《光电工程》：高效非成像聚光光学系统设计与性能分析 Design and performance analysis of high efficiency non-imaging concentrated optical system

Opto-Electronic Engineering Article 光电工程 2020年，第47卷，第2期 D0:10.12086/oee.2020.190203 高效非成像聚光光学系统设计 与性能分析 茹占强，宋贺伦*，吴菲，宋盛星， 朱煜，殷志珍，刘登科，张耀辉 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所系统集成与1C设计研究部，江苏苏州215123 摘要：针对菲涅尔透镜存在实际光学效率偏低的问题，本文设计了一种由非球面透镜和棒维镜组成的高效非成像聚光 光学系统，在光学设计软件Zmax的序列模式下对非球面透镜进行了优化设计，通过最大程度地减小球差，像面光斑 的几何半径从42mm降到了1.7mm.基于此，在Zemax的非序列模式下，完成了非球面透镜和棒锥镜的建模和优化， 通过蒙特卡罗光线追迹分析实现了光学效率为87%、接收角为0.9°的非成像聚光光学系统。最后，基于非球面透镜阵 列和棒锥镜样品，实现了高倍聚光型光伏模组的封装与测试，测试结果表明，该模组的光电转换效率达30.03%，与菲 涅尔透镜构成的高倍聚光型光伏模组相比有显著提升。 关键词：菲涅尔透镜：非成像聚光光学系统；非球面透镜；聚光型光伏 中图分类号：TM615 文献标志码：A 引用格式：茹占强，宋贺伦，吴菲，等.高效非成像聚光光学系统设计与性能分析J.光电工程，2020,47(2)：190203 Design and performance analysis of high efficiency non-imaging concentrated optical system Ru Zhanqiang,Song Helun',Wu Fei,Song Shengxing,Zhu Yu,Yin Zhizhen,Liu Dengke, Zhang Yaohui System Integration IC Design Division,Suzhou Institute of Nano-tech and Nano-bionics,Chinese Academy of Sciences, Suzhou,Jiangsu 215123,China Abstract:Aiming at the low optical efficiency of Fresnel lens,a high-efficiency non-imaging concentrated optical (NICO)system composed of an aspheric lens and a trumpet lens was designed.The aspheric lens was optimized in sequential mode of Zemax,and the geometric radius of its image spot was reduced from 42 mm to 1.7 mm by mi- nimizing the spherical aberration.The aspheric lens and trumpet lens were modeled and optimized in non-sequential mode of Zemax,and the NICO system with 87%optical efficiency and 0.9 received angle was achieved by Monte Carlo ray tracing analysis.Finally,the packaging and testing of the high concentrated photovoltaic(HCPV)module 收稿日期：2019-04-24：收到修改稿日期：2019-05-14 基金项目：国家重点研发计划(2016YFE0129400):中国科学院青年创新促进会人才资助计划(2016290) 作者简介：茹占强(1982-)，男，硕土，高级工程师，主要从事聚光型光伏及光学系统的研究。E-mail:zqru2008@sinan0.ac.cn 通信作者：宋贺伦(1980)，男，博士，研究员，主要从事聚光型光伏技术、半导体器件集成等方面的研究。 E-mail:hlsong2008@sinano.ac.cn 版权所有©2020中国科学院光电技术研究所 190203-1

Opto-Electronic Engineering 光 电 工 程 Article 2020 年，第 47 卷，第 2 期 190203-1 DOI: 10.12086/oee.2020.190203 高效非成像聚光光学系统设计 与性能分析 茹占强，宋贺伦*，吴 菲，宋盛星， 朱 煜，殷志珍，刘登科，张耀辉 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所系统集成与 IC 设计研究部，江苏 苏州 215123 摘要：针对菲涅尔透镜存在实际光学效率偏低的问题，本文设计了一种由非球面透镜和棒锥镜组成的高效非成像聚光 光学系统。在光学设计软件 Zemax 的序列模式下对非球面透镜进行了优化设计，通过最大程度地减小球差，像面光斑 的几何半径从 42 mm 降到了 1.7 mm。基于此，在 Zemax 的非序列模式下，完成了非球面透镜和棒锥镜的建模和优化， 通过蒙特卡罗光线追迹分析实现了光学效率为 87%、接收角为 0.9°的非成像聚光光学系统。最后，基于非球面透镜阵 列和棒锥镜样品，实现了高倍聚光型光伏模组的封装与测试。测试结果表明，该模组的光电转换效率达 30.03%，与菲 涅尔透镜构成的高倍聚光型光伏模组相比有显著提升。 关键词：菲涅尔透镜；非成像聚光光学系统；非球面透镜；聚光型光伏 中图分类号：TM615 文献标志码：A 引用格式：茹占强，宋贺伦，吴菲，等. 高效非成像聚光光学系统设计与性能分析[J]. 光电工程，2020，47(2): 190203 Design and performance analysis of high efficiency non-imaging concentrated optical system Ru Zhanqiang, Song Helun*, Wu Fei, Song Shengxing, Zhu Yu, Yin Zhizhen, Liu Dengke, Zhang Yaohui System Integration & IC Design Division, Suzhou Institute of Nano-tech and Nano-bionics, Chinese Academy of Sciences, Suzhou, Jiangsu 215123, China Abstract: Aiming at the low optical efficiency of Fresnel lens, a high-efficiency non-imaging concentrated optical (NICO) system composed of an aspheric lens and a trumpet lens was designed. The aspheric lens was optimized in sequential mode of Zemax, and the geometric radius of its image spot was reduced from 42 mm to 1.7 mm by mi￾nimizing the spherical aberration. The aspheric lens and trumpet lens were modeled and optimized in non-sequential mode of Zemax, and the NICO system with 87% optical efficiency and 0.9° received angle was achieved by Monte Carlo ray tracing analysis. Finally, the packaging and testing of the high concentrated photovoltaic (HCPV) module —————————————————— 收稿日期：2019-04-24； 收到修改稿日期：2019-05-14 基金项目：国家重点研发计划(2016YFE0129400)；中国科学院青年创新促进会人才资助计划(2016290) 作者简介：茹占强(1982-)，男，硕士，高级工程师，主要从事聚光型光伏及光学系统的研究。E-mail：zqru2008@sinano.ac.cn 通信作者：宋贺伦(1980-)，男，博士，研究员，主要从事聚光型光伏技术、半导体器件集成等方面的研究。 E-mail：hlsong2008@sinano.ac.cn 版权所有○C 2020 中国科学院光电技术研究所

光电工程https:ldoi.org/10.12086/oee.2020.190203 were completed based on samples of an aspheric lens array and 48 trumpet lenses.The test results showed that the photoelectric conversion efficiency of the module reached 30.03%,which was significantly improved compared with the HCPV module composed of the Fresnel lens. Keywords:Fresnel lens;non-imaging concentrated optical system;aspheric lens;concentrated photovoltaic Citation:Ru Z Q,Song H L,Wu F,et al.Design and performance analysis of high efficiency non-imaging concen- trated optical system[J].Opto-Electronic Engineering,2020,47(2):190203 1 引言 池表面能量密度越高，最佳能量聚光比的设计根据光 伏电池的聚光特性而定。当前，高倍聚光型光伏模组 当前，聚光型光伏发电技术被认为是最有可能降 普遍采用边长为5.5mm或者10mm的多结砷化镓光 低发电成本的技术之一山。聚光型光伏发电技术用聚 伏电池，最佳能量聚光比一般都在几百倍甚至上千倍， 光器把大面积的阳光会聚到小面积的光伏电池表面， 相应主聚光器孔径在十几到几十厘米，在保证合理厚 实现用廉价的光学材料代替昂贵的光伏电池材料的目 度的前提下只能选用菲涅尔透镜。为了实现非球面透 的，适合应用于太阳直接辐射强度高的区域。聚光 镜取代菲涅尔透镜，并且，厚度控制在合理范围，必 器的选型与优化设计是聚光型光伏领域必须解决的关 须缩小光伏电池的尺寸。为此，我们开发出了直径只 键问题之一。菲涅尔透镜具有轻薄、低成本的特点， 有2.5mm微型三结砷化镓光伏电池，图2为该光伏电 从而成为聚光型光伏领域聚光器的首选。付蕊等开发 池的截面图。 出一种高效均匀聚光菲涅尔透镜，聚光效率大于80%， 图3为该微型三结砷化镓光伏电池的光电转换效 在此基础上集成的聚光型光伏模组效率达27.9%。 率随能量聚光比变化曲线，可知，该电池在能量聚光 Ferrer-.Rodriguez等研究了菲涅尔透镜与不同二次聚 比为330倍时，光电转换效率可以达到最大值。非成 光器组成的高倍聚光系统对聚光型光伏模组效率的影 像聚光光学系统包含非球面透镜和棒锥镜两个光学元 响，聚光模组的最高效率达到了28%。 件，即四个光学界面，系统理想的光学效率在84%左 菲涅尔透镜从原理上可以达到较高的光学效率， 右，考虑加工误差和聚光模组的封装、对准误差，有 但是由于圆角散射、脱模形变、齿根遮光等加工工艺 效的光学效率大约在80%左右。因此，高倍聚光型光 条件的限制间，实际运行时光学效率会大幅降低，限 伏模组的几何聚光比约为413倍，考虑高倍聚光型光 制了聚光型光伏模组光电转换效率的进一步提升。非 伏模组的封装要求，非球面透镜要切成正方形再胶合 球面透镜不存在此类加工工艺限制，且非球面面型可 成阵列结构，所以非球面透镜的孔径D应为64mm, 以有效降低像差、提升聚光效率6刃。为此，本文创新 切割后的内接正方形非球面透镜的边长为45mm。 性地提出用非球面透镜来代替菲涅尔透镜的理念，设 计了一种由非球面透镜和棒锥镜组成的高效非成像聚 光光学系统。在此基础上，集成微型三结砷化镓光伏 Primary optics 电池，实现了高倍聚光型光伏模组样机的研制与性能 element 分析。 2工作原理 基于非球面透镜的高效非成像聚光光学系统由作 为主聚光器的非球面透镜和作为二次聚光器的棒锥镜 组成，入射光线被非球面透镜会聚到棒锥镜的上端面， Secondary 经棒锥镜的二次会聚入射到光伏电池的表面，如图1 optics element -Solar cell 所示。 主聚光器的面积和光伏电池的面积之比称为几何 聚光比，几何聚光比与非成像聚光光学系统的光学效 图1高效非成像聚光光学系统原理图 Fig.1 Principle of high-efficiency non-imaging 率乘积称为能量聚光比，能量聚光比越高代表光伏电 concentrated optical system 190203-2

光电工程 https://doi.org/10.12086/oee.2020.190203 190203-2 were completed based on samples of an aspheric lens array and 48 trumpet lenses. The test results showed that the photoelectric conversion efficiency of the module reached 30.03%, which was significantly improved compared with the HCPV module composed of the Fresnel lens. Keywords: Fresnel lens; non-imaging concentrated optical system; aspheric lens; concentrated photovoltaic Citation: Ru Z Q, Song H L, Wu F, et al. Design and performance analysis of high efficiency non-imaging concen￾trated optical system[J]. Opto-Electronic Engineering, 2020, 47(2): 190203 1 引 言 当前，聚光型光伏发电技术被认为是最有可能降 低发电成本的技术之一[1]。聚光型光伏发电技术用聚 光器把大面积的阳光会聚到小面积的光伏电池表面， 实现用廉价的光学材料代替昂贵的光伏电池材料的目 的，适合应用于太阳直接辐射强度高的区域[2]。聚光 器的选型与优化设计是聚光型光伏领域必须解决的关 键问题之一。菲涅尔透镜具有轻薄、低成本的特点， 从而成为聚光型光伏领域聚光器的首选。付蕊等开发 出一种高效均匀聚光菲涅尔透镜，聚光效率大于 80%， 在此基础上集成的聚光型光伏模组效率达 27.9%[3]。 Ferrer-Rodríguez 等研究了菲涅尔透镜与不同二次聚 光器组成的高倍聚光系统对聚光型光伏模组效率的影 响，聚光模组的最高效率达到了 28%[4]。 菲涅尔透镜从原理上可以达到较高的光学效率， 但是由于圆角散射、脱模形变、齿根遮光等加工工艺 条件的限制[5]，实际运行时光学效率会大幅降低，限 制了聚光型光伏模组光电转换效率的进一步提升。非 球面透镜不存在此类加工工艺限制，且非球面面型可 以有效降低像差、提升聚光效率[6-7]。为此，本文创新 性地提出用非球面透镜来代替菲涅尔透镜的理念，设 计了一种由非球面透镜和棒锥镜组成的高效非成像聚 光光学系统。在此基础上，集成微型三结砷化镓光伏 电池，实现了高倍聚光型光伏模组样机的研制与性能 分析。 2 工作原理 基于非球面透镜的高效非成像聚光光学系统由作 为主聚光器的非球面透镜和作为二次聚光器的棒锥镜 组成，入射光线被非球面透镜会聚到棒锥镜的上端面， 经棒锥镜的二次会聚入射到光伏电池的表面，如图 1 所示。 主聚光器的面积和光伏电池的面积之比称为几何 聚光比，几何聚光比与非成像聚光光学系统的光学效 率乘积称为能量聚光比，能量聚光比越高代表光伏电 池表面能量密度越高，最佳能量聚光比的设计根据光 伏电池的聚光特性而定。当前，高倍聚光型光伏模组 普遍采用边长为 5.5 mm 或者 10 mm 的多结砷化镓光 伏电池，最佳能量聚光比一般都在几百倍甚至上千倍， 相应主聚光器孔径在十几到几十厘米，在保证合理厚 度的前提下只能选用菲涅尔透镜。为了实现非球面透 镜取代菲涅尔透镜，并且，厚度控制在合理范围，必 须缩小光伏电池的尺寸。为此，我们开发出了直径只 有 2.5 mm 微型三结砷化镓光伏电池，图 2 为该光伏电 池的截面图。 图 3 为该微型三结砷化镓光伏电池的光电转换效 率随能量聚光比变化曲线，可知，该电池在能量聚光 比为 330 倍时，光电转换效率可以达到最大值。非成 像聚光光学系统包含非球面透镜和棒锥镜两个光学元 件，即四个光学界面，系统理想的光学效率在 84%左 右，考虑加工误差和聚光模组的封装、对准误差，有 效的光学效率大约在 80%左右。因此，高倍聚光型光 伏模组的几何聚光比约为 413 倍，考虑高倍聚光型光 伏模组的封装要求，非球面透镜要切成正方形再胶合 成阵列结构，所以非球面透镜的孔径 D 应为 64 mm， 切割后的内接正方形非球面透镜的边长为 45 mm。 图 1 高效非成像聚光光学系统原理图 Fig. 1 Principle of high-efficiency non-imaging concentrated optical system Secondary optics element Solar cell Primary optics element Light

光电工程https::ldoi.org/10.12086/oee.2020.190203 P++InGaAs contact GalnP BSF InGaAs bottom cell3μm 39 AlGalnAs graded buffer P++/N++GaAs/GaAs TJ GaAs middle cell 1 um P++/N++AlGaAs/GaAs TJ 37 GalnP top cell 3 um AllnP window N++GaAs contact 35 N+ESL GalnP 160 nm 0 300 60090012001500 N+GaAs substrate 350 um Sun concentration 图3微型三结种化镓光伏电池光电转换 图2微型三结砷化镓光伏电池截面图 效率随聚光比变化曲线 Fig.2 Section diagram of micro-scale three-junction Fig.3 Photoelectric conversion efficiency curve of GaAs solar cell micro three-junction GaAs solar cell with concentration ratio 图4所示，其中，Surf、STO和MA分别代表面型、 3非球面透镜设计 光阑面和像面，SPHA、COMA、ASTI、FCUR、DIST、 3.1初始结构模型建立 CLA和CTR分别代表球差、彗差、像散、场曲、畸 由上节可知，透镜的孔径D为64mm,为了兼顾 变、轴向色差和垂轴色差。 聚光效率和系统紧凑性，设置透镜的F刊#为1，则焦距 由表2可知，初始结构的球差SPHA值很大为 值为DxF刊#=64mm。波长范围根据三结砷化镓光伏电 34.26,在很大程度上影响了系统的聚焦光斑质量，如 池响应特性为348nm~1860nm,主波长为540nm, 图4光斑点列图所示，像面光斑的几何半径高达42 视场范围为0°，透镜材料选取常用的BK7光学玻璃。 mm,是三结砷化镓光伏电池的33.6倍。为了有效降 为了满足实际应用需求，选取透镜第一个面为光阑， 低系统球差，减小像面光斑的几何半径，使更多光能 并设置为平面，第二个面曲率的求解类型设置为 入射到三结砷化镓光伏电池表面，将透镜的第二个面 ℉1#=1。球面透镜的初始结构参数如表1所示。 设置成偶次非球面，并设置球差和焦距为优化操作 函数，非球面曲率、厚度、后焦距、非球面系数和高 表1球面透镜的初始结构参数 阶系数为变量，进行软件自动优化。 Table 1 Initial structural parameters of spherical lens 表面 曲率/mm 厚度/mm 材料 半口径mm 3.3优化结果及像差分析 物面 优化后的非球面透镜点列图和塞德尔像差系数如 光阑面 25 BK7 32 图5和表3所示。 后表面 33.218 64 32 由表3可知，优化后的非球面透镜球差SPHA的 像面 00 2 值接近于0.1，极大地改善了成像质量，如图5光斑点 列图所示，像面上的光斑几何半径也减小到了1.7 3.2初始结构像差分析 mm,基本接近三结砷化镓光伏电池半径。优化后的 该球面透镜的塞德尔像差系数和点列图如表2和 非球面透镜结构参数如表4所示。 表2初始结构的塞德尔像差系数 Table 2 Seidel aberration coefficient of initial structure Surf SPHA S1 COMAS2 ASTI S3 FCUR S4 DIST S5 CLA(CL) CTR(CT) STO 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000012 0.000000 -0.007913 34.260829 -0.050551 0.000075 0.000802 -0.000001 .1.326855 0.001958 IMA 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 TOT 34.260829 -0.050551 0.000075 0.000802 0.000011 -1.326855 -0.005955 190203-3

光电工程 https://doi.org/10.12086/oee.2020.190203 190203-3 3 非球面透镜设计 3.1 初始结构模型建立 由上节可知，透镜的孔径 D 为 64 mm，为了兼顾 聚光效率和系统紧凑性，设置透镜的 F/#为 1，则焦距 值为 D×F/#=64 mm。波长范围根据三结砷化镓光伏电 池响应特性为 348 nm∼1860 nm，主波长为 540 nm， 视场范围为 0°，透镜材料选取常用的 BK7 光学玻璃。 为了满足实际应用需求，选取透镜第一个面为光阑， 并设置为平面，第二个面曲率的求解类型设置为 F/#=1。球面透镜的初始结构参数如表 1 所示。 3.2 初始结构像差分析 该球面透镜的塞德尔像差系数和点列图如表 2 和 图 4 所示，其中，Surf、STO 和 IMA 分别代表面型、 光阑面和像面，SPHA、COMA、ASTI、FCUR、DIST、 CLA 和 CTR 分别代表球差、彗差、像散、场曲、畸 变、轴向色差和垂轴色差。 由表 2 可知，初始结构的球差 SPHA 值很大为 34.26，在很大程度上影响了系统的聚焦光斑质量，如 图 4 光斑点列图所示，像面光斑的几何半径高达 42 mm，是三结砷化镓光伏电池的 33.6 倍。为了有效降 低系统球差，减小像面光斑的几何半径，使更多光能 入射到三结砷化镓光伏电池表面，将透镜的第二个面 设置成偶次非球面[8-9]，并设置球差和焦距为优化操作 函数，非球面曲率、厚度、后焦距、非球面系数和高 阶系数为变量，进行软件自动优化。 3.3 优化结果及像差分析 优化后的非球面透镜点列图和塞德尔像差系数如 图 5 和表 3 所示。 由表 3 可知，优化后的非球面透镜球差 SPHA 的 值接近于 0.1，极大地改善了成像质量，如图 5 光斑点 列图所示，像面上的光斑几何半径也减小到了 1.7 mm，基本接近三结砷化镓光伏电池半径。优化后的 非球面透镜结构参数如表 4 所示。 表 1 球面透镜的初始结构参数 Table 1 Initial structural parameters of spherical lens 表面 曲率/mm 厚度/mm 材料 半口径/mm 物面 光阑面 后表面 像面 ∞ ∞ -33.218 ∞ ∞ 25 64 – – BK7 – – ∞ 32 32 2 表 2 初始结构的塞德尔像差系数 Table 2 Seidel aberration coefficient of initial structure Surf SPHA S1 COMA S2 ASTI S3 FCUR S4 DIST S5 CLA(CL) CTR(CT) STO 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000012 0.000000 -0.007913 2 34.260829 -0.050551 0.000075 0.000802 -0.000001 -1.326855 0.001958 IMA 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 TOT 34.260829 -0.050551 0.000075 0.000802 0.000011 -1.326855 -0.005955 P++ InGaAs contact GaInP BSF InGaAs bottom cell 3 μm AlGaInAs graded buffer P++/N++ GaAs/GaAs TJ GaAs middle cell 1 μm P++/N++ AlGaAs/GaAs TJ GaInP top cell 3 μm AlInP window N++ GaAs contact N+ ESL GaInP 160 nm N+ GaAs substrate 350 μm 图 2 微型三结砷化镓光伏电池截面图 Fig. 2 Section diagram of micro-scale three-junction GaAs solar cell 图 3 微型三结砷化镓光伏电池光电转换 效率随聚光比变化曲线 Fig. 3 Photoelectric conversion efficiency curve of micro three-junction GaAs solar cell with concentration ratio 300 Sun concentration 0 600 900 1200 1500 35 36 37 38 39 40 Efficiency(%)

光电工程https::ldoi.org/10.12086/oee.2020.190203 p0ΓOm s,年m齿 T” T 图4初始结构聚焦光斑，点列图 图5非球面透镜聚焦光斑点列图 Fig.4 Spot diagram of initial structure image plane Fig.5 Spot diagram of aspheric lens image plane 表3 非球面透镜的塞德尔像差系数 Table 3 Seidel aberration coefficient of aspheric lens Surf SPHA S1 COMA S2 ASTI S3 FCUR S4 DIST S5 CLA(CL) CTR(CT) STO 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000012 0.000000 -0.007913 2 0.082364 -0.201918 0.000171 0.000792 -0.000005 -1.310230 0.004510 IMA 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 TOT 0.082364 -0.201918 0.000171 0.000792 0.000007 -1.310230 -0.003403 表4非球面透镜结构参数 Table 4 Structural parameters of aspheric lens 表面 曲率mm厚度/mm非球面系数 非球面高阶系数 物面 光阑面 00 14.47 A2=-2.161×104 偶次非球面 -33.64 63.88 -2.34 A4=-1.554×108 像面 Ae=-1.769x101 由非成像聚光光学系统原理，棒锥镜的上端面半 4棒锥镜设计与光学系统性能分析 径大于非球面透镜焦点处光斑的几何半径，下端面半 在Zemax软件的非序列模式下对上节设计的非球 径与三结碑化镓光伏电池相匹配，考虑装配误差的因 面透镜进行建模，同时，建立模拟太阳的标准光源模 素，在此设置为1.2mm,初始高度可以随意设置为一 型和探测器模型，如表5和表6所示。 个合理值，表7为该棒锥镜的初始结构参数。 棒锥镜主要有3个作用：1)使像面光斑的几何半 完成初始结构建模后，将棒锥镜上端面置于非球 径与三结砷化镓光伏电池相匹配：2)在光线偏折入射 面透镜的焦点位置，探测器位于棒锥镜下端面位置。 的情况下使光线尽可能多地入射到三结砷化镓光伏电 以棒锥镜上端面半径、高度为变量，以探测器收 池表面：3)使三结砷化镓光伏电池表面的辐照度更均 集到的能量和光斑分布均匀性为评价函数，利用蒙特 匀o。 卡罗光线追迹的方法进行优化，得到棒锥镜的最优结 表5标准光源参数 表6探测器参数 Table 5 The parameters of standard light source Table 6 The parameters of detector 类型 能量W分析光线/条边长mm发散半角() 类型 半口径mm 径向分辨率 切向分辨率 Source two Detector sur 1.25 128 32 2×105 45 0.27 angle 190203-4

光电工程 https://doi.org/10.12086/oee.2020.190203 190203-4 4 棒锥镜设计与光学系统性能分析 在Zemax软件的非序列模式下对上节设计的非球 面透镜进行建模，同时，建立模拟太阳的标准光源模 型和探测器模型，如表 5 和表 6 所示。 棒锥镜主要有 3 个作用：1) 使像面光斑的几何半 径与三结砷化镓光伏电池相匹配；2) 在光线偏折入射 的情况下使光线尽可能多地入射到三结砷化镓光伏电 池表面；3) 使三结砷化镓光伏电池表面的辐照度更均 匀[10]。 由非成像聚光光学系统原理，棒锥镜的上端面半 径大于非球面透镜焦点处光斑的几何半径，下端面半 径与三结砷化镓光伏电池相匹配，考虑装配误差的因 素，在此设置为 1.2 mm，初始高度可以随意设置为一 个合理值，表 7 为该棒锥镜的初始结构参数。 完成初始结构建模后，将棒锥镜上端面置于非球 面透镜的焦点位置，探测器位于棒锥镜下端面位置。 以棒锥镜上端面半径、高度为变量，以探测器收 集到的能量和光斑分布均匀性为评价函数，利用蒙特 卡罗光线追迹的方法进行优化，得到棒锥镜的最优结 表 3 非球面透镜的塞德尔像差系数 Table 3 Seidel aberration coefficient of aspheric lens Surf SPHA S1 COMA S2 ASTI S3 FCUR S4 DIST S5 CLA(CL) CTR(CT) STO 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000012 0.000000 -0.007913 2 0.082364 -0.201918 0.000171 0.000792 -0.000005 -1.310230 0.004510 IMA 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 TOT 0.082364 -0.201918 0.000171 0.000792 0.000007 -1.310230 -0.003403 表 4 非球面透镜结构参数 Table 4 Structural parameters of aspheric lens 表面 曲率/mm 厚度/mm 非球面系数 非球面高阶系数 物面 光阑面 偶次非球面 像面 ∞ ∞ -33.64 ∞ ∞ 14.47 63.88 – – – -2.34 – – A2=-2.161×10-4 A4=-1.554×10-8 A6=-1.769×10-11 图 4 初始结构聚焦光斑点列图 Fig. 4 Spot diagram of initial structure image plane 图 5 非球面透镜聚焦光斑点列图 Fig. 5 Spot diagram of aspheric lens image plane 表 5 标准光源参数 Table 5 The parameters of standard light source 类型 能量/W 分析光线/条 边长/mm 发散半角/(°) Source two angle 1 2×106 45 0.27 表 6 探测器参数 Table 6 The parameters of detector 类型 半口径/mm 径向分辨率 切向分辨率 Detector sur 1.25 128 32

光电工程https:ldoi.org/10.12086/oee.2020.190203 构参数如表8所示，图6为基于最优结构棒锥镜的非 所以该系统的接收角为0.9°。 成像聚光光学系统光路图。 为了对比，同样对不同入射条件下单非球面透镜 基于最优结构，对不同入射条件下非成像聚光光 的聚光效率和聚光效果进行了蒙特卡罗光线追迹分 学系统的聚光效率和聚光效果进行蒙特卡罗光线追迹 析，如图8所示。可见在没有棒锥镜的情况下，光线 分析，如图7所示，可知该系统在光线垂直入射时的 垂直入射时的光学效率为87.4%：入射光线偏折0.9° 光学效率为87%，在光线入射角为0.9°时的光学效率 时，系统的光学效率大幅下降到40%。所以，非成像 为79.2%，接近且大于垂直入射时光学效率的90%， 聚光光学系统必须包含二次聚光器，同时，高精度的 表7棒锥镜初始结构参数 Table 7 Initial structural parameters of trumpet lens 上端面半径mm下端面半径/mm高度/mm材料 3 1.2 10 BK7 表8棒锥镜最优结构参数 Table 8 Optimization structural parameters of trumpet lens 上端面半径mm下端面半径mm高度/mm材料 2 1.2 BK7 图6最优结构的非成像聚光光学系统的光路图 Fig.6 Optical path of NICO system with optimization structure (b) 3列：8310 22 0.21 4422 o.1 BI-6Il0 3.a DETEGEOR IE DCOEENT IREADI0HCE T CAZ21L-M园 器 共 图7不同入射条件下光学系统聚焦光斑辐照度分布，()光线垂直入射时；(b)光线入射角为0.9°时 Fig.7 Irradiance distribution of optical system under different incident conditions. (a)The incident angle is 0;(b)The incident angle is 0.9 (a) 1,13 (b) .25 7.213 1.20l 11,722 餐些 图8不同入射条件下非球面透镜聚焦光斑辐照度分布，()光线垂直入射时；(b)光线入射角为0.9°时 Fig.8 Irradiance distribution of aspheric lens under different incident conditions. (a)The incident angle is 0;(b)The incident angle is 0.9 190203-5

光电工程 https://doi.org/10.12086/oee.2020.190203 190203-5 构参数如表 8 所示，图 6 为基于最优结构棒锥镜的非 成像聚光光学系统光路图。 基于最优结构，对不同入射条件下非成像聚光光 学系统的聚光效率和聚光效果进行蒙特卡罗光线追迹 分析，如图 7 所示，可知该系统在光线垂直入射时的 光学效率为 87%，在光线入射角为 0.9°时的光学效率 为 79.2%，接近且大于垂直入射时光学效率的 90%， 所以该系统的接收角为 0.9°。 为了对比，同样对不同入射条件下单非球面透镜 的聚光效率和聚光效果进行了蒙特卡罗光线追迹分 析，如图 8 所示。可见在没有棒锥镜的情况下，光线 垂直入射时的光学效率为 87.4%；入射光线偏折 0.9° 时，系统的光学效率大幅下降到 40%。所以，非成像 聚光光学系统必须包含二次聚光器，同时，高精度的 图 6 最优结构的非成像聚光光学系统的光路图 Fig. 6 Optical path of NICO system with optimization structure 表 7 棒锥镜初始结构参数 Table 7 Initial structural parameters of trumpet lens 上端面半径/mm 下端面半径/mm 高度/mm 材料 3 1.2 10 BK7 表 8 棒锥镜最优结构参数 Table 8 Optimization structural parameters of trumpet lens 上端面半径/mm 下端面半径/mm 高度/mm 材料 2 1.2 9 BK7 图 7 不同入射条件下光学系统聚焦光斑辐照度分布。(a) 光线垂直入射时；(b) 光线入射角为 0.9°时 Fig. 7 Irradiance distribution of optical system under different incident conditions. (a) The incident angle is 0°; (b) The incident angle is 0.9° (a) (b) 图 8 不同入射条件下非球面透镜聚焦光斑辐照度分布。(a) 光线垂直入射时；(b) 光线入射角为 0.9°时 Fig. 8 Irradiance distribution of aspheric lens under different incident conditions. (a) The incident angle is 0°; (b) The incident angle is 0.9° (a) (b)