專利名稱：自然光收集器、照明系統(tǒng)和電子系統(tǒng)光源裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及直接利用自然光作為光源的照明系統(tǒng)和電子系統(tǒng)光源裝置，特別是采 用光學元件進行專門設計的自然光收集器，將自然光經過匯聚、收集、傳輸等光學過程 得到需要的光源，如用于自然光不能直接照射到的需要照明的空間，或用于需要背光照 明的電子設備，包括液晶顯示設備、投影儀等。屬于光學照明技術領域和光源技術領域。
背景技術：
自然光是自然界最清潔的能源，人們對于自然光的認識和利用也在不斷探索中。 目前人們熱衷研究的光伏電池或太陽能電池是將光能轉化為電能儲存起來，主要利用的 是自然光的熱紅外光譜區(qū)，將光譜中的熱能進行轉化，對于可見光譜沒有進行轉化。然 后利用儲存的電能去驅動電發(fā)光設備提供照明或為其他設備提供電能。單純從自然光 一〉電能一〉發(fā)光照明過程來看，進行照明的這個需求并沒有通過直接利用自然光的可 見光，而是利用了自然光的熱紅外光，顯然效率不高。
而實際生活中，即使在日光照射十分充沛的白天，作為人類工作和生活的大部分 空間卻是在房間或辦公室內部，由于沒有自然光的直接照射，經常需要使用各種電燈進 行照明，特別是對于密閉的工廠、庫房等空間，由于四處密閉，沒有任何自然光進入， 需要終日用電照明。這種能源消耗是巨大的。但所有建筑物外墻和屋頂都能感受到自然 光，卻沒有充分利用，如果能夠把這些自然光經過某種技術手段直接引入房間內部，可 以完全替代電能驅動的發(fā)光設備，將為節(jié)約能源減少污染提供最佳的解決方案。
另一方面，在很多電子設備的顯示系統(tǒng)也需要光源，如液晶顯示^1，其背光光源 是液晶顯示器耗電最多的部件，如果能夠將自然光直接引入電子設備作為發(fā)光光源，將 極大降低液晶顯示器的耗電量，從而提高電子設備如筆記本電腦、移動終端等設備的電 池使用時間。
在專利申請?zhí)枮?00510017052. 0題為"二維非成像式太陽光吸收及傳送照明器" 的中國專利公開文件中披露了采用計算機計算的專門二維曲面收集太陽光，解決跟蹤太 陽光變動的問題。
在專利號為ZL 93227562. l題為"光導傳輸照明裝置"的中國專利公開文件中披 露了采用一個凸透鏡和一個紅外濾光片將自然光匯聚到光纖中的一種方法。
在專利號為ZL 200420112108. l題為"光纖集光及發(fā)散照明裝置"的中國專利公 開文件中披露了采用凸透鏡聚光、光纖傳導光、凹透鏡分散光的處理設計自然光照明的方法。
在專利號為ZL 200520073663. 2題為"節(jié)能型室內采光照明裝置"的中國專利公 開文件中披露了采用凸透鏡、凹面鏡聚光、光纖傳導光、玻璃球分散光的處理設計自然 光照明的方法。
在專利號為ZL 200420003297. 9題為"太陽光采光照明裝置"的中國專利公開文 件中披露了采用凸透鏡、光纖傳導光的處理設計自然光照明的方法。
在專利號為ZL 97247820. 5題為"太陽能光纖照明裝置"的中國專利公開文件中 披露了采用光反射曲面、光纖傳導光的處理設計自然光照明的方法。
在專利號為ZL200520077493. 5題為"自然光照明燈"的專利中公開了采用凹透鏡 進行自然光采集和提供照明的方法，所采用的凹透鏡不具有反射光功能，因此其光路是 有問題的。
在專利號為ZL200620024986. 7題為"一種陽光集散器"的專利中公開了采用凸透 鏡、拋物面反射進行自然光采集和提供照明的方法，所采用的凸透鏡是聚焦功能，經過 拋物反射面反射后并不能有效匯聚到另一個拋物面上，采集效果差。
在專利號為ZL200620024361.0題為"陽光集散器"的專利中公開了采用凸透鏡、 凹透鏡進行自然光采集和提供照明的方法，所采用的凸透鏡和凹透鏡是由多個內外弧面 構成，同時必須保證每個內外弧面焦點重合，加工困難，而且沒有將自然光本身是接近 平行光來考慮，采集效率不高。
在專利號為ZL89217926. 0題為"陽光反射照明裝置"的專利中公開了自動跟蹤太 陽的方法。
在專利號為ZL200620078509. 9題為"太陽能照明系統(tǒng)"的專利中公開了采用太陽 灶、聚光面、光纖的自然光照明方法，由于沒有考慮聚光造成的高熱以及在光纖中傳輸 的非平行光線使光能損失。
在專利申請?zhí)枮?00410010807. X題為"太陽能網絡自然光照明加熱裝置統(tǒng)"的專 利申請中公開了采用聚光鏡、光纖的自然光照明方法，同樣沒有考慮聚光造成的高熱以 及在光纖中傳輸的非平行光線使光能損失。
在專利號為ZL97247820. 5題為"太陽能光纖照明裝置"的專利中公開了采用聚光 曲面、光纖的自然光照明方法，由于沒有考慮聚光造成的高熱以及在光纖中傳輸的非平 行光線使光能損失。
在專利號為ZL200420003297. 9題為"太陽光采光照明裝置"的專利中公開了采用 凸透鏡、光纖的自然光照明方法，由于沒有考慮聚光造成的高熱以及在光纖中傳輸的非 平行光線使光能損失。
以上公開的方法沒有解決如下問題如何防止在匯聚自然光時過熱？如何有效聚 集太陽光？如何提高光傳導的效率？如何將自然光收集后用于電子設備？

發(fā)明內容
本發(fā)明提出一種創(chuàng)新的自然光收集器、照明系統(tǒng)和電子系統(tǒng)光源裝置，希望能夠 將自然光直接引入到建筑物內，在外部自然光有一定照明度時，為室內提供直接的照明 而不需要消耗任何其它能源。同時將自然光引入電子設備，提供電子設備需要的發(fā)光光 源以極大降低電子設備的耗電量。并且防止太陽光匯聚時產生很高熱量的問題，同時減 少光導傳輸損失以提高光傳輸效率。
為達到上述目的，本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是
以自然光作為光源的自然光收集器，是將自然光經過光學匯聚、準直、傳輸過程 變成可以控制照射區(qū)域的光。
自然光收集器的一種方案包括-
一個采用反射曲面反射匯聚自然光的第一光學元件；典型的反射曲面是拋物面反射 曲面，在曲面的表面上覆蓋全反射膜，理想的是使用3M公司的金屬全反射膜或玻璃反 射材料膜，如3M Scotchlite "視覺麗"反光材料，在可見光譜范圍內的反射效率較 高；該反射曲面做得越大，匯聚的自然光越多；自然光是來自太陽或月亮的照射光，由 于太陽和月亮距離地球很遠，可以把照射到反射曲面的自然光看作平行光，根據光學原 理，拋物曲面具有將照射的平行光線匯聚到其焦點處的功能， 一些太陽能電池設計中也 經常采用。
一個采用反射曲面準直第一光學元件所匯聚的光線的第二光學元件；典型的也是采
用具有全反射材料的拋物曲面。 一個傳輸第二光學元件所反射光的第三光學元件。
在該方案的自然光收集器中，所述第一光學元件與第二光學元件的光學面相對放 置，第三光學元件與第二光學元件光學連接；
所述第一光學元件與第二光學元件的光學軸線重合，光學焦點位置重疊，且第一光 學元件的光學面比第二光學元件的光學面大得多；這樣設計，可以將自然光通過第一光 學元件匯聚然后由第二光學元件轉變?yōu)檩^集中的平行光。其結果是自然光經過第一光學 反射曲面和第二光學反射曲面的處理，將自然光匯聚為一束亮度很高的平行光線。
所述第三光學元件采用光纖或光纜。由于光纖或光纜傳輸光的性能很高，可以極大 減少傳輸中的光損耗，而且通過第二光學元件轉變?yōu)檩^集中的平行光直射入光纖或光 纜，可以確保在光纖或光纜中傳輸時以全反射方式傳輸光，提高光的傳輸效率。
自然光收集器的另一種方案包括
一個采用透鏡匯聚自然光的第一光學元件；典型的是凸透鏡，根據光學原理，平行 光線照射到凸透鏡上，光線將在其焦點處匯聚，然后再從焦點處如點光源一樣射出。
一個采用透鏡準直第一光學元件所匯聚的光線的第二光學元件；典型的是凸透鏡， 根據光學原理，從凸透鏡焦點處射出的光線照射到凸透鏡上，將形成平行光線，也稱為 準直光線。
一個傳輸第二光學元件所透射光的第三光學元件。
在該方案的自然光收集器中，所述第一光學元件與第二光學元件并排放置，第三光 學元件與第二光學元件光學連接；
所述第一光學元件與第二光學元件的光學軸線重合，光學焦點位置重疊，且第一光 學元件的光學面比第二光學元件的光學面大得多；其結果是自然光經過第一光學透鏡和 第二光學透鏡的處理，將自然光匯聚為一束亮度很高的平行光線。
所述第三光學元件采用光纖或光纜。
自然光收集器的第三種方案，包括
一個采用反射曲面反射匯聚自然光的第一光學元件；典型的反射曲面是拋物面反射 曲面，在曲面的表面上覆蓋全反射膜，理想的是使用3M公司的金屬全反射膜或玻璃反 射材料膜，如3M Scotchlite "視覺麗"反光材料，在可見光譜范圍內的反射效率較 高；該反射曲面做得越大，匯聚的自然光越多；自然光是來自太陽或月亮的照射光，由
于太陽和月亮距離地球很遠，可以把照射到反射曲面的自然光看作平行光，根據光學原
理，拋物曲面具有將照射的平行光線匯聚到其焦點處的功能， 一些太陽能電池設計中也 經常采用。
一個采用透鏡準直第一光學元件所匯聚的光線的第二光學元件；典型的是凸透鏡， 根據光學原理，從凸透鏡焦點處射出的光線照射到凸透鏡上，將形成平行光線，也稱為 準直光線。
一個傳輸第二光學元件所透射光的第三光學元件。
在該方案的自然光收集器中，所述第一光學元件與第二光學元件并排放置，第三光 學元件與第二光學元件光學連接；
所述第一光學元件與第二光學元件的光學軸線重合，光學焦點位置重疊，且第一光 學元件的光學面比第二光學元件的光學面大得多；其結果是自然光經過第一光學反射曲 面和第二光學透鏡的處理，將自然光匯聚為一束亮度很高的平行光線。
所述第三光學元件采用光纖或光纜。
一種采用自然光的照明系統(tǒng)，包括
過濾掉紅外光線的紅外光過濾第四光學元件；典型的是太陽膜，在汽車裝飾、房屋 裝飾的窗戶上經常使用的一種光學膜，能夠使自然光中的具有熱性能的紅外光被太陽膜 反射，而使大部分的可見光透射的光學膜。經過該光學元件的處理，可以過濾自然光中 的紅外光譜，減少自然光在光收集器上匯聚時產生的熱效應。在3M公司的產品中也有 該種光學隔熱膜，如3M的晶銳膜(3M Cystalline)，隔熱效果較好，可以過濾90%以 上的熱紅外光譜的光線能量。
光源上述三種方案之一的自然光收集器收集經上述紅外光過濾第四光學元件過濾 的自然光；經過紅外光過濾光學元件過濾后的自然光主要是可見光，自然光收集器的技 術方案，前面列舉了三種，由于沒有采用任何能量轉換的器件，只有光線的光學處理， 自然光的可見光線能量損耗較少。經過自然光收集器匯聚和處理后成為光能比較集中的 一束平行光光源，適合通過光纖或光纜傳輸。
還可選擇的包含將所述自然光收集器的自然光照射對準太陽的隨動系統(tǒng)；自然光來
源主要是太陽光，白天的太陽光是會隨著地球的自傳和地球繞太陽的公轉而相對地球轉 動，為了使自然光收集器的收集效率最高，需要使射入自然光收集器的自然光接受面始 終對準太陽的照射，因此需要增加一套隨動系統(tǒng)跟隨太陽照射光線變化。跟隨太陽光線 的隨動系統(tǒng)在大型太陽能光伏轉換設備中經常來用，其技術方案作為本發(fā)明的公開知識
和技術引用。
將上述光源收集到的準直光線轉變?yōu)辄c照明或線照明或面照明的第五光學元件。實 際使用中，人們對于光源有不同要求，有時需要點光源，即從一個點向外發(fā)射光，如電 燈泡，對于準直光線可以采用凸透鏡進fi^匯聚，在凸透鏡的焦點處形成匯聚的點光源。 還有些需要應用到線光源，可以采用凹透鏡將準直光線展開為線光源。當需要面光源時 可以采用漫射膜將準直光線漫射為面發(fā)光光源，或用多個凸透鏡形成的光學系統(tǒng)將一束 匯聚的平行光線展開為一個平面射出的平行面光源。
一種采用自然光的電子系統(tǒng)光源裝置，包括-
過濾掉紅外光線的紅外光過濾第四光學元件；典型的是太陽膜，在汽車裝飾、房屋 裝飾的窗戶上經常使用的一種光學膜，能夠使自然光中的具有熱性能的紅外光被太陽膜 反射，而使大部分的可見光透射的光學膜。經過該光學元件的處理，可以過濾自然光中 的紅外光譜，減少自然光在光收集器上匯聚時產生的熱效應。在3M公司的產品中也有 該種光學隔熱膜，如3M的晶銳膜GM Cystalline)，隔熱效果較好，可以過濾90%以 上的熱紅外光譜的光線能量。
光源上述三種方案之一的自然光收集器收集經上述紅外光過濾光學元件過濾的自 然光；
一個傳輸上述光源收集到的準直光線的第五光學元件，可采用光纖或光纜；
還可選擇的包含將所述自然光收集器的自然光照射對準太陽的隨動系統(tǒng)；
所述第五光學元件將光線引入到電子系統(tǒng)中，作為電子系統(tǒng)的光源，可采用光纖或 光纜
電子系統(tǒng)光源裝置，包含采用自然光收集器的電子系統(tǒng)光源裝置中也包含原有的電 驅動發(fā)光光源，當自然光充足時，以自然光收集器收集的光為主要光源；當自然光暗淡 時，以原有的電驅動發(fā)光光源為主要光源。
本發(fā)明的有益效果是由于所采用的自然光收集器、照明系統(tǒng)和電子系統(tǒng)光源裝置 是把自然光通過光學處理采用光導方式傳送到需要照明的室內，有效的利用太陽光等自 然光的可見光，實現在自然光存在的情況下直接采用自然光進纟f照明，是一種清潔的能 源利用方式，不需要消耗其他任何能源即可提供日常照明、電子系統(tǒng)的背光光源，高效 而沒有任何環(huán)境污染。同時也為對于電池能源十分敏感的移動電子設備節(jié)省能量提供一 種十分有效的解決方案。而且本發(fā)明將自然光收集器用于實際照明或作為電子設備光源 時，光線首先經過過濾掉紅外光線的紅外光過濾光學元件，有效地濾除光譜中的紅外熱 能量，防止自然光收集器每個部件過熱。同時每種自然光收集器方案都將自然光準直為 平行光后在傳送到光纖進行光導傳輸，大大提高了傳輸效率，減少光損失；而且通過與 電子系統(tǒng)的原有光源系統(tǒng)進行有效整合，保證電子系統(tǒng)白天節(jié)能、夜間利用電能仍可使 用的綜合能效系統(tǒng)。


圖1是采用凸透鏡組合光學元件實現自然光收集器的一種實現的系統(tǒng)框圖。 圖2是采用光反射曲面與凸透鏡等實現自然光收集器的另一種實現的系統(tǒng)框圖。 圖3是采用光反射曲面組合實現自然光收集器的另一種實現的系統(tǒng)框圖。 圖4是采用光學元件將匯聚的一束光線變成線光源、點光源或平行面光源的實現 示意圖。
圖5是采用自然光收集器實現照明的實現原理示意圖。 圖6是增加太陽光隨動系統(tǒng)的自然光收集器原理示意圖。
圖7是采用自然光收集器提供光源與電子系統(tǒng)內部原有光源整合的實現原理示意圖。
圖8是采用自然光收集器提供光源與電子系統(tǒng)內部原有光源整合的另一個實現原 理示意圖。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發(fā)明的結構原理和工作原理進行詳細說明。
圖l是采用凸透鏡組合光學元件實現自然光收集器的一種實現的系統(tǒng)框圖，自然 光102照射到凸透鏡101上，由于太陽光等自然光距離地球很遠，可以把太陽光看成是 平行光線，根據光學原理，平行光線經過凸透鏡101折射后匯聚到凸透鏡101的焦點 106 (單倍焦距位置處)處，然后再使用一個光學面遠小于凸透鏡101的另一個凸透鏡 103接收匯聚的光，為了使經過凸透鏡103的光線成為匯聚的平行光107，需要將凸透 鏡103的焦點與凸透鏡101的凸透鏡焦點重合，光學軸線重合，如圖中的焦點106處。 然后將從凸透鏡103射出的平fi^光107導入一束光纖或光纜104中進行傳輸，由于入射 光線為平行光線，直射入光導傳輸的光纖或光纜104中，可以保證在光纖或光纜104 中的管壁上實現完全全反射，提高傳輸效率，同時從光纖或光纜104射出的光線105 就是經過匯聚收集和傳輸得到的一束高亮度光。凸透鏡103的焦距、光學面大小與凸透 鏡101的焦距、光學面大小選擇滿足如下條件-
凸透鏡103和凸透鏡101都采用圓形凸透鏡；
凸透鏡103和凸透鏡101光學軸線重合；
設定凸透鏡101的焦距為fl，光學面大小用凸透鏡的直徑來標記dl; 設定凸透鏡103的焦距為f2，光學面大小用凸透鏡的直徑來標記d2;
滿足關系式為
<formula>formula see original document page 11</formula>
實際實現中，dl越大，接收自然光的照射面越大，匯聚的太陽光也就越多，同時 價格會越高。d2的大小與進行光導傳輸的光纖或光纜104的有效傳輸截面相關。選擇 時保證經過凸透鏡103折射射出的光線全部射入光纖或光纜104內的光導元件中。由于 光纖具有可彎曲、光導傳輸效率高的特點， 一種實現方案是采用多根光纖形成的光纖電 纜進行傳輸，可以在傳輸過程中使光纖線纜按需要的角度和形狀布線，有利于光的傳 輸。
圖2是采用光反射曲面與凸透鏡等實現自然光收集器的另一種實現的系統(tǒng)框圖。 在該實現中，采用光反射曲面201收集和匯聚自然光202,通常采用拋物線曲面。光反 射曲面201是在硬材料如金屬鐵構成的拋物曲面內表面覆蓋可見光全反射薄膜或鑲嵌 全反射玻璃材料制成，可以采用3M Scotchlite "視覺麗"反光材料。根據光學原理， 全反射拋物曲面有一個光學焦點206，照射到光反射曲面201的平行光線將匯聚到光學 焦點206。然后再使用一個凸透鏡203接收匯聚的光，為了使經過凸透鏡203的光線成 為匯聚的平行光207，需要將凸透鏡203的焦點與光反射曲面201的光學焦點重合，光 學軸線重合，如圖中的焦點206處。然后將從凸透鏡203射出的平行光207導入一束光 纖或光纜204中進行傳輸，由于入射光線為平行光線，直射入光導傳輸的光纖或光纜 204中，可以保證在光纖或光纜204中的管壁上實現完全全反射，提高傳輸效率，同時 從光纖或光纜204射出的光線205就是經過匯聚收集和傳輸得到的一束高亮度光。凸透 鏡203的焦距、光學面大小與光反射曲面201的光學焦點、光學面大小選擇滿足如下條 件
光反射曲面201采用圓形全反射拋物曲面； 凸透鏡203采用圓形凸透鏡；
凸透鏡203光學軸線和光反射曲面201光學軸線重合；
設定光反射曲面201最大開口面距離光學焦點的距離為fl，光學面大小用最大開 口的直徑來標記dl;
設定凸透鏡203的焦距為f2，光學面大小用凸透鏡的直徑來標記d2;
滿足關系式為
dl:fl=d2:f2，或 dl承f2 = d2 + fl 且dl〉d2。
實際實現中，dl越大，接收自然光的照射面越大，匯聚的太陽光也就越多，同時 價格會越高。d2的大小與進行光導傳輸的光纖或光纜204的有效傳輸截面相關。選擇 時保證經過凸透鏡203折射射出的光線全部射入光纖或光纜204內的光導元件中。由于 光纖具有可彎曲、光導傳輸效率高的特點， 一種實現方案是采用多根光纖形成的光纖電 纜進行傳輸，可以在傳輸過程中使光纖線纜按需要的角度和形狀布線，有利于光的傳 輸。
圖3是采用光反射曲面組合實現自然光收集器的另一種實現的系統(tǒng)框圖。在該實 現中，采用光反射曲面301收集和匯聚自然光302,通常采用拋物線曲面。光反射曲面 301是在硬材料如金屬鐵構成的拋物曲面內表面覆蓋可見光全反射薄膜或鑲嵌全反射 玻璃材料制成，可以采用3M Scotehlite "視覺麗"反光材料。根據光學原理，全反 射拋物曲面有一個光學焦點306，照射到光反射曲面301的平行光線將匯聚到光學焦點 306。然后再使用另一個光反射曲面303接收匯聚的光，光反射曲面303是在硬材料如 金屬鐵構成的拋物曲面內表面覆蓋可見光全反射薄膜或鑲嵌全反射玻璃材料制成，為了 使經過光反射曲面303反射的光線成為匯聚的平行光307,需要將光反射曲面303的光 學焦點與光反射曲面201的光學焦點重合，光學軸線重合，如圖中的焦點306處。然后
將從光反射曲面303反射出的平行光307導入一束光纖或光纜304中進行傳輸，由于入 射光線為平行光線，直射入光導傳輸的光纖或光纜304中，可以保證在光纖或光纜304 中的管壁上實現完全全反射，提高傳輸效率，同時從光纖或光纜304射出的光線305 就是經過匯聚收集和傳輸得到的一束高亮度光。光反射曲面303的光學焦點、光學面大 小與光反射曲面301的光學焦點、光學面大小選擇滿足如下條件-
光反射曲面301采用圓形全反射拋物曲面； 光反射曲面303采用圓形全反射拋物曲面； 光反射曲面303光學軸線和光反射曲面301光學軸線重合；
設定光反射曲面301最大開口面距離光學焦點的距離為fl，光學面大小用最大開 口的直徑來標記dl;
設定光反射曲面303最大開口面距離光學焦點的距離為f2，光學面大小用最大開 口的直徑來標記d2;
滿足關系式為-
dl:fl=d2:f2，或
dl * f2 = d2 * fl
且dl〉d2。
實際實現中，dl越大，接收自然光的照射面越大，匯聚的太陽光也就越多，同時 價格會越高。d2的大小與進行光導傳輸的光纖或光纜304的有效傳輸截面相關。選擇 時保證經過光反射曲面303反射射出的光線全部射入光纖或光纜304內的光導元件中。 由于光纖具有可彎曲、光導傳輸效率高的特點， 一種實現方案是采用多根光纖形成的光 纖電纜進行傳輸，可以在傳輸過程中使光纖線纜按需要的角度和形狀布線，有利于光 的傳輸。
圖4是采用光學元件將匯聚的一束光線變成線光源、點光源或平行面光源的實現 示意圖。在圖4(A)中，來自自然光收集器的匯聚光401射入一個凹透鏡402,根據光學 原理，通過凹透鏡402折射出的光線向外散射出去形成一個線光源或面光源。在圖4(B) 中，來自自然光收集器的匯聚光401射入一個凸透鏡404，根據光學原理，通過凸透鏡 404折射出的光線匯聚到凸透鏡404的光學焦點405形成點光源。在圖4(C)中，來自自 然光收集器的匯聚光401射入一個凸透鏡406，穿過凸透鏡406的光線再射入第二個凸
透鏡407，并使凸透鏡406與凸透鏡407的光學焦點重合在位置408且凸透鏡406的焦 距小于凸透鏡407的焦距，而且凸透鏡406的光學面小于凸透鏡406的光學面，相互之 間滿足如下關系
凸透鏡406和凸透鏡407都采用圓形凸透鏡；
凸透鏡406和凸透鏡407光學軸線重合；
設定凸透鏡406的焦距為fl，光學面大小用凸透鏡的直徑來標記dl; 設定凸透鏡407的焦距為f2,光學面大小用凸透鏡的直徑來標記d2;
滿足關系式為
dl:fl:d2:f2，或 dl + f2 = d2承fl 且dKd2。
根據光學原理，如圖示可以看出，經過凸透鏡407折射射出的光為照射面擴大的 平行光線的光源。
圖5是采用自然光收集器實現照明的實現原理示意圖。采用自然光進行照明的光 學實例500，自然光501先照射到紅外光過濾薄膜502上，經過紅外光過濾薄膜502過 濾掉大部分具有熱效應的熱紅外光，減少后面光學元件的溫度變化，可以采用3M的晶 銳膜(3MCystalline)。然后將已過濾掉紅外光譜的光線射入凸透鏡503，從凸透鏡503 折射出的光線射入凸透鏡505，然后將凸透鏡505折射出的光線射入多束光纖507構成 的光纜506中，經過一段距離的光學傳輸后傳遞到凹透鏡508中，通過凹透鏡508的折 射輸出光線提供環(huán)境照明的光源509。在本實例中，紅外光過濾薄膜502、凸透鏡503、 凸透鏡505和光纜506構成自然光收集器，紅外光過濾薄膜502、凸透鏡503、凸透鏡 505和光纜506的一部分封裝在一個硬質材料如金屬或硬塑料構成的結構體504中。凸 透鏡503與凸透鏡505的光學參數選擇參照前面的圖1的參數選擇要求。
圖6是增加太陽光隨動系統(tǒng)的自然光收集器原理示意圖。這樣的系統(tǒng)在大型太陽 能電池系統(tǒng)、太陽能采暖系統(tǒng)等中經常使用，用于保證太陽光接收面總是對準太陽。采 用本發(fā)明所述自然光收集器602連接在一個太陽光隨動控制系統(tǒng)603上，當太陽601 相對于地球旋轉一個角度時，造成太陽光線不能直射自然光收集器602的光接收面，此 時太陽光隨動控制系統(tǒng)603檢測到這樣的角度差異后將轉動相同的角度，使太陽光線直
射自然光收集器602的光接收面，實現最大的光接收效率。自然光收集器602接收的光 經過光導元件604進行傳輸。
由于目前電子系統(tǒng)的光源通常是由電子系統(tǒng)內部的電發(fā)光光源提供，為了使電子 系統(tǒng)在自然光充足條件下使用自然光作為光源，在自然光不夠時使用內部電發(fā)光光源作 為光源，需要將兩種光源通過光學方式進行整合。圖7是采用自然光收集器提供光源與 電子系統(tǒng)內部原有光源整合的實現原理示意圖。在該實現實例中，來自上述自然光收集 器的光線可以經過光纖或光纜傳輸引入電子系統(tǒng)內部作為自然光光源的光線701以45 度入射角照射到由光學全反射面構成的反射壁702上，經過反射，以135度出射角射出 照射到用于光線混合的凸透鏡706上，由凸透鏡706的折射輸出光707;同時來自電子 系統(tǒng)內部電發(fā)光光源705的光線經過全反射光學曲面704的反射成為一束準直光線以 45度入射角照射到由光學全反射面構成的反射壁703上，經過反射，以135度出射角 射出照射到用于光線混合的凸透鏡706上，由凸透鏡706的折射輸出光707。經過這樣 的光學處理，兩種光源的光混合成為一束光線作為電子系統(tǒng)內部的光源。當自然光充足 時，可以關閉電子系統(tǒng)內部電發(fā)光光源705，仍然保證電子系統(tǒng)的工作，極大地降低了 能源消耗。在自然光不充足時，如夜間，可以開啟電子系統(tǒng)內部電發(fā)光光源705，保證 電子系統(tǒng)繼續(xù)按原來的方式運行。當全反射光學曲面704為拋物曲面時，通常電子系統(tǒng) 內部電發(fā)光光源705位于全反射光學曲面704的光學焦點處以獲得最大光學反射效果。
專利號為97193360. X題為"LCD投影器用的偏振照明系統(tǒng)"的專利公開文件披露 了將多種光源匯聚為單一光源的方法，該專利申請已經"公布后撤回"，作為公知技術， 其公開的"將兩束準直光束從空間進行積分的物品"方案作為本文進行兩束光匯聚為一 束光的實現方案進行引用。圖8是采用自然光收集器提供光源與電子系統(tǒng)內部原有光源 整合的另一個實現原理示意圖。在這個實現當中，采用引用專利申請公告中所述的空間 積分器元件把采用自然光收集器提供光源與電子系統(tǒng)內部原有光源整合形成一個單一 光源。來自上述自然光收集器的光線可以經過光纖或光纜傳輸引入電子系統(tǒng)內部作為自 然光光源的光線701射入空間積分器元件801，同時電子系統(tǒng)內部原有光源705的光線 經過全反射光學曲面704的反射成為一束準直光線射入空間積分器元件801，然后經過 正圓柱形菲涅耳透鏡804和負的圓柱形透鏡802變成混合的準直光源作為電子系統(tǒng)的光 源803。經過這樣的光學處理，兩種光源的光混合成為一束光線作為電子系統(tǒng)內部的光 源。當自然光充足時，可以關閉電子系統(tǒng)內部電發(fā)光光源705，仍然保證電子系統(tǒng)的工
作，極大地降低了能源消耗。在自然光不充足時，如夜間，可以開啟電子系統(tǒng)內部電發(fā) 光光源705，保證電子系統(tǒng)繼續(xù)按原來的方式運行。當全反射光學曲面704為拋物曲面 時，通常電子系統(tǒng)內部電發(fā)光光源705位于全反射光學曲面704的光學焦點處以獲得最 大光學反射效果。
權利要求
1.一種自然光收集器，包括一個采用透鏡匯聚自然光的第一光學元件；一個采用透鏡準直第一光學元件所匯聚的光線的第二光學元件；一個傳輸第二光學元件所透射光的第三光學元件。
2. 根據權利要求l所述的自然光收集器，其特征是所述第一光學元件與第二光學元件并排放置，第三光學元件與第二光學元件光學連 接；所述第一光學元件與第二光學元件的光學軸線重合，光學焦點位置重疊，且第一光 學元件的光學面比第二光學元件的光學面大得多；所述第三光學元件采用光纖或光纜。
3. —種自然光收集器，包括一個采用反射曲面反射匯聚自然光的第一光學元件；一個采用反射曲面準直第一光學元件所匯聚的光線的第二光學元件；一個傳輸第二光學元件所反射光的第三光學元件。
4. 根據權利要求3所述的自然光收集器，其特征是所述第一光學元件與第二光學元件的光學面相對放置，第三光學元件與第二光學元 件光學連接；所述第一光學元件與第二光學元件的光學軸線重合，光學焦點位置重疊，且第一光 學元件的光學面比第二光學元件的光學面大得多；所述第三光學元件采用光纖或光纜。
5. —種自然光收集器，包括一個采用反射曲面反射匯聚自然光的第一光學元件；一個采用透鏡準直第一光學元件所匯聚的光線的第二光學元件；一個傳輸第二光學元件所透射光的第三光學元件。
6. 裉據權利要求5所述的自然光收集器，寞特征是所述第一光學元件與第二光學元件并排放置，第三光學元件與第二光學元件光學連 接； 所述第一光學元件與第二光學元件的光學軸線重合，光學焦點位置重疊，且第一光 學元件的光學面比第二光學元件的光學面大得多；所述第三光學元件采用光纖或光纜。
7. —種采用自然光的照明系統(tǒng)，包含 過濾掉紅外光線的紅外光過濾第四光學元件；光源采用權力要求1或權力要求3或權力要求5所述的自然光收集器收集經上述 紅外光過濾第四光學元件過濾的自然光；將上述光源收集到的準直光線轉變?yōu)辄c照明或線照明或面照明的第五光學元件； 還可選擇的包含將所述自然光收集器的自然光照射對準太陽的隨動系統(tǒng)。
8. —種采用自然光的電子系統(tǒng)光源裝置，包括 過濾掉紅外光線的紅外光過濾第四光學元件；光源采用權力要求1或權力要求3或權力要求5所述的自然光收集器收集經上述 紅外光過濾第四光學元件過濾的自然光；一個傳輸上述光源收集到的準直光線的第五光學元件，可采用光纖或光纜； 還可選擇的包含將所述自然光收集器的自然光照射對準太陽的隨動系統(tǒng)。
9. 根據權利要求8所述的電子系統(tǒng)光源裝置，其特征是所述第五光學元件將光線引入 到電子系統(tǒng)中，作為電子系統(tǒng)的光源。
10. 根據權利要求8或權利要求9所述的電子系統(tǒng)光源裝置，其特征是包含采用自然光 收集器的電子系統(tǒng)光源裝置中也包含原有的電驅動發(fā)光光源，當自然光充足時，以 自然光收集器收集的光為主要光源；當自然光暗淡時，以原有的電驅動發(fā)光光源為 主要光源。
全文摘要
自然光收集器、照明系統(tǒng)和電子系統(tǒng)光源裝置，以自然光作為光源，采用多個光學元件將自然光進行收集匯聚后通過光導傳輸，提供一種十分環(huán)保的照明系統(tǒng)，可以廣泛應用于日常樓宇照明、需要光源的電子系統(tǒng)，如液晶顯示器、投影儀等。
文檔編號G02B27/00GK101174027SQ200710175849
公開日2008年5月7日 申請日期2007年10月15日 優(yōu)先權日2007年10月15日
發(fā)明者清 須 申請人:北京派瑞根科技開發(fā)有限公司