透鏡的制作方法

專利名稱：：透鏡的制作方法
技術領域：
：本發明涉及諸如菲涅耳型透鏡之類的透鏡裝置，在其上形成透鏡的光學膜，以及用于制作這種膜的模具。本發明具體但不排它地涉及這種透鏡在太陽能聚集器中的使用。
背景技術：
：太陽能聚集器是將光從太陽直射的相對較大的區域聚焦到能量變換器設備(例如，光伏電池)所處的較小區域的光學系統，從而允許使用較小的變換器，以減小通常由能量變換器的價格所決定的太陽能系統的成本。這種太陽能聚集器可以由菲涅耳透鏡制成。通常這種透鏡具有大(毫米或零點幾毫米數量級)的棱鏡特征部。這需要使用平面模具和批處理方法，在單片丙烯酸塑料中鑄造這些結構，這意味著制造成本相當高。
發明內容從本發明的第一方面看，提供一種太陽能聚集器，該太陽能聚集器包括弧形線性菲涅耳透鏡，該弧形線性菲涅耳透鏡包括多個棱鏡特征部，所述棱鏡特征部被布置為至少兩段，其中，在每段中所述棱鏡特征部具有相同的頂角，所述相同的頂角在相鄰的段之間不同。本發明還擴展到一種光學聚集器膜，該光學聚集器膜包括多個棱鏡特征部，在該膜被彎曲時所述多個棱鏡特征部共同形成諸如菲涅耳透鏡之類的透鏡裝置，所述棱鏡特征部被布置為至少兩段，其中，在每段中所述棱鏡特征部具有相同的頂角，所述相同的頂角在相鄰的段之間不同。所述棱鏡特征部優選適于在所述膜被彎曲時形成透鏡裝置。在本發明的至少一個優選實施例中，允許太陽能聚集器由弧形線性菲涅耳透鏡制成，該弧形線性菲涅耳透鏡由可以以連續的鼓模制工藝制作的光學膜制成。與現有技術的批量模制工藝相比，這種工藝顯著降低了成本。本發明還擴展到一種光學膜，該光學膜包括多個棱鏡特征部，在該膜被彎曲時所述多個棱鏡特征部共同形成菲涅耳透鏡，所述棱鏡特征部被布置為至少兩段，其中，在每段中所述棱鏡特征部具有相同的頂角，所述相同的頂角在相鄰的段之間不同。對從其中穿過的光進行操控的大面積透明聚合物膜被用于多種應用中，從光學效果禮品包裝紙到平板液晶顯示器(LCD)中的背光亮度增強。一種這類型的膜是表面起伏光學膜。這些膜上呈現出浮出的諸如微棱鏡或微透鏡之類的透明結構，用于操控穿過膜的光的方向和擴散。可以制作高準確度的微光學結構，并且由于膜制作寬度大且制作速度快，光學膜的成本相對較低。因此，根據本發明至少優選實施例的膜為使用批制作工藝在模具中制作的精密鑄造塑膠光學器件提供可行的成本低的替換。光學膜通常通過使用模制工藝來制造以形成必需的特征部，不管這些特征部通過模壓、鑄造還是其它技術被印到膜上。當前，沒有用于在模具上使用光學表面(例如，具有RMS粗糙度<8納米的光學表面)來制造任意精密微光學特征的通用目的的方法。現有技術中存在多種制作方法，每種方法都只能制作某種類型的結構，但不能制作其它類型的結構。這些技術包括金剛石雕刻、激光燒蝕、銑削、電火花雕刻和刻蝕。金剛石雕刻可以是單點金剛石車削(singlepointdiamondturning)或者是金剛石表面輪廓加工(surfacecontouring)。這種工具或者使用飛刀切削(其中該工具被旋轉)、雕合(其中該工具沿線移動)或者通過例如使用車床移動表面來相對于表面移動。在激光燒蝕中，可以通過使用激光去除部分而雕刻。如果使用微激光運動控制或掩膜來將總體激光控制到微米的準確度，則可以創建復雜的表面特征。銑削涉及使用小型鉆頭從表面升起或者降低到低于表面。線性菲涅耳透鏡將光聚到中心條——這區別于將光聚到點或面的全3D透鏡。用于線性棱鏡透鏡的模制鼓比用于全3D菲涅耳透鏡的模制鼓較容易制作，這是因為棱鏡結構在一個方向上延伸，并且微精密車床機器能夠使用金剛石工具制造這種鑄造鼓，在該微精密車床機器上，鼓繞軸(C軸)旋轉且切割工具僅在一個方向(X方向)上沿鼓移動。該方法可以或者使用單點金剛石車削(由于金剛石工具被定位然后被推入表面內，因此可以直接形成與該工具的形狀相匹配的結構)，或者金剛石輪廓加工(在較小工具沿鼓來回移動時通過該工具移入和移出的軌跡而形成結構)。太陽能使用太陽光來提供能源。能量變換器將太陽光轉換為可以被傳輸或存儲的能量形式。這種能量變換器包括將光轉換為電能的光伏電池、將光(紅外和可見光)轉換為熱量用于例如升高水或一些其它流體的溫度的太陽能加熱器、太陽能制氫以及將太陽能聚焦到用于向遠端傳輸光的光波導中的室內日間采光，在遠端，光從光纖中散出，例如以提供建筑物內部的日間采光。大面積的太陽能單元非常昂貴。因此，所提供的根據本發明優選實施例的太陽能聚集器系統的優點在于，與總大小相同的光伏單元相比，能夠降低光學系統的成本并減小能量變換單元的尺寸。由于光學膜可以使用巻盤到巻盤(reel-to-reel)制造工藝來制作，這種制作工藝可以以高速(例如每分鐘30米)制作寬膜(例如達2m寬)，因此可以在極節省成本的情況下制成光學膜。在這種膜上可以可靠地并且準確地被復制上復雜的微光學結構。因此，使用所提供的低成本光學膜制作太陽能聚集器具有顯著的優點，結果是有效透鏡——即將足夠的一部分入射光聚集在期望的目標區域內的有效透鏡。有效透鏡的效率通常會好于75%，或者可能的話，好于80%。圓柱形菲涅耳透鏡由在一個方向上延伸的棱鏡結構構建而成。由于旋轉的鼓能夠被切割上棱鏡圖案，并且得到的鼓在制造工藝中直接用作模具，因此與全二維菲涅耳透鏡相比，這些結構更易于制作。執行該功能的高精度鼓切割機床也是可以獲得的。至少在本發明的優選實施例中，提供圓柱形弧形菲涅耳透鏡裝置。這是有益的，兩個主要原因如下。首先，弧形改善了透鏡的效率，這是由于使前表面相對于入射的直射的太陽光成角度，使得從透鏡的前表面的反射增加，增加的反射比由透鏡背面的棱鏡特征引起的菲涅耳損耗所抵消的還要多。第二，這意味著，對于與透鏡表面不垂直的入射光，可以避免優選棱鏡結構的兩個面之間的干擾。換句話說，可以布置使得非功能面，即不是光線最初出射的面，能夠被從光路徑的線路中移出。這意味著，透鏡在光的入射角方面可以具有一定的容許能力，而不會使透鏡的效率有顯著降低。這在諸如太陽能聚集器之類的透鏡的實際實現中是考慮的重要內容。根據本發明指明的棱鏡特征部的布置尤其有利，原因在于其使用用于連續地模制光學膜的模具鼓的例如使用金剛石的單點車削而提高了制造效率。這區別于切割工具相對于鼓表面移進移出以在鼓上形成棱鏡特征的輪廓加工方法。輪廓加工通常會用于形成期望形狀的棱鏡結構，但是由于工具的形狀不是正好匹配于頂點的形狀，因此通常會導致鈍的頂點。隨著棱鏡特征的尺寸減小，受該問題影響的棱鏡的比例會增加。因此，得到的特征部通常必須要比工具大，從而使這種技術所導致的不可避免的弧形頂點不構成棱鏡形狀的重要部分，這導致透鏡的效率降低。單點車削可用于創建極尖的棱鏡特征部，即使該特征部的特征尺寸很小，但單點車削方法的局限在于，得到的特征部的形狀由工具的形狀決定。這意味著需要不同的工具來制作不同的形狀。為了形成光從表面出射的角度必需在整個透鏡上增加的透鏡裝置，傳統的透鏡設計注定需要大量各自具有不同的棱鏡特征的不同工具。然而，從前述描述中顯而易見地是，這里公開的透鏡設計使得可以以顯著更有效的技術來制造用于諸如菲涅耳透鏡之類的有效線性透鏡裝置模具，由于優選實施例的特征尺寸小且保持高的透鏡效率，因此該模具可用于制作連續模制的光學膜。當從本發明的進一步方面看時，提供一種制造模具的方法，所述模具用于制作菲涅耳透鏡光學膜；所述方法包括旋轉模具坯，并通過重復將切割工具推進到所述模具坯的表面然后將所述工具撤離所述模具坯的表面，在所述模具坯上形成多個不同的棱鏡特征部。在一組實施例中，切割工具在各次切割之間旋轉。通過以分散步驟相對于盤或鼓的旋轉軸來旋轉單個切割工具，可以形成不同形狀但具有相同的頂角的棱鏡特征部。因此，顯而易見的是，可以使用單個工具形成根據本發明的透鏡裝置的給定段中的棱鏡特征部。通過使用這種變化和較小數目的段，僅需要較小數目的工具，這使必須購買多個工具并且在制作過程中必需更換工具相關聯的制作成本最小化。在以上所述的實施例中，切割工具沿相同的線推進到所述模具坯的表面和撤離所述模具坯的表面，該工具的旋轉發生在切割之間。對于每次切割，這形成與工具形狀(旋轉了不同的角度)匹配并且具有尖的棱鏡頂點的棱鏡形狀。雖然具有對于每個棱鏡使用單個切割工具的優點，但以上所述的單點車削技術也確實具有一些缺點。一個是需要在切割過程中保持切割工具相對于模具坯的旋轉軸具有恒定的角度，以保證棱鏡的兩個平的面處于正確的角度，并且棱鏡頂點足夠尖。然而，這有時很難實現，原因在于這需要在工具沿兩個獨立的軸移動時對工具的移動進行協調。另一缺點是，為了切割組成透鏡所需的全部棱鏡，仍然需要更換工具至少一次。在進一步的一組實施例中，該方法包括沿不同的方向將所述切割工具推進到所述模具坯的表面和將所述切割工具撤離所述模具坯的表面。這允許棱鏡的頂角被切割得大于工具的頂角，進而允許使用單個工具可以切割更多樣的棱鏡，并且因此給出了優化菲涅耳透鏡設計的更強能力。這在某些實施例中允許使用單個工具對制造用于制作菲涅耳透鏡的模具所需的全部棱鏡進行切割。在一組這種實施例中，工具在切割過程中被旋轉。對于單點車削，將工具推進，如同該工具僅切割棱鏡的一個面，以創建第一面。然而，將工具頭保持在相對于模具坯的固定位置上，使該工具旋轉，直到其處于第二面的期望角度，然后該工具或者被撤回以切割該面，或者被返回以使該工具的任意面都不與表面相接觸，然后撤回。在另一組這類實施例中，該工具被推進以創建第一面，然后工具頭沿期望的第二面無旋轉地撤回。這種棱鏡掃描切割避免了保證工具頭被保持在固定位置的需要，該固定位置是該工具被繞其旋轉的位置。避免工具繞其頂點的旋轉還最小化了損傷工具頂點的風險。在以上所述的實施例組中，可以使用單個較小的工具來切割各種角度的具有尖頂點的小棱鏡。頂角可以從由該工具的頂角本身所設定的最小值到任何期望的角度變化。實踐中，可以選擇具有對應于(即剛好小于)所需的最小棱鏡頂角的角度的工具。這允許最小角度的棱鏡被使用單點車削切割，而其它角度的棱鏡通過使該工具沿不同的方向推進和撤回來切割。因此，一組優選實施例包括使用單個工具在所述模具坯中切割多個棱鏡，所述棱鏡中的至少一個棱鏡具有與所述工具的頂角對應的頂角。這可以與金剛石輪廓加工對比，金剛石輪廓加工是趨向于僅能夠制作十倍于工具頂角數量級的頂角的粗糙技術。這是因為金剛石輪廓加工僅使用工具的頭來切割棱鏡特征部，而不是使用工具的面和頭來切割棱鏡特征部。模具坯可以是用于形成放射狀(radial)棱鏡模具的扁平圓盤，但優選是用于形成線性透鏡模具的鼓，原因之前已經給出。優選地，模制坯具有金屬表面。更優選地，模制坯具有由電鍍銅或鎳制成的表面。在優選實施例中，該方法包括使用棱鏡形的工具。在優選實施例中，該方法包括使用金剛石工具。優選地，該工具所切割的結構的深度在10微米至100微米之間。更優選地，該工具所切割的結構的深度在10微米至40微米之間。優選地，該工具頭具有比半微米半徑更尖的弧度。可以理解，該方法的至少以上所述的某些實施例允許制作用于制成不具有本發明第一方面的結構的線性且放射狀菲涅耳透鏡的模具。本發明還擴展到使用這些方法制作的模具，并擴展到使用這種模具制作的光學膜菲涅耳透鏡。當從本發明的進一步的方面看時，提供一種制造光學膜的方法，包括將透明材料的連續膜移到模制鼓上，所述模制鼓具有適于將對應的線性特征部傳遞給移到所述鼓上的膜的起伏表面，所述特征部具有棱鏡截面并且被布置為合作形成透鏡裝置，所述透鏡裝置具有與所述線性特征部平行的線性焦軸。本發明還擴展到使用以上所述的方法制造的光學膜，并擴展到使用該膜，優選被彎成繞與所述焦軸平行的軸的曲面，制成的諸如線性菲涅耳透鏡之類的線性透鏡裝置。在本發明的優選實施例中，所述透明材料的膜被從巻軸上巻下。在本方法的優選實施例中，在將膜移到所述鼓上之前，該膜被涂覆有例如臘克(lacquer)或樹脂之類的能夠在紫外光中固化的層。優選地，該方法包括在紫外光中固化該膜。優選地，固化步驟發生在該膜離開所述模制鼓之前。該方法優選包括將該膜巻繞到第二巻軸上的步驟。在某些實施例中，由所述鼓的表面起伏印制的特征部被布置為至少兩段，在每段中，所述棱鏡特征部具有相同的頂角，所述相同的頂角在相鄰段之間不同。這在模制鼓的可制造方面具有益處，如以上所述。然而并不是必不可少的。優選地，無論是光學膜本身上的還是用于制造光學膜的模具上的棱鏡結構均具有不大于50微米，優選不大于30微米的深度。這最小化了根據優選實施例所采用的UV可固化樹脂的成本，并且還可以有助于最大化制造速度和保證準確的微光學形狀復制。優選地，對根據本發明的光學膜進行處理，以最小化光從上表面的反射，上表面通常(但不是必需)沒有棱鏡特征部。這在增加光透射通過膜有益，尤其是在增透特性對于入射與法線之間相對較大的角度來說仍然有效的情況下更是如此。例如，在用于實現例如太陽能聚集器中使用的菲涅耳型透鏡裝置的弧形膜的情況下，到達膜的邊緣的直射太陽光就是這樣具有大的入射角。如果不是這樣，陽光中相當大的部分會被從該表面反射走。一種這類處理方案就是提供浮出的納米結構，例如尺寸在大約100至300nm量級的凸起形。這些結構小于可見光的波長，并且采用了減小反射的分級折射率表面。這種膜可以保持極高的光學透射率。優選地，根據本發明的光學膜包括疏水的外表面。這允許該膜至少在某種程度上可以自清潔，從而使其可以在不提供透明保護層的情況下，遠離會對光透射產生不利影響的污垢等，其中提供透明保護層會增加成本，并且保護層本身也會減小總的光透射。制作具有極高疏水性能的外表面的一種方式是，在膜上涂覆一層極疏水的聚合物，例如含氟聚合物。另一實現方式是合并具有高疏水涂層的結構表面，以創建"超疏水的"表面。這種表面具有超過150度的水接觸角。通常，這種結構通過合并微結構(例如，微凸起形)和納米結構以創建"蓮花效果"表面來實現。然而，在當前應用中，微凸起形會干擾透鏡的正確的光傳輸，因此優選僅使用納米結構。根據前述內容可以理解，浮出的納米結構(當與高疏水涂層時組合時)可以具有抗反射和自清潔的效果。現在僅以示例方式參考附圖來描述本發明的某些優選實施例，附圖中圖1是根據本發明用于切割模具的設備的示意圖；圖2是可以以相同頂角形成的不同棱鏡形狀的示意性圖示；圖3是根據本發明的模具切割方法的示意性圖示；圖4是根據本發明的不同的模具切割方法的示意性圖示；圖5是線性弧形菲涅耳透鏡的形成的示意性圖示；圖6a至圖6d是根據本發明的太陽能聚集器的結構的示意性圖示；圖7是用于菲涅耳透鏡的理想角度條件的示意性圖示；圖8是與圖7類似的示出次最佳角度條件的示意性圖示；圖9是與圖7類似的示出另一次最佳角度條件的示意性圖示；圖10是優選實施例如何能夠避開棱鏡頂點的進一步示意性圖示；圖11是實現本發明的弧形線性透鏡的示意性表示；圖12是根據本發明的橫跨(across)膜的寬度的示例性棱鏡面角度的圖；并且圖13是與圖12的平角度相對應的棱鏡軸角度的變化圖。具體實施例方式圖1示意性地示出根據本發明實施例的光學膜的制作中所使用的用于切割模制鼓2的布置。鼓2由諸如電鍍銅或鎳之類的合適的金屬制成，并且被安裝為繞其縱軸的方向C旋轉。金剛石頭切割工具4安裝在支撐架6上，支撐架6可以平行于鼓2的軸在方向X上平移，并且支撐架6還可以在方向B上關于平行于鼓的一切線的軸旋轉。支撐架還可以向鼓推進，或遠離鼓。—般而言，工具的頂角(從而使由使用該工具切割的模具形成的最終棱鏡的內角)優選大于30度左右，使得該工具不太長，并且不會很薄且易碎。這也是根據本發明的優選實施例的菲涅耳透鏡裝置的設計中的要素。理想地但不是必要地，用于給定工具的切割角被設置為使得每個面與垂直方向的角度大于3度左右。這有助于保證棱鏡可以在高速光學膜制造過程中從模具中取出——需要使用不收縮的光學UV臘克(opticalUVcurablelacquers)來保證鑄造的形狀精密復制模具的形狀，因此這會使"不容易制作的(difficult)"結構很難無損傷地從模具中取出。為了制作用于制作光學膜的模制鼓，首先將合適的金剛石尖切割工具4安裝在支撐架6上。然后，鼓2以合適的速度，例如每分鐘大約600轉的速度被旋轉，如箭頭6所示。工具4的切割角度通過在預先編程的控制器的控制下以方向B旋轉支撐架6來設置。改變工具的切割角度的效果可以在圖2中看出。圖2示出可以通過改變單個工具的切割角度而實現的三個示例性棱鏡形狀。—旦切割角度已經被設置，則支撐架由控制器沿X軸平移，以沿X軸將工具4的頂點定位在期望的位置處。然后，工具4移向鼓2，切割鼓的表面，直到工具頂點達到正確深度。然后，工具被撤回，并且通過關于B旋轉來設置新的切割角度。接著，支撐架6移動到X軸上的新的位置，并且重復切割操作。這里，可以看到模具的一部分被形成，該部分模具會在光學膜上產生最終透鏡裝置的一段，其中一系列棱鏡特征部具有相同的頂角。使用第一工具切割出一系列特征部之后，針對具有不同頂角的特征部而更換工具。然后，重復以上所述的切割程序，以制作最終棱鏡布置中的另一段。應當理解，必須停止機器來更換工具，這對制作效率以及購買工具的成本會有影響。然而，根據本發明優選實施例的棱鏡布置允許在更換工具次數最小的情況下有效地制作棱鏡。根據本發明的示例確實被制作為僅具有兩片——也就是說僅使用兩種不同的工具。對切割工藝的調整示于圖3中。該圖示出包括角度工具旋轉的棱鏡切割，由于單個工具4能夠創建多個不同的頂角，因此該切割不需要更換機器中的工具4。所使用的工具4具有剛好比該結構中待切割的最窄的棱鏡小的頂角D。切割程序是首先定位工具4，使得工具4的面中的一個面50與待切割的第一面52對準。然后，工具4沿面52的方向推進到模制鼓2中，以切割面52。然后，在到達待切割的棱鏡的頂點54時，工具4停止并旋轉，直到其位于待切割的另一面56的位置。在旋轉期間，通過調整X、Z和B軸，工具頭被保持在與頂點54相同的位置處。然后，該工具在使得工具4的另一面58切割第二面56的方向上從模制鼓2中撤回。當然，如果需要最小角度的棱鏡，則不對工具執行旋轉，而是簡單地沿相同的軸撤回。另一方法示出在圖4中，該方法避免了工具4繞軸旋轉，但是仍然能夠僅使用單個工具4，同樣使其頂角D剛好小于該結構中待切割的最窄的棱鏡。該圖示出借助于棱鏡掃描(swe印)的切割，首先將工具4推進到模制鼓2中，以切割棱鏡的第一面52。然后，在到達待切割的棱鏡的頂點54時，工具4停止并沿第二面56的方向從模制鼓2中(無旋轉地)撤回，從而使工具4的頭切割面56。前述工藝的結果是在制造表面起伏的光學膜的工藝中所使用的鼓形模具，鼓的表面被刻有必需的微光學結構的倒置。光學膜的制作如下。首先，諸如聚對苯二甲酸乙二酯(PET)、聚萘二甲酸乙二酯(PEN)、ETFE、丙烯酸或類似的光學透明聚合物膜之類的基膜被涂覆有UV臘克，UV臘克本身具有高的透明度并且固化為具有已知的折射率的材料。合適的樹脂的示例是可以在商業上從新澤西州07004費爾菲爾德9AudreyPlace的Rad-CureCorporation獲得的Rad-KoteX-6JA-68-A。這種臘克已被形成為通過可見光固化，并且其粘性為500cP。涂覆后的膜被壓到鼓上，涂覆側與鼓接觸。以此方式，涂層被壓到模具的倒置特征部中。此時，使用UV光來部分地或完全地對涂層進行固化，從而使其采取模具的倒置形式。將得到的膜從鼓中拉出，得到表面是期望的微光學特征部的基膜。以上過程被實施為連續的工藝，該工藝可以以例如每分鐘15米的高產率制造光學膜。—旦極低成本的高效線性菲涅耳透鏡可用，就可以構建多個重要的系統，這些系統例如可操作為提供由被配置為實用系統的系統所產生的電能、制氫或熱量形式的可再生能源，或者提供由被配置為建筑物整合系統形式的系統所產生的電能、制氫或熱量形式的可再生能源，還可以操作為去除來自入射光的直射太陽能加熱(從而減小建筑物冷卻系統對能量的需求)，并且仍然能夠使用散射的日光照亮內部。以下圖示出作為太陽能聚集器的示例性實施方式，但是本領域普通技術人員能夠設計出其它類似系統。如以上所述制作的連續膜示意性地示于圖5中，并且包括膜表面8，從該膜的表面突出的棱鏡傾斜特征部10、12、14。中間的棱鏡10與兩個外側的棱鏡12、14具有不同的頂角。兩個外側的棱鏡12、14具有相同的頂角，因此可以由相同的工具形成，但是具有不同的(鏡像)形狀。該膜被切成條，接著這些條被彎曲，以形成圓柱形的弧形菲涅耳透鏡裝置，如圖5的右手側以及圖6的中間上部分所示。這樣是有利的，首要的原因在于，弧形提供額外的折射效應。然而，其還能夠避免棱鏡的兩個面之間的干擾，如以下參考圖7至圖10更詳細解釋的。如圖6的左上部示意性示出的，膜條16在其下表面(當該膜被巻曲時變為內表面)上具有棱鏡特征部10、12、14，但是在外表面上形成有具有100-300納米數量級尺度的納米凸起。并且還有疏水含氟聚合物涂層(未示出)。然后，在這些突起之間給出具有增透性質和自清潔性質的膜16。膜16的條被巻曲為(接近)圓柱形，并且被裝配到底托20、20'、20"上，底托的三個示例示于圖6的右上部分。沿著第一底托20的細長基座的是充當用于將光轉換為電能的光伏材料的條。從圖6的左下部分中的示意性圖示可以看出，透鏡16用于將光聚焦到位于變換器22處的長條形焦軸上，這樣能使所產生的電能的量最大化。第二底托替代20'不同之處在于，能量變換器被布置為管24，例如管24包含被加熱然后用于太陽能加熱或用于驅動諸如斯特靈發動機之類的高效渦輪發電機的工作流體。第三底托替代20"具有沿焦軸的一排分散的光伏電池26。被安裝的膜巻16和能量變換器條22、26的組件可以通過使用具有電機化旋轉以及太陽指示傳感器(未示出)的單個驅動柱而旋轉，該單個驅動柱由桿28與其它柱16連在一起，以將它們一起旋轉。透鏡可以被安裝在玻璃后面，但是由于膜的外表面上有自清潔膜，因此任它們同樣地暴露——例如以類似的方式暴露于辦公室、溫室或暖房中建筑物整合窗口布置中的太陽擋簾中。這種太陽能模塊還可以被安裝在建筑物中，例如替代百葉簾。直射的太陽光被移走，從而減小了建筑物上的熱負荷，并且可以用于產生電能、氫或者熱(或組合)。非直射的太陽光進入室內(并且可以例如進一步由其它光學膜散射)。如上所述，提供的透鏡裝置包括以具有相同頂角的段布置的棱鏡特征部，并且弧形線性菲涅耳型透鏡的使用還有助于保證非光學功能的棱鏡面很好地遠離傳播穿過棱鏡結構并從棱鏡結構中出來的光。這將參考圖7至圖10更詳細地進行解釋。首先參見圖7，圖7示出兩個相鄰并且相同的棱鏡特征部10。每個棱鏡特征部10具有兩個面與膜的表面8成角度A的阿爾法面30;和與膜的表面8成角度B的貝塔面32。為了避免對透鏡的操作產生不利影響，穿過膜的光必須僅與棱鏡的一個面——用于將光重定向使其與目標相交的貝塔面30——相合。另外的阿爾法面32不進行光學操作，而僅充當將透鏡"變平"為菲涅耳透鏡的功能。兩組可能的光線與阿爾法面30相交以角度e2穿過棱鏡10的光；和已經穿過相鄰棱鏡10并且由相鄰棱鏡10折射向目標的、以角度93被該棱鏡折射的光。這兩種情況分別示于圖8和圖9中。為了使阿爾法面30避免光路徑中的第一光路徑，則對于給定形狀的棱鏡，需要有角度A的單一值使e3<(90度-A)<e2換句話說，阿爾法面30與膜表面8的法線形成的角度必須在與93之間。這是圖7中所示的情況。很顯然，如果90-A大于92，則穿過棱鏡的光會與阿爾法面30相交，如圖8中所示。類似地，如果90-A小于93，則從棱鏡出來的光會與左手的(阿爾法)面相交。為了滿足該條件，93必須小于或等于e2，以將正確的阿爾法面角度"夾(squeeze)"在這些值之間。93=e2的極端情況僅在貝塔面32垂直于在棱鏡中傳播的光線從而不會發生偏折時才發生。在這種情況下，由于棱鏡內光線的任意偏離均會導致一些光與阿爾法面30相交，因此設計需要保持貝塔面32與棱鏡內的光線垂直。所以，這種設計會在入射角方面沒有容限，并且棱鏡與正確定向的任意偏離都會導致一些盲區(shadowing)。這在大多數實際環境中是不可避免的。例如，太陽能跟蹤系統的準確度通常在2度左右。如果棱鏡的角度小于90度，則在棱鏡內的光線與折射出射的光線之間產生角度差，這使得阿爾法面30處于這些角度之間(因此與這兩束光線脫離)。另外，對于恒定棱鏡頂角的段，給出了可接受入射角的范圍。最后，通過使角度差C處于阿爾法面角度A與在棱鏡10中傳播的光線之間，棱鏡內的所有光都會避開棱鏡頂點D，在實際的實施中，棱鏡定點D與偏離棱鏡定點面的準確度相比會被變圓/降低。這在圖10中示出，其中可以看出，僅使用貝塔面的圈出的部分32'。因此，大約適合于該角度差中間值的阿爾法面30的角度A是優選的。下表示出針對棱鏡內的光線與出射光線之間的角度差的不同值的棱鏡角度，棱鏡材料的折射率取1.53(對具有不同折射率的材料，這些角度也會不同)。角度差(度)棱鏡頂角(度)<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>隨著角度差增加使得棱鏡內的光線與貝塔表面32形成的角度增加，后表面的菲涅爾反射也增加，因此棱鏡的總透射率降低。因此，期望將角度差設置為在使可接受入射角的范圍最大的大值與使透射率最大的小值之間的合適的折衷值。實驗示出6度或更小的角度差很可能是最佳的。因此，優選的最小棱鏡內角是75度或更大。可以從一系列這種恒定的頂角段構建透鏡，角度差在橫跨棱鏡的各個段中增加。最后的角度約束是貝塔面32必須真正折射光，因此該角度必須小于臨界角，即棱鏡內的光線與貝塔面32形成的角度必須小于由下式給出的9CTit:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage13</formula>其中n2是棱鏡材料的折射率，ni是空氣的折射率。因此，對于ri2=1.53禾口n丄=1.004，臨界角是40.863度。根據本發明的示例透鏡設計示于圖9中。這里棱鏡材料具有1.53的折射率。與目標36的寬度相應的中間部分形狀34沒有棱鏡。內棱鏡段38被提供在無棱鏡段34的兩側。段38中的棱鏡具有接近直角的頂點，例如給出2度的偏轉的87.61度。膜的弧度，即膜的表面相對于入射太陽光的角度，是使得產生2度的偏轉，偏轉的光到達目標36的左邊遠端的邊緣。透鏡的第二外側段由給出4度的角度偏轉的具有80.51度的頂角的棱鏡形成，4度的角度偏轉允許+/-2度的準直準確度。因此，具有內棱鏡表面的弧形膜導致光線的偏轉，這將照射到其上的準直的太陽光聚焦到目標36處的線性條上。在每個段38、40內，棱鏡的頂角保持恒定，但是在每段內，棱鏡被旋轉，從而給出透鏡效應。圖12是阿爾法面和貝塔面與法線所成的角度(分別是上面的曲線和下面的曲線)的圖，該圖是隨著橫跨膜的右半部分從中間(圖的左側)向邊緣(圖的右側)移動的過程中，工具的切割角度和工具的內角發生改變而創建的。不考慮第一段34(無棱鏡，參見圖11)，僅考慮兩段第一段38具有固定的87.61度內角，對應于工具橫跨該窄段稍稍旋轉；另一段40具有固定的80.51的內角，但是面的角度隨著對用于制造該膜的鼓的切割的工具被旋轉而橫跨膜改變。可以看出，在切割用于產生該膜的模制鼓的表面時，僅需要更換工具一次。阿爾法面和貝塔面與法線所成的角度當然通過與每個工具有關進而與每段有關的固定內角而以三角形式相關。圖13也示出棱鏡工具橫跨膜的旋轉效應，這次通過繪制工具的中心軸的角度得到該圖。可以看出工具的角度在各段之間改變，從而給出圖12中所示的變化的"阿爾法"和"貝塔"面的角度。本領域技術人員應當理解，對所描述的實施例的多種變化和修改處于本發明的范圍內。例如，使用參考圖3和圖4所描述的技術允許在需要的情況下制作不具有頂角相同的多個段的光學膜。它們也確實可以被應用于制作用于點透鏡的盤形模具。權利要求一種太陽能聚集器，包括弧形線性菲涅耳透鏡，該弧形線性菲涅耳透鏡包括多個棱鏡特征部，所述棱鏡特征部被布置為至少兩段，其中，在每段中所述棱鏡特征部具有相同的頂角，所述相同的頂角在相鄰的段之間不同。2.如權利要求1所述的太陽能聚集器，其中所述弧形線性菲涅耳透鏡是圓柱形的。3.—種光學聚集器膜，包括多個棱鏡特征部，在所述膜被彎曲時所述多個棱鏡特征部共同形成透鏡裝置，所述棱鏡特征部被布置為至少兩段，其中，在每段中所述棱鏡特征部具有相同的頂角，所述相同的頂角在相鄰的段之間不同。4.如權利要求3所述的光學聚集器膜，其中，在所述膜被彎曲時所述棱鏡特征部適于形成透鏡裝置。5.如權利要求3或4所述的光學聚集器膜，其中，在所述膜被彎曲時所述透鏡裝置是圓柱形的。6.—種光學膜，包括多個棱鏡特征部，在所述膜被彎曲時所述多個棱鏡特征部共同形成菲涅耳透鏡，所述棱鏡特征部被布置為至少兩段，其中，在每段中所述棱鏡特征部具有相同的頂角，所述相同的頂角在相鄰的段之間不同。7.如權利要求6所述的光學膜，其中，在所述膜被彎曲時所述菲涅耳透鏡是圓柱形的。8.如權利要求6或7所述的光學膜，其中，所述棱鏡特征部具有不大于50微米、優選不大于30微米的深度。9.如權利要求6至8中任一項所述的光學膜，其中，所述膜被處理，以最小化光從上表面的反射。10.如權利要求9所述的光學膜，其中，所述膜通過提供浮出的納米結構而被處理。11.如權利要求6至9中任一項所述的光學膜，包括疏水的外表面。12.如權利要求11所述的光學膜，其中，所述表面被構建為僅由納米結構組成。13.—種制造模具的方法，所述模具用于制作菲涅耳透鏡光學膜，所述方法包括旋轉模具坯，并通過重復將切割工具推進到所述模具坯的表面然后將所述工具撤離所述模具坯的表面，在所述模具坯上形成多個不同的棱鏡特征部。14.如權利要求13所述的制造模具的方法，包括沿同一條線將所述切割工具推進到所述模具坯的表面和將所述切割工具撤離所述模具坯的表面。15.如權利要求13所述的制造模具的方法，包括沿不同的方向將所述切割工具推進到所述模具坯的表面和將所述切割工具撤離所述模具坯的表面。16.如權利要求15所述的制造模具的方法，包括僅使用單個切割工具。17.如權利要求13至16中任一項所述的制造模具的方法，包括在各次切割之間旋轉所述切割工具。18.如權利要求13至17中任一項所述的制造模具的方法，包括在切割過程中旋轉所述切割工具。19.如權利要求18所述的制造模具的方法，包括在旋轉過程中將工具頭保持在固定的位置。20.如權利要求18或19所述的制造模具的方法，包括推進所述切割工具，以切割所述棱鏡特征部的第一面，將所述切割工具旋轉到所述棱鏡特征部的第二面的期望角度，并撤回所述切割工具。21.如權利要求20所述的制造模具的方法，包括沿所述第二面的角度撤回所述切割工具，從而切割所述第二面。22.如權利要求20所述的制造模具的方法，包括使所述工具返回，使得在撤回所述工具之前，所述工具的任意面均不與所述表面接觸。23.如權利要求13至17中任一項所述的制造模具的方法，包括推進所述切割工具，以切割所述棱鏡特征部的第一面，并且沿所述棱鏡特征部的第二面撤回所述切割工具，從而切割所述第二面，其中所述工具在切割過程中不旋轉。24.如權利要求13至23中任一項所述的制造模具的方法，包括使用單個工具在所述模具坯中切割多個棱鏡，所述棱鏡中的至少一個棱鏡具有與所述工具的頂角對應的頂角。25.如權利要求13至24中任一項所述的制造模具的方法，其中，所述模具坯是用于形成放射狀透鏡模具的扁平圓盤。26.如權利要求13至24中任一項所述的制造模具的方法，其中，所述模具坯是用于形成線性透鏡模具的鼓。27.如權利要求13至26中任一項所述的制造模具的方法，其中，所述模具坯具有金屬表面。28.如權利要求13至27中任一項所述的制造模具的方法，其中，所述模具坯具有由電鍍銅或鎳制成的表面。29.如權利要求13至28中任一項所述的制造模具的方法，其中，所述切割工具是棱鏡形的。30.如權利要求13至29中任一項所述的制造模具的方法，其中，所述切割工具是金剛石工具。31.如權利要求13至30中任一項所述的制造模具的方法，其中，所述工具切割的結構的深度在10微米至100微米之間，優選在10微米至40微米之間。32.如權利要求13至31中任一項所述的制造模具的方法，其中，所述切割工具頭具有比半微米半徑還尖的弧度。33.—種使用權利要求13至32中任一項所述的方法制造的模具。34.—種使用權利要求33的模具制造的光學膜菲涅耳透鏡。35.—種制造光學膜的方法，包括將透明材料的連續膜移到模制鼓上，所述模制鼓具有表面起伏，該表面起伏適于將對應的線性特征部傳遞給移到所述鼓上的膜，所述特征部具有棱鏡剖面并且被布置為合作形成透鏡裝置，所述透鏡裝置具有與所述線性特征部平行的線性焦軸。36.如權利要求35所述的制造光學膜的方法，包括將所述透明材料的膜從巻軸上巻下。37.如權利要求36所述的制造光學膜的方法，包括將所述膜巻繞到第二巻軸上。38.如權利要求35、36或37所述的制造光學膜的方法，包括在將所述膜移到所述鼓上之前，在所述膜上涂覆能夠在紫外光下固化的層。39.如權利要求35至38中任一項所述的制造光學膜的方法，包括在紫外光下固化所述膜。40.如權利要求39所述的制造光學膜的方法，其中，所述固化步驟發生在所述膜離開所述模制鼓之前。41.如權利要求35至40中任一項所述的制造光學膜的方法，其中，由所述鼓的表面起伏傳遞的特征部被布置為至少兩段，其中在每段中所述棱鏡特征部具有相同的頂角，所述相同的頂角在相鄰的段之間不同。42.如權利要求35至41中任一項所述的制造光學膜的方法，其中，所述棱鏡特征部具有不大于50微米、優選不大于30微米的深度。43.如權利要求35至42中任一項所述的方法，包括對所述膜進行處理，以最小化光從上表面的反射。44.如權利要求43所述的方法，包括通過提供浮出的納米結構對所述膜進行處理。45.如權利要求43或44所述的方法，包括采用疏水的外表面。46.如權利要求45所述的方法，包括提供僅由納米結構組成的結構表面。47.—種使用權利要求35至46中任一項所述的方法制造的光學膜。48.—種使用權利要求47的光學膜制造的線性透鏡。49.如權利要求48所述的線性透鏡，其中所述膜被彎曲為繞與所述焦軸平行的軸的弧形。全文摘要一種太陽能聚集器，包括具有多個棱鏡特征部(10、12、14)的弧形線性菲涅耳透鏡(16)。所述棱鏡特征部被布置為至少兩段，在每段中所述棱鏡特征部具有相同的頂角，所述相同的頂角在相鄰段之間不同。一種制造用于制作菲涅耳透鏡光學膜(16)的模具(2)的方法被公開。該方法包括旋轉模具坯，并通過重復將切割工具(4)推進到所述模具坯的表面然后將所述工具撤離所述模具坯的表面，在所述模具坯上形成多個不同的棱鏡特征部(10、12、14)。文檔編號H01L31/052GK101743489SQ200880022289公開日2010年6月16日申請日期2008年6月23日優先權日2007年6月28日發明者尼古拉斯·西蒙·沃克申請人:微尖科技有限公司