CN1093927C - 光纤照明系统 - Google Patents

Abstract

一种照明系统包括与光纤(20)光学耦合的光源。光纤(20)包括一个沿其长度延伸的发光区。发光区包括多个位于沿光纤(20)的表面延伸的第一纵轴(38)上的光学元件(30)和多个位于沿光纤(20)的表面延伸的第二纵轴(48)上的光学元件(40)。使用时，来自光源的光被射入到光纤(20)中并按照斯涅尔定律沿光纤传播。通过光纤(20)传播的一部分光被光学元件(30、40)所反射并从光纤(20)中取出。

Description

光纤照明系统

                             发明领域

本发明涉及采用光纤作为光传输机制的照明系统。具体地说，本发明涉及采用光波导传输和分配光能量的照明系统。

                             背    景

众所周知，诸如玻璃或聚合物的光学透射材料可以用作传播光的光波导。光波导通常包括至少一个适合于接收来自光源的光的表面和一个反射通过光波导传播的光的光学平滑表面。常见的光波导的例子包括传统地用于数据通信工业中和最近用于照明用途的光纤(见美国专利5,432,876)。光纤至少有一个端面适合于接收来自光源的光，光通过光纤轴向传播。光学显示工业中使用的平面波导是光学波导的另一个例子。平面波导至少有一个端面适合于接收来自光源的光。入射到波导中的光在波导的两个主表面之间传播。

人们还知道，光纤可以用作照明系统的一个部件。可以将光入射到光纤的一端中并允许在沿光纤的一个预定位置上离开光纤。使得光退出光纤的技术包括使光纤相对急剧地弯曲，通常称为微弯曲(美国专利4,171,844、4,885,663、4,907,132、德国专利3801385)和去除一段光纤纤芯或包层和/或使之变粗糙以提供允许光逃逸的漫射表面(法国专利2626381、日本实用新型注册62-9205、62-9206)。这些技术中每一种基本都属于以非控制方式使光从光纤漏出的被动引出技术。

美国专利5,432,876(‘876专利)是针对在光纤的纤芯中形成多个反射表面的一种光纤，这些反射表面在径向上对通过光纤轴向传播的一部分光产生反射。美国专利申请08/518,337针对一种照明系统，这里具有多个反射表面的光引出覆盖层与从光纤中引出光的光纤光学耦合。与以前的被动的光引出技术相反，这些系统主动地将光反射到光纤之外。

在任何给定的光纤照明应用中，需要控制至少两个变量。第一个变量是从光纤中引出的光功率的比率。在采用反射表面从波导中引出光的系统中，每单位长度光纤的光功率引出比率是每单位长度的光学元件反射表面的总截面面积与单位长度上光纤的截面面积的函数。假设光纤直径在整个长度上是不变的，在给定长度光纤中反射表面的总截面面积越大，则从光纤中引出光功率的比率越大。增大光学元件延伸到光纤中的深度或者减小相邻元件之间的距离可导致从光纤中引出光功率的比率的提高。

还需要控制从光纤中引出的光能量的定向分布。按照876专利中所描述的发明从光纤中引出的光是以出射角(emerging angular)分布离开光纤。需要控制光能量在纵向(例如顺着光纤)和横向(例如正交于光纤)上的角扩展。光能量在出射角分布中的纵向(例如顺着光纤)分布主要是光通过光纤传播的锥角的函数。光能量在出射角分布中的横向(例如正交于光纤)分布主要是由光学元件的反射表面所限制的角度的函数。对于具有平基底的光学元件，由光学元件的反射表面所限制的角度是反射表面延伸到光纤纤芯中的深度的函数。因此，增大光学元件延伸到光纤中的深度必然具有增大光能量在出射角分布中的横向(例如正交于光纤)分布的效果，从而也必须具有增大该元件从光纤中引出的光功率的效果。

反射光的发散圆锥的横向分布与引出光功率之间的相关性对光学照明系统的设计提出了限制。例如，在有些应用中，需要扩宽光能量在从光纤中引出光的发散圆锥中的横向分布，而不显著地影响光能量的纵向分布或者从光纤中引出功率的比率。

在光能量的出射角分布中，还需要控制光能量的空间强度。在包括多个在传播轴上相互相邻紧密靠近的光学元件从波导中反射光的照明系统中，每个光学元件会遮挡一部分光，否则这部分光会入射在下一个元件上。对于这样的用途，这一现象称为“阴影效应”。阴影效应将可变性引入到从波导反射的光的出射角分布中光能量的空间强度中。在有些设计中，阴影效应是很严重的，在从波导反射的光能量的角度分布中足以产生黑点，也称为空隙或空洞。在光能量的角度分布中由阴影效应引起的易变性通常认为是不希望有的。对于用波导作为直接观看的光源(例如机动车上的报警灯)的应用来说，这一易变性尤其是不希望有的。

因此，在现有技术中需要一种独立于光能量的纵向分布，因此独立于引出功率比率而控制在出射角度分布中光能量的横向分布的的光波导。此外，在现有技术中还需要一种补偿由紧密靠近的光学元件引起的阴影效应的光波导。

                             发明概要

本发明通过提供这样一种照明系统而解决这些及其其它问题，该系统包括一根光纤，它具有一个使光通过光纤传播的光学平滑表面和一个沿一段光纤延伸的发光区。该发光区包括至少一个，最好是多个中心位于沿光纤的光学平滑表面延伸的第一纵轴上的光学元件。该发光区进一步包括至少一个，最好是多个中心位于沿光纤的光学平滑表面延伸的第二纵轴上的光学元件。第二纵轴与第一纵轴存在角度位移。

在另一个实施例中，本发明提供这样一种光学波导，它适合于降低在中心位于以所需观看角γ设置的轴上的观看区中从波导反射的光的可见的角强度变化。该波导包括一个由基本为光学透明材料形成的纤芯，它具有一个适合于接收来自光源的光的第一表面和使光沿传播轴通过波导传播的至少一个光学平滑表面。光学表面包括多个光学元件，每个光学元件具有至少一个以相对垂直于传播轴的平面的倾角θ设置的光学反射表面；角度θ由以下方程式确定： $\frac{90+{\mathrm{\γ}}^{\′}}{2}+\mathrm{\ξ}$

式中：ξ选自从(α/2)到(β/2)或(-β/2)到(-α)的一组角度，这里：

α＝阴影角；

β＝光通过光纤传播的锥角；

γ‘＝所需的反射光的出射角。

                            附图简述

图1是光纤的截面图，表明光在光纤中传播。

图2是按照本发明诸方面的一段光纤的透视图。

图3是图2中所示光纤的光学表面的平面图。

图4是沿纵轴截取的图2中所示一段光纤的截面图。

图5是垂直于纵轴截取的图2中所示一段光纤的截面图。

图6是按照本发明的光纤照明系统的示意图。

图7是光纤的截面图，表明光纤中的阴影效应。

图8入射在图6所示光纤中一部分反射表面上的光线的角度分布的曲线图。

图9是类似于图8的光线角度分布的曲线图。

                            详细描述

本发明是为了提供具有发光能力和在构造照明系统时找到特定用途的光波导。在本发明的描述中，为了清楚起见将采用具体的实施例和术语。然而，不想将本发明限制于具体描述的实施例和术语。具体说，将参考通常具有圆形截面的光纤光波导描述本发明。然而，本领域的普通专业人员将认识到本发明的原理可应用于不同截面形状的光纤和应用于平面波导。

作为背景，参考图1，入射到光纤10中的光在光纤10沿传播轴12传播，传播轴12与光纤10的纵轴基本重合。光束以最大锥角β通过光纤传播，从传播轴12测量的锥角β是由内全反射所必须的临界角确定的。角度β可以根据如下的斯涅尔定律通过首先计算内全反射所需的临界角(θ_c)而导出： ${\mathrm{Sin\θ}}_c=\left(\frac{n_2}{n_1}\right)$

这里n₁是光纤纤芯材料的折射率，n₂是周围介质，通常为包层材料或空气的折射率。锥角β是临界角θ_c的余角。因此，光以锥角β通过光纤10传播，锥角正比于纤芯材料折射率与环绕纤芯介质的折射率之比。

根据本发明的一个方面，给光纤提供多个反射元件，它们以这样的方式从光纤引出光，即扩宽从光纤引出的光能量的横向(例如正交于光纤)分布，而基本上不影响从光纤引出的光能量的纵向(例如顺着光纤)分布。在一个较佳实施例中，提供一个包含光纤纤芯的光纤，该光纤纤芯具有一个使光通过光纤传播的光学平滑表面和沿其至少一段长度的发光区，该发光区最好包括：中心位于沿所述光纤纤芯的光学平滑表面延伸的第一纵轴上的多个光学元件和中心位于沿所述光纤纤芯的光学平滑表面延伸的第二纵轴上的多个光学元件。每个光学元件包括至少一个光学反射表面，它延伸到光纤纤芯中以致于将落在光学元件上一部分光反射到光纤之外。

图2-6给出根据本发明的光波导的一个较佳实施例。图2是按照本发明诸方面的一段光纤20的透视图，图3是其平面图。光纤20包括光纤纤芯22，它具有第一端表面24、第二端表面26和沿光纤20长度纵向延伸的光学平滑表面28。较佳地，光学平滑表面28对应于光纤纤芯22的圆周表面。正如这里采用的，术语光学平滑表面是指能够以最小散射或漫射反射入射在该表面上的光的表面，当与光的波长相比表面粗糙度较小时这是可能的。尽管图2所示的光纤是“裸露的”光纤，但是，光学领域的普通专业人员应当清楚光学可以包括包层和/或附加的外套层。

给光纤20设置多个中心位于沿光纤20的光学反射表面28延伸的第一纵轴38上的光学元件30和多个中心位于光纤20的第二纵轴48上的光学元件40。根据本发明的一个方面，第一纵轴38偏离第二纵轴48。对于绝大多数光纤，测量第一纵轴38与第二纵轴48之间的角位移δ(图5)是方便的。然而，这两个纵轴之间的位移也可以作为沿光纤20的反射表面28的距离度量。距离度量对于具有多边形截面形状的光纤可能是合适的。

参考图3和4，给光纤20提供多个中心位于沿光纤20的光学反射表面28的第一纵轴38上的光学元件30。较佳地，每个光学元件30包括一个延伸到光纤20的纤芯22中的第一光学反射表面32。光学反射表面32最好是一个基本上光学平滑的表面，这意味着它能够以最小的由散射或漫射造成的损失反射光。表面32可以以偏离垂直于传播轴的轴0°至90°之间的任何有用角度设置。每个光学元件30还包括第二表面34，它可以是或者可以不是光学反射表面。表面32和34相交，限定光学元件30的基面36。给光纤20进一步提供多个中心位于沿光纤20的光学反射表面的第二纵轴48上的光学元件40。较佳地，每个光学元件40包括一个延伸到光纤20的纤芯22中的第一光学反射表面42。光学反射表面42最好也是一个基本上光学平滑的表面，这意味着它能够以最小的由散射或漫射造成的损失反射光。表面42可以以偏离垂直于传播轴的轴0°至90°之间的任何有用角度而设置。每个光学元件40还包括第二表面44，它可以是或者可以不是光学反射表面。表面42和44相交，限定光学元件40的基面46。

参考图4和5，在使用时，由光线50表示的通过光纤纤芯22传播的第一部分光入射在光学元件30的光学反射表面32上并反射到光纤20中以致于它以大于继续通过光纤传播所需的临界角的角度落在光纤20的光学平滑表面28上，因此至少从光纤20部分折射。由光线58表示的通过光纤20传播的第二部分光落在光纤10的光学反射表面28上并继续通过光纤20传播。由光线60表示的通过光纤纤芯22传播的第三部分光入射在光学元件40的光学反射表面42上并反射到光纤20中以致于它以小于继续通过光纤传播所需的临界角的角度落在光纤20的光学平滑表面28上，因此至少从光纤20部分折射。

图5是垂直于光纤20的纵轴截取的截面示意图，表明本发明的一个方面。虚线36代表设置在第一纵轴38上的光学元件30的底部边缘，而实线46代表设置在第二纵轴48上的光学元件40的底部边缘。轴38与48的角位移为角度δ。光线52和54代表被设置在第一纵轴38上的光学元件30从光纤20反射的极限光线。于是，从光学元件30反射的光呈现通过光线52和54限定的夹角延伸的分布。同样，光线62和64代表被设置在第二纵轴48上的光学元件40从光纤20反射的极限光线。于是，从光学元件40反射的光呈现通过光线62和64限定的夹角延伸的分布。

图5示出，设置在两个不同纵轴上的光学元件的净效应扩宽了光能量在从光纤20反射的光的发散分布中的横向(例如正交于光纤)分布。扩宽光能量的横向分布而不显著影响纵向(例如顺着光纤)的发散分布是有利的。因此，通过将光学元件设置在沿光纤表面的两个或多个不同的纵轴上，可以控制光能量在发散分布中的横向分布，而基本上不影响光能量在发散分布中的横向分布。这可以利用具有基本上平坦(例如直线)的槽基底(例如36、46)和尺寸大小和几何形状基本相同的光学元件来实现。这些因素方便了光纤照明系统的设计和制造，因为这种光学元件的性能比更复杂的光学元件的性能更易于模型化。另外，具有平坦的(例如线性)槽基底的光学元件比具有更复杂几何形状的光学元件更易于制造。

本领域的普通专业人员将会明白最小的角位移δ略大于0°，在这种情况中两个轴接近于重合，最大的角位移δ为180°。实际上，第一纵轴20于第二纵轴22之间的位移δ主要是由功能方面考虑因素决定的。更具体地说，角位移δ是由反射光的发散圆锥在横向(例如正交于光纤)维度上所需角扩散确定的，可以利用本领域专业人员公知的光学模型化技术来确定。对于采用光纤对宽阔区进行照明的许多应用来说，高达100°的角位移是有用的，以便将出射光扩展到宽阔角度分布中。相比之下，在光纤被直接观看，例如车辆报警光的应用中，可以要求将出射光的角分布的横向尺度缩窄，以便将光集中到所需角度范围内。对于这样的应用，角位移δ约在5°至20°之间是有用的。

将光学元件设置在沿光纤20表面延伸的不同纵轴上的另一个好处涉及到光纤中的阴影效应。下面将更详细地讨论阴影效应。简要地说，光纤中的每个光学元件遮挡相邻光学元件的一部分通过光纤传播的光线。遮挡的程度与光学元件延伸到光纤20中的深度成正比。按照本发明将光学元件设置在光纤20表面上的两个不同纵轴上，通过让光扩展到更宽的发散圆锥中，不是象在单个纵轴实施例中所需的那样靠更深光学元件，可降低与阴影相关的不利效应。另外，由于光学元件相互位移，阴影效应更均匀地环绕光纤20的周边扩展，从而使它们变得更不明显。

光学领域的普通专业人员将会明白，本发明的好处可以由设置在沿光纤20表面延伸的两个以上纵轴上的光学元件获得。例如，光纤照明系统可以装入设置在沿光纤20表面延伸的三个或多个不同纵轴上的光学元件。纵轴之间的位移可以预先确定，以获得一个特定光学物镜，或者也可以是随机确定。

光学元件30、40的反射表面32、42可以分别涂覆镜面反射物质(例如银、铝)以便落在这些表面上的光被镜面反射。然而，如果反射表面32、42未涂覆镜面反射物质，那么，以小于斯涅尔定律所限定的临界角的角度入射在反射表面上的光将会透过光学元件(和通过光学元件折射)。相反，以大于斯涅尔定律所限定的临界角的角度入射在反射表面上的光将会被内全反射，与光线30表示的光十分相似。

正如以上讨论的，被光学元件从光纤中引出的光以出射角分布从光纤出射。光能量在发散圆锥中的纵向(例如顺着光纤)分布主要是通过光纤传播的光的锥角的函数。通过给光学元件10的反射面提供光焦度，例如通过将曲率引入到这些表面中，可以调节这一分布。另一方面，通过改变通过光纤20传播的光的锥角，可以调节光能量的纵向分布。光能量在发散圆锥中的横向(例如正交于光纤)分布是光学元件反射表面延伸到光纤20中深度的函数。因此，增大光学元件延伸到光纤纤芯中的深度可增大光能量在发散圆锥中的角扩展。

光纤20最好由基本上光学透射材料形成的。较佳的材料展示高的光学透射率并具有相对高的折射率。常用的材料包括聚甲基丙烯酸甲酯(折射率1.49)和聚碳酸酯(折射率1.58)。任选地，光纤20可以包括环绕光纤纤芯的包层材料(未示出)。包层材料可以包括本领域人员公知的折射率适合于所选纤芯材料的任何合适材料。常用的光纤包层材料包括聚偏氟乙烯(折射率1.42)、全氟丙烯酸(折射率1.35)和聚四氟乙烯(折射率1.40)、以及四氟乙烯-六氟丙烯-偏二氟乙烯，其折射率随其组分的相对浓度而变化，但是一般可以看作是约1.36。

将会明白，每个光学元件30、40的形貌，例如：第一光学反射表面32、42和第二表面34、44(程度较小)的倾角；光学反射表面32、42是平面还是曲面；每个光学反射表面32、42的截面面积等会影响在特定点上从光纤20发射的光的多少和方向。见例如美国专利5,432,876，这里将其公开内容引作参考。因此，通过选择合适的凹槽类型以及凹槽在光纤上的图案和间隔能够控制从光纤反射的光的多少和方向。尽管在给定光纤上每个凹槽通常具有相似的形貌，仍可以采用光学元件的任何有用组合。

在图中示出的实施例中，光学元件18的第一光学反射表面24以约45°的角度相对垂直于传播轴的轴倾斜，尽管角度10°至180°也是可用的，但20至70°较佳，而30°至60°更佳。根据从光纤中射出的光的所需多少和行走方向，可以采用0°至90°的任何有用角度。下面将设定光学波导的特定实施例的最佳角度范围。

光学元件30、40的第二光学反射表面34、44可以垂直于光纤20的纵轴或者倾斜或偏离垂直于光纤20的纵轴的平面，以限定“V”形或切口形的光学元件。另外，对于特定用途，可以使光学元件30、40的光学反射表面34、44中的一个或同时弯曲，但是，通常它们基本上为平面。通常制备的凹槽的表面可达到光学质量，这意味着这些表面以最小的散射或漫射反射入射光。

这里采用术语“光学元件”含盖在光纤的纤芯中形成的任何受控制的中断或不连续，它限定一个或多个表面，这些表面至少能够反射通过光纤的相对壁面射在其上的一部分光。因为这些光学元件是以受控方式形成的，所以不同于常常出现在光学元件中的刻痕和其它中断以及不完整性和其它表面不规则性。这些光学元件的形貌、图案和间隔是定制的以适合于光纤的预期用途。通过适当控制每个光学元件的形貌，例如反射表面的角度、曲率和截面面积以及元件在光纤上的图案和间隔，能够使光有选择地通过光纤的侧壁射出。

图6是按照本发明的原理的照明系统110的示意图。照明系统110包括一个与光纤114光学耦合的光注入组件112。光注入组件112包括光源(未示出)，最好包括把光准直到可以被光纤114接受的发散圆锥中的准直组件(未示出)。光注入组件112的具体情况对本发明而言是不重要的。合适的市场上供应的光注入组件包括由美国Remote Source Lighting International公司提供的光泵150和美国Lumenyte International公司提供的Powerhouse(TM)Metal Halide照明器。光纤114包括沿其一段长度延伸的发光区116。发光区116包括如图1-2中所示的至少一个设置在第一纵轴上的光学元件118和设置在第二纵轴上的一个第二光学元件120。如图1-2中所示。在使用时，来自光源的光被注入到光纤114中以致于光根据斯涅尔定律通过光纤114传播。正如以上讨论的，通过光纤传播的一部分光入射在光学元件118、120的反射表面上并从光纤中反射出去。根据本发明的照明系统可以用在多种不同的应用中，包括作业照明、车辆照明、能见度标示系统和信号标志等。

本发明的另一个方面涉及到控制阴影效应对从光纤反射的光能量的角度分布的影响。正如上面讨论的，阴影效应将可变性引入到从光纤反射的光能量的角度分布中。控制阴影效应对于具有光学元件密集的光纤而言是尤其有用的。根据本发明，可以改动在光纤中形成反射表面的角度，以控制光纤中的阴影效应。

本发明的这一方面在图7-9中作了最好的阐述。参考图7，光纤70包括纤芯72，它具有适合于接收来自光源(未示出)的光的第一表面74和反射通过光纤70传播的光的光学反射表面78。光学反射表面78最好对应于光纤纤芯72的圆周表面。第一光学元件80设置在离开第一表面74的第一距离d₁处，第二光学元件90设置在离开第一表面74的第二距离d₂(大于d₁)处。第一光学元件80包括以角度θ偏离垂直于光纤70的纵轴73的轴设置的第一光学反射表面82和第二表面84。第二光学元件90包括以角度θ偏离垂直于光纤70的纵轴73的轴设置的第一光学反射表面92和第二表面94。

正如前面结合图1讨论的，注入到光纤70中的光在由光纤纤芯和周围介质的相对折射率确定的锥角为β的圆锥中沿传播轴通过光纤70传播，传播轴通常与光纤70的纵轴重合。这里假设光是从左到右通过光纤70传播的。习惯上，取在平行于光纤70纵轴73的轴上面的角度测量值认为是正的，而取在平行于传播轴的轴下面的角度测量值认为是负的。

当相邻的光学元件80、90间隔比较密(例如从0.05毫米至5.0毫米)时，第一光学元件80挡住一部分光，这一部分光本来会入射在第二光学元件90的反射表面上。通过将入射在第一光学元件80的反射表面82上的光线的角度分布(它没有被相邻光学元件遮挡)与入射在第二光学元件90的反射表面92上的光线的角度分布(它被第一光学元件遮挡)进行比较，可以说明第一光学元件80对第二光学元件90的阴影效应。

第一光学元件80的反射表面82上的每个点接收通过光纤70传播的整个角度分布(例如从-β到β)上的光线。相反，第一光学元件80的存在阻挡了通过光纤70传播的一部分角度分布的光入射在第二光学元件90的反射表面92上。

图7示出第一光学元件80在第二光学元件90的反射表面92的底部边缘96点上的阴影效应。光以锥角β通过光纤70传播。阴影角α可以定义为从第二光学元件90底部边缘96延伸到第一光学元件80的顶部的第一光学路径100与从第二光学元件90上的同一点延伸到第一光学元件80的底部边缘86的第二光学路径102之间的角度。在由阴影角α限定的角度范围内的所有光线被第一光学元件80阻挡不能入射在第二光学元件90的反射表面92上。另外，光学路径104代表限止穿过第一光学元件80的底部边缘86、被光纤70的表面78反射、再入射在第二光学元件90的底部边缘96上的光线的角度。于是，在光学路径104与100之间的角度范围内的所有光线也被第一光学元件80所阻挡。应用几何光学的原理，可以看出，由光学路径104与光学路径100划界的角度等于阴影角α。因此，从-β到β的角度范围，在从0°(例如平行于传播轴)到2α度的角度范围内的光线被光学元件80所阻挡或遮挡。

图8给出入射在第二光学元件90的反射表面92的底部边缘96的点上的光线的角度分布曲线图。假设锥角为β(例如从传播轴测量的从-β到β的光线的角度分布)第二光学元件90的反射表面92的底部边缘96接收在从-β到0度和从2α到β度的角度范围内传播的光。然而，在通过光纤传播的从0度延伸到2α度的角度分布中的光被第一光学元件80所遮挡。

因此，阴影效应破坏了入射在第二光学元件90反射表面92每个点上的光的角度分布。利用光学领域专业技术人员公知的普通光学模型化方法，集中考虑第二光学元件90的整个反射表面92上的阴影效应是可能的。图9表示在第二光学元件90的整个反射表面92上的总体阴影效应。假设光在从-β延伸到β的角度分布内通过光纤传播，第一光学元件完全遮挡了从0度(即平行于传播轴)延伸α度的角度范围内的光。在从-α度到0度和从α度到2α度的角度范围内的光被第一光学元件80部分遮挡。相反，在从-β到-α和从2α到β的角度范围内的光不被第一光学元件80所遮挡。

被第二光学元件90反射的光的角度分布的破坏造成了从光纤70反射的光的空间强度的相应的角度偏差。这一偏差导致在从光纤反射的光的出射角度分布中的“空隙”或“空洞”。这一“空隙”或“空洞”对在“空隙”或“空洞”内的位置上观看光纤的观察者是肉眼来说是显而易见的。它可以表现为一个光强度相对较低的区域，或者在有些情况下表现为一个基本上无光的区域。

于是，本发明的另一个方面涉及到限定光学元件反射表面的较佳角度，以补偿光纤中的阴影效应。在这方面，本发明提供一种包括纤芯材料的光纤，它具有一个接收来自光源的光的第一表面和一个使光通过纤芯材料传播的光学反射表面。光学反射表面包括多个光学元件。每个光学元件包括一个以角度θ相对垂直于光纤传播轴的平面设置的一个反射表面，角度θ选自一个较佳的角度范围，以补偿由阴影效应引起的对入射在光学元件反射表面上光的角度分布的破坏。

通过背景，凹槽角θ可以从观看光纤70的所需角度γ导出。假设环绕光纤纤芯的介质是空气(折射率＝1.0)，从反射表面78反射的光线必定以出射角γ’与光纤/空气界面相交，出射角γ’由斯涅尔定律按下式确定： $\mathrm{Sin}\left({\mathrm{\γ}}^{\′}\right)=\mathrm{Sin}\frac{\mathrm{\γ}}{n^{\′}}$

这里n’是光学纤芯材料的折射率。光学领域的普通专业人员将会明白，如果光纤70包括不同折射率的包层材料，可以利用相同程序的附加迭代来计算所需的出射角γ’。角度γ和γ’通常是从垂直于光纤70反射表面78的轴测量的。

应用光学领域普通专业人员所公知的几何光学原理，利用以下的方程式可以导出使光从第二光学元件90反射表面92反射以致于它以角度γ’与光纤70的反射表面78相交所需的角度θ： $\mathrm{\θ}=\frac{90+{\mathrm{\γ}}^{\′}}{2}$

作为例子，假设所需的出射角是0°，离开光纤70的光的出射角度分布集中于基本垂直于反射表面78的轴上，上述方程式得出角度θ为45°。

根据本发明，可以通过附加一项ξ改变角度θ以补偿阴影效应。因此，根据本发明，角度θ可以下式计算： $\mathrm{\θ}=\frac{90+{\mathrm{\γ}}^{\′}}{2}+\mathrm{\ξ}$

项ξ代表计算的角度偏差以改变出射角，离开光纤的光能量的出射角分布集中在该出射角范围内。较佳地，可以修改角度θ以致于光能量的出射角分布的宽波瓣集中在所需出射角γ’内。因此，在一个较佳实施例中，误差项ξ可以由下式计算： $\mathrm{\ξ}=\frac{\mathrm{\α}+\mathrm{\β}}{4}$

式中：α＝阴影角，正如上文定义的，

      β＝光通过光纤传播的锥角。

通过例子，再假设所需的出射角γ’为90°，阴影角测得为5°，通过光纤70传播的光的锥角β测得为25度，较佳的凹槽角可以确定如下： $\mathrm{\θ}=\frac{90+{\mathrm{\γ}}^{\′}}{2}+\mathrm{\ξ}$ $\mathrm{\θ}=\frac{90+{\mathrm{\γ}}^{\′}}{2}+\frac{\mathrm{\α}+\mathrm{\β}}{4}$ $\mathrm{\θ}=\frac{90+0}{2}+\frac{5+25}{4}$

                       θ＝52.5°

因此，根据本发明，设置光学元件90的反射表面92的角度θ要按几何光学教导的、要求以给定出射角γ’从光纤反射光的角度加以调整。在一个较佳实施例中，利用以上给出的方程式，用使光的更宽波瓣集中在所需出射角γ’中所计算的项ξ修改角度θ。然而，对许多应用来说，使光能量的出射角分布集中在从-β到-α或者从2α至β的任何角度范围都是可以接受的。因此，项ξ可以选自从α/z至β/z或者从-β/z至-α的一组角度。

                            例  子

根据本发明的光纤的一个特定实施例提供一种尤其适合于机动车中CenterHigh Mount Stop Light(CHMSL)中使用的光学波导和照明系统。CHMSL的光度学技术规范规定在由汽车工程师协会规定的标准SAE J186 DEC89中。制造一个基本上如图2-5中所示的光纤。测得该光纤长500毫米，直径9.5毫米。该光纤包括两行光学元件，第一行设置在第一纵轴上，第二行设置在与第一纵轴角度位移10°的第二纵轴上。每一行包括189个光学元件，它们延伸到光纤纤芯中的深度约为0.25毫米(250微米)。利用下式计算凹槽之间的间距，以从光纤中均匀地引出光功率： $\mathrm{Sn}=S1\left(\frac{a^{n-1}+a^{N-n}}{1+a^{N-1}}\right)$

式中：

S_n＝光学元件n与光学元件n+1之间的距离；

S₁＝光学元件1与光学元件2之间的距离；

n＝光学元件的序列数；

N＝光学元件的总数(378)；

a＝每个凹槽的透射系数(0.993)。

凹槽的反射表面涂覆有反射的银物质。凹槽的反射表面以52.5°的θ角设置。将发光二极管与光纤的每个端面光学耦合，将光注入到光纤中。合适的发光二极管包括：例如Hewlett-Packard公司提供的HTWP-MH00型发光二极管。

对出射光分布进行目视检查。照明系统在沿光纤纵向范围上基本上呈现均匀照明。另一方面，在正交于光纤的维度上照明系统也基本上呈现均匀照明。

以上的讨论和例子已经揭示了照明系统的几个实施例，照明系统包括一根光纤，它具有一根纤芯和多个设置在两个不同纵轴上的从纤芯中引出光的光学元件。尽管已经示出和描述了本发明的多个实施例，但是，光学领域的普通专业技术人员应当明白，可以用适合于获得相同结果的无实质性的变化来替代这里所揭示的特定实施例和步骤。本申请希望覆盖本发明的任何这种修改或变化。因此，希望本发明仅受所附的权利要求书及其等同物的限制。

Claims (13)

1.一种照明系统，其特征在于所述系统包括：

含有光纤纤芯的光纤，光纤纤芯具有一个使光通过光纤传播的光学平滑表面和一个沿一段光纤延伸的发光区，所述的发光区包括：

中心位于沿所述光纤纤芯的光学平滑表面延伸的第一纵轴上的多个光学元件，每个光学元件包括一个延伸到所述光纤纤芯中的光学反射表面，

中心位于沿所述光纤纤芯的光学平滑表面延伸的第二纵轴上的多个光学元件，每个光学元件包括一个延伸到所述光纤纤芯中的光学反射表面，所述第二纵轴与所述第一纵轴相偏移。

2.如权利要求1所述的照明系统，其特征在于：所述第二纵轴与所述第一纵轴角度位移在1°与180°之间的角度上。

3.如权利要求1所述的照明系统，其特征在于：所述第二纵轴与所述第一纵轴角度位移在5°与100°之间的角度上。

4.如权利要求1所述的照明系统，其特征在于：所述第二纵轴与所述第一纵轴角度位移在5°与20°之间的角度上。

5.如权利要求1所述的照明系统，其特征在于：所述第二纵轴与所述第一纵轴角度位移在10°的角度上。

6.如权利要求1所述的照明系统，其特征在于：所述的发光区包括：

中心位于沿所述光纤纤芯的光学平滑表面延伸的第三纵轴上的多个光学元件，包括一个延伸到所述光纤纤芯中的光学反射表面，所述第三纵轴与所述第一纵轴和第二纵轴有角度位移。

7.如权利要求1所述的照明系统，其特征在于进一步包括：

光学耦合到所述光纤中的光源。

8.如权利要求1所述的照明系统，其特征在于：

所述光纤的截面形状可以从圆形、椭圆形、卵形、矩形、正方形和多边形的截面形状中选择。

9.一种适合于降低在中心位于以所需观看角γ设置的轴上的观看区中从波导反射的光的可见的角强度变化的光学波导，其特征在于所述光学波导包括：

一个由基本为光学透明材料形成的纤芯，它具有一个适合于接收来自光源的光的第一表面和至少一个使光沿传播轴通过波导传播的光学平滑表面，所述光学表面包括多个光学元件，每个光学元件具有至少一个以相对垂直于传播轴的平面的倾角θ设置的光学反射表面；角度θ由以下方程式确定： $\frac{90+{\mathrm{\γ}}^{\′}}{2}+\mathrm{\ξ}$

式中：ξ选自从(α/2)到(β/2)或(-β/2)到(-α)的一组角度，这里：

α＝阴影角；

β＝光通过光纤传播的锥角；

γ‘＝所需的反射光的出射角。

10.如权利要求9所述的光学波导，其特征在于： $\mathrm{\ξ}=\frac{\mathrm{\α}+\mathrm{\β}}{4}.$

11.一种适合于用作汽车报警灯的光纤照明系统，其特征在于所述系统包括：

一根光纤，它具有适合于接收来自光源的光的彼此相向的第一和第二表面和使光在光纤中沿传播轴传播的反射表面，所述光纤的长度约为500毫米，直径约为9.5毫米；

中心位于沿所述光纤的表面延伸的第一纵轴上的多个光学元件，每个光学元件具有一个第一反射表面和一个第二反射表面，它们延伸到所述光纤中的深度达0.25毫米；

中心位于沿所述光纤的表面延伸的第二纵轴上的多个光学元件，每个光学元件具有一个第一反射表面和一个第二反射表面，它们延伸到所述光纤中的深度达0.25毫米；

所述第一纵轴与所述第二纵轴之间有角度位移10°。

12.如权利要求11所述的光纤照明系统，其特征在于：

每个光学元件包括一个延伸到所述光学的纤芯中的第一光学反射表面并以相对于垂直传播轴的轴约52.5°的角度设置。

13.如权利要求12所述的光纤照明系统，其特征在于：

每个光学元件进一步包括一个延伸到所述光纤的纤芯中的第二光学反射表面并以相对于垂直传播轴的轴约52.5°的角度设置，所述第一和第二光学反射表面沿线性槽基底相交。

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