聚光装置及聚光方法与流程

本发明涉及纯聚光技术领域，具体而言，涉及一种聚光装置及聚光方法。

背景技术：

在现有技术中，通常通过复合抛物面聚光器实现对光线的集聚，但是对于部分特定的光源，普通的复合抛物面聚光器对光线的集聚效果较差。

技术实现要素：

本发明的一个目的在于提供一种聚光装置，该聚光装置能够针对环形光源提高聚光比，从而起到良好的聚光作用。

本发明的另一目的在于提供一种聚光方法，该聚光方法能够提高对面光源的聚光比，从而起到良好的聚光作用。

本发明解决其技术问题是采用以下的技术方案来实现的：

本发明提供一种聚光装置，用于聚集环形光源的光线，所述聚光装置包括环形的第一聚光件和环形的第二聚光件，所述第一聚光件环设于所述第二聚光件的外周，所述第一聚光件与所述第二聚光件间隔设置，并在所述第一聚光件和所述第二聚光件之间形成光路通道，所述光路通道的两端具有入射口和出射口，所述第一聚光件和所述第二聚光件分别用于反射从所述入射口射入的所述光线，并将所述光线聚集于所述出射口。

进一步地，所述出射口的面积小于所述入射口的面积。

进一步地，所述第一聚光件具有凹陷状的第一聚光面，所述第二聚光件具有凹陷状的第二聚光面，所述第一聚光面和所述第二聚光面相对设置。

进一步地，所述第一聚光面和所述第二聚光面均为抛物面。

进一步地，所述第一聚光件和所述第二聚光件同轴设置。

进一步地，所述第一聚光件用于反射所述环形光源外侧的边缘光线并形成反射光线，以使反射光线与所述出射口的周圆相切。

进一步地，所述第二聚光件用于反射所述环形光源内侧的边缘光线并形成反射光线，以使反射光线与所述出射口的周圆相切。

进一步地，所述聚光装置理论几何聚光比的计算公式为其中，c指所述聚光装置理论几何聚光比，sin指所述入射口的面积，sout指所述出射口的面积。

进一步地，所述聚光装置还包括接收器，所述接收器设置于所述出射口，并用于接收所述第一聚光件和所述第二聚光件聚集的光线。

本发明还提供一种聚光方法，用于聚集面光源的光线，所述面光源的边缘围合形成具有边界的光源曲面，所述光源曲面能够通过平移或旋转一条线段得到；所述聚光方法包括如下步骤：在所述线段所在平面选取对称的第一抛物线和第二抛物线；其中，所述平面与所述光源曲面相异。若所述光源曲面能够通过所述线段平移得到，根据所述线段平移的方向与距离平移所述第一抛物线得到第一曲面，根据所述线段平移的方向与距离平移所述第二抛物线得到第二曲面。若所述光源曲面能够通过所述线段旋转得到，根据所述线段旋转的方向与距离旋转所述第一抛物线得到第一曲面，根据所述线段旋转的方向与距离旋转所述第二抛物线得到第二曲面。根据所述第一曲面和所述第二曲面的形状，制作第一聚光件和第二聚光件；其中，所述第一曲面设置于所述第一聚光件上，所述第二曲面设置于所述第二聚光件上，所述第一曲面与所述第二曲面相对设置，在所述第一聚光件和所述第二聚光件之间形成光路通道，所述光路通道的两端具有入射口和出射口。根据所述第一曲面、所述第二曲面和所述光源曲面的相对位置，设置所述第一聚光件和所述第二聚光件；其中，所述第一聚光件和所述第二聚光件分别用于反射从所述入射口射入的所述光线，并将所述光线聚集于所述出射口。

本发明实施例的有益效果是：

本发明提供的聚光装置通过将环形的第一聚光件和环形的第二聚光件间隔地相对设置，从而在第一聚光件和第二聚光件之间形成具有入射口和出射口的光路通道，从而通过第一聚光件和第二聚光件分别反射从入射口射入的光线，并将光线聚集于出射口。从而使得聚光装置能够针对环形光源提高聚光比，以起到良好的聚光作用。

本发明提供的聚光方法对于光源曲面能够通过平移或旋转一条线段得到的面光源，根据平移或旋转的方向和距离平移与线段共面的第一抛物线和第二抛物线，形成第一曲面和第二曲面。根据第一曲面和第二曲面的形状制作第一聚光件和第二聚光件，并根据第一曲面、第二曲面和光源曲面的相对位置，设置第一聚光件和第二聚光件的位置。从而通过第一聚光件和第二聚光件的反射，使得面光源的边缘射出的光线经反射形成反射光线，并且反射光线与出射口的周圆相切。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某个实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明提供的聚光系统的结构示意图。

图2为本发明提供的聚光装置的结构示意图。

图3为本发明提供的聚光装置反射光路的示意图。

图4为本发明提供的聚光方法的流程示意图。

图标：100-聚光装置；110-第一聚光件；111-第一聚光面；120-第二聚光件；121-第二聚光面；130-接收器；140-入射口；150-出射口；200-环形光源；300-聚光系统。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”和“第四”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另外有更明确的规定与限定，术语“设置”、“连接”应做更广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或是一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图，对本发明的一个实施方式作详细说明，在不冲突的情况下，下述的实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，发明提供的聚光装置100应用于对光线的聚集，为了更好地说明聚光装置100的工作原理，引入聚光系统300进行说明。

图1为本发明提供的聚光系统300的结构示意图。请参照图1，聚光系统300包括环形光源200和的聚光装置100。其中，环形光源200和聚光装置100对应设置，以通过环形的聚光装置100聚集环形光源200发射的光线。

其中，在本实施例中，环形光源200和聚光装置100同轴设置，以保证聚光的均匀性，增强聚光效果。

需要说明的是，箭头方向表示光线方向。

图2为本发明提供的聚光装置100反射光路的示意图，图3为本发明提供的聚光装置100的结构示意图，请结合参照图2和图3。聚光装置100用于聚集环形光源200的光线，其包括接收器130、环形的第一聚光件110和环形的第二聚光件120。其中，第一聚光件110和第二聚光件120间隔地相对设置，第一聚光件110和第二聚光件120的间隙形成光路通道，光路通道的两端分别具有入射口140和出射口150。第一聚光件110和第二聚光件120均用于反射从入射口140射入的光线，并将光线聚集于出射口150。以使光线从入射口140射入，并经过第一聚光件110和第二聚光件120的反射后从出射口150射出，从而达到聚光的效果。

需要说明的是，在本实施例中，环形光源200、第一聚光件110和第二聚光件120同轴设置，以进一步地提高对光线聚集的均匀性。

其中，为聚光装置100的最大接收角，d为聚光装置100的入口直径，h为聚光装置100与光源的距离，os是环形光源200的圆心，l1为环形光源200的内径，l2为环形光源200的外径，d1指第二聚光件120靠近出射口150的一端与环形光源200的轴线的距离，d2指第一聚光件110靠近出射口150的一端与环形光源200的轴线的距离，d3指第二聚光件120靠近入射口140的一端与环形光源200的轴线的距离，d4指第一聚光件110靠近入射口140的一端与环形光源200的轴线的距离。

需要说明的是，在本实施例中，聚光装置100还包括接收器130，接收器130设置于出射口150，以实现对第一聚光件110和第二聚光件120聚集的光线的接收。

可选地，在本实施例中，接收器130覆盖出射口150，以保证对所有光线的接收，提高聚光效率。

可以理解的是，在其它可选的实施例中，接收器130还可以根据实际需要部分覆盖出射口150，以灵活调整接收器130的规格与形态。

需要说明的是，在本实施例中，出射口150的面积小于入射口140的面积。因为非成像聚光器设计的最终要求是在单位面积上获得最大强度的光，所以其实质上是将光线从较大入射面聚拢至较小的出射面，以达到聚光效果。

其中，第一聚光件110具有内凹的第一聚光面111，第二聚光件120具有内凹的第二聚光面121，第一聚光面111和第二聚光面121相对设置，以达到良好的聚光效果。

可选地，在本实施例中，第一聚光面111和第二聚光面121均为抛物面，以构成环形复合抛物面聚光器，从而使得所有以不大于聚光装置100的最大接收角入射的光线都能被聚光装置100接收，并聚集至接收器130处。

需要说明的是，环形复合抛物面聚光器的理论几何聚光比为：

其中，c指聚光比，sin指入射口140的面积，sout指出射口150的面积。

其中，第一聚光面111和第二聚光面121对称设置，以进一步地提高对光线的聚集效果。

可选地，在本实施例中，第一聚光件110的半径大于第二聚光件120的半径，第一聚光件110用于反射环形光源200外侧的边缘光线并形成反射光线，以使反射光线与出射口150的周圆相切；第二聚光件120用于反射环形光源200内侧的边缘光线并形成反射光线，以使反射光线与出射口150的周圆相切。

需要说明的是，根据边缘光线原理：所有以最大角度入射的光线，即边缘光线在经过最多一次反射后从出射口150的边缘处射出，那么以中间角度入射的光则会被反射至出射口150内，并被接收器130接收，以实现实现提高光束能量密度并且总能量保持不变的目的。

同样需要说明的是，在本实施例中，环形光源200的内侧和外侧发出的边缘光线进入到入射口140，并且通过调整第一聚光件110和第二聚光件120分别与环形光源200的相对位置，使得入射角刚好是环形复合抛物面聚光器的最大接收角。以使得边缘光线被第一聚光面111和第二聚光面121反射到出口的边缘点，此时，介于边缘光线之间的光线都会被第一聚光面111和第二聚光面121反射至接收器130中间，从而进行聚光，达到提高光束的能量密度的目的。

其中，最大接收角通过第一聚光面111和第二聚光面121的抛物面特性和材料特性确定。

需要说明的是，对比于非环形复合抛物面聚光器，非环形复合抛物面聚光器的理论几何聚光比为:

式中，c′指非环形复合抛物面聚光器的聚光比，是是复合抛物面聚光器的最大接收角。

作为实例，给定一组参数：h＝500mm，l1＝200m，l2＝2000m，d1＝10mm，d＝21mm，根据式(1)计算得到聚光装置100的入口与水平面的夹角为α＝48.6°，最大接收角为从而得到环形复合抛物面聚光装置100的聚光比为c＝6.4。

而若是采用非环形复合抛物面聚光器，若要达到让边缘光线之间的光线都能被聚光，易知根据式(2)计算得聚光比只有c′＝1/sin²74.5°＝1.08。

其中，在本实施例中，利用用tracepro软件对聚光装置100进行建模和仿真，得到其入射面总光强29.978w，平均光照度9751.6w/m²，其出射面总光强27.727w，平均光照度51935w/m²，计算得到聚光比为5.33。由于入射光束有一定角度，到达环形复合抛物面聚光器入射面的时候光斑比较大，导致一部分斜入射光束会被反射两次及以上后，从入口射出，导致损耗。仿真结果表明，环形复合抛物面聚光器对于环形光源200的聚光效果远远好于非环形复合抛物面聚光器。

图4为本发明提供的聚光方法的流程示意图。请结合参照图2和图4，聚光方法用于聚集面光源的光线，面光源的边缘围合形成具有边界的光源曲面，光源曲面能够通过平移或旋转一条线段得到。其中，聚光方法包括如下步骤：

s100：在线段所在平面选取对称的第一抛物线和第二抛物线。

需要说明的是，在本实施例中，平面与光源曲面相异，即避免平面与光源曲面重合。

s200：若光源曲面能够通过线段平移得到，根据线段平移的方向与距离平移第一抛物线得到第一曲面，根据线段平移的方向与距离平移第二抛物线得到第二曲面。

需要说明的是，在本实施例中，第一曲面对应第一聚光面111，第二曲面对应第二聚光面121。

s300：若光源曲面能够通过线段旋转得到，根据线段旋转的方向与距离旋转第一抛物线得到第一曲面，根据线段旋转的方向与距离旋转第二抛物线得到第二曲面。

需要说明的是，在本实施例中，环形的聚光装置100即为旋转所得。

s400：根据第一曲面和第二曲面的形状，制作第一聚光件110和第二聚光件120。

需要说明的是，在本实施例中，第一曲面设置于第一聚光件110上，第二曲面设置于第二聚光件120上，第一曲面与第二曲面相对设置，并在第一聚光件110和第二聚光件120之间分别形成入射口140和出射口150。

s500：根据第一曲面、第二曲面和光源曲面的相对位置，设置第一聚光件110和第二聚光件120。

其中，在本实施例中，第一聚光件110于用于反射面光源一侧的边缘光线并形成反射光线，以使反射光线与出射口150的周圆相切，第二聚光件120用于反射面光源另一侧的边缘光线并形成反射光线，以使反射光线与出射口150的周圆相切。

需要说明的是，根据光源形状的不同，可以形成不同形状的聚光装置100，本实施例中所示出的环形聚光装置100仅为针对环形光源200所才去的针对性设计。

可以理解的是，在其它可选的实施例中，若光源形状变化为条状光源，聚光装置100也可以设置为条状，且截面呈对称的双抛物线，以实现良好的聚光效果。

综上所述，本发明提供的聚光装置100通过将环形的第一聚光件110和环形的第二聚光件120间隔地相对设置，以在第一聚光件110和第二聚光件120的间隙形成两端分别具有入射口140和出射口150的光路通道。从而通过第一聚光件110和第二聚光件120分别反射从入射口140射入的光线，并将光线聚集于出射口150。从而使得聚光装置100能够针对环形光源200提高聚光比，以起到良好的聚光作用。

本发明提供的聚光系统300采用了本发明提供的聚光装置100，通过将环形的第一聚光件110和环形的第二聚光件120间隔地相对设置，从而在第一聚光件110和第二聚光件120之间分别形成入射口140和出射口150，从而通过第一聚光件110和第二聚光件120分别反射从入射口140射入的光线，并将光线聚集于出射口150。同时，将环形光源200、第一聚光件110和第二聚光件120同轴设置，使得聚光装置100能够针对环形光源200提高聚光比，以起到良好的聚光作用。

本发明提供的聚光方法，对于光源曲面能够通过平移或旋转一条线段得到的面光源，根据平移或旋转的方向和距离平移与线段共面的第一抛物线和第二抛物线，形成第一曲面和第二曲面。根据第一曲面和第二曲面的形状制作第一聚光件110和第二聚光件120，并根据第一曲面、第二曲面和光源曲面的相对位置，设置第一聚光件110和第二聚光件120的位置。从而通过第一聚光件110和第二聚光件120的反射，使得面光源的边缘射出的光线经反射形成反射光线，并且反射光线与出射口150的周圆相切。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。