專(zhuān)利名稱(chēng)：聚光系統(tǒng)的制作方法
聚光系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域：
在此披露的本發(fā)明涉及一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)，特別涉及一個(gè)用于聚集光能的聚光光伏系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
雖然陽(yáng)光這種太陽(yáng)能發(fā)電的能源，看似豐富和無(wú)燃料費(fèi)，但是陽(yáng)光的這些好處卻要被太陽(yáng)能發(fā)電光伏(PV)電池的相當(dāng)昂貴而抵消。而且，由于這些PV電池相當(dāng)?shù)偷男埽?PV電池就需要占用相當(dāng)大的面積，才能產(chǎn)生足夠量的電力。因此，提高PV電池的效能會(huì)降低太陽(yáng)能發(fā)電的成本和/或增加太陽(yáng)能發(fā)電裝機(jī)容量。聚光光伏(CPV)系統(tǒng)是通過(guò)光學(xué)元件將陽(yáng)光聚集到相當(dāng)小的太陽(yáng)能電池上，減少使用昂貴的太陽(yáng)能電池材料。CPV技術(shù)是一種將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能的很重要的方法。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供能有效聚集光能的裝置和方法。一種裝置，包括一個(gè)聚光器，用于將入射光轉(zhuǎn)換為會(huì)聚光；一個(gè)光準(zhǔn)直元件，用于接受所述會(huì)聚光，并減小所述會(huì)聚光的會(huì)聚角度；一個(gè)光引導(dǎo)元件，用于引導(dǎo)所述減小角度的會(huì)聚光到一個(gè)光導(dǎo)以傳輸所述弓I導(dǎo)光。一種方法，包括收集并會(huì)聚入射光到一個(gè)光準(zhǔn)直元件上；通過(guò)所述光準(zhǔn)直元件以減小所述會(huì)聚光的會(huì)聚角度；將所述減小角度的會(huì)聚光轉(zhuǎn)向引導(dǎo)到一個(gè)光導(dǎo)以傳輸所述引導(dǎo)光。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于利用光準(zhǔn)直元件來(lái)減小會(huì)聚光的會(huì)聚角度，從而使準(zhǔn)直后的會(huì)聚光更容易在光導(dǎo)內(nèi)以全反射形式傳播，避免了由于遮擋、反射等造成的解耦作用而導(dǎo)致的光損失，從而獲得更高的光學(xué)效率。本發(fā)明貢獻(xiàn)在于，由于獨(dú)特的光學(xué)準(zhǔn)直與光導(dǎo)設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)具有大的光學(xué)容忍角度(大大降低對(duì)追蹤器精度要求)、低光學(xué)損耗(可獲得超高光電轉(zhuǎn)換效率)、超高聚光比 (進(jìn)一步降低對(duì)電池材料需求)的優(yōu)異特性，且簡(jiǎn)單可靠，是低成本的聚光太陽(yáng)能系統(tǒng)的行之有效的解決方案之一。

將參照以下附圖描述本發(fā)明的非限制性和非窮盡性的實(shí)施例，其中在整個(gè)說(shuō)明書(shū)里相同參照碼是指相同部件，除非特別加以說(shuō)明。圖1是一個(gè)實(shí)施例的聚光系統(tǒng)的截面圖。圖2是一個(gè)實(shí)施例的聚光系統(tǒng)的透視圖。圖3是一個(gè)實(shí)施例的聚光系統(tǒng)的一部分的截面圖。圖4是一個(gè)實(shí)施例的聚光系統(tǒng)的截面圖。圖5-17是多個(gè)實(shí)施例的聚光系統(tǒng)的一部分的截面圖。具體實(shí)施方式
在以下的詳細(xì)描述中，闡述了眾多具體細(xì)節(jié)，以便能夠全面理解本發(fā)明主題。但是，本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)明白，在沒(méi)有這些具體細(xì)節(jié)的情況下也可以實(shí)施本發(fā)明主題。另外，本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的方法、裝置或系統(tǒng)將不作詳細(xì)描述，以免混淆所主張的發(fā)明主題。在整個(gè)說(shuō)明書(shū)里，“一個(gè)實(shí)施例”可以是指關(guān)于一個(gè)特別實(shí)施例而描述的一個(gè)特別特征、結(jié)構(gòu)或特性，該特別實(shí)施例可以包含在本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例內(nèi)。因此，在說(shuō)明書(shū)里各個(gè)地方出現(xiàn)的“在一個(gè)實(shí)施例里”不一定意在指同一實(shí)施例或描述的任何一個(gè)特別實(shí)施例。此外，可以理解，在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例里，特定特征、結(jié)構(gòu)或特性可以以各種方式進(jìn)行組合。當(dāng)然，這樣那樣的問(wèn)題可隨特定上下文的使用不同而不同。因此，描述的特定上下文或這些術(shù)語(yǔ)的使用能夠提供關(guān)于將對(duì)所述情形得出的推論的有益的指導(dǎo)。在一個(gè)實(shí)施例中，聚光系統(tǒng)可以包括一個(gè)或多個(gè)聚光器和一個(gè)光導(dǎo)結(jié)構(gòu)。例如，該系統(tǒng)可以通過(guò)光學(xué)元件將太陽(yáng)光聚集到相當(dāng)小的光伏(PV)電池上，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能。 聚光器可將入射陽(yáng)光聚集到光準(zhǔn)直器和/或光引導(dǎo)元件(light directing elements)上。 例如，光準(zhǔn)直和/或光引導(dǎo)元件可以將聚集的入射光準(zhǔn)直在相當(dāng)小的會(huì)聚角度內(nèi)，并引導(dǎo)該準(zhǔn)直光到一個(gè)光導(dǎo)結(jié)構(gòu)，這將在以下描述。進(jìn)行光準(zhǔn)直的一個(gè)好處是，在光導(dǎo)結(jié)構(gòu)里由于解耦作用導(dǎo)致的光損失會(huì)消失或者減小，以便將光傳輸?shù)揭粋€(gè)能量轉(zhuǎn)換元件。在一個(gè)實(shí)施中，能量轉(zhuǎn)換元件將光轉(zhuǎn)換成不同形式的能量，如電能和熱能，能量轉(zhuǎn)換元件可以包括PV 電池和/或熱轉(zhuǎn)換裝置，本發(fā)明不受此限制。在一個(gè)實(shí)施例中，一個(gè)或多個(gè)光準(zhǔn)直和/或光引導(dǎo)元件可以置于光導(dǎo)結(jié)構(gòu)的外部，使得光準(zhǔn)直和/或光引導(dǎo)元件在光導(dǎo)結(jié)構(gòu)的光傳輸路徑之外。將光準(zhǔn)直和/或光引導(dǎo)元件放置在這樣的位置上，有一個(gè)好處就是，光準(zhǔn)直和/或光引導(dǎo)元件不會(huì)阻礙光線在光導(dǎo)結(jié)構(gòu)里的傳輸。一個(gè)相反的例子，光準(zhǔn)直和/或光引導(dǎo)元件物理位于光導(dǎo)結(jié)構(gòu)的內(nèi)部，這會(huì)阻礙部分光線沿著光導(dǎo)結(jié)構(gòu)行進(jìn)。在一個(gè)實(shí)施中，光導(dǎo)結(jié)構(gòu)，如桿型光導(dǎo)，可用于將光傳輸?shù)揭粋€(gè)能量轉(zhuǎn)換元件，其物理地和/或光學(xué)地附于光導(dǎo)的末端區(qū)域。從多個(gè)聚光器出來(lái)的光線可共用同一個(gè)光導(dǎo)，盡管本發(fā)明主題不受此限制。在一些實(shí)施例里，光準(zhǔn)直和/或光引導(dǎo)元件可以組合成一個(gè)單獨(dú)的光學(xué)元件，叫作準(zhǔn)直引導(dǎo)元件(CDE)。例如，CDE可以包括至少一個(gè)表面，其非?？拷酃馄鞯慕裹c(diǎn)，以接受來(lái)自聚光器的光線。聚光器在一個(gè)相當(dāng)大的面積上收集光線，并將收集的光線聚集在一個(gè)相當(dāng)小的面積內(nèi)，聚光器可以包括折射透鏡或折射透鏡的一個(gè)組合(如復(fù)合透鏡)，和/或菲涅耳透鏡， 這些僅是一些例子。該聚光器可以有一個(gè)相關(guān)焦距，其定義了這么一個(gè)距離，從該聚光器反射的光(或穿過(guò)該聚光器的光)可被聚焦在該距離上。另外，該聚光器可以有一個(gè)相關(guān)的數(shù)值孔徑(N. A.)，其定義了這么一個(gè)會(huì)聚角度，是從該聚光器反射的光錐角度。這個(gè)會(huì)聚角度可以用一個(gè)f_值來(lái)描述f_值(有時(shí)稱(chēng)作焦比、f_比、f_光圈、相對(duì)孔徑)可以表示為聚光器的焦距除以有效孔徑。f_值是一個(gè)無(wú)量綱值，是透鏡速率或光錐陡度的一個(gè)數(shù)量計(jì)量。聚光器以一個(gè)特定的值而聚集光線，并且聚焦在一個(gè)特定的焦距上。該聚光器的下游光學(xué)元件的安排可以至少部分地根據(jù)焦距和/或N. A.來(lái)進(jìn)行排列。聚光器的一個(gè)陣列可以包括一個(gè)或多個(gè)聚光器排列成任何可能的方式。在一個(gè)特別的例子里，該陣列是聚光器以行列排列。在一個(gè)實(shí)施中，一種收集和/或聚集光的方法包括收集入射光線并將其聚焦到一個(gè)光準(zhǔn)直元件上，以增加入射光的f_值。該方法還可以包括轉(zhuǎn)向引導(dǎo)(steer)該增加了 f_值的來(lái)自光準(zhǔn)直器的光進(jìn)入一個(gè)光導(dǎo)，經(jīng)由該光導(dǎo)傳輸該轉(zhuǎn)向引導(dǎo)光到一個(gè)能量轉(zhuǎn)換裝置。在一個(gè)實(shí)施中，光準(zhǔn)直元件可以進(jìn)行光的轉(zhuǎn)向(light steering)。在另一個(gè)實(shí)施中，光引導(dǎo)元件可以進(jìn)行光的轉(zhuǎn)向。增加入射光的f_值可以通過(guò)一個(gè)光學(xué)元件的一個(gè)曲面而執(zhí)行。該方法還可以包括合并從多個(gè)光準(zhǔn)直元件出來(lái)的轉(zhuǎn)向光。圖1是一個(gè)實(shí)施例的聚光系統(tǒng)100的截面圖。系統(tǒng)100包括光學(xué)元件(如透鏡、 反射鏡、波導(dǎo)等)的一個(gè)布置排列，以將照射在一個(gè)區(qū)域上(該區(qū)域由一個(gè)長(zhǎng)度104定義) 的光線聚集到一個(gè)更小區(qū)域上(該區(qū)域由一個(gè)長(zhǎng)度102定義)。特別地，系統(tǒng)100可以包括一個(gè)或多個(gè)聚光器120以將入射光150轉(zhuǎn)換成一個(gè)會(huì)聚的光錐160。聚光器120可以包括一個(gè)曲面反射鏡，如拋物線型或球面型反射器。在一個(gè)實(shí)施中，曲面反射鏡可以是各種材料，如玻璃、塑料或金屬(其可以包括一個(gè)或多個(gè)反射涂層)。光線150可以是平行的太陽(yáng)光，入射到聚光器120的曲面上，被反射成一會(huì)聚光錐160。例如，光線150由聚光器120反射，被聚集成一個(gè)光錐160，其有一特別的f-值。光線160被聚集到一個(gè)CDE 130，其光學(xué)地附著在一個(gè)光導(dǎo)110上。該⑶E將在以下做進(jìn)一步描述。⑶E 130可以將接受到的光線引導(dǎo)入光導(dǎo)110，光導(dǎo)110將引導(dǎo)光170傳輸?shù)揭粋€(gè)能量轉(zhuǎn)換元件115。來(lái)自多個(gè)聚光器的光束可以共用一個(gè)光導(dǎo)。能量轉(zhuǎn)換元件可以包括一個(gè)或多個(gè)裝置，其能將聚集光轉(zhuǎn)換成另一種形式的能量，如電能(如利用光伏電池)或熱能(如利用熱轉(zhuǎn)換器)，這些僅僅是一些例子。在一個(gè)特別的實(shí)施中，給聚光器120和/或光導(dǎo)110提供物理支撐的一個(gè)結(jié)構(gòu)是元件140，其包括剛性材料以保持聚光器120和光導(dǎo)110之間的一個(gè)恒定距離。在一個(gè)實(shí)施中，⑶E 130相當(dāng)小，以減少對(duì)入射光150的阻礙。但是，⑶E 130的尺寸和大小要足夠大以至能滿足設(shè)計(jì)公差，如包括入射光150的角度偏差、CDE的位置或與聚光器120的對(duì)齊、CDE內(nèi)表面的反射角、和/或CDE準(zhǔn)直部分的尺寸，以接受來(lái)自聚光器120 的光線。圖2是一個(gè)實(shí)施例的聚光系統(tǒng)200的透視圖。系統(tǒng)類(lèi)似于圖1的系統(tǒng)100。聚光器221、222、223可以將光分別聚集到⑶E 231、232、233。聚光器可以是拋物線型或球面型反射器，它們放置以將會(huì)聚光反射到⑶E。⑶E 231、232、233接受到的光被耦合入光導(dǎo)210。 光導(dǎo)210可以是任何類(lèi)型的光導(dǎo)，如桿狀光導(dǎo)。一旦耦合入光導(dǎo)210，光線會(huì)因?yàn)槿珒?nèi)反射而在光導(dǎo)210內(nèi)行進(jìn)，到達(dá)能量轉(zhuǎn)換元件215。當(dāng)然，聚光系統(tǒng)的這些細(xì)節(jié)僅僅是示例，本發(fā)明主題不受此限制。圖3是一個(gè)實(shí)施例的聚光系統(tǒng)300的一部分的截面圖。⑶E 330光學(xué)地附著在光導(dǎo)310上，⑶E 330可以包括一個(gè)光學(xué)元件，其有光準(zhǔn)直器335和光引導(dǎo)器338。該光學(xué)元件可以包括石英、藍(lán)寶石、塑料或其他光學(xué)材料。在一個(gè)特別實(shí)施中，光準(zhǔn)直器335包括一個(gè)凹面在⑶E 330表面處。光引導(dǎo)器338包括一個(gè)平坦反射內(nèi)表面。在一個(gè)實(shí)施中，⑶E 330的平坦反射內(nèi)表面可以通過(guò)全內(nèi)反射而反射光線。在另一個(gè)實(shí)施中，⑶E330的平坦反射表面可以包括一反射涂層，以反射⑶E 330內(nèi)部光線。在一個(gè)實(shí)施中，光線360進(jìn)入光準(zhǔn)直器335，被準(zhǔn)直后得到光線365，光線365相對(duì)于光線360，有一個(gè)減小的會(huì)聚角度或增加的值。一個(gè)特別例子里，光線360的會(huì)聚角度大約是60度，而光線365的會(huì)聚角度大約是20度，當(dāng)然本發(fā)明主題并不受此限制。使用光準(zhǔn)直器如335進(jìn)行準(zhǔn)直光線，可以有益處， 例如，準(zhǔn)直后，更容易控制光路徑以避免或減小解耦效果。光引導(dǎo)器338可以以一個(gè)特別角度來(lái)反射光線365，該特別角度至少部分是基于光導(dǎo)310的表面和光引導(dǎo)器338的反射表面之間的角度333。因此，光引導(dǎo)器338會(huì)以一個(gè)特別角度反射光線365，使得反射光線370以一個(gè)角度375進(jìn)入光導(dǎo)310，該角度375允許全內(nèi)反射出現(xiàn)在光導(dǎo)310內(nèi)。光線370會(huì)在光導(dǎo)310內(nèi)行進(jìn)，然后進(jìn)入一個(gè)能量轉(zhuǎn)換元件， 如圖1中的能量轉(zhuǎn)換元件。⑶E 330和光導(dǎo)310之間的光學(xué)界面包括一粘合劑，其有光學(xué)特性并將⑶E 330固定在光導(dǎo)310上。例如，具有高透射率的環(huán)氧樹(shù)脂或其他粘合劑可以將CDE 330和光導(dǎo)310 粘結(jié)在一起。在另一個(gè)實(shí)施中，⑶E330可以通過(guò)不同于粘合劑的方法附著在光導(dǎo)310上， 例如皮帶、螺栓或其他硬件(未顯示)可以用于將CDE 330附著在光導(dǎo)310上，當(dāng)然本發(fā)明不受此限制。圖4是另一個(gè)實(shí)施例的聚光系統(tǒng)400的截面圖。準(zhǔn)直的入射光線460穿過(guò)一個(gè)支撐結(jié)構(gòu)405，該支撐結(jié)構(gòu)405物理支撐第二反射鏡425。然后光線460入射到聚光器420，該聚光器有拋物面或球面反射表面。由聚光器420反射的會(huì)聚光465被引向第二反射鏡425， 其將光線折疊成一個(gè)光錐進(jìn)入聚光器420的一個(gè)孔428。由第二反射鏡反射的光線468在穿過(guò)孔4 后，入射到⑶E 430上，⑶E 430或減小光線468的光錐角度，并引導(dǎo)最終光線進(jìn)入光導(dǎo)410。例如，光線468的光錐角度可以從大約60度減小到大約20度或更小。最終光線470會(huì)在光導(dǎo)410內(nèi)部行進(jìn)，然后進(jìn)入一個(gè)能量轉(zhuǎn)換元件415。在一個(gè)特別實(shí)施中，給聚光器420、第二反射鏡425和/或光導(dǎo)410提供物理支撐的一個(gè)結(jié)構(gòu)是元件440，其包括剛性材料以保持系統(tǒng)400內(nèi)各元件之間的恒定距離。圖5是一個(gè)實(shí)施例的聚光系統(tǒng)500的一部分的截面圖。⑶E 530光學(xué)地附著在光導(dǎo)510上，⑶E 530可以包括一個(gè)光學(xué)元件，其有光準(zhǔn)直器535和光引導(dǎo)器538。在一個(gè)特別實(shí)施中，光準(zhǔn)直器535包括一個(gè)凹面在⑶E 530表面處。光引導(dǎo)器538包括⑶E 530的一個(gè)曲面反射內(nèi)表面。光引導(dǎo)器538可以是任何材料，如玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、 或聚碳酸酯(PC)，這僅僅是一些示例。在一個(gè)實(shí)施中，⑶E 530的曲面反射內(nèi)表面可以通過(guò)全內(nèi)反射而反射光線。在另一個(gè)實(shí)施中，⑶E 530的曲面反射表面可以包括一反射涂層，以在CDE 530內(nèi)部反射光線。在一個(gè)實(shí)施中，光線560進(jìn)入光準(zhǔn)直器535，被準(zhǔn)直后得到光線平行565。在另一個(gè)實(shí)施中，光線560進(jìn)入光準(zhǔn)直器535，被準(zhǔn)直后得到光線565，光線565 相對(duì)于光線560，有一個(gè)減小的會(huì)聚角度或增加的f-值。光引導(dǎo)器538可以以一個(gè)特別角度來(lái)反射光線565，該特別角度至少部分是基于光引導(dǎo)器538反射表面的形狀或曲率。因此，光引導(dǎo)器538會(huì)以一個(gè)特別角度反射光線565，使得反射光線570以一個(gè)角度575進(jìn)入光導(dǎo)510，該角度575允許全內(nèi)反射出現(xiàn)在光導(dǎo)510內(nèi)。光線570會(huì)在光導(dǎo)510內(nèi)行進(jìn)，然后進(jìn)入一個(gè)能量轉(zhuǎn)換元件，如圖1中的能量轉(zhuǎn)換元件。圖6是一個(gè)實(shí)施例的聚光系統(tǒng)600的一部分的截面圖。⑶E 630光學(xué)地附著在光導(dǎo)610上，⑶E 630可以包括一個(gè)具有曲面638的光學(xué)元件，曲面638可以執(zhí)行光準(zhǔn)直器和 /或光引導(dǎo)器的功能。光線660入射到表面638上，經(jīng)反射被準(zhǔn)直和引導(dǎo)。在一個(gè)實(shí)施中， ⑶E 630與光導(dǎo)610結(jié)合為一體，因此⑶E 630和光導(dǎo)610是一體式光學(xué)材料。在另一個(gè)實(shí)施中，⑶E 630和光導(dǎo)610是分開(kāi)的，它們被光學(xué)地粘合在一起。在這種情況下，光導(dǎo)610 包括至少兩個(gè)相對(duì)的表面，其中傳輸光從一個(gè)進(jìn)入端表面(如⑶E630位于此表面處)進(jìn)入，行進(jìn)朝向一個(gè)出口端表面(如能量轉(zhuǎn)換元件位于此表面處)。盡管本發(fā)明主題不受此限制，CDE 630可以大于光導(dǎo)610。所述曲面638可以是圓柱形、球面形、拋物面形、或者自由形狀，這些僅僅是一些示例。表面638可以是任何材料，如玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、 或聚碳酸酯(PC)，這僅僅是一些示例。在一個(gè)實(shí)施中，曲面638可以通過(guò)全內(nèi)反射而反射光線。在另一個(gè)實(shí)施中，曲面638可以包括一反射涂層，以在⑶E 630內(nèi)部反射光線。曲面 638可以以一個(gè)特別角度來(lái)反射光線665，該特別角度至少部分是基于曲面638反射表面的形狀或曲率。因此，反射光線670以一個(gè)角度進(jìn)入光導(dǎo)610，該角度允許全內(nèi)反射出現(xiàn)在光導(dǎo)610內(nèi)。光線670會(huì)在光導(dǎo)610內(nèi)行進(jìn)，然后進(jìn)入一個(gè)能量轉(zhuǎn)換元件，如圖1中的能量轉(zhuǎn)換元件。圖7是一個(gè)實(shí)施例的聚光系統(tǒng)700的一部分的截面圖。實(shí)施例700類(lèi)似于圖3的實(shí)施例300，除了⑶E 730和光導(dǎo)710由一個(gè)間隙734而分開(kāi)。這個(gè)間隙可以填充有空氣。 ⑶E 730可以包括一個(gè)光學(xué)元件，其有光準(zhǔn)直器735和光引導(dǎo)器738。該光學(xué)元件可以包括石英、藍(lán)寶石、塑料或其他光學(xué)材料。在一個(gè)特別實(shí)施中，光準(zhǔn)直器735包括一個(gè)凹面在 ⑶E730表面處。光引導(dǎo)器738包括一個(gè)平坦反射內(nèi)表面。圖8是一個(gè)實(shí)施例的聚光系統(tǒng)800的一部分的截面圖。光準(zhǔn)直器830光學(xué)地附著在光導(dǎo)810上，光準(zhǔn)直器830包括一個(gè)凹面835在準(zhǔn)直器830表面處。光引導(dǎo)器812包括一個(gè)平坦反射內(nèi)表面在光導(dǎo)810的末端。在一個(gè)實(shí)施中，該平坦反射內(nèi)表面可以通過(guò)全內(nèi)反射而反射光線。在另一個(gè)實(shí)施中，光引導(dǎo)器812的平坦反射表面可以包括一反射外部涂層，以反射光導(dǎo)810內(nèi)部光線。在一個(gè)實(shí)施中，光線860進(jìn)入光準(zhǔn)直器830，被準(zhǔn)直后得到平行光線865。在另一個(gè)實(shí)施中，光線860進(jìn)入光準(zhǔn)直器830，被準(zhǔn)直后得到光線865，光線 865相對(duì)于光線860，有一個(gè)減小的會(huì)聚角度或增加的f-值。光引導(dǎo)器812可以以一個(gè)特別角度來(lái)反射光線865，該特別角度至少部分是基于光引導(dǎo)器812的反射表面關(guān)于光導(dǎo)810 表面的一個(gè)角度833。因此，光引導(dǎo)器812會(huì)以一個(gè)特別角度反射光線865，使得反射光線 870以一個(gè)角度進(jìn)入光導(dǎo)810，該角度允許全內(nèi)反射出現(xiàn)在光導(dǎo)810內(nèi)。光線870會(huì)在光導(dǎo) 810內(nèi)行進(jìn)，然后進(jìn)入一個(gè)能量轉(zhuǎn)換元件，如圖1中的能量轉(zhuǎn)換元件。圖9是一個(gè)實(shí)施例的聚光系統(tǒng)900的一部分的截面圖。光準(zhǔn)直器930光學(xué)地附著在光導(dǎo)910上，光準(zhǔn)直器930包括一個(gè)凸透鏡。光引導(dǎo)器912包括一個(gè)平坦反射內(nèi)表面在光導(dǎo)910的末端。在一個(gè)實(shí)施中，該平坦反射內(nèi)表面可以通過(guò)全內(nèi)反射而反射光線。在另一個(gè)實(shí)施中，光引導(dǎo)器912的平坦反射表面可以包括一反射外部涂層，以反射光導(dǎo)910內(nèi)部光線。在一個(gè)實(shí)施中，至少部分基于光準(zhǔn)直器930的焦距，光線960進(jìn)入光準(zhǔn)直器930，被準(zhǔn)直后得到平行光線965。在另一個(gè)實(shí)施中，同樣至少部分基于光準(zhǔn)直器930的焦距，光線 960進(jìn)入光準(zhǔn)直器930，被準(zhǔn)直后得到光線965，光線965相對(duì)于光線960，有一個(gè)減小的會(huì)聚角度或增加的f_值。光引導(dǎo)器912可以以一個(gè)特別角度來(lái)反射光線965，該特別角度至少部分是基于光引導(dǎo)器912的反射表面關(guān)于光導(dǎo)910表面的一個(gè)角度933。因此，光引導(dǎo)器912會(huì)以一個(gè)特別角度反射光線965，使得反射光線970以一個(gè)角度進(jìn)入光導(dǎo)910，該角度允許全內(nèi)反射出現(xiàn)在光導(dǎo)910內(nèi)。光線970會(huì)在光導(dǎo)910內(nèi)行進(jìn)，然后進(jìn)入一個(gè)能量轉(zhuǎn)換元件，如圖1中的能量轉(zhuǎn)換元件。
圖10是一個(gè)實(shí)施例的聚光系統(tǒng)1000的一部分的截面圖。光準(zhǔn)直器1030光學(xué)地附著在光導(dǎo)1010上，光準(zhǔn)直器1030包括一個(gè)凹透鏡(如凹柱透鏡)。光引導(dǎo)器1012包括一個(gè)平坦反射內(nèi)表面在光導(dǎo)1010的末端。在一個(gè)實(shí)施中，該平坦反射內(nèi)表面可以通過(guò)全內(nèi)反射而反射光線。在另一個(gè)實(shí)施中，光引導(dǎo)器1012的平坦反射表面可以包括一反射外部涂層，以反射光導(dǎo)1010內(nèi)部光線。在一個(gè)實(shí)施中，至少部分基于光準(zhǔn)直器1030的焦距，光線 1060進(jìn)入光準(zhǔn)直器1030，被準(zhǔn)直后得到平行光線1065。在另一個(gè)實(shí)施中，同樣至少部分基于光準(zhǔn)直器1030的焦距，光線1060進(jìn)入光準(zhǔn)直器1030，被準(zhǔn)直后得到光線1065，光線1065 相對(duì)于光線1060，有一個(gè)減小的會(huì)聚角度或增加的f-值。光引導(dǎo)器1012可以以一個(gè)特別角度來(lái)反射光線1065，該特別角度至少部分是基于光引導(dǎo)器1012的反射表面關(guān)于光導(dǎo)1010 表面的一個(gè)角度1033。因此，光引導(dǎo)器1012會(huì)以一個(gè)特別角度反射光線1065，使得反射光線1070以一個(gè)角度進(jìn)入光導(dǎo)1010，該角度允許全內(nèi)反射出現(xiàn)在光導(dǎo)1010內(nèi)。光線1070會(huì)在光導(dǎo)1010內(nèi)行進(jìn)，然后進(jìn)入一個(gè)能量轉(zhuǎn)換元件，如圖1中的能量轉(zhuǎn)換元件。圖11是一個(gè)實(shí)施例的聚光系統(tǒng)1100的一部分的截面圖。光準(zhǔn)直器1130光學(xué)地附著在光導(dǎo)1110上，光準(zhǔn)直器1130包括一個(gè)凸透鏡(如凸柱透鏡)。光引導(dǎo)器1112包括一個(gè)平坦反射內(nèi)表面在光導(dǎo)1110的末端。在一個(gè)實(shí)施中，該平坦反射內(nèi)表面可以通過(guò)全內(nèi)反射而反射光線。在另一個(gè)實(shí)施中，光引導(dǎo)器1112的平坦反射表面可以包括一反射外部涂層，以反射光導(dǎo)1110內(nèi)部光線。在一個(gè)實(shí)施中，至少部分基于光準(zhǔn)直器1130的焦距，光線 1160進(jìn)入光準(zhǔn)直器1130，被準(zhǔn)直后得到平行光線1165。在另一個(gè)實(shí)施中，同樣至少部分基于光準(zhǔn)直器1130的焦距，光線1160進(jìn)入光準(zhǔn)直器1130，被準(zhǔn)直后得到光線1165，光線1165 相對(duì)于光線1160，有一個(gè)減小的會(huì)聚角度或增加的f-值。光引導(dǎo)器1112可以以一個(gè)特別角度來(lái)反射光線1165，該特別角度至少部分是基于光引導(dǎo)器1112的反射表面關(guān)于光導(dǎo)1110 表面的一個(gè)角度1133。因此，光引導(dǎo)器1112會(huì)以一個(gè)特別角度反射光線1165，使得反射光線1170以一個(gè)角度進(jìn)入光導(dǎo)1110，該角度允許全內(nèi)反射出現(xiàn)在光導(dǎo)1110內(nèi)。光線1170會(huì)在光導(dǎo)1110內(nèi)行進(jìn)，然后進(jìn)入一個(gè)能量轉(zhuǎn)換元件，如圖1中的能量轉(zhuǎn)換元件。圖12是一個(gè)實(shí)施例的聚光系統(tǒng)1200的一部分的截面圖。光準(zhǔn)直器1230光學(xué)地附著在光導(dǎo)1210上，光準(zhǔn)直器1230包括一個(gè)多邊棱鏡。光引導(dǎo)器1212包括一個(gè)平坦反射內(nèi)表面在光導(dǎo)1210的末端。在一個(gè)實(shí)施中，該平坦反射內(nèi)表面可以通過(guò)全內(nèi)反射而反射光線。在另一個(gè)實(shí)施中，光引導(dǎo)器1212的平坦反射表面可以包括一反射外部涂層，以反射光導(dǎo)1210內(nèi)部光線。在一個(gè)實(shí)施中，至少部分基于光準(zhǔn)直器1230的焦距，光線1260進(jìn)入光準(zhǔn)直器1230，被準(zhǔn)直后得到平行光線1265。在另一個(gè)實(shí)施中，同樣至少部分基于光準(zhǔn)直器 1230的焦距，光線1260進(jìn)入光準(zhǔn)直器1230，被準(zhǔn)直后得到光線1沈5，光線1265相對(duì)于光線1沈0，有一個(gè)減小的會(huì)聚角度或增加的f-值。光引導(dǎo)器1212可以以一個(gè)特別角度來(lái)反射光線1沈5，該特別角度至少部分是基于光引導(dǎo)器1212的反射表面關(guān)于光導(dǎo)1210表面的一個(gè)角度1233。因此，光引導(dǎo)器1212會(huì)以一個(gè)特別角度反射光線1沈5，使得反射光線1270 以一個(gè)角度進(jìn)入光導(dǎo)1210，該角度允許全內(nèi)反射出現(xiàn)在光導(dǎo)1210內(nèi)。光線1270會(huì)在光導(dǎo) 1210內(nèi)行進(jìn)，然后進(jìn)入一個(gè)能量轉(zhuǎn)換元件，如圖1中的能量轉(zhuǎn)換元件。圖13是一個(gè)實(shí)施例的聚光系統(tǒng)1300的一部分的截面圖。光準(zhǔn)直器1330內(nèi)置在光導(dǎo)1310內(nèi)。特別地，光準(zhǔn)直器1330包括一個(gè)凹面在光導(dǎo)1310內(nèi)。光引導(dǎo)器1312包括一個(gè)棱鏡，其光學(xué)地附著在光導(dǎo)1310的表面處。在一個(gè)實(shí)施中，光引導(dǎo)器1312包括一個(gè)光學(xué)元件，其并沒(méi)有和光導(dǎo)1310集成為一體。光線1360進(jìn)入光準(zhǔn)直器1330，被準(zhǔn)直后得到平行光線1365，光線1365相對(duì)于光線1360，有一個(gè)減小的會(huì)聚角度或增加的f-值。光引導(dǎo)器1312可以以一個(gè)特別角度來(lái)反射光線1365，使得反射光線1370以一個(gè)角度進(jìn)入光導(dǎo) 1310，該角度允許全內(nèi)反射出現(xiàn)在光導(dǎo)1310內(nèi)。光線1370會(huì)在光導(dǎo)1310內(nèi)行進(jìn)，然后進(jìn)入一個(gè)能量轉(zhuǎn)換元件，如圖1中的能量轉(zhuǎn)換元件。圖14是一個(gè)實(shí)施例的聚光系統(tǒng)1400的一部分的截面圖。表面1412包括光準(zhǔn)直器和光引導(dǎo)器，因此，光線入射到表面1412上，經(jīng)反射被準(zhǔn)直和引導(dǎo)。表面1412可以是一個(gè)凹弧反射內(nèi)表面在光導(dǎo)1410的末端。在一個(gè)實(shí)施中，該反射內(nèi)表面可以通過(guò)全內(nèi)反射而反射光線。在另一個(gè)實(shí)施中，表面1412可以包括一反射外部涂層，以反射光導(dǎo)1410內(nèi)部光線。在一個(gè)實(shí)施中，光線1460由表面1412反射后，被準(zhǔn)直得到平行光線1465。在另一個(gè)實(shí)施中，光線1460由表面1412反射后，被準(zhǔn)直得到光線1465，光線1465相對(duì)于光線1460，有一個(gè)減小的會(huì)聚角度或增加的f_值。表面1412可以以一個(gè)特別角度來(lái)反射光線1460，該特別角度至少部分是基于表面1412的形狀或曲率。因此，表面1412會(huì)以一個(gè)特別角度反射光線1460，使得反射光線1465以一個(gè)角度進(jìn)入光導(dǎo)1410，該角度允許全內(nèi)反射出現(xiàn)在光導(dǎo)1410內(nèi)。光線1470會(huì)在光導(dǎo)1410內(nèi)行進(jìn)，然后進(jìn)入一個(gè)能量轉(zhuǎn)換元件，如圖1中的能量轉(zhuǎn)換元件。圖15是一個(gè)實(shí)施例的聚光系統(tǒng)1500的一部分的截面圖。表面1512包括光準(zhǔn)直器和光引導(dǎo)器，因此，光線入射到表面1512上，經(jīng)反射被準(zhǔn)直和引導(dǎo)。表面1512可以是一個(gè)凸弧反射內(nèi)表面在光導(dǎo)1510的末端。在一個(gè)實(shí)施中，該反射內(nèi)表面可以通過(guò)全內(nèi)反射而反射光線。在另一個(gè)實(shí)施中，表面1512可以包括一反射外部涂層，以反射光導(dǎo)1510內(nèi)部光線。在一個(gè)實(shí)施中，光線1560由表面1512反射后，被準(zhǔn)直得到平行光線1565。在另一個(gè)實(shí)施中，光線1560由表面1512反射后，被準(zhǔn)直得到光線1565，光線1565相對(duì)于光線1560，有一個(gè)減小的會(huì)聚角度或增加的f_值。表面1512可以以一個(gè)特別角度來(lái)反射光線1560，該特別角度至少部分是基于表面1512的形狀或曲率。因此，表面1512會(huì)以一個(gè)特別角度反射光線1560，使得反射光線1565以一個(gè)角度進(jìn)入光導(dǎo)1510，該角度允許全內(nèi)反射出現(xiàn)在光導(dǎo)1510內(nèi)。光線1570會(huì)在光導(dǎo)1510內(nèi)行進(jìn)，然后進(jìn)入一個(gè)能量轉(zhuǎn)換元件，如圖1中的能量轉(zhuǎn)換元件。圖16是一個(gè)實(shí)施例的聚光系統(tǒng)1600的一部分的截面圖。光準(zhǔn)直器1635和光引導(dǎo)器1612內(nèi)置在光導(dǎo)1610內(nèi)。特別地，光準(zhǔn)直器1635包括一個(gè)凹面在光導(dǎo)1310內(nèi)。光引導(dǎo)器1612包括一平坦反射內(nèi)表面，其由一有角度的V型切口形成在光導(dǎo)1610的另一表面內(nèi)。在一個(gè)實(shí)施中，光線1660進(jìn)入光準(zhǔn)直器1635(和光導(dǎo)1610)，被準(zhǔn)直后得到平行光線1665。在另一實(shí)施中，光線1660進(jìn)入光準(zhǔn)直器1635，被準(zhǔn)直后得到光線1665，光線1665 相對(duì)于光線1660，有一個(gè)減小的會(huì)聚角度或增加的f-值。光引導(dǎo)器1612可以以一個(gè)特別角度來(lái)反射光線1665，使得反射光線1670以一個(gè)角度進(jìn)入光導(dǎo)1610，該角度允許全內(nèi)反射出現(xiàn)在光導(dǎo)1610內(nèi)。光線1670會(huì)在光導(dǎo)1610內(nèi)行進(jìn)，然后進(jìn)入一個(gè)能量轉(zhuǎn)換元件，如圖 1中的能量轉(zhuǎn)換元件。圖17是一個(gè)實(shí)施例的聚光系統(tǒng)1700的一部分的截面圖。光準(zhǔn)直器1730包括一個(gè)凸透鏡，其不需要和光導(dǎo)1710集成為一體。特別地，光準(zhǔn)直器1730包括一個(gè)凸透鏡，其與光導(dǎo)1710的表面光學(xué)連接。光引導(dǎo)器1712包括一個(gè)棱鏡，其與光導(dǎo)1710的表面光學(xué)連接。在一個(gè)實(shí)施中，光引導(dǎo)器1712包括一個(gè)光學(xué)元件，其并沒(méi)有和光導(dǎo)1710集成為一體。 光線1760進(jìn)入光準(zhǔn)直器1730，被準(zhǔn)直后得到光線1765，光線1765相對(duì)于光線1760，有一個(gè)減小的會(huì)聚角度或增加的f_值。光引導(dǎo)器1712可以以一個(gè)特別角度來(lái)反射光線1765，使得反射光線1770以一個(gè)角度進(jìn)入光導(dǎo)1710，該角度允許全內(nèi)反射出現(xiàn)在光導(dǎo)1710內(nèi)。光線1770會(huì)在光導(dǎo)1710內(nèi)行進(jìn)，然后進(jìn)入一個(gè)能量轉(zhuǎn)換元件，如圖1中的能量轉(zhuǎn)換元件。本領(lǐng)域所屬技術(shù)人員會(huì)認(rèn)識(shí)到，對(duì)上述描述可以有無(wú)限多的變化，這些例子和附圖僅僅是用于描述一個(gè)或多個(gè)特別的實(shí)施方式。在此使用的“和”、“和/或”和“或”可以包含各種涵義，同樣至少部分取決于這些術(shù)語(yǔ)使用的上下文。通常，使用時(shí)，如果“或”和“和/或”關(guān)聯(lián)到一個(gè)列表，如A、B或C，其可以是包含涵義，是指A、B和C，也可以是排他涵義，是A、B或C。另外，在此使用的“一個(gè)或多個(gè)”可以用來(lái)描述單數(shù)的任何特征、結(jié)構(gòu)或特性，或可以用來(lái)描述特征、結(jié)構(gòu)或特性的一些組合。盡管如此，應(yīng)該注意到，這僅是一個(gè)描述例子，本發(fā)明并不受限于此例子。盡管已經(jīng)描述和敘述了示范實(shí)施例的本發(fā)明，但本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)理解，在不脫離本發(fā)明主題的前提下可以對(duì)其作出各種修改和替換。另外，在不脫離在此所述的中心概念的情況下，可以作出許多修改以將一個(gè)特別情景適用到本發(fā)明的教義。因此，本發(fā)明主題不會(huì)受限于在此披露的特定實(shí)施例，相反，本發(fā)明主題還可能包括屬于所附權(quán)利要求及其等同物的范圍內(nèi)的所有實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.一種裝置，包括一個(gè)聚光器，用于將入射光轉(zhuǎn)換為會(huì)聚光；一個(gè)光準(zhǔn)直元件，用于接受所述會(huì)聚光，并減小所述會(huì)聚光的會(huì)聚角度； 一個(gè)光引導(dǎo)元件，用于引導(dǎo)所述減小角度的會(huì)聚光到一個(gè)光導(dǎo)以傳輸所述引導(dǎo)光。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述光準(zhǔn)直元件包括至少一個(gè)曲面，用以減小所述會(huì)聚光的會(huì)聚角度。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述光準(zhǔn)直元件包括一個(gè)多邊棱鏡，用以減小所述會(huì)聚光的會(huì)聚角度。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述光引導(dǎo)元件包括一反射內(nèi)表面，用以引導(dǎo)所述減小角度的會(huì)聚光到所述光導(dǎo)。
5.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述光準(zhǔn)直元件和所述光引導(dǎo)元件組成一個(gè)單獨(dú)的光學(xué)元件。
6.如權(quán)利要求5所述的裝置，其中所述單獨(dú)的光學(xué)元件包括至少一個(gè)凸曲面或凹曲面，用以執(zhí)行以下至少一個(gè)功能減小所述會(huì)聚光的會(huì)聚角度，引導(dǎo)所述減小角度的會(huì)聚光到所述光導(dǎo)。
7.如權(quán)利要求5所述的裝置，還包括一個(gè)間隙在所述光導(dǎo)和所述單獨(dú)光學(xué)元件之間。
8.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述光引導(dǎo)元件和所述光導(dǎo)組成一個(gè)單獨(dú)的光學(xué)元件。
9.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述光準(zhǔn)直元件和所述光導(dǎo)組成一個(gè)單獨(dú)的光學(xué)元件。
10.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述光準(zhǔn)直元件、所述光引導(dǎo)元件、和所述光導(dǎo)組成一個(gè)單獨(dú)的光學(xué)元件。
11.如權(quán)利要求10所述的裝置，其中所述單獨(dú)的光學(xué)元件包括至少一個(gè)曲面，用以執(zhí)行以下至少一個(gè)功能減小所述會(huì)聚光的會(huì)聚角度，引導(dǎo)所述減小角度的會(huì)聚光到所述光導(dǎo)。
12.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述光準(zhǔn)直元件位于所述光導(dǎo)的外部。
13.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述光引導(dǎo)元件位于所述光導(dǎo)的外部。
14.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述光導(dǎo)是一個(gè)桿狀光導(dǎo)。
15.如權(quán)利要求14所述的裝置，其中所述光導(dǎo)包括至少兩個(gè)相對(duì)的平面，其中所述傳輸光從進(jìn)入端表面朝向出口端表面?zhèn)鬏敗?br> 16.如權(quán)利要求1所述的裝置，還包括一個(gè)能量轉(zhuǎn)換元件，用以經(jīng)由所述光導(dǎo)而接受所述減小角度的會(huì)聚光。
17.如權(quán)利要求16所述的裝置，其中所述能量轉(zhuǎn)換元件包括至少一個(gè)裝置以將所述接受到的光轉(zhuǎn)換成其他形式的能量。
18.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述聚光器包括一曲面反射鏡。
19.如權(quán)利要求18所述的裝置，其中所述聚光器還包括第二曲面反射鏡。
20.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述聚光器包括一折射透鏡。
21.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述光導(dǎo)包括一曲面端，其中所述曲面端包括所述光準(zhǔn)直元件和所述光引導(dǎo)元件。
22.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述光導(dǎo)的一側(cè)包括一V型切口，所述光導(dǎo)的另一側(cè)包括一凸形或凹形口，其中所述V型切口包括所述光引導(dǎo)元件，所述凸形或凹形口包括所述光準(zhǔn)直元件。
23.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述光準(zhǔn)直元件和所述光引導(dǎo)元件都位于靠近所述聚光器的焦點(diǎn)處。
24.一種方法，包括收集并會(huì)聚入射光到一個(gè)光準(zhǔn)直元件上； 通過(guò)所述光準(zhǔn)直元件以減小所述會(huì)聚光的會(huì)聚角度； 將所述減小角度的會(huì)聚光轉(zhuǎn)向引導(dǎo)到一個(gè)光導(dǎo)以傳輸所述引導(dǎo)光。
25.如權(quán)利要求M所述的方法，其中所述光準(zhǔn)直元件執(zhí)行所述光的轉(zhuǎn)向引導(dǎo)功能。
26.如權(quán)利要求25所述的方法，其中一個(gè)光引導(dǎo)元件執(zhí)行所述光的轉(zhuǎn)向引導(dǎo)功能。
27.如權(quán)利要求24所述的方法，其中一個(gè)光學(xué)元件的一個(gè)曲面執(zhí)行所述減小所述會(huì)聚光的會(huì)聚角度的功能。
28.權(quán)利要求25所述的方法，還包括將來(lái)自多個(gè)所述光準(zhǔn)直元件的轉(zhuǎn)向光組合合并起來(lái)。
全文摘要
一個(gè)用于聚集光能量的光學(xué)系統(tǒng)，包括一個(gè)用于將入射光轉(zhuǎn)為會(huì)聚光的聚光器、一個(gè)用于接受會(huì)聚光并減小會(huì)聚光的會(huì)聚角度的光準(zhǔn)直器、和一個(gè)用于引導(dǎo)該減小角度的會(huì)聚光到一個(gè)光導(dǎo)的光引導(dǎo)元件。光導(dǎo)傳輸該引導(dǎo)光。
文檔編號(hào)G02B6/00GK102313975SQ201110226558
公開(kāi)日2012年1月11日 申請(qǐng)日期2011年8月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月20日
發(fā)明者盧明, 周偉, 黃旭艷 申請(qǐng)人:香港應(yīng)用科技研究院有限公司