CN101617252A - 用于照明应用的内耦合结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于诸如光波导(402)的照明应用的光内耦合结构，所述内耦合结构包括用于传输由光源(404)发射的光的基本上光学透明的介质(414)以及在介质中限定诸如盲孔或通孔的一个或多个孔(408、1006、1008、1106、1206、1214)的光学元件，该光学元件用于与可选的其他光学元件(406、412)一起耦合光。本发明还提供了一种包括具有相关集成光路的光源的照明元件(1402)。

Description

用于照明应用的内耦合结构
技术领域
本发明主要涉及光学装置。具体地，本发明涉及通过诸如光波导的可选中间元件将来自光源的光内耦合(incoupling)至目标环境和目标实体。
背景技术
光波导是通常用于在各种照明方案中引导由光源发射的光的波导。光波导可以用于显示器照明(例如，背光、前光)、小键盘、键盘和/或按钮照明、内部照明和外部照明以及其他应用。被认为很薄的传统光波导可以具有约0.8mm至约1.0mm的厚度，并且包括用于将光内耦合至其以及将光从其外耦合(outcoupling)出的微型光学结构。
图1示出了平面型光波导102的实施例的侧视图，该光波导包括在光波导102的一侧上形成为表面起伏形式的多个微型光学结构106，用于将光源104a或另一光源104b发射的并在光波导102中通过全反射进行传播的光108外耦合。在图1的实例中，光经由与底面相对的顶面从光波导102外耦合，底面包括图示的多个微型光学结构106。例如，光波导可以包括诸如PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)的光学透明聚合材料。光波导经常是用于特定应用的，从而可以精确获得想要的照明图案。诸如LED(发光二极管)的光源可以经由光波导的不同部分被内耦合；实体(entity)104a代表连接边界区/表面或边缘的光源的实例，而实体104b是顶面/底面内耦合的实例。
光波导可以根据多种不同的工艺来制造。光波导层生产可以利用连续的卷复制(roll replication)或“卷对卷”复制(roll to rollreplication)以及其它可选的方式来完成。通过应用这种制造方法，可以在表面浮凸复制(surface relief replication)中利用诸如光学透明度塑料膜的体材料(bulk material)。对于多种不同的应用，不同的卷对卷方法都是已知的并且对于制造微光学表面浮凸形状(例如，结构)，折射或衍射，都是可行的。有多种卷对卷方法是可用的，诸如Reflexite、Avery Dennison、3M、Epigem、Rolltronics、Polymicro、Printo project等方法。其他适合的生产方法可以包括连续或不连续的铸型方法(UV或热固化)、压缩成型、注射成型、连续或不连续的浮雕(emboss)(诸如硬浮雕、软浮雕和UV浮雕)等。还可以使用熔膜。
现在参照图2，示出了平坦的细长光波导202的表面视图，其中，基本为点状的光源204被配置为由其发射的光经由其边界表面内耦合至光波导202。绘制了线206，用箭头指明传播光的主要方向，从而图示说明包含用于在光源204和光波导202之间控制内耦合的内耦合结构。
图3a示出了包括由多个直接位于LED 304前面的光波导302一端表面处的表面浮凸形状(诸如栅格结构)构成的内耦合结构306的光波导302的一个实例。
图3b示出了包括光波导302和LED 304之间的独立的内耦合结构306的光波导302的一个实例。
但上述以及各种其他用于将光内耦合进入光波导或一些其他目标区的现有解决方案还是存在与耦合光特性有关的一些缺点。例如，要么是设置体积非常大从而不适于其中对定位光波导、光源和相关元件的尺寸限制很大的微型应用，要么是由于在预定的外耦合表面上得到的不可接受的无规则照明图案或者由于弱的内耦合效率而仅部分实现了已经在功能上产生的结果。
发明内容
目的在于至少明显减轻现有设置中的前述缺点。该目的通过根据本发明的内耦合结构的各实施例来实现。
根据本发明的一个方面，用于诸如光波导的照明应用的光内耦合结构，包括：
基本上光学透明的介质，用于传输由光源发射的光，
第一光学元件，设置在所述介质中，用于将最初在所述介质的预定输入面和输出面之间传播的光，相对于所述输入面和输出面之间的最初传播方向，向所述介质的侧面散布，所述第一光学元件在介质中限定一个或多个孔(诸如盲孔或通孔)，这些孔为一个或多个基本为“x”或“v”型的锐利边缘形状或圆形形状，
第二光学元件，包括相对于所述介质设置的多个微光学表面浮凸形状(surface relief form，表面起伏形式)，用于改变通过介质传播的光的方向，
其中，所述第一光学元件和所述第二光学元件被配置为与介质协作以增加所传播的光的均匀性和准直性。
内耦合结构可以在功能上是独立的，可选地在物理上也是独立的，或者至少是可与目标实体(例如光波导)分离的实体。例如，第二光学元件可以形成在基本上光学透明的介质的输出表面上，以在该输出表面上实现光的均匀性和准直性的增加。在另一个实施例中，第二或其他的光学元件可以由目标实体的表面和/或在目标实体的表面上物理形成，所述目标实体被配置为面向介质的输出表面。在内耦合结构与目标实体在物理上为一体的情况中，第二光学元件可以限定输入结构和诸如光波导的目标实体(的其余部分)之间的边界面。
在本发明的另一个方面中，用于照明应用的光耦合结构包括：
基本上光学透明的介质，用于传输由光源发射的光，
第一光学元件，设置在介质中，其中所述第一光学元件在介质中限定基本呈圆锥形或截去尖端的圆锥形盲孔或通孔的至少一部分。
其中，所述第一光学元件被配置为经由介质和孔之间的边界区将光改变方向进入到所述介质中，以在其中进行传播，优选地通过全内反射进行传播。
例如，上述内耦合结构还可以包括第二以及可选的其他光学功能元件，这些元件可以位于预定表面上，例如内耦合结构的介质的预定输出表面上。
在本发明的各实施例中，各光学元件可以例如这样形成，通过适当地选择例如介质的尺寸和材料和/或通过例如在光学元件上设置表浮凸形状来形成，从而将所传播的光配置为在与相关的边界区作用下以预定的、受控方式活动。
仍然是关于各实施例，所述孔可以用空气或一些其他优选气体填充，或由合适的固体、弹性体或者甚至由凝胶或液体介质来填充。介质的折射率以及从而该介质本身可以根据具体应用、以及可选地结合定义光学元件尺寸以及定位来选择，以得到期望的总体光学功能。
介质材料的形状可以与第一和可选的第二光学元件一起预先确定，从而协同增加均匀性、准直性以及内耦合光的内耦合效率。介质的材料可以与目标实体的材料相同。可替换的，可以使用不同的材料。介质基本上可以具有例如六边形或四边形的截面形状。在六边形的情况中，一种优选的形式可以考虑采用在较长的平行边与矩形接合的等腰梯形的组合形状。介质可以相对于光源和/或目标实体而对称对准。例如，介质的输入面可以对称位于光源的光轴上。同样，输出面可以相对于目标实体而对称定位。
例如，由光学元件限定并且具有“x”或“y”的平面/截面形状的这些孔可以在介质中相对于光源和从其内耦合的光(例如，相对于光源的光轴)而对称对准。
在一些实施例中，光学透明介质可以是平坦的，以及例如，可以使至少光输出面适于与诸如光波导的目标实体的相应(输入)尺寸匹配。在另一个实施例中，例如，介质可以具有与目标实体基本不同的尺寸，例如，至少在一个维度上更大，从而单内耦合结构可以被配置为将光传送到多个相似或不同的目标实体。不论预定输出面如何，都会有一些光还会通过其他区域泄漏到介质外部，这取决于各个特定的应用。
在本发明的一个实施例中，诸如LED的光源可以与光内耦合结构集成在一起，并且该集成实体(即，照明元件)可选地进一步与目标实体(诸如光波导)集成在一起。根据本发明各实施例的内耦合结构可以形成为光源光学器件(例如LED光学器件)的至少一部分。在另一个实施例中，光内耦合结构与目标实体集成在一起。尽管在物理上与其他部件集成在一起，但是内耦合结构还是可以被看作至少在功能上独立的元件。
本发明实施例的效用源自多个方面，这取决于各种情况。内耦合结构通常用作光散布的均化器。内耦合结构尤其可以被配置为使提供至诸如光波导的目标实体的光有效地准直和/或均匀。可替换地，内耦合结构可用于将光直接耦合到目标环境(例如，周围空间)中，而在他们之间不存在诸如光波导的其他实体。
所提出的解决方案在光源和目标实体之间通常只需要适度的空间，并且在很多实施例中，可以将一个或多个元件集成在一起，这使得可以生产具有高集成度但仍具有高质量的光学性能的小型化光学产品。例如，所实现的内耦合效率可以优于仅有衍射内耦合光栅的效用。此外，通过注射成型或在以后对介质钻出所需的形状很容易制造根据本发明实施例的内耦合结构。
根据本发明实施例的微型光学表面浮凸结构可以包括衍射和/或折射表面浮凸形状，例如光栅槽、凹槽、或具有不同截面形状(例如，火焰形(blazed)、梯形、正弦曲线形、平行四边形、双重(binary)等)的突起。
在本发明的上下文中，术语“x”指的是可以看作是这样形成的形状，由两个细长的实体(例如线)相互交叉并且由此形成一个公共中心部和四个突起部；然而，如下文所述，两个实体之间的角度可以改变并不是通常的90°。交叉点将每个细长实体分割成长度可以是不同的两个部分。
所附从属权利要求公开了本发明的各实施例。
附图说明
图1示出了具有光源的现有光波导的一个实例。
图2示出了具有光源的现有光波导的旋转俯视图。
图3a示出了光波导、相关光内耦合结构、和光源的一个实例。
图3b示出了光波导、相关光内耦合结构、和光源的另一个实例。
图4a示出了根据本发明的内耦合结构的实施例。
图4b示出了根据本发明的内耦合结构的另一个实施例。
图5示出了具有透视性效果和示例性尺寸的图4a的实施例。
图6a示出了相对于光波导定位并且导致光在光波导中传播的LED的实施例的平面图。
图6b示出了用于在内耦合结构中设置孔的设计参数。
图6c示出了用于根据本发明的内耦合结构的介质形状的一个实施例。
图6d示出了图6c实施例中的光传播的实例。
图6e示出了在根据本发明的内耦合结构的输出面上的表面浮凸图案设计的一个实施例。
图6f更详细地示出了与图6e的情况相关的入射角和外耦合角。
图6g示出了浮凸倾斜角和到设置的对称轴距离之间的依赖关系。
图6h是示出初始表面浮凸结构高度的一个实施例的曲线图。
图6i示出了目标光波导上的可实现强度分布的实例。
图7a示出了其中应用了多个光源的实施例。
图7b示出了通过将内耦合结构介质的边缘分割成多段而使其优化的一个实施例。
图7c进一步示出了一段。
图7d示出了为多个光源而优化的内耦合结构介质的一个实施例。
图7e示出了的浮凸倾角依赖关系。
图7f示出了应用了校正的浮凸倾角。
图7g示出了连续的表面浮凸结构。
图8示出了光内耦合结构的另一实施例。
图9示出了光内耦合结构的再一实施例。
图10a示出了包括圆锥形孔的光内耦合结构的实施例。
图10b示出了具有圆锥形内耦合孔和支撑顶圆锥的另一个实施例。
图11a示出了具有截去顶部的圆锥形内耦合孔设置的另一个实施例。
图11b示出了具有截去顶部的圆锥形内耦合孔设置的再一个实施例。
图11c示出了其中截去顶部的圆锥形内耦合元件设置有反射顶部的实施例。
图11d示出了用于图11c的内耦合设置的可应用尺寸(仅是示例性的)。
图12a示出了包括方位光栅(azimuthal grating)和内耦合圆锥的混合内耦合(hybrid incoupling)结构的一个实施例。
图12b示出了包括方位光栅和内耦合圆锥的混合内耦合结构的另一个实施例。
图12c示出了方位对称光栅的另一个实施例。
图13a示出了包括用于白平衡校正的圆柱形状的内耦合结构的实施例。
图13b示出了具有圆柱形元件的实施例的可替换装置。
图14示出了结合了光源和相关光学元件的照明元件的实施例。
具体实施方式
通常，光源可以直接连接至光波导元件，从而将光引入光波导元件而无需附加装置。可替换的，光波导可以设置有一个或多个内耦合结构。内耦合结构可以包括波导楔(wedge)(包括至少在顶面或底面之一上的镜面反射器)、椭圆光管、聚焦透镜和/或一束分开的光纤。另一方面，光源和内耦合结构可以形成整体结构。当光波导元件包括多个光波导层时，内耦合可以在各层之间改变。
图4a示出了根据本发明的内耦合结构410的一个实施例。例如，所使用的光源404可以包括诸如NICHIA NSSW020BT的LED。在这种情况中，目标实体是光波导402，其可以为基本平坦的光波导，并且具有例如约0.5mm的厚度以及例如约10mm的照明区宽度。准直内耦合结构410的长度优选很小，例如，约3.5mm或更小。结构介质414和/或目标实体(诸如光波导402)的材料可以包括例如具有约1.493的折射率的PMMA。
诸如多个表面浮凸形状的表面浮凸结构406用作准直结构以改善(即，典型地降低)光波导402中的角强度分布。所开发的表面浮凸结构406可以包括菲涅耳轮廓(Fresnel profile)。期望的角强度可以通过例如最大全宽度-半最大(FWHM)度数值来指定。
传送至光波导402的光的均匀性可以如下来改善：通过在介质面410上限定一个或多个预定折射和/或衍射孔、或‘空气条痕(airscratch)’408，以在介质410中更均匀地散布到达介质和孔之间的边界的光线中的至少一部分。在所示的实施例中，孔408相对于光源404(对称轴)和介质414尺寸被对称设置在结构410上，即其关于上述两个方面被中心定位。
优选地，至少一部分由光源404发射的光一碰上孔边界408就从内耦合结构410的中心区向侧面(两侧)转向，以增加目标光波导402的预定面上的光的均匀性，光通过预定引出面上的表面浮凸结构406从结构410导向至光波导。对于每一个应用，都可以将光学元件406、408和介质414的参数共同优化，并且该优化可以单独考虑内耦合结构或与所连接的诸如光波导402的目标实体一起来执行。
由光源404向光波导402发射的那一部分光还可以基本上笔直通过内耦合结构410的孔408。例如，孔408可以是盲孔和/或通孔，并且在内耦合结构410上限定一个或多个等高线。例如，孔材料可以包括空气或一些其他气体，或所选的具有优选的特性(诸如预定折射率)的固体或弹性材料。由孔408产生的等高线可以在内耦合结构410中的介质414中限定一个或多个基本上为“交叉线”或类似“x”的形状。交互交叉的线形状可以是直的或微波浪的。该形状的中心部分可以比两条不同对准的线的重叠的单纯组合大。内耦合结构410的(表面)平面可以平行于光波导402的平面。
内耦合结构410可以是，例如，物理上独立的(图中通过结构410和光波导402之间的间隙示出)或至少可以从光波导402和/或光源404分离，或者通过注射成型而与其集成在一起。尽管如此，内耦合结构410还可以通过其功能而被看作是至少在逻辑上是基本可分离的、独立实体。从而，在一个实施例中，逻辑上属于内耦合结构的表面浮凸形状可以额外地或可替换地物理形成在目标实体(例如光波导402)的输入面上。
为了评价该实施例的性能，在示例性配置中测定了波导上的光均匀性Uw、在距离LED 404约3.5mm和约5mm处的波导前侧上的均匀性Uf，以及内耦合效率E。发现E约为76％，Uf(3.5)约为84％，Uf(5)约为86％以及Uw为93％以上。从而，大体发现该结构对于所产生的均匀性特性是令人相当满意的，从而，其可用于背光应用中而对FWHM值没有过高要求。
图4b示出了本发明另一个实施例的平面图，其中，内耦合结构410包括物理上位于光波导402端面(或“输入”面)的准直表面浮凸结构406。内耦合介质414包括一个或多个(例如图示的3个)基本呈“v”形的孔408以根据前述原理来改善均匀性。此外，添加了诸如(平-)凸透镜的透镜412来与这些孔协作来散布光以及增加均匀性。这些v形孔可以是锋利边缘或曲线的/圆形的，例如更加像“u”形或在有多个相邻形状时像“w”，或者还可以实际上成波浪形。
图5进一步示出了图4a的实施例，并且还示出了以mm为单位给出的可应用尺寸(仅作为例子)。在该特定实例中，诸如白色LED 504的光源具有尺寸为1.9mm×0.45mm的矩形形状。由该LED发射的光通过具有10mm×3.5mm尺寸的内耦合结构506的预定输入侧表面而传播进入该结构，其中，预定的输入侧表面短于预定的输出侧表面。例如，用于有效能量透射的内耦合结构的厚度可以选择为大于或等于LED 504的厚度，或小于等于光波导502的厚度；从而厚度可以选择为等于光波导502的厚度，即0.5mm。LED 504可以位于相对于结构506的输入侧的中部。相反，平行于x轴的引出侧表面浮凸结构被配置为相对于yz平面来执行耦合光的准直，即最小化光线的x分量以及由此的至xy平面内y轴的光角偏向(angular divergence，角发散)的最大角，并且折射光线以使其在平面yz中传播。于是，准直的、更加均匀的光例如将进入10mm宽、40mm长且0.5mm厚的光波导502中。从LED到内耦合结构的距离可以为例如0.1mm。LED 504、内耦合结构506和光波导502可以由两个反射器膜覆盖，该膜具有约99％的反射率以最小化接触区中的光泄漏。
使用下列条件来设计孔(部件)的倾斜。孔的沉积(deposition)可以相对于LED的对称轴对称。孔本身可以定位为其边缘使光从中央区向其侧面区转向。图6a中所示的几何结构可以被选择作为参考。有光线经历了从孔边界的全内反射。这些光线改变方向而离开内耦合结构的介质的中央区。在基本为“X”形孔的情况下，孔的设计可以使用下面的参数来描述。参照图6b，从孔中央到内耦合结构的输入侧的距离标为d，倾角标为α，从中心开始的孔组成线的长度标以11和12。在所示实例中，内耦合结构的长度为3.5mm。
在示例性配置中，倾角α被认为优选保持小于约为32°的预定限制，以基本上避免光反射回LED。具有一定倾角的孔可以有利地将通过中央区的光限制为预定输出面(诸如面向内耦合结构的相对端部上的输入面的面)上的照度平均值。
于是发现，对于α＝20°，区域R(距离对称轴约+/-1mm)的照度等于平均值。这种几何结构的实现表示内耦合介质的形状可以从基本的矩形形状改变并且可以进一步增强为图6c所示的形状，以避免通过内耦合结构侧面的光损失。靠近面向LED的输入侧的倾斜侧606现在更有效地反射最初由孔转向的光，使光基本朝向所希望的引出方向(即，相对于介质输入侧的引出侧)，从而减少了通过侧面606的泄漏。所得到的内耦合结构的截面形状可以被看作是两个相邻的、基本无缝集成的元件(与LED协作的等腰梯形和面向诸如光波导的目标实体的矩形，这两个元件之间的假想边界通过图6c中的虚线608示出)的组合。
下面提供用于确定线l1的长度的一种方式。在所示的情况中，对于倾角α＝20°，关于垂直对称轴具有小于22°的角度β的所有光线都被孔和内耦合介质之间的边界改变方向，见图6d。考虑从LED的角落以相对于内耦合结构表面的法线的小于34°的角度向准直结构传播的光线。于是，光线以与法线成22°以下的角度折射进入该结构。该光线优选地通过孔来改变方向。因此，应该满足下列条件：
l 1 = l / 2 - d tan β cos α - sin α tan β , - - - ( 1 )
其中，l是所示LED的长度。将被优化的参数是距离所述结构输入侧的距离d、线长度l2(见图6b)、距离s1和s2(见图6c)。在该计算中，内耦合结构的相反侧，即引出侧被假设为吸收性的。对内耦合结构进行参数的优化以最大化在引出侧上能量的吸收能量E和均匀性U的部分。内耦合结构引出侧上的强度均匀性(uniformity)使用下面的公式进行计算：
其中， I ‾ = 1 N Σ N I j , j = 1 , . . . , N . - - - ( 2 )
其中，Ij-点j中的光强度，以及j-波导前表面上的点变量，N-测量点的总数；I-强度的平均值。
可以发现，例如，参数值l2≈0.9mm，d≈1.25mm，s1≈1.5mm，以及s2≈2.35mm内耦合结构的引出区上提供高能量和均匀性值。参数l1≈0.55mm是考虑到LED和内耦合结构之间的空气间隙基本为0.1mm来测定的。下面的试验证明了具有高能量百分数的均匀性的最大值。
在示例性配置中，将l2从0.9mm的值开始改变会导致均匀性的减小，如表1所示：
表1
  l2，mm   d，mm   s1，mm   s2，mm   能量，％   一致性，a.u.
  0.8   2.25   1.5   2.35   84.11   87.66
  0.9   2.25   1.5   2.35   84.15   87.81
  1.0   2.25   1.5   2.35   83.91   86.59
相应地，将d从2.25mm的值开始改变可导致均匀性的降低，如表2所示：
表2
  l2，mm   d，mm   s1，mm   s2，mm   能量，％   一致性，a.u.
  0.8   2.15   1.5   2.35   84.11   87.66
  0.9   2.25   1.5   2.35   84.15   87.81
  1.0   2.35   1.5   2.35   83.91   86.59
此外，将s1从1.5mm的值开始改变会导致均匀性的下降，如表3所示：
表3
  l2，mm   d，mm   s1，mm   s2，mm   能量，％   一致性a.u.
  0.8   1.25   1.4   2.35   84.19   87.36
  0.9   1.25   1.5   2.35   84.15   87.81
  1.0   1.25   1.6   2.35   84.01   87.62
再有，将s2从2.35mm的值开始改变会导致均匀性的下降，如表4所示：
表4
  l2，mm   d，mm   s1，mm   s2，mm   能量，％   一致性，a.u.
  0.8   1.25   1.5   2.25   84.03   87.70
  0.9   1.25   1.5   2.35   84.15   87.81
  1.0   1.25   1.5   2.45   83.91   85.59
因此，这些试验表明准直性结构的上述参数适用于所给定的几何结构。
可以使用下面的条件来设计表面浮凸结构的表面曲率。参见图示说明的图6e。轴H位于与前面的、面向LED的内耦合结构的输入侧距离dH的位置处，并平行于输入侧定向。在建模研究中，将距离dH假设为约3.5mm。对称轴S通过LED的中心并垂直于内耦合结构的前侧定向。对于轴H上的某个点来确定光角分布的角度α1in和α2in，见图6f的示意图。与轴S相距ds的点的微结构表面倾斜的角度α可以被用于确定折射光线的角度α1out和α2out。折射光线α1out和α2out可以被最小化为设计目标。
可以通过折射光线角α1out和α2out相等的条件来选择α倾角。图6g示出了计算出的关于与对称轴S的距离为ds的H轴的点的浮凸倾角α的相关性。实线表示基于实际强度角分布所获得的相关性。虚线表示基于最大化传输能量的优化依赖性。使用该相关性，可以开发初始的连续浮凸。由于关于S轴的对称几何结构，所以认为在图6h中仅表示出浮凸高度和距离之间的相关性的一半就足够了。
准直微结构的高度和特征尺寸可以优选为高于例如红光的波长，以避免不想要的衍射效应和由白色LED发射的光的色散。
图6i示出了在目的波导表面上产生的强度分布。发现光波导上的强度分布的均匀性超过93％。距离LED 3.5mm的光波导前侧上的强度分布的均匀性约为84％(未示出)。距离LED 5mm的光波导前侧上的强度分布的均匀性约为86％(未示出)。因此，有利的是均匀性普遍较高，然而，增加均匀性可能会导致传输能量的更高的角偏向，并稍微降低内耦合效率。因此，所提出的孔的应用是增加背光中的均匀性而对强度角分布具有较少的苛刻要求的有效方法。
在图7a的实施例中，内耦合结构被设计用于三个(即多个)光源(诸如LED)以通过嵌入的孔来将传播的部分光改变方向至该结构的侧面。通过适当地选择介质形状，在该结构的侧面上经历了全内反射的光然后被改变方向至预定的输出侧。一部分光可以基本上笔直通过这些孔而再次传播至该结构的引出侧。引出侧还具有圆柱形微浮凸面结构以使输出光准直。根据在前面实施例的说明中所阐明的原理优化的内耦合结构的形状被用作优化过程的起始点。
由于该结构是对称的，因此，如图7b所示，只将一半的初始形状通过分割成多个段而进行优化。在该实施例中，内耦合结构的长度h等于约3.5mm。
每一段都通过倾角ak以及长度lk表征(见图7c)。
优化过程可以基于最大化内耦合结构的H边上的照度的均匀性，以及最小化xy平面中向y轴的光角偏向的最大角。在最初的优化中，H边被假设为完美的吸收器。内耦合结构的相反的引出侧上的强度均匀性使用前述的均匀性等式来计算，从而对不同的段获得下列尺寸和倾角值。
表5
  段号   长度，mm   倾角，度
  1   0.65   0
  2   0.68   15
  3   1.1   21
  4   1.03   23.5
  5   1.24   30
图7d示出了相比于初始形状(较淡的线)的用于多光源的介质边缘的优化形状(较黑的线)。下表中包括新优化结构和旧的初始结构的在H边上的FWHM的信息、H边上的均匀性U、内耦合效率E(传输至H边的能量)。
表6
  优化的形状   初始的形状
  FWHM   80.4°(+/-40.2°)   85°(+/-42.5°)
  U   87.57％   87.81％
  E   85.85％   84.15％
所进行的优化将传送至H边的角偏向减少了4.6°。还使内耦合效率提高了1.7％。可是，光能量的均匀性只略微降低。
考虑到表面浮凸结构的设计，通过数次实验来估计依赖于与S轴的距离ds的该结构中H轴上的强度角分布的FWHM角度。结构的优化使相对于对称轴从约3.7mm至约5mm的距离的角偏向改变5°至10°。然而，对于从约2.3mm至约3.7mm的距离，FWHM的角度对于某些应用仍然没有足够小。从而提出通过使用附加地孔来减少该区中的角度。
α倾角通过折射光线角α1out和α2out相等的条件来选择。所计算出的与对称轴S距离ds的H轴上的点的浮凸倾角α的相关性被计算用于初始和优化结构，并在图7e中示出。在距离约0.25mm至约1.25mm以及约3.7mm至约5mm时，优化结构的浮凸倾斜比初始结构小。
微结构浮凸的法线和入射光束之间的较大角度减少传输能量。因此，减少浮凸倾角通常是有利的。还通过实验测试了浮凸倾角中的小、中、大减少量的三种校正相关性(校正1、校正2、校正3)。图7f示出了浮凸倾斜的校正相关性。
使用校正的相关性来构建连续轮廓。图7g示出了相关对称曲线的一半。然后可以使用该分析数据来开发微结构的离散轮廓。
图8示出了内耦合结构的另一个实施例，其中，使用了两个棱镜806、808。两个棱镜806、808都被配置为散布入射光以增加其在目标实体(诸如光波导802)中的均匀性。附加的三角形棱镜808因此被设置在该结构的中央。对称轴位于LED的中央并垂直于具有被截去顶部的三角形的结构806的前侧。初始结构806还具有对称的连续浮凸。结构中央的较小的棱镜元件808可以用于更有效地将光从中央区分布到侧面。
图9示出了将光从LED 904耦合到光波导902中的情形，其中，LED具有尺寸约为例如0.96mm×0.96mm的本体，光波导具有例如约3-8mm的厚度以及约为n＝1.29-1.68的折射率。为了将光耦合到较厚的光波导(例如，厚度大于约1mm(n＝1.5))的内耦合结构的优化程序，基本可以与用于与薄光波导相关的相似元件的优化程序一样。一个区别是可以减少从表面浮凸微结构的多次反射，这导致更高的效率。
表面浮凸微结构被应用于面向LED的光波导的两个壁。底面涂有折射微浮凸，而上面涂有三角形光栅形式的折射微浮凸。该图示意性示出了光线的几何形状，其中，顶面反射光栅额外地使得能够耦合其中央区中的零阶能量部分(-1′阶和1′阶)。所获得的内耦合效率相比于单纯的单表面微结构仍然有所提高。
图10a示出了本发明的另一个实施例的截面，其中，圆锥形孔1006形成在内耦合结构(介质)或直接形成在光波导1002中。具有厚度H的光波导1002包括顶角为θ、深度为h以及直径为D的圆锥形孔。光波导1002的折射率为n。该孔可以填充有空气或一些其他气体，或以具有不同于周围光波导介质1002的预定折射率的固态介质。顶角θ可以为例如约20°、30°、40°或50°。优选的孔直径取决于辐照体尺寸，在该实施例中选择为约D＝1.6mm。
表7给出了圆锥形孔1006关于光波导的不同折射率的计算和仿真的示例性结果。η值是耦合效率，以全部LED能量的百分比表示。LED的方向性曲线被认为是Lambertian。光波导厚度不应小于圆锥高度h。在表中，设计的n＝设计的折射率使得能够进行该方案的最佳操作，使用的n＝对其计算了η值的折射率。
表7波导孔的参数对折射率
Figure G2007800518324D00201
对于折射率n小于或等于1.41，耦合效率显著减小。实际上仍难以实现100％的效率，这是因为一些有限部分的光通过其顶面离开光波导。表7给出了孔深h，该计算结果对于光波导厚度H＞h是有效的。
图10b示出了本发明的一个实施例，其中，两个基本为圆锥形-圆锥形的光学元件被用于(内)耦合的目的。图10a的实施例的性能可以在一些情况中通过在输入区添加第二180°的倒置圆锥，即“顶圆锥”1008来增强。顶部圆锥1008的顶点可以面向下部圆锥的顶点，并且在极端情况中，这两个顶点可以相互限制。顶部圆锥1008的尺寸可以根据应用(application-wise)来选择。
在一种配置中，实现了如下性能：
表8
  n   η，％
  1.29   75.2
  1.4   94.5
  1.5   98.6
  1.6   98.4
  1.68   98.04
在顶部圆锥涂布镜面(反射)涂层如下改变了结果：
表9
  n   η，％
  1.29   86.8
  1.4   96.2
  1.5   98.59
  1.6   98.4
  1.68   98.04
当目标是将光耦合到具有宽范围折射率的光波导中时，上述设置在整个折射率范围内都执行的相当好。对于n＝1.29的折射率(光波导约为3mm厚)，通过进一步优化圆锥，获得约为83％的耦合效率是可能的，而在顶部圆锥上涂布镜面涂层可以将效率提高到约98％。对于较厚的光波导，可获得更好的结果。对于相同的光学配置，表10在耦合效率和折射率方面提供了对厚度为8mm的光波导的分析结果的了解。
表10
  n   η，％
  1.29   98.14
  1.4   99.6
  1.5   99.4
  1.6   99.3
  1.68   99.1
可以基于下列参数中的至少一些是已知的假设来根据具体情况优化所示的双圆锥方案：光波导厚度；光波导折射率；光源(例如，LED)辐照体尺寸，以及在XZ平面中以及在Y轴上光源对准的(不)精确度。
如果将通过对光波导钻盲孔来制造圆锥，则应该考虑圆锥面的平滑度，这是因为当该方案以设计的折射率和高度h工作时，Y轴上的壁粗糙度(由于低质量钻孔造成的环状沟槽)会引起光线通过其顶部离开光波导。在XZ平面中发现的圆锥面上的较小粗糙度(具有平行于圆锥轴的沟槽)可能不是那么严重。
在两种方案中，LED辐照体优选放置在光波导(底)面的右侧。在制造该设置时，一个选择是是LED稍微沉入圆锥中。这会提高耦合效率(例如，提高约0.1...0.2％)并排除在相对于光波导外表面成锐角处看到LED的可能性。LED嵌入深度可以根据具体情况来确定。
图11a示出了用于将光传送到(薄)光波导中的折射圆锥辅助(cone-aided)内耦合结构的另一个实施例的截面。我们可以考虑例如，用于将光从诸如LED 1104的光源耦合到厚度仅为约0.15mm、折射率约为n＝1.5的光波导1102中的方案。由孔限定的圆锥1106可以是基本被截取顶部的，例如，圆锥体(例如平截头体)，并且可以例如通过钻通光波导1102，或通过使用合适的模具来得到。
还是在该实施例中，内耦合结构1112可以通过对光波导进行钻孔(并且在该情况中钻通光波导)来进行安装，通过钻孔直接形成斜壁或垂直于光波导表面的壁。在后一种情况中，诸如内耦合模块1112的照明元件被设置在孔中，该照明元件包括类似于或不同于周围光波导介质1102的介质材料，限定以空气或一些其他介质填充的截去顶部圆锥形孔1106，并且可选地提供诸如LED的光源。
对于图中所示的方案，对于具有折射率约为n＝1.5的光波导，耦合效率可以约为61％。效率将随着折射率一起提高，而折射率的降低会导致效率的下降。从而，对于n＝1.68，耦合效率可以约为67％。
图11b示出了包括截取顶部的圆锥形状的内耦合结构的另一个实施例。在该实施例中，对内耦合结构1106周围的光波导介质1102局部增加厚度，从而通过额外的耦合面、局部介质深度以及所产生的改善的角度增强了内耦合结构。内耦合结构可以被提供作为诸如模块1114的照明元件，其结合了逐渐变厚的介质部分1108、圆锥材料(如果有的话)1106、和/或诸如LED 1104的光源。通过分析，例如，对于n＝1.68，可以达到约72％的耦合效率。
在一些应用中，耦合效率可以通过将反射圆锥引入所研究的方案中而进一步提高。图11c示出了根据本发明的内耦合结构的另一个实施例。如图所示提供了发射涂层1118(图中所箭头指的)，从而孔(底部)截面的等高线基本限定了一个“m”字母。内耦合结构可以被再次提供作为诸如模块1116的照明元件。“m”形可以这样获得，通过将该形状雕刻(carve)到介质中，或通过首先钻一个通孔，然后设置三角块1120(成分(例如，反射材料+介质材料)或完全由所选反射材料制造，从而将通孔转变成具有“m”轮廓的盲孔。该孔可以根据所需的折射率及其其他特性，用空气或一些其他优选气体填充，或利用合适的固体、弹性体或者甚至是凝胶体或液体材料进行填充。此外，例如，在蓝色芯片对白光照明应用的情况中可以使用磷光体。
在图11a、11b和11c的实施例中，在特定应用方式中，可以计算和/或试验优化圆锥的几何参数以获得最高耦合效率。具有截去顶部圆锥而不具有反射器的实施例尤其适合这样的场合，部分的光实际上可以优选直接经由顶部的孔通过光波导。
图11d示出了根据图11c的实施例的内耦合结构的一个可能实施的尺寸。量度单位为mm并且角度单位为度。
图12a示出了本发明的另一个实施例的表面视图1210和截面视图1220，其中，所谓的方位光栅与圆锥形的中央部分组合在一起以提供增强的光内耦合结构。二元衍射光栅或其他优选光栅结构包括分段平行的沟槽(piecewise-parallel groove)1208，对称地(例如射状)位于介质中的孔1206周围，孔1206具有前述的圆锥形或截去顶部的圆锥形。利用仅光栅的解决方案，内耦合效率在所有的入射角处都是不足的；从而提供了内耦合效率改善的混合解决方案。在基本为点状光源(例如，LED)的情况中，圆锥1206可以是被定位的直角圆锥(right circle cone)，从而圆锥的垂直轴与LED接合，注意图中的虚线。光栅被配置为内耦合LED 1204发射的错过了圆锥1206的光线。当LED 1204与光波导/圆锥1206之间的距离增加时，越来越多的光将会首先撞击光栅1208而不是圆锥1206，但是内耦合效率仍将保持高于纯粹的圆锥型内耦合设置。从而该实施例尤其适于这样的情况，LED不能被与光波导表面无缝集成在一起，或者甚至不能稍微沉积在光波导表面中。图12a示出了孔1206周围的一个区域(zone，环带)的分段平行沟槽，但是其他进一步远离的区域可以被添加到解决方案中，并且这些区域具有不同的(例如区域特异性的)参数，例如光栅周期(grating period)和/或沟槽高度。
图12b示出了将与圆锥形孔(未示出)一起使用的可替换方位光栅。在该实施例中，光栅区域包括放射状分散、增宽的沟槽。因此，例如，光栅周期T也作为R和/或x(即，从整个对称中心至区域开始处和/或区域内的位置的距离)的函数而变化。在该实例中，孔1214可以具有例如前述字母“m”形的截面或一些其他形状。
通常，使用激光代替例如LED作为光源可以提高耦合效率，这是因为激光本身是准直的；从而其可以聚焦到与光波导厚度相比很小的区域中，然后利用微型光学器件耦合到光波导中。耦合效率可以通过减小输入区域(以及因此减少光源的尺寸)和/或增加光波导厚度来提高。
图12c示出了适于与在光波导中的用于内耦合目的的圆锥形中心元件一起使用的，方位对称二元衍射光栅的另一个实施例的俯视图。在该实施例中，光栅沟槽在整个结构上是连续的，即没有分离区域。
图13a披露了内耦合结构的一个实施例，其中多个光源(例如LED)被用于形成预定的颜色组合(诸如白光)。为了将来自多个LED的光在进入光波导之前有效混合，LED(各自发射分别具有相关波长/折射率(例如617nm(n＝1.4901)、525nm(n＝1.49473)、和469nm(n＝1.497)的红光、绿光和蓝光)在圆柱体1306中被安装至预定深度S，从而通过圆柱体1306的扩散性/反射性内壁所形成的多个耦合将已经在通往实际光波导的路径上的光线混合。因此，该设置适于例如白平衡调节和颜色混合，并且其可以与其他内耦合结构(诸如前述的(截去顶部的)圆锥形锥形孔)一起实施。此外，波导厚度的增加会导致耦合效率的进一步增加。通常考虑距离波导平面的距离S，距离S越大，在光波导处测量到的均匀性就越好。
图13b直观化了根据本发明的圆柱形内耦合结构的另一个实施例。诸如LED的光源(例如，多彩多芯片)被放置在圆柱体的更深处，从而，在光线向波导传播时，在圆柱体内进行更多的反射，这优选增强颜色混合效果。
图14具体示出了根据前述原理的本发明的一个实施例，其中，照明元件1402包括诸如LED芯片的光源和集成的光学元件。例如，光学元件可以包括前述的诸如盲孔或通孔的结构。此外，光学元件中还可以包括反射层、诸如“m”形截面1404的一些形状、光栅结构、或各种其他表面浮凸形状。由此，图14仅示出了这样的集成元件的一个实例。
本领域的技术人员应该理解，本发明的各实施例可以根据需要改变和组合。例如，内耦合结构可以被裁剪以用于各种照明产品，诸如显示器、灯、手持产品(诸如移动终端)、腕上计算机(wristcomputer)、PDA、手表、车辆照明等。因此，内耦合结构可以被构造为多用途结构，然后与其他特定应用的光学功能层(例如，小键盘组件的键罩板)集成在一起。
本发明的范围由所附权利要求及其等同物确定。本领域技术人员也会理解，清楚公开的实施例应该被理解为仅是示例性的，并且该范围将覆盖其他更适合本发明的各个特定用途情况的实施例、实施例组合及等同实施例。

Claims (21)

1.一种光内耦合结构，用于诸如光波导的照明应用，所述光内耦合结构包括：
基本上光学透明的介质，用于传输由光源发射的光；
第一光学元件，设置在所述介质中，用于将最初在所述介质的预定输入面和输出面之间传播的光，相对于所述输入面和输出面之间的最初传播方向，朝向所述介质的侧面散布，所述第一光学元件用一个或多个基本为“x”或“v”型的锋利形状或圆形形状来在所述介质中限定诸如盲孔或通孔的一个或多个孔，
第二光学元件，包括相对于所述介质设置的多个微光学表面浮凸形状，用于改变通过所述介质传播的光的方向，
其中，所述第一光学元件和所述第二光学元件被配置为与所述介质协作以增加所传播的光的均匀性和准直性。
2.根据权利要求1所述的光内耦合结构，其中，所述第二光学元件形成在所述介质的所述输出面上。
3.根据权利要求2所述的光内耦合结构，其中，所述输出面在所述输入结构与诸如所述光波导的目标实体之间限定边界面。
4.根据前述任一项权利要求所述的光内耦合结构，其中，所述第二光学元件限定菲涅耳轮廓的至少一部分。
5.根据前述任一项权利要求所述的光内耦合结构，其中，所述介质包括至少一个部分，所述部分的宽度作为距所述输入面的距离的函数而增加。
6.根据权利要求5所述的光内耦合结构，其中，所述介质具有六边形的截面形状。
7.根据前述任一项权利要求所述的光内耦合结构，其中，所述介质的形状被配置为包括分别用于多个光源的多个局部输入面，并且还包括多个局部输入部分，所述局部输入部分的宽度作为距相关的局部输入面的距离的函数而增加，每个所述局部输入部分都包括一个或多个所述孔，所述孔配置为散布经由有关的局部输入面进入所述介质的光。
8.根据前述任一项权利要求所述的光内耦合结构，进一步包括：诸如光波导的目标实体，用于传输由所述介质输出的光，所述第二光学元件形成在所述目标实体的面上，所述目标实体配置为基本上面向所述介质的所述输出面。
9.根据权利要求8所述的光内耦合结构，包括第三光学元件，所述第三光学元件形成在所述介质的所述输出面上，并且基本上限定用于散布所述光的凸透镜。
10.一种光内耦合结构，用于照明应用，该光内耦合结构包括：
基本上光学透明的介质，用于传输由光源发射的光；
第一光学元件，设置在所述介质中，其中，所述第一光学元件在所述介质中限定基本上呈圆锥形或截去尖端的圆锥形的盲孔或通孔的至少一部分；
其中，所述第一光学元件被配置为通过所述介质和所述孔之间的边界区将光的方向改变为进入所述介质以在所述介质中传播，并且优选通过全内反射进行传播。
11.根据权利要求10所述的光内耦合结构，其中，所述第一光学元件限定盲孔，并且所述光内耦合结构还包括第二光学元件，所述第二光学元件限定相对于所述第一光学元件设置在所述介质的相对侧上的另一个圆锥形盲孔。
12.根据权利要求11所述的光内耦合结构，其中，所述第一光学元件和所述第二光学元件的顶点被配置为在所述介质中基本上彼此面对。
13.根据权利要求10-12中任一项所述的光内耦合结构，其中，所述第一光学元件用基本为“m”形的截面形状限定盲孔，所述盲孔的至少一部分底面被设置为反射性的。
14.根据权利要求10所述的光内耦合结构，进一步包括一逐渐变厚的部分，以使预定厚度的所述第一光学元件与不同厚度的诸如光波导的目标介质连接。
15.根据权利要求10-14中任一项所述的光内耦合结构，包括第二光学元件，其包括在所述第一光学元件周围对准的多个表面浮凸形状。
16.根据权利要求15所述的光内耦合结构，其中，所述第二光学元件的所述表面浮凸形状限定对称地位于所述第一光学元件周围的一个或多个分段平行沟槽区域。
17.根据权利要求15所述的光内耦合结构，其中，所述第二光学元件的所述表面浮凸形状限定多个沟槽，所述多个沟槽被配置为作为距所述第一光学元件的距离的函数而彼此偏离。
18.根据权利要求17所述的光内耦合结构，其中，所述表面浮凸形状的尺寸被配置为作为距所述第一光学元件的距离的函数而变化。
19.根据权利要求10-18中任一项所述的光内耦合结构，进一步包括基本呈圆柱形的元件，用于在其一个或多个预定深度处容纳多个光源，所述基本呈圆柱形的元件被配置为使得所述多个光源发射的光射线在基本呈圆柱形的元件中传播时，由于与所述基本呈圆柱形的元件的扩散性和/或反射性内壁相互作用而混合。
20.一种照明元件，包括根据权利要求1-19中任一项的光内耦合结构和诸如发光二极管的光源。
21.一种光波导，包括根据权利要求1-19中任一项的光内耦合结构，并且可选地进一步包括诸如发光二极管的光源。
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