一种平行光源的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及光学领域中人造平行光。其广泛应用于光催化、工业催化、光解水产 氨、光化学催化、光化学合成、光降解污染物、水污染处理、生物光照，光学检测、聚光光伏、 光加速实验等研究领域。
【背景技术】
[0002] 太阳能具有清洁、无资源地域限制、对人类来说永无枯竭等优良特性，越来越受到 人们的青睐，其中太阳能光伏利用即太阳光通过光伏器件直接转换成电能的技术尤其引人 注目。
[0003] 目前，一个完整的聚光光伏发电系统主要包括聚光太阳电池组件、太阳跟踪器、电 能存储或逆变设备等几部分。聚光太阳电池组件作为光电转换部件，主要由透射式或反射 式聚光器和安装有光伏电池晶片的电路板所组成。使用时通过太阳跟踪器使聚光透镜基本 正对阳光照射方向，然后通过运些聚光透镜分别将太阳光汇聚并投射到电路板上与各个聚 光透镜相对应的光伏电池晶片的接收面上，从而使各个光伏电池晶片中产生电流，运些电 流通过电路板上的线路输出。
[0004][0005] 聚光光伏在测试时，需要一种平行光源，用W模拟太阳光，但目前在实验室中很难 获得一个良好的平行光源。其原因在于目前的平行光源出光口径难于做大，一般的光源口 径仅在Φ100mm左右时，通常发散角已经达到5度。如果进一步加大光源口径，其发散角还 会进一步增大。即使将发散角控制在5°左右，人造光源也很难完美的模拟自然环境中的太 阳光平行照射情况，对于太阳能光伏产品研制造成了严重的制约。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于克服现有技术中所存在的上述不足，提供一种可W将外界杂散 光转换为平行光的一种光学元件，从而获得一种口径不受限制的平行光发生器。
[0007] 为了实现上述发明目的，本发明提供了W下技术方案：
[0008] 一种平行光源，包括发光元件和透光平板，发光元件激发的光线经过透光平板转 化为平行光。所述透光平板内部规则排布有双折射晶体。所述双折射晶体的尺寸为发光元 件激发的光线的波长量级，优选的双折射晶体的尺寸为300~900nm，更优选的，晶体尺寸 为 400 ~800nm。
[0009] 本发明是利用双折射晶体的光线选择特性来实现杂散光转换为平行光的目的。其 原理在于采用在透光平板内部规则排布尺寸为波长量级且具有双折射率的晶体。当光波遇 到波长量级的微粒时，会发生米氏散射。而光遇到双折射晶体是会分离成寻常光0光和非 寻常光e光。且晶体主截面内e光由于其特殊性，可W在一个特殊的方向上直接透过微粒， 不改变e光的传播方向。同时通过选择合适的透过平板及双折射晶体，使得该传播方向超 过或等于透明平板的全反射角，则e光将在透光平板内部传播至出口，同时保证了通过出 口光的传播方向总是能够直接透过双折射晶体的特殊角度一致。而其他非该特殊角度的光 在内部发生散射，直至满足输出的特殊角度条件，从而出射。
[0010] 与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明的平行光源解决了现有技术中平行 光源容易发散的问题，可W提供更大口径的人造平行光源，完美的模拟自然环境中的太阳 光平行照射情况，对于太阳能光伏产品研制具有重大意义。
【附图说明】：
[0011] 图1为平行光源发生器结构示意图。
[0012] 图2为光波遇到波长量级的微粒发生米氏散射的示意图。
[0013] 图3为光在平行光源发生器内部的光路。
[0014] 图4为e光在双折射晶体表面的传播参数。
[0015] 图5为平行光源发生器的内部结构。
[0016] 图6为一种传统的实现平行光源的方式原理示意。
[0017] 图中标记：1-透光平板，2-双折射晶体，3-光源。
【具体实施方式】
[0018] 双折射率是当普通光线进入各向异性物质内（如方解石、棉纤维、人造纤维等）， 除在表面有反射光之外，进入各向异物质的光线会变为两条光线，一条光线遵守折射定律， 称为寻常光线，简称0光；另一条光线并不按照折射定律的角度而折射，称为非寻常光线， 简称E光。运种现象即称为双折射。运两条光线的折射率之差，就称为双折射率。对于棉 纤维（正晶体）来说，寻常光线（亦称快光）的速度大于非寻常光线（亦称慢光）。
[0019] 晶体的各向异性即沿晶格的不同方向，原子排列的周期性和疏密程度不尽相同， 由此导致晶体在不同方向的物理化学特性也不同，运就是晶体的各向异性。
[0020] 双折射晶体中的光线满足如下传播规则：
[0023] 其中η为透明平板的折射率，rvn。分别是晶体中0光与e光对应的折射率。Θ为 晶体光轴与界面的夹角，Φ为入射角，α为e光波法线与光轴的夹角，β为e光光线与光 轴的夹角。
[0024] 双折射晶体在透光平板内部均匀排列。透光平板折射率为η。使晶体光轴需朝向 一致，且平行于入射平面。即Θ角为已知等于0° ;由于e光出射光线与入射光共线，且Θ 二0,则β二90。-Φ;由此方程只有两个未知数即α、β。即可通过公式①、②进行求解。 β即为出射光角。
[00巧]使用时，通过调节聚光器受光面与β角垂直，则可得到聚光器的光斑。从而实现 在实验室对聚光器及聚光组件的检测手段。
[00%] 进一步，所述透光平板的结构是长方体。透光平板为长方体结构，其内部设置双折 射晶体用于光线的折射作用，透光平板主要是作为晶体的载体，同时作为光线通道使用。优 选的，透光平板的非平行光线入射/出射的方向是镜面（反射面），光线遇到运些平面时发 生反射继而再次被双折射晶体进行分解折射，并最终实现透光平板射出平行光线的目的。 即透光平板是直线通道式的光通道结构，其四个环状壁面是反射面。
[0027] 进一步，所述双折射晶体的折射率为11。= 1. 618，η 1. 843。η。是0光在晶体中 的折射率，η。是e光在晶体中的折射率。
[0028] 进一步，所述双折射晶体是液晶分子。液晶分子设置在透光平板内时，具有易于充 填设置的特点，排列规则度好，聚焦平行光线的作用显著。
[0029] 进一步，所述透光平板内部设置双折射晶体的方向是晶体光轴与光线入射面平 行，排布的横竖间隔是400~800nm。晶体光轴与光线入射面平行时，射入的光源中大部分 平行的光线可W直接无损失的穿透而过，非平行光线则在液晶分子间折射、反射、透射并最 终转化为目标的平行光线。
[0030] 进一步，光源和透光平板的光线入射方向连接在一起，固定的结构保证两者之间 的连接更加稳固可靠。优选的，将光源和透光平板的光线入射面粘结在一起，粘结方式简单 易行，且稳固性优良。
[0031] 下面结合试验例及【具体实施方式】对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解 为本发明上述主题的范围仅限于W下的实施例，凡基于本
【发明内容】
所实现的技术均属于本 发明的范围。 阳0巧 实施例1
[0033] 如图1所示，选用氣灯作为平行光源3的激发光源，在光源的光线传导方向上设置 一透光平板1，所述透光平板1内部规则排布有晶体的尺寸为发光元件激发的光线的波长 量级的双折射晶体方解石（图1中未绘出）。如图5所示，双折射晶体规则的排布在透光平 板内部。如图2所示，发光元件激发的光线经过透光平板内的方解石时，由于双折射晶体的 尺寸和光线波长在同一个数量级，所W发生米氏散射。如图4所示，散射后的光线在双折射 晶体方解石内分离成寻常光0光和非寻常光e光。如图3所示，e光在一个特殊的方向上 直接透过微粒，不改变方向的直接从透光平板出光侧射出；而0光在透明平板内发生反射、 折射，并最终转化成为和0光同样的方向射出，进而使得光源激发的光线转化为平行光。
[0034] 实施例2
[0035] 采用液晶分子的双折射晶体，制备成尺寸为400~800nm的晶体微粒，将该双折射 晶体规则的排布在透光平板的内部，晶体间距500nm。然后，将此透光平板安装在氣灯光源 的光线射出端口上，当光源激发的原始光线进入透光平板后，被转化为平行光线，从透光平 板的另一侧出口射出。采用凸透镜进行聚焦，观察焦点大小，可知光源的发散角在Γ左右。
[0036] 对比例1
[0037] 采用尺寸为1~5μm的晶体微粒液晶分子的双折射晶体，规则的排布在透光平板 的内部，透光平板安装在氣灯光源的光线射出端口上，原始光线进入透光平板后，从透光平 板的另一侧出口射出。
[0038] 采用凸透镜进行聚焦，观察焦点大小，评估光线的平行度。结果显示，本对比例制 备的平行光源光线的直径达到100mm时，其发散角在2°左右。
[0039] 对比例2
[0040] 采用现有技术的方法，直接通过点光源配合凸透镜实现100mm的平行光源，其实 现原理如图6所示。采用与对比例1相同的测试方法分析其光线的平行度，结果显示，光源 的发散角在5°左右，难W满足高精度要求的平行光源使用环境。
[0041] 对比实施例2和对比例2中的透光平板的光线平行度，结果显示晶体平行光源明 显优于传统方法制备的平行光源。其平行度也明显优于传统的光源，加工制备的100mm的 平行光源平行度基本控制在±2°W内，最优选的情况下可W达到+Γ左右。同时，当采 用晶体平行光源时，易于实现大幅面平行光源。因为，只需要控制光源的出面的大小即可得 到相应尺寸的平行光源。
[0042] 对比实施例2和对比例1，结果表明当采用400~800nm的液晶微粒时，由于液晶 微粒的尺寸大小和射入光线的波长基本相当，可W更好的实现光线的0光e光的分离作用， 有效的保证光线的平行度。而当液晶微粒的尺寸达到微米级别时，液晶微粒的尺寸和光线 的波长差异较大，光线在进入晶体中实现0光e光的分离时，光线折射转化不充分，出射光 线的平行度表面略差于尺寸更小的实施例2。
【主权项】
1. 一种平行光源，包括发光元件和透光平板，发光元件激发的光线经过透光平板转化 为平行光； 所述透光平板内部规则排布有双折射晶体； 所述双折射晶体的尺寸为发光元件激发的光线的波长量级。2. 根据权利要求1所述的平行光源，其特征在于，所述透光平板是长方体。3. 根据权利要求1所述的平行光源，其特征在于，所述双折射晶体是液晶分子。4. 根据权利要求1所述的平行光源，其特征在于，所述双折射晶体的尺寸是 300~900nm〇
【专利摘要】本发明公开了一种平行光源，包括发光元件和透光平板，发光元件激发的光线经过透光平板转化为平行光；所述透光平板内部规则排布有双折射晶体；所述双折射晶体的尺寸为发光元件激发的光线的波长量级。本发明的平行光源解决了现有技术中平行光源容易发散的问题，可以提供更大口径的人造平行光源，完美的模拟自然环境中的太阳光平行照射情况，对于太阳能光伏产品研制具有重大意义。
【IPC分类】F21V5/00, F21S8/00
【公开号】CN105240735
【申请号】CN201510590179
【发明人】黄忠, 黄饶
【申请人】四川钟顺太阳能开发有限公司
【公开日】2016年1月13日
【申请日】2015年9月16日