一種室內(nèi)用光纖耦合led輔助照明系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種室內(nèi)用光纖耦合LED輔助照明系統(tǒng)，包括LED光源、散熱片和照明光纖，所述LED光源連接于所述散熱片；所述照明光線的入射端和出射端均呈錐形，所述LED光源發(fā)出的光從所述入射端耦合入照明光纖進行傳輸并從出射端射出。本實用新型通過對照明光纖入射端的熔融拉錐處理，使LED發(fā)出的發(fā)散光線更有效地與光纖耦合，提高光能利用率；通過對照明光纖的出射端進行熔融拉錐處理，使光纖出射光線角度增大，擴大照明范圍，進一步符合實用需求。
【專利說明】
-種室內(nèi)用光纖輔合LED輔助照明系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實用新型設(shè)及光纖照明應(yīng)用領(lǐng)域，具體設(shè)及一種近紅外LED燈與光纖相結(jié)合的 新型輔助照明系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 主動式夜視技術(shù)通過增加輔助照明系統(tǒng)，主動發(fā)射近紅外光束至目標物，提高返 回的信號光能量，從而在低能見度環(huán)境下獲取目標景物的細節(jié)信息，具有清晰度高、經(jīng)濟可 靠等優(yōu)勢。半導(dǎo)體發(fā)光二極管化抓)是一種新型的半導(dǎo)體照明光源，具有使用壽命長、高效 節(jié)能等優(yōu)勢，是目前安防監(jiān)控領(lǐng)域廣泛使用的主動照明光源。
[0003] 光纖照明技術(shù)是隨著光纖制造技術(shù)和電光源技術(shù)的發(fā)展應(yīng)運而生的，其基本原理 是通過禪合裝置把光源發(fā)出的光禪合入光纖，利用光線在光纖內(nèi)進行全反射的原理傳導(dǎo) 光，從而進行照明。由于光纖材質(zhì)具有只導(dǎo)光不導(dǎo)電、體積小、可曉性強等優(yōu)點，已在工業(yè)、 醫(yī)療等領(lǐng)域獲得了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。
[0004] 相比于目前安防監(jiān)控中廣泛使用的近紅外Lm)光源直接進行輔助照明，將主動式 夜視技術(shù)與光纖照明技術(shù)相結(jié)合的光纖輔助照明系統(tǒng)具有光電分離、靈活方便、無電磁干 擾等特點，可方便地安裝于多種照明環(huán)境或物體中，可有效應(yīng)用于安防、公安等領(lǐng)域全天候 監(jiān)控的輔助照明，且該系統(tǒng)隱蔽性較強，在特種照明領(lǐng)域擁有不可替代的優(yōu)勢。傳統(tǒng)近紅外 光纖輔助照明系統(tǒng)多采用近紅外激光作為光源，W獲得較高光纖出射功率，但是采用激光 作為光源時，光束出射角度小，只適用于遠距離的夜間輔助照明?？紤]到光纖照明和Lm)光 源各自的優(yōu)勢后，光纖禪合Lm)輔助照明系統(tǒng)可最大程度的實現(xiàn)它們的互補。然而，由于LED 發(fā)光面積較大，且福射發(fā)散角大，與光纖的禪合效率較低，限制了其在照明領(lǐng)域的應(yīng)用。通 常，提高禪合效率的方法是通過光學(xué)元件將光源發(fā)射的光進行光束整形，使其滿足光纖的 數(shù)值孔徑，該光學(xué)元件可W是透鏡，透鏡組合，或是特定加工的全反射器件，但是當L邸光源 發(fā)光面積較大時，其主要的禪合損耗是面積失配損耗，采用該種禪合方式并無法有效改善 禪合效率。 【實用新型內(nèi)容】
[0005] 針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實用新型旨在提供一種室內(nèi)用光線禪合Lm)輔助照明系 統(tǒng)，通過特別設(shè)計照明光纖，對其兩端進行烙融拉錐處理，增大光纖數(shù)值孔徑，既提高禪合 效率，又可增加光纖出光發(fā)散角，更好滿足室內(nèi)用輔助照明的實用需求，且體積小巧、成本 低廉。
[0006] 為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用如下技術(shù)方案：
[0007] -種室內(nèi)用光纖禪合LED輔助照明系統(tǒng)，包括LED光源和照明光纖;所述照明光纖 的入射端和出射端均呈錐形，所述Lm)光源發(fā)出的光從所述入射端禪合入照明光纖進行傳 輸并從出射端射出。
[000引作為一種優(yōu)選方案，還包括散熱片，所述L邸光源連接于所述散熱片的一端。
[0009] 作為進一步的優(yōu)選方案，所述照明光纖的入射端和出射端處包層和纖忍的直徑均 沿光軸逐漸變細。
[0010] 作為進一步的優(yōu)選方案，在入射端和出射端的整個錐區(qū)，包層和纖忍的直徑之比 保持t旦定。
[0011] 作為一種優(yōu)選方案，還包括光纖固定端口，所述照明光纖的入射端面通過所述光 線固定端口安裝在緊靠 LED光源出光位置處。
[0012] 作為一種優(yōu)選方案，所述Lm)光源為單個的近紅外L邸光源，所述Lm)光源發(fā)出的近 紅外不可見光從所述入射端禪合入照明光纖進行傳輸并從出射端射出。采用近紅外Lm)光 源可避免該系統(tǒng)用于安防、公安等領(lǐng)域全天候監(jiān)控的輔助照明時的"紅暴"現(xiàn)象，提高照明 的隱蔽性。
[0013] 作為進一步的優(yōu)選方案，所述的近紅外L邸光源的中屯、波長為940nm。
[0014] 作為一種優(yōu)選方案，當LED光源發(fā)光面積小于照明光纖入射端面積時，所述Lm)光 源通過禪合裝置與照明光纖入射端進行禪合。
[0015] 上述室內(nèi)用光纖禪合L邸輔助照明系統(tǒng)的制作方法包括如下步驟：
[0016] Sl根據(jù)預(yù)先設(shè)定的結(jié)構(gòu)參數(shù)，對照明光纖入射端和出射端進行烙融拉錐處理，使 得所述入射端和出射端呈錐形；
[0017] S2將Lm)光源安裝于所述散熱片的一端，并通過所述光纖固定端口將所述照明光 纖的入射端安裝于緊靠 LED光源出光位置處。
[0018] 需要說明的是，步驟Sl中，所述結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定步驟如下：
[0019] 根據(jù)射線理論準確分析光線在照明光纖端的傳輸特性，得出入射端錐角與入射端 入射孔徑角及出射端錐角與出射端出光發(fā)散角的關(guān)系，確定一組使入射端入射孔徑角及出 射端出光發(fā)散角盡量大的照明光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)，其中，所述的入射端入射孔徑角表示光纖接 受和傳輸光的能力，在入射端面上入射角度小于該入射孔徑角的光束均可進入光纖傳播； 所述的出射端出光發(fā)散角表示能從出射端面出射的與光纖中軸成最大角度的光線所對應(yīng) 的折射角：
[0020] 取一條光線LI, Ll的入射角00等于當照明光纖的入射端和出射端不設(shè)置錐度是對 應(yīng)的最大孔徑角，折射角為4〇，Ll與照明光纖側(cè)面交點為照明光纖的纖忍的錐形端部的側(cè) 面和直線部分側(cè)面的交點處；
[0021] 照明光纖端面同一點入射且入射角小于00的任一光線L2,不經(jīng)入射端側(cè)面反射直 接進入光纖正常傳播，而入射角大于00的光線，需經(jīng)過入射端反射，若其反射角大于等于照 明光纖臨界角，即可在照明光纖中傳播;取另一條光線L3,入射角為0，L3經(jīng)入射端側(cè)面反射 后，其反射角等于照明光纖臨界角，因此入射角大于00且小于等于0的任一光線經(jīng)入射端側(cè) 面反射后都可滿足傳播條件，也就是說入射角小于等于0的任一光線都能夠進入所述照明 光纖并在光纖中W較小損耗傳播，0即為所述入射端的入射孔徑角；
[0022] 所述照明光纖的錐長為h，照明光纖烙融拉錐后光纖端面半徑的減少量為y，照明 光纖的入射錐端直徑為d，照明光纖兩端不設(shè)置成錐形時纖忍直徑為1，則入射端半錐角a通 過下式得到：
[0023]
[0024] 令光線L3的反射角巧等于照明光纖臨界角^。，^。=曰'〇3111(112/111)，利用折射定 律，得到所述照明光纖的入射端入射孔徑角0 :
[0025]
;
[0026] 式中，no為照明光纖所處介質(zhì)折射率，m為照明光纖纖忍折射率，恥為照明光纖包 層折射率；
[0027] 光纖中可W傳播的模式的種類和數(shù)量可由照明光纖歸一化參數(shù)R來描述：
[002引
[0029] 式中，r為照明光纖纖忍半徑，A為波長，R值越大，可傳播的模式越多，即所述照明 光纖中可傳播的模式都取決于其小端的R值，因此，當所述照明光纖入射端的纖忍直徑d小 于等于所述照明光纖出射端的纖忍直徑時，方可使禪合入所述光纖的光線全部有效出射；
[0030] 考慮到禪合時的面積失配損耗，所述照明光纖的入射端纖忍直徑d應(yīng)盡量大；另 夕h根據(jù)光線可逆原理，當出射端錐角等于入射端錐角時，可使入射并在光纖中傳播的光線 均勻出射，可達到較好照明效果，故所述照明光纖的入射端與出射端的錐端結(jié)構(gòu)設(shè)計為對 稱結(jié)構(gòu)，此時，所述照明光纖的出射端的出光發(fā)散角等于入射端的入射孔徑角0。
[0031 ]本實用新型的有益效果在于：
[0032] 將光纖照明技術(shù)與主動式夜視技術(shù)相結(jié)合，可應(yīng)用于安防、公安等領(lǐng)域全天候電 子監(jiān)控的輔助照明，W光纖為載體對監(jiān)控區(qū)域進行照明，實現(xiàn)暗環(huán)境下電子監(jiān)控圖像質(zhì)量 的提高。由于光纖體積微小、可曉性強，系統(tǒng)可方便地安裝于室內(nèi)各種環(huán)境場合或狹窄空間 中。本實用新型通過對照明光纖入射端的烙融拉錐處理，使L邸發(fā)出的發(fā)散光線更有效地與 光纖禪合，提高光能利用率;通過對照明光纖的出射端進行烙融拉錐處理，使光纖出射光線 角度增大，擴大照明范圍，進一步符合實用需求。
【附圖說明】
[0033] 圖1為本實用新型光纖禪合L邸輔助照明系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0034] 圖2為圖1中照明光纖的錐形入射端結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖。
[0035] 圖3為圖1中照明光纖結(jié)構(gòu)示意圖。
[0036] 圖4為本實用新型光纖禪合L邸輔助照明系統(tǒng)的擴展結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0037] W下將結(jié)合附圖對本實用新型作進一步的描述，需要說明的是，本實施例W本技 術(shù)方案為前提，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本實用新型的保護范圍并不 限于本實施例。
[0038] 如圖1所示，本實用新型是一種室內(nèi)用光纖禪合Lm)輔助照明系統(tǒng)，其包括散熱片 1、L抓光源2、光纖固定端口 3，還包括置于光纖固定端口 3的照明光纖4，其中L抓光源2安裝 在散熱片I的一端，照明光纖4的入射端面通過光纖固定端口 3緊靠 Lm)光源2的出光位置放 置。
[0039] 圖2為所述照明光纖4的錐形入射端結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖，當光線W0角入射至光纖小 端，經(jīng)折射后，射向錐端側(cè)面的纖忍-包層界面，根據(jù)=角幾何關(guān)系及折反射定律可得：
[0040]
[0041] 式中，a為所述照明光纖的半錐角，n是在光線在錐端側(cè)面的反射次數(shù)，熱表示折射 角。
[0042] 可知，當光線由所述照明光纖4的錐形入射端的小端向大端傳播時，光線在纖忍-包層界面上的反射角度隨反射次數(shù)的增加而逐漸增大，即在纖忍-包層界面的入射角越來 越大于臨界角，大部分能量集中在纖忍傳播。因此，只要能夠滿足所述照明光纖4錐形入射 端的小端數(shù)值孔徑角的入射光線，都可W W較低的損耗傳遞到大端。反之，當光線由出射端 大端向出射端小端傳播時，光線在纖忍-包層界面上的入射角隨反射次數(shù)的增加而減小，全 反射條件易被破壞，容易造成能量泄漏。綜上分析，所述照明光纖4可改變光纖數(shù)值孔徑NA 和光纖出光發(fā)散角。
[0043] 所述錐形照明光纖4的結(jié)構(gòu)參數(shù)通過如下步驟確定：
[0044] 根據(jù)射線理論準確分析光線在照明光纖端的傳輸特性，得出入射端錐角與入射端 入射孔徑角及出射端錐角與出射端出光發(fā)散角的關(guān)系，確定一組使入射端入射孔徑角及出 射端出光發(fā)散角盡量大的照明光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)，其中，所述的入射端入射孔徑角表示光纖接 受和傳輸光的能力，在入射端面上入射角度小于該入射孔徑角的光束均可進入光纖傳播； 所述的出射端出光發(fā)散角表示能從出射端面出射的與光纖中軸成最大角度的光線所對應(yīng) 的折射角：
[0045] 如圖2所示，取一條光線LI, Ll的入射角00等于當照明光纖的入射端和出射端不設(shè) 置錐度是對應(yīng)的最大孔徑角，折射角為4 〇，Ll與照明光纖側(cè)面交點為照明光纖的纖忍的錐 形端部的側(cè)面和直線部分側(cè)面的交點處A;
[0046] 照明光纖端面同一點入射且入射角小于00的任一光線L2,不經(jīng)入射端側(cè)面反射直 接進入光纖正常傳播，而入射角大于00的光線，需經(jīng)過入射端反射，若其反射角大于等于照 明光纖臨界角，即可在照明光纖中傳播;取另一條光線L3,入射角為0，L3經(jīng)入射端側(cè)面反射 后，其反射角等于照明光纖臨界角，因此入射角大于00且小于等于0的任一光線經(jīng)入射端側(cè) 面反射后都可滿足傳播條件，也就是說入射角小于等于0的任一光線都能夠進入所述照明 光纖并在光纖中W較小損耗傳播，0即為所述入射端的入射孔徑角；
[0047] 所述照明光纖的錐長為h，照明光纖烙融拉錐后光纖端面半徑的減少量為y，照明 光纖的入射錐端直徑為d，照明光纖兩端不設(shè)置成錐形時纖忍直徑為1，則入射端半錐角a通 過下式得到：
[004引
[0049]令光線L3的反射角f 1.等于照明光纖臨界角W。，W。= arcs in (m/ni)，利用折射定 律，得到所述照明光纖的入射端入射孔徑角0 :
[(K)加 ]
[0051] 式中，no為照明光纖所處介質(zhì)折射率，m為照明光纖纖忍折射率，恥為照明光纖包 層折射率；
[0052] 光纖中可W傳播的模式的種類和數(shù)量可由照明光纖歸一化參數(shù)R來描述：
[0化3]
[0054] 式中，r為照明光纖纖忍半徑，A為波長，R值越大，可傳播的模式越多，即所述照明 光纖中可傳播的模式都取決于其小端的R值，因此，當所述照明光纖入射端的纖忍直徑d小 于等于所述照明光纖出射端的纖忍直徑時，方可使禪合入所述光纖的光線全部有效出射；
[0055] 考慮到禪合時的面積失配損耗，所述照明光纖的入射端纖忍直徑d應(yīng)盡量大；另 夕h根據(jù)光線可逆原理，當出射端錐角等于入射端錐角時，可使入射并在光纖中傳播的光線 均勻出射，可達到較好照明效果，故所述照明光纖的入射端與出射端的錐端結(jié)構(gòu)設(shè)計為對 稱結(jié)構(gòu)，如圖3所示。此時，所述照明光纖的出射端的出光發(fā)散角等于入射端的入射孔徑角 白。
[0化6] 本實施例中，選用OSRAM SFH4233作為近紅外L抓光源，其發(fā)光面直徑為1mm，為避 免光源與光纖禪合時的面積失配損耗，設(shè)計所述照明光纖4的錐形入射端錐端纖忍直徑d = 1mm，即所需照明光纖4的出射端錐端纖忍直徑d/=d=lmm。本實施例中，選用數(shù)值孔徑NA = 0.5的大孔徑聚合物光纖作為照明光纖4,纖忍折射率m=l.492,包層折射率112=1.402,光 纖所處介質(zhì)為空氣，即n〇=l，則該平端光纖的入射孔徑角為30°。表1為根據(jù)上述分析，計算 所得常見的不同纖忍直徑平端光纖烙融拉錐后的錐角及入射孔徑角。
[0057]表 1 [0化引 LUUU'」 丄祖色口 術(shù)卵H月！姐 ^LTi心 W r、r、H月
!/VU 巧I'。*陽化'U 兌 化 Jit ! ?"曰VJM I *陽 入射孔徑角和光纖出光發(fā)散角，運對于提高所述近紅外LED光源與所述照明光纖的禪合效 率是非常有效的，且使光纖出射光線角度增大，擴大可照明范圍，因此，本實用新型提出的 室內(nèi)用光纖禪合Lm)輔助照明系統(tǒng)可W滿足安防、公安等領(lǐng)域電子監(jiān)控輔助照明的應(yīng)用需 求。另外，該系統(tǒng)光纖出射端面積較小，具有較強隱蔽性，應(yīng)用范圍將更加廣泛。
[0060] 本實用新型各個部分可W靈活配置使用，實現(xiàn)系統(tǒng)的擴展和性能提升。例如，L抓 光源2和照明光纖4之間可W是如上實施例選擇的直接禪合方法，而當Lm)光源2發(fā)光面積小 于照明光纖4入射端面積時，也可W是通過禪合裝置5進行禪合，如圖4所示，使Lm)光源2發(fā) 出的光經(jīng)過禪合裝置5后發(fā)散角更符合照明光纖入射孔徑角，進一步增大禪合效率，可選用 的光學(xué)元件有自聚焦透鏡、圓柱透鏡、雙曲面透鏡W及更為復(fù)雜的透鏡組合等。
[0061] 對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，可W根據(jù)W上的技術(shù)方案和構(gòu)思，作出各種相應(yīng)的 改變和變形，而所有的運些改變和變形都應(yīng)該包括在本實用新型權(quán)利要求的保護范圍之 內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種室內(nèi)用光纖耦合LED輔助照明系統(tǒng)，其特征在于，包括LED光源和照明光纖;所述 照明光纖的入射端和出射端均呈錐形，所述LED光源發(fā)出的光從所述入射端耦合入照明光 纖進行傳輸并從出射端射出。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的室內(nèi)用光纖耦合LED輔助照明系統(tǒng)，其特征在于，還包括散熱 片，所述LED光源連接于所述散熱片的一端。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種室內(nèi)用光纖耦合LED輔助照明系統(tǒng)，其特征在于，所述照 明光纖的入射端和出射端處包層和纖芯的直徑均沿光軸逐漸變細。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種室內(nèi)用光纖耦合LED輔助照明系統(tǒng)，其特征在于，在入射 端和出射端的整個錐區(qū)，包層和纖芯的直徑之比保持恒定。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種室內(nèi)用光纖耦合LED輔助照明系統(tǒng)，其特征在于，還包括 光纖固定端口，所述照明光纖的入射端面通過所述光線固定端口安裝在緊靠 LED光源出光 位置處。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種室內(nèi)用光纖耦合LED輔助照明系統(tǒng)，其特征在于，所述LED 光源為單個的近紅外LED光源，所述LED光源發(fā)出的近紅外不可見光從所述入射端耦合入照 明光纖進行傳輸并從出射端射出。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種室內(nèi)用光纖耦合LED輔助照明系統(tǒng)，其特征在于，所述的 近紅外LED光源的中心波長為940nm。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種室內(nèi)用光纖耦合LED輔助照明系統(tǒng)，其特征在于，當LED光 源發(fā)光面積小于照明光纖入射端面積時，所述LED光源通過耦合裝置與照明光纖入射端進 行耦合。
【文檔編號】F21V8/00GK205447491SQ201620259764
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年3月30日
【發(fā)明人】張昭, 蔣明, 韓浚源, 趙菲, 趙一菲, 宋大林, 王雷, 許秉時
【申請人】公安部第研究所, 公安部第一研究所, 北京中盾安全技術(shù)開發(fā)公司