CN103487853A - 一种聚光或散光透镜的设计方法 - Google Patents

Abstract

一种聚光或散光透镜的设计方法，本发明涉及一种聚光或散光透镜的设计方法。本发明为了解决目前光功率密度分布再调整方案中存在的设计复杂、加工难度大、成本高、不适于工业化批量低成本生产的问题。该方法为：步骤一、设定初始参数；步骤二、根据当前设定参数按照能量守恒原则设计聚光或散光透镜的入射面各分割区域的面型，进而获得整个聚光或散光透镜；步骤三、判断工作面的光功率密度分布情况是否满足期望要求，判断为是，执行步骤四，判断为否，根据优化算法重新获得参数值，然后返回执行步骤二；步骤四、完成聚光或散光透镜的入射面的设计，进而完成聚光或散光透镜的设计。本发明适用于光学领域。

Description

一种聚光或散光透镜的设计方法

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***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：

$\mathrm{\ΔE}=\frac{E_{\mathrm{std}}}{E_{\max }}\×100\%---\left(3\right)$

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

本发明为了解决目前光功率密度分布再调整方案中存在的设计复杂、加工难度大、成本高、不适于工业化批量低成本生产的问题，从而提出一种聚光或散光透镜的设计方法。

一种聚光或散光透镜的设计方法，包括下述步骤：

步骤一、设定初始参数，所述初始参数为入射面每个分割区域的设计波长及相应的材料折射率和投影区域参数；所述投影区域参数包括投影区域上各点的空间位置以及投影区域上光功率或光功率密度分布函数；

步骤二、根据当前设定参数按照能量守恒原则设计聚光或散光透镜的入射面各分割区域的面型，进而获得整个聚光或散光透镜；

步骤三、判断工作面的光功率密度分布情况是否满足期望要求，判断为是，执行步骤四，判断为否，根据优化算法重新获得参数值，然后返回执行步骤二；

步骤四、完成聚光或散光透镜的入射面的设计，进而完成聚光或散光透镜的设计。

本发明所述的一种聚光或散光透镜的设计方法是一种无需其它光学元器件即可独立实现光功率密度分布满足要求的聚光或散光透镜设计方法。本发明所述设计方法是基于能量守恒原则进行，并且在设计过程中不断地对参数进行优化直至工作面光功率密度分布满足期望分布要求。根据本发明所述的设计方法获得的参数进行聚光透镜或散光透镜的加工，工艺简单，透镜的聚光效果好，成本低，适用于工业化批量生产。

附图说明

图1为专利200910307046.7所述非成像聚光原理图；

图2为本发明所述非成像透镜设计方法的流程图；

图3为非成像透镜设计过程中入射面、工作面和投影区域之间的位置关系图；图中P表示入射面，D表示工作面，F表示投影区域，G表示工作面的另一个可能位置，H表示对称轴；

图4为工作面上的光功率密度分布仿真结果示意图；

图5为工作面上沿着x、y两个轴向上的光功率密度分布仿真结果示意图，图中P表示沿x轴上的光功率密度分布情况；Q表示沿y轴上的光功率密度分布情况。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图2具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种聚光或散光透镜的设计方法。本实施例中定义均匀聚光标准为：按照IEC60904-9国际标准规定的光斑光功率密度分布的均匀度△E_o1的表达式（4），光斑光功率密度分布均匀度不低于36.8%：

${\mathrm{\ΔE}}_{o1}=100\%-\frac{I_{\max }^{\′\′}-I_{\min }^{\′\′}}{I_{\max }^{\′\′}+I_{\min }^{\′\′}}\×100\%---\left(4\right)$

其中，I′′_max表示工作面内的最大光功率密度值，I′′_min表示工作面内的最小光功率密度值。

本实施例包括下述步骤：

步骤一、设定初始参数并按照能量守恒原则设计聚光或散光透镜的入射面的面型。所述初始参数为入射面每个分割区域的设计波长及相应的材料折射率和投影区域参数；所述入射面的面型为连续线或面，所述连续线表示的是入射面面型的横截面的轮廓，所述投影区域参数包括投影区域上各点的空间位置以及投影区域上光功率或光功率密度分布函数；

步骤二、根据当前设定参数按照能量守恒原则设计聚光或散光透镜的入射面各分割区域的面型，进而获得整个聚光或散光透镜；

步骤三、根据公式（4）判断工作面的光功率密度分布均匀度是否满足期望要求，判断为是，执行步骤四，判断为否，根据优化算法重新获得参数值，然后返回执行步骤二；

步骤四、完成聚光或散光透镜的入射面的设计，进而完成聚光或散光透镜的设计。

在本实施方式所述的技术方案中本发明所述的设计方法适用于对现有聚光透镜或散光透镜进行设计，采用本申请的设计方法获得的聚光透镜能够达到良好的均匀聚光效果。

构成本发明所涉及的非成像透镜的各个分割区域的设计原则是一致的，即要求入射面上每个分割区域上任意部分的入射光束能量与投影区域所接收到的光束能量相等。称这一设计原则为能量守恒原则。如在一维情况下，如果分别用A(x_A)和B(x_B)表示入射面上某一部分的起始及终止点坐标、用A'(x′_A′,y′_A′,z′_A′)和B'(x′_B',y′_B',z′_B′)表示投影区域上的起始及终止点坐标，则可将能量守恒原则表述为：

${\∫}_A^{B}I\left(x\right)\mathrm{dx}=\frac{1}{C_1}{\∫}_{A^{\′}}^{B^{\′}}{I}^{\′}(x^{\′},y^{\′},z^{\′}){\mathrm{dx}}^{\′}{\mathrm{dy}}^{\′}{\mathrm{dz}}^{\′}---\left(5\right)$

其中，x、(x',y',z')分别表示入射面、投影区域上的点的空间坐标，I(x)为入射面上光功率或者光功率密度分布函数，I'(x',y',z')为投影区域上光功率或光功率密度分布函数。C₁为某一常数。

具体实施方式二、本实施方式与具体实施方式一所述的一种聚光或散光透镜的设计方法的区别在于，步骤二完成之后，对获得的聚光或散光透镜进行轻量化处理，然后再执行步骤三。

本实施方式所述的轻量化处理过程类似于将凸透镜演化成菲涅尔透镜的过程。由于这部分过程为本领域公知内容，因此不再做细致描述。

具体实施方式三、本实施方式与具体实施方式一或二所述的一种聚光或散光透镜的设计方法的区别在于，所述入射面由多区域构成，每个区域是平面、曲面或折面，所述折面的每个子面是平面或曲面；投影区域是由一个或多个点、线段、平面或曲面中的任意一种或几种的集合构成，且所述投影区域是与工作面完全重合、部分重合或完全分离。

具体实施方式四、本实施方式与具体实施方式一所述的一种聚光或散光透镜的设计方法的区别在于，所述聚光或散光透镜为二维设计或一维设计并二维扩展的聚光或散光透镜。此时如果分别用A(x_A,y_A)和B(x_B,y_B)表示入射面上某一部分的起始及终止点坐标、用A'(x′_A′,y′_A′,z′_A′)和B'(x′_B',y′_B',z′_B′)表示投影区域上的起始及终止点坐标，则可将能量守恒原则表述为：

${\∫}_A^{B}I(x,y)\mathrm{dxdy}=\frac{1}{C_2}{\∫}_{A^{\′}}^{B^{\′}}{I}^{\′}(x^{\′},y^{\′},z^{\′}){\mathrm{dx}}^{\′}{\mathrm{dy}}^{\′}{\mathrm{dz}}^{\′}---\left(6\right)$

其中，(x,y)、(x',y',z')分别表示入射面、投影区域上的点的空间坐标，I(x,y)为入射面上光功率或光功率密度分布函数，I'(x',y',z')为投影区域上光功率或光功率密度分布函数。C₂为某一常数。

如图3所示本实施方式中的入射面为非成像透镜所处空间位置。工作面是指所要汇聚或扩散光束的实际有效辐照面。投影区域是指：在本透镜设计方案中，对入射面面型的设计需要满足其“可以使得M（其中M≥1）个点或线段或平面或曲面上的光功率或光功率密度按照某一给定的函数形式分布”这一原则。所述的M个点或线段或平面或曲面或它们的集合为投影区域。投影区域可以是和工作面完全重合的、也可以是部分重合或完全分离的；而“工作面”，则是指所要汇聚或扩散光束的实际有效辐照面。

本实施方式可以在无须其它光学元器件（如二次聚光器等）的情况下独立实现光束光功率密度满足分布要求的汇聚或扩散，减少了光束传输过程中因为光学元器件表面反射等造成的光功率损耗，简化了光束光功率密度再分布过程、有利于降低光束光功率密度满足分布要求的聚光或散光***的建造及维护费用。

以中心对称、单分割区域、固定设计波长情况为例对所述非成像透镜的制作效果进行说明。其中涉及的参数为：入射面材质折射率为1.5；入射面、工作面均为中心对称且投影区域与工作面重合；入射面半径为150.0mm、工作面半径3.0mm；入射面和工作面间距离300.0mm；入射面、工作面共轴。

数值仿真结果如图4和图5所示。从中可见，在工作面范围内光功率密度分布变化不明显，按照IEC60904-9国际标准规定的光斑光功率密度分布的均匀度表达式（4），可以计算出在此区域内的汇聚光斑光功率密度分布均匀度最低值为95.4%，显示光功率密度分布均匀度较好。

本发明所述的一种聚光或散光透镜的设计方法所涉及的透镜可单独使用，或分割成多块使用，或多个本发明所述透镜组合使用；且入射面、工作面可以由单区域或多区域构成，且每个区域可以是平面、曲面、折面——其中折面的每个子面又可以是平面、曲面等；且投影区域可以是一个或多个点、线、面或其集合。投影区域可以是和工作面重合的、也可以是部分重合或完全分离的。

此外，很显然，上述所叙述的内容之外，还可以在本发明精神内做其它变化。当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (4)

1.一种聚光或散光透镜的设计方法，其特征在于，它包括下述步骤：

步骤一、设定初始参数，所述初始参数为入射面每个分割区域的设计波长及相应的材料折射率和投影区域参数；所述投影区域参数包括投影区域上各点的空间位置以及投影区域上光功率或光功率密度分布函数；

步骤二、根据当前设定参数按照能量守恒原则设计聚光或散光透镜的入射面各分割区域的面型，进而获得整个聚光或散光透镜；

步骤三、判断工作面的光功率密度分布情况是否满足期望要求，判断为是，执行步骤四，判断为否，根据优化算法重新获得参数值，然后返回执行步骤二；

步骤四、完成聚光或散光透镜的入射面的设计，进而完成聚光或散光透镜的设计。

2.根据权利要求1所述的一种聚光或散光透镜的设计方法，其特征在于，步骤二完成之后，对获得的聚光或散光透镜进行轻量化处理，然后再执行步骤三。

3.根据权利要求1或2所述的一种聚光或散光透镜的设计方法，其特征在于，所述入射面由多区域构成，每个区域是平面、曲面或折面，所述折面的每个子面是平面或曲面；投影区域是由一个或多个点、线段、平面或曲面中的任意一种或几种的集合构成，且所述投影区域是与工作面完全重合、部分重合或完全分离。

4.根据权利要求1所述的一种聚光或散光透镜的设计方法，其特征在于，所述聚光或散光透镜为二维设计或一维设计并二维扩展的聚光或散光透镜。

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