CN101849145A - 分配式光学能量系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于生成和传输能量的系统及制造和使用该系统的方法。用于生成和传输能量的系统包括棱镜、透镜、反射镜、光缆或光导管、热滤波器、光滤波器、及电滤波器。透镜包括用于捕获电磁信号(波和粒子)的透镜系统，该信号来自任何辐射能量源、一个或多个光源、一个或多个反射表面、或任何上的或短的电磁波。一旦接收到电磁信号，通过信号的无限小折叠的方法，所述透镜系统将信号的强度倍乘n次，该方法基本包含将信号折叠到它们自身数十到上百万次的反复集中的信号，以产生基本集中的信号和投射基本集中的信号到一个单个光缆中。这些基本集中的信号在它们通过这些光缆或任何特殊的光导管的内部反射(概念上类似与光纤光缆中的信号反射)时传输长的距离。在光缆的远端，三个滤波器会提取热、白光及电。

Description

分配式光学能量系统
版权公告
此专利文献的公开的部分包含受版权保护的材料。版权拥有人不反对任何人复制专利文献或专利公开，如其在Patent and Trademark Office专利文件或记录中出现的那样，但是其它方面无论如何保留所有版权。
相关申请的交叉引用
此申请要求2005年10月19日提交的美国临时专利申请60/728245号的权益，于此通过引用将其全文并入。
技术领域
本发明涉及分配式光能量系统和方法。更具体地，本发明涉及用于通过一个或多个耐热性光缆的导管来传输太阳能和非太阳能的系统。
背景技术
自爱因斯坦对经典物理的突破后，就已经知道，光既作为波又作为粒子传播，并且能量与实体的惯性和光速直接成比例。从其狭义相对论已经知道，任何对象的能量能够通过在只有三个参数：质量、光速及粒子速度的方程中组合其惯性和其动能来获得。然而，为了支持他的理论，爱因斯坦要求时间锁定到能量守恒和转换定律。
由于能源危机和环境问题，找到可选的能源解决方案最近已成为科学和政治讨论的话题。然而，在技术水平上，时间仍然在可逆域(reversibilitydomain)内，并且能量设备仍然依赖于熵恒定度(entropy constancy)。例如，太阳能已经被认为是独有地局域化的、排它地基于线性的能量守恒和转换模型。
鉴于上述情况，相信存在对用于传输电磁辐射的克服当前可用的能量生成和分配系统的上述阻碍、限制、缺陷的系统的需求。
发明内容
公开了一种用于通过一个或多个耐热性光缆的导管来传输太阳能和非太阳能的系统。所述系统包括第一反射镜-透镜系统，用于集中散射的电磁太阳射线到焦平面上以产生聚焦的射线。反射镜系统集中器以因子N集中聚焦的射线。所述系统包括耦合器和光缆以将所述聚焦的射线对准到光缆的一个光导管中并生成复合光波。耦合聚焦准直器将光缆耦合到三个不同的滤波器，于此所述复合波转换成聚焦的射线并且然后转换成热、光、及电。热滤波器过滤热。光滤波器过滤光。电滤波器过滤电。
附图说明
图1是根据本发明的用于生成和传输能量的系统的优选实施例的图解。
具体实施方式
图1示出了生成器系统200，其第一级由物镜220构成，物镜220朝向发光的、听得见的和听不见的发射物体放置，该物体以电磁信号的形式发射辐射能量215。这些电磁信号215从所述发射物体在每个方向上传播；当所述信号215撞击到光收集器210时，反射的信号216传播朝向物镜系统220，从该物镜系统，折射射线225投射朝向焦平面。反射镜系统集中器(MSC)230放置成与透镜系统220在轴线上对准并且在焦距处。透镜系统220(变焦透镜系统)的射线225投射到MSC 230上，MSC集中射线n次。在一个实施例中，N次优选地从数十到数百万变化。在阶项(order terms)中，通过以因子N乘透镜系统220的射线225，MSC 230产生单一的反复集中的光(SOL)235。应当理解，为本描述的目的，术语“光”包括所有电磁光谱，从短波到宇宙射线。MSC 230在一个实施例中包括数个反射镜，集中射线以获得最大绝对强度，即射线本身的强度。此强度最大值于此指定为SOL。MSC 230集中与波/粒子集中区和预定能量需求成比例的输入射线225。一个实施例包括16个反射镜，其中，曲率半径在从20mm到6mm的范围中。此MSC达到上万的集中指数。
操作中，合成的集中的能量235，即SOL，进入光缆120——其包括一个或许多耐热光导管——通过准直和耦合器系统240。所述准直系统240与所述MSC 230和所述光导管120在轴线上对准，以产生包括所述SOL 235的平行射线。一旦SOL 235进入导管120，SOL的高度强化的射线在光导管120的内部反射，引起复合能量波(complex energy wave)(CEW)110。CEW 110依赖于光导管120的直径和长度、光导管的表面的特性(诸如平滑度和弹性)、导管的芯层和包覆层(如果应用)的折射率和反射率、MSC230的集中指数、及SOL射线进入导管120时的反射角度。
优选地，CEW 110遵守下述方程：
Z2+C＝E，
其中，E是复合能量，C是复合数(complex number)，而Z是前馈变量，其包含E并且与波密度成比例。CEW 110包括光折叠(light folding)过程，意指其高度集中的光线携带热和白光。在导管120的远端，热、白光和电被滤出。
在光缆110的远端，一个或许多携带CEW 110的导管与下述滤波器光学地耦合、准直和聚焦：1)热滤波器：碘化合物350；2)光滤波器：明矾化合物390；及3)电滤波器：热反应堆化合物370。在一个实施例中，滤波器是从过程中提取性质的装置。
CEW 110和其耗散的(混沌的)自组织波结构，容许使用非常小的光缆直径：从数微米到数厘米变化，依赖于每个配置、能量潜在源(energypotential source)或需求。此事实使得能够远程安装这些生成器单元。需要注意，CEW自组织行为的发生尤其归因于由碰撞(内部光子和光电子)引起的非线性。此动量损耗作为热耗散并且将其自己馈入CEW 110，用作能量反冲，其保持波为混沌的，因此自组织的。
生成器单元200(图1)包括射线捕获系统210/220(反射镜-透镜收集器和/或声碗(acoustic bowls)、及物镜组合物)、MSC 230、及耦合器240，该生成器能够安装在太阳辐射或非太阳辐射的每个源中。生成器系统200被分成两个种类：1)太阳辐射，其意指使用太阳收集器，优选地为用于反射太阳波的抛物柱面反射镜或圆形反射镜(210)和用于将直接的太阳辐射折射和聚焦到MSC 230上的物镜(220)；2)非太阳辐射，其意指使用光收集器，其使用反射镜-声碗(210)和物镜(220)的组合，以反射和折射听得见的(长的)和听不见的(短的)电磁波，并将它们聚焦到MSC(230)上。因此，任何电磁辐射源，比如人的嗓音，动物或昆虫的声音，摩擦声音(比如汽车轮胎在地面上)，来自电机、引擎、教室、礼堂、音乐仪器、管弦音乐会、海洋波、及直接的/间接的太阳辐射的工业上听不见的声音，是辐射能量的潜在源。本地站(所述生成器200)能够安装在这些或其它源的任何一个中，然后，经由单根光缆，传输能量到远端本地站(消费者300)用于消费者分配。
在此情况下，能够提供连续的(白天和黑夜)能量生成。在一个实施例中，本地站包括呈现的两种类型的生成器：一种捕获太阳或发光辐射，而另一种捕获所有其它的电磁辐射源。因此，在晚上时间，此后面的本地站使用非太阳能生成器来从所有的电磁辐射源生成能量。
在一个实施例中，太阳辐射生成器单元的应用使用地球的太阳能，其达到1KW/m2(一千瓦每平方米)的最大平均值。使用一个密度系数为1×106(一百万)的太阳辐射生成器的一个本地站能够产生1×106KW/m2(一百万千瓦每平方米)。美国的一个家庭需要平均30KW/m2。此太阳生成器单元单独供应1×106KW/m2÷30KW/m2＝30000个家庭。
非太阳辐射生成单元的应用使用任何形式的非太阳电磁辐射。遵循前述示例中讨论的太阳生成器的逻辑，一个本地非太阳单元具有1×106的密度系数(一百万)。谈话模式中的人类嗓音平均为3×10-5瓦，而喊叫模式中的人类嗓音平均为3×10-2瓦。这些嗓音能够经由电子功率放大器供电。关于这点，单独谈话的一个人理论上通过所述非太阳生成器单元生成下述瓦数：3×10-5瓦×1×106＝30W。如果1000个人谈话一个小时，它们将供应美国的平均家庭一个小时。同样，用所述生成器的同样的密度系数，一个人喊叫一个小时将供应一个家庭一个小时：(3×10-2瓦×1×106＝30000W。)从这些示例，本领域技术人员能够看出使用来自极广的非太阳源的能量的可能性，并且能够使用许多不同的实施例。城市产生能够潜在地使用非太阳能生成器的无限多种听得见的、听不见的、及工业能量源。农村区域具有许多其它的潜在能量源，比如昆虫、动物、溪流、河流、电布线发送器(electricity wiring transmitter)等，并且能够包括任何形式的电磁辐射。
在一个实施例中，密度系数受到光缆的质量限制，包括其材料重量、粒度、弹性、直径、耐热因子，并受到反射镜和透镜的质量和耐热因子的限制。在一个实施例中，密度系数越高，则电缆的直径增加得越高，以改善电缆的、反射镜的、玻璃的耐热因子。然而，电缆直径与密度系数具有指数关系，密度系数是能够对不同应用被最优化的值。在一个实施例中，确定密度系数的界限的主变量是：光缆的全反射因子和耐热因子；反射镜的平面和球面反射率；透镜的折射率；反射镜和玻璃的耐热因子；CEW的耗散和自组织行为的完整性。
在一个实施例中，生物和纳米技术的使用能够帮助获得较高的密度系数，同时保持小的光缆直径，使得较高的复合能量在其连续地传播直到它到达光缆的远端(用户端)时保持其耗散和自组织行为(CEW)。
在一个实施例中，密度系数的确定依赖与每个安装。操作中是捕获来自1W/m2的能量/面积源的系统，其是地球上太阳平均能量的量的千分之一。使用内部直径为10mm的单根光导管。虽然集中器因子能够达到任何幅度，受限于第一热力学定律并根据每个安装被调整，但是计算针对MSC230的集中因子，使得原始1m2的参考面积减小到光导管表面的面积，其是π×r2＝3.14×52＝78.5mm2。因此，集中因子将是1m2÷78.5mm2≈12740。在焦点处的平均通量将是1W/m2×12470＝12470W/m2；并且在光导管的表面区域处，其是78.5mm2，通量将是1W/m2。考虑0.9的效率，实际的平均通量将是12740W/m2×0.9＝11466W/m2。MSC设计基于太阳能收集器领域已知的概念，适用于抛物柱面和球面反射镜及透镜，并且依赖于每个应用而变化。概念上，光收集器设计的数学基本上从已知的热传递和光学定律推导得，特别地：1)三个热传递模式，即传导、对流和辐射；2)关于电磁辐射和物质之间的相互作用的反射和折射定律。为了计算在所述光导管120的入口的热的量，使用斯蒂芬-玻尔兹曼辐射定律：H＝AeδT4[其中H＝以瓦计的辐射能量；A＝表面面积；e＝发射率；δ＝玻尔兹曼常数(5.6699×10-8W·m-2·K-4)；T＝开尔文温度]。
在MSC包括透镜、反射镜，或者二者的组合的情况下，热辐射会升高并且能够基于两种关系使用量子辐射传播来计算：1)光子能量：E＝hν[其中ν是频率而h是普朗克常数＝6.625×10-34J·s]；2)c＝λν＝coa/n(其中c＝光速；λ＝波长；ν＝频率；coa＝真空中的光速；n＝介质的折射率。)需要注意，热辐射通常认为在从约0.1到100μm的波段中，而太阳辐射集中在0.1到3μm的波长范围中。使用球面反射镜对具有较少的表面接触，因此发射较少的热辐射是优选的。使用公式中的以上值并针对T计算，焦点的温度将为：
T＝4√H/δ
＝4√11466W/m2÷5.6699×10-8W·m-2·K-4
T≈671K≈398C。
此热密集的光以一个角度(小于45度)进入光导管，以便利用导管的耐热性平衡内部反射。应当注意，为了遵守通过光导管的全反射原理，芯层和包层部分(类似于光纤，但是具有较高的维度)能够应用于光导管的物理结构。一旦辐射的电磁射线进入光导管的10mm的内径的冷的和反射的表面，持续的粒子相互作用使得光导管的内部能量发生变化；该能量受到系统的热力学限制(每总体积的总粒子数的比率)。数个物理现象会立刻发生，但是最重要的是，温度的上升会改变玻璃的分子结构并激发电子改变能级，因此生成更多光子。工作中来自粒子的热根据Q＝cmΔT转换[其中Q＝以J/(kg·℃)计的热容量，其依赖于材料的性质(对于玻璃＝840)；cm＝以kg计的质量；ΔT＝温度变化。]此工作反馈到电磁辐射中。然而，因为粒子碰撞会在三个或更多维度上并且以随机运动发生，每个粒子会改变运动速度和方向，并且相互作用的光子-电子能够生成比光速传播快的的光子。当光子被电子吸收时，电子跃迁到较低能级，并且释放新的光子。光的这种散射能够导致电子及时反向传播，以吸收光子。当由差分电子生成时，光子也能够及时反向传播，改变粒子电荷并生成反粒子。这些粒子反向传播时也能够碰撞。当粒子和反粒子碰撞时，它们彼此湮灭；然而，依赖于幅度和频率，能够从粒子-反粒子碰撞释放一个或更多光子。此现象，根据量子电动力学，示例了光强的增长和反馈到整个电磁波中的能量的释放。生成的全部能量会与光导管的整个玻璃面积、玻璃的质量、密度系数(如先前讨论的)、及热成比例。全部能量E是静止能量Eo和动能KE的和，或E＝Eo+KE，并且基于由关系E＝mc2/√1-v2/c2(m＝质量；v＝粒子速度；c＝光速)给出的爱因斯坦的狭义相对论。从此关系，如果如上述的，粒子及时反向传播(速度大于光速)，则v2/c2会大于1，使得√1-v2/c2＝复数。此新的能量方程能够写作E＝mc2/iy+C(其中i＝虚部，而C＝复常数)。根据量子电动力学，事件的概率是复数的绝对平方。因此，事件“粒子以大于光速传播”的概率在操作中的情况下变大。这是对所述CEW 110的形成有贡献的一方面。
另一方面是玻璃表面的非线性，其甚至会由归因于热的热应力增加。在光子和热激发激发反粒子和其它光子的电子和其它反粒子时，它们随波振动，依赖于动量、能量和波长的变化，由德布罗意关系给出：λ＝h/p(λ＝粒子波长；h＝普朗克常数；p：粒子的相对论动量大小)。应当注意，要由源发射的光子的幅度通常随时间改变。随着时间流逝，要由源发射的光子的幅角变化。在当前描述的系统中，源是白光，并且其许多颜色随机地发射光子，使得幅角不规则地变化。因此，在被吸收后，光子会改变波长(因此颜色)，然后由电子作为新的光子生成。粒子波长和动量的不规则是引起CEW的其它贡献。
热力学状态第二定律陈述为“热自发地从较高温度的物质流向较低温度的物质，而不会自发地反方向流动”。因此，在加速模式中，热波流会寻找光导管的远端。此连续的电磁热流移动通过光导管并生成特殊图案，其中数百万分子相干地移动，一种保持非平衡状态的情形。与玻璃表面上的非线性和粒子波长和动量的不规则一起，随着时间，此非平衡状态会将CEW变成自组织波。Nobel Laureate Ilya Prigogine将此现象称作“耗散结构”。根据Prigogine，离平衡越远，通量越强，熵产生增加，并且系统可以遇到导致新的顺序形式的不稳定性，新的顺序形式在这些耗散结构发展到不断增长的复杂形式时，将系统运行到越来越远离平衡态。粒子集中的高密度会容许更密集区域附近团的迅速生长。这些团容易地移动通过膨胀的(通过热张力)玻璃分子，在光子激活其它区域中的电子到玻璃厚度里面时，容许将(惰性)能量转换为活化能。此过程增加活化的粒子总数(population)增长，即被激发的电子数。总能量由CEW关系给出：Z2+C＝E，其中E是复合能量，C是复合数，而Z是前馈变量，其包括E并且与粒子总数密度成比例。
需要注意，诸如万有引力的外部因子能够被非平衡态放大，其有助于增加打破平衡，对增大活化的粒子总数增长的总目的做贡献。此外，光导管能够由有机材料制成，使得外部因子甚至更动态地参与到粒子总数增长的增加(为获得从惰性到活化的粒子阈值)和随后的积分能量和CEW传播距离的增加中。
关于建立MSC 230的最终考虑依赖的事实是：对熟悉应用于太阳能的光学器件领域的任何人来说，为捕获太阳能，能够使用成像(IF)和非成像(NIF)集中器是公知常识。关于IF，通过使用球对称几何结构、动态灵活的折射率(对于基于透镜的MSC)及使用具有高折射率和接近零的色散的材料(有机杂化)，能够获得理想的操作。虽然在NIF集中器中，能量效率高得多，但是IF具有能够应用具有小得多的耐热性的材料的优点。在补偿中，IF集中器因子基本低于NIF的。关于IF和NIF针对捕获太阳能所说的一切对捕获任何电磁辐射源都是有效的。
热滤波器提取热，即其从复合能量波CEW滤出热。热在CEW内以集中的耗散形式传播；存在从CEW提取此集中的热的许多方法。一种过程是通过使用固体、液体、或气体形式的碘合成物。固体形式例如是由碘溶液构成的棱镜。在这种情况下，如图1所示，在通过分配器准直器320后被物镜反射镜-透镜系统340光学地捕获时，CEW 110信号变为非散射的高度聚焦的射线345。所述射线345撞击碘棱镜350并且仅输出热，因为碘阻挡了可见光并且容许红外光输出；并且红外光，波长约为800纳米，产生最大量的辐射能量。操作中，携带CEW 110的光导管通过耦合器310光学地耦合到与聚焦和准直系统340(包括反射镜和棱镜)光学地对准的所述分配器准直器320以捕获、对准并聚焦光线325(重生成的消费者SOL)，使得射线345直接聚焦到所述碘固体、液体或气体溶液350上，反复集中的红外光355从其滤出。在此射线的焦点放置一桶水，会导致该桶水立刻沸腾。放置诸如焦炭的固体材料，会导致立即白热化。锌在相同的地方燃烧起来，而镁带出现鲜艳的燃烧。放置在焦点的镀铂的薄片被加热到白色。
光滤波器提取可见光，即它从复合能量波CEW滤出可见光。可见光在CEW内以集中的耗散形式传播；存在从CEW提取此集中的可见光的许多方法。一个过程是通过使用固体、液体或气体形式的明矾合成物。固体形式例如是由明矾溶液构成的棱镜。在这种情况下，参见图1，当来自CEW的所述光线325(重生成的消费者SOL)通过物镜反射镜-透镜系统380并撞击明矾溶液390时，可见光395被滤出。因此，如本领域自从牛顿就已经知道的，通过放置与明矾化合物390轴向地对准的棱镜，能够看见可见光的全部颜色谱。操作中，携带CEW 110的光导管通过耦合器310光学地耦合到与聚焦和准直系统340(包括反射镜和棱镜)光学地对准的所述分配器准直器320以捕获、对准并聚焦射线325(重生成的消费者SOL)，使得射线385直接聚焦到所述明矾固体、液体或气体溶液390上，高度聚焦的、准直的并且反复集中的可见光395从其滤出。发光谱的所有其它射线被阻挡。沿可见光395的光轴放置的小的反射镜用作光学灯。光纤导管也能构将可见光传输到建筑物的本地目的地，例如在安装光学灯的远端。
电滤波器提取电，即它滤出或变换成复合能量波CEW的电确定的成分，如振动、热、磁和电场。这些成分在CEW内以集中的耗散形式传播；存在从CEW提取和转换这些集中的成分的许多方法。例如，压电是分别通过压电生成器和压电电机将机械应力转换成电压，和将电压转换成机械应力的过程。该过程本身在工业上是公知的。在一个实施例中，能够通过使用放置在光线325(重生成的消费者SOL)之前的陶瓷片，在高密度波振动到陶瓷上时，引起机械应力并使得陶瓷产生电压。电磁是另一个已知的过程并且能够用于本发明中，因为所述光线325能够传递到电磁管和输送管中——围绕这些输送管或管的感应器生成电压。参见图1，一个将热转换成电的过程包括使用热电半导体化合物370。此转换器370包括PN硅结371的阵列。变黑的接收板372连接到所述PN结371的一个侧面以吸收最大量的输入辐射能量。散热片373连接到所述结371的另一侧面。转换器370封装在盒子中，该盒子在朝向射线365的侧面具有玻璃窗口374。玻璃窗口对来自所述SOL 325的大多数能量辐射是透明的，但是对由所述加热的接收器372发射的长波长的辐射是不透明的。操作中，携带CEW 110的光导管通过耦合器310光学地耦合到与聚焦和准直系统360(包括反射镜和棱镜)光学地对准的所述分配器准直器320，以捕获、对准并聚焦光线325(重生成的消费者SOL)，使得射线365直接聚焦到所述热电转换器370的所述玻璃窗口上，高度聚焦的、准直的并且反复集中的束从其在接收器板372处引起温度差并且在PN结371处生成电流并且可用作电势375。

Claims (15)

1.一种系统，用于通过一个或多个耐热光缆的导管传输太阳能，其包括：
第一反射镜-透镜系统，用于集中散射的电磁太阳射线到焦平面上，以产生聚焦的射线；
反射镜系统集中器，用于以因子N集中该聚焦的射线；
耦合器；
用于将该聚焦的射线对准到光缆的一个导管中的光缆；
传送集中的射线到复合光波中并将它传输到远端的光缆；
耦合聚焦准直器，用于将该复合波转换成聚焦的射线和将它们对准到三个滤波器：热、光、及电；
用于过滤该热的热滤波器；
用于过滤该光的光滤波器；
用于过滤该电的电滤波器。
2.如权利要求1所述的系统，其中，该第一反射镜-透镜系统包括抛物柱面或圆形类型的反射镜和变焦透镜系统，并且与该反射镜系统集中器光学地耦合。
3.如权利要求1所述的系统，其中，所述反射镜系统集中器包括与所述光缆的一个或多个导管光学地耦合的数个反射镜，生成具有高辐射能量的射线的单个反复集中的光。
4.如权利要求1所述的系统，其中，所述耦合器包括棱镜和透镜，将所述反射镜系统集中器光学地对准到该光缆导管，使得该反射镜系统集中器的射线进入该导管以产生最大反射。
5.如权利要求3所述的系统，其中，所述单个反复集中的射线携带耗散类型的波，相对于到达该抛物柱面反射镜的能量，整个能量以一到一百万倍或更高的因子增加。
6.如权利要求1所述的系统，其中，基本邻近于该耦合器的光缆发射热混沌耗散的类似波的信号。
7.如权利要求1所述的系统，其中，耦合聚焦和准直器系统包括棱镜和透镜，并且基本邻近于该光缆，并且光学地对准到分配式准直器。
8.如权利要求1所述的系统，其中，所述分配式准直器包括棱镜和透镜，并且与所述耦合聚焦准直器光学地对准，转换重生成的SOL为不同形式的能量：热、光、及电。
9.一种系统，用于将听得见和听不见的电磁波转换成能量并将它通过耐热光缆的光导管传输，其包括：
第一反射介质，包含声碗；
第二反射介质，包括物镜；
反射镜系统集中器；
耦合器；
光缆；
耦合器
聚焦准直器；
分配式准直器；
热滤波器；
光滤波器；及
电滤波器。
10.如权利要求9所述的系统，其中，该声碗包括能够捕获听得见、听不见、及不可见的电磁辐射的反射凹面金属。
11.如权利要求9所述的系统，其中，与该变焦透镜系统光学地对准的所述声碗与所述反射镜系统集中器光学地耦合。
12.如权利要求9所述的系统，其中，所述反射镜系统集中器包括与所述光缆的一个或多个导管光学地耦合的数个反射镜，生成具有高辐射能量的非常薄的射线宽度的单个反复集中的光(SOL)。
13.如权利要求9所述的系统，其中，所述耦合器包括棱镜和透镜，光学地将所述MSC对准到该光缆导管，使得该MSC射线进入该导管，以产生最大反射(典型地在45度角)。
14.如权利要求10所述的系统，其中，所述声音的非声音的碗和变焦透镜系统包括所述反射镜系统集中器和所述耦合器。
15.如权利要求9所述的系统，其中，所述第一反射镜-透镜系统包括所述反射镜系统集中器和所述耦合器。
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