专利名称：用于凝聚光辐射的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及光学装置，尤其涉及用于凝聚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凝聚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。
本领域公知的太阳能聚光器的一个例子利用了全息图和棱镜或平板；参见例如授予Afian等人的美国专利No.4,863,224。然而，这种太阳能聚光器需要对准太阳，并且不提供任何被动式太阳跟踪能力。
本领域中还公知的一种集光装置包括全息图和全反射表面，用于收集单一入射角处的单色光；参见例如授予Ando等人的美国专利No.5,268,985。然而，Ando等人采用了单个入射角和单一波长，因此需要跟踪装置，并且不能利用整个太阳光谱。
现有技术中公知的另一种聚光器是电磁波聚能器；例如参见授予Tremblay的美国专利No.4,505,264。电磁波聚能器多层介质导板凝聚电磁能量。该发明的缺点是在导板中有大量反射损耗，而在一些比较经济的实施例中吸收损耗高。该发明还具有光学上难以制造的问题，因而制造成本高。
公开日为1999年3月2日，授予本发明者的美国专利5,877,874披露了一种用于凝聚太阳辐射的装置，它采用了全息平面聚光器(HPC)来收集和凝聚光辐射。HPC包括一个平面的、高透明平板和安装在其表面上的至少一个多重复用(multiplexed)全息光学薄膜。该多重复用全息光学薄膜中已经记录了多个具有一或多个角度和光谱复用区域的衍射结构。可以将两个或多个区域构造成提供空间复用。对于寻找对该发明改进的预定目的来说，该专利给出的教导在一定程度上是有用的，本发明代表了这种改进。
存在对这样一种太阳能聚光器的需要，其能够减小太阳辐射凝聚过程中的能量损耗并且利用了大部分太阳光谱，同时减小或消除了跟踪要求。
本发明的另一目的在于减少或消除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，其可以按照所需的应用来设计该聚光器的光谱选择性。这里公开的每一个应用具有独特的光谱要求，以便更有效地工作。
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系统中作为UV和IR光的被动式滤光装置。
通过考虑附图和随后的描述，本发明的其它目的和优点将变得显而易见。
根据本发明，提供了一种用于收集和凝聚光辐射的全息平面聚光器。该全息平面聚光器包括(a)至少一个高透明平板，(b)至少一个设置在它的一个表面上以形成光导结构的多重复用全息光学薄膜，以及(c)至少一个固定在该多重复用全息光学薄膜下面与太阳辐射的入射相反的一侧的光生伏打电池。每个光生伏打电池通过至少一个这种全息光学薄膜来限定横向边界。另外，可以沿Z(垂直)方向形成多个(至少两个)这种薄膜。
多重复用全息光学薄膜中记录有多个衍射结构，该衍射结构具有两个或多个被角度和光谱复用的区域。该多重复用全息图适合于把光辐射耦合至高透明平板中，使得光辐射无损耗并通过高透明平板和多重复用全息薄膜。该全息图的多重复用用来减少全息平面聚光器中的再次耦合(recoupling)损耗。
此高透明平板是多功能的，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，它为全息材料提供环境防护。第三，它在350至1400纳米(nm)波长范围内提供高的光透射率，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，对于日间太阳角度变化，它将入射角接收角度从160°全角压缩至大约80°；这样就减小了对全息结构的角度性能要求。第五，高透明平板作为全息平面聚光器装置的全内反射(TIR)辅助聚光器。
高透明平板相对空气更高的折射率，可在高透明平板内提供TIR限制，因此将被收集光的发散限制在平板的厚度内，从而提高了会集度。还可以对高透明平板的厚度进行调节，以减少当被限制的光沿高透明平板传播时由于TIR所出现的来回反射次数。这是一个非常重要的特征，因为光在高透明平板中能够传播的距离的主要限制因素是同一全息结构对光的再次耦合或传播。光学系统的可逆性发挥作用，而且要求当光向高透明平板的边缘传播时，构成HPC的全息光学元件在表面上具有不同的光谱和角度性能。
除了空间多重复用全息光学元件以外，通过把光辐射以小于大约5°的小捕获角从薄膜入射到高透明平板中，可以降低HPC中的再次耦合损耗。如同这里使用的一样，从全息薄膜的平面起测量小的捕获角，并认为小于5°。小捕获角与高透明平板厚度结合，将进一步减小再次耦合损耗，并且允许把HPC设计成实际大小，以便收集能量。
没有这些避免再次耦合的特性，就不能使HPC更有效地工作。
本发明的全息平面聚光器通过如下步骤制造(a)将多重复用全息光学薄膜设置在高透明平板的一个表面上；以及(b)采用角度和光谱复用技术在多重复用全息光学薄膜中记录多个衍射结构。
在本发明的全息平面聚光器中，为了得到全息平面聚光器的预计太阳方位，记录多个衍射结构。全息平面聚光器设置在该预定的方位上以便收集太阳能，而且至少一个太阳能收集装置沿该全息平面聚光器的至少一个边缘设置。适当的太阳能收集装置的例子包括光生伏打电池和纤维光波导，用于把收集的光传输至建筑物内部用于照明目的，和把收集的太阳辐射传输至热水箱用于加热。
全息平面聚光器允许有效地收集太阳能，而不需要昂贵的跟踪要求，同时使能量损耗最小。全息平面聚光器的设计和制造简单，制成的聚光器可以用于滤过UV和IR辐射，以及将太阳能分配给多种太阳能收集装置，如上所述。
在光通信产业中，利用光全息耦合将光能转移到波导中。不过，如果HPC工作正常，具有全息结构的HPC需要完成比这多的工作。也就是说，全息结构必需进行空间复用以避免再次耦合，目的是使装置工作。这与波导应用中的波导耦合器工作方式完全不同。一旦光被衍射至波导中，通信产业中所使用的全息波导耦合器不必寻址透过全息结构的后续通过。克服HPC中的再次耦合损耗是空间多路复用较为复杂的主要原因，采用角度和光谱复用来实现空间复用。
图5为用于本发明的全息平面聚光器的角度复用多波长记录方案的示意图；图6为本发明的被动式太阳能跟踪装置的顶视图；图7为图6中描述的被动式太阳能跟踪装置的侧面垂直投影图，说明本发明的一个实施例；图8为与图7相似的侧面垂直投影图，不过描绘出本发明的一个可选通过在单个薄膜上生成许多干涉条纹而形成独特的全息干涉条纹结构。这称为角度复用，通过这种角度复用技术，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度范围内的光，并在与薄膜折射率相似的高透明平板内以不同角度范围输出光。
除了角度复用以外，还采用使用多个波长的光谱复用。光谱复用用于增加HPC的光谱带宽。
空间复用可以用于防止从多重全息光学结构(MHOS)后续反射出来的再次耦合损耗。通过制造具有不同光栅矢量的多个分离的MHOS区域可以实现这个目的。每个MHOS区域具有多个光栅和一定范围的光栅矢量，入射光前面的区域与光最初来自的区域具有不同的衍射特性。因为不同区域具有基本不同的光栅矢量范围，当限制在高透明平板内的光在到达高透明平板的边缘的路径上通过不同的MHOS区域时，则光不能从HPC耦合出来。
或者通过设计全息图以小捕获角如上面所限定的小于大约5°，将光辐射入射到高透明平板中来避免再次耦合损耗。这样减小了与全息薄膜的后续相互作用的数目，减小光损耗。A.全息介质全息介质是能够形成体积相位全息图的任何已知材料类型。几种已有的薄膜材料类型包括duPont的Omnidex光致聚合物薄膜，Polaroid的Mirage光致聚合物材料，重铬酸盐明胶，聚乙烯咔唑光致聚合物薄膜，卤化银乳胶和任何其它全息材料。
另外，可以将这些薄膜分层，每层具有不同的角度，光谱和空间复用特性。可以采取两层或多层设置在高透明平板上的全息薄膜的形式。每个附加膜层必须折射率匹配，以防止全内反射在比高透明薄膜吸收性更高的薄膜层内俘获光。
可以从duPont和Polaroid得到的商用全息材料已经存在化学和加工性质，允许形成不均匀干涉条纹结构；重铬酸盐明胶薄膜也具有形成不均匀干涉条纹结构的化学性质。(不均匀干涉条纹结构是一种从薄膜的前面到后面，干涉条纹间距发生改变的结构)。除这些技术以外，也可以利用光学粘合剂来收缩或膨胀全息结构。当形成多层全息薄膜堆时可以利用这一技术，将全息薄膜粘合到高透明平板上，或为全息薄膜提供一保护层。
本发明的HPC依靠角度、空间和光谱复用技术的组合来实现它的功能，即凝聚光。通过组合这些技术，制造出独特的MHOS。
1.光损耗为实现该装置的功能，本发明的HPC要求全息结构空间复用，避免再次耦合。这与波导应用中的波导耦合器的工作方式完全不同。一旦光被衍射进入波导中，用于通信工业中的全息波导耦合器不必寻址通过全息结构的后续通过。避免HPC中的再次耦合损耗是空间复用的复杂性的主要原因，采用角度和光谱复用两者来实现空间复用。
为了减小结构中的光损耗，使用新技术防止光能损耗。高透明平板可以选择为任何厚度，但是为了实用的目的，通常在1到15mm厚度范围内。更厚的高透明平板成本开始变高，而且对于这里公开的应用不实用。假设对平板厚度进行这些限制，并且目标是使通过HPC传播的光反射次数尽可能少，要求内衍射波矢角度足够小，使得光被更直接地沿HPC结构衍射。最好是HPC结构的路径长度与厚度比(PTR)在25到200之间。路径长度是HPC所收集的光在HPC结构中必须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比，必须考虑多个因素。下面列举了HPC中所使用的用于减小光损耗的技术。
1.HPC结构中光能的吸收有三个来源。第一是高透明平板的吸收。选择制造高透明平板的材料，使之在350至1400nm光谱范围内具有低吸收作用。“低吸收”意思是吸收小于10％(高透明的反面的说法，上面已经定义)。第二个吸收源来自薄膜层，因而保持薄膜层尽可能薄和尽可能透明很重要。如同这里使用的一样，关于膜层的术语“薄”是指厚度小于30μm，而关于膜层的术语“透明”是指内部透射率至少为90％。这里讨论的所有薄膜都具有足够低的吸收。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种低吸收的光学粘合剂。
2.为了使具有上述PTR的HPC收集光能，内部衍射波矢量必须在1至40°范围内。单个光栅将衍射宽带宽内的光，光谱带宽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。一个这样的例子是具有100nm带宽的单个光栅代表收集的光的角度发散为30°。所以随着装置带宽的增加，单个光栅结构是自限的，因为来自光谱段的光将开始损耗，这是由于内部衍射波矢量将超过高透明平板的TIR限制条件。这意味着通过增加HPC装置的带宽，必须复用光谱成分，同时保持角度分量在HPC的TIR俘获角内。这可以通过在复用记录中保持光栅角度不变而改变光栅间距而实现。这是增加带宽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复用并保持每个复用记录的干涉条纹角度固定，而降低角度扩散。因为折射率调制由各个曝光来分担，所以被收集的能量大致相同，而且最终结果是可以收集更多波长的光，并衍射进入较窄角度范围内。这意味着更多的能量将被凝聚到接收器。
3.本发明的HPC装置需要结合高透明平板和折射率与高透明平板匹配得很好的全息薄膜。要求高透明平板与薄膜之间折射率非常好地匹配，以便把光有效地衍射进入高透明平板内，而不在高透明平板/薄膜界面产生大菲涅尔反射。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明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明平板内，薄膜与高透明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明平板的吸收高，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，内部衍射光通过后续与全息薄膜的相互作用的再次耦合是要克服的最大光损耗。然而这可以通过空间复用HPC结构的全息薄膜部分而减少或完全避免。空间复用通过如下方式实现，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。每个空间复用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确定了是否空间复用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续区域中不被HOE衍射。多重复用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复用区域的数目。而且，反射次数由路径长度与厚度比和内部衍射波矢量确定。B.高透明平板HPC的高透明平板可以由光学透明的玻璃或聚合物制成。术语“高透明”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铁浮法玻璃(low ironfloat glass)，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％。
高透明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，全息薄膜和高透明平板的折射率十分匹配很重要，比较好的是二者折射率差值最大大约为3％，最好小于该值。折射率非常匹配允许高透明平板内耦合角度小。
在某些情况下，希望薄膜的折射率比高透明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大一点是有好处的。所述好处是界面上的菲涅尔反射损耗降低，因此与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，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。
在选择高透明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1-5描绘了本发明所披露而且在上面引做参考的美国专利5,877,874的基本实施例的一个例子，其中示出全息平面聚光器10包括高透明平板12和全息薄膜14。全息薄膜14设置在高透明平板12的一面12a上，该面与太阳能入射面12b相对。
通过高透明平板和全息薄膜折射率的仔细选择，能够允许以非常小的角度把光耦合至高透明平板内，如图1所示。可以看到由光线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内，分别成为光线18、18’和18”。记录在全息薄膜14中的独特的衍射光栅控制角度θout，关于独特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耦合至高透明平板12内。
图2描绘了一个前述类型的例子，其中选择全息薄膜14的折射率比高透明平板12的折射率大0.001。这意味着使用6毫米厚(t)的高透明平板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(1)为343毫米；这种组合提供的PTR为57.2。这样描绘出避免HPC装置10中再次耦合损耗的一种方法。应该理解玻璃厚度与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，而是在空间复用技术中角度的组合，如图3所示。如上所示，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，光线16、16’和16”入射到每一区域上，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明平板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。
空间复用技术允许从全息结构发生多个反射，因此可以使用较大的俘获角。这种方法降低了对高透明平板与全息薄膜折射率十分匹配的需要。作为一个例子，在使用非常小的俘获角的情形中，折射率之间良好匹配只存在0.01％的差别，而对于空间复用的情形，最不匹配的方案中折射率可以相差达3％。
空间复用所述复用全息光学结构(MHOS)可以制成工作光路较长的HPC装置，因此增加了HPC平板的功能尺寸，并且增加了HPC装置可以应用的领域。空间复用HPC全息结构也可以避免角度复用并凝聚收集的光时，光束简并的限制因素。还可以利用线聚焦模式而不是点聚焦模式中的HPC装置来避免光束简并。
可以通过设计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，来使全息薄膜与高透明平板之间折射率不匹配的材料色散影响最小化。不同的正常材料色散将导致在不同于设计波长的其它波长处玻璃与薄膜的折射率出现差异。色散对薄膜与玻璃之间折射率的全面匹配的影响在于折射率匹配实际上表示选择光谱范围上的平均匹配。C.全息记录过程通过将一层或多层全息薄膜设置在一光学高透明平板的一个面上而制成本发明的HPC。全息薄膜设置在与入射光相反的一个面上。在折射率匹配环境下执行主MHOS的记录；这些技术是本领域技术人员公知的。“折射率匹配环境”是指这种几何结构中所使用的在记录激光波长处非常透明的并且与薄膜的折射率相匹配的适当的材料，允许激光束以非常小的角度在薄膜中传播。有许多中方法把激光束以小角度射入材料中，这些方法都要求折射率匹配。不同的技术使用玻璃块、棱镜和容器中的液体。该技术用于形成主全息图，但是一旦主全息制造完毕，仅要求被复制的薄膜与主平板的折射率匹配。复制也要求在主平板与复制薄膜折射率匹配的环境下进行记录，但是对于大规模生产该过程是一个比较简单的过程。
在一个实施例中可以使用装有折射率匹配液体的液体阀门(liquid gate)或容器，将全息图和附有全息图的高透明平板设置在其中用来曝光，如图4所示。容器中的折射率匹配液体应该在全息薄膜和高透明平板的折射率的大约12％范围内。最好是，采用折射率稍微大于薄膜和高透明平板的一种液体。液体和高透明平板/薄膜之间匹配的越好，将产生噪音越少的光栅。
图4示出的HPC10包括高透明平板12和全息薄膜14，浸入装有液体22的容器20中，液体22的折射率基本上与高透明平板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，而参考光束24a-24e入射在全息薄膜14的曝光表面14a上。字母表示记录对符号。物光束22a-22e和参考光束24a-24e由全息记录领域公知的技术产生，不构成本发明的一部分。
折射率匹配容器提供了这样一种环境以便减少从界面和其它表面所散射的杂散光的数量。通过使记录过程中光学噪音量最小化而提高了MHOS的质量。
使用多个激光束来记录独一无二的全息结构，将接收来自一定范围的入射角的光，并沿着光学高透明平板传播光。一旦光在高透明平板内，只要光不与同一全息结构发生任何后续的相互作用光就被俘获。记录过程是角度，光谱和空间复用的组合，可以使用本领域技术人员公知的多种方法来实现。
在制造HPC时可以使用多对具有不同角度和波长的激光束，这些激光束可以是准直的，发散的，会聚的或波前的组合，如图5所示。每对记录波前具有一个模拟日间小范围太阳角的物光和一个模拟所需再现(凝聚的)波前的参考光。对于记录几何结构没有一个最佳实施例，因为对于给定应用或位置而言所需的再现位置发生改变。因为HPC的安装方位和它在地球上的安装位置将发生变化，HPC具有对于不同的入射角范围和不同的光谱收集要求进行记录的优点。例如，HPC可以垂直或倾斜安装于所需的位置纬度。另外，入射角范围可以选择得非常小或非常大，依赖于可提供的照明类型和想要的输出光谱而定。
光束记录几何结构随光栅设计而不同。对于在676nm和514nm激光波长处记录的多重复用薄膜而言，入射角范围将是在介质中与垂直方向成正或负45度角，和在介质中与垂直方向成100°至140°角。从该角度范围内选择光束对以便产生所需全息结构，目的在于对于给定位置和安装方位俘获和凝聚所需太阳能。一个最佳实施例使用了两个记录对，一对的角度为30°和100°，另一对的角度为-30°和130°。
虽然HPC可以用于被动式或主动式跟踪模式，但是角度复用的使用允许使用被动式跟踪，这样简化了整体结构并降低了成本。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纬度倾斜安装，而且接收中心角垂直于HPC前表面。然后角度记录尽可能模拟日间太阳大约160°的变化和45°季节太阳角的变化。这代表多个记录对，每对以大约10°间隔发射它们的物光。
如前所述，所记录的全息图包括角度和光谱复用。通过在全息薄膜上划定不同区域而实现空间复用，如同下面将详细描述的一样，并且使用图5描述的方法在每个区域中记录角度和光谱复用。耦合到一个空间区域中高透明平板12内的光不与另一空间区域中的全息薄膜14相互作用。使用区域的组合从根本上避免了再次耦合损耗，再次耦合损耗是限制在高透明平板内的光与全息薄膜的多次相互作用产生的。空间复用方法产生更高的效率，能够制造更大的HPC装置。
可以使用高斯或非高斯形状光束来记录MHOS。使用不同的光束形状考虑到全息薄膜上曝光强度的控制。这转换为控制最终MHOS的衍射效率。全息薄膜上的激光能量的强度对控制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全息薄膜的曝光能量的强度确定的。薄膜上记录能量的强度应该基本上是均匀的，这意味着强度的改变不超过大约±10％。不同全息薄膜材料需要不同的曝光条件，而且对曝光强度更敏感。不大于大约±10％的均匀性是成功制造HPC装置的原则，对于每种类型的全息薄膜材料而言理想的曝光均匀性是不必要的。
也可以使用多于一层的全息薄膜来制造HPC10。通过使用衍射全息结构，可以使用多层薄膜。本质上，蓝色光子仅与对太阳光谱的蓝光部分敏感的MHOS发生相互作用，红色光子仅与对太阳光谱的红光部分敏感的MHOS发生相互作用。
能够从很窄(几纳米)到很宽(几百纳米)的光谱性能范围内制造全息反射结构。这就允许制造光谱带宽选择尺寸在这些范围内的反射全息薄膜。D.多重复用全息光学结构1.角度复用本发明的HPC使用角度复用在单个薄膜中取得多个反射型体积相位全息图。对于角度复用存在许多技术，这些技术对于本领域技术人员是已知的。最佳实施例利用准直的和发散记录波前，尽管也可以使用会聚波前。波前从全息薄膜相对两个表面入射，产生反射型体积相位全息结构，如图4和5所示。另外，可以选择波前的偏振态以得到最大的条纹对比度。
可以利用几个不同激光波长或一单一波长来产生MHOS，在使用单一波长时调节记录角度以便在所需波长处进行再现。可以使用单波长记录来模仿多光谱记录，通过调节复用的参考光与物光束的记录角，使得在一个角度的记录光束被设计成在一不同角度和不同波长再现。这是由于衍射结构中角度与波长之间的关系。另外，如果需要可以使用多于一个的全息薄膜，并且应用在第一全息薄膜之上。可以使用附加的薄膜来增加角度性或增大HPC的光谱带宽。
角度复用单个波长可以在记录波长处产生角度性能，而且在其它波长处产生不同的角度性能。最后的效果为具有增强光谱特性的单波长记录。
2.光谱复用为了增加HPC装置的光谱带宽，可以使用本领域已知的技术来增强MHOS的光谱敏感性。可以使用多个激光波长以及多个角度入射来记录全息结构。使用多个波长记录具有增加MHOS的光谱敏感性的优点。除了使用多个波长记录之外，还可能非线性地收缩或MHOS；这就导致一系列间距变化的干涉条纹的产生。具有改变间距的干涉条纹具有增加HPC装置的光谱带宽的效果。
3.空间复用
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，从而当被限制在高透明平板内的光在通向高透明平板12的边缘的路径上照射到MHOS区域时，不被耦合出HPC。
为了避免从MHOS相继反射所产生的再次耦合损耗，使用空间复用方法。在HPC的本实施例中，MHOS被分成多个不同区域，在光前进方向前方的区域的布拉格角与光正照射的区域的布拉格角不同，如图3所示。这种技术防止了再次耦合损耗，因为对于被限制在高透明平板内的光从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是不同的。
4.其它需要考虑的事项高透明平板12与全息薄膜14区域的结合物理上形成了整个光俘获结构10。在MHOS中要求空间复用的理由是因为光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中以便传送到接收器(图中没有示出)。为了把光16传送至玻璃或聚合物高透明平板12内，要求折射率非常好地匹配以便确保光通过薄膜14反射回薄膜/空气界面。本发明需要相当大的区域，从而光程长，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描绘出厚6mm，光程为343mm的玻璃。任何较大的角度需要额外地一次或多次通过薄膜14。空间复用允许区域14、114、214具有不同的全息性能，从而不与来自前一全息区域的前进光相互作用。E.多层全息(三明治全息)光学薄膜根据本发明，如图6-9所示，全息平面聚光器10’包括两个高透明平板12、12’，每个高透明平板具有至少一个全息薄膜14、14’。至少一个光接收装置30，如光生伏打电池，与全息光学薄膜14、14’相结合。
图6描绘出顶视图，表示两个光接收装置30，每个光接收装置与一对全息光学薄膜14相关。通过导电路径32如导线将光生伏打电池30彼此电连接，具有到外部的输出端34、36。箭头38表示通过全息光学元件14从太阳辐射向光生伏打电池30引导的光。
当初始沿东(E)-西(W)方向定向并面向南方时，这些图中描述的HPC提供了太阳的被动式跟踪。电池本身可以水平或垂直定向。或者，还可以采用主动式跟踪，来处理太阳位置的每天的改变。这种结构也提供了光生伏打电池30的基本上均匀的照明。
图7为图6中所示装置的侧面垂直投影图，说明了夹在两个全息光学薄膜14、14’之间的光生伏打电池30，每个全息光学薄膜分别形成在高透明平板12、12’上。不过，应该理解到光生伏打电池30必须与一个全息光学薄膜相邻。通过光学粘合剂40将光生伏打电池30固定在两个全息光学薄膜14、14’上，光学粘合剂40还填充在光学薄膜之间光生伏打电池没有扩展到平板12、12’的边缘而留下的任何间隙。光学粘合剂40可以包括任何在HPC10’所接收的波长范围上透明的光学结合剂。这种光学粘合剂的例子包括光学环氧树脂，光UV-固化环氧树脂，乙烯-乙酸乙烯共聚物(EVA)，聚氨基甲酸酯，和其它光学粘合剂。
图7中表示的光生伏打电池30是双面的(bi-facial)。也就是，光生伏打电池30在两个主表面30a，30b上均具有栅格。在两个表面30a，30b上接收光(太阳辐射)，与仅采用一个全息光学薄膜相比，电池尺寸减小，因此降低成本。
如图8所示，光生伏打电池30也可以设置在最底部的透明板12’上(距离入射太阳辐射最远的平板)。光学粘合剂40将两个全息光学薄膜14、14’在它们的曝光表面处固定在一起。分开的光学粘合剂(图中没有示出)将光生伏打电池30固定到透明板12’的底部。该分开的光学粘合剂是一种还能够导热的粘合剂。散热片42可设置在光生伏打电池30的与透明板12相对的一侧，用于对电池进行散热(将热从电池传导开)。散热片42最好包括一种在这种应用中通常所采用的金属，如铝或铜。在这种结构中，如同此处所披露的所有结构，还可能去除全息光学薄膜14、14’其中的一个。因此，在光生伏打电池中至少采用一个全息光学薄膜。
图8中表示的光生伏打电池30是单面的(mono-facial)。也就是，光生伏打电池30在一个主表面30a上具有栅格。另一个主表面30b可以被固定到散热片42。
在图7和8两个图中，每个透明板12、12’，作为例子，为3mm厚。最好是，透明板12、12’包括一种适合的透明玻璃。在图9中，描绘出另一个实施例，其中采用了单个透明板12，最好是玻璃，该透明板具有两倍于图7和8中透明板12、12’的厚度。图9描绘出一种与图7类似的结构，不过采用透明聚合物板12”而不是透明板12’。透明聚合物板12”较好地是包括丙烯酸酯，异丁酸酯，聚对苯二甲酸二乙醇酯(PET)，聚碳酸酯等。透明聚合物板12”具有0.004英寸(0.1mm)的量级，与之相比，较厚的玻璃透明板12大约为6mm厚。或者，可以采用薄玻璃板12”来代替聚合物板。
图9中所描述的光生伏打电池30为单面的。也就是，光生伏打电池30在一个主表面30a上具有栅格。因为图9中的光生伏打电池是单面的，透明聚合物板12”应该尽可能地薄，为小于大约2mm的量级。
图6-9中所描述的HPC的一个优点在于它们能够提供低成本制作。另外，HPC可以调节成任何所需尺寸。一般，全部窗口的电池所占有的表面面积为大约5到60％，不过这个数值可以更小或更大，取决于特定应用。
可以在HPC10’的周围使用边封(图中没有示出)来密封光生伏打电池。可以使用任何传统的防潮材料，如聚氨基甲酸酯，硅酮等作为防潮材料(湿度隔绝材料)。
F.装置的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集光装置的平面中。来自接收角范围内的入射光通过光学高透明平板，并且被多重复用全息结构所反射/衍射，把光俘获在平板内并把光传播至平板的一边或平板一边的聚焦区。另外，可以制造具有几个HPC全息结构的较大平板，具有多个聚焦区位于平板的不同侧面上或聚焦在平板的角上。对于许多应用而言，可以使用这种基本操作方案作为主要的构件块(building block)。
图10是截面图，表示光从太阳到太阳能电池的运动，以及电池的间距。作为例子，光生伏打电池30可以是0.75至1英寸宽(w)，电池之间的电池间距(s)为大约0.75至4英寸。
HPC装置相对传统聚光器的一个主要优点在于它能够收集来自一大范围入射角的光，同时被安装在一固定(非跟踪式)结构中。为了获得这种能力，HPC装置利用多重复用全息结构以及高透明平板的TIR俘获。这种两级聚光器方法以与某些依赖光的TIR限制的非成象光学聚光器相似的方式进行工作。正是独特的多重复用全息结构与TIR限制的结合，结合成本发明的新颖的聚光器。就易于制造和低材料成本而言，HPC具有诸多优点。
另外，HPC可以用来聚集来自太阳的直接光或漫射光，如多云天气的光或从周围环境所反射的光。HPC意在收集基本上所有的太阳光谱，特别是大约350至1400nm范围内的太阳光谱。
HPC产品的三个主要应用为(1)太阳能发电，(2)使用自然太阳光进行自然采光，以及(3)将前面任何或所有应用与从太阳光中滤除紫外和红外能量相结合的窗口。下面描述这三个主要应用。1.HPC光生伏打板图6-9中所描述的装置利用光生伏打电池将被凝聚的光转变成电。可以使用任何数量的不同光电转换装置，可以将HPC的输出光谱设计成与转换装置的带隙非常匹配，以便减小光生伏打电池所需的冷却。
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.多个平板的实施例，设计灵活。
4.选择带宽能力以使热量浪费最小，设计特征。
5.透明HPC允许在PV板后附加薄膜或聚光装置，从而使有关结构要求和占地要求的成本最小。
6.在焦点处安装整体PV阵列。
7.由于聚光区域的均匀照明可能使用串联电池；这是由于HPC聚光器非成象行为的结果。2.HPC天窗/窗口在HPC技术的另一应用中，可以单独使用HPC从太阳能产生电，还可以用做一个窗口或天窗，允许太阳光进入建筑物中。HPC天窗的优点包括1.被动式跟踪聚光器。
2.在照明建筑物内部的同时发电。3.结合上面特点的窗口图11描绘出采用多个HPC窗口10’的建筑物44，使用一个或多个上述装置。另外，可以使用包括HPC窗口10的天窗46或分离的太阳能平板48，或者是以太阳能板的形式安装在屋顶上，或者由地面支持。太阳能平板42可以使用完全地被动式跟踪或主动式跟踪装置，这些装置是本领域众所周知的，因此在此不再示出。可以在建筑物44的东面，南面和西面采用HPC窗口10’，来聚集直接和非直接的太阳辐射，在建筑物的北面(在北半球)或在建筑物的南面(在南半球)设置HPC窗口10’来聚集非直接太阳辐射。实例例1已经将包含粘合在低铁玻璃平板上的多重复用(角度，光谱和空间)全息薄膜制成具有大接收角度。将明胶全息薄膜涂布在3mm厚的低铁玻璃(Solarphire玻璃)平板上。使用波长为488nm的氩离子激光器将全息光学元件记录在薄膜中。然后使用Springborn实验室的EVA粘合剂将该薄膜平板粘合到另一个3mm厚低铁玻璃平板(Solarphire玻璃)上。EVA是光生伏打模块结构中通常所使用的一种粘合剂。然后使用NOA61光学粘合剂将光生伏打电池粘合到玻璃的后表面上。然后通过使用传统的3M高粘性双面胶带将一薄铝板粘合到电池的后面来保护电池的后表面。测得该装置为6英寸乘9英寸大小。PV电池为1英寸宽，4英寸长。全息区域扩展到电池的边缘之外，路径为1.5英寸。刮去平板周围0.25英寸的明胶薄膜，一旦层合完该装置，在刮去明胶薄膜的0.25英寸宽度内提供EVA粘合剂对玻璃进行密封。这种密封保护明胶薄膜不受水分的影响。使用聚氨基甲酸酯粘合剂在层合板的外部周围设置一另外的密封。HOE收集波长为大约400至900nm垂直入射的光。峰值衍射效率为60％。测得该装置的电转换效率为5.1％。该装置聚集来自160°每日角度变化和入射角中45°季节变化的能量。例2与例1中所描述的相同的方式构成一双层全息薄膜层状装置，差别仅在于附加的全息薄膜层加在第二片玻璃上。由于HOE中的差异，这两个薄膜层聚集来自太阳光谱的不同部分的能量。两个薄膜组合成的堆形成了一角度和空间复用装置，用于聚集宽入射角范围内的太阳能。第一薄膜聚集光谱的可见部分(大约400至700nm)中的能量，第二全息图聚集红外能量(大约700至1100nm)。峰值衍射效率为65％。测得该装置的电转换效率为6.1％。该装置聚集来自160°每日角度变化和入射角中45°季节变化的能量。
上面的描述包括许多特殊细节，这些不应该构成对本发明范围的限制，而是作为本发明的一个最佳实施例的例子。可以进行多种其他的变型。例如，对全部颜色记录敏感的单一全息薄膜将允许在一个薄膜中进行光谱复用，可以使用32个光束对进行角度复用，每5°太阳角度变化一对光束。然后可以对该薄膜进行非均匀膨胀来增加光谱带宽。另一种变型可以是仅使用少数几个角度复用光束，仅对每天的有限数量的小时的光进行聚集。也可以使用全颜色记录薄膜和非均匀膨胀来实现。因此，本发明的范围不应该仅由所描述的实施例确定，而是由所附权利要求和它们的合法等效范围确定。
权利要求
1.一种用于收集和凝聚光辐射的全息平面聚光器(10’)，所述全息平面聚光器(10’)包括(a)至少一个高透明平板(12，12’)；(b)至少一个设置在该高透明平板(12，12’)的一个表面(12a)上以形成光导结构的多重复用全息光学薄膜(14，14’)，所述至少一个多重复用全息光学薄膜(14)中已经记录了具有两个或多个被角度和光谱复用的区域(14，114，214)的多个衍射结构，所述多重复用全息图适于将所述光辐射耦合到所述高透明平板(12，12’)中，使得所述光辐射无损耗地通过所述高透明平板(12，12’)与所述多重复用全息光学薄膜(14，14’)，所述多重复用全息薄膜(14，14’)被复用以减小所述全息平面聚光器(10’)中的再次耦合损耗；以及(c)至少一个光生伏打电池(30)，固定在所述至少一个多重复用全息光学薄膜(14，14’)下面，固定在与太阳辐射的入射相反的一侧，通过记录在至少一个薄膜(14，14’)中的至少一个所述多重复用全息光学元件，将每个这种光生伏打电池(30)进行横向界定。
2.如权利要求1所述的全息平面聚光器(10’)，包括至少两个固定在所述至少一个多重复用全息光学薄膜(14，14’)下面的光生伏打电池(30)。
3.如权利要求1所述的全息平面聚光器(10’)，包括两个透明平板(12，12’)。
4.如权利要求3所述的全息平面聚光器(10’)，其中每个所述透明平板(12，12’)具有一固定其上的所述多重复用全息光学薄膜(14，14’)，所述透明平板(12，12’)通过所述多重复用全息光学薄膜(14，14’)固定在一起，其中一个所述透明平板(12)包括一顶板，所述太阳辐射最初入射在该顶板上，另一个所述透明平板(12’)包括一底板，所述太阳辐射在通过所述顶板(12)之后入射在该底板上。
5.如权利要求1所述的全息平面聚光器(10’)，其中所述全息平面聚光器(10’)被安装在一固定的位置，以提供对太阳的被动式跟踪。
6.如权利要求1所述的全息平面聚光器(10’)，其中所述全息平面聚光器(10’)安装在一跟踪装置上，适于每日或每季节或者包括两者对太阳进行跟踪。
7.如权利要求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，所述全息光学薄膜(14，14’)具有第二折射率，且所述第一和第二折射率之间的折射率差不大于大约3％。
8.一种使用权利要求1所述全息平面聚光器(10’)的方法，该方法包括(a)采用角度和光谱复用技术在所述多重复用全息光学薄膜(14，14’)中记录所述多个衍射结构，将所述记录设计成使所述全息平面聚光器(10’)的预定的方向朝向太阳能方向，所述多重复用全息光学薄膜(14，14’)适于将所述太阳能耦合到所述高透明平板(12，12’)中；并且，以任一种顺序，(b)将所述全息平面聚光器(10’)安装成所述预定取向来收集太阳能；以及(c)在至少一个所述高透明平板(12，12’)和至少一个所述多重复用全息光学薄膜(14，14’)的下面安装所述至少一个光生伏打电池(30)。
9.如权利要求8所述的方法，其中进行所述记录，以便(a)所述薄膜能够以小俘获角将光辐射射入所述高透明平板中，或(b)提供两个或多个被不同角度复用以及空间复用的区域，(c)包括两者，从而减小所述高透明平板的再次耦合损耗。
10.如权利要求8所述的方法，其中所述高透明平板包括玻璃片或一种光学透明的聚合物，并被垂直安装在建筑物的一侧作为一窗口。
全文摘要
提供了一种用于收集和凝聚光辐射的全息平面聚光器(HPC)(10’)。该全息平面聚光器(10’)包括一高透明平板(12,12’)和至少一个安装在其一个表面上的多重复用全息光学薄膜(14,14’)。该多重复用全息光学薄膜(14,14’)中记录了多个具有一个或多个角度和光谱复用的区域(14,114,214)的衍射结构。可以将两个或多个区域(14,114,214)构造成可提供空间复用。将多个衍射结构的记录设计成将全息平面聚光器(10’)的预定取向朝向太阳能方向。至少一个太阳能聚集装置(30),如光生伏打电池,被安装在所述全息光学薄膜(14,14’)的下面。通过该全息薄膜(14,14’)和全内反射将光辐射导向平板内,聚集在太阳能聚集装置(30)上。
文档编号G02B5/18GK1358333SQ00809536
公开日2002年7月10日 申请日期2000年5月25日 优先权日1999年5月28日
发明者格来恩·A·罗森伯格 申请人:特尔雷森有限责任公司