低损耗的保持集光率的光导制造技术

一种光导，包括两个或多个直线光导部分以及处于上述部分之间用于将光从一个部分传输到另一部分的一个或多个光耦合元件。通过使至少两个ＴＩＲ（全内反射）表面与光导部分之一的导光方向对准，本发明专利技术的光耦合元件将光从一个光导部分传输到另一个，而具有很少或者没有光损耗，并且集光率少量增加或者没有增加。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光导，并具体涉及刚性光导，其表现出低损耗或者没有光损耗，同时基本上保持了引导光束的集光率，而与引导光束的方向改变或者引导光束与其他光束的交叉无关。
技术介绍
刚性光导如实心或空心光导管，是一种用于光采集、处理和输送的有吸引力的低成本装置。这种光导管以比常规光学装置紧凑得多的体积提供相同的功能。遗憾的是，利用现有的光导技术，光导的弯曲或折叠会带来光损失，并增大了集光率(锥角)，如图1A至1D所示。图1A示意地表示直线光导10，和外部光线轨迹1和2所示的引导光束。注意，光束在沿光导传播时保持相同锥角，如轨迹的交点处形成的恒定角度α所示。如图1B中所示，当光导10中引入弯曲11时，通过比较遇到弯曲之前外部光线3与中心光线4相交所形成的角度β与弯曲之后这些光线的相交所形成的角度γ，表明锥角增大。引导光束的锥角增大意味着，当光束射出光导时，固定孔径采集装置不能采集该光束中的所有光。图1C表示可能发生光损失的另一种方式。当第二弯曲12加入光导10时，部分光向回反射，如光线6所示，其从刚刚超过第二弯曲的区域向相反方向沿弯曲12向回反射，成为光线7。图1D表示平滑弯曲13具有与图1B中的尖锐弯曲12类似的效果，即与弯曲之前的其平行路径(0度角)相比，引导光束的锥角增大，如弯曲之后光线8与9之间的角度δ所示。当尝试用反射镜耦合光导部分时也会引起光损耗，如图2A至2C所示。在图2A中，例如，锥角φ导致引导光束(外部光线15和16所示)在通过光导18的出射孔径17射出并被反射镜19反射之后，在光导21的入射孔径20处具有对于采集而言太大的集光率，导致了巨大的耦合损耗。尽可能近地移动反射镜19，使其实际接触光导18的出射孔径17和光导21的入射孔径20，如图2B中所示，这样就使耦合损耗最小但没有消除耦合损耗。图2C表示引导光束22在从光导23射出并反射之后且在入射到光导24中之前的虚像，表示了耦合损耗对锥角θ的依赖性。图2D表示了通过将中继透镜25和26插入引导光束被反射镜19反射前后的路径中可减小或消除耦合损耗。中继透镜25和26限制了引导光束的范围，使其处于光导21的入射孔径20之内，从而避免了耦合损耗。不过，这种中继光学装置昂贵且防碍了获得所需的紧凑结构。其他可选择的装置如光纤束也比较昂贵。此外，由于组装密度相对较低，因此光纤束的插入损耗很大。
技术实现思路
根据本专利技术，光导包括至少第一和第二光导部分，以及处于上述部分之间、用于将光从一个部分输送到另一部分的一个或多个光耦合元件。通过具有至少两个TIR(全内反射)表面第一TIR表面靠近第一光导部分的出射孔径并与第二光导部分的导光方向对准，第二TIR表面靠近第二光导部分的入射孔径并与第一光导部分的导光方向对准，使本专利技术的光耦合元件将光从第一光导部分输送到第二光导部分，具有很少或者没有光损耗，并且集光率增长较少或者没有增长。在一个实施例中，两个光导部分设置成其导光方向彼此成某一角度，例如直角，并且与具有两个TIR表面的楔形光导元件耦合第一TIR表面靠近第一光导的出射孔径，第二TIR表面靠近第二光导的入射孔径。光耦合元件还具有与TIR表面成某一角度的反射表面，用于将来自第一光导部分的光反射到第二光导部分。第二TIR表面将来自第一光导部分的光引导到反射表面，同时第一TIR表面将反射光引导到第二部分。在这种结构中，在传输过程中耦合元件上很少或者没有光从一个光导逃逸到另一光导，并且很少出现或者没有出现集光率的增大。通过使用多个光耦合元件和以相同或不同角度耦合的光导部分，则能够沿任意路径传输光能量。在另一实施例中，具有三个或更多TIR表面的光耦合元件能耦合三个或更多光导部分。例如，具有四个TIR表面的光耦合元件耦合交叉图案的四个光导部分，使得可独立地在两个相交的引导路径上传输光，而不会产生从一个光导到另一光导的交叉耦合能量，并且具有很小或者没有损耗，以及集光率增长很少或者没有增长。在本专利技术另一方面，本专利技术的光耦合元件可包含一个或多个具有选择性透射和/或反射通带的二向色元件或表面，从而能进行颜色分裂和/或重新组合，具有很少光损耗或者没有光损耗，且引导光束的集光率增长很少或者没有增长。例如，在交叉光导路径的实施例中，光耦合元件中的交叉二向色元件能将来自一个光导部分的光束分成分别沿其余三个光导部分之一引导的三个成分。或者，分别沿不同光导部分朝向光耦合元件引导的三个成分光束，可通过交叉二向色元件重新组合成单独的光束，然后沿其余的光导部分引导。本专利技术的光导部分可以为光学透明材料的实心元件，或者可以为侧壁具有内部反射表面的空心管。根据用途，本专利技术的光导可仅使用实心部分或者仅使用空心部分，或者使用实心与空心部分的组合。光导部分的横截面一般是矩形的，不过也可以是正方形或者具有偶数边的其他正多边形。可知，光可以沿任一方向通过本专利技术的任意光导，其结果没有差别，除非采用了二向色或偏振元件或表面。从而，应当理解，关于本文中所述和要求保护的各光导的元件表面和孔径的术语“入射”和“出射”，仅仅为了便于说明。这些术语是可互换的，从而不限制本专利技术用于仅沿一个方向的光传播。本专利技术可用于多种光采集、处理、传输和分布应用中，广泛地应用于诸如照明、显示、信息处理和高功率应用的领域中。这些领域中具体应用的例子包括投影显示器、用于液晶显示器的背光、汽车照明和焊接。附图说明图1A到1D分别是现有技术中具有直线结构、单个尖锐弯曲、两个尖锐弯曲和一个平滑弯曲的刚性光导的示意性说明；图2A到2D为现有技术中具有反射镜(图2A和2B)、空气(图2C)和透镜与反射镜组合(图2D)的常规光耦合的刚性光导部分的示意性说明；图3A到3D为本专利技术的刚性光导的示意性说明，图3A和3B分别表示实心和空心光导，每个光导具有直角弯曲，图3C和3D分别表示实心和空心光导，每个光导具有45度弯曲；图4A到4C分别为本专利技术的相交、交叉耦合和分束刚性光导的示意性说明；图5为光导部分与光耦合元件之间的耦合区域的详细视图，表示了填充这些元件之间空间的粘合剂层；以及图6为一个光导部分的剖面图。具体实施例方式参照附图3A，表示了本专利技术光导的一个实施例30a，其包括分别具有入射孔径(31a，32a)、出射孔径(31b，32b)以及侧壁(31c，32c)的光导部分31和32。位于光导部分31的出射孔径31b与光导部分32的入射孔径32b之间的是楔形光耦合元件33，其具有两个TIR(全内反射)表面入射面33a和出射面33c、以及以一定角度延伸到TIR表面33a和33c的全反射面33b。光耦合元件33为光学透明材料。正如本文中所使用的，术语“光学透明”表示该材料能极小或者没有吸收光地传输光。适当的材料包括例如玻璃和塑料，然而折射率高于与表面33a和33c相接触的外部介质的任何光学透明材料都是适宜的。更高的折射率使这些表面能够作为全内反射(此处称作“TIR”)表面。光耦合元件33的TIR表面33a和33c分别平行于非相邻光导部分32和31的导光方向(由侧壁的方向限定)，在本实施例中，因为将光导部分31和32设置成使其导光方向成直角，所以TIR表面33a与33c也彼此成直角。在本实施例中，光导部分31和32为实心光学透明材料，如塑料或玻璃。因为这种材料相对于本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光导３０，其至少包括第一和第二光导部分（３１，３２）以及处于光导部分（３１，３２）之间的至少一个光耦合元件３３，所述光导部分分别具有入射孔径（３１ａ，３２ａ）、出射孔径（３１ｂ，３２ｂ）以及限定了导光方向的导壁（３１ｃ，３２ｃ），光耦合元件包括光学透明材料，其具有包含ＴＩＲ表面的入射表面３３ａ、包含ＴＩＲ表面的出射表面３３ｃ，入射表面３３ａ靠近第一光导部分３１的出射孔径３１ｂ，并且沿第二光导部分３２的导光方向延伸，出射表面３３ｃ靠近光导部分３２的入射孔径３２ａ，并且沿第一光导部分３１的导光方向延伸。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：PJ詹斯森，
申请(专利权)人：皇家飞利浦电子股份有限公司，
类型：发明
国别省市：NL[荷兰]