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TWI838151B - 導光裝置及具有導光裝置的百葉窗 - Google Patents

導光裝置及具有導光裝置的百葉窗 Download PDF

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TWI838151B
TWI838151B TW112108030A TW112108030A TWI838151B TW I838151 B TWI838151 B TW I838151B TW 112108030 A TW112108030 A TW 112108030A TW 112108030 A TW112108030 A TW 112108030A TW I838151 B TWI838151 B TW I838151B
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Taiwan
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light
light guide
guide plate
joint surface
length direction
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TW112108030A
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TW202436744A (zh
Inventor
鄧敦建
黃育崴
Original Assignee
國立臺灣師範大學
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Publication date
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Abstract

一種導光裝置，包含一集光器及一擴束件。集光器包括一導光板及多個集光件。導光板界包括一第一端部及一相反於該第一端部的第二端部。該等集光件分別並排地設置在該導光板的第一端部，每一集光件具有一弧面。擴束件設置於該等集光器的導光板的第二端部，該擴束件的寬度及厚度由鄰近該等第二端部朝向遠離該等第二端部逐漸變寬及變厚。當光線分別進入該等集光件內部並接觸該等弧面時，光線會被該等弧面反射並進入該導光板，且在該導光板內部反射震盪並聚焦於該第二端部，再由該第二端部導出至該擴束件。

Description

導光裝置及具有導光裝置的百葉窗
本發明是有關於一種導光裝置，特別是指一種導光裝置及具有導光裝置的百葉窗。
在日光輔助節能照明方面，太陽光扮演輔助光源的角色，搭配高效率的人工光源以降低照明的整體耗能。根據國際能源總署(IEA)的資料：2005年全球照明用電量約為2700TW/h，約佔整體發電量的20%，相當於整體消耗能源的3%，所產生的二氧化碳排放量約為2000百萬頓；其中住商照明佔整體照明用電量約74%，而辦公大樓的照明佔整體耗電比例也比一般住家高，達到26%。此外，隨著生活水準提高、經貿活動熱絡，預估到2030年對照明所需的流明總數還會成長2.11倍。因此，如何降低照明消耗的能源逐漸成為一個重要的課題。目前主要的解決方式就是一方面提高燈具的能源效率，另一方面則是利用太陽光做為輔助照明以減少照明用電。
目前將日光引入室內輔助照明有許多種技術已被提出，例如單純的用管子導光、用光纖導光、或單純的窗外架反射板，開天窗、天井等方法。由於太陽在不同季節、不同時間的位置不同，所以光線的入射角度是不斷變化 的，如果光線入射角度不在裝置的設計範圍內，那日光就不能順利引入室內，因此傳統固定式技術裝置作用的時間短。光纖式導光通常會搭配戶外安裝一個日光追跡裝置以解決日光入射角度變化的問題，但是光線要耦合進入光纖需要精準的角度對位，這會大幅增加裝置的成本，而且精密的追跡對位裝置也要額外消耗電能。因此，尚有改良的空間。
因此，本發明之其中一目的，即在提供一種能解決上述至少一問題的導光裝置。
於是，本發明導光裝置包含一集光器，包括一導光板，界定出一長度方向及一垂直於該長度方向的寬度方向，且在該長度方向上包括一第一端部，及一相反於該第一端部的第二端部，該第一端部；及多個集光件，分別在該長度方向上並排地設置在該導光板的第一端部，且沿著該寬度方向延伸，每一集光件具有一弧面；及一擴束件，設置於該等集光器的導光板的第二端部，該擴束件的寬度及厚度由鄰近該等第二端部朝向遠離該等第二端部逐漸變寬及變厚，當光線分別進入該等集光件內部並接觸該等弧面時，光線會被該等弧面反射並進入該導光板，且在該導光板內部反射震盪並聚焦於該第二端部，再由該第二端部導出至該擴束件。
在一些實施態樣中，該擴束件包括一連接該等第二端部的入光端部、一連接該入光端部的出光部及一設置該入光端部及該出光部之間的分光 層。
在一些實施態樣中，該入光端部具有傾斜的一入接合面，該出光部具有傾斜的且對應該入接合面的出接合面，該分光層設置於該入接合面及該出接合面之間。
在一些實施態樣中，還包含一設置於該入光端部且位於該分光層上方的光伏晶片。
在一些實施態樣中，該窗框呈方形並具有四個側邊部，該百葉窗還具有一樞設於上方的該側邊部的檐板，該檐板可在一使用位置及一收起位置間轉動，在該使用位置時，該檐板與該窗框的延伸方向交錯，在該收起位置時，該檐板與該窗框的延伸方向平行。
在一些實施態樣中，該檐板具有一板體、多個設置於該板體上方的第一光學微結構及多個設置於該板體下方的第二光學微結構。
在一些實施態樣中，該等第一光學微結構及該等第二光學微結構呈直角三角形狀，該等第二光學微結構的高度大於該等第一光學微結構的高度。
本發明之其中另一目的，即在提供一種具有前述導光裝置的百葉窗。
本發明具有導光裝置的百葉窗包含一窗框；及多個導光裝置，分別樞設於該窗框內，每一導光裝置包括一集光器，包括一導光板，界定出一長度方向及一垂直於該長度方向的寬度方向，且在該長度方向上包括一第一端 部，及一相反於該第一端部的第二端部，及多個集光件，分別在該長度方向上並排地設置在該導光板的第一端部，且沿著該寬度方向延伸，每一集光件具有一弧面，及一擴束件，設置於該等集光器的導光板的第二端部，該擴束件的寬度及厚度由鄰近該等第二端部朝向遠離該等第二端部逐漸變寬及變厚，當光線分別進入該等集光件內部並接觸該等弧面時，光線會被該等弧面反射並進入該導光板，且在該導光板內部反射震盪並聚焦於該第二端部，再由該第二端部導出至該擴束件。
在一些實施態樣中，該擴束件包括一連接該等第二端部的入光端部、一連接該入光端部的出光部及一設置該入光端部及該出光部之間的分光層。
在一些實施態樣中，該入光端部具有傾斜的一入接合面，該出光部具有傾斜的且對應該入接合面的出接合面，該分光層設置於該入接合面及該出接合面之間。
在一些實施態樣中，每一導光裝置還包括一設置於該入光端部且位於該分光層上方的光伏晶片。
本發明至少具有以下功效：耦合進入該導光板的光線繼續以全內反射(TIR)方式行進至導光板的第二端部時，部分光線會因為內部全反射而往回彈，因此在第二端部末端設置該擴束件，該擴束件為輸出面積>輸入面積的複合拋物面集光器，藉由放大光束截面積，縮小光束張角，便可以確保光線可以從該擴束件射出。
100:百葉窗
10:導光裝置
20:光導管
1:窗框
11:側邊部
12:開口部
2:檐板
21:板體
22:第一光學微結構
23:第二光學微結構
3:集光器
31:導光板
311:第一端部
311a:第一表面
311b:第二表面
311c:端面
311d:空間
312:第二端部
32:集光件
321:弧面
4:擴束件
41:入光端部
411:入接合面
42:出光部
421:出接合面
43:分光層
5:光伏晶片
D1:長度方向
D2:寬度方向
D3:排列方向
L:光線
R:房間
本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是本發明具有導光裝置的百葉窗的一實施例的一前視圖，說明該百葉窗在一關閉狀態；圖2是該實施例的一前視圖，說明該百葉窗在一開啟狀態；圖3是該實施例的一側視示意圖，說明該百葉窗設置於一房間並搭配一光導管；圖4是該實施例的一檐板的側視示意圖；圖5是該實施例的一導光裝置的一立體圖；圖6是該導光裝置的一側視圖；圖7是一不完整的側視示意圖，說明該導光裝置的其中一集光器的該第一端部，其中集光件僅畫出三個作為示意；圖8是一不完整的側視示意圖，說明光線通過該等導光裝置的行進路徑，其中集光件僅畫出三個作為示意；圖9是該導光裝置的一不完整的側視圖，說明一擴束件及一光伏晶片；圖10是該導光裝置的一不完整的側視分解圖，說明該擴束件及該光伏晶片；及圖11是一側視示意圖，說明光線通過該檐板及該等導光裝置的行進路徑。
在本發明被詳細描述之前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。
參閱圖1至圖3，本發明具有導光裝置10的百葉窗100之一實施例，適用於設置在一房間R並搭配一設置在天花板處的光導管20，用以將光線L(見圖9)導入該房間R內增加照度均勻度。光導管20的內壁均為反射鏡材質，且光導管20的前端為一四分之一圓之圓弧，光導管20可以將部分的光線L導引到房間R深處，避免大部分光線L集中在窗邊，且光導管20末端安裝有一擴散板，利用擴散板上之圓弧狀微結構將光線L擴開，提升室內照度均齊度。該百葉窗100包含一窗框1、一檐板2及多個分別樞設於該窗框1內的導光裝置10。
搭配參閱圖4，該窗框1呈方形並具有四個側邊部11及一由該等側邊部11界定出的開口部12。檐板2樞設於上方的該側邊部11，並可在一使用位置及一收起位置間轉動。在該使用位置時，該檐板2與該窗框1的延伸方向交錯，在該收起位置時，該檐板2與該窗框1的延伸方向平行。該檐板2具有一板體21、多個設置於該板體21上方的第一光學微結構22及多個設置於該板體21下方的第二光學微結構23。在本實施例中，該等第一光學微結構22及該等第二光學微結構23呈直角三角形狀且位置上下一對一地對應，該等第二光學微結構23的高度大於該等第一光學微結構22的高度，但不以此態樣為限制，在其他實施例中，該等第一光學微結構22及該等第二光學微結構23也可以設置成非直角三 角形狀且位置並非一對一地對應，該等第二光學微結構23的高度也可以小於該等第一光學微結構22的高度。
參閱圖5至圖8，該等導光裝置10彼此上下排列地分別樞設於該窗框1的左右兩個側邊部11並位於該開口部12，作為該百葉窗100的葉片。搭配參閱圖1至圖3，該百葉窗100能在一關閉狀態及一開啟狀態之間變換，在該關閉狀態時，該等導光裝置10的延伸方向與該窗框1大致平行以封閉該開口部12，使得空氣無法流通，如圖1所示。在該開啟狀態時，該等導光裝置10相對於該窗框1樞轉，該開口部12便未被封閉，使得空氣能夠流通，如圖2及圖3所示。該等導光裝置10的材質可例如光可穿透材料。該光可穿透材料例如折射率為1.5的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。每一導光裝置10包括一集光器3及一擴束件4。該集光器3包括一導光板31及十八個集光件32。該導光板31界定出一長度方向D1及一垂直於該長度方向D1的寬度方向D2，且在該長度方向D1上包括一第一端部311及一相反於該第一端部311的第二端部312。該第一端部311呈階梯狀且包括十八個間隔地沿著一垂直該長度方向D1及該寬度方向D2的排列方向D3排列設置的第一表面311a、一相反於該等第一表面311a的第二表面311b及十八個間隔地沿著該長度方向D1排列設置且分別將相鄰的兩個第一表面311a連接一起，並傾斜於相鄰的兩個第一表面311a的端面311c。該等集光件32分別在該長度方向D1上並排地設置在該導光板31的第一端部311的第一表面311a，且沿著該寬度方向D2延伸。每一集光件32具有一突出於該第一端部311的對應的第一表面311a的弧面321，弧面321為拋物面。當光線L分別進入該等集光件32內部 並接觸該等弧面321時，該弧面321會使該光線L進行全反射，而被反射的光線L進入該導光板31且於該導光板31的內部反射震盪，並聚焦於該導光板31的第二端部312，接著經由該導光板31的第二端部312導出。其中，第一表面311a、端面311c及集光件32的數量並不以本實施例為限制，在其他實施例中也可以為其他數量，只要是多個即可。
每一個集光件32與該導光板31的第一端部311的對應的端面311c共同界定出一個空間311d。由於該等空間311d的存在，能夠避免在該導光板31的內部行進的光線L因解耦而損失，舉例來說，最左邊的集光件32的光線L進入該導光板31後，會因為位於中間的集光件32下方的空間311d，而使得光線L得以在該導光板31的內部以全反射行進，因而能夠避免在該導光板31的內部行進的光線L因解耦而逸失，又例如，中間的集光件32的光線L進入該導光板31後，會因為位於最右邊的集光件32下方的空間311d，而使得光線L得以在該導光板31的內部以全反射行進，因而能夠避免在該導光板31的內部行進的光線L因解耦而逸失。
再參閱圖9及圖10，該擴束件4設置於該等集光器3的導光板31的第二端部312。該擴束件4的寬度及厚度由鄰近該等第二端部312朝向遠離該等第二端部312逐漸變寬及變厚，並包括一連接該等第二端部312的入光端部41、一連接該入光端部41的出光部42及一設置該入光端部41及該出光部42之間的分光層43。該入光端部41具有傾斜的一入接合面411，該出光部42具有傾斜的且對應該入接合面411的出接合面421，該分光層43設置於該入接合面411及該 出接合面421之間。該導光裝置10還包含一設置於該入光端部41且位於該分光層43上方的光伏晶片5。該分光層43為一波長選擇性的反射膜層，其可讓可見光通過而將紅外光反射至光伏晶片5，作為發電用途，進一步增進能源利用效率，光伏晶片5可例如為太陽能板或太陽能電池。分光層43的設置方式是先將該擴束件4切割成該入光端部41及該出光部42，再於該入接合面411或該出接合面421以電鍍方式鍍上一層具有波長選擇性的反射膜層，再將該入光端部41及該出光部42兩者膠合，膠可例如為光學膠、UV膠、PBS膠的其中一者。在本實施例中，該分光層43與水平的夾角約為36度，但並不以此為限制，其目的在於盡可能把入射的紅外光反射到上方的光伏晶片5上，並且盡量減少需要的光伏晶片5面積。根據入射光角度的分布狀況與擴束件4的形狀，可得出最佳角度大約是36度，但這個值並非固定，會視條件不同而不同。
參閱圖2、圖3及圖11，在白天有日照的情況下，只要樞轉該等導光裝置10使百葉窗100轉換至該開啟狀態，太陽的光線L便分別進入該等導光裝置10的該等集光件32內部並接觸該等弧面321，光線L會被該等弧面321反射並進入該等導光板31，且在該等導光板31內部反射震盪並聚焦於該等第二端部312，再由該等第二端部312導出至該擴束件4，光線L中的可見光部分能夠穿過分光層43而被引導至朝向房間R內的天花板射出，配合光導管20可以將光線L導引到房間R深處，避免大部分光線L集中在窗邊，提升室內照度均齊度。然而當太陽光的入射仰角較大時，會容易導致重定向後的光線L接近水平入射室內而形成眩光，不僅可能會造成人眼不適，且光線L也無法有效被利用，此時便 能將檐板2向下樞轉至該使用狀態，藉由該等第一光學微結構22及該等第二光學微結構23的設置，能夠將入射光的仰角變小再進入該等導光裝置10的集光器3中，以利光線L能重新被引導至天花板處。檐板2通常使用於夏季時段，因為在夏季時太陽光的入射仰角大於在冬季時的入射仰角。
綜上所述，本發明導光裝置10藉由耦合進入該導光板31的光線L繼續以全內反射(TIR)方式行進至導光板31的第二端部312時，部分光線L會因為內部全反射而往回彈，因此在第二端部312末端設置該擴束件4，該擴束件4為輸出面積>輸入面積的複合拋物面集光器3，藉由放大光束截面積，縮小光束張角，便可以確保光線L可以從該擴束件4射出。而本發明具有導光裝置10的百葉窗100透過該等導光裝置10作為葉片，能夠對應太陽在不同時間的位置而樞轉，皆能將光線L引入室內天花板，避免大部分光線L集中在窗邊，提升室內照度均齊度。再者，因為該等導光裝置10的材質為透明的，相較於一般的百葉窗100並不會遮擋室內人員的視野，故確實能達成本發明之目的。
惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
100:百葉窗
10:導光裝置
1:窗框
11:側邊部
12:開口部
2:檐板
3:集光器
4:擴束件

Claims (7)

  1. 一種導光裝置，包含：一集光器，包括一導光板，界定出一長度方向及一垂直於該長度方向的寬度方向，且在該長度方向上包括一第一端部，及一相反於該第一端部的第二端部，及多個集光件，分別在該長度方向上並排地設置在該導光板的第一端部，且沿著該寬度方向延伸，每一集光件具有一弧面；及一擴束件，設置於該等集光器的導光板的第二端部，該擴束件的寬度及厚度由鄰近該等第二端部朝向遠離該等第二端部逐漸變寬及變厚，該擴束件包括一連接該等第二端部的入光端部、一連接該入光端部的出光部及一設置該入光端部及該出光部之間的分光層，該入光端部具有傾斜的一入接合面，該出光部具有傾斜的且對應該入接合面的出接合面，該分光層設置於該入接合面及該出接合面之間，當光線分別進入該等集光件內部並接觸該等弧面時，光線會被該等弧面反射並進入該導光板，且在該導光板內部反射震盪並聚焦於該第二端部，再由該第二端部導出至該擴束件。
  2. 如請求項1所述的導光裝置，還包含一設置於該入光端部且位於該分光層上方的光伏晶片。
  3. 一種具有導光裝置的百葉窗，包含：一窗框；及多個導光裝置，分別樞設於該窗框內，每一導光裝置包括 一集光器，包括一導光板，界定出一長度方向及一垂直於該長度方向的寬度方向，且在該長度方向上包括一第一端部，及一相反於該第一端部的第二端部，及多個集光件，分別在該長度方向上並排地設置在該導光板的第一端部，且沿著該寬度方向延伸，每一集光件具有一弧面，及一擴束件，設置於該等集光器的導光板的第二端部，該擴束件的寬度及厚度由鄰近該等第二端部朝向遠離該等第二端部逐漸變寬及變厚，該擴束件包括一連接該等第二端部的入光端部、一連接該入光端部的出光部及一設置該入光端部及該出光部之間的分光層，該入光端部具有傾斜的一入接合面，該出光部具有傾斜的且對應該入接合面的出接合面，該分光層設置於該入接合面及該出接合面之間，當光線分別進入該等集光件內部並接觸該等弧面時，光線會被該等弧面反射並進入該導光板，且在該導光板內部反射震盪並聚焦於該第二端部，再由該第二端部導出至該擴束件。
  4. 如請求項3所述的百葉窗，其中，該窗框呈方形並具有四個側邊部，該百葉窗還具有一樞設於上方的該側邊部的檐板，該檐板可在一使用位置及一收起位置間轉動，在該使用位置時，該檐板與該窗框的延伸方向交錯，在該收起位置時，該檐板與該窗框的延伸方向平行。
  5. 如請求項4所述的百葉窗，其中，該檐板具有一板體、多個設置於該板體上方的第一光學微結構及多個設置於該板體下方的第二光學微結構。
  6. 如請求項5所述的百葉窗，其中，該等第一光學微結構及該等第二光學微結構呈直角三角形狀，該等第二光學微結構的高度大於該等第一光學微結構的高度。
  7. 如請求項3所述的百葉窗，其中，每一導光裝置還包括一設置於該入光端部且位於該分光層上方的光伏晶片。
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