一種雙面菲涅爾透鏡的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于太陽能利用技術領域，特別涉及一種雙面菲涅爾透鏡。
【背景技術】
[0002] 目前的菲涅爾透鏡均為單面結構，即入射面為平面結構，出射面為有多條凹陷的 齒槽結構，該結構設計使得聚光組件的厚度比較厚，聚光器焦距與聚光器口徑的比（F/#) 通常為1. 1，而且現有菲涅爾透鏡齒槽中的齒面均設為平面，這樣就必須要求菲涅爾透鏡本 身非常薄，即齒間距極小，通常要求在〇.5mm以下，齒間距如果過大，將導致光斑過大。但由 于工藝的原因，導致每一個齒尖與齒底，即每一個齒面的分段處，將形成圓角，而在該圓角 的部分，將會有光損失，而且齒越小則光效損失越大。
【發明內容】
[0003] 本發明的目的在于：針對上述存在的問題，提供一種在提高光效的同時滿足較高 聚光倍數的雙面菲涅爾透鏡。
[0004] 本發明的技術方案是這樣實現的：一種雙面菲涅爾透鏡，包括入射面和出射面，其 特征在于：所述入射面和出射面均為設置有多條凹陷的齒槽，每個齒槽中對應的用于起聚 光作用的齒面均為弧面結構，下部齒槽的弧面輪廓形狀隨與之對應的上部齒槽的輪廓形狀 的變化而變化，將光線離散化且從右至左進行編號，分別為〇、1、2、3至N，且假設相鄰兩條 光線之間的間距為A X，通過每一根光線的光路確定其所通過對應齒槽中上、下部弧形齒面 輪廓形狀的曲線方程；
[0005] 首先，確定上部齒面的方程，其曲線方程滿足：
[0012] 其中，Xn為第N條光線的X值，m是第N條光線通過該曲線后在焦點處的X值，a為 透鏡半口徑，b為焦點半徑，y n為第N條光線與曲線交點的Y值，ΔΧ為相鄰兩條光線的間 距，β為光線的入射角，Θ為入射角，α為折射光線與X軸的夾角，h為X軸與焦點的垂直 距離，η是材料折射率；
[0013] 其中a、b，ΔΧ、h、η為已知，且Υ。= 0,通過上式，選取適當的X值，即可求得每一 個齒的曲線點；
[0014] 其次，當所述上部齒面的曲線方程確定后，再確定下部齒面的方程，其曲線方程滿 足：
[0021] 其中，h。為玻璃厚度，b為第一條入射光線與y = h'直線的交點與Y軸的垂直距 離，h'為光斑到玻璃上表面的距離，X。為第一條入射光線在上部聚光折射面的起點，α。為 第一條入射光線通過上部聚光折射面后與X軸的夾角，β c為第一條入射光線在下部聚光 折射面橫截面的折射角，Θ。為第一條入射光線在下部聚光折射面橫截面的入射角，φ。為 第一條入射光線與下部聚光折射面橫截面交點處的曲線法線與y軸的銳角夾角，Λ X為第 一條入射光線和第二條入射光線分別與玻璃下表面交點的距離，Λ X'為第一條入射光線 和第二條入射光線分別與下部聚光折射面折射點的水平距離，η為材料折射率；N為一個自 然數，即將整個曲面的橫截面分成N等分，d為光線等比壓縮的比例，數值上等于^，公式1 可由上部齒面求得，將公式2代入公式3,結合公式1求得y'n，將y'"代入公式6求得β n， 將y' "代入公式2求得Λ x'，將Λ x'代入公式5求得x' n，這樣就得到下部齒面的各點坐標 (y' n，X' n)，即得到下部齒面的曲線；
[0022] 其中，對應上、下齒槽的上、下齒面相當于構成一個獨立的透鏡，假定整個菲涅爾 透鏡的半徑為R，即Xc= R，通過上述的方程即可求得上下兩條連續曲線，在合理的高度位 置H處截斷連續曲線，截斷位置的X值為X1，截取齒面寬度為W 1，則X1= R-W i，以此作為下 一個齒面的初始計算點，在下一個齒面高度接近H時，截斷曲線；以此類推，直到Xn= 0時， 整個菲涅爾透鏡計算完畢。
[0023] 本發明所述的雙面菲涅爾透鏡，其所述入射面上的齒槽以及出射面上的齒槽分別 以透鏡的軸心為對稱中心軸對稱布置，所述入射面上的齒槽個數與出射面上的齒槽個數相 等。
[0024] 本發明通過雙面的結構設計，可將聚光器焦距與聚光器口徑的比壓縮至0. 7,同時 齒槽中的齒面采用弧面結構，可實現齒間距可以任意選擇的同時，依然能獲得較小的光斑， 即使用較大的齒間距在提高光效的同時滿足較高的聚光倍數。
【附圖說明】
[0025] 圖1是本發明的結構示意圖。
[0026] 圖2是本發明的聚光示意圖。
[0027] 圖3是本發明的剖面圖。
[0028] 圖4是本發明剖面的局部放大圖。
[0029] 圖5是本發明中上部齒槽的齒面曲線方程原理圖。
[0030] 圖6是本發明中下部齒槽的齒面曲線方程原理圖。
[0031] 圖中標記：1為入射面，2為出射面，3為齒槽，4為齒面，5為對稱中心軸。
【具體實施方式】
[0032] 下面結合附圖，對本發明作詳細的說明。
[0033] 為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對 本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并 不用于限定本發明。
[0034] 如圖1-4所示，一種雙面菲涅爾透鏡，包括入射面1和出射面2,所述入射面1和出 射面2均為設置有多條凹陷的齒槽3,每個齒槽中對應的用于起聚光作用的齒面4均為弧面 結構，所述入射面1上的齒槽以及出射面2上的齒槽分別以透鏡的軸心為對稱中心軸5對 稱布置，為了光線的一一對應，所述入射面1上的齒槽個數與出射面2上的齒槽個數相等。
[0035] 雙面菲涅爾透鏡的難點在于：為了得到較小的光斑，上、下兩層菲涅爾透鏡需要 相互匹配，即下部齒槽的弧面輪廓形狀隨與之對應的上部齒槽的輪廓形狀的變化而變化， 為了使得上下兩層菲涅爾透鏡匹配，設計時將光線離散化，同時由于聚光器為中心對稱，設 計時只考慮通過該對稱中心的一個橫截面，最后該橫截面沿該對稱中心選擇得到所需聚光 器。
[0036] 具體方法為：在如圖4所示的橫截面上，將光線離散化且從右至左進行編號，分別 為0、1、2、3至N，且假設相鄰兩條光線之間的間距為ΔΧ，通過每一根光線的光路確定其所 通過對應齒槽中上、下部弧形齒面輪廓形狀的曲線方程.
[0037] 如圖5所示，首先，確定上部齒面的方程，其曲線方程滿足：
[0044] 其中，Xn為第N條光線的X值，m是第N條光線通過該曲線后在焦點處的X值，a為 透鏡半口徑，b為焦點半徑，y n為第N條光線與曲線交點的Y值，Δ