CN205447491U - 一种室内用光纤耦合led辅助照明系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种室内用光纤耦合LED辅助照明系统，包括LED光源、散热片和照明光纤，所述LED光源连接于所述散热片；所述照明光线的入射端和出射端均呈锥形，所述LED光源发出的光从所述入射端耦合入照明光纤进行传输并从出射端射出。本实用新型通过对照明光纤入射端的熔融拉锥处理，使LED发出的发散光线更有效地与光纤耦合，提高光能利用率；通过对照明光纤的出射端进行熔融拉锥处理，使光纤出射光线角度增大，扩大照明范围，进一步符合实用需求。

Description

一种室内用光纤耦合LED辅助照明系统

技术领域

本实用新型涉及光纤照明应用领域，具体涉及一种近红外LED灯与光纤相结合的新型辅助照明系统。

背景技术

主动式夜视技术通过增加辅助照明系统，主动发射近红外光束至目标物，提高返回的信号光能量，从而在低能见度环境下获取目标景物的细节信息，具有清晰度高、经济可靠等优势。半导体发光二极管(LED)是一种新型的半导体照明光源，具有使用寿命长、高效节能等优势，是目前安防监控领域广泛使用的主动照明光源。

光纤照明技术是随着光纤制造技术和电光源技术的发展应运而生的，其基本原理是通过耦合装置把光源发出的光耦合入光纤，利用光线在光纤内进行全反射的原理传导光，从而进行照明。由于光纤材质具有只导光不导电、体积小、可挠性强等优点，已在工业、医疗等领域获得了广泛的关注和应用。

相比于目前安防监控中广泛使用的近红外LED光源直接进行辅助照明，将主动式夜视技术与光纤照明技术相结合的光纤辅助照明系统具有光电分离、灵活方便、无电磁干扰等特点，可方便地安装于多种照明环境或物体中，可有效应用于安防、公安等领域全天候监控的辅助照明，且该系统隐蔽性较强，在特种照明领域拥有不可替代的优势。传统近红外光纤辅助照明系统多采用近红外激光作为光源，以获得较高光纤出射功率，但是采用激光作为光源时，光束出射角度小，只适用于远距离的夜间辅助照明。考虑到光纤照明和LED光源各自的优势后，光纤耦合LED辅助照明系统可最大程度的实现它们的互补。然而，由于LED发光面积较大，且辐射发散角大，与光纤的耦合效率较低，限制了其在照明领域的应用。通常，提高耦合效率的方法是通过光学元件将光源发射的光进行光束整形，使其满足光纤的数值孔径，该光学元件可以是透镜，透镜组合，或是特定加工的全反射器件，但是当LED光源发光面积较大时，其主要的耦合损耗是面积失配损耗，采用该种耦合方式并无法有效改善耦合效率。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型旨在提供一种室内用光线耦合LED辅助照明系统，通过特别设计照明光纤，对其两端进行熔融拉锥处理，增大光纤数值孔径，既提高耦合效率，又可增加光纤出光发散角，更好满足室内用辅助照明的实用需求，且体积小巧、成本低廉。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种室内用光纤耦合LED辅助照明系统，包括LED光源和照明光纤；所述照明光纤的入射端和出射端均呈锥形，所述LED光源发出的光从所述入射端耦合入照明光纤进行传输并从出射端射出。

作为一种优选方案，还包括散热片，所述LED光源连接于所述散热片的一端。

作为进一步的优选方案，所述照明光纤的入射端和出射端处包层和纤芯的直径均沿光轴逐渐变细。

作为进一步的优选方案，在入射端和出射端的整个锥区，包层和纤芯的直径之比保持恒定。

作为一种优选方案，还包括光纤固定端口，所述照明光纤的入射端面通过所述光线固定端口安装在紧靠LED光源出光位置处。

作为一种优选方案，所述LED光源为单个的近红外LED光源，所述LED光源发出的近红外不可见光从所述入射端耦合入照明光纤进行传输并从出射端射出。采用近红外LED光源可避免该系统用于安防、公安等领域全天候监控的辅助照明时的“红暴”现象，提高照明的隐蔽性。

作为进一步的优选方案，所述的近红外LED光源的中心波长为940nm。

作为一种优选方案，当LED光源发光面积小于照明光纤入射端面积时，所述LED光源通过耦合装置与照明光纤入射端进行耦合。

上述室内用光纤耦合LED辅助照明系统的制作方法包括如下步骤：

S1根据预先设定的结构参数，对照明光纤入射端和出射端进行熔融拉锥处理，使得所述入射端和出射端呈锥形；

S2将LED光源安装于所述散热片的一端，并通过所述光纤固定端口将所述照明光纤的入射端安装于紧靠LED光源出光位置处。

需要说明的是，步骤S1中，所述结构参数的确定步骤如下：

根据射线理论准确分析光线在照明光纤端的传输特性，得出入射端锥角与入射端入射孔径角及出射端锥角与出射端出光发散角的关系，确定一组使入射端入射孔径角及出射端出光发散角尽量大的照明光纤结构参数，其中，所述的入射端入射孔径角表示光纤接受和传输光的能力，在入射端面上入射角度小于该入射孔径角的光束均可进入光纤传播；所述的出射端出光发散角表示能从出射端面出射的与光纤中轴成最大角度的光线所对应的折射角：

取一条光线L1，L1的入射角θ₀等于当照明光纤的入射端和出射端不设置锥度是对应的最大孔径角，折射角为φ₀，L1与照明光纤侧面交点为照明光纤的纤芯的锥形端部的侧面和直线部分侧面的交点处；

照明光纤端面同一点入射且入射角小于θ₀的任一光线L2，不经入射端侧面反射直接进入光纤正常传播，而入射角大于θ₀的光线，需经过入射端反射，若其反射角大于等于照明光纤临界角，即可在照明光纤中传播；取另一条光线L3，入射角为θ，L3经入射端侧面反射后，其反射角等于照明光纤临界角，因此入射角大于θ₀且小于等于θ的任一光线经入射端侧面反射后都可满足传播条件，也就是说入射角小于等于θ的任一光线都能够进入所述照明光纤并在光纤中以较小损耗传播，0即为所述入射端的入射孔径角；

所述照明光纤的锥长为h，照明光纤熔融拉锥后光纤端面半径的减少量为y，照明光纤的入射锥端直径为d，照明光纤两端不设置成锥形时纤芯直径为l，则入射端半锥角α通过下式得到：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{y}{tan\mathrm{\α}}=\frac{y+d}{{\mathrm{tan\φ}}_0}=h\\ d+2y=l\end{array}\right.;$

令光线L3的反射角等于照明光纤临界角Ψ_c，Ψ_c＝arcsin(n₂/n₁)，利用折射定律，得到所述照明光纤的入射端入射孔径角θ：

式中，n₀为照明光纤所处介质折射率，n₁为照明光纤纤芯折射率，n₂为照明光纤包层折射率；

光纤中可以传播的模式的种类和数量可由照明光纤归一化参数R来描述：

$R=\frac{2\mathrm{\π}r}{\mathrm{\λ}}\sqrt{n_1^2-n_2^2};$

式中，r为照明光纤纤芯半径，λ为波长，R值越大，可传播的模式越多，即所述照明光纤中可传播的模式都取决于其小端的R值，因此，当所述照明光纤入射端的纤芯直径d小于等于所述照明光纤出射端的纤芯直径时，方可使耦合入所述光纤的光线全部有效出射；

考虑到耦合时的面积失配损耗，所述照明光纤的入射端纤芯直径d应尽量大；另外，根据光线可逆原理，当出射端锥角等于入射端锥角时，可使入射并在光纤中传播的光线均匀出射，可达到较好照明效果，故所述照明光纤的入射端与出射端的锥端结构设计为对称结构，此时，所述照明光纤的出射端的出光发散角等于入射端的入射孔径角θ。

本实用新型的有益效果在于：

将光纤照明技术与主动式夜视技术相结合，可应用于安防、公安等领域全天候电子监控的辅助照明，以光纤为载体对监控区域进行照明，实现暗环境下电子监控图像质量的提高。由于光纤体积微小、可挠性强，系统可方便地安装于室内各种环境场合或狭窄空间中。本实用新型通过对照明光纤入射端的熔融拉锥处理，使LED发出的发散光线更有效地与光纤耦合，提高光能利用率；通过对照明光纤的出射端进行熔融拉锥处理，使光纤出射光线角度增大，扩大照明范围，进一步符合实用需求。

附图说明

图1为本实用新型光纤耦合LED辅助照明系统的结构示意图。

图2为图1中照明光纤的锥形入射端结构参数示意图。

图3为图1中照明光纤结构示意图。

图4为本实用新型光纤耦合LED辅助照明系统的扩展结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图对本实用新型作进一步的描述，需要说明的是，本实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围并不限于本实施例。

如图1所示，本实用新型是一种室内用光纤耦合LED辅助照明系统，其包括散热片1、LED光源2、光纤固定端口3，还包括置于光纤固定端口3的照明光纤4，其中LED光源2安装在散热片1的一端，照明光纤4的入射端面通过光纤固定端口3紧靠LED光源2的出光位置放置。

图2为所述照明光纤4的锥形入射端结构参数示意图，当光线以θ角入射至光纤小端，经折射后，射向锥端侧面的纤芯-包层界面，根据三角几何关系及折反射定律可得：

式中，α为所述照明光纤的半锥角，n是在光线在锥端侧面的反射次数，表示折射角。

可知，当光线由所述照明光纤4的锥形入射端的小端向大端传播时，光线在纤芯-包层界面上的反射角度随反射次数的增加而逐渐增大，即在纤芯-包层界面的入射角越来越大于临界角，大部分能量集中在纤芯传播。因此，只要能够满足所述照明光纤4锥形入射端的小端数值孔径角的入射光线，都可以以较低的损耗传递到大端。反之，当光线由出射端大端向出射端小端传播时，光线在纤芯-包层界面上的入射角随反射次数的增加而减小，全反射条件易被破坏，容易造成能量泄漏。综上分析，所述照明光纤4可改变光纤数值孔径NA和光纤出光发散角。

所述锥形照明光纤4的结构参数通过如下步骤确定：

根据射线理论准确分析光线在照明光纤端的传输特性，得出入射端锥角与入射端入射孔径角及出射端锥角与出射端出光发散角的关系，确定一组使入射端入射孔径角及出射端出光发散角尽量大的照明光纤结构参数，其中，所述的入射端入射孔径角表示光纤接受和传输光的能力，在入射端面上入射角度小于该入射孔径角的光束均可进入光纤传播；所述的出射端出光发散角表示能从出射端面出射的与光纤中轴成最大角度的光线所对应的折射角：

如图2所示，取一条光线L1，L1的入射角θ₀等于当照明光纤的入射端和出射端不设置锥度是对应的最大孔径角，折射角为φ₀，L1与照明光纤侧面交点为照明光纤的纤芯的锥形端部的侧面和直线部分侧面的交点处A；

照明光纤端面同一点入射且入射角小于θ₀的任一光线L2，不经入射端侧面反射直接进入光纤正常传播，而入射角大于θ₀的光线，需经过入射端反射，若其反射角大于等于照明光纤临界角，即可在照明光纤中传播；取另一条光线L3，入射角为θ，L3经入射端侧面反射后，其反射角等于照明光纤临界角，因此入射角大于θ₀且小于等于θ的任一光线经入射端侧面反射后都可满足传播条件，也就是说入射角小于等于θ的任一光线都能够进入所述照明光纤并在光纤中以较小损耗传播，0即为所述入射端的入射孔径角；

所述照明光纤的锥长为h，照明光纤熔融拉锥后光纤端面半径的减少量为y，照明光纤的入射锥端直径为d，照明光纤两端不设置成锥形时纤芯直径为l，则入射端半锥角α通过下式得到：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{y}{tan\mathrm{\α}}=\frac{y+d}{{\mathrm{tan\φ}}_0}=h\\ d+2y=l\end{array}\right.;$

令光线L3的反射角等于照明光纤临界角Ψ_c，Ψ_c＝arcsin(n₂/n₁)，利用折射定律，得到所述照明光纤的入射端入射孔径角θ：

式中，n₀为照明光纤所处介质折射率，n₁为照明光纤纤芯折射率，n₂为照明光纤包层折射率；

光纤中可以传播的模式的种类和数量可由照明光纤归一化参数R来描述：

$R=\frac{2\mathrm{\π}r}{\mathrm{\λ}}\sqrt{n_1^2-n_2^2};$

式中，r为照明光纤纤芯半径，λ为波长，R值越大，可传播的模式越多，即所述照明光纤中可传播的模式都取决于其小端的R值，因此，当所述照明光纤入射端的纤芯直径d小于等于所述照明光纤出射端的纤芯直径时，方可使耦合入所述光纤的光线全部有效出射；

考虑到耦合时的面积失配损耗，所述照明光纤的入射端纤芯直径d应尽量大；另外，根据光线可逆原理，当出射端锥角等于入射端锥角时，可使入射并在光纤中传播的光线均匀出射，可达到较好照明效果，故所述照明光纤的入射端与出射端的锥端结构设计为对称结构，如图3所示。此时，所述照明光纤的出射端的出光发散角等于入射端的入射孔径角θ。

本实施例中，选用OSRAMSFH4233作为近红外LED光源，其发光面直径为1mm，为避免光源与光纤耦合时的面积失配损耗，设计所述照明光纤4的锥形入射端锥端纤芯直径d＝1mm，即所需照明光纤4的出射端锥端纤芯直径d′＝d＝1mm。本实施例中，选用数值孔径NA＝0.5的大孔径聚合物光纤作为照明光纤4，纤芯折射率n₁＝1.492，包层折射率n₂＝1.402，光纤所处介质为空气，即n₀＝1，则该平端光纤的入射孔径角为30°。表1为根据上述分析，计算所得常见的不同纤芯直径平端光纤熔融拉锥后的锥角及入射孔径角。

表1

平端纤芯直径l

2mm

3mm

4mm

5mm

6mm

7mm

8mm

9mm

锥角α

6.76°

10.08°

12.05°

13.34°

14.26°

15.46°

15.88°

16.23°

入射孔径角θ

42.21°

48.41°

52.35°

55.09°

57.13°

58.70°

59.96°

60.99°

上述结果说明，通过优化设计照明光纤，对其两端进行拉锥处理，可增加平端光纤入射孔径角和光纤出光发散角，这对于提高所述近红外LED光源与所述照明光纤的耦合效率是非常有效的，且使光纤出射光线角度增大，扩大可照明范围，因此，本实用新型提出的室内用光纤耦合LED辅助照明系统可以满足安防、公安等领域电子监控辅助照明的应用需求。另外，该系统光纤出射端面积较小，具有较强隐蔽性，应用范围将更加广泛。

本实用新型各个部分可以灵活配置使用，实现系统的扩展和性能提升。例如，LED光源2和照明光纤4之间可以是如上实施例选择的直接耦合方法，而当LED光源2发光面积小于照明光纤4入射端面积时，也可以是通过耦合装置5进行耦合，如图4所示，使LED光源2发出的光经过耦合装置5后发散角更符合照明光纤入射孔径角，进一步增大耦合效率，可选用的光学元件有自聚焦透镜、圆柱透镜、双曲面透镜以及更为复杂的透镜组合等。

对于本领域的技术人员来说，可以根据以上的技术方案和构思，作出各种相应的改变和变形，而所有的这些改变和变形都应该包括在本实用新型权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种室内用光纤耦合LED辅助照明系统，其特征在于，包括LED光源和照明光纤；所述照明光纤的入射端和出射端均呈锥形，所述LED光源发出的光从所述入射端耦合入照明光纤进行传输并从出射端射出。

2.根据权利要求1所述的室内用光纤耦合LED辅助照明系统，其特征在于，还包括散热片，所述LED光源连接于所述散热片的一端。

3.根据权利要求1所述的一种室内用光纤耦合LED辅助照明系统，其特征在于，所述照明光纤的入射端和出射端处包层和纤芯的直径均沿光轴逐渐变细。

4.根据权利要求3所述的一种室内用光纤耦合LED辅助照明系统，其特征在于，在入射端和出射端的整个锥区，包层和纤芯的直径之比保持恒定。

5.根据权利要求1所述的一种室内用光纤耦合LED辅助照明系统，其特征在于，还包括光纤固定端口，所述照明光纤的入射端面通过所述光线固定端口安装在紧靠LED光源出光位置处。

6.根据权利要求1所述的一种室内用光纤耦合LED辅助照明系统，其特征在于，所述LED光源为单个的近红外LED光源，所述LED光源发出的近红外不可见光从所述入射端耦合入照明光纤进行传输并从出射端射出。

7.根据权利要求6所述的一种室内用光纤耦合LED辅助照明系统，其特征在于，所述的近红外LED光源的中心波长为940nm。

8.根据权利要求1所述的一种室内用光纤耦合LED辅助照明系统，其特征在于，当LED光源发光面积小于照明光纤入射端面积时，所述LED光源通过耦合装置与照明光纤入射端进行耦合。