表面结构、菲涅尔透镜和用于制造表面结构的工具制造技术

本发明专利技术涉及表面结构和具有至少一种这样的表面结构的菲涅尔透镜。另外，本发明专利技术涉及用于制造表面结构的工具以及用于制造表面结构或菲涅尔透镜的方法。另外，本发明专利技术涉及菲涅尔透镜的用途。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种表面结构和具有至少一个这样的表面结构的菲涅尔透镜。此外，本专利技术涉及一种用于制造该表面结构的工具以及一种用于制造该表面结构或菲涅尔透镜的方法。另外，本专利技术涉及菲涅尔透镜的用途。
技术介绍
具有大的透镜直径和短焦距的标准透镜非常厚且难以制造。为了克服该问题，因此菲涅尔透镜被广泛使用。从而该透镜表面被细分成小的棱镜，所述棱镜相邻地设置在一个平面中。因此，制造了基本上平坦的透镜，如在日常生活中能够发现的高射投影仪或者作为在汽车后窗上的发散透镜。在聚光光伏中，使用菲涅尔透镜以将太阳辐射聚集在小型太阳能电池上。因此，目的不是产生尽可能清晰的太阳的图像(成像透镜系统)，而仅仅是将尽可能多的光聚集到太阳能电池上(非成像透镜系统)。在许多应用和具体系统中，还力图实现焦点内尽可能均匀的辐射强度的轮廓。由于在高度聚光光伏中光被聚集到的太阳能电池的小尺寸，因此对菲涅尔透镜的精度提出很高的要求。同时，菲涅尔透镜受到环境温度的影响。在许多沙漠地区，冬季显著低于0°c的温度不是不寻常的，然而，在夏季中午温度很容易超过40°C。由于温度引起的透镜所用材料的膨胀，因此一方面这些材料的折射率变化，并且另一方面透镜变形。因此，温度效应导致菲涅尔透镜实现了作为具有变化效应的集中器的功能，该变化效应随着其温度变化，并且，间接地随着环境温度、辐射和诸如风强度和风向的其他气象参数变化。透镜几何形状基于关于透镜材料的折射率的假设。因为折射率是与温度有关的，因此，菲涅尔透镜在操作期间相对于特定温度(诸如平均温度)被优化。由于与温度关联的折射率变化，该温度偏差导致菲涅尔透镜不能较好地实现其目的。通常，用在菲涅尔透镜的制造过程中的初始形状被设计成该形状对应于目前操作中所需的透镜结构。因此，随着操作温度和制造温度之间的温度差异，温度引起的变形对功能的负面效应增加。然而，制造温度通常显著地低于(例如室温)或高于(例如热塑性变形)在操作期间所出现的典型温度。此外，例如由于体积收缩，在菲涅尔透镜的制造过程期间出现额外的变形。因此，所制造的菲涅尔透镜不再是该工具的真实复制品，且不能提供最佳的功能。在聚光光伏中，目前优选地使用两种材料组合由聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)制成的菲涅尔透镜设计成固体透镜板、或者由硅酮制成的菲涅尔透镜应用在玻璃板上。由PMMA制成的无内应力的菲涅尔透镜各向同性地膨胀，即其尺寸在操作期间基于温度变化而变化，但是不成比例变化。然而，在现实中这种理想的情况很少发生，从而使得这些透镜由于内应力或者不均匀的温度分布也发生变形。在DE2920630A1和US3，982，822中描述了由具有不同膨胀系数的两种材料制造的菲涅尔透镜。在这些菲涅尔透镜的情况下，在制造中，仅从持久性的观点考虑了根据现有技术的热膨胀(参见例如US3，982，822)。先前从光学观点分类热膨胀也是没有问题的(参见DE2920630A1和 US3, 982，822)。然而，已经报道过，热效应显著影响菲涅尔透镜的光学性能。由于玻璃的低热膨胀系数，大面积的形状变化仅仅起到了次要的作用。然而，硅酮的显著较大的热膨胀系数导致硅酮结构变形，该硅酮结构与玻璃相比显著地更具有弹性。该变形发生在各个菲涅尔棱镜或菲涅尔面的大范围上。例如，最初直线形状的棱镜边缘由此变形。因此，在所有系统中可以预料类似的效应或变形，在该系统中，基材的热膨胀不同于透镜材料的热膨胀。
技术实现思路
由此开始，本专利技术的目的在于消除现有技术的缺点并且提供表面结构和菲涅尔透镜，该菲涅尔透镜可以简化的方式被制造然而却具有非常良好的光学性能。通过具有权利要求1的特征的表面结构而实现该目的。权利要求9涉及一种菲涅尔透镜。权利要求18涉及一种用于制造表面结构的工具，权利要求20涉及一种用于制造表面结构或菲涅尔透镜的方法，以及权利要求21涉及菲涅尔透镜的用途。在从属权利要求中包含了其它的有利的实施方式。根据本专利技术，提供了一种表面结构，其至少一个面由活动边缘和非活动边缘构成，该活动边缘具有长度相等或长度不同的至少两个段。根据本专利技术，该段至少在一些区域中具有相同的表面轮廓且该段被设置成至少一个段可通过旋转约大于0°且小于10°的角度和移位而被转移到至少在一些区域中的相邻的段中。所述段至少在一些区域中具有相同的表面轮廓，因为段的至少一部分可被转移到另一段的至少一部分中。因此，如果根据纵切面，活动边缘被认为穿过面，则该活动边缘可被细分成段且该段可进一步细分成多个部分。由于例如在直线段的情况下，不存在将长度物理细分成多个部分，因此这些部分物理上是不可见的。可在旋转的正方向上和旋转的反方向上实现围绕所提供的角的旋转。因此，旋转轴线优选地平行于各个段之间的边缘和/或平行于活动边缘和非活动边缘之间的边缘。优选地，旋转轴线与各个段之间的边缘和/或活动边缘和非活动边缘之间的边缘中的一个边缘重合。在弯曲的边缘的情况下，例如在点聚焦菲涅尔透镜中，优选地，旋转轴线对应于施加至边缘的切线。因此，优选地，旋转轴线垂直于平面，通过该平面确定表面轮廓。角度的下限可为0.1角秒，优选地为I角秒。因此，根据本专利技术的表面结构还包括活动边缘，例如，该活动边缘具有100个段。优选地，在两个段之间的角度变化为10角秒到1°的数量级，并且，在具有两个以上段或多个面的表面结构的情况下，对于所有相邻的段，在两个段之间的角度变化不是相同的。优选地，在垂直于各个段之间的边缘和/或活动边缘和非活动边缘之间的边缘的平面中实现移位。因此，通过表面轮廓，优选地通过在垂直穿过面的纵切面上形成段的轮廓进行理解。因此，沿着表面结构的轮廓，即，平行于段之间的边缘和/或平行于活动边缘和非活动边缘之间的边缘的轮廓，为不固定的。在这里，通过段、各个部分进行理解，表面结构的活动边缘由各个部分组成。在两个段邻接的位置处，通常制造边缘，与活动边缘和非活动边缘之间的边缘相比，该边缘通常具有非常钝的角。例如，这可实现表面结构的简化制造，其中，例如，如同冲压机配置的工具被用于形成表面结构。在其上光被折射的菲涅尔棱镜的边缘被称为活动边缘。光学上不使用的边缘被称为非活动边缘。在借助于在一个边缘处的全反射而实现光定向效应的菲涅尔棱镜(TIR菲涅尔棱镜)的情况下，全反射是有效的边缘被称为活动边缘，面的另一边缘被称为非活动边缘。在用于制造菲涅尔透镜的工具的情况下，边缘分别类似于通过该工具形成的结构。在不具有光学功能且不作为用于制造表面结构的工具的表面结构的情况下，该表面的较长边缘被称为活动边缘。表面结构可被配置成使得在面的轮廓中横跨非活动边缘的端点和活动边缘的端点的三角形，在非活动边缘和活动边缘的共同端点处具有小于100°的内角。另外，该表面结构可被配置成使得非活动边缘的接触点和活动边缘的接触点分别与非活动边缘的端部和活动边缘的端部的直线连接包括小于100°的角。优选地，段为直线形的、凹形的或凸形的。另外，表面结构的段可被设置成使得预定的热变形被补偿。借助计算机模拟，根据有限元法(FEM)可计算由于所使用的材料的热膨胀所导致的菲涅尔棱镜或菲涅尔面以及表面结构的几何形状随着温度变化如何变化。利用这些模拟还可确定必须如何形成表面结构使得该表面结构在已知的特定温度变化后具有所期望的形状。另外，即使不考虑温度导致的变形或本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2010.08.11 DE 102010034020.01.一种表面结构，其至少一个面由活动边缘和非活动边缘构成，所述活动边缘具有长度相等或长度不同的至少两个段，所述段至少在一些区域中具有相同的表面轮廓且所述段被设置成使得至少一个段能够通过旋转约大于0°且小于10°的角度和移位而被转移到至少在一些区域中的相邻的段中。2.根据前一项权利要求所述的表面结构，其中，在所述面的轮廓中横跨所述非活动边缘的端点和所述活动边缘的端点的三角形在所述非活动边缘和所述活动边缘的共同端点处具有小于100°的内角。3.根据前述权利要求中的任一项所述的表面结构，其中，所述非活动边缘的接触点和所述活动边缘的接触点分别与所述非活动边缘的端部和所述活动边缘的端部的直线连接包括小于100°的角。4.根据前述权利要求中的任一项所述的表面结构，其特征在于，所述段为直线的、凹形的或者凸形的。5.根据前述权利要求中的任一项所述的表面结构，其特征在于，所述段被设置成使得预定的热变形被补偿。6.根据前述权利要求中的任一项所述的表面结构，其特征在于，所述活动边缘为凹形的或者凸形的。7.根据前述权利要求中的任一项所述的表面结构，其特征在于，至少一个面的高度在50 u m M 3mm 之间。8.根据前述权利要求中的任一项所述的表面结构，其特征在于，所述表面结构的材料包括以下材料或由以下材料组成硅酮、聚甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸玻璃、有机玻璃、透光的塑性材料、尤其是离子交联聚合物、聚乙烯醇缩丁醛、乙烯醋酸乙烯酯、聚亚安酯；玻璃、银、铝、铜、镍、镍合金和/或黄铜。9.一种具有至少一个根据前述权利要求中的任一项所述的表面结构的菲涅尔透镜。10.根据前一项权利要求所述的菲涅尔透镜，其特征在于，所述菲涅尔透镜还具有至少一个具有球形活动边缘的表面结构。11.根据权利要求9或权利要求10所述的菲涅尔透镜...

【专利技术属性】
技术研发人员：索斯藤·霍尔农，
申请(专利权)人：弗劳恩霍弗应用技术研究院，
类型：
国别省市：