端部發光光纖光通量和光強分布的測試研究

許景峰，吳 靜，張青文，翁 季

（重慶大學a.建筑城規學院；b.山地城鎮建設與新技術教育部重點實驗室，重慶 400045）

0 引言

光學纖維又稱光導纖維，簡稱光纖，是一種應用全反射原理來傳輸光能的波導介質，其結構一般由纖芯（內部的核心部分）與包層（外部的包覆部分）組成。光纖照明采用光纖作為媒介將日光源或人工光源發出的光從一處傳輸到另一處，并根據照明需要進行光的重新分配。

自20 世紀60年v代以來，光纖照明系統憑借其使用安全性、設計自由度高、維護簡單、壽命長、節約能源和應用范圍廣等優點，受到各國學術界的高度重視，并先后投入大量的研發力量。經過40 多年的發展，光纖照明技術已日趨成熟，并已成為現代照明技術的重要組成之一。

根據光輸出裝置的發光方式，光纖照明系統分為端部發光光纖和側面發光光纖兩種類型，如圖1、圖2所示。前者與傳統的照明裝置類似，把光傳輸到一定位置后通過連接光纖端部的光纖燈具散射出來；后者，光在傳輸的過程中不斷從光纖的側面散射出來。目前側光光纖照明系統在裝飾和景觀照明上得到較多的應用，而在室內功能照明中則大部分采用端部發光光纖照明系統。

雖然光纖照明系統已經在體育場館、醫院、住宅等場所的功能照明上有實際應用，但端部發光光纖輸出光學性能方面的研究尚淺，在實際應用中缺少該光源或燈具在光通量、光強分布及燈具效率等方面的相關數據指標。為了讓光纖照明系統在功能照明設計中更加科學合理，選擇一種方便快捷的光通量和光強分布測試方法，對推廣光纖照明具有重要的現實意義。

圖1 側面發光光纖

圖2 端部發光光纖

1 測試方案的選擇

1.1 光強分布的測試方法

根據GB/T 26184—2010《絕對發光強度分布的測量方法》可以得知，光強分布的測量主要是測量光源或燈具在空間各方向上的發光強度，發光強度測量可以通過測量照度并由光度距離定律的計算進行，也可以通過亮度積分進行。兩種方法都遵循了光度學基本定律。

1）通過測量照度得出發光強度的公式為:

式中:I——到接收區域方向上的光強；

E——接收區域上的照度；

r——從光源到接收區域的距離；

ε——入射角，相對接收區域法線方向而言，通常測試時ε=0；

Ω0——球面度（單位立體角）。

2）通過亮度積分得出發光強度的公式為

式中:A1——（光源或燈具的）發光面積；

dA1——（光源或燈具的）發光面積元；

L（ε1）——用于確定光強值的方向上dA1的亮度；

ε1——面元dA1的出射角，即用于確定光強值方向與該面元法向之間的夾角。

上述兩種方法中，比較常用的是通過測量照度來得出光強分布。但值得注意的是，式（1）中的距離r必須超過限定的光度測試距離rmin，否則該光源或燈具不能近似看作是點光源，測試會造成較大誤差。對于具有均一亮度（朗伯輻射體）的圓形發光區域和圓形的接收區域，限制光度距離rmin應當是兩個區域中較大直徑的10 倍（5 倍）。這種情況下，依據光度距離定律進行計算獲得的發光強度I的誤差才能小于0.5%（1%）。

由于，端部發光光纖輸出端附近的亮度驚人，可以達到普通燈光的數十倍乃至上百倍，且光纖端頭尺寸小，故不宜采用亮度積分法測量發光強度。在采用照度測量法時，限制光度測試距離rmin可以比較小，采用小型的光強分布測試儀器即可滿足測試精度的要求。

1.2 光通量的測試方法

根據GB/T 26184—2010《光通量的測量方法》可以得知，光通量的測量可以通過光強分布法、照度測量法、積分球法三種方法進行測量計算。

上述的三種方法中，照度法需要通過專業的分布光度計在光源球面上測量出照度分布；積分球法是一種比較經典的方法，在傳統的電光源光通量測試中具有很好的優越性，但是由于光纖的光通量較小，且光纖必須從外部伸入到積分球中間，其光纖線纜對測試的干擾較大，因此會導致較大誤差；而光強分布法與照度法類似，雖然通過光強分布計算光通量的方法相對比較復雜，且對測試數據的要求比較嚴格，采樣精度較高，但因為可以利用之前光強分布的測試數據，故可以省去測量，通過光通量與光強分布之間的關系計算得出。

因此，端部發光光纖的光強分布測試，宜采用照度測量法，利用光強分布法的光通量計算原理，計算出光纖的光通量。此種測試方案只需要進行一次測試就可以獲得兩個重要的光學參數，節約了實驗測試的工作量。但值得注意的是，為了保證計算所得光通量的精確性，在光強分布測量時需要有較高的測試采樣精度。

2 實驗設備與儀器

根據上述選擇的測試方案，文章以采光光纖照明系統的光纖光強分布和光通量測試為例，簡要介紹該實驗測試中所需的主要設備與儀器。

2.1 采光光纖照明系統

實驗所采用的采光光纖照明系統由某合作廠家提供，該系統的集光器由18 個直徑為100 mm 的凸透鏡組成，如圖3 所示。

圖3 實驗用采光光纖照明系統

2.2 大功率探照氙燈

為了保證在測試光纖發光強度及光通量時不受外界光源環境影響，且模擬室外太陽光的效果，實驗選用了功率大、平行度好、光譜與日光相近的大功率探照氙燈，如圖4 所示。

圖4 實驗用大功率探照氙燈

2.3 PR-108 反射燈光強分布測試系統

由于單根光纖的光通量較小，根據此前分析確定的測試方案，實驗選用了專門測量小型光源的PR-108 反射燈光強分布測試系統。該系統主要包括測試機箱、控制機柜和電腦軟件數據控制平臺，如圖5所示。

該測試系統原本為LED 之類的小光源設計，其固定光源的位置未考慮光纖的固定方法，為了將光纖輸出端接頭固定在儀器測試點中心，實驗專門委托制作了光纖端頭的連接固定裝置。

圖5 PR-108 反射燈光強分布測試系統

3 實驗原理與步驟

3.1 實驗原理

端部發光光纖發光強度的實驗測試原理比較簡單，即將所有實驗設備布置在實驗暗室中，避免外界環境光對測試結果的影響。利用大功率探照燈模擬太陽直射光投射到采光光纖照明系統的集光器上，集光器將光匯聚到光纖束的入射端，然后通過光纖傳輸到光纖輸出端，并將其固定在PR-108 反射燈光強分布測試系統測試機箱的旋轉中心點上，通過光強分布測試系統的操作測量出光纖輸出端各空間的光強分布。其測試原理示意圖如圖6 所示。

圖6 端部發光光纖光強分布測試原理示意圖

3.2 實驗主要步驟及內容

通過PR-108 反射燈光強分布測試系統進行光纖的光強分布測試，主要遵循以下幾個步驟:

（1）開啟大功率探照燈運行一段時間，使其保持穩定。

（2）調整采光光纖照明系統的集光器（因實驗室內日光跟蹤裝置失效），使集光器對準探照燈發射出的近似平行光，并讓光線聚焦到光纖輸入端。

（3）將光纖輸出端固定在光強分布測試系統的測試機箱中，并保證光纖纜線在系統測試過程中能自由移動。

（4）根據光強分布測試系統的操作要求對光纖輸出端各角度的發光強度進行測試，并記錄保存測試數據。

（5）根據測試所得的發光強度數據進行整理計算，得出光纖的光通量結果。

4 實驗結果與分析

通過上述的實驗步驟，在實驗過程中不斷調試，多組測試結果對比，最后在集光器透鏡表面照度39 600 lx，集光器手動對焦比較良好的條件下，利用PR-108 反射燈光強分布測試系統，測得端部發光光纖的光強分布數據。其部分實測結果如圖7 及表1所示。

圖7 端部發光光纖（單根）不同角度配光曲線圖

表1 端部發光光纖（單根）各角度發光強度值（單位：cd）

根據光強分布測試系統測得的光強分布詳細數據，利用光通量計算原理，計算出在上述條件下該單根端部發光光纖所發出的總光通量為3.74 lm。

從實測的結果可以看出，對于直接裸露的端部發光光纖來說，其光斑基本為圓形，即配光曲線的形狀是以軸心為中心軸向對稱的，其形狀近似錐形；光束角較窄，其光束角大約在40°左右，并非是某些資料所描述的60°左右，且中心的發光強度最高。

5 小 結

光纖照明系統作為一種新型的照明系統，其光纖輸出端光學性能參數的缺乏在一定程度上抑制了光纖照明系統的推廣和合理使用。固然其中存在光纖輸出端光學性能受到光纖輸入端的光源類型、功率、光譜分布等因素的影響，但如能提供一定條件下該系統光纖輸出端的光學性能參數，對照明設計人員具有很好的參考價值。

以采光光纖照明系統為例，文章進行了光纖輸出端的光強分布和光通量測試研究，為端部發光光纖的光學性能測試提供了參考依據，為光纖照明的合理設計提供了理論參數。但實測結果僅僅是以直接裸露的光纖輸出端為例，實際應用中在光纖輸出端處增加二次配光透鏡后的光纖和光纖燈具，其光強分布和光通量特點有待進一步測試研究。

［1］陳仲林，唐鳴放.建筑物理（圖解版）［M］.北京:中國建筑工業出版社

［2］中華人民共和國國家標準.GB/T 26178—2010 光通量的測量方法［S］.北京:中國標準出版社，2011

［3］中華人民共和國行業標準.JGJ/T 119—2008 建筑照明術語標準［S］.北京:中國建筑工業出版社，2011

［4］中華人民共和國國家標準.GB/T 26184—2010 絕對發光強度分布的測量方法［S］.北京:中國標準出版社，2011

［5］張九紅，莊金訊.配光曲線在照明計算中的應用［J］.沈陽建筑大學學報:自然科學版，2007，23（6）:941～944