專利名稱：一種光束準(zhǔn)直器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太陽能開發(fā)、激光應(yīng)用、LED照明等領(lǐng)域，特別涉及太陽光光纖照明裝
置。
背景技術(shù)：
在太陽能收集器等系統(tǒng)中，需要通過透鏡或反射鏡等聚焦系統(tǒng)將光進行會聚，從而輸入到光纖等橫截面較小的傳輸媒質(zhì)中。目前，一般集光器是由多個陣列組成，以實現(xiàn)高效的陽光采集。如發(fā)明專利“太陽光光纖照明裝置(CN01113529)”采用由聚光透鏡和四象限光伏探測器組成的高靈敏度傳感器，實現(xiàn)了穩(wěn)定、可靠的陽光跟蹤。而當(dāng)采用透鏡或反射鏡對太陽光或?qū)捒趶降钠叫谢驕?zhǔn)平行光束進行會聚時，雖然結(jié)構(gòu)更為簡單、聚光面可更大，但若聚焦光斑在較遠距離產(chǎn)生，則整個系統(tǒng)尺寸會很大，影響其實際使用。若要在近距離產(chǎn)生聚焦光斑，則在聚焦處光束與透鏡軸線的夾角很大，而光纖的聚光角度不大，這就導(dǎo)致有部分光無法被耦合到光纖中。為此，需要采用有效措施，以減小聚焦光束的發(fā)散角。

發(fā)明內(nèi)容
針對以上不足，本發(fā)明提出一種新型光束準(zhǔn)直器，以實現(xiàn)對經(jīng)聚焦后的光束進行準(zhǔn)直，減小光束的發(fā)散角，以利于光束的耦合或進一步對光束進行聚焦，以減小光斑尺寸。。該準(zhǔn)直器為一透明圓臺，一般由玻璃或聚合物材料組成。圓臺外表面為光滑表面，其外側(cè)可加一層具有高反光特性的金屬薄層。本發(fā)明提出的光束準(zhǔn)直器可以將發(fā)散角較大的光束整形為具有較小發(fā)散角的光束，可用于太陽光收集系統(tǒng)、激光光束準(zhǔn)直等。從而有效地提高后續(xù)的聚光器對光的收集能力，解決普通聚光鏡由于聚光后的光發(fā)散角大而無法將光有效會聚到光纖中傳輸?shù)娜秉c。本發(fā)明的光束準(zhǔn)直器的技術(shù)方案是該準(zhǔn)直器為一圓臺，即由一圓錐去除頂部的小圓錐形成。該準(zhǔn)直器用于對非準(zhǔn)直光束進行光束準(zhǔn)直。光束由圓臺上底(I)進入，從圓臺下底(2)輸出。圓臺上下表面均為光滑表面，實現(xiàn)有效的輸入、輸出，圓臺側(cè)面(3)為光滑表面或涂覆高反金屬薄層，以實現(xiàn)對由圓臺內(nèi)部入射到圓臺側(cè)面的光進行有效的反射。本發(fā)明提出的光束準(zhǔn)直器可以將發(fā)散角較大的光束整形為具有較小發(fā)散角的光束，可用于太陽光收集系統(tǒng)、激光光束準(zhǔn)直等。從而有效地提高后續(xù)的聚光器對光的收集能力，解決普通聚光鏡由于聚光后的光發(fā)散角大而無法將光有效會聚到光纖中傳輸?shù)娜秉c。其基本原理是，具有一定發(fā)散角的光束進入圓臺的上表面(小圓區(qū)域)，發(fā)生折射，并進入圓臺，與圓臺軸線夾角較小的光束將直接到達大圓，并輸出。而圓臺軸線夾角較大的光束，則將到達圓臺的側(cè)面，并產(chǎn)生全反射，由于側(cè)面為圓錐面，經(jīng)反射后的光束與圓臺軸線夾角將發(fā)生變化。對于一特定圓臺，可將發(fā)散角在一定范圍內(nèi)的光束進行有效的準(zhǔn)直。如圖I所示，對于圓柱形透明介質(zhì)棒，從其上底面進入的光，其入射角與出射角是相同的。因此，這種介質(zhì)棒對光束沒有準(zhǔn)直作用。本發(fā)明提出的光束準(zhǔn)直器為一圓臺，如圖2所示。即它是由一圓錐去除頂部的小圓錐形成的一根透明介質(zhì)棒。光束由圓臺上底I進入，從圓臺下底2輸出。圓臺上下底表面均為光滑表面，實現(xiàn)有效的輸入、輸出，圓臺側(cè)面3為光滑表面或涂覆高反金屬薄層，以實現(xiàn)對由圓臺內(nèi)部入射到圓臺側(cè)面的光進行有效的反射。而對于圓臺，當(dāng)在一定的角度范圍內(nèi)的光從圓臺上底入射，經(jīng)錐形外表面反射后，再經(jīng)圓臺下底輸出時，其入射角會減小。為方便描述，給出以下定義?！ど系装霃?，圓臺上底圓形區(qū)域的半徑,用B1表示。下底半徑圓臺下底圓形區(qū)域的半徑,用a2表示。這里，aAay圓臺軸線上底圓心與下底圓心的連線。圓臺高度上底與下底的圓心之間的距離，用h表示。圓臺梯形穿過上底與下底圓心的平面與圓臺表面相切形成的梯形。圓臺腰指圓臺梯形的腰。圓臺角圓臺梯形的底角，用Θ表示。圓臺傾角圓臺腰與圓臺軸線的夾角,用Y表示，Y =90° -Θ。發(fā)散角入射光線與圓臺軸線之間的最大夾角，用α，表示。發(fā)散角光線入射角等于發(fā)散角的入射光線。內(nèi)發(fā)散角發(fā)散角光線由圓臺上底進入圓臺，經(jīng)折射后，光線與圓臺軸線的夾角，用α表不。內(nèi)輸出角入射光線到達圓臺下底表面時，光線與圓臺軸線的最大夾角，用β表
/Jn ο輸出角入射光線到達圓臺下底表面時，與圓臺軸線的夾角等于β的光線，經(jīng)圓臺下底折射輸出時，輸出光線與圓臺軸線的夾角，用表示。圓臺折射率圓臺組成材料的折射率，用Ii1表示。顯然，α > β，
a =arcsin (sin ( α ' Vn1), β ' =Brcsin(Ii1Sin(^))0進一步地，內(nèi)發(fā)散角α，內(nèi)輸出角β，和圓臺傾角Y之間應(yīng)滿足Y彡β且α-2γ < β。顯然有，α > β。更理想情況下，應(yīng)有內(nèi)發(fā)散角α，內(nèi)輸出角β，和圓臺傾角Y之間滿足β = Υ，Υ = α/3。更進一步地,要求圓臺高度h > apin ( Θ ) sin (90° - α ) /sin ( α - y ) 0更進一步地,要求圓臺高度h < I. OSa1Sin ( θ ) sin (90° - α ) /sin ( α - y ) 0本發(fā)明的有益效果本發(fā)明提出的光束準(zhǔn)直器可以將發(fā)散角較大的光束，準(zhǔn)直為發(fā)散角較小的光束，且保持其較小的光斑尺寸，有利于后續(xù)裝置將光引入到光纖等傳輸系統(tǒng)中或在激光加工等應(yīng)用中。由于可以減小發(fā)散角，使得在前端系統(tǒng)中可以使用高聚焦能力的透鏡或反射鏡等裝置，減小系統(tǒng)尺寸和復(fù)雜度。


圖I光在圓柱體中的傳輸示意圖；圖2圓臺結(jié)構(gòu)示意圖；其中，I為圓臺上底，2為圓臺下底,3為圓臺側(cè)面。圖3圓臺梯形及相關(guān)參數(shù)示意圖。
具體實施方式
本發(fā)明提出的準(zhǔn)直器為一圓臺，即由一圓錐去除頂部的小圓錐形成。該準(zhǔn)直器用于對非準(zhǔn)直光束進行光束準(zhǔn)直。光束由圓臺上底I進入，從圓臺下底2輸出。圓臺上下表面均為光滑表面，實現(xiàn)有效的輸入、輸出，圓臺側(cè)面3為光滑表面或涂覆高反金屬薄層，以實現(xiàn)對由圓臺內(nèi)部入射到圓臺側(cè)面的光進行有效的反射。為實現(xiàn)對光束的有效準(zhǔn)直，圓臺傾角Y的選擇與內(nèi)發(fā)散角α和要求的內(nèi)輸出角β有關(guān)。即內(nèi)發(fā)散角α，內(nèi)輸出角β ,和圓臺傾角Y之間應(yīng)滿足
原因是當(dāng)光線從圓臺上底入射，經(jīng)折射時，若其折射角為Y，顯然，此時，光線不會到達圓臺側(cè)面，而是直接到達圓臺下底，并輸出。因此，內(nèi)輸出角β不會小于圓臺傾角Y，即有Y < β。另一方面，若折射角為ω的入射光由圓臺上底進入圓臺，并到達圓臺側(cè)面，經(jīng)反射后，到達圓臺下底。假設(shè)到達下底時的光線與圓臺軸線的夾角為Ψ。顯然，Ψ = ω-2Υ。當(dāng)ω = α?xí)r，到達下底時的光線與圓臺軸線的夾角最大，為α-2γ。因此，內(nèi)輸出角滿足β彡α-2γ。綜上，應(yīng)有(α-β)/2彡Y ( β。若實際上有(α-β)/2> β，則該準(zhǔn)直器無法實現(xiàn)。例如，若α=45°，而要求β=10°，則有(α-β)/2=17.5°，即有(α-β)/2> β，采用本發(fā)明結(jié)構(gòu)無法實現(xiàn)。顯然，當(dāng)Υ = α-2 Y時，(α-β )/2= Y = β,內(nèi)輸出角β具有最小值。因此,折射發(fā)散角α，內(nèi)輸出角β ,和圓臺傾角Y之間的最佳關(guān)系為Υ = α /3，β = Y。由于對于折射角ω大于圓臺傾角Y的光線,光線需要經(jīng)圓臺側(cè)面反射一次，以減小其到達圓臺下底的時與圓臺軸線的夾角Ψ。若光線由圓臺上底的邊沿入射，此時需要的圓臺高度最高，對應(yīng)的圓臺的高度h應(yīng)滿足h彡dsin( Θ )，這里d = apin^O。-α )/sin( α - γ )為圓臺梯形的腰長。即應(yīng)有圓臺的高度h彡apiW Θ ) sin(90 ° -α)/
sin( α - γ ) 0另一方面，圓臺高度h值越大，圓臺下底的表面積也越大。從而導(dǎo)致輸出光束的光斑面積增大。這不利于對光束的收集。為此，應(yīng)有圓臺高度h < l.O5alSin(0)sin (90° - α ) /sin ( α - y ) 0實施例I圓臺由純石英組成，表面為光滑表面，小圓半徑aflOmm,圓臺傾角Y =13. 3° ,圓臺高度h=16.6mm?？梢詫?nèi)發(fā)散角α =40° (發(fā)散角a' =68.8° )的光束，準(zhǔn)直為內(nèi)出射角β=13. 3° (輸出角β ' =19. 5° )的準(zhǔn)直光束。大圓半徑a2=13. 9mm，即光斑面積僅增大 93%。實施例2圓臺由純石英組成,側(cè)面經(jīng)金屬銀薄層涂覆,小圓半徑圓臺傾角γ=9° ,圓臺高度h=21mm?？梢詫?nèi)發(fā)散角α =30° (發(fā)散角a' =46.5° )的光束，準(zhǔn)直為內(nèi)輸出角β=12° (輸出角β ' =17.6° )的準(zhǔn)直光束。大圓半徑a2=18. 3mm，即光斑面積僅增大49%。實施例3圓臺由聚合物材料組成,表面為光滑表面,小圓半徑圓臺傾角Y =10° ,圓臺高度h=30mm?？梢詫?nèi)發(fā)散角α=30° (發(fā)散角a' =48.2° )的光束，準(zhǔn)直為內(nèi)輸出角β=10° (輸出角β' =15° )的準(zhǔn)直光束。大圓半徑％=25. 3mm，即光斑面積僅增大60%。
上述附圖僅為說明性示意圖，并不對本發(fā)明的保護范圍形成限制。應(yīng)理解，這些實施例只是為了舉例說明本發(fā)明，而非以任何方式限制本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.一種光束準(zhǔn)直器，其特征在于該準(zhǔn)直器為由透明介質(zhì)組成的圓臺，光束由圓臺上底(I)進入，從圓臺下底(2)輸出；圓臺上下表面均為光滑表面，圓臺側(cè)面(3)為光滑表面或涂覆高反金屬薄層；并且滿足Y彡β且α-2Υ彡β，其中 a表示內(nèi)發(fā)散角指發(fā)散角光線由圓臺上底進入圓臺，經(jīng)折射后，光線與圓臺軸線的夾角， β表示內(nèi)輸出角指入射光線由圓臺上底進入圓臺，并最終到達圓臺下底表面時，光線與圓臺軸線的最大夾角； Y表示圓臺傾角指圓臺腰與圓臺軸線的夾角。
2.根據(jù)權(quán)利要求書I所述的光束準(zhǔn)直器，其特征在于圓臺高度A與上底半徑&和內(nèi)發(fā)散角a、圓臺傾角Y之間的關(guān)系滿足'h ^ B1 sin( Θ ) sin(90° -a )/sin( α - y );其中Θ指圓臺梯形的底角。
3.根據(jù)權(quán)利要求書2所述的光束準(zhǔn)直器，其特征在于圓臺高度ASl.05&1 sin(9)sin (90° - α ) /sin ( α - y ) 0
4.根據(jù)權(quán)利要求書I所述的光束準(zhǔn)直器，其特征在于內(nèi)發(fā)散角α，內(nèi)輸出角β，和圓臺傾角Y之間滿足β = Υ，Υ = α/3。
全文摘要
本發(fā)明公開一種新型光束準(zhǔn)直器。該準(zhǔn)直器為一由透明介質(zhì)組成的圓臺，即由一圓錐去除頂部的小圓錐形成。該準(zhǔn)直器用于對非準(zhǔn)直光束進行光束準(zhǔn)直。光束由小圓進入，從大圓輸出。圓臺上下表面均為光滑表面，實現(xiàn)有效的輸入、輸出，圓臺側(cè)面為光滑表面或涂覆高反金屬薄層，以實現(xiàn)對由圓臺內(nèi)部入射到圓臺側(cè)面的光進行有效的反射。本發(fā)明提出的光束準(zhǔn)直器可以將發(fā)散角較大的光束整形為具有較小發(fā)散角的光束，可用于太陽光收集系統(tǒng)、激光光束準(zhǔn)直等。從而有效地提高后續(xù)的聚光器對光的收集能力，解決普通聚光鏡由于聚光后的光發(fā)散角大而無法將光有效會聚到光纖中傳輸?shù)娜秉c。
文檔編號G02B27/09GK102928991SQ20121043334
公開日2013年2月13日 申請日期2012年11月1日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月1日
發(fā)明者陳明陽, 張銀 申請人:江蘇大學(xué)