光纤照明设备及方法与流程

本申请根据35u.s.c.§119要求于2015年5月4日提交的序列号为no.62/156,375的美国临时申请的优先权，本申请基于该临时申请的内容并且该临时申请的内容通过引用整体结合于此。

背景技术：

本申请涉及采用光纤的照明设备，且更具体地涉及具有光学地被耦合到诸如光漫射光纤之类的具有大数值孔径的光纤的激光二极管的紧凑型照明设备。

光漫射光纤(ldf)可在各种应用中被用作为用于重点照明、指示灯照明和其他照明应用的光照明器。常规照明封装的总体尺寸通常很大，并且将来自二极管光源的光有效地耦合到光纤会是昂贵的。因此，期望提供具有紧凑且经济生产的光封装的照射诸如光漫射光纤之类的光纤的照明设备。

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：多个激光二极管和多个准直透镜，每个激光二极管产生相应的光束中的光，该多个准直透镜与该多个激光二极管的相应光束光学地对准。照明设备还包括场透镜，该场透镜光学地被对准以接收由该多个激光二极管中的每个激光二极管发射的并由该多个准直透镜引导到该场透镜的激光。该照明设备还包括光漫射光纤，该光漫射光纤具有位于场透镜的焦点附近的终端端部以接收激光，其中该光漫射光纤从侧壁发射光。

根据另一个实施例，提供一种照明设备，其包括多个激光二极管和多个准直透镜，每个激光二极管产生在光束中发射的光，该多个准直透镜与该多个激光二极管的相应的光束光学地对准。该照明设备还包括场透镜，该场透镜光学地被对准以接收由该多个激光二极管中的每个激光二极管发射的并由该多个准直透镜引导到该场透镜的激光。该照明设备还包括光纤，该光纤具有位于场透镜的焦点附近的终端端部以接收激光，其中该光纤具有至少为0.4的数值孔径。

根据进一步实施例，提供了一种用照明设备生成光的方法。该方法包括以下步骤：用多个激光二极管生成多个激光光束，以及用多个相应的准直透镜准直该多个激光光束中的每个激光光束。该方法还包括以下步骤：用场透镜收集该多个激光光束以及用场透镜将多个被准直的激光光束聚焦到光漫射光纤的端部上。该方法还包括从光漫射光纤发射由该多个激光光束的组合得到的光的步骤。

以下的详细描述将阐述附加的特征和优点，这些特征和优点部分地对于本领域的技术人员来说根据该描述将是显而易见的，或者通过实施本文所述的实施例可认识到，包括以下详细描述、权利要求书以及附图。

应当理解的是，以上一般描述和以下详细描述两者仅仅是示例性的，并旨在提供用于理解权利要求本质和特性的概览或框架。各个附图被包括以提供进一步理解，各个附图被收入并构成本说明书的一部分。附图示出一个或多个实施例，并与说明书一起用来解释各实施例的原理和操作。

附图说明

图1是根据一个实施例的以虚线显示隐藏部件的照明设备的示意图；

图2是图1中所示的照明设备的分解图；

图3是移除壳体的盖的图1所示的照明设备的俯侧视图；以及

图4是经过图3所示的光漫射光纤的线iv-iv获取的示意性截面图。

具体实施方式

现在将具体参考现有优选实施例，其示例在附图中示出。在可能时，将在所有附图中使用相同的附图标号来指示相同或类似的部件。

以下详细描述表示了旨在提供用于理解权利要求本质和特性的概览或框架的实施例。包括附图以便提供对权利要求书的进一步的理解，且附图构成说明书的一部分。附图示出各种实施例，并与说明书一起用于解释所要求的这些实施例的原理和操作。

参考图1-4，根据一个实施例，示出了照明设备10，其用于提供由大致示出为三个封装的激光二极管源的多个光源生成的光照明，并且经由示出为光漫射光纤(ldf)30的光纤输出光照明。照明设备10包括多个光源封装12a-12c，在本文中示出并描述为三个单独的激光二极管封装，每个封装具有由标识符14a-14c分别标记的激光二极管。在所公开的实施例中，这三个光源封装12a-12c具有安装在其中的相应的激光二极管14a-14c，且以线性阵列并排地被布置。每个激光二极管14a-14c可以在发射点发射可见光，并且每个相应的激光光束在输出激光光束路径中发散。

在所示的实施例中，有三个激光二极管14a-14c固定地连接到容纳和保护照明设备部件的照明壳体(lighthousing)20。该壳体20可以由诸如铝之类的导热材料制成。该壳体20被示出为大致具有限定外壳的底壁、四个直立侧壁以及顶壁或盖21的矩形壳体。可以采用其他形状和信号外壳。该底壁被示出为具有从相对端部延伸的安装板，该安装板具有使得壳体20能够被安装到设备的紧固件(例如，螺钉)，或者可以进一步传导热量离开光源的其它结构。光源封装12a-12c分别安装在照明壳体20的一个端壁中的大致圆形开口18a-18c中，使得激光二极管14a-14c延伸到由壳体20限定的外壳中。光源封装12a-12c可以经由施加在开口18a-18c和相应的光源封装12a-12c之间的导热粘合剂连接到壳体20。由此，导热壳体20和导热粘合剂有利地传导热能(热量)离开光源封装12a-12c以散发热能并防止过热。

该照明设备10还包括安装在激光二极管14a-14c前面的且分别与由多个激光二极管14a-14c发射的相应的光束输出光学地对准的多个准直透镜22a-22c。准直透镜22a-22c各自对来自激光二极管14a-14c中的相应的一个激光二极管的激光光束输出进行准直以生成被准直的激光光束42.准直透镜22a-22c可以被配置为被设计成对激光二极管光束进行准直的模制的非球面玻璃透镜并且可以具有在2mm至5mm范围内的直径。在所示的实施例中，有与三个激光二极管14a-14c对准的三个准直透镜22a-22c。准直透镜22a-22c可以通过粘合剂或其它连接形式被固定到照明壳体20。由此，从第一激光二极管14a发射的发散的激光光束输出被第一准直透镜22a捕获且作为第一准直激光光束42被输出，如图1所示。类似地，从第二激光二极管14b发射的发散的激光光束输出被第二准直透镜22b收集和准直且作为第二准直激光光束42被输出。类似地，从第三激光二极管14c发射的发散的激光光束输出被第三准直透镜22c收集和准直且作为第三准直激光光束42被输出。

照明设备10还包括光学场透镜24，该光学场透镜24被对准以接收由多个激光二极管14a-14c中的每个激光二极管发射的并由多个准直透镜22a-22c引导到该光学场透镜24的准直激光光束42。根据一个实施例，该场透镜24可以包括平凸球面透镜。利用激光二极管的线性阵列，平凸球面场透镜24可以在顶侧和底侧被截断以减小在透镜24处的高度，使得其紧密地装配在大致矩形的照明壳体20内。根据一个示例，该平凸透镜可以被截断成跨10毫米直径的透镜的平台的7毫米高度。根据这个示例，这允许壳体组件的高度从约12.17毫米被减小到8.85毫米。根据另一实施例，场透镜24可以是非球面透镜。对于激光二极管的线性阵列，非球面场透镜24可以类似地在顶侧和底侧被截断。该非球面透镜可以具有大约0.53的较高的数字孔径(na)，其可以与具有相似na的光漫射光纤一起使用。截断非球面透镜可以减少它的尺寸。使用非球面透镜允许较短的焦距。场透镜24可以被粘附到照明壳体20或以其他方式附接到照明壳体20。

各个被准直的激光光束42被示出为基本彼此平行地大致延伸且每个激光光束在输入侧进入场透镜24的不同前侧部分。在这个实施例中，该多个激光光束42不重叠且每个光束42在分开和不同的位置进入场透镜24。该场透镜24在输入侧接收准直激光光束42中的每个激光光束，并将组合的激光光束42以聚焦的会聚光束44聚焦在输出侧上，该会聚光束大致示为圆锥形光束，其在光纤30的裸露的第一终端端部50附近具有撞击点。该场透镜24具有焦点，在该焦点处被收集的激光光束以会聚光束44方式被组合和聚焦，该会聚光束44被充分地聚焦到焦点附近的小区域，以将由场透镜24收集到的基本上全部的光引导到第一终端端部50上且引导进入光纤30。

照明设备10还包括光纤30，该光纤30具有位于场透镜24的焦点附近的裸露的第一终端端部50，以接收由激光二极管14a-14c生成的且由透镜22a-22c和24准直和收集的激光。在一个实施例中，光纤30是从侧壁40发射光的光漫射光纤，该侧壁从第一终端端部50延伸至第二终端端部52。该侧壁40被示为在光纤30的外表面上的圆柱形侧壁。应该理解，从侧壁40发射光的至少一部分。应该还理解，可以从光纤30的第二终端端部发射光的至少一些。根据一个实施例，光纤30可以是光漫射光纤，诸如品牌名为的由康宁制造和销售的可商购的光漫射光纤。

光纤30具有至少为0.4、更优选至少为0.5、最优选约为0.53的数值孔径。在一个实施例中，光纤30是具有至少为0.3、或至少为0.4、或至少为0.5、或至少为0.6、或至少为0.7、或约为0.53的数值孔径的光漫射光纤。光纤30可具有在50μm至200μm范围内的直径。光纤30被示为固定地连接到连接器26，连接器26继而连接到照明壳体20。该连接器26将光纤30的裸露的第一终端端部50保持在固定位置以接收由场透镜24聚焦在其上的光。该连接器26被示出为包括装配在壳体20内的且可以固定地附接到壳体20的块，以将光纤30保持在相对于场透镜24的焦点的所期望的位置和取向。根据一个实施例，该光纤连接器26可以包括st型连接器。根据其它实施例，光纤连接器26可以包括fc或sma插座。可替换地，光纤30可以被安装在套圈中且被结合到固定位置。

尽管根据一个实施例，多个激光二极管14a-14c被示出为以线性阵列布置，但是应当理解，该多个激光二极管14a-14c可以以其他方式被取向。例如，该多个激光二极管可以以三角形或圆形图案取向，其可以以中心光轴为中心。如果需要更多数量的光波长，则可以采用附加的激光源。如果需要更大的激光功率，则可以采用具有相同波长的多个激光器以针对激光二极管的给定输出功率提供增强的功率输出。也有可能使用与其他波长的其他激光器组合的相同波长的多个激光器。

光源封装12a-12c可以包括以to罐(tocan)封装的形式的激光源封装。三个可商购的to罐封装可被插入开口18a-18c内并且以与准直透镜22a-22c光学地对准的形式连接到壳体20。光源封装12a-12c各自具有二极管壳体和多个输入引脚16a-16c。to罐封装壳体可以包括金属罐且二极管14a-14c可以设置在二极管壳体内并密封在其中。激光二极管14a-14c各自经由输入引脚16a-16c接收电力，并且在发射点生成在输出激光光束中发散的激光发射。每个激光二极管14a-14c可以生成用于诸如在激光光谱内的某些波长下的红色、绿色或蓝色之类的特定颜色的光的特定波长。在一个实施例中，第一激光二极管14a生成第一波长下的绿色激光光束，第二激光二极管14b生成第二波长下的红色激光光束，且第三激光二极管14c生成第三波长下的蓝色激光光束。通过以各种组合和比例采用红色、绿色和蓝色激光二极管，多个不同的颜色的光输出可被生成用于来自光漫射光纤30的照明。可由光漫射光纤30生成并输出的光的颜色或色调可以通过控制红色、绿色和蓝色激光二极管14a-14c中的每一个的脉冲宽度调制(pwm)或强度来产生，以便调节每个颜色的激光光束的比例。

光源封装12a-12c被布置为在壳体20内靠近在一起，并且可以包括在每个封装的壳体上的截断，以将二极管14a-14c放置得尽可能地靠近在一起。绿色和蓝色激光二极管可以被采用在线性阵列的端部作为激光二极管14a和14c，并且红色激光二极管可以定位在中心作为二极管14b。由于红色二极管与绿色和蓝色二极管相比发射更少的热量，所以更少的热能被中心地生成在壳体内。应当理解，光源封装12a-12c可被安装到壳体20，且之后光学透镜22a-22c和24可以与激光二极管14a-14c对准并且在组装期间被固定就位。

照明设备10可被用作独立的照明设备。光源封装12a-12c各自具有紧凑的尺寸，其高度和长度尺寸足够小以能够在紧凑应用中使用，包括在诸如消费电子产品(例如，手机)之类的小型设备和应用中的使用。光源封装12a-12c可以包括可商购的to罐封装，其可具有与光出口对准的玻璃窗。to罐封装的示例包括可商购的3.3mm和3.8mm的to罐封装。

光漫射光纤30可以具有任何合适的长度以向给定的应用提供足够的照明。在一个实施例，光漫射光纤30具有达到至少10米的长度。光漫射光纤30的增强长度和/或增强的光输出可以通过在光漫射光纤30的相对端50和52处耦合照明壳体20来实现。光纤30可被连接到连接器26，该连接器26继而被连接到壳体20。光纤30的第一终端端部50优选地非常光滑，使得当与场透镜24对准时，由三个收集的激光输出光束所组合的激光在第一终端端部50处被有效地发射到光漫射光纤30中。

照明设备10可以用作独立的照明设备，或者可以被组装到诸如消费电子设备之类的设备中，或者被采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设备和照明应用的尺寸。

在一个实施例中，照明设备10包括经由透镜22a-22c和24可操作地耦合到多个激光二极管14a-14c的光漫射光纤30，从而基本上接收由激光二极管14a-14c生成的所有的光，且从光漫射光纤30的侧壁40分散光48以用于照明应用。光漫射光纤30是高散射的光传输光纤，其接收组合的激光并从侧壁40散射和输出光。根据一个实施例，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50微米至200微米范围内的直径的多模光纤且可以是柔性的，由此允许容易地安装到连接器26，连接器26继而连接到壳体20。在一个实施例中，光漫射光纤30具有1000微米或更小的直径，且更特别地约250微米或更小的直径。在其他实施例中，光漫射光纤30可以更刚性并且具有大于1000微米的直径。

光漫射光纤30的一个实施例被示出为具有如图4所示的典型的横截面结构。光漫射光纤30可以包括在二氧化硅纤维的芯和包层中的一个中形成随机的空气线或空隙。用于设计和形成这种光漫射光纤的技术示例可以在例如美国专利no.7,450,806、7,930,904和7,505,660以及美国专利申请公开no.2011/0305035中找到，以上专利和专利申请公开通过引用整体结合于此。光漫射光纤30具有sio2玻璃芯32，其可以包括掺杂ge或掺杂f的芯。根据一个实施例，玻璃芯的直径大于20微米。具有用于散射光的空气线的sio2包层34被示出为围绕芯32。包层34可以形成为包括空气线或空隙以散射光且引导光穿过侧壁40。应当理解，根据各种实施例，随机空气线可以设置在芯32中或在包层34中或在两者中。应当理解，在光漫射光纤30中，高散射光损失通常被优选。低折射率聚合物主保护层36通常围绕包层34。此外，外部次级层38可以设置在主保护层36上。主保护层36可以是软的(低模)，而次级层38可以是较硬的(高模)。

在光纤制造和加工的整个步骤中，光漫射光纤30的散射损失可被控制。在空气线形成过程中，形成更多数量的气泡通常将产生更大量的光散射，并且在拉制过程中，可以通过利用高张力或低张力分别产生更高或更低的光损失来控制散射。为了使光损失最大化，聚合物包层也可以在光漫射光纤30长度的至少一部分上(如果不是全部)被移除。通过用含有散射颜料或分子(如tio2)的油墨涂敷光漫射光纤30可以使在光传播方向以及相反的方向两者上的均匀角损失发生。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，在光漫射光纤30的外表面或其芯或包层上有意引入的表面缺陷也可以被添加以增加光输出。光漫射光纤30可以具有有大量(大于50)气体填充的空隙或其它纳米尺寸结构的区或区域，例如在光纤的横截面中多于50个、多于100个或多于200个空隙。气体填充的空隙可以含有例如so2、kr、ar、co2、n2、o2或其混合物。该纳米尺寸结构(例如，空隙)的横截面尺寸(例如，直径)可以在10纳米到1微米(例如，15纳米到500纳米)之间变化，且长度可以根据被照射的区域而变化。

虽然光漫射光纤30在本文中被示出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等之类的高折射率材料以提供高散射光传输。

根据其他实施例，照明设备10使用低散射光传输光纤，被称为光传送光纤。在该实施例中，该光纤具有至少为0.4、更优选至少为0.5、最优选约为0.53的数值孔径。光传送光纤可以具有至少为0.3、或至少为0.4、或至少为0.5、或至少为0.6、或至少为0.7、或约为0.53的数值孔径。照明设备10可以利用光传送光纤传送要从第二终端端部52发射的光或将光传递到另一个设备。可替换地，光传送光纤可以在第二终端端部52处被耦合到光漫射光纤，该光漫射光纤继而从侧壁发射光。该传送光纤可以包括被设计为以低信号损失传输光的光纤。用传送光纤实现的低散射光传输具有小于0.5db/米的光衰减。

因此，照明设备10有利地将来自多个激光二极管(诸如to罐封装中存在的那些)的光耦合到光漫射光纤以提供光照明。照明设备10可以采用现有的to罐封装，其紧凑且制造经济。照明设备10具有足够小的包括宽度、高度和长度的尺寸，使得其可以有利地被用于多种应用中的任何一种。

可在权利要求书的范围内对示例做出各种修改和变型，且不同示例的方面可以不同的方式被组合以实现进一步示例。因此，权利要求书的真实范围要从鉴于但不限于本文所描述的实施例的本公开的全部来理解。

对本领域技术人员显而易见的是在不背离本发明的精神或范围的情况下可做出各种修改和变化。