TWM521159U - 光能傳輸控制系統 - Google Patents

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TWM521159U TW104220958U TW104220958U TWM521159U TW M521159 U TWM521159 U TW M521159U TW 104220958 U TW104220958 U TW 104220958U TW 104220958 U TW104220958 U TW 104220958U TW M521159 U TWM521159 U TW M521159U
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Description

光能傳輸控制系統
本創作為一種與光能傳輸有關的技術，技術內容涉及：傳輸路徑(Conveyance path)、光能傳輸鏡片(Light energy conveyance lenses)、散射區(Scatter region)、以及散射程度(Scatter levels)；所述散射程度能通過雙向散射分佈函數模型來描述(In terms of Bidirectional Scatter Distribution Function models,BSDF models)，旨在解決光能傳導時由前向後能量遞減的問題，進而有效傳輸及分配傳輸路徑上的光能。
利用自然光來輔助照明是一種可以節省照明用電的方法之一，但自然光會因為建物的室內格局，例如：無法採光的建物地下室，或者隔間牆的阻隔，使得建物內的自然光採光設計受到諸多條件上的限制。因此，若能將採集到的自然光傳導到室內或其他需要照明的地方，將能夠有效提高自然光的利用率。
在與光能傳導相關的先前技術中，US4,246,477揭露了一種能夠收集太陽光，並且通過一傳輸通道將光能傳導分佈到建築物內的系統。其傳輸通道內對於光能的傳輸採用了聚焦透鏡(Focusing lenses)來收束光能，然後在傳輸通道上的特定位置設置反射鏡片，通過反射鏡片將光能反射到特定位置來提供照明。
US6,691,701及EP2385297 A1專利裡，揭露了以大的主反射鏡收集太陽光，再投射到次反射鏡，接著再利用可調節的平面反射鏡將光能導入建物內部，使光能可以被利用來作為照明。類似文獻諸如：建物日光照明系統(Sunportal,The most innovative building integrated daylighting system,brochure received on Sep.22,2011.)等，大致皆是類似原理。
上述各種先前技術固然可以將外部的光能傳輸到建物內，但最大的問題是，採集到的光能在傳輸通道上傳導的過程中，能量會不斷地損失和遞減。例如，傳輸通道上單一反射鏡片約有8%反射光提供給照明使用，初始100%的光能通過前方的鏡片後，在經過2片、3片、...第10片時，其傳輸能量依序遞減，約為原始能量的84%、77%、...43%，則經過各反射鏡反射出來提供照明的光能也越少。也就是說，光能在傳輸通道上傳輸的距離越遠、能量就越少，能夠提供的照明能力也越差。
上述光能傳輸過程中的能量損失和遞減是一種物理現象無法避免，因此US4,246,477的技術內容即包含了人工照明組件，以期能克服這個問題。理論上，人工光源所發出的光能強弱的確是可以精確控制的，但是控制人工光源時，必須配合傳輸通道上照明能力遞減的現象，才能讓光傳輸通道的前端與後端所釋放出來的自然光加上人工光源後，其照明亮度保持一致，如此一來，將使得整體照明系統的建置以及控制趨於複雜，實施上也相當困難。
本創作之目的在於提供一種光能傳輸控制系統，主要是利用複數片間隔排列的光能傳輸鏡片來界定出一由前向後傳輸光能的傳輸路徑，而且各光能傳輸鏡片所散射出的光能大小能夠加以控制，進而解決光能傳輸時由前向後能量遞減的問題，並且將光能均勻分配到整個傳輸路徑，或者在傳輸路徑上以不同比例分配光能，藉以解決光能傳輸時由前向後能量遞減的問題。
為達成上述光能分配之目的，本創作之光能傳輸控制系統，包含複數片間隔排列的光能傳輸鏡片，該複數片光能傳輸鏡片界定出一能供光能由前向後通行的傳輸路徑，其特徵在於：每一光能傳輸鏡片上設置有一能散射光能以提供照明的散射區，且所述各光能傳輸鏡片的散射區能依散射面積及/或散射程度 大小變化散射出不同大小的光能，散射區的散射面積及/或散射程度越小，散射出的光能越少，通過該光能傳輸鏡片傳輸到下一片光能傳輸鏡片的光能損失越少，反之亦然。
通過上述系統，由於各光能傳輸鏡片上散射區的散射面積大小能夠加以設定，而散射程度的大小亦能夠能通過雙向散射分佈函數模型(BSDF models)來描述，並且加以精確控制，因此能自由分配傳輸路徑上所散射出來的光能大小，進而將光能均勻分配到整個傳輸路徑，或者在傳輸路徑上以不同比例分配光能，解決光能傳輸時由前向後能量遞減的問題。
實施時，所述各光能傳輸鏡片上散射區所散射出來的光能大小，與散射區的面積大小及/或散射程度大小呈正相關(Positive correlation)。
實施時，相鄰的兩片光能傳輸鏡片之散射區中，接近光源的散射區散射面積小於遠離光源之散射區散射面積，或者接近光源的散射區散射程度小於遠離光源之散射區的散射程度。當傳輸路徑上的光能由前向後序通過各光能傳輸鏡片而逐漸減弱時，後方光能傳輸鏡片雖然接收較少的光能，但仍然能通過該後方光能傳輸鏡片上散射區較大的散射面積及/或散射程度來散射出幾近於前方光能傳輸鏡片等量的光能，藉此讓傳輸路徑上的光能能夠均勻地分配。
實施時，所述散射區的散射程度大小是以各光能傳輸鏡片散射區表面的不同平滑度(Smoothness)來定義，且所述該平滑度與散射程度為負相關。
實施時，各光能傳輸鏡片上的散射區，是分別在每一光能傳輸鏡片表面貼靠一具有散射能力的散射片(Scatter sheet)所構成。
實施時，所述之複數片光能傳輸鏡片是設置在一傳輸通道或一中空傳輸管內部的軸向空間內，使傳輸路徑上的光能被約束在該傳輸通道或中空傳輸管內部通行；所述傳輸通道或中空傳輸管上設置有至少一個供光能進入該軸向空間內的光源入 口。
實施時，該傳輸通道或中空傳輸管的全部或局部設為可透光的外壁，使散射區所散射出的光能，能夠通過該可透光的外壁折射到傳輸通道或中空傳輸管的外部而形成照明光。
實施時，可透光的外壁上設置有能夠散射出柔和照明光的光學結構。
實施時，該傳輸通道或中空傳輸管具有不透光的外壁，該外壁在相對於每一片光能傳輸鏡片的位置設置有一透光孔，每一光能傳輸鏡片上散射區所散射出的光能，能通過其相對應的透光孔來提供照明。
實施時，該光源入口的光能來源，包括有太陽光及/或人工光源。
相較於先前技術，本創作利用複數片間隔排列的光能傳輸鏡片來界定出一光能傳輸路徑，而且每一光能傳輸鏡片上設置有一能散射光能以提供照明的散射區，通過控制各散射區的散射面積及/或散射程度大小，能夠自由分配傳輸路徑上的光能，進而將光能均勻分配到整個傳輸路徑，或者在傳輸路徑上以不同比例分配光能，來解決光能傳輸時由前向後能量遞減的問題，具有極高的產業價值。
以下依據本創作之技術手段，列舉出適於本創作之實施方式，並配合圖式說明如後：
100‧‧‧中空傳輸管
101‧‧‧光源入口
102‧‧‧外壁
103‧‧‧光學結構
104‧‧‧透光孔
105‧‧‧照明裝置
10‧‧‧傳輸路徑
20、20a、20b、20c‧‧‧光能傳輸鏡片
21、21a、21b、21c‧‧‧散射區
22‧‧‧散射片
第一圖：本創作的系統架構示意圖。
第二圖：本創作利用複數片光能傳輸鏡片傳輸光能的示意圖。
第三圖：本創作光能傳輸鏡片及散射區的第一實施例圖。
第四圖：本創作光能傳輸鏡片及散射區的第二實施例圖。
第五圖：本創作光能傳輸鏡片及散射區的第三實施例圖。
第六圖：本創作光能傳輸鏡片及散射區的第四實施例圖。
第七圖：本創作光能傳輸鏡片及散射區的第五實施例圖。
第八圖：本創作光能傳輸鏡片及散射區的第六實施例圖。
第九圖：本創作光能傳輸鏡片及散射區的第七實施例圖。
第十圖：本創作中空傳輸管的實施例示意圖。
第十一圖：本創作中空傳輸管外壁的實施例示意圖。
第十二圖：本創作以人工光源提供光能的實施例示意圖。
如第一圖所示，本創作之光能傳輸控制系統，包括一能夠供光能通行的傳輸路徑10，該傳輸路徑10是由複數片間隔排列的光能傳輸鏡片20所界定，當光能由前向後依序通過各光能傳輸鏡片20時，即形成該傳輸路徑10。
實施時，所述複數片間隔排列的光能傳輸鏡片20是設置在一傳輸通道或中空傳輸管100內部的軸向空間內，使傳輸路徑10上的光能被約束在該傳輸通道或中空傳輸管100內部通行。第一圖是以一中空傳輸管100為例，而傳輸通道(圖未示)的設置則可以配合建物來實施，例如製作一U型長槽結合在室內天花板上，該U型長槽具有用來設置複數片光能傳輸鏡片20的軸向空間。
如圖所示，該傳輸通道或中空傳輸管100上設置有至少一個供光能進入到傳輸路徑10上的光源入口101；而各光能傳輸鏡片20實施時則分別為聚焦透鏡，通過各聚焦透鏡所構成的光能傳輸鏡片20，能夠將擴散的光能收束後再向後傳輸。因此，當光能由光源入口101進入傳輸通道或中空傳輸管100的軸向空間後，即能夠通過光能傳輸鏡片20在傳輸路徑10上由前向後傳輸。
本創作的特徵在於：每一光能傳輸鏡片20上設置有一能散射出光能以提供照明的散射區21，且所述各光能傳輸鏡片20的散射區21能依散射面積及/或散射程度大小變化散射出不同大小的光能，該散射區21的散射面積及/或散射程度越小，散射 出的光能越少，通過該光能傳輸鏡片傳輸到下一片光能傳輸鏡片的光能損失越少，反之亦然。
舉例而言，如第二圖到第五圖所示，當光能通過第一光能傳輸鏡片20a上的第一散射區21a，並且散射出一部份光能來提供照明後，傳輸到第二光能傳輸鏡片20b的光能就減弱。此時，假若第二光能傳輸鏡片20b上的第二散射區21b，其散射面積及/或散射程度與第一散射區21a相同，則第二散射區21b散射出的光能將會較弱，造成傳輸路徑10的照明能力由前向後遞減。
而本創作實施時，在散射程度不變的情形下，將第一散射區21a的散射面積設計為小於第二散射區21b的散射面積時，第二光能傳輸鏡片20b雖然接收較少的光能，但仍然能通過散射面積較大的第二散射區21b來散射出幾近於第一散射區21a等量的光能來提供照明；依此類推，當第三光能傳輸鏡片20c上的第三散射區21c散射面積大於第二散射區21b時，亦能散射出幾近於第二散射區21b等量的光能來提供照明，進而將光能均勻分配到整個傳輸路徑10。
當然，除了將光能均勻分配到整個傳輸路徑10以外，藉由上述散射面積的大小的控制，本創作亦能夠自由分配整個傳輸路徑10提供照明的光能。例如：第二散射區21b的散射面積遠大於第一散射區21a時，第二光能傳輸鏡片20b雖然接收較少的光能，但仍然能通過其散射面積遠大於第一散射區21a的第二散射區21b，來散射出比第一散射區21a更多的光能來提供照明。
須說明的是，上述散射程度能夠通過雙向散射分佈函數模型(BSDF models)來描述，第二圖到第五圖是以散射程度不變，並通過散射面積的大小來控制散射區所散射出的光能大小，且散射區21a、21b、21c的面積大小與散射出的光能大小為正相關。例如相鄰的第一光能傳輸鏡片20a的第一散射區21a與第二光能傳輸鏡片20b的第二散射區21b之間，第二散射區21b 的面積大於第一散射區21a，其散射程度亦大於第一散射區21a。
而本創作光能傳輸鏡片20上散射區21的另一種實施方式，如第六圖所示，是在散射區21面積不變的情形下，通過控制散射程度的大小來讓散射區21散射出不同大小的光能。散射程度大小的具體實施方式，較簡單的方式是利用散射區21表面的平滑度(Smoothness)來決定散射程度；在相同的面積下，散射區21平滑度越高，散射程度越小。同樣的，若相鄰的兩片光能傳輸鏡片20之散射區21的平滑度，接近光源的散射區21平滑度小於遠離光源的散射區21的平滑度時，即能夠讓傳輸路徑上的光能能夠均勻地分配。
除此之外，散射面積和通過雙向散射分佈函數模型來描述的散射程度，二者還能夠同時作為變數來計算出各散射區所散射出的光能大小。例如：前方傳輸鏡上的散射區與後方傳輸鏡上的散射區相比較，前方的散射面積較大，但散射程度較小，則同時以散射面積和散射程度大小比例加以計算，即可以計算出前後兩個散射區所散射出的光能大小，並藉此來自由分配傳輸路徑上的光能。
至於散射區21的設置方式，可以直接在各光能傳輸鏡片20成形時，在傳輸鏡片20表面一體設置不同面積或平滑度來分別形成散射區21，或者，如第七圖所示，可以先設置一具有散射能力散射片22後，將該散射片22貼靠在光能傳輸鏡片20的表面，使散射片22能夠在該光能傳輸鏡片20上形成散射區21。
如第八圖所示，所述光能傳輸鏡片20實施時，其外輪廓形狀不限於圓形，任何一種幾何形狀皆能實施。此外，散射區21亦不限於只能均勻分布在光能傳輸鏡片20的周圍，例如第九圖所示，散射區21中心點位於光能傳輸鏡片20中心偏上方的位置，使該光能傳輸鏡片20下方散射出來的光能較多，這樣的實施方式適合將傳輸路徑設置在室內的上方，並能夠向下散射出較多的光能來提供照明。
請再參閱第一圖，前述每一光能傳輸鏡片20上散射 區21散射出光能來提供照明的方式，可以將傳輸通道或中空傳輸管100的外壁102全部以可透光的材質實施，使散射區21所散射出的光能，能夠通過該可透光的外壁102折射到傳輸通道或中空傳輸管100的外部而讓整個傳輸通道或中空傳輸管100透出光能。
實施時，如第十圖所示，亦可以將傳輸通道或中空傳輸管100的外壁102局部以可透光的材質實施，讓光能傳輸鏡片20上散射區21散射出光能只能局部向外折射來提供照明。例如第十圖中，中空傳輸管100的外壁102，只有在下方透光。實施時，亦不排除外壁102在中空傳輸管100的軸向以間隔方式透光；至於外壁102局部不透光的部分，則可以利用反射或漫反射來減少光能的損失，並且讓光較為柔和。
如第十一圖所示，為了讓可透光外壁102折射出較柔和、均勻的光能，實施時該外壁102上可以進一步設置光學結構103，所述的光學結構103可以利用任何一種已知或未知的技術來達成，例如圖示中可以將光能向下折射的紋路。
如第十二圖所示，實施時，中空傳輸管100的外壁102設置為不透光材質，並且在相對於每一片光能傳輸鏡片20的位置設置一透光孔104，使每一光能傳輸鏡片20上散射區21所散射出的光能，能通過其相對應的透光孔104散射來提供作為照明。此外，中空傳輸管100的光源入口101可以視需要設置兩個或兩個以上，例如圖中所示的光源入口101為兩個，分別設置在中空傳輸管100的兩端。
再者，通過光源入口101進入中空傳輸管100內的光能來源，除了太陽光以外，亦可以由人工光源即照明裝置105來提供光能；實施時，太陽光及人工光源可以分別或同時提供光能。至於如何採集到更多的太陽光或照明裝置105的實施方式，則可以應用任何一種已知或未知的技術，因並非本創作的特點，故在此不另贅述。
以上說明及圖式所示，僅為舉例說明本創作之較佳 實施例，並非以此侷限本創作創作之範圍；舉凡與本創作之目的及特徵近似或相雷同者，均應屬本創作創作之申請專利範圍內。
10‧‧‧傳輸路徑
20a、20b、20c‧‧‧光能傳輸鏡片
21a、21b、21c‧‧‧散射區

Claims (10)

  1. 一種光能傳輸控制系統，包含複數片間隔排列的光能傳輸鏡片，該複數片光能傳輸鏡片界定出一能供光能由前向後通行的傳輸路徑，其特徵在於：每一光能傳輸鏡片上設置有一能散射光能以提供照明的散射區，且所述各光能傳輸鏡片的散射區能依散射面積及/或散射程度大小變化散射出不同大小的光能，散射區的散射面積及/或散射程度越小，散射出的光能越少，通過該光能傳輸鏡片傳輸到下一片光能傳輸鏡片的光能損失越少，反之亦然。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之光能傳輸控制系統，其中，所述各光能傳輸鏡片上散射區所散射出來的光能大小，與散射區的面積大小及/或散射程度大小呈正相關。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之光能傳輸控制系統，其中，相鄰的兩片光能傳輸鏡片之散射區中，接近光源的散射區散射面積小於遠離光源之散射區散射面積，或者接近光源的散射區散射程度小於遠離光源之散射區的散射程度，讓傳輸路徑上的光能能夠均勻分配。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之光能傳輸控制系統，其中，散射區的散射程度大小是以各光能傳輸鏡片散射區表面的不同平滑度來定義，且所述該平滑度與散射程度為負相關。
  5. 如申請專利範圍第1至4項中任一項所述之光能傳輸控制系統，其中，各光能傳輸鏡片上的散射區，分別是在每一光能傳輸鏡片表面貼靠一散射片所構成。
  6. 如申請專利範圍第1至4項中任一項所述之光能傳輸控制系統，其中，所述複數片光能傳輸鏡片是設置在一傳輸通道或一中空傳輸管內部的軸向空間內，使傳輸路徑上的光能被約束在該傳輸通道或中空傳輸管內部通行；所述傳輸通道或中空傳輸管上設置有至少一個供光能進入該軸向空間內的光源入口。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之光能傳輸控制系統，其中，該傳輸通道或中空傳輸管的全部或局部設設為可透光的外壁，使散射區所散射出的光能，能夠通過該可透光的外壁折射到傳輸通道或中空傳輸管的外部而形成照明光。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之光能傳輸控制系統，其中，可透光的外壁上設置有能夠折射出柔和照明光的光學結構。
  9. 如申請專利範圍第6項所述之光能傳輸控制系統，其中，該傳輸通道或中空傳輸管具有不透光的外壁，該外壁在相對於每一片光能傳輸鏡片的位置設置有一透光孔，每一光能傳輸鏡片上散射區所散射出的光能，能通過其相對應的透光孔來提供照明。
  10. 如申請專利範圍第6項所述之光能傳輸控制系統，其中，該光源入口的光能來源，包括有太陽光及/或人工光源。
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