CN101639553B

CN101639553B - 静态光束采集和光束聚合及发散的方法及装置

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Publication number: CN101639553B
Application number: CN2009100986518A
Authority: CN
Inventors: 张海勇
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-05-20
Filing date: 2009-05-20
Publication date: 2011-11-09
Anticipated expiration: 2029-05-20
Also published as: CN101639553A

Abstract

静态光束采集和光束聚合及发散的方法及装置。把若干个不转动不同朝向的凸透镜组成一组，让这些凸透镜在被采集光束的任意时刻，都有光束进入这个组中至少一个凸透镜，若干个这样的组采集的若干束弱光通过多次导光管传输和透镜组叠加聚合得到一束强光束的方法；一束强光束经过多层次透镜组发散和导光管传输最终通过一些透镜组发散成若干束弱光的方法；以及其装置。该装置主要由采光部分、叠加聚光部分、输出部分、最终输出部分组成。本发明的优点：1)非跟踪被采集光束。2)聚合的方法可以采集移动和不移动的光束。3)发散的方法无论入射光束是否移动，都可以将它发散成稳定的光束。4)结构简单维护成本低。5)对环境适应性强。

Description

静态光束采集和光束聚合及发散的方法及装置

技术领域

本发明涉及一种静态光束采集和光束聚合及发散的方法及装置，特别是一种非跟踪光束的采集和光束被层层叠加聚合的方法及装置，还特别的是一种光束被层层发散的方法及装置。

背景技术

众所周知，太阳光能量极大、覆盖范围极广，取之不尽用之不竭的光源，但同时，太阳光相对于任意固定的点是周期性移动的。针对这种能量大、范围广，但周期性移动的光束，在现实中的楼宇建筑、隧道、地下室、水面舰船、航空器、海岛、高山、雪山等领域和地区就因为缺少能够采集和聚合太阳光的装置，照射到这些物体表面的太阳光很多未被利用；篝火和火把发出的光是不规则移动的，是微弱的，但野外没油没电而停驶的汽车，外海没油没电而抛锚的舰船，孤岛上没电的手机，就因为缺少利用篝火和火把的光能装置，而不能发出求救的信号；被人工控制的探照灯可以照射到几公里，就因为缺少把探照灯光束采集并且聚合的装置，而不能照射到几十公里，甚至几百公里；2008年初发生在中国一些地方的冻雨，就因为缺少把普通电光源发出的光束采集并且聚合的装置而不能把高强度光束直接照射到冰雪使之融化，不得不依靠人们冒着生命危险爬上高压铁塔手工敲碎冰雪；

节能环保越来越被人们所关注，采集光束再配合发电装置被证明是十分节能环保的，但自然界太阳光的光照强度不高和周期性移动特性，大大的增加了一些现行的采集光束装置的成本；就因为缺少太阳光采集和聚合装置，使得照射到单位面积的太阳能电池板上的太阳光强度不够导致发电效率不够高，再者，那些跟踪太阳光的装置本身还要消耗宝贵的电能用以跟踪太阳光，再加上跟踪装置的机械转动维护成本、太阳能电池板的光斑效应等因素，使得这类太阳光发电装置的发电成本比较的高。

在照明方面，各种电光源，如金卤灯，日光灯，节能灯，无极灯等电光源的显色性越来越高，但它们只是接近太阳光，而采集并且聚合后的太阳光，在配套照明装置后的光照环境显而易见，比各种电光源更加环保。

在临床医学上用的“光刀”就因为缺少分散控制高强度光束的装置而难以推广。

以及电光源刺眼的眩光问题，在一些领域也仍然存在。

因此进一步开发一种静态光束采集和光束聚合及发散的方法及装置对于开发利用周期性移动的光束、非周期性移动的光束、非移动光束，加以采集并以“层层叠加”方式叠加聚合得到多种加强了强度的光束的装置，对实现多种不同领域的需要，还有对分散利用高强度光束的领域，具有十分巨大的现实意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种：针对周期性移动的光束、非周期性移动的光束、非移动光束的采集，提出一种静态的，非跟踪光束的光束采集，缩小光照截面积和聚合光能的方法及装置；本发明的目的还在于提供一种：针对高强度光束，提出一种扩大光照截面积和发散光能的方法及装置。

该静态光束采集和光束聚合方法是：把“若干个不转动的、不同朝向的凸透镜”组成一组，而且让这些凸透镜在被采集光束的任意时刻，都会有光束进入这个组中至少一个凸透镜，若干个这样的组所采集的若干束弱光通过若干次导光管的传输和透镜组的多层次的叠加聚合而得到一束强光束的方法。

该静态光束采集和光束聚合装置是：该装置主要由采光部分、叠加聚光部分、输出部分、最终输出部分组成。所述采光部分包括：阵列形式的周期采光单位组Cm；所述周期采光单位组Cm是包括m(m＝1，2，3...N的自然数)个结构相同的周期采光单位C1；所述周期采光单位C1是包括采光单元组Bm、初级聚光输出导光管组7、聚光部分8；所述采光单元组Bm包括：m(m＝1，2，3...N的自然数)个结构相同的采光单元B1；所述采光单元B1包括：采光凸透镜A1、采光导光管组Dm、初级聚光透镜组5、初级聚光输出导光管6；采光导光管组Dm包括：m(m＝1，2，3...N的自然数)个采光导光管4；所述初级聚光输出导光管组7是包括m(m＝1，2，3...N的自然数)个初级聚光输出导光管6；所述聚光部分8包括：聚光透镜组9、聚光输出导光管10；所述叠加聚光部分包括：第1次叠加聚光单位E1、第2次叠加聚光单位E2、第n次叠加聚光单位En(n＝1，2，3...N自然数)；所述第1次叠加聚光单位E1包括：聚光输出导光管组11、第1次叠加聚光透镜组F1、第1次叠加聚光输出导光管G1；所述聚光输出导光管组11包括：m(m＝1，2，3...N的自然数)个聚光输出导光管10；第2次叠加聚光单位E2包括：第1次叠加输出导光管组G1m、第2次叠加聚光透镜组F2、第2次叠加输出导光管G2；所述第1次叠加输出导光管组G1m包括：m(m＝1，2，3...N的自然数)个第1次叠加聚光输出导光管G1；第n次叠加聚光单位En包括：第(n-1)次叠加输出导光管组G(n-1)m、第n次叠加聚光透镜组Fn、第n次叠加输出导光管Gn；所述第(n-1)次叠加输出导光管组G(n-1)m包括：m(m＝1，2，3...N的自然数)个第(n-1)次叠加聚光输出导光管G(n-1)；所述输出部分是包括：初级聚光输出导光管组7、聚光输出导光管组11、第1次叠加聚光输出导光管组G1m、第2次叠加输出导光管组G2m、第(n-1)次叠加输出导光管G(n-1)m；所述最终输出部分包括：第n次叠加输出导光管Gn；其特征还在于：装置的各部分依次连接在支架15上；各输出部分的输出端都朝向对应透镜组的第一个凸透镜。当光束入射采光单元时，首先是经过凸透镜的聚光作用光线聚焦入射到位于凸透镜的后焦点附近的采光导光管组，然后被采光导光管组改变方向后入射初级聚光透镜组，光束经过初级聚光透镜组的第一个凸透镜的后焦点后入射第二个透镜，然后再以平行光的方式入射初级聚光输出导光管。

当光束经过周期采光单位时，任意时刻的移动光束会入射周期采光单位的m个(m＝1，2，3...N的自然数)采光凸透镜的1个或多个，经过所入射的采光单元后被初步聚合到对应的初级聚光输出导光管，经过初级聚光输出导光管改变方向后入射聚光透镜组的第一个凸透镜，经过第二个透镜后进入聚光输出导光管。如果移动光束是太阳光束，那么在一年的365天的日照时间内，任意时刻的太阳光束都会入射周期采光单位的m个采光凸透镜的某1个或多个，然后在所有周期采光单位的聚光输出导光管都会存在被采集到太阳光束。

当光束经过第1次叠加聚光单位的过程是：任意时刻的移动光束会同时入射若干个各自独立的周期采光单位，光束在它们各自的聚光输出导光管中被改变方向后入射某一个第1次叠加聚光透镜组的第1个凸透镜，经过第2个透镜后进入第1次叠加聚光输出导光管，这样一来就得到了第1次被叠加的光束。

当光束经过第2次叠加聚光单位的过程是：若干个第1次叠加聚光输出导光管中的光束在它们各自的第1次叠加聚光输出导光管中被改变方向后入射某一个第2次叠加聚光透镜组的第1个凸透镜，经过第2个透镜后进入第2次叠加聚光输出导光管，这样一来就得到了第2次被叠加的光束。

依此进行，当光束经过第n次(n＝1，2，3...N的自然数)叠加聚光单位的过程是：若干个第n-1次叠加聚光输出导光管中的光束在它们各自的第n-1次叠加聚光输出导光管中被改变方向后入射第n次叠加聚光透镜组的第1个凸透镜，经过第2个透镜后进入第n次叠加聚光输出导光管，这样一来就得到了第n次被叠加的光束。

而且，光束经过每个透镜组后，因为第二个透镜的焦距小于第一个凸透镜，所以其截面积都被缩小。

在不考虑损耗的情况下，如果每个周期采光单位采集的光束为1个光强单位，那么m个周期采光单位的光束进入某一个第1次叠加聚光单位的后，就可以输出m倍光强单位的光束。

当m个各自独立的第1次叠加聚光单位的输出光束经过某一个第2次叠加聚光单位的后，就可以输出m*m倍光强单位的光束。

当m个各自独立的第2次叠加聚光单位的输出光束经过某一个第3次叠加聚光单位的后，就可以输出m*m*m倍光强单位的光束。

依此进行，当m个各自独立的第n-1次叠加聚光单位的输出光束经过第n次叠加聚光单位En后，就可以输出m的n次方倍光强单位的光束。

本发明中所述的m和n是属于数学范畴的自然数，也就是说本装置可以根据需要光强度的不同而选择确定m和n的具体数值，确定叠加的层数和周期采光单位的数量。

本发明中所述周期采光单位的m个采光凸透镜所组成的表面形状可以根据被采集的光束的特性而设计成不同的形状。比如说太阳光要选用凸出的球冠曲面形状。

该光束发散方法是：一束强光束经过多层次透镜组的发散和导光管的传输最终通过一些透镜组发散成若干束弱光的方法。

该光束发散装置是：因为光路可逆，所以与静态光束采集和光束聚合装置完全相同的装置就可以作为光束发散的装置，所不同的就是：强光束从该装置的最终输出端入射，采光凸透镜射出。因为透镜组的第二个透镜凸透镜的焦距小于第一个透镜，所以光束的截面积被扩大了；因为导光管传送并且改变了光束的方向，所以光束一层层的通过透镜组，一层层的被发散，最终从采光凸透镜射出，从而得到了被层层发散的减弱了强度的光束。

当m的n次方倍光强单位的光束入射第n次叠加聚光单位En后，在每一个周期采光单位都可以输出1倍光强单位的发散的光束。

本发明具有如下优点：

1)整个装置保持非跟踪被采集光束的状态。

2)光束聚合的方法可以采集周期性移动的光束、非周期性移动的光束、还可以采集不移动的光束。

3)光束发散的方法无论入射光束是否移动，都可以将它发散成稳定的光束。

4)结构简单、维护成本低廉。

5)对使用装置的客观环境要求不高，适应性强。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

图1：采光单元结构示意图

附图标记：采光凸透镜A1、采光导光管4、包括m(m＝1，2，3...N的自然数)个采光导光管4的采光导光管组Dm、初级聚光透镜组5、初级聚光输出导光管6。

图2：周期采光单位结构示意图

附图标记：采光单元B1、包括m(m＝1，2，3...N的自然数)个采光单元B1的采光单元组Bm、初级聚光输出导光管6、包括m(m＝1，2，3...N的自然数)个初级聚光输出导光管6的初级聚光输出导光管组7、聚光部分8、聚光透镜组9、聚光输出导光管10、支架15。

图3：采集移动光束的周期采光单位的m个正圆形采光凸透镜的球冠面曲面结构正视示意图

附图标记：采光凸透镜A1、包括m(m＝1，2，3...N的自然数)个采光凸透镜A1的采光凸透镜组Am。

图4：采集移动光束的周期采光单位的m个正六边形采光凸透镜的球冠面曲面结构正视示意图

图5：采集移动光束的周期采光单位的m个正方形采光平面透镜的球冠面曲面结构正视示意图

附图标记：采光凸透镜A1、包括m(m＝1，2，3...N的自然数)个采光平面透镜A1的采光平面透镜组Am。

图6：采集非移动平行光束的周期采光单位的m个正方形采光平面透镜的平面结构正视示意图

如图7采集移动光束的周期采光单位的m个正圆形采光凸透镜的半球冠曲面结构顶视示意图

图8：透镜组结构示意图

附图标记：前面的凸透镜20、后面的是凸透镜21。

图9：第1次叠加聚光单位结构示意图

附图标记：周期采光单位C1、包括m(m＝1，2，3...N的自然数)个周期采光单位C1的周期采光单位Cm、聚光输出导光管10、包括m(m＝1，2，3...N的自然数)个聚光输出导光管10的聚光输出导光管组11、第1次叠加聚光透镜组F1、凸透镜20、凸透镜21、第1次叠加聚光输出导光管G1。

图10：本发明整体结构示意图

附图标记：周期采光单位C1、第1次叠加聚光单位E1、第1次叠加聚光透镜组F1、第1次叠加聚光输出导光管G1、第1次叠加输出导光管组G1m、第2次叠加聚光单位E2、第2次叠加聚光透镜组F2、第2次叠加聚光输出导光管G2、第2次叠加输出导光管组G2m、第3次叠加聚光单位E3、第(n-1)次(n＝1，2，3...N自然数)叠加聚光单位E(n-1)、第(n-1)次叠加聚光输出导光管G(n-1)、第(n-1)次叠加输出导光管组G(n-1)m、第n次叠加聚光单位En(n＝1，2，3...N自然数)、第n次叠加聚光输出导光管Gn。

图11：一个采集太阳光的整体结构示意图

附图标记：12个周期采光单位C1、12个聚光输出导光管10、4个第1次叠加聚光单位E1、4个第1次叠加聚光输出导光管G1、2个第2次叠加聚光单位E2、2个第2次叠加聚光输出导光管G2、1个第3次叠加聚光单位E3、1个第3次叠加聚光输出导光管G3。

具体实施方式

实施例一：一个静态太阳光光束采集和光束聚合装置：结构如图11，此时采光部分采用周期性采光结构的凸透镜组的装置，每个周期性采光单位C1的凸透镜组Am所形成的阵列曲面是如图3结构的凸出的类似老式雷达的球冠面，这个曲面是对应太阳光在365天里移动的经纬度而确定的，要保证在太阳光的任意时刻都能够入射一个或多个凸透镜。每个采光凸透镜组Am也可以是如图5的平面透镜曲面，还可以是如图4的六边形凸透镜组成的曲面。该装置包括12个周期性采光单位C1、4个第1次叠加聚光单位E1、2个第2次叠加聚光单位E2、1个第3次叠加聚光单位E3、1个第3次叠加聚光输出导光管G3；当太阳光入射12个周期性采光单位C1时，被聚光的光束进入12根聚光输出导光管10，被分组进入4个第1次叠加聚光单位E1，被第1次叠加聚光后进入4根第1次叠加聚光输出导光管G1，再被分组进入2个第2次叠加聚光单位E2，被第2次叠加聚光后进入2根第2次叠加聚光输出导光管G2，然后一同进入第3次叠加聚光单位E3，被第3次叠加聚光后从第3次叠加聚光输出导光管G3射出。因此，入射12个周期性采光单位C1的光被3次叠加到原来光强的12倍，而且光束的横截面缩小到小于原来的1/12，从第3次叠加聚光输出导光管G3射出。

实施例二：一个静态篝火、火把的光束采集和光束聚合装置：结构如图11，此时采光部分采用非周期性采光结构的凸透镜组的装置，每个周期性采光单位C1的凸透镜组Am所形成的曲面是完整的半球面如图7，这个曲面是对应无规律移动的光束，要保证在任意时刻都有入射每个凸透镜组Am的一个或多个凸透镜。当篝火、火把的光束同时进入12个周期性采光单位C1时，经过与实施例一相同的过程，被3次聚光后从第3次叠加聚光输出导光管G3射出。因此，篝火、火把的光束入射12个周期性采光单位C1被三次叠加到原来光强的12倍，而且光束的横截面缩小到小于原来的1/12，从第3次叠加聚光输出导光管G3射出。

实施例三：一个静态探照灯光束采集和光束聚合装置：结构如图11，此时采光部分采用非移动光束透镜组结构，每个周期性采光单位C1的凸透镜组Am组成平面，这个平面是对应非移动的平行光束，要保证在任意都入射凸透镜组Am的全部透镜。每个采光凸透镜组Am也可以是如图6平面透镜平面。当12个探照灯的光束分别进入该12个这样的周期性采光单位C1时，经过与实施例一相同的过程，被3次聚光后从第3次叠加聚光输出导光管G3射出。因此，12个探照灯的光束，入射12个这样的周期性采光单位C1后，被三次叠加到一个探照灯光强的12倍，而且光束的横截面缩小到小于原来的1/12，从第3次叠加聚光输出导光管G3射出。

实施例四：冠面光束发散装置：与实施例一完全相同的装置，当强光束从第3次叠加聚光输出导光管G3射入，经过第3次叠加聚光单位E3后，被分散到2根第2次叠加聚光输出导光管G2中，分别进入2个第2次叠加聚光单位E2，被分散到4根第1次叠加聚光输出导光管G1中，再分别进入4个第1次叠加聚光单位E1，被分散到12根聚光输出导光管10中，分别进入12个周期性采光单位C1，最后被分散到若干个采光导光管4中，再经过对应的采光凸透镜发散出来。因此，入射的光被发散入射到每个周期性采光单位C1时的光强为入射光强的1/12倍，最后经过采光凸透镜A1的发散光束更弱。而发散范围将是类似老式雷达的球冠面如图3向空间扩散。

实施例五：半球光束发散装置：与实施例二完全相同的装置，当强光束从第3次叠加聚光输出导光管G3射入，经过实施例四相同的过程后，最后被分散到若干个采光导光管4中，再经过对应的采光凸透镜发散出来。因此，入射的光被发散入射到每个周期性采光单位C1时的光强为入射光强的1/12倍，最后经过采光凸透镜A1的发散光束更弱。而发散范围将是半球冠面如图7向空间扩散。

实施例六：平面光束发散装置：与实施例三完全相同的装置，当强光束从第三次叠加聚光输出导光管G3射入，经过实施例四相同的过程后，最后被分散到若干个采光导光管4中，再经过对应的采光凸透镜发散出来。因此，入射的光被发散入射到每个周期性采光单位C1时的光强为入射光强的1/12倍，最后经过凸透镜平面向四周空间扩散；如果最后经过的是平面透镜，光发散范围如图6以平面正前方扩散。

Claims

1.一种静态光束采集和光束聚合装置，其特征在于：该装置主要由采光部分、叠加聚光部分、输出部分、最终输出部分组成。所述采光部分包括：阵列形式的周期采光单位组Cm；所述周期采光单位组Cm是包括m个结构相同的周期采光单位C1，其中m为1，2，3…N的自然数；所述周期采光单位C1是包括采光单元组Bm、初级聚光输出导光管组(7)、聚光部分(8)；所述采光单元组Bm包括：m个结构相同的采光单元B1，其中m为1，2，3…N的自然数；所述采光单元B1包括：采光凸透镜A1、采光导光管组Dm、初级聚光透镜组(5)、初级聚光输出导光管(6)；采光导光管组Dm包括：m个采光导光管(4)，其中m为1，2，3…N的自然数；所述初级聚光输出导光管组(7)是包括m个初级聚光输出导光管(6)，其中m为1，2，3…N的自然数；所述聚光部分(8)包括：聚光透镜组(9)、聚光输出导光管(10)；所述叠加聚光部分包括：第1次叠加聚光单位E1、第2次叠加聚光单位E2、第n次叠加聚光单位En，其中n为1，2，3…N的自然数；所述第1次叠加聚光单位E1包括：聚光输出导光管组(11)、第1次叠加聚光透镜组F1、第1次叠加聚光输出导光管G1；所述聚光输出导光管组(11)包括：m个聚光输出导光管(10)，其中m为1，2，3…N的自然数；第2次叠加聚光单位E2包括：第1次叠加输出导光管组G1m、第2次叠加聚光透镜组F2、第2次叠加输出导光管G2；所述第1次叠加输出导光管组G1m包括：m个第1次叠加聚光输出导光管G1，其中m为1，2，3…N的自然数；第n次叠加聚光单位En包括：第(n-1)次叠加输出导光管组G(n-1)m、第n次叠加聚光透镜组Fn、第n次叠加输出导光管Gn；所述第(n-1)次叠加输出导光管组G(n-1)m包括：m个第(n-1)次叠加聚光输出导光管G(n-1)，其中m为1，2，3…N的自然数；所述输出部分是包括：初级聚光输出导光管组(7)、聚光输出导光管组(11)、第1次叠加聚光输出导光管组G1m、第2次叠加输出导光管组G2m、第(n-1)次叠加输出导光管G(n-1)m；所述最终输出部分包括：第n次叠加输出导光管Gn；其特征还在于：装置的各部分依次连接在支架(15)上；各输出部分的输出端都朝向对应透镜组的第一个凸透镜。

2.根据权利要求1所述静态光束采集和光束聚合装置，其特征在于：导光管是光导纤维或是内部中空的有反射装置的管状物。

3.根据权利要求1所述静态光束采集和光束聚合装置，其特征在于：采光凸透镜组Am包括：m个采光凸透镜A1，其中m为1，2，3…N的自然数；所述采光凸透镜组Am是m个不转动的、不同朝向的凸透镜，其中m为1，2，3…N的自然数；所述采光导光管组Dm的输入端横截面围成凹陷的曲面；所述各部分的透镜组都包括：位于前面的凸透镜(20)、位于后面的是凸透镜(21)，前面凸透镜的后焦点和后面凸透镜的前焦点重合，而且后一个凸透镜的焦距，一定小于前面凸透镜的焦距。

4.根据权利要求1所述静态光束采集和光束聚合装置，其特征在于：当任意时刻的光束入射本装置的采光部分，不同光束分别进入m个周期采光单位C1的某一个或几个采光单元B1，其中m为1，2，3…N的自然数，光束经过采光单元B1的采光凸透镜A1后，被聚焦在凸透镜A1的焦点附近，进入采光导光管组Dm，从采光导光管组Dm的输出端射出，经过初级聚光透镜组(5)的第一个凸透镜的焦点后进入第二个凸透镜，然后以平行于凸透镜焦点连线的方向进入初级聚光输出导光管(6)，m根初级聚光输出导光管(6)分成若干组，分别深入到若干个第1次叠加聚光透镜组F1，m根初级聚光输出导光管(6)中的光束就被分成若干组，分别进入若干个第1次叠加聚光透镜组F1，经过第一个凸透镜的焦点后进入第二个凸透镜，然后以平行于凸透镜焦点连线的方向分别进入若干个第1次叠加聚光输出导光管G1，这若干个第1次叠加聚光输出导光管G1中的光束依照第1次叠加聚光的方式经过n次的叠加聚光单位，其中n为1，2，3…N的自然数，最后进入第n次叠加聚光透镜组Fn，经过第一个凸透镜的焦点后进入第二个凸透镜，然后以平行于凸透镜焦点连线的方向进入第n次叠加输出导光管Gn。