CN110837152B - 一种耦合透镜及其系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种耦合透镜，包括进光端面和出光端面，所述进光端面为利用双锥面法设计成型的能够实现对入射光线进行扩束的扩束曲面，所述出光端面为利用双锥面法设计成型的能够实现对入射光线进行耦合的耦合曲面。还公开一种耦合透镜系统，包括激光光源、耦合透镜以及传输光纤，所述耦合透镜位于所述激光光源和所述传输光纤之间且更靠近于所述传输光纤设置，耦合透镜为上文所述的耦合透镜，能够使得所述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所述传输光纤。本发明能够兼容较多光源，对光源出光发散角度要求不高，同时具备扩束和耦合功能，耦合效果好。

Description

一种耦合透镜及其系统
技术领域
本发明涉及光处理技术领域，尤其涉及一种耦合透镜及其系统。
背景技术
在光通信领域，已知的是使用光学透镜用于激光器二极管与光纤之间的光耦合。光学透镜可以用具有低光耦合效率的便宜的球面透镜和具有高光耦合效率的非球面透镜作为实例。目前，光纤通信已经基本成熟，而将光纤导光应用于照明则是光纤导光技术的一个新发展方向。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，它是一个安全性较高的光源，在安全照明和特殊照明中具有重要地位，与光纤通信一样，光纤导光照明应用同样需要使用到光学透镜。
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，效果呈现主要依赖于光学透镜的光处理，如公开号为CN108692293A的发明专利公开了“一种LED自由曲面透镜”，所述透镜由若干第一反射面和若干第二折射面组成；所述第一反射面设置于所述透镜的底部，所述第二折射面相对所述第一反射面设置于所述透镜的顶部，所述第一反射面围设形成反射面空腔，所述第二折射面围设形成折射面空腔，所述反射面空腔与所述折射面空腔形成透镜空腔。所述透镜空腔的内表面为半球面；所述第二折射面外表面光滑设置；所述第二折射面横截面积从下至上逐渐减小设置。该LED自由曲面透镜，能够实现远近场三花瓣形的限定光型的均匀照明，并且有较高的效率和均匀性。又如公告号为CN206563193U的发明专利公开了“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。
目前，光纤导光通信或照明的光耦合系统中用到的耦合效果较好的光学透镜多半是三透镜组合结构，其主要是用平凹透镜实现扩散作用，用凸平透镜实现准直作用，通过平凹和凸平透镜对慢轴进行扩束来缩小发散角偏差，再通过非球面透镜使激光会聚。
目前，三透镜组合结构的应用中主要存在以下问题：
1.透镜表面一般以球面居多，容易造成不同角度的光线汇聚于一点，单点能量太高容易造成光纤烧熔；
2.透镜均采用球面镜及传统成像凸透镜，对半导体激光器出光发散角有较高要求；
3.封装复杂，需要对准每个透镜，点胶固定，人力物力消耗大，封装复杂且成本高；
4.透镜功能单一，耦合效率较低。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种能够兼容较多光源，对光源出光发散角度要求不高，同时具备扩束和耦合功能，耦合效果好的耦合透镜及其系统。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种耦合透镜，包括进光端面和出光端面，所述进光端面为利用双锥面法设计成型的能够实现对入射光线进行扩束的扩束曲面，所述出光端面为利用双锥面法设计成型的能够实现对入射光线进行耦合的耦合曲面。
进一步地，所述扩束曲面和所述耦合曲面满足非成像光学方法和下述方程组：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE004
为异型光源的配光曲线，/>
Figure DEST_PATH_IMAGE006
表示光源发光面半球的空间角参数，
Figure DEST_PATH_IMAGE008
为目标的能量分布，/>
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确定了目标点在空间中的位置，/>
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表示光学算符，
Figure DEST_PATH_IMAGE014
分别表示折射率和双锥面，/>
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满足双锥面方程，/>
Figure DEST_PATH_IMAGE018
表示目标能量分布与光源配光曲线之间的映射关系，满足/>
Figure DEST_PATH_IMAGE020
主光轴对准重合关系和 />
Figure DEST_PATH_IMAGE022
能量守恒关系的约束。
一种耦合透镜系统，包括激光光源、耦合透镜以及传输光纤，所述耦合透镜位于所述激光光源和所述传输光纤之间且更靠近于所述传输光纤设置，所述耦合透镜包括进光端面和出光端面，所述进光端面为利用双锥面法设计成型的能够实现对入射光线进行扩束的扩束曲面，所述出光端面为利用双锥面法设计成型的能够实现对入射光线进行耦合的耦合曲面，使得所述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所述传输光纤。
进一步地，所述扩束曲面和所述耦合曲面满足非成像光学方法和下述方程组：
Figure DEST_PATH_IMAGE023
其中，
Figure 890988DEST_PATH_IMAGE004
为异型光源的配光曲线，/>
Figure 368980DEST_PATH_IMAGE006
表示光源发光面半球的空间角参数，
Figure 961767DEST_PATH_IMAGE008
为目标的能量分布，/>
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确定了目标点在空间中的位置，/>
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表示光学算符，
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分别表示折射率和双锥面，/>
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满足双锥面方程，/>
Figure 409146DEST_PATH_IMAGE018
表示目标能量分布与光源配光曲线之间的映射关系，满足/>
Figure 202658DEST_PATH_IMAGE020
主光轴对准重合关系和 />
Figure 6142DEST_PATH_IMAGE022
能量守恒关系的约束。
进一步地，所述激光光源的光型为快慢轴异型或旋转对称型或模式分离型。
进一步地，所述激光光源光型为多种光参数积不同的光型中的任意一种。
进一步地，所述传输光纤为多模光纤或玻璃光纤。
进一步地，所述传输光纤为多模光纤，其折射率为阶跃型或梯度型。
进一步地，所述传输光纤为纤芯直径为50um、62.5um、105um中的任意一种多模光纤。
进一步地，还包括封装夹具，所述激光光源、所述耦合透镜以及所述传输光纤三者依次沿所述耦合透镜的中心光轴对准并通过所述封装夹具封装固定。
采用上述技术方案后，本发明的有益效果是：
本发明的一种耦合透镜，利用双锥面设计方法形成一个两面均呈双锥面状的透镜，能够实现光源入射光线的先扩束后耦合，且对光源的出光发散角度要求不高，能够兼容多种出光发散角度的光源，尤其是激光光源，能够保证其耦合后的出光光线不集中汇聚于某一点，可避免能量密度过高导致的烧熔现象，实现了单透镜情况下的高耦合效果，后期与其他系统配套使用，不稳定因素少，效果稳定，封装更简单，成本更节约；本发明的一种耦合透镜系统，应用了利用双锥面设计方法成型的耦合透镜于激光光源和传输光纤组成的系统中，实现了激光的充分整形，能够高效率、效果好地将激光光源发射的大部分光线耦合进入传输光纤，能够避免传输光纤的烧熔，实现了更远距离的高效率、低成本的光线传输；系统还利用封装夹具进行了封装固定，提高了系统激光传播的稳定性，出光效果好，能够满足近距离甚至远距离照明、通信等多种场景应用，结构简单，适合大批量生产要求，应用成本节约。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术的技术方案，附图如下：
图1为本发明实施例1提供的一种耦合透镜的结构示意图；
图2为本发明实施例2提供的一种耦合透镜系统的结构示意图；
图3为本发明实施例2提供的优选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。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种耦合透镜，选用光学玻璃制成，包括进光端面和出光端面，所述进光端面为利用双锥面法设计成型的能够实现对入射光线进行扩束的扩束曲面21，所述出光端面为利用双锥面法设计成型的能够实现对入射光线进行耦合的耦合曲面22，所述扩束曲面21和所述耦合曲面22肉眼均呈现双锥面状，双锥面法设计为常规的数学方法，实际应用可参考王川婴， 邹先坚， 韩增强在岩石力学和工程学报上发表的《基于双锥面镜成像的钻孔摄像系统研究》一文或者参考现有技术中双锥面二次包络环面蜗杆副设计。
上述耦合透镜为利用双锥面方法设计的非球面透镜，扩束曲面21表面根据光源的配光曲线，利用双锥面设计方法实现光线扩束，达到扩展光束的直径，减小光束的发散角的目的，特别地，能够将异型激光光源的光整形到耦合曲面22，耦合曲面22利用双锥面设计方法实现光线耦合，该耦合透镜可以保证光线不汇聚于一点，从而可避免因能量密度过高而导致的烧熔现象，且仅用一个透镜就实现了先扩束后耦合，对光源的出光发散角度要求不高，能够兼容多种出光发散角度的光源，耦合效果好，封装更简单，成本更低。
具体地，该耦合透镜设计流程如下：
1.确定所应用环境的光源的配光曲线；
2.确定设计目标能量分布情况；
3.确定目标能量分布与光源的配光曲线之间的映射关系；
4.确保光源、耦合透镜以及光线接收对象三者满足光轴对准重合关系和能量守恒关系的约束；
5.根据映射关系确定相适应的双锥面方法求特征曲线；
6.根据特征曲线配置并制作耦合透镜。
依据上述步骤，一具体实施方式下，所述扩束曲面21和所述耦合曲面22满足公式可表达为：
Figure DEST_PATH_IMAGE024
其中，
Figure 511204DEST_PATH_IMAGE004
为异型光源的配光曲线，/>
Figure 809067DEST_PATH_IMAGE006
表示光源发光面半球的空间角参数，
Figure 457087DEST_PATH_IMAGE008
为目标的能量分布，/>
Figure 759367DEST_PATH_IMAGE010
确定了目标点在空间中的位置，/>
Figure 814042DEST_PATH_IMAGE012
表示光学算符，
Figure 233758DEST_PATH_IMAGE014
分别表示折射率和双锥面，/>
Figure 123567DEST_PATH_IMAGE016
满足双锥面方程，/>
Figure 268853DEST_PATH_IMAGE018
表示目标能量分布与光源配光曲线之间的映射关系，光源、耦合透镜以及光线接收对象三者满足/>
Figure 623873DEST_PATH_IMAGE020
主光轴对准重合关系和 />
Figure 765004DEST_PATH_IMAGE022
能量守恒关系的约束。
利用上述方法计算获得的参数应用于所述扩束曲面21和所述耦合曲面22的设计，能够获得与光源适配性更好的双锥面耦合透镜，且靠近传输光纤端面使用该耦合透镜，能够保证光线不汇聚于一点，从而避免因能量密度过高而导致的光纤烧熔现象。且相比于现有技术中的自由曲面透镜，设计和加工更趋简单，成本也更低。
实施例2
如图2所示，本实施例提供一种耦合透镜系统，应用实施例1所述的耦合透镜用于光线的耦合传输，具体地，系统包括激光光源1、耦合透镜2以及传输光纤3，所述耦合透镜2位于所述激光光源1和所述传输光纤3之间且更靠近于所述传输光纤3设置，具体地，所述耦合透镜2包括进光端面和出光端面，所述进光端面为利用双锥面法设计成型的能够实现对入射光线进行扩束的扩束曲面21，所述出光端面为利用双锥面法设计成型的能够实现对入射光线进行耦合的耦合曲面22，所述扩束曲面21和所述耦合曲面22肉眼均呈现双锥面状，能够使得所述激光光源1发出的不同角度的光线经所述耦合透镜2耦合进入所述传输光纤3。基于耦合透镜2的特性，该系统耦合效率高，且耦合光不集中汇聚于某一点，而是形成不同的焦点连成一条焦线汇入传输光纤3，使能量在传输光纤3中的分布是均匀的，传输光纤3的端面可避免烧熔现象。
进一步地，所述扩束曲面21和所述耦合曲面22满足非成像光学方法和下述方程组：
Figure 447003DEST_PATH_IMAGE023
其中，
Figure 77704DEST_PATH_IMAGE004
为激光光源1处出射的异型光源的配光曲线，/>
Figure 779075DEST_PATH_IMAGE006
表示光源发光面半球的空间角参数，/>
Figure 222433DEST_PATH_IMAGE008
为目标的能量分布，/>
Figure 699550DEST_PATH_IMAGE010
确定了目标点在空间中的位置，
Figure 268197DEST_PATH_IMAGE012
表示光学算符，/>
Figure 830766DEST_PATH_IMAGE014
分别表示折射率和双锥面，/>
Figure 897989DEST_PATH_IMAGE016
满足双锥面方程，
Figure 495192DEST_PATH_IMAGE018
表示目标能量分布与光源配光曲线之间的映射关系，激光光源1、耦合透镜2以及传输光纤3三者满足/>
Figure 681411DEST_PATH_IMAGE020
主光轴对准重合关系和
Figure 964232DEST_PATH_IMAGE022
能量守恒关系的约束。
利用上述方案，可为激光光源1量身定制匹配性高的耦合透镜。
所述激光光源1的光型为快慢轴异型或旋转对称型或模式分离型。
或者所述激光光源1光型为多种光参数积不同的光型中的任意一种。
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3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包括纤芯和设于纤芯外的包层。所述纤芯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3一端正对耦合透镜2，以将光线耦合进光纤，而另一端则可连接灯头用于照明。
或者优选地，所述传输光纤3为多模光纤，其折射率为阶跃型或梯度型。对于梯度型多模光纤来说，芯的折射率于芯的外围最小而逐渐向中心点不断增加，从而减少讯号的模式色散，而对阶跃型光缆来说，折射率基本上是平均不变，而只有在包层表面上才会突然降低。阶跃型光纤一般较梯度型光纤的带宽低。综上，根据耦合透镜系统应用环境的不同，选择相应的折射率类型。
所述传输光纤3优选为纤芯直径为50um、62.5um、105um中的任意一种多模光纤。
如图3所示，系统还包括封装夹具4，所述激光光源1、所述耦合透镜2以及所述传输光纤3三者依次沿所述耦合透镜2的中心光轴对准并通过所述封装夹具4封装固定。
综上，本方案的系统，应用了利用双锥面设计方法成型的耦合透镜于激光光源和传输光纤组成的系统中，且耦合透镜的设置为单透镜形式，不仅实现了激光的充分整形，能够高效率、效果好的将激光光源发射的大部分光线耦合进入传输光纤，能够避免传输光纤的烧熔，还封装简单，实现了更远距离的高效率、低成本的光线传输；此外，系统还利用封装夹具进行了封装固定，提高了系统激光传播的稳定性，出光效果好，能够满足近距离甚至远距离照明、通信等多种场景应用，结构简单，适合大批量生产要求，应用成本节约。
一具体实施方式如下：激光光源1为半导体激光器，该激光光源1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3采用FC光纤接头的多模光纤，耦合透镜2为根据半导体激光器的配光曲线和预设耦合目标点的能量分布建立方程组，利用双锥面方法求解获得的透镜参数进行设计的透镜，光线从半导体激光器处出射，先经过耦合透镜2的扩束曲面21进行光线的充分扩束，然后再经过耦合曲面22的耦合作用，使得半导体激光器处出射的不同角度的光线不再如常规透镜一样汇聚成一个焦点，而是形成不同的焦点连成一条焦线，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。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (8)

1.一种耦合透镜，其特征在于，包括进光端面和出光端面，所述进光端面为利用双锥面法设计成型的能够实现对入射光线进行扩束的扩束曲面，所述出光端面为利用双锥面法设计成型的能够实现对入射光线进行耦合的耦合曲面；
所述扩束曲面和所述耦合曲面满足非成像光学方法和下述方程组：
Figure QLYQS_1
其中，
Figure QLYQS_3
为异型光源的配光曲线，/>
Figure QLYQS_5
表示光源发光面半球的空间角参数，
Figure QLYQS_8
为目标的能量分布，/>
Figure QLYQS_4
确定了目标点在空间中的位置，/>
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表示光学算符，/>
Figure QLYQS_9
分别表示折射率和双锥面，/>
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满足双锥面方程，/>
Figure QLYQS_2
表示目标能量分布与光源配光曲线之间的映射关系，满足/>
Figure QLYQS_6
主光轴对准重合关系和/>
Figure QLYQS_10
能量守恒关系的约束。
2.一种耦合透镜系统，其特征在于，包括激光光源、耦合透镜以及传输光纤，所述耦合透镜位于所述激光光源和所述传输光纤之间且更靠近于所述传输光纤设置，所述耦合透镜包括进光端面和出光端面，所述进光端面为利用双锥面法设计成型的能够实现对入射光线进行扩束的扩束曲面，所述出光端面为利用双锥面法设计成型的能够实现对入射光线进行耦合的耦合曲面，使得所述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所述传输光纤；
所述扩束曲面和所述耦合曲面满足非成像光学方法和下述方程组：
Figure QLYQS_12
其中，
Figure QLYQS_15
为异型光源的配光曲线，/>
Figure QLYQS_18
表示光源发光面半球的空间角参数，/>
Figure QLYQS_21
为目标的能量分布，/>
Figure QLYQS_14
确定了目标点在空间中的位置，/>
Figure QLYQS_16
表示光学算符，/>
Figure QLYQS_19
分别表示折射率和双锥面，/>
Figure QLYQS_22
满足双锥面方程，/>
Figure QLYQS_13
表示目标能量分布与光源配光曲线之间的映射关系，满足/>
Figure QLYQS_17
主光轴对准重合关系和/>
Figure QLYQS_20
能量守恒关系的约束。
3.根据权利要求2所述的一种耦合透镜系统，其特征在于，所述激光光源的光型为快慢轴异型或旋转对称型或模式分离型。
4.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多种光参数积不同的光型中的任意一种。
5.根据权利要求2所述的一种耦合透镜系统，其特征在于，所述传输光纤为多模光纤或玻璃光纤。
6.根据权利要求2所述的一种耦合透镜系统，其特征在于，所述传输光纤为多模光纤，其折射率为阶跃型或梯度型。
7.根据权利要求2所述的一种耦合透镜系统，其特征在于，所述传输光纤为纤芯直径为50um、62.5um、105um中的任意一种多模光纤。
8.根据权利要求2所述的一种耦合透镜系统，其特征在于，还包括封装夹具，所述激光光源、所述耦合透镜以及所述传输光纤三者依次沿所述耦合透镜的中心光轴对准并通过所述封装夹具封装固定。
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