CN1902520A - 反射式光耦合器 - Google Patents

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CN1902520A CNA200480040369XA CN200480040369A CN1902520A CN 1902520 A CN1902520 A CN 1902520A CN A200480040369X A CNA200480040369X A CN A200480040369XA CN 200480040369 A CN200480040369 A CN 200480040369A CN 1902520 A CN1902520 A CN 1902520A
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Abstract

照明系统具有经由反射式耦合器光学耦合到各根光纤中的单独的发光二极管(LED)。然后可以扎捆各根光纤。可以选择反射式耦合器的形状以便提高LED与其光纤之间的耦合效率。反射式耦合器可以形成为穿透片材的孔，所述反射式耦合器在入射侧具有第一形状并且在第二侧具有不同于第一形状的第二形状。反射式耦合器可以形成为穿透本体的孔，此时所述孔的内表面的至少第一部分符合二维(2D)面，并且所述内表面的至少第二部分符合三维(3D)面。

Description

反射式光耦合器
技术领域
本发明涉及光学系统，更具体地说，本发明涉及用于将来自泛光光源的光耦合到诸如光纤等的目标中的耦合器。
背景技术
照明系统用于各种应用场合。在家庭和工业应用中经常需要使用光。同样，在飞机、船舶和汽车应用中经常需要高亮度的照明光束。传统照明系统使用电力灯丝或弧光灯，这些系统有时候包括聚焦透镜和/或反射面以便将发出的光聚集并且作为光束引导到预期的目标。
然而，在某些应用中，使光源离开不希望存在电接触、或者容易遭受物理冲击或损坏、或者空间有限的环境，这样可能很有利。为了满足这些需要，已经开发出一些使用光导将来自光源的光引导到所期望的照明地点的照明系统。现有的一种方法是使用单个明亮的光源或者一组光源，以便照明诸如大芯径塑料光纤等的光导的输入端。在另一种方法中，可以采用一束光纤代替单根光纤。这些方法通常效率较低，在某些情况下会产生大约70％的发光损失。在多光纤系统中，一些损失是因为光纤之间存在黑暗间隙的缘故。在单光导方法中，为了获得明亮的照明所需的光量而具有足够大直径的光导过于厚重，因此丧失了柔性。
一些照明系统使用激光作为光源，以便利用其相干光输出和与光导高效耦合的特点。然而，激光光源比较昂贵并且通常产生单一波长的光，在需要宽带照明的场合下用处不大。
因此，仍然需要使用远程光源并且能够以合理的费用有效传送高亮度照明光的照明系统。
发明内容
一个构成高亮度照明系统的具体方法是将来自单独的发光二极管(LED)的光耦合到各根光纤中。然后可以将各根光纤扎捆以形成远程照明输出。每个LED与其各自光纤之间的反射式耦合器提供高效光学耦合。反射式耦合器的形状对于保持LED与其光纤之间的高效耦合很重要。
本发明的一个实施例涉及一种包括本体的反射式耦合器，所述本体具有从第一侧延伸穿透到第二侧的孔。所述孔的内表面为反射面。所述内反射面的第一部分符合二维(2D)面并且所述内反射面的第二部分符合三维(3D)面。所述2D面至少部分在所述本体的第一侧与第二侧之间延伸。
本发明的另一个实施例涉及一种光学系统，所述光学系统包括基本沿着反射器轴线设置的第一反射式耦合器。第一光源设置在所述本体的第一侧附近，从而将光发射到所述孔中。第一光纤具有设置在所述本体的第二侧附近的入射面，从而接收从所述第一光源穿过所述孔的光。所述反射式耦合器由具有从第一侧延伸穿透到第二侧的孔的本体形成。所述孔的内表面为反射面。所述内反射面的第一部分符合二维(2D)面并且所述内反射面的第二部分符合三维(3D)面。所述2D面至少部分在所述本体的第一侧与第二侧之间延伸。
本发明的另一个实施例涉及一种包括片材的反射式耦合器，所述片材具有从所述片材的第一表面延伸穿透到所述片材的第二表面的孔。所述片材的第一表面处的第一孔边缘具有第一周边形状，所述第一周边形状具有第一数量的边，并且所述片材的第二表面处的第二孔边缘具有第二周边形状，所述第二周边形状具有与所述第一数量的边不同的第二数量的边。所述孔具有在所述第一孔边缘与所述第二孔边缘之间延伸的内反射面。
本发明的另一个实施例涉及一种光学系统，所述光学系统包括基本沿着反射器轴线设置的第一反射式耦合器。所述反射式耦合器由片材形成，所述片材具有从所述片材的第一表面延伸穿透到所述片材的第二表面的孔。所述片材的第一表面处的第一孔边缘具有第一周边形状，所述第一周边形状具有第一数量的边，并且所述片材的第二表面处的第二孔边缘具有第二周边形状，所述第二周边形状具有与所述第一数量的边不同的第二数量的边。所述孔具有在所述第一孔边缘与所述第二孔边缘之间延伸的内反射面。第一光源设置在所述第一孔边缘附近。具有入射面的第一光纤设置在所述第二孔边缘附近。
本发明的上述概要说明并非旨在说明本发明的每个公开实施例或每种实施方式。下面的附图和详细说明部分更具体地举例说明了示例性实施例。
附图说明
参考附图阅读下面本发明各个实施例的详细说明将可以更全面地理解本发明，其中：
图1显示根据本发明原理的照明系统的实施例的分解图；
图2示意性显示通过根据本发明原理的已装配的图1所示照明系统的横截面；
图3示意性显示用于将来自朗伯(Lambertian)光源的光耦合到光纤的模型中的元件；
图4A至图4C示意性显示不同的二维(2D)面；
图5A至图5K示意性显示根据本发明原理的结合2D面和三维(3D)面的反射式耦合器的实施例的结构；
图6示意性显示在反射式耦合器内经由两个不同表面的反射；
图7A至图7D示意性显示通过图5K所示反射式耦合器的不同横截面；
图8示意性显示具有复杂形状晶粒(die)的LED；以及
图9示意性显示根据本发明原理的结合2D面和3D面的反射式耦合器的另一个实施例。
可以对本发明进行修改并获得各种变型和可选形式，在附图中通过示例显示了本发明的细节，并且在下面将进行详细说明。然而，应该理解，其意图并非将本发明限于所述具体实施例。相反，其意图是本发明包括位于所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内的所有变型、等同物和替代物。
具体实施方式
本发明适用于光学系统，更具体地说，本发明适用于可以采用来自一个或多个发光二极管(LED)的光照明目标的光聚集与管理系统。
具有更高输出功率的LED正在变得越来越普及，这为采用白光的LED照明系统开拓了新的应用领域。一些可能需要高功率LED的应用场合包括投影和显示系统、机器视觉系统和摄像/摄影应用，甚至诸如汽车头灯等的远距离照明系统。
LED通常发出各种角度的光，因此光学设计者的一个挑战是有效聚集LED产生的光并且将聚集的光引导到选定的目标区域。在一些应用中，目标区域是诸如光纤等的光导的输入端，使得光可以用于远程照明。例如，一些光源包括一个或多个将光发射到各个多模式光纤中的LED。
在图1所示分解图中示意性显示这种光照明系统100的例子。该系统包括多个LED102，这些LED经由以匹配阵列形式布置的各个反射式耦合器104与各根光纤106光学耦合。LED102可以设置在基板103上面。可以将光纤106全部聚集在一起成为一个或多个光纤束108中，而所述光纤束将光传送到一个或多个照明单元110。光纤106可以是多模式光纤。LED102和反射式耦合器104可以容纳在外壳112中，光纤106可以使用光纤安装板114以空间阵列形式保持靠近所述光纤各自的反射式耦合器104和LED102。系统100可以包括用于为LED102提供电能而联接的电源116。
在图2中示意性显示通过已装配光源200的实施例的部分横截面。光源200可以包括基座202，该基座可以用作散热装置。导热层204可以用于提供LED206阵列与基座202之间的热耦合。板208包括反射式耦合器210的阵列，所述反射式耦合器将来自LED206的光212耦合到各根光纤214的阵列。LED206经由各自的反射式耦合器210与各自的光纤214光学耦合。反射式耦合器210可以是空气填充的或者可以包含具有比空气更高的折射率的透明材料诸如光学环氧树脂等，从而减小与LED206的半导体材料之间界面处的折射率变化，并因此降低反射损失。透明材料可以部分填充反射式耦合器210，或者可以从LED206到光纤214完全填充反射式耦合器210。可以通过光纤板216将光纤214相对于反射式耦合器210阵列保持在适当的位置。可以将光纤的输出端聚集起来并且用作照明光源。
板208可以成型为具有穿透其中的孔以便形成反射式耦合器210。反射式耦合器的反射面可以使用不同的方法形成，例如通过金属化或者通过介电薄膜涂层。
由LED206产生的光212中至少一些光的颜色可以转换为一种或多种不同的颜色，从而覆盖可见光谱的更宽区域。例如，在LED206产生蓝光或UV光的情况下，可以使用荧光体产生光谱可见区域中的其它色带中的光，例如绿光、黄光和/或红光。荧光体可以设置在LED206的顶部，可以设置在光纤的入口，或者可以设置在其它地方。可以使用一个或多个波长选择性反射器提高颜色转换效率。在下列文献中进一步说明了使用荧光体转换由LED206发出的光212的颜色，这些文献包括：2003年1月27日提交的美国临时专利申请No.60/443,235、No.60/443,274和No.60/443,232，以及2003年12月2日提交的下列申请：美国专利申请No.10/726,997，“PhosphorBased Light Sources Having a Polymeric Long Pass Reflector”和美国专利申请No.10/727,072，“Phosphor Based Light SourcesHaving a Non-Planar Long Pass Reflector”。
用于将来自LED的光耦合到光纤中的反射式耦合器可使用复合抛物聚光器(CPC)的形状。这类反射器最初开发用于聚集太阳辐射，例如，如Welford and Winston，“High Collection NonimagingOptics”，Academic Press，San Diego，CA，1989中所述。公知的是，CPC是有效的反射式聚光器，其近乎具有最大可能的聚光率，即输入面积与输出面积的比率。
然而，将CPC用作基于LED的照明系统中的反射式耦合器存在几个缺陷。例如，CPC将光有效耦合到形状不同于光源形状的目标中的能力稍微有限。这是一个问题，因为很多LED具有正方形或矩形发光区域，并且光纤通常具有圆形横截面。即使光源和目标的聚光率相同，CPC在从正方形光源耦合到圆形光纤目标方面效率较低。简单的物理约束表明，与CPC的有效耦合需要正方形或矩形光源的聚光率大大低于光纤的聚光率。另一个问题在于CPC的轮廓可能使CPC中部的直径大于任何一端的直径，于是导致使用成型技术大批量生产反射器如果有可能也很困难。
另外，高聚光率对于如下类型的反射器并不一定是有用的性能参数：即，反射器将来自LED的光耦合到具有大于LED发光孔的孔的光纤中。更重要的是将很大一部分光耦合到光纤的可用模式中的能力。因此，CPC在将来自LED的光耦合到光纤目标方面的应用受到限制。
朗伯发射器是在所有角度上均匀发光的发射器。虽然LED不是准确意义上的朗伯发射器，但是LED本质上几乎就是朗伯发射器，至少在光所进入的半球中如此，因此在将光耦合到光纤中的耦合器的设计过程中考虑朗伯光源将很方便。现在参考图3考虑将光耦合到光纤中的光学耦合器的设计的一个方面。朗伯光源302具有边长为a的正方形形状的发光区域，因此光源302的对角线长度为a。光纤304具有直径为d的圆形入射孔306。光源302和入射孔306位于轴线308上。直接入射在入射孔306上的光应该在由光纤的数值孔径(NA)确定的光纤接受角θ内入射。在空气中，NA是接受角的正弦。在该约束下，光源与光纤之间的最小距离Lmin由下面表达式给出：
                        Lmin＝(a+d)/(2tanθ)        (1)
a、d和θ的示例值为a＝300μm，d＝600μm，NA(在空气中)＝sinθ＝0.48，因此，在该实例中，Lmin大约为936μm。不直接入射在入射孔306上的光可能经由另一个面，即反射式耦合器的表面反射。此外，为了增大有效耦合到光纤中的光量，应该以如下方式定向反射面：即，减小反射光相对于反射器轴线的角度，使得更多的光位于光纤的接收光锥内。这意味着需要相对较尖锐的角度。于是，反射式耦合器的形状对于保持LED与光纤之间的高效耦合很重要。在2003年12月2日提交的标题为“ILLUMINATION SYSTEM USING A PLURALITYOF LIGHT SOURCES”的美国专利申请No.10/726,222(美国公开No.2004-0149998-A1)中说明了用于将来自LED的光反射式耦合到光纤中的反射面的一个例子。在该文献中，反射式耦合器的外形计算为接近抛物形，并且通过四阶表达式准确描述。
需要定义一些术语以便描述下面对反射式耦合器的说明中所使用的不同面的形状。术语“二维面”或者“2D面”是指如下面：即，最多只在一个平面，例如x-z平面或者y-z平面内具有曲率半径并且可以沿一个轴线延伸而与该轴线垂直的横截面的形状或尺寸不改变。2D面的例子包括平面(曲率半径为无限)、圆柱面和非球面柱面。图4A显示圆柱面402。非球面柱面包括抛物柱面、椭圆柱面和双曲柱面。在图4B中示意性显示抛物柱面404，在图4C中示意性显示椭圆柱面406。在图4A至图4C所示的每个例子中，面402至406是轴线与x轴平行的柱面。而且，面402至406可以沿着x轴延伸，而各自的圆、抛物线或椭圆的形状或尺寸不改变。
“三维面”或“3D面”是旋转曲面或在多于一个平面内具有曲率半径的面，例如在x-z平面和y-z平面内都具有曲率半径的面。旋转曲面的一些例子包括锥面、抛物面、椭球面和双曲面。在多于一个平面内具有曲率半径的面的例子包括球面和环面。当在下面说明中指明反射面符合某一具体2D面或3D面时，应该理解为，反射面只需要符合该具体2D面或3D面的一部分。
现在将参考图5A至图5K说明一种用于设计反射式耦合器的方法。图5A示意性显示对应于正方形光源(如LED发光区域)的入射孔边缘502。出射孔边缘504对应于光纤的入射孔。孔边缘502和504形成反射式耦合器的输入端和输出端的基本形状。轴线506称为反射器轴线，其通过入射孔边缘502的中心与出射孔边缘504的中心。反射器轴线506与z轴平行。
反射式耦合器的输入端的形状具有数量不同于输出端的边。在所示实施例中，入射孔边缘502的周边形状为正方形，具有四条边，这里边定义为直线段。出射孔边缘504的周边形状为圆形。圆通常理解为具有无限数量的边。因此，入射孔边缘502定义的周边形状具有不同于出射孔边缘504的边数的边。
如图5B和图5C中所示，相对于入射孔边缘502构造一个或多个2D面。在该具体实例中，2D面符合抛物柱面。在y-z平面内绘制抛物线508，使得与入射孔边缘502的顶边和底边以及出射孔边缘504的顶部和底部相交。如下面参考图5C所述，抛物线508的实线部分包括与x轴对准的非球面柱面的一部分。抛物线508的虚线部分被截去，并且对于该例子被示出以仅仅用于说明使用了单个抛物线。
图5C显示图5B所示抛物线508在沿+x和-x方向延伸之后形成抛物柱面510a和510b。面510a和510b是只在一个方向上具有曲率(power)的相对的非球面，也就是说，面510a和510b的曲率半径位于y-z平面内。
现在将参考图5D和图5E说明另外2D面的构造。在图5D中，在x-z平面内绘制抛物线512，使得与入射孔边缘502的右边和左边的中间以及出射孔边缘504的右部和左部相交。抛物线512的实线部分对应于图5E中所示非球面柱面的一部分，而抛物线512的虚线部分被示出以说明使用了单个抛物线。抛物线512的实线部分沿+y和-y方向延伸，从而形成一对相对的非球面514a和514b。
图5F示意性显示相互交错的2D面510a、510b、514a和514b，而图5G示意性显示修剪至相交线的图5F所示2D面510a、510b、514a和514b。面510a、510b、514a和514b完全适应期望的对应于正方形光源的入射孔边缘502。然而，在相对端，正方形输出516没有很好地匹配圆形出射边缘504。如果反射式耦合器只由2D面510a、510b、514a和514b形成，那么在区域518中将损失很大一部分光量，区域518是圆形出射边缘504没有匹配2D面510a、510b、514a和514b的正方形输出516的区域。
于是，只使用2D面不会实现如下反射面：即其入射边缘匹配具有直线边的形状同时出射边缘匹配圆形形状。
考虑与出射边缘504的圆形孔匹配的另一个面。该面是3D面，具体地说，如下面参考图5H和图5I所述，该面是围绕反射器轴线506旋转的旋转曲面。在所示实施例中，抛物线520与圆形出射孔边缘504匹配，并且与入射孔边缘502中离轴线506最远的部分，即入射孔边缘502的角匹配。围绕轴线506旋转该抛物线将形成旋转曲面522。面522没有进入入射孔边缘502所形成的区域内。
或者只采用2D面组或者只采用3D面作为反射式耦合器的反射面，用于在LED与光纤之间进行耦合，都存在缺陷。如上面关于图5G所述，2D面的使用产生与光纤不匹配的部分518，因此损失光。因此，只使用2D面将导致与光纤的耦合降低。
只使用旋转曲面也导致与光纤的光耦合降低，现在将参考图6说明其原因。考虑下面对反射面626和628反射光604所进行的比较。一个反射面626对应于抛物面522上的线526，并且代表抛物面反射面522。另一个反射面628对应于从出射孔边缘504延伸到正方形入射孔边缘502的顶边中间的曲线528。该反射面对应于抛物柱面，如面510a。
光604入射在各个反射面626和628上。经由面628反射的光作为与光学轴线506成角度θ1的光638传播。经由面626反射的光作为与光学轴线506成角度θ2的光636传播。因为面628处于更尖锐的角度，θ1＜θ2，因此光638比光636更有可能在光纤接受角内进入光纤。因此，由反射面628形成的角度越尖锐，就导致更多的光耦合到光纤中，因此至少在反射式耦合器的输入端附近，2D面的使用增大了耦合到光纤中的光量。
一种确保将来自LED的光高效地耦合到光纤中的方法是使用结合2D面与3D面的反射面。现在将参考图5J和图5K说明这一点。图5J显示在入射孔边缘502与出射孔边缘504之间延伸的所有面510a、510b、514a、514b和522的组合。当光相对于光学轴线506以较大的角度从光源发出时，光优先碰到相对于旋转曲面形成更尖锐角度的2D面，使得反射光中更大的部分落入光纤的NA内。对于更靠近反射式耦合器的输出端的点，存在从2D面到匹配光纤形状的3D面的转变。图5K示意性显示图5J所示反射式耦合器的“修剪”形式。该修剪形式只包括2D面510a、510b、514a和514b中比3D面522更靠近光学轴线506的部分，以及3D面522中比2D面510a、510b、514a和514b更靠近光学轴线506的部分。
在图7A至图7D中显示通过上述反射式耦合器的横截面图，以便帮助理解反射面的形状。图7A至图7C显示沿着轴线506观看时反射式耦合器内部的横截面图。于是，图7A至图7C中所示截面的平面与x-y平面平行。图7A显示位于反射式耦合器的入射孔边缘502处的横截面。在入射孔边缘处，2D面都比旋转曲面522更靠近光学轴线506，因此横截面的形状与2D面510a、510b、514a和514b匹配。图7B显示在大约位于入射孔边缘502与出射孔边缘504的中间的点处通过反射式耦合器的横截面。在该点处，3D面522比2D面510a、510b、514a和514b之间的相交部分更靠近轴线506，因此反射式耦合器在“角部”符合3D面522。沿+x、-x、+y和-y方向，2D面510a、510b、514a和514b的中央平直部分仍然更靠近轴线506。图7C显示在靠近出射孔边缘504处通过反射式耦合器的横截面。平直部分510a、510b、514a和514b的宽度已经减小，并且3D面522的范围增大。在出射孔边缘504处，反射式耦合器的横截面只包括3D面522。
可以说，2D面510a、510b、514a和514b与3D面522“交错”，这里术语“交错”是指，对于至少一个垂直于反射器轴线获得的通过反射式耦合器的横截面，该横截面的至少一部分符合2D面，并且该横截面的至少另一部分符合3D面。图7B和图7C所示横截面显示了这种交错，因为横截面显示了符合2D面和3D面的部分。
图7D示意性显示沿着与轴线506垂直的方向通过反射式耦合器700的横截面图。该视图还显示，反射式耦合器700可以形成为穿过本体710的孔708，这里入射孔边缘502匹配LED发射器702，出射孔边缘504匹配光纤704。光纤704具有包层705。本体710可以只有一个穿透孔708，或者可以如片材一样沿着x方向和y方向延伸。本体710可以具有多个如从一侧延伸到另一侧的孔708一样的孔。
反射式耦合器700的反射面具有符合上述2D面和3D面的不同部分。2D面510a和510b分别位于反射式耦合器700的顶部和底部，在该视图中，2D面514b在孔的后部。线720表示2D面514b与3D面522之间的分界线。朝向出射孔边缘504方向，反射面逐渐变成以3D面522为主。
反射式耦合器700在其输入端和输出端具有不同的形状，并且由与多个2D面结合的3D面(如旋转曲面)形成。在关于图5A至图5K所说明的例子中，假定2D面为抛物柱面，并且3D面为旋转抛物面。本发明不限于只使用符合这些形状的面，还可以使用其它类型的面。例如，2D面可以为平面，或者可以为圆柱面或椭圆柱面，或者可以为其它2D形状。而且，3D面可以为锥面或椭球面，或者可以为其它3D形状。
另外，可以理解，尽管在上述例子中将入射孔边缘描述为正方形，但是并不表示本发明只限于正方形入射孔边缘。可以使用其它四边入射孔边缘，例如，入射孔边缘可以为矩形或者采用其它的四边形形状：入射孔边缘根据期望的输入端形状设定。出于说明的目的，术语“矩形”包括正方形形状。入射孔边缘还可以是具有直边的其它形状。例如，入射孔边缘可以是三角形、五边形、六边形等形状。2D面可以设置为匹配入射孔边缘的每个直边。例如，如果入射孔边缘为三角形，那么3D面可以与三个2D面相结合。
这里将具有符合多个2D面以及3D面(如旋转曲面)的表面的反射式耦合器称为2D-3D复合反射器。
下面将计算具有不同形状的反射式耦合器的性能。在每种情况下，假定光源为距离光纤入射面936μm放置的300μm正方形朗伯发射器。假定光纤芯径为600μm，并且其NA为0.48。假定反射器的内反射面覆盖有银，并且考虑在光纤的近边缘和远边缘存在菲涅耳(Fresnel)反射。表1中列出了计算耦合效率的结果。因为光源的聚光率大于光纤的聚光率，所以使用该模型不可能获得100％的耦合效率。
表1  各种反射器几何形状的比较
  反射器几何形状   耦合效率
  a)简单锥面   51.57％
  b)抛物面   51.61％
  c)交叉抛物柱面   65.66％
  d)与四个平面相交的简单锥面   75.13％
  e)交错抛物面   76.33％
表中前两个几何形状a)简单锥面和b)抛物面代表只使用3D面形成的反射器。简单锥面为具有圆形入射孔和出射孔的锥面。出射孔匹配光纤的直径并且入射孔具有等于光源对角线长的直径。抛物面反射器具有旋转抛物面，并且具有圆形入射孔和出射孔。出射孔匹配光纤的直径，并且入射孔具有等于光源对角线长的直径。
采用交叉抛物柱面形成的反射器c)代表只使用2D面形成的反射器，例如符合图5G所示面510a、510b、514a和514b的反射器。
最后两个几何形状d)和e)是2D-3D复合反射器的例子。例子d)假定使用形成截头棱锥形的四个2D平面与作为3D面的简单锥面交错而形成。例子e)假定2D面为抛物柱面并且旋转曲面为抛物面，例如如图5K中所示。从计算结果可以看出，2D-3D复合反射器的耦合效率大大高于简单3D反射器(反射器a)和b))的耦合效率，并且也高于复合2D反射器(反射器c))的耦合效率。
到目前为止，说明都假定光源为平面朗伯发射器。然而，实际情况并非必须如此，光源可以具有比简单平面更复杂的形状。例如，一些高功率LED，如Cree Inc.，North Carolina生产的XBright系列碳化硅(SiC)LED，具有如图8中示意性显示的多面形状。LED800具有顶面802和倾斜面804，这些面都可以发光。结合垫806可以设置在顶面802上以方便电连接。来自LED800的大部分光输出从倾斜面804发出，一些光也从顶面802发出。图中还显示了LED轴线808。
在将发出的光有效传递到具有不同形状的目标(如光纤)的反射器的设计中，如图8所示的复杂LED几何形状引入了复杂性。倾斜面趋向于背离LED轴线将更多光投向侧面。另外考虑的是，LED本体通常由具有相对较高的折射率的半导体材料构成。例如，SiC具有位于2.6至2.7范围内的折射率，并且氮化镓(GaN)具有大约为2.4的折射率。这些相对较高的折射率值导致很大一部分入射在LED本身内表面上的光被反射，随后被散射、吸收或者以其它方式损失。通过将LED封装在具有比空气更高的折射率的材料中，例如封装在折射率大约为1.6的光学环氧树脂中，可以部分缓解这一结果。半导体LED晶粒表面处所产生的折射率变化的降低减小了菲涅耳反射损失，于是允许从LED半导体晶粒提取更多的在LED中产生的光。
当封装材料延伸到光纤的入射面时，光纤面处允许耦合到光纤中的入射角会成比例减小。例如，如果在空气中光纤的NA为0.48，LED与光纤之间的区域填充有n＝1.56的环氧树脂，那么光纤面处所允许的入射角从28.7°减小到17.9°。因此，以大于17.9°的角度耦合到光纤中的光在光纤没有被引导，并且损失在光纤包层中。因此，重要的是，使反射式耦合器的形状为在该缩小锥角内将尽可能多的光引导到光纤中。
在上述2D-3D复合反射器的例子中，相对的2D面，如图5K中所示面510a和510b，符合轴线与反射器轴线506重合的抛物柱面。实际情况并非必须如此，抛物柱面的轴线可以与反射器轴线不重合，甚至不必与反射器轴线平行。另外，相对的2D面可以符合具有不同轴线的面。例如，面510a可以关于第一轴线形成，并且面510b关于第二轴线形成。在图9中显示这一点，该图示意性显示用于将来自具有如图8所示LED的形状的LED930的光耦合到光纤芯932中的反射式耦合器900。光纤芯932可以由包层934包围。
反射式耦合器900可以形成为穿过本体903的孔901。孔901具有符合包括面910a、910b和914b的多个2D面以及旋转曲面922的反射壁。面910a和910b按照与图7中面510a和510b相同的方式伸入并且伸出绘图平面。线920表示2D面914b与3D面922之间的分界线。包括面910a、910b和914b的2D面形成非常适应LED930形状的入射孔边缘902。在该具体实施例中，每个2D面符合围绕偏离反射器轴线906的各自2D面轴线形成的抛物反射面。例如，2D面910a符合围绕2D面轴线916a形成的抛物2D面。同样，2D面910b符合围绕2D面轴线916b形成的2D面。可以理解，2D面914b和存在的任何其它2D面也可以围绕各自的2D面轴线(未示出)形成。
2D面轴线916a和916b不必与反射器轴线906重合，而是可以相对于反射器轴线906移位。2D面轴线916a和916b可以与反射器轴线906平行，也可以与反射器轴线906不平行。例如，2D面轴线916a和916b可以设置为通过LED930的倾斜面938的中心。在来自LED930的光输出中很大一部分光由倾斜面938发出的情况下，这种布置特别有用。此外，在2D面具有焦点的情况下，可以将焦点设置为靠近或者位于倾斜面938的中心。具有焦点的2D面的例子包括抛物面和椭圆面。将焦点设置为靠近发出大部分光的面的中心可以有利地将更大部分的发射光沿着与反射器轴线906大致平行的方向引导到光纤芯932。
对于沿着不直接入射到光纤芯932端部的方向从倾斜面938发出的光，2D反射器910a、910b以及其它2D面反射并且部分地使光照向纤芯932，使得更大部分的发射光在光纤的NA内进入光纤芯932。光还从LED930的平面端部940发出。该光中的一些直接入射到光纤932的输入端，一些在经由反射器900反射之后入射到光纤输入端。
针对具有不同几何形状的反射式耦合器，比较来自具有图8所示形状晶粒的LED的光的耦合效率。具体地说，将如下两种反射器的耦合效率进行比较：其一为符合沿着反射式耦合器轴线端部对端部连接的两个锥形反射器的渐缩锥形反射器，其二为如图9中所示具有偏移2D抛物面和3D抛物面的2D-3D复合反射器。在每种情况下，假定反射式耦合器填充有环氧树脂(n≈1.56)并且折射率与光纤匹配。将使用渐缩锥形反射式耦合器从LED耦合到光纤中的光量标准化为1。相比之下，使用2D-3D复合反射器900耦合到光纤中的标准化光量计算为大约1.7。换句话说，2D-3D复合反射式耦合器900在将光耦合到光纤方面的效率比渐缩锥形反射器高出70％。
不应该认为本发明只限于上述具体实例，而是应该认为包括如所附权利要求书中明确提出的本发明的所有方面。对于阅读了本说明书的本发明所属领域的技术人员来说，很容易明白，本发明可具有各种变型、等同处理以及多种结构。权利要求书旨在包括这些变型和设计。

Claims (44)

1.一种反射式耦合器，包括：
本体，其具有从第一侧延伸穿透到第二侧的孔，所述孔的内表面为反射面，所述内表面的第一部分符合二维(2D)面并且所述内表面的第二部分符合三维(3D)面，所述2D面至少部分在所述本体的第一侧与第二侧之间延伸。
2.如权利要求1所述的耦合器，其中，
所述第一部分设置在所述本体的第一侧附近，所述第二部分设置在所述本体的第二侧附近。
3.如权利要求1所述的耦合器，其中，
所述孔在所述本体的第一侧处限定第一孔边缘，所述第一孔边缘在形状上为矩形。
4.如权利要求1所述的耦合器，其中，
所述孔在所述本体的第二侧处限定第二孔边缘，所述第二孔边缘具有圆形形状。
5.如权利要求1所述的耦合器，其中，
所述2D面为非球面柱面。
6.如权利要求5所述的耦合器，其中，
所述第一孔边缘附近的反射面基本上符合两个相交的非球面柱面。
7.如权利要求6所述的耦合器，其中，
反射器轴线沿着所述孔的中心在所述第一侧与所述第二侧之间纵向限定，所述非球面柱面围绕所述反射器轴线形成。
8.如权利要求6所述的耦合器，其中，
所述非球面柱面为抛物柱面。
9.如权利要求1所述的耦合器，其中，
反射器轴线沿着所述孔的中心在所述第一侧与所述第二侧之间纵向限定，所述2D面是包括关于2D面轴线形成的面的面。
10.如权利要求9所述的耦合器，其中，
所述2D面轴线与所述反射器轴线重合。
11.如权利要求9所述的耦合器，其中，
所述2D面轴线与所述反射器轴线不重合。
12.如权利要求11所述的耦合器，还包括发光二极管LED，所述LED设置在所述本体的第一侧处以便将光发射到所述孔中，所述LED具有与所述反射器轴线不垂直的第一发光面，所述2D面轴线通过所述第一发光面。
13.如权利要求12所述的耦合器，其中，
所述2D面限定位于所述2D面轴线上的焦点，所述焦点设置在所述第一发光面上。
14.如权利要求1所述的耦合器，其中，
所述孔在所述本体的第二侧处限定第二孔边缘，所述第二孔边缘基本上符合所述3D面。
15.如权利要求1所述的耦合器，其中，
所述3D面为旋转曲面。
16.如权利要求15所述的耦合器，其中，
反射器轴线沿着所述孔的中心在所述第一侧与所述第二侧之间纵向限定，所述旋转曲面是围绕所述反射器轴线形成的旋转曲面。
17.如权利要求15所述的耦合器，其中，
所述旋转曲面为抛物面。
18.如权利要求1所述的耦合器，其中，
在所述第一侧附近，所述反射面基本上符合四个非球面柱面；在所述第二侧附近，所述反射面基本上符合旋转曲面。
19.如权利要求1所述的耦合器，其中，
所述2D面和所述3D面交错。
20.一种光学系统，包括：
第一反射式耦合器，其基本沿着反射器轴线设置，所述第一反射式耦合器由具有从第一侧延伸穿透到第二侧的孔的本体形成，所述孔的内表面为反射面，所述内反射面的至少第一部分符合2D面并且所述内反射面的至少第二部分符合3D面，所述2D面至少部分在所述本体的第一侧与第二侧之间延伸；
第一光源，其设置在所述本体的第一侧附近，从而将光发射到所述孔中；以及
第一光纤，其具有设置在所述本体的第二侧附近的入射面，从而接收从所述第一光源穿过所述孔的光。
21.如权利要求20所述的系统，其中，
所述光源为发光二极管。
22.如权利要求20所述的系统，还包括多个光源，所述多个光源经由多个对应的反射式耦合器将光引导到多根对应的光纤中，所述多个光源包括所述第一光源，所述多根光纤包括所述第一光纤，所述多个反射式耦合器包括所述第一反射式耦合器。
23.如权利要求22所述的系统，其中，
所述光源以阵列形式布置，并且所述反射式耦合器和所述光纤以与所述光源阵列匹配的对应阵列布置。
24.如权利要求22所述的系统，其中，
所述反射式耦合器由片材形成，所述片材包括所述本体。
25.如权利要求22所述的系统，其中，
所述多根光纤中的光纤扎捆在一起并且在照明单元处具有输出。
26.如权利要求22所述的系统，还包括用于为所述多个光源提供电能而联接的电源。
27.一种反射式耦合器，包括：
片材，其具有从所述片材的第一表面延伸穿透到所述片材的第二表面的孔，在所述片材的第一表面处的第一孔边缘限定第一周边形状，所述第一周边形状具有第一数量的边，并且在所述片材的第二表面处的第二孔边缘限定第二周边形状，所述第二周边形状具有第二数量的边，所述第一数量的边与所述第二数量的边不同，所述孔具有在所述第一孔边缘与所述第二孔边缘之间延伸的内反射面。
28.如权利要求27所述的耦合器，其中，
所述第一周边形状为矩形，所述第二周边形状为圆形。
29.如权利要求27所述的耦合器，其中，
所述内反射面的第一部分符合2D面，所述内反射面的第二部分符合3D面。
30.如权利要求29所述的耦合器，其中，
所述第一周边形状包括直边，并且所述第一孔边缘附近的内反射面符合2D面，每个2D面在所述第一周边形状的各个直边处终止。
31.如权利要求30所述的耦合器，其中，
所述2D面包括至少一对相对的符合非球面柱面的2D面。
32.如权利要求31所述的耦合器，其中，
所述非球面柱面为抛物柱面。
33.如权利要求29所述的耦合器，其中，
反射器轴线沿着所述孔的中心在所述片材的第一侧与第二侧之间限定，所述2D面中至少一个关于2D面轴线形成。
34.如权利要求33所述的耦合器，其中，
所述2D面轴线与所述反射器轴线重合。
35.如权利要求33所述的耦合器，其中，
所述2D面轴线与所述反射器轴线不重合。
36.如权利要求29所述的耦合器，其中，
所述第二周边形状为圆形，所述第二孔边缘附近的内反射面基本上符合旋转曲面。
37.如权利要求36所述的耦合器，其中，
所述旋转曲面为抛物面。
38.如权利要求29所述的耦合器，其中，
所述2D面和所述3D面交错。
39.一种光学系统，包括：
第一反射式耦合器，其基本沿着反射器轴线设置，所述第一反射式耦合器由片材形成，所述片材具有从所述片材的第一表面延伸穿透到所述片材的第二表面的孔，在所述片材的第一表面处的第一孔边缘限定第一周边形状，所述第一周边形状具有第一数量的边，并且在所述片材的第二表面处的第二孔边缘限定第二周边形状，所述第二周边形状具有第二数量的边，所述第一数量的边与所述第二数量的边不同，所述孔具有在所述第一孔边缘与所述第二孔边缘之间延伸的内反射面；
第一光源，其设置在所述第一孔边缘附近；以及
第一光纤，其具有设置在所述第二孔边缘附近的入射面。
40.如权利要求39所述的系统，其中，
所述光源为发光二极管。
41.如权利要求39所述的系统，还包括多个光源，所述多个光源经由多个对应的反射式耦合器将光引导到多根对应的光纤中，所述多个光源包括所述第一光源，所述多根光纤包括所述第一光纤，所述多个反射式耦合器包括所述第一反射式耦合器。
42.如权利要求41所述的系统，其中，
所述光源以阵列形式布置，并且所述反射式耦合器和所述光纤以匹配光源阵列的对应阵列布置。
43.如权利要求41所述的系统，其中，
所述多根光纤中的光纤扎捆在一起并且在照明单元处具有输出。
44.如权利要求41所述的系统，还包括用于为所述多个光源提供电能而联接的电源。
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