光纤照明光源发生器的设计与制作

陈家凤，龚兰英

(中南民族大学 电子信息工程学院，武汉 430074)

光纤照明是一项全新的高科技绿色照明技术，由于其光电分离、易于维修、柔韧性好、使用寿命长、装饰性强等特点，已广泛用于室内装饰、汽车照明、水景照明、游泳池、易燃易爆场合、景观设计、建筑及商业照明等领域[1-3].当然，理想的光纤照明光源应是发光面积小而光通量输出却很高的光源.目前光纤照明光源主要有：卤钨灯、金属卤化物灯、LED等，每种光源都有不同的特性，要根据实际情况进行选择.卤钨灯由于功耗及排污量较大，因此其应用受到一定的限制；金属卤化物灯是一种充有金属卤化物的高压汞放电灯，具有光效高、亮度高、光色好、寿命长、结构紧凑、性能稳定等特点，是一种非常理想的高效节能光源，应用前景十分广阔，必将成为绿色照明的主力军[4]；LED光源具有温度低、功耗低、亮度高、体积小等特点，已成为100W以下的理想光源，但目前LED与照明光纤的耦合效率不高[5].因此，从节能环保的角度考虑，本文采用金属卤化物灯作光源，给出了金属卤化物发光管的结构及制作工艺，同时，光纤照明光源发生器中光学界面的形状、反光镜镀膜材料的选取及膜系结构都是系统设计的关键.采用每层光学厚度均为λ/4的高、低折射率交替的介质周期膜系对反射聚光器进行镀膜，能获得某一波段的高反射[6-8]，但为实现在可见光区域内高反射，对红外光高透射，本文采用3个不同中心波长的λ/4膜堆叠加而成的膜系结构，即采用25层的G/(H1L1)4(H2L2)4(H3L3)4H/A的多层硅钛介质膜系，H、L分别代表高(TiO2)、低(SiO2)折射率材料，G代表基片，A代表空气.

1 光纤照明系统组成及原理

光纤照明系统由光源发生器、传导光纤和光输出元件三部分构成，其核心是光源发生器.光源发生器采用金属卤化物灯做光源，利用精确设计的椭球面反射聚光镜，将光束均匀地聚焦到光纤首端面.聚光镜内曲面上涂有高质量的高反射多层硅钛介质膜，该膜对可见光的反射率可达95%以上, 而对红外光的反射率却非常低，为了更好地滤出红外线，在光纤首端面前加一滤光片，以降低聚焦到光纤首端面的光束的热辐射.光束传输采用光导纤维，系统的发光类型采用端面发光型，即将发光体发出的光束从光纤首端面通过全反射传输至光纤末端面，并在光纤束的末端面安装合适的光输出设备.当然，光纤照明系统的发光效率还取决于光纤首端面对光源发出光线的接收率及光纤传输过程中的光损失率.当发光体发出的光以小于临界角的角度入射到光纤首端面时，光线发生全反射，光损失率最小；当入射角大于临界角时，则光线从光纤壁折射逸出，造成光损失.因此，设计时必须控制好光纤首端面入射光线的入射角度，最大入射角即临界角由所采用的光纤的数值孔径决定，同时该临界角也决定了椭球反射器的切割位置.

2 光源发生器

光源发生器主要由电子镇流器、发光管、光学界面、光纤聚集头、外壳等组成(如图1)，同时光源发生器装置中还有散热片，滤色片，色盘等装置.为了提高光纤首端面对光源发射光束的接收率，将发光体设计为类似于点发光的球泡形状，并采用金属卤化物作发光物质，氩气作为启动气体.同时将金属卤化物灯制成放电电弧管，其发光部分只是一个球形灯炮，再配合椭球面冷反光镜的设计就可以获得高亮度的均匀光束.金属卤化物灯的优点是发光效率高、显色指数高、正常发光时发热少，是一种冷光源；其缺点是启动困难，因此必须采用专用的触发器.由于发光管采用球泡形状，当灯泡启动发光后，出射光线比较集中，光线经过对可见光具有高反射率的光学界面聚焦到光纤首端面，进而在光纤管道中进行传输.

图1 光源发生器示意图Fig.1 Diagram of light source generator

a) 外壳：由工程塑料或金属板组合而成，以保护内部组件的安全，同时应具有良好的散热条件，用于户外环境时需考虑防潮湿.

b) 发光管：为光纤照明系统提供光源，用作发光部件以发射光线.

c) 光学界面：控制和引导光线，使其聚焦到光纤首端面上.

d) 电子镇流器：用于启动灯泡发光.金属卤化物灯内没有灯丝，只有两个钨电极，如果直接加上工作电压不能使其发光，必须先加高压使灯内气体电离才能激发金属原子发光.所需要的高压由电子镇流器触发产生.

e) 光纤聚集头：接收入射光束，让光线在光纤中传输.

2.1 金属卤化物发光管的结构及制作工艺

金属卤化物发光管的结构如图2所示.它由石英管制作而成，中段在高温下吹成球泡形状作为发光体，球泡内注有金属卤化物、汞、氩气，这三种物质在放电发光过程中起主要作用，汞蒸气提供管内所需要的气压，能够使分子运动，氩气是一种惰性气体，它被球泡两端的电极发射的电子激发电离，从而激发金属原子发光.当然，不同的金属原子所发出的光束的特征谱线不同，若选择几种金属原子进行组合，则几种金属原子发出的线状光谱相叠加，就可以获得光效高、显色性好的出射光束，本文采用钪钠型金属卤化物灯作光源.球泡两端必须夹封严密，使发光物质不外逸，空气气体杂质也不能进入到球泡内.钨丝和钼丝通过钼薄片连接导电，由于钼薄片与石英玻管的膨胀系数接近，因此夹封后可以起到很好的密封效果.采用钨丝作电极，当钼丝通电时，电极发射电子，产生热量，进而激发球泡内填充物质发光.

图2 金属卤化物发光管结构示意图Fig.2 Structure of light emitting tube of metal halid

金属卤化物灯采用的原材料是一根石英管，但其制作过程非常复杂，要经过十几道工序(如图3).其中，切割和夹封都是在2000 ℃左右的高温下进行的，而且夹封工序中要使用氧气、煤气等可燃气体，因此对制作环境要求很高.在点焊、调整电极位置、夹封工序中尺寸误差必须控制在±0.02mm范围内.另一些工序如：注金属卤化物药丸、对电极、抽真空、充氩气、封口均在高纯氩气手套箱内完成，手套箱内水氧含量小于0.1×10-6，且整个生产过程都不与外界空气接触.如果灯泡内有杂质就会大大减少灯的使用寿命，同时还会影响光的显色指数、色温，甚至还会出现不亮的现象.当然，灯管在制作过程中也会出现这样一些问题：氧化(夹封没有密封好)，钼簿片邹，钼杆被裁伤，失透，泡内有硅粉，泡变形等.因此，制作过程中的每一道工序要求都非常严格.

图3 金属卤化物灯的制作工艺流程Fig.3 Manufacturing process of light emitting tube of metal halid

2.2 多层介质膜系镀膜对光纤照明光源反射聚光器的性能增强

光学界面(反光镜)也是光源发生器的重要组成部分，它对发光管发出光线的反射率及聚焦效果决定了光源的发光效率.因此，将金属卤化物灯的反射聚光镜设计成椭球面形状[9]，根据散热条件选取开口半径，再按照使系统的光效率达到最大的原则选取偏心率，以及由光纤的数值孔径确定的临界角，采用数值迭代法确定椭球面的长短半轴及切割高度[10].将球泡放在椭球面的一个焦点上，将光纤接收端口放在椭球面的另一个焦点上，这样从光源发出来的光线经椭球面反射后都能汇聚到光纤中进行传输.

要使光源发射的光束在反光镜内高反射，采用单层高反射膜往往达不到要求，一般采用高反射多层介质膜对反光镜内表面进行镀膜，同时，采用冷光膜镀膜还可以滤出红外线以降低对被照物体的热辐射.通常，要获得某一波段的高反射，可通过在基片上相互交替地镀一层高反射率膜层(H)和一层低反射率膜层(L)的介质膜，H和L膜层的几何厚度不同但光学厚度都是1/4λ(或1/4λ的奇数倍)，这样就组成了对波长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)是蒸发过程中分解很小的低折射率(1.46)材料，薄膜吸收小、膜层稳定牢固、抗磨耐蚀；二氧化钛(TiO2)是可见光与近红外区域重要的高折射率(2.35)材料，薄膜光学和机械特性稳定，牢固性强.因此，我们选择二氧化硅和二氧化钛两种氧化物对反光镜进行镀膜.

一般情况下，为提高反射率，并降低吸收损耗，介质膜系两边的最外层材料均采用高折射率层，且1/4λ高反射膜系的反射率与材料的折射率和膜层层数有关，可表示为：

(1)

nG代表基片的折射率，nH、nL分别代表高、低折射率，m代表镀制的周期数，2m+1代表镀制的总膜层数.

(2)

从式(2)可以看出：nH/nL比值越大，反射率越高；镀制的层数越多，反射率也越高.理论上，随着膜层数的增加，1/4λ膜系的反射率可接近100%，但由于存在膜层吸收损耗、散射损耗，实际上，反射率不但不会增加，反而还会降低.因此，必须根据所需要的反射率控制其总层数.

高低折射率材料确定以后，根据式(3)可计算出极限半宽度，从而确定高反射膜的高反射带宽.

极限半宽度可表示为：

(3)

则以λ0为中心波长的两个截止波长为：

那么高反射区带宽为：

(4)

显然，在可见光区域内，由于镀膜材料折射率的限制，这种经典的1/4λ周期膜系只能在某一个有限的波长区域内获得高反射，其高反射带宽往往不能满足设计要求.根据全介质反射膜理论，在一个1/4λ的多层周期膜系上，再叠加几个不同中心波长的1/4λ膜系，使其高反射区域连接起来，可以获得展宽的高反射膜的反射带宽.因此，在进行膜系设计时，我们设计了将3个不同中心波长的1/4λ膜堆叠加而成的多层膜系结构，同时，为了避免在两个高反射带连接处出现透射峰，用于叠加的3个高反射膜堆均采用偶数层，且为了降低吸收损耗，在镀制完第三个膜堆后再镀制一层高折射率层，最终采取了总层数为25层的膜系结构：G/(H1L1)4(H2L2)4(H3L3)4H/A.这样对每一个入射光中心波长控制的膜层就会产生以该波长为中心的高反射带，如图4中的三个波峰带，它们的高反射带宽叠加起来就是整个高反射区，如图4中的实线所示：在400～700nm的区域内.即所镀制的多层介质膜系在整个可见光区域内具有高反射，其反射率可达95%以上，而在其它波长段，只有高透射，不具备高反射的条件，因而大部分被透射，这样经过椭球面反射器出来的光束几乎全是可见光，没有红外光，从而增强了光纤照明光源反射聚光器的性能.

图4 椭球面反光镜光谱反射曲线Fig.4 Spectrum reflection curve of the ellipsoidal mirror

3 调试及测试结果

发光管和反光镜制作完成后，还有一项重要工序就是在椭球面上开一个放置光源的小孔，并将发光管精确定焦在反光镜内：即将发光管的球泡中心定焦在椭球面反光镜的左焦点处，进行调试，直到在反光镜的右焦点汇聚出均匀的光斑，将光纤首端面放在椭球反射器的右焦点处，使光束进入光纤首端面，进而在光纤内进行传输，用照度计测试光纤尾端出射光的照度.最后将它进行一个星期的老练，测试其性能的稳定性.制作时采用直径为13mm，数值孔径为0.5的塑料光纤进行光束的传输.所设计的光纤照明光源发生器的主要性能参数如表1，表1中a、b、c分别为椭球面反光镜的长半轴、短半轴、焦距.测试结果表明两种光源发生器性能稳定、寿命长，且产生的光斑直径均为12mm，和光纤首端面尺寸接近，这说明所选取的椭球偏心率比较合适，从而提高了系统的发光效率.

表1 光纤照明光源参数

4 结语

以发光管和光学界面为对象，制作出具有高光效、高亮度、长寿命的发光管，将它精确定焦在具有高反射率的椭球面冷光镜的一个焦点上，在光纤接收端口获得均匀的汇聚光束，构成结构紧凑的一体化光纤照明光源.在整个光源发生器的设计过程中，主要解决了3个问题：(1)金属卤化物发光管几何形状的设计、填充物质的选取以及制作工艺的把握；(2)椭球面表面形状的设计，即确定了椭球面的偏心率、开口半径、长短半轴及开口位置；(3)镀膜材料的确定及膜系结构的设计，选取二氧化硅和二氧化钛两种氧化物作为高低折射率材料，采用总层数25层的3个1/4λ膜堆叠加而成的多层介质膜系结构，展宽了高反射区域， 达到了对可见光高反射而对红外光高透射的镀膜效果.

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