CN210717383U - 一种光纤灯 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种光纤灯，包括配光透镜、光纤束、耦合底座和LED光源，所述配光透镜连接在所述光纤束一端，所述耦合底座连接在所述光纤束另一端，所述LED光源安装于所述耦合底座；所述耦合底座内部中空，底部设有用于安装所述LED光源的安装口，所述耦合底座顶面敞开形成管状卡槽，所述光纤束接入所述管状卡槽；所述配光透镜是球缺形状，包括自由曲面外表面、内表面和底面，其底面设有用于衔接所述光纤束的衔接凹口。借助所述配光透镜，本光纤灯把光纤束在接收平面上实现高照度均匀度的圆形光斑，避免了眩光，提高照度均匀度，增大能量利用率，增加光纤灯的应用场景。

Description

一种光纤灯

技术领域

本实用新型涉及一种光纤灯，属于光纤照明与显示领域。

背景技术

LED是第四代照明光源，具有绿色环保，体积小，寿命长等诸多优点，应用范围广泛。多个LED灯珠的使用一般需要安装在同一块特制的电路板上，限制了灯珠位置；平板灯、广告灯等的电路板体积较大，需要较大的平整安装空间，这给特殊场景的使用带来不便，不甚灵活。随着蓝光和白光LED技术的不断成熟，LED的应用场景相应的扩展到医用照明、防爆照明、光纤照明等。光纤照明技术相比较LED照明，聚合物光纤端发光技术有诸多优点：POF比较柔软，不易折损，能应用在比较特殊复杂的空间；POF端头发光面积小，方便光学设计；POF 发光端头与光源隔离，本身无导电性，热量低，是一种安全照明设计。相较于传统LED灯源，光纤照明模块无需大块电路板，而光电分离使安全性更高；借助柔软的光纤束，将光波引导到其他狭小复杂的区域，应用场景更加丰富。可见该研究具有较大的科研和现实意义。

但是，目前对光纤照明的研究，内容较多的是讨论自然光的耦合收集并由特殊光纤传导利用，而基于塑料光纤束，收集LED光能量并对光纤束端口的发光分布重新设计的研究相对较少。光纤发光关口未经过处理，其显示效果表现为光斑中间亮，圆周暗，亮度差别大，照度不均匀，这样是作为灯具应用到生活中效果并不好。

实用新型内容

本实用新型提供了一种光纤灯，其克服了背景技术所存在的不足。本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种光纤灯，包括配光透镜、光纤束、耦合底座和LED光源，所述配光透镜连接在所述光纤束一端，所述耦合底座连接在所述光纤束另一端，所述LED 光源安装于所述耦合底座；所述耦合底座内部中空，底部设有用于安装所述LED 光源的安装口，所述耦合底座顶面敞开形成管状卡槽，所述光纤束接入所述管状卡槽；所述配光透镜是球缺形状，包括自由曲面外表面、内表面和底面，其底面设有用于衔接所述光纤束的衔接凹口。

一较佳实施例之中：所述耦合底座是铝制基座，所述安装口是一个圆面缺口，尺寸与LED发光面直径相对应；所述安装口上方的周围侧面是自由曲面。

一较佳实施例之中：所述配光透镜胶合在光纤束的发光端口正前方。

一较佳实施例之中：所述光纤束包括多根芯径、长度、数值孔径都相同的阶跃型塑料光纤，一根光纤为中心轴，其它光纤围绕中心光纤紧密贴合。

一较佳实施例之中：一共是七根光纤，光纤外径为3mm，数值孔径为0.5mm，发光端面上光纤的中心间距为3mm。

一较佳实施例之中：所述配光透镜的外表面为自由曲面，该曲面母线坐标值的计算方法是，基于光纤束导光特性，由软件分析得到光纤束发光端口的发光模式，通过公差分析采用10阶代数多项式拟合出所述发光模式相对应的理论配光曲线，由所述配光曲线结合斯涅耳定律计算出多个母线坐标值。

一较佳实施例之中：所述配光透镜的内轮廓母线为半圆形，尺寸与光纤束发光端口截面相对应。

一较佳实施例之中：母线坐标值导入3D打印系统打印出配光透镜。

一较佳实施例之中：所述配光透镜的材料为亚克力，通体透明，外表面光滑。

一较佳实施例之中：所述LED光源采用朗伯体LED做光源。

本技术方案与背景技术相比，它具有如下优点：

照明模块无需电路板，光电分离使安全性更高；耦合底座将LED光源的光能量耦合进光纤束，由光纤束经过自身全反射传递到光纤束发光端口，并且发光端口上对接配光透镜，使原来不均匀的光斑约束为高照度均匀性的理想光斑，增加了能量利用率；借助光纤束，将光波引导到其他狭小复杂的应用区域，使应用场景更加丰富。因此，本实用新型一种光纤灯，借助所述配光透镜，把光纤束在接收平面上实现高照度均匀度的圆形光斑，避免了眩光，提高照度均匀度，增大能量利用率，增加光纤灯的应用场景。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

图1绘示了本实用新型一种光纤灯的立体示意图。

图2绘示了图1所示一种光纤灯光纤束的端面示意图。

图3绘示了图1所示一种光纤灯的耦合底座的示意图。

图4绘示了图3所示耦合底座的立体剖视图。

图5绘示了图1所示一种光纤灯的配光透镜的示意图。

图6绘示了图5所示配光透镜的立体剖视图。

具体实施方式

请参照图1至图6，一种光纤灯，包括配光透镜4、光纤束2、耦合底座3 和LED光源(图未示)。所述配光透镜4连接在所述光纤束2一端(出光端口)，所述耦合底座3连接在所述光纤束2另一端(进光端口)，所述LED光源安装于所述耦合底座3。

所述光纤束2一共包含七根光纤，以一根光纤为中心轴，六根光纤圆周胶合，光纤的柱面依次紧密贴合中心光纤，也就是六根光纤包围住一根光纤并与紧密贴合。本实施例当中，所述光纤束2使用多个光纤芯径、光纤长度、光纤数值孔径都相同的阶跃型塑料光纤。每根光纤的外径为3mm，数值孔径为0.5mm，发光端面上光纤的中心间距为3mm。端面保持整齐平整以达到端头最大入光面积。

耦合底座3是铝制基座，内部中空。所述耦合底座3底部设有用于安装所述 LED光源的安装口31，所述安装口31是一个圆面缺口，尺寸与LED发光面直径相对应。所述安装口31上方的周围侧面是自由曲面32，自由曲面32是根据全反射原理设计的，实现控制LED光源的大部分光线进入光纤束。所述耦合底座3顶面敞开形成管状卡槽33，光纤束2的进光端口插入所述管状卡槽33，管状卡槽33 的尺寸与光纤束2的尺寸相适应。

本实用新型LED光源采用普通的标准朗伯体LED做原始光源，发光面为圆面，发光模式为朗伯余弦型。LED光源适配安装于所述安装口31，光线在所述自由曲面32上发生全反射，根据平面解析几何学与几何光学理论，由MATLAB编写程序求解轮廓点的坐标值。根据边缘光线理论，发散角小于60°的光线将会直接到达光纤束2端面进光端面，并且入射角都小于该光纤束2的最小入射角，即光能够在纤芯中全反射传输。

光纤端头的发光特性整体上表现为光线的发散角较小，近轴光线密集，发散光束的大部分能量集中在光轴附近。离轴光线比较稀疏，光斑圆周边缘能量较低。这种情况下光纤束的照明光斑亮度不均匀，表现为中心过亮，圆周偏暗，亮度落差值大，主要照明范围较小，甚至造成眩光。

所述配光透镜4是球缺形状，包括自由曲面外表面11、内表面12和底面，其底面的中心设有衔接凹口13，衔接凹口用于衔接光纤束2的发光端口，所述衔接凹口13的直径与光纤束2的横截面尺寸相适应。所述配光透镜4胶合在光纤束 2的发光端口。

所述配光透镜4的内轮廓母线为半圆形，尺寸与光纤束2发光端口截面相对应。所述配光透镜4采用剪裁法，首先由软件建立光纤束2的端头发光模式的数学模型。LED光能经过光纤束2传播，得到光纤端头的发散光特性为各向同性，即端头能量空间关于光轴中心对称，故端头极坐标系中，将发光能量空间划分为多个环形小能量单元。设圆环的光通量为光源总光通量的1/N。端口光源的配光曲线表达式根据光纤的导光特性，显然端头发光的配光曲线与一般朗伯体光源的余弦型配光曲线是不同的，故采用一组基函数的10阶代数多项式来拟合。

接着根据最小二乘曲线拟合方法对相对光强分布进行精确拟合，计算出多项式的各项系数，得到配光曲线的数学模型，将其代入剪裁法光通量表达式，通过 MATLAB编写计算程序，计算出多个能量区间对应的角度值。

同样将照明接收面也划分为N份等照度的面积单元以达到均匀照明的目的。根据能量守恒定律和边缘光线理论，求解每个接收单元的外半径。最后根据剪裁法的常规步骤，便可以计算得到配光透镜内外轮廓的坐标值。

所述配光透镜4是由内轮廓母线与外轮廓母线确定外形的，母线坐标值导入 3D打印系统打印出实体配光透镜，所述实体透镜的材料为亚克力，通体透明，外表面光滑。

以上所述，仅为本实用新型较佳实施例而已，故不能依此限定本实用新型实施的范围，即依本实用新型专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本实用新型涵盖的范围内。

Claims (10)

1.一种光纤灯，其特征在于：包括配光透镜、光纤束、耦合底座和LED光源，所述配光透镜连接在所述光纤束一端，所述耦合底座连接在所述光纤束另一端，所述LED光源安装于所述耦合底座；

所述耦合底座内部中空，底部设有用于安装所述LED光源的安装口，所述耦合底座顶面敞开形成管状卡槽，所述光纤束接入所述管状卡槽；

所述配光透镜是球缺形状，包括自由曲面外表面、内表面和底面，其底面设有用于衔接所述光纤束的衔接凹口。

2.根据权利要求1所述的一种光纤灯，其特征在于：所述耦合底座是铝制基座，所述安装口是一个圆面缺口，尺寸与LED发光面直径相对应；所述安装口上方的周围侧面是自由曲面。

3.根据权利要求1所述的一种光纤灯，其特征在于：所述配光透镜胶合在光纤束的发光端口正前方。

4.根据权利要求1所述的一种光纤灯，其特征在于：所述光纤束包括多根芯径、长度、数值孔径都相同的阶跃型塑料光纤，一根光纤为中心轴，其它光纤围绕中心光纤紧密贴合。

5.根据权利要求4所述的一种光纤灯，其特征在于：一共是七根光纤，光纤外径为3mm，数值孔径为0.5mm，发光端面上光纤的中心间距为3mm。

6.根据权利要求1所述的一种光纤灯，其特征在于：所述配光透镜的外表面为自由曲面，该曲面母线坐标值的计算方法是，基于光纤束导光特性，由软件分析得到光纤束发光端口的发光模式，通过公差分析采用10阶代数多项式拟合出所述发光模式相对应的理论配光曲线，由所述配光曲线结合斯涅耳定律计算出多个母线坐标值。

7.根据权利要求6所述的一种光纤灯，其特征在于：所述配光透镜的内轮廓母线为半圆形，尺寸与光纤束发光端口截面相对应。

8.根据权利要求7所述的一种光纤灯，其特征在于：母线坐标值导入3D打印系统打印出配光透镜。

9.根据权利要求1所述的一种光纤灯，其特征在于：所述配光透镜的材料为亚克力，通体透明，外表面光滑。

10.根据权利要求1所述的一种光纤灯，其特征在于：所述LED光源采用朗伯体LED做光源。

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