CN110024279B - 用于吸收光或发射光的光学机械系统和对应的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于吸收光或发射光的光学机械系统(1)，包括静态框架元件(10)、光学装置(40)、光吸收/发射基底(50)、移动机构(60)，所述光学装置(40)包括一个或更多个能够捕获入射光(80)和透射透射光(90)的光学层(41，42)，其中，光学装置布置成能够接收来自静态框架元件(10)的内侧和外侧的入射光(80)，所述光吸收/发射基底(50)能够吸收透射光(90)或发射入射光(80)，所述移动机构(60)用于使光学装置(40)的层(41，42)中的至少一个相对于光吸收/发射基底(50)移动，或反之亦然，其中，移动机构(60)布置成通过一个或更多个平移元件(65)使光学装置(40)的层(41，42)中的至少一个或光吸收/发射基底(50)相对于静态框架元件(10)平移移动，从而使得透射光(90)可以被光吸收/发射基底(50)最佳地吸收，或者使得由光吸收/发射基底(50)发射的入射光(80)可以被光学装置(40)最佳地透射。此外，本发明还涉及用于用上述光学机械系统吸收光或发射光的对应的方法。

Description

用于吸收光或发射光的光学机械系统和对应的方法
技术领域
本发明涉及光学系统技术领域，更具体地涉及光学机械系统(optomechanicalsystem)技术领域。特别地，本发明涉及用于吸收光或发射光的光学机械系统和对应的方法。特别地，这种光学机械系统可以以有利的方式不仅用在太阳能板的构造中，以用于产生太阳能电力，而且还用在控制基于诸如LED的光源的照明器的光输出。
背景技术
光伏电池(PV电池)是将可见光转换成直流电(DC)的专用半导体二极管。一些PV电池还可以将红外(IR)辐射或紫外(UV)辐射转换成DC电力。光伏电池是太阳能-电能系统的组成部分，太阳能-电能系统作为公用电源的替代源变得越来越重要。
期望提高太阳能到电力的转换效率，以降低太阳能电力的成本并使其比诸如燃料的其他能源有竞争力。然而，标准硅太阳能电池的效率限制在约20-25％。基于多结太阳能电池的替代光伏技术效率更高(他们实现了效率超过40％)，但它们太昂贵而无法用作直接替代品。
提出的用于利用可负担得起的高效率光伏电池的一种解决方案是所谓的集中光伏(或CPV)。CPV系统利用入射太阳光在较小表面面积的光伏电池上的集中，从而降低总材料成本。由于此技术，可以使用最好的现有光伏电池技术。太阳光的集中使得可以减小由光伏电池覆盖的总表面面积，而不会减少生成的电功率的量。太阳能集中器利用诸如透镜或镜子的光学部件，这些部件提供了进一步降低成本的潜力。因此，与由硅制成的传统光伏电池相比，CPV系统使得可以以更低的生产成本生成电力。
然而，CPV系统的缺点在于，根据“光学扩展量(étendue)”原理，光集中系数越高，角接收度(angular acceptance)越低。太阳随日期和随季节的移动导致沿着两个轴线的入射角-即，方位角和仰角-的大的变化。因此，具有固定取向的传统集中器需要宽的接收角以覆盖这些变化，并且因此将仅实现相对小的集中系数。为了实现显着的集中系数，需要太阳能追踪机构来将CPV系统朝向太阳精确地对准。
太阳能追踪器是用于将光伏板、反射器、透镜或其他光学设备朝向太阳取向的设备。由于太阳在天空中的位置随着季节和每天的时间而变化，因此追踪器用于将收集系统对准以使能量产生最大化。存在许多类型的太阳能追踪器，它们具有不同的成本、复杂性和性能。追踪器的两个基本类别是单轴线和双轴线。单轴线太阳能追踪器可以具有水平轴线或竖直轴线。双轴线太阳能追踪器具有水平轴线和竖直轴线二者，因此它们几乎可以追踪太阳在天空中的任何位置的表观运动。
然而，外部单轴线和双轴线追踪器大、重且具有非常复杂的结构。它们需要频繁维护，并且具有与风荷载或湿度相关的可靠性问题。此外，由于它们的尺寸、重量和形状因素，这些追踪器不能安装在屋顶上，因此无法解决住宅市场对太阳能板的需求，在住宅市场中，由于可用的有限区域，高效率是关键。
另一方面，出于能量效率和可靠性的原因，LED面板正逐步取代其他类型的光源。本质上，LED面板是分散式光源，其中多个类点状源(quasi-punctual source)在宽且相当平坦的基底上展开。移动或倾斜每个单独的光源不实际。移动或倾斜整个面板耗费空间，并且需要强大的机动化和复杂的机构。因此，它不可适用于所有使用情况，诸如嵌入天花板中的照明器。
因此，需要具有高效率和宽接收角的光学机械系统来追踪和吸收由移动的外部源(例如太阳)发射的入射光，或者调整由内部光源(例如LED阵列)发射的光束的方向性和取向。
此外，需要光学机械系统，其仅在有限的体积内移动，使得其适于集成到太阳能板或平面照明器中。更具体地说，这意味着系统不应该旋转，而是仅在短行程平移时移动。
最后，仍然需要可靠且在延长的使用寿命内需要最少维护的系统。例如，在太阳能板的情况下，预期具有至少20年使用寿命的系统。对于发光应用，与太阳能板相比，使用寿命通常更短，但占空比可以更高，从而导致相似的需求。
发明内容
因此，本发明的目的是提出一种用于吸收光或发射光的新光学机械系统和对应方法，在新光学机械系统和对应方法中，完全克服了或至少大大减少了已知系统和方法的上述缺点。
特别地，本发明的目的是提出一种用于吸收光或发射光的光学机械系统和对应方法，由此可以最佳地捕获外部生成的和内部生成的入射光以及改变外部生成的和内部生成的入射光的取向。
捕获来自外部源或内部源的入射光，并改变透射光的路径，使得透射光可以被最佳地吸收或发射也是本发明的目的。更具体地，本发明的目的是调整透射光的取向和会聚程度，以使吸收最大化或实现期望的发射模式。
根据本发明，这些目的特别地通过两个独立权利要求的要素来实现。此外，另一些有利的实施例从从属权利要求和说明书中得出。本领域技术人员也可以容易地组合本文在不同实施例中公开的特征。
特别地，在第一方面中，本发明的目的通过一种用于吸收光或发射光的光学机械系统来实现，所述光学机械系统包括：
静态框架元件，
光学装置，其包括一个或更多个能够捕获入射光和透射透射光的光学层，其中，光学装置布置成能够捕获来自静态框架元件内和外侧的入射光，
包括一个或多个吸收/发射元件的光吸收/发射基底，所述吸收/发射元件能够吸收透射光或发射入射光，以及
移动机构，其用于使光学装置的层中的至少一个相对于光吸收/发射基底移动，或反之亦然，
其中，移动机构布置成通过一个或更多个平移元件使光学装置的层中的至少一个或光吸收/发射基底平移移动，使得透射光可以被光吸收/发射基底最佳地吸收，或者使得由光吸收/发射基底发射的入射光可以被光学装置最佳地透射，
并且其中，移动机构还包括一个或更多个引导元件，所述一个或更多个引导元件能够限制一个或更多个平移元件的自由度。
由于本发明，可以最佳地捕获和透射外部生成的和内部生成的入射光。本发明还允许相对于先前提出的解决方案实现更高的吸收入射光的效率，并且精确地控制来自诸如LED面板的平面照明器的光输出的取向和会聚程度。在这些示例中，光吸收元件是太阳能电池，而光发射元件是诸如LED的光源。
当本发明的光学机械系统与太阳光和太阳能电池一起使用时，本发明允许显着降低成本，因为相对于不包括本发明的所述光学机械系统的系统，太阳能电池的总表面面积可以显着降低。因此，可以使用高效太阳能电池，提高系统的效率，而不会导致过高的成本。无论入射太阳光的入射角如何，光学机械系统都能确保入射太阳光高效透射到太阳能电池。
当本发明的光学机械系统与光发射元件、例如与LED、一起使用时，本发明允许捕获由光发射元件发射的光并调整透射光的取向和会聚程度。
在一个优选实施例中，能够限制一个或更多个平移元件的自由度的一个或更多个引导元件布置成使得通过移动机构可以精确地调整光学装置和光吸收/发射基底的相对位置，更具体地，避免或最小化光学装置和光吸收/发射基底之间的相对旋转。这允许具有确保光学装置和光吸收/发射基底的相对移动仅在平移中发生而不旋转的移动机构。
在一个优选实施例中，光学装置附接到静态框架元件的前侧，两者一起形成封闭的盒子，该封闭的盒子完全包围光吸收/发射基底和移动机构，使得环境因素(诸如机械冲击、风荷载或湿度)的影响最小化。
在另一实施例中，光学装置包括通气系统，以防止当外部条件变化(例如温度变化)时，在由静态框架元件和光学装置限定的封闭的空间内建立过大的压力和/或发生水凝结。因此，可以增加系统的使用寿命和可靠性。
在本发明的另一优选实施例中，引导元件附接在静态框架元件和第一平移元件之间，或者附接在第一平移元件和第二平移元件之间。更具体地，系统还包括引导模块，该引导模块包括第一引导元件、第二引导元件、静态附接元件、中间平移元件和移动附接元件，引导模块布置成使得第一引导元件附接在中间平移元件与结合到静态框架元件的静态附接元件之间；第二引导元件沿着垂直于第一对引导元件的轴线布置，并且附接在结合到平移元件的移动附接元件与中间平移元件之间。由于上述引导元件的特定布置，引导模块能够在两个垂直轴线上引导平移元件。
在另一优选实施例中，引导元件中的至少一个是柔性引导元件，例如，弹簧或板簧。基于机械变形的柔性引导元件对于需要可靠性高和使用寿命长的机械系统(诸如本发明的光学机械系统)是有利的，因为它们不涉及摩擦并且不会遭受磨损。另外，它们在垂直于移动方向上的刚度和它们进行小位移的精度使它们特别适用于这种类型的系统。
在本发明的另一实施例中，光学机械系统还包括布置在光学装置和光吸收/发射基底之间的一个或更多个滑块。一个或更多个滑块可以在其任一端固定，并在另一端滑动，或者其可以布置成在两端滑动。例如，滑块可以在一端固定到光学装置，在另一端在光吸收/发射基底上滑动，或反之亦然。诸如弹簧的预约束元件可以布置在与滑块相同的轴线上，以确保滑块始终与它们在其上滑动的表面接触。利用适当数量的滑块，光学装置和光吸收/发射基底之间的距离可以精确且可靠地在光学机械系统的整个表面上保持。此外，光学机械系统在垂直于光学装置表面的轴线上的刚度大大增加，降低了对移动机构的其他引导元件的刚度要求。
在另一实施例中，一些中间滑动垫可以布置在滑块与一表面之间，滑动件在所述表面上滑动，以减小摩擦和/或局部地改变其上发生滑动的表面的倾斜度。更具体地，滑动垫可以具有任何期望的曲率(例如球体的一部分)，使得当滑块在滑动垫上横向移动时，光学装置和光吸收/发射基底之间的距离根据期望的曲率变化。或者说，横向位移引起受控的竖向位移。该配置有利于提高光学机械系统的效率和/或角接收度。
在本发明的另一优选实施例中，光学装置通过诸如双万向节接头或双球接头之类的引导元件直接附接到光吸收/发射基底上，使得光学装置关于光吸收/发射基底的相对移动沿着弯曲轨迹(例如球体的一部分)被引导。由这些引导元件提供的直接机械连接确保了光学装置和光吸收/发射基底相对于彼此的更精确定位。另外，弯曲的位移轨迹可以有利于提高光学机械系统的效率和/或角接收度。
在一个另外的优选的实施例中，光学装置包括至少一个光学层，其中，光学层包括一个或多个光学元件。然而，两个或更多个光学层是可能的。光学装置的一个光学层足以改变入射光的路径。可以有利地组合两个或更多个光学层以改变(集中、透射、反射)光路径，使得可以实现更高的灵活性和增加的精度。每个光学层可以包括多个光学元件，使得可以适当地调整和优化一个或更多个光学层。
在本发明的另一优选实施例中，光学装置包括至少两个光学层，它们直接或通过粘合层彼此结合。在该实施例中，前光学层(距离光吸收/发射基底最远的一层)由诸如玻璃或丙烯酸(PMMA)的相对刚性的材料制成，以增加光学装置的刚度并保护后续的光学层免受机械冲击或环境污染(诸如灰尘或湿气)。前光学层通常是平坦的(没有光学元件)，但是它也可以形成图案以改变透射光的路径或分布。此外，前光学层可以涂覆有单面或双面抗反射涂层以改善光透射。
在另一实施例中，光学元件是反射型的，诸如镜子，或折射型的，诸如包括平凸、平凹、双凸、双凹、凹凸型和具有多项式(polynomial)形状的非球面弯曲的透镜。诸如具有非球面弯曲(多项式形状)的透镜的光学元件包括一个或更多个拐点，允许更高的设计自由度以增加角接收度并减少光学像差。
在一个另外的实施例中，光学元件涂覆有诸如金属喷镀物的反射涂层。例如，这种光学元件可以用作镜子。
在一个最优选的实施例中，光吸收元件是太阳能电池和/或光发射元件是LED。太阳能电池被配置为吸收或捕获透射光，而LED能够发射入射光。通常，本发明的光学机械系统具有光吸收/发射基底，其包含光吸收元件(即，太阳能电池)或光发射元件(即，LED)。然而，当然不排除具有这样的实施例：光吸收/发射基底也可以由光吸收元件和光发射元件的混合物构成。
在另一优选实施例中，移动机构包括至少一个致动器和控制系统，使得光学装置的至少一个光学层或光吸收/发射基底可以在平移移动中以一个或更多个自由度移动。平移移动可以相应地配置为一个、两个或三个自由度。更高的平移自由度可以提高系统的精确度和灵敏度，使得可以优化由光吸收元件(例如，太阳能电池)对光的吸收或由光发射元件(例如，LED)对光的发射。
在本发明的另一优选实施例中，移动机构包括设置成平行于同一平移轴线，但在平移元件的相反端处的两个或更多个致动器，以及设置在垂直于前两个致动器的方向上的一个或更多个致动器。该配置允许取消平移元件围绕垂直于光学装置的轴线的任何寄生旋转，以确保在光吸收/发射基底和光学装置之间不存在相对旋转。
根据一个实施例，致动器是机电致动器、静电致动器、压电致动器、粘滑致动器或气动致动器。
根据另一实施例，本发明的光学机械系统还包括反馈控制回路，以监控平移元件的位置，其中，反馈控制回路是例如光学传感器、磁传感器或光伏传感器、或这些传感器中几个的组合。一个或更多个传感器可以报告关于平移元件、光学装置或光吸收/发射基底(或其组合)的相对或绝对位置的信息，使得可以优化光吸收或光发射。
在本发明的另一个实施例中，静态框架在底部处至少部分地敞开，并且柔性膜密封平移元件和静态框架之间的间隙，同时允许平移元件横向和竖向移动。在这种配置中，平移元件和与其一起的光吸收/发射基底直接暴露于环境温度，这允许热量通过对流消散。
在第二方面中，本发明涉及一种用于用上述本发明第一方面的光学机械系统吸收光或发射光的方法，包括以下步骤：
捕获入射光和透射透射光，
吸收透射光或发射入射光，
使光学装置的光学层中的至少一个相对于光吸收/发射基底移动，或反之亦然，其中，移动机构通过一个或更多个平移元件使光学装置的至少一个光学层或光吸收/发射基底平移移动，使得透射光可以被光吸收/发射基底最佳地吸收，或者使得由光吸收/发射基底发射的入射光可以通过光学装置最佳地透射。
在第三方面中，本发明涉及一种用于用本发明的光学机械系统吸收光或发射光的方法，其中，移动机构的机械结构由单块材料通过冲压、激光或水切割，然后折叠成最终形状而制成，并且优选地包括在一个或更多个接头或点处的熔焊或软焊。
附图说明
通过以下结合附图进行的详细描述，本发明的前述和其他目的、特征和优点是明显的，在附图中：
图1是根据本发明第一实施例的光学机械系统的示意性俯视图；
图2是根据本发明第二实施例的光学机械系统的示意性横剖视图，其中，光学装置包括一个可移动光学层和一个静态光学层；
图3A是根据本发明第三实施例的光学机械系统的示意性横剖视图，其中，光学装置仅包括一个静态光学层，并且光吸收/发射基底是可移动的；
图3B和3C是根据本发明第三实施例的光学机械系统的移动机构的示意性横剖视图(对应于图3A)；
图4A是根据本发明第四实施例的光学机械系统的示意性横剖视图，其中，光吸收/发射基底是可移动的，并且光学装置包括两个静态光学层；
图4B是根据第五实施例的光学装置的详细的示意性横剖视图，其中，光学装置包括直接结合在一起的两个光学层；
图4C是根据第六实施例的光学装置的详细的示意性横剖视图，其中，光学装置包括通过粘合层结合在一起的两个光学层；
图4D是根据本发明第七实施例的光学机械系统的示意性横剖视图，其具有可移动的光吸收/发射基底并且具有滑块和预约束元件以保持光吸收/发射基底和光学装置之间的恒定距离。
图4E是根据与图4D相同的实施例的光学机械系统的示意性横剖视图，但是其中，第一光学层包括几个块，以能够增加滑块的数量。
图4F是根据第八实施例的光学机械系统的详细的示意性横剖视图，其中，滑动垫布置在滑块和光学装置之间；
图4G是根据本发明第九实施例的光学机械系统的示意性横剖视图，其具有可移动的光吸收/发射基底，该基底通过引导元件直接附接到光学装置；
图4H表示与图4G相同的实施例，但其中，通过引导元件直接附接到光学装置的可移动的光吸收/发射基底已经被移动机构移动；
图4I表示与图4G相同的实施例，但具有多个引导元件和包括几个块的光学层；
图4J是根据本发明第十实施例的光学机械系统的示意性横剖视图，其具有在底部处部分地敞开的静态框架；
图5A和5B是根据本发明第十一实施例的光学机械系统的示意性横剖视图，其具有外部生成的入射光；
图5C和5D是根据本发明第十二实施例的光学机械系统的示意性横剖视图，其具有内部生成的入射光；
图6A和6B是根据本发明第十三实施例的光学机械系统的示意性俯视图；
图6C是根据本发明第十四实施例的光学机械系统的示意性俯视图；
图7A和7B是根据本发明第十五实施例的光学机械系统的示意性俯视图；
图8是根据本发明第十六实施例的光学机械系统的示意性俯视图；
图9是根据本发明第十七实施例的光学机械系统的示意性俯视图；以及
图10是根据本发明第十八实施例的光学机械系统的示意性俯视图。
图11A、11B和11C是根据本发明第十九实施例的光学机械系统的示意性俯视图。
图12是根据本发明第二十实施例的光学机械系统的示意性俯视图。
具体实施方式
图1图示了根据本发明第一实施例的光学机械系统1的示意性俯视图。该光学机械系统1包括光学装置40、光吸收/发射基底50和移动机构60。
如在图1中可以看到的，在该实施例中，移动机构60包括平移元件65、一个致动器25和两个引导元件26。在该实施例中仅包括第一光学层41的光学装置40安装在平移元件65上，而光吸收/发射基底50固定到静态框架10。由于移动机构60，平移元件65只能沿着方向W平移移动。换句话说，移动机构60布置成使平移元件65以一个自由度平移移动。
静态框架元件10是光学机械系统1的外框架。在一些实施例中，优选的是，静态框架元件10完全包围光学装置40、光吸收/发射基底50和移动机构60。框架元件10可以由诸如铝、钢或不锈钢的金属材料制成。外框架可以安装在诸如商业房产屋顶或住宅屋顶的区域上，或者安装在诸如博物馆展区、办公区或会议室的房间的天花板中。
图2示出了根据本发明第二实施例的光学机械系统1。在该实施例中，部件50和部件60被封装在由静态框架元件10和光学装置40形成的盒子内。光学机械系统1包括具有两个光学层41和42的光学装置40。在该第二实施例中，第二光学层42和光吸收/发射基底50附接到静态框架元件10。第二光学层42的附接可以通过一个或更多个接头12完成。在该实施例中，第二光学层42和光吸收/发射基底50不可移动。光学装置40的第一光学层41安装在平移元件65上。由于平移元件65，第一光学层41可以通过致动器25的致动在W方向上平移移动。引导元件26限制了平移元件65的自由度，使得它只能在W方向上平移移动。
图3A至3C图示了根据本发明第三实施例的光学机械系统1。在该实施例中，光学装置40仅包括第一光学层41，第一光学层41由于其通过一个或更多个接头12附接到静态框架元件10而不可移动。光吸收/发射基底50安装在平移元件65上。移动机构60的平移元件65由一个致动器25致动并由引导元件26引导。图3B和3C是来自图3A的示意性横剖视图的两个详细的视图。如在详细的视图中可以看到的，由于致动器25和引导元件26，平移元件65在线性方向W上平移移动。
图4A图示了本发明的第四实施例。该实施例类似于图3A的实施例，除了光学装置40包括两个光学层41和42。在该实施例中，光学装置40的两个层通过一个或更多个接头12附接到静态框架元件10，因此不可移动。光吸收/发射基底50附接到平移元件65。由于致动器25和引导元件26，安装在平移元件65上的光吸收/发射基底50可以在W方向上平移移动，如图3C中所描绘的。
光学装置40的第二光学层42具有良好的光学特性，因此允许高透光率，以及良好的机械特性，以保护光学机械系统免受机械冲击或环境污染。例如，光学层42可以由玻璃、PMMA(丙烯酸)或聚碳酸酯(PC)制成。当然，其他合适的材料也可以用于制造该光学层。
柔性膨胀接头12可以用于将光学装置40的光学层41和42连接到静态框架元件10，以适应光学层和静态框架元件10之间的热膨胀系数不匹配。
本发明的光学机械系统1可以包括通气系统(这里未示出)，其包括一个或更多个压力均衡膜，并且被包括到静态框架元件10中。压力均衡膜可以由例如橡胶或
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材料制成。通气系统的优点是调节封闭在静态框架元件10内的空气的压力和湿度，以确保本发明的光学机械系统能够以最有效的方式起作用。
为此，应注意，在本发明的所有实施例中，由于本发明的移动机构60，光学机械系统1的光学装置40能够捕获外部生成和内部生成的入射光80并且最佳地透射透射光90。换句话说，每个实施例可以用于捕获或吸收外部生成的入射光或发射内部生成的光。
图4B和4C图示了本发明的第五和第六实施例，其中，光学装置40包括附接在一起的两个光学层41和42。在图4B中，两个光学层直接结合在一起，例如通过注射成型，或使用等离子体激活工艺。两个光学层也可以通过中间粘合层45结合在一起，中间粘合层45例如硅有机树脂胶或UV固化胶，如图4C中所描绘的。
由于两个光学层41和42的直接结合，根据本发明的第七实施例，可以实施多个滑块27，所述多个滑块27结合一个或多个预约束元件28确保基底50和光学装置40之间的距离在整个光学机械系统上是恒定的，如图4D所示。预约束元件例如可以是弹簧或板簧。滑块的数量在致动器25的移动方向上通常至少为三个，并且随着面板的尺寸/表面而增加。为了容纳多个滑块，光学装置40的第一光学层41可以由几个块制成，如图4E所图示的。
滑块27可以直接在光学装置40的层的一个的表面上滑动，如果需要，可以添加涂层以减少摩擦，或者根据本发明的第八实施例，滑块27可以在平坦或弯曲的滑动垫29上滑动，如图4F所示。滑动垫29的弯曲可以用于在平移元件65横向移动时改变光吸收/发射基底50和光学装置40之间的距离。
根据本发明的第九实施例，光吸收/发射基底50通过引导元件26直接附接到光学装置40，如图4G所示。在这种情况下，引导元件26可以是柔性引导元件，诸如板簧，或任何合适类型的柔性元件，诸如双球接头、双磁球接头或双万向接头(双万向节接头)。如图4H所图示的，引导元件被设计成使得当线性致动器25在方向W上推动或拉动平移元件65时，安装在平移元件65上的光吸收/发射基底50沿着弯曲轨迹W'移动，弯曲轨迹W'例如是圆的一部分。换句话说，引导元件26将致动器25的线性移动转换成平移元件65的圆形运动。
类似地，对于具有滑块27的实施例，在如图4I所图示的本实施例中可以实施多个柔性引导元件26。为了容纳多个柔性引导元件，光学装置40的第一光学层41由几个块制成。
根据图4J所图示的第十实施例，静态框架10在底部处至少部分地敞开并由柔性膜15代替。在该实施例中，平移元件65(以及与其一起的光吸收/发射基底50))直接暴露于环境温度，因此热量可以通过对流消散。柔性膜15密封平移元件65和静态框架10之间的间隙，同时允许平移元件65横向和竖向移动。
图5A和5B是根据本发明第十一实施例的示意性横剖视图，其中，光吸收/发射基底50能够吸收透射光。诸如来自不同方向的太阳光的外部生成的入射光80撞击在光学装置40上。光学装置可以包含一个或更多个光学层。由于光学装置40，外部生成的入射光80被捕获，然后透射光90集中到光吸收/发射基底50的多个光吸收元件51上。在该申请中，术语“集中”基本上意味着光束聚焦在特定点上。
图5C和5D是根据本发明第十二实施例的示意性横剖视图，其中，光吸收/发射基底50能够发射入射光80。在该实施例中，光发射基底50朝向光学装置40发射入射光。然后，光学装置40改变入射光80的路径，以输出具有受控取向和会聚程度的透射光90。为此，可以动态地调整光输出以实现期望的照明。
在该发明中，已经发现有利的解决方案是将光学装置40布置在LED面板上方，使得来自每个单独的光发射元件的入射光可以被捕获和透射，从而控制照明器输出的取向和会聚程度。这种配置的优点在于照明器的光输出可以通过照明器壳体内的短的平移移动来取向，从而消除了使照明器本身旋转或倾斜的需要。
在所有上述实施例中，光吸收/发射基底50能够吸收来自光学装置40的透射光90，或者光吸收/发射基底50能够朝向光学装置40发射入射光80。移动机构60可以根据几个不同的配置来配置，几个不同的配置例如如图6至11所示。在所有这些配置中，移动机构60能够使光学装置40相对于光吸收/发射基底50以至少一个平移自由度移动，或反之亦然。为此，移动机构60布置成通过一个或更多个平移元件65、致动器25和引导元件26使光学装置40或光吸收/发射基底50相对于静态框架元件10平移移动(见箭头)，使得透射光90被集中并且可以被光吸收/发射基底50最佳地吸收，或者使得由光吸收/发射基底50发射的入射光80可以被光学装置40最佳地透射。
例如，当光吸收/发射基底50包括多个诸如太阳能电池的光吸收元件51时，透射光90可以通过光学装置40以最佳方式被捕获、集中和透射，以被光吸收元件51吸收。另一方面，当光吸收/发射基底50包括多个诸如LED的光发射元件52时，由光发射元件52发射的入射光80可以通过光学装置40重新取向和重新成形，以提供具有最佳取向和形状的透射光90。
光学装置40的每个光学层可以包括多个光学元件47。光学元件可以是例如透镜或镜子。光学元件可以由玻璃、PMMA(丙烯酸)、PC、硅有机树脂或任何其他透明或半透明材料制成。光学元件也可以是具有诸如金属喷镀物的反射涂层的棱镜。反射涂层可以通过化学工艺应用。反射涂层可以由结合或胶粘到光学元件的一片材料制成。可替代地，光学元件可以涂覆有抗反射涂层以改善光学透射。
图6A是根据本发明第十三实施例的示意性俯视图。移动机构60包括一个致动器25和两个柔性引导元件26。致动器25在一侧附接到静态框架元件10，在另一侧附接到平移元件65。如在该图中可以看到的，两个柔性引导元件26都连接到平移元件65。当致动器25被激活时，平移元件65在单个轴线上朝着W方向平移移动，如图6B所示。在该实施例中，平移元件65以一个自由度移动。
在所有呈现的实施例中，由控制系统控制的致动器25可以是，例如机电致动器(诸如步进马达、DC马达、无刷DC马达)、静电致动器、压电致动器、粘滑致动器、气动致动器。控制系统可以基于微控制器或微处理器。可以在本发明的光学机械系统1中进一步引入反馈控制回路，使得可以通过例如光学传感器、诸如编码器的磁传感器或诸如太阳能电池的光伏传感器来检测平移元件65的位置。
图6B示出了当平移元件65被致动器25在W方向上移动时，两个柔性引导元件26用于限制平移元件65的自由度。柔性引导元件26可以例如是弹簧或板簧。虽然一个引导元件26可能足以维持其效果，但是多于一个将是优选的，因为它们可以更精确地控制和限制平移元件65的移动。板簧特别适合于沿着短行程移动的长而大的结构。鉴于这种引导系统基于机械变形，疲劳将是唯一的失效机制。换句话说，只要位移涉及材料弹性范围内的变形，引导元件26就能够承受许多次循环。而且，由于没有摩擦或磨损，因此引导机构的引导元件不需要润滑或维护。
根据本发明的第十四实施例，图6C图示了移动机构包括三个致动器25，其中两个致动器25平行地设置在同一轴线(W)上，但是在平移元件65的相反端处，第三个致动器设置在与前两个致动器垂直的方向上。该配置允许控制和取消平移元件65围绕轴线Z的任何寄生旋转Y。
图7A示出了本发明的另一种配置。根据该第十五实施例，两个致动器25以垂直的方式布置，使得最内侧平移元件65'可以在W和X方向上移动，如图7B所示。第一致动器25连接在静态框架元件10和最外侧平移元件65之间。第二致动器25'连接在最外侧平移元件65和最内侧平移元件65'之间。在该实施例中，平移元件65能够相对于静态框架元件10以一个自由度移动，并且平移元件65'能够相对于平移元件65以另一自由度移动，使得平移元件65'能够相对于静态框架元件10以两个自由度移动。在该第八实施例中可以看到四个引导元件26一起作为两对起作用，以限制平移元件65和65'的自由度。
图8图示了本发明的另一种可能的配置。根据该第十六实施例，致动器25布置在静态框架元件10和平移元件65之间。两个引导元件26分别设置在致动器25的两侧。两个另外的引导元件26布置在相反的位置，使得两对引导元件26一起起作用，以限制平移元件65的自由度。这种类型的配置特别适合于具有较大组合的光学机械系统。
图9图示了根据本发明第十七实施例的光学机械系统1。致动器25布置在静态框架元件10的一侧处，使得平移元件65可以在W方向上移动。在该实施例中可以看到一对具有两个长形叶片的引导元件26。引导元件26附接在静态框架元件10和平移元件65之间。
图10图示了根据本发明第十八实施例的光学机械系统1的另一种可能的配置。类似于图9的配置，可以看到致动器25和一对具有两个长形叶片的引导元件26。然而，长形叶片的端部连接到中间平移元件66而不是静态框架元件10。这种类型的配置提高了引导精确度并减小了施加到致动器25的横向力。
图11A图示了根据本发明第十九实施例的光学机械系统1的另一种可能的配置。在该图示中，为清楚起见，已移除光学装置40和光吸收/发射基底50。虚线表示穿过平移元件65的切口，以示出位于下方的移动机构60的一些元件。根据该实施例，第一对柔性引导元件26附接在结合到静态框架元件10的静态附接元件11和中间平移元件66之间。第二对柔性引导元件26'沿着垂直于第一对引导元件26的轴线布置，并且附接在结合到平移元件65的移动附接元件67和中间平移元件66之间。两对柔性引导元件26和26'以及静态附接元件11、中间平移元件66和移动附接元件67形成柔性引导模块30。如图11B和11C上所图示的，当致动器25被致动时，平移元件65沿着轴线W和/或X移动。因为平移元件65附接到引导模块30的移动附接元件67，所以其移动由引导元件26和26'(通过中间平移元件66)引导。这种实施例的主要优点在于，柔性引导元件26和26'可以制造得比平移元件65小(短)得多，从而确保具有相同厚度的移动系统60的更高刚度。另外，引导模块30可以由单块材料有成本效益地加工(例如通过CNC加工)，因此减少了组装光学机械系统1所需的部件和步骤的数量，并提高了其精确度和可靠性。
图12图示了本发明的第二十实施例，其中，四个引导模块30布置在平移元件65下方并附接到平移元件65。类似于图11A至11C，当致动器25被致动时，平移元件的位移由四个引导模块引导。在该图中，四个引导模块以对称的方式设置，但是可以存在根据不同的模式设置的更多或更少的引导模块。这样的实施例确保了移动机构60的更好的平面度和刚度。
不言而喻，如本发明的所有实施例中所示的移动机构60能够使光学装置40的光学层41或42中的任一个或光吸收/发射基底50相对于静态框架元件10以一个、两个或三个自由度平移移动，从而使得光吸收/发射基底50能够最佳地收集集中的透射光90，或者使得内部生成的入射光80能够被光学装置40捕获，并且能够被改变以控制透射光90的形状和方向性。
本发明的不同配置允许光学机械系统1的平移元件65仅进行小的行程，行程范围从例如几微米到几厘米。这种位移通常比光学机械系统1的外部尺寸小至少两个数量级。位移可以是例如与光学元件47的尺寸相同的数量级。位移限于沿着一个、两个或三个轴线(具有一个、两个或三个自由度)的平移移动。通过引导元件26的特定设置结合一个或更多个致动器25的布置来阻止或取消旋转。
移动机构的机械结构可以由单块材料通过冲压、激光或水切割制造，然后折叠成最终形状，并且优选地，包括在一个或更多个接头或点处的熔焊或软焊。有利地，这种制造方法涉及较少的手动步骤或没有手动步骤，并且组装更简单，因为它可以是全自动的，并且适合于大规模生产。只需单块材料，可以更容易地控制机械公差。此外，系统的温度可以更均匀(具有更低的热阻)。由于系统由单一材料制成，因此不存在材料之间不期望的电化学相互作用的风险，并且可以避免诸如电偶腐蚀的问题。
“照明器”意味着诸如LED的灯或发光应用连同被设计成用于分配光以定位和保护灯和镇流器的部件。术语涵盖发光单元的所有方面，包括实际提供照明的灯。
“最佳地”意味着实现基础值或数量的至少四分之一的值或数量。例如，术语“最佳地吸收”意味着至少25％的透射光被光吸收/发射基底吸收，而“最佳地透射”意味着至少25％的入射光被光学装置调整，在光学装置中，在更好的吸收或期望的发射模式下实现透射光的取向和会聚程度。在一些情况下，值或数量意味着实现基础值或数量的至少一半。
附图标记
1 光学机械系统
10 静态框架元件
12 接头
15 柔性膜
25 致动器
26 引导元件
27 滑块
28 预约束元件
29 滑动元件
30 引导模块
40 光学装置
41 第一光学层
42 第二光学层
45 粘合层
47 光学元件
50 光吸收/发射基底
51 光吸收元件
52 光发射元件
60 移动机构
65 平移元件
66 中间平移元件
67 移动附接点
70 透明盖
80 入射光
90 透射光

Claims (27)

1.一种用于吸收光或发射光的光学机械系统(1)，包括：
静态框架元件(10)，
光学装置(40)，所述光学装置(40)包括一个或更多个能够捕获入射光(80)和透射透射光(90)的光学层(41，42)，其中，所述光学装置布置成能够捕获来自所述静态框架元件(10)内部和外部的所述入射光(80)，
具有多个光吸收元件(51)/光发射元件(52)的光吸收/发射基底(50)，所述光吸收/发射元件(51，52)能够吸收所述透射光(90)或发射所述入射光(80)，
移动机构(60)，所述移动机构(60)用于使所述光学装置(40)的所述光学层(41，42)中的至少一个相对于所述光吸收/发射基底(50)移动，或反之亦然，
其中，所述移动机构(60)布置成通过一个或更多个平移元件(65，65')使所述光学装置(40)的所述光学层中的至少一个或所述光吸收/发射基底(50)相对于所述静态框架元件(10)平移移动，从而使得所述透射光(90)能够被所述光吸收/发射基底(50)最佳地吸收，或者使得由所述光吸收/发射基底(50)发射的所述入射光(80)能够被所述光学装置(40)最佳地透射，并且
其中，所述移动机构(60)还包括一个或更多个引导元件(26，26')，使得所述一个或更多个引导元件(26，26')能够限制所述平移元件(65，65')的自由度；
其中，能够限制所述一个或更多个平移元件(65，65')的自由度的所述一个或更多个引导元件(26，26')布置成使得通过所述移动机构(60)能够精确地调整所述光学装置(40)和所述光吸收/发射基底(50)的相对位置，从而避免或最小化所述光学装置(40)和所述光吸收/发射基底(50)之间的相对旋转。
2.根据权利要求1所述的光学机械系统(1)，其中，所述光学装置(40)附接到所述静态框架元件(10)的前侧，两者一起形成封闭的盒子，所述封闭的盒子完全包围所述光吸收/发射基底(50)和所述移动机构(60)。
3.根据权利要求2所述的光学机械系统(1)，其中，所述光学装置(40)包括通气系统，以防止当外部条件变化时，在由所述静态框架元件和所述光学装置限定的封闭的空间内建立过大的压力和/或发生水凝结。
4.根据前述权利要求1-3中任一项所述的光学机械系统(1)，其中，所述引导元件(26，26')附接在所述静态框架元件(10)和第一平移元件(65)之间，或者附接在所述第一平移元件(65)和第二平移元件(65')之间。
5.根据前述权利要求1-3中任一项所述的光学机械系统(1)，其中，所述系统(1)还包括引导模块(30)，所述引导模块(30)包括第一引导元件(26)、第二引导元件(26')、静态附接元件(11)、中间平移元件(66)和移动附接元件(67)，其中，所述引导模块(30)布置成使得所述第一引导元件(26)附接在所述中间平移元件(66)与结合到所述静态框架元件(10)的所述静态附接元件(11)之间；其中，所述第二引导元件(26')沿着垂直于第一引导元件(26)的轴线布置，并且附接在结合到所述平移元件(65，65')的所述移动附接元件(67)与所述中间平移元件(66)之间。
6.根据前述权利要求1-3中任一项所述的光学机械系统(1)，其中，所述引导元件(26，26')中的至少一个是柔性引导元件。
7.根据前述权利要求1-3中任一项所述的光学机械系统(1)，其中，所述系统(1)还包括：布置在所述光吸收/发射基底(50)与所述光学装置(40)之间的一个或更多个滑块(27)；以及一个或更多个预约束元件(28)。
8.根据权利要求7所述的光学机械系统(1)，其中，所述系统(1)还包括滑动垫(29)，所述滑动垫(29)在滑块(27)与一表面之间，所述滑动垫(29)在所述表面上滑动。
9.根据前述权利要求1-3中任一项所述的光学机械系统(1)，其中，所述光吸收/发射基底(50)通过所述引导元件(26，26')直接附接到所述光学装置(40)。
10.根据前述权利要求1-3中任一项所述的光学机械系统(1)，其中，所述光学装置(40)包括至少一个光学层(41)，所述光学层包括多个光学元件(47)。
11.根据前述权利要求1-3中任一项所述的光学机械系统(1)，其中，所述光学装置(40)包括至少两个彼此直接结合或通过粘合层(45)结合的光学层。
12.根据权利要求10所述的光学机械系统(1)，其中，所述光学元件(47)是反射型的或折射型的。
13.根据权利要求10所述的光学机械系统(1)，其中，所述光学元件涂覆有反射涂层。
14.根据前述权利要求1-3中任一项所述的光学机械系统(1)，其中，所述光吸收元件(51)是太阳能电池，所述光发射元件(52)是LED。
15.根据前述权利要求1-3中任一项所述的光学机械系统(1)，其中，所述移动机构(60)的所述平移元件(65，65')包括控制系统和至少一个致动器(25)，使得所述光学装置(40)的至少一个光学层(41，42)或所述光吸收/发射基底(50)能够在平移移动中以一个或更多个自由度移动。
16.根据权利要求15所述的光学机械系统(1)，其中，所述移动机构(60)包括：设置成平行于同一平移轴线，但在所述平移元件(65，65')的相反端处的两个或更多个致动器(25)；以及设置在垂直于所述两个或更多个致动器(25)的方向上的一个或更多个致动器(25)。
17.根据权利要求15中任一项所述的光学机械系统(1)，其中，所述致动器(25)是机电致动器、静电致动器、压电致动器、粘滑致动器或气动致动器。
18.根据前述权利要求1-3中任一项所述的光学机械系统(1)，还包括反馈控制回路，以监控所述平移元件(65)的位置。
19.根据前述权利要求1-3中任一项所述的光学机械系统(1)，其中，所述静态框架元件(10)在底部处至少部分地敞开，并且柔性膜(15)密封所述平移元件(65)与所述静态框架元件(10)之间的间隙，同时允许所述平移元件(65)横向和竖向移动。
20.根据权利要求6所述的光学机械系统(1)，其中，所述柔性引导元件为弹簧或板簧。
21.根据权利要求9所述的光学机械系统(1)，其中，所述引导元件(26，26')为双万向节接头或双球接头。
22.根据权利要求12所述的光学机械系统(1)，其中，反射型的所述光学元件(47)为镜子，折射型的所述光学元件(47)为包括平凸型、平凹型、双凸型、双凹型、凹凸型和具有多项式形状的非球面弯曲的透镜。
23.根据权利要求13所述的光学机械系统(1)，其中，所述反射涂层为金属喷镀物。
24.根据权利要求18所述的光学机械系统(1)，其中，所述反馈控制回路是光学传感器、磁传感器或光伏传感器，或这些传感器中几个的组合。
25.一种用根据权利要求1所述的光学机械系统(1)吸收光或发射光的方法，包括：
捕获入射光(80)和透射透射光(90)，
吸收透射光(90)或发射入射光(80)，
使所述光学装置(40)的所述光学层(41，42)中的至少一个相对于所述光吸收/发射基底(50)移动，或反之亦然，
其中，所述移动机构(60)通过一个或更多个平移元件(65)使所述光学装置(40)的所述光学层(41，42)中的所述至少一个或所述光吸收/发射基底(50)平移移动，从而使得所述透射光(90)能够被所述光吸收/发射基底(50)最佳地吸收，或者使得由所述光吸收/发射基底(50)发射的所述入射光(80)能够被所述光学装置(40)最佳地透射。
26.根据权利要求25所述的用光学机械系统(1)吸收光或发射光的方法，其中，所述移动机构(60)的机械结构由单块材料通过冲压、激光或水切割，然后折叠成最终形状而制造。
27.根据权利要求26所述的用光学机械系统(1)吸收光或发射光的方法，其中，所述移动机构(60)的所述机械结构包括在一个或更多个接头(12)或点处的熔焊或软焊。
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