專利名稱：高效光耦合器的制作方法
高效光耦合器
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及收集來自高數(shù)值孔徑(N. A.)源的光并將所述光轉(zhuǎn)變?yōu)榈蚇. A.點光源以耦合到光學(xué)系統(tǒng)中。大多數(shù)現(xiàn)代照明光源，例如燈泡，發(fā)光二極管以及弧光燈，為以球面或半球面形式輻射光線的擴展光源。標(biāo)準(zhǔn)折射光學(xué)部件可以透射或聚焦一部分光源光但是仍會存在大量損失，其一般大于70%。標(biāo)準(zhǔn)反射光學(xué)部件具有較高的效率但實際上仍然損失所有光中的 50%。隨著不斷增加的能源成本，盡可能高效地產(chǎn)生和利用光將變得重要。因此，光將更好地被定形、控制或操控，然后投放在期望的區(qū)域中，并且以盡可能少的損耗發(fā)揮功能。這樣的情形需要光耦合技術(shù)的使用。光耦合器示例性應(yīng)用包括光纖傳輸系統(tǒng)、限定區(qū)域照明、基于非激光的準(zhǔn)直光源以及生命科學(xué)技術(shù)照明。從高N.A.形式向低N. A.形式折射或反射光的能力可以用簡單的方式實現(xiàn)；置于燈泡前的一簡單透鏡即完成該功能。光從透鏡或者發(fā)散或者會聚或者平行地射出。但是， 所產(chǎn)生的所有光中僅有小部分被獲取來使用，對F/#-1.0透鏡來說通常為12.5%。目的是將高N.A.光源轉(zhuǎn)換為低N. A.光源同時將光轉(zhuǎn)變?yōu)辄c光源或準(zhǔn)點光源(也即，發(fā)射區(qū)域相對于光學(xué)系統(tǒng)光闌小的擴展光源)。實現(xiàn)這樣的系統(tǒng)是復(fù)雜的并且會需要體積龐大的設(shè)備。 通常來說，方案是限制獲取的光量或大幅增加重構(gòu)的點光源的像差。總體上講，當(dāng)前可用的光耦合器技術(shù)是有效光量聚集能力與光機械的復(fù)雜程度之間的折中。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供改進的能夠?qū)⒏逳. A.光源轉(zhuǎn)換為低N. A.光源的光耦合器系統(tǒng)。光耦合器系統(tǒng)包括在其頂端處限定孔徑的第一二次曲線形反射器，面對第一二次曲線形反射器的第二二次曲線形反射器，位于第二二次曲線形反射器頂端處的光源以及位于第一二次曲線形反射器頂端的孔徑中的負光學(xué)元件。在所有實施例中，光源被放置在位于或靠近第二二次曲線形反射器的頂端。第二二次曲線形反射器通過從第一二次曲線形反射器接收平面波以運行于最大系統(tǒng)孔徑。這帶來如下優(yōu)點，即光源和任何相關(guān)的安裝硬件只阻擋或吸收最小量的來自第一二次曲線形反射器的反射光，由此提高了效率。光源放置于任何其它位置都將降低光耦合效率。第二二次曲線形反射器的功能是將反射光會聚到焦平面，期望設(shè)置焦平面經(jīng)過第一二次曲線形反射器的頂端。這至少部分通過調(diào)節(jié)第二二次曲線形反射器的半徑和二次曲線形常數(shù)來實現(xiàn)。很明顯負元件(negative element)的最佳位置是位于第一二次曲線形鏡的頂端。在該處會聚光的N. A.可在其到達焦平面前被改變。負元件的直徑在將阻擋或轉(zhuǎn)向大量發(fā)射光的大直徑和負元件效率將減小的小直徑之間有一范圍。負元件將伸出焦平面的位置從而使得光在光學(xué)任務(wù)的下一環(huán)節(jié)更加可用。在第一實施例中，第一二次曲線形反射器為拋物線狀的并且光源位于第一二次曲線形反射器的焦點處。來自光源的光被反射離開第一二次曲線形反射器，被準(zhǔn)直并傳輸?shù)降诙吻€形反射器。從第二二次曲線形反射器反射的光進入負元件，然后到達其焦平面，從而減小會聚射線角度以獲得所需要的N. A.。通過優(yōu)化第二二次曲線形反射器關(guān)于負元件的曲線，可以獲取并操控更多的光來執(zhí)行特定功能(例如耦合到光纖)，由此實現(xiàn)所需要的增加光學(xué)耦合系統(tǒng)的效率的N. A.。在第二實施例中，折射介質(zhì)被置于第一和第二二次曲線形反射器之間。負元件為用于產(chǎn)生準(zhǔn)直光的新月形正透鏡的凹的第一表面。可選地，折射介質(zhì)可限定與在第一和第二二次曲線形反射器創(chuàng)建的包圍中的第一二次曲線形反射器一致的二次曲線形，從而取代負元件的功能。在第三實施例中，系統(tǒng)包括用于創(chuàng)建第二反射包圍的第三二次曲線形反射器和第四二次曲線形反射器。光源位于第二和第四二次曲線形反射器的頂端，其共用共同的軸并以相反方向分開。來自光源的光反射離開第一二次曲線形反射器朝向第二二次曲線形反射器。以類似的方式，來自光源的光反射離開第三二次曲線形反射器朝向第四二次曲線形反射器，并且在穿過包圍光源的第一和第二包圍之間的開口之前再次朝向第三二次曲線形反射器。來自上述兩個包圍的光穿過負元件，其包括凹的第一表面和凸的第二表面。附加的會聚透鏡進一步對光定形以產(chǎn)生低N. A.光源。在第四實施例中，第一二次曲線形反射器和第二二次曲線形反射器在共同的邊緣以最小縫隙暴露量連接從而消除任何光路泄露。光耦合器通過基于所需要的應(yīng)用允許第二二次曲線形反射器或第三負元件具有較大可變性從而減少系統(tǒng)中像差。第二二次曲線形反射器所需的二次曲線形和負光學(xué)元件對任務(wù)是特定的，例如，耦合到光纖需要不同于產(chǎn)生準(zhǔn)直光的反射函數(shù)。改進的光耦合器可被配置用于多種光學(xué)功能，例如對光定形，光纖耦合，產(chǎn)生準(zhǔn)直或近似準(zhǔn)直光，或任何獨特的照明目的。這樣的系統(tǒng)對于像LED這樣的半球狀輻射器有效， 并且也能適應(yīng)于燈絲光源和電弧光源。本發(fā)明將高N. A.光源光(例如，N.A. >0.9)轉(zhuǎn)換為低N.A.光源光(例如，0.55或更低)，由此使得能夠在柱狀焦平面光路徑中以極小的光損耗使用傳統(tǒng)光學(xué)器件。通過參考附圖和對當(dāng)前實施例的說明，本發(fā)明的上述以及其它的目的、優(yōu)點和特征將可以更加全面地被理解和領(lǐng)會。


圖1為本發(fā)明的第一實施例的截面圖；圖2為圖1中光耦合器的截面圖的光線路徑；圖3為本發(fā)明的第二實施例的截面圖的光線路徑，其描述焦點位于折射元件的端處；圖4為本發(fā)明的第三實施例的截面圖的光線路徑，其描述焦點位于折射元件中；圖5為本發(fā)明的第四實施例的截面圖的光線路徑，其描述折射元件和球狀元件作為準(zhǔn)直器；圖6為本發(fā)明的第五實施例的截面圖的光線路徑，其描述折射元件和光纖作為光纖饋送；圖7為本發(fā)明的第六實施例的截面圖的光線路徑，其描述折射元件作為定形的區(qū)域照明器；
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圖8為本發(fā)明的第七實施例的截面圖的光線路徑，其描述二次曲線形反射表面之間的折射介質(zhì)以及作為準(zhǔn)直器的折射元件和半球狀元件；

圖9為本發(fā)明的第八實施例的截面圖的光線路徑，其描述二次曲線形反射表面之間的折射介質(zhì)，其中二次曲線形反射表面包括模制在折射介質(zhì)中的凹表面；圖10為本發(fā)明的第九實施例的截面圖的光線路徑，其描述和球狀光輻射器一起使用的雙高效光耦合器。
具體實施例方式根據(jù)本發(fā)明的實施例的高效光耦合器在圖1中示出并通常以20指代。高效光耦合器20包括光源22，第一反射器M，第二反射器沈和負元件觀。光源22通常位于第二反射器26的頂端30并在近似于2pi球面度(.95NA)的立體角度上發(fā)射光輸出或光輻射到第一反射器M的內(nèi)表面32。第一反射器M的內(nèi)表面32反射來自光源22的光，由此改變光源22發(fā)射的光的路徑。第一反射器M為二次曲線形并具有使來自光源22的光準(zhǔn)直的附加功能，由此傳輸平面波到第二反射器26。然后，光被反射離開第二反射器沈朝向與第一反射器M的頂端36處孔徑34對準(zhǔn)的負元件觀。然后，如圖1所示，負元件觀引導(dǎo)發(fā)射光為低N.A.光束通過孔徑34。光源22可包括發(fā)光二極管(LED)。但是，光源22不限于LED，可以使用任何小區(qū)域發(fā)光器件，例如，電弧燈。如圖2所示，光源22與第二反射器沈基本上在第二反射器沈的頂端30相切。光源22基本上放置在第二反射器沈的頂端30使得可以通過板或可移動的蓋子(未示出)方便地接觸到光源22。對光源22的接觸可使得對例如不能工作的LED 或其他小區(qū)域發(fā)射源方便地進行維修或替換。如圖1-2中進一步所示，第一反射器M粘貼到或以其他方式安裝于拋物線輪廓之上或之中以接收和反射接收自光源22的光。第一反射器M與第二反射器沈同軸，并且可操作地與第二反射器26結(jié)合以產(chǎn)生第一包圍38。第一反射器M可進一步包括焦點40，其中光源22位于焦點40。第一反射器M可通過對鋁進行光學(xué)拋光制成。但是，光學(xué)任務(wù)所需的表面質(zhì)量并不限定材料為鋁?？墒褂镁哂蟹瓷鋵傩缘娜魏魏线m的金屬、塑料或玻璃材料。鋁的優(yōu)點在于其熱傳導(dǎo)屬性使得可以排除光源22產(chǎn)生的熱。該附加的優(yōu)點帶來更加緊湊的設(shè)計，其中主光學(xué)功能元件還執(zhí)行次要的以及常常是必要的機械功能。還是如圖1-2中所示，高效光耦合器20包括接收第一反射器M產(chǎn)生的平面波的第二反射器26，再次改變光源22發(fā)射的光的方向。第二反射器沈?qū)酃鈱?dǎo)向負元件觀。 第二反射器26可為二次曲線形，例如拋物線形、橢圓形、球形或雙曲線形。而且，第一和第二反射器24J6不限于相同的輪廓，其每一個可以依照具有相同或不同二次曲線值的任何相同或不同的二次曲線?？梢酝ㄟ^允許第二反射器沈的二次曲線值作為所要減少或消除的像差的函數(shù)進行調(diào)節(jié)來最大化高效光耦合器20的光學(xué)性能。常見的像差可能是負球形像差。第二元件沈的二次曲線值可取決于負元件觀處的能量傳輸函數(shù)，例如，是否最終目的是將光耦合到光纖，或?qū)⒐怦詈系接糜跍?zhǔn)直的透鏡，等等。在本實施例中，反射離開第二反射器沈的光以如同其由光源觀發(fā)射出那樣相同的角度會聚在其焦點42，由此具有與光源相同的N. A.。會聚光相交于或照射到負元件觀， 然后到達負元件中的第二反射器焦點42，然后會聚到焦平面44。會聚角α和N. Α.由此被減少。如圖1-2所示，第一頂端36和同軸的第二頂端30偏離了第一距離，其小于分離第二頂端30和第二焦點42的距離。關(guān)于這方面，光相交于或照射到負元件觀的第一表面46， 然后會聚到其焦平面44，由此使得負元件觀能夠改變光源22的N. A.。如圖1-2中所示，負元件觀被示為與孔徑34對準(zhǔn)的雙凹折射透鏡。取決于所需要的光輸出，負元件觀可為其他形狀，例如新月形透鏡，環(huán)形透鏡或衍射透鏡。第二反射器沈可通過拋光后的鋁構(gòu)造。但是，如前所述，光學(xué)任務(wù)所需的表面質(zhì)量并沒有將材料限定為鋁?？墒褂镁哂蟹瓷鋵傩缘娜魏谓饘?、塑料或玻璃材料，并且實際上第一和第二反射器24， 26可形成連續(xù)模制結(jié)構(gòu)。而且，相對大直徑的負元件觀可能會阻擋或轉(zhuǎn)向大量發(fā)射光，而相對小直徑的負元件觀可能會減少負元件觀的效率。相應(yīng)地，負元件觀直徑相對于第一反射器M直徑之比應(yīng)當(dāng)?shù)玫狡胶?，可選為1 10的比率。如圖3-4中所示，光照射到或相交于負元件觀，然后會聚在光焦平面44。光從位于第一反射器M的焦點40處的光源22發(fā)出。接著光反射離開第一反射器M朝向第二反射器26，然后反射離開第二反射器沈朝向具有凹的第一表面46的負元件觀。該折射光會聚在位于圖3中的負元件的第二表面48處的或位于圖4中所示的負元件觀中的焦平面44。圖5-7描述用于各種光任務(wù)的多個可能的配置。如圖5中所示，反射離開第二反射器26的光照射到具有凹的第一表面46的負元件28。折射光會聚在靠近用于產(chǎn)生準(zhǔn)直光束的球狀元件50的焦平面44。如圖6中所示，折射光基本上會聚在負元件和一個或多個光纖52之間的界面上，可選地用于光纖饋送。如圖7中所示，負或定形元件觀包括用作定形區(qū)域照明器的折射透鏡，其中定形元件觀包括凹的第一表面46和凸的第二表面48，焦平面 44位于兩者之間。在如圖8中所示的第七實施例中，高效光耦合器20進一步包括位于第一反射器M 和第二反射器26之間的折射介質(zhì)M。負元件觀被描述為具有對準(zhǔn)于第一反射器M的頂端36的凹的第一表面46和用于產(chǎn)生準(zhǔn)直光束的凸的第二表面48或半球狀第二表面48。 如圖9中所示，折射介質(zhì)M可與第一反射器M —致并沿著在第一和第二反射器MJ6之間建立的包圍38中的第一反射器M延伸。這樣，折射介質(zhì)M替代負元件觀的功能。在圖10所示的另一實施例中，高效光耦合器20進一步包括光源22，第一 M，第二沈，第三58和第四二次曲線形反射器56以及負元件觀。光源22位于第二和第四二次曲線形反射器26、56的頂端30，其共用公共軸60并以相反的方向分開。第一二次曲線形反射器M包括第一反射器頂端36和允許從高效光耦合器20發(fā)射的光通過的孔徑34。第一二次曲線形反射器M可操作地連接到第二二次曲線形反射器26以產(chǎn)生第一反射包圍38。以類似的方式，第四二次曲線形反射器56可操作地連接到第三二次曲線形反射器58以產(chǎn)生第二反射包圍62。來自光源22的光反射離開第一二次曲線形反射器M朝向第二二次曲線形反射器26。以類似的方式，來自光源22的光反射離開第三二次曲線形反射器58朝向第四二次曲線形反射器56，并再次朝向第三二次曲線形反射器58，然后通過包圍光源22的第一和第二包圍38，62之間的開口 64。來自兩個包圍38，62的光通過負元件觀，其如圖10所示，包括發(fā)散的(凹的)第一表面46和會聚的(凸的)第二表面48。附加的會聚透鏡66 被示出作為進一步聚焦來自高效光耦合器20的光以產(chǎn)生低N. A.光源。如上所述高效光耦合器裝置為重成像器，其中第一反射器M和第二反射器沈在成像點處重構(gòu)光源22的發(fā)射特性。改變系統(tǒng)N. A.的機會通過在光到達其焦平面44之前放置負元件觀而存在。放置于第一反射器M的頂端36的負元件觀可以為廣泛的多種元件之一，包括折射的，衍射的，全息的或反射的元件。N. A.減少轉(zhuǎn)換，舉例來說，可為大約1.72 到1，其中具有0. 95的N. A.的光源被減少到0. 55的N. A.。極大地減少N. A是可能的，但是通常以像差控制為代價。對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，將認識到通過減少錐形光的N. A.，可用光的“可用性”將極大地增強。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認識到存在通過使用折射率介質(zhì)可以最佳地實現(xiàn)的光性能要求。 以上說明為本發(fā)明的當(dāng)前實施例。在不偏離所附權(quán)利要求給出的本發(fā)明的精神和更寬的情況的前提下，可以做出各種替換和改變，所述權(quán)利要求應(yīng)按照包括等同原則在內(nèi)的專利法的原則進行解釋。
權(quán)利要求
1.一種光耦合器轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，包括第一反射器，其中所述第一反射器為二次曲線形并包括第一反射器頂端和位于所述第一反射器頂端處的孔徑；第二反射器，其中所述第二反射器為二次曲線形并包括第二反射器頂端，并且與所述第一反射器同軸，其中所述第一和第二反射器相互面對；光源，通常位于所述第二反射器頂端；以及負元件，對準(zhǔn)于所述第一反射器頂端的所述孔徑。
2.如權(quán)利要求1所述的光耦合器轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其中所述第一反射器包括第一二次曲線形焦點，其中所述光源通常被放置于所述第一二次曲線形焦點。
3.如權(quán)利要求2所述的光耦合器轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其中所述第二反射器為包括位于所述負元件中的第二二次曲線形焦點的二次曲線形。
4.如權(quán)利要求3所述的光耦合器轉(zhuǎn)換系統(tǒng)進一步包括光輸出，其中所述光輸出在匯聚到焦平面前照射到所述負元件。
5.如權(quán)利要求4所述的光耦合器轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其中所述焦平面位于所述負元件中。
6.如權(quán)利要求5所述的光耦合器轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其中所述第一反射器和第二反射器可操作地連接以形成第一包圍。
7.如權(quán)利要求6所述的光耦合器轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其中所述負元件包括雙凹折射透鏡。
8.如權(quán)利要求6所述的光耦合器轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其中第一反射器和所述第二反射器進一步包括位于其間的折射介質(zhì)。
9.如權(quán)利要求6所述的光耦合器轉(zhuǎn)換系統(tǒng)進一步包括用于產(chǎn)生準(zhǔn)直光源的靠近所述負元件的球狀折射元件。
10.如權(quán)利要求6所述的光耦合器轉(zhuǎn)換系統(tǒng)進一步包括光輸出和用于接收所述光輸出的光纖。
11.如權(quán)利要求6所述的光耦合器轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其中所述負元件包括用于產(chǎn)生準(zhǔn)直光源的半球形表面。
12.如權(quán)利要求1所述的光耦合器轉(zhuǎn)換系統(tǒng)進一步包括第三反射器；第四反射器，其面對所述第三反射器并可操作地連接所述第三反射器以形成第二包圍，所述第四反射器包括連接所述第二反射器頂端的第四反射器頂端并包括通過該處的開口，其中來自所述光源的光被反射離開所述第一反射器和所述第三反射器。
13.—種產(chǎn)生光輸出的光耦合器，所述光耦合器包括光源；第一二次曲線形反射器，包括第一頂端，位于所述第一頂端的光孔徑以及位于所述光源處的第一二次曲線形焦點；第二二次曲線形反射器，其面對所述第一二次曲線形反射器并且可操作地連接所述第一二次曲線形反射器以產(chǎn)生一包圍，所述第二二次曲線形反射器包括第二頂端，所述光源實質(zhì)上在所述第二頂端處在所述包圍內(nèi)相切于所述第二二次曲線形反射器；以及負元件，對準(zhǔn)所述第一二次曲線形反射器中的所述光孔徑，其中所述第二二次曲線形反射器包括位于所述負元件中的第二二次曲線形焦點。
14.如權(quán)利要求13所述的光耦合器，其中所述光輸出在會聚到焦平面前照射到所述負元件。
15.如權(quán)利要求13所述的光耦合器，其中所述第二頂端偏離所述第一頂端第一距離， 所述第一距離小于分離所述第二頂端和所述第二二次曲線形焦點的第二距離。
16.如權(quán)利要求13所述的光耦合器，其中所述第一二次曲線形反射器為拋物線形。
17.如權(quán)利要求13所述的光耦合器，其中所述負元件包括雙凹折射透鏡。
18.如權(quán)利要求13所述的光耦合器進一步包括用于接收所述光輸出的光纖。
19.如權(quán)利要求13所述的光耦合器，其中所述負元件進一步包括用于產(chǎn)生準(zhǔn)直光源的半球狀表面。
20.如權(quán)利要求13所述的光耦合器，其中所述第一和第二二次曲線形反射器形成連續(xù)的模制結(jié)構(gòu)。
21.如權(quán)利要求13所述的光耦合器，其中所述第一和第二二次曲線形反射器分別包括第一和第二反射表面，其中所述第一和第二反射表面包括拋光后的鋁。
22.—種光耦合器轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，包括第一反射包圍，包括第一二次曲線形反射器和第二二次曲線形反射器，所述第一二次曲線形反射器包括第一頂端和位于所述第一頂端處的第一孔徑，所述第二二次曲線形反射器包括第二頂端，其中所述第一和第二二次曲線形反射器彼此面對并可操作地彼此連接；第二反射包圍，包括具有第三頂端的第三二次曲線形反射器和具有第四頂端的第四二次曲線形反射器，其中所述第三和第四二次曲線形反射器彼此面對并可操作地彼此連接， 所述第二二次曲線形反射器的所述第二頂端與所述第四二次曲線形反射器的所述第四頂端連接并限定穿過該處的開口，其中所述第一反射包圍通過所述開口與所述第二反射包圍成流體連通；光源，位于所述第二和第四二次曲線形反射器的所述頂端處；以及負元件，其對準(zhǔn)所述第一反射器的所述孔徑。
23.如權(quán)利要求22所述的光耦合器轉(zhuǎn)換系統(tǒng)進一步包括光輸出，其中所述光輸出在會聚到焦平面前照射到所述負元件。
24.如權(quán)利要求22所述的光耦合器轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其中所述第一二次曲線形反射器包括第一二次曲線形焦點并且所述第三二次曲線形反射器包括第三二次曲線形焦點，所述光源同時位于所述第一二次曲線形焦點和所述第三二次曲線形焦點。
25.如權(quán)利要求22所述的光耦合器轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其中所述第二二次曲線形焦點位于所述負元件中。
全文摘要
一種光耦合裝置，通過聚集更多的被發(fā)射的輻射以及減小發(fā)射角度使得球狀或半球狀光源得到更加完全的利用。所述光耦合裝置包括第一二次曲線形反射器，其具有位于第一二次曲線形反射器頂端的孔徑；第二二次曲線形反射器，其與所述第一二次曲線形反射器5同軸并開口朝向第一二次曲線形反射器；光源，其放置于第二二次曲線形反射器頂端；以及負元件，其位于孔徑處用于減少發(fā)射自光耦合裝置的光的數(shù)值孔徑。所述光耦合裝置可包括位于第一和第二二次曲線形反射器之間的折射介質(zhì)。本發(fā)明在10傳輸或耦合光能量進入附加光系統(tǒng)時提供提高了的效率，并且可與固態(tài)光及傳統(tǒng)光源一同使用。
文檔編號G02B6/42GK102388327SQ201080012882
公開日2012年3月21日 申請日期2010年2月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月17日
發(fā)明者P·L·布爾蓋 申請人:光通量公司