光纤照明的原理及组成毕业论文.doc 23页

'武汉职业技术学院毕业论文光纤照明的原理及组成毕业论文目录第1章绪论…………………………………………………………………………11.1概述…………………………………………………………………………1第2章光纤简介及原理……………………………………………………………22.1光纤的结构…………………………………………………………………22.2光纤的类型…………………………………………………………………22.2.1按光纤折射率分类……………………………………………………22.2.2按传输模式分类………………………………………………………32.2.3按材料成分类…………………………………………………………32.3光纤导光原理………………………………………………………………42.3.1光在光纤中的全反射…………………………………………………42.3.2光线在光纤中的传播…………………………………………………6第３章光纤照明原理……………………………………………………………83.1光纤照明的原理……………………………………………………………83.2光纤照明的特点……………………………………………………………93.3光纤照明的系统结构………………………………………………………93.4光纤照明的应用…………………………………………………………10第4章光纤照明光源设计………………………………………………………124.1光纤灯………………………………………………………………………124.2光纤照明系统的组成及特点………………………………………………134.3光纤照明系统的结构………………………………………………………16-22- 武汉职业技术学院毕业论文4.4光源耦合……………………………………………………………………174.4.1光源类型……………………………………………………………174.4.2耦合效率……………………………………………………………19结论…………………………………………………………………………………21参考文献……………………………………………………………………………21致谢…………………………………………………………………………………22第1章绪论1.1概述自1970年低损耗玻璃光学纤维发明以来，随着光纤通讯的发展，质优价廉的玻璃光学纤维被广泛应用于光纤照明，70年代后期美国研制成功小直径的塑料光学纤维，被日本引用并于1988年研制成第一种大芯塑料光学纤维。从80年代开始光纤照明就进入实用阶段，发展成为一种新型照明系统，广泛应用于商品展示、广告标志、交通信号，娱乐场所，建筑装饰照明。在光纤末端可以装上个中不同的反射器、透镜、滤色片或类似于光阑和快门类的元件，可使光线中无红外和紫外线，适用于博物馆及画廊的文物艺术收藏品照明。由于等和光源远离照明区域，故还适用于潮湿环境、水下和易燃易爆等危险场合的照明。本文主要介绍了光纤照明所用的主要光源，光纤的种类、特性、以及光纤吊灯、光纤瀑布照明的设计方法。第2章光纤简介2.1光纤结构光纤，又称介质圆波导，是由一种高度透明的石英或其它光学材料经复杂的工艺拉制而成的光波导材料，光纤的一般结构如图2.1-22- 武汉职业技术学院毕业论文所示。纤芯和包层为光纤的主体，对光波的传播起着决定性作用。涂敷层和护套则主要用于隔离杂光，提高光纤强度，保护光纤。在某些特殊的应用场合不加涂敷层和护套的光纤称为裸体光纤，简称裸纤。图2.1光纤结构示意图纤芯直径一般为5～75μm,材料主体是二氧化硅(SiO2)，其中掺杂极微量其他材料，例如二氧化锗(GeO2)、五氧化二磷(P2O5)等以提高纤芯的折射率。包层为紧贴纤芯的材料层，其折射率略小于纤芯材料的折射率。包层总直径一般为100～200μm。包层材料一般也是二氧化硅，有时也掺杂微量三氧化二硼(B2O3)或四氧化硅(Si2O4)，以降低包层的折射率。涂敷层的材料一般为硅酮、丙烯酸盐，外径约为250μm，用于隔离杂光、增强光纤的柔韧性、机械强度和耐老化特性。护套的材料一般为尼龙或是其他的有机材料，用于增加光纤的机械强度，保护光纤。2.2光纤类型光纤类型多样，其分类方法也很多，常见的有以下三种方法。2.2.1按光纤折射率分布分类⑴阶跃折射率(StepIndex,SI)光纤，纤芯和包层折射率都是均匀的，纤芯折射率高于包层折射率，在两者分界处折射率突变，如图2.2(a)。⑵渐变折射率(GradientIndex,GI)光纤，纤芯折射率是渐变的，中心折射率最高，沿径向逐渐减小，包层折射率是均匀的，如图2.2(b)。目前GI光纤纤芯折射率大多呈抛物线分布。-22- 武汉职业技术学院毕业论文⑶W型光纤，纤芯折射率可以是均匀的，也可以是渐变的，主要区别是包层折射率又出现阶跃变化，形成双包层或多包层结构。其折射率分布曲线似字母“W”而得名，它的特点是可以进一步减小色散，增大通信容量。(a)SI光纤(b)GI光纤图2.2光纤的横截面及折射率分布2.2.2按传输模式分类根据光纤中的传输模式，可将光纤分为多模光纤和单模光纤。多模光纤可传播数百到上千个模式，根据折射率在纤芯和包层上的径向分布情况，又可细分为阶跃多模光纤和渐变多模光纤。单模光纤对给定的工作波长只能传输一个模式。国际电报电话咨询委员会(CCITT)建议单模光纤与多模光纤的外径(包层直径)均为125μm，多模光纤芯径为50μm，单模光纤芯径为8～10μm。2.2.3按材料成分分类⑴石英光纤：它主要由高纯度的石英制成，传输损耗很低。例如，工作波长在1550nm和1310nm的单模光纤，传输损耗只有0.2dB/km和0.35dB/km。这种光纤主要用于光纤通信，也是目前用量最大的光纤。⑵多组分玻璃光纤：主要由特殊的光学玻璃制成。它的传输损耗较大，白光下平均损耗在0.7dB/km以上。这种光纤主要用于传光束、传像束、扭像器及纤维面板等。⑶-22- 武汉职业技术学院毕业论文塑料光纤：它是由高分子聚合物制成。其特点是价格低廉，但损耗大。一般用于段距离(数米)的信息传输，或用作传光、传像。⑷液芯光纤：它是把石英管拉制成毛细管的尺寸，然后用四氯乙烯或其他液体加压填充而制成。它是20世纪70年代研制的一种光纤，目前在一些特殊用途中仍有采用。此外，在各种特殊用途中还有许多特殊光纤，例如军事上用于制导的高强度光纤，用于激光手术或激光治疗中能传输大功率激光束的传能光纤，用于光纤放大器、光纤激光器的掺稀土元素的有源光纤，以及近几年发展起来的晶体光纤。2.3光纤的导光原理2.3.1光在光纤中的全反射光传导的一个基本原理是：光在不同光学介质中传导时(速度、方向)会发生变化。光在真空中的传导速度为3×105km/s，而在其他介质中，传导速度要降低。物理上把介质中光速减小的程度用介质的折射率加以表述，即：(2-1)式中，n为介质的折射率，c为真空中的光速，v为介质中的光速。当光线传导从一种介质(入射介质)进入另一种折射率不同的介质(出射介质)时，不仅速度会变化，而且方向也会改变，即出现折射(弯曲)，光线总是弯向折射率较大的介质。在中学物理中就有描述这一物理现象的折射定律(Snell定律)：(2-2)式中，和分别为入射介质和出射介质的折射率，和分别为入射角和折射角。当光从折射率为的介质入射到折射率为的介质的分解面上时，将产生反射和折射现象，反射角，由于，因此折射角大于入射角。当入射角时，，此时不再有光线进入介质，所有的光能量将全部被反射，这种现象称为光的全反射，-22- 武汉职业技术学院毕业论文称为全反射的临界角，如图2.3所示。图2.3光的反射与折射事实上，由于光的波动性，即使是在全反射的情况下，光波也会进入介质n2表面一定的深度，称为穿透深度，其大小取决于两种介质的折射率、入射角以及入射光的偏振态和频率。为了在纤芯实现全反射，只需要在光纤入口端，由光源发出的入射光线与光纤轴线的夹角β满足以下条件：(2-3)式中，为空气中的折射率。满足以上条件的入射光也满足的全反射条件，而当入口端入射角不满足上述条件时，就会在界面处外逸，如图2.4所示。图2.4光纤端口的接收角-22- 武汉职业技术学院毕业论文2.3.2光线在光纤中的传播根据射线光学理论研究光纤中的光射线，可以直观地了解光在光纤中的传播机理。设一平行光束射入光纤中，如图2-5所示。在该平行光束中取一根光线，入射点位于光纤纤芯入射端面的边界上，其中纤芯内的反射光线为，相继的反射光线为，光线就在纤芯中通过无数次反射，最后从出射端射出。设光纤的纤轴为，光线入射光线在芯包界面上的折射角为，在芯包界面上过点做母线。可见，平面垂直于光纤的端面，为折射光线在端面上的投影，夹角为折射角在光纤端面上的投影。a)图2.5光线在光纤中的传播路径当时，满足全反射条件，光线能在纤芯内不断反射、向前传播，直到从光纤出射端射出。光纤每次发射后的对应的及其投影保持不变。⑴子午光线通过纤芯的轴线可以做很多个平面，这些平面称为子午面。子午面上与轴线相交的光射线称为子午光线，简称子午线。如图2-6所示，子午线在纤芯与包层的交界面上来回全反射，对均匀光纤，子午线形成锯齿状波形，在非均匀光纤中，光线的轨迹为一周期性曲线，无论是在均匀光纤还是在非均匀光纤中，子午线在光纤端面上的投影为一直线。-22- 武汉职业技术学院毕业论文(a)均匀光纤(b)非均匀光纤图2.6子午光线的传播路径⑵斜光线斜光线是指在光纤内传播路径与入射光线及纤轴不共面的光线。斜光线在光纤内传播情况比较复杂，它在均匀光纤内的传播路径为绕纤轴的螺旋状空间折线，在非均匀光纤内的传播路径为绕纤轴的空间曲线。-22- 武汉职业技术学院毕业论文第3章光纤照明原理3.1光纤照明的原理光纤照明系统是由光源、反光镜、滤色片及光纤组成，如图一所示。当光源通过反光镜后，形成一束近似平行光。由于滤色片的作用，又将该光束变成彩色光。当光束进入光纤后，彩色光就随着光纤的路径送到预定的地方。由于光在途中的损耗，所以光源一般都很强。常用光源为150～250W左右。而且为了获得近似平行光束，发光点应尽量小，近似于点光源。反光镜是能否获得近似平行光束的重要因素。所以一般采用非球面反光镜。滤色片是改变光束颜色的零件。根据需要，用调换不同颜色的滤光片就获得了相应的彩色光源。光纤是光纤照明系统中的主体，光纤的作用是将光传送或发射到预定地方。光纤分为端发光和体发光两种。前者就是光束传到端点后，通过尾灯进行照明（末端发光），而后者本身就是发光体，形成一根柔性光柱（通体发光）。对光纤材料而论，必须是在可见光范围内，对光能量应损耗最小，以确保照明质量。但实际上不可能没有损耗，所以光纤传送距离约30米左右为最佳。光纤有单股、多股和网状三种。对单股光纤来说，它的直径为Ф6～Ф２０mm.同时又可分为体发光和端发光两种，而对多股光纤来说,均为端发光.多股光纤的直径一般为Ф0.5～Ф3mm,而股数常见为几根至上百根。网状光纤均为细直径的体发光光纤组成，可以组成柔性光带。从理论上讲,光线是直线传播的，但在实际应用中,人们都希望改变光线的传播方向。经过科学家数百年不懈的努力,利用透镜和反光镜等光学元件来无限次的改变传播方向，而光纤照明的出现，-22- 武汉职业技术学院毕业论文正是建立在有限次的改变光线传播方向,实现了光的柔性传播。正如圆弧经无数次的分割后成直线一样,光纤照明正是以无限次反射后,光线就随光纤的路径传送,实现了柔性传播，但是光纤照明的柔性传播,并没有改变光线直线传播的经典理论。3.2光纤照明的特点1.光线柔性传播从理论上讲，光线是直线传播的。然而因实际应用的多元性，总希望能方便地改变光的传播方向。光纤照明正是满足了这一要求。这是光纤照明的特点之一。2.光与电分离在传统照明中，都是由光源将电能转换成光能直接得到的，光与电是分不开的。但电有一定的危险性，所以很多场合都希望光与电分开，排除各种隐患，确保照明的安全性。所以光与电的分离是光纤照明的特点之二。3.3光纤照明系统的构成光纤照明系统经通过长期的应用和完善，大部分已实现了产品化。光纤照明系统一般由电源控制器、光纤和尾灯三部分组成。1.电源控制器电源控制器由光源、反光镜、滤色片及风扇等四部分组成。光源的常用功率为150w～250w，产品的品牌有欧司朗、GE及赛克司光源几种。反光镜是耐高温镀银玻璃，常用为非球面反光镜。光束颜色的变化是通过变换不同颜色的滤色片来实现的，一般有红、黄、绿、蓝等几种颜色。色片固定在可转动的色轮上，然后通过步进电机来实现光束颜色的变换。由于光源散发大量的热能，所以必须有风机来冷却，以保证控制器的正常运行。为了使光纤照明具有更多色彩，适应更广泛的需求，所以由智能控制器来代替普通电源控制器。它可以将光的强度、光的颜色实现连续变化，也可闪变。在音乐喷泉中还可随其音乐节奏而同步变化。-22- 武汉职业技术学院毕业论文2.光纤光纤已形成系列产品，它有端发光和体发光两种。它们分别还有单股、多股和网状之分（见图二）。常见光纤的技术参数见表一：序号名称外径（±mm）长度（m）外表颜色1单股端发光φ6φ9φ14φ18φ20φ2530/60黑色2单股体发光φ8φ14φ20φ2530/60透明3多股端发光（括号内为股数）φ3.8(7)φ5.2(14)φ7(25)φ9.4(50)φ10.5(75)φ12(100)φ13(126)30/60黑色3.4光纤照明的应用由于光纤照明的独特优点，它已广泛地应用于各种场合，并在不断地推广中。现将目前国内应用情况简述如下：1、室内装饰在室内装饰中，用体发光光纤来构成轮廊线条。其效果是光照均匀、颜色和顺。利用光晕照明，更有立体感。在大厅中，其顶部用水晶吊灯可模拟星空效果。忽明忽暗，使人有无限太空的遐想。在吧台上，装上水晶吊灯更显得华丽别致。在洞房里，在席梦思周围形成一个彩色光边，更增添了新房的温馨和浪漫。2、水景照明水景离开了照明就失去了迷人的景色。而不安全照明又给游人带来危险的隐患。由于光纤照明实现了光电分离，是水景中绝对安全的绿色照明。-22- 武汉职业技术学院毕业论文光纤照明除了针对水体照明时，使水色更为艳丽动人外，也可用光纤来构成水池的轮廓线。使垂直的彩色水姿与横向的水池轮廓，形成协调的线条美。3、游泳池游泳池是人体进入水中，光纤照明应是首选的照明设备。同时，用光纤作泳道的分界线既美观又清晰。4、城市建筑在灯光工程中，用体发光光纤来构成建筑轮廓线是最常见应用实例。特别是对一个城市的形象建筑，以多彩的线条把建筑轮廓在夜色中显得更蔚蔚壮观。同时光纤照明中，可用光色使建筑物随季节而变化。5、园林绿化在园林绿化中，用端发光光纤来作亭圆灯、地埋灯，使绿地道路，在照明的同时也有色彩变化。在景观道路上，装上星星点点的端发光光纤，更增加了景观的趣味性。6、溶洞照明溶洞是一种自然景观，由于它没有阳光照射，全靠灯光来展现它的风采。多变的光色和柔性的光纤，对无规则溶石和湖岸更显出它的有用武之地，使溶洞的景色更迷人。而最重要的是清除了对游客的不安全隐患。7、古建筑物及文物照明在一般的灯光照射下，因紫外光的作用，使图书文物、木结构等建筑物加速老化。同时有电会造成大火的危险。而用光纤照明，既安全又能达到理想的艺术效果。8、易燃易爆场合在油库、矿区等严禁火种入内的危险场合中。应用其他各种照明都有明火的隐患。如不小心就会酿成大祸。从安全角度看，因光与电分开，所以光纤照明应是一种最理想的照明。光纤照明，有较强的实用价值，但在成本方面与传统方式上还是有差距的，可以考察市场应用和发展前景。第4章光纤照明光源设计-22- 武汉职业技术学院毕业论文4.1光纤灯　　光纤照明系统是由光源、反光镜、滤色片及光纤组成。　　当光源通过反光镜后，形成一束近似平行光。由于滤色片的作用  光纤灯图图4-1，又将该光束变成彩色光。当光束进入光纤后，彩色光就随着光纤的路径送到预定的地方。　　由于光在途中的损耗，所以光源一般都很强。常用光源为150~250W左右。而且为了获得近似平行光束，发光点应尽量小，近似于点光源。　　反光镜是能否获得近似平行光束的重要因素。所以一般采用非球面反光镜。　　滤色片是改变光束颜色的零件。根据需要，用调换不同颜色的滤光片就获得了相应的彩色光源。　　光纤是光纤照明系统中的主体，光纤的作用是将光传送或发射到预定地方。光纤分为端发光和体发光两种。前者就是光束传到端点后，通过尾灯进行照明，而后者本身就是发光体，形成一根柔性光柱。　　对光纤材料而论，必须是在可见光范围内，对光能量应损耗最小，以确保照明质量。但实际上不可能没有损耗，所以光纤传送距离约30m左右为最佳。　　光纤有单股、多股和网状三种。对单股光纤来说，它的直径为Ф6～Ф20mm.同时又可分为体发光和端发光两种.而对多股光纤来说,均为端发光.多股光纤的直径一般为Ф0.5～Ф3mm,而股数常见为几根至上百根.　　网状光纤均为细直径的体发光光纤组成.可以组成柔性光带.　　从理论上讲,光线是直线传播的.但在实际应用中,人们都希望改变光线的传播方向.经过科学家数百年不懈的努力,利用透镜和反光镜等光学元件来无限次的改变传播方向.而光纤照明的出现,正是建立在有限次的改变光线传播方向,实现了光的柔性传播.正如圆弧经无数次的分割后成直线一样,光纤照明正是以无限次反射后,光线就随光纤的路径传送,实现了柔性传播.但是光纤照明的柔性传播,并没有改变光线直线传播的经典理论.-22- 武汉职业技术学院毕业论文　　光纤由液体高分子化合物聚合而成，具有导光性强，省电，耐用，不发热，无污染，可弯曲，可变色，环境适应范围广，使用安全等特点。光纤的导光方式分为柔美温馨的线光光纤和熠熠生辉的点光光纤，广泛应用于建筑物装饰照明，景观装饰照明，文物工艺品照明，特殊场合照明，广告牌，娱乐场所等各种装饰亮化工程。光纤类型普通型实心线光光纡、PVC实芯线光光纡、热塑型实心点光光纡、PVC实芯点光光纤4.2光纤照明系统的组成及特点　　如果你对光纤照明的一些基本原理有所了解，就能容易地掌握这门技术。提供另一种有创新的光照手段。　　电气工程的承包商们对光纤照明感兴趣是由于它的多样性。随着这门技术的日趋成熟并获得更多的应用领域，以及工业专家们近期在创建通用术语、计算程序和测试方法上的成熟，都有助于减少对光纤照明在安装方面的忧虑。　　与此同时，新的和更多种复合丙烯类光纤材料可进一步简化现场的安装方法，它们的特点是极少受到环境的限制。综合所有这些情况，将必然促使光纤照明的需求增加。　　由各种各样的部件可组装成一套完整的光纤照明系统，这些部件包括发光器、光导体、端口、连接器、耦合器、套圈和灯具。让我们对每一部件进行较为详细的观察。　　　　1光源　　单根光纤的尺寸和需要的照度等一般取决于所采用光源的瓦数和型式。对于理想的光纤照明灯是那种具有非常小的发光面积而光通量输出很高的灯。光源后部的反射器和前部的透光镜有助于高效地把光传输入光纤。　　通常使用的灯包括20W至75W低压MR16灯和70W至250W金属卤化物（M-H）灯。MR16有钨丝的卤化物灯可通过细灯丝进行精确的光束控制。然而，有些新型紧凑式M-H灯也能提供同样精密的光束控制。　　2发光器　　将光纤照明系统用的光源装入外罩内的装置称为发光器。外罩用薄金属板耐冲击塑料制成。有时我们称发光器为投光器。发光器可配装滤光镜头滤除灯所发射出来的大部分红外线（IR）和紫外线（UV）能量。因而，光纤照明系统用于照射纺织品、绘画和食品是很理想的。　　由于光线是从灯传输至光纤的末端，发光器也可配装二色玻璃滤光盘以达到颜色的连续或固定变化。另外，色盘的运动可用计算机处理以提供特殊效果。例如光的定时变化或象频闪的瞬间光。最后，为了给复杂的照明装置提高功率，也可将几台发光器前后直排连接或串联连接。　　　3光导体-22- 武汉职业技术学院毕业论文　　用于将光从光源传输到灯具的材料被称为光导体。典型的光导体有塑料纤维束或玻璃纤维束，也称为辫束。　　光纤光导体的基本材料为纤芯和涂层。纤芯为传输光线的部件，涂层为薄薄的材料，具有低的折射率，牢固地涂在纤芯的外围。从浅角入射涂层的光束被反射回到纤芯。　　大部分光纤有第三层保护套。保护套有黑色、透明的或半透明的白色。对于末端发光的光纤使用黑色不透明的保护套。对于看上去象霓虹灯的侧面发光的光纤，或者对于类似于荧光灯的条形发光光纤，使用透明或白色的保护套　　　4光缆的纤维用三种材料制成　　(1)粗纤芯塑料纤维　　直径达20mm的实心聚合物纤维，涂有薄的涂层，涂层材料的折射率较纤芯为低。　(2)细纤芯塑料纤维　　直径达2mm的实心聚合物纤维，涂有薄的涂层，涂层材料的折射率较纤芯为低。它可制成任何长度且能在现场切割。　　本质上，以上二种形式的塑料纤维使用条件是相似的，且有相同的环境限制。　　(3)玻璃纤维束（GFB）　　用玻璃制成的圆形光导体，玻璃直径在0.002in与0.006in之间（约为头发的粗细）。　　玻璃纤维通常是末端发光型，它具有特有的优点，玻璃材料在整个使用期限间不会丧失它的透明度（变黄色）。如上所述，玻璃纤维束较塑料纤维束细得多。因此它与塑料纤维不同，不能在现场切割，玻璃纤维束一般由工厂切割并装配好。　　　5光纤端口或总套圈　　这是在一束光纤范围内，安装在光缆上的连接器，用它插到发光器上使光亮输出最大。制造商可在发货前将线束装配好（叫做装端口），或者为适应变化的情况，也可在现场装配。　　　6连接器、耦合器和套圈　　使用这些器件将一个系统的各个部件作机械上或光学上的连接。用连接器将一条光纤固定到端口或灯具上，将一条光纤对准装配到发光器上或二条光纤互相之间的对接则用耦合器。套圈是一个终端器件，用于保护光纤的正确定位。套圈通常与特定的光纤一起由工厂设计加工，因此只要简便地将套圈插入灯具的连接套内即可。　　7灯具　　由于光纤照明灯具品种繁多，很难了解使用哪一种。然而，大部分灯具都有特定的应用范围，包括：-22- 武汉职业技术学院毕业论文　　(1)下射型灯具　　一般由塑料模压或铸铝制成，且有多种设计和成品上市供应。制造商通常在灯具罩内装一个不可调的透光镜以提供若干种聚集的光束。由于它们的轻便性及小尺寸，几乎能在任何地方都可使用下射型灯具。　　(2)墙灯和重点照明灯具　　人们经常把这种灯具称之为眼球，为易于对准目标，这些灯具用一个灯座来调整。不少灯具装一个可调的透光镜，使光线可在窄光束至宽光束范围内进行焦距的调节。在多数情况下在橱窗或展区内使用带有各种光束形状的重点照明灯具。　　(3)景观和室外照明灯具　　照射景观、人行道或花园的各式各样设计的灯具已得到应用。不少人在景观型灯具上采用装饰件。　　(4)水下照明灯具　　因光纤没有电气元件，使它成为游泳池、旋流池、喷泉和类似场所照明的理想选择方案。　　(5)特殊照明灯具　　配有轮廓清晰的透明玻璃、彩色玻璃或磨砂玻璃的、花色齐全的小型灯具，可构成细小的光点--设在天棚上或别的地方，可起到装饰作用。　　(6)定制的灯具　　因为光纤照明没有任何电气方面的限制，所以可将光纤束安装在各种物体上，包括家具，扶拦和艺术品上。　　8部件的安装　　对于所有型式的灯具，在光源的周围都必须具有足够的空间以散发灯所产生的热量。很多发光器采用内部风扇形成空气循环。　　用弹簧夹、螺丝或胶黏剂将众多的末端发光的灯具固定就位。由于安装方便因而适合在展区或橱窗使用这些灯具。如果使用安装导轨，制造商可将它切割成所需的长度，更便于工地使用。每个灯具在导轨上可定位销入或滑到想要的位置。　　应确保光纤束的弯曲程度没有超过制造商的规定。大体上，玻璃纤维的弯曲可达光导体直径的10倍。如将玻璃纤维的弯曲超过90o，则单根纤维可能折断，于是减少了光的输出。　　9光纤照明的优点　　几乎能在任何地方安装光纤照明系统。细的光缆可装配在几乎任何现有建筑物的天棚或墙内。　　对于有历史意义的建筑物，当不能穿透建筑材料时，用光纤照明的很理想的。可用光纤照明翻新改造原先的灯具。重新创造有历史性的色彩和照度水平。-22- 武汉职业技术学院毕业论文　　由于在发光部件附近没有带电的元件（安全上的考虑），所以不存在电磁场，因此在对EMI（电磁干扰）有敏感的电子设备区域内，可采用光纤照明系统，例如磁共振造影室。　　从理论上讲,光线是直线传播的.但在实际应用中,人们都希望改变光线的传播方向.经过科学家数百年不懈的努力,利用透镜和反光镜等光学元件来无限次的改变传播方向.而光纤照明的出现,正是建立在有限次的改变光线传播方向,实现了光的柔性传播.正如圆弧经无数次的分割后成直线一样,光纤照明正是以无限次反射后,光线就随光纤的路径传送,实现了柔性传播.但是光纤照明的柔性传播,并没有改变光线直线传播的经典理论.　　光纤灯是利用光纤发光原理,将大量光点集中而成,光点颜色可任意变化,而且具有无热、无UV紫外线的优点,既安全又省电。光纤可自由弯曲，或采用侧光勾勒轮廓，或采用尾光强调亮度，可随意组合成各种漂亮的图案,富含个性化色彩内涵，即表现出的星空效果、温柔斑斓的霓虹灯效果，又可创造出气势磅礴的瀑布流水效果，目前主要用于装饰舞台、酒吧、酒店、ktv等。4.3光纤照明系统的构成　　1、光源发生器　　光源发生器主要由灯泡、隔红外和紫外光学玻璃片及色盘等三大部分组成。　　（1）灯泡主要采用卤钨灯泡（卤素灯）和金属卤化物灯泡（金卤灯泡）卤素灯泡（行业又称石英泡），常用功率为20W、35W、50W、75W、100W主要用在照度要求不高的场合，如家庭下包装和KTV包房里面。特点是价格便宜，光源发生器体积较小，便于安装。金卤灯泡的常用功率为70W、100W、150W、250W，产品的品牌有欧司朗、GE及飞利浦。其光效和色温均较卤素灯高，目前采用较多的是欧司朗150W金卤灯泡。LED光源则具有体积小,温度低,功耗低,亮度高等特点,已经逐渐成为传统100W以下光源的理想替代品。　　（2）隔红外和紫外光学玻璃片滤除灯泡产生大部分红外线和紫外线，保护光纤。　　（3）色盘光束颜色的变化是通过变换不同颜色的滤色片来实现的，一般有红、黄、绿、蓝等几种颜色。色片固定在可转动的色轮上，然后通过步进电机来实现光束颜色的变换。为了使光纤照明具有更多色彩，适应更广泛的需求，所以由智能控制器来代替普通电源控制器。它可以将光的强度、光的颜色实现连续变化，也可闪变。在音乐喷泉中还可随其音乐节奏而同步变化。　　2、光纤　　塑料光纤本身不发光，主要是传导光线。装饰照明用塑料光纤按使用方使的不同，分为端光光纤和侧光光纤两类，同时又有单股和多股之分。-22- 武汉职业技术学院毕业论文　　（1）端光光纤，又称尾光光纤　　主要使用光纤端面发光来达到装饰照明的作用，其应用方式灵活多变，利用端点组成各种图案、模拟星空效果，还可以配合光学原理来制作出时空隧道等魔幻效果。他主要应用于广告招牌、娱乐场所、文物珠宝照明、以及家庭装修等诸多场所。　　（2）侧光光纤，又称通体发光光纤光线沿光纤长度方向均匀散射，利用光晕来达到装饰的效果。利用侧光光纤可以勾勒物体轮廓或组成各种艺术造型，由于其使用寿命较长，广泛用于勾勒楼宇和水池的轮廓以及地下隧道的道路指引。4.4光源耦合4.4.1、光源的类型在光纤通信系统中有两种光源最常被使用，即发光二极管（LED）与注入式激光二极管（ILD）。两者具有相同的基本结构，皆基于PN结，但注入式激光二极管较复杂，参见图4.4.1。图4.4.1激光二极管基本结构及光场分布图4.4.2驱动电流与光输出功率的关系两者基本工作原理相同，在正向偏置电压下由电子注入在有源层形成粒子数反转而产生光输出。但注入式激光二极管的光输出功率-驱动电流曲线与发光二极管不同，前者有一阈值电流需先达到，光输出对电流响应才会迅速增加，参见图4.4.2。-22- 武汉职业技术学院毕业论文一个光源可用从它表面所发射的所有可能方向的光线的光功率分布来说明其特征。光源一般依其辐射分布可分为两种型式，即朗伯（Lambertian）光源和准直（collimated）光源。朗伯光源从每个微分光源单元的所有的方向上发射光，面发射的发光二极管接近朗伯光源。若光源辐射只有垂直于其表面的某一很窄的角度范围则谓之准直光源，氦氖激光即属此类光源。而注入式激光二极管则比较特殊，其辐射远场分布典型的角度为，参见图6.6.1。通常，光源强度的角度分布可以下式表示：(1)为沿方向的辐射强度，是离开光发射法线的最大辐射角度，由光源的几何特性决定。对一扩散光源，m=1。对准直光源，m值非常大。图6.6.3显示m=1（典型的发光二极管光源）和m=20（典型的注入式激光二极管光源）在极坐标下的辐射场型的特性。图4.4.3典型发光二极管与激光二极管之辐射场型。光纤系统的辐射极化性与所选用之光源类型有关，其偏振性通常由光源的细节结构决定。发光二极管输出为散乱的偏振性，然注入二极管之极化方向与p-n接面之平面平行，参见图6.6-22- 武汉职业技术学院毕业论文.1。光源的偏振性可经由在光源前加装一偏振片，然后通过观察探测器的输出而得之。当偏振片旋转时，线性偏振光会显示较大的变化；而杂乱偏振或圆偏振则有较小的变化甚或无变化。4.4.2、耦合效率光纤与半导体光源之耦合一般可分为两种方法，直接耦合（butt-coupling）和分立式光学组件耦合（buttcomponentscoupling）两种。(a)直接耦合(b)利用球面透镜耦合图4.4.4光纤与半导体光源耦合示意图所谓直接耦合即是将光纤端面与半导体光源直接接近，经过精密的调整使光纤输出最大功率,如图4.4.4(a）所示。对LD而言，在平行于PN结方向，光源的发散角2Θ∥仅为15°，只要距离S适当，全部光功率都能进入光纤。而在垂直PN结方向，光源的发散角2Θ⊥约为30°，有部分光功率能进入光纤。对LED而言，在平行和垂直PN结方向的发散角都很大，若直接耦合，效率很低。分立式光学组件耦合，可采用球面透镜、柱透镜和GRIN透镜等，较常用于包装型式。使用光学组件的目的就是降低光源光束的发散角，提高耦合效率。如图4.4.4（b）利用球面透镜耦合。耦合效率定义为(2)-22- 武汉职业技术学院毕业论文上式中，为耦合入光纤的功率，为光源发射的功率。若光纤为直接耦合，则光纤接收到的功率与光源辐射之功率比为：(3)其中为光纤指数曲线，NA为光纤数值孔径（其定义可参见§4.4.5）图4.4.5用公式(2)绘出不同m值，光纤数值孔径与耦合损失的关系。一般而言，阶跃折射率光纤（）或渐变折射率光纤（）的耦合系数与光源数值孔径的平方及光源指向性的增量（m）成正比。耦合损失为，图4.4.5为针对不同的m值，理论耦合损失与NA之关系。结论-22- 武汉职业技术学院毕业论文光纤照明作为一个新兴的产业,必将在未来的的生活各个方面起着重要的作用,光纤照明的优点,特殊场合的应用,都让这项技术在现在生活中展现出它的价值,在具体操作中,选择不同的材料的光纤有着不一样的应用和成本,在光纤照明的光源设计方面也是一个和有技术含量的方面,不同的耦合方式,有着不同的光线传播效率和损耗,好的光纤材料,一个好的耦合方式都是在应用中成本考虑的重要要因素。光纤与激光,半导体光探测器一样,是一种新兴的光学技术,即形成光电子学新的领域是20世纪后勤工作半期重大发明之一。以光纤作为信息传输介质的光纤通信,自1970年美国康宁(Corning)玻璃公司制成20dB/km的光纤充来,得到广泛的重视和发展。短短的十几年就从实验室研究走向实用化,现正在形成产业,社会经济效益与日俱增。参考文献[1]廖延彪.光纤光学.北京:清华大学出版社.2001，178～200[2]刘德明等.纤维光学.北京:国防科工委出版社.1995，233～250[3]胡正荣等.1.3μm单模光纤偏振控制器的研究.光电子﹒激光.1994(6)[4]潘英俊等.光纤偏振控制器的原理、结构及特点分析.半导体光电.1994(9)[5]BobChomycz.光缆现场安装指南.人民邮电出版社.1999，56～110[6]苑立波.光纤实验技术.哈尔滨工程大学出版社.2003，15～21[7]汤卉等.光纤光缆与制造技术.化工出版社.2004，76～99[8]石顺祥等.光纤技术及其应用.华中科技大学出版社.2003，115～130[9]陈炳炎等.光纤光缆的设计与制造.人民邮电出版社.1998，87～145[10]胡先志等.光缆工艺学.人民邮电出版社.2006，65～89致谢在这次毕业设计的写作中,我想要感谢的是我的指导老师张森-22- 武汉职业技术学院毕业论文.在张森老师的精心指导下我才得以完成毕业设计。首先，我要感谢张森老师，他对我毕业设计的关心与指导，在他的指导下我学到了不少的专业知识和做毕业设计的技巧还有做人的道理。每次和老师的交流的时候他总是很和蔼，让人很容易接触。我最要感谢的是，在我学习过程中曾经给我帮助和指导的所有老师,是他们让我在成长的过程不断的取得进步和收获,正是因为有了他们的付出才使我有了今天的进步.最后，还要感谢电子信息工程学院的各位领导和老师，没有他们的培育就没有我的美好明天！谢谢！-22-'