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阳光光纤采集系统设计毕业论文 目 录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景及意义11.2 国内外发展及研究现状21.3 课题主要研究内容3第2章 阳光光纤采集系统整体结构52.1 系统组成52.2 系统各部分工作原理52.3 本章小结8第3章 光路系统设计93.1 聚光器的选择93.1.1 聚光器的种类93.1.2 菲尼尔透镜聚光器113.1.3 菲涅尔透镜汇聚特性143.2 光传导导体的选择与分析163.2.1 导光管的基本结构163.2.2 光纤的基本结构183.2.3 光纤导光原理193.2.4 光纤传输特性243.2.5 光纤的选择253.3 光耦合条件253.3.1 横向误差对耦合效率的影响263.3.2 纵向误差对耦合效率的影响273.3.3 角度误差对耦合效率的影响283.3.4 太阳光与光纤耦合装置设计293.4 阳光光纤照明简易实验装置313.4.1 装置组成313.4.2 装置照明效果323.5 本章小结33第4章 阳光跟踪系统设计344.1 硬件控制系统344.1.1 单片机354.1.2 光电检测电路的设计364.1.3 单片机控制电路设计394.1.4 时钟电路设计404.1.5 步进电机的选择414.2 软件控制系统504.2.1 光电追踪器模块的设计524.2.2 光电检测追踪模块的设计534.2.3 太阳固定轨迹追踪模式的设计544.3 本章小节55总结56参考文献57致谢59附录 光电追踪设计程序60I第1章 绪论 第1章 绪论1.1 课题背景及意义近年来，随着城市建筑趋向高层化和密集化，仅依靠传统的釆光方式已经不能满足建筑物内部的釆光要求。尤其是那些建筑较低、暗室及地下仓库，即使是晴天，室内光线也很昏暗，这在无形之中增加了人工照明的电能损耗，而且给长期在此环境中生活与工作的人身心健康带来不良影响。故如何做到高效地开发和运用新能源，使之成为人类主要的能源供给方式，现在看来，无疑是一个相当有价值的科研课题。根据国际能源协会公布结果，2013年全世界用电量为2650TW.h，世界各国平均照明用电量约占全球总发电量的19%。其中，全世界越28%的电能用于居住生活。在我国，每年北方新竣工的建筑面积为12亿平方米，照明用电量大约占发电量的12%左右，并且主要以低效照明为主，照明终端节能具有很大的潜力。同时照明用电大都属于高峰用电，照明节能具有节约能源和缓解高峰用电的双重作用。太阳是一个非常理想的天然光源，它发出的电磁波含有无线电波、红外线、可见光、紫外线、X 射线、射线和宇宙射线，太阳辐射到地球的总功率约为1.731017 W，其光功率强度达到1367 W/m2，其中红外光的能量约占太阳总辐射能的一半。太阳能开发和利用的技术包括太阳采光、热能利用和光伏发电，其中利用昼光进行采光照明，可实现建筑的昼间照明，若利用太阳能电池给蓄电池充电，则夜间也可实现照明，充分利用太阳能是照明技术发展的一种趋势。20 世纪 70 年代能源危机后，能源和环境问题举世瞩目。从现在算起全球的化石燃料耗尽的时间平均不足 100年，太阳能是最典型、能量最强的自然光源，但仅有很少一部分通过玻璃窗、天窗射入室内，大部分随着日月交替而白白流逝了。照明能耗是人类生活能源消耗中最多的一项，约占总能耗的 9% 以上。太阳能的开发利用一般有间接和直接间接两种途径，间接方法通过光电转换或光热转换，面临转换效率低、转换成本高的难题，直接利用是太阳能利用的新思路。国家游泳中心 “水立方”采用的ETFE 膜透光性非常好，为场馆带来了每天近 9 小时的自然光照射，节能 30% ，然而其使用范围有限。所以太阳能光纤照明系统采用光纤引导自然光照明，是充分利用太阳能照明最为新颖的途径，在节能型城市的建设中，必将受到国际建筑和照明界的高度重视。太阳能光纤导光照明系统不仅能够把清洁健康的阳光均匀导入室内，随意改变室内光线的整体和局部布局，代替白天的电力照明，大大节省电费开支，而且节能环保，足不出户便能充分地沐浴阳光。传统的太阳追踪光纤导光照明系统存在很多缺陷:由于采光结构接受光照的面积较大，面积大小也易发生变化;清理和维护需要定期进行，自动维护效果较差;弦光和亮光差问题导致光照效果不好;传导系数较低，需要附加制冷或者采暖设备，增加了消耗;由于缺少调节光亮的装置，设备不能根据光线的变化随时调整输出照明效果;此外防火、隔音和防水等性能方面也有很多不足。光纤导光照明因其独特的优势，更直接、更好的利用室外阳光的采集来对室内光线做出改善，光纤照明作为一种特殊的传导光能的形式，同时因其传光具有安全、可靠且是自然光等优点，近几年来在照明领域的应用越来越广泛。它可应用于体育馆、机场、火车站、地下车库、高湿度、高温度场所、水下或水池边、甚至有火险、爆炸性气体的场所等地，它是一个安全的光源。光纤照明与电照明相比，具有不可替代的优势。随着光纤导光照明技术的日趋完善以及计算程序和测试方法上的成熟，简化了光纤照明设备的安装。该照明方式的优点是很少受到环境的影响。因上述该照明系统的优点，必然促使光纤照明的需求增加。通过跟踪器、控制器、聚光器以及室内的散光器等各种各样的部件可组装成一套完整的光纤导光照明系统。光纤照明不仅安全、环保、美观、价格低廉，而且给室内照明提供来自大自然的自然光线，非常具有研究价值。1.2 国内外发展及研究现状日本日本是将太阳光用于室内照明作为研发对象最为活跃的国家之一。1979年8月laforet公司制造出第一个采集太阳光的照明系统“Himanwari”，即“向日葵”。Himanwari采光器的核心组成为菲涅尔透镜、太阳跟踪装置及光缆，还包括照明灯具和供夜晚、阴雨天用的人工照明光源设备。控制程序中包含计时功能，能够根据年、月、日、时来判断太阳的位置，使透镜面向太阳，光缆采用石英光纤，长度不能超过20m。美国20世纪90年代中期，美国便幵始进行将太阳光用于照明的研究。大概在1995年，美国能源部橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory)发明了组合太阳光照明系统。这里的组合照明，就是以太阳光照明为主，不足之处再用电照明填补。美国的研发时间比日本滞后，但是经过美国政府尤其是能源部的大力支持及企业、院校、科研机构等的共同努力，该技术发展速度非常快。欧盟总部位于瑞士的巴士(Heliobus)公司与俄罗斯Aizenberg教授共同研发的太阳光室内照明系统采用定日镜收集太阳光，然后用美国3M公司提供的棱镜光管把阳光导入室内，1997年此系统荣获欧洲环保技术交易会颁发的欧洲环境奖。中国在我国，八、九十年代，就已经有一部分科研院所和企业着手研究此类自然光导光管(光纤)照明系统。目前主要用于住宅等小型室内照明，技术水平与国外相比还相对落后，应用仍处于试验阶段，2008年北京奥运会中心区地下车库安装的19套导光管系统，是我国将太阳光照明系统用于大型地下空间的首次尝试。1.3 课题主要研究内容所介绍的太阳能光纤照明系统采用了双轴追踪方式，可实现对太阳方位进行大面积、快速准确追踪。论文包含的研究内容有:（1）对传统聚光装置的性能进行了研究，设计出了基于菲涅尔透镜结构的聚光装置，并确定其结构尺寸的具体参数。根据光纤导光特点，不同材质光纤导光强弱，选择合适光纤（2）对太阳能光纤照明系统的太阳光自动跟踪装置的硬件进行了总体设计，并对各个功能模块电路进行分别设计。分析传统的跟踪装置的性能参数，比较其设计的优缺点，设计出成本低、实时性好、跟踪精确度极高的二维跟踪装置。（3）对论文提出的太阳能光纤照明系统的内容进行总结，并对该种照明方式进行展望。59第2章 阳光光纤采集系统整体结构 第2章 阳光光纤采集系统整体结构2.1 系统组成耦合器光纤太阳光照明系统主要功用是利用聚光装置将太阳光采集汇聚后，利用专用的光耦合装置将高密度的汇聚太阳光束耦合进入传光光纤，最后经由漫散射装置将光散射后供人类直接使用。本系统主要组成部分有，太阳光聚光器、光纤与汇聚光的耦合器、光纤传输、传输终端漫散射装置、自动跟踪驱动装置、控制器件、光电传感器件和系统的机械结构等组成。其中太阳光汇聚后与光纤的耦合效率问题、太阳光跟踪精度问题是整个系统中最为关键的部分。图2-1 系统结构示意图2.2 系统各部分工作原理对该种自动跟踪装置进行设计所依据的理论是：位于控制系统中的由光敏二极管和其他的一些电子元器件组成的信号检测电路检测到太阳光线不能很好地照射到聚光装置的釆光面上的时候，控制系统就会向电机的驱动电路发送由脉冲信号组成的控制指令来控制电机的转动。转轴与大齿轮的位置是相对固定的，再加上电机直接驱动小齿轮转动，而小齿轮又直接带动大齿轮进行转动，因此当太阳入射光线与聚光装置采光面发生偏离的时候，控制部分就会驱动电机并带动小齿轮进行转动，进而聚光装置也就跟随着电机的转动而转动。聚光器采用了菲涅尔透镜涅尔透镜的在很多时候相当于红外线及可见光的凸透镜，效果较好，但成本比普通的凸透镜低很多。菲涅尔透镜透可以建造更大孔径的透镜，其特点是焦距短，且比一般的透镜的材料用量更少、重量与体积更小，和普通透镜相比，菲涅尔透镜更薄，因此可以传递更多的光，是一种较为理想的太阳能采集器。根据选取的菲涅尔透镜聚光器的特性设计使用于本系统的专用耦合透镜组。一般情况下大尺寸的汇聚镜都存在较大的球差，这就对汇聚光束很好的耦合入光纤带来了困难。本文中通过设计一组凹凸透镜组作为专用耦合器对聚光透镜进行消球差调整，同时解决了光纤对汇聚光束提出的一些性能要求。通过耦合器的调整，太阳光与光纤的耦合效率得到了较大的提高。目前对太阳方位进行追踪的原理有两种：一种是根据太阳随着时间变化的运动轨迹进行追踪；另一种是利用光电传感器检测并对太阳方位进行追踪。跟踪方案的性能如何将直接决定着太阳光自动跟踪装置对太阳方位追踪效果的好坏。通过把上述的两种跟踪方案进行简单的分析和比较，根据其各自的优点，进而选择出最佳的跟踪方案。光电跟踪就是利用光电传感器和其他的一些电子器件组成太阳方位的信号检测电路，从而能够将由于太阳的方位变化和天气等因素变化引起的太阳光照强度的变化转换为输出的电压信号的变化。然后通过对电压信号的变化进行分析、判断以及处理后，单片机芯片对步进电机的驱动电路输出由相应的脉冲信号组成的控制字以控制步进电机的转动，从而实现跟踪装置带动聚光装置对太阳方位的精确追踪以及聚光装置实时采集到最强烈的直射太阳光的目的。视日运动轨迹跟踪方式的设计原理是根据观测地点的地理位置和标准时间等数据信息，利用天文学公式，并借助于控制系统中程序运算的方式，提前算出太阳的高度角和方位角，然后驱动步进电机带动聚光装置转动并使聚光装置的轴线指向太阳，聚光装置的采光面与太阳的福射光线相垂直。光纤的传输效果也对整个系统的实际使用意义有很大的影响，当会聚光很好的耦合入光纤后，无论装置安装在建筑物的顶部或是安装在地表，都需要几米到几十米的光纤将汇聚的太阳光束传输到室内或者地下空间。这就需要对不同种类光纤的性能进行分析，针对本系统对光纤提出的性能要求进行详细分析，跟据光纤太阳光照明系统对光纤提出的要求，对其进行了选择。光学器件的性能是在其相应的精密机械装置的保证下得以实现的，离开了精密机械装置光学器件是没有意义的。本系统中的机械装置主要涉及到两个方面，一是为聚光器而专门设计的聚光平台，其主要作用是保证聚光器汇聚的太阳光束和光纤间的精确距离控制。另一部分是对步进电机与聚光平台间传动机构的设计。该自动跟踪装置的机械执行部分主要包括：起到固定整个装置作用的底座、实现动力传动的轴承以及大齿轮和小齿轮等。其中底座为整个系统的支撑和承受载重的部件。另外主轴与齿轮都安装在底座上，并且主轴在底座上能够进行转动。还有电机直接驱动小齿轮，而小齿轮又直接带动大齿轮进行转动。该跟踪装置的控制系统的硬件部分主要包括由光电传感器组成的信号检测电路、A/D转换器、单片机控制芯片和电机及其驱动器等部分组成。控制系统的硬件部分的性能优劣将直接影响着太阳光自动跟踪装置的跟踪的精度、跟踪的实时性等，也进一步的影响着整个系统的功能优劣。因此整个系统的实际使用情况在很大程度上取决于太阳光自动跟踪装置的控制系统单元。下图是一个太阳光自动跟踪装置控制系统的硬件框图。图2-2 太阳光自动跟踪装置控制系统的硬件框图2.3 本章小结本章概括讲述了光纤太阳光照明系统的整体结构，简述光路系统单元、控制系统单元以及机械结构单元的基本构成器件。通过对各部分的叙述，说明了整个系统工作原理和关键技术。第3章 光路系统设计 第3章 光路系统设计通过对典型聚光装置的分析和光纤太阳光照明系统的特点，系统选用了菲涅尔透镜作为聚光器。本章针对菲涅尔透镜的聚光特性以及汇聚光斑的特点进行了详细的分析计算，并对入射太阳光束的横向误差、纵向误差以及角度误差对耦合效率的影响进行了详细分析。结合光纤耦合所提出的要求，设计了专用的耦合透镜组，从而实现光纤太阳光照明系统的太阳光汇聚与传输。3.1 聚光器的选择聚光器顾名思义就是用来聚集光线的装置，包括两个很重要的参数:几何聚光比和能量密度聚光比。聚焦原理如下:太阳辖射出的平行光线经过聚光器聚焦后，在焦点处形成一个高密度的能量斑，这样就可以更方便、高效的把阳光親合进光纤。几何聚光比，是指聚光器的采光面和吸收器的出射面的几何表面积之比。聚光器聚光的理论最大值由几何聚光比得到。计算公式如下: (3-1)能量密度聚光，是指聚光器接收面的平均能量密度/入和出射面平均能量密度之比，它体现了聚光器实际的聚光程度。计算如下所示: (3-2)聚光比越高，聚光器的聚光性能就越好，聚焦后的光斑面积就会越小，同时光斑的中心温度也就会越高。3.1.1 聚光器的种类用于收集太阳光的聚光器的种类繁多，从工作原理来说，可分为折射式和反射式两类;从聚焦特性来说，可分为点状光斑即点聚焦聚光器和线状光斑亦线聚焦聚聚光器。但是在实际应用中，常用的聚光器有凸透镜、反射式的卡塞格林式(Gassegrainian)以及折射式的菲涅尔(Fresnel lens)透镜式。凸透镜聚光器常规凸透镜透镜一般是中间较厚，边缘较薄的透明透镜，其主要对光线起汇聚作用。常规玻璃凸透镜的聚焦性能与其厚度有关，要实现高能量，大面积的光线聚焦，则需要把凸透镜的厚度增大，这样以来，制作成本较大、透镜重量大、安装难度大、成本昂贵。菲涅尔透镜菲涅尔透镜是由常规平凸透镜演化而来，一面刻有多个同心棱镜序列，即一圈一圈的同心圆，另一面为光滑表面，菲涅尔透镜相比传统凸透镜具有光学特性好、光线聚焦性能好、质量轻、体积小等优点。光发生折射现象的条件是在两种不同介质接触的表面，对透镜而言就是发生在与空气接触的表面，而透镜表面间的材料对折射现象是完全没有影响的。1748年时法国的数学物理学家Georges-Louis Leclerc幵始思考通过改变透镜的表面来达到减重与节省材料，同时具有凸透镜的聚焦效果，1820年，Fresnel利用Leclerc思想制造出第一面菲涅尔透镜，成功用于灯塔。菲涅尔透镜的设计概念在于拿掉传统透镜中的多余材料，方法是把透镜两表面的厚度减小或者将中间的部分挖空，在不改变该透镜的曲率的前提下，在透镜表面制造出许多同心圆状的四槽，该光学器件仍然可以将平行入射到透镜的光线聚焦在原来的焦点上。透镜对其表面上的纹理的设计、光洁度、厚度等要求很高。菲涅尔透镜是平面化的聚光器，具有重量轻、成本低廉、安装方便、透光度高、聚光比高等优点，因而在实际应用中受到更多的青睐。菲涅尔透镜的一面是按照一定设计规则加工出来的银齿状契角，当太阳光线照射到棱角的时候发生折射，使光线汇聚到一点F。但是如何做到照射到每个棱角的平行光线都会折射到焦点处呢?这主要由棱角的角度决定。从公式： (3-3)式中，n:透镜折射率，f:透镜焦距，x:该棱角离菲涅尔中心线的Xx轴距离。可以看出离透镜焦点所在轴线不同距离的棱角沒的大小是变化的。与轴线的距离越大，棱角的角度0越大。可看出理想的棱角的大小是连续变化的，实际制作过程中，棱角的变化不可能是一个连续的过程，在一定的长度内，棱角的角度是固定的某个值，所以平行主光轴入射的光线不可能形成一个光点，而是一个光斑。如果这个长度越短，棱角的角度变化就越连续，则光斑的面积就会越小，单位面积的能量密度会越大。卡塞格林式聚光器一般的反射式聚光器，线聚焦的多采用槽式抛物面镜，点聚焦则多釆用碟型抛物面镜，或塞格林式聚光器。抛物面镜的光纤特性为将平行入射光反射至一个焦点，利用此原理将光纤端头放置在焦点处进行光线的稱合。塞格林式聚光器包含两块镜子，一块是一片碟型抛物面镜，另外一片是蝶形双曲面镜，双曲面镜的两面各有一个焦点。卡塞格林式聚光器是先利用抛物面镜将入射光聚焦到双曲面镜背面的焦点处，然后利用双曲面镜将光线再次聚焦到它正面的焦点上。优点是:(1) 阳光经两次聚焦，聚焦效率更高;(2) 可以改变光纤放置的位置、系统长度缩短。通过对上述三种透镜的介绍可知，不同于常规凸透镜与塞格林式聚光器，菲涅尔透镜具有重量轻、成本低廉、安装方便、透光度高、聚光比高等优，而在实际应用中受到更多的青睐，因此用常规凸透镜作为太阳追踪光纤导光室内照明系统的聚光器不是最佳方案，故在本系统设计中的聚光器选择菲涅尔透镜。3.1.2 菲尼尔透镜聚光器菲涅尔透镜是将普通曲面透镜的曲面切割成若干个平行排列于同一平面的同心环带，这样做的主要目的是对传统的曲面透镜简化，其不仅降低了透镜的重量、厚度和体积，而且更易于加工制造。但这样做的缺点是菲涅尔透镜将无法成像，这是由于斜面代替曲面后光束经折射后将无法汇聚于一点，如图所示，当太阳光束 a、b、c 经折射后分别交于a 、b 、c 从而形成一个小汇聚平面a c ，为了使小平面尽可能的趋于一点，可以将 r 尽可能取小，但这会对加工精度要求提高。图3-1 菲涅尔透镜成像菲涅尔透镜是将普通曲面透镜的曲面切割成若干个平行排列于同一平面的同心环带，同时将每一个小曲面改进为平面，一般来说，菲涅尔透镜每个环带的大小r 取相等的值，透镜焦距与聚焦孔径也会根据使用要求提前设定，因此对尖劈角na 的计算校核是透镜设计的主要任务，如图所示，从光学意义上讲，F为物点 f 为物距，F 为像点f 为像距，点 u 为光束的入射点， R 为入射点到透镜中心线的距离，点v为光束经透镜的出射点，R 为出射点到透镜中心线的距离。为了便于计算，将v点取为尖劈斜面的中点。从图中可以看到入射光束与菲涅尔透镜主光轴的夹角为i ，光线入射角为i1 、透镜平面的折射角为i1 ，透镜尖劈斜面的入射角为i2 、出射角为i2 ，光线经透镜尖劈面出射后与主光轴的夹角为i ，由折射定律可得： (3-4)式中N 为空气的这是率近似取 1，N 为菲涅尔透镜材料折射率。由此容易得到 (3-5) 可以推得： (3-6) (3-7)将(3-6)带入(3-7)得 (3-8)由此可得菲涅尔透镜尖劈角an 的计算公式(3-8)，现从物象、焦距角度分析an 图3-2 菲涅尔透镜光线示意图 (3-9) (3-10) 在菲涅尔透镜用于太阳光采集时，一般认为平行太阳光垂直射入透镜，由此得，.且(2-10)可简化为 (3-11)一般来说，透镜中心高h 远小于透镜焦距 ，现将(3-11)简化并代入(3-8)中，最终可得菲涅尔透镜尖劈角与光束入射位置、透镜焦距之间的关系式： (3-12)还可以得到 (3-13)3.1.3 菲涅尔透镜汇聚特性某波长平行太阳光束以角度i 入射，在菲涅尔透镜的第n个环带处（与主光轴的距离为nr =R ）的尖劈角an 可用公式（3-12）得出，该光束在此尖劈斜面的出射角度 可用公式（3-13）得出，现在菲涅尔透镜像方建立坐标系， x 轴为菲涅尔透镜半径方向，z 轴为主光轴方向，如图所示，当光束以角度i入射菲涅尔透镜时，容易求得汇聚方的空间坐标轨迹，即 (3-14) 式中的为菲涅尔透镜出射点到中心线的距离。现假设 n 条平行光束入射，可知汇聚区域纵坐标取时，相应的横坐标分别为(、 )，由此可得到在 处的焦斑直径为，且。同理可得整个汇聚区域中 个点的纵坐标值，且推出汇聚区域各处的直径后，其中的最小 值所对应的横坐标便是整个汇聚区域中心半径最小位置，且称为束腰半径，由此可得当某波长平行光束以角度i入射菲涅尔透镜后，其汇聚区域的最佳焦斑位置为束腰半径处。 (3-15) 图3-3 某波段太阳光束以角度i 入射菲涅尔透镜汇聚示意图对于菲涅尔透镜的聚光性能来说，若不考虑汇聚过程中的能量损失，则可以用几何聚光比 C 表示聚光程度： (3-16) 式中的Sa为菲涅尔透镜的汇聚光斑的面积，S1 为太阳光束入射透镜的面积，可以视为菲涅尔透镜的有效面积。一般认为汇聚系统中没有能量损失E=C，但实际情况为E C。对于具体透镜来说，假定透镜的有效直径为 D，透镜的汇聚光斑直径为d ，则 (3-17)其中d 与太阳入射到菲涅尔透镜表面的角度相关。当太阳光束垂直入射时，汇聚光斑为一个立体的圆棱形且此时汇聚光斑直径最小为dmin ，将其称为束腰直径，聚光比 C 在此时取值最大。当太阳光束斜入射时，菲涅尔透镜的汇聚点为一个形状不规则的弥散汇聚光斑，显然此时d 值增大，几何聚光比减小。因此在利用菲涅尔透镜作为聚光器时，太阳光束需要始终垂直入射。3.2 光传导导体的选择与分析光纤和导光管在传输光线的过程中，对光的衰减小，因此太阳能光纤照明系统中用光纤和导光管将聚光装置采集到的太阳光束有效地传输到需要照明的场所进行照明。3.2.1 导光管的基本结构导光管一般被设计成为圆形的管子，其内壁通常被渡上一层对光发射能力强的物质或者填充上某种介质。现在在项目建设的具体过程中，使用场所最多的导光管有两种，一种是液芯导光管，另一种是空芯导光管。空芯导光管在其管壁的内表面涂上对光具有较高反射率的反射物，光通过其反射涂层上的反射物的反射而在导光管中进行传输。空芯导光管的反射涂层的反射率在理想情况下被看做是1，然而在实际的加工过程中是不可能达到理想值1的，而导光管在传输光线的过程中，对光线进行反射的次数是随着光线传输距离的增加而增多，因此被传输光线能量的衰减也就随着反射次数的增加而增多。所以光在空芯导光管中传输的时候，光损耗的情况就会更加严重，导致最后剩余的光线能量根本无法达到照明的目的。故对于空芯的导光管來说，利用对光线的反射作用来传递光线会在传输的过程中产生很大的光衰减。相反，对于液芯导光管来说，其是利用对光线的全反射作用来进行光线传输的。下图为液芯导光管的剖面示意图图3-4 液芯导光管剖面示意图图3-5 不同长度导光管透光率 3.2.2 光纤的基本结构光导纤维是双重构造，核心部分由圆柱形的纤芯和包层构成，最外层是由耐磨的塑料包裹起来，增加了光纤机械强度，防止光纤与外界环境接触时受到污染侵蚀或损坏。光纤是一种高度透明的纤维，通常是由聚合物制棒之后再拉制成丝而制作成的。从光纤的横切截面来分析的话，光纤从外到内包括三部分，即外层是表面的涂覆层，中间部分是折射率较低的包层，而最内层是折射率极高的纤芯。对于光纤来说，其折射率在纵向上的分布是处处相同的。另外从光纤纤芯区域的折射率在径向上的分布不相等的原理来分的话，光纤能够被分为两种类型。一种是其折射率在光纤纤芯区域中是一个不随其他参数变化而变化的值，但是在光纤纤芯与包层相接触的地方，折射率会突然变大或变小的光纤被定义为阶跃光纤。而另外一种光纤在光纤纤芯区域内，其折射率随着某种函数变化的关系逐渐变小，这种光纤被定义为渐变光纤。对于折射率分布不同的光纤来说，光纤在对光线传输的过程中，对入射光线的入射角、对传输光线产生的损耗都因折射率的不同而有所差异。下图显示了两种不同折射率的光纤在横截面上的分布。图3-6 两种不同光纤在横截面的折射率分布对于标准的单模光纤来说的话，其折射率会突然变大或突然变小，即呈阶跃型分布。其光纤纤芯的横截面面积比较小，模场直径的尺寸大小也是介于8um至10um的范围之间。另外该光纤在对光线进行传送的过程中，光线是按照直线顺着光纤的中心对称轴线进行传播的。然而与单模光纤相比的话，多模光纤所具有的特点是光纤纤芯的横截面面积比较大，能够传送许多不同的模式。多模光纤因其对光线的折射率在包层和纤芯的径向分布上不是一个恒定不变的数值，故多模光纤可以被区分为阶跃多模光纤和渐变多模光纤两种不同类型。另外根据纤芯的直径2a和光波的波长在数值上相除所得比值的大小，光纤能够传输光的原理可以用电磁场及模式理论和光线理论进行分析。对于多模光纤来说，2a与相除所得数值比光波波长大很多。而对于車模光纤来说，2a与可比拟。3.2.3 光纤导光原理当光从折射率比较大的传输介质中入射到折射率较小的传输介质中时，通常情况下会在这两种不同介质的交界面处对传输的光线分别产生反射以及折射现象。而当入射到传光光纤上的光线的入射角比临界角大的时候，入射光线在传光光纤中只会产生全反射，而不会产生反射。因此对于光纤传送光线来说，只要满足光纤中的光线发生全反射的条件时，即入射光线的入射角大于临界角时，光线就会在光纤中只发生全反射现象而不会发生反射现象了，因此入射进传光光纤中的太阳光光线就能够进行有效地传送了。下图为光纤中的光线能够发生全反射而进行有效传输的条件示意图。其中(a)为不同入射角时的光线传输条件示意图，而（b）为光线入射角等于临界角0。时的光线传输条件示意图。图3-7 光纤中的光线能够发生全反射而进行有效传输的条件示意图图中给出了子午光线这个概念的定义。不过要想弄清楚子午光线的概念，还需要首先弄明白子午面的定义。所谓子午面是指任何平面，只要穿过光纤的中心轴线，就是子午面。而子午面内的任意一条光线都被叫做子午线。在传光光纤的光线入射点的横截面处，以不同入射角a从空气中入射到纤芯的光线中，只有入射角介于一定角度范围内的光线，在射入光纤的纤芯时产生的折射光线才会在光纤中发生全发射，进而在光纤中进行传输，即射入光纤端面的光线的入射角是，在波导内与垂直光纤轴线的夹角是=c的光线才会发生全发射，而c的光线将会折射进入包层中，进而再折射或反射被泄露到周围的环境中去。总之，要想使光线在稱合进光纤以后，并能够在其中进行传输的话，光线必须要满足的条件是其入射角必须要能够使进入光纤的光线在光纤内发生全反射而返回纤芯，其光线的传输路径是由一条条折线连接而成，并且最大光线入射角应该是临界角=。另外在空气与纤芯的分界面上，根据斯涅耳定律公式有: (3-18) 根据光线在传光光纤中发生全反射的原理可以得到 (3-19)另外将该表达式带入到上述公式(2-18)以后，经过整理以后可以得到 (3-20)而当光线是从空气介质入射进入光纤介质的时候，空气的折射率n0的数值等于1，因此 (3-21)另外定义光纤数值孔径NA为： (3-22)在上述的公式(3-21)中，在数值大小上等于n1与n2之差再与n1相比所得数值。假设 n1=1.5，=1%，可以得到 NA=0.21 或者 c。=12.1。因此入射光线的最大入射角max与数值孔径NA这个概念之间的关系式可以表示成如式(3-23)所示: (3-23) 通常在实际的计算的过程中，将角度2amax定义为耦合进传光光纤的入射光线的数值孔径角。该数值孔径角的大小与传光光纤的数值孔径以及发射介质的折射率n0的大小相关。对于公式(3-23)来说，该公式只被有限地用于子午光线入射的时候。而对于多模光纤来说，其大多数情况下的入射光线都是斜射光线然而由于斜射入射的光线的数值孔径角比较大，因此其所能接收的入射光线的角度范围要比子午光线射入时大很多。对于射入进光纤端面的光线来说，其中不仅有子午光线，而且也包含有斜光线。对于斜光线来说，此类光线在光纤内部与中心轴是不在同一平面内的。因此斜光线在光纤的内部传输的过程中，其所在平面的方位是不断发生变化的，而变化的次数与发生全反射的次数是相等的。由此借助于想象可知，类似于一条螺旋状的折线就是斜光线在光纤内部传送的实际空间轨迹。如下图所示，在光纤内部进行传送的一条斜光线，而和光纤中心轴在空间区域内是不会平行也不会有交点的不共面的直线。其中是Q点在下横截面上的投影点，是光纤的芯轴外沿母线与斜光线之间的夹角，其大小用字母表示。是斜光线入射到光纤内部并且与之间所成的角，其大小用字母表示。而是入射点横截面上的对称中心轴线与斜光线在该点处横截面上的投影之间所围成的角，被称作为轴倾角，其大小用字母来表示。由于垂直，因此垂直平面。这样、都是直角三角形，因此可以得到: 在中，在中， (3-24) 在中，上述公式(3-24)说明了、以及这三个角之间所存在大小关系。而耦合进光纤的光线在光纤内部能够发生全反射并进行传输的临界角c是一个不随其他参数变化而变化的数值，且Pe在数值大小上等于n2与n1的比值大小。因此可以推出，由此便能够推导出斜射光线在传光光纤内部发生全反射的条件，如下面的公式(3-25)所示: (3-25)如果将折射角用太阳光束入射到光纤端面时，与光纤端面所成的入射角来替换的话，则可以推导出: (3-26)从上面的公式(2-26)中可以得到，当入射的太阳光束为子午光线时，和两条线将会变成为一条线，那么此时的轴倾角在数值大小上就等于0。因此公式(2-26)也就能够变换为下式（3-27)，其中定义为入射到传光光纤端面上的太阳光束与光纤端面所成的入射角: (3-27)由上述的公式(2-27)，可以推导出斜射光线耦合进光纤后，能够在光纤内部发生全反射，其与光纤数值孔径NA之间应该满足的条件关系式如式(3-28)所示: (3-28)通过以上的公式推导与计算分析可以得到，轴倾角的余弦值的实际取值是不可能大于1的，最多情况下也就是等于1。因此与子午光线对传光光纤的数值孔径NA的要求相比较的话，斜射光线对传光光纤的数值孔径NA的要求将会更加地严格。图3-7 斜光线全反射条件3.2.4 光纤传输特性光纤对传输光的衰减是指进光纤的总光量与光纤末端所发射出的总光量的差值，即光纤在对光的传输的过程中所产生的光损耗量。总衰减是各种光损失之和的累加，包括光束进光纤过程中而产生的光损失、光纤内部对光的吸收和散射而产生的光损失、光纤路径不是直线而产生的光损失等。光纤衰减的存在使光的有效传输距离极大地减短了。传输光的距离越长，所需要的光纤也就越长，那么光纤内部对光的吸收和散射所产生的光损失也就会越多。而在光耦合的过程中所产生的光损失就会越少。简单的讲，功率为p0的光入射到光纤的端面上，其中会有一部分功率为p的光在光耦合进光纤的过程中会损失掉，这样就剩下功率为p0-p的光被光耦合进光纤中，而这部分光在光纤中传输时会由于吸收和散射而继续造成一部分光损失。这些光损失与传光光纤的长度大小有关系，假设单位长度上由于吸收而造成的光损失为a，单位长度上由于散射而造成的光损失为S，除去散射和吸收所产生的光损失以外，剩余部分光的比例变为(1-a-S)。然而在实验室之外的实际应用的过程中，有关光纤在传光的过程中所产生的光损失的重要参数是光纤在其单位长度上的衰减，它在数值上等于散射和吸收之和。光线穿过距离长度为D的光纤后，那么减去各种光损失所剩下的光功率为： (3-29)3.2.5 光纤的选择通虽然光纤有这么多种，但是适用于光传输的光纤主要有石英光纤、塑料光纤和液芯光纤三种。其中石英光纤还可以分成两类，即硬皮层石英光纤和软皮层石英光纤。表3-1 不同种类光纤对比性能软皮层石英光纤硬皮层石英光纤塑料光纤液芯光纤芯径直径0.1-1.5mm0.1-1.5mm0.25-3mm3-10mm数值孔径0.37-0.390.21-0.240.37-0.5大于0.5可见光透过率97%-99%97%-99%95%以上80%以上最高耐温约2001800小于200小于250软皮层石英的参数介于硬皮层石英光纤与塑料光纤之间，代表性不强，因此选用硬皮层石英光纤、塑料光纤及液芯光纤三种光纤作为传能光纤。因为三种光纤的数值孔径及芯径直径不一样，但光纤耦合系统光学设计使只能参照其中一种光纤的参数设计，由于硬皮层石英光纤对光学结构要求最高，只要满足硬皮层石英光纤，就可满足其他两种光纤的耦合要求，因此确定太阳光光纤耦合系统工作要求时，按硬皮层石英光纤的芯径直径与数值孔径计算。3.3 光耦合条件光纤耦合系统的目的都是提高光纤耦合效率，因此太阳光和光纤耦合也首先要满足光纤耦合要求，光纤耦合的要求为: 2dcore NA公式中，表示为入射光斑的半径;dcore表示光纤纤芯的直径; 表示入射光线的入射角; NA表示光纤的最大接收角3.3.1 横向误差对耦合效率的影响太阳光束经聚光装置汇聚后的光斑与光纤的主光轴的偏移误差为d ，R 为光纤芯轴的半径，r 为光斑的束腰半径。太阳光经过汇聚后尽管符合光与光纤的耦合条件，但太阳光汇聚光斑的中心未对准纤芯的中心轴，如图 ，这就使得部分汇聚太阳光束没有耦合入光纤内部。现设入射汇聚太阳光束满足光纤全反射的条件，且耦合如光纤的汇聚太阳光的功率是与入射面积成正比关系，经过计算可得偏移误差d 和耦合效率间的关系式为 (3-30)式中 (3-31)现取R=0.3mm，r=0.2mm，可得光斑横向偏移对偶合效率的影响曲线图，如下图所示。图3-8 横向偏移误差和耦合效率的关系曲线3.3.2 纵向误差对耦合效率的影响纵向误差是指太阳光束的汇聚光斑的最小直径处未能对准光纤端面，两者间存在偏差，将此偏差称为纵向误差。当汇聚太阳光斑与耦合端口存在偏移时就使得在光纤端面处光斑面积增大，从而不再符合光与光纤耦合条件，即ds dcore ，如图所示， p 为汇聚光斑与光纤的纵向偏移误差，r是汇聚光斑束腰处的半径。图3-9 光斑纵向偏移误差假设汇聚太阳光斑的最小直径与纤芯的直径相等，耦合入光纤内的光功率的比值是与光纤与太阳光斑在接口处的重叠率是呈线性关系。计算可得太阳光汇聚光斑与光纤端面在纵向偏移 p 对耦合效率的影响，可表示为式： (3-32)在这里c选为12.6。（由聚光透镜汇聚角度而定）时纵向误差p与耦合效率的关系。 图3-10 纵向偏移误差和耦合效率的关系曲线3.3.3 角度误差对耦合效率的影响当汇聚的太阳光束与光纤的主轴未处在同一直线，且两者间存在夹角，将这个夹角称之为角度误差。角度误差增大到一定程度后将不在满足光束与光纤耦合的条件，即s2arcsin(NA) ，则光纤端面会出现太阳光线流失的现象，从而降低耦合效率。汇聚太阳光束与纤芯断面的角度误差所造成的耦合损失可以借用D.Marcuse 提供的公式计算表示： (3-33) 式中：n2 表示纤芯外层介质的折射率，r 表示汇聚太阳光束光斑最小处的半径，推算出角度误差对经汇聚后的光束耦合入光纤端口的效率影响 图3-11 光斑角度偏移误差图3-12 耦合效率与角度误差关系曲线通过以上的分析可知，纵向误差的变化是两者间耦合效率的影响最大，从关系曲线图中可知当纵向误差 p 增大到 0.2mm 时，耦合效率降低了近 30%。；横向误差对耦合效率的影响次之，但横向变动的区间仅限于光纤芯径的范围内部，因此当横向误差增大到 0.6mm 时，耦合效率将降至 0；相比于横向和纵向两种误差，角度误差的对耦合效率的影响相对较小，但角度误差增大到5。时，耦合效率也将降低近 30%，因此也不能忽略。3.3.4 太阳光与光纤耦合装置设计太阳光采集跟踪系统的聚光装置选用的是菲涅尔透镜，传光光纤选用的是石英光纤。通过对菲涅尔透镜的性能分析，可知其汇聚光束的束腰直径约为几个厘米（具体数值由透镜尺寸和加工性能而定）。但石英光纤的芯径范围在几百微米到几毫米。为了将汇聚光尽可能多的耦合入光纤中，需要相应的耦合装置且符合光与光纤耦合的条件，即汇聚光束的光斑直径小于纤芯的直径ds dcore ；发散全角小于光纤的数值孔径角s 2arcsin(NA)。图3-13 透镜组结构图根据光与光纤耦合条件的要求，本系统设计了专用的耦合装置二级凹凸透镜组，通过它对菲涅尔透镜的汇聚光束的调整可解决如下问题：1. 消球差，所谓球差是指太阳光的某单色光束经菲涅尔透镜后与中心光轴夹不同角度的光线交中心轴于不同的位置，从而焦点处不是一个光点而是一个圆形的弥散斑。二级透镜组凹透镜的直径应略大于弥散斑直径，通过薄透镜物象关系式1