CN212005527U

CN212005527U - 一种高耦合效率的led光纤照明装置

Info

Publication number: CN212005527U
Application number: CN202020646787.XU
Authority: CN
Inventors: 任鸿宇; 马国鹭
Original assignee: Southwest University of Science and Technology
Current assignee: Southwest University of Science and Technology
Priority date: 2020-04-26
Filing date: 2020-04-26
Publication date: 2020-11-24
Anticipated expiration: 2030-04-26

Abstract

本实用新型公开了一种高耦合效率的LED光纤照明装置，其包括透镜主体，此透镜主体为抛物线旋转体透镜,以抛物线旋转体沿其中心轴线的两端为左右两端，抛物线旋转体的左右两端分别为球半径不同的球形凹腔和球形凸腔。LED光源安装在左边凹腔且处于抛物线旋转体透镜左边焦点处。右边球形凸腔形成一平凸透镜且平凸透镜的焦点与左侧LED光源重合，以此来汇聚LED光源发散的光束。通过抛物线旋转体透镜的椭圆反射面的反射和平凸透镜的折射，减小LED光源的发散角，提高光源的中心光强，充分利用光纤的纤芯孔径，以此来综合提高光纤照明系统整体的耦合效率。

Description

一种高耦合效率的LED光纤照明装置

技术领域

本实用新型属于光纤照明技术领域，具体涉及一种提高LED光纤照明系统光纤耦合效率的抛物线旋转体透镜。

背景技术

光纤照明系统因其设计灵活、光路传输可调性高、使用安全可靠等优点，受到广泛的关注。同时，也因其光源投射主机与传输光纤光电分离的特性，被广泛用于外景装饰、特种照明以及易燃易爆的特殊场合。

LED因其寿命长、能耗低、响应时间短等优点，被誉为21世纪的绿色照明光源。将LED与光纤有机结合，充分发挥半导体照明和光纤照明的优势，成为当今光纤照明的发展趋势。

光纤照明的基本原理是通过耦合装置把光源发出的光耦合进光纤，利用光纤的光学特性实现光的传输和照明，所以光纤耦合装置耦合效率的高低将直接影响整个照明系统的性能。

在现有的LED光纤照明耦合技术中，由于LED光源发散角大，所以耦合装置多采用透镜组，虽然其汇聚的光斑小，但透镜组光能损失较大，LED输出的光经透镜组后对应的光斑分布区域只占纤芯截面较小的一部分，造成纤芯孔径不能全部用于传输的浪费，导致光纤耦合效率较低。所以改变耦合方式，提高光纤纤芯孔径利用率成为提升LED光纤照明系统的关键所在。

实用新型内容

本实用新型的目的在于，为了克服现有技术光纤耦合技术的瓶颈制约，提供了一种高耦合效率的LED光纤照明装置，光线进入抛物线旋转体透镜经光学变换后，出射光线的光斑区域全覆盖光纤纤芯孔径，整体提高了光纤照明系统的耦合效率。本装置相比于其他光纤耦合装置而言，优点是充分利用了传输光纤的纤芯孔径，降低了耦合难度，整体提升了光纤照明系统的耦合效率。同时，本实用新型建立了光纤耦合的理论模型，针对不同大小的光纤孔径，以及各种复杂的耦合环境，都可根据本实用新型做出相应的数据调整来提高光纤照明系统的耦合效率。

本实用新型目的通过下述技术方案来实现：

一种高耦合效率的LED光纤照明装置，所述LED光纤照明装置至少包括：LED光源、透镜主体和光纤，其中，所述透镜主体为抛物线旋转体透镜，以抛物线旋转体沿其中心轴线的两端为左右两端，所述透镜主体的左端设有球形凹腔，所述透镜主体的右端设有球形凸起部，所述球形凸起部为平透镜；所述LED光源设置于所述透镜主体左端的球形凹腔内，所述光纤设置于所述透镜主体的右端，且所述光纤的端部纤芯截面中心与所述平透镜的焦点位置重合。

根据一个优选的实施方式，所述LED光源与所述平透镜的左端的焦点位置重合。

根据一个优选的实施方式，所述透镜主体的边缘处设有反射面。

根据一个优选的实施方式，所述反射面为全反射反射层。

根据一个优选的实施方式，所述反射面位椭球形层状结构。

根据一个优选的实施方式，所述球形凹腔所对应的球径小于所述球形凸起部所对应的球径。

前述本实用新型主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本实用新型可采用并要求保护的方案；且本实用新型，(各非冲突选择)选择之间以及和其他选择之间也可以自由组合。本领域技术人员在了解本实用新型方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本实用新型所要保护的技术方案，在此不做穷举。

本实用新型的有益效果：通过抛物线旋转体透镜的椭圆反射面的反射和平凸透镜的折射，减小LED光源的发散角，提高了光源的中心光强，充分利用光纤的纤芯孔径，以此实现了综合提高光纤照明系统整体的耦合效率的目的。

附图说明

图1是本实用新型的光纤耦合装置的结构示意图；

图2是本实用新型的光纤耦合光路示意图；

其中，1-LED光源，2-透镜主体，3-反射面，4-平透镜，5-光纤。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点与功效。本实用新型还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本实用新型的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

另外，本实用新型要指出的是，本实用新型中，如未特别写出具体涉及的结构、连接关系、位置关系、动力来源关系等，则本实用新型涉及的结构、连接关系、位置关系、动力来源关系等均为本领域技术人员在现有技术的基础上，可以不经过创造性劳动可以得知的。

实施例1：

参考图1所示，图中示出了一种高耦合效率的LED光纤照明装置。所述LED光纤照明装置至少包括：LED光源1、透镜主体2和光纤5。

优选地，所述透镜主体2为抛物线旋转体透镜。以抛物线旋转体沿其中心轴线的两端为左右两端，所述透镜主体2的左端设有球形凹腔，所述透镜主体2的右端设有球形凸起部，所述球形凸起部为平透镜4。进一步地，所述球形凹腔所对应的球径小于所述球形凸起部所对应的球径。

优选地，所述LED光源1设置于所述透镜主体2左端的球形凹腔内，所述光纤5设置于所述透镜主体2的右端。且所述光纤5的端部纤芯截面中心与所述平透镜4的焦点位置重合。

进一步地，所述LED光源1与所述平透镜4的左端的焦点位置重合。

优选地，所述透镜主体2的边缘处设有反射面3。进一步地，所述反射面3可以为全反射反射层。

优选地，所述反射面3位椭球形层状结构。

参考图1和图2所示。本照明装置具体的光纤耦合过程为：以抛物线旋转体透镜沿其中心轴线的两端为左右两端，左端为凹腔，将半导体LED光源1安装在左边凹腔且处于抛物线焦点处，LED光源1发光传输至抛物线旋转体透镜内，一部分光到达抛物线旋转体透镜反射面3后被反射至右端的平凸透镜4，再经平凸透镜4折射后到达光纤5的端面；另一部分直接到达平凸透镜4，然后经折射后会聚到光纤5的端面。根据LED光源1发射的不同角度，经过抛物线旋转体透镜2的转换后，出射光线的光斑区域全覆盖光纤5端面的纤芯孔径。充分利用光纤的纤芯孔径，从而整体提升LED光纤照明系统的光纤耦合效率。

优选地，根据光纤耦合理论，光源与光纤的耦合条件为：①光源光束直径应小于光纤的纤芯直径，即d_LED＜d_core；②光束的发散角应小于光纤的数值孔径角，即θ_LED＜θ_NA。参考图2分析光束入射耦合的临界状况：(一)出射光路AK、FK为进入光纤5端面的光与x轴的夹角θ_LED恰好为该光纤的数值孔径角θ_NA时的临界光路。即发散到抛物线旋转体透镜反射面3上GA、HF之间的光束可全部耦合进光纤；(二)光路OCM为光线经平凸透镜4折射后刚好到达光纤5外径d_core的临界光路，此时，LED光源1的光路与x轴的夹角为α。即LED光源1发出的光由于抛物线旋转体透镜反射面3及平凸透镜4的光路转换，可实现以一定的角度覆盖光纤5截面的孔径区域，进而实现光纤截面孔径的全覆盖。

光纤耦合模块的工作流程：由前面分析的两种入射的临界情况知LED光源耦合角度范围：(一)当LED光源1的出射光线与x轴夹角小于临界角θ时，此时光线经平凸透镜4折射后，到达光纤5端面时与x轴的夹角小于临界角θ_NA，根据光纤耦合条件知，此时的光线可以进入光纤5；(二)当LED光源1的出射光线与x轴夹角大于θ而小于α时，经平凸透镜4折射后的光线与x轴平行射出，但超出纤芯孔径区域，根据光纤耦合条件可知，此时的光线不能进入光纤5。(三)当LED光源1的出射光线与x轴夹角大于α而小于90°时，光束到达抛物线旋转体透镜反射面3后被反射至右端的平凸透镜4，再经平凸透镜4折射后到达光纤5的端面，根据光纤耦合条件知，此时的光线可以进入光纤5。根据LED光源1可进入光纤耦合的角度范围，即可得出LED光纤照明系统的光纤耦合效率。

根据折射理论，定义n₁,n₂,n₃,n分别为光纤5内芯、外芯、系统所处环境和抛物线旋转体透镜2的折射率，则知n₁﹥n₂，n﹥n₃。根据抛物线理论，建立相应的参考坐标系，使抛物线的焦点与坐标原点重合，由图2易知抛物线GA、HF的方程为：

上式中，d为LED灯珠1的直径。则根据(1)易得平凸透镜曲面AF的方程为：

(x-d/2)²+y²＝r² (2)

上式中，r表示平凸透镜4的半径，f为平凸透镜4的焦距。同时定义光纤的左端面到y轴距离为2f。

根据折射理论，对光路OCM进行分析可知：

上式中，d_co_re为纤芯直径，X_c为C点纵坐标，由(2)易知

则可得

根据折射理论，对出射光路AK进行分析易知：

tanα＝y_A/f (5)

上式中，y_A为A点纵坐标，有临界出射光线AK知y_A＝f·tanθ_NA

根据以上分析，则可得LED光纤照明系统的光纤耦合效率为：

前述本实用新型基本例及其各进一步选择例可以自由组合以形成多个实施例，均为本实用新型可采用并要求保护的实施例。本实用新型方案中，各选择例，与其他任何基本例和选择例都可以进行任意组合。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种高耦合效率的LED光纤照明装置，其特征在于，所述LED光纤照明装置至少包括：LED光源(1)、透镜主体(2)和光纤(5)，

其中，所述透镜主体(2)为抛物线旋转体透镜，以抛物线旋转体沿其中心轴线的两端为左右两端，所述透镜主体(2)的左端设有球形凹腔，所述透镜主体(2)的右端设有球形凸起部，所述球形凸起部为平透镜(3)；

所述LED光源(1)设置于所述透镜主体(2)左端的球形凹腔内，所述光纤(5)设置于所述透镜主体(2)的右端，且所述光纤(5)的端部纤芯截面中心与所述平透镜(3)的焦点位置重合。

2.如权利要求1所述的一种高耦合效率的LED光纤照明装置，其特征在于，所述LED光源(1)与所述平透镜(3)的左端的焦点位置重合。

3.如权利要求1所述的一种高耦合效率的LED光纤照明装置，其特征在于，所述透镜主体(2)的边缘处设有反射面(4)。

4.如权利要求3所述的一种高耦合效率的LED光纤照明装置，其特征在于，所述反射面(4)为全反射反射层。

5.如权利要求3所述的一种高耦合效率的LED光纤照明装置，其特征在于，所述反射面(4)位椭球形层状结构。

6.如权利要求1所述的一种高耦合效率的LED光纤照明装置，其特征在于，所述球形凹腔所对应的球径小于所述球形凸起部所对应的球径。