CN108613026A - 一种散焦反射式耦合器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种散焦反射式耦合器：包括耦合器（2），耦合器（2）两端分别连接LED光源（1）和光纤（3）；所述耦合器（2）内部中空形成反射腔（4），反射腔（4）呈露珠形；所述耦合器（2）内表面具有旋转对称性。该发明结构简单，成本低，使用方便，能够实现高效率的光线耦合，并保证导光光纤内光线的均匀分布，从而实现在提高光纤能量传输效率的同时避免对光纤造成损伤。

Description

一种散焦反射式耦合器
技术领域
本发明涉及导光照明技术领域，尤其涉及一种散焦反射式耦合器。
背景技术
目前光纤导光技术在通讯领域已经基本成熟，光纤导光照明在一些小功率的装饰照明、信号灯和内窥镜中得到较多的应用，而在大功率照明领域尚存在诸多困难使得难以大规模推广。
大功率光纤导光照明的主要技术困难有以下几个方面：一是LED光源的发光面积和发光角度太大，导致LED光源的光学扩展量偏大，不利于光学设计；二是LED光源的功率密度不够大，导致光纤数量过多，成本上升；三是大功率白光LED的发光特性通常为类朗伯型，导光光纤的直径又不能太粗（粗了会引起光纤的材料成本平方指数增长），直接以致LED芯片和导光光纤之间的耦合器设计困难，耦合率偏低；四是把大功率白光耦合到光纤中，由于能量分布的不均匀性和热效应（或非线性效应）容易引起光纤的烧坏。五是耦合进光纤的光线束的发散角太大，在导光传输过程中反射次数太多造成反射损耗的指数增加。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种散焦反射式耦合器。该发明结构简单，成本低，使用方便，能够实现高效率的光线耦合，并保证导光光纤内光线的均匀分布，从而实现在提高光纤能量传输效率的同时避免对光纤造成损伤。
本发明技术方案：
一种散焦反射式耦合器，包括耦合器，耦合器两端分别连接LED光源和光纤；所述耦合器内部中空形成反射腔，反射腔呈露珠形；所述耦合器内表面具有旋转对称性。
所述耦合器圆形底部固定连接LED光源，耦合器尖端顶部连接光纤；所述LED光源和光纤设置在耦合器中轴线上。
所述耦合器内表面母线连续光滑，曲率分布呈LED光源段大和光纤端小的单调分布特征。
所述耦合器内表面设有反射膜，所述反射膜在可见光、近红外和近紫外光谱范围具有高反射率。
所述LED光源尺寸与光纤直径满足边光原理。
所述耦合器内表面母线在以LED光源为坐标原点，耦合器中轴线为x轴，耦合器中轴线过坐标原点的法线为y轴的坐标系中，由以下反射方程和映射关系共同生成，
其中，P为耦合器内表面上的点，F为焦点，OP为入射光，PF为反射光，为OP与x轴夹角，k为映射系数，表示焦点x坐标与的映射关系；
为入射角，；为反射角，；
是单位法矢量，；
入射光的单位矢量，；
反射光的单位矢量，；
过P点的法矢量→n，。
所述耦合器内表面母线还满足：LED光源的空间光分布为，，其中，是LED光源法向方向（即坐标方向）上的光强。
所述耦合器内表面母线还满足：焦点的坐标，；其中xe是最远端焦点的x坐标，x0是最近端焦点的x坐标。
与现有技术相比，本发明LED光源发出的光线经耦合器反射后进入光纤中的光线束具有发散角小的特征，其中心轴与导光光纤中心轴重合，可以有效降低光纤导光过程中的反射损耗，提高整体导光效率
本发明述LED光源发出的光线经耦合器反射后进入光纤中，不形成单一焦点，而是沿光纤中心轴一定范围内分散分布；使得光能量分布均匀，不易引起光纤的烧坏。
本发明LED光源尺寸与光纤直径满足边光原理，成本可控，LED光源的LED芯片和光纤耦合率高。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明P点坐标图。
附图中的标记为：1-LED光源，2-耦合器，3-光纤，4-反射腔。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但并不作为对本发明限制的依据。
实施例1。
一种散焦反射式耦合器，如图1所示，包括耦合器2，耦合器2两端分别连接LED光源1和光纤3；所述耦合器2内部中空形成反射腔4，反射腔4呈露珠形；所述耦合器2内表面具有旋转对称性。
所述耦合器2圆形底部固定连接LED光源1，耦合器2尖端顶部连接光纤3；所述LED光源1和光纤3设置在耦合器2中轴线上。
所述耦合器2内表面母线连续光滑，曲率分布呈LED光源段大和光纤端小的单调分布特征。
所述耦合器2内表面设有反射膜，所述反射膜在可见光、近红外和近紫外光谱范围具有高反射率。
所述LED光源1尺寸与光纤3直径满足边光原理。
边光原理指的是：若一个具有一定光展的光源发出的光线经过一个或几个序列化的单调正则光学表面的光学作用后投向目标面形成光斑，则整个光学过程具有以下两个性质：一）光源的边光成为光斑的边光，二）光源的内光映射为光斑的内光，并保持光线的拓扑结构不变。参考张航编著的《非成像光学设计》（科学出版社，2016）。
如图2所示，所述耦合器2内表面母线在以LED光源1为坐标原点，耦合器2中轴线为x轴，耦合器2中轴线过坐标原点的法线为y轴的坐标系中，由以下反射方程和映射关系共同生成，
其中，P为耦合器2内表面上的点，F为焦点，OP为入射光，PF为反射光，为OP与x轴夹角，k为映射系数，表示焦点x坐标与光线的映射关系；
为入射角，；为反射角，；
是单位法矢量，；
入射光的单位矢量，；
反射光的单位矢量，；
过P点的法矢量→n，。
所述耦合器2内表面母线还满足：LED光源1的空间光分布为，，其中，是LED光源法向方向（即坐标方向）上的光强。
所述耦合器2内表面母线还满足：焦点的坐标，；其中xe是最远端焦点的x坐标，x0是最近端焦点的x坐标。
工作时，LED光源发出的光线经耦合器反射后进入导光光纤中，进而由导光光纤传导到远端。本发明LED光源发出的光线经耦合器反射后进入光纤中的光线束具有发散角小的特征，其中心轴与导光光纤中心轴重合，可以有效降低光纤导光过程中的反射损耗，提高整体导光效率本发明述LED光源发出的光线经耦合器反射后进入光纤中，不形成单一焦点，而是沿光纤中心轴一定范围内分散分布；使得光能量分布均匀，不易引起光纤的烧坏。本发明LED光源尺寸与光纤直径满足边光原理，成本可控，LED光源的LED芯片和光纤耦合率高。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种散焦反射式耦合器，其特征在于：包括耦合器（2），耦合器（2）两端分别连接LED光源（1）和光纤（3）；所述耦合器（2）内部中空形成反射腔（4），反射腔（4）呈露珠形；所述耦合器（2）内表面具有旋转对称性。
2.根据权利要求1所述的散焦反射式耦合器，其特征在于：所述耦合器（2）圆形底部固定连接LED光源（1），耦合器（2）尖端顶部连接光纤（3）；所述LED光源（1）和光纤（3）设置在耦合器（2）中轴线上。
3.根据权利要求1所述的散焦反射式耦合器，其特征在于：所述耦合器（2）内表面母线连续光滑，曲率分布呈LED光源段大和光纤端小的单调分布特征。
4.根据权利要求1所述的散焦反射式耦合器，其特征在于：所述耦合器（2）内表面设有反射膜，所述反射膜在可见光、近红外和近紫外光谱范围具有高反射率。
5.根据权利要求1所述的散焦反射式耦合器，其特征在于：所述LED光源（1）尺寸与光纤（3）直径满足边光原理。
6.根据权利要求3所述的散焦反射式耦合器，其特征在于：所述耦合器（2）内表面母线在以LED光源（1）为坐标原点，耦合器（2）中轴线为x轴，耦合器（2）中轴线过坐标原点的法线为y轴的坐标系中，由以下反射方程和映射关系共同生成，
其中，P为耦合器（1）内表面上的点，F为焦点，OP为入射光，PF为反射光，为OP与x轴夹角，k为映射系数，表示焦点x坐标与的映射关系；
为入射角，；为反射角，；
是单位法矢量，；
入射光的单位矢量，；
反射光的单位矢量，；
过P点的法矢量→n，。
7.根据权利要求6所述的散焦反射式耦合器，其特征在于，所述耦合器（2）内表面母线还满足：LED光源（1）的空间光分布，，其中，是LED光源法向方向（即坐标方向）上的光强。
8.根据权利要求6所述的散焦反射式耦合器，其特征在于，所述耦合器（2）内表面母线还满足：焦点的坐标满足；其中xe是最远端焦点的x坐标，x0是最近端焦点的x坐标。
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