（热能工程专业论文）光导管系统光传输特性的研究.pdf

摘要 能源问题是全球共同关注的一个焦点，照明能耗是社会能耗的重要组成部 分，因此节约照明能耗意义重大。光导管系统可以有效节约照明能耗，按光源可 划分为太阳光光导管系统和电光源光导管系统两种。太阳光光导管技术是一种有 效的太阳光能利用技术，但它受气候影响很大在太阳光能不能满足照明要求时 需用电光源补足。另外，很多高光效电光源由于受使用环境限制难以发挥效力。 电光源光导管系统可以有效利用太阳光光导管和高光效电光源达到节能目的。但 因这项技术尚未被深入研究，本课题将从理论与实验两方面对电光源光导管系统 的光传输特性展开研究。 本课题研究内容涉及无缝光导管传输效率，有缝光导管传输效率和侧面亮度 均匀性，以及光导管系统优化设计。首先通过理论研究，分析了影响光导管传输 效率的各种因素，得到了具有一定理论价值的研究成果，即设计使用光导管系统 时，需要综合考虑光导管系统直径、长度、有缝光导管缝隙大小、光源光束角和 光源效率等因素。此外，制作了光导管系统设计计算图表，为光导管系统实验研 究提供了设计依据。 在理论计算的基础上，搭建了用于测试光导管性能的实验台。实验测量了灯 杯的光通量和配光曲线，以及有缝、无缝光导管端部出射光线的光通量和配光曲 线。利用实验对理论计算进行了验证，证实了理论计算的正确性。这些研究结果 为光导管实际应用提供了设计依据。本实验台还可用于测量其它光源的光通量和 配光曲线，为后继光导管应用研究提供了保障。 在理论计算和实验测量的基础上，对电光源光导管系统在文物展柜中的照明 进行了设计。实际测量表明光导管系统能够满足展柜照明要求。通过对此套系统 进行分析和优化设计，为光导管系统未来的产业化应用提供了一定的实践指导。 关键词：照明：光导管；光束角；展柜 i i j 目录 a b s t r a c t e n e r g yp r o b l e mi sb e c o m i n gm o r ea n dm o r ea t t e n t i o na l lo v e rt h ew o r l d ，a n dt h e e n e r g yc o n s u m e db yi l l u m i n a t i o no c c u p yal a r g cp o r t i o no ft h et o t a ls o c j a le n e 唱y c o n s u m i n g ，s oi ti si m p o r t a n tt oe c o n o m i z et h ei l l u m i n a t i o ne n e 唱yc o n s u m i n g “曲t p i p es y s t e mc a i le c o n o m i z ei l l u m i n a t i o ne n e 唱yc o n s u m i n ge f f c c t i v e l y ，w h i c hc a nb e d i v i d e di n t os u nl i g h tp i p ea n de l e c t r i c i t yl i g h tp i p e s u nl i g h tp i p ei sa ne n e c t i v e t e c h n o l o g yi nu t i l i z i n gs u ne n e r g 再b u ti t i se a s i i yi n f l u e n c e db yc l i m a t c s u nl i g 置l t p i p ec a nu s ee l e c t r i c i t yl i 曲t t om a k eu pt h es h o n a g co fi t o nt h eo t h e r h a n d ，m a i l y h i 曲e f f i c i e n c ye l e c t r i d t yl i g h ts 叫r c ec a nn o tb eu s e de f f e c t i v e l yf o re n v i f o n m e n t r e s t r i c t i o n e l e c t r i c i t yl i g h tp i p e c a nu t i l i z es u nl i g h tp i p ea n dh i g l le f f i c i e n c y e l e c t r i c i t yl i 曲te 疵c t i v e l yt oe c o n o m i z ee n e r g y - h o w e v e li no u rc o u n l r yt h e r ei sl i t t l e r e s e a r c hi nt h i sf i e l d i nt h i sp 叩e r t h er e s e a r c ha b o u te l e c t r i c i t yl i g h tp i p ew a sc a r r i e d o 眦b yt h c o r e t i c a la n dc x p e r i m e n t a lm e 山0 d s t h er e s e a r c hc o n c e mt ot h et r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c y0 ft h cs e 锄l e s sl i g h tp i p ea n d s e a ml i g t l tp i p e ，t l i eu n i f o r i i l i l yo fs e a ml i g l l tp i p e sb r i g t l t n e s s 卸dt h eo p t i m i z a t i o no f t h ei i g i l tp i p es y s t e m i i lt h i sp a p e r t h ef a c t o r sm a ta c tt h ep e r f o n l l a n c co ft h el i g l l t p i p es v s t e mw e r ea n a l y z e db yt l l e o r e t i c a lr e s e a r c h ，a n ds o m ev a l u a b l er e s u l t sw e r e a c h i e v e d ，t h a ti s ，w h c nd e s i 盟i n gt h el i g h tp i p es y s t e mo fs e a ma n ds e 锄l e s sl i 曲t p i p e ，t h ed i a m e t e ra n dt h el e n g t ho fl i g h tp i p e ，t h es e a mg a p o ft t l es e a m l e s sl i g h tp i p e ， a n db e a ma n g l e ，e 衢c i e n c yo ft h el i 曲ts o u r c es h o u l d b ec o n s i d e ri n t e g r a t i v e 。 f u n h e r m o r e ，t 1 1 ed e s i g n i n ga n dc a l c u l a t i n gd i a 铲砌o ft h el i g h tp i p es y s t e mf o r e x p e r i ：m e n t a lr e s e a r c hh a sb e e np r o v i d e di nt 王l i sp a p e r b a s e d0 nt h em e o r c t i c a ls t u d ye x p e r i m e n tp l a t f 0 衄w a sb u i l tu p t h el u m e n sa n d d i s t r i b u t i o nc u ef l u xo ft h el a m p sc u pw a sm e 鸽u r e da i l dl a n t e m s t h el u m e n sa n d d i s t r i b u t i o nc u r v en u xo ft h el i g h tr a yw h i c h c o m e sf m mt h ee x i to ft h es e a m l e 辐a n d s e a ml i g h tp i p ew 觞a l s om e a s u r e d t h ee x p c r i m e t a lr e s u i tf i tt ot h et t l c o r c t i c a l 北s u l t s 1 kl u m e n sa n dd i s t 曲u t i o nc i l en u xo fo t h e rl i g t l ts o u r c e sc a i la l b e m e a s u r e di n t h j sc x p e r i m e n tp l a 怕肌，w h i c hb e c 锄eab 雒ef o rt i l es u b s e q u c n c e e x p e r i m e n t 0 nt h eb a s i so ft h e o r e t i c a ic o m p u t a t i o na i l de x p c r i m e n t a lm e a s u r e l n c n t ，t h e e l e c t r i d t yl i g h tp i p eu s e df o rc u l t u r a lf e l i ce x h i b i t i i l gc a b i n e tw a sd e s i g n e da n d i i l s t a l l e d e x p e r 曲e n t a lm e a s u r e m e n ti n d i c a t e dt h a tl i g l l tp i p es y s t 锄c a nm e c tt h e n e c do fe x h i b i t i n gc a b i n e t - t 1 l ea n a l y s i sa n dd e s i g o ft h i ss y s t e mo f f e r e ds o m e e x p e r i e n c ef o r t h el i 曲tp i p eu s e di ns p e c i a ls p a c e k e yw o r d ：i l l u m i n a t i o n ，l i 曲tp i p e ，b e a m 翘百e ，c a b i i l e t i v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中0 i 包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：写力丸日期：加! 戈z 厂 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：j 塑盘导师签名 j i 厂、 麟吼坠 第1 章绪论 1 1 课题背景和意义 能源问题与环境问题是全球共同关注的两大焦点。随着社会的发展照明用电 已占全球总发电量的1 0 2 0 。目前，我国照明耗电大体占全国总发电量的1 0 1 2 。2 0 0 1 年我国总发电量为3 3 2 5 亿千瓦小时，年照明耗电达1 4 3 3 2 5 1 7 19 9 亿度“1 。照明用电的迅速增加，不仅消耗了巨大的电力投资，还造成了极 大的环境污染。 人工照明不但直接消耗大量电能，其散热还会增加室内的空调负荷，间接消 耗电能。如果能有效利用自然光，则不但可以减少室内照明和空调用电- 还可以 改善视觉效果，提高舒适度。近年来有关建筑能耗研究的主要课题，除太阳能的 各种热能利用及光电转换之外，就是如何有效利用太阳能的光能自然光进行 室内照明。东南亚地区的一些研究资料表明，自然光在建筑物中的有效利用可以 减少约2 0 的照明用电“1 。众所周知，太阳光是取之不尽、用之不竭的自然光源， 但仪有很少一部分能够通过玻璃窗、天窗等射入室内，为有效利用太阳光人们开 发了太阳光光导管照明技术。太阳光光导管在引入光的同时不产生过多的热，是 一利有效的太阳光利用技术。1 。此项技术不需消耗不可再生能源、且没有污染， 对于节省白天的照明耗电和发展可持续能源技术、推动绿色照明工程有着积极意 义。 光导管照明技术是一种远距离传输照明技术，它通过一些特定的光学过程 ( 如折射、全反射、反射等) 将光源发出的光线传输至指定区域，并较为均匀地 分布到很大范围“1 。光导管系统主要由光源、光导管和出射装置等三部分组成。 使用太阳光作为光源的光导管系统被称为太阳光光导管系统，使用电光源作为光 源的被称为电光源光导管系统。 太阳光光导管技术的优点很多，但也有其自身难以克服的缺点，困其使用太 阳光作为光源，所以光导管采集的光能量受气候影响很大，在阴天、或太阳升降 时光能量常常不能满足照明的要求，在晚上不能用于照明，造成设备闲置”1 。这 一致命的缺点是光导管难以普及的一种重要原因，为此人们将电光源光导管照明 技术引入到太阳光光导管系统中，制造出了组合光源光导管系统，此系统在太阳 光产生的光通量不能满足照明需求时，用电光源补足。 光产生的光通量不能满足照明需求时，用电光源补足。 1 9 9 8 年1 月至2 0 0 1 年2 月由德国、意大利、瑞典的建筑师和研究人员共同完成 了太阳光和硫灯组合照明系统的研究，简称人造日光( a r t h e l i o ) 。它是由定日镜、 耦合系统、硫灯、电子控制部件、光导管等几部分构成。定日镜是透镜，由德国 s e m d e r l u x 公司研制，装在屋顶跟踪太阳。在得不到足够太阳光时，光源自动切 换为1 0 0 0 w 硫灯”1 。 电光源光导管除与太阳光光导管组合使用外，还可以单独使用。电光源光 导管单独使用时与太阳光光导管一样有着优良的节能性能，其节能途径主要有 以下三个：1 ) 电光源光导管的光源安装在室外，降低了室内冷负荷，间接节约 能源( 例如，应用于冷库) ；2 ) 光分布均匀，利用较低的光通量即可达到要求 的照度水平，直接节约能源( 例如，应用于对照明均匀性要求较高的生产线) ： 3 ) 用少量的高光效、大功率光源替代大数量的低光效、小功率光源，直接节约 能源( 例如，将大功率微波硫灯应用于体育场馆、工厂厂房等大型建筑) 。 电光源光导管系统与太阳光光导管系统也存在一些差别：首先，光源不同。 太阳光光导管系统光源是太阳，因此需要安装太阳光采集系统”1 ：电光源光导 管系统光源是电光源，光源光束角是影响光导管系统性能的一个重要因素，此 外寿命、显色性、发热量和光谱组成等也需要进行综合考虑。其次，安装方式 不同。太阳光光导管系统布置方式不灵活，且施工难度较大。例如，安装前需 要在房顶或围护结构上开孔，安装后需要在开孔部位实施隔热、防雨等工程。 电光源光导管系统布置方式灵活，且施工难度较小。一般只需要在建筑物内部 墙壁上开孔，各种工程施工难度较低。 在某些情况下电光源光导管系统是唯一的选择，世界上第一套光导管系统 就是应火药库照明的需求而开发的电光源光导管系统。光导管系统的光源与照 明区域可以分离，这为高温高湿、有电磁辐射危险及存放易燃易爆、有毒害物 质场所的照明提供了新的解决方案。在上述场所若使用普通电光源进行照明， 由于工作环境比较恶劣，因而大大增加了光源损坏的几率，从而增加了维护工 作量，而且在易燃易爆场所电光源本身就是一个不安全的因素。采用光导管系 统照明则能够从根本上解决上述问题。 将彩色滤光片放置在光导管的端部，可以容易地改变光色，满足对颜色有 特殊要求的照明场所的要求。将光源从不便于维护的位置转移到易于维护的位 2 第1 章绪论 置，从而节约安装、维修费用。例如，将体育馆顶棚的大量的光源替换为少量 的光导管，并将光导管的光源安装在墙壁附近。 现今，技术与设计水平较高的国家有加拿大、美国、俄罗斯及瑞士。3 。近些 年的发展，使得以前仅限于易燃场所使用的光导管系统，已广泛用于各种特殊场 合，如公路照明、博物馆照明以及日常室内照明等。国内对光导管系统的研究起 步较晚，发展水平相对较为落后。且研究力量主要集中在太阳光光导管系统上， 对电光源光导管系统的研究还比较少，因此现在有必要加大力量进行研究。 1 2 电光源光导管简介 电光源光导管照明技术是一种非常有应用前景的照明技术，光源发出的光线 通过光导管传输至指定区域，并较为均匀地分布到很大范围。 1 2 1 电光源光导管系统发展史 研制和利用将被照明客体与易导致火灾、爆炸、电气危险的光源隔离的光 导管系统已有百年以上的历史。按光传输介质的发展，大体可以分为三个研究 阶段；1 ) 透镜式光导管研究阶段；2 ) 镜面式光导管研究阶段：3 ) 棱镜式光导 管研究阶段。 1 8 8 0 年俄罗斯科学家c h i k o l e v 在电杂志上刊出了此类研究成果m 。在 该文章中，他阐述了自己的思想并记录了他进行的实验：将一个集中的强光源 借助于聚光镜、棱镜、镜片和表面具有反射层的管道分散成许多小光源。1 8 7 4 年c h i k o l e v 在一个火药厂安装了根据上述原理制造的光导管照明装置，此装置 将塔搂外面的强电弧光传送到有爆炸危险的房闯内。光通过放置在管内的反射 镜导向房间，并用漫射透过半球面合理分配到房间内。虽然这种思想早已产生 且付诸实施，但限于当时的光学材料和工艺水平，作为一种照明方法始终未能 推广开来。 与c h i k o l e v 同时进行类似研究的还有美国的m t n e a l 、w r l a k e 、m o l e r a 、 c e b r i a n 以及w w h e e l e r “，他们的工作对光导管的发展起了极大的推动作用。 这一时期光导管研究人员所提出的光传输理念主要通过光导管内部一系列光学 器件如透镜和反射镜来实现。 在建成白炽灯和配电网后，光导管作为长距离光源光线传输工具被遣忘了多 年a 直到1 9 6 5 年，苏联的b u k h m a n 发明了具有连续光发射功能的有缝光导管系统 ( s l g ) ，其理论的主要内容是：将光导管部分内侧表面镜面化，使光源发出的光 在光导管中反射，并从未镜面化的侧面输出“。他还与a i z e n b e r g 于1 9 7 0 年申请 了防爆光导管的专利。1 9 7 4 年，a i z e n b e r g 和b u k h m a n ( 前苏联) 申请了利用人工光 源和目光以及灯废热系统的专利。他们采用塑料光学薄膜创立了设计模型。1 9 7 8 年，a iz e 兀b e r g 、b u k h m a n 和p y a t i g o r s k l y 申请了楔形光导管( w l g ) 的专利“”。 1 9 8 0 年乌克兰捷尔诺波尔的b a t p a 生产联合组织开始批量生产有缝光导管 系统，其长为6 和1 8 m ，直径分别为2 7 5 和6 0 0 m ，配置有一、三或四只功率为 7 0 0 w 的镜面反射金卤灯。 1 9 8 1 年加拿大人w h i t e h e a d 博士发明了棱镜式光导管，并申请了专利“， 这在光导管的发展历史上具有划时代的意义。全反射棱镜式光导管利用9 0 。棱 镜导光材料制造，其特点是损耗小，能保证光从光导管输入端向输出端高效传 输“。根据这一原理，1 9 8 5 美国3 m 公司利用m i c r o r e p l i c a t i o n 工艺制出了 厚度为o 5 m m 的有机玻璃棱镜薄膜片，反射率能够达到9 8 9 9 “”。现在加拿 大的t i rs y s t e m 公司和美国的3 m 公司都在从事光导管系统的生产和销售。 1 9 8 6 年w h it e h e a d 博士创建t i rs y s t e m 公司，开始生产棱镜式光导管照 明系统。现在，光导管制造已经标准化，专用光源制造已经初步标准化。1 9 9 5 年，t i rs y s t e m 公司在华盛顿( 美国) 安装了两套棱镜式光导管和新型f u s i o n l i g h t i n g 牌号的微波硫灯照明装置。此套系统的特点是光源光效高( 1 3 0 1 4 0 w 1 m ) 、寿命长( 6 0 k h ) 和光导管传光性好。 美国的3 m 公司也生产与t i rs y s t e m 公司类似的电光源棱镜式光导管系统， 其主要产品为l p s 系列。此系列产品的光导管由公司下属的工厂制作，光源由 协作厂商提供。3 m 公司生产的电光源光导管系统的主要技术优势在于光导管具 有极高的传输效率“。 1 2 2 电光源光导管分类 光导管根据截面形状可以分为圆柱形光导管、方形光导管和楔形光导管。 其中，楔形光导管截面为楔形，而且可以非常宽。顶部和侧面反光，底表面透 光。其优点在于可以利用线状光源并具有很大的光反射面。 光导管根据光线传输方式可以分为透镜式光导管、镜面式光导管和棱镜式 光导管。透镜式光导管利用按照一定方式排列的透镜进行光线传输。镜面式光 4 第l 章绪论 导管利用管壁内表面反射光线，使光线经多次反射向前传播。棱镜式光导管利 用全反射原理使光线向前传播“。 1 2 3 电光源光导管系统特点 相对于其它照明系统而言，光导管系统的主要特点是： ( 1 ) 能利用高光通量输出的光源，而这些光源往往不能与普通灯具配用； ( 2 ) 要求均匀照度和低眩光时，可以使点光源或线性高强度光源的光通量在很大 范围内均匀分布“”。 ( 3 ) 降低维护费用，需要换的光源数量少，且可以放置在操作区域附近。 ( 4 ) 具有热控性能可非常简便地收集并去除光源产生的热量“”。 ( 5 ) 降低污垢减光密封的光导管系统比普通灯具沉积的污垢要少。 ( 6 ) 显著提高的安全性能降低了电击、爆炸和火灾的危险性。系统的电子器件可 放置在远离敏感环境的地方，有利于光导管应用在特殊环境，如化工厂或洁净室。 ( 7 ) 光源和光分布终点的隔离简化了紫外过滤工艺，而且只需很少量的过滤材 料。 ( 8 ) 将彩色滤光片或灯插在光导管的端部， 可以很容易地改变光色。 ( 9 ) 当使用不同形状和颜色的配套照明装置时，可为照明建筑艺术设计提供许多 新机会。 1 2 4 电光源光导管系统构成 光导管系统主要由光导管、电光源和出射装置三部分组成。下面分别进行 介绍。 1 2 4 1 光导管 光导管是光导管系统中最为重要的一个组成部分，也是其区别于其它照明 装置的一个独具特色的部分，其主要功能就是通过一些特定的光学过程( 如折 射、全反射、反射等) ，将光源发出的光线传输至指定区域。需要指出的是，有 时光导管本身也是出射装置的一部分。光导管系统应用的光导管主要有以下三 种： ( 1 ) 透镜式光导管 透镜式光导管照明原理如图卜1 所示，从光源发出的光线经过一系列折射 和反射等光学过程，被传输到指定区域进行照明。透镜按照一定的顺序和位置 进行排列，并置于特定材料制成的管道中。从光学角度来看，这些管道并不是 必需的，其目的主要是保护和支撑透镜。 图卜l 透镜式光导管原理 f i g u r e l 1t h ep r i n c i p l eo f t h e 1 e n sl i g h tp i p e 透镜式光导管缺点：a ) 与其它形式的光导管传光系统相比，需要的固定设 备投资大，成本高；b ) 效率较低。由于光线在透镜之间进行传输时，需要经历 多次的反射、折射等光学过程，从而使光线发生散射、吸收等损耗的机会大大 增加。另外，透镜式光导管系统的效率主要取决于透镜的排列方式，其相互间 的位置必须十分精确，稍有偏离，就会导致系统的效率大大下降，而且透镜本 身是一种十分脆弱的光学组件，即便轻微的损坏甚至表面积尘都会影响整个系 统的效率1 。 ( 2 ) 棱镜式光导管 1 9 8 1 年w h i t e h e a d 博士提出利用顶角为9 0 。的棱镜的全反射效应进行光线 传输的理论，并与美国的3 m 公司合作，利用m i c r o r e p l i c a t i o n 工艺成功的制 成了厚度为o 5 m 的聚碳酸酯棱镜薄膜。这种棱镜薄膜可做成截面为方形的光 导管，也可卷绕成截面为圆形的柱状光导管使用，但外面需采用透明材料制成 的管道加以支撑和保护。 棱镜式光导管照明原理如图卜2 所示，理论上只要光线的入射角度在一定 范围之内，进入棱镜式光导管的光线就能够发生全反射从而向前传播“。但实 际上由于制作光导管材料本身存在的缺陷( 如气泡、杂质等) ，部分光线发生全 反射的条件遭到破坏，从而逸出管壁，使棱镜式光导管本身也成为一个通体发 光的发光体。这也是棱镜式光导管系统的特点之一。 相对于其它光导管，棱镜式光导管的光传输效率高、结构简单。但是，其 制作工艺复杂、价格昂贵，影响其在市场上的广泛推广。 图卜2 棱镜式光导管原理 f i g u r e 卜2t h ep r i n c i p l eo f t h et i rl i g h tp i p e ( 3 ) 镜面式光导管 镜面式光导管照明原理如图卜3 所示，内表面高反射率材料对光源发出的 光线进行多次反射，将光线传输至指定区域进行照明。该系统的传输效率取决 于内表面材料的反射率、入射光线角度以及光导管几何形状。为尽量减少光线 在内表面的反射次数，降低光线的传输损耗，镜面式光导管系统的光源应具有 尽可能小的光束角，使入射光线尽可能与光导管的轴线平行。 图卜3 镜面式光导管原理 f i g u r e l 3t h ep r i n c i d l eo f t h er e f l e c t e dl i g h tp i p e 镜面式光导管传输效率低于棱镜式光导管的传输效率，高于透镜式光导管 的传输效率。但是，与上述两种光导管相比，镜面式光导管价格低廉，制造容 易，易于在市场上广泛推广。 此外，镜面式光导管相比于以上两种光导管系统还有一个最大的优点：大 直径光导管系统可利用多灯导入装置，该装置能明显提高照明装置工作的可靠 性，还可以调整每只灯的工作状态，最重要的是可以引入混光光源。透镜式光 导管系统导光因为原理的限制，多个光源无法与透镜配合使用：棱镜全反射光 导管系统因为入射角的限制，也无法安装多个光源。此外，金属镜面式光导管 由于其制作材料的生长厂商较多，材料容易购买、且价格较低，技术资料容易 获得，容易掌握核心技术。为制作出符合国情的光导管系统，本课题将主要针 对镜面式光导管进行研究。 1 2 4 2 电光源 一般意义上的光源仅指发光体，但是由于光导管系统对入射光线分布有严 格要求，通常将特定光源和形成特性配光曲线的反光罩或灯具一体化，例如卤 钨灯杯( 见图1 4 ) 以及其它射灯。为此，在本文中提到的光源，一般是指光 源和灯具的组合件。 综合考虑照明效果、加工难度、安装和施工等多方面因素，提出光源选择 标准“3 如下： ( 1 ) 相比于普通光源，光导管系统的光源应具有更高的光效，以抵消光线在传 输过程中由于各种光学过程造成的损失； ( 2 ) 光通量可调节范围大，以满足各种使用条件的要求； ( 3 ) 发光体体积尽量缩小，以便于调节配光曲线： ( 4 ) 对于经常有人活动的区域，光源应具有较高的显色性及合适的色温： ( 5 ) 为降低制造费用，尽量选用成型产品，减少加工环节； ( 6 ) 为降低维护费用，尽量选择寿命长、防护等级高的光源； ( 7 ) 对于无缝光导管，尽量选择光束角较小的光源。 图卜4 卤钨灯杯 f i g u r e 卜4t h eh a l o g e nt u n g s t e n1 绷pc u p 根据以上标准，光导管系统光源可以选用高压钠灯“”、金卤灯嘶1 、卤钨灯 、微波硫灯“、l 即灯汹等。上述各种光源的性能指标如表2 一l 所示。相对 其它光源而言，金卤灯光效较高，显色性较好，因此，已经逐渐成为光导管系 统的主流光源。微波硫灯性能虽然性能优良，但是其价格较高，应用范围受到 定限制。 8 1 ，2 4 3 出射装置 光出射装置对于光导管系统来说也是一个十分重要的部分。出射装置主要 功能是将光导管传输过来的光线进行重新分配，使其或均匀或集中地分布于指 定区域进行照明。光线出射装置性能的优劣，不但决定着整个光导管系统效率 的高低，更重要的是它直接决定着被照射区域照明质量的好坏。但迄今为止， 有关光导管光线出射装置的研究不多，其形式多种多样，没有统一的标准，尚 无商业化的、专门与光导管配套的产品。因此，光导管光线出射装置还有待于 人们进一步的研究、开发和推广。 表2 1 光源 t a b l e 2 1t h e1 鲫p 光源 高压钠灯金卤灯卤钨灯微波硫灯l e d 灯 劳壁 功率( w ) 3 5 1 0 0 03 5 3 5 0 0 6 0 5 0 0 0 1 0 0 0 1 5 ” 光效( 1 m w ) 6 4 1 4 05 2 1 3 0 2 0 3 0 1 3 0 1 5 0 2 5 3 0 寿命( h )1 2 0 0 0 2 4 0 0 03 0 0 1 0 0 01 5 0 0 2 0 0 05 0 0 0 01 0 0 0 0 0 显色指数( r a ) 2 3 8 56 0 9 09 5 9 97 8 8 5 色温( k ) 1 9 0 0 2 8 0 03 0 0 0 6 5 0 02 8 0 0 3 3 0 06 0 0 0 7 5 0 03 6 0 0 i l o o o 启动时间4 8 m i n4 1 0 m i n瞬时2 5 s 瞬时 再启动时间1 0 1 5 m i n 1 0 1 5 m i n 瞬时瞬时 瞬时 闪烁明显明显不明显不明显 不明显 调光范功率5 0 1 6 0 1 0 0o 1 0 0o l o o 围( )光通3 0 1 0 04 5 1 0 00 1 0 08 0 l o o 0 1 0 0 点燃方向水平或垂直任意任意任意 任意 注 l 此处的功率是指每颗灯珠的功率。 一般来说，不同种类、不同用途的光导管，其采用的光线出射装置也不同。 按所应用光导管系统分类，出射装置可以分为连续型和非连续型两种。出射装 置大多由透镜或其它漫反射光学器材构成，制造材料有塑料、玻璃等咖1 。 ( 1 ) 连续型：所谓连续型光出射装置，一般是指将光出射装置沿着光线传输路 径布置，从而使光源发出的光线相对均匀地分布于传输路径，对指定区域进行 照明。例如棱镜式光导管本身就是一种连续型的光出射装置。有缝光导管需要 使用连续型光线出射装置对光线进行重新分配。 ( 2 ) 非连续型：一般用于无缝光导管系统中，安装于光导管出射口处。 9 1 2 5 电光源光导管系统应用 光导管系统主要应用在以下2 个领域。功能照明：指示照明，标志照明， 易燃、易爆场所照明，恒温场所照明，大面积照明等。装饰照明：建筑物轮廓 照明，庭院装饰照明，室内装饰照明等。 1 3 国内外研究水平及现状 国外在电光源光导管系统方面的研究开展较早，在理论研究方面已经取得 了一定的成果。完成了光线在光导管中传输机理的研究，并研制出了高传输效 率的材料。例如，已经研制出一次反射率达到9 5 以上的镜面反射材科，一次 反射率达到9 9 的棱镜全反射材料。为推进光导管系统研究，1 9 9 9 年4 月，国 际照明委员会成立了空心光导管技术委员会( c i et e c h n i c a lc o m i t t e et c 3 3 0 h o l l o wl i g h tg u i d e s ) ，确立了光导管技术在照明领域中的重要地位。 国外在光导管系统制造和推广方面也取得了令人瞩目成果。加拿大t i r s y s t e m 公司和美国3 m 公司等已经生产出商业化的产品，如图卜5 和图卜6 所 示。光导管系统用光导管已经标准化，光源、出射装置已经初步标准化。光导 管系统产品推广到了游泳馆、隧道、车问，广场等一些场所。 ( 1 ) 游泳馆中的光导管系统 ( 2 ) 隧道中的光导管系统 ( 1 ) t h e1 i g h tp i p es y s t e mi nn a t a t o r i u m ( 2 ) t h el i g h tp i p es y s t 帆i nt u n n e l 图卜5t i rs y s t e m 公司生产的电光源光导管系统的应用实例 f i g u r e 卜5t h e1 i g h tp i p es y s t e mo ft i rs y s t e mc o m p a n y 同欧美相比，国内对电光源光导管的研究起步较晚，因此发展水平相对较 为落后。1 9 8 8 年，天津大学的科研人员对利用折光玻璃及镜面反射材料制成的 镜面式导光管进行了初步的研究。九十年代初中国建筑科学研究院的科研人员 也开展了利用镜面反射导光管传输太阳光的研究。此后，重庆建筑大学等很多 1 0 大学和科研单位也开始了光导管系统的研究。经过众多科研人员的努力，近几 年国内导光管的研究已经取得了较大的进步。但是，研究成果主要集中在光导 管光线传输机理和太阳光光导管系统研究方面。对于电光源光导管研究成果较 少，尚未形成比较成熟的设计理论。为此，本课题从电光源光导管系统的主要组 成部件入手，对电光源光导管系统光传输性能进行了理论和实验研究。 ( 1 ) 汽车制造厂中的光导管系统( 2 ) 空军基地中的光导管系统 ( 2 ) n i e1 i g h tp i p es y s t e m( 2 ) t h el i g h tp i p es y s t e m i na u t om a n u f a c t u r e ri na i rf o r c eb a s e 图卜6 鲥公司生产的电光源光导管系统的应用实例 f i g u r e 卜6t h el i g h tp i p es y s t e mo f3 mc 0 m p a n y 1 4 本课题的主要研究工作 1 ) 建立普通光源发射的光线在光导管中传输时传输效率的计算方法； 2 ) 设计、制造无缝光导管系统，对其光传输效率进行理论计算和实验测量。绘 制光导管长度、光源光束角等因素与光导管系统传输效率的关系图表。建立无 缝光导管系统在照明应用中的计算方法。 3 ) 设计、制造有缝光导管系统，绘制了光导管长度和缝隙角度、光源光束角等 因素与光导管系统光传输效率、侧面亮度均匀性的关系图表。建立有缝光导管 系统在照明应用中的计算方法。 4 ) 设计、制造一套双端电光源有缝光导管系统，并对将其应用于文物展柜照明 的形式进行初步探索。 第2 章光导管导光原理 2 1 引言 光导管是一种空心的光传输装置，光线进入光导管后主要是在空气中传输， 在传输过程中，光线会与光导管内的光学界面发生多次相互作用，这种相互作 用改变了光线的方向。根据光线传播的基本物理效应，光导管可以分为3 种基 本结构，即透镜式光导管、棱镜式光导管和镜面式光导管，它们分别基于折射、 全反射和镜面反射的原理制成。本课题所研究的光导管为镜面式光导管，为此 本章将主要对镜面式光导管的导光原理进行分析。 2 2 镜面反射原理 光遵循反射定律，在反射过程中光能量传播方向发生变化。镜面反射和漫 反射都是光投射在物体表面上的反射现象，不同点在于反射面相异，反射面粗 糙，发生的是漫反射；反射面光洁，发生的是镜面反射。“。发生漫反射时，平 行光束的能量经反射后将向不同方向传播，不同方向的光能分配由粗糙的反射 面决定，即漫反射光线携带了新的由反射面决定的光信号，人眼接收到漫反射 光的光信号，就能看清物体表面。发生镜面反射时，反射光束仍为平行光束， 光信号未变，反射光并没有携带新的由反射面决定的光信号，所以人眼不能看 清物体的表面。如果入射光束是非平行光，反射仍可分为漫反射和镜面反射。 镜面反射不局限于光洁的平面。光洁的球面或其它形状的曲面都能发生镜面反 射，反射后光线改变传播方向。虽然光能量传播方向和光信号会发生变化，但 都有一定的规律。例如凸镜反射所成的虚像比物要小，虚像的形状跟物有相似 之处。说明光信号有相应的改变，但不会像漫反射那样反射光的光信号跟入射 光信号不相关，漫反射的光信号跟物体表面粗糙情况相关。光导管是光洁的曲 面，发生的反射属于镜面反射范畴。 任何物体表面不可能是绝对粗糙或绝对光洁的。实际上光照物体表面时， 两种反射并存。无缝镜面式光导管利用的主要是镜面反射，还有部分是漫反射。 入射光的能量在反射时重新分配：部分转变成镜面反射光，部分为反射面吸收， 部分转变成漫反射光。三部分能量的分配由反射面情况决定。表面干净的平面 镜，镜面反射起主要作用。若镜面上有一层灰尘，则漫反射的作用不可忽视， 1 2 人就感到虚像不很清晰了，所以光导管需要密封，以防止进入灰尘。 同一物体在不同方位观察，也会有不同的结果，这主要是由镜面反射光的 能量和漫反射光的能量比例决定。漫反射光和镜面反射光能量分配的比例，主 要取决于表面的粗糙程度，但入射光的因素也不能忽视。如果入射光束是极有 规则的，例如平行光束或点光源的发散光束，那末物体表面镜面反射光相对比 较强烈。如果入射光来自于不同的方向，且各个方向光能量分布均匀，即使是 光洁的表面，其反射光也是各个方向分布，使镜面反射光信号趋于减弱，人易 看清物体的表面。光源的设计需要考虑这个问题，同理，光导管的出射口安装 散光装置，防止光直接照射也是这个道理。 根据几何光学原理，光在空气中直线传播，具有反射特性。光在空气中传 播时会产生能量散失，路程越长所剩余的能量就越少。为提高远程处的光能量， 可在行程的侧面加上反射装置。理论上反射可以不吸收能量，但是实际上由于 反射材料自身吸收的原因，使得光线在反射介质表面发生反射时损失能量。 2 3 光导管导光原理 光导管根据截面形状可以分为圆柱形光导管、方形光导管和楔形光导管， 其中圆柱形光导管应用较多。为此，本课题主要对圆柱形光导管进行研究。无 缝镜面式光导管内表面材料反射率较高，属于弯曲镜面反射范畴。”。 一般情况下，光源出射光线不是平行光，因此当光线入射到光导管中后， 光线与光导管轴线的夹角也不尽相同。光线和光导管轴线的夹角与光线在光导 管中的反射次数密切相关。夹角为零时，即光线与光导管轴线平行，光线在光 导管中不发生反射，直接从出口射出。光线与光导管轴线虽然不平行，但是夹 角小于某一角度( 此角度由光导管长径比决定) 时，光线在光导管中也不发生 反射，直接从出口射出。 随着光线与光导管轴线夹角的增大，光线开始在光导管中发生反射，但是 反射次数不尽相同，夹角小的反射次数少，夹角大的反射次数多。如果反射造 成的能量损失可以忽略不计，则各种角度光线的传输效率相同。但是，一般情 况下反射造成的能量损失不可忽略不计，所以各种角度光线的传输效率不尽相 同。此时，可以按反射次数划分光线入射角区间，然后分区间计算各反射次数 光线的传输效率，最后计算光线的总传输效率。 因为光源出射光线出射角度组成非常复杂，所以光导管系统总传输效率计 算方法的推导过程比较繁杂。为便于理解，本文将分步进行推导。首先，推导 光源中单根光传输效率的计算方法，然后推导光源中单束光传输效率的计算方 法，最后推导光源出射光传输效率的计算方法。 2 3 1 单根光线的传输效率 如图2 1 所示，光源位于过光导管轴线与左端面交点处，设其轴线与光导 管轴线重合。光源发射的l 根光线以定射角射入光导管。根据上述镜面反射 原理，当光线传播到管壁时发生反射。光线经过反射后，部分能量被管壁吸收， 同时方向发生改变，但是入射光线与反射光线仍然位于同一过轴线的平面内。 因入射光线与反射光线关于法线对称，即入射角等于反射角，所以光线与轴线 所成夹角的大小未发生改变，且仍继续向光导管右端传播。如此在光导管中经 过多次反射，光线从位于右端的出口射出。反射使得光线能量减少，造成光通 量降低。反射次数越多，能量损失越大，所剩光通量越少。 图2 1 单根光线在光导管中的