具有数值孔径改变锥形部的刚性的光导元件的制作方法

专利名称：具有数值孔径改变锥形部的刚性的光导元件的制作方法
具有数值孔径改变锥形部的刚性的光导元件背景技术虽然在本发明的效用或范围中不限于此，但本发明的实现特別适用 于车辆前灯。汽车前灯的厂商已经开始考虑使用排列的发光二极管(LED)代替传统的灯泡作为前灯组件内的光源。与传统的灯泡相比， 发光二极管呈现高照度、高可靠性、长寿命和其它优点。另外，发光二 极管在生产发光二极管阵列的自动化制造过程中容易操作。发光二极管 技术的一个缺点为发光二极管能够间隔的紧密度受到每个发光二极管 周围的封装限制。由于发光二极管封装的限制，发光二极管阵列的组成 发光二极管不能足够地彼此靠近以提供诸如汽车前灯的设备所需要的 光强度(即，每单位面积照度)。在前灯中应用发光二极管技术的另一 个障碍为典型的发光二极管以比对于前灯理想的或事实上允许的大得 多的数值孔径(例如，"半角")发光。因此，存在对于有效地收集、集中、传输并且连续地和均匀地投射 从离散地排列的诸如发光二极管的发光元件的装置发射的光的照明组 件的需要。发明内容说明性的照明组件包括具有以光源数值孔径发光的发光表面的发 光元件。伸长的光导元件包括相反的入射和发射端部、在入射和发射端 部之间延伸的光学核心和在核心周围布置的光学覆层，其中，核心和覆 层呈现促进光通过全内反射传播通过光导元件的相对折射率。光导元件 包括沿其长度的一部分的具有分别呈现小的端部数值孔径和量值小于 小的端部数值孔径的大的端部数值孔径的相反的小的和大的端部的数 值孔径改变锥形部。改变锥形部定向为小的端部比大的端部更靠近发光 元件或一般地说光导元件的入射端部，并且光导元件的入射端部与发光 元件的发光表面光收集靠近并且对准，使得从发光元件发射并且以小的 端部数值孔径被接收在改变锥形部的小的端部内的光以量值小于小的 端部数值孔径的发射数值孔径从光导元件的发射端部发射。除了改变锥 形部，典型的实施例构造为使得光导元件还包括沿其长度的一部分的相对于改变锥形部相对非锥形的光传导段，光传导段具有第一和第二端 部，光通过全内反射在第一和第二端部之间传播。为了本说明书和后附的权利要求书限定的说明性的改变锥形部典 型地为通常圆锥形，并且替代地，当在与通过其中的光传播正交的平面 内观看时，采取例如作为非限制性的示例的圆形、椭圆形、正方形、矩 形、六边形和八边形的横截面几何形状。此外，改变锥形部包括通过具 有小于第 一折射率的第二折射率的第二材料覆层的具有第 一折射率的 核心材料，以便促进光通过全内反射的传播通过锥形部。本领域中的普 通技术人员已知制造这样的锥形部的方法。然而， 一个说明性的使能方 法首先形成包括在核心材料周围压制的覆层材料的基本的光导管。本， 域中的普通技术人员已知，这样的导管呈现数学表达式为崩-(/^-"/)会 的数值孔径，其中，",表示核心材料的折射率并且 表示覆层材料的折 射率。加热并且拉伸基本的光导管的中间的部分，使得中间的部分逐渐地收缩并且呈现随着沿拉伸的中间的部分(即，过渡区)内的导管的长 度的位置变化的直径和横截面面积，使得基本的导管采取在本技术领域 中称作"沙漏"的形状。如果在过渡区的中心切割基本的导管，例如， 形成两个锥形的导管，这两个锥形的导管中的每个包括锥形的段和直径 和横截面面积相对恒定的段。应该理解，根据需要，也可以从锥形的导 管的过渡区或锥形的段切割呈现在其整个长度上变化的直径和横截面 面积的锥形部。根据前述或一些替代的方法制造的覆层的核心的锥形部 包括相反的小的和大的端部。锥形部的小的端部呈现对应形成锥形部的 基本的光导管的数值孔径的数值孔径，此现象通常存在，不管沿过渡区 的哪里切割小的端部。然而，较大的端部呈现量值小于锥形部的小的端 部的数值孔径的不同的数值孔径。大的端部处的数值孔径的值等于锥形 部的放大比率的倒数乘以形成锥形部的基本的光导管的数值孔径。从 而，从小的端部到大的端部，锥形部的数值孔径的量值减小。在替代的样式中，改变锥形部沿光导元件的长度不同地定位。在一 个样式中，例如，改变锥形部定位为使得其小的端部构成光导元件的入 射端部，并且使得大的端部连接到(例如，集成或在接口处接合)相对 非锥形的段的第一端部。在另一个构造中，改变锥形部的小的和大的端 部定位在光导元件的入射和发射端部之间并且不同于光导元件的入射 和发射端部。另外，在这样的样式中，改变锥形部的小的端部连接到第一非锥形的段的次级端部并且大的端部连接到第二非锥形的段的第一 端部。第一非锥形的段的初级端部用作光导元件的入射端部，而第二非 锥形的部分的第二端部用作光导元件的发射端部。在再一个第三构造到非锥形的段的次级端部。如通过前面的描述启示的，因为每个光导元件可以包括沿光导元件 的长度的 一部分整体地形成或者其小的和大的端部面中的至少 一个接 附到光导管的端部的改变锥形部，术语"伸长的光导元件"遍及说明书 和权利要求书广泛地使用并且能够包括结合以形成通过其中一个子元 件为改变锥形部的至少两个顺序地布置的子元件限定的光学的光导系 列的多个(即，多个两个或更多)光导子元件。此外，在任何上面或下 面并且特别是在后附的权利要求书中描述的构造中，非锥形的段(即， 相对于改变锥形部非锥形)为，作为选择，(1)光通过全内反射传播通如，、:图像束"或"并和的光纤束")，'光通过全内反射传播通过每个 光导组成元件。如在详细描述中更加详细地解释的，光通过全内反射传 播通过的非锥形的段呈现收集和发射数值孔径。另外，不管非锥形的段 特定地称作"相对非锥形"或筒单地称作"非锥形"，术语"非锥形的 段"和其语义的变体指的是"相对于改变锥形部非锥形"。从而，术语 不限于例如直径和横截面面积和几何形状不变化的覆层杆段和光导束。 照明组件的不同的实施例还包括光重新定向元件。在一些样式中， 光重新定向元件为包括与光导元件的发射端部光收集靠近的光接收表 面的折射元件。说明性的非限制性的折射元件包括用于聚焦的透镜或用重新定向元件为反射元件，诸如可以聚焦或分散从光导元件的发射端部 发射的光的平面或凹面反射镜或混合管道。在不同的实现中，通过选择呈现数值孔径的发光和光收集部件，使 得在任何给定的发射-接收光学接口或耦联处，接收(即，收集)数值孔 径的量值不小于光在该接口处供应的发射数值孔径，优化通过经由发光 元件、光导元件和光重新定向元件限定并且在它们之间的光学系统的光 收集效率和光传输效率。然而，在典型的实施例中，发光元件呈现最高 的数值孔径并且光重新定向元件以最低的数值孔径投射光，参数看来好像与在沿光学系统的全部接口处满足最优的数值孔径参数矛盾。然而， 通过在其长度上连续地减小数值孔径，改变锥形部促进在接口处的最优 的数值孔径参数。另外，在光重新定向元件为折射的聚焦元件(例如， 透镜)的场合，其以比投射光的数值孔径大的数值孔径收集光。实现此 优化模式的说明性的方法将在详细的描述中更加全面地描述。照明组件的替代的变体包括(1)多个(即，多个至少两个)发光元 件和(ll)多个伸长的光导元件中的至少一个。在一个这样的实施例中， 照明组件包括根据预先确定的第 一照明阵列格式空间地布置的多个至 少两个发光元件。在替代的样式中，发光元件以二维平面阵列或曲面阵列布置。另外，典型的实施例的发光元件为发光二极管(LED),然而本发明的范围不限于使用发光二极管。发光二极管的布置通过指示沿真 实表面或限定假想的表面的单位面积的发光元件的量的照明阵列密度 限定。例如，在下面的情况中，发光元件可以不实际安装或另外从平面 或曲面的结构悬置或由平面或曲面的结构支撑，而是可以以使得它们表 示例如沿直线、曲线或平面的或曲面的表面的点或位置的方式布置和保 持到位。在典型的样式中，发光元件的空间布置为使得发光元件从彼此 分开(即，不接触)预先确定的距离。在替代的样式中，照明组件还包括目的为将作为整体从发光元件的 布置发射的光从第一密度传输到第二密度更大的(例如，间隔更近的) 构造和均匀的(例如，离散更小的)输出的光传导组件。说明性的光传 导组件包括公共的输出端部和对应发光元件的布置内的每个发光元件 的至少一个刚性的、伸长的光导分支元件。每个光导分支元件包括入射 端部和发射端部并且可以采取例如任何上面描述的替代地构造的光导分支元件的发光元件的入射面，并且发射端部包括与光传导组件的公共 的输出端部重合的发射面。刚性的光导分支元件以互相固定的关系固 定，使得(1)光传导分支元件的入射端部根据呈现收集阵列密度并且对 应发光元件的空间布置的预先确定的收集阵列格式以固定的空间关系 保持，并且(11)光导分支元件的发射端部根据呈现比收集阵列密度大 的输出阵列密度的预先确定的输出阵列格式保持。在许多样式中，满足以下至少一个(i)光传导分支元件的入射端部才艮据对应多个发光元件 的固定的、隔开的布置的预先确定的收集阵列格式以隔开的关系保持和(11 )光导分支元件的发射端部以接触的关系邻近地并和或另外固定(例 如，通过环氧树脂或其它选择地能够固化的粘合剂)，使得它们的发射 端部集合地形成以集合的输出数值孔径发射从多个发光元件收集的光 的连续的输出面。替代地或附加地，通过注模工艺以互相固定的空间关 系保持不同的光导分支元件，根据该注模工艺，将塑料或其它聚合体材之中的任何空隙。在替代的样式中，光传导分支不同地构造。不同的实施例和通过光 导分支元件的入射端部收集从发光元件发射的光以传输到光导分支元 件的发射端部的效率有关。在一些说明性的样式中，选择的组的光导分的组的光导分支元件的每个光导分支元件的平面的入射面沿通过以预 先确定的方式相对于发光元件光学地定向和对准的入射法线限定的光 收集平面延伸，以最大化将通过发光元件发射的光收集到光导元件内的 效率。不同的实现的重要的方面为光传导分支元件的入射数值孔径和光另外，在一些样式中，、从光传导组:的公共的输出端部^r出的光通过诸 如透镜的光学元件收集和重新定向，并且在不同的这样的样式中，在光 传导组件的输出数值孔径和光重新定向元件的接收数值孔径之间的相 容性也是重要的目的。对于任何特别的实施例，对这些目的的遵守作为 设计参数促进光收集、传输和投射的最大化。因为典型的实施例中的发 光元件的光源数值孔径不同于(例如，大于)光重新定向元件的接收数 值孔径，光导分支元件的入射数值孔径不同于在公共的输出端部处的输径。在不同的方面，通过前面所述的数值孔径改变锥形部实现数值孔径 的理想的差异。如之前解释的，光传导组件可以不同地构造，以便限定比输出阵列 密度更小的收集阵列密度。在一些说明性的实现中，使得输出阵列格式 的密度大于收集阵列格式，通过在将光导分支邻近地保持在互相固定的 位置之前在光导分支元件中的至少一些中形成弯曲，这与其相关。在其 它实现中，每个光导分支元件为直的并且多个这样的分支元件固定地保持，使得它们朝向光传导组件的公共的输出端部互相会聚。代表性的和非限制性的实施例在下面的详细描述和附图中更加全 面地描述和示出。虽然特定的样式描述为具体化为汽车前灯，在后附的 权利要求书中表达的本发明的范围和预期内包括用于替代的应用的实施例。


图1示出了包括具有小的端部用作光导元件的入射端部的整体地形 成的改变锥形部的光导元件的照明组件；图1A示出了包括具有整体地形成在其中使得锥形部的小的或大的 照明纽J牛；图IB示出了包括具有大的端部用作光导元件的发射端部的整体地 形成的改变锥形部的光导元件的照明组件；图2、 2A和2B示出了分别与图1、 1A和1B结构类似的样式，其 中，代替沿光导元件的长度整体地包括，当适用时，离散的改变锥形部 与至少 一个相对非锥形的覆层杆段接合以便形成限定光学系统的光导 元件；图3、 3A和3B示出了分别与图2、 2A和2B结构类似的样式，其 中，代替覆层杆段，当适用时，离散的改变锥形部与以至少两个邻近地 毗连(例如，覆层到覆层)的光导组成元件的伸长的光导束的形式的至 少 一个相对非锥形的段接合；图4A示出了包括包含将光从平面的收集阵列格式引导到平面的输 出阵列格式的多个弯曲的伸长的光导分支元件的光传导组件的照明组件，其中，在输出处的发射点布置得比在输入处的入射点密度更大； 图4B示意性地示出了图4A所示的照明组件的光传导组件的输入、侧面和输出视图；图4C示出了光传导组件，其中，多个光导分支元件通过填充分支 元件之间的空隙的塑料或其它可注入的聚合体材料壳体保护并且维持 在互相固定的空间关系；图5示出了包括包含将光从曲面的收集阵列格式引导到曲面的输出件，其中，在输出处的发射点布置得比在输入处的入射点密度更大；图7A和7B示出了光传导组件的多个光导分支元件从单一发光元 件收集光的照明组件的替代的样式。
具体实施方式
接下来对照明组件的不同的实施例的描述本质上是说明性的，并且 因此不企图限制本发明或其应用的范围。参考图1，说明性的照明组件20包括具有以光源数值孔径旭 发光 的发光表面27的发光元件25。伸长的光导元件40包括相反的入射和发 射端部42和44。呈现第一折射率a的核心46和在核心46的周围布置 并且呈现小于第 一折射率a的第二折射率"2以便促进光通过全内反射传 播通过光导元件40的覆层48在入射和发射端部42和44之间延伸。相 关领域中的普通技术人员已知，如,斤述形成的非锥形的内部反射的光导 管呈现数学表达式为崩—",2-"22)*的数值孔径，其中，巧表示核心材料 的折射率并且"2表示覆层材料的折射率。在核心周围布置的覆层48为 诸如作为非限制性的示例的空气的气体或气体混合物的样式属于在此 描述和后附的权利要求书中表达的本发明的范围和预期。照明组件20 的替代的样式包括具有组成数值孔径改变锥形部60的锥形的段60的光 导元件40,数值孔径改变锥形部60具有小的和大的端部62和64和在 小的和大的端部62和64之间延伸的核心部分66和覆层部分68，核心 部分66和覆层部分68具有促进通过改变锥形部60的全内反射的相对 折射率(例如，巧和"2)。在图l所示的说明性的样式中，光导元件40 包括与光导元件40的相对非锥形的段80整体地形成并且相对于非锥形 的段80定向为使得改变锥形部60的小的端部62与伸长的光导元件40 的入射端部42重合(例如，用作入射端部42)的改变锥形部60。集成的改变锥形部60可以如总体在本说明书的发明内容部分中描 述的或通过任何其它方法形成。不管改变锥形部60采用何种形成方法， 改变锥形部60的小的端部62呈现对应光导元件40的光收集入射数值 孔径眉,的小的端部数值孔径濕,2。另外，由于发明内容中提出的和另外 在例如光纤制造领域中的普通技术人员已知的原因，小的端部数值孔径W《的量值大于大的端部数值孔径呈现的量值并且，通过在说明的情 况中适用的延伸，小的端部数值孔径iV《的量值大于在光导元件40的发 射端部44处限定的发射数值孔径W式。再次参考图1,小的端部62(即，入射端部42)定位为与发光元件 25的发光表面27光收集靠近。在不同的方面，通过选择至少与发光表 面27发光的光源数值孔径旭 一样大的入射数值孔径福,最大化光收集 效率。例如，如果发光元件25以具有80度半角的"发射锥体，，发射， 那么通过选择具有指示具有例如至少80度半角的"接收锥体"的入射 数值孔径A^,的光导元件40最大化不同的方面的收集效率。如图l所示，不同的实施例还包括与光导元件40的发射端部44光 收集靠近的光重新定向光学元件200 (例如，诸如聚焦透镜或散射元件 的折射元件或反射元件)。光重新定向元件200呈现指示元件200在光 接收表面205接收光的"锥体，，角度的接收数值孔径眉。。以与上述光 源数值孔径還 和入射数值孔径細,之间的关系类似的方式，通过选4奪至 少与光导元件40的发射端部44呈现的发射数值孔径崩8—样大的光重 新定向光学元件200的接收数值孔径AM。促进光收集和传输效率的优化。图1A和1B示出了改变锥形部60沿除了改变锥形部60的小的端部 62组成光导元件40的入射端部42的部分以外的光导元件40的长度的 一部分布置的替代的样式。更特定地，在图1A中，光导元件40制造为 使得改变锥形部60的小的和大的端部62和64全部在光导元件40的入 射和发射端部42和44之间并且不同于光导元件40的入射和发射端部 42和44，并且使得光导元件40包括不同直径和横截面面积的第一和第 二相对非锥形的覆层杆段70和80。第一非锥形的覆层杆段70具有初级 和次级端部72和74并且第二非锥形的覆层杆段80具有第一和第二端 部82和84。第一覆层杆段70的初级端部72用作光导元件40的入射端 部42并且第二覆层杆段80的第二端部84和光导元件40的发射端部44 重合。第一覆层杆段70的次级端部74与改变锥形部60的小的端部62 集成，同时第二覆层杆段80的第一端部82与改变锥形部60的大的端 部64集成。图1B示出了改变锥形部60的大的端部64与光导元件40的发射端 部44重合(即，用作发射端部44)并且改变锥形部60的小的端部62 与光导元件40的非锥形的覆层杆段70集成的实施例。在此说明性的样式中，覆层杆段70的初级端部72为光导元件40的入射端部42并且从 与覆层杆段70的第二端部74集成的改变锥形部60的小的端部62位移。 与前面提供的解释一致，由于包括沿光导元件40的长度的一部分的改 变锥形部60，入射端部42的入射数值孔径溺,大于发射数值孔径細6 。
在图1、 1A和lB所示的i兌明性的样式中，改变锥形部60与至少一 个相对非锥形的段70和/或80整体地形成，以限定光导元件40。图2、 2A和2B示出了通过经由例如热并和或适当的粘合剂接合多个子元件以 形成对应分别在图1、1A和1B中所示的构造的光导元件40制造的光导 元件40。在图2所示的i兌明性的照明组件中，例如，光导元件40包^舌 具有小的和大的端部62和64的改变锥形部60和包括第一和第二端部 82和84、光学核心86和光学覆层88并且组成光导元件40的相对非锥 形的覆层杆段80的一定长度的相对非锥形的覆层光导管。改变锥形部 60的大的端部64与相对非锥形的覆层杆段80的第一端部82以毗连、 顺序的关系接今。根据前面的讨论，相对非锥形的覆层杆段80具有通 过眉二(X2-"22)*给出的数值孔径，其中，^表示核心86的折射率并且"2 表示覆层88的折射率。另外，改变锥形部60的小的和大的端部62和 64呈现不同的小的端部和大的端部^:值孔径W《和A^。改变锥形部60 的大的端部64到覆层杆段80的第 一 端部82的接合引入光学接口 ILE》le ， 在该接口处，改变锥形部60呈现大的端部数值孔径7V4并且覆层杆段80 呈现第一端部数值孔径A^"通过选择相容的大的端部和第一端部数值 孔径A^和崩u,使得最大化从改变锥形部60的大的端部64出来并且被 引入覆层杆段80的第一端部82的光的量，促进通过光导元件40的传 输效率的优化。在不同的样式中，通过选择呈现至少与第一端部82呈 现的大的端部数值孔径—样大的第 一端部数值孔径崩16的覆层杆段
80促进在前面提到的接口 iLE^e处的光传递效率。如图2所示，接合的
锥形的和相对非锥形的子元件60和80结合以形成光导元件40,其中， 改变锥形部60的小的端部62用作入射端部42并且覆层杆段80的第二 端部84用作发射端部44。在其它材料方面，图2所示的样式与图1所 示的类似，并且因此，分别的图中的相似的元件通过相似的参考字符识 别。
参考图2A所示的样式，替代的照明组件20与图1A所示的类似。 图1A和图2A所示的样式中的主要区别在于，图1A所示的光导元件40与图1所示的相似包括与相对非锥形的覆层杆段80整体地形成的改变
锥形部60,然而图2A所示的光导元件40与图2所示的相似包括在此 情况中接合到第一和第二相对非锥形的覆层杆段70和80的离散的改变 锥形部60。第一和第二相对非锥形的覆层杆段70和80分别包括初级和 次级端部72和74和第一和第二端部82和84。第一覆层杆段70包括具
有选择为使得光通过全内反射通过其中传播的相对折射率",和"2的光学 核心76和光学覆层78。在替代的样式中，与核心76关联的折射率巧可 以等于或不同于与核心86关联的折射率A。相似地，覆层78的折射率"2 可以等于或不同于覆层88的折射率 2。第一覆层杆段70的横截面小于 第二覆层杆段80并且比第二覆层杆段80更靠近发光元件25。在图2A 所示的布置中，第一覆层杆段70的初级端部72与光导元件40的入射 端部42重合，同时第二覆层杆段80的第二端部糾对应光导元件40的 发射端部44。沿着光导元件40的长度，在第一覆层杆段70的次级端部 74与改变锥形部60的小的端部62接合处呈现第一光学接口 I2nd》se,并 且在改变锥形部60的大的端部64与第二覆层杆段80的第一端部82接 合处呈现第二光学接口 iLE+le。在不同的样式中，小的端部数值孔径福,。 选择为使得其量值不小于在第 一覆层杆段70的次级端部74处的次级端 部数值孔径崩^。相似地，大的端部数值孔径W^在不同的实施例中选 择为使得其量值小于第二覆层杆段80的第一端部数值孔径W《。在其它 材料方面，图2A所示的样式与图1A所示的相似，并且因此，分别的图 中的相似的元件通过相似的参考字符识别。
参考图2B,光导元件40包括具有小的和大的端部62和64的改变 锥形部60和包括第一和第二端部72和74、光学核心76和光学覆层78 并且组成光导元件40的相对非锥形的覆层杆段70的一定长度的相对非 锥形的覆层光导管。图2B所示的说明性的样式与图1B所示的类似并且 呈现和图2B所示的样式一样的元件。更特定地，图1B所示的光导元件 40与图1和1A所示的相似包括与至少一个相对非锥形的覆层杆段(即， 图1所示的80，和图1A所示的70和80)整体地形成的改变锥形部60, 然而图2A所示的光导元件40与图2和2A所示的相似包括固定到至少 一个相对非锥形的覆层杆段(即，图2所示的80,和图1A所示的70 和80)的离散的改变锥形部60。图2B所示的说明性的光导元件40与 没有第二覆层杆段80的图2A所示的样式相似。从而，与图2A所示的样式不同，在图2B所示的样式中，光重新定向元件200定位为与改变 锥形部60的大的端部64光收集靠近，并且因为图2B所示的样式没有 第二覆层杆段80,不存在如图2A所示的改变锥形部60的大的端部64 与第二覆层杆段80的第一端部82接合的光学接口 ILE》le。因为图2B所 示的样式与图1B和2A所示的类似，这些分别的图中的相似的元件通过 相似的参考字符识别，并且因此，把对通过与一个样式有关的数字参考 的特別的元件的描述性的讨论看作对在另 一个样式中通过相同的数字 参考的类似的元件的描述。
在图3、 3A和3B所示的另一组实施例中，光导元件40包括改变锥 形部60，其中，小的端部62和大的端部64中的至少一个与伸长的光导 束100(即，第一束IOOA和第二束100B中的至少一个)光学对准。参 考图3到3B所示的说明性的实施例，首先说明，诸如例如当考虑适用 于束IOOA和100B中的任一个的通常的特征或特性时，在此描述中，可 以在上下文中不包括标志"A"或"B，，的情况下作为选择地参考束100A 和100B中的每个。相似地，束IOOA和100B的子元件(例如，组成元 件120等)可以没有标志"A"或"B，，参考。标志"A"和"B，，用来 指示特别的子元件属于束IOOA和100B中的哪个。从而，在根据上下文 适用的场合，对"子元件120"的参考例如可以同时参考束IOOA和100B 的分别的子元件120A和120B,或者在仅存在束IOOA和100B中的一个 的实施例中，适用的子元件120A或120B属于特别的实施例中存在的束 IOOA和100B中的适用的一个。
束100中的每个包括至少两个邻近地毗连的(例如，覆层到覆层) 的光导组成元件120，组成元件120中的每个包括具有第一折射率",的 光学核心126，具有第二折射率"2的覆层材料128沿核心长度的至少一 部分围绕光学核心126，覆层材料128的第二折射率"2的量值小于核心 126的第一折射率"],使得光通过全内反射从组成元件120的第一端部 122传播通过第二端部124。束100自身具有分别与组成元件120的第 一和第二端部122和124重合的第一和第二端部102和104。相关领域 中的普通技术人员已知，能够使得这样的光导束IOO呈现"集合的，，或 "有效的"数值孔径并且以非常4妻近地近似i者如例如上面讨i仑的相对非 锥形的覆层杆段70和80的相似的尺寸的覆层的单一核心光管的相反的 端部收集和发射光的方式的方式将在一个端部收集的光从相反的端部发射。例如，当光导组成元件120的数量变得非常大并且每个的横截面 面积积变得非常小时，成束的组成元件120以与能够通过大量的小面积 矩形非常准确地近似曲面的连续的面积的方式构思类似的方式近似单 一核心覆层杆。延伸构思类似，在许多材料方面，单一核心覆层杆至少 在数值孔径方面与无限的数量的无限小的光导组成元件120表现相似。
图3、 3A和3B所示的说明性的照明组件的光导元件40类似地对应分別 在图2、 2A和2B中示出的光导元件40。每个情况中的区别为，图2、 2A和2B所示的相对非锥形的覆层杆段70和80在图3 、 3A和3B所示 的样式中分别在适用的场合用束100或第一和第二束100A和100B代 替。从而，因为例如与图3、 3A和3B所示的样式关联的编号的元件、 接口和数值孔径与分别在图2、2A和2B中所示的样式中的编号的元件、 接口和数值孔径类似，使用相似的参考字符。另外，因为分别在图2和 3、 2A和3A以及2B和3B之间存在的足够的类似性和没有关于图3、 3A和3B的方面的清楚的描述性的语言，把对图2、 2A和2B中的相似 的方面的详细描述看作对图3、 3A和3B中的这样的方面的描述。
参考图4A到7B,不同的替代的照明组件20结合包括诸如那些在 图1到3B中的任何图中所示的光导元件40的多个至少两个光导元件40 的光传导组件150。在包括多个至少两个光导元件40的不同的照明组件 中，光导元件40替代地称作"光导分支元件40"或筒单地"分支元件 40"。不同的替代地构造的"多分支"照明组件20在随后的段落里结 合这里参考的分别的附图描述。
参考图4A, —个说明性的照明组件20包括多个发光元件25，发光 元件25中的每个包括以光源数值孔径崩u发光的发光表面27。发光元 件25根据预先确定的照明阵列格式F仏空间地布置。然而，如在说明书 的发明内容部分中描述的，发光元件25替代地以不同的二维平面格式 或曲面格式布置，例如，在图4A所示的说明性的样式中，当主要从侧 面(即，垂直于分支元件40的轴线)看时，发光元件25以5x5阵列 布置。
照明组件20包括光传导组件150，光传导组件150具有对应每个发 光元件25的收集端部152 (替代地，输入端部152)、输出端部154和 至少一个伸长的光导分支元件40。每个伸长的光导分支元件40可以为 例如与图1到3B关联的上述的通常的构造中的任何构造。然而，为了说明和解释，图4A和图4B并且更通常地多分支照明组件20的图中的 光导分支元件40为图1和2中表示的光导元件40的通常的形式，其中， 改变锥形部60的小的端部62用作分支元件40的入射端部42，除非清 楚地说明或另外通过上下文隐含。然而，在一些图中为了清楚，省略单 独的分支元件40的锥形部60,因为对于在没有示出它们的附图中考虑 的构造的方面的理解不需要在不同的附图中清楚地包括它们。分支元件 40以互相固定的关系固定，使得分支元件的入射端部42根据如图4B
所示的呈现收集阵列密度DcA的预先确定的收集阵列格式FcA在光传导
组件150的收集端部152处以隔开的关系保持。入射端部42的布置对 应发光元件25的空间布置。
参考图4A和4B,分支元件40的发射端部44与光传导组件150的 输出端部154重合并且根据呈现大于收集阵列密度DcA的输出阵列密度 DoA的预先确定的输出阵列格式FOA固定地保持。在许多样式中，分支 元件40的发射端部44邻近地并和或以其它方式以接触的关系固定(例 如，通过环氧树脂或其它选择地能够固化的粘合剂粘接)，使得它们的 集合的发射端部44形成以集合的输出数值孔径7^。发射从多个发光元件 25收集的光的连续的输出面155。替代地或附加地，通过注模工艺以互 相固定的空间关系保持不同的光导分支元件40,根据该注模工艺，将塑 料或其它聚合体材料注入或以其它方式引入以填充光传导组件150内的 光导分支元件40之间和之中的任何空隙。这样的光传导组件的说明性 的示例在图4C中示出，其中，通过注模壳体160保持多个20个(即， 4x5阵列)分支元件40。这样的壳体160的优点包括(i)保护分支元 件40不受机械伤害，(ii)筒化耦联到发光元件25的固定的、补充的 阵列，及(in)模块化光传导组件150。
在图4A到4C所示的说明性的光传导组件150中，收集阵列格式 FcA为使得光导分支元件40的入射端部42的入射面43限定平面的收集 阵列Apc。类似地，发射端部44的发射面45在公共的输出端部154处 的输出面155处限定平面的发射阵列Ape。另外，选择的组的分支元件 40中的每个分支元件40在入射和发射端部42和44之间弯曲，以便使 得输出阵列密度DOA大于收集阵列密度Dca。
参考图5，替代的光传导组件150包括多个未弯曲(即，未有意地 弯曲)分支元件40。在此说明性的样式中，为了使得输出阵列密度DoA大于收集阵列密度DcA,固定地保持分支元件40,使得它们朝向光传导
组件150的公共的输出端部154彼此会聚。另外，在图5所示的说明性 的样式中，分支元件40的入射面43限定曲面的收集阵列Acc并且发射 面45在曲面的输出面155处限定曲面的发射阵列Ace。照明阵列格式 FiA为使得发光元件25限定曲率对应曲面的收集阵列Acc的曲率的曲面 的照明阵列ACI。输出面155.的凹入的曲率补充(即，对应)输出面155 接触地接合的光重新定向元件200的光接收表面205的凸出的曲率。在 图5所示的特别的实施例中，通过对准光导分支元件40的轴线(未标 注)使得它们垂直于光重新定向元件200的光接收表面205并且使得发 光元件25与分支元件40的入射面43轴向地对准，促进光收集和传输 效率。
如关于与图1到3B所示的说明性的实施例关联的单独的光导元件 40的描述解释的，在一些样式中，通过在不同的发射-接收耦联或光学 接口处选择量值不小于接口的光供应侧发光的数值孔径的接收数值孔 径，优化光收集和光传输效率。不管输出面155是如图4A到4C所示的 平面的或如图5所示的曲面的，在多分支元件40的发射面45结合以在 光传导组件的公共的输出端部154处形成连续的输出面155处，不同的 样式为使得光重新定向元件200的光接收数值孔径W《的量值不小于在 输出面155处的光传导组件150的输出数值孔径濕。。
图6A和6B示出了属于在后附的权利要求书中表达的本发明的通 常的范围和预期的附加的说明性的、非限制性的变体。每个样式包括终 止于限定曲面的连续的输出面155的发射面45的弯曲的光导分支元件 40。另外，在每个情况中，虽然没有示出发光元件，分支元件40以互 相固定的关系固定，使得分支元件40的入射端部42在光传导组件150 的收集端部152处以隔开的关系保持，分支元件40的入射端部42限定 与图4B所示的入射端部视图部分中示出的平面的收集阵列格式Apc相 似的通常平面的收集阵列Apc。在图6A所示的样式中，选择的组的分 支元件40中的每个分支元件40(即，除了阵列中的中心分支元件40之 外的全部分支元件)再次弯曲，使得在分支元件40的入射端部42处开 始的沿分支元件40的长度的第一部分平行于相邻的分支元件40的对应 的部分，并且使得在分支元件40的发射端部44处开始的沿分支元件40 的长度的第二部分平行于相邻的分支元件40的对应的部分。在此样式中，每个分支元件40的发射端部44微小地弯曲，以便补充光重新定向 元件200的光接收表面205的局部的曲率并且无限小地提供光传导组件 150的输出面155的总的凹入的曲率。与此相反，图6B所示的样式为使 得选择的组的分支元件40中的每个分支元件40弯曲一次，使得在发射 端部44处开始的每个分支元件40的部分的轴线(未标注)垂直于光重 新定向元件200的凸出的光接收面205。
虽然没有明确地示出，应该理解，包括例如在终止于并且限定曲面 的输出面155的曲面的收集阵列Acc处呈现曲面的收集阵列格式Fca的 两次弯曲分支元件40的替代的样式也属于后附的权利要求书的范围和 预期。
虽然至少两个分支元件40对准以收集来自同一个发光元件25的光 的样式隐含地属于权利要求书的范围，图7A和7B示出了这样的样式的 两个说明性的、非限制性的构造。更特定地，图7A示出了具有多个弯 曲的分支元件40的光传导组件150。每个弯曲的分支元件40包括开始
如，在这样的样式中一，如果发光元件25'以球形的)案发射，分支元件
到的点周围同中心的球形的部分的构造对准。在图7A所示的样式中， 开始于光传导组件150的输出面155处的多个分支元件40的部分彼此 平行并且终止以便限定平面的输出面155。图7B所示的说明性的构造包 括与图7A所示的一样的元件，除了从多分支元件40的发射端部44发 射的光在其中"混合"并且集成以便提供更加均匀的输出的混合管道 170。虽然没有示出，同样隐含其中多个发光元件25发射的光通过单一 的光导元件40收集的样式。
前述内容认为是对本发明的原理的说明。此外，因为本领域中的普 通技术人员能够在不偏离本发明的范围和精神的情况下想到对不同的 方面和实现的修改和改变，应该理解，前述内容不将在后附的权利要求 书中表达的本发明限制为示出并且描述的确切的构造、实现和样式。
权利要求
1.一种照明组件，其包括具有以光源数值孔径发光的发光表面的发光元件；及包括相反的入射和发射端部、在入射和发射端部之间延伸的光学核心和在核心周围布置的光学覆层的伸长的光导元件，其中，核心和覆层呈现促进光通过全内反射传播通过光导元件的相对折射率；其中，(i)光导元件包括沿其长度的一部分的具有分别呈现小的端部数值孔径和量值小于小的端部数值孔径的大的端部数值孔径的相反的小的和大的端部的数值孔径改变锥形部，(ii)改变锥形部定向为使得小的端部比大的端部更靠近发光元件，并且(iii)光导元件的入射端部与发光元件的发光表面光收集靠近并且对准，使得从发光元件发射并且以小的端部数值孔径被接收在改变锥形部的小的端部内的光以量值小于小的端部数值孔径的发射数值孔径从光导元件的发射端部发射。
2. 根据权利要求1所述的照明组件，还包括与光导元件的发射端 部光收集靠近的光重新定向元件。
3. 根据权利要求1所述的照明组件，其中，(i)光导元件还包括沿其长度的一部分的相对于改变锥形部为相对非锥形并且具有第一端 部和第二端部的光传导段，(ii)第一和第二端部中的一个连接到改变 锥形部的小的端部和大的端部中的 一个并且第 一和第二端部中的另一 个与光导元件的入射和发射端部中的一个重合，并且(in)相对非锥形 的段包括(a)光通过全内反射传播通过的覆层杆段和(b)至少两个邻 近地毗连的光导组成元件的光导束中的一个，其中，光通过全内反射传 播通过光导组成元件中的每个。
4. 根据权利要求3所述的照明组件，还包括与光导元件的发射端 部光收集靠近的光重新定向元件。
5. 根据权利要求4所述的照明组件，其中，满足以下至少一个(i )光导元件的入射端部以至少与光源数值孔径一样大的入射数值 孔径收集以光源数值孔径发射的光；及.(ii)光重新定向元件以至少与发射数值孔径一样大的接收数值孔 径接收从光导元件的发射端部发射的光。
6. 根据权利要求1所述的照明组件，其中，满足以下至少一个(i )光导元件的入射端部以至少与光源数值孔径一样大的入射数值孔径收集以光源数值孔径发射的光；及(11)照明组件还包括与光导元件的发射端部光收集靠近的光重新 定向元件，并且光重新定向元件以至少与发射数值孔径一样大的接收数 值孔径接收从光导元件的发射端部发射的光。
7. 根据权利要求6所述的照明组件，其中，(i)光导元件还包括沿其长度的一部分的相对于改变锥形部为相对非锥形并且具有第一端 部和第二端部的光传导段，(ii)第一和第二端部中的一个连接到改变 锥形部的小的端部和大的端部中的 一 个并且第 一 和第二端部中的另一个与光导元件的入射和发射端部中的一个重合，并且(in)相对非锥形 的段包括(a)光通过全内反射传播通过的覆层杆段和(b)至少两个邻 近地毗连的光导组成元件的光导束中的一个，其中，光通过全内反射传 播通过光导组成元件中的每个。
8. —种照明组件，其包括 至少一个发光元件；及包括公共的输出端部和多个至少两个刚性的光导分支元件的光传 导组件，每个光导分支元件包括入射端部和发射端部；其中，(a)每个入射端部呈现对于该至少一个发光元件中的至少 一个的入射面，并且发射端部包括与光传导组件的公共的输出端部重合 的发射面；(b)该至少两个刚性的光导分支元件中的至少一个包括沿 其长度的 一部分的具有分别呈现小的端部数值孔径和量值小于小的端 部数值孔径的大的端部数值孔径的相反的小的和大的端部的数值孔径 改变锥形部；(c)改变锥形部定向为使得小的端部比大的端部更靠近 光导元件的入射端部；并且(d)刚性的光导分支元件以互相固定的关 系固定，使得(i )光传导分支元件的入射端部根据呈现收集阵列密度的预先确定 的收集阵列格式以固定的空间关系保持，并且(ii)光导分支元件的发射端部根据呈现比收集阵列密度大的输出 阵列密度的预先确定的输出阵列格式保持。
9. 根据权利要求8所述的照明组件，其中(i )该至少一个发光元件包括根据预先确定的照明阵列格式以固定 的、隔开的关系布置的多个至少两个发光元件；(m)光传导分支元件的入射端部根据对应多个发光元件的固定 的、隔开的布置的预先确定的收集阵列格式以隔开的关系保持。
10. 根据权利要求9所述的照明组件，其中，光导分支元件的发射端部以接触的关系固定，使得它们的发射端部集合地形成以集合的输出 数值孔径发射从多个发光元件收集的光的连续的输出面。
11. 根据权利要求10所述的照明组件，其中，通过集合的发射端部形成的连续的输出面为(0平面的和(ii)曲面的之一。
12. 根据权利要求IO所述的照明组件，其中，发光元件中的至少一个为发光二极管。
13. 根据权利要求8所述的照明组件，其中，(i)光导分支元件的 发射端部以接触的关系固定，使得它们的发射端部集合地形成以集合的 输出数值孔径发射从多个发光元件收集的光的连续的输出面，并且(ii) 通过集合的发射端部形成的连续的输出面为(a)平面的和(b)曲面的 之一。
14. 根据权利要求13所述的照明组件，其中(i )该至少一个发光元件包括根据预先确定的照明阵列格式以固定 的、隔开的关系布置的多个至少两个发光元件；(iii) 光传导分支元件的入射端部根据对应多个发光元件的固定 的、隔开的布置的预先确定的收集阵列格式以隔开的关系保持；并且(iv) 收集阵列密度小于输出阵列密度。
15. 根据权利要求14所述的照明组件，其中，发光元件中的至少一个为发光二极管。
16. 根据权利要求8所述的照明组件，其中，包括数值孔径改变锥形部的光导分支元件中的至少一个还包括沿其长度的一部分的相对于 改变锥形部为相对非锥形并且具有第一端部和第二端部的光传导段，并 且其中，(i)第一和第二端部中的 一个连接到改变锥形部的小的端部和 大的端部中的一个，并且第一和第二端部中的另一个与光导分支元件的 入射和发射端部中的一个重合，并且(ii)相对非锥形的段包括(a)光 通过全内反射传播通过的覆层杆段和(b)至少两个邻近地毗连的光导 组成元件的光导束中的一个，其中，光通过全内反射传播通过光导组成 元件中的每个。
17. —种光传导组件，其包括公共的输出端部和多个至少两个刚性的光导分支元件，每个光导分支元件包括入射端部和发射端部；其中，(a)每个入射端部包括光收集入射面并且发射端部包括与 光传导组件的公共的输出端部重合的发射面；(b)该至少两个刚性的 光导分支元件中的至少一个包括沿其长度的一部分的具有分别呈现小 的端部数值孔径和量值小于小的端部数值孔径的大的端部数值孔径的 相反的小的和大的端部的数值孔径改变锥形部；(c)改变锥形部定向 为使得小的端部比大的端部更靠近光导元件的入射端部；并且(d)刚 性的光导分支元件以互相固定的关系固定，使得(i )光传导分支元件的入射端部根据呈现收集阵列密度的预先确定 的收集阵列格式以固定的空间关系保持；并且(ii)光导分支元件的发射端部根据呈现比收集阵列密度大的输出阵列密度的预先确定的输出阵列格式保持。
18. 根据权利要求17所述的光传导组件，其中，满足以下至少一个(O预先确定的收集阵列格式为使得光传导分支元件的入射端部以 隔开的关系保持；及(ii)光导分支元件的发射端部以接触的关系固定，使得它们的发 射端部集合地形成为(i)平面的和(ii)曲面的之一的连续的输出面。
19. 根据权利要求18所述的光传导组件，其中，收集阵列格式保持，多个发光元件根据预先确定的照明阵列格式以固定 的、彼此隔开的关系布置；并且
全文摘要
照明组件包括以光源数值孔径发光的发光元件(25)和包括相反的入射和发射端部的伸长的光导元件(40)，光通过全内反射在入射和发射端部之间传播。光导元件包括沿其长度的一部分的具有分别呈现小的端部数值孔径(62)和量值小于小的端部数值孔径的大的端部数值孔径(44)的相反的小的和大的端部的数值孔径改变锥形部(60)。入射端部与发光元件光收集靠近并且对准。
文档编号G02B6/26GK101288010SQ200680024518
公开日2008年10月15日 申请日期2006年5月5日 优先权日2005年5月6日
发明者K·塔博尔 申请人:肖特公司