CN102349005A - 光导设备 - Google Patents

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H.J.科尼利森
魏功明
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Abstract

本发明公开了一种包括光导（1）的光导设备。光导（1）包括在该光导（1）的第一表面上的多个衍射光栅（2），其中每个衍射光栅（2）具有预先设置的间距并且被配置成将从相应光源发射的光的部分衍射到光导（1）的一侧。由于所述多个衍射光栅（2）置于光导（1）的面向光源的第一表面上，因而光导设备对于破坏和指纹更加鲁棒。

Description

光导设备
技术领域
本发明涉及照明领域，尤其是光测量领域。
背景技术
2006年7月26日提交的题为“ILLUMINATION SYSTEM, LIGHT-SENSING PLATE AND DISPLAY DEVICE”的国际公开号为WO2007/015195A1的先前的飞利浦专利申请公布提出了一种照明系统以及用在该照明系统中的光感测板。如图1中所示，该照明系统包括至少一个光源，光透射光感测板5’，表面修改结构21’、22’以及至少一个光传感器11’、12’。表面修改结构21’、22’至少在光感测板5’表面上的一个预定位置处提供并且使通过光感测板5’行进的光的部分转向，并且该转向的光朝光感测板5’的边缘表面15’、16’引导。所述至少一个光传感器11’、12’耦合到光感测板5’的边缘表面15’、16’以便感测在表面修改结构21’、22’处转向的光。所述至少一个光传感器11’、12’耦合到控制装置以便控制所述至少一个光源的光通量。
发明内容
本发明是相对于所述先前发明的改进。
有利的将是实现其上具有多个衍射光栅的光导，该光导对于破坏和指纹更加鲁棒。同样希望的是实现一种光导设备，该光导设备包括其上具有多个衍射光栅的光导，这可以简化光导末端的光传感器。
为了更好地解决这些关切中的一个或多个，在本发明的第一方面中，提供了一种光导设备，该光导设备包括：光导，其包括在该光导的第一表面上的多个衍射光栅，其中每个衍射光栅具有预先设置的间距并且被配置成将从相应光源发射的光的部分衍射到光导的一侧。
由于所述多个衍射光栅位于光导的面向光源的第一表面上，因而依照本发明第一方面的光导设备对于破坏和指纹更加鲁棒。
依照本发明的光导设备的一个实施例进一步包括反射层，该反射层覆盖与光导的第一表面相对的第二表面并且具有比光导的折射率更低的折射率，以便使得衍射的光束借助于全内反射在光导内传播。
优选地，依照所述光导设备的一个实施例，提供了通过反射层附着于光导的覆盖层。由于覆盖层覆盖光导，因而它保护光导以免于干扰衍射的光在光导1内的传播的刮擦和指纹。
依照本发明的光导设备的另一个实施例进一步包括耦合到光导的一侧的光传感器，其中该光传感器用来感测衍射的光束的强度和/或颜色。
优选地，提供了耦合到光导的另一侧的镜，其中该镜用来将衍射的光束的部分反射到光传感器耦合的地方。
附图说明
根据以下结合附图进行的对于非限制性示例性实施例的详细描述，本发明的其他特征、目的和优点将变得更加清楚明白。
图1为依照国际公开号为WO2007/015195A1的先前的飞利浦专利申请公布的照明系统的示意图；
图2示出了依照本发明一个实施例的光导设备；
图3示出了具有反射层和附着于反射层的覆盖层的图2的光导设备；
图4示出了具有在光导的第二侧的光传感器的图3的光导设备；
图5示出了具有在光导的第一侧的镜的图4的光导设备；
图6示出了依照本发明一个实施例的具有光导的光导设备，该光导带有具有各自间距的三个衍射光栅；
图7示出了依照本发明另一个实施例的具有光导的光导设备，该光导带有具有相同间距的三个衍射光栅；
图8示出了具有反射器和透镜的图7的光导设备。
在附图中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的步骤特征或器件（模块）。
具体实施方式
图2示出了依照本发明一个实施例的光导设备。图2中所示的光导设备包括光导1，并且光导1包括衍射光栅2。
衍射光栅2底下的竖直箭头表示光源。该光源可以由例如一个或多个LED组成。
光导1由光透射材料制成，所述光透射材料例如聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚碳酸酯（PC）、 聚苯乙烯（PS）。光导1的截面可以是矩形或圆形。
应当指出的是，在图2中，光导1上的衍射光栅2仅仅是解释光的部分由衍射光栅2衍射且在光导1内传播的原理的一个实例；并且本领域技术人员应当理解的是，在实际使用中，光导1可以包括超过一个衍射光栅。
参照图2，衍射光栅2位于光导1的面向光源的第一表面上。当向光源供电时，从光源发射的光的部分由衍射光栅2衍射。然后，利用实线箭头表示的衍射的光例如借助于全内反射朝光导1的两侧引导。
确定衍射的光的衍射角的衍射光栅2的间距被预先设置，使得衍射的光可以借助于全内反射在光导1内传播。
衍射光栅2的面积也被预先设置，使得从光源发射的光的预定百分比被衍射且引导到光导1的一侧。优选地，从光源发射的光的仅仅极少的量被衍射光栅2衍射。衍射的光优选地小于从光源发射的光的总量的5%，从而存在足够的光行经光导1以提供照明。
图3示出了具有反射层和附着于反射层的覆盖层的图2的光导设备。图3中所示的光导设备进一步包括反射层3和覆盖层4。反射层3覆盖与光导1的第一表面相对的第二表面，并且覆盖层4覆盖反射层3。
如果衍射的光借助于全内反射朝光导1的两侧引导，那么为了更好地实现衍射的光的全内反射，优选地在与光导1的第一表面相对的第二表面上提供具有比光导1的折射率更低的折射率的反射层3。
本领域普通技术人员应当理解的是，为了使得衍射的光借助于全内反射在光导1内传播，反射层3的折射率必须低于光导1的折射率。反射层3的折射率越低，衍射的光就越容易借助于全内反射在光导1内传播。例如，如果反射层3的折射率为1.4并且光导1的折射率为1.5，那么对于大于arcsin(1.4/1.5)=69°的衍射角将发生全内反射。
在使用前述光导设备期间，光导1上的刮擦和指纹是可能的。由于光导1上的刮擦和指纹将干扰衍射的光在光导1内的传播，因而优选地在反射层3上提供覆盖层4。通常，覆盖层4由透明材料制成，所述透明材料例如聚合物或玻璃，比如PMMA、PC或PS。
为了将覆盖层4固定到光导1上，反射层3优选地由具有低折射率的粘合材料制成，该粘合材料可以使覆盖层4附着于光导1。
图4示出了具有在光导的第二侧的光传感器的图3的光导设备。图4中所示的光导设备进一步包括耦合到光导1的第二侧的光传感器6。
如图4中所示，衍射的光被引导到光导1的两侧。利用虚线箭头表示的衍射的光的第一部分被引导到光导1的第一侧，并且利用实线箭头表示的衍射的光的第二部分被引导到光导1的第二侧。光导6在光导1的第二侧提供以便感测衍射的光的强度。
当光传感器6接收到衍射的光的第二部分时，它将接收的光信号转换成电信号，通过该电信号获得衍射的光的强度。
在另一个实施例中，可以将电信号发送到用于控制光源的光通量的控制器（图4中未示出）以便保证在长时间期间光源的照明强度相同。
图5示出了具有在光导的第一侧的镜的图4的光导设备。图5中所示的光导设备进一步包括耦合到光导1的第一侧的镜5。
在图4中可以看到，只有利用实线箭头表示的衍射的光的第二部分被引导到光传感器6耦合的光导1的第二侧，而利用虚线箭头表示的衍射的光的第一部分被引导到光导1的第一侧并且然后损失掉；因此，光传感器6接收的衍射的光的总量相对减少，这可能降低光传感器6的检测灵敏度。
为了向光传感器6供应更多的光输入，优选地在光导1的第一侧提供镜5。在图5中可以看到，利用虚线箭头表示的衍射的光的第一部分被引导到镜5耦合的光导1的第一侧并且然后由镜5反射到光传感器6耦合的光导1的第二侧。利用置于光导1的第一侧的镜5，除了在光导1内传播期间损失的微量衍射的光之外，衍射光栅2衍射的光的大部分被光传感器6接收。
上文中详细地描述了从光源发射的光的部分如何被光导1上的衍射光栅2衍射并且被耦合到光导1的第二侧的光传感器6感测，下面将把具有在光导上的三个衍射光栅的光导设备作为解释分别由三个衍射光栅衍射的三个衍射的光束如何在光导内传播以及耦合到光导一侧的光传感器如何感测这三个衍射的光束的颜色和强度的实例。
本领域技术人员应当理解的是，光导上的衍射光栅的数量并不限于三个。
图6示出了依照本发明一个实施例的具有光导的光导设备，该光导带有具有其各自间距的三个衍射光栅。与图4相比，图6中所示的光导设备包括置于光导1上的三个衍射光栅2。
如图6中所示，三个衍射光栅2底下的三个竖直箭头分别表示三个光源。每个光源发射的光具有不同的波长。假设左侧的光源为红色光源，中间的光源为绿色光源并且右侧的光源为蓝色光源。每个光源可以由具有相同颜色的一个或多个LED组成。例如，左侧的光源可以由一个或多个红色LED组成，中间的光源可以由一个或多个绿色LED组成，并且右侧的光源可以由一个或多个蓝色LED组成。
应当指出的是，出于简化图6的目的，图6中仅仅示出了利用实线箭头表示的来自每个光源的衍射的光束的第二部分，而来自每个光源的衍射的光束的第一部分未在图6中示出。然而，参照图5，本领域技术人员可以理解，如果镜耦合到图6中的光导1的第一侧，那么来自每个光源的衍射的光束的第一部分将被该镜反射并且然后引导到光导1的第二侧，并且在缺乏这样的镜时，来自每个光源的衍射的光束的第一部分将被引导到光导1的第一侧并且然后损失掉。
图6中所示的三个衍射光栅2具有其各自的间距。每个衍射光栅2的间距基于反射层3的折射率、光导1的折射率以及从每个光源发射的光的波长而确定。
更具体而言，每个衍射光栅2的间距基于以下方程（a）而确定：
Figure 850788DEST_PATH_IMAGE001
Figure 587800DEST_PATH_IMAGE002
                        （a）
其中，Λ为每个衍射光栅2的间距，n d 为光导1的折射率，m为衍射级，λ为从每个光源发射的光的波长，θ d 为从与每个衍射光栅2相应的每个光源发射的光的衍射角。
由于来自每个光源的衍射的光束借助于全内反射而朝光导1的两侧引导，因而θ d 应当被选择成大于arcsin(nr/nd)，其中n r 为反射层3的折射率并且n d 为光导1的折射率。衍射角优选地被选择为接近90°。
由上面的方程（a）可见：由于从每个光源发射的光的波长λ不同，因而为了使得分别由三个衍射光栅2衍射的三个光束具有相同的衍射角θ d ，每个衍射光栅2的间距Λ应当不同。
与红色光源相应的衍射光栅2由于从红色光源发射的光在三个光源之中具有最长的波长的原因而在三个衍射光栅2之中具有最大的间距，并且与蓝色光源相应的衍射光栅2由于从蓝色光源发射的光具有最短的波长的原因而在三个衍射光栅2之中具有最小的间距。例如，如果光导1由PMMA制成，那么对于红色光源、绿色光源和蓝色光源而言，425nm、375nm和325nm的间距有利于实现大的衍射角，并且如果光导1由PC制成，那么对于红色光源、绿色光源和蓝色光源而言，400nm、350nm和325nm的间距有利于实现大的衍射角。
为了感测三个衍射的光束的颜色和强度，在光导1的第二侧提供光传感器6和滤色器。
由于具有相同衍射角的三个衍射的光束在光导1内传播时混合，因而添加滤色器以过滤三个衍射的光束并且然后光传感器6感测所述过滤的三个衍射的光束的强度。由于三个光源为红色、绿色和蓝色，因而光传感器6中的滤色器包括用于过滤来自红色光源的衍射的光的红色滤色器、用于过滤来自绿色光源的衍射的光的绿色滤色器以及用于过滤来自蓝色光源的衍射的光的蓝色滤色器。
当绿色器接收混合的三个衍射的光束时，红色滤色器过滤来自红色光源的衍射的光，绿色滤色器过滤来自绿色光源的衍射的光，蓝色滤色器过滤来自蓝色光源的衍射的光，并且然后光传感器6分别感测过滤的三个衍射的光的强度。
本领域技术人员应当理解的是，滤色器可以集成到光传感器6中，或者设置为光传感器6之前的单独的装置。
为了增强光传感器6的检测精度，有利的是使得分别由三个衍射光栅2衍射的三个光束具有相同的衍射角，从而三个衍射的光束将以相同的角度引导到光传感器6耦合的光导1的第二侧并且更强烈地撞击到光传感器6上。
然而，本领域技术人员应当理解的是，即使所述三个衍射的光束以不同的角度引导到光传感器6耦合的光导1的第二侧，光传感器6也能够感测这三个衍射的光束的颜色和强度。
图7示出了依照本发明另一个实施例的具有光导的光导设备，该光导带有具有相同间距的三个衍射光栅。与图6相比，图7中所示的三个衍射光栅2具有相同的间距。
如图7中所示，三个衍射光栅2底下的三个竖直箭头分别表示三个光源。假设左侧的光源为红色光源，中间的光源为绿色光源并且右侧的光源为蓝色光源。
应当指出的是，虽然图7中示出了具有相同间距的三个衍射光栅2，但是这三个衍射光栅2可以由一个衍射光栅代替。
由于图7中所示的三个衍射光栅2具有相同的间距，因而分别由这三个衍射光栅2衍射的三个衍射的光的衍射角是不同的。由方程（a）可见，来自红色光源的衍射的光由于从红色光源发射的光具有最长的波长而具有最小的衍射角，并且来自蓝色光源的衍射的光由于从蓝色光源发射的光具有最短的波长而具有最大的衍射角。
为了使得分别来自三个光源的三个衍射的光束借助于全内反射在光导1内传播，三个衍射光栅2的间距必须基于反射层3的折射率和光导1的折射率而仔细地确定。例如，在反射层3的折射率为1.0的情况下，如果光导1由PMMA制成，那么三个衍射光栅2的间距为450nm，并且如果光导由PC制成，那么三个衍射光栅2的间距为425nm。
为了感测三个衍射的光束的强度，在光导1的第二侧提供光传感器6。光传感器6包括用于分别感测三个衍射的光束的强度的三个强度传感器。
由于三个衍射光栅2的间距相同，因而分别由三个衍射光栅2衍射的三个光束以不同的角度引导到光传感器6耦合的光导1的第二侧并且以不同的角度撞击到光传感器6上。三个衍射的光束中的每一个撞击光传感器6的角度等于这三个衍射的光束中的每一个的衍射角。所述三个强度传感器正好置于所述三个衍射的光束撞击光传感器6的地方并且因而感测这三个衍射的光束的强度。
由于所述三个衍射的光束在它们撞击到光传感器6上时是分开的，因而在光传感器6中无需附加的滤色器。
在如图8所示的一个优选的实施例中，在光导1与光传感器6之间提供了反射器7和透镜8。反射器7被配置成将向下的衍射的光束反射到向上的方向上，并且透镜8被配置成将衍射的光束聚焦到光传感器6中的三个强度传感器上。
尽管上面描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员应当理解的是，可以在不脱离所附权利要求书的范围的精神和范围的情况下做出各种不同的修改。

Claims (14)

1.一种光导设备，包括：
光导（1），其包括在该光导（1）的第一表面上的多个衍射光栅（2），其中每个衍射光栅（2）具有预先设置的间距并且被配置成将从相应光源发射的光的部分衍射到光导（1）的一侧。
2.如权利要求1所述的光导设备，进一步包括反射层（3），该反射层覆盖与光导（1）的第一表面相对的第二表面并且具有比光导（1）的折射率更低的折射率，以便使得衍射的光束借助于全内反射在光导（1）内传播。
3.如权利要求2所述的光导设备，进一步包括通过反射层（3）附着于光导（1）的覆盖层（4）。
4.如权利要求2所述的光导设备，其中每个衍射光栅（2）具有这样的间距，该间距基于反射层（3）和光导（1）的折射率以及从与每个衍射光栅（2）相应的光源发射的光的波长。
5.如权利要求4所述的光导设备，其中基于以下方程确定所述间距：
Figure 201080011290X100001DEST_PATH_IMAGE001
Figure 201080011290X100001DEST_PATH_IMAGE003
其中，Λ为每个衍射光栅（2）的间距，n d 为光导（1）的折射率，m为衍射级，λ为从与每个衍射光栅（2）相应的光源发射的光的波长，θ d 为从与每个衍射光栅（2）相应的光源发射的光的衍射角，其中θ d 被选择成大于arcsin(nr/nd)，n r 为反射层（3）的折射率。
6.如权利要求4所述的光导设备，其中与产生不同波长的光束的不同光源相应的不同衍射光栅（2）配置有不同的间距以便使得不同波长的衍射的光束以相同的角度在光导（1）内传播。
7.如权利要求2所述的光导设备，其中每个衍射光栅（2）基于反射层（3）和光导（1）的折射率而配置有相同的间距，以便使得不同波长的衍射的光束以不同的角度在光导（1）内传播。
8.如权利要求7所述的光导设备，其中对于由PMMA制成的光导（1）而言，所述间距为450nm，或者对于由聚碳酸酯制成的光导（1）而言，所述间距为425nm。
9.如权利要求1或2所述的光导设备，进一步包括耦合到光导（1）的一侧的镜（5），其中该镜（5）用来将衍射的光束的部分反射到光导（1）的另一侧。
10.如权利要求1或2所述的光导设备，进一步包括耦合到光导（1）的一侧的光传感器（6），其中该光传感器（6）用来感测衍射的光束的强度和/或颜色。
11.如权利要求10所述的光导设备，其中与产生不同波长的光束的不同光源相应的不同衍射光栅（2）配置有不同的间距以便使得不同波长的衍射的光束以相同的角度在光导（1）内传播，其中光传感器（6）用来感测不同波长的衍射的光束的颜色和强度。
12.如权利要求10所述的光导设备，其中每个衍射光栅（2）配置有相同的间距以便使得不同波长的衍射的光束以不同的角度在光导（1）内传播并且以不同的角度撞击到光传感器（6）上，其中光传感器（6）包括多个强度传感器，所述强度传感器置于不同波长的衍射的光束撞击光传感器（6）的地方以便分别感测不同波长的衍射的光束的强度。
13.如权利要求12所述的光导设备，进一步包括置于光导（1）与所述多个强度传感器之间的反射器（7）和透镜（8），其中反射器（7）和透镜（8）被配置成将不同波长的衍射的光束聚焦到所述多个强度传感器上。
14.如权利要求1或2所述的光导设备，其中每个衍射光栅（2）的面积被配置成确保从相应光源发射的光的预定百分比被衍射到光导（1）的一侧。
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