CN102947745A - 步阶式流线聚光器和准直器 - Google Patents

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Abstract

光学系统，顺序包括第一光学表面，具有小面的第二光学表面和具有小面的第三光学表面。光学系统可操作将第一光线束转换为第二光线束，第一光线束在第一光学表面外部的相空间中是连续的，第二光线束在第三光学表面之外的相空间中是连续的。在第二和第三光学表面之间，形成第一和第二束的光线形成离散的子束，每个子束通过第二光学表面的小面到第三光学表面的小面。子束不形成相空间中的连续束，相空间具有表示光线跨越光线束的横截表面的位置和角度的尺寸。

Description

步阶式流线聚光器和准直器
相关申请的交叉参考
本申请主张2009年8月20日申请的美国临时专利申请No.61/274,735的权益，其全部内容并入于此作为参考。
背景技术
在本世纪初首先开发了步阶式流线光学器件（SFL）[参考文献1-3]并且快速地发现了背光灯设计中的应用[参考文献4、5]，用于组合光源或者有效地将光分布到不同位置的光学器件[参考文献6-10]。
这些光学器件的特征在于具有下部光学器件（光分配器），其从源收集光并且将光分配到给定的底面。来自光源并由光分配器重新导向的光束在底面上生成了流线场。然后设计过程继续遵守流线（flow－line），然后在流线上移动，接下来是另一个流线，然后在流线上移动，等等。在之后是该步阶性结构的两个连续的流线之间包含的集光率的每个部分由分开的（小的）光学器件管理。然后该设计方法的特征在于将在底面上进入的光束“打破”为小的部分，每个部分由分开的（小的）光学器件控制。这个过程使得能够后来重新组合所有这些部分，无缝地重建整个光束的连续性。已经提出了其中发生和不发生重新组合过程的光学器件的例子[参考文献3]。例如，这个重新组合过程在将来自不同光源的光组合到单个出口孔径的光学器件中不发生。通常，支撑表面可以是平坦的或者弯曲的，开放的或闭合的（例如圆柱体）[参考文献2、3]。
在这里公开的某些配置中，总是发生光束无缝地重新组合。这些设备的一个元件是光分配器（下部光学器件），其将来自源的光分频道底面。其他元件由构成上光学器件（微结构）的许多小的光学器件组成。每个小的光学器件是微结构元件。
每个微结构元件的光学表面可以闭合在一起或可以分开，产生不同类型的结构。在第一种情况下，微结构的厚度与光学器件的整个厚度相比非常薄。在第二种情况下，每个微结构元件的表面之间的距离比它们的尺寸大得多，一组表面跟随底面，并且另一组表面跟随另一个表面，例如入口孔径。
本说明书中提出的光学设备的实施例的目的在于使得设计过程能够在光束中引入多个不连续，并然后在光学器件向下去除这些不连续。相反地，今天的非球面设计方法仅允许在生成的表面上引入单个不连续[参考文献11]。
发明内容
本发明的一个方面提高了一种光学系统，顺序地包括：第一光学表面；具有小面的第二光学表面；和具有小面的第三光学表面；其中光学系统可操作将第一光线束转换为第二光线束，第一光线束在第一光学表面外部的相空间中是连续的，第二光线束在第三光学表面之外的相空间中是连续的；其中在第二和第三光学表面之间，形成第一和第二束的光线形成离散的子束，每个子束从第二光学表面的小面行进到第三光学表面的小面，并且子束不形成相空间中的连续束；其中相空间具有表示光线跨越光线束的横截表面的位置和角度的尺寸。
从下面的具体实施方式可以看到，许多实施例实质上是可逆的。大多数描述的实施例在一个方向用作聚光器，在另一个方法用作准直器。在许多这样的实施例中，当用作准直器的时候，第一光学表面用于分配表面，向第二表面提供光，第二表面然后形成分开的小面结构或微结构，并且第三表面然后形成组成小面结构或微结构。然而，当相同的光学系统用作聚光器时，分开和组合结构的功能互换，并且“分配表面”实际上用作聚集表面。由此，通常在涉及特定方向光流动的说明书中使用的术语应当被广泛地理解为在相对方向流动的光的相反功能。
本发明的另一个方面提供一种光学系统，顺序包括第一光学表面和具有小面的第二光学表面；其中光学系统可操作将第一光线束转换为第二光线束，第一光线束在第一光学表面外部的相空间中是连续的，第二光线束在第二光学表面之外的相空间中是连续的；其中在第一和第二光学表面之间，形成第一和第二束的光线形成离散的子束，每个子束从第二光学表面的小面行进到第一光学表面的小面，并且子束不形成相空间中的连续束。
本发明的另一个方面提供一种光学系统，包括具有小面的第一光学表面和第二光学表面；其中光学系统可操作将第一光线束转换为第二光线束，第一光线束在第一光学表面外部的相空间中是连续的，第二光线束在第二光学表面之外的相空间中是连续的；其中具有小面的第一光学表面被配置使得从预定光源进入系统的光完全闪现系统的出口孔径。
本发明的另一个方面提供一种光学系统，包括源或接收器、具有小面的分光光学表面、引导源或接收器和具有小面的分光光学表面之间的光的分配光学表面以及可选地远离源或接收器的分光光学表面的侧面上的出口孔径，其中来自源或接收器由分配和分光光学表面导向的光线完全闪现出口孔径，并且在出口孔径形成具有来自两个波阵面的边缘光线的光线束。
该方面的实施例还包括具有小面的组合光光学结构，其中具有小面的分光和组合光光学表面协作，使得光在具有小面的分光和组合光光学表面之间形成离散束，并且在这些表面之外形成连续束。
在某些实施例中，如图1、13A和13B中例子所示，在出口孔径的每个点上的所示光线束的光线在二维上形成了三角形或者在三维上形成了圆锥，具有来自所示两个不同波阵面的边缘光线。
在某些实施例，特别是在光学系统是太阳能光电收集器并且接收器是光电设备的实施例中，出口孔径的所点的光线圆锥可以具有平行的轴和相同的圆锥角。由此圆锥角的尺寸被选择为容纳太阳光的角尺寸（如从底面可见圆锥半角近似1/4度）加上将聚光器瞄准太阳时恰当的错误容差。在准直器中类似的光学配置可以产生来自光源的窄光束。在其他实施例中，圆锥角和/或圆锥轴的方向可以在出口孔径上可变，以产生不同的光发射或接收模式。
在一个实施例中，在相空间中没有形成连续束的子束的标准是，不可能通过连续地改变相空间坐标从一个这样的子束移动到另一个这样的子束而不通过相空间中不属于任何子束的区域。在相空间中连续束的对应标准是，不可能通过连续地改变相空间坐标而移动通过这样的连续束而不通过相空间中不属于该束的区域。对于重新组合的束以没有孔的相空间表示这是期望的，但是不是关键的，在许多实际实施例中这是不可实现的。
附图说明
本发明的前述和其他方法、特征和优点将结合附图从下面更具体的描述中变得显而易见，其中：
图1示出了用于步阶式流线聚光器的上部光学器件
图2示出了通过组合若干上部光学器件和一个下部光学器件形成的步阶式流线聚光器（或准直器）。
图3示出用于挤压出图2中的聚光器的上部光学器件的模型。
图4示出了步阶式流线聚光器（或准直器），其由通过一层低折射率材料分成单元的两个光学器件组成。
图5示出与图4中的光学器件类似的光学器件，但是整个光学器件具有恒定的厚度。
图5A示出了例如图5所示的光学器件但是具有水平接收器的光学器件。
图5B示出了在图5光学器件的配置中的变形。
图6示出了光学器件的3D视图，该光学器件沿着下部光学器件的流线具有V形表面，提取步阶以及在所述步阶校准反射光的上部光学器件上的对应“透镜”。
图7示出图6的光学器件，具有完全覆盖有“透镜”的上部光学器件，在下部光学设备上每个步阶具有一个透镜。
图8示出了元件阵列，形成了完整的下部光学设备。
图9示出了与图6类似的光学设备，但是用于更紧密的校准。
图10示出了下部光学器件的另一个可能设计，具有遵守流线的表面以及跨越流线并提取光的步阶。完整的下部光学器件由相似元件的阵列构成。
图11示出了图10的下部光学器件的一部分，具有覆盖上部光学器件的对应“透镜”。
图12示出紧凑的聚光器的示意图。
图13A是一对上部光学器件元件的闭合视图。
图13B示出了图13A的光学器件的另一个视图，具有不同的波阵面。
图13C示出了与下部光学器件组合的完整的上部光学器件。
图14-21示出了图13C的组件的变形。
图22示出了对于点光源的情况在给定线上生成给定光分布的镜。
图23是与图22类似的图，用于扩展光源的情况。
图24示出了利用这些反射元件的聚光器。
图24A示出了具有圆形对称性的通过聚光器的轴向截面。
图25示出了用于成像应用的类似光学器件。
图26示出了类似光学器件，但是具有积分器元件。
图27示出了具有不同射线轨道的紧凑型光学元件。
图28A示出了单片紧凑光学器件。
图28B示出了与图28A类似的光学元件的部分放大图。
图29示出了具有中央汇聚透镜的单片紧凑光学器件。
图30是表示设计光学器件的另一个方法的图。
图31A示出了根据图30的设计方法通过光学器件的轴向横截面。
图31B示出了通过图31A的光学器件的另一个轴向横截面。
具体实施方式
参考下面的利用本发明的某些原理阐述示例性实施例的具体实施方式和附图可以得到本发明的各种特征和优点的更好理解。
图1示出了第一实施例的上部光学元件的几何结构。右面的插入示出了光学元件的中间部分的细节以及一些光线的路径。笛卡尔卵形线101将垂直于平坦波阵面104的平行光线103集中到点102。在笛卡尔卵形线101的一端开始的壁105将从在平行光线103束的一段的点106发射的光线的第一部分集中到点102，并通过笛卡尔卵形线101传播，如示例光线107所示。从壁105延续的壁108反射从点106发射的光束的第二部分，并且通过101传播，使得这些光线在垂直于平坦波阵面109的方向上行进。这是例如光线110的情况。这些光线然后在壁110上朝向上表面112反射，由此光线110在垂直于平坦波阵面113的方向折射。在上表面112的折射之后，从壁111延续的壁114将光线垂直于平坦波阵面116聚集到点115（在原来讨论的光线相反方向传播）。这是例如光线117的情况。从点115延续的壁118将垂直于波阵面116的光线的另一部分反射到点102。这是例如光线119的情况。在点120（从壁105进一步笛卡尔卵形线101的一端）和点102之间，不存在光学壁，使得可以使用一些其他标准限定壁的截面（只要这个壁在连接点120和102的直线之上）。
图2示出了将与图1的光学器件类似的光学器件组合到步阶式流线聚光器。与顶面112最接近的侧面114和118的顶部具有较小的光学影响，所以移除部分使得这些光学器件中的若干可以被组合为单片。该得到的单片是上部光学器件201。上部光学器件201与下部光学器件202组合，下部光学器件是抛物面镜。接收器位于平面203，从轴极向抛物面镜的焦点延伸。与图1的点102和120之间的部分相对应的上部光学器件上的表面204是非光学的。抛物面镜202具有焦点和平行于平行光线206的轴，平行光线206对应于图1中的光线106。对准光学系统使得来自一个光学元件的笛卡尔卵形线101的上端120的光线103或206通过下一个光学器件的笛卡尔卵形线101的下端。图1的笛卡尔卵形线101在图2中组合以形成不连续的有小面的表面。图1的顶面112组合到图2中以形成有小面的表面。较大数目的光学器件可以组合到上部光学器件中。在这种情况下，下部光学器件和接收器必须相应地调整大小（它们的形状不改变，仅改变它们的大小）。
图3示出了用于挤压出图2的上部光学器件201的模型301的例子。上部光学器件201然后是均匀的并且具有垂直于图2的平面的不确定的长度。图1所示的光线可以被投影到对于该平面模糊的光线的图1的平面上。在图3的模型中的连接的腔的数目可以变化，从而改变在图2的上部光学器件201中连接的光学器件的数目。
图4示出了用于源401的准直器。准直器由两部分组成：下部光学器件402和上部光学器件403，由一层低折射率材料404（其可以是空气）分开。下部光学器件是一片固体的透明材料（绝缘的），在顶部由低折射率材料404限定以及在底部由步阶式电流限定。该步阶式流线由遵从流线的线406和跨越流线的排出器407构成。光进入限制在孔径张角405之内的下部光学器件，并且通过在底面线406和低折射率层404之间的完全0内部反射（TIR）限定在孔径张角405内行进。当光行进时，它遇到镜407，其跨越流线，并且将光向上朝向上部光学器件反射。该反射的光穿过低折射率层404，因为它与低折射率层404形成的入射角对于TIR不是足够的。该反射光然后由透镜408校准，离开光学器件时在垂直方向校准。例如使用SMS设计方法同时设计镜407和透镜408。通常，镜407是弯曲的。
当使用SMS方法设计2个表面时，必须规定两个输入和两个输出光束。SMS方法提供了将输入光束耦合到输出光束的两个光学表面的概况。在这种情况下，设计的两个表面是透镜408和镜407。两个输入光束可以被选择作为来自源的两个边缘光束，即，相对于流线404、406具有最大角的下部光学器件402内部行进的两个光束。两个输出光束是限定在透镜408的折射之后的校对的两个边缘光束。通常，透镜408彼此不同，镜407彼此不同。
SMS不是唯一可能的设计方法。另一个可能的方法是例如设计408以形成镜407的边缘的好的图像，并且设计镜407以将光投射到它们对应的透镜内部。这个设计是关于需要锐截止照明模式的那些应用，例如汽车应用。
如在所有其他情况下，图4可以被用作聚光器，特别是对于光电应用，将源401替换为太阳能电池并且面向朝向太阳的垂直方向。
图5示出了与图4类似的光学器件，但是其中下部光学元件的所有镜506现在处于相同的水平，流线表面从每个镜506的上边缘到下一个镜的底部向下倾斜。透镜505也都处于相同的水平，并且由此处于距它们各自镜506的相同距离。透镜505均具有相同的焦距。这允许对于整个阵列使用相同的透镜和相同的镜设计。上部和下部光学器件由低折射率层504隔开，该层平行于校准的光的流线并且相对于透镜505和镜506的水平倾斜。来自源502的光进入被限制到孔径张角503的光学器件，并且离开在垂直方向周围校准的光学器件。
在这个类似的实施例中，由低折射率层504和不连续的反射表面507一起形成的反射表面形成了第一光学表面（如果502是源则形成分配器表面502，如果502是接收器则形成收集器表面）。小面506形成了不连续的具有小面的第二光学表面，并且小面505一起形成了具有小面的第三光学表面，其具有不连续的第一衍生物（尖头或弯头的）。
图5A示出了与图5相同的光学器件，但是现在还示出了旋转轴5A01。围绕该轴旋转光学器件得到了具有圆形对称性的设备。“黑洞”光学器件5A03收集从所有侧径向进入的光，并且将其集中到接收器5A02。
图5B（不是成比例的）示出了与图5类似的光学器件，但是具有在下部光学器件5B01中的弯曲元件。现在在源5B06和光学器件之间不存在气隙。上部光学器件5B02覆盖有透镜阵列5B03。这两个光学器件由一层低折射率材料5B04分开，该材料的形状是抛物线，在源5B06的边缘具有焦点5B05以及平行于流线5B07的轴。当光在下部光学器件内部行进时，光被限定在（有TIR）层5B04和流线5B07之间并且由朝向上部光学器件上的透镜5B03的布阶5B08提取，透镜在光退出设备的时候校准它。下部光学器件的顶面的部分5B09是与5B04相同抛物线的部分，并且需要被镜像，因为TIR在接近于源5B06的该表面不同发生。下部光学器件通过在源5B06的边缘5B05处为中央的圆弧5B10完成。在上部和下部光学器件之间具有抛物线分割的该几何结构最小化下部光学器件内部的反射数目（并且具有平坦流线5B07）。这具有实际的含义，因为反射总是产生一些光的分散。最小化反射数目由此增加了系统效率。可以使用SMS方法设计步阶5B08和对应的透镜5B03中的每一个。
通常通过在边缘光线的输入波阵面和接收器的边缘之间具有恒定光线路径长度来设计聚光器。这是例如（非步阶）的RXI聚光器的情况。然而，步阶的流线光学器件（SFL）不满足该条件。结果是在进一步远离接收器的点进入的光将行进比RXI内部对应光更长的光学路径长度（和距离）。此外，在接近于接收器的点进入的光将在SFL聚光器内部行进比RXI内部对应距离更短的距离。在二维几何形状中，这不是问题并且RXI和SFL是理想聚光器。
现在让我们考虑这些光学器件是给定圆形对称性的情况。还考虑在这些聚光器的每一个的入口孔径上的小孔。在RXI的情况下，在通过小孔的矢状平面上包含的两个光线将在光学器件内部行进，并且在接收器的边缘处结束（近似）。这是真的，独立于小孔的径向距离。然而，在SFL光学器件的情况下，进入进一步远离中央的小孔的光将行进比在比较器非步阶RXI中更长的距离，由此，照明具有更大半径的光斑，增加了接收器的尺寸并且减小聚光度。另一方面，进入更接近中央的小孔的光将比在RXI中行进更短的距离，由此，照明具有较小半径的光斑，在中央生成热区。结果是具有圆形对称性的SFL光学器件需要较大的接收器并且将对其非均匀地照明，在中央产生热区。注意在SFL接收器的中央的聚光度不能比比较器RXI生成的更高，因为假设RXI被重复优化并且（几乎）达到聚光度的最大限度。
例如通过给出图5B所示围绕轴5B11具有圆形对称性的光学器件，可以获得具有圆形对称性的SFL聚光器。选择进一步向左的旋转轴（远离光学器件）将得到聚光器，具有中空（环形）圆盘形状的接收器，或者具有中空圆盘形状的源的准直器。
图6示出了准直器，其接收被限定为圆锥601的光并且发射校准的光602。准直器由两个绝缘部分组成，由低折射率材料605（可以是空气）隔开的下部光学器件603和上部光学器件604。在部分603内部的光由位于底部的步阶的流表面606和在顶部的低折射率层限定，二者一起形成第一或分配器表面。当光在下部光学器件603内部行进时，光遇到倾斜的镜607（其穿越流线）并且向上反射。镜607一起形成不连续的具有小面的第二光学表面。在镜607的底部边缘到达的流表面从镜607的顶部边缘向后继续。由下部光学器件中的这些镜反射的光被收集并且由上部光学器件上的透镜608校准。这些透镜中的仅一个被示出，使得可以看到准直器的内部。然而，在实际的光学器件中，存在用于每个镜607的这些透镜608中的一个。透镜阵列608完全覆盖上部光学器件的顶面609并且形成具有小面的第三光学表面。透镜608和镜607可以是任意形状，使用例如SMS-3D设计方法设计。
图7示出了下部光学器件701和上部光学器件702，二者由低折射率层703分开。上部光学器件覆盖有透镜704，在下部光学器件中的每个镜705一个透镜704。
图8示出了与图6和7的下部光学器件类似的下部光学光导的细节。图8的下部光学器件由平铺（tiling）的若干部件得到，例如并排的801。当然，下部光学器件的商用实施例可以是单片制成或者在较大瓦片制成，这依赖于其尺寸。然而，识别上部和下部光学器件每个都是从较小元件的重复模式形成依然是有用的。结果是部件的流表面，其中每个步阶从引入镜802得到，镜802跨越在光导内部行进的辐射的流线。
图9示出了与图6类似的光学器件，但是具有倾斜的镜901，镜901与下部光学器件的底面上的镜901的空间相比小得多。这导致了比倾斜的镜大得多的透镜902，由此，在光学器件中发射比入射光准直得多的光904，或者具有高的聚光度因子的聚光器。镜901依然共同地形成不连续的具有小面的表面，即使该不连续与小面相比更大。
图10示出了形成下部光学器件的底部的布阶式流表面的另一种可能的几何结构。现在光由水平壁1001和垂直壁1002限定，并且由镜1003提取。在这种情况下，下部光学器件的底面是由若干片矩形瓦面1004获得。
图11示出了与图10类似的瓦面，但是在提取镜1102的顶部具有对应的透镜1101。具有提取镜1102的片1103和对应的透镜1101并排平铺。
图12示出了用于紧凑聚光器的实施例。其由上部光学器件1201和两个表面下部光学器件组成。在这个例子中，下部光学器件是由两个镜1202和1203组成。我们使用X表示每个反射并且将该下部光学器件称为XX。光学器件具有接收器1204。
垂直光线1205由上部光学器件1201朝向下部光学器件的第一镜1202反射，然后从那里朝向下部光学器件的第二镜1203反射，最后朝向接收器1204反射。尽管在这个例子中，在镜1202的下端1207上很好地示出了接收器1204，它们可以更近地靠近在一起，并且接收器1204甚至可以低于镜1202的端1207。此外，镜1202可以被靠近光轴1206截断（因为它被镜1203挡住），将接收器1204暴露给外部环境（用于电子连接、冷却和机械支撑），即使接收器1204处于镜1202之上。
在该限制情况下，其中光学器件的接收角为零（等光程限制），光线的路径满足x＝msin（α），其中m是常数，x是光线进入光学器件的横坐标，并且α是光线击中接收器1204的光线。这个条件确保了在该限制情况下，当光学器件具有围绕通过接收器1204和端1207的垂直轴1206圆形对称性时，聚光器的子午接受角等于其矢状接受角，端1207然后是圆形镜1202的极（尽管光学器件还可以具有线性对称性）。在这种情况下，在下部光学器件中的镜1203、1202被设计，使得如果光向后走（如果光从接收器1204发射），光线将以由函数ψ（α）给出的角击中上部光学器件1201。这个函数是设计的参数。对于不同函数ψ（α），得到不同的上部和下部光学器件。
在这种情况下，上部光学器件可以被设计为更接近于光轴1206的菲涅耳透镜，并且作为进一步远离的TIR透镜，就像在常规TIR透镜的情况下。
在有限接受角的情况下，入射光具有孔径张角2θ，并且它以孔径张角β（x）离开上部光学器件，该孔径张角β（x）满足θ＝arcsin（sinψ（x）sinβ（x））[见参考文献3]。在这种情况下，使用SMS设计方法设计在上部光学器件中的光学表面[见参考文献3]。也使用SMS设计方法设计下部光学器件的两个光学表面（在这个例子中是两个镜）。
由此该配置能够定形下部光学器件镜1202、1203，使得具有小面的透镜1201的每个点对于进入接收器或源1204的光线或从接收器或源1204出来的光线，具有相同的接受角2θ（对于聚光器）或者发射光束角（对于准直器），而不需要具体的第二具有小面的表面。可选地，如下面参考图13A到13C解释，两个分开的具有小面的表面可以被集成为单个具有小面的光学元件。在图12中的接受圆锥角2θ的边缘光线对应于两个末端波阵面的光线，如图1在113和116所示。
图13A示出了上部光学器件的两个元件，每个元件由顶部折射表面13A01、反射表面13A02和另一个折射表面13A03组成。由此，这是RXR光学器件（其中R代表折射，X代表反射）。这个例子示出了图12中的上部光学器件的特定情况，其中β＝ψ，尽管SMS设计方法可以以相同方式用于这些角的其他参数值。如在图13A所示的光线可见，所有元件的折射表面13A01一起形成了具有小面的光学表面，具有不连续的第一衍生物（尖头或弯头），并且所有元件的反射表面13A02一起形成具有不连续表面的具有小面的光学表面。
在这个特定例子中，垂直于波阵面13A04的边缘光线聚光到位于下一个光学器件的下端的点13A06，位于下一个要考虑的光学器件的左边，同事垂直于波阵面13A05的边缘光线在垂直于波阵面13A07的方向上退出光学器件。
此外在这个例子中，限定了第二折射表面13A03并且使用SMS设计方法计算表面13A02和13A01。其他选项包括限定13A01的形状并且计算13A02和13A03，或者限定表面13A02和计算表面13A01和13A03。具有特殊实际意义的选项是当选择顶部表面13A01作为平坦和水平的时，因为这导致具有平坦顶部表面的上部光学器件。
图13B示出了与图13A类似的光学器件，但是在更普遍的情况下，其中角度β不同于角度ψ。这个光学器件由光学表面13B01、13B02和13B03限定。垂直于波阵面13B04的边缘光线或者聚光于点13B07（在到左边的光学器件的下端－未显示），或者在垂直于波阵面13B06的方向上退出光学器件。垂直于波阵面13B05的边缘光线在垂直于波阵面13B08的方向上退出光学器件。
图13C示出了与12类似的光学器件，其中上部光学器件1201现在是由类似于图13A或图13B的光学元件类似的光学元件制成，得到上部光学器件13C01。通常，这些光学元件的光学表面的形状和使用将沿着上部光学器件13C01改变。类似的光学元件可以用于图14到21的设备中。
图14示出了在图12的通常形状的实施例的特定情况。其上部光学器件1401被设计为菲涅耳透镜，同时下部光学器件由两个镜1402、1403组成。光学器件具有接收器1404。在半径x的示例垂直光线1405朝向第一镜1402偏斜，其中垂直光线1405被朝向第二镜1403并且然后朝向接收器1404反射。上部光学器件还可以被设计为更接近于光轴1406的菲涅耳透镜，并且作为进一步远离的TIR透镜，就像常规TIR透镜的情况。设计条件与图12相同。
图15示出了类似于图12的实施例的另一种情况。在这个例子中，上部光学器件1501被设计为菲涅耳透镜，而下部光学器件是具有折射率n>1的绝缘固体片，具有三个光活性表面1502、1503和1504。实施例具有接收器1505。入射的垂直光线1506由菲涅耳透镜1501朝向固体入口孔径1502偏斜，在入口孔径1502该光线朝向表面1503折射，在表面1503朝向表面1504反射。表面1504将光线朝向接收器1505反射。表面1503和1504可以通过完全内反射工作，或者可以在不能实现TIR条件的区域中被金属化。如在图14的情况下，上部光学器件也被设计为更接近于光轴的菲涅耳透镜并且设计为进一步远离的TIR透镜。
图16示出与图15类似的概念。这个例子是由单个绝缘片构成，其具有三个光活性表面1601、1602和1603以及接收器1604。第一光学表面1601具有集成的齿（可以是菲涅耳或TIR），并且它将入射垂直光线偏移到第一反射表面1602，第一反射表面1602将该光线朝向第二反射表面1603反射，第二反射表面1603将光线反射到接收器1604。反射表面可以通过完全内反射工作，或者可以在没有实现TIR的条件的区域中被金属化。
图17示出了与12类似的实施例的另一个特殊情况。该实施例的第一光学器件包括弯曲的TIR透镜1701，同时下部光学器件由两个镜1702和1702组成。在这个例子中，移除了上部光学器件的平坦性的条件，这给出了设计中另一种程度的自由度，并且允许更好地控制齿尺寸。1701的顶面被示出为弯曲的（以最小化这个光学元件的厚度），但是其可以是平坦的。齿可以位于透镜1701的下侧上，使得上表面是平滑的，即使不是平坦的，并且容易保持清洁。齿被保护免受伤害，因为它们位于设备内部。
图18示出了图12所示的实施例的特定情况。下部光学器件的第一镜1202现在被选为平坦的，得到平坦的镜1801。对于给定的接受角和聚光度，这个条件定义了函数ψ（x）。上部光学器件1802或者是菲涅耳透镜或者是菲涅耳透镜（更接近于接收器1803）和TIR透镜（进一步远离接收器）的组合。
光在上部光学器件1802处偏斜，在其朝向接收器1803的路上在镜1801反弹，然后在镜1804反弹。
图19示出了图18的实施例的变形。设备由两个部分制成：设备光学器件1901和下部光学器件1902，由平坦表面1903和1904（其可以是平行的）和镜1905反弹。镜1905可以在更接近于接收器1906的区域中必须被金属化。
图20示出了图12的实施例的特定情况。这个设备由上部光学器件2001（图示示出）和绝缘的下部光学器件2002组成。
在图12的下部光学器件的第二镜1203现在被选择为平坦的，得到的平坦表面2003。对于给定接受角和聚光度，该条件定义函数ψ（x）。光学器件2001的不同区域可以被设计为或者是菲涅耳透镜或者是菲涅耳透镜和TIR透镜的组合。
入射光首先在上部光学器件处偏斜，该光然后在平坦表面2003被折射进入下部光学器件2002。然后光在底面2004（由TIR）反弹，然后在平坦报名2003（由TIR）再次反弹到接收器2005。表面2003和/或2004在更接近于接收器2005的区域中必须是镜面的。
图21示出了与图12类似的光学器件，但是其中下部光学器件1203的第二镜被折射表面2103替换。得到的光学器件现在由上部光学器件2101和下部光学器件组成，下部光学器件由镜2102和折射表面2103组成。在图21中，上部光学器件2101、镜2102和折射表面2103之间的空间是空气，并且接收器2104与有表面2103限定的绝缘材料光接触。
图22示出了镜2201，其从点光源2202收集光并且将其分配到线2203上。镜的形状使得每个光线满足x(α)=m sin(α)，其中m是常数，x是光线击中线2203的横坐标，并且α是光线离开接收器的角度。通常，该镜可以被计算以遵守不同法则x（α）。
图23示出了与图22类似的情况，但是用于延伸的光源2302。镜2301从延伸源2302收集光并且将其分配到线2303上。镜2301的形状使得在2303上生成限定的光展（etendue）分布U(x)，并且该形状可以由用于计算延伸源的照明器的相同方法计算。在参考文献3中该方法的描述并入于此作为参考。如果在已知点2305反射的拖尾边缘光线2307的路径是已知的，函数U(x)确定前沿边缘光线2306和新的点2304，在该点光线2306被反射到镜2301上。特别有意思的是均匀的光展分布U(x)＝常数。图23将线2303示出为直线，但是在更普遍的情况下，线2303可以是弯曲的。
图24示出了由上部光学器件2401和下部光学器件2402组成的光学器件，上部光学器件2401和下部光学器件2402由低折射率层2403分开。低折射率层是根据图22和图23描述的方法计算的。
上部光学器件2401在其顶部具有微结构，由许多凸起表面2402组成。下部光学器件在其由表面2405和2406组成的底部具有另一个微结构。该最后的微结构跟随图22的线2203或图23的2203。
入射光线2407在顶面2404之一朝向底面2405之一偏斜。这些光线从底面2405朝向低折射率层偏斜，低折射率层将入射光线（通过TIR）朝向接收器反射。如果TIR失败，低折射率层2403的底面必须在更接近于接收器的区域上是镜面的。击中两个表面2410和2411之间的交叉的垂直光2409可以由2410朝向2412折射或者通过2411朝向2413折射。然而，在2412或2413的反射之后，该光在它朝向接收器的路上被再次组合为2414。
每对表面2405和对应的表面2405可以被设计为削球差透镜（在无穷小的接收器尺寸的情况下）并且在距光轴距离x处进入光学器件的垂直光线以距光轴的角度α到达接收器。这些量与x＝m sin（α）相关，其中m是常数。当接收器是有限尺寸时，SMS设计方法可以用于同时设计表面2404和它对应的2405。当反射离开低折射率层2403时，线2406是源或接收器2408的流线。如果设备被用作聚光器，在光反射离开表面2405之后，表面2405将光在其路上朝向接收器导向，或者如果设备被用作准直器，将从源2408离开的光导向表面2405。
肉眼可见地（包括在上面的许多表面2404和在下面的对应表面2405），跨越上部光学器件的顶面的光展分布与跨越底部光学器件2402的底面的光展分布相同。
图24A示出了当给出了圆形对称性时通过与图24的聚光器类似的聚光器的垂直界面。图24A的轴24A01对应于在图24的左边缘通过源或接收器2408的垂直轴。
图25示出了与图24类似的实施例，其中沿着流线的表面2406由任意形状的表面2501替代，该任意形状的表面2501在光在上部内部行进的时候不与光交叉。如果这些光学器件用于成像应用，这通常是更好的布置，因为反射离开流线将来自图像的一个边缘的光线重新导向另一个边缘，对于反射离开流线破坏了图像形成。
图26示出了与图25类似的设备，但是现在被设计为积分器。在上部光学器件上的光学表面2601的每一个将光源成像在下部光学器件上的对应表面2602上。表面2602反过来将表面2601成像在接收器2603上（在与层2403对应的低折射率层中的反射之后）。
图27示出了由上部光学器件2701和下部光学器件2702组成的光学设备。下部光学器件上的表面2703类似于图22中的表面，但是对于给定函数x（α）设计，其中x（0）＝x0，x0>0，即，从接收器2705垂直（α）发射病
反射离开的表面2703的光线2704在坐标x0击中垂直线2706。然而，任意给定的光线2707满足削球差条件，即，满足r＝m sin（α），其中m是常数，r是从光轴到光线进入光学器件的点的距离。
这个配置的优点在于在更接近于光轴的点（例如点2708）击中表面2703的光线以更广的角进行这样的击中，使得整个设备能够通过TIR工作。然而，如果需要，从点2709到2710的区域可以是镜面的，因为入射光不跨越它。
设计方法还可以用在从图12到图26表示的几何结构内。
图28A示出了具有接收器2801的光学器件。光学器件是由单片组成的。在接收器和光学器件之间可能（或不可能）存在气隙。如果在中央区域不存在TIR，则顶面2802可能必须是部分镜面的。如果顶面2802通过TIR工作，光学器件的底面的内部（在图28A中示出为平坦的）可以被制成凹面镜，以收集进入通过TIR表面2802的光。
通常，该配置可以被用作准直器、聚光器或成像设备。如果用作准直器，2801可以是光源（例如LED）。
图28B示出了与图28A类似的光学器件的一侧，但是更详细。如果用作这种情况，其具有由气隙28B03与光学器件28B01分开的源28B02。由此，当来自该源的光进入光学器件时，它将被限制为临界角。该光在顶面28B04处反射。表面28B04的中央部分可以必须是镜面的，但是外部区域将通过TIR工作。然后将朝向光学器件28B01的底部结构行进，在那里光遇到壁28B05，壁28B05沿着流线导向光。最终光达到步阶28B06，步阶28B06将光朝向顶部透镜28B07反射。该光最终从透镜28B07离开作为校准的光束28B08。整个光学器件具有围绕轴28B09的圆形对称性。根据几何结构，步阶28B06可以或不可以为镜面的。
光学器件由单个绝缘部分制成，并且可以由用于制造光盘（CD）或数字视频磁盘（DVD）的方法制造。
图29示出了与图28类似的设备。此外在这种情况下，光学器件是单片的，接收器2901通过气隙与光学器件隔开。额外的中央透镜2902将一些光聚集到接收器上。透镜2902还可以用在一些其他实施例中。
图30示出了与图22类似的构建方法，但是用于发射的光来自虚拟点源的情况。从点源3002以垂直（光轴）成角度α发射的光线3001在低折射率表面3003由TIR朝向微结构的底面3004反射，光线在点3008汇聚。光线从点3008向上反射通过低折射率表面3003朝向顶面3005，光线在顶面3005折射，在与垂直方向β角度的方向3006离开，如果来自垂直光源3007。
如果例如我们假设3005是平坦的并且角度α和β是相关的，例如通过sinβ＝m sinα其中m是参数，可以计算低折射率反射表面3003。对于与垂直方向成α角度的3002发射的给定光线，我们可以计算光线3006的角度β和路径，因为其延长必须与垂直点源3007相交。光线3006然后可以在表面3005折射并且继续与表面3004交叉，给出点3008。使用该方法，对于从3002发射的每个光线，我们可以确定在3004的什么点3008该光线必须被反射，并且由此可以确定镜3003的形状。这与图22中发生的类似。
图31A示出了基于图30的整个几何结构的设计例子。光学器件3101产生了源3103的虚拟图像3102。光学器件由通过低折射率层3106分开的两个部分3104和3105组成。
在该图中，插入图3107示出了光学器件3101的细节。从源3103发射的光线3108由TIR在表面3106反射。从表面3106，光线被朝向底部微结构重新导向。同时计算底部微结构的反射表面3109和顶面的对应折射表面3110，使得入射光线3108离开光学器件，如同来自虚拟源3102。在实际源的发射角α和离开角β之间的关系（见图30）如上所述由sin β＝m sinα给出。表面3111跟随由源发射并且在表面3106反射的光的流线。
图31B示出了图31所示的相同光学器件3101的另一个细节。从源3103发射的光再次离开光学器件，如同来自虚拟源3102。顶部微结构的光学表面可以形成连续的表面，如同在点3112的情况，或者可以是不连续的，如图在点3113的情况。
可以同时计算不能实现TIR的表面3106的中央部分（直接在源3103之上）和光学器件的顶部的下表面的相关部分3114，使得从源3103发射的关系在表面3106折射，然后在表面3114，然后再（平坦）顶面3116，离开设备，如图来自虚拟源3102。
各种改变是可能的而不偏离如权利要求所限定的本发明的范围。
尽管已经描述了特定实施例，本领域普通技术人员将理解到可以如何组合不同实施例的特征。即使没有详细阐述，本领域普通技术人员将理解到在附图所示的二维截面如何被转换成垂直于纸的平面，从而形成细长的“槽”结构，旋转以形成圆形对称结构，或者另外扩展到三维设备。
已经使用了方向的各种术语，用于方便地参考附图，通过直接向上远离准直器或者向下朝向聚光器的校准的光束定向附图。然而，这些方向不是限制性的，可以在任何有利的方向使用公开的各种光学设备。例如，在太阳能光电收集器使用的聚光器通常与在阳光下对准的校准光束一起使用。在机动车前灯中使用的准直器将通常与近似水平对齐的校准光束一起使用，并且具体的对齐遵从相应法律和法规。
当分析构建的光学设备时，可以通过将光源放在源（或接收器）位置、放在出口（入口）孔径的小孔并且确定通过小孔出现的光的锥形边缘光线，可以确定用于构建设备的波阵面。通过对于不同小孔位置重复该处理，可以重构退出孔径之外的波阵面的相空间表示。
实施本发明的当前考虑的最佳模式的前述描述不用于限制目的，而是仅用于描述本发明的总的原理。本发明的全部范围参考权利要求确定。
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Claims (15)

1.一种光学系统，包括：按顺序的
第一光学表面；
具有小面的第二光学表面；和
具有小面的第三光学表面；
其中所述光学系统可操作将第一光线束转换为第二光线束，第一光线束在第一光学表面外部的相空间中是连续的，第二光线束在第三光学表面之外的相空间中是连续的；
其中在第二和第三光学表面之间，形成第一和第二束的光线形成离散的子束，每个子束从第二光学表面的小面行进到第三光学表面的小面，并且子束不形成相空间中的连续束；
其中相空间具有表示光线跨越光线束的横截表面的位置和角度的尺寸。
2.根据权利要求1所示的光学系统，还包括至少一个光源和光接收器，所述至少一个光源提供朝向第一光学表面导向的第一光线束，所述光接收器接收远离第三光学表面导向的第二光线束。
3.根据权利要求1所述的光学系统，还包括至少一个光源和光接收器，所述至少一个关于提供朝向第三光学表面导向的第二光线束，所述光接收器接收远离第一光学表面导向的第一光线束。
4.根据权利要求1所述的光学系统，其中存在限定的第一光束和限定的第二光束，第一光束主要由在第一给定方向第一给定角度范围内进入或离开第一光学表面的所有光线组成，并且限定的第二光束主要由在第二给定方法第二给定角度范围内离开或进入第三光学表面的所有光线组成，使得光学系统基本上将所述限定的第一光束的所有光线转换为所述限定的第二光束的光线，并且反之亦然。
5.根据权利要求4所述的光学系统，其中所述第一给定角度范围形成了第一圆锥，所述第一圆锥的轴处于所述第一给定方向，并且所述第二给定角度范围形成了第二圆锥，所述第二圆锥的轴处于第二给定方向。
6.根据权利要求1所述的光学系统，还包括光接收器，接收远离第一光学表面导向的第一光线束，并且其中，当所述第二光线束是在第三光学表面上照射的太阳光的常规表示时，所述光学系统可操作用于基本上将所述第二光线束的全部光线转换为入射到所述光接收器的所述第一光线束的光线。
7.根据权利要求1所述的光学系统，所述光学系统是旋转对称的，并且其中光学系统可操作用于基本上将径向平面上的第一光线束的所有光线转换为在径向平面上的第二光线束的光线，并且基本上将径向平面上第二光线束的所有光线转换为径向平面上第一光线束的光线。
8.根据权利要求1所述的光学系统，所述光学系统在纵向方向具有均匀形状，并且其中光学系统可操作用于基本上将第一光线束的所有光线转换为第二光线束的光线，并且基本上将第二光线束的所有光线转换为第一光线束的光线，除了到达系统的纵向端的光线之外。
9.根据权利要求1所述的光学系统，其中，第一光学表面包括一对反射表面，在该对反射表面之间是第一光线束光线的通道。
10.根据权利要求1所述的光学系统，其中，第一光学表面包括一对光学表面，第一光线束通过该对光学表面被连续导向。
11.根据权利要求1所述的光学系统，其中，第二光学表面包括多个小面，所述多个小面由第一光学表面的部分分开。
12.一种光学系统，包括源或接收器、具有小面的分光光学表面、引导源或接收器和具有小面的分光光学表面之间的光的分配光学表面以及可选地远离源或接收器的分光光学表面的侧面上的出口孔径，其中来自源或接收器由分配和分光光学表面导向的光线完全闪现出口孔径，并且在出口孔径形成具有来自两个波阵面的边缘光线的光线束。
13.根据权利要求12所述的光学系统，还包括具有小面的组合光光学表面，其中所述具有小面的分光和组合光光学表面协作，使得光在具有小面的分光和组合光光学表面之间形成离散束，并且在这些表面之外形成连续束。
14.根据权利要求12所述的光学系统，其中在出口孔径的每个点处的所述光线束的光线形成了圆锥，所述圆锥具有来自所述两个不同波阵面的边缘光线。
15.根据权利要求14所述的光学系统，其中所述光学系统是太阳能光电收集器，所述源或接收器是光电设备，并且所述出口孔径的所有点的所述圆锥光线具有平行轴和相等的圆锥角。
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