[发明专利]光线通过光纤传输的照明系统和装置

说明书

技术领域

本发明涉及光学、光纤中光线的传输、照明系统和装置等技术。

背景技术

几何光学是设计、分析光学系统和照明装置及其功能特征的基础。现有的照明系统，是以几何光学为依据，利用光线空气中的直线传输而制造的。根据光的的直线传播性质，人们用带有箭头的直线来表示一束光的传播路线和方向，这样的直线称为光线。利用这种物理模型研究光的传播规律，至今还无法将太阳光直接作为光源照射到地下室、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。

斯奈尔(W.Snell，1591-1626)定律：入射线、折射线和分界面的法线都位于同一个平面，界面两侧的物质a和物质b的入射角Φa和Φb的正弦之比是一个常数。该定律就是折射定律。

SinΦa/SinΦb＝常数

如果物质b为真空，则斯奈尔定律中的常数，称为物质a的折射率，用na表示。

斯奈尔定律还可以为：

na SinΦa＝nb SinΦb

现有的透镜或者反射镜利用光的反射定律和折射定律，可以改变光的传播路径。光在不同的材料中传播时，其传播速度是不同的。若某种媒质材料的折射率为n，C是光在真空中的传播速度，则光在该介质内的传播速度为V＝C/n。玻璃的折射率n在1.46到1.96之间。

当光线通过任何光学媒质(除了真空外)时，光的能量部分被媒质吸收，而光的强度相应衰减。朗伯(Lambert)定律：当光通过厚度为dx的物质时，光强度I的减少量dI与初强度I和厚度dx成正比。即

dI＝-αIdx

光线在通过光学媒质时，还因为散射而衰减。可见光的散射与光的波长有关，一般随波长的减小而增加。可见光的波长在400nm-700nm之间。

当光线从光密媒质射到光疏媒质时，如果入射角大于临界角时，光全部被反射回光密媒质中，这种现象称为全反射(Total Internal Reflection，TIR)。

当na＞nb时，对于两种给定物质的临界角Φo为

SinΦo＝nb/na

玻璃折射率的数值一般为1.5，则玻璃-空气界面的临界角为

SinΦo＝1/1.5＝0.67，Φo＝42°

全反射棱镜优点是：第一，入射光是在棱镜内全部反射的；第二，反射光不受棱镜表面沾污的影响。其缺点是：当光线进入棱镜和从棱镜出来时，一部分光线由于在棱镜表面上的反射而损失；但棱镜表面涂上一层“无反射”薄膜可以大大减少这种损失。

光纤(Optical Fiber)是光导纤维的简称。头发丝般粗细的光纤，是用玻璃或透明塑料作为芯线，裹以折射率比芯线折射率小的包层。

如果一束光线进入一根光纤的一端之内时被全反射；只要光纤的曲率不太大，光线可以传输到光纤的另一端。即光线在光纤内传输具有可弯曲的优点。

光纤线路可随高压电缆架空敷设，不怕雷击，不易受潮，耐高温，抗腐蚀，工作非常稳定。其重量很轻，体积很小，可节省大量材料。

发明内容  本发明任务是采用太阳光等光线从光纤的芯线射向包层时，能发生全反射，经反复的全反射，可以将光线从光纤的一端，经过光纤而曲线传输到光纤的另一端。光纤传输太阳光等光线具有能量损耗低、可绕性好、保密性好等特征。利用光纤的传输光线的功能，可以组建各种各样引用太阳光的光纤照明系统。它为低成本处理和低损耗传输太阳光等光线提供了很好的技术支撑。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，可以传输光线到其他需要的地方。

利用透镜或反射镜将太阳光等光线聚焦于光隔离器或者其他设备，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，由光纤的发送端将光线送入光纤耦合器，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(图1和图2)。

光线通过光纤的传输照明系统，主要由光接收端、传输光纤(光缆)和光发散端三个部分组成。即光源输出的光线经过光接收端的透镜或反射镜的聚集，到达光隔离器之后，然后直接耦合到传输光纤中，经过一定距离的光纤传输后，到达光发散端，由光发散端的透镜或反射镜将光线发送出去照明。

1、图1为光接收端的组成示意图。它由能将光线聚集的光聚焦器、防止光线反射回来的光隔离器和将光线送入光纤的耦合传输装置组成。光接收端的工作过程如图1所示，为：

光聚焦器是由具有改变光线方向的棱镜或者光线跟踪器、聚焦光线的透镜或者反射镜等组成。它将不同方向的光线聚集于光隔离器。