CN102246069A - 用于混合光的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于混合光的装置。更具体地，本发明涉及用于混合光的装置(100)，该装置包括至少两个光源，其中第一光源(101)发射第一波长的光，并且第二光源(102)发射第二波长的光；并且该装置进一步包括至少一个光导(103)，该光导具有用于光的输出耦合的衍射光栅(104)以及针对该至少两个光源的每个光源的用于光的输入耦合的小平面，由此第一小平面(105)适合于将第一波长的光耦合进入至少一个光导(103)中，以及第二小平面(106)适合于将第二波长的光耦合进入至少一个光导(103)中。

Description

用于混合光的装置

技术领域

本发明涉及用于混合光的装置。

背景技术

存在各种方式将来自不同颜色的光源(例如红色(R)LED、绿色(G)LED和蓝色(B)LED)的光混合以形成白光或者期望颜色的光。光导用来混合和引导由各种照明方案中的光源发射的光。通过在光导的表面上具有表面凹凸结构(如衍射光栅)，可以在表面处提取在光导结构中传输和反射的光以获得照明图案。不同颜色的提取的光(即输出耦合的光)的衍射效率决定感知的经混合的光的质量或者颜色。衍射效率是表达从衍射的光中获得的能量关于入射光的能量的程度的值。

由衍射光栅衍射的光的衍射角由光栅定律确定：mλ/Λ＝n₀ sinθ_out-n_g sinθ_g，其中m是衍射级，λ是光波长，Λ是光栅周期，n_g和n₀分别是光导的折射率和外部介质的折射率，并且θ_g和θ_out分别是关于光导内部的光和光导外部的光的表面法线的角度。为了发生光的全内反射(即当反射光束的第0阶被全内反射反射时)，则应当满足条件：θ_c＜θ_g＜90°，其中θ_c＝a sin(n₀/n_g)是全内反射的临界角。

US20050259939公开了包括超薄光导层和多层应用的光导。光导元件具有类似于光源高度的厚度。另外，在光导元件包括多个光导层的情况中，通常建议输入耦合(incoupling)可以在层中间变化。

利用用于混合光的传统装置，存在的风险是光导中的反射损耗导致的太低的衍射效率或者不同波长的光之间的衍射效率的不平衡影响输出耦合(outcoupling)的光的质量，其与期望颜色不对应。

发明内容

鉴于以上，期望提供具有提高的衍射效率的用于混合光的装置。

根据本发明的一方面，提供了用于混合光的装置，该装置包括至少两个光源，其中第一光源发射第一波长的光，并且第二光源发射第二波长的光。用于混合光的装置进一步包括至少一个光导，该光导具有用于光的输出耦合的衍射光栅和针对至少两个光源中的每个光源的用于光的输入耦合的小平面(facet)，由此第一小平面适于将第一波长的光耦合进入至少一个光导中，并且第二小平面适于将第二波长的光耦合进入至少一个光导中。不同波长的光通过独立的小平面进入光导，此后在光导中发生多次反射。通过针对每个波长具有各自的光输入耦合小平面可以在光导中针对每个波长优化反射条件(例如，最小化反射损耗)，从而利用该用于混合光的装置获得提高的衍射效率。可以使用一个或者多个光导，每个光导具有针对每个波长的光输入耦合小平面。通过将光导的表面处的光衍射到周围介质(例如空气)的衍射光栅提供光的输出耦合或者光的提取。

在本发明的实施方式中，关于至少一个光导成角度地安装第一小平面和第二小平面，其中第一小平面的第一角度可以与第一波长在至少一个波导中的全内反射的角度相对应，并且第二小平面的第二角度可以与第二波长在至少一个波导中的全内反射的角度相对应。每个小平面关于例如光导在其中延伸的平面具有角度，该平面可以与光提取表面和/或者衍射光栅平行。小平面的角度由针对进入该小平面的光的特定波长在光导中的全内反射(TIR)条件决定。当光在TIR条件中进入光导时，这允许在衍射光栅内提取全部的光量。在光在小平面处的任意(非TIR)角度输入耦合情况中，呈现光的非衍射阶，即第零阶，并且这个光将不会在光导中传播并且将会被损耗。根据本发明可以最小化反射损耗(例如菲尼尔反射损耗)。

在本发明的实施方式中，第一光源和第二光源可以将光发射进入独立的光导中，使得第一光导引导第一波长的光，并且第二光导引导第二波长的光。通过针对每个光源和波长具有独立的光导，可以针对每个波长调整光导参数，并且可以确保针对每个波长的最大衍射效率的重叠范围，以提供期望颜色的均匀光。重叠范围可以解释为衍射角的范围，在该范围中针对每个波长获得最大衍射效率。

在本发明的实施方式中，第一光导和第二光导可以在由空气间隔隔开的两个平行平面中延伸。通过具有平行平面，提供了光混合装置的紧凑设计，并且光导之间的空气间隔确保了可以满足TIR条件。可以使用除了空气之外的另一介质，前提是该介质的折射率允许在光导中的TIR。在本发明的实施方式中，用于混合光的装置可以进一步包括第三光源，其中第一光源、第二光源和第三光源各自发射与红光、绿光或者蓝光中任何一者对应的波长。因此，第一光源可以发射红光、绿光或者蓝光，并且对第二光源和第三光源也是如此。可以使用附加光源，每个附加光源具有它们特定的波长。

在本发明的实施方式中，用于混合光的装置可以包括与至少一个光导平行地定位的反射体。通过具有诸如镜子之类的反射体，光可以仅在一个期望的方向上被反射。可以使用多于一个的反射体。

在本发明的实施方式中，三个光导可以在彼此平行的三个平面中延伸，其中反射体可以最接近第三光导，并且第三光导引导红光，第二光导引导绿光，而第一光导引导蓝光，其中第二光导定位在第一光导和第三光导之间。光导在三个平行平面中延伸应当被解释成第一光导的光提取表面与第二光导和第三光导的光提取表面平行。通过具有这种顺序的光导，获得了光的有效输出耦合，以用于获得期望颜色的光提取。光输出耦合的效率应当被解释为衍射效率。

在本发明的实施方式中，光导的厚度、衍射光栅周期或者衍射光栅深度或者这些的任意组合可以被适配，使得针对所有波长光输出耦合的效率在一定范围内。通过适配以上提到的参数，可以针对所有波长获得相同的输出耦合效率以用于产生期望颜色的光。

在本发明的实施方式中，第一波长的光可以经准直以与第一小平面的表面法线平行地进入第一小平面，并且第二波长的光可以经准直以与第二小平面的表面法线平行地进入第二小平面。通过准直使光以与小平面的表面法线平行的方向进入小平面可以最小化反射损耗。如果光在TIR条件中进入光导，可以由衍射光栅提取全部的入射光量。由于针对每个波长的这样的光的输入耦合，可以针对这些波长中的每个波长最小化反射损耗。

在本发明的实施方式中，第一光导的衍射光栅可以限定关于第二光导的衍射光栅的偏移角。通过具有光栅之间的偏移角，并且光导具有相似的配置，光源可以关于彼此移位，以用于提供更紧凑的设计和/或者避免光源干涉。

在本发明的实施方式中，衍射光栅可以覆盖至少一个光导的至少一个光输出耦合表面。可以在光导的一侧、两侧或者更多侧上提供光栅以用于光提取。多于一个光栅可以提供更有效的光输出耦合。

在本发明的实施方式中，至少两个光源是LED。可以使用例如灯泡的任何其他光源。

在本发明的实施方式中，由衍射光栅输出耦合的光是白色的。如果光源发射R光、G光和B光，则从光导发射的混合的光是白光，因为每个颜色的衍射效率在一定范围内，即在光衍射的期望角度范围内重叠。通过衍射光栅可以提取任何期望颜色的光。

根据并且关于此后描述阐明的实施方式，本发明的这些和其他方面将会明显。通常，除非在此另外明确限定，否则权利要求中使用的所有术语应当根据它们在本领域中的普通含义进行解释。除非另外明确陈述，所有提及“一个/所述元件、装置、组件、手段、步骤等”之处将开放地解释成涉及所述元件、装置、组件、手段或者步骤等中的至少一个实例。

附图说明

关于附随附图，从目前优选实施方式的以下详细描述，本发明的其他特征和优点将会变得明显，其中：

图1示出了用于混合光的装置的示例。

图2示出了用于混合光的装置的另一示例。

图3示出了根据第一实施方式的用于混合光的装置的部分。

图4示出了根据第二实施方式的用于混合光的装置的部分。

具体实施方式

现在此后将关于附随附图更全面地描述本发明，在附图中示出了本发明的某些实施方式。然而，本发明可以体现为许多不同形式，并且不应当被解释成限于在此陈述的实施方式；相反，通过示例提供这些实施方式以使本公开深刻而完整，并且这些实施方式向本领域技术人员全面地传达了本发明的范围。相似的标记通篇指代相似的元件。

一般而言，本发明涉及用于混合光的装置。

图1中示出了在本发明的一个实施方式中的示意图，示出具有光导103的用于混合光的装置100，在光导103的表面上具有用于光的输出耦合的衍射光栅104，并且该装置具有发射不同波长的光的光源101、光源102、光源109、光源110。第一光源101发射特定波长的光，并且对于剩余光源也是相应如此。光导103包括与由光源101、光源102、光源109、光源110发射的光的每个波长相对应的小平面105、小平面106、小平面113、小平面114。即，第一小平面105将第一光源101的光耦合进入光导103中，于是光在光导103内部重复地被反射。相似地，第二小平面106将第二光源102的光引导进入光导103中，并且在光导103中将会发生来自多个光源的光的后续反射。光导103的衍射光栅104将光源101、光源102、光源109、光源110的光(每个具有它们特定的波长)衍射到光导103外部的介质。光导103中的每个反射可能导致不想要的光损耗，这降低了到外部介质的输出耦合效率。光的反射特性和损耗依赖于光的波长，因此通过具有各自光输入耦合小平面105、小平面106、小平面113和小平面114，针对光源101、光源102、光源109以及光源110中的每个光源可以避免损耗。

第一小平面105具有关于光导103的平面115的角度(称为第一角度107)，该平面115与限定光提取平面的衍射光栅104平行。第一小平面105将来自第一光源101(发射第一波长的光)的光耦合进入光导103中。第一角度107与针对第一波长在光导103内的全内反射(TIR)的角度相对应。针对TIR的角度应当解释为满足条件：θ_c＜θ_g＜90°的角度θ_g，其中θ_c是临界角，在该临界角处，针对特定波长的TIR条件开始在该角度范围中，因此对于在θ_c和90°之间的角度的范围发生TIR。图3示出了根据图1中的实施方式的示例，其中第一角度107与针对在光导103中的TIR的角度302(θ_g)相对应，使得主方向301(与第一小平面105的表面法线平行)与由针对TIR的角度302(θ_g)描述的方向平行。相似地，第二小平面106具有关于光导103的平面115的角度(称为第二角度108)，并且第二小平面106将来自第二光源102(发射第二波长的光)的光耦合进入光导103中。第二角度108与针对第二波长在光导103内全内反射(TIR)的角度对应，如果光源101和光源102发射不同波长的光，则第二角度108可以与第一角度107不同。因此由于小平面角度的各自配置，可以满足针对两个光源的全内反射条件。在图1中示出了更多光源109、光源110，这些光源具有它们相应的小平面113和小平面114，分别用于在角度111(在示例性实施方式中针对两个光源相同，说明光源109和光源110的波长相等)处的光的输入耦合。可以使用具有不同波长的光源和在与针对这些波长在光导103中的全内反射的条件相对应的角度处的各自小平面。光以TIR条件进入光导103的结果是利用衍射光栅104可以提取全部的光量。这是因为发生了与衍射光栅104的多个反弹(bounce)或者交互作用。如果说对于单个交互作用衍射效率不是最大(并且从来都不是最大)，则多个交互作用终究确保了获得高衍射效率。

为了满足TIR条件，具有较小θ_c并且由此具有较大n_g是有利的。在实践中，具有n_g＝1.58的聚碳酸酯是适当的材料，但是也可以使用PMMA(n_g＝1.49)或者玻璃(n_g＝1.5)。在这样的光导配置中，保留了角度照明分布。

在图1中，由第一光源101发射的第一波长的光经准直，以在与第一小平面105的表面法线平行的方向上进入第一小平面105。因此，光进入的方向与由在图3中针对TIR条件示出的角度302(θ_g)描述的方向平行。光源101、光源102、光源109和光源110中的每个光源在与它们各自光输入耦合小平面105、小平面106、小平面113和小平面114平行的方向上发射光，并且可以针对它们中的每个满足TIR条件以获得需要的输出耦合效率。

光源可以具有与红(R)光、蓝(B)光以及绿(G)光对应的波长。在图1中的实施方式中的光源根据此实现方式标注，其中第一光源101发射蓝光，第二光源102发射红光，并且第三光源109和第四光源110两者都发射绿光。因此，红光、绿光和蓝光在光导103中被多个TIR反射所反射，并且光由衍射光栅104输出耦合以产生白光。光源可以是发光二极管(LED)或者适合于发射光进入光导103中的任何其他光源。

三种颜色的输出耦合效率变化，导致针对短波长的优选的输出耦合，由于在较短波长处在光导103中较大数目的反弹这种效应将会增强。如将关于下一实施方式讨论的，原则上存在若干方式来改变输出耦合效率，例如通过变化衍射光栅104的周期、深度和形状，衍射光栅104的覆盖范围或者光导103的厚度，或者通过变化影响输出耦合效率的其他参数。输出耦合效率可以被解释为衍射效率。可以优化光导103的厚度以获得最大衍射效率，例如250nm的光导厚度可以导致针对所有颜色的最大衍射效率。对于蓝光可以发生二阶衍射。利用光栅的形状的适当设计，可以最小化该二阶衍射的强度。

可以与光导103平行地放置反射体112。在反射体112方向上发射的光将会被反射到相反方向上，并且在衍射光栅104处提取的所有光将会被引导到关于反射体112的、光导103的相对侧。依赖于光发射的期望方向，反射体112可以关于光导103沿着其他方向放置。

衍射光栅104可以覆盖光导103的两侧(如图1中所图示)。可以使用仅一个衍射光栅104或者若干衍射光栅。可以利用相对低成本的压纹工艺将衍射光栅压纹在光导上。

具有输出耦合的光在θ_out＝0°左右的对称分布是有利的。以下分别针对红色(R)LED、绿色(G)LED和蓝色(B)LED(三个LED分别发射在λ＝630nm，λ＝530nm和λ＝470nm左右的光)呈现了图示小平面角度配置的示例。期望针对-1阶(m＝-1)的高输出耦合效率。如果光栅周期在440nm＜Λ＜470nm范围中，可以针对所有颜色都满足条件θ_c＜θ_g＜90°。在这种情况中，输出耦合光束是窄的，例如，-2.5°＜θ_out＜2.5°。在将入射光束引导到输入耦合小平面之前，由准直光学器件对其进行准直，在这个情况中，准直可以为对于R为±5.5°，对于G为±3.7°并且对于B为±3.3°，这可以通过使用如透镜和(抛物面)镜子的标准准直光学器件来实现。在这个情况中，关于光导的顶表面和底表面的小平面角度对于R为62°，对于G为48°并且对于B为41°，以便使光在TIR条件中进入光导。如果允许偏离法线角度分布，则能够获得较宽光束。例如，利用Λ＝580nm的光栅，使用对于R为±9.7°，对于G为±7.3°并且对于B为±6.7°的输入发散，可以在11°＜θ_out＜21°范围内，获得±5.0°的光栅发散。在这个情况中，关于光导顶表面和底表面的小平面角度对于R为60°，对于G为49°并且对于B为44°。如果期望，则可以使用棱镜重定向箔以获得更对称的分布。另外，在以上示例中仅考虑了在附图平面中的光的角度分布。在与该表面垂直那个的方向上的发散可以基本上与入射光束的发散相等。

图2中示出了本发明的第二实施方式的示意图。在用于混合光的装置200的这个示例性实施方式中，角度输出范围可以比在图1中示出的第一实施方式的角度输出范围更大，并且可以避免蓝光中的二阶衍射。在图2中，第一光源204和第二光源205分别发射光进入独立的光导中，使得第一光导201引导第一波长的光，并且第二光导202引导第二波长的光。还呈现了第三光源206和它的相应的光导203。小平面210、小平面211和小平面212分别将光源204、光源205和光源206的光耦合进入光导201、光导202和光导203中。如在图1中描述的实施方式一样，每个特定小平面具有与针对进入特定小平面的光在光导中的TIR的角度相对应的角度。小平面210具有用于将来自光源204的光输入耦合进入光导201中的角度213。光经准直以便在与小平面210的表面法线平行的方向上进入小平面210。因为小平面210的角度213与光(例如蓝光)的TIR角度对应，所以可以由衍射光栅207提取全部的光量。同样，小平面211和小平面212分别具有用于将来自光源205和光源206的光输入耦合进入光导202和光导203的角度214和角度215。衍射光栅207的配置可以分别与光导202和光导203的衍射光栅208和衍射光栅209的配置不同。光栅207、光栅208和光栅209的参数因此可以与光源204、光源205和光源206的每个光源不同以用于独立地改变波长的衍射效率。在图2的实施方式中，呈现了红色(R)光源、绿色(G)光源以及蓝色(B)光源。例如，可以选择针对B的Λ，使得对于最小的期望θ_out，θ_g＝θ_c。然后可以选择针对其他颜色的衍射光栅的周期使得覆盖相同角度范围。例如，当优化针对每个波长的光栅周期时，例如对于R，Λ＝580nm，对于G，Λ＝488nm，并且对于B，Λ＝432nm时，关于衍射效率，可以在角度范围-10°＜θ_out＜10°内获得针对所有颜色的恒定效率。存在若干选择使得针对所有颜色效率相等(或者在一定范围内)；即，可以变化光栅深度和形状、光栅覆盖范围和/或光导厚度。改变光栅深度对-1阶衍射效率有影响。例如，针对R的光导203的厚度240nm，针对G的光导202的厚度200nm，以及针对B的光导201的厚度190nm可以针对所有三种颜色给出0.25的衍射效率。在实践中，可以选择光导的其他厚度以补偿其他效应，如针对不同颜色的反弹的数目不同。以上提到的影响输出耦合效率的选项，即光栅深度和形状，光栅覆盖范围以及光导厚度，也可以使用来确保光导的表面区域上均匀的光分布。为这个目的，尤其是光栅覆盖范围可以在根据以上的两个实施方式中变化。在这个情况中，光导上的特定区域可以未由衍射光栅覆盖，并且光栅覆盖范围可以被适配以获得均匀照明。

可以影响输出耦合光的强度的另一效应是衍射光由其他光栅的衍射。在图2的配置中，光导203、光导202和光导201之间的顺序对于颜色R、G和B分别是最佳的，在这种情况中，中间(G)光导202传输84％的R光，上部(B)光导202传输90％的R光以及79％的G光。所有其他安置可能效率较低。

可以与光导201、202和光导203平行地放置反射体217。在反射体217的方向上发射的光将会被反射成相反方向。衍射光栅207、衍射光栅208、衍射光栅209可以覆盖每个光导的一侧或者两侧。

光导201、光导202和光导203彼此平行放置。这将会导致用于混合光的装置200的最紧凑设计，但是光导201、光导202和光导203的其他配置也是可能的。光导201、光导202和光导203通过间隔216分离开，在间隔216中存在适当衍射率的介质(例如空气)以在以上提到的光导中获得TIR。

图4示出在以上图2中的光导201、光导202和它们相应的光输入耦合小平面210和小平面211。如在图4中图示的，可以选择光导201和光导202的配置使得光栅在与图2中的附图的平面垂直的方向上成角度401，例如诸如90°或者120°的角度。光导203也可以关于光导201、光导202的成角度。这样的配置的优点可以是用于混合光的装置可以紧凑，这是由于用于将光引导到小平面210和小平面211的光源可以放置成彼此远离。

虽然已经结合特定实施方式对本发明进行了描述，但是应当理解，本领域技术人员可以做出各种修正、修改和适应而不脱离所要求的范围。

Claims (13)

1.一种用于混合光的装置(100，200)，包括：

-至少两个光源，其中第一光源(101，204)发射第一波长的光，并且第二光源(102，206)发射第二波长的光，

-至少一个光导(103，201，202，203)，具有用于光的输出耦合的衍射光栅(104，207，208，209)，其特征在于；

-所述至少一个光导包括针对所述至少两个光源中的每个光源的用于光的输入耦合的小平面(105，106，113，114，210，211，212)，由此

-第一小平面(105，210)适合于将所述第一波长的光耦合进入所述至少一个光导中，以及

-第二小平面(106，211)适合于将所述第二波长的光耦合进入所述至少一个光导中。

2.根据权利要求1所述的用于混合光的装置，其中关于所述至少一个光导成角度地安装所述第一小平面和所述第二小平面，其中

-所述第一小平面的第一角度(107，213)与针对所述第一波长在所述至少一个光导中的全内反射的角度相对应，

-所述第二小平面的第二角度(108，214)与针对所述第二波长在所述至少一个光导中的全内反射的角度相对应。

3.根据权利要求1所述的用于混合光的装置，其中所述第一光源和所述第二光源将光发射进入独立的光导中，使得第一光导(201)引导所述第一波长的光，并且第二光导(202)引导所述第二波长的光。

4.根据权利要求3所述的用于混合光的装置，其中所述第一光导和所述第二光导在由空气间隔(216)隔开的两个平行平面中延伸。

5.根据权利要求1所述的用于混合光的装置，进一步包括第三光源(109，110，205)，其中所述第一光源、第二光源和第三光源各自发射与红光、绿光或者蓝光中任何一个相对应的波长。

6.根据权利要求1所述的用于混合光的装置，包括与所述至少一个光导平行地定位的反射体(112，217)。

7.根据权利要求3、权利要求4或者权利要求5所述的用于混合光的装置，其中三个光导在彼此平行的三个平面中延伸，进一步包括与所述光导平行地定位的反射体(217)，所述反射体最接近第三光导，所述第三光导引导红光，所述第二光导引导绿光，所述第一光导引导蓝光，其中所述第二光导定位在所述第一光导和所述第三光导之间。

8.根据权利要求1所述的用于混合光的装置，其中所述至少一个光导的厚度、衍射光栅周期、或者衍射光栅深度或者这些的任意组合被适配使得光输出耦合的效率针对所有波长在一定范围内。

9.根据权利要求1所述的用于混合光的装置，其中所述第一波长的光经准直与所述第一小平面的表面法线平行地进入所述第一小平面，并且所述第二波长的光经准直与所述第二小平面的表面法线平行地进入所述第二小平面。

10.根据权利要求3所述的用于混合光的装置，其中所述第一光导的衍射光栅限定关于所述第二光导的所述衍射光栅的偏移角。

11.根据权利要求1所述的用于混合光的装置，其中所述衍射光栅覆盖所述至少一个光导的所述至少一个光输出耦合表面。

12.根据权利要求1所述的用于混合光的装置，其中所述至少两个光源是LED。

13.根据权利要求1所述的用于混合光的装置，其中所述由所述衍射光栅输出耦合的光是白色的。

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