CN1703636A

CN1703636A - 发光装置

Info

Publication number: CN1703636A
Application number: CNA038251736A
Authority: CN
Inventors: J·B·富兰克林; G·B·史密斯; E·K·约瑟夫
Original assignee: University of Technology Sydney
Current assignee: University of Technology Sydney
Priority date: 2002-09-18
Filing date: 2003-09-18
Publication date: 2005-11-30
Anticipated expiration: 2023-09-18
Also published as: EP1556719A4; CN100349027C; CA2539483A1; EP1556719A1; US20060153511A1; AU2002951465A0; WO2004027474A1; NZ539469A; US7218824B2

Abstract

本发明涉及由一个或多个光源组成的发光装置，该光源连接到包含扩散体粒子的光导上，扩散体粒子具有与光导的芯的折射率相近的折射率。扩散体粒子引起光源发出的光的散射，这样发光装置发出的光具有人眼不能觉察的色彩变化和亮度上小的渐变。

Description

发光装置

技术领域

本发明涉及一种发光装置。尤其是，尽管并不是独有地，本发明涉及用于混合来自一个或多个光源的光以及输出具有人眼觉察不到的色彩变化和亮度上只有小的渐变的光的发光装置。本发明还涉及用于混合红、绿和蓝光，以及输出具有人眼觉察不到的色彩变化和亮度上只有小的渐变的白光的发光装置。本发明还涉及混合或均匀化光学系统的光输出的能量的效率，因而获得一个或多个光源发出的流明的最大化利用。然而，可以设想本发明具有其它的应用。

背景技术

常常有必要合并光学系统中一个或多个光源的输出。这可能包括混合来自一个或多个光源的同波长的光，或可能包括混合来自多个光源的不同波长的光。一个特别重要的例子是通过合并分立的红色(R)，绿色(G)和蓝色(B)LED的输出而产生白光。从RGB LED阵列产生高效的白光是LED普遍的用于一般照明的一项重要的应用技术。RGBLED阵列远比基于荧光粉的已知LED的能量效率更高。混合光，尤其是混合来自LED的光的能量效率和效力的提高，因而希望能够利用LED阵列代替荧光粉以及相关转换系统来产生白光。照明的能量效率通常是以流明来测量，流明由供应这些流明所用的每瓦特的功率来提供。

一个重要因素是，人眼对于色彩的轻微变化非常敏感。因此，光的混合中遇到的一个问题是，通过当前的混合方法在没有不可接受的损耗条件下不能获得所要求程度的色彩均匀性，其中合成光的色彩变化对于人眼是觉察不到的。

发表在《固态照明》II：SPIE卷4776的会议记录，206-214页(2002年)的zhao，F等人的在SPIE光学技术国际研讨会(SPIE第47届年会，2002年7月)上的会议论文4776-35，“创造白光而混合彩色LED的光学元件”公开了对所遇到的问题的一项实验研究，和指出了当前技术的不足。zhao，F等人公开，利用光学上清晰的，矩形和圆形截面的以及各种长度(76mm，152mm，305mm)的丙烯酸光导，来混合包含18个LED的一个RGB LED阵列的红、绿和蓝色光。

没有发现光导可显著地提高光束的光照度和色彩的均匀性，不同形状的光导产生的光的质量没有可察觉的差别。系统的能量效率如所预期地作为长度的一个函数而降低。光照度和色彩的均匀性的唯一改善是通过漫射光导的输出端来获得，这进一步引起效率的降低。

白光的产生不是要求高效地混合激光二极管或LED输出的唯一应用。如牙齿粘固粉的粘固粉的光固化要求光敏材料的均匀光照。基于光导的现有系统产生不均匀光照，导致不满意的固化。

因此，要求有一种工具来合并一个或多个光源的输出，以获得在输出区域上的具有色彩和亮度两方面的良好均匀性的输出光。还希望的是，能够合并来自多个光源的光，而不需要大大增加输入光的角展度，充分利用一个或多个光源提供的流明。

发明内容

在一种形式中，尽管该形式不是唯一的，或实际上不需要是最广泛的形式，但本发明属于一种发光装置，包括：

一个光导，其具有由光传输外壳包围的一个细长的透明芯；

一个或多个光源，它们连接到所述光导的第一端；以及在芯内分布的透明的扩散体粒子，以在从所述芯的第一端向所述芯的第二端的基本上是正向方向上散射光线；

其中扩散体粒子具有与芯的折射率相近的一个折射率，具有低背射率和低吸收率。

适当地，发光装置发射具有人眼不能觉察的色彩变化和亮度上小的渐变的光。

在所述发射的光中的所述不能觉察的色彩变化和亮度上小的渐变是所述芯的所述第二端上和远场中发生。

芯最好是一种聚合物。可替代地，芯可以是玻璃。

光传输外壳最好是具有比芯更低的折射率。外壳最好是低折射率聚合物的一个覆层。适当地，覆层聚合物是一种含氟聚合物。可替代地，外壳可以是气凝胶或低折射率玻璃的一个覆层。可替代地，外壳可以是一层水，低折射率液体，空气，其它气体或真空。可替代地，外壳可以是不透明的和能反射的。外壳最好是非吸收性的。

扩散体粒子最好是透明的。

扩散体粒子最好是由聚合物制造，可以是交联的聚合物，如PMMA或聚苯乙烯。可替代地，扩散体粒子可以由透明的非聚合物材料，如由玻璃制造。

扩散体粒子最好是球形的。可替代地，扩散体粒子可以是圆柱的，多面体的，椭圆的或形状上不对称的。

扩散体粒子最好产生相对于光的背射的一个高比率的角偏差。

最好选择具有接近芯的折射率的折射率的扩散体粒子。扩散体粒子的折射率比m定义为，m＝(扩散体粒子的折射率)/(芯的折射率)＝1+μ。在光的平均波长，最好是|μ|＜0.035。在一个实施例中，在波长为589nm时，μ＝0.018。

在另一个实施例中，波长为589nm时，μ＝0.011。

最好是，光导散射的光的平均角在光的波长范围上基本不变。

扩散体粒子散射的光的平均角以|μ|来增加。μ最好是在光的波长范围上基本不变。

由于具有常数μ的小粒子的散射能力随波长而变化，最好是，扩散体粒子的大小基本上大于光的波长的大小。扩散体粒子的大小最好是超过5微米。

芯中扩散体粒子的密度和光导的长度可以改变，以获得所述发射的光中的人眼觉察不到的色彩变化和亮度上小的渐变。

当使用多个光源时，所述光源最好是具有相似的角分布函数。在特别的一个优选实施例中，当使用不相交波长范围的光源时，所有光源的角分布函数是紧密匹配的。

适当地，芯中扩散体粒子的密度沿芯的长度而变化。

在一种形式中，所述光导包括约6-50的范围内的轴向扩散体粒子数量(如果是光线通过不偏向的光导，平行于光导的纵向轴的光线将截取的扩散体粒子的平均数量)。所述轴向扩散体粒子数量最好是在约20-40的范围内。

在另一种形式中，所述光导包括约50-300的范围内的轴向扩散体粒子数量。

所述的一个或多个光源的每一个可以是一个LED，如灯丝的一个白炽光源，一个放电管，一个激光器，或其它高亮度光源。

适当地，所述发光装置进一步包括控制工具，用于控制在波长范围上的所述一个或多个光源的输出。

所述光源可以是LED阵列的形式。所述LED可以发出相同颜色的光或不同颜色的光。适当地，所述LED阵列的每个LED发出红色、绿色或蓝色光，其中所述LEDS的相对输出是通过所述控制工具来调节，这样从所述芯的所述第二端发射的所述光在全部色域上是可调谐的。

光导可以由同轴反射器来包围，以将漏出所述芯的光线反射回来，穿过所述芯，射向所述芯的第二端，所述反射光增加了所述光导的发光的输出。

附图说明

为帮助理解本发明，使本领域的专业人士实际中应用本发明，只参考附图，以示例的方式来描述发明的优选实施例，其中：

图1是发光装置的光导的一个实施例的纵向截面示意图，表示了扩散体粒子散射光线的方式以及光线是如何从芯-外壳(core-sheath)界面上被反射；

图2是混合来自红、绿和蓝色LED的红、绿和蓝色光的发光装置的纵向截面示意图；

图3是图2中包括同轴反射器的发光装置的纵向截面示意图；和

图4表示沿光导的长度的扩散体粒子的变化密度。

具体实施方式

参考图1，本发明的发光装置的一个实施例包括一个光导10，光导10通常包括一个聚合物芯12，一个低折射率聚合物覆层14，并且可进一步包括一个聚合物护套16。低折射率聚合物覆层14包着聚合物芯12，而聚合物护套16包着管状的聚合物覆层14。聚合物护套16是一层透明的保护层，具有本发明的光学特点。

圆柱形的聚合物芯12是由聚合物基质18形式的大量介质形成，聚合物基质充满扩散体粒子20。一般地，扩散体粒子20只对照射在粒子上的入射光线产生小的偏向，同时具有高透射率，低背射率和低吸收率。特别是，光导10可利用与聚合物基质18折射率高度匹配的透明的扩散体粒子。几个百分比的折射率失配是典型的。

在一个实施例中，聚合物基质18是由聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)形成，聚合物覆层14是由聚四氟乙烯(PTFE)形成。扩散体粒子20可以是由交联聚合物(cross-linked polymer)形成，它能够被加入到加热的MMA中，而没有扩散体粒子20的熔化。圆柱形的聚合物芯12与扩散体粒子20原位聚合。

在一个替代实施例中，扩散体粒子20是由嵌入在聚合物基质18中的交联PMMA粒子形成，聚合物基质18是由聚合的丙烯酸酯混合物制成，丙烯酸酯混合物主要由甲基丙烯酸甲酯(MMA)和碳酸-二乙二醇酯·烯丙醇酯(CR39)组成。可替代地，BMA(甲基丙烯酸丁酯)可代替MMA。

在另一个实施例中，圆柱形聚合物芯12例如是由聚合物基质18形式的大量介质通过挤压或喷射模塑法形成，其充满了扩散体粒子20。在一个优选实施例中，圆柱形聚合物芯12是由非交联PMMA通过挤压或喷射模塑法形成，扩散体粒子20是由交联PMMA形成，这样只有交联PMMA扩散体粒子在处理过程中不熔化。

在另一个实施例中，扩散体粒子可由聚苯乙烯形成。在另外一个实施例中，聚苯乙烯是交联的。

还在另一个实施例中，圆柱形芯12是由玻璃形成，由玻璃基质18形式的大量介质通过挤压或喷射模塑法形成，其充满扩散体粒子20。扩散体粒子20是可以经受熔化玻璃的高温的一种形式。硅被认为是用于这样的扩散体粒子20的一种合适材料。

选择扩散体粒子20的密度使光线一般说来要经历大量的、但不过多的与扩散体粒子的相互作用。在图1中，入射光线22经历与所示的光导10截面上的扩散体粒子的两次相互作用。入射光线24穿过所示的光导截面而不经历与扩散体粒子的任何相互作用，但是在聚合物芯12中被反射。入射光线26经历扩散体粒子的散射以及在聚合物/覆层界面上的反射的组合。

扩散体粒子20的折射率比m定义为，m＝(扩散体粒子20的折射率)/(聚合物基质18的折射率)＝1+μ。在光线与扩散体粒子的任何给定的相互影响时，由于折射产生的偏向是比例|μ|。(具有μ和-μ的粒子的远场偏向模式是非常相似的)。但是，反射的背光的部分是μ²级。因此，如果折射率相近，即只有几个百分比的差别，有可能具有小的角偏差的在粒子上正向传输的实际上全部的入射光，而背射可以忽略。同样，扩散体粒子20是透明的，因而几乎没有吸收。这样，该组合在混合过程中能实现最大的能量效率。

在扩散体粒子20的光线的每个单独的偏向是小的，全部的偏向随着相互作用的数量而倾向于增加。由于有非常低的反射损耗，能使光线经历在光导10中的许多这样的偏向，这是通过选择扩散体粒子密度和路径长度的适当组合来达到。因此可如希望地大小而达到最终的平均偏向。与传统的扩散体系统相比，吸收和背射造成的损耗是小的。

需指出，如果偏向角太大(例如，当从光纤轴偏向太多时，光纤中的光会漏出)，一些光学系统失去光。在这些情况下，选择与扩散体粒子的相互作用的数量以使具有用于光的充分混合的足够的相互作用，但又不是多得使造成的损耗变得不可接受。

在离开光导10之前，单个光线既经历芯12与覆层14之间界面上的大量的全部内反射，又经历在扩散体粒子20的大量的基本上是随机的偏向。该组合具有优良的混合和漫射性能，每个单独起作用。这意味着在一个特定点发出的光通过光导被十分均匀地漫射。

在几乎相同的路径发出的光线很迅速地发散，并快速获得角度和位置上的很大不同。例如，包含直径约为30μm的扩散体粒子的100mm的光导，其中μ＝0.02，在扩散体粒子的偏差中值是2.2°。考虑两条光线开始是平行的，但以35μm分开的情况(即，稍大于扩散体粒子的直径)。由于光线间的分离大于扩散体粒子直径，与扩散体粒子的第一次相互作用将使它们分开约2°，这意味着两条光线不能同时照射到粒子。即使没有进一步的偏向(典型的将有几打)，100mm上的2°的偏向带来3.5mm的横向分离，即是初始分离的一千倍。实际应用中，甚至是几个微米的单个光线间的分离能导致差得很多的分离路径。相反，完全反射的现有技术光导允许一些平行光线通过长距离而不发散，造成光的较差的混合。

关于另一个示例，考虑一对光线，它们从同一点发出，但具有小的角间隔。如果它们横向地发散超过粒子直径，它们将碰上不同的扩散体粒子，并将以宏观的量迅速地发散。(实际上，粒子直径的一小部分的横向发散对于光线的快速发散已足够)。本示例中的上限是在光导10的一半的长度上扩散体粒子直径的横向分开，即在上述示例中的光导的50mm的30μm，或0.034°。因此，如果横向发散大于该界限，在一个既定点出发的光线将分开得非常远而结束。实际上，甚至是几个弧度秒的间距可导致分开得非常远的路径，光导的第二端的输出角将相差几度。

对初始位置和射入角度极端敏感的最后结果是，来自任何扩展源的光线被很充分地漫射和混合，而不使其角扩展过多地增加。这样，如果来自相近光源的光(如一个LED的阵列)进入到光导中，光将表现为非常充分地混合。相反，完全反射的光导不能获得同等水平的混合。这些光导的传输功能经常在位置与角度上缓慢地变化，以使出现的光在光导的末端和在远场模式中具有(令人十分不愉快的)明亮的聚光线。相反，本发明的光导的传输函数几乎是混沌的(输入参数微小的变化导致输出参数的较大变化)，因而不存在焦散线。

图2表示本发明的光导10，如上所述，它包括聚合物芯12，聚合物覆层14和扩散体粒子20。光导10的芯的第一端11表示有来自LED阵列13的红、绿和蓝色光。进入到光导的红、绿和蓝色光主要通过扩散体粒子20在正向方向上被散射。散射的光也可经历光导10的侧面的多次反射。在被扩散体粒子20散射之前，以对芯的纵向轴充分大的角度进入光导芯的第一端11的任何光可初始地在芯12与覆层14之间的界面上被反射。

从光导的第二端15发出的光将是进入光导10的第一端11的光的充分混合。发出的光具有人眼觉察不到的色彩上的变化，以及亮度上仅仅小的渐变。这些特征同时存在于芯的第二端和在远场中的发射的光中。在本例中，发射的光将是白色光。

描述光导10的一个有用参数是轴向粒子数量，a，这是如果一条轴向光线无偏向地通过光导所遇到的粒子的平均数量。随着扩散体粒子使实际的轴向光线发生偏向，一条实际轴向光线的随机经过意味着，实际光线通常遇到超过a的更多扩散体粒子。以对芯的纵向轴的一个角度进入到光导的光线通常遇到比a大得多的粒子数量。在一种均匀材料中，轴向粒子数量a等于线性粒子频率(不偏向的一条光线每米将遇到的粒子的数量)与光导10的轴向长度的乘积。

采用高亮度源的光学系统的扩散体的设计常常受到使镜面传输的光的部分最小化的要求的驱动，也就是光无论如何没有任何扩展地被传输。利用传统的扩散体，这通常要求接收很多的背射，因而降低了效率。相反，本发明提供了极其低的镜面传输，以及非常低的背射。考虑平行于光导的纵向轴的一条线的情况。相交的扩散体粒子20的平均数量是轴向粒子数量a。现在随机地排列扩散体粒子，以使平行于纵向轴的一条光线将遇到的粒子的预期数量形成平均数a的一个泊松分布。这样，不偏向地通过系统的一条光线的几率是小于e^-a(以对纵向轴的一个角度的光线将平均遇到更多的粒子)。对于一个(典型的)轴向粒子数量30来说，这是一个小于9.4×10^-14的不偏向的部分。对于10的轴向粒子数量来说，不偏向的部分是小于0.005％。

参考图2，说明上述类型的固态芯、柔韧性的光学光导(具有包括BMA和碳酸-二乙二醇酯·烯丙醇酯(CR39)的聚合丙烯酸脂的芯)以及包括红、绿和蓝色LED的LED阵列13。光导是有各种长度，典型地是直径约为12mm。光导包含各种密度的扩散体粒子20。这些扩散体粒子是直径约为33μm的交联PMMA的中心球，其折射率为1.8％，高于聚合物基质18在波长589nm时的折射率。光导的输出可通过在位于距离光导的第二端约30cm的一个白色扩散表面上发亮而可视地观察到。

最初的测试是利用各种长度的透明光导(没有扩散体粒子)按照控制来执行。可观察到，即使是几米长的光导也只是形成光的不完全混合，这样的输出具有很令人不愉快的焦散线，色斑与亮度变化。

在具有线性扩散体粒子频率为每米30个粒子的一个光导中进行一系列的实验。利用0.91m长的光导，(轴向粒子数目约为27，(0.91m×30粒子/米＝27个粒子))，输出光具有人眼觉察不到的色彩变化，只具有亮度上小的渐变。在光导10的第二端15和在远场中也是这样。在光导的侧面上具有最小的明显的光的损耗。0.60m长的相同光导(轴向粒子数18)引起色彩上模糊的变化。0.31m长(轴向粒子数9)表现出在输出光中的色彩的明显变化。

在具有线性扩散体粒子频率为每米66个粒子的一个光导中进行第二系列的实验。利用0.60m长的该光导，(轴向粒子数目为40)，输出光具有人眼觉察不到的色彩变化，只具有亮度上小的渐变。在光导10的第二端15和在远场中也是这样。在光导的侧面上具有最小的明显的光的损耗。0.30m长的相同光导(轴向粒子数20)引起在输出光中的模糊色彩的一些区域和明亮色彩的一些区域。

第三系列的实验利用了一个PMMA杆，PMMA杆掺杂了线性扩散体粒子频率约为1650粒子/米的扩散体粒子。杆由空气包围，空气作为光导的低折射率外壳。聚合物基质与扩散体粒子之间的折射率差异仅有1.1％。这意味着，每个相互作用时，偏向角只是上述实验中的约2/3。利用0.153m长的杆(轴向粒子数250)，输出光具有人眼觉察不到的色彩变化并且只具有亮度上小的渐变。这些特征存在于跨越光导10的第二端15和远场中的光中。在杆的臂面上具有重要的明显的光损耗。不意外的给出与扩散体粒子20大量的相互作用。

各种形状的扩散体粒子可满意地发挥作用。只要射入与射出的表面不平行，折射将使照射扩散体粒子的光偏向，因而近似的球形比平的薄片似乎更有效。圆柱形、多面体、椭圆形或不规则形状也是可接受的。如果粒子是非常不对称，则可以希望使粒子的定向随机化。

可以希望的是，但不是必需的，扩散体粒子20的大小是其散射的光的波长的几倍。如果粒子大小与光的波长相差不大，则反射可能是过分的。另外，大小与光的波长相当的粒子发生的偏向是非常依赖于波长的。这意味着平均偏向角以及由此的总偏向角将随波长而变化。在极端情况下，这可能引起射出光束随着射出角而在色彩上变化。对于纳米大小的粒子来说，偏向可能太小，而没有用途。

可希望的是，扩散体粒子20与聚合物基质18之间在折射率上的差别在由一个或多个光源的发出的光的波长范围上变化得不太多。扩散体粒子20的折射率比m，是m＝(扩散体粒子20的折射率)/(芯18的折射率)＝1+μ。与单个粒子的相互作用产生的平均偏向角与|μ|成比例。这样如果μ随波长变化，则平均偏向角和由此的总偏向角也随之变化。在极端情况下，这可能引起射出光束的在色彩上随射出角而变化。

希望的是，折射率的失配不可太大，也不可太小。几个百分比的值对于大多数应用是可以很好的起作用。如果折射率失配太小，则有必要产生大量的相互作用，以获得即使是很小程度的散射。同样，聚合物基质18与扩散体粒子20之间的色散中的不可避免的差别意味着难以避免平均偏向角随着波长而变化。所有已知材料的折射率随波长而变化。但是，平均偏向角取决于扩散体粒子20与聚合物基质18之间的折射率的小的差别。除非波长的变化是完全相同，折射率的差别将随波长而变化。如果失配是较大的，任何这样的变化的相对效果将较小。

另一方面，如果折射率的失配太大，则与扩散体粒子20的每次单独的相互作用都造成相对大的偏转角。总的偏转角通常是受限制的，以使通过光导10的侧面的损耗最小。因此，对于一个既定的总的偏转角，必须有一个低的轴向粒子数a。但是，低的轴向粒子数可能不提供足够的相互作用，以获得好的混合和最小的不偏向的光。相互作用的更好的随机化，以及因此更好的混合是通过利用大数量的小的相互作用而不是小数量的大的相互作用而获得。同样，如果折射率失配太大，可能存在过多的背射。所有这些权衡的最后结果是，对于一个既定的光导来说，存在一个最佳值μ。几个百分比的折射率失配对于多数应用是适用的。

来自光导10内部的背射通常并不显著。在扩散体粒子20的平均反射系数R是μ²级，因而是很小的。对于m＝1.010的粒子，单个粒子的菲涅耳反射是0.001％级。来自光导10内部的总反射约等于单独扩散体粒子的反射与轴向粒子数的乘积。这样，如果m＝1.010和a＝30，总的背射是0.3％级，这可以被忽略。低背射的这些计算可以通过大量的实验观察在PMMA中的交联PMMA扩散体粒子而被证实。

扩散体粒子20的吸收率通常也不是问题。光通过约一个粒子，因此，对于具有a＝30和33μm直径粒子的光导来说，光穿过扩散体粒子约1mm的厚度。因而，扩散体粒子不必须是十分透明的，以保持吸收性的损耗较小。由于扩散体粒子的吸收，本发明的发光装置的损耗典型地是大大小于1％。

对于既定程度的混合，所要求的轴向粒子数是与系统的长度反相关，即短系统要求较大数量的相互作用，以获得足够的混合。但是，增加轴向粒子数，可增加最大的偏向角，因此增加了通过光导的壁面漏出的小部分光。

因此，参考图3，其中图2与3共同的特征是通过共同的参考数字表示，光导10可由同轴反射器30围绕，这样如光线32的漏出的光，被反射回光导，由光线34表示。同轴反射器30的优选特点取决于与芯12的尺寸相比，光在首次射出芯12的壁面之后所必须平均经过多远的距离。有效的纵横比被定义为(从末端表面15到光线最初射出芯12的壁面的距离)/(芯12的最小横向尺寸)的平均值。图3表示了一个具有有效纵横比约为2.4的系统。

如果有效纵横比大于1，则最好是，同轴反射器30是高度镜面反射的。同轴反射器30的内表面的高度平滑是希望的，因为平滑可增强镜面反射。适度的小角度散射是可以接受的，但较大的背射不是所希望的。吸收应尽可能的低。

同轴反射器30的表面最好是由高反射的金属形成，如银或铝。反射的金属表面可以是大块材料的表面的形式存在，或作为在一个适当支撑的内侧上的膜存在。在另一个实施例中，同轴反射器30是一个多层的介电薄膜。可替代地，光线32的掠入射性质意味着，如玻璃或聚合物的大块电介质，也可用于同轴反射器30。大块电介质同轴反射器30的反射率可通过包括适当的添加物如云母来增强。

随着有效纵横比减小，同轴反射器30的高镜面反射的重要性也倾向于减小。如果比例是相当于或小于1，则散射对镜面反射的一个重要部分对于同轴反射器30是可接受的。

图3表示在聚合物芯12与反射器30之间的一个气隙，但若有需要，也可以被消除。可替代地，气隙也可如希望地以低折射率护套来代替。

一些重新进入光导的光，如光线34，可被散射到一个俘获路径，即由扩散体粒子20来散射。即使光不这样被散射，它也以正确的方向传播。指出的是，射出光导的芯12的光以掠入射遇到反射器30，这样可以使反射系数非常高。因而光导10内由总的内部反射未弹回的光还可用于混合的目的，这是通过被反射回光导的芯12内，并使之沿光导的轴传播有效的距离。含有同轴反射器30的系统的另一个优势是，利用较小的轴向粒子数a，它们可获得一个既定程度的混合，因而比那些没有这样的反射器的装置更紧凑。

参考图4，本发明的发光装置的另一个实施例包括沿光导40的长度具有可变密度的扩散体粒子20的一个光导芯12。图1与4中的相似特点是由同样的参考数字表示。光导40包括一个聚合物芯12，低折射率聚合物覆层14，和如图1所示的一个可选的聚合物护套16。在图4中的光导40的纵向部分上，扩散体粒子20的密度在区域42上有变化，而在区域44上则不存在。当光进入区域42与之接触时，聚合物芯12内通过的光被散射，并且不被散射地通过区域44。具有可变密度的扩散体粒子20的系统的一个优势是，它们可以比具有均匀扩散体粒子密度的系统更紧凑。

应用

本发明的发光装置可用于合并许多类型的光源的输出，因而具有多种应用。一个应用是混合和合并来自同一色彩的光源阵列的输出，以产生在光导的射出孔上在色彩和亮度上更加均匀的输出光。

例如，许多牙齿填料使用光敏牙齿粘合剂，这是利用牙齿枪来在病人口腔中固化，牙齿枪利用一个光导系统来把光源的光传送到填料。为使每个部分被正确地固化，基本上均匀地照射光敏粘合剂是相当重要的。传统上，牙齿枪中的光源可以是单个的白炽灯丝，一个LED阵列或一些其它的方便的光源。传统的牙齿枪利用一种昂贵小光纤的阵列来传送光源的光到填料。已经提出，利用由单个大的光纤制成的光导。但是，已知传统的光纤具有不完美的混合，可能造成具有热点和黑色区域的不均匀输出。

可以设想，本发明的发光装置可用于以可忽略的反射或吸收的损耗将光混合到的均匀性的非常高的程度。

本发明的另一个应用是，使传统光导的输出更均匀。例如，光源可通过传统的光学装置连接到一个光纤或光纤束。已知的系统产生具有射出光束亮度中不合需要的峰值的非均匀输出。通过使用由本发明的光导的部分或全部制成的光导，可以在输出中获得非常高度的色彩与亮度均匀性。可替代地，传统光纤维的输出可作为本发明的发光装置的光源。

本发明的另外一个应用是有效地使用于背面照射LCD的LED阵列的输出均匀化和均质化。利用反射光导的已知系统在获得所要求的具有小体积、高效率和低成本的光的均匀性方面有困难。由本发明的光导制成部分或全部的光导，有可能在输出中获得非常高的色彩与亮度均匀性的一个紧凑系统。

本发明的另一个应用是有效地使作为图像幻灯的光源的LED或小数量的LED的输出均匀化和均质化。已知的扩散体系统是低效的，体积大的。通过由本发明的发光装置制造部分的图像幻灯，有可能获得输出中的非常高的色彩与亮度均匀性的一个紧凑系统。

本发明的发光装置的进一步的应用是，产生迄今利用传统的彩色照明技术非常困难或不可能产生的色彩。例如，可以设想，利用包含不同色彩LED的LED阵列的控制开关可以产生任何色彩。彩色光的不同组合可以由阵列和到光导10的芯12的第一端11的输入来产生。来自不同LED的不同色彩的光线通过在芯内的散射和反射被充分地混合，以从光导的第二端15射出特殊色彩的光。可采用适当控制工具，以单独地控制每个LED的输出。然后如所希望地在整个色域上，可调谐光导的第二端15的光输出。由于上述光导10的特点，在光导的第二端15和远场中，发出的光将具有色彩、亮度和饱和度上最小的变化。结果将是人眼觉察不到的色彩变化和亮度上只有小的渐变的光。

在全部说明中，目的是描述本发明，但不把它限于任何一个实施例或特殊特征的集合。相关领域的技术人员可以实现特定实施例的一些变化，这无疑是在本发明的范围内。

Claims

1、一种发光装置包括：

一个光导，其具有由光传输外壳包围的一个细长的透明芯；

一个或多个光源，其连接到所述光导的第一端；和

在芯内分布的透明的扩散体粒子，以在从所述芯的第一端向所述芯的第二端的基本上正向方向上散射光线；

2、如权利要求1所述的发光装置，其中从芯的第二端发射的光具有人眼不能觉察的色彩变化和亮度中小的渐变。

3、如权利要求2所述的发光装置，其中芯中扩散体粒子的密度和光导的长度可以改变，以获得所述发光中的人眼不能觉察的色彩变化和亮度中小的渐变。

4、如权利要求1所述的发光装置，其中光传输外壳具有比芯更低的折射率。

5、如权利要求1所述的发光装置，其中扩散体粒子的折射率与芯的折射率的比等于1+μ，且μ在所述一个或多个光源的波长范围上具有小的变化。

6、如权利要求5所述的发光装置，其中在所述一个或多个光源的平均波长上|μ|＜0.035。

7、如权利要求5所述的发光装置，其中在589nm的波长上μ＝0.018。

8、如权利要求5所述的发光装置，其中在589nm的波长上μ＝0.011。

9、如权利要求1所述的发光装置，其中扩散体粒子产生以小的角偏差正向传输的光与背射光的一个高比例。

10、如权利要求1所述的发光装置，其中芯中扩散体粒子的密度沿芯的长度改变。

11、如权利要求1所述的发光装置，其中所述光导包括在约6-300的范围内的轴向扩散体粒子数。

12、如权利要求1所述的发光装置，其中所述光导包括在约6-50的范围内的轴向扩散体粒子数。

13、如权利要求1所述的发光装置，其中所述光导包括在约50-300的范围内的轴向扩散体粒子数。

14、如权利要求8所述的发光装置，其中所述轴向扩散体粒子数在约20-40的范围内。

15、如权利要求1所述的发光装置，其中扩散体粒子具有一个充分大于所述一个或多个光源的波长的尺寸。

16、如权利要求1所述的发光装置，其中所述一个或多个光源从LED，白炽光源，放电管，激光，或其它高亮度光源中选择。

17、如权利要求1所述的发光装置，进一步包括控制工具，用于控制所述一个或多个光源在波长范围内的输出。

18、如权利要求15所述的发光装置，其中所述光源是LED阵列的形式。

19、如权利要求15所述的发光装置，其中所述光源是发射红、绿和蓝色光的LED阵列的形式。

20、如权利要求1所述的发光装置，进一步包括控制工具，用于控制所述一个或多个光源在波长范围上的输出，所述一个或多个光源是LED阵列的形式，其中所述LED的相对输出是通过所述控制工具来调节，这样从所述芯的所述第二端发射的所述光在所述一个或多个光源的波长范围上是可调谐的。

21、如权利要求1所述的发光装置，包括至少两个光源，每个所述光源发出具有一个特有的角分布函数的光，其中所有光源的角分布函数是相似的。

22、如权利要求21所述的发光装置，其中所有光源的角分布函数是相同的。

23、如权利要求1所述的发光装置，进一步包括一个同轴反射器，其包围所述光导，以将漏出所述芯的光反射回来，穿过所述芯，射向所述芯的第二端，所述反射光增加了所述光导的发光的输出。

24、如权利要求1所述的发光装置，其中芯是一种聚合物。

25、如权利要求1所述的发光装置，其中芯是玻璃。

26、如权利要求1所述的发光装置，其中外壳是一种低折射率聚合物的覆层。

27、如权利要求26所述的发光装置，其中聚合物是一种含氟聚合物。

28、如权利要求1所述的发光装置，其中外壳是一种气凝胶或低折射率玻璃的覆层。

29、如权利要求1所述的发光装置，其中外壳从：一层水；低折射率液体；空气；其它气体；或真空中选择。

30、如权利要求1所述的发光装置，其中外壳是透明的。

31、如权利要求1所述的发光装置，其中外壳是半透明的。

32、如权利要求1所述的发光装置，其中扩散体粒子是由聚合物制成的。

33、如权利要求32所述的发光装置，其中扩散体粒子是以粒子的形式，这些粒子不会被用于产生聚合物芯的单体混合物熔化。

34、如权利要求32所述的发光装置，其中扩散体粒子是一种交联聚合物，如PMMA或聚苯乙烯。

35、如权利要求24所述的发光装置，其中聚合物芯是通过挤压或喷射模塑形成。

36、如权利要求24所述的发光装置，其中聚合物芯是由非交联PMMA通过挤压或喷射模塑形成，且扩散体粒子是由交联PMMA形成。

37、如权利要求1所述的发光装置，其中扩散体粒子是由透明的非聚合材料制成，如玻璃。

38、如权利要求1所述的发光装置，其中扩散体粒子是球形的。

39、如权利要求1所述的发光装置，其中扩散体粒子从：圆柱的；多面体的；椭圆的；或不对称形状中选择一种。

40、如权利要求1所述的发光装置，其中扩散体粒子具有在5μm到50μm的范围内的一个尺寸。

41、如权利要求1所述的发光装置，其中扩散体粒子具有在25μm到35μm的范围内的一个尺寸。