CN108368994A - 用于星状分束器的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

星状分束器包括用于接纳光源的光腔和围绕光腔定向的多个径向臂，多个径向臂被定向以将进入多个径向臂中的每个径向臂的光聚集在邻近光腔的端部处并在光腔远侧的端部处提供聚集的光。

Description

用于星状分束器的系统和方法
技术领域
本公开总体上涉及光的透射和传播，并且更具体地涉及用于将单个光源分成多个径向光束的紧凑光学装置。
背景技术
发光二极管(LED)的效率、可靠性和紧凑尺寸使它们对在所有类型的照明设备中使用变得越来越有吸引力。包括LED的核心的隔离半导体管芯基本上是在所有方向上辐射的点光源。存在多种设计，其当结合LED使用时可收缩、集中、扩散或重定向LED的多方向发射。这些设备通常使用与LED的小型介电壳体成一整体或在LED的小型介电壳体外部的掩模、透镜或反射器的组合，以便操纵所合并的输出光束的方向和强度。
发展或改进了用于在对特定的应用有用的特定图案中集中或扩散这个多方向辐射的多个系统。一种方法是模制容纳以凸或凹透镜的形式的半导体管芯的介电外壳的外表面。该方法提供在与LED的轴大致共线的光束中穿过透镜表面透射从半导体管芯发射的光的手段。1999年2月2日授予给Eliis Yan的美国专利号5,865,529公开了用于在360°观察平面中在水平和垂直轴中扩散光的这样的设备。然而，该方法不能以实质上远离LED和透镜的对称轴的角(即>45°)将发射光的主导部分聚焦，而同时不包括在相对于对称轴的较浅的角(即<45°)下的辐射。
另一方法是提供与LED机械地分离的镀银或折射反射器，其被对准以拦截沿着LED的轴辐射的光并在适合于特定的应用的图案中对其进行反射。与透镜方法不同，该方法允许以远离LED的对称轴的大角下使发射光的主导部分折射，同时不包括在较浅的角下的辐射。1998年6月23日授予H.Sasaki的美国专利号5,769,532、2002年4月2日授予M.Gallo的美国专利号6,364,506B1、2002年9月10日授予T.Kondo和H.Okada的美国专利号6,447,155以及2005年1月25日授予C.Choushaine的美国专利号6,846,101B2都公开了使用这样的机械上单独的反射器来重定向来自LED的光的设备。LED和单独的反射器的机械布置增加复杂度、所需的空间、对准难度和这个组件的成本。
第三种方法是模制以分成块面的平面或近似曲面的凹锥体的形式的LED的介电外壳的外表面，其借助于全内反射来重定向远离LED的轴由LED管芯发射的光。这些方法允许光在大角下从LED的轴扩散。1973年11月20日授予B.Johnson的美国专利号3,774,021和2002年12月3日授予C.Lu的美国专利号6,488,392B1公开了使用凸平面或弯曲表面来在远离LED的对称轴的大致径向方向上随机地扩散从半导体管芯发射的光的设备。然而，任一方法产生由在相对于LED的对称轴的精确角下定向的平行光线组成的反射光的均匀分散。
这些现有方法中没有一个提供用于将单个LED的重定向平面输出有效地分成光束的复用阵列的紧凑装置，光束的复用阵列可充当适合于与光管或光纤的光耦合的单独光源。
发明内容
在一个实施例中，用于星状分束器的系统包括星状光束分离器，其当与在其几何中心附近起源的大致平面的光发射的源耦合时将源辐射聚集到输出窗口的径向阵列内。每个输出窗口可充当单独的重新辐射光源或可以替代地光学地耦合到光管或光纤。潜在的径向输出窗口的数量取决于光源和输出窗口的维度几何。
在一个实施例中，星状分束器包括用于接纳光源的光腔和围绕光腔定向的多个径向臂，多个径向臂被定向以将进入多个径向臂的每个的光聚集邻近光腔的端部处并在光腔远侧的端部处提供所聚集的光。可选地，多个径向臂中的每个是聚光器。替代地，多个径向臂中的每个从邻近光腔的端部到在光腔远侧的端部变窄。在一个配置中，多个径向臂中的每个具有近似三棱柱形状。在另一配置中，多个径向臂中的每个具有侧表面，侧表面是沿着径向臂的长度延伸的表面，并且与离开径向臂的光的主方向相比较是垂直地竖直的。在一个替代方案中，多个径向臂中的每个具有连接平面，连接平面是从光腔的中心径向延伸到多个径向臂的任两个侧表面相交的点的平面。在另一替代方案中，基于多个径向臂包括的材料的折射率和围绕多个径向臂的空气的折射率，在连接平面和侧表面之间的角小于全内反射的临界角。替代地，材料是透明材料，并且材料的折射率大于1.4。可选地，锥形或旋转凹曲面反射器被定向在光腔中，锥形反射器定位成以光源为中心，使得来自光源的光以近似平面的方式反射。
在另一实施例中，星状分束器包括：在光腔中的光源，光源以近似平面的方式投射光；以及围绕光腔定向的多个径向臂，多个径向臂被定向以将进入多个径向臂的每个的光聚集邻近光腔的端部处并在光腔远侧的端部处提供所聚集的光。可选地，多个径向臂中的每个是聚光器，并且多个径向臂中的每个从邻近光腔的端部到在光腔远侧的端部变窄。替代地，多个径向臂中的每个具有近似三棱柱形状，多个径向臂中的每个具有侧表面，侧表面是沿着径向臂的长度延伸的表面，并且与离开径向臂的光的主方向比较是垂直地竖直的，以及多个径向臂中的每个具有连接平面，连接平面是从光腔的中心径向延伸到多个径向臂的任两个侧表面相交的点的平面。可选地，径向臂具有截锥体的形式。在一个替代方案中，在连接平面和侧表面之间的角小于全内反射的临界角，全内反射的临界角基于多个径向臂所包括的材料的折射率和围绕多个径向臂的空气的折射率。在另一替代方案中，材料是透明材料，并且材料的折射率大于1.4。在又一替代方案中，锥形反射器被定向在光腔中，锥形反射器定位成以光源为中心，使得来自光源的光以近似径向的方式反射。可选地，光源在可移除的照明模块中。替代地，可移除的照明模块包括在单个主方向上投射光的LED。可选地，单个主方向垂直于并朝着锥形反射器。
附图说明
图1是星状分束器的一个实施例的等距视图；
图2是图1的所示实施例的顶视图；以及
图3是如在图1和2中所示的实施例的纵向截面视图。
具体实施方式
某些术语在本文仅为了方便而被使用，并且并不应被视为对用于星状分束器的系统和方法的实施例的限制。在附图中，相同的附图标记在几个附图中始终用于表示相同的元件。通常，星状分束器的实施例包括用于接纳具有光源的模块的腔。具有光源的模块通常以平面方式发射光。星状分束器设计成将从光源发出的光聚集到两个或多个光束内，同时仍然提供在分束器的中部中的半透明区域。在很多实施例中，星状分束器通过提供聚集来自光源的光的径向臂来实现此。在很多实施例中，使用三个或更多个径向臂。在所示实施例中，使用六个径向臂。六个径向臂是聚光器。每个径向臂接受来自光源的光并在径向臂变窄时聚集光。径向臂具有大于1的折射率，并且因此倾向于以最小的光损耗在垂直于径向臂的侧面的方向上沿着径向臂引导光。在很多实施例中，光纤可以位于径向臂的端部处以进一步发射由径向臂聚集的光。
图1示出了分束器100的输出窗口实施例的等距视图，分束器100包括容纳位于分束器100的近似几何中心105处的光源115的光源腔110；以及围绕光源腔110的六个径向臂120。每个径向臂120包括弯曲光输入窗口121、光输出窗口122、顶/底表面123、侧表面125和连接平面126。每个径向臂120基本上形成当离光115的距离增加时变窄的截头四面体结构。连接平面126定向成与侧表面相交部分127和几何中心105共面。来自光源115的平面光输出的定向大致平行于径向臂120的顶/底表面123。光输出窗口122的特定高度和宽度可以由可能邻接的光管或光纤的相应尺寸控制。在侧表面125的延伸平面和连接平面126(见图2)之间测量的锐角130和在顶/底表面123的延伸表面和从几何中心105延伸并在光输入窗口121(见图3)的顶边缘132的中点133处终止的线135之间测量的锐角131都小于如在下式的形式中由斯涅耳定律表示的全内反射的限制角θc的约束内，分束器100的其它几何形状是适用的：
cosθc＝n1/n2(等式1)
其中，θc是在进入的光线和反射表面之间的锐角，n1是空气的折射率，以及n2是形成分束器100的光学上透明的材料的折射率(注意：等式1是常常被表示为sinθc＝n1/n2的斯涅耳定律的相同的推论，其中θc表示在进入的光线和垂直于反射表面的线之间的锐角)。
空气具有1.00的标称折射率，并且优选地，分束器100是具有大于1.42的折射率的透明材料。在很多实施例中，材料是透明聚合物。对θc的等式1代入和求解导致锐角130和131的45.24°的限制角。满足锐角130和131的这个标准的径向臂120的几何形状因而将提供从光源115进入光输入窗口121并穿过光输出窗口122(见图2和3)的光线140的有效透射的全内反射。
星状分束器当与LED设备或其它类似的光源合并在一起时对光的复用分离和定向控制的问题提供简单、紧凑和灵活的解决方案。
如所示，径向臂具有近似三棱柱形状(远离光源的顶点被切掉)。替代地，径向臂可以具有抛物面棱柱形状，其可增强光到径向臂的端部的透射；然而，它可能更难以形成。
此外，在一些实施例中，光源可以是在非常接近LED光源的范围内主要在单个方向上引导光的LED光源。在这个配置中，单方向LED光源可被转换以使用锥形或旋转凹曲面反射器在360°径向方向上投射光(基本上形成光的平面)，锥形或旋转凹曲面反射器的顶端在LED光源的中心中被定向。在操作中，锥形反射器可以被形成为星状分束器的部分，使得锥形反射器的顶端指向LED光源的中心。
描述了新颖的光束分离器。应理解，本文所述的特定公式和方法是示例性的，并且不应被解释为限制所附权利要求。此外，显然，本领域中的技术人员现在可进行特定实施例的很多使用和修改而不偏离创造性概念。例如，涂层可以涂敷到表面以增强反射，平行的表面可以逐渐变细，或平面的矩形相交部分可以变圆。因此，星状分束器应被解释为包括存在于所描述的构成物和方法及其等效形式中的和/或由所描述的构成物和方法及其等效形式拥有的每个新颖的特征和特征的新颖组合。

Claims (25)

1.一种星状分束器，包括：
光腔，其用于接纳光源；以及
多个径向臂，其围绕所述光腔定向，所述多个径向臂被定向以将进入所述多个径向臂中的每个径向臂的光聚集在邻近所述光腔的端部处并在所述光腔远侧的端部处提供聚集的光。
2.根据权利要求1所述的星状分束器，其中，所述多个径向臂中的每个径向臂是聚光器。
3.根据权利要求2所述的星状分束器，其中，所述多个径向臂中的每个径向臂从邻近所述光腔的端部到所述光腔远侧的端部变窄。
4.根据权利要求3所述的星状分束器，其中，所述多个径向臂中的每个径向臂具有近似三棱柱形状。
5.根据权利要求4所述的星状分束器，其中，所述多个径向臂中的每个径向臂具有侧表面，所述侧表面是沿着所述径向臂的长度延伸的表面，并且与离开所述径向臂的光的主方向相比较是垂直地竖直的。
6.根据权利要求5所述的星状分束器，其中，所述多个径向臂中的每个径向臂具有连接平面，所述连接平面是从所述光腔的中心径向延伸到所述多个径向臂的任何两个侧表面相交的点的平面。
7.根据权利要求6所述的星状分束器，其中，在所述连接平面与所述侧表面之间的角小于全内反射的临界角，所述全内反射的临界角基于所述多个径向臂所包括的材料的折射率和围绕所述多个径向臂的空气的折射率。
8.根据权利要求7所述的星状分束器，其中，所述材料是透明材料，并且所述材料的折射率大于1.4。
9.根据权利要求7所述的星状分束器，其中，锥形或旋转曲面反射器被定向在所述光腔中，所述反射器被定位成以所述光源为中心，使得来自所述光源的光以近似平面的方式反射。
10.一种星状分束器，包括：
光腔；
所述光腔中的光源，所述光源以近似平面的方式投射光；以及
多个径向臂，其围绕所述光腔定向，所述多个径向臂被定向以将进入所述多个径向臂中的每个径向臂的光聚集在邻近所述光腔的端部处并在所述光腔远侧的端部处提供聚集的光。
11.根据权利要求10所述的星状分束器，其中，所述多个径向臂中的每个径向臂是聚光器，并且所述多个径向臂中的每个径向臂从邻近所述光腔的端部到所述光腔远侧的端部变窄。
12.根据权利要求11所述的星状分束器，其中，所述多个径向臂中的每个径向臂具有近似三棱柱形状，所述多个径向臂中的每个径向臂具有侧表面，所述侧表面是沿着所述径向臂的长度延伸的表面，并且与离开所述径向臂的光的主方向相比较是垂直地竖直的，并且所述多个径向臂中的每个径向臂具有连接平面，所述连接平面是从所述光腔的中心径向延伸到所述多个径向臂的任何两个相邻侧表面相交的点的平面。
13.根据权利要求12所述的星状分束器，其中，在所述平面光源与所述侧表面之间的锐角小于全内反射的临界角，所述全内反射的临界角基于所述多个径向臂所包括的材料的折射率和围绕所述多个径向臂的空气的折射率。
14.根据权利要求13所述的星状分束器，其中，所述材料是透明材料，并且所述材料的折射率大于1.4。
15.根据权利要求13所述的星状分束器，其中，锥形或旋转曲面反射器被定向在所述光腔中，所述反射器被定位成以所述光源为中心，使得来自所述光源的光以近似径向的方式反射。
16.根据权利要求15所述的星状分束器，其中，所述光源在可移除的照明模块中。
17.根据权利要求16所述的星状分束器，其中，所述可移除的照明模块包括在单个主方向上投射光的LED。
18.根据权利要求17所述的星状分束器，其中，所述单个主方向垂直于并朝着所述锥形反射器。
19.根据权利要求11所述的星状分束器，其中，所述多个径向臂中的每个径向臂具有近似截锥形形状，所述多个径向臂中的每个径向臂具有锥形侧表面，所述侧表面是沿着所述径向臂的长度延伸的表面，并且与离开所述径向臂的光的主方向相比较是垂直地竖直的，并且所述多个径向臂中的每个径向臂具有连接平面，所述连接平面是从所述光腔的中心径向延伸到所述多个径向臂的任何两个相邻锥形侧表面相交的点的平面。
20.根据权利要求19所述的星状分束器，其中，在所述平面光源与所述锥形侧表面之间的锐角小于全内反射的临界角，所述全内反射的临界角基于所述多个径向臂所包括的材料的折射率和围绕所述多个径向臂的空气的折射率。
21.根据权利要求20所述的星状分束器，其中，所述材料是透明材料，并且所述材料的折射率大于1.4。
22.根据权利要求21所述的星状分束器，其中，锥形或旋转曲面反射器被定向在所述光腔中，所述反射器被定位成以所述光源为中心，使得来自所述光源的光以近似径向的方式反射。
23.根据权利要求22所述的星状分束器，其中，所述光源在可移除的照明模块中。
24.根据权利要求23所述的星状分束器，其中，所述可移除的照明模块包括在单个主方向上投射光的LED。
25.根据权利要求24所述的星状分束器，其中，所述单个主方向垂直于并朝着所述锥形反射器。
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