CN103189765A - 光追踪式光学装置及其聚光应用 - Google Patents

Abstract

本发明描述一种使用液体以将聚焦光耦合到光导中的自动光学耦合装置。所述液体通过热毛细效应在腔室或层内移动，以便自动追踪和耦合聚焦光的移动点。本发明还提供这些耦合装置在构成普通光导的阵列中的应用、改进这些阵列性能的光学设计，以及此类阵列在光收集上的应用。

Description

光追踪式光学装置及其聚光应用

相关申请的交叉引用

本申请要求2010年9月7日提交的标题为“光追踪式波导耦合器及其太阳光聚光应用”（Light-Tracking Waveguide Couplers and Application toSolar Light Concentration）的美国临时专利申请号61/402,968的权益，出于各种目的而将该申请的全部内容并入本文。

技术领域

本发明涉及光学，尤其涉及用于将聚焦光耦合到光导中的光学系统。

背景技术

将光耦合到光导中是光学系统中的普遍要求，这些光学系统用于多种应用，其中包括通讯、照明、诊断以及太阳能收集。光导一般包括高折射率的芯区，所述芯区由低折射率的包覆区（可以是空气或真空）环绕。在这两个区之间的界面处进行全内反射的光线被捕捉到光导内，并且能够沿着所述光导输送到所需输出位置。光导通常被制造成光纤或平板，但是也可以采用其它几何形状构成。光在一个或多个耦合位置处被引入所述光导中，其中光线能够被捕获到所述光导的导模中。光通常聚焦在耦合位置上，以便高强度的光能够在较小耦合位置处进入光导。为了实现高效光耦合，需要将聚焦光精确对准耦合位置。光学系统精确对准的需求使得组装过程的成本和复杂程度大大增加。此外，如果射入光在位置或方向上发生改变，那么必须重新进行系统对准。

在太阳能聚光器中，光导的用途之一是通过聚光透镜或聚光镜阵列来聚集光，并且将所述光引导到接收元件上，所述接收元件如光伏电池。与传统太阳聚光光学器件相比，这些光导聚光器设计的优势在于，单独接收器无须置于每个聚光透镜的焦点处；相反，单个接收器可以置于光导的端部，以便从多个聚光元件接收经收集的光。在美国专利号7,672,549中披露的一个现有技术光导聚光器设计中，聚光元件阵列置于光导上方。在每个聚光元件的焦点处，耦合部位包括光导中的镜面，所述镜面用于对聚焦光进行重新导向，以便所述光导捕获所述聚焦光。为了将该光耦合到光导中，同时不会使得从其它透镜捕获的光产生一定损耗，因此，在每个耦合部位处，所述光导的模态体积增加。类似的现有技术光导聚光器设计在美国专利号7,817,885和国际申请号PCT/US2009/034630中进行了披露，上述两个文档描述了特定聚光器，所述聚光器具有位于梯形或平面光导上方的聚光透镜片，反射表面位于所述透镜的焦点处以将聚焦光耦合到光导中。在国际申请号PCT/US2009/057567中披露并且在图1a中示出的第四种现有技术光导聚光器设计也使用具有恒定模态体积的平面光导11和聚光元件12的阵列。耦合部位14设有对聚光光线13进行重定向的机构，以便将这些聚光光线耦合到光导的导模中。如图1b示出，耦合部位14采用的一种设计是锯齿形“折叠”镜15，其装配在所述光导上，位于每个透镜焦点处的较小区域中。该折叠镜15采用120°锯齿设计构造成，从而以+60°或-60°对具有正常入射锥角的光线13进行偏转，以将这些光线耦合到光导中。这些聚光器系统中的每个聚光器系统对精确光学对准的需求使得这些系统的制造过程变得复杂。如果光源并不固定，例如在太阳光收集的情况下，那么在运行期间，所述系统通过可以连接到或合并到所述系统中的机械追踪器（未示出）进行重定位，以便跟循光源（在太阳光收集的情况下，即太阳）的运动。如果聚光器并未相对于入射光角进行正确定向，那么聚焦光点将不再落在耦合镜15上，因而，光导将无法捕获所述聚焦光。

被动式太阳追踪器已使用特定材料进行设计，所述材料会因在太阳下的差温加热而移动或改变形状。示例性材料包括蒸发液体、双金属条以及形状记忆合金。这些系统由入射阳光提供动力，并且以机械方式重定向整个太阳能系统，使其面朝太阳。

微流体领域对特定装置进行了研究，在所述装置中，少量液体在有限体积内以可控制方式移动；术语“微流控光”有时用来描述设计用于实现光学效应的此类装置。国际申请号PCT/US2009/057567描述了在平面聚光器设计中使用微流控光来实现自动太阳追踪。该文档描述了特定方案，在所述方案中，使用聚焦光的电场来捕捉悬浮在流体中的纳米颗粒，从而提高处于聚焦光位置处的流体的折射率。

可以用于操控流体的机制是热毛细效应，在所述机制中，温度梯度会施加于流体系统上。流体的表面张力（或两种不互溶或部分互溶的流体之间的界面张力）取决于温度，因此，流体表面或界面上的温度梯度将导致表面张力不均匀，由此产生净力并且致使流体移动。当热梯度施加于流体层上时，空间变化张力致使层内发生对流，并且在薄流体膜中，这些力可能导致膜局部变薄甚至破裂。当热梯度施加于微滴上时，在所述微滴的另一侧上的不平衡张力可能致使所述微滴迁移。使用此项技术，微滴可以在空气或蒸汽环境下移动，气泡可以在液体环境下移动，或者液体微滴可以在不互溶或部分互溶的流体内移动。微滴和蒸汽气泡可以在热点或冷点处稳定捕获。流体移动的方向和速度根据的是温度梯度、系统几何形状、一种液体或多种液体在一个表面或多个表面上的接触角、一种液体或多种液体的粘度，以及界面张力随温度而改变的标记和幅度。

在一些微流体装置中，已利用热毛细效应来控制流体流。在各种实验中，温度梯度一般通过以下方式获得：使用电阻加热元件，或者将来自激光或高强度灯的光照射在吸收元件或流体上。温度梯度大导致流体界面移动快，并且一个本体液体或多个本体液体中会产生对流。

发明内容

一方面，描述了一种被配置成将光耦合到光导结构的设备。所述设备包括位于重定向元件与光导层之间的流体追踪层，所述流体追踪层包括包覆流体层和耦合流体层。所述光导层能够沿着第一方向将光传输穿过所述光导层的本体部分。如果窄光束入射不存在于所述重定向元件上，那么包覆流体层包括大致上不存在任何空隙或孔的连续层。如果窄光束入射存在于所述重定向元件上，并且形成耦合位置，那么所述包覆流体层包括位于或邻近所述耦合位置的孔。所述孔可以至少部分填充有所述耦合流体层的耦合流体。

另一方面，描述了一种被配置成将光耦合到光导结构的设备。所述设备包括：光导层，其能够沿着第一方向将光传输穿过所述光导层，以及；耦合区，其邻近所述光导层或位于所述光导层内，并用来将射入光相对于所述射入光的传播方向以大角度耦合到所述光导层中。所述耦合区位于或邻近所述光导结构内的局部温度极值处。所述耦合区的位置可以通过改变所述局部温度极值的位置来进行调整。

又一方面，描述了一种被配置成将入射光耦合到光导结构的设备。所述设备包括具有第一折射率的包覆流体层，其邻近具有第二折射率的光导层。所述光导层能够沿着第一方向将光传输穿过所述光导层的本体部分。所述设备进一步包括具有第三折射率的耦合微滴，其至少部分位于所述包覆流体层中。所述耦合微滴由流体构成，所述流体不同于并且不互溶或部分互溶于所述包覆流体层的流体。

各种设备的实施方案可以包括以下特征中的一个或多个特征。所述设备可以包括位于所述重定向元件与所述光导层之间的耦合流体层。所述孔可以填充或至少部分填充有所述耦合流体层的耦合流体。所述包覆流体层可以位于耦合流体层的至少一部分与所述光导层之间。所述耦合流体层或所述包覆流体层可以包含在具有腔室侧壁的腔室内。所述设备可以进一步包括多个腔室，其中每个腔室均包括耦合流体层或包覆流体层。所述耦合流体层的至少一部分可以位于所述包覆流体层与所述光导层之间。所述耦合流体层与所述光导层组合，可用来引导光通过所述光导结构，经引导的光传输穿过所述光导层的所述本体部分并且通过所述耦合流体层的本体部分。所述设备可以进一步包括位于所述重定向元件与所述光导层之间的吸收流体层。所述耦合流体层包括第一流体，并且所述包覆流体层包括第二流体，所述第二流体与所述第一流体不互溶或部分互溶。耦合流体和包覆流体可以选自由水溶液、水溶性流体、烃油、硅油、有机化合物和氟碳油组成的材料组。所述光导层可以具有第一折射率；所述包覆流体层的包覆流体可以具有小于所述第一折射率的第二折射率，以及；所述耦合流体层的所述耦合流体可以具有大于所述第二折射率的第三折射率。所述重定向元件可以被配置成使入射光束相对于所述入射光束的传播方向以大角度偏转到所述光导层中。所述光导层可以包括玻璃或聚合物。所述重定向元件可以是重定向层。所述重定向层可以对入射光进行反射或折射。所述重定向层的不同部分可以被配置成以不同角度对入射光进行偏转。所述重定向层可以由大致上无孔的材料构成。所述重定向层和所述光导层中至少一者的表面可以涂布有改变所述表面的润湿特性的涂层。所述重定向层可以是透射层，并且可以被配置成置于所述光导层与入射聚焦光之间。所述重定向层可以包括棱镜阵列。所述重定向层可以是包括锯齿镜的反射层。所述锯齿镜可以被配置成将偏离垂直入射以平均角度α倾斜的入射光耦合到所述光导层中，这样，所述锯齿镜中的单独镜就相对于所述重定向层的平面形成30°±α/2的角度。所述耦合区可以位于或邻近所述光导结构内的局部温度极值处。所述入射聚焦光的一部分可以在或邻近所述耦合位置处被吸收。吸收所述入射聚焦光可能导致在或邻近所述耦合位置处产生局部温度最大值。耦合到所述光导结构的所述光可以是阳光或激光。

所述局部温度极值可以是局部温度最大值。所述局部温度最大值可能是由吸收所述射入光而加热产生。所述射入光可以是聚焦射入光或激光。所述耦合区可以与所述聚焦射入光或激光自对准。所述耦合区的截面面积可能大致上小于所述光导层的截面面积。所述光导层可以包括流体，所述流体包含一个或多个重定向元件。所述设备可以进一步包括包覆壁层，所述包覆壁层接触所述光导层的一侧。所述重定向元件可以是微滴或气泡。所述设备可以进一步包括特定装置，所述装置被配置成在所述光离开所述光导层之后，接受传输穿过所述光导层的所述光。所述装置可以是光伏电池或光检测器。所述装置可以被配置成接受一定波长范围内的光，其中所述光导层对于波长在所述波长范围内的光而言在很大程度上是可透射的。所述设备可以进一步包括邻近所述光导层的流体追踪层。所述流体追踪层可以包括一种流体，或者两种或更多种不互溶或部分互溶的流体。所述耦合区可以至少部分位于所述流体追踪层内。所述流体追踪层可以包括折射率低于所述光导层的折射率的包覆流体层。所述设备可以进一步包括重定向元件，用来对耦合到所述光导结构中的光进行重定向。所述设备可以进一步包括聚焦元件，用来对耦合到所述光导结构中的光进行聚焦。所述聚焦元件可以包括一个或多个透镜或一个或多个镜。所述聚焦元件可以包括多个透镜或镜，其中所述透镜或镜沿着弯曲表面排列。一种装置可以包括至少两个节段，所述至少两个节段中的每个节段包括任何所述设备或者由任何所述设备构成。所述至少两个节段可以彼此连接，并且被配置在不同方向上。所述光导结构可以是平面的或弯曲的。

所述耦合微滴可以移动通过所述包覆流体层。所述光导层的折射率和所述耦合流体的折射率可能均大于所述包覆流体的折射率。所述设备可以被配置成使得所述入射光相对于所述入射光的传播方向以大角度耦合到所述光导层中。所述设备可以进一步包括重定向元件，用来对耦合到所述光导结构中的光进行重定向。所述重定向元件可以是重定向层。所述耦合微滴可以进一步用于对所述入射光进行重新导向。所述包覆流体层可以包含在具有腔室侧壁的腔室内。所述设备可以进一步包括多个腔室，其中每个腔室均包括耦合微滴。所述设备可以进一步包括吸收层。所述吸收层可以是流体吸收层。所述光导层可以是流体光导层。所述设备可以进一步包括壁层，所述壁层接触所述流体光导层。所述壁层可以是折射率小于所述流体光导层的折射率的包覆层。所述壁层可以是折射率近似或大于所述流体光导层的折射率的额外光导层。所述耦合微滴可以至少部分位于所述流体光导层内。所述包覆流体层的厚度可能在整个层上有所不同。所述光导结构可以是弯曲的。所述设备可以进一步包括一个或多个透镜，所述一个或多个透镜被配置成对所述入射光进行聚焦。所述一个或多个透镜中的至少一个透镜的焦面可以是弯曲的，并且所述光导结构可以沿着所述一个或多个透镜中的所述至少一个透镜的弯曲焦面放置。

又一方面，提供一种耦合装置，所述耦合装置设有自对准机构，用于将聚焦光低损耗耦合到光导中。所述装置使用包含一种或多种液体的微流体室。耦合到光导中可能只在光导区域的一个较小部分或多个较小部分上进行，而所述区域的剩余部分用于经引导的光的低损耗传播。耦合部位可以通过热毛细效应来自动对准所述聚焦光的位置，所述热毛细效应是一种物理现象，这种物理现象因局部温度变化所导致的表面或界面张力改变而引起流体移动。部分吸收所述聚焦光致使局部热点和环境温度梯度形成，从而引发热毛细效应。

本发明的进一步目标在于，提供此类耦合装置阵列在普通光导上的应用，其与静态聚焦光学器件配合，从而产生追踪式直射光束光学能量收集系统。所述耦合部位在所述装置内的光追踪移动使得光学系统进行调整，从而在一定入射角范围内捕获直射光束光学能量。同时，本发明还提供了静态聚焦光学器件和完整系统集合形状的设计原理，以便扩展阵列系统能够捕获到的入射光角的范围。与来自太阳的直射光束光学能量一起使用时，该光学系统设有追踪式太阳能收集系统。无论是否存在外部机械追踪装置，所述追踪式太阳能收集系统均可以使用。由所述耦合装置提供自动追踪可以减少或消除对机械追踪器的需求，从而大大降低聚光式太阳能收集系统的成本并且简化系统设计。所述追踪式直射光束光学能量收集系统也可以用于捕获来自其它光源的能量，所述光源如用于从远程位置发射能量的激光束。

在一个实施方案中，披露了一种光学系统，所述光学系统包括固定聚焦透镜阵列以及环绕中心透射光导（或光导层）的耦合装置。所述透镜的位置和角定向在整个阵列上有所不同，以便以较大范围的入射角将光有效聚焦和耦合到所述光导中。在所述光导和所述透镜阵列之间，折射率比所述光导低的透射材料层用作包覆，以将光限制在所述光导内。所述耦合装置包含两种不互溶或部分互溶的液体，这两种液体具有不同的折射率，从而形成分层结构。低折射率的液体层邻近所述光导，而高折射率的液体层邻近位于所述透镜的焦面处的锯齿形反射表面。锯齿形表面反射来自透镜的聚焦光，从而对光线进行重定向，以便这些光线可以穿入所述光导的导模中。直射光束光穿过所述透镜和所述光导，并且聚焦在该重定向层上。所述表面因部分吸收所述聚焦光而局部加热，从而形成温度梯度，这种温度梯度导致低折射率流体的膜在热点处变薄并且最终破裂，而高折射率流体的膜在所述热点处变厚，最终在低折射率流体膜破裂时接触所述光导。因此，高折射率的液体能够使得经反射的光在该耦合部位处耦合到所述光导中，而在其它位置处，未受干扰的低折射率流体层提供光导包覆。如果移除所述热点，或者将所述热点移动到另一位置，那么两种液体之间的界面张力将导致分层结构重构。如果入射光角随时间而改变，那么聚焦光的位置将发生改变，并且由于局部加热始终存在于聚焦光的位置处，所述耦合部位将随之发生改变。

参阅说明书的剩余部分和附图，从而可以进一步理解本发明的本质和优势。

附图说明

图1a提供了现有技术光导太阳能聚光器的截面图。

图1b提供了图1a的光导太阳能聚光器中使用的耦合镜的截面图。

图2a提供了在聚焦光不存在的情况下，具有可收缩包覆流体层设计和反射重定向表面的耦合装置的截面图。

图2b提供了在聚焦光存在的情况下，图2a示出的耦合装置的截面图。

图2c提供了图2a示出的耦合装置的透视图，为了清晰起见，其中重定向层已省略。

图3提供了针对以平均角度α入射的光进行设计的实例锯齿镜反射重定向层的截面图。

图4提供了在聚焦光存在的情况下，具有可收缩包覆流体层设计和可透射重定向表面的耦合装置的截面图。

图5提供了棱镜阵列重定向层的截面图。

图6提供了在聚焦光存在的情况下，具有可以用作流体光导层的耦合层以及可收缩包覆流体层的耦合装置的截面图。

图7提供了在聚焦光存在的情况下，具有三个流体层的耦合装置的截面图。

图8提供了具有高折射率耦合微滴和透射重定向层的耦合装置的截面图。

图9提供了具有高折射率耦合微滴和反射重定向层的耦合装置的截面图。

图10提供了具有高折射率可透射重定向微滴的耦合装置的截面图。

图11提供了具有高折射率反射重定向微滴和高度吸收层的耦合装置的截面图。

图12提供了具有高折射率耦合微滴、包覆流体和高度吸收流体的耦合装置的截面图。

图13提供了具有流体光导层和重定向微滴的耦合装置的截面图。

图14提供了具有重定向元件的耦合装置的截面图，所述重定向元件悬浮在两个流体层的界面处。

图15提供了具有可变腔室高度的耦合装置的截面图。

图16提供了具有弯曲腔室和光导的耦合装置的截面图。

图17提供了图2的耦合装置在具有聚焦透镜阵列的系统中的实例应用的截面图。

图18提供了图14的耦合装置在具有聚焦镜阵列的系统中的实例应用的截面图。

图19提供了图9的耦合装置在具有透镜阵列的系统中的实例应用的截面图，其中所述透镜阵列位于弯曲光导上。

图20提供了具有聚焦锯齿镜表面的实例系统的截面图，所述聚焦锯齿镜表面同时提供光聚焦和光线重定向。

图21提供了特定系统的截面图，在所述系统中，排列在弯曲表面上的透镜将光聚焦在普通平面光导和追踪层上。

图22提供了特定系统的截面图，在所述系统中，平面聚光器的节段以不同角度放置。

图23提供了特定系统的截面图，在所述系统中，聚光器系统采用弯曲形状构成。

图24提供了特定系统的截面图，在所述系统中，聚光透镜的位置和角度小范围地变化，并且整个聚光器系统采用弯曲形状构成。

图25提供了光学能量收集系统的透视图，所述光学能量收集系统具有对来自光源的光进行聚焦的透镜平面阵列以及安装在光导边缘的接收器。所述系统附接到可能具有机械追踪能力的支撑底座。

图26提供了光学能量收集系统的截面图，所述光学能量收集系统使用排列在弯曲表面上的透镜，并且其中接收器安装在光导底面上。

附图中，类似的参考标号指示类似的元件。

具体实施方式

本文描述了设有自对准机构以将窄光束（例如聚焦光或窄激光束）低损耗耦合到光导中的装置。窄光束是这样一种光束：横截面积比该光束入射到的装置表面大致上小，例如小至少5倍、小至少10倍或小至少100倍。在一些情况下，所述装置分成或包括一个或多个腔室，并且窄光束的横截面积比该光束入射到的腔室表面大致上小，例如小至少5倍、小至少10倍或小至少100倍。本文描述了多种实施方案。每个实施方案均包括以下元素中的一个或多个元素：(i)一个光导层或多个光导层，其可以由固体、液体或气体或者上述项的组合制成，并且优选对于需要收集的光的波长而言在很大程度上是可透射的（即，光导层大致上不吸收需要传输穿过光导层的本体部分的光的波长）；(ii)光重定向元件或层，用于对聚焦射入光线进行重定向，以便能够将所述聚焦射入光线捕获到光导层的导模中；(iii)吸收介质，其可以是本文描述的其它层中的一者，用于部分或完全吸收入射聚焦光，从而产生局部加热；以及(iv)追踪腔室或层，其包含至少一种流体，并且其中通过局部加热形成流体移动。本文使用的术语“流体”是指非刚性元素或化合物，通常是液体或气体。流体运动可以粘性或非粘性流动为特征。在一些实施方式中，通过局部加热形成的流体移动是由热毛细效应引起的。实施方案还可以包括额外元素，如用于对入射或射入光进行聚焦的特定部件、用作光导的光学包覆的一个或多个低折射率材料层、具有特定导热特性的材料以及追踪层内将流体分成小腔室的侧壁（即“腔室侧壁”）。追踪式耦合装置设计可以用于将来自单个聚焦光源的光耦合到光导中，或者将来自具有多个此类光源的阵列的光耦合到普通光导中。该设计可以与具有各种几何形状的光导一起使用，其中包括平面光导和柱形纤维几何形状。以下描述和附图着重于在密集聚焦元件阵列构成的平面光导上的应用，不过，采用同一原理和设计的其它应用也是可行的。附图旨在示意性地示出装置的运行，因而无需按比例绘制。

具有可收缩包覆流体的耦合装置设计

如图2a、图2b和图2c示出，一种用于将光耦合到光导结构中的设备可以包括：多模光导11（以下称作“光导层11”）；流体追踪层16，其邻近所述光导层11，以及；光学活性层（即“重定向层”）23，其邻近所述流体追踪层16，用于对入射光进行重定向，以便这些入射光可以进入光导结构的光导层11。光导层11由特定材料制成，所述材料对于将捕获并且进行传输或需要传输穿过光导层11的本体部分的光的波长而言在很大程度上是可透射的。也就是说，可以由光导层11吸收的、传输穿过光导层的光少于20%、少于10%、少于5%或少于1%。另外，光导层11可以将光传输到装置中，所述装置如光伏电池或光检测器，这些装置被配置成接受一定波长范围内的光，而且对于传输穿过光导层的、在给定波长范围内的光，光导层11所吸收到的少于20%、少于10%、少于5%或少于1%。例如，光导层11可以由玻璃或透明聚合物（如塑料）制成。流体追踪层16由两种不互溶或部分互溶的流体组成，从而形成分层结构。邻近光导层11的流体是“包覆流体”21，其通常具有比光导层11低的折射率，从而向光导结构提供包覆并且对要传输穿过光导层11的经引导的光进行限制，例如通过全内反射进行限制。流体层22是“耦合流体”，通常具有比包覆流体高的折射率，并且其折射率优选为近似或大于光导层11的折射率。图2c是图2a和2b的设备的透视图（其中为了清晰起见，重定向层23已省略），该图示出，耦合流体层22划分成具有腔室侧壁25的多个腔室29。尽管腔室29示出为彼此直接接触，但每个腔室之间可以存在一定间距，然而如下文所述，所述设备的设计要进行修改以适应腔室之间的间距。腔室29可以具有矩形形状，如图2c示出，也可以采用任何其它形状（如圆形或六边形）构成。

可以用于耦合流体层22或包覆流体层21的不互溶或部分互溶流体/液体的实例是水溶液、水溶性流体、烃油、硅油、有机化合物以及氟碳油。当包覆流体层21的包覆流体是水溶液或氟碳油时，该包覆流体的折射率可能是约1.3，而当耦合流体层22的耦合流体是烷烃或硅油时，该耦合流体的折射率可能在约1.4与1.6之间。聚焦光可以由装置外部的光学元件提供，所述光学元件例如透镜阵列。如下文进一步所述，装置设计可以进行调整以优化耦合性能，这具体取决于聚焦光源的特性。

图2a、图2b和图2c示出的设备运行如下。参阅图2a，当没有大量的光入射到设备上时，并且在设备也并未经受任何局部加热或局部温度梯度而产生局部温度最大值的情况下，包覆流体层21是大致上没有任何空隙或孔的连续层。因此，包覆流体层21沿着流体追踪层16与光导层11接触的整个横截面积形成光学包覆，这样，大致上所有传播通过光导层的光就被反射回光导层11中，其中所述光入射在光导层11和流体追踪层16之间的界面上。

参阅图2b，耦合位置或耦合区24（以下称作“耦合位置24”）由入射在光导结构上的聚焦光束13界定。也就是说，光导结构中聚焦光束入射到的任何区均被界定为耦合位置。因此，当光导结构上聚焦光束入射到的位置发生变化时，耦合位置24的位置相应发生变化。

当聚焦光束13从与流体追踪层16相对的侧17入射到光导层11上时，光穿过光导层11并且穿过流体追踪层16的整个厚度，而且通过重定向层23以大角度从射入光束进行反射。就耦合到光导结构的射入光的偏转而言，本文使用的术语“大角度”是指进入光导层的光在其传播通过光导结构时足以进行全内反射并且一直被限制在光导层内的角度。也就是说，对射入光进行重定向的元件不存在时，射入光可能无法以允许耦合到光导层中的角度进行入射以使所述光通过全内反射而被限制在光导层内。因此，大角度是这样一种角度：其至少足够大到能够确保光在耦合到光导层时进行全内反射。入射光束的一部分由光导层11、流体追踪层16（即，包覆流体层21和/或耦合流体层22）中或重定向层23吸收，或者由这些层的特定组合吸收，从而在耦合位置24处形成局部加热。包覆流体层21的包覆流体被设计成或被配置成流动远离热点，从而导致在耦合位置24处，包覆流体层21中形成孔，所述孔填充有耦合流体层22的耦合流体（参见图2b）。与流体追踪层16与光导层11之间的界面的总面积相比，每个耦合位置较小。也就是说，在任何给定时间上，耦合流体层22与光导层11之间的所有界面26在耦合位置24处的总横截面积大致上小于流体追踪层16与光导层11之间的界面的总面积。例如，所有界面26的总横截面积可小于流体追踪层16与光导层11之间的界面的总面积的10%、5%、2%或1%。该面积比非常有用，因为该比例使得传播通过光导层11的光只有大致上小部分能够从光导层11中泄出。

重定向层23位于用来对射入光进行聚焦的光学器件的平面上或附近，并且聚焦光在击打到重定向层23的表面之前会穿过光导层11。入射光线13由所述表面进行反射，并且偏转成特定角度，所述角度设计用于改进到光导层11的导模中的耦合。当正确重定向的光线进入光导层11时，这些光线会在光导层/包覆层界面处进行全内反射并且被捕捉到光导层11中。重定向层表面可以是漫射或散射反射器、经调整的角反射器或者其它反射表面。如果使用角反射器，那么所述角反射器可以任选地采用图1b示出的120°锯齿镜设计，这种设计针对垂直入射到光导结构的聚焦光进行了优化。

此外，沿着单个重定向层23的表面的镜的方向可以根据不同入射光角而发生变化。如果入射光的平均角方向在重定向层上以可预测方式发生变化，那么在重定向层上，镜的方向可以发生变化，以便对每个位置上进行的耦合进行优化。也就是说，如果光导结构被配置成使得光导结构上的不同位置以不同角度接收射入聚焦光，其中每个位置在光每次入射到该位置上时以近似相同的角度接收射入光，在每个位置上，镜的方向可以发生变化，以便确保光在每个耦合位置24上以最佳角度耦合到光导层中。图3示出了实例锯齿镜重定向层23，该锯齿镜重定向层针对偏离垂直入射以平均角度α倾斜的入射光进行设计。单独的镜18之间的角度保持为120°，不过所述镜会朝入射光锥倾斜，与重定向层23的平面19形成30°±α/2的角度。

除了以所需角度偏转入射光之外，重定向层23还用于将流体追踪层16的流体保持在适当位置，从而阻止流体从所述结构中泄出。重定向层23可以由任何无孔或大致上无孔的材料制成，从而能够将流体有效地限制在流体追踪层16内，并且提供所需光学特性和润湿特性。例如，镜面反射表面可以使用反射金属（如铝）或者使用其它材料（如玻璃、塑料或聚合物）形成，并且覆盖有反射涂层。漫射表面可以使用嵌有光散射颗粒的材料形成。重定向层23的导热性将影响空间温度分布，从而影响系统的热毛细响应特性。因此，重定向层的材料选择能够提供一种方法来对系统的热毛细响应进行优化。

再次参阅图2b，因部分吸收聚焦光而在耦合位置24处形成局部加热导致流体追踪层16的两种流体之间的界面张力发生变化，从而导致包覆流体流动远离热点。这使得包覆流体层21局部变薄，并且可能最终导致包覆流体层21局部破裂。包覆流体层21的破裂使得耦合位置24处产生穿过耦合流体的高折射率光学路径，如图2b示出。也就是说，在耦合位置24处进入光导结构的光只穿过该光由重定向层23反射的点与该光进入光导层11的点之间的高折射率耦合流体，从而在光导层11与耦合流体层22的耦合流体之间的界面26处进入光导层11。如果耦合流体的折射率近似或大于光导层11的折射率，那么从耦合流体层22进入光导层11的入射光13相对于界面26的表面以一定角度穿过所述界面26，所述角度近似或小于耦合流体中光线在刚到达界面26之前相对于界面26的角度。由于包覆流体21的折射率低于光导层11的材料的折射率，因此，如上文所述那样（即，相对于界面26以小角度）耦合到光导层11中的光每次入射到光导层11与包覆流体层21之间的界面上时，所述光大多或完全会被反射回光导层11中。

包覆流体层21无需完全破裂（未示出），以便在耦合位置24处形成高折射率光学路径。在耦合位置24处，非常薄的包覆流体膜可以余留在光导层11的表面上，条件是该余留的包覆流体足够薄以至于使其光学效应有限。也就是说，条件是以小角度入射到界面26上的光能够至少部分穿过薄包覆流体层并且将不会经受全内反射。部分透射穿过此类地低折射率薄层被称作衰减耦合或受抑全内反射，而且可能针对大致上薄于光的波长的层而发生。因此，余留的薄包覆流体膜可能大致上薄于耦合装置经配置以收集的光的最小波长。例如，余留的膜的厚度可以少于耦合装置经配置以收集的光的最小波长的50%、25%、10%或1%。

当聚焦光13移除时，流体追踪层16的两种流体之间的界面张力使得包覆流体流动回到变薄或破裂区域，并且重新构成图2a示出的初始层结构。包覆流体的局部变薄和/或破裂将取决于空间温度分布、两种流体之间的界面张力和张力与温度的相关性，以及包覆流体层21的初始厚度。因此，包覆流体层21的厚度可以进行适当设计，以便优化整个系统的性能，其中条件是该包覆流体层的厚度足以对相关光学波长进行有效光学包覆。包覆流体层21和耦合流体层22的厚度均可以在约0.1微米到100微米之间，如在0.1微米到10微米之间。此外，如果需要，包覆流体层21的厚度可以通过使用非平面腔室壁或非平面流体界面来在腔室之间进行变化，从而在不同位置上提供不同伸缩特性。此外，可以将多种表面活性剂添加到任意或所有流体层中，这可以显著影响界面张力与温度的相关性。

流体追踪层16的分层流体结构可以使用多种技术形成并且进行稳定，这些技术包括因密度变化而导致的流体分离，以及通过流体特性和腔室壁进行的流体张力操控。例如，在此设计中，光导层11与包覆流体层21接触的表面可以经过设计，以使所述表面优选由流体进行润湿，而重定向层23可以采用类似设计，以使所述重定向层优选由耦合流体进行润湿。在表面上进行优选润湿可以通过以下方式实现：使用用于光导层11和重定向层23的、具有所需润湿特性的材料，或者使用改变润湿特性的涂层涂布这些元件的表面。此类涂层包括氟化材料以及改变表面能量和表面润湿特性的其它涂层。

如果流体追踪层16的分层结构通过操控流体张力而构成，那么可以通过将流体界面分成离散的分段区域（腔室）来进行稳定，所述离散的分段区域小到足以使流体张力比重力更具影响力。流体张力倾向于在低于特定界面尺寸时比重力效应更具影响力，这种界面尺寸被称作“毛细距离”，其具体取决于两种流体的特性；所述界面尺寸通常在100微米到1cm之间。为了通过流体张力来稳定流体层，分段的界面区域在任何尺寸上都不应当明显超过该距离。也就是说，图2c的每个腔室29的长度和宽度可以小于1cm，如小于3mm、在100微米到1cm之间，或者在100微米到3cm之间。或者，腔室29可以具有非矩形形状，其中最长腔室尺寸小于1cm，如小于3mm、在100微米到1cm之间，或者在100微米到3mm之间。

分段可以使用腔室侧壁25实现，所述腔室侧壁伸入流体追踪层16中，并且延伸到流体界面的位置。侧壁的存在允许两种流体之间的界面张力在腔室区域上维持分层机构。侧壁25可以从光导层11的表面延伸到耦合流体层22与包覆流体层21（未示出）的界面28，或者可以从重定向层23的表面延伸到界面28（如图2a和2b示出）。或者，侧壁25可以从光导层11的表面延伸到重定向层23的表面（未示出），以使耦合流体层21和包覆流体层22均包含在腔室29内。在腔室29并未直接彼此接触，即相邻腔室29之间存在一定间距的实施方式中，侧壁25可以从光导层11的表面一直延伸到重定向层23的表面，从而允许流体追踪层16的所有流体均被侧壁25、重定向层23和光导层11包围。如果侧壁25接触光导层11，那么侧壁可以采用反射或低折射率材料构造成，从而避免经引导的光产生损耗。例如，侧壁25的折射率可以小于光导层11的折射率，或者可以与包覆流体层22的折射率近似相同。根据侧壁尺寸和流体追踪层16的两种流体的相对体积，流体界面可以是平面的（如图2a和2b示出），或者可以形成球形盖。

侧壁25的表面特性可以影响搜书侧壁上的流体行为。如图2a和2b示出，侧壁25设有特定表面，所述表面优选通过与侧壁附接到的壁相对的流体进行润湿，这使得流体界面端接在侧壁上，并且两种流体之间的界面张力使得分层结构在腔室区域上得到维持。或者，如果侧壁25优选通过邻近侧壁附接到的壁的流体进行润湿，那么该流体的薄润湿层可以存在于侧壁25上。

腔室侧壁25可任选地从此设计中省略，并且界定分段的表面特性变化可以直接表现在流体追踪层16（未示出）的壁上。例如，流体追踪层16的壁可以具有优选通过其中一种流体进行润湿的区域，所述区域由优选通过另一种流体进行润湿的边界区域分离，而无需伸出侧壁。

无论采用哪种分段方法，腔室29的位置均可以独立于聚焦元件的设计或位置，并且腔室29的数量无须与聚焦元件的数量一一对应，也就是说，聚焦元件的数量可以不同于腔室29的数量。如果光学系统在单个腔室29内产生多个焦点，那么光学耦合可以在单个腔室29内一个以上的热点处进行。如果焦点不存在，那么不会产生光学耦合位置，并且在整个腔室区域上对经引导的光进行低损耗传播。

为了通过热毛细效应进行自动追踪，可以吸收一些光来在焦点处产生局部热点。这种光吸收可以在以下元件中的一个或多个元件中进行：光导层11、重定向层23以及流体追踪层16内的一种或多种液体。根据构造这些元件所使用的材料，一定量的光会自然地吸收到这些元件中的每个元件，而且根据系统的光学和热学设计的其它元件，这种自然吸收可以实现充分加热，从而提供所需热毛细效应。或者，可以通过向这些元件中的任何元件添加吸收材料来增强吸收。例如，吸收染料或颜料可以添加到流体追踪层16中的一种或多种流体中，添加到光导层11中，或者添加到重定向层23中。如果需要，特定吸收层可以包括在所述结构中，或者置于焦面附近。

可以选择具有一定吸收光谱的吸收材料，从而优先吸收处于所需波长的入射光。例如，如果系统被设计成收集用于光伏转换的太阳光，那么光伏电池的特定将决定哪些波长的光能够有效转换成电力而哪些（通常在红外线和紫外线中）不能。优选吸收这些无法有效转换成电力的波长将确保更多有用的光到达光伏电池。此外，在光导结构内吸收无法通过光伏装置有效转换成电力的光可以通过减少光伏装置的不必要加热来改进光伏电池的性能。因此，尽管并不优选在光导层11或包覆材料（包覆层21，也可能是腔室侧壁25）中进行吸收，因为这种吸收将对经引导的光产生传播损耗，但如果吸收光谱经过较佳调整，那么可能需要进行这种吸收以控制输出光谱。

图2a、2b和2c的耦合装置的示例性设计使用折射率约1.3的氟碳油作为包覆流体层21的低折射率包覆材料，并且使用折射率约1.5的硅油作为耦合流体层22的高折射率流体。光导层11的邻近流体追踪层16的表面使用氟化涂层进行处理，从而产生优选通过氟碳油润湿的低能量表面。氟碳油构成厚度优选在约0.1微米到10微米之间的层，并且硅油构成厚度可能比氟碳油厚的层，例如，厚度为1微米到50微米之间的层。两种流体21和22之间的界面通过腔室侧壁25进行稳定，所述腔室侧壁优选通过氟碳油进行润湿，并且将流体界面固定在腔室边缘处。腔室尺寸接近或优选低于流体的毛细距离，所述毛细距离约1毫米，以使界面张力比重力更具影响力。使用锯齿形反射重定向表面23，如图3示出。

如图4示出，图2a-2c的设计的变体使用透射而非反射重定向层33。在此变体中，透射重定向层33和流体追踪层16置于聚焦元件（未示出）与光导层11之间。入射光线13穿过透射重定向层33，然后以大致上不同的角度出现在另一侧上，所述大致上不同的角度设计用于改进到光导层11的导模中的耦合。透射重定向层33可以通过多种光学效应运行，所述光学效应包括折射、反射和衍射。

针对透射重定向层33的多种设计均是可行的，具体取决于预期应用。一种此类设计是各向同性扩散器，其在较大输出角范围上均匀地散布入射光。并非所有这些光线都将耦合到光导层11中，但扩散器的优势在于，其对入射光角的变化很不敏感。因此，在聚焦光点的角度和位置需要具有较宽容差时并且在可以接受较低耦合效率时，各向同性扩散器对于透射重定向层33而言是一个较好的选择。

如果进一步限制光源特性，那么可以使用更高效率的透射重定向层33。例如，如果入射光13的平均角方向是固定的，那么棱镜34的阵列可以用作透射重定向层33。这些棱镜34可以设计用于弯曲入射光线13，以使这些光线耦合到光导层11中，如图5示出。此类棱镜阵列可以针对入射光特性进行调整，以便优化光导耦合。均匀棱镜阵列能够以预定范围内的角对光进行有效地耦合，其中焦点的位置可以在腔室上发生改变。

另一类型的应用可以产生入射光锥，当焦点在腔室上移动时，所述入射光锥的角方向或立体角以可预测方式发生改变。一个实例是使用静态透镜来聚集太阳光，并且将太阳光聚焦到透射重定向层33上的点处：当太阳角度改变时，聚焦光点将在透射重定向层33上移动，并且将在每个位置处以不同范围的入射角方向击打重定向层。在此情况下，透射重定向层33可以在每个位置处针对相应入射光角进行调整。例如，如果使用棱镜结构，那么其设计可以在腔室上发生改变，从而当焦点在腔室上移动时，允许光锥的方向或立体角通过外部光学器件发生改变。换言之，棱镜阵列的棱镜34的形状、大小和/或几何形状均可以在整个透射重定向层33上发生改变。

如图6示出，图2a-2c的设计的另一变体使流体追踪层16中的流体的位置颠倒，以使耦合流体层22’的至少一部分位于包覆流体层21与光导层之间。在此方向上，所述耦合流体层22’与所述光导层11组合，用于引导光通过光导结构，经引导的光传输穿过所述光导层11的本体部分并且通过所述耦合流体层22’的本体部分。随后，高折射率耦合流体形成光导芯，或者在顶部材料11具有类似高射率时形成光导的一部分（如图6示出）。经引导的光在高折射率流体22’内传输，并且包覆流体层21的包覆流体接触重定向层23。该几何形状可以与折射重定向层23（如图6示出）或透射重定向层33（未示出）一起使用。

如图7示出，又一个变体使用包括三个流体层21、22和27的追踪层16。低折射率包覆流体层21邻近光导层11。高折射率耦合流体22填充追踪层的中间部分。包含高聚光吸收材料的流体层，即吸收流体层27，邻近和/或接触重定向层23放置。流体界面28和29均可以以下方式进行稳定：控制表面特性，以及可任选地使用从追踪层的两壁延伸出的腔室侧壁25。中间耦合流体22与包覆流体和吸收流体均不互溶或部分互溶。当聚焦光落在流体追踪层16上时，所述聚焦光使得吸收流体中局部高度加热。这使得吸收流体和包覆流体均变薄或破裂，从而在重定向层23与光导层11之间形成高折射率可透射光路。只要聚焦光出现在同一位置，那么这些流体的回流在吸收流体再次进入聚焦区域时就通过产生的热量进行抑制。

具有滑动微滴的耦合装置设计

如图8到图12示出，一种用于将光耦合到光导结构中的设备可以利用热毛细效应来使流体膜变薄，但其首要目的是使流体横向运动。在此设计中，跟踪层由腔室侧壁25分成微流体腔室阵列，以使单个微流体腔室与每个聚焦元件关联。图8只示出了单个腔室。所述腔室包含具有高折射率的流体的较小微滴（即“耦合微滴”44），所述高折射率优选近似或大于光导层11的折射率，从而提供高折射率光路以在耦合位置24处将重定向层33连接到光导层11。耦合微滴44的体积经过选择以使其面积与聚焦光点的大小相符，而且腔室高度（即，包覆流体层41的厚度）小到足以使微滴的表面变平并且阻止所述微滴形成球形盖形状，而又大到足以提供充分的光导包覆。包覆流体层41的厚度可以在约0.1微米到500微米之间，如在0.1微米到10微米之间，或者10微米到100微米之间。腔室体积的剩余部分包含包覆流体层41的包覆流体，所述包覆流体可以是，例如低折射率的第二不互溶或部分互溶流体，或者只是空气或蒸汽，包覆流体层41用作光导层11的包覆。

腔室可以使用侧壁25来确保微滴一直被限制在特定区域内，在所述区域上，焦点可能发生变化。侧壁25可能穿过整个流体追踪层16并且接触光导层11，在此情况下，所述侧壁可能由低折射率的材料制成，以便在接触光导层11时提供包覆功能。或者，反射镜表面（未示出）可以置于光导层和腔室侧壁25的接合点处，从而确保经引导的光不会离开光导层11，并且进入腔室侧壁25。在流体追踪层16内的密集腔室阵列中，可以使得侧壁25只将其一部分伸入追踪层（未图示）中，从而形成足够的屏障以阻止微滴越界进入相邻腔室，同时仍允许包覆流体（如果存在）在腔室之间流动。

微滴运动可以通过热毛细效应产生。部分吸收入射聚焦光13使得聚焦光位置，即耦合位置24处局部温度上升，并且导致该位置周围产生温度梯度。温度梯度致使微滴44的侧面上形成不均衡表面张力（或界面张力，在使用包覆流体的情况下），这致使微滴44朝焦点移动。响应于温度梯度，微滴运动的方向和速度将根据温度而取决于液体的表面张力（或两种液体之间的界面张力），并且还将取决于微滴与腔室壁构成的接触角。这些均可能通过腔室壁材料选择、腔室壁涂覆的表面涂层、液体选择以及引入一种或多种液体的表面活性剂而发生改变。可以使用的不互溶或部分互溶的液体的实例是水溶液、水溶性流体、烃油、硅油、有机化合物和氟碳油。表面涂层可以包括氟化低表面能量涂层。多种表面活性剂可以被添加到流体中，这可以显著影响界面张力与温度的相关性。用于构造和容纳系统的材料可以经过设计以提供热特性，从而针对流体移动优化温度梯度分布。

图8示出的重定向层33采用透射设计。入射光线穿过透射重定向层33，并且以不同角度出现在另一侧上，所述不同角度设计用于改进到光导层11的导膜中的耦合。一旦经正确耦合的光线进入光导层11，所述光线就会在光导层/包覆层界面处进行全内反射，并且一直被捕捉在光导层11内。重定向层33可以通过光学效应运行，所述光学效应包括折射、反射和衍射，如上所述。

图9示出的另一实施方案使用反射重定向层23，而非透射重定向层。在此设计中，流体追踪层16和重定向层23均位于光导层11上与聚焦光13的源相对的侧。重定向层23位于外部光学器件的焦面处或附近，并且聚焦光在击打重定向层23之前穿过光导层11。反射重定向层23可以是漫射或散射反射器、经调整的角反射器或者其它反射表面，如上所述。

在图10示出的另一实施方案中，去除重定向层，作为替代，聚焦光的重定向在耦合微滴54自身内发生。因此，耦合微滴54用于对入射光线13进行重新导向，以及用于允许所述入射光线耦合到光导层11中。透射材料层46用于包含追踪流体，在前述实施方案中，重定向层就置于所述追踪流体中。为了将耦合微滴54用作重定向原件，可以使光学活性材料悬浮在微滴的液体内。这些光学活性材料可以是，例如，对射入光进行散射的颗粒、反射材料（如金属薄片）或漫射光的折射材料。光学活性材料经过设计，从而分散在耦合微滴内，但并不分散在包覆流体内。例如，可分散在油中的白色颜料颗粒可以用作散射介质，并且分散在由油制成的耦合微滴54中，同时不互溶的水溶液用于提供包覆流体层41的低折射率包覆流体。

如果耦合/重定向微滴54提供折射或穿透散射效应（如图10示出），那么追踪层16可以位于聚焦光源与光导层11之间，或者如果重定向微滴提供反射或反射散射效应，那么追踪层可以与光源反向。对于后者，使用耦合/重定向微滴54而不使用重定向层使得可以自由地将高度吸收层用作发热机构。如图11示出，吸收层48置于追踪层16与光导层11相对的侧上，并且可任选地用作包含追踪层流体的壁。当耦合/重定向微滴54正确定位于光的焦点处时，所述耦合/重定向微滴遮住吸收层48，并且产生非常少的热量。然而，当微滴54并未正确定位时，聚焦光13击打高度吸收层48，这导致局部高度加热，从而针对微滴移动提供较强驱动力，由此将微滴54吸引到耦合位置24。

此设计的进一步变体是使用追踪流体层16作为光导的部分或全部。这通过以下方式实现：将耦合/重定向微滴54嵌入不互溶或部分互溶的流体中，所述不互溶或部分互溶的流体的折射率与耦合/重定向微滴54的折射率类似。包含流体层的壁也可以具有类似的折射率，在此情况下，所述壁也构成光导的一部分，或者所述壁可以具有大致上较低的折射率并且形成液体光导层的包覆。

反射装置设计中的另一变体是在装置使用所有三种不互溶或部分互溶的流体：用于耦合微滴的一种高折射率流体44以及追踪层的剩余区域内处于分层结构中的两种流体41和48，如图12示出。邻近光导层11的流体层41用作光导包覆，并且对于低损耗光导而言具有低折射率和高透射性。邻近重定向层23的流体48可以包括高聚光吸收材料。当耦合微滴44正确定位在光的焦点处时，吸收流体48位于光路外，并且由此产生非常少的热量。然而，当微滴44并未正确定位时，聚焦光击打吸收层48的高度吸收流体，这导致局部高度加热，从而针对微滴移动提供较强驱动力，使得微滴44移动到光束13入射到的位置上。

分层流体结构16可以使用多种技术进行稳定，所述技术包括因密度变化而导致的流体分离，以及通过流体特性和腔室壁25进行的流体张力操控，如上所述。如果腔室壁25用于通过流体张力来稳定流体层，那么腔室壁25之间的间距必须接近或低于毛细距离，如间隔小于约1cm。由于腔室壁还用来限制耦合微滴44的移动，因此，毛细距离会设定近似距离上限，这样就可以使用此设计来移动耦合微滴44。

具有漂浮式重定向元件的耦合装置设计

在图13的设计中，追踪腔室内的液体构成光导芯的部分或全部。重定向层并未使用，作为替代，光的重定向在追踪层16内的可移动元件部位处进行。在图13示出的装置中，追踪层16包含由高折射率流体构成以提供光引导的光导层71，同时包含位于所述流体内的较小重定向微滴73或蒸汽气泡。这些微滴73或气泡小到足以使其具有大致上球形的形状并且不会平贴追踪层壁（即，流体追踪层16与包覆壁层72之间的界面），而且足够小到使得紧挨在一起的许多微滴73或气泡能够占据耦合位置24，所述耦合位置同样与射入光束13的焦点大小相同。重定向微滴73或气泡可以通过使用光导流体层71中的表面活性剂来进行稳定。如果使用蒸汽气泡，那么这些蒸汽气泡可以是永久特征，或者可以通过选择具有合适沸点的光导流体局部地产生于热点处。在一些实施方案中，如果射入聚焦光或其它局部加热机构不存在，那么就不存在气泡或微滴73，而如果聚焦射入光束存在，那么射入光13将光导流体加热到足够的温度以产生重定向气泡。足够的温度可以处于、接近、略微低于或高于光导流体的沸点。如果使用微滴，那么这些微滴可以由可透射的低折射率流体制成。位于热点处的低折射率微滴73或气泡的大致上球形的表面用于散射聚焦光，从而对所述聚焦光进行反射或折射，以使所述光重定向并且可以由光导层71进行引导，如图示出。

或者，光学活性材料，如反射或折射颗粒，可以悬浮在微滴73中以提供重定向功能，在此情况下，微滴的折射率可以发生改变，因为无需在微滴73与光导层71的流体的界面处进行反射或折射来提供重定向功能。同样，如果添加光学活性材料，那么重定向微滴73的尺寸不再受限。如果需要，可以使用少量较大微滴，以使这些微滴平贴腔室壁。

热毛细力将朝热点处自然地吸引蒸汽气泡，并且通过适当选择流体和腔室几何形状，悬浮的微滴73也可以被吸引到热点处。在此设计中，追踪层16的本体流体也用作光导。包含流体的壁72可以具有较低折射率并且因此用作光导包覆（如图13示出），或者具有较高折射率并且因此用作光导的一部分，其中经引导的光同时穿过壁材料72的本体以及光导层71的流体。同样如图13示出，可任选地使用高度吸收层48。

在此设计的变体中，流体追踪层16包含两层不互溶或部分互溶的流体71和41，如图14示出。两层流体结构可以使用多种技术构成并且进行稳定，所述技术包括因密度变化而导致的流体分离，以及对光导、重定向层和腔室侧壁进行的表面特性操控。在图14示出的实例中，使用具有特定表面的腔室壁72来稳定分层结构，所述表面优选由上部流体71（即，光导层71的流体）进行润湿。图14示出的腔室壁72用作光导的一部分，尽管如图13示出，所述腔室壁可以由较低折射率材料构成并且用作光导包覆。

悬浮在流体层71和41之间界面处的是一个或多个重定向元件74。所述重定向元件74可以是反射或折射颗粒，其收集在界面或一小片光学活性膜处，如图14描绘的那样。例如，包含角反射器特征的薄塑料膜可以悬浮在水溶液与油之间的界面处，所述角反射器特征已被处理成在一个表面上具有亲水性，而在另一表面上具有疏水性。

当热点通过部分吸收聚集光13而在追踪层16中的耦合位置24处形成时，两种液体之间的界面张力会受到影响。界面张力的局部变化使得界面处形成流体流。通过正确选择流体和腔室尺寸，将出现朝向热点的对流流体流，并且悬浮在界面处的光学活性重定向元件74将自动收集在热点处。

可以选择具有折射率大致上不同的两种流体71和41，以使其中（层71）一个用作光导芯的部分或全部，而另一个（层41）用作包覆层。或者，可以选择折射率非常相近的两种流体，以使两种流体同时用作光导芯，而包覆则由追踪层的壁72或外部介质提供。

如果重定向元件74提供反射或反射散射效应，那么所述设计允许自由使用高度吸收层48作为发热机构，如图示出。无论包覆是由流体层、追踪层的固体壁还是低折射率的外层提供，该层均会置于包覆外。在图14示出的实例中，较低流体层41提供包覆功能，而高度吸收层48用作追踪层壁。另外，如图14示出，上部流体层71和下部包壁72均具有高折射率，并且用作光导材料。当一个重定向元件或多个重定向元件74正确定位在光的焦点处，所述重定向元件遮住吸收层48，并且产生非常少的热量。然而，当一个重定向元件或多个重定向元件74并未正确定位时，聚焦光13击打在高度吸收层48上，这导致局部高度加热，从而针对流体界面处的流体流提供较强驱动力，由此将重定向元件74吸引到耦合位置24。

耦合装置光学设计变体

聚焦光点大小可以不同，具体取决于其在腔室上的位置。例如，如果使用固定透镜将阳光聚焦在腔室上，那么点大小可能因聚焦偏差而随入射光角变化而改变。此问题的一种解决方案是使用较大体积的耦合或重定向微滴，以便在焦点大时改进光捕获，但这在焦点小时将承受不必要的额外光导损耗。作为替代，当耦合部位在腔室上移动时，则需要改变耦合部位的大小。这可以通过在腔室区域上改变腔室的高度来完成，如图15所示。耦合位置24的面积，即耦合微滴44的面积在腔室较窄的地方（即，包覆流体层41较薄的地方）增大并且在腔室较宽的地方（即，包覆流体层41较厚的地方）减小。图15示出的实例具有位于腔室中心的较小耦合区以及朝向边缘的较大耦合区。图15示出的实例使用图9的耦合装置设计，其中额外高折射率填充材料层82被包括在包覆流体层41的部分与重定向层23之间，从而形成包覆流体层41的厚度可变区。此技术还可以应用于本文描述的其它设计。图15示出的设计使得平坦的重定向层23得以维持，并且通过添加具有高折射率（与光导层11和耦合微滴44的折射率约相符）的额外透明材料82以实现可变腔室高度。或者，重定向层23也可以是弯曲的，以便符合腔室的形状，并且无需额外材料层82。

在一些应用中，外部聚焦光学器件可能无法产生占据平坦焦面的聚焦点。为了弥补这种情况，目前为止所描述的平坦光导层和平坦追踪层可以由弯曲光导层和弯曲追踪层替代，如图16所示。图16示出弯曲光导层91和弯曲追踪层，所述弯曲追踪层包括弯曲包覆流体层92和耦合微滴44，所述弯曲光导层和弯曲追踪层通过图9的设计实施，但也可以通过本文描述的其它设计实施。层93是弯曲重定向层。如果光导结构是弯曲的，那么可以对所述光导结构的尺寸进行选择，以便最小化由弯曲造成的光导损耗。

将耦合装置与聚焦光学器件集成

上述追踪式耦合器装置设计可以集成为单个装置或装置阵列，并且可以与单个聚焦元件或聚焦光源独立匹配，或者与聚焦光源阵列独立匹配。当使用聚焦元件阵列来捕获直射光束光学能量时，聚焦元件可以是折射、反射或衍射元件，或者可以由不同元件的组合组成。如果使用基于横向热毛细运动的耦合装置设计，例如图8到图15示出的那些装置设计，那么单个腔室可任选地与阵列中的每个聚焦元件匹配；然而，如果使用基于热毛细膜变薄的耦合装置设计，例如图2、4、6或7示出的那些装置设计，那么腔室无需与聚焦元件一一匹配。下文展示了两种示例性阵列设计，但是，很多组合均是可行的。

图17描绘了图2的光追踪耦合装置的实例应用，所述装置与构成片状的透镜95的阵列96组合。阵列96内的透镜95提供聚焦光（为了清晰起见按，图中省略光线）。低折射率的包覆层94位于透镜阵列片96与光导层11之间。包覆层94可以由折射率约1.3的含氟聚合物材料制成，或者可以由低折射率的其它材料制成。或者，包覆可以由真空、空气或者折射率适当低的蒸汽或液体形成。

尽管该图和随后附图只描绘了用于光聚焦的单个透镜表面，但是系统还可以设计成具有包括多个透镜和/或其它光学元件的聚焦系统。此外，尽管图17的实例使用图2的耦合装置，但是本文披露的任何追踪式耦合装置设计均可以使用。

图18示出的实例使用弯曲反射镜97的阵列98作为聚焦元件，并且使用与图14的耦合装置类似的耦合装置。由于使用反射聚焦表面可能需要追踪式耦合装置在很大程度上是可透射的，因此这些反射聚焦表面与使用可移动重定向元件74而非固定重定向层的那些耦合装置设计最为相配。在该设计中，单个聚焦元件97与每个腔室匹配。在每个腔室内，反射重定向元件74悬浮在光导流体71与包覆流体41之间的界面处。所述流体在一侧上由光导层11包围，并且在另一侧上由可透射窗口层99包围。射入光（为了清晰起见，未示出）穿过可透射窗口层99的外表面进入结构中，并且穿过流体层41和71、光导层11以及包覆层94。随后，在光耦合到光导结构中之后，所述光由聚焦元件97进行反射和聚焦。系统的热特性可任选地设计成对相邻腔室之间的热串扰进行限制，方法是例如，通过使用热隔离件来分离腔室。根据透镜和阵列的光学设计，处于一定入射光角时，来自一个镜的聚焦光可以进入与相邻的镜匹配的腔室中。为了捕获处于此入射角的光，重定向元件74被设计成以一定效率捕获从关联的镜或相邻的镜入射的光锥。

图19描绘了实例阵列系统，所述阵列系统设计成具有弯曲光导层11，以便符合聚焦透镜101的弯曲焦面。此实例中采用与图9的耦合装置设计类似的耦合装置设计，但是许多其它设计可以与弯曲光导一起实施。包覆层94示出为位于光导层11的暴露部分上，但是也可以不覆盖所述暴露部分，这样就将空气用作包覆材料。窄光导可用于最小化光导弯曲所导致的光损耗。

如果上述阵列系统使用足够薄的弹性材料制成，或者如果上述阵列系统在特定位置处分段以允许屈曲，那么可以使得所述阵列系统屈曲或弯曲。由于流体追踪层会对来自每个聚焦元件的聚焦光进行自动追踪，因此每个聚焦元件能够在不损害整个收集器性能的情况下进行不同定向。因而，可屈曲或可折叠的聚光光学能量收集系统是可行的。此类系统可以卷起或折叠以便携带，随后可以铺开或展开以便使用，并且无需在运行期间保持平坦或刚性。

图20示出了特定设计，在所述设计中，聚焦和重定向均由单个光学表面103执行，这样，到达追踪层16的光线13均聚焦到小区域中，并且进行定向以便实现光导耦合。聚焦和重定向元件103是经调整的锯齿形反射表面，其嵌入高折射率材料104中以提供连续的高折射率路径，以便反射光线13进入耦合区24中的光导层11。尽管图20的耦合区24示出为包括包含在包覆流体层41内的耦合微滴44，如图8示出，但是本文描述的任何耦合区结构以及用于形成这些机构的层均可以与单个聚焦和重定向元件103一起实施，如图20示出。其它光学设计也可以使用反射、折射和/或衍射元件来联合进行聚焦和重定向。

针对增大的接受角的阵列系统变体

聚焦光学器件可能只在有限入射光角范围上产生明确焦点。对于太阳光收集而言，需要接受角具有非常大的范围，尤其是在太阳每天跨越的角范围较广的东西向轴线上。接受角范围较广在其它应用中可能也是需要的。为了增大可以收集的直射光束光的入射角范围，聚焦元件的角方向可以在阵列上发生变化。图21示出了特定实例，在所述实例中，单表面透镜107沿着弯曲表面排列以形成透镜阵列106，从而改变透镜的光学轴线，由此扩展整个阵列106的接受角范围。由于光的入射角发生变化，因此，不同的透镜107将接收不同强度的照明，具体根据所述透镜对着入射角的方向。表面弯曲确保在每个单独透镜进行对准以最大限度地接收光时（在入射光角与透镜的光轴重合时）将不会被其它元件遮住。这种透镜布置可以在阵列中重复出现，以便铺盖表面区域，如图21示出。

透镜沿表面的焦距可以发生改变，这样，所有透镜的焦点就位于同一平面中，从而允许使用平面光导层11和追踪层16。表面弯曲可以只应用于一维，或者在需要时，应用于二维。图21示出了沿着弯曲表面排列的7个透镜元件107，但是元件数目可以根据需要制造的较大或较小。图21示出的实例扩展了聚焦系统的接受角，所述聚焦系统以在垂直于光导结构的入射为中心采用对称方式布置，但如果需要，那么也可以形成非对称透镜布置，以便符合光源的角变化。图21示出了与单表面透镜一起实施的聚焦阵列变体，但是同一原理也可以与其它聚焦方案一起实施，所述其它聚焦方案包括反射聚焦镜以及将光聚焦通过多个光学元件的设计。通常，任何本文描述的任何光导结构均可以与图21示出的聚焦元件107的阵列106相配。

增加光可以被收集的入射角范围的另一方法是改变整个系统的方向，其中包括光导层的平面。图22示出了特定实例，在所述实例中，实例平面光导聚光系统的四个平面节段112部署在不同方向上。四个节段112中的每个节段包括透镜阵列96、包覆层94以及光导和追踪部分110。四个节段112定向不同，以使每个节段在最小程度地遮住彼此的同时接收不同入射角范围内的光。不同节段可以通过连续光导中的曲部进行连接，或者通过光学元件进行连接，所述光学元件如连接两个光导节段的棱镜或镜。或者，接收元件（如光伏电池和关联光学器件）可以置于连接位置中。可以根据需要使用大量或少量节段。该节段定向可以在阵列中重复进行。

另一变体是使用连续的弯曲阵列，而非分段的平面阵列，如图23示出。发生阵列分段或弯曲的范围可以随意选择，因为只要所有弯曲程度均小到足以避免产生较大光导传播损耗，那么光学效应就不受所述范围影响。弯曲或分段可以只应用于一维，或者在需要时，应用于二维。基于沿着所述阵列的遮蔽效应，阵列96的聚焦元件的光学特性也可能在整个阵列上发生改变，以便改变入射光角。尽管图22和23示出了具有在与单表面透镜一起实施的过程中改变方向的光导层的系统，但是所述设计也可以与其它聚焦方案一起实施。

此方法也可以与图21的方法组合。图24示出了特定实例，在该实例中，透镜阵列106中的透镜出现在具有小范围局部弯曲以及较大范围弯曲的表面上，以便与光导和追踪层110的弯曲相符。图21示出的小范围弯曲也可以与本节此前描述并且在图22中示出的分段式平面光导设计组合。图24示出的是在较大阵列上实现透镜布置的小范围均匀变化，然而，小范围弯曲和透镜布置也可以根据在较大阵列内的位置进行调整，以使小范围变化所造成的接受角增大在每个位置处均针对局部可变的入射光角进行优化。

本节描述的原理根据在需要时进行调整的入射角实现了系统的光收集效率。例如，在太阳能系统中，此设计可以进行优化，以便在一天当中收集最大化总太阳光量。如另一实例，此设计可以进行优化，以便以接近较大角范围上的均值的效率来收集太阳光，这样，入射在接收元件上的光就保持大致恒定。

将阵列集成到完整光学能量收集系统中

为了完成光学能量收集系统，就要将追踪聚光阵列的光导或光导层连接到接收器，所述接收器如光伏电池、热负载或其它集光装置。额外光学元件可以置于光导与集光装置之间，以便进一步聚光、弯曲光线或者提供其它功能以将从光导输出的光匹配到一个接收器或多个接收器中。因而，该系统可以安装在提供光源粗对准的低成本机械追踪器上，或者完全无需追踪器就可以进行部署。所述系统可以在阳光下使用，所述系统如太阳能收集系统。由于无需进行精确追踪，所披露的装置能够使太阳聚光系统的复杂程度和成本大大降低。所述系统还可以在其它光源下使用，所述光源包括用于从偏远位置传输动力的激光束。

图25是示例性光学能量收集系统的透视图。该实例使用透镜96的平面阵列对来自光源114（例如，太阳、激光束或其它光源）的聚焦光线13进行聚焦。流体追踪层16与重定向层23组合，用来将聚焦光捕获到光导11中。接收器113安装在光导边缘，以便接收经引导的光。接收器可以是光伏电池或其它接收元件。整个结构安装在支撑元件115上，所述支撑元件可能包括机械追踪特征，以使所述结构朝入射光倾斜，从而对光捕获进行改进。

图26示出了第二示例性光学能量收集系统的截面图。该实例使用图21的弯曲透镜阵列来捕获来自光源114的光线13。流体追踪层16与重定向层23组合，用来将聚焦光捕获到光导11中。在该实例中，接收器113安装在光导的底面上，以便接收经引导的光。流体层16和重定向层23在接收器的位置处中断。如上所述，所述接收器可以是光伏电池或其它接收元件。也可以具有额外光学元件，从而对光进行限制或导向。尽管在图26中，接收器安装在光导的底面上，但是该接收器也可以安装在顶面上。如果是那样，那么透镜阵列106和上部包覆94必须在接收器的位置处中断，以便所述接收器可以直接附接到光导上。

流体动力变体

热毛细效应只是可以用于在微流体腔室内移动液体的多种机制中的一种。这种机制在光强度高的情况下（如在聚集太阳光时）使用是非常方便的，因为强温度梯度可能在焦点边缘自动产生，从而可以实现自动光追踪。其它机制也是可行的，并且在光强度较低或者需要随意控制耦合（如在开始耦合和停止耦合之间切换）而非提供简单光追踪功能的其它应用中可能是优选的。电润湿和介电泳技术响应于外加电场来移动液体。这些技术可以用于本文描述的追踪腔室中，方法是将电极阵列嵌入腔室壁中，并且向特定电极施加电压以影响所需流体移动。根据腔室设计，电极可能需要由对于入射光而言是可透射的导电材料制成，所述导电材料如铟锡氧化物。在普通光导上的腔室阵列中，相应电极可能并联连接，以便流体运动在所有腔室中同时发生。电子控制系统会向所述电极提供所需电压信号。此类装置可以用于根据需要同时在光导内和外对光耦合进行控制。

本文已描述多种实施方案。然而，如所属领域的技术人员将理解，在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，本发明可以采用其它特定形式实施。因此，本文的公开和描述旨在说明而非限制权利要求书中阐明的本发明的范围。

Claims (71)

1.一种被配置成将光耦合到光导结构中的设备，所述设备包括：

流体追踪层，其位于重定向元件与光导层之间，所述光导层能够沿着第一方向将光传输穿过所述光导层的本体部分，其中所述流体追踪层由包覆流体层和耦合流体层组成；其中

如果窄光束入射不存在，那么所述包覆流体层包括大致上不存在任何空隙或孔的连续层；以及

如果窄光束入射存在于所述重定向元件上，并且形成耦合位置，那么所述包覆流体层包括位于或邻近所述耦合位置处的孔。

2.如权利要求1所述的设备，其中所述孔至少部分填充有所述耦合流体层的耦合流体。

3.如权利要求1所述的设备，其中所述包覆流体层位于所述耦合流体层的至少一部分与所述光导层之间。

4.如权利要求1所述的设备，其中所述耦合流体层或所述包覆流体层包含在具有腔室侧壁的腔室内。

5.如权利要求4所述的设备，进一步包括多个腔室，其中每个腔室均包括耦合流体层或包覆流体层。

6.如权利要求1所述的设备，其中所述耦合流体层的至少一部分位于所述包覆流体层与所述光导层之间。

7.如权利要求6所述的设备，其中所述耦合流体层与所述光导层组合用来引导光穿过所述光导结构，经引导的光传输穿过所述光导层的所述本体部分并且穿过所述耦合流体层的本体部分。

8.如权利要求6所述的设备，其中所述耦合流体层用来引导光穿过所述光导结构，经引导的光传输穿过所述耦合流体层的本体部分。

9.如权利要求1所述的设备，进一步包括位于所述重定向元件与所述光导层之间的吸收流体层。

10.如权利要求1所述的设备，其中所述耦合流体层包括第一流体，并且所述包覆流体层包括第二流体，所述第二流体与所述第一流体不互溶或部分互溶。

11.如权利要求1所述的设备，其中所述耦合流体层包括第一流体，所述第一流体选自由水溶液、水溶性流体、烃油、硅油、有机化合物以及氟碳油组成的材料组，并且其中所述包覆流体层包括第二流体，所述第二流体选自由水溶液、水溶性流体、烃油、硅油、有机化合物以及氟碳油组成的材料组。

12.如权利要求1所述的设备，其中所述光导层具有第一折射率，所述包覆流体层具有小于所述第一折射率的第二折射率，并且所述耦合流体层具有大于所述第二折射率的第三折射率。

13.如权利要求1所述的设备，其中重定向层被配置成使入射光束相对于所述入射光束的传播方向以大角度偏转到所述光导层中。

14.如权利要求1所述的设备，其中所述光导层包括选自由玻璃或聚合物组成的材料组的材料。

15.如权利要求1所述的设备，其中所述重定向元件包括重定向层。

16.如权利要求15所述的设备，其中所述重定向层对入射光进行反射或折射。

17.如权利要求15所述的设备，其中所述重定向层的不同部分被配置成使入射光以不同角度偏转。

18.如权利要求15所述的设备，其中所述重定向层由大致上无孔的材料形成。

19.如权利要求15所述的设备，其中所述重定向层或所述光导层中的至少一者的表面涂布有改变所述表面的润湿特性的涂层。

20.如权利要求15所述的设备，其中所述重定向层是透射层，并且被配置成置于所述光导层与入射聚焦光之间。

21.如权利要求20所述的设备，其中所述重定向层包括棱镜阵列。

22.如权利要求15所述的设备，其中所述重定向层是包括锯齿镜的反射层。

23.如权利要求22所述的设备，所述锯齿镜被配置成将偏离垂直入射以平均角度α倾斜的入射光耦合到所述光导层中，其中所述锯齿镜中的单独镜相对于所述重定向层的平面形成30°±α/2的角度。

24.如权利要求1所述的设备，其中耦合区位于或邻近所述光导结构内的局部温度极值处。

25.如权利要求1所述的设备，其中所述入射聚焦光的一部分在或邻近所述耦合位置处被吸收。

26.如权利要求25所述的设备，其中所述入射聚焦光的所述吸收导致在或邻近所述耦合位置处产生局部温度最大值。

27.如权利要求1所述的设备，其中耦合到所述光导结构中的所述光是阳光或激光。

28.一种被配置成将光耦合到光导结构中的设备，所述设备包括：

光导层，其能够沿着第一方向将光传输穿过所述光导层；以及

耦合区，其邻近所述光导层或位于所述光导层内，并且用来将射入光相对于所述射入光的传播方向以大角度耦合到所述光导层中；其中

所述耦合区位于或邻近所述光导结构内的局部温度极值处，并且所述耦合区的位置可以通过改变所述局部温度极值的位置来进行调整。

29.如权利要求28所述的设备，其中所述局部温度极值是局部温度最大值。

30.如权利要求29所述的设备，其中所述局部温度最大值通过吸收所述射入光而加热产生。

31.如权利要求30所述的设备，其中所述射入光是聚焦射入光或激光。

32.如权利要求31所述的设备，其中所述耦合区与所述聚焦射入光或激光自对准。

33.如权利要求28所述的设备，其中所述耦合区的截面面积大致上小于所述光导层的截面面积。

34.如权利要求28所述的设备，其中所述光导层包括含有一个或多个重定向元件的流体。

35.如权利要求34所述的设备，进一步包括包覆壁层，所述包覆壁层接触所述光导层的一侧。

36.如权利要求34所述的设备，其中所述重定向元件是微滴或气泡。

37.如权利要求28所述的设备，进一步包括被配置成在传输穿过所述光导层的所述光离开所述光导层之后接受所述光的装置。

38.如权利要求37所述的设备，其中所述装置是光伏电池或光检测器。

39.如权利要求37所述的设备，所述装置被配置成接受一定波长范围内的光，其中所述光导层对于波长在所述波长范围内的光而言在很大程度上是可透射的。

40.如权利要求28所述的设备，进一步包括邻近所述光导层的流体追踪层。

41.如权利要求40所述的设备，其中所述流体追踪层包括一种流体，或者两种或更多种不互溶或部分互溶的流体。

42.如权利要求40所述的设备，其中所述耦合区至少部分位于所述流体追踪层内。

43.如权利要求40所述的设备，其中所述流体追踪层包括折射率低于所述光导层的折射率的包覆流体层。

44.如权利要求28所述的设备，进一步包括重定向元件，其用来对耦合到所述光导结构中的光进行重定向。

45.如权利要求28所述的设备，进一步包括聚焦元件，其用来对耦合到所述光导结构中的光进行聚焦。

46.如权利要求45所述的设备，其中所述聚焦元件包括一个或多个透镜，或者一个或多个镜。

47.如权利要求45所述的设备，所述聚焦元件包括多个透镜或镜，其中所述透镜或镜沿着弯曲表面排列。

48.一种包括至少两个节段的装置，所述至少两个节段中的每个节段均包括如权利要求28所述的设备。

49.如权利要求48所述的装置，其中所述至少两个节段彼此连接并且被配置在不同方向上。

50.如权利要求28所述的设备，其中所述光导结构是平面的。

51.如权利要求28所述的设备，其中所述光导结构是弯曲的。

52.一种被配置成将入射光耦合到光导结构中的设备，所述设备包括：

具有第一折射率的包覆流体层，其邻近于具有第二折射率的光导层，所述光导层能够沿着第一方向将光传输穿过所述光导层的本体部分；以及

具有第三折射率的耦合微滴，其至少部分位于所述包覆流体层中；其中

所述耦合微滴包括第一流体，并且所述包覆流体层包括第二流体，所述第二流体不同于所述第一流体且与所述第一流体不互溶或部分互溶。

53.如权利要求52所述的设备，其中所述耦合微滴可以自由移动穿过所述包覆流体层。

54.如权利要求52所述的设备，其中所述第二折射率和所述第三折射率各自大于所述第一折射率。

55.如权利要求52所述的设备，其中所述设备被配置成使得所述入射光相对于所述入射光的传播方向以大角度耦合到所述光导层中。

56.如权利要求52所述的设备，进一步包括重定向元件，其用来对耦合到所述光导结构中的光进行重定向。

57.如权利要求56所述的设备，其中所述重定向元件是重定向层。

58.如权利要求52所述的设备，其中所述耦合微滴进一步用来对所述入射光进行重新导向。

59.如权利要求52所述的设备，其中所述包覆流体层包含在具有腔室侧壁的腔室内。

60.如权利要求59所述的设备，进一步包括多个腔室，其中每个腔室均包括耦合微滴。

61.如权利要求52所述的设备，进一步包括吸收层。

62.如权利要求61所述的设备，其中所述吸收层是流体吸收层。

63.如权利要求52所述的设备，其中所述光导层是流体光导层。

64.如权利要求63所述的设备，进一步包括接触所述流体光导层的壁层。

65.如权利要求64所述的设备，其中所述壁层是折射率小于所述第二折射率的包覆层。

66.如权利要求64所述的设备，其中所述壁层是折射率约等于或大于所述第二折射率的额外光导层。

67.如权利要求63所述的设备，其中所述耦合微滴至少部分位于所述流体光导层中。

68.如权利要求52所述的设备，其中所述包覆流体层的厚度在整个层上有所不同。

69.如权利要求52所述的设备，其中所述光导结构是弯曲的。

70.如权利要求52所述的设备，进一步包括一个或多个透镜，所述一个或多个透镜被配置成对所述入射光进行聚焦。

71.如权利要求70所述的设备，所述一个或多个透镜中的至少一个透镜的焦面是弯曲的，其中所述光导结构沿着所述一个或多个透镜中的所述至少一个透镜的所述弯曲焦面放置。

Images