CN1049060A - 光分配器件 - Google Patents

Abstract

一光分配器件包括一传送光射线的第一光导缆， 其光接收端排在一起形成一光接收环形平面的第二 光导缆，使第一光导缆的光发射端沿光接收环形平面 旋转的一驱动装置，固定在第一光导缆的光发射端的 光耦合器。光耦合器的一个平面类似于第二光导缆 的光接收环形平面的一段。它沿着光接收环形平面 以不变的关系在其上做圆运动。面对光耦合器的光 接收环分为许多块，每一块都包含给定数目的第二光 导缆。

Description

本发明涉及一光分配器件，特别涉及一能够接收通过单根光导缆传输来的光并能够把这束光以时间分割方式依次分配给许多根导光缆的器件。更具体地，本发明涉及一能有效地向例如藻类（如小球藻、螺旋藻等），需要光合作用的菌类及其它需人工光合作用的物质（例如禾本植物的颖托）及如植物、蘑菇等生物提供光合作用的所需光的设备。

作为光合作用反应器的实例，一小球藻培植装置已公开，在此反应器中，通过向小球藻提供光及二氧化碳促进光合作用来培植小球藻。但是，对光合作用进行的某些详细研究的结果发现;小球藻光合作用反应的一个周期仅需要大约10微秒的短暂光辐射，其余大约200微秒的时间在没有光辐射情况下光合作用也可以进行，更确切地说，在一个周期的其余时间里没有光辐射，光合作用也能有效地进行。另一方面，在小球藻培植的情况下，通常利用这种光合作用反应器（例如，小球藻培植池），其中，放置许多荧光灯，使光合作用物质穿过灯之间的缝隙。这种常规的反应池由于使用了大量的荧光灯而体积较大，并且耗电量大。还需对灯所产生的热进行强行处理。为了解决这些问题，本申请人先前提出，把太阳射线或人工射线聚焦并引入到纤维光缆中，然后传送到一光辐射器，用这个光辐射器做为光合作用反应器的光源。但是，很显然，当采用上述光辐射装置建造大型光合作用反应器时，必须用大量的光辐射器即必须用大型的装置聚焦太阳射线和/或人工射线。

为解决上述问题，本申请人还曾提出一能够间断地把光能提供给光合作用物质的光分配器，以便更有效地促进光合作用的进行，从而充分满足任何大型光合作用反应器在太阳射线和/或人工光线聚焦器件的容量一定的情况下对光能的需求。

由本申请人先前提出的光合作用反应器的光源，有一传输被透镜（未示出）聚焦的太阳射线或人工光线的导光棒或光导缆和一透明的旋转棒。光导的光发射端与旋转棒的旋转轴相对，在旋转棒的旋转轴上有一反射镜对着光导的光发射端。通过光导传送并引入旋转棒的光由所说的镜面反射并且向旋转棒顶端传播，再被设在那里的镜子反射，然后从旋转棒的光发射面辐射出去，把大量的光导缆排列起来形成一个环，与旋转棒的光发射面相对放置。这样，当旋转棒被电动机转动时，被旋转棒的光发射表面复盖的光导缆的光接收面依次改变，在旋转棒的每一旋转周期中，每一光导缆都接收到一个时刻的光辐射脉冲。每一个光导缆的端部可做为一光辐射器。光辐射器在光合作用反应器中相互间可以有一定的距离或在植物培植室、蘑菇培植场内分散开。

如上所述，在由本申请人先前提供的光分配器件中，通过一根光导传送的光被瞬间地送到光导群，光导群中的每根光导依次通过旋转着的旋转棒，于是，旋转棒每转一次，分配后的光立刻从每根光导缆的输出端放射出来到光合作用反应器中，在该光合作用反应器中，光合作用的物质就受到瞬刻的光辐照，例如约10微秒。然后，光合作用的反应周期开始，这时，不需要其它光的辐照就可以完成这个周期。之后，通过旋转棒旋转一周，在下一个光辐照脉冲开始一新的光合作用反应周期。因此，在反应器中的一系列的光合作用反应是随着光合作用物质的周期性光辐照而持续进行的。要使物体的光和作用开始，必须提供不少于某一规定量的光能。在上述光分配器件中，必要的光能量可以通过在对应于旋转棒的光发射面上增加很小量的光密度容易地获得。由于这个结构的特点，此装置能够很好地用小型的太阳射线或人工射线收集器把光引入到光导中而工作。而且，因为从旋转棒的光发射表面射出的光是时间分割方式分配到许多光导缆中的，所以，此器件能够向大容量的光合作用反应器提供足够量的光能。

但是，上述的光分配器件还有一些缺点，其中，旋转棒很难制做并且很昂贵。鉴于这些缺点，本申请人已提出一个进一步改进的器件，此器件能够利用简单且低廉的装置把通过一根光导缆传输的光在许多光导缆中进行分配。

由本申请人先前提出的改进的光分配器件包括一根用于传输太阳光或人工射线进入其光接收端的第一单光导缆和许多第二光导缆，这些第二光导缆的光接收端排列在一起形成一个环形光接收平面。在一可被电机旋转的臂的前端有一整体固定在那儿的光耦合器并且还有一整体固定在那儿的辅助臂，此辅助臂用以支撑第一导光缆的光发射端。所说的光缆端松松地装配在所说的辅助臂上的轴承内。通过把所述光缆的端部松松地穿过臂前端的球面轴承，使臂支撑住该光导缆，球面轴承最好与驱动电机的轴对准。这样，当电机旋转时，臂就旋转，使光耦合器随着导光缆的光发射端沿着由许多导光缆的光发射端形成的环形面运动。因此，以与前述器件相同的方式实现了连续地把光分配到许多导光缆中。在此改进的器件中，光导缆能够支撑在球面轴承内旋转，这就消除了由于过度的摩擦而引起所述光缆毁坏的可能。虽然在这种情况下，球面轴承支撑着导光缆的旋转轴，但是不用球面轴承，仅在臂的宽松的孔中支撑光缆也是可行的。但是，在这种情况下，由于光缆的外皮与通孔的内表面产生摩擦，因此可能会毁坏光缆的外表面。同样地，不用支撑轴承，导光缆的光发射端还可以松松地装配到辅助臂的通孔中。在这两种情况下，导光缆的光发射端都能沿着由大量光导缆的光发端面形成的环平面旋转而不会被缠绕。

但是，在上述光分配器件中，对光导缆的使用没有限制，也没提出涉及它们的可能不能有效利用的问题。具体来说，第二光导缆的每一根在第一光导缆的光发射端沿光接收环旋转一周时都仅接收片刻的光辐射，它必须等待一长时间才能得到下一次光的供给。由于相对于光辐照期来说，黑暗时间较长，因此可能保证不了光能的有效利用。要增加该器件的旋转速度而缩短黑暗反应时间也不实际，因为要保持器件的机械寿命而克服增加的离心力是困难的。

本发明的一个目的旨在最好地利用分配到许多光导缆中的光射线。

本发明的另一目的是提供一光分配器件，此光分配器件能有效地把通过第一光导缆传输的光引入到许多第二导光缆中，并还能够有效地用某种方法分配引入到第二光导缆中的光线，以有效地促进植物的光合作用。

本发明的另一目的还在于提供一光分配器件，此光分配器件能更有效地长时期地传输光线，因为第二光导缆的光接收端整个是封闭的，不会被灰尘脏物污染。

图1和2是解释本申请人先前提出的光分配器件的实例的视图;

图3是解释本申请人先前提出的光分配器件的另一个实施例的结构示图;

图4是解释光耦合器和光导缆的光接收面之间关系的平面视图;

图5（a）表示第一光导缆的光发射端、光耦合器和第二光导缆的光接收面之间关系的侧视图;

图5（b）表示当图5（a）中省略了耦合器情况下的侧视图;

图6是解释本发明所用的光分配器件的放大的结构图;

图7表示光耦合器的一个装配结构视图;

图8是解释本发明已修改的实施例的示图;

图9是解释光耦合器的实施例的视图。

图1是解释本申请人先前提出的光合作用反应器的光源的主部件结构视图。在图1中，号码10表示传输由透镜（未示出）聚焦的太阳光或人造光线的导光棒或光导缆;号码20是一透明的旋转棒。光导10的光发射端P与旋转棒20的旋转轴Q相对放置，在旋转棒20的旋转轴Q上有一对着光导10的光发射端P的反射镜21。通过光导10传送并导入到旋转棒20的光在镜21上反射并折向旋转棒20的顶部，在20的顶部，光再被镜22反射，然后从旋转棒20的光发射面S辐射出去。许多光导缆30排列起来形成如图2所示的环Ⅱ，与旋转棒的光发射表面S相对。因此，当电机40驱动旋转棒20时，被旋转棒20的光发射表面S所复盖的光导缆30的许多光接收面是依次变化的，并且每一光导缆30在旋转棒20旋转一周内接收一个瞬刻的光辐射。每一光导缆30的端部都可做为一光辐射器。这些光辐射器可以在光合作用反应器中相互间隔一定的距离或者可以在植物养植室，蘑菇养育场等内部分散开。

如上所述，在上述光分配器件中，由光导10提供给它的光立即依次通过旋转着的棒20送到光导缆30，因此，对于旋转棒20的每一次旋转，立即从每根光导缆30的输出端把分配的光放射至光合作用反应器50中，在反应器中，光合作用的物质受到光的很短时间的辐照，例如10微秒，就开始了光合作用反应的一个周期并且不用另加任何光的辐照就可以完成这个周期。在旋转棒20旋转一周以后，下一次光辐照时，则开始一新的光合作用反应周期。就这样，一系列光合作用反应连续不断地在反应器中随着光合作用物质被周期性光辐照而进行。为了使生物中光合作用过程开始，必须提供不少于某一规定量的光能。在上述光分配器中，必需的光能量可以很容易地使旋转棒的相应光发射表面S上的光密度增加一个很小的量来获得。由于这种结构特性，此器件能够用小型的太阳光或人工光收集器（未示出）把光射线导入到光导10中而很好地工作。而且，因为从旋转棒20的光发射表面S射出的光以时间分割方式分配给许多光导缆30，所以此器件能够把足够的光能提供给大容量的光合作用反应器。

但是，上述光分配器件的缺点是旋转棒20难以制做而且昂贵。鉴于这些缺点，本申请人已提出一进一步改进的器件，此器件利用简单而低廉的设备能够把通过一单根光导缆传输的光在许多光导缆之间分配。

图3是解释本申请人先前提出的光分配器件的另一实施例的结构视图。在图3中，号码10（相当于图1所示的光导缆10）表示把传输的太阳光或人工光射线引入到其它接收端（未示出）的第一单根光导缆，号码30表示许多第二光导缆（相当于图1中所示的光导缆30），它们的光接收端30a排在一起形成一环形光接收平面。在可被电机40旋转的臂60的前端有一整体地固定在那儿的光耦合器61，还有一整体固定在那儿的辅助臂62。通过把第一光导缆10的光发射端的端部松松地固定在所说辅助臂62上的轴承63中使辅助臂支持住该光发射端。光导缆10的另一端松松地穿过臂64前端的球面轴承65，使臂64支撑住光导缆10的端部，轴承65最好与驱动电机40的轴对准。这样，当电机40旋转于图3所示的状态时，旋转臂60的转动就使光耦合器61随着光导缆10的光发射端沿着大量光导缆30的光发射端30a所形成的环形平面的移动而运动，这样，以与前述器件类似的方式实现了连续地把光分配到光导缆30中去。在这个改进的器件中，光导缆10可以被支撑在球面轴承65内旋转，这就消除了由于过度的摩擦而引起所述光缆毁坏的可能性。尽管在这种情况下，用球形轴承65支撑光导缆10的旋转轴，但是只使用臂的松孔而不用球面轴承也能支撑光缆，然而，在此情况下，由于光缆10的外表面与通孔的内表面的摩擦，有可能使所说的光缆表面被毁坏。同样地，光导缆10的光发射端也可以松松地固定到辅助臂的通孔中而不用支撑轴承63。在这两种情况下，光导缆10的光发射端都能够沿着由大量光导缆30的光发射面30a形成的环形平面旋转而不会缠绕。

图4和5是解释光导缆10的光发射端、光耦合器61和光导缆30的光接收面30a之间关系的平面视图，图5（a）是表示光导缆10的光发射端、光耦合器61和光导缆30的光接收面之间关系的侧视图，图5（b）是表示图5（a）中略去光耦合器61的情况的侧视图。在图5（a）所示的器件中，光导缆10发出的光被引入到光耦合器61中，在那儿，所说的光被侧壁反射并被引入到光导缆30中。而且，光耦合器61和光导缆30的光接收面30a之间的关系保持不变。换句话说，光耦合器61的旋转轴和这些光导缆的光接收面形成的环的轴在共同的中心（O）上重合。光耦合器61相对于环形平面的关系不存在如图4中点划线61′所示的那样的关系，即不会发生光耦合器61的轴从（O）点到（O′）点的偏移。从光导缆10发出的光被引入到光耦合器61中，然后被侧壁反射形成一束几乎密度均匀的光，通过光耦合器61的输出端61a射出去。因此，每条光导缆30都能接收基本上相等量的光。这意味着当选择任意一条光导缆30时，都会得到等量的光。反之，假如省略光耦合器61，散射到侧边的光射线LO，如图5（h）所示，不能进入到光导缆30中，而且，从光导缆10发射的光束在其端部的强度可以是不同的，即是，所述光束的强度从中心到边缘逐渐减小。因此，在图5（b）所示的情况下，进入到每条光导缆30₁和30₃中的光量小于进入到光导缆30₂中的光量。这样，光量就取决于选择光导缆中的哪一条。为了防止光导缆10缠绕，它的光发射端可以自由地在光耦合器61的轴承上旋转。所以，如果省略了所说的光耦合器，光导缆10可能被缠绕并且因此导入到光导缆30中的光量也变得不稳定了，这样的光分配器件不能在需要最佳或给定光量的情况下使用。

但是，在上述光分配器中没有对光导缆30提出限制，也没有提出关于它们的有效利用效率问题。具体来说，因为第一光导缆10的光发射端绕光接收环旋转一周，每一根第二光导缆30只接收片刻的光辐射。它必须需要很长时间等待下一次光的供给。由于相对于光辐照期持续很长的暗期，不可能保证光能的有效利用。利用提高器件的旋转速度的办法缩短黑暗反应期也不切合实际，因为要克服增加的离心力而又保持器件的机械寿命是困难的。

鉴于上述说明，本发明特别是要对分配到许多光导缆中的光射线实现最有效的利用。

图6是解释实施本发明的光分配器件的放大的结构视图。在图6中，第一光导缆10、第二光导缆30及电机40与参照图1至5说明的光分配器件的解释中同样元件的功能类似。当电机40转动时，光耦合器61与第一光导缆10的光发射端一起沿着其环形轨道移动，把光射线分配给在所说的园环轨道下配置在它们的光接收端的许多第二光导缆的每一根。就依据本发明的光分配器件来说，所有第二光导缆30依据光耦合器61的光发射侧的园周的长度被分成一定数量的块（对于图6中所示的实施例是11块A-K），每一块含有一定数量的第二光导缆30。在图6所示的器件中，每块配给18条第二光导缆（但，每块也能配给大数量的例如18，36或54等条光缆或者各块配给不等数量的光缆）。在图6中，18条光导缆30A₁-30A₁₈配置在A块中，18条光导缆30B₁-30B₁₈配置在B块，继续下去，18条光导缆30K₁-30K₁₈配置在第11块K块中。养植小球藻的罐70或类似设备根据每块光接收环所配置的光缆数被分成一定数量的内分割区（在所示的情况下为18块70₁-70₁₈），罐的每个分割区通过以下述方式分配的第二光导缆被供给光射线。例如，每一块中至少有一条光导缆引入罐分割区70₁。更具体地，11条光导缆30A₁、30B₁、30C₁……30K₁引入到罐分割区70₁中，11条光导缆30A₂、30B₂、30C₂……30K₂引入到罐分割区70₂，继续下去，以同样的方式，11条光导缆30A₁₈，30B₁₈，30C₁₈……30K₁₈引入到罐分割区70₁₈。因此，当光耦合器随着光导缆10的光发射端以上述同样方法旋转时，通过光导缆30A₁，30B₁……30K₁依次向罐分割区70提供光射线，通过每条光导缆30A₂，30B₂……30K₂依次给罐分割区70₂提供光射线，继续下去，以同样的方式，通过每条光导缆30A₁₈，30B₁₈……30K₁₈依次给罐分割区70₁₈提供光射线。即是，光耦合器每旋转一周，养植罐分割区70₁-70₁₈被光照射了11次。

如众所周知的，光合作用涉及对光的反应和对黑暗的反应，对光的反应持续微秒的时间，之后对黑暗的反应持续毫秒的时间。上述第二光导缆的排列，光耦合器旋转一周使养植罐的每一分割区变得能够接收11次光辐照，便于在罐中更有效地进行光合作用的反应。

图7示出了图6中所示器件的状态，其中光耦合器61与第一光导缆10的光发射端和第二光导缆30的光接收端是装配成一体的。在图6和7中，63是轴承，66是旋转轴，67是衬套，68a是垫圈，68b是螺母，69是一轴承。该器件的光发射端和光接收端能利用上述元件以下述方法安装互相整体地耦合在一起，把衬套67放在旋转轴66上，把含有光耦合器61的组件装在旋转轴66的衬套67上;垫圈68a装在旋转轴的上螺纹部分66a上。当驱动电动机40使旋转轴旋转时，光导缆10的光发射端面（即光耦合器61的光发射表面）走遍由第二光导缆30的光发射面形成的环形平面，把经由第一光导缆10传送的光在所有第二光导缆30中间分配。

上述器件的结构消除了第二光导缆30的光接收面直接被空气包围的可能性。换句话说，避免了第二光导缆30的光发射面被周围空气中含有的灰尘粉尘所污染，保证了在较长时间内有效的光发射。此外，还可利用一个盖80把器件的整个周边部分包起来，使第二光导缆30完全被保护起来避免周围空气中的灰尘和污染物。

图8是说明本发明的另一个实施例的视图，在此情况下，小球藻养植罐70₁-70₁₈的各自构造如图8所示，并且它们中的每一个都以如图6所示器件的同样的方式被供给光射线。虽然所述实施例仅是用来养植小球藻的，但很容易了解到，本发明本不限于所述的应用，它还能用作任何其它物体例如叶状植物等的光合作用的光源。

图9是说明图6所示光耦合器61的细节视图;图9（a）是透视图，图9（b）是图9（a）沿B-B线的平面所取的剖视图。光耦合器61面对第一光导缆10的光发射端有一较大的表面61a，而面对第二光导缆的光接收端有一较小的表面61b（即是，在表面61b上，光耦合器的径向长度变短）。由第一光导缆10发射的光射线被引到光耦合器61中，在那儿，它们反复在侧壁A的内径和侧壁B的外径之间反射传播，然后它们以展开的角度放射到第二光导缆30中。这样，通过光耦合器61有效地把第一光导缆发射的光引入到第二光导缆30中。

从前面的描述很明显看出，依据本发明，能够有效地把通过第一光导缆传输的光射线引入到许多第二光导缆中，并且以这样的方式有效地分配已引入到第二光导缆的光射线以便有效地促进植物的光合作用。虽然把通过第一单根光导缆10发射的光射线分配到许多第二光导缆30的基本原理及技术概念与本申请人先前提出的光分配器件所涉及的原理和概念一样，但本发明的光分配器件，如所对应的图中所示，显然在其实际设计及结构方面不同于先前的光分配器。本发明的光分配器件能更有效地长期发射光射线，因为第二光导缆30的光接收端是整体封闭的，因此不会被灰尘所污染。

Claims (4)

1、一光分配器件，包括一根传送光射线的第一光导缆；其光接收端排在一起形成一光接收环形平面的许多第二光导缆；支撑与光接收环形平面相对面的第一光导缆的光发射端并使它沿光接收环形平面旋转的驱动装置；固定在第一光导缆的光发射端、以便把通过第一光导缆发射的光转变为一密度几乎均匀的光束并把这均匀光束引入到第二光导缆中的光耦合器；所述光分配器件的特征在于，面对光耦合器的光接收环被分成许多块，每一块都包括给定数量的一组第二光导缆。

2、依据权利要求1的光分配器件，其特征在于，选自不同光接收块的第二光导缆组成给定数目的光导缆组，这些光导缆组分配到给定数目的不同地方，地方的数目相应于每个光接收环块的光导缆的给定数目。

3、依据权利要求1的光分配器件，其特征在于，光耦合器是扇形部分，它与光接收环形平面同轴，相当于光接收环形平面的一部分，并且它的宽表面对着第一光导缆的光发端，它的窄表面对着第二光导缆的光接收端。

4、依据权利要求3的光分配器件，其特征在于，所述光耦合器是在园周方向上是两个垂直平面，在径向方向上是两个倾斜表面的扇形。

Images