CN1482389A - 文物展览专用可调式光纤光源 - Google Patents

Abstract

本发明属于光纤照明设备，涉及文物展览专用可调式光纤光源。包括电光源、与电光源共光轴的汇聚透镜，其特征在于，还包括接收该汇聚透镜的出射光并导引至照明处的光纤，固定并控制该汇聚透镜沿光轴进行移动及开、闭电光源的驱动及控制装置。本发明可采用显色性好的金属卤灯或其它光源，经过光学部件和相应设备的控制传导入光纤，调节光纤出射的光线强度，为文物进行照明。整个光源具备了显色性好、无热量、无紫外线、便于操作、便于维护的优点，并采用了人性化的设计方法，在最大限度避免文物在展览照明过程中受到的损坏的同时，顾及参观者的人体视觉感受。

Description

文物展览专用可调式光纤光源

技术领域  本发明属于光纤照明设备，特别涉及专业的文物照明设备结构设计。

背景技术  文物是一类特殊的物体，它们非常珍贵，但也相当娇气。许多文物在光照下会产生一系列的化学和物理反应，从而遭到不同程度的破坏。在国家颁布的文物展览的参考标准中，根据对光的敏感程度不同，对文物的照度提出了推荐的数值，文物不同，照度要求也不同。一些对光线非常敏感、或是比较敏感的文物更是对照明条件提出了相当苛刻的要求：除了照度之外，还需要光线的显色性好、无紫外线、无热量等。另外，由于可见光谱对文物也有一定的破坏作用，所以即便采用了很好的光源，也还需要避免长时间照射。

但是，现有的照明条件很难满足文物这种特殊专业的要求：传统电光源的显色性参差不齐、灯泡发热量大、存在产生电火花和漏电隐患等弊端，而荧光灯还会产生大量紫外线，难以满足这些苛刻的条件；一些专业的光源价格昂贵，尽管保证了好的显色性，过滤了紫外线，却依然无法控制光源的照度，难以保证不同文物的照度要求。对于许多在文物部门工作、但不是照明专业的人士来说，尽管了解文物对光照的要求，但要想通过自己的调节来保证不同种类文物的合适照明也还有一定的困难。

另外，在文物展览为主的博物馆中，为保护文物的照明，往往牺牲了参观的人的感受。许多靠人体感应控制的灯具，常常在参观者走近的时候突然变亮，人的眼睛感觉相当不适应，而人离开较远时则是一片黑暗，看不出大概有些什么东西。

发明内容  本发明专利的目的是为克服已有技术的不足之处，设计出一种文物照明专用可调式光纤光源，对光照比较敏感的文物提供高质量的照明，结合光纤的导光性能，可保证了不同文物的照度、显色性以及无紫外线、无热量的要求，也可采用自动和手动调节的方式，根据参观者的人体视觉效应进行渐变式照度调节，最大限度地解决了文物展览照明与参观者视觉感受之间的矛盾。并同时具有保证电光源使用寿命的优点。

本发明设计的一种文物照明专用可调式光纤光源，包括电光源、与电光源共光轴的汇聚透镜，其特征在于，还包括接收该汇聚透镜的出射光并导引至照明处的光纤，固定并控制该汇聚透镜沿光轴进行移动及开、闭电光源的驱动及控制装置。

所说的驱动及控制装置可包括固定该汇聚透镜的支架，带动支架进行移动的传动机构及其驱动电机，提供电机所需电源的电源发生器，控制支架在设定的范围移动的限位开关/光感控制器，控制该电光源开启、关闭的人体感应开关。

所说的驱动及控制装置还可包括与该限位开关固接的用以手动调整限位开关位置的手柄，用以控制透镜具体位置的手动旋钮。

该驱动及控制装置由常规的控制电路控制其按设定的功能工作。

所说的传动机构可采用齿轮、齿条传动机构，也可以采用皮带轮等传动机构。

所说的电光源可包括显色性较好的点光源及与之相配套的变压器、为光源散热的电风扇、将该点光源的发散光转为平行光的抛物线型的反射光罩，以及设置在反射光罩前的滤紫外线的滤光片。

所说的汇聚透镜可采用一凸透镜。

所说的光纤端口的与凸透镜移动的最远点之间的距离小于等于凸透镜的焦距。

所说的光纤端口的与凸透镜移动的最近点之间的距离大于等于凸透镜的焦距。

所说的为文物照明传导光线的光纤可以是单根光纤，也可以由光纤束构成。

本发明的工作原理：人体感应开关根据外部人流情况控制电光源的开启、关闭，当有人员进入人体感应开关感应范围内时，电光源发出的平行光经汇聚透镜后成为汇聚光，再经光纤导引照亮文物。在控制电路的控制下，传动机构带动支架上的凸透镜进行移动，使进入光纤的光从弱到强进行渐变，由限位开关控制使支架处于光强最强的位置。当人员离开人体感应开关感应范围时，传动机构带动支架上的凸透镜进行移动，使进入光纤的光从强到弱进行渐变，由限位开关控制使支架处于光强最弱的位置，电光源关闭。控制的结果，保证在有人的情况下透镜聚焦在光纤头上的光线最强，而在没有人的时候，凸透镜聚焦在光纤头上的光线最弱；光线的变化是一个渐变的过程。

本发明的特点

1、本发明满足了文物展览照明所需要的显色性好、无热量、无紫外线的要求，并保证了对不同文物可采用其需要的不同照度进行照明。

2、最大限度的保护珍贵文物，将光线对文物的破坏减到最小。

3、人性化的设计。对于参观者来说，考虑到人的视觉适应过程，采用了照明光根据人体感应渐变方式，视觉不产生跳跃。对于展览馆、博物馆的工作人员来说，本发明便于操作，不具备文物保护专业知识也不会造成对文物的破坏。

4、本发明采用一种新的亮度调节方式，不是依靠对电光源的亮度调节而调节出射的亮度，在解决了文物照明所需要的光线照度的情况下，保证了电光源的寿命。

5、相对其它同效果产品来说成本低廉。

附图说明

图1为本发明的实施例的总体结构示意图，其中1a为侧视图，1b为俯视图

图2为本发明实施例总体结构的立体示意图。

图3为本发明的驱动及控制装置实施例的各元器件连接关系及控制电路工作原理示意图。

图4为本发明正常工作情况的信号时序图。

图5为本发明特殊情况的信号时序图。

图6为本发明的光学结构实施例及工作原理示意图，

其中6a为采用的光学结构实施例，6b为采用的另一种光学结构实施例。

具体实施方式  本发明提出的文物展览专用可调式光纤光源的结构及工作原理结合实施例及附图详细说明如下：

本发明的实施例整体结构如图1、图2所示。其中：由外置的人体感应开关1、安装在一壳体2内的光学和电驱动及控制部分、向外传导光线的照明光纤(照明光纤束)19共同组成，

外置人体感应开关1应该选择合适的感应范围，并安置在合适的位置，以便在参观者到来之时做出反应。

具体的光学和电驱动及控制部分安装在壳体2中，包括：电光源3、金属架4、电扇6、与电光源灯配套的变压器等附属器件7、镀膜玻璃(滤紫外线)8、凸透镜9、透镜架10、齿条11、滑动盒12、前进电机(使得透镜由A向B运动)13、齿轮14、后退电机(使得透镜由B向A运动)15、齿轮16、固定在外壳上的限位开关(开关触点所在位置A为透镜所能到达的距离光纤头最近的一端)17、可以根据实际情况改变位置的限位开关(开关触点所在位置B为透镜所能到达的距离光纤头最远的一端)18、电源发生器21等部分。外壳的后部为加强散热，可采用格栅或者铁丝网5的方式加强通风。为保证光纤的插入方向，在外壳的前部设照明光纤插口20。

照明光纤(照明光纤束)19将光线由本光源导出，为需要保护的文物进行照明。

壳体内各部件的装配位置情况及功能为：

在外壳的后部，电光源3通过金属架4固定在外壳上，电扇6及与电光源配套的变压器等附属原件7分别被安装在外壳的侧壁和底板上，在电光源的侧面和下边。电扇6为电光源及其配件通风散热。

滤紫外线的镀膜玻璃8安装在电光源的前面，将光线中的紫外线部分隔离。凸透镜9平行地安装在透镜架10上，而透镜架10则与齿条11焊接在一起，套在滑动盒12中可前后滑动。滑动盒12固定在外壳底部，盒中有不锈钢珠用于减少摩擦。

齿轮14与齿条11咬合在一起，电动机13启动后将带动齿轮14顺时针转动，使凸透镜9顺着齿条11从A点向B点移动。齿轮14也可以逆时针转动，并且不会带电机13一起转。

齿轮16与齿条11也咬合在一起，电动机15启动后将带动齿轮16逆时针转，使凸透镜9顺着齿条11从B点向A点移动。同样，齿轮16也可以顺时针转动，并且不会带电机15一起转。

固定在外壳上的限位开关17位于两个齿轮之间距离光纤较近的一端，直接固定在外壳的底板上。其开关的功能由透镜架10的触碰来实现，平时开关处于常闭状态，透镜架触碰A处时，开关断开，电机15停止转动。触点所在位置A决定了透镜所能到达的距离光纤头19最近的一端，也就决定了出射光线最暗时的照度值。

限位开关18位于两个齿轮之间距离光纤较远的一端，由限位开关18a和与其焊接的手柄18b组成。其开关的功能由透镜架10的触碰来实现，平时开关处于常闭状态，透镜架触碰B处时，开关断开，电机13停止转动。触点所在位置B决定了透镜所能到达的距离光纤头19最远的一端，也决定了出射光线最亮时的照度值。手柄18b沿着外壳上的水平缝隙滑动，可以调整限位开关18a的具体位置，从而调节出射光线的最高亮度，以满足不同文物的需要。

其中，电光源3、镀膜玻璃8、凸透镜9、光纤插口20的中心在同一轴线上，这几个元件与轴线垂直。

在滑动盒12的另一侧，可安装与电路有关的其它一些配件，如电源发生器22等。

安装带有齿轮的旋钮21由齿轮21a和调节旋钮21b组成，在手动控制的情况下，要调节照度，可按下旋钮21b，使得齿轮21a与齿条11咬合，旋转21b可调节凸透镜的位置，以满足某一照度的需要。

本实施例使用时可将图2中的人体感应开关1安装在展览区中的参观流线附近，选择最佳的感应范围；滑动手柄18b调整最高亮度；将照明光纤接入光纤插口20，并将光纤的另外一端引至需要照明的部位；接通电源即可。本实施例可以实现完全手动或者完全自动的专业文物照明。在完全自动的情况下，文物的照明可采用一常规的自动控制电路得以实现。当参观者距离较远(大于红外感应的距离)时，展柜有最低视觉感应亮度，以保证人能够看到“这边有展品”；在参观者走近展品的过程中，光线渐渐变亮，视觉不产生跳跃，而物品越来越清晰；当人走到展品面前，照度达到规定值。如果参观者络绎不绝，照明光线将保持在规定照度不变；如果参观者离开，在没有人再次走到展柜前面时，光线将回复到最低的、视觉能够感受到的亮度，保护文物。在选择手动方式时，工作人员可根据不同文物的需要，按下并旋转旋钮21b调节需要的光照强度。

为取得理想的效果，可根据光学原理，并采用实验的方式来最后确定电光源1的亮度、透镜的焦距、透镜与光纤头之间的距离、透镜移动范围AB两点的位置。

本实施例中的主要原器件都可采用现成的技术和产品，可以比较方便地得到实施。其中：

人体感应开关1是一种相当成熟的产品，根据具体展览空间的布置特点，可选择合适的感应角度(大于150度，最好是180度的)，合适的感应距离(5米～12米)，合适的延时控制(30秒～2分钟)的产品。

电光源3可以考虑选择一些显色性好、色温漂移小的点式光源。其中，卤钨灯、金卤灯是比较理想的、价格相对比较便宜的光源。已进入商业应用阶段的陶瓷金卤灯(HIC)，如欧司朗的陶瓷内管金卤灯单端产品POWERSTAR HCI-T系列，具有小巧的G12灯头，功率可选择35W，70W和150W，色温3000K，显色指数Ra＞83，是可以考虑使用的光源。

镀膜玻璃可以采用现有的溶胶镀膜技术，如：台湾永光化学股份有限公司生产的抗紫外线溶胶镀膜玻璃，加可见光部份抗反射溶胶技术后，紫外线穿透率为5％，可见光穿透率为95％，能够比较好的除去光线中的紫外部分并保存可见光部分。

限位开关要选择比较小巧的型号，如：日本欧姆龙公司生产的HL-5000型限位开关，大小为50×24mm，能够满足需要。

另外，电动机、电扇等已经是非常普及的产品，在此不必累述。

以上的实施例还可以添加更为精确的控制，即采用比较敏感的光感控制器来控制电机13和电机15的工作情况，从而控制最后的照度，其作用相当于原有的限位开关17、18的功能。在被照射文物的附近隐蔽处放置光度感应头，根据实际的需要设定最低照度和最高照度值，当透镜由A向B点运动，照度感应值变化达到设定最高数值时，光感控制器将发出相应的信号，使电机13停止转动，照度保持在最高值；当透镜由B向A运动时，照度感应值变化达到设定的最低数值，光感控制器发出信号，电机15停止转动，照度保持在最低值。此时也可以保留限位开关17、18，不过其功能将作为对特殊情况(如电光源不亮、透镜受损等情况)的保护措施。

光感控制器有现成的技术产品，如德国“泰邦”的LU 118型光感控制器就可以达到这种控制效果。

本发明的具体光学结构实施例如图6a、6b所示，其中：

一种实施例采用的光学结构及原理如图6a中所示，设置光纤端口的遮光板65与B点之间的距离小于等于凸透镜64的焦距f；由点光源61射出的光线通过抛物线形反光罩62的反射后大致平行射出，这些平行光线63通过凸透镜64进行汇聚，当凸透镜的焦点与光纤68的光纤头69端距离较远时，即透镜处于A点(如图6a-1)，能够有效射入光纤的光线66就不是很强，而其它没有射入光纤的光线67就被遮光板65反射了，因此由光纤头610射出的光线就很弱。在凸透镜64由A点向B点移动的过程中(如图6a-2)，凸透镜的焦点与光纤头69的距离越来越近，有效入射光纤66渐渐变强，到B点时(如图6a-3)，所有入射光线都成为有效入射光，由光纤头610射出的光线亮度达到最高。根据不同文物的最高照度规定，可以控制凸透镜能够到达的最远点为B1、B2、B3，并以此来控制对文物的照度的最大值。

另一种实施例光学结构也可采用图6b中的情况，设置光纤端口的遮光板65与A点之间的距离大于等于凸透镜64的焦距f；此时，凸透镜64焦距较短，透镜在A点时(如图6b-1)，能够有效的入射光线66最强，当凸透镜64由A点向B点移动的过程中(如图6b-2)，有效入射光渐渐变弱，到B点时(如图6b-3)能够有效的入射光线66最弱。

本发明的驱动及控制装置实施例的各元器件连接关系及控制电路工作原理如图3所示，图中：

Q1为手动开关，控制整个光源的电源。

Q2为手动开关，控制光线的调节为自动感应方式还是人工手动方式。

C为电光源(包括风扇)。

D为电源发生器，提供电机所需电源。

M1、M2均为直流电机，M1负责提供前进动力，M2负责提供后退动力。

SQ1、SQ2分别为A、B处限位开关，是常闭状态，当透镜架处于A处时，SQ1断开，当透镜架处于B处时，SQ2断开。

SQ3、SQ4由人体感应器L控制的开关，SQ3为常开状态，SQ4为常闭状态，当有人接近时，SQ3闭合，SQ4断开。

各元件的连接关系为：电光源(包括风扇)C及电源发生器D分别通过手动开关Q1、手动开关Q2与市电网相连；直流电机M1、M2分别通过处限位开关SQ1、SQ2与电源发生器D相连；人体感应器L控制的开关SQ3、SQ4分别与处限位开关SQ1、SQ2相连

控制上述装置的控制电路的工作过程为：

当无人参观时，透镜架位于A处。此时，SQ1断开，SQ3断开，SQ2闭合，SQ4闭合，两个回路都是断开状态。光线处于最暗状态。

有参观者接近，感应开关动作，SQ4断开，SQ3闭合，此时，SQ1断开，SQ2闭合，SQ2、SQ3和M1的电路接通，M1动作，机械装置带动透镜架向B处运动，SQ1闭合，光线逐渐变亮。

透镜架运动到B处，光线变为最强。透镜架触动SQ2，SQ2断开，两个回路全部断开状态，电机M1停止动作，透镜架停止在B处。

感应开关有一定延迟时间，经过延迟时间后(参观者离开，感应开关不再发出信号)，SQ3断开，SQ4闭合，此时，SQ1为闭合状态，SQ2为断开状态，SQ1、SQ4、M2电路接通，M2动作，机械装置带动透镜架向A处运动，SQ2闭合，光线逐渐变暗。

透镜架运动到A处，透镜架触动SQ1，SQ1断开。此时，SQ1断开，SQ4闭合，SQ2闭合，SQ3断开，两个电路全部断开。电机M2停止动作，透镜架停留在A处。

在通常的情况下，透镜在不同位置时候各处电路通断情况如图4所示，其中各符号表示：

A     透镜在A点时段；

A→B  透镜正在从A向B运动时段；

B    透镜在B点时段；

B→A 透镜正在从B向A运动时段；

T1   L人体感应开关探测到有人进入探测区域时；

T2   人体感应开关没有再次探测到有人进入探测区域，延时结束；

SQ3  感应器L控制的开关(人来时闭合，人离开一段延时期后断开，通常断开)；

SQ4  感应器L控制的开关(人来时断开，人离开一段延时期后闭合，通常闭合)；

SQ1  A处限位开关(通常为闭合，动作断开)；

SQ2  B处限位开关(通常为闭合，动作断开)；

M1   前进电机电源(在SQ3和SQ2同时闭合时通电)；

M2   后退电机电源(在SQ1和SQ4同时闭合时通电)。

不可排除有一种特殊情况，就是在透镜正在由B向A运动的过程中，存在这样一个时间T3，人体感应开关探测到有人进入探测区域。在这个情况下，电路情况如图5所示，其中，T3表示在透镜由B向A运动的过程中探测到有人进入感应区域的时刻。

值得注意的是：在T3的这个时间点，可能会出现瞬间的SQ1、SQ2、SQ3、SQ4四个开关都通电的情况，也会使得M1和M2电机出现瞬间的同时工作情况。不过这个时间极短，在电机功率不算很大的情况下不必担心出现破坏性的情况。这个T3的存在也是在本实施例中没有采用双向电机而是采用两个单向电机的原因，如果采用的是一个双向的电机，就有可能会在T3点上被破坏。

本控制电路为比较常见的成熟电路，在实际应用中比较普遍，在此不作更详细的描述。

Claims (9)

1、一种文物照明专用可调式光纤光源，包括电光源、与电光源共光轴的汇聚透镜，其特征在于，还包括接收该汇聚透镜的出射光并导引至照明处的光纤，固定并控制该汇聚透镜沿光轴进行移动及开、闭电光源的驱动及控制装置。

2、如权利要求1所述的文物照明专用可调式光纤光源，其特征在于，所说的驱动及控制装置包括固定该汇聚透镜的支架，带动支架进行移动的传动机构及其驱动电机，提供电机所需电源的电源发生器，控制支架在设定的范围移动的限位开关/光感控制器，控制该电光源开启、关闭的人体感应开关。

3、如权利要求2所述的文物照明专用可调式光纤光源，其特征在于，所说的驱动及控制装置还包括与该限位开关固接的用以手动调整限位开关位置的手柄，用以控制透镜具体位置的手动旋钮。

4、如权利要求2所述的文物照明专用可调式光纤光源，其特征在于，所说的传动机构采用齿轮、齿条传动机构或皮带轮传动机构。

5、如权利要求1或2所述的文物照明专用可调式光纤光源，其特征在于，所说的电光源包括显色性较好的点光源及与之相配套的变压器、为光源散热的电风扇、将该点光源的发散光转为平行光的抛物线型的反射光罩，以及设置在反射光罩前的滤紫外线的滤光片。

6、如权利要求1或2所述的文物照明专用可调式光纤光源，其特征在于，所说的汇聚透镜采用一凸透镜。

7、如权利要求6所述的文物照明专用可调式光纤光源，其特征在于，所说的光纤端口的与凸透镜移动的最远点之间的距离小于等于凸透镜的焦距。

8、如权利要求6所述的文物照明专用可调式光纤光源，其特征在于，所说的光纤端口的与凸透镜移动的最近点之间的距离大于等于凸透镜的焦距。

9、如权利要求1或2所述的文物照明专用可调式光纤光源，其特征在于，所说的光纤采用单根光纤或由光纤束构成。

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