棱镜透镜的制作方法

专利名称：棱镜透镜的制作方法
技术领域：
本发明涉及棱镜(菲涅耳)透镜。
背景技术：
菲涅耳光学透镜在一系列应用中是重要的。一个重要领域是太阳能聚光器。菲涅 耳光学透镜被用在该应用中利用光电池或太阳能热加热以进行太阳能动力发电，菲涅耳光 学透镜还用于采光，例如菲涅耳透镜捕获穿过反射管到建筑物的房间中的光。菲涅耳棱镜 透镜是这种太阳能聚光器系统的常见部件。通常该透镜具有一些较大的面并且相对较厚。 为了制造这种透镜，需要进行铸造，如注模或热压印。菲涅耳透镜可为平坦的或凸曲形类型。典型的圆顶形或部分球形的菲涅耳透镜被 设计为聚焦到一点上，典型的部分圆柱形菲涅耳透镜被设计为聚焦到一条线上。US6111190 以用于空间卫星动力系统的太阳能聚光器为背景公开了上述两种样态。已知用薄膜来制造菲涅耳透镜。其优点在于在制造成本降低的同时仍能提供高质 量的光学器件。制造使用连续辊对辊(roll to roll)过程和更少量的塑料材料。然而，一 个因素是随着结构的深度减小，面的总数量增加，这通常导致更差的性能，从而使存在于菲 涅耳透镜中的问题恶化。光传播到目标区域的效率随着远离菲涅耳透镜的中心而下降。其部分原因是由于 菲涅耳损耗-由于光需要偏转的角度增加，菲涅耳棱镜的角度增加，并且由在与棱镜的分 界面处的反射引起的损耗也增加。另外，由于与棱镜的非光学面相互作用发生光的散射并 且由于在成形不理想的棱镜的峰和/或谷处发生散射，光从一个面过渡到另一个面的区域 损耗。因为在透镜的外部部分中有更多的面，该效应在透镜的外部部分更严重。最后，棱镜 朝向透镜边缘具有锐利的角，并且切削工具在透镜的该部分中无法形成同样好的峰和谷， 从而由于逐渐成圆形的峰/谷的扩散透镜作用再次导致较大的光损耗。如果菲涅耳为凸曲形类型则上述问题可以减轻。虽然这增加了透镜前面的反射， 从而减小了透镜的前面部分的效率，但它减小了后面的菲涅耳损耗。这是由于所需的转角 的减少；因为光不在这种锐角处与菲涅耳棱镜相遇，在此分界面处的菲涅耳反射损耗减小。 凸曲形类型的菲涅耳透镜的进一步的优点是不同波长的光的转角之间的差别、即透镜色差 减小。对于例如丙烯酸塑料的典型透镜材料来说，红光具有大约1.48的有效折射率，而蓝 光具有大约1. 51的有效折射率。表面的曲率使得其不与入射光正交，导致在前表面处产生 一些折射，用于至少部分地补偿菲涅耳棱镜的色差，从而允许更小的目标区域并因此获得 更好的透镜总聚光率。最后，光在光与竖直的非光学面的相互作用处以及光与可以是曲形 的或表示光学缺陷的棱镜顶点的相互作用处损耗。通过将表面弯曲，光以能用于保持光远 离非光学面和棱镜的峰的角度穿过透镜。传统类型的曲形菲涅耳透镜的制造技术典型地包含精密注模零件，但这不适用于 薄膜透镜。

发明内容
本发明的一个方面涉及具有超过平坦薄膜菲涅耳透镜的改进性能的薄膜菲涅耳 透镜，并且在制造上是可实现的。因此，从一个方面来看，提供了一种点聚焦薄膜菲涅耳透 镜，具有带有透镜面的基本平坦的内部区域和带有透镜面的外部区域，所述外部区域从所 述内部区域向外伸出，并且以实际的角度倾斜远离所述内部区域的平面。在一优选样态中，所述外部区域以线性方式并以恒定的角度延伸远离所述内部区 域，使得所述透镜具有截头圆锥体的形式。可选择地，所述外部区域可以以弯曲方式并以单 调渐增的角度延伸远离所述内部区域，使得所述透镜具有例如平底碟的形式。使用多个以 渐增的角度远离所述内部区域的平面的线性延伸部分，可近似曲形区域的外形。当使用曲 形区域时，曲率半径优选是恒定的但也可以变化，例如表面角度可被优化以使透镜效率最 大化。可以是混合样态，带有沿径向布置的一个或更多个线性延伸部分和一个或更多个弯 曲部分。使用以单一的倾斜角度线性延伸的外部区域意味着外部区域的效率不能被充分 优化。然而，对包括内部区域的整个透镜具有总体优化。此外，制造不复杂。曲形外部区域 可以是、或接近于基本球形表面的一部分从而提高透镜的所有边缘部分的效率，但制造更 加复杂。所述外部区域优选至少部分地围绕所述内部区域延伸。优选地，所述外部区域基 本完全围绕所述内部区域延伸。外部区域的径向长度可以是基本恒定的。然而，其他样态 也是可能的。例如，膜可以具有多边形形状，比如正方形、六边形或带有任何期望数量的边、 或星形，并且角部分(在星构造中是邻近“角”的部分)可被弯曲远离多边形的中心区域的 平面，从而形成不连续的外部区域，外部区域的径向长度在任何两个相邻角之间先减小然 后增加。例如，这种样态可包含带有弯曲远离中心部分的平面的四个部分(角部)的平坦 正方形，或者带有八个弯曲角的平坦八角星形。显然，所述部分将相相对于内部区域的平面 全部朝相同的方向弯曲。这种使用带有弯曲的角部分的多边形或星形的样态将提高透镜的最外部分的效 率，透镜的最外部分是平坦的点聚焦菲涅耳透镜的效率显著下降的部分。此类型的结构可 由平坦膜容易地制造。安装可能需要一些额外的努力但仍然相对简单，特别在四角向下翻 转结构的情况中。由于正方形可容易地平铺(tiled on)在最初的连续膜上，因此如果使用 带有向下翻转的角的正方形将会使膜浪费量最小化。但是，这种系统有一些缺点。相比于相当的平坦正方形，在太阳能聚光器应用中 透镜面对太阳的面积减小。如果径向固定的棱镜外形被切割，即所述棱镜外形是圆对称 的-可能出现这种情况-因为向下翻转部分在两个曲率方向上不具有正确的曲率外形而导 致光焦点将会分散。为此修改围绕透镜的棱镜外形以进行补偿的更复杂的方法将会使制造 更加复杂和昂贵。从圆锥形外部区域形成的膜将具有正确的圆形曲率(circular curvature)，因为 膜沿从透镜中心向外的方向保持平坦。在截头圆锥体的情况中，如果起始材料是圆形膜则圆锥体的底部将是水平和连续 的。如果初始时膜为正方形并且以相同的方式形成为截头圆锥体，则圆锥体的底部将不水 平而具有四个尖端。
5
截头圆锥体形式的透镜可由两个部分组成，即形成圆锥体的截头顶部的的圆形内 部透镜区域和具有两个端部的外部透镜区域，外部透镜区域围绕内部透镜区域的周界延伸 并接合到内部透镜区域的周界，并且外部透镜区域的两个端部被接合在一起。外部透镜区 域形成圆锥体的主体。外部透镜区域可为分开的圆环的形式。在此情况中，起始材料可为圆形透镜膜。圆 形内部透镜区域可由环形槽限定，并且环形外部透镜区域由限定待被去除的部分的两个径 向切口而分开，从而当两个端部接合到一起时形成圆锥体的主体。在可选择的样态中，外部棱镜区域可以为当端部被接合到一起时外形在俯视中为 多边形，比如正方形。在这种情况下，起始材料将是例如畸变的正方形膜。然后，该畸变的 正方形膜被提供有限定内部区域的环形槽，并且外部透镜区域由限定待被去除的部分的两 个径向切口而分开，从而当两个端部接合到一起时形成圆锥体的主体。截头圆锥体样态提高透镜的所有外部部分的效率并使透镜膜的重要部分能够保 持光远离棱镜顶点，从而导致更好的性能。原模被相对容易地制造，对于本领域技人员来说 就像对传统的平坦膜菲涅耳结构进行修改一样熟悉。在外部透镜区域中只有一条接合线， 以及在内部和外部区域之间的圆形接合线。接合可通过焊接、粘接等来实现，或者所述部分 可例如被放置到层压保持器(laminated holder)中。以相似的方式，带有曲形外部区域的圆顶形透镜可由两个部分组装，即通过合适 的方法接合到一起的曲形外部区域和接合到曲形外部区域的圆形内部区域。然而，在优选 样态中，外部区域与内部区域是一体的。这可以通过在圆形膜中制造一系列切口而获得，该 切口从内部区域的圆形周界径向向外延伸。切口用于限定被间隙分隔的多个膜分段。然后 在相邻膜分段之间的间隙被连接，形成曲形外部区域。可以有例如十六个膜分段。分段可 通过焊接、粘接等被直接接合到一起，或者所述部分可例如被放置到层压保持器中并使用 黏合剂。在这种样态中，相邻膜分段之间的多条接合线将使效率稍微减小并且目标焦点将 由于透镜的分段性质而分散(也就是说每个分段在围绕透镜的方向上无法获得正确的曲 率)。尽管增加分段的数量会减小光焦点的分散，通过接缝数量的增加对降低效率和复杂性 的作用是无益的。由于这些原因，并因为制造复杂性的增加，膜分段的数量不应该太多。对于由圆形膜片形成的透镜而言，当从膜片上切割出圆形时将会有产生一些废 料。在截头圆锥体的情况中，还会有来自于圆形内部区域和外部区域之间的环形间隙的废 料，以及从外部区域去除以获得圆顶结构的材料。在由分段形成圆顶形外部区域的情况中， 将会有从膜的每个分段之间去除的废弃的材料。在截头圆锥体情况中，内部区域与外部区域之间的周界接合和外部区域的端部之 间的接合从所述透镜的中心移位，并开始于圆形内部区域的径向长度。在由分段制成曲形 外部区域的情况中，在优选样态中内部和外部区域之间没有接缝，并且相邻的分段之间的 接合终止于内部区域的边界处，远离透镜的中心。透镜的内部区域不需要完全平坦。实际上，根据本发明的另一方面，内部区域可为 圆顶形，但是具有比外部区域小的倾斜度或曲率半径。例如，圆形内部区域可通过提供相对 窄的径向槽并将端部接合到一起而形成为浅圆锥体。以上述方式，外部区域可为截头圆锥 体或曲形的主体，并且接合到中心区域。通常，优选中心区域是基本平坦或者具有提供小于由外部区域提供的圆锥或曲线效果的倾斜角度或曲率半径。同样优选的是在中心区域内没
有接缝。内部和外部区域的相对比例和尺寸取决于聚光器透镜的总尺寸和透镜的设计焦 距。从倾斜的外部元件到平坦的内部元件的过渡被放置在设计需要的位置_例如在圆锥形 外部区域样态中，过渡必须产生在菲涅耳棱镜的底角达到90°并且光穿过棱镜内的角度与 光从棱镜出射的角度相同的位置。如果圆锥形表面朝透镜的中心进一步向内延伸，则穿过 棱镜并从棱镜出射的光将与棱镜的非光学面相互作用，这将导致效率的损耗。在一些优选实施例中，内部区域是圆形的，最小半径为整个透镜半径的约14%到 约15%并且最大半径为整个透镜半径的约55%到约60%，并优选具有处于整个透镜半径 的约25 %到约45 %的范围之内的半径，更优选地在约28 %到29 %与约35 %到约36 %之 间。在一些优选实施例中，内部区域具有为整个透镜半径的约1/7的最小半径和为整个透 镜半径的约4/7的最大半径，更优选地在约2/7与约3/7之间。在一些实施例中，内部区域 的半径在约2/7与约5/14之间，或者在约2/7与约3/7之间。已经发现，对于平坦圆形菲 涅耳透镜的内部区域，该区域的效率在半径值远大于整个透镜半径的约28%到约29%或 约2/7时显著恶化，实际值取决于透镜的焦距和制造质量。在一些典型应用中，内部区域是圆形的，最小半径为约1cm、最大半径为约4cm，更 优选为约3cm或约2. 5cm或约2cm。在一些实施例中，内部区域的半径可以在约1. 5cm与 约3cm之间，例如在约1. 5cm与约2. 5cm之间。在一些实施例中，内部区域的半径在约2cm 与约2. 5cm之间，或者在约2cm与约3cm之间。在这种应用中典型的总透镜半径可以在约 5cm到约IOcm之间，并且可能在约7cm的区域内。在线性外部区域的情况中，比如当透镜为截头圆锥体形式时，已经发现，远离内部 区域的平面的倾斜角影响透镜的效率。随着倾斜角的增加，由于倾斜角更好地与最优角度 匹配，透镜的外部倾斜部分的效率被改进。对于透镜的内部倾斜部分而言，由于与最优值不 匹配而导致效率下降。增加倾斜角的另一效果是增加所需要的内部平坦透镜区域的尺寸。这是因为从倾 斜的到平坦区域的过渡产生在当圆锥区段上的α角等于光在棱镜内的角度和从棱镜出射 的角度时-α面被“挤出(squeezed out)”。倾斜角越高，导致平坦透镜区域的半径越大。 已经发现，对于具有相同焦距但倾斜角不同的透镜来说，到大约20°总透镜透光率缓慢增 加，然后约20°与25°之间显著增加，然后进一步到约30°缓慢增加，在该点处效率值变 平。因此，优选地，透镜的参数被选定为倾斜角在约20°与约40°之间，或者例如在约22° 与约25°之间，或者在约22°与约30°之间，或者在约25°与约35°之间，或者在约25° 与约30°之间，在一些典型应用中为约25° ；同时内部透镜区域的半径在先前所述的范围 内，例如在整个透镜半径的约2/7与3/7之间(取决于透镜的精确焦距)。例如，对于被设 计为具有约7cm的透镜半径和约14cm的焦距的透镜，如果倾斜角为约25°则内部平坦透镜 区域的半径将为约2. 4cm。边缘棱镜的聚光能力也根据倾斜角和焦距而变化。已经发现，由于色差得到一定 程度的补偿，例如将倾斜角增加到40°将增加聚光能力。将倾斜角增加到40°同样还减小 展示出最大聚光能力的焦距。对于在约25°到约35°之间的倾斜角，已经发现，范围从约 2. 5下至约1. 8的最小焦距比即可提供超过100的聚光能力。在本申请文件中，表述“焦距比”表示透镜的焦距(透镜的底部被视为透镜光学结构上的最低点)与透镜的总半径的比 率，这样例如如果透镜具有7cm的半径和14cm的焦距，则焦距比为2。应该理解的是所述透 镜的半径指示在其上发生光聚焦的有效半径。已经发现，在外部区域中棱镜的效率也根据倾斜角和焦距而变化。对于约25°到 约35°之间的倾斜角，已经发现，在范围从约1. 5到约2. 5cm的最小焦距比即可提供具有高 于约0.9的透镜的透光率。对于透镜的平坦内部区域，已经发现，在焦距比约为3时可接近最大效率，并且在 焦距比在约2以下时效率显著降低。几个因素对于决定透镜的最优光学焦距是重要的。由于是使用在太阳能聚光器 中，焦距应尽可能短以减小太阳能聚光器组件“箱”的深度，并减小微小角度误差对入射光 或目标位置的影响，或者与聚光器中的振动相关的影响。另一方面，焦距应尽可能长以提高 透镜的效率，增加棱镜的底角并因此确保棱镜的顶点被制造为更好的精度从而使光的损耗 较小，并减小棱镜的角度，使它们更宽并因此减少棱镜中的面的数量。焦距应该被优化以使 在透镜边缘处能够从棱镜获得足够的聚光水平。此外，如先前记录的，对于截头圆锥体透 镜，随着焦距的增加，由内部平坦区域构成的透镜的比例增加。因为棱镜顶点和非光学面可 隐藏在倾斜部分中而非平坦部分中，通常这将降低透镜的效率。所有这些均意味着对于透镜而言将存在最优的中间焦距。通常根据本发明的透镜 的理论效率(视作前表面和后表面的反射损耗，不考虑面和顶点的损耗)随着焦距的增加 而增大，如果焦距比在约2以下，则效率显著降低。随着焦距的增加，中心平坦区域内的面的数量增加，简单地因为平坦区域的尺寸 增加(外部边缘棱镜数量保持为大致相同或减小)。随着焦距增本质上相同的平坦菲涅耳 设计被扩大，并且圆锥形透镜的面积减小以进行补偿。为了使平坦内部区域菲涅耳面/顶 点的数量最小化，焦距比应因此被保持为最小。已发现通常约为2的总焦距比关于棱镜数 目提供恰当的折中。因此，在本发明的一些优选实施例中使用截头圆锥体形状，平坦中心区域具有的 半径为总透镜半径的约2/7到约3/7 (根据精确设计-外部区段的焦距和倾斜角)，外部区 域的倾斜角为约25°，焦距比约为2。在典型的光电聚光器系统中，具有这些参数的透镜可 具有从约5cm到约IOcm的总半径，典型为约7cm。这将典型地以如下方式形成对着光产 生正方形截面从而能够使透镜被平铺到模块中。本发明还涉及一种制造透镜的方法，其中薄菲涅耳透镜膜部分被提供有环形切口 以限定与外部区域分离的圆形内部区域，从所述外部区域的周界到所述环形切口提供有向 内渐缩的切口，所述向内渐缩的切口的侧边接合到一起以形成截头圆锥体的壁，并且所述 外部区域被接合到所述内部区域从而所述内部区域形成所述截头圆锥体的顶点。本发明还提供一种制造透镜的方法，其中圆形薄菲涅耳透镜膜部分被提供有从圆 形内部区域的周界延伸到所述膜部分的周界的多个周向间隔的切除部，所述切除部从所述 膜部分的周界到所述中心区域的周界向内渐缩并限定径向延伸的膜分段，相邻的分段沿它 们的边缘被接合到一起使得所述分段限定围绕整个内部区域延伸且以弯曲的方式伸出远 离所述内部区域的平面的外部区域。本发明还涉及一种制造透镜的方法，其中薄菲涅耳透镜膜部分具有多边形形状，并且角部分被弯曲远离所述多边形的平面以提供外部区域，该外部区域以一个角度延伸远 离由所述膜部分的其余部分限定的内部区域的平面。根据本发明可选择的方面，薄膜菲涅耳透镜沿一个方向弯曲，使得其至少基本上 遵从圆柱体的表面，并且面(facets)被布置使得透镜聚焦到一点而不是像传统圆柱形透 镜一样聚焦到一条线。这将改进透镜的一些外部部分(虽然不是全部)的效率。这种样态 在制造弯曲形状的透镜来讲是相对简单的，并且透镜可几乎没有或没有废料地安装到框架 中。然而，需要注意设计和切割径向角度变化面(radial angle varying facets)。根据本发明的另一方面，没有中心平坦部分，且透镜为带有相对尖锐的顶点的圆 锥体的形式。该圆锥体的边可如上所述是直的，或者可以是弯曲的。根据本发明的所有方面，透镜的光学元件用低成本的辊对辊制造技术方便地制 造，比如紫外线铸造(UV casting)。用这种技术制造的膜通常被制造在薄基底上，比如75 到300微米厚的PMMA。这种薄透镜可能不具有承受比如来自冰雹或其他来源的物理冲击所 必须的坚固性。此外，申请人已经认识到，由装配在膜中产生接缝意味着透镜可能未密封防 止水进入，从而可能导致透镜被天气致损。根据本发明的所有方面，菲涅耳透镜优选被提供有在所述透镜的凸面上的透明保 护层。通过此方式，透镜可被密封并被保护免受例如天气的损害。所述保护层优选由连续透明塑料片构成，例如PMMA片。这允许光穿过该层，并因 此不会不利地影响透镜的透光率。优选地，保护层比薄膜菲涅耳透镜的厚度厚。厚度的合适范围的一个例子是 l-3mm。这使得其能够充当透镜的安装框(mount)并因而使透镜更加坚固抵抗损害。保护层可为平面的，但优选地其与透镜的形状相符，例如在本申请文件其他地方 公开的截头圆锥体。这将改善进入透镜的光透射。保护层优选地由被成形为与透镜的形状相符的片构成。优选地所述片由聚PMMA 制成。优选地所述片通过加热成形或注模而形成。加热成形是优选的，由于加热成形更便 宜并能在单个的片中制造较大片，例如容纳多个透镜。然后多个透镜可安装到该片的下侧 上。本发明还提供一种有利的制作方法，包括将所述透镜的凸面安装到透明片上。优 选地所述透镜安装到成形塑料片上，该成形塑料片的形状与所述透镜的形状相符。优选地 所述片使用加热成形或注模而成形。优选地所述透镜被层压到所述片上。在一组实施例中，层压步骤包括使用压敏粘合剂。在这些实施例中，压敏粘合剂被 方便地应用到透镜的凸面。然后透镜可被压到片上并被压住以允许粘合剂将透镜固定到片 上。在另一组可选择的实施例中，层压步骤包括使用紫外线固化胶。优选地该胶在视 觉上是透明的。在这些实施例中，片和/或透镜例如使用喷涂或类似的方法被涂覆有紫外 线固化胶。然后透镜和片可被挤压到一起并暴露于紫外线以使该胶凝固。在另一组可选择的实施例中，层压步骤包括使用溶剂。在这些实施例中，片和/或 透镜被涂覆有该溶剂。然后透镜和片可被挤压到一起以允许表面融合。根据本发明各种方面的透镜的实施例可被用于太阳能聚光器应用。例如，透镜可 与放置透镜焦点处在或靠近透镜焦点处的合适的光电装置协同以利用太阳辐射发电。作为
9例子，太阳能电池可为单晶硅、多晶硅、非晶硅或多结砷化镓中的任意一个。在此类应用的 一些实施例中，利用反射或折射的二次聚光器可被放置到透镜的焦点处或靠近透镜的焦点 处，以进一步将光聚集到太阳能接收器上。在可选择的应用中，热接收器可被放置到透镜的焦点处或靠近透镜的焦点，并与 太阳能热能系统协同使用，比如加热固体板(solid plate)或工作流体。被加热的板或被 加热的工作流体可最终被用于驱动例如斯特林发动机、兰金循环涡轮机或蒸汽轮机。典型地，所述透镜的焦点位于在包含所述透镜内部区域的平面下方且与包含所述 透镜内部区域的平面平行的平面中。如果透镜的内部区域不是平坦的，则包含透镜的平面 被限定为包含内部区域的周界的平面。因此太阳能电池或热接收器将大体放置在位于透镜 内部区域下方且与透镜内部区域平行的平面中透镜的焦点处。


下面将仅通过示例并参照附图对本发明各种方面的一些实施例进行描述，其中图1是表示光与倾斜表面菲涅耳透镜的棱镜相互作用的示意图；图2(a)表示用于制造根据本发明一方面的透镜的膜盘；图2(b)表示处于制造该透镜的中间阶段的盘；图2 (C)表示该透镜；图3表示该透镜的焦点形状；图4表示该透镜的聚光能力；图5表示用于制造根据本发明一方面的透镜的另一实施例的膜部分；图6是由图5中所示的膜部分制成的透镜的俯视立体图；图7是图6的透镜的前视立体图；图8示出根据本发明一方面的透镜的设计参数；图9表示用于根据本发明一方面的透镜的另一实施例的制造中的膜片；图10表示该透镜；图11表示根据图10的透镜的性能；图12表示该透镜的焦点形状；图13表示该透镜的聚光能力；图14表示根据本发明的理论透镜的焦点形状；图15表示理论透镜的聚光能力；图16表示根据本发明的供选择的透镜的平面图和前视图；图17表示根据本发明另一方面的透镜的制造；图18表示安装在保护层下方的透镜；以及图19表示安装在薄片下方的透镜阵列。
具体实施例方式现在详细参照图1，其表示光线与由薄膜制成的菲涅耳透镜1的相互作用。该透镜 具有若干在棱镜顶点处具有棱镜角α的棱镜2。光线由箭头3和4表示。膜相对于光线方 向以如箭头3和箭头5之间所示的角β倾斜。可见，只有棱镜的被标记为A的区段与光线相互作用，意味着光线既不与棱镜的顶点也不与非光学面相互作用。图2 (a)表示从薄片切割而成的薄膜菲涅耳透镜的圆盘6。如图2(b)所示，该盘被 切割以去除一环形部分，因而在中心区域8与外部区域9之间留下环形间隙7。在外部区域 9 中形成有切割线10和11，切割线10和11从该盘的周界延伸到环形间隙7，并且切割线之 间的区段被去除以留下向外呈锥形的开口 12。如图2(c)所示，外部区域9被回转弯曲且其 端部沿接缝线13接合到一起。中心区域8通过圆形接缝线14与外部区域9相接合。由此 得到的结构是带有平坦的圆形顶部8和开放的圆形底部16的由膜形成的中空截头圆锥体 15。因此外部区域的膜相对于中心区域8的水平面以线B和C之间所示的角χ倾斜。在 优选实施例中，角Χ为约25°。在这种透镜的一个示例中，焦点形状如图3所示，聚光能力如图4所示，效率为 92%。图5表示用于制造改进型透镜的膜部分，包括外部区域17和内部区域18。该样态 与图2(b)的样态相似，但是与从膜圆盘起始的情况中外部区域成为部分圆环不同，其从歪 曲的正方形形状切割而来。如图6和图7所示，截头圆锥体形式的结构20通过沿接缝线21 接合外部区域的端部并将平坦的中心区域18接合到倾斜的外部区域17而形成。在俯视图 中，该结构为边长约IOcm的正方形形状。除了带有均终止于一点的四个延长部分之外，其 实际上是截头圆锥体。图8表示总半径约7cm、平坦的中心区域的半径约2. 5cm、倾角约25°、焦距比约为 2、透镜的焦距约为14cm的截头圆锥体透镜的设计参数。该图表示棱镜底角、β角、α角、 内光角(internal light angle)、光出射角(light exit angle)和偏转角是如何根据与透 镜中心的径向长度而变化的。还示出了膜倾斜角(film slop angle)其直到内部区域的 界限为止为0，然后恒定在25°。棱镜底角在内部区域上减小，在过渡后跃至其初始值，然 后到透镜的边缘稳定地减小。α角是非光学面的角，β角是β面的角，β面是通过折射 过程将光线偏转到期望角度的面。在本示例中，α角被保持为尽可能高以将棱镜展开。α 角的目标是将其保持在(并尽可能远离)内光角和光出射角之间，从而确保其不与任何降 低透镜效率的光线相互作用。此外，内部平坦菲涅耳面角可被调整以避免在光焦点中产生中心“热点”。图9表示被切割以限定半径2cm的圆形中心区域和由间隙24分隔的十六个径向 延伸的分段23的菲涅耳透镜膜片21。分段23的宽度随着朝向其外部区域而增加。如图 10所示，带有平坦的中心区域22的圆顶形透镜25通过沿分段23的边缘(示为26)将分段 23接合到一起而形成，以提供连续的周界27。该透镜具有翻转的平底碟或平顶伞的外观。 在本实施例中，透镜的半径约为7cm。这种方式具有一些优点，包括在中心区域22外侧产生任意的表面曲率的能力，并 由此使设计最优化。然而，接缝的总数将降低总透镜性能并可能增加制造的复杂性。图U 表示在整个透镜上的性能。对于这种透镜25，在本方案中使用对称布置的十六个膜分段(虽然也可以是其它 数量的分段)，期望的焦点形状将圆形斑点位于中心且带有展开的对称环。总尺寸将被每个 分段的边缘宽度限制。一示例的示范实际焦点形状如图12所示。由数千个分段制成的此 类型的理想透镜的期望焦点形状将是由于每个分段的边缘宽度非常小而具有有限斑点尺寸的位于中心的圆形斑点。图13表示示范实际焦点形状。图14表示带有十六个分段的透 镜的示范聚光能力，图15表示带有数千个分段的理想透镜的示范聚光能力。
图16表示一可选择的样态，其中正方形膜部分28具有临近向下翻转一个角度的 角30的四个区域29，留下可被认为是近似圆形的平坦中心区域31。在该实施例中，只使相 对小的部分的膜倾斜。图17表示一可选择的样态，其中膜部分32具有若干切下的椭圆形透镜33，然后椭 圆形透镜33被弯曲成部分圆柱形或近似部分圆柱形的成形物(former) 34。该棱镜的设计 为每个透镜聚焦于一点。图18表示如图2(c)所示具有外部区域15和平坦的圆形顶部8的截头圆锥体形 式的透镜。在该实施例中，透镜被安装在透明的塑料片40(例如PMMA)下方，该塑料片40 用加热成形或注模来成形使得其与透镜的形状相符合。透镜的凸面通过多种方法之一，例 如用压敏粘合剂、紫外固化胶或溶剂被层压到塑料片的凹面。为了保护透镜免受长期风化和其它物理损害，塑料片厚于透镜的厚度。典型地，透 镜为75-300微米厚，而塑料片为l_3mm厚。图19表示布置在太阳能电池片52上方的与图18中的透镜类似的透镜50的阵列。 每个透镜聚集光线到单独的电池上。连续的透明塑料片54被成形使得其与透镜阵列相符 合，并因此当其被放置到透镜上方时，形成保护层以防止对透镜造成损害，例如防止长期风 化。在本发明的实施例中，平坦的微观结构光学膜可使用辊对辊过程来制造，在辊对 辊过程中，基膜(base film)被涂敷有透明的紫外线固化漆(树脂)，并且该膜在被挤压抵 靠铸造圆筒的同时被暴露于紫外线，该铸造圆筒上存在有期望结构的逆结构。该膜应该是 透明且抗风化的，但对干固化的漆具有高粘附力，例如是PMMA中的一种，比如Plexiglas ， 或者Grilamid 紫外加强尼龙比如TR90UV。这些铸造滚筒(casting drums)可用本领域 技术人员熟悉的多种工艺进行制造。作为一个例子，原模通过在精密切削机上绕其中心旋 转用金刚石切削圆形平坦件而被制造。金刚石刀具可以以微棱镜特征能够被切割在工件上 并且所产生的凹槽围绕切割中心圆对称的方式而移动。精密切割工艺能够在期望半径处并 以期望的面角(facet angle)制造V形凹槽。总体而言，平坦的膜必须被弯曲或折叠以产生弯曲区段，并且这应该与这种透镜 待被安装于其中的模块的制造相结合而以简单的方式来完成。透镜的设计应该与所选择的 折叠图案相符，并与由标准的或稍微修改的精密切削机制造其“原模”相符。设计需要指定棱镜的位置和两个面的角度非光学的α面和通过折射过程将光 线偏转到期望角度的β面。在聚集平行光线的平坦菲涅耳中，对于太阳能聚光器而言，α面是垂直的。在曲 形菲涅耳中，α面具有的角度被选定为位于光线穿过棱镜内的角度和光线从棱镜射出的角 度之间的。通过这种方式，没有光线会与α面相互作用，此外，光线被保持为(至少某种程 度上)远离棱镜顶点。在所有方案中，曲形聚焦菲涅耳可以首先使用为每个棱镜选择恰当的α和β面 角的恰当的设计方法来设计，该恰当的α和β面角1)导致光线(在光谱的每端)正确地偏转以位于期望的目标区域内；
2)导致在期望的目标区域内的光线的适当的色混合；3)导致在期望的目标区域内的总光能的相当均勻的分布；4)尽可能不受以下小误差影响由于原模加工不精确而造成的面角的值的误差； 由制造误差或太阳能模块安装误差引起的表面倾斜角的误差；目标(可以是例如太阳能电 池)位置在X、y和Z方向上的误差；以及透镜和聚光器的正确朝向太阳的定向误差。一些因素需要被理解，以制作最优光学焦距的模型，该最优光学焦距使表现最 差 的棱镜在透镜的边缘处的聚光能力最大化或产生满意性能。需要考虑的问题包括1)从膜上切割得到的棱镜将在误差范围之内不同于期望角度，通常的经验表示这 些角度精确到士 0.1度；2)膜表面相对于入射光和目标可能未被保持在恰好正确的角度_通常可能被修 正到士2度或更小的范围之内；3)因为跟踪误差、对准问题、振动等，入射光将不会在系统上精确地对准-通常期 望将之修正到大约士0.2度；4)目标的位置可能未被准确地设置在正确的深度处，例如其可能在距正确位置 士0. 5mm的范围之内；5)目标的位置可能未被精确地设置在正确的x，y位置上-通常可能呈现士0. 2度 的角度误差；以及6)由于红光和蓝光从棱镜出射的角度中存在固有差异(inherent difference), 色差固有地限制棱镜的聚光能力-通常折射率的范围可能呈现为从1. 48到1. 51。膜需要被放置在垫片(shim)上以产生多个样式的透镜。该“平铺”(tiling out) 应该尽量高效地完成，从而使膜的损耗最小化。为了形成平坦的原模，透镜的外形需要从平坦透镜的外形开始修改。面积应该扩 大以允许切掉一部分，从而可形成圆锥形的表面，并产生正确的透镜尺寸。在中心平坦菲涅 耳区域和外部部分之间的一小部分需要被替代(filled in)，并且该部分将被丢弃。透镜的 膜部分的总尺寸需要被扩大以允许合适的棱镜元件被平铺(tiled out)。膜部分的外部部 分可具有任何合适的外形，因为它们不是透镜的一部分并且将被丢弃。一般来讲，在本发明实施例中，微棱镜菲涅耳透镜结构的棱镜深度位于约10和约 100微米之间。典型地，总薄膜厚度(基于膜并结合棱镜特征)位于约50和约800微米厚 之间。膜可利用涂敷在基膜上的光学漆的紫外线固化、并且将该漆在与合适的逆微棱镜模 具相接触时暴露而被制造，或者通过本领域技术人员已知的用于大量制造微光学结构的其 它方法来制造。基塑料膜可包含紫外线保护化学物。在本发明实施例中，对透镜倾斜面(无论是由线形外形提供或是由曲形外形提 供)的适当选择将确保可通过延伸一个平坦区域到透镜的边缘得到更好的效率。应该明白的是，本申请文件中提及的提供点聚焦的透镜并不试图意味着具有完美 或接近完美的焦点。本发明是为了区分例如由传统的圆柱形透镜提供的线聚焦的类型。点 聚焦的表述因而包括聚焦于一个区域。
权利要求
一种点聚焦薄膜菲涅耳透镜，具有带有透镜面的基本平坦内部区域和带有透镜面的外部区域，所述外部区域从所述内部区域向外伸出，并且以实际的角度远离所述内部区域的平面。
2.根据权利要求1所述的透镜，其中所述内部区域为圆形。
3.根据权利要求2所述的透镜，其中所述外部区域至少部分地、优选完全地围绕所述 内部区域延伸。
4.根据权利要求1或2或3所述的透镜，其中所述外部区域以线形方式伸出远离所述 内部区域。
5.根据权利要求4所述的透镜，其中所述外部区域以基本恒定的角度伸出远离所述内 部区域。
6.根据权利要求5所述的透镜，其中表面倾斜角在从约20°到约35°的范围内。
7.根据权利要求6所述的透镜，其中所述表面倾斜角在从约22°到约30°的范围内。
8.根据权利要求4至7中任意一项所述的透镜，为截头圆锥体的形式。
9.根据权利要求1所述的透镜，为截头圆锥体的形式，其中所述内部区域为圆形并形 成所述截头圆锥体的顶点，所述外部区域围绕所述内部区域的整个周界延伸以形成所述截 头圆锥体的壁并接合到所述内部区域。
10.根据权利要求9或8所述的透镜，其中所述透镜在俯视图中具有基本正方形的轮廓。
11.根据权利要求1或2或3所述的透镜，其中所述外部区域以弯曲的方式伸出远离所 述内部区域。
12.根据权利要求1所述的透镜，其中所述内部区域为圆形，所述外部区域围绕所述 内部区域的整个周界延伸以形成弯曲的外部透镜区域的壁，并且由多个径向延伸的分段形 成，所述多个径向延伸的分段从所述内部区域延伸且沿它们的边缘接合到一起，由此所述 外部区域以弯曲的方式伸出远离所述内部区域。
13.根据前述权利要求中任意一项所述的透镜，其中所述内部区域具有的径向长度不 超过总透镜半径的约45%。
14.根据权利要求13所述的透镜，其中所述内部区域具有的径向长度在总透镜半径的 约20%到约45%之间。
15.根据权利要求14所述的透镜，其中所述内部区域具有的径向长度在总透镜半径的 约25%到约35%之间。
16.根据前述权利要求中任意一项所述的透镜，其中所述透镜的焦距与所述透镜的半 径之比在约1.5到约3之间。
17.根据前述权利要求中任意一项所述的透镜，其中所述透镜的焦点位于在包含所述 透镜的所述内部区域的平面下方且与包含所述透镜的所述内部区域的平面平行的平面中。
18.—种包括根据权利要求17所述的透镜的组件，进一步包括在所述平面中位于所述 透镜的焦点处的太阳能电池或热量接收器。
19.一种包括根据权利要求1至17中任意一项所述的透镜的组件或根据权利要求18 所述的组件，进一步包括在所述透镜的凸面上的透明保护层。
20.根据权利要求19所述的组件，其中所述保护层比所述薄膜菲涅耳透镜厚。
21.根据权利要求19或20所述的组件，其中所述保护层在1到3mm厚之间。
22.根据权利要求19、20或21所述的组件，其中所述保护层与所述透镜的形状相符。
23.根据权利要求19至21中任意一项所述的组件，其中所述保护层由连续透明塑料片 构成。
24.根据权利要求23所述的组件，其中所述片由PMMA制成。
25.根据权利要求23或24所述的组件，其中所述片通过加热成形或注模而形成。
26.—种制造根据权利要求8所述的透镜的方法，其中薄菲涅耳透镜膜部分被提供有 环形切口以限定与外部区域分离的圆形内部区域，从所述外部区域的周界到所述环形切口 提供有向内渐缩的切口，所述向内渐缩的切口的侧边被接合到一起以形成截头圆锥体的 壁，并且所述外部区域接合到所述内部区域从而所述内部区域形成所述截头圆锥体的顶 点ο
27.一种制造根据权利要求11所述的透镜的方法，其中圆形薄菲涅耳透镜膜部分被提 供有从圆形内部区域的周界延伸到所述膜部分的周界的多个周向间隔的切除部，所述切除 部从所述膜部分的周界到所述中心区域的周界向内渐缩并限定径向延伸的膜分段，相邻分 段沿它们的边缘被接合到一起使得所述分段限定围绕整个内部区域延伸且以弯曲的方式 伸出远离所述内部区域的平面的外部区域。
28.—种制造根据权利要求1所述的透镜的方法，其中薄菲涅耳透镜膜部分具有多边 形形状，并且角部分被弯曲远离所述多边形的平面以提供外部区域，该外部区域以一个角 度延伸远离由所述膜部分的其余部分限定的内部区域的平面。
29.一种制造根据权利要求19至25中任意一项所述的组件的方法，包括将所述透镜的 凸面安装到透明片上。
30.根据权利要求29所述的方法，其中所述透镜被安装到成形塑料片上，该成形塑料 片的形状与所述透镜的形状相符。
31.根据权利要求20所述的方法，其中所述塑料片使用加热成形或注模而成形。
32.根据权利要求29至31中任意一项所述的方法，包括将所述透镜层压到所述片上。
全文摘要
一种点聚焦薄膜菲涅耳透镜(15；25)，具有基本平坦的内部区域(8；22)、和外部区域(9；23)，所述外部区域从所述内部区域向外伸出，并且以实际的角度远离所述内部区域的平面。在一个实施例中，所述透镜为带有作为其顶点的圆形内部区域的截头圆锥体(15)的形式，在另一实施例中，所述透镜为圆顶(25)的形式，并通过将从圆形中心区域(22)径向延伸的分段(23)接合到一起而形成所述外部区域。
文档编号G02B3/08GK101971059SQ200980106557
公开日2011年2月9日 申请日期2009年2月23日 优先权日2008年2月26日
发明者尼古拉斯·西蒙·沃克 申请人:微尖科技有限公司