CN102388328A

CN102388328A - 具有弯曲狭缝的光导弯曲

Info

Publication number: CN102388328A
Application number: CN2010800161874A
Authority: CN
Inventors: M·P·C·M·克里恩; B·A·萨尔特斯
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: TP Vision Holding BV
Priority date: 2009-04-10
Filing date: 2010-04-06
Publication date: 2012-03-21
Also published as: RU2011145576A; EP2417483A1; US20120027344A1; WO2010116320A1; JP2012523580A

Abstract

一种用于使用一组形成在光导芯中的弯曲的狭缝(9，10，11)将被引导的光从第一方向(12)弯曲到第二方向(13)的光导(102)。这组弯曲的狭缝限定单独的弯曲光导通道(14，15，16，17)，弯曲光导通道通过全内反射引导光通过弯曲光导通道。

Description

具有弯曲狭缝的光导弯曲

发明领域

本发明涉及光导领域，并且更具体地涉及具有减少光损失的光导。

背景技术

光导用在许多照明应用(例如用于一般照明目的)中，以及用在液晶显示器(LCD)或TV屏幕的背光源中。

这种类型的结构一般用于例如LCD监视器的背光照明，其中光源连接至光导板的一侧并且光通过反射结构被朝向LCD反射。

光导可以用于其中的另一个可能的应用是例如用于电视机的背景照明，例如平板显示面板。环绕显示面板产生的光效果可以在显示面板的周边上从单个点光源(例如LED或激光光束)引导出。以此方式，中大型区域可以通过使用有限数量的光源而被照亮，这些光源同时为观察者提供更愉悦的观看体验，例如，可与Philips Ambilight系统相比。

JP2007087725描述了一种光导主体，其包括将引导的光的一部分从光导主体的一个面朝着由孔产生的阴影位置的方向反射至光导主体的相对侧。该结构用于引导光环绕目标，例如环绕圆形开关的照明。

然而，在狭缝表面引导的光的高效内反射仅以小角度发生，并且因此由于大部分光由于折射损失掉了，使用这样的系统不能实现尖角上的高效光反射。

发明内容

因此，能够以减少的光损失在尖角上传输光的改进的光导将是有利的，并且特别地，能够使用有限数量的光源沿着屏幕的边缘传输光的改进的光导将是有利的。

更进一步的，改进的屏幕将是有利的，其中使用采用最小数量的光源的光导光环绕屏幕的边缘连续并且均匀扩散光。

因此，本发明优选寻求单独地或以任意组合地减轻、缓和或消除上述缺点中的一个或多个。为了这个目的，本发明提供了一种光导，其通过在光导基底中引入弯曲的狭缝来解决现有技术的上述问题。这些弯曲的狭缝限定出单独的弯曲光导通道，这些通道能够通过全内反射将光引导穿过弯曲通道。

本发明特别地但不是排他地有利于获得改进的重量轻的、低成本的、能够急剧弯曲(例如，以约90°拐角或在弯曲的光导中)被引导的光的光导。这个光导可以用作监视器(例如Philips Ambilight电视)的背景照明的组件，允许以有限数量的光源环绕监视器的整个边缘扩散光。

本发明的第一方面提供了用于将被引导的光从第一方向弯曲进入第二方向的光导，其包括用于将被引导的光从第一方向弯曲进入第二方向的光导，其包括：i)形成光导的光导芯的基底；ii)形成在光导芯中的一个或多个弯曲的狭缝，每个具有指向所述第一方向的第一末端和指向所述第二方向的第二末端。一个或多个弯曲的狭缝被布置成限定单独的的弯曲光导通道，以便通过全内反射引导光通过弯曲的光导通道。

在本上下文中，具有指向传播光的狭缝的末端是指它们指向传播光的大体方向。小于临界角的偏离将典型地仍然提供高效的弯曲并且在指向的范围内被考虑。

全内反射(TIR)是光学现象，其允许光导芯中的光限制。其发生在光相对于边界表面的垂直方向以大于临界角的角度射到介质边界上的时候。如果折射率在边界的另一侧上较低，则没有光可以穿过，所以全部光被有效地反射。临界角是光被折射使得它沿着边界传播的入射角。

一般地，许多光导，例如大多数光纤，通过TIR传输光。除了其他组件以外，光导由最内部分、芯和环绕芯的外部即包层组成。由于芯的折射率大于包层的折射率，光通过TIR沿着芯内部反射。在本发明中，光导芯优选具有矩形横截面。具有圆形或三角形横截面的其他光导芯也是有利的。

弯曲的光导通道(下文也简单称作通道)可以形成在两个弯曲的狭缝(下文也简单称作狭缝)之间并且也可以形成在弯曲的狭缝和波导芯的边缘之间。特别对于光导的弯曲部分，芯的内部/外部边缘可以和弯曲的狭缝一起用于形成通道。由此通道的数量可以依赖于它们是否定位在光导的弯曲部分中而大于或小于狭缝的数量。

尽管在沿着直的传播方向传输光的光导中发生低的光损失或没有出现光损失，在弯曲的光导中，被引导的光至少部分通过折射而损失。这发生在光相对于边界表面的垂直方向以小于临界角的角度射在边界芯/包层处的时候。弯曲的狭缝在光导基底芯的弯曲部分中的定位提供了具有不同倾度的多个边界(芯/狭缝)，这允许较大量的光束进入光导以沿着光导传输下去而不发生泄漏。在一些实施例中，光导芯的一部分是弯曲的并且一个或多个狭缝定位在光导芯的这个弯曲部分中。当狭缝定位在光导芯的弯曲部分中时，它们优选地设计成使得每个限定的通道遵循弯曲在每个通道的位置处的曲率半径。在光导部分地弯曲的实施例中，光导芯的曲率半径大于所述弯曲光导通道的宽度。

在其他实施例中，每个弯曲光导通道的宽度小于弯曲光导通道的曲率半径。

狭缝和通道的设计，以及这些可能的最优化将在后面参照图7a和b来描述。

本发明的第一方面描述的弯曲狭缝在光导中的存在允许光在弯曲光导中的限制，即TIR，在弯曲光导中光在例如彼此垂直的两个方向之间弯曲。狭缝的形状可以是锥形的并且优选地在至少指向传播的第一方向的末端变尖。狭缝的末端越钝，越多的光将在非TIR角下入射到这个末端，或以使光偏转以在非TIR角下射到所述光导壁上的角度入射到所述末端，这两种情况都导致损失。指向光传来的方向(传播的第一方向)的狭缝上的末端的逐渐变细，将由此减少如由传播光所见的狭缝的面积，并因此减少不期望的狭缝的末端对光的散射。

在相同的实施例中，被一个或多个狭缝限定的单独的弯曲光导通道具有可调整的宽度以允许入射光以最小的光损失从所述第一方向弯曲进入所述第二方向。

沿着光导芯传输的光通常沿着芯边界反射。只有在特定角度范围内(即又允许光线以大于临界角的角度射到芯边界上的角度)进入光导芯的光线能够没有损失地沿着光导传播下去。该角度范围被称为光导的接受锥。在一些实施例中，因为存在于光导芯中的弯曲的狭缝提供了具有不同的倾度的多个边界(芯/狭缝)，所以光损失被最小化。这些允许进入光导的大量光线沿着光导传播下去而不发生泄漏。换种说法，光损失通过实质上扩大光导的接受锥而最小化。

弯曲的狭缝的数量(以及因此通道的数量)、它们的形状以及作为光导的具体尺寸要求的函数、和作为光源特性(例如角度范围和强度分布)的函数的通道宽度，可以通过例如计算机模拟来最优化，或通过实验来最优化，例如通过试错法来最优化。

在其他根据本发明的第一方面的实施例中，一个或多个弯曲的狭缝被折射率小于光导基底折射率的材料填充。

在一些根据本发明的第一方面的其他实施例中，一个或多个弯曲狭缝通过空气填充。

介质的折射率是光速在介质中减小了多少的度量。

例如用于光导中的高透射率的玻璃或聚合物(例如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA))具有大约1.5的标准折射率，其意味着在这些材料中，光以真空中的光速的1/1.5倍行进。空气具有大约1的折射率。因此在PMMA光导中，当光相对于边界表面的垂直方向以大于临界角的角度射在狭缝边界上时，由空气填充的狭缝允许TIR，这是因为空气的折射率低于PMMA的折射率。

在一些实施例中，若干光导可以使用折射率低于制作光导的材料的折射率的胶彼此胶合，从而使得TIR发生在胶和光导之间的边界处。

通常地，光导中的临界角依赖于光导的材料和环绕其的材料，例如空气、胶、包层或玻璃种类。

在其他实施例中，一个或多个弯曲狭缝穿过光导芯的厚度一直延伸。

本发明的第二方面提供了一种用于将光从第一方向上弯曲进入第二方向的装置，其包括：i)根据本发明的第一方面的光导，和ii)光源，光源被设置为将光耦合入光导中。

本发明在第三方面中涉及用于将光从第一方向弯曲进入第二方向的方法，其包括步骤：i)提供光导和ii)在光导内形成一个或多个弯曲狭缝使得通过由所述一个或多个弯曲狭缝限定的单独弯曲光导通道中的全内反射将入射光从所述第一方向弯曲进入所述第二方向。

本发明的第一、第二和第三方面每个都可以和其他方面中的任一个组合。

本发明的基本思想可以阐明为提供一种光导系统，当光在弯曲光导中被引导时其将光损失最小化。

本发明的这些和其他方面从下文描述的实施例将会清楚并且参照下文描述的实施例而被阐明。

附图说明

本发明现在将仅通过示例的方式被解释，参照附图，其中

附图1示出了光导芯的内反射，例如光纤芯。

附图2示出了弯曲的光导芯，其中大多数光损失在弯曲中。

附图3a和3b示出了根据本发明的一个实施例的光导芯的示意图。

附图4是根据本发明的实施例的方法的流程图。

附图5是根据本发明的一个实施例的装置的示意图。

附图6是根据本发明的实施例的分束器的示意图。

附图7a和b是示出了根据本发明的一个实施例的光导的最优化参数的示意图。

具体实施方式

附图1是表示在例如光纤芯的光导芯中被引导的光线的光路的示意图。一般地，当光线撞上具有不同折射率的材料之间的边界时，其在边界表面上部分折射和部分反射。附图1示出了光导芯100，其中光线1和2以大于(也就是说，光线更加接近于平行于边界)边界的临界角的入射角撞上光导芯。如图1示出的，光线1和2，由于它们的入射角超过临界角，经历全内反射使得有效地将光线1和2的全部光内反射。

当光导如图2所示那样弯曲时，通常不是这种情况。在弯曲的光导101中，以超过临界角的入射角撞上光导芯边界的光线3经历全内反射，光线3，而相对于垂直方向以大于临界角的角度入射的光束4和5经历部分反射和折射。由于部分光被折射到光导芯外部，因此光导芯中的弯曲引起芯边界处的光损失。特别是如图2所示，当光导芯中的弯曲很急剧(例如90°或甚至更大)时，这是真实的。

图3a示出了根据本发明的一个实施例的光导芯的示意图。如图3a中示出的，光导芯102能够以最小化的光损失将被引导的光从第一方向12弯曲进入第二方向13中。形成在光导102的光导芯中的一组弯曲狭缝9、10和11的存在限定了四个形成在狭缝之间以及狭缝和光导芯边界之间的通道14、15、16和17。穿过这些通道的光可以表现为如同其在单独的光导芯中被引导。例如图2中的光束4和5的一些光束具有不允许全内反射的到光导芯边界的入射角，并因此会部分损失。在光导芯102中，这些入射角通过弯曲的狭缝9、10和11的存在而被修改。事实上，在图3a中，光束4和5以大于边界光导芯/狭缝的临界角的角度撞上弯曲的狭缝9、10和11。由此会在传统弯曲光导中部分损失的光束4和5在光导芯102中经历TIR。

在图3a中，仅出于简单的原因，弯曲的狭缝和通道的数量分别减少至3和4。取决于光导的具体尺寸要求，弯曲的狭缝的数量和通道的宽度可以通过例如计算机模拟来最优化，或用实验方法优化，例如通过试错法来最优化。

附图3b示出了图3a的光导102的3维端/视图，其中狭缝9/11的优选的设计参数被示出。如所见的，狭缝穿过芯102一直延伸。

另外，由于狭缝非常窄或朝向末端逐渐变细，指向传播的第一方向12的狭缝的末端23被弄尖。由此，末端23非常薄，如通过图3b中的线表示的。

另外，形成这些狭缝，使得它们的侧面垂直于它们的弯曲面。在弯曲的光导芯102的例子中，狭缝的弯曲面与芯的顶面或底面相同。因此，狭缝的侧面和芯的顶部之间的角度22优选垂直。这确保狭缝的侧面上的反射保持在弯曲的平面中并且狭缝不导致引起损失的平面外反射。

图4是用于将光从第一方向弯曲进入第二方向的方法的流程图，该方法包括步骤S1提供用于光导的基底和S2在基底内形成一个或多个弯曲狭缝，使得通过由所述一个或多个弯曲狭缝限定的单独弯曲光导通道中的全内反射来将入射光从所述第一方向弯曲进入所述第二方向。

图5是根据本发明一个实施例的装置的示意图。装置103包括光源20，其功能性地连接至光导基底21。光源的例子可以是单色的或多色的光源，例如发光二极管、LED或激光器。

图6说明了本发明的另一个实施例，其中狭缝和通道没有定位在光导的弯曲部分中。这里，狭缝和通道18用于仅弯曲入射到其上的被引导的光12的部分13，而光19没有入射并且因此被无弯曲地引导。由此狭缝和通道18执行分束器或光束分开器的功能。弯曲光13与传输光19的比例仅取决于光导芯的被狭缝和通道18占据的面积。根据这个实施例的分束器由此具有超过传统分束器(尤其是那些通过半透明反射器提供的分束器)的优点，即可以在任何所选的方向上偏转弯曲光13而不影响偏转光13和传输光19之间的比例。

图6的实施例说明了本发明针对不同于限制弯曲光导部分中的光损失的其它目的的仅一个可替代用途和应用。本领域技术人员鉴于本描述可以预期到许多其他的用途和应用是可能的。

狭缝和通道的设计(指它们的形状、位置和尺寸)可以被调整以进一步改善性能和降低损失。首先，需要注意的是对于TIR光导，无损失的最急剧的可能弯曲取决于波导芯的直径。在本发明中，这意味着通道具有的宽度越小，曲率半径就越小是可能的，同时仍然执行TIR引导而没有损失。因此优选的设计参数是，通道的宽度D小于曲率半径R，即R＞D。甚至更优选的设计是曲率半径R是通道宽度的若干倍，例如R·5D或R·15D。对于R＞＞D，通道中光的弯曲可以不带光损失的执行。最优值取决于材料和包层的折射率以及光源的角度范围。

两种不同布局的狭缝和通道设计在图7a和7b中示出。图7a示出了一组狭缝和通道24，其中通道宽度或直径D对于所有通道来说是相同的，而曲率半径则不同，其中R₁＞R₂＞R₃＞R₄。对于这种设计布局，优选的设计参数为：R_n＞D。

相似的，图7b示出了一组狭缝和通道25，其中通道宽度或直径D_n与曲率半径R_n对于每个通道都不同使得D₁＞D₂＞D₃＞D₄并且R₁＞R₂＞R₃＞R₄。对于这种设计布局，优选的设计参数是：R_n＞D_n。这种设计布局具有优点：定位在弯曲的外部中的通道具有较大的曲率半径并且由此能够允许其更宽而没有光导损失。这意味着在狭缝之间可以有更大的距离并且由此更少的狭缝。在弯曲的内部，其中半径的曲率较小，狭缝更接近地在一起以给出允许更急剧的弯曲的更窄通道。

尽管本发明已联系具体实施例得以描述，预期其不限于这里阐述的具体形式。而是，本发明的范围仅由所附的权利要求限制。在权利要求中，术语“包括”不排除其他元件或步骤的存在。另外，尽管单独的特征可以包含在不同权利要求中，但是这些特征可以可能地被有利组合，并且包含在不同权利要求中不暗示特征的组合不是可行的和/或有利的。另外，单数的提及不排除多个。因此，提及“一”、“第一”、“第二”等不排除多个。另外，权利要求中的附图标记不解释为限制范围。

Claims

1.一种光导(102)，其用于将被引导的光从第一方向(12)弯曲进入第二方向(13)，该光导包括：

-基底，其形成光导的光导芯；以及

-一个或多个弯曲的狭缝(9，10，11)，其形成在光导芯中，每个具有指向所述第一方向的第一末端和指向所述第二方向的第二末端，所述一个或多个弯曲的狭缝被布置为限定单独的弯曲光导通道(14，15，16，17)，弯曲光导通道用于通过全内反射引导光通过弯曲光导通道。

2.根据权利要求1的光导，其中所述弯曲光导通道具有可调整的宽度以允许入射光以最小化的光损失从所述第一方向弯曲进入所述第二方向。

3.根据权利要求2的光导，其中每个弯曲光导通道的宽度小于弯曲光导通道的弯曲半径。

4.根据权利要求1的光导，其中光导芯的一部分是弯曲的，并且所述一个或多个狭缝定位在光导芯的该弯曲部分中。

5.根据权利要求4的光导，其中光导芯的弯曲半径大于所述弯曲光导通道的宽度。

6.根据权利要求1的光导，其中所述一个或多个弯曲的狭缝被空气填充。

7.根据权利要求1的光导，其中所述一个或多个弯曲的狭缝穿过光导芯的厚度一直延伸。

8.根据权利要求1的光导，其中所述一个或多个弯曲的狭缝具有垂直于它们的弯曲平面的侧面。

9.一种用于将光从第一方向弯曲进入第二方向的装置，该装置包括：

-根据权利要求1的光导；和

-光源，其被布置为将光耦合入所述光导中。

10.一种用于将光从第一方向弯曲进入第二方向的方法，该方法包括步骤：

-提供光导；和

-在所述光导中形成一个或多个弯曲的狭缝，使得通过由所述一个或多个弯曲狭缝限定的单独弯曲光导通道中的全内反射来将入射光从所述第一方向弯曲进入所述第二方向。