本发明专利技术提供了一种通过多级串联共焦点的圆锥曲面二次反射单元汇聚得到高光能密度和高光亮度的汇聚光的方法。该方法的光汇聚系统包含多级聚光层，也可有平面反射层或光反射通道，多级聚光层间直接串联或多级聚光层和平面反射层、光反射通道等树形串联组成光汇聚系统。光汇聚系统的总汇聚比为各级串联二次反射单元汇聚比乘积之和。每一级聚光层都由若干具有特殊聚光作用的共焦点圆锥曲面二次反射单元组成，聚光层间可有非聚光作用的平面反射层或光反射通道层用以转移光线进入下一级聚光层或输出，多级聚光层间还可有新的入射光。本发明专利技术可广泛运用于各种需要增强光信号、光能密度、光亮度的场合，将在光学、太阳能利用等领域发挥重要作用。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种光线汇聚方法，特别是一种通过多级串联共焦点的圆锥曲面二次反射单元汇聚得到高光能密度和高光亮度的汇聚光的方法。
技术介绍
圆锥曲线包括抛物线、双曲线、椭圆，而抛物线、双曲线、椭圆都有各自的特征性光学性质。抛物线的光学性质与对称轴平行的光线经旋转抛物面(抛物线绕轴旋转一周生成的曲面)反射后，都通过焦点；反之，从焦点发出的光线经旋转抛物面反射后，变成平行光线。双曲线的光学性质从双曲线的一个焦点发出的光线经旋转双曲面(双曲线绕其实轴旋转一周生成的旋转曲面)反射后，光线散开，就好像是从另一个焦点发出的一样。椭圆的光学性质从椭圆的一个焦点发出的光线经旋转椭圆面(椭圆绕其长轴旋转一周生成的 旋转曲面)反射后，都通过另一个焦点。在本专利技术人的另一份专利技术专利一一圆锥曲面共焦点二次反射光强度缩放法体系及其装置中，其中按照大圆锥曲面 小圆锥曲面「开口方向形式」的组合顺序抛物线 抛物线「开口方向一致和相反皆可」，抛物线 双曲线「开口方向一致」，抛物线 椭圆「开口方向相反」，4种组合构成的共焦点圆锥曲面二次反射单元具有优异的聚光性能。当平行光线射向抛物线 抛物线组合将产生平行汇聚光线；当平行光线射向抛物线 双曲线、抛物线 椭圆组合将产生相交汇聚光线。其单元的汇聚比可由如下方式计算，获得平行汇聚光线的汇聚比=大圆锥曲面面积与小圆锥曲面面积之比；获得相交汇聚光线的汇聚比=大圆锥曲面面积与汇聚光线光斑面积之比。共焦点圆锥曲面二次反射单元可以是槽状或盘状，且使用盘状时更容易获得较高的汇聚比。在当前较多采用的组合光线汇聚技术中平面反射法多采用多片平面镜反射得到汇集光线，如CN101196612A，但其汇聚比较小；光学透镜法其受制于部件尺寸，不宜用于较大面积和较长距离的光线汇聚；曲面反射法虽已涉及共焦点的圆锥曲面二次反射，但多采用的是两个抛物线共焦点组合的单级的形式，如专利CN101726843A、CN102062937A、CN201917709U。以上方式目前都不能或不容易获得极高光能密度和极高光亮度的汇聚光。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决上述问题和不足而提供一种通过多级串联共焦点的圆锥曲面二次反射单元汇聚得到高光能密度和高光亮度的汇聚光的方法。本专利技术解决其技术问题采用的技术方案是多级串联共焦点圆锥曲面二次反射单元光汇聚法，该方法的光汇聚系统包含多级聚光层，也可以有平面反射层或光反射通道，多级聚光层间直接串联或多级聚光层和平面反射层、光反射通道等树形串联组成光汇聚系统。所谓“多级串联”是沿光路形成多级聚光作用的串联，非装置部件间的接触性串联。所谓“树形串联”是指多级聚光层和平面反射层、光反射通道等串联组成的光汇聚系统，由第η级聚光层向第一级逆光路看，光汇聚系统逐级展开如树的分叉结构，聚光层级数越低其二次反射单元数越多。整个光汇聚系统中的二次反射单元可以是槽状或盘状，但所有二次反射单元形式应统一，比如都为槽状或都为盘状，都为盘状时更容易获得较高的汇聚比。多级聚光层，每一级聚光层都由若干具有特殊聚光作用的共焦点圆锥曲面二次反射单元组成，聚光层间可以有非聚光作用的平面反射层或光反射通道层用以转移光线进入下一级聚光层或输出，多级聚光层间还可以有新的入射光。该多级串联共焦点圆锥曲面二次反射单元光汇聚法的光汇聚作用过程是平行光线(低亮度光线或低密度光能)射向第一级由若干共焦点圆锥曲面二次反射单元组成的聚光层，经单元按各自的汇聚比汇聚得到一级汇聚光；一级汇聚光可经平面反射层反射进入或直接射入第二级由若干共焦点圆锥曲面二次反射单元组成的聚光层，经单元再按各自的汇聚比汇聚得到二级汇聚光；二级汇聚光可经平面反射层反射进入或直接射入第三级由若干共焦点圆锥曲面二次反射单元组成的聚光层，以此类推，按照如上的光线汇聚过程可在第η级聚光层汇聚过后获得所需求强度的汇聚光线。各级间的二次反射单元尺寸应根据需求和空间尺寸来定，各级间的汇聚光为平行汇聚光，发散性小，利于较长距离的传递。多级串联共焦点圆锥曲面二次反射单元光汇聚法所述的具有特殊聚光作用的共 焦点圆锥曲面二次反射单元，其聚光作用原理可参看附图I和附图2。附图I为抛物线 抛物线「开口方向一致和相反两种情况」共焦点组合的聚光示意图，当平行光线射向该组合将产生平行汇聚光线，其单元的汇聚比=大圆锥曲面面积与小圆锥曲面面积之比。因其入射光线和射出的汇聚光线都是平行光，易于在光汇聚系统中转移和传递，故抛物线 抛物线「开口方向一致和相反两种情况」共焦点组合的二次反射单元将是整个光汇聚系统中数量最多的二次反射单元。附图2为抛物线 双曲线「开口方向一致」和抛物线 椭圆「开口方向相反」共焦点组合的聚光示意图，当平行光线射向该组合将产生相交汇聚光线，其单元的汇聚比=大圆锥曲面面积与汇聚光线光斑面积之比。因其产生的是相交汇聚光线，不易于在光汇聚系统中转移和传递，一般适于作为末级聚光层中的二次反射单元。多级串联共焦点圆锥曲面二次反射单元光汇聚法所述的汇聚光直接射入下一级聚光层的情况的汇聚示意图可参看附图3。附图3中左图为一个三级直接汇聚系统，且二三级汇聚层采用了非完整的共焦点圆锥曲面二次反射单元，平行光线(低亮度光线或低密度光能)射入一级二次反射单元，产生一级平行汇聚光，再直接射入二级二次反射单元，产生二级平行汇聚光，直接射入三级二次反射单元，产生三级平行汇聚光输出。整个装置的总汇聚比N = NfN2-N3,其中N1为一级二次反射单元的汇聚比，N2为二级二次反射单元的汇聚t匕，N3为三级二次反射单元的汇聚比。附图3中中图为一个二级直接汇聚系统，不过第二级二次反射单元的安放位置利用了一级平行汇聚光的空间阴影区，整个装置的总汇聚比N =N3N2。附图3中右图也为一个二级直接汇聚系统，第二级二次反射单元的安放位置利用了一级平行汇聚光的空间阴影区，并且第二级二次反射单元采用了附图2中产生相交汇聚光线的二次反射单元，整个装置的总汇聚比N = N1^N20由中国气象数据知，中国阳光辐照最弱的四川盆地的年均日照辐射强度为3Kw/(h*m2)，为简便计算取3. 6Kw/ (h*m2)，即Iw/ (s*m2)，这种日照辐射强度在中国仍算是偏低的。选用附图3中中图的二级直接汇聚系统，汇聚系统的二次反射单元都采用盘状，两级汇聚比都定为100 1，即一级二次反射单元中的大圆锥曲面半径lm，小圆锥曲面半径10cm，其汇聚比N1 = 31 *1002/ 31 *102 = 100 ;二级二次反射单元中的大圆锥曲面半径IOcm,小圆锥曲面半径lcm，其汇聚比N2 = Ji *102/3i *12 = 100，整个装置的总汇聚比N = N1^N2 =100*100 = 10000，假设汇聚系统在反射中的光反射率为100%，那么光辐射强度lw/(s*m2)的入射光经二级直接汇聚系统汇聚产生的汇聚光的辐射强度将达到IOKw/(s*m2)，光能密度增加了 10000倍。由此可知多级串联共焦点圆锥曲面二次反射单元光汇聚法的光汇聚作用十分明显。多级串联共焦点圆锥曲面二次反射单元光汇聚法所述的汇聚光和新的入射光也可以有多种方式，可以形成树形结构，多方式的汇聚示意图可参看附图4至附图7。汇聚光可以直接射入下一级聚光层，也可经平面反射层反射进入 下一级本文档来自技高网...
【技术保护点】
多级串联共焦点圆锥曲面二次反射单元光汇聚法，该方法的光汇聚系统包含多级聚光层，也可以有平面反射层或光反射通道，其特征在于：多级聚光层间直接串联或多级聚光层和平面反射层、光反射通道等树形串联组成光汇聚系统，每一级聚光层都由若干具有特殊聚光作用的共焦点圆锥曲面二次反射单元组成，聚光层间可以有非聚光作用的平面反射层或光反射通道层用以转移光线进入下一级聚光层或输出，多级聚光层间还可以有新的入射光，光汇聚系统的总汇聚比为各级串联二次反射单元汇聚比乘积之和。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：杨欢，
申请(专利权)人：杨欢，
类型：发明
国别省市：
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