CN109143475B - 一种耦合透镜系统 - Google Patents

Abstract

一种耦合透镜系统，属于照明技术领域。系统包括激光光源、耦合透镜、传输光纤；所述耦合透镜设于所述激光光源和传输光纤之间；所述耦合透镜的进光端和出光端中的至少一端具有自由曲面，所述进光端或出光端具有自由曲面时且具有至少一个自由曲面，使得激光光源发出的不同角度的光线经所述耦合透镜耦合进入传输光纤并在纤芯中心轴处汇聚成一条焦线。本发明适用于大功率激光照明，解决了LED光源发光特点造成的耦合效率低的问题；利用具有自由曲面结构的耦合透镜将光源发出的光以均匀焦线方式耦合进光纤内，避免光纤内单点能量过高而导致烧熔。另外，该系统适用于兼顾成本低廉和传输高效率的近距离，乃至远距离传输。

Description

一种耦合透镜系统

技术领域

本发明涉及照明技术领域，尤其涉及一种用于照明的耦合透镜系统。

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。

现有应用于导光照明的耦合系统包括LED光源、塑料光纤、耦合器件。LED光源发光角度大，其发出的光线靠近主光轴的部分经由耦合透镜（一般为简单的凸透镜）稍作汇聚之后透射在光纤端面上，满足数值孔径的光线耦合进入光纤，并以全反射形式传播。该耦合透镜系统存在以下技术问题：

1、LED光源发光面积大（平方毫米量级），发散角度大（180°*90°），单位空间角的能量密度低；塑料光纤直径1~5mm，相比于LED光源，光纤直径小；一般的耦合透镜实际管控的角度很小。为此，LED光源发出的光线，主要是靠近主光轴的部分光线可被耦合进入光纤。若满足LED光源发光特点，提高耦合效率，需要加大光纤直径，而光纤成本会随直径增大而呈倍数增长。

2、一般的耦合透镜其表面大多呈球面状，球面透镜可将不同角度的光线汇聚成一个焦点，使能量单点集中于光纤，单点能量过高导致光纤易烧熔。加之塑料光纤的材质耐温特性比较差，塑料光纤更易烧熔。

3、塑料光纤端面处理很难，一旦端面角度偏差或表面光滑度不够，会导致端面上造成大量的光纤散射，耦合效率低。

4、塑料光纤的传输损耗太大，进口光纤在150dB/km左右，而国产光纤在250dB/km左右，光在光纤中无法高传输效率且低成本地近距离传输，也无法远距离传输，更别提在远距离传输时同时满足高传输效率和低成本。

实用新型专利CN206563193U公开了一种光纤式激光白光照明装置，并具体公开了装置包括红绿蓝三色激光光源、透镜耦合系统、光纤或光纤束、灯座和灯头；其中，红绿蓝三色激光光源包括红色半导体激光器、绿色半导体激光器和蓝色半导体激光器；红色半导体激光器发出的红色激光、绿色半导体激光器发出的绿色激光和蓝色半导体激光器发出的蓝色激光经过透镜耦合系统聚光后，通过光纤或光纤束传输到灯座，再经过灯头混光后形成白光照明输出。虽然该实用新型专利采用激光光源替代了传统的LED光源，解决了LED光源出光特点导致耦合效率低的问题，并采用大芯径阶跃折射率石英光纤或光纤束，或大芯径梯度折射率石英光纤或光纤束提高激光光源与光纤耦合效率。但是，透镜耦合系统采用的是大功率半导体激光器光纤耦合系统，其内一般采用球面透镜，并未解决球面透镜将各角度光源汇聚于一个焦点造成的单点能量高易烧熔光纤的问题。

发明内容

本发明针对现有技术存在的问题，提出了一种耦合效率高、可靠性高、传输效率高，且适于远距离传输的耦合透镜系统。

本发明是通过以下技术方案得以实现的：

本发明一种耦合透镜系统，包括激光光源、耦合透镜、传输光纤；所述耦合透镜设于所述激光光源和所述传输光纤之间；所述耦合透镜的进光端和出光端中的至少一端具有自由曲面，所述进光端或出光端具有自由曲面时且具有至少一个自由曲面，使得激光光源发出的不同角度的光线经所述耦合透镜耦合进入传输光纤并在纤芯中心轴处汇聚成一条焦线。作为优选，所述耦合透镜是由至少一个自由曲面和至少一个辅助面构成的单个耦合透镜。

作为优选，所述激光光源为固体激光器、气体激光器、半导体激光器、光纤激光器中的一种。

作为优选，所述耦合透镜满足非成像光学方法和下述方程组设计而成：

其中，

为光源的配光曲线，

表示光源发光面半球的空间角参数，

为目标的能量分布，

确定了目标点在空间中的位置，

表示光学算符，

分别表示折射率和自由曲面。

表示目标能量分布与光源配光曲线之间的映射关系，满足

数值孔径关系，并满足

能量守恒关系的约束；

根据实际映射关系，选择非成像光学中ODE、PDE、剪裁法、流线法、SQM、SMS方法中的一种求方程组数值解；

自由曲面按照张量积，多项式插值，样条曲面方法中的一种构造生成。

作为优选，所述激光光源光型为旋转对称型、快慢轴异型、模式分离型等多种光参数积不同的光型中的一种。

作为优选，所述传输光纤为多模光纤或玻璃光纤。

作为优选，所述传输光纤为带有光纤准直器的传输光纤或不带有光纤准直器的传输光纤。

作为优选，光源发出的不同角度的光线经耦合透镜以满足光纤数值孔径的角度耦合进入传输光纤并在纤芯中心轴处汇聚成一条焦线。

作为优选，所述激光光源，所述耦合透镜与所述传输光纤三者在沿中心光轴对准后通过夹具固定连接封装。

本发明具有以下有益效果：

本发明一种耦合透镜系统，利用激光光源替代LED光源，解决了LED光源发光特点造成的耦合效率低的问题；利用具有自由曲面结构的耦合透镜将光源发出的光均匀成焦线方式汇聚于光纤上，避免光纤内单点能量过高而导致烧熔，并利用玻璃光纤替代塑料光纤更好地提高光纤可靠性；利用玻璃光纤替代塑料光纤，一方面便于光纤连接端面的加工处理，避免端面上产生大量光纤散射，进而降低耦合效率，另一方面适用于兼顾成本低廉和传输高效率的近距离，乃至远距离传输。

附图说明

图1为本发明一种耦合透镜系统的结构示意图；

图2为本发明采用光纤准直器的一种耦合透镜系统的结构示意图。

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。

图1示出了本发明一种耦合透镜系统，系统包括激光光源1、耦合透镜2、传输光纤3。所述耦合透镜2设于所述激光光源1和所述传输光纤3之间。所述激光光源1、所述耦合透镜2与所述传输光纤3通过光路连接。所述激光光源发出的不同角度的光线经耦合透镜2耦合进入传输光纤3。为了提高耦合效率，防止光线逸散使得光线进入传输光纤3以全反射形式传输，光线需要以满足光纤数值孔径的角度耦合进入传输光纤。

所述激光光源1可以为固体激光器、气体激光器、半导体激光器、光纤激光器中的一种。所述激光光源光型为旋转对称型、快慢轴异型、模式分离型等多种光参数积不同的光型中的一种。激光光源发光面积很小（100平方微米量级），发散角度小，能量密度大。相比于LED光源，激光光源发出的光能有效被耦合进入光纤，耦合效率高。

所述耦合透镜2的进光端和出光端中的至少一端具有自由曲面，当所述进光端和出光端中的任意一端具有自由曲面时，且具有至少一个自由曲面。图1、2示出了进光端21和出光端22分别具有一个自由曲面，图中仅为示例说明，并不限于此种情况。也可包括，进光端具有一个自由曲面，出光端为平面；或者反之；还包括进光端或出光端具有一个以上自由曲面等情况。该耦合透镜设计流程如下：

1. 确定采用光源的配光曲线分布

2、确定设计目标能量分布（包括目标性状和对应点的能量）；

3、建立光源到目标的映射关系；

4.根据映射关系确定所使用的方法（ODE,PDE，剪裁法，流线法，SQM，SMS均为配光设计方法的一种，适用于不同的情形）；

5.根据相应的配光设计方法建立相应的数学模型；

6.确定数学模型中的可调参数，并建立各个参数的影响机制；

7.优化参数配比，得到最优的自由曲面数值解；

8.按照各种不同的曲面构造方法得到完整的自由曲面（曲面构造方法有很多，张量积，多项式插值，样条曲面为最常用的三种）。

上述步骤依照下述公式计算：

其中，

表示光源的配光曲线；

表示光源发光面半球的空间角参数，

表示目标面的能量分布；

确定了目标点在空间中的位置，

表示光学算符，是指光线在折射率为的透镜的光学表面上的折射反射作用，

分别表示折射率和自由曲面。

表示目标能量分布与光源配光曲线之间的映射关系，满足

数值孔径关系，并满足

能量守恒关系的约束；

根据实际映射关系，选择非成像光学中ODE、PDE、剪裁法、流线法、SQM、SMS方法中的一种，对上述方程组求数值解；

之后，自由曲面按照张量积，多项式插值，样条曲面方法中的一种构造生成。

本发明采用具有自由曲面结构的耦合透镜，可将激光光源发出的光线汇聚之后在光纤端面成一非常小的光斑并耦合进光纤中。与球面透镜不同，不同角度的光线不再汇聚成一个焦点，而是形成不同的焦点连成一条焦线4，使能量在光纤中的分布是均匀的，避免了单点能量过高导致光纤烧熔。所述耦合透镜采用选用光学玻璃，精度高，透光率高。

所述传输光纤3为多模光纤或玻璃光纤。优选地，所述传输光纤为玻璃光纤，玻璃光纤直径比常规塑料光纤更小（0.1~0.5mm，但是其传输目标为能量光量子）。所述传输光纤3包括纤芯31和设于纤芯31外的包层32。所述纤芯31材质一般为各种玻璃，成本低，可承受能量密度大，单根可承受大于100W功率，传输损耗低，一般为5~20dB/km。该光纤端面可切割，熔接方面，不会因端面处理困难，而降低耦合效率。传输光纤3一端用于与耦合透镜2连接，以将光线耦合进光纤，而另一端用于连接灯头。激光光源1、传输光纤3、耦合透镜2三者在沿中心光轴对准后通过夹具固定封装。然而此种对准方法对精度要求高，为此，传输光纤3与耦合透镜2两者的连接还可通过另一实施方式实现。如图2，所述耦合透镜2与所述传输光纤3通过光纤准直器5连接。所述光纤准直器5为C-lens或G-lens耦合头。所述光纤准直器5在光纤对准上已做了设计，直接采用与传输光纤一体的光纤准直器5与耦合透镜2连接，降低了耦合对准的精度要求，使得连接更简便。可见，所述传输光纤3可选用带有光纤准直器、不带有准直器中的一种传输光纤。

示例：激光光源为半导体激光器，该激光光源为快慢轴异型光型，水平轴方向光束扩散，垂直轴方向光束汇聚。传输光纤采用石英光纤，确定纤芯直径和数值孔径，不带有光纤准直器。根据光源的配光曲线和预设焦线的能量分布建立方程组，由于光源的异型特性，选择ODE方法来求解。数学模型中，可调参数包括透镜进光端与光源的距离，透镜出光端与光纤端面的距离，透镜的直径和厚度。根据仿真结果，得到最优参数配比，并按照所得数值解通过张量积方法构造自由曲面。

本发明系统可适用短距离和远距离传输，尤其是大于100米的远距离传输，传输损耗小，成本低。该系统整体耦合效率在90%以上。

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)

1.一种耦合透镜系统，其特征在于，包括激光光源、耦合透镜、传输光纤；所述耦合透镜设于所述激光光源和传输光纤之间；所述耦合透镜的进光端和出光端中的至少一端具有自由曲面，所述进光端或出光端具有自由曲面时且具有至少一个自由曲面，使得激光光源发出的不同角度的光线经所述耦合透镜耦合进入传输光纤并在纤芯中心轴处汇聚成一条焦线; 所述耦合透镜是由至少一个自由曲面和至少一个辅助面构成的单个耦合透镜; 所述耦合透镜满足非成像光学方法和下述方程组设计而成：

其中，

为光源的配光曲线，

表示光源发光面半球的空间角参数，

为目标的能量分布，

确定了目标点在空间中的位置，

表示光学算符，

分别表示折射率和自由曲面；

表示目标能量分布与光源配光曲线之间的映射关系，满足

数值孔径关系，并满足

能量守恒关系的约束；

根据实际映射关系，选择非成像光学中ODE、PDE、剪裁法、流线法、SQM、SMS方法中的一种求方程组数值解；

自由曲面按照张量积，多项式插值，样条曲面方法中的一种构造生成。

2.根据权利要求1所述的一种耦合透镜系统，其特征在于，所述激光光源为固体激光器、气体激光器、半导体激光器、光纤激光器中的一种。

3.根据权利要求2所述的一种耦合透镜系统，其特征在于，所述激光光源光型为旋转对称型、快慢轴异型、模式分离型多种光参数积不同的光型中的一种。

4.根据权利要求1所述的一种耦合透镜系统，其特征在于，所述传输光纤为多模光纤或玻璃光纤。

5.根据权利要求4所述的一种耦合透镜系统，其特征在于，所述传输光纤为带有光纤准直器的传输光纤或不带有光纤准直器的传输光纤。

6.根据权利要求1所述的一种耦合透镜系统，其特征在于，光源发出的不同角度的光线经耦合透镜以满足光纤数值孔径的角度耦合进入传输光纤并在纤芯中心轴处汇聚成一条焦线。

7.根据权利要求1所述的一种耦合透镜系统，其特征在于，所述激光光源，所述耦合透镜与所述传输光纤三者在沿中心光轴对准后通过夹具固定连接封装。

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