CN103477147A

CN103477147A - 光管道t形提取器

Info

Publication number: CN103477147A
Application number: CN2012800175113A
Authority: CN
Inventors: 戴维·G·弗赖尔; 托马斯·R·科里甘
Original assignee: 3M Innovative Properties Co
Current assignee: 3M Innovative Properties Co
Priority date: 2011-04-08
Filing date: 2012-03-27
Publication date: 2013-12-25
Anticipated expiration: 2032-03-27
Also published as: CN103477147B; SG194102A1; WO2012138503A3; US9353930B2; EP2694864A2; US20140153256A1; TW201250308A; TWI542911B; WO2012138503A2; EP2694864A4; BR112013025870A2

Abstract

本公开整体涉及高效光管道光提取器，其能够以几乎100%的效率提取在光管道内传播的一部分光。具体地讲，描述的光提取器用反射性转向器元件构造成“T”形。

Description

光管道T形提取器

相关专利申请

本专利申请涉及以引用方式并入本文的下述美国专利申请：与此提交于同一天的“LIGHT DUCT TEE SPLITTER”（代理人案卷号67375US002）。

背景技术

可见光穿过建筑物的长距离传送可使用大反射镜内衬管道或者利用了全内反射的较小实心纤维。反射镜内衬管道具有这样的优点：横截面积大且数值孔径大（允许较大的通量，而聚集较少），传播介质（即，空气）稳固且透光从而使得衰减较低且寿命较长，并且传送的每单位光通量重量可能较低。

发明内容

本公开整体涉及高效光管道光提取器，其能够以几乎100%的效率提取在光管道内传播的一部分光。具体地讲，描述的光提取器用反射性转向器元件构造成“T”形。在一个方面，本公开提供一种光管道提取器，包括：第一光导管，其限定能够沿着第一传播方向传送光的光传送腔；第二光导管，其限定光转向腔，所述第二光导管与所述第一光导管相交叉，使得所述光传送腔和所述光转向腔邻接。所述光管道提取器还包括在所述光传送腔和所述光转向腔之间延伸的光转向器，所述光转向器包括相对于所述第一传播方向成转向器角度设置的反射表面。在所述第一传播方向的准直角θ内传播的与所述反射表面相交的第一光线进入所述第二光导管，并转向成在所述第二光导管中在第二传播方向的准直角θ内传播的第二光线。

上述发明内容并非意图描述本发明的每个所公开的实施例或每种实施方案。以下附图和具体实施方式更具体地举例说明了示例性实施例。

附图说明

整个说明书参考附图，在附图中，类似的附图标号表示类似的元件，并且其中：

图1示出光管道提取器的横截面示意图；

图2A-2C示出穿过光管道提取器的光路的横截面示意图；

图3示出光管道提取器。

附图未必按比例绘制。附图中所使用的类似标号是指类似部件。然而，应当理解，使用标号来指代给定附图中的部件并非意图限制另一附图中使用相同标号标记的部件。

具体实施方式

本公开提供一种反射镜内衬光管道中的光提取器的新型构造。在一个具体实施例中，本公开解决了以近似100%的效率提取穿过光管道传播的一部分部分准直的光的能力。描述的光管道提取器通常可应用于以“T”形构型相交的矩形光管道。在一个具体实施例中，所述光管道可利用效率非常高的反射镜（例如，得自3M公司的Vikuiti^TM增强型镜面反射器(ESR)膜）而最有效。在一些情况下，ESR膜可易于绕单个曲率轴线弯曲，例如矩形横截面光管道中共用的曲率。

使用反射镜内衬光管道的建筑采光可将日光输送深入到多层建筑物的核心。这样的反射镜内衬光管道可独特地利用3M光学膜（包括诸如ESR膜的反射镜膜）来实现，所述光学膜在光的整个可见光谱上具有大于98%的镜面反射率。建筑采光是多元件系统，其包括用于收集日光的装置以及用于在建筑物内传送和分配日光的光管道和提取器。使用日光进行内部照明的典型益处可包括将用于办公照明的能量平均减少25%，由于输送的全光谱光而提高了光品质，对于办公人员而言常常更宜人。

在一个具体实施例中，由于光生成方法，注入光管道中的光是部分准直的光。此部分准直的光通常可被描述为包括在锥内，所述锥具有在中心光传播方向的准直角θ内的边界光线。

在一些情况下，可收集并聚集太阳辐射以将其注入光管道中。在一些情况下，可将来自多种源的人造光注入光管道中。准直相对好的光可更有效地用在用于输送光的反射镜内衬管道系统中。例如，随着日光聚集，准直角将相对于日光的输入准直角增大约1/4度半角。通常，进入光管道中的聚集光（例如，日光）的准直角θ应该被限制为不大于约30度，或不大于约25度，或不大于约20度，或者甚至不大于约15度。在一个具体实施例中，准直角θ可为约18.4度。追踪太阳的精度以及用于将光注入管道中的各种光学元件的精度全部会影响所得的准直角θ。

图1示出根据本公开一个方面的光管道提取器100的横截面示意图。在一个具体实施例中，光管道提取器100可被描述为光管道“T”形提取器，因为光管道以T形状相交。光管道提取器100包括第一光导管110，其限定能够沿着第一传播方向142传送输入光140的光传送腔114。光管道提取器100还包括第二光导管120，其限定能够沿着第二传播方向152传送转向光150的光转向腔124。

第二光导管120与第一光导管110相交，使得光传送腔114和光转向腔124邻接，并形成由第一光导管110的输入横截面116、第一光导管110的输出横截面118和第二光导管120的转向器横截面126限定的方形区域117。方形区域117进一步由第一光导管110和第二光导管120的相交处的第一拐角111和第二拐角113限定。输入横截面116和输出横截面118可具有相同（或不同）的第一光导管宽度W1，转向器横截面126可具有第二光导管宽度W2，所述第二光导管宽度可与第一光导管宽度W1相同或不同。

在一个具体实施例中，第一传播方向142位于与第一光导管110的中心轴线115相同的方向上。输入光140是沿着第一传播方向142传播的部分准直的光，并包括在准直角θ内的光；即，所有的输入光140均包括在以第一传播方向142为中心且在准直角θ处具有边界光线144的光锥内。在一些情况下，输入光140可源自日光，其在注入第一光导管110中之前被收集和聚集。在一些情况下，输入光可以是通过任何已知的技术生成的“人造光”，例如卤素灯、弧光灯、发光二极管(LED)、白炽灯等。

光转向器170在光传送腔114和光转向腔124之间延伸。光转向器170包括具有反射表面132的反射器130，所述反射表面相对于第一传播方向142成转向器角度

设置。对于沿着各管道的轴线的光传播方向正交的T形光管道，转向器角度

通常等于45度。光转向器170还包括设置在方形区域117中的第一边缘136以及设置在方形区域117之外的光转向腔124内的第二边缘134。在一个具体实施例中，第二边缘134可紧邻第二光导管120。光转向器170的第一边缘136可设置在提取宽度W_E处，所述提取宽度是第一光导管宽度W1的一定比例。可从图1看出，对于在输入横截面116上均匀分布的光，从第一光导管110提取的光的比例大约等于(提取宽度W_E)除以(第一光导管宽度W1)。

光转向器170可如图1所示为平面反射器130，或者可为能够重新导向入射光的任何形状。在一个具体实施例中，光转向器170可为三角形光转向器（未示出），其包括反射表面，所述反射表面被设置为与第一边缘136、直角顶点137和第二边缘134之间的边形成直角三角形。在一些情况下，附加表面可对平面反射器130提供（例如）支撑，例如平行于第一传播方向设置并在第二拐角113处与第一光导管相交的反射器（未示出）。

对于100%光提取效率，输入光140的准直角θ、第一光导管110和第二光导管120的相对宽度、第一边缘136的位置（即，角度β）、第二边缘134的位置以及待提取的光的比例（W_E/W1）之间的优选关系可从系统的几何形状来计算，如本领域技术人员所知的。在一个具体实施例中，对于θ<45度且β≥θ，在第一传播方向142垂直于第二传播方向152的情况下的极限关系给出如下。

W_{2} &GreaterEqual; W_{E} (\frac{1 + \tan (β)}{1 - \tan (θ)})

那么光转向器170可设置在光管道提取器100内，使得在几何学上，对于截取光转向器的准直角θ内的任何光均可实现100%提取效率（仅由于高效反射器的任何少量的吸收或散射而减少），如本文别处所述。

通常，如下面的图2A-2C中所述，在第一传播方向142的准直角θ内传播的与反射表面132相交的输入光140转向为第二光导管120中的在第二传播方向152的准直角θ内传播的第二光线150。在第一传播方向142的准直角θ内传播的不与反射表面132相交的输入光140继续穿过第一光导管110，成为第一光导管110中的在第三传播方向162的准直角θ内传播的第三光线160。

第一和第二光导管110、120以及光转向器170可由建筑管道系统常用的任何材料加工而成，包括（例如）金属片，如钢、镀锌金属片、铝、塑料等。第一和第二光导管110、120的内表面112、122以及光转向器170的反射表面132全部由具有高镜面反射率的材料制成。高镜面反射率可允许沿着建筑光管道内会出现的相当大的距离的有效光传送。在一些实施例中，高镜面反射率可利用诸如（例如）高度抛光的金属、金属化聚合物膜和电介质多层反射器的材料来实现。在一个具体实施例中，诸如得自3M公司的Vikuiti^TM增强型镜面反射器(ESR)膜的多层光学膜可为优选材料。

图2A-2C示出根据本公开一个方面的穿过光管道提取器200的光路的横截面示意图。图2A-2C所示的元件210-270中的每一个对应于已在之前描述的图1所示的类似编号的元件110-170。例如，参照图1描述的第一光导管110对应于图2A-2C所示的第一光导管210，以此类推。

图2A示出沿着第一光导管210的第一传播方向242传播的第一至第四中心第一光线242a、242b、242c、242d。第一至第四中心第一光线242a-242d中的每一个截取光转向器270并被反射，从而成为沿着第二传播方向252传播的第一至第四中心第二光线252a-252d。沿着第一传播方向242传播的截取反射器230的所有中心第一光线（即，242a-242d以及平行于它们的所有其他光线）转向为沿着第二传播方向252传播的中心第二光线（即，252a-252d以及平行于它们的所有其他光线）。

图2B示出相对于第一光导管210的第一传播方向242成准直角θ传播的第一至第三边界第一光线244a、244b、244c。第一至第三边界第一光线244a-244c中的每一个截取光转向器270并被反射，从而成为相对于第二传播方向252成准直角θ传播的第一至第三边界第二光线254a-254c。相对于第一传播方向242成准直角θ传播的截取反射器230的所有边界第一光线（即，244a-244c以及平行于它们的所有其他光线）转向为相对于第二传播方向252成准直角θ传播的边界第二光线（即，254a-254c以及平行于它们的所有其他光线）。

图2B中尤其关注的是第一边界第一光线244a的路径，其被示出为在第一边缘236处截取反射器230并被反射至第一拐角211。第一边界第一光线244a提供了对于给定准直角θ，第一边缘236在方形区域217内的位置的关系。在一种情况下，例如，反射器230超过第一边缘236的任何延伸部分将减小提取效率，因为入射到反射器230的一些光将会被反射回第一光导管210。在另一种情况下，例如，转向器角度

的改变可能改变第一边缘236的位置，以便将入射光有效地顺着第二光导管220引导。

图2C示出相对于第一光导管210的第一传播方向242成准直角θ传播的第四至第七边界第一光线244d、244e、244f、244g。第四至第七边界第一光线244d-244g中的每一个截取光转向器270并被反射，从而成为相对于第二传播方向252成准直角θ传播的第四至第七边界第二光线254d-254g。相对于第一传播方向242成准直角θ传播的截取反射器230的所有边界第一光线（即，244d-244g以及平行于它们的所有其他光线）转向为相对于第二传播方向252成准直角θ传播的边界第二光线（即，254d-254g以及平行于它们的所有其他光线）。

在图2C中尤其关注的是第七边界第一光线244g的路径，其被示出为恰好经过第一拐角211以在第二边缘234处截取反射器230并按照准直角θ反射，然后几乎立即被内表面222再次反射到相对于第二传播方向252的准直角-θ。第七边界第一光线244g提供了对于给定准直角θ，第二边缘234在光管道提取器200内的位置的关系。在一种情况下，例如，反射器230的长度的任何减小（即，缩短以使得第二边缘234远离第二光导管220移动）将降低提取效率，因为进入第二光导管220的一些光线将不截取反射器230，并且不会被反射到第二传播方向252的准直角θ内。

图3示出根据本公开一个方面的光管道提取器300。图3所示的元件310-370中的每一个对应于已在之前描述的图1所示的类似编号的元件110-170。例如，参照图1描述的第一光导管110对应于图3所示的第一光导管310，以此类推。然而，在图3中，光转向器370为等腰直角三角形形状，其具有第一、第二和第三反射器330、337、339。光转向器370可用于提取在第一光导管310内在两个方向上传播的光。在一些情况下，这可用在沿着光管道的不同部分包括可位于建筑物的不同部分中的人造和自然光源的建筑照明系统中。

第一和第二反射器330、337中的每一个的几何形状考虑类似于参照图2A-2C所提供的那些。第一反射器330的相对定位可通过第一光线340的路径来确定，所述第一光线包括以第一传播方向342传播的中心光线以及相对于第一传播方向342成准直角θ穿过第一光导管310传播的第一和第二边界光线344a、344b。

如图3所示，第一边界光线344a经过第一和第二光导管310、320的相交处的第一拐角311，与光转向器370的第一反射器330的第二边缘334相交，并转向为在第二传播方向352的准直角θ内传播的第一边界第二光线354a。第二边界光线344b与光转向器370的第一反射器330的第一边缘336相交，被转向以从第一和第二光导管310、320的相交处的第一拐角311反射，并被转向为在第二传播方向352的准直角θ内传播的第二边界第二光线354b。为了保持准直范围内的高效率，相对于图1-2所示的单一方向情况，转向器管道的宽度W2可增大，或者准直角θ可减小。例如，为了实现相同的提取（W_E）和准直角θ，对于图3的双向情况，相对于图1-2所示的单一方向情况，宽度W2必须加倍。

以下为本发明各个实施例的列表。

项1是一种光管道提取器，包括：第一光导管，其限定能够沿着第一传播方向传送光的光传送腔；第二光导管，其限定光转向腔，所述第二光导管与所述第一光导管相交叉，使得所述光传送腔和所述光转向腔邻接；以及光转向器，其在所述光传送腔和所述光转向腔之间延伸，所述光转向器包括相对于所述第一传播方向成转向器角度设置的反射器，其中在所述第一传播方向的准直角θ内传播的与所述反射表面相交的第一光线进入所述第二光导管，并被转向成在所述第二光导管中在第二传播方向的准直角θ内传播的第二光线。

项2是根据项1所述的光管道提取器，其中所述转向器角度包括大约45度的角度，并且所述第一传播方向和所述第二传播方向垂直。

项3是根据项1或项2所述的光管道提取器，其中所述第一光导管和第二光导管中的每一个光导管分别包括第一矩形横截面和第二矩形横截面。

项4是根据项3所述的光管道提取器，其中所述第一矩形横截面和第二矩形横截面中的每一个矩形横截面都是相同的。

项5是根据项1至项4所述的光管道提取器，其中所述光转向器包括平面反射器。

项6是根据项5所述的光管道提取器，其中所述平面反射器包括第一边缘，所述第一边缘设置在由所述光传送腔与所述光转向腔的相交处界定的区域内。

项7是根据项1至项6所述的光管道提取器，其中所述光转向器包括三角形反射器。

项8是根据项7所述的光管道提取器，其中所述三角形反射器包括：第一侧面，其设置在由所述光传送腔与所述光转向腔的相交处界定的区域内，所述第一侧面平行于所述第一传播方向设置；以及第一边缘，其由所述第一侧面与所述反射表面的相交处形成，其中所述第一边缘设置在由所述光传送腔与所述光转向腔的相交处界定的区域内。

项9是根据项1至项8所述的光管道提取器，其中所述准直角介于约0度与约30度之间。

项10是根据项1至项9所述的光管道提取器，其中所述准直角介于约10度与约20度之间。

项11是根据项1至项10所述的光管道提取器，其中所述准直角为约18.4度。

项12是根据项1至项11所述的光管道提取器，其中所述光转向器的第一边缘设置在由所述第一光导管的输入横截面、所述第一光导管的输出横截面和所述第二光导管的转向器横截面限定的方形区域内。

项13是根据项12所述的光管道提取器，其中所述光转向器的第二边缘设置在所述方形区域之外的所述光转向腔中。

项14是根据项12至项13所述的光管道提取器，其中所述光转向器包括三角形反射器，所述三角形反射器具有平行于所述第一传播方向的设置在所述方形区域中的第一侧面、以及设置在所述方形区域之外的所述光转向腔中的顶点。

项15是根据项12至项14所述的光管道提取器，其中所述光转向器包括等腰三角形反射器，所述等腰三角形反射器具有平行于所述第一传播方向的设置在所述方形区域中的底边、以及居中于所述方形区域之外的所述光转向腔中的顶点。

项16是根据项12至项15所述的光管道提取器，其中所述第一光导管的所述输入横截面、所述第一光导管的所述输出横截面和所述第二光导管的所述输入横截面中的至少两者具有相同的尺寸。

项17是根据项12至项16所述的光管道提取器，其中所述第二光导管的所述输入横截面小于所述第一光导管的所述输入横截面。

项18是根据项1至项17所述的光管道提取器，其中所述转向器角度和延伸到所述光传送腔中的所述反射表面可被独立地调节，以使得穿过所述光传送腔传播的光的不同部分能被转向至所述光转向腔。

项19是根据项1至项18所述的光管道提取器，其中所述第一传播方向和所述第二传播方向彼此垂直。

除非另外指明，否则在说明书和权利要求中使用的表示特征的尺寸、数量和物理特性的所有数字应当被理解为由术语“约”来修饰。因此，除非有相反的指示，否则在上述说明书和所附权利要求中提出的数值参数为近似值，这些近似值可根据本领域内的技术人员利用本文所公开的教导内容寻求获得的所需特性而变化。

本文中所引用的所有参考文献和出版物均明确地以全文引用方式并入本发明中，但它们可能会与本发明直接冲突的部分除外。尽管本文中示出和描述了特定实施例，但是本领域普通技术人员应该明白，在不脱离本发明的范围的情况下，大量的替代形式和/或同等实施方式可以替代所示和所述的特定实施例。本申请旨在覆盖本文讨论的特定实施例的任何改动和变化。因此，可预期本发明应该仅仅由权利要求书和其等同形式限制。

Claims

1.一种光管道提取器，包括：

第一光导管，其限定能够沿着第一传播方向传送光的光传送腔；

第二光导管，其限定光转向腔，所述第二光导管与所述第一光导管相交叉，使得所述光传送腔和所述光转向腔邻接；和

光转向器，其在所述光传送腔和所述光转向腔之间延伸，所述光转向器包括相对于所述第一传播方向成转向器角度设置的反射表面，

其中在所述第一传播方向的准直角θ内传播的与所述反射表面相交的第一光线进入所述第二光导管，并被转向成在所述第二光导管中在第二传播方向的准直角θ内传播的第二光线。

2.根据权利要求1所述的光管道提取器，其中所述转向器角度包括大约45度的角度，并且所述第一传播方向和所述第二传播方向垂直。

3.根据权利要求1所述的光管道提取器，其中所述第一光导管和第二光导管中的每一个光导管分别包括第一矩形横截面和第二矩形横截面。

4.根据权利要求3所述的光管道提取器，其中所述第一矩形横截面和第二矩形横截面中的每一个矩形横截面都是相同的。

5.根据权利要求1所述的光管道提取器，其中所述光转向器包括平面反射器。

6.根据权利要求5所述的光管道提取器，其中所述平面反射器包括第一边缘，所述第一边缘设置在由所述光传送腔与所述光转向腔的相交处界定的区域内。

7.根据权利要求1所述的光管道提取器，其中所述光转向器包括三角形反射器。

8.根据权利要求7所述的光管道提取器，其中所述三角形反射器包括：

第一侧面，其设置在由所述光传送腔与所述光转向腔的相交处界定的区域内，所述第一侧面平行于所述第一传播方向设置；和

第一边缘，其由所述第一侧面与所述反射表面的相交处形成，其中所述第一边缘设置在由所述光传送腔与所述光转向腔的相交处界定的所述区域内。

9.根据权利要求1所述的光管道提取器，其中所述准直角介于约0度与约30度之间。

10.根据权利要求1所述的光管道提取器，其中所述准直角介于约10度与约20度之间。

11.根据权利要求1所述的光管道提取器，其中所述准直角为约18.4度。

12.根据权利要求1所述的光管道提取器，其中所述光转向器的第一边缘设置在由所述第一光导管的输入横截面、所述第一光导管的输出横截面和所述第二光导管的转向器横截面限定的方形区域内。

13.根据权利要求12所述的光管道提取器，其中所述光转向器的第二边缘设置在所述方形区域之外的所述光转向腔中。

14.根据权利要求12所述的光管道提取器，其中所述光转向器包括三角形反射器，所述三角形反射器具有平行于所述第一传播方向的设置在所述方形区域中的第一侧面、以及设置在所述方形区域之外的所述光转向腔中的顶点。

15.根据权利要求12所述的光管道提取器，其中所述光转向器包括等腰三角形反射器，所述等腰三角形反射器具有平行于所述第一传播方向的设置在所述方形区域中的底边、以及居中于所述方形区域之外的所述光转向腔中的顶点。

16.根据权利要求12所述的光管道提取器，其中所述第一光导管的所述输入横截面、所述第一光导管的所述输出横截面和所述第二光导管的所述输入横截面中的至少两者具有相同的尺寸。

17.根据权利要求12所述的光管道提取器，其中所述第二光导管的所述输入横截面小于所述第一光导管的所述输入横截面。

18.根据权利要求1所述的光管道提取器，其中所述转向器角度和延伸到所述光传送腔中的所述反射表面能被独立地调节，以使得穿过所述光传送腔传播的光的不同部分能被转向至所述光转向腔。

19.根据权利要求1所述的光管道提取器，其中所述第一传播方向和所述第二传播方向彼此垂直。