[发明专利]用于照明装置的光外部耦合结构

说明书

技术领域

本发明总体上涉及光学。具体地，本发明关于利用衍射光栅效 应的光外部耦合(outcoupling)及导引结构。

背景技术

衍射光栅结构是具有基于包括衍射效应的物理光学来调节光路 的表面的精细结构(例如，横截面轮廓5为微米)。许多已知的“微 型棱镜”结构并不是真正的衍射结构，因为它们是相对大的(例如， 横截面轮廓为50微米)，由此，仅基于其中的折射效应(即仅应用 几何光学的原理)来改变光路。

通常，光在两种介质之间的界面处的折射用斯涅耳定律来描述：

sinθisinθt=n2n1=v1v2,---(1)]]>

且对于反射，θ_i＝θ_r

其中，θ_i、θ_r和θ_t分别是界面的法向矢量与入射光束、反射光 束和折射光束之间的入射角、反射角和折射角。n和v分别是指第 一介质和第二介质的折射系数(refraction index)和光在所述介质中 的速度。为了可视化，参见图1。当来自相对于第二材料具有更高 折射系数的材料的光以比关于表面法线的临界角大的角与介质边界 相交时，可能产生全内反射。

衍射现象经常可通过衍射光栅观察到，衍射光栅是指用来使光 分散成光谱的由大量平行线(即，光栅沟槽或“狭缝”)形成的透明 或反射表面图案。透射光栅在透明材料上具有沟槽。反射光栅在表 面上的反射涂层上具有沟槽。穿过这种表面或从这种表面反射的光 线由于衍射而弯曲。根据下列的(平面内)光栅方程，衍射角取决 于光波长度λ和所谓的沟槽“间隔”或沟槽“周期”d(有时也称作 “节距”)。

mλ＝d(sinα+sinβ_m)，                    (2)

其中，角α和β分别是指入射角和衍射角。本实例中的角度从 光栅法线测得。“m”是指衍射级，其是一个整数。鉴于方程2，对 于所选波长λ，符合|mλ/d|＜2的m的值显然是可物理地实现的。等 衍射级m＝0对应于直接透射或镜面反射。光栅的每个沟槽均引入一 个衍射图案，从而干涉多个沟槽的许多衍射图案。参见图1，为了 示意性地示出反射光栅，其中，光栅沟槽垂直于页面，并且单色光 束在表面平面内传播。对于最常见的衍射，衍射光栅的沟槽具有矩 形的横截面，即它们是二元沟槽(binary groove)，但梯形或三角形 的形态也是可行的。

精确且有效的光管理的重要性正不断增长。能量消耗和光污染 是所有光学应用中的两个实际问题。目前，光学解决方案中的主要 焦点是光耦合及导引结构。

波导件是尤其适于其中载有波的元件。在光学中，波导件常被 称为光导件(lightguide)，并且它们典型地包括具有相对高的折射 系数的介质材料。当波导件被置于具有较低折射系数的环境中时， 有利地，导向件根据全内反射的原理来载波。光导件包括光纤、玻 璃以及例如不同的薄膜。

在光学应用中，可以使用诸如二元沟槽的衍射光栅来进行光外 部耦合和光散射。然而，仅使用衍射光栅沟槽并不能自动确保尚可 符合任何下文中将评述的标准的性能。