利用荧光光源的准直全内反射透镜装置制造方法及图纸

一种照明设备，在组合中包括： ａ）ＴＩＲ透镜，具有许多小平面和在长度方向上延伸， ｂ）一个光源面向ＴＩＲ透镜和也在长度方向上延伸的、一般在方向上相对于在长度方向上延伸的ＴＩＲ透镜对称。（*该技术在2016年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术一般涉及辐射能特别是电磁能的聚集、改向和控制。更详细地涉及为了例如在激光光谱测定法中使用，使其元件采用全内部反射(TIR)的透明的透镜装置和聚焦辅助透镜以及波长选择滤光器结合使用的设备和方法。使辐射能改向到预定的区域或许多区域，或者从预定的区域或许多区域改向，这样的改向具有预定的聚集密度和/或预定的色散。如在光照明情况中，这些区域有光源或者具有用于使改向的能量转换到热能、化学能或机械能形式的辐射能接收器。辐射能聚集和照明的在先技术一般由二种主要类型组成，以折射和反射的天文望远镜作例子，位于接收器或光源前面的折射透镜；或者位于接收器或光源后面的后向反光镜。在太阳能聚集的在先技术中，相应的装置是Fresnel透镜和抛物面反射器，使太阳能聚焦在靶子上。更进一步，在那里是非成象的反射光会聚器，虽然在只作季节性调节的情况中具有使每天(非跟踪)位置固定的优点，但是有要求比较大的反射器面积和只传送比较低的能量密度的缺点。虽然Fresnel透镜组完全由折射元件组成，但是Fresnel透镜组具有高f/比带来的改向辐射能的物理学上固有的局限性和庞大的聚能器结构。并且，线性Fresnel透镜组具有也为折射定律中所固有的在最佳方向上的偏离角度。聚焦误差，而使单轴跟踪结构局限于比较低的聚集。尽管注意到抛物面反射器聚能器有广泛的用途，但是因为接收器位于光源和反射器之间因此被遮光，所以抛物面反射器聚能器承担接收的辐射能的损耗，特别在焦点上避免使用大的发热器具。更进一步，接收器容易受到环境的衰变和热损耗的影响；和包括有关接收器的保护的透明覆盖装置在内只会降低系统的光效率。另一种反射装置发表在例如由Rabl在Solar Energy(太阳能)19卷5期报导的文献中。这种反射装置使用二个TIR面的元件，使进入的辐射能通过同一侧面而输出的后向反射器。这只不过是在同样形状的金属镜上的改进，可能有较高的反射率，但是双内部反射使制造误差的灵敏度加倍，超过本专利技术的制造误差的灵敏度，全内部反射仅在单反射的情况下通过其本身使辐射能改向。TIR透镜的主要目的是克服在先技术的上述问题和在先技术带有的上述困难，并提供一种在应用中使用的包括辐射能的收集、会聚、改向和波长分裂的新颖的基本器具以成本效益和效率非常高的方式收集和使用辐射能的装置。在对美国专利(U.S.Patent)4,337,759的要点作改进的本专利技术，基本特点在于应用一种使用单由TIR或者结合折射作用改向辐射能的元件的透明装置，这样的装置位于辐射能量源和接收器之间。在能量的内部通路通过元件期间，每个元件使辐射能改向到共同的靶区或许多靶区上。正确取向的射线通过入口面进入并射到反射面，使正确取向的射线朝向出口面改向，这三个面由这种射线的有效面组成。此外，透镜装置至少与经由TIR面通过入口面和出口面之间使辐射能改向的面中的一个面有关联。因此，本专利技术的特点在于改向辐射能的通路整体通过发射主体装置和在反射后经由有关联的透镜装置通过其进入侧面的相对的侧面而射出。本专利技术构成三级辐射能聚能器，除用于聚集能量外还应用于其他形式的辐射能改向，波长分散或准直。除了在不规则取向的射线(例如斜的太阳光的漫射室内光)时可以冲出表面外，对于所关心的射线(例如，如在相对平行射线的太阳能聚集中)来说，元件的其他一些表面可以是无效的。TIR元件可以是邻接的方式，形成透明的覆盖罩装置、或者可以是分开的方式，以使未偏转的光在TIR元件之间通过，例如被在靶子背后的反光镜聚焦，由此可以从所有的方向照射靶子。在有或没有波长分散的情况下，可以通过使入口面和/或出口面独立的、非垂直转-角度对着被改向的平行射线或者通过在出口面上的衍射栅可控地达到每个元件能够使进入的所有的平行射线改向成单一的新方向或者使所有的平行射线分裂成几个方向，这种控制可以通过二元镜片的重现技术实现。在TIR单独被限制在大于临界角的入射角和由此被限制在小于180°-2°临界角(对于聚丙烯类，大约为96°)的任何改向弯曲角时，在有或没有波长分散的情况下通过上述的入口和出口面的不垂直转一角度，追加改向是可以实现的。象这样大的弯曲角可以使给出直径的透明装置比局限于单有折射的装置更靠近靶子，由此大大地减少必需的支撑结构。更进一步，来用90°以上率曲角的透明装置能够使用从靶子延伸到装置的边沿的平坦的反射镜，因此使太阳能聚集增加一倍或者使光源的截取效率增加一倍。由于给出的接收角(偏离平行的)对靶子尺寸产生成比例的要求，所以靶子可以被反射镜的平面平分，并在没有减小接收角的情况下通过隔绝面向离开改向主体装置的方向的靶子的一半，产生为原来尺寸一半的实际上的靶子。相反地，能够使靶子在尺寸上增加一倍，以得出加倍的接收角，然后通过反射镜返回到原来的地方以使靶子在尺寸上减半。使热损耗减半的这样的惊人的能量资源只有本专利技术才有，因为平面反射镜会覆盖孔径，所以对于90°边缘角的抛物面反射器来说是达不到的，对于Fresnel透镜来说，由于其很小的边缘角所以也是达不到的。和Fresnel透镜不一样，色差完全与弯曲角无关并且具有对波长分散应用这一类的太阳能照射或满足带隙要求的光电压电池所希望的任一个正、零和负的数值。和抛物面反射器不一样，元件的改向弯曲角是与其位置无关，大大增加设计灵活性。(由于抛物面反射器是平滑而连续的，所以从一个光点到邻近的一个光点的改向弯曲角不可能有任意变化。)本专利技术对美国专利4,337,759的要点上的改进中的第一个改进是单一透镜元件的面曲率，可以在面(入口、出口和TIR)中的一个、二个或所有三个面上形成这样的曲率以及例如可以构成凹形入口面、凸形出口面和/或凸形TIR面。在平坦的刻有小面的面装置上是这样改进辐射能处理，正如例如来自线或点光源的射线的改向那样，在内部屏蔽和TIR面倾斜角的限制范围内，在使用许多面的装置中产生不是平行就是聚焦的输出光束。并且由于可以利用每个面能单独地成曲形或者各种面曲率的组合来最大程度地减小由小面的限定尺寸引起的色差，所以获得在射线准直和聚焦上的改进，并增大设计的自由度。为了减少制造中的质量控制，成曲状的小面的面能够形成具有在透镜轴对称轴上的中心的球形。当通过模压刚性材料制成轴对称透镜时，预防限制这些面的曲率的下部凹进内部的面。这种限制不能应用于弹性透镜材料。TIR透镜的小面设计具有四个自由度入口面的角度、TIR面的角度、出口面的角度和在内部邻接小面的位置。满足设计解式需要用于求出这四个角度的四个必要条件。在下面说明的多种设计中，预先指定的选择方案限定自由度。因此，一般说来，必要条件为a)光从源到靶的改向；b)通过TIR面的光的全截取；c)为了最大的热力学效率，出口面的全照射；和d)由于下一个小面向内所以小面的入射和出射射线互相不干涉。一般，从最外部或边缘形成TIR透镜，小面以一个小面一个小面的方式朝向内部，根据控制的数量累接。四个必要条件形成解其根值求四个未知数的一组非线性方程式。因为没有解这样的方程式组的一般方法，所以典型的计算机程序使用解多维空间的邻域中假设拟线性的矩阵求逆方法。这要求这种多维空间的一些先前的知识以使解检索的起始点是在拟线性状态的范围内。这种先前的知识取决于小面是三角形还是四边形，制造者给出较宽的小面之间缝隙角本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：小威廉姆·A·帕金，戴卫·G·皮尔卡，
申请(专利权)人：TIR技术公司，
类型：发明
国别省市：