大視場菲涅爾透鏡的聚光效率模擬和分析.pdf

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1、第32卷第1期2010年2月光學(xué)儀器OPTICAI。INSTRUMENTSV01．32，No．1February，2010文章編號：1005—5630(2010)01—0044—05大視場菲涅爾透鏡的聚光效率模擬和分析*吳旭婷，李湘寧，蔡偉(上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海200093)摘要：大視場菲涅爾聚焦透鏡在180。的范圍內(nèi)各個(gè)視場下均能實(shí)現(xiàn)較理想的聚焦。根據(jù)現(xiàn)有的大視場菲涅爾聚焦透鏡的設(shè)計(jì)結(jié)果，利用Zemax軟件在非序列環(huán)境下自定義面型的功能對該設(shè)計(jì)進(jìn)行模擬分析。模擬菲涅爾透鏡在不同方向的平行光照射下的

2、聚焦情況。通過對不同方向的光線照射下探測器接收到能量的情況進(jìn)行分析，得到了相應(yīng)的聚光效率，為設(shè)計(jì)的可行性提供了分析依據(jù)。關(guān)鍵詞：菲涅爾透鏡；Zemax軟件；大視場；聚光效率中圖分類號：TP319文獻(xiàn)標(biāo)識碼：Adoi：10．3969／j．issn．1005—5630．2010．01．010ThesimulationandanalysisofthelargefieldFresnellens7opticalconcentratorefficiencyWUXuting，LIXiangning，CAIWei(SchoolofOpt

3、ical一日ectricalandComputerEngineering．UniversityofShanghaiforScienceandTechnology，Shanghai200093，China)Abstract：LargefieldFresnellensconcentratorcangetabetteropticalconcentratorefficiencyineachfieldofviewwithintheangleof180。．OnthebasisofthedesignofthelargefieldFre

4、snelconcentratorlens，simulatebyusinguserdefinedsurfacefeatureinthenon-sequenceenvironmentofZemax．SimulatetheopticalconcentratorsituationoftheFresnellenswhichareirradiatedbytheparallel-rayindifferentdirections．BasedonthesimulationandanalysisofthelargefieldFresnell

5、ens’opticalconcentratorefficiencyindifferentdirection．provideananalysisofthefeasibilityforthedesign．Keywords：Fresnellens；Zemaxsoftware；largefield；opticalconcentratorefficiency引言大視場菲涅爾聚焦透鏡是用于會(huì)聚太陽光的一種光學(xué)元件，它要求對各個(gè)方向的太陽光均能實(shí)現(xiàn)聚焦，并有較高的聚光效率。對于菲涅爾透鏡表面的槽溝，許多學(xué)者的研究證實(shí)，當(dāng)出射面壓槽溝時(shí)

6、透鏡的光學(xué)效率最高[1’2]。設(shè)計(jì)根據(jù)大視場菲涅爾透鏡的特殊聚光要求，著重研究出射面有槽溝的平板菲涅爾透鏡在Zemax軟件中的建模及光路的追跡，利用該軟件自定義面型的功能，分析在不同方向的平行光照射下大視場菲涅爾聚焦透鏡的聚光情況。從而為設(shè)計(jì)提供一個(gè)客觀的評價(jià)，為實(shí)際運(yùn)用提供分析依據(jù)。在大視場菲涅爾聚焦透鏡的設(shè)計(jì)中主要運(yùn)用了幾何光學(xué)的聚焦原理，為了使太陽光照射時(shí)每個(gè)時(shí)刻。收稿日期：2009-07—29作者簡介：吳旭婷(1984一)，女，浙江湖州人，碩士研究生，主要從事應(yīng)用光學(xué)方面的研究。第1期吳旭婷，等：大視場菲涅爾透鏡

7、的聚光效率模擬和分析·45·都有正入射的光線，將整個(gè)透鏡設(shè)計(jì)成半圓柱狀，從而使系統(tǒng)具有了較大的視場。為了分析太陽光在各個(gè)時(shí)間段照射菲涅爾透鏡時(shí)探測器所接受到的能量的情況，現(xiàn)借助Zemax軟件對設(shè)計(jì)進(jìn)行建模及仿真分析。Zemax軟件提供了大量可供光學(xué)系統(tǒng)選用的內(nèi)置面型，如：球面、非球面、ABCD矩陣面、衍射面、變折射面等，除此以外用戶還可以定制特殊面型[3

8、。1工作原理菲涅爾透鏡是一種非球面透鏡，是由一系列同心棱形槽構(gòu)成的。每個(gè)環(huán)帶都相當(dāng)于一個(gè)獨(dú)立的折射面，在平行光垂直入射情況下，在其焦面上能得到一個(gè)無像差的會(huì)聚點(diǎn)。設(shè)計(jì)中

9、依靠三棱鏡序列實(shí)現(xiàn)菲涅爾的聚焦。在設(shè)計(jì)中應(yīng)遵守基本的光學(xué)原理，光線入射到棱鏡發(fā)生一次折射，由棱鏡另一面射出發(fā)生二次折射[4]。棱鏡的頂角為口，棱鏡材料折射率為咒，如圖1所示?？偲蚪潜R與折射率挖、工作側(cè)面角a和入射角占。的一般函數(shù)關(guān)系式為：p一島一口+arcsin{咒sinl口一arcsinf些1I(1)。IL＼行，