CN110637190B - 用于光漫射光纤的照明系统 - Google Patents

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Abstract

一种照明系统(100)包括光漫射光纤(110)以及具有光源(142)的光输出装置(140)。所述光漫射光纤(110)包括第一端(112)、第二端(114)、纤芯(120)、围绕纤芯(102)的包层(122)、外表面(128)以及多个纳米级结构(125)，所述纳米级结构(125)被配置为使受引导光散射通过所述外表面(128)。所述光漫射光纤(110)具有数值孔径NALDF。所述光输出装置(140)具有有效数值孔径NAO，其小于所述光漫射光纤(110)的所述数值孔径NALDF。此外，所述光输出装置(140)光学地耦合到所述光漫射光纤(110)的所述第一端(112)的端面(116)，以使由所述光输出装置的所述光源输出的光以入射角θi照射所述端面(116)，所述入射角θi与所述端面(116)不正交并且在sin‑ 1NALDF‑sin‑1NAO的约5°内。

Description

用于光漫射光纤的照明系统
相关申请的交叉引用
本申请根据专利法请求2017年4月11日申请的美国临时申请第62/484098号的优先权权利，其全部内容依赖于此并以引用的方式并入本文中。
技术领域
本公开涉及照明系统。更具体地，本公开涉及包括用于提供照明的光漫射光纤的照明系统。
发明内容
根据本公开的主题，照明系统包括光漫射光纤以及具有光源的光输出装置。光漫射光纤包括第一端、与第一端相对的第二端、纤芯、围绕纤芯的包层、外表面以及位于纤芯、包层或纤芯和包层两者中的多个纳米级结构。多个纳米级结构被配置为将受引导光朝向光漫射光纤的外表面散射，使得一部分受引导光沿着光漫射光纤的漫射长度漫射通过外表面。光漫射光纤具有数值孔径NALDF。光输出装置具有有效数值孔径NAO，其小于光漫射光纤的数值孔径NALDF。此外，光输出装置光学地耦合到光漫射光纤的第一端的端面，以使由光输出装置的光源输出的光以入射角θi照射端面，所述入射角θi与端面不正交并且在sin- 1NALDF-sin-1NAO的约5°内。
根据本公开的另一实施方式，一种方法包括：将由光输出装置的光源输出的光以第一入射角θi1引导至光漫射光纤的第一端的端面。光漫射光纤包括第一端、与第一端相对的第二端、纤芯、围绕纤芯的包层、外表面以及位于纤芯、包层或纤芯和包层两者中的多个纳米级结构。多个纳米级结构被配置为将受引导光朝向光漫射光纤的外表面散射，使得一部分受引导光沿着光漫射光纤的漫射长度漫射通过外表面。光漫射光纤具有数值孔径NALDF。光输出装置具有有效数值孔径NAO，其小于光漫射光纤的数值孔径NALDF。此外，第一入射角θi1与光漫射光纤的第一端的端面不正交并且在sin-1NALDF-sin-1NAO的约5°内。所述方法还包括改变光输出装置与光漫射光纤的第一端的端面之间的相对角位置，以使由光输出装置的光源输出的光以第二入射角θi2引导至光漫射光纤的第一端的端面中，所述第二入射角θi2与端面不正交并且在sin-1NALDF-sin-1NAO的约5°内。
根据本公开的又一个实施方式，照明系统包括光漫射光纤以及具有光源的光输出装置。光漫射光纤包括第一端、与第一端相对的第二端、纤芯、围绕纤芯的包层、外表面以及位于纤芯、包层或纤芯和包层两者中的多个纳米级结构。多个纳米级结构被配置为将受引导光朝向光漫射光纤的外表面散射，使得一部分受引导光沿着光漫射光纤的漫射长度漫射通过外表面。光漫射光纤具有数值孔径NALDF。光输出装置具有有效数值孔径NAO，其小于光漫射光纤的数值孔径NALDF。此外，光输出装置光学地耦合到光漫射光纤的第一端的端面，以使由光输出装置的光源输出的光以入射角θi照射端面，所述入射角θi与端面不正交。此外，光漫射光纤的漫射长度包括从光漫射光纤的第一端的端面延伸了约5％或更小的漫射长度的距离的平衡耦合长度。
尽管本文主要参考具有光漫射光纤的照明系统来描述本公开的概念，但是可以预期，这些概念将适用于任何照明系统。
附图说明
结合以下附图可以最好地理解本公开的特定实施方式的以下详细描述，其中相同的结构用相同的附图标记表示。
图1A示意性地描绘了根据本文示出并描述的一个或多个实施方式的照明系统，所述照明系统包括光输出装置及光漫射光纤，所述光输出装置包括光源及透镜；
图1B示意性地描绘了根据本文示出并描述的一个或多个实施方式的照明系统，所述照明系统包括光输出装置及光漫射光纤，所述光输出装置包括光源及光学传送光纤；
图1C示意性地描绘了根据本文示出并描述的一个或多个实施方式的图1A和图1B的照明系统的光漫射光纤的第一端；
图2A示意性地描绘了根据本文示出并描述的一个或多个实施方式的照明系统，所述照明系统包括光输出装置及光漫射光纤，所述光输出装置包括光源及透镜；
图2B示意性地描绘了根据本文示出并描述的一个或多个实施方式的照明系统，所述照明系统包括光输出装置及光漫射光纤，所述光输出装置包括光源及光学传送光纤；
图2C示意性地描绘了根据本文示出并描述的一个或多个实施方式的图2A和图2B的照明系统的光漫射光纤的第一端；
图3图形化地描绘了根据本文示出并描述的一个或多个实施方式的沿光漫射光纤传播的光的强度；
图4A示意性地描绘了根据本文示出并描述的一个或多个实施方式的光漫射光纤的横截面；以及
图4B示意性地描绘了根据本文示出并描述的一个或多个实施方式的光漫射光纤的另一横截面。
具体实施方式
现在参考图1A至图4B，照明系统100包括光漫射光纤110，所述光漫射光纤110光学地耦合至包括光源142的光输出装置140。光漫射光纤110包括第一端112、与第一端112相对的第二端114、纤芯120、围绕纤芯120的包层122、外表面128以及位于纤芯120、包层122或纤芯120和包层122两者中的多个纳米级结构125。多个纳米结构125被配置为将受引导光(例如，由光输出装置140输出的沿光漫射光纤110传播的光)朝向光漫射光纤110的外表面128散射，使得一部分受引导光沿光漫射光纤110的漫射长度漫射通过外表面128。
如本文中所用，“漫射长度”是光漫射光纤110从光漫射光纤110的第一端112(或从接收输入光的任何一端)沿光漫射光纤110的长度延伸到90％的受引导光已从光漫射光纤110漫射的位置的长度。如本文中所用，术语“光漫射”是指光散射沿光漫射光纤110的至少一部分长度实质上是空间连续的，即不存在实质性的跳跃或不连续，例如与离散(例如点)散射相关的跳跃或不连续。因此，本公开中提出的实质上连续的光发射或实质上连续的光散射的概念是指空间连续性。
仍参考图1A至图4B，光漫射光纤110具有数值孔径NALDF，并且光输出装置140包括有效数值孔径NAO，其小于光漫射光纤110的数值孔径NALDF。如本文中所使用，光输出装置140的数值孔径NAO是表示光从光输出装置140发射的数值孔径。例如，光输出装置140的有效数值孔径NAO可以是光源142的数值孔径NAS。此外，在光输出装置140包括位于光源142与光漫射光纤110的第一端112之间的额外光学组件的实施方式中，有效数值孔径NAO可以通过这些额外光学组件来改变。
尽管不受理论的限制，但是如果光输出装置140的有效数值孔径NAO小于光漫射光纤110的数值孔径NALDF，则进入光漫射光纤110的光将填充穿过“平衡耦合长度”之后的光漫射光纤110的模式内容。如本文中所使用，“平衡耦合长度”是光漫射光纤从光漫射光纤110的第一端112的端面116、116'沿着漫射长度延伸到的沿光漫射光纤110传播的光包括静态模式分布的位置的部分。此初始静态模式分布的位置是平衡耦合长度的终点。尽管不受理论的限制，但是在静态模式分布期间，沿光漫射光纤110传播的光的所有模式处于平衡状态。此外，因为需要一定的距离来完全填充光漫射光纤110的模式内容(例如，平衡耦合长度)，所以由于通过漫射的模式之间的光再分配，光漫射光纤110的开始部分处的亮度(即，由光源提供的照明)不会随光纤长度的增加而立即减小。
相反，尽管不受理论的限制，但是沿光漫射光纤110的漫射长度传播的受引导光在平衡耦合长度的末端达到峰值强度。在平衡耦合长度的末端之外，沿光漫射光纤110的漫射长度传播的光的强度通过光漫射穿过光漫射光纤110的外表面128而呈指数衰减。尽管沿光漫射光纤110的漫射长度传播的光量衰减，但是从光漫射光纤110的外表面128沿着漫射长度漫射的光量保持大致恒定，从而提供均匀的照明。如本文中所用，“均匀照明”是指沿着光漫射光纤110的长度的照明，其中从光漫射光纤110发射的光的强度在指定长度上的变化不超过25％。
此外，通过缩短平衡耦合长度，可以在更靠近光漫射光纤110的第一端112处达到峰值强度，并且可以使发出均匀照明的光漫射光纤110的长度最大化。尽管不受理论的限制，当光输出装置140的有效数值孔径NAO小于光漫射光纤110的数值孔径NALDF时，可以通过使光输出装置140与光漫射光纤110的第一端112彼此对准来减小平衡耦合长度，以使由光输出装置140输出的光以与端面116、116'不正交的入射角θi照射端面116、116'，如图1A至图2C所示。在一些实施方式中，如图1A至图1C所示，光漫射光纤110的第一端112的端面116、116'可以是法线(例如，垂直)端面116，并且通过将第一端112的法线端面116相对于光传播路径111成一定角度定位而形成入射角θi，所述光传播路径111表示在端面116、116'处由光源142输出的光的路径。在其他实施方式中，如图2A至图2C所示，，第一端112的端面116、116'可以是成角度的端面116'，并且即使当光漫射光纤110在成角度的端面116'处平行于光传播路径111时，可以形成入射角θi。
入射角θi与光漫射光纤110的数值孔径NALDF与光输出装置140的有效数值孔径NAO之间的相对关系有关。例如，入射角可以在sin-1NALDF-sin-1NAO的约10°内，例如在9°、8°、7°、6°、5°、4°、3、2°、1°等之内。在一些实施方式中，入射角θi可以近似等于sin-1NALDF-sin-1NAO。作为非限制性实施例，入射角θi可以为约5°至约25°，例如，约10°至约25°、10°至约20°、15°至约25°、5°至约15°、约12°至约16°、5°至约25°等。作为一个非限制性实施例，光漫射光纤110的数值孔径NALDF包括0.53，并且光输出装置140的有效数值孔径NAO包括0.25，使得sin- 1NALDF-sin-1NAO为约17.5°。本文所述的光漫射光纤110的实施例可包括约0.25至约0.55的数值孔径NALDF，例如约0.3、0.35、0.4、0.45、0.5、0.53等，例如，约0.25至约0.53，并且本文所述的光输出装置140的实施例可包括约0.1至约0.3的有效数值孔径NAO，例如约0.12、0.15、0.2、0.25等，例如约0.12至约0.3。
现在参考图3，曲线图10图形化地描绘了沿光漫射光纤110的长度的位置处的光漫射光纤110的外表面128处的漫射光的强度，其中在图3中所示的零“0”长度位置是第一端112的端面116、116'(或者，光进入的光漫射光纤110的端)。在其中实质上正交于端面116、116'的光照射端面116、116'的实施方式中，图3的线14和16图形化地描绘了在沿光漫射光纤110的长度的位置处的光漫射光纤110的外表面128处的漫射光的强度。例如，线14图形化地描绘了当由包括光源142且没有中间光学组件的光输出装置140输出的光以正交于端面116、116'的角度照射端面116、116'时，外表面128处的散射光的强度，并且，线16图形化地描绘了当由包括光源142及光学传送光纤146的光输出装置140输出的光以与端面116、116'正交的角度照射到端面116、116'时，外表面128处的散射光的强度。另外，线12图形化地描绘了当由光输出装置140输出的光以入射角θi照射端面116、116'时，在沿着光漫射光纤110的长度的位置处的光漫射光纤110的外表面128处的漫射光的强度。如图3所示，当线12达到比线14和16中的任一者更靠近第一端112的端面116、116'(例如，更靠近零长度位置)的峰值强度18时，通过以入射角θi照射端面116、116'，可以使平衡耦合距离最小化。
在操作中，当由光输出装置140的光源142输出的光以入射角θi照射光漫射光纤110的第一端112的端面116、116'时，平衡耦合长度可包括约15％或更少的漫射长度，例如约10％或更少的扩散距离、约5％或更少的漫射长度、约3％或更少的漫射长度等的距离，例如，约0.5％至约15％的漫射长度，例如约1％至约10％的漫射长度、约2％至约5％的漫射长度等。另外，当由光输出装置140的光源142输出的光以入射角θi照射光漫射光纤110的第一端112的端面116、116'时，入射角θi在端面116、116'处引起约3dB或更小的耦合损耗，例如，约2dB或更小、1.5dB或更小、1dB或更小、0.5dB或更小、0.2dB或更小、0.1dB或更小等。
再次参考图1A至图2C，光输出装置140光学地耦合至光漫射光纤110的第一端112，使得由光输出装置140的光源142输出的光可以照射光漫射装置110的第一端112的端面116、116'，并进入光漫射光纤110。光源142可以包括发光二极管(LED)、激光二极管等。例如，光源142可以包括多模式激光二极管、单模式激光二极管、SiP激光二极管、VCSEL激光二极管或另一类型的半导体激光二极管。另外，光源142可以被配置为产生在200nm至2000nm波长范围内的光。
光输出装置140可以进一步包括光学地耦合到光源142的透镜144，如图1A和图2A所示。在本实施方式中，光漫射光纤110光学地耦合到透镜144，并且透镜144包括数值孔径NAL。透镜144可以定位在光漫射光纤110的第一端112之间并与之光学地耦合，使得透镜144可以将光源142输出的光聚焦到光漫射光纤110的端面116、116'上。另外，当透镜144定位在光源142与光漫射光纤110的第一端112的端面116、116'之间并与其光学地耦合时，光输出装置的有效数值孔径NAO是透镜144的数值孔径NAL。
光输出装置140还可以包括光学地耦合到光源142的光学传送光纤146，如图1B和图2B所示。可以使用光纤耦合器或通过将光漫射光纤110的第一端112接合到光学传送光纤146的相邻端来将光学传送光纤146光学地耦合到光漫射光纤110。光学传送光纤146包括数值孔径NDEL。光学传送光纤146可以包括传输光纤或提供光放大的光纤(例如，纤芯中包括增益介质的光纤)。光学传送光纤146被配置为沿其长度引起低的光损耗，使得光源142输出的光可以横越光学传送光纤146并以足够的强度进入光漫射光纤110以照亮光漫射光纤110。另外，光学传送光纤146允许光源142与光漫射光纤110在空间上分离。在一些实施方式中，当光学传送光纤146位于光源142与光漫射光纤110的第一端112的面端面116、116'之间并与其光学地耦合，并且光学传送光纤146的数值孔径NDEL小于光源142的数值孔径NAS时，光输出装置140的有效数值孔径NAO是光学传送光纤146的数值孔径NDEL。在其他实施方式中，当光学传送光纤146位于光源142与光漫射光纤110的第一端112的端面116、116'之间并与之光学地耦合时，光输出装置140的有效数值孔径NAO可以是光学传送光纤146的数值孔径NDEL、光源142的数值孔径NAS或其之间的数值孔径。
在一些实施方式中，在光源142与光漫射光纤的第一端的端面之间没有任何中间光学组件，以使光输出装置的有效数值孔径NAO为光源的数值孔径NAS。尽管在图1A、图1B、图2A及图2B中示出了单个光输出装置140，但是在其他实施方式中，照明系统100可以包括额外的光输出装置，例如，光学地耦合到光漫射光纤110的第二端114的第二光输出装置。另外，尽管在图1A至图2C中示出了单个光漫射光纤110，但应当理解，可以考虑任何数量的光漫射光纤110。
在操作中，由于由光源142发射的光通过光漫射光纤110散射到周围环境中，所以光源142可以位于远离光漫射光纤110的位置。因此，由光源142产生的热可以从光源142转移到远离光源142和光漫射光纤110的位置。因此，光漫射光纤110的温度可以保持基本类似于周围环境的环境温度，并且照明单元可以描述为热“冷”照明单元。另外，将光漫射光纤110和光源142在空间上分开可以为照明系统100提供额外的设计灵活性。
现在参考图4A和图4B，示出了包括纤芯120、围绕纤芯120的包层122、外表面128以及多个纳米级结构125的光漫射光纤110的实施方式的横截面。纤芯120可以是玻璃芯，例如，二氧化硅、掺锗的二氧化硅、掺氟的二氧化硅或聚合物芯，例如低折射率聚合物。包层122可以是玻璃包层，例如，纯二氧化硅、掺氟的二氧化硅或F(氟)/B(硼)共掺杂的二氧化硅，或聚合物包层。在一些实施方式中，纤芯120、包层122或两者可包括上掺杂剂或下掺杂剂。如本文中所用，“上掺杂剂”是具有使折射率相对于纯未掺杂二氧化硅升高的倾向的掺杂剂，并且“下掺杂剂”是具有使折射率相对于纯未掺杂二氧化硅降低的倾向的掺杂剂。另外，光漫射光纤110可以包括约0.15m至约100m的长度(例如，第一端112与第二端114之间的长度)，例如，约100m、75m、50m、40m、30m、20m、10m、9m、8m、7m、6m、5m、4m、3m、2m、1m、0.75m、0.5m、0.25m、0.15m或0.1m。
继续参考图4A和图4B，纳米级结构125包括散射结构，例如充气空隙、散射粒子，例如陶瓷材料、掺杂剂等。纳米级结构125可以出现在整个纤芯120中(如图4A和图4B所示)，或者可以出现在纤芯120和包层122的界面附近(例如，纤芯-包层边界)，或者可以出现在纤芯120的圆环中。具有随机排列和随机尺寸的空隙(也称为“随机空气谱线”或“纳米结构”或“纳米级结构”)的光漫射光纤的一些实施例在美国专利第7,450,806号以及美国专利申请第12/950,045号、第13/097,208号及第13/269,055号中进行描述，其全部内容以引用的方式并入本文中。或者，光漫射光纤110可以具有“粗糙的”纤芯120，其中在纤芯-包层边界处的纤芯120的表面上的不规则性导致光散射。也可以使用其他类型的光漫射光纤。在操作中，光漫射光纤110可经受约50dB/km或更大的散射诱导衰减(即，由于穿过光漫射光纤110的外表面128而损失的光而不是由于吸收纤芯内的散射颗粒而引起的衰减)，例如在照明波长(例如，发射辐射的波长)下从约100dB/km至约60000dB/km。
在其中纳米级结构125包括充气空隙的实施方式中，充气空隙可以随机或有组织的图案排列，并且可以平行于光漫射光纤110的长度延伸，或者可以是螺旋形的(即，沿着光漫射光纤110的长轴旋转)。另外，光漫射光纤110可包括大量的充气空隙，例如在光纤的横截面中大于50、大于100或大于200个空隙。充气空隙可以含有例如SO2、Kr、Ar、CO2、N2、O2或其混合物。然而，无论是否存在任何气体，由于存在空隙，所以降低了纤芯120、包层122或包括多个纳米级结构125的纤芯-包层边界的区域中的平均折射率。另外，多个纳米级结构125(例如空隙)可以随机地或非周期性地设置在纤芯120、包层122或纤芯-包层边界中，然而在其他实施方式中，可以周期性地设置空隙。
诸如充气空隙(或其他散射颗粒)的空隙的横截面尺寸(例如，直径)可以为约10nm至约10μm，并且长度可以为约1μm至约50m。在一些实施方式中，空隙(或其他散射颗粒)的横截面尺寸为约10nm、20nm、30nm、40nm、50nm、60nm、70nm、80nm、90nm、100nm、120nm、140nm、160nm、180nm、200nm、250nm、300nm、400nm、500nm、600nm、700nm、800nm、1μm、2μm、3μm、4μm、5μm、6μm、7μm、8μm、9μm或10μm。在一些实施方式中，空隙的长度为约1μm、2μm、3μm、4μm、5μm、6μm、7μm、8μm、9μm、10μm、20μm、30μm、40μm、50μm、60μm、70μm、80μm、90μm、100μm、200μm、300μm、400μm、500μm、600μm、700μm、800μm、900μm、1000μm、5mm、10mm、50mm、100mm、500mm、1m、5m、10m、20m或50m。
继续参考图4A和图4B，光漫射光纤110可以进一步包括一个或多个额外层，例如，涂层、护套等。例如，如图4A和图4B所示，光漫射光纤110可以包括第一涂层130及散射层132。第一涂层130可以包括围绕纤芯120和包层122的基本上透明的层，以便于机械处理，例如，聚合物涂层。另外，散射层132可以定位为围绕纤芯120、包层122，并且在一些实施方式中围绕第一涂层130。散射层132可以包括基础材料(例如，聚合物)和位于基础材料中的散射材料。在操作中，散射层132可以促进在大角度范围(例如40°至120°，或30°至130°，或15°至150°)上的均匀角度散射。例如，光漫射光纤110被配置为由于散射而提供基本均匀的照明，使得对于在40°与120°之间的所有视角，最小散射照明强度与最大散射照明强度之间的差小于最大散射照明强度的50％。
在一些实施方式中，散射材料可以在散射层132内包括子层。例如，在一些实施方式中，子层可以具有约1μm至约5μm的厚度。在其他实施方式中，颗粒子层的厚度和/或散射层132中散射材料(例如，散射颗粒)的浓度可以沿着光漫射光纤110的轴向长度改变，以便提供以大角度(即，大于约15度的角度)从光漫射光纤110散射的光的强度上更均匀的变化。例如，在40度与120度之间的所有视角的角度照明在最大照明的50％内，并且在一些实施方式中在30％以内。在一些实施方式中，在40度与120度之间的所有视角的角度照明在最大照明的30％以内，并且在一些实施方式中在25％以内。
在一些实施方式中，散射层132内的散射材料可以是具有与散射层132的基础材料(例如，基础聚合物)的折射率差大于0.05(例如，基础材料与散射材料之间的折射率差大于0.05)的任何散射材料。在一些实施方式中，基础材料与散射材料之间的折射率差为至少0.1。即，散射材料的折射率可以比散射层132的基础材料(例如，聚合物或其他基质材料)的折射率大至少0.1。散射材料可以是固体颗粒(例如有机或无机固体颗粒)、液滴或气泡。示例性固体有机颗粒包括颜料、聚合物或可以粉末形式掺入基础材料中的任何有机材料。另外，散射颗粒可以通过结晶和/或相分离原位产生，例如聚乙烯、聚丙烯、间规聚苯乙烯、尼龙、聚对苯二甲酸乙二酯、聚酮及聚氨酯，其中在固化过程中氨基甲酸酯基团排列并结晶。例如，在成为散射层132的材料的固化或凝固期间，可以形成用作光散射位点的晶体。另外，当散射层132被固化和/或凝固时，散射层的材料(例如，基础材料和散射材料)可能由于不相容而导致材料相分离，形成可以散射光的液滴或颗粒，从而形成散射位点。这些的实施例是但不限于，苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物、聚苯乙烯中的聚甲基丙烯酸甲酯及丙烯腈-丁二烯-苯乙烯。
如果散射材料是无机的，则散射颗粒可以是例如颜料、氧化物或矿物填料。可以通过研磨固体来产生有机和无机散射颗粒，或者最初可以包括小颗粒(例如，通过乳液聚合或溶胶凝胶)。在一些实施方式中，固体散射颗粒是无机氧化物，例如二氧化硅、氧化铝、氧化锆、二氧化钛、氧化铈、氧化锡及氧化锑。磨砂玻璃、陶瓷或玻璃陶瓷也可以用作散射颗粒。研磨硅酸盐或矿物填料(例如石英、滑石、莫来石、堇青石、粘土、霞石正长岩、碳酸钙、三水合铝、硫酸钡、硅灰石、云母、长石、叶蜡石、硅藻土、珍珠岩及方石英)可以在散射层132中用作散射颗粒，以提供散射光的均匀角照明强度。
在其中散射材料包括散射颗粒的实施方式中，散射层132内的散射颗粒的横截面尺寸可以包括0.1λ至10λ，其中λ是传播通过光漫射光纤110的光的波长。在一些实施方式中，散射颗粒的横截面尺寸大于0.2λ且小于5λ，例如在0.5λ与2λ之间。散射颗粒的量可以在按重量计约0.005％至70％之间变化，例如0.01％至60％、0.02％至50％等。通常，散射层132越薄，在此散射层132内应该存在更大量的散射颗粒。
现在参考图4B，未散射的受引导光在箭头10所示的方向从光输出装置140沿着光漫射光纤110传播。示出了散射光在箭头12所示的方向以散射角θs从光漫射光纤110射出，所述散射角θs是沿光漫射光纤110传播的受引导光的传播方向10与散射光离开光漫射光纤110时的方向12之间的角度差。在一些实施方式中，当散射角θs在15°与150°之间，或在30°与130°之间时，光谱强度在峰值波长下测得的±50％、±30％、±25％、±20％、±15％、±10％或±5％之内。在一些实施方式中，当散射角θs在30°与130°之间，或40°与120°内的所有角度之间时，光谱强度至少在±50％以内，例如，在峰值波长下测得的±30％、±25％、±20％、±15％、±10％或±5％。因此，光漫射光纤110被配置为由于散射而提供基本均匀的照明，使得对于40度与110度之间的所有视角(例如，对于40度与120度之间的所有视角)，最小散射照明强度与最大散射照明强度之间的差小于最大散射照明强度的50％。根据一些实施方式，最小散射照明强度与最大散射照明强度之间的差不大于最大散射照明强度的30％。
继续参考图4A和图4B，光漫射光纤110在550nm的波长处可以具有大于约0.2dB/m的散射诱导衰减损耗。例如，在一些实施方式中，散射诱导衰减损耗(由于纳米级结构125(例如，空气谱线)而引起的衰减损耗)在550nm处可以大于约0.5dB/m、0.6dB/m、0.7dB/m、0.8dB/m、0.9dB/m、1dB/m、1.2dB/m、1.4dB/m、1.6dB/m、1.8dB/m、2.0dB/m、2.5dB/m、3.0dB/m、3.5dB/m或4dB/m、5dB/m、6dB/m、7dB/m、8dB/m、9dB/m、10dB/m、20dB/m、30dB/m、40dB/m或50dB/m。在一些实施方式中，光漫射光纤110的平均散射损耗大于50dB/km，并且在光漫射光纤110的任何给定光纤段上，散射损耗的变化不超过20％(即，散射损耗在平均散射损耗的±20％以内，例如，在±15％以内或在±10％以内)。在一些实施方式中，光漫射光纤110的平均散射损耗大于50dB/km，并且在漫射光纤110的任何给定的光纤段(约0.2m至约50m，例如0.5m、1m、2m、5m、10m、15m、20m、25m、30m、35m、40m、45m等)上，散射损耗的变化不超过20％(即，散射损耗在平均散射损耗的±20％之内，例如，在±15％之内，甚至在±10％之内)。
再次参考图1A至图4B，调整在光漫射光纤110内形成的平衡耦合长度的方法可以包括将由光输出装置140的光源142输出的光以第一入射角θi1引导到光漫射光纤110的第一端112的端面116、116'中，所述第一入射角θi1与端面116、116'不正交。例如，第一入射角θi1可以在sin-1NALDF-sin-1NAO的约10°以内，例如在9°、8°、7°、6°、5°、4°、3、2°、1°等以内。另外，第一入射角θi1可以为约5°至约25°，例如，约10°至约25°、10°至约20°、15°至约25°、5°至约15°、12°至约16°、5°至约25°等。
方法还包括改变光输出装置140与光漫射光纤110的第一端112的端面116、116'之间的相对角位置，以使得光输出装置140的光源142输出的光以第二入射角θi2指向光漫射光纤110的第一端112的端面116、116′。第二入射角θi2不同于第一入射角θi1，但是仍然与光漫射光纤110的第一端112的端面116、116'不正交。另外，第二入射角θi2可以在sin-1NALDF-sin-1NAO的约10°内，例如在9°、8°、7°、6°、5°、4°、3°、2°、1°等内。另外，第二入射角θi2可以为约5°至约25°，例如，约10°至约25°、10°至约20°、15°至约25°、5°至约15°、12°至约16°、5°至约25°等。改变光输出装置140与光漫射光纤110的第一端112的端面116、116'之间的相对角位置可以包括改变光输出装置140的一个或多个光学组件的位置(例如，移动)，并改变光漫射光纤110的第一端112的位置(例如，移动)，或其组合。
继续参考图1A至图4B，当将光输出装置140的光源142输出的光以第一入射角θi1引导到光漫射光纤110的第一端112的端面116、116'中时，平衡耦合长度包括第一平衡耦合长度，并且当将光输出装置140的光源142输出的光以第二入射角θi2引导到光漫射光纤110的第一端112的端面116、116'中时，平衡耦合长度包括比第一平衡耦合长度短的第二平衡耦合长度。例如，改变光输出装置140与光漫射光纤110的第一端112的端面116、116'之间的相对角位置可以缩短平衡耦合长度。此外，在一些实施方式中，第二入射角θi2可以包括比第一入射角θi1更接近sin-1NALDF-sin-1NAO的角度。
出于描述和定义本发明技术的目的，应注意，本文中引用的变量是参数的“函数”或另一变量并不旨在表示此变量仅是所列出参数或变量的函数。相反，本文中引用的作为所列出参数的“函数”的变量旨在是开放式的，使得此变量可以是单个参数或多个参数的函数。
还应注意，本文中对“至少一个”组件、元素等的叙述不应被用来推断冠词“一”的替代用法应仅限于单个组件、元素等。
应注意，本文中以特定方式“配置”以体现特定性质或以特定方式发挥功能的本公开组件的叙述是结构上的叙述，与预期用途的叙述相反。更具体地，在本文中对组件“配置”的方式的引用表示组件的现有物理状况，因此应被视为对组件的结构特征的明确陈述。
为了描述和定义本发明技术，应注意，术语“实质上”和“约”在本文中用来表示固有的不确定性程度，其可归因于任何定量比较、值、测量或其他表示形式。术语“实质上”和“约”在本文中也用于表示定量表示可以不同于所陈述的参考的程度，而不会导致所讨论的主题的基本功能发生变化。
已经通过参考本公开的具体实施方式详细描述了本公开的主题，应注意，即使在伴随本说明书的每一附图中示出了特定元件的情况下，本文公开的各种细节不应被认为是暗示这些细节涉及作为本文中所描述的各种实施方式的主要部件的元件。另外，将显而易见的是，在不脱离本公开的范围的情况下，可以进行修改和变化，包括但不限于所附权利要求书中限定的实施方式。更具体地，尽管本文将本公开的一些方面确定为优选的或特别有利的，但是可以预期，本公开不必限于这些方面。
应注意，以下权利要求中的一项或多项使用术语“其中”作为过渡短语。为了定义本发明技术，应注意，此术语在权利要求书中作为开放式过渡短语被引入，所述过渡短语用于引入对结构的一系列特征的叙述，并且应当以类似方式进行解释为更常用的开放式序言术语“包括”。

Claims (19)

1.一种照明系统，所述系统包括：
光漫射光纤；以及
光输出装置，所述光输出装置包括光源，其中
所述光漫射光纤包括第一端、与所述第一端相对的第二端、纤芯、围绕所述纤芯的包层、外表面以及位于所述纤芯、所述包层或所述纤芯和所述包层两者中的多个纳米级结构，
所述多个纳米级结构被配置为将受引导光朝向所述光漫射光纤的所述外表面散射，使得一部分所述受引导光沿着所述光漫射光纤的漫射长度漫射通过所述外表面，
所述光漫射光纤包括数值孔径NALDF，
所述光输出装置包括有效数值孔径NAO，所述有效数值孔径NAO小于所述光漫射光纤的数值孔径NALDF，并且
所述光输出装置光学地耦合到所述光漫射光纤的所述第一端的端面，以使由所述光输出装置的所述光源输出的光的光传播路径与所述端面不正交并且相对于所述端面形成在sin-1NALDF-sin-1NAO的5°内的入射角θi，其中所述入射角θi为5°至30°。
2.如权利要求1所述的照明系统，其中所述入射角θi等于sin-1NALDF-sin-1NAO。
3.如权利要求1所述的照明系统，其中所述入射角θi为15°至25°。
4.如权利要求1至3中任一权利要求所述的照明系统，其中所述光漫射光纤的所述第一端的所述端面是成角度的端面。
5.如权利要求1至3中任一权利要求所述的照明系统，其中所述光漫射光纤的所述第一端的所述端面是法线端面。
6.如权利要求1至3中任一权利要求所述的照明系统，其中所述光输出装置还包括透镜，所述透镜位于所述光源与所述光漫射光纤的所述第一端的所述端面之间并与之光学地耦合。
7.如权利要求1至3中任一权利要求所述的照明系统，其中所述光输出装置还包括光学传送光纤，所述光学传送光纤位于所述光源与所述光漫射光纤的所述第一端的所述端面之间并与之光学地耦合。
8.如权利要求1至3中任一权利要求所述的照明系统，其中当由所述光输出装置的所述光源输出的光以所述入射角θi照射所述光漫射光纤的所述第一端的所述端面时，所述入射角θi在所述端面引起1.5dB或更小的耦合损耗。
9.如权利要求1至3中任一权利要求所述的照明系统，其中当由所述光输出装置的所述光源输出的光以所述入射角θi照射所述光漫射光纤的所述第一端的所述端面时，所述入射角θi在所述端面引起1dB或更小的耦合损耗。
10.如权利要求1至3中任一权利要求所述的照明系统，其中沿着所述光漫射光纤的所述漫射长度传播的受引导光在与所述光漫射光纤的所述第一端的所述端面相距2％至5％的所述漫射长度的距离达到峰值强度。
11.如权利要求1至3中任一权利要求所述的照明系统，其中所述多个纳米级结构被配置为将所述受引导光朝向所述光漫射光纤的所述外表面散射，以使一部分所述受引导光沿着所述光漫射光纤的所述漫射长度漫射通过所述外表面，以提供50dB/km或更高的散射诱导衰减。
12.如权利要求1至3中任一权利要求所述的照明系统，其中：
所述光漫射光纤包括围绕所述纤芯和所述包层的散射层；
所述散射层包括散射材料，并且被配置为使得对于在40度与120度之间的所有视角，最小散射照明强度和最大散射照明强度之间的差小于最大散射照明强度的50％。
13.如权利要求1至3中任一权利要求所述的照明系统，其中所述多个纳米级结构包括充气空隙。
14.一种方法，所述方法包括：
将由光输出装置的光源输出的光引导至光漫射光纤的第一端的端面，以使所述光的光传播路径相对于所述端面形成第一入射角θi1，其中：
所述光漫射光纤包括所述第一端、与所述第一端相对的第二端、纤芯、围绕所述纤芯的包层、外表面以及位于所述纤芯、所述包层或所述纤芯和所述包层两者中的多个纳米级结构，
所述多个纳米级结构被配置为将受引导光朝向所述光漫射光纤的所述外表面散射，使得一部分所述受引导光沿着所述光漫射光纤的漫射长度漫射通过所述外表面，
所述光漫射光纤包括数值孔径NALDF，
所述光输出装置包括有效数值孔径NAO，所述有效数值孔径NAO小于所述光漫射光纤的数值孔径NALDF，并且
所述光传播路径与所述光漫射光纤的所述第一端的所述端面不正交并且所述第一入射角θi1在sin-1NALDF-sin-1NAO的5°内；以及
改变所述光输出装置与所述光漫射光纤的所述第一端的所述端面之间的相对角位置，以使所述光传播路径相对于不成交的所述端面形成在sin-1NALDF-sin-1NAO的5°内的第二入射角θi2，其中所述入射角θi为5°至30°。
15.如权利要求14所述的方法，其中：
所述光漫射光纤的所述漫射长度包括从所述光漫射光纤的所述第一端的所述端面延伸的平衡耦合长度；
当将所述光输出装置的所述光源输出的光以第一入射角θi1引导至所述光漫射光纤的所述第一端的所述端面时，所述平衡耦合长度包括第一平衡耦合长度；并且
当将所述光输出装置的所述光源输出的光以第二入射角θi2引导至所述光漫射光纤的所述第一端的所述端面时，所述平衡耦合长度包括比所述第一平衡耦合长度短的第二平衡耦合长度。
16.如权利要求14或15所述的方法，其中所述第二入射角θi为15°至25°。
17.一种照明系统，所述系统包括：
光漫射光纤；以及
光输出装置，所述光输出装置包括光源，其中
所述光漫射光纤包括第一端、与所述第一端相对的第二端、纤芯、围绕所述纤芯的包层、外表面以及位于所述纤芯、所述包层或所述纤芯和所述包层两者中的多个纳米级结构，
所述多个纳米级结构被配置为将受引导光朝向所述光漫射光纤的所述外表面散射，使得一部分所述受引导光沿着所述光漫射光纤的漫射长度漫射通过所述外表面，
所述光漫射光纤包括数值孔径NALDF，
所述光输出装置包括有效数值孔径NAO，所述有效数值孔径NAO小于所述光漫射光纤的数值孔径NALDF，
所述光输出装置光学地耦合到所述光漫射光纤的所述第一端的端面，以使由所述光输出装置的所述光源输出的光的光传播路径与所述端面不正交并且相对于所述端面形成入射角θi；并且
所述光漫射光纤的所述漫射长度包括从所述光漫射光纤的所述第一端的所述端面延伸了5％或更小的所述漫射长度的距离的平衡耦合长度。
18.如权利要求17所述的照明系统，其中所述入射角θi为15°至25°。
19.如权利要求17或18所述的照明系统，其中当由所述光输出装置的所述光源输出的光以所述入射角θi照射所述光漫射光纤的所述第一端的所述端面时，所述入射角θi在所述端面引起1.5dB或更小的耦合损耗。
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