專利名稱：用于凝聚光輻射的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)裝置，尤其涉及用于凝聚光輻射的聚光器領(lǐng)域。根據(jù)本發(fā)明的主題制造的聚光器可以用于利用凝聚的光輻射的所有技術(shù)領(lǐng)域。它可以用于光譜范圍從紫外到紅外的光輻射。
本領(lǐng)域公知的太陽能聚光器的一個(gè)例子利用了全息圖和棱鏡或平板；參見例如授予Afian等人的美國專利No.4,863,224。然而，這種太陽能聚光器需要對準(zhǔn)太陽，并且不提供任何被動(dòng)式太陽跟蹤能力。
本領(lǐng)域中還公知的一種集光裝置包括全息圖和全反射表面，用于收集單一入射角處的單色光；參見例如授予Ando等人的美國專利No.5,268,985。然而，Ando等人采用了單個(gè)入射角和單一波長，因此需要跟蹤裝置，并且不能利用整個(gè)太陽光譜。
現(xiàn)有技術(shù)中公知的另一種聚光器是電磁波聚能器；例如參見授予Tremblay的美國專利No.4,505,264。電磁波聚能器多層介質(zhì)導(dǎo)板凝聚電磁能量。該發(fā)明的缺點(diǎn)是在導(dǎo)板中有大量反射損耗，而在一些比較經(jīng)濟(jì)的實(shí)施例中吸收損耗高。該發(fā)明還具有光學(xué)上難以制造的問題，因而制造成本高。
公開日為1999年3月2日，授予本發(fā)明者的美國專利5,877,874披露了一種用于凝聚太陽輻射的裝置，它采用了全息平面聚光器(HPC)來收集和凝聚光輻射。HPC包括一個(gè)平面的、高透明平板和安裝在其表面上的至少一個(gè)多重復(fù)用(multiplexed)全息光學(xué)薄膜。該多重復(fù)用全息光學(xué)薄膜中已經(jīng)記錄了多個(gè)具有一或多個(gè)角度和光譜復(fù)用區(qū)域的衍射結(jié)構(gòu)?？梢詫蓚€(gè)或多個(gè)區(qū)域構(gòu)造成提供空間復(fù)用。對于尋找對該發(fā)明改進(jìn)的預(yù)定目的來說，該專利給出的教導(dǎo)在一定程度上是有用的，本發(fā)明代表了這種改進(jìn)。
存在對這樣一種太陽能聚光器的需要，其能夠減小太陽輻射凝聚過程中的能量損耗并且利用了大部分太陽光譜，同時(shí)減小或消除了跟蹤要求。
本發(fā)明的另一目的在于減少或消除太陽能聚光器的跟蹤要求。
本發(fā)明的再一目的在于簡化太陽能聚光器的設(shè)計(jì)和制造。
本發(fā)明的又一目的在于提供一種聚光器，其可以按照所需的應(yīng)用來設(shè)計(jì)該聚光器的光譜選擇性。這里公開的每一個(gè)應(yīng)用具有獨(dú)特的光譜要求，以便更有效地工作。
本發(fā)明的又一目的在于提供一種太陽能聚光器，該聚光器在聚光照明系統(tǒng)中作為UV和IR光的被動(dòng)式濾光裝置。
通過考慮附圖和隨后的描述，本發(fā)明的其它目的和優(yōu)點(diǎn)將變得顯而易見。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種用于收集和凝聚光輻射的全息平面聚光器。該全息平面聚光器包括(a)至少一個(gè)高透明平板，(b)至少一個(gè)設(shè)置在它的一個(gè)表面上以形成光導(dǎo)結(jié)構(gòu)的多重復(fù)用全息光學(xué)薄膜，以及(c)至少一個(gè)固定在該多重復(fù)用全息光學(xué)薄膜下面與太陽輻射的入射相反的一側(cè)的光生伏打電池。每個(gè)光生伏打電池通過至少一個(gè)這種全息光學(xué)薄膜來限定橫向邊界。另外，可以沿Z(垂直)方向形成多個(gè)(至少兩個(gè))這種薄膜。
多重復(fù)用全息光學(xué)薄膜中記錄有多個(gè)衍射結(jié)構(gòu)，該衍射結(jié)構(gòu)具有兩個(gè)或多個(gè)被角度和光譜復(fù)用的區(qū)域。該多重復(fù)用全息圖適合于把光輻射耦合至高透明平板中，使得光輻射無損耗并通過高透明平板和多重復(fù)用全息薄膜。該全息圖的多重復(fù)用用來減少全息平面聚光器中的再次耦合(recoupling)損耗。
此高透明平板是多功能的，并按照下述方式實(shí)現(xiàn)。首先，它作為全息材料的支撐結(jié)構(gòu)。其次，它為全息材料提供環(huán)境防護(hù)。第三，它在350至1400納米(nm)波長范圍內(nèi)提供高的光透射率，這一點(diǎn)對于全息平板聚光器的總效率十分重要。第四，玻璃相對周圍空氣較高的折射率，對于日間太陽角度變化，它將入射角接收角度從160°全角壓縮至大約80°；這樣就減小了對全息結(jié)構(gòu)的角度性能要求。第五，高透明平板作為全息平面聚光器裝置的全內(nèi)反射(TIR)輔助聚光器。
高透明平板相對空氣更高的折射率，可在高透明平板內(nèi)提供TIR限制，因此將被收集光的發(fā)散限制在平板的厚度內(nèi)，從而提高了會(huì)集度。還可以對高透明平板的厚度進(jìn)行調(diào)節(jié)，以減少當(dāng)被限制的光沿高透明平板傳播時(shí)由于TIR所出現(xiàn)的來回反射次數(shù)。這是一個(gè)非常重要的特征，因?yàn)楣庠诟咄该髌桨逯心軌騻鞑サ木嚯x的主要限制因素是同一全息結(jié)構(gòu)對光的再次耦合或傳播。光學(xué)系統(tǒng)的可逆性發(fā)揮作用，而且要求當(dāng)光向高透明平板的邊緣傳播時(shí)，構(gòu)成HPC的全息光學(xué)元件在表面上具有不同的光譜和角度性能。
除了空間多重復(fù)用全息光學(xué)元件以外，通過把光輻射以小于大約5°的小捕獲角從薄膜入射到高透明平板中，可以降低HPC中的再次耦合損耗。如同這里使用的一樣，從全息薄膜的平面起測量小的捕獲角，并認(rèn)為小于5°。小捕獲角與高透明平板厚度結(jié)合，將進(jìn)一步減小再次耦合損耗，并且允許把HPC設(shè)計(jì)成實(shí)際大小，以便收集能量。
沒有這些避免再次耦合的特性，就不能使HPC更有效地工作。
本發(fā)明的全息平面聚光器通過如下步驟制造(a)將多重復(fù)用全息光學(xué)薄膜設(shè)置在高透明平板的一個(gè)表面上；以及(b)采用角度和光譜復(fù)用技術(shù)在多重復(fù)用全息光學(xué)薄膜中記錄多個(gè)衍射結(jié)構(gòu)。
在本發(fā)明的全息平面聚光器中，為了得到全息平面聚光器的預(yù)計(jì)太陽方位，記錄多個(gè)衍射結(jié)構(gòu)。全息平面聚光器設(shè)置在該預(yù)定的方位上以便收集太陽能，而且至少一個(gè)太陽能收集裝置沿該全息平面聚光器的至少一個(gè)邊緣設(shè)置。適當(dāng)?shù)奶柲苁占b置的例子包括光生伏打電池和纖維光波導(dǎo)，用于把收集的光傳輸至建筑物內(nèi)部用于照明目的，和把收集的太陽輻射傳輸至熱水箱用于加熱。
全息平面聚光器允許有效地收集太陽能，而不需要昂貴的跟蹤要求，同時(shí)使能量損耗最小。全息平面聚光器的設(shè)計(jì)和制造簡單，制成的聚光器可以用于濾過UV和IR輻射，以及將太陽能分配給多種太陽能收集裝置，如上所述。
在光通信產(chǎn)業(yè)中，利用光全息耦合將光能轉(zhuǎn)移到波導(dǎo)中。不過，如果HPC工作正常，具有全息結(jié)構(gòu)的HPC需要完成比這多的工作。也就是說，全息結(jié)構(gòu)必需進(jìn)行空間復(fù)用以避免再次耦合，目的是使裝置工作。這與波導(dǎo)應(yīng)用中的波導(dǎo)耦合器工作方式完全不同。一旦光被衍射至波導(dǎo)中，通信產(chǎn)業(yè)中所使用的全息波導(dǎo)耦合器不必尋址透過全息結(jié)構(gòu)的后續(xù)通過?？朔﨟PC中的再次耦合損耗是空間多路復(fù)用較為復(fù)雜的主要原因，采用角度和光譜復(fù)用來實(shí)現(xiàn)空間復(fù)用。
圖5為用于本發(fā)明的全息平面聚光器的角度復(fù)用多波長記錄方案的示意圖；圖6為本發(fā)明的被動(dòng)式太陽能跟蹤裝置的頂視圖；圖7為圖6中描述的被動(dòng)式太陽能跟蹤裝置的側(cè)面垂直投影圖，說明本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例；圖8為與圖7相似的側(cè)面垂直投影圖，不過描繪出本發(fā)明的一個(gè)可選通過在單個(gè)薄膜上生成許多干涉條紋而形成獨(dú)特的全息干涉條紋結(jié)構(gòu)。這稱為角度復(fù)用，通過這種角度復(fù)用技術(shù)，許多記錄光束對干涉產(chǎn)生全息結(jié)構(gòu)，該全息結(jié)構(gòu)將接收入射角度范圍內(nèi)的光，并在與薄膜折射率相似的高透明平板內(nèi)以不同角度范圍輸出光。
除了角度復(fù)用以外，還采用使用多個(gè)波長的光譜復(fù)用。光譜復(fù)用用于增加HPC的光譜帶寬。
空間復(fù)用可以用于防止從多重全息光學(xué)結(jié)構(gòu)(MHOS)后續(xù)反射出來的再次耦合損耗。通過制造具有不同光柵矢量的多個(gè)分離的MHOS區(qū)域可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的。每個(gè)MHOS區(qū)域具有多個(gè)光柵和一定范圍的光柵矢量，入射光前面的區(qū)域與光最初來自的區(qū)域具有不同的衍射特性。因?yàn)椴煌瑓^(qū)域具有基本不同的光柵矢量范圍，當(dāng)限制在高透明平板內(nèi)的光在到達(dá)高透明平板的邊緣的路徑上通過不同的MHOS區(qū)域時(shí)，則光不能從HPC耦合出來。
或者通過設(shè)計(jì)全息圖以小捕獲角如上面所限定的小于大約5°，將光輻射入射到高透明平板中來避免再次耦合損耗。這樣減小了與全息薄膜的后續(xù)相互作用的數(shù)目，減小光損耗。A.全息介質(zhì)全息介質(zhì)是能夠形成體積相位全息圖的任何已知材料類型。幾種已有的薄膜材料類型包括duPont的Omnidex光致聚合物薄膜，Polaroid的Mirage光致聚合物材料，重鉻酸鹽明膠，聚乙烯咔唑光致聚合物薄膜，鹵化銀乳膠和任何其它全息材料。
另外，可以將這些薄膜分層，每層具有不同的角度，光譜和空間復(fù)用特性。可以采取兩層或多層設(shè)置在高透明平板上的全息薄膜的形式。每個(gè)附加膜層必須折射率匹配，以防止全內(nèi)反射在比高透明薄膜吸收性更高的薄膜層內(nèi)俘獲光。
可以從duPont和Polaroid得到的商用全息材料已經(jīng)存在化學(xué)和加工性質(zhì)，允許形成不均勻干涉條紋結(jié)構(gòu)；重鉻酸鹽明膠薄膜也具有形成不均勻干涉條紋結(jié)構(gòu)的化學(xué)性質(zhì)。(不均勻干涉條紋結(jié)構(gòu)是一種從薄膜的前面到后面，干涉條紋間距發(fā)生改變的結(jié)構(gòu))。除這些技術(shù)以外，也可以利用光學(xué)粘合劑來收縮或膨脹全息結(jié)構(gòu)。當(dāng)形成多層全息薄膜堆時(shí)可以利用這一技術(shù)，將全息薄膜粘合到高透明平板上，或?yàn)槿⒈∧ぬ峁┮槐Ｗo(hù)層。
本發(fā)明的HPC依靠角度、空間和光譜復(fù)用技術(shù)的組合來實(shí)現(xiàn)它的功能，即凝聚光。通過組合這些技術(shù)，制造出獨(dú)特的MHOS。
1.光損耗為實(shí)現(xiàn)該裝置的功能，本發(fā)明的HPC要求全息結(jié)構(gòu)空間復(fù)用，避免再次耦合。這與波導(dǎo)應(yīng)用中的波導(dǎo)耦合器的工作方式完全不同。一旦光被衍射進(jìn)入波導(dǎo)中，用于通信工業(yè)中的全息波導(dǎo)耦合器不必尋址通過全息結(jié)構(gòu)的后續(xù)通過。避免HPC中的再次耦合損耗是空間復(fù)用的復(fù)雜性的主要原因，采用角度和光譜復(fù)用兩者來實(shí)現(xiàn)空間復(fù)用。
為了減小結(jié)構(gòu)中的光損耗，使用新技術(shù)防止光能損耗。高透明平板可以選擇為任何厚度，但是為了實(shí)用的目的，通常在1到15mm厚度范圍內(nèi)。更厚的高透明平板成本開始變高，而且對于這里公開的應(yīng)用不實(shí)用。假設(shè)對平板厚度進(jìn)行這些限制，并且目標(biāo)是使通過HPC傳播的光反射次數(shù)盡可能少，要求內(nèi)衍射波矢角度足夠小，使得光被更直接地沿HPC結(jié)構(gòu)衍射。最好是HPC結(jié)構(gòu)的路徑長度與厚度比(PTR)在25到200之間。路徑長度是HPC所收集的光在HPC結(jié)構(gòu)中必須行進(jìn)以便到達(dá)接收器位置的最大距離。
為了使本發(fā)明的HPC滿足上述路徑長度與厚度比，必須考慮多個(gè)因素。下面列舉了HPC中所使用的用于減小光損耗的技術(shù)。
1.HPC結(jié)構(gòu)中光能的吸收有三個(gè)來源。第一是高透明平板的吸收。選擇制造高透明平板的材料，使之在350至1400nm光譜范圍內(nèi)具有低吸收作用?！暗臀铡币馑际俏招∮?0％(高透明的反面的說法，上面已經(jīng)定義)。第二個(gè)吸收源來自薄膜層，因而保持薄膜層盡可能薄和盡可能透明很重要。如同這里使用的一樣，關(guān)于膜層的術(shù)語“薄”是指厚度小于30μm，而關(guān)于膜層的術(shù)語“透明”是指內(nèi)部透射率至少為90％。這里討論的所有薄膜都具有足夠低的吸收。如果使用光學(xué)粘合劑，第三吸收源就是光學(xué)粘合劑?？梢缘玫轿辗浅５偷墓鈱W(xué)粘合劑；在實(shí)施本發(fā)明中最好使用這種低吸收的光學(xué)粘合劑。
2.為了使具有上述PTR的HPC收集光能，內(nèi)部衍射波矢量必須在1至40°范圍內(nèi)。單個(gè)光柵將衍射寬帶寬內(nèi)的光，光譜帶寬內(nèi)的每個(gè)波長以不同的波矢量角度衍射。這意味著對于單個(gè)光柵彩色角度擴(kuò)散可能比希望的大。對于單個(gè)光柵寬光譜寬度意味著被收集的光有彩色角度擴(kuò)散。一個(gè)這樣的例子是具有100nm帶寬的單個(gè)光柵代表收集的光的角度發(fā)散為30°。所以隨著裝置帶寬的增加，單個(gè)光柵結(jié)構(gòu)是自限的，因?yàn)閬碜怨庾V段的光將開始損耗，這是由于內(nèi)部衍射波矢量將超過高透明平板的TIR限制條件。這意味著通過增加HPC裝置的帶寬，必須復(fù)用光譜成分，同時(shí)保持角度分量在HPC的TIR俘獲角內(nèi)。這可以通過在復(fù)用記錄中保持光柵角度不變而改變光柵間距而實(shí)現(xiàn)。這是增加帶寬并保持需要的內(nèi)部衍射波矢量在HPC的TIR限制之內(nèi)的一種技術(shù)。可以通過單個(gè)薄膜光譜復(fù)用并保持每個(gè)復(fù)用記錄的干涉條紋角度固定，而降低角度擴(kuò)散。因?yàn)檎凵渎收{(diào)制由各個(gè)曝光來分擔(dān)，所以被收集的能量大致相同，而且最終結(jié)果是可以收集更多波長的光，并衍射進(jìn)入較窄角度范圍內(nèi)。這意味著更多的能量將被凝聚到接收器。
3.本發(fā)明的HPC裝置需要結(jié)合高透明平板和折射率與高透明平板匹配得很好的全息薄膜。要求高透明平板與薄膜之間折射率非常好地匹配，以便把光有效地衍射進(jìn)入高透明平板內(nèi)，而不在高透明平板/薄膜界面產(chǎn)生大菲涅爾反射。如果折射率不匹配導(dǎo)致大量能量在界面反射，那么能量將被限制在薄膜內(nèi)，薄膜的吸收系數(shù)比高透明平板的吸收系數(shù)大得多。為了有效地把光能從薄膜轉(zhuǎn)移到高透明平板內(nèi)，薄膜與高透明平板的折射率必須十分接近，彼此相差在3％范圍內(nèi)。這樣將使得在薄膜中行進(jìn)較長距離的光量最少。薄膜的吸收通常比高透明平板的吸收高，所以裝置的最佳實(shí)施例利用折射率十分匹配以便使衍射光必須通過的薄膜厚度最小。
4.當(dāng)光通過HPC結(jié)構(gòu)反射時(shí)，內(nèi)部衍射光通過后續(xù)與全息薄膜的相互作用的再次耦合是要克服的最大光損耗。然而這可以通過空間復(fù)用HPC結(jié)構(gòu)的全息薄膜部分而減少或完全避免。空間復(fù)用通過如下方式實(shí)現(xiàn)，即通過設(shè)計(jì)全息光學(xué)元件(HOE)的圖案，每個(gè)具有略微不同的光譜和/或角度性能。每個(gè)空間復(fù)用區(qū)域的衍射光具有不同的內(nèi)部衍射波矢量角度和與這些角度相關(guān)的不同的光譜帶寬。HOE在角度與波長之間具有直接聯(lián)系，所以實(shí)際上正是兩者結(jié)合確定了是否空間復(fù)用從它們的性能角度來說是分離的。這一分離現(xiàn)象意味著來自一個(gè)區(qū)域的光在后續(xù)區(qū)域中不被HOE衍射。多重復(fù)用區(qū)域的尺寸是路徑長度與厚度比值的函數(shù)，因?yàn)楣夥瓷浯螖?shù)決定需要的分離空間復(fù)用區(qū)域的數(shù)目。而且，反射次數(shù)由路徑長度與厚度比和內(nèi)部衍射波矢量確定。B.高透明平板HPC的高透明平板可以由光學(xué)透明的玻璃或聚合物制成。術(shù)語“高透明”在上面已經(jīng)定義；光學(xué)透明的意思是指玻璃或聚合物至少在大約350至1400nm波長范圍內(nèi)是這里所定義的高透明的。高透明平板可以是任意厚度或尺寸。高透明平板的最佳材料是低鐵浮法玻璃(low ironfloat glass)，該玻璃用化學(xué)方法強(qiáng)化以便提高太陽光透射率。最佳玻璃類型包括Solarphire玻璃和Starfire玻璃，這兩種玻璃都可以從PPG工業(yè)公司買到。這些玻璃的內(nèi)部透射率大約為98％。
高透明平板可以具有平表面或曲表面。最佳尺寸將由應(yīng)用和大小決定。一個(gè)最佳實(shí)施例利用6mm厚的低鐵玻璃。而且，全息薄膜和高透明平板的折射率十分匹配很重要，比較好的是二者折射率差值最大大約為3％，最好小于該值。折射率非常匹配允許高透明平板內(nèi)耦合角度小。
在某些情況下，希望薄膜的折射率比高透明平板的折射率稍微大一點(diǎn)，因?yàn)槿绻凵渎什黄ヅ?，薄膜的折射率比玻璃的折射率稍大一點(diǎn)是有好處的。所述好處是界面上的菲涅爾反射損耗降低，因此與高透明平板的折射率比薄膜的折射率大相比，提高了耦合效率。然而，這不應(yīng)構(gòu)成對這里提出的權(quán)利要求的限制因素，因?yàn)楫?dāng)以任意一種方式實(shí)施時(shí)裝置仍可以工作。
在選擇高透明平板和薄膜的折射率時(shí)，HPC裝置要有效地工作需要許多重要參數(shù)。HPC裝置的性質(zhì)導(dǎo)致它本身有許多應(yīng)用，因此導(dǎo)致裝置的實(shí)施例有許多變化。本專利的意圖和范圍是包括這里描述的全息結(jié)構(gòu)的所有變型。


圖1-5描繪了本發(fā)明所披露而且在上面引做參考的美國專利5,877,874的基本實(shí)施例的一個(gè)例子，其中示出全息平面聚光器10包括高透明平板12和全息薄膜14。全息薄膜14設(shè)置在高透明平板12的一面12a上，該面與太陽能入射面12b相對。
通過高透明平板和全息薄膜折射率的仔細(xì)選擇，能夠允許以非常小的角度把光耦合至高透明平板內(nèi)，如圖1所示?？梢钥吹接晒饩€16、16’和16”表示的光以入射角θin入射，并以角度θout耦合至高透明平板12內(nèi)，分別成為光線18、18’和18”。記錄在全息薄膜14中的獨(dú)特的衍射光柵控制角度θout，關(guān)于獨(dú)特衍射光柵將在下面詳細(xì)描述。如同下面將示出的一樣，較大的接收角θin可以以較小的角度θout耦合至高透明平板12內(nèi)。
圖2描繪了一個(gè)前述類型的例子，其中選擇全息薄膜14的折射率比高透明平板12的折射率大0.001。這意味著使用6毫米厚(t)的高透明平板12和2度俘獲角導(dǎo)致耦合后的光線18第二次到達(dá)全息薄膜14之前光路長度(1)為343毫米；這種組合提供的PTR為57.2。這樣描繪出避免HPC裝置10中再次耦合損耗的一種方法。應(yīng)該理解玻璃厚度與俘獲角影響裝置的有效尺寸。這里討論的光路長度考慮到HPC技術(shù)的許多實(shí)際應(yīng)用。
在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，俘獲角不限于小角度，而是在空間復(fù)用技術(shù)中角度的組合，如圖3所示。如上所示，術(shù)語“小俘獲角”是指小于大約5度的角。
該全息薄膜包括多個(gè)區(qū)域，表示為14、114、214，光線16、16’和16”入射到每一區(qū)域上，如上所述。每個(gè)區(qū)域14、114、214具有不同的衍射光柵，導(dǎo)致一系列耦合至高透明平板12內(nèi)的光線的角度θout，這些角度可以彼此相同或不同；然而，在每種情況下，該系列中中間光線18’、118’、218’與由全息薄膜14限定的平面所成的角度都不同。
空間復(fù)用技術(shù)允許從全息結(jié)構(gòu)發(fā)生多個(gè)反射，因此可以使用較大的俘獲角。這種方法降低了對高透明平板與全息薄膜折射率十分匹配的需要。作為一個(gè)例子，在使用非常小的俘獲角的情形中，折射率之間良好匹配只存在0.01％的差別，而對于空間復(fù)用的情形，最不匹配的方案中折射率可以相差達(dá)3％。
空間復(fù)用所述復(fù)用全息光學(xué)結(jié)構(gòu)(MHOS)可以制成工作光路較長的HPC裝置，因此增加了HPC平板的功能尺寸，并且增加了HPC裝置可以應(yīng)用的領(lǐng)域?？臻g復(fù)用HPC全息結(jié)構(gòu)也可以避免角度復(fù)用并凝聚收集的光時(shí)，光束簡并的限制因素。還可以利用線聚焦模式而不是點(diǎn)聚焦模式中的HPC裝置來避免光束簡并。
可以通過設(shè)計(jì)HPC裝置以便在玻璃折射率與全息薄膜的折射率匹配的波長處工作，來使全息薄膜與高透明平板之間折射率不匹配的材料色散影響最小化。不同的正常材料色散將導(dǎo)致在不同于設(shè)計(jì)波長的其它波長處玻璃與薄膜的折射率出現(xiàn)差異。色散對薄膜與玻璃之間折射率的全面匹配的影響在于折射率匹配實(shí)際上表示選擇光譜范圍上的平均匹配。C.全息記錄過程通過將一層或多層全息薄膜設(shè)置在一光學(xué)高透明平板的一個(gè)面上而制成本發(fā)明的HPC。全息薄膜設(shè)置在與入射光相反的一個(gè)面上。在折射率匹配環(huán)境下執(zhí)行主MHOS的記錄；這些技術(shù)是本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的?！罢凵渎势ヅ洵h(huán)境”是指這種幾何結(jié)構(gòu)中所使用的在記錄激光波長處非常透明的并且與薄膜的折射率相匹配的適當(dāng)?shù)牟牧希试S激光束以非常小的角度在薄膜中傳播。有許多中方法把激光束以小角度射入材料中，這些方法都要求折射率匹配。不同的技術(shù)使用玻璃塊、棱鏡和容器中的液體。該技術(shù)用于形成主全息圖，但是一旦主全息制造完畢，僅要求被復(fù)制的薄膜與主平板的折射率匹配。復(fù)制也要求在主平板與復(fù)制薄膜折射率匹配的環(huán)境下進(jìn)行記錄，但是對于大規(guī)模生產(chǎn)該過程是一個(gè)比較簡單的過程。
在一個(gè)實(shí)施例中可以使用裝有折射率匹配液體的液體閥門(liquid gate)或容器，將全息圖和附有全息圖的高透明平板設(shè)置在其中用來曝光，如圖4所示。容器中的折射率匹配液體應(yīng)該在全息薄膜和高透明平板的折射率的大約12％范圍內(nèi)。最好是，采用折射率稍微大于薄膜和高透明平板的一種液體。液體和高透明平板/薄膜之間匹配的越好，將產(chǎn)生噪音越少的光柵。
圖4示出的HPC10包括高透明平板12和全息薄膜14，浸入裝有液體22的容器20中，液體22的折射率基本上與高透明平板12的折射率相同。物光束22a-22e入射在高透明平板12的上表面12b上，而參考光束24a-24e入射在全息薄膜14的曝光表面14a上。字母表示記錄對符號。物光束22a-22e和參考光束24a-24e由全息記錄領(lǐng)域公知的技術(shù)產(chǎn)生，不構(gòu)成本發(fā)明的一部分。
折射率匹配容器提供了這樣一種環(huán)境以便減少從界面和其它表面所散射的雜散光的數(shù)量。通過使記錄過程中光學(xué)噪音量最小化而提高了MHOS的質(zhì)量。
使用多個(gè)激光束來記錄獨(dú)一無二的全息結(jié)構(gòu)，將接收來自一定范圍的入射角的光，并沿著光學(xué)高透明平板傳播光。一旦光在高透明平板內(nèi)，只要光不與同一全息結(jié)構(gòu)發(fā)生任何后續(xù)的相互作用光就被俘獲。記錄過程是角度，光譜和空間復(fù)用的組合，可以使用本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的多種方法來實(shí)現(xiàn)。
在制造HPC時(shí)可以使用多對具有不同角度和波長的激光束，這些激光束可以是準(zhǔn)直的，發(fā)散的，會(huì)聚的或波前的組合，如圖5所示。每對記錄波前具有一個(gè)模擬日間小范圍太陽角的物光和一個(gè)模擬所需再現(xiàn)(凝聚的)波前的參考光。對于記錄幾何結(jié)構(gòu)沒有一個(gè)最佳實(shí)施例，因?yàn)閷τ诮o定應(yīng)用或位置而言所需的再現(xiàn)位置發(fā)生改變。因?yàn)镠PC的安裝方位和它在地球上的安裝位置將發(fā)生變化，HPC具有對于不同的入射角范圍和不同的光譜收集要求進(jìn)行記錄的優(yōu)點(diǎn)。例如，HPC可以垂直或傾斜安裝于所需的位置緯度。另外，入射角范圍可以選擇得非常小或非常大，依賴于可提供的照明類型和想要的輸出光譜而定。
光束記錄幾何結(jié)構(gòu)隨光柵設(shè)計(jì)而不同。對于在676nm和514nm激光波長處記錄的多重復(fù)用薄膜而言，入射角范圍將是在介質(zhì)中與垂直方向成正或負(fù)45度角，和在介質(zhì)中與垂直方向成100°至140°角。從該角度范圍內(nèi)選擇光束對以便產(chǎn)生所需全息結(jié)構(gòu)，目的在于對于給定位置和安裝方位俘獲和凝聚所需太陽能。一個(gè)最佳實(shí)施例使用了兩個(gè)記錄對，一對的角度為30°和100°，另一對的角度為-30°和130°。
雖然HPC可以用于被動(dòng)式或主動(dòng)式跟蹤模式，但是角度復(fù)用的使用允許使用被動(dòng)式跟蹤，這樣簡化了整體結(jié)構(gòu)并降低了成本。作為被動(dòng)式跟蹤最佳實(shí)施例的例子，HPC光生伏打板相對于安裝緯度傾斜安裝，而且接收中心角垂直于HPC前表面。然后角度記錄盡可能模擬日間太陽大約160°的變化和45°季節(jié)太陽角的變化。這代表多個(gè)記錄對，每對以大約10°間隔發(fā)射它們的物光。
如前所述，所記錄的全息圖包括角度和光譜復(fù)用。通過在全息薄膜上劃定不同區(qū)域而實(shí)現(xiàn)空間復(fù)用，如同下面將詳細(xì)描述的一樣，并且使用圖5描述的方法在每個(gè)區(qū)域中記錄角度和光譜復(fù)用。耦合到一個(gè)空間區(qū)域中高透明平板12內(nèi)的光不與另一空間區(qū)域中的全息薄膜14相互作用。使用區(qū)域的組合從根本上避免了再次耦合損耗，再次耦合損耗是限制在高透明平板內(nèi)的光與全息薄膜的多次相互作用產(chǎn)生的?？臻g復(fù)用方法產(chǎn)生更高的效率，能夠制造更大的HPC裝置。
可以使用高斯或非高斯形狀光束來記錄MHOS。使用不同的光束形狀考慮到全息薄膜上曝光強(qiáng)度的控制。這轉(zhuǎn)換為控制最終MHOS的衍射效率。全息薄膜上的激光能量的強(qiáng)度對控制MHOS的再現(xiàn)效率十分重要，因?yàn)槿⒂涗浀馁|(zhì)量部分是由照射全息薄膜的曝光能量的強(qiáng)度確定的。薄膜上記錄能量的強(qiáng)度應(yīng)該基本上是均勻的，這意味著強(qiáng)度的改變不超過大約±10％。不同全息薄膜材料需要不同的曝光條件，而且對曝光強(qiáng)度更敏感。不大于大約±10％的均勻性是成功制造HPC裝置的原則，對于每種類型的全息薄膜材料而言理想的曝光均勻性是不必要的。
也可以使用多于一層的全息薄膜來制造HPC10。通過使用衍射全息結(jié)構(gòu)，可以使用多層薄膜。本質(zhì)上，藍(lán)色光子僅與對太陽光譜的藍(lán)光部分敏感的MHOS發(fā)生相互作用，紅色光子僅與對太陽光譜的紅光部分敏感的MHOS發(fā)生相互作用。
能夠從很窄(幾納米)到很寬(幾百納米)的光譜性能范圍內(nèi)制造全息反射結(jié)構(gòu)。這就允許制造光譜帶寬選擇尺寸在這些范圍內(nèi)的反射全息薄膜。D.多重復(fù)用全息光學(xué)結(jié)構(gòu)1.角度復(fù)用本發(fā)明的HPC使用角度復(fù)用在單個(gè)薄膜中取得多個(gè)反射型體積相位全息圖。對于角度復(fù)用存在許多技術(shù)，這些技術(shù)對于本領(lǐng)域技術(shù)人員是已知的。最佳實(shí)施例利用準(zhǔn)直的和發(fā)散記錄波前，盡管也可以使用會(huì)聚波前。波前從全息薄膜相對兩個(gè)表面入射，產(chǎn)生反射型體積相位全息結(jié)構(gòu)，如圖4和5所示。另外，可以選擇波前的偏振態(tài)以得到最大的條紋對比度。
可以利用幾個(gè)不同激光波長或一單一波長來產(chǎn)生MHOS，在使用單一波長時(shí)調(diào)節(jié)記錄角度以便在所需波長處進(jìn)行再現(xiàn)?？梢允褂脝尾ㄩL記錄來模仿多光譜記錄，通過調(diào)節(jié)復(fù)用的參考光與物光束的記錄角，使得在一個(gè)角度的記錄光束被設(shè)計(jì)成在一不同角度和不同波長再現(xiàn)。這是由于衍射結(jié)構(gòu)中角度與波長之間的關(guān)系。另外，如果需要可以使用多于一個(gè)的全息薄膜，并且應(yīng)用在第一全息薄膜之上?？梢允褂酶郊拥谋∧碓黾咏嵌刃曰蛟龃驢PC的光譜帶寬。
角度復(fù)用單個(gè)波長可以在記錄波長處產(chǎn)生角度性能，而且在其它波長處產(chǎn)生不同的角度性能。最后的效果為具有增強(qiáng)光譜特性的單波長記錄。
2.光譜復(fù)用為了增加HPC裝置的光譜帶寬，可以使用本領(lǐng)域已知的技術(shù)來增強(qiáng)MHOS的光譜敏感性?？梢允褂枚鄠€(gè)激光波長以及多個(gè)角度入射來記錄全息結(jié)構(gòu)。使用多個(gè)波長記錄具有增加MHOS的光譜敏感性的優(yōu)點(diǎn)。除了使用多個(gè)波長記錄之外，還可能非線性地收縮或MHOS；這就導(dǎo)致一系列間距變化的干涉條紋的產(chǎn)生。具有改變間距的干涉條紋具有增加HPC裝置的光譜帶寬的效果。
3.空間復(fù)用
MHOS的每個(gè)區(qū)域具有多個(gè)光柵和一定范圍的光柵矢量。不同區(qū)域的光柵矢量范圍基本上不同，從而當(dāng)被限制在高透明平板內(nèi)的光在通向高透明平板12的邊緣的路徑上照射到MHOS區(qū)域時(shí)，不被耦合出HPC。
為了避免從MHOS相繼反射所產(chǎn)生的再次耦合損耗，使用空間復(fù)用方法。在HPC的本實(shí)施例中，MHOS被分成多個(gè)不同區(qū)域，在光前進(jìn)方向前方的區(qū)域的布拉格角與光正照射的區(qū)域的布拉格角不同，如圖3所示。這種技術(shù)防止了再次耦合損耗，因?yàn)閷τ诒幌拗圃诟咄该髌桨鍍?nèi)的光從MHOS的后續(xù)反射照射全息結(jié)構(gòu)，所述全息結(jié)構(gòu)的光柵矢量與光被最初衍射的空間區(qū)域的光柵矢量基本上是不同的。
4.其它需要考慮的事項(xiàng)高透明平板12與全息薄膜14區(qū)域的結(jié)合物理上形成了整個(gè)光俘獲結(jié)構(gòu)10。在MHOS中要求空間復(fù)用的理由是因?yàn)楣?8必須通過全息薄膜14并從空氣/薄膜界面反射回來繼續(xù)由TIR限制在結(jié)構(gòu)10中。要求光18保持在整個(gè)結(jié)構(gòu)10中以便傳送到接收器(圖中沒有示出)。為了把光16傳送至玻璃或聚合物高透明平板12內(nèi)，要求折射率非常好地匹配以便確保光通過薄膜14反射回薄膜/空氣界面。本發(fā)明需要相當(dāng)大的區(qū)域，從而光程長，成為好的太陽能聚光器。這一點(diǎn)在上面關(guān)于特定實(shí)施例結(jié)合圖2進(jìn)行了討論，圖2描繪出厚6mm，光程為343mm的玻璃。任何較大的角度需要額外地一次或多次通過薄膜14?？臻g復(fù)用允許區(qū)域14、114、214具有不同的全息性能，從而不與來自前一全息區(qū)域的前進(jìn)光相互作用。E.多層全息(三明治全息)光學(xué)薄膜根據(jù)本發(fā)明，如圖6-9所示，全息平面聚光器10’包括兩個(gè)高透明平板12、12’，每個(gè)高透明平板具有至少一個(gè)全息薄膜14、14’。至少一個(gè)光接收裝置30，如光生伏打電池，與全息光學(xué)薄膜14、14’相結(jié)合。
圖6描繪出頂視圖，表示兩個(gè)光接收裝置30，每個(gè)光接收裝置與一對全息光學(xué)薄膜14相關(guān)。通過導(dǎo)電路徑32如導(dǎo)線將光生伏打電池30彼此電連接，具有到外部的輸出端34、36。箭頭38表示通過全息光學(xué)元件14從太陽輻射向光生伏打電池30引導(dǎo)的光。
當(dāng)初始沿東(E)-西(W)方向定向并面向南方時(shí)，這些圖中描述的HPC提供了太陽的被動(dòng)式跟蹤。電池本身可以水平或垂直定向?；蛘撸€可以采用主動(dòng)式跟蹤，來處理太陽位置的每天的改變。這種結(jié)構(gòu)也提供了光生伏打電池30的基本上均勻的照明。
圖7為圖6中所示裝置的側(cè)面垂直投影圖，說明了夾在兩個(gè)全息光學(xué)薄膜14、14’之間的光生伏打電池30，每個(gè)全息光學(xué)薄膜分別形成在高透明平板12、12’上。不過，應(yīng)該理解到光生伏打電池30必須與一個(gè)全息光學(xué)薄膜相鄰。通過光學(xué)粘合劑40將光生伏打電池30固定在兩個(gè)全息光學(xué)薄膜14、14’上，光學(xué)粘合劑40還填充在光學(xué)薄膜之間光生伏打電池沒有擴(kuò)展到平板12、12’的邊緣而留下的任何間隙。光學(xué)粘合劑40可以包括任何在HPC10’所接收的波長范圍上透明的光學(xué)結(jié)合劑。這種光學(xué)粘合劑的例子包括光學(xué)環(huán)氧樹脂，光UV-固化環(huán)氧樹脂，乙烯-乙酸乙烯共聚物(EVA)，聚氨基甲酸酯，和其它光學(xué)粘合劑。
圖7中表示的光生伏打電池30是雙面的(bi-facial)。也就是，光生伏打電池30在兩個(gè)主表面30a，30b上均具有柵格。在兩個(gè)表面30a，30b上接收光(太陽輻射)，與僅采用一個(gè)全息光學(xué)薄膜相比，電池尺寸減小，因此降低成本。
如圖8所示，光生伏打電池30也可以設(shè)置在最底部的透明板12’上(距離入射太陽輻射最遠(yuǎn)的平板)。光學(xué)粘合劑40將兩個(gè)全息光學(xué)薄膜14、14’在它們的曝光表面處固定在一起。分開的光學(xué)粘合劑(圖中沒有示出)將光生伏打電池30固定到透明板12’的底部。該分開的光學(xué)粘合劑是一種還能夠?qū)岬恼澈蟿?。散熱?2可設(shè)置在光生伏打電池30的與透明板12相對的一側(cè)，用于對電池進(jìn)行散熱(將熱從電池傳導(dǎo)開)。散熱片42最好包括一種在這種應(yīng)用中通常所采用的金屬，如鋁或銅。在這種結(jié)構(gòu)中，如同此處所披露的所有結(jié)構(gòu)，還可能去除全息光學(xué)薄膜14、14’其中的一個(gè)。因此，在光生伏打電池中至少采用一個(gè)全息光學(xué)薄膜。
圖8中表示的光生伏打電池30是單面的(mono-facial)。也就是，光生伏打電池30在一個(gè)主表面30a上具有柵格。另一個(gè)主表面30b可以被固定到散熱片42。
在圖7和8兩個(gè)圖中，每個(gè)透明板12、12’，作為例子，為3mm厚。最好是，透明板12、12’包括一種適合的透明玻璃。在圖9中，描繪出另一個(gè)實(shí)施例，其中采用了單個(gè)透明板12，最好是玻璃，該透明板具有兩倍于圖7和8中透明板12、12’的厚度。圖9描繪出一種與圖7類似的結(jié)構(gòu)，不過采用透明聚合物板12”而不是透明板12’。透明聚合物板12”較好地是包括丙烯酸酯，異丁酸酯，聚對苯二甲酸二乙醇酯(PET)，聚碳酸酯等。透明聚合物板12”具有0.004英寸(0.1mm)的量級，與之相比，較厚的玻璃透明板12大約為6mm厚。或者，可以采用薄玻璃板12”來代替聚合物板。
圖9中所描述的光生伏打電池30為單面的。也就是，光生伏打電池30在一個(gè)主表面30a上具有柵格。因?yàn)閳D9中的光生伏打電池是單面的，透明聚合物板12”應(yīng)該盡可能地薄，為小于大約2mm的量級。
圖6-9中所描述的HPC的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于它們能夠提供低成本制作。另外，HPC可以調(diào)節(jié)成任何所需尺寸。一般，全部窗口的電池所占有的表面面積為大約5到60％，不過這個(gè)數(shù)值可以更小或更大，取決于特定應(yīng)用。
可以在HPC10’的周圍使用邊封(圖中沒有示出)來密封光生伏打電池?？梢允褂萌魏蝹鹘y(tǒng)的防潮材料，如聚氨基甲酸酯，硅酮等作為防潮材料(濕度隔絕材料)。
F.裝置的操作本發(fā)明的全息平面聚光器與傳統(tǒng)的兩級聚光器的作用一樣，所述兩級聚光器折疊到集光裝置的平面中。來自接收角范圍內(nèi)的入射光通過光學(xué)高透明平板，并且被多重復(fù)用全息結(jié)構(gòu)所反射/衍射，把光俘獲在平板內(nèi)并把光傳播至平板的一邊或平板一邊的聚焦區(qū)。另外，可以制造具有幾個(gè)HPC全息結(jié)構(gòu)的較大平板，具有多個(gè)聚焦區(qū)位于平板的不同側(cè)面上或聚焦在平板的角上。對于許多應(yīng)用而言，可以使用這種基本操作方案作為主要的構(gòu)件塊(building block)。
圖10是截面圖，表示光從太陽到太陽能電池的運(yùn)動(dòng)，以及電池的間距。作為例子，光生伏打電池30可以是0.75至1英寸寬(w)，電池之間的電池間距(s)為大約0.75至4英寸。
HPC裝置相對傳統(tǒng)聚光器的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)在于它能夠收集來自一大范圍入射角的光，同時(shí)被安裝在一固定(非跟蹤式)結(jié)構(gòu)中。為了獲得這種能力，HPC裝置利用多重復(fù)用全息結(jié)構(gòu)以及高透明平板的TIR俘獲。這種兩級聚光器方法以與某些依賴光的TIR限制的非成象光學(xué)聚光器相似的方式進(jìn)行工作。正是獨(dú)特的多重復(fù)用全息結(jié)構(gòu)與TIR限制的結(jié)合，結(jié)合成本發(fā)明的新穎的聚光器。就易于制造和低材料成本而言，HPC具有諸多優(yōu)點(diǎn)。
另外，HPC可以用來聚集來自太陽的直接光或漫射光，如多云天氣的光或從周圍環(huán)境所反射的光。HPC意在收集基本上所有的太陽光譜，特別是大約350至1400nm范圍內(nèi)的太陽光譜。
HPC產(chǎn)品的三個(gè)主要應(yīng)用為(1)太陽能發(fā)電，(2)使用自然太陽光進(jìn)行自然采光，以及(3)將前面任何或所有應(yīng)用與從太陽光中濾除紫外和紅外能量相結(jié)合的窗口。下面描述這三個(gè)主要應(yīng)用。1.HPC光生伏打板圖6-9中所描述的裝置利用光生伏打電池將被凝聚的光轉(zhuǎn)變成電?？梢允褂萌魏螖?shù)量的不同光電轉(zhuǎn)換裝置，可以將HPC的輸出光譜設(shè)計(jì)成與轉(zhuǎn)換裝置的帶隙非常匹配，以便減小光生伏打電池所需的冷卻。
HPC-PV板的優(yōu)點(diǎn)包括如下幾點(diǎn)1.被動(dòng)式跟蹤聚光器。
2.兩級光捕獲。
3.多個(gè)平板的實(shí)施例，設(shè)計(jì)靈活。
4.選擇帶寬能力以使熱量浪費(fèi)最小，設(shè)計(jì)特征。
5.透明HPC允許在PV板后附加薄膜或聚光裝置，從而使有關(guān)結(jié)構(gòu)要求和占地要求的成本最小。
6.在焦點(diǎn)處安裝整體PV陣列。
7.由于聚光區(qū)域的均勻照明可能使用串聯(lián)電池；這是由于HPC聚光器非成象行為的結(jié)果。2.HPC天窗/窗口在HPC技術(shù)的另一應(yīng)用中，可以單獨(dú)使用HPC從太陽能產(chǎn)生電，還可以用做一個(gè)窗口或天窗，允許太陽光進(jìn)入建筑物中。HPC天窗的優(yōu)點(diǎn)包括1.被動(dòng)式跟蹤聚光器。
2.在照明建筑物內(nèi)部的同時(shí)發(fā)電。3.結(jié)合上面特點(diǎn)的窗口圖11描繪出采用多個(gè)HPC窗口10’的建筑物44，使用一個(gè)或多個(gè)上述裝置。另外，可以使用包括HPC窗口10的天窗46或分離的太陽能平板48，或者是以太陽能板的形式安裝在屋頂上，或者由地面支持。太陽能平板42可以使用完全地被動(dòng)式跟蹤或主動(dòng)式跟蹤裝置，這些裝置是本領(lǐng)域眾所周知的，因此在此不再示出?？梢栽诮ㄖ?4的東面，南面和西面采用HPC窗口10’，來聚集直接和非直接的太陽輻射，在建筑物的北面(在北半球)或在建筑物的南面(在南半球)設(shè)置HPC窗口10’來聚集非直接太陽輻射。實(shí)例例1已經(jīng)將包含粘合在低鐵玻璃平板上的多重復(fù)用(角度，光譜和空間)全息薄膜制成具有大接收角度。將明膠全息薄膜涂布在3mm厚的低鐵玻璃(Solarphire玻璃)平板上。使用波長為488nm的氬離子激光器將全息光學(xué)元件記錄在薄膜中。然后使用Springborn實(shí)驗(yàn)室的EVA粘合劑將該薄膜平板粘合到另一個(gè)3mm厚低鐵玻璃平板(Solarphire玻璃)上。EVA是光生伏打模塊結(jié)構(gòu)中通常所使用的一種粘合劑。然后使用NOA61光學(xué)粘合劑將光生伏打電池粘合到玻璃的后表面上。然后通過使用傳統(tǒng)的3M高粘性雙面膠帶將一薄鋁板粘合到電池的后面來保護(hù)電池的后表面。測得該裝置為6英寸乘9英寸大小。PV電池為1英寸寬，4英寸長。全息區(qū)域擴(kuò)展到電池的邊緣之外，路徑為1.5英寸。刮去平板周圍0.25英寸的明膠薄膜，一旦層合完該裝置，在刮去明膠薄膜的0.25英寸寬度內(nèi)提供EVA粘合劑對玻璃進(jìn)行密封。這種密封保護(hù)明膠薄膜不受水分的影響。使用聚氨基甲酸酯粘合劑在層合板的外部周圍設(shè)置一另外的密封。HOE收集波長為大約400至900nm垂直入射的光。峰值衍射效率為60％。測得該裝置的電轉(zhuǎn)換效率為5.1％。該裝置聚集來自160°每日角度變化和入射角中45°季節(jié)變化的能量。例2與例1中所描述的相同的方式構(gòu)成一雙層全息薄膜層狀裝置，差別僅在于附加的全息薄膜層加在第二片玻璃上。由于HOE中的差異，這兩個(gè)薄膜層聚集來自太陽光譜的不同部分的能量。兩個(gè)薄膜組合成的堆形成了一角度和空間復(fù)用裝置，用于聚集寬入射角范圍內(nèi)的太陽能。第一薄膜聚集光譜的可見部分(大約400至700nm)中的能量，第二全息圖聚集紅外能量(大約700至1100nm)。峰值衍射效率為65％。測得該裝置的電轉(zhuǎn)換效率為6.1％。該裝置聚集來自160°每日角度變化和入射角中45°季節(jié)變化的能量。
上面的描述包括許多特殊細(xì)節(jié)，這些不應(yīng)該構(gòu)成對本發(fā)明范圍的限制，而是作為本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例的例子。可以進(jìn)行多種其他的變型。例如，對全部顏色記錄敏感的單一全息薄膜將允許在一個(gè)薄膜中進(jìn)行光譜復(fù)用，可以使用32個(gè)光束對進(jìn)行角度復(fù)用，每5°太陽角度變化一對光束。然后可以對該薄膜進(jìn)行非均勻膨脹來增加光譜帶寬。另一種變型可以是僅使用少數(shù)幾個(gè)角度復(fù)用光束，僅對每天的有限數(shù)量的小時(shí)的光進(jìn)行聚集。也可以使用全顏色記錄薄膜和非均勻膨脹來實(shí)現(xiàn)。因此，本發(fā)明的范圍不應(yīng)該僅由所描述的實(shí)施例確定，而是由所附權(quán)利要求和它們的合法等效范圍確定。
權(quán)利要求
1.一種用于收集和凝聚光輻射的全息平面聚光器(10’)，所述全息平面聚光器(10’)包括(a)至少一個(gè)高透明平板(12，12’)；(b)至少一個(gè)設(shè)置在該高透明平板(12，12’)的一個(gè)表面(12a)上以形成光導(dǎo)結(jié)構(gòu)的多重復(fù)用全息光學(xué)薄膜(14，14’)，所述至少一個(gè)多重復(fù)用全息光學(xué)薄膜(14)中已經(jīng)記錄了具有兩個(gè)或多個(gè)被角度和光譜復(fù)用的區(qū)域(14，114，214)的多個(gè)衍射結(jié)構(gòu)，所述多重復(fù)用全息圖適于將所述光輻射耦合到所述高透明平板(12，12’)中，使得所述光輻射無損耗地通過所述高透明平板(12，12’)與所述多重復(fù)用全息光學(xué)薄膜(14，14’)，所述多重復(fù)用全息薄膜(14，14’)被復(fù)用以減小所述全息平面聚光器(10’)中的再次耦合損耗；以及(c)至少一個(gè)光生伏打電池(30)，固定在所述至少一個(gè)多重復(fù)用全息光學(xué)薄膜(14，14’)下面，固定在與太陽輻射的入射相反的一側(cè)，通過記錄在至少一個(gè)薄膜(14，14’)中的至少一個(gè)所述多重復(fù)用全息光學(xué)元件，將每個(gè)這種光生伏打電池(30)進(jìn)行橫向界定。
2.如權(quán)利要求1所述的全息平面聚光器(10’)，包括至少兩個(gè)固定在所述至少一個(gè)多重復(fù)用全息光學(xué)薄膜(14，14’)下面的光生伏打電池(30)。
3.如權(quán)利要求1所述的全息平面聚光器(10’)，包括兩個(gè)透明平板(12，12’)。
4.如權(quán)利要求3所述的全息平面聚光器(10’)，其中每個(gè)所述透明平板(12，12’)具有一固定其上的所述多重復(fù)用全息光學(xué)薄膜(14，14’)，所述透明平板(12，12’)通過所述多重復(fù)用全息光學(xué)薄膜(14，14’)固定在一起，其中一個(gè)所述透明平板(12)包括一頂板，所述太陽輻射最初入射在該頂板上，另一個(gè)所述透明平板(12’)包括一底板，所述太陽輻射在通過所述頂板(12)之后入射在該底板上。
5.如權(quán)利要求1所述的全息平面聚光器(10’)，其中所述全息平面聚光器(10’)被安裝在一固定的位置，以提供對太陽的被動(dòng)式跟蹤。
6.如權(quán)利要求1所述的全息平面聚光器(10’)，其中所述全息平面聚光器(10’)安裝在一跟蹤裝置上，適于每日或每季節(jié)或者包括兩者對太陽進(jìn)行跟蹤。
7.如權(quán)利要求1所述的全息平面聚光器(10’)，其中所述高透明平板(12，12’)具有第一折射率，所述全息光學(xué)薄膜(14，14’)具有第二折射率，且所述第一和第二折射率之間的折射率差不大于大約3％。
8.一種使用權(quán)利要求1所述全息平面聚光器(10’)的方法，該方法包括(a)采用角度和光譜復(fù)用技術(shù)在所述多重復(fù)用全息光學(xué)薄膜(14，14’)中記錄所述多個(gè)衍射結(jié)構(gòu)，將所述記錄設(shè)計(jì)成使所述全息平面聚光器(10’)的預(yù)定的方向朝向太陽能方向，所述多重復(fù)用全息光學(xué)薄膜(14，14’)適于將所述太陽能耦合到所述高透明平板(12，12’)中；并且，以任一種順序，(b)將所述全息平面聚光器(10’)安裝成所述預(yù)定取向來收集太陽能；以及(c)在至少一個(gè)所述高透明平板(12，12’)和至少一個(gè)所述多重復(fù)用全息光學(xué)薄膜(14，14’)的下面安裝所述至少一個(gè)光生伏打電池(30)。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中進(jìn)行所述記錄，以便(a)所述薄膜能夠以小俘獲角將光輻射射入所述高透明平板中，或(b)提供兩個(gè)或多個(gè)被不同角度復(fù)用以及空間復(fù)用的區(qū)域，(c)包括兩者，從而減小所述高透明平板的再次耦合損耗。
10.如權(quán)利要求8所述的方法，其中所述高透明平板包括玻璃片或一種光學(xué)透明的聚合物，并被垂直安裝在建筑物的一側(cè)作為一窗口。
全文摘要
提供了一種用于收集和凝聚光輻射的全息平面聚光器(HPC)(10’)。該全息平面聚光器(10’)包括一高透明平板(12,12’)和至少一個(gè)安裝在其一個(gè)表面上的多重復(fù)用全息光學(xué)薄膜(14,14’)。該多重復(fù)用全息光學(xué)薄膜(14,14’)中記錄了多個(gè)具有一個(gè)或多個(gè)角度和光譜復(fù)用的區(qū)域(14,114,214)的衍射結(jié)構(gòu)。可以將兩個(gè)或多個(gè)區(qū)域(14,114,214)構(gòu)造成可提供空間復(fù)用。將多個(gè)衍射結(jié)構(gòu)的記錄設(shè)計(jì)成將全息平面聚光器(10’)的預(yù)定取向朝向太陽能方向。至少一個(gè)太陽能聚集裝置(30),如光生伏打電池,被安裝在所述全息光學(xué)薄膜(14,14’)的下面。通過該全息薄膜(14,14’)和全內(nèi)反射將光輻射導(dǎo)向平板內(nèi),聚集在太陽能聚集裝置(30)上。
文檔編號G02B5/18GK1358333SQ00809536
公開日2002年7月10日 申請日期2000年5月25日 優(yōu)先權(quán)日1999年5月28日
發(fā)明者格來恩·A·羅森伯格 申請人:特爾雷森有限責(zé)任公司