端部发光光纤光通量和光强分布的测试研究

许景峰，吴 静，张青文，翁 季

（重庆大学a.建筑城规学院；b.山地城镇建设与新技术教育部重点实验室，重庆 400045）

0 引言

光学纤维又称光导纤维，简称光纤，是一种应用全反射原理来传输光能的波导介质，其结构一般由纤芯（内部的核心部分）与包层（外部的包覆部分）组成。光纤照明采用光纤作为媒介将日光源或人工光源发出的光从一处传输到另一处，并根据照明需要进行光的重新分配。

自20 世纪60年v代以来，光纤照明系统凭借其使用安全性、设计自由度高、维护简单、寿命长、节约能源和应用范围广等优点，受到各国学术界的高度重视，并先后投入大量的研发力量。经过40 多年的发展，光纤照明技术已日趋成熟，并已成为现代照明技术的重要组成之一。

根据光输出装置的发光方式，光纤照明系统分为端部发光光纤和侧面发光光纤两种类型，如图1、图2所示。前者与传统的照明装置类似，把光传输到一定位置后通过连接光纤端部的光纤灯具散射出来；后者，光在传输的过程中不断从光纤的侧面散射出来。目前侧光光纤照明系统在装饰和景观照明上得到较多的应用，而在室内功能照明中则大部分采用端部发光光纤照明系统。

虽然光纤照明系统已经在体育场馆、医院、住宅等场所的功能照明上有实际应用，但端部发光光纤输出光学性能方面的研究尚浅，在实际应用中缺少该光源或灯具在光通量、光强分布及灯具效率等方面的相关数据指标。为了让光纤照明系统在功能照明设计中更加科学合理，选择一种方便快捷的光通量和光强分布测试方法，对推广光纤照明具有重要的现实意义。

图1 侧面发光光纤

图2 端部发光光纤

1 测试方案的选择

1.1 光强分布的测试方法

根据GB/T 26184—2010《绝对发光强度分布的测量方法》可以得知，光强分布的测量主要是测量光源或灯具在空间各方向上的发光强度，发光强度测量可以通过测量照度并由光度距离定律的计算进行，也可以通过亮度积分进行。两种方法都遵循了光度学基本定律。

1）通过测量照度得出发光强度的公式为:

式中:I——到接收区域方向上的光强；

E——接收区域上的照度；

r——从光源到接收区域的距离；

ε——入射角，相对接收区域法线方向而言，通常测试时ε=0；

Ω0——球面度（单位立体角）。

2）通过亮度积分得出发光强度的公式为

式中:A1——（光源或灯具的）发光面积；

dA1——（光源或灯具的）发光面积元；

L（ε1）——用于确定光强值的方向上dA1的亮度；

ε1——面元dA1的出射角，即用于确定光强值方向与该面元法向之间的夹角。

上述两种方法中，比较常用的是通过测量照度来得出光强分布。但值得注意的是，式（1）中的距离r必须超过限定的光度测试距离rmin，否则该光源或灯具不能近似看作是点光源，测试会造成较大误差。对于具有均一亮度（朗伯辐射体）的圆形发光区域和圆形的接收区域，限制光度距离rmin应当是两个区域中较大直径的10 倍（5 倍）。这种情况下，依据光度距离定律进行计算获得的发光强度I的误差才能小于0.5%（1%）。

由于，端部发光光纤输出端附近的亮度惊人，可以达到普通灯光的数十倍乃至上百倍，且光纤端头尺寸小，故不宜采用亮度积分法测量发光强度。在采用照度测量法时，限制光度测试距离rmin可以比较小，采用小型的光强分布测试仪器即可满足测试精度的要求。

1.2 光通量的测试方法

根据GB/T 26184—2010《光通量的测量方法》可以得知，光通量的测量可以通过光强分布法、照度测量法、积分球法三种方法进行测量计算。

上述的三种方法中，照度法需要通过专业的分布光度计在光源球面上测量出照度分布；积分球法是一种比较经典的方法，在传统的电光源光通量测试中具有很好的优越性，但是由于光纤的光通量较小，且光纤必须从外部伸入到积分球中间，其光纤线缆对测试的干扰较大，因此会导致较大误差；而光强分布法与照度法类似，虽然通过光强分布计算光通量的方法相对比较复杂，且对测试数据的要求比较严格，采样精度较高，但因为可以利用之前光强分布的测试数据，故可以省去测量，通过光通量与光强分布之间的关系计算得出。

因此，端部发光光纤的光强分布测试，宜采用照度测量法，利用光强分布法的光通量计算原理，计算出光纤的光通量。此种测试方案只需要进行一次测试就可以获得两个重要的光学参数，节约了实验测试的工作量。但值得注意的是，为了保证计算所得光通量的精确性，在光强分布测量时需要有较高的测试采样精度。

2 实验设备与仪器

根据上述选择的测试方案，文章以采光光纤照明系统的光纤光强分布和光通量测试为例，简要介绍该实验测试中所需的主要设备与仪器。

2.1 采光光纤照明系统

实验所采用的采光光纤照明系统由某合作厂家提供，该系统的集光器由18 个直径为100 mm 的凸透镜组成，如图3 所示。

图3 实验用采光光纤照明系统

2.2 大功率探照氙灯

为了保证在测试光纤发光强度及光通量时不受外界光源环境影响，且模拟室外太阳光的效果，实验选用了功率大、平行度好、光谱与日光相近的大功率探照氙灯，如图4 所示。

图4 实验用大功率探照氙灯

2.3 PR-108 反射灯光强分布测试系统

由于单根光纤的光通量较小，根据此前分析确定的测试方案，实验选用了专门测量小型光源的PR-108 反射灯光强分布测试系统。该系统主要包括测试机箱、控制机柜和电脑软件数据控制平台，如图5所示。

该测试系统原本为LED 之类的小光源设计，其固定光源的位置未考虑光纤的固定方法，为了将光纤输出端接头固定在仪器测试点中心，实验专门委托制作了光纤端头的连接固定装置。

图5 PR-108 反射灯光强分布测试系统

3 实验原理与步骤

3.1 实验原理

端部发光光纤发光强度的实验测试原理比较简单，即将所有实验设备布置在实验暗室中，避免外界环境光对测试结果的影响。利用大功率探照灯模拟太阳直射光投射到采光光纤照明系统的集光器上，集光器将光汇聚到光纤束的入射端，然后通过光纤传输到光纤输出端，并将其固定在PR-108 反射灯光强分布测试系统测试机箱的旋转中心点上，通过光强分布测试系统的操作测量出光纤输出端各空间的光强分布。其测试原理示意图如图6 所示。

图6 端部发光光纤光强分布测试原理示意图

3.2 实验主要步骤及内容

通过PR-108 反射灯光强分布测试系统进行光纤的光强分布测试，主要遵循以下几个步骤:

（1）开启大功率探照灯运行一段时间，使其保持稳定。

（2）调整采光光纤照明系统的集光器（因实验室内日光跟踪装置失效），使集光器对准探照灯发射出的近似平行光，并让光线聚焦到光纤输入端。

（3）将光纤输出端固定在光强分布测试系统的测试机箱中，并保证光纤缆线在系统测试过程中能自由移动。

（4）根据光强分布测试系统的操作要求对光纤输出端各角度的发光强度进行测试，并记录保存测试数据。

（5）根据测试所得的发光强度数据进行整理计算，得出光纤的光通量结果。

4 实验结果与分析

通过上述的实验步骤，在实验过程中不断调试，多组测试结果对比，最后在集光器透镜表面照度39 600 lx，集光器手动对焦比较良好的条件下，利用PR-108 反射灯光强分布测试系统，测得端部发光光纤的光强分布数据。其部分实测结果如图7 及表1所示。

图7 端部发光光纤（单根）不同角度配光曲线图

表1 端部发光光纤（单根）各角度发光强度值（单位：cd）

根据光强分布测试系统测得的光强分布详细数据，利用光通量计算原理，计算出在上述条件下该单根端部发光光纤所发出的总光通量为3.74 lm。

从实测的结果可以看出，对于直接裸露的端部发光光纤来说，其光斑基本为圆形，即配光曲线的形状是以轴心为中心轴向对称的，其形状近似锥形；光束角较窄，其光束角大约在40°左右，并非是某些资料所描述的60°左右，且中心的发光强度最高。

5 小 结

光纤照明系统作为一种新型的照明系统，其光纤输出端光学性能参数的缺乏在一定程度上抑制了光纤照明系统的推广和合理使用。固然其中存在光纤输出端光学性能受到光纤输入端的光源类型、功率、光谱分布等因素的影响，但如能提供一定条件下该系统光纤输出端的光学性能参数，对照明设计人员具有很好的参考价值。

以采光光纤照明系统为例，文章进行了光纤输出端的光强分布和光通量测试研究，为端部发光光纤的光学性能测试提供了参考依据，为光纤照明的合理设计提供了理论参数。但实测结果仅仅是以直接裸露的光纤输出端为例，实际应用中在光纤输出端处增加二次配光透镜后的光纤和光纤灯具，其光强分布和光通量特点有待进一步测试研究。

［1］陈仲林，唐鸣放.建筑物理（图解版）［M］.北京:中国建筑工业出版社

［2］中华人民共和国国家标准.GB/T 26178—2010 光通量的测量方法［S］.北京:中国标准出版社，2011

［3］中华人民共和国行业标准.JGJ/T 119—2008 建筑照明术语标准［S］.北京:中国建筑工业出版社，2011

［4］中华人民共和国国家标准.GB/T 26184—2010 绝对发光强度分布的测量方法［S］.北京:中国标准出版社，2011

［5］张九红，庄金讯.配光曲线在照明计算中的应用［J］.沈阳建筑大学学报:自然科学版，2007，23（6）:941～944