专利名称：用于光通信信号的均匀化的装置和方法
技术领域：
本发明涉及一种用于使来自分立光源的光辐射均匀化的光学装置及方法。特别是，本发明涉及一种用于从光发射器提供均匀输出的光学装置和方法。
本发明，至少在其优选形式中，提供用于使自由空间的辐射均匀化和受控准直，所述自由空间的辐射源自一个或多个嵌入的分立光辐射源(例如，发光二极管(LED)或激光器)。
本发明，结合分立LED或激光器元件，可以应用于通信系统的发射器，所述通信系统使用在自由空间光辐射上承载的信号。然而，本发明并不局限于可见光区域，而是本发明的原理可以应用于从硬紫外(从大约50nm)以上的任意波长。实际上，可能使用的最长波长在mm-波RF带(100GHz以上)。应当理解，在本文的其他地方，将本发明设计的传输或收集的电磁辐射称作“光”或“光学的”。
背景技术：
当将光学介质用于商业无线通信目的时1.应当将光源产生的信号光尽可能多地通过发射器按照明确限定的辐射图形传送到自由空间。相反，在光从发射器出射之前，发射器系统应当吸收尽可能少量的光源产生的光。
2.为了确保能够支持高速据传输率，应当使设备中的光学时间色散最小化。
3.为了以高速率传输数据，必须非常快地对光源进行调制(实际上在皮秒(ps)的10’s至纳秒(ns)的10’s的量级)。如果所述光源或每个光源在物理上较小(确保低的装置电容，并由此具有快速的响应时间)，这更容易实现。如此小的光源可能不具有所需要的角度辐射或通信系统所要求的物理尺寸特性。
4.希望的是能够利用所选择的光源，而与其固有的辐射图形无关。
5.光源和相关光学器件应当尽可能简单、便宜和空间紧凑。
6.应当避免在传输图形中的“盲点”以及由此产生的对接收器定位的问题。
7.发射器辐射图形应当被明确限定并且容易控制。
8.在高数据传输速率的应用中，希望的是使从电子元件到光源的信号路径长度最小化。因此，优选将光源非常靠近电子元件地安装在印刷电路板(PCB)上，并避免在光源和PCB之间使用信号线。
实际上，为了满足所有这些要求，需要将用于产生通信信号的光学装置设计为1.将各个分立光源的功率合成。
2.以明确限定的均匀功率密度角度图形发射基本100％的可用功率。
3.对于所有出射光线包含尽可能短的光线路径长度(即，最小量的反射)。
4.尽可能简单、紧凑和便宜地制造。
现有技术为了各种目的将来自多个分立光源的光合成、使光准直(即，控制或改变出射辐射的角度分布图形)和均匀化所述光(在空间区域上提供均匀的或各向同性的照明)的装置是已知的。
然而，已知的装置存在多个显著的缺点，并且通常不能同时提供两个或更多个上述特征。特别是，现有技术的装置倾向于存在下面一个或更多个缺点1.角度辐射图形的有限控制/方向性。非常常见的，实际的光源具有比在理想发射器中所需要的更小的角度图形。
2.缺乏效率。功率常常在准直中损耗。
3.由于分立光源的使用而造成各向异性(不均匀)。希望的是在通信应用中确保在给定区域上所发射的辐射尽可能均匀，因为这避免了对接收器定位的问题。
4.由于多次反射引起的不良时间色散。为了避免高数据传输速率信号的失真，希望的是具有尽可能少的内反射。
5.高成本/复杂性。
例如，如图1a-d所示，考虑下面简单的常规光学系统及其在通信领域中的使用。
漫射器漫射器是从一个或多个分立光源10实现均匀照明的典型方式。这通过使从光源10发射的光穿过滤光屏12，例如，毛玻璃片，来实现，所述滤光屏12使辐射同时散射到许多不同的方向。这在图1a中示出，其中示出了安装在PCB 10a上的单个光源10。然而，难以控制功率发射效率和角度辐射图形的限定。
准直器准直器使用一个或多个不透明屏14，其每一个具有明确限定形状的孔径16，将屏14设置为使得孔径16的中心共线。这些孔径16使来自某一方向范围的光线出射，而所有其他光线被屏14吸收，如图1b所示。这削减了角度范围而不影响均匀性。
准直器14通常用于与漫射器12结合以限定从滤光屏12出射的光的角度图形。所述设置的主要问题仍然在于效率光源10产生的大量出射辐射可能被屏材料吸收。
透镜适当放置的透镜18(可能仅仅是单个会聚或发散透镜)的系统可以改变从光源10出射的光的角度特性而不存在与准直器孔径相关的浪费。这在图1c中示出。然而，这种设置对均匀化没有帮助。如果将多个光源设置在会聚透镜的焦平面上，那么所述“像”(即，输出辐射图形)构成多个不均匀的点-除非所述光源在物理上接近并且在其直径上具有均匀的特性，这实际上是不可能的，或者是难以设置的。
成形反射镜可以利用特定几何形状的反射镜反射从光源10传输的光。公知用于聚焦和将一个或多个光源10的功率合成的简单反射镜几何形状是抛物线反射器20，如图1d所示。然而，这种设置具有各种缺点。首先，在不将光源10从安装它(们)的PCB 10a上拆下的情况下难以使用这种反射镜。由此，需要用导线22连接光源10和PCB 10a。另一种考虑是由于温度改变而尺寸不稳定。由此光的出射图形是依赖温度的。由于这些原因，对于高速通信的应用，特定几何形状的反射镜是不希望的。
将来自多个分离的光源的光合成的其他应用用于可见发光工业中。这些应用主要与从多个低密度分立光源产生高可见度的光束或信号灯相关。例如，WO02052190描述了一种配置，其包括安装在柱形(或更复杂的形状)反射腔内的大量发光二极管(LED)光源，以由大量弱光源形成高功率的方向光源。类似的配置在JP9265807中披露。
然而，对角度照明的控制及其范围是有限的，并且在这些现有技术的装置中照明的面积也小。另外，对于这些配置不可能提供大面积的均匀照明。
应当指出，近来对于可见发光目的的LED技术已经获得了进步(主要是汽车工业)。然而，由于上面给出的原因，这些进步并不能应用于本发明的应用领域光学高速通信。
由此，对于常规系统同时实现合乎光学通信系统需要的所有特征(包括在足够的照明区域上的准直和均匀性)是困难的。
发明内容
本发明试图克服现有技术的缺点。
基于本发明的一个方面，提供一种用于从光发射器提供均匀输出的光学装置，包括至少一个分立光源，为来自所述至少一个光源的光限定内反射体的壳体，所述壳体具有用于来自所述至少一个光源的光的光出射孔径，其中所述反射体适于在延伸的像表面中产生所述至少一个光源的多个反射的像，并且其中将所述光出射孔径设置为使来自所述多个反射的像的光射出，以及在所述光出射孔径的前面的输出透镜，用于控制从所述至少一个光源和多个反射的像经过所述光出射孔径发射的光的角度分布。
基于本发明的另一方面，提供一种用于从光发射器提供均匀输出的方法，包括提供至少一个分立光源，为来自所述至少一个光源的光形成内反射体，以在延伸的像表面中产生所述至少一个光源的多个反射的像，将来自所述多个反射的像的光通过光出射孔径导引到所述内反射体之外，以及利用在所述光出射孔径前面的输出透镜，控制从所述至少一个光源和所述多个反射的像经过所述光出射孔径发射的光的角度分布。
在下面描述的优选形式中本发明是适用于高速数据通信系统的光学装置/方法，包括三个主要元件1)一个或多个分立光源，2)至少一个围绕所述光源的反射镜腔，以及3)投影透镜系统。
反射镜腔的使用使来自光源的光辐射的有效地合成并且有效地均匀化，并能够在大范围内同时沿辐射方向和垂直于辐射的方向产生基本均匀的输出辐射图形。这在光学通信系统内的优点是，避免了对接收器定位的问题。提供投影透镜系统确保了所述输出辐射图形能够灵活地限定。
由此，本发明，至少在其优选形式中，具有大量优点，即1.光源和相关光学元件可以简单而便宜，并且空间上非常紧凑。这些光源可以具有任何角度辐射特性。
2.所述装置可以非常靠近相关电子元件地安装在PCB上，避免需要导线来从PCB提取信号。
3.光源产生的几乎所有信号光都能够通过所述装置以明确限定的图形的形式传入自由空间，并具有非常低的光学时间色散。
另外，基于本发明的装置/方法使用了简单的反射镜几何形状，并因此在其操作中对温度或压力并不特别敏感，并由此能够在多种极端环境下工作。
如下面所述本发明在与已知的现有技术相关的光学数据通信领域具有几个显著的优点，即1.使用了能够以皮秒水平的10’s至10000’s调制的多个光源，并且使时间色散(由过多的反射/路径长度改变引起)最小化。
2.可以基本100％地有效地合成光功率。
3.照明的出射图形的精确和可变控制是可能的。
4.在通信应用中照明区域的均匀性是重要的，因为百分之几的照度差可能意味着所接收的信号正确或完全错误之间的不同，而本发明能够实现这样的均匀性。
参考附图，通过示例进一步描述本发明，其中图1a至1d是示出各种现有技术的光学装置的工作的示意图，其中图1a示出了光学漫射器，图1b示出了光学准直器，图1c示出了透镜系统，而图1d示出了抛物线反射器；图2示出了光源的无穷阵列；图3a和3b是示出本发明的俯视图和侧视图；图4是示出图3所示的反射镜盒和光源阵列结合会聚透镜的侧视图；图5是示出由在图4所示的反射镜盒附近的观察者看到的多个反射的像的俯视图；图6a和6b是示出本发明的另一实施例的俯视图和侧视图；
图7示出用于图3或6的反射镜盒内的独立光源的可选覆盖透镜；以及图8是示出对图3或6的反射镜盒的修改的影响的侧视图。
具体实施例方式
背景理论首先参考图2描述本发明的背景。
为了利用其各个照明图形与所需要的照明图形基本不同的分立光源Po在目标平面PT上实现均匀照明，需要使用若干个光源，例如多个分立光源，如图2所示的那样间隔地设置在光源平面PS上。不考虑相位，下面的表达式给出了在距光源平面PS垂直距离L处的目标平面PT上的点(x，y)处的功率密度，在所述光源平面PS上存在(2N+1)×(2M+1)个位于任意点(Xij，Yij)处的相同的功率为Po的光源Σi=-MMΣj=-NNPoLΔφ[(x-Xij)2+(y-Yij)2+L2]3/2]]>通过观察可以看出，如果光源Po的数量非常大(N和M＞＞1，严格地，为无穷)并且将光源位置按照规则阵列排列，那么无论观察者24位于目标平面的什么位置，功率密度都具有相同的值。由此观察者24应当看到非常多的光源Po或相同数量的光源Po，无论它们的位置怎样。
提供无穷量或非常多的光源Po是不现实的。然而，通过利用彼此平行且垂直于光源和目标平面PS和PT设置的大量平面反射镜，有限数目(即一个或多个)的源Po理论上可以产生无穷组反射的像(或虚像)光源，所述像光源完全等效于位于其各个像位置处的真实光源。为了使观察者24能够看到由此形成的“反射镜腔”内部，可以将透镜系统设置为产生腔的开口面的像。以这种方式，观察者在目标平面PT上不依赖于其位置地看见了大量像光源。
应当注意，来自具有垂直和平行反射镜的反射镜腔的光沿平行于光源的辐射的方向从所述腔射出。
优选实施例下面描述实际中本发明如何实现。参考图3至5描述本发明的优选实施例。
将多个分立光源30，优选快速LED或激光器或激光二极管或其组合，安装在有效构成光源平面PS的平坦表面32上。光源以规则间隔设置为，例如，如图3a示的那样的线性阵列34或矩阵阵列，并且垂直于表面32的平面安装。为了提高紧凑性，用于图3a的光源的阵列34对应于六边形紧密堆积的阵列的一部分，并且在光源30之间具有非常小的间距。但是，显然，许多其他构造也是可以的。表面32优选由反射材料形成，或者用反射材料涂覆。
有限范围的多个附加反射表面从表面32延伸，并相对于所述表面为直角。这些反射表面的准确数量和布局控制输出照明的形状。在本实例中，为了实现矩形照明区域，提供两对垂直壁36形成容纳光源30的盒38。通过用反射材料形成壁36或用反射材料涂覆壁36，将面向盒38内侧的壁36的内表面40设置为是反射性的。这些表面40将被称作“反射镜平面”。每对反射镜平面40由设置在光源阵列34相对侧的两个有限平行平面构成，并且两对反射镜平面成直角相交。这四个平面40和表面32一起形成围绕光源30的菱面体反射体或腔42。盒38剩下的侧面形成构成所述体或腔42的矩形光出射孔径46的开口面44，其产生来自所述光体或腔42的矩形照明区域。
这种反射体或反射镜腔42可以以多种方式简单地制造1)将适当确定尺寸的反射材料的薄片沿盒38的边缘接合。
2)研磨以合适的固体材料(例如，黄铜块)构成的菱面体腔42，然后，或者利用材料的自反射特性，或例如通过镀银的方式将高反射层涂覆在腔42的内侧表面。
3)将透明材料(例如，塑料，丙烯酸材料)的固体块模制为体42的形状，然后在与面44相分离的外表面上覆盖反射材料，并在光源平面表面32内钻孔以安装分立光源30。
如图4所示，沿垂直于光源平面表面32的方向在距腔42的出射孔径46一定距离处还设置透镜或透镜系统48。由于下述原因，所述距离对应于透镜48的有效焦距，使得在出射孔径46处的光源30的像位于透镜48的焦平面内。换句话说，透镜48的焦平面与出射孔径46共面。透镜48可以被光学涂覆，以避免反射并提高输出效率。为了简便起见，在本实例中，透镜48包括单个会聚透镜，诸如菲涅耳透镜。
如果每个光源30向前朝向腔42的出射孔径46照射2π球面度，那么在腔42的孔径46处的观察者不仅直接看到光源30，而且原理上，在平行于孔径46的二维平面内还看到光源阵列34的无穷组像或反射50，这些反射由于反射镜平面40而产生。这示于图5中。由此，由于孔径46位于透镜48的焦平面内，因此所述无穷组反射是透镜48投影到空间中的像，并且最终投影到目标平面PT上。
参考图3a和3b，使开口面44或反射镜腔42的出射孔径46的高度和宽度(表示垂直和水平尺寸)分别为h和w。使反射镜平面沿垂直于光源平面表面32的方向的长度为l。将透镜48设置在沿垂直于光源平面PS的方向距腔42的出射孔径46距离f处，如所表示的那样距离f为透镜48的有效焦距。
如果光源30不是所上述辐射2π球面度，而是辐射最大半角θ，那么光源30的所述多组反射的可见范围的视在半径(即像的水平线)如图5所示给出为(1)在垂直和水平平面内分别为Rvert＜ltan(θ)+h/2，Rhoriz＜ltan(θ)+w/2。
可以看出，当θ→π/2，则Rx→∞，如所期望的那样。
如果使目标平面位于距透镜系统焦平面的距离为L，那么所述照明图形将具有如下给出的高度H和宽度W(2)H＝h(L/f)，和W＝w(L/f)。
由此，通过适当地选择h、w和f，可以不依赖于光源阵列34的尺寸精确地控制照明面积或角度。
如果每个光源具有功率输出Po，并且存在N个光源，那么目标平面上的功率密度为(3)Pt＝NPof2/hwL2由于不存在准直吸收，原理上，在所照明的区域内，100％的出射功率到达目标平面PT上。
在照明区域内，观察者24或接收器能够看到真实数量的光源30及其反射，而不依赖于观察者/接收器的位置。这产生了对目标平面PT的均匀照明。
注意，如果反射镜平面严格平行和垂直，那么来自反射镜腔42的孔径46的出射光将具有与每个光源的出射光相同的角度分布。如果透镜直径为2a，那么，为了使光不从透镜逸出，那么出射角度(horiz和vert)、透镜半径和孔径尺寸通过下面的限制条件相联系(4)tan(horiz)＝(a-w/2)/f，以及(5)tan(vert)＝(a-h/2)/f。
在水平和垂直平面内的反射的大致数量，如图3a所表示的，在所述几何形状情况下给出为(6)n～ltan(θ)/h如果希望保持所述数量n较小(如，小于10)，则由于时间色散的原因，有(7)ltan(θ)/h＜10，其对于典型的θ～30度的光源，将反射镜盒长度对高度的比率的上限给出为(8)l/h＜17.3可以看出，通过简单地选择反射镜盒38的长度和高度的比，可以控制系统的时间色散。应当注意，在方程(1)中给出的光源像水平线的表达式可以写作(9)Rvert＜h(n+)(类似，Rhoriz＜w(n+))由此，允许反射数越大，像水平线(R)越大。在所述实例中，如果n～10，那么Rvert～10.5h，如果h＝15.0mm，那么R～157.5mm，并且对于水平平面也类似。
在光源平面上，光源空间密度为N/hw。像的面积为πRhorizRvert＝hw(n+)2，使得可见的(实的和虚的)光源的总数(M)为(10)M～N/hw×πhw(n+)2＝Nπ(n+)2。
由此，视在光源的数量随着反射数量的平方而增加，意味着可以由少量反射建立大量视在光源-满足上面两个严格要求。
其它实施例和修改图3至5的实施例设计了矩形反射镜腔42和固定尺寸的光出射孔径46。然而，这不是必须的。如果几何形状倾向于可变，即，需要可变的输出照明区域，那么可以将至少一个反射镜平面设置为可通过诸如人工调节或伺服电机机构的装置移动。
另一种可选方案是使用圆形，或者更通常的是椭圆形，截面的反射镜腔62和光出射孔径66，如图6a和6b所示。为了实现这一构造，可使用一个或多个弯曲反射镜表面，并且在图6的设置中，使用圆柱形反射镜盒68以及光源30的六边形阵列64。这产生了圆柱对称的像图形，并且由少量真实光源产生大量虚拟光源。
另一种可选的改变如图7所示。在图3至5的实施例中，光源30是暴露的。然而，在实践中，可能需要改变每个光源30发射的辐射。
例如，如果每个独立光源30具有“自然状态的”辐射发射，所述辐射发射具有大辐射角度2θ，那么可以通过在一个或多个光源30上设置会聚透镜盖70来减小由光源30发射的辐射的角度2θ。可选的是，如果辐射角度2θ为零或接近于零，例如在激光光源中，那么通过用在距光源30的合适距离处设置的透明、发散透镜72覆盖光源可以扩宽辐射角度2θ。
以这种方式，实质上可以提供任意光源辐射角度。
在已经描述的实施例中，将独立的光源30提供在反射镜腔42、62内并使其直接发光。另一修改可以是，将光源30设置在反射镜腔42、62的外面并通过一个或多个合适的光导，如光纤光导或光导管，将来自光源30的光提供到反射镜腔。
在另一修改中，如图8所示，在一个或两个相对的这种平面对内的反射镜平面40可以相对于彼此稍稍有一角度，例如，沿出射孔径46的方向彼此远离，使得光源平面的虚像表现为是弯曲的。如果两对反射镜平面如此形成角度，那么虚像平面表现为球面的，而如果仅有一对形成角度，那么所述虚像平面表现为柱形的。则曲率使得观察者如同在所述球体或柱体的内部。
这将改变从出射孔径46出射的输出光，使得根据一对或者两对反射镜平面40相对于平行方向形成的角度，在一个或两个正交方向上的角度发散增大。然而，仍然应用上面的分析，用(θ-α)取代光源半角(θ)，其中α是前面的平行反射镜腔侧面的半倾斜角。
应当注意，优化的倾斜角(α)依赖于所使用的光源和对于基于本发明的光学装置所要求的输出结构。
权利要求
1.一种用于从光发射器提供均匀输出的光学装置，包括至少一个分立光源，壳体，其限定用于来自所述至少一个光源的光的内反射体，所述壳体具有用于来自所述至少一个光源的光的光出射孔径，其中所述反射体适于在延伸的像表面内产生所述至少一个光源的多个反射的像，并且其中所述光出射孔径被设置为发出来自所述多个反射的像的光，以及在所述光出射孔径的前面的输出透镜，用于控制从所述至少一个光源和多个反射的像经过所述光出射孔径发射的光的角度分布。
2.根据权利要求1的装置，包括所述分立光源的阵列。
3.根据权利要求2的装置，其中所述光源被设置为六边形阵列。
4.根据权利要求1至3中任一项的装置，其中所述内反射体通过在具有一个或多个反射壁表面的壳体内的腔来提供。
5.根据权利要求1至3中任一项的装置，其中所述反射体通过具有涂覆有涂层的一个或多个壁表面的透明块来提供，所述透明块的内表面是反射性的。
6.根据前述权利要求中任一项的装置，其中所述内反射体被形成在两对相对的壁之间，所述壁被设置为使得所述反射体具有矩形截面。
7.根据权利要求6的装置，其中每对相对的壁是平行的，并且所述反射体具有恒定截面，并且其中所述延伸的像表面是像平面。
8.根据权利要求6的装置，其中每对相对的壁被设置为沿所述光出射孔径的方向分离，并且所述反射体的截面朝向所述光出射孔径增加，并且其中所述延伸的像表面为曲线像表面。
9.根据权利要求1至5中任一项的装置，其中所述反射体由限定椭圆截面的弯曲壁表面界定。
10.根据权利要求9的装置，其中所述壁表面是圆柱形的，并且所述反射体的截面是恒定的，并且其中所述延伸的像表面包含像平面。
11.根据权利要求9的装置，其中所述弯曲壁表面是截头圆锥体的，并且所述反射体的截面朝向光出射孔径增加，并且其中所述延伸的像表面是曲线像表面。
12.根据前述权利要求中任一项的装置，其中所述透镜的焦平面与所述光出射孔径重合。
13.根据前述权利要求中任一项的装置，其中所述输出透镜是会聚透镜。
14.根据前述权利要求中任一项的装置，其中所述至少一个光源位于所述内反射体内，所述内反射体围绕所述至少一个光源。
15.根据权利要求14的装置，还包括至少一个光源透镜，其被设置在所述内反射体内的所述至少一个光源上，用于控制所述至少一个光源发射的光的角度范围。
16.根据权利要求15的装置，其中所述至少一个光源透镜是会聚透镜。
17.根据权利要求15的装置，其中所述至少一个光源透镜是发散透镜。
18.一种用于从光发射器提供均匀输出的方法，包括提供至少一个分立光源，形成用于来自所述至少一个光源的光的内反射体，以在延伸的像表面内产生所述至少一个光源的多个反射的像，将来自所述多个反射的像的光通过光出射孔径导引到所述内反射体之外，以及利用在所述光出射孔径前面的输出透镜，控制从所述至少一个光源和所述多个反射的像经过所述光出射孔径发射的光的角度分布。
全文摘要
本发明提供一种用于从光发射器提供均匀输出的方法和设备。本发明包括至少一个分立光源(30)，以及限定用于来自所述至少一个光源的光的内反射体(42)的壳体(38)，所述壳体具有用于来自所述至少一个光源的光的光出射孔径(46)。所述反射体适于在延伸的像表面内产生所述至少一个光源的多个反射的像(50)，并且将所述光出射孔径设置为发出来自所述多个反射的像的光。在所述光出射孔径的前面使用输出透镜(48)用于控制从所述至少一个光源和多个反射的像经过所述光出射孔径发射的光的角度分布。
文档编号G02B27/09GK101061412SQ200580035598
公开日2007年10月24日 申请日期2005年9月19日 优先权日2004年9月23日
发明者P·T·休斯 申请人:莱德威弗技术有限公司