本发明专利技术提供一种用于从光发射器提供均匀输出的方法和设备。本发明专利技术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。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术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,本专利技术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。本专利技术,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)。本专利技术,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,本专利技术并不局限于可见光区域,而是本专利技术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,将本专利技术设计的传输或收集的电磁辐射称作“光”或“光学的”。
技术介绍
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专利技术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。
技术实现思路
本专利技术试图克服现有技术的缺点。基于本专利技术的一个方面,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。基于本专利技术的另一方面,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专利技术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。这在光学通信系本文档来自技高网...
【技术保护点】
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。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员:PT休斯,
申请(专利权)人:莱德威弗技术有限公司,
类型:发明
国别省市:GB[英国]
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