專利名稱：光傳輸元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明廣義上涉及一種在日光收集和傳輸系統(tǒng)中使用的光傳輸元件。
背景技術(shù)：
電照明系統(tǒng)的效率通常很低；通常超過90％的電能不能轉(zhuǎn)化為有用光。然而，太陽光可以免費(fèi)利用，而且已經(jīng)進(jìn)行了收集太陽光用于照明的多種嘗試。
美國專利6059438公開了一種太陽光收集和傳輸系統(tǒng)。所公開的系統(tǒng)包括三個(gè)平面收集板。這三個(gè)板相互層疊，并且包括摻雜有熒光染料分子的聚合材料。這些染料分子吸收特定波長的太陽光并且隨后發(fā)射具有略長波長的熒光。第一個(gè)板摻雜有藍(lán)色染料分子，第二個(gè)板摻雜有綠色染料分子而第三個(gè)板摻雜有紅色染料分子。通過收集板內(nèi)的內(nèi)反射來引導(dǎo)所產(chǎn)生的熒光，并且可以通過組合藍(lán)色、綠色和紅色熒光來產(chǎn)生白光。這種太陽光收集和傳輸系統(tǒng)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是入射光的吸收和熒光的發(fā)射都不會在任一優(yōu)選的方向上出現(xiàn)。因此，這種系統(tǒng)的效率很大程度上獨(dú)立于入射光的方向。
所產(chǎn)生的光需要從收集板引導(dǎo)到建筑物中，以對建筑物的內(nèi)部進(jìn)行照明。然而，由于光是通過全內(nèi)反射引導(dǎo)的，所以如果幾何約束得不到滿足，則就會出現(xiàn)光傳輸損耗，這對于以方便和有效的方式來傳輸太陽光成為一個(gè)問題。例如，通過類電纜導(dǎo)體來傳輸光將是有用的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明在第一方面提供一種由可透過預(yù)定范圍波長的材料制成的光傳輸元件，該光傳輸元件包括
大致平坦的第一部分，圓形的第二部分，以及設(shè)置在第一部分和第二部分之間的中間部分，該光傳輸元件被設(shè)置為用于將光從所述第一部分通過所述中間部分引導(dǎo)到所述第二部分，使得所述光不會經(jīng)歷引導(dǎo)光通過的材料的超過20％的橫截面積的減少。
在一個(gè)具體實(shí)施例中，將光收集元件設(shè)置為，使得從所述第一部分引導(dǎo)到所述第二部分的光不會經(jīng)歷引導(dǎo)光通過的材料的超過10％的橫截面積的減少。
在整個(gè)說明書中，“圓形的”一詞用于無角的任何形狀。例如，這可以包括橢圓形或者大體彎曲的形狀。同樣，“橫截面積”一詞用于在光傳播平均方向的垂直方向上測量的橫截面積。
本發(fā)明在第二方面提供一種由可透過預(yù)定范圍波長的光的材料制成的光傳輸元件，該光傳輸元件包括大致平坦的第一部分，圓形的第二部分，以及設(shè)置在所述第一部分和所述第二部分之間的中間部分，該光傳輸元件被設(shè)置為用于將光從所述第一部分通過所述中間部分引導(dǎo)到所述第二部分，使得光不會經(jīng)歷引導(dǎo)光通過的材料的橫截面積的減少。
借助于“不會經(jīng)歷橫截面積的減少”將理解，在不會顯著影響光傳輸?shù)那闆r下，可能出現(xiàn)該橫截面積的某些減少，但這可能是一有限數(shù)量。某些有限的減少可能有助于連接到光傳輸元件。
發(fā)明人已確定太陽光收集器優(yōu)選地應(yīng)當(dāng)是大致平坦的形狀。然而，在具有通常的圓柱形的光纜(例如撓性的、實(shí)心和圓形聚合物電纜)中引導(dǎo)光是極其便利的，該聚合物電纜例如可以具有25mm或者更小的直徑。該光纜可以具有單芯，或者可以包括光纖束。在一個(gè)實(shí)施例中，以上限定的光傳輸元件提供了在這種集光板(即層疊的多個(gè)這種板)和光纜之間的連接，而且能夠通過該連接有效地傳輸光。該光傳輸元件還包括至少一個(gè)集光板和光纜。在這種情況下，該光收集元件可以包括層疊的多個(gè)集光板。
在一個(gè)具體實(shí)施例中，在整個(gè)光傳輸元件中，該橫截面積基本上是恒定的，并且在整個(gè)光傳輸元件中，傳播光的立體角基本上也可以是恒定的。此外，在整個(gè)光傳輸元件中折射率也可以是恒定的。
另選地，可以將該光傳輸元件設(shè)置為，使得從所述第一部分引導(dǎo)到所述第二部分的光將經(jīng)歷引導(dǎo)光通過的材料的橫截面積的增加。例如，這可以是這樣一種情況如果第二部分被耦合到、或者包括和光導(dǎo)，該光導(dǎo)具有外覆芯區(qū)光導(dǎo)并且該外敷層具有大于空氣的折射率。則將該光傳輸元件設(shè)置為使得對于從所述第一元件引導(dǎo)到所述第二元件的光來說，橫截面積和立體角的乘積會發(fā)生小于20％的變化，但是在一個(gè)具體實(shí)施例中所述乘積基本上是恒定的。
該光傳輸元件的圓形的第二部分可以外覆低折射率的材料。此外，該中間部分也可以外覆低折射率材料。該低折射率材料可以是聚合材料。
可以以任何一種方式使第一部分彎曲或成形，并且也可以將其加工成波紋狀。第一部分可以具有基本平行的兩個(gè)表面，并且在一具體實(shí)施例中具有基本呈矩形的截面形狀。在一具體的實(shí)施例中，將第一部分設(shè)置為與集光板相連，并且具有與該集光板相匹配的截面輪廓。例如，第一部分可以包括矩形板，所述基本平行的表面是所述板的頂面和底面。
可以將傳輸元件設(shè)置為，使得在使用中從所述第一部分引導(dǎo)到所述第二部分的光將經(jīng)歷光傳輸元件的橫向和縱向截面上的平緩過渡。在一個(gè)具體實(shí)施例中，在截面的變化是充分平緩的，使得當(dāng)在該元件中引導(dǎo)光時(shí)，所述光的彎曲損耗是可被忽略的。
第二部分可以是具有空心的、環(huán)狀截面形狀。另選地，第二部分可以是實(shí)心的。
可以將該光傳輸元件設(shè)置為用于與光學(xué)光導(dǎo)設(shè)備(例如光纜)相連或者與光轉(zhuǎn)換設(shè)備(例如將光轉(zhuǎn)換為電能的設(shè)備)相連?？梢詫⒃摴鈧鬏斣O(shè)置為與光纜面對面地相連接，并且第二部分可以具有圓形的截面形狀(其是實(shí)心的)。該光傳輸元件還可以包括中空的并且被設(shè)置為與光纜相連的另一中間部分。
可以將該光傳輸元件設(shè)置為用于連接到耦合器。第二部分可以具有空心的環(huán)狀形狀，該耦合器可以被設(shè)置為用于提供與光纜的連接。該耦合器可以是圓形的空對實(shí)耦合器。
可以將第一部分設(shè)置為直接連接到至少一個(gè)集光板，并且可以被設(shè)置為用于與所述或者各個(gè)集光板面對面地相連。在這種情況下，集光板和光傳輸元件可以包括幫助將它們裝配為一體的光學(xué)系統(tǒng)的多個(gè)元件。例如，可以將集光板和光傳輸元件設(shè)置為凸凹(male-to-female)連接，而且還可以包括允許凸塊凹槽(tongue-and-groove)型連接的特性。第一部分還可以包括至少一個(gè)集光板，該集光板摻雜有染料分子并被設(shè)置為用于吸收太陽光和發(fā)射熒光性輻射?？梢詫⑺黾獍寤蛘咧辽僖粋€(gè)所述集光板和光傳輸元件一體地形成。
優(yōu)選地，光傳輸元件可以由具有近似于所述或者各個(gè)集光板折射率的透明材料制成。在一具體實(shí)施例中，所述材料是諸如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的聚合材料。
下面將參考附圖僅通過示例的方式來描述具體實(shí)施例。


圖1示出了根據(jù)實(shí)施例的光傳輸元件的透視圖；圖2示出了根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例的光收集元件的分解透視圖；圖3示出了光傳輸元件的射線跟蹤圖。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在將參考圖1來描述光傳輸元件。在該實(shí)施例中，光傳輸元件10具有矩形部分12和一個(gè)中空的環(huán)狀部分14，以及布置在部分12和部分14之間的中間部分15。將該矩形部分12成形為可以與集光板16面對面地接合。所有元件的表面都是光學(xué)光滑的；也就是說它們具有小于在其中引導(dǎo)的光的波長的粗糙度。
在該實(shí)施例中，矩形部分12具有截面形狀與集光板16相同的端面17。在使用中，通過使用的適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)接合將端面17與集光板16相接合。這可以通過光學(xué)透射粘合劑、光焊接、折射率匹配凝膠或者其他合適的手段來實(shí)現(xiàn)。在該實(shí)施例的變型中，通過與端面17接合使用的層疊的多個(gè)集光板來替代集光板16。
將該中空的環(huán)狀部分14設(shè)置為與另一個(gè)光傳輸元件(例如與光纜(未示出)相連的空對實(shí)耦合器18)相連接。
在一個(gè)可替換的實(shí)施例中，矩形部分12是集光板16的一部分，而且可以與集光板16一體地形成。在該實(shí)施例的變型中，集光板16可以由層疊的多個(gè)集光板來替換。
美國專利6,272,265公開了可以顯著增加熒光太陽光收集器和傳輸系統(tǒng)的輸出的方法，假設(shè)該系統(tǒng)被構(gòu)造為使得該光學(xué)系統(tǒng)在光學(xué)上是連續(xù)的，即沿著光路沒有氣隙。
將在集光板16上生成的熒光引導(dǎo)到光傳輸元件10中。光傳輸元件10被成形為使得從大致上呈矩形的部分12通過中間部分15引導(dǎo)到環(huán)狀部分14的光經(jīng)歷平緩的過渡、并且不經(jīng)歷橫截面積的減少。這種過渡發(fā)生在與形成光傳輸元件的板的寬度的若干倍相對應(yīng)的距離上。光傳輸元件10被成形為使得在通過該光傳輸元件10引導(dǎo)光時(shí)出現(xiàn)最小彎曲損耗。
在該實(shí)施例中，由PMMA來形成光傳輸元件10。可以通過注塑成型法或者通過鑄造法來制備光傳輸元件10。所有的表面是光學(xué)光滑的，以減少光散射損耗。將邊緣設(shè)置為形成為直角，從而減少由全內(nèi)反射傳輸?shù)墓鈸p耗。
在該實(shí)施例的一種變型中，在沒有空對實(shí)耦合器的情況下將環(huán)狀部分14的端面與光纜的端面直接接合。在這種情況下，圖1中的部分18表示光纜。在該實(shí)施例中，光纜具有單芯。然而，應(yīng)當(dāng)理解在該變型實(shí)施例中，光纜可以包括一束光纖。該環(huán)狀部分14的外直徑與光纜的導(dǎo)光部分的外直徑相匹配。
圖2示出了另一個(gè)實(shí)施例的分解透視圖。在該實(shí)施例中，光傳輸元件20包括具有中空的和環(huán)狀端面23的部分22和相對的矩形端面24。該環(huán)狀端面23與空對實(shí)耦合器27相接合，使得該光傳輸元件包括中空的另一中間部分。應(yīng)當(dāng)理解在該實(shí)施例的一種變型中，還可以將部分22和空對實(shí)耦合器27形成為一體。該空對實(shí)耦合器具有一個(gè)實(shí)心的圓形端面26，并且被設(shè)置為與聚合物光纜28相耦合。部分22的部分24的矩形端面被設(shè)置為與集光板29相接合(同樣，集光板29可以是層疊的多個(gè)集光板)。
例如，光傳輸元件20可以是由撓性板制作的，該撓性板具有兩個(gè)相對的端緣部分和兩個(gè)相對的連接該端面部分的側(cè)緣部分。在該實(shí)施例中，相對的端緣部分具有相同的橫截面積。該撓性板可以這樣折疊，即兩個(gè)側(cè)緣部分在接近于其中一個(gè)端面部分的區(qū)域處相遇，并且在該區(qū)域處接合到一起，以便形成基本圓形的部分，而相對的端緣部分基本上保持平坦。
圖3示出了圖1所示的光傳輸元件10的射線跟蹤圖。光傳輸元件30包括可以在各個(gè)方向發(fā)射熒光輻射的染料分子32，并且通過全內(nèi)反射將輻射引導(dǎo)到環(huán)狀部分34。該圖示出了可能的射線跟蹤的任意選擇。
盡管已經(jīng)在吸收太陽光并產(chǎn)生熒光輻射的光收集和傳輸系統(tǒng)的背景下描述了本發(fā)明，但是應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明具有更寬的應(yīng)用范圍。光傳輸元件可以被用于傳輸源于任何源的光。此外，應(yīng)當(dāng)理解該光傳輸元件可以被設(shè)置為用于直接或者通過耦合器將光傳輸?shù)饺魏晤愋偷墓庖龑?dǎo)或者光轉(zhuǎn)換設(shè)備。
應(yīng)當(dāng)理解所參考的美國專利6059438和6272265并沒有在澳大利亞或者任何其他國家構(gòu)成形成本領(lǐng)域公知常識部分的文獻(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種由可透過預(yù)定范圍波長的光的材料制成的光傳輸元件，所述光傳輸元件包括大致平坦的第一部分，圓形的第二部分，以及設(shè)置在所述第一部分和所述第二部分之間的中間部分，所述光傳輸元件被設(shè)置為將光從所述第一部分通過所述中間部分引導(dǎo)到所述第二部分，使得所述光不會經(jīng)歷引導(dǎo)光通過的材料的超過20％的橫截面積的減少。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的所述光傳輸元件，其被設(shè)置為從所述第一部分引導(dǎo)到所述第二部分的光不會經(jīng)歷引導(dǎo)光通過的材料的超過10％的橫截面積的減少。
3.一種由可透過預(yù)定范圍波長的光的材料制成的光傳輸元件，所述光傳輸元件包括大致平坦的第一部分，圓形的第二部分，以及設(shè)置在所述第一部分和所述第二部分之間的中間部分，所述光傳輸元件被設(shè)置為將光從所述第一部分通過所述中間部分引導(dǎo)到所述第二部分，使得所述光不會經(jīng)歷引導(dǎo)光通過的材料的橫截面積的減少。
4.根據(jù)前述任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的光傳輸元件，其中所述橫截面積在整個(gè)光傳輸元件中基本上是恒定的。
5.根據(jù)前述任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的光傳輸元件，其中所述傳播光的立體角在整個(gè)光傳輸元件中基本上是恒定的。
6.根據(jù)前述任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的光傳輸元件，其被設(shè)置為，使得從所述第一部分引導(dǎo)到所述第二部分的光將經(jīng)歷如下的光引導(dǎo)條件橫截面積和立體角的乘積基本上是恒定的。
7.根據(jù)前述任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的光傳輸元件，其中在整個(gè)光傳輸元件上折射率是恒定的。
8.根據(jù)前述任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的光傳輸元件，其具有兩個(gè)基本上平行的表面。
9.所述光傳輸元件，其中所述第一部分包括矩形板。
10.根據(jù)權(quán)利要求1到3中的任意一項(xiàng)所述的光傳輸元件，其被設(shè)置為使得從所述第一部分引導(dǎo)到所述第二部分的光將經(jīng)歷引導(dǎo)光通過的材料的橫截面積的增加。
11.根據(jù)前述任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的光傳輸元件，其被設(shè)置為，使得從所述第一部分引導(dǎo)到所述第二部分的光將經(jīng)歷如下的光引導(dǎo)條件橫截面積和立體角的乘積將不會發(fā)生超過20％的變化。
12.根據(jù)前述任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的光傳輸元件，其被設(shè)置為使得在使用中從所述第一部分引導(dǎo)到所述第二部分的光將經(jīng)歷所述光傳輸元件的橫向和縱向截面的平緩的過渡。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的光傳輸元件，其中所述截面的變化是充分平緩的，使得當(dāng)在所述元件中引導(dǎo)所述光時(shí)，所述光的彎曲損耗是可忽略的。
14.根據(jù)前述任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的光傳輸元件，其中所述第二部分是中空的、環(huán)狀截面形狀。
15.根據(jù)權(quán)利要求1到13中的任意一項(xiàng)所述的光傳輸元件，其中所述第二部分是實(shí)心的。
16.根據(jù)前述任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的光傳輸元件，其被設(shè)置為用于連接到光纜。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的光傳輸元件，其被設(shè)置為用于面對面地與所述光纜相連。
18.根據(jù)前述任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的光傳輸元件，其中所述第二部分是圓形的截面形狀，并且所述光傳輸元件包括中空的、并被設(shè)置為用于與光纜相連的另一中間部分。
19.根據(jù)權(quán)利要求1到16中的任意一項(xiàng)所述的光傳輸元件，其被設(shè)置為用于與光轉(zhuǎn)換設(shè)備面對面地相連。
20.根據(jù)權(quán)利要求16所述的光傳輸元件，其中所述第二部分具有圓形截面形狀，并且所述光傳輸元件包括中空的、并被設(shè)置為用于與光轉(zhuǎn)換設(shè)備相連的另一中間部分。
21.根據(jù)權(quán)利要求1到15中的任意一項(xiàng)所述的光傳輸元件，其被設(shè)置為用于連接到耦合器。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的光傳輸元件，其中所述耦合器被設(shè)置為用于提供與所述光纜的連接。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的光傳輸元件，其中所述耦合器是圓形的空對實(shí)耦合器。
24.根據(jù)前述任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的光傳輸元件，其被設(shè)置為用于直接連接到至少一個(gè)集光板。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的光傳輸元件，其中所述第一部分被設(shè)置為用于面對面地與所述或者各個(gè)集光板相連。
26.根據(jù)權(quán)利要求1到23中的任意一項(xiàng)所述的光傳輸元件，其中所述第一部分包括至少一個(gè)集光板，所述集光板摻雜有染料分子并被設(shè)置為用于吸收太陽光和發(fā)射熒光性輻射。
27.根據(jù)權(quán)利要求24所述的光傳輸元件，其中所述集光板或者所述至少一個(gè)集光板和所述光傳輸元件被一體地形成。
28.根據(jù)權(quán)利要求22到25中的任意一項(xiàng)所述的光傳輸元件，所述光傳輸元件是由具有近似于所述或者各個(gè)集光板的折射率的透明材料制成的。
29.根據(jù)權(quán)利要求26所述的光傳輸元件，其中所述材料是聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。
30.根據(jù)權(quán)利要求16或者17所述的光傳輸元件，其中所述光纜具有單芯。
31.根據(jù)權(quán)利要求16或者17所述的光傳輸元件，其中所述光纜包括光纖束。
32.根據(jù)前述任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的光傳輸元件，其中所述光傳輸元件的圓形的第二部分外覆有低折射率材料。
33.根據(jù)前述任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的光傳輸元件，其中所述光傳輸元件的中間部分外覆有所述低折射率材料。
全文摘要
一種光傳輸元件。本發(fā)明提供一種由可透過預(yù)定范圍波長的光的材料制成的光傳輸元件。該光傳輸元件包括基本平坦的第一部分，圓形的第二部分，以及設(shè)置在第一部分和第二部分之間的中間部分。該光傳輸元件被設(shè)置為以如下方式將光從第一部分通過中間部分引導(dǎo)到第二部分為所述光不會經(jīng)歷引導(dǎo)光通過的材料的超過20％的橫截面積的減少。
文檔編號F21V8/00GK1934472SQ200380101989
公開日2007年3月21日 申請日期2003年10月24日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月24日
發(fā)明者詹姆斯·布魯斯·富蘭克林, 杰弗里·伯頓·史密斯 申請人:弗盧若索勒系統(tǒng)有限公司