CN1007452B - 照明设备和方法 - Google Patents

Abstract

经过改进的一种照明设备和方法，可用于装饰性环境和危险环境中，采用了在一个端部或两个端部用光源加以照射的光纤，光纤的构型足以支持较高次模光通量在其中传插，以通过光纤表面沿其整个长度基本上横向发射光通量。

Description

在许多照明应用中，特区照明或局部照明是为突出某些潜在的危险情况或满足建筑规范要求必不可少的照明。在室外照明的各种应用中，通常的作法是，为保障安全起见而对楼梯间和走道进行照明，为达到装饰效果而给某些部位或物体装设局部照明。通常，也对游泳池进行照明，一方面提供夜间保安措施，另一方面也是为了达到装饰的效果。

在室内照明的各种应用中，从安全要求和规范要求的角度出发，必须给公共建筑物内部各出口提供可靠的照明，而且往往还需要在各房间和过道中的某些选定部位通过重点照明达到装饰的效果。

在危险环境中，电气照明设备通常都与环境加以绝缘或密封隔离，以减少因照明设备出现故障而发生火灾、爆炸或触电死亡的风险。此外，公共门厅、过道的出口标志灯和方向指示灯之类的可靠的指示器照明设备往往需要制造得使其足以耐受烟、火和热的侵袭，使这类照明极其重要的功能不致在它们理应提供视觉援助的不测事件中马上受破坏。

因此，根据本发明，供装饰、保安目的和在危险环境中工作的照明设备，都配备有光纤光通道，这些光纤光通道都制造得足以显示从一个或多个定位在靠近光纤的一端或两端的光源在光纤的整个长度上通过表面包层增强的横向的光发射。该光纤是经过专门制备，以支持带有相关横向光通过光纤侧壁发射的情况下光沿光纤较高次模式的传播。此外，为增强沿光纤长度的高能级光通量的表面发射，还可将光通量从光纤两端耦合到光纤中。光纤还采用特殊包装和支撑方式，以提供花费不多但相当长的狭长光带，供以强光照射边界、过道等之用。本照明设备能产生各种不同的色梯度效果，且在危险性环境中可采用孤立光源使本发明的照明设备工作。

图1是本发明的一个实施例的光纤剖视图。

图2是普通光纤的剖视图。

图3是本发明的照明设备的示意剖视图。

图4是本发明的一个挤压制成的组件的剖视图。

图5a和5b分别为本发明一个光源的顶视图和端视图。

图6是本发明照明设备另一个实施例的示意图。

图7是本发明照明设备另一个实施例的示意图。

图1是根据本发明的一个实施例的光纤剖面示意图。导光纤芯9可以是玻璃或塑料或其它高折射率的导光材料，且具有不同折射率的表面包层15。光纤通常就是取这种形式的构型：纤芯直径14小，约在3至100微米范围内，以保证光通量基本上在透过表面包层的损失可忽略不计的情况下以较低次的模式从一个端部传播到另一端。的确，如示于图2的剖视图中，通常都覆盖有诸如二氧化硅或特氟隆牌塑料之类的材料16以保证在光纤一端的入射光通量在光纤中以较低次模式和基模传播而在另一端出射时基本上不减少或改变。

相比之下，本发明的光纤以这样的方式制成，它支持较高次模式，从而使光从光纤表面沿其长度横向发射。

本发明是采用若干方法来增强光通量从光纤表面的横向发射的。首先，纤芯直径9一般取400至1000微米的范围，或为普通纤芯直径的若干倍。纤芯9最好采用直径较大的，以便可通过光线从纤芯材料9的微蚀界面13和折射率不同的透明包层材料15的多次折射支持光通量在纤芯中的高次传播模式。适当选择纤芯9的直径，可以使光线在界面13的入射角趋近于临界角，在该临界角入射时所有入射光基本上都通过包层15出射而在纤芯材料9内部反射的则不多。然而，根据本发明，纤芯9材料的直径最好选择得能保证某一选定波长的光通量也能以较低次的模式沿光纤传播，从而使光通量在远离光源28处（达250英尺的距离）也能达到大致上均匀地从包层材料15上出射。此外，纤芯9在界面13的表面可以是不规则的，以增强光的横向发射。具体地说，纤芯9表面的表面粗糙度可使其达0.3微米的异常程度，这可通过许多方法来达到。举例说，可用氢氟酸对用玻璃材料制成的纤芯9进行化学腐蚀，或者用大约，600号粒度的磨料磨粗塑料纤芯9，或者将挤塑纤芯9所用的模具表面制成粗糙表面，以使界面13形成粗糙表面。因此，纤芯9表面的异常程度可以有径向或纵向取向，或同时有径向和纵向上取向。

根据本发明，纤芯9还可以包括一些光散射中心17，配置在纤芯内以增强沿纤芯的较高次传播模式，从而增强光线通过包层材料15的横向发射。散射中心17最好在纤芯材料9中沿纤芯长度中心取向，以便阻断、反射或扩散大体上与纤芯材料9的中心轴线21成一直线的光通量19。这些散射中心17可以用玻璃或塑料等其折射率与纤芯材料9的折射率不同的透明材料制成。另用一种方法，散射中心17也可由诸如琉化玻璃或玻璃粒料等之类的半透明或不透明材料制成，这些散射中心起着光漫射中心的作用，在另一个实施例中，散射 中心处折射率的变化是通过在纤芯材料9的中心区沿其长度以选定的间距而在纤总材料中形成小泡实现的。另用一种方法，可以将散射中心分散在纤芯材料9的横截面和长度上，以便将漫射或反射以较低次的模式传播的光通量漫射或反射成具有供发射通过包层材料15所用的横向分量的光通量。理论上，上述任何型式的光散射中心17可沿光纤以随由一端部的距离的增加而增加的密度（即单位长度的散射中心数或大小）被分布，以便使通过包层材料15在光纤整个长度上发射出来的光通量密度大致均匀。

在本发明的一个实施例中，来自光源28的光通量可被耦合到光纤各端，以增强在两端部的光源之间在光纤的整个长度上从光纤横向发射的总光通量。当然也可以将单个光源耦合到光通路的两端部形成环形照明构型。在这些实施例中，光散射中心17可以随离通路各端部的距离的增加而增加的密度进行分布，使散射中心在其两端的中间位置的密度最大。因此这类光纤可从两端部照射，以便使其在横向上发射光线，同时在光源之间在其整个长度上具有大致上均匀的光强度。

现在参看图3，这是本发明的照明设备的示意剖视图。玻璃或透明塑料制成的挤压制品23在透镜区25与下侧的反射区27之间有一个纵向通道22，用以在其中支撑多个上述类型的光纤26，光纤26基本上并排地横跨通道22的宽度上配置。透镜区25在沿挤压制品23的长度方向上的横截面可取双凸形截面或单凸形截面，如图所示，或在光纤26上方取其它所希望的透镜形状。光纤26被配置在可包括一“镜面”的反射区27上方，用以改善来自光纤26横向出射的光线的光谱反射。因此，从光纤26朝反射区27发射的来自光源28光被反射或漫射到透镜25，再与来自光纤26向透镜区25横向发射的光结合在一起，以已增强的光强度从透镜区25的外表面出射。沿挤压制品23的两侧可设一个或多个的支撑通道31，用以沿挤压制品23的长度与支撑轨33连结接合。当然，包括透镜区25、反射区27和支撑轨33的整个组件可制成一整体的挤压制品，以便包绕在形成光传输通道的光纤26周围。在另一个实施例中，光传输通道可构成平带式的“光纤”，来代替按大体上带式的构型，而并排配置的多根圆柱形光纤。适宜用作挤压制品33的材料包括供制造透镜区25和反射区27以将光纤26完全包起来的玻璃，或象聚氯乙烯、聚苯乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯之类供制造透镜区25和反射区27和侧轨33的塑料材料。

现在参看图4，这是另一个挤压组件的剖视图。该挤压组件有一个围绕着光纤37的卵形或椭圆形壳体35和一个支撑件39。支撑件39可沿壳体35连续配置或只是有选择沿壳体按一定间隔配置。在本实施例中，装纳在壳体中的光纤37为发射横向通过壳体的光线而配置的，这样，壳体的形状呈透镜状结构。壳体35可由玻璃或塑料之类的材料挤压制成，以便完全包住光纤37，或者可以在（由弹性塑料挤压成的）壳体下侧设纵向缝隙41，以便壳体35包绕光纤37。支撑件39可由弹性塑料材料挤压成型，而且基于上述原因，其内部中心表面43可使其具有“镜面”表面或白色表面，以改善其光谱和漫射性光性能。另一方面，壳体35内部或下部部分的壁45也可具有“镜面”或白色表面，外部或上部部分的壁46保留透明，以改进组件对光纤37横向发射出去的光通量的光发射效率。制造壳体35的适宜材料包括玻璃、或供制造柔韧并价廉的壳体35的包括聚氯乙烯、聚苯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯之类的塑料。

在图3和图4所示的实施例中，那些照明设备极其理想地适宜在具有潜在危险性环境中使用，例如象在或靠近游泳池中的水、船舶或室外人行道等地方使用，在该场合下可以完全消除触电的可能性，且水分或潮气的存在不会损害照明设备。同样，本发明的照明设备也极适宜用作公共建筑物的门厅、过道的长条式照明。更重要的一点是，照射该光纤的一个端部或两个端部的一个或多个光源可安置在象通风竖井之类受保护的区域内，且光通道可安装在沿天花板或安装在沿过道护壁板高度的较低处，用以在出现可能使人看不清普通的出口标志的浓烟时作为通向出口的可靠导向体。同样，本发明的照明设备可用于飞机的客舱中和其它在指示人行道、太平门等方面要求高度可靠不受危险操作干扰的各种用途中。此外，本发明的光纤束和外壳包装不难适应各种曲折和死角，且当安装至远离在光通的一个端部或两个端部的一个或多个光源一段很长的长度时可穿入壁中和隔板中。

现在参看图5a和5b，该图分别示出适宜于增 强光纤中光通量更高次模式的方式以向光纤中照射光线所用的光源和外壳的顶视图和端视图。这种光源和外壳可以固定到一组件的光通道22的一个端部或两个端部，从而使光纤中具有足够的光通量供沿其整个长度基本上均匀地横向发射之用。具体地说，外壳47中装有一个灯泡和反射系统49，用以通过色盘52将光50聚焦到按传统设计的分束器54上。双端口通道54配备有两个输出端口56、58，本照明设备的光纤即可固定到该两端口上。两输出端口56、58为照射某一给定纤光通道（呈环形构型）两端或照射单独的光纤光通道（呈连续构型）提供基底。色盘52包括多个不同颜色的周边扇形面60的透明的滤光器，安装在驱动电动机64的轴62上转动。电动机64和系统49的灯泡可在变压器66的低电压输出下工作。开关68、69在电路中用导线连接到电动机64和灯泡上，以便按需要以某种选定的颜色或波长或以连续变化着的颜色控制光的输出。

根据本发明的另一个实施例，在光通路的一个端部或两个端部的一个或多个光源可使其发射出“白”光或发射出从红外线至紫外线（这里通称为“辐射线”）范围内选取的波长的辐射线。在光通路各个端部都采用光源的应用中，可使这种光源在不同的辐射波长下工作，以提供随一光源的距离而变化的色梯度。具体地说，当光源配置在光通道的两个端部，且以不同的原色频率或波长工作时，从通道横向发射的光，其色梯度从大体上靠近一光源的一原色变化到光源之间光通道中心区中两原色的合成色，再变化到大体上在光通道另一个端部另一光源附近的另一原色。同样，光通道可以由诸如聚甲基丙烯酸甲酯等塑料制成，且在沿通道的长度的选定位置上埋置诸如等对紫外光有不同反应的对紫外线敏感的染料或其它光化敏感性染料。在此实施例中，在通道的一个端部或两个端部的一个或两个光源可用紫外光照射光通道26，被埋设的染料即由该紫外光激发，沿光通道26的长度发射出各种颜色波长的辐射线。采用不同颜色材料制成的光通道作为滤色器，可以达到类似的工作特性，该滤色器增强了光通道表面对各种不同颜色的光的发射。构成光通道的材料的颜色可随某一特定光纤30的长度而变化，或随不同的光纤32而不同，或按上述特性的组合而变化，如图6所示，使得从光通道沿其长度上发射出去的光，其颜色随光通道26的长度或宽度，或长度和宽度，在整个可见光谱上变化。

现在参看图7，这是本发明另一个实施例的示意图。图中，透光窗口51是沿光通道53在不透光或透射性较差的区域55之间按选定的间距配置的。不透明区域55的内表面可包括“镜面”或白色表面，为的是将从光通道横向发射入该区域中的来自光源28的光有效反射回光通道中，以保持通道中可以获取的总光通量只供在所选定的位置通过窗口部位51横向发射之用。譬如说，可在窗口部位51上配置圆柱形横截面的透镜57，以提高从窗口部位51发射出去的光的方向性。这种照明设备非常适合装饰照明之用，在这种场合下，各窗口部位51可包括不同颜色的滤色器。

因此，本发明的照明设备和方法提供了采用光纤供危险性用途和装饰性用途用的照明，该光纤被构制成以供增强光从光纤的横向发射，且该光纤可从两端部照射，以增强所发射出去的光的强度。此外，本发明的照明设备和方法适宜供公共构筑物的过道和出口通道照明之用，对烟火的不利影响具有高度的抗干扰作用，之所以具有抗干扰作用是因为光源是被安装在受保护的位置。通过采用经选择的有色光纤材料的组合、光化敏感性染料和不同颜色的光源，有可能达到将饰性彩色的效果。

Claims (5)

1、包括有一光传输通道和被耦合到所说通道的辐射源装置以将辐射引进在通道中传播的光照明设备，其特征在于，光传输通道包括多根光传输光纤，各光纤具有一种对辐射透明的折射率经选定的材料制成的纤芯并具有一种对辐射透明的材料制成的包层，其折射率至少不同于在沿纤芯长度的选定部分处所说纤芯表面上的所说选定折射率，各根所说光纤支持辐射沿一细长轴线以一种包括相对于细长尺寸来说是横向取向的辐射传播分量的方式通过所说光纤传播，以通过对辐射透明的包层材料发射辐射，各所说光纤包括辐射散射装置，用以在光纤中按一具有横向分量的方向散射辐射以使辐射至少在沿光纤长度的所说选定部分从透明的包层材料出射，而光化灵敏材料至少被置于各光纤的所说纤芯和所说包层材料两者之一中，每根光纤不平滑的程度约0.3微米。

2、从一光源分配光通量的照明设备，其特征在于有多根光纤设置以形成一种光辐射传输通道，其结构的宽度尺寸大于其厚度尺寸，所说光纤各具有折射率经选定的对辐射透明的纤芯材料和一对辐射透明的包层材料，后者的折射率不同于至少在沿纤芯长度选定部分的所说选定折射率，这样形成的通道支持辐射沿着一细长轴线以一种包括相对于细长尺寸来说是横向取向的辐射传播分量的方式通过光纤传播，以至少沿着光纤长度的所说选定部分从所说包层材料的透明表面发射辐射，在至少在该光纤的一侧，沿着光纤长度的选定位置处设置有透镜装置;在光纤的另一侧基本上相对透镜的选定位置处设置有反射器装置以在朝向该透镜装置的方向反射光纤横向发射的辐射;还包括在光纤结构一侧置放的透镜装置和在光纤另一侧的反射器装置在内的支持装置，至少在沿光纤长度的所说选定位置处将光纤保持在透镜装置和反射器装置之间的取向。

3、从一辐射源分配辐射的方法，其特征在于，形成的一个辐射通道具有细长的尺寸并包括有多根光纤，各根光纤具有折射率经选定的对光透明的纤芯材料，并有一种对辐射透明的包层材料，后者的折射率不同于在沿着光纤长度的选定部分处的所说选定折射率，各光纤具有其长度的横截面部分，并被形成以支持辐射沿着一细长轴线以一种包括相对于该细长尺寸来说是横向取向的辐射传播分量在内的方式通过光纤传播，以至少沿着光纤长度的所说选定部分从所说包层材料的透明表面发射辐射，为在通道中从光纤的包层材料的表面发射辐射，形成的通道将纵向方式传播的辐射散射为横向方式传播的辐射，光纤在其长度的一部分上以矩阵方式取向，该矩阵的宽度较其厚度的尺寸大;来自辐射源的辐射被引进传输通道的光纤;辐射沿传输通道以一种相对于细长尺寸来说具有横向取向的辐射传播方向分量的方式传播，以至少沿着光纤长度的选定位置处从光纤的包层材料发射辐射。

4、包括一光传输通道和被耦合到所说通道的辐射源装置以将辐射引进在通道中传播的照明设备，其特征在于，光传输通道包括多根光传输光纤，各光纤有一种对辐射透明的折射率经选定的材料制成的纤芯，各光纤还具有一种对辐射透明的包层材料，其折射率不同于至少沿光纤长度选定部分处所说纤芯表面上的所说选定折射率，各光纤支持辐射沿一细长轴线以一种包括相对于细长尺寸来说是横向取向的辐射传播分量在内的方式通过光纤传播，以通过对辐射透明的包层材料发射辐射，各根所说光纤包括辐射散射装置以在光纤中以一具有横向分量的方向散射辐射，使辐射至少沿着光纤长度的所说选定部分从透明的包层材料出射，各光纤中的散射装置包括多种沿光纤细长尺寸设置的纤芯材料的材料异常，以将辐射反射进入所说横向方向并至少沿光纤长度的所说选定部分通过包层材料反射辐射。

5、根据权利要求3从一辐射源分配辐射的方法，其特征在于所说通道是由多根光纤形成，为了在通道中从光纤的包层的表面发射辐射，其纤芯的表面被糙化成表面不平滑的程度约3.0微米，以将纵向方式传播的辐射散射为横向方式传播的辐射。

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