CN1610848A - 照明装置 - Google Patents

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CN1610848A
CN1610848A CNA028264460A CN02826446A CN1610848A CN 1610848 A CN1610848 A CN 1610848A CN A028264460 A CNA028264460 A CN A028264460A CN 02826446 A CN02826446 A CN 02826446A CN 1610848 A CN1610848 A CN 1610848A
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J·E·戈苏
T·J·里德
G·L·尤尔
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Abstract

照明装置(150，158)，包括光源(152)和光纤(154)。光纤(154)与光源(152)光学耦合，使得由光源(152)发出的光的至少一部分刺射到光纤(154)的输入端(20)。光纤(154，10)包括细长的聚合物纤芯(12)，该纤芯有一个接受来自光源(152)的光线的输入端(20)、将通过纤芯传输的光发射出去的输出端(23)、在输入端(20)和输出端(23)之间沿纤芯(12)的纵轴延伸的侧表面。光纤(10)包括光发射区(26，155)，其上面有至少一个光学单元(156)，该光学单元将在光纤中传送的光导向，使其沿大致垂直于纵轴的方向从光纤的至少一部分侧表面(26，155)射出。有个连续的外包层(14)延伸在纤芯侧表面(26，155)和光学单元上，该外包层包括其折射率小于纤芯(12)的聚合物材料。

Description

照明装置
发明领域
本发明涉及包含藉助全内反射传输光线的光纤的照明装置。
发明背景
人们知道，光传输材料(例如玻璃或聚合物)可以用作藉助全内反射传播光线的光纤。光纤通常包括一般由无机玻璃或合成聚合物制成的纤芯和包覆在纤芯上的可任选的包层。包层材料的折射率应比纤芯材料低，这样约束光能通过纤芯藉助全内反射传播。
有些情况下，需要在光纤的侧表面的至少一部位上提供一个光发射区。为了提供这种光发射区，已知可以沿光纤的长度方向，以与光纤纵轴垂直的平面呈一角度，置有一系列切口。这些切口形成一系列反射表面，其作用是将经光纤传输的光线的至少一部分反射出光纤侧表面。如果光线具有外包层材料，切口延伸通过该包层进入光纤的纤芯。沿长度方向具有切口的包覆有聚合物的光纤可商购自Poly Optics Australia Pty.Ltd，其商品名为“POLY BRIGHT”。
在内燃机内部和周围难以伸到的区域和/或汽车车身修理时所用的照明装置的设计中可使用光纤。这些装置通常包括一个光源(如闪光灯或AC光源)和一段光纤，该光纤与光源连通使得由光源发出的光射到光纤的一端，然后通过光纤传输。照明装置时常需要既发射端光(由光纤末端发出的光)，也发射侧光(由光纤侧表面发出的光)。由于这种类型的照明装置在苛刻的环境中使用，此时光纤要重复弯折和/或扭曲以便达到远的地方供观察之用，而且光纤还可能受到油脂沾污，就需要一种既能经受反复弯折和/或扭曲，又能容易清洁处理的耐用光纤。
发明概述
本发明提供一种改进的有包层的光纤(简称包层光纤)，它具有光发射区和覆盖光纤侧表面(即侧壁表面)和所述光发射区的连续外包层。此改进的包层光纤与在外包层上延伸有一系列切口或压花形成的槽口的先前技术光纤相比，有较大的耐用性，较易进行清洁处理。本发明还提供一种制造本发明包层光纤和包含该包层光纤的照明装置的方法。
一个实施方案中，本发明提供一种光纤，它包括：
(a)细长的聚合物纤芯，该纤芯具有一个接收来自光源的光线的输入端、一个将通过纤芯传输的光线发射出去的输出端、沿纤芯纵轴延伸的侧表面(即侧壁)；
(b)包括至少一个光学单元的光发射区，该光学单元使通过纤芯传输的光沿大致垂直于纵轴的方向射出光纤至少一部分的侧表面；
(c)在纤芯侧表面和光发射区上延伸的连续外包层，它包括折射率小于纤芯的聚合物材料。
光纤的一个实施方式中，光发射区包括沿纤芯纵轴彼此相隔一定距离的一系列两个或多个光学单元。
光纤纤芯材料较好包括聚(丙烯酸烷基酯)或聚(甲基丙烯酸烷基酯)，外包层材料较好包括含氟乙烯-丙烯共聚物。可任选地，光纤还可包含包覆在外包层上的套管层，为光纤提供附加保护。
光发射区可包括沿纤芯纵轴规则间隔的光学单元，也可包括沿纤芯纵轴不规则(不等距)间隔的光学单元。光学单元的深度一般约为光纤厚度的1-10％。
本发明另一实施方式提供一种制造具有发光射区的光纤的方法，它包括以下步骤：
(a)提供一根包层光纤，它具有一根细长的聚合物纤芯，该纤芯具有一个接收来自光源的光线的输入端、一个将通过纤芯传输的光线发射出去的输出端、沿纤芯纵轴延伸的侧表面(即侧壁)；
(b)提供具有至少一个压花单元的压花工具；
(c)使压花工具的压花单元与光纤的包层接触并施加压力对光纤进行压花，使得压花单元在光纤纤芯上形成压痕，从而形成光学单元；
在压花步骤(即步骤c)过程中不是对包层进行切割，使得包层连续延伸在纤芯的侧表面和光发射区上。
此方法的一个实施方式中，采用一台包括压花轮的旋转压花设备，该压花轮上有一系列在轮子周边上彼此间隔的压花单元。对包层光纤进行压花，就是在轮子上的压花单元与光纤侧表面接触的情况下让压花轮绕其中心轴转动。
此方法的另一实施方式中，至少有一个压花单元包含第一侧表面和第二侧表面，这两个侧表面相交形成角度大约20°-150°的顶边。压花单元的该顶边较好是截顶的或切成圆角的，以免压花单元对光纤包层发生切割。
本发明又一实施方式提供一种照明装置，它包括：
(a)光源；
(b)光纤，它包括：
细长的聚合物纤芯，该纤芯具有一个接收来自光源的光线的输入端、一个将通过纤芯传输的光线发射出去的输出端、在输入端和输出端之间沿纤芯纵轴延伸的侧表面；
光发射区，使通过光纤传输的光线沿大致垂直于纵轴的方向上射出光纤至少一部分的侧表面，该光发射区包括至少一个光学单元；
在纤芯侧表面和光学单元上延伸的连续外包层，它包括折射率小于纤芯的聚合物材料；
所述光纤与所述光源光学耦合，使得从光源射出的至少一部分光线刺射到光纤的输入端。
光纤可以以可转动方式或非转动方式连接于光源。有些情况下，优选是将光纤与光源作可拆卸连接。这样，光源就可以与具有例如一个不同的光线侧面角度分布的其他光纤使用。一个较佳实施方式中，光源是个标准闪光灯。
术语
“光发射区(light-emitting region)”是指通过光纤传输的光线被发射出来的光纤上的一些部分。光发射区可以在光纤整个长度上沿伸，也可以只在光纤长度的一部分上沿伸。光发射区发射的光可以具有360°或更小的侧面角度分布。
“光学单元(optical element)”是指光纤纤芯上用压花法形成的任何受控的压痕部分，该压痕部分形成了能够将射到光纤上的至少一部分光透过光纤壁反射出来的一个或多个反射表面。这些光学单元不同于光纤上时常会发生的的刮痕和其他缺陷和其他表面不规整部位。通过适当控制各个光学单元的尺寸和形状以及光学单元沿光纤的分布图案和间距，光就可以通过光纤侧壁上的光发射区选择性地发射出来。
“照明装置”是指能提供具有所需波长、强度和分布性质的光的装置。照明装置可以移动，也可以固定不动。
“工作灯”是指人、动物或机器(如通过照相机或其他传感器进行检查的机器)在进行某项或多项工作时对一些区域进行照明的照明装置。工作灯可以移动，也可以固定不动。
“侧面角度分布(lateral angular distribution)”是指由光纤发出的光在大致垂直于光纤纵轴的一个平面上测出的角度范围。
“光纤”是指在输入端接收光，而将光传播到输出端和/或光发射区而无明显光损失的制品。光纤通常基于全内反射原理进行工作，基于光纤材料与紧靠包绕光纤的材料(如空气、包层等)之间的折射率差异，通常光纤传输的光线在光纤表面上进行反射。
“包层光纤(clad fiber)”是指既有纤芯又有包层材料包覆的光纤，该包层材料的折射率比纤芯材料小。
下面将就各种说明性实施方式对本发明的其他特点和优点进行更为完全的描述。
附图简要说明
图1是本发明一种包层光纤的透视图。
图1a是图1光纤沿1a-1a线的剖面图。
图2a-2c是本发明包层光纤的各种剖面图。
图3a-3c显示用来制造本发明包层光纤的压花设备。
图3a’是图3a中所示光纤的剖面图。
图4显示用来制造本发明包层光纤的压花设备。
图4a-4c显示可用来制造本发明包层光纤的图4的压花设备的各种压花单元。
图5a-5b显示用来制造本发明包层光纤的一台旋转压花设备。
图5c是旋转压花过程的示意图。
图6显示用来制造本发明包层光纤的一台旋转压花设备。
图7是本发明一种照明装置的侧视图。
图8是本发明一种照明装置的透视图。
图9a是本发明一种照明装置的侧视图。
图9b是图9a照明装置一部分的透视图。
发明实施方案的详细说明
本发明提供在照明装置中特别有用的能选择性发射光线的聚合物光纤。
图1是一段本发明光纤10的透视图。图1a是沿图1中线1a-1a的光纤10的纵截面图。光纤10是细长形的，有纵轴11和侧表面13，其横截面为圆形。光纤10包括细长的中心芯12，其周围为外包层14。外包层14的材料是折射率小于中心芯12折射率的聚合物。光纤10还包括接受来自光源的光线的输入端20和将通过光线10长度传输的光(即端光)发射出来的输出端23。光纤10包括一些光发射区26，在这些光发射区，光线沿大致垂直于光纤10的纵轴11的方向上射出光纤。光纤10的光发射区26包括至少一个光学单元16。光发射区通常具有在光线10整个长度的至少一部分上彼此间隔的一系列光学单元。在图1实施方式中，光学单元16的形式是一系列沿着光纤10的长度彼此等距相隔的一系列压痕。可任选地，光学单元16之间的距离也可以不相等。每个光学单元16延伸进入中心芯12，由此形成第一反射表面18和第二反射表面20。光学单元16的深度，即由光纤10的外表面测量至光学单元16的最低点，在图1a中标为“d”。深度“d”通常随光纤的厚度而异。例如，深度“d”占光纤总厚度(如直径)的大约0.5-30％，较好大约1-10％。第一反射表面18和第二反射表面20相对于与光纤10的纵轴11垂直的平面，通常倾斜一个角度。如图1a所示，外包层14在光纤10的纤芯12的侧表面包括光学元件16区域上连续延伸。即是说，光纤10中的光学单元16的生成并没有将外包层14切割或切断。
光纤10工作时，第一反射表面18将纵向传输通过光纤的至少一部分光通过光纤10的侧表面13的光发射区26进行反射。虽然本发明光纤可具有任何所需的侧面角度分布，但通常观测到的是，由光发射区26以与光学单元16大约成180°发出的光的强度最大。
光纤10可以有任何适用的横截面形状。图2a-2c显示了可用于本发明光纤的种种不同的横截面形状。例如，图2a中的光纤110a具有大致正方的横截面，图2b中的光纤110b的横截面呈三角形，而图2c中的光纤110c具有大体上椭圆形的横截面。图2a-2c中所示的各种光纤横截面形状只是例举性的，决不意味着对本发明的限制。本领域技术人员应理解本发明的光纤可具有任意适合的横截面形状(即圆形、正方形、矩形、三角形、椭圆形、多边形、上述等形状的多种组合)。为了保证通过光纤的光线均匀分布，优选是光纤的横截面形状至少在光纤的光发射区是大致均匀的。
本发明光纤的尺寸随其用途而异。对许多照明装置，光纤的直径大约为1-25mm，较佳约5-14mm，最佳约7-12mm。长度视用途而异，有些情况下可从短于1cm至长于100m。
外包层14包括一种聚合物材料，其折射率低于光纤纤芯材料的折射率。由于其折射率较小，相对于纤芯材料相同而没有包层的光纤来说，包层的作用是能减少从光纤侧壁杂散发射出去的光。包层14的合适材料在本技术领域中是已知的，包括例如含氟乙烯-丙烯共聚物(如DuPont Co.的商品名“TEFLONFEP”)、聚偏二氟乙烯、全氟丙烯酸酯、聚四氟乙烯、四氟乙烯-六氟丙烯-偏二氟乙烯。包层材料的厚度通常比纤芯的直径小，但比要通过光纤传输的光的波长大。对于直径小于约25mm的光纤，包层的厚度通常小于约1mm，较佳约为0.2-0.4mm。为了提供例如车门、发动机室、发动机进出口，设备部件外壳等的所需照明，光纤具有较小的截面，以便能插入通过小的孔。
合适的光纤纤芯材料包括例如：聚(丙烯酸烷基酯)和聚(甲基丙烯酸烷基酯)。纤芯的一种较佳材料包括聚(甲基丙烯酸甲酯)以及甲基丙烯酸甲酯和其他丙烯酸酯和甲基丙烯酸酯单体的共聚物，这些单体例如是丙烯酸乙酯、丙烯酸2-乙基己酯、甲基丙烯酸正丁酯。有些情况下，为制成具有较高柔性的光纤，需要柔性较高的纤芯材料。甲基丙烯酸甲酯与低玻璃化转变温度(Tg)单体(如丙烯酸乙酯和丙烯酸正丁酯)的共聚合可以形成柔性较高的纤芯材料。一种较佳纤芯组合物包括聚合的甲基丙烯酸甲酯，其玻璃化转变温度约为54℃。
适用于本发明的包层聚合物光纤及其制造方法见述于例如PCT申请WO99/59804、WO01/47696和美国专利5,298,327(Zarian等人)中。
可任选地，本发明光纤可在其包层上覆盖一层聚合物材料外层。该层通常称为套管层，其作用是为光纤多一层保护，免受损伤。套管层的适合聚合物材料包括例如聚氯乙烯等。
光发射区的每个光学单元的反射表面通常相对于与光纤纵轴垂直的平面倾斜一定角度。倾斜角通常为10°-80°，较佳20°-70°，更佳30°-60°，但0°至小于90°的任何角度都可采用。各个光学单元的反射表面可以是弯曲的，也可以是基本上平面的。
光学单元的反射表面较好制成具有一定光学质量。“光学质量”是指该反射表面只将投射于其上的光线散射仅较少的量(通常少于20％，较好少于10％)，其余光线发生镜面反射或折射。每个光学单元的反射表面通常在垂直于光纤纵轴的方向上延伸，但也可以对该轴呈任意角度。
光学单元通常沿光纤的中心线方向呈规则间隔，但也可采取合适于光纤用途的任何方式。有些实施方式中，可能需要沿光纤的光发射区保持基本上均匀的光输出。为此，可以控制相继光学单元的图案和间隔，从而补偿由居前的光学单元从光纤反射掉的光。例如，在光要传输的方向上，相继的光学单元反射表面的截面积可以增大，例如通过增大光学单元的压花深度。也可以将相继光学单元的间隔逐步减小或改变其反射表面的倾斜角度，或者将上述任意方法或所有方法加以组合。
制造本发明光纤的一个方法是批次压花法。现在看图3a-3c，图中所示是适合于制造本发明光纤的压花法。压花工具60包括金属模子，其一个表面经机械加工能提供一系列V字形压花单元62，这些压花单元62在垂直于光纤66纵轴65的方向上彼此平行地延伸。压花单元62的横截面呈三角形或V字形，但应理解也可按本发明所述使用其他横截面形状。可任选地，压花工具60可备有一个或多个加热器63(如筒型电阻加热器)，用来在包层光纤66压花前和/或过程中将压花工具升高至一定高温。试看图3a’，所示为光纤66的一个横截面。光纤66包括具有侧表面61的纤芯69。纤芯69外面围着外包层67。使用压花工具60时，对压花工具施压使其与包层光纤66的侧表面接触。压花工具60的压花单元62，其作用是在包层光纤66的表面上形成压痕，如图3b所示。较好在一定高温，例如60°F-275°F的温度进行压花过程。压花工具60通常在压力条件下与包层光纤66保持接触大约5秒至数分钟，较好约1分钟。有些情况下可能需要趁压花工具60仍与光纤66保持接触时令压花工具60冷却，为的是让构成光纤66的聚合物材料在压花单元上定形。这样，在光纤上生成的光学单元的形状将更精密地与压花工具60上的压花单元62的形状吻合。图3c是本发明经压花的光纤沿其纵轴65的剖面图。如图3c所示，通过压花操作产生的光纤66包括一系列光学单元68，这些光学单元在光纤66的侧表面上彼此相距一定距离。形成这些光学单元68时，包层光纤66中包覆中心芯69的外包层材料67不受到切割。因此在光纤纤芯的侧表面包括光学单元68上，包层67仍是连续的。
图4是适合用来制造本发明光纤的压花工具80的分解图。压花工具80包括上压板82和下压板84。上压板82包括一系列六个对准销102，其尺寸与一系列六个对准孔100配合，用来在对包层光纤压花时将上压板82与下压板84对准。上压板82和下压板84各有一个槽子87和88，它们的尺寸和形状恰能在压花过程中能固定住一根包层光纤。在压花工具80中，槽子87和88都是横截面半圆形的，优选是能固定住一根圆形横截面的光纤。压花工具80包括可除去的压花部件86，它装在上压板的槽子87内。压花部件86上有两个用来接受调节螺钉98的螺丝孔94。图4a是一个压花部件86的侧视图。压花部件86上有一系列沿背板89延伸的凸脊形式压花单元88，在背板89方向上彼此相隔间距″a″。压花单元88都各有两个平的侧表面90和92，这两个侧表面相交形成凸脊88的顶边，顶边角为″b″。尽管凸脊的两个侧表面一般是平的，但一个或两个侧表面可以是弯曲的。顶边角b一般约为20°-150°，较佳约45°-90°，特别优选的b是大约60°。图4b显示适用于制造本发明光纤的又一个压花部件86b。图4b中，图4a压花单元88的顶部已被截顶，形成平顶面106a，其表面宽度为″c″。在一较佳实施方式中，截顶的顶表面106a的表面宽度c约为0.1-3mm，较佳约为0.2-2mm。图4所示是一个压花部件86c。图4c中，原来图4a中的压花单元88的顶边已经用例如砂纸修圆，由此形成修成圆角的顶边。压花单元顶边的截顶或切圆(见图4b-4c)是较佳的，为的是防止压花单元在压花过程中光纤上的外包层材料被切穿或以其它方式穿透。
再看图4，使用时，将压花部件86安装在上压板82的槽子88中，并用调节螺钉98将其调节在所需位置。例如，压花部件86可以平行于槽子88安装，也可以相对于槽子88以一定角度安装。优选是压花部件86相对于槽子88以一定角度安装，以便改变沿光纤长度上各光学单元的深度。一根包层光纤(未示)置于下压板84的槽子88中。再将上压板82放下置于下压板84上，借助对准销102将它们固定在一起。然后用例如水压机或C形夹对上压板82和下压板84的表面施压，从而对压花部件86施加压花压力。另一个实施方式中，对准销102用一系列螺钉代替，拧紧这些螺钉就可对包层光纤施加压花压力。
制造本发明光纤的又一个方法是采用旋转压花法。试看图5a，该图显示一台适合于制造本发明光纤的旋转压花设备30。该设备包括可旋转安装在压花轮外壳34上的压花轮32。压花轮32上有许多沿轮32周边间距相等且径向延伸的压花单元44。压花轮32可以是个链轮，例如ANSI40、ANSI35或ANSI24链轮，也可以是个正齿轮。压花轮32连接有一个手柄36，当手柄36例如顺时针方向转动时，压花轮32绕其中心轴33作同方向旋转。压花轮外壳34滑动连接在轨道38上。轨道38上有个槽子40，用来在旋转压花时将包层光纤(未示)固定住。图5的实施方式中，槽子40的横截面为半圆形，用来固定例如圆形横截面的光纤。对于具有其他形状横截面的包层光纤其压花当然需用其它的槽子结构。
使用旋转的压花设备30以前，将包层光纤42(具有纤芯49和外包层47)放置在轨道38的槽子40中(见图5b)。将手柄36顺时针转动，令压花轮32的压花单元44下压与包层光纤42的侧表面43发生压花接触。在旋转压花设备30运转时，压花轮32与其外壳34沿轨道38(按箭头39的方向)随着包层光纤42移动，并在它沿轨道38移动时对它进行压花。现在看图5c，所示是旋转压花过程的示意图。图5c中，光纤42已被压花的部分就含有沿光纤42彼此相隔一定距离的一系列光学单元46。这些光学单元46的形成不会使光纤42中围绕纤芯49的外包层材料47被切割或其完整性以其他方式受到影响。
本领域技术人员不难认识到，可以将旋转压花设备30改进，使得压花轮32藉助机械装置(例如通过一个或多个齿轮连接于压花轮32的马达)来驱动。
合适于制造本发明光纤的另一种压花设备110的示意图示于图6。压花设备110装有一个压花轮112，其安装方式使它能绕其中心轴116旋转。压花轮112上有许多在轮子周边相隔并径向延伸的压花单元114。可任选地，压花轮112也可以备有加热或冷却装置，例如将所需温度的水蒸汽和/或水在压花轮112内部腔室中循环的装置(图中未示出)。压花装置110还包括一个安装得能绕其中心轴119顺时针转动的夹持辊118。要压花的包层光纤由装有一段包层光纤124的供料辊122供给到压花轮上。设备110还有个收卷辊126，用来接受已经压过花的一定长度的包层光纤。
在压花设备110运行时，压花轮112逆时针方向旋转(例如藉马达的驱动)，将包层光纤124从供料辊122(具有旋转轴123)通过压花轮112和夹持辊118之间的辊隙126拖动。随着包层光纤124拖过辊隙126(即压花轮112和夹持辊118之间的空间)，它就被压花单元114所压花，形成沿包层光纤124的长度方向彼此相距一定距离的一系列光学单元128。这些光学单元128的形成，不致切割包住包层光纤124的外包层材料(图中未示出)。压花后，包层光纤124就缠绕在收卷辊126上。
压花到包层光纤124上的光学单元128的深度可以例如开启或关闭压花轮112和夹持辊118之间的辊隙126来控制。例如，辊隙126越小，光学单元128的深度往往会增加。有些情况下，可能需要在一段光纤上沿此段光纤长度方向的光学单元的深度具有经控制的差异。可以例如使用压花设备110在压花操作时能有控制地改变辊隙126的大小来做到这一点。例如，夹持辊118可以做到具有椭圆形，使得在夹持辊118转动的过程中辊隙126的大小发生改变。采用的控制手段也可以是使夹持辊118和压花轮112的一个或两个互相移动，从而改变辊隙126的大小。这样，光纤上的光学单元深度就可以控制。
本领域的技术人员应该了解，可以选择压花单元的形状、尺寸、取向和间距来提供沿光纤的光学单元所需的形状、尺寸、取向和间距。一般地说，压花单元的形状、尺寸、取向和间距通常并不会与在光纤上产生的光学单元的形状、尺寸、取向和间距完全配合。因此可能需要改变压花单元的形状、尺寸、取向和间距，连同压花的工艺条件(如温度、压力、接触时间)来进行实验，用以产生具有所需光学特性的光纤。此外，可能需要进行压花的工艺条件(如温度、压力、接触时间)和压花单元的形状、尺寸、取向和间距的实验，以便制造具有连续而不被切割的包层材料的本发明光纤。一般地说，温度、压花压力、包层厚度、压花单元的形状、冷却时间以及光纤包层和纤芯的组成，是除本领域技术人员所知的其他因素之外，会影响在包层光纤上压花生成的光学单元的最终形状、尺寸、取向和间距的一些因素。
本发明光纤使用在照明装置中是有益的。图7是本发明一个照明装置150的示意图。照明装置包括光源152，它与本发明包层光纤154光学耦合。光源的细节对于本发明并非关键，例如，一个特别适用的光源是闪光灯，如商品名为STREAMLIGHT STINGER(购自Streamlight，Inc.，Eagleville，PA)或商品名为MAGLITE(购自Mag Instruments，Inc.，Ontario，CA)的闪光灯。其他适合的可购的光源，例如包括商品名为LIGHT PUMP(购自Remote Source LightingInternational Inc.，CA)和商品名为POWERHOUSE METAL HALIDE ILLUMINATOR(购自Lumenyte International Corp.，CA)的光源。包层光纤154上有沿着其一段长度延伸的光发射区155。光发射区155包括至少一个，较好是一系列相隔的压花形成的光学单元156。按照本发明，包层光纤154具有一层连续的外包层159，它在包括构成发光区155的光学单元156的光纤侧表面上是连续的。使用时，将光源152射出的光线导入包层光纤154，光线藉助全内反射在光纤中传播。经过包层光纤154传播的光的一部分入射到光学单元156的反射表面上，然后通过光发射区155从光纤中反射出去。
图8是本发明的一种照明装置158的透视图，它包括与本发明包层光纤162光学耦合的光源160。光纤162沿一纵轴164延伸。图8的照明装置可用来为任何用途提供照明，例如可用作工作灯。
光源160产生光可以是任何适当的机理。例如，光源160可以是白炽的、荧光的、发光二极管阵列、高强度放电(HID)灯、或能产生具有所需波长或波长范围的光的适当光源。较佳的光源发射的光能通常位于可见波长光谱或至少一部分可见波长光谱。尽管图8所示的光源160由一电池166供电，但应当知道，向光源160供电的能量可以是交流的、直流的等等。
当光源160比包层光纤162的横截面直径大时，可能还需要用个耦合器168从光源160的较大横截面尺寸过渡到包层光纤162的较小横截面尺寸。耦合器168中较佳应用高反射性材料如金属涂层作为衬里，用以有效地将光传递给包层光纤162。作为耦合器168内部金属涂层的另一种选择是采用反射材料，如反射性多层光学膜，见述于例如PCT申请Nos.WO95/17303；WO95/17691；WO95/17692；WO95/17699和WO96/19347中。反射性多层光学膜的例子，如上述PCT申请中所述的，可以得自3M公司，St.Paul，MN。由于这些反射膜在耦合器168中反射光的积聚的能力很好，因而特别适用。
光源160中可包括一个风扇或其他冷却装置，用来除去光源工作时发生的热量。此外，耦合器中也可包括一些冷却扇170将热量从其中发散出去。
包层光纤162详细示于图1，它包括至少一个，较佳是一系列压花形成的光学单元163，沿光纤长度至少一段互相相隔，构成发光区167。包层光纤162还有个外包层165，连续位于光纤纤芯的侧表面和光学单元163上(也见图1)。
包层光纤162可以是可转动地或非转动地连接于光源160。一个实施方式中，包层光纤162连接于光源的方式，使得光纤可以绕其纵轴164转动。包层光纤162绕其纵轴的转动也较好使光发射区167转动。包层光纤160绕其纵轴164相对于光源160转动的一个益处是由光发射区167射出的光的方向可以改变，从而能按用户需要在所需方向上提供照明。
若使用耦合器168连接光源160和包层光纤162，该耦合器168可以与包层光纤162固定，此时包层光纤162和耦合器168一起可以相对于光源160转动。也可以是耦合器160与光源固定，此时包层光纤162可以相对于耦合器与光源160而转动。也可以是包层光纤162与耦合器168(如果后者用的话)连接于光源160，不能转动。
再看图9a，它示出本发明再一个照明装置。照明装置180包括光源182，在图9a的实例中是标准闪光灯。照明装置180还包括与光源182的光发射端189摩擦配合的光学耦合器184。光学耦合器184有个输入端185和输出端187，还有个延伸在其输入端185和输出端187之间的圆维形导光区189。输出端187与本发明的包层光纤186固定。光学耦合器184的输入端185是圆形的，其尺寸是能够可拆卸地(例如通过摩擦配合)固定于光源182的光发射端189。图9b是光学耦合器184和包层光纤186已经与光源182脱离的透视图。光学耦合器184的作用是将光源182光学耦合于包层光纤186，使得光源182发出的光藉助圆锥形导光区189射至包层光纤186的输入端191。耦合器184的内部较好衬以反射性高的材料，如同就图8实施方式所述的一样，能有效地将光从光源182导至包层光纤186。
实施例
下列这些实施例仅供说明之用，并不意味着对所附权利要求范围有什么限制。
实验概要
这些实验所用的光纤都购自3M公司，St.Paul，MN；LumenyteInternational，Costa Mesa，CA或Poly Optics，Australia。若不另行说明，光纤横截面圆形，标称外径为10mm。
实施例1
此例显示的是对有实芯的光纤(购自Poly Optics，Australia，商品名“POLY100”)进行批次压花。光纤的纤芯由纯注塑的丙烯酸类单体包括甲基丙烯酸甲酯构成。外包层是聚四氟乙烯(即特氟隆)。光纤的总直径约10mm+/-0.5mm，外包层厚约0.2mm±0.05mm。
制造了一个装置用来在光纤的侧壁上压花生成一系列光学单元。压花单元总长140mm，由基本上为三角形的重复凸脊组成，沿压花单元每隔6.35mm有一个凸脊，高3.0mm。每个单元的顶边角为60°。每个凸脊的顶尖被截平成为1mm的平面。
制造了一个两件头的夹具，用来夹持压花装置。夹具的两面用一系列定位销互相对准。在一液压机(“PHI”液压机，得自Pasadena Hydraulics WG，Elmonte，CA)上对该夹具施压。测出压力约为2812kg/cm2，压花时间5秒。
光纤从夹具中取出后，光纤上的压花形成的光学单元有某些恢复。光纤的热机械加工后的这个松驰过程限制了在一般压花过程后光从侧表面的透射量。光学单元的压花深度为0.2mm。
将一闪光灯(购自Tactical Flashlight Shop of Wichita，KS 67212的“STREAMLIGHT STINGER”闪光灯)置于光纤的一端。目视观察侧光(即光纤侧表面发出的光)。
如上所述制备的压花样品，其肉眼看来具有完好的包层，再用Leica牌光学立体显微镜(最大放大倍数512×)检查。检查时用暗场、明场，同时对光纤用光源照明。如果在最大放大倍数条件下，包层也看不到缺陷，即视为完好，此实验在生产所需制品上是成功的。
实施例2
此例显示温度对压花过程的影响。此例所有试验中，压花单元的总长都是140mm，由多个顶边间距6.35mm，深4.0mm的三角形凸脊组成，凸脊的顶边角是60°。用一个5英寸(12.7cm)的金属C形夹对压花单元施压。为了提供附加的力矩，将C形夹的夹紧杆用一根11.5英寸(29.2cm)的延长棒延长之。用此延长棒手动紧固此C形夹。当C形夹完全紧固后测量压花时间。目视具有完好包层的压花光纤样品，再用Leica牌光学立体显微镜(最大放大倍数512×)检查。检查时用暗场、明场，同时对光纤用光源照明。如果在最大放大倍数条件下，包层也看不到缺陷，即视为完好。本例结果列于下面的表1。
                         表1
    温度(℃)     压花时间(秒)     光学元件深度(mm)     包层状态
    79     60     0.2     包层完好
    104     60     0.2     包层受切
    121     60     0.2     包层受切
    149     60     0.2     包层受切；包层曾熔化有气泡
    149     10     0.2     包层受切；包层曾熔化有气泡
实施例3
此例显示使用旋转压花法来制造本发明的光纤，包括评估几种压花轮的形状并对压花压力进行测量。制造了基本如图5a所示的装置。对一系列ANSI链轮用作压花轮进行了评估。观察发现，ANSI35链轮(其压花单元间距为0.95cm)和ANSI25链轮(其压花单元间距为0.635cm)的压花单元太尖锐，在转动压花时往往刺入光纤的包层乃至将其切割。然后评估其压花单元相距1.27cm的ANSI40链轮，发现其压花单元对于本发明的具有连续外包层的光纤的制造是令人满意的。
然后用齿距为16，直径为7.62cm的正齿轮(购自Boston Gear，件号NB48)作为压花轮进行评估。其未经修改的形式，此正齿轮的压花单元(即齿)有个顶面，其在齿的径向(即沿周面)上为2mm，在纵向(即齿的厚度)上为1.27cm。由于光纤纤芯具有粘弹性，压花时齿的尺寸并未精确复制。因此将正齿轮的齿进行修改，使2mm面减小至0.5mm。经修改的正齿轮在旋转压花过程中使用，发现在室温下它会切割光纤的包层。而在高温下，此修改的正齿轮能成功地用来对包层光纤压花，而对包层不切割。
将第二个齿距为16，直径为7.62cm的正齿轮(购自Boston Gear，件号NB48)进行修改，使其在径向上为1mm。经修改的正齿轮于室温在旋转压花过程中使用，发现它能良好地用作制造本发明光纤的压花轮。
为了测量在旋转压花过程中由压花单元(即齿)施加到包层光纤上的压力，使用了一个压力指示膜(购自Sensor Products，Inc.，East Hanovern，NJ)。在此例中，使用了高范围压力的压力指示膜(可测范围约499-1300kg/cm2)。此压力指示膜插在包层光纤和压花轮(NB48正齿轮，经修改具有径向1mm的面)的压花单元之间。受到压花时的压力后，按制造厂家提供的说明书对压力指示膜进行压力读数。按照压力指示膜的说明书，所有结果的误差为测量值的±15％。对本发明光纤进行旋转压花时测得的压力如下：
压花的光学单元深度                       压花压力
(mm)                                     (kg/cm2)
0.1                                      597.6
0.3                                      808.5
实施例4
为了测出侧光透出率(extraction rate)，用一台Light Gauge牌光度计(购自Cohereut Auburn Group)测量端光亮度。该光度计新近由InternationalLight，Newburyport，MA校准过。所有光纤样品都在室温下用未修改的正齿轮进行压花制造(参见实施例4)。光纤样品切至188mm长。光纤直径为9.0-9.1mm。一个圆锥形适配器装上反射膜(VM2000，3M公司，Saint Paul，MN)。用电线包布来阻断光线从圆锥形适配器杂散发射出去。一个充足了电的闪光灯(商品名STREAMLIGHT STINGER)用作照明光源。放置好光纤样品，要使插入深度和对准的影响最小。光纤两端是垂直于光纤长度切割的，且互相平行。将光度计置于在最大输出位置的光纤的一端，以测量由该端透射出来的端光。使用未经压花的光纤作为对照，可以藉助端光之差算出透射出侧表面的光量。表2列出压花深度对于透射的光量的影响数据。
                     表2
    压花深度(mm)     端光(流明) 透射光百分数(％)
    对照(无)     10.3 0
    0.4     7.8 24.2
    0.5     6.1 40.8
实施例5
使用基本上示于图5a中的旋转压花装置，制备了本发明的压花光纤。所用的压花轮是个未修改的正齿轮(购自Boston Gear，件号NB48)。为了避免光纤的包层受到切割，有些光纤在压花前加热。加热是采用红外灯(购自Infratech Corp.Corvina，CA，商品名2000-WATT SPEED RAY)。为了比较，由Poly Optics，AU获得了有切口的(比较例A)和无切口的(比较例B)包层光纤样品，比较例A的样品具有沿光纤纵向彼此相距6.35mm±1.27mm的一些切口。这些切口深度为1.015mm±0.25mm，与光纤纵向以角度35°±5°倾斜。
在试验前，所有光纤样品均切至124mm的长度，用实施例1所述的显微镜技术确定包层的状态。对各个光纤样品，采用实施例4所述的技术测量由各个光纤样品发射出的端光的量，不同的是光纤长度为124mm。
结果示于下表3。
                                          表3
   光纤     光纤直径(mm)     光学单元深度(mm)     齿轮面(mm)     包层状态     压花温度(℃)     端光(流明)     透射的光(％)
   无切口     9.2     N/A     N/A     完好     N/A     11.4     N/A
   0.635mm     9.4     1.0     N/A     受切割     N/A     10.5     7.9
   A     9.2     0.2     0.5     受切割     22     5.3     53.5
   B     9.0     0.2-0.3     0.5     完好     100     6.3     44.7
   C     9.4     0.3     0.5     完好     107     6.4     43.9
   D     9.3     0.5     0.5     完好     110     5.6     50.9
   E     9.0     0.2     1.0     完好     22     5.3     53.5
实施例6
此例显示经压花的光纤与有切口的纤维相比，提高了机械强度。
由Poly Optics，Australia购得标称为10mm的光纤，有标准构型的(无切口)和Poly Bright构型的(有切口，见实施例5)。
采用其齿经过修圆具有1mm面的正齿轮(见实施例3)，就该齿轮朝着标称为10mm的光纤对其进行压花。所压花形成的光学单元的平均深度为0.25mm。有切口的或经压花的光纤样品均切至15mm长度，供耐用性测试之用。
光纤耐用性测试如下。手握光纤的两端，将光纤弯成U字形使其两端接触，此时光纤上的切口或压花形成的光学单元应在U字的内侧。再将光纤反向弯180°，使两端接触，此时光纤上的切口或压花形成的光学单元应在U字的外侧。再将光纤反向弯180°，即回到开始的构型，光纤上的切口或压花形成的光学单元应在U字的内侧。这三步作为一个弯曲循环。完成一次弯曲循环的时间(周期)为4秒钟。一个设定为60bpm的节拍器(带有一个设定为每次测量4拍的测量计数铃)用来记录弯曲循环数。对切口或压花形成的光学单元在测试时连续检查，记录发生包层撕破和光纤破损的循环数。
用Leica牌光学立体显微镜(最大放大倍数512×)检查光纤。检查时用暗场、明场，同时对光纤用光源照明。如果在最大放大倍数条件下，包层也看不到缺陷，即视为完好。本实施例的结果示于下表4。示出的数字是至规定破坏的循环数。规定破坏被定义为包层撕破和光纤破损。
                            表4
  光纤类型        有切口的光纤          压花光纤
  试验号     包层撕破     光纤破损     包层撕破     光纤破损
  1     8     24     40     71
  2     7     21     59     68
  3     4     19     61     67
  平均     6.3     21.3     53.3     68.7
实施例7
此例显示压花形成的光学单元受到高温时的持久性。采用未修改的正齿轮象实施例5一样对10mm光纤压花。光纤上压花形成的光学单元的平均深度为0.65mm。经过压花的光纤在79℃的烘箱中热老化7天。热老化之后，再测量光学单元，发现其平均深度为0.60mm。
实施例8
此例显示了压花法可以用于有PVC套管的光纤。标称为10mm的有PVC套管的光纤(购自Lumenyte International Corporation)用一正齿轮进行压花，该正齿轮的齿经过修圆使得其对着光纤的面为1mm(见实施例4)。光纤上光学单元的平均深度为0.9mm。用光学显微镜检查，观察到光纤上的包层和PVC套管在压花后状态均完好。
这里引述的专利、专利文件和出版物的全部内容都参考结合于此，如同各自结合一样。本领域技术人员在不偏离本发明的范围和精神条件下可以对本发明作出种种修改和变换。应当知道，这里所述的实施方式和实施例不应限制本发明，而且所述的实施方式和实施例只是例子而已，本发明的范围只受权利要求的限制。

Claims (18)

1.照明装置，包括：
(a)光源；
(b)光纤，它包括：
细长的聚合物纤芯，该纤芯具有一个接收来自光源的光线的输入端、一个将通过纤芯传输的光发射出去的输出端、在输入端和输出端之间沿纤芯纵轴延伸的侧表面；
光发射区，它使通过光纤传输的光线沿大致垂直于纵轴的方向上射出光纤至少一部分侧表面，该光发射区包括至少一个光学单元；在纤芯侧表面和光学单元上延伸的连续的外包层，它包括折射率小于纤芯折射率的聚合物材料；
所述光纤与所述光源光学耦合，使得从光源射出的至少一部分光线射到光纤的输入端。
2.如权利要求1所述的照明装置，其特征在于所述光发射区包含沿纤芯纵轴彼此间隔的一系列两个或多个光学单元。
3.如权利要求2所述的照明装置，其特征在于所述光发射区在纵轴方向上的长度小于光纤在纵轴方向上的总长度。
4.如权利要求2所述的照明装置，其特征在于光纤的光发射区发射出侧面角度分布小于360°的光。
5.如权利要求2所述的照明装置，其特征在于光纤的光发射区发射出侧面角度分布小于180°的光。
6.如权利要求2所述的照明装置，其特征在于光纤与光源是可旋转连接的。
7.如权利要求2所述的照明装置，其特征在于光纤与光源是可拆卸连接的。
8.如权利要求2所述的照明装置，其特征在于光纤从输出端和光发射区发射出光线。
9.如权利要求2所述的照明装置，其特征在于光源是闪光灯。
10.如权利要求2所述的照明装置，其特征在于连续的外包层包括含氟乙烯-丙烯共聚物。
11.如权利要求2所述的照明装置，其特征在于光发射区包括至少三个沿纤芯纵轴规则间隔的光学单元。
12.如权利要求2所述的照明装置，其特征在于光发射区包括至少三个沿纤芯纵轴不规则间隔的光学单元。
13.如权利要求2所述的照明装置，其特征在于光学单元的深度是光纤厚度的约1-10％。
14.如权利要求2所述的照明装置，其特征在于光纤包括具有第一深度的第一光学单元和具有第二深度的第二光学单元，所述第一深度不等于第二深度。
15.如权利要求2所述的照明装置，其特征在于光纤的横截面为圆形，直径约为1-25mm。
16.如权利要求2所述的照明装置，其特征在于外包层的厚度小于约1mm。
17.如权利要求2所述的照明装置，其特征在于该照明装置还包括位于外包层上的套管层。
18.如权利要求2所述的照明装置，其特征在于各光学单元包括至少一个反射表面，它相对于垂直于纤芯纵轴的平面倾斜10°-80°。
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