具有单个透镜的光漫射光纤照明设备的制作方法

本申请要求2014年6月23日提交的题为“LIGHT DIFFUSING FIBER LIGHTING DEVICE HAVING A SINGLE LENS(具有单个透镜的光漫射光纤照明设备)”的美国临时申请号62/015,735的优先权。上述相关申请通过引用而结合在此。

背景技术：

本公开涉及采用光漫射光纤的照明设备，并且更具体地涉及光源封装件，该光源封装件具有光耦合到通过光漫射光纤来发射光的光纤的二极管。

光漫射光纤(LDF)可以在各种应用中用作为用于重点照明的、指示器照明以及其他应用的光照明器。对于紧凑应用，例如在消费电子产品中，可以使用采用激光源封装件形式的光源。通常，多个光学透镜布置在该激光源封装件与该光漫射光纤之间，这增加了该设备的尺寸。另外，使用多个光学透镜将来自激光二极管的激光有效地耦合到光纤可能是昂贵的。因此，期望提供一种利用紧凑并且生产起来较为经济的光源封装件来照射光漫射光纤的照明设备。

技术实现要素：

根据一个实施例，提供了一种照明设备。该照明设备包括光源封装件，该光源封装件包括布置在具有第一开口的第一壳体中的二极管，该二极管在该第一壳体内的发射点处发射光。该照明设备还包括布置在该第一壳体上邻近该第一开口并与该发射点光学对准的透镜、以及基本上包围(enclose)该第一壳体和该透镜的第二壳体，该第二壳体具有第二开口。光纤延伸穿过该第二壳体中的第二开口并且具有与该透镜和二极管光学对准的终端，其中，该透镜布置在该光纤的终端与该二极管之间，并且该光纤的终端在与该发射点相距小于2.5毫米的距离内，并且其中，该光纤经由光漫射光纤发射光。

根据另一个实施例，提供了一种制造照明设备的方法。该方法包括以下步骤：提供光源封装件，该光源封装件包括布置在第一壳体中的二极管，其中，该二极管在该第一壳体内的发射点处发射光。该方法还包括以下步骤：在第一壳体中形成第一开口；将透镜布置在该第一壳体的该第一开口内；将该第一壳体和透镜包封在其中具有第二开口的第二壳体内；以及布置光纤，该光纤延伸到该第二壳体中的第二开口中并且具有与该二极管光学对准的终端。该透镜布置在该光纤的终端与该二极管之间，并且该光纤的终端在与该发射点相距小于2.5毫米的距离内，并且该光纤向光漫射光纤发射光。该方法还包括以下步骤：相对于该第二壳体将该光纤固定连接在光学对准位置中，使得光从该发射点传输到该光漫射光纤。

附加特征以及优点将在以下详细描述中予以阐明、并且部分从该描述中对本领域普通技术人员而言将变得非常明显或者通过实践本文中所描述的实施例很容易被识别，包括以下详细描述、权利要求书以及所附附图。

应当理解，前面的总体描述和以下详细描述都仅仅是示例性的，并且旨在提供用于理解权利要求书的性质和特征的概述或框架。这些附图被包括在内，以便进一步理解，并且结合在本说明书内并构成本说明书的一部分。这些附图示出了一个或多个实施例，并且与这些描述一起用于解释各种实施例的原理和操作。

附图说明

图1是根据一个实施例的照明设备的分解透视截面视图；

图1A是图1所示的光漫射光纤通过线IA-IA所截取的图解横截面视图；

图2是图1的照明设备的横截面侧视图，该照明设备具有组装到套圈(ferrule)和光漫射光纤上的激光源封装件；

图3是根据第二实施例的照明设备的横截面侧视图，该照明设备还具有将光纤耦合到激光源封装件的套圈连接器；以及

图4是根据第三实施例的照明设备的横截面侧视图，该照明设备具有直接耦合到激光源封装件的光漫射光纤。

具体实施方式

现将详细参考这些优选实施例，附图中示出了这些实施例的示例。在任何可能的情况下，贯穿这些附图将使用相同的参考数字来指代相同或相似的零件。

以下详细描述表示旨在提供用于理解权利要求书的性质和特征的概述或框架的实施例。这些附图被包括在内，以便提供对权利要求书的进一步理解并且构成说明书的一部分。附图示出了各种实施例，并且与这些描述一起用于解释所要求保护的这些实施例的原理和操作。

参考图1至图4，示出了根据各种实施例的照明设备10，用于提供由通常显示为激光源封装件所生成并且由光漫射光纤(LDF)输出的光照明。照明设备10包括具有布置在第一壳体24中的二极管20的光源封装件12。在所公开的实施例中，光源封装件12是具有安装在圆柱形第一壳体24内的激光二极管20的激光源封装件。激光二极管20在第一壳体24内的发射点处发射可见光。照明设备10还包括透镜，该透镜布置在该第一壳体上邻近该第一开口并与该发射点光学对准。在优选实施例中，照明设备仅采用单个透镜。照明设备10还包括基本上包围第一壳体24和透镜70的第二壳体72。第二壳体72具有第二开口75。照明设备10还包括光纤42或30，该光纤延伸穿过第二壳体72中的第二开口75，并且具有与透镜70和二极管20光学对准的终端43或33。透镜70布置在光纤42或30的终端43或33与二极管20之间，并且光纤42或30的终端43或33在与发射点22相距小于2.5毫米的距离内。光纤42或30经由光漫射光纤30来发射光。根据更优选的实施例，光纤42或30的终端43或33可以与激光二极管20光学对准到与发射点22相距0.8毫米到2.5毫米范围内的距离内。根据进一步的实施例，光纤42或30的终端可以与发射点22相距小于1.6毫米。

光纤经由光漫射光纤30传输和发射光。在图1和图2所示的一个实施例中，套圈40延伸到第二开口75中并连接到第二壳体72，并且光纤42布置在套圈40中。在本实施例中，光纤42可以是光耦合到光漫射光纤30的传送光纤。套圈40可以密封到第二壳体72。低折射率粘合剂74可以布置在套圈40与第二壳体42之间，以密封关闭的第二开口75。替代地或另外地，套圈40可以是焊接或结合到该第二壳体以与第二壳体72形成气密密封的金属。应当理解，一个或多个传送光纤可以光耦合在二极管20与光漫射光纤30之间，使得由二极管20产生的光被传输到光漫射光纤30。传送光纤42可以布置在第一套圈40内，该第一套圈进而连接到壳体24。如图3的实施例所示，第一套圈40可以连接到第二套圈52或耦合到光纤30的其它连接器，其中，套圈40和52通过套筒50在对准的光耦合位置中连接在一起。根据进一步的实施例，光漫射光纤30可以延伸到第二壳体72的第二开口75中，并且在没有套圈的情况下具有与透镜70光学对准的终端33，如图4所示。

该照明设备有利地采用位于激光二极管20与光纤42或30的终端43或33之间的单个透镜70。如本文所使用的，术语“透镜”被广泛地理解为包括适于重定向(例如，聚焦、会聚、发散、准直等)电磁辐射的光学结构。透镜70接收采用由二极管20发射的光的形式的电磁能，并将该光聚焦到光纤42或30的终端43或33上。

现在参考图1至图3，根据第一实施例示出了照明设备10，照明设备10具有耦合到传送光纤42的光漫射光纤30、以及进而物理连接到第二壳体72并且光学对准并耦合到光源封装件12的套圈40。光源封装件12可以包括采用TO罐封装件形式的激光源封装件。可以将可商购的TO罐封装件改良并连接到第二壳体72，该第二壳体进而支撑套圈40和光纤42，该光纤光耦合到光漫射光纤30以实现如本文所述的照明设备10。光源封装件12在本文中总体上被示出和描述为具有基座14和多个输入引脚28的TO罐封装件。光源封装件12还包括连接到基座14的第一壳体24。根据一个实施例，第一壳体24可以包括圆柱形金属罐，该圆柱形金属罐可以被激光焊接或以其它方式连接到基座14上，以在基座14与第一壳体24之间提供气密密封。布置在密封的第一壳体24内的是二极管20，根据一个实施例，在这里被示出和描述为可以组装到支撑基板16上的激光二极管，该支撑基板进而连接到基座14。激光二极管20经由输入引脚28接收电功率，并且在第一壳体24内的发射点22处产生激光发射。激光二极管20可以产生诸如红色、蓝色或绿色光等彩色光。基座14可以由诸如铝等导热材料制成，以将热能从二极管20散发到外部周围环境。尽管根据一个实施例在此示出和描述了具有激光二极管20的激光源封装件12，但是应当理解，光源封装件12可以配置有其他光源，诸如采用发光二极管的LED封装件。

激光源封装件12优选地具有紧凑尺寸，其高度和长度尺寸足够小，以能够在诸如消费电子产品(例如手机)的小型设备或应用中使用。光源封装件12可以包括可商购的TO罐封装件，该TO罐封装件通常可以进一步添加与出光口对准的玻璃窗。该可商购的TO罐封装可以与铜壳体和多个光学透镜一起使用，这总体上为整个封装件加上了增加的长度和高度。TO罐封装件的示例包括可商购的3.3mm和3.8mm的TO罐封装件。当使用可商购的TO罐封装件时，可以移除并且不采用该玻璃窗(未示出)，并且连接到包含光纤42的套圈40的第二壳体72可以附接到第一壳体24和套圈40，并且光纤42与透镜70和激光二极管20光学对准而不需要附加的光学透镜，从而在紧凑且廉价的照明设备中提供有效的光耦合。光源封装件12可以具有小于4.0毫米的宽度W，并且更优选地，宽度W为3.8毫米或更小。传送光纤42和光漫射光纤30可以具有任何合适的长度，以便为给定的应用提供足够的照明。

光源封装件12可以被配置为在第一壳体24的前端中包括第一开口26，足以使得透镜70能够插入第一壳体24内的开口26中并且进入与激光二极管20的发射点22光学对准的位置。根据一个实施例，第一开口26是圆形的，并且其尺寸被设为具有与圆形透镜70的直径相同或稍大的直径，以允许透镜70插入第一开口26中。第一开口26可以通过钻孔到第一壳体24的端壁中来形成，或者另外可以通过冲压、模制等来构造。在TO罐封装件中，一旦移除该玻璃窗，第一开口26可以是在出光口处的开口。

透镜70的外周边缘可以使用施加到该外边缘表面的溅射涂覆工艺的金属化来接收金属涂层。然后可以在限定第一开口26的壁内将金属化涂层焊接或以其它方式粘附到第一壳体24。金属化涂层可以包括银，银在可见光谱中提供玻璃/金属界面处的低吸收。当焊接或结合到金属第一壳体24时，透镜70的金属化外表面在透镜70与第一壳体24之间提供气密密封。可替代地，透镜70可以使用粘合剂粘附到开口26内的第一壳体24。在进一步的实施例中，透镜70可以直接粘附到开口26中的现有窗口上或者粘附到该壳体的表面上，使得透镜70延伸穿过该窗口。透镜70在光轴上与二极管20光学对准。

第二壳体72进一步显示为连接到激光源封装件12。第二壳体72被显示为圆柱体，该圆柱体可以包括连接到光源封装件12的基座14的金属(诸如铜)或陶瓷或其他材料。在一个实施例中，第二壳体72由铜制成并且焊接到光源封装件12的基座14以形成气密密封。第二壳体72基本上包围第一壳体24和透镜70。第二壳体72在与连接到光源封装件12的端部相对的端部处具有第二开口75。进一步示出了具有插入在光漫射光纤30与透镜70之间的传送光纤42的套圈40。第二壳体72中的第二开口75形成为具有足以容纳套圈40的直径。套圈40可以包括装配在第二壳体72的第二开口75内的圆柱形金属壳体，并且可以连接到第二壳体72以形成密封闭合。在一个实施例中，套圈40可以经由低折射率粘合剂74定位和保持在第二开口75内。除了该粘合剂之外或代替该粘合剂，套圈40可以是金属的并且可以延伸到第二开口75中并可以焊接到第二壳体72以在套圈40与第二壳体72之间形成气密密封。应当理解，根据其他实施例，套圈40可以由金属(诸如不锈钢、铜)或其他材料(诸如陶瓷或玻璃)制成，并且可以另外以其它方式连接并密封到第二壳体72。

根据一个实施例，在套圈40内布置有作为传送光纤示出和描述的光纤42。根据另一个实施例，光纤42可以是光漫射光纤。在另一实施例中，渐变折射率(GRIN)透镜可以用作具有或不具有套圈的透镜70。GRIN透镜可以布置在套圈40内，代替传送光纤42以用作透镜。根据一个实施例，传送光纤42可以包括纤芯和包层，该包层具有在光轴上与二极管20光学对准到位于与发射点22相距小于2.5毫米的距离D内的终端43。根据另一个实施例，发射点22与光纤40的终端43之间的距离D小于1.6毫米。在本实施例中，应当理解，在发射点22与光纤42的终端43之间仅布置单个光学透镜。

在套圈40的相对端处是光漫射光纤30，光漫射光纤30被显示为光耦合到传送光纤42。光漫射光纤30与光传送光纤42之间的耦合可以通过使光纤30和42沿着光轴对准并且使光纤30和40相对于彼此光耦合来实现。该光耦合可以包括对接耦合。低折射率粘合剂62可以进一步将光漫射光纤30粘附到传送光纤42和套圈40的端部的一端，以将光纤30和42保持在一起。

根据一个实施例，光纤42可以形成在套圈40内，并且光漫射光纤30可以与附接到其上的套圈40组装。套圈40可以插入第二壳体72的第二开口75内，以使光纤42与透镜70和二极管20光学对准。然后，套圈40可以焊接或以其它方式粘附到第二开口75内的第二壳体24。对于陶瓷或其他非金属套圈，套圈42可以在焊接之前金属化，以便气密地附接到第二壳体75。或者，套圈40和光纤42可以气密地连接到第二壳体75，并且对准以便通过透镜70在二极管20与光纤42的终端43之间提供最佳的光耦合。光漫射光纤30可以在套圈40的相对端处耦合到传送光纤42，并且用低折射率粘合剂62粘附到传送光纤42。

布置在套圈40中且与透镜70光学对准的光纤可以是传送光纤或光漫射光纤。对于直径为105微米和NA为0.17的光纤，可以实现百分之六十至百分之七十(60％-70％)的发光耦合效率。如果该光纤是双包层光纤，其中内部玻璃包层相对于外部聚合物包层具有的NA为0.53，则光耦合效率可以是大约百分之九十到百分之九十五(90％-95％)。根据一个实施例，激光二极管20可以是具有小于10微米的光束腰和小于0.5的NA的空间单模激光二极管，该空间单模激光二极管可以用于照射直径在105至200微米范围内以及NA在0.17至0.53的范围内的多模光漫射光纤。该多模光纤可以在850纳米和1,550纳米中的一个或两个的波长下多模化。给定该光纤面与激光二极管发射点22之间的距离是大约850微米，可以限制光耦合效率以试图实现紧凑的照明设备。应当理解，在发射点22与光纤42的终端43之间仅布置单个光学透镜70。

一旦套圈40和光纤42布置在第二壳体72的第二开口75内并与透镜70和激光二极管20对准，则套圈40可焊接或以其它方式固定地连接到第二壳体72。这可以包括施加到套圈40和第二壳体72以覆盖并将套圈72的外表面粘附到第二壳体72的低折射率粘合剂74。照明设备10然后可以被组装到诸如消费电子设备的设备中或者被应用在另一个应用中以提供紧凑且廉价的照明设备。应当理解，光漫射光纤30可以具有各种形状和尺寸以适应该设备和照明应用的尺寸。

在各个公开的实施例中，照明设备10包括可操作地耦合到二极管20以接收由二极管20产生的光并将该光分散用于照明应用的光漫射光纤30。光漫射光纤30是接收由二极管20产生的光并且通过该光纤的侧面散射和输出该光的高散射光传输光纤。根据一个实施例，使用光漫射光纤30实现的高散射光传输具有0.5dB/米或更大的光衰减。

光漫射光纤30可以被配置为单个光漫射光纤。光漫射光纤30可以是具有例如在105至200微米范围内的直径的多模光纤(例如，能够传输850或1550纳米的多种模式)，并且可以是柔性的，从而允许容易地安装到壳体24。在一个实施例中，光漫射光纤30的直径为1,000微米或更小，更具体地为约250微米或更小。在其他实施例中，光漫射光纤30可以的更刚性的并且具有大于1,000微米的直径。

示出了具有如图1A所示的典型横截面结构的光漫射光纤30的一个实施例。光漫射光纤30可以包括石英光纤的纤芯和包层中的一个中的随机空气线或空隙的构造。在例如美国专利号7,450,806、7,930,904和7,505,660和美国专利申请公开号2011/0305035中可以找到用于设计和形成这种光漫射光纤的技术的示例，这些申请的全部内容通过引用结合在此。光漫射光纤30具有可以包括Ge掺杂的或F掺杂的纤芯的SiO₂玻璃纤芯32。具有用于散射光的空气线的SiO₂包覆层34显示为围绕纤芯32。包覆层34可以形成为包括空气线或空隙以对该光进行散射并引导该光通过侧壁。应当理解，根据各种实施例，随机空气线可布置在纤芯32或包层34中或两者中。应当理解，在光漫射光纤30中通常首选的是高散射光损耗。低折射率聚合物主要保护层36通常围绕包覆层34。另外，外部次要层38可以布置在主要保护层36上。主要保护层36可以是软的和液态的，而次要层38可以更硬。

在光纤制造和加工的所有步骤中可以控制光漫射光纤30的散射损耗。在空气线形成过程中，更多数量的气泡的形成通常将创建更大量的光散射，并且在拉制过程期间，可以通过使用高张力或低张力分别创建更高或更低的光损耗来控制散射。为了使光损耗最大化，可以在光漫射光纤30的长度的至少一部分(如果不是全部的话)上理想地去除聚合物包层。通过用含有散射颜料或分子(诸如TiO₂)的墨涂覆光漫射光纤30，可以形成在光传播方向以及反向方向上的均匀的角度损耗。高散射光漫射光纤30可以具有改进的包层以促进散射和均匀性。如果需要，也可以添加在光漫射光纤30或纤芯或包层上的故意引入的表面缺陷以增加光输出。

光漫射光纤30可以具有在具有大量(大于50)的气体填充的空隙或其它纳米尺寸结构的区域或区，例如在该光纤的横截面中具有多于50个、多于100个或多于200个空隙。填充空隙的气体的可以包含例如SO₂、Kr、Ar、CO₂、N₂、O₂或其混合物。纳米尺寸结构(例如，空隙)的横截面尺寸(例如，直径)可以在10纳米至1微米(例如，15纳米至500纳米)之间变化，并且该长度可以根据空气线的直径来变化。

尽管光漫射光纤30在此显示并描述为具有空气线，但是应当理解，可以采用其它光散射特征。例如，可以采用诸如GeO₂、TiO₂、ZrO₂、ZnO等高折射率材料以提供高散射光传输。

照明设备10包括耦合在图1和图3的实施例中所示的透镜70与光漫射光纤30之间的低散射光传输光纤，即被称为光传送光纤42的低损耗光纤。根据一个实施例，传送光纤42可以包括被设计为以低信号损耗传输光的光纤。用传送光纤42实现的低散射光传输具有小于0.5dB/米的光衰减。传送光纤42可以通过对准的光耦合耦合到光漫射光纤30。应当理解，低散射光传输或传送光纤42可以使用包括拼接、对接耦合、光耦合和其它光传输耦合的各种光学连接可操作地耦合到光漫射光纤30。

参考图3示出了照明设备10，该照明设备具有连接到第二壳体72的第一套圈40，该第二壳体进而连接到光源封装件12，并且第一套圈40进一步对准并连接到第二套圈52。第一套圈40可以具有相对于二极管20光学对准的传送光纤42，如以上关于图1所示的第一实施例所讨论的。另外，第一套圈40与第二套圈52可拆卸地连接，该第二套圈进而经由光耦合和低折射率粘合剂64耦合到光漫射光纤30。第一套圈40和第二套圈52被配置成对准以允许第一套圈40和第二套圈52中的每一个内的光纤有效地在其间对光进行耦合。此外，外接头套筒50围绕第一套圈40和第二套圈52，以将第一套圈40和第二套圈52保持在固定且对准的位置上。应当理解，套筒50可以包括具有纵向开口的管，该纵向开口允许该管弯曲并在套圈40和52上压缩，以摩擦接合套圈40和52。套筒50可以具有螺纹或其他接合机构，用于保持第一套圈40和第二套圈52相对于彼此的位置。代替第二套圈52，可以采用另一个连接设备将光漫射光纤30耦合到第一套圈40。例如，可以采用诸如ST、FC或SMA连接器的电讯连接器。在任一实施例中，包含光漫射光纤的第二套圈52可以滑入机械配合机构，诸如配合套筒或包含第一套圈40且与第二壳体72集成的其它插座。虽然在本实施例中示出了第一和第二套圈或连接器，但是应当理解，附加的连接器或套圈可以耦合在光源封装件12与光漫射光纤30之间，并且可以使用两个或更多个传送光纤。

参考图4示出了照明设备10，该照明设备具有延伸到第二壳体72的第二开口75中并连接到第二开口的光漫射光纤30，而不使用如结合第一实施例和第二实施例所描述的一个或多个套圈。在本实施例中，光漫射光纤30经由低折射率粘合剂74粘附到第二壳体72并且相对于第二壳体72保持在适当位置上。光漫射光纤30与透镜70光学对准，使得由二极管20产生的光在发射点22处通过透镜70发射到光漫射光纤30的终端33上。在本实施例中，光漫射光纤30的终端33在与发射点22相距小于2.5毫米的距离D内。应当理解，可以采用用于保持光漫射光纤30到第二壳体72的对准和固定关系的其他结构支撑。

根据各种实施例，透镜70可以包括双凸面透镜、平凸透镜、菲涅耳透镜、GRIN透镜或体积全息透镜。体积全息透镜可以是具有预制的光栅的预写透镜，并且其上布置有传送光纤42的套圈或光漫射光纤30可以在X、Y和Z方向上与透镜70对准。在透镜70已经安装到光源封装件12上之后，全息透镜可以替代地被写入以形成光栅。该全息透镜可以同时暴露于该激光二极管光以及离开该光纤的输入面向后行进的光。离开该光纤的输入面的光可以向后发射到该光纤的远端。透镜70可以被开发为自动对准激光二极管20和光纤30的全息透镜，因为它们用作写入全息图的来源。为了实现增强全息图写入，可以在写入步骤期间将单模光纤插入该套圈中。可以移除该光纤并使用随后可以结合到该套圈的另一个光纤或短头进行替换。在美国专利号7,505,650和8,616,023中公开了可集成到照明设备10中的低成本折射透镜的示例，这些申请的全部公开内容通过引用结合在此。

因此，照明设备10有利地使用单个透镜70将来自光源封装件(诸如TO罐封装件)的光耦合到光漫射光纤30以提供光照明。照明设备10可以使用现有的TO罐封装件而不需要多个光学透镜，这导致显著的尺寸减小并且允许紧凑和经济地制造设备。照明设备10具有足够小的宽度和长度，使得其可以有利地用于多种应用中的任一种，诸如用在手机中。

可以在权利要求书的范围内对这些示例进行各种修改和改变，并且这些不同示例的方面可以用不同的方式组合以实现进一步的示例。因此，鉴于但不限于本文所描述的实施例，将从本公开的整体来理解权利要求书的真实范围。

对于本领域技术人员显而易见的是，在不脱离权利要求书的精神或范围的情况下可以进行各种修改和变化。