CN1181131A - 利用荧光光源的准直全内反射透镜装置 - Google Patents

利用荧光光源的准直全内反射透镜装置 Download PDF

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Abstract

辐射能改向装置包括辐射能发射主体装置(10);该装置包括许多元件(11),许多元件中的每个元件作为辐射能改向组件,辐射能改向组件在其横截面圆周上具有接收入射能量进入圆周内部的入口面(54)、以从入射的侧面朝向主体反向侧面的方向通过能量到圆周外部的出口面(52)和相对于入口和出口面改变角度以使从入口面入射的辐射能改向朝向出口面的全内部反射(TIR)面(51);主体装置一般使入射辐能改向朝着处于离开或在相对于入射侧面的主体的反向侧面上的预定的靶区(15);和至少与改向辐射能经由全内部反射面在入口面和出口面之间通过的面中的一个面组合的透镜装置(29)。

Description

利用荧光光源的准直全内反射透镜装置
本发明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***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，超过本发明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***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的要点作改进的本发明，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，本发明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。本发明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***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发明才有，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。)
本发明对美国专利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度，而这样是比较容易做到；但是四边形增加另一个自由度，使所有的透镜形状的较宽的选择方案能够实现。
使小面的这种第四光学上无效的侧面的角度一般被设定在把透镜从压模拉出的最小设计角度(约2°)。就只带有几个小面的小型透镜来说，为了提高透镜的高度和改进准直，也有一个邻接的小面比其相邻的小面大或小的可能性。
根据彼此无干涉的准则确定的相应小面的位置确定所有透镜的外形，外形应该是低还是高取决于应用。在太阳能聚集器中，应该使透镜的高度减小到最低程度，以减小太阳成象的光点尺寸。在聚焦或准直的TIR照明装置中，具有更高一些的透镜高度应该是有利的，以便在中心小面位置上使照明源的设备尺寸减小并由此收紧输出光束。这种考虑不适用于发散TIR透镜，因为只要求效率而不要求光束紧密度。
小面曲率的重要用处是在只有几个小面的小TIR透镜中例如发光二极管的准直器。由于在制作压模中的难度所以模压非常小的小面可能是不理想的。成曲形的刻有小面的面可以使比较大的小面象小的小面一样精确地制作。对于在车辆的后面的红灯来说，发光二极管的透镜是使人感兴趣的。事实上，可以使TIR透镜放到通常的LED(发光二极管)的透明覆盖罩中，大大提高其发光效率。
关于美国专利4,337,759的要点上的进一步改进是：为了使光聚集在透镜前面的光点上，改向来自光源的光的透镜。
对于这种应用来说，TIR透镜优于通常的椭圆面反射器，有二个原因。其一，透镜和其有关联的平面后向反射镜收集光源的所有输出并使其聚焦。椭圆面反射器一般仅收集光源输出的四分之一。
其二，小面结构具有有效的聚焦能力是可以实现的；就是说，在焦点上的光点中心上，整个透镜看来象光源本身一样光亮，这种状态大家知道是“全闪光”，对于缩微胶片和幻灯放映机的特有功能来说是重要的。因为象差为椭圆面反射器所固有的，所以它永远不会全闪光，产生的而是非常宽的在焦点上的光点。通过刻有小面的出口面可以使TIR透镜全闪光，以使阶梯台阶具有平行于即时从出口面出射的内部射线的阶梯的“竖面”。然后，从TIR面出射的光必须照射小面的全部出口面，通过TIR面的曲率可以满足条件。
更进一步，出口面可以大致具有与入口面一样的折射弯曲，防止无用图象放大，加宽在焦点上的光点。在每个刻有小面的面上独特的凸面曲率对于这种设计的成功是非常重要的：
■入口面曲率可以使整个TIR小面被使用，通过少量的聚焦，防止任何光未射入TIR面；
■TIR面曲率可以使整个出口面被照射，防止任何光射到楼梯台阶竖面或者邻接的TIR面；和
■出口面曲率使光聚焦在靶子，消除受限制的小面尺寸的影响。
这种聚焦结构便有二种大大改善在先技术的光利用效率的著各应用：幻灯片图象放映机、电影或缩微胶片。目前设计使用低的截取效率(即在装置的输出图象中的实际上终端的光源输出部分)为椭圆面反射器所固有。
本发明的TIR透镜可以和消球差透镜一起使用，以便去除余弦-四分之一的在先技术特有的光照不均性。随着阶梯竖面转向平行于聚焦射线，为确保焦点锥面的空间连续性，TIR透镜的这种型式一般具有阶梯形的出口面。可以使小面形成的面成曲形以便增大辅助透镜的作用。
用于这种应用的TIR透镜的另一优点是TIR透镜在方位上抹去光源中的任何结构，去除为椭圆面反射器成象作用中所固有的图形干扰源。
■用于光纤束和光管的光照注射器。在光照注射器中在先技术还使用椭圆面反射器。TIR透镜具有与靶子接受角相匹配的焦点锥面半角。
■用于分析受激发射拉曼或光荧光的试样的漫射发射光的光谱仪的聚光装置。
通常光谱仪一般用显微镜物镜收集紧接着把聚焦的激光(50微米)输送到试样以后的这种光。这些物镜一般具有等于其直径的焦距，以使物镜弦边对着大约50°的角和收集5％的漫射发射输出。
聚焦TIR透镜可以收集一半以上的这种反射光，由于信噪比较大，所以信号增加九倍大大有助于光谱分析。
■TIR透镜改向来自光源的光，以便形成发散的圆锥形光，如在泛光照明应用中那样。
对于45°或较小的圆锥角来说，这样的透镜比通常的相应的反射器更有效并且更紧凑。这种发射既可以用于均匀照明还可以用恰当的刻有小面的面的曲率调整小面离光源的不同距离，得出从位于透镜前的虚光源有效地产生的虚象。
■用于圆柱形光源的线对称TIR透镜的二种类型(例如荧光管)：
一种类型，使其输出限制在相对狭小的偏离轴的角度内。在在先技术情况事，只有相当深和大的体积的反射器的情况下才可能实现。
一种类型，减少其在轴上输出和增大横向输出，以便在附近的表面上产生用于间接照明的均匀照明度。这样的形状看来与其他TIR透镜很不相同。
直线型TIR有一些由径向射线内部反射造成的不足，因此在超过内部反射的临界角的总入角时透镜侧面部分碰到出口面的情况下从直线型光源以大的平面输出角发射射线。大多数用于径向对称透镜的设计在实施直线型透镜时将在无论什么时候，在平面输出角都超过40°的条件下拥有从Lambertian光源或均匀光源发射的全部射线的一半。用沿透镜的输出端面的沟纹可以补救这种在透镜内光的截获，遗憾的是由于侧面部分已不再是恒定的，所以这种沟纹不可能通过冲压加工制作。另外一种方法是通过透镜外侧面上的微小的阶梯结构外连二元镜片。
另外使用透镜的设计用于环形荧光灯。TIR透镜外形具有其在环形灯的圆形横截面上的对称轴。整个透镜是一种回转轮廓，其轴是环形的轴，而不是透镜外形的中心轴。更细的环形灯，最好能够通过透镜控制它的光。
目前，没有收集象这种灯的光和使许多改向成向前射去的光束的反射器。这种环形TIR透镜对于电池供电的荧光信号灯是非常有用的，目前还不能提供任何聚焦诸如此类的资料。
用硅制作准直的TIR透镜：由于这种材料的高折射系数，所以使硅的小面的折射面改变一个角度与玻璃透镜比稍有不同。硅透镜的应用是用于红外光准直和可见光隔离(由于硅吸收小于1.1微米的所有波长的光)。
这种应用的目的是用脉冲红外光的聚焦光束干扰红外线自动引导防空导弹的制导传感器。在先技术使用和硅窗口结合一起的效率很低的抛物面反射器，正如在许多夜视装置中可以找到硅TIR透镜，那是一种非常新颖的红外反光镜。
在具有成曲形的侧面部分的棱镜、连接的直线型或环型棱镜一齐起作用的阵列、从线光源或点光源出射的射线改向、球形波和平面波的聚焦、比抛物面反射镜好的准直和比椭圆面反射镜更有效的聚焦的TIR透镜应用中，可以看到本发明的优越性。
发明的另一个目的是提供一种辐射能改向装置包括：
a)辐射能发射主体装置，
b)该装置包括许多元件，许多元件中的每个元件作为辐射能改向的组件，在其横截面圆周上具有接收进入到圆周内部的射入能量的入口面、以离开入射的侧面朝着主体的反向侧面的方向通过能量到圆周的外部的出口面和相对于入口和出口面改变角度以使从入口面射入的辐射能改向到朝着出口面的全内部反射面。
c)一般使入射辐射能改向朝向位于离开和相对于入射侧面的主体反向侧面上的预定的靶区，
d)至少组合许多面中的使辐射能改向经由全内部反射面在入口和出口面之间通过的一个面的第一透镜装置，改向的辐射能是准直的，
e)和与出口面留有间隔以接收准直的辐射能并使其朝靶区改向的第二透镜装置。
本发明的又一个目的是提供一种装置，指的是，在这里第二透镜装置是聚焦Fresnel透镜，可以使波长选择滤光器安装在准直辐射能的光径中，准直辐射能被改向朝向靶区；和该滤光器可以延伸在极接近于第二透镜装置的地方并延伸在第二透镜装置和第一透镜装置之间。进一步，第一和第二透镜装置可以确定通过靶区的主轴，和主轴可以垂直于由第二透镜装置和滤光器确定的平行面延伸。
进一步的目的涉及在其周围入口、出口和全内部反射面延伸的中心部分的装置，中心部分包括显微镜物镜；和反射镜可以置于上述的第一和第二透镜装置之间以向上述的主体装置的上述的中心部分反射光。
附加的目的是提供发光设备包括：
a)具有许多小面和在长度方向上延伸的TIR透镜，
b)面向TIR透镜并且也在长度方向上延伸的、一般来说在方向上相对于在长度方向上延伸的TIR透镜对称的光源。
如将所见到这样，光源可以直线地或者沿弧线(例如环形)延伸；TIR透镜也可以直线地或者沿弧线(例如环形)延伸。可以由如所述的取向的荧光管或荧光灯泡有利地组成光源。
根据下面的详细说明和附图，本发明的这些目的与其他目的和优点，以及说明实施例的细节内容更会被充分理解。
附图的简略描述
图1是表示实施本发明的装置的一种形式的垂直剖面图中的垂直剖面；
图2是表示实施本发明的装置的另一种形式的垂直剖面图中的垂直剖面；
图3是在图2中线3-3上的放大剖面图；
图4a-4e是穿过各种结构的元件的放大剖面图；
图5是表示稍有不同的太阳光聚能器的一部分和使用结构类似图1的剖视图；
图6是表示一个与图1或图5类似的装置和另一个准直器配合操作的二个装置的示意图；
图7是穿过在图6中使用的准直器的放大剖面图；
图8-11、13、14和15是表示各种应用的辐射能聚集装置的示意图；
图12a和12b是表示改进型聚能器的局部剖面图；
图16-18表示各种曲面透镜表面构造；
图19a-19c是表示由各不相同的曲率产生光射线的剖面图；
图20是表示有三个曲面的小面的剖面图，说明小面设计的一般原理；
图21是表示供发光二极管使用的进一步改进的辐射能聚集装置的剖面图；
图22是表示用能通过红外(IR)光的硅制成又另外一种改进型辐射能聚集装置的剖面图；
图23是表示如在图21a中使聚焦光射向光导管的辐射能发射主体装置的剖面图；
图24是表示使发散光校正成泛光照明的辐射能发射装置的剖面图；
图25是表示使光从层状受激试样聚集到分光光谱仪的辐射能发射装置的剖面图；
图26是表示使光从喇叭口形光源射出的辐射能发射装置；
图27是除表示在收集光或辐射的光程中安装辅助透镜和滤光器外类似图25的剖面图；
图28是表示喇叭口形TIR透镜和喇叭口形光源，例如荧光灯的剖面图；
图28a是表示如在图28中可看到的反射器和灯表面的示意平面图；
图29是曲线图；
图30是表示具有峰状反射器结构的改进型式的类似图28的剖视图；
图31是表示比较亮度的示意图；
图32是表示直线型TIR透镜的透视图；
图33是穿过图32透镜、细长光源和反射器组合而形成的孔径灯的剖面图；
图34、35a、35b和35c是射线轨迹图象；和
图36和37是几何表示。
进行本发明的方式和工业上适用范围
如美国专利4,337,759所述，并参考图1，辐射能发射主体装置10，以覆盖罩或圆顶罩的形式具有许多在11上的小面或元件，每个小面具有接收上述的辐射能射入的入口面、使能量通向主体外的出口面和相对于入口和出口面成角度使入射到反射面上辐射能反射到出口面的内部反射面。例如，在图1和4d中，选择的小面11在垂直的横向部分中具有由阶梯形的面12a和12b组成的入口面12、面向靶区15的出口面13和内部反射面14。由在平坦的面12a和以该面的法线方向射入主体装置10并为了被面14反射而在小面内部通过的射线16a和16b代表辐射能，例如光。为了这个目的，可以使面17镀银。然后射线16c从出口面13的法线方向通向并透过出口面13，直接通向靶区。
主体装置10可以用固体透明材料，举例来说，例如玻璃或塑料组成。
图1所示的许多小面11可以相对于确定的共同轴18环状延伸；或者图1所示的许多小面11可以交错地用18表示的和垂直于图1的图面的平面的相对侧面上成平行关系(垂直于图1的图面)地延伸。无论是这样还是那样，在小面的尖端确定一个在21(由最接近靶子的小面顶尖确定)位置上的凹形表面，而特点在于使透过出口面的辐射能全部射向靶区。在面13和14的界面上形成顶尖22。表面21是抛物面的。
图1中连续的小面进一步特点在于小面的凸出部分的相邻面24和14之间存在锥形间隙。面24是无效表面，即，不通过辐射能。例如，看图1中表示的射线25和26。在靠近TIR透镜10的外侧边缘21的地方，通过TIR透镜10的有关的小面使射线25朝着靶子改向几乎是90°。图1和图4的分析将表明，对于在离轴或平面18的间距上增大的小面来说，角α(射线的弯曲角)增大；而对于在离线或平面18的间距上增大的小面来说，角β(小面相对于与线或平面18平行的线或平面的棱角)增大。并且，入口面形成阶梯形图案。
图1进一步表示与TIR透镜或主体10有关联的并置于TIR透镜或主体的中央部分的Freshol透镜29；象这样使入射辐射能折射射向靶子的Freshl透镜29置于改向最少的即以最小的角度改向射向靶子的射线30的光程内。例如，透镜29可以与透镜10组成一体。
进一步，在位置30上表示彼此隔开并面向在靶子侧面上小面的反射器或反射镜表面。表面30被调整到使散射的或发射的辐射能从一末端的外部小面折射射向靶子。关于这一点，看射线31和反射点31a。由于能够使二分之一的无光照底部良好地隔热，所以这可以在没有表面30的情况下使靶子受到热损耗影响的面积减半。
同样地图1所表示的是可控地使透镜10和29以及反射器30的组件倾置的装置的一种形式，以使轴18保持对准相对移动的辐射源例如太阳。在那样的例子中，基座板32通过主体装置10的末端外部边缘部分100支撑反射器30以及圆顶形透镜10和29。环形齿轮33支撑板32，并与齿轮34啮合。驱动电机35转动齿轮34以可控地转动环形齿轮33，而控制单元控制电机35。单元36使光电池37和38保持对准光源的方式响应光电池37和38。光电池在适当位置例如靠近其圆柱形表面的99上由板32携带。
靶子例如可以由热传导性的流体容器组成，以把热量传送到容器中的流体，例如管道里的水。
在图2和3中，数词100和129表示与上述的透镜10和29相当的透镜。透镜100和129在箭头149的方向上延伸并被用150和151标示的支座携带。V形屏蔽罩152具有与透镜主体100的相对的边缘连接的边缘部分152a，以使屏蔽罩和透镜划定一个界限。
辅助的绝热管状屏蔽罩153在这样的界限内在具有固定(不能转动的)位置的流体罐154周围延伸。流体罐的支撑可以采用以155和156表示的支架形式，轴承安装在157和158位置上以使流体罐和屏蔽罩围绕轴159与透镜组一起转动。使屏蔽罩153在位置160和161上切开，在用滑动片163防止受热空气从间隙162逃逸时使从透镜组件射入的辐射能被流体罐吸收，界限具有反射的内侧表面152b。
冷却液，例如水经由管道164进入流体罐，在流体罐内受热并排放到流体罐下游端164a位置上。温暖的流体缓慢流动在200位置上返回流体罐，通过与外部管道164接触进一步受热，流体在输出口165离开流体罐。牺牲阳极166在水中受到侵蚀，抑制对流体罐自身的任何在电解上的侵蚀。并且，当太阳辐射能被中断或者不存在时例如在夜间，使在水中的备用加热器通电以使流体罐中的水加热。可以在屏蔽罩153和流体罐本身之间的162位置上形成空气间隙。在170位置上表示太阳跟踪机械装置，转动装置以保持太阳射线垂直地射向透镜100和129，也就是在图3中方向171上。
在操作中，由于通过间隙160和161便于使朝向平行于箭头171并使透过透镜100和129的所有辐射能改向对准流体罐以加热流体罐中的流体。并且看窗口162和162。采用大角度即差不多180°收集太阳射线，如上面图中所述。间隙周壁153a是反射的并且除了在这里所表示的笔直管道外可以具有其他的曲面形状，以便第二次聚集。来自漫射光源例如天窗照明的发散辐射能被涂黑的屏蔽罩153的表面153a和130上的透镜支撑片吸收。
元件的各种几何结构和元件的各种排列是可以实现的，在这里，虽然各种元件结构具有相同的三个有效面的相关的角度，但是在透明的装置内有不同的使用；例如，在入口面能够在有小面的台阶上或者甚至在完全平滑的覆盖罩表面上时，TIR面能够在或是主体装置的侧面上或是在隧道内遂道的周壁上有小面的缝隙内。
在图4a中，在出口面42具有阶梯台阶42a和42b时，隧道40形成TIR面41。在图4b中，具有TIR面51和入口面54的缝隙50是在主体装置的入口侧。出口面52具有阶梯台阶52a和52b。在图4c中，隧道60形成TIR面61，而入口面62和出口面64是在平滑而连续的表面上。然而，因为通过入口面62，射线43的折射弯曲，所以TIR面必须比图4a的TIR面41或图4b的TIR面51长。一般说来，TIR面的长度相对于小面的宽度为：
TIR长度＝COSδ/(COSηCOSη)式中η是射线63a与表面法线66的入射角、δ是改向射线63b与66的角度、K是反射线63c与出口表面法线67的角度和λ是受折射的63d与67的角度。由Snell定律给出这些角的关系式：
Sinη＝nsinδ和sinλ＝nsink
式中n是主体装置材料的折射率。为了改向邻接元件对准靶子，使所有平行射线射入邻接元件，必须在具有以靶子作为其焦点的抛物面反射器上或上方处处相对地安置邻接元件并且边沿倾斜角等于二分之的边缘角(即最外元件的改向弯曲角)。
在图4d中，“末端”射线16c必须通过内部的相邻小面的尖端22而另一末端射线16b必须通过缝隙23的顶点27。这些通过条件要求透镜倾斜角η大于或等于TIR倾斜角，在几何学上相当于是在抛物面反射器上或上方的切线22。
注意图4中所有的结构具有相同的弯曲角α而除图4c外具有相同的垂直入口和出口面。注意例如图5中“覆盖罩”310的元件311，在抛物面反射器321上方正切于尖端322。同样注意线324。在抛物面反射器下面的在边沿具有相同的倾斜角的这些尖端，例如四分之一园325的尖端，会在这样的阶梯台阶结构中损失一些元件间的冲击，对于圆柱形和球形来说，大约为10％。但是使用薄的柔性的可膨胀的圆顶罩作透明覆盖罩装置，象这样的损失理应是值得的，特别由于未射中靶子的射线仍然会被改向到覆盖罩内的空间位置，所以加热封闭的空气促使增压。注意图11有关无冲击的圆形结构。
一种交错的小面式样试图通过在射线射入TIR之前聚集射线，使这样的冲击损耗减小到最低程度。凸形和凹形的入口和出口面就适合这种式样，尽管是在通过使透明改向装置更靠近靶子比某些应用大得多的覆盖罩的聚集比和接收角有些降低的情况下。
对于较小的弯曲角来说，在需要形成低弯曲角元件的TIR面的图4d中的隧道或缝隙23做得很狭窄上遇到困难。通过提高在抛物面反射器321上方的外形以使缝隙和隧道加宽到超过其最小宽度范围，多少能减轻一些这种困难。减轻上述困难的另一种形式是弯回图5的出口面311，角度转变到使出口面311折射改向与TIR面的改向相对，因此TIR面可以在不太陡的倾斜角的情况下具有较大的改向弯曲角，产生较宽的隧道或缝隙。
在图5中，注意射线330不是垂直射入出口面11，以使射线330a朝向靶子折回。这样可以实现比出口面是垂直的而TIR面处于较陡的角度的时候实现的缝隙是更宽的缝323。上述的凸形入口面也会加宽缝隙或隧道。
加宽缝隙的另一种方法是在图4e中表示的有小面的出口面。在缝隙70那里开口直到缝隙紧密接触末端射线73b。出口面74具有分别垂直于或平行于反射线73b的阶梯台阶74a和74b。可以使高折射系数(假设n＝4)的一连串薄的微小结构的元件交错地嵌入主体装置中形成更合适形状的元件。特殊的制造方法和设计应用将决定Freshel透镜转换位置，或者决定射线通向在靶子下方小抛物面反射器的窗口转换的位置，由此从全圆方向照射靶子。
另一种可能的结构可以有使辐射能射向到中心靶子的装置的外部部分，而内部部分只用大的弯曲角使能量全部改向到外部靶子。所有这些结构是由本发明的基本方法转化而来的；许多TIR透明元件、合适地安置入口、出口和TIR面使辐射能改向到预定的靶区或改向到靶子立体角的位置。
同样可以用的是一种焦距能够比任何抛物面反射镜短而聚集度增大一倍的覆盖罩装置(如在10或110上)，而且这种覆盖装置是没有阴影的并产生气动阻力比凹形抛物面反射镜低的凸形表面。这使覆盖罩装置的靶子在靠近重心和比抛物面反射器的靶子更接近地面的地方安装在接收器装置上，易于设计和维修。最后，TIR面的几乎100％反射效率产生比用抛物面反射镜更多的高效率能量资源。
在图1和5中，当然，把元件11和311整体而连续地连接在一起，以覆盖罩的一般形式形成辐射能传送装置。后者具有平卧在覆盖罩的相对侧面上的能量入口表面(例如图1中顶表面)和出口表面(图1中底表面)。覆盖罩使离开出口表面的辐射能一般具有与在入口表面上能量射入的方向不同的方向。并且，许多TIR面是位于在出口面上缝隙附近、贴近出口面，如以上所提到的那样。入口表面具有有小面的阶楷台阶结构。覆盖罩的出口表面平卧在远处而离开靶子比离抛物面反射器更远(见21和321)。覆盖罩可以用透明材料例如塑料组成。
图8示意表示相当于图1的装置10或图5的装置310或者等效的装置410。在415位置上表示靶区，后向反射器装置412在靶区前留有间距并面向靶区，以致使辐射能改向到靶区。见射线413。
图9示意表示在靶区上的430位置上的辐射能量源装置(例如光源)。用主体装置435(类似10或310)以反向定律使源装置430发射的辐射能改向。见射线436。
图10a和10b表示具有在圆柱形靶周围环形地延伸到均匀小面的“单弯曲”透镜的二种变化。在图10a中，圆锥形主体装置440的所有小面444使射线443弯折90°射入到圆柱形靶441。在图10b中，平坦的主体装置445具有使射线447弯折45°射入到圆柱形靶446的一样的小面448。
图11表示封闭在覆盖罩装置459的出口面前的空间461的结构装置460(类似10或310)，以致空间461气氛的增压会使柔性覆盖罩装置保持其具有曲率中心在点426上的膨胀形状即球形。注意靶区462、增压装置例如泵463和射线464。具有微小锯齿形小面如插图所示的薄层465粘附于覆盖罩装置459的内侧。
图12a表示许多(例如二个)接收来自发射主体装置472(类似10或310)的辐射能的靶区470和471。每个元件473使许多方向上的能量改向到靶区。因而，每个元件473除了为了实现分别由面474和475改向到二个靶区的二条射线476和471的反射而具有分成二个稍有不同的角度的平面474和475的TIR面外可以与元件10或310一样。
在图12b中，TIR面453是射线451的出口面；而TIR面454是射线452的出口面。可以使这种V型60°弯折的对称情况变换到得出进入的辐射能的不同分布的二种不同的右和左侧弯折。
在图13中覆盖罩装置480(类似10或310)具有使辐射能改向不同的靶区的不同元件组。因此，在位置481上的元件使辐射能射向靶子482；而在位置483上的元件使辐射能射向靶子484。注意射线485和486。
在图6中覆盖罩或主体装置510相当于上述的10或310。次级辐射能改向装置安装在520上，以截取来自主体510的辐射能并使其改向。注意具有下射到主体510上的射线段521a的射线521；改向的射线段521b下射到主体520；和由主体520发射从属改向的射线段521c。
图7详细地表示主体520，具有入口面530、出口面531和TIR面532。射线521c是可行的，在这种情况下即成准直，所以主体520可以被认为是准直仪。
图14中表示的装置除了出口面551相对于通过它们的辐射能各自形成角度，以引起辐射能改向外是与10和300类似。注意面551上被折射的能量束552。并且在图14中，出口面551可以被认为是使辐射能折射改向与用TIR面553改向不完全相反，后者以较小的倾斜角延伸(与图1和5中的比)以致加宽缝隙554。同样注意在图14中，在556上入口面是平滑而没有小面的，而出口面551是平行于折射线552b，得出最大程度回折和最小可能的实际上低于抛物面反射器321或图5中四分之一圆325的入口表面556的倾斜角。
在图15中，主体装置560除了使用随辐射能的波长变化而变化的折射率以致构成波长分散的辐射能改向的发射主体装置外类似在10或310上的主体装置。表示二个靶区561和562并彼此留有间距以接收不同波长的波长***的、改向的辐射能。注意***成射向靶子561的一种波长的射线563a和射向靶子562的另一种波长的射线563h。
同样在图15中，每一靶子可以被认为是把辐射能转换成电荷的一种装置。象这样的装置的一种装置是光电压电池。这样的器件可以放在图1和5的靶区上。在图15中，一个靶子可以由接收可见光波长的光照明装置组成；和另一个靶子可以由在561上接收不可见光波长的热接收器组成。
当把辐射能量源放在区域562上时可见光波长射线会循着射线563的光程，即被准直，而不可见光较长波长热射线，会另外从可见光束向外发散，以使射线集中在作用器而不会使作用器承受比可见光辐射能的热负荷大几倍的热负荷。
图1-15的某些方面也曾在在先的专利4,337,759中讨论过。
图16可以被认为一般是与图4a或图4b相一致，也就是，有一个具有入口面601、TIR面602和在主体600上出口面603的透镜主体600。可以使这样的面601和面603有小面，如用图1、3、7、8、9、10和13中所示的式样。不是所有的上述的面是平坦的，使面601向离开主体600方向凸状弯曲，如图16所示；而面602和603是平坦的，如在前所述。为了在605b上反射，发散的入射线605在605a上被折射并在605c上向面603传播。射线通过出口面603并且一般是被折射在605d上向外传播，如图所示。如果出口面603是凸状弯曲，则射线605d可能是会聚射线。入口面601的601的曲率消除发散并避免任何射线未射入TIR面602。
在图17中，入口面611是平坦的，如同出口面613是平坦的那样，然而TIR面612是朝TIR面612的入射线侧凹入的，如图所示。为了在615b上以不同的尖端和角度反射，为了在615c上朝着面613传播，发散入***线615通过面611并在主体610内的615a上传播。射线通过这个面613，一般被折射，在615d上向外部传播，如图所示。在采用限制出口面613的数量，使整个透镜具有较高的外形时，TIR面612的曲率可以使射线615d平行。
在图18中，入口面621是平坦的，如同TIR面622是平坦的那样；然而，出口面623在离开主体620的方向上即在离开TIR面622的方向上凹入，如图所示。为了以不同的尖端和角度在625上反射，为了在625c上朝向面623传播，可以是平行的入***线625、通过面621并在主体620内的625a上传播。然后射线通过面623，和一般被折射在625d上并向外传播，如图所示。出口面是完全闪光的，这对会聚TIR透镜来说，正如所希望的那样。
其他可能性如下A              平坦               凸形              凸形入口面                             ×出口面                                               ×TIR面                    ×B入口面          ×出口面                                               ×TIR面                    ×C入口面                             ×出口面          ×TIR面                    ×
在19a、19b和19c中，主体650、660和670与图21中表示和描述的主体完全相似。环形小面的曲率稍有变化，以致产生准直光射线664；主体650在654上产生会聚光射线；和主体670产生发散光射线674。在680上表示各种情况的光源。在各种情况中，透镜的顶表面659、669和679在所示的截面图中呈圆形弯曲，或者对环形透镜来说是球面弯曲。
在图20中，透镜主体700以与图19a中透镜650相同的方式作为一种会聚TIR透镜。因为透镜主体700是全闪光，所以其性能是优良的，透镜主体700产生更有效的聚焦和较高的外形并导致光源的较小的角度放大率和较小的在焦点上的光点。上面的光射线701和下面的光射线702是用于计算小面703边界角和在内部邻接小面的位置的定义射线。使透镜外形线的倾斜角扩大到最大。虽然定义射线一般是发散的，但是可以从光源的不同部分产生；例如上面的射线701从光源的底部产生而下面的射线702从光源的顶部产生，以致上面的射线701和下面的射线702构成光源发射的所有光的最末端射线。
如果确定小面的上面和下面的射线不是光源的最末端射线，则透镜将把其输出光的一部分改向到输出射线。可能出现这样的情况，如果这部分输出光和聚焦密度之间有一个折衷办法，则由透镜的实际应用判定。
由凹口703n(在这里表示为内圆角)、尖端703t、入口面706的并在出口面707上的上部顶端703u、外部顶端706o和内部顶端706i确定小面703。向内邻接小面704构成起类似于通常光学***中的光瞳孔作用的三个限制点：尖端704t确定上面的射线701，而下面的射线702必须绕过凹口704n和外部出口面704o二者。入口面706的凸形曲率调节定义射线的发射量，确保上面的射线701未射入TIR面708和下面的射线702射入凹口704n。
为了使图表示清楚的缘故，出口面707较靠近TIR面708。具有较远的出口面的较厚的透镜可以采用凸形曲率(如在TIR面708c)以确保定义射线不射入出口面707的边缘。如果定义射线射入，则由于定义射线会在竖面709或710上全内部反射，定义射线不会损失并且仅以适度的角度误差进入透镜输出。使竖面709转一角度刚好通过下面的射线702，在此以后离开透镜。光学上有效面711保持一个由制作方法(为了注模，一般偏离2°)确定的最小拔模斜度角。使入口面706在小面尖端和向内邻接的小面的凹口之间一条直线上向下转比图19a的透镜具有的情况更大的角度，促使透镜外形增高到最大。
总之，小面的四个曲率(三个用于小面的面和一个用于透镜外形)的唯一确定，要求四个条件：(1)总弯曲角；(2)上面的射线落在TIR面上；(3)下面的射线绕过向内邻接面的凹口；(4)下面的射线绕过向内邻接的小面的外部出口边缘。小面的三个光学上有效面的曲率是逐个确定的：
(1)通过使向内邻接的小面的尖端提高而使较高的上面的射线射入TIR面，入口面曲率有助于使透镜外形线的倾斜角增加到最大(这就是通过增大其在源上方的高度，减少透镜内部小面的输出光的发散)；
(2)通过使向内邻接的小面的凹口提高，TIR面曲率也有助于使透镜的倾斜角增加到最大；此外，TIR面曲率可以使出口面是全闪光，一些照明应用的一种重要特性；
(3)出口面曲率使聚焦TIR透镜的在焦点上的光点尺寸减少到最小，和使准直TIR透镜的光束发散减小到最低程度。
可以选这些弯曲面的非圆形外形，以使通过小面形成均匀的照明。
此外，透镜的所有小面必须被设计成具有同样大小的焦点上的光点，然后就会是均匀地照明。图20的这种讨论可以认为是本发明对美国专利4,337,759的内容上的改进而不是受其启示的重要方面。
在图21中，环形的辐射能发射主体740的轴出现在751上。主体具有许多一般同轴排列的而其尖端742d到746d逐渐靠近垂直于轴751的平面750的环形小面742到746。小面742的面742a是朝面742b凸的面；而在所示的剖面图中，面742b是朝面742a凹的面。这种关系存在于其他的小面，如图所示。
把发光二极管(LED)758置于与轴751交叉面750上并向主体740发射光射线。射线753通过面742a向TIR面742b折射并向上部平面748反射而且通过上部平面748。同样看到，通过面743a，在TIR面743b上反射和通过上部面748a的射线752改变如图所示的角度。向上越过面748和748a的所有射线被准直。主体740的横向宽度例如可以为0.12到1英寸，而透明主体740可以由模压易塑材料组成。在719上折射面没有出现小面。较小的透镜直径与LED尺寸之比可以得到大的最外边小面，而向内，小面逐渐减小，以形成较高的透镜外形，这对于成曲形小面的较好的准直是必需的。
在图22中，辐射能发射主体760可以具有与图20和21中所表示的一样的一般结构。透镜主体760用在发射红外射线时用于通过红外射线而阻挡可见光射线的硅或类似的材料组成。在764上表示弧形灯辐射能光源，处于与图20中LED的相同位置。可以使用伸入相当于图21中平面750的平面766的具有抛物形剖面762的反射器表面765。使在767上发射的红外射线准直而且可以是如在图19a和图19c中那样发散或会聚。如图所示，注意没有小面的中心部分770折射射线。阳极和阴极元件764a和764b上可以形成在764上的弧形光源。顶部出口表面759在所表示的剖面图中成圆形弯曲；而透镜可以具有阶梯台阶有小面的外形。防护透明外壳769使外面的空气与电弧隔离。
在图23中，为了产生会聚光并使会聚光射到光管783的输入端782，主体装置780可以具有与图19a中的结构相同或类似的结构。透镜具有上凸的弓形的上部出口表面即面785、输入面即面786和TIR面即面787。面786和面787斜坡朝面790向下，相当于图21中面710。以图21的LED的方式安置中心光源788。平面反光镜在相当于平面710的平面790中延伸并且面向上。这种装置可以使80％以上的光输入到光管783，而不是象通过通常的椭圆面反光镜那样的10％的光。
在图24中，主体装置800可以具有与图21c中的结构相同或类似的结构。圆形弯曲的顶部表面是向下弯曲。就环形一组小面来说，在802上表示透镜轴。从803到812查看小面。典型的环形小面809具有入口面809a和TIR面809b。注意通过面809a和面801以及在面809b上全反射的射线820光程。在所表示的剖面图中，面809a和809b中每一个面是平坦的。为了容易模压制作，所有入口面在方向822上具有拔模斜度。透镜是透明的并且可以用模压塑性材料组成。
光源825设置在轴802上而且刚好在空心透镜的边界内的平面826上方，如在上述的实例中那样；和从面802射出的射线827从而802发散，如在泛光灯应用中那样。表面801所对的圆形剖面半角一般是小于45°大于25°，一般约为35°。
在图25中，除了中心折射装置被可以在轴向上轻轻滑入的聚焦在试样上的显微镜物镜854替换外，透镜主体850与图21a中的透镜主体是一样的。来自试样851的特有的漫射(即，在所有方向上)发射856被透镜850收集并被聚焦在分析仪入射狭缝851上。被准直的激光束855被反光镜853反射到物镜854并被聚焦在试样851上。反光镜853被移去以便使用显微镜物镜854观察试样851和精确地调整试样位置。透镜主体850可以向下延伸在试样下面以收集更多的漫射发射光。试样851可以是装有气体或液体的玻璃毛细管、涂有试样物质的金半球、在生产线上的集成电路(检测材料组分或含量)或者生物组织试样。
在图26中，透镜主体具有沿轴863的横截面，以便调节喇叭口形(一般发荧光的)光源861。在这种灯的正下方是具有圆盘状的、其里面是平面反射镜的部分864和在其外边缘是环形反射镜865的环形渐开线反射器862。环形透镜866折射从渐开线862反射的射线868。射线869与图24中射线820精确地相似。射线867被小面870改向。灯的所有器件、透镜和反射器组成紧凑的、具有比在反射器设计的在先技术的情况中可以有更窄的发散和更高效率的泛光灯。
现在参阅图27，为了准直如在955上表示输入的光或激光束，与图19b或图25一样改进透镜950。光源或光反射靶(例如激光器)951向TIR透镜主体950的有小面的侧面发射光，有小面的侧面使由虚线956和980表示的光射线改向，通过在表面950a上第一折射透镜装置并形成在955上被准直的光。然后这种光照射到并通过波长选择滤光器982，然后通过如在聚焦Fresnel透镜例子中指出的第二透镜装置983。第二透镜装置983使在984上的光改向或聚焦在试样或分析器952。
波长选择滤光器982是用于滤去准直激光束955中的被动散射光而容许在952上受激发射的荧光波长，例如在拉曼光谱仪中产生的波长通过。滤光器982在垂直于由透镜950和透镜983确定的主轴986的平面内延伸，由于滤光的波长与入射角有关，所以为了良好的波长选择，滤光器要求垂直入射光。滤光器一般滤去激光波长。辅助或第二透镜装置983对由环形TIR透镜950引入的任何象差也能够起作用。
如在图27中，也表示能够轴向地滑入透镜950内的孔腔里并使辅助光源光聚焦到靶子或激光器上的显微镜物镜透镜954。注意平行于轴986的954中的圆柱形周边970和在透镜950中的孔腔967内滑动。在968上示意地表示轴向上可调地移动物镜透镜954的装置。为了聚焦到靶子951上，如图所示，可以使辅助光源光965朝透镜954改向。
现在参阅图28、28a和29。对于喇叭口(环形)形状荧光灯来说，使TIR透镜呈现有效地产生用荧光灯从来不能达到的泛光灯图形的一种紧凑装置。TIR透镜组具有相对于它们的放置光源的横向部分的中心或是圆形对称或是直线型对称。一种新方法是把TIR透镜1050放在圆形荧光灯的灯管1051的正上方，通过使透镜沿灯的横向部分的中心的正方和相对于轴1057的圆周弯曲，形成透镜。
图28表示最后所得到的与喇叭口形荧光灯在一起的透镜。对于所表示的装置来说，象这样透镜的外部直径一般是其灯的直径的二倍；而其高度仪为透镜直径的1/10。
如图所示的喇叭口形TIR透镜的基本性能可以以“越大的透镜，越紧密的光束”的一般的光学原理为条件。面向TIR透镜小面1050a的平面反光镜1052的外形是圆环。为了比较起见，通用的非喇叭口形灯具有外半径R＝1.25英寸，荧光管半径r＝0.18”(O.D 2.86”，I.D 2.14”)和亮度为10,000英尺-朗伯或每平方厘米3.4烛光。灯的表面积是全圆环的表面积(即2π2Rr＝8.9英寸2)，虽然其投影面积(4πRr＝2.8英寸2)是与全圆环的投影面积是相等的。另一方面，如图28所见，喇叭口形TIR透镜的投影面积为19.6英寸2，大到七倍。在透镜的照明图案中心上照明度是单灯的照明度的七倍。
一般来说，喇叭口形的TIR透镜的增益为R/r。因此，由透镜产生的光多少有点聚焦亮度图形。图29用随偏离透镜轴的视角而变的相对于最大值(实线)的百分率表示这种图形，而虚线表示累积亮度。荧光灯具有在50到65每瓦流明范围内的发光效率，明显优于白炽灯的10-20每瓦流明。然而，荧光灯的表面亮度大大低于白炽灯的200-2,000烛光/厘米2范围。
因为白炽光源的小体积，所以白炽灯可以用于发射细的光束。但是对于泛光来说，喇叭口形TIR透镜的亮度图形是极其紧凑并且成本效率相当高。
虽然电池供电的荧光手提灯是普及的，但是其光输出是不定向的。象带喇叭口形TIR透镜的这样的灯就具有更高的区域照明效果，而其紧凑性适合人们的需要尤其适合背包的人们、野营的人们和管工们的需要。对于室内圆艺来说，一般使通常的荧光促长灯放在靠近植物的地方，以产生适宜的光照强度。在装入喇叭形TIR透镜情况下需要几个灯，可以把灯架在植物上方的高处则更为有效。
在一些要求高的光强度的情况中，TIR喇叭口形灯的发光装置是通常荧光平顶灯具的一种能量效率高的替换装置。成排TIR喇叭口形灯的发光装置包括电源在内的总厚度一般会在2英寸以下，增进其通用性。在整个喇叭口形光源的二边上的二个TIR透镜构成比赛用的“附壁式垫圈”灯。最后，使灯的亮度变暗的性能增加一种使人感兴趣的储能装置。见图28中亮度控制1055。
现在参阅图30和31，表示一种变型的喇叭口形(环形)荧光灯，TIR透镜形成一种有效地产生荧光灯从来不能达到的泛光图形的紧凑装置。注意面向TIR透镜1067的喇叭口形荧光管1066，类似于图28中在1050上所示。在1068上表示峰状反射器，以反射来自1066的反向光，返向1067的小面1067a。环形峰状反射器用于光学上使灯泡1066“展开”成平坦的垫圈状的环。图31左下方的图表示闪光的面积。这使其在光学上等同于平坦的环形(垫圈状)灯，但是现在仅在一边发光，而赤裸的灯沿它的对称轴的二个方向发射光。
在考察灯的圆形形状时，通过灯的表面发射的1到2流明/厘米2的光全是漫射的，成为±90°图形，这相当于不定向的发射。为了使光限制在较小的角度内以形成光束，必须使发射的表面面积增加到为光束的半角的正弦平方的倍数的最小限度。例如对于总面积2,000厘米2或10英寸半径来说，±30°光束需要1/sin230°＝4倍的灯表面面积。因而，由于流明被限制在小的立体角(1球面角度)所以在光束范围内的光照比赤裸灯出射的光照亮十一倍以上。
通过，例如如图32所示的以1151方向弯曲二维的有小面的外形以形成平坦的确定小面1150a的棱镜面，简单地形成如在图32和33中的1150上所见的直线型TIR透镜。如图33所示，孔径灯是在1155位置上具有玻璃封装的镀银的管壳1154的部分的荧光灯，在这样壳体的一半中形成半圆柱形光源。在半圆柱形光源被安装在平面反光镜1156的平面上时，从TIR透镜1150看，象在方向1151上延伸的圆柱形光源。
对直线型TIR透镜来说，有二种主要的荧光灯应用：通常的照明和反向光。首要的事是关心具有效率高的外形，而对于后者来说，是关心外形的均匀性。这导致多少有些不同的设计途径和制造方法。对于照明来说，TIR透镜是较大的，具有成曲形的外形并且是通过较大体积的挤压加工制作的。较小的直线型TIR透镜是加压或铸入模压制作的，对于LCD反向光具有平坦的顶部。
图34表示对比较小的光源设计的反向光的直线型TIR透镜1150a的外形。顶部1150b是平坦的，以致在每个小面的照明图形之间没有出现间隙。这种均匀性的要求全靠每个TIR面的顶部上凹口中的非常小的半径。所表示的射线是在外形的平面内。这组射线来自单一点，以便用图说明由透镜引起的准直。
但是在具有漫射光源的直线型TIR透镜中，大部分射线没有在外形的平面内。这些“歪斜”射线在射到横向侧面时，具有稍不相同的取决于特有的透镜外形的光程。图35a到35c表示45°歪斜射线的三个视图。在这样的情况中，在歪斜射线射入的光程中没有太大变化。一般说来，某些外形比处于这些歪斜射线怎样行为状态的外形具有较小的差别，取决于在入口面和出口面上折射之间的差别。大的差别能够在全内部反射第二(不希望的)时间内在透镜的出口面上引起射线被截获在透镜内。这就大大降低效率，但是通过用使歪斜射线角度减小到35°和35°以下的亮度增强薄膜(BEF)包封荧光灯可以减轻效率降低。BEF凹带绕灯管的圆周整整一圈。在LCD反向光中，BEF会减少沿轴向方向(即垂直于透镜外形)的斜角输出。因为光的斜角限制所以能够使用LCD，这是所希望的。
图36表示TIR小面的一般形式。具有所有角度的射线射入小面。在外部入射角A大于E(因此，内部角B大于D)时存在由小面引起的净折射。正因为没有净折射的TIR透镜小面没有象差或色散所以也没有歪斜射线偏角。就是说，图36中所示的射线能在直线型透镜内是处在相对于纸面的某个任意角。最高(即在平面内)射线在A和E之间的较大差别使歪斜射线更不同于最高射线。因此，由歪斜射线产生的光束与最高射线产生的光束不一样。实际上，在足够的净折射情况下，在平面以外超过40°的歪斜射线会被截获在透镜内。因此净折射是直线型透镜的关键设计条件。
为减少在圆形透镜中色散研制的设计方法能够应用于直线型透镜，以减少歪斜射线色散。这些设计方法对照明应用是特别有意义而对均匀性是最高判断标准的反向光意义不大。对于照明来说，制造的容易程度、光效率和光照图形的控制是首要的判断标准。
在用于反向光的直线型TIR透镜情况中，使透镜入口面保持接近垂直，以使存在的射线没有间隙和出口面是平坦的。这种情况只使TIR面角P和小面界面角R能自由变化。选择角P以使射线改向成所希望的图形(如在图34中)，而保持大的角R刚好足以使TIR面被全照射，但是不多，此外通过光射在TIR面而不是被改向到透镜顶部射出，而牺牲效率。
均匀性标准有二个方面：空间和斜角。在透镜的顶部，有照明的空间图形。小面越小，越容易去除任何具有漫射的图形。斜角均匀性指的是在从特定方向隔开一段距离观察时的透镜外形。就是说，可以和光源的图象相比，整个透镜可能没有被照亮。例如图象34表示，垂直于透镜顶面观察透镜，会看到几乎完全充满光的透镜。但是，图35a-35c表示，在相对于透镜长度方向为45°的位置观察透镜会看到一些暗区。同样地，从偏离轴的角度(图34的右边或左边)观察透镜，会看到入口面是暗的，通过漫射器引起的亮度的横向传递会去除这样的图形。
斜角均匀性的另一方面是横穿过由每个小面引起的射线的光束斜角范围中的在透镜上的变化。这是光源几何形状和小面离光源的距离的简单函数。增加非管形光源的高度对宽度比能够降低这种不均匀性，不均匀性是低外形TIR透镜的固有的要素。图37表示光源在几个小面上表观斜角直径。此外，比较接近中心的小面因为仅有降低光源的斜角直径的入口面折射所以会有稍微较窄的角度的输出量。
总之，对于通常的荧光照明来说，直线型TIR透镜是大有希望的。对于LCD反向光来说，提议减少所要求灯的数量，漫射器和亮度增进薄膜是有用的。
在这里公开的另外一些TIR透镜形式可以和荧光灯一起使用。

Claims (21)

1.一种照明设备，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。
2.一种照明设备，在组合中包括：
a)具有许多小面和在长度方向上沿第一弧线延伸的TIR(全内部反射)透镜，和
b)面向TIR透镜和在长度方向上沿与上述的第一弧线彼此隔开的对应的第二弧线延伸的光源。
3.权利要求2的组合，在其中上述的弧线中至少一条弧线确定环路光径。
4.权利要求2的组合，在其中上述的第一弧线确定第一环路光径，和上述的第二弧线确定第二环路光径。
5.权利要求4的组合，在其中上述的环路光径中至少一种环路光径是喇叭口形的。
6.权利要求3的组合，在其中上述的环路光径是环状的。
7.权利要求6的组合，在其中上述的光源包括荧光灯，荧光灯是管状的。
8.权利要求7的组合，在其中上述的环路光径确定垂直于由上述的第二环路光径确定的平面的中心轴，和上述的第一环路光径在上述的轴周围延伸。
9.权利要求8的组合，在其中包含上述的轴的平面沿二条弧线横切上述的TIR透镜和在朝向上述的透镜的分别是凹形的两个圆形侧面部分上横切上述的管状灯。
10.权利要求2的组合包括定位成向上述的TIR透镜反射上述光源背光的背反射镜。
11.权利要求5的组合包括处于反射从上述的光源向上述的TIR透镜的反向光位置的背反射镜，上述的背反射镜具有下面的形状中的一种形状：
i)平坦，
ii)峰状。
12.权利要求8的组合包括定位成向上述的TIR透镜反射上述光源背光的背反射镜。
13.权利要求1的组合，在其中上述的TIR透镜和小面在长度方向上沿直线延伸。
14.权利要求1的组合，在其中上述的光源在长度方向上沿直线延伸。
15.权利要求13的组合，在其中上述的光源在长度方向上沿直线延伸。
16.权利要求15的组合，在其中上述的光源包括细长的荧光灯。
17.权利要求1的组合包括定位成向上述的TIR透镜反射上述的光源背光的背反射镜。
18.权利要求1的组合，在其中上述的TIR透镜包括：
a’)辐射能反射主体装置，
b’)上述的装置包括许多元件，许多元件中的每个元件作为辐射能改向的组件，在其横截面圆周上具有接收进入到上述的圆周内部的射入的上述的能量的入口面、以从上述的射入的侧面朝着主体的反向侧的方向让上述的能量通过到达上述的圆周的外部的出口面，和相对于上述的入口和出口面改变角度以使从上述的入口面射入的辐射能改向到朝着上述的出口面的全内部反射面。
19.权利要求2的组合，在其中上述的TIR透镜包括：
a’)辐射能反射主体装置，
b’)上述的装置包括许多元件，许多元件中的每个元件作为辐射能改向的组件，在其横截面圆周上具有接收进入到上述的圆周内部的射入的上述的能量的入口面、以从上述的射入的侧面朝着主体的反向侧面的方向让上述的能量通过到达上述的圆周的外部的出口面，和相对于上述的入口和出口面改变角度以使从上述的入口面射入的辐射能改向到朝着上述的出口面的全内部反射面。
20.权利要求18的组合，在其中上述的圆周中的上述的元件从上述的截面部分伸出，以与面向上述的射入辐射能的入口面成平行关系地直线地延伸。
21.权利要求18的组合，在其中上述的圆周的元件从上述的截面部分伸出，绕一个共轴成环状延伸，并定出共轴，上述入口面朝向上述辐射能。
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