光导管照明系统概论.docx

光导管照明系统概论王爱英(天津大学建筑学院)光导管照明系统是一种新型照明装置，这种装置不同于以往任何照明灯具， 它可以把光源发出的光从一个地方传输到另一个地方，进行重新分配，以达到 一定的照明效果。 在国外光导管有多种名称，广义上的光导管照明系统称为 Remote Source Li曲ting System，现在多按照CIE的提法将光导管统称为Li曲t Guides。光导管照明系统的表现形式是多种多样的，但它们通常都由三部分组 成：光源、输光装置和出光部件。各种光导管照明系统共同的优点在于：可以把光源放在易于到达的地方，从而简化了维护工作；可以减少光源和导线数量，方便维修：出光口仅仅射出光线，而不带屯，可不含紫外线和热辐射。1国内外光导管照明系统的发展很久以前，人们通过光学实验发现，一个内部具有镜面反射层的管道可以 传输光线，也就是说，用光导管输送光的思想很早就出现了。十九世纪七十年 代，俄国的契卡洛夫首先制造出世界上第一个光导管，他在室外安装了大功率 弧光灯作为光源，经过集光系统，将产生的平行光通过长管内的镜面反射引到 室内，用于导线车间的照明。第一个光导管的专利是William wheeler 1881年 在美国申请的。由于材料和工艺水平的限制，早期的光导管效果并不理想，因 而导致其发展在一段时间里处于停顿状态。随着光学纤维技术的发展，许多研究者开始意识到光学纤维可以用来高效 地输送光能，但是它的缺点是尺寸太小，用来输送大的光通量用于照明是不经 济的。第一个大尺寸的光导管1965年在前苏联首先问世，由Gennadv Bukhman 设计制造。这种光导管用弹性聚脂薄膜制成，内表面涂有金属反射层，并留有 一条长的出光缝，故称为“有缝光导管”。1975年Ge叻ady Bul(1】皿an和Julian A泣enberg共同申请了有关塑料薄膜镀铝制造的有缝光导管专利。从此以后，他一11】一们在莫斯科照明研究院对有缝光导管进行了大量的研究工作，光导管开始在前 苏联很多易燃易爆场所推广使用，另外还将有缝光导管用于引入天然光等。在 Julian Aizenbe曜等人的领导下，有缝光导管在前苏联得到了空前的发展，总安 装量超过47000套。应该说，有缝光导管的迅速发展与前苏联国民经济发展向 重工业倾斜不无关系。1978年加拿大British c01umbia大学物理学教授Lome whitehead提出基于 内部全反射现象的棱镜光导管。这种光导管的管壁是透明的，并具有形状尺寸 十分精确的纵向棱镜，光线从光导管一端进入在棱镜表面不断发生全反射， 从而沿管长不断传播。第一个棱镜光导管在1979年申请专利，1982年作为产 品出现的棱镜光导管截面是方形的，外层是一层粗糙的棱镜结构。在定的入 射角内，它的反射率可达到98。这种光学薄膜的生产工艺非常复杂，最终在 1989年由3M公司推向市场。目前棱镜光导管在很多发达国家都有应用【11。为了推广和提高光导管照明技术，1994年4月国际照明委员会成立了“空 心光导管技术委员会”(CIE Technical committee TC330”Hollow Li曲t Guides”)，主席由俄罗斯人JuliaIl Aizenberg担任，这是光导管发展史上一件具 有重要意义的事件【2J。最近世界上又出现了一种新式的光导管照明系统一环形透镜光导管照明系 统。这种新型照明系统由加拿大UBc大学结构化表面物理实验室(Stm曲Jred surface Physics iab)研制。该系统包括一种新式环形透镜光导管和一种新式光 源一太阳1000(Solar 1000)，它展示了多种技术的结合，是一种具有很大照明节电潜力的新式照明系统。对模型的光度测试结果表明该光导管的损失很小，它能把大功率的光源发出的光沿光导管长度均匀地进行分配，照亮了周围空问， 而不会产生眩光和局部亮点，给人一种沐浴在太阳光下的感觉。太阳1000是马 里兰州熔合照明(Marylallds Fusion Li曲ting)公司的产品，它是一种高光效、 长寿命的微波光源，近年来引起业内人士的极大兴趣。这种光源发出的光十分 接近太阳光谱。但是，为了使它在一个大面积内高效地提供照度，就需要导光 系统均匀地分配光线。环形透镜光导管就是这样一种系统，实验证明它和这种 光源的结合效果很好例。国内光导管的研究和使用起步较晚，由于经济发展水平的限制使得我国在 光导管的发展方向上选择了有缝光导管。中国建筑科学研究院建筑物理研究所、 河南省电力勘测设计院、平顶山姚孟电厂和江苏武进崔桥玻璃钢照明器材厂共112同研制了我国第一个有缝光导管照明系统，并装设在姚孟电厂三四号机组的燃 油泵房内。该光导管为圆柱形，直径05米，长度30米，主要起防燃防爆的作 用。后来上海灯具研究所研制了直径160毫米、全长6米的有缝光导管，对南 京光学纤维厂的照明装置进行改造获得了良好的照明效果。1995年重庆建筑 大学在某发动机装配车间安装了直径055米、长78米的有缝光导管照明系统， 并向国家专利局申请了国内第一个光导管专利。该系统光源采用l000瓦高光效 金属卤化物灯，工作面平均照度达到600 Lx以上，均匀度较好，节电量大于 lO，维护工作量成倍下降。总的来说，我国在光导管的研制和应用领域仍然十分落后，光导管的传输 效率有待于进步提高，在基础理论研究和产品设计、实践操作方面尚须投入 较多的智力和资金，为了达到或接近世界领先水平需要做的工作还很多。2光导管照明系统的原理及应用21光导纤维照明系统光学纤维(Fibreoptical Light Guides)是本世纪70年代开始应用的一项高 新技术，最初应用于光缆通信系统，80年代以后才扩展到输光照明系统。光导纤维通常是长的透明的具有圆形截面的弹性体，用硅酸盐玻璃或塑料 制成的。每根光纤由同轴的两部分组成：内部的芯体作为传输介质，外层是防 止光线逸出的低折射率包层。玻璃光纤的直径为50150 um，大量这样的光 纤捆在一起组成光纤柬。塑料纤维可象玻璃纤维那样组成一束，较粗的塑料光 纤也可以单独使用。光纤束的截面尺寸由光纤的多少决定，通常用于照明的光 纤束直径大约10毫米。光纤和光纤束放在一个弹性管内，以保护内部不受破坏。 光纤的导光原理是基于光的全反射现象。当光由光纤端面射入，到达芯体 与包层分界面上，并且芯体介质的折射率大于包层介质折射率时，只要光线的 入射角大于临界角，就会发生全反射现象，光线始终在光纤中传递，经过多次全反射后从光纤的另一端射出。光导纤维照明系统通常由光源控制盒(或光源发生器)、光导纤维和出光装 置三部分组成。常用的光纤照明系统有两种：端部(点状)照明，侧面(线状) 照明。它们的不同之处在于：在前一种照明方式中光纤本身并不发光，只起传输光线的作用，而在端部出口处有一个光学装置用来分配光线。而线状照明由一种能逸出光线的特殊光纤组成，光纤本身既作为输光装置又作为出光装置【4】。若在控制盒内加入彩色滤光装置，可不断改变光纤的颜色，产生霓虹灯一 样的效果，因此这种侧面发光的光纤又称为光纤霓虹灯口J。对于线状照明，光 纤发光的亮度随光纤长度(与光源的距离)的增加而降低。为获得均匀的亮度， 一种办法是将两个控制盒放在光纤的两端，另一种办法是把光纤的另一端绕回 同一个控制盒。光导纤维照明系统的光源应满足小尺寸、光色好、长寿命、方便高效的耦 合和合适的光输出等要求。对小功率系统光源多为低瓦数卤钨灯，对大功率系 统多为HID灯。两种光源都比较合适，因为它们的发光体相对较小，有利于实 现光学控制，提高光能利用率。在三种光导管中光导纤维是技术最成熟、应用最多的。它最大的优点在于 传输距离长，弯折灵活，易于安装，视觉效果好。但是，由于所能传输的光通 量太小，其应用领域也受到一定的限制，大多用于对照度要求不高或面积不大 的照明场所。在室内多用于装饰以及物品陈列照明，在室外多用于公共照明(如 路灯)，建筑物轮廓照明，指示照明以及装饰照明等。光纤产品目前国内外均有生产，不同的厂家产品质量参差不齐，应该说国 外产品的性能普遍较好。例如美国产光纤霓虹灯使用寿命在5至15年(取决于 环境)，运行温度在。40至+70，闭环推荐长度100英尺，最大可达200英尺 晡】，光源控制器还带有微电脑，可随音乐进行控制。匿1棱镜导光管薄膜示意圈22棱镜光导管照明系统棱镜光导管(Prismatic“ght Tube)象光纤+样也是把光线从一端传向另 端，它的工作原理也是材料内部的全反射。棱镜光导管是根据光辐射在光密介质中的全反射原理制造的。棱镜薄膜厚 O5mm，用透明的有机玻璃或聚碳酸酯制成，薄膜的一面是象镜面样光滑的 平的表面，另一面具育极为精密的均匀分布的纵向棱镜波纹(图1)旧j。这些 波纹的截面是顶角为90。的三角形棱镜，表面的粗糙度小于可见光波长。把棱 镜薄膜卷成圆柱形管子，光滑的一面向内，有棱镜波纹的一面向外。沿着管长 方向射来的一束光线就可以通过光导管的一端进入，经过多次反射，到达管子 的另一端81。理论上所有的光线都应被反射，但由于薄膜的不规则使得小部分 的光线透出管壁。这些透出光线使得管壁发亮，从而使光导管既作为一个传光 装置又作为透光装置。资料表明，棱镜薄膜的反射率为98，这种薄膜高的反射率使得它在远距 离传输光线时比其他材料效率更高。棱镜光导管的截面尺寸小，表面亮度低于 传统灯具，可减少直接眩光，而且亮度随长度(即到光源的距离)增加越来越 小。用于指示和装饰照明的小尺寸棱镜光导管直径约为100mm，最长可达30m。 大尺寸的棱镜光导管发光尺寸在200300mm，最长7m。棱镜光导管照明系统 结构简单，只要在工厂加工出棱镜薄膜组成的定型管材，安装工作就变得相当 简单。日常维护工作主要是除尘和更换光源等等。棱镜光导管柔和的发光表面和流畅的线条受到照明设计师的普遍青睐，因 而在未来的光环境设计中有着广阔的应用前景。大尺寸的棱镜光导管可用于室 内照明。小尺寸的棱镜光导管用于室外标志，也可用于装饰及局部照明。用于 室外照明的棱镜光导管光通量输出较低，表面平均亮度约为50300cd，m2，但 对于大功率HID灯为光源的用于室内照明的棱镜光导管光通量输出较大，表面 平均亮度约为3000 cdm2f。最近几年棱镜光导管发展很快，棱镜薄膜的生产 工艺日趋成熟，在欧美国家，商品化的棱镜光导管可在许多制造商那里买到， 包括直段及现场安装的弯头部分。棱镜光导管还可用于引入天然光。垂直方向的棱镜光导管可灵活地穿过屋 面及楼板，把天然光引入室内，并进行光线重新分配，从而提供均匀的照度。这 种光导管的项部是一个用于防雨和防尘的拱顶，底部是漫反射装置。在冬季可 增加光线采集器，比如太阳罩，从而收集更多低入射角的太阳光。著名的俄罗一11 5斯科学家JBAizenbe唱设计的Heliobus系统就是用棱镜光导管把天然光引入室内n就光导管本身而言，棱镜光导管的输入输出效率在60到80之间19J。不 论是光导纤维还是棱镜光导管，它们对材料的加工和制造工艺要求都是相当高 的，因为这直接影响到它们的效率。3M公司花费了大量的人力、物力和财力 来研究如何减少棱镜薄膜的吸收损失、降低生产成本。尽管目前棱镜光导管应 用很广，昂贵的价格仍是制约它发展的重要因素。目前棱镜光导管在国内的售 价为人民币5000元，米。23有缝光导管照明系统有缝光导管的研制主要是前苏联为了解决一些易爆车间和恒温车间的照明 问题，这些场所往往需要大面积的照明，同时对温度比较敏感。有缝光导管能 在满足一定的照度和照度均匀度的条件下，节约电能、减少安装和维护费用。 前苏联政府组织了大量的人力、物力、财力进行有缝光导管的研究工作，使得 有缝光导管在前苏联得到了不断的发展。有缝光导管照明系统主要由光源和输光管道组成。光导管内表面涂有镜面 反射涂层，并留有一条长的出光缝，光线沿管道不断地被反射，然后从出光口 散射或透射出来，射到工作面上。光导管管径为250mm(光源lKw的HID灯) 至12m(光源35KW的HID灯)，管长最长可达80 m，管壁用柔性或刚性材料 制成。柔性材料由对苯二甲酸乙二醇酯薄膜制成，最大反射率可达90，工作 温度为60+140，难燃且耐酸碱，可用超声波焊接或粘结。刚性材料为压制 铝型材【”。有缝光导管可在一端或两端安装光源，其截面形状有圆形、楔形和矩形等。 可依据有缝光导管的长度、直径和形状等特点，考虑和建筑场所的构件形成统 一格调。有缝光导管可做成建筑上的光柱、光梁、光檐、发光顶棚等。它可以 衬托出建筑物之纹理，创造生活中的各种气氛，建立各种透视效果。有缝光导 管在前苏联得到不断改进，并已广泛推广使用。有缝光导管起初主要是用于易 燃易爆场所，后推广到其他一些大面积的场所照明，包括大型厂房、地铁车站、 蔬菜暖棚等等。前苏鞋制作的平面式有缝光导管效率大约为5055，其他截面形状的有 缝光导管效率还要低一些。有缝光导管照明系统结构简单，但是加工工艺复杂，116特别是柔性光导管，加工难度大，需要用超声波焊接薄膜，并且在使用过程中容易受损变形。3今后需要解决的阎题制约光导管广泛应用的一个重要因素就是效率比一般灯具要低。这是因为 光线在进入光导管之前，还必须经过灯具内表面的反射，光能会有部分衰减， 这部分损失就是一般灯具的损失但是光线进入光导管之后，经过镜面反射或 全反射时，还要有些损失。因此，要提高光导管的系统效率，主要应从以下三 个方面出发：31使用大功率高光效新型光源 一般来说，光源的功率越大光效越高，而一般室内照明场所使用的光源功率都比较小当光导管所使用的大功率光源光效提高到一定程度，有可能抵消光导管传输过程中的损失，而使得整个照明系统的效率等同于甚至高出般室 内照明灯具的效率，此时光导管的优势就显现出来了。微波硫灯的出现为光导 管的推广使用带来了新的契机，它不但符合大功率高光效的要求，而且具有光 色好、寿命长、无污染等多种优点因而从目前情况看，微波硫灯用作光导管的 光源是今后的发展趋势。32研制高效的暴光系统对光导管的系统效率进行研究之后发现，光线进入光导管之前聚光系统的 聚光效率是影响整个照明系统效率的重要因素。今后如能为光导管专门研制高 教聚光装置必然会进一步提高光导管照明系统的整体效率。33研制高效反射材料在有缝光导管照明系统中，反射材料是影响光导管效率的重要因素之一， 光线在光导管内部发生反射时总要有一定的