具有提高的输出亮度的用于发光设备的光耦合器

摘要

本文描述了一种光源，其中由诸如LED等固态发光设备所发出的光被耦合到诸如光纤等光学波导中。高反射性耦合器(反射器)布置在LED以及所述波导邻近该LED的部分周围。由该LED发出的、落在该波导的数值孔径之外的光漏出该波导，但由反射器反射回波导。反射的光由LED或该LED安装在其上的基底重新反射或散射，落在波导的数值孔径内的被重新反射的或散射的光被耦合到该波导中。因此，提高了光耦合效率，并增大了光纤另一端处的光输出亮度。

说明书

发明背景

发明领域

本发明涉及光源，尤其是涉及使用固态发光设备的光源。

相关领域的描述

与传统光源例如高压汞灯、氙灯或金属卤化物灯比较，固态光源例如发光二极管(LED)表现出较长的寿命、较低的功率消耗、易控制的波长和其它益处。这些固态光源日益变成对各种应用的备选或甚至优选的选择，这些应用包括图像投影例如背投影TV(RPTV)或前投影仪、运输交通工具例如汽车、摩托车、船和飞机的前灯或照明灯，等等。对光源的一个重要的要求是同时提供高亮度和高功率输出。

在很多应用中，由发光设备例如LED发射的光被耦合到波导或光纤中，以传输到离发光设备遥远的位置。光源的亮度和功率输出常常被光耦合效率限制，来自发光设备例如LED的光以该耦合效率进入波导或光纤中。在图1所示的一个传统设备中，来自LED芯片12的光通过将光纤14端面放置在LED顶部上而耦合到该光纤中。LED一般在所有方向发射。使用图1所示的耦合结构，以在光纤的数值孔径之外的角度发射的LED光被永久地失去。因此，例如，如果光纤的数值孔径(NA)为大约0.5，则耦合效率将为大约25％(NA²)。

发明内容

本发明目的在于实质上避免由于相关技术的限制和缺点引起的一个或多个问题的光源。

本发明的目的是提供具有提高的输出亮度的光源。

本发明的目的是提供一种耦合装置和方法，用于以提高的光耦合效率从发光设备收集光。

本发明的另外的特征和优点将在接下来的描述中被阐述并从描述中将部分地明显，或可通过本发明的实践被认识到。本发明的目的和其它优点通过在书面描述和其权利要求以及附图中特别指出的结构来实现和达到。

为了实现根据本发明的目的的这些和其它优点，如所体现和广泛描述的，本发明提供了一种光源，其包括：基底；发光设备，其布置在基底上用于发射光；波导，其布置在发光设备以上并邻近发光设备，用于收集发光设备所发射的光；反射器，其布置在所述波导邻近发光设备的部分周围；以及一种或多种光学介质，其布置在基底、波导和反射器之间的空间中，其中波导具有高于所述一种或多种光学介质的折射率的折射率。

在另一方面，本发明提供了用于从发光设备收集光的耦合设备，其包括：波导，其布置在发光设备以上并邻近发光设备，用于收集发光设备所发射的光；反射器，其布置在所述波导邻近发光设备的部分周围；以及一种或多种光学介质，其布置在波导和反射器之间的空间中，其中波导具有高于所述一种或多种光学介质的折射率的折射率。

在又一方面，本发明提供了用于将发光设备所发射的光耦合到波导中的方法，其包括步骤：将波导的端面定位成邻近发光设备以接收发光设备所发射的光；以及在波导邻近发光设备的部分周围设置反射器以将漏出该部分波导的光反射回波导。

应理解，前述一般描述和下面的详细描述是示例性和解释性的，且用来提供对所主张的发明的进一步的解释。

附图的简要说明

图1示出现有技术光源，其中发光设备所发射的光被直接耦合到光纤中。

图2a和2b示出根据本发明的第一实施方式使用反射耦合设备用于将来自发光设备的光耦合到波导中的光源。

图3a和3b示出根据本发明的第二实施方式使用反射耦合设备用于将来自发光设备的光耦合到波导中的光源。

图4示出根据本发明的第三实施方式使用反射耦合设备用于将来自发光设备的光耦合到波导中的光源。

图5示出根据本发明的第四实施方式使用反射耦合设备用于将来自发光设备的光耦合到波导中的光源。

图6示出根据本发明的第五实施方式使用反射耦合设备用于将来自发光设备的光耦合到波导中的光源。

优选实施方式的详细描述

本发明的实施方式提供了一种光源，其中发光设备所发射的光被耦合到光波导中。它使用高反射式耦合器(反射器)，其帮助使落在波导的数值孔径之外的来自发光设备的光再循环回发光设备，从而增加耦合效率并提高光源的输出亮度。发光设备可为发光二极管(LED)、激光二极管或其它固态发光设备。发光设备也可为将较短波长的光转换成较长波长的光的波长转换材料例如磷，或发射光的任何其它适当的设备。LED用作图2a-5所示的实施方式中的例子。

在图2a和2b所示的本发明的第一实施方式中，LED芯片12安装在基底11上。高反射层11a(对LED所发射的光有例如50％或更高的反射率)可设置在LED的作用区下面。反射层11a可由金属涂层形成。可选地或此外，LED 12的表面可为使光反射并散射的粗糙表面。光纤14布置在LED 12上，光纤端面直接与LED表面接触，或其间有如以后更详细描述的气隙。具有弯曲的高反射表面的反射器16围绕LED 12和光纤14邻近LED的部分。光学介质18例如凝胶填充在由反射器16、光纤14和基底11包围的空间中。优选地，光学介质18是具有一种折射率匹配材料，其折射率大致等于光纤包层14a的折射率，而光纤包层的折射率低于光纤芯的折射率。折射率匹配材料的一个例子是折射率匹配凝胶。图2b是光源的顶部剖面图，显示了LED 12(部分地示出)、光纤14和反射器16。

如横截图2a(其是通过光纤14的中心轴的平面)所示的，具有落在光纤14的数值孔径内的角的、LED 12所发射的光通过全内反射由光纤包层14a耦合到光纤中并沿着光纤传播。落在光纤14的数值孔径之外的、由LED 12发射的光漏出光纤，被反射器16反射回，并再次进入光纤14。被反射的光照在LED 12上，且大部分光被LED之下的发射层11a和/或LED的粗糙表面以不同的角反射或散射回光纤14中。具有落在光纤14的数值孔径内的角的被反射的光耦合到光纤中，而落在光纤的数值孔径之外的被反射的光漏出光纤，并再次被反射器16反射回。反射过程可发生很多次。因此，通过使用反射器16，由LED 12发射的原本将漏出光纤14的光可耦合到光纤中，从而增加进入光纤的光的总耦合效率。作为结果，在光纤14的输出端处的光的亮度增加了。

在优选实施方式中，反射器16具有椭圆体的一部分的形状，该椭圆体围绕光纤14的中心轴旋转对称。在图2a中看到的侧横截图中，反射器16是椭圆的一部分，该椭圆的两个焦点位于光纤14的芯的外径与LED 12相交的两个点处。换句话说，LED 12的有效区域位于椭圆的焦点之间。成形为椭球体或接近于椭球体的反射器可将漏出光纤的光有效地反射回光纤。其它形状例如球形也可令人满意地完成此目的，虽然耦合效率可能有些低。优选地，从基底测量的反射器16的高度，即，在光纤14通过反射器的位置处的高度被设置成使得漏出光纤14的来自LED 12的所有光被反射器反射。因此，反射器16的最佳高度是：

H＝D*tanθ_c，                   (1)

其中D是光纤的直径，而θ_c是在光纤包层处的全内反射的临界角。θ_c由下式确定：

θ_c＝sin^-1(n₂/n₁)               (2)

其中n₁是光纤芯的折射率，而n₂是光纤包层的折射率。如果反射器16的高度小于H，则一些光将漏出反射器之上的光纤，并将不被反射器反射，导致减小的光耦合效率。反射器16的高度可大于H，而没有不利地影响耦合效率，但这将不必要地增加耦合器件的总尺寸。

在一个特定的例子中，光纤是具有1mm直径的塑料光纤，例如PMMA光纤。芯具有1.5的折射率，而包层具有1.41的折射率，这提供大约0.5的数值孔径和大约20度(θ_c＝70度)的接收角。反射器16的最佳高度H在本例中为大约2.75mm。

图3a(侧横截图)和3b(顶部横截图)示出本发明的第二实施方式，其在结构和操作上类似于第一实施方式，除了光纤14由没有包层的波导14’代替。在图3a和3b示出的例子中，波导14’具有与LED 12的形状匹配的正方形并稍微比LED大，但波导也可以有其它形状和尺寸。如在第一实施方式中的，光学介质18例如凝胶填充在由反射器16、波导14’和基底11包围的空间中。光学介质18的折射率低于波导14’的折射率。在波导14’在反射器16之上的部分中，全内反射出现在波导和空气的边界处。在波导14’由反射器16包围的部分中，来自LED 12的光可能漏出波导进入光学介质18中并被反射器16反射回来。为了确保没有来自LED 12的光漏出反射器16之上的部分中的波导14’，反射器16的最佳高度由与第一实施方式中相同的方程(1)和(2)确定，除了D现在表示方波导的对角线宽度，且n₂＝1，因为在反射器16之上的波导14’周围没有包层。

更一般地，根据本发明的实施方式的光源包括波导以及布置在波导和反射器之间的一种或多种光学介质。波导可为光纤的芯。光学介质可为光纤的包层、填充在波导和反射器之间的空间中的光学介质、或两者。波导的折射率高于光学介质的折射率。波导和光学介质的折射率可被调节成获得期望的全内反射角。光纤是具有周围围绕光学介质的波导的例子。波导的另一个例子是没有包层的玻璃棒。波导和反射器之间的空间也可为空的，在这种情况下光学介质是空气或真空。

在图2a和3a所示的实施方式中，波导14或14’直接布置在LED 12的顶部上，在该顶部上波导的端面与LED接触。可选地且更优选地，小气隙设置在LED 12和波导14或14’的端面之间。气隙的尺寸足够小，使得相当大数量的光不从间隙漏出。在4和150微米之间的尺寸是适当的。通过将间隔物放置在LED 12和波导14或14’之间可实现气隙。在一个实施方式中，薄玻璃盖片覆盖LED并维持LED和玻璃之间的小气隙。在LED 12和波导14或14’之间设置气隙的优点是，来自LED的光从气隙进入波导时被折射，使得在波导内部传播的光的角小于相对于其中心轴的最大角。例如，如果波导的折射率为1.5，则最大角为大约42度。

在图2a和3a的实施方式中，椭圆体形的反射器16延伸到基底11的表面。可选地，反射器可具有截短的椭球体的形状，如图4所示。图4所示的反射器16’具有与图2a中的反射器16相同的高度，但不向下延伸到基底表面。更确切地，支撑结构16a布置在反射器16’和基底11之间以支撑反射器，以及形成罩以保留光学介质18。图4所示的支撑结构16a具有圆柱形状，但也可使用其它形状例如锥形等。图4的实施方式的其它部分类似于图2a的实施方式。当在波导14内部传播的光没有大约某个值的角时，截短的反射器16’可能是有用的。如早些时候指出的，当气隙设置在LED 12和波导14之间时，在波导内部传播的光的角小于大约42度。因此，反射以最多42度的角从光纤14漏出的光的截短的反射器16’在这样的应用中可能是适当的。与图2a和3a中示出的全反射器16比较，图4示出的反射器16’更容易制造并且还减小反射器的横向尺寸。

通过在预先形成的外壳的内表面上形成高反射涂层例如铝或银涂层可制造反射器16或16’。为了装配图2a或3a中示出的光源，反射器16放置在波导14或14’周围的基底11上，且以凝胶的形式的光学介质18填充在反射器、基底和波导之间的空间中。以适当的粘性，凝胶可填充该空间，而不渗透到LED和波导之间的气隙中。可选地，如果波导由热敏性材料例如塑料光纤制成，则玻璃圆柱体可设置在波导周围以避免波导的过热和熔化。通过使用支撑结构16a来保留凝胶18可类似地装配图4所示的光源。可选地，通过在光学材料的固体件的弯曲外表面上形成高反射涂层可制造反射器16或16’。该光学材料的固体件(其具有中心孔，在孔中布置有波导)充当填充在反射器和波导之间的空间的光学介质18。

图5示出可将高亮度偏振的光耦合到波导中的本发明的另一实施方式。该实施方式类似于图2a所示的第一实施方式，除了添加了反射式起偏器22和四分之一波片24(可选的)。反射式起偏器22和四分之一波片24放置在反射器16的输出孔径之外的、光纤14的输出端处，光纤在该输出孔径通过反射器。在图5中，光纤14被示为只稍微延伸到反射器16的输出孔径之上，但光纤14可完全延伸出反射器16的输出孔径，且反射式起偏器22和四分之一波片24可位于离发光设备12和反射器16距离远。使用反射式起偏器22，光纤14中的期望偏振的光可通过起偏器透射以离开光纤，且其它偏振的光沿着光纤被反射回到LED12。反射光射到LED 12上，且大部分反射光被LED之下的反射层11a和/或LED的粗糙表面以不同的偏振反射或散射回到光纤14中。一些反射光具有期望的偏振并通过反射式起偏器22透射，而其它光被反射回来。反射过程可发生很多次。为了进一步增加输出效率，四分之一波片24可放置在起偏器22之前。光纤14输出的偏振光在很多应用例如显示设备中的LCD和LCoS的照明中是有用的。

在图2a-5中示出的实施方式中，使用LED作为发光设备12的例子。图6示出本发明的另一实施方式，其中发光设备是波长转换材料12’，其能够吸收第一波长的激发光并发射比第一波长更长的第二波长的被转换的光。波长转换材料12’可例如为磷材料或纳米材料例如量子点。上面布置有波长转换材料12’的基底11’优选地包括在波长转换材料12’之下的二向色滤光器，其透射激发光并反射被转换的光。例如，基底11’可为在整个板上或在波长转换材料12’之下的区域中有电介质涂层的透明板。激发光32被从基底11’与反射器16相反的一侧引到波长转换材料12’上。激发光32可由光纤、耦合光学器件或直接从激发光源例如LED(未在图6中示出)输送。光纤14和波长转换材料12’可直接接触，或其间有被填充有折射率匹配凝胶或空气的间隙。图6的实施方式的其它部分在结构和功能上类似于图2a的实施方式的其它部分，且在这里省略了其详细描述。

对本领域技术人员应明显，可在本发明的光源和用于该光源的光学耦合器中进行各种更改和变化，而不偏离本发明的精神或范围。因此，意图是本发明涵盖出现在所附权利要求及其等效形式的范围内的更改和变化。