具有减小的输出散度的凹槽波导 【技术领域】
本发明涉及一种光导，并且特别地涉及一种用于修整光线的凹槽形波导。
背景技术
现有技术基本上使用光导来尽可能的传输光线。在这一点上，引导光能的一种方法是利用介质波导，所述介质波导包括由透明材料制成的固体杆。光线被该杆的表面向内反射(例如全内反射)。传输光能的另一种方法主要通过空气传播光，并且周期地使光线改变方向以使其受限并沿正确的方向传输。
通常的波导典型地包括环形横截面，所述环形横截面具有光学发光膜、背反射器和外壳。背反射器紧靠壳的内表面的一部分设置，并且该膜是与背反射器相邻接的连续薄片。因此，背反射器夹在外壳和光学发光膜之间。
现有技术中所披露的这些光波导具有用各种材料制成的多种横截面，所述材料包括透明介质材料，例如丙烯酸塑料或光学透明玻璃，或多层光学膜。
然而，某些应用场合中，不是尽可能地传输光，而主要问题是在不增加波导的几何尺寸的条件下修整光(例如将圆形入射光束修整成所需的椭圆输出)。因此，因为通常的波导系统在不改变系统尺寸的条件下不能有效地的修整光，提供一种不改变系统尺寸地前提下能修整光的波导是需要的。
【发明内容】
本发明的目的是提供一种具有纵向结构的波导，所述纵向结构具有与第二末端相对的第一末端。凹槽表面在与第一末湍相邻的结构上形成。
本发明的进一步目的是提供一种具有纵向结构的波导，所述纵向结构具有与第二末端相对的第一末端。所述波导进一步包括凹槽表面，该凹槽表面在与第一末湍相邻的结构上形成。纵向结构的尺寸基本固定而凹槽表面修整入射光使其在第一方向上的光线散度下降而在第二方向上的光线散度升高。
本发明的另一目的是提供一种照明系统，所述照明系统将入射光线从纤维光源传至信号显示屏。所述照明系统包括：校准导向器，该校准导向器具有与第二末端相对的第一末端；和纵向支架，设置于其间的所述纵向支架包括顶表面和底表面。凹槽表面制成于与第一末端相邻的顶表面和底表面上。
【附图说明】
参照附图对本发明的实施例进行说明，附图中相同的附图标记代表相同部分，并且其中：
图1A是说明没有使用侧向凹槽波导的倾斜光束传播的示意图；
图1B是说明使用根据本发明的侧向凹槽波导的各向异性倾斜光束传播的示意图；
图2A是说明没有使用侧向凹槽波导的校准结构的示意图；
图2B是说明使用根据本发明的侧向凹槽波导的校准结构的示意图；
图3是说明根据本发明的侧向凹槽波导的仰视图；
图4是说明根据本发明的侧向凹槽波导的俯视图；
图5是说明根据本发明的侧向凹槽波导的端视图；
图6是说明根据本发明的侧向凹槽波导的顶部平面图；
图7是说明根据本发明的天花板显示系统(ceiling display system)的示意图；
图8是说明根据本发明的侧向凹槽波导的凹槽结构的局部视图；
图9是说明根据本发明的侧向凹槽波导的凹槽处发生反射的示意图；
图10是说明没有侧向凹槽波导的反射的示意图；
图11是说明使用根据本发明的侧向凹槽波导的输出角变小的示意图；和
图12是说明具有根据本发明的侧向凹槽波导的矩形棒的透视图。
【具体实施方式】
光的方向性和光束校直在成像和非成像光学方面对于光修整和显示器的发展是重要的。后者对于逆光和其它光修整的应用是重要的，因为只有非成像光学能达到最大的光校直和聚集的理论极限。在这一点上，光束校直总是以横截面的增加为代价。
图1A是说明用于通常对称波导的倾斜光束从NA’到NA的传播示意图。然而，如图1B所示，光束借助侧向凹槽波导结构也可以实现各向异性的传播，所述侧向凹槽波导结构导致失真校直，以垂直方向为代价而提高了光束在水平方向上的方向性(例如从圆变成椭圆)。
图2A是没有侧向凹槽波导的校直系统10的示意图，所述图2A与图1A中的光束传播对应。具有凹槽表面14的校直系统12与图1B所示的水平光束传播相对应。
如图3所示，本发明的优选实施例中，矩形波导14包括：第一末端16、第二末端18、顶表面20、底表面22、和设置得与第一末端16相邻的凹槽部分24。波导14通常地从第一末端16到第二末端在宽度上逐渐缩小，与凹槽结构一起用于升高水平散度。第一末端16与第二末端18平行。槽部分24优选地的设置在顶表面20和底表面22。
如图5所示，凹槽部分24包括一系列通常的三角突出26(例如每个表面20和22上的三个突出)，从而形成一系列凹槽28。本发明中，突出物26的高度大约是3mm，波导14的厚度大约是2mm，并且第一末端的长度大约是4mm。如图6所示，第二末端18的长度大约是2.5mm，并且波导14从第一末端16到第二末端18的长度大约是50mm。
波导14由光学透明丙烯酸制成，并且输入凹槽28提高啮合效率但降低了垂直方向上的输出散度。凹槽28设在第一末端16波导14的入口，并且因此仅对高散度输入射线产生影响。在倾斜凹槽表面发生的反射降低了垂直散度而增加了该射线的水平散度。锥度在水平方向上提供具体的增加光输出散度。
波导14提供了一种从纤维光学源输入光能的方法，用于向显示器传输光能。在本发明的优选实施例中，波导14向广告牌显示器传输光能。可选择地，波导14也可向多种其它显示器传输光能，所述多种其它显示器包括：公路信息显示器(紧急事件宣告、交通状况、用于复杂和危险的十字路口的更好的信号)和路边广告(电子布告板)。
波导14也可用于特殊的照明系统，诸如戏院、大会/商业展示区、百货公司、汽车展览室、和其它公众/半公众区域，所述区域通过天花板照明来加强照明，所述天花板照明在一个区域是高亮度，而另一个区域可能是低亮度。
如图7所示，显示器系统30是一种天花板显示器，其用于在礼堂、大厅或其它设施内向来宾展示信息或广告。系统30包括波导14，所述波导14与礼堂天花板上的多个传输纤维32耦合。位于地板面36的来宾34能看到显示系统30上的信息。为了保证输出亮度，光必须聚集在通过礼堂道的±a角的观察扇区38。在优选的实施例中，a值大约是±50°，并且正交方向的散度是±20°。
系统30中不使用侧向凹槽波导14，从塑料纤维的原始散度是±30°。为使观察扇区38的散度增加到±50°，必须减小在该方向上的波导14输出尺寸。在这一点上，为了将散度减至±20°，必须增加该方向上的输出尺寸。不幸的是，波导14的几何尺寸增大是有限制(例如封装问题)的。
因此，为了降低散度，凹槽26制造于波导14的横向尺寸上。因此凹槽26在不增加波导14的尺寸的情况下对光线进行修整。
特别地，图8示出了槽26对光形的影响。当光线斜射至凹槽28时，反射光线 N和轴Y之间的夹角增加。因此，输出发散角γ1减小。图9更详细的说明了点A处入射光线的反射情况。
角α是轴Y和入射光线 N之间的夹角。角β是垂直于槽表面的法线和平面ZAY轴Y之间的角。没有凹槽时，图9中的角β是0。如果x，y，z是轴的本征向量，
r＝ x(sinα)+ y(cosα)+ z(0)和 N＝ x(0)+ y(-cosβ)+ z(sinβ)(1-1)
反射定律是 r′＝ r+ N(-2 Nr) (1-3)
Nr的数积是(-cosacosβ)。
因此， r′＝ x(sinα)+ y(cosα-2cos2βcosα)+ z(2sinβcos βcosα) (1-4)
或 r′＝ x(sinα)+ y(-2cos2β)cosα+ zcosα·sin2β (1-5)
如果β＝0，或没有凹槽时发生反射，反射光线 r′是
r′＝ x(sinα)+ y(-cosα) (1-6)
如图10所示(没有侧向凹槽波导14时的反射)。
然而，用侧向凹槽波导14的情况， r′和轴Y的正余弦减至(1-2cos2β)cosα，并且图8和图11中的角度γ是
γ＝acos[-(1-2cos2β)cos α] (1-7)
因此，γ＞α
图8中的输出角γ′减小，如图11所示。
图12是说明包括侧向凹槽波导14的矩形丙烯酸杆40的示意图。为了输出角γ′和δ′的光学上的替换，凹槽28具体形状和几何尺寸可以改变。这样，凹槽28的几何尺寸由图9中的角β决定。凹槽28的形状使散度角δ′稍微增大。
只要不超出下列权利要求范围，本申请的范围并不限于上述优选实施的描述。