專利名稱：光追蹤式光學裝置及其聚光應用的制作方法
技術領域：
本發明涉及光學，尤其涉及用于將聚焦光耦合到光導中的光學系統。
背景技術：
將光耦合到光導中是光學系統中的普遍要求，這些光學系統用于多種應用，其中包括通訊、照明、診斷以及太陽能收集。光導一般包括高折射率的芯區，所述芯區由低折射率的包覆區(可以是空氣或真空)環繞。在這兩個區之間的界面處進行全內反射的光線被捕捉到光導內，并且能夠沿著所述光導輸送到所需輸出位置。光導通常被制造成光纖或平板，但是也可以采用其它幾何形狀構成。光在一個或多個耦合位置處被弓I入所述光導中，其中光線能夠被捕獲到所述光導的導模中。光通常聚焦在耦合位置上，以便高強度的光能夠在較小耦合位置處進入光導。為了實現高效光耦合，需要將聚焦光精確對準耦合位置。光學系統精確對準的需求使得組裝過程的成本和復雜程度大大增加。此外，如果射入光在位置或方向上發生改變，那么必須重新進行系統對準。
在太陽能聚光器中，光導的用途之一是通過聚光透鏡或聚光鏡陣列來聚集光，并且將所述光引導到接收元件上，所述接收元件如光伏電池。與傳統太陽聚光光學器件相t匕，這些光導聚光器設計的優勢在于，單獨接收器無須置于每個聚光透鏡的焦點處；相反，單個接收器可以置于光導的端部，以便從多個聚光元件接收經收集的光。在美國專利號7,672, 549中披露的一個現有技術光導聚光器設計中，聚光兀件陣列置于光導上方。在每個聚光元件的焦點處，耦合部位包括光導中的鏡面，所述鏡面用于對聚焦光進行重新導向，以便所述光導捕獲所述聚焦光。為了將該光耦合到光導中，同時不會使得從其它透鏡捕獲的光產生一定損耗，因此，在每個耦合部位處，所述光導的模態體積增加。類似的現有技術光導聚光器設計在美國專利號7，817，885和國際申請號PCT/US2009/034630中進行了披露，上述兩個文檔描述了特定聚光器，所述聚光器具有位于梯形或平面光導上方的聚光透鏡片，反射表面位于所述透鏡的焦點處以將聚焦光耦合到光導中。在國際申請號PCT/US2009/057567中披露并且在圖1a中示出的第四種現有技術光導聚光器設計也使用具有恒定模態體積的平面光導11和聚光元件12的陣列。耦合部位14設有對聚光光線13進行重定向的機構，以便將這些聚光光線耦合到光導的導模中。如圖1b示出，耦合部位14采用的一種設計是鋸齒形“折疊”鏡15，其裝配在所述光導上，位于每個透鏡焦點處的較小區域中。該折疊鏡15采用120°鋸齒設計構造成，從而以+60°或-60°對具有正常入射錐角的光線13進行偏轉，以將這些光線耦合到光導中。這些聚光器系統中的每個聚光器系統對精確光學對準的需求使得這些系統的制造過程變得復雜。如果光源并不固定，例如在太陽光收集的情況下，那么在運行期間，所述系統通過可以連接到或合并到所述系統中的機械追蹤器(未示出)進行重定位，以便跟循光源(在太陽光收集的情況下，即太陽)的運動。如果聚光器并未相對于入射光角進行正確定向，那么聚焦光點將不再落在耦合鏡15上，因而，光導將無法捕獲所述聚焦光。
被動式太陽追蹤器已使用特定材料進行設計，所述材料會因在太陽下的差溫加熱而移動或改變形狀。示例性材料包括蒸發液體、雙金屬條以及形狀記憶合金。這些系統由入射陽光提供動力，并且以機械方式重定向整個太陽能系統，使其面朝太陽。
微流體領域對特定裝置進行了研究，在所述裝置中，少量液體在有限體積內以可控制方式移動；術語“微流控光”有時用來描述設計用于實現光學效應的此類裝置。國際申請號PCT/US2009/057567描述了在平面聚光器設計中使用微流控光來實現自動太陽追蹤。該文檔描述了特定方案，在所述方案中，使用聚焦光的電場來捕捉懸浮在流體中的納米顆粒，從而提高處于聚焦光位置處的流體的折射率。
可以用于操控流體的機制是熱毛細效應，在所述機制中，溫度梯度會施加于流體系統上。流體的表面張力(或兩種不互溶或部分互溶的流體之間的界面張力)取決于溫度，因此，流體表面或界面上的溫度梯度將導致表面張力不均勻，由此產生凈力并且致使流體移動。當熱梯度施加于流體層上時，空間變化張力致使層內發生對流，并且在薄流體膜中，這些力可能導致膜局部變薄甚至破裂。當熱梯度施加于微滴上時，在所述微滴的另一側上的不平衡張力可能致使所述微滴遷移。使用此項技術，微滴可以在空氣或蒸汽環境下移動，氣泡可以在液體環境下移動，或者液體微滴可以在不互溶或部分互溶的流體內移動。微滴和蒸汽氣泡可以在熱點或冷點處穩定捕獲。流體移動的方向和速度根據的是溫度梯度、系統幾何形狀、一種液體或多種液體在一個表面或多個表面上的接觸角、一種液體或多種液體的粘度，以及界面張力隨溫度而改變的標記和幅度。
在一些微流體裝置中，已利用熱毛細效應來控制流體流。在各種實驗中，溫度梯度一般通過以下方式獲得:使用電阻加熱元件，或者將來自激光或高強度燈的光照射在吸收元件或流體上。溫度梯度大導致流體界面移動快，并且一個本體液體或多個本體液體中會產生對流。發明內容
—方面，描述了一種被配置成將光稱合到光導結構的設備。所述設備包括位于重定向元件與光導層之間的流體追蹤層，所述流體追蹤層包括包覆流體層和耦合流體層。所述光導層能夠沿著第一方向將光傳輸穿過所述光導層的本體部分。如果窄光束入射不存在于所述重定向元件上，那么包覆流體層包括大致上不存在任何空隙或孔的連續層。如果窄光束入射存在于所述重定向元件上，并且形成耦合位置，那么所述包覆流體層包括位于或鄰近所述耦合位置的孔。所述孔可以至少部分填充有所述耦合流體層的耦合流體。
另一方面，描述了一種被配置成將光稱合到光導結構的設備。所述設備包括:光導層，其能夠沿著第一方向將光傳輸穿過所述光導層，以及；耦合區，其鄰近所述光導層或位于所述光導層內，并用來將射入光相對于所述射入光的傳播方向以大角度I禹合到所述光導層中。所述耦合區位于或鄰近所述光導結構內的局部溫度極值處。所述耦合區的位置可以通過改變所述局部溫度極值的位置來進行調整。
又一方面,描述了一種被配置成將入射光稱合到光導結構的設備。所述設備包括具有第一折射率的包覆流體層，其鄰近具有第二折射率的光導層。所述光導層能夠沿著第一方向將光傳輸穿過所述光導層的本體部分。所述設備進一步包括具有第三折射率的耦合微滴，其至少部分位于所述包覆流體層中。所述耦合微滴由流體構成，所述流體不同于并且不互溶或部分互溶于所述包覆流體層的流體。
各種設備的實施方案可以包括以下特征中的一個或多個特征。所述設備可以包括位于所述重定向元件與所述光導層之間的耦合流體層。所述孔可以填充或至少部分填充有所述耦合流體層的耦合流體。所述包覆流體層可以位于耦合流體層的至少一部分與所述光導層之間。所述耦合流體層或所述包覆流體層可以包含在具有腔室側壁的腔室內。所述設備可以進一步包括多個腔室，其中每個腔室均包括耦合流體層或包覆流體層。所述耦合流體層的至少一部分可以位于所述包覆流體層與所述光導層之間。所述耦合流體層與所述光導層組合，可用來引導光通過所述光導結構，經引導的光傳輸穿過所述光導層的所述本體部分并且通過所述耦合流體層的本體部分。所述設備可以進一步包括位于所述重定向元件與所述光導層之間的吸收流體層。所述耦合流體層包括第一流體，并且所述包覆流體層包括第二流體，所述第二流體與所述第一流體不互溶或部分互溶。耦合流體和包覆流體可以選自由水溶液、水溶性流體、烴油、硅油、有機化合物和氟碳油組成的材料組。所述光導層可以具有第一折射率；所述包覆流體層的包覆流體可以具有小于所述第一折射率的第二折射率，以及；所述耦合流體層的所述耦合流體可以具有大于所述第二折射率的第三折射率。所述重定向元件可以被配置成使入射光束相對于所述入射光束的傳播方向以大角度偏轉到所述光導層中。所述光導層可以包括玻璃或聚合物。所述重定向元件可以是重定向層。所述重定向層可以對入射光進行反射或折射。所述重定向層的不同部分可以被配置成以不同角度對入射光進行偏轉。所述重定向層可以由大致上無孔的材料構成。所述重定向層和所述光導層中至少一者的表面可以涂布有改變所述表面的潤濕特性的涂層。所述重定向層可以是透射層，并且可以被配置成置于所述光導層與入射聚焦光之間。所述重定向層可以包括棱鏡陣列。所述重定向層可以是包括鋸齒鏡的反射層。所述鋸齒鏡可以被配置成將偏離垂直入射以平均角度α傾斜的入射光耦合到所述光導層中，這樣，所述鋸齒鏡中的單獨鏡就相對于所述重定向層的平面形成30° 土 α /2的角度。所述耦合區可以位于或鄰近所述光導結構內的局部溫度極值處。所述入射聚焦光的一部分可以在或鄰近所述耦合位置處被吸收。吸收所述入射聚焦光可能導致在或鄰近所述耦合位置處產生局部溫度最大值。耦合到所述光導結構的所述光可以是陽光或激光。
所述局部溫度極值可以是局部溫度最大值。所述局部溫度最大值可能是由吸收所述射入光而加熱產生。所述射入光可以是聚焦射入光或激光。所述耦合區可以與所述聚焦射入光或激光自對準。所述耦合區的截面面積可能大致上小于所述光導層的截面面積。所述光導層可以包括流體，所述流體包含一個或多個重定向元件。所述設備可以進一步包括包覆壁層，所述包覆壁層接觸所述光導層的一側。所述重定向元件可以是微滴或氣泡。所述設備可以進一步包括特定裝置，所述裝置被配置成在所述光離開所述光導層之后，接受傳輸穿過所述光導層的所述光。所述裝置可以是光伏電池或光檢測器。所述裝置可以被配置成接受一定波長范圍內的光，其中所述光導層對于波長在所述波長范圍內的光而言在很大程度上是可透射的。所述設備可以進一步包括鄰近所述光導層的流體追蹤層。所述流體追蹤層可以包括一種流體，或者兩種或更多種不互溶或部分互溶的流體。所述耦合區可以至少部分位于所述流體追蹤層內。所述流體追蹤層可以包括折射率低于所述光導層的折射率的包覆流體層。所述設備可以進一步包括重定向元件，用來對耦合到所述光導結構中的光進行重定向。所述設備可以進一步包括聚焦元件，用來對耦合到所述光導結構中的光進行聚焦。所述聚焦元件可以包括一個或多個透鏡或一個或多個鏡。所述聚焦元件可以包括多個透鏡或鏡，其中所述透鏡或鏡沿著彎曲表面排列。一種裝置可以包括至少兩個節段，所述至少兩個節段中的每個節段包括任何所述設備或者由任何所述設備構成。所述至少兩個節段可以彼此連接，并且被配置在不同方向上。所述光導結構可以是平面的或彎曲的。
所述耦合微滴可以移動通過所述包覆流體層。所述光導層的折射率和所述耦合流體的折射率可能均大于所述包覆流體的折射率。所述設備可以被配置成使得所述入射光相對于所述入射光的傳播方向以大角度耦合到所述光導層中。所述設備可以進一步包括重定向元件，用來對耦合到所述光導結構中的光進行重定向。所述重定向元件可以是重定向層。所述耦合微滴可以進一步用于對所述入射光進行重新導向。所述包覆流體層可以包含在具有腔室側壁的腔室內。所述設備可以進一步包括多個腔室，其中每個腔室均包括耦合微滴。所述設備可以進一步包括吸收層。所述吸收層可以是流體吸收層。所述光導層可以是流體光導層。所述設備可以進一步包括壁層，所述壁層接觸所述流體光導層。所述壁層可以是折射率小于所述流體光導層的折射率的包覆層。所述壁層可以是折射率近似或大于所述流體光導層的折射率的額外光導層。所述耦合微滴可以至少部分位于所述流體光導層內。所述包覆流體層的厚度可能在整個層上有所不同。所述光導結構可以是彎曲的。所述設備可以進一步包括一個或多個透鏡，所述一個或多個透鏡被配置成對所述入射光進行聚焦。所述一個或多個透鏡中的至少一個透鏡的焦面可以是彎曲的，并且所述光導結構可以沿著所述一個或多個透鏡中的所述至少一個透鏡的彎曲焦面放置。
又一方面，提供一種耦合裝置，所述耦合裝置設有自對準機構，用于將聚焦光低損耗耦合到光導中。所述裝置使用包含一種或多種液體的微流體室。耦合到光導中可能只在光導區域的一個較小部分或多個較小部分上進行，而所述區域的剩余部分用于經引導的光的低損耗傳播。耦合部位可以通過熱毛細效應來自動對準所述聚焦光的位置，所述熱毛細效應是一種物理現象，這種物理現象因局部溫度變化所導致的表面或界面張力改變而引起流體移動。部分吸收所述聚焦光致使局部熱點和環境溫度梯度形成，從而引發熱毛細效應。
本發明的進一步目標在于，提供此類耦合裝置陣列在普通光導上的應用，其與靜態聚焦光學器件配合，從而產生追蹤式直射光束光學能量收集系統。所述耦合部位在所述裝置內的光追蹤移動使得光學系統進行調整，從而在一定入射角范圍內捕獲直射光束光學能量。同時，本發明還提供了靜態聚焦光學器件和完整系統集合形狀的設計原理，以便擴展陣列系統能夠捕獲到的入射光角的范圍。與來自太陽的直射光束光學能量一起使用時，該光學系統設有追蹤式太陽能收集系統。無論是否存在外部機械追蹤裝置，所述追蹤式太陽能收集系統均可以使用。由所述耦合裝置提供自動追蹤可以減少或消除對機械追蹤器的需求，從而大大降低聚光式太陽能收集系統的成本并且簡化系統設計。所述追蹤式直射光束光學能量收集系統也可以用于捕獲來自其它光源的能量，所述光源如用于從遠程位置發射能量的激光束。
在一個實施方案中，披露了一種光學系統，所述光學系統包括固定聚焦透鏡陣列以及環繞中心透射光導(或光導層)的耦合裝置。所述透鏡的位置和角定向在整個陣列上有所不同，以便以較大范圍的入射角將光有效聚焦和耦合到所述光導中。在所述光導和所述透鏡陣列之間，折射率比所述光導低的透射材料層用作包覆，以將光限制在所述光導內。所述耦合裝置包含兩種不互溶或部分互溶的液體，這兩種液體具有不同的折射率，從而形成分層結構。低折射率的液體層鄰近所述光導，而高折射率的液體層鄰近位于所述透鏡的焦面處的鋸齒形反射表面。鋸齒形表面反射來自透鏡的聚焦光，從而對光線進行重定向，以便這些光線可以穿入所述光導的導模中。直射光束光穿過所述透鏡和所述光導，并且聚焦在該重定向層上。所述表面因部分吸收所述聚焦光而局部加熱，從而形成溫度梯度，這種溫度梯度導致低折射率流體的膜在熱點處變薄并且最終破裂，而高折射率流體的膜在所述熱點處變厚，最終在低折射率流體膜破裂時接觸所述光導。因此，高折射率的液體能夠使得經反射的光在該耦合部位處耦合到所述光導中，而在其它位置處，未受干擾的低折射率流體層提供光導包覆。如果移除所述熱點，或者將所述熱點移動到另一位置，那么兩種液體之間的界面張力將導致分層結構重構。如果入射光角隨時間而改變，那么聚焦光的位置將發生改變，并且由于局部加熱始終存在于聚焦光的位置處，所述耦合部位將隨之發生改變。
參閱說明書的剩余部分和附圖，從而可以進一步理解本發明的本質和優勢。
圖1a提供了現有技術光導太陽能聚光器的截面圖。
圖1b提供了圖1a的光導太陽能聚光器中使用的耦合鏡的截面圖。
圖2a提供了在聚焦光不存在的情況下，具有可收縮包覆流體層設計和反射重定向表面的耦合裝置的截面圖。
圖2b提供了在聚焦光存在的情況下，圖2a示出的耦合裝置的截面圖。
圖2c提供了圖2a示出的耦合裝置的透視圖，為了清晰起見，其中重定向層已省略。
圖3提供了針對以平均角度α入射的光進行設計的實例鋸齒鏡反射重定向層的截面圖。
圖4提供了在聚焦光存在的情況下，具有可收縮包覆流體層設計和可透射重定向表面的耦合裝置的截面圖。
圖5提供了棱鏡陣列重定向層的截面圖。
圖6提供了在聚焦光存在的情況下，具有可以用作流體光導層的耦合層以及可收縮包覆流體層的耦合裝置的截面圖。
圖7提供了在聚焦光存在的情況下，具有三個流體層的耦合裝置的截面圖。
圖8提供了具有高折射率耦合微滴和透射重定向層的耦合裝置的截面圖。
圖9提供了具有高折射率耦合微滴和反射重定向層的耦合裝置的截面圖。
圖10提供了具有高折射率可透射重定向微滴的耦合裝置的截面圖。
圖11提供了具有高折射率反射重定向微滴和高度吸收層的耦合裝置的截面圖。
圖12提供了具有高折射率耦合微滴、包覆流體和高度吸收流體的耦合裝置的截面圖。
圖13提供了具有流體光導層和重定向微滴的耦合裝置的截面圖。
圖14提供了具有重定向元件的耦合裝置的截面圖，所述重定向元件懸浮在兩個流體層的界面處。
圖15提供了具有可變腔室高度的耦合裝置的截面圖。
圖16提供了具有彎曲腔室和光導的耦合裝置的截面圖。
圖17提供了圖2的耦合裝置在具有聚焦透鏡陣列的系統中的實例應用的截面圖。
圖18提供了圖14的耦合裝置在具有聚焦鏡陣列的系統中的實例應用的截面圖。
圖19提供了圖9的耦合裝置在具有透鏡陣列的系統中的實例應用的截面圖，其中所述透鏡陣列位于彎曲光導上。
圖20提供了具有聚焦鋸齒鏡表面的實例系統的截面圖，所述聚焦鋸齒鏡表面同時提供光聚焦和光線重定向。
圖21提供了特定系統的截面圖，在所述系統中，排列在彎曲表面上的透鏡將光聚焦在普通平面光導和追蹤層上。
圖22提供了特定系統的截面圖，在所述系統中，平面聚光器的節段以不同角度放置。
圖23提供了特定系統的截面圖，在所述系統中，聚光器系統采用彎曲形狀構成。
圖24提供了特定系統的截面圖，在所述系統中，聚光透鏡的位置和角度小范圍地變化，并且整個聚光器系統采用彎曲形狀構成。
圖25提供了光學能量收集系統的透視圖，所述光學能量收集系統具有對來自光源的光進行聚焦的透鏡平面陣列以及安裝在光導邊緣的接收器。所述系統附接到可能具有機械追蹤能力的支撐底座。
圖26提供了光學能量收集系統的截面圖，所述光學能量收集系統使用排列在彎曲表面上的透鏡，并且其中接收器安裝在光導底面上。
附圖中，類似的參考標號指示類似的元件。
具體實施方式
本文描述了設有自對準機構以將窄光束(例如聚焦光或窄激光束)低損耗耦合到光導中的裝置。窄光束是這樣一種光束:橫截面積比該光束入射到的裝置表面大致上小，例如小至少5倍、小至少10倍或小至少100倍。在一些情況下，所述裝置分成或包括一個或多個腔室，并且窄光束的橫截面積比該光束入射到的腔室表面大致上小，例如小至少5倍、小至少10倍或小至少100倍。本文描述了多種實施方案。每個實施方案均包括以下元素中的一個或多個元素:(i) 一個光導層或多個光導層，其可以由固體、液體或氣體或者上述項的組合制成，并且優選對于需要收集的光的波長而言在很大程度上是可透射的(即，光導層大致上不吸收需要傳輸穿過光導層的本體部分的光的波長光重定向元件或層，用于對聚焦射入光線進行重定向，以便能夠將所述聚焦射入光線捕獲到光導層的導模中；(iii)吸收介質，其可以是本文描述的其它層中的一者，用于部分或完全吸收入射聚焦光，從而產生局部加熱；以及(iv)追蹤腔室或層，其包含至少一種流體，并且其中通過局部加熱形成流體移動。本文使用的術語“流體”是指非剛性元素或化合物，通常是液體或氣體。流體運動可以粘性或非粘性流動為特征。在一些實施方式中，通過局部加熱形成的流體移動是由熱毛細效應引起的。實施方案還可以包括額外元素，如用于對入射或射入光進行聚焦的特定部件、用作光導的光學包覆的一個或多個低折射率材料層、具有特定導熱特性的材料以及追蹤層內將流體分成小腔室的側壁(即“腔室側壁”)。追蹤式耦合裝置設計可以用于將來自單個聚焦光源的光耦合到光導中，或者將來自具有多個此類光源的陣列的光耦合到普通光導中。該設計可以與具有各種幾何形狀的光導一起使用，其中包括平面光導和柱形纖維幾何形狀。以下描述和附圖著重于在密集聚焦元件陣列構成的平面光導上的應用，不過，采用同一原理和設計的其它應用也是可行的。附圖旨在示意性地示出裝置的運行，因而無需按比例繪制。
具有可收縮包覆流體的耦合裝置設計
如圖2a、圖2b和圖2c不出，一種用于將光f禹合到光導結構中的設備可以包括:多模光導11 (以下稱作“光導層11”)；流體追蹤層16，其鄰近所述光導層11，以及；光學活性層(即“重定向層”)23，其鄰近所述流體追蹤層16，用于對入射光進行重定向，以便這些入射光可以進入光導結構的光導層11。光導層11由特定材料制成，所述材料對于將捕獲并且進行傳輸或需要傳輸穿過光導層11的本體部分的光的波長而言在很大程度上是可透射的。也就是說，可以由光導層11吸收的、傳輸穿過光導層的光少于20%、少于10%、少于5%或少于1%。另外，光導層11可以將光傳輸到裝置中，所述裝置如光伏電池或光檢測器，這些裝置被配置成接受一定波長范圍內的光，而且對于傳輸穿過光導層的、在給定波長范圍內的光，光導層11所吸收到的少于20%、少于10%、少于5%或少于1%。例如，光導層11可以由玻璃或透明聚合物(如塑料)制成。流體追蹤層16由兩種不互溶或部分互溶的流體組成，從而形成分層結構。鄰近光導層11的流體是“包覆流體”21，其通常具有比光導層11低的折射率，從而向光導結構提供包覆并且對要傳輸穿過光導層11的經引導的光進行限制，例如通過全內反射進行限制。流體層22是“耦合流體”，通常具有比包覆流體高的折射率，并且其折射率優選為近似或大于光導層11的折射率。圖2c是圖2a和2b的設備的透視圖(其中為了清晰起見，重定向層23已省略)，該圖示出，耦合流體層22劃分成具有腔室側壁25的多個腔室29。盡管腔室29示出為彼此直接接觸，但每個腔室之間可以存在一定間距，然而如下文所述，所述設備的設計要進行修改以適應腔室之間的間距。腔室29可以具有矩形形狀，如圖2c示出，也可以采用任何其它形狀(如圓形或六邊形)構成。
可以用于耦合流體層22或包覆流體層21的不互溶或部分互溶流體/液體的實例是水溶液、水溶性流體、烴油、硅油、有機化合物以及氟碳油。當包覆流體層21的包覆流體是水溶液或氟碳油時，該包覆流體的折射率可能是約1.3，而當耦合流體層22的耦合流體是烷烴或硅油時，該耦合流體的折射率可能在約1.4與1.6之間。聚焦光可以由裝置外部的光學元件提供，所述光學元件例如透鏡陣列。如下文進一步所述，裝置設計可以進行調整以優化耦合性能，這具體取決于聚焦光源的特性。
圖2a、圖2b和圖2c示出的設備運行如下。參閱圖2a，當沒有大量的光入射到設備上時，并且在設備也并未經受任何局部加熱或局部溫度梯度而產生局部溫度最大值的情況下，包覆流體層21是大致上沒有任何空隙或孔的連續層。因此，包覆流體層21沿著流體追蹤層16與光導層11接觸的整個橫截面積形成光學包覆，這樣，大致上所有傳播通過光導層的光就被反射回光導層11中，其中所述光入射在光導層11和流體追蹤層16之間的界面上。
參閱圖2b，耦合位置或耦合區24 (以下稱作“耦合位置24”)由入射在光導結構上的聚焦光束13界定。也就是說，光導結構中聚焦光束入射到的任何區均被界定為耦合位置。因此，當光導結構上聚焦光束入射到的位置發生變化時，耦合位置24的位置相應發生變化。
當聚焦光束13從與流體追蹤層16相對的側17入射到光導層11上時，光穿過光導層11并且穿過流體追蹤層16的整個厚度，而且通過重定向層23以大角度從射入光束進行反射。就耦合到光導結構的射入光的偏轉而言，本文使用的術語“大角度”是指進入光導層的光在其傳播通過光導結構時足以進行全內反射并且一直被限制在光導層內的角度。也就是說，對射入光進行重定向的元件不存在時，射入光可能無法以允許耦合到光導層中的角度進行入射以使所述光通過全內反射而被限制在光導層內。因此，大角度是這樣一種角度:其至少足夠大到能夠確保光在耦合到光導層時進行全內反射。入射光束的一部分由光導層11、流體追蹤層16 (即，包覆流體層21和/或耦合流體層22)中或重定向層23吸收，或者由這些層的特定組合吸收，從而在耦合位置24處形成局部加熱。包覆流體層21的包覆流體被設計成或被配置成流動遠離熱點，從而導致在耦合位置24處，包覆流體層21中形成孔，所述孔填充有耦合流體層22的耦合流體(參見圖2b)。與流體追蹤層16與光導層11之間的界面的總面積相比，每個耦合位置較小。也就是說，在任何給定時間上，耦合流體層22與光導層11之間的所有界面26在耦合位置24處的總橫截面積大致上小于流體追蹤層16與光導層11之間的界面的總面積。例如，所有界面26的總橫截面積可小于流體追蹤層16與光導層11之間的界面的總面積的10%、5%、2%或1%。該面積比非常有用，因為該比例使得傳播通過光導層11的光只有大致上小部分能夠從光導層11中泄出。
重定向層23位于用來對射入光進行聚焦的光學器件的平面上或附近，并且聚焦光在擊打到重定向層23的表面之前會穿過光導層11。入射光線13由所述表面進行反射，并且偏轉成特定角度，所述角度設計用于改進到光導層11的導模中的耦合。當正確重定向的光線進入光導層11時，這些光線會在光導層/包覆層界面處進行全內反射并且被捕捉到光導層11中。重定向層表面可以是漫射或散射反射器、經調整的角反射器或者其它反射表面。如果使用角反射器，那么所述角反射器可以任選地采用圖1b示出的120°鋸齒鏡設計，這種設計針對垂直入射到光導結構的聚焦光進行了優化。
此外，沿著單個重定向層23的表面的鏡的方向可以根據不同入射光角而發生變化。如果入射光的平均角方向在重定向層上以可預測方式發生變化，那么在重定向層上，鏡的方向可以發生變化，以便對每個位置上進行的耦合進行優化。也就是說，如果光導結構被配置成使得光導結構上的不同位置以不同角度接收射入聚焦光，其中每個位置在光每次入射到該位置上時以近似相同的角度接收射入光，在每個位置上，鏡的方向可以發生變化，以便確保光在每個耦合位置24上以最佳角度耦合到光導層中。圖3示出了實例鋸齒鏡重定向層23，該鋸齒鏡重定向層針對偏離垂直入射以平均角度α傾斜的入射光進行設計。單獨的鏡18之間的角度保持為120°，不過所述鏡會朝入射光錐傾斜，與重定向層23的平面19形成30° 土 α/2的角度。
除了以所需角度偏轉入射光之外，重定向層23還用于將流體追蹤層16的流體保持在適當位置，從而阻止流體從所述結構中泄出。重定向層23可以由任何無孔或大致上無孔的材料制成，從而能夠將流體有效地限制在流體追蹤層16內，并且提供所需光學特性和潤濕特性。例如，鏡面反射表面可以使用反射金屬(如鋁)或者使用其它材料(如玻璃、塑料或聚合物)形成，并且覆蓋有反射涂層。漫射表面可以使用嵌有光散射顆粒的材料形成。重定向層23的導熱性將影響空間溫度分布，從而影響系統的熱毛細響應特性。因此，重定向層的材料選擇能夠提供一種方法來對系統的熱毛細響應進行優化。再次參閱圖2b，因部分吸收聚焦光而在耦合位置24處形成局部加熱導致流體追蹤層16的兩種流體之間的界面張力發生變化，從而導致包覆流體流動遠離熱點。這使得包覆流體層21局部變薄，并且可能最終導致包覆流體層21局部破裂。包覆流體層21的破裂使得耦合位置24處產生穿過耦合流體的高折射率光學路徑，如圖2b示出。也就是說，在耦合位置24處進入光導結構的光只穿過該光由重定向層23反射的點與該光進入光導層11的點之間的高折射率耦合流體，從而在光導層11與耦合流體層22的耦合流體之間的界面26處進入光導層11。如果耦合流體的折射率近似或大于光導層11的折射率，那么從耦合流體層22進入光導層11的入射光13相對于界面26的表面以一定角度穿過所述界面26，所述角度近似或小于耦合流體中光線在剛到達界面26之前相對于界面26的角度。由于包覆流體21的折射率低于光導層11的材料的折射率，因此，如上文所述那樣(即，相對于界面26以小角度)耦合到光導層11中的光每次入射到光導層11與包覆流體層21之間的界面上時，所述光大多或完全會被反射回光導層11中。包覆流體層21無需完全破裂(未示出)，以便在耦合位置24處形成高折射率光學路徑。在耦合位置24處，非常薄的包覆流體膜可以余留在光導層11的表面上，條件是該余留的包覆流體足夠薄以至于使其光學效應有限。也就是說，條件是以小角度入射到界面26上的光能夠至少部分穿過薄包覆流體層并且將不會經受全內反射。部分透射穿過此類地低折射率薄層被稱作衰減耦合或受抑全內反射，而且可能針對大致上薄于光的波長的層而發生。因此，余留的薄包覆流體膜可能大致上薄于耦合裝置經配置以收集的光的最小波長。例如，余留的膜的厚度可以少于耦合裝置經配置以收集的光的最小波長的50%、25%、10%或1%。當聚焦光13移除時，流體追蹤層16的兩種流體之間的界面張力使得包覆流體流動回到變薄或破裂區域，并且重新構成圖2a示出的初始層結構。包覆流體的局部變薄和/或破裂將取決于空間溫度分布、兩種流體之間的界面張力和張力與溫度的相關性，以及包覆流體層21的初始厚度。因此，包覆流體層21的厚度可以進行適當設計，以便優化整個系統的性能，其中條件是該包覆流體層的厚度足以對相關光學波長進行有效光學包覆。包覆流體層21和耦合流體層22的厚度均可以在約0.1微米到100微米之間，如在0.1微米到10微米之間。此外，如果需要，包覆流體層21的厚度可以通過使用非平面腔室壁或非平面流體界面來在腔室之間進行變化，從而在不同位置上提供不同伸縮特性。此外，可以將多種表面活性劑添加到任意或所有流體層中，這可以顯著影響界面張力與溫度的相關性。流體追蹤層16的分層流體結構可以使用多種技術形成并且進行穩定，這些技術包括因密度變化而導致的流體分離，以及通過流體特性和腔室壁進行的流體張力操控。例如，在此設計中，光導層11與包覆流體層21接觸的表面可以經過設計，以使所述表面優選由流體進行潤濕，而重定向層23可以采用類似設計，以使所述重定向層優選由耦合流體進行潤濕。在表面上進行優選潤濕可以通過以下方式實現:使用用于光導層11和重定向層23的、具有所需潤濕特性的材料，或者使用改變潤濕特性的涂層涂布這些元件的表面。此類涂層包括氟化材料以及改變表面能量和表面潤濕特性的其它涂層。如果流體追蹤層16的分層結構通過操控流體張力而構成，那么可以通過將流體界面分成離散的分段區域(腔室)來進行穩定，所述離散的分段區域小到足以使流體張力比重力更具影響力。流體張力傾向于在低于特定界面尺寸時比重力效應更具影響力，這種界面尺寸被稱作“毛細距離”，其具體取決于兩種流體的特性；所述界面尺寸通常在100微米到Icm之間。為了通過流體張力來穩定流體層，分段的界面區域在任何尺寸上都不應當明顯超過該距離。也就是說，圖2c的每個腔室29的長度和寬度可以小于1cm，如小于3mm、在100微米到Icm之間，或者在100微米到3cm之間。或者，腔室29可以具有非矩形形狀，其中最長腔室尺寸小于Icm,如小于3mm、在100微米到Icm之間，或者在100微米到3mm之間。分段可以使用腔室側壁25實現，所述腔室側壁伸入流體追蹤層16中，并且延伸到流體界面的位置。側壁的存在允許兩種流體之間的界面張力在腔室區域上維持分層機構。側壁25可以從光導層11的表面延伸到耦合流體層22與包覆流體層21 (未示出)的界面28，或者可以從重定向層23的表面延伸到界面28 (如圖2a和2b示出)。或者，側壁25可以從光導層11的表面延伸到重定向層23的表面(未示出)，以使耦合流體層21和包覆流體層22均包含在腔室29內。在腔室29并未直接彼此接觸，即相鄰腔室29之間存在一定間距的實施方式中，側壁25可以從光導層11的表面一直延伸到重定向層23的表面，從而允許流體追蹤層16的所有流體均被側壁25、重定向層23和光導層11包圍。如果側壁25接觸光導層11，那么側壁可以采用反射或低折射率材料構造成，從而避免經引導的光產生損耗。例如，側壁25的折射率可以小于光導層11的折射率，或者可以與包覆流體層22的折射率近似相同。根據側壁尺寸和流體追蹤層16的兩種流體的相對體積，流體界面可以是平面的(如圖2a和2b示出)，或者可以形成球形蓋。側壁25的表面特性可以影響搜書側壁上的流體行為。如圖2a和2b示出，側壁25設有特定表面，所述表面優選通過與側壁附接到的壁相對的流體進行潤濕，這使得流體界面端接在側壁上，并且兩種流體之間的界面張力使得分層結構在腔室區域上得到維持。或者，如果側壁25優選通過鄰近側壁附接到的壁的流體進行潤濕，那么該流體的薄潤濕層可以存在于側壁25上。腔室側壁25可任選地從此設計中省略，并且界定分段的表面特性變化可以直接表現在流體追蹤層16 (未示出)的壁上。例如，流體追蹤層16的壁可以具有優選通過其中一種流體進行潤濕的區域，所述區域由優選通過另一種流體進行潤濕的邊界區域分離，而無需伸出側壁。無論采用哪種分段方法，腔室29的位置均可以獨立于聚焦元件的設計或位置，并且腔室29的數量無須與聚焦元件的數量一一對應，也就是說，聚焦元件的數量可以不同于腔室29的數量。如果光學系統在單個腔室29內產生多個焦點，那么光學耦合可以在單個腔室29內一個以上的熱點處進行。如果焦點不存在，那么不會產生光學耦合位置，并且在整個腔室區域上對經引導的光進行低損耗傳播。為了通過熱毛細效應進行自動追蹤，可以吸收一些光來在焦點處產生局部熱點。這種光吸收可以在以下元件中的一個或多個元件中進行:光導層11、重定向層23以及流體追蹤層16內的一種或多種液體。根據構造這些元件所使用的材料，一定量的光會自然地吸收到這些元件中的每個元件，而且根據系統的光學和熱學設計的其它元件，這種自然吸收可以實現充分加熱，從而提供所需熱毛細效應。或者，可以通過向這些元件中的任何元件添加吸收材料來增強吸收。例如，吸收染料或顏料可以添加到流體追蹤層16中的一種或多種流體中，添加到光導層11中，或者添加到重定向層23中。如果需要，特定吸收層可以包括在所述結構中，或者置于焦面附近。可以選擇具有一定吸收光譜的吸收材料，從而優先吸收處于所需波長的入射光。例如，如果系統被設計成收集用于光伏轉換的太陽光，那么光伏電池的特定將決定哪些波長的光能夠有效轉換成電力而哪些(通常在紅外線和紫外線中)不能。優選吸收這些無法有效轉換成電力的波長將確保更多有用的光到達光伏電池。此外，在光導結構內吸收無法通過光伏裝置有效轉換成電力的光可以通過減少光伏裝置的不必要加熱來改進光伏電池的性能。因此，盡管并不優選在光導層11或包覆材料(包覆層21，也可能是腔室側壁25)中進行吸收，因為這種吸收將對經引導的光產生傳播損耗，但如果吸收光譜經過較佳調整，那么可能需要進行這種吸收以控制輸出光譜。圖2a、2b和2c的耦合裝置的示例性設計使用折射率約1.3的氟碳油作為包覆流體層21的低折射率包覆材料，并且使用折射率約1.5的硅油作為耦合流體層22的高折射率流體。光導層11的鄰近流體追蹤層16的表面使用氟化涂層進行處理，從而產生優選通過氟碳油潤濕的低能量表面。氟碳油構成厚度優選在約0.1微米到10微米之間的層，并且硅油構成厚度可能比氟碳油厚的層，例如，厚度為I微米到50微米之間的層。兩種流體21和22之間的界面通過腔室側壁25進行穩定，所述腔室側壁優選通過氟碳油進行潤濕，并且將流體界面固定在腔室邊緣處。腔室尺寸接近或優選低于流體的毛細距離，所述毛細距離約I毫米，以使界面張力比重力更具影響力。使用鋸齒形反射重定向表面23，如圖3示出。如圖4示出，圖2a_2c的設計的變體使用透射而非反射重定向層33。在此變體中，透射重定向層33和流體追蹤層16置于聚焦元件(未示出)與光導層11之間。入射光線13穿過透射重定向層33，然后以大致上不同的角度出現在另一側上，所述大致上不同的角度設計用于改進到光導層11的導模中的耦合。透射重定向層33可以通過多種光學效應運行，所述光學效應包括折射、反射和衍射。針對透射重定向層33的多種設計均是可行的，具體取決于預期應用。一種此類設計是各向同性擴散器，其在較大輸出角范圍上均勻地散布入射光。并非所有這些光線都將耦合到光導層11中，但擴散器的優勢在于，其對入射光角的變化很不敏感。因此，在聚焦光點的角度和位置需要具有較寬容差時并且在可以接受較低耦合效率時，各向同性擴散器對于透射重定向層33而言是一個較好的選擇。如果進一步限制光源特性，那么可以使用更高效率的透射重定向層33。例如，如果入射光13的平均角方向是固定的，那么棱鏡34的陣列可以用作透射重定向層33。這些棱鏡34可以設計用于彎曲入射光線13，以使這些光線耦合到光導層11中，如圖5示出。此類棱鏡陣列可以針對入射光特性進行調整，以便優化光導耦合。均勻棱鏡陣列能夠以預定范圍內的角對光進行有效地耦合，其中焦點的位置可以在腔室上發生改變。另一類型的應用可以產生入射光錐，當焦點在腔室上移動時，所述入射光錐的角方向或立體角以可預測方式發生改變。一個實例是使用靜態透鏡來聚集太陽光，并且將太陽光聚焦到透射重定向層33上的點處:當太陽角度改變時，聚焦光點將在透射重定向層33上移動，并且將在每個位置處以不同范圍的入射角方向擊打重定向層。在此情況下，透射重定向層33可以在每個位置處針對相應入射光角進行調整。例如，如果使用棱鏡結構，那么其設計可以在腔室上發生改變，從而當焦點在腔室上移動時，允許光錐的方向或立體角通過外部光學器件發生改變。換言之，棱鏡陣列的棱鏡34的形狀、大小和/或幾何形狀均可以在整個透射重定向層33上發生改變。如圖6示出，圖2a_2c的設計的另一變體使流體追蹤層16中的流體的位置顛倒，以使耦合流體層22’的至少一部分位于包覆流體層21與光導層之間。在此方向上，所述耦合流體層22’與所述光導層11組合，用于引導光通過光導結構，經引導的光傳輸穿過所述光導層11的本體部分并且通過所述耦合流體層22’的本體部分。隨后，高折射率耦合流體形成光導芯，或者在頂部材料11具有類似高射率時形成光導的一部分(如圖6示出)。經引導的光在高折射率流體22’內傳輸，并且包覆流體層21的包覆流體接觸重定向層23。該幾何形狀可以與折射重定向層23 (如圖6示出)或透射重定向層33 (未示出)一起使用。如圖7示出，又一個變體使用包括三個流體層21、22和27的追蹤層16。低折射率包覆流體層21鄰近光導層11。高折射率耦合流體22填充追蹤層的中間部分。包含高聚光吸收材料的流體層，即吸收流體層27，鄰近和/或接觸重定向層23放置。流體界面28和29均可以以下方式進行穩定:控制表面特性，以及可任選地使用從追蹤層的兩壁延伸出的腔室側壁25。中間耦合流體22與包覆流體和吸收流體均不互溶或部分互溶。當聚焦光落在流體追蹤層16上時，所述聚焦光使得吸收流體中局部高度加熱。這使得吸收流體和包覆流體均變薄或破裂，從而在重定向層23與光導層11之間形成高折射率可透射光路。只要聚焦光出現在同一位置，那么這些流體的回流在吸收流體再次進入聚焦區域時就通過產生的熱量進行抑制。具有滑動微滴的耦合裝置設計如圖8到圖12不出，一種用于將光f禹合到光導結構中的設備可以利用熱毛細效應來使流體膜變薄，但其首要目的是使流體橫向運動。在此設計中，跟蹤層由腔室側壁25分成微流體腔室陣列，以使單個微流體腔室與每個聚焦元件關聯。圖8只示出了單個腔室。所述腔室包含具有高折射率的流體的較小微滴(即“耦合微滴”44)，所述高折射率優選近似或大于光導層11的折射率，從而提供高折射率光路以在耦合位置24處將重定向層33連接到光導層11。耦合微滴44的體積經過選擇以使其面積與聚焦光點的大小相符，而且腔室高度(即，包覆流體層41的厚度)小到足以使微滴的表面變平并且阻止所述微滴形成球形蓋形狀，而又大到足以提供充分的光導包覆。包覆流體層41的厚度可以在約0.1微米到500微米之間，如在0.1微米到10微米之間，或者10微米到100微米之間。腔室體積的剩余部分包含包覆流體層41的包覆流體，所述包覆流體可以是，例如低折射率的第二不互溶或部分互溶流體，或者只是空氣或蒸汽，包覆流體層41用作光導層11的包覆。腔室可以使用側壁25來確保微滴一直被限制在特定區域內，在所述區域上，焦點可能發生變化。側壁25可能穿過整個流體追蹤層16并且接觸光導層11，在此情況下，所述側壁可能由低折射率的材料制成，以便在接觸光導層11時提供包覆功能。或者，反射鏡表面(未示出)可以置于光導層和腔室側壁25的接合點處，從而確保經引導的光不會離開光導層11，并且進入腔室側壁25。在流體追蹤層16內的密集腔室陣列中，可以使得側壁25只將其一部分伸入追蹤層(未圖示)中，從而形成足夠的屏障以阻止微滴越界進入相鄰腔室，同時仍允許包覆流體(如果存在)在腔室之間流動。
微滴運動可以通過熱毛細效應產生。部分吸收入射聚焦光13使得聚焦光位置，即耦合位置24處局部溫度上升，并且導致該位置周圍產生溫度梯度。溫度梯度致使微滴44的側面上形成不均衡表面張力(或界面張力，在使用包覆流體的情況下)，這致使微滴44朝焦點移動。響應于溫度梯度，微滴運動的方向和速度將根據溫度而取決于液體的表面張力(或兩種液體之間的界面張力)，并且還將取決于微滴與腔室壁構成的接觸角。這些均可能通過腔室壁材料選擇、腔室壁涂覆的表面涂層、液體選擇以及引入一種或多種液體的表面活性劑而發生改變。可以使用的不互溶或部分互溶的液體的實例是水溶液、水溶性流體、烴油、硅油、有機化合物和氟碳油。表面涂層可以包括氟化低表面能量涂層。多種表面活性劑可以被添加到流體中，這可以顯著影響界面張力與溫度的相關性。用于構造和容納系統的材料可以經過設計以提供熱特性，從而針對流體移動優化溫度梯度分布。圖8示出的重定向層33采用透射設計。入射光線穿過透射重定向層33，并且以不同角度出現在另一側上，所述不同角度設計用于改進到光導層11的導膜中的耦合。一旦經正確耦合的光線進入光導層11，所述光線就會在光導層/包覆層界面處進行全內反射，并且一直被捕捉在光導層11內。重定向層33可以通過光學效應運行，所述光學效應包括折射、反射和衍射，如上所述。圖9示出的另一實施方案使用反射重定向層23，而非透射重定向層。在此設計中，流體追蹤層16和重定向層23均位于光導層11上與聚焦光13的源相對的側。重定向層23位于外部光學器件的焦面處或附近，并且聚焦光在擊打重定向層23之前穿過光導層11。反射重定向層23可以是漫射或散射反射器、經調整的角反射器或者其它反射表面，如上所述。在圖10示出的另一實施方案中，去除重定向層，作為替代，聚焦光的重定向在耦合微滴54自身內發生。因此，耦合微滴54用于對入射光線13進行重新導向，以及用于允許所述入射光線耦合到光導層11中。透射材料層46用于包含追蹤流體，在前述實施方案中，重定向層就置于所述追蹤流體中。為了將耦合微滴54用作重定向原件，可以使光學活性材料懸浮在微滴的液體內。這些光學活性材料可以是，例如，對射入光進行散射的顆粒、反射材料(如金屬薄片)或漫射光的折射材料。光學活性材料經過設計，從而分散在耦合微滴內，但并不分散在包覆流體內。例如，可分散在油中的白色顏料顆粒可以用作散射介質，并且分散在由油制成的耦合微滴54中，同時不互溶的水溶液用于提供包覆流體層41的低折射率包覆流體。如果耦合/重定向微滴54提供折射或穿透散射效應(如圖10示出)，那么追蹤層16可以位于聚焦光源與光導層11之間，或者如果重定向微滴提供反射或反射散射效應，那么追蹤層可以與光源反向。對于后者，使用耦合/重定向微滴54而不使用重定向層使得可以自由地將高度吸收層用作發熱機構。如圖11示出，吸收層48置于追蹤層16與光導層11相對的側上，并且可任選地用作包含追蹤層流體的壁。當耦合/重定向微滴54正確定位于光的焦點處時，所述耦合/重定向微滴遮住吸收層48，并且產生非常少的熱量。然而，當微滴54并未正確定位時，聚焦光13擊打高度吸收層48，這導致局部高度加熱，從而針對微滴移動提供較強驅動力，由此將微滴54吸引到耦合位置24。此設計的進一步變體是使用追蹤流體層16作為光導的部分或全部。這通過以下方式實現:將耦合/重定向微滴54嵌入不互溶或部分互溶的流體中，所述不互溶或部分互溶的流體的折射率與耦合/重定向微滴54的折射率類似。包含流體層的壁也可以具有類似的折射率，在此情況下，所述壁也構成光導的一部分，或者所述壁可以具有大致上較低的折射率并且形成液體光導層的包覆。反射裝置設計中的另一變體是在裝置使用所有三種不互溶或部分互溶的流體:用于耦合微滴的一種高折射率流體44以及追蹤層的剩余區域內處于分層結構中的兩種流體41和48，如圖12示出。鄰近光導層11的流體層41用作光導包覆，并且對于低損耗光導而言具有低折射率和高透射性。鄰近重定向層23的流體48可以包括高聚光吸收材料。當耦合微滴44正確定位在光的焦點處時，吸收流體48位于光路外，并且由此產生非常少的熱量。然而，當微滴44并未正確定位時，聚焦光擊打吸收層48的高度吸收流體，這導致局部高度加熱，從而針對微滴移動提供較強驅動力，使得微滴44移動到光束13入射到的位置上。分層流體結構16可以使用多種技術進行穩定，所述技術包括因密度變化而導致的流體分離，以及通過流體特性和腔室壁25進行的流體張力操控，如上所述。如果腔室壁25用于通過流體張力來穩定流體層，那么腔室壁25之間的間距必須接近或低于毛細距離，如間隔小于約lcm。由于腔室壁還用來限制耦合微滴44的移動，因此，毛細距離會設定近似距離上限，這樣就可以使用此設計來移動耦合微滴44。具有漂浮式重定向元件的耦合裝置設計在圖13的設計中，追蹤腔室內的液體構成光導芯的部分或全部。重定向層并未使用，作為替代，光的重定向在追蹤層16內的可移動元件部位處進行。在圖13示出的裝置中，追蹤層16包含由高折射率流體構成以提供光引導的光導層71，同時包含位于所述流體內的較小重定向微滴73或蒸汽氣泡。這些微滴73或氣泡小到足以使其具有大致上球形的形狀并且不會平貼追蹤層壁(即，流體追蹤層16與包覆壁層72之間的界面)，而且足夠小到使得緊挨在一起的許多微滴73或氣泡能夠占據耦合位置24，所述耦合位置同樣與射入光束13的焦點大小相同。重定向微滴73或氣泡可以通過使用光導流體層71中的表面活性劑來進行穩定。如果使用蒸汽氣泡，那么這些蒸汽氣泡可以是永久特征，或者可以通過選擇具有合適沸點的光導流體局部地產生于熱點處。在一些實施方案中，如果射入聚焦光或其它局部加熱機構不存在，那么就不存在氣泡或微滴73，而如果聚焦射入光束存在，那么射入光13將光導流體加熱到足夠的溫度以產生重定向氣泡。足夠的溫度可以處于、接近、略微低于或高于光導流體的沸點。如果使用微滴，那么這些微滴可以由可透射的低折射率流體制成。位于熱點處的低折射率微滴73或氣泡的大致上球形的表面用于散射聚焦光，從而對所述聚焦光進行反射或折射，以使所述光重定向并且可以由光導層71進行引導，如圖示出。或者，光學活性材料，如反射或折射顆粒，可以懸浮在微滴73中以提供重定向功能，在此情況下，微滴的折射率可以發生改變，因為無需在微滴73與光導層71的流體的界面處進行反射或折射來提供重定向功能。同樣，如果添加光學活性材料，那么重定向微滴73的尺寸不再受限。如果需要，可以使用少量較大微滴，以使這些微滴平貼腔室壁。熱毛細力將朝熱點處自然地吸引蒸汽氣泡，并且通過適當選擇流體和腔室幾何形狀，懸浮的微滴73也可以被吸引到熱點處。在此設計中，追蹤層16的本體流體也用作光導。包含流體的壁72可以具有較低折射率并且因此用作光導包覆(如圖13示出)，或者具有較高折射率并且因此用作光導的一部分，其中經引導的光同時穿過壁材料72的本體以及光導層71的流體。同樣如圖13示出，可任選地使用高度吸收層48。
在此設計的變體中，流體追蹤層16包含兩層不互溶或部分互溶的流體71和41，如圖14示出。兩層流體結構可以使用多種技術構成并且進行穩定，所述技術包括因密度變化而導致的流體分離，以及對光導、重定向層和腔室側壁進行的表面特性操控。在圖14示出的實例中，使用具有特定表面的腔室壁72來穩定分層結構，所述表面優選由上部流體71(即，光導層71的流體)進行潤濕。圖14示出的腔室壁72用作光導的一部分，盡管如圖13示出，所述腔室壁可以由較低折射率材料構成并且用作光導包覆。懸浮在流體層71和41之間界面處的是一個或多個重定向元件74。所述重定向元件74可以是反射或折射顆粒，其收集在界面或一小片光學活性膜處，如圖14描繪的那樣。例如，包含角反射器特征的薄塑料膜可以懸浮在水溶液與油之間的界面處，所述角反射器特征已被處理成在一個表面上具有親水性，而在另一表面上具有疏水性。當熱點通過部分吸收聚集光13而在追蹤層16中的耦合位置24處形成時，兩種液體之間的界面張力會受到影響。界面張力的局部變化使得界面處形成流體流。通過正確選擇流體和腔室尺寸，將出現朝向熱點的對流流體流，并且懸浮在界面處的光學活性重定向元件74將自動收集在熱點處。可以選擇具有折射率大致上不同的兩種流體71和41，以使其中(層71) —個用作光導芯的部分或全部，而另一個(層41)用作包覆層。或者，可以選擇折射率非常相近的兩種流體，以使兩種流體同時用作光導芯，而包覆則由追蹤層的壁72或外部介質提供。如果重定向元件74提供反射或反射散射效應，那么所述設計允許自由使用高度吸收層48作為發熱機構，如圖示出。無論包覆是由流體層、追蹤層的固體壁還是低折射率的外層提供，該層均會置于包覆外。在圖14示出的實例中，較低流體層41提供包覆功能，而高度吸收層48用作追蹤層壁。另外，如圖14示出，上部流體層71和下部包壁72均具有高折射率，并且用作光導材料。當一個重定向元件或多個重定向元件74正確定位在光的焦點處，所述重定向元件遮住吸收層48，并且產生非常少的熱量。然而，當一個重定向元件或多個重定向元件74并未正確定位時，聚焦光13擊打在高度吸收層48上，這導致局部高度加熱，從而針對流體界面處的流體流提供較強驅動力，由此將重定向元件74吸引到耦合位置24。耦合裝置光學設計變體聚焦光點大小可以不同，具體取決于其在腔室上的位置。例如，如果使用固定透鏡將陽光聚焦在腔室上，那么點大小可能因聚焦偏差而隨入射光角變化而改變。此問題的一種解決方案是使用較大體積的耦合或重定向微滴，以便在焦點大時改進光捕獲，但這在焦點小時將承受不必要的額外光導損耗。作為替代，當耦合部位在腔室上移動時，則需要改變耦合部位的大小。這可以通過在腔室區域上改變腔室的高度來完成，如圖15所示。耦合位置24的面積，即耦合微滴44的面積在腔室較窄的地方(即，包覆流體層41較薄的地方)增大并且在腔室較寬的地方(即，包覆流體層41較厚的地方)減小。圖15示出的實例具有位于腔室中心的較小耦合區以及朝向邊緣的較大耦合區。圖15示出的實例使用圖9的耦合裝置設計，其中額外高折射率填充材料層82被包括在包覆流體層41的部分與重定向層23之間，從而形成包覆流體層41的厚度可變區。此技術還可以應用于本文描述的其它設計。圖15示出的設計使得平坦的重定向層23得以維持，并且通過添加具有高折射率(與光導層11和耦合微滴44的折射率約相符)的額外透明材料82以實現可變腔室高度。或者，重定向層23也可以是彎曲的，以便符合腔室的形狀，并且無需額外材料層82。在一些應用中，外部聚焦光學器件可能無法產生占據平坦焦面的聚焦點。為了彌補這種情況，目前為止所描述的平坦光導層和平坦追蹤層可以由彎曲光導層和彎曲追蹤層替代，如圖16所示。圖16示出彎曲光導層91和彎曲追蹤層，所述彎曲追蹤層包括彎曲包覆流體層92和耦合微滴44，所述彎曲光導層和彎曲追蹤層通過圖9的設計實施，但也可以通過本文描述的其它設計實施。層93是彎曲重定向層。如果光導結構是彎曲的，那么可以對所述光導結構的尺寸進行選擇，以便最小化由彎曲造成的光導損耗。 將耦合裝置與聚焦光學器件集成上述追蹤式耦合器裝置設計可以集成為單個裝置或裝置陣列，并且可以與單個聚焦元件或聚焦光源獨立匹配，或者與聚焦光源陣列獨立匹配。當使用聚焦元件陣列來捕獲直射光束光學能量時，聚焦元件可以是折射、反射或衍射元件，或者可以由不同元件的組合組成。如果使用基于橫向熱毛細運動的耦合裝置設計，例如圖8到圖15示出的那些裝置設計，那么單個腔室可任選地與陣列中的每個聚焦元件匹配；然而，如果使用基于熱毛細膜變薄的耦合裝置設計，例如圖2、4、6或7示出的那些裝置設計，那么腔室無需與聚焦元件一一匹配。下文展示了兩種示例性陣列設計，但是，很多組合均是可行的。圖17描繪了圖2的光追蹤耦合裝置的實例應用，所述裝置與構成片狀的透鏡95的陣列96組合。陣列96內的透鏡95提供聚焦光(為了清晰起見按，圖中省略光線)。低折射率的包覆層94位于透鏡陣列片96與光導層11之間。包覆層94可以由折射率約1.3的含氟聚合物材料制成，或者可以由低折射率的其它材料制成。或者，包覆可以由真空、空氣或者折射率適當低的蒸汽或液體形成。盡管該圖和隨后附圖只描繪了用于光聚焦的單個透鏡表面，但是系統還可以設計成具有包括多個透鏡和/或其它光學元件的聚焦系統。此外，盡管圖17的實例使用圖2的耦合裝置，但是本文披露的任何追蹤式耦合裝置設計均可以使用。圖18示出的實例使用彎曲反射鏡97的陣列98作為聚焦元件，并且使用與圖14的耦合裝置類似的耦合裝置。由于使用反射聚焦表面可能需要追蹤式耦合裝置在很大程度上是可透射的，因此這些反射聚焦表面與使用可移動重定向元件74而非固定重定向層的那些耦合裝置設計最為相配。在該設計中，單個聚焦元件97與每個腔室匹配。在每個腔室內，反射重定向元件74懸浮在光導流體71與包覆流體41之間的界面處。所述流體在一側上由光導層11包圍，并且在另一側上由可透射窗口層99包圍。射入光(為了清晰起見，未示出)穿過可透射窗口層99的外表面進入結構中，并且穿過流體層41和71、光導層11以及包覆層94。隨后，在光耦合到光導結構中之后，所述光由聚焦元件97進行反射和聚焦。系統的熱特性可任選地設計成對相鄰腔室之間的熱串擾進行限制，方法是例如，通過使用熱隔離件來分離腔室。根據透鏡和陣列的光學設計，處于一定入射光角時，來自一個鏡的聚焦光可以進入與相鄰的鏡匹配的腔室中。為了捕獲處于此入射角的光，重定向元件74被設計成以一定效率捕獲從關聯的鏡或相鄰的鏡入射的光錐。圖19描繪了實例陣列系統，所述陣列系統設計成具有彎曲光導層11，以便符合聚焦透鏡101的彎曲焦面。此實例中采用與圖9的耦合裝置設計類似的耦合裝置設計，但是許多其它設計可以與彎曲光導一起實施。包覆層94示出為位于光導層11的暴露部分上，但是也可以不覆蓋所述暴露部分，這樣就將空氣用作包覆材料。窄光導可用于最小化光導彎曲所導致的光損耗。如果上述陣列系統使用足夠薄的彈性材料制成，或者如果上述陣列系統在特定位置處分段以允許屈曲，那么可以使得所述陣列系統屈曲或彎曲。由于流體追蹤層會對來自每個聚焦元件的聚焦光進行自動追蹤，因此每個聚焦元件能夠在不損害整個收集器性能的情況下進行不同定向。因而，可屈曲或可折疊的聚光光學能量收集系統是可行的。此類系統可以卷起或折疊以便攜帶，隨后可以鋪開或展開以便使用，并且無需在運行期間保持平坦或剛性。圖20示出了特定設計，在所述設計中，聚焦和重定向均由單個光學表面103執行，這樣，到達追蹤層16的光線13均聚焦到小區域中，并且進行定向以便實現光導耦合。聚焦和重定向元件103是經調整的鋸齒形反射表面，其嵌入高折射率材料104中以提供連續的高折射率路徑，以便反射光線13進入耦合區24中的光導層11。盡管圖20的耦合區24示出為包括包含在包覆流體層41內的耦合微滴44，如圖8示出，但是本文描述的任何耦合區結構以及用于形成這些機構的層均可以與單個聚焦和重定向元件103 —起實施，如圖20示出。其它光學設計也可以使用反射、折射和/或衍射元件來聯合進行聚焦和重定向。針對增大的接受角的陣列系統變體聚焦光學器件可能只在有限入射光角范圍上產生明確焦點。對于太陽光收集而言，需要接受角具有非常大的范圍，尤其是在太陽每天跨越的角范圍較廣的東西向軸線上。接受角范圍較廣在其它應用中可能也是需要的。為了增大可以收集的直射光束光的入射角范圍，聚焦元件的角方向可以在陣列上發生變化。圖21示出了特定實例，在所述實例中，單表面透鏡107沿著彎曲表面排列以形成透鏡陣列106，從而改變透鏡的光學軸線，由此擴展整個陣列106的接受角范圍。由于光的入射角發生變化，因此，不同的透鏡107將接收不同強度的照明，具體根據所述透鏡對著入射角的方向。表面彎曲確保在每個單獨透鏡進行對準以最大限度地接收光時(在入射光角與透鏡的光軸重合時)將不會被其它元件遮住。這種透鏡布置可以在陣列中重復出現，以便鋪蓋表面區域，如圖21示出。透鏡沿表面的焦距可以發生改變，這樣，所有透鏡的焦點就位于同一平面中，從而允許使用平面光導層11和追蹤層16。表面彎曲可以只應用于一維，或者在需要時，應用于二維。圖21示出了沿著彎曲表面排列的7個透鏡元件107，但是元件數目可以根據需要制造的較大或較小。圖21示出的實例擴展了聚焦系統的接受角，所述聚焦系統以在垂直于光導結構的入射為中心采用對稱方式布置，但如果需要，那么也可以形成非對稱透鏡布置，以便符合光源的角變化。圖21示出了與單表面透鏡一起實施的聚焦陣列變體，但是同一原理也可以與其它聚焦方案一起實施，所述其它聚焦方案包括反射聚焦鏡以及將光聚焦通過多個光學元件的設計。通常，任何本文描述的任何光導結構均可以與圖21示出的聚焦元件107的陣列106相配。增加光可以被收集的入射角范圍的另一方法是改變整個系統的方向，其中包括光導層的平面。圖22示出了特定實例，在所述實例中，實例平面光導聚光系統的四個平面節段112部署在不同方向上。四個節段112中的每個節段包括透鏡陣列96、包覆層94以及光導和追蹤部分110。四個節段112定向不同，以使每個節段在最小程度地遮住彼此的同時接收不同入射角范圍內的光。不同節段可以通過連續光導中的曲部進行連接，或者通過光學元件進行連接，所述光學元件如連接兩個光導節段的棱鏡或鏡。或者，接收元件(如光伏電池和關聯光學器件)可以置于連接位置中。可以根據需要使用大量或少量節段。該節段定向可以在陣列中重復進行。另一變體是使用連續的彎曲陣列，而非分段的平面陣列，如圖23示出。發生陣列分段或彎曲的范圍可以隨意選擇，因為只要所有彎曲程度均小到足以避免產生較大光導傳播損耗，那么光學效應就不受所述范圍影響。彎曲或分段可以只應用于一維，或者在需要時，應用于二維。基于沿著所述陣列的遮蔽效應，陣列96的聚焦元件的光學特性也可能在整個陣列上發生改變，以便改變入射光角。盡管圖22和23示出了具有在與單表面透鏡一起實施的過程中改變方向的光導層的系統，但是所述設計也可以與其它聚焦方案一起實施。此方法也可以與圖21的方法組合。圖24示出了特定實例，在該實例中，透鏡陣列106中的透鏡出現在具有小范圍局部彎曲以及較大范圍彎曲的表面上，以便與光導和追蹤層110的彎曲相符。圖21示出的小范圍彎曲也可以與本節此前描述并且在圖22中示出的分段式平面光導設計組合。圖24示出的是在較大陣列上實現透鏡布置的小范圍均勻變化，然而，小范圍彎曲和透鏡布置也可以根據在較大陣列內的位置進行調整，以使小范圍變化所造成的接受角增大在每個位置處均針對局部可變的入射光角進行優化。本節描述的原理根據在需要時進行調整的入射角實現了系統的光收集效率。例如，在太陽能系統中，此設計可以進行優化，以便在一天當中收集最大化總太陽光量。如另一實例，此設計可以進行優化，以便以接近較大角范圍上的均值的效率來收集太陽光，這樣，入射在接收元件上的光就保持大致恒定。將陣列集成到完整光學能量收集系統中為了完成光學能量收集系統，就要將追蹤聚光陣列的光導或光導層連接到接收器，所述接收器如光伏電池、熱負載或其它集光裝置。額外光學元件可以置于光導與集光裝置之間，以便進一步聚光、彎曲光線或者提供其它功能以將從光導輸出的光匹配到一個接收器或多個接收器中。因而，該系統可以安裝在提供光源粗對準的低成本機械追蹤器上，或者完全無需追蹤器就可以進行部署。所述系統可以在陽光下使用，所述系統如太陽能收集系統。由于無需進行精確追蹤，所披露的裝置能夠使太陽聚光系統的復雜程度和成本大大降低。所述系統還可以在其它光源下使用，所述光源包括用于從偏遠位置傳輸動力的激光束。圖25是示例性光學能量收集系統的透視圖。該實例使用透鏡96的平面陣列對來自光源114 (例如，太陽、激光束或其它光源)的聚焦光線13進行聚焦。流體追蹤層16與重定向層23組合，用來將聚焦光捕獲到光導11中。接收器113安裝在光導邊緣，以便接收經引導的光。接收器可以是光伏電池或其它接收元件。整個結構安裝在支撐元件115上，所述支撐元件可能包括機械追蹤特征，以使所述結構朝入射光傾斜，從而對光捕獲進行改進。圖26示出了第二示例性光學能量收集系統的截面圖。該實例使用圖21的彎曲透鏡陣列來捕獲來自光源114的光線13。流體追蹤層16與重定向層23組合，用來將聚焦光捕獲到光導11中。在該實例中，接收器113安裝在光導的底面上，以便接收經引導的光。流體層16和重定向層23在接收器的位置處中斷。如上所述，所述接收器可以是光伏電池或其它接收元件。也可以具有額外光學元件，從而對光進行限制或導向。盡管在圖26中，接收器安裝在光導的底面上，但是該接收器也可以安裝在頂面上。如果是那樣，那么透鏡陣列106和上部包覆94必須在接收器的位置處中斷，以便所述接收器可以直接附接到光導上。
流體動力變體熱毛細效應只是可以用于在微流體腔室內移動液體的多種機制中的一種。這種機制在光強度高的情況下(如在聚集太陽光時)使用是非常方便的，因為強溫度梯度可能在焦點邊緣自動產生，從而可以實現自動光追蹤。其它機制也是可行的，并且在光強度較低或者需要隨意控制耦合(如在開始耦合和停止耦合之間切換)而非提供簡單光追蹤功能的其它應用中可能是優選的。電潤濕和介電泳技術響應于外加電場來移動液體。這些技術可以用于本文描述的追蹤腔室中，方法是將電極陣列嵌入腔室壁中，并且向特定電極施加電壓以影響所需流體移動。根據腔室設計，電極可能需要由對于入射光而言是可透射的導電材料制成，所述導電材料如銦錫氧化物。在普通光導上的腔室陣列中，相應電極可能并聯連接，以便流體運動在所有腔室中同時發生。電子控制系統會向所述電極提供所需電壓信號。此類裝置可以用于根據需要同時在光導內和外對光耦合進行控制。本文已描述多種實施方案。然而，如所屬領域的技術人員將理解，在不背離本發明的精神或基本特征的情況下，本發明可以采用其它特定形式實施。因此，本文的公開和描述旨在說明而非限制權利要求書中闡明的本發明的范圍。
權利要求
1.一種被配置成將光耦合到光導結構中的設備，所述設備包括: 流體追蹤層，其位于重定向元件與光導層之間，所述光導層能夠沿著第一方向將光傳輸穿過所述光導層的本體部分，其中所述流體追蹤層由包覆流體層和耦合流體層組成；其中 如果窄光束入射不存在，那么所述包覆流體層包括大致上不存在任何空隙或孔的連續層；以及 如果窄光束入射存在于所述重定向元件上，并且形成耦合位置，那么所述包覆流體層包括位于或鄰近所述耦合位置處的孔。
2.如權利要求1所述的設備，其中所述孔至少部分填充有所述耦合流體層的耦合流體。
3.如權利要求1所述的設備，其中所述包覆流體層位于所述耦合流體層的至少一部分與所述光導層之間。
4.如權利要求1所述的設備，其中所述耦合流體層或所述包覆流體層包含在具有腔室側壁的腔室內。
5.如權利要求4所述的設備，進一步包括多個腔室，其中每個腔室均包括耦合流體層或包覆流體層。
6.如權利要求1所述的設備，其中所述稱合流體層的至少一部分位于所述包覆流體層與所述光導層之間。
7.如權利要求6所述的設備，其中所述耦合流體層與所述光導層組合用來引導光穿過所述光導結構，經引導的光傳輸穿過所述光導層的所述本體部分并且穿過所述耦合流體層的本體部分。
8.如權利要求6所述的設備，其中所述耦合流體層用來引導光穿過所述光導結構，經弓I導的光傳輸穿過所述耦合流體層的本體部分。
9.如權利要求1所述的設備，進一步包括位于所述重定向元件與所述光導層之間的吸收流體層。
10.如權利要求1所述的設備，其中所述耦合流體層包括第一流體，并且所述包覆流體層包括第二流體，所述第二流體與所述第一流體不互溶或部分互溶。
11.如權利要求1所述的設備，其中所述耦合流體層包括第一流體，所述第一流體選自由水溶液、水溶性流體、 烴油、硅油、有機化合物以及氟碳油組成的材料組，并且其中所述包覆流體層包括第二流體，所述第二流體選自由水溶液、水溶性流體、烴油、硅油、有機化合物以及氟碳油組成的材料組。
12.如權利要求1所述的設備，其中所述光導層具有第一折射率，所述包覆流體層具有小于所述第一折射率的第二折射率，并且所述耦合流體層具有大于所述第二折射率的第三折射率。
13.如權利要求1所述的設備，其中重定向層被配置成使入射光束相對于所述入射光束的傳播方向以大角度偏轉到所述光導層中。
14.如權利要求1所述的設備，其中所述光導層包括選自由玻璃或聚合物組成的材料組的材料。
15.如權利要求1所述的設備，其中所述重定向元件包括重定向層。
16.如權利要求15所述的設備，其中所述重定向層對入射光進行反射或折射。
17.如權利要求15所述的設備，其中所述重定向層的不同部分被配置成使入射光以不同角度偏轉。
18.如權利要求15所述的設備，其中所述重定向層由大致上無孔的材料形成。
19.如權利要求15所述的設備，其中所述重定向層或所述光導層中的至少一者的表面涂布有改變所述表面的潤濕特性的涂層。
20.如權利要求15所述的設備，其中所述重定向層是透射層，并且被配置成置于所述光導層與入射聚焦光之間。
21.如權利要求20所述的設備，其中所述重定向層包括棱鏡陣列。
22.如權利要求15所述的設備，其中所述重定向層是包括鋸齒鏡的反射層。
23.如權利要求22所述的設備，所述鋸齒鏡被配置成將偏離垂直入射以平均角度α傾斜的入射光耦合到所述光導層中，其中所述鋸齒鏡中的單獨鏡相對于所述重定向層的平面形成30° 土 α/2的角度。
24.如權利要求1所述的設備，其中耦合區位于或鄰近所述光導結構內的局部溫度極值處。
25.如權利要求1所述的設備，其中所述入射聚焦光的一部分在或鄰近所述耦合位置處被吸收。
26.如權利要求25所述的設備，其中所述入射聚焦光的所述吸收導致在或鄰近所述耦合位置處產生局部溫度最大值。
27.如權利要求1所述的設備，其中耦合到所述光導結構中的所述光是陽光或激光。
28.一種被配置成將光耦合到光導結構中的設備，所述設備包括: 光導層，其能夠沿著第一方向將光傳輸穿過所述光導層；以及 耦合區，其鄰近所述光導層或位于所述光導層內，并且用來將射入光相對于所述射入光的傳播方向以大角度耦合到所述光導層中；其中 所述耦合區位于或鄰近所述光導結構內的局部溫度極值處，并且所述耦合區的位置可以通過改變所述局部溫度極值的位置來進行調整。
29.如權利要求28所述的設備，其中所述局部溫度極值是局部溫度最大值。
30.如權利要求29所述的設備，其中所述局部溫度最大值通過吸收所述射入光而加熱產生。
31.如權利要求30所述的設備，其中所述射入光是聚焦射入光或激光。
32.如權利要求31所述的設備，其中所述耦合區與所述聚焦射入光或激光自對準。
33.如權利要求28所述的設備，其中所述耦合區的截面面積大致上小于所述光導層的截面面積。
34.如權利要求28所述的設備，其中所述光導層包括含有一個或多個重定向元件的流體。
35.如權利要求34所述的設備，進一步包括包覆壁層，所述包覆壁層接觸所述光導層的一側。
36.如權利要求34所述的設備，其中所述重定向元件是微滴或氣泡。
37.如權利要求28所述的設備，進一步包括被配置成在傳輸穿過所述光導層的所述光離開所述光導層之后接受所述光的裝置。
38.如權利要求37所述的設備，其中所述裝置是光伏電池或光檢測器。
39.如權利要求37所述的設備，所述裝置被配置成接受一定波長范圍內的光，其中所述光導層對于波長在所述波長范圍內的光而言在很大程度上是可透射的。
40.如權利要求28所述的設備，進一步包括鄰近所述光導層的流體追蹤層。
41.如權利要求40所述的設備，其中所述流體追蹤層包括一種流體，或者兩種或更多種不互溶或部分互溶的流體。
42.如權利要求40所述的設備，其中所述耦合區至少部分位于所述流體追蹤層內。
43.如權利要求40所述的設備，其中所述流體追蹤層包括折射率低于所述光導層的折射率的包覆流體層。
44.如權利要求28所述的設備，進一步包括重定向元件，其用來對耦合到所述光導結構中的光進行重定向。
45.如權利要求28所述的設備，進一步包括聚焦元件，其用來對耦合到所述光導結構中的光進行聚焦。
46.如權利要求45所述的設備,其中所述聚焦元件包括一個或多個透鏡,或者一個或多個鏡。
47.如權利要求45所述的設備，所述聚焦元件包括多個透鏡或鏡，其中所述透鏡或鏡沿著彎曲表面排列。
48.一種包括至少兩個節段的裝置，所述至少兩個節段中的每個節段均包括如權利要求28所述的設備。
49.如權利要求48所述的裝置，其中所述至少兩個節段彼此連接并且被配置在不同方向上。
50.如權利要求28所述的設備，其中所述光導結構是平面的。
51.如權利要求28所述的設備，其中所述光導結構是彎曲的。
52.一種被配置成將入射光耦合到光導結構中的設備，所述設備包括: 具有第一折射率的包覆流體層，其鄰近于具有第二折射率的光導層，所述光導層能夠沿著第一方向將光傳輸穿過所述 光導層的本體部分；以及 具有第三折射率的耦合微滴，其至少部分位于所述包覆流體層中；其中所述耦合微滴包括第一流體，并且所述包覆流體層包括第二流體，所述第二流體不同于所述第一流體且與所述第一流體不互溶或部分互溶。
53.如權利要求52所述的設備，其中所述耦合微滴可以自由移動穿過所述包覆流體層。
54.如權利要求52所述的設備，其中所述第二折射率和所述第三折射率各自大于所述第一折射率。
55.如權利要求52所述的設備，其中所述設備被配置成使得所述入射光相對于所述入射光的傳播方向以大角度耦合到所述光導層中。
56.如權利要求52所述的設備，進一步包括重定向元件，其用來對耦合到所述光導結構中的光進行重定向。
57.如權利要求56所述的設備，其中所述重定向元件是重定向層。
58.如權利要求52所述的設備，其中所述耦合微滴進一步用來對所述入射光進行重新導向。
59.如權利要求52所述的設備，其中所述包覆流體層包含在具有腔室側壁的腔室內。
60.如權利要求59所述的設備，進一步包括多個腔室，其中每個腔室均包括耦合微滴。
61.如權利要求52所述的設備，進一步包括吸收層。
62.如權利要求61所述的設備，其中所述吸收層是流體吸收層。
63.如權利要求52所述的設備，其中所述光導層是流體光導層。
64.如權利要求63所述的設備，進一步包括接觸所述流體光導層的壁層。
65.如權利要求64所述的設備，其中所述壁層是折射率小于所述第二折射率的包覆層。
66.如權利要求64所述的設備，其中所述壁層是折射率約等于或大于所述第二折射率的額外光導層。
67.如權利要求63所述的設備，其中所述耦合微滴至少部分位于所述流體光導層中。
68.如權利要求52所述的設備，其中所述包覆流體層的厚度在整個層上有所不同。
69.如權利要求52所述的設備，其中所述光導結構是彎曲的。
70.如權利要求52所述的設備，進一步包括一個或多個透鏡，所述一個或多個透鏡被配置成對所述入射光進行聚焦。
71.如權利要求70所述的設備，所述一個或多個透鏡中的至少一個透鏡的焦面是彎曲的，其中所述光導結構沿著所述一個或多個透鏡中的所述至少一個透鏡的所述彎曲焦面放置。
全文摘要
本發明描述一種使用液體以將聚焦光耦合到光導中的自動光學耦合裝置。所述液體通過熱毛細效應在腔室或層內移動，以便自動追蹤和耦合聚焦光的移動點。本發明還提供這些耦合裝置在構成普通光導的陣列中的應用、改進這些陣列性能的光學設計，以及此類陣列在光收集上的應用。
文檔編號G02B6/00GK103189765SQ201180052494
公開日2013年7月3日 申請日期2011年8月23日 優先權日2010年9月7日
發明者P·科佐多 申請人:閃耀光電股份有限公司