CN102305959B - 具有光栅结构的聚光系统 - Google Patents

Abstract

一种具有光栅结构的聚光系统，包括位于薄膜上的二维光栅，薄膜的形状为具有三个以上边界的多边形，薄膜的至少一个边界连接有背光设备，其他边界具有反射膜。进一步降低薄膜聚光器的厚度，并有效利用太阳能,转化为室内照明、液晶面板的背光或者太阳能电池的照明，在太阳能照明上，对芯片的尺寸要求更小，更节省成本。

Description

具有光栅结构的聚光系统

技术领域

本发明涉及照明和显示领域的光源获取技术领域，特别是涉及一种具有光栅结构的聚光系统。

背景技术

在硅基光通讯中，由于作为光互连的波导尺寸比现有的光纤小很多，传统的端面对准耦合，光信号的输入和输出耦合效率很低，并且对对准的误差要求很高。为了提高耦合效率和降低对准的误差要求，利用光栅衍射实现输入光和波导之间的模式匹配被提出来。如美国专利US005081615A，公开了一种利用一维光栅实现空间光和薄膜波导模式之间的相互转换,而美国专利US5033812,公开了一种具有光栅的结构波导,通过光栅可以方便地把波导的传输光转换为空间光。除此之外，具有倾斜结构和底面加有反射镜的耦合光栅也被提出来。但是以上的专利是一维结构，只对应一个方向的偏振。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种具有光栅结构的聚光系统，利用二维光栅结构实现对入射光的耦合,使两个偏振方向的光都可以转化为沿着薄膜传输的光,实现对自然光的有效收集。

本发明的技术解决方案如下：

一种具有光栅结构的聚光系统，特点在于其构成包括位于薄膜上的二维光栅，所述的薄膜的形状为具有三个以上边界的多边形，该薄膜的至少一个边界连接有背光设备，其他边界具有反射膜。

所述的聚光系统还包括位于所述的薄膜衬底的反射膜。

所述的聚光系统还包括位于所述的薄膜衬底的散射膜和反射膜。

所述的背光设备通过波导与所述的薄膜连接。

直接与所述背光设备连接的薄膜边界的截面为三角形切面。

所述的背光设备是太阳能电池板或导光板。

所述的二维光栅是由金属材料或在可见到红外波段透明的材料制成，如塑料、玻璃、有机聚合物PMMA、压克力等。

所述的二维光栅为浮雕型或折射率调制型，所述的二维浮雕型光栅是凸起的柱子、下凹的孔洞、单一周期的圆环或多个周期的同心圆环构成的；所述的二维光栅是具有三角晶格、矩形晶格、准晶晶格或具有准周期结构的随即光栅。

所述的薄膜是平面或曲面。

所述的二维光栅垂直于所述的薄膜表面或倾斜于所述的薄膜表面。

所述的二维光栅位于薄膜的一面或双面。

所述的反射膜为高反射率的全反射膜或直接蒸镀金属铝膜。

所述的薄膜是一张或多张薄膜叠加而成，每张薄膜的具有不同周期的二维光栅，对应于多个波长，各个薄膜的同一边构成楔形，以利与所述的背光设备的连接和光能引导。楔形的两面涂有高反射膜。

所述的薄膜的一边上设置一系列锥形波导，每个锥形波导的尾部连接一个直管波导，该直波导的另一端切成直边三角形，该整个直边三角形插入一个集光波导内，并可以绕所述的集光波导旋转，该集光波导的光经过和所述的导光板依次连接的直边三角形波导、直波导和锥形波导进入所述的导光板。

所述锥形波导的两边涂有高反射膜。

所述集光波导是介质或者金属空腔。

所述的发光二极管位于所述的导光板的一边上并且每个发光二极管处于与所述的导光板相连的各锥形波导之间的间隙中。

波导是光纤，或是镶嵌在周围介质的折射率大于周围介质折射率的对光波透明的材料构成的，该光波透明材料的几何形状为线状或根据实际需要相应的调整。

与现有技术相比本发明的有益效果是，利用二维光栅把空间光转换为薄膜波导光，通过二维光栅对不同方向的入射光进行转换，具有更有效的衍射耦合收集光能的能力，同时可以对本应不同的波段，提高聚光效率。在太阳能照明上，对芯片的尺寸要求更小，更节省成本。

附图说明

图1为本发明具有光栅结构的聚光系统第一种实施方式的俯视图。

图2为本发明具有光栅结构的聚光系统第一种实施方式的侧面图。

图3为本发明具有光栅结构的聚光系统第二种实施方式的俯视图。

图4为本发明具有光栅结构的聚光系统第三种实施方式的俯视图。

图5为本发明具有光栅结构的聚光系统第三种实施方式的侧面图。

图6为本发明具有光栅结构的聚光系统第四种实施方式的俯视图。

图7为本发明具有光栅结构的聚光系统第五种实施方式的俯视图。

图8为本发明具有光栅结构的聚光系统第六种实施方式的俯视图。

图9为本发明具有光栅结构的聚光系统第七种实施方式的俯视图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

请先参阅图1-图8，如图所示，一种具有光栅结构的聚光系统，包括位于薄膜1上的二维光栅5，位于所述的薄膜1衬底的反射膜，所述的薄膜1的形状为具有三个以上边界的多边形，该薄膜1的至少一个边界连接有背光设备，其他边界具有反射膜3。

图1为本发明具有光栅结构的聚光系统第一种实施方式的俯视图，图2为本发明具有光栅结构的聚光系统第一种实施方式的侧面图，即是一种由具有光栅结构的单层薄膜和太阳能电池板2构成的聚光系统，其结构为在薄膜1表面上设置两个周期分别为a和b的柱状光栅，入射光进入到薄膜上，衍射光满足K₀+G=K_waveguide的时候，对应波长的光就会转换为沿着薄膜传输的光。其中K₀为入射光的波矢，G为二维光栅的倒格矢，K_waveguide为薄膜的波导模式。在薄膜1的两个相邻边界直接连接太阳能电池板。为了提高太阳能电池的光学效率，直接连接太阳能电池板的薄膜侧边做成三角形切面。而在相对的另外一端放置反射膜这些光能引导照射到太阳能电池板上。为了提高收集光的能量,在薄膜的背光面（衬底）再设置一个反射膜，使得入射光可以被反射回光栅得到耦合利用。

图3为本发明具有光栅结构的聚光系统第二种实施方式的俯视，也是由一种具有矩形晶格二维光栅的薄膜1和通过波导4连接的太阳能电池板2构成的聚光系统，在薄膜1的两个边界上分别设置锥形波导和弯曲波导，波导4的另一端与太阳能电池板2连接，在和太阳能电池板电池板相对的薄膜1边界上设置反射膜3，更加节省太阳能电池芯片。

图4为本发明具有光栅结构的聚光系统第三种实施方式的俯视图，图5为本发明具有光栅结构的聚光系统第三种实施方式的侧面图，即是一种由具有双面二维介质柱光栅的薄膜和太阳能电池板构成聚光系统，太阳能电池板直接连接于薄膜1的相邻两个侧边，该薄膜侧边做成三角形切面。其余两边设置反射膜3，在薄膜的背光面放置有反射膜。

图6为本发明具有光栅结构的聚光系统第四种实施方式的俯视图，也是由多张具有二维介质柱光栅的薄膜叠加而成和连接有波导的太阳能电池板构成的聚光系统。每张薄膜1的具有不同周期的二维光栅5，对应于多个波长，可以收集不同颜色的光。各个薄膜的同一边构成楔形成为共同的结合部，以利与所述的背光设备的连接和光能引导，使得波导的光最后可以会聚到薄膜的端面，同时在底层薄膜的背光面设置反射膜，提高耦合效率。

图7为本发明具有光栅结构的聚光系统第五种实施方式的俯视图，也是一种由具有二维三角晶格光栅结构的正五边形薄膜和太阳能电池板构成的聚光系统，太阳能电池设置于正五边形薄膜的相邻两边, 其余边界涂有高反射膜。

图8为本发明具有光栅结构的聚光系统第六种实施方式的俯视图，也是一种由具有二维光栅结构的等腰梯形薄膜和太阳能电池板构成的聚光系统，太阳能电池板直接连接于梯形薄膜的下底边, 其余的边界涂有高反射膜。

图9为本发明具有光栅结构的聚光系统第七种实施方式的俯视图，也是一种由具有二维光栅结构的薄膜和连接有波导的导光板构成的聚光系统。薄膜1的一边上设置一系列锥形波导6，每个锥形波导6的尾部连接一个直管波导61，该直波导61的另一端切成直边三角形62，该整个直边三角形62插入一个集光波导7内，并可以绕所述的集光波导7旋转，该集光波导7的光经过和所述的导光板8连接的直边三角形波导83、直波导82和锥形波导81进入所述的导光板8。使得光栅薄膜的光和液晶面板的光源一样，通过导光板和扩散板的作用成为均匀的面光源。所述的发光二极管位于所述的导光板8的一边上并且每个发光二极管处于与所述导光板8相连的各锥形波导81之间的间隙中，实现背光光源和薄膜光源的互补。

Claims (4)

1.一种具有光栅结构的聚光系统，特征在于其构成包括位于薄膜（1）上的二维光栅（5）和波导（4），所述的薄膜（1）的形状为具有三个以上边界的多边形，该薄膜（1）的至少一个边界连接有外部的背光设备，其他边界具有反射膜（3），所述的背光设备通过波导（4）与所述的薄膜（1）连接，所述的薄膜（1）的一边上设置一系列锥形波导（6），每个锥形波导（6）的尾部连接一个直管波导（61），该直管波导（61）的另一端切成直边三角形（62），该整个直边三角形（62）插入一个集光波导（7）内，并可以绕所述的集光波导（7）旋转，该集光波导（7）的光经过和导光板（8）连接的直边三角形波导（83）、直波导（82）和锥形波导（81）进入所述的导光板（8）。

2.如权利要求书1所述的具有光栅结构的聚光系统，其特征在于，所述锥形波导的两个侧边涂有反射膜，所述集光波导（7）是介质或者金属空腔。

3.如权利要求书1所述的具有光栅结构的聚光系统，其特征在于，发光二极管位于所述的导光板（8）的一边上并且每个发光二极管处于与所述导光板（8）相连的各锥形波导（81）之间的间隙中。

4.如权利要求书1所述的具有光栅结构的聚光系统，其特征在于，所述的波导是光纤，或是镶嵌在周围介质中对光波透明的材料构成，该光波透明材料的折射率大于周围介质的折射率，该光波透明材料的几何形状为矩形、椭圆形或根据实际需要相应的调整。

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