CN103201657A - 用于聚光和照明系统的小型光学器件 - Google Patents

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Abstract

具有用于收集输入光的聚集元件、用于接收光并且还用于将光重定向的重定向元件、和包含使得光能够收集和聚集于接收器上的多个渐进式部分的波导的光学聚集器。其它的系统用光源替代接收器，因此，该光学器件可提供照明。

Description

用于聚光和照明系统的小型光学器件
（对相关专利申请的交叉引用）
本申请要求在2010年11月4日提交的美国专利申请No.12/939348作为优先权，该专利申请是在2010年2月12日提交的美国专利No.7925129的部分继续申请，该美国专利No.7925129是2008年9月9日提交的美国专利No.7664350的继续，该美国专利No.7664350是2007年9月10日提交的美国专利No.7672549的部分继续，它们的全部内容通过引用被并入此。
技术领域
本发明涉及用于产生电能、热能和放射能的光学聚集器（opticalconcentrator），并且还涉及使用这里描述的结构和方法的光学照明器。更特别地，本发明涉及使用光学元件的组合以聚集（concentrate）和会聚（aggregate）太阳光的太阳能聚集器。其它应用包括使用小型光学器件的光照和照明。
背景技术
太阳能聚集器已被长期开发以用于收集和聚集太阳光。增加环境太阳光的能量密度使得能够实现到有用的能量形式的更高效转换。已开发了大量的几何结构和系统，但是这种系统的普通性能和高成本不允许广泛的使用。为了实现足够的性能和可制造性，需要改进太阳能收集器。
发明内容
聚集器系统包括光学元件的组合，该光学元件包含将太阳光重定向到光波导中的诸如折射和/或反射部件、反射和/或折射元件的聚集元件，该光波导由多个台阶式表面构成，以实现到接收器单元（热和/或光伏）和其它常规能量转换系统中的高效会聚和聚集。将反射表面的几何形状连同光波导的纵横比一起进行控制使得能够容易地进行用于包括太阳电池装置、光导管应用、热交换、燃料生产系统、光谱分离器的各种商业应用的太阳光的操作、收集以及优选地聚集于连续区域上以及用于各种光学应用的光的其它二次操作（secondaryoperation）。这些结构和方法也可有利地用于宽范围的光学照明应用。
从下文附图的详细描述，本发明的这些和其它目的、优点和应用及其组织和操作方式将变得清晰。
附图说明
图1示出总体上根据本发明的实施例构造的太阳能聚集器；
图2示出在图1中示意性地示出的光波导的一个实施例的截面图；
图3示出在图1中示意性地示出的光波导的线状实施例的另一截面图；
图4示出在图1中示意性地示出的光波导的旋转实施例的另一截面图；
图5A示出波导的反射元件的第一边缘形状；图5B示出波导的反射元件的第二边缘形状；图5C示出作为台阶式波导的一部分的用于光重定向的第一单独元件；图5D示出作为台阶式波导的一部分的用于光重定向的第二单独元件；图5E示出具有与台阶式波导耦合的多个光导管的系统；图5F示出具有嵌入的重定向部件的波导；
图6示出与波导耦合的弯曲聚集元件和弯曲反射器；
图7示出与波导耦合的弯曲聚集元件和两个平面反射器；
图8A示出与波导耦合的闭合光学元件，图8B示出图8A的在光学元件与波导的接头处的部分的放大图；
图9A示出与波导耦合的另一闭合光学元件，图9B示出图9A的在光学元件与波导的接头处的部分的放大图；
图10A示出与波导耦合的另一闭合光学元件，图10B示出图10A的在光学元件与波导的接头处的部分的放大图；
图11A示出与波导耦合的还另一闭合光学元件，图11B示出图11A的在光学元件与波导的接头处的部分的放大图；
图12示出图2和图6～11的光学系统的光线跟踪结果。
图13示出太阳能聚集器或照明器的实施例的另一表示；
图14示出常规系统的折射聚集器组件；
图15示出另一常规系统的反射聚集器组件；
图16示出具有一次和二次反射光学器件的卡塞格伦（Cassegrainian）聚集器；
图17示出图13那样的系统的光传输与受光角（acceptance angle）之间的关系曲线。
图18示出波导以用于将光朝向基面重定向的反射器组件结束的实施例；
图19示出聚集器关于对称轴镜面对称的图18的变更例；
图20示出其中波导与重定向元件轴相对于聚集器倾斜的图13的实施例的一种形式；
图21示出具有各种尺寸的聚集器和/或重定向元件的实施例；
图22示出使用光源替代接收器的光扩散的实施例。
图23示出用于跨着两个轴实现聚光的图4的实施例的不同变更例；
图24示出跨着两个轴实现聚光的又一实施例；
图25示出本发明的太阳能聚集器的不同的实施例；
图26示出本发明的太阳能聚集器的又一实施例；
图27示出本发明的太阳能聚集器的另一实施例；
图28示出本发明的光学聚集器的不同的实施例；
图29示出本发明的光学聚集器的不同的实施例；
图30示出本发明的光学聚集器的不同的实施例；
图31示出本发明的光学聚集器的不同的实施例；
图32示出本发明的光学聚集器的不同的实施例；
图33示出本发明的光学聚集器的不同的实施例；
图34示出本发明的光学聚集器的不同的实施例；
图35示出本发明的光学聚集器的不同的实施例；
图36示出本发明的光学聚集器的不同的实施例；
图37示出本发明的光学聚集器的不同的实施例；
图38示出具有进入元件的波导；
图39示出具有进入元件的波导的不同的实施例；
图40示出本发明的太阳能聚集器的不同的实施例；
图41示出本发明的光学聚集器的不同的实施例；
图42示出本发明的光学聚集器的不同的实施例；
图43示出本发明的光学聚集器的不同的实施例；
图44示出本发明的光学聚集器的不同的实施例；
图45示出本发明的光学聚集器的不同的实施例；
图46示出关于中心轴对称的本发明的太阳能聚集器的不同实施例；
图47示出具有定位元件的图46的挤压视图；
图48示出横向光学元件与定位元件的例子；
图49示出具有横向光学元件的图46的挤压视图。
具体实施方式
在图1中，以10示意性地示出根据本发明的优选实施例被构造的太阳能聚集器系统。太阳能聚集器系统10包含光学聚集元件12，该光学聚集元件12可以是任何常规的光学聚集器，诸如物镜、菲涅耳透镜和/或诸如抛物线状或复合形状反射器的反射表面元件。该光学聚集元件12作用于输入光14，以将光14聚集到小的聚焦区域16。在优选的实施例中，小的聚焦区域16被设置在反射或重定向元件18或导致全内反射的其它常规光学重定向元件内。重定向元件18将聚集的光20重定向到波导22中。波导22被构造为根据斯涅耳定律导致沿波导22传播的光20的内部反射，其中，当入射于波导22的表面24上的光20的角度大于临界角度Φc时出现全内反射：
Φc＝sin(ηwaveguide/ηcladding)
这里，
Φc＝对于全内反射的临界角度，
ηwaveguide＝波导材料的折射率，
ηcladding＝包覆层的折射率或环境/波导界面处的折射率。
接收器26被设置在波导22的端部，并接收光20以用于将其处理成有用的能量或其它的光学应用。
图13详细示出具有该机构的细节的系统10的优选形式。示出N个聚集元件12和重定向元件18。聚集元件12中的每一个从区域A以半角θ1取得输入光14，并且以半角θ2将光14聚集到更小的区域B，使得聚集比＝A/B。重定向元件18中的每一个从聚集元件12中的相关联的一个聚集元件接收聚集光，使其旋转某一角度
Figure BDA00003139289100051
，并使其插入波导22的区段中，保持由区域B和半角θ2限定的聚集水平。波导22是具有以长度A相互分开的高度为B的渐进式台阶（incremental step）的多个区段（section）。波导22的各区段从重定向元件18中的相关联的一个重定向元件接收光，使得波导22总体上会聚来自多个聚集元件14和重定向元件18的光，并且沿其长度传播光14，以使光被接收器23收集。波导22不改变传送给它的聚集水平，因此，波导22的纵横比（aspect ratio）
＝波导的高度/波导的长度
＝N×B/N×A
＝B/A
＝1/各元件中的聚集比
对于太阳能聚集器（以及诸如照明器的其它装置）来说，小型化具有很大的实际益处。尤其是：使用更少的材料；消除了密封困难的光学器件与接收器23之间的大的空气间隙；装置不庞大，从而装运和安装成本更低；与昂贵且有风险的定制制造方法相反，可以利用常规的平坦模块制造方法。
波导22的小型化的限度由接收器23限定。因此，波导22只能如该波导22向其传输光的接收器23那样小型化。对于大多数的聚集器，聚集元件12的小型化明显比接收器23的宽度大。但是，由于该装置从均具有由被传送聚集光的面积限定的高度的区段构造波导22，因此，会聚的波导22具有等于接收器23的宽度的高度。换句话说，波导22处于小型化的限度。
因此，鉴于本发明的构造，由聚集器系统10实现的光的聚集作为纵横比A/B的函数导致高度小型化的聚集器系统10。该装置可会聚来自相对较宽的区域的光，并将该光聚集到具有连续区域（contiguousarea）的相对较小的接收器，同时保持高度小型化。这通过减小所需要的材料的量而简化制造，从而允许从单个模具制成多个单元并降低组装复杂性。
图12示出对于图2和图6～11所示的设计执行的光线跟踪的结果。如由A/B的比所示，各设计在线性维度中示出就其的聚集光的能力而言的特定性能。该数据是针对具有+-1度的输入圆锥半角、+-20度的输出圆锥半角、n=1的初始折射率和n=1.5的最终折射率的光的。具有这些输入参数的光的理论最大允许聚集度在线性维度上为30倍，而图9例如实现25倍的聚集因子。由于线性维度上的聚集因子与纵横比A/B成比例，因此，图9所示的设计可实现长度（A）为250毫米而厚度（B）仅为10毫米的聚集器；或者，长度（A）为500毫米而厚度（B）仅为20毫米的聚集器。这表示可有效地会聚来自相对较宽的区域的聚集光并将其传输到单个接收器的高度小型化的聚集器系统10。
对于聚集器12的任何进入孔口，聚集元件12和重定向元件18的尺寸和数量可改变。例如，图13所示的系统10可通过数量为两倍的大小为一半（A/2和B/2）的元件（2×N）实现。当聚集元件12和重定向元件18变得更小和更多时，整个聚集器12的纵横比接近由1/聚集比给出的波导22的纵横比，由1/聚集比给定。换句话说，对于聚集比10，聚集器12的纵横比可以为0.1。
聚集器12的典型的纵横比约为1。图14示出可以为例如物镜或菲涅耳透镜的折射聚集器12。物镜的焦距限定了高度25。聚集比由A/B给出，而纵横比由高度/A给出，其比聚集比大。图15示出聚集器12的反射形式的类似的情况。
为了达到单个聚集元件的小型化的限度，已进行了尝试。图16示出由一次（primary）和二次（secondary）反射光学器件构成的卡塞格伦聚集器。由高度/A给出的纵横比为0.25。Winston在“PlanarConcentrators Near the Etendue Limit”，2005中描述了“fundamentalcompactness limit of1/4aspect ratio（1/4纵横比的基本小型化限度）”。在本发明的上下文中，该小型化限度适用于聚集元件12的个体。使用会聚来自多个聚集元件12的光的波导22允许系统10的小型化低于1/4并接近1/聚集比。
本发明在光能量的从输入到传送至接收器23的传输效率方面也具有优点。在图13中，θ2由聚集元件12控制。θ2还变为由入射到波导22的表面的光形成的角度，并且，90-θ2是相对于波导表面的法线形成的角度。如上所述，θ2可被设定以在波导22内实现全内反射，从而将表面吸收损失减少到零。
另外，如后面的具体实施例所示的，聚集元件12和重定向元件18可被设计为通过使用全内反射来操作光14。并且，聚集元件12和重定向元件18和波导22可被设计为在固体电介质内为光提供连续路径。换句话说，从输入区域到接收器23的光线需要从不遇到反射涂层或折射率变化。反射涂层可导致约8%的吸收损失。从折射率为1.5的光学材料（塑料或玻璃）到空气的折射率的变化可导致约4%的菲涅耳反射损失。相对于这些损失机制的传输效率因此可接近100%。
这与常规的聚集器光学器件相反。反射光学器件对于每次反射将具有8%的损失。因此，传输效率对于单一光学器件为约92%，并且，在使用二次反射光学器件时为约85%。反射光学器件需要至少一次折射率变化。因此，传输效率将对于单一光学器件为约96%，并且在使用二次反射光学器件时为约92%。
图17示出通过图13所示的本发明的实施例的作为输入半角θ1的函数的传输。该计算基于光线跟踪软件。实施例被设计为在+-3度的输入角度内起作用。效率考虑了来自菲涅耳反射和硬反射的损失。如所示的那样，该装置的效率在θ1＝0度时接近100%，在+-3度内保持接近100%，然后急剧下降。
在图2所示的聚集器系统10的另一优选形式中，入射光14通过使用前面描述的元件12在第一步中被聚集或聚焦。聚集光20进一步被聚集器系统10的与反射器/波导区段28相关联的部分处理。反射器/波导区段28中的每一个均包含反射部分32，该反射部分32接收聚集光20并在相关联波导区段28内将光30重定向，其中光30沿整个波导22的长度经受全内反射（TIR）。多个反射器/波导区段28包含波导22并形成台阶形式的波导构造。
图18示出系统10的另一实施例，其中，波导22结束于反射器27，该反射器27朝向可放置接收器23的波导22的基面将光14重定向。它可具有这样的制造益处：使得聚集器光学器件平坦地放在体现接收器23的常规接收器元件的面上。
通过该构造，如图19所示，聚集器12可关于对称轴镜面对称，使得来自任一端的两个接收器23形成可放置单个接收器23的一个连续区域。在这种情况下，由于孔口面积加倍而聚集器12的厚度不变，因此，小型化的限度由1/（2×聚集比）给出。
重定向元件18使光路旋转角度
Figure BDA00003139289100081
。在图13中，
Figure BDA00003139289100082
被示为90度。图20示出
Figure BDA00003139289100083
度。作为一个益处，这可允许聚集元件12位于同一面上并使重定向元件18也位于它们自身的面上，这可有助于可制造性。
聚集元件12和重定向元件18以及相关联波导22也可改变尺寸，并且，图21示出其例子。这里，A1、A2和A3是不同的长度，B1、B2和B3也是如此。但是，聚集比在各区段中保持相同：A1/B1＝A2/B2，等等。波导22的纵横比因此仍由下式给出：
纵横比＝（B1+B2+B3）/（A1+A2+A3）
＝1/聚集比
在图22所示的另一实施例中，通过使光31沿相反的方向行进，系统10还可被用作光扩散器。在图22中，从原本是接收器23的光源33输入的光穿过波导22，被重定向元件18重定向到聚集元件12上，该聚集元件12将输出光传送到系统10上面。应用包括照明、背光和其它光扩散装置。在上下文中应当理解，通过用光源替代“接收器23”，被示出为用于聚集光的光学器件也可用于照明。
各种反射器/波导区段28的截面提供了聚集器系统10的各种配置的基本构造块。在图3中示出一个示例性商用实施例，其纵横比为N×B/N×A即A/B，并且面积聚集因子或能量密度为与A/B成比例的ΔΦ，这里，N×A是波导22的长度，N×B是最大厚度（参见图2和图3）。在最优选的实施例中，厚度N×B包含多个渐进式台阶高度B，这对于来自反射器/波导部分32中的每一个的TIR光提供了清楚的光路。
图4示出了为旋转（或轴）对称几何形式的聚集器系统10的另一例子，其具有与波导22的反射器/波导区段28相关联的聚集元件12和聚集器系统10′。可以为整个圆的任何部分的此旋转对称形式的聚集器系统10′（或系统10）使得能够实现入射光14的三维径向收敛，从而导致ΔΦ、聚集比与（A/B）2成比例，由此明显提高收集和聚集器效率。在图4的最优选实施例中，与图3的实施例的单轴跟踪相反，使用二轴太阳能跟踪。
图4示出跨着两个轴实现聚集的一种方式，图23示出另一方式。这里，线性对称一次聚集器12向聚集器12侧的其接收器23传输沿一个轴聚集的光。在那里，二次线性对称聚集器37被沿垂直轴定位。该二次聚集器37沿第二轴聚集光，将光引向最终的接收器23。
图24示出跨着两个轴实现聚集的第三方式。这里，聚集器12被示出为如图19所描述的那样具有镜面对称性。再且，线性对称一次聚集器12向在聚集器12基部的其接收器23传送沿一个轴聚集的光14。在那里，二次线性对称聚集器37被沿垂直轴定位。该二次聚集器37沿第二轴聚集光14，将光引向最终的接收器23。
除了图3和图4的线性和旋转实施例以外，聚集器系统10′可相对于入射光14的方向被设置在波导22上面和/或下面。在这些实施例中，光14中的一些将穿过波导22并通过聚集器系统10′被重定向回波导22。系统的这些形式使得光循环并由此提高最终效率，并且这里描述的用于聚光的反射系统的使用与常规的折射系统相比表现出提高的聚光效率。
在其它的实施例中，为了导致TIR，可相对于波导22调整反射元件18的角度。反射元件18可以是具有各种角度轮廓的波导22的一体化部分（参见图5A和图5B）。元件18也可以是分离的元件38和39（参见图5C和图5D）。另外，如图5E和图5F所示，反射元件18和关联波导22也可分别采取复杂光收集管42和光重定向部件43的形式。
与节点区域（nodal area）相反，上述形式的聚集器系统10和10′向连续区域提供聚集光20，由此允许向各种下游接收器26（诸如，太阳能电池、用于进一步处理的光导管、热交换器、二次聚集器和光谱分离器）传送聚集的太阳能。
在图6～11B所示的另一系列的实施例中，各种光学组件可被组合使用，以进一步并明显提高聚集效率和收集效率两者。在最优选的实施例中，图6示出弯曲聚集元件50，该弯曲聚集元件50将光52引到弯曲反射器54上，该弯曲反射器54将光52转送到波导22中。在另一最优选的实施例中，图7示出另一弯曲聚集元件56，该弯曲聚集元件56将光52引出具有通过TIR将光52重定向到波导22中的两个平面59和60的反射器58。图8A示出部分闭合光学元件64，该部分闭合光学元件64在界面66处将光52重定向、将光52反射离开弯曲反射器68，使得光52聚集于光学元件64的底部反射表面72之间的界面70上。从图8B的放大图最好地看出，波导22与反射表面72具有大致互补的角度匹配。
在图9A中，在另一最优选的实施例中，示出与图8A类似的系统，但是，光学元件65被闭合并与收集光52并将其传输到波导22的延伸波导74（光导管的形式）相耦合（从图9B最能看出）。
在图10A中，光学元件76被闭合，其中通过TIR从具有如图10B最好地示出的特定角度截面的反射表面77反射输入光52，这使得能够由反射离开表面80、81和82实现通过TIR收集光以及与波导22耦合。
在图11A中，光学元件82与另一反射器84协作，以将光52从两个不同的光源82和84引入波导22中，由此，进一步确保收集入射到光学元件82的表面86上的所有光。在本实施例中，光学元件82和84承担聚集元件和反射元件两者的作用。
在图25中，弯曲聚集元件12将光14引到将光14转送到波导22中的（重定向部件18）上。聚集元件12和重定向元件18被示为同一物理部分上的两个不同的部件，而波导22被示为与第一物理部分耦合的第二物理部分。在图26中，弯曲聚集元件12将光14引到依次起作用的将光14转送到波导22中的两个反射器（重定向部件18）上。聚集元件12、重定向部件18和波导22均被示出为耦合在一起的单独的物理部分。与图26类似，图27将光14引入到波导22中。但是，重定向部件18和波导22被组合成一个结构。
在图28中，折射聚集元件12将光引到重定向元件18上，该重定向元件18将光14反射到波导22中。重定向元件18优选作为渐进式台阶部件集成到波导结构中。在图29中，聚集元件12和重定向元件18与图28中所示的那些类似，但是，波导22的顶面形成角度，使得波导22沿其长度具有基本上均匀的截面厚度。
除了重定向元件18和波导22旋转使得波导基本上与聚集元件12的面平行以外，图30与图29类似。除了附加的一组重定向元件87以外，图31与图30类似，该组重定向元件87折射来自聚集元件的光从而使得光在重定向元件18上的入射角度比图30中的光的可比较的入射角度大。这例如更有利于重定向元件18的作为重定向机制的全内反射。除了波导22的顶面具有定制形状（tailored shape）88以外，图32与图31类似。定制形状88可用于例如将通过波导传播的光传送到在波导22的端部处的限定斑点或位置L。
在图33中，重定向元件18集成到与承载聚集元件12和波导22的部分分开的单个部分中。重定向元件18可以为在本申请中前文描述的任意类型，并且被示出为与图6中的元件类似的弯曲反射元件。波导22包含被定位为接收来自重定向元件18的光的渐进式台阶部件89。除了波导22的基面90形成角度以使得波导沿其长度具有基本上均匀的截面厚度以外，图34与图33类似。图35和图36示出波导22的基面分别具有被示出为平坦刻面88和弯曲元件88的定制形状88。如图32中那样，定制形状88可用于例如将通过波导22传播的光传送到在波导22的端部处的限定斑点L。
除了聚集元件12是菲涅耳透镜以外，图37与图30类似。例如可通过注射成型、热压印或微复制聚合物材料或适于这些处理的其它材料来制造菲涅耳透镜。
与图33～36类似，图38示出在顶面上具有进入元件91的波导22。除了进入元件91被集成为单独的部分，该部分然后通过光学耦合层92在光学上附接于块体波导元件22的平坦顶面之外，图39示出类似的波导22。光进入元件因此被布置为在物理上与波导的主体不连续。这允许使用例如基于薄膜基板的制造处理以制作进入元件部件。图40示出在全光学设计的例子中操作的图39所示的波导22。聚集元件12将光14聚集到重定向元件18上，该重定向元件18将光14重定向以便经由进入元件91插入波导22中。
除了包含聚集元件12的部分通过使用低指数粘接剂93与波导22光学耦合以外，图41与图30类似。该构造消除了聚集元件12与波导22之间的空气间隙，并由此减少了在光从聚集元件12行进到波导22时由菲涅耳反射效应导致的光学损失。低指数粘接剂93需要具有适当的折射率，为了使得能够通过利用全内反射使光在波导22内传播，该折射率低于波导22的折射率。低指数粘接剂93可例如为诸如DowCorning Sylgard184的硅酮弹性体。除了聚集元件12是菲涅耳透镜而不是不对称块体透镜（bulk lens）以外，图42与图41类似。
在图43中，聚集元件12将光14引向第一重定向元件87，该第一重定向元件87折射光14，将光14引到第二重定向元件18上，该第二重定向元件18将光重定向到波导22中以进行传播。在图43中，第一重定向元件87是平坦刻面。除了第一重定向元件87在聚集元件12之前与光14交互以外，图44与图43类似。在图45中，波导22跨着其长度双向地或者沿多个方向传播光14。聚集元件12将光聚集到重定向元件18和94上，这两个重定向元件18和94沿相反的方向使光重定向到波导22中。该构造允许在波导22的两端聚集和收集光。
在图46中，聚集元件12将光14聚集到重定向元件18上。重定向元件18具有两个部分：将光折射到块体光学器件中的平坦刻面95和将光反射到波导22中的另一平坦刻面96。重定向刻面95和96以及波导22被集成为单个部分。如前面在第0059段（第6页第1段）中描述的那样，波导的端部具有朝向接收器23将光向下重定向的刻面99。在本实施例中，波导22具有波导97作为其关于轴98的镜像。在波导22的端部处的二次光学器件的布置和波导22的对称布局的可与在本申请中示出的所有实施例一起实现，并且已在第0049段中被解释。
在图1～46中描述的重定向元件18与相应的聚集元件12相关联，并且通过利用反射、全内反射和折射的光学机制中的至少一种将光传送到波导22中。重定向元件可以但不必须与聚集元件光学耦合并且物理分离。
在以上在本申请中描述的各种实施例中，聚集元件12通过层与相关联的重定向元件18的至少一部分分开。光14在该层内不经受方向的任何重新定位变化。层本身在相关联的重定向元件18中的每一个的至少一部分之间连续。该分离层使得聚集元件12和重定向元件18能够被设置在物理分离部件的垂直叠层中。这使得能够直接组装单独的部分以形成整个太阳聚集器。
为了使成本最小化并简化设计，一个实际的挑战是通过强健的材料以尽可能少的部分实现所有上述功能。一般地，这涉及将多种功能结合到仅仅几个部分中。例如，通过将光学部件构图至盖片玻璃中，可使得玻璃能够实现保护模块并用作聚集元件12两者，同时保留其用作各种光学涂层的基板的能力。通过向软化玻璃应用具有经加工的同心部件的圆柱金属辊，大型玻璃制造设施可例行地在片材的一侧形成适度透镜特征。给定用以压印光学部件的合适辊设计，可在盖片玻璃上构图成线状透镜以形成一次光学（聚集）元件12。聚集元件12可在向外方向和向内方向两者上被取向，同时保留功能。向外部件具有微粒蓄积（这也称为污染）的危险，这对光传输有害。除了经操作的盖片玻璃方法以外，还可以通过使用诸如也提供聚光功能的硅酮沉积的处理向平坦盖片玻璃添加部件。
此外，可构造互补的二次光学部分，其用作用于来自盖片玻璃层的经聚集的光14的重定向元件18，并用作向接收器23传送重定向光14的波导22（图46）。应注意，在本实施例中，一次光学器件用作保护盖片玻璃和聚集层两者，而重定向功能和波导功能可被组合在该二次光学器件中。类似地，对于点聚焦设计，可以通过使用热压印或模具类型处理向玻璃施加轴对称透镜图案。
将光学功能结合到盖片玻璃中并将重定向和波导到聚焦区的功能组合到一个部分中使得能够仅通过两个部分来管理或实现整个光路。此两部分类型的ATIR光学器件的一个关键方面在于：波导或二次光学器件的垂直位置和水平位置两者必须相对于一次光学层（盖片玻璃）被良好地保持。在其它的方面，保持分离层的几何形状对于确保强健的功能性是关键的。一种实现这一点的方式是将又一功能结合到一次或二次/波导光学部分中。例如，如图47所示，通过将定位元件或肋部部件100结合到二次光学器件中，能够在机械上互锁一次和二次光学部分，从而在垂直和水平维度两者中约束它们以确保稳定的分离。定位元件100因此在水平、垂直和旋转面内保持多个光学元件与波导之间的几何关系。
用于生产的另一种选择是创建单独的支撑定位元件或肋部部件（rib feature）100。该选项具有必须制作另一单独的部分的缺点。但是，肋部部件非常简单，以致于用于将该部分成型的加工成本可以为低，并且，组件变得更模块化－从而允许实现在组装肋部和二次光学部分的方面的设计灵活性。图48示出说明互补的光学二次和支撑肋部部件100的示图。这些部分可以模块的方式被组装以提供设计灵活性。因此，定位元件100可以是波导的一体化部分或与波导分开的元件。
可能的是，可行的接收器可由多个离散的光伏太阳电池构成。当将太阳能电池串联在一起时，可取的是在电池之间留下间隙，以管理焊接部周围的应力集中并使电池破坏减少到最少。这些间隙的影响是减少了可由其收集光能的面积。这些间隙是用于定位诸如定位元件或肋部100的非光学活性支撑部件的可用位置。并且，光学器件可通过光学重定向元件或缺口部件101被调整，以将否则会落于间隙上的光的大部分引向活动接收器（图49）。缺口部件101与重定向元件类似，但在波导22的不同的面中取向，以便在内部反射光以使其离开间隙并到达活动接收器上。缺口或横向光学元件101与波导22耦合，并且将横向的光重定向到波导22内的光传播方向。前面已经描述了与波导耦合并将来自波导的光重定向到光接收器的二次光学元件27。当利用上述的横向光学元件101时，二次光学元件27将来自波导和来自横向光学元件的光重定向到光接收器。
已出于解释和描述的目的给出了本发明的实施例的以上的描述。它不是详尽的，也不是要将本发明局限于公开的确切形式，并且，鉴于以上的教导可进行修改或变型，或者可从本发明的实际获取这些修改或变更。实施例被选择和描述以便解释本发明的原理及其实际应用，以使得本领域技术人员能够在各种实施例中以及通过适于设想的特定用途的各种修改来利用本发明。

Claims (18)

1.一种光学聚集器，包括：
彼此相邻设置的多个光学元件，多个光学元件中的每一个包含：
a）聚集元件，其用于收集和重新定位光；和
b）关联重定向元件，其与聚集元件相关联并且与聚集元件分开，用于接收来自聚集元件的光，其中，多个光学元件中的每一个的聚集元件通过层与关联重定向元件的至少一部分分开，在该层内光不经历方向的重新定位变化，并且该层至少在关联重定向元件中的每一个的一部分之间是连续的，并且，光学聚集器还包含：
台阶式波导，其用于接收来自被构造为将光重新定位到台阶式波导中以便累积的关联重定向元件的所述至少一部分的光；
二次光学元件，其与台阶式波导耦合，将来自波导的光朝向光接收器重定向；以及
光接收器，用于接收来自台阶式波导的光。
2.根据权利要求1所述的光学聚集器，其中，台阶式波导包含基本上平行的上表面和下表面。
3.根据权利要求1所述的光学聚集器，其中，台阶式波导包含沿其长度基本上均匀的厚度。
4.根据权利要求1所述的光学聚集器，其中，台阶式波导包含选自平坦刻面、弯曲表面和定制形状的组的表面。
5.根据权利要求1所述的光学聚集器，其中，台阶式波导包含与关联重定向元件相关联的光进入元件，光进入元件在物理上被设置为与台阶式波导的主体不连续，由此使得能够以单独的部分组装台阶式波导。
6.根据权利要求1所述的光学聚集器，其中，聚集元件与波导的顶面光学耦合。
7.根据权利要求1所述的光学聚集器，其中，重定向元件与波导的顶面光学耦合。
8.根据权利要求1所述的光学聚集器，其中，光学元件在结构上被定位为将光插入台阶式波导中，使得光在台阶式波导内双向传播。
9.根据权利要求1所述的光学聚集器，其中，聚集元件是通过在玻璃板中将光学元件构图而制成的。
10.根据权利要求1所述的光学聚集器，其中，关联重定向元件在光学上与聚集元件耦合并在物理上与其分开。
11.一种光学聚集器，包括：
彼此相邻设置的多个光学元件，多个光学元件中的每一个包含：
a）聚集元件，其用于收集和重新定位光；和
b）重定向元件，包含：1）接收来自聚集元件的经重新定位的光并将该光折射到第二重定向元件上的第一重定向元件部分；和2）接收来自第一重定向元件的光并通过反射重新定位该光的第二重定向元件，其中，多个光学元件中的每一个的聚集元件通过层与关联重定向元件的至少一部分分开，在该层内光不经历方向的重新定位变化，并且该层至少在关联重定向元件中的每一个的一部分之间是连续的，并且，光学聚集器还包含：
台阶式波导，其用于接收来自被构造为将光重新定位到台阶式波导中以便累积的关联重定向元件的所述至少一部分的光。
12.一种光学聚集器，包括：
彼此相邻设置的多个光学元件，多个光学元件中的每一个包含：
a）折射聚集元件，其用于收集和重新定位光；和
b）关联重定向元件，其与聚集元件相关联并且与聚集元件分开，用于接收来自聚集元件的光，其中，多个光学元件中的每一个的聚集元件通过层与关联重定向元件的至少一部分分开，在该层内光不经历方向的重新定位变化，并且该层至少在光学元件中的每一个的一部分之间是连续的，并且，光学聚集器还包含：
波导，其用于接收来自被构造为将光重新定位到波导中以便累积的关联重定向元件的所述至少一部分的光，重定向元件是波导的一体化部分，波导具有基本上平行的顶面和底面，波导具有沿其长度基本上均匀的厚度，并且，光学元件在结构上被定位为将光插入波导中，使得光在波导内多方向传播。
13.一种光学聚集器，包括：
彼此相邻设置的多个光学元件，多个光学元件中的每一个包含：
a）聚集元件，其用于收集和重新定位光；和
b）关联重定向元件，其与聚集元件相关联并且与聚集元件分开，用于接收来自聚集元件的光，其中，多个光学元件中的每一个的聚集元件通过层与关联重定向元件的至少一部分分开，在该层内光不经历方向的重新定位变化，并且该层至少在关联重定向元件中的每一个的一部分之间是连续的，
光学聚集器还包含：台阶式波导，其用于接收来自被构造为将光重新定位到台阶式波导中以便累积的关联重定向元件的所述至少一部分的光；
以上的元件在截面中被构造，该截面然后被挤压以形成光学聚集器。
14.一种光学聚集器，包括：
彼此相邻设置的多个光学元件，多个光学元件中的每一个包含：
a）聚集元件，其用于收集和重新定位光，其中，光沿聚集元件的一个轴被重新定位；和
b）关联重定向元件，其与聚集元件相关联并且与聚集元件分开，用于接收来自聚集元件的光，其中，多个光学元件中的每一个的聚集元件通过层与关联重定向元件的至少一部分分开，在该层内光不经历方向的重新定位变化，并且该层至少在关联重定向元件中的每一个的一部分之间是连续的，
光学聚集器还包含：台阶式波导，其用于接收来自被构造为将光重新定位到台阶式波导中以便累积的关联重定向元件的所述至少一部分的光。
15.一种光学聚集器，包括：
彼此相邻设置的多个光学元件，多个光学元件中的每一个包含：
a）聚集元件，其用于收集和重新定位光；和
b）关联重定向元件，其与聚集元件相关联并且与聚集元件分开，用于接收来自聚集元件的光，其中，多个光学元件中的每一个的聚集元件通过层与关联重定向元件的至少一部分分开，在该层内光不经历方向的重新定位变化，并且该层至少在关联重定向元件中的每一个的一部分之间是连续的，并且，光学聚集器还包含：
波导，其用于接收来自被构造为将光重新定位到波导中以便累积的关联重定向元件的所述至少一部分的光；和
定位元件，其在水平面、垂直面和旋转面中保持多个光学元件与波导之间的几何关系。
16.根据权利要求15所述的光学聚集器，其中，定位元件是波导的一体化部分。
17.根据权利要求15所述的光学聚集器，其中，定位元件是与波导分开的部分。
18.一种光学聚集器，包括：
彼此相邻设置的多个光学元件，多个光学元件中的每一个包含：
a）聚集元件，其用于收集和重新定位光；和
b）关联重定向元件，其与聚集元件相关联并且与聚集元件分开，用于接收来自聚集元件的光，其中，多个光学元件中的每一个的聚集元件通过层与关联重定向元件的至少一部分分开，在该层内光不经历方向的重新定位变化，并且该层至少在关联重定向元件中的每一个的一部分之间是连续的，并且，光学聚集器还包含：
台阶式波导，其用于接收来自被构造为将光重新定位到台阶式波导中以便累积的关联重定向元件的所述至少一部分的光，台阶式波导使来自多个光学元件的光会聚并使光向光接收器传播；
横向光学元件，其与台阶式波导耦合，将横向方向上的光重定向到波导内的光传播方向；
二次光学元件，其与台阶式波导耦合，将来自波导和横向光学元件的光朝向光接收器重定向；和
光接收器，用于接收来自台阶式波导的光。
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