导光装置及其制造方法制造方法及图纸

一种导光装置及其制造方法，该装置能够重新定向在大的入射角度范围内照射在该装置上的光，并且可以在不使用跟踪系统的情况下聚集光。该装置使用全内反射和近全内反射(近TIR)临界角的折射条件将光捕获在装置内。

Light guide device and its manufacturing method

A light guide device and a manufacturing method, which redirects light on the device within a large angle of incidence, and can gather light without using a tracking system. The device captures light in the device using the refraction conditions of total internal reflection and near total internal reflection (near TIR) critical angle.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】导光装置及其制造方法
技术介绍
本教导涉及一种导光装置及其制造方法。更具体地，本教导涉及一种用于收集光并且输送所收集的光的导光装置及其制造方法。如光导管、光纤和平面波导的导光装置已经利用全内反射(TIR)原理用于在光密介质和光疏介质之间的界面处引导光束的传播。传统上，光导管(或光纤)需要在光的角度落入要在其中引导光的管的接收锥体内的情况下将光从管(或光纤)的端部泵入其中。除了光传播之外，导光装置也被用作太阳能聚光器以将光聚集在小区域中。然而，由于太阳相对于地球的持续不断地运动，太阳能聚光器需要跟踪系统，这是由于太阳能聚光器仅在太阳相对于太阳能聚光器的某些固定的小角度范围内工作。而且，许多这样的导光装置是相当笨重的。相应地，需要开发一种不使用跟踪系统就能够聚光的新型导光装置。还需要一种能够重新定向在大范围的入射角度内照射在该装置上的光的新型导光装置。
技术实现思路
下文公开了一种导光装置及其制造方法，该装置能够在不使用跟踪系统(低集中度)或有限使用跟踪系统(高集中度)的情况下将来自侧方的在宽入射角度范围照射在该装置上的光重新定向并且将光聚集。本公开中呈现的一种创新构思也依赖于斯涅尔定律中的特殊行为，其在现有技术中尚未明确地被利用。当光以比全内反射的临界角稍小(1-3度)的角度从致密介质入射到稀疏介质上时，折射角变化相对于入射角变化是高度敏感的。例如，对于玻璃/空气界面，低于临界角的入射角减少1度，可将折射角度改变12度。进一步降低1度可将折射角度改变5度。在本公开中，结合众所周知的在光学界面处的折射和全内反射的效应，利用了近全内反射条件(在此称为近TIR)的这种异常光弯曲效应。在一方面，本公开提供了一种具有限定纵向轴线的芯体的导光装置。芯体包括第一光学透明部分，第一光学透明部分包括具有第一折射率的第一光学介质；以及第二光学透明部分，第二光学透明部分包括具有第二折射率的第二光学介质，第一光学透明部分和第二光学透明部分之间的界面限定形状。该形状、第一折射率和第二折射率配置为使得进入芯体的光以一定角度在界面处偏转，以在光照射在芯体包层(cladding)界面上时，使光以至少等于全内反射的临界角的角度照射在芯体包层界面上。在一个实施例中，形状包括第一半角的第一截顶圆锥，其中第一截顶圆锥的中心轴线与芯体的纵向轴线基本重合。在一个实施例中，芯体进一步包括第三光学透明部分，第三光学透明部分包括第三光学介质，第三光学透明部分与第二光学透明部分交界以限定中心圆柱体。第三光学介质可以是空气或真空。第二光学介质可以与第三光学介质相同。在一个实施例中，该形状进一步包括第二半角的第二截顶圆锥，该第二截顶圆锥的中心轴线与芯体的纵向轴线基本上重合。第二半角大于第一半角。第一截顶圆锥的下基部圆周与第二截顶圆锥的下基部圆周相重合。第一和第二截顶圆锥的上基部圆周与中心圆柱体的弯曲侧面基本重合。第一截顶圆锥的下基部圆周与第二截顶圆锥的下基部圆周基本重合。在一个实施例中，第一半角的范围在约0.05度到约75度，并且第二半角的范围在约2度到约85度。在一个实施例中，第二截顶圆锥包括半圆锥截顶圆锥，并且第一截顶圆锥包括半圆锥截顶圆锥。在一个实施例中，第一光学介质的第一折射率在约1.4至约2.4的范围内，并且第二光学介质的第二折射率在约1.3至约2.2的范围内。在一个实施例中，该形状包括多个第一半角的第一截顶圆锥和多个第二半角的第二截顶圆锥，其中第一和第二截顶圆锥的中心轴线与芯体的纵向轴线基本上重合。第一截顶圆锥中的一个包括上基部圆周，该上基部圆周与第二截顶圆锥中的相邻截顶圆锥的上基部圆周重合。在一方面中，本公开提供了一种导光装置，其包括限定纵向轴线的芯体；以及芯体上的包层。包层包括具有第一折射率的第一光学介质和嵌入光学介质中的内含结构。内含结构包括具有第二折射率的第二光学介质。内含结构限定第一光学介质和第二光学介质之间的界面。内含结构、第一折射率和第二折射率配置为使得入射到界面上的光被全内反射并且以相对于纵向轴线成预定的掠射角传播。光从与基本垂直于纵向轴线的法线方向成预定的角度范围入射到包层上。在一个实施例中，界面具有圆锥形、半圆锥形、抛物圆锥形和椭圆形中的一种。内含结构的表面可以是纹理化的，并且第二光学介质可以是空气。内含结构可以具有半圆锥形状。芯体可以具有半圆柱形状，并且芯体可以是锥形的。在一个实施例中，包层的横截面具有由下列构成的组中选择的形状的外周：圆、N边形、椭圆、半圆和两个圆弧的有界形状，其中N是范围从3到100的自然数。在一个实施例中，包层的第一光学介质的第一折射率范围从约1.3到约1.8。在一个实施例中，芯体包括至少一种光学透明介质，并且圆柱芯体的光学透明介质的折射率大于包层的第一光学介质的折射率。在一个实施例中，芯体包括：第一光学透明部分，其包括具有第三折射率的第三光学介质；以及第二光学透明部分，其包括具有第四折射率的第四光学介质；第三光学透明部分和第四光学透明部分之间的界面限定形状；该形状、第三折射率和第四折射率配置为使得进入芯体的光在界面处以一定角度偏转，以在光照射在芯体包层界面上时，使光以至少等于全内反射的临界角的角度照射在芯体包层界面上。在一个实施例中，该形状包括第一半角的第一截顶圆锥，其中第一截顶圆锥的中心轴线与芯体的纵向轴线基本上重合。圆柱形芯体进一步包括第三透明部分，第三透明部分包括第三光学介质，第三透明部分与第二透明部分交界以限定中心圆柱。该形状进一步包括第二半角的第二截顶圆锥，第二截顶圆锥的中心轴线与圆柱芯体的纵向轴线基本上重合。在一方面，本专利技术提供了一种导光装置，其包括限定纵向轴线的芯体、芯体上的包层以及包层上的超包层(super-claddinglayer)。包层配置为使入射到包层上的光偏转，光以与基本垂直于纵向轴线的法线方向成预定角度范围入射到包层上。光被偏转到相对于纵向轴线形成掠射角的方向。超包层包括接收入射光的第一光学透明介质。第二光学透明介质与第一光学透明介质交界以限定异质界面。异质界面包括多个双锥形状。在一方面，本公开提供了一种包括超包层的导光装置，其中超包层包括接收入射光的第一光学透明介质；以及与第一光学透明介质交界以限定异质界面的第二光学透明介质，其中异质界面包括多个形状；多个形状中的每个形状配置用于将与基本上垂直于纵向轴线的法线方向成第一预定角度范围入射在超包层上的光束偏转到第二预定角度范围。在一个实施例中，导光装置还包括限定纵向轴线的芯体；设置在芯体上的包层，其中包层配置用于使入射到包层上的光偏转，光从与基本上垂直于纵向轴线的法线方向成第二预定角度范围内入射；光被偏转到相对于纵向轴线形成掠射角的方向。多个形状包括多个双锥形状；并且其中两个相邻的双锥形状的表面所对的角度在约2度至约30度的范围内。在一个实施例中，第一光学透明介质的折射率在约1.3至约2.4的范围内，并且第二光学透明介质的折射率在约1.3至约2.4的范围内。第一光学透明介质和第二光学透明介质的折射率差可以在约0.01至约0.30的范围内。超包层配置用于将具有相对于法线方向约±30度以内的入射角的光束转换为具有相对于法线方向约±5度或更小度数以内的角度的光束。在一个实施例中，芯体包括第三光学透明部分，第三光学透明部分包括具有本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有一个或多个层的导光装置；所述一个或多个层以堆叠结构配置；所述一个或多个层中的每个层具有第一表面和第二表面、第一侧和第二侧，所述第一侧和所述第二侧限定纵向轴线，所述纵向轴线位于所述第一表面和所述第二表面之间；每个所述层包括：第一光学透明部分，所述第一光学透明部分包括具有第一折射率的第一光学介质；所述第一光学透明部分包括所述第一表面；以及第二光学透明部分，所述第二光学透明部分包括具有第二折射率的第二光学介质，所述第一光学透明部分和所述第二光学透明部分之间的界面限定形状；所述第二光学透明部分包括所述第二表面；所述形状、所述第一折射率和所述第二折射率配置为使得来自光源的从至少一个所述层的所述第一侧进入的光在所述界面处以一定角度偏转，以在所述光照射在发射表面和外部介质之间的界面上时，使所述光呈现基本上准直在预定角度；所述发射表面是所述一个或多个层的层的所述第一表面或所述第二表面中的一个，所述发射表面处于与所述外部介质的界面处；所述一个或多个层的一个层的至少一个第一侧配置用于接收来自第一光源的光；具有作为外表面和所述发射表面之一的表面的至少一个光学透明部分的折射率被选择为使得从所述光源接收到的未照射到所述形状上的光被全反射；其中所述形状包括下列中的至少一个：斜棱镜阵列、面的角度在1至89度范围内的对称V形槽棱镜阵列、或者每个面的角度在1至89度的范围内的不对称V形槽棱镜阵列、或者每个面的角度在1至89度范围内的不对称V形槽棱镜阵列。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.09.10 US 62/216,503;2016.07.06 US 15/203,3841.一种具有一个或多个层的导光装置；所述一个或多个层以堆叠结构配置；所述一个或多个层中的每个层具有第一表面和第二表面、第一侧和第二侧，所述第一侧和所述第二侧限定纵向轴线，所述纵向轴线位于所述第一表面和所述第二表面之间；每个所述层包括：第一光学透明部分，所述第一光学透明部分包括具有第一折射率的第一光学介质；所述第一光学透明部分包括所述第一表面；以及第二光学透明部分，所述第二光学透明部分包括具有第二折射率的第二光学介质，所述第一光学透明部分和所述第二光学透明部分之间的界面限定形状；所述第二光学透明部分包括所述第二表面；所述形状、所述第一折射率和所述第二折射率配置为使得来自光源的从至少一个所述层的所述第一侧进入的光在所述界面处以一定角度偏转，以在所述光照射在发射表面和外部介质之间的界面上时，使所述光呈现基本上准直在预定角度；所述发射表面是所述一个或多个层的层的所述第一表面或所述第二表面中的一个，所述发射表面处于与所述外部介质的界面处；所述一个或多个层的一个层的至少一个第一侧配置用于接收来自第一光源的光；具有作为外表面和所述发射表面之一的表面的至少一个光学透明部分的折射率被选择为使得从所述光源接收到的未照射到所述形状上的光被全反射；其中所述形状包括下列中的至少一个：斜棱镜阵列、面的角度在1至89度范围内的对称V形槽棱镜阵列、或者每个面的角度在1至89度的范围内的不对称V形槽棱镜阵列、或者每个面的角度在1至89度范围内的不对称V形槽棱镜阵列。2.根据权利要求1所述的导光装置，其中所述一个或多个层包括一个层；其中所述形状包括斜棱镜阵列。3.根据权利要求2所述的导光装置，进一步包括反射层；所述外部介质设置在所述反射层和所述第二表面之间；其中所述第一表面位于所述外部介质和所述第一光学介质之间并且是所述发射表面；其中所述第一折射率被选择为使得从所述光源接收的未照射到所述形状上的光在照射到所述第一表面上时被全反射。4.根据权利要求1所述的导光装置，其中所述一个或多个层包括至少三个层；其中第一层的第一表面是所述外部介质和所述第一层的第一光学介质之间的表面，所述第一层的所述第一光学介质具有第一折射率；其中由所述第一层中的所述第一光学介质和第二光学介质之间的界面所限定的形状是对称V形槽棱镜或不对称V形槽棱镜中的一个的第一阵列；其中第二层的第一表面设置在所述第一层的第二表面上并且是所述第一层的所述第二光学介质和所述第二层的第一光学介质之间的表面；所述第一层的所述第二光学介质具有第二折射率；所述第二层的所述第一光学介质具有第三折射率；由所述第二层中的所述第一光学介质和所述第二光学介质之间的界面限定的形状是斜棱镜阵列；其中第三层的第一表面设置在所述第二层的第二表面上并且是所述第二层的所述第二光学介质和所述第三层的第一光学介质之间的表面；所述第二层的所述第二光学介质具有第四折射率；所述第三层的所述第一光学介质具有第五折射率；由所述第三层中的所述第一光学介质和所述第二光学介质之间的界面所限定的形状是对称V形槽棱镜或不对称V形槽棱镜之一的第二阵列；其中所述第三层的所述第二光学介质具有第六折射率；并且其中所述第三层的第二表面设置在所述第三层的所述第二光学介质和所述外部介质之间。5.根据权利要求4所述的导光装置，进一步包括反射层；所述外部介质设置在所述反射层和所述第三层的所述第二表面之间；其中所述第一层的所述第一表面位于所述外部介质和所述第一层的所述第一光学介质之间并且是所述发射表面；其中所述第一折射率被选择为使得从所述光源接收的未照射在由所述第一层中的所述第一光学介质和所述第二光学介质之间的界面所限定的形状上的光在照射到所述第一表面上时被全反射。6.一种显示设备，所述显示设备包括图像形成部件以及权利要求1所述的导光装置，所述导光装置被设置用于照射所述图像形成部件。7.根据权利要求6所述的显示设备，其中所述一个或多个层包括一个层；其中所述形状包括斜棱镜阵列。8.根据权利要求7所述的显示设备，进一步包括反射层；所述外部介质设置在所述反射层和所述第二表面之间；其中所述第一表面位于所述外部介质和所述第一光学介质之间并且是所述发射表面；其中所述第一折射率被选择为使得从所述光源接收的未照射到所述形状上的光在照射到所述第一表面上时被全反射。9.根据权利要求6所述的显示设备，其中所述一个或多个层包括至少三个层；其中第一层的第一表面是外部介质和所述第一层的所述第一光学介质之间的表面，所述第一层的所述第一光学介质具有第一折射率；其中由所述第一层中的所述第一光学介质和所述第二光学介质之间的界面限定的形状是对称V形槽棱镜或不对称V形槽棱镜中的一个的第一阵列；其中第二层的第一表面设置在所述第一层的第二表面上并且是所述第一层的所述第二光学介质和所述第二层的第一光学介质之间的表面；所述第一层的所述第二光学介质具有第二折射率；所述第二层的所述第一光学介质具有第三折射率；由所述第二层中的所述第一光学介质和所述第二光学介质之间的界面限定的形状是斜棱镜阵列；其中第三层的第一表面设置在所述第二层的第二表面上并且是所述第二层的第二光学介质和所述第三层的第一光学介质之间的表面；所述第二层的所述第二光学介质具有第四折射率；所述第三层的所述第一光学介质具有第五折射率；由所述第三层中的所述第一光学介质和第二光学介质之间的界面限定的形状是对称V形槽棱镜或不对称V形槽棱镜中的一个的第二阵列；其中所述第三层的所述第二光学介质具有第六折射率；并且其中所述第三层的第二表面设置在所述第三层的第二光学介质和所述外部介质之间。10.根据权利要求9所述的显示设备，进一步包括反射层；所述外部介质设置在所述反射层和所述第三层的所述第二表面之间；其中所述第一层的所述第一表面位于所述外部介质和所述第一层的所述第一光学介质之间并且是所述发射表面；其中所述第一折射率被选择为使得从所述光源接收的未照射在由所述第一层中的所述第一光学介质和所述第二光学介质之间的界面限定的形状上的光在照射到所述第一表面上时被全反射。11.根据权利要求6所述的显示设备，进一步包括照明结构，所述照明结构设置在根据权利要求1所述的导光装置下方，所述照明结构包括：光导，所述光导配置用于接收来自第二光源的光；光漫射层，所述光漫射层设置在所述光导和权利要求1所述的导光装置之间；以及至少一个微棱镜片，所述至少一个微棱镜片设置在所述漫射层和权利要求1所述的导光装置之间。12.根据权利要求11所述的显示设备，其中所述一个或多个层包括一个层；其中所述形状包括斜棱镜阵列。13.根据权利要求12所述的显示设备，进一步包括反射层；所述外部介质设置在所述反射层和所述第二表面之间；其中所述第一表面位于所述外部介质和所述第一光学介质之间并且是所述发射表面；其中所述第一折射率选择为使得从所述光源接收的未照射到所述形状上的光在照射到所述第一表面上时被全反射。14.根据权利要求11所述的显示设备，其中所述一个或多个层包括三个层；其中第一层的第一表面是外部介质和所述第一层的所述第一光学介质之间的表面，所述第一层的所述第一光学介质具有第一折射率；其中由所述第一层中的所述第一光学介质和所述第二光学介质之间的界面限定的形状是对称V形槽棱镜或不对称V形槽棱镜中的一个的第一阵列；其中第二层的第一表面设置在所述第一层的第二表面上并且是所述第一层的所述第二光学介质和所述第二层的第一光学介质之间的表面；所述第一层的所述第二光学介质具有第二折射率；所述第二层的所述第一光学介质具有第三折射率；由所述第二层中的所述第一光学介质和所述第二光学介质之间的界面限定的形状是斜棱镜阵列；其中第三层的第一表面设置在所述第二层的第二表面上并且是所述第二层的所述第二光学介质和所述第三层的第一光学介质之间的表面；所述第二层的所述第二光学介质具有第四折射率；所述第三层的所述第一光学介质具有第五折射率；由所述第三层中的所述第一光学介质和第二光学介质之间的界面限定的形状是对称V形槽棱镜或不对称V形槽棱镜中的一个的第二阵列；其中所述第三层的所述第二光学介质具有第六折射率；并且其中所述第三层的第二表面设置在所述第三层的第二光学介质和外部介质之间。15.根据权利要求14所述的显示设备，进一步包括反射层；所述外部介质设置在所述反射层和所述第三层的所述第二表面之间；其中所述第一层的所述第一表面位于所述外部介质和所述第一层的所述第一光学介质之间并且是所述发射表面；其中所述第一折射率被选择为使得从所述光源接收的未照射在由所述第一层中的所述第一光学介质和所述第二光学介质之间的界面限定的形状上的光在照射到所述第一表面上时被全反射。16.根据权利要求11所述的显示设备，进一步包括设置在所述图像形成部件和权利要求1所述的导光装置之间的反射偏振器。17.根据权利要求11所述的显示设备，其中所述第二光源和所述第一光源是相同的光源；并且其中所述相同的光源被夹在权利要求1所述的导光装置和所述照明结构之间。18.根据权利要求6所述的显示设备，进一步包括设置在所述图像形成部件和权利要求1所述的导光装置之间的反射偏振器。19.根据权利要求11所述的显示设备，进一步包括设置在所述导光装置下方的偏振旋转层。20.根据权利要求19所述的显示设备，其中所述一个或多个层包括一个层；其中所述形状包括斜棱镜阵列。21.根据权利要求20所述的显示设备，进一步包括反射层；所述外部介质设置在所述反射层和所述偏振旋转层之间。22.根据权利要求19所述的显示装置，其中所述一个或多个层包括至少三个层；其中第一层的第一表面是所述外部介质和所述第一层的所述第一光学介质之间的表面，所述第一层的所述第一光学介质具有第一折射率；其中由所述第一层中的所述第一光学介质和所述第二光学介质之间的界面限定的形状是对称V形槽棱镜或不对称V形槽棱镜中的一个的第一阵列；其中第二层的第一表面设置在所述第一层的第二表面上并且是所述第一层的第二光学介质和所述第二层的第一光学介质之间的表面；所述第一层的所述第二光学介质具有第二折射率；所述第二层的所述第一光学介质具有第三折射率；由所述第二层中的所述第一光学介质和所述第二光学介质之间的界面限定的形状是斜棱镜阵列；其中第三层的第一表面设置在所述第二层的第二表面上并且是所述第二层的第二光学介质和所述第三层的第一光学介质之间的表面；所述第二层的所述第二光学介质具有第四折射率；所述第三层的所述第一光学介质具有第五折射率；由所述第三层中的所述第一光学介质和第二光学介质之间的界面限定的形状是对称V形槽棱镜或不对称V形槽棱镜中的一个的第二阵列；其中所述第三层的所述第二光学介质具有第六折射率；并且其中所述第三层的第二表面设置在所述第三层的第二光学介质和所述外部介质之间。23.根据权利要求22所述的显示设备，进一步包括反射层；所述外部介质设置在所述反射层和所...

【专利技术属性】
技术研发人员：巴尔·姆昆德·达尔，
申请(专利权)人：巴尔·姆昆德·达尔，
类型：发明
国别省市：美国,US