CN101034204A - 镜像焦点重叠式可变向平行光能流密度倍增器及设计方法 - Google Patents

镜像焦点重叠式可变向平行光能流密度倍增器及设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明为镜像焦点重叠式可变向平行光能流密度倍增器及设计方法，属于光学技术应用领域，特别是太阳能聚光技术领域。本发明由组合抛物线绕对称轴旋转得到的组合抛物面聚光器、圆柱镜反射面和抛物面导光器沿中心轴依次连接组成。其中组合抛物面聚光器是这样得到的：将平面内开口向上的抛物线沿水平方向平移一个满足特定条件的距离，平移后的抛物线与原抛物线相互交叉，去掉交点两侧有拐点的两个抛物线段，得到一个锥状的组合抛物线平面图形，绕其对称轴旋转即可得到一个组合抛物面。然后水平地截去其尖顶部分，并使截口位置不能低于抛物线的焦点位置，且截口宽度正好是两个抛物线焦点距离的一半。

Description

镜像焦点重叠式可变向平行光能流密度倍增器及设计方法
所属技术领域
本发明属于光学技术应用领域，特别是太阳能聚光、导光与太阳能热利用技术领域。也可应用于无线电波的会聚与传播等领域。
背景技术
实现平行光束能流密度大小的转换或通光面积大小转换，一般的方法是利用透镜或菲涅耳镜组合，但这类透镜的制造成本较高，只适用于小光束的情形，对大的通光面积的光束，要制造相应的透镜无论从技术上还是经济上都是非常困难的。本发明利用抛物面聚光和圆柱镜反射面的反射原理实现平行光束能量密度或平行光束通光面积大小的转换，在技术上易于实现、经济上合算，具有良好的应用前景。另外，普通旋转抛物面在会聚平行光时，其焦点在反射面的一侧，即抛物面凹向的内侧，这在很多情形下会给应用带来不便。本发明使平行光的会聚焦点移到组合抛物面聚光器凹向的外侧，这样对某些应用领域带来便利。
发明内容
本发明提供的装置能将大光束低能流密度的平行光会聚成点光源，或者将大光束低能流密度的平行光会聚成小光束高能量密度的平行光。且出射的平行光方向可任意调节。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：利用特殊的组合方式制成组合抛物面聚光器(3)，加上同轴连接的圆柱镜反射面(1)，即可组成一个可以将平行光会聚成点光的聚光装置。再通过一个其焦点与该聚光点重合的并截去顶端部分的抛物面导光器(7)，又可以将点光扩展成一束平行光。
组合抛物面聚光器(3)的设计方法是：将开口向上的抛物线沿水平方向平移一定距离，平移后的抛物线与原抛物线相互交叉，平移后的抛物线焦点与原抛物线焦点的距离(18)与平移距离相同，去掉交点两侧有拐点的两个抛物线段(13)和(16)，交点以上部分即为一个锥状的组合抛物线平面图形，然后水平地截去其尖顶部分，即虚线段(19)和(20)，剪截位置必须同时满足以下两个要求：第一，截口位置不能低于抛物线的焦点位置；第二，截口宽度(17)正好是两个抛物线焦点距离(18)的一半，只有两抛物线的相对平移距离，即两焦点间的距离(18)超过一定的数值后才能满足这两个要求。用这样的方法得到的由两条抛物线段(14)和(15)组成的平面图形，绕其对称轴旋转即可得到轴对称的组合抛物面聚光器(3)。当平行光沿组合抛物面聚光器(3)的对称轴方向入射时，经组合抛物面聚光器反射后将聚焦在一条圆形的焦线上，这条圆形的焦线位于截口下方，圆心在对称轴上，其半径正好是截口半径的两倍。
圆柱镜反射面(1)的直径与组合抛物面聚光器(3)的截口宽度相等，其高度等于或略小于组合抛物面聚光器(3)的截口到两条抛物线焦点连线的距离。
组合抛物面聚光器(3)与圆柱镜反射面(1)同轴连接后，由于圆柱镜反射面(1)的镜像作用，将使组合抛物面聚光器(3)散开的焦线镜像重叠成为一个焦点(2)，此焦点(2)位于组合抛物面聚光器截口下方，且在圆柱镜反射面(1)的对称轴上。由于焦点(2)的位置位于组合抛物面聚光器(3)的下端，汇聚的光朝下方出射，在使用中会带来很大的方便。
抛物面导光器(7)的焦点与镜像焦点(2)重叠。抛物面导光器(7)的形状大小的选择取决于对出射光束大小的要求，它的开口朝向和截除部位的选择取决于对出射光方向的要求。圆柱镜反射面(1)及组合抛物面聚光器(3)的共同对称轴，与抛物面导光器(7)的对称轴之间可以有一个0°至180°夹角，且抛物面导光器(7)的出光口方向可以绕抛物面导光器(7)的对称轴在0°至360°之间任意变化。
以上装置也可以设计成只有二维方向变化的结构，这时组合抛物面聚光器(3)就变成一个槽形的组合抛物面聚光器，圆柱镜反射面(1)就变成两个平行的平面镜，抛物面导光器(7)就变成槽形的抛物面导光器，镜像重叠的焦点(2)就变成一条镜像重叠的焦线了。其二维截面结构和三维的截面结构完全相同。
实际应用中，本发明装置可以通过串联或并联的方式组成1至多级的***使用，也可以采用传统的复合抛物面聚光器(CPC-compound parabolic concentrator)对从抛物面导光器(7)出射的平行光进一步汇聚，得到更高密度的出射光。
为了节约成本或受安装空间的限制，组合抛物面聚光器(3)可以截去局部，但与圆柱镜反射面(1)和抛物面导光器(7)的相对位置没有变化。
本发明的有益效果是，可以将低能流密度的大平行光束会聚成高能流密度的小平行光束。比如，在太阳能聚光或导光应用中，用本发明装置两级串联就可以获得聚光比很高的太阳光束，而且出光方向任意可调，还是平行光。通过本发明加上光导管可将户外的太阳光能很方便地传输到室内，实现绿色照明或高温聚能。另外，由于该集光装置的焦点不在反射凹面的内侧，若将其应用在无线电信号的接收等技术领域，其接收器就可以装在反射凹面的外侧，这样接收器将不会在反射面上产生阴影，增加了反射面的集光面积，也使此类接收装置的设计、安装、调试和维修维护带来方便。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1-本发明的原理图。其中：1-圆柱镜反射面；2-镜像焦点；3-组合抛物面聚光器；4-入射光线；5-中心轴；6-最大聚光半径；7-抛物面导光器。
图2-本发明的一个光路运行的原理图。其中：9-抛物线(14)的虚焦点；10-抛物线(15)的虚焦点；11-抛物面导光器被截去的尖顶部分；8-入射光线。
图3-抛物面导光器中心轴与装置的中心轴有一个小夹角的实施例运行图。其中：12-抛物面导光器(7)中心轴与装置的中心轴(5)的夹角。
图4-抛物面导光器(7)中心轴与装置的中心轴(5)互相垂直的实施例运行图。
图5-去掉抛物面导光器(7)的实施例运行图。
图6-将组合抛物面聚光器(3)截去一部分的实施例运行图。其中：21-组合抛物面聚光器被截去的部分。
图7-采用一个焦距更小的抛物面导光器(7)的实施例运行图。
图8-组合抛物面聚光器的设计原理图。其中：13-左边抛物线被截去的部分；14-右边抛物线被保留的部分；15-左边抛物线被保留的部分；16-右边抛物线被截去的部分；17-组合抛物线被截去时的截口宽度；18-两条抛物线的焦点间的距离，也就是两条抛物线的相对平移距离，19-被截去的组合抛物线尖顶的左边，20-被截去的组合抛物线尖顶的右边。
具体实施方式
图1是本发明的原理图。在图1中，装置的运行原理可分步解释如下：
平行光束(4)沿中心轴(5)方向入射，在最大聚光半径(6)内的光，大部分将入射到组合抛物面聚光器(3)上，经反射后都会进入圆柱镜反射面(1)内部，入射到圆柱镜反射面(1)内壁上，经圆柱镜反射面(1)内壁反射后汇聚到镜像焦点(2)上；未经组合抛物面聚光器(3)反射而直接贯穿到其截口处的太阳光，部分从抛物面导光器(7)的上端口进入，从下端***出，另有部分将射到抛物面导光器(7)背面无法射出，形成聚光损失。汇聚到镜像焦点(2)上的光经抛物面导光器(7)反射后又成为平行光射出。出射光的能流密度比入射光的能流密度成倍数增大，从而实现光能流密度的倍增。
图2对光路的运行原理作进一步的说明，在图2中，焦点(9)和焦点(10)是两个虚焦点，光线(4)是由组合抛物面聚光器(3)反射的能够进入圆柱镜反射面内的离中心轴最远的光线，光线(8)是由组合抛物面聚光器(3)反射的能够进入圆柱镜反射面(1)内的离中心轴最近的光线，光线(4)和光线(8)之间的所有光线经组合抛物面聚光器(3)反射后，本来应该会聚在与虚焦点(10)对应的焦线上，该焦线是一个以对称轴(5)为中心轴的圆环。但由于圆柱镜反射面(1)的镜像反射，实际将会聚在镜像焦点(2)上。由对称性知，另一边的光线同样会聚在重叠焦点(2)上。
图3是抛物面导光器(7)的中心轴与装置的中心轴有一个小夹角的实施例运行图。抛物面导光器(7)的焦点仍然处在镜像焦点(2)上，但它的开口朝向与装置的中心轴有一个夹角(12)，所以经由镜像焦点(2)下行的光线，由抛物面导光器(7)内表面反射后出射的平行光与装置的中心轴有一个与夹角(12)大小相同的夹角。在这种情况下，抛物面导光器(7)被截去的部位(11)和大小也作相应的调整，其依据的原则就是，能使来自圆柱反射面的光线全部能够达到焦点(2)。
图4是抛物面导光器(7)的中心轴与装置的中心轴互相垂直的实施例运行图。其光线的运行原理与图3的情形类似，但抛物面导光器(7)被截去部位不同，在这种情况下，抛物面导光器(7)被截去正好一半。
图5是去掉抛物面导光器(7)的实施例图。在这种情况下，该装置可以为用户提供一个点光源。
图6是将组合抛物面聚光器(3)截去一部分的实施例图。在这种情况下，组合抛物面聚光器被截去的部分(21)使组合抛物面聚光器(3)与圆柱镜反射面(1)之间有一个间隔，接收平行光的组合抛物面聚光器(3)的接收面积有所减少，但使用的材料也减少，成本将降低。
图7是采用一个焦距更小的抛物面导光器(7)的实施例图。在这种情况下，出射光束变得更细小，光能流密度更大。
图8是组合抛物面聚光器(3)的设计方法。图中所示，平面上开口向上的抛物线沿水平方向平移一定距离，平移后的抛物线与原抛物线相互交叉，平移后的抛物线焦点与原抛物线焦点的距离(18)与平移距离相同，去掉交点两侧有拐点的两个抛物线段(13)和(16)，交点以上部分即为一个锥状的组合抛物线平面图形，然后水平地截去其尖顶部分，即虚线段(19)和(20)，剪截位置必须满足以下两个要求：第一，截口位置不能低于抛物线的焦点位置；第二，截口宽度(17)正好是两个抛物线焦点距离(18)的一半，此时只有当两抛物线的相对平移距离，即两焦点间的距离(18)超过一定的数值后才能满足这两个要求。用这样的方法得到的由两条抛物线段(14)和(15)组成的平面图，绕其对称轴旋转即可得到组合抛物面聚光器(3)。当平行光沿轴向入射时，经组合抛物面聚光器(3)反射将聚焦在一条圆形的焦线上，这条圆形的焦线位于截口下方，圆心在对称轴上，其半径正好是截口半径的两倍。

Claims (7)

1.一种镜像焦点重叠式可变向平行光能流密度倍增器及设计方法，其特征是：它是由组合抛物面聚光器(3)、圆柱镜反射面(1)和抛物面导光器(7)组成，组合抛物面聚光器(3)的焦线经圆柱镜反射面(1)反射后形成镜像焦点(2)，并与抛物面导光器(7)的焦点重合。
2.根据权利要求1所述的镜像焦点重叠式可变向平行光能流密度倍增器及设计方法，其特征是：圆柱镜反射面(1)及组合抛物面聚光器(3)的共同对称轴，与抛物面导光器(7)的对称轴之间可以有一个0°至180°夹角，且抛物面导光器(7)的出光口方向可以绕抛物面导光器(7)的对称轴在0°至360°之间任意变化。
3.根据权利要求1所述的镜像焦点重叠式可变向平行光能流密度倍增器及设计方法，其特征是：组合抛物面聚光器(3)是这样得到的，将平面内的开口向上的抛物线沿水平方向平移一个满足特定条件的距离，平移后的抛物线与原抛物线相互交叉，平移后的抛物线焦点与原抛物线焦点的距离(18)与平移距离相同，去掉交点两侧有拐点的两个抛物线段(13)和(16)，交点以上部分即为一个锥状的组合抛物线平面图形，然后水平地截去其尖顶部分，即虚线段(19)和(20)，剪截位置必须满足以下两个要求：第一，截口位置不能低于抛物线的焦点位置；第二，截口宽度(17)是两个抛物线焦点距离(18)的一半。用这样的方法得到的由两条抛物线段(14)和(15)组成的平面图，绕其对称轴旋转即可得到组合抛物面聚光器(3)。
4.根据权利要求1所述的镜像焦点重叠式可变向平行光能流密度倍增器及设计方法，其特征是：圆柱镜反射面(1)的直径等于抛物线平移距离或平移前后抛物线焦点距离(18)的一半。
5.根据权利要求1所述的镜像焦点重叠式可变向平行光能流密度倍增器及设计方法，其特征是：组合抛物面聚光器(3)可以截去局部，但与圆柱镜反射面(1)和抛物面导光器(7)的相对位置没有变化。
6.根据权利要求1所述的镜像焦点重叠式可变向平行光能流密度倍增器及设计方法，其特征是：本发明装置可以通过串联或并联的方式组成1至多级的***使用。
7.根据权利要求1所述的镜像焦点重叠式可变向平行光能流密度倍增器及设计方法，其特征是：本发明装置也可以设计成只有二维方向变化的结构，这时组合抛物面聚光器(3)就变成一个槽形的组合抛物面聚光器，圆柱镜反射面(1)就变成两个平行的平面镜，抛物面导光器(7)就变成槽形的抛物面导光器，镜像重叠的焦点(2)就变成一条镜像重叠的焦线了；其二维截面结构和三维的截面结构完全相同。
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