LED和雷射光束耦合裝置及其使用方法與流程

2023-05-29 08:21:32 1

相關的申請的交叉參考

按照35U.S.C.§119(e)的規定，本申請要求申請日為2015年8月26日，臨時申請號為62/210303，發明名稱為「作為環境光傳感器的擴散光纖，光學信號發送器，鄰近傳感器」；申請日為2015年9月1日，申請號為62/212844，發明名稱為「作為環境光傳感器的擴散光纖，光學信號收發器，鄰近傳感器」；申請日為2015年9月4日，申請號為62/214362，發明名稱為「雷射充電和採用標準USB端子的光學雙向通信」；其請日為2015年9月10日，申請號為62/216861，發明名稱為「作為環境光傳感器的擴散光纖，光學信號收發器，鄰近傳感器」美國專利申請的優先權，並且要求享受這些申請的權益，針對它們教導的所有內容和針對所有的目的，這些申請的整體公開內容在這裡供參考而引入。

本申請還與臨時申請號為62/214362，申請日為2015年9月4日，發明名稱為「雷射充電和採用標準USB端子的光學雙向通信」；申請號為62/193037，申請日為2015年7月15日，發明名稱為「遠程裝置充電」；申請號為62/195726，申請日為2015年7月22日，發明名稱為「遠程裝置充電」；申請號為62/197321，申請日為2015年7月27日，發明名稱為「裝置通信，充電和用戶交互」的美國專利申請有關。

本申請也與申請號為14/937553，申請日為2015年11月10日，發明名稱為「雷射，光學充電和通信裝置以及使用的方法」；申請號為15/172411，申請日為2016年6月3日，發明名稱為「擴散光纖傳感器和通信裝置以及及其使用方法」；申請號為15/134084，申請日為2016年4月20日，發明名稱為「光通信和充電裝置以及使用的方法」；申請號為15/134138，申請日為2016年4月20日，發明名稱為「音頻發送和充電系統和使用的方法」的美國專利申請有關。

針對它們所教導的全部內容和針對全部的目的，在整體上，上面所列的申請的整體的公開內容在這裡供參考而引入。

本發明一般涉及光耦合，比如，將從發光二極體(LED)發出的光與由光纖接收的光進行耦合的方法。

背景技術：

將LED或其它非相干光源發出的光耦合到光纖的現有系統具有低的耦合效率。對於這樣具有較大數值孔徑的光源，典型的耦合效率遠低於5％。與此相比，雷射或其它相干性較強的光源，耦合效率通常高於95％。但是，相對於雷射來說，有利的是採用LED作為光纖的光學光源，因為通常來說，LED在操作和維護方面上成本較低。但是，因為前述的耦合效率，將LED用於光纖(fiber optics)這一點已受到限制。於是，需要提供將從LED發出的光與由光纖接收的光進行耦合的系統和方法。本發明可解決這些需求。

通過提供附加的背景，上下文語境(context)，並且進一步滿足35U.S.C.§112的撰寫描述的要求，下面的參考文獻在整體上供參考而引入：專利權人為Tessnow，公開號為US2007/0031089的美國專利公開申請文本，以及專利權人為Yang，專利號為US7621677的美國專利文本。

通常，採用光纖使得光波沿著光纖或在光纖端部之間進行導向和傳播。普通的實施方式涉及將光纖的一個或2個端部與光源，比如，LED或雷射二極體進行配合或耦合。傳統的光纖，也稱為「普通(normal)」光纖，作為典型方式，使用包層包裹電介質材料的柱狀芯層，將光源的光子保持在光纖的內部。該光子保持在光纖內部的原因在於該芯層的折射率大於包層。

相比之下，擴散光纖允許一些光子通過包層中故意設置的缺陷，從光纖芯層中洩漏。於是，當光纖的一個或2個端部與光源配合時，該光纖可用作細線光源。上述包層的缺陷可由幾種機制中的任意者形成，比如，由光纖表面上的表面缺陷或由光纖(比如，由康寧Fibrance產品所提供的那樣)的材料缺陷形成。通過增加隨機性和缺陷的量，照明圖案在各方向可變得均勻。

擴散光纖的一個沒有受到注意的，但是重要的特徵是外部光能夠進入擴散光纖(通過上述的缺陷)以及能夠脫離或離開上述擴散光纖的能力。通過光路可逆原理，可得出這樣的推論。如果特定的擴散光纖產生各向均勻的照明，則該擴散光纖還可通過光纖表面(比如，通過包層中的缺陷)從外界或外部環境，全方向地將能量或光子接收到擴散光纖中。在認識到該發現時，擴散光纖(也稱為「光波導」或「光纖波導」)可用作全向外界/外部光傳感器。在這樣的結構中，光學探測器可放置於光纖端部，以便檢測來自周圍環境的光信號和/或能量。接收的光能量或信號可為任何的光波段，其包括可見的和紅外的波段；IR檢測特別適合於火焰的檢測。

提供一種光纖光檢測和通信的技術。特別是，公開了設置擴散光纖傳感器的系統和方法以及通信裝置和使用的方法。

通過提供附加的背景技術，上下文語境(contex)，進一步滿足35U.S.C.§112的撰寫描述的要求，下面的參考文獻在整體上供參考而引入：申請人為Tessnow，公開號為US2007/0031089的美國專利公開申請文本，申請人為Schumacher，公開號為US2002/0186921的美國專利公開申請文本，以及專利權人為Naum，專利號為US6272269的美國專利文本，專利權人為Yang，專利號為US7621677的美國專利文本，以及在「International Lighting in Controlled Environments Workshop，」Tibbitts，Editor，NASA-CP-95-3309(1994)中發表的，作者Kozai所撰寫的「Use of Diffusive Optical Fibers for Plant Lighting」。

技術實現要素：

本發明提供將從一個或多個LED發出的光與由光纖所接收的光進行耦合的系統和方法。本發明還公開了一種用於提供擴散光纖傳感器和通信裝置的系統和方法以及使用的方法。

在一個實施方式中，公開了一種LED光耦合裝置，該裝置包括至少一個LED，其被構造為接收電源和控制信號，該至少一個LED發出具有第一數值孔徑的第一光；光耦合器，該光耦合器與上述至少一個LED光通信，該光耦合器接收上述第一光並發出第二光；光纖，該光纖具有接收角度，該光纖與上述光耦合器光通信，其中，上述光耦合器將具有第一數值孔徑的第一光，改變為具有第二數值孔徑的第二光，其中第二數值孔徑小於第一數值孔徑。

在另一實施方式中，公開一種LED光耦合的方法，該方法包括：提供LED光耦合裝置，該LED光耦合裝置具有i)至少一個LED，其被構造為接收電源和控制信號，該至少一個LED發出具有第一數值孔徑的第一光；ii)光耦合器，該光耦合器與上述至少一個LED光通信，該光耦合器接收上述第一光並發出第二光；iii)光纖，該光纖具有接收角度，該光纖與上述光耦合器光通信；使上述LED光耦合裝置與電源連接；從上述電源向上述至少一個LED提供電力；啟動上述至少一個LED；向上述光耦合器發出上述第一光；在上述光耦合器的內部，將具有第一數值孔徑的第一光改變為具有第二數值孔徑的第二光，其中第二數值孔徑小於第一數值孔徑；將第二光提供給光纖。

在還一實施方式中，公開一種LED光纖裝置，該裝置包括：至少一個LED，其被構造為接收電源和控制信號，該至少一個LED發出具有第一發光錐的第一光；光耦合器，該光耦合器與上述至少一個LED光通信，該光耦合器接收上述第一光並發出第二光；光纖，該光纖具有接收角度，該光纖與上述LED光耦合器光通信，其中，上述光耦合器將具有第一發光錐的第一光改變為具有第二發光錐的第二光，其中第二發光錐小於第一發光錐，第一光和第二光之間的耦合效率至少為95％。

在一些替換實施方式中，上述裝置和/或使用的方法還包括：電子驅動器，其控制上述至少一個LED；其中，上述至少一個LED的控制包括功率調製；其中，上述至少一個LED為表面發射型LED；其中，上述至少一個LED為三個表面發射型LED；其中，上述第二光在上述光纖的接收角的範圍內被光纖接收；其中，上述光耦合器包括光學積分球；其中，上述光耦合器包括球透鏡；上述光耦合器為光學球以及上述三個表面發射型LED相對於上述光學球的赤道圓周徑向設置在0度、90度和180度位置上；其中，第一光和第二光之間的耦合效率至少為95％。

在一個實施方式中，公開了一種光纖傳感器系統，該系統包括：光纖，該光纖具有第一端部，第二端部，以及外部表面，該外部表面在第一端部和第二端部之間形成有孔，該光纖以通過外部表面在沿外部表面的第一軸向距離處接收來自外部光源的外部光的方式構成；第一探測器，該第一探測器設置於上述第一端部，用於測量第一外部光功率；第二探測器，該第二探測器設置於上述第二端部，用於測量第二外部光功率；處理器，該處理器被構造為比較該第一和第二外部光功率測量值，並確定上述第一軸向距離。

在另一實施方式中，公開了一種光源的光纖檢測方法，該方法包括：提供光纖傳感器系統，該系統具有第一端部，第二端部，以及外部表面，該外部表面在該第一端部和第二端部之間形成有孔，該光纖以通過外部表面在沿外部表面的第一軸向距離處接收來自外部光源的外部光的方式構成；第一探測器，該第一探測器設置於上述第一端部；第二探測器，該第二探測器設置於上述第二端部；以及處理器；通過外部表面，在沿外部表面的第一軸向距離處接收外部光；通過第一探測器，測量第一外部光功率；通過第二探測器，測量第二外部光功率；通過上述處理器，比較該第一和第二外部光功率測量值；上述處理器，通過上述外部光功率測量值的比較而確定上述第一軸向距離。

在一些替換實施方式中，上述裝置和使用的方法還包括：上述光纖為擴散光纖；上述光纖形成圓形軸向橫截面；其中，上述第一端部為上述光纖的第一終端，上述第二端部為上述光纖的第二終端；其中，上述光纖為圓形軸向橫截面的均質光纖；第二光纖，該第二光纖被構造為通過第二外部表面在沿第二外部表面的第二軸向距離處接收外部光；成對的探測器，設置於第二光纖的相對終端，該成對的探測器中的每一個按照測量外部光功率的方式構成；上述處理器還按照比較該成對的探測器的外部光功率測量值以便確定上述第二軸向距離的方式構成；其中，上述第一光纖和第二光纖中的每個形成為縱向直線型結構，並且相互正交地設置，其中，上述外部光源的兩維位置可通過上述處理器而確定；第三光纖，該第三光纖被構造為通過第三外部表面在沿第三外部表面的第三軸向距離處接收外部光；成對的探測器，設置於第三光纖的相對終端，該成對的探測器中的每個按照測量外部光功率的方式構成；上述處理器還按照比較該成對的探測器的外部光功率測量值，以便確定上述第三軸向距離的方式構成；其中，上述第三光纖形成為縱向直線型結構，並且與上述第一光纖和第二光纖中的每個相互正交地設置，其中，上述外部光源的三維位置可通過上述處理器而確定；成對的收發器，其設置於上述光纖的每個終端，該對收發器按照從上述外部光源接收光信號以及將光信號發送給上述外部光源的方式構成。

附圖說明

為了更加全面地理解本發明和其優點，現在參考結合附圖的下面的描述，在該附圖中，相同的標號表示相同部件：

圖1為光耦合系統的實施方式的方框圖；

圖2表示圖1的光耦合系統的LED/耦合器/光纖部件的一個實施方式；

圖3a表示圖1的光耦合系統的LED/耦合器/光纖部件的另一實施方式；

圖3b表示圖1的光耦合系統的LED/耦合器/光纖部件的還一實施方式；

圖3c表示圖1的光耦合系統的LED/耦合器/光纖部件的又一實施方式；

圖4a表示圖1的光耦合系統的LED/耦合器/光纖部件的再一實施方式；

圖4b表示圖1的光耦合系統的LED/耦合器/光纖部件的另一實施方式；

圖4c表示圖1的光耦合系統的LED/耦合器/光纖部件的還一實施方式；

圖4d表示圖1的光耦合系統的LED/耦合器/光纖部件的又一實施方式；

圖4e表示圖1的光耦合系統的LED/耦合器/光纖部件的再一實施方式；

圖4f表示圖1的光耦合系統的LED/耦合器/光纖部件的另一實施方式；

圖4g表示圖1的光耦合系統的LED/耦合器/光纖部件的還一實施方式；

圖5表示圖1的光耦合系統的LED/耦合器/光纖部件的又一實施方式；

圖6表示光耦合系統的LED/耦合器/光纖部件的又一實施方式；

圖7表示圖1的光耦合系統的使用的方法的流程圖；

圖8A表示已有技術的標準光纖；

圖8B表示已有技術的擴散(diffusive)光纖；

圖9表示光纖傳感器系統的一個實施方式；

圖10表示圖9的光纖傳感器系統的更加細節的部分；

圖11表示上述光纖傳感器系統的另一實施方式；

圖12為圖9的光纖傳感器系統的使用的方法的流程圖。

應理解到，附圖不必符合比例。在某些場合，可省略對於理解本發明來說不是必要的，或給出難以意識到的其它的細節。應理解到，顯然，本發明不必限於在這裡說明的特定的實施方式。

具體實施方式

在下面的具體的描述中，提出許多具體的細節，以便提供所公開的技術的全面的理解。但是，本領域的技術人員理解到，在沒有這些具體的細節的情況下也可以實施本實施方式。在其它的場合，沒有具體地描述熟知的方法，步驟，部件和電路，以避免使得本發明難以理解。

雖然在此方面，沒有限制實施方式，但是，採用術語，比如，「處理」，「計算機計算」，「計算」，「確定」，「建立」，「分析」，「檢查」，或類似術語的討論可指計算機，計算平臺，計算系統，通信系統，子系統，或其它的電子計算裝置的(多個)操作和/或(多個)處理，該(多個)操作和/或(多個)處理對作為位於計算機的寄存器和/或存儲器的內部的物理(比如，電子)量而表示的數據處理操作和/或轉變為作為位於計算機寄存和/或存儲器，或可存儲執行操作和/或處理的指令的其它的信息存儲介質的內部的物理量而類似表示的其它數據。

雖然在此方面，沒有限制實施方式，但是，在這裡所採用的術語「複數」和「多個」可包括比如，「多個」或「兩個或更多個」。術語「複數」和「多個」可在本說明書的通篇中使用，以便描述2個或更多個部件，裝置，元件，單元，參數，電路，或類似物。

術語「LED」指發光二極體，其指將電流轉變為光的半導體，其包括所有可獲得的LED的類型，比如，表面發射型LED和邊緣發射型LED。

術語「光耦合」指對光纖，提供或供給光，或將光提供或供給到光纖中。

術語「波導」指對光波進行導向的結構。

術語「耦合效率」指在2個光學部件之間的功率傳遞的效率。

術語「非相干光」指下述的光，該光的光子之間具有隨機變化的頻率和相位，從而導致光的分散。「相干光」指具有相同頻率和全部處於相同頻率的光子束，其產生光流或光束。

術語「數值孔徑」指無量綱的數，其特徵在於上述系統可接收或發出光的角度的範圍。

術語「發光錐」或「發射錐」或「接收錐」指確定的幾何錐，在其範圍內，接收光，在其外側，不接收光。

術語「接收角度」指確定的幾何角度，在該角度範圍內，接收光，在該角度的外側，不接收光。

術語「光纖」或「光學纖維」指柔性的，透明的光纖，其通過對玻璃/石英或塑料進行拉制而製成。

在理解下面的實施方式的描述之前，最好給出在本文件中通篇採用的某些詞和術語的定義：術語「包括」和「包含」以及它們的派生詞指沒有限定的包括；術語「或者」是包括在內的含義，其指和/或的含義；術語「與......有關」和「與此有關」以及它們的派生詞可指包括，包括在內，與......相互連接，通過......相互連接，包含，包含在內，與或通過......連接，與或通過......結合，與......連通，與......配合，交錯，並列，緊接於，與或通過......繫結，具有，具有......的特性，或類似術語；術語「控制器」指控制至少一個操作的它們的任何裝置，系統中的部分，比如，裝置可通過硬體，電路，固件，或軟體或上述中的至少2者的一些組合而實施。應注意到，可對與任何特殊的控制器有關的功能進行集中化或分布化處理，無論是當地或遠程。在本文件的通篇的範圍內，提供某些詞和術語的定義，本領域的技術人員應理解到，在許多場合，如果不是多數場合的話，這樣的定義應用於這樣定義的詞和術語的過去的，以及未來的使用。

為了進行說明，給出許多的具體細節，以便對本技術的全面理解。但是，應理解到，本發明可按照超出在這裡給出的特定的具體細節的多種方式而實現。另外，雖然在這裡說明的列舉性的實施方式給出了所搭配的系統的各種部件，但是應理解到，該系統的各種部件可定位於分布式網絡，比如，通信網絡，節點，和/或網際網路中的遠距離的部分處；或定位於指定的受到保護的，不保護的，和/或加密的系統的內部；和/或定位於位於上述網絡的內側或外側的網絡操作或管理裝置的內部。作為例子，可採用無線裝置，以便適用於下述的任何的裝置，系統或模塊，該任何的裝置，系統或模塊管理和/或構成在這裡描述的上述網絡或通信環境和/或(多個)收發器和/或站和/或(多個)訪問點中的任何一個或多個方面，或與該任何一個或多個方面通信連接(communicate with)。

於是，應理解到，上述系統的部件可組合成一個或多個裝置，或在裝置之間分裂開。

另外，應知道，各種連結包括連接部件的(多個)通信通道，其可為有線或無線的連結，或任何它們的組合，或能夠將數據提供給和/或通過通信而發送給已連接的部件和從已連接的部件而提供和/或通過通信而發送數據的任何其它的已知的，或之後研發的(多個)部件。在這裡所採用的術語「模塊」可指能夠實現與上述部件有關的功能的，任何已知的或之後研發的硬體，電路，電路系統，軟體，固件，或它們的組合。如在這裡所採用的那樣的術語確定，計算，計算機計算和它們的變化形式可相互交換地使用，其包括方法，處理，技術，數學運算或協議。

關注圖1～6，描述光耦合系統100的實施方式。

一般來說，該裝置100包括電子器件200，LED模塊300，耦合器400和光纖500。電子器件200包括電子器件第一端部210和電子器件第二端部220。電子器件200可包括LED驅動電路。電子器件200從電源600接收電源電力682。LED模塊300包括LED模塊第一端部310，LED模塊第二端部320，LED模塊300通過電子器件/LED輸入/輸出284與電子器件200聯通。LED模塊300可包括LED一331，LED二332，LED三333。LED模塊300將LED模塊輸出330(也稱為「第一光」)輸出給耦合器400。耦合器400包括耦合器第一端部410和耦合器第二端部420，該耦合器400將耦合器輸出486(也稱為「第二光」)輸出給光纖(也稱為「光學纖維」)500。光纖500包括光纖第一端部510和光纖第二端部520。廣義地說，LED模塊300將大的發射錐的非相干光(比如，「第一光」)發射到耦合器400中，在這裡該耦合器400將所接收的光改變為由光纖500接收的較窄的或較小的發射錐(比如，「第二光」)。上述耦合器400將第一光的較大的發光錐改變為較窄的或較小的發光錐，後者在光纖500的接收角範圍內。在沒有耦合器400對第一光進行處理的情況下，第一光的大部分不落入光纖500的接收角的範圍內(產生非常低的耦合率，比如小於5％)。相比之下，通過上述耦合器400，獲得高的耦合效率(比如，高於95％)。

圖2～5提供圖1的光耦合系統100的各種實施方式。實施方式中的多數通過採用一個或多個光學部件對一個或多個LED而進行光耦合，以便將更加聚焦的光提供給光纖。

在圖2的實施方式中，兩個球透鏡的組用作耦合器。更具體地說，LED模塊300從LED模塊第二端部320發出LED模塊輸出光330，從而被球透鏡一441所接收，該球透鏡進而將光輸出給球透鏡二442。球透鏡二442向光纖500發出作為耦合器輸出486的光。

一般來說，在雷射與光纖的耦合中，兩個尺寸相同的球透鏡在雷射源和光纖之間對稱地放置。因為光源與光纖芯層的尺寸比和非相干性，在採用LED光源時該結構工作性能不好。在圖2中，來自LED光源的光直接地與位於經拋光的金屬腔內的較小球透鏡耦合。高反射率的金屬腔表面用作第一級光束匯聚器，以便將來自LED光源的光線朝向小球透鏡反射。由於其大的曲率，該小球透鏡具有大的光線彎曲力。該小球透鏡採用該高彎曲力，從而大致地將光線朝向光纖芯層聚焦。另一大球透鏡具有小彎曲力，其將光線精細地朝向上述光纖芯層聚焦。上述兩個球透鏡之間的尺寸比與LED尺寸和光纖芯層直徑比具有直接相關性。兩個球透鏡的光學材料不限於相同的材料。

在圖3a的實施方式中，LED模塊300包括微型LED351。更具體地說，微型LED351從LED模塊第二端部320發出LED模塊輸出光330，從而在光纖第一端部510處被光纖500直接接收。沒有耦合器400的這樣的結構稱為對接(butt)耦合結構。

應注意到，可通過將LED尺寸從毫米等級降低到與多模光纖芯層直徑相同等級的微米等級的方式，顯著地改善LED與光纖的耦合效率。微米尺寸的LED可與多模光纖直接耦合(對接耦合)或通過採用位於LED的頂部上的微型透鏡而耦合。微米尺寸的LED可為單個LED或任何結構的LED陣列。從理論上說，微米尺寸的LED與多模光纖的潛在的耦合效率可達到30％+。

在一些實施方式中，微米尺寸的LED的陣列可通過R，G和B顏色的微米尺寸的LED以任何的混合比例而構成。R，G和B顏色光一起地耦合到多模光纖中。顏色混合可在光纖芯層區域內進行。混合的RGB微米尺寸的LED耦合和顏色混合機制能夠產生任何單一顏色(RGB混合的)光輸出。

在圖3b的實施方式中，給出光耦合器100的剖視圖。在本實施方式中，LED模塊300發出光，該光在環繞項圈或柱狀耦合器400的內部中被反射，其中更加聚焦的光在光纖第一端部510處進入光纖500中。

在圖3c的實施方式中，3個LED組成一組，即，LED一331，LED二332，LED三333對接(butt)耦合(即，緊靠或在光纖第一端部510處而鄰近光纖500的入口處放置)，其中該3個LED發出的光進入光纖500中並且通過光學管嘴430而聚焦或改變或重新導向。在離開光學管嘴(其可包括金屬的內部或內表面)時，所接收的光具有較小的或較窄的發光錐，從而以較大或增加的耦合效率被光纖接收。光學管嘴430外表面可包括光學擴散材料。光纖500的內部可包括塗層540，比如透明包覆材料，以便於在光纖500內部中的光的全內反射。光學管嘴430可包括波導和光學透明材料。在一個實施方式中，LED一331，LED二332，LED三333選自紅，綠，藍的主色，即提供3個LED，各自分別發出紅光，黃光，藍光。

傳統上，LED具有非常低的耦合效率，這是因為將來自光源的光與光纖耦合的傳統方式基於維持光源的圖像空間信息的幾何成像映射(mapping)關係。這樣的方法受到光學不變性或拉格朗日不變性原理的限制，在該原理中，光束孔徑角(beam angle)和光腰(beam waste)的乘積是不變量。上述光學不變性表明LED光源尺寸，接收角度(光源和光纖這兩者上的)以及光纖直徑之間的關係。為了解決該困境，必須破壞光源圖像的空間信息，以便改善耦合效率：使來自LED光源的光穿過某些無損失的擴散性的光學元件這一點會成為破壞LED光源空間圖案的方式，而同時保持照明強度(能量)和光學波長(光譜顏色)。一個這樣的無損失的擴散性的光學部件為積分球。

積分球為(幾乎)無損失的擴散光學元件。積分球在光學上是中空的(透明的)球，其內壁塗有高擴散性的白色塗料。該擴散性塗料還具有非常高的反射率(＞95％～99％)。(來自LED光源的)進入該積分球的光發生散射，在白色擴散性的球壁內部回彈，直至其到達(嵌入有光纖的)出口端。該過程是(幾乎)無損失的，並且維持光譜顏色。在光學透明球腔內，上述照明強度均勻地在每個方向分布。耦合到該出口端中的光僅僅與下述比例有關，該比例為球的尺寸與出口端的表面尺寸的比。積分球的擴散性和維持光譜顏色的性質使其成為理想的光學混色腔。

在圖4a的實施方式中，積分球450為耦合器。更具體地說，LED模塊300從LED模塊的第二端部320發出LED模塊輸出光330，從而由積分球450接收。積分球450將作為耦合器輸出的光486在光纖第一端部處510發射給光纖500。

在一個實施方式中，上述積分球可通過將兩個金屬件組合而製成，每個金屬件構成半個球腔。一個半球具有大孔，以便接納LED的有源區域，另一者具有小孔(出口端)，以便接納光纖。上述球內表面塗有高反射性的、擴散性的白色塗料。來自LED的光進入該積分球被擴散和混合，然後從出口端射出，從而直接耦合到光纖中。

在一個實施方式中，光學錐狀體代替位於上述出口端處的上述光纖。該光學錐狀體在出口端部具有大的表面區域。該光學錐狀體的小端部具有與光纖芯層表面相同的尺寸。該光學錐狀體用於增加出口端尺寸，以便改善耦合效率。

在圖4b的實施方式中，積分球450為耦合器。更具體地說，LED模塊300包括LED一331，LED二332，LED三333，每個LED分別發出LED一輸出341，LED二輸出342，LED三輸出343，該LED模塊300提供的光被積分球450接收。該3個LED一般被構造為將光的發射指向到積分球450上的共同位置處。積分球450將作為耦合器輸出486的光發射到在光纖第一端部510處的光纖500。在一個實施方式中，LED一331，LED二332，LED三333選自紅，綠，藍的主色，即提供3個LED，各自分別發出紅，黃，藍光。

在圖4c的實施方式中，積分球450為耦合器。更具體地說，LED模塊300包括LED一331，LED二332和LED三333，每個LED分別發出LED一輸出341，LED二輸出342和LED三輸出343，LED模塊300提供的光被積分球450接收。但是，相對於圖4b，三個LED中的每一個按照圍繞積分球450的赤道軸線徑向分開90度間隔而定位(比如，按照0度，90度，與180度徑向)。光纖500定位在剩餘的270度徑向位置。在一個實施方式中，LED一331，LED二332，LED三333選自紅，綠，藍的主色，即提供3個LED，各自分別發出紅，黃，藍光。

在一個實施方式中，在如圖4c所示的那樣安裝時，一組3個LED用於使散熱效率達到最大。

在一個實施方式中，積分球用作混合腔，以便去除任何的不想要的雷射閃耀效果。

在一個實施方式中，在與在上面描述的紅/綠/藍LED(或有色的LED的任何組)集成時，上述積分球用作光學混色腔，以便在出口端處形成任何顏色的光並進入光纖中。進入光纖的可變顏色輸出可通過改變顏色LED的各自的電輸入強度而實現。

在圖4d的實施方式中，積分半球470為耦合器，其設置於PCB230上。更具體地說，設置於上述積分半球470的底平面(即，平的表面)上的LED模塊300發出LED模塊輸出光330，從而由積分半球470所接收並輸出給光纖500。半球的平的表面上的曝露的區域塗有白色的、高反射性的擴散塗料。該結構可降低積分球尺寸，增加所設置(hosted)的LED有源區域表面或增加位於平面上的LED的數量。該結構的優點在於散熱和LED的PCB布置。

在圖4e的實施方式中，積分球450為耦合器，三個LED安裝於位於積分球450的內部的LED支架336上。該3個LED為LED一331，LED二332以及LED三333。從積分球450發出的光在通過球透鏡一441後被提供給光纖500。在一個實施方式中，LED一331，LED二332，LED三333選自紅，綠，藍的主色，即提供3個LED，各自分別發出紅，黃，藍光。

在一個實施方式中，LED支架336為透明的PCB板結構。

在一個實施方式中，LED/多個LED通過支承杆而設置於積分球的中心。該支承杆用於為上述LED配備電線以及進行散熱，LED/多個LED可豎直地安裝，以便使LED的有源面積達到最大化。

在一些實施方式中，球透鏡一441與光纖第一端部510配合，如圖4e所示的那樣。換種說法，小的球透鏡設置於出口端。上述光纖端部設置於該球透鏡的焦點處。該小的球透鏡用於增加出口端表面尺寸並且將光聚焦在光纖端部。這會增加出口端的光纖的耦合效率。

在一些實施方式中，通過光纖第一端部510接收的光基本上位於光纖接收錐的內部。在一些實施方式中，通過光纖第一端部510接收的光全部位於光纖接收錐的內部。在一些實施方式中，由上述耦合器400能夠實現的上述LED模塊300中的一個或多個LED和上述光纖第一端部510之間的耦合效率優選大於90％。在更優選的實施方式中，上述耦合效率大於95％。在最優選的實施方式中，上述耦合效率大於97％。

在圖4f的實施方式中，耦合器400包括擴散元件480和聚焦透鏡490。由LED模塊300發出的光由擴散元件480接收，其一般使由LED模塊300發出的寬光錐準直化。聚焦透鏡490從擴散元件480接收光並且使所接收的光聚焦或變窄，以便將較窄的或較緊湊的光錐提供給光纖第一端部510。

在圖4g的實施方式中，成對的LED，即，LED一331和LED二332發光，以便從反射透鏡492處反射，從而由聚焦透鏡490接收。聚焦透鏡490進而將光在光纖第一端部510處發送給光纖500。

在圖5的實施方式中，一組3個球透鏡按照從3個LED而接收3個發射光的方式構成，該3個發射光為一組。更具體地說，3個LED中的每個，即，LED一331，LED二332，LED三333將相應的LED一輸出341，相應的LED二輸出342，相應的LED三輸出343發射到相應的球透鏡一461，球透鏡二462，球透鏡三463，其中3個發射光在光纖第一端部510處進入光纖500之前聚焦成一個合併的耦合器輸出光486。在一個實施方式中，LED一331，LED二332，LED三333選自紅，綠，藍的主色，即提供3個LED，各自分別發出紅，黃，藍光。

圖6提供一種擴散光纖500的設計，其可以例如用於照明和顯示目的。在上面公開的任何耦合設計可用在光纖500的成對的端部。在圖6中，通過兩個相應的LED模塊300中的每一個產生光，兩個成對的積分球450中的每一個將該光引導到光纖500的相對端部。這樣的結構使耦合到光纖芯層區域中的光的總量增加或者提供顏色混合。在一個實施方式中，高反射的反射鏡或其它的光學元件(比如，球透鏡)設置於該光纖的一個或多個端部。過量的照明光可被反射回來用於沿著光纖芯層進行二次擴散輻射。

電源600可以是對於本領域的技術人員所知曉的任何電源，比如，標準壁裝電源插座，個人計算機，或手提電腦，並且可為無線連接。對於其它的事項，電子器件200從所採用的電源接收電力，以便對LED模塊300的一個或多個LED進行供電，並對其進行控制。

在一個實施方式中，上述裝置100包括其本身的電源，諸如鋰電池的電池，以便對一個或多個LED進行供電，並且提供在上面公開的任何組的功能。

在一個實施方式中，可將經拋光的(內表面)金屬管/錐嵌入光纖或錐形件中。該錐狀的內表面將光從微米尺寸的LED或LED陣列導向到光纖。該方法可增加多個微米尺寸的LED的容量。

參照圖1～6，圖7表示說明光耦合系統100的列舉性使用方法的流程圖。一般來說，該方法700開始於步驟704，結束於步驟728。

在上述方法700中的步驟708，上述裝置100與電源600接合併且接收電源中的電力682。該電力在電子器件第一端部210處由電子器件200所接收。在步驟712，啟動LED模塊300中的一個或多個LED，該模塊可包括電源開/關，頻率調製和功率調製。在步驟716，該一個或多個LED將光發送給耦合器400。LED發出的光一般具有大或寬的發光錐和/或大的數值孔徑。

在步驟720，除了其他光學處理外，LED發送的光由耦合器400接收並經過處理，該光被聚焦成具有較窄的或較緊湊的發光錐或較小的數值孔徑，然後發送該經處理的光。在步驟724，從該耦合器400發出的經處理的光由光纖500接收並通過該光纖而發送。然後，該方法在步驟728結束。

在具體的描述中，給出大量的具體細節，以便對公開的技術進行全面的理解。但是，本領域的技術人員理解到，本技術可在沒有這些具體細節的情況下實施。在其它的場合，沒有具體地描述熟知的方法，步驟，部件和電路，以避免使本發明難以理解。

圖8～12公開了一種近程(proximity)傳感器，其用於檢測一個維度，兩個維度或三個維度中的光源位置，該傳感器包括一個或多個擴散的光纖，以及位於(多個)光纖的每個端部處的成對的經校準的光電探測器，該光纖具有均質的擴散介質。光從光源而開始傳播，通過光纖表面而進入特定的擴散光纖。然後通過在上述光纖介質的內部的光擴散過程，光最終到達每個光纖端部。從上述光源到兩個光纖端部的投射距離與在兩個探測器處接收的光功率成比例，即距第一光纖端部的距離與第一光纖處的光功率的乘積等於距第二光纖端部的距離與第二光纖處的光功率的乘積。已知光纖端部的位置，可計算光源的投射位置。上述方法可應用於兩維或三維，其中多個光纖處於正交的取向。對於多個光纖和設計為非均質的擴散光纖，可將多個光源位置與它們的相對運動一起地檢測。可採用本發明的應用包括，比如，要求光學傳感器為分布式陣列的應用，其按照傳統方式採用大量的光電二極體或CCD器件。

圖8A～圖8B分別表示已有技術中的普通光纖和擴散光纖。在圖8A中，所有光線通過相對於包層的連續性全內反射而包含在光纖的芯層的內部。在圖8B中，一些光線通過包層的缺陷或間隙而從光纖的芯層射出。從原理上說，本發明涉及與圖8B的方向相反的方向行進或傳播的光，即，光通過包層中的缺陷或間隙而進入光纖。

關注圖9～12，對光纖傳感器系統100和使用方法的實施方式進行描述。

一般來說，光纖傳感器系統100包括光源200，擴散光纖300，設置於光纖300的每個端部處的成對的光電探測器400，信號處理器/控制器500。光源200發出光源光210(L)，該光通過光纖外表面304中的間隙或缺陷而入射到擴散光纖300或由擴散光纖300所接收。(在圖9中，光源光210在光源光纖進入點FE處被接收)。不是所有的從外界或外部光源發出的光都進入光纖300。一般來說，從光源發出的大部分光以相對於光纖的垂直(normal)入射角而進入擴散光纖300，也就是以相對於光纖縱向軸線的直角(如圖所示，比如，在圖10中，光源光210在FEX處進入光纖的角度)。

擴散光纖300可從一個以上的光源，比如光源200以及第二光源220而接收光或光信號/能量，第二光源220發出第二光源的光230。擴散光纖300從外部(或外界)光源，比如，光源200和/或第二光源220，通過表面缺陷(為光源光纖進入點FE的術語)接收光，其中光從該位置進入並行進到光纖300的每個端部。擴散光纖300包括光纖外表面304，光纖第一端部310和光纖第二端部320。一對光電探測器400設置於光纖第一端部310和光纖第二端部320中的每一處；該對光電探測器400中的每一個測量或檢測光纖的相應第一和第二端部的DX1和DX2的光功率水平。

關注圖10，描述了如何確定光源200的光源X距離LSXD(和/或FEX的軸線位置)。光源200發出光源光210，該光中的至少一部分入射到光纖300並且在光源光纖進入點X軸FEX處進入光纖。這樣在FEX處進入的光在每個(相對的)方向上沿光纖300而行進或傳播，最終到達光纖第一端部310和光纖第二端部320中的每一處。光源光210從FEX到相應的光纖第一端部310和光纖第二端部320而行進的距離分別為光距離X1，即LX1，和光距離X2，即LX2。從光源200到光纖300的距離為光源X距離LSXD。為了估計LSXD(或FEX)，在第一和第二端部310，320中的每一處接收的功率(power)的測量值是通過光電探測器400而獲得的。設置於光纖第一端部310和光纖第二端部320處的光電探測器400中的每一個分別測量經檢測的光功率DX1和經檢測的光功率DX2。光的物理性表明：(LX1)×(DX1)與(LX2)×(LX2)成比例。光纖300的幾何形狀表明x軸光纖的總長度FX＝(LX1)+(LX2)。於是，這兩個公式可解出LX1和LX2中的每一個，以及因此解出FEX的位置。可採用DX1和DX2(單獨，之和，或比值)中的一個或多個值來計算LSXD。比如，LSXD可與在第一和第二光纖端部每個處接收的總功率(power)相關。這樣的相關性可通過已知的光源和給定FEX的已知距離LSXD的校準而確定。上述計算通過信號處理器/控制器500而進行。

如圖3所描述的那樣，將光源200定位於一個(X)方向的原理可通過添加相對第一光纖而正交地定位或設置的兩個光纖而擴展到3個維度。這就是說，構成笛卡爾參考系統X-Y-Z的一組3個光纖可按照於3個維度而確定光源的位置的方式構成。

更具體地說，聚焦於圖11，3個光纖，FX，FY和FZ相互正交地設置，每個光纖具有相應的光源軸線進入點FEX，FEY和FEZ。光進入每個相應的軸線進入點並且在軸線上傳播到光纖的每個端部，其中光入射到光電探測器上，此外該光電探測器測量光功率。更具體地說，光源200沿幾個方向中的任何方向而發出光，其可作為矢量而在3個正交方向，即，在數學上由x軸分量LSX，y軸分量LSY以及z軸分量LSZ構成。該3個軸分量LSX，LSY，LSZ中的每個在相應的位置FEX，FEY，FEZ處進入相應的光纖FX，FY，與FZ，然後分叉或分束，以便傳播到每個相應的光纖端部。也就是說，光源的x軸分量LSX在光源光纖進入點x軸的FEX處進入x軸光纖FX，並傳播到每個端部，最終入射到定位於每個端部處的光電探測器，在此處，分別測量探測到的光功率DX1和DX2的光功率值。類似地，光源的y軸分量LSY在光源光纖進入點y軸的FEY處進入y軸線光纖FY，並傳播到每個端部，最終入射到定位於每個端部處的光電探測器，在此處，分別測量探測到的光功率DY1和DY2的光功率值。另外，光源的z軸分量LSZ在光源光纖進入點z軸的FEZ處進入z軸光纖FZ，並傳播到每個端部，最終入射到定位於每個端部處的光電探測器，在此處，分別測量探測到的光功率DZ1和DZ2的光功率值。

對於給定的光纖FX，FY和FZ，每對光功率測量值用於確定FEX，FEY和FEZ的相應位置，如針對圖9和圖10的一個軸線光纖實施方式而在上面所描述的那樣。類似地，如針對圖9和圖10的單個光纖結構而在上面描述的那樣，可在給定光電探測器測量值的情況下，建立相關性，以便確定光源的x距離LSXD(光源200到x軸光纖FX的垂直或正交距離)，光源的y距離LSYD(光源200到y軸光纖FY的垂直或正交距離)，光源的z距離LSZD(光源200到z軸光纖FZ的垂直或正交距離)。上述的計算可通過信號處理器/控制器500來完成。

圖11表示圖9和圖10的光纖傳感器系統例舉性的使用方法。一般來說，該方法500開始於步驟504，結束於步驟532。

在步驟508，將光纖定位於將被探測的目標外部光源的視線範圍內。該光纖可安裝在外部結構上或通過該外部結構而安裝。在步驟512，對光纖進行校準。該校準包括幾何校準(比如，光纖的總長度的測量)，對設置在光纖的每個端部處的成對的光電探測器中的每一個進行校準，以及針對已知位置和/或已知光源功率(例如到光纖的軸向距離)和已知光源類型(比如，可見波段光源，IR光源，等等)，校準光電探測器的測量光功率。

在步驟516，通過擴散光纖以第一軸向距離而接收光。該接收的光通過光纖的光學包層並且傳播到光纖的每個端部。在步驟520，設置於光纖的每個端部處的成對的光電探測器中的每一個測量所探測到的光功率。在步驟524，將該對光電探測器的測量值連同校準數據(比如，光纖的總長度)一起而進行比較。在步驟528，步驟524的比較數據用於確定外部光源的第一軸向距離。上述方法500在步驟532結束。

在一些實施方式中，光收發器(transceiver)代替位於光纖端部的光學檢測器。在一些實施方式中，擴散光纖作為全向自由空間光收發器(transceiver)模塊而構成，以便在視線範圍內在光纖端部和任何其它的光學信號模塊之間發送/接收光學信號；這樣的實施方式可應用於比如Li-Fi，光學遠程控制裝置等等。

在一些實施方式中，上述接收的或檢測的外部或外界光包括一個以上的波長，比如，可見光波段和IR波段。在一些實施方式中，上述擴散光纖具有確定的，或限定的擴散軸向部分，其保持為常規的或標準的(非擴散的)光纖。在一些實施方式中，採用一個或多個外部傳感器，以便協助或幫助外部光的檢測和/定位計算。比如，溫度傳感器或溼度傳感器可有助於接收的光的處理，以便比如，通過上述系統100的信號處理器/控制器500改善信噪比閾值和/或改善信號處理。在一些實施方式中，上述系統100被構造為確定光源的動態數據，比如，速度和加速度。

在一個實施方式中，上述系統100包括其自己的電源，諸如鋰電池的電池，以便對光電探測器400和/或信號處理器/控制器500進行供電。

雖然實施方式不限於此方面，但是採用術語，比如，「處理」，「計算機計算」，「計算」，「確定」，「建立」，「分析」，「檢查」，或類術語的討論可指計算機的(多個)操作和/或(多個)處理，計算平臺，計算系統，通信系統或子系統，或其它的電子計算裝置，其將計算機的寄存器和/或存儲器內部的作為物理(比如，電子的)量而表示的數據操作和/或轉換成其它的數據，該其它的數據以類似的方式作為物理量而在計算機的寄存器和/或存儲器內部，或可存儲執行操作和/或處理的其它的信息存儲介質的內部進行表示。

雖然實施方式不限於此方面，但是象在這裡所採用的那樣的術語「多個」和「複數」可包括比如，「若干」或「兩個或更多個」。術語「多個」和「複數」可在本說明書的通篇中使用，以便描述兩個或更多個部件，裝置，元件，單元，參數，電路，或類似物。比如，「多個站」可包括兩個或更多個站。

給出在通篇文件中使用的某些詞和術語的定義這一點是有益的，這些詞和術語的定義為：術語「包括」和「包含」，以及它們的派生詞指沒有限定的包括；術語「或者」是包括在內的含義，和/或；術語「與......有關」和「與此有關」以及它們的派生詞可指包括，包括在內，與......相互連接，通過......相互連接，包含，包含在內，與或通過......連接，與或通過......結合，與......連通，與......配合，交錯，並列，緊接於，與或通過......繫結，具有，具有......的特性，或類似術語；術語「控制器」指任何裝置，系統，或控制至少一部分的它們的部分，比如，裝置可通過硬體，電路，固件，或軟體或上述中的至少2者的一些組合而實施。應注意到，可對與任何特殊的控制器有關的功能進行集中化或分布化處理，無論是當地或遠程。

貫穿本文件而提供某些詞和用語的定義，本領域的技術人員應理解到，在許多場合，如果不是多數場合，這樣的定義應用於這樣定義的詞和用語的過去，以及將來的使用。為了說明的目的，提供許多細節，以便對本發明的全面的理解。但是，應知道，本發明可以超出在這裡給出的特定的細節之外的多種方式而實施。

另外，應理解到，各種連結(針對它，在圖中沒有示出連接部件的場合)包括連接部件的通信通道(多個)，其可為有線或無線的連結，或任何它們的組合，或能夠將數據提供給和/或通過通信而發送給已連接的部件和從已連接的部件而提供和/或通過通信而發送數據的任何其它的已知的，或之後研發的部件(多個)。在這裡所採用的術語「模塊」可指能夠實現與上述部件有關的功能的，任何已知的或之後研發的硬體，電路，電路系統，軟體，固件，或它們的組合。如在這裡所採用的那樣的術語「確定」，計算，計算機計算和它們的變化形式可相互交換地使用，其包括方法，過程，技術，精確操作或協議。

另外，在這裡描述的列舉性的實施方式中的一些面對實現某些功能的發送器的發送器部分，或現某些功能的發送器的接收器部分，但是本發明打算包括分別在上述相同發送器和/或另一接收器中或反之中的相應的和互補的發送器側或接收器側的功能。

雖然已相對於事件的特別程序，對上述的流程圖進行了描述，但是應理解到，該程序的變化可不確實地實現上述實施方式(多個)的操作的情況下發生。另外，事件的確實的程序不需要象在上述例舉性的實施方式中提出的那樣發生。還有，在這裡描述的上述例舉性的技術不限於上述特別說明的實施方式，還可用於其它的例舉性的實施方式，每個描述的特徵可單獨地和分別地要求權利要求的保護。

還有，上述系統，方法和協議(protocol)可實施，以便改善特殊目的的計算機，經過編程的微型計算機或微型控制器和(多個)周邊集成電路元件，ASIC或其它的集成電路，數位訊號處理器，硬布線電子或邏輯電路，比如，擴散的元件電路，經過編程的邏輯裝置，比如，PLD，PLA，FPGA，PAL，數據機，發送器/接收器，任何比較器，或類似物中的一個或多個。一般，能夠實現狀態設備的任何裝置可從在這裡描述的本發明的各種通信方法，協議(protocol)，技術而獲益，其中，該狀態設備進而能夠實現在這裡描述的方法。

在這裡描述的上述處理器的例子可包括不限於此的，下述類型的處理器中的至少一者，該下述處理器為：高通驍龍800和801；高通驍龍610和615，其帶有4G LTE集成和64比特計算；蘋果A7處理器，其具有64比特結構；蘋果M7運動協處理器；三星Exynos系列；英特爾酷睿處理器系列，英特爾至強處理器系列；英特爾凌動處理器系列；英特爾安騰處理器系列英特爾酷睿i5-4670K和i7-4770K 22nm Haswell；英特爾酷睿i5-3570K 22nm Ivybridge；AMD的FX處理器系列；AMD的FX-4300，FX-6300，和FX-8350 32nm Vishera，AMD的Kaveri處理器；德州儀器Jacinto C6000TM車用影音娛樂系統處理器；德州儀器OMAP汽車級移動處理器；ARMCortex-M處理器，ARM的Cortex-A和ARM926EJ-S處理器，博通的AirForce BCM4704/BCM4703無線路由處理器；AR7100無線網絡處理單元，其它的產業等同的處理器，上述處理器的例子可採用任何已知的，或未來研發標準，指令組，庫，和/或結構而執行計算功能。

此外，上述公開的方法可通過軟體而容易實施，該軟體採用對象，對象取向的軟體發展環境，該環境提供可用於多種計算機或工作站平臺的可移動原始碼。作為替換方式，上述公開的系統可局部或全部地通過採用標準邏輯電路或VLSI設計而硬體而實施。軟體或固件是否用於實施該實施方式的系統取決於該系統的速度和/或效率要求，特殊功能，正在使用的特殊軟體或硬體系統或微處理器或微型計算機系統。在這裡說明該通信系統，方法和協議(protocol)可容易通過硬體和/或軟體而由本應用的領域的普通技術人員，根據在這裡提供的功能描述，藉助計算機和通信技術的普通基本知識來實施，該硬體和/或軟體採用任何已知的，或之後研發的系統或結構，裝置和/或軟體。

另外，上述公開的方法可容易通過軟體和/或固件而容易實施，其可存儲於存儲介質中，以便改善與控制器和存儲器配合的經過編程的普通目的的計算機，特殊目的的計算機，微處理器，或類似裝置的性能。在這些場合，上述系統和方法可作為裝載於個人計算機中的程序，作為位於伺服器或計算機工作站中的資源，作為裝載於指定的通信系統或系統部件，或類似物而實施，該裝載於個人計算機中的程序為比如，Java程序，JAVA.RTM.或CGI腳本(script)。該系統還可通過以物理方式將該系統和/方式組合到軟體和/或固件系統中，比如，通信收發器的硬體和軟體系統的方式設施。

可通過軟體和/或固件完全地或部分地還實施各種實施方式或作為替換方式實施各種實施方式。該軟體和/或固件可採取指令的形式，該指令包含於非臨時的計算機可讀取的存儲介質中。然後，這些指令可通過一個或多個處理器而讀取和執行，以便能夠實現在這裡描述的操作的性能。該指令可以為任何的適合的形式，比如但是不限於此的原始碼，編譯代碼，解釋代碼，可執行代碼，靜態代碼，動態代碼和類似代碼。這樣的計算機可讀取的介質可包括任何確實的非臨時的介質，比如不限於此的只讀存儲器(ROM)；隨機存取存儲器(RAM)；磁碟存儲介質；光學存儲介質；快閃記憶體，等等，該任何確實的非臨時的介質用於以可通過一個或多個計算機而讀取的形式存儲信息。

於是，顯然，至少提供了光耦合用的系統和方法。雖然結合多個實施方式，對上述實施方式進行了描述，但是，顯然的是，對於本領域的技術人員來說，許多替換方案，改進方案與多個變換方案是顯然而見的。因此，本發明打算包括位於本發明的實質和範圍內的所有這樣的替換方案，改進方案以及多個變換方案。