專利名稱：平行光直接集束平行光或聚焦光法及高能量高流強(qiáng)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
屬于光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，尤其屬于太陽能的集束方法和裝置領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
由于傳統(tǒng)能源的材、煤、油、氣面臨枯竭的危險以及其對人類牛存環(huán)境的 污染，促使人類急于尋找滿足長久使用又環(huán)保的綠色能源，由于太陽能取之不 盡又無污染，因此成為首選，世界各國都在全力尋找有效的收集和利用方法。
目前已有的方法以拋物鏡透鏡等聚焦集熱為主，其缺點是受尺寸、重量、 工藝等限制難以做到高能量、遠(yuǎn)距離傳送。
近年有利用大拋物鏡一小拋物鏡配合、拋物鏡--透鏡配合、大透鏡--小透 鏡配合將太陽光束集成平行光輸出以達(dá)到遠(yuǎn)距離傳送目的，但要獲得高能量、 高流強(qiáng)由于工藝等困難限制了太陽能的大規(guī)模有效利用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是
用光學(xué)雙錐的技術(shù)方法提供一種簡單實用的平行光(主要為太陽光)直接 集束平行光或聚焦光的方法，要解決的另一個問題是提供用該法構(gòu)成的裝置及 高能量、高流強(qiáng)輸出裝置.
本發(fā)明平行光直接集束平行光或聚焦光的方法技術(shù)方案是利用兩個正圓錐 反光面組合實現(xiàn)平行光直接集束平行光或聚焦光的方法(簡稱雙錐法)。
如圖1所示，外錐2 (為空心正圓截錐，它的內(nèi)表面為反光面)，內(nèi)錐3 (為正
圓錐形-可空心或?qū)嵭?它的外表面為反光面)，內(nèi)錐3與外錐2同軸，兩者母線長 度相等且相互平行，與軸交角為45度，內(nèi)錐3的高度等于或略大于外錐2的高度(
否則輸出小于輸入)內(nèi)錐3的頂點位于外錐2的頂口所在平面內(nèi)并與外錐2頂口中心點重合。
當(dāng)平行光自外錐2的底側(cè)沿軸向入射到外錐2反光面反射到內(nèi)錐3的反光面(一次或多次 反射，當(dāng)外錐2頂口直徑大于內(nèi)錐3底的直徑時且兩錐母線與軸的交角均等于45度時反射為一 次否則可為多次)直接集束平行光從外錐2的頂口輸出，這就是平行光直接集束平行光方 法(簡稱雙錐法)由于輸出方向與入射方向同向，錐的大小頭也同向所以也稱同向雙錐法。
如果兩母線不相互平行且不等長則輸出聚焦光或發(fā)散光，當(dāng)兩錐中任一個保持與軸交角 45度不變而另一個與軸交角大于45度但小于90度則輸出為聚焦光，通常外錐2保持與軸相交 45度，因它影響接收度(大于45度或小于45度接收度變小)。
如果非平行光輸入則輸出亦為聚焦光。
我們重點解決平行光直接集束平行光或聚焦光。
如圖1所示，將外錐2、內(nèi)錐3 (根據(jù)需要加裝沿軸向移動控制系統(tǒng),控制輸出能量與流 強(qiáng))固定相對位置配以陽光跟蹤系統(tǒng)、平面反光鏡控制輸出傳送方向系統(tǒng)共同構(gòu)成平行光直 接集束平行光或聚焦光裝置。
從中可知這種裝置具有可逆性既可用于集束亦可用于分束，比如當(dāng)集束平行光送至照明 用戶后需分成多路，此時用適當(dāng)大小該裝置進(jìn)行分配。
如圖1所示，將內(nèi)錐3倒置(保持外錐2母線與軸成45度交角，此時兩錐母線相互垂直)余 皆不變，當(dāng)光線入射到外錐2反光面再反射到內(nèi)錐3的反光面輸出變?yōu)榉聪蚱叫泄?即輸出與 輸入反向所以稱反向平行光直接集束平行光或聚焦光法也稱為反向雙錐法。
如圖1所示，將外錐2與內(nèi)錐3 (根據(jù)需要加裝沿軸向移動控制系統(tǒng))固定相對位置配以 陽光跟蹤系統(tǒng)和平面反光鏡控制輸出傳送方向系統(tǒng)共同構(gòu)成平行光直接集束平行光或聚焦 光裝置。
現(xiàn)將正反兩錐制成兩底相連(即共底，同軸)的雙向錐時(如圖2所示)代替原來的單 錐，其余條件不變，當(dāng)入射光線自外錐2的底側(cè)沿軸入射到外錐2的反光面再反射向中心軸， 此時沿軸適當(dāng)?shù)囊苿觾?nèi)錐3即可獲得正、雙向、反向輸出直接集束平行光或聚焦光，稱之 為可變向平行光直接集束平行光或聚焦光法或稱可變向雙錐法。
如圖2將外錐2和內(nèi)錐3 (根據(jù)需要加裝軸向移動控制系統(tǒng))按要求固定配以陽光跟蹤系 統(tǒng)，平面反光鏡控制輸出傳送方向系統(tǒng)即構(gòu)成可變向平行光直接集束平行光或聚焦光裝置。
從上述說明可知外錐2不變僅改變內(nèi)錐3 (因此時為雙錐)就實現(xiàn)輸出方向變化使得制造 使用都簡單了。
同時從圖1可以看到對于按正向平行光直接集束平行光或聚焦光法設(shè)計者而言要增加輸 出能量就要增加接收面積,有兩種方法一個是增加外錐2的平均直徑,另一個就是增加兩錐高， 即比例放大兩錐尺寸，如增加外錐2的尺寸即接收面積增加(保持外錐2的頂口不變)但同時內(nèi) 錐3的反射面積也增加,增加后內(nèi)錐3的底面直徑仍然等于或小于外錐2的頂面直徑時，即輸出 截面增加，因此輸出流強(qiáng)并未變化，當(dāng)內(nèi)錐底面育徑大于外錐頂面直徑時,高度變大而輸出截 面不變這時能量和流強(qiáng)同時增加，只增加外錐2的平均直徑時能量增加但內(nèi)錐的反光面不變 所以流強(qiáng)也隨之增加。
對于按反向平行光直接集束平行光或聚焦法設(shè)計者增加外錐2與內(nèi)錐3的高度改變接受 面積，應(yīng)注意內(nèi)錐3倒置，在增加高度時其錐頂點應(yīng)隨外錐2底面升高同時內(nèi)錐3的底面與高 比例放大因此應(yīng)考慮受外錐2限制，這種選擇可改變能量但流強(qiáng)不一定變，當(dāng)只增加外錐2 的平均直徑時，輸出能量增加流強(qiáng)也增加。
為在能量不變的情況下增加流強(qiáng)，將雙錐法集束與拋物——透鏡大拋物——小拋物 大透——小透等集束結(jié)合，如圖3所示，即將圖1中的內(nèi)錐3用帶貫通圓孔的TH圓截錐代替，其 他條件不變，在內(nèi)錐3的頂口側(cè)的軸線上適當(dāng)位置配以拋物鏡6~~it鏡8再集束，要求內(nèi) 錐3、拋物鏡6、透鏡8三者同軸，拋物鏡6反光面對準(zhǔn)內(nèi)錐3的輸出方向，透鏡8的焦點與拋物 鏡的焦點重合，透鏡8位于內(nèi)錐3和焦點之間，透鏡的直徑應(yīng)滿足流強(qiáng)的要求，內(nèi)錐3的孔直 徑應(yīng)大于透鏡8的直徑，當(dāng)陽光沿軸向入射經(jīng)外錐2反光面反射到內(nèi)錐3的反光面上集束平打 光輸出到拋物經(jīng)6的反光面經(jīng)反射聚焦后射到透鏡8輸出平行光(即再集束平行光)，再集束 平行光通過內(nèi)錐3的孔輸出此時流強(qiáng)增加，稱復(fù)合增強(qiáng)法。
如圖3，將外錐2、內(nèi)錐(如需要加軸向移動控制系統(tǒng))3、透鏡8、拋物鏡(反光面等于 或稍大于輸出4的截面)6適當(dāng)固定配以陽光跟蹤系統(tǒng)輸出方向控制系統(tǒng)共問構(gòu)成強(qiáng)流裝實。
如圖3所示，將拋物鏡6以小透鏡代替原透鏡8以適當(dāng)大透鏡代替，內(nèi)錐3以正圓錐代替 其余條件不變構(gòu)成雙錐法集束與大透鏡——小透鏡集束復(fù)合再集束法，適當(dāng)固定外錐2內(nèi)錐 3大小透鏡與陽光跟蹤系統(tǒng)，平面反光鏡控制輸出傳送方向系統(tǒng)構(gòu)成強(qiáng)流裝置。
為獲得更高能量可將多臺同樣的同向或反向平行光直接集束平行光裝置的輸出注入同 一臺固定(不帶陽光跟蹤系統(tǒng))平行光直接集束平行光裝置中再集束(此時固定的集束裝置中 外錐2可分段，其數(shù)量大小與輸入裝置對應(yīng))獲得更高能量或超高能量。
本發(fā)明的優(yōu)點在于
1 方法簡單，光學(xué)表而形狀簡單。
2 可正、反、雙向輸出平行光或聚焦光。
3 由于具有可逆性，也將它用作分束器
4 輸入一定的情況下可適當(dāng)移動內(nèi)錐3控制輸出能量，流強(qiáng)及輸出截面。
5 容易構(gòu)成強(qiáng)流裝置。
6 容易構(gòu)成超高能裝賞。
7 正向輸出時流強(qiáng)較均勻反向輸出時流強(qiáng)中心最強(qiáng)。
8 易構(gòu)成大聚焦輸出裝置。
9 可集束激光。
10用于太空超髙能裝置(因我國有發(fā)射能力,太空沒重力影響又有低溫條件,可做到超高能 超高強(qiáng)真正太空武器。


圖l是同向平行光直接集朿平行光或聚焦光方法及裝置縱向斷面示意圖。 圖2是可變向平行光直接集束平行光或聚焦光方法及裝置縱向斷面示意圖。
圖3是雙錐集束平行光與拋物鏡——透鏡集束平行光組成復(fù)合方法及高流強(qiáng)裝置縱向斷面
示意圖。
圖4是激光集束系統(tǒng)示意圖。
具體實施例方式
結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明加以說明。
實施例l
如圖1所示,本發(fā)明采用外錐2的內(nèi)表面將沿軸入射的太陽光1反射到內(nèi)錐3的外表面上再 反射直接集束成平行光或聚焦光4輸出，輸出方向與入射方向相同，通過平面反光鏡控制 輸出輸出傳送方向系統(tǒng)送到用戶。
實施例2
如圖1本發(fā)明采用內(nèi)錐3倒置其余條件不變，沿軸入射的太陽光1經(jīng)外錐2的反光面反射 到內(nèi)錐3的反光面反射直接集束平行光或聚焦光輸出，輸出方向與輸入方向相反，通過平 面反光鏡控制輸出傳送方向系統(tǒng)送到用戶。
實施例3
如圖2所示，本發(fā)明采用雙錐代替圖1中內(nèi)錐3增加沿軸控制雙錐移動的系統(tǒng)，當(dāng)太陽光 l沿軸入射到外錐2的反光面上經(jīng)反射射向中心，如圖2此刻射到雙錐3的下錐輸出平行光或聚 焦光束4朝下傳送，當(dāng)向下移動雙錐，雙錐3上部分進(jìn)入外錐2的反光區(qū)域有一部分被集束 成平行光或聚焦光從上邊輸出去此時即為雙向輸出，當(dāng)繼續(xù)下移雙錐3直到其下部分剛好全 部移出時則只有向上的反向輸出，所有輸出通過平面反光鏡控制輸出傳送方向系統(tǒng)送到用 戶。
實施例4
如圖3所示，本發(fā)明采用雙錐法與拋物鏡——透鏡組合達(dá)到增加流強(qiáng)的目的，當(dāng)陽光l 沿軸入射到外錐2的反光面上再反射到內(nèi)錐3的反光面上反射直接輸出平行光4被拋物鏡6接 收再反射通過焦點到透鏡8上變換成窄束強(qiáng)流9經(jīng)內(nèi)錐3的孔出去再經(jīng)平面反光鏡輸出控制傳 送方向系統(tǒng)送到用戶。
實施例5
如圖4所示將多臺激光輸出同時注入到一臺內(nèi)錐3帶沿軸移動控制系統(tǒng)的固定(不帶陽光跟蹤 系統(tǒng))平行光直接集束平行光或聚焦光裝置中，構(gòu)成激光直接集束激光裝置。這在工業(yè)和軍 事領(lǐng)域應(yīng)很有用。
權(quán)利要求
1一種平行光(或非平行光)集束方法，入射的平行光(或非平行光)1(如太陽光)入射到外錐2反光面再反射到內(nèi)錐3的表面上再反射(一次或多次)直接集束成平行光或聚焦光4輸出，即平行光直接集束平行光或聚焦光方法(或非平行光集束為聚焦光)，因輸出與入射光方向相同也稱同向平行光直接集束平行光或聚焦光方法(或稱雙錐法)，其特征在于使用一個具有光學(xué)內(nèi)表反光面的貫通空心正圓截錐和一個具有光學(xué)外表反光面的正圓截錐或正圓錐(內(nèi)錐3)組成的光學(xué)技術(shù)方法。
2 根據(jù)權(quán)利要求1所述其特征在于將外錐2內(nèi)錐3經(jīng)固定配以陽光跟蹤系統(tǒng)，平 面反光鏡控制傳送方向系統(tǒng)構(gòu)成平行光直接集束平行光或聚焦光裝置，由于輸 出方向和輸入方向相同也稱同向平行光直接集束平行光或聚焦光裝置。
3 根據(jù)權(quán)利要求1所述其特征在于將內(nèi)錐3倒置即兩錐母線相互垂直其余條件 不變平行光1沿軸向入射到外錐2的內(nèi)表面上反射到內(nèi)錐3的外表面上反射直接 集束平行光或聚焦光4輸出但輸出方向與入射方向相反故稱反向平行光直接集 束平行光或聚焦光方法。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述其特征在于將外錐2內(nèi)錐3固定配以陽光自動跟蹤系統(tǒng)平 面反光鏡控制輸出方向系統(tǒng)5構(gòu)成反向平行光直接集束平行光或聚焦光裝置。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述其特征在于將內(nèi)錐3改成縱截面為正方形的雙錐3 (母線 與外錐的母線部分平行部分垂直)，現(xiàn)稱雙錐3可沿軸移動其余條件不變，當(dāng) 陽光1沿縱軸入射到外錐2的反光面反射向雙錐3的反射面(按現(xiàn)在的位置)反射 直接集束平行光或聚焦光4，而且是反向平行光或聚焦光輸出，如果沿軸向上逐 漸移動雙錐3，輸出變化由單一反向輸出變?yōu)殡p向輸出繼續(xù)移動輸出變?yōu)榧冋?輸出故稱之為可變向平行光直接集束平行光或聚焦光方法。
6.根據(jù)權(quán)利5所述其特征在于將外錐2雙錐3適當(dāng)固定，配以陽光跟蹤 系統(tǒng)平面反光鏡控制輸出方向系統(tǒng)構(gòu)成平行光直接集束平行光或聚焦光裝置也稱可變向平光直接集束平行光或聚焦光裝置。
7. 根據(jù)權(quán)利要求2、 4所述裝置其特征在于內(nèi)錐3以軸向貫通正圓截錐(其高與 外錐2的高相等或稍大，其頂口與外錐2頂口或底在同一平面內(nèi))代替，在軸線 輸出側(cè)(視同向或反向而定)配以透鏡8和拋物鏡6，拋物鏡6的反射面對準(zhǔn)平行 光輸出方向，其接收面稍大于內(nèi)錐3的底面積，透鏡8位于內(nèi)錐3和拋物鏡6之 間，其焦點與拋物鏡6的焦點重合，透鏡8的直徑與內(nèi)錐3的貫通孔直徑相配不 影響透鏡8輸出即可，平行入射光經(jīng)外錐2內(nèi)錐3集束射到拋物鏡6經(jīng)拋物鏡6 ——透鏡8再集束成窄束強(qiáng)流平行光經(jīng)內(nèi)錐3的貫通孔輸出，將外錐2、內(nèi)錐3、 透鏡8、拋物鏡6適當(dāng)固定與陽光跟蹤系統(tǒng)、平面反光鏡4控制輸出傳送方向系 統(tǒng)構(gòu)成強(qiáng)流裝置(復(fù)合強(qiáng)流裝置)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求2或4或6所述裝置其特征在于將大透鏡——小透鏡再集束系 統(tǒng)與權(quán)利要求2或4或6所述裝置組合成強(qiáng)流裝置(復(fù)合強(qiáng)流裝置)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求2或4或6所述裝置其特征在于將大拋物鏡——小拋物鏡再集 束系統(tǒng)與權(quán)利要求2或4或6所述裝置組合成強(qiáng)流裝置(復(fù)合強(qiáng)流裝置)。
10. 為獲得更高能量、更高流強(qiáng)，根據(jù)權(quán)利要求1所述其特征在于將多臺平行光 直接集束平行光裝置或多臺復(fù)合強(qiáng)流裝置或多臺同類激光裝置的輸出分別各注入 一臺固定式(不帶陽光跟蹤系統(tǒng))平行光直接集束平行光裝置中再集束，固定式 裝置的外錐2內(nèi)錐3的尺寸根據(jù)要集束的平行光或激光束的截面大小及輸出截面 大小確定(對激光而言其尺寸與平行光比較將很小)，即平行光再集束裝置或激光 再集束裝置。
全文摘要
本發(fā)明公開了將平行光直接集束成平行光或聚焦光法及獲得高能量高流強(qiáng)裝置屬于光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，尤其屬于太陽能應(yīng)用領(lǐng)域。通過雙正圓錐反光面組合的直接集束作用實現(xiàn)平行光直接集束平行光或聚焦光方法，將該法中雙正圓錐適當(dāng)固定與陽光跟蹤系統(tǒng)、平面反光鏡控制輸出傳送方向系統(tǒng)構(gòu)成平行光直接集束(平行光或聚焦光)裝置如用于加熱、餐飲、消毒等。將該集束法與其它集束法(拋物鏡——透鏡、大透鏡——小透鏡、大拋物鏡——小拋物鏡等集束法)適當(dāng)結(jié)合組成再集束系統(tǒng)，獲得高能量、高流強(qiáng)裝置，如用于焊接、切割、軍事上掃描致盲或作其它軍事攻擊等。將多個平行光直接集束平行光裝置同時注入一臺固定(無需跟蹤系統(tǒng))平行光直接集束平行光裝置中再集束獲得更高能量用于冶金、發(fā)電等。同樣，將多臺激光束同時注入一臺固定(無需跟蹤系統(tǒng))平行光直接集束平行光或聚焦光裝置再集束獲得高能量激光束用于工業(yè)或國防。
文檔編號G02B17/06GK101196612SQ200710143349
公開日2008年6月11日 申請日期2007年8月22日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月22日
發(fā)明者吳榮久 申請人:吳榮久