光纖照明光源發生器的設計與制作

陳家鳳，龔蘭英

(中南民族大學 電子信息工程學院，武漢 430074)

光纖照明是一項全新的高科技綠色照明技術，由于其光電分離、易于維修、柔韌性好、使用壽命長、裝飾性強等特點，已廣泛用于室內裝飾、汽車照明、水景照明、游泳池、易燃易爆場合、景觀設計、建筑及商業照明等領域[1-3].當然，理想的光纖照明光源應是發光面積小而光通量輸出卻很高的光源.目前光纖照明光源主要有：鹵鎢燈、金屬鹵化物燈、LED等，每種光源都有不同的特性，要根據實際情況進行選擇.鹵鎢燈由于功耗及排污量較大，因此其應用受到一定的限制；金屬鹵化物燈是一種充有金屬鹵化物的高壓汞放電燈，具有光效高、亮度高、光色好、壽命長、結構緊湊、性能穩定等特點，是一種非常理想的高效節能光源，應用前景十分廣闊，必將成為綠色照明的主力軍[4]；LED光源具有溫度低、功耗低、亮度高、體積小等特點，已成為100W以下的理想光源，但目前LED與照明光纖的耦合效率不高[5].因此，從節能環保的角度考慮，本文采用金屬鹵化物燈作光源，給出了金屬鹵化物發光管的結構及制作工藝，同時，光纖照明光源發生器中光學界面的形狀、反光鏡鍍膜材料的選取及膜系結構都是系統設計的關鍵.采用每層光學厚度均為λ/4的高、低折射率交替的介質周期膜系對反射聚光器進行鍍膜，能獲得某一波段的高反射[6-8]，但為實現在可見光區域內高反射，對紅外光高透射，本文采用3個不同中心波長的λ/4膜堆疊加而成的膜系結構，即采用25層的G/(H1L1)4(H2L2)4(H3L3)4H/A的多層硅鈦介質膜系，H、L分別代表高(TiO2)、低(SiO2)折射率材料，G代表基片，A代表空氣.

1 光纖照明系統組成及原理

光纖照明系統由光源發生器、傳導光纖和光輸出元件三部分構成，其核心是光源發生器.光源發生器采用金屬鹵化物燈做光源，利用精確設計的橢球面反射聚光鏡，將光束均勻地聚焦到光纖首端面.聚光鏡內曲面上涂有高質量的高反射多層硅鈦介質膜，該膜對可見光的反射率可達95%以上, 而對紅外光的反射率卻非常低，為了更好地濾出紅外線，在光纖首端面前加一濾光片，以降低聚焦到光纖首端面的光束的熱輻射.光束傳輸采用光導纖維，系統的發光類型采用端面發光型，即將發光體發出的光束從光纖首端面通過全反射傳輸至光纖末端面，并在光纖束的末端面安裝合適的光輸出設備.當然，光纖照明系統的發光效率還取決于光纖首端面對光源發出光線的接收率及光纖傳輸過程中的光損失率.當發光體發出的光以小于臨界角的角度入射到光纖首端面時，光線發生全反射，光損失率最??；當入射角大于臨界角時，則光線從光纖壁折射逸出，造成光損失.因此，設計時必須控制好光纖首端面入射光線的入射角度，最大入射角即臨界角由所采用的光纖的數值孔徑決定，同時該臨界角也決定了橢球反射器的切割位置.

2 光源發生器

光源發生器主要由電子鎮流器、發光管、光學界面、光纖聚集頭、外殼等組成(如圖1)，同時光源發生器裝置中還有散熱片，濾色片，色盤等裝置.為了提高光纖首端面對光源發射光束的接收率，將發光體設計為類似于點發光的球泡形狀，并采用金屬鹵化物作發光物質，氬氣作為啟動氣體.同時將金屬鹵化物燈制成放電電弧管，其發光部分只是一個球形燈炮，再配合橢球面冷反光鏡的設計就可以獲得高亮度的均勻光束.金屬鹵化物燈的優點是發光效率高、顯色指數高、正常發光時發熱少，是一種冷光源；其缺點是啟動困難，因此必須采用專用的觸發器.由于發光管采用球泡形狀，當燈泡啟動發光后，出射光線比較集中，光線經過對可見光具有高反射率的光學界面聚焦到光纖首端面，進而在光纖管道中進行傳輸.

圖1 光源發生器示意圖Fig.1 Diagram of light source generator

a) 外殼：由工程塑料或金屬板組合而成，以保護內部組件的安全，同時應具有良好的散熱條件，用于戶外環境時需考慮防潮濕.

b) 發光管：為光纖照明系統提供光源，用作發光部件以發射光線.

c) 光學界面：控制和引導光線，使其聚焦到光纖首端面上.

d) 電子鎮流器：用于啟動燈泡發光.金屬鹵化物燈內沒有燈絲，只有兩個鎢電極，如果直接加上工作電壓不能使其發光，必須先加高壓使燈內氣體電離才能激發金屬原子發光.所需要的高壓由電子鎮流器觸發產生.

e) 光纖聚集頭：接收入射光束，讓光線在光纖中傳輸.

2.1 金屬鹵化物發光管的結構及制作工藝

金屬鹵化物發光管的結構如圖2所示.它由石英管制作而成，中段在高溫下吹成球泡形狀作為發光體，球泡內注有金屬鹵化物、汞、氬氣，這三種物質在放電發光過程中起主要作用，汞蒸氣提供管內所需要的氣壓，能夠使分子運動，氬氣是一種惰性氣體，它被球泡兩端的電極發射的電子激發電離，從而激發金屬原子發光.當然，不同的金屬原子所發出的光束的特征譜線不同，若選擇幾種金屬原子進行組合，則幾種金屬原子發出的線狀光譜相疊加，就可以獲得光效高、顯色性好的出射光束，本文采用鈧鈉型金屬鹵化物燈作光源.球泡兩端必須夾封嚴密，使發光物質不外逸，空氣氣體雜質也不能進入到球泡內.鎢絲和鉬絲通過鉬薄片連接導電，由于鉬薄片與石英玻管的膨脹系數接近，因此夾封后可以起到很好的密封效果.采用鎢絲作電極，當鉬絲通電時，電極發射電子，產生熱量，進而激發球泡內填充物質發光.

圖2 金屬鹵化物發光管結構示意圖Fig.2 Structure of light emitting tube of metal halid

金屬鹵化物燈采用的原材料是一根石英管，但其制作過程非常復雜，要經過十幾道工序(如圖3).其中，切割和夾封都是在2000 ℃左右的高溫下進行的，而且夾封工序中要使用氧氣、煤氣等可燃氣體，因此對制作環境要求很高.在點焊、調整電極位置、夾封工序中尺寸誤差必須控制在±0.02mm范圍內.另一些工序如：注金屬鹵化物藥丸、對電極、抽真空、充氬氣、封口均在高純氬氣手套箱內完成，手套箱內水氧含量小于0.1×10-6，且整個生產過程都不與外界空氣接觸.如果燈泡內有雜質就會大大減少燈的使用壽命，同時還會影響光的顯色指數、色溫，甚至還會出現不亮的現象.當然，燈管在制作過程中也會出現這樣一些問題：氧化(夾封沒有密封好)，鉬簿片鄒，鉬桿被裁傷，失透，泡內有硅粉，泡變形等.因此，制作過程中的每一道工序要求都非常嚴格.

圖3 金屬鹵化物燈的制作工藝流程Fig.3 Manufacturing process of light emitting tube of metal halid

2.2 多層介質膜系鍍膜對光纖照明光源反射聚光器的性能增強

光學界面(反光鏡)也是光源發生器的重要組成部分，它對發光管發出光線的反射率及聚焦效果決定了光源的發光效率.因此，將金屬鹵化物燈的反射聚光鏡設計成橢球面形狀[9]，根據散熱條件選取開口半徑，再按照使系統的光效率達到最大的原則選取偏心率，以及由光纖的數值孔徑確定的臨界角，采用數值迭代法確定橢球面的長短半軸及切割高度[10].將球泡放在橢球面的一個焦點上，將光纖接收端口放在橢球面的另一個焦點上，這樣從光源發出來的光線經橢球面反射后都能匯聚到光纖中進行傳輸.

要使光源發射的光束在反光鏡內高反射，采用單層高反射膜往往達不到要求，一般采用高反射多層介質膜對反光鏡內表面進行鍍膜，同時，采用冷光膜鍍膜還可以濾出紅外線以降低對被照物體的熱輻射.通常，要獲得某一波段的高反射，可通過在基片上相互交替地鍍一層高反射率膜層(H)和一層低反射率膜層(L)的介質膜，H和L膜層的幾何厚度不同但光學厚度都是1/4λ(或1/4λ的奇數倍)，這樣就組成了對波長λ的高反射膜系，而且采用的高低折射率材料的折射率差值越大，反射效果越好.二氧化硅(SiO2)是蒸發過程中分解很小的低折射率(1.46)材料，薄膜吸收小、膜層穩定牢固、抗磨耐蝕；二氧化鈦(TiO2)是可見光與近紅外區域重要的高折射率(2.35)材料，薄膜光學和機械特性穩定，牢固性強.因此，我們選擇二氧化硅和二氧化鈦兩種氧化物對反光鏡進行鍍膜.

一般情況下，為提高反射率，并降低吸收損耗，介質膜系兩邊的最外層材料均采用高折射率層，且1/4λ高反射膜系的反射率與材料的折射率和膜層層數有關，可表示為：

(1)

nG代表基片的折射率，nH、nL分別代表高、低折射率，m代表鍍制的周期數，2m+1代表鍍制的總膜層數.

(2)

從式(2)可以看出：nH/nL比值越大，反射率越高；鍍制的層數越多，反射率也越高.理論上，隨著膜層數的增加，1/4λ膜系的反射率可接近100%，但由于存在膜層吸收損耗、散射損耗，實際上，反射率不但不會增加，反而還會降低.因此，必須根據所需要的反射率控制其總層數.

高低折射率材料確定以后，根據式(3)可計算出極限半寬度，從而確定高反射膜的高反射帶寬.

極限半寬度可表示為：

(3)

則以λ0為中心波長的兩個截止波長為：

那么高反射區帶寬為：

(4)

顯然，在可見光區域內，由于鍍膜材料折射率的限制，這種經典的1/4λ周期膜系只能在某一個有限的波長區域內獲得高反射，其高反射帶寬往往不能滿足設計要求.根據全介質反射膜理論，在一個1/4λ的多層周期膜系上，再疊加幾個不同中心波長的1/4λ膜系，使其高反射區域連接起來，可以獲得展寬的高反射膜的反射帶寬.因此，在進行膜系設計時，我們設計了將3個不同中心波長的1/4λ膜堆疊加而成的多層膜系結構，同時，為了避免在兩個高反射帶連接處出現透射峰，用于疊加的3個高反射膜堆均采用偶數層，且為了降低吸收損耗，在鍍制完第三個膜堆后再鍍制一層高折射率層，最終采取了總層數為25層的膜系結構：G/(H1L1)4(H2L2)4(H3L3)4H/A.這樣對每一個入射光中心波長控制的膜層就會產生以該波長為中心的高反射帶，如圖4中的三個波峰帶，它們的高反射帶寬疊加起來就是整個高反射區，如圖4中的實線所示：在400～700nm的區域內.即所鍍制的多層介質膜系在整個可見光區域內具有高反射，其反射率可達95%以上，而在其它波長段，只有高透射，不具備高反射的條件，因而大部分被透射，這樣經過橢球面反射器出來的光束幾乎全是可見光，沒有紅外光，從而增強了光纖照明光源反射聚光器的性能.

圖4 橢球面反光鏡光譜反射曲線Fig.4 Spectrum reflection curve of the ellipsoidal mirror

3 調試及測試結果

發光管和反光鏡制作完成后，還有一項重要工序就是在橢球面上開一個放置光源的小孔，并將發光管精確定焦在反光鏡內：即將發光管的球泡中心定焦在橢球面反光鏡的左焦點處，進行調試，直到在反光鏡的右焦點匯聚出均勻的光斑，將光纖首端面放在橢球反射器的右焦點處，使光束進入光纖首端面，進而在光纖內進行傳輸，用照度計測試光纖尾端出射光的照度.最后將它進行一個星期的老練，測試其性能的穩定性.制作時采用直徑為13mm，數值孔徑為0.5的塑料光纖進行光束的傳輸.所設計的光纖照明光源發生器的主要性能參數如表1，表1中a、b、c分別為橢球面反光鏡的長半軸、短半軸、焦距.測試結果表明兩種光源發生器性能穩定、壽命長，且產生的光斑直徑均為12mm，和光纖首端面尺寸接近，這說明所選取的橢球偏心率比較合適，從而提高了系統的發光效率.

表1 光纖照明光源參數

4 結語

以發光管和光學界面為對象，制作出具有高光效、高亮度、長壽命的發光管，將它精確定焦在具有高反射率的橢球面冷光鏡的一個焦點上，在光纖接收端口獲得均勻的匯聚光束，構成結構緊湊的一體化光纖照明光源.在整個光源發生器的設計過程中，主要解決了3個問題：(1)金屬鹵化物發光管幾何形狀的設計、填充物質的選取以及制作工藝的把握；(2)橢球面表面形狀的設計，即確定了橢球面的偏心率、開口半徑、長短半軸及開口位置；(3)鍍膜材料的確定及膜系結構的設計，選取二氧化硅和二氧化鈦兩種氧化物作為高低折射率材料，采用總層數25層的3個1/4λ膜堆疊加而成的多層介質膜系結構，展寬了高反射區域， 達到了對可見光高反射而對紅外光高透射的鍍膜效果.

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