專利名稱：自然光收集器、照明系統(tǒng)和電子系統(tǒng)光源裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及直接利用自然光作為光源的照明系統(tǒng)和電子系統(tǒng)光源裝置，特別是采 用光學(xué)元件進(jìn)行專門設(shè)計(jì)的自然光收集器，將自然光經(jīng)過匯聚、收集、傳輸?shù)裙鈱W(xué)過程 得到需要的光源，如用于自然光不能直接照射到的需要照明的空間，或用于需要背光照 明的電子設(shè)備，包括液晶顯示設(shè)備、投影儀等。屬于光學(xué)照明技術(shù)領(lǐng)域和光源技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
自然光是自然界最清潔的能源，人們對(duì)于自然光的認(rèn)識(shí)和利用也在不斷探索中。 目前人們熱衷研究的光伏電池或太陽能電池是將光能轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存起來，主要利用的 是自然光的熱紅外光譜區(qū)，將光譜中的熱能進(jìn)行轉(zhuǎn)化，對(duì)于可見光譜沒有進(jìn)行轉(zhuǎn)化。然 后利用儲(chǔ)存的電能去驅(qū)動(dòng)電發(fā)光設(shè)備提供照明或?yàn)槠渌O(shè)備提供電能。單純從自然光 一〉電能一〉發(fā)光照明過程來看，進(jìn)行照明的這個(gè)需求并沒有通過直接利用自然光的可 見光，而是利用了自然光的熱紅外光，顯然效率不高。
而實(shí)際生活中，即使在日光照射十分充沛的白天，作為人類工作和生活的大部分 空間卻是在房間或辦公室內(nèi)部，由于沒有自然光的直接照射，經(jīng)常需要使用各種電燈進(jìn) 行照明，特別是對(duì)于密閉的工廠、庫房等空間，由于四處密閉，沒有任何自然光進(jìn)入， 需要終日用電照明。這種能源消耗是巨大的。但所有建筑物外墻和屋頂都能感受到自然 光，卻沒有充分利用，如果能夠把這些自然光經(jīng)過某種技術(shù)手段直接引入房間內(nèi)部，可 以完全替代電能驅(qū)動(dòng)的發(fā)光設(shè)備，將為節(jié)約能源減少污染提供最佳的解決方案。
另一方面，在很多電子設(shè)備的顯示系統(tǒng)也需要光源，如液晶顯示^1，其背光光源 是液晶顯示器耗電最多的部件，如果能夠?qū)⒆匀还庵苯右腚娮釉O(shè)備作為發(fā)光光源，將 極大降低液晶顯示器的耗電量，從而提高電子設(shè)備如筆記本電腦、移動(dòng)終端等設(shè)備的電 池使用時(shí)間。
在專利申請(qǐng)?zhí)枮?00510017052. 0題為"二維非成像式太陽光吸收及傳送照明器" 的中國(guó)專利公開文件中披露了采用計(jì)算機(jī)計(jì)算的專門二維曲面收集太陽光，解決跟蹤太 陽光變動(dòng)的問題。
在專利號(hào)為ZL 93227562. l題為"光導(dǎo)傳輸照明裝置"的中國(guó)專利公開文件中披 露了采用一個(gè)凸透鏡和一個(gè)紅外濾光片將自然光匯聚到光纖中的一種方法。
在專利號(hào)為ZL 200420112108. l題為"光纖集光及發(fā)散照明裝置"的中國(guó)專利公 開文件中披露了采用凸透鏡聚光、光纖傳導(dǎo)光、凹透鏡分散光的處理設(shè)計(jì)自然光照明的方法。
在專利號(hào)為ZL 200520073663. 2題為"節(jié)能型室內(nèi)采光照明裝置"的中國(guó)專利公 開文件中披露了采用凸透鏡、凹面鏡聚光、光纖傳導(dǎo)光、玻璃球分散光的處理設(shè)計(jì)自然 光照明的方法。
在專利號(hào)為ZL 200420003297. 9題為"太陽光采光照明裝置"的中國(guó)專利公開文 件中披露了采用凸透鏡、光纖傳導(dǎo)光的處理設(shè)計(jì)自然光照明的方法。
在專利號(hào)為ZL 97247820. 5題為"太陽能光纖照明裝置"的中國(guó)專利公開文件中 披露了采用光反射曲面、光纖傳導(dǎo)光的處理設(shè)計(jì)自然光照明的方法。
在專利號(hào)為ZL200520077493. 5題為"自然光照明燈"的專利中公開了采用凹透鏡 進(jìn)行自然光采集和提供照明的方法，所采用的凹透鏡不具有反射光功能，因此其光路是 有問題的。
在專利號(hào)為ZL200620024986. 7題為"一種陽光集散器"的專利中公開了采用凸透 鏡、拋物面反射進(jìn)行自然光采集和提供照明的方法，所采用的凸透鏡是聚焦功能，經(jīng)過 拋物反射面反射后并不能有效匯聚到另一個(gè)拋物面上，采集效果差。
在專利號(hào)為ZL200620024361.0題為"陽光集散器"的專利中公開了采用凸透鏡、 凹透鏡進(jìn)行自然光采集和提供照明的方法，所采用的凸透鏡和凹透鏡是由多個(gè)內(nèi)外弧面 構(gòu)成，同時(shí)必須保證每個(gè)內(nèi)外弧面焦點(diǎn)重合，加工困難，而且沒有將自然光本身是接近 平行光來考慮，采集效率不高。
在專利號(hào)為ZL89217926. 0題為"陽光反射照明裝置"的專利中公開了自動(dòng)跟蹤太 陽的方法。
在專利號(hào)為ZL200620078509. 9題為"太陽能照明系統(tǒng)"的專利中公開了采用太陽 灶、聚光面、光纖的自然光照明方法，由于沒有考慮聚光造成的高熱以及在光纖中傳輸 的非平行光線使光能損失。
在專利申請(qǐng)?zhí)枮?00410010807. X題為"太陽能網(wǎng)絡(luò)自然光照明加熱裝置統(tǒng)"的專 利申請(qǐng)中公開了采用聚光鏡、光纖的自然光照明方法，同樣沒有考慮聚光造成的高熱以 及在光纖中傳輸?shù)姆瞧叫泄饩€使光能損失。
在專利號(hào)為ZL97247820. 5題為"太陽能光纖照明裝置"的專利中公開了采用聚光 曲面、光纖的自然光照明方法，由于沒有考慮聚光造成的高熱以及在光纖中傳輸?shù)姆瞧?行光線使光能損失。
在專利號(hào)為ZL200420003297. 9題為"太陽光采光照明裝置"的專利中公開了采用 凸透鏡、光纖的自然光照明方法，由于沒有考慮聚光造成的高熱以及在光纖中傳輸?shù)姆?平行光線使光能損失。
以上公開的方法沒有解決如下問題如何防止在匯聚自然光時(shí)過熱？如何有效聚 集太陽光？如何提高光傳導(dǎo)的效率？如何將自然光收集后用于電子設(shè)備？
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出一種創(chuàng)新的自然光收集器、照明系統(tǒng)和電子系統(tǒng)光源裝置，希望能夠 將自然光直接引入到建筑物內(nèi)，在外部自然光有一定照明度時(shí)，為室內(nèi)提供直接的照明 而不需要消耗任何其它能源。同時(shí)將自然光引入電子設(shè)備，提供電子設(shè)備需要的發(fā)光光 源以極大降低電子設(shè)備的耗電量。并且防止太陽光匯聚時(shí)產(chǎn)生很高熱量的問題，同時(shí)減 少光導(dǎo)傳輸損失以提高光傳輸效率。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是
以自然光作為光源的自然光收集器，是將自然光經(jīng)過光學(xué)匯聚、準(zhǔn)直、傳輸過程 變成可以控制照射區(qū)域的光。
自然光收集器的一種方案包括-
一個(gè)采用反射曲面反射匯聚自然光的第一光學(xué)元件；典型的反射曲面是拋物面反射 曲面，在曲面的表面上覆蓋全反射膜，理想的是使用3M公司的金屬全反射膜或玻璃反 射材料膜，如3M Scotchlite "視覺麗"反光材料，在可見光譜范圍內(nèi)的反射效率較 高；該反射曲面做得越大，匯聚的自然光越多；自然光是來自太陽或月亮的照射光，由 于太陽和月亮距離地球很遠(yuǎn)，可以把照射到反射曲面的自然光看作平行光，根據(jù)光學(xué)原 理，拋物曲面具有將照射的平行光線匯聚到其焦點(diǎn)處的功能， 一些太陽能電池設(shè)計(jì)中也 經(jīng)常采用。
一個(gè)采用反射曲面準(zhǔn)直第一光學(xué)元件所匯聚的光線的第二光學(xué)元件；典型的也是采
用具有全反射材料的拋物曲面。 一個(gè)傳輸?shù)诙鈱W(xué)元件所反射光的第三光學(xué)元件。
在該方案的自然光收集器中，所述第一光學(xué)元件與第二光學(xué)元件的光學(xué)面相對(duì)放 置，第三光學(xué)元件與第二光學(xué)元件光學(xué)連接；
所述第一光學(xué)元件與第二光學(xué)元件的光學(xué)軸線重合，光學(xué)焦點(diǎn)位置重疊，且第一光 學(xué)元件的光學(xué)面比第二光學(xué)元件的光學(xué)面大得多；這樣設(shè)計(jì)，可以將自然光通過第一光 學(xué)元件匯聚然后由第二光學(xué)元件轉(zhuǎn)變?yōu)檩^集中的平行光。其結(jié)果是自然光經(jīng)過第一光學(xué) 反射曲面和第二光學(xué)反射曲面的處理，將自然光匯聚為一束亮度很高的平行光線。
所述第三光學(xué)元件采用光纖或光纜。由于光纖或光纜傳輸光的性能很高，可以極大 減少傳輸中的光損耗，而且通過第二光學(xué)元件轉(zhuǎn)變?yōu)檩^集中的平行光直射入光纖或光 纜，可以確保在光纖或光纜中傳輸時(shí)以全反射方式傳輸光，提高光的傳輸效率。
自然光收集器的另一種方案包括
一個(gè)采用透鏡匯聚自然光的第一光學(xué)元件；典型的是凸透鏡，根據(jù)光學(xué)原理，平行 光線照射到凸透鏡上，光線將在其焦點(diǎn)處匯聚，然后再?gòu)慕裹c(diǎn)處如點(diǎn)光源一樣射出。
一個(gè)采用透鏡準(zhǔn)直第一光學(xué)元件所匯聚的光線的第二光學(xué)元件；典型的是凸透鏡， 根據(jù)光學(xué)原理，從凸透鏡焦點(diǎn)處射出的光線照射到凸透鏡上，將形成平行光線，也稱為 準(zhǔn)直光線。
一個(gè)傳輸?shù)诙鈱W(xué)元件所透射光的第三光學(xué)元件。
在該方案的自然光收集器中，所述第一光學(xué)元件與第二光學(xué)元件并排放置，第三光 學(xué)元件與第二光學(xué)元件光學(xué)連接；
所述第一光學(xué)元件與第二光學(xué)元件的光學(xué)軸線重合，光學(xué)焦點(diǎn)位置重疊，且第一光 學(xué)元件的光學(xué)面比第二光學(xué)元件的光學(xué)面大得多；其結(jié)果是自然光經(jīng)過第一光學(xué)透鏡和 第二光學(xué)透鏡的處理，將自然光匯聚為一束亮度很高的平行光線。
所述第三光學(xué)元件采用光纖或光纜。
自然光收集器的第三種方案，包括
一個(gè)采用反射曲面反射匯聚自然光的第一光學(xué)元件；典型的反射曲面是拋物面反射 曲面，在曲面的表面上覆蓋全反射膜，理想的是使用3M公司的金屬全反射膜或玻璃反 射材料膜，如3M Scotchlite "視覺麗"反光材料，在可見光譜范圍內(nèi)的反射效率較 高；該反射曲面做得越大，匯聚的自然光越多；自然光是來自太陽或月亮的照射光，由
于太陽和月亮距離地球很遠(yuǎn)，可以把照射到反射曲面的自然光看作平行光，根據(jù)光學(xué)原
理，拋物曲面具有將照射的平行光線匯聚到其焦點(diǎn)處的功能， 一些太陽能電池設(shè)計(jì)中也 經(jīng)常采用。
一個(gè)采用透鏡準(zhǔn)直第一光學(xué)元件所匯聚的光線的第二光學(xué)元件；典型的是凸透鏡， 根據(jù)光學(xué)原理，從凸透鏡焦點(diǎn)處射出的光線照射到凸透鏡上，將形成平行光線，也稱為 準(zhǔn)直光線。
一個(gè)傳輸?shù)诙鈱W(xué)元件所透射光的第三光學(xué)元件。
在該方案的自然光收集器中，所述第一光學(xué)元件與第二光學(xué)元件并排放置，第三光 學(xué)元件與第二光學(xué)元件光學(xué)連接；
所述第一光學(xué)元件與第二光學(xué)元件的光學(xué)軸線重合，光學(xué)焦點(diǎn)位置重疊，且第一光 學(xué)元件的光學(xué)面比第二光學(xué)元件的光學(xué)面大得多；其結(jié)果是自然光經(jīng)過第一光學(xué)反射曲 面和第二光學(xué)透鏡的處理，將自然光匯聚為一束亮度很高的平行光線。
所述第三光學(xué)元件采用光纖或光纜。
一種采用自然光的照明系統(tǒng)，包括
過濾掉紅外光線的紅外光過濾第四光學(xué)元件；典型的是太陽膜，在汽車裝飾、房屋 裝飾的窗戶上經(jīng)常使用的一種光學(xué)膜，能夠使自然光中的具有熱性能的紅外光被太陽膜 反射，而使大部分的可見光透射的光學(xué)膜。經(jīng)過該光學(xué)元件的處理，可以過濾自然光中 的紅外光譜，減少自然光在光收集器上匯聚時(shí)產(chǎn)生的熱效應(yīng)。在3M公司的產(chǎn)品中也有 該種光學(xué)隔熱膜，如3M的晶銳膜(3M Cystalline)，隔熱效果較好，可以過濾90%以 上的熱紅外光譜的光線能量。
光源上述三種方案之一的自然光收集器收集經(jīng)上述紅外光過濾第四光學(xué)元件過濾 的自然光；經(jīng)過紅外光過濾光學(xué)元件過濾后的自然光主要是可見光，自然光收集器的技 術(shù)方案，前面列舉了三種，由于沒有采用任何能量轉(zhuǎn)換的器件，只有光線的光學(xué)處理， 自然光的可見光線能量損耗較少。經(jīng)過自然光收集器匯聚和處理后成為光能比較集中的 一束平行光光源，適合通過光纖或光纜傳輸。
還可選擇的包含將所述自然光收集器的自然光照射對(duì)準(zhǔn)太陽的隨動(dòng)系統(tǒng)；自然光來
源主要是太陽光，白天的太陽光是會(huì)隨著地球的自傳和地球繞太陽的公轉(zhuǎn)而相對(duì)地球轉(zhuǎn) 動(dòng)，為了使自然光收集器的收集效率最高，需要使射入自然光收集器的自然光接受面始 終對(duì)準(zhǔn)太陽的照射，因此需要增加一套隨動(dòng)系統(tǒng)跟隨太陽照射光線變化。跟隨太陽光線 的隨動(dòng)系統(tǒng)在大型太陽能光伏轉(zhuǎn)換設(shè)備中經(jīng)常來用，其技術(shù)方案作為本發(fā)明的公開知識(shí)
和技術(shù)引用。
將上述光源收集到的準(zhǔn)直光線轉(zhuǎn)變?yōu)辄c(diǎn)照明或線照明或面照明的第五光學(xué)元件。實(shí) 際使用中，人們對(duì)于光源有不同要求，有時(shí)需要點(diǎn)光源，即從一個(gè)點(diǎn)向外發(fā)射光，如電 燈泡，對(duì)于準(zhǔn)直光線可以采用凸透鏡進(jìn)fi^匯聚，在凸透鏡的焦點(diǎn)處形成匯聚的點(diǎn)光源。 還有些需要應(yīng)用到線光源，可以采用凹透鏡將準(zhǔn)直光線展開為線光源。當(dāng)需要面光源時(shí) 可以采用漫射膜將準(zhǔn)直光線漫射為面發(fā)光光源，或用多個(gè)凸透鏡形成的光學(xué)系統(tǒng)將一束 匯聚的平行光線展開為一個(gè)平面射出的平行面光源。
一種采用自然光的電子系統(tǒng)光源裝置，包括-
過濾掉紅外光線的紅外光過濾第四光學(xué)元件；典型的是太陽膜，在汽車裝飾、房屋 裝飾的窗戶上經(jīng)常使用的一種光學(xué)膜，能夠使自然光中的具有熱性能的紅外光被太陽膜 反射，而使大部分的可見光透射的光學(xué)膜。經(jīng)過該光學(xué)元件的處理，可以過濾自然光中 的紅外光譜，減少自然光在光收集器上匯聚時(shí)產(chǎn)生的熱效應(yīng)。在3M公司的產(chǎn)品中也有 該種光學(xué)隔熱膜，如3M的晶銳膜GM Cystalline)，隔熱效果較好，可以過濾90%以 上的熱紅外光譜的光線能量。
光源上述三種方案之一的自然光收集器收集經(jīng)上述紅外光過濾光學(xué)元件過濾的自 然光；
一個(gè)傳輸上述光源收集到的準(zhǔn)直光線的第五光學(xué)元件，可采用光纖或光纜；
還可選擇的包含將所述自然光收集器的自然光照射對(duì)準(zhǔn)太陽的隨動(dòng)系統(tǒng)；
所述第五光學(xué)元件將光線引入到電子系統(tǒng)中，作為電子系統(tǒng)的光源，可采用光纖或 光纜
電子系統(tǒng)光源裝置，包含采用自然光收集器的電子系統(tǒng)光源裝置中也包含原有的電 驅(qū)動(dòng)發(fā)光光源，當(dāng)自然光充足時(shí)，以自然光收集器收集的光為主要光源；當(dāng)自然光暗淡 時(shí)，以原有的電驅(qū)動(dòng)發(fā)光光源為主要光源。
本發(fā)明的有益效果是由于所采用的自然光收集器、照明系統(tǒng)和電子系統(tǒng)光源裝置 是把自然光通過光學(xué)處理采用光導(dǎo)方式傳送到需要照明的室內(nèi)，有效的利用太陽光等自 然光的可見光，實(shí)現(xiàn)在自然光存在的情況下直接采用自然光進(jìn)纟f照明，是一種清潔的能 源利用方式，不需要消耗其他任何能源即可提供日常照明、電子系統(tǒng)的背光光源，高效 而沒有任何環(huán)境污染。同時(shí)也為對(duì)于電池能源十分敏感的移動(dòng)電子設(shè)備節(jié)省能量提供一 種十分有效的解決方案。而且本發(fā)明將自然光收集器用于實(shí)際照明或作為電子設(shè)備光源 時(shí)，光線首先經(jīng)過過濾掉紅外光線的紅外光過濾光學(xué)元件，有效地濾除光譜中的紅外熱 能量，防止自然光收集器每個(gè)部件過熱。同時(shí)每種自然光收集器方案都將自然光準(zhǔn)直為 平行光后在傳送到光纖進(jìn)行光導(dǎo)傳輸，大大提高了傳輸效率，減少光損失；而且通過與 電子系統(tǒng)的原有光源系統(tǒng)進(jìn)行有效整合，保證電子系統(tǒng)白天節(jié)能、夜間利用電能仍可使 用的綜合能效系統(tǒng)。
圖1是采用凸透鏡組合光學(xué)元件實(shí)現(xiàn)自然光收集器的一種實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)框圖。 圖2是采用光反射曲面與凸透鏡等實(shí)現(xiàn)自然光收集器的另一種實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)框圖。 圖3是采用光反射曲面組合實(shí)現(xiàn)自然光收集器的另一種實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)框圖。 圖4是采用光學(xué)元件將匯聚的一束光線變成線光源、點(diǎn)光源或平行面光源的實(shí)現(xiàn) 示意圖。
圖5是采用自然光收集器實(shí)現(xiàn)照明的實(shí)現(xiàn)原理示意圖。 圖6是增加太陽光隨動(dòng)系統(tǒng)的自然光收集器原理示意圖。
圖7是采用自然光收集器提供光源與電子系統(tǒng)內(nèi)部原有光源整合的實(shí)現(xiàn)原理示意圖。
圖8是采用自然光收集器提供光源與電子系統(tǒng)內(nèi)部原有光源整合的另一個(gè)實(shí)現(xiàn)原 理示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理和工作原理進(jìn)行詳細(xì)說明。
圖l是采用凸透鏡組合光學(xué)元件實(shí)現(xiàn)自然光收集器的一種實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)框圖，自然 光102照射到凸透鏡101上，由于太陽光等自然光距離地球很遠(yuǎn)，可以把太陽光看成是 平行光線，根據(jù)光學(xué)原理，平行光線經(jīng)過凸透鏡101折射后匯聚到凸透鏡101的焦點(diǎn) 106 (單倍焦距位置處)處，然后再使用一個(gè)光學(xué)面遠(yuǎn)小于凸透鏡101的另一個(gè)凸透鏡 103接收匯聚的光，為了使經(jīng)過凸透鏡103的光線成為匯聚的平行光107，需要將凸透 鏡103的焦點(diǎn)與凸透鏡101的凸透鏡焦點(diǎn)重合，光學(xué)軸線重合，如圖中的焦點(diǎn)106處。 然后將從凸透鏡103射出的平fi^光107導(dǎo)入一束光纖或光纜104中進(jìn)行傳輸，由于入射 光線為平行光線，直射入光導(dǎo)傳輸?shù)墓饫w或光纜104中，可以保證在光纖或光纜104 中的管壁上實(shí)現(xiàn)完全全反射，提高傳輸效率，同時(shí)從光纖或光纜104射出的光線105 就是經(jīng)過匯聚收集和傳輸?shù)玫降囊皇吡炼裙?。凸透鏡103的焦距、光學(xué)面大小與凸透 鏡101的焦距、光學(xué)面大小選擇滿足如下條件-
凸透鏡103和凸透鏡101都采用圓形凸透鏡；
凸透鏡103和凸透鏡101光學(xué)軸線重合；
設(shè)定凸透鏡101的焦距為fl，光學(xué)面大小用凸透鏡的直徑來標(biāo)記dl; 設(shè)定凸透鏡103的焦距為f2，光學(xué)面大小用凸透鏡的直徑來標(biāo)記d2;
滿足關(guān)系式為
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實(shí)際實(shí)現(xiàn)中，dl越大，接收自然光的照射面越大，匯聚的太陽光也就越多，同時(shí) 價(jià)格會(huì)越高。d2的大小與進(jìn)行光導(dǎo)傳輸?shù)墓饫w或光纜104的有效傳輸截面相關(guān)。選擇 時(shí)保證經(jīng)過凸透鏡103折射射出的光線全部射入光纖或光纜104內(nèi)的光導(dǎo)元件中。由于 光纖具有可彎曲、光導(dǎo)傳輸效率高的特點(diǎn)， 一種實(shí)現(xiàn)方案是采用多根光纖形成的光纖電 纜進(jìn)行傳輸，可以在傳輸過程中使光纖線纜按需要的角度和形狀布線，有利于光的傳 輸。
圖2是采用光反射曲面與凸透鏡等實(shí)現(xiàn)自然光收集器的另一種實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)框圖。 在該實(shí)現(xiàn)中，采用光反射曲面201收集和匯聚自然光202,通常采用拋物線曲面。光反 射曲面201是在硬材料如金屬鐵構(gòu)成的拋物曲面內(nèi)表面覆蓋可見光全反射薄膜或鑲嵌 全反射玻璃材料制成，可以采用3M Scotchlite "視覺麗"反光材料。根據(jù)光學(xué)原理， 全反射拋物曲面有一個(gè)光學(xué)焦點(diǎn)206，照射到光反射曲面201的平行光線將匯聚到光學(xué) 焦點(diǎn)206。然后再使用一個(gè)凸透鏡203接收匯聚的光，為了使經(jīng)過凸透鏡203的光線成 為匯聚的平行光207，需要將凸透鏡203的焦點(diǎn)與光反射曲面201的光學(xué)焦點(diǎn)重合，光 學(xué)軸線重合，如圖中的焦點(diǎn)206處。然后將從凸透鏡203射出的平行光207導(dǎo)入一束光 纖或光纜204中進(jìn)行傳輸，由于入射光線為平行光線，直射入光導(dǎo)傳輸?shù)墓饫w或光纜 204中，可以保證在光纖或光纜204中的管壁上實(shí)現(xiàn)完全全反射，提高傳輸效率，同時(shí) 從光纖或光纜204射出的光線205就是經(jīng)過匯聚收集和傳輸?shù)玫降囊皇吡炼裙?。凸?鏡203的焦距、光學(xué)面大小與光反射曲面201的光學(xué)焦點(diǎn)、光學(xué)面大小選擇滿足如下條 件
光反射曲面201采用圓形全反射拋物曲面； 凸透鏡203采用圓形凸透鏡；
凸透鏡203光學(xué)軸線和光反射曲面201光學(xué)軸線重合；
設(shè)定光反射曲面201最大開口面距離光學(xué)焦點(diǎn)的距離為fl，光學(xué)面大小用最大開 口的直徑來標(biāo)記dl;
設(shè)定凸透鏡203的焦距為f2，光學(xué)面大小用凸透鏡的直徑來標(biāo)記d2;
滿足關(guān)系式為
dl:fl=d2:f2，或 dl承f2 = d2 + fl 且dl〉d2。
實(shí)際實(shí)現(xiàn)中，dl越大，接收自然光的照射面越大，匯聚的太陽光也就越多，同時(shí) 價(jià)格會(huì)越高。d2的大小與進(jìn)行光導(dǎo)傳輸?shù)墓饫w或光纜204的有效傳輸截面相關(guān)。選擇 時(shí)保證經(jīng)過凸透鏡203折射射出的光線全部射入光纖或光纜204內(nèi)的光導(dǎo)元件中。由于 光纖具有可彎曲、光導(dǎo)傳輸效率高的特點(diǎn)， 一種實(shí)現(xiàn)方案是采用多根光纖形成的光纖電 纜進(jìn)行傳輸，可以在傳輸過程中使光纖線纜按需要的角度和形狀布線，有利于光的傳 輸。
圖3是采用光反射曲面組合實(shí)現(xiàn)自然光收集器的另一種實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)框圖。在該實(shí) 現(xiàn)中，采用光反射曲面301收集和匯聚自然光302,通常采用拋物線曲面。光反射曲面 301是在硬材料如金屬鐵構(gòu)成的拋物曲面內(nèi)表面覆蓋可見光全反射薄膜或鑲嵌全反射 玻璃材料制成，可以采用3M Scotehlite "視覺麗"反光材料。根據(jù)光學(xué)原理，全反 射拋物曲面有一個(gè)光學(xué)焦點(diǎn)306，照射到光反射曲面301的平行光線將匯聚到光學(xué)焦點(diǎn) 306。然后再使用另一個(gè)光反射曲面303接收匯聚的光，光反射曲面303是在硬材料如 金屬鐵構(gòu)成的拋物曲面內(nèi)表面覆蓋可見光全反射薄膜或鑲嵌全反射玻璃材料制成，為了 使經(jīng)過光反射曲面303反射的光線成為匯聚的平行光307,需要將光反射曲面303的光 學(xué)焦點(diǎn)與光反射曲面201的光學(xué)焦點(diǎn)重合，光學(xué)軸線重合，如圖中的焦點(diǎn)306處。然后
將從光反射曲面303反射出的平行光307導(dǎo)入一束光纖或光纜304中進(jìn)行傳輸，由于入 射光線為平行光線，直射入光導(dǎo)傳輸?shù)墓饫w或光纜304中，可以保證在光纖或光纜304 中的管壁上實(shí)現(xiàn)完全全反射，提高傳輸效率，同時(shí)從光纖或光纜304射出的光線305 就是經(jīng)過匯聚收集和傳輸?shù)玫降囊皇吡炼裙狻９夥瓷淝?03的光學(xué)焦點(diǎn)、光學(xué)面大 小與光反射曲面301的光學(xué)焦點(diǎn)、光學(xué)面大小選擇滿足如下條件-
光反射曲面301采用圓形全反射拋物曲面； 光反射曲面303采用圓形全反射拋物曲面； 光反射曲面303光學(xué)軸線和光反射曲面301光學(xué)軸線重合；
設(shè)定光反射曲面301最大開口面距離光學(xué)焦點(diǎn)的距離為fl，光學(xué)面大小用最大開 口的直徑來標(biāo)記dl;
設(shè)定光反射曲面303最大開口面距離光學(xué)焦點(diǎn)的距離為f2，光學(xué)面大小用最大開 口的直徑來標(biāo)記d2;
滿足關(guān)系式為-
dl:fl=d2:f2，或
dl * f2 = d2 * fl
且dl〉d2。
實(shí)際實(shí)現(xiàn)中，dl越大，接收自然光的照射面越大，匯聚的太陽光也就越多，同時(shí) 價(jià)格會(huì)越高。d2的大小與進(jìn)行光導(dǎo)傳輸?shù)墓饫w或光纜304的有效傳輸截面相關(guān)。選擇 時(shí)保證經(jīng)過光反射曲面303反射射出的光線全部射入光纖或光纜304內(nèi)的光導(dǎo)元件中。 由于光纖具有可彎曲、光導(dǎo)傳輸效率高的特點(diǎn)， 一種實(shí)現(xiàn)方案是采用多根光纖形成的光 纖電纜進(jìn)行傳輸，可以在傳輸過程中使光纖線纜按需要的角度和形狀布線，有利于光 的傳輸。
圖4是采用光學(xué)元件將匯聚的一束光線變成線光源、點(diǎn)光源或平行面光源的實(shí)現(xiàn) 示意圖。在圖4(A)中，來自自然光收集器的匯聚光401射入一個(gè)凹透鏡402,根據(jù)光學(xué) 原理，通過凹透鏡402折射出的光線向外散射出去形成一個(gè)線光源或面光源。在圖4(B) 中，來自自然光收集器的匯聚光401射入一個(gè)凸透鏡404，根據(jù)光學(xué)原理，通過凸透鏡 404折射出的光線匯聚到凸透鏡404的光學(xué)焦點(diǎn)405形成點(diǎn)光源。在圖4(C)中，來自自 然光收集器的匯聚光401射入一個(gè)凸透鏡406，穿過凸透鏡406的光線再射入第二個(gè)凸
透鏡407，并使凸透鏡406與凸透鏡407的光學(xué)焦點(diǎn)重合在位置408且凸透鏡406的焦 距小于凸透鏡407的焦距，而且凸透鏡406的光學(xué)面小于凸透鏡406的光學(xué)面，相互之 間滿足如下關(guān)系
凸透鏡406和凸透鏡407都采用圓形凸透鏡；
凸透鏡406和凸透鏡407光學(xué)軸線重合；
設(shè)定凸透鏡406的焦距為fl，光學(xué)面大小用凸透鏡的直徑來標(biāo)記dl; 設(shè)定凸透鏡407的焦距為f2,光學(xué)面大小用凸透鏡的直徑來標(biāo)記d2;
滿足關(guān)系式為
dl:fl:d2:f2，或 dl + f2 = d2承fl 且dKd2。
根據(jù)光學(xué)原理，如圖示可以看出，經(jīng)過凸透鏡407折射射出的光為照射面擴(kuò)大的 平行光線的光源。
圖5是采用自然光收集器實(shí)現(xiàn)照明的實(shí)現(xiàn)原理示意圖。采用自然光進(jìn)行照明的光 學(xué)實(shí)例500，自然光501先照射到紅外光過濾薄膜502上，經(jīng)過紅外光過濾薄膜502過 濾掉大部分具有熱效應(yīng)的熱紅外光，減少后面光學(xué)元件的溫度變化，可以采用3M的晶 銳膜(3MCystalline)。然后將已過濾掉紅外光譜的光線射入凸透鏡503，從凸透鏡503 折射出的光線射入凸透鏡505，然后將凸透鏡505折射出的光線射入多束光纖507構(gòu)成 的光纜506中，經(jīng)過一段距離的光學(xué)傳輸后傳遞到凹透鏡508中，通過凹透鏡508的折 射輸出光線提供環(huán)境照明的光源509。在本實(shí)例中，紅外光過濾薄膜502、凸透鏡503、 凸透鏡505和光纜506構(gòu)成自然光收集器，紅外光過濾薄膜502、凸透鏡503、凸透鏡 505和光纜506的一部分封裝在一個(gè)硬質(zhì)材料如金屬或硬塑料構(gòu)成的結(jié)構(gòu)體504中。凸 透鏡503與凸透鏡505的光學(xué)參數(shù)選擇參照前面的圖1的參數(shù)選擇要求。
圖6是增加太陽光隨動(dòng)系統(tǒng)的自然光收集器原理示意圖。這樣的系統(tǒng)在大型太陽 能電池系統(tǒng)、太陽能采暖系統(tǒng)等中經(jīng)常使用，用于保證太陽光接收面總是對(duì)準(zhǔn)太陽。采 用本發(fā)明所述自然光收集器602連接在一個(gè)太陽光隨動(dòng)控制系統(tǒng)603上，當(dāng)太陽601 相對(duì)于地球旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度時(shí)，造成太陽光線不能直射自然光收集器602的光接收面，此 時(shí)太陽光隨動(dòng)控制系統(tǒng)603檢測(cè)到這樣的角度差異后將轉(zhuǎn)動(dòng)相同的角度，使太陽光線直
射自然光收集器602的光接收面，實(shí)現(xiàn)最大的光接收效率。自然光收集器602接收的光 經(jīng)過光導(dǎo)元件604進(jìn)行傳輸。
由于目前電子系統(tǒng)的光源通常是由電子系統(tǒng)內(nèi)部的電發(fā)光光源提供，為了使電子 系統(tǒng)在自然光充足條件下使用自然光作為光源，在自然光不夠時(shí)使用內(nèi)部電發(fā)光光源作 為光源，需要將兩種光源通過光學(xué)方式進(jìn)行整合。圖7是采用自然光收集器提供光源與 電子系統(tǒng)內(nèi)部原有光源整合的實(shí)現(xiàn)原理示意圖。在該實(shí)現(xiàn)實(shí)例中，來自上述自然光收集 器的光線可以經(jīng)過光纖或光纜傳輸引入電子系統(tǒng)內(nèi)部作為自然光光源的光線701以45 度入射角照射到由光學(xué)全反射面構(gòu)成的反射壁702上，經(jīng)過反射，以135度出射角射出 照射到用于光線混合的凸透鏡706上，由凸透鏡706的折射輸出光707;同時(shí)來自電子 系統(tǒng)內(nèi)部電發(fā)光光源705的光線經(jīng)過全反射光學(xué)曲面704的反射成為一束準(zhǔn)直光線以 45度入射角照射到由光學(xué)全反射面構(gòu)成的反射壁703上，經(jīng)過反射，以135度出射角 射出照射到用于光線混合的凸透鏡706上，由凸透鏡706的折射輸出光707。經(jīng)過這樣 的光學(xué)處理，兩種光源的光混合成為一束光線作為電子系統(tǒng)內(nèi)部的光源。當(dāng)自然光充足 時(shí)，可以關(guān)閉電子系統(tǒng)內(nèi)部電發(fā)光光源705，仍然保證電子系統(tǒng)的工作，極大地降低了 能源消耗。在自然光不充足時(shí)，如夜間，可以開啟電子系統(tǒng)內(nèi)部電發(fā)光光源705，保證 電子系統(tǒng)繼續(xù)按原來的方式運(yùn)行。當(dāng)全反射光學(xué)曲面704為拋物曲面時(shí)，通常電子系統(tǒng) 內(nèi)部電發(fā)光光源705位于全反射光學(xué)曲面704的光學(xué)焦點(diǎn)處以獲得最大光學(xué)反射效果。
專利號(hào)為97193360. X題為"LCD投影器用的偏振照明系統(tǒng)"的專利公開文件披露 了將多種光源匯聚為單一光源的方法，該專利申請(qǐng)已經(jīng)"公布后撤回"，作為公知技術(shù)， 其公開的"將兩束準(zhǔn)直光束從空間進(jìn)行積分的物品"方案作為本文進(jìn)行兩束光匯聚為一 束光的實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行引用。圖8是采用自然光收集器提供光源與電子系統(tǒng)內(nèi)部原有光源 整合的另一個(gè)實(shí)現(xiàn)原理示意圖。在這個(gè)實(shí)現(xiàn)當(dāng)中，采用引用專利申請(qǐng)公告中所述的空間 積分器元件把采用自然光收集器提供光源與電子系統(tǒng)內(nèi)部原有光源整合形成一個(gè)單一 光源。來自上述自然光收集器的光線可以經(jīng)過光纖或光纜傳輸引入電子系統(tǒng)內(nèi)部作為自 然光光源的光線701射入空間積分器元件801，同時(shí)電子系統(tǒng)內(nèi)部原有光源705的光線 經(jīng)過全反射光學(xué)曲面704的反射成為一束準(zhǔn)直光線射入空間積分器元件801，然后經(jīng)過 正圓柱形菲涅耳透鏡804和負(fù)的圓柱形透鏡802變成混合的準(zhǔn)直光源作為電子系統(tǒng)的光 源803。經(jīng)過這樣的光學(xué)處理，兩種光源的光混合成為一束光線作為電子系統(tǒng)內(nèi)部的光 源。當(dāng)自然光充足時(shí)，可以關(guān)閉電子系統(tǒng)內(nèi)部電發(fā)光光源705，仍然保證電子系統(tǒng)的工
作，極大地降低了能源消耗。在自然光不充足時(shí)，如夜間，可以開啟電子系統(tǒng)內(nèi)部電發(fā) 光光源705，保證電子系統(tǒng)繼續(xù)按原來的方式運(yùn)行。當(dāng)全反射光學(xué)曲面704為拋物曲面 時(shí)，通常電子系統(tǒng)內(nèi)部電發(fā)光光源705位于全反射光學(xué)曲面704的光學(xué)焦點(diǎn)處以獲得最 大光學(xué)反射效果。
權(quán)利要求
1.一種自然光收集器，包括一個(gè)采用透鏡匯聚自然光的第一光學(xué)元件；一個(gè)采用透鏡準(zhǔn)直第一光學(xué)元件所匯聚的光線的第二光學(xué)元件；一個(gè)傳輸?shù)诙鈱W(xué)元件所透射光的第三光學(xué)元件。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的自然光收集器，其特征是所述第一光學(xué)元件與第二光學(xué)元件并排放置，第三光學(xué)元件與第二光學(xué)元件光學(xué)連 接；所述第一光學(xué)元件與第二光學(xué)元件的光學(xué)軸線重合，光學(xué)焦點(diǎn)位置重疊，且第一光 學(xué)元件的光學(xué)面比第二光學(xué)元件的光學(xué)面大得多；所述第三光學(xué)元件采用光纖或光纜。
3. —種自然光收集器，包括一個(gè)采用反射曲面反射匯聚自然光的第一光學(xué)元件；一個(gè)采用反射曲面準(zhǔn)直第一光學(xué)元件所匯聚的光線的第二光學(xué)元件；一個(gè)傳輸?shù)诙鈱W(xué)元件所反射光的第三光學(xué)元件。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的自然光收集器，其特征是所述第一光學(xué)元件與第二光學(xué)元件的光學(xué)面相對(duì)放置，第三光學(xué)元件與第二光學(xué)元 件光學(xué)連接；所述第一光學(xué)元件與第二光學(xué)元件的光學(xué)軸線重合，光學(xué)焦點(diǎn)位置重疊，且第一光 學(xué)元件的光學(xué)面比第二光學(xué)元件的光學(xué)面大得多；所述第三光學(xué)元件采用光纖或光纜。
5. —種自然光收集器，包括一個(gè)采用反射曲面反射匯聚自然光的第一光學(xué)元件；一個(gè)采用透鏡準(zhǔn)直第一光學(xué)元件所匯聚的光線的第二光學(xué)元件；一個(gè)傳輸?shù)诙鈱W(xué)元件所透射光的第三光學(xué)元件。
6. 裉據(jù)權(quán)利要求5所述的自然光收集器，寞特征是所述第一光學(xué)元件與第二光學(xué)元件并排放置，第三光學(xué)元件與第二光學(xué)元件光學(xué)連 接； 所述第一光學(xué)元件與第二光學(xué)元件的光學(xué)軸線重合，光學(xué)焦點(diǎn)位置重疊，且第一光 學(xué)元件的光學(xué)面比第二光學(xué)元件的光學(xué)面大得多；所述第三光學(xué)元件采用光纖或光纜。
7. —種采用自然光的照明系統(tǒng)，包含 過濾掉紅外光線的紅外光過濾第四光學(xué)元件；光源采用權(quán)力要求1或權(quán)力要求3或權(quán)力要求5所述的自然光收集器收集經(jīng)上述 紅外光過濾第四光學(xué)元件過濾的自然光；將上述光源收集到的準(zhǔn)直光線轉(zhuǎn)變?yōu)辄c(diǎn)照明或線照明或面照明的第五光學(xué)元件； 還可選擇的包含將所述自然光收集器的自然光照射對(duì)準(zhǔn)太陽的隨動(dòng)系統(tǒng)。
8. —種采用自然光的電子系統(tǒng)光源裝置，包括 過濾掉紅外光線的紅外光過濾第四光學(xué)元件；光源采用權(quán)力要求1或權(quán)力要求3或權(quán)力要求5所述的自然光收集器收集經(jīng)上述 紅外光過濾第四光學(xué)元件過濾的自然光；一個(gè)傳輸上述光源收集到的準(zhǔn)直光線的第五光學(xué)元件，可采用光纖或光纜； 還可選擇的包含將所述自然光收集器的自然光照射對(duì)準(zhǔn)太陽的隨動(dòng)系統(tǒng)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的電子系統(tǒng)光源裝置，其特征是所述第五光學(xué)元件將光線引入 到電子系統(tǒng)中，作為電子系統(tǒng)的光源。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8或權(quán)利要求9所述的電子系統(tǒng)光源裝置，其特征是包含采用自然光 收集器的電子系統(tǒng)光源裝置中也包含原有的電驅(qū)動(dòng)發(fā)光光源，當(dāng)自然光充足時(shí)，以 自然光收集器收集的光為主要光源；當(dāng)自然光暗淡時(shí)，以原有的電驅(qū)動(dòng)發(fā)光光源為 主要光源。
全文摘要
自然光收集器、照明系統(tǒng)和電子系統(tǒng)光源裝置，以自然光作為光源，采用多個(gè)光學(xué)元件將自然光進(jìn)行收集匯聚后通過光導(dǎo)傳輸，提供一種十分環(huán)保的照明系統(tǒng)，可以廣泛應(yīng)用于日常樓宇照明、需要光源的電子系統(tǒng)，如液晶顯示器、投影儀等。
文檔編號(hào)G02B27/00GK101174027SQ200710175849
公開日2008年5月7日 申請(qǐng)日期2007年10月15日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月15日
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