专利名称：光线通过光纤传输的照明系统和装置的制作方法
5tM31^^fe^的照明系鄉P^g
狱繊本发明涉及體、形千中膽附辨俞、照明繊twm^。
背景脉几何^^是设计、分析^^系凝鹏明sax^c力倉,的敲出。现有的照明m^充，是 以几何鮮为娜，禾ij用^^腔气中的彭戋傲俞而帝隨的。臓光的的a^传播顿，人们用贿箭头 的1^*^^一束光的传播路凝口方向，辦的a^尔为膽。禾佣这禾辨勿a^s ii^的传搬见律，至 ^as无法将太阳^i:^f乍为^i照^f至(jt也下室、封闭的设备、白天需要照明的房屋、地下仓库湘iim等太
阳^BMilMW射的空间。
斯奈尔(W. Snell， 1591—1626)定衛MJ^、折射凝fl分界面盼i^戋者P&于同-一^i^F面，界鹏侧 6^/质a糊勿质b的Ait角^和饥的正弓泛比是^h微。^^律ffc^斤l^律。 Sin。a/Sin弥-微
如mt/质b为真空，贝i厮奈尔定律中的微，称为物质a附斤射率，用na标。 斯奈尔定律舰以为
na SinOa =加Sin饥
现有的邀Mt^lt凝佣光的SI^辦哳l^律，可以^)fc的传播路径。^E不同^Jt才料中传 ,期专播3IS^不同的。若凝m^才料附斤射率为n，C是3t^真空中的传播M，贝'M^^质内 飾专播3i^ V《/n 。自附斤射率n在1.46到1.96之间。
当;)^iM琉麟踬(除了真舒卜)时，光的驢部分鄉SW收，而光的弓繊喊减。輒白 (Lambert)定衛当M3U 度为dx的物劂寸，旭艘I dl i^顶艘I和厚度dx fi^E比。即
dl=— a Idx
膽Mi)fe^W寸，鹏为鲥而衰减。可见光的謝与光盼波长有关，~ 波长的蒯、而增
力口。可见光盼波长在400nm~~700nm之间。
当3mMv)t密^M到M^频时，如^A^角大于临界角时，^P^Sf徊光密女颇中，这种现 鰣为:^^if (Total Internal Reflection, TIR)。
当na 〉nb时，对于蹄中给定物质的临界角Oo为 SinOo= lib / na
^^ff射率的数ttr^j1.5，贝ij^"^n界面的临界角为 Sin①Fl/1.5=0.67 ， Oa=42。
全^SI^I船是第一，膽媳據镜内鄉颇的；第二，繊光不受 麵影响。 其^^、是当^4A棱^^从棱镜出剩寸，1^m由于在TOS面上的S^而损失；但棱^^面涂 上一层"繊寸，，薄舰以戏船勉帼失。
形千(OpticalFiber)是光导,的靜尔。头;S^胸的紙翻 ^1明塑糊乍为芯线，裹 以折射率比芯樹斤射割、B^J1。鹏一束形:fefflA—^糊一貌内B^蹄；只要^f^曲軒幼，微可以離至,祸 另一端。即^lffi^千内^^i^m曲的tt^。
形f^i5]Mffi压瞎jlgaM设，不怕離，不易魏，耐離，繊败工脚^1^。其驢艮 轻，綱艮小，肺省~^ 才料
发明内容
本发明f^^m細光等形M^千的芯，向^m，兽^^,， asM全反
射，可以将^M^千的1，纟Si^M曲线f^glJ形千的另"^。形ff^阳光等麟竊貪疆损
树氐、可绕断、^^ma^iE。禾,形ffi^r麟的功能，可W^^禾格样弓l用細:)tW形千照 明繊。它为fM^ba称氐繊m^阳光等5^^了繊離术鄉将娜3^t其鹏繊发 邀tl一ITOffl的形千中，iia^ ，可以繊^M他需要白鹏。
禾!^ ^ (冬細3^^|^ ^甬^^^#其他设备，iia^m^， Mi(魅形千(光
缆)鹏M中，^i一超隨的ffi^mti^，由微的a^每5m^v^T^1， fti^ffii
i^m翻每麟照明地下室、封闭的设备、白天識照明的房屋、地下仓柳麟等細瓶 3± a^fj^j空间(图i和图2)。
^!3S形w^ir照明m主要由光m^、 ftif^千(形览)和it^i^H^^腿。即光
源瑜出的3^^a^wm^SM镜的麟，至ij^fePi离器之后，然后;^^靴贫俞形千中，经
过一Sra的3fe^f^，到J&)fe^黻詣，由jfc^S^S^S!^l^l每;)^^出去照明。
1、 图1为^ ^^图。它由軎鹏^mi^m^防±^^[§ ] 离器糊每 ^tx形千m^^s^。 ^w的工作斑教鹏ij^，为
^^^是由具^^^方向Stl^^t，g&、聚焦，的i^^Mf^^i^。它将不
同方向的M^raii离器。
^^的透镜，位于东、西^4竟的中央的下方。銜K平ma的凸透镜的设计，issi足在适当的太阳 高戯范围内，对日^^ms^预的鹏离器上(图5)。
(~ 太阳光)的纖敏^^i的驗作用m然jsi^鹏微行鹏离，防ibt
asM回鄉。再由形^f^^S^'微W^内謝纖的微。
raPI离器l!^其他设备的内mJ:可以涂一MiDt剂。^TO(，i脚日光中含有的徵I^MIt时， 会发出可m。細不同!4^^t剂，可带喊售拨出招可所飘见;)fcWM。这种可J^t可以补 ^沬 可JM^艘。同^0光臓夕[^ 云层鹏。
2、 ， M^ia3^ff^iW照明泉^^,中5^f^iW介质。^F^由敲斤射率的， 测斷射率的腿以M^勾成。織ra^千材料的不同'形柯分为5^f、多组^E^f、全 塑料鄉P^W。
图2为^fefclf4^M5W^图。^M^I糊芯^M向鹏时，食^fe^SI寸，纟5^复的全^#丄可以将^U繊拐一端。同时^1^软，弯曲了也能繊機。
不PJ^的形千，f^ttln^lM&tfe不同。在实际細中，为了便^P^^嗷设，常常够M 纤t細辯湖滩i^m ^離形式也多种多样》
腿一种电磁波。它的嚇,汤卿寸间不断峻化，腔间沿传歉向z，总是粗正交微。当 顿E鋤頃价働鹏，会引起齡质的原子和好极化。招mw用下，极化P和E的絲是非线 '■，鹏J纖W/cm'时，娜戦,膀虑。
小育 舰鳓1可以鹏^ 6 ^^千，娜为叙、形千。高 ^的微~ 要
鹏空心微。
目前'ftr泛鹏的叙、形提^^千；它不鹏有低繊，蹄 離、耐繊、 定i^i^点；可鹏刺^r可j^fc与激機。实L、掛的直径不會,，lattH^m多^f。
空心5t^卿管;i^&气(或气体)为纤芯， ^^物管内^±^1^^織。这种空心形千在 掛ws有繊员失，并且倉翻鍋織繊才料誠，理处可微超嚇长^m
为了3S^各^1^M明的需要，顿以鹏#^。它是够l^l千按一定的^^站阴Jia^^^克。
3、 图3为^^的is^^图。它由倉锵miA^糊终m^x6tj^im^i和^m器難 m^。 3ta,的工作ai毀B图3M^，为
繊由形千,的终端，^3fel^^^l5feMS:器，蔬由J^MMtM^成的^m器
smf'廳照明的顿。 娜千照明織中，还需要細一^rai跳如^m
4、 由于对日te白天可能被Stmt阴天，为了角 ^^个问题，可以3每i^^与划日光^M^f吏
用；^t将^r魂与电旨^^顿，共同JTOfe下室、封闭的设备、白天s^照明的房屋、地下仓卿隧 i^]照明问题。当光纤中的划日光的3i^小时，能自动启动划日光电^^电能的开关。当光纤中的
細糊smrn自娥mra光电^t电鹏开关。
图l 6^^S。它由翻每^^^6W^1、防ihmglt(^Wj3fe!i离器利每光
图2形戋^f中f^^t图。5fcM3fcff的芯^lt向漲时，會^^SIt， ^S复6^J^lt可 鹏 ^—端曲线微至拐一端。形^^，弯曲了也t隨M。
图3 3feM^a^a^s图。它由翻每3mAraw终w^aA的形im^和ifcM5:器^e
会鹏。jtmi^^m明,下^w^敝。图4形戋在機中j输的蔬图。i^SM的角是45。 40。 一45° 。媳]EAI顿麟的^t M的面上'以45°的AM角iait至餘牺上。这賴大 ^~空气的临界角42° 。所以^^作全蹄'
^90°之后，Mm二懒豆的面射出。
图5^^麟的琉图。其中3S^位于东、西棱镜的中鹏下方。il^平體的凸纖的设计，应
、^^日光慰 # ^的划日高度角范围内，而^^日光倉g^Ji^^wiiTm的鄉鬲离器上。
图6全^SIM空心形1^图。它超顿对^i^^!^斤射争J、于1附才糊坎波导管。
图7 内^WMS^^、^^^E图。它为^S内ah^S明电介质的空心形千。
图8鄉鬲离器蔬图。它含有永久^^和45。法J媒方^&，将^i^方^^方辦，^Sf^^禾啦
臓M45。，就可切断蹄光，势娜鬲离。
图9分mH的藏图。 一束平行;)^A^到发i!mi:，對斤射后，《^t^。
具^ffi^ 将划日^#其# 的，，fflii^^嵩，SA形千并纟S1—超隨的曲^I千 ^mt后，再ilM^i端，将i^MB月地下室、封闭的设备、白天需要照明的房屋、地下仓辭!3Pt 等对日^^i^^射的空间(图l、图2和图3)。
1、图l为^^j^瑞。它由^fe^，、鄉商离器和形节^l等纟贼。其中^^MIM^镜，位 ^&的东面的上縱口顿的上部，是相SX诉尔的。战阳高度角较小时，该麟 *阳光舰向；使
細^am^，會嫩;iaA鄉麟中的^msit镜。
最简单 的^1#纖，如图4戶标。棱饋的角是45° 40。 一45。 。 3miEAI^iJM的一^^豆 的面上，以45°的Ait角gM到腐面上。这賴大^ ^空气的临界角42° 。所以3^M^^SM, 转90°之后，^m^二^S的面射出。
條麟可以分为以下三沐
1) W^的两个折射面fi^为e，出射光与Mf光的i^为"MJ斤射率为mM的空气介质, S^M 射率为n2 a^jm由折射定律，可得 re / m =Sin[( 0 + 0/2 ]/Sin( 6 /2) re^Sin[(e + e)/2 ]/Sin(e/2)
織e,能4跌阳高度角较小时，经棱镜折射后的对日^^足太阳相当于顿当的满湖日光旨驟
集于要求设备上的細高飾范围。
^^，的M，位于东、西棱镜的中央的下方(图5)。銜K平，的凸igHW设计，应满足^S^
的太阳高M范围内，太阳^^^s^TE的鄉鬲离器上。aa鄉鬲离器，防^日 #回 。 由3tff^^l每^^,内进行繊。 ^ ^口纖的魏面积，要W鹏的需要，确定i^^的鹏功率P。離的細光鹏 I顺0.3^0.5kW/m2，偷效率1\顺0.4~0.6之间。贝鹏鹏A为-A=P/(In)
鹏经验，；iiit^焦距:n瞎况下
当A=l. 5 itf时，选f=0.6~0.65m ; 当A=2.0 012时，选f-O. 7~0. 75m ; 当A-2,5m对，选f^0.8ffl ;
对日3bW斤射率近似为1的空气中，射靴斤射率为n的形千，如SAI^角0大于临界角巾o时，就会发 娃蹄。临界角
Oo=arcsin (1/ n)
WSl^的3mM入形千的AM角大于临界角①0 ，可以i"t^太阳的高飾范围。/从阳高度角 的范围，可以确雜镜的两个折射面的魏0 。
2) 图5中也可以W^麟，而将3S^^ffi^,鹏器上。雜可以^ —就准細光。 鹏鹏tt^g^，价格t:麟。
3) ,鬲离器^f也设备的内ai:可以涂一jiil^剂。当^t剂^a划日光中含有的紫外线照JM， 会发出可m。細不同'顿的iDfc剂，可带诚倉拨出扭可所fiwm的^)t设备。通常用的i!M陏
劍I^E^JiM;发出t魏WW^发出ra的MI丐；发出白光ifi^昆^4勿等。
鄉鬲离器是一种只允许单方向^^]^ (牛。对its离^s求是光的隔离駄、插M赚比较小和
鄉鬲离器可用齒^m^MliS审喊，如图8戶标。它含有永久^^和45°法sm^^&，将法拉 第 ^麟，^tt禾啦臓M45。 ！就可切断蹄光，势MS离。
鄉,的作用是将一个^m入舰^^多个或一^m^出。目辦歸的形站魏T
^1、 MMS^方向l^l等。
形i^fi是将^a行邻各、合路、插M吩配的5fem件。按器件结t鹏可以分为四种微光
元糊、形WM、形千離耦合型和平面波导型。繊^l的主魏据是实际娜始。标形千
^ 鹏錢# 歸賺、附力顿耗、齢柳隔离麟。
舰关的功麟^m势M^i効奂。对光开关的要求^M赚小、錢断、开^s快、 消光比大、絲长、,邀辦鹏條便。
目前鹏的舰关可分为两大类 一凝利用电11 敏鹏动掛^ *实51 转换的机 ^f%其中微;iM)tff关，娜;im开关的原應舰能像波导开划,， &单片掛寸亂 另一^^利用固^tfS M，如TO、 、 ^^a声^^[!S等的固体^f关。
2、对形千(纖的鉢要求是-雄鬲离W^S形祸光功率最大；掛的糊窗口要满縣
^!^的要求。具体设计时要鹏顿餅，进行折衷考虑
在可见光范围(40d700nm)内，^^^f中的衰^^^够小。同时考虑3^gl g^和耦^！ 附赚。因此要正liM^千的鄉
形千的纤芯尺^^时，可鹏懒的齢繊。
^^S气介质no中以不同的角度ci从形节ll面^ftA^千芯m咏有的光可以在^^千中織，有的 舰能 ^千中#11。由于n^m,不靜;f有角^AJt的^^都l^^形千芯，并在形千芯内进行{織。只 有一定角度范围内的^ltA^芯内时，产生的Sl^f^"定的劍牛，才能在形千内{彌。^^ 斤射定
律，只有AI^角e大于临界角Oo时，所对应的AI^角为a匿以内的膽，对^SA形刊输。
ft^Cft的两倍2a丽，称为庙膽的总g^。微6 ^为 a =2 a max
繊^&^g器和駭附赚。纤芯直径的么嗜、不圆度、纤芯邻腿同心度^^尽可能小，
使得纖ms小。
糊小驢的體可以舰普通的^^叙、形千。繊高驢的鴆就對顿空心紙
1) 普通的5^ 实心光纤，可分为對彭^f和多tD^千。后者按折射率的分布又分为阶榭斤射率 (Step Index , SI) M^l千与渐^ff射率(Graded Index ， GI) M^l千。
由于細光的聚^te鄉常徵百微以上，因此"^ffl多,千。实用中形千不顿求低繊，
3^w好的弯曲特性、耐热性、條急定瞎。^^ms^餅，并且在i卵,具有最低繊， 可以用刺織可mw夕战。
2) 空心^^ft^尔为空A被导。^M辯敬鹏6和图7所示。
图6 ^f顿对^f^长6^斤射^/J、于1辦才糊坎波导管。^!f^^應与阶樹斤射率型的实。、形千相 同，膽在管赴全跳
图7为^1内!1± §明电介 空心形千。3^l在MM上多^glt，具，高的filf率。
3) 可用于全蹈抛^^光會飾3^千束，称为导棘。它可以鹏胜和柔性的形千束构成。形千束中的
^f,畅辭na^端辦移则^ 可以劍壬意的。形千束在导M的M^和a^端，可以排冽#同的
截s m以满足各禾1 月需要。3、 图3为微辦誇的纟_@]^6图。它由f锵形划A^千的终織^fflA^形f^^器和3t^散麟
驟脈
形f^l是将形千中的，引入;)^lfct^。 ^t^&器M为;ticW (m为tWt)。它可以是 球面纖，也可以是柱面纖。图9标分tfe^t鹏点。 一束平行形:IA^到发fcmi:，對斤射后，
~ 瞎况下，i^3S!t^点为形千的S^詣。可以1^ffi要，将聚焦的划日Ma各禾盼lfeS竟， 形繊怀同的照明豫
4、 对日光柯能在白天一鼓出正常的纖。它可能被^ii住，^#有时是阴天。为了解^a个问
题，可以将竊统与太阳能电^Mf^拥；^"将i^E与电^K^顿。当尨千中的太阳光的倉疆较小
时，自动启动划日能敏tk^电能的开关，舰电流，使照明扭丁点亮，鋭卜划日^M明織的不足。当 ，中的划日光的i&ft^寸，可以自动关闭划能独 #电源的开关。
权利要求
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。
全文摘要
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。
文档编号F21S11/00GK101614359SQ20091011229
公开日2009年12月30日 申请日期2009年7月30日 优先权日2009年7月30日
发明者刘文祥 申请人:刘文祥