專利名稱：發(fā)光裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種發(fā)光裝置。尤其是，盡管并不是獨(dú)有地，本發(fā)明涉及用于混合來自一個或多個光源的光以及輸出具有人眼覺察不到的色彩變化和亮度上只有小的漸變的光的發(fā)光裝置。本發(fā)明還涉及用于混合紅、綠和藍(lán)光，以及輸出具有人眼覺察不到的色彩變化和亮度上只有小的漸變的白光的發(fā)光裝置。本發(fā)明還涉及混合或均勻化光學(xué)系統(tǒng)的光輸出的能量的效率，因而獲得一個或多個光源發(fā)出的流明的最大化利用。然而，可以設(shè)想本發(fā)明具有其它的應(yīng)用。
背景技術(shù)：
常常有必要合并光學(xué)系統(tǒng)中一個或多個光源的輸出。這可能包括混合來自一個或多個光源的同波長的光，或可能包括混合來自多個光源的不同波長的光。一個特別重要的例子是通過合并分立的紅色(R)，綠色(G)和藍(lán)色(B)LED的輸出而產(chǎn)生白光。從RGB LED陣列產(chǎn)生高效的白光是LED普遍的用于一般照明的一項(xiàng)重要的應(yīng)用技術(shù)。RGBLED陣列遠(yuǎn)比基于熒光粉的已知LED的能量效率更高?；旌瞎?，尤其是混合來自LED的光的能量效率和效力的提高，因而希望能夠利用LED陣列代替熒光粉以及相關(guān)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)來產(chǎn)生白光。照明的能量效率通常是以流明來測量，流明由供應(yīng)這些流明所用的每瓦特的功率來提供。
一個重要因素是，人眼對于色彩的輕微變化非常敏感。因此，光的混合中遇到的一個問題是，通過當(dāng)前的混合方法在沒有不可接受的損耗條件下不能獲得所要求程度的色彩均勻性，其中合成光的色彩變化對于人眼是覺察不到的。
發(fā)表在《固態(tài)照明》IISPIE卷4776的會議記錄，206-214頁(2002年)的zhao，F(xiàn)等人的在SPIE光學(xué)技術(shù)國際研討會(SPIE第47屆年會，2002年7月)上的會議論文4776-35，“創(chuàng)造白光而混合彩色LED的光學(xué)元件”公開了對所遇到的問題的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)研究，和指出了當(dāng)前技術(shù)的不足。zhao，F(xiàn)等人公開，利用光學(xué)上清晰的，矩形和圓形截面的以及各種長度(76mm，152mm，305mm)的丙烯酸光導(dǎo)，來混合包含18個LED的一個RGB LED陣列的紅、綠和藍(lán)色光。
沒有發(fā)現(xiàn)光導(dǎo)可顯著地提高光束的光照度和色彩的均勻性，不同形狀的光導(dǎo)產(chǎn)生的光的質(zhì)量沒有可察覺的差別。系統(tǒng)的能量效率如所預(yù)期地作為長度的一個函數(shù)而降低。光照度和色彩的均勻性的唯一改善是通過漫射光導(dǎo)的輸出端來獲得，這進(jìn)一步引起效率的降低。
白光的產(chǎn)生不是要求高效地混合激光二極管或LED輸出的唯一應(yīng)用。如牙齒粘固粉的粘固粉的光固化要求光敏材料的均勻光照?；诠鈱?dǎo)的現(xiàn)有系統(tǒng)產(chǎn)生不均勻光照，導(dǎo)致不滿意的固化。
因此，要求有一種工具來合并一個或多個光源的輸出，以獲得在輸出區(qū)域上的具有色彩和亮度兩方面的良好均勻性的輸出光。還希望的是，能夠合并來自多個光源的光，而不需要大大增加輸入光的角展度，充分利用一個或多個光源提供的流明。

發(fā)明內(nèi)容
在一種形式中，盡管該形式不是唯一的，或?qū)嶋H上不需要是最廣泛的形式，但本發(fā)明屬于一種發(fā)光裝置，包括一個光導(dǎo)，其具有由光傳輸外殼包圍的一個細(xì)長的透明芯；一個或多個光源，它們連接到所述光導(dǎo)的第一端；以及在芯內(nèi)分布的透明的擴(kuò)散體粒子，以在從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線；其中擴(kuò)散體粒子具有與芯的折射率相近的一個折射率，具有低背射率和低吸收率。
適當(dāng)?shù)?，發(fā)光裝置發(fā)射具有人眼不能覺察的色彩變化和亮度上小的漸變的光。
在所述發(fā)射的光中的所述不能覺察的色彩變化和亮度上小的漸變是所述芯的所述第二端上和遠(yuǎn)場中發(fā)生。
芯最好是一種聚合物?？商娲?，芯可以是玻璃。
光傳輸外殼最好是具有比芯更低的折射率。外殼最好是低折射率聚合物的一個覆層。適當(dāng)?shù)?，覆層聚合物是一種含氟聚合物?？商娲兀鈿た梢允菤饽z或低折射率玻璃的一個覆層?？商娲?，外殼可以是一層水，低折射率液體，空氣，其它氣體或真空?？商娲?，外殼可以是不透明的和能反射的。外殼最好是非吸收性的。
擴(kuò)散體粒子最好是透明的。
擴(kuò)散體粒子最好是由聚合物制造，可以是交聯(lián)的聚合物，如PMMA或聚苯乙烯。可替代地，擴(kuò)散體粒子可以由透明的非聚合物材料，如由玻璃制造。
擴(kuò)散體粒子最好是球形的?？商娲?，擴(kuò)散體粒子可以是圓柱的，多面體的，橢圓的或形狀上不對稱的。
擴(kuò)散體粒子最好產(chǎn)生相對于光的背射的一個高比率的角偏差。
最好選擇具有接近芯的折射率的折射率的擴(kuò)散體粒子。擴(kuò)散體粒子的折射率比m定義為，m＝(擴(kuò)散體粒子的折射率)/(芯的折射率)＝1+μ。在光的平均波長，最好是|μ|＜0.035。在一個實(shí)施例中，在波長為589nm時，μ＝0.018。
在另一個實(shí)施例中，波長為589nm時，μ＝0.011。
最好是，光導(dǎo)散射的光的平均角在光的波長范圍上基本不變。
擴(kuò)散體粒子散射的光的平均角以|μ|來增加。μ最好是在光的波長范圍上基本不變。
由于具有常數(shù)μ的小粒子的散射能力隨波長而變化，最好是，擴(kuò)散體粒子的大小基本上大于光的波長的大小。擴(kuò)散體粒子的大小最好是超過5微米。
芯中擴(kuò)散體粒子的密度和光導(dǎo)的長度可以改變，以獲得所述發(fā)射的光中的人眼覺察不到的色彩變化和亮度上小的漸變。
當(dāng)使用多個光源時，所述光源最好是具有相似的角分布函數(shù)。在特別的一個優(yōu)選實(shí)施例中，當(dāng)使用不相交波長范圍的光源時，所有光源的角分布函數(shù)是緊密匹配的。
適當(dāng)?shù)?，芯中擴(kuò)散體粒子的密度沿芯的長度而變化。
在一種形式中，所述光導(dǎo)包括約6-50的范圍內(nèi)的軸向擴(kuò)散體粒子數(shù)量(如果是光線通過不偏向的光導(dǎo)，平行于光導(dǎo)的縱向軸的光線將截取的擴(kuò)散體粒子的平均數(shù)量)。所述軸向擴(kuò)散體粒子數(shù)量最好是在約20-40的范圍內(nèi)。
在另一種形式中，所述光導(dǎo)包括約50-300的范圍內(nèi)的軸向擴(kuò)散體粒子數(shù)量。
所述的一個或多個光源的每一個可以是一個LED，如燈絲的一個白熾光源，一個放電管，一個激光器，或其它高亮度光源。
適當(dāng)?shù)?，所述發(fā)光裝置進(jìn)一步包括控制工具，用于控制在波長范圍上的所述一個或多個光源的輸出。
所述光源可以是LED陣列的形式。所述LED可以發(fā)出相同顏色的光或不同顏色的光。適當(dāng)?shù)?，所述LED陣列的每個LED發(fā)出紅色、綠色或藍(lán)色光，其中所述LEDS的相對輸出是通過所述控制工具來調(diào)節(jié)，這樣從所述芯的所述第二端發(fā)射的所述光在全部色域上是可調(diào)諧的。
光導(dǎo)可以由同軸反射器來包圍，以將漏出所述芯的光線反射回來，穿過所述芯，射向所述芯的第二端，所述反射光增加了所述光導(dǎo)的發(fā)光的輸出。


為幫助理解本發(fā)明，使本領(lǐng)域的專業(yè)人士實(shí)際中應(yīng)用本發(fā)明，只參考附圖，以示例的方式來描述發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，其中圖1是發(fā)光裝置的光導(dǎo)的一個實(shí)施例的縱向截面示意圖，表示了擴(kuò)散體粒子散射光線的方式以及光線是如何從芯-外殼(core-sheath)界面上被反射；圖2是混合來自紅、綠和藍(lán)色LED的紅、綠和藍(lán)色光的發(fā)光裝置的縱向截面示意圖；圖3是圖2中包括同軸反射器的發(fā)光裝置的縱向截面示意圖；和圖4表示沿光導(dǎo)的長度的擴(kuò)散體粒子的變化密度。
具體實(shí)施例方式
參考圖1，本發(fā)明的發(fā)光裝置的一個實(shí)施例包括一個光導(dǎo)10，光導(dǎo)10通常包括一個聚合物芯12，一個低折射率聚合物覆層14，并且可進(jìn)一步包括一個聚合物護(hù)套16。低折射率聚合物覆層14包著聚合物芯12，而聚合物護(hù)套16包著管狀的聚合物覆層14。聚合物護(hù)套16是一層透明的保護(hù)層，具有本發(fā)明的光學(xué)特點(diǎn)。
圓柱形的聚合物芯12是由聚合物基質(zhì)18形式的大量介質(zhì)形成，聚合物基質(zhì)充滿擴(kuò)散體粒子20。一般地，擴(kuò)散體粒子20只對照射在粒子上的入射光線產(chǎn)生小的偏向，同時具有高透射率，低背射率和低吸收率。特別是，光導(dǎo)10可利用與聚合物基質(zhì)18折射率高度匹配的透明的擴(kuò)散體粒子。幾個百分比的折射率失配是典型的。
在一個實(shí)施例中，聚合物基質(zhì)18是由聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)形成，聚合物覆層14是由聚四氟乙烯(PTFE)形成。擴(kuò)散體粒子20可以是由交聯(lián)聚合物(cross-linked polymer)形成，它能夠被加入到加熱的MMA中，而沒有擴(kuò)散體粒子20的熔化。圓柱形的聚合物芯12與擴(kuò)散體粒子20原位聚合。
在一個替代實(shí)施例中，擴(kuò)散體粒子20是由嵌入在聚合物基質(zhì)18中的交聯(lián)PMMA粒子形成，聚合物基質(zhì)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)組成。可替代地，BMA(甲基丙烯酸丁酯)可代替MMA。
在另一個實(shí)施例中，圓柱形聚合物芯12例如是由聚合物基質(zhì)18形式的大量介質(zhì)通過擠壓或噴射模塑法形成，其充滿了擴(kuò)散體粒子20。在一個優(yōu)選實(shí)施例中，圓柱形聚合物芯12是由非交聯(lián)PMMA通過擠壓或噴射模塑法形成，擴(kuò)散體粒子20是由交聯(lián)PMMA形成，這樣只有交聯(lián)PMMA擴(kuò)散體粒子在處理過程中不熔化。
在另一個實(shí)施例中，擴(kuò)散體粒子可由聚苯乙烯形成。在另外一個實(shí)施例中，聚苯乙烯是交聯(lián)的。
還在另一個實(shí)施例中，圓柱形芯12是由玻璃形成，由玻璃基質(zhì)18形式的大量介質(zhì)通過擠壓或噴射模塑法形成，其充滿擴(kuò)散體粒子20。擴(kuò)散體粒子20是可以經(jīng)受熔化玻璃的高溫的一種形式。硅被認(rèn)為是用于這樣的擴(kuò)散體粒子20的一種合適材料。
選擇擴(kuò)散體粒子20的密度使光線一般說來要經(jīng)歷大量的、但不過多的與擴(kuò)散體粒子的相互作用。在圖1中，入射光線22經(jīng)歷與所示的光導(dǎo)10截面上的擴(kuò)散體粒子的兩次相互作用。入射光線24穿過所示的光導(dǎo)截面而不經(jīng)歷與擴(kuò)散體粒子的任何相互作用，但是在聚合物芯12中被反射。入射光線26經(jīng)歷擴(kuò)散體粒子的散射以及在聚合物/覆層界面上的反射的組合。
擴(kuò)散體粒子20的折射率比m定義為，m＝(擴(kuò)散體粒子20的折射率)/(聚合物基質(zhì)18的折射率)＝1+μ。在光線與擴(kuò)散體粒子的任何給定的相互影響時，由于折射產(chǎn)生的偏向是比例|μ|。(具有μ和-μ的粒子的遠(yuǎn)場偏向模式是非常相似的)。但是，反射的背光的部分是μ2級。因此，如果折射率相近，即只有幾個百分比的差別，有可能具有小的角偏差的在粒子上正向傳輸?shù)膶?shí)際上全部的入射光，而背射可以忽略。同樣，擴(kuò)散體粒子20是透明的，因而幾乎沒有吸收。這樣，該組合在混合過程中能實(shí)現(xiàn)最大的能量效率。
在擴(kuò)散體粒子20的光線的每個單獨(dú)的偏向是小的，全部的偏向隨著相互作用的數(shù)量而傾向于增加。由于有非常低的反射損耗，能使光線經(jīng)歷在光導(dǎo)10中的許多這樣的偏向，這是通過選擇擴(kuò)散體粒子密度和路徑長度的適當(dāng)組合來達(dá)到。因此可如希望地大小而達(dá)到最終的平均偏向。與傳統(tǒng)的擴(kuò)散體系統(tǒng)相比，吸收和背射造成的損耗是小的。
需指出，如果偏向角太大(例如，當(dāng)從光纖軸偏向太多時，光纖中的光會漏出)，一些光學(xué)系統(tǒng)失去光。在這些情況下，選擇與擴(kuò)散體粒子的相互作用的數(shù)量以使具有用于光的充分混合的足夠的相互作用，但又不是多得使造成的損耗變得不可接受。
在離開光導(dǎo)10之前，單個光線既經(jīng)歷芯12與覆層14之間界面上的大量的全部內(nèi)反射，又經(jīng)歷在擴(kuò)散體粒子20的大量的基本上是隨機(jī)的偏向。該組合具有優(yōu)良的混合和漫射性能，每個單獨(dú)起作用。這意味著在一個特定點(diǎn)發(fā)出的光通過光導(dǎo)被十分均勻地漫射。
在幾乎相同的路徑發(fā)出的光線很迅速地發(fā)散，并快速獲得角度和位置上的很大不同。例如，包含直徑約為30μm的擴(kuò)散體粒子的100mm的光導(dǎo)，其中μ＝0.02，在擴(kuò)散體粒子的偏差中值是2.2°?？紤]兩條光線開始是平行的，但以35μm分開的情況(即，稍大于擴(kuò)散體粒子的直徑)。由于光線間的分離大于擴(kuò)散體粒子直徑，與擴(kuò)散體粒子的第一次相互作用將使它們分開約2°，這意味著兩條光線不能同時照射到粒子。即使沒有進(jìn)一步的偏向(典型的將有幾打)，100mm上的2°的偏向帶來3.5mm的橫向分離，即是初始分離的一千倍。實(shí)際應(yīng)用中，甚至是幾個微米的單個光線間的分離能導(dǎo)致差得很多的分離路徑。相反，完全反射的現(xiàn)有技術(shù)光導(dǎo)允許一些平行光線通過長距離而不發(fā)散，造成光的較差的混合。
關(guān)于另一個示例，考慮一對光線，它們從同一點(diǎn)發(fā)出，但具有小的角間隔。如果它們橫向地發(fā)散超過粒子直徑，它們將碰上不同的擴(kuò)散體粒子，并將以宏觀的量迅速地發(fā)散。(實(shí)際上，粒子直徑的一小部分的橫向發(fā)散對于光線的快速發(fā)散已足夠)。本示例中的上限是在光導(dǎo)10的一半的長度上擴(kuò)散體粒子直徑的橫向分開，即在上述示例中的光導(dǎo)的50mm的30μm，或0.034°。因此，如果橫向發(fā)散大于該界限，在一個既定點(diǎn)出發(fā)的光線將分開得非常遠(yuǎn)而結(jié)束。實(shí)際上，甚至是幾個弧度秒的間距可導(dǎo)致分開得非常遠(yuǎn)的路徑，光導(dǎo)的第二端的輸出角將相差幾度。
對初始位置和射入角度極端敏感的最后結(jié)果是，來自任何擴(kuò)展源的光線被很充分地漫射和混合，而不使其角擴(kuò)展過多地增加。這樣，如果來自相近光源的光(如一個LED的陣列)進(jìn)入到光導(dǎo)中，光將表現(xiàn)為非常充分地混合。相反，完全反射的光導(dǎo)不能獲得同等水平的混合。這些光導(dǎo)的傳輸功能經(jīng)常在位置與角度上緩慢地變化，以使出現(xiàn)的光在光導(dǎo)的末端和在遠(yuǎn)場模式中具有(令人十分不愉快的)明亮的聚光線。相反，本發(fā)明的光導(dǎo)的傳輸函數(shù)幾乎是混沌的(輸入?yún)?shù)微小的變化導(dǎo)致輸出參數(shù)的較大變化)，因而不存在焦散線。
圖2表示本發(fā)明的光導(dǎo)10，如上所述，它包括聚合物芯12，聚合物覆層14和擴(kuò)散體粒子20。光導(dǎo)10的芯的第一端11表示有來自LED陣列13的紅、綠和藍(lán)色光。進(jìn)入到光導(dǎo)的紅、綠和藍(lán)色光主要通過擴(kuò)散體粒子20在正向方向上被散射。散射的光也可經(jīng)歷光導(dǎo)10的側(cè)面的多次反射。在被擴(kuò)散體粒子20散射之前，以對芯的縱向軸充分大的角度進(jìn)入光導(dǎo)芯的第一端11的任何光可初始地在芯12與覆層14之間的界面上被反射。
從光導(dǎo)的第二端15發(fā)出的光將是進(jìn)入光導(dǎo)10的第一端11的光的充分混合。發(fā)出的光具有人眼覺察不到的色彩上的變化，以及亮度上僅僅小的漸變。這些特征同時存在于芯的第二端和在遠(yuǎn)場中的發(fā)射的光中。在本例中，發(fā)射的光將是白色光。
描述光導(dǎo)10的一個有用參數(shù)是軸向粒子數(shù)量，a，這是如果一條軸向光線無偏向地通過光導(dǎo)所遇到的粒子的平均數(shù)量。隨著擴(kuò)散體粒子使實(shí)際的軸向光線發(fā)生偏向，一條實(shí)際軸向光線的隨機(jī)經(jīng)過意味著，實(shí)際光線通常遇到超過a的更多擴(kuò)散體粒子。以對芯的縱向軸的一個角度進(jìn)入到光導(dǎo)的光線通常遇到比a大得多的粒子數(shù)量。在一種均勻材料中，軸向粒子數(shù)量a等于線性粒子頻率(不偏向的一條光線每米將遇到的粒子的數(shù)量)與光導(dǎo)10的軸向長度的乘積。
采用高亮度源的光學(xué)系統(tǒng)的擴(kuò)散體的設(shè)計常常受到使鏡面?zhèn)鬏數(shù)墓獾牟糠肿钚』囊蟮尿?qū)動，也就是光無論如何沒有任何擴(kuò)展地被傳輸。利用傳統(tǒng)的擴(kuò)散體，這通常要求接收很多的背射，因而降低了效率。相反，本發(fā)明提供了極其低的鏡面?zhèn)鬏敚约胺浅５偷谋成??？紤]平行于光導(dǎo)的縱向軸的一條線的情況。相交的擴(kuò)散體粒子20的平均數(shù)量是軸向粒子數(shù)量a?，F(xiàn)在隨機(jī)地排列擴(kuò)散體粒子，以使平行于縱向軸的一條光線將遇到的粒子的預(yù)期數(shù)量形成平均數(shù)a的一個泊松分布。這樣，不偏向地通過系統(tǒng)的一條光線的幾率是小于e-a(以對縱向軸的一個角度的光線將平均遇到更多的粒子)。對于一個(典型的)軸向粒子數(shù)量30來說，這是一個小于9.4×10-14的不偏向的部分。對于10的軸向粒子數(shù)量來說，不偏向的部分是小于0.005％。
參考圖2，說明上述類型的固態(tài)芯、柔韌性的光學(xué)光導(dǎo)(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)以及包括紅、綠和藍(lán)色LED的LED陣列13。光導(dǎo)是有各種長度，典型地是直徑約為12mm。光導(dǎo)包含各種密度的擴(kuò)散體粒子20。這些擴(kuò)散體粒子是直徑約為33μm的交聯(lián)PMMA的中心球，其折射率為1.8％，高于聚合物基質(zhì)18在波長589nm時的折射率。光導(dǎo)的輸出可通過在位于距離光導(dǎo)的第二端約30cm的一個白色擴(kuò)散表面上發(fā)亮而可視地觀察到。
最初的測試是利用各種長度的透明光導(dǎo)(沒有擴(kuò)散體粒子)按照控制來執(zhí)行?？捎^察到，即使是幾米長的光導(dǎo)也只是形成光的不完全混合，這樣的輸出具有很令人不愉快的焦散線，色斑與亮度變化。
在具有線性擴(kuò)散體粒子頻率為每米30個粒子的一個光導(dǎo)中進(jìn)行一系列的實(shí)驗(yàn)。利用0.91m長的光導(dǎo)，(軸向粒子數(shù)目約為27，(0.91m×30粒子/米＝27個粒子))，輸出光具有人眼覺察不到的色彩變化，只具有亮度上小的漸變。在光導(dǎo)10的第二端15和在遠(yuǎn)場中也是這樣。在光導(dǎo)的側(cè)面上具有最小的明顯的光的損耗。0.60m長的相同光導(dǎo)(軸向粒子數(shù)18)引起色彩上模糊的變化。0.31m長(軸向粒子數(shù)9)表現(xiàn)出在輸出光中的色彩的明顯變化。
在具有線性擴(kuò)散體粒子頻率為每米66個粒子的一個光導(dǎo)中進(jìn)行第二系列的實(shí)驗(yàn)。利用0.60m長的該光導(dǎo)，(軸向粒子數(shù)目為40)，輸出光具有人眼覺察不到的色彩變化，只具有亮度上小的漸變。在光導(dǎo)10的第二端15和在遠(yuǎn)場中也是這樣。在光導(dǎo)的側(cè)面上具有最小的明顯的光的損耗。0.30m長的相同光導(dǎo)(軸向粒子數(shù)20)引起在輸出光中的模糊色彩的一些區(qū)域和明亮色彩的一些區(qū)域。
第三系列的實(shí)驗(yàn)利用了一個PMMA桿，PMMA桿摻雜了線性擴(kuò)散體粒子頻率約為1650粒子/米的擴(kuò)散體粒子。桿由空氣包圍，空氣作為光導(dǎo)的低折射率外殼。聚合物基質(zhì)與擴(kuò)散體粒子之間的折射率差異僅有1.1％。這意味著，每個相互作用時，偏向角只是上述實(shí)驗(yàn)中的約2/3。利用0.153m長的桿(軸向粒子數(shù)250)，輸出光具有人眼覺察不到的色彩變化并且只具有亮度上小的漸變。這些特征存在于跨越光導(dǎo)10的第二端15和遠(yuǎn)場中的光中。在桿的臂面上具有重要的明顯的光損耗。不意外的給出與擴(kuò)散體粒子20大量的相互作用。
各種形狀的擴(kuò)散體粒子可滿意地發(fā)揮作用。只要射入與射出的表面不平行，折射將使照射擴(kuò)散體粒子的光偏向，因而近似的球形比平的薄片似乎更有效。圓柱形、多面體、橢圓形或不規(guī)則形狀也是可接受的。如果粒子是非常不對稱，則可以希望使粒子的定向隨機(jī)化。
可以希望的是，但不是必需的，擴(kuò)散體粒子20的大小是其散射的光的波長的幾倍。如果粒子大小與光的波長相差不大，則反射可能是過分的。另外，大小與光的波長相當(dāng)?shù)牧Ｗ影l(fā)生的偏向是非常依賴于波長的。這意味著平均偏向角以及由此的總偏向角將隨波長而變化。在極端情況下，這可能引起射出光束隨著射出角而在色彩上變化。對于納米大小的粒子來說，偏向可能太小，而沒有用途。
可希望的是，擴(kuò)散體粒子20與聚合物基質(zhì)18之間在折射率上的差別在由一個或多個光源的發(fā)出的光的波長范圍上變化得不太多。擴(kuò)散體粒子20的折射率比m，是m＝(擴(kuò)散體粒子20的折射率)/(芯18的折射率)＝1+μ。與單個粒子的相互作用產(chǎn)生的平均偏向角與|μ|成比例。這樣如果μ隨波長變化，則平均偏向角和由此的總偏向角也隨之變化。在極端情況下，這可能引起射出光束的在色彩上隨射出角而變化。
希望的是，折射率的失配不可太大，也不可太小。幾個百分比的值對于大多數(shù)應(yīng)用是可以很好的起作用。如果折射率失配太小，則有必要產(chǎn)生大量的相互作用，以獲得即使是很小程度的散射。同樣，聚合物基質(zhì)18與擴(kuò)散體粒子20之間的色散中的不可避免的差別意味著難以避免平均偏向角隨著波長而變化。所有已知材料的折射率隨波長而變化。但是，平均偏向角取決于擴(kuò)散體粒子20與聚合物基質(zhì)18之間的折射率的小的差別。除非波長的變化是完全相同，折射率的差別將隨波長而變化。如果失配是較大的，任何這樣的變化的相對效果將較小。
另一方面，如果折射率的失配太大，則與擴(kuò)散體粒子20的每次單獨(dú)的相互作用都造成相對大的偏轉(zhuǎn)角?？偟钠D(zhuǎn)角通常是受限制的，以使通過光導(dǎo)10的側(cè)面的損耗最小。因此，對于一個既定的總的偏轉(zhuǎn)角，必須有一個低的軸向粒子數(shù)a。但是，低的軸向粒子數(shù)可能不提供足夠的相互作用，以獲得好的混合和最小的不偏向的光。相互作用的更好的隨機(jī)化，以及因此更好的混合是通過利用大數(shù)量的小的相互作用而不是小數(shù)量的大的相互作用而獲得。同樣，如果折射率失配太大，可能存在過多的背射。所有這些權(quán)衡的最后結(jié)果是，對于一個既定的光導(dǎo)來說，存在一個最佳值μ。幾個百分比的折射率失配對于多數(shù)應(yīng)用是適用的。
來自光導(dǎo)10內(nèi)部的背射通常并不顯著。在擴(kuò)散體粒子20的平均反射系數(shù)R是μ2級，因而是很小的。對于m＝1.010的粒子，單個粒子的菲涅耳反射是0.001％級。來自光導(dǎo)10內(nèi)部的總反射約等于單獨(dú)擴(kuò)散體粒子的反射與軸向粒子數(shù)的乘積。這樣，如果m＝1.010和a＝30，總的背射是0.3％級，這可以被忽略。低背射的這些計算可以通過大量的實(shí)驗(yàn)觀察在PMMA中的交聯(lián)PMMA擴(kuò)散體粒子而被證實(shí)。
擴(kuò)散體粒子20的吸收率通常也不是問題。光通過約一個粒子，因此，對于具有a＝30和33μm直徑粒子的光導(dǎo)來說，光穿過擴(kuò)散體粒子約1mm的厚度。因而，擴(kuò)散體粒子不必須是十分透明的，以保持吸收性的損耗較小。由于擴(kuò)散體粒子的吸收，本發(fā)明的發(fā)光裝置的損耗典型地是大大小于1％。
對于既定程度的混合，所要求的軸向粒子數(shù)是與系統(tǒng)的長度反相關(guān)，即短系統(tǒng)要求較大數(shù)量的相互作用，以獲得足夠的混合。但是，增加軸向粒子數(shù)，可增加最大的偏向角，因此增加了通過光導(dǎo)的壁面漏出的小部分光。
因此，參考圖3，其中圖2與3共同的特征是通過共同的參考數(shù)字表示，光導(dǎo)10可由同軸反射器30圍繞，這樣如光線32的漏出的光，被反射回光導(dǎo)，由光線34表示。同軸反射器30的優(yōu)選特點(diǎn)取決于與芯12的尺寸相比，光在首次射出芯12的壁面之后所必須平均經(jīng)過多遠(yuǎn)的距離。有效的縱橫比被定義為(從末端表面15到光線最初射出芯12的壁面的距離)/(芯12的最小橫向尺寸)的平均值。圖3表示了一個具有有效縱橫比約為2.4的系統(tǒng)。
如果有效縱橫比大于1，則最好是，同軸反射器30是高度鏡面反射的。同軸反射器30的內(nèi)表面的高度平滑是希望的，因?yàn)槠交稍鰪?qiáng)鏡面反射。適度的小角度散射是可以接受的，但較大的背射不是所希望的。吸收應(yīng)盡可能的低。
同軸反射器30的表面最好是由高反射的金屬形成，如銀或鋁。反射的金屬表面可以是大塊材料的表面的形式存在，或作為在一個適當(dāng)支撐的內(nèi)側(cè)上的膜存在。在另一個實(shí)施例中，同軸反射器30是一個多層的介電薄膜?？商娲兀饩€32的掠入射性質(zhì)意味著，如玻璃或聚合物的大塊電介質(zhì)，也可用于同軸反射器30。大塊電介質(zhì)同軸反射器30的反射率可通過包括適當(dāng)?shù)奶砑游锶缭颇竵碓鰪?qiáng)。
隨著有效縱橫比減小，同軸反射器30的高鏡面反射的重要性也傾向于減小。如果比例是相當(dāng)于或小于1，則散射對鏡面反射的一個重要部分對于同軸反射器30是可接受的。
圖3表示在聚合物芯12與反射器30之間的一個氣隙，但若有需要，也可以被消除?？商娲?，氣隙也可如希望地以低折射率護(hù)套來代替。
一些重新進(jìn)入光導(dǎo)的光，如光線34，可被散射到一個俘獲路徑，即由擴(kuò)散體粒子20來散射。即使光不這樣被散射，它也以正確的方向傳播。指出的是，射出光導(dǎo)的芯12的光以掠入射遇到反射器30，這樣可以使反射系數(shù)非常高。因而光導(dǎo)10內(nèi)由總的內(nèi)部反射未彈回的光還可用于混合的目的，這是通過被反射回光導(dǎo)的芯12內(nèi)，并使之沿光導(dǎo)的軸傳播有效的距離。含有同軸反射器30的系統(tǒng)的另一個優(yōu)勢是，利用較小的軸向粒子數(shù)a，它們可獲得一個既定程度的混合，因而比那些沒有這樣的反射器的裝置更緊湊。
參考圖4，本發(fā)明的發(fā)光裝置的另一個實(shí)施例包括沿光導(dǎo)40的長度具有可變密度的擴(kuò)散體粒子20的一個光導(dǎo)芯12。圖1與4中的相似特點(diǎn)是由同樣的參考數(shù)字表示。光導(dǎo)40包括一個聚合物芯12，低折射率聚合物覆層14，和如圖1所示的一個可選的聚合物護(hù)套16。在圖4中的光導(dǎo)40的縱向部分上，擴(kuò)散體粒子20的密度在區(qū)域42上有變化，而在區(qū)域44上則不存在。當(dāng)光進(jìn)入?yún)^(qū)域42與之接觸時，聚合物芯12內(nèi)通過的光被散射，并且不被散射地通過區(qū)域44。具有可變密度的擴(kuò)散體粒子20的系統(tǒng)的一個優(yōu)勢是，它們可以比具有均勻擴(kuò)散體粒子密度的系統(tǒng)更緊湊。
應(yīng)用本發(fā)明的發(fā)光裝置可用于合并許多類型的光源的輸出，因而具有多種應(yīng)用。一個應(yīng)用是混合和合并來自同一色彩的光源陣列的輸出，以產(chǎn)生在光導(dǎo)的射出孔上在色彩和亮度上更加均勻的輸出光。
例如，許多牙齒填料使用光敏牙齒粘合劑，這是利用牙齒槍來在病人口腔中固化，牙齒槍利用一個光導(dǎo)系統(tǒng)來把光源的光傳送到填料。為使每個部分被正確地固化，基本上均勻地照射光敏粘合劑是相當(dāng)重要的。傳統(tǒng)上，牙齒槍中的光源可以是單個的白熾燈絲，一個LED陣列或一些其它的方便的光源。傳統(tǒng)的牙齒槍利用一種昂貴小光纖的陣列來傳送光源的光到填料。已經(jīng)提出，利用由單個大的光纖制成的光導(dǎo)。但是，已知傳統(tǒng)的光纖具有不完美的混合，可能造成具有熱點(diǎn)和黑色區(qū)域的不均勻輸出。
可以設(shè)想，本發(fā)明的發(fā)光裝置可用于以可忽略的反射或吸收的損耗將光混合到的均勻性的非常高的程度。
本發(fā)明的另一個應(yīng)用是，使傳統(tǒng)光導(dǎo)的輸出更均勻。例如，光源可通過傳統(tǒng)的光學(xué)裝置連接到一個光纖或光纖束。已知的系統(tǒng)產(chǎn)生具有射出光束亮度中不合需要的峰值的非均勻輸出。通過使用由本發(fā)明的光導(dǎo)的部分或全部制成的光導(dǎo)，可以在輸出中獲得非常高度的色彩與亮度均勻性?？商娲?，傳統(tǒng)光纖維的輸出可作為本發(fā)明的發(fā)光裝置的光源。
本發(fā)明的另外一個應(yīng)用是有效地使用于背面照射LCD的LED陣列的輸出均勻化和均質(zhì)化。利用反射光導(dǎo)的已知系統(tǒng)在獲得所要求的具有小體積、高效率和低成本的光的均勻性方面有困難。由本發(fā)明的光導(dǎo)制成部分或全部的光導(dǎo)，有可能在輸出中獲得非常高的色彩與亮度均勻性的一個緊湊系統(tǒng)。
本發(fā)明的另一個應(yīng)用是有效地使作為圖像幻燈的光源的LED或小數(shù)量的LED的輸出均勻化和均質(zhì)化。已知的擴(kuò)散體系統(tǒng)是低效的，體積大的。通過由本發(fā)明的發(fā)光裝置制造部分的圖像幻燈，有可能獲得輸出中的非常高的色彩與亮度均勻性的一個緊湊系統(tǒng)。
本發(fā)明的發(fā)光裝置的進(jìn)一步的應(yīng)用是，產(chǎn)生迄今利用傳統(tǒng)的彩色照明技術(shù)非常困難或不可能產(chǎn)生的色彩。例如，可以設(shè)想，利用包含不同色彩LED的LED陣列的控制開關(guān)可以產(chǎn)生任何色彩。彩色光的不同組合可以由陣列和到光導(dǎo)10的芯12的第一端11的輸入來產(chǎn)生。來自不同LED的不同色彩的光線通過在芯內(nèi)的散射和反射被充分地混合，以從光導(dǎo)的第二端15射出特殊色彩的光?？刹捎眠m當(dāng)控制工具，以單獨(dú)地控制每個LED的輸出。然后如所希望地在整個色域上，可調(diào)諧光導(dǎo)的第二端15的光輸出。由于上述光導(dǎo)10的特點(diǎn)，在光導(dǎo)的第二端15和遠(yuǎn)場中，發(fā)出的光將具有色彩、亮度和飽和度上最小的變化。結(jié)果將是人眼覺察不到的色彩變化和亮度上只有小的漸變的光。
在全部說明中，目的是描述本發(fā)明，但不把它限于任何一個實(shí)施例或特殊特征的集合。相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員可以實(shí)現(xiàn)特定實(shí)施例的一些變化，這無疑是在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種發(fā)光裝置包括一個光導(dǎo)，其具有由光傳輸外殼包圍的一個細(xì)長的透明芯；一個或多個光源，其連接到所述光導(dǎo)的第一端；和在芯內(nèi)分布的透明的擴(kuò)散體粒子，以在從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線；其中擴(kuò)散體粒子具有與芯的折射率相近的一個折射率，具有低背射率和低吸收率。
2.如權(quán)利要求1所述的發(fā)光裝置，其中從芯的第二端發(fā)射的光具有人眼不能覺察的色彩變化和亮度中小的漸變。
3.如權(quán)利要求2所述的發(fā)光裝置，其中芯中擴(kuò)散體粒子的密度和光導(dǎo)的長度可以改變，以獲得所述發(fā)光中的人眼不能覺察的色彩變化和亮度中小的漸變。
4.如權(quán)利要求1所述的發(fā)光裝置，其中光傳輸外殼具有比芯更低的折射率。
5.如權(quán)利要求1所述的發(fā)光裝置，其中擴(kuò)散體粒子的折射率與芯的折射率的比等于1+μ，且μ在所述一個或多個光源的波長范圍上具有小的變化。
6.如權(quán)利要求5所述的發(fā)光裝置，其中在所述一個或多個光源的平均波長上|μ|＜0.035。
7.如權(quán)利要求5所述的發(fā)光裝置，其中在589nm的波長上μ＝0.018。
8.如權(quán)利要求5所述的發(fā)光裝置，其中在589nm的波長上μ＝0.011。
9.如權(quán)利要求1所述的發(fā)光裝置，其中擴(kuò)散體粒子產(chǎn)生以小的角偏差正向傳輸?shù)墓馀c背射光的一個高比例。
10.如權(quán)利要求1所述的發(fā)光裝置，其中芯中擴(kuò)散體粒子的密度沿芯的長度改變。
11.如權(quán)利要求1所述的發(fā)光裝置，其中所述光導(dǎo)包括在約6-300的范圍內(nèi)的軸向擴(kuò)散體粒子數(shù)。
12.如權(quán)利要求1所述的發(fā)光裝置，其中所述光導(dǎo)包括在約6-50的范圍內(nèi)的軸向擴(kuò)散體粒子數(shù)。
13.如權(quán)利要求1所述的發(fā)光裝置，其中所述光導(dǎo)包括在約50-300的范圍內(nèi)的軸向擴(kuò)散體粒子數(shù)。
14.如權(quán)利要求8所述的發(fā)光裝置，其中所述軸向擴(kuò)散體粒子數(shù)在約20-40的范圍內(nèi)。
15.如權(quán)利要求1所述的發(fā)光裝置，其中擴(kuò)散體粒子具有一個充分大于所述一個或多個光源的波長的尺寸。
16.如權(quán)利要求1所述的發(fā)光裝置，其中所述一個或多個光源從LED，白熾光源，放電管，激光，或其它高亮度光源中選擇。
17.如權(quán)利要求1所述的發(fā)光裝置，進(jìn)一步包括控制工具，用于控制所述一個或多個光源在波長范圍內(nèi)的輸出。
18.如權(quán)利要求15所述的發(fā)光裝置，其中所述光源是LED陣列的形式。
19.如權(quán)利要求15所述的發(fā)光裝置，其中所述光源是發(fā)射紅、綠和藍(lán)色光的LED陣列的形式。
20.如權(quán)利要求1所述的發(fā)光裝置，進(jìn)一步包括控制工具，用于控制所述一個或多個光源在波長范圍上的輸出，所述一個或多個光源是LED陣列的形式，其中所述LED的相對輸出是通過所述控制工具來調(diào)節(jié)，這樣從所述芯的所述第二端發(fā)射的所述光在所述一個或多個光源的波長范圍上是可調(diào)諧的。
21.如權(quán)利要求1所述的發(fā)光裝置，包括至少兩個光源，每個所述光源發(fā)出具有一個特有的角分布函數(shù)的光，其中所有光源的角分布函數(shù)是相似的。
22.如權(quán)利要求21所述的發(fā)光裝置，其中所有光源的角分布函數(shù)是相同的。
23.如權(quán)利要求1所述的發(fā)光裝置，進(jìn)一步包括一個同軸反射器，其包圍所述光導(dǎo)，以將漏出所述芯的光反射回來，穿過所述芯，射向所述芯的第二端，所述反射光增加了所述光導(dǎo)的發(fā)光的輸出。
24.如權(quán)利要求1所述的發(fā)光裝置，其中芯是一種聚合物。
25.如權(quán)利要求1所述的發(fā)光裝置，其中芯是玻璃。
26.如權(quán)利要求1所述的發(fā)光裝置，其中外殼是一種低折射率聚合物的覆層。
27.如權(quán)利要求26所述的發(fā)光裝置，其中聚合物是一種含氟聚合物。
28.如權(quán)利要求1所述的發(fā)光裝置，其中外殼是一種氣凝膠或低折射率玻璃的覆層。
29.如權(quán)利要求1所述的發(fā)光裝置，其中外殼從一層水；低折射率液體；空氣；其它氣體；或真空中選擇。
30.如權(quán)利要求1所述的發(fā)光裝置，其中外殼是透明的。
31.如權(quán)利要求1所述的發(fā)光裝置，其中外殼是半透明的。
32.如權(quán)利要求1所述的發(fā)光裝置，其中擴(kuò)散體粒子是由聚合物制成的。
33.如權(quán)利要求32所述的發(fā)光裝置，其中擴(kuò)散體粒子是以粒子的形式，這些粒子不會被用于產(chǎn)生聚合物芯的單體混合物熔化。
34.如權(quán)利要求32所述的發(fā)光裝置，其中擴(kuò)散體粒子是一種交聯(lián)聚合物，如PMMA或聚苯乙烯。
35.如權(quán)利要求24所述的發(fā)光裝置，其中聚合物芯是通過擠壓或噴射模塑形成。
36.如權(quán)利要求24所述的發(fā)光裝置，其中聚合物芯是由非交聯(lián)PMMA通過擠壓或噴射模塑形成，且擴(kuò)散體粒子是由交聯(lián)PMMA形成。
37.如權(quán)利要求1所述的發(fā)光裝置，其中擴(kuò)散體粒子是由透明的非聚合材料制成，如玻璃。
38.如權(quán)利要求1所述的發(fā)光裝置，其中擴(kuò)散體粒子是球形的。
39.如權(quán)利要求1所述的發(fā)光裝置，其中擴(kuò)散體粒子從圓柱的；多面體的；橢圓的；或不對稱形狀中選擇一種。
40.如權(quán)利要求1所述的發(fā)光裝置，其中擴(kuò)散體粒子具有在5μm到50μm的范圍內(nèi)的一個尺寸。
41.如權(quán)利要求1所述的發(fā)光裝置，其中擴(kuò)散體粒子具有在25μm到35μm的范圍內(nèi)的一個尺寸。
全文摘要
本發(fā)明涉及由一個或多個光源組成的發(fā)光裝置，該光源連接到包含擴(kuò)散體粒子的光導(dǎo)上，擴(kuò)散體粒子具有與光導(dǎo)的芯的折射率相近的折射率。擴(kuò)散體粒子引起光源發(fā)出的光的散射，這樣發(fā)光裝置發(fā)出的光具有人眼不能覺察的色彩變化和亮度上小的漸變。
文檔編號F21V8/00GK1703636SQ03825173
公開日2005年11月30日 申請日期2003年9月18日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月18日
發(fā)明者J·B·富蘭克林, G·B·史密斯, E·K·約瑟夫 申請人:悉尼科技大學(xué)