面反射鏡及其設(shè)計(jì)方法，其具體步驟 為：
[0059] 1、設(shè)計(jì)曲線
[0060] 光線等比投影
[0061] 設(shè)一束平行光入射到反射鏡面上，經(jīng)反射面反射后，出射光按投影徑向長(zhǎng)度等比 例的分配接收面上，如附圖1所示。入射光線照射到反射鏡的Cn-1和Cn點(diǎn)上，x方向的坐 標(biāo)分別為xn-1和xn，經(jīng)反射后，分別落在接收面的Rn-1和Rn點(diǎn)處，X'方向的坐標(biāo)分別為 x' n-1和x' n，已知反射鏡尺寸為L(zhǎng)，光斑尺寸為D，根據(jù)等比分配有：
[0063] 矢量關(guān)系式
[0064]對(duì)于一個(gè)反射系統(tǒng)，要想求得反射面上的點(diǎn)，首先要建立自A點(diǎn)射向面元上M點(diǎn)的 入射光I、反射面元上的M點(diǎn)的法線方向nf?和經(jīng)M點(diǎn)反射后到達(dá)接收面上F點(diǎn)的反射光R 三者之間的關(guān)系，如圖2所示。一束入射光從A(xi，yi，zi)點(diǎn)射向反射面上的M(xm，ym， zm)點(diǎn)，其單位矢量為ni，經(jīng)M點(diǎn)反射后到達(dá)接收面的F點(diǎn)（xf，yf，zf)，則入射光線I與R 可以表示為：
[0067] I與R的單位矢量為：
[0070] 根據(jù)矢量的運(yùn)算法則，有：
[0072] 數(shù)值求解
[0073] 設(shè)反射單元單位法向量和單位反射光為
[0076] 根據(jù)矢量的數(shù)量積公式與矢量積公式，有
[0079] 由公式（1)和⑵聯(lián)立可解得：
[0081] 因此，對(duì)于給定的平面反射單元（即給定的nf)，設(shè)入射光為一束平行光，單位矢 量為（1，〇,〇)，通過光線等比投影又可知反射光矢量，就可由式⑶求出R。
[0082] 根據(jù)方程計(jì)算結(jié)果，得到一條二維曲線，此曲線即作為旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的母線。
[0083] 2、獲得自由曲面
[0084] 采用數(shù)學(xué)建模的方式，通過Matlab對(duì)上述二維曲進(jìn)行二次項(xiàng)擬合，可得到一個(gè)方 程，此方程即為母線方程。把母線方程輸入到三維建模軟件ProE，以母線的中心軸做為旋轉(zhuǎn) 的中心軸，進(jìn)行旋轉(zhuǎn)對(duì)稱獲得自由曲面。
[0085] 具體在本實(shí)施例中，給定設(shè)計(jì)條件，反射鏡口徑3000 X 3000mm，反射鏡中心點(diǎn)到接 收面距離為2000mm，光斑尺寸為100X 100mm，根據(jù)上述給定的條件進(jìn)行二次項(xiàng)擬合的結(jié)果 如圖3所述，擬合的結(jié)果為：
[0086] y = 0. 00012170x2-0. 00080485x+0. 12701752
[0087] 擬合常數(shù)R產(chǎn)1。
[0088] 根據(jù)上述曲線方程，旋轉(zhuǎn)對(duì)稱所得模型效果如圖4所示。
[0089] 本發(fā)明的一種大口徑旋轉(zhuǎn)對(duì)稱非成像自由曲面反射鏡，是采用上述設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì) 的。
[0090] 實(shí)施例2
[0091] 對(duì)實(shí)施例1中給定條件所得自由曲面反射鏡導(dǎo)入到光線追跡軟件進(jìn)行光學(xué)模擬， 模擬計(jì)算1〇〇萬條光線，接收面上的輻照度圖如圖5所示，（a)為二維輻照度圖，（b)為三維 輻照度分布圖，從圖中可以很明顯的看出，在1 〇〇 X 100mm的范圍內(nèi)，光輻照度分布相當(dāng)均 勾，最小福照度為68w/cm2,平均福照度為100w/cm 2。區(qū)間內(nèi)最小福照度與平均福照度之比 做為光斑均勻性的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，因此，本發(fā)明設(shè)計(jì)最后的均勻性為80. 9%。不考慮反射層材料 的損失，接收面的光學(xué)效率可以達(dá)到98. 7%。
[0092] 實(shí)施例3
[0093] 對(duì)實(shí)施例1中給定條件所得自由曲面反射鏡面型進(jìn)行接收角分析，當(dāng)入射光偏移 時(shí)，光效也隨之降低，兩者關(guān)系如圖6所示。定義當(dāng)光效降低到0°的光效的90%時(shí)，此時(shí)的 入射光角度為接收角，設(shè)計(jì)的接收角度為0.41°。入射角度偏移，光效降低的同時(shí)，接收面 上的光強(qiáng)分布也隨之變化，圖7、圖8、圖9、圖10所示的分別是入射角為0°、0. 2°、0. 4°、 〇. 6 °時(shí)所對(duì)應(yīng)的光斑輻照度分布圖。
[0094] 實(shí)施例4
[0095] 對(duì)實(shí)施例1中給定條件所得自由曲面反射鏡面型進(jìn)行公差分析，不考慮誤差的情 況下，實(shí)施例2展示了反射鏡面型可以獲得較好的光斑，但是在實(shí)際的加工過程中，會(huì)產(chǎn)生 一定的加工誤差，不同的誤差，產(chǎn)生的光斑分布也不同。給定一個(gè)_〇. 1~〇. 3_波動(dòng)變化 的誤差，如圖11所示，圖12、圖13為增加波動(dòng)誤差后的二維和三維輻照度分布圖，從圖中可 知，雖然光斑均勻性相比理論模型有所降低，但是從總體分布來看，最小輻照度為60w/cm 2， 平均輻照度為l〇〇w/cm2,均勻性依然有75%。
[0096] 以上示意性的對(duì)本發(fā)明及其實(shí)施方式進(jìn)行了描述，該描述沒有限制性，實(shí)施例所 示的也只是本發(fā)明的實(shí)施方式之一，實(shí)際的情況并不局限于此。所以，如果本領(lǐng)域的普通技 術(shù)人員受其啟示，在不脫離本發(fā)明創(chuàng)造宗旨的情況下，不經(jīng)創(chuàng)造性的設(shè)計(jì)出與該技術(shù)方案 相似的結(jié)構(gòu)方式及實(shí)施例，均應(yīng)屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種大口徑旋轉(zhuǎn)對(duì)稱非成像自由曲面反射鏡的設(shè)計(jì)方法，其特征在于：通過想要獲 得的均勻反射在接受面上的光斑，該光斑完全適應(yīng)接受面的形狀，基于非成像反射鏡原理， 先設(shè)計(jì)獲得一條二維曲線，然后將該二維曲線旋轉(zhuǎn)對(duì)稱獲得一個(gè)自由曲面，此自由曲面即 為非成像自由曲面反射鏡的曲面面型。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大口徑旋轉(zhuǎn)對(duì)稱非成像自由曲面反射鏡的設(shè)計(jì)方法，所 述的接受面為聚光光伏發(fā)電組件光電轉(zhuǎn)換芯片的接受面。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種大口徑旋轉(zhuǎn)對(duì)稱非成像自由曲面反射鏡的設(shè)計(jì)方法，所 述將二維曲線旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的方法如下：采用數(shù)學(xué)建模的方式獲得二維曲線的方程作為母線方 程，將母線方程輸入到三維建模軟件中，以母線的中心軸做為旋轉(zhuǎn)的中心軸，進(jìn)行旋轉(zhuǎn)對(duì)稱 獲得自由曲面。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種大口徑旋轉(zhuǎn)對(duì)稱非成像自由曲面反射鏡的設(shè)計(jì)方法，其 特征在于：其具體步驟為： 步驟一、設(shè)計(jì)曲線 光線等比投影 設(shè)一束平行光入射到反射鏡面上，經(jīng)反射面反射后，出射光按投影徑向長(zhǎng)度等比例的 分配接收面上，如附圖1所示。入射光線照射到反射鏡的Cn-I和Cn點(diǎn)上，X方向的坐標(biāo)分 別為xn-1和xn，經(jīng)反射后，分別落在接收面的Rn-I和Rn點(diǎn)處，X'方向的坐標(biāo)分別為x'n-1 和X' n，已知反射鏡尺寸為L(zhǎng)，光斑尺寸為D，根據(jù)等比分配有：矢量關(guān)系式 對(duì)于一個(gè)反射系統(tǒng)，要想求得反射面上的點(diǎn)，首先要建立自A點(diǎn)射向面元上M點(diǎn)的入射 光I、反射面元上的M點(diǎn)的法線方向nf和經(jīng)M點(diǎn)反射后到達(dá)接收面上F點(diǎn)的反射光R三者 之間的關(guān)系，如圖2所示。一束入射光從A(xi，yi，zi)點(diǎn)射向反射面上的M(xm，ym，zm)點(diǎn)， 其單位矢量為ni，經(jīng)M點(diǎn)反射后到達(dá)接收面的F點(diǎn)（xf，yf，zf)，則入射光線I與R可以表 示為：I與R的單位矢量為：根據(jù)矢量的運(yùn)算法則，有： 數(shù)值求解設(shè)反射單元單位法向量和單位反射光為根據(jù)矢量的數(shù)量積公式與矢量積公式，有由公式（1)和（2)聯(lián)立可解得：因此，對(duì)于給定的平面反射單元（即給定的nf)，設(shè)入射光為一束平行光，單位矢量為 (1，〇,〇)，通過光線等比投影又可知反射光矢量，就可由式（3)求出R。 根據(jù)方程計(jì)算結(jié)果，得到一條二維曲線，此曲線即作為旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的母線。 步驟二、獲得自由曲面 采用數(shù)學(xué)建模的方式，通過Matlab對(duì)上述二維曲進(jìn)行二次項(xiàng)擬合，可得到一個(gè)方程， 此方程即為母線方程。把母線方程輸入到三維建模軟件ProE，以母線的中心軸做為旋轉(zhuǎn)的 中心軸，進(jìn)行旋轉(zhuǎn)對(duì)稱獲得自由曲面。5. -種大口徑旋轉(zhuǎn)對(duì)稱非成像自由曲面反射鏡，其特征在于：其是采用權(quán)利要求1至4 任意一種方法設(shè)計(jì)獲得的。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種大口徑旋轉(zhuǎn)對(duì)稱非成像自由曲面反射鏡及其設(shè)計(jì)方法，屬于聚光光伏發(fā)電技領(lǐng)域。本發(fā)明通過想要獲得的均勻反射在接受面上的光斑，該光斑完全適應(yīng)接受面的形狀，基于非成像反射鏡原理，先設(shè)計(jì)獲得一條二維曲線，然后采用數(shù)學(xué)建模的方式，對(duì)上述二維曲進(jìn)行二次項(xiàng)擬合，可得到一個(gè)方程，該方程作為母線方程，將母線方程旋轉(zhuǎn)對(duì)稱獲得一個(gè)自由曲面，此自由曲面即為非成像自由曲面反射鏡的曲面面型。本發(fā)明既能得到均勻光斑又可以使大口徑反射鏡的加工工藝得到簡(jiǎn)化，以達(dá)到精度更高的面型，光輻照度均勻，提高光電轉(zhuǎn)換效率。
【IPC分類】G02B27/00, G02B19/00
【公開號(hào)】CN104898264
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510388780
【發(fā)明人】黃啟祿
【申請(qǐng)人】日芯光伏科技有限公司
【公開日】2015年9月9日
【申請(qǐng)日】2015年6月30日