透鏡區域的半徑越大。 已經發現，對于具有相同焦距但傾斜角不同的透鏡來說，到大約20°總透鏡透光率緩慢增 加，然后約20°與25°之間顯著增加，然后進一步到約30°緩慢增加，在該點處效率值變 平。因此，優選地，透鏡的參數被選定為傾斜角在約20°與約40°之間，或者例如在約22° 與約25°之間，或者在約22°與約30°之間，或者在約25°與約35°之間，或者在約25° 與約30°之間，在一些典型應用中為約25° ；同時內部透鏡區域的半徑在先前所述的范圍 內，例如在整個透鏡半徑的約2/7與3/7之間(取決于透鏡的精確焦距)。例如，對于被設 計為具有約7cm的透鏡半徑和約14cm的焦距的透鏡，如果傾斜角為約25°則內部平坦透鏡 區域的半徑將為約2. 4cm。邊緣棱鏡的聚光能力也根據傾斜角和焦距而變化。已經發現，由于色差得到一定 程度的補償，例如將傾斜角增加到40°將增加聚光能力。將傾斜角增加到40°同樣還減小 展示出最大聚光能力的焦距。對于在約25°到約35°之間的傾斜角，已經發現，范圍從約 2. 5下至約1. 8的最小焦距比即可提供超過100的聚光能力。在本申請文件中，表述“焦距比”表示透鏡的焦距(透鏡的底部被視為透鏡光學結構上的最低點)與透鏡的總半徑的比 率，這樣例如如果透鏡具有7cm的半徑和14cm的焦距，則焦距比為2。應該理解的是所述透 鏡的半徑指示在其上發生光聚焦的有效半徑。已經發現，在外部區域中棱鏡的效率也根據傾斜角和焦距而變化。對于約25°到 約35°之間的傾斜角，已經發現，在范圍從約1. 5到約2. 5cm的最小焦距比即可提供具有高 于約0.9的透鏡的透光率。對于透鏡的平坦內部區域，已經發現，在焦距比約為3時可接近最大效率，并且在 焦距比在約2以下時效率顯著降低。幾個因素對于決定透鏡的最優光學焦距是重要的。由于是使用在太陽能聚光器 中，焦距應盡可能短以減小太陽能聚光器組件“箱”的深度，并減小微小角度誤差對入射光 或目標位置的影響，或者與聚光器中的振動相關的影響。另一方面，焦距應盡可能長以提高 透鏡的效率，增加棱鏡的底角并因此確保棱鏡的頂點被制造為更好的精度從而使光的損耗 較小，并減小棱鏡的角度，使它們更寬并因此減少棱鏡中的面的數量。焦距應該被優化以使 在透鏡邊緣處能夠從棱鏡獲得足夠的聚光水平。此外，如先前記錄的，對于截頭圓錐體透 鏡，隨著焦距的增加，由內部平坦區域構成的透鏡的比例增加。因為棱鏡頂點和非光學面可 隱藏在傾斜部分中而非平坦部分中，通常這將降低透鏡的效率。所有這些均意味著對于透鏡而言將存在最優的中間焦距。通常根據本發明的透鏡 的理論效率(視作前表面和后表面的反射損耗，不考慮面和頂點的損耗)隨著焦距的增加 而增大，如果焦距比在約2以下，則效率顯著降低。隨著焦距的增加，中心平坦區域內的面的數量增加，簡單地因為平坦區域的尺寸 增加(外部邊緣棱鏡數量保持為大致相同或減小)。隨著焦距增本質上相同的平坦菲涅耳 設計被擴大，并且圓錐形透鏡的面積減小以進行補償。為了使平坦內部區域菲涅耳面/頂 點的數量最小化，焦距比應因此被保持為最小。已發現通常約為2的總焦距比關于棱鏡數 目提供恰當的折中。因此，在本發明的一些優選實施例中使用截頭圓錐體形狀，平坦中心區域具有的 半徑為總透鏡半徑的約2/7到約3/7 (根據精確設計-外部區段的焦距和傾斜角)，外部區 域的傾斜角為約25°，焦距比約為2。在典型的光電聚光器系統中，具有這些參數的透鏡可 具有從約5cm到約IOcm的總半徑，典型為約7cm。這將典型地以如下方式形成對著光產 生正方形截面從而能夠使透鏡被平鋪到模塊中。本發明還涉及一種制造透鏡的方法，其中薄菲涅耳透鏡膜部分被提供有環形切口 以限定與外部區域分離的圓形內部區域，從所述外部區域的周界到所述環形切口提供有向 內漸縮的切口，所述向內漸縮的切口的側邊接合到一起以形成截頭圓錐體的壁，并且所述 外部區域被接合到所述內部區域從而所述內部區域形成所述截頭圓錐體的頂點。本發明還提供一種制造透鏡的方法，其中圓形薄菲涅耳透鏡膜部分被提供有從圓 形內部區域的周界延伸到所述膜部分的周界的多個周向間隔的切除部，所述切除部從所述 膜部分的周界到所述中心區域的周界向內漸縮并限定徑向延伸的膜分段，相鄰的分段沿它 們的邊緣被接合到一起使得所述分段限定圍繞整個內部區域延伸且以彎曲的方式伸出遠 離所述內部區域的平面的外部區域。本發明還涉及一種制造透鏡的方法，其中薄菲涅耳透鏡膜部分具有多邊形形狀，并且角部分被彎曲遠離所述多邊形的平面以提供外部區域，該外部區域以一個角度延伸遠 離由所述膜部分的其余部分限定的內部區域的平面。根據本發明可選擇的方面，薄膜菲涅耳透鏡沿一個方向彎曲，使得其至少基本上 遵從圓柱體的表面，并且面(facets)被布置使得透鏡聚焦到一點而不是像傳統圓柱形透 鏡一樣聚焦到一條線。這將改進透鏡的一些外部部分(雖然不是全部)的效率。這種樣態 在制造彎曲形狀的透鏡來講是相對簡單的，并且透鏡可幾乎沒有或沒有廢料地安裝到框架 中。然而，需要注意設計和切割徑向角度變化面(radial angle varying facets)。根據本發明的另一方面，沒有中心平坦部分，且透鏡為帶有相對尖銳的頂點的圓 錐體的形式。該圓錐體的邊可如上所述是直的，或者可以是彎曲的。根據本發明的所有方面，透鏡的光學元件用低成本的輥對輥制造技術方便地制 造，比如紫外線鑄造(UV casting)。用這種技術制造的膜通常被制造在薄基底上，比如75 到300微米厚的PMMA。這種薄透鏡可能不具有承受比如來自冰雹或其他來源的物理沖擊所 必須的堅固性。此外，申請人已經認識到，由裝配在膜中產生接縫意味著透鏡可能未密封防 止水進入，從而可能導致透鏡被天氣致損。根據本發明的所有方面，菲涅耳透鏡優選被提供有在所述透鏡的凸面上的透明保 護層。通過此方式，透鏡可被密封并被保護免受例如天氣的損害。所述保護層優選由連續透明塑料片構成，例如PMMA片。這允許光穿過該層，并因 此不會不利地影響透鏡的透光率。優選地，保護層比薄膜菲涅耳透鏡的厚度厚。厚度的合適范圍的一個例子是 l-3mm。這使得其能夠充當透鏡的安裝框(mount)并因而使透鏡更加堅固抵抗損害。保護層可為平面的，但優選地其與透鏡的形狀相符，例如在本申請文件其他地方 公開的截頭圓錐體。這將改善進入透鏡的光透射。保護層優選地由被成形為與透鏡的形狀相符的片構成。優選地所述片由聚PMMA 制成。優選地所述片通過加熱成形或注模而形成。加熱成形是優選的，由于加熱成形更便 宜并能在單個的片中制造較大片，例如容納多個透鏡。然后多個透鏡可安裝到該片的下側 上。本發明還提供一種有利的制作方法，包括將所述透鏡的凸面安裝到透明片上。優 選地所述透鏡安裝到成形塑料片上，該成形塑料片的形狀與所述透鏡的形狀相符。優選地 所述片使用加熱成形或注模而成形。優選地所述透鏡被層壓到所述片上。在一組實施例中，層壓步驟包括使用壓敏粘合劑。在這些實施例中，壓敏粘合劑被 方便地應用到透鏡的凸面。然后透鏡可被壓到片上并被壓住以允許粘合劑將透鏡固定到片 上。在另一組可選擇的實施例中，層壓步驟包括使用紫外線固化膠。優選地該膠在視 覺上是透明的。在這些實施例中，片和/或透鏡例如使用噴涂或類似的方法被涂覆有紫外 線固化膠。然后透鏡和片可被擠壓到一起并暴露于紫外線以使該膠凝固。在另一組可選擇的實施例中，層壓步驟包括使用溶劑。在這些實施例中，片和/或 透鏡被涂覆有該溶劑。然后透鏡和片可被擠壓到一起以允許表面融合。根據本發明各種方面的透鏡的實施例可被用于太陽能聚光器應用。例如，透鏡可 與放置透鏡焦點處在或靠近透鏡焦點處的合適的光電裝置協同以利用太陽輻射發電。作為
9例子，太陽能電池可為單晶硅、多晶硅、非晶硅或多結砷化鎵中的任意一個。在此類應用的 一些實施例中，利用反射或折射的二次聚光器可被放置到透鏡的焦點處或靠近透鏡的焦點 處，以進一步將光聚集到太陽能接收器上。在可選擇的應用中，熱接收器可被放置到透鏡的焦點處或靠近透鏡的焦點，并與 太陽能熱能系統協同使用，比如加熱固體板(solid plate)或工作流體。被加熱的板或被 加熱的工作流體可最終被用于驅動例如斯特林發動機、蘭金循環渦輪機或蒸汽輪機。典型地，所述透鏡的焦點位于在包含所述透鏡內部區域的平面下方且與包含所述 透鏡內部區域的平面平行的平面中。如果透鏡的內部區域不是平坦的，則包含透鏡的平面 被限定為包含內部區域的周界的平面。因此太陽能電池或熱接收器將大體放置在位于透鏡 內部區域下方且與透鏡內部區域平行的平面中透鏡的焦點處。


下面將僅通過示例并參照附圖對本發明各種方面的一些實施例進行描述，其中圖1是表示光與傾斜表面菲涅耳透鏡的棱鏡相互作用的示意圖；圖2(a)表示用于制造根據本發明一方面的透鏡的膜盤；圖2(b)表示處于制造該透鏡的中間階段的盤；圖2 (C)表示該透鏡；圖3表示該透鏡的焦點形狀；圖4表示該透鏡的聚光能力；圖5表示用于制造根據本發明一方面的透鏡的另一實施例的膜部分；圖6是由圖5中所示的膜部分制成的透鏡的俯視立體圖；圖7是圖6的透鏡的前視立體圖；圖8示出根據本發明一方面的透鏡的設計參數；圖9表示用于根據本發明一方面的透鏡的另一實施例的制造中的膜片；圖10表示該透鏡；圖11表示根據圖10的透鏡的性能；圖12表示該透鏡的焦點形狀；圖13表示該透鏡的聚光能力；圖14表示根據本發明的理論透鏡的焦點形狀；圖15表示理論透鏡的聚光能力；圖16表示根據本發明的供選擇的透鏡的平面圖和前視圖；圖17表示根據本發明另一方面的透鏡的制造；圖18表示安裝在保護層下方的透鏡；以及圖19表示安裝在薄片下方的透鏡陣列。
具體實施例方式現在詳細參照圖1，其表示光線與由薄膜制成的菲涅耳透鏡1的相互作用。該透鏡 具有若干在棱鏡頂點處具有棱鏡角α的棱鏡2。光線由箭頭3和4表示。膜相對于光線方 向以如箭頭3和箭頭5之間所示的角β傾斜。可見，只有棱鏡的被標記為A的區段與光線相互作用，意味著光線既不與棱鏡的頂點也不與非光學面相互作用。圖2 (a)表示從薄片切割而成的薄膜菲涅耳透鏡的圓盤6。如圖2(b)所示，該盤被 切割以去除一環形部分，因而在中心區域8與外部區域9之間留下環形間隙7。在外部區域 9 中形成有切割線10和11，切割線10和11從該盤的周界延伸到環形間隙7，并且切割線之 間的區段被去除以留下向外呈錐形的開口 12。如圖2(c)所示，外部區域9被回轉彎曲且其 端部沿接縫線13接合到一起。中心區域8通過圓形接縫線14與外部區域9相接合。由此 得到的結構是帶有平坦的圓形頂部8和開放的圓形底部16的由膜形成的中空截頭圓錐體 15。因此外部區域的膜相對于中心區域8的水平面以線B和C之間所示的角χ傾斜。在 優選實施例中，角Χ為約25°。在這種透鏡的一個示例中，焦點形狀如圖3所示，聚光能力如圖4所示，效率為 92%。圖5表示用于制造改進型透鏡的膜部分，包括外部區域17和內部區域18。該樣態 與圖2(b)的樣態相似，但是與從膜圓盤起始的情況中外部區域成為部分圓環不同，其從歪 曲的正方形形狀切割而來。如圖6和圖7所示，截頭圓錐體形式的結構20通過沿接縫線21 接合外部區域的端部并將平坦的中心區域18接合到傾斜的外部區域17而形成。在俯視圖 中，該結構為邊長約IOcm的正方形形狀。除了帶有均終止于一點的四個延長部分之外，其 實際上是截頭圓錐體。圖8表示總半徑約7cm、平坦的中心區域的半徑約2. 5cm、傾角約25°、焦距比約為 2、透鏡的焦距約為14cm的截頭圓錐體透鏡的設計參數。該圖表示棱鏡底角、β角、α角、 內光角(internal light angle)、光出射角(light exit angle)和偏轉角是如何根據與透 鏡中心的徑向長度而變化的。還示出了膜傾斜角(film slop angle)其直到內部區域的 界限為止為0，然后恒定在25°。棱鏡底角在內部區域上減小，在過渡后躍至其初始值，然 后到透鏡的邊緣穩定地減小。α角是非光學面的角，β角是β面的角，β面是通過折射 過程將光線偏轉到期望角度的面。在本示例中，α角被保持為盡可能高以將棱鏡展開。α 角的目標是將其保持在(并盡可能遠離)內光角和光出射角之間，從而確保其不與任何降 低透鏡效率的光線相互作用。此外，內部平坦菲涅耳面角可被調整以避免在光焦點中產生中心“熱點”。圖9表示被切割以限定半徑2cm的圓形中心區域和由間隙24分隔的十六個徑向 延伸的分段23的菲涅耳透鏡膜片21。分段23的寬度隨著朝向其外部區域而增加。如圖 10所示，帶有平坦的中心區域22的圓頂形透鏡25通過沿分段23的邊緣(示為26)將分段 23接合到一起而形成，以提供連續的周界27。該透鏡具有翻轉的平底碟或平頂傘的外觀。 在本實施例中，透鏡的半徑約為7cm。這種方式具有一些優點，包括在中心區域22外側產生任意的表面曲率的能力，并 由此使設計最優化。然而，接縫的總數將降低總透鏡性能并可能增加制造的復雜性。圖U 表示在整個透鏡上的性能。對于這種透鏡25，在本方案中使用對稱布置的十六個膜分段(雖然也可以是其它 數量的分段)，期望的焦點形狀將圓形斑點位于中心且帶有展開的對稱環。總尺寸將被每個 分段的邊緣寬度限制。一示例的示范實際焦點形狀如圖12所示。由數千個分段制成的此 類型的理想透鏡的期望焦點形狀將是由于每個分段的邊緣寬度非常小而具有有限斑點尺寸的位于中心的圓形斑點。圖13表示示范實際焦點形狀。圖14表示帶有十六個分段的透 鏡的示范聚光能力，圖15表示帶有數千個分段的理想透鏡的示范聚光能力。
圖16表示一可選擇的樣態，其中正方形膜部分28具有臨近向下翻轉一個角度的 角30的四個區域29，留下可被認為是近似圓形的平坦中心區域31。在該實施例中，只使相 對小的部分的膜傾斜。圖17表示一可選擇的樣態，其中膜部分32具有若干切下的橢圓形透鏡33，然后橢 圓形透鏡33被彎曲成部分圓柱形或近似部分圓柱形的成形物(former) 34。該棱鏡的設計 為每個透鏡聚焦于一點。圖18表示如圖2(c)所示具有外部區域15和平坦的圓形頂部8的截頭圓錐體形 式的透鏡。在該實施例中，透鏡被安裝在透明的塑料片40(例如PMMA)下方，該塑料片40 用加熱成形或注模來成形使得其與透鏡的形狀相符合。透鏡的凸面通過多種方法之一，例 如用壓敏粘合劑、紫外固化膠或溶劑被層壓到塑料片的凹面。為了保護透鏡免受長期風化和其它物理損害，塑料片厚于透鏡的厚度。典型地，透 鏡為75-300微米厚，而塑料片為l_3mm厚。圖19表示布置在太陽能電池片52上方的與圖18中的透鏡類似的透鏡50的陣列。 每個透鏡聚集光線到單獨的電池上。連續的透明塑料片54被成形使得其與透鏡陣列相符 合，并因此當其被放置到透鏡上方時，形成保護層以防止對透鏡造成損害，例如防止長期風 化。在本發明的實施例中，平坦的微觀結構光學膜可使用輥對輥過程來制造，在輥對 輥過程中，基膜(base film)被涂敷有透明的紫外線固化漆(樹脂)，并且該膜在被擠壓抵 靠鑄造圓筒的同時被暴露于紫外線，該鑄造圓筒上存在有期望結構的逆結構。該膜應該是 透明且抗風化的，但對干固化的漆具有高粘附力，例如是PMMA中的一種，比如Plexiglas ， 或者Grilamid 紫外加強尼龍比如TR90UV。這些鑄造滾筒(casting drums)可用本領域 技術人員熟悉的多種工藝進行制造。作為一個例子，原模通過在精密切削機上繞其中心旋 轉用金剛石切削圓形平坦件而被制造。金剛石刀具可以以微棱鏡特征能夠被切割在工件上 并且所產生的凹槽圍繞切割中心圓對稱的方式而移動。精密切割工藝能夠在期望半徑處并 以期望的面角(facet angle)制造V形凹槽。總體而言，平坦的膜必須被彎曲或折疊以產生彎曲區段，并且這應該與這種透鏡 待被安裝于其中的模塊的制造相結合而以簡單的方式來完成。透鏡的設計應該與所選擇的 折疊圖案相符，并與由標準的或稍微修改的精密切削機制造其“原模”相符。設計需要指定棱鏡的位置和兩個面的角度非光學的α面和通過折射過程將光 線偏轉到期望角度的β面。在聚集平行光線的平坦菲涅耳中，對于太陽能聚光器而言，α面是垂直的。在曲 形菲涅耳中，α面具有的角度被選定為位于光線穿過棱鏡內的角度和光線從棱鏡射出的角 度之間的。通過這種方式，沒有光線會與α面相互作用，此外，光線被保持為(至少某種程 度上)遠離棱鏡頂點。在所有方案中，曲形聚焦菲涅耳可以首先使用為每個棱鏡選擇恰當的α和β面 角的恰當的設計方法來設計，該恰當的α和β面角1)導致光線(在光譜的每端)正確地偏轉以位于期望的目標區域內；
2)導致在期望的目標區域內的光線的適當的色混合；3)導致在期望的目標區域內的總光能的相當均勻的分布；4)盡可能不受以下小誤差影響由于原模加工不精確而造成的面角的值的誤差； 由制造誤差或太陽能模塊安裝誤差引起的表面傾斜角的誤差；目標(可以是例如太陽能電 池)位置在X、y和Z方向上的誤差；以及透鏡和聚光器的正確朝向太陽的定向誤差。一些因素需要被理解，以制作最優光學焦距的模型，該最優光學焦距使表現最 差 的棱鏡在透鏡的邊緣處的聚光能力最大化或產生滿意性能。需要考慮的問題包括1)從膜上切割得到的棱鏡將在誤差范圍之內不同于期望角度，通常的經驗表示這 些角度精確到士 0.1度；2)膜表面相對于入射光和目標可能未被保持在恰好正確的角度_通常可能被修 正到士2度或更小的范圍之內；3)因為跟蹤誤差、對準問題、振動等，入射光將不會在系統上精確地對準-通常期 望將之修正到大約士0.2度；4)目標的位置可能未被準確地設置在正確的深度處，例如其可能在距正確位置 士0. 5mm的范圍之內；5)目標的位置可能未被精確地設置在正確的x，y位置上-通常可能呈現士0. 2度 的角度誤差；以及6)由于紅光和藍光從棱鏡出射的角度中存在固有差異(inherent difference), 色差固有地限制棱鏡的聚光能力-通常折射率的范圍可能呈現為從1. 48到1. 51。膜需要被放置在墊片(shim)上以產生多個樣式的透鏡。該“平鋪”(tiling out) 應該盡量高效地完成，從而使膜的損耗最小化。為了形成平坦的原模，透鏡的外形需要從平坦透鏡的外形開始修改。面積應該擴 大以允許切掉一部分，從而可形成圓錐形的表面，并產生正確的透鏡尺寸。在中心平坦菲涅 耳區域和外部部分之間的一小部分需要被替代(filled in)，并且該部分將被丟棄。透鏡的 膜部分的總尺寸需要被擴大以允許合適的棱鏡元件被平鋪(tiled out)。膜部分的外部部 分可具有任何合適的外形，因為它們不是透鏡的一部分并且將被丟棄。一般來講，在本發明實施例中，微棱鏡菲涅耳透鏡結構的棱鏡深度位于約10和約 100微米之間。典型地，總薄膜厚度(基于膜并結合棱鏡特征)位于約50和約800微米厚 之間。膜可利用涂敷在基膜上的光學漆的紫外線固化、并且將該漆在與合適的逆微棱鏡模 具相接觸時暴露而被制造，或者通過本領域技術人員已知的用于大量制造微光學結構的其 它方法來制造。基塑料膜可包含紫外線保護化學物。在本發明實施例中，對透鏡傾斜面(無論是由線形外形提供或是由曲形外形提 供)的適當選擇將確保可通過延伸一個平坦區域到透鏡的邊緣得到更好的效率。應該明白的是，本申請文件中提及的提供點聚焦的透鏡并不試圖意味著具有完美 或接近完美的焦點。本發明是為了區分例如由傳統的圓柱形透鏡提供的線聚焦的類型。點 聚焦的表述因而包括聚焦于一個區域。
權利要求
一種點聚焦薄膜菲涅耳透鏡，具有帶有透鏡面的基本平坦內部區域和帶有透鏡面的外部區域，所述外部區域從所述內部區域向外伸出，并且以實際的角度遠離所述內部區域的平面。
2.根據權利要求1所述的透鏡，其中所述內部區域為圓形。
3.根據權利要求2所述的透鏡，其中所述外部區域至少部分地、優選完全地圍繞所述 內部區域延伸。
4.根據權利要求1或2或3所述的透鏡，其中所述外部區域以線形方式伸出遠離所述 內部區域。
5.根據權利要求4所述的透鏡，其中所述外部區域以基本恒定的角度伸出遠離所述內 部區域。
6.根據權利要求5所述的透鏡，其中表面傾斜角在從約20°到約35°的范圍內。
7.根據權利要求6所述的透鏡，其中所述表面傾斜角在從約22°到約30°的范圍內。
8.根據權利要求4至7中任意一項所述的透鏡，為截頭圓錐體的形式。
9.根據權利要求1所述的透鏡，為截頭圓錐體的形式，其中所述內部區域為圓形并形 成所述截頭圓錐體的頂點，所述外部區域圍繞所述內部區域的整個周界延伸以形成所述截 頭圓錐體的壁并接合到所述內部區域。
10.根據權利要求9或8所述的透鏡，其中所述透鏡在俯視圖中具有基本正方形的輪廓。
11.根據權利要求1或2或3所述的透鏡，其中所述外部區域以彎曲的方式伸出遠離所 述內部區域。
12.根據權利要求1所述的透鏡，其中所述內部區域為圓形，所述外部區域圍繞所述 內部區域的整個周界延伸以形成彎曲的外部透鏡區域的壁，并且由多個徑向延伸的分段形 成，所述多個徑向延伸的分段從所述內部區域延伸且沿它們的邊緣接合到一起，由此所述 外部區域以彎曲的方式伸出遠離所述內部區域。
13.根據前述權利要求中任意一項所述的透鏡，其中所述內部區域具有的徑向長度不 超過總透鏡半徑的約45%。
14.根據權利要求13所述的透鏡，其中所述內部區域具有的徑向長度在總透鏡半徑的 約20%到約45%之間。
15.根據權利要求14所述的透鏡，其中所述內部區域具有的徑向長度在總透鏡半徑的 約25%到約35%之間。
16.根據前述權利要求中任意一項所述的透鏡，其中所述透鏡的焦距與所述透鏡的半 徑之比在約1.5到約3之間。
17.根據前述權利要求中任意一項所述的透鏡，其中所述透鏡的焦點位于在包含所述 透鏡的所述內部區域的平面下方且與包含所述透鏡的所述內部區域的平面平行的平面中。
18.—種包括根據權利要求17所述的透鏡的組件，進一步包括在所述平面中位于所述 透鏡的焦點處的太陽能電池或熱量接收器。
19.一種包括根據權利要求1至17中任意一項所述的透鏡的組件或根據權利要求18 所述的組件，進一步包括在所述透鏡的凸面上的透明保護層。
20.根據權利要求19所述的組件，其中所述保護層比所述薄膜菲涅耳透鏡厚。
21.根據權利要求19或20所述的組件，其中所述保護層在1到3mm厚之間。
22.根據權利要求19、20或21所述的組件，其中所述保護層與所述透鏡的形狀相符。
23.根據權利要求19至21中任意一項所述的組件，其中所述保護層由連續透明塑料片 構成。
24.根據權利要求23所述的組件，其中所述片由PMMA制成。
25.根據權利要求23或24所述的組件，其中所述片通過加熱成形或注模而形成。
26.—種制造根據權利要求8所述的透鏡的方法，其中薄菲涅耳透鏡膜部分被提供有 環形切口以限定與外部區域分離的圓形內部區域，從所述外部區域的周界到所述環形切口 提供有向內漸縮的切口，所述向內漸縮的切口的側邊被接合到一起以形成截頭圓錐體的 壁，并且所述外部區域接合到所述內部區域從而所述內部區域形成所述截頭圓錐體的頂 點ο
27.一種制造根據權利要求11所述的透鏡的方法，其中圓形薄菲涅耳透鏡膜部分被提 供有從圓形內部區域的周界延伸到所述膜部分的周界的多個周向間隔的切除部，所述切除 部從所述膜部分的周界到所述中心區域的周界向內漸縮并限定徑向延伸的膜分段，相鄰分 段沿它們的邊緣被接合到一起使得所述分段限定圍繞整個內部區域延伸且以彎曲的方式 伸出遠離所述內部區域的平面的外部區域。
28.—種制造根據權利要求1所述的透鏡的方法，其中薄菲涅耳透鏡膜部分具有多邊 形形狀，并且角部分被彎曲遠離所述多邊形的平面以提供外部區域，該外部區域以一個角 度延伸遠離由所述膜部分的其余部分限定的內部區域的平面。
29.一種制造根據權利要求19至25中任意一項所述的組件的方法，包括將所述透鏡的 凸面安裝到透明片上。
30.根據權利要求29所述的方法，其中所述透鏡被安裝到成形塑料片上，該成形塑料 片的形狀與所述透鏡的形狀相符。
31.根據權利要求20所述的方法，其中所述塑料片使用加熱成形或注模而成形。
32.根據權利要求29至31中任意一項所述的方法，包括將所述透鏡層壓到所述片上。
全文摘要
一種點聚焦薄膜菲涅耳透鏡(15；25)，具有基本平坦的內部區域(8；22)、和外部區域(9；23)，所述外部區域從所述內部區域向外伸出，并且以實際的角度遠離所述內部區域的平面。在一個實施例中，所述透鏡為帶有作為其頂點的圓形內部區域的截頭圓錐體(15)的形式，在另一實施例中，所述透鏡為圓頂(25)的形式，并通過將從圓形中心區域(22)徑向延伸的分段(23)接合到一起而形成所述外部區域。
文檔編號G02B3/08GK101971059SQ200980106557
公開日2011年2月9日 申請日期2009年2月23日 優先權日2008年2月26日
發明者尼古拉斯·西蒙·沃克 申請人:微尖科技有限公司