CN102388327B - 高效光耦合器 - Google Patents

Abstract

一种光耦合装置，通过聚集更多的被发射的辐射以及减小发射角度使得球状或半球状光源得到更加完全的利用。所述光耦合装置包括第一二次曲线形反射器，其具有位于第一二次曲线形反射器顶端的孔径；第二二次曲线形反射器，其与所述第一二次曲线形反射器5同轴并开口朝向第一二次曲线形反射器；光源，其放置于第二二次曲线形反射器顶端；以及负元件，其位于孔径处用于减少发射自光耦合装置的光的数值孔径。所述光耦合装置可包括位于第一和第二二次曲线形反射器之间的折射介质。本发明在10传输或耦合光能量进入附加光系统时提供提高了的效率，并且可与固态光及传统光源一同使用。

Description

高效光耦合器

背景技术

本发明涉及收集来自高数值孔径（N.A.）源的光并将所述光转变为低N.A.点光源以耦合到光学系统中。

大多数现代照明光源，例如灯泡，发光二极管以及弧光灯，为以球面或半球面形式辐射光线的扩展光源。标准折射光学部件可以透射或聚焦一部分光源光但是仍会存在大量损失，其一般大于70%。标准反射光学部件具有较高的效率但实际上仍然损失所有光中的50%。随着不断增加的能源成本，尽可能高效地产生和利用光将变得重要。因此，光将更好地被定形、控制或操控，然后投放在期望的区域中，并且以尽可能少的损耗发挥功能。这样的情形需要光耦合技术的使用。光耦合器示例性应用包括光纤传输系统、限定区域照明、基于非激光的准直光源以及生命科学技术照明。

从高N.A.形式向低N.A.形式折射或反射光的能力可以用简单的方式实现；置于灯泡前的一简单透镜即完成该功能。光从透镜或者发散或者会聚或者平行地射出。但是，所产生的所有光中仅有小部分被获取来使用，对F/#-1.0透镜来说通常为12.5%。目的是将高N.A.光源转换为低N.A.光源同时将光转变为点光源或准点光源（也即，发射区域相对于光学系统光阑小的扩展光源）。实现这样的系统是复杂的并且会需要体积庞大的设备。通常来说，方案是限制获取的光量或大幅增加重构的点光源的像差。总体上讲，当前可用的光耦合器技术是有效光量聚集能力与光机械的复杂程度之间的折中。

发明内容

本发明提供改进的能够将高N.A.光源转换为低N.A.光源的光耦合器系统。光耦合器系统包括在其顶端处限定孔口的第一二次曲线形反射器，面对第一二次曲线形反射器的第二二次曲线形反射器，位于第二二次曲线形反射器顶端处的光源以及位于第一二次曲线形反射器顶端的孔口中的负光学元件。

在所有实施例中，光源被放置在位于或靠近第二二次曲线形反射器的顶端。第二二次曲线形反射器通过从第一二次曲线形反射器接收平面波以运行于最大系统孔径。这带来如下优点，即光源和任何相关的安装硬件只阻挡或吸收最小量的来自第一二次曲线形反射器的反射光，由此提高了效率。光源放置于任何其它位置都将降低光耦合效率。

第二二次曲线形反射器的功能是将反射光会聚到焦平面，期望设置焦平面经过第一二次曲线形反射器的顶端。这至少部分通过调节第二二次曲线形反射器的半径和二次曲线形常数来实现。很明显负元件（negative element）的最佳位置是位于第一二次曲线形镜的顶端。在该处会聚光的N.A.可在其到达焦平面前被改变。负元件的直径在将阻挡或转向大量发射光的大直径和负元件效率将减小的小直径之间有一范围。负元件将伸出焦平面的位置从而使得光在光学任务的下一环节更加可用。

在第一实施例中，第一二次曲线形反射器为抛物线状的并且光源位于第一二次曲线形反射器的焦点处。来自光源的光被反射离开第一二次曲线形反射器，被准直并传输到第二二次曲线形反射器。从第二二次曲线形反射器反射的光进入负元件，然后到达其焦平面，从而减小会聚射线角度以获得所需要的N.A.。通过优化第二二次曲线形反射器关于负元件的曲线，可以获取并操控更多的光来执行特定功能（例如耦合到光纤），由此实现所需要的增加光学耦合系统的效率的N.A.。

在第二实施例中，折射介质被置于第一和第二二次曲线形反射器之间。负元件为用于产生准直光的新月形正透镜的凹的第一表面。可选地，折射介质可限定与在第一和第二二次曲线形反射器创建的包围中的第一二次曲线形反射器一致的二次曲线形，从而取代负元件的功能。

在第三实施例中，系统包括用于创建第二反射包围的第三二次曲线形反射器和第四二次曲线形反射器。光源位于第二和第四二次曲线形反射器的顶端，其共用共同的轴并以相反方向分开。来自光源的光反射离开第一二次曲线形反射器朝向第二二次曲线形反射器。以类似的方式，来自光源的光反射离开第三二次曲线形反射器朝向第四二次曲线形反射器，并且在穿过包围光源的第一和第二包围之间的开口之前再次朝向第三二次曲线形反射器。来自上述两个包围的光穿过负元件，其包括凹的第一表面和凸的第二表面。附加的会聚透镜进一步对光定形以产生低N.A.光源。

在第四实施例中，第一二次曲线形反射器和第二二次曲线形反射器在共同的边缘以最小缝隙暴露量连接从而消除任何光路泄露。

光耦合器通过基于所需要的应用允许第二二次曲线形反射器或第三负元件具有较大可变性从而减少系统中像差。第二二次曲线形反射器所需的二次曲线形和负光学元件对任务是特定的，例如，耦合到光纤需要不同于产生准直光的反射函数。

改进的光耦合器可被配置用于多种光学功能，例如对光定形，光纤耦合，产生准直或近似准直光，或任何独特的照明目的。这样的系统对于像LED这样的半球状辐射器有效，并且也能适应于灯丝光源和电弧光源。本发明将高N.A.光源光（例如，N.A.>0.9）转换为低N.A.光源光（例如，0.55或更低），由此使得能够在柱状焦平面光路径中以极小的光损耗使用传统光学器件。

通过参考附图和对当前实施例的说明，本发明的上述以及其它的目的、优点和特征将可以更加全面地被理解和领会。

附图说明

图1为本发明的第一实施例的截面图；

图2为图1中光耦合器的截面图的光线路径；

图3为本发明的第二实施例的截面图的光线路径，其描述焦点位于折射元件的端处；

图4为本发明的第三实施例的截面图的光线路径，其描述焦点位于折射元件中；

图5为本发明的第四实施例的截面图的光线路径，其描述折射元件和球状元件作为准直器；

图6为本发明的第五实施例的截面图的光线路径，其描述折射元件和光纤作为光纤馈送；

图7为本发明的第六实施例的截面图的光线路径，其描述折射元件作为定形的区域照明器；

图8为本发明的第七实施例的截面图的光线路径，其描述二次曲线形反射表面之间的折射介质以及作为准直器的折射元件和半球状元件；

图9为本发明的第八实施例的截面图的光线路径，其描述二次曲线形反射表面之间的折射介质，其中二次曲线形反射表面包括模制在折射介质中的凹表面；

图10为本发明的第九实施例的截面图的光线路径，其描述和球状光辐射器一起使用的双高效光耦合器。

具体实施方式

根据本发明的实施例的高效光耦合器在图1中示出并通常以20指代。高效光耦合器20包括光源22，第一反射器24，第二反射器26和负元件28。光源22通常位于第二反射器26的顶端30并在近似于2pi球面度（.95NA）的立体角度上发射光输出或光辐射到第一反射器24的内表面32。第一反射器24的内表面32反射来自光源22的光，由此改变光源22发射的光的路径。第一反射器24为二次曲线形并具有使来自光源22的光准直的附加功能，由此传输平面波到第二反射器26。然后，光被反射离开第二反射器26朝向与第一反射器24的顶端36处孔口34对准的负元件28。然后，如图1所示，负元件28引导发射光为低N.A.光束通过孔口34。

光源22可包括发光二极管（LED）。但是，光源22不限于LED，可以使用任何小区域发光器件，例如，电弧灯。如图2所示，光源22与第二反射器26基本上在第二反射器26的顶端30相切。光源22基本上放置在第二反射器26的顶端30使得可以通过板或可移动的盖子（未示出）方便地接触到光源22。对光源22的接触可使得对例如不能工作的LED或其他小区域发射源方便地进行维修或替换。

如图1-2中进一步所示，第一反射器24粘贴到或以其他方式安装于抛物线轮廓之上或之中以接收和反射接收自光源22的光。第一反射器24与第二反射器26同轴，并且可操作地与第二反射器26结合以产生第一包围38。第一反射器24可进一步包括焦点40，其中光源22位于焦点40。第一反射器24可通过对铝进行光学抛光制成。但是，光学任务所需的表面质量并不限定材料为铝。可使用具有反射属性的任何合适的金属、塑料或玻璃材料。铝的优点在于其热传导属性使得可以排除光源22产生的热。该附加的优点带来更加紧凑的设计，其中主光学功能元件还执行次要的以及常常是必要的机械功能。

还是如图1-2中所示，高效光耦合器20包括接收第一反射器24产生的平面波的第二反射器26，再次改变光源22发射的光的方向。第二反射器26将会聚光导向负元件28。第二反射器26可为二次曲线形，例如抛物线形、椭圆形、球形或双曲线形。而且，第一和第二反射器24，26不限于相同的轮廓，其每一个可以依照具有相同或不同二次曲线值的任何相同或不同的二次曲线。可以通过允许第二反射器26的二次曲线值作为所要减少或消除的像差的函数进行调节来最大化高效光耦合器20的光学性能。常见的像差可能是负球形像差。第二元件26的二次曲线值可取决于负元件28处的能量传输函数，例如，是否最终目的是将光耦合到光纤，或将光耦合到用于准直的透镜，等等。

在本实施例中，反射离开第二反射器26的光以如同其由光源28发射出那样相同的角度会聚在其焦点42，由此具有与光源相同的N.A.。会聚光相交于或照射到负元件28，然后到达负元件中的第二反射器焦点42，然后会聚到焦平面44。会聚角α和N.A.由此被减少。如图1-2所示，第一顶端36和同轴的第二顶端30偏离了第一距离，其小于分离第二顶端30和第二焦点42的距离。关于这方面，光相交于或照射到负元件28的第一表面46，然后会聚到其焦平面44，由此使得负元件28能够改变光源22的N.A.。

如图1-2中所示，负元件28被示为与孔口34对准的双凹折射透镜。取决于所需要的光输出，负元件28可为其他形状，例如新月形透镜，环形透镜或衍射透镜。第二反射器26可通过抛光后的铝构造。但是，如前所述，光学任务所需的表面质量并没有将材料限定为铝。可使用具有反射属性的任何金属、塑料或玻璃材料，并且实际上第一和第二反射器24,26可形成连续模制结构。而且，相对大直径的负元件28可能会阻挡或转向大量发射光，而相对小直径的负元件28可能会减少负元件28的效率。相应地，负元件28直径相对于第一反射器24直径之比应当得到平衡，可选为1:10的比率。

如图3-4中所示，光照射到或相交于负元件28，然后会聚在光焦平面44。光从位于第一反射器24的焦点40处的光源22发出。接着光反射离开第一反射器24朝向第二反射器26，然后反射离开第二反射器26朝向具有凹的第一表面46的负元件28。该折射光会聚在位于图3中的负元件的第二表面48处的或位于图4中所示的负元件28中的焦平面44。

图5-7描述用于各种光任务的多个可能的配置。如图5中所示，反射离开第二反射器26的光照射到具有凹的第一表面46的负元件28。折射光会聚在靠近用于产生准直光束的球状元件50的焦平面44。如图6中所示，折射光基本上会聚在负元件和一个或多个光纤52之间的界面上，可选地用于光纤馈送。如图7中所示，负或定形元件28包括用作定形区域照明器的折射透镜，其中定形元件28包括凹的第一表面46和凸的第二表面48，焦平面44位于两者之间。

在如图8中所示的第七实施例中，高效光耦合器20进一步包括位于第一反射器24和第二反射器26之间的折射介质54。负元件28被描述为具有对准于第一反射器24的顶端36的凹的第一表面46和用于产生准直光束的凸的第二表面48或半球状第二表面48。如图9中所示，折射介质54可与第一反射器24一致并沿着在第一和第二反射器24、26之间建立的包围38中的第一反射器24延伸。这样，折射介质54替代负元件28的功能。

在图10所示的另一实施例中，高效光耦合器20进一步包括光源22，第一24，第二26，第三58和第四二次曲线形反射器56以及负元件28。光源22位于第二和第四二次曲线形反射器26、56的顶端30，其共用公共轴60并以相反的方向分开。第一二次曲线形反射器24包括第一反射器顶端36和允许从高效光耦合器20发射的光通过的孔口34。第一二次曲线形反射器24可操作地连接到第二二次曲线形反射器26以产生第一反射包围38。以类似的方式，第四二次曲线形反射器56可操作地连接到第三二次曲线形反射器58以产生第二反射包围62。来自光源22的光反射离开第一二次曲线形反射器24朝向第二二次曲线形反射器26。以类似的方式，来自光源22的光反射离开第三二次曲线形反射器58朝向第四二次曲线形反射器56，并再次朝向第三二次曲线形反射器58，然后通过包围光源22的第一和第二包围38，62之间的开口64。来自两个包围38,62的光通过负元件28，其如图10所示，包括发散的（凹的）第一表面46和会聚的（凸的）第二表面48。附加的会聚透镜66被示出作为进一步聚焦来自高效光耦合器20的光以产生低N.A.光源。

如上所述高效光耦合器装置为重成像器，其中第一反射器24和第二反射器26在成像点处重构光源22的发射特性。改变系统N.A.的机会通过在光到达其焦平面44之前放置负元件28而存在。放置于第一反射器24的顶端36的负元件28可以为广泛的多种元件之一，包括折射的，衍射的，全息的或反射的元件。N.A.减少转换，举例来说，可为大约1.72到1，其中具有0.95的N.A.的光源被减少到0.55的N.A.。极大地减少N.A是可能的，但是通常以像差控制为代价。对本领域技术人员而言，将认识到通过减少锥形光的N.A.，可用光的“可用性”将极大地增强。本领域技术人员将认识到存在通过使用折射率介质可以最佳地实现的光性能要求。

以上说明为本发明的当前实施例。在不偏离所附权利要求给出的本发明的精神和更宽的情况的前提下，可以做出各种替换和改变，所述权利要求应按照包括等同原则在内的专利法的原则进行解释。

Claims (27)

1.一种光耦合器转换系统，包括：

第一反射器，其中所述第一反射器为二次曲线形并包括第一反射器焦点、第一反射器顶端和位于所述第一反射器顶端处的孔口；

第二反射器，其中所述第二反射器为二次曲线形并包括第二反射器顶端和焦点并且与所述第一反射器同轴，其中所述第一和第二反射器相互面对并且所述第一反射器焦点处于所述第二反射器顶端；

光源，其位于所述第二反射器顶端；以及

负元件，其对准于所述第一反射器顶端的所述孔口并且具有内部，其中来自所述第二反射器的光在到达所述第二反射器焦点前照射到所述负元件。

2.如权利要求1所述的光耦合器转换系统，其中所述光源被放置于所述第一反射器焦点。

3.如权利要求1所述的光耦合器转换系统进一步包括：

第三反射器；

第四反射器，其面对所述第三反射器并可操作地连接所述第三反射器以形成第二包围，所述第四反射器包括连接所述第二反射器顶端的第四反射器顶端并包括通过该处的开口，其中来自所述光源的光被反射离开所述第一反射器和所述第三反射器。

4.如权利要求1所述的光耦合器转换系统，其中所述光源包括光输出，所述负元件被放置成使得由所述第二反射器反射的光输出在到达所述第二反射器焦点之前进入所述负元件。

5.如权利要求1所述的光耦合器转换系统，其中所述光源包括光输出，所述负元件被放置成使得由所述第二反射器反射的光输出汇聚在越过所述第一反射器顶端的焦平面上。

6.一种光耦合器转换系统，包括：

第一反射器，其中所述第一反射器是二次曲线形并且包括第一反射器顶端、第一二次曲线形焦点以及在所述第一反射器顶端的孔口；

第二反射器，其包括第二顶端并且与所述第一反射器共轴，其中所述第一和第二反射器面对彼此；

光源，位于所述第二反射器顶端并且位于所述第一二次曲线形焦点；以及

负元件，其对准所述第一反射器顶端的所述孔口并限定了内部，其中所述第二反射器是包括位于所述负元件的所述内部内的第二二次曲线形焦点的二次曲线。

7.权利要求6所述的光耦合器转换系统进一步包括光输出，其中所述光输出在汇聚在焦平面之前的照射到所述负元件。

8.权利要求7所述的光耦合器转换系统，其中所述焦平面位于所述负元件中。

9.权利要求8所述的光耦合器转换系统，其中所述第一反射器和第二反射器可操作地结合以用于形成第一外壳。

10.权利要求9所述的光耦合器转换系统，其中所述负元件包括双凹折射透镜。

11.权利要求9所述的光耦合器转换系统，其中第一反射器和所述第二反射器进一步包括在它们之间的折射媒体。

12.权利要求9所述的光耦合器转换系统，进一步包括和所述负元件临近的球状折射元件用于产生准直光源。

13.权利要求9所述的光耦合器转换系统进一步包括光输出和用于接收所述光输出的光纤。

14.权利要求9的光耦合器转换系统，其中所述负元件包括用于产生准直光源的半球表面。

15.一种产生光输出的光耦合器，所述光耦合器包括：

光源；

第一二次曲线形反射器，包括第一顶端，位于所述第一顶端的光孔口以及位于所述光源处的第一二次曲线形焦点；

第二二次曲线形反射器，其面对所述第一二次曲线形反射器并且可操作地连接所述第一二次曲线形反射器以产生一包围，所述第二二次曲线形反射器包括位于所述第一二次曲线形焦点的第二顶端，所述光源在所述第二顶端处在所述包围内相切于所述第二二次曲线形反射器；以及

负元件，对准所述第一二次曲线形反射器中的所述光孔口，其中所述第二二次曲线形反射器包括位于所述负元件中的第二二次曲线形焦点。

16.如权利要求15所述的光耦合器，其中所述光源具有在汇聚到焦平面前进入到所述负元件的光输出。

17.如权利要求15所述的光耦合器，其中所述第二顶端与所述第一顶端分离第一距离，所述第一距离小于分离所述第二顶端和所述第二二次曲线形焦点的第二距离。

18.如权利要求15所述的光耦合器，其中所述第一二次曲线形反射器为抛物线形。

19.如权利要求15所述的光耦合器，其中所述负元件包括双凹折射透镜。

20.如权利要求15所述的光耦合器进一步包括用于接收所述光输出的光纤。

21.如权利要求15所述的光耦合器，其中所述负元件进一步包括用于产生准直光源的半球状表面。

22.如权利要求15所述的光耦合器，其中所述第一和第二二次曲线形反射器形成连续的模制结构。

23.如权利要求15所述的光耦合器，其中所述第一和第二二次曲线形反射器分别包括第一和第二反射表面，其中所述第一和第二反射表面包括抛光后的铝。

24.一种光耦合器转换系统，包括：

第一反射包围，包括第一二次曲线形反射器和第二二次曲线形反射器，所述第一二次曲线形反射器包括第一焦点、第一顶端和位于所述第一顶端处的第一孔口，所述第二二次曲线形反射器包括位于所述第一二次曲线形焦点的第二顶端，其中所述第一和第二二次曲线形反射器彼此面对并可操作地彼此连接；

第二反射包围，包括具有第三焦点、第三顶端的第三二次曲线形反射器和具有在所述第三二次曲线形焦点的第四顶端的第四二次曲线形反射器，其中所述第三和第四二次曲线形反射器彼此面对并可操作地彼此连接，所述第二二次曲线形反射器的所述第二顶端与所述第四二次曲线形反射器的所述第四顶端连接并限定穿过该处的开口，其中所述第一反射包围通过所述开口与所述第二反射包围成流体连通；

光源，位于所述第二和第四二次曲线形反射器的所述顶端处；以及

负元件，其对准所述第一反射器的所述孔口。

25.如权利要求24所述的光耦合器转换系统进一步包括光输出，其中所述光输出在汇聚到焦平面前照射到所述负元件。

26.如权利要求24所述的光耦合器转换系统，其中所述光源同时位于所述第一二次曲线形焦点和所述第三二次曲线形焦点。

27.如权利要求24所述的光耦合器转换系统，其中所述负元件限定内部并且所述第二二次曲线形焦点位于所述负元件的内部内。