光纤照明应用于隧道照明（一）

隧道中光纤照明的应用
一、 隧道照明的概述
隧道与公路一样都是车辆行使的交通道路，根据设计要求，100米以上的隧道必须有照明，而且必须安全可靠，方能使车辆高速顺畅通过。全国公路隧道达1972处、83.5万延米。而且每年均在不断增长，据2002年交通基础设施发展统计公报显示，2002年底比上年末增加190处、13.1万延米。其中特长隧道21处、7.59万延米，比上年末增加3处、1.03万延米。其他隧道情况分别为：长隧道194处、30.52万延米，中隧道657处、33.02万延米，短隧道1100处、12.38万延米。如此众多的隧道，需要大量的照明器具来装备。而目前普遍采用的高压钠灯虽然价格便宜，但是其节电和维护方面的缺陷也难以克服。
目前光纤在隧道中的照明国内还未出现应用。而在欧洲和美国，一些地铁隧道中已经采用了光纤照明，例如美国麻萨诸塞州波士顿(Sumner and Callahan Tunnel lighting. BOSTON, Massachusetts)的10000多英尺的隧道部分采用光纤照明代替常规灯具，并达到了预想的效果。按照David Ruckert（ CEO and president of FiberStars）的话说未来十年光纤照明将普遍应用于隧道照明中。另外光纤还在路标和道路引导方面有更多应用，如美国的旧金山就采用了光纤作为路标和指示牌。为什么光纤在国外的这个领域应用有着很好的前景呢？节能、高效、安全、维护费用低的绿色照明正在越来越多的被人们认可和接受。
据陈良惠院士透露，世界能源正面临危机，按目前的开发速度，煤炭仅可供应１６９年，天然气仅可供应６５年，石油仅可供应到２０５０年。而中国的能源形势更加严峻，据《１９９７年世界能源统计评论》估计，中国的煤炭在８８年内、石油和天然气资源分别在２０.２年和４９.３年内都将面临枯竭。与此同时，２００３年我国已出现２４个省市拉闸限电。而在今年，用电紧张的形势进一步恶化，电力紧张已经成为制约国家经济发展的重大障碍。况且，火力发电更是污染巨大。环保用电将是大势所趋。中国已是仅次于美国的第二大发电大国，据统计，２００３年，全国发电量为１.９１万亿千瓦时（度），其中约８０％为火力发电；我国的火力发电每年需要燃烧大量的原煤和石油，同时产生大量的粉尘和二氧化碳、二氧化硫等气体，造成严重的空气污染和环境污染。而减轻发电污染，保护环境越来越被世界各国所重视。虽然我国已开始开发太阳能、风能、地热、核能和水力发电等绿色能源，但大多资金投入较大、所需时间较长。例如三峡工程，１９９４年正式动工，总工期１７年，全部完建约需要２０年，全部静态投资１０００亿元，动态投资２０００亿元，建成后年发电量８４６.８亿度。即便如此，三峡工程也仅仅使得我国能源紧张的形势得到部分缓解，不能完全从根本上解决问题。所以更加节能、高效和环保的利用有限的电力资源变成为了当务之急。
二、国外隧道光纤照明工程实例
1．在美国，连接萨姆勒（Sumner）和卡拉罕（Callahan）的隧道中已经设计并采用了全新的光纤照明方式来取代传统的照明灯具。这条隧道是连接罗根国际机场（Logan International Airport）主要高速公路。这完全是一种全新的设计理念，它既满足了隧道照明中防震的机械强度要求，又可以保持长效的使用寿命和维护途径，充分的结合了隧道照明中的各项技术要求。

SUMNER AND CALLAHAN TUNNEL LIGHTIN
BOSTON, MASSACHUSETTS
由于这是一种全新的设计，它也为一种叫照明导航（Light Guides）的新技术提供了示例，该项技术主要适用于隧道这一特殊环境中。照明导航采用的是同光导纤维相似的工作方式。在一段特定的区域先进行试验，经过一年的跟踪测试和数据分析表明，这种方式完全可以经受住隧道中的防震要求，同时其防水性能和耐腐蚀性能也完全符合需要。随即便签订了合同，把这一重要的照明手段推广至整个隧道中。
这套照明系统的设计部门IESNA Roadway Lighting Committee最先得到了IIDA International Award for Outstanding Achievement in Lighting Design 和the Roadway Lighting Design Award同时承认。并将其推广至其他隧道中的照明工程。
2．在日本东京银座下的地铁隧道中采用日本京都市MACBEAM光纤制造公司的光纤照明系统所做的隧道照明图

Ikuno Ginzan Kankou Koudou "Archi in Tunnel" Ikuno, Hyougo, Japan

由此可见，聚合物光纤这一新型、高效、绿色的照明方式在隧道照明领域一定有其广阔的市场和应用空间。作为经济正在高速发展的中国，这一先进的照明方式也一定会被广泛的接受和应用。
三、 聚合物光纤的传光原理及其特性和应用
　　在照明技术中，光纤照明是一枝独秀的照明新技术。由于它具有光的柔性传输，安全可靠。所以广泛地应用于工业、科研、医学及景观设计中，并在国内外市场中已形成各类产品。
光纤照明系统是由光源、反光镜、滤色片及光纤组成，如图一所示。








图一
当光源通过反光镜后，形成一束近似平行光。由于滤色片的作用，又将该光束变成彩色光。当光束进入光纤后，彩色光就随着光纤的路径送到预定的地方。
　　由于光在途中的损耗，所以光源一般都很强。常用光源为150~250W左右。而且为了获得近似平行光束，发光点应尽量小，近似于点光源。
　　反光镜是能否获得近似平行光束的重要因素。所以一般采用非球面反光镜。
　　滤色片是改变光束颜色的零件。根据需要，用调换不同颜色的滤光片就获得了相应的彩色光源。
　　光纤是光纤照明系统中的主体，光纤的作用是将光传送或发射到预定地方。光纤分为端发光和体发光两种。前者就是光束传到端点后，通过尾灯进行照明，而后者本身就是发光体，形成一根柔性光柱。
对光纤材料而论，必须是在可见光范围内，对光能量应损耗最小，以确保照明质量。但实际上不可能没有损耗，所以光纤传送距离约30m左右为最佳。
　　光纤有单股、多股和网状三种。对单股光纤来说，它的内径为Ф6～Ф２０mm.同时又可分为体发光和端发光两种.而对多股光纤来说,均为端发光.多股光纤的直径一般为Ф0.5～Ф3mm,而股数常见为几根至上百根。
　　数百年来科学家曾不断努力,利用透镜和反光镜等光学元件来无限次的改变光的传播方向.而光纤照明的出现,正是建立在有限次的改变光线传播方向,实现了光的柔性传播.正如圆弧经无数次的分割后成直线一样,光纤照明正是以无限次反射后,光线就随光纤的路径传送,实现了柔性传播.但是光纤照明的柔性传播,并没有改变光线直线传播的经典理论.
光纤照明的特点
1、光线柔性传播
　　从理论上讲，光线是直线传播的。然而因实际应用的多元性，总希望能方便地改变光的传播方向。光纤照明正是满足了这一要求。这是光纤照明的特点之一。
2、光与电分离
　　在传统照明中，都是由光源将电能转换成光能直接得到的，光与电是分不开的。但电有一定的危险性，所以很多场合都希望光与电分开，排除各种隐患，确保照明的安全性。所以光与电的分离是光纤照明的特点之二。
四、光纤照明系统的构成
　　光纤照明系统经通过长期的应用和完善，大部分已实现了产品化。
采用聚合物光纤POF进行光纤照明的优点如下：
1、 POF柔软，加工性能很好，可根据现场安装要求自由更改，具有很好的可操作性；
2、 POF传光束可任意设定照明角度和形状，光纤发光端头的体积小，可在狭窄的地方实施照明和安装，设计自由度高；
3、 POF具有较大数值孔径，同光源装置耦合效率高，使得整个系统节能高效，是新兴的绿色照明方式；
4、 POF损耗已明显降低，其在570nm处的损耗在100-300dB/km之间，高效传输可见光，对人体和被照物体造成伤害的红外线和紫外线可以被隔除。有效的防止眩光等对人眼的危害。同时即使是对对艺术品和历史文物照明也不会造成任何危害；
5、 POF输出光色变换丰富，可选用特定波长照明，可传送红色光、绿色光、蓝色光和黄色光等，实现连续不间断变色；
6、 光纤发光部同其光源隔离，光纤传光不导电，光纤照明是发光部不带热量及不带电的安全照明系统；
7、 POF本身无需维修，系统的维护维修等费用很低，光纤照明系统具有极好的耐久性，减弱系统内的电磁干扰，简化仪表板布线；
8、 光纤的防水、耐腐性能优异，完全满足在隧道等特殊领域的应用。
9、 光纤的使用寿命长达30年。
经试验测试光纤的配光曲线如下：
空气中垂直测试
光纤：Φ16，18米
半径：R=1米
最终数据：
角度 左 右
照度E（lux） 光强I（cd） 照度E（lux） 光强I（cd）
90Ο 652 652 652 652
80Ο 620 620 636 636
70Ο 388 388 420 420
60Ο 140.9 140.9 114.2 114.2
50Ο 19.6 19.6 12.9 12.9
40Ο 4.4 4.4 3.3 3.3
30Ο 2.5 2.5 2.2 2.2
20Ο 2.1 2.1 2.0 2.0
10Ο 2.1 2.1 1.9 1.9












配光曲线图：

空气中水平测试
光纤：Φ16，18米
半径：R=0.5米
最终数据：
角度 左 右
照度E（lux） 光强I（cd） 照度E（lux） 光强I（cd）
90Ο 2840 710 2840 710
85Ο 2800 700 2710 677.5
80Ο 2620 655 2610 652.5
75Ο 2280 570 2260 565
70Ο 1780 445 1690 422.5
65Ο 1091 273 1004 251
60Ο 548 137 529 132.2
55Ο 180 45.0 202 50.5
50Ο 64.0 16.0 66.5 16.6
45Ο 26.2 6.6 29.3 7.3
40Ο 13.6 3.4 15.0 3.8
35Ο 9.0 2.2 9.3 2.3
30Ο 6.5 1.6 6.4 1.6
25Ο 4.9 1.2 4.9 1.2
20Ο 4.1 1.0 3.9 1.0
15Ο 3.3 0.8 3.3 0.8
10Ο 2.5 0.6 2.8 0.7
配光曲线图：



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