复合结构和照明结构

本申请是申请日为2016年12月16日、申请号为“201680074198.5”、发明名称为“具有复合外覆层结构的光纤光源”的发明专利申请的分案申请。

本专利申请要求2015年12月17日提交的美国临时申请No.62/268,815的在先申请日的权益。

技术领域

本发明的实施方式涉及一种光源，所述光源具有嵌入复合外覆层结构中的基于光纤的侧发射器(side-emitter)，其中，所述复合外覆层结构被设计为改变光纤侧发射光(side-emitted light)的照明方案，并易于将光源集成到系统中。还描述了其它实施方式。

背景技术

光纤被熟知为将光信号从一个光纤端部带到另一个光纤端部而没有明显的损耗。在其它情况下，光纤被设计为在基本垂直于光信号的传播方向的方向上泄漏光信号。这种效应通常是光(光信号)与整合在光纤中的散射区域(例如，孔)相互作用的结果。可以通过在拉制光纤时添加元件来实现散射区域，或者可以通过光纤的机械、激光或化学后处理来实现散射区域。

在其它情况下，发光材料被整合在纤芯材料内部、包层内部或光纤的覆盖层内部，以将初级光或传播光部分地或全部地转换成具有比初级光更短或更长波长的次级光。

发明内容

本发明的一个实施方式是一种光纤侧发射光源，该光纤侧发射光源具有作为光发射器的侧发射光纤，该侧发射光纤具有纤芯，例如，根据被光纤的光纤包层的全内反射，初级光穿过该纤芯传播。光纤整个长度的纵向区段包含散射区域，该散射区域用于将传播的初级光(即，该初级光在光纤中传播直到其进入该区段)侧向地重新定向出光纤。活性的光致发光材料(例如作为光纤的包层的外侧表面上的层或涂料)也可以与光纤整合在一起，以由被重新定向的初级光激发并产生波长转换的次级光。在一个实施方式中，次级光与一些被重新定向且未被光致发光材料吸收的初级光结合，产生从光纤侧向地出射的更宽光谱的光，例如白光。但是，这种初级光和次级光的结合不限于生成白光，可替选地，光致发光材料和初级光的波长可以被设计为生成另一种颜色的侧发射光，例如，蓝色、绿色、黄色、橙色或红色的侧发射光。

至少包括其纵向区段(是实际上的光发射器)的侧发射光纤也与具有所设计的形状的复合外覆层结构(这里也称为成形外覆层结构)整合在一起。这里使用术语“复合”来描述由至少两种不同材料制成的结构，这些材料在物理或化学性质方面不同，且它们组合在一起使得所产生的组合结构的特性不同于该组合结构的单个组成部分的特性。例如，复合结构可以由一个或多个非活性透光部或非活性透光层、以及反射部或反射层的组合制成。

复合外覆层结构可以被设计为：不对称地成形，使得其以优选的“不对称”方式反射来自光纤的侧发射光，所述“不对称”方式例如为定向的方式或具有优选的横向方向而不是全方向的方式，诸如从外覆层结构出射的被重新定向的光仅穿过该结构的整个外周的一部分(这里称为顶表面或顶层)；在其外部底表面上不对称地成形或带键以便于其组装到系统中(例如通过纵向地将其插入系统而组装到系统)；由不同的材料制成，所选择的材料使得其以不对称的方式选择性地对从光纤出射的侧发射光是不透明的、透明的或半透明的；由不同的材料制成，所选择的材料使得其不如光纤更柔性，从而形成外骨架；由不同的材料制成，所选择的材料使得其对外部环境是不渗透的或密封的(如防水的或不透气的)；由不同的材料制成，这些材料包含附加的插入物以便易于将其组装到系统中；呈现出机械结构化的外表面或内表面，使得其将来自光纤的侧发射光重新定向到期望方向上，所述机械结构例如为具有细长棱柱单元的棱柱结构，所述棱柱单元并排取向而非首尾相接取向地在光纤的纵向轴线方向(纵向)上形成一系列单元。

一种用于制造成形的外覆层结构的非活性透光部的方法，该方法包括一系列挤出(extrusion)过程，其中，先前已经形成光纤，并且将光纤穿过喷嘴的同时由流体形式的非活性透光材料覆盖该光纤，这为透光部提供了初步形状(一旦透光材料在挤出后凝固)；接着进行选择性光聚合或热聚合工艺或机械摩擦工艺，以实现挤出的透光部的底表面的成形精度。用于制造成形的外覆层结构的另一种方法可以是连续的包覆成型工艺，其中，将光纤放置在模具内，所述模具呈现为最终或期望的透光部的相反或互补形状，并且所述连续的包覆成型工艺与选择性的光聚合或热聚合工艺结合以实现透光部的底表面的成形精度。在任一种情况下，在透光部形成之后，可以跟着用于通过将反射材料(诸如铝)沉积、溅射、浸渍或蒸发到透光部的底表面而在透光部的底表面上制造反射部的方法。在另一实施方式中，代替反射层，可以在底表面上形成漫射层，这可以通过将漫射颗粒混合物沉积、溅射或蒸发到底表面上，或者将透光部浸渍在漫射颗粒混合物中来完成。

上述发明内容不包括本发明所有方面的详尽列举。可以构思，本发明可以包括能够从以上概述的各个方面的所有合适组合实现的所有系统和方法，以及在以下具体实施方式中公开的、和尤其是在权利要求中以及在相关附图中指出的系统和方法。这样的组合可以具有在以上发明内容中未列举的特定优点。

附图说明

本发明的实施方式在附图中以示例而非限制的方式示出，在附图中，相似的附图标记表示相似的元件。应当注意的是，在本公开中对本发明的“一”或“一个”实施方式的提及不必针对相同的实施方式，并且它们意指至少一个实施方式。而且，为了简洁和减少附图的总数，可以使用给定的附图来说明本发明的多于一个实施方式的特征，并且对于给定的实施方式可以需要图中的并非所有元件。

图1A是具有复合外覆层结构的光源的示例的透视图。

图1B以横向平面上的截面图示出了抛物线型的复合外覆层结构。

图1C示出了从嵌入的光纤出射的并由图1b的复合结构重新定向的侧发射光。

图2A示出了具有棱柱透镜顶层的复合外覆层结构在纵向平面上的截面图。

图2B示出了图2a的复合结构的一些光重新定向和再循环功能。

图2C示出了图2a的复合结构在横向平面上的截面图。

图3A示出了复合外覆层结构在横向平面上的截面图，所述复合外覆层结构在其顶表面处具有微透镜阵列结构。

图3B示出了图3A的复合外覆层结构在纵向平面上的截面图。

图4A示出了复合外覆层结构在横向平面上的截面图，所述复合外覆层结构在其顶表面处具有单透镜结构。

图4B示出了图4A的复合外覆层结构在纵向平面上的截面图。

图5示出了复合外覆层结构在横向平面上的截面图，所述复合外覆层结构与多边形底部部分整合在一起。

图6示出了复合外覆层结构在横向平面上的截面图，所述复合外覆层结构与多边形底部部分整合在一起，所述多边形底部部分具有嵌入在其中的从该底部部分向外伸出的一个或多个突出部。

具体实施方式

现在参考附图对本发明的若干实施方式进行解释。在没有明确限定在实施方式中描述的部件的形状、相对位置和其它方面时，本发明的范围不仅限于所示出的部件，这些部件仅仅是出于说明的目的。而且，虽然阐述了许多细节，但应当理解，可以在没有这些细节的情况下实施本发明的一些实施方式。在其它情况下，众所周知的结构和技术并未详细示出，以免模糊对该描述的理解。

在本发明中，描述了一种光纤侧发射光源，所述光源的外覆层结构由不同材料制成，所述不同材料被设计和成形以便支持从嵌入在所述外覆层结构中的光纤的侧面出射的光的重新定向和再成形。所述光源可以用作任何照明系统的一部分。

现在根据本发明的实施方式并参考图1A，基于光纤的侧发射光源具有光纤6，光纤6可以具有芯和包层。初级传播光由连接到光纤的例如为激光器或发光二极管(lightemitting diode，LED)的光发射器(未示出)产生。初级光沿着光纤6的中心纵向轴线2沿所示的下游方向传播，直到所述初级光由散射区域(例如，形成在光纤6的芯中的散射区域)通过光纤6的一侧散射出光纤。散射的辐射或耦合出的(outcoupled)光以定向的方式(形成具有小于360°的径向跨度的光锥或光叶)或者以各向同性或全方向的方式(以相等的强度在光纤周围辐射)发生在基本上垂直于光纤6的纵向轴线2的方向上。可以在2012年3月28日提交的国际专利申请no.PCT/IB2012/000617(WAVEGUIDE APPARATUS FOR ILLUMINATIONSYSTEMS)中找到可以产生这种结果的散射区域的示例。可以替选地使用其它类型的侧发射光纤。光纤6还可以在其上形成一层光致发光材料，以对初级传播光执行波长转换，从而产生包括次级光的侧发射光，所述次级光与初级光相比具有不同的波长。与初级光相比，所产生的侧发射光可以呈现出更宽的光谱，例如，由未被吸收的初级光和次级光组合产生的白光。替选地，可以选择光致发光材料和初级光的波长，使得极少的初级光不被吸收，使得从光纤6出射的侧发射光由次级光占主导地位，所述次级光例如是红光或红外线。

仍然参考图1A，存在反射部4(也称为反射背衬)和顺应光纤6的侧表面的透光部3，两者形成单个复合外覆层结构(其中光纤6“嵌入”复合外覆层结构的透光部3内)。透光部3可以由单一的透光的非活性(即不光致发光或不波长转换)材料(例如聚碳酸酯)制成，并且可以完全围绕光纤6的侧表面且可以在光纤和反射部4之间不留空气间隙，反射部4顺应透光部3的底表面(如图所示)。整个透光部3可以由相同的材料制成，或者其可以由不同材料的层组成。

替选地，可以将图1A的外覆层结构视为具有由非活性透光材料制成的实体(例如，透光部3)，并且该实体大体为圆柱形(具有从近端或近表面延伸到远端或远表面的侧表面)、但是不具有关于该实体的内部纵向轴线或主干(例如，中心纵向轴线2)的旋转对称性。外部反射部(例如，反射部4)具有弯曲的光反射表面，该光反射表面顺应并邻接该实体的侧表面的一部分，同时留下该实体的另一部分(例如，顶层或顶表面7)不被覆盖，用于使照明光在被反射部的光反射表面反射后从该另一部分出射。

外覆层结构有助于侧发射光的特定照明方案或辐射图案的成形，和/或有助于使光源易于集成到系统。该外覆层结构也可以用作光源的外骨架(其中，透光部3由比光纤6更刚性的材料制成)。

图1B示出了示例性复合外覆层结构的几个方面。这是横向平面(垂直于光纤6的纵向轴线2)上的截面图，其中，图1C示出了从嵌入的光纤6出射的侧发射光。所示出的一个方面是，透光部3具有未被反射部4覆盖的平坦或完全水平的顶层7(或顶表面7)，并且集中的或重新定向的侧发射光通过所述顶层7出射，例如出射到围绕光源的空气中。这通过复合结构关于中心纵向轴线2的“不对称形状”来促进，这是指其不具有关于中心纵向轴线2的旋转对称性的事实。然而，最佳如图1C所示，外覆层结构可以关于竖直的纵向平面5(中心纵向轴线2位于其中)具有左右反射对称性。

在图1B-图1C的具体示例中，如图所示，透光部3具有“抛物线”形状，并且其中，反射部4形成为覆盖并顺应透光部3的底表面的层，而透光部3的顶表面(或顶层)7未被覆盖；然而，复合照明结构的聚光功能不限于这种形状。将从光纤6的侧面出射的光集中在期望方向上的反射部4(以及其顺应的、透光部3的底表面)的任何替选的形状都是可以的，这些形状诸如U形(例如，如图1A所示)、半圆柱形或部分圆柱形、半椭圆形或部分椭圆形、双曲线形和多分段形状(由相同或不同的直线段或曲线段组成，并且首尾相接以形成更长的曲线)。在一个实施方式中，将透光部3(具有上述形状中的任何一种)的整个外侧表面或其完整的侧面外周分为两个连续的部分，即顶表面或顶层7以及在此称为底表面的其余部分。底表面可以是弯曲的并且其整体由反射部4覆盖，但顶表面不是弯曲的(即，是平坦的)并且完全不被反射部4覆盖。

复合外覆层的不对称形状用于使侧发射光(其从光纤6出射)集中并在期望的横向方向上向外重新定向，在这里的示例的情况下，通过透光部3的顶表面7(或顶层7)使侧发射光向外定向。图1B示出了在垂直于光纤6的纵向轴线2的平面上，从光纤侧面出射的光与外覆层的相互作用。在这个示例中，光纤6的纵向轴线2基本位于抛物线形状的竖直对称轴(位于竖直的纵向平面5中)上，在抛物线的(由底表面定义的)焦点附近。如在图1C的透视图中看到的那样，由反射部4将从光纤6的纵向区段9出射的光在横向方向上重新定向，并且，特别是由于反射部4的不对称形状而重新定向。在一个实施方式中，由于整个底表面被反射部4覆盖，重新定向的光仅从复合照明结构的顶层或顶表面7从复合结构出射。

图2A和图2B以纵向平面的截面图示出了另一复合结构，但是其中，将顶层7机械地构造为“棱柱透镜”(或简单地，构造为棱柱)结构10(但是该机械结构的光重新定向和/或再循环功能不限于棱柱透镜——例如参见图3A和图4B)。这里的目标是使从光纤6横向出射并且到达透光部3的顶表面的光重新定向和再循环，以便当其沿着光纤6的长度且向外出射时变得更加准直。棱柱结构10可以具有相邻设置的棱柱单元或圆锥单元的任何合适的组合，所述棱柱单元或圆锥单元的每一个单元可以相对于竖直方向倾斜，所述棱柱结构例如为相邻设置的倾斜的棱柱单元的一维阵列或为其它类型的被布置为形成实现特定光束重新定向功能的棱柱透镜的棱柱单元的一维阵列。在棱柱结构10的这个实施方式中，如图2C所示，每个单独的棱柱单元在横向方向上是细长的，并且如图2A和图2B所示，棱柱单元在纵向方向上并排布置或取向(不是首尾相接)。在其它实施方式中，棱柱单元可以不是细长的，例如棱柱单元可以是正方形。棱柱结构10可以由合适的透光材料制成，该透光材料可以不同于直接连接于下方的透光部3的材料；可以将棱柱结构制成单独的部件(顶表面或顶层7是该单独的部件的一部分)，然后将该单独的部件连接到透光部3的平坦的顶表面。图2B示出了在光纤6的纵向平面上，从光纤6的侧面出射的光与复合外覆层之间的相互作用。从光纤出射的光可以通过空气-棱柱界面处的折射被直接地重新定向(如图中①所示)，并且从光纤出射的光也可以被间接地重新定向，即在离开复合照明结构之前在该复合照明结构内经历多次反射(如图中②所示)。图2C以横向平面上的截面图示出了图2A的复合结构。

图3A示出了复合外覆层结构的在横向平面上的截面图，该复合外覆层结构在其顶表面7处具有微透镜阵列结构12。图3B示出了图3A的复合外覆层结构在垂直纵向平面上的截面图。在该实施方式中，如图3A所示，每个单独的微透镜在横向方向上是细长的，并且如图3B所示微透镜在纵向方向上并排布置或取向(不是首尾相接)。与图4A和图4B中所示的单个的连续透镜结构14“完全”使侧发射光聚焦出外覆层相比，认为微透镜结构12的各个微透镜是“选择性地”使侧发射光聚焦出或均化出外覆层结构”。微透镜阵列结构12和单个的连续透镜结构14均可以由合适的透光材料制成，该透光材料可以不同于直接连接于下方的透光部3的透光材料；且可以将微透镜阵列结构12和单个的连续透镜结构14均制成单独的部件(顶表面或顶层7是该单独的部件的一部分)，然后将该单独的部件连接到透光部3的平坦顶表面。

图5和图6示出了复合结构的实施方式的另外的方面，其中示出了复合结构的底部部分的不同示例，该底部部分可以用于更易于将光源固定为更大的系统的一部分。图5示出了多边形形状的底部部分16(或多边形的底部部分16)，其在一侧顺应反射部4的外表面，而在另一侧上是多边形形状(这里，具有左角部和右角部，由直线部分将所述左角部连接到右角部，尽管其它多边形形状也是可以的)。多边形形状使得底部部分16能够用作键接结构，以将光源安装到系统的配合的键接插座中。图6示出了图5的结构和几个突出部17(两个突出部是可见的)的组合，其中，突出部17被固定到多边形底部部分16的外表面并从其向外伸出。突出部17可以用于将光源固定到系统。突出部可以由与多边形底部部分16相同的材料制成，使得它们形成光源的单个部件或一体部件。替选地，突出部17可以是(例如在产生多边形底部部分16的外侧面的精确边界的聚合过程之前)结合到或插入到多边形底部部分16中的单独形成的部件。

虽然以上已经描述且在附图中示出某些实施方式，但是应当理解的是，这些实施方式仅仅是对宽泛的本发明的说明而不是限制，并且因为本领域普通技术人员可以想到各种其它变型，所以本发明不限于所示出和描述的特定的构造和布置。例如，虽然图2A-图2C示出了由以在纵向平面上延伸的顺序并排布置的细长的棱柱单元组成的棱柱透镜结构，但是，替选方案可以是以在横向平面上延伸的顺序对棱柱单元进行并排取向。因此该描述被认为是说明性的而不是限制性的。