利用熒光光源的準直全內反射透鏡裝置的制作方法

專利名稱：利用熒光光源的準直全內反射透鏡裝置的制作方法
技術領域：
本發明一般涉及輻射能特別是電磁能的聚集、改向和控制。更詳細地涉及為了例如在激光光譜測定法中使用，使其元件采用全內部反射(TIR)的透明的透鏡裝置和聚焦輔助透鏡以及波長選擇濾光器結合使用的設備和方法。
使輻射能改向到預定的區域或許多區域，或者從預定的區域或許多區域改向，這樣的改向具有預定的聚集密度和/或預定的色散。如在光照明情況中，這些區域有光源或者具有用于使改向的能量轉換到熱能、化學能或機械能形式的輻射能接收器。
輻射能聚集和照明的在先技術一般由二種主要類型組成，以折射和反射的天文望遠鏡作例子，位于接收器或光源前面的折射透鏡；或者位于接收器或光源后面的后向反光鏡。在太陽能聚集的在先技術中，相應的裝置是Fresnel透鏡和拋物面反射器，使太陽能聚焦在靶子上。更進一步，在那里是非成象的反射光會聚器，雖然在只作季節性調節的情況中具有使每天(非跟蹤)位置固定的優點，但是有要求比較大的反射器面積和只傳送比較低的能量密度的缺點。
雖然Fresnel透鏡組完全由折射元件組成，但是Fresnel透鏡組具有高f/比帶來的改向輻射能的物理學上固有的局限性和龐大的聚能器結構。并且，線性Fresnel透鏡組具有也為折射定律中所固有的在最佳方向上的偏離角度。聚焦誤差，而使單軸跟蹤結構局限于比較低的聚集。
盡管注意到拋物面反射器聚能器有廣泛的用途，但是因為接收器位于光源和反射器之間因此被遮光，所以拋物面反射器聚能器承擔接收的輻射能的損耗，特別在焦點上避免使用大的發熱器具。更進一步，接收器容易受到環境的衰變和熱損耗的影響；和包括有關接收器的保護的透明覆蓋裝置在內只會降低系統的光效率。
另一種反射裝置發表在例如由Rabl在Solar Energy(太陽能)19卷5期報導的文獻中。這種反射裝置使用二個TIR面的元件，使進入的輻射能通過同一側面而輸出的后向反射器。這只不過是在同樣形狀的金屬鏡上的改進，可能有較高的反射率，但是雙內部反射使制造誤差的靈敏度加倍，超過本發明的制造誤差的靈敏度，全內部反射僅在單反射的情況下通過其本身使輻射能改向。
TIR透鏡的主要目的是克服在先技術的上述問題和在先技術帶有的上述困難，并提供一種在應用中使用的包括輻射能的收集、會聚、改向和波長分裂的新穎的基本器具以成本效益和效率非常高的方式收集和使用輻射能的裝置。
在對美國專利(U.S.Patent)4,337,759的要點作改進的本發明，基本特點在于應用一種使用單由TIR或者結合折射作用改向輻射能的元件的透明裝置，這樣的裝置位于輻射能量源和接收器之間。在能量的內部通路通過元件期間，每個元件使輻射能改向到共同的靶區或許多靶區上。正確取向的射線通過入口面進入并射到反射面，使正確取向的射線朝向出口面改向，這三個面由這種射線的有效面組成。此外，透鏡裝置至少與經由TIR面通過入口面和出口面之間使輻射能改向的面中的一個面有關聯。
因此，本發明的特點在于改向輻射能的通路整體通過發射主體裝置和在反射后經由有關聯的透鏡裝置通過其進入側面的相對的側面而射出。本發明構成三級輻射能聚能器，除用于聚集能量外還應用于其他形式的輻射能改向，波長分散或準直。除了在不規則取向的射線(例如斜的太陽光的漫射室內光)時可以沖出表面外，對于所關心的射線(例如，如在相對平行射線的太陽能聚集中)來說，元件的其他一些表面可以是無效的。
TIR元件可以是鄰接的方式，形成透明的覆蓋罩裝置、或者可以是分開的方式，以使未偏轉的光在TIR元件之間通過，例如被在靶子背后的反光鏡聚焦，由此可以從所有的方向照射靶子。
在有或沒有波長分散的情況下，可以通過使入口面和/或出口面獨立的、非垂直轉-角度對著被改向的平行射線或者通過在出口面上的衍射柵可控地達到每個元件能夠使進入的所有的平行射線改向成單一的新方向或者使所有的平行射線分裂成幾個方向，這種控制可以通過二元鏡片的重現技術實現。
在TIR單獨被限制在大于臨界角的入射角和由此被限制在小于180°-2°臨界角(對于聚丙烯類，大約為96°)的任何改向彎曲角時，在有或沒有波長分散的情況下通過上述的入口和出口面的不垂直轉一角度，追加改向是可以實現的。象這樣大的彎曲角可以使給出直徑的透明裝置比局限于單有折射的裝置更靠近靶子，由此大大地減少必需的支撐結構。更進一步，來用90°以上率曲角的透明裝置能夠使用從靶子延伸到裝置的邊沿的平坦的反射鏡，因此使太陽能聚集增加一倍或者使光源的截取效率增加一倍。
由于給出的接收角(偏離平行的)對靶子尺寸產生成比例的要求，所以靶子可以被反射鏡的平面平分，并在沒有減小接收角的情況下通過隔絕面向離開改向主體裝置的方向的靶子的一半，產生為原來尺寸一半的實際上的靶子。相反地，能夠使靶子在尺寸上增加一倍，以得出加倍的接收角，然后通過反射鏡返回到原來的地方以使靶子在尺寸上減半。使熱損耗減半的這樣的驚人的能量資源只有本發明才有，因為平面反射鏡會覆蓋孔徑，所以對于90°邊緣角的拋物面反射器來說是達不到的，對于Fresnel透鏡來說，由于其很小的邊緣角所以也是達不到的。
和Fresnel透鏡不一樣，色差完全與彎曲角無關并且具有對波長分散應用這一類的太陽能照射或滿足帶隙要求的光電壓電池所希望的任一個正、零和負的數值。和拋物面反射器不一樣，元件的改向彎曲角是與其位置無關，大大增加設計靈活性。(由于拋物面反射器是平滑而連續的，所以從一個光點到鄰近的一個光點的改向彎曲角不可能有任意變化。)本發明對美國專利4,337,759的要點上的改進中的第一個改進是單一透鏡元件的面曲率，可以在面(入口、出口和TIR)中的一個、二個或所有三個面上形成這樣的曲率以及例如可以構成凹形入口面、凸形出口面和/或凸形TIR面。
在平坦的刻有小面的面裝置上是這樣改進輻射能處理，正如例如來自線或點光源的射線的改向那樣，在內部屏蔽和TIR面傾斜角的限制范圍內，在使用許多面的裝置中產生不是平行就是聚焦的輸出光束。并且由于可以利用每個面能單獨地成曲形或者各種面曲率的組合來最大程度地減小由小面的限定尺寸引起的色差，所以獲得在射線準直和聚焦上的改進，并增大設計的自由度。
為了減少制造中的質量控制，成曲狀的小面的面能夠形成具有在透鏡軸對稱軸上的中心的球形。當通過模壓剛性材料制成軸對稱透鏡時，預防限制這些面的曲率的下部凹進內部的面。這種限制不能應用于彈性透鏡材料。
TIR透鏡的小面設計具有四個自由度入口面的角度、TIR面的角度、出口面的角度和在內部鄰接小面的位置。滿足設計解式需要用于求出這四個角度的四個必要條件。在下面說明的多種設計中，預先指定的選擇方案限定自由度。因此，一般說來，必要條件為a)光從源到靶的改向；b)通過TIR面的光的全截取；c)為了最大的熱力學效率，出口面的全照射；和d)由于下一個小面向內所以小面的入射和出射射線互相不干涉。
一般，從最外部或邊緣形成TIR透鏡，小面以一個小面一個小面的方式朝向內部，根據控制的數量累接。四個必要條件形成解其根值求四個未知數的一組非線性方程式。因為沒有解這樣的方程式組的一般方法，所以典型的計算機程序使用解多維空間的鄰域中假設擬線性的矩陣求逆方法。這要求這種多維空間的一些先前的知識以使解檢索的起始點是在擬線性狀態的范圍內。這種先前的知識取決于小面是三角形還是四邊形，制造者給出較寬的小面之間縫隙角度，而這樣是比較容易做到；但是四邊形增加另一個自由度，使所有的透鏡形狀的較寬的選擇方案能夠實現。
使小面的這種第四光學上無效的側面的角度一般被設定在把透鏡從壓模拉出的最小設計角度(約2°)。就只帶有幾個小面的小型透鏡來說，為了提高透鏡的高度和改進準直，也有一個鄰接的小面比其相鄰的小面大或小的可能性。
根據彼此無干涉的準則確定的相應小面的位置確定所有透鏡的外形，外形應該是低還是高取決于應用。在太陽能聚集器中，應該使透鏡的高度減小到最低程度，以減小太陽成象的光點尺寸。在聚焦或準直的TIR照明裝置中，具有更高一些的透鏡高度應該是有利的，以便在中心小面位置上使照明源的設備尺寸減小并由此收緊輸出光束。這種考慮不適用于發散TIR透鏡，因為只要求效率而不要求光束緊密度。
小面曲率的重要用處是在只有幾個小面的小TIR透鏡中例如發光二極管的準直器。由于在制作壓模中的難度所以模壓非常小的小面可能是不理想的。成曲形的刻有小面的面可以使比較大的小面象小的小面一樣精確地制作。對于在車輛的后面的紅燈來說，發光二極管的透鏡是使人感興趣的。事實上，可以使TIR透鏡放到通常的LED(發光二極管)的透明覆蓋罩中，大大提高其發光效率。
關于美國專利4,337,759的要點上的進一步改進是為了使光聚集在透鏡前面的光點上，改向來自光源的光的透鏡。
對于這種應用來說，TIR透鏡優于通常的橢圓面反射器，有二個原因。其一，透鏡和其有關聯的平面后向反射鏡收集光源的所有輸出并使其聚焦。橢圓面反射器一般僅收集光源輸出的四分之一。
其二，小面結構具有有效的聚焦能力是可以實現的；就是說，在焦點上的光點中心上，整個透鏡看來象光源本身一樣光亮，這種狀態大家知道是“全閃光”，對于縮微膠片和幻燈放映機的特有功能來說是重要的。因為象差為橢圓面反射器所固有的，所以它永遠不會全閃光，產生的而是非常寬的在焦點上的光點。通過刻有小面的出口面可以使TIR透鏡全閃光，以使階梯臺階具有平行于即時從出口面出射的內部射線的階梯的“豎面”。然后，從TIR面出射的光必須照射小面的全部出口面，通過TIR面的曲率可以滿足條件。
更進一步，出口面可以大致具有與入口面一樣的折射彎曲，防止無用圖象放大，加寬在焦點上的光點。在每個刻有小面的面上獨特的凸面曲率對于這種設計的成功是非常重要的■入口面曲率可以使整個TIR小面被使用，通過少量的聚焦，防止任何光未射入TIR面；■TIR面曲率可以使整個出口面被照射，防止任何光射到樓梯臺階豎面或者鄰接的TIR面；和■出口面曲率使光聚焦在靶子，消除受限制的小面尺寸的影響。
這種聚焦結構便有二種大大改善在先技術的光利用效率的著各應用幻燈片圖象放映機、電影或縮微膠片。目前設計使用低的截取效率(即在裝置的輸出圖象中的實際上終端的光源輸出部分)為橢圓面反射器所固有。
本發明的TIR透鏡可以和消球差透鏡一起使用，以便去除余弦-四分之一的在先技術特有的光照不均性。隨著階梯豎面轉向平行于聚焦射線，為確保焦點錐面的空間連續性，TIR透鏡的這種型式一般具有階梯形的出口面。可以使小面形成的面成曲形以便增大輔助透鏡的作用。
用于這種應用的TIR透鏡的另一優點是TIR透鏡在方位上抹去光源中的任何結構，去除為橢圓面反射器成象作用中所固有的圖形干擾源。
■用于光纖束和光管的光照注射器。在光照注射器中在先技術還使用橢圓面反射器。TIR透鏡具有與靶子接受角相匹配的焦點錐面半角。
■用于分析受激發射拉曼或光熒光的試樣的漫射發射光的光譜儀的聚光裝置。
通常光譜儀一般用顯微鏡物鏡收集緊接著把聚焦的激光(50微米)輸送到試樣以后的這種光。這些物鏡一般具有等于其直徑的焦距，以使物鏡弦邊對著大約50°的角和收集5％的漫射發射輸出。
聚焦TIR透鏡可以收集一半以上的這種反射光，由于信噪比較大，所以信號增加九倍大大有助于光譜分析。
■TIR透鏡改向來自光源的光，以便形成發散的圓錐形光，如在泛光照明應用中那樣。
對于45°或較小的圓錐角來說，這樣的透鏡比通常的相應的反射器更有效并且更緊湊。這種發射既可以用于均勻照明還可以用恰當的刻有小面的面的曲率調整小面離光源的不同距離，得出從位于透鏡前的虛光源有效地產生的虛象。
■用于圓柱形光源的線對稱TIR透鏡的二種類型(例如熒光管)一種類型，使其輸出限制在相對狹小的偏離軸的角度內。在在先技術情況事，只有相當深和大的體積的反射器的情況下才可能實現。
一種類型，減少其在軸上輸出和增大橫向輸出，以便在附近的表面上產生用于間接照明的均勻照明度。這樣的形狀看來與其他TIR透鏡很不相同。
直線型TIR有一些由徑向射線內部反射造成的不足，因此在超過內部反射的臨界角的總入角時透鏡側面部分碰到出口面的情況下從直線型光源以大的平面輸出角發射射線。大多數用于徑向對稱透鏡的設計在實施直線型透鏡時將在無論什么時候，在平面輸出角都超過40°的條件下擁有從Lambertian光源或均勻光源發射的全部射線的一半。用沿透鏡的輸出端面的溝紋可以補救這種在透鏡內光的截獲，遺憾的是由于側面部分已不再是恒定的，所以這種溝紋不可能通過沖壓加工制作。另外一種方法是通過透鏡外側面上的微小的階梯結構外連二元鏡片。
另外使用透鏡的設計用于環形熒光燈。TIR透鏡外形具有其在環形燈的圓形橫截面上的對稱軸。整個透鏡是一種回轉輪廓，其軸是環形的軸，而不是透鏡外形的中心軸。更細的環形燈，最好能夠通過透鏡控制它的光。
目前，沒有收集象這種燈的光和使許多改向成向前射去的光束的反射器。這種環形TIR透鏡對于電池供電的熒光信號燈是非常有用的，目前還不能提供任何聚焦諸如此類的資料。
用硅制作準直的TIR透鏡由于這種材料的高折射系數，所以使硅的小面的折射面改變一個角度與玻璃透鏡比稍有不同。硅透鏡的應用是用于紅外光準直和可見光隔離(由于硅吸收小于1.1微米的所有波長的光)。
這種應用的目的是用脈沖紅外光的聚焦光束干擾紅外線自動引導防空導彈的制導傳感器。在先技術使用和硅窗口結合一起的效率很低的拋物面反射器，正如在許多夜視裝置中可以找到硅TIR透鏡，那是一種非常新穎的紅外反光鏡。
在具有成曲形的側面部分的棱鏡、連接的直線型或環型棱鏡一齊起作用的陣列、從線光源或點光源出射的射線改向、球形波和平面波的聚焦、比拋物面反射鏡好的準直和比橢圓面反射鏡更有效的聚焦的TIR透鏡應用中，可以看到本發明的優越性。
發明的另一個目的是提供一種輻射能改向裝置包括a)輻射能發射主體裝置，b)該裝置包括許多元件，許多元件中的每個元件作為輻射能改向的組件，在其橫截面圓周上具有接收進入到圓周內部的射入能量的入口面、以離開入射的側面朝著主體的反向側面的方向通過能量到圓周的外部的出口面和相對于入口和出口面改變角度以使從入口面射入的輻射能改向到朝著出口面的全內部反射面。
c)一般使入射輻射能改向朝向位于離開和相對于入射側面的主體反向側面上的預定的靶區，d)至少組合許多面中的使輻射能改向經由全內部反射面在入口和出口面之間通過的一個面的第一透鏡裝置，改向的輻射能是準直的，e)和與出口面留有間隔以接收準直的輻射能并使其朝靶區改向的第二透鏡裝置。
本發明的又一個目的是提供一種裝置，指的是，在這里第二透鏡裝置是聚焦Fresnel透鏡，可以使波長選擇濾光器安裝在準直輻射能的光徑中，準直輻射能被改向朝向靶區；和該濾光器可以延伸在極接近于第二透鏡裝置的地方并延伸在第二透鏡裝置和第一透鏡裝置之間。進一步，第一和第二透鏡裝置可以確定通過靶區的主軸，和主軸可以垂直于由第二透鏡裝置和濾光器確定的平行面延伸。
進一步的目的涉及在其周圍入口、出口和全內部反射面延伸的中心部分的裝置，中心部分包括顯微鏡物鏡；和反射鏡可以置于上述的第一和第二透鏡裝置之間以向上述的主體裝置的上述的中心部分反射光。
附加的目的是提供發光設備包括a)具有許多小面和在長度方向上延伸的TIR透鏡，b)面向TIR透鏡并且也在長度方向上延伸的、一般來說在方向上相對于在長度方向上延伸的TIR透鏡對稱的光源。
如將所見到這樣，光源可以直線地或者沿弧線(例如環形)延伸；TIR透鏡也可以直線地或者沿弧線(例如環形)延伸。可以由如所述的取向的熒光管或熒光燈泡有利地組成光源。
根據下面的詳細說明和附圖，本發明的這些目的與其他目的和優點，以及說明實施例的細節內容更會被充分理解。
附圖的簡略描述

圖1是表示實施本發明的裝置的一種形式的垂直剖面圖中的垂直剖面；圖2是表示實施本發明的裝置的另一種形式的垂直剖面圖中的垂直剖面；圖3是在圖2中線3-3上的放大剖面圖；圖4a-4e是穿過各種結構的元件的放大剖面圖；圖5是表示稍有不同的太陽光聚能器的一部分和使用結構類似圖1的剖視圖；圖6是表示一個與圖1或圖5類似的裝置和另一個準直器配合操作的二個裝置的示意圖；圖7是穿過在圖6中使用的準直器的放大剖面圖；圖8-11、13、14和15是表示各種應用的輻射能聚集裝置的示意圖；圖12a和12b是表示改進型聚能器的局部剖面圖；圖16-18表示各種曲面透鏡表面構造；圖19a-19c是表示由各不相同的曲率產生光射線的剖面圖；圖20是表示有三個曲面的小面的剖面圖，說明小面設計的一般原理；圖21是表示供發光二極管使用的進一步改進的輻射能聚集裝置的剖面圖；圖22是表示用能通過紅外(IR)光的硅制成又另外一種改進型輻射能聚集裝置的剖面圖；圖23是表示如在圖21a中使聚焦光射向光導管的輻射能發射主體裝置的剖面圖；圖24是表示使發散光校正成泛光照明的輻射能發射裝置的剖面圖；圖25是表示使光從層狀受激試樣聚集到分光光譜儀的輻射能發射裝置的剖面圖；圖26是表示使光從喇叭口形光源射出的輻射能發射裝置；圖27是除表示在收集光或輻射的光程中安裝輔助透鏡和濾光器外類似圖25的剖面圖；圖28是表示喇叭口形TIR透鏡和喇叭口形光源，例如熒光燈的剖面圖；圖28a是表示如在圖28中可看到的反射器和燈表面的示意平面圖；圖29是曲線圖；圖30是表示具有峰狀反射器結構的改進型式的類似圖28的剖視圖；圖31是表示比較亮度的示意圖；圖32是表示直線型TIR透鏡的透視圖；圖33是穿過圖32透鏡、細長光源和反射器組合而形成的孔徑燈的剖面圖；圖34、35a、35b和35c是射線軌跡圖象；和圖36和37是幾何表示。
進行本發明的方式和工業上適用范圍如美國專利4,337,759所述，并參考圖1，輻射能發射主體裝置10，以覆蓋罩或圓頂罩的形式具有許多在11上的小面或元件，每個小面具有接收上述的輻射能射入的入口面、使能量通向主體外的出口面和相對于入口和出口面成角度使入射到反射面上輻射能反射到出口面的內部反射面。例如，在圖1和4d中，選擇的小面11在垂直的橫向部分中具有由階梯形的面12a和12b組成的入口面12、面向靶區15的出口面13和內部反射面14。由在平坦的面12a和以該面的法線方向射入主體裝置10并為了被面14反射而在小面內部通過的射線16a和16b代表輻射能，例如光。為了這個目的，可以使面17鍍銀。然后射線16c從出口面13的法線方向通向并透過出口面13，直接通向靶區。
主體裝置10可以用固體透明材料，舉例來說，例如玻璃或塑料組成。
圖1所示的許多小面11可以相對于確定的共同軸18環狀延伸；或者圖1所示的許多小面11可以交錯地用18表示的和垂直于圖1的圖面的平面的相對側面上成平行關系(垂直于圖1的圖面)地延伸。無論是這樣還是那樣，在小面的尖端確定一個在21(由最接近靶子的小面頂尖確定)位置上的凹形表面，而特點在于使透過出口面的輻射能全部射向靶區。在面13和14的界面上形成頂尖22。表面21是拋物面的。
圖1中連續的小面進一步特點在于小面的凸出部分的相鄰面24和14之間存在錐形間隙。面24是無效表面，即，不通過輻射能。例如，看圖1中表示的射線25和26。在靠近TIR透鏡10的外側邊緣21的地方，通過TIR透鏡10的有關的小面使射線25朝著靶子改向幾乎是90°。圖1和圖4的分析將表明，對于在離軸或平面18的間距上增大的小面來說，角α(射線的彎曲角)增大；而對于在離線或平面18的間距上增大的小面來說，角β(小面相對于與線或平面18平行的線或平面的棱角)增大。并且，入口面形成階梯形圖案。
圖1進一步表示與TIR透鏡或主體10有關聯的并置于TIR透鏡或主體的中央部分的Freshol透鏡29；象這樣使入射輻射能折射射向靶子的Freshl透鏡29置于改向最少的即以最小的角度改向射向靶子的射線30的光程內。例如，透鏡29可以與透鏡10組成一體。
進一步，在位置30上表示彼此隔開并面向在靶子側面上小面的反射器或反射鏡表面。表面30被調整到使散射的或發射的輻射能從一末端的外部小面折射射向靶子。關于這一點，看射線31和反射點31a。由于能夠使二分之一的無光照底部良好地隔熱，所以這可以在沒有表面30的情況下使靶子受到熱損耗影響的面積減半。
同樣地圖1所表示的是可控地使透鏡10和29以及反射器30的組件傾置的裝置的一種形式，以使軸18保持對準相對移動的輻射源例如太陽。在那樣的例子中，基座板32通過主體裝置10的末端外部邊緣部分100支撐反射器30以及圓頂形透鏡10和29。環形齒輪33支撐板32，并與齒輪34嚙合。驅動電機35轉動齒輪34以可控地轉動環形齒輪33，而控制單元控制電機35。單元36使光電池37和38保持對準光源的方式響應光電池37和38。光電池在適當位置例如靠近其圓柱形表面的99上由板32攜帶。
靶子例如可以由熱傳導性的流體容器組成，以把熱量傳送到容器中的流體，例如管道里的水。
在圖2和3中，數詞100和129表示與上述的透鏡10和29相當的透鏡。透鏡100和129在箭頭149的方向上延伸并被用150和151標示的支座攜帶。V形屏蔽罩152具有與透鏡主體100的相對的邊緣連接的邊緣部分152a，以使屏蔽罩和透鏡劃定一個界限。
輔助的絕熱管狀屏蔽罩153在這樣的界限內在具有固定(不能轉動的)位置的流體罐154周圍延伸。流體罐的支撐可以采用以155和156表示的支架形式，軸承安裝在157和158位置上以使流體罐和屏蔽罩圍繞軸159與透鏡組一起轉動。使屏蔽罩153在位置160和161上切開，在用滑動片163防止受熱空氣從間隙162逃逸時使從透鏡組件射入的輻射能被流體罐吸收，界限具有反射的內側表面152b。
冷卻液，例如水經由管道164進入流體罐，在流體罐內受熱并排放到流體罐下游端164a位置上。溫暖的流體緩慢流動在200位置上返回流體罐，通過與外部管道164接觸進一步受熱，流體在輸出口165離開流體罐。犧牲陽極166在水中受到侵蝕，抑制對流體罐自身的任何在電解上的侵蝕。并且，當太陽輻射能被中斷或者不存在時例如在夜間，使在水中的備用加熱器通電以使流體罐中的水加熱。可以在屏蔽罩153和流體罐本身之間的162位置上形成空氣間隙。在170位置上表示太陽跟蹤機械裝置，轉動裝置以保持太陽射線垂直地射向透鏡100和129，也就是在圖3中方向171上。
在操作中，由于通過間隙160和161便于使朝向平行于箭頭171并使透過透鏡100和129的所有輻射能改向對準流體罐以加熱流體罐中的流體。并且看窗口162和162。采用大角度即差不多180°收集太陽射線，如上面圖中所述。間隙周壁153a是反射的并且除了在這里所表示的筆直管道外可以具有其他的曲面形狀，以便第二次聚集。來自漫射光源例如天窗照明的發散輻射能被涂黑的屏蔽罩153的表面153a和130上的透鏡支撐片吸收。
元件的各種幾何結構和元件的各種排列是可以實現的，在這里，雖然各種元件結構具有相同的三個有效面的相關的角度，但是在透明的裝置內有不同的使用；例如，在入口面能夠在有小面的臺階上或者甚至在完全平滑的覆蓋罩表面上時，TIR面能夠在或是主體裝置的側面上或是在隧道內遂道的周壁上有小面的縫隙內。
在圖4a中，在出口面42具有階梯臺階42a和42b時，隧道40形成TIR面41。在圖4b中，具有TIR面51和入口面54的縫隙50是在主體裝置的入口側。出口面52具有階梯臺階52a和52b。在圖4c中，隧道60形成TIR面61，而入口面62和出口面64是在平滑而連續的表面上。然而，因為通過入口面62，射線43的折射彎曲，所以TIR面必須比圖4a的TIR面41或圖4b的TIR面51長。一般說來，TIR面的長度相對于小面的寬度為TIR長度＝COSδ/(COSηCOSη)式中η是射線63a與表面法線66的入射角、δ是改向射線63b與66的角度、K是反射線63c與出口表面法線67的角度和λ是受折射的63d與67的角度。由Snell定律給出這些角的關系式Sinη＝nsinδ和sinλ＝nsink式中n是主體裝置材料的折射率。為了改向鄰接元件對準靶子，使所有平行射線射入鄰接元件，必須在具有以靶子作為其焦點的拋物面反射器上或上方處處相對地安置鄰接元件并且邊沿傾斜角等于二分之的邊緣角(即最外元件的改向彎曲角)。
在圖4d中，“末端”射線16c必須通過內部的相鄰小面的尖端22而另一末端射線16b必須通過縫隙23的頂點27。這些通過條件要求透鏡傾斜角η大于或等于TIR傾斜角，在幾何學上相當于是在拋物面反射器上或上方的切線22。
注意圖4中所有的結構具有相同的彎曲角α而除圖4c外具有相同的垂直入口和出口面。注意例如圖5中“覆蓋罩”310的元件311，在拋物面反射器321上方正切于尖端322。同樣注意線324。在拋物面反射器下面的在邊沿具有相同的傾斜角的這些尖端，例如四分之一園325的尖端，會在這樣的階梯臺階結構中損失一些元件間的沖擊，對于圓柱形和球形來說，大約為10％。但是使用薄的柔性的可膨脹的圓頂罩作透明覆蓋罩裝置，象這樣的損失理應是值得的，特別由于未射中靶子的射線仍然會被改向到覆蓋罩內的空間位置，所以加熱封閉的空氣促使增壓。注意圖11有關無沖擊的圓形結構。
一種交錯的小面式樣試圖通過在射線射入TIR之前聚集射線，使這樣的沖擊損耗減小到最低程度。凸形和凹形的入口和出口面就適合這種式樣，盡管是在通過使透明改向裝置更靠近靶子比某些應用大得多的覆蓋罩的聚集比和接收角有些降低的情況下。
對于較小的彎曲角來說，在需要形成低彎曲角元件的TIR面的圖4d中的隧道或縫隙23做得很狹窄上遇到困難。通過提高在拋物面反射器321上方的外形以使縫隙和隧道加寬到超過其最小寬度范圍，多少能減輕一些這種困難。減輕上述困難的另一種形式是彎回圖5的出口面311，角度轉變到使出口面311折射改向與TIR面的改向相對，因此TIR面可以在不太陡的傾斜角的情況下具有較大的改向彎曲角，產生較寬的隧道或縫隙。
在圖5中，注意射線330不是垂直射入出口面11，以使射線330a朝向靶子折回。這樣可以實現比出口面是垂直的而TIR面處于較陡的角度的時候實現的縫隙是更寬的縫323。上述的凸形入口面也會加寬縫隙或隧道。
加寬縫隙的另一種方法是在圖4e中表示的有小面的出口面。在縫隙70那里開口直到縫隙緊密接觸末端射線73b。出口面74具有分別垂直于或平行于反射線73b的階梯臺階74a和74b。可以使高折射系數(假設n＝4)的一連串薄的微小結構的元件交錯地嵌入主體裝置中形成更合適形狀的元件。特殊的制造方法和設計應用將決定Freshel透鏡轉換位置，或者決定射線通向在靶子下方小拋物面反射器的窗口轉換的位置，由此從全圓方向照射靶子。
另一種可能的結構可以有使輻射能射向到中心靶子的裝置的外部部分，而內部部分只用大的彎曲角使能量全部改向到外部靶子。所有這些結構是由本發明的基本方法轉化而來的；許多TIR透明元件、合適地安置入口、出口和TIR面使輻射能改向到預定的靶區或改向到靶子立體角的位置。
同樣可以用的是一種焦距能夠比任何拋物面反射鏡短而聚集度增大一倍的覆蓋罩裝置(如在10或110上)，而且這種覆蓋裝置是沒有陰影的并產生氣動阻力比凹形拋物面反射鏡低的凸形表面。這使覆蓋罩裝置的靶子在靠近重心和比拋物面反射器的靶子更接近地面的地方安裝在接收器裝置上，易于設計和維修。最后，TIR面的幾乎100％反射效率產生比用拋物面反射鏡更多的高效率能量資源。
在圖1和5中，當然，把元件11和311整體而連續地連接在一起，以覆蓋罩的一般形式形成輻射能傳送裝置。后者具有平臥在覆蓋罩的相對側面上的能量入口表面(例如圖1中頂表面)和出口表面(圖1中底表面)。覆蓋罩使離開出口表面的輻射能一般具有與在入口表面上能量射入的方向不同的方向。并且，許多TIR面是位于在出口面上縫隙附近、貼近出口面，如以上所提到的那樣。入口表面具有有小面的階楷臺階結構。覆蓋罩的出口表面平臥在遠處而離開靶子比離拋物面反射器更遠(見21和321)。覆蓋罩可以用透明材料例如塑料組成。
圖8示意表示相當于圖1的裝置10或圖5的裝置310或者等效的裝置410。在415位置上表示靶區，后向反射器裝置412在靶區前留有間距并面向靶區，以致使輻射能改向到靶區。見射線413。
圖9示意表示在靶區上的430位置上的輻射能量源裝置(例如光源)。用主體裝置435(類似10或310)以反向定律使源裝置430發射的輻射能改向。見射線436。
圖10a和10b表示具有在圓柱形靶周圍環形地延伸到均勻小面的“單彎曲”透鏡的二種變化。在圖10a中，圓錐形主體裝置440的所有小面444使射線443彎折90°射入到圓柱形靶441。在圖10b中，平坦的主體裝置445具有使射線447彎折45°射入到圓柱形靶446的一樣的小面448。
圖11表示封閉在覆蓋罩裝置459的出口面前的空間461的結構裝置460(類似10或310)，以致空間461氣氛的增壓會使柔性覆蓋罩裝置保持其具有曲率中心在點426上的膨脹形狀即球形。注意靶區462、增壓裝置例如泵463和射線464。具有微小鋸齒形小面如插圖所示的薄層465粘附于覆蓋罩裝置459的內側。
圖12a表示許多(例如二個)接收來自發射主體裝置472(類似10或310)的輻射能的靶區470和471。每個元件473使許多方向上的能量改向到靶區。因而，每個元件473除了為了實現分別由面474和475改向到二個靶區的二條射線476和471的反射而具有分成二個稍有不同的角度的平面474和475的TIR面外可以與元件10或310一樣。
在圖12b中，TIR面453是射線451的出口面；而TIR面454是射線452的出口面。可以使這種V型60°彎折的對稱情況變換到得出進入的輻射能的不同分布的二種不同的右和左側彎折。
在圖13中覆蓋罩裝置480(類似10或310)具有使輻射能改向不同的靶區的不同元件組。因此，在位置481上的元件使輻射能射向靶子482；而在位置483上的元件使輻射能射向靶子484。注意射線485和486。
在圖6中覆蓋罩或主體裝置510相當于上述的10或310。次級輻射能改向裝置安裝在520上，以截取來自主體510的輻射能并使其改向。注意具有下射到主體510上的射線段521a的射線521；改向的射線段521b下射到主體520；和由主體520發射從屬改向的射線段521c。
圖7詳細地表示主體520，具有入口面530、出口面531和TIR面532。射線521c是可行的，在這種情況下即成準直，所以主體520可以被認為是準直儀。
圖14中表示的裝置除了出口面551相對于通過它們的輻射能各自形成角度，以引起輻射能改向外是與10和300類似。注意面551上被折射的能量束552。并且在圖14中，出口面551可以被認為是使輻射能折射改向與用TIR面553改向不完全相反，后者以較小的傾斜角延伸(與圖1和5中的比)以致加寬縫隙554。同樣注意在圖14中，在556上入口面是平滑而沒有小面的，而出口面551是平行于折射線552b，得出最大程度回折和最小可能的實際上低于拋物面反射器321或圖5中四分之一圓325的入口表面556的傾斜角。
在圖15中，主體裝置560除了使用隨輻射能的波長變化而變化的折射率以致構成波長分散的輻射能改向的發射主體裝置外類似在10或310上的主體裝置。表示二個靶區561和562并彼此留有間距以接收不同波長的波長分裂的、改向的輻射能。注意分裂成射向靶子561的一種波長的射線563a和射向靶子562的另一種波長的射線563h。
同樣在圖15中，每一靶子可以被認為是把輻射能轉換成電荷的一種裝置。象這樣的裝置的一種裝置是光電壓電池。這樣的器件可以放在圖1和5的靶區上。在圖15中，一個靶子可以由接收可見光波長的光照明裝置組成；和另一個靶子可以由在561上接收不可見光波長的熱接收器組成。
當把輻射能量源放在區域562上時可見光波長射線會循著射線563的光程，即被準直，而不可見光較長波長熱射線，會另外從可見光束向外發散，以使射線集中在作用器而不會使作用器承受比可見光輻射能的熱負荷大幾倍的熱負荷。
圖1-15的某些方面也曾在在先的專利4,337,759中討論過。
圖16可以被認為一般是與圖4a或圖4b相一致，也就是，有一個具有入口面601、TIR面602和在主體600上出口面603的透鏡主體600。可以使這樣的面601和面603有小面，如用圖1、3、7、8、9、10和13中所示的式樣。不是所有的上述的面是平坦的，使面601向離開主體600方向凸狀彎曲，如圖16所示；而面602和603是平坦的，如在前所述。為了在605b上反射，發散的入射線605在605a上被折射并在605c上向面603傳播。射線通過出口面603并且一般是被折射在605d上向外傳播，如圖所示。如果出口面603是凸狀彎曲，則射線605d可能是會聚射線。入口面601的601的曲率消除發散并避免任何射線未射入TIR面602。
在圖17中，入口面611是平坦的，如同出口面613是平坦的那樣，然而TIR面612是朝TIR面612的入射線側凹入的，如圖所示。為了在615b上以不同的尖端和角度反射，為了在615c上朝著面613傳播，發散入口射線615通過面611并在主體610內的615a上傳播。射線通過這個面613，一般被折射，在615d上向外部傳播，如圖所示。在采用限制出口面613的數量，使整個透鏡具有較高的外形時，TIR面612的曲率可以使射線615d平行。
在圖18中，入口面621是平坦的，如同TIR面622是平坦的那樣；然而，出口面623在離開主體620的方向上即在離開TIR面622的方向上凹入，如圖所示。為了以不同的尖端和角度在625上反射，為了在625c上朝向面623傳播，可以是平行的入口射線625、通過面621并在主體620內的625a上傳播。然后射線通過面623，和一般被折射在625d上并向外傳播，如圖所示。出口面是完全閃光的，這對會聚TIR透鏡來說，正如所希望的那樣。
其他可能性如下A 平坦 凸形 凸形入口面 ×出口面 ×TIR面×B入口面 ×出口面 ×TIR面×C入口面 ×出口面 ×TIR面×在19a、19b和19c中，主體650、660和670與圖21中表示和描述的主體完全相似。環形小面的曲率稍有變化，以致產生準直光射線664；主體650在654上產生會聚光射線；和主體670產生發散光射線674。在680上表示各種情況的光源。在各種情況中，透鏡的頂表面659、669和679在所示的截面圖中呈圓形彎曲，或者對環形透鏡來說是球面彎曲。
在圖20中，透鏡主體700以與圖19a中透鏡650相同的方式作為一種會聚TIR透鏡。因為透鏡主體700是全閃光，所以其性能是優良的，透鏡主體700產生更有效的聚焦和較高的外形并導致光源的較小的角度放大率和較小的在焦點上的光點。上面的光射線701和下面的光射線702是用于計算小面703邊界角和在內部鄰接小面的位置的定義射線。使透鏡外形線的傾斜角擴大到最大。雖然定義射線一般是發散的，但是可以從光源的不同部分產生；例如上面的射線701從光源的底部產生而下面的射線702從光源的頂部產生，以致上面的射線701和下面的射線702構成光源發射的所有光的最末端射線。
如果確定小面的上面和下面的射線不是光源的最末端射線，則透鏡將把其輸出光的一部分改向到輸出射線。可能出現這樣的情況，如果這部分輸出光和聚焦密度之間有一個折衷辦法，則由透鏡的實際應用判定。
由凹口703n(在這里表示為內圓角)、尖端703t、入口面706的并在出口面707上的上部頂端703u、外部頂端706o和內部頂端706i確定小面703。向內鄰接小面704構成起類似于通常光學系統中的光瞳孔作用的三個限制點尖端704t確定上面的射線701，而下面的射線702必須繞過凹口704n和外部出口面704o二者。入口面706的凸形曲率調節定義射線的發射量，確保上面的射線701未射入TIR面708和下面的射線702射入凹口704n。
為了使圖表示清楚的緣故，出口面707較靠近TIR面708。具有較遠的出口面的較厚的透鏡可以采用凸形曲率(如在TIR面708c)以確保定義射線不射入出口面707的邊緣。如果定義射線射入，則由于定義射線會在豎面709或710上全內部反射，定義射線不會損失并且僅以適度的角度誤差進入透鏡輸出。使豎面709轉一角度剛好通過下面的射線702，在此以后離開透鏡。光學上有效面711保持一個由制作方法(為了注模，一般偏離2°)確定的最小拔模斜度角。使入口面706在小面尖端和向內鄰接的小面的凹口之間一條直線上向下轉比圖19a的透鏡具有的情況更大的角度，促使透鏡外形增高到最大。
總之，小面的四個曲率(三個用于小面的面和一個用于透鏡外形)的唯一確定，要求四個條件(1)總彎曲角；(2)上面的射線落在TIR面上；(3)下面的射線繞過向內鄰接面的凹口；(4)下面的射線繞過向內鄰接的小面的外部出口邊緣。小面的三個光學上有效面的曲率是逐個確定的(1)通過使向內鄰接的小面的尖端提高而使較高的上面的射線射入TIR面，入口面曲率有助于使透鏡外形線的傾斜角增加到最大(這就是通過增大其在源上方的高度，減少透鏡內部小面的輸出光的發散)；(2)通過使向內鄰接的小面的凹口提高，TIR面曲率也有助于使透鏡的傾斜角增加到最大；此外，TIR面曲率可以使出口面是全閃光，一些照明應用的一種重要特性；(3)出口面曲率使聚焦TIR透鏡的在焦點上的光點尺寸減少到最小，和使準直TIR透鏡的光束發散減小到最低程度。
可以選這些彎曲面的非圓形外形，以使通過小面形成均勻的照明。
此外，透鏡的所有小面必須被設計成具有同樣大小的焦點上的光點，然后就會是均勻地照明。圖20的這種討論可以認為是本發明對美國專利4,337,759的內容上的改進而不是受其啟示的重要方面。
在圖21中，環形的輻射能發射主體740的軸出現在751上。主體具有許多一般同軸排列的而其尖端742d到746d逐漸靠近垂直于軸751的平面750的環形小面742到746。小面742的面742a是朝面742b凸的面；而在所示的剖面圖中，面742b是朝面742a凹的面。這種關系存在于其他的小面，如圖所示。
把發光二極管(LED)758置于與軸751交叉面750上并向主體740發射光射線。射線753通過面742a向TIR面742b折射并向上部平面748反射而且通過上部平面748。同樣看到，通過面743a，在TIR面743b上反射和通過上部面748a的射線752改變如圖所示的角度。向上越過面748和748a的所有射線被準直。主體740的橫向寬度例如可以為0.12到1英寸，而透明主體740可以由模壓易塑材料組成。在719上折射面沒有出現小面。較小的透鏡直徑與LED尺寸之比可以得到大的最外邊小面，而向內，小面逐漸減小，以形成較高的透鏡外形，這對于成曲形小面的較好的準直是必需的。
在圖22中，輻射能發射主體760可以具有與圖20和21中所表示的一樣的一般結構。透鏡主體760用在發射紅外射線時用于通過紅外射線而阻擋可見光射線的硅或類似的材料組成。在764上表示弧形燈輻射能光源，處于與圖20中LED的相同位置。可以使用伸入相當于圖21中平面750的平面766的具有拋物形剖面762的反射器表面765。使在767上發射的紅外射線準直而且可以是如在圖19a和圖19c中那樣發散或會聚。如圖所示，注意沒有小面的中心部分770折射射線。陽極和陰極元件764a和764b上可以形成在764上的弧形光源。頂部出口表面759在所表示的剖面圖中成圓形彎曲；而透鏡可以具有階梯臺階有小面的外形。防護透明外殼769使外面的空氣與電弧隔離。
在圖23中，為了產生會聚光并使會聚光射到光管783的輸入端782，主體裝置780可以具有與圖19a中的結構相同或類似的結構。透鏡具有上凸的弓形的上部出口表面即面785、輸入面即面786和TIR面即面787。面786和面787斜坡朝面790向下，相當于圖21中面710。以圖21的LED的方式安置中心光源788。平面反光鏡在相當于平面710的平面790中延伸并且面向上。這種裝置可以使80％以上的光輸入到光管783，而不是象通過通常的橢圓面反光鏡那樣的10％的光。
在圖24中，主體裝置800可以具有與圖21c中的結構相同或類似的結構。圓形彎曲的頂部表面是向下彎曲。就環形一組小面來說，在802上表示透鏡軸。從803到812查看小面。典型的環形小面809具有入口面809a和TIR面809b。注意通過面809a和面801以及在面809b上全反射的射線820光程。在所表示的剖面圖中，面809a和809b中每一個面是平坦的。為了容易模壓制作，所有入口面在方向822上具有拔模斜度。透鏡是透明的并且可以用模壓塑性材料組成。
光源825設置在軸802上而且剛好在空心透鏡的邊界內的平面826上方，如在上述的實例中那樣；和從面802射出的射線827從而802發散，如在泛光燈應用中那樣。表面801所對的圓形剖面半角一般是小于45°大于25°，一般約為35°。
在圖25中，除了中心折射裝置被可以在軸向上輕輕滑入的聚焦在試樣上的顯微鏡物鏡854替換外，透鏡主體850與圖21a中的透鏡主體是一樣的。來自試樣851的特有的漫射(即，在所有方向上)發射856被透鏡850收集并被聚焦在分析儀入射狹縫851上。被準直的激光束855被反光鏡853反射到物鏡854并被聚焦在試樣851上。反光鏡853被移去以便使用顯微鏡物鏡854觀察試樣851和精確地調整試樣位置。透鏡主體850可以向下延伸在試樣下面以收集更多的漫射發射光。試樣851可以是裝有氣體或液體的玻璃毛細管、涂有試樣物質的金半球、在生產線上的集成電路(檢測材料組分或含量)或者生物組織試樣。
在圖26中，透鏡主體具有沿軸863的橫截面，以便調節喇叭口形(一般發熒光的)光源861。在這種燈的正下方是具有圓盤狀的、其里面是平面反射鏡的部分864和在其外邊緣是環形反射鏡865的環形漸開線反射器862。環形透鏡866折射從漸開線862反射的射線868。射線869與圖24中射線820精確地相似。射線867被小面870改向。燈的所有器件、透鏡和反射器組成緊湊的、具有比在反射器設計的在先技術的情況中可以有更窄的發散和更高效率的泛光燈。
現在參閱圖27，為了準直如在955上表示輸入的光或激光束，與圖19b或圖25一樣改進透鏡950。光源或光反射靶(例如激光器)951向TIR透鏡主體950的有小面的側面發射光，有小面的側面使由虛線956和980表示的光射線改向，通過在表面950a上第一折射透鏡裝置并形成在955上被準直的光。然后這種光照射到并通過波長選擇濾光器982，然后通過如在聚焦Fresnel透鏡例子中指出的第二透鏡裝置983。第二透鏡裝置983使在984上的光改向或聚焦在試樣或分析器952。
波長選擇濾光器982是用于濾去準直激光束955中的被動散射光而容許在952上受激發射的熒光波長，例如在拉曼光譜儀中產生的波長通過。濾光器982在垂直于由透鏡950和透鏡983確定的主軸986的平面內延伸，由于濾光的波長與入射角有關，所以為了良好的波長選擇，濾光器要求垂直入射光。濾光器一般濾去激光波長。輔助或第二透鏡裝置983對由環形TIR透鏡950引入的任何象差也能夠起作用。
如在圖27中，也表示能夠軸向地滑入透鏡950內的孔腔里并使輔助光源光聚焦到靶子或激光器上的顯微鏡物鏡透鏡954。注意平行于軸986的954中的圓柱形周邊970和在透鏡950中的孔腔967內滑動。在968上示意地表示軸向上可調地移動物鏡透鏡954的裝置。為了聚焦到靶子951上，如圖所示，可以使輔助光源光965朝透鏡954改向。
現在參閱圖28、28a和29。對于喇叭口(環形)形狀熒光燈來說，使TIR透鏡呈現有效地產生用熒光燈從來不能達到的泛光燈圖形的一種緊湊裝置。TIR透鏡組具有相對于它們的放置光源的橫向部分的中心或是圓形對稱或是直線型對稱。一種新方法是把TIR透鏡1050放在圓形熒光燈的燈管1051的正上方，通過使透鏡沿燈的橫向部分的中心的正方和相對于軸1057的圓周彎曲，形成透鏡。
圖28表示最后所得到的與喇叭口形熒光燈在一起的透鏡。對于所表示的裝置來說，象這樣透鏡的外部直徑一般是其燈的直徑的二倍；而其高度儀為透鏡直徑的1/10。
如圖所示的喇叭口形TIR透鏡的基本性能可以以“越大的透鏡，越緊密的光束”的一般的光學原理為條件。面向TIR透鏡小面1050a的平面反光鏡1052的外形是圓環。為了比較起見，通用的非喇叭口形燈具有外半徑R＝1.25英寸，熒光管半徑r＝0.18”(O.D 2.86”，I.D 2.14”)和亮度為10,000英尺-朗伯或每平方厘米3.4燭光。燈的表面積是全圓環的表面積(即2π2Rr＝8.9英寸2)，雖然其投影面積(4πRr＝2.8英寸2)是與全圓環的投影面積是相等的。另一方面，如圖28所見，喇叭口形TIR透鏡的投影面積為19.6英寸2，大到七倍。在透鏡的照明圖案中心上照明度是單燈的照明度的七倍。
一般來說，喇叭口形的TIR透鏡的增益為R/r。因此，由透鏡產生的光多少有點聚焦亮度圖形。圖29用隨偏離透鏡軸的視角而變的相對于最大值(實線)的百分率表示這種圖形，而虛線表示累積亮度。熒光燈具有在50到65每瓦流明范圍內的發光效率，明顯優于白熾燈的10-20每瓦流明。然而，熒光燈的表面亮度大大低于白熾燈的200-2,000燭光/厘米2范圍。
因為白熾光源的小體積，所以白熾燈可以用于發射細的光束。但是對于泛光來說，喇叭口形TIR透鏡的亮度圖形是極其緊湊并且成本效率相當高。
雖然電池供電的熒光手提燈是普及的，但是其光輸出是不定向的。象帶喇叭口形TIR透鏡的這樣的燈就具有更高的區域照明效果，而其緊湊性適合人們的需要尤其適合背包的人們、野營的人們和管工們的需要。對于室內圓藝來說，一般使通常的熒光促長燈放在靠近植物的地方，以產生適宜的光照強度。在裝入喇叭形TIR透鏡情況下需要幾個燈，可以把燈架在植物上方的高處則更為有效。
在一些要求高的光強度的情況中，TIR喇叭口形燈的發光裝置是通常熒光平頂燈具的一種能量效率高的替換裝置。成排TIR喇叭口形燈的發光裝置包括電源在內的總厚度一般會在2英寸以下，增進其通用性。在整個喇叭口形光源的二邊上的二個TIR透鏡構成比賽用的“附壁式墊圈”燈。最后，使燈的亮度變暗的性能增加一種使人感興趣的儲能裝置。見圖28中亮度控制1055。
現在參閱圖30和31，表示一種變型的喇叭口形(環形)熒光燈，TIR透鏡形成一種有效地產生熒光燈從來不能達到的泛光圖形的緊湊裝置。注意面向TIR透鏡1067的喇叭口形熒光管1066，類似于圖28中在1050上所示。在1068上表示峰狀反射器，以反射來自1066的反向光，返向1067的小面1067a。環形峰狀反射器用于光學上使燈泡1066“展開”成平坦的墊圈狀的環。圖31左下方的圖表示閃光的面積。這使其在光學上等同于平坦的環形(墊圈狀)燈，但是現在僅在一邊發光，而赤裸的燈沿它的對稱軸的二個方向發射光。
在考察燈的圓形形狀時，通過燈的表面發射的1到2流明/厘米2的光全是漫射的，成為±90°圖形，這相當于不定向的發射。為了使光限制在較小的角度內以形成光束，必須使發射的表面面積增加到為光束的半角的正弦平方的倍數的最小限度。例如對于總面積2,000厘米2或10英寸半徑來說，±30°光束需要1/sin230°＝4倍的燈表面面積。因而，由于流明被限制在小的立體角(1球面角度)所以在光束范圍內的光照比赤裸燈出射的光照亮十一倍以上。
通過，例如如圖32所示的以1151方向彎曲二維的有小面的外形以形成平坦的確定小面1150a的棱鏡面，簡單地形成如在圖32和33中的1150上所見的直線型TIR透鏡。如圖33所示，孔徑燈是在1155位置上具有玻璃封裝的鍍銀的管殼1154的部分的熒光燈，在這樣殼體的一半中形成半圓柱形光源。在半圓柱形光源被安裝在平面反光鏡1156的平面上時，從TIR透鏡1150看，象在方向1151上延伸的圓柱形光源。
對直線型TIR透鏡來說，有二種主要的熒光燈應用通常的照明和反向光。首要的事是關心具有效率高的外形，而對于后者來說，是關心外形的均勻性。這導致多少有些不同的設計途徑和制造方法。對于照明來說，TIR透鏡是較大的，具有成曲形的外形并且是通過較大體積的擠壓加工制作的。較小的直線型TIR透鏡是加壓或鑄入模壓制作的，對于LCD反向光具有平坦的頂部。
圖34表示對比較小的光源設計的反向光的直線型TIR透鏡1150a的外形。頂部1150b是平坦的，以致在每個小面的照明圖形之間沒有出現間隙。這種均勻性的要求全靠每個TIR面的頂部上凹口中的非常小的半徑。所表示的射線是在外形的平面內。這組射線來自單一點，以便用圖說明由透鏡引起的準直。
但是在具有漫射光源的直線型TIR透鏡中，大部分射線沒有在外形的平面內。這些“歪斜”射線在射到橫向側面時，具有稍不相同的取決于特有的透鏡外形的光程。圖35a到35c表示45°歪斜射線的三個視圖。在這樣的情況中，在歪斜射線射入的光程中沒有太大變化。一般說來，某些外形比處于這些歪斜射線怎樣行為狀態的外形具有較小的差別，取決于在入口面和出口面上折射之間的差別。大的差別能夠在全內部反射第二(不希望的)時間內在透鏡的出口面上引起射線被截獲在透鏡內。這就大大降低效率，但是通過用使歪斜射線角度減小到35°和35°以下的亮度增強薄膜(BEF)包封熒光燈可以減輕效率降低。BEF凹帶繞燈管的圓周整整一圈。在LCD反向光中，BEF會減少沿軸向方向(即垂直于透鏡外形)的斜角輸出。因為光的斜角限制所以能夠使用LCD，這是所希望的。
圖36表示TIR小面的一般形式。具有所有角度的射線射入小面。在外部入射角A大于E(因此，內部角B大于D)時存在由小面引起的凈折射。正因為沒有凈折射的TIR透鏡小面沒有象差或色散所以也沒有歪斜射線偏角。就是說，圖36中所示的射線能在直線型透鏡內是處在相對于紙面的某個任意角。最高(即在平面內)射線在A和E之間的較大差別使歪斜射線更不同于最高射線。因此，由歪斜射線產生的光束與最高射線產生的光束不一樣。實際上，在足夠的凈折射情況下，在平面以外超過40°的歪斜射線會被截獲在透鏡內。因此凈折射是直線型透鏡的關鍵設計條件。
為減少在圓形透鏡中色散研制的設計方法能夠應用于直線型透鏡，以減少歪斜射線色散。這些設計方法對照明應用是特別有意義而對均勻性是最高判斷標準的反向光意義不大。對于照明來說，制造的容易程度、光效率和光照圖形的控制是首要的判斷標準。
在用于反向光的直線型TIR透鏡情況中，使透鏡入口面保持接近垂直，以使存在的射線沒有間隙和出口面是平坦的。這種情況只使TIR面角P和小面界面角R能自由變化。選擇角P以使射線改向成所希望的圖形(如在圖34中)，而保持大的角R剛好足以使TIR面被全照射，但是不多，此外通過光射在TIR面而不是被改向到透鏡頂部射出，而犧牲效率。
均勻性標準有二個方面空間和斜角。在透鏡的頂部，有照明的空間圖形。小面越小，越容易去除任何具有漫射的圖形。斜角均勻性指的是在從特定方向隔開一段距離觀察時的透鏡外形。就是說，可以和光源的圖象相比，整個透鏡可能沒有被照亮。例如圖象34表示，垂直于透鏡頂面觀察透鏡，會看到幾乎完全充滿光的透鏡。但是，圖35a-35c表示，在相對于透鏡長度方向為45°的位置觀察透鏡會看到一些暗區。同樣地，從偏離軸的角度(圖34的右邊或左邊)觀察透鏡，會看到入口面是暗的，通過漫射器引起的亮度的橫向傳遞會去除這樣的圖形。
斜角均勻性的另一方面是橫穿過由每個小面引起的射線的光束斜角范圍中的在透鏡上的變化。這是光源幾何形狀和小面離光源的距離的簡單函數。增加非管形光源的高度對寬度比能夠降低這種不均勻性，不均勻性是低外形TIR透鏡的固有的要素。圖37表示光源在幾個小面上表觀斜角直徑。此外，比較接近中心的小面因為僅有降低光源的斜角直徑的入口面折射所以會有稍微較窄的角度的輸出量。
總之，對于通常的熒光照明來說，直線型TIR透鏡是大有希望的。對于LCD反向光來說，提議減少所要求燈的數量，漫射器和亮度增進薄膜是有用的。
在這里公開的另外一些TIR透鏡形式可以和熒光燈一起使用。
權利要求
1.一種照明設備，在組合中包括a)TIR透鏡，具有許多小平面和在長度方向上延伸，b)一個光源面向TIR透鏡和也在長度方向上延伸的、一般在方向上相對于在長度方向上延伸的TIR透鏡對稱。
2.一種照明設備，在組合中包括a)具有許多小面和在長度方向上沿第一弧線延伸的TIR(全內部反射)透鏡，和b)面向TIR透鏡和在長度方向上沿與上述的第一弧線彼此隔開的對應的第二弧線延伸的光源。
3.權利要求2的組合，在其中上述的弧線中至少一條弧線確定環路光徑。
4.權利要求2的組合，在其中上述的第一弧線確定第一環路光徑，和上述的第二弧線確定第二環路光徑。
5.權利要求4的組合，在其中上述的環路光徑中至少一種環路光徑是喇叭口形的。
6.權利要求3的組合，在其中上述的環路光徑是環狀的。
7.權利要求6的組合，在其中上述的光源包括熒光燈，熒光燈是管狀的。
8.權利要求7的組合，在其中上述的環路光徑確定垂直于由上述的第二環路光徑確定的平面的中心軸，和上述的第一環路光徑在上述的軸周圍延伸。
9.權利要求8的組合，在其中包含上述的軸的平面沿二條弧線橫切上述的TIR透鏡和在朝向上述的透鏡的分別是凹形的兩個圓形側面部分上橫切上述的管狀燈。
10.權利要求2的組合包括定位成向上述的TIR透鏡反射上述光源背光的背反射鏡。
11.權利要求5的組合包括處于反射從上述的光源向上述的TIR透鏡的反向光位置的背反射鏡，上述的背反射鏡具有下面的形狀中的一種形狀i)平坦，ii)峰狀。
12.權利要求8的組合包括定位成向上述的TIR透鏡反射上述光源背光的背反射鏡。
13.權利要求1的組合，在其中上述的TIR透鏡和小面在長度方向上沿直線延伸。
14.權利要求1的組合，在其中上述的光源在長度方向上沿直線延伸。
15.權利要求13的組合，在其中上述的光源在長度方向上沿直線延伸。
16.權利要求15的組合，在其中上述的光源包括細長的熒光燈。
17.權利要求1的組合包括定位成向上述的TIR透鏡反射上述的光源背光的背反射鏡。
18.權利要求1的組合，在其中上述的TIR透鏡包括a’)輻射能反射主體裝置，b’)上述的裝置包括許多元件，許多元件中的每個元件作為輻射能改向的組件，在其橫截面圓周上具有接收進入到上述的圓周內部的射入的上述的能量的入口面、以從上述的射入的側面朝著主體的反向側的方向讓上述的能量通過到達上述的圓周的外部的出口面，和相對于上述的入口和出口面改變角度以使從上述的入口面射入的輻射能改向到朝著上述的出口面的全內部反射面。
19.權利要求2的組合，在其中上述的TIR透鏡包括a’)輻射能反射主體裝置，b’)上述的裝置包括許多元件，許多元件中的每個元件作為輻射能改向的組件，在其橫截面圓周上具有接收進入到上述的圓周內部的射入的上述的能量的入口面、以從上述的射入的側面朝著主體的反向側面的方向讓上述的能量通過到達上述的圓周的外部的出口面，和相對于上述的入口和出口面改變角度以使從上述的入口面射入的輻射能改向到朝著上述的出口面的全內部反射面。
20.權利要求18的組合，在其中上述的圓周中的上述的元件從上述的截面部分伸出，以與面向上述的射入輻射能的入口面成平行關系地直線地延伸。
21.權利要求18的組合，在其中上述的圓周的元件從上述的截面部分伸出，繞一個共軸成環狀延伸，并定出共軸，上述入口面朝向上述輻射能。
全文摘要
輻射能改向裝置包括輻射能發射主體裝置(10);該裝置包括許多元件(11),許多元件中的每個元件作為輻射能改向組件,輻射能改向組件在其橫截面圓周上具有接收入射能量進入圓周內部的入口面(54)、以從入射的側面朝向主體反向側面的方向通過能量到圓周外部的出口面(52)和相對于入口和出口面改變角度以使從入口面入射的輻射能改向朝向出口面的全內部反射(TIR)面(51);主體裝置一般使入射輻能改向朝著處于離開或在相對于入射側面的主體的反向側面上的預定的靶區(15);和至少與改向輻射能經由全內部反射面在入口面和出口面之間通過的面中的一個面組合的透鏡裝置(29)。
文檔編號F24J2/06GK1181131SQ96193131
公開日1998年5月6日 申請日期1996年3月29日 優先權日1995年4月7日
發明者小威廉姆·A·帕金, 戴衛·G·皮爾卡 申請人:Tir技術公司