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圆锥曲面Fresnel透镜数值设计方法

程颖,  房丰洲,  卢永斌,  张效栋

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程颖, 房丰洲, 卢永斌, 张效栋. 圆锥曲面Fresnel透镜数值设计方法[J]. 红外与激光工程, 2018, 47(7): 718005-0718005(7). doi: 10.3788/IRLA201847.0718005
引用本文: 程颖, 房丰洲, 卢永斌, 张效栋. 圆锥曲面Fresnel透镜数值设计方法[J]. 红外与激光工程, 2018, 47(7): 718005-0718005(7). doi: 10.3788/IRLA201847.0718005
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Cheng Ying, Fang Fengzhou, Lu Yongbin, Zhang Xiaodong. Numerical design method for conic curved Fresnel lens[J]. Infrared and Laser Engineering, 2018, 47(7): 718005-0718005(7). doi: 10.3788/IRLA201847.0718005
Citation: Cheng Ying, Fang Fengzhou, Lu Yongbin, Zhang Xiaodong. Numerical design method for conic curved Fresnel lens[J]. Infrared and Laser Engineering, 2018, 47(7): 718005-0718005(7). doi: 10.3788/IRLA201847.0718005
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圆锥曲面Fresnel透镜数值设计方法

doi: 10.3788/IRLA201847.0718005
  • 1.

    天津科技大学 机械工程学院 天津市轻工与食品工程机械装备集成设计与在线监控重点实验室,天津 300222;

  • 2.

    天津大学 精密测试技术及仪器国家重点实验室,天津 300072;

  • 3.

    天津市微纳制造技术工程中心,天津 300072

基金项目: 

国家自然科学基金青年科学基金（61705166）;国家自然科学基金（51320105009＆91423101）;天津市教委科研计划项目（2017KJ019）;天津市重点实验开放基金（2016LIMFE01）;天津科技大学青年教师创新基金（2014CXLG20）

详细信息
    作者简介:

    程颖(1982-),女,讲师,博士,主要从事光学自由曲面设计与加工方面的研究。Email:chengyingcd@163.com

    通讯作者: 房丰洲(1963-),男,教授,博士,主要从事超精密加工技术及装备、微纳制造、光学制造、及超精密检测技术的研究。Email:fzfang@tju.edu.cn

  • 中图分类号: O435

Numerical design method for conic curved Fresnel lens

  • 1.

    Tianjin Key Laboratory of Integrated Design and On-line Monitoring for Light Industry &Food Machinery and Equipment,College of Mechanical Engineering,Tianjin University of Science and Technology,Tianjin 300222,China;

  • 2.

    State Key Laboratory of Precision Measuring Technology &Instruments,Tianjin University,Tianjin 300072,China;

  • 3.

    Centre of MicroNano Manufacturing Technology(MNMT),Tianjin University,Tianjin 300072,China

  • 摘要: Fresnel透镜是最常见的太阳能聚光镜之一，曲面Fresnel透镜通常比平面Fresnel透镜具有更加优越的性能。基于非成像光学理论，提出了一种新型曲面Fresnel透镜的设计方法。曲面Fresnel透镜采用圆锥曲面基底，在满足Fresnel透镜机械参数要求的前提下，实现Fresnel透镜第二工作面面型的求解。基于可加工性的要求，利用该方法设计了不同形状的曲面Fresnel透镜，通过光学仿真分析了曲面Fresnel透镜的结构参数对聚光镜会聚比、容忍角、光照均匀性的影响，并分析了超精密加工条件下，由于加工误差对光学效率的影响。该设计方法为参数化曲面Fresnel透镜的分析提供了一种新的途径。仿真结果表明，具有小深宽比的曲面Fresnel透镜具有更好的均匀性和更高的能量利用率。
    Abstract: Fresnel lens is one of the most common solar concentrators. The performance of the curved Fresnel lens is usually better than flat Fresnel lens. Based on the principle of non-imaging optics, a new curved Fresnel lens design method was proposed in this study. The curved Fresnel lens was on conical surface. In the premise of meeting the mechanical requirements of the Fresnel lens, the slope of the second surface of the Fresnel lens was solved. Based on the objective of manufacturability, different shapes of Fresnel lenses were obtained by this method to analyze the effect of structural parameters of curved Fresnel lens on concentration ratio, acceptance angle and the illumination uniformity by optical simulation. The effect of machining error on optical efficiency in ultra-precision machining was also analyzed. The design method provided a new way for the parametric analysis of curved Fresnel lens. The simulation results show that the small aspect ratio of curved Fresnel lens will get good uniformity and high energy efficiency.
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-02-11
  • 修回日期:  2018-03-10
  • 刊出日期:  2018-07-25

圆锥曲面Fresnel透镜数值设计方法

doi: 10.3788/IRLA201847.0718005
  • 1. 天津科技大学 机械工程学院 天津市轻工与食品工程机械装备集成设计与在线监控重点实验室,天津 300222;
  • 2. 天津大学 精密测试技术及仪器国家重点实验室,天津 300072;
  • 3. 天津市微纳制造技术工程中心,天津 300072
    • 作者简介:

    程颖(1982-),女,讲师,博士,主要从事光学自由曲面设计与加工方面的研究。Email:chengyingcd@163.com

    通讯作者: 房丰洲(1963-),男,教授,博士,主要从事超精密加工技术及装备、微纳制造、光学制造、及超精密检测技术的研究。Email:fzfang@tju.edu.cn
  • 收稿日期: 2018-02-11
  • 修回日期: 2018-03-10
  • 刊出日期: 2018-07-25
基金项目:

国家自然科学基金青年科学基金（61705166）;国家自然科学基金（51320105009＆91423101）;天津市教委科研计划项目（2017KJ019）;天津市重点实验开放基金（2016LIMFE01）;天津科技大学青年教师创新基金（2014CXLG20）

  • 中图分类号: O435

摘要: Fresnel透镜是最常见的太阳能聚光镜之一，曲面Fresnel透镜通常比平面Fresnel透镜具有更加优越的性能。基于非成像光学理论，提出了一种新型曲面Fresnel透镜的设计方法。曲面Fresnel透镜采用圆锥曲面基底，在满足Fresnel透镜机械参数要求的前提下，实现Fresnel透镜第二工作面面型的求解。基于可加工性的要求，利用该方法设计了不同形状的曲面Fresnel透镜，通过光学仿真分析了曲面Fresnel透镜的结构参数对聚光镜会聚比、容忍角、光照均匀性的影响，并分析了超精密加工条件下，由于加工误差对光学效率的影响。该设计方法为参数化曲面Fresnel透镜的分析提供了一种新的途径。仿真结果表明，具有小深宽比的曲面Fresnel透镜具有更好的均匀性和更高的能量利用率。

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