专利名称：具有连续外包层的光纤和制造方法
技术领域：
本发明涉及通过内部全反射将光传输的光纤。
背景技术：
已知可以使用玻璃或聚合物等光透射材料作为光纤，通过内部全反射对光进行传输。通常，光纤包含纤芯，通常是一种无机玻璃或一种合成聚合物，纤芯上还可以有包层。包层材料优选具有小于纤芯材料的折射率，约束光能量，使其通过内部全反射在纤芯中传输。
在有些情况下，要求沿着光纤的至少一部分侧面提供发光区域。为了提供这种发光区域，已知可以沿着光纤的长度安排与垂直于光纤纵轴的平面呈一夹角的一系列切口。这些切口形成一系列反射面，能将至少一部分传输通过光纤的光反射到光纤侧面之外。如果光纤具有外包层，则切口透过包层并切入光纤的纤芯。沿着其长度具有切口的包层聚合物光纤可以从Poly OpticsAustrailia Pty.Ltd以商品名“POLY BRIGHT”购得。
光纤可以用于内燃机中和其周围难以达到处和/或修理汽车车体时用的照明装置的结构中。通常这些设备包括光源(例如，闪光灯或AC光源)和与该光源相连的一定长度的光纤，光源发出的光入射在光纤的一端上，并通过光纤传输。通常要求照明装置最好能同时发出端光(即，从光纤另一端发出的光)和侧光(即，从光纤侧面发出的光)。由于这种照明装置被用于为了到达远端观察区域而需要反复弯曲和/或扭曲的环境中，并且可能被油污弄脏，所以最好是一种能承受反复弯曲和/或扭曲而且容易清洁的增强光纤。
发明概述本发明提供了一种改进的包层光纤，具有发光区域和覆盖光纤侧面(即侧壁)和发光区域的连续外包层。这种改进的包层光纤具有提高的耐久性，比现有技术中沿着外包层延伸有一系列切口或压印凹陷的光纤更容易进行清洁。本发明还提供了一种制造本发明包层光纤和包含本发明包层光纤的照明装置的方法。
在一个实施方式中，本发明提供了一种光纤，包含(a)长的聚合物纤芯，具有从光源接受光的输入端，发射传输通过纤芯的光的输出端，和沿着纤芯纵轴延伸的侧面(即侧壁)；(b)发光区域，包含至少一个光学单元，该光学单元能使传输通过纤芯的光以通常横向于纵轴的方向透出光纤的至少一部分侧面；(c)在纤芯侧面和发光区域上连续延伸的外包层，所述包层是一种折射率小于纤芯折射率的聚合物材料。
在光纤的一个实施方式中，发光区域包含一系列两个或多个沿着纤芯纵轴彼此间隔一定距离的光学单元。
光纤纤芯优选是一种聚(烷基丙烯酸酯)或聚(烷基甲基丙烯酸酯)，外包层是氟化的乙烯-丙烯。光纤还可以在外包层上具有套层，对光纤提供进一步保护。
发光区域可以包含沿着纤芯纵轴规则间隔的一些光学单元或者沿着纤芯纵轴不规则(即不均匀)间隔的一些光学单元。光学单元的深度通常是光纤直径的大约1％到10％。
在本发明另一个实施方式中，提供了一种制造具有发光区域的光纤的方法，包括以下步骤(a)提供一种包含长的聚合物纤芯的包层光纤，纤芯具有从光源接受光的输入端，发射传输通过纤芯的光的输出端，和沿着纤芯纵轴延伸的侧面(即侧壁)；(b)提供一种具有至少一个压印单元的压印工具；(c)将压印工具的压印单元与光纤的包层接触并施加压力，使压印单元陷入到光纤纤芯，对光纤压印从而形成光学单元；在压印步骤(即步骤c)中，包层并不被切割，所以在纤芯侧面和发光区域上延伸的是连续包层。
在此方法的一个实施方式中，使用了一种旋转压印设备，它包含具有一系列在圆周上间隔一定距离的许多压印单元的压印轮。该压印轮通过绕其中轴旋转，此时其上面的压印单元接触光纤侧面，获得对包层光纤的压印。
在本方法的另一个实施方式中，至少一个压印单元包含第一侧面和第二侧面，两者相交形成顶边，其角度是从约20°到约150°。优选压印单元的顶边是被截顶的或被修圆的，能防止压印单元切割光纤的包层。
在本发明的另一个实施方式中，提供了一种照明装置，包含(a)光源；(b)光纤，包含长的聚合物纤芯，具有从光源接受光的输入端，发射传输通过纤芯的光的输出端，和在输入端和输出端之间沿着纤芯纵轴延伸的侧面；发光区域，以基本横向于纵轴的方向使传输通过光纤的光透出光纤的至少一部分侧面，发光区域包含至少一个光学单元；在纤芯侧面和光学单元上延伸的连续外包层，它是一种折射率小于纤芯的聚合物材料；其中，光纤可以与光源光学耦合，使得至少有部分从光源发出的光入射在光纤的输入端上。
光纤可以被可旋转地或不可旋转地连接在光源上。在一些实施方式中，将光纤可拆卸地连接于光源上可能是优选的。这样，光源就可以与其他光纤使用，例如，使光纤侧面上发出不同侧向角度分布的光。在一个优选实施方式中，光源是一种标准闪光灯。
术语术语“发光区域”是指能射出传输通过光纤的光的光纤的一部分。发光区域可以在光纤的整个长度上分布或者仅在光纤的一部分长度上分布。发光区域可以以360度或更小的侧向角度分布发射出光。
这里用术语“光学单元”来统称在光纤纤芯上通过压印过程形成的任何受控的凹陷部分，形成了一个或多个能对至少一部分通过光纤壁入射在其上的光进行反射的反射面。这些光学单元区别于不时出现在光纤上的刮痕和其他缺陷和其他表面不规则部分。通过适当控制每个光学单元的尺寸和形状，以及单元沿着光纤分布的图案和间距，可以选择性地使光线发射通过光纤侧壁的发光区域。
术语“照明装置”是指能提供所需波长，强度和分布特性的光线的器件。照明装置可以是便携的或固定不动的。
术语“工作灯”是指被设计用来在人，动物或机械完成一项或若干项任务(例如，用照相机或其他传感器进行检验)时对一些区域照明的照明装置。工作灯可以是便携的或固定不动的。
术语“侧向角度分布”是指在基本垂直于光纤纵轴的平面上所测得的光从光纤射出的角度范围。
术语“光纤”是指一种在输入端接受光并传输至输出端和/或发光区域而没有明显损失的一种物体。总的来说，光纤的工作原理是内部全反射，其中，传输通过光纤的光在光纤表面上根据光纤材料和紧密包围光纤的材料，例如，空气，包层等的不同折射率而发生反射。
这里用术语“包层光纤”来描述具有纤芯和包层的一种光纤，包层材料的折射率小于纤芯材料的折射率。
通过以下本发明的各种说明性实施方式，能更完整地描述本发明的这些和其他特点和优点。
图简要说明
图1是本发明一种包层光纤的透视图。
图1a是图1中光纤沿着直线1a-1a的截面图。
图2a-2c表示本发明包层光纤的不同截面形状。
图3a-3c表示可用来制造本发明包层光纤的一种压印设备。
图3a′表示图3a所示光纤的截面图。
图4表示可用来制造本发明包层光纤的一种压印设备。
图4a-4c表示能用来制造本发明包层光纤的图4所示压印设备上的各种压印单元。
图5a-5b表示一种可用来制造本发明光纤的一种旋转式压印设备。
图5c是一种旋转式压印过程的示意图。
图6表示一种可用来制造本发明光纤的一种旋转式压印设备。
图7是本发明一种照明装置实施方式的侧视图。
图8是本发明一种照明装置实施方式的透视图。
图9a是本发明一种照明装置实施方式的侧视图。
图9b是图9a所示照明装置一部分的透视图。
本发明提供了能选择性发射光的聚合物光纤，该光纤特别适合于制造照明装置。
图1表示了一段本发明光纤10的透视图。图1a是图1中光纤10沿着直线1a-1a的纵向截面图。光纤10的伸长形状定义了纵轴11，其圆形截面形状定义了侧面13。光纤10包含长的中央纤芯12，被外包层14包围。外包层14用的是一种折射率小于中央纤芯12折射率的聚合物。光纤10进一步包括从光源接受光的输入端20和发射传输通过光纤10长度的光(即端光)的输出端23。光纤10包括发光区域26，光在此处从光纤中以通常横向于光纤10纵轴11的方向射出。光纤10的发光区域26包含至少一个光学单元16。通常，发光区域由在光纤10的至少一部分或整个长度上间隔的一系列光学单元形成。在图1的实施方式中，光学单元16的形式是沿光纤10长度以规则距离彼此隔离的一系列压印凹陷。光学单元16也可以是不规则间隔的。每个光学单元16深入到中央纤芯12，从而形成第一反射面18和第二反射面20。从光纤10外表面到光学单元16最低点的光学单元16深度，在图1a中被标注为“d”。通常，深度“d”随着光纤的直径而异。例如，深度“d”通常是光纤整体，直径的约0.5％到约30％，更优选是光纤直径的约1％到10％。第一反射面18和第二反射面20通常以相对于光纤10纵轴11垂直面的一定角度倾斜。如图1a所示，外包层14在光纤10的纤芯12包括光学单元16的侧面上连续延伸。即，外包层14没有因为在光纤10上形成光学单元16而被切割或破坏。
在光纤10工作时，第一反射面18能将至少一部分纵向传输通过光纤的光反射透过光纤10侧面13的发光区域26。虽然本发明的光纤可以具有任何要求的侧向角度分布，但是通常观察到从发光区域26射出的光线强度在发光单元16约180°处为最强。
光纤10可以具有任何适用的截面形状。图2a-2c表示了可用于本发明光纤的各种不同的截面形状。例如，图2a中的光纤110a具有基本上方形的截面形状，而图2b中的光纤110b具有三角形的截面形状，图2c中的光纤110c具有基本上椭圆形的截面形状。图2a-2c中所示的各种截面形状仅作为举例，并非对本发明的限制。本领域技术人员能够理解，本发明光纤可以具有任何适用的截面形状(即，圆形，方形，矩形，三角形，椭圆形，多边形，上述一种或多种的组合和类似形状)。为了保证整根光纤中光的均匀分布，通常截面形状应该至少在光纤的发光区域上是基本均匀的。
本发明光纤的尺寸可以随着光纤的预期用途而异。对许多照明装置而言，光纤的直径在约1毫米到约25毫米范围内，更优选在约5毫米到约14毫米范围内，最优选在约7毫米到约12毫米范围内。光纤长度随着预期用途而异化，在有些情况下，可以从小于1厘米到大于100米。
外包层14用的是一种折射率小于光纤纤芯材料的聚合材料。因为其较低的折射率，所以与含有相同纤芯材料的无包层光纤相比，包层能减少从光纤侧壁射出的杂散光。包层14的适用材料是本领域已知的，包括例如，氟化的乙烯-丙烯共聚物(从DuPont Co.以商品名“TEFLON FEP”购得)，聚偏二氟乙烯，全氟丙烯酸酯，聚四氟乙烯，四氟乙烯-六氟丙烯-偏二氟乙烯。通常，包层材料的厚度小于光纤纤芯的直径，但是大于传输通过光纤的光的波长。通常，对于直径小于约25毫米的光纤而言，包层厚度小于约1毫米，更优选在约0.2毫米到约0.4毫米范围内。光纤优选具有较小的截面，能被插入很小的开口，例如，在汽车车门，发动机舱，发动机接口，设备机罩等中提供要求的照明。
合适的光纤纤芯材料包括，例如，聚(烷基丙烯酸酯)和聚(烷基甲基丙烯酸酯)。一种优选的纤芯材料包含聚(甲基甲基丙烯酸酯)和甲基甲基丙烯酸酯与其他丙烯酸酯及甲基丙烯酸酯单体的共聚物，例如，丙烯酸乙酯，丙烯酸-2-乙基己酯，和甲基丙烯正丁酸酯。在一些情况中，可以为了生产具有高度柔软性的光纤而要求更易弯曲的纤芯材料。甲基丙烯酸甲酯与低玻璃化转变温度(Tg)单体，例如，丙烯酸乙酯和丙烯酸正丁酯的共聚反应，能形成更易弯曲的纤芯材料。一种优选的纤芯配方中包含聚合的甲基丙烯酸甲酯，并具有约54℃的玻璃化转变温度。
包层聚合物光纤和制造适用于本发明包层聚合物光纤的方法已经有所报道，例如，在PCT出版物WO 99/59804；PCT出版物WO 01/47696；和美国专利5298327(Zarian等人)中。
本发明光纤或可具有覆盖包层的聚合材料外层。这种层通常被称为套层。套层为保护光纤防止损坏提供了附加保护层。适用于套层的聚合材料包括，例如，聚氯乙烯等。
发光区域中每个光学单元的反射面通常是倾斜的，与垂直于光纤纵轴的平面成一个夹角。虽然可以使用0°和小于90°之间的任何合适角度，但是通常，反射面的倾斜角度是10°到80°，优选是20°到70°，更优选是30°到60°。每个光学单元的反射面可以是弯曲的或基本平面的。
光学单元的反射面优选被制造成具有光学质量。通常理解的“光学质量”是说，反射面仅散射少量(通常小于20％，优选小于10％)入射到其上的光，剩余的光被镜面反射或折射。每个光学单元的反射面通常是横向于光纤纵轴延伸的，但可以形成任何角度。。
虽然可以采用任何适合于光纤预期用途的光学单元图案，但是光学单元通常是沿着光纤中心线规则间隔的。在某些实施方式中，可能要求由光纤的发光区域输出的基本保持均匀。要达到这个目的，可以控制相继光学单元的图案和间隔，从而补偿被前面的光学单元反射出光纤的光。例如，可以增加光预定传输方向上的相继光学单元反射面的截面面积(例如，通过增加光学单元的压印深度)。或者，可以减小相继光学单元之间的间距或者改变反射面的角度，或采用任何和所有这些方法的组合。
一种制造本发明光纤的方法是批量压印过程。参见图3a-3c，表示了适合于制造本发明光纤的一种压印过程。压印工具60包括金属模子，对其一个表面进行了加工，在光纤66纵轴65的横向方向上提供一系列彼此平行延伸的V形压印单元62。虽然能够理解其他截面形状也可以用于本发明中，但是这里的压印单元62是三角形截面或V形截面的。压印工具60可以配备有一个或多个加热器63(例如，筒形电阻加热器)，在压印包层光纤66之前和/或过程中，能将压印工具60加热至升高的温度。参见图3a′，表示了光纤66的截面图。光纤66包括具有侧面61的纤芯69。纤芯69被外包层67所包围。在使用中，压印工具60被压与包层光纤66的侧面接触。如图3b所示，压印工具60的压印单元62压在包层光纤66的侧表面上。压印过程优选在升高的温度下进行，例如，在约60°F到约275°F范围的温度下进行。通常，使压印工具60与包层光纤66在压力下保持接触约5秒到几分钟的一段时间，优选为约1分钟。在一些情况下，为了使形成光纤66的聚合材料被压印单元定形，要求在压印工具60与光纤66固定接触的同时使压印工具60冷却。这时，光纤上形成的光学单元形状将更近似地符合压印工具60上压印单元62的形状。图3c表示了沿着纵轴65的本发明一种压印光纤的截面图。如图3c所示，由压印操作生产的光纤66包含一系列沿着光纤66的侧面彼此间隔一定距离的光学单元68。光学单元68形成时并未切割包围包层光纤66中央纤芯69的外包层材料67。因此，包层67在光纤纤芯包括光学单元68的侧面上是连续的。
图4表示适合于制造本发明光纤的一种压印工具80的分解图。压印工具80包括上板82和下板84。上板82中有一系列六个定位销102，其尺寸配合一系列六个定位孔100，能使上板82和下板84在压印包层光纤时对准。每个上板82和下板84都分别包括槽子87和88，其尺寸和形状能在压印时容纳包层光纤。在压印工具80中，槽子87和88的截面形状是半圆形的，优选容纳具有圆形截面形状的光纤。压印工具80中包括与上板82的槽子87匹配的可移动压印部件86。压印部件86包括两个容纳调节螺丝98的螺纹孔94。图4a表示了压印部件86实施方式的侧视图。压印部件86包括一系列凸脊形式的压印单元88，从后板89延伸，沿着后板89彼此相隔距离为“a”。每个压印单元88有两个平整侧面90和92，相交形成位于凸脊88顶部的顶角“b”。虽然凸脊的侧面通常是平面的，但是其中之一或这两个面也可以是弯曲的。顶角b通常在约20°到约150°的范围内，更优选在约45°到90°范围内。特别优选的顶角b是约60°。图4b表示了适用于制造本发明光纤的另一种压印部件86b。在图4b中，图4a中压印单元88的顶部被截断，形成面宽为“c”的平整顶面106a。在一个优选实施方式中，截顶面106a的面宽c是约0.1毫米到约3毫米，更优选在约0.2毫米到约2毫米的范围内。图4c中表示了压印部件86c的另一个实施方式。在图4c中，图4a中压印单元88的顶部被砂纸磨圆，形成被磨圆的顶部。在压印过程中，为了防止压印单元切入或穿透光纤上的外覆材料，优选将压印单元的顶部截断或磨圆(参见图4b-4c)。
再参见图4，在使用时，压印部件86被装在上板82的槽子88中，用调节螺丝98将其调整到要求的位置。例如，可以将压印部件86安装平行于槽子88，或将压印单元86部件使其与槽子88成一定角度。为了改变光纤长度上光学单元的深度，需要将压印单元86以相对槽子一定角度的位置进行安装。将包层光纤(未示出)置于下板84的槽子88中。将上板82置于下板84上，并在定位销102的帮助下使其合为一体。然后通过对上板82和下板84的表面施加压力，对压印部件86施加压印压力，例如，使用液压机或C型夹钳。在另一个实施方式中，用一系列螺丝代替定位销102，并通过收紧螺丝对包层光纤施加压印压力。
在另一种制造本发明光纤的方法中，使用了一种旋转压印方法。参见图5a，表示了一种适用于制造本发明光纤的旋转压印设备30。旋转压印设备30包括压印轮32，被可旋转地固定在压印轮支架34上。压印轮32上绕着其圆周，规则间隔并径向伸出的许多压印单元44。压印轮32可以是链齿轮，例如，ANSI 40链齿轮，ANSI 35链齿轮或ANSI 24链齿轮，或者是一种正齿轮。将压印轮32与把手36相连，当把手36旋转时，例如以顺时针方向，压印轮32也会绕其中轴33以相同方向旋转。压印轮支架34可滑动地与轨道38相连。轨道38上有在旋转压印过程中用来稳固支撑包层光纤(未示出)的沟槽40。在图5的实施方式中，沟槽40是半圆形的，用来支撑具有圆形截面形状的光纤。在压印具有另一种截面形状的包层光纤时，其他沟槽结构可能更适宜。
在使用旋转压印设备30时，将包层光纤42(具有纤芯49和外包层47)置于轨道38的沟槽40中(参见图5b)。把手36沿顺时针方向旋转，使压印轮32的压印单元44接触并压入包层光纤42的侧面43。在旋转压印设备30工作时，压印轮32和压印轮支架34随着包层光纤42沿着轨道38移动(在如箭头39所示方向上)，并在其沿着轨道38移动时压印光纤。参见图5c，表示了旋转压印过程的示意图。如图5c所示，光纤42的被压印部分是一系列沿着光纤42彼此间隔一定距离的光学单元46。光学单元46形成时没有切割或以其它方式牺牲包围光纤42纤芯49的外覆材料47的整体性。
本领域技术人员能够理解，可以改进旋转压印设备30，用机械方式驱动压印轮32，例如，使用通过一个或多个被连接到压印轮32的电动马达。
图6所示是适合用来制造本发明光纤的一种压印设备110的另一个实施方式的示意图。压印设备110包括固定的压印轮112，能绕着其中轴116旋转。压印轮112上有多个绕着压印轮的圆周相间隔并径向伸出的压印单元114。压印轮112中还可包括加热或冷却装置，例如，用指定温度的循环水蒸汽和/或水通过压印轮112内部的空腔(未示出)。压印设备110中还有个固定的轧辊118，能绕着其中轴119顺时针方向旋转。要压印的包层光纤从装有一定长度包层光纤124的供料辊122被送入压印轮。设备110还有个收卷辊126，用来接受经过压印的一定长度的包层光纤。
在操作压印设备110时，压印轮112逆时针方向旋转(例如，通过电动马达)，使包层光纤124从供料辊122(具有旋转轴123)被拉过位于压印轮112和轧辊118之间的辊隙126。当包层光纤124被拉过辊隙126时(即压印轮122和轧辊118之间的空间)，被压印单元114压成一系列沿着包层光纤124的长度彼此间隔一定距离的光学单元128。光学单元128形成时并不切割包围包层光纤124的外覆材料(未示出)。压印后，包层光纤124被卷送到收卷辊126上。
可以控制被压印在包层光纤124上的光学单元128的深度，例如通过加大或缩小位于压印轮112和轧辊118之间的辊隙126。例如，当辊隙126缩小时，光学单元128的深度就增大。在一些情况下，最好能形成沿着光纤长度的光学单元深度以受控方式变化的一定长度的光纤。可以通过使用压印设备110，例如，在压印操作中以受控方式改变辊隙126的大小来实现。例如，可以将轧辊118做成椭圆形，使辊隙126的尺寸在轧辊118旋转时发生变化。或者，采用控制方法，移动一个或两个轧辊118和压印轮112使之彼此靠近，改变辊隙126的尺寸。这时，就能控制光纤上的光学单元深度。
本领域技术人员能够理解，可以选择压印单元的形状，尺寸，取向和间隔，提供沿着光纤的符合要求的光学单元形状，尺寸，取向和间隔。总的来说，压印单元的形状，尺寸，取向和间隔通常并不与光纤上光学单元的形状，尺寸，取向和间隔完全相同。因此，可能需要随着压印过程的条件(例如，温度，压力和接触时间)，对压印单元的形状，尺寸，取向和间隔进行实验，才能制造出具有指定光学特性的光纤。而且，可能需要对压印过程条件(例如，温度，压力和接触时间)和压印单元的形状，尺寸，取向和间隔进行实验，才能制造出具有连续和未受切割外覆材料的本发明光纤。总的来说，温度，压印压力，包层厚度，压印单元的形状，冷却时间，和光纤包层及纤芯的组成，以及本领域技术人员能够理解的其他因素，都可能影响包层光纤中压印的光学单元的最终形状，尺寸，取向和间隔。
将本发明光纤用在照明装置中是有优势的。图7是本发明一种照明装置150的示意图。照明装置150包括光源152，与本发明的包层光纤154光学连接。光源种类对本发明并非关键。例如，一种特别适用的光源是商品名为“STREAMLIGHT STINGER”(从Streamlight，Inc.，Eagleville，PA获得)或“MAGLITE”(从Mag Instruments，Inc.，Ontario，CA获得)的闪光灯。其他适用的市售光源包括，例如，商品名是“LIGHT PUMP”(从Remote Source LightingInternational，Inc.，CA获得)的光源和商品名是“POWERHOUSE METAL HALIDEILLUMINATOR”(从Lumenyte International Corp.，CA获得)的光源。包层光纤154包括沿着其部分长度延伸的发光区域155。发光区域155包括至少一个，更优选一系列相间隔的压印光学单元156。在本发明中，包层光纤154具有在包括含有发光区域155的光学单元的光纤侧面上连续的外包层159。在使用中，从光源152发出的光被导入包层光纤154中，使光通过内部全反射在光纤中传输。传输通过包层光纤154的一部分光入射在光学单元156的反射面上，从光纤通过发光区域155发生反射。
图8是本发明一种照明装置158的透视图，包括光源160，与本发明的包层光纤162光学连接。光纤162沿着纵轴164长的。可以用如图8所示的照明装置为任何要求的目的提供照明。例如，该照明装置可以用做工作灯。
光源160可以通过任何适当的机理提供光。例如，光源160可以是白炽的，荧光的，发光二极管阵列，高强度放电(HID)灯，或任何其他能产生具有指定波长或波长范围的适用光源。通常，优选光源能在可见光谱区或至少在部分可见光谱区发射光能。虽然图8中所示的光源160由电池166供电，但是能够理解，给光源160供电的能量也可以是交流电，直流电等。
当光源160大于包层光纤162的截面直径时，可能最好使用接头168，完成从光源160的较大截面尺寸到包层光纤162较小截面尺寸的转换。接头168可以优选内衬有一种高反射材料，例如一种金属涂层，从而有效地将光导向包层光纤162。接头168内部金属涂层的一种替换物是一种反射材料，例如多层反射光学膜，如PCT出版物WO95/17303；WO95/17691；WO95/17692；WO95/17699和WO96/19347中所述。上述PCT出版物中所述的多层反射光学膜例子可以从Minnesota Mining and Manufacturing Co.，St.Paul，MN获得。这种反射膜特别适用于反射接头168中的光。
光源160中可以包括风扇或其他冷却设备，用来转移光源在工作中发出的热量。另外，接头中可以包括散热片170，用来散发接头处的热量。
包层光纤162在图1中有更详细的说明，它包括至少一个，更优选一系列沿着光纤的至少一部分长度间隔的压印生成的光学单元163，构成了发光区域167。包层光纤162还包括在光纤纤芯侧面和光学单元163上连续的外包层165(也参见图1)。
包层光纤162被可旋转地或不可旋转地连接于光源160上。在一个实施方式中，包层光纤162以光纤能绕着其纵轴164旋转的方式被连接于光源上。包层光纤162绕着其纵轴的旋转，还优选能使发光区域167发生旋转。由包层光纤160绕着纵轴164相对光源160的旋转所产生的好处是，能改变从发光区域167发射的光的方向，根据使用者的要求在指定方向上提供照明。
当使用接头168连接光源160和包层光线162时，接头168可以固定在包层光纤162上，这时，包层光纤162和接头168都能相对光源160发生旋转。或者，接头160可以被固定在光源上，这时，包层光纤162可以相对接头和光源160发生旋转。或者，包层光线162和接头168，如果存在的话，都不可旋转地连接于光源160上。
参见图9a，表示了本发明的一种照明装置。在图9a所示标准闪光灯的实施方式中，照明装置180中包括光源182。照明装置180进一步包括光学接头184，它被摩擦固定在光源182的发光端189上。光学接头184包括输入端185和输出端187和在光学接头184的输入端185及输出端187之间延伸的锥形发光区域189。输出端187固定有本发明的包层光纤186。光学接头184的输入端185是圆形的，其尺寸正好能可拆卸地固定光源182的发光端189，例如，通过摩擦固定。图9b所示是已经从光源182上被拆下的光学接头184和包层光纤186的透视图。光学接头184起到将光源182光学连接至包层光纤186的作用，使光源182发出的光能被锥形发光区域189导向到包层光纤186的输入端191。接头184的内部优选内衬以一种高反射材料，如图8的实施方式中所述，能有效地将光从光源182导向到包层光纤186。
实施例这些实施例仅供说明目的，并非对所附权利要求范围的限定。
实验总体情况所有用于这些实验的光纤都是从Minnesota Mining and ManufacturingCompany，St.Paul，MN；Lumenyte International，Costa Mesa，CA；或PolyOptics，Australia购得的。除非另有指明，光纤都具有圆形截面形状，标称外径为10毫米。
实施例1本实施例将显示一种实心纤芯光纤(以商品名为“POLY 100”从PolyOptics，Australia购得)的批量压印过程。这种光纤的纤芯中包含一种纯注塑的丙烯酸单体，包括甲基丙烯酸酯。外包层是聚四氟乙烯(即，Teflon)。光纤的总直径约为10毫米±0.5毫米，外包层厚度约为0.2毫米±0.05毫米。
为在这种光纤的侧壁上压印出一系列光学单元，制造了一种设备。其压印单元的总长度是140毫米，由重复的基本上是三角形的凸脊组成，沿着压印单元的每个凸脊间隔是6.35毫米，高度是3.0毫米。每个单元都有一个60°的顶角。每个凸脊的尖端都被截断，在棱尖端上形成1毫米的平面部分。
使用两件式夹持装置固定该压印设备。夹具的两面通过一系列定位销彼此对准。用液压机(“PHI”压机，从Pasadena Hydraulics WG from Elmonte，CA获得)对夹具施加压力。测得的压力约为2812千克/平方厘米。压印时间为5秒。
从夹具上取下光纤后，光纤上压印成的光学单元会有一定程度的回复原状。这种热机械加工后的光纤松弛过程限制了典型压印过程后能从侧面透射出光的多少。光学单元的压印深度是0.2毫米。
在光纤的一端引入闪光灯(从Tactical Flashight Shop of Wichita，KS67212购得的“STREAMLIGHT STINGER”闪光灯)，并目视观察侧光(即，从光纤侧面发出的光)。
用裸眼就能发现如上所述制备的压印样品上具有一种完整的包层，进一步用最大放大倍数是512X的Leica牌光学立体显微镜观察。在暗场，亮场，并用光源照亮该光纤观察该样品。如果在最大放大倍数下也不能发现包层上有缺陷的话，则认为该包层是完好的，本实验就成功地制造了理想的产品。
实施例2本实施例将显示温度对压印过程的影响。对本实施例的所有试验而言，压印单元的总长度都是140毫米，都是由尖端到尖端距离为6.35毫米，深度4.0毫米的三角形凸脊组成的。凸脊的顶角是60°。用5英寸(12.7厘米)的金属C形夹钳对压印单元施加压力。为了提供额外的扭矩，用11.5英寸(29.2厘米)的加长杆延长该C形夹钳的拧紧杠杆。用加长杆手动拧紧C形夹钳。当C形夹钳被完全拧紧后开始测量压印时间。压印成的光纤样品在无辅助目视检查时具有完整的包层，并用最大放大倍数是512X的Leica牌光学立体显微镜作进一步的检查。在暗场，亮场，并用光源照亮该光纤检查该样品。如果在最大放大倍数时没有发现包层上有缺陷的话，则认为该包层是完好的。本实施例的结果报告在下表1中。
表1
实施例3本实施例将显示一种用来制造本发明光纤的旋转压印技术，包括对若干压印轮形状的评价和对旋转压印压力的测量。一种设备的结构基本上如图5a中所示。对一系列作为压印轮的ANSI链齿轮进行评价。通常观察到ANSI 35(压印单元之间的距离是0.95厘米)和ANSI 25(压印单元之间的距离是0.635厘米)链齿轮的压印单元太尖锐，经常会在旋转压印时穿刺或切入光纤的包层。ANSI40链齿轮具有间隔为1.27厘米的压印单元，对其进行评价，发现其压印单元满足制造本发明具有连续外包层的光纤的要求。
然后，对作为压印轮的含16个齿距，7.62厘米直径的正齿轮(从BostonGear购得，部件号是NB48)进行评价。在对其未改进时，正齿轮的压印单元(即，齿)具有顶面，在齿轮径向方向(即，沿着圆周)是2毫米，在纵向方向(即，齿轮厚度)是1.27厘米。由于光纤纤芯具有粘弹性，所以在压印时没有完全复制这些齿的尺寸。对正齿轮的齿进行改进，使2毫米的顶面缩小至0.5毫米。将这种改进的正齿轮用于旋转压印过程中，发现其会在室温时切入包层光纤的包层。而在升高的温度下，发现改进的正齿轮能成功地压印包层光纤而不会切入包层。
对第二个16个齿距，7.62厘米直径的正齿轮(从Boston Gear购得，部件号是NB48)进行改进，使径向方向的顶面为1毫米。将这个改进的正齿轮用在室温的旋转压印过程中，发现其作为制造本发明光纤的压印轮的表现很好。
要测量旋转压印过程中，压印单元(即齿)对包层光纤所施加的压力，需要使用压力指示膜(压力指示膜从Sensor Products，Inc，East Hanover，NJ购得)。在这个实施例中，使用高量程压力指示膜(测量从约499到约1300千克/平方厘米的压力)。将压力指示膜插入包层光纤和压印轮(经过改进的NB 48正齿轮，在径向方向具有1毫米的顶面)的压印单元之间。施加压印压力后，按照制造商提供的方法对压力指示膜进行读数。根据压力指示膜的说明，所有结果都具有测量值±15％的误差。旋转压印本发明光纤时测得的压力值如下所示。
压印成的光学单元深度 压印压力(毫米) (千克/平方厘米)0.1 597.60.3 808.5实施例4要对侧光透射进行定量，使用Light Gauge牌光度计(从Coherent AuburnGroup获得)进行端光亮度测量。光度计已在近期由International Light，Newburyport，MA校准。所有光纤样品都是由未改进的正齿轮在室温下制造的(参见实施例4)。将光纤样品切割成188毫米长度。光纤直径在9.0到9.1毫米范围内。安装具有反射膜(VM 2000，从3M Company，Saint Paul，MN获得)的锥形接头。用绝缘胶带封闭从锥形接头发射出的杂散光。使用充足了电的闪光灯(以商品名为“STREAMLIGHT STINGER”购得的闪光灯)作为照明光源。光纤样品的放置要使插入深度和对准的影响最小。以垂直于光纤长度并彼此平行的方向切割光纤的两端。将光度计放置在光纤一端使输出最大的位置，测量从光纤另一端输出的端光。使用一片未经压印的光纤作为对比样，用差值计算从侧面透射出来的光量。表2提供了表示压印深度对侧面透射光影响数据。
表2
实施例5用基本如图5a所示的旋转压印设备制备本发明的压印光纤。使用的压印轮是一种未改进的正齿轮(从Boston Gear购得，部件号是NB48)。为了防止切入光纤包层，在压印前先对一些光纤进行加热。用一种红外加热灯(以商品名“2000-WATT SPEED RAY”从Infratech Corp.Corvina，CA购得)进行加热。为了进行比较，从Poly Optis，AU购得有切口(对比例A)和无切口(对比例B)构造的包层光纤样品。对比例A具有沿着光纤长度的切口，彼此间隔是6.35毫米±1.27毫米。切口深度是1.015毫米±0.25毫米，相对于光纤纵轴的角度是35°±5°。
在测试前，将所有光纤样品切割成124毫米的长度。用如实施例1所述的显微技术检查包层状态。对每个光纤样品，用如实施例4所述的技术测量从各种光纤样品发射出的端光量，不同的是光纤的长度是124毫米。
结果报告在下表3中。
表3
实施例6本实施例将证明压印光纤相比有切口的光纤机械强度有增加。
标称直径10毫米的光纤从Poly Optics，Australia购得，是标准的(无切口)和Poly Bright(有切口)结构的(参见实施例5)。
压印标称直径10毫米的光纤，用的是压印单元顶部被磨圆形成对着光纤的顶面为1毫米的正齿轮(参见实施例3)。压印形成的光学单元的平均深度是0.25毫米。将每个有切口的和压印的光纤样品切割成15毫米的长度，进行耐久性测试。
按照以下方法测试光纤的耐久性。用手握住光纤的两端，将光纤弯曲成“U”形，使其两端接近靠拢，此时切口或压印单元位于“U”内侧。将光纤再向在另一个方向弯曲180度，再次使两端接触靠拢，使切口或压印的光学单元位于“U”形的外侧。再将光纤再次弯曲180度，使其恢复切口或压印的光学单元位于“U”形内侧的初始形状。这三个操作表示一个弯曲周期。完成一个弯曲周期的时间(周期)是4秒。将一个节拍器设定为60转/分，其测量计数铃设定为4次敲击/测量，对弯曲周期进行计数。在测试中连续检查切口或压印单元的状态，记录包层撕裂和光纤断裂的周期数目。
用最大放大倍数是512X的Leica牌光学立体显微镜检查光纤。在暗物，亮物，用用光源照亮光纤检查样品。如果在最大放大倍数时没有在包层上观察到缺陷的话，则认为包层是完好的。本实施例的结果报告在下表4中。表示的数字是直到产生所述失败情况的周期数目。失败情况是指包层撕裂或光纤断裂。
表4
实施例7本实施例将显示被暴露于高温时压印的光学单元的性能。用未改进的正齿轮如实施例5中所述压印10毫米光纤。压印在光纤上的光学单元平均深度是0.65毫米。然后将压印的光纤在79℃的烘箱中加热老化7天。加热老化后，再次测量光学单元，发现平均深度是0.60毫米。
实施例8
本实施例证明了可以将压印过程应用于一种有PVC套层的光纤。对标称直径10毫米的有PVC套层的光纤(从Lumenyte International Corporation购得)进行压印的正齿轮，其压印单元顶部被磨圆形成对着光纤的顶面为1毫米(参见实施例4)。光纤中光学单元的平均深度是0.9毫米。通过用光学显微镜检查，观察到压印后的包层和PVC套层都是完好的。
所有引用的专利，专利文件，和出版物的全部内容都参考结合于此，如同各自参考结合一样。不超出本发明范围和原理的对本发明所作的各种改进和替换，对本领域技术人员而言都是显而易见的。本发明不应被上述说明性实施例和实施方式所限制，这些实施方式和实施例仅作为例证存在，本发明的范围仅由下述权利要求限定。
权利要求
1.一种光纤，包含(a)长的聚合物纤芯，具有从光源接受光的输入端，发射传输通过纤芯的光的输出端，和沿着该纤芯的纵轴在输入端和输出端之间延伸的侧面；(b)发光区域，将传输通过光纤的光以通常横向于该纵轴的方向射出光纤的至少一部分侧面，该发光区域包含至少一个光学单元；(c)在纤芯侧面和光学单元上延伸的连续外包层，是一种折射率低于该纤芯的聚合物材料。
2.如权利要求1所述光纤，其特征在于该发光区域包含一系列两个或多个沿着该纤芯纵轴彼此间隔一定距离的光学单元。
3.如权利要求2所述光纤，其特征在于该纤芯是一种选自聚(烷基丙烯酸酯)和聚(烷基甲基丙烯酸酯)的聚合物。
4.如权利要求2所述光纤，其特征在于该连续外包层是氟化的乙烯-丙烯。
5.如权利要求2所述光纤，其特征在于该发光区域包含至少三个沿着该纤芯纵轴规则间隔的光学单元。
6.如权利要求2所述光纤，其特征在于该发光区域包含至少三个沿着该纤芯纵轴不规则间隔的光学单元。
7.如权利要求2所述光纤，其特征在于该光纤具有选自圆形，椭圆形，三角形和方形的横截面形状。
8.如权利要求2所述光纤，其特征在于该光学单元的深度是光纤直径的约1％到10％。
9.如权利要求2所述光纤，其特征在于该光纤包括具有第一深度的第一光学单元和具有第二深度的第二光学单元，其中第一深度不等于第二深度。
10.如权利要求2所述光纤，其特征在于该光纤具有圆形的横截面形状和约1毫米到约25毫米的直径。
11.如权利要求2所述光纤，其特征在于该外包层具有小于约1毫米的厚度。
12.如权利要求2所述光纤，其特征在于进一步包括位于外包层上的套层。
13.如权利要求2所述光纤，其特征在于该发光区域具有360°或更小的侧向角度分布。
14.如权利要求2所述光纤，其特征在于每个光学单元包含至少一个倾斜的反射面，其与垂直于该纤芯纵轴的平面的夹角是10°到80°。
15.如权利要求14所述光纤，其特征在于该发光区域沿着纵轴的长度小于该光纤纵轴方向的总长度。
16.一种制造具有发光区域的光纤的方法，发光区域中包含至少一个光学单元，该方法包括以下步骤(a)提供一种光纤，它包含长的聚合物纤芯，具有从光源接受光的输入端，发射传输通过该纤芯的光的输出端，和沿着该纤芯纵轴在输入端和输出端之间延伸的侧面；(b)提供一种具有至少一个压印单元的压印工具；(c)使压印工具的至少一个压印单元与光线侧面接触并施加压力，使压印单元陷入到该光纤的中央纤芯，对该光纤压印，形成光学单元；其特征在于，在压印步骤之后，包层保持为在纤芯侧面和光学单元上延伸的连续层。
17.如权利要求16所述方法，其特征在于该压印工具是轮子形式的，具有中轴和一系列在该轮子圆周上间隔并径向伸出的压印单元，压印步骤包括使压印工具绕着其中轴旋转的步骤。
18.如权利要求16所述方法，其特征在于至少一个压印单元有第一侧面和第二侧面，这两个侧面在压印单元的顶部相交，顶角在约20°到约150°的范围内。
19.如权利要求18所述方法，其特征在于该压印单元的顶部是被截断的。
20.如权利要求16所述方法，其特征在于该压印单元的顶部是被修圆的。
21.如权利要求16所述方法，其特征在于该压印单元是被加热的。
全文摘要
光纤(10)包含(a)长的聚合物纤芯(12)，具有从光源接受光的输入端(20)，发射传输通过该纤芯(12)的光的输出端(23)，和沿着该纤芯(12)的纵轴在输入端(20)和输出端(23)之间延伸的侧面；(b)发光区域(26)，使传输通过该光纤(10)的光以基本横向于该纵轴(11)的方向透出该光纤(10)的至少一部分侧面，该发光区域(26)包含至少一个光学单元(16)；(c)在纤芯(12)侧面和光学单元(16)上延伸的连续外包层(14)，它是一种折射率小于纤芯的聚合物材料。还报道了使用压印过程制造该光纤的方法。
文档编号G02B6/255GK1610847SQ02826444
公开日2005年4月27日 申请日期2002年12月11日 优先权日2001年12月31日
发明者J·E·戈祖姆, T·J·里德, G·L·乌尔, R·C·韦格雷特纳 申请人:3M创新有限公司