[发明专利]一种聚光或散光透镜的设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及光学领域，具体涉及一种聚光或散光透镜的设计方法。

背景技术

在许多应用（如受控激光核聚变、太阳能利用以及LED光源配光等）中，都需要对光源出射光功率密度分布作适当调整，如使之均匀汇聚或扩散等。目前常用方法是使用二次或多次光学元器件。如在聚光光伏项目中即是先使用传统菲涅尔透镜聚光，然后再通过二次聚光器件以均匀汇聚光。目前所使用的这些方法存在着一些问题，如由于二次光学元器件的使用，必然使得整个系统成本上升、装调难度加大以及汇聚光束传导过程中能量损耗增加等。对此，目前也有一些研究希望能通过单个光学元器件即可实现光功率密度分布满足期望要求的光束汇聚或扩散，但这些研究存在一些不尽完善之处。以下我们就此做一简述。

1)专利200910307046.7（富士迈半导体精密工业（上海）有限公司，2009年）提出一种非成像聚光透镜（参见图1），其设计原理是使图1中入射面（图1中的112面）上的三角形锯齿面（图1中的134面）将投射其上的光束直接折射到工作面（图1中的21面）对应位置，并且：①沿R1（或者R2）方向看，工作面上该对应位置中心点坐标z′_m-1/2和入射面相应的三角形锯齿面中心点坐标间z_m-1/2满足关系式：

z_m-1/2-z′_m-1/2=Dtanβ_m   （1）

其中，将入射面分割成指定的M份，每一份编号用m表示；D是入射面和工作面之间的距离。

②入射面上第m个三角形锯齿面的倾角α_m满足关系：

α_m=tan^-1[sinβ_m/(n-cosβ_m)]   （2）

其中，n表示入射面材质的折射率，且该表达式可以很容易地从折射定律导出。这样，在给定了设计参数（如D以及入射面和工作面几何尺寸等）以后，即可以通过表达式（1）和（2）确定出入射面上每一个小三角形锯齿面的倾角α_m（m=1,…,M）。

该方案存在的问题有：①从表达式(1)以看到，在确定汇聚光线倾角β_m时，并没有考虑入射面上的小三角形锯齿高度对该倾角大小的影响，因此表达式(1)只是当入射面和工作面间的距离D要远大于每个小三角形锯齿面的高度时才是精确的。

②从每一个锯齿面出射的汇聚光线显然是平行的，正如该专利描述中所述透射过同一环状凸起斜边134的太阳光线仍保持相互平行。但是，由于相邻的小三角形锯齿面倾角如果不同，则势必存在着相邻的小三角形锯齿面出射的偏折光束要么分离、要么相交的情况，这将导致工作面上的光强分布不均。

2)2006年，韩国Ryu等人提出了一种模块化菲涅尔透镜设计方案，透镜由多个模块组成，不同模块在焦平面聚焦位置不同，通过不同模块的光强叠加改善聚光分布均匀性。研究结果显示，该方案可以在聚光比不大于50倍的情况下实现工作面辐照度分布不均匀度小于20%、聚光效率大于70%。其中，辐照度分布不均匀度定义如下：

ΔE=EstdEmax×100%---(3)]]>

式中，E_max表示工作面辐照度最大值；E_std表示工作面辐照度标准差。

该方案存在的问题是：所设计出的模块化的菲涅尔透镜不是圆对称的，不利于加工，且从该方案的原理及该文章中所给出的数据上可以看到，在高倍聚光情况下均匀聚光效果不甚理想。

综上所述，目前所见报道的仅通过一次聚光或散光过程即实现光功率密度分布满足要求（如均匀分布）的聚光或散光方案存在一些问题，如：设计复杂，加工精度要求高、难度大、成本高，不适于工业化批量低成本生产等。

发明内容