專利名稱：表面結(jié)構(gòu)、菲涅爾透鏡和用于制造表面結(jié)構(gòu)的工具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種表面結(jié)構(gòu)和具有至少一個(gè)這樣的表面結(jié)構(gòu)的菲涅爾透鏡。此外，本發(fā)明涉及一種用于制造該表面結(jié)構(gòu)的工具以及一種用于制造該表面結(jié)構(gòu)或菲涅爾透鏡的方法。另外，本發(fā)明涉及菲涅爾透鏡的用途。
背景技術(shù)：
具有大的透鏡直徑和短焦距的標(biāo)準(zhǔn)透鏡非常厚且難以制造。為了克服該問題，因此菲涅爾透鏡被廣泛使用。從而該透鏡表面被細(xì)分成小的棱鏡，所述棱鏡相鄰地設(shè)置在一個(gè)平面中。因此，制造了基本上平坦的透鏡，如在日常生活中能夠發(fā)現(xiàn)的高射投影儀或者作為在汽車后窗上的發(fā)散透鏡。在聚光光伏中，使用菲涅爾透鏡以將太陽輻射聚集在小型太陽能電池上。因此，目的不是產(chǎn)生盡可能清晰的太陽的圖像(成像透鏡系統(tǒng))，而僅僅是將盡可能多的光聚集到太陽能電池上(非成像透鏡系統(tǒng))。在許多應(yīng)用和具體系統(tǒng)中，還力圖實(shí)現(xiàn)焦點(diǎn)內(nèi)盡可能均勻的輻射強(qiáng)度的輪廓。由于在高度聚光光伏中光被聚集到的太陽能電池的小尺寸，因此對(duì)菲涅爾透鏡的精度提出很高的要求。同時(shí)，菲涅爾透鏡受到環(huán)境溫度的影響。在許多沙漠地區(qū)，冬季顯著低于0°c的溫度不是不尋常的，然而，在夏季中午溫度很容易超過40°C。由于溫度引起的透鏡所用材料的膨脹，因此一方面這些材料的折射率變化，并且另一方面透鏡變形。因此，溫度效應(yīng)導(dǎo)致菲涅爾透鏡實(shí)現(xiàn)了作為具有變化效應(yīng)的集中器的功能，該變化效應(yīng)隨著其溫度變化，并且，間接地隨著環(huán)境溫度、輻射和諸如風(fēng)強(qiáng)度和風(fēng)向的其他氣象參數(shù)變化。透鏡幾何形狀基于關(guān)于透鏡材料的折射率的假設(shè)。因?yàn)檎凵渎适桥c溫度有關(guān)的，因此，菲涅爾透鏡在操作期間相對(duì)于特定溫度(諸如平均溫度)被優(yōu)化。由于與溫度關(guān)聯(lián)的折射率變化，該溫度偏差導(dǎo)致菲涅爾透鏡不能較好地實(shí)現(xiàn)其目的。通常，用在菲涅爾透鏡的制造過程中的初始形狀被設(shè)計(jì)成該形狀對(duì)應(yīng)于目前操作中所需的透鏡結(jié)構(gòu)。因此，隨著操作溫度和制造溫度之間的溫度差異，溫度引起的變形對(duì)功能的負(fù)面效應(yīng)增加。然而，制造溫度通常顯著地低于(例如室溫)或高于(例如熱塑性變形)在操作期間所出現(xiàn)的典型溫度。此外，例如由于體積收縮，在菲涅爾透鏡的制造過程期間出現(xiàn)額外的變形。因此，所制造的菲涅爾透鏡不再是該工具的真實(shí)復(fù)制品，且不能提供最佳的功能。在聚光光伏中，目前優(yōu)選地使用兩種材料組合由聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)制成的菲涅爾透鏡設(shè)計(jì)成固體透鏡板、或者由硅酮制成的菲涅爾透鏡應(yīng)用在玻璃板上。由PMMA制成的無內(nèi)應(yīng)力的菲涅爾透鏡各向同性地膨脹，即其尺寸在操作期間基于溫度變化而變化，但是不成比例變化。然而，在現(xiàn)實(shí)中這種理想的情況很少發(fā)生，從而使得這些透鏡由于內(nèi)應(yīng)力或者不均勻的溫度分布也發(fā)生變形。在DE2920630A1和US3，982，822中描述了由具有不同膨脹系數(shù)的兩種材料制造的菲涅爾透鏡。在這些菲涅爾透鏡的情況下，在制造中，僅從持久性的觀點(diǎn)考慮了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的熱膨脹(參見例如US3，982，822)。先前從光學(xué)觀點(diǎn)分類熱膨脹也是沒有問題的(參見DE2920630A1和 US3, 982，822)。然而，已經(jīng)報(bào)道過，熱效應(yīng)顯著影響菲涅爾透鏡的光學(xué)性能。由于玻璃的低熱膨脹系數(shù)，大面積的形狀變化僅僅起到了次要的作用。然而，硅酮的顯著較大的熱膨脹系數(shù)導(dǎo)致硅酮結(jié)構(gòu)變形，該硅酮結(jié)構(gòu)與玻璃相比顯著地更具有彈性。該變形發(fā)生在各個(gè)菲涅爾棱鏡或菲涅爾面的大范圍上。例如，最初直線形狀的棱鏡邊緣由此變形。因此，在所有系統(tǒng)中可以預(yù)料類似的效應(yīng)或變形，在該系統(tǒng)中，基材的熱膨脹不同于透鏡材料的熱膨脹。

發(fā)明內(nèi)容
由此開始，本發(fā)明的目的在于消除現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)并且提供表面結(jié)構(gòu)和菲涅爾透鏡，該菲涅爾透鏡可以簡化的方式被制造然而卻具有非常良好的光學(xué)性能。通過具有權(quán)利要求1的特征的表面結(jié)構(gòu)而實(shí)現(xiàn)該目的。權(quán)利要求9涉及一種菲涅爾透鏡。權(quán)利要求18涉及一種用于制造表面結(jié)構(gòu)的工具，權(quán)利要求20涉及一種用于制造表面結(jié)構(gòu)或菲涅爾透鏡的方法，以及權(quán)利要求21涉及菲涅爾透鏡的用途。在從屬權(quán)利要求中包含了其它的有利的實(shí)施方式。根據(jù)本發(fā)明，提供了一種表面結(jié)構(gòu)，其至少一個(gè)面由活動(dòng)邊緣和非活動(dòng)邊緣構(gòu)成，該活動(dòng)邊緣具有長度相等或長度不同的至少兩個(gè)段。根據(jù)本發(fā)明，該段至少在一些區(qū)域中具有相同的表面輪廓且該段被設(shè)置成至少一個(gè)段可通過旋轉(zhuǎn)約大于0°且小于10°的角度和移位而被轉(zhuǎn)移到至少在一些區(qū)域中的相鄰的段中。所述段至少在一些區(qū)域中具有相同的表面輪廓，因?yàn)槎蔚闹辽僖徊糠挚杀晦D(zhuǎn)移到另一段的至少一部分中。因此，如果根據(jù)縱切面，活動(dòng)邊緣被認(rèn)為穿過面，則該活動(dòng)邊緣可被細(xì)分成段且該段可進(jìn)一步細(xì)分成多個(gè)部分。由于例如在直線段的情況下，不存在將長度物理細(xì)分成多個(gè)部分，因此這些部分物理上是不可見的?？稍谛D(zhuǎn)的正方向上和旋轉(zhuǎn)的反方向上實(shí)現(xiàn)圍繞所提供的角的旋轉(zhuǎn)。因此，旋轉(zhuǎn)軸線優(yōu)選地平行于各個(gè)段之間的邊緣和/或平行于活動(dòng)邊緣和非活動(dòng)邊緣之間的邊緣。優(yōu)選地，旋轉(zhuǎn)軸線與各個(gè)段之間的邊緣和/或活動(dòng)邊緣和非活動(dòng)邊緣之間的邊緣中的一個(gè)邊
緣重合。在彎曲的邊緣的情況下，例如在點(diǎn)聚焦菲涅爾透鏡中，優(yōu)選地，旋轉(zhuǎn)軸線對(duì)應(yīng)于施加至邊緣的切線。因此，優(yōu)選地，旋轉(zhuǎn)軸線垂直于平面，通過該平面確定表面輪廓。角度的下限可為0.1角秒，優(yōu)選地為I角秒。因此，根據(jù)本發(fā)明的表面結(jié)構(gòu)還包括活動(dòng)邊緣，例如，該活動(dòng)邊緣具有100個(gè)段。優(yōu)選地，在兩個(gè)段之間的角度變化為10角秒到1°的數(shù)量級(jí)，并且，在具有兩個(gè)以上段或多個(gè)面的表面結(jié)構(gòu)的情況下，對(duì)于所有相鄰的段，在兩個(gè)段之間的角度變化不是相同的。優(yōu)選地，在垂直于各個(gè)段之間的邊緣和/或活動(dòng)邊緣和非活動(dòng)邊緣之間的邊緣的平面中實(shí)現(xiàn)移位。因此，通過表面輪廓，優(yōu)選地通過在垂直穿過面的縱切面上形成段的輪廓進(jìn)行理解。因此，沿著表面結(jié)構(gòu)的輪廓，即，平行于段之間的邊緣和/或平行于活動(dòng)邊緣和非活動(dòng)邊緣之間的邊緣的輪廓，為不固定的。在這里，通過段、各個(gè)部分進(jìn)行理解，表面結(jié)構(gòu)的活動(dòng)邊緣由各個(gè)部分組成。在兩個(gè)段鄰接的位置處，通常制造邊緣，與活動(dòng)邊緣和非活動(dòng)邊緣之間的邊緣相比，該邊緣通常具有非常鈍的角。例如，這可實(shí)現(xiàn)表面結(jié)構(gòu)的簡化制造，其中，例如，如同沖壓機(jī)配置的工具被用于形成表面結(jié)構(gòu)。在其上光被折射的菲涅爾棱鏡的邊緣被稱為活動(dòng)邊緣。光學(xué)上不使用的邊緣被稱為非活動(dòng)邊緣。在借助于在一個(gè)邊緣處的全反射而實(shí)現(xiàn)光定向效應(yīng)的菲涅爾棱鏡(TIR菲涅爾棱鏡)的情況下，全反射是有效的邊緣被稱為活動(dòng)邊緣，面的另一邊緣被稱為非活動(dòng)邊緣。在用于制造菲涅爾透鏡的工具的情況下，邊緣分別類似于通過該工具形成的結(jié)構(gòu)。在不具有光學(xué)功能且不作為用于制造表面結(jié)構(gòu)的工具的表面結(jié)構(gòu)的情況下，該表面的較長邊緣被稱為活動(dòng)邊緣。表面結(jié)構(gòu)可被配置成使得在面的輪廓中橫跨非活動(dòng)邊緣的端點(diǎn)和活動(dòng)邊緣的端點(diǎn)的三角形，在非活動(dòng)邊緣和活動(dòng)邊緣的共同端點(diǎn)處具有小于100°的內(nèi)角。另外，該表面結(jié)構(gòu)可被配置成使得非活動(dòng)邊緣的接觸點(diǎn)和活動(dòng)邊緣的接觸點(diǎn)分別與非活動(dòng)邊緣的端部和活動(dòng)邊緣的端部的直線連接包括小于100°的角。優(yōu)選地，段為直線形的、凹形的或凸形的。另外，表面結(jié)構(gòu)的段可被設(shè)置成使得預(yù)定的熱變形被補(bǔ)償。借助計(jì)算機(jī)模擬，根據(jù)有限元法(FEM)可計(jì)算由于所使用的材料的熱膨脹所導(dǎo)致的菲涅爾棱鏡或菲涅爾面以及表面結(jié)構(gòu)的幾何形狀隨著溫度變化如何變化。利用這些模擬還可確定必須如何形成表面結(jié)構(gòu)使得該表面結(jié)構(gòu)在已知的特定溫度變化后具有所期望的形狀。另外，即使不考慮溫度導(dǎo)致的變形或制造導(dǎo)致的變形，難于制造的表面結(jié)構(gòu)，諸如具有球形活動(dòng)邊緣的菲涅爾透鏡，可被替換為基本上更易于制造的根據(jù)本發(fā)明的表面結(jié)構(gòu)。因此，通常通過不同角度的旋轉(zhuǎn)，表面結(jié)構(gòu)的段可被轉(zhuǎn)移到各個(gè)相鄰的段中，該段長度可以變化。還可能是這樣的表面結(jié)構(gòu)，其中，通過部分相同的旋轉(zhuǎn)角度和/或周期性重復(fù)的旋轉(zhuǎn)角度，段可被轉(zhuǎn)移到各個(gè)相鄰的段中。優(yōu)選地，活動(dòng)邊緣為凹形的或凸形的。此外，活動(dòng)邊緣也可是基本上凹形的、基本上凸形的和基本上平坦的或平面的。優(yōu)選地，表面結(jié)構(gòu)中的至少一個(gè)面的高度在50iim至3mm之間。優(yōu)選地，表面結(jié)構(gòu)的材料包括以下材料或由以下材料組成硅酮、聚甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸玻璃、有機(jī)玻璃、透光的塑性材料、尤其是離子交聯(lián)聚合物、聚乙烯醇縮丁醛、乙烯醋酸乙烯酯、聚亞安酯；玻璃、銀、鋁、銅、鎳、鎳合金和/或黃銅。此外，根據(jù)本發(fā)明，菲涅爾透鏡具有至少一個(gè)根據(jù)本發(fā)明的表面結(jié)構(gòu)。優(yōu)選地，該菲涅爾透鏡還可具有至少一個(gè)具有球形活動(dòng)邊緣的表面結(jié)構(gòu)。分段的活動(dòng)邊緣的效應(yīng)在于以下事實(shí)菲涅爾透鏡通過熱膨脹或熱收縮而變形，以便該透鏡在平均操作溫度下維持其所期望的形狀，或者盡管平均操作溫度不對(duì)應(yīng)于制造期間的溫度也接近該所期望的形狀。可實(shí)現(xiàn)這樣的優(yōu)勢可以獨(dú)立于菲涅爾透鏡制造時(shí)的溫度而廣泛地選擇菲涅爾透鏡具有其最佳功能時(shí)的溫度。尤其是，可以選擇出于過程管理的原因而被認(rèn)為是有利的制造溫度，即使該制造溫度不對(duì)應(yīng)于平均操作溫度。因此，在操作期間的溫度偏差被最小化，在該溫度下該透鏡最佳地工作且透鏡功能得到顯著改善。由各個(gè)相同的段組成的活動(dòng)邊緣能夠通過當(dāng)前超精密的車床(鉆石切割)來制造各個(gè)透鏡或沖壓工具，即使對(duì)于較大的透鏡直徑。除了適用于熱變形外，根據(jù)本發(fā)明所提供的分段的活動(dòng)邊緣形狀還可被應(yīng)用于補(bǔ)償任何其他變形。在單組分的菲涅爾透鏡的情況下，例如由聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)制成的菲涅爾透鏡的情況下，結(jié)果可為在制造期間由于體積收縮而引起活動(dòng)邊緣的變形，其效應(yīng)同樣可通過以段應(yīng)用的活動(dòng)邊緣形狀而減少。另外，可以通過根據(jù)本發(fā)明的分段的活性邊緣形狀而接近任何活動(dòng)邊緣的形狀。尤其，這使得能夠接近幾何形狀，否則將只能是難于生產(chǎn)。此外，菲涅爾透鏡可具有至少兩個(gè)同心設(shè)置的表面結(jié)構(gòu)。因此，可獲得例如點(diǎn)聚焦菲涅爾透鏡，該透鏡具有球形的或自由形式的活動(dòng)邊緣以及根據(jù)本發(fā)明的分段的活動(dòng)邊緣。另外，菲涅爾透鏡可具有至少兩個(gè)線性地且平行相鄰地設(shè)置的表面結(jié)構(gòu)。因此，可獲得線性線聚焦菲涅爾透鏡，該線聚焦菲涅爾透鏡可具有根據(jù)本發(fā)明的具有分段的活動(dòng)邊緣的表面結(jié)構(gòu)以及具有球形的或自由形式的活動(dòng)邊緣的表面結(jié)構(gòu)。另外，菲涅爾透鏡可被應(yīng)用在載體上，該載體包括以下材料或由以下材料組成玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸玻璃、有機(jī)玻璃、透光的塑性材料，尤其是離子交聯(lián)聚合物、聚乙烯醇縮丁醛、乙烯醋酸乙烯酯和/或聚亞安酯。因此，用于菲涅爾透鏡的載體可具有圓形的、卵形的、正方形的、矩形的或者六邊形的形狀。因此，可以根據(jù)使用領(lǐng)域來選擇載體的形狀。另外，菲涅爾透鏡可具有至少兩種具有不同的膨脹系數(shù)的材料。因此，例如可實(shí)現(xiàn)由特別穩(wěn)定的材料制成的載體，該載體具有由易于成形的材料制成的表面結(jié)構(gòu)。另外，菲涅爾透鏡可為會(huì)聚透鏡或發(fā)散透鏡。另外，菲涅爾透鏡可為點(diǎn)聚焦菲涅爾透鏡或線聚焦菲涅爾透鏡。另外，還可布置多個(gè)根據(jù)本發(fā)明的菲涅爾透鏡。優(yōu)選地，這些透鏡可被定位在共同的載體上。根據(jù)本發(fā)明提供一種用于制造前面描述的表面結(jié)構(gòu)的工具，其具有包括至少一個(gè)面、至少一個(gè)活動(dòng)邊緣或者至少一個(gè)段的負(fù)結(jié)構(gòu)。尤其是，還包括用于制造根據(jù)本發(fā)明的菲涅爾透鏡的工具。而且，根據(jù)本發(fā)明的工具包括具有僅單個(gè)菲涅爾透鏡或者甚至多個(gè)完整的菲涅爾透鏡的一部分的表面結(jié)構(gòu)的負(fù)結(jié)構(gòu)。用于制造菲涅爾透鏡的工具通常利用鉆石進(jìn)行切割(菲涅爾透鏡或菲涅爾透鏡工具的初始形狀的微機(jī)械制造)。然而，制造具有自由形式的幾何形狀的透鏡工具在技術(shù)上是非常復(fù)雜的。實(shí)際上可通過該方法制造自由形式，但是該自由形式相比利用鉆石的邊緣分批切割的工具形狀明顯更加難以制造。由于所使用的鉆石的切割邊緣通常為直線形的，因此以這種方式制造的菲涅爾透鏡的初始形狀通常具有直線形活動(dòng)邊緣和非活動(dòng)邊緣。光學(xué)所關(guān)注的首先為活動(dòng)邊緣的成形。對(duì)于透鏡，非活動(dòng)邊緣不具有有用的光學(xué)功能，其通常被選擇為盡可能地陡以保持較低的光損耗。因此，從工具中移除透鏡是限制的。由于非活動(dòng)邊緣的變形對(duì)菲涅爾透鏡的光學(xué)功能沒有影響，因此也可利用如下的邊緣條件進(jìn)行形狀優(yōu)化得到的工具形狀中的光學(xué)上不相關(guān)的非活動(dòng)邊緣為直的或者具有有利于制造的不同形狀。然而，這不能消除活動(dòng)邊緣必須被切割為自由形式的幾何形狀的困難。因此，為了簡化工具制造，提出利用多個(gè)直的或者均勻彎曲的段(參見圖3a)來接近工具的最佳的活動(dòng)邊緣幾何形狀。在利用這種工具所制造的菲涅爾透鏡的情況下，在偏離制造溫度的溫度下，熱變形導(dǎo)致活動(dòng)邊緣的形狀接近特定的且所期望的幾何形狀，但不是準(zhǔn)確地復(fù)制該形狀。甚至在用于形狀優(yōu)化的計(jì)算機(jī)計(jì)算中，可考慮在內(nèi)的是，具有最終的工具形狀的活動(dòng)邊緣由多個(gè)直的或者均勻彎曲的段組成。因此，可利用通過計(jì)算機(jī)模擬(例如FEM)而確定的形狀切割工具，從而例如在不對(duì)應(yīng)于制造溫度的溫度下可制造具有特定的期望形狀的菲涅爾透鏡。另外，該工具可由以下材料組成或包括以下材料可固化的塑性材料，氟化烴、乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE)、聚四氟乙烯(PTFE);可能剛性的塑性材料，聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA);鋁、銅、鎳、鎳合金、黃銅。還有一種根據(jù)本發(fā)明的用于制造前面所描述的表面結(jié)構(gòu)或者菲涅爾透鏡的方法，對(duì)于特定的溫度變化，通過模擬計(jì)算而確定表面結(jié)構(gòu)的熱變形，對(duì)于在使用期間所發(fā)生的溫度范圍而確定活動(dòng)邊緣的表面輪廓，且實(shí)現(xiàn)段的形狀布置，以便考慮所模擬的熱變形。通過這樣的方式，可簡單地且經(jīng)濟(jì)地制造表面結(jié)構(gòu)和透鏡。另外，通過這樣的方式制造的表面結(jié)構(gòu)和菲涅爾透鏡有能力將盡可能多的光聚集在太陽能電池上，條件是它們被用作聚光透鏡。例如可通過沖壓成型、澆鑄成型或者注射成型進(jìn)行制造，液態(tài)材料或者軟材料被定位成至少部分地與工具接觸，并且材料或者所使用的材料至少部分地固化，在表面結(jié)構(gòu)或者菲涅爾透鏡制造期間的溫度(等于制造溫度)不對(duì)應(yīng)于在表面結(jié)構(gòu)使用期間的溫度(等于操作溫度)。另外，根據(jù)本發(fā)明提供至少一個(gè)根據(jù)本發(fā)明的菲涅爾透鏡在聚光光伏組件中的用途。一方面，根據(jù)本發(fā)明的各個(gè)菲涅爾透鏡可用在聚光光伏組件中。另一方面，然而，多個(gè)菲涅爾透鏡也可布置在聚光光伏組件中。優(yōu)選地，這些菲涅爾透鏡可被定位在共同的載體上。


參考后續(xù)的圖1至圖5以及示例I至示例3解釋了根據(jù)本申請(qǐng)的主題，而不希望將所述主題局限于這些變型。圖1示出菲涅爾透鏡結(jié)構(gòu)的熱變形的示意圖；圖2示出菲涅爾透鏡結(jié)構(gòu)的示意性結(jié)構(gòu)；圖3a至圖3d示出設(shè)置在載體上的各種表面結(jié)構(gòu)；圖4a示出點(diǎn)聚焦透鏡；圖4b示出線聚焦透鏡；圖4c示出具有分段的活動(dòng)邊緣的表面結(jié)構(gòu)；
圖5a示出點(diǎn)聚焦透鏡；圖5b示出非球面切割的活動(dòng)邊緣；圖5c示出根據(jù)本發(fā)明分段的活動(dòng)邊緣；和圖5d示出直線形活動(dòng)邊緣。
具體實(shí)施例方式圖1示出設(shè)置在載體4上的表面結(jié)構(gòu)I。這里示出了在高于制造溫度加熱的期間，在作為載體4的玻璃板上菲涅爾透鏡結(jié)構(gòu)熱變形為表面結(jié)構(gòu)I’的示意圖。雙陰影線的區(qū)域示出由具有高熱膨脹系數(shù)的彈性材料(例如硅酮)制成的未變形的表面結(jié)構(gòu)I。例如，載體4由具有低熱膨脹系數(shù)的材料(例如玻璃)制成?；顒?dòng)邊緣2以及非活動(dòng)邊緣3涉及在正常狀態(tài)下的表面結(jié)構(gòu)I?；顒?dòng)邊緣2’和非活動(dòng)邊緣3’涉及在變形的狀態(tài)下的表面結(jié)構(gòu)I’的形狀，其由于溫度增加而獲得。因此，變形被嚴(yán)重夸大地表示。圖2示意地示出設(shè)置在載體4上的表面結(jié)構(gòu)I。該表面結(jié)構(gòu)具有活動(dòng)邊緣2和非活動(dòng)邊緣3。圖3a示出在載體4上的在操作溫度下根據(jù)本發(fā)明的表面結(jié)構(gòu)I’ ’ ’的實(shí)施方式。因此，在制造溫度下表面結(jié)構(gòu)I’ ’的活動(dòng)邊緣的理想形狀近似為三個(gè)直線段5、5’和5”，以便在溫度變化期間，制造出活動(dòng)邊緣2’’’(在操作溫度下)，該活動(dòng)邊緣2’’’近似為平坦的。由于在該幾何形狀中出現(xiàn)獨(dú)有的直線段5、5’和5”，這樣的分段的活動(dòng)邊緣2’’(在制造溫度下)比現(xiàn)有技術(shù)中已知的活動(dòng)邊緣形狀明顯地更易于制造。非活動(dòng)邊緣3’’制造成直線。在操作溫度下，非活動(dòng)邊緣具有凹形形狀3’’’。圖3b示出在操作溫度下設(shè)置在載體4上的表面結(jié)構(gòu)I’ ’ ’。在制造溫度下，表面結(jié)構(gòu)I’’具有凸形活動(dòng)邊緣2’’。在操作溫度下，活動(dòng)邊緣2’’’具有直線形狀。非活動(dòng)邊緣3’’制造成直線形。在操作溫度下，非活動(dòng)邊緣3’’’具有凸形形狀。利用這樣一種結(jié)構(gòu)，活動(dòng)邊緣的熱變形將會(huì)精確地得到補(bǔ)償。這僅在如下的情形中對(duì)應(yīng)于現(xiàn)有技術(shù)已經(jīng)描述了彎曲的活動(dòng)邊緣且在具有大尺度面的菲涅爾透鏡的情況下出于光學(xué)原因也使用彎曲的活動(dòng)邊緣。然而，在小尺度的面的情況下，僅能夠以極大的困難制造這樣的具有良好質(zhì)量的形狀(如果可Ff泛)。在圖3c中，示出在制造溫度下具有凸形的活動(dòng)邊緣2’’和凸形的非活動(dòng)邊緣3’’的表面結(jié)構(gòu)I’’(在制造溫度下)。在操作溫度下，表面結(jié)構(gòu)I’’’的活動(dòng)邊緣2’’’和非活動(dòng)邊緣3’’’具有直線形狀。此處，表面結(jié)構(gòu)I’’或表面結(jié)構(gòu)I’’’設(shè)置在載體4上。參照如下事實(shí)與如在圖3a中制造的根據(jù)本發(fā)明的分段的形狀對(duì)比，這樣形狀的制造要復(fù)雜得多。圖3d示出現(xiàn)有技術(shù)中已知的在載體4上的表面結(jié)構(gòu)I’’或表面結(jié)構(gòu)I’’’。在制造溫度下，活動(dòng)邊緣2’ ’和非活動(dòng)邊緣3’ ’都具有直線形狀。在操作溫度下，活動(dòng)邊緣2’ ’ ’和非活動(dòng)邊緣3’’’都為凹形的。圖4a示出環(huán)形的點(diǎn)聚焦透鏡，其具有根據(jù)本發(fā)明的分段的活動(dòng)邊緣。在圖4b中，示出根據(jù)本發(fā)明的具有分段的活動(dòng)邊緣的矩形的線聚焦透鏡。圖4c示出可被用于點(diǎn)聚焦透鏡和線聚焦透鏡的表面結(jié)構(gòu)。在該實(shí)施方式中，活動(dòng)邊緣由具有不同長度的三段構(gòu)成。非活動(dòng)邊緣具有直線形狀。
圖5a示出環(huán)形的點(diǎn)聚焦透鏡，其具有根據(jù)圖5b、圖5c或圖5d所示的不同地構(gòu)造的表面結(jié)構(gòu)。在圖5b中，示出在根據(jù)圖5a的點(diǎn)聚焦透鏡的中心存在的表面結(jié)構(gòu)的表面形狀。因此，非活動(dòng)邊緣具有直線形狀。此處，活動(dòng)邊緣被沿非球面切割。圖5c示出根據(jù)本發(fā)明的表面結(jié)構(gòu)。因此，分段的活動(dòng)邊緣具有向外減少數(shù)目的段。非活動(dòng)邊緣為直線形的。該表面結(jié)構(gòu)在點(diǎn)聚焦透鏡中存在于中心區(qū)域(圖5b)和外部區(qū)域(圖5d)之間的區(qū)域中。圖5d示出具有直線形的活動(dòng)邊緣和直線形的非活動(dòng)邊緣的表面結(jié)構(gòu)。該表面形狀用在根據(jù)圖5a的點(diǎn)聚焦透鏡的外部區(qū)域中。示例 I示例I為具有同心的菲涅爾棱鏡的點(diǎn)聚焦菲涅爾透鏡，其中所有的活動(dòng)邊緣具有包括與圖3a中的三個(gè)段相似的三個(gè)段的結(jié)構(gòu)。為每個(gè)菲涅爾棱鏡且因此為每個(gè)活動(dòng)邊緣，單獨(dú)地優(yōu)化各個(gè)活動(dòng)邊緣的確切形狀。因此，活動(dòng)邊緣的三個(gè)段中的每個(gè)段具有不同的角度且各個(gè)段的長度同樣是不恒定的，即活動(dòng)邊緣的三個(gè)段通常具有不相等的長度(圖4a)。示例2示例2為具有線性菲涅爾棱鏡的線性線聚焦菲涅爾透鏡，其活動(dòng)邊緣分別由類似于圖3a中的三個(gè)段的三個(gè)段組成。為每個(gè)菲涅爾棱鏡單獨(dú)地優(yōu)化各個(gè)活動(dòng)邊緣的確切形狀。因此，每個(gè)段具有不同的角度和不同的長度(圖4b)。示例3示例3為具有同心的菲涅爾棱鏡的點(diǎn)聚焦菲涅爾透鏡，其中，中心棱鏡或面具有非球形的或球形的活動(dòng)邊緣且分段的活動(dòng)邊緣進(jìn)一步向外靠近。因此，每個(gè)活動(dòng)邊緣的段的數(shù)目隨著菲涅爾棱鏡距離光學(xué)軸線的間距的增加而減少。在透鏡的外部區(qū)域中，菲涅爾透鏡僅具有一個(gè)直的活動(dòng)邊緣。為每個(gè)菲涅爾棱鏡單獨(dú)地優(yōu)化活動(dòng)邊緣的各個(gè)段的確切布置和角度，以便在操作溫度下總體盡可能最佳地接近所期望的活動(dòng)邊緣形狀(圖5)。
權(quán)利要求
1.一種表面結(jié)構(gòu)，其至少一個(gè)面由活動(dòng)邊緣和非活動(dòng)邊緣構(gòu)成，所述活動(dòng)邊緣具有長度相等或長度不同的至少兩個(gè)段，所述段至少在一些區(qū)域中具有相同的表面輪廓且所述段被設(shè)置成使得至少一個(gè)段能夠通過旋轉(zhuǎn)約大于0°且小于10°的角度和移位而被轉(zhuǎn)移到至少在一些區(qū)域中的相鄰的段中。
2.根據(jù)前一項(xiàng)權(quán)利要求所述的表面結(jié)構(gòu)，其中，在所述面的輪廓中橫跨所述非活動(dòng)邊緣的端點(diǎn)和所述活動(dòng)邊緣的端點(diǎn)的三角形在所述非活動(dòng)邊緣和所述活動(dòng)邊緣的共同端點(diǎn)處具有小于100°的內(nèi)角。
3.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的表面結(jié)構(gòu)，其中，所述非活動(dòng)邊緣的接觸點(diǎn)和所述活動(dòng)邊緣的接觸點(diǎn)分別與所述非活動(dòng)邊緣的端部和所述活動(dòng)邊緣的端部的直線連接包括小于100°的角。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的表面結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述段為直線的、凹形的或者凸形的。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的表面結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述段被設(shè)置成使得預(yù)定的熱變形被補(bǔ)償。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的表面結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述活動(dòng)邊緣為凹形的或者凸形的。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的表面結(jié)構(gòu)，其特征在于，至少一個(gè)面的高度在50 u m M 3mm 之間。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的表面結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述表面結(jié)構(gòu)的材料包括以下材料或由以下材料組成硅酮、聚甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸玻璃、有機(jī)玻璃、透光的塑性材料、尤其是離子交聯(lián)聚合物、聚乙烯醇縮丁醛、乙烯醋酸乙烯酯、聚亞安酯；玻璃、銀、鋁、銅、鎳、鎳合金和/或黃銅。
9.一種具有至少一個(gè)根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的表面結(jié)構(gòu)的菲涅爾透鏡。
10.根據(jù)前一項(xiàng)權(quán)利要求所述的菲涅爾透鏡，其特征在于，所述菲涅爾透鏡還具有至少一個(gè)具有球形活動(dòng)邊緣的表面結(jié)構(gòu)。
11.根據(jù)權(quán)利要求9或權(quán)利要求10所述的菲涅爾透鏡，其特征在于，所述菲涅爾透鏡具有同心設(shè)置的至少兩個(gè)表面結(jié)構(gòu).
12.根據(jù)權(quán)利要求9至11中的任一項(xiàng)所述的菲涅爾透鏡，其特征在于，所述菲涅爾透鏡具有線性地且平行相鄰地設(shè)置的至少兩個(gè)表面結(jié)構(gòu)。
13.根據(jù)權(quán)利要求9至12中的任一項(xiàng)所述的菲涅爾透鏡，其特征在于，所述菲涅爾透鏡被應(yīng)用在載體上，所述載體尤其由以下材料組成或包括以下材料玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸玻璃、有機(jī)玻璃、透光的塑性材料，尤其是離子交聯(lián)聚合物、聚乙烯醇縮丁醛、乙烯醋酸乙烯酯和/或聚亞安酯。
14.根據(jù)前一項(xiàng)權(quán)利要求所述的菲涅爾透鏡，其特征在于，所述載體具有圓形的、卵形的、正方形的、矩形的或者六邊形的形狀。
15.根據(jù)權(quán)利要求9至14中的任一項(xiàng)所述的菲涅爾透鏡，其特征在于，所述菲涅爾透鏡具有膨脹系數(shù)不同的至少兩種材料。
16.根據(jù)權(quán)利要求9至15中的任一項(xiàng)所述的菲涅爾透鏡，其特征在于，所述菲涅爾透鏡為會(huì)聚透鏡或發(fā)散透鏡。
17.根據(jù)權(quán)利要求9至16中的任一項(xiàng)所述的菲涅爾透鏡，其特征在于，所述菲涅爾透鏡為點(diǎn)聚焦菲涅爾透鏡或線聚焦菲涅爾透鏡。
18.一種用于制造根據(jù)權(quán)利要求1至8中的任一項(xiàng)所述的表面結(jié)構(gòu)的工具，所述工具具有包括至少一個(gè)面、至少一個(gè)活動(dòng)邊緣或者至少一個(gè)段的負(fù)結(jié)構(gòu)。
19.根據(jù)前一項(xiàng)權(quán)利要求所述的工具，其特征在于，所述工具由以下材料組成或包括以下材料可固化的塑性材料、氟化烴、乙烯-四氟乙烯共聚物、聚四氟乙烯、塑性材料，聚甲基丙烯酸甲酯、鋁、銅、鎳、鎳合金、黃銅。
20.一種用于制造根據(jù)權(quán)利要求1至8中的任一項(xiàng)所述的表面結(jié)構(gòu)或者根據(jù)權(quán)利要求9至17中的任一項(xiàng)所述的菲涅爾透鏡的方法， 對(duì)于特定的溫度變化，通過模擬計(jì)算而確定所述表面結(jié)構(gòu)的熱變形， 針對(duì)在使用期間所發(fā)生的溫度范圍而確定所述活動(dòng)邊緣的表面輪廓， 以及實(shí)現(xiàn)所述段的形狀布置，以便考慮所模擬的熱變形。
21.根據(jù)權(quán)利要求9至17中的任一項(xiàng)所述的至少一個(gè)菲涅爾透鏡在聚光光伏組件中的用途。
全文摘要
本發(fā)明涉及表面結(jié)構(gòu)和具有至少一種這樣的表面結(jié)構(gòu)的菲涅爾透鏡。另外，本發(fā)明涉及用于制造表面結(jié)構(gòu)的工具以及用于制造表面結(jié)構(gòu)或菲涅爾透鏡的方法。另外，本發(fā)明涉及菲涅爾透鏡的用途。
文檔編號(hào)F24J2/08GK103069310SQ201180038842
公開日2013年4月24日 申請(qǐng)日期2011年8月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月11日
發(fā)明者索斯藤·霍爾農(nóng) 申請(qǐng)人:弗勞恩霍弗應(yīng)用技術(shù)研究院