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

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
技术领域
1.本发明属于led光纤照明耦合器的技术领域，具体涉及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。


背景技术：

2.led光纤照明系统能够实现光电分离，广泛应用于特殊环境的照明场景，例如内窥镜照明，盐雾、霉菌、水汽、矿井等环境下照明。led光源为朗伯发光体，发光角度范围为0
°
至180
°
，而光纤是根据全反射的原理进行光线的传输，它有一定的数值孔径，因此光纤存在最大入射角，进入光纤入射端面的光线与光纤光轴的夹角小于最大入射角时(一般小于30
°
)，光线才能在光纤中进行传输，否则会从光纤的侧面射出，成为杂散光。led光纤照明耦合器的功能是将led发出的光线尽可能多的耦合进入光纤入射端面，并且能够在光纤中发生全反射。
3.现有的led光纤照明耦合器有三种实现方案：1.单颗led与光纤入射端面直接耦合，2.单颗led和透镜组与光纤耦合，3.多颗led和透镜组与光纤耦合。
4.cn 109893085a公布了一种单颗led与光纤入射端面直接耦合的方案，实现了一种体积小、可靠性高的手持式眼底相机，但由于led与光纤的入射端面直接耦合，大部分光线无法与光纤良好耦合，系统光效低，产生的热量多。
5.cn 208569112u公布了一种单颗led和透镜组与光纤耦合的方案，先通过准直透镜将单颗led发出的光线准直，再通过汇聚透镜将光线汇聚到光纤入射端面，但是led发出的大角度光线很难通过透镜进行准直，同时过多的透镜也会降低系统的光学效率。
6.cn 211011180u公布了一种单颗led和透镜组与光纤耦合的方案，先通过tir透镜将单颗led光线准直，再通过会聚透镜将光线汇聚到光纤入射端面，虽然该方案收集了大角度的led光线，但是tir和透镜的组合造成系统体积大，不利于系统的小型化；同时单透镜的汇聚存在球差，会在焦点附近形成弥散斑，会造成系统光学效率低。
7.cn 208459632u公布了一种多颗led光源与透镜组进行耦合的方案，由于汇聚透镜需要汇聚多颗led发出的光线，造成系统的体积较大，同时因无法收集led大角度的光线，造成系统的光学效率低。
8.因此在led光源耦合器的技术中迫切需要一种耦合效率高、系统结构紧凑的光学方案。


技术实现要素：

9.本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供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。
10.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，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：
11.步骤1，建立xyz坐标系，并将xy平面作为光学平面，在光学平面的第一象限内，led光源位于坐标原点o处，光轴为x轴，将led光源发出光线分为小角度光线和大角度光线，光纤的入射端的中线所在直线与光轴重合，led光源的中心位于光轴上；
12.步骤2，根据led光源的小角度光线，采用几何光学定律和边缘光线理论，通过迭代计算法计算透镜组件的第一自由曲面在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，再过第一自由曲面母线的起始点做垂直于y轴的第一直线；
13.步骤3，根据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透镜组件的第二自由曲面在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，再过第二自由曲面母线的起始点做垂直于y轴的第二直线；
14.步骤4，将第一自由曲面母线、第二自由曲面母线、y轴、第一直线以及第二直线共同构成的封闭区间绕光轴旋转360
°
后得到透镜组件的整体结构，透镜组件将led光源的小角度光线汇聚至光纤的入射端；
15.步骤5，根据led光源的大角度光线，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反射器的第三自由曲面在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；
16.步骤6，将第三自由曲面母线绕光轴所在直线旋转360
°
后得到反射器的整体结构，反射器将led光源的大角度光线反射至光纤的入射端；
17.步骤7，将透镜组件和反射器组合得到led光纤照明耦合器，其中，led光源的发散角为θ，小角度光线的角度为θ1，大角度光线的角度为θ2，θ＝θ1 θ2。
18.在本发明提供的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中，还可以具有这样的特征：其中，步骤2中包括以下子步骤：
19.步骤2-1，在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，设第一自由曲面的起始点坐标设为p0(px0,py0)，led光源的小角度光线划分为h 1条，光线opi(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
iri
(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：
[0020][0021]
公式(1)中，k
1i
为待定常数，计算得到为第一自由曲面在光学平面内各点法线的单位向量
[0022]
步骤2-2，由几何关系，与opi满足以下关系：
[0023][0024]
公式(2)中，λ1为常数，根据迭代计算法满足：
[0025][0026]
联合公式(2)，(3)获得第一自由曲面在光学平面的第一象限内的面型数据点pi(pxi,pyi)(i＝0,1,2
…
h)，将数据点拟合得到第一自由曲面母线；
[0027]
步骤2-3，过第一自由曲面母线的起始点p0(px0,py0)做垂直于y轴的第一直线，并与y轴相交于p
0y
(0,py0)，得到第一直线p
0y
p0。
[0028]
在本发明提供的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中，还可以具有这样的特征：其中，步骤3包括以下子步骤：
[0029]
步骤3-1，在第二自由曲面的设计中，光线将被汇聚到光纤的入射端的中心点r，设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):
[0030][0031]
公式(4)中，k
2i
为待定常数，计算得到为第二自由曲面在光学平面内各点法线的单位向量
[0032]
步骤3-2，由几何关系，与满足以下关系：
[0033][0034]
公式(5)中，λ2为常数，根据迭代计算法满足：
[0035][0036]
联合公式(5)，(6)获得第二自由曲面在光学平面的第一象限内的面型数据点ti(txi,tyi)(i＝0,1,2
…
h 1)，将数据点拟合得到第二自由曲面母线；
[0037]
步骤3-3，过第二自由曲面母线的起始点t0(tx0,ty0)做垂直于y轴的第二直线，并与y轴相交于t
0y
(0,ty0)，得到第二直线t
0y
t0。
[0038]
在本发明提供的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中，还可以具有这样的特征：其中，根据边缘光线理论和几何光学定律，第一自由曲面母线的起始点位置和第二自由曲面母线的起始点位置保证小角度光线经过透镜组件准直汇聚后的出射光线与光纤的数值孔径相匹配，出射光线进入光纤后发生全发射，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：
[0039][0040][0041]
公式(8)中，θ
max
为光线发生全反射时与光轴最大的夹角，光纤的数值孔径na＝n0sinθ
max
。
[0042]
在本发明提供的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中，还可以具有这样的特征：其中，步骤5中包括以下子步骤：
[0043]
步骤5-1，在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，再经过第三自由曲面的反射后汇聚到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oqi(i＝0,1,2
…
h)与y轴的夹角为与第二直线t0t
0y
的交点为di(dxi,ty0)(i＝0,1,2
…
h)，根据几何光学定律，满足:
[0044][0045]
其单位向量为由几何光学定律有:
[0046][0047]
公式(10)中，k
3i
为待定常数，计算得到为第三自由曲面在光学平面内各点法线的单位向量
[0048]
步骤5-2，由几何关系，与满足以下关系:
[0049][0050]
公式(11)中，λ3为常数，根据迭代计算法满足:
[0051][0052]
联合公式(11)，(12)获得第三自由曲面在光学平面的第一象限内的面型数据点qi(qxi,qyi)(i＝0,1,2
…
h)，将数据点拟合得到第三自由曲面母线。
[0053]
在本发明提供的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中，还可以具有这样的特征：其中，根据边缘光线理论和几何光学定律，第三自由曲面母线的起始点位置保证大角度光线经过反射器反射后的出射光线与光纤的数值孔径相匹配，出射光线进入光纤后发生全发射，第三自由曲面母线的起始点qh(qxh,qyh)满足：
[0054][0055]
发明的作用与效果
[0056]
根据本发明所涉及的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，因为能够通过设计的透镜组件和反射器同时对led光源的大角度光线和小角度光线进行汇聚利用，所以，能够提高光能利用率，降低散热难度；因为根据边缘光线原理来保证出射光线与光纤数值孔径相匹配，所以设计得到的led光纤照明耦合器能够适用于细径光纤，提高耦合效率；并且本发明设计得到的led光纤照明耦合器通过三个自由曲面就能完成光线的准直和汇聚，系统结构紧凑。
附图说明
[0057]
图1是本发明的实施例中的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的流程图；
[0058]
图2是本发明的实施例中的led光纤照明耦合器在光学平面的第一象限内的面型图；
[0059]
图3是本发明的实施例中的第一自由曲面的设计示意图；
[0060]
图4是本发明的实施例中的第二自由曲面的设计示意图；
[0061]
图5是本发明的实施例中的透镜组件的示意图；
[0062]
图6是本发明的实施例中的第三自由曲面的设计示意图；
[0063]
图7是本发明的实施例中的反射器的结构示意图；
[0064]
图8是本发明的实施例中的led光纤照明耦合器的整体结构示意图；
[0065]
图9是本发明的实施例中的led光纤照明耦合器对led光源光线的汇聚示意图。
具体实施方式
[0066]
为了使本发明实现的技术手段与功效易于明白了解，以下结合实施例及附图对本发明作具体阐述。
[0067]
《实施例》
[0068]
图1是本发明的实施例中的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的流程图。
[0069]
如图1所示，本实施例的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，包括以下步骤：
[0070]
图2是本发明的实施例中的led光纤照明耦合器在光学平面的第一象限内的面型图。
[0071]
如图2所示，步骤1，建立xyz坐标系，并将xy平面作为光学平面，在光学平面的第一象限内，led光源1位于坐标原点o处，光轴为x轴，将led光源1发出光线分为小角度光线和大角度光线，光纤的入射端2的中线所在直线与光轴重合，光纤的入射端2的中心点为r，坐标为(rx,0)，led光源1的中心位于光轴上，led光源1的发散角为θ，小角度光线的角度为θ1，大角度光线的角度为θ2，θ＝θ1 θ2。
[0072]
图3是本发明的实施例中的第一自由曲面的设计示意图。
[0073]
如图3所示，步骤2，根据led光源1的小角度光线，采用几何光学定律和边缘光线理论，通过迭代计算法计算透镜组件的第一自由曲面31在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32，再过第一自由曲面母线32的起始点做垂直于y轴的第一直线。
[0074]
步骤2中包括以下子步骤：
[0075]
步骤2-1，在第一自由曲面31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，设第一自由曲面的起始点坐标设为p0(px0,py0)，led光源1小角度发出的光线划分为h 1条，光线opi(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第一自由曲面31后的出射光线为一组与光轴近似平行的准直光线p
iri
(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：
[0076][0077]
公式(1)中k
1i
为待定常数，计算得到为第一自由曲面31在光学平面内各点法线的单位向量
[0078]
步骤2-2，由几何关系，与opi满足以下关系：
[0079][0080]
公式(2)中，λ1为常数，根据迭代计算法满足：
[0081][0082]
联合公式(2)，(3)获得第一自由曲面31在光学平面的第一象限内的面型数据点pi(pxi,pyi)(i＝0,1,2
…
h)，将数据点拟合得到第一自由曲线的母线32；
[0083]
步骤2-3，过第一自由曲面31的起始点p0(px0,py0)做垂直于y轴的第一直线，并与y轴相交于p
0y
(0,py0)，得到第一直线p
0y
p0。
[0084]
图4是本发明的实施例中的第二自由曲面的设计示意图。
[0085]
如图4所示，步骤3，根据第一自由曲面31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透镜组件的第二自由曲面33在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34，再过第二自由曲面母线34的起始点做垂直于y轴的第二直线。
[0086]
步骤3包括以下子步骤：
[0087]
步骤3-1，在第二自由曲面33的设计中，光线将被汇聚到光纤的入射端2的中心点r，设第二自由曲面33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):
[0088][0089]
公式(4)中k
2i
为待定常数，计算得到为第二自由曲面33在光学平面内各点法线的单位向量
[0090]
步骤3-2，由几何关系，与满足以下关系：
[0091][0092]
公式(5)中，λ2为常数，根据迭代计算法满足：
[0093]
[0094]
联合公式(5)，(6)获得第二自由曲面33在光学平面的第一象限内的面型数据点ti(txi,tyi)(i＝0,1,2
…
h 1)，将数据点拟合得到第二自由曲面母线34；
[0095]
步骤3-3，过第二自由曲面母线34的起始点t0(tx0,ty0)做垂直于y轴的第二直线，并与y轴相交于t
0y
(0,ty0)，得到第二直线t
0y
t0。
[0096]
根据边缘光线理论和几何光学定律，第一自由曲面母线32的起始点位置和第二自由曲面母线34的起始点位置保证小角度光线经过透镜组件准直汇聚后的出射光线与光纤的数值孔径相匹配，出射光线进入光纤后发生全发射，第一自由曲面母线32的起始点p0(px0,py0)与第一自由曲面母线34的起始点t0(tx0,ty0)之间满足：
[0097][0098][0099]
公式(8)中，θ
max
为光线发生全反射时与光轴最大的夹角，光纤的数值孔径na＝n0sinθ
max
。
[0100]
图5是本发明的实施例中的透镜组件示意图。
[0101]
如图4和图5所示，步骤4，将第一自由曲面母线32、第二自由曲面母线34、y轴、第一直线以及第二直线共同构成的封闭区间绕光轴旋转360
°
后得到透镜组件3的整体结构，透镜组件3将led光源的小角度光线汇聚至光纤的入射端2。
[0102]
图6是本发明的实施例中的第三自由曲面的设计示意图。
[0103]
如图6所示，步骤5，根据led光源1的大角度光线，采用边缘光线理论和几何光学定律，通过迭代计算法计算第三自由曲面41在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42。
[0104]
步骤5中包括以下子步骤：
[0105]
步骤5-1，在第三自由曲面41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，再经过第三自由曲面41的反射后汇聚到光纤的入射端2的中心点r，在xy平面内，将θ2划分为h等份，h为正整数，设第三自由曲面41的起始点坐标为q0(qx0,qy0)，q0、t0和r三点在一条直线上，光线oqi(i＝0,1,2
…
h)与y轴的夹角为与直线t0t
0y
的交点为di(dxi,ty0)(i＝0,1,2
…
h)，根据几何光学定律，满足:
[0106][0107]
其单位向量为由几何光学定律有:
[0108][0109]
公式(11)中，k
3i
为待定常数，计算得到为第三自由曲面41在光学平面内各点法线的单位向量
[0110]
步骤5-2，由几何关系，与满足以下关系:
[0111][0112]
公式(11)中，λ3为常数，根据迭代计算法满足:
[0113][0114]
联合公式(11)，(12)获得第三自由曲面41在光学平面的第一象限内的面型数据点qi(qxi,qyi)(i＝0,1,2
…
h)，将数据点拟合得到第三自由曲面母线42。
[0115]
根据边缘光线理论和几何光学定律，第三自由曲面母线42的起始点位置保证大角度光线经过反射器反射后的出射光线与光纤的数值孔径相匹配，出射光线进入光纤后发生全发射，第三自由曲面母线42的起始点qh(qxh,qyh)满足：
[0116][0117]
图7是本发明的实施例中的反射器的结构示意图。
[0118]
如图6和图7所示，步骤6，将第三自由曲面41的第三自由曲面母线42绕x轴旋转360
°
后得到反射器4的整体结构，反射器4的厚度可根据应用需求和加工水平确定。
[0119]
图8是本发明的实施例中的led光纤照明耦合器的整体结构示意图。
[0120]
如图8所示，步骤7，将透镜组件3和反射器4组合得到led光纤照明耦合器，反射器4位于透镜组件3外部。
[0121]
图9是本发明的实施例中的led光纤照明耦合器对led光源光线的汇聚示意图。
[0122]
如图9所示，led光源1的小角度光线经过第一自由曲面31准直后由第二自由曲面33汇聚至光纤的入射端2处，led光源1的大角度光线经过第三自由曲面41反射并汇聚至光纤的入射端2处。
[0123]
实施例的作用与效果
[0124]
根据本实施例所涉及的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，因为能够通过设计的透镜组件和反射器同时对led光源的大角度光线和小角度光线进行汇聚利用，所以，能够提高光能利用率，降低散热难度；因为根据边缘光线理论来保证出射光线与光纤数值孔径相匹配，所以设计得到的led光纤照明耦合器能够适用于细径光纤，提高耦合效率；并且本实施例设计得到的led光纤照明耦合器通过三个自由曲面就能完成光线的准直和汇聚，系统结构紧凑。
[0125]
上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。