CN102349014A - 基于光纤的光源 - Google Patents

Abstract

本发明的各种实施例针对在显微术、分光术与其他科学和技术仪器、装置以及过程中使用的基于光纤的光源。在本发明的各种实施例中，发光二极管(“LED”)和其他光源包含在光纤或纤维光缆上或内以便产生明亮的基于光纤的光源。通过将发光装置包含在光纤上或内，在该光纤或纤维光缆内可以获得比通过将光从等同的外部发光元件引导进入该光纤或纤维光缆可以获得的光子通量大得多的光子通量，并且本发明的这些基于光纤的光源提供嵌在它们上或内的光源的可取特性。

Description

基于光纤的光源

相关申请的交叉引用

该申请要求2009年3月12日提交的临时申请号61/209,996和2009年10月27日提交的临时申请号63/41725的权益。

技术领域

本发明涉及在科学和技术仪器、其他装置中使用和用于各种过程的光源，并且特别地涉及用于在显微镜、分光计中以及在其他科学和技术仪器、装置和多种过程中使用的明亮的基于光纤的光源。

背景技术

光源在多种不同的科学和技术仪器以及装置(包括光学显微镜、分光计、微阵列扫描仪、拍摄装置和其他类型的图像记录装置)中广泛使用，以及另外用于照明、数据和图像传输，以及在多种其他应用中使用。最初，光源主要基于被加热的灯丝或产生弧光的等离子体，其包括许多不同类型的白炽灯、汞弧光灯、氙灯、金属卤化物灯和使用发光物质的组合的混合弧光灯(包括汞-氙弧光灯)。在过去的50年期间，物理学和材料科学中的发展和突破产生许多另外的类型的光源，其包括激光器、发光二极管(“LED”)，以及微米尺度和纳米尺度的光发射器(包括量子点)。当选择光源并且使光源适应于特定应用(包括对特定科学仪器和分析过程选择光源)时，存在要考虑的重要约束和参数。在许多情况下，期望具有电磁辐射谱的某个部分内的波长(例如对应于可见光的波长范围等)的光，并且具有电磁辐射谱的其他部分中的波长的光(包括紫外光和较短波长辐射)是不可取的。此外，特定应用可要求特定的最小光子通量，并且可要求光从光源输送通过特定的传输介质并且通过特定尺寸的孔径。科学和技术仪器以及装置的研究者和开发者，以及这样的仪器和装置的制造者和发明者继续寻找对于特定应用适合的光源。

发明内容

本发明的各种实施例针对在显微术、分光术与其他科学和技术仪器、装置以及过程中使用的基于光纤的光源。在本发明的各种实施例中，发光二极管(“LED”)和其他光源被包含在光纤或纤维光缆上或之内以便产生明亮的基于光纤的光源。通过将发光装置包含在光纤上或之内，在该光纤或纤维光缆内可以获得比通过将光从等同的外部发光元件引导进入该光纤或纤维光缆可以获得的光子通量要大得多的光子通量，并且本发明的这些基于光纤的光源提供嵌在它们上面或之内的光源的可取特性。

附图说明

图1示出连接到光源的光学显微镜。

图2图示将光引入如图1中示出的示例中使用的光纤，其作为科学仪器、技术仪器或其他装置内的光源。

图3示出连续氙弧光灯和氙闪光灯的输出谱。

图4示出许多不同类型的LED的谱输出。

图5图示本发明的一个实施例。

图6示出本发明的备选实施例，其中LED阵列的每个LED关于该LED阵列的平面倾斜以便增加从每个LED输出到光纤中的光量，并且从而增加光纤光源的累积亮度。

图7图示围绕代表本发明的实施例的包括嵌入光源的光纤的热控护套。

图8示出本发明的另一个备选实施例。

图9A-D图示本发明的另外的实施例。

图10使用图9B-D的一般图示约定图示本发明的另外的实施例。

具体实施方式

很多种不同类型的光源在科学仪器、技术仪器、各种其他装置中使用，在各种分析和实际过程中使用，并且用于很多种不同的应用。光源的一个示范性使用是光学显微术，其包括荧光显微术。图1示出连接到光源的光学显微镜。该光学显微镜102经由纤维光缆106与光源104连接。在该特定应用中，该外部光源还可以是显著的热源。将该光源移开避免与该显微镜102直接接触或包含在该显微镜102之内消除了对高容量散热硬件的需要，该高容量散热硬件否则对于控制由该显微镜检查的样品内或附近的温度可能是必需的。另外，该光纤为显微镜和其他应用提供小孔径、极小光源。基于光纤的光源具有许多另外的应用，包括分光术、照明或难以接近的体积、传感器和许多其他应用。

图2图示将光引入图1中示出的示范性应用中使用的光纤，作为科学仪器、技术仪器或其他装置内的光源。一般而言，光源202可通过想象的球体204或包封该光源的其他流形在许多或所有向外的径向上发射光。然而，仅由该光源发射的光的一小部分与光纤206的长轴定向对准，光被引导进入该长轴以供传输通过该光纤到科学仪器内充当光源的远端终点。此外，在围绕的反射包覆层212内一般包括中心透光玻璃或聚合物芯的光纤208的末端的表面可部分反射来自远离该光纤的光源的适当取向的光的一部分，进一步减少有效传输通过该光纤的末端进入该光纤的光量。可以使用许多不同的技术来捕捉由光源发射的光的更大部分以供传输通过该光纤的末端进入该光纤，包括使用抛物面镜和其他技术。然而，一般而言，由例如被加热的灯丝和弧光等非定向取向的光源发射的光的仅一小部分可以有效地集中在光纤的末端供引入该光纤。

此外，对于可以集中通过孔径的光量存在物理限制。拉格朗日不变量或étendue表达可以传输通过孔径的最大光量。étendue的一个数学形式是：

étendue＝n²∫∫cos(0)dAdΩ，

其中n是折射率，并且θ是到微分面积dA的法线和微分立体角dΩ的质心之间的角度。从而，通过用外部光源照亮光纤来获得通过该光纤的足够光子通量一般是成问题的，并且受物理和实际约束的约束。

当前，使用许多应用，包括荧光显微术应用、汞弧光灯、氙灯或金属卤化物灯以及混合弧光灯(其结合汞蒸气、氙和其他发光物质)。这些灯在可见范围上提供相对连续的光输出，是众所周知的，并且是相对经济的，但与某些劣势关联。这些灯具有有限的使用寿命，需要相对大的电力供应用于供应高电流供灯操作和需要高压脉冲来使灯通电，在相对高的温度操作，并且需要对温度、爆炸危险和杂散光发射的防护，并且常常需要传输路径滤光器来去除光的红外(“IR”)和紫外(“UV”)分量。由这样的灯发射的光的仅极小部分可以有效地集中通过光纤的末端，并且从而在操作灯中使用的能量的极大比例最终成为不需要的废热。

图3示出连续氙弧光灯和氙闪光灯的输出谱。尽管由虚线302示出的该连续氙弧光灯在从380nm至750nm的可见光的波长范围上产生相对连续的光输出，该连续氙弧光灯还在紫外波长范围中和在红外波长范围中产生可观输出。IR发射对于光学显微术或荧光显微术不是有用的，并且产生可观热量，一般由滤光器去除。对于包括通过荧光显微术的活细胞成像的某些应用非常有害的UV发射一般也由滤光器去除。UV和IR滤光器可减小具有期望波长范围的光子通量，并且可能不理想地消除不可取的波长。从而，基于被加热的灯丝和基于弧光的光源(尽管有用并且可获得)与各种应用的许多不可取的特性关联。

激光源提供相对高的光子通量和高度定向取向的光输出。然而，激光器产生相干光，其与包括散斑(speckling)的多种衍射相关的问题关联，并且因此对于许多光学成像目的是不可取的。此外，尽管许多应用必须能够从跨可见谱选择波长范围，激光器一般发射单色光，并且激光器对于许多应用可能是过于昂贵的。

发光二极管(“LED”)是更近的光源发展。LED一般由掺杂有杂质形成p-n结的两个半导体层制成。该p-n结特征在于由于正和负电荷载流子在该结的任一侧上的不同浓度引起的该结两端的小电压电势。当由外部施加的电压引入的电流流过该结时，负电荷载流子或电子与正电荷载流子或空穴结合，导致能量采用光子的形式释放。由LED发射的光的波长取决于形成该p-n结的材料的带隙能量。具有不同发射谱的LED可以通过使用不同的半导体材料、不同的掺杂剂和不同的掺杂水平制造。图4示出许多不同类型的LED的谱输出。在图4中，每个不同的峰对应于不同类型的LED。从而，一个类型的LED产生530nm的峰404，并且另一个类型的LED产生505nm的峰406。将图4与图3比较，LED产生比氙连续弧光灯窄得多的波长或频率范围内的发射光。

LED具有许多关于各种科学和技术应用的光源有用的性质和特性。LED可以制造成发射几乎在可见谱的期望部分上的光而不产生不需要的UV或IR发射，或甚至更短或更长波长的电磁辐射的发射。尽管LED产生热量，它们一般产生比白炽灯或弧光少得多的热量。LED具有极长的寿命，并且可以相对廉价地生产。此外，LED输出可以电子地控制和根据温度来控制，其中峰值发射波长可通过调节LED操作的温度而调节。另外，LED可以快速开关，或振幅调制，其在许多不同的应用中是可取的，这些应用包括改善常常在连续照明下观察到的荧光团漂白的荧光显微术的脉冲光发射。然而，LED产生比弧光灯或激光器低得多的光子通量。结果，可以从外部LED成功收获并且集中通过光纤的末端的光量对于包括荧光显微术的许多实际应用一般是太低的。

本发明的实施例针对使用LED作为各种科学和技术应用(包括荧光显微术和分光术)的基于光纤的光源的部件。图5图示本发明的一个实施例。图5示出其中嵌入LED线性阵列504的光纤502的芯。导电信号线路或信号路径506和508从该LED阵列504通过在该光纤的末端上的反射涂层510通向适配器512，其将通过电力接口514施加的外部电流和控制信号转换成施加该在LED阵列504中的个体LED两端的电压信号。通过将LED放置在该光纤内，克服了对可以传输通过该光纤的末端的光子通量的物理限制，如反射损耗。从而，由该LED阵列产生的光子通量可以大大超过将从LED光源引入该光纤的光子通量。此外，该LED阵列中的每个LED向该光纤内的累积光子通量贡献光，其中随嵌入该光纤的LED的数目中的增加，具有近似线性的通量增加。由这些LED发射的光的大部分通过在该光纤的反射层和内部光传输芯之间的界面处的全内反射来沿该光纤的长度传输，并且因为沿该纤维传输的光关于该纤维的末端的入射角低于临界角，该光从该光纤的末端发射。

一般而言，LED阵列中的每个LED在高于平行于该LED的线性阵列的平面的方向的一系列方向或立体角上发射光。图6示出本发明的备选实施例，其中LED阵列的每个LED关于该LED阵列的平面倾斜以便增加从每个LED输出进入光纤的光量，并且从而增加光纤光源的累积亮度。在图6中示出的本发明的实施例中，垂直于个体LED的边缘的光发射可是最大的，并且垂直于该LED阵列的平面的光发射是最小的。尽管LED的线性阵列可以使用众所周知的光刻技术方便地制造，本发明的备选实施例可在光纤内沿光纤的轴线包含一个个LED。许多不同的方法中的任何方法可以用于将这些LED电连接到外部电压和电流源。可在该LED阵列内光刻制造电接触，并且可以采用金属或传导聚合物引线来将该LED阵列与外部电压信号互连。

图7图示围绕代表本发明的实施例的包括嵌入光源的光纤的热控护套。该热控护套702可用金属或传导聚合物制造，并且与电压源互连以便提供电阻加热，或包含在热电偶电路中以便提供受电子控制的加热和冷却。该热控护套从而可以制造成控制该光纤内的温度。

LED在操作期间产生热量。尽管可采用例如在图7中示出的基于热电偶的热控护套来去除该热量，代表本发明的一个实施例的光纤可另外浸入空气流或液体冷却剂以便控制光纤内的温度。

在本发明的某些实施例中，多种不同类型的LED中的每个的多个实例可包含在光纤内，其中一个类型的每组被单独电子地控制使得由这些LED产生的光的波长的范围可以被电控。例如，参照图4，可开启对应于峰404的类型的LED，并且关断所有其他LED以便产生在510至550nm范围中的光。当需要稍微更宽的波长范围，可开启对应于峰404的类型和对应于峰406的类型的LED，并且关断光纤内的所有其他LED以便产生在490至550nm之间的更宽的波长范围。通过选择不同类型的LED中的哪些开启，并且通过小心地控制光纤内的温度，当前发明的光纤光源可以在光学上调谐成在相对窄的选择的波长范围内产生高光子通量。

图8示出本发明的另一个备选实施例。图8中示出的该实施例包括沿光纤侧壁长度连续光学耦合并且安装的具有反射发射面的LED。从上游LED发射的光从下游LED的反射面反弹并且留在纤维中。根据该实施例，纤维横截面具有至少一个平整表面供LED耦合，例如半圆柱形或正方形纤维等。在本发明的该实施例和相似实施例中，尽管由于跨光纤的表面传输光的结果可存在较大的光损耗，沿光纤的长度安装多个LED的能力提供具有足够强度在光纤内传输的光。

图9A-D图示本发明的另外的实施例。如图8中示出的实施例那样，在图9A-D中示出的实施例中的LED耦合于具有矩形横截面的光纤的外表面。在图9A中示出的实施例中，例如LED 902等LED安装到具有矩形横截面的光纤904的所有四个侧面。图9B-D图示具有光纤表面安装的LED的基于光纤的光源的备选实施例。图9B-D示出末端朝上的具有光纤表面安装的LED的矩形光纤，其中该矩形光纤的长轴垂直于图的表面。在图9B中示出的实施例中，例如LED 906等LED安装到光纤908的所有四个侧面。在图9C中示出的实施例中，LED安装到仅一对相对表面。在图9D中示出的实施例中，LED安装到两个邻近表面。

在本发明的某些实施例中，安装到具有矩形横截面的光纤的一侧的光源可以关于安装到具有矩形横截面的该光纤的一个或多个其他表面的LED错开。在本发明的某些实施例中，分立LED可沿光纤的长轴以固定间隔线性排列，而在本发明的其他实施例中，LED之间的间距可沿光纤的长度变化。

图10使用图9B-D的一般图示约定图示本发明的另外的实施例。如图9B-D那样，图10图示末端朝上的具有矩形横截面的光纤，其中该光纤的长轴垂直于纸面。在图10中示出的该实施例中，光纤芯1002由薄发射滤光层1004、一般更厚的量子点发射层1006和外部激发滤光层1008围绕，例如LED 1010等LED安装到该外部激发滤光层1008。这些LED可安装在所有四个侧面上(如在图9B中示出的实施例中)、在一对相对侧面上(如在图9C中示出的实施例中)、或在一对邻近侧面上(如在图9D中示出的实施例中)。在图10中示出的该实施例中，这些LED当被电子地激活时发射光，光由该激发滤光层1008过滤来激励该量子点发射层1006内的量子点以发射光。由这些量子点发射的光然后通过该发射滤光层1004来在纤维芯内产生发射的光的一个或一些选择的波长。在本发明的某些实施例中，该外部激发滤光层是二向色光学界面，其传递对应于这些量子点的激发波长的窄范围的波长，并且内部发射滤光层1004是具有窄传输带的物质，其充当窄带通滤光器来传输从这些量子点发射的光的选择的波长或若干选择的波长进入该纤维芯。在本发明的某些实施例中，该量子点发射层可包括具有不同发射特性的若干不同类型的量子点，其中在发光光纤的不同表面上采用不同激发滤光器和发射滤光器，使得每个表面或每对表面在该量子点发射层中激发特定类型的量子点，其中在每个表面或每对表面上的发射滤光器具有适当的带通特性来传输从在该表面激发的特定类型的量子点发射的光的特定波长。在本发明的某些实施例中可省略该激发滤光层和/或发射滤光层。

在本发明的备选实施例中，外部安装的LED可采用多种复杂三维设置沿光纤的长度排列，这些设置包括沿具有圆形或椭圆形横截面的光纤的LED的螺旋形阵列、沿具有矩形横截面的光纤的阶梯式或交替图案和其他这样的设置。本发明的各种实施例的发光光纤的横截面可是圆形、椭圆形、矩形、正方形，或可具有更复杂的几何形状。除LED外，光源还可包括各种不同类型的半导体器件。另外类型的光源可包括微小激光器、基于有机半导体的LED，以及可以通过入射电磁辐射、发光装置的热环境的变化、发光材料的压力的变化、外部施加的场(包括电磁场)和施加的电压或电流的变化而激励来发射光的其他类型的材料。

尽管本发明已经根据特定实施例描述，不规定本发明限于这些实施例。修改对于本领域内技术人员将是明显的。例如，可以制造很多种不同类型的LED并且嵌入光纤内。这些包括具有多种不同掺杂剂的基于半导体和基于有机聚合物的LED。LED可直接嵌入该光纤，或备选地可插入在该光纤的末端的空腔内，该空腔随后用折射率匹配的溶液填充来改善反射光损耗。在本发明的某些实施例中，LED可以使用折射率匹配的溶液耦合于光纤。可以根据许多不同的设计和拓扑结构制造金属或半导体电接触，来提供到嵌入光纤内的LED的电连接。在某些实施例中，可改变光纤的组成来在光纤内产生固有的像LED的区域，其可以被电子地控制来输出光。在本发明的备选实施例中，嵌有光源的光纤可捆绑在一起来产生捆绑纤维光缆以获得增加的亮度并且提供对光源的发射特性的更大控制。根据本发明制造的光纤可另外包括另外的反射层和涂层、滤光器元件和用于控制该光纤内的光子通量并且选择发射的波长范围的其他部件。在本发明的某些实施例中，嵌入的光源可具有随机取向和随机分布，但在本发明的其他实施例中，这些嵌入的光源可组织为LED的线性阵列、二维阵列或堆叠阵列。在本发明的某些实施例中，分立、个体LED沿光纤嵌入。在本发明的某些实施例中，LED可以是透明的或半透明的来减少内部光损耗。

前面的描述为了说明的目的使用特定命名法来提供本发明的全面理解。然而，为了实践本发明不需要特定细节，这对于本领域内技术人员将是明显的。为了图示和描述的目的提供本发明的特定实施例的前面的描述。它们不意为穷举的或将本发明限于公开的确切形式。鉴于上文的教导许多修改和变化是可能的。示出并且描述这些实施例以便最好地说明本发明的原理和它的实际应用，由此使本领域内其他技术人员能够最好地利用具有适合于预想的特定用途的各种修改的本发明和各种实施例。规定本发明的范围由下列权利要求和它们的等同物限定。

Claims (20)

1.一种基于光纤的光源，其包括：

反射包覆层；

内部光传输芯；

嵌入所述内部光传输芯的内部光源；以及

光发射激励子系统，其当被激活时激励所述内部光源来发射光至所述内部光传输芯中，所述光的一部分通过所述反射包覆层和所述内部光传输芯之间的界面处的全内反射来沿所述基于光纤的光源的长度传输并且从所述基于光纤的光源的末端发射。

2.如权利要求1所述的基于光纤的光源，其中包括所述反射包覆层和内部光传输芯的所述光纤完全或部分地被包封在热控护套内。

3.如权利要求1所述的基于光纤的光源，其中所述内部光源是发光二极管。

4.如权利要求1所述的基于光纤的光源，其中所述内部光源是下列中的一个或多个：

半导体器件；

光子晶体；以及

激光装置。

5.如权利要求1所述的基于光纤的光源，其中所述光发射激励子系统是下列中的一个：

将所述内部光源与外部电压或电流电互连的电信号线路；

跨所述内部光源施加电磁场的装置；以及

施加热或压力于所述基于光纤的光源的装置。

6.一种基于光纤的光源，其包括：

光纤芯；

安装到所述光纤芯的一个或多个表面的组成光源；以及

光发射激励子系统，其当被激活时激励所述组成光源发射光至所述光纤芯中，所述光的一部分通过全内反射来沿所述基于光纤的光源的长度传输并且从所述基于光纤的光源的末端发射。

7.如权利要求6所述的基于光纤的光源，其中所述基于光纤的光源完全或部分被包封在热控护套内。

8.如权利要求6所述的基于光纤的光源，其中所述组成光源是发光二极管。

9.如权利要求6所述的基于光纤的光源，其中所述组成光源是下列中的一个或多个：

半导体器件；

光子晶体；以及

激光装置。

10.如权利要求6所述的基于光纤的光源，其中所述光发射激励子系统是下列中的一个：

将所述组成光源与外部电压或电流电互连的电信号线路；

跨所述组成光源施加电磁场的装置；以及

施加热或压力于所述基于光纤的光源的装置。

11.如权利要求6所述的基于光纤的光源，其中所述组成光源安装到具有矩形横截面的光纤的所有四个表面。

12.如权利要求6所述的基于光纤的光源，其中所述组成光源安装到具有矩形横截面的光纤的两个相对表面。

13.如权利要求6所述的基于光纤的光源，其中所述组成光源安装到具有矩形横截面的光纤的两个邻近表面。

14.一种基于光纤的光源，其包括：

光纤芯；

包括在围绕所述光纤芯的量子点光发射层中的量子点组成光源；以及

光发射激励子系统，其当被激活时激励所述量子点组成光源发射光至所述光纤芯中，所述光的一部分通过全内反射来沿所述基于光纤的光源的长度传输并且从所述基于光纤的光源的末端发射。

15.如权利要求14所述的基于光纤的光源，其中所述基于光纤的光源完全或部分被包封在热控护套内。

16.如权利要求14所述的基于光纤的光源，其中所述光发射激励子系统包括安装到所述量子点光发射层的激发光源。

17.如权利要求16所述的基于光纤的光源，其中所述激发光源是下列中的一个或多个：

半导体器件；

光子晶体；以及

激光装置。

18.如权利要求14所述的基于光纤的光源，其中所述光发射激励子系统进一步包括：

将所述激发光源与外部电压或电流电互连的电信号线路；

跨所述激发光源施加电磁场的装置；以及

施加热或压力于所述基于光纤的光源的装置。

19.如权利要求14所述的基于光纤的光源，进一步包括在所述光发射激励子系统和所述量子点光发射层之间的激发滤光层。

20.如权利要求14所述的基于光纤的光源，进一步包括在所述光纤芯的表面和所述量子点光发射层之间的发射滤光层。

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