專利名稱:非成象光學(xué)聚能器及發(fā)光器的設(shè)計的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明總地涉及一種非成象光學(xué)聚能器及發(fā)光器的方法和設(shè)計。更具體地,本發(fā)明涉及一種用于變換輸入和輸出相位空間分布以獲得對于一給定的吸收器形狀的最佳集中度(concentration)的方法及設(shè)計,而且,本發(fā)明具體地涉及使用將總的光照度圖樣的非成象照明提供到一目標(biāo)平面上的修整的反射器(光照度是由照相一光學(xué)響應(yīng)加權(quán)的發(fā)光度,或任意期望的由響應(yīng)加權(quán)的波長)。
非成象聚能器及其優(yōu)點(diǎn)在現(xiàn)有技術(shù)中是公知的(例如見美國專利3,957,031;4,002,499;4,003,638;4,230,095;4,387,961;4,359,265和5,289,356,結(jié)合在此作為參考)。在這些現(xiàn)有裝置中,一給定的吸收器形狀被選擇且然后一適當(dāng)?shù)钠ヅ涞姆浅上蠓瓷淦鞅辉O(shè)計。重點(diǎn)在于開發(fā)新的反射器設(shè)計,但這些努力不能在不使用制造成本很昂貴的設(shè)計的前提下在很大程度上提高效率水平。
非成象光學(xué)是一涉及在一目標(biāo)上取得光的最大集中度或光的受控照明的領(lǐng)域。多種類型的聚能器系統(tǒng)的技術(shù)被確定。這些系統(tǒng)包括θ1-θ2聚能器,喇叭,和復(fù)合拋物面聚能器(CPC),這些系統(tǒng)所引來的問題是平坦的輸入亮度分布或相位空間被變換到一吸收器上。要求在從入射孔被收集到與照射到該吸收器之間保持相位空間守恒。該孔和該吸收器上的平坦分布的相位空間的圖形使得理想集中度的計算簡單。如
圖1所示,該聚能器在尺寸為L 1的入射孔上接收以小于θ1的角度入射的所有光線,而尺寸為L2的出射孔在角度為θ2的錐面內(nèi)發(fā)射光線。要求被保存的各正方形的區(qū)域給出出射孔L2與入射孔L1之間的關(guān)系L2=L1sinθ1sinθ2----(1)]]>對于最大的集中度(θ2=π/2),兩維中的折射率n的限度為C2-d=nsinθ1----(2)]]>而在三維中為c3-d=n2sin2θ1----(3)]]>除非在入射孔采用一透鏡,由于它們的長度與Cotθ1成正比,這些聚能器在較小的接收角上是不實(shí)用的。而且,使用兩級系統(tǒng)對設(shè)計進(jìn)行了改進(jìn)。這些設(shè)計具有一成象主反射鏡或透鏡,很大程度地減小了系統(tǒng)的長度并也使集中度低于理想的限度。對于帶有一聚焦初級和一具有固定的接收角的非成象聚能器的兩級系統(tǒng),如圖2所示,可看出理論限度為C2-d=ncosφrimsinφ1----(4)]]>其中Φrim是成象初級的邊緣角。對于較大的邊緣角,集中度的減小是十分急劇的。引起損失的問題是到這樣一系統(tǒng)中的次級孔上的亮度分布是非常不均勻的。然而,標(biāo)準(zhǔn)的次級被設(shè)計成收集一平坦的相位空間,但許多被收集的不是所期望的。近來的改進(jìn)表現(xiàn)在修整一聚能器是可能的并在某些情況下允許上述限度可被超出。但還沒有對各種類型的聚能器可實(shí)現(xiàn)這點(diǎn)的通用技術(shù)。
本發(fā)明部分地涉及采用通用的數(shù)字積分法以設(shè)計用于各種不同的吸收器形狀和輸入分布的聚能器。這種方法可使用一極性坐標(biāo)微分方程以確定一反射器曲線,該曲線允許該反射器上的邊緣光線作為一位置函數(shù)而變化。而且,該吸收器的形狀可通過改變依據(jù)于吸收器形狀且也可隨位置而變化的該方程中的一參數(shù)而被構(gòu)成。
有兩種被典型地用于設(shè)計非成象聚能器的曲率,最常用的是復(fù)合橢圓面聚能器(CEC)且采用在一次反射中到達(dá)吸收器的邊緣光線算法,而雙曲面聚能器(CHC)使用“虛擬”焦點(diǎn),使邊緣光線在到達(dá)目標(biāo)吸收器之前經(jīng)過多次反射。該復(fù)合反射器從存在的兩側(cè)導(dǎo)引到一聚能器且通常指令一側(cè)的設(shè)計相對于另一側(cè)是對稱的。圖3中所示的這兩種類型采用通用的積分設(shè)計法都是可設(shè)計的。
同樣,存在用于制作非成象照明系統(tǒng)的各種各樣的方法和設(shè)計。但所建議的解決方法要求高度專業(yè)化的條件以有效地執(zhí)行,例如要求在光源與反射器輪廓之間具有較大的間隙或要求比光源大許多的反射器形狀。
因此,本發(fā)明的一目的在于提供一種用于非成象光學(xué)聚能器或發(fā)光器的改進(jìn)的方法和設(shè)計。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種用于產(chǎn)生被給定各種吸收器形狀和光輸入分布的聚能器設(shè)計的新的通用方法。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種設(shè)計具有一反射器曲線的聚能器的改進(jìn)的方法,該反射器曲線作為一給定空間位置的亮度或光分布的函數(shù)而變化。
本發(fā)明的再一個目的在于提供一種通過改變依據(jù)于吸收器形狀的一解析表達(dá)式中的一參數(shù)來設(shè)計一光聚能器的新的方法。
本發(fā)明的進(jìn)一個目的在于提供一種采用通用的分析程序來構(gòu)成聚能器兩側(cè)而對一復(fù)合聚能器進(jìn)行設(shè)計的改進(jìn)的方法。
本發(fā)明的再一個目的在于提供一種采用一解析微分方程以確定一反射器曲線而對聚能器進(jìn)行的新的設(shè)計,其中該反射器曲線允許該反射器上的邊緣光線作為位置函數(shù)而變化。
本發(fā)明的另一個目的在于提供一種采用一被確定的互補(bǔ)邊緣光線以簡化幾何設(shè)計的改進(jìn)的聚能器設(shè)計。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種采用一固定的圓反射器的改進(jìn)的兩級聚能器系統(tǒng)。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種對用于非成象照明系統(tǒng)的修整的反射器的新的方法和設(shè)計。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種制做一修整的反射器的改進(jìn)的方法和設(shè)計,該修整的反射器在一目標(biāo)平面上產(chǎn)生總的照明圖形。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種在形成一發(fā)光器中使用反射器前沿方法的新的方法和設(shè)計。
本發(fā)明的另一個目的在于提供一種用于不需要光源與反射器之間的任何間隙的非成象照明系統(tǒng)的改進(jìn)的方法和設(shè)計。
本發(fā)明的另一個目的在于提供一種采用被提供給角度積分變量的三個積分區(qū)的一解析表達(dá)式的對非成象照明系統(tǒng)的新的方法及設(shè)計。
從以下的詳細(xì)描述及附圖中可以顯見本發(fā)明的過些和其它目的及優(yōu)點(diǎn)。
圖1(a)和(b)說明了一現(xiàn)有技術(shù)中典型的非成象聚能器的亮度變換;圖2示出了一現(xiàn)有技術(shù)中的兩級聚能系統(tǒng);圖3說明了兩種不同類型的聚能器圖3(a)為CEC型及圖3(b)為CHC型;圖4說明了在一極性坐標(biāo)系統(tǒng)中,來自一原點(diǎn)的光線反射離開一反射器曲線;圖5說明了θ1-θ2型聚能器的設(shè)計;圖5 (a)Φ>π/2-θ2;及圖5 (b)Φ≤π/2-θ2;圖6說明了自截斷(truncation)角θt確定高度h;圖7說明了使用虛擬光源以設(shè)計一喇叭型的聚能器;圖8說明了使用單一反射邊緣光線的一喇叭構(gòu)成的多反射設(shè)計;圖8 (a)中光線來自一反射器的相對側(cè)而圖8 (b)中光線直接到達(dá)該反射器;圖9說明了對一非平坦吸收器使用一中央互補(bǔ)邊緣光線的聚能器設(shè)計;
圖10說明了一反向光線跟蹤以找出相對于具有θ1<θb的反射器的最大角度;圖11說明了TIR的要求,即β>arcsin(1/n);圖12說明了采用具有互補(bǔ)邊緣光線的陡度折射率材料的設(shè)計;圖13說明了自一光學(xué)圓弧被反射的光線;圖14說明了跟蹤容限對正確的次級定位的影響;圖15說明了到達(dá)該設(shè)計的次級部分的孔徑的亮度分布;圖16說明了具有C=1.15的一標(biāo)準(zhǔn)55°接收的CPC;圖17說明了具有C=1.45的修整的聚能器;圖18說明了由修整的聚能器收集的來自初級部分的亮度分布;圖19說明了由修整的聚能器收集的來自朗伯光源的亮度分布;黑色區(qū)域表示直接到達(dá)吸收器;灰色區(qū)域表示在一或多次反射后被收集的光;及白色區(qū)域表示非被收集的光;圖20說明了被用于設(shè)計一通用發(fā)光器的幾何圖形;圖21說明了一發(fā)光器的漸開線區(qū)域的設(shè)計幾何圖形;圖2說明了用于遙遠(yuǎn)目標(biāo)照明的幾何圖形;圖23示出了用于在能量在目標(biāo)中央被歸一化的角度區(qū)域2內(nèi)進(jìn)行積分的積分曲線;圖24示出了具有圖23中的角度停止點(diǎn)的發(fā)光器的強(qiáng)度分布;及圖25說明了后沿和前沿設(shè)計方法之間的差別。
在圖4-15和17-25中示出了根據(jù)本發(fā)明構(gòu)成的非成象聚能器的方法和設(shè)計。本發(fā)明的較佳方面將在使用極性坐標(biāo)的兩維聚能器的設(shè)計的正文中被描述。三維聚能器可通過繞其軸轉(zhuǎn)動兩維設(shè)計而被建立。不考慮實(shí)際的吸收器形狀的各形狀從對極性坐標(biāo)的一微分方程進(jìn)行積分而被導(dǎo)出。該方程為dRdφ=Rtanα----(5)]]>其中坐標(biāo)(R,Φ)表示曲線20上的一點(diǎn)10,而α為自該坐標(biāo)系的原點(diǎn)30的光線與曲線20的法線40所成的角度。該坐標(biāo)系在圖4中被描述。因此設(shè)計各種非成象聚能器要求一適當(dāng)?shù)脑c(diǎn)并求出α(R,Φ)以滿足邊緣光線原理。
1. θ1-θ2設(shè)計待設(shè)計的最簡單類型的聚能器50具有來自一光源入射孔60的反射至一目標(biāo)出射孔80上的實(shí)點(diǎn)的邊緣光線(見圖5)。由于邊緣光線70經(jīng)過一次反射到達(dá)目標(biāo)出射孔80,這是-CEC型的聚能器50。對于具有到達(dá)入射孔60的θ1和離開出射孔80的θ2中的最大角度的平坦相位空間分布,一個具有該經(jīng)典的θ1-θ2 CPC。由于這種類型的聚能器50的設(shè)計具有最多的到達(dá)目標(biāo)出射孔80的端部的邊緣光線70,這是對坐標(biāo)原點(diǎn)的最佳選擇。圖5(a)示出了該聚能器輪廓和對于θ2>π/2-Φ的各種設(shè)計參數(shù)。在此情況下,邊緣光70到達(dá)目標(biāo)出射孔80的邊緣。新的參數(shù)僅是θ1(R,Φ)。這是邊緣光線可與在點(diǎn)R,Φ到達(dá)反射器90的垂直線相交的最大角度。一旦θ1被得知,使用簡單的幾何學(xué)求出α為α=π4+φ-θ1(R,φ)2,]]>如果θ2>π/2-Φ(6)當(dāng)與方程5相組合時,分析上難于解出該解答,除非θ1為恒定不變或與Φ成正比(即,為Φ的線性函數(shù))。
如果θ2≤π/2-Φ,由于邊緣光線70不到達(dá)目標(biāo)出射孔80的邊緣,如圖5(b)所示,求解α更加復(fù)雜。為使邊緣光線70以角度θ2出射,引入一互補(bǔ)邊緣光線75,其通過目標(biāo)出射孔80的邊緣。定義一新參數(shù)θ=π/2-Φ-θ2并將其加到方程6中的θ1,給出α的正確值。通過要求該互補(bǔ)邊緣光線75在θ1+δ到達(dá)目標(biāo)出射孔80的邊緣,在θ1的實(shí)邊緣光線70以角度θ2出射該目標(biāo)出射孔80?;パa(bǔ)邊緣光線75對應(yīng)于通過設(shè)計原點(diǎn)的構(gòu)成的光線,該設(shè)計原點(diǎn)使邊緣光線70以正確的輸出角θ2出射。在此情況下,α的方程為α=φ+θ2-θ1(R,φ)2,]]>如果θ2≤π/2-Φ(7)如果θ1為一常數(shù),則該方程積分成一直線。
假定輸入分布為已知,即L1被固定,分析地確定出射孔80的高度h和大小L2在大多數(shù)情況下是不可能的。集中度通常在事先是不知道的,由于在輸入的相位空間分布中的間隙不得不被包括,導(dǎo)致低于理想的收集量。在圖6的聚能器5中,說明了如何借助于L2和L1來確定h。在圖6中,截斷角θt為來自光源60的端部的邊緣光線的角度。從基礎(chǔ)三角學(xué)可知。h=(L12+L22)cotθ1----(8)]]>當(dāng)改變集中度L1/L2時。最好L1被固定,由于光源大小通常是固定的,L2則被改變。積分可從或者是光源的邊緣或者是目標(biāo)出射孔80開始進(jìn)行。該集中度是一未知的參數(shù)且因此必須被求解出。標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字計算算法可被使用以要求被積分的曲線通過光源與目標(biāo)出射孔80兩者的邊緣。如果h被固定,則通常在集中度中將會有損失。而且,對非平坦的輸出亮度分布的設(shè)計可通過使θ2為R,Φ的函數(shù)而被進(jìn)行。
2.喇叭聚能器設(shè)計圖7中所示的喇叭聚能器100以凸面替代凹面,且為-CHC型的設(shè)計。邊緣光線110經(jīng)過許多次反射以到達(dá)一目標(biāo)吸收器150。類似于θ1-θ2集中器50,目標(biāo)吸收器150和光源分布130都仍然在平坦的表面上。差別在于目標(biāo)吸收器150處于光源平面中且輸入分布130起到一虛擬光源的作用。再者,該光源亮度分布被假定為已知的。對于一截斷的設(shè)計,高度h被選擇且點(diǎn)A,A′被找出以使到達(dá)光源的全部光線在它們之間通過。
在此情況下所用的邊緣光線原理要求邊緣光線110在經(jīng)過許多次反射之后到達(dá)目標(biāo)吸收器150。在喇叭聚能器的經(jīng)典設(shè)計中,邊緣光線110反射朝向在光源分布的邊緣上的“虛擬”焦點(diǎn)并越來越靠近該目標(biāo)吸收器,但經(jīng)過許多次反射到達(dá)那。我們可以操作該邊緣光線110以使它遵循這個模式。這些虛擬焦點(diǎn)表示邊緣光線110反射朝向聚能器100之后的一點(diǎn)125并不通過一次反射被反射入目標(biāo)150中。通過在光源分布上選擇我們坐標(biāo)系的一原點(diǎn)125并使該邊緣光線110被反射向這些“虛擬”焦點(diǎn),我們使用一次反射設(shè)計方法可對一多反射邊緣光線收集器進(jìn)行設(shè)計。所被要求的是我們適當(dāng)?shù)卮_定接收角θ1(R,Φ)。
沿該積分曲線有兩部分需被考慮。這兩部分在圖8中被示出。從原點(diǎn)125開始,一光線141通過反射器135被從一相對焦點(diǎn)125拉出。如果該光線141不通過A,A′,則通過光線141的角度給出θ1(R,Φ)的角度。這是因為另一側(cè)上的反射器140正向該焦點(diǎn)發(fā)送其全部的邊緣光線。如果來自該相對焦點(diǎn)的光線通過A,A′,則通過向該光源進(jìn)行向后的光線跟蹤來找出到反射器135上的最大角度且直到該最大角度被發(fā)現(xiàn),該角度被用于方程5的積分,由方程6得到角度α。
該積分方法從反射器140的外邊開始并向內(nèi)積分,因為反射器140上的這些點(diǎn)是已知的。從該積分開始,到達(dá)最終的目標(biāo)孔150且不需要如在θ1-θ2情況中的二等分。該方程的數(shù)字積分恢復(fù)了使用一流動線方法被導(dǎo)出的經(jīng)典的喇叭設(shè)計。不幸地,該方法在分析上不能如在流動線方法中可做到的那樣導(dǎo)出該喇叭形狀。但其具有重要的優(yōu)點(diǎn),即它能對非均勻分布進(jìn)行修整(tailor),而這在以前是不可能的。
由于理想的喇叭具有無窮大的范圍,讓R趨于無窮大會導(dǎo)致難于用數(shù)字表示。這一方法將不覆蓋這樣的聚能器,由于截斷被自動加入該優(yōu)選的設(shè)計方法。理想的無窮大的聚能器的設(shè)計要求一流動線方法。然而,該積分方法可用于所有實(shí)際的應(yīng)用。
3.非平坦吸收器對于非平坦吸收器,可遵循上述的方法。在圖9中,我們示出了使用CEC型方法的對一任意形狀的凹面吸收器151的設(shè)計方法。參數(shù)δ(R,Φ)是來自吸收器151的一極端光線145在點(diǎn)R,Φ所形成的角度。如果吸收器151為圓形的,則吸收器151的中心是該坐標(biāo)原點(diǎn)的最佳位置且δ=arcsin(p/R),這里P是吸收器半徑。為簡單起見,該坐標(biāo)原點(diǎn)是沿吸收器151的垂直軸160。θ1到達(dá)的來自光源分布的極端角并通過向后光線跟蹤而被得到,如先前所述。在角度θ1的邊緣光線應(yīng)該反射以使其到達(dá)吸收器151而恰好與吸收器151的頂部相切。一互補(bǔ)邊緣光線165被采用,其通過原點(diǎn)155,如前那樣產(chǎn)生一α的方程α=φ-θ1(R,φ)-δ(R,φ)2----(9)]]>在該方法中,吸收器151可阻斷來自光源的光線并防止它們到達(dá)反射器170。設(shè)計該反射器170以收集這些光線造成集中度的不必要的損失。因此,問題是找出到達(dá)反射器170而不被遮斷的極端光線角度。圖10示出了如何向后光線跟蹤以找出該最大角。若不能到達(dá)吸收器151的最大角度為θb,在一π/2和θb之間進(jìn)行搜索以找出角度θ1。注意如果沒有光從該光源直接到達(dá)反射器170上,則進(jìn)行使用多反射的向后光線跟蹤直至找到一與該光源交叉的光線。這要求積分從該光源的外側(cè)開始并向內(nèi)進(jìn)行,因為否則該多反射向后光線跟蹤不能被進(jìn)行,由于在上邊的該反射器輪廓還未被確定。
在該優(yōu)選實(shí)施例中,因為對所有的Φ確定該積分方程并給出最大的集中度,不對聚能器170的底部使用一漸開線。對于平坦的相位空間分布,該積分方法自動地恢復(fù)該漸開線;且結(jié)果與使用幾何技術(shù)所得到的一樣。
吸收器151和反射器170之間的間隙未被固定并由在Φ=0時的R的值所確定。要求進(jìn)行光線跟蹤以看是否有顯著的間隙損失。
以上所述的技術(shù)給出了用于三種主要類型的聚能器50,100和170的設(shè)計的通用方法。該設(shè)計方程可被修改以考慮附加的限制,例如包括將一透鏡加至該設(shè)計,要求TIR被滿足并使用一陡度折射率材料。
增加一透鏡(未示出)可使聚能器50更加緊湊??紤]到透鏡,θ1和h被改變。進(jìn)行通過該透鏡的向后光線跟蹤以找到在該輸入分布內(nèi)的最大角可獲得沿反射器的接收角θ1。進(jìn)行如前那樣的數(shù)字積分,通過確定如何由該透鏡導(dǎo)出該截斷角θt而找出該新的高度h,該新的角度被要求到達(dá)吸收器的邊緣以找出最佳的高度。較短的高度將導(dǎo)致如前所指出的集中度的損失。
在介電聚能器中采用所有光線滿足TIR的要求以使反射損失和發(fā)熱最小。對于θ1-θ2聚能器50,要求邊緣光線70與反射器175的法線形成一大于臨界角的角度β。在圖11中,我們示出了如何要求TIR。要求B≥arcsin(1/n)得到了對α的新的限制。α≤π4+φ-θ1-arcsin(1/n)----(10)]]>其中n是媒介的折射率。再者,使用互補(bǔ)邊緣光線75以簡化幾何形狀。使用圓形透鏡的聚能器175的設(shè)計產(chǎn)生與使用不同技術(shù)所得到的相同的形狀。
陡度折射率材料也可被采用(見圖12),只要預(yù)先知道折射率分布。該陡度折射率材料通常起到與透鏡相似的作用并從通過該媒介的向后光線跟蹤而找到θ1。其差別在于也需要光線跟蹤以到達(dá)吸收器的邊緣。在圖12中,找出θ2(R,Φ)?;パa(bǔ)邊緣光線75表示方程7給出了用于所有θ2值的α。
B非成象發(fā)光器在圖20-25中示出了非成象發(fā)光器180的方法和設(shè)計,上述用于集中器的概念也可被擴(kuò)大至對發(fā)光器180的設(shè)計。非成象光學(xué)是一最初被研究的有關(guān)聚能光的目的地具有最大效率的領(lǐng)域。從反轉(zhuǎn)光線路徑,聚能器因此可變?yōu)槔硐氲陌l(fā)光器。該理想在某種意義上是光源185發(fā)射的所有光由反射器190輸出且光在一被較好確定的錐面中出射。問題在于目標(biāo)平面上的一照明圖形被固定但期望改變該圖形。近期的研究已表明一修整的聚能器可被用于以恒定的照度照明一很遠(yuǎn)的平面。問題在于反射器形狀遠(yuǎn)大于光源并且用于接近于該光源的目標(biāo)平面的方法還未被很好研究出來。
通用的積分方法可被施用于非成象光學(xué),用于使集中度最大,促進(jìn)用于任意光源分布,吸收器形狀,和聚能器類型的方法。該技術(shù)可用于照明問題及聚能器,并提供了一方法以將總的照明圖形放置在目標(biāo)屏面的附近上。由于采用一前沿方法,可完全消除在先前的后沿設(shè)計中存在的光源185與反射器180之間的較大間隙。
在圖20中示出了被采用以進(jìn)行一通用發(fā)光器設(shè)計的幾何形狀。從聚能器50的設(shè)計原理中,我們可以表示用于一被修整的反射器的基礎(chǔ)微分方程。dRdφ=Rtan(φ-δ(R,φ)-θ(R,φ)2)----(10)]]>在極化坐標(biāo)中由R,Φ給出了反射器190上的位置。角度θ是這點(diǎn)的被修整的接收角。光源185的大小和形狀被以δ進(jìn)行參數(shù)化該δ是在R,Φ處頭部朝向坐標(biāo)原點(diǎn)195的光線與同吸收器頂部相切通過的光線之間的角度。除了θ(R,Φ)外,方程10中的所有參數(shù)是已知的,而θ(R,Φ)是隨所期望的照度而變化的。
僅有的限制是當(dāng)修整反射器190時,隨著Φ增大,Φ和R也增大。
為求出θ,在目標(biāo)屏205x(θ)上找出對應(yīng)的位置200并要求到達(dá)該點(diǎn)的能量符合一期望的照明圖形。通過從光源的原點(diǎn)到目標(biāo)平面的中心的距離D,x(θ,R,Φ)由以下方程給出。
X=Rsinφ+tanθ(Rcosφ+D)(11)將邊界條件施加給該設(shè)計表示在沿Φ的積分中有三個區(qū)域。分別為1)使用一漸開線以確保所有的光線射出該發(fā)光器180,2)對反射器190部分進(jìn)行設(shè)計以使目標(biāo)中央的能量歸一化,及3)修整反射器190以得到沿目標(biāo)屏面205的總的照明。這些區(qū)域被解釋如下。
1)通過強(qiáng)迫前沿光線210以直接向后反射恰好與光源185相切而進(jìn)行一漸開線208的設(shè)計。這被示出在圖21中并防止任何光線返回光源185,消除了能量損失。對于θ=Φ-δ(R,Φ)的值。這部分積分繼續(xù)直至x(θ)≥0。
2)一目標(biāo)平面上的總的照明圖形要求P(X)=P(0)f(X)(12)其中P(x)為到平面上點(diǎn)x的能量而f(x)為能量分布曲線的形狀。該設(shè)計使用x(θ)=0以確定θ直至目標(biāo)中央能量滿足,
P(0)≥P2(X)/f(X),X>0(13)其中P2為直接來自光源185的能量并且反射器輪廓在區(qū)域1和2中被積分。修整的基礎(chǔ)是能量可被加至P(x),但如果P2(x)>P(0)f(x),則在該點(diǎn)將有過量的輸出。不包括或僅有區(qū)域2部分的設(shè)計可具有過剩能量點(diǎn)。光線跟蹤將確定這些偏差是否可被接收。P(0)值的增加給出了更多的均勻性但能量守恒限定了可被修整的X中的范圍。
3)在從積分區(qū)域1和2對P(0)進(jìn)行歸一化后,我們可以開始修整該總的照明圖形。對于各點(diǎn)R,Φ,我們求出θ以使P(x)=P(0)f(x)。對f(x)的變化有限定而這是由于在修整后不能有過量的光到達(dá)任意點(diǎn)。對于所有點(diǎn)Y>X,f(Y)必須滿足避免任意的過量照明,f(Y)>P3(Y)/P(0)(14)其中P3為到達(dá)的能量,因為反射器輪廓擴(kuò)大至當(dāng)前積分位置。求出P(x)可能是比較復(fù)雜的。通常由下式給出,
其中I為從光源185發(fā)射的每單位長度的能量,β為在點(diǎn)X離開并返回至光源185的一光線的角度,d(β)為該光線到達(dá)該光源的光路長度,n(β)是到達(dá)該光源所需的反射次數(shù),P為反射器190的反射率,而θz是到該光源的邊緣的角度。借助于變量θ求出所有的參數(shù)。找出適當(dāng)?shù)倪吘壒饩€角要求改變θ直至一個滿足方程12。對于接近該目標(biāo)的一光源,估算P(x)要求向后光線跟蹤并需要大量的計算。
發(fā)光器180的修整繼續(xù)進(jìn)行直至到達(dá)一反射器尺寸限度。為理想地確定照明圖形,要求反射器190從光源185擴(kuò)展至目標(biāo)。這在大多數(shù)情況下是做不到的而急劇的截斷致使在照明中只有尾部被看見。在設(shè)計的最后點(diǎn),估算x(θend)給出了未受截斷影響的在目標(biāo)屏面上的區(qū)域。
遙遠(yuǎn)目標(biāo)照明的最簡單的例子是對于D》R,一圓柱形光源(δ=arcsin(r/R)),和恒定的照明(f(x)=1)。假定多反射的影響是可忽略不計的(P≈1),簡化方程15以給出。P(X)=I[Ar(θ)+ρAr(θ)]cos2θ4πrD----(16)]]>其中As(θ)是以角度θ從光源所直接看到的被投影的區(qū)域,Ar(θ)是通過反射所看到的被投影的區(qū)域,且x=Dtan(θ)。該幾何形狀被示出在圖22中,這些被投影的區(qū)域為Ar(θ)=2r (17)Ar(θ)=Rsin(φ+θ)-r(18)對方程10進(jìn)行積分直至θ=0,使用θ=Φ-arcsin(r/R)給出了上面概括出的區(qū)域1中的反射器輪廓。下一步驟是發(fā)現(xiàn)何時停止對區(qū)域2的積分。要求現(xiàn)在產(chǎn)生過量的照明,P(0)>P(△x),給出有關(guān)這些被投影的區(qū)域的以下條件ddθ(Ar(θ)+Ar(θ))cos2(θ)θ=0≤0----(19)]]>該條件設(shè)定θ=0,同時Φ≤π/2。滿足這一條件致使Ar(0)≈1.8As(0)并大大減小了在一遙遠(yuǎn)屏面上的照明圖形的大小。通過在θ<π/2處停止積分,看到該范圍可被擴(kuò)大,在中央附近的屏面上被看到有很少的過量。在區(qū)域3中的積分求出θ以使A(θ)cos2θ=A(0),用于各種區(qū)域2停止點(diǎn)的被積分的曲線被示出在圖23中。這些曲線被截斷以使反射器的寬度為10r。各發(fā)光器的性能被顯示在圖24中。如可看到的,降低P(0)致使屏面上相對較高的過量但擴(kuò)大了恒定照明的范圍。這些形狀表示恒定照明的能量和范圍可被改變以滿足各種需求。用于一未被截斷的反射器的最大設(shè)計角度可從能量守恒中被求出,其關(guān)系為I=P(0)∫-xmaxxmaxdx=2DP(0)tanθmax----(20)]]>對于區(qū)域2在Φ=π/2處停止的較佳輻照度,我們在圖24中看到θmax=47.7°。消除區(qū)域2完全實(shí)現(xiàn)了θmax=70.3°。截斷減小了設(shè)計范圍及恒定輻照度的最大角至|θ(Rend,Φend)|。由于照明范圍與tanθmax成正比,這一差別給與了較大的設(shè)計自由。改變截斷量對該值具有較小的影響。
該新的照明系統(tǒng)設(shè)計方法比先前方法更加通用且導(dǎo)致不具有光源-反射器間隙的更緊湊的形狀。該方法可被開發(fā),通過適當(dāng)?shù)貙ⅵ?R,Φ)改變成適合于光源185形狀的新的形式而用于非圓形照明光源分布。
對于光源和目標(biāo)平面的有限分離,該設(shè)計方法包括用于通用照明的條件,對目標(biāo)屏面中心附近的點(diǎn)的設(shè)計將不使過量的能量照射到聚能器50更向前的點(diǎn)。如果該光源分布不均勻,可將一能量加權(quán)加至作為方程15中被依存的起源的整體,該方法的其余部分保持一樣。對旋轉(zhuǎn)地對稱的系統(tǒng)的三維設(shè)計可使用兩維方程進(jìn)行設(shè)計。估算P(X)包括對所收集的立體角進(jìn)行雙重積分。
以下的非限定性示例說明了本發(fā)明的各方面。
示例1該示例涉及對θ1-θ2聚能器的分析解答,其中θ1<θ2。將方程5和7相組合并進(jìn)行積分而得出對π/2-Φ>θ2的R(Φ)的方程,ln(R(φ)L2)=∫oφdφ′tan(φ′+θ2-θ12)----(21)]]>對于θ1和θ2恒定不變,該方程給出了對R(Φ)的分析解答,R(φ)=L2cos(θ2-θ12)cos(φ+θ2-θ12)----(22)]]>其為一條方向?qū)?yīng)于Φ=π/2-(θ2-θ1)/2的直線,當(dāng)π/2-Φ≤θ2時,方程5和6得出,ln(R(φ)R(π/2-θ2))=∫π/2-θ2φdφ′tan(π4+φ′-θ12)----(23)]]>對該積分進(jìn)行估算及簡化,得到R(φ)=R(π/2-θ2)cos2(π2-θ2+θ12)cos2(π4+φ-θ12)=R(π/2-θ2)cos(θ1+θ2)-1sin(φ-θ1)-1----(24)]]>其為一條軸方向?qū)?yīng)于Φ=π/2+θ1的拋物線。使用Φ=π/2-θ1作為該曲線上的終點(diǎn)確定了該理想聚能器的高度。該曲線以直角坐標(biāo)給出,由(R(Φ)CosΦ-L2/2,R(Φ)sinΦ)給出被移至目標(biāo)的中心的其原點(diǎn)。入口寬度L1等于L2sinθ2/sinθ1,與理論限度精確地匹配。
示例2在現(xiàn)有的兩維太陽能收集器系統(tǒng)中,使用柱狀圓形反射鏡具有受限的有效性,因為與來自拋物線谷的值25-30相比,2-3的集中度非常低。圓形反射鏡的期望的對稱特性允許主反射鏡被固定,而只有吸收器必須樞軸地轉(zhuǎn)動以跟蹤太陽。但是,該優(yōu)點(diǎn)被柱狀反射鏡的較大象差所抵消。一非成象的次級可恢復(fù)一些由象差所損失的集中度且該示例涉及對一適當(dāng)次級的設(shè)計。
設(shè)計次級要求該次級的位置和孔徑被確定,這包括對光線220如何反射離開一圓形弧225的簡單的學(xué)習(xí)。在圖13中示出一包絡(luò)圖形230,這些光線與其相切。該包絡(luò)圖形230對次級孔徑的定位是很重要的。我們通過將兩條反射離開初級后被分離開一極小量的平行光線相交而求出用于該曲線的方程,該在直角坐標(biāo)中用于圖13的包絡(luò)線的參數(shù)化的方程為,X=Rsin3γ(25)Y=-32Rcosγ+Rcos3γ----(26)]]>其中R為曲率的初級弧半徑而r確定了從初級(圓弧225)反射的光線220的角度位置及在被相切的包絡(luò)線230上的位置。注意當(dāng)r約為零時,光線220通過傍軸焦點(diǎn)。為找出在何處安置該次級孔徑,各邊緣被要求與包絡(luò)線230相交。對于一給定的次級寬度W=2X,最佳樞轉(zhuǎn)杠桿臂的長度為L=-Y。因為光線220不與包絡(luò)線230相交而與其相切,對該杠桿臂長度會產(chǎn)生最大的收集度。在該對稱軸的各側(cè)上的是一包絡(luò)線函數(shù),因此與一側(cè)相切的光線220通過另一側(cè)上的包絡(luò)線230。對于較小的杠桿臂,通過相對的包絡(luò)線230的大多數(shù)光線220被損失而沒有更多的光線被收集以對它們進(jìn)行補(bǔ)償。如從圖13中可見,與包絡(luò)線230相切的光線220的強(qiáng)度比通過包絡(luò)線230的光線220的強(qiáng)度要高得多。因此,增大杠桿臂,以便該寬度不再與包絡(luò)線230相交,導(dǎo)致了比增益更多的損失。
現(xiàn)在加上太陽的角展度和跟蹤容限。由于各種原因,一跟蹤角度θtrack被確定為離開主反射器(圓弧225)的光線220的偏差的最大角度。這些包括太陽的角展度,跟蹤容限,和離開主反射器圓弧225的非鏡面反射。這通過將包絡(luò)函數(shù)轉(zhuǎn)過θtrack且要求和前一樣的相交而被模仿。光線跟蹤示出該模型產(chǎn)生了該最佳杠桿臂。隨著θtrack增大,L降低并造成收集度損失。圖14示出了作為W,R和θtrack的函數(shù)的L。我們發(fā)現(xiàn)在0.04-0.05范圍中的W/R效果最好且允許主反射鏡被較好地看到。1度(18 mradians)的θtrack的值給出了很寬的容限及性能上的較小損失。該方法與拋線線谷不同之處在于,跟蹤容限為輸入?yún)?shù)而非由設(shè)計所設(shè)定。
通過將次級放入一150mmO.D.的真空玻璃管中以使系統(tǒng)中的熱損失最小來選擇該系統(tǒng)的尺度。將孔徑放在該管的中心,給出了W=143mm(5.6”)。設(shè)定R=3.23m(127”),我們找出L=1.74m。照射在初級的55度圓弧上的所有光線在次級上被收集。這給出了二十一的初級集中度。接著,到該次級孔徑上的亮度分布被跟蹤,且從圖15中,看到一很不均勻的圖形。一高斯分布的角度偏差被與一標(biāo)準(zhǔn)的0.5度偏差一起使用,該模型假定該跟蹤沒有偏置且其它的擴(kuò)散光源是不相關(guān)的。
通過計算需要被收集的相位空間區(qū)域,發(fā)現(xiàn)對次級的集中度的理論限度在2.5以上。因為截斷損失,帶有在真空管中心的孔隙,具有55度接收角且無反射器-吸收器間隙的現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)CPC僅集中至1.15。該聚能器50被示出在圖16中。該不足的主要原因是在亮度分布中有間隙且作為孔隙上位置的函數(shù)的最大角度也發(fā)生變化。使用用于圓形的吸收器的設(shè)計方法,通過反向光線跟蹤找出在沿反射器240的各點(diǎn)處的接收角。所得到的聚能器50給出1.45的集中度并被示出在圖17中。由于該設(shè)計的光線跟蹤示出只有0.1%的損失,該較大的間隙是可接收的。在圖18中,我們示出了被收集的到達(dá)次級的亮度分布。
要看修整如何影響被收集的相位空間,圖19示出了朗伯分布的哪部分被收集。而且,各亮度倉具有與在到達(dá)吸收器之前經(jīng)歷的反射次數(shù)相關(guān)聯(lián)的灰色級。到吸收器上的直接輻射不到達(dá)反射器且由此不能被修整。這導(dǎo)致集中度中20%的損失,各多反射區(qū)域由一間隙損失區(qū)域所分離開。由于該系統(tǒng)收集一或零反射中的大多數(shù)輸入分布,一較大的間隙不會造成顯著的損失。在類似于此的情況中,讓該間隙作為一可變參數(shù)是唯一的獲得最大集中度的辦法。從一吸收器-反射器間隙條件開始會將集中度限定至1.25。
該新的次級給了系統(tǒng)一30.5的整體集中度。該集中度略微高于使用拋物線谷所得到的集中度且該系統(tǒng)具有更高的跟蹤容限。只有該次級需要樞轉(zhuǎn)以跟蹤太陽,而主反射器則不需要。
示例3來自一圓柱形光源的恒定照明在現(xiàn)有技術(shù)的照明設(shè)計中,發(fā)光器系統(tǒng)中反射器尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)地大于光源。該部分問題是當(dāng)使用一后沿設(shè)計時所要求的較大的間隙。該后沿設(shè)計要求一間隙為幾個光源的直徑大小。沒有間隙,沒有跟蹤邊緣光線,因此就不能有修整。圖25示出了與后沿和前沿照明設(shè)計不同的方法。該后沿,CEC型設(shè)計,方法通過將照明修整至一目標(biāo)屏面205的相對側(cè)而起作用,而前沿,CHC型通過修整到該目標(biāo)屏面205的同一側(cè)而起作用。前沿的優(yōu)點(diǎn)在于它不要求間隙起作用。
使用圓形幾何形狀和一很遠(yuǎn)的目標(biāo)屏面205導(dǎo)致了圖22中所示的設(shè)計幾何形狀。注意符號θ與常規(guī)的非成象聚能器50的符號θ是相反的。這就給出了基本設(shè)計。dRdφ=Rtan(φ+δ(R)-θ(R,φ)2)----(27)]]>其中r是圓柱形光源185的半徑,δ=arcsin(r/R)且反射器形狀輪廓的原點(diǎn)在該光源的中心。在該設(shè)計中有三個重要的區(qū)域1)漸開線要求來自光源185的所有光由該照明系統(tǒng)射出,2)該區(qū)域修整中心能量以使可在目標(biāo)屏面上取得接近于恒定的照明,及3)該修整開始于除該中心以外的其它點(diǎn)。
對于很遠(yuǎn)的目標(biāo),D>>R,第一區(qū)域的積分是簡單的。根據(jù)圖21中所示的幾何形狀求出θ。在θ=δ-Φ時,進(jìn)行積分直至θ=0。常規(guī)的用于找出一漸開線的弦方法在此也可被使用。
第二區(qū)域在目標(biāo)屏面205的中心適當(dāng)?shù)貙⒛芰繗w一化。使用在當(dāng)前反射器的各個角度看到的該光源的被投影區(qū)域,我們想要對所有的θ滿足條件P(0)>P(θ)以使通過修整可獲得恒定照明,使用方程16至18,我們發(fā)現(xiàn)P(θ)為,P(θ)=I(2r+ρ(Rsin(φ+θ)r))cos2θ4πrD----(28)]]>要滿足的條件是P(△θ)≤P(0)。該條件給出了以在Φ2=π/2的θ=0進(jìn)行積分的停止點(diǎn),在這點(diǎn)之前的停止降低了P(0)并造成在目標(biāo)屏面205上的不同點(diǎn)處的一些過度照明。這個的產(chǎn)生是因為修整將能量加至目標(biāo)屏面205上的一光點(diǎn),而沒有什么辦法可減少到達(dá)一給定點(diǎn)上的能量。
第三區(qū)域通過求出θ而被修整以使P(θ)=P(0)。在該區(qū)域的積分繼續(xù)進(jìn)行直至反射器190滿足設(shè)定的尺寸限制。核查該設(shè)計將正確地工作的要求是dθ/dΦ≥0及dR/dΦ≥0。
在圖24中示出了各種不同的發(fā)光器,示出了各種Φ2的輪廓截止在區(qū)域2中。這些形狀被截斷以使反射器寬度為光源直徑的五倍。圖23示出了在一遙遠(yuǎn)屏面上的這些發(fā)光器的性能。對于接近π/2的Φ2,我們得到了更高的照明度但使擴(kuò)展更小了。降低Φ2給出了更寬的擴(kuò)展給照明圖形,但有一些高達(dá)10%的最大值的非均勻性的偏差。
盡管示出并描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例,但對本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員而言,顯然可在不脫離由所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的更廣的方面的前提下,作出各種修改和變型。
權(quán)利要求
1.一種光的非成象聚能器,包括具有一縱軸的兩維形狀,所述形狀是通過對由下式定義的極性坐標(biāo)的一微分方程進(jìn)行積分而被確定的dRdφ=Rtanα]]>其中R是從一原點(diǎn)到來自一反射器表面的一光邊緣光線的反射點(diǎn)的矢量徑而Φ是該R矢量與所述聚能器的一出射孔外點(diǎn)之間的角度且坐標(biāo)(R,Φ)表示一反射器曲線上的一點(diǎn)及α是來自一原點(diǎn)的光邊緣光線與所述反射器曲線的一法線所成的角度;由所述反射器曲線確定的所述反射器表面,所述反射器曲線允許其上的所述光邊緣光線作為位置的函數(shù)而變化;及具有一形狀變量的吸收器,該形狀變量隨著沿所述吸收器的表面的位置而改變且所述反射器曲線為所述形狀變量的一函數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非成象聚能器,其中該聚能器為一復(fù)合橢圓聚能器(CEC),其中α具有以下的函數(shù)特性,α=π4+φ-θ1(R,φ)2]]>如果θ2>π/2-Φ其中θ1為到達(dá)所述聚能器的入射孔的光線的最大角而θ2為離開所述聚能器的出射孔的光線的最大角。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非成象聚能器,其中通過繞該縱軸轉(zhuǎn)動該兩維形狀而形成一三維形狀。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非成象聚能器,其中該聚能器為一復(fù)合橢圓面聚能器(CEC),其中α具有以下函數(shù)特性α=φ+θ2-θ1(R,φ)2]]>如果θ2<π/2-Φ
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非成象聚能器,其中所述聚能器為一復(fù)合雙曲面聚能器(CHC)且dR/dΦ=Rtanα在兩部分中被積分,第一部分使用被確定為到達(dá)一入射孔的光線的最大角的θ1,該光線是通過從在一源分布的邊緣處的一原點(diǎn)開始,通過所述反射器曲線從一相對源邊緣拉一線而被得到,該線不通過確定所述入射孔的入射邊緣點(diǎn)A和A’之間的區(qū)域,在第二部分中,該θ1通過來自相對源邊緣的一第二光通過A和A’之間并朝著該源進(jìn)行向后光線跟蹤直至最大角度被找出而被確定的,并且α由下式確定,α=π4+φ-θ1(&Rgr;,φ)2]]>
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的非成象聚能器,其中dR/dΦ的積分從該反射器曲線的一外部邊緣開始并繼續(xù)向內(nèi)進(jìn)行。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非成象聚能器,其中所述吸收器是不平坦的且所述α由下式確定,α=φ-θ1(R,φ)-δ(R,φ)2]]>其中δ(R,Φ)是極端邊緣光線在點(diǎn)(R,Φ)所成的角度。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的非成象聚能器,其中該吸收器是圓形的且δ=arcsin(P/R),其中P是該吸收器的半徑。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非成象聚能器,還加有一透鏡且θ1由通過該透鏡的向后光線跟蹤確定一源分布內(nèi)的最大角而被確定。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非成象聚能器,其中所述反射器表面使所有的光線滿足全內(nèi)反射以使α由下式確定,α≤π4+φ-θ1-arcsin(1/n)]]>其中n是所述聚能器內(nèi)一媒介的折射率。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的非成象聚能器,其中n是一可變值。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非成象聚能器,還包括一用于恢復(fù)集中度的象差損失的非成象元件。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的非成象聚能器,其中所述非成象次級元件的位置和孔徑是由一轉(zhuǎn)動過θtrack的包絡(luò)曲線所確定的,該θtrack包括所述聚能器內(nèi)的所有角偏向且該包絡(luò)被表示為X=rsin3γY=(-3/2)rcosγ+rcos2γ其中r是曲率的初級圓弧半徑且γ確定了一光線從所述反射器表面反射的角度位置和所述包絡(luò)曲線上的光線與其相切的位置。
14.一種非成象照明系統(tǒng),包括具有一縱軸的兩維形狀,所述形狀是通過對由下式定義的極性坐標(biāo)的一微分方程進(jìn)行積分而被確定的dRdφ=Rtan(φ+δ(R,φ)-θ(R,φ)2)]]>其中R是從一源原點(diǎn)到來自一反射器表面的一光邊緣光線的反射點(diǎn)的矢量徑而Φ是該R矢量與來自一光源的中心沿所述照明系統(tǒng)的一縱軸的徑向矢量之間的角度δ(R,Φ)是在點(diǎn)(R,Φ)被引向該原點(diǎn)的光線與在最相近于光輸出的一側(cè)上與該吸收器相切通過的光線之間的角度。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的非成象照明系統(tǒng),其中通過繞該縱軸轉(zhuǎn)動該兩維形狀而形成一三維形狀。
16.根據(jù)權(quán)利要求14的非成象照明系統(tǒng),還包括由參量表達(dá)式X(θ,R,Φ)所確定的一目標(biāo)屏面,該參量表達(dá)式X(θ,R,Φ)由下式給出,X(θ,R,φ)=Rsinφ+tanθ(Rcosφ+D)其中D為從該源原點(diǎn)到該目標(biāo)屏面中心的距離。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的非成象照明系統(tǒng),其中該積分是沿Φ的三個區(qū)域而被進(jìn)行的(1)第一區(qū)域包含一漸開線,該漸開線被構(gòu)成以確保所有的光線出射該照明系統(tǒng),(2)第二區(qū)域使用至少部分反射器表面以將該目標(biāo)屏面上的能量在其中心處進(jìn)行歸一化,及(3)第三區(qū)域修整該反射器表面以獲得經(jīng)過該目標(biāo)屏面的一期望的輻射度。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的非成象照明系統(tǒng),其中該光源是圓形的,柱狀光源,δ=arcsin(r/R)且具有恒定的輻射度。
全文摘要
一種光的非成象聚能器(50),具有由dR/dα=Rtanα確定的形狀,其中R是從一原點(diǎn)到來自一反射器表面的光邊緣光線(70)的反射點(diǎn)的矢量徑而Φ是R矢量與該聚能器的出射孔(80)之間的角度,(R,α)表示該反射器表面上的一點(diǎn)及α為來自一原點(diǎn)的光邊緣光線與該反射器表面的法線所成的角度。
文檔編號F24J2/14GK1196125SQ96196814
公開日1998年10月14日 申請日期1996年7月3日 優(yōu)先權(quán)日1995年7月7日
發(fā)明者羅蘭·溫斯頓, 戴維·杰勒德·詹金斯 申請人:阿奇開發(fā)公司