專利名稱：照明裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及包含藉助全內(nèi)反射傳輸光線的光纖的照明裝置。
背景技術(shù)：
人們知道，光傳輸材料(例如玻璃或聚合物)可以用作藉助全內(nèi)反射傳播光線的光纖。光纖通常包括一般由無機玻璃或合成聚合物制成的纖芯和包覆在纖芯上的可任選的包層。包層材料的折射率應(yīng)比纖芯材料低，這樣約束光能通過纖芯藉助全內(nèi)反射傳播。
有些情況下，需要在光纖的側(cè)表面的至少一部位上提供一個光發(fā)射區(qū)。為了提供這種光發(fā)射區(qū)，已知可以沿光纖的長度方向，以與光纖縱軸垂直的平面呈一角度，置有一系列切口。這些切口形成一系列反射表面，其作用是將經(jīng)光纖傳輸?shù)墓饩€的至少一部分反射出光纖側(cè)表面。如果光線具有外包層材料，切口延伸通過該包層進入光纖的纖芯。沿長度方向具有切口的包覆有聚合物的光纖可商購自Poly Optics Australia Pty.Ltd，其商品名為“POLY BRIGHT”。
在內(nèi)燃機內(nèi)部和周圍難以伸到的區(qū)域和/或汽車車身修理時所用的照明裝置的設(shè)計中可使用光纖。這些裝置通常包括一個光源(如閃光燈或AC光源)和一段光纖，該光纖與光源連通使得由光源發(fā)出的光射到光纖的一端，然后通過光纖傳輸。照明裝置時常需要既發(fā)射端光(由光纖末端發(fā)出的光)，也發(fā)射側(cè)光(由光纖側(cè)表面發(fā)出的光)。由于這種類型的照明裝置在苛刻的環(huán)境中使用，此時光纖要重復(fù)彎折和/或扭曲以便達到遠的地方供觀察之用，而且光纖還可能受到油脂沾污，就需要一種既能經(jīng)受反復(fù)彎折和/或扭曲，又能容易清潔處理的耐用光纖。
發(fā)明概述本發(fā)明提供一種改進的有包層的光纖(簡稱包層光纖)，它具有光發(fā)射區(qū)和覆蓋光纖側(cè)表面(即側(cè)壁表面)和所述光發(fā)射區(qū)的連續(xù)外包層。此改進的包層光纖與在外包層上延伸有一系列切口或壓花形成的槽口的先前技術(shù)光纖相比，有較大的耐用性，較易進行清潔處理。本發(fā)明還提供一種制造本發(fā)明包層光纖和包含該包層光纖的照明裝置的方法。
一個實施方案中，本發(fā)明提供一種光纖，它包括(a)細長的聚合物纖芯，該纖芯具有一個接收來自光源的光線的輸入端、一個將通過纖芯傳輸?shù)墓饩€發(fā)射出去的輸出端、沿纖芯縱軸延伸的側(cè)表面(即側(cè)壁)；(b)包括至少一個光學(xué)單元的光發(fā)射區(qū)，該光學(xué)單元使通過纖芯傳輸?shù)墓庋卮笾麓怪庇诳v軸的方向射出光纖至少一部分的側(cè)表面；(c)在纖芯側(cè)表面和光發(fā)射區(qū)上延伸的連續(xù)外包層，它包括折射率小于纖芯的聚合物材料。
光纖的一個實施方式中，光發(fā)射區(qū)包括沿纖芯縱軸彼此相隔一定距離的一系列兩個或多個光學(xué)單元。
光纖纖芯材料較好包括聚(丙烯酸烷基酯)或聚(甲基丙烯酸烷基酯)，外包層材料較好包括含氟乙烯-丙烯共聚物。可任選地，光纖還可包含包覆在外包層上的套管層，為光纖提供附加保護。
光發(fā)射區(qū)可包括沿纖芯縱軸規(guī)則間隔的光學(xué)單元，也可包括沿纖芯縱軸不規(guī)則(不等距)間隔的光學(xué)單元。光學(xué)單元的深度一般約為光纖厚度的1-10％。
本發(fā)明另一實施方式提供一種制造具有發(fā)光射區(qū)的光纖的方法，它包括以下步驟(a)提供一根包層光纖，它具有一根細長的聚合物纖芯，該纖芯具有一個接收來自光源的光線的輸入端、一個將通過纖芯傳輸?shù)墓饩€發(fā)射出去的輸出端、沿纖芯縱軸延伸的側(cè)表面(即側(cè)壁)；(b)提供具有至少一個壓花單元的壓花工具；(c)使壓花工具的壓花單元與光纖的包層接觸并施加壓力對光纖進行壓花，使得壓花單元在光纖纖芯上形成壓痕，從而形成光學(xué)單元；在壓花步驟(即步驟c)過程中不是對包層進行切割，使得包層連續(xù)延伸在纖芯的側(cè)表面和光發(fā)射區(qū)上。
此方法的一個實施方式中，采用一臺包括壓花輪的旋轉(zhuǎn)壓花設(shè)備，該壓花輪上有一系列在輪子周邊上彼此間隔的壓花單元。對包層光纖進行壓花，就是在輪子上的壓花單元與光纖側(cè)表面接觸的情況下讓壓花輪繞其中心軸轉(zhuǎn)動。
此方法的另一實施方式中，至少有一個壓花單元包含第一側(cè)表面和第二側(cè)表面，這兩個側(cè)表面相交形成角度大約20°-150°的頂邊。壓花單元的該頂邊較好是截頂?shù)幕蚯谐蓤A角的，以免壓花單元對光纖包層發(fā)生切割。
本發(fā)明又一實施方式提供一種照明裝置，它包括(a)光源；(b)光纖，它包括細長的聚合物纖芯，該纖芯具有一個接收來自光源的光線的輸入端、一個將通過纖芯傳輸?shù)墓饩€發(fā)射出去的輸出端、在輸入端和輸出端之間沿纖芯縱軸延伸的側(cè)表面；光發(fā)射區(qū)，使通過光纖傳輸?shù)墓饩€沿大致垂直于縱軸的方向上射出光纖至少一部分的側(cè)表面，該光發(fā)射區(qū)包括至少一個光學(xué)單元；在纖芯側(cè)表面和光學(xué)單元上延伸的連續(xù)外包層，它包括折射率小于纖芯的聚合物材料；所述光纖與所述光源光學(xué)耦合，使得從光源射出的至少一部分光線刺射到光纖的輸入端。
光纖可以以可轉(zhuǎn)動方式或非轉(zhuǎn)動方式連接于光源。有些情況下，優(yōu)選是將光纖與光源作可拆卸連接。這樣，光源就可以與具有例如一個不同的光線側(cè)面角度分布的其他光纖使用。一個較佳實施方式中，光源是個標準閃光燈。
術(shù)語“光發(fā)射區(qū)(light-emitting region)”是指通過光纖傳輸?shù)墓饩€被發(fā)射出來的光纖上的一些部分。光發(fā)射區(qū)可以在光纖整個長度上沿伸，也可以只在光纖長度的一部分上沿伸。光發(fā)射區(qū)發(fā)射的光可以具有360°或更小的側(cè)面角度分布。
“光學(xué)單元(optical element)”是指光纖纖芯上用壓花法形成的任何受控的壓痕部分，該壓痕部分形成了能夠?qū)⑸涞焦饫w上的至少一部分光透過光纖壁反射出來的一個或多個反射表面。這些光學(xué)單元不同于光纖上時常會發(fā)生的的刮痕和其他缺陷和其他表面不規(guī)整部位。通過適當控制各個光學(xué)單元的尺寸和形狀以及光學(xué)單元沿光纖的分布圖案和間距，光就可以通過光纖側(cè)壁上的光發(fā)射區(qū)選擇性地發(fā)射出來。
“照明裝置”是指能提供具有所需波長、強度和分布性質(zhì)的光的裝置。照明裝置可以移動，也可以固定不動。
“工作燈”是指人、動物或機器(如通過照相機或其他傳感器進行檢查的機器)在進行某項或多項工作時對一些區(qū)域進行照明的照明裝置。工作燈可以移動，也可以固定不動。
“側(cè)面角度分布(lateral angular distribution)”是指由光纖發(fā)出的光在大致垂直于光纖縱軸的一個平面上測出的角度范圍。
“光纖”是指在輸入端接收光，而將光傳播到輸出端和/或光發(fā)射區(qū)而無明顯光損失的制品。光纖通?；谌珒?nèi)反射原理進行工作，基于光纖材料與緊靠包繞光纖的材料(如空氣、包層等)之間的折射率差異，通常光纖傳輸?shù)墓饩€在光纖表面上進行反射。
“包層光纖(clad fiber)”是指既有纖芯又有包層材料包覆的光纖，該包層材料的折射率比纖芯材料小。
下面將就各種說明性實施方式對本發(fā)明的其他特點和優(yōu)點進行更為完全的描述。
附圖簡要說明

圖1是本發(fā)明一種包層光纖的透視圖。
圖1a是圖1光纖沿1a-1a線的剖面圖。
圖2a-2c是本發(fā)明包層光纖的各種剖面圖。
圖3a-3c顯示用來制造本發(fā)明包層光纖的壓花設(shè)備。
圖3a’是圖3a中所示光纖的剖面圖。
圖4顯示用來制造本發(fā)明包層光纖的壓花設(shè)備。
圖4a-4c顯示可用來制造本發(fā)明包層光纖的圖4的壓花設(shè)備的各種壓花單元。
圖5a-5b顯示用來制造本發(fā)明包層光纖的一臺旋轉(zhuǎn)壓花設(shè)備。
圖5c是旋轉(zhuǎn)壓花過程的示意圖。
圖6顯示用來制造本發(fā)明包層光纖的一臺旋轉(zhuǎn)壓花設(shè)備。
圖7是本發(fā)明一種照明裝置的側(cè)視圖。
圖8是本發(fā)明一種照明裝置的透視圖。
圖9a是本發(fā)明一種照明裝置的側(cè)視圖。
圖9b是圖9a照明裝置一部分的透視圖。
發(fā)明實施方案的詳細說明本發(fā)明提供在照明裝置中特別有用的能選擇性發(fā)射光線的聚合物光纖。
圖1是一段本發(fā)明光纖10的透視圖。圖1a是沿圖1中線1a-1a的光纖10的縱截面圖。光纖10是細長形的，有縱軸11和側(cè)表面13，其橫截面為圓形。光纖10包括細長的中心芯12，其周圍為外包層14。外包層14的材料是折射率小于中心芯12折射率的聚合物。光纖10還包括接受來自光源的光線的輸入端20和將通過光線10長度傳輸?shù)墓?即端光)發(fā)射出來的輸出端23。光纖10包括一些光發(fā)射區(qū)26，在這些光發(fā)射區(qū)，光線沿大致垂直于光纖10的縱軸11的方向上射出光纖。光纖10的光發(fā)射區(qū)26包括至少一個光學(xué)單元16。光發(fā)射區(qū)通常具有在光線10整個長度的至少一部分上彼此間隔的一系列光學(xué)單元。在圖1實施方式中，光學(xué)單元16的形式是一系列沿著光纖10的長度彼此等距相隔的一系列壓痕?？扇芜x地，光學(xué)單元16之間的距離也可以不相等。每個光學(xué)單元16延伸進入中心芯12，由此形成第一反射表面18和第二反射表面20。光學(xué)單元16的深度，即由光纖10的外表面測量至光學(xué)單元16的最低點，在圖1a中標為“d”。深度“d”通常隨光纖的厚度而異。例如，深度“d”占光纖總厚度(如直徑)的大約0.5-30％，較好大約1-10％。第一反射表面18和第二反射表面20相對于與光纖10的縱軸11垂直的平面，通常傾斜一個角度。如圖1a所示，外包層14在光纖10的纖芯12的側(cè)表面包括光學(xué)元件16區(qū)域上連續(xù)延伸。即是說，光纖10中的光學(xué)單元16的生成并沒有將外包層14切割或切斷。
光纖10工作時，第一反射表面18將縱向傳輸通過光纖的至少一部分光通過光纖10的側(cè)表面13的光發(fā)射區(qū)26進行反射。雖然本發(fā)明光纖可具有任何所需的側(cè)面角度分布，但通常觀測到的是，由光發(fā)射區(qū)26以與光學(xué)單元16大約成180°發(fā)出的光的強度最大。
光纖10可以有任何適用的橫截面形狀。圖2a-2c顯示了可用于本發(fā)明光纖的種種不同的橫截面形狀。例如，圖2a中的光纖110a具有大致正方的橫截面，圖2b中的光纖110b的橫截面呈三角形，而圖2c中的光纖110c具有大體上橢圓形的橫截面。圖2a-2c中所示的各種光纖橫截面形狀只是例舉性的，決不意味著對本發(fā)明的限制。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解本發(fā)明的光纖可具有任意適合的橫截面形狀(即圓形、正方形、矩形、三角形、橢圓形、多邊形、上述等形狀的多種組合)。為了保證通過光纖的光線均勻分布，優(yōu)選是光纖的橫截面形狀至少在光纖的光發(fā)射區(qū)是大致均勻的。
本發(fā)明光纖的尺寸隨其用途而異。對許多照明裝置，光纖的直徑大約為1-25mm，較佳約5-14mm，最佳約7-12mm。長度視用途而異，有些情況下可從短于1cm至長于100m。
外包層14包括一種聚合物材料，其折射率低于光纖纖芯材料的折射率。由于其折射率較小，相對于纖芯材料相同而沒有包層的光纖來說，包層的作用是能減少從光纖側(cè)壁雜散發(fā)射出去的光。包層14的合適材料在本技術(shù)領(lǐng)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。包層材料的厚度通常比纖芯的直徑小，但比要通過光纖傳輸?shù)墓獾牟ㄩL大。對于直徑小于約25mm的光纖，包層的厚度通常小于約1mm，較佳約為0.2-0.4mm。為了提供例如車門、發(fā)動機室、發(fā)動機進出口，設(shè)備部件外殼等的所需照明，光纖具有較小的截面，以便能插入通過小的孔。
合適的光纖纖芯材料包括例如聚(丙烯酸烷基酯)和聚(甲基丙烯酸烷基酯)。纖芯的一種較佳材料包括聚(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單體的共聚物，這些單體例如是丙烯酸乙酯、丙烯酸2-乙基己酯、甲基丙烯酸正丁酯。有些情況下，為制成具有較高柔性的光纖，需要柔性較高的纖芯材料。甲基丙烯酸甲酯與低玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)單體(如丙烯酸乙酯和丙烯酸正丁酯)的共聚合可以形成柔性較高的纖芯材料。一種較佳纖芯組合物包括聚合的甲基丙烯酸甲酯，其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度約為54℃。
適用于本發(fā)明的包層聚合物光纖及其制造方法見述于例如PCT申請WO99/59804、WO01/47696和美國專利5,298,327(Zarian等人)中。
可任選地，本發(fā)明光纖可在其包層上覆蓋一層聚合物材料外層。該層通常稱為套管層，其作用是為光纖多一層保護，免受損傷。套管層的適合聚合物材料包括例如聚氯乙烯等。
光發(fā)射區(qū)的每個光學(xué)單元的反射表面通常相對于與光纖縱軸垂直的平面傾斜一定角度。傾斜角通常為10°-80°，較佳20°-70°，更佳30°-60°，但0°至小于90°的任何角度都可采用。各個光學(xué)單元的反射表面可以是彎曲的，也可以是基本上平面的。
光學(xué)單元的反射表面較好制成具有一定光學(xué)質(zhì)量?！肮鈱W(xué)質(zhì)量”是指該反射表面只將投射于其上的光線散射僅較少的量(通常少于20％，較好少于10％)，其余光線發(fā)生鏡面反射或折射。每個光學(xué)單元的反射表面通常在垂直于光纖縱軸的方向上延伸，但也可以對該軸呈任意角度。
光學(xué)單元通常沿光纖的中心線方向呈規(guī)則間隔，但也可采取合適于光纖用途的任何方式。有些實施方式中，可能需要沿光纖的光發(fā)射區(qū)保持基本上均勻的光輸出。為此，可以控制相繼光學(xué)單元的圖案和間隔，從而補償由居前的光學(xué)單元從光纖反射掉的光。例如，在光要傳輸?shù)姆较蛏?，相繼的光學(xué)單元反射表面的截面積可以增大，例如通過增大光學(xué)單元的壓花深度。也可以將相繼光學(xué)單元的間隔逐步減小或改變其反射表面的傾斜角度，或者將上述任意方法或所有方法加以組合。
制造本發(fā)明光纖的一個方法是批次壓花法。現(xiàn)在看圖3a-3c，圖中所示是適合于制造本發(fā)明光纖的壓花法。壓花工具60包括金屬模子，其一個表面經(jīng)機械加工能提供一系列V字形壓花單元62，這些壓花單元62在垂直于光纖66縱軸65的方向上彼此平行地延伸。壓花單元62的橫截面呈三角形或V字形，但應(yīng)理解也可按本發(fā)明所述使用其他橫截面形狀?？扇芜x地，壓花工具60可備有一個或多個加熱器63(如筒型電阻加熱器)，用來在包層光纖66壓花前和/或過程中將壓花工具升高至一定高溫。試看圖3a’，所示為光纖66的一個橫截面。光纖66包括具有側(cè)表面61的纖芯69。纖芯69外面圍著外包層67。使用壓花工具60時，對壓花工具施壓使其與包層光纖66的側(cè)表面接觸。壓花工具60的壓花單元62，其作用是在包層光纖66的表面上形成壓痕，如圖3b所示。較好在一定高溫，例如60°F-275°F的溫度進行壓花過程。壓花工具60通常在壓力條件下與包層光纖66保持接觸大約5秒至數(shù)分鐘，較好約1分鐘。有些情況下可能需要趁壓花工具60仍與光纖66保持接觸時令壓花工具60冷卻，為的是讓構(gòu)成光纖66的聚合物材料在壓花單元上定形。這樣，在光纖上生成的光學(xué)單元的形狀將更精密地與壓花工具60上的壓花單元62的形狀吻合。圖3c是本發(fā)明經(jīng)壓花的光纖沿其縱軸65的剖面圖。如圖3c所示，通過壓花操作產(chǎn)生的光纖66包括一系列光學(xué)單元68，這些光學(xué)單元在光纖66的側(cè)表面上彼此相距一定距離。形成這些光學(xué)單元68時，包層光纖66中包覆中心芯69的外包層材料67不受到切割。因此在光纖纖芯的側(cè)表面包括光學(xué)單元68上，包層67仍是連續(xù)的。
圖4是適合用來制造本發(fā)明光纖的壓花工具80的分解圖。壓花工具80包括上壓板82和下壓板84。上壓板82包括一系列六個對準銷102，其尺寸與一系列六個對準孔100配合，用來在對包層光纖壓花時將上壓板82與下壓板84對準。上壓板82和下壓板84各有一個槽子87和88，它們的尺寸和形狀恰能在壓花過程中能固定住一根包層光纖。在壓花工具80中，槽子87和88都是橫截面半圓形的，優(yōu)選是能固定住一根圓形橫截面的光纖。壓花工具80包括可除去的壓花部件86，它裝在上壓板的槽子87內(nèi)。壓花部件86上有兩個用來接受調(diào)節(jié)螺釘98的螺絲孔94。圖4a是一個壓花部件86的側(cè)視圖。壓花部件86上有一系列沿背板89延伸的凸脊形式壓花單元88，在背板89方向上彼此相隔間距″a″。壓花單元88都各有兩個平的側(cè)表面90和92，這兩個側(cè)表面相交形成凸脊88的頂邊，頂邊角為″b″。盡管凸脊的兩個側(cè)表面一般是平的，但一個或兩個側(cè)表面可以是彎曲的。頂邊角b一般約為20°-150°，較佳約45°-90°，特別優(yōu)選的b是大約60°。圖4b顯示適用于制造本發(fā)明光纖的又一個壓花部件86b。圖4b中，圖4a壓花單元88的頂部已被截頂，形成平頂面106a，其表面寬度為″c″。在一較佳實施方式中，截頂?shù)捻敱砻?06a的表面寬度c約為0.1-3mm，較佳約為0.2-2mm。圖4所示是一個壓花部件86c。圖4c中，原來圖4a中的壓花單元88的頂邊已經(jīng)用例如砂紙修圓，由此形成修成圓角的頂邊。壓花單元頂邊的截頂或切圓(見圖4b-4c)是較佳的，為的是防止壓花單元在壓花過程中光纖上的外包層材料被切穿或以其它方式穿透。
再看圖4，使用時，將壓花部件86安裝在上壓板82的槽子88中，并用調(diào)節(jié)螺釘98將其調(diào)節(jié)在所需位置。例如，壓花部件86可以平行于槽子88安裝，也可以相對于槽子88以一定角度安裝。優(yōu)選是壓花部件86相對于槽子88以一定角度安裝，以便改變沿光纖長度上各光學(xué)單元的深度。一根包層光纖(未示)置于下壓板84的槽子88中。再將上壓板82放下置于下壓板84上，借助對準銷102將它們固定在一起。然后用例如水壓機或C形夾對上壓板82和下壓板84的表面施壓，從而對壓花部件86施加壓花壓力。另一個實施方式中，對準銷102用一系列螺釘代替，擰緊這些螺釘就可對包層光纖施加壓花壓力。
制造本發(fā)明光纖的又一個方法是采用旋轉(zhuǎn)壓花法。試看圖5a，該圖顯示一臺適合于制造本發(fā)明光纖的旋轉(zhuǎn)壓花設(shè)備30。該設(shè)備包括可旋轉(zhuǎn)安裝在壓花輪外殼34上的壓花輪32。壓花輪32上有許多沿輪32周邊間距相等且徑向延伸的壓花單元44。壓花輪32可以是個鏈輪，例如ANSI40、ANSI35或ANSI24鏈輪，也可以是個正齒輪。壓花輪32連接有一個手柄36，當手柄36例如順時針方向轉(zhuǎn)動時，壓花輪32繞其中心軸33作同方向旋轉(zhuǎn)。壓花輪外殼34滑動連接在軌道38上。軌道38上有個槽子40，用來在旋轉(zhuǎn)壓花時將包層光纖(未示)固定住。圖5的實施方式中，槽子40的橫截面為半圓形，用來固定例如圓形橫截面的光纖。對于具有其他形狀橫截面的包層光纖其壓花當然需用其它的槽子結(jié)構(gòu)。
使用旋轉(zhuǎn)的壓花設(shè)備30以前，將包層光纖42(具有纖芯49和外包層47)放置在軌道38的槽子40中(見圖5b)。將手柄36順時針轉(zhuǎn)動，令壓花輪32的壓花單元44下壓與包層光纖42的側(cè)表面43發(fā)生壓花接觸。在旋轉(zhuǎn)壓花設(shè)備30運轉(zhuǎn)時，壓花輪32與其外殼34沿軌道38(按箭頭39的方向)隨著包層光纖42移動，并在它沿軌道38移動時對它進行壓花?，F(xiàn)在看圖5c，所示是旋轉(zhuǎn)壓花過程的示意圖。圖5c中，光纖42已被壓花的部分就含有沿光纖42彼此相隔一定距離的一系列光學(xué)單元46。這些光學(xué)單元46的形成不會使光纖42中圍繞纖芯49的外包層材料47被切割或其完整性以其他方式受到影響。
本領(lǐng)域技術(shù)人員不難認識到，可以將旋轉(zhuǎn)壓花設(shè)備30改進，使得壓花輪32藉助機械裝置(例如通過一個或多個齒輪連接于壓花輪32的馬達)來驅(qū)動。
合適于制造本發(fā)明光纖的另一種壓花設(shè)備110的示意圖示于圖6。壓花設(shè)備110裝有一個壓花輪112，其安裝方式使它能繞其中心軸116旋轉(zhuǎn)。壓花輪112上有許多在輪子周邊相隔并徑向延伸的壓花單元114。可任選地，壓花輪112也可以備有加熱或冷卻裝置，例如將所需溫度的水蒸汽和/或水在壓花輪112內(nèi)部腔室中循環(huán)的裝置(圖中未示出)。壓花裝置110還包括一個安裝得能繞其中心軸119順時針轉(zhuǎn)動的夾持輥118。要壓花的包層光纖由裝有一段包層光纖124的供料輥122供給到壓花輪上。設(shè)備110還有個收卷輥126，用來接受已經(jīng)壓過花的一定長度的包層光纖。
在壓花設(shè)備110運行時，壓花輪112逆時針方向旋轉(zhuǎn)(例如藉馬達的驅(qū)動)，將包層光纖124從供料輥122(具有旋轉(zhuǎn)軸123)通過壓花輪112和夾持輥118之間的輥隙126拖動。隨著包層光纖124拖過輥隙126(即壓花輪112和夾持輥118之間的空間)，它就被壓花單元114所壓花，形成沿包層光纖124的長度方向彼此相距一定距離的一系列光學(xué)單元128。這些光學(xué)單元128的形成，不致切割包住包層光纖124的外包層材料(圖中未示出)。壓花后，包層光纖124就纏繞在收卷輥126上。
壓花到包層光纖124上的光學(xué)單元128的深度可以例如開啟或關(guān)閉壓花輪112和夾持輥118之間的輥隙126來控制。例如，輥隙126越小，光學(xué)單元128的深度往往會增加。有些情況下，可能需要在一段光纖上沿此段光纖長度方向的光學(xué)單元的深度具有經(jīng)控制的差異?？梢岳缡褂脡夯ㄔO(shè)備110在壓花操作時能有控制地改變輥隙126的大小來做到這一點。例如，夾持輥118可以做到具有橢圓形，使得在夾持輥118轉(zhuǎn)動的過程中輥隙126的大小發(fā)生改變。采用的控制手段也可以是使夾持輥118和壓花輪112的一個或兩個互相移動，從而改變輥隙126的大小。這樣，光纖上的光學(xué)單元深度就可以控制。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該了解，可以選擇壓花單元的形狀、尺寸、取向和間距來提供沿光纖的光學(xué)單元所需的形狀、尺寸、取向和間距。一般地說，壓花單元的形狀、尺寸、取向和間距通常并不會與在光纖上產(chǎn)生的光學(xué)單元的形狀、尺寸、取向和間距完全配合。因此可能需要改變壓花單元的形狀、尺寸、取向和間距，連同壓花的工藝條件(如溫度、壓力、接觸時間)來進行實驗，用以產(chǎn)生具有所需光學(xué)特性的光纖。此外，可能需要進行壓花的工藝條件(如溫度、壓力、接觸時間)和壓花單元的形狀、尺寸、取向和間距的實驗，以便制造具有連續(xù)而不被切割的包層材料的本發(fā)明光纖。一般地說，溫度、壓花壓力、包層厚度、壓花單元的形狀、冷卻時間以及光纖包層和纖芯的組成，是除本領(lǐng)域技術(shù)人員所知的其他因素之外，會影響在包層光纖上壓花生成的光學(xué)單元的最終形狀、尺寸、取向和間距的一些因素。
本發(fā)明光纖使用在照明裝置中是有益的。圖7是本發(fā)明一個照明裝置150的示意圖。照明裝置包括光源152，它與本發(fā)明包層光纖154光學(xué)耦合。光源的細節(jié)對于本發(fā)明并非關(guān)鍵，例如，一個特別適用的光源是閃光燈，如商品名為STREAMLIGHT STINGER(購自Streamlight，Inc.，Eagleville，PA)或商品名為MAGLITE(購自Mag Instruments，Inc.，Ontario，CA)的閃光燈。其他適合的可購的光源，例如包括商品名為LIGHT PUMP(購自Remote Source LightingInternational Inc.，CA)和商品名為POWERHOUSE METAL HALIDE ILLUMINATOR(購自Lumenyte International Corp.，CA)的光源。包層光纖154上有沿著其一段長度延伸的光發(fā)射區(qū)155。光發(fā)射區(qū)155包括至少一個，較好是一系列相隔的壓花形成的光學(xué)單元156。按照本發(fā)明，包層光纖154具有一層連續(xù)的外包層159，它在包括構(gòu)成發(fā)光區(qū)155的光學(xué)單元156的光纖側(cè)表面上是連續(xù)的。使用時，將光源152射出的光線導(dǎo)入包層光纖154，光線藉助全內(nèi)反射在光纖中傳播。經(jīng)過包層光纖154傳播的光的一部分入射到光學(xué)單元156的反射表面上，然后通過光發(fā)射區(qū)155從光纖中反射出去。
圖8是本發(fā)明的一種照明裝置158的透視圖，它包括與本發(fā)明包層光纖162光學(xué)耦合的光源160。光纖162沿一縱軸164延伸。圖8的照明裝置可用來為任何用途提供照明，例如可用作工作燈。
光源160產(chǎn)生光可以是任何適當?shù)臋C理。例如，光源160可以是白熾的、熒光的、發(fā)光二極管陣列、高強度放電(HID)燈、或能產(chǎn)生具有所需波長或波長范圍的光的適當光源。較佳的光源發(fā)射的光能通常位于可見波長光譜或至少一部分可見波長光譜。盡管圖8所示的光源160由一電池166供電，但應(yīng)當知道，向光源160供電的能量可以是交流的、直流的等等。
當光源160比包層光纖162的橫截面直徑大時，可能還需要用個耦合器168從光源160的較大橫截面尺寸過渡到包層光纖162的較小橫截面尺寸。耦合器168中較佳應(yīng)用高反射性材料如金屬涂層作為襯里，用以有效地將光傳遞給包層光纖162。作為耦合器168內(nèi)部金屬涂層的另一種選擇是采用反射材料，如反射性多層光學(xué)膜，見述于例如PCT申請Nos.WO95/17303；WO95/17691；WO95/17692；WO95/17699和WO96/19347中。反射性多層光學(xué)膜的例子，如上述PCT申請中所述的，可以得自3M公司，St.Paul，MN。由于這些反射膜在耦合器168中反射光的積聚的能力很好，因而特別適用。
光源160中可包括一個風扇或其他冷卻裝置，用來除去光源工作時發(fā)生的熱量。此外，耦合器中也可包括一些冷卻扇170將熱量從其中發(fā)散出去。
包層光纖162詳細示于圖1，它包括至少一個，較佳是一系列壓花形成的光學(xué)單元163，沿光纖長度至少一段互相相隔，構(gòu)成發(fā)光區(qū)167。包層光纖162還有個外包層165，連續(xù)位于光纖纖芯的側(cè)表面和光學(xué)單元163上(也見圖1)。
包層光纖162可以是可轉(zhuǎn)動地或非轉(zhuǎn)動地連接于光源160。一個實施方式中，包層光纖162連接于光源的方式，使得光纖可以繞其縱軸164轉(zhuǎn)動。包層光纖162繞其縱軸的轉(zhuǎn)動也較好使光發(fā)射區(qū)167轉(zhuǎn)動。包層光纖160繞其縱軸164相對于光源160轉(zhuǎn)動的一個益處是由光發(fā)射區(qū)167射出的光的方向可以改變，從而能按用戶需要在所需方向上提供照明。
若使用耦合器168連接光源160和包層光纖162，該耦合器168可以與包層光纖162固定，此時包層光纖162和耦合器168一起可以相對于光源160轉(zhuǎn)動。也可以是耦合器160與光源固定，此時包層光纖162可以相對于耦合器與光源160而轉(zhuǎn)動。也可以是包層光纖162與耦合器168(如果后者用的話)連接于光源160，不能轉(zhuǎn)動。
再看圖9a，它示出本發(fā)明再一個照明裝置。照明裝置180包括光源182，在圖9a的實例中是標準閃光燈。照明裝置180還包括與光源182的光發(fā)射端189摩擦配合的光學(xué)耦合器184。光學(xué)耦合器184有個輸入端185和輸出端187，還有個延伸在其輸入端185和輸出端187之間的圓維形導(dǎo)光區(qū)189。輸出端187與本發(fā)明的包層光纖186固定。光學(xué)耦合器184的輸入端185是圓形的，其尺寸是能夠可拆卸地(例如通過摩擦配合)固定于光源182的光發(fā)射端189。圖9b是光學(xué)耦合器184和包層光纖186已經(jīng)與光源182脫離的透視圖。光學(xué)耦合器184的作用是將光源182光學(xué)耦合于包層光纖186，使得光源182發(fā)出的光藉助圓錐形導(dǎo)光區(qū)189射至包層光纖186的輸入端191。耦合器184的內(nèi)部較好襯以反射性高的材料，如同就圖8實施方式所述的一樣，能有效地將光從光源182導(dǎo)至包層光纖186。
實施例下列這些實施例僅供說明之用，并不意味著對所附權(quán)利要求范圍有什么限制。
實驗概要這些實驗所用的光纖都購自3M公司，St.Paul，MN；LumenyteInternational，Costa Mesa，CA或Poly Optics，Australia。若不另行說明，光纖橫截面圓形，標稱外徑為10mm。
實施例1此例顯示的是對有實芯的光纖(購自Poly Optics，Australia，商品名“POLY100”)進行批次壓花。光纖的纖芯由純注塑的丙烯酸類單體包括甲基丙烯酸甲酯構(gòu)成。外包層是聚四氟乙烯(即特氟隆)。光纖的總直徑約10mm+/-0.5mm，外包層厚約0.2mm±0.05mm。
制造了一個裝置用來在光纖的側(cè)壁上壓花生成一系列光學(xué)單元。壓花單元總長140mm，由基本上為三角形的重復(fù)凸脊組成，沿壓花單元每隔6.35mm有一個凸脊，高3.0mm。每個單元的頂邊角為60°。每個凸脊的頂尖被截平成為1mm的平面。
制造了一個兩件頭的夾具，用來夾持壓花裝置。夾具的兩面用一系列定位銷互相對準。在一液壓機(“PHI”液壓機，得自Pasadena Hydraulics WG，Elmonte，CA)上對該夾具施壓。測出壓力約為2812kg/cm2，壓花時間5秒。
光纖從夾具中取出后，光纖上的壓花形成的光學(xué)單元有某些恢復(fù)。光纖的熱機械加工后的這個松馳過程限制了在一般壓花過程后光從側(cè)表面的透射量。光學(xué)單元的壓花深度為0.2mm。
將一閃光燈(購自Tactical Flashlight Shop of Wichita，KS 67212的“STREAMLIGHT STINGER”閃光燈)置于光纖的一端。目視觀察側(cè)光(即光纖側(cè)表面發(fā)出的光)。
如上所述制備的壓花樣品，其肉眼看來具有完好的包層，再用Leica牌光學(xué)立體顯微鏡(最大放大倍數(shù)512×)檢查。檢查時用暗場、明場，同時對光纖用光源照明。如果在最大放大倍數(shù)條件下，包層也看不到缺陷，即視為完好，此實驗在生產(chǎn)所需制品上是成功的。
實施例2此例顯示溫度對壓花過程的影響。此例所有試驗中，壓花單元的總長都是140mm，由多個頂邊間距6.35mm，深4.0mm的三角形凸脊組成，凸脊的頂邊角是60°。用一個5英寸(12.7cm)的金屬C形夾對壓花單元施壓。為了提供附加的力矩，將C形夾的夾緊桿用一根11.5英寸(29.2cm)的延長棒延長之。用此延長棒手動緊固此C形夾。當C形夾完全緊固后測量壓花時間。目視具有完好包層的壓花光纖樣品，再用Leica牌光學(xué)立體顯微鏡(最大放大倍數(shù)512×)檢查。檢查時用暗場、明場，同時對光纖用光源照明。如果在最大放大倍數(shù)條件下，包層也看不到缺陷，即視為完好。本例結(jié)果列于下面的表1。
表1
實施例3此例顯示使用旋轉(zhuǎn)壓花法來制造本發(fā)明的光纖，包括評估幾種壓花輪的形狀并對壓花壓力進行測量。制造了基本如圖5a所示的裝置。對一系列ANSI鏈輪用作壓花輪進行了評估。觀察發(fā)現(xiàn)，ANSI35鏈輪(其壓花單元間距為0.95cm)和ANSI25鏈輪(其壓花單元間距為0.635cm)的壓花單元太尖銳，在轉(zhuǎn)動壓花時往往刺入光纖的包層乃至將其切割。然后評估其壓花單元相距1.27cm的ANSI40鏈輪，發(fā)現(xiàn)其壓花單元對于本發(fā)明的具有連續(xù)外包層的光纖的制造是令人滿意的。
然后用齒距為16，直徑為7.62cm的正齒輪(購自Boston Gear，件號NB48)作為壓花輪進行評估。其未經(jīng)修改的形式，此正齒輪的壓花單元(即齒)有個頂面，其在齒的徑向(即沿周面)上為2mm，在縱向(即齒的厚度)上為1.27cm。由于光纖纖芯具有粘彈性，壓花時齒的尺寸并未精確復(fù)制。因此將正齒輪的齒進行修改，使2mm面減小至0.5mm。經(jīng)修改的正齒輪在旋轉(zhuǎn)壓花過程中使用，發(fā)現(xiàn)在室溫下它會切割光纖的包層。而在高溫下，此修改的正齒輪能成功地用來對包層光纖壓花，而對包層不切割。
將第二個齒距為16，直徑為7.62cm的正齒輪(購自Boston Gear，件號NB48)進行修改，使其在徑向上為1mm。經(jīng)修改的正齒輪于室溫在旋轉(zhuǎn)壓花過程中使用，發(fā)現(xiàn)它能良好地用作制造本發(fā)明光纖的壓花輪。
為了測量在旋轉(zhuǎn)壓花過程中由壓花單元(即齒)施加到包層光纖上的壓力，使用了一個壓力指示膜(購自Sensor Products，Inc.，East Hanovern，NJ)。在此例中，使用了高范圍壓力的壓力指示膜(可測范圍約499-1300kg/cm2)。此壓力指示膜插在包層光纖和壓花輪(NB48正齒輪，經(jīng)修改具有徑向1mm的面)的壓花單元之間。受到壓花時的壓力后，按制造廠家提供的說明書對壓力指示膜進行壓力讀數(shù)。按照壓力指示膜的說明書，所有結(jié)果的誤差為測量值的±15％。對本發(fā)明光纖進行旋轉(zhuǎn)壓花時測得的壓力如下壓花的光學(xué)單元深度 壓花壓力(mm) (kg/cm2)0.1 597.60.3 808.5實施例4為了測出側(cè)光透出率(extraction rate)，用一臺Light Gauge牌光度計(購自Cohereut Auburn Group)測量端光亮度。該光度計新近由InternationalLight，Newburyport，MA校準過。所有光纖樣品都在室溫下用未修改的正齒輪進行壓花制造(參見實施例4)。光纖樣品切至188mm長。光纖直徑為9.0-9.1mm。一個圓錐形適配器裝上反射膜(VM2000，3M公司，Saint Paul，MN)。用電線包布來阻斷光線從圓錐形適配器雜散發(fā)射出去。一個充足了電的閃光燈(商品名STREAMLIGHT STINGER)用作照明光源。放置好光纖樣品，要使插入深度和對準的影響最小。光纖兩端是垂直于光纖長度切割的，且互相平行。將光度計置于在最大輸出位置的光纖的一端，以測量由該端透射出來的端光。使用未經(jīng)壓花的光纖作為對照，可以藉助端光之差算出透射出側(cè)表面的光量。表2列出壓花深度對于透射的光量的影響數(shù)據(jù)。
表2
實施例5使用基本上示于圖5a中的旋轉(zhuǎn)壓花裝置，制備了本發(fā)明的壓花光纖。所用的壓花輪是個未修改的正齒輪(購自Boston Gear，件號NB48)。為了避免光纖的包層受到切割，有些光纖在壓花前加熱。加熱是采用紅外燈(購自Infratech Corp.Corvina，CA，商品名2000-WATT SPEED RAY)。為了比較，由Poly Optics，AU獲得了有切口的(比較例A)和無切口的(比較例B)包層光纖樣品，比較例A的樣品具有沿光纖縱向彼此相距6.35mm±1.27mm的一些切口。這些切口深度為1.015mm±0.25mm，與光纖縱向以角度35°±5°傾斜。
在試驗前，所有光纖樣品均切至124mm的長度，用實施例1所述的顯微鏡技術(shù)確定包層的狀態(tài)。對各個光纖樣品，采用實施例4所述的技術(shù)測量由各個光纖樣品發(fā)射出的端光的量，不同的是光纖長度為124mm。
結(jié)果示于下表3。
表3
實施例6此例顯示經(jīng)壓花的光纖與有切口的纖維相比，提高了機械強度。
由Poly Optics，Australia購得標稱為10mm的光纖，有標準構(gòu)型的(無切口)和Poly Bright構(gòu)型的(有切口，見實施例5)。
采用其齒經(jīng)過修圓具有1mm面的正齒輪(見實施例3)，就該齒輪朝著標稱為10mm的光纖對其進行壓花。所壓花形成的光學(xué)單元的平均深度為0.25mm。有切口的或經(jīng)壓花的光纖樣品均切至15mm長度，供耐用性測試之用。
光纖耐用性測試如下。手握光纖的兩端，將光纖彎成U字形使其兩端接觸，此時光纖上的切口或壓花形成的光學(xué)單元應(yīng)在U字的內(nèi)側(cè)。再將光纖反向彎180°，使兩端接觸，此時光纖上的切口或壓花形成的光學(xué)單元應(yīng)在U字的外側(cè)。再將光纖反向彎180°，即回到開始的構(gòu)型，光纖上的切口或壓花形成的光學(xué)單元應(yīng)在U字的內(nèi)側(cè)。這三步作為一個彎曲循環(huán)。完成一次彎曲循環(huán)的時間(周期)為4秒鐘。一個設(shè)定為60bpm的節(jié)拍器(帶有一個設(shè)定為每次測量4拍的測量計數(shù)鈴)用來記錄彎曲循環(huán)數(shù)。對切口或壓花形成的光學(xué)單元在測試時連續(xù)檢查，記錄發(fā)生包層撕破和光纖破損的循環(huán)數(shù)。
用Leica牌光學(xué)立體顯微鏡(最大放大倍數(shù)512×)檢查光纖。檢查時用暗場、明場，同時對光纖用光源照明。如果在最大放大倍數(shù)條件下，包層也看不到缺陷，即視為完好。本實施例的結(jié)果示于下表4。示出的數(shù)字是至規(guī)定破壞的循環(huán)數(shù)。規(guī)定破壞被定義為包層撕破和光纖破損。
表4
實施例7此例顯示壓花形成的光學(xué)單元受到高溫時的持久性。采用未修改的正齒輪象實施例5一樣對10mm光纖壓花。光纖上壓花形成的光學(xué)單元的平均深度為0.65mm。經(jīng)過壓花的光纖在79℃的烘箱中熱老化7天。熱老化之后，再測量光學(xué)單元，發(fā)現(xiàn)其平均深度為0.60mm。
實施例8此例顯示了壓花法可以用于有PVC套管的光纖。標稱為10mm的有PVC套管的光纖(購自Lumenyte International Corporation)用一正齒輪進行壓花，該正齒輪的齒經(jīng)過修圓使得其對著光纖的面為1mm(見實施例4)。光纖上光學(xué)單元的平均深度為0.9mm。用光學(xué)顯微鏡檢查，觀察到光纖上的包層和PVC套管在壓花后狀態(tài)均完好。
這里引述的專利、專利文件和出版物的全部內(nèi)容都參考結(jié)合于此，如同各自結(jié)合一樣。本領(lǐng)域技術(shù)人員在不偏離本發(fā)明的范圍和精神條件下可以對本發(fā)明作出種種修改和變換。應(yīng)當知道，這里所述的實施方式和實施例不應(yīng)限制本發(fā)明，而且所述的實施方式和實施例只是例子而已，本發(fā)明的范圍只受權(quán)利要求的限制。
權(quán)利要求
1.照明裝置，包括(a)光源；(b)光纖，它包括細長的聚合物纖芯，該纖芯具有一個接收來自光源的光線的輸入端、一個將通過纖芯傳輸?shù)墓獍l(fā)射出去的輸出端、在輸入端和輸出端之間沿纖芯縱軸延伸的側(cè)表面；光發(fā)射區(qū)，它使通過光纖傳輸?shù)墓饩€沿大致垂直于縱軸的方向上射出光纖至少一部分側(cè)表面，該光發(fā)射區(qū)包括至少一個光學(xué)單元；在纖芯側(cè)表面和光學(xué)單元上延伸的連續(xù)的外包層，它包括折射率小于纖芯折射率的聚合物材料；所述光纖與所述光源光學(xué)耦合，使得從光源射出的至少一部分光線射到光纖的輸入端。
2.如權(quán)利要求1所述的照明裝置，其特征在于所述光發(fā)射區(qū)包含沿纖芯縱軸彼此間隔的一系列兩個或多個光學(xué)單元。
3.如權(quán)利要求2所述的照明裝置，其特征在于所述光發(fā)射區(qū)在縱軸方向上的長度小于光纖在縱軸方向上的總長度。
4.如權(quán)利要求2所述的照明裝置，其特征在于光纖的光發(fā)射區(qū)發(fā)射出側(cè)面角度分布小于360°的光。
5.如權(quán)利要求2所述的照明裝置，其特征在于光纖的光發(fā)射區(qū)發(fā)射出側(cè)面角度分布小于180°的光。
6.如權(quán)利要求2所述的照明裝置，其特征在于光纖與光源是可旋轉(zhuǎn)連接的。
7.如權(quán)利要求2所述的照明裝置，其特征在于光纖與光源是可拆卸連接的。
8.如權(quán)利要求2所述的照明裝置，其特征在于光纖從輸出端和光發(fā)射區(qū)發(fā)射出光線。
9.如權(quán)利要求2所述的照明裝置，其特征在于光源是閃光燈。
10.如權(quán)利要求2所述的照明裝置，其特征在于連續(xù)的外包層包括含氟乙烯-丙烯共聚物。
11.如權(quán)利要求2所述的照明裝置，其特征在于光發(fā)射區(qū)包括至少三個沿纖芯縱軸規(guī)則間隔的光學(xué)單元。
12.如權(quán)利要求2所述的照明裝置，其特征在于光發(fā)射區(qū)包括至少三個沿纖芯縱軸不規(guī)則間隔的光學(xué)單元。
13.如權(quán)利要求2所述的照明裝置，其特征在于光學(xué)單元的深度是光纖厚度的約1-10％。
14.如權(quán)利要求2所述的照明裝置，其特征在于光纖包括具有第一深度的第一光學(xué)單元和具有第二深度的第二光學(xué)單元，所述第一深度不等于第二深度。
15.如權(quán)利要求2所述的照明裝置，其特征在于光纖的橫截面為圓形，直徑約為1-25mm。
16.如權(quán)利要求2所述的照明裝置，其特征在于外包層的厚度小于約1mm。
17.如權(quán)利要求2所述的照明裝置，其特征在于該照明裝置還包括位于外包層上的套管層。
18.如權(quán)利要求2所述的照明裝置，其特征在于各光學(xué)單元包括至少一個反射表面，它相對于垂直于纖芯縱軸的平面傾斜10°-80°。
全文摘要
照明裝置(150，158)，包括光源(152)和光纖(154)。光纖(154)與光源(152)光學(xué)耦合，使得由光源(152)發(fā)出的光的至少一部分刺射到光纖(154)的輸入端(20)。光纖(154，10)包括細長的聚合物纖芯(12)，該纖芯有一個接受來自光源(152)的光線的輸入端(20)、將通過纖芯傳輸?shù)墓獍l(fā)射出去的輸出端(23)、在輸入端(20)和輸出端(23)之間沿纖芯(12)的縱軸延伸的側(cè)表面。光纖(10)包括光發(fā)射區(qū)(26，155)，其上面有至少一個光學(xué)單元(156)，該光學(xué)單元將在光纖中傳送的光導(dǎo)向，使其沿大致垂直于縱軸的方向從光纖的至少一部分側(cè)表面(26，155)射出。有個連續(xù)的外包層(14)延伸在纖芯側(cè)表面(26，155)和光學(xué)單元上，該外包層包括其折射率小于纖芯(12)的聚合物材料。
文檔編號F21V8/00GK1610848SQ02826446
公開日2005年4月27日 申請日期2002年12月11日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月31日
發(fā)明者J·E·戈蘇, T·J·里德, G·L·尤爾 申請人:3M創(chuàng)新有限公司