CN208224584U - 空腔式面聚焦导波器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种空腔式面聚焦导波器，具有围成入口大、出口小的空腔体的数个反射壁，所述反射壁的内侧面为反射面，所述数个反射壁的至少其一是斜反射壁，在斜反射壁内侧形成有阶梯型导波结构体，所述阶梯型导波结构体具有多个依次排列的导波三棱柱，形成结构型等效或升效的空腔式面聚焦导波器(结构型广义菲涅尔导波器)。本实用新型相对于原实腔式面聚焦导波器，具有简约、直观、便捷等优势，易设计与制造，易实现并联和串联组合的大型化，有利于降低设计和制造难度，降低成本。

Description

空腔式面聚焦导波器

技术领域

本实用新型涉及以结构型升效或等效的方式，为自然光和其他电磁波的实腔式面聚焦型导波器(广义凸透镜)设置升效或等效结构的面聚焦导波器(结构型广义菲涅尔透镜)。

背景技术

自然光(如阳光、散射光)等电磁波几乎是取之不尽、用之不竭的可再生资源，地球周围的太阳光能量的总量巨大。自然光在传播中不需要外加能量，可自行传输到各处空间。自然光分布广泛，没有远距离输送问题，处处可采集和利用。因此自然光(太阳能)有无可比拟的优越性。但自然光不仅能量密度低，传播角度全方位变化，传播分布的空间非常大，限制了自然光等电磁波在许多方面的应用。

菲涅尔透镜(螺纹透镜或阶梯透镜)可看作为点聚焦型经典凸透镜的薄层型等效导波器(经典菲涅尔等效导波器)，是由从内圈到外圈(或从外圈到内圈)的多个或若干个小型或微型中空环带体的局部相似形体(或称之为近似相似形体)等效导波单元(或称之为类似体等效导波单元)的并列组合构成的，即是由小型或微型的环带体单元并列组合构成的。同时，菲涅尔透镜也可看作为，省除或去除经典凸透镜内部含有的平行平板式导波介质结构部分后，由剩余的各个结构部分即多个或若干个阶梯型(螺纹型)导波介质结构体的阶梯型组合结构体(或称之为螺纹型导波介质结构体的组合结构体)构成薄层型等效导波器。前一种等效方式为设置等效导波单元及其组合的方法，构成薄层型菲涅尔透镜，称之为单元等效法或单元法。后一种等效设置方法则从透镜导波器的结构出发，直接去除经典凸透镜结构中内含的平行平板结构部分，不影响导波方向和聚焦功能；由剩余的各个结构部分即多个或若干个环带体的阶梯型导波介质结构体构成组合阶梯型结构体的菲涅尔透镜，称之为结构法或结构型等效法。虽两种等效方法得到的等效导波器(或称之为等效导波器)即菲涅尔透镜的结构相同，但两种等效方法的等效原理与等效结构的设置方法，有显著的不同与区别。

现有技术中，已有固定静置式全方位汇聚的实腔式面聚焦型导波器(广义凸透镜或广义聚焦导波器)(黄太清，CN201220001925.4和

CN201210001418.5)。实腔式即通体实心式面聚焦导波器的优势包括可设置为规则结构，便于设计和制造，也便于通过并联或串联组合实现大型化。

再将单元等效法或单元法移植与转用于实腔式面聚焦导波器的等效导波器，以小型或微型的相似形体单元或近似体单元与对应的实腔式面聚焦导波器有相同或相近的导波方向为原理，采用小型或微型的相似形体等效导波单元或近似体的等效导波单元的单元等效法，为实腔式面聚焦导波器设置了单元法等效导波体及其等效导波器(黄太清，CN201320100631.1和CN201310070122.3)。

如上述，虽将菲涅尔透镜的单元等效法移植与转用于实腔式面聚焦导波器的等效设置，但由于单元等效法与结构型等效法在结构原理与设置方法方面有显著与本征上区别，因此尚未为实腔式面聚焦导波器提出结构型等效法的等效导波体及其等效导波器。

另外，此前也从等效导波单元的角度提出了面聚焦型升效导波器的概念，从等效导波单元的几何结构设置、材质选择、不同单元在同一个单元层中组合，设置有升效单元的升效型导波器及其导波器。这种升效方法也可称之为单元升效法。同样，也尚未提出结构型升效法的升效导波器。

实用新型内容

本实用新型提供一种空腔式面聚焦导波器，主要目的是为了显著减轻导波器重量、导波介质材料用量及导波等损耗。

此外，本实用新型还能够突破经典菲涅尔透镜较难制造、难以单体大型化、也难以通过并联或串联组合实现大型化等问题；实现大面积的固定式全方位汇聚，获得规模化、高密度、高品位的自然光或其他电磁波资源。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

一种空腔式面聚焦导波器，其特征是具有围成入口大、出口小的空腔体的数个反射壁，所述反射壁的内侧面为反射面，所述数个反射壁的至少其一是斜反射壁，在斜反射壁内侧形成有阶梯型导波结构体，所述阶梯型导波结构体具有多个依次排列的导波三棱柱；

每个导波三棱柱的三角形截面都具有平行于其所在反射壁的第一边、相对靠近入口的第二边以及相对远离入口的第三边，称与第一边、第二边以及第三边分别相对的角为第一角、第二角以及第三角，则：

第一角大于所述阶梯型导波结构体的全反射临界角；

第二角小于所述阶梯型导波结构体的全反射临界角的一半；

第三角大于所述阶梯型导波结构体的全反射临界角，形成结构型等效的空腔式面聚焦导波器。

所述的空腔式面聚焦导波器，其中：每个所述导波三棱柱的第二边所在的面为水平面，或者为向内、向出口方向的倾斜面。

所述的空腔式面聚焦导波器，其中：所述数个反射壁包括相对的直反射壁与斜反射壁，在相对的直反射壁与斜反射壁之间还设有斜向直反射壁，所述斜向直反射壁的两侧面都为反射面，所述斜向直反射壁朝向直反射壁的一侧设有所述阶梯型导波结构体，形成侧向并联组合的结构型等效的空腔式面聚焦导波器。

所述的空腔式面聚焦导波器，其中：两个所述空腔式面聚焦导波器以直反射壁形成背靠背的并联结构，形成背靠背的并联组合的空腔式面聚焦导波器。

所述的空腔式面聚焦导波器，其中：所述斜向直反射壁朝向斜反射壁的一侧也设有所述阶梯型导波结构体，形成结构型升效的空腔式面聚焦导波器。

所述的空腔式面聚焦导波器，其中：所述斜向直反射壁及其两侧的阶梯型导波结构体的下端高于直反射壁下端以及斜反射壁及其内侧的阶梯型导波结构体的下端。

所述的空腔式面聚焦导波器，其中：所述直反射壁的内侧也设有所述阶梯型导波结构体，形成结构型升效的空腔式面聚焦导波器。

所述的空腔式面聚焦导波器，其中：所述数个反射壁包括两个相对的斜反射壁，所述两个相对的斜反射壁的内侧均设有所述阶梯型导波结构体，两个相对的斜反射壁之间设有中置直反射壁，所述中置直反射壁的两侧面都为反射面，所述中置直反射壁的两侧均设有所述阶梯型导波结构体，形成并联组合的结构型升效的空腔式面聚焦导波器。

所述的空腔式面聚焦导波器，其中：所述中置直反射壁及其两侧的阶梯型导波结构体的下端高于两个相对的斜反射壁及其内侧的阶梯型导波结构体的下端。

所述的空腔式面聚焦导波器，其中：在阶梯型导波结构体与其所在反射壁之间形成一层透波平板式衬板。

将前述的经典菲涅尔等效导波器对经典凸透镜的结构型等效原理与方法移植与转用于实腔式面聚焦导波器(广义凸透镜)的结构型等效过程中，去除实腔式面聚焦导波器的斜反射壁内侧的上方区域或斜反射壁内侧的上方区域和出波通道区域的上方区域的内含平行平板，不影响电磁波的导波方向；再去除孤悬的没有实质性汇聚导波功能作用的出波通道区域或出波通道区域和出波通道区域的上方区域的实腔式导波介质，将实腔式面聚焦导波器的内部掏空，使实腔式面聚焦导波器转变为空腔式面聚焦导波器，形成结构型等效的空腔式面聚焦导波器(结构型等效的广义菲涅尔导波器)。

在结构型等效的空腔式面聚焦导波器的腔体中，设置直反射壁内侧或两侧的阶梯型导波结构体，或设置斜向直反射壁及其两侧的阶梯型导波结构体，构成结构型升效的空腔式面聚焦导波器(结构型升效的广义菲涅尔导波器)。

本实用新型相对于原实腔式面聚焦导波器，具有简约、直观、便捷等优势，易设计与制造，易实现并联和串联组合的大型化，有利于降低设计和制造难度，降低成本。

附图说明

图1是一种实腔式即通体实心式面聚焦导波器(广义凸透镜)的典型电磁波的汇聚导波路径原理示意图；

图2是图1所示的实腔式面聚焦导波器的斜反射壁内侧的上方区域和出波通道区域的上方区域的内含平行平板、出波通道区域的实腔式导波介质的内部实体分割示意图；

图3是对应于图1、图2提出的一种结构型等效的空腔式面聚焦导波器的结构示意图；

图4是另一种实腔式即通体实心式面聚焦导波器的斜反射壁内侧的上方区域的内含平行平板、出波通道区域以及出波通道区域的上方区域的实腔式导波介质的内部实体分割示意图；

图5是对应于图4提出的一种结构型等效的空腔式面聚焦导波器的结构示意图；

图6是另一种实腔式面聚焦导波器的斜反射壁内侧的上方区域的内含平行平板、出波通道区域的实腔式导波介质的内部实体分割示意图；

图7是对应于图6提出的一种结构型等效的空腔式面聚焦导波器的结构示意图；

图8是另一种实腔式面聚焦导波器的斜反射壁内侧的上方区域的内含平行平板、出波通道区域的实腔式导波介质的内部实体分割示意图；

图9是对应于图8提出的一种结构型等效的空腔式面聚焦导波器的结构示意图；

图10是另一种实腔式面聚焦导波器的典型电磁波的汇聚导波路径原理示意图；

图11是图10所示的实腔式面聚焦导波器的斜反射壁内侧的上方区域的内含平行平板、出波通道区域的实腔式导波介质的内部实体分割示意图；

图12是对应于图10、图11提出的一种结构型等效的空腔式面聚焦导波器的结构示意图；

图13是另一种实腔式面聚焦导波器的典型电磁波的汇聚导波路径原理、斜反射壁内侧的上方区域以及出波通道区域的上方区域的内含平行平板、出波通道区域的实腔式导波介质的内部实体分割示意图；

图14是对应于图13提出的一种结构型等效的空腔式面聚焦导波器的结构示意图；

图15是另一种实腔式面聚焦导波器的斜反射壁内侧的上方区域的内含平行平板、出波通道区域以及出波通道区域的上方区域的实腔式导波介质的内部实体分割示意图；

图16是对应于图15提出的一种结构型等效的空腔式面聚焦导波器的结构示意图；

图17是另一种实腔式面聚焦导波器的斜反射壁内侧的上方区域的内含平行平板、出波通道区域的实腔式导波介质的内部实体分割示意图；

图18是对应于图17提出的一种结构型等效的空腔式面聚焦导波器的结构示意图；

图19是直反射壁的实腔式面聚焦导波器与斜向直反射壁的实腔式面聚焦导波器的侧向并联组合形成的另一种组合实腔式面聚焦导波器的实腔式导波介质的内部实体分割示意图；

图20是对应于图19提出的一种直反射壁的空腔式面聚焦导波器与斜向直反射壁的空腔式面聚焦导波器的侧向并联组合构成的组合空腔式面聚焦导波器的结构示意图；

图21是在对应于图3或图5所示的空腔式面聚焦导波器的基础上，增加了直反射壁内侧的阶梯型导波结构体，并在斜反射壁与其内侧的阶梯型导波结构体之间设置了透波平板式衬板，形成的结构型升效的空腔式面聚焦导波器的结构示意图；

图22是与图21对应的空腔式面聚焦导波器的俯视示意图；

图23是两个图22所示的空腔式面聚焦导波器的并联组合形成的组合空腔式面聚焦导波器的俯视示意图；

图24是图23所示的组合空腔式面聚焦导波器的竖向剖视图；

图25是中置直反射壁及其两侧的阶梯型导波结构体的下端高于相对的两个斜反射壁及其内侧的阶梯型导波结构体的下端，形成的空腔式面聚焦导波器的结构示意图；

图26是在对应于图21所示的空腔式面聚焦导波器的基础上，腔体中增加了斜向直反射壁及其两侧的阶梯型导波结构体，该斜向直反射壁及其两侧的阶梯型导波结构体的下端高于相对的直反射壁及其内侧的阶梯型导波结构体的下端与斜反射壁及其内侧的阶梯型导波结构体的下端，形成的结构型升效的空腔式面聚焦导波器的结构示意图；

图27是在图26所示的空腔式面聚焦导波器的基础上，各个反射壁的反射面与同侧的阶梯型导波结构体之间都设置了透波平板式衬板，形成的结构型升效的空腔式面聚焦导波器的结构示意图；

图28是在图27所示的结构型升效的空腔式面聚焦导波器的基础上，延长图27中最右侧即右外侧的斜反射壁及其内侧的阶梯型导波结构体，将该斜反射壁转变为延长型斜反射壁，使整个空腔式面聚焦导波器的入射面转变为整体平面型入射面，形成的结构型等效与升效的混合结构的空腔式面聚焦导波器的结构示意图；

图29是两个对应于图28所示的空腔式面聚焦导波器进行对称式并联组合形成的组合空腔式面聚焦导波器的结构示意图；

图30的上部为图29所示的组合空腔式面聚焦导波器，再与下方的有中置直反射壁及其两侧阶梯型导波结构体的空腔式面聚焦导波器进行串联组合，形成的组合导波器的结构示意图。

附图标记说明：1-直反射壁；2-导波介质；3-出波通道；4-平行平板；5-斜反射壁；6-阶梯型导波结构体；7-透波平板式衬板；8-斜向直反射壁；9-中置直反射壁；10-延长型斜反射壁。

具体实施方式

如图1或图2所示，是一种实腔式面聚焦导波器的结构示意图，是由竖直的直反射壁1、斜置的斜反射壁5及直反射壁1与斜反射壁5之间的实腔式导波介质构成，其具有水平入射面，下游串联有实腔式导波介质的出波通道3，出波通道3中设有实腔式结构的导波介质2。图1中显示了典型电磁波的汇聚导波的路径。

而图3所示的空腔式面聚焦导波器，是将图1或图2所示的实腔式面聚焦导波器的内部掏空(如图2的虚线所示的导波介质结构部分)，去除了实腔式面聚焦导波器的斜反射壁5内侧的上方区域与出波通道3区域的上方区域的内含的平行平板4结构，并去除出波通道3区域中的导波介质2，剩下各个直反射壁1和各个斜反射壁5，各个反射壁的内侧面都为反射面，如此将图1或图2所示的实腔式面聚焦导波器的内部掏空，从而在原位形成倒置棱锥台体的漏斗型空腔式面聚焦导波器。图3显示了典型电磁波的汇聚导波的路径。

所述空腔式面聚焦导波器，具有竖直的直反射壁1与斜置的斜反射壁5，直反射壁1与斜反射壁5的内侧面都为反射面，而且直反射壁1与斜反射壁5之间为空腔体，并在斜反射壁5的内侧由高到低形成有阶梯型导波结构体6，阶梯型导波结构体6具有多个依次排列的导波三棱柱；在本实施例中，每个导波三棱柱的截面都是直角三角形截面，且直角远离所述斜反射壁5。

所述空腔式或实腔式面聚焦导波器及其出波通道3的横截面形状不限，可以是三角形、方形或其他多边形；斜反射壁5的数目可以是一个，也可以是两个或者更多个。空腔式面聚焦导波器中，斜反射壁5与其内侧的阶梯型导波结构体6构成等效汇聚结构层。与上述的经典菲涅尔导波器的结构型等效方法相比，此也为一种结构型等效方式，形成结构型等效的空腔式面聚焦导波器(即结构型广义菲涅尔导波器)。

综合比较图2、图3可知，相对于实腔式面聚焦导波器，本实用新型提供的空腔式面聚焦导波器，大部分、甚至绝大部分的导波介质2都被省除(即去除)了，因此，本实用新型在保持等效导波效率的基础上，可大大减少重量，减少导波介质材料用量，实现轻量化和低成本化；并明显降低光或其他电磁波的吸收、散射、色散等导波传播损耗。本实用新型的结构更加简约，因此也更有利于实施设计、制造与加工、组合形成大型化应用等多个过程。

请再参阅图4，为另一种实腔式面聚焦导波器，其结构与图2相同的部分不再赘述，不同的是，图4中的导波器不再具有水平入射面，而是下凹式入射面，另外，出波通道3区域的实腔式导波介质2的摆放方向翻转了180度。

对应于图4所示的实腔式面聚焦导波器，图5提供了一种与其等效的空腔式面聚焦导波器，去除了斜反射壁5内侧的上方区域内含的平行平板4，再去除了孤悬的没有实质性汇聚导波功能作用的位于出波通道3区域中和位于出波通道3区域的上方区域的导波介质2，是将图4中的虚线所示的导波介质部分都去除了，将图4所示的实腔式面聚焦导波器的内部掏空，其与图3相比，区别是：阶梯型导波结构体6的每个导波三棱柱的顶面即第二边所在的面不再是水平面，而是呈向内、向出口方向的倾斜面；另外，还在阶梯型导波结构体6与斜反射壁5之间形成一层透波平板式衬板7。在上述的结构型等效设置过程中，由于实腔式面聚焦导波器的入射面为斜面，去除斜反射壁5内侧的上方区域内含的平行平板4后，斜反射壁5内侧的上方区域的入射面的内侧剩余的阶梯型导波结构体与斜反射壁5内侧剩余的阶梯型导波结构体以上下对应方式在斜反射壁5内侧进行叠置组合，则在斜反射壁5内侧形成了阶梯型导波结构体6的同时，阶梯型导波结构体6与斜反射壁5之间也形成了一层透波平板式衬板7。

请再参阅图6，为另一种实腔式面聚焦导波器，其结构与图4相同的部分不再赘述，不同的是，出波通道3整体上移，使导波介质2的顶部上移到了直反射壁1内侧的顶部，出波通道3的底部也对应地上移了一定的位置；出波通道3变成了主要位于直反射壁1内侧与斜反射壁5内侧之间。

对应于图6所示的实腔式面聚焦导波器，图7提供了一种与其等效的空腔式面聚焦导波器，如前述，是将图6中的虚线所示的导波介质部分去除了，将图6所示的实腔式面聚焦导波器的内部掏空，形成的图7所示的空腔式面聚焦导波器的结构与图5的结构相同，在此不予赘述。

请再参阅图8，为另一种实腔式面聚焦导波器，其结构与图6相同的部分不再赘述，不同的是，导波介质2的位置翻转了180度，而且下凹式入射面变成了水平入射面。

对应于图8所示的实腔式面聚焦导波器，图9提供了一种与其等效的空腔式面聚焦导波器，是将图8中的虚线所示的导波介质部分去除了，将图8所示的实腔式面聚焦导波器的内部掏空，形成的空腔式面聚焦导波器的结构与图5的结构基本相同，唯一区别是：阶梯型导波结构体6的每个导波三棱柱的顶面即第二边所在的面由倾斜平面变成了水平面。

请再参阅图10和图11，为另一种实腔式面聚焦导波器，其结构与图6相同的部分不再赘述，不同的是，由靠近入口的两处导波介质2组成下凹式入射面，而出波通道3位于两处导波介质2之间的下方位置。图10显示了典型电磁波的汇聚导波的路径。

对应于图10或图11所示的实腔式面聚焦导波器，图12提供了一种与其等效的空腔式面聚焦导波器，是如图11中的虚线所示将图10或图11所示的实腔式面聚焦导波器的内部掏空，形成的空腔式面聚焦导波器的结构与图5或图7相同，在此不予赘述。图12显示了典型电磁波的汇聚导波的路径。

请再参阅图13，为另一种实腔式面聚焦导波器，出波通道3区域中设有实腔式导波结构的导波介质2，其结构与之前的实施例相比，主要区别是设有两个相对的斜反射壁5。图13显示了典型电磁波的汇聚导波的路径。

对应于图13所示的实腔式面聚焦导波器，图14提供了一种与其等效的空腔式面聚焦导波器，是如图13中的虚线所示将实腔式面聚焦导波器的内部掏空，形成的空腔式面聚焦导波器保留有两个相对的斜反射壁5，并在两个斜反射壁5的内侧均形成有阶梯型导波结构体6。在本实施例中，所述阶梯型导波结构体6的每个导波三棱柱的顶面即第二边所在的面是水平面，与图13中所示的水平入射面相对应。

请再参阅图15，为另一种实腔式面聚焦导波器，出波通道3区域中设有实腔式导波结构的导波介质2，其结构与图13所示的实施例相比，主要区别是具有下凹式入射面。

对应于图15所示的实腔式面聚焦导波器，图16提供了一种与其等效的空腔式面聚焦导波器，是如图15中的虚线所示将实腔式面聚焦导波器的内部掏空，形成的空腔式面聚焦导波器与图14相比，所述阶梯型导波结构体6的每个导波三棱柱的顶面即第二边所在的面是向内、向出口方向倾斜的，与图15中所示的下凹式入射面相对应；此外，在每一个斜反射壁5与其内侧的阶梯型导波结构体6之间设有一层透波平板式衬板7。

请再参阅图17，为另一种实腔式面聚焦导波器，其结构与图15所示的实施例相比，主要区别是：由靠近入口的两处导波介质2组成下凹式入射面，而出波通道3位于两处导波介质2之间。

对应于图17所示的实腔式面聚焦导波器，图18提供了一种与其等效的空腔式面聚焦导波器，其是如图17中的虚线所示将实腔式面聚焦导波器的内部掏空，形成的空腔式面聚焦导波器与图16所示结构相同，在此不予赘述。

图19为直反射壁型实腔式面聚焦导波器与斜向直反射壁的实腔式面聚焦导波器在同一侧进行侧向并联而组合构成的组合实腔式面聚焦导波器。左侧的实腔式面聚焦导波器具有直反射壁1与斜反射壁及它们之间的导波介质2；右侧的实腔式面聚焦导波器虽也为相同或相似的实腔式面聚焦导波器结构，但两个直反射壁型实腔式面聚焦导波器之间相邻的壁即中间斜向壁具有双重作用，该中间斜向壁的左侧反射面是左侧实腔式面聚焦导波器的斜反射壁的反射面，该中间斜向壁的右侧反射面又是右侧实腔式面聚焦导波器的直反射壁的反射面。图19表明，此中间斜向壁右侧的直反射壁与一般直反射壁又不同，为斜向，称之为斜向直反射壁8。

图20提供了一种空腔式面聚焦导波器，与图19所示的组合实腔式面聚焦导波器进行等效，其保留了直反射壁1、斜向直反射壁8以及斜反射壁5，直反射壁1与斜向直反射壁8之间为空腔体，斜向直反射壁8与斜反射壁5之间也为空腔体。所述斜向直反射壁8朝向直反射壁1的一侧设有阶梯型导波结构体6，所述斜反射壁5的内侧也设有阶梯型导波结构体6。所述直反射壁1的内侧未设置阶梯型导波结构体，所述斜向直反射壁8朝向斜反射壁5的一侧也未设置阶梯型导波结构体，都只是反射面功能，都不具有汇聚导波功能。图20为与图19所示的侧向并联组合的实腔式面聚焦导波器对应的侧向并联组合的结构型等效的空腔式面聚焦导波器。

因此，将前述的经典菲涅尔等效导波器对经典凸透镜的结构型等效原理与方法移植与转用于实腔式面聚焦导波器(广义凸透镜)的结构型等效过程中，去除实腔式面聚焦导波器的斜反射壁内侧的上方区域或斜反射壁内侧的上方区域和出波通道区域的上方区域的内含平行平板，不影响电磁波的导波方向；再去除孤悬的没有实质性汇聚导波功能作用的出波通道区域或出波通道区域和出波通道区域的上方区域的实腔式导波介质，将实腔式面聚焦导波器的内部掏空，使实腔式面聚焦导波器转变为空腔式面聚焦导波器，形成结构型等效的空腔式面聚焦导波器(结构型等效的广义菲涅尔导波器)。

所述的结构型等效的空腔式面聚焦导波器，其特征是具有围成入口大、出口小的空腔体的数个反射壁，所述反射壁的内侧面为反射面，所述数个反射壁的至少其一是斜反射壁，在斜反射壁内侧形成有阶梯型导波结构体，所述阶梯型导波结构体具有多个依次排列的导波三棱柱；

所述的空腔式面聚焦导波器，其中：每个所述导波三棱柱的顶面即第二边所在的面为水平面，或者为向内、向出口方向的倾斜面。

前述所有实施例中，空腔式面聚焦导波器的直反射壁1的内侧(包括斜向直反射壁8朝向斜反射壁5的一侧)主要起反射功能，进而，如果在直反射壁内侧增设阶梯型导波结构体6，不仅保留反射功能，则还具有了明显新增的汇聚导波功能，则将前述实施例中的结构型等效的空腔式面聚焦导波器转变为结构型升效的空腔式面聚焦导波器(结构型升效的广义菲涅尔导波器)。

如图21所示，就是在对应于图3或图5所示的空腔式面聚焦导波器的基础上，在直反射壁1内侧增设阶梯型导波结构体6，明显增多了阶梯型导波结构体的量，因此可以显著提升该空腔式面聚焦导波器的汇聚导波功能。

图22为与图21对应的结构型升效的空腔式面聚焦导波器的俯视示意图。

图23为两个图22所示的结构型升效的空腔式面聚焦导波器的并联组合的结构型升效的空腔式面聚焦导波器的俯视示意图。

图24为图23所示的并联组合的结构型升效的空腔式面聚焦导波器的竖向剖视图。另外，图24也可以看作为具有两个斜反射壁5以及位于两个斜反射壁5之间的中置直反射壁9，在两个斜反射壁5的内侧以及中置直反射壁9的两侧都设有阶梯型导波结构体6，以提升汇聚导波功能。其中，中置直反射壁9及其两侧的阶梯型导波结构体6的高度等于两侧的空腔式面聚焦导波器的面焦距高度(称之为全面焦距高度的直反射壁)。另外，图24也可以看作为两个直反射壁的空腔式面聚焦导波器，以直反射壁进行背靠背的并联组合，形成背靠背的并联组合的空腔式面聚焦导波器。

图25所示的斜入射面的并联组合的结构型升效的空腔式面聚焦导波器的结构，与图24所示的水平入射面的并联组合的结构型升效的空腔式面聚焦导波器的结构相似，主要变化的是：中置直反射壁9及其两侧的阶梯型导波结构体6的高度小于两侧的空腔式面聚焦导波器的面焦距高度(称之为部分面焦距高度的直反射壁)。根据实腔式面聚焦导波器的面焦距或汇聚高度的公式推导与分析得知，面焦距或汇聚高度与漏斗型空腔式腔体的出入口尺寸、导波介质2的折射率、斜反射壁5的斜度等参数有关。出口越大，面焦距或汇聚高度越大，对汇聚导波有利。因此，必要时可适度地去除或省除中置直反射壁9及其的两侧的阶梯型导波结构体6的下端部分，不仅减少材料用量，更重要的是可以增大两侧的升效型空腔式面聚焦导波器的出口尺寸，可以提高两侧的升效型空腔式面聚焦导波器的面聚焦即汇聚导波效果，如前述的提高汇聚比、或增大汇聚高度、或增大汇聚面积等。

相比原来的结构型等效的空腔式面聚焦导波器，增加了直反射壁内侧的阶梯型导波结构体6，而构成结构型升效的空腔式面聚焦导波器，可明显提高汇聚导波效果，包括增大汇聚面积或提高汇聚高度或提高汇聚比(出入口的电磁波总量比)。

请继续参阅图26所示，是图20所示的并联组合的结构型等效的空腔式面聚焦导波器的结构型升效的并联组合的空腔式面聚焦导波器的结构，通过在所述斜向直反射壁8朝向斜反射壁5的一侧增加阶梯型导波结构体6，并去除所述斜向直反射壁8及其两侧阶梯型导波结构体6的下端部分，还在直反射壁1的内侧增设了阶梯型导波结构体6，能够明显提高汇聚导波效果。

图27为对应于图26所示的并联组合的结构型升效的空腔式面聚焦导波器的结构，其与图26相比，改动为在各阶梯型导波结构体6的底侧都有透波平板式衬板7。

图28所示的并联组合的空腔式面聚焦导波器的结构，与图26或图27所示的空腔式面聚焦导波器的结构相比，相当于延长了右侧的斜反射壁5及其内侧的阶梯型导波结构体6的长度，即延长了右侧的等效汇聚结构层的长度，使空腔式面聚焦导波器的组合入射面由图26或图27所示的折型组合式入射面转变成为整体水平的平面型组合式入射面。整体平面型组合式入射面，有利于形成更加规则的结构，也有利于作为组合串联或并联组合结构中的任何一层中的结构。相反，折型入射面或组合折型入射面，则有这方面的局限性。

一方面，图28中的组合结构型空腔式面聚焦导波器与图26或图27中的组合结构型空腔式面聚焦导波器相比，左侧的结构型升效的空腔式面聚焦导波器相同，都为直反射壁型升效的空腔式面聚焦导波器；右侧的导波器，在升效导波器的基础上相当于延伸了其右外侧的斜反射壁5及其内侧的阶梯型导波结构体6，使该右外侧的斜反射壁5转变为延长型斜反射壁7，从而使右侧的导波器成为结构型升效与等效的混合结构的空腔式面聚焦导波器。也使图28所示的整个并联组合的空腔式面聚焦导波器转变为结构型升效与等效的混合结构的空腔式面聚焦导波器。由于内空漏斗型腔体结构的组合导波器的结构中有升效结构，延长型斜反射壁及其内侧的阶梯型导波结构体的结构不会引起汇聚损失。反之，由于结构型等效的空腔式面聚焦导波器中没有升效结构(即斜向直反射壁8内侧没有增设阶梯型导波结构体6)，延长斜反射壁及其内侧阶梯型导波结构体则可能会引起汇聚损失。由于右侧的空腔式面聚焦导波器结构中的斜向直反射壁8内侧有升效结构即增设的阶梯型导波结构体6，对应地延长右外侧的斜反射壁及其内侧的阶梯型导波结构体，不会引起汇聚损失，且有利的是可使整个组合导波器的组合入射面为整体的组合平面，组合导波器的结构更加规则。入射面为整体的平面或组合平面的结构型升效或等效导波器，可方便地被作为串联组合或混合组合分方式的组合导波器结构中的各级导波器结构。反之，折型组合入射面的组合结构型升效或等效导波器，只能作为串联组合或混合组合的导波器结构中的首级结构，难以作为末级结构或中间的各级结构。因此，入射面为水平的平面或组合平面的组合升效或等效导波器，也有其特有的优势与实用性。

另一方面，图28中的组合结构型升效的空腔式面聚焦导波器，左右两侧的空腔式面聚焦导波器都是具有结构型升效功能的空腔式面聚焦导波器。左侧为直反射壁的结构型升效功能的空腔式面聚焦导波器，右侧也可以看作是斜反射壁的结构型升效功能的空腔式面聚焦导波器。

图28或图27或图26中的组合结构型升效的空腔式面聚焦导波器与图21所示的结构型升效的空腔式面聚焦导波器相比表明，直反射壁的结构型升效的空腔式面聚焦导波器的侧向并联组合，与在直反射壁的结构型升效的空腔式面聚焦导波器的腔体中增设斜反射壁5两侧的升效功能的阶梯型导波结构体6，可以实现相同或相近的升效结构与功能；并且，都可以得到水平组合入射面的组合导波器。这也进一步表明，结构型升效或等效的空腔式面聚焦导波器的设置方法可以多样化，其结构也可以多样化；并且，不同的结构型升效方法可以实现相同或相似的目标的导波器。

另外，在图23-28中，漏斗型空腔式腔体中可以看作是都有直反射壁1或斜向直反射壁8，又可以看作是在原导波器腔体中还增设了中置直反射壁9或斜反射壁5及其两侧的阶梯型导波结构体6的结构型升效的空腔式面聚焦导波器。如上述图28的情况，该组合升效导波器既可以看作是在直反射壁1型升效导波器腔体中还增设了斜向直反射壁8及其两侧的有升效汇聚导波作用的阶梯型导波结构体6的进一步升效的空腔式面聚焦导波器，又可以看作是在直反射壁1型升效导波器腔体中还增设了斜反射壁5及其两侧的有升效汇聚导波作用的阶梯型导波结构体6的进一步升效的结构型升效的空腔式面聚焦导波器。

图29所示为两个对应于图28所示的升效与等效的混合结构的空腔式面聚焦导波器进行对称式并联组合(镜像式或左右式并联组合)，构成更大的组合导波器(或升效与等效的混合结构型面聚焦导波器)。该组合结构中，既有全面焦距高度的垂直的两个直反射壁1及其内侧(或中置直反射壁9及其两侧)的有升效汇聚导波作用的阶梯型导波结构体6，也有部分面焦距高度的两个斜向直反射壁8及其内侧的有升效汇聚导波作用的阶梯型导波结构体6。通过导波器的对称组合，显著增大了面聚焦汇聚的面积或角度范围。

图30的上部为图29所示的对称并联组合的升效与等效的混合结构型空腔式面聚焦导波器，与下方(下游)的对应于图25所示的组合空腔式面聚焦导波器进行串联组合，构成并联与串联的混合组合式组合结构的、更高汇聚效果的升效与等效的混合结构的空腔式面聚焦面聚焦导波器。二层的并联与串联的混合组合式的组合，构成了较大汇聚比(出入口电磁波总量的比值)的、较大规模的结构型升效与等效的混合组合结构的空腔式面聚焦导波器或固定式混合组合结构的空腔式面聚焦导波器；也体现了面聚焦的升效导波器或面聚焦的等效导波器或面聚焦的升效与等效的混合结构的组合结构型导波器易于并联或串联组合、易于形成规模化聚光或聚集电磁波的特点与优势。

另外，图23至图30中，直反射壁1与其内侧的阶梯型导波结构体6构成直反射壁型升效结构层，斜向直反射壁8与其内侧的阶梯型导波结构体6构成斜向直反射壁型升效结构层，中置直反射壁9与其两侧的阶梯型导波结构体6构成中置直反射壁型升效结构层，斜反射壁5与其两侧的阶梯型导波结构体6构成斜反射壁型升效结构层。漏斗型腔体中的部分面焦距高度的中置直反射壁型升效结构层或部分面焦距高度的斜向直反射壁型升效结构层，扩大了中置直反射壁9两侧的出口尺寸或斜向直反射壁8两侧的出口尺寸，不仅减少材料用量，更有利于整个结构型升效与等效的混合结构的组合空腔式面聚焦导波器提高汇聚效果，如前述的提高汇聚比，或增大汇聚高度，或增大汇聚面积等。总体上，图23至图28中，既有全面焦距高度的直反射壁型或中置直反射壁型或斜向直反射壁型升效结构层，也有部分面焦距高度的直反射壁型或中置直反射壁型或斜向直反射壁型升效结构层，还有全面焦距高度或部分面焦距高度的斜反射壁型升效结构层。通过并联与串联的混合组合式组合，显著增大汇聚面积、汇聚角度范围、汇聚比与汇聚密度，有利于获得大总量规模、高密度的电磁波资源。上述也表明，在结构原理上，部分面焦距高度或全面焦距高度的斜向直反射壁型升效结构层，与部分面焦距高度或全面焦距高度的斜反射壁型升效结构层，具有相同或相近的升效结构与升效功能，是通过两种设置方法得到的同样或相近的升效结构与升效功能。

上述所有实施例中的导波器，其各种导波介质结构区域或导波介质结构部分或导波介质结构部件，都可用多种折射型导波介质材料即透波介质制造，如利用气态或液态或固态等透波导波介质材料进行制造。常见折射型透波(导波)介质材料主要为固态或流体态导波介质材料。固态介质导波材料包括无机玻璃、有机玻璃、光学塑料或树脂等，光学塑料或树脂如亚克力塑料(亚克力树脂)、PC塑料(PC树脂)、氟塑料(氟树脂)、光学聚酯等。流体态导波介质材料包括无机流体、有机流体及有机物与无机物的混合流体，如水、含有机物或无机物或无机物与有机物溶质的水即水溶液或其他溶液、乙醇(酒精)、油性液体等。一般各种电磁波有其透波(导波)效果较好的一些导波介质材料。

上述的各种反射壁的反射面也可以用多种反射型表面材料制造。反射面材料为反射膜型材料或反射涂层型材料或反射板型材料或具有反射型表面的金属等，如用于自然光照明的导光筒内壁的反光膜或反光板等反射面材料。因此反射面为包括反射型膜、反射型层、反射型板、镜面、反射型金属表面等类型的反射型表面在内的反射面。各个反射壁的内侧面或两侧面为反射面。

上述所有实施例中，所述阶梯型导波介质结构体，应当满足结构型等效导波器或原实腔式面聚焦导波器的结构角度关系特征，使其具有等效或升效汇聚功能。具体来说，结合图3所示，阶梯型导波结构体6的每个导波三棱柱的三角形截面都具有平行于所在反射壁的第一边、相对靠近入口的第二边以及相对远离入口的第三边，称与第一边、第二边以及第三边分别相对的角为第一角、第二角以及第三角，则：

第一角大于所述阶梯型导波结构体6的全反射临界角；

第二角小于所述阶梯型导波结构体6的全反射临界角的一半；

第三角大于所述阶梯型导波结构体6的全反射临界角。

将前述的经典菲涅尔等效导波器对经典凸透镜的结构型等效原理与方法移植与转用于实腔式面聚焦导波器(广义凸透镜)的结构型等效过程中，去除实腔式面聚焦导波器的斜反射壁内侧的上方区域或斜反射壁内侧的上方区域和出波通道区域的上方区域的内含平行平板，不影响电磁波的导波方向。去除实腔式面聚焦导波器中内含的平行平板后，出波通道区域或出波通道区域和出波通道区域的上方区域的实腔式导波介质，成为了孤悬在导波器腔体内部的实腔式导波介质，既不能发挥实质性汇聚或聚焦的导波功能作用，还产生如增加导波材料用量和引起导波损失等方面的不利影响，因此都可以去除，更有利于汇聚导波和节约导波介质材料等作用。如此，将实腔式面聚焦导波器的内部掏空，使实腔式面聚焦导波器转变为空腔式面聚焦导波器，形成了结构型等效的空腔式面聚焦导波器(结构型等效的广义菲涅尔导波器)。

在结构型等效的空腔式面聚焦导波器的腔体中，设置直反射壁型或斜向直反射壁型或中置直反射壁型或斜反射壁型升效结构层中的部分或全部类型的升效结构层，构成结构型升效或升效与等效的混合结构的空腔式面聚焦导波器(结构型广义菲涅尔导波器)。明显增多了空腔式面聚焦导波器中的阶梯型导波结构体的量，因此可以显著提升其汇聚导波功能。

上述表明，本实用新型具有简约、直观、易捷等优势，没有复杂等效过程或等效结构原理，尤其对于规则结构型面聚焦导波器如此。相对于原实腔式面聚焦导波器，结构型等效法保留和提升或强化了形状与结构规则性、易设计与制造、易实现并联和串联组合的大型化等优势，有利于降低设计和制造难度，降低成本。轻量化的规则结构，尤其有利于并联或串联或混合式组合，构成规模化或大型化的组合导波器及其导波器。结构型等效方法具有更加简约、直观、易捷等优势，为快速、易捷、简约的设计、制造与加工、应用等各个方面提供了有利条件，可显著降低成本和提高实用性。

本实用新型在一般情况下没有必要配置自动跟踪装置，可简化结构与降低成本。应设置为固定静置式全方位汇聚的导波器即固定式升效导波器，有利于设置、制造、安装与降成本。因此，一般情况下应作为固定式升效导波器。在自然光即阳光或散射光应用的场合，可以根据纬度，确定适宜的安装角度。固定式升效导波器获得的大规模、高密度的太阳光或其他电磁波资源，可以直接在汇聚现场进行应用；也可以通过电磁波传输通道(输波通道)传输到需要应用的位置或空间实施应用，包括加热、照明、照射、激发、辐射、光伏等。电磁波传输通道一般可以采用反射型内壁的管道型通道，如自然光照明中采用的导光筒或光导管等。另外，还可以对另一个或更多个导波器进行并联或串联的组合，导波器之间用传输通道(输波通道)联通或连接。

以上说明对本实用新型而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员理解，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可作出许多修改、变化或等效，但都将落入本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种空腔式面聚焦导波器，其特征是具有围成入口大、出口小的空腔体的数个反射壁，所述反射壁的内侧面为反射面，所述数个反射壁的至少其一是斜反射壁，在斜反射壁内侧形成有阶梯型导波结构体，所述阶梯型导波结构体具有多个依次排列的导波三棱柱；

每个导波三棱柱的三角形截面都具有平行于其所在反射壁的第一边、相对靠近入口的第二边以及相对远离入口的第三边，称与第一边、第二边以及第三边分别相对的角为第一角、第二角以及第三角，则：

第一角大于所述阶梯型导波结构体的全反射临界角；

第二角小于所述阶梯型导波结构体的全反射临界角的一半；

第三角大于所述阶梯型导波结构体的全反射临界角。

2.根据权利要求1所述的空腔式面聚焦导波器，其特征在于：每个所述导波三棱柱的第二边所在的面为水平面，或者为向内、向出口方向的倾斜面。

3.根据权利要求1所述的空腔式面聚焦导波器，其特征在于：所述数个反射壁包括相对的直反射壁与斜反射壁，在相对的直反射壁与斜反射壁之间还设有斜向直反射壁，所述斜向直反射壁的两侧面都为反射面，所述斜向直反射壁朝向直反射壁的一侧设有所述阶梯型导波结构体。

4.根据权利要求3所述的空腔式面聚焦导波器，其特征在于：两个所述空腔式面聚焦导波器以直反射壁形成背靠背的并联结构。

5.根据权利要求3或4所述的空腔式面聚焦导波器，其特征在于：所述斜向直反射壁朝向斜反射壁的一侧也设有所述阶梯型导波结构体。

6.根据权利要求5所述的空腔式面聚焦导波器，其特征在于：所述斜向直反射壁及其两侧的阶梯型导波结构体的下端高于直反射壁下端以及斜反射壁及其内侧的阶梯型导波结构体的下端。

7.根据权利要求3或4所述的空腔式面聚焦导波器，其特征在于：所述直反射壁的内侧也设有所述阶梯型导波结构体。

8.根据权利要求1所述的空腔式面聚焦导波器，其特征在于：所述数个反射壁包括两个相对的斜反射壁，所述斜反射壁的内侧均设有所述阶梯型导波结构体，两个相对的斜反射壁之间设有中置直反射壁，所述中置直反射壁的两侧面都为反射面，所述中置直反射壁的两侧均设有所述阶梯型导波结构体。

9.根据权利要求8所述的空腔式面聚焦导波器，其特征在于：所述中置直反射壁及其两侧的阶梯型导波结构体的下端高于两个相对的斜反射壁及其内侧的阶梯型导波结构体的下端。

10.根据权利要求1所述的空腔式面聚焦导波器，其特征在于：在阶梯型导波结构体与其所在反射壁之间形成一层透波平板式衬板。