一种双面菲涅尔透镜的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于太阳能利用技术领域，特别涉及一种双面菲涅尔透镜。
【背景技术】
[0002] 目前的菲涅尔透镜均为单面结构，即入射面为平面结构，出射面为有多条凹陷的 齿槽结构，该结构设计使得聚光组件的厚度比较厚，聚光器焦距与聚光器口径的比（F/#) 通常为1. 1，而且现有菲涅尔透镜齿槽中的齿面均设为平面，这样就必须要求菲涅尔透镜本 身非常薄，即齿间距极小，通常要求在〇.5mm以下，齿间距如果过大，将导致光斑过大。但由 于工艺的原因，导致每一个齿尖与齿底，即每一个齿面的分段处，将形成圆角，而在该圆角 的部分，将会有光损失，而且齿越小则光效损失越大。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于：针对上述存在的问题，提供一种在提高光效的同时满足较高 聚光倍数的双面菲涅尔透镜。
[0004] 本发明的技术方案是这样实现的：一种双面菲涅尔透镜，包括入射面和出射面，其 特征在于：所述入射面和出射面均为设置有多条凹陷的齿槽，每个齿槽中对应的用于起聚 光作用的齿面均为弧面结构，下部齿槽的弧面轮廓形状随与之对应的上部齿槽的轮廓形状 的变化而变化，将光线离散化且从右至左进行编号，分别为〇、1、2、3至N，且假设相邻两条 光线之间的间距为A X，通过每一根光线的光路确定其所通过对应齿槽中上、下部弧形齿面 轮廓形状的曲线方程；
[0005] 首先，确定上部齿面的方程，其曲线方程满足：
[0012] 其中，Xn为第N条光线的X值，m是第N条光线通过该曲线后在焦点处的X值，a为 透镜半口径，b为焦点半径，y n为第N条光线与曲线交点的Y值，ΔΧ为相邻两条光线的间 距，β为光线的入射角，Θ为入射角，α为折射光线与X轴的夹角，h为X轴与焦点的垂直 距离，η是材料折射率；
[0013] 其中a、b，ΔΧ、h、η为已知，且Υ。= 0,通过上式，选取适当的X值，即可求得每一 个齿的曲线点；
[0014] 其次，当所述上部齿面的曲线方程确定后，再确定下部齿面的方程，其曲线方程满 足：
[0021] 其中，h。为玻璃厚度，b为第一条入射光线与y = h'直线的交点与Y轴的垂直距 离，h'为光斑到玻璃上表面的距离，X。为第一条入射光线在上部聚光折射面的起点，α。为 第一条入射光线通过上部聚光折射面后与X轴的夹角，β c为第一条入射光线在下部聚光 折射面横截面的折射角，Θ。为第一条入射光线在下部聚光折射面横截面的入射角，φ。为 第一条入射光线与下部聚光折射面横截面交点处的曲线法线与y轴的锐角夹角，Λ X为第 一条入射光线和第二条入射光线分别与玻璃下表面交点的距离，Λ X'为第一条入射光线 和第二条入射光线分别与下部聚光折射面折射点的水平距离，η为材料折射率；N为一个自 然数，即将整个曲面的横截面分成N等分，d为光线等比压缩的比例，数值上等于^，公式1 可由上部齿面求得，将公式2代入公式3,结合公式1求得y'n，将y'"代入公式6求得β n， 将y' "代入公式2求得Λ x'，将Λ x'代入公式5求得x' n，这样就得到下部齿面的各点坐标 (y' n，X' n)，即得到下部齿面的曲线；
[0022] 其中，对应上、下齿槽的上、下齿面相当于构成一个独立的透镜，假定整个菲涅尔 透镜的半径为R，即Xc= R，通过上述的方程即可求得上下两条连续曲线，在合理的高度位 置H处截断连续曲线，截断位置的X值为X1，截取齿面宽度为W 1，则X1= R-W i，以此作为下 一个齿面的初始计算点，在下一个齿面高度接近H时，截断曲线；以此类推，直到Xn= 0时， 整个菲涅尔透镜计算完毕。
[0023] 本发明所述的双面菲涅尔透镜，其所述入射面上的齿槽以及出射面上的齿槽分别 以透镜的轴心为对称中心轴对称布置，所述入射面上的齿槽个数与出射面上的齿槽个数相 等。
[0024] 本发明通过双面的结构设计，可将聚光器焦距与聚光器口径的比压缩至0. 7,同时 齿槽中的齿面采用弧面结构，可实现齿间距可以任意选择的同时，依然能获得较小的光斑， 即使用较大的齿间距在提高光效的同时满足较高的聚光倍数。
【附图说明】
[0025] 图1是本发明的结构示意图。
[0026] 图2是本发明的聚光示意图。
[0027] 图3是本发明的剖面图。
[0028] 图4是本发明剖面的局部放大图。
[0029] 图5是本发明中上部齿槽的齿面曲线方程原理图。
[0030] 图6是本发明中下部齿槽的齿面曲线方程原理图。
[0031] 图中标记：1为入射面，2为出射面，3为齿槽，4为齿面，5为对称中心轴。
【具体实施方式】
[0032] 下面结合附图，对本发明作详细的说明。
[0033] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并 不用于限定本发明。
[0034] 如图1-4所示，一种双面菲涅尔透镜，包括入射面1和出射面2,所述入射面1和出 射面2均为设置有多条凹陷的齿槽3,每个齿槽中对应的用于起聚光作用的齿面4均为弧面 结构，所述入射面1上的齿槽以及出射面2上的齿槽分别以透镜的轴心为对称中心轴5对 称布置，为了光线的一一对应，所述入射面1上的齿槽个数与出射面2上的齿槽个数相等。
[0035] 双面菲涅尔透镜的难点在于：为了得到较小的光斑，上、下两层菲涅尔透镜需要 相互匹配，即下部齿槽的弧面轮廓形状随与之对应的上部齿槽的轮廓形状的变化而变化， 为了使得上下两层菲涅尔透镜匹配，设计时将光线离散化，同时由于聚光器为中心对称，设 计时只考虑通过该对称中心的一个横截面，最后该横截面沿该对称中心选择得到所需聚光 器。
[0036] 具体方法为：在如图4所示的横截面上，将光线离散化且从右至左进行编号，分别 为0、1、2、3至N，且假设相邻两条光线之间的间距为ΔΧ，通过每一根光线的光路确定其所 通过对应齿槽中上、下部弧形齿面轮廓形状的曲线方程.
[0037] 如图5所示，首先，确定上部齿面的方程，其曲线方程满足：
[0044] 其中，Xn为第N条光线的X值，m是第N条光线通过该曲线后在焦点处的X值，a为 透镜半口径，b为焦点半径，y n为第N条光线与曲线交点的Y值，Δ