CN109140260B - 一种光纤光源系统及光源成型方法 - Google Patents

Abstract

一种光纤光源系统及光源成型方法，属于照明技术领域。系统包括按照光路依次连接的光源、耦合器、传输光纤、承接皿；所述传输光纤尾端连接所述承接皿的皿底，所述承接皿的皿口为出光端；所述承接皿包括设于皿底的光线发散层、以及设于光线发散层之上的荧光粉填充结构；光源发出的原色光经耦合器耦合进入传输光纤，从传输光纤出射的原色光经过承接皿底的光线发散层进入荧光粉填充结构，部分原色光激发荧光粉得到激发光，激发光与剩余部分原色光混合成型产生目标光源。方法基于上述系统实现原色光源到目标光源的转换。本发明结构简单，装配便捷，利用耦合导光方式实现光源的嫁接，并通过在承接皿内的荧光粉激发混合调节光型和色温，实现一次配光。

Description

一种光纤光源系统及光源成型方法

技术领域

本发明涉及照明技术领域，尤其涉及一种光纤光源系统及光源成型方法。

背景技术

目前，光纤通信技术在通讯技术领域已经基本成熟，而将光纤导光应用于照明是光纤导光技术的新发展方向。光纤导光照明是一种光电分离的导光照明方式，光纤导光照明输出端没有任何电气设备，因此在具有火险、爆炸性气体的场所，它也是一个安全的光源。

现有光纤照明大都采用LED作为发射光源使用，之后经耦合透镜、光纤、荧光粉装置将光线耦合入光纤并激发荧光，混合后形成白光。然而LED存在下述问题：在一些易燃易爆潮湿的特殊场所应用并不安全；由于LED为面光源，LED发光面积和发散角大，耦合效率低；LED光源存在严重的光衰，光色不稳定等问题。

实用新型专利CN205137223U公开了一种激光无电照明系统，并具体公开了系统包括蓝光LD、耦合镜、聚焦镜a、聚焦镜b、传输光纤、反光杯、荧光粉承载台、平板玻璃；蓝光LD设置在传输光纤的入射端，蓝光LD所照射的激光通过耦合镜、聚焦镜a耦合进入传输光纤，并通过传输光纤向其输出端传输；传输光纤的输出端设置在反光杯内部，传输光纤输出端的光纤耦合头前放置有聚焦镜b，输出激光经过聚焦镜b后实现类平行输出；平板玻璃安装在反光杯杯口处，荧光粉承载台安装在平板玻璃中间，荧光粉承载台与聚焦镜b的位置相对应；荧光粉承载台与聚焦镜b相对面上涂有均匀混合的红绿荧光粉涂覆层，荧光粉承载台的涂覆层为荧光粉涂覆层外表面、荧光粉涂覆层内表面，经过聚焦镜b类平行输出的激光照射在该涂覆层上并激发出荧光。该实用新型虽然用蓝光LD替代LED作为发射光源，解决了LED发光面积大、转换效率低的问题，以及LED经过荧光粉得到白色色温、光型不可控的问题；然而，聚焦镜b产生的类平行光照射在荧光粉承载台上的荧光粉涂覆层上激发出荧光，激发的荧光和蓝光慢反射到反光杯上形成白光以类平行光经过前方的平板玻璃射出，因此利用反光杯、荧光粉承载台、平板玻璃激发产生白色光源的结构复杂。

实用新型专利CN207569688U公开了一种大功率激光照明灯，并具体公开了照明灯包括光源单元、波长转换单元和发射单元，所述反射单元为反光碗，反光碗的出光口和顶部相对设置，所述波长转换单元包括至少两个荧光粉层，每个荧光粉层与反射单元的焦点对应，光源单元包括多个激光源，反光碗上设有多个通光部，每个激光源单元发出的光束透过一个通光部后透射至一个荧光粉层上。该实用新型利用激光光源将光源通过通光部射入反光碗的荧光粉层上，采用反射式激发，仅实现荧光激发，并未实现配光。

发明内容

本发明针对现有技术存在的问题，提出了一种结构简单，在光纤尾端激发荧光并在承接皿内实现一次配光的光纤光源系统及光源成型方法。

本发明是通过以下技术方案得以实现的：

本发明提出一种光纤光源系统，包括按照光路依次连接的光源、耦合器、传输光纤、承接皿；所述传输光纤连接所述承接皿的皿底，所述承接皿的皿口为出光端；所述承接皿包括设于皿底的光线发散层、以及设于所述光线发散层之上的荧光粉填充结构；所述光源发出的原色光经所述耦合器耦合进入所述传输光纤，从传输光纤出射的原色光经过承接皿底的所述光线发散层进入所述荧光粉填充结构，部分原色光激发荧光粉得到激发光，激发光与剩余部分原色光混合成型产生目标光源。

作为优选，所述光源为波长为420nm到480nm范围的蓝光或320nm到400nm的近紫外光光源

作为优选，所述承接皿形状为碗状或者漏斗状；所述承接皿向皿口方向扩展的扩展角大于或等于所述传输光纤的数值孔径角。

作为优选，所述光线发散层底面与所述传输光纤尾端连接，侧面向承接皿边缘朝着荧光粉填充结构方向扩展，顶面与荧光粉填充结构底面连接。

作为优选，所述荧光粉填充结构底面与所述光线发散层结构顶面连接，所述荧光粉填充结构底面根据目标光源所需制定曲面形态，为平面，球面，非球面，自由曲面中的一种；所述荧光粉填充结构顶面与所述承接皿皿口处连接，顶面根据目标光源所需制定曲面形态，为平面，球面，非球面，自由曲面中的一种。

作为优选，所述荧光粉填充结构底面呈向皿口处凸起的曲面，所述荧光粉填充结构顶面呈向皿口外凸起的曲面。

作为优选，填充于所述荧光粉填充结构的荧光粉为RGB三基色荧光粉或黄色荧光粉。

一种基于上述光纤光源系统实现的光源成型方法，改变原色光在荧光粉填充结构中与荧光粉粒子的平均碰撞频率，来调整光纤光源的色温和光型，进而利用光源发出的光线经上述光纤照明系统完成一次配光，在荧光粉顶面产生符合目标的光纤光源。

作为优选，所述改变原色光在荧光粉填充结构中与荧光粉粒子的平均碰撞频率是通过改变荧光粉填充结构的形状的方式，或者通过改变荧光粉浓度的方式，或者上述两种方式相结合实现。

作为优选，当荧光粉为RGB三基色荧光粉时，所述改变原色光在荧光粉填充结构中与三基色荧光粉粒子的平均碰撞频率是通过改变三基色补偿系数的方式实现。

本发明具有以下有益效果：

本发明一种光纤光源系统及光源成型方法，结构简单，装配便捷，利用耦合导光方式实现光源的嫁接，并在承接皿内通过荧光粉激发混合调节光型和色温，实现一次配光。另外，采用承接皿实现透射式荧光激发，并对荧光粉定型、固定、导热，以控制激发光型。

附图说明

图1为本发明一种光纤光源系统的结构框图；

图2为本发明一种光纤光源系统采用第一种荧光粉填充结构的结构示意图；

图3为本发明一种光纤光源系统采用第二种荧光粉填充结构的结构示意图；

图4为本发明一种光纤光源系统采用第三种荧光粉填充结构的结构示意图；

图5为本发明一种光纤光源系统在不同荧光粉填充结构作用下的色温比对图；

图6为发明一种光纤光源系统采用图2、图3、图4所示荧光粉填充结构的光型比对图。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

如图1，本发明一种光纤光源系统，包括按照光路依次连接的光源1、耦合器2、传输光纤3、承接皿4。所述传输光纤3连接承接皿4的皿底，所述承接皿4的皿口为出光端。

所述承接皿4形状为碗状或漏斗状。所述承接皿4向皿口方向扩展，扩展角大于或等于所述传输光纤的数值孔径角。所述承接皿4包括设于皿底的光线发散层41、以及设于所述光线发散层41上的荧光粉填充结构42。所述光线发散层41为一种透明结构，可以是硅胶结构，玻璃结构或空气结构中的一种，光线可在此光线发散层内区域自由发散，便于光线透射入承接皿内。若采用空气填充，所述光线发散层的上表面需要通过薄玻璃层与荧光粉填充结构隔离开来。

所述光线发散层底面与所述传输光纤尾端连接，侧面向承接皿边缘朝着荧光粉填充结构方向扩展，顶面与荧光粉填充结构底面连接。所述光线发散层41增加接触面积提供散热，防止白化，并增加了荧光粉填充结构下表面的自由度。

光源1发出的光线经耦合器2耦合进入传输光纤3端面，从传输光纤3出来的原色光经透射入承接皿4的光线发散层41并激发荧光粉填充结构42内的荧光粉得到激发光，激发光与剩余部分原色光混合成型产生目标光源，所述目标光源自皿口射出。图5示出了采用本发明光纤照明系统在不同荧光粉填充结构下的色温比对图，曲线1代表一种色温随空间角变化的光纤光源，曲线2代表一种色温均匀分布的光纤光源。可见，光纤出光端经填充荧光粉的荧光粉填充结构后可实现对光纤尾端的一次配光。

所述光源1为LED、固体激光器、气体激光器、半导体激光器、光纤激光器中的一种。所述光源1可以为波长为420nm到480nm范围的蓝光或320nm到400nm的近紫外光光源。相应地，当光源为蓝光时，填充于荧光粉填充结构42内的荧光粉为黄色荧光粉；当光源为紫外光（包含近紫外光）时，填充于荧光粉填充结构42内的荧光粉为RGB三基色荧光粉。

所述耦合器2为透镜耦合，或反射器耦合，或上述透镜耦合和反射器耦合两种结合构成的耦合器。所述耦合器2将光源发出的光耦合进光纤。

所述传输光纤3为塑料光纤或玻璃光纤或多模光纤。优选地，所述传输光纤为芯径62.5微米的多模光纤或芯径200微米的玻璃光纤。

所述荧光粉填充结构42底面与所述光线发散层41顶面连接，所述荧光粉填充结构42底面根据目标光源所需制定曲面形态，为平面，球面，非球面，自由曲面中的一种。所述荧光粉填充结构顶面与所述承接皿皿口处连接，顶面根据目标光源所需制定曲面形态，为平面，球面，非球面，自由曲面中的一种。所述荧光粉填充结构顶面和底面的自由度，可通过调整对应单位立体角内光线光程和荧光粉粒子浓度来控制色温和光型。优选地，所述荧光粉填充结构42底面呈向皿口处凸起的曲面，所述荧光粉填充结构42顶面呈向皿口外凸起的曲面。这种方式下，各个方向的光线激发自由程相等，目标光源色温分布均匀，光型简便。

示例1，当光源为LD蓝光光源，荧光粉为黄色荧光粉。光源发出的蓝光经耦合器2耦合到传输光纤3，光纤出来的蓝色原色光激发承接皿4内的黄色荧光粉得到黄色激发光，然后黄色激发光与未被吸收的原色光混合得到白光。

示例2，当光源为近紫外激光光源，荧光粉为RGB三基色荧光粉。光源发出的近紫外原色光经耦合器耦合到光纤，从传输光纤3出来的近紫外原色光激发承接皿内的RGB三基色荧光粉得到三基色激发光，然后按比例混合成白光，成为白光光源。

图2-4分别示出了不同荧光粉填充结构的示例。改变荧光粉填充结构42可控制光纤照明系统的出光光型。图2中所述荧光粉填充结构底面呈向皿口处凸起的曲面，所述荧光粉填充结构42顶面呈向传输光纤凸起的曲面（参见附图标记421）。图3中所述荧光粉填充结构底面呈向皿口处凸起的曲面，所述荧光粉填充结构42顶面于皿口平齐，呈平面状。（参见附图标记422）。图4中所述荧光粉填充结构底面呈向皿口处凸起的曲面，所述荧光粉填充结构42顶面呈向皿口外凸起的曲面（参见附图标记423）。参照图6，图中示出了三种不同结构的色温对比图，图中可见荧光粉填充结构为423结构时，其色温变化较于其他两种结构较稳定。荧光粉填充结构可以为任意结构，只要是荧光粉填充结构42顶面和底面具有一定自由度，不限于上述三种。 荧光粉填充结构可使得光线发散角不同，不同的填充方式对应着不同的配光曲线，根据需要的光型可以设计合适的荧光粉填充结构。

基于上述光纤光源系统可实现的光源成型，通过改变荧光粉填充结构42来改变出光光型。另外，当荧光粉填充结构42一定时，改变荧光粉浓度、比例来调整色温。 本发明光源成型方法，基于上述光纤光源系统实现，改变原色光在荧光粉填充结构中与荧光粉粒子的平均碰撞频率，来调整光纤光源的色温和光型，进而利用上述光纤照明系统完成一次配光，在荧光粉顶面产生符合目标的光纤光源。

所述改变原色光在荧光粉填充结构中与荧光粉粒子的平均碰撞频率可通过下述方式实现，一种是通过改变荧光粉填充结构的形状的方式，可根据需要设计荧光粉填充结构，使其顶面和底面具有不同自由度的曲面形态；一种是通过改变荧光粉浓度的方式；另外，还可以将上述两种方式相结合实现。其中，在调节浓度时，当荧光粉为RGB三基色荧光粉时，还可通过改变三基色补偿系数的方式实现上述改变，并与调节浓度方式相结合。

当所述光源为紫外光源，所述荧光粉填充结构底面呈向皿口处凸起的曲面，所述荧光粉填充结构42顶面呈向皿口外凸起的曲面，所述荧光粉为RGB三基色荧光粉时，若荧光粉填充均匀而色温不一致，调整三基色荧光粉的补偿系数来控制色温。

当所述光源为蓝色光源，所述荧光粉填充结构于皿口处的形状呈向皿底方向凸起的弧状或平面状，所述荧光粉为YAG荧光粉，若荧光粉填充均匀而色温不一致，调整黄色荧光粉在荧光粉填充结构内的浓度来控制色温。如在该荧光粉填充结构的中间使荧光粉粒子浓度更高，以增加光子与粒子的平均碰撞频率来使出射光线的色温保持一致。

当所述光源为紫外光源，所述荧光粉填充结构于皿口处的形状呈向皿底方向凸起的弧状或平面状，所述荧光粉为RGB三基色荧光粉时，调整RGB三基色荧光粉在荧光粉填充结构内的浓度和三基色浓度比例，并调整基色荧光粉的补偿系数来控制色温。如在该荧光粉填充结构的中间使荧光粉粒子浓度更高，以增加光子与粒子的平均碰撞频率来使出射光线的色温尽可能保持一致。同时还需要控制三基色荧光粉的浓度及比例，并利用补偿系数进行温度补偿。最终，使得出射光线色温保持一致。

本领域的技术人员应理解，上述描述及附图中所示的本发明的实施例只作为举例而并不限制本发明。本发明的目的已经完整有效地实现。本发明的功能及结构原理已在实施例中展示和说明，在没有背离所述原理下，本发明的实施方式可以有任何变形或修改。

Claims (7)

1.一种光纤光源系统，其特征在于，包括按照光路依次连接的光源、耦合器、传输光纤、承接皿；所述传输光纤连接所述承接皿的皿底，所述承接皿的皿口为出光端；所述承接皿包括设于皿底的光线发散层、以及设于光线发散层之上的荧光粉填充结构；所述光源发出的原色光经所述耦合器耦合进入所述传输光纤，从传输光纤出射的原色光经过承接皿皿底的所述光线发散层进入所述荧光粉填充结构，部分原色光激发荧光粉得到激发光，激发光与剩余部分原色光混合成型产生目标光源；所述光线发散层底面与所述传输光纤尾端连接，侧面向承接皿边缘朝着荧光粉填充结构方向扩展，顶面与荧光粉填充结构底面连接；所述荧光粉填充结构底面与所述光线发散层顶面连接，所述荧光粉填充结构底面根据目标光源所需制定曲面形态，为球面，非球面，自由曲面中的一种；所述荧光粉填充结构顶面与所述承接皿皿口处连接，所述荧光粉填充结构顶面根据目标光源所需制定曲面形态，为球面，非球面，自由曲面中的一种；所述荧光粉填充结构底面呈向皿口处凸起的曲面，所述荧光粉填充结构顶面呈向皿口外凸起的曲面；所述光线发散层为透明结构，以便于光线透射入承接皿内并在所述光线发散层内自由发散。

2.根据权利要求1所述的一种光纤光源系统，其特征在于，所述光源为波长为420nm到480nm范围的蓝光或320nm到400nm的近紫外光光源。

3.根据权利要求1所述的一种光纤光源系统，其特征在于，所述承接皿形状为碗状或者漏斗状；所述承接皿向皿口方向扩展的扩展角大于或等于所述传输光纤的数值孔径角。

4.根据权利要求1所述的一种光纤光源系统，其特征在于，填充于所述荧光粉填充结构的荧光粉为RGB三基色荧光粉或黄色荧光粉。

5.一种基于上述权利要求1所述光纤光源系统实现的光源成型方法，其特征在于，改变原色光在荧光粉填充结构中与荧光粉粒子的平均碰撞频率，来调整光纤光源的色温和光型，进而利用上述光纤光源系统完成一次配光，在荧光粉顶面产生符合目标的光纤光源。

6.根据权利要求5所述的一种光源成型方法，其特征在于，所述改变原色光在荧光粉填充结构中与荧光粉粒子的平均碰撞频率是通过改变荧光粉填充结构的形状的方式，或者通过改变荧光粉浓度的方式，或者上述两种方式相结合实现。

7.根据权利要求6所述的一种光源成型方法，其特征在于，当荧光粉为RGB三基色荧光粉时，所述改变原色光在荧光粉填充结构中与三基色荧光粉粒子的平均碰撞频率是通过改变三基色补偿系数的方式实现。