专利名称：多级串联共焦点圆锥曲面二次反射单元光汇聚法的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光线汇聚方法，特别是一种通过多级串联共焦点的圆锥曲面二次反射单元汇聚得到高光能密度和高光亮度的汇聚光的方法。
背景技术：
圆锥曲线包括抛物线、双曲线、椭圆，而抛物线、双曲线、椭圆都有各自的特征性光学性质。抛物线的光学性质与对称轴平行的光线经旋转抛物面(抛物线绕轴旋转一周生成的曲面)反射后，都通过焦点；反之，从焦点发出的光线经旋转抛物面反射后，变成平行光线。双曲线的光学性质从双曲线的一个焦点发出的光线经旋转双曲面(双曲线绕其实轴旋转一周生成的旋转曲面)反射后，光线散开，就好像是从另一个焦点发出的一样。椭圆的光学性质从椭圆的一个焦点发出的光线经旋转椭圆面(椭圆绕其长轴旋转一周生成的 旋转曲面)反射后，都通过另一个焦点。在本发明人的另一份发明专利一一圆锥曲面共焦点二次反射光强度缩放法体系及其装置中，其中按照大圆锥曲面 小圆锥曲面「开口方向形式」的组合顺序抛物线 抛物线「开口方向一致和相反皆可」，抛物线 双曲线「开口方向一致」，抛物线 椭圆「开口方向相反」，4种组合构成的共焦点圆锥曲面二次反射单元具有优异的聚光性能。当平行光线射向抛物线 抛物线组合将产生平行汇聚光线；当平行光线射向抛物线 双曲线、抛物线 椭圆组合将产生相交汇聚光线。其单元的汇聚比可由如下方式计算，获得平行汇聚光线的汇聚比=大圆锥曲面面积与小圆锥曲面面积之比；获得相交汇聚光线的汇聚比=大圆锥曲面面积与汇聚光线光斑面积之比。共焦点圆锥曲面二次反射单元可以是槽状或盘状，且使用盘状时更容易获得较高的汇聚比。在当前较多采用的组合光线汇聚技术中平面反射法多采用多片平面镜反射得到汇集光线，如CN101196612A，但其汇聚比较小；光学透镜法其受制于部件尺寸，不宜用于较大面积和较长距离的光线汇聚；曲面反射法虽已涉及共焦点的圆锥曲面二次反射，但多采用的是两个抛物线共焦点组合的单级的形式，如专利CN101726843A、CN102062937A、CN201917709U。以上方式目前都不能或不容易获得极高光能密度和极高光亮度的汇聚光。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述问题和不足而提供一种通过多级串联共焦点的圆锥曲面二次反射单元汇聚得到高光能密度和高光亮度的汇聚光的方法。本发明解决其技术问题采用的技术方案是多级串联共焦点圆锥曲面二次反射单元光汇聚法，该方法的光汇聚系统包含多级聚光层，也可以有平面反射层或光反射通道，多级聚光层间直接串联或多级聚光层和平面反射层、光反射通道等树形串联组成光汇聚系统。所谓“多级串联”是沿光路形成多级聚光作用的串联，非装置部件间的接触性串联。所谓“树形串联”是指多级聚光层和平面反射层、光反射通道等串联组成的光汇聚系统，由第η级聚光层向第一级逆光路看，光汇聚系统逐级展开如树的分叉结构，聚光层级数越低其二次反射单元数越多。整个光汇聚系统中的二次反射单元可以是槽状或盘状，但所有二次反射单元形式应统一，比如都为槽状或都为盘状，都为盘状时更容易获得较高的汇聚比。多级聚光层，每一级聚光层都由若干具有特殊聚光作用的共焦点圆锥曲面二次反射单元组成，聚光层间可以有非聚光作用的平面反射层或光反射通道层用以转移光线进入下一级聚光层或输出，多级聚光层间还可以有新的入射光。该多级串联共焦点圆锥曲面二次反射单元光汇聚法的光汇聚作用过程是平行光线(低亮度光线或低密度光能)射向第一级由若干共焦点圆锥曲面二次反射单元组成的聚光层，经单元按各自的汇聚比汇聚得到一级汇聚光；一级汇聚光可经平面反射层反射进入或直接射入第二级由若干共焦点圆锥曲面二次反射单元组成的聚光层，经单元再按各自的汇聚比汇聚得到二级汇聚光；二级汇聚光可经平面反射层反射进入或直接射入第三级由若干共焦点圆锥曲面二次反射单元组成的聚光层，以此类推，按照如上的光线汇聚过程可在第η级聚光层汇聚过后获得所需求强度的汇聚光线。各级间的二次反射单元尺寸应根据需求和空间尺寸来定，各级间的汇聚光为平行汇聚光，发散性小，利于较长距离的传递。多级串联共焦点圆锥曲面二次反射单元光汇聚法所述的具有特殊聚光作用的共 焦点圆锥曲面二次反射单元，其聚光作用原理可参看附图I和附图2。附图I为抛物线 抛物线「开口方向一致和相反两种情况」共焦点组合的聚光示意图，当平行光线射向该组合将产生平行汇聚光线，其单元的汇聚比=大圆锥曲面面积与小圆锥曲面面积之比。因其入射光线和射出的汇聚光线都是平行光，易于在光汇聚系统中转移和传递，故抛物线 抛物线「开口方向一致和相反两种情况」共焦点组合的二次反射单元将是整个光汇聚系统中数量最多的二次反射单元。附图2为抛物线 双曲线「开口方向一致」和抛物线 椭圆「开口方向相反」共焦点组合的聚光示意图，当平行光线射向该组合将产生相交汇聚光线，其单元的汇聚比=大圆锥曲面面积与汇聚光线光斑面积之比。因其产生的是相交汇聚光线，不易于在光汇聚系统中转移和传递，一般适于作为末级聚光层中的二次反射单元。多级串联共焦点圆锥曲面二次反射单元光汇聚法所述的汇聚光直接射入下一级聚光层的情况的汇聚示意图可参看附图3。附图3中左图为一个三级直接汇聚系统，且二三级汇聚层采用了非完整的共焦点圆锥曲面二次反射单元，平行光线(低亮度光线或低密度光能)射入一级二次反射单元，产生一级平行汇聚光，再直接射入二级二次反射单元，产生二级平行汇聚光，直接射入三级二次反射单元，产生三级平行汇聚光输出。整个装置的总汇聚比N = NfN2-N3,其中N1为一级二次反射单元的汇聚比，N2为二级二次反射单元的汇聚t匕，N3为三级二次反射单元的汇聚比。附图3中中图为一个二级直接汇聚系统，不过第二级二次反射单元的安放位置利用了一级平行汇聚光的空间阴影区，整个装置的总汇聚比N =N3N2。附图3中右图也为一个二级直接汇聚系统，第二级二次反射单元的安放位置利用了一级平行汇聚光的空间阴影区，并且第二级二次反射单元采用了附图2中产生相交汇聚光线的二次反射单元，整个装置的总汇聚比N = N1^N20由中国气象数据知，中国阳光辐照最弱的四川盆地的年均日照辐射强度为3Kw/(h*m2)，为简便计算取3. 6Kw/ (h*m2)，即Iw/ (s*m2)，这种日照辐射强度在中国仍算是偏低的。选用附图3中中图的二级直接汇聚系统，汇聚系统的二次反射单元都采用盘状，两级汇聚比都定为100 1，即一级二次反射单元中的大圆锥曲面半径lm，小圆锥曲面半径10cm，其汇聚比N1 = 31 *1002/ 31 *102 = 100 ;二级二次反射单元中的大圆锥曲面半径IOcm,小圆锥曲面半径lcm，其汇聚比N2 = Ji *102/3i *12 = 100，整个装置的总汇聚比N = N1^N2 =100*100 = 10000，假设汇聚系统在反射中的光反射率为100%，那么光辐射强度lw/(s*m2)的入射光经二级直接汇聚系统汇聚产生的汇聚光的辐射强度将达到IOKw/(s*m2)，光能密度增加了 10000倍。由此可知多级串联共焦点圆锥曲面二次反射单元光汇聚法的光汇聚作用十分明显。多级串联共焦点圆锥曲面二次反射单元光汇聚法所述的汇聚光和新的入射光也可以有多种方式，可以形成树形结构，多方式的汇聚示意图可参看附图4至附图7。汇聚光可以直接射入下一级聚光层，也可经平面反射层反射进入 下一级聚光层；一个二次反射单元可以接收一道上级汇聚光，也可以接收多道上级汇聚光，具体情况应根据需求和空间尺寸来定；新的平行入射光可直接射入各级聚光层中的某个二次反射单元内，也可经平面反射层反射进入或者光反射通道(如光纤或内有反射层的管路等)接入；新的平行入射光包括未经汇聚的平行光线、某一级的平行汇聚光和光纤或内有反射层的管路等导入的平行光。由于可以有新的平行入射光射入，则多级串联共焦点圆锥曲面二次反射单元光汇聚法系统可以形成树形结构，可将更大面积内接收到的低亮度光线或低密度光能平行光传递汇聚到一起，形成极高光能密度和极高光亮度的汇聚光。若每一聚光层内的二次反射单元汇聚比相同，则附图4和附图5的整个装置的总汇聚比N = 2*N3N2*N3，其中2为第一聚光层的2个二次反射单元，N1为一级二次反射单元的汇聚比，N2为二级二次反射单元的汇聚比，N3为三级二次反射单元的汇聚比，新入射光未计算入总汇聚比中，其他系统的总汇聚比计算与此类似。本发明的有益效果是本发明提供了一种通过多级串联共焦点的圆锥曲面二次反射单元汇聚得到高光能密度和高光亮度的汇聚光的方法。该方法的光汇聚系统的汇聚比为各级串联二次反射单元汇聚比的乘积之和，易产生较大的汇聚比，汇聚效果十分突出。多级串联的汇聚方式可将更大面积内接收到的低亮度光线或低密度光能平行光传递汇聚到一起，形成极高光能密度和极高光亮度的汇聚光。各级间的二次反射单元尺寸可根据需求和空间尺寸来定，适应于较大的尺寸需求范围。各级间的汇聚光为平行汇聚光，发散性小，利于较长距离的传递。整个光汇聚系统组成方式为多级串联，单元自身结构简单，易于运用和安装。本发明可广泛运用于各种需要增强光信号、光能密度、光亮度的场合，将在光学、太阳能利用等领域发挥重要作用。
图I是抛物线 抛物线「开口方向一致和相反两种情况」共焦点组合的聚光示意图，这两种二次反射单元为整个光汇聚系统中的主要二次反射单元。图2是抛物线 双曲线「开口方向一致」和抛物线 椭圆「开口方向相反」共焦点组合的聚光示意图，为适于用在末级聚光层中的二次反射单元。图3是本发明的多种聚光层间直接串联情况中的三种示例，左图为一个三级直接汇聚系统，且二三级汇聚层采用了非完整的共焦点圆锥曲面二次反射单元；中图为一个二级直接汇聚系统，第二级二次反射单元的安放位置利用了一级平行汇聚光的空间阴影区；右图为一个二级直接汇聚系统，第二级二次反射单元采用了附图2中所示产生相交汇聚光线的二次反射单元。
图4是本发明的一种含有多级聚光层和平面反射层串联情况的示例的聚光示意图。该示例包含三级聚光层和两级平面反射层，一级汇聚光经平面反射层反射进入第二级聚光层中，二级汇聚光经平面反射层再次反射进入第三级聚光层中，三级汇聚光输出，第二级平面反射层有新的入射光加入。图5是本发明的另一种含有多级聚光层和平面反射层串联情况的示例的聚光示意图。该示例包含三级聚光层和两级平面反射层，一级汇聚光经平面反射层反射和直接射入两种方式进入第二级聚光层中，二级汇聚光经平面反射层再次反射进入第三级聚光层中，三级汇聚光输出，第二级平面反射层有新的入射光加入。图6是本发明的一种含有多级聚光层和平面反射层、光反射通道串联情况的示例的聚光示意图。该示例包含三级聚光层、一级平面反射层和一级光反射通道，一级汇聚光经光反射通道导入第二级聚光层中，二级汇聚光经平面反射层再次反射进入第三级聚光层中，三级汇聚光输出，平面反射层有新的入射光加入。图7是本发明的一种含有多级聚光层和平面反射层、光反射通道串联情况的示例的聚光示意图。该示例包含三级聚光层、两级平面反射层和一级光反射通道，一级汇聚光经平面反射层反射和光反射通道导入两种方式进入第二级聚光层中，二级汇聚光经平面反射层再次反射进入第三级聚光层中，三级汇聚光输出，第二级平面反射层有新的入射光加入。图中，I-大圆锥曲面，2-小圆锥曲面，3- 一级聚光层，4- 二级聚光层，5-三级聚光层，6-平面反射层或光反射通道层，7-平面镜，8-光反射通道。
具体实施例方式本发明的重要发明点为一种通过多级串联共焦点的圆锥曲面二次反射单元汇聚得到高光能密度和高光亮度的汇聚光的方法，以下提供本发明多种实施方式中的三种示例作为通用实施方式，其它凡其原理和基本结构与如下实施例相同或相近的，均在本发明的保护范围之内。实施例一本实施例是一个二级直接汇聚系统，可参看附图3中的右图，一级聚光层3中的共焦点圆锥曲面二次反射单元为抛物线 抛物线「开口方向一致」共焦点组合，二级聚光层4中二次反射单元的安放位置利用了一级平行汇聚光的空间阴影区，并且采用了附图2中所示产生相交汇聚光线的二次反射单元。整个汇聚系统按照一级聚光层3，二级聚光层4的直接串联形式安装。本实施例，其作用过程如下平行光线(低亮度光线或低密度光能)射入一级聚光层3的二次反射单元，经一级聚光层3汇聚产生平行的一级平行汇聚光，再直接射入二级聚光层4中的二次反射单元，其中左侧一级平行汇聚光直接射入二级二次反射单元左侧，右侧一级平行汇聚光直接射入二级二次反射单元右侧，经二级二次反射单元汇聚产生二级相交汇聚光输出。共焦点圆锥曲面二次反射单元可以是槽状或盘状，但使用盘状时更容易获得较高的汇聚比，本实施例考虑统一使用盘状。整个系统的总汇聚比N = NfN2，其中N1为一级二次反射单元的汇聚比，N2为二级二次反射单元的汇聚比。本实施例的尺寸根据需求或空间尺寸和汇聚比制造。本实施例汇聚系统产生的高光能密度和高光亮度的汇聚光可在各种需要增强光信号、光能密度、光亮度的场合发挥作用，可广泛运用于光学、太阳能利用等领域。实施例二本实施例是一个含有多级聚光层和平面反射层树形串联情况的汇聚系统，可参看附图4。该示例包含三级聚光层和两级平面反射层，一级聚光层3中的共焦点圆锥曲面二次反射单元含有抛物线 抛物线「开口方向一致和相反两种情况」共焦点组合，一级平面反射层6由平面镜7组成，二级聚光层4中二次反射单元的安放位置利用了一级平面反射层6反射光的空间阴影区，二级聚光层4和三级聚光层5中的二次反射单元都为抛物线 抛物线「开口方向相反」共焦点组合，二级平面反射层6也由平面镜7组成。整个汇聚系统按照一级聚光层3，平面反射层6，二级聚光层4，平面反射层6，三级聚光层5的多级串联形式安装。本实施例，其作用过程如下平行光线(低亮度光线或低密度光能)射入一级聚光层3的二次反射单元，一级聚光层3汇聚产生的一级平行汇聚光，经平面反射层6反射进入二级聚光层4中的二次反射单元，二级聚光层4汇聚产生二级平行汇聚光，再经平面·反射层6反射进入三级聚光层5中的二次反射单元，第二级平面反射层6有新的入射光射入，也经平面反射层6反射进入三级聚光层5中的二次反射单元，最后在三级聚光层5中汇聚产生三级平行汇聚光输出。共焦点圆锥曲面二次反射单元可以是槽状或盘状，但使用盘状时更容易获得较高的汇聚比，本实施例考虑统一使用盘状。整个系统的总汇聚比N =2*K*N2*N3，其中2为一级聚光层3中的2个二次反射单元，N1为一级二次反射单元的汇聚t匕，N2为二级二次反射单元的汇聚比，N3为三级二次反射单元的汇聚比，(系统的总汇聚比N的计算未包括新的入射光)。本实施例的尺寸根据需求或空间尺寸和汇聚比制造。本实施例汇聚系统产生的高光能密度和高光亮度的汇聚光可在各种需要增强光信号、光能密度、光亮度的场合发挥作用，可广泛运用于光学、太阳能利用等领域。实施例三本实施例是一个含有多级聚光层和平面反射层、光反射通道串联情况的汇聚系统，可参看附图7。该示例包含三级聚光层、两级平面反射层和一级光反射通道，一级聚光层3、二级聚光层4和三级聚光层5中的共焦点圆锥曲面二次反射单元均为抛物线 抛物线「开口方向相反」共焦点组合，一级平面反射层或光反射通道层6由平面镜7和光反射通道8组成，二级聚光层4中二次反射单元的安放位置利用了一级平面反射层6反射光的空间阴影区，二级平面反射层6由平面镜7组成，三级聚光层5中二次反射单元的安放位置利用了二级平面反射层6反射光的空间阴影区。整个汇聚系统按照一级聚光层3，平面反射层或光反射通道层6，二级聚光层4，平面反射层6，三级聚光层5的多级树形串联形式安装。本实施例，其作用过程如下平行光线(低亮度光线或低密度光能)射入一级聚光层3的二次反射单元，一级聚光层3汇聚产生的一级平行汇聚光，经平面反射层6反射和光反射通道8导入两种方式进入二级聚光层4中的二次反射单元，二级聚光层4汇聚产生二级平行汇聚光，再经平面反射层6反射进入三级聚光层5中的二次反射单元，第二级平面反射层6有新的入射光射入，也经平面反射层6反射进入三级聚光层5中的二次反射单元，最后在三级聚光层5中汇聚产生三级平行汇聚光输出。共焦点圆锥曲面二次反射单元可以是槽状或盘状，但使用盘状时更容易获得较高的汇聚比，本实施例考虑统一使用盘状。整个系统的总汇聚比N = R^N2-N3,其中N1为一级二次反射单元的汇聚比,N2为二级二次反射单元的汇聚比，N3为三级二次反射单元的汇聚比，(系统的总汇聚比N的计算未包括光反射通道8导入的光和新的入射光)。本实施例的尺寸根据需求或空间尺寸和汇聚比制造。本实施例汇聚系统产生的高光能密度和高光亮度的汇聚光可在各种需要增强光信号、光能密度、光亮度的场合发挥作用，可广泛运用于光学、太阳能利用等领域。
权利要求
1.多级串联共焦点圆锥曲面二次反射单元光汇聚法，该方法的光汇聚系统包含多级聚光层，也可以有平面反射层或光反射通道，其特征在于多级聚光层间直接串联或多级聚光层和平面反射层、光反射通道等树形串联组成光汇聚系统，每一级聚光层都由若干具有特殊聚光作用的共焦点圆锥曲面二次反射单元组成，聚光层间可以有非聚光作用的平面反射层或光反射通道层用以转移光线进入下一级聚光层或输出，多级聚光层间还可以有新的入射光，光汇聚系统的总汇聚比为各级串联二次反射单元汇聚比乘积之和。
2.根据权利要求I所述的多级串联共焦点圆锥曲面二次反射单元光汇聚法，其特征在于所述光汇聚系统中有特殊聚光作用的共焦点圆锥曲面二次反射单元，可以是槽状或盘状，但所有二次反射单元形式应统一，都为盘状时更容易获得较高的汇聚比。
3.根据权利要求I所述的多级串联共焦点圆锥曲面二次反射单元光汇聚法，其特征在于所述共焦点圆锥曲面二次反射单元和新的入射光，一个二次反射单元可以接收一道上级汇聚光，也可以接收多道上级汇聚光，具体情况应根据需求和空间尺寸来定；新的平行入 射光可直接射入各级聚光层中的某个二次反射单元内，也可经平面反射层反射进入或者光反射通道(如光纤或内有反射层的管路等)接入；新的平行入射光包括未经汇聚的平行光线、某一级的平行汇聚光和光纤或内有反射层的管路等导入的平行光。
全文摘要
本发明提供了一种通过多级串联共焦点的圆锥曲面二次反射单元汇聚得到高光能密度和高光亮度的汇聚光的方法。该方法的光汇聚系统包含多级聚光层，也可有平面反射层或光反射通道，多级聚光层间直接串联或多级聚光层和平面反射层、光反射通道等树形串联组成光汇聚系统。光汇聚系统的总汇聚比为各级串联二次反射单元汇聚比乘积之和。每一级聚光层都由若干具有特殊聚光作用的共焦点圆锥曲面二次反射单元组成，聚光层间可有非聚光作用的平面反射层或光反射通道层用以转移光线进入下一级聚光层或输出，多级聚光层间还可有新的入射光。本发明可广泛运用于各种需要增强光信号、光能密度、光亮度的场合，将在光学、太阳能利用等领域发挥重要作用。
文档编号G02B17/06GK102981256SQ201110260859
公开日2013年3月20日 申请日期2011年9月5日 优先权日2011年9月5日
发明者杨欢 申请人:杨欢