一種光束準直器制造技術

本發明專利技術公開一種新型光束準直器。該準直器為一由透明介質組成的圓臺，即由一圓錐去除頂部的小圓錐形成。該準直器用于對非準直光束進行光束準直。光束由小圓進入，從大圓輸出。圓臺上下表面均為光滑表面，實現有效的輸入、輸出，圓臺側面為光滑表面或涂覆高反金屬薄層，以實現對由圓臺內部入射到圓臺側面的光進行有效的反射。本發明專利技術提出的光束準直器可以將發散角較大的光束整形為具有較小發散角的光束，可用于太陽光收集系統、激光光束準直等。從而有效地提高后續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散角大而無法將光有效會聚到光纖中傳輸的缺點。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及太陽能開發、激光應用、LED照明等領域，特別涉及太陽光光纖照明裝置。
技術介紹
在太陽能收集器等系統中，需要通過透鏡或反射鏡等聚焦系統將光進行會聚，從而輸入到光纖等橫截面較小的傳輸媒質中。目前，一般集光器是由多個陣列組成，以實現高效的陽光采集。如專利技術專利“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，實現了穩定、可靠的陽光跟蹤。而當采用透鏡或反射鏡對太陽光或寬口徑的平行或準平行光束進行會聚時，雖然結構更為簡單、聚光面可更大，但若聚焦光斑在較遠距離產生，則整個系統尺寸會很大，影響其實際使用。若要在近距離產生聚焦光斑，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散角。
技術實現思路
針對以上不足，本專利技術提出一種新型光束準直器，以實現對經聚焦后的光束進行準直，減小光束的發散角，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，其外側可加一層具有高反光特性的金屬薄層。本專利技術提出的光束準直器可以將發散角較大的光束整形為具有較小發散角的光束，可用于太陽光收集系統、激光光束準直等。從而有效地提高后續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散角大而無法將光有效會聚到光纖中傳輸的缺點。本專利技術的光束準直器的技術方案是該準直器為一圓臺，即由一圓錐去除頂部的小圓錐形成。該準直器用于對非準直光束進行光束準直。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，實現有效的輸入、輸出，圓臺側面(3)為光滑表面或涂覆高反金屬薄層，以實現對由圓臺內部入射到圓臺側面的光進行有效的反射。本專利技術提出的光束準直器可以將發散角較大的光束整形為具有較小發散角的光束，可用于太陽光收集系統、激光光束準直等。從而有效地提高后續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散角大而無法將光有效會聚到光纖中傳輸的缺點。其基本原理是，具有一定發散角的光束進入圓臺的上表面(小圓區域)，發生折射，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，則將到達圓臺的側面，并產生全反射，由于側面為圓錐面，經反射后的光束與圓臺軸線夾角將發生變化。對于一特定圓臺，可將發散角在一定范圍內的光束進行有效的準直。如圖I所示，對于圓柱形透明介質棒，從其上底面進入的光，其入射角與出射角是相同的。因此，這種介質棒對光束沒有準直作用。本專利技術提出的光束準直器為一圓臺，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，實現有效的輸入、輸出，圓臺側面3為光滑表面或涂覆高反金屬薄層，以實現對由圓臺內部入射到圓臺側面的光進行有效的反射。而對于圓臺，當在一定的角度范圍內的光從圓臺上底入射，經錐形外表面反射后，再經圓臺下底輸出時，其入射角會減小。為方便描述，給出以下定義。·上底半徑，圓臺上底圓形區域的半徑,用B1表示。下底半徑圓臺下底圓形區域的半徑,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。發散角入射光線與圓臺軸線之間的最大夾角，用α，表示。發散角光線入射角等于發散角的入射光線。內發散角發散角光線由圓臺上底進入圓臺，經折射后，光線與圓臺軸線的夾角，用α表不。內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，內發散角α，內輸出角β，和圓臺傾角Y之間應滿足Y彡β且α-2γ < β。顯然有，α > β。更理想情況下，應有內發散角α，內輸出角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本專利技術的有益效果本專利技術提出的光束準直器可以將發散角較大的光束，準直為發散角較小的光束，且保持其較小的光斑尺寸，有利于后續裝置將光引入到光纖等傳輸系統中或在激光加工等應用中。由于可以減小發散角，使得在前端系統中可以使用高聚焦能力的透鏡或反射鏡等裝置，減小系統尺寸和復雜度。附圖說明圖I光在圓柱體中的傳輸示意圖；圖2圓臺結構示意圖；其中，I為圓臺上底，2為圓臺下底,3為圓臺側面。圖3圓臺梯形及相關參數示意圖。具體實施方式本專利技術提出的準直器為一圓臺，即由一圓錐去除頂部的小圓錐形成。該準直器用于對非準直光束進行光束準直。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，實現有效的輸入、輸出，圓臺側面3為光滑表面或涂覆高反金屬薄層，以實現對由圓臺內部入射到圓臺側面的光進行有效的反射。為實現對光束的有效準直，圓臺傾角Y的選擇與內發散角α和要求的內輸出角β有關。即內發散角α，內輸出角β ,和圓臺傾角Y之間應滿足原因是當光線從圓臺上底入射，經折射時，若其折射角為Y，顯然，此時，光線不會到達圓臺側面，而是直接到達圓臺下底，并輸出。因此，內輸出角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，并到達圓臺側面，經反射后，到達圓臺下底。假設到達下底時的光線與圓臺軸線的夾角為Ψ。顯然，Ψ = ω-2Υ。當ω = α時，到達下底時的光線與圓臺軸線的夾角最大，為α-2γ。因此，內輸出角滿足β彡α-2γ。綜上，應有(α-β)/2彡Y ( β。若實際上有(α-β)/2> β，則該準直器無法實現。例如，若α=45°，而要求β=10°，則有(α-β)/2=17.5°，即有(α-β)/2> β，采用本專利技術結構無法實現。顯然，當Υ = α-2 Y時，(α-β )/2= Y = β,內輸出角β具有最小值。因此,折射發散角α，內輸出角β ,和圓臺傾角Y之間的最佳關系為Υ = α /3，β = Y。由于對于折射角ω大于圓臺傾角Y的光線,光線需要經圓臺側面反射一次，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，對應的圓臺的高度h應滿足h彡dsin( Θ )，這里d = apin^O。-α )/sin( α - γ )為圓臺梯形的腰長。即應有圓臺的高度h彡apiW Θ ) sin(90 ° -α)/sin( α - γ ) 0另一方面本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種光束準直器，其特征在于：該準直器為由透明介質組成的圓臺，光束由圓臺上底(1)進入，從圓臺下底(2)輸出；圓臺上下表面均為光滑表面，圓臺側面(3)為光滑表面或涂覆高反金屬薄層；并且滿足：γ≤β且α？2γ≤β，其中：？α表示內發散角：指發散角光線由圓臺上底進入圓臺，經折射后，光線與圓臺軸線的夾角，β表示內輸出角：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；γ表示圓臺傾角：指圓臺腰與圓臺軸線的夾角。

【技術特征摘要】
1.一種光束準直器，其特征在于該準直器為由透明介質組成的圓臺，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表示內發散角指發散角光線由圓臺上底進入圓臺，經折射后，光線與圓臺軸線的夾角， β表示內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.根據權利要求書I所述的光束...

【專利技術屬性】
技術研發人員：陳明陽，張銀，
申請(專利權)人：江蘇大學，
類型：發明
國別省市：