大视场菲涅尔透镜的聚光效率模拟和分析.pdf

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1、第32卷第1期2010年2月光学仪器OPTICAI。INSTRUMENTSV01．32，No．1February，2010文章编号：1005—5630(2010)01—0044—05大视场菲涅尔透镜的聚光效率模拟和分析*吴旭婷，李湘宁，蔡伟(上海理工大学光电信息与计算机工程学院，上海200093)摘要：大视场菲涅尔聚焦透镜在180。的范围内各个视场下均能实现较理想的聚焦。根据现有的大视场菲涅尔聚焦透镜的设计结果，利用Zemax软件在非序列环境下自定义面型的功能对该设计进行模拟分析。模拟菲涅尔透镜在不同方向的平行光照射下的

2、聚焦情况。通过对不同方向的光线照射下探测器接收到能量的情况进行分析，得到了相应的聚光效率，为设计的可行性提供了分析依据。关键词：菲涅尔透镜；Zemax软件；大视场；聚光效率中图分类号：TP319文献标识码：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引言大视场菲涅尔聚焦透镜是用于会聚太阳光的一种光学元件，它要求对各个方向的太阳光均能实现聚焦，并有较高的聚光效率。对于菲涅尔透镜表面的槽沟，许多学者的研究证实，当出射面压槽沟时

6、透镜的光学效率最高[1’2]。设计根据大视场菲涅尔透镜的特殊聚光要求，着重研究出射面有槽沟的平板菲涅尔透镜在Zemax软件中的建模及光路的追迹，利用该软件自定义面型的功能，分析在不同方向的平行光照射下大视场菲涅尔聚焦透镜的聚光情况。从而为设计提供一个客观的评价，为实际运用提供分析依据。在大视场菲涅尔聚焦透镜的设计中主要运用了几何光学的聚焦原理，为了使太阳光照射时每个时刻。收稿日期：2009-07—29作者简介：吴旭婷(1984一)，女，浙江湖州人，硕士研究生，主要从事应用光学方面的研究。第1期吴旭婷，等：大视场菲涅尔透镜

7、的聚光效率模拟和分析·45·都有正入射的光线，将整个透镜设计成半圆柱状，从而使系统具有了较大的视场。为了分析太阳光在各个时间段照射菲涅尔透镜时探测器所接受到的能量的情况，现借助Zemax软件对设计进行建模及仿真分析。Zemax软件提供了大量可供光学系统选用的内置面型，如：球面、非球面、ABCD矩阵面、衍射面、变折射面等，除此以外用户还可以定制特殊面型[3

8、。1工作原理菲涅尔透镜是一种非球面透镜，是由一系列同心棱形槽构成的。每个环带都相当于一个独立的折射面，在平行光垂直入射情况下，在其焦面上能得到一个无像差的会聚点。设计中

9、依靠三棱镜序列实现菲涅尔的聚焦。在设计中应遵守基本的光学原理，光线入射到棱镜发生一次折射，由棱镜另一面射出发生二次折射[4]。棱镜的顶角为口，棱镜材料折射率为咒，如图1所示。总偏向角卢与折射率挖、工作侧面角a和入射角占。的一般函数关系式为：p一岛一口+arcsin{咒sinl口一arcsinf些1I(1)。IL＼行，