[發明專利]一種光束準直器

有效

• 申請號: 201210433344.2
• 申請日: 2012-11-01
• 公開（公告）號: CN102928991A
• 公開（公告）日: 2013-02-13
• 發明（設計）人: 陳明陽;張銀
• 申請（專利權）人: 江蘇大學
• 主分類號: G02B27/30
• 分類號: G02B27/30;G02B27/09
• 代理公司: 南京知識律師事務所 32207
• 代理人: 盧亞麗

技術領域

本發明涉及太陽能開發、激光應用、LED照明等領域，特別涉及太陽光光纖照明裝置。

背景技術

在太陽能收集器等系統中，需要通過透鏡或反射鏡等聚焦系統將光進行會聚，從而輸入到光纖等橫截面較小的傳輸媒質中。目前，一般集光器是由多個陣列組成，以實現高效的陽光采集。如發明專利“太陽光光纖照明裝置（CN01113529）”采用由聚光透鏡和四象限光伏探測器組成的高靈敏度傳感器，實現了穩定、可靠的陽光跟蹤。而當采用透鏡或反射鏡對太陽光或寬口徑的平行或準平行光束進行會聚時，雖然結構更為簡單、聚光面可更大，但若聚焦光斑在較遠距離產生，則整個系統尺寸會很大，影響其實際使用。若要在近距離產生聚焦光斑，則在聚焦處光束與透鏡軸線的夾角很大，而光纖的聚光角度不大，這就導致有部分光無法被耦合到光纖中。為此，需要采用有效措施，以減小聚焦光束的發散角。

發明內容

針對以上不足，本發明提出一種新型光束準直器，以實現對經聚焦后的光束進行準直，減小光束的發散角，以利于光束的耦合或進一步對光束進行聚焦，以減小光斑尺寸。。該準直器為一透明圓臺，一般由玻璃或聚合物材料組成。圓臺外表面為光滑表面，其外側可加一層具有高反光特性的金屬薄層。

本發明提出的光束準直器可以將發散角較大的光束整形為具有較小發散角的光束，可用于太陽光收集系統、激光光束準直等。從而有效地提高后續的聚光器對光的收集能力，解決普通聚光鏡由于聚光后的光發散角大而無法將光有效會聚到光纖中傳輸的缺點。

本發明的光束準直器的技術方案是：該準直器為一圓臺，即由一圓錐去除頂部的小圓錐形成。該準直器用于對非準直光束進行光束準直。光束由圓臺上底(1)進入，從圓臺下底(2)輸出。圓臺上下表面均為光滑表面，實現有效的輸入、輸出，圓臺側面(3)為光滑表面或涂覆高反金屬薄層，以實現對由圓臺內部入射到圓臺側面的光進行有效的反射。

本發明提出的光束準直器可以將發散角較大的光束整形為具有較小發散角的光束，可用于太陽光收集系統、激光光束準直等。從而有效地提高后續的聚光器對光的收集能力，解決普通聚光鏡由于聚光后的光發散角大而無法將光有效會聚到光纖中傳輸的缺點。

其基本原理是，具有一定發散角的光束進入圓臺的上表面（小圓區域），發生折射，并進入圓臺，與圓臺軸線夾角較小的光束將直接到達大圓，并輸出。而圓臺軸線夾角較大的光束，則將到達圓臺的側面，并產生全反射，由于側面為圓錐面，經反射后的光束與圓臺軸線夾角將發生變化。對于一特定圓臺，可將發散角在一定范圍內的光束進行有效的準直。

如圖1所示，對于圓柱形透明介質棒，從其上底面進入的光，其入射角與出射角是相同的。因此，這種介質棒對光束沒有準直作用。

本發明提出的光束準直器為一圓臺，如圖2所示。即它是由一圓錐去除頂部的小圓錐形成的一根透明介質棒。光束由圓臺上底1進入，從圓臺下底2輸出。圓臺上下底表面均為光滑表面，實現有效的輸入、輸出，圓臺側面3為光滑表面或涂覆高反金屬薄層，以實現對由圓臺內部入射到圓臺側面的光進行有效的反射。而對于圓臺，當在一定的角度范圍內的光從圓臺上底入射，經錐形外表面反射后，再經圓臺下底輸出時，其入射角會減小。

為方便描述，給出以下定義。

上底半徑，圓臺上底圓形區域的半徑，用a₁表示。

下底半徑：圓臺下底圓形區域的半徑，用a₂表示。這里，a₁>a₂。

圓臺軸線：上底圓心與下底圓心的連線。

圓臺高度：上底與下底的圓心之間的距離，用h表示。

圓臺梯形：穿過上底與下底圓心的平面與圓臺表面相切形成的梯形。

圓臺腰：指圓臺梯形的腰。

圓臺角：圓臺梯形的底角，用θ表示。

圓臺傾角：圓臺腰與圓臺軸線的夾角，用γ表示，γ=90°-θ。

發散角：入射光線與圓臺軸線之間的最大夾角，用α′表示。

發散角光線：入射角等于發散角的入射光線。

內發散角：發散角光線由圓臺上底進入圓臺，經折射后，光線與圓臺軸線的夾角，用α表示。

內輸出角：入射光線到達圓臺下底表面時，光線與圓臺軸線的最大夾角，用β表示。

輸出角：入射光線到達圓臺下底表面時，與圓臺軸線的夾角等于β的光線，經圓臺下底折射輸出時，輸出光線與圓臺軸線的夾角，用β′表示。