TWI605279B - 光導管均質器 - Google Patents

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TWI605279B
TWI605279B TW102108546A TW102108546A TWI605279B TW I605279 B TWI605279 B TW I605279B TW 102108546 A TW102108546 A TW 102108546A TW 102108546 A TW102108546 A TW 102108546A TW I605279 B TWI605279 B TW I605279B
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湯瑪士 瑞查德 二世 荷芬德
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３Ｍ新設資產公司
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    • F21—LIGHTING
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Description

光導管均質器
可見光經由建築物之長距離傳送可使用大型有鏡面內襯之導管或較小的實心纖維，其利用全內反射。有鏡面內襯之導管包括以下優勢：大截面積及大數值孔徑(用較小集中度實現較大通量)、導致較低衰減及較長壽命之穩健且無障礙的傳播介質(亦即，空氣)，及每單位所傳送光通量之潛在較低重量。
本發明大體上係關於能夠在一光導管之截面積增加時針對在該光導管內傳播之光使光之截面通量均質化的光導管光均質器。詳言之，在一態樣中，本發明提供包括以下各項之一光導管均質器：一入口光導管，其具有一第一表面及安置在距該第一表面一入口光導管高度處之一對置第二表面；及一出口光導管，其與該第一表面鄰接且具有安置在距該第一表面一出口光導管高度處之一對置第三表面，該出口光導管高度大於該入口光導管高度。該光導管均質器進一步包括：一第一光轉向器，其在該第二表面與該第三表面之間形成一45度角；及一第二光轉向器，其平行於該第一光轉向器而安置，該第二光轉向器接觸該第一表面，且經定位使得自該入口光導管傳播至該出口光導管的一光束之自該第二光轉向器反射之一部分亦自該第一光轉向器反射。在另一態樣中，本發明提供包括該光導管均質器之一光分佈系統。
在另一態樣中，本發明提供一種光分佈系統，該光分佈系統包括一入口光導管，該入口光導管具有一第一表面及垂直於該第一表面之一入口光導管高度，該入口光導管能夠沿著平行於該第一表面之一第一傳播方向傳送一輸入光束。該光分佈系統進一步包括：一光提取器，其安置在該入口光導管中，該光提取器包含在距該第一表面一提取器導管高度處平行於該第一傳播方向而安置的一第二表面；及一反射性提取器表面，其經安置以將入射光導入一提取器導管中作為一經提取光束。該光分佈系統進一步包括一出口光導管，其與該第一表面鄰接且具有安置在距該第一表面一出口光導管高度處的一對置第三表面，該出口光導管高度大於該提取器導管高度，從而能夠沿著平行於該第一表面之該第一傳播方向傳送一輸出光束。該光分佈系統進一步包括：一第一光轉向器，其在該第二表面與該第三表面之間形成一45度角；及一第二光轉向器，其平行於該第一光轉向器而安置，該第二光轉向器接觸該第一表面，且經定位使得自該入口光導管傳播至該出口光導管的該輸入光束之一部分自該第二光轉向器反射且亦自該第一光轉向器反射。
上述概述並不意欲描述本發明之每一所揭示之實施例或每個實施。以下諸圖及詳細描述更特別地例示說明性實施例。
100‧‧‧光導管
100'‧‧‧光導管均質器
105‧‧‧入口光導管
106‧‧‧出口光導管
110‧‧‧第一表面
112‧‧‧反射內部
114‧‧‧第二表面
116‧‧‧反射內部
118‧‧‧第三表面
140‧‧‧輸入光束
142‧‧‧中心輸入光線
142a‧‧‧輸入光線
142b‧‧‧輸入光線
142c‧‧‧輸入光線
142d‧‧‧輸入光線
142e‧‧‧輸入光線
142f‧‧‧輸入光線
144‧‧‧第一邊界輸入光線
144a‧‧‧第一邊界輸入光線
144b‧‧‧第一邊界輸入光線
144c‧‧‧第一邊界輸入光線
146‧‧‧第二邊界輸入光線
146a‧‧‧第二邊界輸入光線
146b‧‧‧第二邊界輸入光線
146c‧‧‧第二邊界輸入光線
146d‧‧‧第二邊界輸入光線
146e‧‧‧第二邊界輸入光線
160‧‧‧輸出光束
162‧‧‧中心輸出光線
162a‧‧‧輸出光線
162b‧‧‧輸出光線
162c‧‧‧輸出光線
162d‧‧‧輸出光線
162e‧‧‧輸出光線
162f‧‧‧輸出光線
164‧‧‧第一邊界輸出光線
164a‧‧‧第一邊界輸出光線
164b‧‧‧第一邊界輸出光線
164c‧‧‧第一邊界輸出光線
166‧‧‧第二邊界輸出光線
166a‧‧‧第二邊界輸出光線
166b‧‧‧第二邊界輸出光線
166c‧‧‧第二邊界輸出光線
170‧‧‧陰影部分
175‧‧‧第一邊緣
177‧‧‧第二邊緣
178‧‧‧第一轉向器
180‧‧‧第三邊緣
181‧‧‧第四邊緣
182‧‧‧頂點
183‧‧‧第二轉向器
200‧‧‧光導管
205‧‧‧入口光導管
206‧‧‧出口光導管
207‧‧‧提取器導管
210‧‧‧第一表面
230‧‧‧輸入光束
232‧‧‧中心輸入光線
240‧‧‧經傳輸輸入光束
242‧‧‧經傳輸中心光線
250‧‧‧經提取光束
252‧‧‧中心經提取光線
260‧‧‧輸出光束
264‧‧‧第一邊界輸出光線
266‧‧‧第二邊界輸出光線
271‧‧‧第一拐角
272‧‧‧第一提取器邊緣
273‧‧‧第二提取器邊緣
274‧‧‧反射提取器表面
275‧‧‧第一邊緣
276‧‧‧第二提取器表面
277‧‧‧第二邊緣
278‧‧‧第一轉向器
279‧‧‧第二拐角
280‧‧‧第三邊緣
281‧‧‧第四邊緣
283‧‧‧第二轉向器
284‧‧‧第一邊界經傳輸輸入光線
285‧‧‧第二邊界經傳輸輸入光線
291‧‧‧第二邊界光線
292‧‧‧第一邊界光線
A‧‧‧第一等腰直角三角形/第一轉向器
B‧‧‧第二等腰直角三角形/第二轉向器
D‧‧‧光提取器
WA‧‧‧邊長
WB‧‧‧邊長
WD‧‧‧轉向器寬度
WI‧‧‧入口光導管高度/間距
WO‧‧‧出口光導管高度
△B‧‧‧均質器填充分率
△d‧‧‧轉向器填充分率
△x‧‧‧偏移距離
Φ‧‧‧夾角
θ‧‧‧準直半角
θi‧‧‧輸入準直半角
θo‧‧‧輸出準直半角
在本說明書全篇中參考隨附圖式，其中相同參考數字指定相同元件，且其中：圖1A展示光導管之截面示意圖；圖1B展示光導管均質器之截面示意圖；圖1C至圖1E展示光導管均質器內之代表性光線；圖2展示光導管均質器及提取器之截面示意圖；圖3A為展示光導管中之空間光分佈之實例的圖； 圖3B為展示圖3A之所選擇最佳參數之圖；及圖3C為展示最佳均質器填充分率對轉向器填充分率之圖。
諸圖未必按比例繪製。在諸圖使用之相同數字指代相同組件。然而，應理解，使用數字指代給定圖中之組件並不意欲限制另一圖中之以相同數字標記的組件。
本發明提供用於在有鏡面內襯之光導管中(詳言之，諸如在於光傳播方向上具有增加之截面導管面積之光導管中)使光均質化的新穎構造。本發明亦提供在導管中之光的一部分已自導管提取及/或轉向至旁導管之後用於光均質化之裝置。在一特定實施例中，均質器包括兩個直角等腰(與直角相對之兩個角均為45度)反射稜鏡，其相對於自轉向器(或提取器)反射稜鏡之光束傳播方向置放在下游。雙反射稜鏡系統使光線之經過轉向器之一部分的方位角旋轉180度，且保持相對於導管軸線之極角。由於經旋轉光及未經旋轉光，角非均質性在經過轉向器之光中得以改良。
在一特定實施例中，本發明處理在光導管中在導管之截面積在傳播方向上已增加之區域中之光分佈的均一性。截面積之增加可使在導管截面積上之光分佈變得不均一，且可能要求光沿著導管行進顯著距離以再次變得均一分佈。如本文中所揭示，光導管均質器可減小光貫穿導管再次變得均一分佈所必要的距離。
在一些情況下，可需要增加光導管截面以改良在更長距離上之光傳送，此係因為較少光反射隨著截面積增加而出現。在一些情況下，光導管截面積在行進穿過光導管之部分準直光之一部分已經提取且轉向至相交導管之區域中減小，且接著在經提取/轉向區域之後增加回原始導管截面積。光導管提取器可通常應用於以「T形」組態相交之矩形光導管，如例如在於2011年4月8日申請之題為「LIGHT DUCT TEE EXTRACTOR」(代理人檔案號碼67374US002)的同在申請中之美國專利申請案第61/473,220號中所描述，該申請案之全部揭示內容包括在本文中。
使用有鏡面內襯之光導管的建築採光可將陽光深入輸送至多層建築物之核心中。此等有鏡面內襯之光導管可藉由使用3M光學膜來獨特地啟用，該等3M光學膜包括鏡面反射膜，諸如可自3M公司購得之VikuitiTM增強型鏡面反射片(ESR)膜，其跨越光之可見光譜可具有大於98%的鏡面反射率。建築採光為一多組件系統，其包括用於收集陽光之裝置及用於在建築物內傳送及分佈陽光之光導管及提取器。使用陽光來進行內部照明之典型益處可包括用於辦公室照明之能量平均減少25%、歸因於所輸送之全譜光而改良的光品質，且通常令辦公室佔有者更愉悅。
在一特定實施例中，歸因於光產生之方法，注入光導管中之光為部分準直光。此部分準直光可通常描述為包括在於中心光傳播方向之準直半角θ內具有邊界光線的錐形內。在一些情況下，太陽輻射可經收集及集中以注入光導管中。在一些情況下，來自各種源之「人造光」可注入光導管中。此種「人造光」藉由任何已知技術產生，該技術諸如鹵素燈、弧光燈、發光二極體(LED)、白熾燈及其類似者。
相對良好準直之光可更有效地在用於傳送光之有鏡面內襯之導管系統中使用。舉例而言，在陽光經集中時，準直角將自陽光之輸入準直角增加約1/4度半角。一般而言，傳入光導管中之經集中光(諸如陽光)之準直半角θ應限於不大於約30度，或不大於約25度，或不大於約20度，或甚至不大於約15度。在一特定實施例中，準直半角θ可為約18.4度。追蹤太陽之準確度以及用於將光注入導管中之各種光學組件的準確度均可促成所得準直半角θ。
圖1A展示自入口光導管105至出口光導管106之截面積增加之光 導管100的截面示意圖。光導管100包括具有反射內部112之第一表面110及具有反射內部116之第二表面114。在導管自入口光導管105至出口光導管106加寬時，具有第一邊緣175及第二邊緣177之第一轉向器178連接第二表面114。在入口光導管105中，第二表面114安置在距第一表面110入口光導管高度WI處；在出口光導管106中，第二表面114安置在距第一表面110出口光導管高度WO處。
入口光導管105、出口光導管106及第一轉向器178可由通常用於建築管道系統之任何材料製造，該材料包括(例如)薄片金屬(諸如鋼)、鍍鋅薄片金屬、鋁、塑膠及其類似者。入口光導管105及出口光導管106之內部表面112、116均由具有高鏡面反射率之材料製成。高鏡面反射率可實現沿著可出現在建築光導管內之很遠距離的有效光傳送。在一些實施例中，高鏡面反射率可使用諸如(例如)高拋光金屬、金屬化聚合膜及介電多層反射體之材料來達成。在一特定實施例中，諸如可自3M公司購得之VikuitiTM增強型鏡面反射片(ESR)膜的多層光學膜可為特別用於層壓至導管表面上的較佳材料。在一特定實施例中，藉由使用諸如(例如)可自3M公司購得之VikuitiTM增強型鏡面反射片(ESR)膜之非常高效的鏡面，光導管可為最有效的。在一些情況下，ESR膜可容易地繞單一曲率(諸如在矩形截面光導管中常用的曲率)軸線彎曲。
具有中心輸入光線142、第一邊界輸入光線144及第二邊界輸入光線146之輸入光束140沿著入口光導管105傳播，其中中心輸入光線142亦界定經由入口光導管105之第一傳播方向。輸入光束140包括限定於中心輸入光線142之輸入準直半角θi內之光線錐形，且第一邊界輸入光線144及第二邊界輸入光線146界定輸入光束140之極端傳播方向。在輸入光束140通過第一轉向器178之第一邊緣175時，入口光導管寬度WI增加以變成出口光導管寬度WO，且輸入光束140變成輸出 光束160。輸出光束160包括沿著出口光導管106傳播之中心輸出光線162、第一邊界輸出光線164及第二邊界輸出光線166，其中中心輸出光線162亦界定經由出口光導管106之第二傳播方向。輸出光束160包括限定於中心輸出光線162之輸出準直半角θo內的光線錐形，且第一邊界輸出光線164及第二邊界輸出光線166界定輸出光束160之極端傳播方向。在一特定實施例中，輸入準直半角θi及輸出準直半角θo為相同的，但在一些情況下，其可為不同的。
第二輸入邊界光線146a至146e的代表性集合經展示以說明在光導管中之光分佈不均一性可出現的一方式。在輸入光束140通過擴展至出口光導管106中之第一轉向器178之第一邊緣175時，產生陰影部分170，其中無光線照射第二表面114。如熟習此項技術者將意識到，自此區域反射之任何光線的缺少引起在沿著光導管傳播之出口光導管106內之光通量分佈中的非均質性。此不均一通量分佈可沿著出口光導管106繼續顯著距離，且隨後影響自導管提取或轉向之光的分佈。
圖1B展示根據本發明之一態樣的在自入口光導管105至出口光導管106之截面積增加的光導管中之光導管均質器100'的截面示意圖。光導管均質器100'包括具有反射內部112之第一表面110及具有反射內部116之第二表面114。在導管自入口光導管105至出口光導管106加寬時，具有第一邊緣175及第二邊緣177之第一轉向器178將第二表面114連接至第三表面118。第一轉向器178可描述為如圖1B中所示之具有夾角φ及邊長WA之第一等腰直角三角形「A」的斜邊。在一特定實施例中，夾角φ可為45度。在入口光導管105中，第二表面114安置在距第一表面110入口光導管高度WI處；在出口光導管106中，第三表面118安置在距第一表面110出口光導管高度WO處。
具有與第一表面110接觸之第三邊緣180及第四邊緣181的第二轉向器183經安置，使得第一轉向器178與第二轉向器183彼此平行。第 二轉向器183可描述為如圖1B中所示之具有夾角φ及邊長WB之第二等腰直角三角形「B」的斜邊。儘管第二等腰直角三角形「B」展示為具有在自第一表面之垂直方向上自頂點182延伸至第四邊緣181之邊，但應理解，第四邊緣181可改為未附接至第一表面110。第二轉向器183經定位，使得自入口光導管105傳播至出口光導管106的輸入光束140之自第二轉向器183反射之一部分亦自第一轉向器178反射。在一特定實施例中，第二轉向器183之第四邊緣181係定位在距第一轉向器178之第二邊緣177偏移距離△x處，以如其他處所描述適應兩個反射。
入口光導管105、出口光導管106、第一轉向器178及第二轉向器183可由通常用於建築管道系統之任何材料製造，該材料包括(例如)薄片金屬(諸如鋼)、鍍鋅薄片金屬、鋁、塑膠及其類似者。入口光導管105及出口光導管106之內部表面112、116均由具有高鏡面反射率之材料製成。高鏡面反射率可實現沿著可出現在建築光導管內之很遠距離的有效光傳送。在一些實施例中，高鏡面反射率可使用諸如(例如)高拋光金屬、金屬化聚合膜及介電多層反射體之材料來達成。在一特定實施例中，諸如可自3M公司購得之VikuitiTM增強型鏡面反射片(ESR)膜的多層光學膜可為較佳材料。在一特定實施例中，藉由使用諸如(例如)可自3M公司購得之VikuitiTM增強型鏡面反射片(ESR)膜之非常高效的鏡面，光導管可為最有效的。在一些情況下，ESR膜可容易地繞單一曲率(諸如在矩形截面光導管中通用的曲率)軸線彎曲。
具有中心輸入光線142、第一邊界輸入光線144及第二邊界輸入光線146之輸入光束140沿著入口光導管105傳播，其中中心輸入光線142亦界定經由入口光導管105之第一傳播方向。輸入光束140包括限定於中心輸入光線142之輸入準直半角θi內的光線錐形，且第一邊界輸入光線144及第二邊界輸入光線146界定輸入光束140之極端傳播方 向。在輸入光束140通過第一轉向器178之第一邊緣175時，入口光導管寬度WI增加以變成出口光導管寬度WO，且輸入光束140變成輸出光束160。輸出光束160包括沿著出口光導管106傳播之中心輸出光線162、第一邊界輸出光線164及第二邊界輸出光線166，其中中心輸出光線162亦界定經由出口光導管106之第二傳播方向。輸出光束160包括限定於中心輸出光線162之輸出準直半角θo內的光線錐形，且第一邊界輸出光線164及第二邊界輸出光線166界定輸出光束160之極端傳播方向。在一特定實施例中，輸入準直半角θi及輸出準直半角θo為相同的，但在一些情況下，其可為不同的。
圖1C至圖1E展示根據本發明之一態樣之在光導管均質器100'內之代表性光線，且演示改良經加寬導管中之光分佈之均質性的技術。圖1C至圖1E中所示之元件105至183中之每一者對應於先前已描述之在圖1B中所示之經相同編號的元件。舉例而言，圖1C至圖1E中之第一表面110對應於圖1B中之第一表面110，等等。在圖1C中，展示一系列輸入光線142a至142f，其將沿著中心輸入光線142之傳播方向自入口光導管105行進至出口光導管106。輸入光線142a至142c形成輸入光束140之截取第二轉向器183之一部分，朝向第一轉向器178反射，且再一次反射以變成經由出口光導管106沿著中心輸出光線162之傳播方向行進的輸出光線162a至162c。輸入光線142d至142f形成輸入光束140之經由出口光導管106行進的一部分，從而變成沿著中心輸出光線162之傳播方向行進的輸出光線162d至162f。在輸入光線142a至142c及142d至142f傳至出口光導管106時，光導管均質器已翻轉輸入光線142a至142c及142d至142f在導管中的相對位置。
現轉至圖1D，展示一系列第一邊界輸入光線144a至144c，其將沿著第一邊界輸入光線144之傳播方向自入口光導管105行進至出口光導管106。第一邊界輸入光線144a至144c形成輸入光束140之截取第二 轉向器183之一部分，朝向第一轉向器178反射，且再一次反射以變成經由出口光導管106沿著第二邊界輸出光線166之傳播方向行進的第二邊界輸出光線166a至166c。第二等腰直角三角形「B」經定位，其中第三邊緣180使得在第三邊緣180處截取第二轉向器183之第一邊界輸入光線144a在第一邊緣175處朝向第一轉向器178反射，且導入出口光導管106中作為在準直半角θ內之第二邊界輸出光線166a，如別處所描述。
現轉至圖1E，展示第二邊界輸入光線146b至146c，其將沿著第二邊界輸入光線146之傳播方向自入口光導管105行進至出口光導管106。第二邊界輸入光線146b至146c形成輸入光束140之截取第二轉向器183之一部分，朝向第一轉向器178反射，且再一次反射以變成經由出口光導管106沿著第一邊界輸出光線164之傳播方向行進的第一邊界輸出光線164a至164c。第二等腰直角三角形「B」經定位，其中第四邊緣181使得在第四邊緣181處截取第二轉向器183之第二邊界輸入光線146c在第二邊緣177處朝向第一轉向器178反射，且導入在準直半角θ內之出口光導管106中，如別處所描述。
圖1B至圖1E中所示之雙反射組態用以翻轉光線之一部分相對於光導管之軸線之角。對於完美反射鏡面，此翻轉不改變光線相對於光導管之軸線之角的大小，其限制條件為某些設計約束得以滿足。雙反射系統使光線之一部分的方位角旋轉180度，且保持相對於導管軸線之極角。經旋轉光之該部分與如別處所描述之回填因子「△B」大致成比例。經旋轉光及未經旋轉光之淨效應為在所通過光中補救角非均質性。角分佈之調平程度可使用諸如TracePro 7.0.4(可自Lambda Research公司(Littleton，MA)購得)的光線追蹤軟體來估計及最佳化，如別處所示。
如針對圖1B中之實例所示之偏移距離△x經設定，使得入射在第 二直角三角形「B」中之第二轉向器183之第四邊緣181上的第二邊界輸入光線146c經反射至第一直角三角形「A」中之第一轉向器178的第二邊緣177，且隨後導入出口光導管106中作為第一邊界輸出光線164c。此確保在經注入光束準直半角內無光經反射離開出口光導管106之第三表面118。此設計約束可寫為：△x=(WO-WB)tan θ
期望第二直角三角形「B」中之第二轉向器183的第三邊緣180經安置而使得入射在第二轉向器183之第三邊緣180上的第二邊界輸入光線146a朝向第一直角三角形「A」中之第一轉向器178反射，且隨後導入出口光導管106中作為第一邊界輸出光線164a。此可確保不存在歸因於背面反射或在入射光束準直半角θ外部以高角度傳播之光的損失。此設計約束可寫為：
圖2展示根據本發明之一態樣的具有與將光束轉向至提取器導管207中之光提取器「D」一起使用的均質器之光導管200的截面示意圖。光提取器「D」包括反射提取器表面274及第二提取器表面276，第二提取器表面276在第一表面210與第二提取器表面276之間產生具有間距「WI」的經變窄入口光導管區域。圖2中所示之元件205至283中之每一者對應於先前已描述之在圖1B中所示之經相同編號的元件。舉例而言，圖2中之第一表面210對應於圖1B中之第一表面110，等等。在圖2中，光提取器「D」將輸入光束230之在中心輸入光線 232之傳播方向上經由入口光導管205傳播的一部分轉向為在中心經提取光線252之傳播方向上經由提取器導管207傳播的經提取光束250，如例如在題為「LIGHT DUCT TEE EXTRACTOR」(代理人檔案號碼67374US002)的同在申請中之美國專利申請案第61/473,220號中所描述。提取器導管207在與中心輸入光線232之傳播方向垂直的方向上延伸，使得經提取光束250之中心經提取光線252垂直於中心輸入光線232傳播，且提取器導管207在第一拐角271處與入口光導管205相交，且亦在第二拐角279處與出口光導管206相交。
光提取器「D」包括：反射提取器表面274，其具有在入口光導管205內之第一提取器邊緣272；及與提取器導管207接觸的第二提取器邊緣273。光提取器「D」可描述為具有鄰近於直角之兩條邊的等腰直角三角形，該兩條邊各自具有在第一提取器邊緣272與第一邊緣275之間(且亦在第一邊緣275與第二提取器邊緣273之間，如圖中所示)延伸之轉向器寬度「WD」。反射提取器表面274經定位而使得以與中心輸入光線232之準直半角θ傳播的第一邊界光線292在第一提取器邊緣272處截取反射提取器表面274，使得光線在在第一拐角271處反射至提取器導管207中。反射提取器表面274經進一步定位，使得以距中心輸入光線232之準直半角θ傳播的第二邊界光線291通過第一拐角271，且在第二提取器邊緣273處截取反射提取器表面274，使得光線反射至提取器導管207中。
光提取器「D」在入口光導管205內之存在在第一表面210與第二提取器表面276之間產生導管之具有高度WI之經變窄部分，使得輸入光束230之未轉向至提取器導管207中之部分作為經傳輸輸入光束240繼續經由經變窄導管部分朝向出口光導管206傳播。在經傳輸輸入光束240開始進入出口光導管206時，光束如別處所描述經均質化：一部分自第二轉向器「B」朝向第一轉向器「A」反射。在經傳輸中心光 線242之準直半角θ內傳播的第一邊界經傳輸輸入光線284在第三邊緣280處截取第二轉向器283，且朝向第一轉向器278之第一邊緣275反射，且在第二邊界輸出光線266之方向上傳輸至出口光導管206中。在經傳輸中心光線242之準直半角θ內傳播的第二邊界經傳輸輸入光線285在第四邊緣281處截取第二轉向器283，且朝向第一轉向器278之第二邊緣277反射，且在第一邊界輸出光線264之方向上傳輸至出口光導管206中。由於自第一轉向器283及第二轉向器278之反射，輸出光束260沿著出口光導管206比不包括轉向器之類似光導管200在較短距離中變得均質化。
實例
使用一模型來研究轉向器及均質器在類似於圖2中所示之提取器/轉向器導管之光傳送導管中的光學效能，且參考數字指代已參看彼圖描述之元件。所使用之模型包括3吋(7.62 cm)正方形入口、出口及提取器導管205、206、207(WO=3吋)。具有15度準直半角θ的朗伯(Lambertian)光在距第一拐角271 12吋(30.48cm)之位置處注入入口光導管205中。ESR膜用於所有表面上，從而導致鏡面反射係數97%及漫射朗伯反射係數2%。在出口光導管206中在定位在第二拐角279之右側12吋(30.48cm)的位置處及在提取器導管207中在定位在第一拐角271向下12吋(30.48cm)的位置處判定光之空間分佈(亦即，均一性)。
轉向器填充分率(△d=WA/WO)自0.2單元至0.8單元變化，且均質器填充分率(△B=WB/WI)根據轉向器填充分率值中之每一者自0單元(亦即，無均質器)至0.8單元變化，以產生一系列參數曲線。如熟習此項技術者所已知，使用以Matlab 7.12開發之定製軟體執行針對引出側端帽及向下側端帽之對來自TracePro 7.0.4之原始二元光線轉儲的後處理。
對一組針對轉向器填充分率之值及一組針對均質器回填分率之 值的張量積(tensor product)執行使用計算光線追蹤之參數研究。亦計算針對無均質器之情況的光線跡線。針對每一情況，計算且標繪引出端帽(穿過輻射)之經轉向且經傳遞之輻射及平均輻射的組合累積效率及損失。針對每一轉向器填充分率，藉由經計算輻射強度分佈之視覺檢驗而選擇在輸入光束截光角之上產生最佳均一性的均質器填充分率。針對提供對角分佈中藉由轉向器/提取器誘發之起伏之顯著調平的每一情況，找到最佳雙稜鏡均質器。
圖3A為展示針對轉向器填充分率△d=0.4之隨均質器填充分率而變的在光導管中之空間光分佈之實例的圖。自針對△B=0、0.2、0.4、0.5、0.6、0.7及0.8之各種參數曲線，選擇最佳值來表示在與導管軸線之角(對應於在準直半角θ內之角位置)之上的輻射強度的最小變化。
圖3B為展示所選擇最佳參數△B=0.4且亦展示針對圖3A之轉向器填充分率△d=0.4的無均質器(△B=0)之情況的圖。使用一系列此等最佳值來產生圖3C，其為展示最佳均質器填充分率對轉向器填充分率(標記為「E」)及存在最佳均質器之總累積損失(標記為「F」)及不存在最佳均質器之總累積損失(標記為「G」)的圖。尤其關心的為以下結果：針對△d0.2，最佳均質器之累積插入損失為小於10%，針對△d0.4，累積插入損失為小於5%，針對△d0.5，累積插入損失為小於2%，且針對△d0.6，累積插入損失為小於1%。
下文為本發明之實施例之清單。
項目1為一種光導管均質器，其包含：入口光導管，其具有第一表面及安置在距該第一表面一入口光導管高度處的對置第二表面；出口光導管，其與第一表面鄰接且具有安置在距第一表面一出口光導管高度處的對置第三表面，該出口光導管高度大於該入口光導管高度；第一光轉向器，其在第二表面與第三表面之間形成45度角；及第二光 轉向器，其平行於該第一光轉向器而安置，該第二光轉向器接觸第一表面，且經定位使得自入口光導管傳播至出口光導管的光束之自第二光轉向器反射之一部分亦自第一光轉向器反射。
項目2為項目1之光導管均質器，其中在平行於第一表面之傳播方向的準直半角θ內傳播的光束變成在出口光導管中在準直半角θ內傳播的輸出光束。
項目3為項目1或項目2之光導管均質器，其中入口光導管及出口光導管中之每一者分別包括第一矩形截面及第二矩形截面。
項目4為項目1至項目3之光導管均質器，其中該第一光轉向器及該第二光轉向器各自包含平面反射體。
項目5為項目1至項目4之光導管均質器，其中該第二光轉向器包含三角形反射體。
項目6為項目2至項目5之光導管均質器，其中準直半角θ在約0度與約30度之間。
項目7為項目2至項目5之光導管均質器，其中準直半角θ在約10度與約20度之間。
項目8為項目2至項目5之光導管均質器，其中準直半角θ為約18.4度。
項目9為包含項目1至項目8之光導管均質器的光分佈系統。
項目10為光分佈系統，其包含：入口光導管，其具有第一表面及垂直於第一表面之入口光導管高度，該入口光導管能夠沿著平行於第一表面之第一傳播方向傳送輸入光束；光提取器，其安置在入口光導管中，該光提取器包含在距第一表面一提取器導管高度處平行於第一傳播方向而安置的第二表面，及經安置以將入射光導入提取器導管中作為經提取光束的反射提取器表面；出口光導管，其與第一表面鄰接且具有安置在距第一表面一出口光導管高度處的對置第三表面，該 出口光導管高度大於該提取器導管高度，從而能夠沿著平行於第一表面之第一傳播方向傳送輸出光束；第一光轉向器，其在第二表面與第三表面之間形成45度角；及第二光轉向器，其平行於該第一光轉向器而安置，該第二光轉向器接觸該第一表面且經安置使得自入口光導管傳播至出口光導管之輸入光束之一部分自該第二光轉向器反射，且亦自該第一光轉向器反射。
項目11為項目10之光分佈系統，其中在第一傳播方向之準直半角θ內傳播的輸入光束分離以變成在出口光導管中在準直半角θ內傳播的輸出光束及經提取光束。
項目12為項目10或項目11之光分佈系統，其中入口光導管及出口光導管中之每一者分別包括第一矩形截面及第二矩形截面。
項目13為項目10至項目12之光分佈系統，其中該第一光轉向器及該第二光轉向器各自包含平面反射體。
項目14為項目10至項目13之光分佈系統，其中該第二光轉向器包含三角形反射體。
項目15為項目11至項目14之光分佈系統，其中準直半角θ在約0度與約30度之間。
項目16為項目11至項目14之光分佈系統，其中準直半角θ在約10度與約20度之間。
項目17為項目11至項目14之光分佈系統，其中準直半角θ為約18.4度。
除非另有指示，否則本說明書及申請專利範圍中所使用之所有表達特徵尺寸、量及物理性質之數字均應理解為由術語「約」修飾。因此，除非有相反指示，否則前述說明書及所附申請專利範圍中所陳述之數值參數為可視由熟習此項技術者利用本文中所揭示之教示來設法獲得之所要性質而變化的近似值。
除非本文中所引用之參照案及公開案可能與本發明直接抵觸，否則所有該等參照案及公開案在本發明中均以全文引用之方式明確地併入本文中。儘管本文中已說明且描述特定實施例，但一般熟習此項技術者將瞭解，在不脫離本發明之範疇的情況下，多種替代及/或等效實施可取代所展示及描述之特定實施例。本申請案意欲涵蓋本文中所論述之特定實施例之任何調適或變化。因此，希望本發明僅受申請專利範圍及其等效物限制。
100'‧‧‧光導管均質器
105‧‧‧入口光導管
106‧‧‧出口光導管
110‧‧‧第一表面
112‧‧‧反射內部
114‧‧‧第二表面
116‧‧‧反射內部
118‧‧‧第三表面
140‧‧‧輸入光束
142‧‧‧中心輸入光線
144‧‧‧第一邊界輸入光線
146‧‧‧第二邊界輸入光線
160‧‧‧輸出光束
162‧‧‧中心輸出光線
164‧‧‧第一邊界輸出光線
166‧‧‧第二邊界輸出光線
175‧‧‧第一邊緣
177‧‧‧第二邊緣
178‧‧‧第一轉向器
180‧‧‧第三邊緣
181‧‧‧第四邊緣
182‧‧‧頂點
183‧‧‧第二轉向器
A‧‧‧第一等腰直角三角形/第一轉向器
B‧‧‧第二等腰直角三角形/第二轉向器
WA‧‧‧邊長
WB‧‧‧邊長
WI‧‧‧入口光導管高度/間距
WO‧‧‧出口光導管高度
△x‧‧‧偏移距離
Φ‧‧‧夾角
θi‧‧‧輸入準直半角
θo‧‧‧輸出準直半角

Claims (17)

  1. 一種光導管均質器，其包含：一入口光導管，其具有一第一表面及安置在距該第一表面一入口光導管高度處之一對置第二表面；一出口光導管，其與該第一表面鄰接且具有安置在距該第一表面一出口光導管高度處之一對置第三表面，該出口光導管高度大於該入口光導管高度；一第一光轉向器，其在該第二表面與該第三表面之間形成一45度角；及一第二光轉向器，其平行於該第一光轉向器而安置，該第二光轉向器接觸該第一表面，且經定位使得自該入口光導管傳播至該出口光導管的一光束之自該第二光轉向器反射之一部分亦自該第一光轉向器反射，且其中該第二光轉向器自該第一表面之一垂直方向上延伸的一長度係少於該入口光導管高度。
  2. 如請求項1之光導管均質器，其中在平行於該第一表面之一傳播方向的一準直半角θ內傳播的該光束變成在該出口光導管中在該準直半角θ內傳播的一輸出光束。
  3. 如請求項1之光導管均質器，其中該入口光導管及該出口光導管中之每一者分別包括一第一矩形截面及一第二矩形截面。
  4. 如請求項1之光導管均質器，其中該第一光轉向器及該第二光轉向器各自包含一平面反射體。
  5. 如請求項1之光導管均質器，其中該第二光轉向器包含一三角形反射體。
  6. 如請求項2之光導管均質器，其中該準直半角θ在0度與30度之間。
  7. 如請求項2之光導管均質器，其中該準直半角θ在10度與20度之間。
  8. 如請求項2之光導管均質器，其中該準直半角θ為約18.4度。
  9. 一種光分佈系統，其包含如請求項1之光導管均質器。
  10. 一種光分佈系統，其包含：一入口光導管，其具有一第一表面及垂直於該第一表面之一入口光導管高度，該入口光導管能夠沿著平行於該第一表面之一第一傳播方向傳送一輸入光束；一光提取器，其安置在該入口光導管中，該光提取器包含在距該第一表面一提取器導管高度處平行於該第一傳播方向而安置的一第二表面，及經安置以將入射光導入一提取器導管中作為一經提取光束的一反射提取器表面；一出口光導管，其與該第一表面鄰接且具有安置在距該第一表面一出口光導管高度處的一對置第三表面，該出口光導管高度大於該提取器導管高度，從而能夠沿著平行於該第一表面之該第一傳播方向傳送一輸出光束；一第一光轉向器，其在該第二表面與該第三表面之間形成一45度角；及一第二光轉向器，其平行於該第一光轉向器而安置，該第二光轉向器接觸該第一表面，且經定位使得自該入口光導管傳播至該出口光導管的該輸入光束之一部分自該第二光轉向器反射，且亦自該第一光轉向器反射，且其中該第二光轉向器自該第一表面之一垂直方向上延伸的一長度係少於該入口光導管高度。
  11. 如請求項10之光分佈系統，其中在該第一傳播方向之一準直半角θ內傳播的該輸入光束分離以變成在該出口光導管中在該準直 半角θ內傳播的該輸出光束及該經提取光束。
  12. 如請求項10之光分佈系統，其中該入口光導管及該出口光導管中之每一者分別包括一第一矩形截面及一第二矩形截面。
  13. 如請求項10之光分佈系統，其中該第一光轉向器及該第二光轉向器各自包含一平面反射體。
  14. 如請求項10之光分佈系統，其中該第二光轉向器包含一三角形反射體。
  15. 如請求項11之光分佈系統，其中該準直半角θ在0度與30度之間。
  16. 如請求項11之光分佈系統，其中該準直半角θ在10度與20度之間。
  17. 如請求項11之光分佈系統，其中該準直半角θ為約18.4度。
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