DE3248512A1 - Circular Fresnel lens - Google Patents

Abstract

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Description

C i r k u l a r e F r e s n e l l i n s e C i r k u l a r e F r e s n e l l i n s e

Die Erfindung betrifft eine cirkulare Fresnellinse zur Erzeugung mindestens einer ringförmigen Fokusfläche oder Fokuslinie und eine Fresnellinse zur Erzeugung unterschiedl icher Ablenkungen eines einfallenden Strahlenbündels Zweck der Erfindung ist die Erweiterung der Einsatzmoglichkeiten von Fresnellinsen im Bereich der Solartechnik sowie im Bereich der Erzeugung projektionstechnischer Effekte Die bisher bekannte Fresnellinse besteht aus stufenformigen Prismenringes deren Winkel zur Linsenachse so gewählt sind, dass die Brennpunkte der durch die Prismen gebeugten Strahlen. auf der Linsenachse zusammenfallen. Der in der Linsenachse entstehende Fokus entspricht in seinem Durchmesser dem Doppel der Stufenteilung und kann nicht kleiner sein als 2 mm, wenn die Stufenteilung 1 mm betrugt. Auf kleinen Fokusflächen beispielsweise von 2 mm # ist die Lichtverteilung und Strahlendichte homogen. Die Vergrosserung der Stufenteilung bringt wohl einen vergrösserten Fnkusdurchmesser, aber die Lichtverteilung und Strahlendichte wird inhomogen, da die grossen Prismen das einfallende Licht in das Spektrum der darin enthaltenen Wellenlangen zerlegen.The invention relates to a circular Fresnel lens for generating at least an annular focus area or focus line and a Fresnel lens for generating different deflections of an incident beam purpose of the invention is the expansion of the application possibilities of Fresnel lenses in the field of solar technology as well as in the area of the generation of technical projection effects the previously known Fresnel lens consists of a stepped prism ring whose angle to the lens axis are chosen so that the focal points of the beams diffracted by the prisms. coincide on the lens axis. The focus arising in the lens axis corresponds to in its diameter twice the step division and cannot be smaller than 2 mm if the pitch was 1 mm. For example, on small focal areas of 2 mm #, the light distribution and radiation density are homogeneous. The enlargement the step division probably brings an enlarged fnkus diameter, but the light distribution and radiation density becomes inhomogeneous, since the large prisms absorb the incident light break it down into the spectrum of the wavelengths it contains.

Eine Vergrösserung der fokusfldche, wie sie zur optimalen Funktionserfüllung konzentrierender Solar-Kollektnren erforderlich ist, kann wie mit einer klassischen Linse dadurch erreicht werden, dass die zu bestrahlende Flache entweder vor oder hinter den Brennpunkt postiert wird. Aber auch die so erwirkte Vergrosserung der Fokusflache hat den Nachteil der inhomogenen Lichtverteilung und Strahlungsdichte was bei der photovoltaischen Umwandlung des konzentrierten Lichtes in elektrische Energie durch Hnch leistungs-Solarzel len eine Minderung der moglichen Leistung bewirkt Bei der Konstruktion Sennenenergie nutzender Gerate stellt sich die Frage nach Fresnellinsen die nicht nur eine homogene Fokusfläche erzeugen sondern auch Fokusflächen, die der Lage, Grosse und Form der zu bestrahlenden Absorber oder Solarzellen angepasst sind.An enlargement of the focus area, as required for optimal functional fulfillment Concentrating solar collectors is required, as with a classic Lens can be achieved that the surface to be irradiated either in front of or is positioned behind the focal point. But also the enlargement of the The focal area has the disadvantage of inhomogeneous light distribution and radiation density what happens with the photovoltaic conversion of concentrated light into electrical Energy from high-performance solar cells reduces the possible output The question arises when constructing devices that use dairy farmers' energy after Fresnel lenses that not only create a homogeneous focus area but also Focus areas that are capable of the size and shape of the absorber or solar cells to be irradiated are adjusted.

Die in der Licht- und Projektionstechnik zur Anwendung kommenden Fresnellinsen haben die Aufgabe, Licht entweder zu sammeln, zu zerstreuen oder zu richten Die Ausbildung einer Fresnellinse, die diese drei Effekte zweckvoll zugleich erfüllt oder gleichzeitig jeden Effekt in einer berechneten Weise, ist ebenfalls ein Teil der der Erfindung zu Grunde liegenden Aufgabe. Those used in lighting and projection technology Fresnel lenses have the task of either collecting, dispersing, or adding light set up the formation of a Fresnel lens, which these three effects expediently at the same time fulfills, or simultaneously, each effect in a calculated manner, is also part of the object underlying the invention.

Die Aufgabe wurde dadurch gelöst, dass die cirkulare Fresnellinse in Ringzonen aufgeteilt wird, die jeweils einen eigenen Ringfokus oder eine eigene Rinkfokusfläche erzeugen. The problem was solved by the fact that the circular Fresnel lens is divided into ring zones, each with its own ring focus or its own Generate rink focus area.

Die weiter der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe zur Vermehrung lichttechnischer und projectionstechnischer Effekte mit Hilfe einer Fresnellinse bestand beispielsweise dorin,eine Zerstreuungslinse mit einer Sammellinse in einer Linse zu vereinen;und diese Aufgabe wurde erfindungsgemoss in der Weise gelöst, dass die Stufen wechselweise in ihrer Winkelstellung einmal einer Zerstreuungslinse und einmal einer Sammellinse zugeordnet sind. Die einfachste Form einer Doppellinse im erfindungsgemassen Sinne ertsteht ddt;rch, dosis nur jede zweite Stufe Prismenform aufweist. The further problem on which the invention is based is reproduction lighting and projection effects with the help of a Fresnel lens for example there was dorin, a diverging lens with a converging lens in one To unite lens; and this object was achieved according to the invention in such a way, that the steps alternate in their angular position once a diverging lens and once assigned to a converging lens. The simplest form of a double lens In the sense of the invention, ddt; rch, dose is only produced every second step, prism shape having.

Auf den Zeichnungen sind verschiedene Ausführungsbeispiele erfindungsgemcsser Fresnellinsen dargestellt: Es bedeuten Fig. 1 Meridianschnitt durch ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Fresnellinse, die einen kreisförmigen, homogenen Fokus erzeugt Fig 2 Meridianschnitt durch ein Ausführungsbeuspiel der erfindungsgemässen Fresnellinse i die einen achsnahen, ringfochigen, homogenen Fokus erzeugt Fig. 3 Meridianschnitt durch ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Fresnellinse, die einen achsfernen, ringflochigen, homogenen Fokus erzeugt Fig. 4 Meridianschnitt durch ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Fresnellinse, die mehrere homogene Fokus-Ringflächen erzeugt Fig. 5 Anwendungesbeispiel einer erfindungsgemässen Fresnellinse nach dem Ausführungsbeispiel entsprechend der Fig. 2 Fig. 6 Meredianscl:nitt durch ein Ausfuhrungsbeispiel der erfindungsgemässen Fresnellinse, ähnlich dem Ausfuhrungsbeispiel nach Fig. 4 Fig. 7 Draufsicht auf einen Absorber , der von einer Fresnellinse nach Fig 4 zu bestrahlen ist. Various exemplary embodiments of the invention are shown in the drawings Fresnel lenses shown: FIG. 1 shows a meridional section through an exemplary embodiment of the Fresnel lens according to the invention, which produces a circular, homogeneous focus 2 shows a meridional section through an exemplary embodiment of the Fresnel lens according to the invention i which generates an axially, annular, homogeneous focus Fig. 3 meridional section by an embodiment of the inventive Fresnel lens, which has an off-axis, annular, homogeneous focus is generated in Fig. 4 meridional section through an embodiment of the Fresnel lens according to the invention, which produces several homogeneous focus ring surfaces 5 shows an application example of a Fresnel lens according to the invention according to the embodiment corresponding to Fig. 2 Fig. 6 Meredianscl: nitt through an exemplary embodiment of the Fresnel lens according to the invention, similar to the exemplary embodiment according to FIG. 4, FIG. 7 Top view of an absorber which is to be irradiated by a Fresnel lens according to FIG is.

Fig. 8 Meridianschnitt durch das Ausführungsbeispiel einer Fresnel-Doppellinse Fig. 9 Meridianschnitt durch das Ausführungsbeispiel einer Fresnel-Doppellinse zerstreuender und sammelnder Funktion. 8 meridional section through the embodiment of a Fresnel double lens 9 meridional section through the embodiment of a Fresnel double lens diffusing and collecting function.

Der Erfindungsgedanke richtet sich auf die Beibehaltung feiner Stufenteilungen, wobei jedoch zur Vergrösserung der Fokusfläche Stufengruppen gleicher Prismenwinkel an Stelle der grösseren Stufenteilung treten Die Fig. 1 zeigt irrt vergroberten Masstab einen Meridianschnitt durch ein Ausfthrungsbeispiel der erfindungsgemässen Fresnellinse 1 mit den Stufenzonen 2 bis 6, deren. innerhalb der Stufenzonen gleichen Prismen das Licht auf die zentrale Fokusflache 7 lenken. Jede der Stufenznnen 2 bis 6 füllt den Durchmesser, d.h die Fokusflache 7. Die Stufenzone 2 lasst das licht gradlinig durch4 Fig. 2 zeigt einen Meridianschnitt durch ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemessen Fresnellinse bei der die Strahlen nicht auf eine zentrale Kreisfläche abgelenkt sind,sondern auf eine Ringfläche 8. Auch hierbei entspricht die Breite der Ringfläche der Breite der Stufenzonen 3 bis 6. Diesem erfinderischen Konzept entsprechend konn der Fokusring, dessen Breite der Ringfläche 8 entspricht,einen achsnahen oder auch einen achsfernen Durchmesser aufweisen wie die Fig 3 zeigt, und folglich auch einen grosseren Durchmesser als der Durchmesser der Fresnellinse Weiter noch ist aus dem erfinderischen Konzept zu folgern, dass mit einer erfindungsgemessen Fresnellinse nicht nur ein Fokusring erzeugt werden kann, sondern mehrere Fokusringe in gleichmassigen und ungleichmässigen Abständen ;e auch verschiedener Breiten. Die Fig, 4 zeigt den Merideanschnitt durch eine erfindungsgemässe Fresnellinse mit der mehrere Fokusringe 8 erzeugt werden Die Vielfalt der Fokusbildungen | die sich auch bei linearen Fresnellinsen nach dem gleichen Konzept für lineare Fokusformen erzeugen lassen, erweitert ganz erheblich die Palette der Geräte zur Nutzung der Sonnenenergie; und so zeigt die Fig 5 ein Anwendungsbeispiel der erfindungsgemässen Fresnellinse mit einer ringförmigen Fokusfläche, die auf einen speziellen, mit Sonnenenergie zu behei zenden Kochtopf 9 gerichtet ist. Die Fig.7 zeigt zu einem anderen Anwendungsbeispiel ein Absorber-Rohrsystem, welches von einer erfindungsgemæssen Fretnellinse nach Fig 6 bestrahlt wird, um den durch dos Rohrsystem fliessenden Wärmeträger zu erhitzen. The idea of the invention is aimed at maintaining fine gradations, however, to enlarge the focal area, step groups of the same prism angle take the place of the larger graduation. Fig. 1 shows erroneously enlarged Scale a meridional section through an embodiment of the invention Fresnel lens 1 with the step zones 2 to 6, whose. same within the step zones Prisms direct the light onto the central focus area 7. Each of the levels 2 up to 6 fills the diameter, i.e. the focal area 7. The step zone 2 lets in the light straight through 4 Fig. 2 shows a meridional section through an embodiment of the Fresnel lens according to the invention in which the rays do not hit a central one Circular area are deflected, but on an annular area 8. Here, too, corresponds the width of the annular surface the width of the step zones 3 to 6. This innovative According to the concept, the focus ring, the width of which corresponds to the ring surface 8, can have one have a diameter close to the axis or also a diameter remote from the axis, as shown in FIG. 3, and consequently also a larger diameter than the diameter of the Fresnel lens It can also be inferred from the inventive concept that with a Fresnel lens not only a focus ring can be created, but several focus rings at even and uneven intervals; e also of different widths. 4 shows the meridian section through a Fresnel lens according to the invention the multiple focus rings 8 are generated The variety of focus formations | which also with linear Fresnel lenses according to the same concept for linear focus shapes can be generated, considerably expands the range of devices for using the Solar energy; and thus FIG. 5 shows an example of the application according to the invention Fresnel lens with a ring-shaped focus surface, which is on a special, with solar energy to behei zenden saucepan 9 is directed. 7 shows another application example an absorber pipe system, which is based on a Fretnel lens according to the invention Fig 6 is irradiated in order to heat the heat transfer medium flowing through the pipe system.

In der Beleuchtungstechnik lassen sich mit der erfindungsgemässen Fresnellinse neue Effekte erzielen, beispielsweise die Ausleuchtung und Projektion von Ringflächen, Hierbei sind die Stufenzonen 2 lichtundurchlässig oder dem gewünschten Effekt entsprechend nur für eine bestimmte Farbe durchlassig Die Figur 8. zeigt im vergröberten Masstab die Stufentellung ai. Meridianschnitt einer erfindungsgemässen Fresnellinse,die eine Doppelabbildung zulasst, nämlich eine normale und eine verkleinerte Abbildung des zu betrachtenden Objektes. Kennzeichen dieser erfindungsgemassen Fresnellinse ist die Massnahmi, wonach nur jede zweite Stufe lo, der in die Ebene geholten spharischen Oberflache einer konkaven Linse entspricht, wahrend die uberschlagene Stufe 11 keine Strahlenbrechung erzeugt.In lighting technology, the Fresnel lenses achieve new effects, such as lighting and projection of ring surfaces, here the step zones 2 are opaque or the desired Effect only permeable for a certain color. Figure 8 shows the step position ai on a coarser scale. Meridional section of an inventive Fresnel lens that allows double imaging, namely a normal and a reduced Illustration of the object to be viewed. Characteristics of this Fresnel lens according to the invention is the measure, according to which only every second level lo, the spherical brought into the plane Surface corresponds to a concave lens, while the overlapped step 11 does not Generated ray refraction.

Folglich kann erfindungsgemäss die uberschlagene Stufe 11 entsprechend einer in die Ebene geholten sphärischen Oberfläche einer konexen Linse entsprechen i und schliesslich konnen alle drei Abbildungsoptiken in einer Fresnellinse vereinigt werden oder auch mehrere Brennweiten.Consequently, according to the invention, the stepped over step 11 can correspondingly correspond to a spherical surface brought into the plane of a conex lens Finally, all three imaging optics can be combined in a Fresnel lens or several focal lengths.

Claims (4)

A N S P R Ü C H E 1 Cirkulare Fresnellinse zur Erzeugunq eines kreisflächenförmigen Fokus, dadurch gekennzeichnet, dass dieselbe in ringförmige Stufenzonen eingeteilt ist, innerhalb derwdie auf die Linsenachse gerichteten Brechungswinkel der Stufenringe . gleich sind. A N S P R Ü C H E 1 Circular Fresnel lens to produce a circular surface Focus, characterized in that it is divided into ring-shaped step zones is within which the angle of refraction of the step rings directed towards the lens axis . are the same. 2. Cirkulare Fresnellinse zur Erzeugung mindestens von einem ringflächenförmigen Fokusdadurch gekennzeichnet, dass die Prismenwinkel der Stufen auf einen Brennring ausserhalb der Linsenachse gerichtet sind.2. Circular Fresnel lens for generating at least one annular surface Focus characterized in that the prism angle of the steps is on a focal ring are directed outside the lens axis. 3. Cirkulare Fresnellinse nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die innerhalb der Stufenzonen geformtenLinsengeomatrien im Profil jewei ls einer sphärischen oder asphärischen Linse oder der Holfte einer solchen Linse entsprechen 3. Circular Fresnel lens according to claim 1 and 2, characterized in that that the lens geometries formed within the step zones in the profile are each correspond to a spherical or aspherical lens or the half of such a lens 4. Circulare Fres nellinse zur Erzeugung ring- und kreisflächenförmier Fokus formen, dadurch gekennzeichnet, dass die Stufen in wechselnder Folge den Geometrien sammelnder oder zersteuender Linsen entsprechen.4. Form a circular Fresnel lens to create a ring- and circular-surface-shaped focus, characterized in that the stages collecting the geometries in alternating order or crushing lenses.