CN1659459A - 低损耗的保持集光率的光导 - Google Patents

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Abstract

一种光导，包括两个或多个直线光导部分以及处于上述部分之间用于将光从一个部分传输到另一部分的一个或多个光耦合元件。通过使至少两个TIR(全内反射)表面与光导部分之一的导光方向对准，本发明的光耦合元件将光从一个光导部分传输到另一个，而具有很少或者没有光损耗，并且集光率少量增加或者没有增加。

Description

低损耗的保持集光率的光导
2002年____进交的转让给本申请相同受让人的美国专利申请SN____(律师案号No.PH____(ID 702699))，涉及一种采用了本发明申请的光导的投影显示系统。
技术领域
本发明涉及光导，并具体涉及刚性光导，其表现出低损耗或者没有光损耗，同时基本上保持了引导光束的集光率，而与引导光束的方向改变或者引导光束与其他光束的交叉无关。
背景技术
刚性光导如实心或空心光导管，是一种用于光采集、处理和输送的有吸引力的低成本装置。这种光导管以比常规光学装置紧凑得多的体积提供相同的功能。遗憾的是，利用现有的光导技术，光导的弯曲或折叠会带来光损失，并增大了集光率(锥角)，如图1A至1D所示。
图1A示意地表示直线光导10，和外部光线轨迹1和2所示的引导光束。注意，光束在沿光导传播时保持相同锥角，如轨迹的交点处形成的恒定角度α所示。如图1B中所示，当光导10中引入弯曲11时，通过比较遇到弯曲之前外部光线3与中心光线4相交所形成的角度β与弯曲之后这些光线的相交所形成的角度γ，表明锥角增大。
引导光束的锥角增大意味着，当光束射出光导时，固定孔径采集装置不能采集该光束中的所有光。
图1C表示可能发生光损失的另一种方式。当第二弯曲12加入光导10时，部分光向回反射，如光线6所示，其从刚刚超过第二弯曲的区域向相反方向沿弯曲12向回反射，成为光线7。
图1D表示平滑弯曲13具有与图1B中的尖锐弯曲12类似的效果，即与弯曲之前的其平行路径(0度角)相比，引导光束的锥角增大，如弯曲之后光线8与9之间的角度δ所示。
当尝试用反射镜耦合光导部分时也会引起光损耗，如图2A至2C所示。在图2A中，例如，锥角φ导致引导光束(外部光线15和16所示)在通过光导18的出射孔径17射出并被反射镜19反射之后，在光导21的入射孔径20处具有对于采集而言太大的集光率，导致了巨大的耦合损耗。尽可能近地移动反射镜19，使其实际接触光导18的出射孔径17和光导21的入射孔径20，如图2B中所示，这样就使耦合损耗最小但没有消除耦合损耗。图2C表示引导光束22在从光导23射出并反射之后且在入射到光导24中之前的虚像，表示了耦合损耗对锥角θ的依赖性。
图2D表示了通过将中继透镜25和26插入引导光束被反射镜19反射前后的路径中可减小或消除耦合损耗。中继透镜25和26限制了引导光束的范围，使其处于光导21的入射孔径20之内，从而避免了耦合损耗。不过，这种中继光学装置昂贵且防碍了获得所需的紧凑结构。
其他可选择的装置如光纤束也比较昂贵。此外，由于组装密度相对较低，因此光纤束的插入损耗很大。
发明内容
根据本发明，光导包括至少第一和第二光导部分，以及处于上述部分之间、用于将光从一个部分输送到另一部分的一个或多个光耦合元件。通过具有至少两个TIR(全内反射)表面：第一TIR表面靠近第一光导部分的出射孔径并与第二光导部分的导光方向对准，第二TIR表面靠近第二光导部分的入射孔径并与第一光导部分的导光方向对准，使本发明的光耦合元件将光从第一光导部分输送到第二光导部分，具有很少或者没有光损耗，并且集光率增长较少或者没有增长。
在一个实施例中，两个光导部分设置成其导光方向彼此成某一角度，例如直角，并且与具有两个TIR表面的楔形光导元件耦合：第一TIR表面靠近第一光导的出射孔径，第二TIR表面靠近第二光导的入射孔径。光耦合元件还具有与TIR表面成某一角度的反射表面，用于将来自第一光导部分的光反射到第二光导部分。第二TIR表面将来自第一光导部分的光引导到反射表面，同时第一TIR表面将反射光引导到第二部分。在这种结构中，在传输过程中耦合元件上很少或者没有光从一个光导逃逸到另一光导，并且很少出现或者没有出现集光率的增大。
通过使用多个光耦合元件和以相同或不同角度耦合的光导部分，则能够沿任意路径传输光能量。
在另一实施例中，具有三个或更多TIR表面的光耦合元件能耦合三个或更多光导部分。例如，具有四个TIR表面的光耦合元件耦合交叉图案的四个光导部分，使得可独立地在两个相交的引导路径上传输光，而不会产生从一个光导到另一光导的交叉耦合能量，并且具有很小或者没有损耗，以及集光率增长很少或者没有增长。
在本发明另一方面，本发明的光耦合元件可包含一个或多个具有选择性透射和/或反射通带的二向色元件或表面，从而能进行颜色分裂和/或重新组合，具有很少光损耗或者没有光损耗，且引导光束的集光率增长很少或者没有增长。
例如，在交叉光导路径的实施例中，光耦合元件中的交叉二向色元件能将来自一个光导部分的光束分成分别沿其余三个光导部分之一引导的三个成分。或者，分别沿不同光导部分朝向光耦合元件引导的三个成分光束，可通过交叉二向色元件重新组合成单独的光束，然后沿其余的光导部分引导。
本发明的光导部分可以为光学透明材料的实心元件，或者可以为侧壁具有内部反射表面的空心管。根据用途，本发明的光导可仅使用实心部分或者仅使用空心部分，或者使用实心与空心部分的组合。光导部分的横截面一般是矩形的，不过也可以是正方形或者具有偶数边的其他正多边形。
可知，光可以沿任一方向通过本发明的任意光导，其结果没有差别，除非采用了二向色或偏振元件或表面。从而，应当理解，关于本文中所述和要求保护的各光导的元件表面和孔径的术语“入射”和“出射”，仅仅为了便于说明。这些术语是可互换的，从而不限制本发明用于仅沿一个方向的光传播。
本发明可用于多种光采集、处理、传输和分布应用中，广泛地应用于诸如照明、显示、信息处理和高功率应用的领域中。这些领域中具体应用的例子包括投影显示器、用于液晶显示器的背光、汽车照明和焊接。
附图说明
图1A到1D分别是现有技术中具有直线结构、单个尖锐弯曲、两个尖锐弯曲和一个平滑弯曲的刚性光导的示意性说明；
图2A到2D为现有技术中具有反射镜(图2A和2B)、空气(图2C)和透镜与反射镜组合(图2D)的常规光耦合的刚性光导部分的示意性说明；
图3A到3D为本发明的刚性光导的示意性说明，图3A和3B分别表示实心和空心光导，每个光导具有直角弯曲，图3C和3D分别表示实心和空心光导，每个光导具有45度弯曲；
图4A到4C分别为本发明的相交、交叉耦合和分束刚性光导的示意性说明；
图5为光导部分与光耦合元件之间的耦合区域的详细视图，表示了填充这些元件之间空间的粘合剂层；以及
图6为一个光导部分的剖面图。
具体实施方式
参照附图3A，表示了本发明光导的一个实施例30a，其包括分别具有入射孔径(31a，32a)、出射孔径(31b，32b)以及侧壁(31c，32c)的光导部分31和32。位于光导部分31的出射孔径31b与光导部分32的入射孔径32b之间的是楔形光耦合元件33，其具有两个TIR(全内反射)表面：入射面33a和出射面33c、以及以一定角度延伸到TIR表面33a和33c的全反射面33b。
光耦合元件33为光学透明材料。正如本文中所使用的，术语“光学透明”表示该材料能极小或者没有吸收光地传输光。适当的材料包括例如玻璃和塑料，然而折射率高于与表面33a和33c相接触的外部介质的任何光学透明材料都是适宜的。更高的折射率使这些表面能够作为全内反射(此处称作“TIR”)表面。
光耦合元件33的TIR表面33a和33c分别平行于非相邻光导部分32和31的导光方向(由侧壁的方向限定)，在本实施例中，因为将光导部分31和32设置成使其导光方向成直角，所以TIR表面33a与33c也彼此成直角。
在本实施例中，光导部分31和32为实心光学透明材料，如塑料或玻璃。因为这种材料相对于周围介质(通常为空气)具有更高的折射率，所以通过全内反射(此处称作“TIR”)现象将光束(用外部光线36和37表示)限制在光导内。
如斯涅耳定律所确定的，本质上由于只要光以临界角或者大于临界角(相对于表面)入射到界面上，则光就可以从一种介质传播到另一种介质，因此低于临界角入射到界面的光被反射。因为引导光束的锥角相对较小，并且光导介质与其周围物质(例如，空气)的折射率存在差异，所以引导光束在沿光导传播时被全内反射。
当光束(用外部光线36和37表示)到达光导31的出射孔径31a时，该光束与孔径相遇时的大锥角使其射出该光导部分，并通过入射面33a进入光耦合元件33。当光线36以小角度遇到TIR出射面33c时，其由反射表面33c向回反射，然后再次反射回来遇到出射面33c，不过这次是以大锥角入射到该出射面上，从而使光线可通过入射孔径32a进入光导部分32。与光线36不同，光线37首先遇到反射表面33，其在该处以小角度向回朝向TIR入射表面33a反射，从而以大锥角朝向TIR表面33c反射，从而使其能通过入射孔径32a进入光导部分32中。
虽然光导部分与光耦合元件之间的空间(34，35)中的介质可以为空气或其他气体，但是也可以用折射率低于光耦合元件的任何其他物质，例如粘合剂层(如UV固化丙烯酸或环氧树脂)来填充该空间。
图3B表示本发明光导30b的另一实施例，其中用分别具有入射孔径(38a，39a)、出射孔径(38b，39b)和具有内部反射表面(38d，39d)的侧壁(38c，39c)的光导38和39取代了实心光导部分31和32。因而，与图3A中光线36和37通过TIR现象在侧壁31c和32c与外围介质的界面处反射的实心光导部分的情形不同，光线41和42从内部反射表面38d和39d反射。在其他方面，光导30b的操作与30a相似。
图3C表示本发明光导30c的又一实施例，其中实心光导部分44设置成其导光方向(由侧壁44c的方向限定)与光导部分43的导光方向成45度角，而非光导30a和30b情形中的90度。正如在上述实施例中所述的，光耦合元件45的TIR表面45a和45c分别平行于非相邻光导部分44和43中的导光方向。不过，在本实施例中，光耦合元件45的TIR表面45a与45c之间的角度确定为135度。为了使TIR表面45a和45c与光导部分43和44的相邻光导孔径43b和44a之间的空间46和47在孔径的整个宽度上具有相等厚度d(参见图5)，这些孔径43b和44a相对于侧壁43c和44c构成45度角。
图3D表示本发明光导30d的另一实施例，其中用空心光导管部分50和51取代了实心光导部分43和44，其操作方式与光导30b中的空心光导管部分38和39相同。
根据本发明的另一实施例，具有四个TIR表面的光耦合元件可使两个独立光束没有交叉耦合地相交。图4A表示了这样一种配置60a，其中立方体形状的光耦合元件65具有TIR表面65a到65d。四个光导部分61到64分别具有入射孔径(61a，62a，63a，64a)和出射孔径(61b，62b，63b，64b)以及侧壁(61c，62c，63c，64c)。光导部分61和63设置成使其出射孔径61b和6 3b靠近TIR表面65a和65c，形成了空间66和68，而光导部分62和64设置成使其入射孔径62a和64a靠近TIR表面65b和65d，形成了空间67和69。
在工作过程中，外部光线轨迹70和71所示的引导光束，通过光导部分61引导到光耦合元件65中，在该处被TIR表面65c和65d全内反射到光导部分62中。同时，外部光线轨迹72和73所示的引导光束通过光导部分63引导到光耦合元件65中，在该处被TIR表面65a和65b全内反射到光导部分64中。从而，两个引导光束可以具有相交的路径，而不发生交叉耦合。
图4B表示图4A配置的一种变型60b，其中两个二向色滤光元件79和80在光耦合元件78中设置成交叉的图案。二向色元件79反射红光，并透过绿光，而二向色元件80反射蓝光并透过绿光。在光导60b用作分束器时，外部光线轨迹81和82所示的白光束被光导部分74引导到光耦合元件78中，在该处该光束与二向色元件79和80相遇，并被分裂成绿光成分(光线轨迹83和84)、红光成分(光线轨迹85和86)以及蓝光成分(光线轨迹87和88)，其分别通过光导元件75、77和76引导远离光耦合元件78。
在光导60b用作光束组合器时，该引导光束的传播方向相反，因此，分别进入光导部分75、77和76中的绿、红和蓝色成分通过二向色元件79和80组合成白色光束，并且该白色光束通过光导元件74携带传输。
图4C表示图4A配置60a的一种变型60c，其中偏振元件93设置在光耦合元件92中。偏振元件93反射S偏振(TM)光并透过P偏振(TE)光。在该光导60c用作偏振分束器时，外部光线轨迹94和95所示的光束通过光导部分89引导到光耦合元件92，在该处该光束遇到偏振元件93，并且分成S成分(光线轨迹98和99)和P成分(光线轨迹96和97)，分别通过光导元件91和90引导远离光耦合元件92。
许多其他变型也是可能的。例如，在光导60b中，如果TIR表面78b为反射表面，则去除了光导部分75，从而在分束器模式下，进入光导部分74的白光被分成两个成分，而非三个成分。再比如，在图3的任何实施方式中，反射表面都可以为二向色表面，从而其反射率对于一定波长带而言具有选择性，当引导光束通过该光导时可使引导光束的波长范围变窄。因而，例如，进入一个光导部分的白光能够以红光、绿光或蓝光射出所耦合的光导部分。
图5为填充本发明光导部分501与光耦合元件502之间空间的粘合剂层500的详细视图。粘合剂层的厚度为d，其折射率低于光耦合元件502的折射率。
图6为光导部分31的剖面视图600，呈现正方形形状。本发明的光导部分还可以为矩形或具有偶数边的其他多边形形状。
已经根据有限数量的实施例对本发明进行了必要的描述。根据本说明书，本领域技术人员可以想到其他实施方式和实施方式的变型，并且这些实施例完全包含在本发明和所附权利要求的范围内。

Claims (23)

1、一种光导30，其至少包括第一和第二光导部分(31，32)以及处于光导部分(31，32)之间的至少一个光耦合元件33，所述光导部分分别具有入射孔径(31a，32a)、出射孔径(31b，32b)以及限定了导光方向的导壁(31c，32c)，光耦合元件包括光学透明材料，其具有包含TIR表面的入射表面33a、包含TIR表面的出射表面33c，入射表面33a靠近第一光导部分31的出射孔径31b，并且沿第二光导部分32的导光方向延伸，出射表面33c靠近光导部分32的入射孔径32a，并且沿第一光导部分31的导光方向延伸。
2、如权利要求1所述的光导30，其中光耦合元件为楔形，并且具有在入射表面33a与出射表面33c之间延伸的内部反射表面33b。
3、如权利要求2所述的光导30，其中光导部分(31，32)的横截面形状为具有偶数个边的多边形。
4、如权利要求1所述的光导30，其中至少第一光导部分31为光学透明材料的实心元件，并且光耦合元件33的与实心光导部分31的出射孔径31b相邻的入射表面33a与光导部分31的出射孔径31b间隔一定距离，从而在光耦合元件33的入射表面33a与实心光导部分31的出射孔径31b之间形成空间34。
5、如权利要求4所述的光导30，其中第二光导部分32为光学透明材料的实心元件，并且光耦合元件33的与实心光导部分32的入射孔径32a相邻的出射表面33c与光导部分32的入射孔径32a间隔一定距离，从而在光耦合元件33的出射表面33c与实心光导部分32的入射孔径32a之间形成空间35。
6、如权利要求4所述的光导30，其中该空间34充满空气。
7、如权利要求4所述的光导30，其中该空间34充满折射率小于光耦合元件33材料的光学透明材料500。
8、如权利要求4所述的光导30，其中在空间34的整个宽度上，光耦合元件33的入射表面33a与实心光导部分31的出射孔径31b之间的距离d基本相等。
9、如权利要求1所述的光导30，其中至少第一光导部分31为具有导壁38c的空心导管，而导壁38c具有内部反射表面38d。
10、如权利要求9所述的光导30，其中第二光导部分32为具有导壁39c的空心导管，而导壁39c具有内部反射表面39d。
11、如权利要求1所述的光导30，其中光耦合元件33的入射和出射面(33a，33c)成直角。
12、如权利要求1所述的光导30，其中光耦合元件45的入射和出射面(45a，45c)成钝角。
13、如权利要求10所述的光导30，其中导壁(43c，44c)成钝角。
14、如权利要求2所述的光导30，其中反射表面33b为具有预定反射带的二向色表面。
15、如权利要求2所述的光导30，其中反射表面33b为偏振表面，其反射第一偏振方向并透射第二偏振方向。
16、如权利要求15所述的光导30，其中靠近反射表面33b具有附加的光导部分。
17、如权利要求1所述的光导60a，其中存在至少四个分别具有入射孔径(61a，62a，63a，64a)、出射孔径(61b，62b，63b，64b)以及限定导光方向的导壁(61c，62c，63c，64c)的光导部分(61，62，63，64)，光耦合元件65包括光学透明材料，其具有分别包含TIR表面的两个入射表面(65a，65c)和分别包含TIR表面的两个出射表面(65b，65d)，光耦合元件65设置成其入射表面65a靠近光导部分61的出射孔径61b，其出射表面65b靠近光导部分62的入射孔径62a，其入射表面65c靠近光导部分63的出射孔径63b，其出射表面65d靠近光导部分64的入射孔径64a。
18、如权利要求16所述的光导60a，其中至少第一光导部分61为光学透明材料的实心元件，并且光耦合元件65的与实心光导部分61的出射孔径61b相邻的入射表面65a与光导部分61的出射孔径61b间隔一定距离，从而在光耦合元件65的入射表面65a与实心光导部分61的出射孔径61b之间形成空间66。
19、如权利要求17所述的光导60a，其空间66充满折射率低于光耦合元件65材料的光学透明材料500。
20、如权利要求16所述的光导60b，其中光耦合元件78包括具有预定透射和反射带、用于将光分成各种成分和/或重新组合各种光成分的二向色元件(79，80)。
21、如权利要求19所述的光导60b，其中光导部分(74，75，76，77)的孔径(74a，74b，75a，75b，76a，76b，77a，77b)分别用作入射和出射孔径，这取决于光束通过光导60b的传播方向。
22、如权利要求1所述的光导60b，其中光耦合元件78具有至少三个TIR表面78a、78c和78d，内部反射表面78b以及至少一个二向色元件79，并且具有三个光导部分74、76和77。
23、如权利要求1所述的光导60c，其中光耦合元件92具有三个TIR表面92a、92b和92c，内部反射表面92d以及偏振元件93，并且具有三个光导部分89、90和91。
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