CN1263603A - 光辐射集中装置 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于采集和集中光辐射(16,16’,16”)的全息平面聚光器(HPC)(10)。该全息平面聚光器(10)包括高透射率平板(12)和设置在它的一个表面(12a)上的至少一个多路传输全息光学薄膜(14)。所述至少一个多路传输全息光学薄膜(14)中记录有多个衍射结构(14,114,214),所述衍射结构有两个或多个角度和光谱多路传输的区域。所述两个或多个区域(14,114,214)可以设计成提供空间多路传输。该HPC(10)通过如下步骤制造:(a)利用角度、光谱和任选的空间多路传输技术把多个衍射结构记录在多路传输全息光学薄膜(14)上;以及(b)把所述多路传输全息光学薄膜(14)设置在高透射率平板(12)的一个表面(12a)上。多个衍射结构记录设计成在全息平板聚光器(10)对着太阳能(16,16’,16”)的预定方位上。HPC(10)安装在预定方位上以便采集太阳能(16,16’,16”)。而且沿着全息平板聚光器(10)的至少一个边(12’,112’,212’)安装至少一个太阳能采集装置(30,32,132)。适当的太阳能采集装置(30,32,132)的例子包括太阳能电池(30)和光纤光导(32,132),光纤光导用于把采集的光传输至建筑物内部用于照明目的,和把采集的太阳辐射(16,16’,16”)传输至热水箱(36)中用于加热。HPC(10)能够有效地采集太阳能(16,16’,16”)而不需昂贵的成本,同时使得能量损失最小。

Description

光辐射集中装置
本发明涉及光学装置，特别是涉及用于集中光辐射的聚光器领域。根据本发明的主题制造的聚光器可以用于利用集中的光辐射的所有技术领域。它可以用于光谱范围从紫外到红外的光辐射。
太阳能聚光器在本领域是公知的，并用于捕获和采集来自散布于平板上的发光中心的光。聚光器利用光导中的全内反射捕获发光中心辐射的一部分光。发光中心在360度立体角内辐射波长较长的光，所以把光传播至板的一边或边缘的小区域效率低。
本领域公知的太阳能聚光器的一个例子是利用全息板和棱镜或平板；参见例如授予Afian等的美国专利4,863,224。然而，该太阳能聚光器需要对准太阳，而且不提供任何被动式太阳跟踪能力。
本领域还公知的聚光装置包括全息板和全反射表面，用于收集单位入射角内的单色光；参见授予Ando等的美国专利5,268,985。然而，Ando等利用单位入射角和单位波长，因此需要跟踪机构，而且不能利用整个太阳光谱。
然而现有技术公知的另一种聚能器是电磁波聚能器；参见授予Tremblay的美国专利4,505,264。电磁波聚能器利用多层介质导板集中电磁能量。该发明的缺点是在导板中有大量的反射损失，而在一些比较经济的实施例中吸收损失高。本发明还具有光学上难以制造的问题，因此制造成本高。
因此需要一种太阳能聚光器，在聚中太阳辐射时降低能量损失，并利用大部分太阳光谱，同时降低或取消跟踪要求。
因此，本发明的目的在于提供一种光谱选择太阳能聚光器，在该聚光器中可以把不同的太阳光谱成分集中，用作不同形式的能量，例如电、光和热。
本发明的另一目的在于降低或取消太阳能聚光器的跟踪要求。
本发明的再一目的在于简化太阳能聚光器的设计和制造。
本发明的又一目的在于提供一种聚光器，该聚光器的光谱选择性可以按照希望的应用设计。这里公开的每一个应用具有独特的光谱要求，以便工作效率高。
本发明的又一目的在于提供一种太阳能聚光器，该聚光器在聚光照明***中作为UV和IR光的被动式滤光装置。
通过讨论附图和后面的描述，本发明的其他目的和优点将更清楚。
根据本发明，提供了用于收集和集中光辐射的全息平面聚光器。全息平面聚光器包括高透射率平板和至少一个设置在它的一个表面上的多路传输全息光学薄膜，以便形成光导结构。多路传输全息光学薄膜其中记录有多个衍射结构，衍射结构有两个或多个在角度和空间上多路传输的区域。该多路传输全息板适合于把光辐射耦合至高透射率平板中，以便光辐射不损失并通过高透射率平板和多路传输全息薄膜。全息板多路传输的作用是减少全息平板聚光器中的再次耦合损失。
高透射率平板的功能是多方面的，并按照下述方式实现。首先，它作为全息材料的支撑结构。其次，它为全息材料提供周围保护。第三，它在350至1400nm波长范围内提供高透光率，这一点对于全息平板聚光器的总效率十分重要。第四，玻璃相对周围空气较高的折射率，对于日间太阳角变化，它把入射角许可角度从全角160度压缩至大约80度；这样减低了对于全息结构的角度性能要求。第五，高透射率平板作为全息平面聚光器装置的全内反射(TIR)辅助聚光器。
高透射率平板相对空气的高折射率限制在高透射率平板中发生TIR，因此把采集的光的分散度限制在平板厚度内，从而提高了会聚度。高透射率平板的厚度也可以调整，以便减少当被限制的光在高透射率平板中由于TIR传播时所出现的反射次数。这一特征十分重要，因为光在高透射率平板中可以传播的距离的主要限制因素是由于同一全息结构对光的再次耦合或中继传播。光学***的可逆性发挥作用，而且要求当光向高透射率平板的边缘传播时，构成HPC的全息光学元件表面具有不同的光谱和角度性能。
除了空间多路传输全息光学元件以外，可以通过把光辐射以小于大约5度的小捕获角从薄膜入射到高透射率平板，降低在HPC中的再次耦合损失。如同这里使用的一样，小捕获角从全息薄膜的平面起测量，并认为小于5度。小捕获角与高透射率平板厚度结合，将进一步降低再次耦合损失，并允许把HPC设置设置成实际大小，以便采集能量。
没有这些特征以避免再次耦合，就不能使得HPC工作更有效。
本发明的全息平板聚光器通过如下步骤制造：
(a)把多路传输全息光学薄膜设置在高透射率平板的一个表面上；以及
(b)利用角度和空间多路传输技术把多个衍射结构记录在多介质全息光学薄膜上。
在本发明的全息平板聚光器中，记录多个衍射结构以便全息平板聚光器对太阳按预计定位。全息平板聚光器设置在预定的方位上以便采集太阳光，而且至少一个太阳能采集装置沿着全息平板聚光器的至少一个边缘设置。适当的太阳能采集装置的例子包括光电池和光纤光导，用于把采集的光传输至建筑物内部用于照明和把采集的太阳辐射传输至热水箱以便加热。
全息平板聚光器能够有效地采集太阳能，而不需要昂贵的跟踪要求，同时使得能量损失最小。该全息平板聚光器设计和制造简单，制成的聚光器可以用于把UV和IR辐射滤光以及发散的太阳能滤光给不同的太阳能采集装置，如前所述。
在光通信工业，光全息耦合用于把光能传播至波导中。然而，如果HPC要很好地起作用，HPC需要通过它的全息结构完成比这多的工作。也就是说，全息结构必须空间多路传输以避免再次耦合，目的是为了装置工作。这与用于波导应用中的波导耦合器完全不同。一旦光被衍射至波导中，用于通讯工业的全息波导耦合器不必寻址通过全息结构的后续通道。克服HPC中的再次耦合损失是空间多路传输较为复杂的主要原因，所述空间多路传输包括角度和光谱多路传输，目的是实现所述空间多路传输。
图1是示出角度多路传输和大捕获角的多路传输全息光学结构的截面图；
图2是本发明的全息平面聚光器的大角度实施例的截面图；
图3是描述角度和空间多路传输全息光学结构的截面图，示出输入和输出光束的角度范围；
图4是用于制造本发明的全息平板聚光器(HPC)的角度多路传输单个波长记录方案的示意图；
图5是用于制造本发明的全息平板聚光器(HPC)的角度多路传输多个波长记录方案的示意图；
图6是描述空间多路传输HPC的例子的顶视图，示出具有不同光栅矢量的区域；
图7是描述线聚焦HPC的顶视图，光生伏打(PV)电池安装在它的一个边上；
图8是描述多路传输聚焦HPC-PV装置的顶视图；
图9是描述具有光纤光导的点聚焦HPC装置的顶视图；
图10是描述空间多路传输HPC装置的顶视图，描述了非成象技术聚光；
图11是HPC太阳能热水器的视图；
图12是HPC窗户的视图，示出太阳能光谱的一种可能分布；以及
图13是包括多个本发明HPC窗户的建筑物的视图。
本发明的全息平板聚光器(HPC)利用多路传输全息结构(薄膜)把光衍射到高透射率平板内，诸如无机玻璃或有机聚合物中，在这里光被全内反射限制(TIR)。“高透射率”的意思是指在350至1400nm的太阳光谱范围内每25mm厚度内部透射率至少为90％的材料。该多路传输全息薄膜把设计成采集和传导TIR光的角度和空间多路传输结构的组合存储在高透射率光学平板内。通过在全息薄膜上形成两个或多个空间多路传输的区域，或通过以小俘获角(大约小于5度)使光入射到高透射率平板内，或者同时利用这两种技术，降低高透射率平板的再次耦合损失。反射式体积全息板位于高透射率平板的与光入射表面相反的表面上。
独特的全息干涉结构通过在单层薄膜上制成许多干涉图样形成。这称为角度多路传输，而且利用该技术许多记录光束对干涉产生全息结构，该全息结构将接收入射角范围内的光，并在与薄膜折射率相近的高透射率平板内以不同的角度范围输出光。
除了角度多路传输以外，还利用使用多个波长的光谱多路传输。光谱多路传输的作用是增加HPC的光谱带宽。
光谱多路传输可以用于防止从多路传输全息光学结构(MHOS)连续反射出来的再次耦合损失。通过把MHOS的多个分离区域制成具有不同的光栅矢量实现这一目的。MHOS的每个区域将具有多个光栅和一定范围的光栅矢量，入射光前部的区域与光最初来自的区域具有不同的衍射特性。因为不同的区域的光栅矢量范围基本上不同，当限制在高透射率平板内的光在到达高透射率平板边缘的路径上进入MHOS的不同区域时不从HPC中耦合出来。
或者通过设计全息板使得以小俘获角把光辐射入射到高透射率平板内，上面限定为大约小于5度，以便避免再次耦合损失。这样利用全息薄膜减少了次级干涉的数目，而且降低了光损失。
A.全息介质
全息介质可以是能够形成体积相位全息图样的任何已知类型的材料。几种已有的薄膜材料类型包括duPont’s Omnidex光聚合物薄膜、Polaroid’s Mirage光聚合物材料、重铬酸盐明胶、聚乙烯咔唑(carbozole)基光聚合物薄膜、卤化银乳胶、以及任何其他全息材料。
此外，这些薄膜可以分层，每层具有不同的角度、光谱和空间多路传输特性。可以采用两层或多层设置在高透射率平板上的全息薄膜的形式。每个附加膜层必须折射率匹配以便防止俘获在光薄膜内发生界面反射，所述薄膜的吸收比高透射率平板的吸收大。
可以从duPont和Polaroid买到的商用全息材料具有允许形成不均匀的干涉条纹结构的化学性质和技术；重铬酸盐明胶薄膜也具有形成不均匀的干涉条纹结构的化学特性。(不均匀的干涉条纹结构是薄膜的前后条纹间距不同的结构。)除了这些技术以外，也可以利用光学粘合剂收缩或膨胀全息结构。当形成多层全息膜堆时可以利用这一技术，把全息薄膜粘合在高透射率平板上，或为全息薄膜提供保护层。
本发明的HPC依靠角度、空间和光谱多路传输技术的组合实现它的功能，即聚光。通过这些技术的组合，制成独特的MHOS。
1.光损失
本发明的HPC要求全息结构空间多路传输，避免再次耦合，为的是实现装置的功能。这与波导耦合器在波导应用中的工作方式完全不同。一旦光被衍射进入波导中，用于通讯工业的全息波导耦合器不必涉及通过全息结构的后续通道。避免HPC中的再次耦合损失是复合空间多路传输的主要原因，所述复合空间多路传输同时利用角度和光谱多路传输，目的是实现空间多路传输。
为了减少结构中的光损失，使用新技术防止光能损失。高透射率平板可以选择为任何厚度，但是为了实用目的，它通常将在厚度范围1至15mm内。较厚的高透射率平板成本开始变高，而且对于这里公开的应用不实用。在对于平板的厚度进行这些限制，并且目标是使得通过HPC结构传播的光反射次数尽可能少的情况下，要求内衍射波矢角度足够小，以便光被更为直接地沿着HPC衍射。最好HPC结构的路径长度与厚度比值(PTR)在25至200之间。路径长度是被HPC采集的光必须在HPC中行进以便到达接收器位置的最大距离。
为了使本发明的HPC满足上述路径长度与厚度的比值，必须考虑许多因素。下面是用于HPC以便减少光损失的一系列技术：
1.HPC结构中的光能吸收来自三方面。第一方面是高透射率平板中的吸收。选择制造高透射率平板的材料，以便在光谱范围350至1400nm范围内的吸收低。“吸收低”是指吸收小于10％(高透射率的反面说法，上面已经定义了)。第二吸收源来自膜层，所以保持膜层尽可能薄和尽可能透明很重要。如同这里使用的一样，关于膜层术语“薄”是指厚度小于30μm，而关于膜层术语“透明”是指内部透射率至少为90％。这里讨论的所有膜层基本上都是吸收足够低的。如果使用光学粘合剂，第三吸收源就是光学粘合剂。可以得到吸收非常低的光学粘合剂；在实施本发明中最好使用这样低吸收的光学粘合剂。
2.为了使得具有上述PTR的HPC收集光能，内部衍射波矢量必须在1至40度范围内。单个光栅将衍射宽光带宽内的光，光谱波段内的每个波长以不同的波矢量角度衍射。这意味着对于单个光栅彩色角度扩散可能比希望的大。对于单个光栅宽光谱宽度意味着被收集的光有彩色角度扩散。一个这样的例子是波段为100nm的单个光栅代表收集的光的发散角为30度。所以随着装置带宽的增加，单个光栅结构本身具有局限性，因为来自光谱段的光将开始损失，这是由于内部衍射波矢量将超过高透射率平板的TIR限制条件。这意味着通过增加HPC装置的带宽，必须多路传输光谱成分，同时保持角度分量在HPC的TIR俘获角内。这可以通过在多路传输记录中保持光栅角度不变而且改变光栅间距实现。这是增加波段并保持需要的内部衍射波矢量在HPC的TIR限制之内的一种技术。可以通过单个薄膜光谱多路传输并保持每个多路传输记录的干涉条纹角度固定降低角度扩散。因为折射率调制分布在光通量中，所以被收集的能量大致相同，而且净结果是可以采集更多波长的光，并衍射进入较窄角度范围内。这意味着更多的能量将被集中到接收器。
3.本发明的HPC装置需要结合高透射率平板和折射率与高透射率平板匹配很好的全息薄膜。要求高透射率平板与薄膜的折射率非常匹配，以便把光有效地衍射进入高透射率平板内，而不在高透射率平板/薄膜界面产生大菲涅耳反射。如果折射率不匹配导致大量能量在界面反射，那么能量将被限制在薄膜内，薄膜的吸收系数比高透射率平板的吸收系数大得多。为了有效地把光能从薄膜转移到高透射率平板内，薄膜与高透射率平板的折射率必须十分接近，彼此相差在3％范围内。这样将使得在薄膜中行进较长距离的光量最少。薄膜的吸收通常比高透射率平板的吸收高，所以装置的最佳实施例利用折射率十分匹配以便使得衍射光必须通过的薄膜厚度最小。
4.当光通过HPC结构反射时通过后续相互作用的内部衍射光与全息薄膜的再次耦合是要克服的最大光损失。然而这可以通过全息薄膜部分的空间多路传输HPC结构减少或完全避免。空间多路传输通过如下方式实现，即通过设计全息光学元件(HOE)的图案，每个具有略微不同的光谱和/或角度性能。每个空间多路传输区域的衍射光具有不同的内部衍射波矢量角度和与这些角度相关的不同的光谱带宽。HOE在角度与波长之间具有直接联系，所以实际上正是两者结合来确定空间多路传输区域从它们的性能角度来说是分离的。这一分离现象意味着来自一个区域的光在后部区域中不被HOE衍射。多路传输区域的尺寸是路径长度与厚度比值的函数，因为光反射次数决定需要的分离空间多路传输区域的数目。而且，反射次数由路径长度与厚度比值和内部衍射波矢量确定。
B.高透射率平板
HPC的高透射率平板可以由光学透明的玻璃或聚合物制成。术语“光学透明”在上面已经定义；光学透明的意思是指玻璃或聚合物至少在大约350至1400nm波长范围内是这里所定义的透明的。高透射率平板可以是任意厚度或尺寸。高透射率平板的最佳材料是低铁制浮标玻璃，该玻璃用化学方法强化以便提高太阳光透射率。最佳玻璃类型包括Solarphire玻璃和Starfire玻璃，这两种玻璃都可以从PPG工业公司买到。这些玻璃的内部透射率大约为98％。
高透射率平板可以具有平表面或曲表面。最佳尺寸将由应用和大小决定。一个最佳实施例利用6mm厚的低铁玻璃。而且，全息薄膜和高透射率平板的折射率十分匹配很重要，比较好地是二者折射率差值最大大约为3％，最好是小于该值。折射率非常匹配允许高透射率平板内耦合角度大。
在某些情况下，希望薄膜的折射率比高透射率平板的折射率稍微大一点，因为如果折射率不匹配，薄膜的折射率比玻璃的折射率稍微大一点会稍好一点。所述好处是界面上的菲涅耳反射损失降低，因此与高透射率平板的折射率比薄膜的折射率大相比较提高了耦合效率。然而，这不应构成对这里提出的权利要求的限制因素，因为当以任意一种方式实施时装置仍可以工作。
在选择高透射率平板和薄膜的折射率时，HPC装置要有效地工作需要许多重要参数。HPC装置的性质导致它本身有许多应用，因此导致装置的实施例有许多变化。本专利的意图和范围是包括这里描述的全息结构的所有变型。
图1描绘了本发明基本实施例的一个例子，其中示出全息平面聚光器10包括高透射率平板12和全息薄膜14。全息薄膜14设置在高透射率平板12的一面12a上，该面与太阳能入射面12b相对。
仔细选择高透射率平板和全息薄膜的折射率能够允许以非常大角度把光耦合至高透射率平板内，如图1所示。可以看到由光线16、16′和16″表示的光以角θin入射，并以角度θout耦合至高透射率平板12内，分别成为光线18、18′和18″。记录在全息薄膜14中的特制衍射光栅控制角度θout，关于特制衍射光栅将在下面详细描述。如同下面将示出的一样，较大的接收角θin可以以较小的角度θout耦合至高透射率平板12内。
一个前述类型的例子描绘于图2中，其中选择全息薄膜14的折射率比高透射率平板12的折射率大0.001。这意味着使用6毫米厚的高透射率平板12和2度俘获角导致耦合后的光线18第二次到达全息薄膜14之前光路长度为343毫米；这种组合提供PTR为57.2。这样描述了避免HPC装置10中再次耦合损失的一种方法。应该理解玻璃厚度和俘获角影响装置的有效尺寸。这里讨论的光路长度考虑到HPC技术的许多实际应用。
在本发明的另一实施例中，俘获角不限于小角度，而是在空间多路传输技术中结合应用角度，如图3所示。如上所述，术语“小俘获角”是指小于大约5度的角。
该全息薄膜包括多个区域，表示为14、114、214，入射到每一个上的光线分别为16、16′和16″，如上所述。每个区域14、114、214具有不同的衍射光栅，导致一系列耦合至高透射率平板12内的光线的角度θout，这些角度可以彼此相同或不同；然而，在每种情况下，该系列中中间光线18′、118′、218′与由全息薄膜14限定的平面所成的角度都不同。
该空间多路传输技术允许在全息结构上发生多个反射，因此可以使用较大的俘获角。这种方法降低了高透射率平板与全息薄膜折射率十分匹配的必要性。作为一个例子，在使用非常大的俘获角的情况下，折射率匹配很好只差0.01％，但是对于空间多路传输的情况，折射率最不匹配情况下可以相差达3.0％。
空间多路传输所述多路传输全息光学结构(MHOS)可以制成工作光路较长的HPC装置，因此提高了HPC平板工作尺寸，增加了HPC装置的应用领域。空间多路传输HPC全息结构也可以避免当角度多路传输时光束消失的限制因素，并集中采集的光。在线性聚焦模式而不是点聚焦模式中利用HPC装置也可以避免光束消失。
全息薄膜与高透射率平板的折射率不匹配的材料色散作用可以通过如下方式最小化，即设计HPC装置以便在玻璃折射率与全息薄膜的折射率匹配的波长处工作。那么正常材料色散差异将导致在不同于设计波长的其他波长处玻璃与薄膜的折射率偏差。薄膜与玻璃之间折射率整体匹配的色散作用是折射率匹配实际上表示为在选择光谱范围内的平均匹配。
C.全息记录过程
本发明的HPC通过把一层或多层全息薄膜设置在光学高透射率平板的一面上制成。全息薄膜设置在与光入射面相对的另一面。记录主MHOS在折射率匹配的条件下进行；这些技术本领域的技术人员是公知的。“折射率匹配条件”是指在这种几何结构中使用适当的材料，该材料在记录激光波长处非常透明而且与薄膜的折射率匹配，以便允许激光束以非常大角度射入薄膜。有许多方法把激光束以大角度射入材料中，这些方法都要求折射率匹配。不同的方法使用玻璃板、棱镜和装入容器的液体。该方法对于制造主全息板是必须的，但是一旦主全息板制成之后，就只要求折射率与将复制到主平板上的薄膜匹配。复制也要求记录在主平板与复制件折射率匹配的条件下进行，但是对于主过程该过程简单得多。
一个实施例可以使用装有折射率匹配液体的液体阀门或容器，其中放置有要曝光的全息板和设置的高透射率平板，如图4所示。容器中折射率匹配的液体应该在全息薄膜和高透射率平板的折射率的大约12％以内。最好，使用折射率稍微大于薄膜和高透射率平板的液体。液体与高透射率平板/薄膜匹配得越好，形成的光栅的噪声越小。
图4示出的HPC 10包括高透射率平板12和全息薄膜14，浸入注满液体22的容器20中，液体22的折射率基本上与高透射率平板12的折射率相同。物光束22a-22e入射在高透射率平板12的上表面12b上，而参考光束24a-24e入射在全息薄膜14的曝光表面14a上。字符表示记录对符号。物光束22a-22e与参考光束24a-24e由全息记录领域公知的方法产生，而不构成本发明的一部分。
折射率匹配容器提供了减少从界面和其他表面散射的杂散光量的环境。这样通过使记录过程中的光学噪声量最小提高了MHOS的质量。
使用多个激光束记录独特的全息结构，该结构接收来自输入角度范围内的光，并沿着光学高透射率平板传播光。一旦在高透射率平板内，只要光与同一全息结构没有任何后续的相互作用就捕获光。记录过程是角度、光谱和空间多路传输的结合，而且可以由本领域技术人员通过多种方法完成。
在制造HPC时，可以使用多对具有不同角度和不同波长的激光束，这些激光束可以是准直的、发散的、会聚的或者各种波前的组合，如图5所示。每对记录波前具有一个模拟昼夜小范围太阳角的物光束和一个模拟希望的再现(集中)波前的参考光束。对于记录结构没有一个最佳实施例，因为希望的再现位置随着给定的应用和位置而不同。因为HPC的安装方位和它在地球上的安装位置将不同，HPC具有对于不同的入射角范围和不同的光谱采集要求进行记录的优点。例如，HPC可以垂直或倾斜安装在期望的位移高度上。而且，入射角范围可以选择得非常小或非常大，依赖于可获得的照明类型和期望的输出光谱而定。
光束记录结构随着光栅设计而不同。例如，对于一个用6767nm和514nm激光波长记录的一个多路传输薄膜的入射角范围将是在介质中与垂直方向成正或负35度角，和在介质中与垂直方向成100至140度角。从该角度范围内选择光束对以便产生希望的全息结构，目的是在给定的位置和安装方位俘获和集中希望的太阳能。一个最佳实施例使用两个记录对，一对的角度为30和100度，另一对的角度为-30和130度。
虽然HPC可以用于被动或主动跟踪模式，但是使用角度多路传输允许使用被动式跟踪，这样简化了整体结构并降低成本。作为被动式跟踪最佳实施例的例子，HPC光生伏打板相对于安装高度倾斜安装，而且接收中心角垂直于HPC前表面。那么角度记录模拟大约160度昼夜太阳角变化和45度季节太阳角变化。这样代表多个记录对，每对以大约10度的间隔投射它们的物光束。
如前所述，记录的全息板包括角度和光谱多路传输。通过在全息薄膜上形成不同的区域实现空间多路传输，如同下面将详细描述的一样，而且利用图5中描述的方法在每个区域上记录角度和空间多路传输。这样在一个空间区域内耦合至高透射率平板12内的光不与另一空间区域内的全息薄膜14相互作用。利用区域组合基本上避免了再次耦合损失，该损失是由于限制在高透射率平板内的光与全息薄膜的多次相互作用产生的。空间多路传输技术产生较高的效率，而且能够制造较大HPC装置。
MHOS可以利用高斯和非高斯形状光束记录。使用不同的光束形状允许控制全息薄膜上的曝光强度。这样转换为控制最终MHOS的衍射效率。全息薄膜上的激光能量强度对控制MHOS的再现效率十分重要，因为全息记录的质量部分是由照射在全息薄膜上的曝光能量强度确定的。薄膜上的记录能量强度应该基本上是均匀的，这样意味着强度变化不大于约±10％。不同的全息薄膜材料需要不同的曝光条件，而且对于曝光强度更敏感。不大于约±10％的不均匀度对于成功制造HPC装置是指导性的，对于每种类型的全息薄膜材料不必理想均匀曝光。
HPC 10也可以使用一层以上的全息薄膜制造。通过使用衍射全息结构，可以使用多个膜层。本质上，蓝光只与对太阳光谱中蓝色部分敏感的MHOS发生作用，红光只与对太阳光谱中的红色部分敏感的薄膜发生作用。
全息反射结构能够在从很窄(几纳米)到很宽(几百纳米)的光谱性能范围内制造。这样允许制造光谱波段选择宽度在这些范围内的反射全息薄膜。
D.多路传输全息光学结构
1.角度多路传输
本发明的HPC使用角度多路传输在单层薄膜上实现多个反射式体积相位全息板。对于角度多路传输存在许多技术，而且对于本领域的技术人员是公知的。最佳实施例利用准直和发散记录波前，但是也可以使用会聚波前。波前从全息薄膜的两边入射以便产生反射式体积相位全息薄膜结构，如图4和5所示。而且，可以选择波前的偏振方向以便达到最大条纹对比度。
MHOS可以利用几种不同的激光波长或单色波长制造，调整记录角度以便在希望波长处再现。可以使用单色波长记录模拟多光谱记录，办法是通过调整多路传输的参考光束和物光束的记录角度，使得在一个角度的记录光束设计成在不同的角度和不同的波长再现。这是因为衍射结构中角度与波长的关系。而且，如果需要可以使用一个以上全息薄膜并附加在第一全息薄膜上。附加全息薄膜可以用于提高HPC的角度性能或者增大它的光谱宽度。
角度多路传输单色波长可以产生在记录波长的角度性能，而且在其他波长具有不同的角度性能。最后的效果是单色波长记录的光谱特性提高了。
2.光谱多路传输
为了提高HPC装置的光谱宽度，可以使用本领域公知的技术提高MHOS的光谱灵敏度。可以使用多个激光波长以及多个入射角度记录全息结构。使用多个波长记录具有提高MHOS的光谱灵敏度的优点。除了使用多个波长记录之外，也可以非线性收缩或膨胀MHOS；这样产生一系列间距变化的干涉条纹。间距变化的干涉条纹具有提高HPC装置的光谱宽度的作用。
3.空间多路传输
MHOS的每个区域具有多个光栅和一定范围的光栅矢量。不同区域的光栅矢量范围基本上不同，以便当被限制在高透射率平板内的光在通向高透射率平板12的边缘12′的路径上照射到MHOS的区域时，不被耦合出HPC，如图6所示，图6是顶视图。图6示出空间多路传输HPC 10的例子，每个区域26a-26d具有不同的光栅矢量，导致耦合光18a-18d以不同角度入射在边缘12′。
为了避免从MHOS次级反射产生的再次耦合损失，使用空间多路传输技术。在HPC的该实施例中，MHOS被分成许多不同的区域，在光传播方向前方的区域的Bragg角与照射该区域的光不同，如图3所示。这一技术防止再次耦合损失，因为对于被限制在高透射率平板内的光从MHOS的后续反射照射全息结构，所述全息结构的光栅矢量与光被最初衍射的空间区域的光栅矢量基本上不相同。
4.其他方面
高透射率平板12与全息薄膜14区域结合物理上形成整个光捕获结构10。在MHOS中需要空间多路传输的理由是因为光18必须通过全息薄膜14并从空气/薄膜界面反射回来继续由TIR限制在结构10中。要求光18保持在整个结构10中以便传送至接收器30、32。为了把光16传输至玻璃或聚合物高透射率平板12内所要求折射率非常匹配的条件确保光通过薄膜14反射回到薄膜/空气界面。本发明需要相对大的区域，因此光路长，才成为好的太阳能聚光器。这一点在上面关于特定实施例结合图2进行了讨论，图2描述了厚6mm、光路长度为343mm的玻璃。需要任何较大的角度以便额外一次或多次通过薄膜14。空间多路传输允许区域14、114、214具有不同的全息性能，因此不与来自先前全息区域的前进光相互影响。
E.聚焦
HPC可以设计成在两维上会聚光，实质上是一条焦线(图7)，或三维上会聚光，实质上是一个焦点(图8和9)。在图7中，耦合光束18入射在光电池30上，光电池30沿着高透射率平板12的边缘12′安装。在图8和9中，耦合光束18会聚在光接收装置上，例如光电池30(图8)或光纤光导32(图9)。
在两个或三个方向上会聚光的能力使得本发明的HPC能够产生焦区，该区域可以是任意大小的正方形或长方形区域，依赖于高透射率平板的厚度和包含在全息结构中的聚焦量。聚焦可以通过成象或非成象技术完成。非成象技术由于高透射率平板内的后续内反射产生正方形或长方形区域。成象技术可以用于产生不同形状的焦区，例如圆形或椭圆形焦区。也可以同时使用两种技术以便产生组合非成象和成象焦区的几何特性的焦区。除了焦区的整体形状以外，也可以使用成象或非成象记录技术调整焦平面内的强度分布。这样允许在利用会聚太阳光中有更多的设计自由度。
一个实施例利用空间多路传输技术与准直记录光束相结合，产生与焦区12′大小一样的覆瓦状全息结构区域26(图10)。来自全息结构的每个覆瓦状区域26的准直再现光束18在焦区12′叠加，以便会聚入射光。该技术允许设计能够避免再次耦合损失的HPC装置，办法是设计全息区域的布局使得每个区域的位置和光栅矢量避免把光再次耦合出波导12。垂直于光传播方向18的线34表示平坦的准直波前。
F.装置操作
本发明的全息平面聚光器与传统的两级聚光器的作用一样，所述两级聚光器折叠到采光装置的平面上。来自接收角范围内的入射光通过光学高透射率平板，并被多路传输全息结构反射/衍射，把光捕获在平板内并把光传播至平板的一边或平板一边的焦区内。此外，可以制造具有几个HPC全息结构的较大平板，多个焦区位于平板的不同侧面上或聚焦在平板的角上。这一基本操作方案可以用作许多应用的基本预制组件。当与光生伏打元件或光纤光导组合时，本发明的HPC变成能量发生装置或能量重新分布装置(图7-9)。
HPC装置与传统聚光器比较主要优点之一是当安装在静止(非跟踪)结构中时能够在大入射角范围内采集光。为了能够做到这一点，HPC装置利用多路传输全息结构以及高透射率平板的TIR捕获。该两级聚光器方法与一些利用TIR限制光的非成象聚光器的原理类似。独特的多路传输全息结构与TIR限制相结合，构成本发明的新型聚光器。HPC具有许多优点，容易制造而且材料成本低。
而且，该HPC可以用于集中来自太阳的直射光或漫射光，例如有云天气的光或从周围环境反射的光。该HPC的目的是集中基本上所有太阳光谱的光，尤其是大约350nm至1400nm范围的光。
该HPC产品的主要四个用途是(1)太阳能发电，(2)用自然太阳光自然采光，(3)加热，以及(4)窗户，该窗户结合任何一种或所有前面三种用途，以及选择地从太阳光中滤除紫外和红外光能。下面描述四种主要用途。
1.HPC光生伏打板
第一装置利用光电池把会聚的光转换为电能。图7和8描述了该实施例。可以使用任意数目不同的光电转换装置，该HPC的输出光谱可以设计成与转换装置的带隙非常匹配，以便降低光电池上所需的冷却。
HPC光生伏打(PV)板利用具有PV电池的HPC把HPC采集的光转换为电能。PV电池直接粘合在高透射率平板的边缘，如图7所示，形成一体的PV板。一个实施例(图7)中HPC 10的整个边12′被一个或多个PV电池30覆盖。其他实施例利用点聚焦HPC装置10和安装在高透射率平板12的角或边12′上的PV电池30，例如图8所示。HPC-PV板的优点包括如下几点：
1.被动式跟踪聚光器。
2.两级光捕获。
3.多个板实施例，设计灵活。
4.能够选择波段宽度以便使得浪费热量最小，可以选择设计特征。
5.透明HPC允许在PV板后附加薄膜或采光装置，因此使得有关结构要求和棱面要求的成本最小。
6.PV阵列整体安装在焦点上。
7.由于采光区域内亮度均匀能够利用串联电池，这是由于HPC聚光器的非成象特性。
2.HPC天窗
在HPC技术的另一应用中，光缆32被粘合在HPC边缘上采集光的焦点处，如图9所示。光18被直接入射到光纤光导32中。其他实施例可以包括附加光学器件以便提高HPC与光导之间的耦合效率。HPC天窗的优点包括：
1.被动式跟踪聚光器。
2.采集光并入射到光纤光导中。
3.选择带宽，只把希望的光入射到光纤装置中用于照明。
3.HPC热水器
HPC天窗实施例的一种变型是利用集中在光纤光导中的光加热水，用于家庭热水应用。该实施例在图11中描述，该图示出固定到高透射率平板12的边缘12′上的光纤光导32。因此太阳能18被传导至传统的充有水38的热水箱36。太阳光谱被限制并吸收在热水箱中，从而或者直接加热水(各波长光被水分子吸收)或者间接加热水(各波长光被热水箱衬垫吸收并再次辐射到水中)。HPC热水器的优点包括：
1.被动式跟踪聚光器。
2.采集光并把光入射到光纤光导中。
3.选择波段，只把希望的光入射到光学装置中用于加热水。
4.HPC窗
HPC窗是本发明的另一实施例，并结合其他用途的特征，能够滤除紫外光和红外光。图12描述了HPC窗户10的一个实施例，该窗户具有几个边，这里用12′、112′和212′表示。光电池30安装在边12′上，如果该电池是硅PV电池，它吸收大约700至1100nm范围内的辐射。使用安装在边112′上的第一光纤光导32传播可见光(大约在400至700nm范围内)至建筑物(未示出)的内部，所述建筑物的一边安装窗户10，以便提供自然光源。使用安装在边212′上的第二光纤光导132把大约700至1400nm范围内的主要红外能量传播至热水箱36中，用于加热其中的水38。入射到窗10的前表面12b上的大约350至400nm范围内的紫外光(未示出)，被附着在窗户后表面上的特定全息薄膜结构14(未示出)阻挡，不能通过所述窗户；例如可以使用全息薄膜中的适当的全息光栅和/或UV遮光元件。
图12示出的HPC窗户10只是说明性的，本领域的普通技术人员能够理解可以利用其他装置或它们的组合，以便利用太阳光谱的不同部分和/或遮挡其中不希望的部分通过窗户10。HPC窗户的优点包括：
1.控制通过窗户的太阳能增益。
2.控制紫外和红外光能的透过率。
3.被动式跟踪聚光器。
4.采集光并入射到光导中。
5.用光生伏打装置产生电能。
6.采集光用于可能的加热用途。
7.选择光谱和角度带宽。
图13描述了使用多个HPC窗户10的建筑物38，所述窗户10使用一个或多个上述装置。而且，可以使用包括HPC窗户10的天窗40或分离的太阳电池板42，HPC窗户10安装在天花板上，或者在太阳电池板的情况下支撑在地上。太阳电池板42可以使用完全被动式跟踪或主动式跟踪机构，这对于本领域人员是公知的，因此这里没有示出。HPC窗户10可以用在建筑物38的东边、南边和西边，用于采集直接或间接的太阳辐射，用在建筑物的北边(在北半球)或建筑物的南边(在南半球)，用于采集间接太阳辐射。
例子
包括粘合在玻璃板上的多路传输(角度和空间)全息薄膜的装置已经制造成大接收角度。一个试验使用三个角度和三个光谱多路传输光束，计算光采集效率为20％。该装置的角度性能是160度昼夜太阳角度变化范围，和45度季节角度变化。
此外，制成使用不同全息结构的较大空间多路传输装置，以便降低再次耦合损失。该装置把光集中在玻璃平板的一个边上。空间多路传输全息结构从平板的离光被集中的边最远的区域到平板的邻近光被集中的边的区域变化。
目前制造的最大装置是12乘8.5英寸的高透射率平板，厚度为6mm，工作区为8乘8英寸(64平方英寸)。它使用3层DuPont全息薄膜，每层代表不同的光谱范围(光谱多路传输)。使用NorlandNOA 65光学粘合剂粘合薄膜。每层全息薄膜具有44个不同的空间多路传输区域，每层薄膜使用四个多路传输角度光束记录。每个空间区域为50mm乘15mm。所述区域从装置的输出端至HPC的对边线性变化。该装置在最佳角度时总太阳能采集效率为2％，在它的记录窄波段490至530纳米的计算效率为20％。它被制成线聚焦HPC装置。
另一个最佳实施例的例子使用一片4×12英寸、6mm厚的低铁Solarphire玻璃，使用Norland NOA 65光学粘合剂把2层DuPontOmnidex全息薄膜粘合在所述玻璃上。在所述两层全息薄膜上多路传输的总共6个区域。这些区域被角度、光谱和空间多路传输。一个薄膜包括在500nm、568nm和676nm记录的空间多路传输区域，所有干涉条纹角度为37度。另一薄膜包括在500nm、568nm和676nm记录的区域，干涉条纹角度为40度。该装置总太阳能采集效率为13％，在希望的采集波段上效率为90％。
虽然上面的描述包含许多具体的细节，但是这些不应解释为对本发明范围的限制，而应视为本发明的最佳实施例的说明。可以进行许多其他变型。例如，单个对全色敏感的全息薄膜记录允许在一个薄膜上光谱多路传输，而且可以使用32个记录光束对进行角度多路传输，一对对应5度昼夜太阳角变化。那么该薄膜可以非均匀膨胀以便增大光谱宽度。另一变化可以只使用几个角度多路传输光束，以便只采集每天有限时间内的光。这也可以使用全色记录薄膜和非均匀膨胀。因此，本发明的范围不应由所述的实施例确定，而应由所附权利要求书和它们的等同替换确定。

Claims (14)

1.一种用于采集和集中光辐射(16，16′，16″)的全息平面聚光器(10)，该全息平面聚光器(10)包括高透射率平板(12)和设置在它的一个表面(12a)上的至少一个多路传输全息光学薄膜(14)，以便形成光导结构，所述至少一个多路传输全息光学薄膜(14)中记录有多个衍射结构，所述衍射结构有两个或多个角度和光谱多路传输的区域(14，114，214)，所述多路传输全息薄膜(14)适合于把所述光辐射(16，16′，16″)耦合至所述高透射率平板中，(a)以便所述光辐射不损失，并通过所述高透射率平板(12)和所述多路传输全息光学薄膜(14)，所述多路传输全息薄膜(14)多路传输以便减少所述全息平板聚光器(10)中的再次耦合损失，或者(b)在小捕获角下，使得所述光辐射(16，16′，16″)通过所述高透射率平板(12)和所述多路传输全息光学薄膜(14)。
2.根据权利要求1所述的全息平板聚光器(10)，其中在如下情况下耦合损失被降低：(a)多路传输所述全息薄膜(14)，办法是利用所述薄膜(14)使得以小捕获角把所述光辐射入射到所述高透射率平板(12)内，或者(b)以小捕获角耦合，办法是提供两个或多个所述区域(14，114，214)，这些区域被不同地角度多路传输以及空间多路传输。
3.根据权利要求1所述的全息平板聚光器(10)，其中所述高透射率平板(12)包括玻璃平板或者光学透明聚合物平板，所述光辐射(16，16′，16″)来自太阳辐射。
4.根据权利要求1所述的全息平板聚光器(10)，包括一个设置在所述表面(12a)上多路传输全息光学薄膜(14)，或者至少两个多路传输全息光学薄膜(14)，一个薄膜堆积在另一个的上面，形成设置在所述表面(12a)上的装置。
5.根据权利要求1所述的全息平板聚光器(10)，其上还安装有至少一个太阳能采集装置(30，32，132)，从包括光电池(30)和光缆(32，132)的组中选择，其中所述光缆(32，132)把至少一部分所述光辐射传播给太阳能接收装置(36)，所述给太阳能接收装置(36)包括热水箱(36)或者适合于给建筑物内部提供照明。
6.根据权利要求1所述的全息平板聚光器(10)，其中所述的全息平板聚光器(10)或者安装在固定位置上以便被动式跟踪太阳，或者安装在***上，所述***适合于昼夜性或者季节性或者即昼夜性又季节性跟踪太阳。
7.根据权利要求1所述的全息平板聚光器(10)，其中所述高透射率平板(12)具有第一折射率，所述全息光学薄膜(14)具有第二折射率，所述第一和第二折射率之间的差不大于3％。
8.一种制造根据权利要求1所述的全息平板聚光器(10)的方法，该方法包括如下步骤：
(a)把所述全息光学薄膜(14)设置在高透射率平板(12)的一个表面(12a)上；以及
(b)利用角度和空间多路传输技术(22a-22e，24a-24e)把所述多个衍射结构(14，114，214)记录在所述全息光学薄膜(14)上，以便产生所述多路传输全息光学薄膜(14)。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述记录通过如下步骤在折射率匹配条件(22)下完成：
(a)把上面设置有所述全息光学薄膜(14)的所述高透射率平板(12)浸没在液体介质(22)中，所述液体介质的折射率与所述高透射率平板(12)的折射率基本上相同；
(b)把多个物光束(22a-22e)照射在所述高透射率平板(12)的一个表面(12b)上，该表面与设置有所述全息光学薄膜(14)表面(12a)相对；以及
(c)把多个参考光束(24a-24e)照射在所述全息光学薄膜(14)上，
其中按如下发生完成记录，使得(a)所述薄膜(14)能够以小捕获角把所述光辐射(16，16′，16″)照射到所述高透射率平板(12)内，或者(b)提供两个或多个区域(14，114，214)，这些区域被不同地角度多路传输以及空间多路传输，或者(c)两者结合，从而降低来自所述高透射率平板(12)的再次耦合损失；
其中所述物光束(22a-22e)和所述参考光束(24a-24e)具有高斯形状或非高斯形状，而且其中所述记录利用所述全息光学薄膜(14)上基本上均匀的能量完成；以及
其中所述记录在多波长或单色波长下完成，调整记录角度以便在希望的波长再现。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述记录在模拟总共大约160度昼夜太阳角变化和总共大约45度季节太阳角的条件下完成。
11.根据权利要求9所述的方法，其中非均匀干涉条纹结构形成在所述全息光学薄膜(14)上。
12.根据权利要求9所述的方法，其中反射结构形成在所述全息光学薄膜(14)上，所述反射结构使得所述全息光学薄膜(14)的光谱带宽响应从几纳米宽至几百纳米宽的谱段范围。
13.一种使用根据权利要求1所述的全息平板聚光器(10)的方法，该方法包括如下步骤：
(a)利用权利要求8所述的方法在所述多路传输全息光学薄膜(14)上记录所述多个衍射结构(14，114，214)；以及，按照任一顺序，
(b)把所述全息平板聚光器(10)安装在所述预定方位上，用于采集太阳能(16，16′，16″)；以及
(c)沿着所述全息平板聚光器(10)的至少一个边(12′，112′，212′)安装至少一个太阳能采集装置(30，32，132)。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述高透射率平板(12)包括玻璃板或者光学透明聚合物板，垂直安装在建筑物(38)的一边上作为窗户(10)。
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