采用光漫射光纖的光耦合光學(xué)系統(tǒng)和方法
【專(zhuān)利摘要】公開(kāi)了采用光漫射光纖的光耦合系統(tǒng)和方法。該系統(tǒng)包括光源以及光學(xué)耦合至光源的光漫射光纖。光漫射光纖具有芯、包層和長(zhǎng)度。芯的至少一部分包括隨機(jī)安排的空隙，該空隙被配置成提供來(lái)自芯且沿著長(zhǎng)度的至少一部分離開(kāi)包層的基本空間連續(xù)光發(fā)射。光漫射光學(xué)的一部分嵌入在被設(shè)置為鄰近透明片的下表面的折射率匹配層中。由光漫射光纖發(fā)射的光通過(guò)全內(nèi)反射被俘獲在透明片和折射率匹配層內(nèi)并且通過(guò)透明片的上表面上的至少一個(gè)散射特征被散射離開(kāi)透明片的上表面。
【專(zhuān)利說(shuō)明】采用光漫射光纖的光耦合光學(xué)系統(tǒng)和方法
相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0001]本申請(qǐng)要求2011年4月26日提交的美國(guó)申請(qǐng)S/N: 13/094，221以及2011年10月10日提交的美國(guó)申請(qǐng)S/N: 13/269，73的優(yōu)先權(quán)權(quán)益，這些申請(qǐng)的全部?jī)?nèi)容通過(guò)引用被依賴(lài)并結(jié)合于此。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本公開(kāi)一般地涉及光耦合光學(xué)系統(tǒng)，尤其涉及采用光漫射光纖的光耦合光學(xué)系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0003]有越來(lái)越多種類(lèi)的基于電子的設(shè)備使用平面屏幕顯示器。此類(lèi)設(shè)備的大小從最大的平面屏幕電視到諸如蜂窩電話之類(lèi)的最小的手持式設(shè)備。
[0004]在某些種類(lèi)的平面屏幕顯示器中，內(nèi)部光源提供觀看顯示器所需的光。例如，在一種類(lèi)型的液晶顯示器中，可尋址液晶顯示器結(jié)構(gòu)是具有內(nèi)部光源的背光且在該結(jié)構(gòu)的每一側(cè)上采用交叉偏光器。其它類(lèi)型的平面屏幕顯示器是反射顯示器(例如，反射液晶顯示器)，其在沒(méi)有背光或其它內(nèi)部光源而是替代地使用來(lái)自外部光源的環(huán)境光(諸如室內(nèi)光)的情況下操作。
[0005]盡管利用環(huán)境光的反射顯示器要求某些應(yīng)用(例如，所謂的電子書(shū)應(yīng)用)，這些顯示器在黑暗環(huán)境中是不起作用的并且需要內(nèi)部光源。然而，內(nèi)部光源應(yīng)被配置成維持顯示器的緊湊和平坦性質(zhì)同時(shí)還提供足夠均勻和強(qiáng)度的照明以使顯示器可讀。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本公開(kāi)的實(shí)施例是光耦合光學(xué)系統(tǒng)。光耦合系統(tǒng)包括透明片，透明片具有基本上平行相反的上表面與下表面以及第一折射率。折射率匹配層被布置為與透明片的下表面相接觸且具有與第一折射率基本相同的第二折射率。光耦合系統(tǒng)具有至少一個(gè)光漫射光纖，該至少一個(gè)光漫射光纖具有玻璃芯、圍繞玻璃芯的包層以及長(zhǎng)度。玻璃芯具有隨機(jī)安排的空隙，該空隙被配置成提供來(lái)自玻璃芯且離開(kāi)包層并且沿著長(zhǎng)度的至少一部分進(jìn)入透明片的基本上空間連續(xù)的光發(fā)射。至少一個(gè)光漫射光纖被至少部分地布置在折射率匹配層內(nèi)。光耦合光學(xué)系統(tǒng)具有至少一個(gè)光源，該至少一個(gè)光源光學(xué)連接至至少一個(gè)光漫射光纖且發(fā)射光進(jìn)入至少一個(gè)光漫射光纖中，其中在其內(nèi)傳播的光作為引導(dǎo)光而從其散射的光作為散射光。至少一個(gè)光漫射光纖被布置使得散射光經(jīng)由全內(nèi)反射在透明片和折射率匹配層內(nèi)傳播且通過(guò)透明片的至少一個(gè)散射特征散射離開(kāi)透明片的上表面。
[0007]另一實(shí)施例是從具有上表面和下表面的透明片的基本平坦表面提供照明的方法。該方法包括將至少一個(gè)光漫射光纖的至少一部分布置在與透明板的下表面緊密相鄰的折射率匹配層內(nèi)。該至少一個(gè)光漫射光纖具有芯、包層和長(zhǎng)度。玻璃芯的至少一部分包括隨機(jī)安排的空隙，該空隙被配置成提供來(lái)自芯且沿著光漫射光纖的所述部分離開(kāi)包層的基本連續(xù)光發(fā)射。該方法還包括將光沿著至少一個(gè)光漫射光纖的玻璃芯發(fā)送作為引導(dǎo)光以產(chǎn)生所述光發(fā)射，其中所發(fā)射的光通過(guò)全內(nèi)反射在透明片和折射率匹配層內(nèi)傳播。該方法還包括使在透明片和折射率匹配層內(nèi)傳播的光的至少一部分散射離開(kāi)透明片的上表面。
[0008]另一實(shí)施例是具有透明片的光耦合光學(xué)系統(tǒng)，透明片具有基本上平行相反的上表面與下表面以及第一折射率。折射率匹配層被布置為與透明片的下表面相接觸且具有與第一折射率基本相同的第二折射率。發(fā)射光的光源光耦合至至少部分地布置在折射率匹配層內(nèi)的光漫射光纖。光漫射光纖承載光作為引導(dǎo)光。光漫射光纖具有隨機(jī)安排的空隙，該空隙被配置成提供由于從光漫射光纖的外表面散射引導(dǎo)光而導(dǎo)致的基本空間連續(xù)的光發(fā)射。光漫射光纖被布置使得散射光經(jīng)由全內(nèi)反射在透明片折射率匹配層內(nèi)傳播且通過(guò)透明片的至少一個(gè)散射特征散射離開(kāi)透明片的上表面。
[0009]另一實(shí)施例是具有透明片的光耦合光學(xué)系統(tǒng)，透明片具有上表面與下表面以及第一折射率。折射率匹配層被布置為與透明片的下表面相接觸且具有與第一折射率基本相同的第二折射率。光耦合光學(xué)系統(tǒng)包括發(fā)射光的光源。光漫射光纖至少部分地布置在折射率匹配層內(nèi)并且光耦合至光源以承載光作為引導(dǎo)光。光漫射光纖具有隨機(jī)安排的空隙，空隙被配置成提供由于從光漫射光纖的外表面散射引導(dǎo)光而導(dǎo)致的基本空間連續(xù)的光發(fā)射。光漫射光纖被布置使得散射光經(jīng)由全內(nèi)反射在透明片折射率匹配層內(nèi)傳播且通過(guò)透明片的至少一個(gè)散射特征散射離開(kāi)透明片的上表面。
[0010]將在以下詳細(xì)描述中闡述附加的特征和優(yōu)點(diǎn)，這些特征和優(yōu)點(diǎn)在某種程度上對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)根據(jù)該描述將是顯而易見(jiàn)的，或者通過(guò)實(shí)施包括以下詳細(xì)描述、權(quán)利要求書(shū)以及附圖的本文所述的發(fā)明可認(rèn)識(shí)到。
[0011]應(yīng)當(dāng)理解的是，以上一般描述和以下詳細(xì)描述兩者給出諸實(shí)施例，并旨在提供用于理解實(shí)施例的本質(zhì)和特性的概觀或框架。包括的附圖提供了對(duì)本公開(kāi)的進(jìn)一步的理解，且被結(jié)合在本說(shuō)明書(shū)中并構(gòu)成說(shuō)明書(shū)的一部分。這些權(quán)利要求被并入本說(shuō)明書(shū)中并成為其一部分。附圖示出了多個(gè)實(shí)施例，并與詳細(xì)說(shuō)明一起用來(lái)解釋其原理和操作。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0012]圖1是根據(jù)本公開(kāi)的示例光耦合光學(xué)系統(tǒng)的自頂向下視圖；
[0013]圖2是圖1的光耦合光學(xué)系統(tǒng)的升高視圖；
[0014]圖3A是示例光漫射光纖的截面圖，包括中心芯部分的細(xì)節(jié)截面圖；
[0015]圖3B和圖3C是具有不同的芯和包層幾何形狀的示例光漫射光纖的截面圖；
[0016]圖3D類(lèi)似于圖3A且例示了包括光散射材料外層的光漫射光纖的另一示例實(shí)施例；
[0017]圖4A是作為沿著示例光漫射光纖的長(zhǎng)度從耦合端到終端端的距離ζ的函數(shù)的芯部分中的光強(qiáng)度L(Z)的示意曲線圖，其例示了由于散射損失造成的芯部分內(nèi)的光強(qiáng)度的下降；
[0018]圖4B是來(lái)自光漫射光纖的理想化散射光強(qiáng)度Is(Z)的示意曲線圖，其示出作為距離ζ的函數(shù)的散射光的期望恒定強(qiáng)度1tct (Ita定);
[0019]圖5A是透明片的邊緣部分以及被可操作地安排成與透明片的邊緣相鄰的光漫射光纖的特寫(xiě)截面圖(X-Y平面)；[0020]圖5B類(lèi)似于圖5A且進(jìn)一步包括反射構(gòu)件，該反射構(gòu)件相對(duì)于光漫射光纖可操作地安排使得在邊緣處將不被耦合到透明片中的散射光的至少一部分被耦合到透明片中；
[0021]圖5C類(lèi)似于圖5A，并且還包括布置在光漫射光纖和透明片之間的折射率匹配材料，使得散射光傳播穿過(guò)折射率匹配材料；
[0022]圖類(lèi)似于圖5B且例示了示例實(shí)施例，其中折射率匹配材料用于支持光漫射光纖和反射構(gòu)件。
[0023]圖5E類(lèi)似于圖5C，并且例示了示例實(shí)施例，其中從光漫射光纖沿著其長(zhǎng)度的至少一部分去除包層的一部分以限定包層間隙，且包層間隙用折射率匹配材料填充；
[0024]圖5F類(lèi)似于圖且例示了示例實(shí)施例，其中光漫射光纖包括用折射率匹配材料填充的包層間隙；
[0025]圖5G類(lèi)似于圖5A且例示了示例實(shí)施例，其中折射率匹配材料是施加到透明片的邊緣的粘合帶的形式；
[0026]圖5H類(lèi)似于圖5G且進(jìn)一步包括可操作地布置在包層的一部分上的反射構(gòu)件；
[0027]圖51和圖5J類(lèi)似于圖5G，且例示了包括被配置成相對(duì)于透明片支持光漫射光纖的支持構(gòu)件的示例實(shí)施例；
[0028]圖5K類(lèi)似于圖5G，但是折射率匹配粘合帶和光漫射光纖駐留于透明片的上表面附近；
[0029]圖5L類(lèi)似于圖5K，其中折射率匹配材料支持光漫射光纖和可操作地安排的反射構(gòu)件兩者；
[0030]圖5M類(lèi)似于圖5K，且例示了粘附到透明片的上表面的多個(gè)光漫射光纖；
[0031]圖5N類(lèi)似于圖5L，但是沒(méi)有反射構(gòu)件，并且光漫射光纖具有包層間隙；
[0032]圖50類(lèi)似于圖5K，且例示了粘附到透明片的上表面的如圖5M中配置的多個(gè)光漫射光纖；
[0033]圖6A類(lèi)似于圖1且例示了示例實(shí)施例，其中折射率匹配材料具有作為沿光漫射光纖的長(zhǎng)度的距離ζ的函數(shù)而變化的折射率；
[0034]圖6Β是折射率匹配材料的折射率n2TO相對(duì)沿著光漫射光纖的長(zhǎng)度的距離ζ的示例輪廓的曲線圖；
[0035]圖6C和圖6D類(lèi)似于圖6Α且例示了示例實(shí)施例，其中折射率匹配材料的厚度隨著沿光纖長(zhǎng)度的距離ζ而變化；
[0036]圖6Ε類(lèi)似于圖6Α且例示了示例實(shí)施例，其中光漫射光纖光耦合至兩個(gè)光源；
[0037]圖6F類(lèi)似于圖6Α且例示了示例實(shí)施例，其中折射率匹配材料(為便于觀看以交叉影線示出)不連續(xù)且被設(shè)置在沿著光纖和透明片之間的光漫射光纖的長(zhǎng)度的不連續(xù)位置處的不連續(xù)部分中；
[0038]圖7Α類(lèi)似于圖6Α，且例示了一實(shí)施例，其中光漫射光纖包括允許光纖駐留于透明片的兩個(gè)邊緣附近的彎曲；
[0039]圖7Β類(lèi)似于圖7Α且例示了示例實(shí)施例，其采用沿著透明片的不同邊緣的多個(gè)光漫射光纖；
[0040]圖7C類(lèi)似于圖7Β且例示了示例實(shí)施例，其中非光漫射光纖的端部被聚集在一起以形成光纖束；[0041]圖7D例示類(lèi)似于圖7C的實(shí)施例，其中三個(gè)光漫射光纖和一個(gè)非光漫射光纖聚集以形成光纖束，并且其中該三個(gè)光漫射光纖被配置成提供對(duì)透明片的全部四個(gè)邊緣的覆蓋;
[0042]圖8是包括本公開(kāi)的光耦合光學(xué)系統(tǒng)的示例平面屏幕設(shè)備的分解升高視圖；
[0043]圖9A和圖9B是根據(jù)本公開(kāi)的不例光稱(chēng)合光學(xué)系統(tǒng)的自頂向下視圖；
[0044]圖10是圖1的光耦合光學(xué)系統(tǒng)的側(cè)面升高視圖；
[0045]圖11是在Y-Z平面中獲取的圖2的光耦合光學(xué)系統(tǒng)的截面圖；
[0046]圖12A是在X-Z平面中獲取的圖9A的光耦合光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)組件的實(shí)施例的截面圖，其中光學(xué)組件具有將折射率匹配層夾在中間的上透明片和下透明片；
[0047]圖12B類(lèi)似于圖12A且例示了示例實(shí)施例，其中光學(xué)組件包括上片和折射率匹配層但是沒(méi)有下片；
[0048]圖12C是示出示例實(shí)施例的光學(xué)組件的末端部分的特寫(xiě)截面圖，其中反射構(gòu)件具有U型形狀且被安排成與周界、上片和折射率匹配層相接觸；
[0049]圖12D類(lèi)似于圖12C且例示了示例實(shí)施例，其中反射構(gòu)件通過(guò)空氣間隙與周界、上片和折射率匹配層隔離開(kāi)；
[0050]圖12E類(lèi)似于圖12D，但是光漫射光纖的一部分從周界延伸；
[0051]圖12F類(lèi)似于圖12E，但是光漫射光纖駐留在折射率匹配層外部且與周界相鄰；
[0052]圖12G類(lèi)似于圖12C且例示了示例實(shí)施例,其中反射構(gòu)件具有傾斜部分；
[0053]圖13是光學(xué)組件的特寫(xiě)截面圖，其示出在光漫射光纖中傳播的引導(dǎo)光如何從光漫射光纖的側(cè)面發(fā)射并傳播穿過(guò)上透明片；
[0054]圖14是光耦合光學(xué)系統(tǒng)的示例實(shí)施例的自頂向下視圖，其中光漫射光纖在X-Y平面中具有曲折的配置；
[0055]圖15A是沿圖14中的線CSl獲取的圖14的光耦合光學(xué)系統(tǒng)的示例實(shí)施例的截面圖，其示出來(lái)自光漫射光纖的散射光通過(guò)上透明片；
[0056]圖15B類(lèi)似于圖15A且例示了示例實(shí)施例，其中光耦合光學(xué)系統(tǒng)包括反射下片以及側(cè)反射器；
[0057]圖16A是類(lèi)似于圖12B的截面圖且例示了附加地包括將上片和折射率匹配層夾在中間的低折射率層的光學(xué)組件的另一示例實(shí)施例，并且其中下片包括漫反射器；
[0058]圖16B類(lèi)似于圖16A且例示了一示例，其中光漫射光纖駐留在折射率匹配層的外部且與其相鄰；
[0059]圖17是包括圖16A的光學(xué)組件的顯示器屏幕設(shè)備的示例實(shí)施例的截面圖；
[0060]圖18A是示例光源組件的特寫(xiě)視圖，其中光源包括經(jīng)由多路復(fù)用設(shè)備光耦合至光漫射光纖的紅色、綠色和藍(lán)色光發(fā)射器；以及
[0061]圖18B類(lèi)似于圖18A，但是三個(gè)不同的光漫射光纖直接光耦合至相應(yīng)的紅色、綠色和藍(lán)色光發(fā)射器。
【具體實(shí)施方式】
[0062]現(xiàn)在詳細(xì)參照本公開(kāi)的優(yōu)選實(shí)施例，在附圖中示出了這些實(shí)施例的示例。將盡可能地使用相似附圖標(biāo)記來(lái)表示相似的部件或部分。在一些附圖中示出笛卡爾坐標(biāo)作為參考。
[0063]圖1是根據(jù)本公開(kāi)的示例光耦合光學(xué)系統(tǒng)6的自頂向下視圖。圖2是圖1的光耦合光學(xué)系統(tǒng)6的升高視圖。系統(tǒng)6 —般包括透明片20、可操作地布置在透明片附近的光漫射光纖50以及光耦合至光漫射光纖的光源100。在示例中，光源100包括至少一個(gè)發(fā)光二極管(LED)或至少一個(gè)二極管激光器。光源100發(fā)射光102，光102在一個(gè)示例中處于從350nm到IOOOnm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，而在另一個(gè)示例中處于可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍內(nèi)，例如標(biāo)稱(chēng)地從380nm (紫色)到750nm (紅色)。
[0064]透明片20具有限定厚度TH22的主體22，相反的上和下(B卩，頂部和底部)基本上平坦和基本上平行的表面24，以及一個(gè)或多個(gè)邊緣26，諸如矩形透明片的四個(gè)邊緣
26。透明片20可由例如玻璃、塑料、顯示器玻璃(諸如康寧的EAGLE XG?、EAGLE?、GORILLA?和PYREX35.玻璃)以及熔融石英、像PPMA的塑料材料或者任何其它透明材料制成。在這里，術(shù)語(yǔ)“透明”一般指透明片透射至少處于可見(jiàn)波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光102，并且針對(duì)透明片主體22的給定厚度TH22透射比其所吸收的更多的光。
[0065]在一個(gè)示例中，透明片主體22的厚度TH22是0.3mm或更大，并且在另一個(gè)示例中是0.7mm或更大。在一個(gè)示例中，透明片主體22在550nm處具有約為1.5或更大的折射率。同樣在一個(gè)示例中，上和下表面24中的一個(gè)或多個(gè)可以是具有被設(shè)計(jì)用于對(duì)光102進(jìn)行散射的粗糙度的粗糙表面。
[0066]系統(tǒng)6包括至少一個(gè)光漫射光纖50。術(shù)語(yǔ)“光漫射”是指光散射沿著光漫射光纖50的長(zhǎng)度的至少一部分基本上空間地連續(xù)，即基本上沒(méi)有諸如與不連續(xù)(例如，點(diǎn))散射相關(guān)聯(lián)的那些之類(lèi)的跳變或中斷。因此，如本公開(kāi)所陳述的基本連續(xù)光發(fā)射或基本連續(xù)光漫射的概念是指空間連續(xù)性。
[0067]在一個(gè)不例中，光漫射光纖50包括稱(chēng)合端52和終端端54。稱(chēng)合端52和終端端54限定光漫射光纖50的長(zhǎng)度L。耦合端52光耦合至光源100，使得來(lái)自光源的光102作為引導(dǎo)光102G在光漫射光纖50中傳播。光漫射光纖50被布置為鄰近透明片邊緣26和透明片表面24中的至少一個(gè)。在一個(gè)示例中，終端光學(xué)構(gòu)件56可操作地設(shè)置為鄰近光漫射光纖50的終端端54。在一個(gè)示例中，終端光學(xué)構(gòu)件56是吸收光102的光學(xué)吸收器，而在另一個(gè)示例中它是反射光102 (例如，引導(dǎo)光102G)的光學(xué)反射器，使得反射的引導(dǎo)光沿光纖50在相反方向(即，朝向光源100)傳播。在這種示例中，光隔離器(未示出)可被采用(例如，鄰近光源100)以防止光102返回光源100。
[0068]圖3A是示例光漫射光纖50的截面圖，該光纖50具有中心芯部分(“芯”)60CS以及外部包層66，并且詳細(xì)示出芯的示例配置。光漫射光纖50包括具有直徑D60的中心(或內(nèi)部)芯部分60以及至少部分地圍繞中心芯區(qū)域的外部芯區(qū)域62。中心芯區(qū)域60包括由環(huán)形空隙區(qū)域60V圍繞的中心空曠(固體)區(qū)域60C，環(huán)形空隙區(qū)域60V包括隨機(jī)安排和隨機(jī)大小的空隙64，如圖3A的下插圖所示。光漫射光纖50還包括圍繞芯60CS的包層區(qū)域66。在一個(gè)不例中，包層區(qū)域66由低折射率聚合物制成,而芯60CS包括二氧化娃。
[0069]具有隨機(jī)安排和隨機(jī)大小的空隙64的光漫射光纖的不例(也稱(chēng)為“隨機(jī)架空線”或“納米結(jié)構(gòu)”或“納米大小的結(jié)構(gòu)”)在美國(guó)專(zhuān)利No7，450，806以及在美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)S/N12/950, 045中有所描述，該專(zhuān)利和專(zhuān)利申請(qǐng)通過(guò)引用結(jié)合于此。
[0070]在一個(gè)示例中，中心空曠區(qū)域60C在550nm波長(zhǎng)處具有約為1.46的標(biāo)稱(chēng)折射率。同樣在一個(gè)不例中，芯直徑DCS處于從約125微米到300微米的范圍內(nèi)。此外在一個(gè)不例中，光漫射光纖50的直徑D50處于從0.2mm (200微米)to0.25mm (250微米)的范圍內(nèi)。
[0071]圖3B和圖3C是示出光纖中心芯區(qū)域60和外部芯區(qū)域62的兩種不同配置的實(shí)際光纖芯60CS的截面相片。虛線圓圈已被添加到相片中以突出不同區(qū)域之間的區(qū)別。圖3B的光纖芯60CS具有帶相對(duì)小的空隙64的相對(duì)大的環(huán)形空隙區(qū)域60V，并且具有約為1.2dB/m的損耗。圖3C的光纖芯60CS具有包括相對(duì)大的空隙64的相對(duì)小的環(huán)形空隙區(qū)域60V，并且具有約為0.4dB/m的損耗。對(duì)于圖3B和圖3C所示的兩個(gè)芯60CS，中心和外部芯區(qū)域60和62是二氧化娃且包層66是低折射率聚合物。這向光漫射光纖50提供了適于光I禹合至諸如LED和激光二極管之類(lèi)的光源的相對(duì)高的NA。
[0072]光漫射光纖50可具有由于散射而導(dǎo)致的從0.2變化到60dB/m的損耗，這取決于中心芯區(qū)域60和外部芯區(qū)域62的具體配置。然而，如以下更詳細(xì)描述的，本公開(kāi)的實(shí)施例涉及修改光漫射光纖50以獲得更大的損耗，例如多達(dá)約300dB/m。因此，在示例中，光漫射光纖50可具有從約0.2dB/m到約300dB/m范圍內(nèi)的損耗，其中該損耗在從250nm到2000nm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)基本上光譜地均勻，且在另一個(gè)示例中在可見(jiàn)波長(zhǎng)或“白色光”光譜范圍(例如，標(biāo)稱(chēng)地從380nm到750nm)上基本上光譜地均勻。
[0073]圖3D類(lèi)似于圖3A，并且示出光漫射光纖50的示例實(shí)施例。圖3D的光漫射光纖50包括具有空曠部分60C和空隙部分60V的中心芯區(qū)域60以及外部芯區(qū)域62。包層66圍繞外部芯區(qū)域62。芯60CS包括二氧化娃,而包層66包括低折射率聚合物。
[0074]光漫射光纖50還包括圍繞包層66的涂層70，諸如丙烯酸鹽聚合物材料。光漫射光纖50還包括圍繞涂層70的光散射層72。光散射層72包括被確定大小以散射光的光散射材料，諸如任何固體顆粒、液滴或氣泡或者其組合。光散射材料的具體示例包括含磷的、TiO2顆粒以及摻雜的聚合物，諸如用于在角空間中進(jìn)行有效散射(B卩，均勻角散射)的白色丙烯酸鹽墨水。
[0075]再次參照?qǐng)D1和圖2以及還參照?qǐng)D5A的截面圖,在一個(gè)不例中，光漫射光纖50可操作地布置為鄰近透明片20的邊緣26，并且可與邊緣接觸或者可與邊緣間隔開(kāi)以限定間隙36。在一個(gè)示例中，間隙36可具有在從0mm(即光漫射光纖50與邊緣26接觸)直至5mm的范圍內(nèi)的寬度W36。
[0076]在圖1和圖2的系統(tǒng)10的一般操作中，光源100產(chǎn)生光102，光102在耦合端52處耦合到光漫射光纖50中，從而形成沿著光漫射光纖朝向其終端端54傳播的引導(dǎo)光102G。然而，由于引導(dǎo)光102G沿著光漫射光纖50傳播，光纖的光漫射屬性產(chǎn)生漫射的或散射的光102S，光102S離開(kāi)芯60并且(在一個(gè)實(shí)施例中)離開(kāi)包層66，從而提供沿著光纖長(zhǎng)度的至少一部分的散射光102S的基本連續(xù)光發(fā)射。在一個(gè)示例中，光漫射光纖50的長(zhǎng)度的前述部分通過(guò)透明片20的相應(yīng)邊緣26的長(zhǎng)度來(lái)限定。
[0077]圖4A是在芯60中傳播的引導(dǎo)光102G的強(qiáng)度Ic(Z)相對(duì)于沿光漫射光纖50的距離ζ的示意曲線圖。強(qiáng)度Ie(Z)從光漫射光纖50的耦合端52處的最大值Imax (Ii±)單調(diào)減小至終端端54的最小值Imin (I^)0當(dāng)光散射在光散射光纖50的長(zhǎng)度上均勻時(shí)，來(lái)自芯60的散射光102S的強(qiáng)度Is(Z)具有類(lèi)似形狀。圖4A的曲線形狀通過(guò)特定的光漫射光纖50的損耗特性來(lái)確定。
[0078]圖48是散射光1025的理想化強(qiáng)度13(2)的曲線圖，其示出作為距離z (B卩，沿光漫射光纖50的長(zhǎng)度)的函數(shù)的散射光的期望恒定強(qiáng)度1tct (Itase)0在示例中，1tst可隨著容許范圍而變化，容許范圍即具有上限Iu和下限k的強(qiáng)度的窄范圍。圖4B的曲線也可以是耦合到透明片20中的散射光102S的量，使得即使利用來(lái)自光漫射光纖50的非均勻散射光強(qiáng)度分布曲線，也可使用技術(shù)在散射光進(jìn)入透明片20之前對(duì)其進(jìn)行調(diào)節(jié)。下面描述用于至少部分地補(bǔ)償散射光的強(qiáng)度Is和引導(dǎo)光102G的強(qiáng)度I。隨著沿光漫射光纖50的距離減小的示例方法。
[0079]在示例中，光散射是各向同性的，使得散射光102S的一部分被引導(dǎo)朝向透明片邊緣26且被耦合到片邊緣處的透明片主體22中，而剩余部分則錯(cuò)過(guò)透明片邊緣且因而不被耦合到透明片主體中。在附圖中，為了便于說(shuō)明只示出散射光102S的被耦合到透明片主體22中的部分。散射光102S的被耦合到透明片主體22中的部分可用作照明光用于多種應(yīng)用，包括諸如在以下更詳細(xì)描述的平面屏幕顯示器。
[0080]圖5B類(lèi)似于圖5A,并且進(jìn)一步包括具有反射表面142的反射構(gòu)件140。反射構(gòu)件140被設(shè)置為與透明片20相對(duì)地鄰近光漫射光纖50。反射構(gòu)件140被配置成(例如，經(jīng)由反射表面142的形狀)接收否則會(huì)錯(cuò)過(guò)透明片20的散射光102S，并且將該散射光的至少一部分引導(dǎo)(反射)朝向透明片的邊緣26作為經(jīng)散射和反射的光102SR。因此，反射構(gòu)件140用于增加否則會(huì)由于光漫射光纖50內(nèi)的散射過(guò)程的各向同性性質(zhì)而損失的經(jīng)散射和反射的光102SR的量。
[0081]圖5C類(lèi)似于圖5A，并且進(jìn)一步包括設(shè)置在光漫射光纖50和透明片20之間的折射率匹配材料200使得散射光102S傳播穿過(guò)折射率匹配材料(即，折射率匹配材料被設(shè)置在光程中)。在不例中，折射率匹配材料200的折射率n2(l(l介于光漫射光纖50的芯60的折射率(n60)和透明片20的折射率(n2Q)之間，例如(0.99)n60〈n200〈n20。
[0082]在示例中，折射率匹配材料200還用于相對(duì)于透明片20支持光漫射光纖50。在示例中，折射率匹配材料200具有粘附屬性。在波長(zhǎng)550nm處n6(l的示例值是1.46，且在波長(zhǎng)550nm處n2(l(l的示例值在從1.45到1.55的范圍內(nèi)。示例折射率匹配材料包括基于聚合物的膠、光可固化聚合物以及環(huán)氧膠。
[0083]圖類(lèi)似于圖5B，且例示了示例實(shí)施例，其中折射率匹配材料200用于支持光漫射光纖50和反射構(gòu)件140。在不例中，可在折射率匹配材料200的外表面201上支持反射構(gòu)件140。
[0084]圖5E類(lèi)似于圖5C，并且例示了示例實(shí)施例，其中沿著光漫射光纖50的長(zhǎng)度的至少一部分從光漫射光纖50去除包層66的一部分,使得芯60CS暴露或顯著減少包層的厚度。包層66的被去除部分形成間隙68，該間隙68被示為利用折射率匹配材料200填充。在芯60CS被暴露的示例中，可將硅烷應(yīng)用于芯的暴露部分以保護(hù)芯表面。
[0085]圖5E所示的配置增加了從光漫射光纖50的芯60CS發(fā)射的散射光102S的量，其中所增加量的散射光被引導(dǎo)成基本上從芯徑向地向外并且進(jìn)入間隙68。該配置允許光漫射光纖50中的散射損耗相對(duì)地高，例如高達(dá)前述的300dB/m。
[0086]圖5F類(lèi)似于圖且例不了不例實(shí)施例，其中光漫射光纖50包括用折射率匹配材料200填充的間隙68。注意，即使光散射不再是各向同性的，使反射構(gòu)件140將散射光的至少一部分反射回透明片20中作為經(jīng)散射和反射的光102SR仍然是有益的。
[0087]圖5G類(lèi)似于圖5A且例示了示例實(shí)施例，其中折射率匹配材料200是施加到透明片20的邊緣26的粘合帶的形式。折射率匹配粘合帶200用于相對(duì)于邊緣26支持光漫射光纖50并且還起到上述折射率匹配的功能，該功能使散射光102S通過(guò)邊緣26耦合到透明片主體22中得以增強(qiáng)。
[0088]圖5H類(lèi)似于圖5G，且進(jìn)一步包括反射構(gòu)件140，該反射構(gòu)件140可操作地設(shè)置在與透明片20相反的包層66的部分上或與其鄰近。在示例中，反射構(gòu)件140包括直接沉積在包層66的該部分上的反射帶或反射膜。
[0089]圖51類(lèi)似于圖5G，且例示了示例實(shí)施例，其包括被配置成相對(duì)于透明片20支持光漫射光纖50的支持構(gòu)件150。支持構(gòu)件150具有前端152以及在前端152處開(kāi)口的內(nèi)部空腔154。在示例中，空腔154包括反射性后表面142，該反射性后表面142可如圖所示地彎曲或者可以是平坦的。在示例中，支持構(gòu)件150是通過(guò)模制形成的整體結(jié)構(gòu)。在示例中，支持構(gòu)件150包括支持架或柄156，可將光漫射光纖50安裝至該支持架或柄156。同樣在示例中，支持構(gòu)件150可被配置成支持多個(gè)光漫射光纖50。
[0090]在示例中，支持構(gòu)件150的前端152限定其尺寸為透明片20的厚度TH20的孔158，使得支持構(gòu)件150可通過(guò)夾住上和下表面24來(lái)滑動(dòng)地且緊密地與邊緣26處的透明片部分嚙合。在示例中，前端152順應(yīng)以便于夾住透明片20的上和下表面24。圖5J類(lèi)似于圖51，且例示了例如使用反射帶形成的示例支持構(gòu)件150。在示例中，內(nèi)部空腔154可任選地用折射率匹配材料200來(lái)填充，以可操作地支持內(nèi)部空腔內(nèi)的光漫射光纖50。
[0091]圖5K類(lèi)似于圖5G，但是折射率匹配粘合帶200和光漫射光纖50位于透明片20的上表面24附近。圖5L類(lèi)似于圖5K，但是折射率匹配材料200被用于支持光漫射光纖50和反射構(gòu)件140兩者。
[0092]圖5M類(lèi)似于圖5K，且例示了經(jīng)由相應(yīng)的折射率匹配粘合帶200粘附至透明片上表面24的多個(gè)光漫射光纖50。在替換示例中，可采用單個(gè)折射率匹配粘合帶200。該配置提供用于使散射光102S通過(guò)上表面24耦合到透明片主體22中的多個(gè)位置。在示例中，除了上表面配置之外或作為其替換，還可在下表面24上形成這種相同配置。
[0093]圖5N類(lèi)似于圖5L，但是沒(méi)有反射構(gòu)件140，并且已經(jīng)去除了包層66的一部分以形成前述的包層間隙68。該配置允許散射光102S在包層間隙68處離開(kāi)光漫射光纖50并且從上表面24進(jìn)入透明片主體22。
[0094]圖50類(lèi)似于圖5K和圖5M，且例示了經(jīng)由相應(yīng)的折射率匹配材料部分200粘附至透明片上表面24的多個(gè)光漫射光纖50。在替換示例中，可采用單個(gè)折射率匹配層200。該配置提供另一方法，該方法提供用于使散射光102S經(jīng)由上和下表面24中的一個(gè)或兩個(gè)(作為例示示出上表面24)耦合到透明片主體22中的多個(gè)位置。
[0095]圖6A類(lèi)似于圖1，且例示了示例實(shí)施例，其中折射率匹配材料200具有作為距離ζ(即，沿著光漫射光纖50的距離)的函數(shù)而變化的折射率η.，其至少部分地補(bǔ)償來(lái)自光漫射光纖50的散射光102S的強(qiáng)度Is隨著沿光纖的距離而減小。圖6Β是折射率η2(ι(ι相對(duì)于距離ζ的示例曲線圖。折射率匹配材料200的厚度ΤΗ200為約10微米。芯60的(有效)折射率是η6(ι=1.46，如曲線圖中的水平實(shí)線所指示。透明片20由具有折射率η2(ι=1.5的玻璃制成。折射率匹配材料200的變化的折射率曲線η.(Ζ)在光漫射光纖50的耦合端52處或附近具有值1.455 (該值剛好在芯折射率η6(ι的值1.460之下)，并且朝向終端端54增大至值1.49。隨著折射率匹配材料200的折射率η.增大，從芯60散射的光的量增加。這用于至少部分地抵消以光漫射光纖50中的固有距離散射的光的減少量。
[0096]圖6C和圖6D類(lèi)似于圖6A，且例示了示例實(shí)施例，其中折射率匹配材料200的厚度TH200隨著距離(ζ)而變化，即ΤΗ200=ΤΗ200 (ζ)。較大的厚度TH200對(duì)應(yīng)于散射光102S的較大衰減量。因此，在光漫射光纖50的耦合端處或附近，厚度TH200 (ζ)是最大的并且它單調(diào)地減小至在終端端54處或附近的最小厚度。圖6C例示了示例的線性變化厚度輪廓TH200(z)，而圖6D例示了示例的彎曲厚度輪廓TH200(z)。特定的厚度輪廓TH200 (ζ)通過(guò)光漫射光纖50的損耗特性來(lái)確定。
[0097]在示例實(shí)施例中，厚度輪廓ΤΗ200 (ζ)被配置成基本上補(bǔ)償散射光102S的強(qiáng)度Is隨沿著光漫射光纖50的至少一部分的距離的變化，使得散射光強(qiáng)度Is沿光漫射光纖的長(zhǎng)度的該部分基本上均勻。
[0098]在另一示例實(shí)施例中，光漫射光纖50被配置成使得散射光強(qiáng)度Is作為沿光漫射光纖的距離的函數(shù)基本上恒定。例如，這可通過(guò)改變光纖拉制過(guò)程期間的溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)，該光纖拉制過(guò)程用于改變芯空隙區(qū)域60V中的空隙64的尺寸?？障?4越小,光纖50中的損耗就越大。因此，在示例實(shí)施例中，光漫射光纖50被配置成使得它在自己長(zhǎng)度的至少一部分上以基本恒定的強(qiáng)度Is來(lái)發(fā)射散射光102S。形成這種光漫射光纖50的示例方法在美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)S/N:12/950，045中被公開(kāi)，該申請(qǐng)通過(guò)引用結(jié)合于此。形成具有隨機(jī)安排的空隙的光纖的示例方法在美國(guó)專(zhuān)利N0.7，450，806中被公開(kāi)，該專(zhuān)利通過(guò)引用結(jié)合于此。
[0099]圖6E類(lèi)似于圖6A，且例示了示例實(shí)施例，其中光漫射光纖50光學(xué)耦合至相應(yīng)端52和54處的兩個(gè)光源100。鄰近每個(gè)光源100任選地米用光隔離器58以防止來(lái)自一個(gè)光源100的光進(jìn)入另一個(gè)光源。這種雙源配置的對(duì)稱(chēng)性導(dǎo)致散射光102S的強(qiáng)度Is基本上均勻。
[0100]圖6F類(lèi)似于圖6A，且例示了示例實(shí)施例，其中折射率匹配材料200 (為便于觀看現(xiàn)在以交叉平行陰影線示出)不是連續(xù)的，并且在許多不連續(xù)位置DL處使用折射率匹配材料200的許多部分200P將光漫射光纖50光學(xué)耦合至(在一個(gè)示例中，被附連至)透明片20(例如，在邊緣26處，如圖所示)。在示例中，折射率匹配材料部分200P所駐留的不連續(xù)位置DL的密度從輸入端52沿著光漫射光纖50的長(zhǎng)度改變，其中朝向耦合端52具有相對(duì)低的密度且朝向終端端54具有相對(duì)高的密度。為便于說(shuō)明，在每個(gè)不連續(xù)位置DL處的折射率匹配材料200的部分200P在一個(gè)實(shí)施例中被示為基本上相同。但是，在不同的不連續(xù)位置DL處也可使用折射率匹配材料200的不同尺寸的部分200P。在示例中，選擇折射率匹配材料部分200P和不連續(xù)位置DL的特定配置，以提供沿著光漫射光纖50的長(zhǎng)度的相應(yīng)部分的進(jìn)入透明片主體22的散射光102S的基本均勻的量(即，強(qiáng)度Is)。
[0101]圖7A類(lèi)似于圖6A，且例示了系統(tǒng)6的實(shí)施例，其中光漫射光纖50包括彎曲51，這允許光纖位于透明片20的兩個(gè)邊緣26附近，如圖所示。這允許散射光102S在兩個(gè)邊緣26處進(jìn)入透明片26，從而使更多的光耦合到透明片20中。通常，可在單個(gè)光漫射光纖50中采用一個(gè)或多個(gè)彎曲51，使得光纖的諸部分可駐留在透明片20的相應(yīng)的兩個(gè)或更多個(gè)邊緣26附近。
[0102]圖7B類(lèi)似于圖7A，且例示了系統(tǒng)6的示例實(shí)施例，該實(shí)施例采用沿著透明片20的不同邊緣26的多個(gè)光漫射光纖50。圖7B的系統(tǒng)6米用非光漫射光纖250的三個(gè)部分。光纖250的第一部分將光源100光學(xué)連接至1x2耦合器280。光纖250的第二和第三部分將光耦合器280光學(xué)連接至可操作地布置在透明片20的相反邊緣26上的第一和第二光漫射光纖50。在示例中，光纖250的第二和第三部分經(jīng)由接合構(gòu)件59 (其可以是機(jī)械連接器)光學(xué)連接至相應(yīng)的光漫射光纖50。
[0103]在圖7C所示的替換實(shí)施例中，不是使用單個(gè)非光漫射光纖250和循環(huán)器280，而是將兩個(gè)非光漫射光纖250集合在一起以在光源100處形成光纖束FB。光102隨后直接耦合到兩個(gè)光纖端252中。同樣，在另一個(gè)實(shí)施例中，可使用多個(gè)光源100，光纖束FB中的每個(gè)非光漫射光纖250均有一個(gè)光源。
[0104]一般而言，光纖束FB可包括非光漫射光纖250、光漫射光纖50或其組合，其中兩個(gè)或更多個(gè)光漫射光纖50的至少部分可操作地布置在透明片20的相應(yīng)的各邊緣26和/或表面24附近。圖7D例示了與圖7C類(lèi)似的實(shí)施例，其中兩個(gè)光漫射光纖50和一個(gè)非光漫射光纖250聚合以形成光纖束FB。兩個(gè)光漫射光纖50被配置成提供對(duì)矩形形狀的透明片20的全部四個(gè)邊緣26的覆蓋。非光漫射光纖250的一部分被光學(xué)連接(例如，經(jīng)由接頭59)至包括彎曲51的光漫射光纖50，該彎曲51允許該特定光纖可操作地駐留在透明片20的兩個(gè)邊緣26的附近。
[0105]圖8是包括本公開(kāi)的系統(tǒng)6的示例平面屏幕設(shè)備300的分解升高視圖。平面屏幕設(shè)備300包括具有上表面312和下表面314的光調(diào)制顯示組件310。光調(diào)制顯示組件310電連接至光調(diào)制電子設(shè)備315。透明片20駐留在光調(diào)制顯示組件310的上表面312之上或附近。在示例中，光調(diào)制顯示組件310包括多個(gè)像素316，該多個(gè)像素316通過(guò)光調(diào)制電子設(shè)備315經(jīng)由透明電連接318可尋址。透明電連接318通常具有網(wǎng)格狀配置(例如，源和柵總線線路的)，并且為了便于說(shuō)明僅僅示出了選擇電連接。示例的光調(diào)制顯示組件310是包括液晶矩陣的液晶顯示組件，該液晶矩陣限定由交叉偏光器夾在中間的液晶單元(像素)陣列。示例的反射性液晶顯示組件在美國(guó)專(zhuān)利N0.6，404, 471中被公開(kāi)，該專(zhuān)利通過(guò)引用結(jié)合于此。
[0106]平面屏幕設(shè)備300還包括具有反射性表面332的反射構(gòu)件330。反射構(gòu)件330駐留在光調(diào)制組件下表面314附近。
[0107]在平面屏幕設(shè)備300的操作中，散射光102S以上述方式被耦合到透明片20中(t匕如說(shuō)在邊緣26處)。在其它示例中，使用以上討論的其它示例實(shí)施例中的任何一個(gè)將散射光102S耦合到透明片20中。該散射光102S的至少一部分隨后通過(guò)透明片20重新引導(dǎo)(例如，通過(guò)從粗糙上表面24散射)，以傳播至光調(diào)制顯示組件310。該散射光102S傳播通過(guò)光調(diào)制顯示組件310并且被反射構(gòu)件300的反射表面332反射，以傳播回去通過(guò)光調(diào)制顯示組件，在光調(diào)制顯示組件處它離開(kāi)透明片20并且由觀看者400看到。因此，散射光102S通過(guò)兩次穿過(guò)光調(diào)制顯示組件310而被調(diào)制，其中調(diào)制是由光調(diào)制電子設(shè)備315的操作來(lái)確定的。結(jié)果是對(duì)觀看者400可見(jiàn)的顯示圖像。
具有折射率匹配層的光耦合光學(xué)系統(tǒng)
[0108]圖9A是根據(jù)本公開(kāi)的光耦合光學(xué)系統(tǒng)(“系統(tǒng)”)6的另一個(gè)示例實(shí)施例的自頂向下視圖，且圖9B是其自底向上視圖。圖10是圖9A的光耦合光學(xué)系統(tǒng)6的升高視圖。圖11是在Y-Z平面中獲取的系統(tǒng)6的橫截面視圖，而圖12A是在X-Z平面中獲取的系統(tǒng)的橫截面視圖。
[0109]系統(tǒng)6類(lèi)似于圖1和圖2所示的系統(tǒng)，并且包括光學(xué)組件10，該光學(xué)組件10具有至少上透明片(“上片”)20U并且任選地包括下片20L，下片20L也可以是透明的但是它也可以是不透明、半透明、部分反射性或基本反射性的。片20U和20L被布置成間隔開(kāi)并且彼此基本平行。
[0110]光學(xué)組件10包括夾在上片20U和下片20L之間的折射率匹配層12。在其中系統(tǒng)6不包括下片20L的示例實(shí)施例中，折射率匹配層12直接鄰近上片20U，如圖12B的橫截面視圖所示。折射率匹配層12被配置成具有與上片20U的折射率基本上匹配的折射率。折射率匹配層12的示例材料是紫外線(UV)可固化聚合物。在示例中，折射率匹配層12是粘合劑，例如，包括粘附性聚合物。在示例中，折射率匹配層12被配置成散射光，例如包括光散射物質(zhì)(參見(jiàn)圖15B)。折射率匹配層的示例材料因而包括:聚合物、經(jīng)摻雜的聚合物、具有粘附屬性的聚合物、在400nm和700nm之間的波長(zhǎng)范圍中具有低吸收的聚合物、熱可固化聚合物、光可固化聚合物或其組合。
[0111]對(duì)于包括上片20U和下片20L的光學(xué)組件10的實(shí)施例，上片具有限定厚度THU(參見(jiàn)圖11)的主體22U、相反的上和下(B卩，頂和底)基本上平坦且基本上平行的表面24U和24U’(參見(jiàn)圖11)以及一個(gè)或多個(gè)邊緣26U，諸如矩形透明片的四個(gè)邊緣26U。同樣地，下片20L具有限定厚度THL (參見(jiàn)圖11)的主體22L，相反的上和下(B卩，頂和底)基本上平坦且基本上平行的表面24L和24L’，以及一個(gè)或多個(gè)邊緣26L，諸如矩形透明片的四個(gè)邊緣26L。
[0112]上透明片20U和下透明片20L可由例如玻璃、塑料、顯示器玻璃(諸如康寧的EAGLE XG?、EAGLE?、GORILLAk和PYREX?」皮璃)以及熔融石英、像PPMA的塑料材料、聚合物或者任何其它透明材料制成。在示例中，上片20U可由多個(gè)片形成，諸如用聚合物層涂覆的玻璃片。在這里，術(shù)語(yǔ)“透明”一般表示透明片透射至少處于可見(jiàn)波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光，并且針對(duì)給定厚度THU或THL透射比其所吸收的更多的光。
[0113]在示例中，上片20U的主體22U的厚度THU和下透明片20L的主體22L的厚度THL中的至少一個(gè)為0.3mm或更大，并且在另一個(gè)示例中為0.7mm或更大。在示例中，上片主體22U和下片主體22L中的至少一個(gè)在550nm處具有約為1.5或更大的折射率。在示例中，上片20U包括如約100微米那樣薄的玻璃層，并且折射率匹配層12包括聚合物且具有如200微米那樣薄的厚度TH12。
[0114]系統(tǒng)6的光學(xué)組件10還包括至少一個(gè)光漫射光纖50，該至少一個(gè)光漫射光纖50被可操作地設(shè)置使得該至少一個(gè)光漫射光纖的至少一部分被至少部分地嵌入在折射率匹配層12內(nèi)。在示例中，該至少一個(gè)光漫射光纖50直接鄰近上透明片20U，或者與上透明片20U稍微間隔開(kāi)且兩者之間具有一部分折射率匹配層。在示例中，該至少一個(gè)光漫射光纖50的至少一部分完全嵌入在折射率匹配層12內(nèi)。
[0115]在不例中，光漫射光纖50包括如述的f禹合端52和終端端54。f禹合端52和終端端54限定光漫射光纖50的長(zhǎng)度L (參見(jiàn)圖11)。系統(tǒng)6還包括光學(xué)耦合至光學(xué)組件10并且尤其耦合至光漫射光纖50的耦合端52的前述的光源100。光源100發(fā)射光102，光102如以上所討論地在光漫射光纖50中傳播作為引導(dǎo)光102G，如圖13的特寫(xiě)橫截面視圖所示。光漫射光纖50被如上所述地配置成從引導(dǎo)光102G產(chǎn)生散射光102S。
[0116]在不例中，系統(tǒng)6包括前述的終端光學(xué)構(gòu)件56,終端光學(xué)構(gòu)件56可操作地設(shè)置為鄰近光漫射光纖50的終端端54。在一個(gè)示例中，終端光學(xué)構(gòu)件56是吸收光102的光學(xué)吸收器，而在另一個(gè)示例中它是反射光102 (例如，反射引導(dǎo)光102G)的光學(xué)反射器使得反射的引導(dǎo)光在相反方向上(即，朝向光源100)傳播。在這種不例中，光隔離器(未不出)可被米用(例如，鄰近光源100)以防止光102返回光源100。
[0117]在示例實(shí)施例中，光學(xué)組件10被配置成撓性的，即能夠被彎曲成具有相當(dāng)大的曲率。在另一個(gè)示例實(shí)施例中，光學(xué)組件10被配置成剛性的，即使得其不能夠被彎曲成具有相當(dāng)大的曲率。
[0118]參見(jiàn)圖12A和圖12B，在示例實(shí)施例中，光學(xué)組件10包括周界11，該周界11包括上片20U的邊26U并且可包括下片20L的邊26L。在示例實(shí)施例中，光學(xué)組件包括至少一個(gè)反射構(gòu)件140，該至少一個(gè)反射構(gòu)件140被布置為鄰近周界11的至少一部分。反射構(gòu)件140的反射表面142可被配置成鏡面地反射光或漫射地反射光。
[0119]通過(guò)全內(nèi)反射在光學(xué)組件10內(nèi)俘獲位于由上片20和周?chē)橘|(zhì)(例如，空氣或低折射率層，如下所述)的相應(yīng)折射率所限定的臨界角內(nèi)的來(lái)自光漫射光纖50的散射光102S的部分。在示例中，上片20U的上表面24U上的光散射特征23U用于進(jìn)一步散射在光學(xué)組件10內(nèi)俘獲的散射光102S。這允許觀察者400在觀看上片20U的上表面24U時(shí)看到散射光102S。
[0120]在示例中，光散射特征23U是局部化的，而在另一個(gè)示例中其覆蓋基本上全部的上表面24U。在示例中，光散射特征23U包括粗糙特征。在示例中，例如使用激光器(例如通過(guò)激光刻蝕)將光散射特征23U刻蝕到上片20U的上表面24U中。在示例中，光散射特征23U被添加到上片20U作為光散射元件，而不是一體地形成于上片的上表面24中。
[0121]圖12C是示出示例實(shí)施例的光學(xué)組件10的末端部分的特寫(xiě)截面圖，其中反射構(gòu)件140具有U型形狀且被安排成與周界11、上片20U和折射率匹配層12相接觸。來(lái)自光漫射光纖50的散射光102S的一部分入射在反射構(gòu)件140上并且從該反射構(gòu)件140反射,類(lèi)似于以上結(jié)合圖12B所述的。該散射光102S還經(jīng)由全內(nèi)反射在光學(xué)組件10內(nèi)傳播。
[0122]圖12D類(lèi)似于圖12C且例示了示例實(shí)施例，其中反射構(gòu)件140通過(guò)與由反射構(gòu)件所限定的內(nèi)部空腔154相關(guān)聯(lián)的空氣間隙155與周界11、上片20U和折射率匹配層12間隔開(kāi)。
[0123]圖12E類(lèi)似于圖12D，但是光漫射光纖50的一部分在周界11處從折射率匹配層12延伸。圖12F類(lèi)似于圖12E，但是光漫射光纖50完全駐留在折射率匹配層12的外部且與周界11鄰近。圖12G類(lèi)似于圖12C且例示了示例實(shí)施例,其中反射構(gòu)件140具有由相對(duì)于X方向的角度α所限定的傾斜部分141。與在相同幾何形狀的光學(xué)組件10中使用的U形形狀反射構(gòu)件140相比較，傾斜部分141可用于減少損耗量。反射構(gòu)件140的頂部可限定具有尺寸(長(zhǎng)度)d的框架(bezel) 143。
[0124]在示例中，如圖12C至圖12F所示的反射構(gòu)件140的尺寸d可在O≤d≤4mm的范圍內(nèi)。在另一示例中，反射構(gòu)件140被配置成使得長(zhǎng)度d提供20%或更少的損耗。在此，損耗被定義為未被耦合到光學(xué)組件10中的光的部分。
[0125]在示例中，光學(xué)組件10具有厚度THlO ≤ 0.8mm,并且優(yōu)選為0.2mm ≤ THlO ≤ 0.25mm。光學(xué)組件10的厚度THlO的這種小數(shù)值允許平面屏幕設(shè)備300(諸如圖17所示并且以下更詳細(xì)地介紹和討論的)非常薄并且具有小形狀因子。同樣，光漫射光纖50的小直徑允許非常窄的框架143。[0126]在示例中，散射光102S作為內(nèi)部反射(引導(dǎo))光從光漫射光纖50到光學(xué)組件10中的耦合效率ε為ε >70%。該耦合效率大于利用光常規(guī)光源(諸如LED)的常規(guī)平板顯示設(shè)備的典型光耦合效率。
[0127]在圖15A所示的另一示例中(以下更詳細(xì)地介紹和討論)，光吸收特征25U可形成于上片20的上表面24U上。在其中散射光離開(kāi)上表面24U的實(shí)施例中，光吸收特征25U可用于吸收散射光102S。在這種情況下，光吸收特征25U用于基本上吸收散射光102S，使得觀察者400看到與光吸收特征相對(duì)應(yīng)的黑暗特征，光吸收特征25U例如可用于形成標(biāo)記、文本、標(biāo)志等等。
[0128]圖14是系統(tǒng)6的示例實(shí)施例的自頂向下視圖，其中光漫射光纖50在X-Y平面中具有曲折配置。圖15A是沿線CSl獲取的圖14的光學(xué)組件10的截面圖。圖14和圖15A的系統(tǒng)6的示例實(shí)施例分布光漫射光纖50使得它能夠?qū)⑸⑸涔?02S提供給上片20U的較大區(qū)域。
[0129]圖15B類(lèi)似于圖15A且例示了圖14的光學(xué)組件10的示例實(shí)施例,其包括反射性下片20L以及側(cè)反射器140。反射性下片20L用于將散射光102S向上反射回到上片20U。反射性下片20L可以是鏡面地反射或漫射地反射。注意，散射光102S中的一些傳播穿過(guò)上片20U，同時(shí)散射光中的一些可能落在臨界角內(nèi)且經(jīng)由全內(nèi)反射被俘獲在上片和折射率匹配層12內(nèi)。同樣，圖15B在圖的最左側(cè)例示了當(dāng)折射率匹配層被配置成通過(guò)例如包含顆粒來(lái)散射光時(shí)散射光102S如何能夠在折射率匹配層12內(nèi)再散射。
[0130]圖16A是類(lèi)似于圖12B的橫截面視圖，并且例示了光學(xué)組件10的另一個(gè)示例實(shí)施例。圖16A的光學(xué)組件10包括緊密鄰近上片20U的上表面24U的第一低折射率層510(例如，低折射率聚合物)以及位于折射率匹配層12和下片20L之間的第二低折射率層510。折射率匹配層12被配置成散射來(lái)自光漫射光纖50的散射光102S以形成經(jīng)兩次散射的光102S，。
[0131]在示例中，折射率匹配層12包括摻雜的聚合物。在示例中，折射率匹配層12具有TH12=0.3mm厚的厚度，而上片20U由玻璃制成并且具有THU=0.7mm厚的厚度。在示例實(shí)施例中，下片20L被配置為漫射地反射散射光102S的漫反射器。在示例中，反射構(gòu)件140用作在周界11處覆蓋光漫射光纖50的框架。在示例中，與周界11最接近的光漫射光纖50的邊緣離周界大約2mm遠(yuǎn)。
[0132]圖16B類(lèi)似于圖16A，且示出了示例實(shí)施例，其中光漫射光纖50位于折射率匹配層12的外部且與其鄰近。注意，由于光漫射光纖50的直徑相對(duì)較小(例如，250微米)，因此不需要實(shí)際的框架或任何框架。
[0133]參見(jiàn)圖16A和圖16B，光學(xué)組件10進(jìn)一步包括覆蓋膜520。在示例中，覆蓋膜520被配置為所謂的“亮度增強(qiáng)膜”(BEF)，其針對(duì)以相對(duì)接近于正入射的角度觀看光學(xué)組件的觀看者400增大亮度。在示例中，覆蓋膜520被配置成使光偏振，這是液晶顯示器(IXD)所需要的。圖16A和圖16B的光學(xué)組件10構(gòu)成可在平板顯示器中使用的背光照明單元。圖17是采用系統(tǒng)6的平面屏幕設(shè)備300的示意圖，其中系統(tǒng)6包括如以上結(jié)合圖16A和圖16B描述的光學(xué)組件10。平面屏幕設(shè)備300包括與光學(xué)組件10可操作地布置的光調(diào)制顯示組件 310。
[0134]參見(jiàn)圖18A，在示例實(shí)施例中，光源150是光源組件149的一部分并且被配置成具有紅色(R)、綠色(G)和藍(lán)色(B)光發(fā)射器151 (B卩，分別為151RU51G和151B)，諸如激光二極管。光發(fā)射器151R、151G和151B經(jīng)由相應(yīng)的光纖部分FR、FG和FB光學(xué)地連接到多路復(fù)用設(shè)備167的相應(yīng)端口，其中光纖部分FR、FG和FB在示例中是低損耗光纖而不是光漫射光纖。光發(fā)射器151R、151G和151B相應(yīng)地發(fā)射光152R、152G和152B。
[0135]光漫射光纖50還連接到多路復(fù)用設(shè)備。在示例中，光源150包括被配置成控制光源150的操作(包括光發(fā)射器151RU51G和151B的順序啟動(dòng))的控制電子設(shè)備153。在另一個(gè)示例中，控制電子設(shè)備153與光源150分離但是可操作地連接到光源150。
[0136]光源150經(jīng)由控制電子設(shè)備153被配置成時(shí)分多路復(fù)用光發(fā)射器151R、151G和151B以分別產(chǎn)生紅色光152R、綠色光152G以及藍(lán)色光152B。該光傳播越過(guò)相應(yīng)的光纖部分FR、FG和FB并到達(dá)多路復(fù)用設(shè)備167，多路復(fù)用設(shè)備167將光多路復(fù)用到光漫射光纖50上，光漫射光纖50如上所述地駐留在折射率匹配層12內(nèi)或附近。
[0137]光源組件149的該布置可用于在作為平面屏幕設(shè)備300 —部分的光學(xué)組件10中產(chǎn)生場(chǎng)順序彩色。注意，這種配置消除了與白光LED—起使用的彩色濾光器的需要，并且還允許使用激光器而不是LED作為光發(fā)射器151。這導(dǎo)致與常規(guī)LCD平面屏幕設(shè)備相比改進(jìn)的色域。在示例中，色域改進(jìn)高達(dá)大約1.9倍。它還允許改進(jìn)能量效率，例如高達(dá)大約3倍的改進(jìn)(即，能量減少大約3倍)。
[0138]圖18B類(lèi)似于圖18A，但是例示了其中光源組件149包括分別直接光學(xué)連接至相應(yīng)的光發(fā)射器151R、151G和151B的三個(gè)光漫射光纖50R、50G和50B的示例。這三個(gè)光漫射光纖50的諸部分駐留在折射率匹配層12內(nèi)或附近，如以上結(jié)合多個(gè)實(shí)施例所述(其中作為示例將這些實(shí)施例描述為使用單個(gè)折射率匹配光纖)。該配置還可用于在平板顯示器300中形成場(chǎng)順序彩色。
[0139]雖然在此參照了本公開(kāi)的優(yōu)選實(shí)施例和特定示例說(shuō)明和描述了本公開(kāi)，但對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見(jiàn)的是，其它實(shí)施例和示例能實(shí)現(xiàn)相似功能和/或獲得相似結(jié)果。所有這些等價(jià)實(shí)施例和示例都落在本公開(kāi)的精神和范圍內(nèi)，并旨在被所附權(quán)利要求所覆蓋。此夕卜，對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見(jiàn)的是，可對(duì)本公開(kāi)作出各種修改和變化而不背離本公開(kāi)的精神和范圍。因而，本公開(kāi)旨在涵蓋本公開(kāi)的所有這些修改和變型，只要它們落在所附權(quán)利要求書(shū)及其等效物的范圍中即可。
【權(quán)利要求】
1.一種光耦合光學(xué)系統(tǒng)，包括: 透明片，其具有基本平行的相反上表面和下表面以及第一折射率； 折射率匹配層，其被設(shè)置為與所述透明片的所述下表面相接觸且具有與所述第一折射率基本相同的第二折射率； 至少一個(gè)光漫射光纖，其具有玻璃芯、圍繞所述芯的包層以及長(zhǎng)度，所述玻璃芯具有隨機(jī)安排的空隙，所述空隙被配置成提供來(lái)自所述玻璃芯且離開(kāi)所述包層并且沿著所述長(zhǎng)度的至少一部分進(jìn)入所述透明片的基本上空間連續(xù)的光發(fā)射，所述至少一個(gè)光漫射光纖被至少部分地設(shè)置在所述折射率匹配層內(nèi)； 至少一個(gè)光源，其光學(xué)連接至所述至少一個(gè)光漫射光纖且發(fā)射光進(jìn)入所述至少一個(gè)光漫射光纖中，其中在所述至少一個(gè)光漫射光纖內(nèi)傳播的所述光作為引導(dǎo)光，而所述引導(dǎo)光從其散射作為散射光；以及 其中所述至少一個(gè)光漫射光纖被布置成使得所述散射光經(jīng)由全內(nèi)反射在所述透明片和所述折射率匹配層內(nèi)傳播且通過(guò)所述透明片的至少一個(gè)散射特征散射離開(kāi)所述透明片的所述上表面。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述至少一個(gè)光散射光纖的一部分完全駐留在所述折射率匹配層內(nèi)。
3.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述透明片構(gòu)成上透明片，并且進(jìn)一步包括與所述上透明片相反的 被設(shè)置為鄰近所述折射率匹配層的下片，所述下片被配置成反射性的或者透明的。
4.如權(quán)利要求1或3所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述透明片和所述折射率匹配層限定周界，并且進(jìn)一步包括被設(shè)置為鄰近所述周界的至少一部分的反射構(gòu)件，所述反射構(gòu)件被配置成漫射地或鏡面地反射所述散射光。
5.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述折射率匹配層包括從包括以下各項(xiàng)的材料組中選出的材料:聚合物、經(jīng)摻雜的聚合物、具有粘附屬性的聚合物、在400nm和700nm之間的波長(zhǎng)范圍中低吸收的聚合物、熱可固化聚合物和光可固化聚合物。
6.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述至少一個(gè)光漫射光纖包括基本上駐留在所述折射率匹配層內(nèi)的曲折部分。
7.如權(quán)利要求1或6所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述透明片包括上表面，所述上表面包括至少一個(gè)光散射特征。
8.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括: 第一低折射率層，其被設(shè)置為與所述折射率匹配層相反地緊密地鄰近所述透明片，其中所述第一低折射率層具有小于所述透明片的第一折射率的折射率；以及 第二低折射率層，其被設(shè)置為與所述透明片相反地緊密地鄰近所述折射率匹配層，其中所述第二低折射率層具有小于所述折射率匹配層的第二折射率的折射率。
9.如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括: 反射性層，其被設(shè)置為與所述折射率匹配層相反地緊密地鄰近所述第二低折射率層；以及 覆蓋層，其被設(shè)置為與所述透明片相反地緊密地鄰近所述第一低折射率層，所述覆蓋層被配置成增大由以與所述覆蓋層基本正入射地觀看所述系統(tǒng)的觀看者所看到的亮度的量。
10.一種光學(xué)顯不器,包括: 如權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)；以及 光調(diào)制顯示組件，其可操作地布置為鄰近所述系統(tǒng)。
11.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括終端光學(xué)構(gòu)件，其位于與所述光源相反的所述至少一個(gè)光漫射光纖的末端處并且被配置成吸收或反射引導(dǎo)光。
12.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括反射構(gòu)件，其被設(shè)置為鄰近所述至少一個(gè)光漫射光纖。
13.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述透明片和所述折射率匹配層限定厚度TH10，其中 THlO ≤ 0.8mm。
14.如權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其特征在于，0.2mm ≤ THlO ≤0.25mm。
15.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括: 包括紅光發(fā)射器、綠光發(fā)射器和藍(lán)光發(fā)射器的所述光源，其中每個(gè)光發(fā)射器光學(xué)耦合至所述至少一個(gè)光漫射光纖；以及 控制電子設(shè)備，其可操作地連接至所述光源或包括在所述光源中并且被配置成控制所述紅光發(fā)射器、綠光發(fā)射器和藍(lán)光發(fā)射器的順序啟動(dòng)以分別發(fā)射紅光、綠光和藍(lán)光，其中紅光、綠光和藍(lán)光沿著所述至少一個(gè)光漫射光纖順序發(fā)射以形成順序發(fā)射的紅色、綠色和藍(lán)色散射光。
16.如權(quán)利要求1、6或7所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括散射光耦合到所述透明片和所述折射率匹配層中的耦合效率ε，其中ε>70%。
17.一種提供穿過(guò)具有上表面和下表面的透明片的照明的方法，包括: 將至少一個(gè)光漫射光纖的至少一部分設(shè)置在與所述透明片的所述下表面緊密鄰近的折射率匹配層內(nèi)，其中所述至少一個(gè)光漫射光纖具有芯、包層以及長(zhǎng)度，玻璃芯的至少一部分包括隨機(jī)安排的空隙，所述空隙被配置成提供來(lái)自所述芯且當(dāng)引導(dǎo)光沿所述玻璃芯傳播時(shí)沿著所述光漫射光纖的所述部分離開(kāi)所述包層的基本上連續(xù)的光發(fā)射； 將光沿著至少一個(gè)光漫射光纖的玻璃芯發(fā)送作為引導(dǎo)光以產(chǎn)生所述光發(fā)射，其中所發(fā)射的光通過(guò)全內(nèi)反射在所述透明片和所述折射率匹配層內(nèi)傳播；以及 使在所述透明片和所述折射率匹配層內(nèi)傳播的光的至少一部分散射離開(kāi)所述透明片的所述上表面。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，所述透明片和所述折射率匹配層限定周界，并且進(jìn)一步包括將從所述至少一個(gè)光漫射光纖發(fā)射到所述周界的光反射回到所述折射率匹配層或所述透明片中。
19.如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，所述基本上連續(xù)的光發(fā)射在從250nm到2000nm的波長(zhǎng)范圍上基本上與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)。
20.如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，還包括使用所述透明片的至少一個(gè)光散射特征進(jìn)行所述散射使光離開(kāi)所述透明片的所述上表面。
21.如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，所述透明片和所述折射率匹配層限定厚度 TH10，其中 THlO≤ 0.8mm。
22.如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，0.2mm ≤ THlO ≤ 0.25mm。
23.如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，將光沿著所述玻璃芯發(fā)送包括沿著所述玻璃芯順序發(fā)送紅光、綠光和藍(lán)光，從而產(chǎn)生順序發(fā)射的紅色、綠色和藍(lán)色散射光。
24.如權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括散射光耦合到所述透明片和所述折射率匹配層中的耦合效率ε，其中ε>70%。
25.—種光稱(chēng)合光學(xué)系統(tǒng),包括: 透明片，其具有上表面和下表面以及第一折射率； 折射率匹配層，其被設(shè)置為與所述透明片的所述下表面相接觸且具有與所述第一折射率基本相同的第二折射率； 光源，其發(fā)射光； 光漫射光纖，其被至少部分地設(shè)置在所述折射率匹配層內(nèi)且光學(xué)耦合至所述光源以承載光作為引導(dǎo)光，所述光漫射光纖具有隨機(jī)安排的空隙，所述空隙被配置成提供由于所述引導(dǎo)光散射離開(kāi)所述光漫射光纖的外表面而引起的基本上空間連續(xù)的光發(fā)射；以及 其中所述光漫射光纖被布置成使得散射光經(jīng)由全內(nèi)反射在所述透明片和所述折射率匹配層內(nèi)傳播且通過(guò)所述透明片的至少一個(gè)散射特征散射離開(kāi)所述透明片的所述上表面。
26.如權(quán)利要求25所述的光耦合光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述透明片構(gòu)成上片，并且進(jìn)一步包括與上透明片相反地被設(shè)置為鄰近所述折射率匹配層的下片，所述下片被配置成反射性的或者透明的。
27.如權(quán)利要求25所述的光耦合光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，還包括至少一個(gè)反射構(gòu)件，其可操作地設(shè)置為鄰近所述系統(tǒng)的周 界且被配置成將散射光反射回到所述透明片或所述折射率匹配層中。
28.如權(quán)利要求25所述的光耦合光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，還包括至少一個(gè)反射構(gòu)件，其可操作地設(shè)置為鄰近所述光漫射光纖的至少一部分的外表面。
29.如權(quán)利要求25所述的光耦合光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述至少一個(gè)光散射光纖的一部分完全駐留在所述折射率匹配層內(nèi)。
【文檔編號(hào)】G02B6/032GK103620457SQ201280030024
【公開(kāi)日】2014年3月5日 申請(qǐng)日期:2012年4月11日 優(yōu)先權(quán)日:2011年4月26日
【發(fā)明者】S·L·洛谷諾夫, P·J·舒斯泰克 申請(qǐng)人:康寧股份有限公司