CN203147619U - 一种光线立体追踪采集装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种光线立体追踪采集装置，包括：光线追踪单元，其包括反光镜和回转机构；所述反光镜设于所述回转机构，并在所述回转机构上具有绕其回转轴线旋转的自由度，所述回转轴线与反光镜镜面的夹角呈45°；至少两级所述光线追踪单元组合连接，相邻的两级光线追踪单元的反光镜镜面相对，两者的回转轴线相互垂直，且前级光线追踪单元随同后级光线追踪单元的反光镜旋转。该装置在结构上能够灵活适应光源位置或目标位置的变化，同时能避免光线衰减，可实现远距离大量输送光线。

Description

一种光线立体追踪采集装置

技术领域

本实用新型涉及光学设备技术领域，特别是能够采集光线并改变其行进路径的光线采集装置。

背景技术

众所周知，地球上绝大部分能源直接或间接来自于太阳，包括风能、水能、生物能及各种化石能源。由于能源之间的转化必然带来损耗从而降低能源利用效率，因此如何更好的利用太阳能成为解决能源问题的根本途径。

目前，对于太阳能的利用主要集中在将太阳能转化为电能和热能后再利用，这种利用必然导致大量的能量损失，致使效率低下。

对于太阳能的最基本的照明作用，也还处于非常原始的直接利用阶段。比如现在的教学楼，阳面的教室需要拉上窗帘防止暴晒和眩光，阴面的教室则需要开启灯具才能提供足够照明。

现在市场上有少量的产品能够提供阳光的直接采集和利用，如公开号为CN101373240A的发明专利申请公布说明书所公开的“用于建筑物的太阳光普照引入装置”，申请公布号为CN102537816A的发明专利申请公开的“棱镜式阳光导向器”，授权公告号为CN2504565Y的实用新型专利说明书公开的“太阳能采光镜”等等。

这些装置大体上可分为三大类型，第一类直接利用采光管技术，第二类利用凸透镜光纤组合技术，第三类利用棱镜式采光导入技术，普遍存在传输过程衰减较大，无法远距离大量输送光线，市场接受困难等缺陷。

其中，采光管技术最为简单廉价，应用也最为广泛，但由于是完全的被动采光方式，并无好的方法应对太阳位置的不断变化，因此光线在传播过程中单位长度衰减最为严重；凸透镜光纤组合技术相对而言虽然较为成熟，但单位成本也最高；棱镜式采光导入技术，在原理上存在严重缺陷，本意是利用三棱镜折射改变光路，而三棱镜对光线的色散作用较为严重，导致成本高效果差。

基于此，除了日光采集装置之外，其他光学领域的光线采集装置也存在类似的缺陷。

因此，如何使光线采集装置能够适应光源位置的变化，并尽可能的避免光线衰减，从而实现远距离大量输送光线，是本领域技术人员需要解决的技术问题。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种光线立体追踪采集装置。该装置在结构上能够灵活适应光源位置或目标位置的变化，同时能避免光线衰减，可实现远距离大量输送光线。

为了实现上述目的，本实用新型提供一种光线立体追踪采集装置，包括：

光线追踪单元，其包括反光镜和回转机构；

所述反光镜设于所述回转机构，并在所述回转机构上具有绕其回转轴线旋转的自由度，所述回转轴线与反光镜镜面的夹角呈45°；

至少两级所述光线追踪单元组合连接，相邻的两级光线追踪单元的反光镜镜面相对，两者的回转轴线相互垂直，且前级光线追踪单元随同后级光线追踪单元的反光镜旋转。

优选地，所述回转机构包括：

转子，其上通过支撑件安装所述反光镜；

定子，与所述转子相互连接形成旋转副。

优选地，所述转子和定子均呈空心结构，其内部具有光路通道。

优选地，所述转子和定子均呈圆环形，两者相互咬合旋转连接。

优选地，所述转子和定子的咬合结构包括：

第一环形凹槽，设于所述转子的外圆周面，其上沿高度大于下沿；

第二环形凹槽，设于所述定子的内圆周面，其上沿高度小于下沿；

所述第一环形凹槽的下沿嵌入所述第二环形凹槽；

所述第二环形凹槽的上沿嵌入所述第一环形凹槽。

优选地，所述定子为分体式结构，其两个半圆体的端部相对接。

优选地，所述定子的两个半圆体的端部相焊接、铆接、胶接或通过螺栓连接。

优选地，所述转子为转轴，其中心线与所述反光镜的回转轴线相重合；

所述定子为安装所述转轴的轴承。

优选地，各级所述回转机构的回转轴线均穿过其反光镜。

优选地，各级所述光线追踪单元均设有驱动机构；

所述驱动机构的动力装置通过传动部件带动所述回转机构上的反光镜在调节时旋转。

优选地，进一步包括光线追踪控制系统，其控制器根据设定或检测的光线位置数据，运算得出最佳光线反射路径所对应的各级反光镜位置；

所述控制器输出控制信号至所述动力装置，由所述动力装置带动所述反光镜旋转至运算位置。

本实用新型所提供的光线立体追踪采集装置，由至少两级光线追踪单元组合连接构成，各级光线追踪单元的反光镜均能够以其回转机构的回转轴线为中心进行旋转，相邻的两级光线追踪单元的反光镜镜面相对、回转轴线相互垂直，且前级光线追踪单元随同后级光线追踪单元的反光镜旋转，光线从第一级光线追踪单元的进光面进入，经过各级所述光线追踪单元的反光镜连续反射后，从最后一级光线追踪单元的出光面输出。

这种可逐级独立旋转的反光结构，在立体空间上至少具有两个自由度，通过旋转各级反光镜，将其调节至不同的位置，可获得实际所需的最佳反光镜组合，由于其进光或出光方向可覆盖周天范围内的任意方向，因此能够十分灵活地适应光源位置或目标位置的变化，可在光学领域的各行业中用于改变光路。例如，当其用于采集阳光时，通过调节始终能够处于最大采光状态，从而使太阳能更加容易利用，具有十分广阔的应用前景。

此外，反光镜与回转轴线的夹角为45°，根据反射定律，当光线以45°入射角照射到反光镜上时，将以45°角进行反射，从而两次或更多次地连续直角反射光线，改变其行进路径，由于是全反射，因此能避免光线衰减，可实现远距离大量输送光线。

附图说明

图1为本实用新型所提供光线立体追踪采集装置的第一种具体实施方式的结构示意图；

图2为图1所示光线立体追踪采集装置的剖视图；

图3为图2中所述转子的轴测图；

图4为图2所示转子的剖视图；

图5为图2中所示定子的轴测图；

图6为图5所示定子的剖视图；

图7为图1中所示转子与定子相配合的轴测图；

图8为图7的剖视图；

图9为本实用新型所提供光线立体追踪采集装置的第二种具体实施方式的结构示意图；

图10为本实用新型所提供光线立体追踪采集装置的第三种具体实施方式的结构示意图；

图11为本实用新型所提供光线立体追踪采集装置的第四种具体实施方式的结构示意图。

图中：

1.一级光线追踪单元  2.二级光线追踪单元  3.反光镜  3-1.一级反光镜  3-2.二级反光镜  4.回转机构  4-1.转子  4-1-1.第一环形凹槽4-2.定子  4-2-1.第二环形凹槽  5.支架  5-1.第一支架  5-2.第二支架6.回转轴线  7.进光面  8.出光面  9.马达蜗轮系统  10.平衡块

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步的详细说明。

请参考图1、图2，图1为本实用新型所提供光线立体追踪采集装置的第一种具体实施方式的结构示意图；图2为图1所示光线立体追踪采集装置的剖视图。

在一种具体实施方式中，本实用新型提供的光线立体追踪采集装置由两级光线追踪单元组成，分别为一级光线追踪单元1和二级光线追踪单元2。

各级光线追踪单元主要由反光镜3、回转机构4等部件构成，反光镜3呈平面状，可以是镀银平面玻璃，具有光滑表面的金属镜或塑料镜，也可以是光学全反射镜等等，其形状也不局限于图中所示的圆形，还可以是正方形、长方形、多边形或椭圆形等其他形状。

反光镜3通过支架5安装在回转机构4上，在回转机构上，反光镜3具有绕回转轴线6在360°范围内旋转的自由度，回转轴线6与反光镜镜面的夹角呈45°，并穿过反光镜3的几何中心。

一级光线追踪单元1和二级光线追踪单元2的反光镜镜面相对，两者的回转轴线6相互垂直，且一级光线追踪单元1随动于二级光线追踪单元的反光镜3，即二级光线追踪单元的反光镜3旋转时，一级光线追踪单元1在整体上会随其一同旋转。

为便于描述，这里将光线追踪单元上光线从外界垂直进入的面命名为进光面7，与之相应地，光线从内部垂直反射出去的面命名为出光面8，进光面7和出光面8均为虚拟参照面，其位置相互垂直。

如图所示，反光镜3与进光面7均成45°角，光线从进光面7进入后，以45°入射角照射在反光镜3上，根据反射定律，以45°反射角从出光面8反射出去。

请参考图3至图8，图3为图2中所述转子的轴测图；图4为图2所示转子的剖视图；图5为图2中所示定子的轴测图；图6为图5所示定子的剖视图；图7为图1中所示转子与定子相配合的轴测图；图8为图7的剖视图。

如图所示，回转机构4在结构上主要由转子4-1和定子4-2构成，转子4-1与定子4-2相互连接形成旋转副，反光镜3通过支架5安装在转子4-1上。

转子4-1和定子4-2均呈空心结构，其内部具有光路通道。

具体地，转子4-1和定子4-2均呈圆环形，转子4-1套入定子4-2内部，两者相互咬合旋转连接，转子4-1的外圆周面设有第一环形凹槽4-1-1其上沿高度大于下沿；定子4-2的内圆周面设有第二环形凹槽4-2-1，其上沿高度小于下沿；第一环形凹槽4-1-1的下沿嵌入第二环形凹槽4-2-1，第二环形凹槽4-2-1的上沿嵌入第一环形凹槽4-1-1，如此便实现相互咬合。

当然，除了咬合方式，也可以采用外加箍罩等方式实现转子4-1与定子4-2的旋转连接。

为便于生产和装配，可以将定子4-2设计为分体式结构，其两个半圆体的端部设有连接支耳，并通过螺栓相连接，也可以通过焊接、铆接或胶接方式连接。

各级光线追踪单元均设有驱动机构，由驱动机构的动力装置通过传动部件带动转子相对于定子做旋转运动。例如，转子4-1可在马达蜗轮系统9的作用下在定子4-2上旋转，马达可以安装在转子4-1上也可以安装在定子4-2上。

支架5为回转机构4与反光镜3的连接结构，其作用是使反光镜3的出光面8平行于转子4-1所在的平面，并使光线穿过转子4-1，反光镜3安装在支架5上，支架5连同反光镜3一起安装在转子4-1上，这样，反光镜3便能够随同转子4-1一起旋转。

回转机构4与反光镜3在支架5的连接作用下组成光线追踪单元，两级光线追踪单元经过组合连接，使一级光线追踪单元1的定子底面连接到二级光线追踪单元2的进光面上，使光线在通过一级光线追踪单元1的定子后，成为二级光线追踪单元2的入射光，最终形成光线立体追踪采集装置，将之用于采集太阳光线时，便成为日光采集设备。

工作时，光线从一级光线追踪单元1的进光面进入，经过一级反光镜和二级反光镜连续反射后，从二级光线追踪单元2的出光面输出。

这种可逐级独立旋转的反光结构，在立体空间上具有两个自由度，即横向360°和纵向360°，通过旋转各级反光镜，将其调节至不同的位置，可获得实际所需的最佳反光镜组合，由于其进光或出光方向可覆盖周天范围内的任意方向，因此能够十分灵活地适应光源位置的变化，始终能够处于最大采光状态，可满足光学领域各行业（如日光采集器、潜望镜、望远镜、镜头、光能传输及光信号传输等）的实际采光需要。

反光镜3与其回转轴线4的夹角为45°，根据反射定律，当光线以45°入射角照射到反光镜上时，将以45°角进行反射，从而两次或更多次地连续直角反射光线，改变其行进路径，由于是全反射，因此能避免光线衰减，可实现远距离大量输送光线。

当然，根据实际需要，还可以设置三级、四级或更多级的光线追踪单元，以三级为例，其一、二级光线追踪单元共同随动于三级光线追踪单元的反光镜，一级光线追踪单元随动于二级光线追踪单元的反光镜，一级光线追踪单元的反光镜单独旋转。

由于采用两级光线追踪单元组成的光线立体追踪采集装置，已经能够捕捉立体空间范围内任意方向的光线，因此在一般情况下，两级光线追踪单元就能满足使用要求，其可以用于各种光学设备的光线入射端，以便根据入射光的变化进行调整，也可以用于光线出射端，以便调整出射光方向。

请参考图9，图9为本实用新型所提供光线立体追踪采集装置的第二种具体实施方式的结构示意图。

如图所示，该光线立体追踪采集装置一共具有四个光线追踪单元，其中前两级光线追踪单元与上述具体实施方式相同，后两级光线追踪单元与上述具体实施方式也相同，两者的二级光线追踪单元的定子4-2相对接，一者用作光线入射端，另一者用作光线出射端。

可见，利用本实用新型所提供的光线立体追踪采集装置，可设计出各种不同的组合应用方式。

请参考图10，图10为本实用新型所提供光线立体追踪采集装置的第三种具体实施方式的结构示意图。

如图所示，该光线立体追踪采集装置由两级光线追踪单元组成，分别为一级光线追踪单元和二级光线追踪单元，其中二级光线追踪单元的回转机构由转子4-1和定子4-2构成，转子4-1和定子4-2呈圆环形，中部为光线通道，二级反光镜3-2通过第二支架5-2架设于转子4-1上方的偏心位置，能够绕竖向回转轴线旋转。

一级反光镜3-1通过第一支架5-1安装在转子4-1的另一侧，其镜面与二级反光镜3-2相对，能够在第一支架5-1上绕横向回转轴线旋转，第一支架另一端设有配重，以保持受力平衡。

一、二级光线追踪单元的回转轴线相互垂直，且一级光线追踪单元随动于二级反光镜3-2，即二级反光镜3-2旋转时，一级光线追踪单元在整体上会随其一同旋转，而一级反光镜3-1可单独旋转，其工作原理和有益效果可参考上文，在此不再赘述。

请参考图11，图11为本实用新型所提供光线立体追踪采集装置的第四种具体实施方式的结构示意图。

如图所示，该光线立体追踪采集装置由两级光线追踪单元组成，分别为一级光线追踪单元和二级光线追踪单元，其回转机构由转子4-1和定子4-2构成，转子4-1为转轴，其中心线与反光镜的回转轴线相重合，定子4-2为安装转轴的轴承，转轴和轴承均位于反光镜的背面，一级光线追踪单元的轴承连接于二级光线追踪单元的转轴，各级光线追踪单元均设有平衡块10。

一、二级光线追踪单元的回转轴线相互垂直，且一级光线追踪单元随动于二级反光镜3-2，即二级反光镜3-2旋转时，一级光线追踪单元在整体上会随其一同旋转，而一级反光镜3-1可单独旋转，图中另外设置的第三反光镜用于进一步改变光线行进路线，其工作原理和有益效果可参考上文，在此不再赘述。

当然，上述光线立体追踪采集装置仅是几种优选方案，具体并不局限于此，在此基础上可根据实际需要作出具有针对性的调整，从而得到不同的实施方式。例如，将回转机构设计成其他形式，或者反光镜通过其他部件与回转机构相连接等等。由于可能实现的方式较多，这里就不再一一举例说明。

为实现自动调节，在以上光线立体追踪采集装置的基础上，可设置光线追踪控制系统，其控制器可根据设定或检测的光线位置数据，运算得出最佳光线反射路径所对应的各级反光镜位置。

然后，控制器输出控制信号至动力装置，由动力装置带动反光镜旋转至运算位置。

例如，若光源位置的变化具有一定的规律，则反光镜可以按照预先设定的程序进行调节，若光源位置的变化没有规律，则可以通过光线传感器检测光源位置，根据检测的位置信息，运算出各反光镜应该所处的位置，然后发出控制信号逐级进行调节，最终由马达涡轮机构驱动各反光镜旋转到位。

由于自动调节控制系统采用现有技术即可实现，这里就不再详细描述。

以上对本实用新型所提供的光线立体追踪采集装置进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。

Claims (11)

1.一种光线立体追踪采集装置，其特征在于，包括：

光线追踪单元，其包括反光镜和回转机构；

所述反光镜设于所述回转机构，并在所述回转机构上具有绕其回转轴线旋转的自由度，所述回转轴线与反光镜镜面的夹角呈45°；

至少两级所述光线追踪单元组合连接，相邻的两级光线追踪单元的反光镜镜面相对，两者的回转轴线相互垂直，且前级光线追踪单元随同后级光线追踪单元的反光镜旋转。

2.根据权利要求1所述的光线立体追踪采集装置，其特征在于，所述回转机构包括：

转子，其上通过支撑件安装所述反光镜；

定子，与所述转子相互连接形成旋转副。

3.根据权利要求2所述的光线立体追踪采集装置，其特征在于，所述转子和定子均呈空心结构，其内部具有光路通道。

4.根据权利要求3所述的光线立体追踪采集装置，其特征在于，所述转子和定子均呈圆环形，两者相互咬合旋转连接。

5.根据权利要求4所述的光线立体追踪采集装置，其特征在于，所述转子和定子的咬合结构包括：

第一环形凹槽，设于所述转子的外圆周面，其上沿高度大于下沿；

第二环形凹槽，设于所述定子的内圆周面，其上沿高度小于下沿；

所述第一环形凹槽的下沿嵌入所述第二环形凹槽；

所述第二环形凹槽的上沿嵌入所述第一环形凹槽。

6.根据权利要求5所述的光线立体追踪采集装置，其特征在于，所述定子为分体式结构，其两个半圆体的端部相对接。

7.根据权利要求6所述的光线立体追踪采集装置，其特征在于，所述定子的两个半圆体的端部相焊接、铆接、胶接或通过螺栓连接。

8.根据权利要求2所述的光线立体追踪采集装置，其特征在于，所述转子为转轴，其中心线与所述反光镜的回转轴线相重合；

所述定子为安装所述转轴的轴承。

9.根据权利要求1至8任一项所述的光线立体追踪采集装置，其特征在于，各级所述回转机构的回转轴线均穿过其反光镜。

10.根据权利要求1至8任一项所述的光线立体追踪采集装置，其特征在于，各级所述光线追踪单元均设有驱动机构；

所述驱动机构的动力装置通过传动部件带动所述回转机构上的反光镜在调节时旋转。

11.根据权利要求10所述的光线立体追踪采集装置，其特征在于，进一步包括光线追踪控制系统，其控制器根据设定或检测的光线位置数据，运算得出最佳光线反射路径所对应的各级反光镜位置；

所述控制器输出控制信号至所述动力装置，由所述动力装置带动所述反光镜旋转至运算位置。

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