[发明专利]光线集中器

说明书

提供光学装置以及使用光学装置的系统，其中光学装置可配置用于校准入局光线。光学装置可包括基本上由透明材料所组成的主介质以及嵌入主介质内的基本上透明结构的阵列。阵列的结构每个包括呈现给入局光线的凸面侧以及使光线朝主介质的输出面通过的凹面侧，从而校准射线。阵列的多级可在光学装置中提供，通常沿从输入面朝输出面的方向具有延长长宽比和增加折射率。系统可使用光学装置，用于将外部光用来照射建筑物中的内部空间或者用来发电。

技术领域

本公开的领域包括透射光学装置，用于通过减小以宽范围入射角到达的光线的角以便以更窄范围的入射角进行输出来集中光。该领域还包括光学装置，其中薄膜元件嵌入透明材料内。

背景技术

已经提出用于校准来自已知和明确取向光源的光的光学装置。光学装置尚未设计或优化成用于来自未知方向的光或者扩散光的入局光线。

本公开针对用于校准和集中从扩散和/或未知方向到达的光线的光学装置。本公开的装置优化成用于接收宽范围的输入角的光线，并且当光线经过装置时减小该光线的角的范围。

本公开提供各种系统、设备及其使用的方法。在一些示例中，光学装置可包括输入面、主介质和输出面。主介质可由基本上透明的介质(例如玻璃或塑料)来形成，其中折射率通过装置的应用所确定。对于减小扩散太阳光的入射角的范围的典型应用，主介质的典型折射率为大约1.6。

作为另一示例，基本上透明的薄膜片结构的阵列可嵌入主介质内。通常，结构周期地排列在主介质内，从而限定与光学装置的输入面平行的平面。结构可由具有比主介质的折射率更低的折射率的材料来形成，例如对于大约1.6的主介质的折射率，结构的典型折射率为大约1.4。

作为另外的示例，光学装置可包括主介质内的结构的两级或更多级（例如三级）阵列。通常，结构在每个阵列中是基本上相同的，而在长宽比方面逐个阵列改变。每个阵列中的结构之间的间隙对逐个阵列可以是相同的，以及结构在每个阵列中具有基本上相同的宽度，从而允许每个阵列中的结构与(一个或多个)其他阵列中的结构对齐。在一些示例中，结构具有正曲率，可针对光学装置的特定应用来选择该正曲率的程度。

作为另一个示例，每级阵列中的结构可具有比先前级的结构更高的长宽比，以及结构的折射率(IOR)可比主介质104的折射率更小。通常，在具有1.4的IOR_structure和1.6的IOR_host的第一级的光学装置中，后续级具有更高IOR，其中最后一级处于或接近1.6。在一些示例中，对于给定最高预计入局射线，相对于IOR_host的嵌入结构的折射率(IORs)可选择成刚好足够低以捕获这类射线。

作为另一示例，每个嵌入结构的最小厚度大于预计波的大约2波长。在太阳光的应用中，最小厚度可以为大约1 μm，以及该光学装置可配备有多于5级。例如，在具有大约880um的总厚度的装置中，装置可配备有10 um、20 um、50 um、200 um、500 um的相继级。

包括本公开的光学装置的照明系统的示例包括供建筑和发电应用中使用的那些系统。建筑应用的示例是用于采用外部安装并且耦合到光纤线缆以用于将外部光传递到建筑物中以供室内照射的光学装置的建筑物的系统。这个系统的光纤线缆的使用与反射管相比提供了光到建筑物的内部的更紧凑、有效和灵活传输。与使用外部跟踪机制的系统相比，这个系统的无源光接收装置(即，光学装置)的使用在初始成本和维护两个方面更加便宜并且更加低调，但在性能方面是可比拟的。

建筑应用的另一个示例是为了来自位于建筑物内的固定位置的太阳光的一致照射而供建筑物的窗户之上或之内的安装的系统。发电应用中的示例是光学装置的结合，以校准系统中的光以用于到光伏电池或热感受器的聚焦和/或重定向。