CN101614359A

CN101614359A - 光线通过光纤传输的照明系统和装置

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Publication number: CN101614359A
Application number: CN200910112293A
Authority: CN
Inventors: 刘文祥
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-07-30
Filing date: 2009-07-30
Publication date: 2009-12-30

Abstract

光线通过光纤传输的照明系统和装置，利用光纤组建各种各样光纤传输照明系统。将太阳光或者其他的光线发送到一根纤细的光纤中，通过全反射，可以传输太阳光线到其他白天需要光线的地方。它为低成本处理和低损耗传输太阳光线提供了很好的技术支撑。利用透镜或反射镜将太阳光等光线聚焦于光隔离器，通过光纤耦合器，直接到达光纤(光缆)的接收端中，经过一定距离的曲线光纤传输之后，由光纤的发送端进入光纤耦合器，最后通过光发散器将光线照明地下室、封闭的设备、白天需要照明的房屋、地下仓库和隧道等太阳光无法通过直线直接照射的空间。将该系统与太阳光电池联合使用；或者将该系统与电能联合使用，共同解决地下仓库和隧道等的照明问题。

Description

光线通过光纤传输的照明系统和装置

技术领域

本发明涉及光学、光纤中光线的传输、照明系统和装置等技术。

背景技术

几何光学是设计、分析光学系统和照明装置及其功能特征的基础。现有的照明系统，是以几何光学为依据，利用光线空气中的直线传输而制造的。根据光的的直线传播性质，人们用带有箭头的直线来表示一束光的传播路线和方向，这样的直线称为光线。利用这种物理模型研究光的传播规律，至今还无法将太阳光直接作为光源照射到地下室、封闭的设备、白天需要照明的房屋、地下仓库和隧道等太阳光无法通过直线直接照射的空间。

斯奈尔(W.Snell，1591-1626)定律：入射线、折射线和分界面的法线都位于同一个平面，界面两侧的物质a和物质b的入射角Φa和Φb的正弦之比是一个常数。该定律就是折射定律。

SinΦa/SinΦb＝常数

如果物质b为真空，则斯奈尔定律中的常数，称为物质a的折射率，用na表示。

斯奈尔定律还可以为：

na SinΦa＝nb SinΦb

现有的透镜或者反射镜利用光的反射定律和折射定律，可以改变光的传播路径。光在不同的材料中传播时，其传播速度是不同的。若某种媒质材料的折射率为n，C是光在真空中的传播速度，则光在该介质内的传播速度为V＝C/n。玻璃的折射率n在1.46到1.96之间。

当光线通过任何光学媒质(除了真空外)时，光的能量部分被媒质吸收，而光的强度相应衰减。朗伯(Lambert)定律：当光通过厚度为dx的物质时，光强度I的减少量dI与初强度I和厚度dx成正比。即

dI＝-αIdx

光线在通过光学媒质时，还因为散射而衰减。可见光的散射与光的波长有关，一般随波长的减小而增加。可见光的波长在400nm-700nm之间。

当光线从光密媒质射到光疏媒质时，如果入射角大于临界角时，光全部被反射回光密媒质中，这种现象称为全反射(Total Internal Reflection，TIR)。

当na＞nb时，对于两种给定物质的临界角Φo为

SinΦo＝nb/na

玻璃折射率的数值一般为1.5，则玻璃-空气界面的临界角为

SinΦo＝1/1.5＝0.67，Φo＝42°

全反射棱镜优点是：第一，入射光是在棱镜内全部反射的；第二，反射光不受棱镜表面沾污的影响。其缺点是：当光线进入棱镜和从棱镜出来时，一部分光线由于在棱镜表面上的反射而损失；但棱镜表面涂上一层“无反射”薄膜可以大大减少这种损失。

光纤(Optical Fiber)是光导纤维的简称。头发丝般粗细的光纤，是用玻璃或透明塑料作为芯线，裹以折射率比芯线折射率小的包层。

如果一束光线进入一根光纤的一端之内时被全反射；只要光纤的曲率不太大，光线可以传输到光纤的另一端。即光线在光纤内传输具有可弯曲的优点。

光纤线路可随高压电缆架空敷设，不怕雷击，不易受潮，耐高温，抗腐蚀，工作非常稳定。其重量很轻，体积很小，可节省大量材料。

发明内容本发明任务是采用太阳光等光线从光纤的芯线射向包层时，能发生全反射，经反复的全反射，可以将光线从光纤的一端，经过光纤而曲线传输到光纤的另一端。光纤传输太阳光等光线具有能量损耗低、可绕性好、保密性好等特征。利用光纤的传输光线的功能，可以组建各种各样引用太阳光的光纤照明系统。它为低成本处理和低损耗传输太阳光等光线提供了很好的技术支撑。将太阳光或者其他的光线发送到一根纤细的光纤中，通过全反射，可以传输光线到其他需要的地方。

利用透镜或反射镜将太阳光等光线聚焦于光隔离器或者其他设备，通过光纤耦合器，直接到达光纤(光缆)的接收端中，经过一定距离的曲线光纤传输之后，由光纤的发送端将光线送入光纤耦合器，最后通过光发散器将光线照明地下室、封闭的设备、白天需要照明的房屋、地下仓库和隧道等太阳光无法通过直线直接照射的空间(图1和图2)。

光线通过光纤的传输照明系统，主要由光接收端、传输光纤(光缆)和光发散端三个部分组成。即光源输出的光线经过光接收端的透镜或反射镜的聚集，到达光隔离器之后，然后直接耦合到传输光纤中，经过一定距离的光纤传输后，到达光发散端，由光发散端的透镜或反射镜将光线发送出去照明。

1、图1为光接收端的组成示意图。它由能将光线聚集的光聚焦器、防止光线反射回来的光隔离器和将光线送入光纤的耦合传输装置组成。光接收端的工作过程如图1所示，为：

光聚焦器是由具有改变光线方向的棱镜或者光线跟踪器、聚焦光线的透镜或者反射镜等组成。它将不同方向的光线聚集于光隔离器。

光聚焦器的透镜，位于东、西棱镜的中央的下方。该水平设置的凸透镜的设计，应满足在适当的太阳高度角范围内，太阳光聚集于该透镜下面的光隔离器上(图5)。

光源(一般为太阳光)的光线经过光聚焦器的聚集作用之后，然后通过光隔离器进行光隔离，防止光线反射回光源。再由光纤耦合器连接到光纤的始端内进行光线的传输。

在光隔离器或者其他设备的内壁上可以涂一层磷光剂。当磷光剂受到太阳光中含有的紫外线照射时，会发出可见光。采用不同性质的磷光剂，可制成能发出任何所需可见光的光源。这种可见光可以补充原来可见光的强度。同时太阳光的紫外线不被云层遮挡。

2、光纤(光缆)是光线通过光纤传输的照明系统和装置中光线传输的介质。光纤是由高折射率的光纤芯和低折射率的包层以及护套构成。按制造光纤材料的不同，光纤可分为石英光纤、多组分玻璃光纤、全塑料光纤和掺杂光纤。

图2为光线在光纤中传输的示意图。光线从光纤的芯线射向包层时，能发生全反射，经反复的全反射可以将光线从一端传输到另一端。同时光纤柔软，弯曲了也能传输光线。

不同类型的光纤，传输特性和能量损耗也不同。在实际应用中，为了便于安装和敷设，常常将多根光纤按一定的结构排列组成光缆。光缆的结构形式也多种多样。

光是一种电磁波。它的电场和磁场随时间不断地变化，在空间沿传播方向z，总是相互正交传输。当电场E施加到介质材料时，会引起该介质的原子和分子极化。在强电场作用下，极化P和E的关系是非线性的。当光强达到1000kW/cm²时，这种非线性必须考虑。

小能量光线的传输一般可以使用普通的石英玻璃光纤，也称为实心光纤。高能量光线的传输一般就要使用空心光纤。

目前，最广泛使用的实心光纤是石英光纤；它不仅具有低损耗，还有好的弯曲特性、耐热性、化学稳定性等特点；可以用来传输可见光与紫外线。实心光纤的直径不能太细，因此一般采用多模光纤。

空心光纤是以细管状空气(或气体)为纤芯，光线在这个细管内壁上边反射边传播。这种空心光纤在光纤端部没有反射损失，并且能用金属等高强度材料造成，理论上可传输任何波长的光线。

为了适应各种特殊照明的需要，还可以使用导光束。它是将多根光纤按一定的结构排列组成的光缆。

3、图3为光发散端的组成示意图。它由能将光线从光纤的终端耦合进入的光纤耦合器和光发散器等装置组成。光发散端的工作过程如图3所示，为：

光线由光纤(光缆)的终端，经过光纤耦合器连接到光发散器，最后由透镜或反射镜等构成的光发散器将光线发散，直接送到需要照明的空间。

在光纤照明系统中，还需要应用一些光无源器件，如光开关等。

4、由于太阳光在白天可能被云遮住或者阴天，为了解决这个问题，可以将该系统与太阳光电池联合使用；或者将该系统与电能联合使用，共同解决地下室、封闭的设备、白天需要照明的房屋、地下仓库和隧道等的照明问题。当光纤中的太阳光的强度较小时，能自动启动太阳光电池或者电能的开关。当光纤中的太阳光的强度较大时，自动关闭太阳光电池或者电能的开关。

附图说明

图1光接收端的组成示意图。它由能将光线聚集的光聚焦器、防止光线反射回来的光隔离器和将光线送入光纤的耦合传输装置组成。

图2光线在光纤中传输的示意图。光从光纤的芯线射向包层时，能发生全反射，经反复的全反射可以将光线从一端曲线传输到另一端。光纤柔软，弯曲了也能传输光线。

图3光发散端的组成示意图。它由能将光线从光纤的终端耦合进入的光纤耦合器和光发散器等装置组成。光发散器安装在需要照明的地下室或者隧道等地方。

图4光线在棱镜中传输的示意图。该玻璃棱镜的角是45°-90°-45°。光线正入射到棱镜的一个较短的面上，以45°的入射角投射到斜面上。这个角大于玻璃-空气的临界角42°。所以光线作全反射，在偏转90°之后，从第二个较短的面射出。

图5光聚焦器的示意图。其中透镜位于东、西棱镜的中央的下方。该水平设置的凸透镜的设计，应满足太阳光能保持在适当的太阳高度角范围内，而使太阳光能一直聚集于该透镜下面的光隔离器上。

图6全反射型空心光纤示意图。它是使用对传输波长的折射率小于1的材料做波导管。

图7内装介质层型空心光纤示意图。它为金属内壁上涂覆透明电介质的空心光纤。

图8光隔离器示意图。它含有永久磁铁和45°法拉第旋转器，将法拉第旋转器旋转，使起偏器和检偏器互成45°，就可切断反射光，实现光隔离。

图9分散透镜的示意图。一束平行光线入射到发散透镜上，经折射后，变成发散光线。

具体实施方式将太阳光或者其他光源的光线，通过光接收端，进入光纤并经过一定距离的曲线光纤传输之后，再通过光发送端，将该光线照明地下室、封闭的设备、白天需要照明的房屋、地下仓库和隧道等太阳光无法直接照射的空间(图1、图2和图3)。

1、图1为光接收端。它由光聚焦器、光隔离器和光纤耦合器等组成。其中光聚焦器的棱镜，位于光聚集器的东面的上部和西面的上部，是相互对称的。在太阳高度角较小时，该棱镜改变太阳光的方向；使太阳光经过棱镜之后，能够进入光聚焦器中的透镜或反射镜。

最简单型式的反射棱镜，如图4所示。棱镜的角是45°-90°-45°。光线正入射到棱镜的一个较短的面上，以45°的入射角投射到斜面上。这个角大于玻璃-空气的临界角42°。所以光线作全反射，在偏转90°之后，光线从第二个较短的面射出。

光聚焦器可以分为以下三种：

1)设棱镜的两个折射面的夹角为θ，出射光与入射光的偏转角为ε，从折射率为n₁≈1的空气介质，直线射入折射率为n₂的棱镜。由折射定律，可得

n₂/n₁＝Sin[(θ+ε)/2]/Sin(θ/2)

n₂≈Sin[(θ+ε)/2]/Sin(θ/2)

选择θ，能使太阳高度角较小时，经棱镜折射后的太阳光满足：太阳相当于在适当的满足太阳光能聚集于要求设备上的太阳高度角范围。

光聚焦器的透镜，位于东、西棱镜的中央的下方(图5)。该水平设置的凸透镜的设计，应满足在适当的太阳高度角范围内，太阳光聚集于该透镜下面的光隔离器上。通过光隔离器，防止太阳光反射回透镜。由光纤耦合器将光线连接到光纤内进行传输。

光聚焦器的棱镜和透镜的采光面积，要根据使用的需要，确定该系统的额定功率P。直接的太阳光强度I可取0.3-0.5kW/m²，光的效率η可取0.4-0.6之间。则采光面积A为：

A＝P/(Iη)

根据经验，透镜的焦距f一般情况下：

当A＝1.5m²时，选f＝0.6-0.65m；

当A＝2.0m²时，选f＝0.7-0.75m；

当A＝2.5m²时，选f≥0.8m；

太阳光从折射率近似为1的空气中，射到折射率为n的光纤，如果入射角θ大于临界角Φo时，就会发生全反射。临界角

Φo＝arcsin(l/n)

根据透镜边缘的光线射入光纤的入射角大于临界角Φo，可以计算太阳的高度角范围。从太阳高度角的范围，可以确定棱镜的两个折射面的夹角θ。

2)图5中也可以不使用棱镜，而将透镜安装在太阳光跟踪器上。这样可以使透镜一直对准太阳光。但这种装置比较复杂，价格比较贵。

3)在光隔离器或其他设备的内壁上可以涂一层磷光剂。当磷光剂受到太阳光中含有的紫外线照射时，会发出可见光。采用不同性质的磷光利，可制成能发出任何所需可见光的荧光设备。通常用的磷光剂有：发出粉红色的硼酸镉；发出绿光的硅酸锌；发出蓝光的钨酸钙；发出白光的混合物等。

光隔离器是一种只允许单方向传输的光学器件。对光隔离器要求是光的隔离度大、插入损耗比较小和价格便宜。

光隔离器可用法拉第磁光效应原理制成，如图8所示。它含有永久磁铁和45°法拉第旋转器，将法拉第旋转器旋转，使起偏器和检偏器互成45°，就可切断反射光，实现光隔离。

光纤耦合器的作用是将一个或多个输入光波分配给多个或一个线路输出。目前耦合器的形式主要有T型耦合器、星型耦合器、方向耦合器等。

光纤耦合器是将光线进行分路、合路、插入和分配的光学器件。按器件结构基本可以分为四种：微光元件型、光纤成形型、光纤对接耦合型和平面波导型。选择耦合器的主要依据是实际应用场合。表示光纤耦合器性能的主要参数有插入损耗、附加损耗、耦合比和隔离度等。

光开关的功能是转换光路，实现光波的交换。对光开关的要求是插入损耗小、重复性好、开关速度快、消光比大、寿命长、结构小型化和操作方便。

目前使用的光开关可分为两大类：一类是利用电磁铁或步进电机驱动光纤或透镜来实现光路转换的机械式光开关；其中微机械光开关，采用机械光开关的原理，但又能像波导开关那样，集成在单片硅衬底上。另一类是利用固体物理效应，如电光、磁光、热光和声光效应等的固体光开关。

2、对光纤(光缆)的基本要求是：从光隔离器耦合进光纤的光功率最大；光纤的传输窗口要满足系统应用的要求。具体设计时要根据使用条件，进行折衷考虑：

在可见光范围(400nm-700nm)内，光线在光纤中的衰减要足够小。同时考虑连接器、接头和耦合器的损耗。因此要正确选择光纤的类型。

光纤的纤芯尺寸较大时，可减少光线的耦合损耗。

光线在空气介质n₀中以不同的角度α从光纤端面耦合进入纤芯n₁时，有的光可以在光纤中传输，有的光不能在光纤中传输。由于n₀＜n₁，不是所有角度入射的光线都能进入光纤芯，并在光纤芯内进行传输。只有一定角度范围内的光线射入纤芯内时，产生的反射光符合一定的条件，才能在光纤内传输。根据折射定律，只有入射角θ大于临界角Φo时，所对应的入射角为αmax以内的光线，才能进入光纤传输。

最大接收角的两倍2αmax，称为入射光线的总接收角。光纤的接收角为：

α＝2αmax

连接损耗包括连接器和接头的损耗。纤芯直径的公差、不圆度、纤芯和包层同心度误差要尽可能小，使得连接损耗最小。

传输小能量的光线可以使用普通的石英玻璃实心光纤。传输高能量的光线就要使用空心光纤。

1)普通的石英玻璃实心光纤，可分为单模光纤和多模光纤。后者按折射率的分布又分为阶梯折射率(Step Index，SI)型光纤与渐变折射率(Graded Index，GI)型光纤。

由于太阳光的聚光束直径通常是数百微米以上，因此一般采用多模光纤。实用中光纤不仅要求低损耗，还要有好的弯曲特性、耐热性、化学稳定性等。石英光纤满足这些条件，并且在1μm附近具有最低损耗，可以用来传输可见光和紫外线。

2)空心光纤也称为空心波导。其典型结构如图6和图7所示。

图6是使用对传输波长的折射率小于1的材料做波导管。传输光线原理与阶梯折射率型的实心光纤相同，光线在管壁上全反射。

图7为金属内壁上涂覆透明电介质的空心光纤。光线在涂覆层上多次反射，具有较高的反射率。其支撑管可采用金属或玻璃。

3)可用于全反射地传输光能的光纤束，称为导光束。它可以由刚性和柔性的光纤束构成。光纤束中的光纤在接收端和发送端的排列顺序可以是任意的。光纤束在导光束的接收端和发送端，可以排列成不同的截面形状，以满足各种特殊的照明需要。

3、图3为光发散端的组成示意图。它由能将光线从光纤的终端耦合进入的光纤耦合器和光发散器等装置组成。

光纤耦合器是将光纤中的光线引入光发散器中。光发散器主要为发散透镜(或称为凹透镜)。它可以是球面透镜，也可以是柱面透镜。图9表示分散透镜的焦点。一束平行光线入射到发散透镜上，经折射后，变成发散光线。

一般情况下，该发散透镜的焦点为光纤的发送端。可以根据需要，将聚焦的太阳光通过各种分散透镜，形成各种不同的照明光源。

4、太阳光不可能在白天一直发出正常的光线。它可能被云遮住，或者有时是阴天。为了解决这个问题，可以将该系统与太阳能电池联合使用；或者将该系统与电源联合使用。当光纤中的太阳光的能量较小时，自动启动太阳能电池或者电能的开关，通过电流，使照明电灯点亮，弥补太阳光照明系统的不足。当光纤中的太阳光的能量较大时，可以自动关闭太阳能电池或者电源的开关。

Claims

1、光聚焦器是由具有改变光线方向的棱镜、聚焦光线的透镜或者反射镜等组成。它将太阳光等光线聚集于一起。它也可以采用光线跟踪器，将不同时间的不同方向光线(如太阳光)聚集于光隔离器等。

2、光聚焦器的透镜，位于东、西棱镜的中央的下方。该水平设置的凸透镜的设计，可以满足在适当的太阳高度角范围内，太阳光聚集于该透镜下面的光隔离器或者其他设备上。

3、光源(一般为太阳光)的光线经过光聚焦器的聚集作用之后，然后通过光隔离器进行光隔离，防止太阳等光线反射回光源。

4、石英光纤可以用来传输太阳光等的可见光与紫外线。在光隔离器的内壁上可以涂一层磷光剂。当磷光剂受到太阳光中含有的紫外线照射时，会发出可见光。

5、空心光纤是以细管状空气(或气体)为纤芯，光线在这个细管内壁上边反射边传播。这种空心光纤在光纤端部没有反射损失，并且能用金属等高强度材料造成。

6、为了适应各种特殊照明的需要，还可以使用导光束传输太阳光等。它是将多根光纤按一定的结构排列组成的光缆。

7、太阳等光源的光线由光纤(光缆)的终端，经过光纤耦合器连接到光发散器，最后由透镜或反射镜等构成的光发散器将光线发散，送到需要照明的空间。

8、太阳光等光源通过光纤直接照明系统，与太阳光电池联合使用；或者将该系统与电能联合使用，共同解决地下室、封闭的设备、白天需要照明的房屋、地下仓库和隧道等照明问题。当光纤中的太阳光的能量较小时，自动启动太阳光电池或者电能的开关。当光纤中的太阳光的能量较大时，自动关闭太阳光电池或者电能的开关。