CN115419847B

CN115419847B - 光导发光照明系统

Info

Publication number: CN115419847B
Application number: CN202211365134.4A
Authority: CN
Inventors: 田光磊
Original assignee: Chuangsheng Optoelectronic Technology Suzhou Co ltd
Current assignee: Chuangsheng Optoelectronic Technology Suzhou Co ltd
Priority date: 2022-11-03
Filing date: 2022-11-03
Publication date: 2023-03-24
Anticipated expiration: 2042-11-03
Also published as: CN115419847A

Abstract

本发明属于光学元器件技术领域，具体涉及光导发光照明系统，包括基板、光导模块、光源模块、荧光模块，光源模块一侧固定在基板上，另一侧与光导模块连接，荧光模块为内壁涂有荧光粉的安装罩，安装罩套设光导模块且与基板连接，光导模块包括一个或多个侧发光光纤，第一包层轴向分布有散射区域，散射区域在第一包层中的占比大于等于1/36。本发明光通过光源经耦合器进入到侧发光光纤耦合率为98%，经过正弦分布的散射区域后将光均匀的沿侧发光光纤方向均匀传播到达终端，散射出的光经过含有荧光粉的安装罩均匀散发，克服了因现有侧发光光纤存在的不足而导致的光导发光照明系统使用寿命大大缩短，亮度低，环境适应性差的问题。

Description

光导发光照明系统

技术领域

本发明属于光学元器件技术领域，具体涉及光导发光照明系统。

背景技术

光导照明系统是一种新型照明装置，其系统原理是通过采光罩高效采集自然光线导入系统内重新分配，再经过特殊制作的导光管传输和强化后由系统底部的漫射装置把自然光均匀高效的照射到任何需要光线的地方，得到由自然光带来的特殊照明效果。光导纤维简称光纤，是光导照明系统中重要的组成部件，是一种把光能闭合在纤维中而产生导光作用的纤维。按照制造材料的不同，光纤大致可分为无机光纤和有机光纤。无机光纤包括玻璃光纤和石英光纤，通常用于通信、建筑、航空航天等领域。有机光纤主要指由高透明度的有机高分子材料制造而成的聚合物光纤。聚合物光纤（Polymer Optical Fiber，简称 POF）具有柔软、可织造、数值孔径较大、价格低、易加工等特点，常被用于照明装饰、通信和传感等领域，主要由芯层和皮层组成。芯层材料具有较高的折射率，其作用是传输光。皮层材料的折射率略低于芯层，是为了光线能在皮芯界面处发生全反射，从而使光无法泄露出去，此类光纤成为侧面出光光纤。

侧面出光光纤在地下管廊照明、油井照明、装饰、测量及医疗方面的应用受到人们的广泛关注。所谓侧面出光光纤是指光在光纤纤芯传输过程中, 不仅仅将传输光从光纤的入射端面传输至出射端面, 而且还有一部分光从光纤包层透射出去, 从而形成光纤侧面出光的效果。常规光纤总是尽量降低或消除传输光从光纤包层的泄漏，从而降低光纤损耗，提高光纤的传输效率；侧面出光光纤的制备目的则是最大限度地降低光纤固有损耗, 通过适当的光纤设计，提高光纤包层出射损耗；降低因灰尘而产生的散射损耗，降低光纤因吸收水、过渡金属离子及其它有机杂质而产生的非固有吸收损耗，以提高光纤侧面出光的均匀性。

现有授权专利，专利号CN 104482448 B 公开了一种利用光纤发光的灯带，包括侧面发光光纤、基板、安装罩、驱动电路板、发光装置、灯罩和凸透镜；所述侧面发光光纤固定安装在基板上，所述驱动电路板、发光装置、灯罩和凸透镜安装于安装罩内，所述安装罩套在侧面发光光纤的端部，且所述凸透镜的外侧与侧面发光光纤的端面贴合，只需要选取适当长度的灯带直接通过基板安装在需要安装的部位，根据不同的装饰颜色需要在透明防护罩上涂上相应的颜色。但是聚合物光纤（POFs），一般是通过在光纤包层材料中掺入散射粒子或者通过在光纤包层进行机械划伤创造光的散射点来实现侧面出光的目的。这种光纤存在如下几个方面的问题：首先是POFs的本征损耗很大，一般高达500dB/km，光在传输过程中损耗极高，从而造成侧面的散射光亮度极低，并且在光纤长度方向上存在非常大的亮度不均匀性；其次是POFs的耐候性差，在高温，紫外线等环境中很容易老化，从而影响光的传输效果；最后是POFs的机械性能差，长时间使用后，材料变脆，极容易发生断裂，进而导致光导发光照明系统使用寿命大大缩短，亮度低，环境适应性差。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供了光导发光照明系统，目的是为了解决现有光导照明系统中侧发光光纤的本征损耗很大、耐候性差、机械性能差，进而导致光导发光照明系统使用寿命大大缩短，亮度低，环境适应性差的技术问题。

本发明提供的光导发光照明系统，具体技术方案如下：

光导发光照明系统，包括基板、光导模块、光源模块、荧光模块，所述光源模块一侧固定在基板上，另一侧与所述光导模块连接，所述荧光模块为内壁涂有荧光粉的安装罩，所述安装罩套设所述光导模块且与基板连接，所述光导模块包括一个或多个侧发光光纤，所述侧发光光纤包括纤芯和三层及以上的外包层，所述纤芯包括一个或多个内芯和包覆一个或多个所述内芯的外芯，包覆所述纤芯的外包层为第一包层，所述第一包层轴向分布有散射区域，所述散射区域在所述第一包层中的占比大于等于1/36。光导模块可以由1根侧发光光纤组成，也可以由多根侧发光光纤组成光纤束再与发光模块连接。

在某些实施方式中，所述侧发光光纤的至少一端面为弧面，所述弧面为凸弧面或凹弧面中的一种，所述弧面的空间立体角为π/4~3π；所述光源模块贴设于所述侧发光光纤为弧面的端面。弧面的设置可以提高光耦和效率，光源出射进入侧发光光纤时会有光泄漏，弧面减少光泄漏。

在某些实施方式中，所述第一包层亦轴向分布有所述导热区域，所述导热区域在所述第一包层中的占比均大于等于1/4。

在某些实施方式中，所述第一包层还轴向分布有反射区域，所述反射区域和所述散射区交替分布，所述反射区域和所述散射区域在所述第一包层中的共同占比大于等于1/3。在某些实施方式中，第一包层由散射区域和反射区域组成，即反射区域和散射区域在第一包层中的共同占比为1。

进一步，所述反射区域的材料折射率低于所述纤芯折射率；所述散射区域包括高折射率相和低折射率相，所述反射区域的材料折射率低于所述纤芯折射率；所述散射区域包括高折射率相和低折射率相，所述高折射率相和所述低折射率相呈随机分布且互相嵌套的拓扑结构，相尺度为纳米微米级别，典型尺度为20nm，拓扑结构上每一个相的结构相互连通；所述高折射率的相中还可镶嵌有少量银原子或金原子的纳米晶。

在某些实施方式中，所述低折射率相在所述散射区域中的体积占比在轴向方向呈沿轴向呈线性函数、正弦函数或余弦函数，即低折射率相沿轴向呈一定规律分布，比如阵列分布、正态分布、二项分布、柯西分布、韦氏分布；在所述侧发光光纤的头部和尾部区域中所述低折射率相体积与所述高折射率相体积的比例至少为5%，在所述侧发光光纤中部中所述低折射率相体积与所述高折射率相体积的比例至少为10%。低折射率相体积与高折射率相体积的比例在侧发光光纤头部和尾部区域较小，而在侧发光光纤中部较大，从而使得中部的散射效率更高，提高光纤在整个光纤长度方向上的出光均匀性。

所述散射区域的折射率可用有效折射率公式计算：

其中n_equiv是有效折射率，n1是上述高折射率相的折射率，n2是低折射率相折射率，p是低折射率物质相占整个散射功能区域的占比。

在某些实施方式中，所述第一包层亦轴向分布有导热区域，所述导热区域在所述第一包层中的占比均大于等于1/4。

在某些实施方式中，包覆所述第一包层的外包层为第二包层，所述第二包层轴向分布有散热区域、反射区域和导热区域中的一种或多种。当所述第二包层轴向分布有所述散热区域，所述散热区域在所述第二包层中的占比均大于等于1/36。当所述第二包层轴向分布有所述反射区域，所述反射区域在所述第二包层中的占比均大于等于1/4。当所述第二包层轴向分布有所述导热区域，所述导热区域在所述第二包层中的占比均大于等于1/4。

在某些实施方式中，包覆所述第一包层的外包层为第二包层，包覆所述第二包层的外包层为第三包层，所述第三包层轴向分布有散热区域、反射区域和导热区域中的一种或多种。当所述第三包层轴向分布有所述散热区域，所述散热区域在所述第三包层中的占比均大于等于1/36。当所述第三包层轴向分布有所述反射区域，所述反射区域在所述第三包层中的占比均大于等于1/4。当所述第三包层轴向分布有所述导热区域，所述导热区域在所述第三包层中的占比均大于等于1/4。外包层中，有一层设有导热区域即可满足散热需求。

在某些实施方式中，所述纤芯或所述外包层掺杂有稀土离子。

在某些实施方式中，三层及以上所述外包层的材料均包括钠钙硅酸盐、钠铝硅酸盐、钠硼硅酸盐玻中的一种或多种；所述散射区域的材料包括硼酸盐玻璃，锗酸盐玻璃，硅酸盐玻璃，磷酸盐玻璃，氟化物玻璃，氧卤化物玻璃中的一种或多种。

在某些实施方式中，所述光源模块为LED光源、太阳能光源模块、激光、光致发光模块中的一种或多种。光源模块出射的光通过光纤耦合单元耦合入光纤。选用耦合损耗在0.5dB，增加了光耦合进侧发光纤芯内部，提高了偶合效率、降低了使用成本。

在某些实施方式中，所述荧光模块的荧光粉掺有Tb³⁺、Eu²⁺、Eu³⁺、Ce³⁺、Pr³⁺、Sm²⁺、Sm³⁺中一种或多种。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明纤芯或外包层中含有更多的稀土离子，稀土离子含量在2000ppm以上，能够释放出更强光，采用一根或多根内芯，可以通过选用不同波长的光源对发光颜色进行进一步调控，简单高效。

2、本发明在纤芯外部添加了含有反射区域、散射区域、导热区域的功能区，将纤芯内部的光导出到包层结构的同时，经过第一包层中的散射区散射到外部形成发光，在这一过程中产生的热量经过导热区域传导到外部，降低了纤芯发光时的温度。

3、本发明中在纤芯外部添加了含有全反射区域、全散射区域、导热区域这三类区域结构，该结构具有很好的机械稳定性、出光的效率和发光均匀性，具有更高的耐候性和机械性能。

4、本发明中第一包层中的散射区域中低折射率物质相占比沿轴向呈一定规律变化，如：均匀分布、正弦或余弦分布，改结构能够有效增强发光的均匀性，减少光在轴向上的不均匀分配。

综上，本发明克服传统POFs光纤的不足，提高侧出光的效率和发光均匀性，提高光纤的耐候性和机械性能。

附图说明

图1为本发明实施例1中侧发光光纤主视图;

图2为本发明的光导发光照明系统的结构示意图;

图3为本发明实施例2中的侧发光光纤横截面图；

图4为本发明实施例3中光导模块的示意图；

图5为本发明实施例4中的侧发光光纤横截面图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图1-5，对本发明进一步详细说明。

实施例1

本实施例提供的光导发光照明系统，具体技术方案如下：

如图1、图2所示光导发光照明系统包括基板4、光导模块、光源模块2、荧光模块3，光源模块2一侧固定在基板4上，另一侧与上述光导模块连接，荧光模块3为内壁涂有荧光粉的安装罩，安装罩套设光导模块且与基板4连接，光源模块2为LED光源，光源模块2出射的光通过光纤耦合单元耦合入光纤。

本实施例光导模块由一根侧发光光纤1组成。侧发光光纤1中纤芯中的内芯111由高纯二氧化硅组成（本实施例中内芯111数量为1根），外芯112由含有稀土离子的二氧化硅，稀土离子为Tb3+，Eu2+、Eu3+、Ce3+；纤芯的横截面形状为具有一定对称的圆形，侧发光光纤1的端面为弧面，弧面空间立体角小于2π。

纤芯的二氧化硅为均匀一致的均相；第一包层围绕着纤芯，其形状为环形结构；第一包层121的环状结构中轴向分布两类区域，分别为纤芯中传输的光提供全反射的区域（反射区域124），为纤芯中传输的光在纤芯和第一包层121界面上提供散射的区域（散射区域13）。反射区域124和散射区域13在第一包层121中的共同占比大于等于1/3，散射区域13在第一包层121中的占比大于等于1/4。

具体地，两类区域在第一包层121中可以多处相间存在，第一包层121中含有微晶，微晶尺寸在1-5nm。反射区域124材料包括硼酸盐玻璃、锗酸盐玻璃、硅酸盐玻璃、磷酸盐玻璃、氟化物玻璃、氧卤化物玻璃，且为均匀一致的均相；反射区域124材料折射率低于纤芯折射率。

具体地，散射功能区域包括两个相互嵌套随机分布的相-高折射率相132和低折射率相131，两个相为随机分布且互相嵌套的拓扑结构，相尺度为纳米微米级别，典型尺度为20nm，拓扑结构上每一个相的结构都是相互连通的，此处的拓扑结构进行进一步解释，即高折射率相132呈点状分散在低折射率相131中；高折射率的相（简记为高折射率相132）的材料包括硼酸盐玻璃、锗酸盐玻璃、硅酸盐玻璃、磷酸盐玻璃、氟化物玻璃、氧卤化物玻璃，折射率记为n1，高折射率的相中还可镶嵌有少量的纳米晶，如银原子或金原子。低折射率的相（低折射率相131）折射率为1，记为n2，低折射率相131的平均孔径大小大于4nm，典型孔径为20nm，在侧发光光纤1的头部和尾部区域，散射区域13中低折射率相131和高折射率相132的体积比为5%，在侧发光光纤1中部，散射区域13中低折射率相131和高折射率相132的体积比为35%。本实施例中，低折射率相沿轴向呈点阵规律分布。

具体地，第二包层围绕着第一包层121，材料包括硼酸盐玻璃、锗酸盐玻璃、硅酸盐玻璃、磷酸盐玻璃的透明光学材料和二氧化钛导热材料，为光纤第一包层121提供保护作用。

具体地，第三包层围绕着第二包层，材料包括硅酸盐玻璃、磷酸盐玻璃、氟化物玻璃、氧卤化物玻璃，为透明光学材料，为光纤整体提供保护作用，并增加光纤的机械强度。

荧光模块3中，安装罩的荧光粉由掺有的Tb3+，Eu2+、Eu3+、Ce3+。

实施例2

本实施例提供的光导发光照明系统，具体技术方案如下：

如图3所示光导发光照明系统包括基板4、光导模块、光源模块2、荧光模块3，光源模块2一侧固定在基板4上，另一侧与上述光导模块连接，荧光模块3为内壁涂有荧光粉的安装罩，安装罩套设光导模块且与基板4连接，光源模块2为LED光源，光源模块2出射的光通过光纤耦合单元耦合入光纤。

本实施例光导模块由5根侧发光光纤1组成。侧发光光纤1中纤芯的内芯111为高纯二氧化硅（本实施例中内芯111数量为3根），外芯112为含有稀土离子的二氧化硅，稀土离子为Pr3+，Sm2+，Sm3+；纤芯的横截面形状为具有一定对称的三角型，侧发光光纤1的端面为弧面，弧面空间立体角小于2π。

纤芯的二氧化硅骨架材料为硅酸盐玻璃，且为均匀一致的均相；第一包层121围绕着纤芯，其形状为环形结构；第一包层121的环状结构中包含两类区域，分别为纤芯中传输的光提供全反射的区域（简称反射区域124），为纤芯中传输的光在纤芯和第一包层121界面上提供散射的区域（简称散射区域13）。反射区域124和散射区域13在第一包层121中的共同占比大于等于1/3，散射区域13在第一包层121中的占比大于等于1/4。散射功能区域沿着光纤长度方向的孔隙率单调变化，或者以正弦方式变化周期性变化。孔隙率在光纤头部和尾部区域孔隙率较小，而在光纤中部孔隙率较大，从而使得中部的散射效率更高，提高光纤在整个光纤长度方向上的出光均匀性。三类区域在第一包层121中可以多处相间存在，第一包层121中含有微晶，微晶尺寸在1-5nm。反射功能区域材料包括硼酸盐玻璃、锗酸盐玻璃、硅酸盐玻璃、磷酸盐玻璃、氟化物玻璃、氧卤化物玻璃，且为均匀一致的均相；反射功能区域材料折射率低于纤芯折射率。

散射功能区域包括两个相互嵌套随机分布的相，相尺度为纳米微米级别，典型尺度为20nm，拓扑结构上每一个相的结构都是相互连通的；高折射率的相（简记为高折射率相132）的材料包括硼酸盐玻璃、锗酸盐玻璃、硅酸盐玻璃、磷酸盐玻璃、氟化物玻璃、氧卤化物玻璃，折射率记为n1，高折射率的相中还可镶嵌有少量的纳米晶，如银原子或金原子。

低折射率的相的物质由气态物质组成，其折射率接近于1，记为n2，低折射率相131的平均孔径大小大于4nm，典型孔径为20nm，散射区域13在侧发光光纤1的头部和尾部区域的孔隙率为5~8%，在侧发光光纤1中部的孔隙率为45%。

第二包层围绕着第一包层121，材料包括硼酸盐玻璃、锗酸盐玻璃、硅酸盐玻璃、磷酸盐玻璃的透明光学材料二氧化钛导热材料，为光纤第一包层121提供保护作用。

第三包层围绕着第二包层，材料包括硅酸盐玻璃、磷酸盐玻璃、氟化物玻璃、氧卤化物玻璃，为透明光学材料，为光纤整体提供保护作用，并增加光纤的机械强度。

将图2所示的多根侧发光光纤1合并到一起（如图4所示），一端连接光源模块2引入光源。

实施例3

本实施例提供的光导发光照明系统，具体技术方案如下：

如图4所示，将内芯111、外芯112、第一包层121、第二包层形状改为三角形形状，其余技术特征与实施例1相同。

实施例4

本实施例提供的光导发光照明系统，具体技术方案如下：

如图5所示，将实施例1中第一包层121增加导热区域14，其余技术特征与实施例1相同。

机械性能测试：

将实施例1-4中侧发光光纤1和市面上的聚合物侧发光光纤1（对比例）分别进行在130mm/min速度对光纤试样进行拉伸，得到相应的断裂伸长率和断裂应力，如表1所示，本发明中的侧发光光纤1的断裂伸长率比普通聚合物侧发光光纤1高出近40%，断裂应力高出近60N/mm²。

表1 光纤拉伸实验应力-应变值

	拉伸速度（mm/min）	断裂伸长率（%）	断裂应力（N/mm2）
				实施例1	130	132.5	338.8
实施例2	130	122.9	324.4
				实施例3	130	128.5	322.1
实施例4	130	138.4	345.6
				对比例	130	95.5	296.7

综上所述，本发明的导光发光照明系统中光通过光源经耦合器进入到侧发光光纤1耦合率在98%，耦合进侧发光光纤1后经过正弦分布的散射区后将光均匀的沿侧发光光纤1方向均匀传播到达终端，散射出的光经过含有荧光粉的安装罩均匀的将光散发。本发明克服了因现有侧发光光纤1存在的不足而导致的光导发光照明系统使用寿命大大缩短，亮度低，环境适应性差的问题。

上述仅本发明较佳可行实施例，并非是对本发明的限制，本发明也并不限于上述举例，本技术领域的技术人员，在本发明的实质范围内，所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims

1.光导发光照明系统，包括基板、光导模块、光源模块、荧光模块，所述光源模块一侧固定在基板上，另一侧与所述光导模块连接，所述荧光模块为内壁涂有荧光粉的安装罩，所述安装罩套设所述光导模块且与基板连接，其特征在于，所述光导模块包括一个或多个侧发光光纤，所述侧发光光纤包括纤芯和三层及以上的外包层，所述纤芯包括一个或多个内芯和包覆一个或多个所述内芯的外芯，包覆所述纤芯的外包层为第一包层，所述第一包层轴向分布有散射区域，所述散射区域在所述第一包层中的占比大于等于1/36；所述第一包层还轴向分布有反射区域，所述反射区域和所述散射区域在所述第一包层中的共同占比大于等于1/3；所述反射区域的材料折射率低于所述纤芯折射率；所述散射区域包括高折射率相和低折射率相，所述高折射率相和所述低折射率相随机分布且为互相嵌套的拓扑结构。

2.根据权利要求1所述的光导发光照明系统，其特征在于，所述侧发光光纤的至少一端面为弧面，所述弧面的空间立体角为π/4~3π；所述光源模块贴设于所述侧发光光纤为弧面的端面。

3.根据权利要求1所述的光导发光照明系统，其特征在于，所述低折射率相在所述散射区域中的体积占比在轴向方向呈线性函数、正弦函数或余弦函数变化；在所述侧发光光纤的头部和尾部区域中所述低折射率相体积与所述高折射率相体积的比例至少为5%，在所述侧发光光纤中部中所述低折射率相体积与所述高折射率相体积的比例至少为10%。

4.根据权利要求1所述的光导发光照明系统，其特征在于，所述第一包层亦轴向分布有导热区域，所述导热区域在所述第一包层中的占比均至少为1/4。

5.根据权利要求1所述的光导发光照明系统，其特征在于，包覆所述第一包层的外包层为第二包层，所述第二包层轴向分布有散热区域、反射区域和导热区域中的一种或多种。

6.根据权利要求1所述的光导发光照明系统，其特征在于，包覆所述第一包层的外包层为第二包层，包覆所述第二包层的外包层为第三包层，所述第三包层轴向分布有散热区域、反射区域和导热区域中的一种或多种。

7.根据权利要求1所述的光导发光照明系统，其特征在于，所述纤芯或所述外包层掺杂有稀土离子。

8.根据权利要求1所述的光导发光照明系统，其特征在于，三层及以上所述外包层的材料均包括钠钙硅酸盐、钠铝硅酸盐、钠硼硅酸盐玻中的一种或多种；所述散射区域的材料包括硼酸盐玻璃，锗酸盐玻璃，硅酸盐玻璃，磷酸盐玻璃，氟化物玻璃，氧卤化物玻璃中的一种或多种。