CN110888209A - 全反射led光纤耦合配光元件及其设计方法 - Google Patents

全反射led光纤耦合配光元件及其设计方法 Download PDF

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Abstract

全反射LED光纤耦合配光元件及其设计方法涉及耦合配光元件技术领域，解决了耦合光斑的直径较大的问题，包括第一透射面、全反射面、准直透射面一、耦合透射面一和耦合透射面二，LED光源的部分光束能够先经准直透射面一准直入射到配光元件内、经耦合透射面一汇聚后聚焦到光纤入射端；LED光源的部分光束能够先经第一透射面入射到配光元件内、再经全反射面反射得到准直光束，准直光束经耦合透射面二汇聚聚焦到光纤入射端。其设计方法，包括准直透射面一、全反射面、耦合透射面一和耦合透射面二的设计工序。本发明充分利用光纤数值孔径，同时减小了光纤直径，降低了成本，有利于LED光纤耦合光源的小型化轻量化的步伐。

Description

全反射LED光纤耦合配光元件及其设计方法
技术领域
本发明涉及耦合配光元件技术领域，具体涉及全反射LED光纤耦合配光元件及其设计方法。
背景技术
光纤照明具有柔性传播的特点，在理论上可以把光线传播到任何地方，满足了实际应用的多元性。同时，光纤对光的传导实现了光电分离，在输出端不带电、无热量、无电磁辐射，极大提高了安全性能。LED光源具有节能环保、可靠性高、无红外辐射等优点，与光纤结合，极大的扩展了光纤照明在生命科学、文物展览、机器视觉等领域的应用。
LED光源的发光角度较大，直接与光纤耦合效率极低。传统的方式采用多球面透镜和非球面透镜组合的耦合方式，但是存在装配难度大和LED光源的能量利用率低的问题，因此常采用配光元件对从LED光源发出的光进行整形，使光束聚焦斑，达到使更多光线进入光纤的目的。但现有的全反射式的LED光纤耦合配光元件均将光线整形为近平行光束，虽然降低了光线发散角度，但导致耦合光斑的直径较大，增大了后续光纤直径。这不仅增加了光纤照明的成本，而且较大的光纤直径制约了其小型化轻量化的步伐，限制了光纤照明市场的进一步拓展。
发明内容
为了解决现有配光元件耦合光斑的直径较大因此导致光纤直径大、增加了光纤照明的成本、制约了光纤小型化轻量化发展的问题，本发明提供全反射LED光纤耦合配光元件及其设计方法。
本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：
全反射LED光纤耦合配光元件，用于将LED光源发出的光聚焦到光纤入射端，所述配光元件的一侧设有凹槽和全反射面，所述凹槽的侧壁为第一透射面、凹槽的底面为准直透射面一，配光元件的另一侧包括耦合透射面一和耦合透射面二；所述全反射面、准直透射面一、耦合透射面一和耦合透射面二均为旋转对称自由曲面，全反射面、准直透射面一、耦合透射面一和耦合透射面二的旋转对称轴相同；
LED光源出射的部分光束能够先经准直透射面一准直且入射到配光元件内、再经耦合透射面一汇聚且从配光元件中出射后聚焦到光纤入射端；LED光源出射的部分光束能够先经第一透射面入射到配光元件内同时光束偏折、再经全反射面反射得到准直光束，准直光束经耦合透射面二汇聚且从配光元件中出射后聚焦到光纤入射端。
全反射LED光纤耦合配光元件的设计方法，包括：准直透射面一的设计工序；全反射面的设计工序；耦合透射面一的设计工序；耦合透射面二的设计工序。
本发明的有益效果是：
本发明全反射LED光纤耦合配光元件能够对LED光源发出的所有光线进行控制整形，大幅提高能量利用率，同时一体化的非球面设计降低了装配难度。其优点在于耦合透射面一和耦合透射面二将光会聚到光纤的入射端面上，在充分利用光纤数值孔径的同时减小了光纤直径，降低了成本，有利于LED光纤耦合光源的小型化轻量化的步伐，进一步拓展了光纤照明市场。
本发明全反射LED光纤耦合配光元件的设计方法采用能量守恒定律和斯涅耳定律，对LED光纤耦合配光元件进行分段设计，使LED光源发出的光聚焦为一个发散角能够和光纤数值孔径匹配的直径很小的光斑，降低光纤直径。
附图说明
图1为基于本发明配光元件的LED光源与光纤耦合原理示意图。
图2为本发明配光元件结构示意图。
图3为本发明配光元件的准直透射面一的设计原理图。
图4为本发明配光元件的全反射面的设计原理图。
图5为本发明配光元件的耦合透射面二设计原理图。
图6为本发明配光元件的耦合透射面一设计原理图。
图中：1、LED光源，2、配光元件，3、光纤，4、准直透射面一，5、圆柱透射面，6、全反射面，7、耦合透射面一，8、耦合透射面二，9、凹槽。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
全反射LED光纤耦合配光元件，用于将LED光源1发出的光聚焦到光纤3入射端，配光元件2包括准直结构和耦合结构，配光元件2为一个整体结构，优选的是配光元件2为一体结构，优选的是准直结构直接连接耦合结构配光元件2。准直结构包括全反射面6和凹槽9，全反射面6的表面镀有内反射膜，入射到全反射面6的光束和全反射面6反射的光束均位于配光元件2内，凹槽9的侧壁为第一透射面、凹槽9的底面为准直透射面一4，凹槽9作为LED光源1容腔，本实施方式中第一透射面为圆柱透射面5，即准直结构包括全反射面6、准直透射面一4和圆柱透射面5，全反射面6、准直透射面一4和圆柱透射面5位于配光元件2本体的一侧，耦合结构包括耦合透射面一7和耦合透射面二8，耦合透射面一7和耦合透射面二8位于配光元件2本体的另一侧，准直透射面一4和圆柱透射面5构成LED光源1容腔，LED光源1容腔为配光元件2上的圆柱形凹槽9，凹槽9的底面为准直透射面一4，凹槽9的侧面为圆柱透射面5。也就是说配光元件2包括全反射面6、准直透射面一4、圆柱透射面5、耦合透射面一7和耦合透射面二8，其中全反射面6、准直透射面一4、耦合透射面一7和耦合透射面二8均为旋转对称自由曲面，全反射面6、准直透射面一4、耦合透射面一7和耦合透射面二8这四个旋转对称自由曲面的旋转对称轴相同，为中心光轴。圆柱透射面5也为旋转对称自由曲面。
如图1为全反射LED光纤耦合配光元件的使用状态和光路图，其中的配光原件为剖面图，LED光源1置于LED光源1容腔中，LED光源1与上述旋转对称轴同轴设置，优选的是LED光源1位于图1的位置-位于LED光源1容腔的腔口处。
如图2为全反射LED光纤耦合配光元件的结构图，为剖面图，中心光轴在剖面上，配光元件2由准直结构和耦合结构组成，准直结构连接耦合结构且二者为一体结构，准直结构的外表面包括顺次连接的准直透射面一4、圆柱透射面5、连接面和全反射面6，耦合结构的外表面包括耦合透射面一7和耦合透射面二8，耦合透射面二8环绕耦合透射面一7，耦合透射面二8连接全反射面6。优选的是耦合透射面一7对应准直透射面一4设置，耦合透射面一7和准直透射面一4均向垂直于圆柱透射面5的平面投影，投影图形重合，垂直于圆柱透射面5的平面为圆柱透射面5围成圆柱的横截面，即为图2中水平方向且垂直于纸面的平面。图2所示的配光元件2具有体积小和耦合效率高的优点。
如图1，LED光源1发出的光束中的部分光束能够先经准直透射面一4入射到配光元件2内，同时经准直透射面一4实现准直，准直后传输至耦合透射面一7，经耦合透射面一7从配光元件2中出射同时发生汇聚，从耦合透射面一7出射后聚焦至光纤3入射端。LED光源1发出的光束的部分光束能够先经圆柱透射面5入射到配光元件2内同时光束偏折，传输至全反射面6上，经全反射面6反射得到准直光束，准直光束在配光元件2内从全反射面6传输至耦合透射面二8，经耦合透射面二8从配光元件2中出射，此时发生了光束汇聚，光束聚焦到光纤3入射端，圆柱透射面5和全反射面6共同实现了部分光束的准直。
全反射面6、准直透射面一4、耦合透射面一7和耦合透射面二8采用非成像光学设计方法进行设计，只要找到曲面上的点的切面方向与该点处出射光线、入射光线的关系，即可迭代求解曲面上的点，设计过程如下：
假设
Figure BDA0002315129140000041
和
Figure BDA0002315129140000042
分别表示入射光线和出射光线的矢量形式，则斯涅耳定律表示为：
Figure BDA0002315129140000043
其中n1和n2分别表示入射光线和出射光线所在材料的折射率。配光元件2材料折射率为n，旋转对称轴作为y轴，旋转对称轴与LED光源1容腔腔口所在平面的交点为坐标原点O点，即LED光源1为O点，在LED光源1容腔腔口所在平面任选一条圆柱透射面5的直径作为x轴，如图3至图6。
对于准直透射面一4，如图3，仅考虑其2D结构，3D实体最终绕其中心对称轴旋转而得。假设θc为(LED光源1发出)入射到准直透射面一4上光束与旋转对称轴的最大夹角。将入射到准直透射面一4上的光线按照入射角度均匀划分为M1份，M1为正整数，则准直透射面一4上的入射光线角度可以表示为
Figure BDA0002315129140000051
而从准直透射面一4出射的光线均为准直光线。将准直透射面一4上的入射光线
Figure BDA0002315129140000052
与准直透射面一4上的出射光线
Figure BDA0002315129140000053
均写为矢量形式，有
Figure BDA0002315129140000054
斯涅耳定律表示为：
Figure BDA0002315129140000055
其中，n11表示准直透射面一4上的入射光线所在材料的折射率，n11＝1，n21表示准直透射面一4上的出射光线所在材料的折射率，n21＝n，
Figure BDA0002315129140000056
表示准直透射面一4的法向矢量，
Figure BDA0002315129140000057
表示x轴方向的单位矢量，
Figure BDA0002315129140000058
表示y轴方向的单位矢量。
设准直透射面一4上点P1的坐标为
Figure BDA0002315129140000059
在曲线上P1点前取一点
Figure BDA00023151291400000510
认为P1'处法向量与P1处的法向量相同。P1点可以看作P1点处入射光线
Figure BDA00023151291400000511
与P1'处的切线的交点，即P1和P1'呈线性关系。已知P1点坐标，根据P1点的法向量可知P1切线，即可得知与P1呈线性关系的P1'点的坐标，根据P1'点的坐标和公式(3)得到
Figure BDA00023151291400000512
和
Figure BDA00023151291400000513
将
Figure BDA00023151291400000514
和
Figure BDA00023151291400000515
代入公式(4)得知P1'点的法向量。也就是说由于ij1确定，根据公式(3)划分的
Figure BDA00023151291400000516
和
Figure BDA00023151291400000517
根据公式(4)可知
Figure BDA00023151291400000518
只要给定起始点P10(x10,y10)，反复迭代可求得多点坐标，得知M1个点坐标值即能够得到轮廓曲线一。具体过程为：S1.1、给定起始点P10(x10,y10)，且起始点的j1＝0，x10＝0，此时起始点作为确定点；S1.2、根据S1.1或S1.3所述的确定点坐标、公式(3)和公式(4)得知确定点的
Figure BDA00023151291400000519
和
Figure BDA00023151291400000520
确定点下一点的入射光线角度ij1对应的j1为确定点的入射光线角度ij1对应的j1加一，根据公式(2)确定点下一点的入射光线角度ij1，根据确定点下一点的入射光线角度ij1和公式(3)得知确定点下一点的
Figure BDA00023151291400000521
认为确定点的
Figure BDA00023151291400000522
为确定点下一点的
Figure BDA00023151291400000523
再根据确定点下一点的
Figure BDA0002315129140000061
得知确定点下一点的坐标(此时确定点下一点的坐标已知，该确定点下一点不再是未知点而是新的确定点)；S1.3判断确定点下一点入射光线角度ij1对应的j1是否等于M1，若不等于，以确定点下一点作为确定点返回S1.2重新执行S1.2和S1.3；若等于，则确定点下一点作为确定点进行S1.4，改点也成为终点，其坐标成为终点坐标，记为P1end(x1end,y1end)，；S1.4、根据S1.1～S1.3中的所有确定点坐标(M1+1个点的坐标)拟合得到轮廓曲线一，即P10(x10,y10)和S1.2求得的坐标，将轮廓曲线一以旋转对称轴y轴旋转360°，得到准直透射曲面一。其中S1.2与S1.3分别共计执行M1次。
对于全反射面6，如图4，同样对入射光线到全反射面6的光束按照入射角度均匀划分为M2份，M2为正整数，有
Figure BDA0002315129140000062
入射光线通过圆柱透射面5折射后入射到全反射面6上，因此对应的折射角rj为：
Figure BDA0002315129140000063
将全反射面6上的入射光线
Figure BDA0002315129140000064
与全反射面6上的出射光线
Figure BDA0002315129140000065
表示为：
Figure BDA0002315129140000066
斯涅耳定律表示为：
Figure BDA0002315129140000067
其中，n12表示全反射面6上的入射光线所在材料的折射率，n22表示全反射面6上的出射光线所在材料的折射率，n12＝n22＝n，
Figure BDA0002315129140000068
表示全反射面6的法向矢量。
设全反射面6上点P2的坐标为
Figure BDA0002315129140000069
在曲线上P2点前取一点
Figure BDA00023151291400000610
认为P2'处法向量与P2处的法向量相同。P2点可以看作P2点处入射光线
Figure BDA0002315129140000071
与P2'处的切线的交点，即P2和P2'呈线性关系。已知P2点坐标，根据P2点的法向量可知P2切线，即可得知与P2呈线性关系的P2'点的坐标，根据P2'点的坐标和公式(7)得到
Figure BDA0002315129140000072
和
Figure BDA0002315129140000073
将
Figure BDA0002315129140000074
和
Figure BDA0002315129140000075
代入公式(8)得知P2'点的法向量。也就是说由于ij2确定，根据公式(7)划分的
Figure BDA0002315129140000076
和
Figure BDA0002315129140000077
根据公式(8)可知
Figure BDA0002315129140000078
只要给定起始点P20(x20,y20)，反复迭代可求得多点坐标，得知M2个点坐标值即能够得到轮廓曲线二。具体过程为：S2.1、给定起始点P20(x20,y20)，且起始点的j2＝0，此时起始点作为确定点；S2.2、根据(S2.1或S2.2所述)的确定点坐标、公式(7)和公式(8)得知确定点的
Figure BDA0002315129140000079
和
Figure BDA00023151291400000710
确定点下一点的
Figure BDA00023151291400000711
对应的j2为确定点的
Figure BDA00023151291400000712
对应的j2加一，根据确定点下一点的
Figure BDA00023151291400000713
对应的j2、公式(6)和公式(7)得知确定点下一点的
Figure BDA00023151291400000714
认为确定点的
Figure BDA00023151291400000715
为确定点下一点的
Figure BDA00023151291400000716
再根据确定点下一点的
Figure BDA00023151291400000717
得知确定点下一点的坐标(此时确定点下一点的坐标已知，该确定点下一点不再是未知点而是新的确定点)；S2.3、判断确定点下一点入射光线角度ij2对应的j2是否等于M2，若不等于，以确定点下一点作为确定点返回S2.2重新执行S2.2和S2.3；若等于，则确定点下一点作为确定点，进行S2.4，该确定点也作为终点，即其坐标成为终点坐标，记为P2end(x2end,y2end)；S2.4、根据S2.1～S2.3中的所有确定点坐标(一共M2+1个点的坐标)拟合得到轮廓曲线二，即P20(x20,y20)和S2.2求得的坐标，将轮廓曲线二以旋转对称轴y轴旋转360°，得到全反射面6。其中S2.2和S2.3分别共执行M2次。
对于耦合透射面二8，如图5，首先确定光纤3入射面中心点G的坐标(0,h)。假设光纤3数值孔径为NA，本实施方式中起始点为P2end(x2end,y2end)，则有：
Figure BDA00023151291400000718
设耦合透射面二8上点P3的坐标为(x3，y3)，对耦合透射面二8在x轴方向的投影均匀划分为M3份，M3为正整数，本实施方式中x1end≤x3≤x2end，则将耦合透射面二8上的入射光线
Figure BDA00023151291400000719
与耦合透射面二8上的出射光线
Figure BDA00023151291400000720
表示为：
Figure BDA0002315129140000081
斯涅耳定律表示为：
Figure BDA0002315129140000082
其中，n13表示耦合透射面二8上的入射光线所在材料的折射率，n13＝n，n23表示耦合透射面二8上的出射光线所在材料的折射率，n23＝1，
Figure BDA0002315129140000083
表示耦合透射面二8的法向矢量。
设耦合透射面二8上点P3的坐标(x3，y3)为
Figure BDA0002315129140000084
在曲线上P3点前取一点
Figure BDA0002315129140000085
认为P3'处法向量与P3处的法向量相同。P3点可以看作P3点处入射光线
Figure BDA0002315129140000086
与P3'处的切线的交点，即P3和P3'呈线性关系。已知P3点坐标，根据P3点的法向量可知P3切线，即可得知与P3呈线性关系的P3'点的坐标，根据P3'点的坐标和公式(10)得到
Figure BDA0002315129140000087
和
Figure BDA0002315129140000088
将
Figure BDA0002315129140000089
和
Figure BDA00023151291400000810
代入公式(11)得知P3'点的法向量
Figure BDA00023151291400000811
也就是说给定一点坐标即起始点为P30(x30,y30)，其他每个待确定点的横坐标确定，确定x轴方向的长度为L3，j3＝0，1，2，3，…，M3，则待确定点的横坐标为x30+j3L3/M3或者是x30-j3L3/M3，本实施方式中L3＝x2end-x1end,光纤3入射面中心点G的坐标(0,h)已知，根据公式(10)划分的
Figure BDA00023151291400000812
和
Figure BDA00023151291400000813
根据公式(11)可知
Figure BDA00023151291400000814
只要给定起始点P30(x30,y30)，反复迭代可求得多点坐标，得知M3个点坐标值即能够得到轮廓曲线三。具体过程为：S3.1、给定起始点P30(x30,y30)，且起始点的j3＝0，此时起始点作为确定点，本实施方式中P30(x30,y30)＝P2end(x2end,y2end)；S3.2、根据S3.1或S3.3所述的确定点坐标、公式(10)和公式(11)得知确定点的
Figure BDA00023151291400000815
和
Figure BDA00023151291400000816
确定点下一点的横坐标对应的j3为确定点的横坐标对应的j3加一，根据确定点下一点的横坐标和公式(10)得知确定点下一点的
Figure BDA00023151291400000817
认为确定点的
Figure BDA00023151291400000818
为确定点下一点的
Figure BDA00023151291400000819
再根据确定点下一点的
Figure BDA00023151291400000820
得知确定点下一点的坐标(此时确定点下一点的坐标已知，该确定点下一点不再是未知点而是新的确定点)；S3.3、判断确定点下一点横坐标对应的j3是否等于M3，若不等于，以确定点下一点作为确定点返回S3.2重新执行S3.2和S3.3；若等于，则确定点下一点成为终点，即确定点下一点的坐标作为确定点，进行S3.4，该点也成为终点，终点坐标记为P3end(x3end,y3end)；S3.4、根据S3.1～S3.3中的所有确定点坐标(M3+1个点的坐标)拟合得到轮廓曲线三，即P30(x30,y30)和S3.2求得的坐标，将轮廓曲线三以旋转对称轴y轴旋转360°，得到耦合透射面二8。其中S3.2共执行M3次。
对于耦合透射面一7，如图6，设耦合透射面一7上点P4的坐标为(x4,y4)，对耦合透射面一7在x轴方向的投影均匀划分为M4份，M4为正整数，将耦合透射面一7上的入射光线
Figure BDA0002315129140000091
与耦合透射面一7上的出射光线
Figure BDA0002315129140000092
表示为：
Figure BDA0002315129140000093
其中0≤x4≤x3end。
斯涅耳定律表示为：
Figure BDA0002315129140000094
其中，n14表示耦合透射面一7上的入射光线所在材料的折射率，n14＝n，n24表示耦合透射面一7上的出射光线所在材料的折射率，n23＝1，
Figure BDA0002315129140000095
表示耦合透射面一7的法向矢量。
设耦合透射面一7上点P4的坐标(x4，y4)为
Figure BDA0002315129140000096
在曲线上P4点前取一点
Figure BDA0002315129140000097
认为P4'处法向量与P4处的法向量相同。P4点可以看作P4点处入射光线
Figure BDA0002315129140000098
与P4'处的切线的交点，即P4和P4'呈线性关系。已知P4点坐标，根据P4点的法向量可知P4切线，即可得知与P4呈线性关系的P4'点的坐标，根据P4'点的坐标和公式(12)得到
Figure BDA0002315129140000099
和
Figure BDA00023151291400000910
将
Figure BDA00023151291400000911
和
Figure BDA00023151291400000912
代入公式(13)得知P4'点的法向量
Figure BDA00023151291400000913
也就是说给定一点坐标即起始点为P40(x40,y40)，其他每个待确定点的横坐标确定，确定x轴方向的长度为L4，j4＝0，1，2，3，…，M4，则待确定点的横坐标为x40+j4L4/M4或者是x40-j4L4/M4，本实施方式中L4＝x3end，光纤3入射面中心点G的坐标(0,h)已知，根据公式(12)划分的
Figure BDA00023151291400000914
和
Figure BDA00023151291400000915
根据公式(13)可知
Figure BDA00023151291400000916
只要给定起始点P40(x40,y40)，反复迭代可求得多点坐标，得知M4个点坐标值即能够得到轮廓曲线四。具体过程为：S4.1、给定起始点P40(x40,y40)，且起始点的j4＝0，此时起始点作为确定点，本实施方式中P40(x40,y40)＝P3end(x3end,y3end)；S4.2、根据S4.1和S4.3的确定点坐标、公式(12)和公式(13)得知确定点的
Figure BDA0002315129140000101
和
Figure BDA0002315129140000102
确定点下一点的横坐标对应的j4为确定点的横坐标对应的j4加一，根据确定点下一点的横坐标和公式(12)得知确定点下一点的
Figure BDA0002315129140000103
认为确定点的
Figure BDA0002315129140000104
为确定点下一点的
Figure BDA0002315129140000105
再根据确定点下一点的
Figure BDA0002315129140000106
得知确定点下一点的坐标(此时确定点下一点的坐标已知，该确定点下一点不再是未知点而是新的确定点)；S4.3、判断确定点下一点横坐标对应的j3是否等于M3，若不等于，以确定点下一点作为确定点返回S4.2重新执行S4.2和S4.3；若等于，则确定点下一点作为确定点进行S4.4，该点成为终点，其坐标成为终点坐标P4end＝(x4end,y4end)，x4end＝0；S4.4、根据S4.1～S4.3中的所有确定点坐标(M4+1个点的坐标)拟合得到轮廓曲线四，即P40(x40,y40)和S4.2求得的坐标，将轮廓曲线四以旋转对称轴y轴旋转360°，得到耦合透射面一7。其中S4.2共执行M4次。
上述的全反射面6、准直透射面一4、耦合透射面一7和耦合透射面二8的均采用非成像方法进行设计。
该配光元件2采用PMMA作为材料，其折射率为n＝1.49(波长546.1nm时)。准直透射面一4所能控制的最大角度为30°根据前述非成像设计方法，设计出该配光元件2直径为16mm，高度为12mm，准直部分的圆柱面直径为5.4mm，高度为4.7mm。
通过该配光元件2将LED光源1发出的光耦合到8mm光纤3中，耦合效率高于50％。耦合到12mm光纤3中，耦合效率高于80％。
本发明提供了一种基于非成像光学的多段式全反射LED光纤耦合配光元件，能够对LED光源1发出的所有光线进行控制整形，大幅提高能量利用率，同时一体化的非球面设计降低了装配难度。其优点在于耦合结构将光会聚到光纤3的入射端面上，在充分利用光纤3数值孔径的同时减小了光纤3直径，降低了成本，有利于LED光纤3耦合光源的小型化轻量化的步伐，进一步拓展了光纤3照明市场。
本发明全反射LED光纤耦合配光元件的设计方法采用能量守恒定律和斯涅耳定律，对LED光纤3耦合配光元件2进行分段设计，使LED光源1发出的光聚焦为一个发散角能够和光纤3数值孔径匹配的直径很小的光斑，降低光纤3直径。

Claims (10)

1.全反射LED光纤耦合配光元件，用于将LED光源(1)发出的光聚焦到光纤(3)入射端，其特征在于，所述配光元件(2)的一侧设有凹槽(9)和全反射面(6)，所述凹槽(9)的侧壁为第一透射面、凹槽(9)的底面为准直透射面一(4)，配光元件(2)的另一侧包括耦合透射面一(7)和耦合透射面二(8)；所述全反射面(6)、准直透射面一(4)、耦合透射面一(7)和耦合透射面二(8)均为旋转对称自由曲面，全反射面(6)、准直透射面一(4)、耦合透射面一(7)和耦合透射面二(8)的旋转对称轴相同；
LED光源(1)出射的部分光束能够先经准直透射面一(4)准直且入射到配光元件(2)内、再经耦合透射面一(7)汇聚且从配光元件(2)中出射后聚焦到光纤(3)入射端；LED光源(1)出射的部分光束能够先经第一透射面入射到配光元件(2)内同时光束偏折、再经全反射面(6)反射得到准直光束，准直光束经耦合透射面二(8)汇聚且从配光元件(2)中出射后聚焦到光纤(3)入射端。
2.如权利要求1所述的全反射LED光纤耦合配光元件，其特征在于，所述耦合透射面一(7)连接耦合透射面二(8)，耦合透射面二(8)环绕耦合透射面一(7)；所述准直透射面一(4)连接第一透射面；所述全反射面(6)连接耦合透射面二(8)。
3.如权利要求2所述的全反射LED光纤耦合配光元件，其特征在于，所述第一透射面为圆柱透射面(5)，所述耦合透射面一(7)和准直透射面向圆柱透射面(5)横截面投影的投影图重合。
4.如权利要求1至3中任意一项所述的全反射LED光纤耦合配光元件的设计方法，其特征在于，包括：准直透射面一(4)的设计工序；全反射面(6)的设计工序；耦合透射面一(7)的设计工序；耦合透射面二(8)的设计工序。
5.如权利要求4所述的全反射LED光纤耦合配光元件的设计方法，其特征在于，所述第一透射面为圆柱透射面(5)，所述准直透射面一(4)的设计工序为：
从LED光源(1)发出且入射到准直透射面一(4)上光束与旋转对称轴的最大夹角为θc，将入射到准直透射面一(4)上的光线按照入射角度均匀划分为M1份，则入射光线角度为
Figure FDA0002315129130000011
则有
Figure FDA0002315129130000021
Figure FDA0002315129130000022
其中
Figure FDA0002315129130000023
为准直透射面一(4)上的入射光线，
Figure FDA0002315129130000024
为准直透射面一(4)上的出射光线，n11为准直透射面一(4)上的入射光线所在材料的折射率，n21为准直透射面一(4)上的出射光线所在材料的折射率，n为配光元件(2)材料折射率，n11＝1，n21＝n，
Figure FDA0002315129130000025
表示准直透射面一(4)的法向矢量，
Figure FDA0002315129130000026
表示x轴方向的单位矢量，
Figure FDA0002315129130000027
表示y轴方向的单位矢量；
S1.1、给定起始点P10(x10,y10)，且起始点的j1＝0，起始点作为确定点；
S1.2、根据确定点坐标、公式(3)和公式(4)通过反复迭代得到M1个点的坐标；
S1.3、将P10(x10,y10)和S1.2得到的所有坐标进行拟合得到轮廓曲线一，将轮廓曲线一绕旋转对称轴旋转360°，得到准直透射曲面一。
所述全反射面(6)的设计工序为：
从LED光源(1)发出且入射到全反射面(6)的光束按照入射角度均匀划分为M2份，入射到全反射面(6)光线角度为
Figure FDA0002315129130000028
入射光线通过圆柱透射面(5)折射的折射角rj为：
Figure FDA0002315129130000029
则有：
Figure FDA00023151291300000210
Figure FDA00023151291300000211
其中，
Figure FDA0002315129130000031
为全反射面(6)上的入射光线，
Figure FDA0002315129130000032
为全反射面(6)上的出射光线表示为：n12表示全反射面(6)上的入射光线所在材料的折射率，n22表示全反射面(6)上的出射光线所在材料的折射率，n12＝n22＝n，
Figure FDA0002315129130000033
表示全反射面(6)的法向矢量；
S2.1、给定起始点P20(x20,y20)，且起始点的j2＝0，起始点作为确定点；
S2.2、根据确定点坐标、公式(7)和公式(8)通过反复迭代得到M2个点的坐标；
S2.3、将P20(x20,y20)和S2.2得到的所有坐标进行拟合得到轮廓曲线二，将轮廓曲线二绕旋转对称轴旋转360°，得到全反射面(6)。
6.如权利要求5所述的全反射LED光纤耦合配光元件的设计方法，其特征在于，所述S1.2的具体过程为：根据确定点坐标、公式(3)和公式(4)得到确定点的
Figure FDA0002315129130000034
和
Figure FDA0002315129130000035
确定点下一点的ij1对应的j1为确定点的ij1对应的j1加一，根据公式(2)确定点下一点的ij1，根据确定点下一点的ij1和公式(3)得到确定点下一点的
Figure FDA0002315129130000036
认为确定点的
Figure FDA0002315129130000037
为确定点下一点的
Figure FDA0002315129130000038
再根据确定点下一点的
Figure FDA0002315129130000039
得到确定点下一点的坐标，判断确定点下一点的ij1对应的j1是否等于M1，若不等于，以确定点下一点作为确定点返回S1.2重新执行S1.2，若等于，则进行S1.3；
所述S2.2的具体过程为：根据确定点坐标、公式(7)和公式(8)得到确定点的
Figure FDA00023151291300000310
和
Figure FDA00023151291300000311
确定点下一点的
Figure FDA00023151291300000312
对应的j2为确定点的
Figure FDA00023151291300000313
对应的j2加一，根据确定点下一点的
Figure FDA00023151291300000314
对应的j2、公式(6)和公式(7)得到确定点下一点的
Figure FDA00023151291300000315
认为确定点的
Figure FDA00023151291300000316
为确定点下一点的
Figure FDA00023151291300000317
再根据确定点下一点的
Figure FDA00023151291300000318
得到确定点下一点的坐标，判断确定点下一点ij2对应的j2是否等于M2，若不等于，以确定点下一点作为确定点返回S2.2重新执行S2.2；若等于，则进行S2.3。
7.如权利要求5所述的全反射LED光纤耦合配光元件的设计方法，其特征在于，所述耦合透射面二(8)的设计工序为：
设耦合透射面二(8)上点P3的坐标为(x3，y3)，对耦合透射面二(8)在x轴方向的投影均匀划分为M3份，则将耦合透射面二(8)上的入射光线
Figure FDA0002315129130000041
与耦合透射面二(8)上的出射光线
Figure FDA0002315129130000042
表示为：
Figure FDA0002315129130000043
斯涅耳定律表示为：
Figure FDA0002315129130000044
其中，n13表示耦合透射面二(8)上的入射光线所在材料的折射率，n13＝n，n23表示耦合透射面二(8)上的出射光线所在材料的折射率，n23＝1，
Figure FDA0002315129130000045
表示耦合透射面二(8)的法向矢量；
S3.1、给定起始点P30(x30,y30)，且起始点的j3＝0，起始点作为确定点；
S3.2、根据确定点坐标、公式(10)和公式(11)通过反复迭代得到M3个点的坐标；
S3.3、将P30(x30,y30)和S3.2得到的所有坐标进行拟合得到轮廓曲线三，将轮廓曲线三绕旋转对称轴旋转360°，得到耦合透射面二(8)。
8.如权利要求7所述的全反射LED光纤耦合配光元件的设计方法，其特征在于，所述耦合透射面一(7)的设计工序为：
设耦合透射面一(7)上点P4的坐标为(x4,y4)，对耦合透射面一(7)在x轴方向的投影均匀划分为M4份，将耦合透射面一(7)上的入射光线
Figure FDA0002315129130000046
与耦合透射面一(7)上的出射光线
Figure FDA0002315129130000047
表示为：
Figure FDA0002315129130000048
斯涅耳定律表示为：
Figure FDA0002315129130000049
其中，n14表示耦合透射面一(7)上的入射光线所在材料的折射率，n24表示耦合透射面一(7)上的出射光线所在材料的折射率，
Figure FDA0002315129130000051
表示耦合透射面一(7)的法向矢量；
S4.1、给定起始点P40(x40,y40)，且起始点的j4＝0，起始点作为确定点；
S4.2、根据确定点坐标、公式(12)和公式(13)通过反复迭代得到M4个点的坐标；
S4.3、将P40(x40,y40)和S4.2得到的所有坐标进行拟合得到轮廓曲线四，将轮廓曲线四绕旋转对称轴旋转360°，得到耦合透射面一(7)。
9.如权利要求8所述的全反射LED光纤耦合配光元件的设计方法，其特征在于，所述S3.2的具体过程为：根据确定点坐标、公式(10)和公式(11)得到确定点的
Figure FDA0002315129130000052
和
Figure FDA0002315129130000053
确定点下一点的横坐标对应的j3为确定点的横坐标对应的j3加一，根据确定点下一点的横坐标和公式(10)得到确定点下一点的
Figure FDA0002315129130000054
认为确定点的
Figure FDA0002315129130000055
为确定点下一点的
Figure FDA0002315129130000056
再根据确定点下一点的
Figure FDA0002315129130000057
得到确定点下一点的坐标；S3.3、判断确定点下一点横坐标对应的j3是否等于M3，若不等于，以确定点下一点作为确定点重新执行S3.2；若等于，则进行S3.3；
所述S4.2的具体过程为：根据确定点坐标、公式(12)和公式(13)得到确定点的
Figure FDA0002315129130000058
和
Figure FDA0002315129130000059
确定点下一点的横坐标对应的j4为确定点的横坐标对应的j4加一，根据确定点下一点的横坐标和公式(12)得到确定点下一点的
Figure FDA00023151291300000510
认为确定点的
Figure FDA00023151291300000511
为确定点下一点的
Figure FDA00023151291300000512
再根据确定点下一点的
Figure FDA00023151291300000513
得到确定点下一点的坐标；判断确定点下一点横坐标对应的j3是否等于M3，若不等于，以确定点下一点作为确定点返回S4.2重新执行S4.2；若等于，则进行S4.3。
10.如权利要求8所述的全反射LED光纤耦合配光元件的设计方法，其特征在于，所述S1.2得到的第M1个点为P1end(x1end,y1end)；S2.2得到的第M2个点为P2end(x2end,y2end)；P30(x30,y30)＝P2end(x2end,y2end)，x3的范围为x1end≤x3≤x2end，S3.2得到的第M3个点为P3end(x3end,y3end)；P40(x40,y40)＝P3end(x3end,y3end)，x4的范围为0≤x4≤x3end；h满足：
Figure FDA0002315129130000061
其中NA为光纤(3)数值孔径。
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