CN102483484A - 表面微凹的光收集和会聚系统、及其组件和方法 - Google Patents

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邓肯·T·摩尔
格雷格·R·施密特
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Abstract

一种光波导装置包括光波导层，还包括光注入元件和在光学上布置在光注入元件的上游的相应的光旁路元件。光注入元件和/或旁路元件可以采用注入平面(空气棱镜)、表面衍射元件、体积衍射元件和梯度折射率分布的形式。一种光收集和会聚系统包括单个光波导装置、紧邻单个光波导装置布置的光传输介质层、以及邻近光传输介质层布置的主聚光器组件，主聚光器组件包括多个主会聚器元件且每一主会聚器元件与单个光波导装置的相应的一个光注入元件光学配准。

Description

表面微凹的光收集和会聚系统、及其组件和方法
联合研究协议
本申请从在该即时申请的受让人、罗切斯特大学和阿本戈亚太阳能新技术有限公司之间的先前存在的联合研究协议得来。
发明背景
1、发明领域
本发明的实施方式大体上涉及光学光波导领域，具体地说，涉及非成像光会聚器系统、方法以及应用。更具体地说，本发明的实施方式涉及一种在聚光光伏(CPV)太阳能系统中使用的光收集及会聚系统、及其光波导组件。
2、相关技术
太阳能是可再生能源解决方案的重要部分。聚光光伏(CPV)具有提供成本效益和清洁能源的来源的可能性。通过使用光学器件来会聚太阳能，使用了较少的光伏(PV)材料，降低了成本，因为与光学组件相比，PV材料较为昂贵且采用能源密集型生产方式。
序号为12/389,466、标题为LIGHT COLLECTION ANDCONCENTRATION SYSTEM(光收集和会聚系统)的审查中的专利申请，在此通过引用将此申请的主题并入该申请，所述审查中的申请公开了一种包含组件光波导装置的CPV系统。所述光波导装置包括多个导光结构(也称作‘光注入元件’)，在图1中通过非限制性的示例进行了图示。图2图示了关于相关技术的标准参考坐标系统描述的平面光波导系统的总体构造。来自遥远的扩展源(例如，太阳辐射)的大致沿(负)Y方向传播的入射光1通过透镜3会聚(例如，光2)，并通过光注入元件5注入到光波导4中。随后所述光大致沿Z方向朝向所述光波导的出口端6传播。分离的光注入元件5是光波导装置的一个表面部分，其通过从光波导的底表面7的区域延伸的局部横断的横向切口形成。根据光注入元件的倾斜角、光波导的折射率，以及注入表面的外部界面的折射率，辐射可以从光注入元件的表面全内反射。
可选择地或另外，类似的光注入元件1102可以作为光波导装置的表面存在，其通过从顶表面部分1021的一个区域延伸的局部横断的横向切口形成(见图1)。对于光注入元件1102，来自光学地耦合至光注入元件1102的主会聚器(未图示)的辐射1132被所述光注入元件拦截。阴影区1103表示在表面1102上的反射涂层，其将入射光1132反射到结构内以便随后在光波导装置内部朝向和离开出口端1150的TIR传播(沿Z方向)。光注入元件的精确的角方向将依赖于反射过程(例如，反射(直接或TIR)、折射、衍射)的性质、主透镜f/#、以及传输结构的折射率n2。例如，在光注入元件1104后面的凹口区域可以填充较低折射率的电介质材料以帮助TIR进入所述光传输结构。
所述光注入元件的典型尺寸是倾斜的反射表面为130μm-140μm，基底尺寸大约130μm，和高度尺寸大约140μm。依赖于所述传输结构的长度(Z方向)和宽度(X方向)，将有许多光注入元件(1102、1104、两者)，其在所述传输结构中是必须存在的。
在CPV应用中，该系统的总体目标是收集尽可能多的太阳辐射并尽可能地将这些辐射会聚以用于输入至PV电池中。由于穿过所述传输结构的光传播通过与下游的光注入元件相互作用而受到阻碍，光注入元件的存在导致了非理想的光波导。通过在光注入元件的吸收或散射，在光注入元件的光的出耦合，或与光注入元件相互作用而导致的展度弱化(etenduedilution)将可能发生光损耗。系统进一步的目标包括最大化主会聚器接收角，最大化注入会聚，最大化光波导会聚，以及最小化组件及系统的重量和厚度。
发明概述
本发明的一个实施方式是一种光波导组件。所述光波导组件包括具有顶表面和底表面以及横向取向的侧端(出射)面的光波导层，所述顶表面和底表面中的至少一个是实质上的平坦表面，以及横向取向的侧端(出射)面形成光波导层的输出孔。所述波导层具有折射率n1，为了促进在光波导内部的光通过全内反射(TIR)传播，n1大于与顶表面和/或底表面的至少一部分接触的介质的折射率nmed。因此，所述光波导可以包括被布置在紧邻所述光波导的顶表面和底表面中的至少一个处的光传输介质层。如参照图2中的相关技术系统所示，所述光波导层具有沿Z轴即朝向所述输出孔的预期的光传播方向的长度尺寸。所述光波导层包括被布置在顶表面和/或底表面和/或在一些情况下被布置在顶表面和底表面之间的多个光注入元件。所述光波导层还包括在光学上被布置在每一光注入元件的上游的相应的多个旁路元件，无论何时光注入元件将干扰穿过光波导的光传播。
依据一个方面，每一光注入元件是通过波导层的表面的横向切口并且所述切口与波导层表面成一个角度地从所述表面向内延伸形成的平面。在每一平面后面的空间可以是空气或具有比波导层的折射率更低的折射率的材料，所述平面形成在所述空间中。注入元件的此方面相同于在申请序列号为12/389,466的专利申请中公开的注入元件。在该实施方式中，这种类型的注入元件将在下文中称作空气棱镜。
在本发明的另一方面，所述波导层包括多个实质上平坦的衍射元件(例如，衍射光栅)，其被布置在顶表面和/或底表面的平面中，和/或被布置在顶表面和底表面之间的波导层内部的非倾斜方向的平面中。在此方面，旁路元件可以不包括在波导层中。
在本发明的另一方面，所述波导层包括体积衍射元件(例如，体积全息图)形式的光注入元件和/或旁路元件。所述体积衍射元件将被布置在平坦的顶表面和/或底表面，和/或被布置在顶表面和底表面之间的波导层中。可选择地或与此结合，体积衍射元件形式的相应的多个旁路元件在光学上可以被布置在波导层中的每一相应的注入元件的上游，其中注入元件不必被限制为衍射元件，而且可以包括上面提及的表面切口型注入元件。
在其他的方面，波导层中的梯度折射率(GRIN)可以被用作微凹(旁路元件+注入元件)或单独地用作旁路结构和技术。当与上面提及的空气棱镜型注入元件一起使用时，GRIN旁路结构可以是特别有利的。在多个方面中，直线型或抛物线型梯度可以被建立在波导层中的不同方向和方位。
在此描述的任何类型或形式的光注入元件和旁路元件的组合将在此称作“微凹(dimple)”。包括具有一个或多个微凹的波导层的光波导将在此称作“表面微凹的光波导”。表面微凹的光波导是一种非成像聚光器的形式，其允许在薄度形式因素和轻质形式因素方面具有改进的光会聚。
依据非限制性方面，所述光波导组件的顶表面和/或底表面可以具有平的、梯级式、锯齿形、阶梯形(倾斜的梯级)，弯曲的或其他形状的顶表面或底表面。依据进一步的选择性方面，所述光注入元件可以被布置在传输结构的内部，并采取棱镜、光栅、量子点、光子晶体和其他在具有或没有主会聚器时能够提供需要的光注入元件的功能的结构形式。
本发明的另一相关的实施方式是针对一种光收集和会聚系统。所述系统包括与在上文的多个方面描述的单个光波导耦合的主聚光器组件。所述系统可以有利地包括与该单个光波导相关联的辅聚光器。所述系统还可以包括邻近光输出孔布置的PV电池。在多种非限制性的选择性方面中，所述主聚光器组件可以是多种已知的可以收集入射的太阳辐射并将入射的辐射会聚于较小的区域上(即注入元件上)的元件中的任意一种。折射元件(例如，透镜)、反射元件(例如，反射镜)以及衍射元件(例如，光栅，全息图)都是可以使用的主聚光器的非限制性的实施例。依据多个非限制性的方面，主组件的单个主聚光器元件可以采用常规的聚焦透镜、菲涅耳透镜、柱面透镜、抛物面反射镜(或其部分)、角-角会聚器和本领域已知的其他的光学部件的形式。在有利的方面中，所述主聚光器组件是具有交替倾斜的配置的折射透镜阵列。主会聚器的每一组成光学元件均与光波导中的相应的光注入元件相关联。
由于其目的是在波导层中通过TIR进行主要的光传播，至少波导层的顶表面或底表面将由具有低于波导层材料的折射率的介质限定。紧邻波导层的顶表面和/或底表面的较低折射率的介质的位置可以取决于光注入元件是处于波导层的顶表面还是底表面。将在下文详细描述各种单侧的光波导和双侧的光波导。
上述提及的光收集和会聚系统提供了一种方式，通过该方式，大部分常规地入射(即，在可允许的接收角内)在主会聚器组件上并通过主会聚器组件会聚的光被输入到光波导，和/或在光波导中沿不同的、期望的传播方向朝向传输结构的输出孔引导。因此光注入元件适当地作用以捕获大部分常规地入射在系统上的主会聚光点，并将其改变方向90度(示例性地)，以便其沿着光波导的长度(Z方向)朝向其出射端传播。
以上论述的光波导层是薄片波导的形式；即具有比所述结构的总体长度L小的多的厚度T，因此具有由T/L定义的低纵横比。在此公开的光波导及系统的实施方式可以提供可选择的辅聚光器，其用于收集在低纵横比的波导层中传播的光并进一步将光会聚以通过波导层的出射端出耦合，并有利地进入被布置用来直接接收出耦合的光的PV电池中。依据非限制性的方面，辅聚光光学组件可以可操作地耦合(例如，注塑、粘合、自由空间对准等)至光波导的出射端以辅助地将光会聚并出耦合到PV电池中。所述辅会聚器可以由与波导层相同或不同的材料制成。可选择地，波导层的出射端自身可以成型(例如，抛物线锥形；直线锥形；梯形锥形；或其他适当的形状)以一体地形成在波导层的出射端的辅会聚器。这些形状将支持在光波导中传播的光的所有反射类型(TIR和/或镜面反射和/或漫反射)。
本发明的另外的特征和优势将在随后的详细说明中陈述，根据此说明或通过实践在此描述的本发明(包括随后的详细描述、权利要求书以及附图)而意识到，在某种程度上对本领域技术人员来说将是明显的。
应该理解，上述概括描述和以下的详细描述都仅仅是本发明的示例，且意在提供用于理解所要求的本发明的性质和特征的概览或框架。包含附图以提供对本发明的进一步理解，并且附图被包含在说明书中并构成本说明书的一部分。附图图示了本发明的多种实施方式，与描述一起用于解释本发明的原理和操作。
附图简述
图1示意性地图示了依据相关技术的具有两个示例性光注入元件的说明性光波导的横截面图；
图2示意性地图示了依据相关技术的具有坐标系的平面光波导太阳光收集和会聚系统的横截面图；
图3A图示了具有非倾斜的反射表面的多表面旁路棱镜微凹的透视结构图；图3B图示了具有倾斜的反射表面的多表面旁路棱镜微凹；图3C图示了具有倾斜的反射表面的多表面旁路棱镜微凹，其中倾斜的反射表面的边缘具有圆角半径；以及图3D图示了依据本发明的选择性的说明性方面的具有圆锥形表面的单侧旁路棱镜微凹的单侧；
图4A、4B分别说明性地图示了依据图3A所示的本发明的方面的空气棱镜注入元件和微凹；
图5示意性地图示了依据本发明的一个示例性方面的包括具有基于衍射的光注入元件的光波导的光收集和会聚系统的横截面图；
图6示意性地图示了依据本发明的另一示例性方面的包括具有基于衍射的光注入元件的光波导的光收集和会聚系统的横截面图；
图7示意性地图示了依据本发明的另一示例性方面的包括具有基于衍射的光注入元件的光波导的光收集和会聚系统的横截面图；
图8示意性地图示了依据本发明的一个示例性方面的单侧的光收集和会聚系统的横截面图；
图9示意性地图示了依据本发明的另一示例性方面的双侧的光收集和会聚系统的横截面图；
图10是依据本发明的一个说明性实施方式的表面微凹的光波导的俯视图；
图11A、11B分别图示了依据本发明的非限制性的、说明性方面的抛物线型会聚器和直梯形会聚器形式的选择性的、成型的辅聚光器的透视图；
图12A、12B分别是依据本发明的一个示例性方面的基于GRIN的光收集和会聚系统的侧截面图和顶截面图；
图13A、13B分别是依据本发明的另一示例性方面的基于GRIN的光收集和会聚系统的侧截面图和顶截面图；以及
图14是依据本发明的又一示例性方面的基于GRIN的光收集和会聚系统的侧截面图。
详细描述
现在将详细地描述本发明的示例性实施方式，在附图中图示了其实施例。如果可能的话，在所有附图中，同一参照数字将指示同一部件或类似的部件。
依据本发明的代表性的方面的‘微凹(dimple)’在图3中示出，并且在整个附图中由参照数字10标示。如在此依据本发明的非限制性的实施方式所使用的，术语‘微凹’是指平面光波导的结构组件。如图3所示，微凹10由两个部件构成：光注入元件11和光旁路元件12。如以下更加详细地描述的，在光波导中的每一注入元件被定位成接收来自相应的主聚光器元件(例如，小透镜)的聚焦或接近聚焦的光。在示例性方面中，所述注入元件起着将光从大体上垂直于光波导的方向(在图1中的-Y方向)重新定向至在光波导中朝向波导层的出射窗的传播方向(Z方向)的作用。所述旁路元件起着将在波导层内沿Z方向传播的光重新定向到围绕下游的注入元件的作用。由于向波导层内部突出的注入元件建立了非理想的光波导结构，其可能导致由在不再满足在波导层内部传播的TIR条件的角度处的折射或反射引起的光泄漏。所述旁路元件意在减少这种破坏，降低损耗并因此增加最大的出耦合的光会聚。
通过在图3A中所示的所述注入元件和旁路元件的非限制性的实施例进一步解释所述微凹的功能。光注入元件11(例如，参见在图1中的1102、1104)是空气棱镜，该空气棱镜的前表面13是用于在图1中的实施例所示的光波导1150的注入表面。旁路元件12-1也被配置为空气棱镜(或另一种折射率小于光波导材料的折射率的材料)。该旁路棱镜的首端16被耦合至与注入表面13相对的注入元件的后面，其高度和宽度(形状)被限制为与所述注入棱镜的后表面的高度和宽度相同。所述旁路棱镜的尾端17形成锐边。所述旁路棱镜包括两个成角度的、非倾斜的(在Y-Z平面中)、非锥形的、有形的‘侧’表面19、20，由于其角度方向和材料的性质，其将行进在传输层(Z方向)中的光进行全内反射，并且其将正在传播的光重新定向到X方向和/或Y方向以减少或避免与下游的微凹的相互作用。
注入表面相对于所述光波导层的方向确定在波导中传播的光的初始方向。两个参数限定所述方向：该表面相对于每一小透镜的光轴的倾角和围绕所述光轴的旋转角。名义上，所述注入表面被旋转成沿着波导直接指向在+Z方向的出射面。这样留下了一个自由参数-表面倾角。由于所述微凹包含在所述光波导层的内部，在光和所述表面之间的入射角应该满足TIR条件以避免反射涂层固有的反射损耗。TIR的限制条件限制了光可以无损耗地注入到波导中的角度。具体地，所述注入表面应该被定向以使由所述主会聚器元件(在下文中为‘小透镜’)产生的所有角度满足TIR，所述角度由下式给出：
θcritical＝arcsin[nair/nLG]，和θcritical≥θfacet+arcsin[N.A.Z.lenslet/nLG] (1)
由于光学玻璃的TIR条件接近45°，所以每一小透镜的数值孔径(NAZ)应该较小。在正交于入射光传播和反射光传播的方向，如果NAZ满足TIR，那么所有角度将满足TIR条件，因此NAX不受限制。因此，在一个方面，小透镜孔径将是矩形(以下进行进一步论述)，但是也可以是圆形、六边形、或其他的密集和非密集的几何形状。
依据本实施方式，所述微凹的第二部件是与所述注入表面的后面耦合的所述旁路棱镜。其目的是通过将光重新定向到所述注入棱镜的周围来减少来自波导层的光泄漏。代替直接损耗，所述旁路棱镜增加了在波导层中的光的角分布。所述旁路棱镜将光重新定向为进入所述波导层的X维度和/或Y维度。所述旁路棱镜的横截面可以是矩形，所述矩形的x维度朝向所述棱镜的尖端(后部)X维度越来越小，如图3A所示。依赖于规定的会聚比、波导长度和波导高度，其他的横截面形状可以是有利的。所述旁路棱镜可以具有从头到尾在X维度和Y维度上的尺寸都减小的横截面，以使所述旁路棱镜的尖端变成一个点；或者，所述旁路棱镜可以具有仅在Y维度上逐渐减小的横截面。可选择地，所述横截面可以是圆形、椭圆形、或其他的几何形状。例如，图3B-1图示了具有沿Y方向从头到尾逐渐减小的三角形横截面的旁路棱镜12-2。图3B-2和图3B-3分别图示了依据一个方面的光传输结构中的旁路棱镜的侧截面剖面图和端截面剖面图。在图3C-1所示的另一方面，所述旁路棱镜具有类似于旁路棱镜12-2的略呈三角形的横截面，仅顶边缘和端边缘具有圆角半径，这可以有助于更加容易的制造过程。图3C-2和图3C-3分别图示了光传输结构中的旁路棱镜的侧截面剖面图和端截面剖面图。在选择性方面中，在图3D-1中图示了锥形的、单侧的、圆锥形截面的旁路棱镜12-4。图3D-2和图3D-3分别图示了光传输结构中的旁路棱镜的侧截面剖面图和端截面剖面图。
从简单的几何形状中，两个维度确定图3A所示的双侧的旁路棱镜的楔角2θBP：所述注入平面的宽度WIF和所述旁路棱镜的长度LBP，其中：
θBP＝tan[WIF/2LBP]                (2)
如果入射光的入射角小于关于θBP的波导的临界角，所述旁路棱镜将2θBP加到X方向的余弦。如果入射光在所述临界角之外，光将折射穿过所述旁路棱镜并从所述波导层泄漏。由于所述微凹仅构成所述光波导的横截面区域的一小部分，仅一小部分光与任一给定的微凹相互作用。这种相互作用的可能性依赖于所述微凹的相对尺寸和间隔以及在所述微凹上的光的入射角。因为所述旁路棱镜是长且薄的，所以具有较大的X分量的光将经历较大的微凹横截面。
图10是依据一个说明性、示例性的实施方式的表面微凹的光波导1000-1的俯视图。黑色方块1010表示向上延伸并从所述波导层的底表面倾斜的空气棱镜注入表面。旁路棱镜1011被图示为从每一注入元件向后延伸。
依据本发明的多个方面，所述光注入元件并非必须被限制成如上文中论述的空气棱镜。依据一方面，衍射光栅或衍射元件可以被使用在传输或反射中以将入射光注入所述波导层中。所述光的大致路径将类似于TIR/反射的空气棱镜注入表面的路径，然而，所述衍射元件被布置在平行于波导层表面的平面中；即被布置在顶表面或底表面或两表面之间上。通过主聚焦元件将入射光会聚于一个小光点并使光到所述衍射元件上。所述衍射元件将光的入射光束转向到可以在波导层内部传播的角度内，通常在相对于波导平行的线的50°范围内。所述衍射元件具有非实质(insubstantial)的垂直范围(extent)，因此衍射元件对在波导中传播的光的阻碍将小于对应的空气棱镜注入元件。同样地，在波导层中传播的遇到衍射元件的光将被衍射进入多阶并可以一直包含在波导层的内部。
关于光栅结构，衍射光栅的周期必须满足θm≥θcritical，其中θm是进入第m阶的衍射角，以及θcritical是由波导层支持的光的最大角；
θ m = sin - 1 n guide ( mλ + sin θ i ) d , θ critical = sin - 1 n bounding n guide sin θ i
其中θguide是波导层的折射率，λ是波长，θi是光相对于表面法线的入射角，d是光栅周期，以及nbounding是波导的边界介质的折射率。对于所有感兴趣的衍射阶数，此条件必须满足，所述感兴趣的衍射阶数将有利地为一个或两个优势阶数(dominant order)。重复结构的间隔将确定衍射角，并将应用而不考虑光栅的具体结构。所述具体结构可以优化成使衍射进入一个或两个感兴趣的阶数的能量最大化。
图5示意性地图示了光收集系统500-1的横截面图，所述光收集系统500-1包括折射小透镜阵列502形式的主会聚器、较低折射率的TIR介质层504和波导层508，波导层508包括被布置在所述波导层的上表面中的传输衍射光栅510。入射光512通过小透镜元件503被会聚(例如，聚焦或非聚焦)在相应的衍射光栅510-3上。所述光栅可以被设计成将一个或两个优势透射阶数衍射进入所述波导层中，如其中的箭头所示。
图6类似地示意性地图示了光收集系统600-1的横截面图，所述光收集系统600-1包括折射小透镜阵列602形式的主会聚器、较低折射率的TIR介质层604和波导层608，所述波导层608包括被布置在所述波导层的底表面中的反射衍射光栅610。入射光612通过小透镜元件603被会聚(例如，聚焦或非聚焦)在相应的衍射光栅610-3上，因此光衍射一个或两个优势反射阶数进入所述波导层中，如其中的箭头所示。这种布置允许比在以上的传输实例中较浅的槽深度，由于δ-n并因此在邻近的槽特征之间的路径差异更大。
图7类似地示意性地图示了光收集系统700-1的横截面图，所述光收集系统700-1包括折射小透镜阵列702形式的主会聚器、较低折射率的TIR介质层704和波导层708，所述波导层708包括位于所述波导层的顶表面和底表面的中间的传输光栅710-3。入射光712被会聚在所述光栅上，因此反射阶数和透射阶数都被衍射进入所述波导层中。
为了将所述衍射光栅设置在所述波导层的顶表面和底表面之间，一起构成所述波导层的两片材料可以有利地黏合或粘合在一起。在一个示例性的方面，所述衍射元件被施加到塑料波导层或玻璃波导层的一个表面，所述塑料波导层或玻璃波导层的厚度是最终波导的～1/2。粘合层被施加在其顶部上，以及另一片塑料或玻璃被黏合在适当的位置上。所述衍射元件可以被写入(write into)聚合物玻璃、硅玻璃，或直接写入塑料或玻璃。中间的粘合层的折射率应该与所述波导层匹配的折射率相对地相近，但只要所述中间层具有高于低折射率的TIR层的折射率，这不是必要的。依据另一示例性的方面，激光刻字可以被聚焦在连续的波导层材料内部的某一中间点。激光将改变材料的状态，例如，如本领域已知的通过加热或聚合的方式制造体积全息图。
依据本发明的另一方面，梯度折射率(GRIN)可以被提供在所述波导层中以作为微凹(注入元件+旁路元件)或仅作为用于不同类型的注入元件例如空气棱镜的旁路。
在参照图12A、12B论述的第一说明性的实施例中，沿Y方向的直线型或抛物线型梯度1201可以分别被用来维持大多数的传播光远离表面设置的注入元件或大体上进入所述波导层的中心区。在这种情况下的梯度分布在X-Z平面将是一致的，如图12B所示。这种梯度将采用以下形式：
n ( y ) = N o + N o 1 y + N o 2 y 2 ,
其中No是基本折射率，No1是直线型梯度系数，以及No2是抛物线型梯度系数。
在第二说明性的实施例中，直线型或抛物线型梯度可置于如图13A所示的沿Z方向的条状物1301，其沿X方向的梯度如图13B所示。在此，n(x)在每一Z轴微凹位置处较低(最小)以及在Z方向的邻近的微凹之间的中点处高(最大)。这种类型的梯度通过使光弯曲而进入微凹之间的自由空间来最小化靠近每一表面注入元件的光学路径。这种梯度将采用以下形式：
n(xk)＝NO+N01|xk|+N02x2 k
或n(xk)＝NO+NSsin(b*xk)
其中xk是沿X方向的相对于第k个微凹的X位置，以及b取决于微凹的间隔，N01是直线型梯度系数，No2是二阶梯度系数，以及NS是正弦曲线梯度系数。
在第三说明性的实施例中，一系列强梯度的Y轴条状物1401可以具有沿Z方向的并在X-Z平面中一致的梯度，如图14中所示。所述梯度与来自所述波导层的底表面的第一TIR反射一起作为注入机制，使波导层自身免于对波导几何的破坏。这种梯度将采用以下形式：
n(zk)＝NO+NOLzk
在这种情况下，所述波导层沿Z轴可以具有折射率不连续性，这可以限制波导的长度和由于沿着所述波导层的菲涅耳损耗的会聚上限，除非这些间断点被消除。
在不同的方面，依据本发明的一个实施方式的光收集及会聚系统可以被认为是单侧的和双侧的。
如以上所论述的，所述波导层将光从每一注入表面传输至所述光波导的出射孔。所述光波导对于名义上光的无损传播使用全内反射(TIR)，但是所述波导包含微凹，其干扰传播效率。在角度超过临界角之前，光仅可以与所述微凹相互作用几次，并且这限制了波导长度。TIR角(或波导数值孔径)由所述波导层和边界介质之间的折射率差限定。该界面可以是空气或较低折射率的材料。例如，小透镜层可以被粘合到所述波导层但是通过较低折射率的聚合层与其分开。
图8图示了一个说明性的单侧的光收集及会聚系统800-1的横截面示意图。依据一个示例性的方面，所述单侧的系统800-1包括光波导层808、低折射率的TIR层804、折射小透镜阵列802和反射层814，所述光波导层808具有被布置在其顶表面中的微凹810，所述低折射率的TIR层804被布置成紧邻顶层，所述折射小透镜阵列802被布置成紧邻所述TIR层，以及所述反射层814位于所述波导的底表面上。如图所示，入射太阳光812通过小透镜元件803被会聚在反射表面上并进一步被会聚在相应的(至小透镜元件)注入平面810-3上。当光通过TIR沿Z方向传播时，其中的某些光遇到微凹810-4的旁路元件。
这种单侧的系统是有优势的，因为系统被对折(相对于双侧的系统，将在以下论述)，，因而系统的厚度减小了，这减小了重量和所使用的材料。另外，所述小透镜和微凹可以由一个工具形成，可能采用相同的处理步骤形成，从而减小了由给定的制造技术带来的配准误差。单侧的光波导(包括防护玻璃)的标称性能预期大于70％。
图9图示了一个说明性的双侧的光收集及会聚系统900-1的横截面示意图。有些类似于图8的单侧系统，所述双侧的系统900-1包括具有被布置在其底表面中的微凹910的光波导层908，被布置成紧邻顶层的较低折射率的TIR层904，被布置成紧邻所述TIR层的折射小透镜阵列902。如图所示，入射太阳光912通过小透镜元件903被会聚在注入表面910-3上。当光通过TIR沿Z方向传播时，其中的某些光遇到微凹910-4的旁路元件。
在此方面，所述小透镜和微凹由单独的工具形成，可以注塑成型、压塑成型、UV弯曲、或由玻璃形成。这两个单独的组件被配准并相对于彼此放置。所述微凹结构可以包含在形成波导层的同一部件的内部，或可以形成在单独的层中并粘合到波导层基底。所述TIR层将由低折射率的材料组成或可以简单地为气隙。所述层可以防止传播的光与小透镜表面相互作用，这可以极大地降低波导的会聚能力。
如以上所述，在波导层中传播的光在其出射端处出耦合。虽然在一个示例性的方面，所述波导层的厚度T(Y维度)可以在3mm-5mm的量级，所述波导层的宽度W(X维度)不需要被限制，除了该结构意在将输入至所述波导层的所有光累积地会聚在所述出射端处以最终输入至PV电池中。位于邻近(有利地，紧邻)所述波导层的出射端处的PV电池的受限的进入孔可以得益于传播的光的进一步会聚，在这种情况下，在所述波导层的出射端和所述PV电池之间的辅会聚器将是有利的。
图11A、11B分别示意性地图示了抛物线型会聚器和直梯形会聚器形式的两个示例性的、不同形状的辅聚光器1100-1、1100-2。如图所示，例如，在图11A中，主会聚器部分1102具有多个主聚光器，如以上所描述的，所述主聚光器将入射光1会聚到单个光波导组件1104上，所述光波导组件1104具有相应的多个光注入元件(未示出)。光通过TIR在所述光波导中沿方向L传播。单独的组合抛物线型辅会聚器1100-1被示出为直接地耦合(例如，粘合)至所述光波导的出射端，因此所述辅会聚器的表面1101成为所述光波导的最终出射端。代替成为单独的组件，例如，所述辅会聚器1100-1(1100-2)可以是组合抛物线(1100-1)形状或直梯形(1100-2)形状的挤压成型或铸造成型的光波导的整体式端部，(其他适当的形状不被排除在外)。根据所述辅聚光器的设计，传播的光可以持续地全内反射直到出耦合或者可以进行其他的反射直到出耦合。因此，所述辅会聚器可以具有与所述光波导相同或不同的材料；可以是实心的、中空的、充气的，或其他的适于实现其预期功能的结构。
所述系统的标称性能依赖于光学表面(菲涅耳损耗)的数量，从小透镜和微凹进入波导的耦合效率，波导内部的传输效率，以及任何材料的吸收损耗。由于本方面仅具有一个低折射率材料的界面，菲涅耳损耗是最小的。没有防护玻璃，菲涅耳损耗大约占5％的损耗。防护玻璃大约增加另10％的损耗。在所述微凹处的耦合效率主要依赖于微凹尺寸和所述系统的规定的接收角。标称的设计从耦合进入波导具有至多2％的损耗。传输效率是所要解决的最重要的问题，以及传输效率依赖于许多参数。对于标称50mm的光波导长度，所述双侧系统(包括防护玻璃)的光学效率已被证实为大于80％。相比于单侧方面的提高来自由于缺少所述反射表面层和源自对所述小透镜孔径的干扰的阴影损耗带来的光损耗节约。
为了优化系统性能，理解表面微凹的光波导的组成部件的效果和相互作用是有益的。从输入孔穿过所述小透镜，离开每一微凹注入平面，并进入所述波导层的展度“传递”(etendue transfer)仅受到菲涅耳损耗和吸收损耗、注入平面尺寸和注入平面角限制。如果所述注入平面的尺寸较小，一部分的接收角和输入孔将直接错过所述微凹并丢失。如果入射在所述注入平面上的光角不满足TIR，那些光线也将丢失或衰减。这对系统几何结构设置了两个基本限制：最小的微凹尺寸和注入平面角。
一旦进入波导中，光将沿着波导层传输，以及可以或可以不被一个或多个旁路元件转向，这取决于在波导内部的光路。所述波导的目标是将光从注入点传输到出射点，并尽可能没有相互作用。波导传输效率依赖于一些相互联系的参数。波导自身以与一个表面具有周期性间断(即，所述微凹)的万花筒大致相同的方式工作。
本文中描述本发明的(尤其在随附权利要求的上下文中)而使用的术语“一个(a)”和“一个(an)”和“这(the)”以及类似的用语将被解释为涵盖单数和复数两者，除非本文另外指明或由上下文明确指出其相反的含义。术语“包括(comprising)”，“具有(having)”，“包括(including)”，“包含(containing)”将被解释为开放式术语(即意味着“包括但不局限于”)除非另外指明。术语“连接(connected)”将被解释为部分地或整体地包含在内，附着其上，或结合在一起，即使存在介于中间的某物。
在此对数值范围的引用仅意在作为单独提及落入该范围内的每一单个数值的简单的表达方式，除非另外指明，以及每一单个数值都包含在本说明书中，犹如在本文被单独列举一样。
在此描述的所有方法可以采用任一恰当的顺序实施，除非本文另外指明或由上下文明确指出其相反的含义。本文提供的任一实施例和所有实施例，或示例性语言(例如，“如(such as)”)的使用，都仅意在更好的阐明本发明的实施方式而并非对本发明的保护范围施加限制，除非另外要求。
在本说明书中的语言不应该被解释为指示对于实践本发明所必需的任何非要求的元件。
本发明可以做出各种修改和变形而没有偏离本发明的精神和范围，这对本领域技术人员来说将是明显的。并非意在将本发明限制在公开的具体形式，相反，本发明意在涵盖落入在随附的权利要求中所限定的本发明的精神和范围内的所有修改、可替代的构造，及其等同物。因此，本发明意在涵盖本发明的修改和变形，只要这些修改和变形落入随附的权利要求及其等同物的范围内。

Claims (36)

1.一种光波导装置，包括：
光波导层，其具有顶表面和底表面以及横向取向的侧端面，所述顶表面和所述底表面中的至少一个是实质上的平坦表面，所述横向取向的侧端面形成所述光波导的输出孔，所述光波导层的特征在于折射率为n1，还在于在朝向所述输出孔的预期的光传播方向的长度尺寸；
多个光注入元件，其被布置在所述顶表面和所述底表面的至少一个中；以及
相应的多个旁路元件，其被布置在所述光波导层的内部，且在光学上位于每一相应的光注入元件的上游。
2.如权利要求1所述的光波导装置，其中所述光注入元件是空气棱镜。
3.如权利要求2所述的光波导装置，其中所述旁路元件是空气棱镜。
4.如权利要求3所述的光波导装置，其中每一旁路元件具有与其相应的光注入元件相一致的首端和从其相应的光注入元件向后延伸的尾端。
5.如权利要求1所述的光波导装置，其中每一旁路元件具有至少一个在所述首端和所述尾端之间延伸的表面。
6.如权利要求5所述的光波导装置，其中所述至少一个侧表面是弯曲的。
7.如权利要求5所述的光波导装置，其中所述至少一个侧表面包括两个平表面。
8.如权利要求1所述的光波导装置，其中所述多个光注入元件中的至少一个沿所述光波导的X轴方向(宽度维度)倾斜(旋转)。
9.如权利要求1所述的光波导装置，还包括以折射率nmed为特征的光传输介质层，其中nmed小于n1，所述光传输介质层被布置在紧邻所述光波导层的所述顶表面和所述底表面中的至少一个处。
10.如权利要求9所述的光波导装置，其中所述光传输介质层是空气。
11.如权利要求9所述的光波导装置，其中所述光传输介质层是固体。
12.如权利要求1所述的光波导装置，其中所述光注入元件中的至少一个具有弯曲的前表面。
13.如权利要求1所述的光波导装置，其中所述多个光注入元件和所述相应的多个旁路元件被整体地布置在所述光波导层中。
14.如权利要求1所述的光波导装置，其中所述多个光注入元件和所述相应的多个旁路元件被整体地布置在单独的材料层中，所述材料层附着在所述光波导层上，以及所述材料层形成了所述光波导层的所述顶表面和所述底表面中的至少一个。
15.如权利要求1所述的光波导装置，其中所述光注入元件是体积衍射元件。
16.如权利要求1所述的光波导装置，其中所述旁路元件是体积衍射元件。
17.如权利要求1所述的光波导装置，其中每一旁路元件是在所述光波导层的X-Z平面一致的直线型梯度折射率分布和抛物线型梯度折射率分布之一。
18.如权利要求1所述的光波导装置，其中每一旁路元件是沿Z轴方向的直线型梯度折射率分布和抛物线型梯度折射率分布之一，且梯度在X轴方向变化，并且在每一注入元件的Z轴位置具有最小的折射率和在邻近的注入元件之间的位置具有最大的折射率。
19.一种光波导装置，包括：
光波导层，其具有顶表面和底表面以及横向取向的侧端面，所述顶表面和所述底表面中的至少一个是实质上的平坦表面，所述横向取向的侧端面形成所述光波导的输出孔，所述光波导层的特征在于折射率为n1，还在于在朝向所述输出孔的预期的光传播方向的长度尺寸；以及
多个衍射光栅光注入元件，其被布置在所述光波导层中。
20.如权利要求19所述的光波导装置，其中所述衍射光栅光注入元件被布置在所述顶表面和所述底表面的至少一个中，且布置在所述表面的平面中。
21.如权利要求19所述的光波导装置，其中所述衍射光栅光注入元件沿着所述波导层的纵断面布置在所述顶表面和所述底表面之间。
22.一种光收集和会聚系统，包括：
单个光波导组件，所述组件包括：
光波导层，其具有顶表面和底表面以及横向取向的侧端面，所述顶表面和所述底表面中的至少一个是实质上的平坦表面，所述横向取向的侧端面形成所述光波导的输出孔，所述光波导层的特征在于折射率为n1，还在于在朝向所述输出孔的预期的光传播方向的长度尺寸；
多个光注入元件，其被布置在所述顶表面和所述底表面的至少一个中；以及
相应的多个旁路元件，其被布置在所述光波导层的内部，且在光学上位于每一相应的光注入元件的上游；
光传输介质层，其以折射率nmed为特征，其中nmed小于n1，所述光传输介质层被布置在紧邻所述光波导层的所述顶表面和所述底表面中的至少一个处；以及
主聚光器组件，其被布置在邻近所述光传输介质层处，所述主聚光器组件包括多个主会聚器元件且每一主会聚器元件与相应的一个光注入元件光学配准。
23.如权利要求22所述的光收集和会聚系统，其中所述光传输介质层被布置在所述主聚光器组件和所述光波导层的所述顶表面中间。
24.如权利要求23所述的光收集和会聚系统，其中所述多个光注入元件被布置在所述光波导层的所述底表面中。
25.如权利要求23所述的光收集和会聚系统，其中所述多个光注入元件被布置在所述光波导层的所述顶表面中，所述系统还包括邻近所述光波导层的所述底表面布置的反射材料层。
26.如权利要求22所述的光收集和会聚系统，其中所述主聚光器组件是折射小透镜阵列。
27.如权利要求26所述的光收集和会聚系统，其中每一小透镜在两个维度具有曲率。
28.如权利要求27所述的光收集和会聚系统，其中所述曲率是相等的。
29.如权利要求22所述的光收集和会聚系统，其中所述主聚光器组件是菲涅耳透镜阵列。
30.如权利要求22所述的光收集和会聚系统，其中所述主聚光器组件具有提供将来自实质上平面波输入光的光聚集于所述注入元件上的光学特性。
31.如权利要求22所述的光收集和会聚系统，其中所述光注入元件是空气棱镜。
32.如权利要求22所述的光收集和会聚系统，其中所述旁路元件是空气棱镜。
33.如权利要求22所述的光收集和会聚系统，其中所述光注入元件是体积衍射元件。
34.如权利要求22所述的光收集和会聚系统，其中所述旁路元件是体积衍射元件。
35.如权利要求22所述的光收集和会聚系统，其中每一旁路元件是在所述光波导层的X-Z平面一致的直线型梯度折射率分布和抛物线型梯度折射率分布之一。
36.如权利要求22所述的光收集和会聚系统，其中每一旁路元件是沿Z轴方向的直线型梯度折射率分布和抛物线型梯度折射率分布之一，且梯度沿X轴方向变化，并且在每一注入元件的Z轴位置具有最小的折射率和在邻近的注入元件之间的位置具有最大的折射率。
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