TWI583123B - 頻譜分離裝置 - Google Patents

Description

頻譜分離裝置

本發明係關於一種頻譜分離裝置，特別是關於一種具有頻譜分離元件與導波及分光元件的頻譜分離裝置。

由於太陽光具有相當寬廣的頻譜，在太陽能的集中或使用上，除了單純產生電能之外，對太陽光的分光應用有越來越多的趨勢，例如分離出可見光可應用於綠色能源之直接照明，分離出紅外光以進行加熱、儲熱或取暖等應用。

然而習知的太陽光分光技術、裝置或系統之設置，多半依能量進行分光，偶有依照頻率分光者卻又體積龐大以致建置成本高，或是由於出射光與入射光共光軸而導致分光效率降低之缺點。

有鑒於此，本發明提出一種頻譜分離裝置，不但可以避免因為入射光波與出射光波共光軸所導致的效率降低；且因採用平板式架構，可使裝置厚度及體積縮小以減少設置成本；又能使不同頻率範圍的電磁波訊號自導波及分光元件之不同側面輸出，提升分離連續頻譜之光源的效率。本發明可應用於太陽能開 發，使能源使用效率提高；在促進開發綠色能源的同時，亦善盡拯救人類賴以維生的地球之責任。

本發明為頻譜分離裝置，其包括有一頻譜分離元件、一集光元件、以及一導波及分光元件，或是包括有一頻譜分離元件以及一導波及分光元件。藉由本發明之實施，可將不同頻率範圍的電磁波訊號自導波及分光元件之不同側面輸出，有效分離連續頻譜之光源；另一方面，元件平板化更可以使裝置厚度及體積縮小並減少整體設置成本。

本發明提供一種頻譜分離裝置，其包括有：一頻譜分離元件，其具有一入射面及與入射面相對之一出光面，出光面係相對於入射面傾斜一角度，頻譜分離元件將射入入射面之電磁波分離成一第一波束及一第二波束後自出光面射出；一集光元件，面對出光面設置，並分別反射第一波束及第二波束至第一聚焦區域及第二聚焦區域；以及一導波及分光元件，其係設置於包括第一聚焦區域及第二聚焦區域的位置之平板式導波體，並具有一入射面及與入射面相對設置之一微小結構，第一聚焦區域及第二聚焦區域係位於微小結構之相異位置，微小結構並將穿透入射面之第一波束及第二波束分別導引至導波及分光元件之第一射出面及第二射出面射出。

本發明又提供一種頻譜分離裝置，其包括有：一頻譜分離元件，其具有一入射面及與入射面相對之一出光面，出光面係相對於入射面傾斜一角度，頻譜分離元件將射入入射面之電 磁波分離成一第一波束及一第二波束後自出光面射出；一集光元件，面對出光面設置，並將穿透集光元件之第一波束及第二波束分別聚焦至第一聚焦區域及第二聚焦區域；以及一導波及分光元件，其係設置於包括第一聚焦區域及第二聚焦區域的位置之平板式導波體，具有一入射面及與入射面相對設置之一微小結構，第一聚焦區域及第二聚焦區域係位於微小結構之相異位置，微小結構並將穿透入射面之第一波束及第二波束分別導引至導波及分光元件之一第一射出面及一第二射出面射出。

本發明再提供一種頻譜分離裝置，其包括有：一頻譜分離元件，其具有含複數光相位變化結構之入光曲面，入光曲面將射入之電磁波反射分離成為一第一波束及一第二波束至一第一聚焦區域及一第二聚焦區域；以及一導波及分光元件，其係設置於包括第一聚焦區域及第二聚焦區域的位置之平板式導波體，具有一入射面及與入射面相對設置之一微小結構，第一聚焦區域及第二聚焦區域係位於微小結構之相異位置，微小結構並將穿透入射面之第一波束及第二波束分別導引至導波及分光元件之一第一射出面及一第二射出面射出。

本發明又再提供一種頻譜分離裝置，其包括有：一頻譜分離元件，其具有一曲面入射面及與曲面入射面相對之一出光面，曲面入射面之一基面與出光面係相傾斜一夾角，頻譜分離元件將射入曲面入射面之電磁波分離成一第一波束及一第二波束後自出光面射出至一第一聚焦區域及一第二聚焦區域；以及一導波及分光元件，其係設置於包括第一聚焦區域及第二聚焦區域的位置之平板式導波體，並具有一入射面及與入射面相對設置之一 微小結構，第一聚焦區域及第二聚焦區域係位於微小結構之相異位置，微小結構並將穿透入射面之第一波束及第二波束分別導引至導波及分光元件之一第一射出面及一第二射出面射出。

藉由本發明之實施，至少可以達到下列進步功效：

一、可避免因為入射光波與出射光波共光軸所導致的效率降低。

二、平板式架構，使裝置厚度及體積縮小並且減少設置成本。

三、不同頻率範圍的電磁波訊號自導波及分光元件之不同側面輸出，可提升分離連續頻譜之光源的效率。

四、單一頻譜分離裝置之導波及分光元件可以相互聯接，形成陣列式頻譜分離裝置，以擴大收光面積，並提升收光效率。

為使任何熟習相關技藝者了解本發明之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本發明相關之目的及優點，因此將在實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵以及優點。

100‧‧‧頻譜分離裝置

200‧‧‧頻譜分離裝置

300‧‧‧頻譜分離裝置

400‧‧‧頻譜分離裝置

800‧‧‧電磁波

810‧‧‧第一波束

820‧‧‧第二波束

Θ‧‧‧角度

10‧‧‧頻譜分離元件

10’‧‧‧頻譜分離元件

10”‧‧‧頻譜分離元件

11‧‧‧入射面

11’‧‧‧曲面入射面

12‧‧‧出光面

13‧‧‧光相位變化結構

15‧‧‧入光曲面

20‧‧‧集光元件

20’‧‧‧集光元件

30‧‧‧導波及分光元件

31‧‧‧第一射出面

32‧‧‧第二射出面

40‧‧‧第一聚焦區域

50‧‧‧第二聚焦區域

60‧‧‧微小結構

A‧‧‧側面

B‧‧‧入射面

401‧‧‧基面

第1圖係為本發明實施例之一種頻譜分離裝置之剖視示意圖。

第2圖係為本發明實施例之一種導波及分光元件之剖視示意圖。

第3圖係為本發明實施例之另一種頻譜分離裝置之剖視示意圖。

第4圖係為本發明實施例之又一種頻譜分離裝置之剖視示意 圖。

第5圖係為本發明實施例之再一種頻譜分離裝置之剖視示意圖。

第6A圖係為本發明實施例之一種自入射面上視的導波及分光元件之示意圖。

第6B圖係為本發明實施例之另一種自入射面上視的導波及分光元件之示意圖。

第6C圖係為本發明實施例之又一種自入射面上視的導波及分光元件之示意圖。

第6D圖係為本發明實施例之再一種自入射面上視的導波及分光元件之示意圖。

第6E圖係為本發明實施例之又再一種自入射面上視的導波及分光元件之示意圖。

第7圖係為本發明實施例之一種複數個頻譜分離裝置組合為頻譜分離模組之示意圖。

第8圖係為本發明實施例之另一種複數個頻譜分離裝置組合為頻譜分離模組之示意圖。

第9圖係為本發明實施例之又一種複數個頻譜分離裝置組合為頻譜分離模組之示意圖。

第10圖係為本發明實施例之再一種複數個頻譜分離裝置組合為頻譜分離模組之示意圖。

請參考如第1圖所示，為實施例之一種頻譜分離裝 置100，其包括有：一頻譜分離元件10；一集光元件20；以及一導波及分光元件30。

如第1圖所示，頻譜分離裝置100之頻譜分離元件10，具有一入射面11及與入射面11相對之一出光面12，且出光面12係相對於入射面11傾斜一角度Θ，頻譜分離元件10將射入入射面11之電磁波800分離成第一波束810及第二波束820後自出光面12射出，其中角度Θ係可以介於0度至90度之間。

如第1圖所示，集光元件20，係面對頻譜分離元件10之出光面12設置，並分別將第一波束810及第二波束820反射至第一聚焦區域40及第二聚焦區域50。

而所述之集光元件20係可以為一曲面反射鏡。

如第1圖及第2圖所示，頻譜分離裝置100之導波及分光元件30，係為設置於包括第一聚焦區域40及第二聚焦區域50的位置之平板式導波體。

導波及分光元件30並具有一入射面B及與入射面B相對設置之一微小結構60，其中第一聚焦區域40及第二聚焦區域50係位於微小結構60上之相異位置，微小結構60並將穿透入射面B之第一波束810及第二波束820分別導引至導波及分光元件30的第一射出面31及第二射出面32射出。

如第1圖及第2圖所示，就導波及分光元件30而言，第一射出面31及第二射出面32係分別為與入射面B相鄰之不同側面。另外，微小結構60係可以設置於導波及分光元件30之內，介於入射面B及其相對的表面之間，或是設置於與入射面B相對的表面上。

接著，請參考如第3圖所示，為實施例之一種頻譜分離裝置200，其包括有：一頻譜分離元件10；一集光元件20’；以及一導波及分光元件30。

如第3圖所示，頻譜分離裝置200之頻譜分離元件10與前述頻譜分離裝置100之頻譜分離元件10的技術特徵相同，於此不加贅述。

同樣如第3圖所示，頻譜分離裝置200之集光元件20’，則係面對頻譜分離元件10的出光面12設置，並將由出光面12出射且穿透集光元件20’之第一波束810及第二波束820分別聚焦至第一聚焦區域40及第二聚焦區域50。

所述之集光元件20’係可以為一雙凸透鏡或一平凸透鏡或一凹凸透鏡或複數透鏡之組合式聚焦系統。

如第3圖所示，頻譜分離裝置200之導波及分光元件30，則係與頻譜分離裝置100之導波及分光元件30相同，為一個設置於包括第一聚焦區域40及第二聚焦區域50的位置之平板式導波體。

導波及分光元件30並具有一入射面B及與入射面B相對設置之一微小結構60，其中第一聚焦區域40及第二聚焦區域50係位於微小結構60上之相異位置，微小結構60並將穿透入射面B之第一波束810及第二波束820分別導引至導波及分光元件30的第一射出面31及第二射出面32射出。

同樣的，如第3圖所示，就導波及分光元件30而言，第一射出面31及第二射出面32係分別為與入射面B相鄰之不同側面。

另外，微小結構60亦係可以設置於導波及分光元件30之內，介於入射面B及其相對的表面之間，或是設置於與入射面B相對的表面上。

接下來，請參考如第4圖所示，其為實施例之一種頻譜分離裝置300，其包括有：一頻譜分離元件10’；以及一導波及分光元件30。

如第4圖所示，頻譜分離裝置300之頻譜分離元件10’具有含複數光相位變化結構13之入光曲面15，入光曲面15並將射入之電磁波800反射分離成為第一波束810及第二波束820至第一聚焦區域40及第二聚焦區域50。

其中，光相位變化結構13可以為週期性微小刻痕結構、非週期性微小刻痕結構、週期性折射率變化結構或非週期性折射率變化結構，例如菲涅爾透鏡、光折變材料形成之折射率變化結構、全像片等。又，光相位變化結構13可與頻譜分離元件10’一體成型，或是以膜層的型式附著於頻譜分離元件10’的入光曲面15。

如第4圖所示，頻譜分離裝置300之導波及分光元件30，則亦是設置於包括第一聚焦區域40及第二聚焦區域50的位置之平板式導波體，並具有一入射面B及與入射面B相對設置之微小結構60。第一聚焦區域40及第二聚焦區域50係位於微小結構60上之相異位置，微小結構60並將穿透入射面B之第一波束810及第二波束820分別導引至導波及分光元件30之第一射出面31及第二射出面32射出。

請參考如第5圖所示，其為實施例之另一種頻譜分 離裝置400，其包括有：一頻譜分離元件10”；以及一導波及分光元件30。

如第5圖所示，頻譜分離裝置400之頻譜分離元件10”係具有一曲面入射面11’及與曲面入射面11’相對之一出光面12，頻譜分離元件10”之曲面入射面11’之一基面401與出光面12係相傾斜一夾角Θ，其中夾角Θ係可以介於0度至90度之間。

頻譜分離元件10”係將射入曲面入射面11’之電磁波800分離成第一波束810及第二波束820後，分別自出光面12射出至第一聚焦區域40及第二聚焦區域50。

所述之基面401為曲面入射面11’之中心點上與曲面入射面11’相切之平面。

而如第5圖所示，頻譜分離裝置400之導波及分光元件30，與前述頻譜分離裝置100、頻譜分離裝置200或頻譜分離裝置300之導波及分光元件30的技術特徵相同，於此不再贅述。

進一步如第6A圖至第6E圖所示，頻譜分離裝置100、頻譜分離裝置200、頻譜分離裝置300或頻譜分離裝置400之導波及分光元件30，係可以具有分別與導波及分光元件30的入射面B相鄰之至少三個側面A，且第一射出面31及第二射出面32分別為該些側面A之一。

如第6A圖至第6E圖所示，分別為各種形狀之平板式導波體的導波及分光元件30自入射面B之上視實施例圖。形成導波及分光元件30的平板式導波體，可以為三角形、四邊形、梯形、多邊形、幾何圖形，或是不規則之形狀。

再者，於實際應用時，可以選擇使第一波束810之 頻率大於一截止頻率，且第二波束820之頻率小於所述之截止頻率，而且其中對應於截止頻率之波長係可以選擇為介於700奈米~900奈米之間。

另外，頻譜分離裝置100、頻譜分離裝置200或頻譜分離裝置400之頻譜分離元件10或頻譜分離元件10”的入射面11或入射面11’或出光面12係可以具有複數光相位變化結構13。

光相位變化結構13可以為週期性微小刻痕結構、非週期性微小刻痕結構、週期性折射率變化結構或非週期性折射率變化結構，例如菲涅爾透鏡、光折變材料形成之折射率變化結構、全像片等。又，光相位變化結構13可與頻譜分離元件10或頻譜分離元件10”一體成型，或是以膜層的型式附著於頻譜分離元件10或頻譜分離元件10”的入射面11或入射面11’或出光面12。

總而言之，如第1圖至第6E圖所示，頻譜分離裝置100、頻譜分離裝置200、頻譜分離裝置300或頻譜分離裝置400都具有平板式導波體的導波及分光元件30，不但可以將射入的第一波束810及第二波束820分別自第一射出面31及第二射出面32的側面A射出，且因採用平板式架構，可使裝置厚度及體積縮小並且減少設置成本。此外，藉由使不同頻率範圍的電磁波訊號自導波及分光元件之不同側面輸出，可提升分離連續頻譜之光源的效率，並且避免因為入射光波與出射光波共光軸所導致的效率降低問題。

更有甚者，如第7圖至第10圖所示，可以組合複數個頻譜分離裝置100、頻譜分離裝置200、頻譜分離裝置300或頻譜分離裝置400，成為一種頻譜分離模組，於應用時大幅增加整體 之收光面積與側面出光量。

惟上述各實施例係用以說明本發明之特點，其目的在使熟習該技術者能瞭解本發明之內容並據以實施，而非限定本發明之專利範圍，故凡其他未脫離本發明所揭示之精神而完成之等效修飾或修改，仍應包含在以下所述之申請專利範圍中。

100‧‧‧頻譜分離裝置

10‧‧‧頻譜分離元件

11‧‧‧入射面

12‧‧‧出光面

Θ‧‧‧角度

800‧‧‧電磁波

810‧‧‧第一波束

820‧‧‧第二波束

20‧‧‧集光元件

30‧‧‧導波及分光元件

B‧‧‧入射面

31‧‧‧第一射出面

32‧‧‧第二射出面

40‧‧‧第一聚焦區域

50‧‧‧第二聚焦區域

60‧‧‧微小結構

Claims (10)

1. 一種頻譜分離裝置，其包括有：一頻譜分離元件，其具有一入射面及與該入射面相對之一出光面，該出光面係相對於該入射面傾斜一角度，該頻譜分離元件將射入該入射面之一電磁波分離成一第一波束及一第二波束後自該出光面射出；一集光元件，面對該出光面設置，並分別反射該第一波束及該第二波束至一第一聚焦區域及一第二聚焦區域；以及一導波及分光元件，其係設置於包括該第一聚焦區域及該第二聚焦區域的位置之平板式導波體，具有一入射面及與該入射面相對設置之一微小結構，該第一聚焦區域及該第二聚焦區域係位於該微小結構上之相異位置，該微小結構並將穿透該入射面之該第一波束及該第二波束分別導引至該導波及分光元件之一第一射出面及一第二射出面射出。
2. 如申請專利範圍第1項所述之頻譜分離裝置，其中該集光元件係為一曲面反射鏡。
3. 一種頻譜分離裝置，其包括有：一頻譜分離元件，其具有一入射面及與該入射面相對之一出光面，該出光面係相對於該入射面傾斜一角度，該頻譜分離元件將射入該入射面之一電磁波分離成一第一波束及一第二波束後自該出光面射出；一集光元件，面對該出光面設置，並將穿透該集光元件之該第一波束及該第二波束分別聚焦至一第一聚焦區域及一第二聚焦區域；以及 一導波及分光元件，其係設置於包括該第一聚焦區域及該第二聚焦區域的位置之平板式導波體，具有一入射面及與該入射面相對設置之一微小結構，該第一聚焦區域及該第二聚焦區域係位於該微小結構上之相異位置，該微小結構並將穿透該入射面之該第一波束及該第二波束分別導引至該導波及分光元件之一第一射出面及一第二射出面射出。
4. 如申請專利範圍第3項所述之頻譜分離裝置，其中該集光元件係為一雙凸透鏡或一平凸透鏡或一凹凸透鏡或一複數組合透鏡組。
5. 一種頻譜分離裝置，其包括有：一頻譜分離元件，其包括具有複數光相位變化結構之一入光曲面，該入光曲面將射入之一電磁波反射分離成為一第一波束及一第二波束至一第一聚焦區域及一第二聚焦區域；以及一導波及分光元件，其係設置於包括該第一聚焦區域及該第二聚焦區域的位置之平板式導波體，具有一入射面及與該入射面相對設置之一微小結構，該第一聚焦區域及該第二聚焦區域係位於該微小結構上之相異位置，該微小結構並將穿透該入射面之該第一波束及該第二波束分別導引至該導波及分光元件之一第一射出面及一第二射出面射出。
6. 一種頻譜分離裝置，其包括有：一頻譜分離元件，其具有一曲面入射面及與該曲面入射面相對之一出光面，該曲面入射面之一基面與該出光面係相傾斜一夾角，該頻譜分離元件將射入該曲面入射面之一電磁波 分離成一第一波束及一第二波束後自該出光面射出至一第一聚焦區域及一第二聚焦區域；以及一導波及分光元件，其係設置於包括該第一聚焦區域及該第二聚焦區域的位置之平板式導波體，具有一入射面及與該入射面相對設置之一微小結構，該第一聚焦區域及該第二聚焦區域係位於該微小結構之相異位置，該微小結構並將穿透該入射面之該第一波束及該第二波束分別導引至該導波及分光元件之一第一射出面及一第二射出面射出。
7. 如申請專利範圍第1項或第3項或第5項或第6項所述之頻譜分離裝置，其中該導波及分光元件係具有分別與該入射面相鄰之至少三個側面，且該第一射出面及該第二射出面分別為該些側面之一。
8. 如申請專利範圍第1項或第3項或第5項或第6項所述之頻譜分離裝置，其中該第一波束之頻率係大於一截止頻率且該第二波束之頻率係小於該截止頻率，又對應該截止頻率之波長係介於700~900奈米之間。
9. 如申請專利範圍第1項或第3項或第5項或第6項所述之頻譜分離裝置，其中複數個該頻譜分離裝置係相組合為一頻譜分離模組。
10. 如申請專利範圍第1項或第3項或第6項所述之頻譜分離裝置，其中該頻譜分離元件之該入射面或該出光面係具有複數光相位變化結構。