菲涅尔透镜的设计

　　菲涅尔透镜是一种应用十分广泛的光学元件，其设计和制造设计到多个技术领域，包括光学工程，高分子材料工程，CNC机械加工，金刚石车削工艺，镀镍工艺;模压、注塑、浇铸等制造工艺。

菲涅尔透镜的设计原理

　　1、边缘光线原理

　　边缘光线原理是指在设计菲涅尔透镜的时候，入射光中的Z外边光线也要入射到接受面的边缘上，而不是指在Zda接收角之内的入射光线在接收面上形成一个清晰的像。

　　根据边缘光线原理设计的菲涅尔透镜虽然不具有Zgao的聚光性能，但几何聚光比上还是具有很大优势的，因此这一原理在高倍聚光菲涅尔透镜的设计过程中有着很重要的指导性意义。

　　2、光线追迹方法

　　以几何光学为基础，光线为分析单元的光线追迹方法主要有光学图解法和计算法。几何光学中有三条光线传播定律，即直线传播定律，独立传播定律，反射定律和折射定律。

　　根据直线传播定律，独立传播定律，反射定律和折射定律，研究人员在研究菲涅尔透镜聚光系统的性能的时候可以确定系统中的每条光线走过的路径和光线Z后的汇聚位置和角度。

　　光线追迹法主要有两种不同的形式，即序列光线追迹和非序列光线追迹。序列光线追迹法是讲究光学系统中的光学表面的先后顺序，其在分析过程中是以系统中的每一个光学表面作为研究的对象，根据光学表面的先后顺序，每次计算每一个光学表面的相关研究参数。序列光线追迹的优点是计算速度快，可以优化和公差分析。

　　非序列光线追迹法相比于序列光线追迹法Zda的不同是不考虑光学系统中光学表面的先后顺序和在分析的过程中不以每一个光学表面作为研究对象。菲涅尔透镜光学系统中采用非序列光线追迹法进行研究的时候，不用考虑光学系统中每个光学面相互之间先后顺序。光学系统中光源的相关参数即光源发出的每一条光线的初始参数，每一条光线的具体位置，每一条光线的具体方向等等都是不确定的。

　　非序列光线追迹需要追迹大量光线来分析光学系统的特性，光线追迹是通过Monte Carlo方法来决定光线的位置和方向，接收器通常被划分成很多小格来接收光线，这样可以更加精确的分析光的强度、照度和亮度等信息。

菲涅尔透镜的设计方法

　　菲涅尔透镜在成像质量上较传统光学透镜差，随着菲涅尔透镜相对口径变大成像质量差这一劣势就更加明显。

　　菲涅尔透镜成像差的主要原因是：菲涅尔透镜在设计的时候只是保证透射过的光线能汇聚到焦点F。如下图所示，太阳光从2处入射会聚到F点，但从1、3这两处入射的光线却不能汇聚到F点，这样就产生了相差。菲涅尔透镜的齿距越大其像差也越大。

　　为了减小这种相差，设计人员可以减小透镜的齿距，但是菲涅尔透镜的齿距也不能无限地减小。基于这个原因菲涅尔透镜的相差只能尽量减小，始终不能完全被消除。

菲涅尔透镜聚光性能参数设计

　　1、聚光比

　　聚光比是评价菲涅尔透镜聚光性能优良的一个重要参数。聚光比可以分成几何聚光比和光学聚光比。几何聚光比(Cg)是指菲涅尔透镜的入射口径面积(S1)和出射口径面积(S2)之比，即：Cg=S1/S2。

　　因为菲涅尔透镜存在结构缺陷和光能损失，所以菲涅尔透镜的光学聚光比远远达不到几何聚光比，光学聚光比(Co)是菲涅尔透镜的几何聚光比(Cg)和菲涅尔透镜的光学效率(η)的乘积，即：Co=Cg×η。

　　根据经典几何光学，平行的太阳光照射到菲涅尔透镜的表面后，光线会在光轴方向的焦点处汇聚成一个点。按照菲涅尔透镜几何聚光比的定义，此时透镜的几何聚光比应该是无穷大。其实实际太阳光是具有一个很小的夹角(2θ)，即太阳张角。因此菲涅尔透镜的几何聚光比的上限是：Cgmax=1/(sin²θ)=46049.6。

　　菲涅尔透镜几何聚光比上限是基于理想情况下的，在实际的生产应用中，菲涅尔透镜还存在着不可避免的加工缺陷和工程误差，所以菲涅尔透镜实际可以达到的几何聚光比总小于其上限值。

　　2、聚光效率

　　菲涅尔透镜的聚光效率直接影响太阳能电池的光电转换效率。菲涅尔透镜的聚光效率η可以表示为：η=E0/E。其中E0表示透射过菲涅尔透镜的总能量，E表示入射到透镜表面的总能量。

　　透镜在实际应用中存在光学损失，主要是由反射损失、吸收损失、加工工艺损失等各种损失引起的。其中菲涅尔透镜的加工工艺损失主要是由加工过程中的拔模角、圆角减少了透镜有效接受入射光能量面积。由于在实际应用中菲涅尔透镜存在多种光学损失，从而导致透镜的聚光效率降低。

　　3、光斑均匀度

　　菲涅尔透镜聚光光斑的均匀性直接影响太阳能电池的光电转换效率和使用寿命。由于菲涅耳透镜材料的折射率随太阳光波长的不同而变化，所以太阳光经过菲涅耳透镜聚光后会形成不同的能量分布。