專利名稱：一種光源追蹤裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及光傳感裝置領域，尤其涉及對光源方向進行定位的光源追蹤裝置，用
于檢測追蹤獲取光源的最大光強的垂直入射。
背景技術：
太陽能是一種純凈又近乎無限的免費能源，因此對太陽能的利用一直不斷研究。 但是無論是采用什么方式對太陽能進行利用，均必須盡可能地使太陽能采集轉換裝置對準 太陽垂直入射角度，以最大限度的獲取太陽能輸入。因此，太陽能采集轉換裝置通常需要追 蹤定位傳感器進行調整。現有普遍使用的光源追蹤定位傳感器通常直接采用光電傳感器陳 列，主要是利用排列在不同方向光敏元件陣列，通過光電傳感器在不同方向接受的光強信 號進行比較太陽未正射時不同方向光電信號差異來進行跟蹤控制。以這種方式的優點是結 構簡單，但缺點也很多，主要缺點是分辨率。當小角度偏差時，不同方向接收的光信號偏差 很小，而受光電傳感器本身精度系統影響，在小角度時，光信號偏差難以以分辨，導致無法 提高分辨率。這樣設計方法在要求高精度對準時，光敏元件陣列的面積勢必要用很大，這 樣才來保證光電流差別能被探測出來，缺點是表面面積大，占用有限發電空間；需要在設備 上進行布線，在較大體積發電設備或較多的發電設備集群上使用不方便。同時因為傳感器 的接收面積增大后，容易附著異物或偶然出現的陰影，導致傳感器誤判，影響精度與浪費效 率。
發明內容
因此，針對已有的光源定位追蹤裝置的不足，本發明提出一種新的光源采集方式 和光電信號比較方式，使對光敏元件接收的光信號由原來的信號強度比較轉化為有無光信 號的比較，而且大大提高了微小角度判別的精度，從而實現小體積又高精度的光源追蹤裝置。 本發明的技術方案是 本發明的光源追蹤裝置，用于檢測追蹤獲取光源的最大光強的垂直入射，其包括 外殼和設置于外殼上的光學系統及外殼內的光敏器件，再將光敏器件轉換為可處理的電信 號傳輸至后端的控制系統進行運算處理。其中，所述的光學系統是以圓心軸等距間隔對稱 分布的楔角透鏡構成的光學系統，所述的楔角透鏡的楔角e滿足公式，
9 = arcsin(nO/nl)， 其中，9是楔角透鏡的楔角，nO是空氣的折射率，nl是楔角透鏡的折射率。
進一步的，所述的楔角透鏡是直角棱鏡片。 更進一步的，所述的直角棱鏡片是2個以上，以圓心軸等距間隔對稱分布。所述的 直角棱鏡片是2個，以圓心軸對稱分布于其左右?；蛘?，所述的直角棱鏡片是4個，以圓心 軸對稱分布于其上下左右。 進一步的，或者，所述的楔角透鏡是圓錐型透鏡。
更進一步的，所述的圓錐型透鏡是2個或以上，以圓心軸等距間隔對稱分布。
本發明的光源追蹤裝置當對應于以圓心軸對稱分布的楔角透鏡下的一對光敏器 件中的一個有信號獲取，對應另一個無信號獲取，則檢測的角度不是光源垂直入射角；當兩 個光敏器件均為相同信號獲取，則檢測的角度是光源垂直入射角。所述的相同信號獲取是 無信號獲取。 如上所述的光敏器件可以是光電二極管或太陽能電池或光電三極管等，能將光信 號轉換成電信號的一切光敏器件。 本發明采用如上技術方案，提出一種創新性的光源采集方式和光電信號比較方 式，通過這種光學系統實現的光源采集方式能夠使對光敏元件接收的光信號由原來的信號 強度比較轉化為有無光信號的比較，因此大大提高了微小角度判別的精度，從而實現小體 積又高精度的光源追蹤裝置。
圖1 (a)是本發明實施例1的剖視圖； 圖1 (b)是本發明實施例1的俯視圖； 圖2(a)是本發明實施例2的剖視圖； 圖2 (b)是本發明實施例2的俯視圖； 圖3(a)是本發明實施例3的一個透鏡的剖視圖； 圖3 (b)是本發明實施例3的俯視圖； 圖4(a)是一個楔角透鏡的光路圖； 圖4(b)是相對的另一個楔角透鏡的光路圖。
具體實施例方式
現結合附圖和具體實施方式
對本發明進一步說明。
本發明的技術方案是 參閱圖1(a)、圖1(b)、圖2(a)、圖2(b)和圖3(a)、圖3(b)所示，本發明的光源追 蹤裝置，用于檢測追蹤獲取光源的最大光強的垂直入射，其包括外殼1和設置于外殼1上的 光學系統3及外殼1內的光敏器件2，再將光敏器件2轉換為可處理的電信號傳輸至后端的 控制系統進行運算處理。其中，所述的光學系統3是以圓心軸IO等距間隔對稱分布的楔角 透鏡構成的光學系統，所述的楔角透鏡的楔角e滿足公式
9 = arcsin(nO/nl) 其中，9是楔角透鏡的楔角，nO是空氣的折射率，nl是楔角透鏡的折射率。
以圖1 (a)、圖2 (a)或圖3 (a)方式，按順序方向，將光敏器件2、光學系統3以圓心 軸10等距間隔對稱分布設置于外殼1上。并參閱圖4(a)和圖4(b)所示，對楔角透鏡構成 的光學系統3的光路進行分析。 當平行入射光源入射到光學系統3對稱分布的兩側楔角透鏡的光線分別出現了 不同變化，具體分析如下 參閱圖4(a)所示，光線入射左側透鏡時，情況如下 假設入射光線以射角入射，那么根據斯涅爾的幾何光學折射定律，以下等式成
rioSin(4)》=r^sin(4)2) n。sin(Q) = r^sind) 又根據三角形的角度關系a+cj)3 = 90°和0+小2+90° +9 =180° ，可以得出 (J) 3 = 9 + (J) 2 其中，n。為空氣折射率；ni為透鏡折射率；9為透鏡楔角；Q。為透鏡的全反射臨
界角度，即Q 。 = arcsin (nO/nl)。 (j^ :光線由空氣入射到透鏡的入射角； 小2 :光線由空氣入射到透鏡的出射角； 小3 :光線由透鏡入射到空氣的入射角； Q :光線由透鏡入射到空氣的出射角。 假設我們希望從此側入射的光線不能透射穿過透鏡，則須滿足小3大于透鏡的全 反射臨界角度Q。，即 小3 = e +小2 > Q。........................條件1 必須成立，就是說即使小2以0 Q。范圍出射，只要滿足條件l，則入射光線肯定
不能投射過透鏡，為滿足這一條件，則e > Q。必須成立。換言之，小2肯定為>0的角，則 當e > Q。滿足，可肯定滿足小3> Q。。
參閱圖4 (b)所示，光線入射右側透鏡時，情況如下 假設入射光線以射角入射，那么根據斯涅爾的幾何光學折射定律，以下等式成 其中，n。為空氣折射率；ni為透鏡折射率；9為透鏡楔角；Q。為透鏡的全反射臨
界角度，即Q 。 = arcsin (n0/nl)。 :光線由空氣入射到透鏡的入射角； V2 :光線由空氣入射到透鏡的出射角； V3 :光線由透鏡入射到空氣的入射角； Q :光線由透鏡入射到空氣的出射角； 假設我們希望從此側入射的光線能透射穿過透鏡，則須滿足小3大于透鏡的全反 射臨界角度Q。，即 ij/3= e-ij;2《Q。........................條^牛2 必須成立，就是說即使小2以0 Q。范圍入射，只要滿足條件2，則入射光線肯定 不能透射過透鏡，為滿足這一條件，則9《Q。必須成立。換言之，￥2肯定為>0的角，則
當e > Q。滿足，可肯定滿足v3《Q。。 綜上所述如要實現在任意情況下左右側楔角透鏡對光線分別為光開關器件，即
一側有光輸入，相對另一側無光輸入，則充要條件是e = Q。。 因此，楔角透鏡的楔角9 =透鏡的全反射臨界角Q。 = arcsin(nO/nl)。
n。sin(v》r^sin(V2) n。sin(Q) :r^sin(iy"3)
同理，根據三角形的角度關系，可以得出
實施例1結構，參閱圖1(a)、圖1(b)所示，所述的楔角透鏡是采用直角棱鏡片31。 所述的直角棱鏡片是2個，以圓心軸IO對稱分布于其左右?；蛘?，所述的直角棱鏡片是4 個，以圓心軸10對稱分布于其上下左右。所述的直角棱鏡片31是2個以上，以圓心軸10 等距間隔對稱分布。優選的，本實施例采用對稱分布的4個直角棱鏡片。
實施例2結構，參閱圖2 (a)、圖2 (b)所示，所述的楔角透鏡是采用圓錐型透鏡32。 所述的圓錐型透鏡32是2個或以上，以圓心軸10等距間隔對稱分布。優選的，本實施例采 用對稱分布的2個圓錐型透鏡。 實施例3結構，參閱圖3(a)、圖3(b)所示，所述的楔角透鏡是采用直角棱鏡片31 少去一角，其上邊與斜邊延長線的夾角相當于如上所述的楔角透鏡的楔角e ，所述的梯形 棱鏡片31是2個以上，以圓心軸10等距間隔對稱分布。優選的，本實施例采用對稱分布的 3個梯形棱鏡片。 本發明中所述的楔角透鏡不僅限于上述3種實施例結構，只要透鏡截面滿足楔角 公式的要求的任意透鏡形狀均可實現。 本發明的光源追蹤裝置當對應于以圓心軸對稱分布的楔角透鏡下的一對光敏器 件中的一個有信號獲取，對應另一個無信號獲取，則檢測的角度不是光源垂直入射角；當兩 個光敏器件均為無信號獲取，則檢測的角度是光源垂直入射角。 本發明如上所述的光敏器件可以是光電二極管或太陽能電池或光電三極管等，能 將光信號轉換成電信號的一切光敏器件來實現。 本發明的原理相比于其它普通傳感器的光信號強度對比不同，是通過信號開關的 方式實現檢測的。因此，本發明能有效降低光電傳感器電路的噪聲，甚至可以采用更通用、 價格更低廉的光電傳感器，同時對光源的角度分辨率更高、搜索范圍更大，同時體積可以做 得很小非常便于應用。 盡管結合優選實施方案具體展示和介紹了本發明，但所屬領域的技術人員應該明 白，在不脫離所附權利要求書所限定的本發明的精神和范圍內，在形式上和細節上可以對 本發明做出各種變化，均為本發明的保護范圍。
權利要求
一種光源追蹤裝置，用于檢測追蹤獲取光源的最大光強的垂直入射，其包括外殼(1)和設置于外殼(1)上的光學系統(3)及外殼(1)內的光敏器件(2)，再將光敏器件(2)轉換為可處理的電信號傳輸至后端的控制系統進行運算處理，其特征在于所述的光學系統(3)是以圓心軸(10)等距間隔對稱分布的楔角透鏡構成的光學系統，所述的楔角透鏡的楔角θ滿足公式，θ＝arcsin(n0/n1)，其中，θ是楔角透鏡的楔角，n0是空氣的折射率，n1是楔角透鏡的折射率。
2. 根據權利要求1所述的光源追蹤裝置，其特征在于所述的楔角透鏡是直角棱鏡片(31) 。
3. 根據權利要求2所述的光源追蹤裝置，其特征在于所述的直角棱鏡片(31)是2個， 以圓心軸(10)對稱分布于其左右。
4. 根據權利要求2所述的光源追蹤裝置，其特征在于所述的直角棱鏡片(31)是2個 以上，以圓心軸(10)等距間隔對稱分布。
5. 根據權利要求4所述的光源追蹤裝置，其特征在于所述的直角棱鏡片(31)是4個， 以圓心軸(10)對稱分布于其上下左右。
6. 根據權利要求1所述的光源追蹤裝置，其特征在于所述的楔角透鏡是圓錐型透鏡(32) 。
7. 根據權利要求6所述的光源追蹤裝置，其特征在于所述的圓錐型透鏡(32)是2個 或以上，以圓心軸(10)等距間隔對稱分布。
8. 根據權利要求l所述的光源追蹤裝置，其特征在于當對應于以圓心軸(10)對稱分 布的楔角透鏡下的一對光敏器件(2)中的一個有信號獲取，對應另一個無信號獲取，則檢 測的角度不是光源垂直入射角；當兩個光敏器件(2)均為相同信號獲取，則檢測的角度是 光源垂直入射角。
9. 根據權利要求8所述的光源追蹤裝置，其特征在于所述的相同信號獲取是無信號 獲取。
10. 根據權利要求1或8所述的光源追蹤裝置，其特征在于所述的光敏器件(2)是光電二極管或太陽能電池或光電三極管。
全文摘要
本發明涉及光傳感裝置領域，尤其涉及對光源方向進行定位的光源追蹤裝置，用于檢測追蹤獲取光源的最大光強的垂直入射。本發明的光源追蹤裝置，用于檢測追蹤獲取光源的最大光強的垂直入射，其包括外殼和設置于外殼上的光學系統及外殼內的光敏器件，再將光敏器件轉換為可處理的電信號傳輸至后端的控制系統進行運算處理。其中，所述的光學系統是以圓心軸等距間隔對稱分布的楔角透鏡構成的光學系統，所述的楔角透鏡的楔角θ滿足公式θ＝arcsin(n0/n1)；其中，θ是楔角透鏡的楔角，n0是空氣的折射率，n1是楔角透鏡的折射率。本發明的方案大大提高了微小角度判別的精度，從而實現小體積又高精度的光源追蹤裝置。
文檔編號G01J1/04GK101699232SQ200910193289
公開日2010年4月28日 申請日期2009年10月21日 優先權日2009年10月21日
發明者陳鵬 申請人:芯銳電(廈門)光電科技有限公司
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
