CN106918021A - 光能传输控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光能传输控制系统，包含多片间隔排列的光能传输镜片，该多片光能传输镜片界定出一能供光能由前向后传输的传输路径，其中：每一光能传输镜片上设置有一能散射光能以提供照明的散射区，通过控制各光能传输镜片上散射区所散射出的光能大小，进而自由分配传输路径上的光能，将光能均匀分配到整个传输路径，或者在传输路径上以不同比例分配光能，以解决光能传输时由前向后能量递减的问题；所述散射出光能的大小由散射面积及/或散射程度大小来决定。

Description

光能传输控制系统

技术领域

本发明涉及一种与光能传输有关的技术，技术内容涉及：传输路径(Conveyance path)、光能传输镜片(Light energy conveyancelenses)、散射区(Scatter region)以及散射程度(Scatter levels)；所述散射程度能通过双向散射分布函数模型来描述(In terms ofBidirectional Scatter Distribution Function models,BSDF models)，旨在解决光能传导时由前向后能量递减的问题，进而有效传输及分配传输路径上的光能。

背景技术

利用自然光来辅助照明是一种可以节省照明用电的方法，但自然光会因为建筑物的室内格局，例如：无法采光的建筑物地下室，或者隔间墙的阻隔，使得建筑物内的自然光采光设计受到诸多条件上的限制。因此，若能将采集到的自然光传导到室内或其他需要照明的地方，将能够有效提高自然光的利用率。

在与光能传导相关的现有技术中，US4,246,477公开了一种能够收集太阳光，并且通过一传输通道将光能传导分布到建筑物内的系统，对于光能的传输，传输通道内采用了聚焦透镜(Focusinglenses)来收束光能，然后在传输信道上的特定位置设置反射镜片，通过反射镜片将光能反射到特定位置进行照明。

US6,691,701及EP2385297 A1专利公开了以大的主反射镜收集太阳光，再投射到次反射镜，接着再利用可调节的平面反射镜将光能导入建筑物内部，使光能可以用来照明。类似文献如：建筑物日光照明系统(Sunportal,The most innovative building integrateddaylighting system,brochure received on Sep.22,2011.)等，均采用了类似原理。

上述各种现有技术固然可以将外部的光能传输到建物内，但最大的问题是，采集到的光能在传输通道上传导的过程中，能量会不断地损失和递减。例如，传输通道上单一反射镜片约有8％反射光提供给照明使用，初始100％的光能通过前方的镜片后，在经过第2片、第3片、…第10片时，其传输能量依序递减，约为原始能量的84％、77％、…43％，则经过各反射镜反射出来提供照明的光能也越少。也就是说，光能在传输通道上传输的距离越远，能量就越少，能够提供的照明能力也越差。

上述光能传输过程中的能量损失和递减是一种物理现象无法避免，因此US4,246,477的技术方案中包含了人工照明元件，以克服这个问题。理论上，人工光源所发出的光能强度的确是可以精确控制的，但是控制人工光源时，必须考虑传输通道上照明能力递减的现象，才能让光传输通道的前端与后端所释放出来的自然光加上人工光源后，其照明亮度保持一致，如此一来，将使得整体照明系统的建置以及控制趋于复杂，实施上也相当困难。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光能传输控制系统，主要是利用多片间隔排列的光能传输镜片来界定出一由前向后传输光能的传输路径，而且各光能传输镜片所散射出的光能大小能够进行控制，进而解决光能传输时由前向后能量递减的问题，并且将光能均匀分配到整个传输路径，或者在传输路径上以不同比例分配光能，以解决光能传输时由前向后能量递减的问题。

为了达到上述光能分配的目的，本发明提供的光能传输控制系统，包含多片间隔排列的光能传输镜片，该多片光能传输镜片界定出一能供光能由前向后传输的传输路径，其中：每一光能传输镜片上设置有一能散射光能以提供照明的散射区，且所述各光能传输镜片的散射区能依散射面积及/或散射程度大小变化散射出不同大小的光能，散射区的散射面积及/或散射程度越小，散射出的光能越少，通过该光能传输镜片传输到下一片光能传输镜片的光能损失越少，反之，散射区的散射面积及/或散射程度越大，散射出的光能越多，通过该光能传输镜片传输到下一片光能传输镜片的光能损失越多。

通过上述系统，由于各光能传输镜片上散射区的散射面积大小能够加以设定，散射程度的大小亦能够能通过双向散射分布函数模型(BSDF models)来描述，并且加以精确控制，因此能自由分配传输路径上所散射出来的光能大小，进而将光能均匀分配到整个传输路径，或者在传输路径上以不同比例分配光能，解决光能传输时由前向后能量递减的问题。

实施时，所述各光能传输镜片上散射区所散射出来的光能大小与散射区的面积大小及/或散射程度大小呈正相关(Positivecorrelation)。

实施时，相邻的两片光能传输镜片的散射区中，接近光源的散射区散射面积小于远离光源的散射区散射面积，或者接近光源的散射区散射程度小于远离光源的散射区的散射程度。当传输路径上的光能由前向后序通过各光能传输镜片而逐渐减弱时，后方光能传输镜片虽然接收较少的光能，但仍然能通过该后方光能传输镜片上散射区较大的散射面积及/或散射程度来散射出几乎接近于前方光能传输镜片等量的光能，以使传输路径上的光能能够均匀地分配。

实施时，所述散射区的散射程度大小是以各光能传输镜片散射区表面的不同平滑度(Smoothness)来定义，且所述该平滑度与散射程度为负相关。

实施时，各光能传输镜片上的散射区分别在每一光能传输镜片表面贴靠一具有散射能力的散射片(Scatter sheet)所构成。

实施时，所述多片光能传输镜片设置在一传输通道或一中空传输管内部的轴向空间内，使传输路径上的光能被约束在该传输通道或中空传输管内部；所述传输通道或中空传输管上设置有至少一个供光能进入该轴向空间内的光源入口。

实施时，该传输通道或中空传输管的全部或局部为可透光的外壁，使散射区所散射出的光能通过该可透光的外壁折射到传输通道或中空传输管的外部而形成照明光。

实施时，可透光的外壁上设置有能够散射出柔和照明光的光学结构。

实施时，该传输通道或中空传输管具有不透光的外壁，该外壁在相对于每一片光能传输镜片的位置设置有一透光孔，每一光能传输镜片上散射区所散射出的光能通过其相对应的透光孔进行照明。

实施时，该光源入口的光能来源包括太阳光及/或人工光源。

相较于现有技术，本发明利用多片间隔排列的光能传输镜片来界定出一光能传输路径，而且每一光能传输镜片上设置有一能散射光能以提供照明的散射区，通过控制各散射区的散射面积及/或散射程度大小，能够自由分配传输路径上的光能，进而将光能均匀分配到整个传输路径，或者在传输路径上以不同比例分配光能，以解决光能传输时由前向后能量递减的问题，具有极高的产业价值。

以下依据本发明的技术手段，列举出适于本发明的实施方式，并配合图式说明如后：

附图说明

图1为本发明的系统架构示意图；

图2为本发明利用多片光能传输镜片传输光能的示意图；

图3为本发明中的光能传输镜片及散射区的第一实施例图；

图4为本发明中的光能传输镜片及散射区的第二实施例图；

图5为本发明中的光能传输镜片及散射区的第三实施例图；

图6为本发明中的光能传输镜片及散射区的第四实施例图；

图7为本发明中的光能传输镜片及散射区的第五实施例图；

图8为本发明中的光能传输镜片及散射区的第六实施例图；

图9为本发明中的光能传输镜片及散射区的第七实施例图；

图10为本发明中的中空传输管的实施例示意图；

图11为本发明中的中空传输管外壁的实施例示意图；

图12为本发明以人工光源提供光能的实施例示意图。

附图标记说明：100-中空传输管；101-光源入口；102-外壁；103-光学结构；104-透光孔；105-照明装置；10-传输路径；20、20a、20b、20c-光能传输镜片；21、21a、21b、21c-散射区；22-散射片。

具体实施方式

如图1所示，本发明提供的光能传输控制系统包括一能够供光能传输的传输路径10，该传输路径10是由多片间隔排列的光能传输镜片20所界定，当光能由前向后依序通过各光能传输镜片20时，即形成该传输路径10。

实施时，所述多片间隔排列的光能传输镜片20设置在一传输通道或中空传输管100内部的轴向空间，使传输路径10上的光能被约束在该传输通道或中空传输管100内部通行。图1以一中空传输管100为例，传输通道(图未示)的设置则可以配合建筑物来实施，例如制作一U型长槽结合在室内天花板上，该U型长槽具有用来设置多片光能传输镜片20的轴向空间。

如图所示，该传输通道或中空传输管100上设置有至少一个供光能进入到传输路径10上的光源入口101；各光能传输镜片20实施时分别为聚焦透镜，通过各聚焦透镜所构成的光能传输镜片20将扩散的光能收束后再向后传输。因此，当光能由光源入口101进入传输通道或中空传输管100的轴向空间后，即能够通过光能传输镜片20在传输路径10上由前向后传输。

本发明的特征在于：每一光能传输镜片20上设置有一能散射出光能以提供照明的散射区21，且所述各光能传输镜片20的散射区21能依散射面积及/或散射程度大小变化散射出不同大小的光能，该散射区21的散射面积及/或散射程度越小，散射出的光能越少，通过该光能传输镜片传输到下一片光能传输镜片的光能损失越少，反之亦然。

举例而言，如图2到图5所示，当光能通过第一光能传输镜片20a上的第一散射区21a，并且散射出一部分光能来进行照明后，传输到第二光能传输镜片20b的光能就减弱。此时，如果第二光能传输镜片20b上的第二散射区21b的散射面积及/或散射程度与第一散射区21a相同，则第二散射区21b散射出的光能将会较弱，造成传输路径10的照明能力由前向后递减。

本发明实施时，在散射程度不变的情形下，将第一散射区21a的散射面积设计为小于第二散射区21b的散射面积时，第二光能传输镜片20b虽然接收较少的光能，但仍然能通过散射面积较大的第二散射区21b来散射出几乎接近于第一散射区21a等量的光能来进行照明；依此类推，当第三光能传输镜片20c上的第三散射区21c散射面积大于第二散射区21b时，亦能散射出几乎接近于第二散射区21b等量的光能来进行照明，进而将光能均匀分配到整个传输路径10。

当然，除了将光能均匀分配到整个传输路径10以外，通过上述散射面积的大小的控制，本发明亦能够自由分配整个传输路径10提供照明的光能。例如：第二散射区21b的散射面积远大于第一散射区21a时，第二光能传输镜片20b虽然接收较少的光能，但仍然能通过其散射面积远大于第一散射区21a的第二散射区21b，来散射出比第一散射区21a更多的光能来进行照明。

须说明的是，上述散射程度能够通过双向散射分布函数模型(BSDF models)来描述，图2到图5是以散射程度不变，并通过散射面积的大小来控制散射区所散射出的光能大小，且散射区21a、21b、21c的面积大小与散射出的光能大小为正相关。例如相邻的第一光能传输镜片20a的第一散射区21a与第二光能传输镜片20b的第二散射区21b之间，第二散射区21b的面积大于第一散射区21a，其散射程度亦大于第一散射区21a。

本发明中的光能传输镜片20上散射区21的另一种实施方式，如图6所示，是在散射区21面积不变的情形下，通过控制散射程度的大小来让散射区21散射出不同大小的光能。散射程度大小的具体实施方式，较简单的方式是利用散射区21表面的平滑度来决定散射程度；在相同的面积下，散射区21平滑度越高，散射程度越小。同样的，若相邻的两片光能传输镜片20的散射区21的平滑度，接近光源的散射区21平滑度小于远离光源的散射区21的平滑度时，即能够让传输路径上的光能能够均匀地分配。

除此之外，散射面积和通过双向散射分布函数模型来描述的散射程度，二者还能够同时作为变量来计算出各散射区所散射出的光能大小。例如：前方传输镜上的散射区与后方传输镜上的散射区相比较，前方的散射面积较大，但散射程度较小，则同时以散射面积和散射程度大小比例加以计算，即可以计算出前后两个散射区所散射出的光能大小，并藉此来自由分配传输路径上的光能。

至于散射区21的设置方式，可以直接在各光能传输镜片20成形时，在传输镜片20表面一体设置不同面积或平滑度来分别形成散射区21，或者，如图7所示，可以先设置一具有散射能力的散射片22后，将该散射片22贴靠在光能传输镜片20的表面，使散射片22能够在该光能传输镜片20上形成散射区21。

如图8所示，所述光能传输镜片20实施时，其外轮廓形状不限于圆形，任何一种几何形状皆能实施。此外，散射区21亦不限于只能均匀分布在光能传输镜片20的周围，如图9所示，散射区21中心点位于光能传输镜片20中心偏上方的位置，使该光能传输镜片20下方散射出来的光能较多，这样的实施方式适合将传输路径设置在室内的上方，并能够向下散射出较多的光能来进行照明。

如图1所示，前述每一光能传输镜片20上的散射区21散射出光能来进行照明的方式，可以将传输通道或中空传输管100的外壁102全部以可透光的材质实施，使散射区21所散射出的光能能够通过该可透光的外壁102折射到传输通道或中空传输管100的外部，从而让整个传输通道或中空传输管100透出光能。

实施时，如图10所示，亦可以将传输通道或中空传输管100的外壁102局部以可透光的材质实施，让光能传输镜片20上散射区21散射出光能只能局部向外折射来提供照明。如图10所示中，中空传输管100的外壁102只有在下方透光。实施时，亦不排除外壁102在中空传输管100的轴向以间隔方式透光；至于外壁102局部不透光的部分则可以利用反射或漫反射来减少光能的损失，并且让光较为柔和。

如图11所示，为了让可透光外壁102折射出较柔和、均匀的光能，实施时该外壁102上可以进一步设置光学结构103，光学结构103可以利用任何一种已知或未知的技术来达成，例如图示中可以将光能向下折射的纹路。

如图12所示，实施时，中空传输管100的外壁102设置为不透光材质，并且在相对于每一片光能传输镜片20的位置设置一透光孔104，使每一光能传输镜片20上的散射区21散射出的光能通过其相对应的透光孔104散射来进行照明。此外，中空传输管100的光源入口101可以视需要设置两个或两个以上，例如图中所示的光源入口101为两个，分别设置在中空传输管100的两端。

另外，通过光源入口101进入中空传输管100内的光能来源，除了太阳光以外，亦可以由人工光源即照明装置105来提供光能；实施时，太阳光及人工光源可以分别或同时提供光能。至于如何采集到更多的太阳光或照明装置105的实施方式，则可以应用任何一种已知或未知的技术，其并非本发明的特点，故在此不另赘述。

以上说明及图式所示，仅为举例说明本发明的较佳实施例，并非以此局限本发明的实施范围；举凡与本发明的目的及特征近似或相雷同者，均应属本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种光能传输控制系统，包含多片间隔排列的光能传输镜片，该多片光能传输镜片界定出一能供光能由前向后传输的传输路径，其特征在于：

每一光能传输镜片上设置有一能散射光能以提供照明的散射区，且所述各光能传输镜片的散射区能依散射面积及/或散射程度大小变化散射出不同大小的光能，散射区的散射面积及/或散射程度越小，散射出的光能越少，通过该光能传输镜片传输到下一片光能传输镜片的光能损失越少，反之，散射区的散射面积及/或散射程度越大，散射出的光能越多，通过该光能传输镜片传输到下一片光能传输镜片的光能损失越多。

2.根据权利要求1所述的光能传输控制系统，其特征在于，所述各光能传输镜片上散射区所散射出来的光能大小与散射区的面积大小及/或散射程度大小呈正相关。

3.根据权利要求2所述的光能传输控制系统，其特征在于，相邻的两片光能传输镜片的散射区中，接近光源的散射区散射面积小于远离光源的散射区散射面积，或者接近光源的散射区散射程度小于远离光源的散射区的散射程度，以使传输路径上的光能均匀分配。

4.根据权利要求2所述的光能传输控制系统，其特征在于，散射区的散射程度大小是以各光能传输镜片散射区表面的不同平滑度来定义，且所述该平滑度与散射程度为负相关。

5.根据权利要求1到4中任一项所述的光能传输控制系统，其特征在于，各光能传输镜片上的散射区分别是在每一光能传输镜片表面贴靠一散射片所构成。

6.根据权利要求1到4中任一项所述的光能传输控制系统，其特征在于，所述多片光能传输镜片设置在一传输通道或一中空传输管内部的轴向空间内，使传输路径上的光能被约束在该传输通道或中空传输管内部；所述传输通道或中空传输管上设置有至少一个供光能进入该轴向空间内的光源入口。

7.根据权利要求6所述的光能传输控制系统，其特征在于，该传输通道或中空传输管的全部或局部为可透光的外壁，以使散射区所散射出的光能通过该可透光的外壁折射到传输通道或中空传输管的外部而形成照明光。

8.根据权利要求7所述的光能传输控制系统，其特征在于，可透光的外壁上设置有能够折射出柔和照明光的光学结构。

9.根据权利要求6所述的光能传输控制系统，其特征在于，该传输通道或中空传输管具有不透光的外壁，该外壁在相对于每一片光能传输镜片的位置设置有一透光孔，每一光能传输镜片上散射区所散射出的光能通过其相对应的透光孔进行照明。

10.根据权利要求6所述的光能传输控制系统，其特征在于，该光源入口的光能来源包括太阳光及/或人工光源。