[发明专利]光导调焦设备和方法

说明书

技术领域

本发明涉及光调焦设备。在此描述的特定实施例涉及被配置为引导光在期望的角分布内的光导。

背景技术

用于操作光的产品的开发已经导致了滤光、分光、衰减光、切换光、合并光和监控光的广泛技术。控制光源的角分布是服务于工业、医疗和科学社团的广泛应用中的重要方面。该例子需要包括公共演出、音乐厅、剧院等的聚光灯、舞台照明，其中通过指引的光控制照明。其他例子包括小的区域的照明，例如可能在牙医和手术过程中需要的照明。

车头灯是特定应用，其中照明的区域由双重需要指示：为驾驶员提供好的道路视觉以及防止对迎面而来的车流产生强光。此外，车头灯通常被设置为符合不同的国家标准。最近，例如发光二极管(LED)照明的技术可以应用于车流照明，其中使用LED照明元件的车头灯现在是可能的。持续地研发例如引导来自车头灯的光的有效方式。

传统的光导向方法包括反射元件，例如位于光源之后的弯曲的镜子，以及折射元件，例如位于光源前面的透镜。这些方法以及与其相关的问题在本领域是公知的。例如，很难在单个焦点定位多个光源，例如双细丝灯泡LED阵列等。

由此对于控制光源的角分布来说需要有效的、节约成本的解决方案。这里公开的设备致力于该需要。

发明内容

这里公开的光导向设备配置为向前引导光具有期望的角分布，所述光导向设备包括至少一个锥形光导和至少一个前折射器。所述锥形光导包括前出耦合表面、后出耦合表面和在所述前出耦合表面和所述后出耦合表面的顶点对向楔形角β的入耦合入口。所述折射器包括后入耦合表面和向前面对的出耦合表面，所述折射器被定位使得折射器的后入耦合表面与光导的前出耦合表面相邻，其间具有中间间隙。所述楔形角β被选择使得入射到所述光导的所述入耦合入口并且从所述光导的前出耦合表面退出的光入射到折射器的后入耦合表面，并且通过所述折射器的前向面对的出耦合表面发射所述光具有所述需要的角分布。

可选地，所述锥形光导通过所述入耦合入口围绕外部轴具有选择对称性。当恰当时，楔形角β的值随着围绕中心轴的角ψ而变化，使得需要的角分布不是对称的。

光导向设备可以还包括至少一个后反射器，配置所述至少一个后反射器使得入射到所述光导的所述入耦合入口并且从所述后耦合表面退出的光向前反射具有所述期望的角分布。可选地，包括光学元件的后反射器被定位为与所述光导的后出耦合表面相邻，所述光学元件被配置为通过完全内部反射引导退出光导的后出耦合表面的光处于所需的角分布内。

在所选的实施例中，中心轴和从入耦合入口到所述前出耦合表面和所述后出耦合表面的顶点延伸的中心线之间的半隙角近似等于通过光导的前出耦合表面限制完全内部反射的临界角。可选地，中心轴和从入耦合入口到所述前出耦合表面和所述后出耦合表面的顶点延伸的中心线之间的半隙角位于(sin^-1(1/n)-β)到(sin^-1(1/n)+β)的范围内，其中n是光导的折射率并且β是楔形角。

光导可以具有圆形水平横截面，其中所述前出耦合表面通常具有由第一圆锥角表征的凹圆锥形。可选地，后出耦合表面具有由第二圆锥角表征的通常截短的凸圆锥形。所述第一圆锥角可以大于所述第二圆锥角。有利地，选择所述第一圆锥角和所述第二圆锥角，使得入射所述光导的所述入耦合入口的光被分布为具有期望的角分布。

可选地，光导向设备还包括至少一个光源。

本发明的另一个方面教导了一种向前引导光具有期望的角分布使用的方法。该方法可以包括：提供光源；提供至少一个锥形光导，所述锥形光导包括前出耦合表面、后出耦合表面和在所述前出耦合表面和所述后出耦合表面的顶点对向楔形角的入耦合入口；定位至少一个折射器，所述折射器包括后入耦合表面和向前面对的出耦合表面，使得折射器的后入耦合表面与光导的前出耦合表面相邻，其间具有中间间隙；以及选择所述楔形角使得入射到所述光导的所述入耦合入口并且从所述光导的前出耦合表面退出的光入射到折射器的后入耦合表面，并且通过所述折射器的前向面对的出耦合表面发射所述光具有所述需要的角分布。

该方法还包括选择中心轴和从光导的入耦合入口到所述前出耦合表面和所述后出耦合表面的顶点延伸的中心线之间的半隙角，使其近似等于通过光导的前出耦合表面限制完全内部反射的临界角。可选地，选择半隙角的步骤包括在(sin^-1(1/n)-β)到(sin^-1(1/n)+β)的范围内选择角，其中n是光导的折射率并且β是楔形角。