CN102767793A - 一种光纤照明用led耦合装置 - Google Patents

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苏成悦
付倩
周镇
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Abstract

本发明公开了一种光纤照明用LED光源耦合装置，其包括光筒体，以及放置于光筒体内的椭圆反射器、散热片、LED光源和光纤固定端口，还包括置于光纤固定端口的光纤。LED光源放置于椭圆反射器的左焦点处，光纤入射端面放置于椭圆反射器的右焦点处，光源所发出的光线将被反射到右焦点，耦合进光纤进行传输。LED光源的安装是将两颗LED灯珠安装在柱状散热片体侧。本发明光纤照明用耦合装置耦合光效高、设计加工简单、体积小。

Description

一种光纤照明用LED耦合装置
技术领域
本发明涉及光纤照明应用领域，特别涉及一种光纤照明用LED光源耦合装置。 
背景技术
光纤照明系统因其设计自由度高、使用安全可靠、寿命长和维护简单等优点，成为照明技术的新宠。20世纪80年代低成本高性能聚合物光纤的成功开发，使得光纤照明逐渐普及，且由于其光电分离特性，广泛应用于室内装饰、水景、建筑和易燃易爆等特殊照明场所。LED因其寿命长、能耗低、响应时间短、体积小和耐抗击等优点，被誉为21世纪绿色照明光源。将LED与光纤照明技术有机结合，充分发挥半导体照明和光纤照明的优势，是当今光纤照明的发展趋势。 
传统光源金卤灯等的耦合系统多采用椭圆反射器，LED光源发光特性不同，目前耦合系统多采用透镜组。反射器的光效高达90%以上，有些特殊镀膜的甚至可达95%以上，而常用的PMMA透镜光效最高94%，多透镜叠加后光效将下降到80%左右，甚至更低。反射器耦合系统的效率将高于透镜组耦合系统。 
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种耦合光效高、设计加工简单和体积小的基于椭圆反射器的光纤照明用LED光源耦合装置。 
本发明的技术方案如下： 
一种光纤照明用LED光源耦合装置，其包括光筒体，以及放置于光筒体内的椭圆反射器、LED光源和光纤固定端口；其特征在于所述LED光源放置于椭圆反射器的左焦点处，光纤固定端口位于椭圆反射器的右焦点处。
所述椭圆反射器内设有散热片，所述LED光源安装在散热片两侧。 
所述的椭圆反射器的形状由如下方法确定：结合放置在光纤固定端口的光纤的光纤数值孔径角，采用逼近算法计算得不同偏心率椭圆反射器外形结构，运用切割移位法改进，光学建模仿真得到一组偏心率和光纤直径匹配的耦合装置结构参数。 
所述逼近算法是对于给定椭圆偏心率，任意选取椭圆长半轴，根据椭圆几何结构关系和光纤数值孔径角，计算得椭圆短半轴、切割高度和切割处截面半径；当长半轴选取恰当，则切割处截面半径等于结合反射器大小和系统散热预先设定的反射器开口半径，得椭圆反射器初步外形结构； 
所述切割移位法是将椭圆反射器切割为完全相同的两个椭圆反射片，两个椭圆反射片通过固定件固定在两侧安装有LED光源的散热片两侧，并绕与光轴垂直且过椭圆反射器切割所得两个左焦点的两个轴旋转调整；
所述光学建模仿真是在光学仿真软件中对单一直径光纤建立不同偏心率椭圆反射器耦合装置模型，比较耦合光效，得出偏心率和光纤直径匹配的椭圆反射器。
所述的椭圆反射器为金属材料，内表面电镀有金属薄膜形成反光面。 
所述的散热片采用高导热能力材料制备。 
本发明相对于现有技术具有如下优点和效果：本发明提供一种基于椭圆反射器的光纤照明用LED光源耦合装置，采用逼近算法获得椭圆初步结构参数，保证了光纤端面接受到的光线最大化且不大于光纤数值孔径角，使光纤入射端面接受到的无法有效传输的光线照度最小化，以免损坏光纤端面。将两颗LED灯珠安装在散热片两侧，类似金卤灯的侧发光，便于光线耦合。该椭圆反射器耦合装置具有耦合光效高、设计加工简单和体积小等优点，在诸如室内装饰和矿灯等光纤照明场所具有良好的应用前景。 
附图说明
图1为椭圆反射器耦合装置结构截面图； 
图2 为椭圆反射器耦合装置内部结构立体图；
图3为椭圆反射器结构参数示意图；
图4为椭圆反射器竖直方向移动示意图；
图5为椭圆反射器旋转移动示意图； 
图6为耦合光效和椭圆偏心率关系曲线图；
图7为耦合装置在光纤端面照度分布图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施作进一步的详细描述 
如图1和图2所示，本发明光纤照明用LED光源耦合装置，其包括光筒体1，以及放置于光筒体1内的椭圆反射器2、散热片3、LED光源4、光纤固定端口5，还包括置于光纤固定端口5的光纤6。LED光源4放置于椭圆反射器2的左焦点处，光纤6的入射端面放置于椭圆反射器2的右焦点处。LED光源4安装在散热片3的两侧。
光纤6为直径10mm、数值孔径NA=0.5的大孔径聚合物光纤，则光纤的数值孔径角 
Figure DEST_PATH_IMAGE002A
。 
本实施方式中，所述反射器2通过如下步骤确定： 
    图3为椭圆反射器2的初步结构参数示意图，设开口半径，偏心率选取从0.72到0.92之间变化，步长为0.2。对于给定椭圆偏心率，首先任意选取椭圆长半轴
Figure 2012102387556100002DEST_PATH_IMAGE006
，根据椭圆几何结构关系和光纤数值孔径角，可计算得椭圆短半轴
Figure 2012102387556100002DEST_PATH_IMAGE008
、切割高度
Figure 2012102387556100002DEST_PATH_IMAGE010
和切割处截面半径
Figure DEST_PATH_IMAGE012
。当长半轴
Figure DEST_PATH_IMAGE006A
选取恰当，则切割处截面半径
Figure DEST_PATH_IMAGE012A
等于设定反射器开口半径
Figure DEST_PATH_IMAGE014
，得椭圆反射器2初步结构参数。下表为开口半径
Figure DEST_PATH_IMAGE004A
，不同偏心率椭圆反射器2初步结构参数。
Figure DEST_PATH_IMAGE016
如图4所示，将椭圆反射器切割为完全相同的两个反射片21、22，通过固定件23、24固定在散热片安装LED光源的两侧。 
如图5所示，旋转固定件23、24，使两个反射片21、22倾斜角度，设散热片3的的厚度为
Figure DEST_PATH_IMAGE020
，则
Figure DEST_PATH_IMAGE022
。下表为
Figure DEST_PATH_IMAGE024
不同偏心率椭圆反射器两反射片21、22旋转角度
Figure DEST_PATH_IMAGE018A
。 
偏心率
Figure DEST_PATH_IMAGE026
 0.72 0.74 0.76 0.78 0.80 0.82 0.84 0.86 0.88 0.90 0.92
旋转角度
Figure DEST_PATH_IMAGE018AA
 1.96 1.88 1.79 1.71 1.61 1.52 1.42 1.31 1.19 1.06 0.91
在Tracepro光学仿真软件中，对直径10mm、数值孔径NA=0.5的大孔径聚合物光纤，建立不同偏心率椭圆反射器耦合装置模型，仿真比较耦合光效。耦合光效定义为光纤入射端面接受光通量和光源总光通量比值。耦合光效和椭圆偏心率关系曲线图，如图6所示。当偏心率为0.84时耦合光效最高，达到93.35%，与光纤6高效匹配。 
则耦合装置的反射器2为椭圆偏心率0.84，切割高度4.61mm，切割口径51.98mm，沿中轴线对半切割椭圆反射器，相对移动4mm，再分别绕与光轴垂直且过反射器切割所得两个左焦点的轴线向光轴旋转1.42°。 
散热片3为4mm×4mm×15mm立方体结构。LED光源4放置于椭圆反射器2的左焦点处，即距反射器2顶端7.70mm。光纤6的入射端面放置于椭圆反射器2的右焦点处，即距反射器2顶端88.55mm。反射器旋转角度很小，所带来的前后焦点位移忽略不计。 
如图7所示为该耦合装置在右焦点光纤6的入射端面照度分布图，汇聚光斑能量集中，光斑半径小于光纤6入射端面半径。该耦合装置耦合光效达到93.35%。 

Claims (5)

1.一种光纤照明用LED光源耦合装置，其包括光筒体（1），以及放置于光筒体（1）内的椭圆反射器（2）、LED光源（4）和光纤固定端口（5）；其特征在于所述LED光源（4）放置于椭圆反射器（2）的左焦点处，光纤固定端口（5）位于椭圆反射器（2）的右焦点处。
2.根据权利要求1所述的光纤照明用LED光源耦合装置，其特征在于所述椭圆反射器（2）内设有散热片（3），所述LED光源（4）安装在散热片（3）两侧。
3.根据权利要求1所述的光纤照明用LED光源耦合装置，其特征在于所述的椭圆反射器（2）的形状由如下方法确定：结合放置在光纤固定端口（5）的光纤（6）的光纤数值孔径角，采用逼近算法计算得不同偏心率椭圆反射器外形结构，运用切割移位法改进，光学建模仿真得到一组偏心率和光纤直径匹配的耦合装置结构参数；
所述逼近算法是对于给定椭圆偏心率，任意选取椭圆长半轴，根据椭圆几何结构关系和光纤数值孔径角，计算得椭圆短半轴、切割高度和切割处截面半径；当长半轴选取恰当，则切割处截面半径等于结合反射器大小和系统散热预先设定的反射器开口半径，得椭圆反射器（2）初步外形结构；
所述切割移位法是将椭圆反射器（2）切割为完全相同的两个椭圆反射片，两个椭圆反射片通过固定件固定在两侧安装有LED光源（4）的散热片（3）两侧，并绕与光轴垂直且过椭圆反射器切割所得两个左焦点的两个轴旋转调整；
所述光学建模仿真是在光学仿真软件中对单一直径光纤建立不同偏心率椭圆反射器耦合装置模型，比较耦合光效，得出偏心率和光纤直径匹配的椭圆反射器（2）。
4.根据权利要求3所述的光纤照明用LED光源耦合装置，其特征在于所述的椭圆反射器（2）为金属材料，内表面电镀有金属薄膜形成反光面。
5.根据权利要求3所述的光纤照明用LED光源耦合装置，其特征在于所述的散热片（3）采用高导热能力材料制备。
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