菲涅爾透鏡是一種應(yīng)用十分廣泛的光學(xué)元件，其設(shè)計(jì)和制造設(shè)計(jì)到多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域，包括光學(xué)工程，高分子材料工程，CNC機(jī)械加工，金剛石車削工藝，鍍鎳工藝;模壓、注塑、澆鑄等制造工藝。

菲涅爾透鏡的設(shè)計(jì)原理

　　1、邊緣光線原理

　　邊緣光線原理是指在設(shè)計(jì)菲涅爾透鏡的時(shí)候，入射光中的Z外邊光線也要入射到接受面的邊緣上，而不是指在Zda接收角之內(nèi)的入射光線在接收面上形成一個(gè)清晰的像。

　　根據(jù)邊緣光線原理設(shè)計(jì)的菲涅爾透鏡雖然不具有Zgao的聚光性能，但幾何聚光比上還是具有很大優(yōu)勢(shì)的，因此這一原理在高倍聚光菲涅爾透鏡的設(shè)計(jì)過程中有著很重要的指導(dǎo)性意義。

　　2、光線追跡方法

　　以幾何光學(xué)為基礎(chǔ)，光線為分析單元的光線追跡方法主要有光學(xué)圖解法和計(jì)算法。幾何光學(xué)中有三條光線傳播定律，即直線傳播定律，獨(dú)立傳播定律，反射定律和折射定律。

　　根據(jù)直線傳播定律，獨(dú)立傳播定律，反射定律和折射定律，研究人員在研究菲涅爾透鏡聚光系統(tǒng)的性能的時(shí)候可以確定系統(tǒng)中的每條光線走過的路徑和光線Z后的匯聚位置和角度。

　　光線追跡法主要有兩種不同的形式，即序列光線追跡和非序列光線追跡。序列光線追跡法是講究光學(xué)系統(tǒng)中的光學(xué)表面的先后順序，其在分析過程中是以系統(tǒng)中的每一個(gè)光學(xué)表面作為研究的對(duì)象，根據(jù)光學(xué)表面的先后順序，每次計(jì)算每一個(gè)光學(xué)表面的相關(guān)研究參數(shù)。序列光線追跡的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算速度快，可以優(yōu)化和公差分析。

　　非序列光線追跡法相比于序列光線追跡法Zda的不同是不考慮光學(xué)系統(tǒng)中光學(xué)表面的先后順序和在分析的過程中不以每一個(gè)光學(xué)表面作為研究對(duì)象。菲涅爾透鏡光學(xué)系統(tǒng)中采用非序列光線追跡法進(jìn)行研究的時(shí)候，不用考慮光學(xué)系統(tǒng)中每個(gè)光學(xué)面相互之間先后順序。光學(xué)系統(tǒng)中光源的相關(guān)參數(shù)即光源發(fā)出的每一條光線的初始參數(shù)，每一條光線的具體位置，每一條光線的具體方向等等都是不確定的。

　　非序列光線追跡需要追跡大量光線來分析光學(xué)系統(tǒng)的特性，光線追跡是通過Monte Carlo方法來決定光線的位置和方向，接收器通常被劃分成很多小格來接收光線，這樣可以更加精確的分析光的強(qiáng)度、照度和亮度等信息。

菲涅爾透鏡的設(shè)計(jì)方法

　　菲涅爾透鏡在成像質(zhì)量上較傳統(tǒng)光學(xué)透鏡差，隨著菲涅爾透鏡相對(duì)口徑變大成像質(zhì)量差這一劣勢(shì)就更加明顯。

　　菲涅爾透鏡成像差的主要原因是：菲涅爾透鏡在設(shè)計(jì)的時(shí)候只是保證透射過的光線能匯聚到焦點(diǎn)F。如下圖所示，太陽光從2處入射會(huì)聚到F點(diǎn)，但從1、3這兩處入射的光線卻不能匯聚到F點(diǎn)，這樣就產(chǎn)生了相差。菲涅爾透鏡的齒距越大其像差也越大。

　　為了減小這種相差，設(shè)計(jì)人員可以減小透鏡的齒距，但是菲涅爾透鏡的齒距也不能無限地減小?；谶@個(gè)原因菲涅爾透鏡的相差只能盡量減小，始終不能完全被消除。

菲涅爾透鏡聚光性能參數(shù)設(shè)計(jì)

　　1、聚光比

　　聚光比是評(píng)價(jià)菲涅爾透鏡聚光性能優(yōu)良的一個(gè)重要參數(shù)。聚光比可以分成幾何聚光比和光學(xué)聚光比。幾何聚光比(Cg)是指菲涅爾透鏡的入射口徑面積(S1)和出射口徑面積(S2)之比，即：Cg=S1/S2。

　　因?yàn)榉颇鶢柾哥R存在結(jié)構(gòu)缺陷和光能損失，所以菲涅爾透鏡的光學(xué)聚光比遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到幾何聚光比，光學(xué)聚光比(Co)是菲涅爾透鏡的幾何聚光比(Cg)和菲涅爾透鏡的光學(xué)效率(η)的乘積，即：Co=Cg×η。

　　根據(jù)經(jīng)典幾何光學(xué)，平行的太陽光照射到菲涅爾透鏡的表面后，光線會(huì)在光軸方向的焦點(diǎn)處匯聚成一個(gè)點(diǎn)。按照菲涅爾透鏡幾何聚光比的定義，此時(shí)透鏡的幾何聚光比應(yīng)該是無窮大。其實(shí)實(shí)際太陽光是具有一個(gè)很小的夾角(2θ)，即太陽張角。因此菲涅爾透鏡的幾何聚光比的上限是：Cgmax=1/(sin²θ)=46049.6。

　　菲涅爾透鏡幾何聚光比上限是基于理想情況下的，在實(shí)際的生產(chǎn)應(yīng)用中，菲涅爾透鏡還存在著不可避免的加工缺陷和工程誤差，所以菲涅爾透鏡實(shí)際可以達(dá)到的幾何聚光比總小于其上限值。

　　2、聚光效率

　　菲涅爾透鏡的聚光效率直接影響太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。菲涅爾透鏡的聚光效率η可以表示為：η=E0/E。其中E0表示透射過菲涅爾透鏡的總能量，E表示入射到透鏡表面的總能量。

　　透鏡在實(shí)際應(yīng)用中存在光學(xué)損失，主要是由反射損失、吸收損失、加工工藝損失等各種損失引起的。其中菲涅爾透鏡的加工工藝損失主要是由加工過程中的拔模角、圓角減少了透鏡有效接受入射光能量面積。由于在實(shí)際應(yīng)用中菲涅爾透鏡存在多種光學(xué)損失，從而導(dǎo)致透鏡的聚光效率降低。

　　3、光斑均勻度

　　菲涅爾透鏡聚光光斑的均勻性直接影響太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率和使用壽命。由于菲涅耳透鏡材料的折射率隨太陽光波長(zhǎng)的不同而變化，所以太陽光經(jīng)過菲涅耳透鏡聚光后會(huì)形成不同的能量分布。