菲涅爾透鏡是一種應(yīng)用十分廣泛的光學(xué)元件，其設(shè)計(jì)和制造設(shè)計(jì)到多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域，包括光學(xué)工程，高分子材料工程，CNC機(jī)械加工，金剛石車削工藝，鍍鎳工藝;模壓、注塑、澆鑄等制造工藝。

菲涅爾透鏡的設(shè)計(jì)原理

1、邊緣光線原理

邊緣光線原理是指在設(shè)計(jì)菲涅爾透鏡的時(shí)候，入射光中的最外邊光線也要入射到接受面的邊緣上，而不是指在最大接收角之內(nèi)的入射光線在接收面上形成一個(gè)清晰的像。

根據(jù)邊緣光線原理設(shè)計(jì)的菲涅爾透鏡雖然不具有最高的聚光性能，但幾何聚光比上還是具有很大優(yōu)勢(shì)的，因此這一原理在高倍聚光菲涅爾透鏡的設(shè)計(jì)過(guò)程中有著很重要的指導(dǎo)性意義。

2、光線追跡方法

以幾何光學(xué)為基礎(chǔ)，光線為分析單元的光線追跡方法主要有光學(xué)圖解法和計(jì)算法。幾何光學(xué)中有三條光線傳播定律，即直線傳播定律，獨(dú)立傳播定律，反射定律和折射定律。

根據(jù)直線傳播定律，獨(dú)立傳播定律，反射定律和折射定律，研究人員在研究菲涅爾透鏡聚光系統(tǒng)的性能的時(shí)候可以確定系統(tǒng)中的每條光線走過(guò)的路徑和光線最后的匯聚位置和角度。

光線追跡法主要有兩種不同的形式，即序列光線追跡和非序列光線追跡。序列光線追跡法是講究光學(xué)系統(tǒng)中的光學(xué)表面的先后順序，其在分析過(guò)程中是以系統(tǒng)中的每一個(gè)光學(xué)表面作為研究的對(duì)象，根據(jù)光學(xué)表面的先后順序，每次計(jì)算每一個(gè)光學(xué)表面的相關(guān)研究參數(shù)。序列光線追跡的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算速度快，可以優(yōu)化和公差分析。

非序列光線追跡法相比于序列光線追跡法最大的不同是不考慮光學(xué)系統(tǒng)中光學(xué)表面的先后順序和在分析的過(guò)程中不以每一個(gè)光學(xué)表面作為研究對(duì)象。菲涅爾透鏡光學(xué)系統(tǒng)中采用非序列光線追跡法進(jìn)行研究的時(shí)候，不用考慮光學(xué)系統(tǒng)中每個(gè)光學(xué)面相互之間先后順序。光學(xué)系統(tǒng)中光源的相關(guān)參數(shù)即光源發(fā)出的每一條光線的初始參數(shù)，每一條光線的具體位置，每一條光線的具體方向等等都是不確定的。

非序列光線追跡需要追跡大量光線來(lái)分析光學(xué)系統(tǒng)的特性，光線追跡是通過(guò)Monte Carlo方法來(lái)決定光線的位置和方向，接收器通常被劃分成很多小格來(lái)接收光線，這樣可以更加精確的分析光的強(qiáng)度、照度和亮度等信息。

菲涅爾透鏡的設(shè)計(jì)方法

菲涅爾透鏡在成像質(zhì)量上較傳統(tǒng)光學(xué)透鏡差，隨著菲涅爾透鏡相對(duì)口徑變大成像質(zhì)量差這一劣勢(shì)就更加明顯。

菲涅爾透鏡成像差的主要原因是：菲涅爾透鏡在設(shè)計(jì)的時(shí)候只是保證透射過(guò)的光線能匯聚到焦點(diǎn)F。如下圖所示，太陽(yáng)光從2處入射會(huì)聚到F點(diǎn)，但從1、3這兩處入射的光線卻不能匯聚到F點(diǎn)，這樣就產(chǎn)生了相差。菲涅爾透鏡的齒距越大其像差也越大。

為了減小這種相差，設(shè)計(jì)人員可以減小透鏡的齒距，但是菲涅爾透鏡的齒距也不能無(wú)限地減小?；谶@個(gè)原因菲涅爾透鏡的相差只能盡量減小，始終不能完全被消除。

菲涅爾透鏡聚光性能參數(shù)設(shè)計(jì)

1、聚光比

聚光比是評(píng)價(jià)菲涅爾透鏡聚光性能優(yōu)良的一個(gè)重要參數(shù)。聚光比可以分成幾何聚光比和光學(xué)聚光比。幾何聚光比(Cg)是指菲涅爾透鏡的入射口徑面積(S1)和出射口徑面積(S2)之比，即：Cg=S1/S2。

因?yàn)榉颇鶢柾哥R存在結(jié)構(gòu)缺陷和光能損失，所以菲涅爾透鏡的光學(xué)聚光比遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到幾何聚光比，光學(xué)聚光比(Co)是菲涅爾透鏡的幾何聚光比(Cg)和菲涅爾透鏡的光學(xué)效率(η)的乘積，即：Co=Cg×η。

根據(jù)經(jīng)典幾何光學(xué)，平行的太陽(yáng)光照射到菲涅爾透鏡的表面后，光線會(huì)在光軸方向的焦點(diǎn)處匯聚成一個(gè)點(diǎn)。按照菲涅爾透鏡幾何聚光比的定義，此時(shí)透鏡的幾何聚光比應(yīng)該是無(wú)窮大。其實(shí)實(shí)際太陽(yáng)光是具有一個(gè)很小的夾角(2θ)，即太陽(yáng)張角。因此菲涅爾透鏡的幾何聚光比的上限是：Cgmax=1/(sin2θ)=46049.6。

菲涅爾透鏡幾何聚光比上限是基于理想情況下的，在實(shí)際的生產(chǎn)應(yīng)用中，菲涅爾透鏡還存在著不可避免的加工缺陷和工程誤差，所以菲涅爾透鏡實(shí)際可以達(dá)到的幾何聚光比總小于其上限值。

2、聚光效率

菲涅爾透鏡的聚光效率直接影響太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。菲涅爾透鏡的聚光效率η可以表示為：η=E0/E。其中E0表示透射過(guò)菲涅爾透鏡的總能量，E表示入射到透鏡表面的總能量。

透鏡在實(shí)際應(yīng)用中存在光學(xué)損失，主要是由反射損失、吸收損失、加工工藝損失等各種損失引起的。其中菲涅爾透鏡的加工工藝損失主要是由加工過(guò)程中的拔模角、圓角減少了透鏡有效接受入射光能量面積。由于在實(shí)際應(yīng)用中菲涅爾透鏡存在多種光學(xué)損失，從而導(dǎo)致透鏡的聚光效率降低。

3、光斑均勻度

菲涅爾透鏡聚光光斑的均勻性直接影響太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率和使用壽命。由于菲涅耳透鏡材料的折射率隨太陽(yáng)光波長(zhǎng)的不同而變化，所以太陽(yáng)光經(jīng)過(guò)菲涅耳透鏡聚光后會(huì)形成不同的能量分布。

2018-12-29 16:14:29 759次 http://www.yiqi.com/daogou/detail_1961.html 熱門標(biāo)簽：
透鏡是根據(jù)光的折射規(guī)律制成的。是由透明物質(zhì)(如玻璃、水晶等)制成的一種光學(xué)元件。透鏡是折射鏡，其折射面是兩個(gè)球面(球面一部分)，或一個(gè)球面(球面一部分)一個(gè)平面的透明體。

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透鏡是用透明物質(zhì)制成的表面為球面一部分的光學(xué)元件，鏡頭是由幾片透鏡組成的，有塑膠透鏡(plastic)和玻璃透鏡(glass)兩種，玻璃透鏡比塑膠貴。

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透鏡是根據(jù)光的折射規(guī)律制成的，分為凸透鏡和凹透鏡。透鏡可廣泛應(yīng)用于安防、車載、數(shù)碼相機(jī)、激光、光學(xué)儀器等各個(gè)領(lǐng)域，隨著市場(chǎng)不斷的發(fā)展，透鏡技術(shù)也越來(lái)越應(yīng)用廣泛。

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