专利名称：一种光束准直器的制作方法
技术领域：
本发明涉及太阳能开发、激光应用、LED照明等领域，特别涉及太阳光光纤照明装
置。
背景技术：
在太阳能收集器等系统中，需要通过透镜或反射镜等聚焦系统将光进行会聚，从而输入到光纤等横截面较小的传输媒质中。目前，一般集光器是由多个阵列组成，以实现高效的阳光采集。如发明专利“太阳光光纤照明装置(CN01113529)”采用由聚光透镜和四象限光伏探测器组成的高灵敏度传感器，实现了稳定、可靠的阳光跟踪。而当采用透镜或反射镜对太阳光或宽口径的平行或准平行光束进行会聚时，虽然结构更为简单、聚光面可更大，但若聚焦光斑在较远距离产生，则整个系统尺寸会很大，影响其实际使用。若要在近距离产生聚焦光斑，则在聚焦处光束与透镜轴线的夹角很大，而光纤的聚光角度不大，这就导致有部分光无法被耦合到光纤中。为此，需要采用有效措施，以减小聚焦光束的发散角。
发明内容
针对以上不足，本发明提出一种新型光束准直器，以实现对经聚焦后的光束进行准直，减小光束的发散角，以利于光束的耦合或进一步对光束进行聚焦，以减小光斑尺寸。。该准直器为一透明圆台，一般由玻璃或聚合物材料组成。圆台外表面为光滑表面，其外侧可加一层具有高反光特性的金属薄层。本发明提出的光束准直器可以将发散角较大的光束整形为具有较小发散角的光束，可用于太阳光收集系统、激光光束准直等。从而有效地提高后续的聚光器对光的收集能力，解决普通聚光镜由于聚光后的光发散角大而无法将光有效会聚到光纤中传输的缺点。本发明的光束准直器的技术方案是该准直器为一圆台，即由一圆锥去除顶部的小圆锥形成。该准直器用于对非准直光束进行光束准直。光束由圆台上底(I)进入，从圆台下底(2)输出。圆台上下表面均为光滑表面，实现有效的输入、输出，圆台侧面(3)为光滑表面或涂覆高反金属薄层，以实现对由圆台内部入射到圆台侧面的光进行有效的反射。本发明提出的光束准直器可以将发散角较大的光束整形为具有较小发散角的光束，可用于太阳光收集系统、激光光束准直等。从而有效地提高后续的聚光器对光的收集能力，解决普通聚光镜由于聚光后的光发散角大而无法将光有效会聚到光纤中传输的缺点。其基本原理是，具有一定发散角的光束进入圆台的上表面(小圆区域)，发生折射，并进入圆台，与圆台轴线夹角较小的光束将直接到达大圆，并输出。而圆台轴线夹角较大的光束，则将到达圆台的侧面，并产生全反射，由于侧面为圆锥面，经反射后的光束与圆台轴线夹角将发生变化。对于一特定圆台，可将发散角在一定范围内的光束进行有效的准直。如图I所示，对于圆柱形透明介质棒，从其上底面进入的光，其入射角与出射角是相同的。因此，这种介质棒对光束没有准直作用。本发明提出的光束准直器为一圆台，如图2所示。即它是由一圆锥去除顶部的小圆锥形成的一根透明介质棒。光束由圆台上底I进入，从圆台下底2输出。圆台上下底表面均为光滑表面，实现有效的输入、输出，圆台侧面3为光滑表面或涂覆高反金属薄层，以实现对由圆台内部入射到圆台侧面的光进行有效的反射。而对于圆台，当在一定的角度范围内的光从圆台上底入射，经锥形外表面反射后，再经圆台下底输出时，其入射角会减小。为方便描述，给出以下定义。·上底半径，圆台上底圆形区域的半径,用B1表示。下底半径圆台下底圆形区域的半径,用a2表示。这里，aAay圆台轴线上底圆心与下底圆心的连线。圆台高度上底与下底的圆心之间的距离，用h表示。圆台梯形穿过上底与下底圆心的平面与圆台表面相切形成的梯形。圆台腰指圆台梯形的腰。圆台角圆台梯形的底角，用Θ表示。圆台倾角圆台腰与圆台轴线的夹角,用Y表示，Y =90° -Θ。发散角入射光线与圆台轴线之间的最大夹角，用α，表示。发散角光线入射角等于发散角的入射光线。内发散角发散角光线由圆台上底进入圆台，经折射后，光线与圆台轴线的夹角，用α表不。内输出角入射光线到达圆台下底表面时，光线与圆台轴线的最大夹角，用β表
/Jn ο输出角入射光线到达圆台下底表面时，与圆台轴线的夹角等于β的光线，经圆台下底折射输出时，输出光线与圆台轴线的夹角，用表示。圆台折射率圆台组成材料的折射率，用Ii1表示。显然，α > β，
a =arcsin (sin ( α ' Vn1), β ' =Brcsin(Ii1Sin(^))0进一步地，内发散角α，内输出角β，和圆台倾角Y之间应满足Y彡β且α-2γ < β。显然有，α > β。更理想情况下，应有内发散角α，内输出角β，和圆台倾角Y之间满足β = Υ，Υ = α/3。更进一步地,要求圆台高度h > apin ( Θ ) sin (90° - α ) /sin ( α - y ) 0更进一步地,要求圆台高度h < I. OSa1Sin ( θ ) sin (90° - α ) /sin ( α - y ) 0本发明的有益效果本发明提出的光束准直器可以将发散角较大的光束，准直为发散角较小的光束，且保持其较小的光斑尺寸，有利于后续装置将光引入到光纤等传输系统中或在激光加工等应用中。由于可以减小发散角，使得在前端系统中可以使用高聚焦能力的透镜或反射镜等装置，减小系统尺寸和复杂度。
图I光在圆柱体中的传输示意图；图2圆台结构示意图；其中，I为圆台上底，2为圆台下底,3为圆台侧面。图3圆台梯形及相关参数示意图。
具体实施方式
本发明提出的准直器为一圆台，即由一圆锥去除顶部的小圆锥形成。该准直器用于对非准直光束进行光束准直。光束由圆台上底I进入，从圆台下底2输出。圆台上下表面均为光滑表面，实现有效的输入、输出，圆台侧面3为光滑表面或涂覆高反金属薄层，以实现对由圆台内部入射到圆台侧面的光进行有效的反射。为实现对光束的有效准直，圆台倾角Y的选择与内发散角α和要求的内输出角β有关。即内发散角α，内输出角β ,和圆台倾角Y之间应满足
原因是当光线从圆台上底入射，经折射时，若其折射角为Y，显然，此时，光线不会到达圆台侧面，而是直接到达圆台下底，并输出。因此，内输出角β不会小于圆台倾角Y，即有Y < β。另一方面，若折射角为ω的入射光由圆台上底进入圆台，并到达圆台侧面，经反射后，到达圆台下底。假设到达下底时的光线与圆台轴线的夹角为Ψ。显然，Ψ = ω-2Υ。当ω = α时，到达下底时的光线与圆台轴线的夹角最大，为α-2γ。因此，内输出角满足β彡α-2γ。综上，应有(α-β)/2彡Y ( β。若实际上有(α-β)/2> β，则该准直器无法实现。例如，若α=45°，而要求β=10°，则有(α-β)/2=17.5°，即有(α-β)/2> β，采用本发明结构无法实现。显然，当Υ = α-2 Y时，(α-β )/2= Y = β,内输出角β具有最小值。因此,折射发散角α，内输出角β ,和圆台倾角Y之间的最佳关系为Υ = α /3，β = Y。由于对于折射角ω大于圆台倾角Y的光线,光线需要经圆台侧面反射一次，以减小其到达圆台下底的时与圆台轴线的夹角Ψ。若光线由圆台上底的边沿入射，此时需要的圆台高度最高，对应的圆台的高度h应满足h彡dsin( Θ )，这里d = apin^O。-α )/sin( α - γ )为圆台梯形的腰长。即应有圆台的高度h彡apiW Θ ) sin(90 ° -α)/
sin( α - γ ) 0另一方面，圆台高度h值越大，圆台下底的表面积也越大。从而导致输出光束的光斑面积增大。这不利于对光束的收集。为此，应有圆台高度h < l.O5alSin(0)sin (90° - α ) /sin ( α - y ) 0实施例I圆台由纯石英组成，表面为光滑表面，小圆半径aflOmm,圆台倾角Y =13. 3° ,圆台高度h=16.6mm。可以将内发散角α =40° (发散角a' =68.8° )的光束，准直为内出射角β=13. 3° (输出角β ' =19. 5° )的准直光束。大圆半径a2=13. 9mm，即光斑面积仅增大 93%。实施例2圆台由纯石英组成,侧面经金属银薄层涂覆,小圆半径圆台倾角γ=9° ,圆台高度h=21mm。可以将内发散角α =30° (发散角a' =46.5° )的光束，准直为内输出角β=12° (输出角β ' =17.6° )的准直光束。大圆半径a2=18. 3mm，即光斑面积仅增大49%。实施例3圆台由聚合物材料组成,表面为光滑表面,小圆半径圆台倾角Y =10° ,圆台高度h=30mm。可以将内发散角α=30° (发散角a' =48.2° )的光束，准直为内输出角β=10° (输出角β' =15° )的准直光束。大圆半径％=25. 3mm，即光斑面积仅增大60%。
上述附图仅为说明性示意图，并不对本发明的保护范围形成限制。应理解，这些实施例只是为了举例说明本发明，而非以任何方式限制本发明的范围。
权利要求
1.一种光束准直器，其特征在于该准直器为由透明介质组成的圆台，光束由圆台上底(I)进入，从圆台下底(2)输出；圆台上下表面均为光滑表面，圆台侧面(3)为光滑表面或涂覆高反金属薄层；并且满足Y彡β且α-2Υ彡β，其中 a表示内发散角指发散角光线由圆台上底进入圆台，经折射后，光线与圆台轴线的夹角， β表示内输出角指入射光线由圆台上底进入圆台，并最终到达圆台下底表面时，光线与圆台轴线的最大夹角； Y表示圆台倾角指圆台腰与圆台轴线的夹角。
2.根据权利要求书I所述的光束准直器，其特征在于圆台高度A与上底半径&和内发散角a、圆台倾角Y之间的关系满足'h ^ B1 sin( Θ ) sin(90° -a )/sin( α - y );其中Θ指圆台梯形的底角。
3.根据权利要求书2所述的光束准直器，其特征在于圆台高度ASl.05&1 sin(9)sin (90° - α ) /sin ( α - y ) 0
4.根据权利要求书I所述的光束准直器，其特征在于内发散角α，内输出角β，和圆台倾角Y之间满足β = Υ，Υ = α/3。
全文摘要
本发明公开一种新型光束准直器。该准直器为一由透明介质组成的圆台，即由一圆锥去除顶部的小圆锥形成。该准直器用于对非准直光束进行光束准直。光束由小圆进入，从大圆输出。圆台上下表面均为光滑表面，实现有效的输入、输出，圆台侧面为光滑表面或涂覆高反金属薄层，以实现对由圆台内部入射到圆台侧面的光进行有效的反射。本发明提出的光束准直器可以将发散角较大的光束整形为具有较小发散角的光束，可用于太阳光收集系统、激光光束准直等。从而有效地提高后续的聚光器对光的收集能力，解决普通聚光镜由于聚光后的光发散角大而无法将光有效会聚到光纤中传输的缺点。
文档编号G02B27/09GK102928991SQ20121043334
公开日2013年2月13日 申请日期2012年11月1日 优先权日2012年11月1日
发明者陈明阳, 张银 申请人:江苏大学