基於光纖的光源的製作方法
2023-06-03 21:31:46 2
專利名稱：基於光纖的光源的製作方法
技術領域：
本發明涉及在科學和技術儀器、其他裝置中使用和用於各種過程的光源，並且特別地涉及用於在顯微鏡、分光計中以及在其他科學和技術儀器、裝置和多種過程中使用的明亮的基於光纖的光源。
背景技術：
光源在多種不同的科學和技術儀器以及裝置(包括光學顯微鏡、分光計、微陣列掃描儀、拍攝裝置和其他類型的圖像記錄裝置)中廣泛使用，以及另外用於照明、數據和圖像傳輸，以及在多種其他應用中使用。最初，光源主要基於被加熱的燈絲或產生弧光的等離子體，其包括許多不同類型的白熾燈、汞弧光燈、氙燈、金屬滷化物燈和使用發光物質的組合的混合弧光燈(包括汞-氙弧光燈)。在過去的50年期間，物理學和材料科學中的發展和突破產生許多另外的類型的光源，其包括雷射器、發光二極體(「LED」)，以及微米尺度和納米尺度的光發射器(包括量子點)。當選擇光源並且使光源適應於特定應用(包括對特定科學儀器和分析過程選擇光源)時，存在要考慮的重要約束和參數。在許多情況下，期望具有電磁輻射譜的某個部分內的波長(例如對應於可見光的波長範圍等)的光，並且具有電磁輻射譜的其他部分中的波長的光(包括紫外光和較短波長輻射)是不可取的。此外， 特定應用可要求特定的最小光子通量，並且可要求光從光源輸送通過特定的傳輸介質並且通過特定尺寸的孔徑。科學和技術儀器以及裝置的研究者和開發者，以及這樣的儀器和裝置的製造者和發明者繼續尋找對於特定應用適合的光源。
發明內容
本發明的各種實施例針對在顯微術、分光術與其他科學和技術儀器、裝置以及過程中使用的基於光纖的光源。在本發明的各種實施例中，發光二極體(「LED」)和其他光源被包含在光纖或纖維光纜上或之內以便產生明亮的基於光纖的光源。通過將發光裝置包含在光纖上或之內，在該光纖或纖維光纜內可以獲得比通過將光從等同的外部發光元件引導進入該光纖或纖維光纜可以獲得的光子通量要大得多的光子通量，並且本發明的這些基於光纖的光源提供嵌在它們上面或之內的光源的可取特性。
圖1示出連接到光源的光學顯微鏡。圖2圖示將光引入如圖1中示出的示例中使用的光纖，其作為科學儀器、技術儀器或其他裝置內的光源。
圖3示出連續氙弧光燈和氙閃光燈的輸出譜。圖4示出許多不同類型的LED的譜輸出。圖5圖示本發明的一個實施例。圖6示出本發明的備選實施例，其中LED陣列的每個LED關於該LED陣列的平面傾斜以便增加從每個LED輸出到光纖中的光量，並且從而增加光纖光源的累積亮度。圖7圖示圍繞代表本發明的實施例的包括嵌入光源的光纖的熱控護套。圖8示出本發明的另一個備選實施例。圖9A-D圖示本發明的另外的實施例。圖10使用圖9B-D的一般圖示約定圖示本發明的另外的實施例。
具體實施例方式很多種不同類型的光源在科學儀器、技術儀器、各種其他裝置中使用，在各種分析和實際過程中使用，並且用於很多種不同的應用。光源的一個示範性使用是光學顯微術，其包括螢光顯微術。圖1示出連接到光源的光學顯微鏡。該光學顯微鏡102經由纖維光纜 106與光源104連接。在該特定應用中，該外部光源還可以是顯著的熱源。將該光源移開避免與該顯微鏡102直接接觸或包含在該顯微鏡102之內消除了對高容量散熱硬體的需要， 該高容量散熱硬體否則對於控制由該顯微鏡檢查的樣品內或附近的溫度可能是必需的。另外，該光纖為顯微鏡和其他應用提供小孔徑、極小光源。基於光纖的光源具有許多另外的應用，包括分光術、照明或難以接近的體積、傳感器和許多其他應用。圖2圖示將光引入圖1中示出的示範性應用中使用的光纖，作為科學儀器、技術儀器或其他裝置內的光源。一般而言，光源202可通過想像的球體204或包封該光源的其他流形在許多或所有向外的徑向上發射光。然而，僅由該光源發射的光的一小部分與光纖206 的長軸定向對準，光被引導進入該長軸以供傳輸通過該光纖到科學儀器內充當光源的遠端終點。此外，在圍繞的反射包覆層212內一般包括中心透光玻璃或聚合物芯的光纖208的末端的表面可部分反射來自遠離該光纖的光源的適當取向的光的一部分，進一步減少有效傳輸通過該光纖的末端進入該光纖的光量。可以使用許多不同的技術來捕捉由光源發射的光的更大部分以供傳輸通過該光纖的末端進入該光纖，包括使用拋物面鏡和其他技術。然而， 一般而言，由例如被加熱的燈絲和弧光等非定向取向的光源發射的光的僅一小部分可以有效地集中在光纖的末端供引入該光纖。此外，對於可以集中通過孔徑的光量存在物理限制。拉格朗日不變量或6tendUe 表達可以傳輸通過孔徑的最大光量。6tendUe的一個數學形式是etendue = n2 / / cos(0)dAdQ ,其中η是折射率，並且θ是到微分面積dA的法線和微分立體角(1Ω的質心之間的角度。從而，通過用外部光源照亮光纖來獲得通過該光纖的足夠光子通量一般是成問題的，並且受物理和實際約束的約束。當前，使用許多應用，包括螢光顯微術應用、汞弧光燈、氙燈或金屬滷化物燈以及混合弧光燈(其結合汞蒸氣、氙和其他發光物質)。這些燈在可見範圍上提供相對連續的光輸出，是眾所周知的，並且是相對經濟的，但與某些劣勢關聯。這些燈具有有限的使用壽命， 需要相對大的電力供應用於供應高電流供燈操作和需要高壓脈衝來使燈通電，在相對高的溫度操作，並且需要對溫度、爆炸危險和雜散光發射的防護，並且常常需要傳輸路徑濾光器來去除光的紅外(「頂」)和紫外(「UV」)分量。由這樣的燈發射的光的僅極小部分可以有效地集中通過光纖的末端，並且從而在操作燈中使用的能量的極大比例最終成為不需要的廢熱。圖3示出連續氙弧光燈和氙閃光燈的輸出譜。儘管由虛線302示出的該連續氙弧光燈在從380nm至750nm的可見光的波長範圍上產生相對連續的光輸出，該連續氙弧光燈還在紫外波長範圍中和在紅外波長範圍中產生可觀輸出。頂發射對於光學顯微術或螢光顯微術不是有用的，並且產生可觀熱量，一般由濾光器去除。對於包括通過螢光顯微術的活細胞成像的某些應用非常有害的UV發射一般也由濾光器去除。UV和頂濾光器可減小具有期望波長範圍的光子通量，並且可能不理想地消除不可取的波長。從而，基於被加熱的燈絲和基於弧光的光源(儘管有用並且可獲得)與各種應用的許多不可取的特性關聯。雷射源提供相對高的光子通量和高度定向取向的光輸出。然而，雷射器產生相干光，其與包括散斑(speckling)的多種衍射相關的問題關聯，並且因此對於許多光學成像目的是不可取的。此外，儘管許多應用必須能夠從跨可見譜選擇波長範圍，雷射器一般發射單色光，並且雷射器對於許多應用可能是過於昂貴的。發光二極體(「LED」)是更近的光源發展。LED —般由摻雜有雜質形成p_n結的兩個半導體層製成。該p-n結特徵在於由於正和負電荷載流子在該結的任一側上的不同濃度引起的該結兩端的小電壓電勢。當由外部施加的電壓引入的電流流過該結時，負電荷載流子或電子與正電荷載流子或空穴結合，導致能量採用光子的形式釋放。由LED發射的光的波長取決於形成該P-n結的材料的帶隙能量。具有不同發射譜的LED可以通過使用不同的半導體材料、不同的摻雜劑和不同的摻雜水平製造。圖4示出許多不同類型的LED的譜輸出。在圖4中，每個不同的峰對應於不同類型的LED。從而，一個類型的LED產生530nm 的峰404，並且另一個類型的LED產生505nm的峰406。將圖4與圖3比較，LED產生比氙連續弧光燈窄得多的波長或頻率範圍內的發射光。LED具有許多關於各種科學和技術應用的光源有用的性質和特性。LED可以製造成發射幾乎在可見譜的期望部分上的光而不產生不需要的UV或頂發射，或甚至更短或更長波長的電磁輻射的發射。儘管LED產生熱量，它們一般產生比白熾燈或弧光少得多的熱量。LED具有極長的壽命，並且可以相對廉價地生產。此外，LED輸出可以電子地控制和根據溫度來控制，其中峰值發射波長可通過調節LED操作的溫度而調節。另外，LED可以快速開關，或振幅調製，其在許多不同的應用中是可取的，這些應用包括改善常常在連續照明下觀察到的螢光團漂白的螢光顯微術的脈衝光發射。然而，LED產生比弧光燈或雷射器低得多的光子通量。結果，可以從外部LED成功收穫並且集中通過光纖的末端的光量對於包括螢光顯微術的許多實際應用一般是太低的。本發明的實施例針對使用LED作為各種科學和技術應用(包括螢光顯微術和分光術)的基於光纖的光源的部件。圖5圖示本發明的一個實施例。圖5示出其中嵌入LED線性陣列504的光纖502的芯。導電信號線路或信號路徑506和508從該LED陣列504通過在該光纖的末端上的反射塗層510通向適配器512，其將通過電力接口 514施加的外部電流和控制信號轉換成施加該在LED陣列504中的個體LED兩端的電壓信號。通過將LED放置在該光纖內，克服了對可以傳輸通過該光纖的末端的光子通量的物理限制，如反射損耗。從而，由該LED陣列產生的光子通量可以大大超過將從LED光源引入該光纖的光子通量。此外，該LED陣列中的每個LED向該光纖內的累積光子通量貢獻光，其中隨嵌入該光纖的LED 的數目中的增加，具有近似線性的通量增加。由這些LED發射的光的大部分通過在該光纖的反射層和內部光傳輸芯之間的界面處的全內反射來沿該光纖的長度傳輸，並且因為沿該纖維傳輸的光關於該纖維的末端的入射角低於臨界角，該光從該光纖的末端發射。一般而言，LED陣列中的每個LED在高於平行於該LED的線性陣列的平面的方向的一系列方向或立體角上發射光。圖6示出本發明的備選實施例，其中LED陣列的每個LED 關於該LED陣列的平面傾斜以便增加從每個LED輸出進入光纖的光量，並且從而增加光纖光源的累積亮度。在圖6中示出的本發明的實施例中，垂直於個體LED的邊緣的光發射可是最大的，並且垂直於該LED陣列的平面的光發射是最小的。儘管LED的線性陣列可以使用眾所周知的光刻技術方便地製造，本發明的備選實施例可在光纖內沿光纖的軸線包含一個個LED。許多不同的方法中的任何方法可以用於將這些LED電連接到外部電壓和電流源。 可在該LED陣列內光刻製造電接觸，並且可以採用金屬或傳導聚合物引線來將該LED陣列與外部電壓信號互連。圖7圖示圍繞代表本發明的實施例的包括嵌入光源的光纖的熱控護套。該熱控護套702可用金屬或傳導聚合物製造，並且與電壓源互連以便提供電阻加熱，或包含在熱電偶電路中以便提供受電子控制的加熱和冷卻。該熱控護套從而可以製造成控制該光纖內的溫度。LED在操作期間產生熱量。儘管可採用例如在圖7中示出的基於熱電偶的熱控護套來去除該熱量，代表本發明的一個實施例的光纖可另外浸入空氣流或液體冷卻劑以便控制光纖內的溫度。在本發明的某些實施例中，多種不同類型的LED中的每個的多個實例可包含在光纖內，其中一個類型的每組被單獨電子地控制使得由這些LED產生的光的波長的範圍可以被電控。例如，參照圖4，可開啟對應於峰404的類型的LED，並且關斷所有其他LED以便產生在510至550nm範圍中的光。當需要稍微更寬的波長範圍，可開啟對應於峰404的類型和對應於峰406的類型的LED，並且關斷光纖內的所有其他LED以便產生在490至550nm之間的更寬的波長範圍。通過選擇不同類型的LED中的哪些開啟，並且通過小心地控制光纖內的溫度，當前發明的光纖光源可以在光學上調諧成在相對窄的選擇的波長範圍內產生高光子通量。圖8示出本發明的另一個備選實施例。圖8中示出的該實施例包括沿光纖側壁長度連續光學耦合併且安裝的具有反射發射面的LED。從上遊LED發射的光從下遊LED的反射面反彈並且留在纖維中。根據該實施例，纖維橫截面具有至少一個平整表面供LED耦合， 例如半圓柱形或正方形纖維等。在本發明的該實施例和相似實施例中，儘管由於跨光纖的表面傳輸光的結果可存在較大的光損耗，沿光纖的長度安裝多個LED的能力提供具有足夠強度在光纖內傳輸的光。圖9A-D圖示本發明的另外的實施例。如圖8中示出的實施例那樣，在圖9A_D中示出的實施例中的LED耦合於具有矩形橫截面的光纖的外表面。在圖9A中示出的實施例中，例如LED 902等LED安裝到具有矩形橫截面的光纖904的所有四個側面。圖9B-D圖示具有光纖表面安裝的LED的基於光纖的光源的備選實施例。圖9B-D示出末端朝上的具有光纖表面安裝的LED的矩形光纖，其中該矩形光纖的長軸垂直於圖的表面。在圖9B中示出的實施例中，例如LED 906等LED安裝到光纖908的所有四個側面。在圖9C中示出的實施例中，LED安裝到僅一對相對表面。在圖9D中示出的實施例中，LED安裝到兩個鄰近表面。在本發明的某些實施例中，安裝到具有矩形橫截面的光纖的一側的光源可以關於安裝到具有矩形橫截面的該光纖的一個或多個其他表面的LED錯開。在本發明的某些實施例中，分立LED可沿光纖的長軸以固定間隔線性排列，而在本發明的其他實施例中，LED之間的間距可沿光纖的長度變化。圖10使用圖9B-D的一般圖示約定圖示本發明的另外的實施例。如圖9B_D那樣， 圖10圖示末端朝上的具有矩形橫截面的光纖，其中該光纖的長軸垂直於紙面。在圖10中示出的該實施例中，光纖芯1002由薄發射濾光層1004、一般更厚的量子點發射層1006和外部激發濾光層1008圍繞，例如LED 1010等LED安裝到該外部激發濾光層1008。這些LED 可安裝在所有四個側面上(如在圖9B中示出的實施例中)、在一對相對側面上(如在圖9C 中示出的實施例中)、或在一對鄰近側面上(如在圖9D中示出的實施例中)。在圖10中示出的該實施例中，這些LED當被電子地激活時發射光，光由該激發濾光層1008過濾來激勵該量子點發射層1006內的量子點以發射光。由這些量子點發射的光然後通過該發射濾光層1004來在纖維芯內產生發射的光的一個或一些選擇的波長。在本發明的某些實施例中， 該外部激發濾光層是二向色光學界面，其傳遞對應於這些量子點的激發波長的窄範圍的波長，並且內部發射濾光層1004是具有窄傳輸帶的物質，其充當窄帶通濾光器來傳輸從這些量子點發射的光的選擇的波長或若干選擇的波長進入該纖維芯。在本發明的某些實施例中，該量子點發射層可包括具有不同發射特性的若干不同類型的量子點，其中在發光光纖的不同表面上採用不同激發濾光器和發射濾光器，使得每個表面或每對表面在該量子點發射層中激發特定類型的量子點，其中在每個表面或每對表面上的發射濾光器具有適當的帶通特性來傳輸從在該表面激發的特定類型的量子點發射的光的特定波長。在本發明的某些實施例中可省略該激發濾光層和/或發射濾光層。在本發明的備選實施例中，外部安裝的LED可採用多種複雜三維設置沿光纖的長度排列，這些設置包括沿具有圓形或橢圓形橫截面的光纖的LED的螺旋形陣列、沿具有矩形橫截面的光纖的階梯式或交替圖案和其他這樣的設置。本發明的各種實施例的發光光纖的橫截面可是圓形、橢圓形、矩形、正方形，或可具有更複雜的幾何形狀。除LED外，光源還可包括各種不同類型的半導體器件。另外類型的光源可包括微小雷射器、基於有機半導體的LED，以及可以通過入射電磁輻射、發光裝置的熱環境的變化、發光材料的壓力的變化、 外部施加的場(包括電磁場)和施加的電壓或電流的變化而激勵來發射光的其他類型的材料。儘管本發明已經根據特定實施例描述，不規定本發明限於這些實施例。修改對於本領域內技術人員將是明顯的。例如，可以製造很多種不同類型的LED並且嵌入光纖內。這些包括具有多種不同摻雜劑的基於半導體和基於有機聚合物的LED。LED可直接嵌入該光纖，或備選地可插入在該光纖的末端的空腔內，該空腔隨後用折射率匹配的溶液填充來改善反射光損耗。在本發明的某些實施例中，LED可以使用折射率匹配的溶液耦合於光纖。可以根據許多不同的設計和拓撲結構製造金屬或半導體電接觸，來提供到嵌入光纖內的LED 的電連接。在某些實施例中，可改變光纖的組成來在光纖內產生固有的像LED的區域，其可以被電子地控制來輸出光。在本發明的備選實施例中，嵌有光源的光纖可捆綁在一起來產生捆綁纖維光纜以獲得增加的亮度並且提供對光源的發射特性的更大控制。根據本發明製造的光纖可另外包括另外的反射層和塗層、濾光器元件和用於控制該光纖內的光子通量並且選擇發射的波長範圍的其他部件。在本發明的某些實施例中，嵌入的光源可具有隨機取向和隨機分布，但在本發明的其他實施例中，這些嵌入的光源可組織為LED的線性陣列、二維陣列或堆疊陣列。在本發明的某些實施例中，分立、個體LED沿光纖嵌入。在本發明的某些實施例中，LED可以是透明的或半透明的來減少內部光損耗。 前面的描述為了說明的目的使用特定命名法來提供本發明的全面理解。然而，為了實踐本發明不需要特定細節，這對於本領域內技術人員將是明顯的。為了圖示和描述的目的提供本發明的特定實施例的前面的描述。它們不意為窮舉的或將本發明限於公開的確切形式。鑑於上文的教導許多修改和變化是可能的。示出並且描述這些實施例以便最好地說明本發明的原理和它的實際應用，由此使本領域內其他技術人員能夠最好地利用具有適合於預想的特定用途的各種修改的本發明和各種實施例。規定本發明的範圍由下列權利要求和它們的等同物限定。
權利要求
1.一種基於光纖的光源，其包括 反射包覆層；內部光傳輸芯；嵌入所述內部光傳輸芯的內部光源；以及光發射激勵子系統，其當被激活時激勵所述內部光源來發射光至所述內部光傳輸芯中，所述光的一部分通過所述反射包覆層和所述內部光傳輸芯之間的界面處的全內反射來沿所述基於光纖的光源的長度傳輸並且從所述基於光纖的光源的末端發射。
2.如權利要求1所述的基於光纖的光源，其中包括所述反射包覆層和內部光傳輸芯的所述光纖完全或部分地被包封在熱控護套內。
3.如權利要求1所述的基於光纖的光源，其中所述內部光源是發光二極體。
4.如權利要求1所述的基於光纖的光源，其中所述內部光源是下列中的一個或多個 半導體器件；光子晶體；以及雷射裝置。
5.如權利要求1所述的基於光纖的光源，其中所述光發射激勵子系統是下列中的一個將所述內部光源與外部電壓或電流電互連的電信號線路； 跨所述內部光源施加電磁場的裝置；以及施加熱或壓力於所述基於光纖的光源的裝置。
6.一種基於光纖的光源，其包括 光纖芯；安裝到所述光纖芯的一個或多個表面的組成光源；以及光發射激勵子系統，其當被激活時激勵所述組成光源發射光至所述光纖芯中，所述光的一部分通過全內反射來沿所述基於光纖的光源的長度傳輸並且從所述基於光纖的光源的末端發射。
7.如權利要求6所述的基於光纖的光源，其中所述基於光纖的光源完全或部分被包封在熱控護套內。
8 如權利要求6所述的基於光纖的光源，其中所述組成光源是發光二極體。
9.如權利要求6所述的基於光纖的光源，其中所述組成光源是下列中的一個或多個 半導體器件；光子晶體；以及雷射裝置。
10.如權利要求6所述的基於光纖的光源，其中所述光發射激勵子系統是下列中的一個將所述組成光源與外部電壓或電流電互連的電信號線路； 跨所述組成光源施加電磁場的裝置；以及施加熱或壓力於所述基於光纖的光源的裝置。
11.如權利要求6所述的基於光纖的光源，其中所述組成光源安裝到具有矩形橫截面的光纖的所有四個表面。
12.如權利要求6所述的基於光纖的光源，其中所述組成光源安裝到具有矩形橫截面的光纖的兩個相對表面。
13.如權利要求6所述的基於光纖的光源，其中所述組成光源安裝到具有矩形橫截面的光纖的兩個鄰近表面。
14.一種基於光纖的光源，其包括 光纖芯；包括在圍繞所述光纖芯的量子點光發射層中的量子點組成光源；以及光發射激勵子系統，其當被激活時激勵所述量子點組成光源發射光至所述光纖芯中， 所述光的一部分通過全內反射來沿所述基於光纖的光源的長度傳輸並且從所述基於光纖的光源的末端發射。
15.如權利要求14所述的基於光纖的光源，其中所述基於光纖的光源完全或部分被包封在熱控護套內。
16.如權利要求14所述的基於光纖的光源，其中所述光發射激勵子系統包括安裝到所述量子點光發射層的激發光源。
17.如權利要求16所述的基於光纖的光源，其中所述激發光源是下列中的一個或多個半導體器件； 光子晶體；以及雷射裝置。
18.如權利要求14所述的基於光纖的光源，其中所述光發射激勵子系統進一步包括 將所述激發光源與外部電壓或電流電互連的電信號線路；跨所述激發光源施加電磁場的裝置；以及施加熱或壓力於所述基於光纖的光源的裝置。
19.如權利要求14所述的基於光纖的光源，進一步包括在所述光發射激勵子系統和所述量子點光發射層之間的激發濾光層。
20.如權利要求14所述的基於光纖的光源，進一步包括在所述光纖芯的表面和所述量子點光發射層之間的發射濾光層。
全文摘要
本發明的各種實施例針對在顯微術、分光術與其他科學和技術儀器、裝置以及過程中使用的基於光纖的光源。在本發明的各種實施例中，發光二極體(「LED」)和其他光源包含在光纖或纖維光纜上或內以便產生明亮的基於光纖的光源。通過將發光裝置包含在光纖上或內，在該光纖或纖維光纜內可以獲得比通過將光從等同的外部發光元件引導進入該光纖或纖維光纜可以獲得的光子通量大得多的光子通量，並且本發明的這些基於光纖的光源提供嵌在它們上或內的光源的可取特性。
文檔編號G02B6/42GK102349014SQ201080011721
公開日2012年2月8日 申請日期2010年3月12日 優先權日2009年3月12日
發明者R·索伊伯特 申請人:應用精密公司