[發明專利]一種可置換局部反射面的拋物面鏡聚光系統

無效

• 申請號: 200910091889.8
• 申請日: 2009-09-01
• 公開（公告）號: CN101644828A
• 公開（公告）日: 2010-02-10
• 發明（設計）人: 黃建文
• 申請（專利權）人: 黃建文
• 主分類號: G02B17/06
• 分類號: G02B17/06;F21V7/06;G02B7/182;G02B1/10;F21V13/06
• 代理公司: 北京北新智誠知識產權代理有限公司
• 代理人: 張愛群

技術領域

本發明涉及一種光能匯聚系統，特別是一種建立在雙拋物面鏡聚光系統的基礎上，對其中部分反射鏡面采用可置換式結構設計，從而使其具有便于加工、降低維護成本、輸出光強可調等諸多優點的光能匯聚系統，屬于光學設備技術領域。

背景技術

所謂拋物線是圓錐曲線的一種，在數學上是指在一平面上，到一個定點F和一條定直線l距離相等的點的集合。該定點F即為拋物線的焦點，該定直線l即為拋物線的準線。在該平面上有一直線垂直于該準線1并且通過該焦點F，稱為軸線。該軸線是該拋物線的對稱軸。該拋物線與該軸線的交點稱為頂點。

由拋物線的數學推導可知(此處省略具體推導過程)，如果反射鏡的凹面為拋物線形反射面，則任何平行于該拋物線軸線的光線，照射到該反射鏡的凹反射面時，該光線的反射光線匯聚于拋物線的焦點上。反之，如果反射鏡的凸面為拋物線形反射面，則任何平行于該拋物線軸線的光線，照射到該反射鏡的凸反射面時，該光線的反射線沿該拋物線焦點與反射點連線的反向延長線方向分散。如果反射鏡的凸面為拋物線形反射面，則任何對準該凸面反射面的焦點方向前進的光線，將被該凸面的拋物線形反射面反射，反射后的光線將會平行于該拋物線形反射面的軸線。

利用以上拋物線形反射面的光線反射特點可以設計一種匯聚光線的裝置，這種裝置的特征是：包括二個拋物面反射鏡，其中第一拋物面反射鏡的反射面是凹面或凸面的拋物線反射面，第二拋物面反射鏡的反射面是凹面拋物線反射面；該第二拋物面反射鏡的焦距大于該第一拋物面反射鏡的焦距；該第二拋物面反射鏡的幾何尺寸大于該第一拋物面反射鏡的幾何尺寸；該兩拋物面反射鏡的焦點重合與一公共焦點處，該兩拋物面反射鏡的軸線重合與一公共軸線上；該第二拋物面反射鏡的頂點處開設有一個通孔。當平行于公共軸線的光線照射到該第二拋物面反射鏡上的時候，光線將會在該兩拋物面反射鏡之間來回的反射而逐漸往該公共軸線靠近，最后匯聚成為能量密度較大并且平行于該公共軸線的平行光束，從該第二拋物面反射鏡頂點處的通孔射出。

基于相同的原理，如果若干個平行光束(例如激光)是朝該第一拋物面反射鏡的焦點方向照射，則該光束照射到該第一拋物面反射鏡的時候，光線將沿著平行于該公共軸線的方向反射，隨后反射光將抵達該第二拋物面反射鏡，然后光線又被該第二拋物面反射鏡反射，反射光再次往該公共焦點的方向前進，而再次抵達該第一拋物面反射鏡，光線在該兩拋物面反射鏡之間來回的反射，最后將匯聚成為能量密度較大并且平行于該公共軸線的平行光束，從該第二拋物面反射鏡頂點處的通孔射出。

可以預見的是上述的聚光裝置在該兩個拋物面反射鏡的頂點處將因為光線的匯聚反射而可能產生較高的溫度，反射面上的光學鍍膜比較容易損壞，底層材料也比較容易因為溫差而產生變形。當拋物面反射鏡的尺寸較大的時候，如果因為上述原因致使頂點處光學鍍膜的損壞而要更換整個拋物面反射鏡，則維護成本很大。

拋物面反射鏡是屬于非球面曲面，在制造的時候經常使用例如銅或鋁合金等較軟的有色金屬，如果該第二拋物面反射鏡的尺寸較大的時候，過程中為了保障加工尺寸的精度和反射面的面形精度，反射鏡必須維持一個厚度。在這種情形下，如果要在一個較厚的拋物面反射鏡的頂點處開設一較細微的通孔，則必須使用直徑很細小的鉆頭，這種細小的鉆頭的細長比通常大約是1比7左右，假設通孔的直徑是0.05mm，則該通孔深度需在0.35mm以內；如果使用激光穿孔的方式加工該通孔，則該通孔四周的反射面的面形精度將會大量的降低，而必須以研磨或其他方法進行二級加工。

在另一方面可以預見的是：最終從該第二拋物面反射鏡的頂點處的通孔所射出來的光束，它的直徑和能量密度與該通孔的大小有關；如果該通孔直徑較大，所射出來的光束直徑較大而能量密度較小；如果該通孔直徑較小，所射出來的光束直徑較小而能量密度較大。因此，當利用上述的聚光裝置來匯聚光線的時候，如果要得到不同直徑或能量密度的光束，則必須更換整個第二拋物面反射鏡。

另一個可以預見的問題是：該第一和第二拋物面反射鏡的頂點處，由于光線高度的集中必然使得反射面所受的溫度較高，因此可以考慮采用不同的材料來制造局部的反射面。

在另一方面，為了達到特殊的目的，該第一和第二拋物面反射鏡還可以采用不同的光學鍍膜來增強反射效果，或是過濾光線中特定波長范圍內的光線；但是如果要達到這樣的特殊目的，則必須將該第一和第二拋物面反射鏡整個使用不同的光學鍍膜；如此一來成本將會變得非常巨大。