CN116202042A - 光源耦合组件和装置 - Google Patents

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CN116202042A
CN116202042A CN202111452436.0A CN202111452436A CN116202042A CN 116202042 A CN116202042 A CN 116202042A CN 202111452436 A CN202111452436 A CN 202111452436A CN 116202042 A CN116202042 A CN 116202042A
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light
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汪远
吴禹
陈敏
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Abstract

本申请涉及光源耦合技术领域，尤其涉及一种光源耦合组件和装置，旨在解决光源耦合器所需透镜的数目较多，导致整个光路系统的空间尺寸较大的问题。本申请提供的光源耦合组件，包括依次设置的光源、内反射件和透射件，内反射件的反射面为回转面并围成横截面积自远离透射件的一端至靠近透射件的一端逐渐增大的回转腔，有利于光源的出射光线在反射面发生全反射；透射件的轴线和内反射件的轴线重合，可以提高光线的汇聚效果，使光线在经过内反射件和透射件聚焦后，得到直径较小的光斑；光源的出射光线经过内反射件压缩发散角后，再经过透射件聚焦，可以实现对发散的出射光线在小光程长度内进行高效率耦合，从而减小整个光路系统的空间尺寸。

Description

光源耦合组件和装置
技术领域
本申请涉及光源耦合技术领域，尤其涉及一种光源耦合组件和装置。
背景技术
光源耦合一般是指将光源发出的具有一定的发散角的光束进行收拢，以使光束中更多的发散光线进入光学元件，进而提高光的利用率。
在小尺寸空间的光源耦合中，相关技术常用发光二极管(Light-emitting Diode，LED)作为光源进行耦合，光源耦合需要用到光源耦合器，光源耦合器的核心部件为透镜组，透镜组包括多片球面透镜和/或多片非球面透镜。LED发出的发散光线，通过多片球面透镜和/或多片非球面透镜的折射后，对光束进行收拢实现LED光源耦合。
然而，光源耦合器所需透镜的数目较多，导致整个光路系统的空间尺寸较大。
发明内容
本申请提供一种光源耦合组件和装置，旨在解决光源耦合器所需透镜的数目较多，导致整个光路系统的空间尺寸较大的问题。
为了实现上述目的，第一方面，本申请提供一种光源耦合组件，包括光源、内反射件和透射件，内反射件和透射件沿光源的出光方向依次排布，透射件位于内反射件的远离光源的一侧，透射件的轴线和内反射件的轴线重合；
内反射件具有朝向光源一侧的反射面，反射面为回转面并围成回转腔，回转腔的横截面积自远离透射件的一端至靠近透射件的一端逐渐增大。
本申请提供的光源耦合组件，包括依次设置的光源、内反射件和透射件，内反射件的反射面为回转面并围成横截面积自远离透射件的一端至靠近透射件的一端逐渐增大的回转腔，有利于光源的出射光线在反射面发生全反射，透射件的轴线和内反射件的轴线重合，可以提高出射光线的汇聚效果，使光线在经过内反射件和透射件聚焦后，得到的直径尺寸较小的光斑，光源的出射光线经过内反射件压缩发散角后，再通过透射件聚焦，可以实现对发散光线在小光程长度内进行高效率耦合，从而减小整个光路系统的空间尺寸。
在上述的光源耦合组件中，可选的是，内反射件为全内反射透镜，全内反射透镜包括同轴设置的反射部和折射部，反射部的远离透射件的一面上设置有容置槽，折射部位于容置槽内且与反射部连接。
在上述的光源耦合组件中，可选的是，反射部的侧壁面形成反射面，反射面为自由曲面；
折射部具有折射面，折射部的远离透射件的一面形成折射面，折射面为回转面，折射面的径向长度自远离透射件的一端至靠近透射件的一端逐渐增大。
在上述的光源耦合组件中，可选的是，容置槽为回转槽，容置槽的径向长度自远离透射件的一端至靠近透射件的一端逐渐减小；
和/或，容置槽的内壁面的延伸方向与容置槽的轴线之间的夹角介于1.5-8.0°。
在上述的光源耦合组件中，可选的是，容置槽内设置有用于降低光传播损耗的溶剂，至少部分溶剂填充在光源与折射部之间；
溶剂的折射率与折射部的折射率相同。
在上述的光源耦合组件中，可选的是，回转形成折射面的曲线的表达式为：
Figure BDA0003385574620000021
式中，在同一数学坐标系中，y表示曲线上点的纵坐标，x表示曲线上点的横坐标，c表示曲线的曲率，k表示曲线的多项式系数，α1表示曲线的二阶系数，α2表示曲线的四阶系数，α3表示曲线的六阶系数，α4表示曲线的八阶系数。
在上述的光源耦合组件中，可选的是，内反射件为反光杯，反光杯具有反光腔，反光腔的内壁面为回转面并形成反射面，反射面上设置有反射膜。
在上述的光源耦合组件中，可选的是，反射面为抛物面，光源的出光点位于反射面的焦点；
和/或，反射膜包括金属膜或非金属膜。
在上述的光源耦合组件中，可选的是，内反射件为回转件；
内反射件的靠近透射件的一面的径向长度介于3-50mm；
和/或，内反射件的轴向长度介于2.5-40mm。
在上述的光源耦合组件中，可选的是，透射件为回转件且具有入射面和出射面，入射面和出射面均为回转面；
透射件的靠近内反射件的一面形成入射面，入射面为自由曲面；
透射件的远离内反射件的一面形成出射面，出射面为自由曲面。
在上述的光源耦合组件中，可选的是，内反射件通过模压或注塑一体成型；
和/或，透射件通过模压或注塑一体成型。
第二方面，本申请提供一种光源耦合装置，包括壳体和上述的光源耦合组件，壳体具有安装腔，光源耦合组件设置在安装腔内。
本申请提供的光源耦合装置，包括壳体和光源耦合组件，壳体具有安装腔，光源耦合组件设置在安装腔内，光源耦合组件包括依次设置的光源、内反射件和透射件，内反射件的反射面为回转面并围成横截面积自远离透射件的一端至靠近透射件的一端逐渐增大的回转腔，有利于光源的出射光线在反射面发生全反射，透射件的轴线和内反射件的轴线重合，可以提高出射光线的汇聚效果，使光线在经过内反射件和透射件聚焦后，得到的直径尺寸较小的光斑，光源的出射光线经过内反射件压缩发散角后，再通过透射件聚焦，可以实现对发散光线在小光程长度内进行高效率耦合，从而减小整个光路系统的空间尺寸，通过将壳体和光源耦合组件设置为一体化结构，便于实现光源耦合装置的集成和批量化生产。
在上述的光源耦合装置中，可选的是，光源耦合组件与壳体一体注塑成型。
本申请的构造以及它的其他申请目的及有益效果将会通过结合附图而对优选实施方式的描述而更加明显易懂。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例一提供的光源耦合组件(内反射件为全内反射透镜)的结构示意图；
图2为本申请实施例一提供的光源耦合组件的全内反射透镜的结构示意图；
图3为本申请实施例一提供的光源耦合组件的反光杯(包含光源)的结构示意图；
图4为本申请实施例一提供的光源耦合组件的透射件的结构示意图；
图5为本申请实施例二提供的光源耦合装置(内反射件为全内反射透镜)的结构示意图。
附图标记说明：
100-光源耦合组件； 110-光源；
111-出光点； 120-内反射件；
121-反射部； 122-折射部；
123-容置槽； 124-反射面；
125-折射面； 126-内壁面；
127-反光腔； 130-透射件；
131-入射面； 132-出射面；
200-光源耦合装置； 210-壳体；
220-安装腔； 221-第一安装区；
222-第二安装区。
具体实施方式
在小尺寸空间的光源耦合中，提高空间利用率以减小光路系统的空间尺寸以及增大光源耦合效率，一直都是光源耦合技术领域中两个较难解决的技术问题。相关技术常用发光二极管(Light-emitting Diode，LED)作为光源进行耦合，光源耦合需要用到光源耦合器，而光源耦合器的核心部件为透镜组，透镜组包括多片间隔排布的球面透镜和/或非球面透镜。LED发出的发散光线，通过多片间隔排布的球面透镜和/或非球面透镜的折射后，对光束进行收拢实现LED光的耦合。然而，LED为发散光源，具有较大的发散角，光源耦合器若要获得较高的耦合效率，所需透镜的数目就会较多，导致整个光路系统的空间尺寸较大，难以满足目前显示、探测、医疗设备等领域对于小型化光路系统的要求。
基于上述的技术问题，本申请提供了一种光源耦合组件和装置，光源耦合装置，包括壳体和光源耦合组件，壳体具有安装腔，光源耦合组件设置在安装腔内，光源耦合组件包括依次设置的光源、内反射件和透射件，内反射件的反射面为回转面并围成横截面积自远离透射件的一端至靠近透射件的一端逐渐增大的回转腔，有利于光源的出射光线在反射面发生全反射，透射件的轴线和内反射件的轴线重合，可以提高出射光线的汇聚效果，使光线在经过内反射件和透射件聚焦后，得到的直径尺寸较小的光斑，光源的出射光线经过内反射件压缩发散角后，再通过透射件聚焦，可以实现对发散光线在小光程长度内进行高效率耦合，从而减小整个光路系统的空间尺寸，通过将壳体和光源耦合组件设置为一体化结构，便于实现光源耦合装置的集成和批量化生产。
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请的优选实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的部件或具有相同或类似功能的部件。所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施例进行详细说明。
实施例一
图1为本申请实施例一提供的光源耦合组件(内反射件为全内反射透镜)的结构示意图。图2为本申请实施例一提供的光源耦合组件的全内反射透镜的结构示意图。图3为本申请实施例一提供的光源耦合组件的反光杯(包含光源)的结构示意图。图4为本申请实施例一提供的光源耦合组件的透射件的结构示意图。
参照图1至图4所示，本申请实施例一提供的光源耦合组件100，包括光源110、内反射件120和透射件130，内反射件120和透射件130沿光源110的出光方向依次排布，透射件130位于内反射件120的远离光源110的一侧，透射件130的轴线和内反射件120的轴线重合，内反射件120具有朝向光源110一侧的反射面124，反射面124为回转面并围成回转腔，回转腔的横截面积自远离透射件130的一端至靠近透射件130的一端逐渐增大。
本申请提供的光源耦合组件100，包括依次设置的光源110、内反射件120和透射件130，内反射件120的反射面124为回转面并围成横截面积自远离透射件130的一端至靠近透射件130的一端逐渐增大的回转腔，有利于光源110的出射光线在反射面124发生全反射，透射件130的轴线和内反射件120的轴线重合，可以提高出射光线的汇聚效果，使光线在经过内反射件120和透射件130聚焦后，得到的直径尺寸较小的光斑，光源110的出射光线经过内反射件120压缩发散角后，再通过透射件130聚焦，可以实现对发散光线在小光程长度内进行高效率耦合，从而减小整个光路系统的空间尺寸。
作为一种可以实现的实施方式，内反射件120为全内反射透镜，全内反射透镜包括同轴设置的反射部121和折射部122，反射部121的远离透射件130的一面上设置有容置槽123，折射部122位于容置槽123内且与反射部121连接。
需要说明的是，全内反射，又称全反射(total internal reflection，TIR)，是一种光学现象。当光线从较高折射率的介质进入到较低折射率的介质时，如果入射角大于某一临界角时，折射光线将会消失，所有的入射光线将被反射而不进入低折射率的介质。本实施例中的全内反射透镜即TIR透镜，通过将内反射件120设置为全内反射透镜，且全内反射透镜包括同轴设置的反射部121和折射部122，可以使光源110发出的具有较大发散角的光线在经过反射部121时发生全反射，从而起到压缩光线发散角的作用，还可以使光源110发出的具有较小发散角的光线经过折射部122时发生折射，从而起到压缩光线发散角的作用。具体的，具有较大发散角的光线的光路路径可以沿图1中箭头m方向所示，具有较小发散角的光线的光路路径可以沿图1中箭头n方向所示。
具体的，通过在反射部121的远离透射件130的一面上设置有容置槽123，折射部122位于容置槽123内且与反射部121连接，有利于使光源110的发散角较大的出射光线均经过反射部121进行全反射，而发散角较小出射光线均经过折射部122进行折射，即有利于使光源110的不同大小发散角的出射光线均可经过反射部121或折射部122实现发散角的压缩，进而提高光能利用率。在一种可能的实现方式中，反射部121和折射部122可以一体成型，通过一体成型可以提高反射部121和折射部122之间的连接强度，还可以简化全内反射透镜的结构，有利于缩小光源耦合组件100的空间尺寸。示例性的，反射部121和折射部122可以通过模压或注塑方式一体成型。
在一种可能的实现方式中，反射部121的靠近透射件130的一面为光滑平面、微透镜阵列面和磨砂面中的一种。
需要说明的是，微透镜阵列面是指在表面阵列分布有多个微小尺寸的结构，例如圆柱，半球凸起，多棱柱等。磨砂面是指表面具有一定的粗糙度，例如凹凸不平。当反射部121的靠近透射件130的一面设置为光滑平面时，光线经过该光滑平面可以不改变原光路。当反射部121的靠近透射件130的一面设置为微透镜阵列面或磨砂面时，光线经过该微透镜阵列面或磨砂面可以对光线起到匀化、准直、会聚等效果。
在一种可能的实现方式中，全内反射透镜为光学树脂件或光学塑料件。
需要说明的是，通过将全内反射透镜的材质选为光学树脂或光学塑料，可以使全内反射透镜具有良好的透光性和化学稳定性。
在一种可能的实现方式中，光源110为发散光源，发散光源的发散角介于100-140°。
需要说明的是，光源110的发散角介于100-140°，可以避免因发散角过小导致光源110的出射光线与反射部121的反射面124的接触面积较小，降低全内反射透镜空间尺寸发生浪费的风险，还可以避免因发散角过大导致光源110的出射光线未能全部进入容置槽123，降低出射光线照射到全内反射透镜的外部的风险，提高光能的利用率。参照图3所示，光源110的发散角可以用i表示，其中i可以为100°、110°、120°、130°或140°，还可以为100-140°中的任意数值，在实际使用时，用户可以根据需要选择i的取值，本实施例不加以限制。当i的取值小于100°时，发散光源110的出射光线与反射部121的反射面124的接触面积较小，使得全内反射透镜空间尺寸不能充分利用而产生浪费，不利于实现对发散光线在小光程长度内进行高效率耦合，也不利于减小整个光路系统的空间尺寸。当i的取值大于140°时，光源110的出射光线容易出现不能全部进入容置槽123的情况，即容易导致容置槽123内漏光，使得出射光线照射到全内反射透镜的外部的风险增大，光能的利用率降低。示例性的，光源110可以为发光二极管(light emitting diode，LED)，激光二极管(Laser diode，LD)或卤素灯中的一种或多种，在实际使用时，用户可以根据需要对光源110进行选择，本申请实施例不加以限制。
在一种可能的实现方式中，光源110为点光源或面光源。
需要说明的是，当光源110为点光源时，光源110的出光点111位于容置槽123内。具体的，光源110的出光点111可以位于容置槽123的远离透射件130的一面的中心。这样设置可以使光源110的出射光线均能射入全内反射透镜中，并使出射光线与反射面124的接触面积最大化，同时可以降低容置槽123发生漏光的风险。当光源110为面光源时，光源110的出光面位于容置槽123内，具体的，光源110的出光面可以位于容置槽123的远离透射件130的一面。这样设置可以使出射光线均能射入全内反射透镜中，并使出射光线与反射面124的接触面积最大化，还可以降低容置槽123发生漏光的风险。在实际使用时，光源110可以设置为贴片式光源，示例性的，贴片式光源可以包括LED灯珠和LED芯片，LED灯珠设置在LED芯片上。光源110还可以设置为封装式光源，示例性的，封装式光源可以包括罩壳和LED灯珠，LED灯珠设置在罩壳内。
作为一种可以实现的实施方式，反射部121的侧壁面形成反射面124，反射面124为自由曲面。
需要说明的是，反射面124为反射部121的外侧边轮廓线旋转所形成的曲面，通过将反射面124设置为自由曲面，可以使出射光线与反射面124在不同的接触位置具有不同的曲率半径，以自由改变光线的传播方向，提高光线发生全反射后的汇聚效果，有利于在经过透射件130后形成直径尺寸较小的光斑。
在一种可能的实现方式中，折射部122具有折射面125，折射部122的远离透射件130的一面形成折射面125，折射面125为回转面，折射面125的径向长度自远离透射件130的一端至靠近透射件130的一端逐渐增大。
需要说明的是，参照图2所示，折射面125的径向长度可以用d表示，折射部122上设置的折射面125用于对具有较小发散角的出射光线进行折射以压缩其发散角，从而减小出射光线的发散角。通过将折射面125设置为回转面，且折射面125的径向长度自远离透射件130的一端至靠近透射件130的一端逐渐增大，可以增大折射面125与出射光线的折射角度，能够对更多的出射光线进行折射，提高折射部122对光线的折射与汇聚效果。
作为一种可以实现的实施方式，容置槽123为回转槽，容置槽123的径向长度自远离透射件130的一端至靠近透射件130的一端逐渐减小。
需要说明的是，参照图1所示，容置槽123的径向长度可以用e表示，通过将容置槽123设置为回转槽，可以降低容置槽123的加工难度，节省加工成本。通过将容置槽123的径向长度设置为自远离透射件130的一端至靠近透射件130的一端逐渐减小，使得容置槽123的槽口横截面接大于槽底横截面积，有利于降低容置槽123的加工难度和成本，还有利于在容置槽123的槽口处布设光源110。
在一种可能的实现方式中，容置槽123的内壁面126的延伸方向与容置槽123的轴线之间的夹角介于1.5-8.0°。
需要说明的是，容置槽123的内壁面126可以为圆台面，其中，内壁面126上任意一点的切线的斜率相同。通过将容置槽123的内壁面126的延伸方向与容置槽123的轴线之间的夹角设置为1.5-8.0°，可以避免因夹角过小导致增大容置槽123的加工难度和加工成本，还可以避免因夹角过大导致增大反射部121的空间尺寸，进而增大整个光路系统的空间尺寸。参照图2所示，容置槽123的内壁面126的延伸方向与容置槽123的轴线之间的夹角可以用j表示，其中j可以为1.5°、2°、3°、4°、5°、6°、7°或8°，还可以为1.5-8.0°中的任意数值，在实际使用时，用户可以根据需要选择j的取值，本实施例不加以限制。当j的取值小于1.5°时，会增大容置槽123的加工难度和加工成本。当j的取值大于8°时，会增大反射部121的径向空间尺寸，进而增大整个光路系统的径向空间尺寸。
作为一种可以实现的实施方式，容置槽123内设置有用于降低光传播损耗的溶剂，至少部分溶剂填充在光源110与折射部122之间，溶剂的折射率与折射部122的折射率相同。
需要说明的是，在光源110与折射部122之间填充溶剂，以降低光在光源110与折射部122之间的空隙内传播时所发生的损耗，提高光能的利用率。在一种可能的实现方式中，溶剂的折射率与折射部122的折射率相同。在另一种可能的实现方式中，溶剂的折射率与折射部122的折射率相近。其中，溶剂的折射率n＝1.3-1.8，示例性的，折射率可以为1.3、1.5或1.8，还可以为1.3-1.8中的任意值，通过对折射率的数值范围进行限定，可以对光源110发出的经过折射部122的光线起到较好的汇聚效果。溶剂的热膨胀系数α<10-2/K，具有较低的热膨胀系数，溶剂的热传导系数γ>0.367w/(m·k)，具有较好的导热性能。具体的，溶剂可以包括环氧树脂或聚丙烯酸，可以具有较好的粘接强度和耐化学性能。
作为一种可以实现的实施方式，回转形成折射面125的曲线的表达式为：
Figure BDA0003385574620000101
式中，在同一数学坐标系中，y表示曲线上点的纵坐标，x表示曲线上点的横坐标，c表示曲线的曲率，k表示曲线的多项式系数，α1表示曲线的二阶系数，α2表示曲线的四阶系数，α3表示曲线的六阶系数，α4表示曲线的八阶系数。
需要说明的是，参照图2所示，以全内反射透镜的靠近透射件130的一面的中心O1为圆心，以全内反射透镜的轴向为X轴，以全内反射透镜的径向为Y轴，建立直角坐标系。折射面125的形状可以设置为非球面的草帽形状，请参见上式，非球面是指可以用解析式表达出来的曲面，这样设置可以使折射面125的不同位置的具有不同的曲率半径，进而可以对具有较小发散角的出射光线的折射情况进行自由调控，有利于改善全内反射透镜出光的均匀性和准直度。
作为一种可以实现的实施方式，内反射件120为反光杯，反光杯具有反光腔127，反光腔127的内表面为回转面并形成反射面124，反射面124上设置有反射膜。
需要说明的是，反光杯具有反光腔127，反光腔127的内表面为反射面124，将光源110放置于反光腔127内，并使光源110的出射光线照射到反射面124上，由于反射面124上具有反射膜，因此出射光线在反射面124上发生全发射后朝向透射件130射出。具体的，反光杯可以为塑料件或玻璃件，反光杯由塑料或玻璃制成，可以降低反光杯的加工或购置成本。
在一种可能的实现方式中，反射膜包括金属膜或非金属膜。
需要说明的是，反射膜可以设置为金属膜，示例性的，金属膜可以为铝膜、银膜等。非金属膜可以为五氧化二钽膜、氧化铝膜等。
作为一种可以实现的实施方式，反射面124为抛物面，光源110的出光点111位于反射面124的焦点。
需要说明的是，将反射面124设置为抛物面，在一种可能的实现方式中，可以将光源110的出光点111置于反射面124的焦点，有利于使光源110的出射光线经过反射面124的全发射后准直出射。在另一种可能的实现方式中，也可以将光源110的出光点111置于反射面124的焦点的靠近透射件130的一侧或远离透射件130的一侧，只要反射面124能够发生全反射并对出射光线的发散角进行压缩即可。在实际使用时，用户可以根据需要选择光源110的出光点111的设置位置，本实施例不加以限制。
作为一种可以实现的实施方式，内反射件120为回转件，内反射件120的靠近透射件130的一面的径向长度介于3-50mm，内反射件120的轴向长度介于2.5-40mm。
需要说明的是，将内反射件120设置为回转件，不仅便于加工，而且易于安装与拆卸。其中，内反射件120的靠近透射件130的一面的径向长度设置为3-50mm，即内反射件120的最大径向长度介于3-50mm，这样设置可以避免因内反射件120的径向尺寸过小，导致内反射件120的加工难度和加工成本增加，还容易导致内反射件120达不到使用要求，这样设置还可以避免因反射件的径向尺寸过大，导致内反射件120的径向空间尺寸过大。参照图2所示，内反射件120的靠近透射件130的一面的径向长度可以用a表示，其中，a可以为3mm、5mm、10mm、20mm、30mm、40mm或50mm，还可以为3-50mm中的任意数值，在实际使用时，用户可以根据需要选择a的取值，本实施例不加以限制。当a的取值小于3mm时，内反射件120的加工难度和加工成本会显著增加。当a的取值大于50mm时，不仅会导致内反射件120的径向空间尺寸过大，还会导致内反射件120的材料成本增加。
同样，将内反射件120的轴向长度设置为2.5-40mm，这样设置可以避免因内反射件120的轴向长度过小，导致内反射件120的加工难度和加工成本增加，还容易导致内反射件120对光线的汇聚效果达不到使用要求，这样设置还可以避免因内反射件120的轴向长度过大，导致内反射件120的径向空间尺寸过大。参照图2和图3所示，内反射件120的轴向长度可以用b表示，其中，b可以为2.5mm、5mm、10mm、20mm、30mm或40mm，还可以为2.5-40mm中的任意数值，在实际使用时，用户可以根据需要选择b的取值，本实施例不加以限制。当b的取值小于2.5mm时，会导致内反射件120的加工难度和加工成本会增加，还会导致内反射件120对光线的汇聚效果达不到使用要求。当b的取值大于40mm时，会导致内反射件120的轴向空间尺寸过大，还会导致内反射件120的材料成本增加。
作为一种可以实现的实施方式，透射件130为回转件且具有入射面131和出射面132，入射面131和出射面132均为回转面。
需要说明的是，透射件130可以为折射透镜。通过将透射件130设置为回转件，且将回转件的入射面131和出射面132均设置为回转面，有利于降低透射件130的加工难度和成本，还有利于提高透射件130对光线的聚焦效率。示例性的，透射件130可以通过模压或注塑成型等方式制造，可以降低制造难度和制造成本。具体的，透射件130为光学树脂件或光学塑料件，通过将透射件130的材质选为光学树脂或光学塑料，可以使透射件130具有良好的透光性和化学稳定性。在一种可能的实现方式中，透射件130的外径介于1-10mm，示例性的，透射件130的外径可以为1mm、3mm、5mm、8mm或10mm，还可以为1-10mm中的任意数值。透射件130的焦距介于0.5-10mm之间，示例性的，焦距可以为0.5mm、3mm、5mm、8mm或10mm，还可以为0.5-10mm中的任意数值。透射件130的数值孔径为0.06-0.8之间，示例性的，数值孔径可以为0.06、0.1、0.3、0.5或0.8，还可以为0.06-0.8中的任意数值。这样设置有利于提高对光线的汇聚效果，减小整个光路系统的空间尺寸。其中，数值孔径(Numerical Aperture，NA)在光学领域，数值孔径是一个无量纲的数，表示透镜收光锥角的大小。在实际使用时，用户可以根据需要对透射件130的外径、焦距和数值孔径的数值进行选择，本实施例不加以限制。
在一种可能的实现方式中，透射件130的靠近内反射件120的一面形成入射面131，入射面131为自由曲面，透射件130的远离内反射件120的一面形成出射面132，出射面132为自由曲面。
需要说明的是，通过将入射面131和出射面132均设置为自由曲面，可以使入射面131和出射面132的不同位置具有不同的曲率半径，能够提高不同方向光线的汇聚效果，有利于使经过透射件130的光线聚焦后得到亚毫米级的小光斑。
作为一种可以实现的实施方式，内反射件120通过模压或注塑一体成型。
需要说明的是，通过将内反射件120采用模压或注塑的方式一体成型，可以降低内反射件120的加工难度和加工成本，有利于实现内反射件120的批量化生产。
在一种可能的实现方式中，透射件130通过模压或注塑一体成型。
需要说明的是，通过将透射件130采用模压或注塑的方式一体成型，可以降低透射件130的加工难度和加工成本，有利于实现透射件130的批量化生产。
本申请提供一个可以实现的具体实施例：
LED光源放入全内反射透镜的容置槽123内，LED光源的出光点111位于容置槽123的远离透射件130的一面的中心。
LED光源的发散角为120°，内反射件120和透射件130之间的间隔介于0-10mm，可以选取5mm。
容置槽123的内壁面126为圆锥面，且容置槽123的内壁面126的延伸方向与容置槽123的轴线之间的夹角介于1.5-8.0°，可以选取4°。
参照图2所示，以全内反射透镜的靠近透射件130的一面的中心O1为圆心，以全内反射透镜的轴向为X轴，以全内反射透镜的径向为Y轴，建立直角坐标系。回转形成折射面125的曲线的表达式为：
Figure BDA0003385574620000131
式中，c＝0.14196，k＝0，α1＝9.702e-3，α2＝-4.261e-3，α3＝-2.551e-5，α4＝-2.249e-4。
反射面124为回转形成的自由曲面，参照图2所示，以全内反射透镜的远离透射件130的一面的中心O2为圆心，以全内反射透镜的轴向为X轴，以全内反射透镜的径向为Y轴，建立直角坐标系。回转形成反射面124的自由曲线的点阵坐标为：
x＝0，y＝0.62；x＝0.15，y＝0.824；x＝0.3，y＝0.962；x＝0.45，y＝1.069；x＝0.6，y＝1.159；x＝0.75，y＝1.240；x＝0.9，y＝1.314；x＝1.05，y＝1.392；x＝1.23，y＝1.425。
入射面131为回转形成的自由曲面，参照图4所示，以透射件130的入射面131的中心O3为圆心，以透射件130的轴向为X轴，以透射件130的径向为Y轴，建立直角坐标系。回转形成入射面131的自由曲线的点阵坐标为：
x＝0，y＝0；x＝0.06，y＝0.092；x＝0.13，y＝0.223；x＝0.2，y＝0.396；x＝0.31，y＝0.612；x＝0.45，y＝0.896；x＝0.61，y＝1.256；x＝0.72，y＝1.502；x＝0.96，y＝2.005；x＝1.13，y＝2.246；x＝1.28，y＝2.630；x＝1.36，y＝2.894；x＝1.69，y＝3.372。
出射面132为球面，其中曲率半径为41.725，出射面132上的最大横截面的直径为7mm。
需要说明的是，出射面132为自由曲面，即出射面132上各点的曲率半径不同，为便于进行实验，本实施例中选用自由曲面的特例(球面)，即自由曲面上的各点的曲率半径相等。光路系统的空间长度是指LED光源的发光点与焦点之间的距离。
应用上述的参数进行实验发现，本申请中LED光源的出射光线依次经过全内反射透镜和折射透镜后，聚焦形成直径尺寸0.5mm左右的光斑时，光源耦合组件100的光路系统的空间长度为15mm左右。而相关技术中，通过多片球面透镜和/或多片非球面透镜的折射后，聚焦形成直径尺寸0.5mm左右的光斑时，光源耦合组件100的光路系统的空间长度大于50mm。可见，本申请提供的光源耦合组件100可以实现发散光线在小光程长度内的高效率耦合，从而减小整个光路系统的空间尺寸。
实施例二
图5为本申请实施例二提供的光源耦合装置(内反射件为全内反射透镜)的结构示意图。
参照图1至图5所示，本申请实施例二提供一种光源耦合装置200，包括壳体210和上述的光源耦合组件100，壳体210具有安装腔220，光源耦合组件100设置在安装腔220内。
具体的，安装腔220包括连通的第一安装区221和第二安装区222，光源110设置在第一安装区221内，内反射件120和透射件130均设置在第二安装区222，内反射件120和透射件130之间具有间隔，间隔的取值范围介于0-10mm。
需要说明的是，光源110可以可拆卸连接在第一安装区221内，示例性的，通过插接、卡接等连接方式。光源110还可以固定连接在第一安装区221内，示例性的，通过粘接、注塑一体成型等。同样的，内反射件120和透射件130可以可拆卸连接在第二安装区222内，示例性的，通过插接、卡接、过盈连接等连接方式。内反射件120和透射件130还可以固定连接在第二安装区222内，示例性的，通过粘接、注塑一体成型等。在实际使用时，对于光源110在第一安装区221内的连接方式、内反射件120和透射件130在第二安装区222内的连接方式，用户可以根据需要进行选择，本实施例不加以限制。
具体的，将内反射件120和透射件130之间的间隔设置为0-10mm，这样设置可以避免因间隔过大，导致光线的耦合效率降低以及光路系统的空间尺寸增大。参照图5所示，内反射件120和透射件130之间的间隔可以用c表示，其中c可以为0mm、2mm、4mm、6mm、8mm或10mm，还可以为0-10mm中的任意数值，在实际使用时，用户可以根据需要选择c的取值，本实施例不加以限制。当c的取值大于10mm时，会使光线的耦合效率降低，还会使光路系统的空间尺寸增大。
本申请提供的光源耦合装置200，包括壳体210和光源耦合组件100，壳体210具有安装腔220，光源耦合组件100设置在安装腔220内，光源耦合组件100包括依次设置的光源110、内反射件120和透射件130，内反射件120的反射面124为回转面并围成横截面积自远离透射件130的一端至靠近透射件130的一端逐渐增大的回转腔，有利于光源110的出射光线在反射面124发生全反射，透射件130的轴线和内反射件120的轴线重合，可以提高出射光线的汇聚效果，使光线在经过内反射件和透射件130聚焦后，得到的直径尺寸较小的光斑，光源110的出射光线经过内反射件120压缩发散角后，再通过透射件130聚焦，可以实现对发散光线在小光程长度内进行高效率耦合，从而减小整个光路系统的空间尺寸，通过将壳体210和光源耦合组件100设置为一体化结构，便于实现光源110耦合装置的集成和批量化生产。
需要说明的是，本申请的光源耦合装置200，采用内反射件120和透射件130组合使用，实现对发散光源的高效率耦合，可以减小整个光路系统的空间尺寸。通过将壳体210和光源耦合组件100紧凑地集成在一起，不仅可以提高空间利用率，还可以形成模块化结构，适用于模块化、集成化应用。光源耦合装置200的各光学元件可以通过模压或注塑等方式制备，工艺简单，便于实现，易于批量化生产。通过将内反射件120的反射面124、透射件130的入射面131和出射面132均设置为回转形成的自由曲面，将折射面125设置为非球面的草帽形状，可以使得反射面124、折射面125、入射面131和出射面132的不同位置均具有不同的曲率半径，其中，反射面124和折射面125可以分别对光源110的具有大发散角和小发散角的出射光线进行自由调整，以提高光线全反射后的汇聚效果，入射面131和出射面132可以对射入透射件130的光线的发散角以及射出透射件130的光线的发散角进行自由调整，以提高折射光线的汇聚效果，进而使透射件130聚焦后可以得到亚毫米级的小光斑。
在一种可能的实现方式中，光源耦合组件100与壳体210一体注塑成型。
需要说明的是，光源耦合装置200可以通过光源耦合组件100与壳体210一体注塑成型来制造，这样设置可以降低光源耦合装置200的制造难度和成本，有利于实现光源耦合装置200的批量化生产。
本申请的光源耦合组件100和光源110耦合装置，可以将光束耦合进光波导中，光波导组成材料可以为塑料材料、晶体材料、玻璃材料等，光波导的直径可以介于10μm-1mm，光波导的截面形状可为圆型、矩形等，光波导的数值孔径可以介于0.06-0.8。其中，光波导可以为集成光波导或光学纤维。
在本申请实施例的描述中，需要理解的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应作广义理解，例如，可以使固定连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或者两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。术语“上”、“下”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或者位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或者暗示所指的装置或者元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非是另有精确具体地规定。
本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。

Claims (13)

1.一种光源耦合组件，其特征在于，包括光源、内反射件和透射件，所述内反射件和所述透射件沿所述光源的出光方向依次排布，所述透射件位于所述内反射件的远离所述光源的一侧，所述透射件的轴线和所述内反射件的轴线重合；
所述内反射件具有朝向所述光源一侧的反射面，所述反射面为回转面并围成回转腔，所述回转腔的横截面积自远离所述透射件的一端至靠近所述透射件的一端逐渐增大。
2.根据权利要求1所述的光源耦合组件，其特征在于，所述内反射件为全内反射透镜，所述全内反射透镜包括同轴设置的反射部和折射部，所述反射部的远离所述透射件的一面上设置有容置槽，所述折射部位于所述容置槽内且与所述反射部连接。
3.根据权利要求2所述的光源耦合组件，其特征在于，所述反射部的侧壁面形成所述反射面，所述反射面为自由曲面；
所述折射部具有折射面，所述折射部的远离所述透射件的一面形成所述折射面，所述折射面为回转面，所述折射面的径向长度自远离所述透射件的一端至靠近所述透射件的一端逐渐增大。
4.根据权利要求2所述的光源耦合组件，其特征在于，所述容置槽为回转槽，所述容置槽的径向长度自远离所述透射件的一端至靠近所述透射件的一端逐渐减小；
和/或，所述容置槽的内壁面的延伸方向与所述容置槽的轴线之间的夹角介于1.5-8.0°。
5.根据权利要求3所述的光源耦合组件，其特征在于，所述容置槽内设置有用于降低光传播损耗的溶剂，至少部分所述溶剂填充在所述光源与所述折射部之间；
所述溶剂的折射率与所述折射部的折射率相同。
6.根据权利要求3所述的光源耦合组件，其特征在于，回转形成所述折射面的曲线的表达式为：
Figure FDA0003385574610000011
式中，在同一数学坐标系中，y表示曲线上点的纵坐标，x表示曲线上点的横坐标，c表示曲线的曲率，k表示曲线的多项式系数，α1表示曲线的二阶系数，α2表示曲线的四阶系数，α3表示曲线的六阶系数，α4表示曲线的八阶系数。
7.根据权利要求1所述的光源耦合组件，其特征在于，所述内反射件为反光杯，所述反光杯具有反光腔，所述反光腔的内壁面为回转面并形成所述反射面，所述反射面上设置有反射膜。
8.根据权利要求7所述的光源耦合组件，其特征在于，所述反射面为抛物面，所述光源的出光点位于所述反射面的焦点；
和/或，所述反射膜包括金属膜或非金属膜。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的光源耦合组件，其特征在于，所述内反射件为回转件；
所述内反射件的靠近所述透射件的一面的径向长度介于3-50mm；
和/或，所述内反射件的轴向长度介于2.5-40mm。
10.根据权利要求1-8中任一项所述的光源耦合组件，其特征在于，所述透射件为回转件且具有入射面和出射面，所述入射面和所述出射面均为回转面；
所述透射件的靠近所述内反射件的一面形成所述入射面，所述入射面为自由曲面；
所述透射件的远离所述内反射件的一面形成所述出射面，所述出射面为自由曲面。
11.根据权利要求1-8中任一项所述的光源耦合组件，其特征在于，所述内反射件通过模压或注塑一体成型；
和/或，所述透射件通过模压或注塑一体成型。
12.一种光源耦合装置，其特征在于，包括壳体和权利要求1-11中任一项所述的光源耦合组件，所述壳体具有安装腔，所述光源耦合组件设置在所述安装腔内。
13.根据权利要求12所述的光源耦合装置，其特征在于，所述光源耦合组件与所述壳体一体注塑成型。
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