一种宽光谱强聚焦菲涅尔透镜的制作方法

摘要

一种宽光谱强聚焦菲涅尔透镜的制作方法，属于光学领域。它解决了传统聚光系统成像的菲涅尔透镜会聚太阳光的效果差，难以获得较高的转换效率的问题。该方法的实现过程为：首先，计算获得引入入射太阳光的发散角θ_s后的菲涅尔透镜的环带齿的倾角θ_BL与菲涅尔透镜的环高H_GR的迭代关系式；采用预估校正算法得到每一个环的倾角θ_BL与环高H_GR，使用蒙特卡洛光迹追踪算法得到在焦平面位置的固定区域所接收的太阳光功率密度ψ；根据成像聚光原理得出功率密度极限值ψ_lim；计算出所要制作的菲涅尔透镜的光谱范围：|ψ_lim-ψ|≤ε，根据仿真所得到的菲涅尔透镜最终参数制作模具，得到透镜实体。本发明用于宽光谱强聚焦菲涅尔透镜的制作。

主权项

一种宽光谱强聚焦菲涅尔透镜的制作方法，其特征在于：该方法的实现过程为：步骤一、设定待制作的菲涅尔透镜的环的倾角与该环距离该透镜圆心的距离的迭代关系式为：$H_{\mathrm{GR}}=H_{\mathrm{GR}-1}+\frac{d_{\mathrm{BL}}/2}{\tan \left({\theta }_{\mathrm{BL}}\right)}+\frac{d_{\mathrm{BL}}/2}{\tan \left({\theta }_{\mathrm{BL}-1}\right)}---\left(3\right)$$\tan \left({\sin }^{-1}\right[n_R\sin {\theta }_{\mathrm{BL}}]-{\theta }_{\mathrm{BL}})=\frac{{2H}_{\mathrm{GR}}}{{\Sigma }_{\mathrm{LC}}}-\tan \left({\sin }^{-1}\right[n_B\sin {\theta }_{\mathrm{BL}}]-{\theta }_{\mathrm{BL}})---\left(4\right)$式中，θ_BL为本次迭代获得的环的倾角，H_GR为本次迭代获得的环距离该透镜圆心的距离，H_GR‑1为前一次迭代获得的环距离菲涅尔透镜圆心的距离；θ_BL‑1为前一次迭代获得的菲涅尔透镜环的倾角；d_BL为菲涅尔透镜的环高；n_B为短波长的光在待制作的菲涅尔透镜内部的折射率；n_R为长波长的光在待制作的菲涅尔透镜内部的折射率；∑_LC为待制作的菲涅尔透镜的焦距；将入射太阳光的发散角θ_s引入公式(4)获得：$\begin{array}{c}\frac{H_{\mathrm{GR}}(\tan {\theta }_{\mathrm{BL}}+\cot {\theta }_{r1})-(h+d_{\mathrm{BL}}/2)}{\tan {\theta }_{\mathrm{BL}}+\cot {\theta }_{r1}}+\frac{H_{\mathrm{GR}}({\theta }_{\mathrm{BL}}-\cot {\theta }_{r2})-(h+d_{\mathrm{BL}}/2)}{\tan {\theta }_{\mathrm{BL}}-\cot {\theta }_{r2}}\\ ={\Sigma }_{\mathrm{LC}}\left(\begin{array}{c}\tan \left[{\sin }^{-1}\right[n_R\sin ({\theta }_{\mathrm{BL}}-{\sin }^{-1}\left(\frac{1}{n_R}\sin {\theta }_s\right))]-{\theta }_{\mathrm{BL}}]+\\ \tan \left[{\sin }^{-1}\right[n_B\sin ({\theta }_{\mathrm{BL}}+{\sin }^{-1}\left(\frac{1}{n_R}\sin {\theta }_s\right))]-{\theta }_{\mathrm{BL}}]\end{array}\right)\end{array}---\left(5\right)$式中，θ_r2与θ_r1分别为短波长入射光线和长波长入射光线在与本次迭代相对应环内的折射角；h为菲涅尔透镜的基底厚度；步骤三、采用预估校正算法对公式(3)和公式(5)进行迭代求解出待制作的菲涅尔透镜各环的倾角以及相对应的各环距离该透镜圆心的距离；步骤四、使用蒙特卡洛光迹追踪算法对步骤三所得的待制作的菲涅尔透镜各环的倾角以及对应的各环距离该透镜圆心的距离H_GR仿真获得相应的菲涅尔透镜，并对仿真获得的菲涅尔透镜进行聚焦仿真，得到在其聚焦光斑尺寸内所接收的太阳光功率密度ψ；步骤五、根据成像聚光原理，依据步骤三获得的待制作的菲涅尔透镜的参数得出理想情况下的该菲涅尔透镜在其聚焦光斑尺寸内所接收的太阳光功率密度极限值ψ_lim：${\psi }_{\lim }=C_{\mathrm{sum}}{\left(\frac{D}{2{\Sigma }_{\mathrm{Lc}}{\theta }_s}\right)}^2---\left(7\right)$式中，C_sun为地表面太阳常数；D为待制作的菲涅尔透镜直径；步骤六、根据设定的判据ε，计算出最接近功率密度极限值ψ_lim的设计光谱范围：|ψ_lim‑ψ|≤ε  (8)式中，ε≤1；若该不等式成立则输出步骤三所得到的待制作的菲涅尔透镜最终参数，根据这些参数制作模具，并采用该模具制造获得菲涅尔透镜实体；若|ψ_lim‑ψ|＞ε，则返回步骤一重新计算待制作的菲涅尔透镜的参数。