CN102792196A - 光导调焦设备和方法 - Google Patents

Abstract

用于引导光从非导向的光源进入前向方向并具有需要的角分布的设备和方法。该设备包括锥形光导、前折射器和后反射器。选择光导的楔形角使得光进入光导的入口并退出光导，并且通过前折射器或后反射器导向进入期望的角分布。

Description

光导调焦设备和方法

技术领域

本发明涉及光调焦设备。在此描述的特定实施例涉及被配置为引导光在期望的角分布内的光导。

背景技术

用于操作光的产品的开发已经导致了滤光、分光、衰减光、切换光、合并光和监控光的广泛技术。控制光源的角分布是服务于工业、医疗和科学社团的广泛应用中的重要方面。该例子需要包括公共演出、音乐厅、剧院等的聚光灯、舞台照明，其中通过指引的光控制照明。其他例子包括小的区域的照明，例如可能在牙医和手术过程中需要的照明。

车头灯是特定应用，其中照明的区域由双重需要指示：为驾驶员提供好的道路视觉以及防止对迎面而来的车流产生强光。此外，车头灯通常被设置为符合不同的国家标准。最近，例如发光二极管(LED)照明的技术可以应用于车流照明，其中使用LED照明元件的车头灯现在是可能的。持续地研发例如引导来自车头灯的光的有效方式。

传统的光导向方法包括反射元件，例如位于光源之后的弯曲的镜子，以及折射元件，例如位于光源前面的透镜。这些方法以及与其相关的问题在本领域是公知的。例如，很难在单个焦点定位多个光源，例如双细丝灯泡LED阵列等。

由此对于控制光源的角分布来说需要有效的、节约成本的解决方案。这里公开的设备致力于该需要。

发明内容

这里公开的光导向设备配置为向前引导光具有期望的角分布，所述光导向设备包括至少一个锥形光导和至少一个前折射器。所述锥形光导包括前出耦合表面、后出耦合表面和在所述前出耦合表面和所述后出耦合表面的顶点对向楔形角β的入耦合入口。所述折射器包括后入耦合表面和向前面对的出耦合表面，所述折射器被定位使得折射器的后入耦合表面与光导的前出耦合表面相邻，其间具有中间间隙。所述楔形角β被选择使得入射到所述光导的所述入耦合入口并且从所述光导的前出耦合表面退出的光入射到折射器的后入耦合表面，并且通过所述折射器的前向面对的出耦合表面发射所述光具有所述需要的角分布。

可选地，所述锥形光导通过所述入耦合入口围绕外部轴具有选择对称性。当恰当时，楔形角β的值随着围绕中心轴的角ψ而变化，使得需要的角分布不是对称的。

光导向设备可以还包括至少一个后反射器，配置所述至少一个后反射器使得入射到所述光导的所述入耦合入口并且从所述后耦合表面退出的光向前反射具有所述期望的角分布。可选地，包括光学元件的后反射器被定位为与所述光导的后出耦合表面相邻，所述光学元件被配置为通过完全内部反射引导退出光导的后出耦合表面的光处于所需的角分布内。

在所选的实施例中，中心轴和从入耦合入口到所述前出耦合表面和所述后出耦合表面的顶点延伸的中心线之间的半隙角近似等于通过光导的前出耦合表面限制完全内部反射的临界角。可选地，中心轴和从入耦合入口到所述前出耦合表面和所述后出耦合表面的顶点延伸的中心线之间的半隙角位于(sin^-1(1/n)-β)到(sin^-1(1/n)+β)的范围内，其中n是光导的折射率并且β是楔形角。

光导可以具有圆形水平横截面，其中所述前出耦合表面通常具有由第一圆锥角表征的凹圆锥形。可选地，后出耦合表面具有由第二圆锥角表征的通常截短的凸圆锥形。所述第一圆锥角可以大于所述第二圆锥角。有利地，选择所述第一圆锥角和所述第二圆锥角，使得入射所述光导的所述入耦合入口的光被分布为具有期望的角分布。

可选地，光导向设备还包括至少一个光源。

本发明的另一个方面教导了一种向前引导光具有期望的角分布使用的方法。该方法可以包括：提供光源；提供至少一个锥形光导，所述锥形光导包括前出耦合表面、后出耦合表面和在所述前出耦合表面和所述后出耦合表面的顶点对向楔形角的入耦合入口；定位至少一个折射器，所述折射器包括后入耦合表面和向前面对的出耦合表面，使得折射器的后入耦合表面与光导的前出耦合表面相邻，其间具有中间间隙；以及选择所述楔形角使得入射到所述光导的所述入耦合入口并且从所述光导的前出耦合表面退出的光入射到折射器的后入耦合表面，并且通过所述折射器的前向面对的出耦合表面发射所述光具有所述需要的角分布。

该方法还包括选择中心轴和从光导的入耦合入口到所述前出耦合表面和所述后出耦合表面的顶点延伸的中心线之间的半隙角，使其近似等于通过光导的前出耦合表面限制完全内部反射的临界角。可选地，选择半隙角的步骤包括在(sin^-1(1/n)-β)到(sin^-1(1/n)+β)的范围内选择角，其中n是光导的折射率并且β是楔形角。

该方法还包括提供后反射器，使得退出光导的所述后出耦合表面的光向前反射具有所述期望的角分布。可选地，提供后反射器的步骤包括将光学元件定位为与光导的后出耦合表面相邻并具有中间间隙。

附图说明

为了更好地理解本发明以及显示本发明如何实现，现在纯粹通过示例的方式参考附图。

现在详细地对于附图进行特定参考，在此强调所示的细节通过实例的方式并且仅为了示例性地描述本发明的优选实施例，并且基于提供最有用以及最好理解本发明的宗旨和概念方面的描述的原因进行表述。在这个方面，不以超出本发明的基本理解所需的细节来示出本发明的结构细节。根据参考附图进行的描述，对于本领域普通技术人员显而易见如何具体实施本发明的若干形式。在附图中：

图1表示包括在此所述的示例光导向设备的照明系统的示意性截面图；

图2a表示在光导向设备中使用的锥形光导的示意性片截面图；

图2b表示具有圆形结构的锥形光的示意性顶视图；

图3表示与光导向设备一起使用的可能的后反射器的示意性截面图；

图4表示与光导向设备一起使用的可能的前折射器的示意性截面图；

图5示出图1的照明系统的光线追踪图，示出了光如何通过波导传播并且通过要求的角分布退出；以及

图6示出由照明系统提供的用于照明的可能需要的角分布300；

图7是如这里所述将光引导进入需要的角分布的方法的流程图；

图8a是示出在距模型照明系统一米的距离处在一平方米上照明的仿真变化的图形；以及

图8b是示出对于模型照明系统光强如何随着从中心轴的角度变化的图形。

具体实施方式

下面参考图1示出了包括如这里所述的光导向设备100的照明系统200。照明系统200被配置为产生围绕中心轴X具有特定角分布的照射光束。照明系统200包括通常不导向的光源220和光导向设备100。照射光束发射通过的照明系统200的一侧这里已知为前202，并且相反侧已知为后204。

光导向设备100可以可选地耦合至不同光源220，使得光通过光导向设备并且从前面202出来而被导向。应该知道，除了别的以外，这样的光源220包括发光二极管(LED)、白炽灯丝例如钨光源、气体放电喷燃期例如高浓度放电或氙源等。

光导向设备100包括锥形光导120、前折射器140和后反射器160。应该注意到锥形光导120夹在前折射器140和后反射器160之间，在它们的面间表面之间具有中间气隙130、150。

现在参考图2a和2b，分别以横截面和顶视图示出了锥形光导120的例子。特别参考图2a，横截片示出了耦合至光源220的示例锥形光导120。在恰当时，光源220可以嵌入到光导120中以改善光耦合的效率。锥形光导120具有前出耦合表面122、后出耦合表面124、入耦合入口126以及在前出耦合表面122和后入耦合表面124的交叉处的尖端123。

示例光导120的横截面具有两个叉齿128a、128b，与光源220形成了V形，光源220位于V的顶点129。通过每个叉齿128a、128b的中心从光源220延伸到尖端123的线已知为光导120的中心线。光导的半尖端角α被定义为中心线和中央轴X之间的角。

入耦合入口126在叉齿尖端123对向(subtend)一个角β，已知为楔形角。如下面更详细所述，可以选择楔形角β以提供期望的角分布。

应该理解到尽管如上仅描述了V形横截面，光导的其他例子也可以被看为具有不同的横截面，例如单个楔形叉齿。

现在参考图2b，示例锥形光导120的叉齿尖端123可以描述了围绕中心轴X的圆。由此，锥形光导120的前出耦合表面122描述了凹圆锥，并且后出耦合表面124描述了具有小的间隙的凸截断圆锥。结果，退出示例光源120的光圆锥的角分布可以围绕中心轴X具有均匀的旋转对称性。应该理解到可以根据需要选择其他配置，例如六边形、七边形、八边形光导等。

实际上，当需要光的不对称角分布时，锥形光导120可以具有不显示旋转对称性的其他形状。由此可以提供如下光导：楔形角β作为围绕中心轴的角ψ的函数变化，函数β(ψ)被旋转为适合需要，可能使用本领域公知的光优化技术。

光导向设备100的另一个例子可以包括棱柱光导120，其在延长的长度上具有均匀的横截面。这样的棱柱光导可以用于对由条形光源例如荧光管或LED行所产生的光提供导向。

现在参考图3，表示可以在这里公开的光导向设备100(图1)的例子中使用的示例后反射器160的横截面。示例后反射器160具有入耦合表面162、反射表面164和向前面对的处耦合表面166。

示例后反射器160是发光光学器件，配置为围绕锥形光导120使得它的入耦合表面162邻近光导120的后出耦合表面124，之间具有中间气隙150。由此，在后反射器160的入耦合表面162和中心轴X之间的角度δ近似等于光导120的后出耦合表面124和中心轴X之间的角度。作为该配置的结果，退出光导120的后出耦合表面124的光入射到并且进入后反射器160的入耦合表面162。

选择后反射器160的尺寸，使得进入入耦合表面162的光入射到反射表面164。选择反射表面164和中心轴X之间的角度ε，使得该入射光经受整个内部反射并且被引导出向前面对的出耦合表面166。可以根据后反射器160的折射率选择折射表面166和中心轴之间的角Φ，使得现有的光具有期望的角分布。

尽管上述示例后反射器160是发光光学器件。可以理解到在其他的光导向设备中，后反射器可以包括具有角度的镜子，以将退出光导120的后出耦合表面的光重新引导到期望的角分布。此外，后反射器可以具有反射涂层的表面，允许关于尺寸选择的更大自由度。实际上在恰当时，光导120的后出耦合表面124可以可选地本身涂层有反射材料。

现在参考图4，示出了前折射器140的横截面，其可以用于这里描述的光导向设备100(图1)的示例。示例前折射器140具有入耦合表面142和向前面对的出耦合表面144。

示例前折射器140是发光光学器件，被配置为嵌入到锥形光导120使得情前折射器140的入耦合表面142邻近光导120的前出耦合表面122，之间具有中间气隙130。由此，前折射器140的入耦合表面142和中心轴X中间的角γ近似等于光导120的前出耦合表面122和中心轴X之间的角。作为该配置的结果，退出光导120的前出耦合表面122的光入射到并且进入前折射器140的入耦合表面142。

根据折射率选择前折射器140的尺寸，使得进入入耦合表面142的光被折射出向前面对的出耦合表面144，其具有期望的角分布。

参考图5，示出了照明系统200的光线追踪图，应该知道从不导向的关于220发出的光通过出耦合表面122、124的侧面的一系列完全内部反射通过光导120传播。当光束与出耦合表面122、124的入射角低于临界角时，不再应用完全内部反射的条件并且由此通过前出耦合表面122或后出耦合表面124发射光。

如上所述，这是照明系统200的特定特征，通过前出耦合表面122发射的光巾帼前折射器140并且通过后出耦合表面124发射的光经过后反射器160。由此光线追踪技术可以用于选择角α、β、γ、δ、ε、Φ，使得退出光导向设备100的光具有期望的角分布。

示例光导向设备100通常具有圆形横截面，使得角α、β、γ、δ、ε、Φ是均匀的圆锥角。应该理解到在此使用的术语圆锥、圆锥形等指的是与几何学定义的圆锥具有变形的形状。例如，其他光导向设备可以具有基于多边形的金字塔形状，并且可以具有特别接近于圆锥顶点或接近截断部分的局部变形。此外，当需要时，角α、β、γ、δ、ε、Φ可以随着围绕中心轴X(图2b)的角ψ变化，使得可以实现具有不对称角分布的各种照明域。

为了更好地示出在此描述的光导向设备100的使用，下面的模型表示说明在设备的角度和尺寸的选择中使用的一组可能的假设和估计。现在参考图6，示出了照明的可能期望的角分布300，其可以由包括示例光导向设备100的照明系统200提供。

角θ是退出光导向设备100的光的角分布的半峰全宽(FWHM)。应该理解到θ的值越小，照明越集中。

一个有用的近似是根据线性关系将FWHM与楔形角β(图2a)相关联：

θ～nβ                           (1)

其中n是光导120的折射率。

等式(1)暗示了楔形角β越小，退出光导向设备100的光越集中。

另一个近似涉及光导120的半隙角α(图2a)。角α确定发送到前折射器140的光的总的方向。为了实现高度集中的光，可以选择半隙角使得从光导120到前折射器140发送的光的方向近似平行于中心轴X。可以通过选择半隙角α近似等于限值总的内部反射的临界角来如下实现这样的配置：

α≈sin^-1(1/n)               (2)

其中n是光导120的折射率。

为了补偿菲涅耳反射和折射率中的变化，半隙角α的值可以被选择为位于下面的限值之间：

sin^-1(1/n)-β＜α＜sin^-1(1/n)+β      (3)

其中n是光导120的折射率并且β是楔形角(图2a)。

前折射器140的入耦合表面142和中心轴X之间的角γ近似等于光导120的前出耦合表面122和中心轴X之间的角。根据如下关系可以示出这个角γ与楔形角β和半隙角α相关：

γ≈α+β/2                          (4)

应该知道可以允许若干度的变化用于改善的机械适配并减小菲涅耳反射。

类似地，后反射器160的入耦合表面162和中心轴X之间的角δ近似等于光导120的后出耦合表面124和中心轴X之间的角。可以示出根据如下关系角δ与楔形角β和半隙角α相关联：

δ≈α-β/2                         (5)

现在参考图7的流程图，表示了用于导向具有需要的角分布的光的仿佛。该方法包括如下步骤：提供光源701；提供具有入耦合入口、前出耦合表面和后出耦合表面的锥形光导702；定位前折射器邻近于光导的前出耦合表面703；选择楔形角β使得入射到光导的入耦合入口并且从前向出耦合表面退出的光入射到折射器的后入耦合表面，并且光发射通过折射器的向前面对的出耦合表面并具有需要的角分布704；配置后反射器以反射具有需要的角分布退出后出耦合表面的光705；并且将光源耦合到光导的入耦合入口706。

下面参考图8a和8b示出仿真模型照明系统的选择结果。使用2mm之间发光二极管(LED)光源(具有145流明的光通量)和这里描述的光导向系统的光学工程软件LightTools

运行仿真。

特别参考图8a，以勒克斯为单位的照明变化表示在距照明系统一米的位置处一平方米面积内。显而易见光导向设备成功地引导光向前接近中心轴X。角分布表示在图8b中，其示出了以烛光为单位的照明强度和距向前中心轴X的角之间关系的图形。

本发明的范围由所附权利要求限定，并且包括如上所述的各种特征及其本领域普通技术人员通过读取前述说明而能跟进行的变化和修改的组合和子组合。

在权利要求中，词“包括”指示所列的元件包括在内，但是通常不排除其他元件。

Claims (17)

1.一种光导向设备，配置为以期望的角分布向前引导光，所述光导向设备包括至少一个锥形光导和至少一个前折射器，其中，

所述锥形光导包括前出耦合表面、后出耦合表面和在所述前出耦合表面和所述后出耦合表面的顶点对向楔形角β的入耦合入口；

所述折射器包括后入耦合表面和向前面对的出耦合表面，所述折射器被定位使得折射器的后入耦合表面与光导的前出耦合表面相邻，其间具有中间间隙；以及

所述楔形角β被选择使得入射到所述光导的所述入耦合入口并且从所述光导的前出耦合表面退出的光入射到折射器的后入耦合表面，并且这些光通过所述折射器的前向面对的出耦合表面以所述期望的角分布发射出。

2.根据权利要求1所述的光导向设备，所述锥形光导通过所述入耦合入口围绕外部轴具有选择对称性。

3.根据权利要求1所述的光导向设备，其中楔形角β的值随着围绕中心轴的角ψ而变化，使得期望的角分布不是对称的。

4.根据权利要求1到3中任一项所述的光导向设备，还包括至少一个后反射器，配置所述至少一个后反射器使得入射到所述光导的所述入耦合入口并且从所述后耦合表面退出的光向前反射具有所述期望的角分布。

5.根据权利要求4所述的光导向设备，所述后反射器包括与所述光导的后出耦合表面相邻的光学元件，所述光学元件被配置为通过完全内部反射引导退出光导的后出耦合表面的光处于所述期望的角分布内。

6.根据权利要求1到5中任一项所述的光导向设备，其中，中心轴和从入耦合入口到所述前出耦合表面和所述后出耦合表面的顶点延伸的中心线之间的半隙角近似等于通过光导的前出耦合表面限制的完全内部反射的临界角。

7.根据权利要求1到6中任一项所述的光导向设备，其中，中心轴和从入耦合入口到所述前出耦合表面和所述后出耦合表面的顶点延伸的中心线之间的半隙角位于(sin^-1(1/n)-β)到(sin^-1(1/n)+β)的范围内，其中n是光导的折射率并且β是楔形角。

8.根据权利要求1到7中任一项所述的光导向设备，其中，所述光导具有圆形水平横截面，其中所述前出耦合表面通常具有由第一圆锥角表征的凹圆锥形。

9.根据权利要求8所述的光导向设备，其中所述后出耦合表面具有由第二圆锥角表征的通常截短的凸圆锥形。

10.根据权利要求9所述的光导向设备，其中所述第一圆锥角大于所述第二圆锥角。

11.根据权利要求9或10所述的光导向设备，其中选择所述第一圆锥角和所述第二圆锥角，使得入射所述光导的所述入耦合入口的光被分布为具有期望的角分布。

12.根据权利要求1到11中任一项所述的光导向设备，还包括至少一个光源。

13.一种以期望的角分布使用向前引导光的方法，包括：

提供光源，

提供至少一个锥形光导，所述锥形光导包括前出耦合表面、后出耦合表面和在所述前出耦合表面和所述后出耦合表面的顶点对向楔形角的入耦合入口；

定位至少一个折射器，所述折射器包括后入耦合表面和向前面对的出耦合表面，使得折射器的后入耦合表面与光导的前出耦合表面相邻，其间具有中间间隙；以及

选择所述楔形角使得入射到所述光导的所述入耦合入口并且从所述光导的前出耦合表面退出的光入射到折射器的后入耦合表面，并且通过所述折射器的前向面对的出耦合表面发射所述光具有所述需要的角分布。

14.根据权利要求13所述的方法，还包括：

选择中心轴和从光导的入耦合入口到所述前出耦合表面和所述后出耦合表面的顶点延伸的中心线之间的半隙角，使其近似等于通过光导的前出耦合表面限制完全内部反射的临界角。

15.根据权利要求14所述的方法，其中选择半隙角的步骤包括：

在(sin^-1(1/n)-β)到(sin^-1(1/n)+β)的范围内选择角，其中n是光导的折射率并且β是楔形角。

16.根据权利要求13所述的方法，还包括：

提供后反射器，使得退出光导的所述后出耦合表面的光向前反射具有所述期望的角分布。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，提供后反射器的步骤包括：

将光学元件定位为与光导的后出耦合表面相邻并具有中间间隙。

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