一种线性菲涅尔透镜的制作方法与流程

本发明属于菲涅尔透镜技术领域，具体涉及一种线性菲涅尔透镜的制作方法。

背景技术：

菲涅尔透镜是由法国物理学家奥古斯汀·菲涅尔(augustin.fresnel)发明的，他在1822年最初使用这种透镜设计用于建立一个玻璃菲涅尔透镜系统——灯塔透镜。如图3所示，菲涅尔透镜(fresnellense)是一种微细结构的光学元件，从正面看其象一个飞镖盘，由一环一环的同心园组成。如图4所示，从剖面看，其表面由一系列锯齿型凹槽组成，中心部分是椭圆型弧线。每个凹槽都与相邻凹槽之间角度不同，但都将光线集中一处，形成中心焦点，也就是透镜的焦点。每个凹槽都可以看做一个独立的小透镜，把光线调整成平行光或聚光。如图5中的a和b所示，光线从一侧进入，经过菲涅尔透镜在另一侧出来聚焦成一点或以平行光射出。焦点在光线的另一侧，并且是有限共轭。传统的菲涅尔透镜为圆点，通过受光面汇聚的光斑为圆点或方形，集中在一个汇聚的拦截范围。焦斑为点的菲涅尔透镜已经应用在光学投影显示屏幕、led灯具、聚光光伏发电等领域。主要由塑料压制或通过超白玻璃有机硅复制技术制作。

技术实现要素：

本发明的目的是解决上述问题，提供一种低成本、高汇聚率、高转换率的可以规模化生产线性菲涅尔透镜的制作方法。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种线性菲涅尔透镜的制作方法，包括以下步骤：

步骤一、在辊筒的表面通过电铸方法形成一层具有高切削性能的合金层；

步骤二、采用刀具在辊筒的合金层上加工出阴模结构；

步骤三、利用步骤二中加工好的辊筒，在基底上辊压制出线性菲涅尔透镜的结构齿；

步骤四、将步骤四制得的线性菲涅尔透镜经后处理定型。

优选地，所述合金层的材料为镍磷合金，镍磷合金中磷含量为11％—14％，镍磷合金的镀层厚度大于1mm。

优选地，所述合金层的材料为硬度大于hv220的硬铜合金。

优选地，所述阴模结构的中心为正三角形，正三角形的两侧设有向中心的正三角形对称倾斜的三角形。

优选地，所述阴模结构的节距尺寸精度为n±0.0001mm，表面粗糙度≤10nm。

优选地，所述步骤二中通过回转车削加工出阴模结构。

优选地，所述步骤二中的刀具为金刚石刀具。

优选地，所述步骤二中的刀具的刀口形状与线性菲涅尔透镜的结构齿的形状相同。

优选地，所述步骤三中在热成型设备中辊压制出线性菲涅尔透镜。

优选地，所述基底为片材或者薄膜。

本发明的有益效果是：

1、本发明所提供的一种线性菲涅尔透镜的制作方法，改变传统的菲涅尔透镜模具圆盘式加工方式，把圆点聚光的菲涅尔透镜的结构齿通过光学模拟到一圆柱状的辊筒表面，在辊筒上通过金刚石刀具雕刻出阴模结构，最后在热成型设备中辊压制出线性菲涅尔透镜，实现规模化生产的目的。

2、本方法制得的线性菲涅尔透镜汇聚的光斑可以达到通常需要的10mm宽至60mm宽不等的光斑，其长条形光斑的大小可根据系统设计的焦斑处的温度来计算，用以实现太阳光汇聚的热利用水平，实现温度100℃至600℃不等的温度控制范围，从而实现光热应用的最佳光学效能。太阳光汇聚光斑可根据需要模拟设计，线性菲涅尔透镜采用整体成型长度可无限延伸、光斑可控、能量转换效率高、汇聚光斑精度高、制造成本低。

附图说明

图1是本发明辊筒和辊筒上阴模结构的结构示意图。

图2是本发明制作的线性菲涅尔透镜的光学原理图。

图3是现有技术中菲涅尔透镜的正视图。

图4是现有技术中菲涅尔透镜的剖面图。

图5是现有技术中菲涅尔透镜的光学原理图。

附图标记说明：1、辊筒；2、阴模结构。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明：

本发明提供的一种线性菲涅尔透镜的制作方法，把圆点聚光的菲涅尔透镜的结构齿通过光学模拟到一圆柱状的辊筒1表面，通过回转车削加工成压印辊筒模具，而压印成的光栅型的线性菲涅尔透镜，它的特征是汇聚光斑为线状。这一线状的光斑可以是如线条状的直线，也可以是一长条形的光斑。该线性菲涅尔透镜的制作方法具体包括以下步骤：

步骤一、在辊筒1的表面通过电铸方法形成一层具有高切削性能的合金层；合金层的材料为磷含量为11％—14％的镍磷合金或者硬度大于hv220的硬铜合金，合金层的厚度大于1mm，才能保证阴模结构是在合金层中加工形成，并保证阴模结构的粗糙度达到≥10nm。

步骤二、采用刀具在辊筒1的合金层上回转车削加工出阴模结构2。刀具可采用金刚石刀具，刀具的刀口形状与线性菲涅尔透镜的结构齿的形状相同，线性菲涅尔透镜的结构齿可以把太阳能平行光向中心汇聚。阴模结构的形状与结构齿的形状互补，阴模结构的中心为正三角形，正三角形的两侧设有向中心的正三角形对称倾斜的三角形或扇形。阴模结构2的节距尺寸精度为n±0.0001mm，表面粗糙度≤10nm。这里说的节距为阴模结构两相邻的三角形顶点之间的距离或底部之间的距离。

步骤三、利用步骤二中加工好的辊筒1，在热成型设备中在基底上辊压制出回转型的线性菲涅尔透镜的结构齿；基底为片材或者薄膜。

步骤四、将步骤四制得的线性菲涅尔透镜置于有机材料后处理装置中定型，提高线性菲涅尔透镜的机械性能。

如图1所示为辊筒的结构示意图，辊筒上阴模结构的放大图，以及阴模结构压制出的结构齿的示意图。如图2所示，该方法制成的线性菲涅尔透镜接收的光能改变为向中心长条形位置汇聚，汇聚光斑为线状或长条形。这种光斑可以有效的利用光斑形成的拦截面，使光热作用在热管等蓄热器件上，提高热利用率。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种线性菲涅尔透镜的制作方法，把圆点聚光的菲涅尔透镜的结构齿通过光学模拟到一圆柱状的辊筒表面，在辊筒上通过金刚石刀具雕刻出阴模结构。特定的入射光线段，使汇聚的光斑达到通常需要的10mm宽至60mm宽不等的光斑，其长条形光斑的大小可根据系统设计的焦斑处的温度来计算，用以实现太阳光汇聚的热利用水平，实现温度100℃至600℃不等的温度控制范围，从而实现光热应用的最佳光学效能，本发明的优点在于太阳光汇聚光斑可根据需要模拟设计，线性菲涅尔透镜采用整体成型长度可无限延伸、光斑可控、能量转换效率高、汇聚光斑精度高、制造成本低。

技术研发人员：张益民;吴庆富;张睿丰
受保护的技术使用者：成都菲斯特科技有限公司
技术研发日：2017.05.03
技术公布日：2017.08.04