专利名称：全反射光学装置的制作方法
技术领域：
本发明是有关于一种具有聚光功能的光学装置(optical device for concentrating light)，且特别是有关于一种全反射光学装置(Totally Internally Reflecting Optical Device, TIR Optical Device)。
背景技术：
现今的太阳能发电技术领域已发展出高聚光型太阳能发电系统 (High-Concentration Photovoltaic，HCPV)。这种太阳能发电系统通常是采用III-V族化 合物半导体太阳能电池，并搭配聚光光学镜片来将光能转换成电能。图IA是现有一种高聚光型太阳能发电系统的剖面示意图。请参阅图1A，高聚光型太阳能发电系统100包括一全反射折射透镜(Totally Internally Reflecting-Refracting Lens, TIR-R Lens) 110 以及一太阳能电池(solar cell) 120。全反射折射透镜1 10位于太阳能电池120的上方，而太阳能电池120为III-V族 化合物半导体太阳能电池。全反射折射透镜110能聚集光线，所以能让入射光束(incident light beam)中的入射光线，例如图IA中的入射光线L1、L2，集中照射在太阳能电池120上， 使得太阳能电池120能吸收较多的光能，进而产生更多的电能。具体而言，全反射折射透镜110具有一入光面110a，并包括一凸透镜112以及一 环状全反射透镜114，其中环状全反射透镜114围绕并连接凸透镜112，且具有多个棱镜部 114a。各个棱镜部114a具有一全反射面Sl与一出光面S2。当入射光束入射于入光面IlOa 时，全反射面Sl会反射入射光束的入射光线，并使入射光线从这些出光面S2出射。以图IA中的入射光线L2为例，当入射光线L2从入光面IlOa进入至全反射折射 透镜110时，全反射面Sl会全反射入射光线L2，而全反射后的入射光线L2会朝向出光面 S2行进。当入射光线L2经过出光面S2时，一部分的入射光线L2会被折射而形成入射至太 阳能电池120的折射光线L2a，而另一部分的入射光线L2会被出光面S2反射而形成反射光 线 L2b。承上述，反射光线L2b会沿着远离太阳能电池120的方向行进，如图IA所示，因此 反射光线L2b不会入射至太阳能电池120。这会使得部分入射光束的能量无法被太阳能电 池120所吸收而浪费，降低全反射折射透镜110的光学效率，让太阳能电池120难以进一步 地产生更多电能。请参阅图IA与图1B，为了降低反射光线L2b的能量，可以加大全反射面Sl与出光 面S2之间的夹角Al。虽然加大夹角Al确实能降低反射光线L2b的能量，但是却会产生无 效区V，如图IB所示。具体而言，当光线从无效区V进入全反射折射透镜110时，此光线在离开全反射折 射透镜110之后会沿着远离太阳能电池120的方向行进，而不会入射至太阳能电池120。以 图IB中的入射光线L3为例，当入射光线L3从无效区V进入全反射折射透镜110时，入射 光线L3会先入射至出光面S2，而出光面S2会全反射入射光线L3，让入射光线L3远离太阳能电池120。若加大图IB中的夹角Al的话，出光面S2虽然不会全反射入射光线L3，但却会折 射入射光线L3，让入射光线L3仍沿着远离太阳能电池120的方向行进。因此，凡是从无效 区V进入全反射折射透镜110的入射光线是不会照射在太阳能电池120上，造成全反射折 射透镜110的光学效率降低，让太阳能电池120所吸收到的光能减少，无法产生更多的电 能。此外，请再次参阅图IA与图1B，一般全反射折射透镜110大多是用射出成型法制 造而成，因此在完成后的全反射折射透镜Iio中，出光面S2与全反射面S 1之间会形成圆 角SA而非尖锐的锐角，而这些圆角SA也会造成全反射折射透镜110的光学效率降低，进而 降低太阳能电池120所产生的电能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种全反射光学装置，其具有较高的光学 效率，并适用于太阳能发电系统。本发明提出一种全反射光学装置，其包括一聚光透镜以及至少一环状透镜。聚光 透镜具有一第一入光面、一相对第一入光面的第一出光面以及一连接于第一入光面与第一 出光面之间的侧表面。环状透镜包括一环状主体与一凸出部。环状主体沿着侧表面围绕 聚光透镜，并具有一面对侧表面的内环面、一相对内环面的外环面以及一邻接外环面的全 反射面。凸出部邻接于全反射面与内环面之间，并完全凸出于内环面。基于以上技术特征，本发明的功效在于，全反射光学装置能聚集光线，让入射光束 集中照射在太阳能电池上，以产生更多的电能。相较于现有技术而言，本发明的全反射光学 装置不具有无效区，因而具有很高的光学效率。以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
图IA是现有一种高聚光型太阳能发电系统的剖面示意图；图IB是现有一种全反射折射透镜的剖面示意图；图2A是本发明一实施例的全反射光学装置的立体示意图；图2B是图2A中线I-I的立体剖面示意图；图2C是图2B中的全反射光学装置的剖面放大示意图；图3是本发明另一实施例的全反射光学装置的立体剖面示意图；图4是本发明另一实施例的全反射光学装置的立体剖面示意图。其中，附图标记20、120 太阳能电池100高聚光型太阳能发电系统110全反射折射透镜IlOa 入光面112 凸透镜114环状全反射透镜
114a 棱镜部200,300,400全反射光学装置210聚光透镜212 第一入光面214 第一出光面216 侧表面220,320,420 环状透镜222,322 环状主体222a 内环面222b 外环面222c、322c、Sl 全反射面222d、422d 第二入光面224、324 凸出部224a第二出光面224b、324b 倾斜面A1、A2、A3、A4 夹角H1、H2 高度L1、L2、L3、L4 入射光线L2a折射光线L2b反射光线P邻接处Rs 参考表面S2 出光面SA 圆角V无效区
具体实施例方式下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作具体的描述图2A是本发明一实施例的全反射光学装置的立体示意图，而图2B是图2A中线 I-I的立体剖面示意图。请参阅图2A与图2B，本实施例的全反射光学装置200包括一聚光 透镜210以及多个环状透镜220，其中这些环状透镜220围绕聚光透镜210。所有环状透镜220的外径彼此不相等，且这些环状透镜220是呈同心环排列。详 细而言，其中一环状透镜220会围绕另一环状透镜220，而外径较大的环状透镜220会围绕 外径较小的环状透镜220。此外，在所有的环状透镜220当中，外径最小的环状透镜220直 接围绕聚光透镜210，如图2A与图2B所示。在本实施例中，聚光透镜210可与其中一环状透镜220紧密接合，而这些环状透镜 220可彼此紧密接合，其中此紧密接合的方式可以是嵌合、胶合或其它接合方式，例如聚光 透镜210与其中一环状透镜220嵌合或胶合。详细而言，外径较小的环状透镜220可以嵌入于外径较大的环状透镜220中，而聚光透镜210可以嵌入于外径最小的环状透镜220中。聚光透镜210具有一第一入光面212、一第一出光面214以及一侧表面216。第一 入光面212相对于第一出光面214，而侧表面216连接于第一入光面212与第一出光面214 之间。聚光透镜210具有聚光的功能，并利用折射原理来达到聚光的功效。此外，聚光透镜 210可以是凸透镜，其例如是平凸透镜(如图2B所示)、双凸透镜或凹凸透镜。各个环状透镜220包括一环状主体222，而各个环状主体222沿着侧表面216围绕 聚光透镜210，并具有一内环面222a以及一外环面222b，其中在同一个环状主体222中，外 环面222b相对于内环面222a，即外环面222b位在内环面222a的对面，而这些内环面222a 均面对侧表面216。由于聚光透镜210可嵌入于外径最小的环状透镜220中，因此外径最小 的环状透镜220的内环面222a会接触聚光透镜210的侧表面216，如图2B所示。各个环状主体222还具有一邻接外环面222b的全反射面222c。这些全反射面 222c皆可为外凸弧面，如图2B所示。在同一个环状主体222中，全反射面222c相对于外环 面222b而朝向聚光透镜210的第一出光面214倾斜。也就是说，全反射面222c与外环面 222b之间是呈倾斜的外貌，且全反射面222c均朝接近第一出光面214的方向倾斜。承上述，虽然全反射面222c相对于外环面222b倾斜，但全反射面222c并不垂直 于外环面222b。详细而言，从整体外观来看，很明显地看出各个全反射面222c以及其所邻 接的外环面222b之间的夹角A2并不等于90度，而且夹角A2均为钝角，即夹角A2皆大于 90度，如图2B所示。各个环状透镜220还包括一凸出部224，而凸出部224邻接于全反射面222c与内 环面222a之间，并完全凸出于内环面222a。凸出部224具有一邻接全反射面222c的第二 出光面224a，而各个环状主体222还具有一连接于内环面222a与外环面222b之间的第二 入光面222d。除了外径最小的环状透镜220，即直接围绕聚光透镜210的环状透镜220之外，在 其它环状透镜220中，各个凸出部224还具有一邻接于内环面222a与第二出光面224a之 间的倾斜面224b。倾斜面224b可为内凹弧面，并相对于内环面222a而朝向第一出光面214 倾斜，如图2B所示。详细而言，倾斜面224b与内环面222a之间是呈倾斜的外貌，且倾斜面224b朝接 近第一出光面214的方向来倾斜。倾斜面224b不垂直于内环面222a，即从整体外观来看， 很明显地可看出各个倾斜面224b以及其所邻接的内环面222a之间的夹角A3并不等于90 度。此外，夹角A3均为钝角，即夹角A3皆大于90度，如图2B所示。图2C是图2B中的全反射光学装置的剖面放大示意图。请参阅图2C，各个内环面 222a会延伸出一参考表面Rs。详细而言，参考表面Rs乃是沿着内环面222a所延伸的虚拟 表面，而这些内环面222a分别位于参考表面Rs。此外，图2A与图2B所示的这些环状透镜 220的形状均为圆环状，所以参考表面Rs的形状可为圆柱体的弧面。承上述，在各个环状透镜220中，由于凸出部224完全凸出于内环面222a，因此第 二出光面224a与倾斜面224b均凸出于内环面222a，且全反射面222c与第二出光面224a 之间的邻接处P也凸出于参考表面Rs。也就是说，部分全反射面222c亦凸出于参考表面 Rs。当入射光束中的入射光线从第二入光面222d进入其中一个环状透镜220时，在环状透镜220内的入射光线会行进至全反射面222c。之后，入射光线经由全反射面222c反射 而从第二出光面224a离开环状透镜220。以图2C中的入射光线L4为例，当入射光线L4入射于其中一个环状透镜220的第 二入光面222d时，入射光线L4进入环状透镜220中。此时，在环状透镜220内的入射光线 L4会入射于全反射面222c，而全反射面222c会反射入射光线L4，使入射光线L4朝向第二 出光面224a行进。由此可知，入射光线L4会依序经过第二入光面222d、全反射面222c以 及第二出光面224a。当入射光线L4经过第二出光面224a时，入射光线L4会从第二出光面224a折射 而照射在一位于聚光透镜210下方的太阳能电池20。如此，全反射光学装置200能聚集光 线，让入射光束集中照射在太阳能电池20上，使得太阳能电池20能吸收较多的光能而产生 更多的电能。相较于现有技术而言，本实施例的全反射光学装置200在第一入光面212与这些 第二入光面222d上并不会产生无效区(请参阅图1B)，因此全反射光学装置200具有很高 的光学效率，而所有入射于第一入光面212与第二入光面222d的入射光线基本上均被全反 射光学装置200集中而照射至太阳能电池20，让太阳能电池20产生较多的电能。其次，在各个环状透镜220中，第二入光面222d与全反射面222c之间的夹角A4 还可以加大，而且即使夹角A4加大，在第一入光面212与这些第二入光面222d上依然不会 产生无效区。因此，本实施例可以通过改变夹角A4来降低部分被第二入光面222d所反射 的入射光线(例如入射光线L4)的能量，让太阳能电池20能吸收较多的光能。环状透镜220的材料可以是石英、玻璃或高分子材料，而环状透镜220可用射出成 型法制造而成。从图2C来看，就结构与形状而言，这些环状透镜220的肉厚大致均勻。也就 是说，在同一个环状透镜220中，内环面222a与外环面222b之间的厚度，以及倾斜面224b 与全反射面222c之间的厚度，这二个厚度的大小接近，差异并不大。因此，在以射出成型法制造环状透镜220的过程中，可减少非均勻收缩成型的影 响，让环状透镜220所制造出来的实际形状更接近预先所要求的设计形状。所以，相较于现 有全反射折射透镜110而言(请参考图IA与图1B)，这些用射出成型法所制造的环状透镜 220在结构与形状上具有较小的误差，因此全反射光学装置200的整体光学效率及光学参 数较不易被非均勻收缩成型影响而大幅改变。另外，其中一个环状透镜220的邻接处P位于另一个环状透镜220的全反射面 222c下方，而最靠近聚光透镜210的环状透镜220，其邻接处P位于聚光透镜210的第一出 光面214下方，因此从第二入光面222d入射的多条入射光线(例如入射光线L4)，不易通过 这些邻接处P。由此可知，即使这些环状透镜220因通过射出成型法而制成，造成邻接处P 的形状呈现圆角，这些呈圆角形状的邻接处P并不会影响全反射光学装置200的整体光学 效率。各个环状透镜220具有一相对于第二入光面222d的高度Hl，而在本实施中，高度 Hl乃是指第二入光面222d至邻接处P的距离，如图2C所示。这些环状透镜220的高度Hl 彼此不相等，而且高度Hl从接近聚光透镜210处朝向远离聚光透镜210处而递减。也就是 说，越接近聚光透镜210的环状透镜220，其高度Hl越短，而越远离聚光透镜210的环状透 镜220，其高度Hl越长。
必须说明的是，虽然图2A至图2C所示的全反射光学装置200包括为数多个的环 状透镜220，但在其它未绘示的实施例中，全反射光学装置200所包括的环状透镜220的数 量可以仅为一个。因此，图2A至图2C仅供举例说明，并非限定本发明。图3是本发明另一实施例的全反射光学装置的立体剖面示意图。请参阅图3，本实 施例的全反射光学装置300与前述实施例的全反射光学装置200相似，惟差异之处在于二 者的全反射面与倾斜面都不一样。具体而言，全反射光学装置300包括聚光透镜210与多个环状透镜320，而环状透 镜320围绕聚光透镜210。各个环状透镜320包括一环状主体322与一凸出部324，其中环 状主体322具有一全反射面322c，而凸出部324具有一倾斜面324b。与前述实施例的环状 透镜220不同的是，全反射面322c与倾斜面324b都是平面，而非弧面。除了上述全反射面322c与倾斜面324b的技术特征之外，在结构、形状以及材料方 面，全反射光学装置300的特征及功效实质上皆与全反射光学装置200相同，故有关全反射 光学装置300的功效以及其它全反射面322c与倾斜面324b以外的技术特征，在此不再重 复叙述。图4是本发明另一实施例的全反射光学装置的立体剖面示意图。请参阅图4，本实 施例的全反射光学装置400与前述实施例的全反射光学装置200相似，因此以下主要介绍 全反射光学装置200、400 二者的差异。具体而言，全反射光学装置400包括聚光透镜210以及多个环状透镜420。这些环 状透镜420围绕聚光透镜210，其中各个环状透镜420具有一第二入光面422d以及一相对 于第二入光面422d的高度H2。有别于前述实施例的全反射光学装置200，在本实施例中， 这些环状透镜420的高度H2实质上彼此相等，而且这些第二入光面422d可呈阶梯状分布， 即第二入光面422d都不是共平面。当多条入射光线分别入射于这些第二入光面422d时，这些入射光线在不同环状 透镜420的路径长度彼此接近，而无太大差异，因此各个环状透镜420对入射光线的吸收程 度不会差太多。此外，相较于前述实施例的全反射光学装置200而言，入射光线在环状透镜 420的路径长度明显小于入射光线在环状透镜220的路径长度，所以全反射光学装置400对 入射光线的吸收程度较低，而能进一步地提高光学效率。综上所述，本发明的全反射光学装置能聚集光线，让入射光束集中照射在太阳能 电池上，以产生更多的电能。相较于现有技术而言，本发明的全反射光学装置因不具有无效 区而有很高的光学效率，所以本发明的全反射光学装置能让太阳能电池产生更多的电能。其次，由于环状透镜的肉厚大致均勻，因此，在以射出成型法制造环状透镜的过程 中，本发明可以减少非均勻收缩成型的影响，让环状透镜所制造出来的实际形状更接近预 先所要求的设计形状，所以本发明的全反射光学装置，其整体光学效率及光学参数较不易 受非均勻收缩成型影响而大幅改变。再者，虽然以射出成型法所制成的环状透镜在其全反射面与第二出光面之间的邻 接处的形状会呈现圆角，但是从第二入光面入射的多条入射光线却不易通过这些邻接处。 因此，即使邻接处的形状呈现圆角，全反射光学装置的整体光学效率仍不会受到影响。另外，本发明的全反射光学装置与现有一种常见的全反射折射透镜(可参阅图IB 与图2C)，二者曾进行过仿真光学测试，而在仿真测试的结果中，上述现有全反射折射透镜的光学效率最高达到70 %，而本发明的全反射光学装置能超过70 %，达到85 %。由此可见， 显然本发明的全反射光学装置确实具有比现有全反射折射透镜更高的光学效率，进而能提 高太阳能电池所产生的电能。 当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟 悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变 形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
权利要求
1.一种全反射光学装置，其特征在于，包括一聚光透镜，具有一第一入光面、一相对该第一入光面的第一出光面以及一连接于该 第一入光面与该第一出光面之间的侧表面；至少一环状透镜，包括一环状主体，沿着该侧表面围绕该聚光透镜，并具有一面对该侧表面的内环面、一相对 该内环面的外环面以及一邻接该外环面的全反射面；以及一凸出部，邻接于该全反射面与该内环面之间，并完全凸出于该内环面。
2.根据权利要求1所述的全反射光学装置，其特征在于，该全反射面为外凸弧面。
3.根据权利要求1所述的全反射光学装置，其特征在于，该全反射面为平面。
4.根据权利要求1所述的全反射光学装置，其特征在于，该全反射面相对于该外环面 而朝向该第一出光面倾斜。
5.根据权利要求4所述的全反射光学装置，其特征在于，该全反射面与该外环面之间 的夹角大于90度。
6.根据权利要求1所述的全反射光学装置，其特征在于，该环状主体还具有一连接于 该内环面与该外环面之间的第二入光面，而该凸出部具有一邻接该全反射面的第二出光 面，其中一入射光线依序经过该第二入光面、该全反射面以及该第二出光面。
7.根据权利要求6所述的全反射光学装置，其特征在于，该全反射面与该第二出光面 之间的邻接处凸出于该内环面所延伸的一参考表面。
8.根据权利要求6所述的全反射光学装置，其特征在于，该凸出部还具有一邻接于该 内环面与该第二出光面之间的倾斜面，而该倾斜面相对于该内环面而朝向该第一出光面倾 斜。
9.根据权利要求8所述的全反射光学装置，其特征在于，该倾斜面与该内环面之间的 夹角大于90度。
10.根据权利要求8所述的全反射光学装置，其特征在于，该倾斜面为内凹弧面。
11.根据权利要求8所述的全反射光学装置，其特征在于，该倾斜面为平面。
12.根据权利要求6所述的全反射光学装置，其特征在于，该环状透镜的数量为多个， 且该些环状透镜的外径彼此不相等，该些环状透镜呈同心环排列，且其中一环状透镜围绕 另一环状透镜。
13.根据权利要求12所述的全反射光学装置，其特征在于，各该环状透镜具有一相对 于该第二入光面的高度，而该些高度彼此相等。
14.根据权利要求12所述的全反射光学装置，其特征在于，该些第二入光面呈阶梯状 分布。
15.根据权利要求12所述的全反射光学装置，其特征在于，各该环状透镜具有一相对 于该第二入光面的高度，而该些高度彼此不相等。
16.根据权利要求15所述的全反射光学装置，其特征在于，该些高度从接近该聚光透 镜处朝向远离该聚光透镜处而递减。
17.根据权利要求12所述的全反射光学装置，其特征在于，该聚光透镜与其中一环状 透镜紧密接合。
18.根据权利要求17所述的全反射光学装置，其特征在于，该聚光透镜与其中一环状透镜嵌合或胶合。
19.根据权利要求1所述的全反射光学装置，其特征在于，该聚光透镜为凸透镜。
20.根据权利要求19所述的全反射光学装置，其特征在于，该环状透镜的材料是石英、 玻璃或高分子材料。
全文摘要
一种全反射光学装置，包括一聚光透镜以及至少一环状透镜。聚光透镜具有一第一入光面、一相对第一入光面的第一出光面以及一连接于第一入光面与第一出光面之间的侧表面。环状透镜包括一环状主体与一凸出部。环状主体沿着侧表面围绕聚光透镜，并具有一面对侧表面的内环面、一相对内环面的外环面以及一邻接外环面的全反射面。凸出部邻接于全反射面与内环面之间，并完全凸出于内环面。
文档编号G02B3/08GK101995592SQ20091016483
公开日2011年3月30日 申请日期2009年8月11日 优先权日2009年8月11日
发明者张平, 曾昭富, 潘力齐, 王良德, 邹渊翔 申请人:财团法人工业技术研究院