横向光导管的制作方法

1.本发明一般涉及光学光导管，并且尤其涉及可用于照明电子显示源(例如，用于将图像注入近眼显示器的光波导的硅基液晶(liquid crystal on silicon，lcos)微显示器)的光导管，该光导管具有可以相对于相关系统部件以任何期望的折叠角折叠的光轴(光路径)。


背景技术：

2.在增强现实系统中，以美观的可穿戴框架适配光学系统形状和形状因子是一个挑战，特别是当需要混合不同的光(例如，led)源颜色时。将不同光源通道混合在一起的一种方法是使用光导管来产生照明。出于美观的原因，期望使光导管与眼镜的框架对准。然而，光导管是相对较长的元件，其通常突出于期望的光学引擎包络。因此，为了获得美观的形状，在任何期望的方向上折叠光导管是关键的。
3.除了是相对长的元件之外，光导管通常也是相对直的。为了在一定程度上将光导管保持在期望的光学引擎包络中，已经提出了将光导管实现为带状光纤的弯曲光导管设计。然而，由于在弯曲的带状光纤内传播的光线不能通过全内反射沿传播轴传播，所以带状光纤实施方式导致低效率。已经提出了替选的折叠方案，其中使用具有反射涂层(即，镜面涂层)的直角棱镜(即，90度棱镜)来折叠光导管。虽然这样的解决方案产生更高的效率，但是这些解决方案显著地限于特定的折叠角。


技术实现要素：

4.根据本实施方式的教导，提供了一种装置，包括：光导管，该光导管至少包括：(i)第一光学结构，该第一光学结构具有第一折射率、在光导管的近端处的输入表面、以及第二表面，以及(ii)第二光学结构，该第二光学结构具有不等于第一折射率的第二折射率、第三表面、以及在光导管的远端处的输出表面，该光导管具有在输入表面与第二表面之间的方向上平行于第一光学结构的长尺寸的纵轴，以及在第二表面与第三表面之间的界面，该界面相对于光导管的纵轴倾斜，使得平行于纵轴注入的输入表面的输入光线从输出表面输出作为不平行于输入光线的输出光线。
5.在可选实施方式中，输入光线与输出光线之间的角度是光导管的光学偏移角，该光学偏移角不是零度。在另一可选实施方式中，纵轴与输出表面法线之间的角度是光导管的机械偏移角，该机械偏移角不是零度，输出表面法线垂直于第二光学结构的输出表面。
6.在另一可选实施方式中，至少第一光学结构和第二光学结构限定光通过光导管的光路径，该光路径至少部分地由光通过以下操作限定：经由输入表面耦入，穿过第一光学结构，从第二表面至第三表面经由界面从第一光学结构折射至第二光学结构，穿过第二光学结构，以及经由输出表面耦出第二光学结构。在另一可选实施方式中，第一光学结构和第二光学结构的至少一个外侧壁涂覆有反射涂层，该反射涂层将光路径约束在光导管内。
7.在另一可选实施方式中，抗反射涂层被添加到至少第一光学结构和第二光学结构
的至少一个表面。在另一可选实施方式中，第二表面邻接第三表面。在另一可选实施方式中，第二表面通过间隙与第三表面分开。在另一可选实施方式中，间隙填充有选自包括以下的组的材料：空气、光学接合剂和光学凝胶。在另一个可选实施方式中，第三表面相对于第二表面以间隙配置。
8.在另一可选实施方式中，第一光学结构具有第一宽度，并且第二光学结构具有第五宽度，第五宽度大于第一宽度。在另一可选实施方式中，第一光学结构的第三宽度和/或第二光学结构的第四宽度沿光导管的纵轴变化。在另一可选实施方式中，输出表面相对于光导管的纵轴成第八角度以及/或者输入表面相对于光导管的纵轴成第十一角度。
9.在另一可选实施方式中，还包括光源，该光源向光导管的输入表面提供输入光。在另一可选实施方式中，还包括投影光学器件，该光导管被配置成提供输出光线作为所述投影光学器件的输入。
10.在另一可选实施方式中，光导管的长尺寸比光导管宽度大至少一个数量级。
11.根据本实施方式的教导，提供了一种装置，包括：光导管，该光导管至少包括：第一光学结构，该第一光学结构具有第一折射率、在光导管的近端处的输入表面以及第二表面，以及第二光学结构，该第二光学结构具有所述第一折射率、第三表面以及在光导管的远端处的输出表面，该光导管具有在输入表面与第二表面之间的方向上平行于第一光学结构的长尺寸的纵轴，以及在第二表面与第三表面之间的界面，该界面相对于光导管的纵轴倾斜，使得平行于纵轴注入到输入表面的输入光线从输出表面输出作为不平行于输入光线的输出光线，其中，第二表面通过间隙与第三表面分开。
附图说明
12.在本文中参照附图仅通过示例的方式描述本发明的一些实施方式。通过详细地具体参照附图，要强调的是，所示的细节是作为示例的，并且是出于对本发明的实施方式的说明性论述的目的。在这方面，结合附图进行的描述使得本领域技术人员清楚可以如何实践本发明的实施方式。
13.现在将注意力转向附图，在附图中，相同的附图标记指示相应或相同的部件。在附图中：
14.图1是示例性典型使用的概图。
15.图2a是光路径的折射的表示。
16.图2b是图2a所示的实施方式的变型。
17.图3是对应于图2b的光导管的概图，
18.图4是类似于图3的光导管的光导管的概图。
19.图5是类似于图4的光导管的光导管的概图。
20.图6是图2b所示的实施方式的变型。
21.图7是根据图6的实施方式的光导管的概图。
22.图8是图9所示的实施方式的变型的表示。
23.图9是其中外侧壁是锥形的光导管的概图。
24.图10是具有通过气隙分开的结构的光导管的概图。
25.图11是外侧壁之间的距离恒定的光导管。
26.图12是外侧壁之间的距离增加的光导管。
27.图13a是由单基光学结构构造的光导管的概图。
28.图13b是图13a的光导管的概图，其中光以不同的角度入射。
29.图13c是包括图13a和图13b的变型的光导管的概图。
30.图13d是图13c的示出耦入损耗的光导管的概图。
31.图13e是图13c和图13d的具有tir的光导管的概图。
32.图13f是作为图13c的变型的光导管的概图。
33.图13g是图13c的变型的概图。
34.图13h是图13g的变型的概图。
35.图13i是图13a和图13g的变型的概图。
36.图14a是光导管的替选实现方式的概图。
37.图14b是图14a的变型的概图。
38.图14c是图13c、图13e和图13g的变型的概图，其中漫射体被放置在附加光学结构的输出处。
39.图15a是图13c至图13i的光导管的侧视图和俯视图的概图。
40.图16a是使用反射涂层的传统折叠光导管的概图。
41.图16b是改进的光导管的概图。
42.图16c是图16b的三维(3d)的并且具有输入和输出表面的替选的倾斜和旋转的概图。
具体实施方式
43.本发明的实施方式针对提供能够以任何期望的折叠角折叠的光路径的光导管。
44.除非本文另有定义，否则本文使用的所有技术和/或科学术语具有与本发明所属领域的普通技术人员通常所理解的相同含义。尽管与本文所描述的方法和材料类似或等同的方法和材料可以在实践或测试本发明的实施方式中使用，但是在下面描述了示例性的方法和/或材料。在有冲突的情况下，以包括定义的专利说明书为准。在实践或测试本发明的实施方式中，在下面描述了示例性的方法和/或材料。在有冲突的情况下，以包括定义的专利说明书为准。另外，材料、方法和示例仅是说明性的，并不旨在必然是限制性的。
45.在详细说明本发明的至少一个实施方式之前，应当理解，本发明在其应用中不一定限于在以下描述中阐述的以及/或者在附图和/或示例中示出的方法和/或部件的构造和布置的细节。本发明能够具有其他实施方式或者能够以各种方式实践或执行。
46.注意，为了简化，在附图中，通常仅描绘了一条光线。光线也可以被称为光或光束。本领域技术人员将认识到，所描绘的光(光线)是实际光的样本光束，其通常由多个光束以稍微不同的角度形成。除非明确地称为光的末端(边缘)，所示出的光线通常是光的质心。在其中光对应于图像的情况下，中心射线是来自图像中心或图像中心像素的中心光线。在其中光来自光源的情况下，中心光线通常是从光源传播的照明锥体的中心(和最大强度)。
47.根据本发明实施方式的照明光导管由至少两个(即两个或更多个)光学结构(例如棱镜)——即第一光学结构和第二光学结构——的组合形成。第一光学结构由具有第一折射率的材料形成，并且第二光学结构由具有不同于第一折射率的第二折射率的材料形成。
根据斯涅尔定律，光在(至少)两个光学结构之间的光导管内部折射。因此，在光离开光学结构之前，光导管的光路径被弯曲，从而允许更高的自由度来选择折叠角(下面定义)。通过优化光导管的各种参数，可以实现适合期望的光学引擎包络的期望的输出光轴角(即，折叠角)。可优化参数包括例如光学结构的折射率、内部光学接合部的角度、光学结构的外表面的取向角以及光学结构的入射面和出射面的取向角。
48.以下段落描述本发明的光导管的不同实施方式。以下实施方式仅是示例性的，并且本发明不应限于本文所述的特定实施方式。也可以考虑光导管的其他实施方式。
49.现在参照图1，图1是本发明的光导管600的实施方式的示例性典型使用的概图。出于美观的原因，光导管600优选地与眼镜框架(frame)对准(平行)，在当前图中示出为光导管600的纵轴r1与框架平行。来自光源610的光源光束向光导管600提供输入光，在这种情况下，沿着输入表面法线r01向输入表面(未示出)提供输入光。光导管使光轴转向，改变通过光导管600的光路径的方向，使得沿输出表面法线r23的输出光线不平行于沿输入表面法线r01的输入光线。在这种情况下，光导管600的照明输出被引导到投影光学器件612，影光学器件612将图像馈送到图像扩展模块以供用户眼睛观看。在本文的上下文中，光导管使光轴转向有时被称为“折叠”光轴。
50.参照图2a，图2a是根据本发明的实施方式的其中使用了两个光学结构的光导管的光路径的折射的表示。为了清楚起见，没有示出光导管的外侧。光导管600a具有布置在具有基本折射率η0的第一基本介质p0(例如，空气)中的输入端602。在图中，光导管的一般附图标记为元素600，以及具体实施方式为元素600x，其中“x”是字母。对于本领域技术人员来说明显的是，特定实施方式600x的一些描述可应用于一般光导管600和其他特定实施方式600x。第一光学结构p1(例如，部件或元件，例如，棱镜)具有第一折射率η1，并且第二光学结构p2(部件、元件)具有第二折射率η2。光导管600的输出端604处的介质通常与光导管600的输入端602处的介质相同。这种实现方式不是限制性的，并且输出端604可以位于第二基本介质p3而不是第一基本介质p0中。为了使本描述清楚，在光导管100的输出端604处的介质通常被示为第二介质p3。在第二介质p3具有与第一介质p0的基本折射率η0不同的折射率的情况下，第二介质p3的折射率被称为第三折射率η3。在当前示例中，第二介质p3具有基本折射率η0，即与基本介质p0相同的折射率和相同的介质。在当前示例中，第一光学结构p1和第二光学结构p2的折射率是不同的。该实现方式不是限制性的，并且如下所述，在替选配置中，光学结构的折射率可以基本上相等。
51.光源610向光导管600a提供光。光源在本领域中是已知的，例如，一组多个led，其中每个led辐射一种颜色的光，这些颜色的组合是由光源提供的光。典型的示例性光源提供来自三个led的颜色的组合，一个led产生红光，一个led产生绿光，并且一个led产生蓝光。光源610提供被表示为输入光线l0(也称为“光束”或“输入光束”)的光。也称为光源通道的颜色的组合由光导管混合以产生照明输出(通常基本上是白光)。
52.由于基本介质p0和第一光学结构p1具有不同的折射率，因此输入光线l0将在外部输入表面s01处被折射为第一光学结构p1内部的光线l1(第一光学结构p1光线l1)。光导管600a的第一光学结构p1的外部输入表面s01具有在基本介质p0的方向上示为虚线输入表面法线r01的法线。相应地，输入表面法线r01也垂直于输入表面s01的第一光学结构p1内侧，该内侧与输入表面s01的外侧相对。第一角度即外输入角θ
01
被限定在输入光线l0与输入表
面法线r01之间。类似地，第二角度是被限定在光线l1与输入表面法线r01之间的内输入角θ
10
。
53.光线l1从外输入表面s01经由第一光学结构p1传播至第二表面s12。在这种情况下，第二表面s12是第一光学结构p1在第二光学结构p2的方向上的输出表面。第二表面s12与作为第二光学结构p2的输入表面的第三表面s21邻接。通常，第二表面s12和第三表面s21被配置成彼此相邻且接触，实际上在第一光学结构p1与第二光学结构p2之间实现了单个界面620。为了方便当前描述，第二表面s12和第三表面s21的界面620通常简称为“第二表面s12”。注意，为了清楚起见，在当前图中，第二表面s12和第三表面s21各自由在附图中略微分开的线(而不是使用当前示例的实际实现的单条线)表示。该实现方式不是限制性的，并且以下描述的是光学结构的表面不相邻的实施方式。
54.由于第一光学结构p1和第二光学结构p2具有不同的折射率，因此光线l1将在第二表面s12处折射成第二光学结构p2内部的光线l2(第二光学结构p2光线l2)。第一光学结构p1的第二表面s12具有在第一光学结构p1的方向上示为虚线第二表面法线r12的法线。相应地，第二表面法线r12也垂直于第三表面s21的第二光学结构p2内侧。第三角度即第二表面输出角θ
12
被限定在光线l1与第二表面法线r12之间。类似地，第四角度是限定在光线l2与第二表面法线r12之间的第三表面输入角θ
21
。
55.光线l2从第三表面s21经由第二光学结构p2传播至输出表面s23。在这种情况下，输出表面s23是第二光学结构p2在第二介质p3的方向上的第四表面。由于第二光学结构p2和第二介质p3具有不同的折射率，因此光线l2将在输出表面s23处被折射为第二介质p3内部的光线l3(第二介质p3光线l3)。光线l3是从光导管600出来的光。第二光学结构p2的输出表面s23具有在第二光学结构p2的方向上示为虚线输出表面法线r23的输出法线(在本文的上下文中也称为第四表面法线)。相应地，输出表面法线r23也垂直于输出表面s23的第二介质p3外侧。第五角度即第四表面输出角θ
23
被限定在光线l2与输出表面法线r23之间。类似地，第六角度是限定在光线l3与输出表面法线r23之间的第四表面输出角θ
32
。
56.在当前图中使用了两条构造线。第二参考线s2和第三参考线s3两者都平行于输入表面s01。第二参考线s2与第二表面s12相交。第七角度(δ，“delta”)被限定在第二参考线s2与第二表面s12(在这种情况下，也是第三表面s21)之间。第七角度(δ)用于帮助限定第一光学结构p1与第二光学结构p2之间的表面的取向。类似地，第三参考线s3与输出表面s23相交。第八角度(γ，“gamma”)限定在第三参考线s3与输出表面s23之间。第八角度(γ)用于帮助限定第二光学结构p2与第二介质p3之间的表面的取向。
57.输入光轴被限定为与输入光线l0一致，如上所述，输入光线l0为输入光的中心光线。光线，在这种情况下为光线l1和光线l2，形成传播通过光导管600(通过第一光学结构p1和第二光学结构p2)的光轴或光路径。输出光轴被限定为与输出光线l3一致，输出光线l3为输出光的中心光线。对“光路径”的提及(例如传播通过光导管600的光路径和光路径的弯曲)也可以被称为“光轴”，例如传播通过光导管600的光的光轴和光轴的弯曲。本领域技术人员将理解，偏离轴的输入光线(不垂直于输入表面s01，不平行于输入表面法线r01)通常将在光导管600的壁上被反射若干次。在当前图中示出了示例性的偏离轴的光路径l9。
58.在当前实施方式中，光路径(光轴被)折射至少三次。首先，光路径的输入光轴(光线l0)从具有折射率η0的第一介质p0折射到具有折射率η1的第一光学结构p1。然后，光路径
从具有折射率η1的第一光学结构p1折射到具有折射率η2的第二光学结构p2。然后，光路径从具有折射率η2的第二光学结构p2折射到具有折射率η0的第二介质p3。
59.入射角和折射角如下：
60.η0*sin(θ
01
)＝η1*sin(θ
10
)
61.η1*sin(θ
12
)＝η2*sin(θ
21
)
62.η2*sin(θ
23
)＝η0*sin(θ
32
)
63.θ
12
＝θ
10-δ
64.θ
23
＝θ
21-(δ-γ)
65.另外，两个折射率η1至η2都大于基本介质的折射率η0。第一折射率η1和第二折射率η2分别大于基本折射率η0。因此，有η1≥η2≥η0，或者η2≥η1≥η0。
66.给定以上讨论并且使用当前示例性实施方式，现在可以讨论光导管600的折叠角的定义。在本文的上下文中，术语“偏移角”(或“折叠角”)可以相对于光来定义，也就是说，从“光的视角”(“光学偏移角”或“光学折叠角”)，或者相对于输入光轴(光输入光线l0)和输出光轴(光输出光线l3)的方向(“机械偏移角”或“机械折叠角”)来定义。在使用术语“偏移角”或“折叠角”而不指定光学或机械的情况下，本领域技术人员将理解，该参考包括光学和机械两者。在这种情况下，光导管600的光学折叠角是限定在输入光线l0与输出光线l3之间的角度。如上所述，通过选择、配置和优化光导管600的各种参数，可以实现适合所需光学引擎包络的所需折叠角。参数的示例包括光学结构(p0、p1、p2、p3)的折射率(η0、η1、η2、η3)、内部光学接合部的角度(δ)、光学结构的外表面的取向角(α、β)以及光学结构的入射面和出射面的取向角(ψ、γ)。注意，前面句子中尚未描述的元素表示法在下文中进行描述。
67.基于当前描述，给定输出光线l3的期望方向，可以确定折叠角，并且光导管600被设计成用于任何折叠角，包括零度(0
°
)和90
°
，并且特别是包括除零度(0
°
)和90
°
之外的折叠角，即具有不同于直线和垂直于输入光轴的输出光轴。
68.图2b示出了图2a所示的实施方式的变型。可选地，外侧壁(在本文的上下文中也称为“外壁”)可以涂覆有反射涂层。在当前实施方式中，光导管600b的第一外侧壁s24可以涂覆有反射涂层，使得光路径(在此情况下为光线l2)在光导管600b内由第一外侧壁s24以特定角度(第九角度，α，“alpha”)另外反射成光线l21。替选地或附加地，光导管600可以被构造成使得外侧壁(在该情况下为第一外侧壁s24)使用全内反射(tir)来反射光路径的一个或更多个部分。第四参考线s4是垂直于输入表面s01的构造线。第四参考线s4与第一外侧壁s24相交。第九角度(α)被限定在第四参考线s4与第一外侧壁s24之间。第九角度(α)用于帮助限定第一外侧壁s24相对于光导管600的其他表面的取向。在当前实施方式中，光线l21在返回基本介质之前的入射角θ
23
由等式θ
23
＝θ
21-(δ-γ)-2α给出。
69.图3是对应于图2b的光导管600c的概图，由此光路径(l0、l1、l2、l21、l3)至少部分地由于两个光学结构(p1、p2)的折射率的改变而折射，并且由光导管600的外侧壁之一(第一外侧壁s24)反射。在当前图中注意，输入光线l0垂直于外部输入表面s01，输入光线l0平行于输入表面法线r01，外部输入角θ
01
为90
°
，并且内部输入角θ
10
为90
°
。还应注意，输出光线l3垂直于输出表面s23，输出光线l3平行于输出表面法线r23，第四表面输出角θ
23
为90
°
，并且外输出角θ
32
为90
°
。
70.在以上描述中，折叠角是相对于光来定义，也就是说，从“光的视角”或相对于光输
入光线l0和光输出光线l3的方向来定义。替选地，可以相对于光导管600的元件的机械构造来描述折叠角。纵轴r1被限定为平行于第一光学结构p1的长尺寸606。注意，纵轴r1不限于垂直于输入表面s01，也不限于平行于输入光线l0。在当前示例中，纵轴r1垂直于输入表面s01，并且平行于输入光线l0。在图2a和图2b的示例中，纵轴r1可以垂直于或可以不垂直于输入表面s01，并且可以平行于或可以不平行于输入光线l0。纵轴r1用作折叠角的输入参考。输出表面法线r23用作折叠角的输出参考。然后，机械折叠角由纵轴r1与输出表面法线r23之间的角度限定。
71.在图中，输入表面s01通常被绘制为垂直于第一光学结构p1的纵轴r1，然而，该实现方式不是限制性的，并且如在别处所述，输入表面s01可以不垂直于(以除90
°
之外的角度倾斜，或倾斜)第一光学结构p1的纵轴r1。
72.第二光学结构p2通常与第一光学结构p1成一直线，因此第二光学结构p2的第二纵轴r2通常与第一光学结构p1的第一纵轴r1相同、平行或基本上在相同方向上。该实现方式不是限制性的，并且本领域技术人员将理解，第二光学结构p2的第二纵轴r2可以在除第一纵轴r1之外的方向上。在本说明书中，为了帮助清楚地限定光导管600的整体效果，第二光学结构p2的输出相对于第一光学结构p1(和第一纵轴r1)来限定。注意，在图中，为了简单起见，光学结构表面(例如，输入表面s01、第一外侧壁s24和输出表面s23)通常被绘制成平坦表面(直线)，然而，该实现方式不是限制性的，并且光学结构的表面可以是其他形状，例如是弯曲的。例如，输入表面s01、第二表面s12和/或输出表面s23可以是弯曲的，从而在光导管的相应输入和输出处实现透镜。
73.虽然输出表面s23可以是各种形状，但是为了易于制造和机械附接到后续设备，通常优选是也垂直于光导管600的侧面的直表面。
74.在图中，第一光学结构p1的第一宽度w1通常被绘制为基本上等于第二光学结构p2的第二宽度w2。光学结构的宽度不一定相等，如以下描述的示例中的一些详细描述的。与光导管600的长轴(例如纵轴r1)相比，光学结构的宽度通常沿光导管600的短轴，换言之，通常垂直于纵轴r1。
75.图4是类似于图3的光导管600c的光导管600d的概图。在当前图中，光路径，光线l1，在第二表面s12处通过第一光学结构p1内部的菲涅耳反射而经历附加反射640，从而将光线l12朝向光导管600d的第四外侧壁s15反射。在第四外侧壁s15处的第二附加反射642(通过全内反射)将光线l13朝向第二表面s12反射。光线l13从第一光学部件p1折射到第二光学部件p2，继续沿如上所述的光路径。
76.图5是根据另一实施方式的类似于图4的光导管600d的光导管600e的概图。在本实施方式中，光学结构被实现为由相同材料所构成且由间隙650——在此情况下为气隙——分隔开的两个棱镜。在此情况下，界面620包括第二表面s12、第三表面s21和间隙650的区域。第一棱镜是具有第一折射率η1的第一光学结构p1，并且第二棱镜p11是具有第一折射率η1的另一光学结构。如上所述，该示例性实现方式不是限制性的，并且可以使用两个或更多个光学结构。各个光学结构中的两个或更多个光学结构可以具有不同的折射率，或者各个光学结构中的两个或更多个光学结构可以具有相同的折射率。针对第二光学结构p2将外侧壁指定为第一外侧壁s24、第二外侧壁s25，并且针对第一光学结构p1将外侧壁指定为第三外侧壁s14和第四外侧壁s15。确定(空气)间隙650相对于棱镜(p1、p11)的外侧壁(s14、s15、
s24、s25)的角度和间距以及光学结构表面(第二表面s12和第三表面s21，例如其可以彼此平行或不平行)的角度，使得在光导管内部(在光线652之间)传播的整个范围的有用光线在气隙处通过全内反射被反射，然后从第四外侧壁s15反射(通过全内反射)，以小于临界角的角度再次入射在气隙处，并且从而经由气隙650从第一棱镜p1传输到第二棱镜p11。结果，光束(在光线652之间)变窄(在光束654之间的范围)并转向。在气隙650处反射之后，如果存在第一棱镜p1上部第四外侧壁s15的反射，其以低于临界角入射以防止在气隙650处透射，则可以将反射镜(例如，反射涂层或反射表面)施加到上部第四外侧壁s15发生反射的区域。
77.图6示出了图2b所示的实施方式的变型，其具有图7所示的附加部件，在该变型中存在主光线的两次内反射(光路径l0、l1、l2、l21、l22、l3)。在当前实施方式中，在第二光学结构p2中，光导管600f的第一外侧壁s24可以涂覆有反射涂层，使得光路径(在这种情况下为光线l2)在光导管600f内以特定角度(第九角度，α，“alpha”)由第一外侧壁s24另外反射至光线l21。类似地，光导管600f的第二外侧壁s25可以涂覆有反射涂层，使得光路径(在这种情况下为光线l21)在光导管600f内由第二外侧壁s25以特定角度(第十角度，β)另外反射至光线l22。替选地或附加地，光导管600可以被配置成使得外侧壁(在这种情况下为第一外侧壁s24和第二外侧壁s25)使用全内反射(total internal reflection，tir)来反射光路径的一个或更多个部分。
78.第五参考线s5是垂直于输入表面s01的构造线。第五参考线s5与第二外侧壁s25相交。第十角度(β)被限定在第五参考线s5与第二外侧壁s25之间。第十角度(β)用于帮助限定第二外侧壁s25相对于光导管600的其他表面的取向。在该实施方式中，在返回第二介质p3之前的光轴的入射角θ
23
由等式θ
23
＝θ
21-(δ-γ)-2*α-2*β给出。
79.图7为根据图6的实施方式的光导管600f的概图，为清楚起见，未示出图6中的所有的元件。在当前图中，第二光学结构p2的侧壁(s24，s25)彼此平行，并且垂直于输入表面s01。因此，第四参考线s4与第一外侧壁s24平行、一致，并且第九角度(α)是零(0
°
)。类似地，第五参考线s5与第二外侧壁s25平行、一致，并且第十角度(β)是零(0
°
)。
80.图8示出了图9所示的实施方式的变型的表示，还包括输入表面s01是倾斜的。结合任何上述实施方式，光导管600可以是成角度的，使得入射面、外部输入表面s01(即，基本介质p0与第一光学结构p1之间的界面)以特定角度(第十一角度ψ“psi”)倾斜。注意，图8中所示的表示是图6中所示的具有额外倾斜角ψ的表示。倾斜角也可以应用于其他表示，例如图2b。类似于以上描述，第六参考线s6是构造线，现在代替输入表面s01用作参考，因为输入表面s01现在是倾斜的。第六参考线s6与输入表面s01相交。第十一角度(ψ)限定在第六参考线s6与输入表面s01之间。第十一角度(ψ)用于帮助限定输入表面s01相对于光导管600g的其他表面的取向。
81.图9是根据本发明的另一个实施方式的光导管600g的概图，其中光导管的外侧壁(即，两个光学结构的外侧壁)是锥形的，导致具有锥形侧壁的光导管。第一光学结构p1在输入端602处具有第一宽度w1，在当前图中该第一宽度也是输入表面s01的宽度。第一光学结构p1的宽度在光路径(光线l1)的方向上沿纵轴r1增加到第二表面s12附近的第三宽度w11。第二光学结构p2在第三表面s21附近具有第四宽度w22。第二光学结构p2的宽度在光路径(l2、l21、l22)的方向上沿纵轴r1从第二表面s12朝向输出表面s23减小到输出表面s23附近的第二宽度w2。替选地，(当前图中未示出)第一光学结构p1的宽度可以沿纵轴r1减小或保
持恒定，并且第二光学结构p2的宽度可以沿纵轴r1增大或保持恒定。
82.在当前图中，示出了用于第一外侧壁s24的第九角度(α)和第四参考线s4，以及用于第二外侧壁s25的第十角度(β)和第五参考线s5。对于第三外侧壁s14和第四外侧壁s15未示出对应的参考线和角度。基于该描述，本领域技术人员将能够适当地处理这些元素。
83.图10是光导管600i的概图，其中具有相等的接合表面角的光导管的不同结构(部分)由气隙660分开。在当前示例性图中，光学结构是可以具有相同或不同折射率的两个结构(p1、p2)。当前图类似于图5。与其中第二表面s12和第三表面s21彼此平行的图5的示例性实施方式相比，在当前示例性图中，第二表面s12和第三表面s21彼此成间隙角1000。在该情况下，界面620包括第二表面s12、第三表面s21和间隙660的区域。虽然第二表面s12垂直于纵轴r1(并且平行于输入表面s01)，但是第三表面s21相对于纵轴r1倾斜，并且因此界面620被认为相对于光导管600的纵轴r1倾斜。
84.图11和图12是光导管(600j，600k)的概图，其中不同的光学结构(p1，p2)由间隙670分开，该间隙670可选地填充有具有相应间隙折射率η4的光学介质672。在此情况下，界面620包括第二表面s12、第三表面s21、间隙670和光学介质672的区域。光学介质包括例如光学接合剂和光学凝胶。对于三个结构[第一光学结构p1(η1)、第二光学结构p2(η2)、间隙670(η4)]应当使用至少两个不同的折射率，使得光路径沿纵轴r1折射。虽然当前图被绘制为在平行表面之间——在这种情况下，第二表面s12和第三表面s21——具有间隙670，但是该实施方式不是限制性的，并且间隙670可以包括如参照图10所描述的间隙角1000。在通过光学介质进行分离的实施方式中，为了提高效率，可以在两个不同折射率的界面620之后的光导管的部分处增加光导管的外侧壁之间的距离(宽度)(即，使光导管变宽)。可选地，可以在不同的光学结构之间添加一个或更多个抗反射涂层，例如，以提高从第一光学部件p1到第二光学部件p2的光传输效率。
[0085]
图11示出了光导管600j，其中外侧壁之间的距离在这种情况下保持恒定，导致光损失，即效率降低。在当前图中，第一光学结构p1的第一宽度w1基本上等于第二光学结构p2的第二宽度w2。输出光线l33的一部分处于频带w33中，该部分光线将不与光束的其余部分(输出光线l3)一起离开光导管600j，而是将具有从上表面(第一外侧壁s24)的附加反射，并且将丢失于系统(不在从输出表面s23的输出角的可用范围内输出)。
[0086]
图12示出了光导管600k，其中在界面620之后的部分中(在间隙670之后、第二光学结构p2)，外侧壁(第一外侧壁s24和第二外侧壁s25)之间的距离从第二宽度w2增加到第五宽度w23，从而保持效率，如可以看到的所有输出光线l31从输出表面s23输出。在这种情况下，第五宽度w23大于第二宽度w2。结果是光导管600k具有比第一部分(对应于第一光学结构p1，即棱镜)宽的第二部分(对应于第二光学结构p2，即棱镜)。
[0087]
图13a是由(形成为具有倾斜的入射面1302和出射面1304的板型结构的)单个基本光学结构1310构造的光导管1300a的概图。光学结构1310可以通过采用矩形板并在板的端部处进行相应的对角切割来形成。所得到的光导管1300a在纸平面的横截面中具有梯形形状。当实现为等腰梯形时，通过入射面1302进入光导管1300a的输入光l0的入射角与通过出射面1304耦出该光导管1300a的光l4的角，是相等的。
[0088]
图13b是图13a的光导管1300a的概图，其中l0中的光相对于入射面1302成不同的角度。尽管图13a所示的光导管1300a具有由单个结构(基板1310)形成的优点，但是光导管
1300a可能遭受耦出光损失，即效率降低，如所示出的输出光l5从光导管1300a的外壁耦出而不是从输出表面1304耦出。
[0089]
图13c是包括图13a和图13b所示实施方式的变型的光导管1300b的概图。本实施方式，光导管1300b，避免了耦出光l5损失，从而保持了效率。在该实施方式中，为耦出楔(例如棱镜)形式的附加光学结构1312附接到单个基本光学结构1310。在这种情况下，可以通过在单个基本光学结构1310的右端(如在纸上绘制的非限制性方向参考)进行垂直切割形成单个基本光学结构1310的出射面1306来代替单个光学结构的先前出射面1304，从而在纸平面的横截面中产生直角梯形。两个光学结构(1310，1312)可以具有不同的折射率，或者可以具有相同的折射率，以便防止在两个光学结构(1310，1312)之间的接合表面(即，界面620)处的不期望的反射/折射。光导管1300b现在具有来自附加光学结构1312的新的输出表面1308。
[0090]
图13d是图13c的光导管1300b的概图，其示出了耦入损失。虽然当前光导管1300b避免了耦出光l5损失，但至少部分由于形成单个基本光学结构1310的材料的折射率，光导管1300b可能遭受耦入光l6损失。如在当前图中所见，如果单个基本光学结构1310的折射率不足够高，则通过入射面1302进入单基光学结构1310的光线l0中的一些可以以陡峭的角度折射，使得当折射的光线撞击单个基本光学结构1310的底部表面时，折射的光线在单个基本光学结构1310内可以不经历全内反射。因此，形成两个光学结构(1310，1312)的材料优选具有足够高的折射率(优选1.60及以上)，使得通过入射面1302进入单个基本光学结构1310的光线l0以足够浅的角度折射，从而当撞击单个基本光学结构1310的底部表面时发生全内反射(tir)。
[0091]
图13e是图13c和图13d的光导管1300b的概图，其中单个基本光学结构1310由具有足够高的折射率的材料制成，使得输入光l0在输入表面1302处以足够高的角度折射而撞击单基光学结构1310的底部表面时产生tir。
[0092]
图13f是作为图13c的光导管1300b的变型的光导管1300c的概图。在当前图中，输入表面1302a在纸上从输入表面1302垂直地“翻转”，为单个基本光学结构1310提供从前面描述的光导管1300b的输入表面1302旋转90
°
的输入表面1302a。光导管(1300b、1300c)二者的功能得以保持。
[0093]
图13g是图13c所示实施方式的变型的概图。光导管1300b是光学设备的一部分，在该光学设备中准直透镜1320被布置在单个基本光学结构1310(即，梯形结构)的入射面1302处或附近。准直透镜的使用减小了光源光束l7的角度范围，从而减小了输入光线l0到光导管600的耦入损失。准直透镜1320可以经由光学接合剂附接到入射面1302，或者可以被布置在入射面1302附近，其中在准直透镜1320与入射面1302之间保持气隙。在保持气隙的实施方式中，准直透镜1320可以经由机械装置保持在适当位置。光源610向准直透镜1320提供光，该准直透镜使所提供的光准直并且向入射面1302输出光的准直光束l01。当前配置导致准直的输出光束l31。
[0094]
图13h是图13g所示实施方式的变型的概图。在当前实施方式中，使用菲涅耳透镜1330代替准直透镜1320。与使用准直透镜1320相比，使用菲涅耳透镜1330具有以下优点：提供覆盖单个基本光学结构1310的入射面的更宽角度范围的光线l01。使用菲涅耳透镜1330的另一个优点是机械的，与准直透镜1320相比，对于相同的体积提供较小的焦距。菲涅耳透
镜1330可以类似于准直透镜1320的上述布置(例如通过光学接合剂或气隙)被配置在光学装置中，在该光学装置中具有单个基本光学结构1310。
[0095]
图13i是图13a和图13g所示实施方式的变型的概图。在当前实施方式中，使用锥体1340(例如由玻璃或塑料制成)代替准直透镜1320。使用锥体1340具有使用反射代替折射的优点。锥体1340比准直透镜1320更好地收集光源光束l7，部分是因为光源610(例如，led)可以与锥体1340的入口接触。通常，当使用诸如准直透镜1320的规则透镜时，需要在光源610与透镜表面之间保持距离。例如，光源可能需要在透镜的焦平面处以正确地工作。结果，高角度光线从光源光束l7中损失。使用锥体1340，可以从光源光束l7收集相对更高角度的光线。在替选实施方式中，代替使用锥体1340，可以使用具有弯曲(非直)侧壁的反射透镜。锥体1340可以与准直透镜1320的上述布置类似地(例如通过光学接合剂或气隙)被配置在光学装置1300d中，该光学装置1300d具有单个基本光学结构1310。
[0096]
在当前图中，单个基本光学结构1310的输出是如以上参照图13a所述的出射面1304。在当前实施方式中，漫射体1350被配置成邻近出射面1304。使用漫射体的一个示例性优点是更好的颜色混合。在光导管的输出处使用漫射体并将其用作光学装置的部件是可选的实施方式。
[0097]
根据某些实施方式，形成光导管的光学结构可以被布置成使得在入射面/孔径s01处的光轴r01(即，在基本介质p0与第一光学结构p1之间的界面)与在出射面/孔径s23处的光轴r23(即，在第二光学结构p2与基本介质p3之间的界面)正交。
[0098]
根据某些实施方式，抗反射涂层可以被施加到形成光导管的两个光学结构之间的接合表面(即，界面620，其中两个表面相邻，或在与气隙相邻的表面上)。
[0099]
根据某些实施方式，反射涂层可以被施加到光导管的外表面(外侧壁)中的一些或全部。
[0100]
根据某些实施方式，折射率匹配的光学接合剂或光学凝胶可以被布置在形成光导管的两个光学结构之间。光学接合剂或光学凝胶的折射率可以与构造光学结构的并置材料之一匹配。
[0101]
根据某些实施方式，具有故意不匹配的折射率的光学接合剂或光学凝胶可以被布置在形成光导管的两个光学结构之间。
[0102]
本领域技术人员将理解一般光导管操作的典型尺寸和要求。例如，光导管(600)的长尺寸(606)通常被称为光导管600的长度，并且比光导管的短尺寸(宽度)长得多(例如，大一个数量级)。光导管600的横截面通常是矩形的，然而，这不是限制性的，并且可以使用其他横截面，例如圆形。光导管600的典型厚度是从1mm至5mm。光导管600的典型长度是从10mm至60mm。
[0103]
光导管600将光(输入光线l0)从输入表面s01传送到输出表面s23，优选地具有可忽略的照明强度损失。本发明的实施方式改变入射光的取向，光以给定的孔径进入光导管600，并以基本上类似的孔径离开光导管600。光的光路径被重定向，使通过光导管600的光路径偏离。
[0104]
输入光的角度范围可以变化。例如，l0中的光可以是0
°
与
±
60
°
之间的外部输入角θ
01
(为简单起见，提及仅
±
60
°
)。l0可以是源自光源610并撞击外部输入表面s01的光锥的任何光线。另一非限制性示例，输入光l0可以绕输入表面法线r01非对称，例如在-30
°
与 40
°
的角度之间。目前使用的led源包括
±
90
°
的可能输入。类似地，光输出l3可以是0
°
与
±
60
°
之间的输出角度θ
32
(为简单起见，提及仅
±
60
°
)。另一非限制性示例，光输出l3可以绕输出表面法线r23非对称，例如在-20
°
与 30
°
的角度之间。一个优选的实现方式是
±
40
°
的输出范围。图9的光导管600g可以用于改变光输出l3的角度范围。例如，使第二光学结构p2成椎形可用于减小输出角的范围和/或将传播光线集中到感兴趣的角度。类似地，如果输入角的范围比输出处的期望范围更宽(更大)，则第二光学结构p2可以是锥形的以减小输出角的范围。类似地，如果输入角的范围比输出处的期望范围窄(小)，则第二光学结构p2的宽度可以增加(从宽度w22增加至宽度w2)以增大输出角的范围。
[0105]
图14a是光导管的替选实现方式的概图。尽管至此描述的实施方式涉及由具有彼此不同的折射率的两个主要光学结构(例如，棱镜，例如第一光学结构p1和第二光学结构p2)构造的光导管，但是其中单个主要光学结构(即，块，在当前图中为第一光学结构p1)与例如布置在块的输出表面s12处的微棱镜阵列1360结合使用的其他实施方式也是可能的。当前图示出了这样的实施方式，其中光导管保持在单个主块(p1)中，并且在块输出处的辐射光l31的方向可以经由在块输出处的微棱镜阵列1360来调节。微棱镜阵列1360可以用于将辐射光l31的方向改变为不垂直于表面s12。替选地，通过在块输出s12处布置可商购的转向膜(direction turning film，dtf)可以实现相同或类似的功能。
[0106]
图14b是图14a所示实施方式的变型的概图。在当前图中，漫射体1360被布置在微棱镜阵列1360的输出处。漫射体1350具有进一步扩散由微棱镜阵列输出的光的效果，以覆盖角度l32的更宽的范围，以及/或者改进颜色混合。漫射体1350可以用于实现围绕(输出光线l31的)中心光线的角度范围，如角度l32所示。
[0107]
图14b，图14c的漫射体1350扩散由附加光学结构1312输出的光l32，以便覆盖更宽的角度范围和/或改进颜色混合。
[0108]
图15a是图13c至图13i的光导管的侧视图1500和俯视图1502的概图。当前附图至少部分地限定了耦出楔(附加光学结构1312)的尺寸，以避免来自单个基本光学结构1310的光的损失，以从新的输出表面1308输出。“y”是耦出楔的最小长度(沿从单个基本光学结构到输出表面的边缘)，“h”是单个基本光学结构1310的高度，“z”是光导管从输入表面到输出表面的长度，“a”是入射光线从光导管的侧面反射成与楔的延伸部分和光导管的另一表面相遇的地方相交的角度，“h”是耦出光线的高度(从楔/附加光学结构1312的边缘到输出表面)，“v”是楔超出光导管基本光学结构1310的高度，以及“θ”是输出表面与基光学结构1310的表面之间的楔的角度。
[0109]“y＝h tan a z”是为了避免在光导管1500中通过tir传播的光线产生损失的耦出楔(附加光学结构1312)的最小长度。
[0110]“h＝h [v/[1 [tanθ/tan a]]]”，其中“h”是耦出楔(附加光学结构1312)的最小高度。
[0111]
允许充分颜色混合的典型比率是“5＜[z/h]＜10”。
[0112]
图16a是传统折叠光导管1600的概图，其使用反射涂层1606(即，镜涂层)来实现输入光1602到输出光1603的光路径的重定向。在当前配置中，光在经由至少两个光线布置传播通过光导管1600期间可能产生损失，例如，输入光1604作为损失的输出光1605耦出，以及输入光1608作为损失的输出光1609耦出(逸出)。
[0113]
注意，为了在当前和下一图中清楚起见，未示出光路径的折射。
[0114]
图16b是改进的光导管1610的概图。在当前实施方式中，界面1620被配置在第一光学结构p1与第四光学结构p4之间，并且还被配置在第四光学结构p4与第二光学结构p2之间。第四光学结构p4具有镜面内表面1606，该镜面内表面1606被配置在第四光学结构p4的不同于与第一光学结构p1和第二光学结构p2邻接的侧面的侧面上。图16b是改进的光导管1610的概图。在当前实施方式中，界面1620被配置在第一光学结构p1与第四光学结构p4之间，并且还被配置在第四光学结构p4与第二光学结构p2之间。第四光学结构p4具有镜面内表面1606，该镜面内表面1606被配置在第四光学结构p4的不同于与第一光学结构p1和第二光学结构p2邻接的侧面的侧面上。典型的界面1620使用低折射率光学接合剂。该低折射率界面1620允许低角度的传播光线(相对于表面的法线)穿过界面1620，并且高角度的传播光线将通过tir反射。
[0115]
界面1620(每个界面，如示例性界面1620a和界面1620b所示)至少部分地生成tir 1616(如相应的示例性tir 1616a和tir1616b所示)并且避免光损失。在当前图中，界面1620导致区域1616处的tir。传播的输入光1604在界面1620b处经历tir 1616b，光继续通过第二光学结构p2，并且作为输出光1615离开光导管1610的输出表面。传播的输入光1608在界面1620a处经历tir 1616a，光继续通过第二光学结构p2，并且作为输出光1619离开光导管1610的输出表面。因此，使用附加低折射率界面1620的当前实施方式来保持(1615，1619)在常规实现(图16a，1605，1609)中损失的两个光线布置(输入光1604和输入光1608)。
[0116]
在替选实施方式中，界面1620可以用气隙来实现。在当前图中，在非限制性实现方式中，输入表面s01和输出表面s23相对于镜1606的倾斜以相反方向(例如，正交)倾斜。如上所述，输入表面s01的倾斜可以使用第十一角度(ψ)来描述，并且输出表面s23的倾斜可以使用第八角度(γ)来描述。
[0117]
图16c是图16b的改进的光导管1610的概图，但是以三维(3d)绘出并且具有输入和输出表面的替选的倾斜和旋转。在光导管1630的当前实施方式中，输入表面s01和输出表面s23相对于镜1606的倾斜以相同的方向倾斜(例如，平行)。如上所述，输入表面s01和输出表面s23可以相对于光导管600的轴以任何角度倾斜。优选地，输入表面s01和输出表面s23倾斜0
°
(零)至45
°
，并且优选地倾斜45
°
。输入表面也可以没有倾斜，即是直的，如上例如参照图2a所述的光导管600a和参照图3所述的光导管600c。
[0118]
此外，在当前实施方式中，输入表面s01和输出表面s23旋转。如箭头1601所示，输入表面s01相对于第一光学结构p1的(第一)纵轴r1旋转。类似地，如箭头1623所示，输出表面s23相对于第二光学结构p2的第二纵轴r2旋转。输入表面s01和输出表面s23可以相对于光导管600的轴以任何角度旋转。优选地，输入表面s01和输出表面s23旋转90
°
的增量(0
°
、90
°
、180
°
、270
°
)。
[0119]
基于当前描述，本领域技术人员将能够选择和设计界面1620的折射率(例如，选择具有适当折射率的光学接合剂)，该折射率足够接近光学结构(p1、p2)的折射率以避免光线通过tir向后(朝向输入表面)反射，但是与光学结构(p1、p2)的折射率足够不同(足够远)以实现足够的tir来避免光从光导管600的侧面逸出。
[0120]
注意，参考当前附图描述的光导管1630的旋转可应用于所有上述光导管600。
[0121]
注意，上述示例、所使用的数字和示例性计算用于帮助描述该实施方式。无意的印
刷错误、数学错误和/或简化计算的使用不会减损本发明的实用性和基本优点。
[0122]
就所附权利要求是在没有多项引用的情况下撰写的而言，这仅仅是为了适应不允许这样的多项引用的管辖区域的形式要求。注意，通过使权利要求多项引用而暗示的所有可能的特征组合被明确地设想到并且应被视为是本发明的一部分。
[0123]
已经出于说明的目的给出了对本公开内容的各种实施方式的描述，但是其并非旨在是穷举的或限于所公开的实施方式。在不脱离所描述的实施方式的范围和精神的情况下，许多修改和变化对于本领域的普通技术人员将是明显的。选择本文所使用的术语以最好地解释实施方式的原理、实际应用或对市场中发现的技术改进，或使本领域的其他普通技术人员能够理解本文所公开的实施方式。
[0124]
如本文所用，单数形式(“a”、“an”和“the”)包括复数引用，除非上下文另外明确地指出。
[0125]
词语“示例性”在这里用于表示“用作示例、实例或说明”。被描述为“示例性”的任何实施方式不必被解释为比其他实施方式优选或有利和/或排除来自其他实施方式的特征的结合。
[0126]
应当理解，为了清楚起见在单独的实施方式的上下文中描述的本发明的某些特征也可以在单个实施方式中组合提供。相反，为了简洁起见在单个实施方式的上下文中描述的本发明的各种特征也可以单独地或以任何合适的子组合或根据需要在本发明的任何其他描述的实施方式中提供。在各种实施方式的上下文中描述的某些特征不应被认为是这些实施方式的必要特征，除非该实施方式在没有这些元件的情况下是不可操作的。