端部發(fā)光光纖光通量和光強分布的測試研究

許景峰，吳 靜，張青文，翁 季

（重慶大學a.建筑城規(guī)學院；b.山地城鎮(zhèn)建設與新技術教育部重點實驗室，重慶 400045）

0 引言

光學纖維又稱光導纖維，簡稱光纖，是一種應用全反射原理來傳輸光能的波導介質(zhì)，其結(jié)構(gòu)一般由纖芯（內(nèi)部的核心部分）與包層（外部的包覆部分）組成。光纖照明采用光纖作為媒介將日光源或人工光源發(fā)出的光從一處傳輸?shù)搅硪惶?，并根?jù)照明需要進行光的重新分配。

自20 世紀60年v代以來，光纖照明系統(tǒng)憑借其使用安全性、設計自由度高、維護簡單、壽命長、節(jié)約能源和應用范圍廣等優(yōu)點，受到各國學術界的高度重視，并先后投入大量的研發(fā)力量。經(jīng)過40 多年的發(fā)展，光纖照明技術已日趨成熟，并已成為現(xiàn)代照明技術的重要組成之一。

根據(jù)光輸出裝置的發(fā)光方式，光纖照明系統(tǒng)分為端部發(fā)光光纖和側(cè)面發(fā)光光纖兩種類型，如圖1、圖2所示。前者與傳統(tǒng)的照明裝置類似，把光傳輸?shù)揭欢ㄎ恢煤笸ㄟ^連接光纖端部的光纖燈具散射出來；后者，光在傳輸?shù)倪^程中不斷從光纖的側(cè)面散射出來。目前側(cè)光光纖照明系統(tǒng)在裝飾和景觀照明上得到較多的應用，而在室內(nèi)功能照明中則大部分采用端部發(fā)光光纖照明系統(tǒng)。

雖然光纖照明系統(tǒng)已經(jīng)在體育場館、醫(yī)院、住宅等場所的功能照明上有實際應用，但端部發(fā)光光纖輸出光學性能方面的研究尚淺，在實際應用中缺少該光源或燈具在光通量、光強分布及燈具效率等方面的相關數(shù)據(jù)指標。為了讓光纖照明系統(tǒng)在功能照明設計中更加科學合理，選擇一種方便快捷的光通量和光強分布測試方法，對推廣光纖照明具有重要的現(xiàn)實意義。

圖1 側(cè)面發(fā)光光纖

圖2 端部發(fā)光光纖

1 測試方案的選擇

1.1 光強分布的測試方法

根據(jù)GB/T 26184—2010《絕對發(fā)光強度分布的測量方法》可以得知，光強分布的測量主要是測量光源或燈具在空間各方向上的發(fā)光強度，發(fā)光強度測量可以通過測量照度并由光度距離定律的計算進行，也可以通過亮度積分進行。兩種方法都遵循了光度學基本定律。

1）通過測量照度得出發(fā)光強度的公式為:

式中:I——到接收區(qū)域方向上的光強；

E——接收區(qū)域上的照度；

r——從光源到接收區(qū)域的距離；

ε——入射角，相對接收區(qū)域法線方向而言，通常測試時ε=0；

Ω0——球面度（單位立體角）。

2）通過亮度積分得出發(fā)光強度的公式為

式中:A1——（光源或燈具的）發(fā)光面積；

dA1——（光源或燈具的）發(fā)光面積元；

L（ε1）——用于確定光強值的方向上dA1的亮度；

ε1——面元dA1的出射角，即用于確定光強值方向與該面元法向之間的夾角。

上述兩種方法中，比較常用的是通過測量照度來得出光強分布。但值得注意的是，式（1）中的距離r必須超過限定的光度測試距離rmin，否則該光源或燈具不能近似看作是點光源，測試會造成較大誤差。對于具有均一亮度（朗伯輻射體）的圓形發(fā)光區(qū)域和圓形的接收區(qū)域，限制光度距離rmin應當是兩個區(qū)域中較大直徑的10 倍（5 倍）。這種情況下，依據(jù)光度距離定律進行計算獲得的發(fā)光強度I的誤差才能小于0.5%（1%）。

由于，端部發(fā)光光纖輸出端附近的亮度驚人，可以達到普通燈光的數(shù)十倍乃至上百倍，且光纖端頭尺寸小，故不宜采用亮度積分法測量發(fā)光強度。在采用照度測量法時，限制光度測試距離rmin可以比較小，采用小型的光強分布測試儀器即可滿足測試精度的要求。

1.2 光通量的測試方法

根據(jù)GB/T 26184—2010《光通量的測量方法》可以得知，光通量的測量可以通過光強分布法、照度測量法、積分球法三種方法進行測量計算。

上述的三種方法中，照度法需要通過專業(yè)的分布光度計在光源球面上測量出照度分布；積分球法是一種比較經(jīng)典的方法，在傳統(tǒng)的電光源光通量測試中具有很好的優(yōu)越性，但是由于光纖的光通量較小，且光纖必須從外部伸入到積分球中間，其光纖線纜對測試的干擾較大，因此會導致較大誤差；而光強分布法與照度法類似，雖然通過光強分布計算光通量的方法相對比較復雜，且對測試數(shù)據(jù)的要求比較嚴格，采樣精度較高，但因為可以利用之前光強分布的測試數(shù)據(jù)，故可以省去測量，通過光通量與光強分布之間的關系計算得出。

因此，端部發(fā)光光纖的光強分布測試，宜采用照度測量法，利用光強分布法的光通量計算原理，計算出光纖的光通量。此種測試方案只需要進行一次測試就可以獲得兩個重要的光學參數(shù)，節(jié)約了實驗測試的工作量。但值得注意的是，為了保證計算所得光通量的精確性，在光強分布測量時需要有較高的測試采樣精度。

2 實驗設備與儀器

根據(jù)上述選擇的測試方案，文章以采光光纖照明系統(tǒng)的光纖光強分布和光通量測試為例，簡要介紹該實驗測試中所需的主要設備與儀器。

2.1 采光光纖照明系統(tǒng)

實驗所采用的采光光纖照明系統(tǒng)由某合作廠家提供，該系統(tǒng)的集光器由18 個直徑為100 mm 的凸透鏡組成，如圖3 所示。

圖3 實驗用采光光纖照明系統(tǒng)

2.2 大功率探照氙燈

為了保證在測試光纖發(fā)光強度及光通量時不受外界光源環(huán)境影響，且模擬室外太陽光的效果，實驗選用了功率大、平行度好、光譜與日光相近的大功率探照氙燈，如圖4 所示。

圖4 實驗用大功率探照氙燈

2.3 PR-108 反射燈光強分布測試系統(tǒng)

由于單根光纖的光通量較小，根據(jù)此前分析確定的測試方案，實驗選用了專門測量小型光源的PR-108 反射燈光強分布測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括測試機箱、控制機柜和電腦軟件數(shù)據(jù)控制平臺，如圖5所示。

該測試系統(tǒng)原本為LED 之類的小光源設計，其固定光源的位置未考慮光纖的固定方法，為了將光纖輸出端接頭固定在儀器測試點中心，實驗專門委托制作了光纖端頭的連接固定裝置。

圖5 PR-108 反射燈光強分布測試系統(tǒng)

3 實驗原理與步驟

3.1 實驗原理

端部發(fā)光光纖發(fā)光強度的實驗測試原理比較簡單，即將所有實驗設備布置在實驗暗室中，避免外界環(huán)境光對測試結(jié)果的影響。利用大功率探照燈模擬太陽直射光投射到采光光纖照明系統(tǒng)的集光器上，集光器將光匯聚到光纖束的入射端，然后通過光纖傳輸?shù)焦饫w輸出端，并將其固定在PR-108 反射燈光強分布測試系統(tǒng)測試機箱的旋轉(zhuǎn)中心點上，通過光強分布測試系統(tǒng)的操作測量出光纖輸出端各空間的光強分布。其測試原理示意圖如圖6 所示。

圖6 端部發(fā)光光纖光強分布測試原理示意圖

3.2 實驗主要步驟及內(nèi)容

通過PR-108 反射燈光強分布測試系統(tǒng)進行光纖的光強分布測試，主要遵循以下幾個步驟:

（1）開啟大功率探照燈運行一段時間，使其保持穩(wěn)定。

（2）調(diào)整采光光纖照明系統(tǒng)的集光器（因?qū)嶒炇覂?nèi)日光跟蹤裝置失效），使集光器對準探照燈發(fā)射出的近似平行光，并讓光線聚焦到光纖輸入端。

（3）將光纖輸出端固定在光強分布測試系統(tǒng)的測試機箱中，并保證光纖纜線在系統(tǒng)測試過程中能自由移動。

（4）根據(jù)光強分布測試系統(tǒng)的操作要求對光纖輸出端各角度的發(fā)光強度進行測試，并記錄保存測試數(shù)據(jù)。

（5）根據(jù)測試所得的發(fā)光強度數(shù)據(jù)進行整理計算，得出光纖的光通量結(jié)果。

4 實驗結(jié)果與分析

通過上述的實驗步驟，在實驗過程中不斷調(diào)試，多組測試結(jié)果對比，最后在集光器透鏡表面照度39 600 lx，集光器手動對焦比較良好的條件下，利用PR-108 反射燈光強分布測試系統(tǒng)，測得端部發(fā)光光纖的光強分布數(shù)據(jù)。其部分實測結(jié)果如圖7 及表1所示。

圖7 端部發(fā)光光纖（單根）不同角度配光曲線圖

表1 端部發(fā)光光纖（單根）各角度發(fā)光強度值（單位：cd）

根據(jù)光強分布測試系統(tǒng)測得的光強分布詳細數(shù)據(jù)，利用光通量計算原理，計算出在上述條件下該單根端部發(fā)光光纖所發(fā)出的總光通量為3.74 lm。

從實測的結(jié)果可以看出，對于直接裸露的端部發(fā)光光纖來說，其光斑基本為圓形，即配光曲線的形狀是以軸心為中心軸向?qū)ΨQ的，其形狀近似錐形；光束角較窄，其光束角大約在40°左右，并非是某些資料所描述的60°左右，且中心的發(fā)光強度最高。

5 小 結(jié)

光纖照明系統(tǒng)作為一種新型的照明系統(tǒng)，其光纖輸出端光學性能參數(shù)的缺乏在一定程度上抑制了光纖照明系統(tǒng)的推廣和合理使用。固然其中存在光纖輸出端光學性能受到光纖輸入端的光源類型、功率、光譜分布等因素的影響，但如能提供一定條件下該系統(tǒng)光纖輸出端的光學性能參數(shù)，對照明設計人員具有很好的參考價值。

以采光光纖照明系統(tǒng)為例，文章進行了光纖輸出端的光強分布和光通量測試研究，為端部發(fā)光光纖的光學性能測試提供了參考依據(jù)，為光纖照明的合理設計提供了理論參數(shù)。但實測結(jié)果僅僅是以直接裸露的光纖輸出端為例，實際應用中在光纖輸出端處增加二次配光透鏡后的光纖和光纖燈具，其光強分布和光通量特點有待進一步測試研究。

［1］陳仲林，唐鳴放.建筑物理（圖解版）［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社

［2］中華人民共和國國家標準.GB/T 26178—2010 光通量的測量方法［S］.北京:中國標準出版社，2011

［3］中華人民共和國行業(yè)標準.JGJ/T 119—2008 建筑照明術語標準［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2011

［4］中華人民共和國國家標準.GB/T 26184—2010 絕對發(fā)光強度分布的測量方法［S］.北京:中國標準出版社，2011

［5］張九紅，莊金訊.配光曲線在照明計算中的應用［J］.沈陽建筑大學學報:自然科學版，2007，23（6）:941～944