一种基于自由曲面的高效率LED光纤照明耦合器的设计方法与流程

技术特征：
1.一种基于自由曲面的高效率led光纤照明耦合器的设计方法，用于设计一种由透镜组件和反射器组成的led光纤照明耦合器，该led光纤照明耦合器用于将led光源发出的光线汇聚至光纤的入射端，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，建立xyz坐标系，并将xy平面作为光学平面，在所述光学平面的第一象限内，所述led光源位于坐标原点o处，光轴为x轴，将所述led光源发出光线分为小角度光线和大角度光线，所述光纤的入射端的中线所在直线与所述光轴重合，所述led光源的中心位于所述光轴上；步骤2，根据所述led光源的所述小角度光线，采用几何光学定律和边缘光线理论，通过迭代计算法计算所述透镜组件的第一自由曲面在所述光学平面的第一象限内的面型数据点，将数据点拟合得到第一自由曲面母线，再过所述第一自由曲面母线的起始点做垂直于y轴的第一直线；步骤3，根据所述第一自由曲面准直后的光线，采用几何光学定律和边缘光线理论，通过迭代计算法计算所述透镜组件的第二自由曲面在所述光学平面的第一象限内的面型数据点，并将数据点拟合得到第二自由曲面母线，再过所述第二自由曲面母线的起始点做垂直于y轴的第二直线；步骤4，将所述第一自由曲面母线、所述第二自由曲面母线、y轴、所述第一直线以及所述第二直线共同构成的封闭区间绕所述光轴旋转360
°
后得到所述透镜组件的整体结构，所述透镜组件将所述led光源的所述小角度光线汇聚至所述光纤的入射端；步骤5，根据所述led光源的所述大角度光线，采用几何光学定律和边缘光线理论，通过迭代计算法计算出所述反射器的第三自由曲面在所述光学平面的第一象限内的面型数据点，并将数据点拟合得到第三自由曲面母线；步骤6，将所述第三自由曲面母线绕所述光轴所在直线旋转360
°
后得到所述反射器的整体结构，所述反射器将所述led光源的所述大角度光线反射至所述光纤的入射端；步骤7，将所述透镜组件和所述反射器组合得到所述led光纤照明耦合器，其中，所述led光源的发散角为θ，所述小角度光线的角度为θ1，所述大角度光线的角度为θ2，θ＝θ1 θ2。2.根据权利要求1所述的基于自由曲面的高效率led光纤照明耦合器的设计方法，其特征在于：其中，所述步骤2中包括以下子步骤：步骤2-1，在所述第一自由曲面的设计中，光线将被准直，在xy平面内，将θ1划分为h等份，h为正整数，设所述第一自由曲面的起始点坐标设为p0(px0,py0)，所述led光源的所述小角度光线划分为h 1条，光线op
i
(i＝0,1,2
…
h)与x轴的夹角为每条光线的单位向量为光线经过所述第一自由曲面后的出射光线为一组与光轴近似平行的准直光线p
i
r
i
(i＝0,1
…
h)，其单位向量为空气的折射率为n0，透镜材料的折射率为n1，根据几何光学定律和边缘光线理论，得到公式(1)如下：
公式(1)中，k
1i
为待定常数，计算得到为所述第一自由曲面在所述光学平面内各点法线的单位向量步骤2-2，由几何关系，与op
i
满足以下关系：公式(2)中，λ1为常数，根据迭代计算法满足：联合公式(2)，(3)获得所述第一自由曲面在所述光学平面的第一象限内的面型数据点p
i
(px
i
,py
i
)(i＝0,1,2
…
h)，将数据点拟合得到所述第一自由曲面母线；步骤2-3，过所述第一自由曲面母线的起始点p0(px0,py0)做垂直于y轴的所述第一直线，并与y轴相交于p
0y
(0,py0)，得到所述第一直线p
0y
p0。3.根据权利要求1所述的基于自由曲面的高效率led光纤照明耦合器的设计方法，其特征在于：其中，步骤3包括以下子步骤：步骤3-1，在所述第二自由曲面的设计中，光线将被汇聚到所述光纤的入射端的中心点r，设所述第二自由曲面的起始点坐标为t0(tx0,ty0)，根据几何光学定律和边缘光线理论，得到公式(4):公式(4)中，k
2i
为待定常数，计算得到为所述第二自由曲面在所述光学平面内各点法线的单位向量步骤3-2，由几何关系，与满足以下关系：公式(5)中，λ2为常数，根据迭代计算法满足：联合公式(5)，(6)获得所述第二自由曲面在所述光学平面的第一象限内的面型数据点t
i
(tx
i
,ty
i
)(i＝0,1,2
…
h 1)，将数据点拟合得到所述第二自由曲面母线；步骤3-3，过所述第二自由曲面母线的起始点t0(tx0,ty0)做垂直于y轴的所述第二直线，并与y轴相交于t
0y
(0,ty0)，得到所述第二直线t
0y
t0。4.根据权利要求2或3所述的基于自由曲面的高效率led光纤照明耦合器的设计方法，其特征在于：其中，根据边缘光线理论和几何光学定律，所述第一自由曲面母线的起始点位置和所述第二自由曲面母线的起始点位置保证所述小角度光线经过所述透镜组件准直汇聚后的
出射光线与所述光纤的数值孔径相匹配，出射光线进入所述光纤后发生全发射，第一自由曲面母线的起始点p0(px0,py0)与第一自由曲面母线的起始点t0(tx0,ty0)之间满足：)之间满足：公式(8)中，θ
max
为光线发生全反射时与光轴最大的夹角，所述光纤的数值孔径na＝n0sinθ
max
。5.根据权利要求1所述的基于自由曲面的高效率led光纤照明耦合器的设计方法，其特征在于：其中，步骤5中包括以下子步骤：步骤5-1，在所述第三自由曲面的设计中，光线先折射通过第一直线p
0y
p0和第二直线t
0y
t0，再经过所述第三自由曲面的反射后汇聚到所述光纤的入射端的中心点r，在xy平面内，将θ2划分为h等份，h为正整数，设所述第三自由曲面的起始点坐标为q0(qx0,qy0)，q0、t0和r三点在一条直线上，光线oq
i
(i＝0,1,2
…
h)与y轴的夹角为与第二直线t0t
0y
的交点为d
i
(dx
i
,ty0)(i＝0,1,2
…
h)，根据几何光学定律，满足:其单位向量为由几何光学定律有:公式(10)中，k
3i
为待定常数，计算得到为所述第三自由曲面在所述光学平面内各点法线的单位向量步骤5-2，由几何关系，与满足以下关系:公式(11)中，λ3为常数，根据迭代计算法满足:联合公式(11)，(12)获得所述第三自由曲面在所述光学平面的第一象限内的面型数据点q
i
(qx
i
,qy
i
)(i＝0,1,2
…
h)，将数据点拟合得到所述第三自由曲面母线。6.根据权利要求5所述的基于自由曲面的高效率led光纤照明耦合器的设计方法，其特征在于：其中，根据边缘光线理论和几何光学定律，所述第三自由曲面母线的起始点位置保证所述大角度光线经过所述反射器反射后的出射光线与所述光纤的数值孔径相匹配，出射光
线进入光纤后发生全发射，所述第三自由曲面母线的起始点q
h
(qx
h
,qy
h
)满足：

技术总结
本发明提供了一种基于自由曲面的高效率LED光纤照明耦合器的设计方法，用于设计一种由透镜组件和反射器组成的LED光纤照明耦合器来将LED光源的光线汇聚至光纤入射端，包括以下步骤：步骤1，建立光学平面，将LED光源发出光线分为小角度光线和大角度光线；步骤2，根据边缘光线理论和几何光学定律，迭代计算出第一自由曲面的面型数据；步骤3，根据边缘光线理论和几何光学定律，迭代计算出第二自由曲面的面型数据；步骤4，由第一、第二自由曲线母线旋转得到透镜组件；步骤5，根据边缘光线理论和几何光学定律，迭代计算出第三自由曲面的面型数据；步骤6，由第三自由曲线母线旋转得到反射器；步骤7，各组件组合得到LED光纤照明耦合器。各组件组合得到LED光纤照明耦合器。各组件组合得到LED光纤照明耦合器。


技术研发人员：张荣君 王程 刘未名 姚其 郑玉祥 陈良尧
受保护的技术使用者：珠海复旦创新研究院
技术研发日：2021.05.10
技术公布日：2022/11/10