Optická vlákna – technická témata

Osvětlení z optických vláken

Zavedení
Optické vlákno lze použít pro přenos světla ze zdroje na vzdálené místo pro osvětlení i komunikaci. Ve skutečnosti jsou vlákna vyrobena tak, aby nejen propouštěla ​​světlo, ale aby svítila podél samotného vlákna, takže se podobá trubici s neonovým světlem. Aplikace pro osvětlení optickými vlákny je mnoho, obecně založené na využití speciálních vlastností vlákna a také jeho jedinečných vlastností.
 

Proč používat vláknovou optiku pro osvětlení?
Použití vlákna pro dálkové osvětlení má mnoho výhod, z nichž některé jsou pro speciální typy aplikací důležitější než jiné.
Osvětlení bez tepla: Vzhledem k tomu, že zdroj světla je vzdálený, vlákno propouští světlo, ale izoluje teplo ze zdroje světla od osvětlovacího bodu, což je důležitý faktor pro osvětlení jemných předmětů, jako jsou expozice v muzeích, které by mohly být poškozeny teplem nebo intenzivním světlem.
Elektrická bezpečnost: Podvodní osvětlení, jaké se používá v bazénech a fontánách, nebo osvětlení v nebezpečných atmosférách lze bezpečně provést pomocí osvětlení z optických vláken, protože vlákno je nevodivé a zdroj světla lze umístit na bezpečné místo. I mnoho světel je nízkonapěťové.
Přesné bodové osvětlení: Optické vlákno lze kombinovat s čočkami a poskytovat pečlivě zaostřené světlo na extrémně malých místech, oblíbené pro muzejní exponáty a vystavení šperků, nebo jednoduše přesně osvětlit určitou oblast.
Trvanlivost: Použití optického vlákna pro osvětlení umožňuje mnohem odolnější osvětlení. Optické vlákno, ať už plastové nebo skleněné, je pevné a pružné, mnohem odolnější než křehké žárovky.
Vzhled Neonu: Vlákno, které po své délce vyzařuje světlo, obecně nazývané vlákno emitující okraj, má vzhled neonových trubic pro dekorativní osvětlení a nápisy. Vlákno se snadněji vyrábí, a protože je vyrobeno z plastu, je méně křehké. Protože je osvětlení vzdálené, může být umístěno na jednom nebo na obou koncích vlákna a zdroje mohou být bezpečnější, protože se jedná o nízkonapěťové zdroje.
Měňte barvu: Použitím barevných filtrů se zdroji bílého světla může mít světlo z optických vláken mnoho různých barev a automatizací filtrů měnit barvy v libovolné předem naprogramované sekvenci.
Jednodušší instalace: Osvětlení optickými vlákny nevyžaduje instalaci elektrických kabelů k lokátoru světla a následnou instalaci objemných svítidel s jednou nebo více žárovkami na místě. Místo toho je vlákno instalováno na místo a upevněno na místě, možná pomocí malého přípravku pro zaostřovací čočku, což je mnohem jednodušší proces. Často může několik vláken používat jeden světelný zdroj, což ještě více zjednodušuje instalaci.
Snadná údržba: Osvětlení v těžko přístupných oblastech, jako jsou vysoké stropy nebo malé prostory, může ztížit výměnu světelných zdrojů. S vláknem může být zdroj na snadno dostupném místě a vlákno na jakémkoli vzdáleném místě. Změna zdroje již není problém.


Jak funguje osvětlení z optických vláken
Osvětlení optickými vlákny využívá optické vlákno jako „světlovod“, přenášející světlo ze zdroje přes vlákno do vzdáleného místa. Světlo může být vyzařováno z konce vlákna vytvářejícího malý efekt reflektoru (také nazývaný „koncová záře“) nebo vyzařováno z vnějšku vlákna podél jeho délky, vypadá jako neonová nebo fluorescenční trubice (také nazývaná „boční záře“ ).
Světelný zdroj se obvykle nazývá "iluminátor z optických vláken" a skládá se z jasného světelného zdroje a často z nějaké optiky pro účinné zaostření světla do vlákna. Zdroje musí být jasné, proto se běžně používají křemenné halogenové nebo xenonové halogenidové výbojky. Menší vlákna mohou také používat LED diody, které velmi efektivně spojují světlo do vláken, ale nedosahují úrovně světla ostatních lamp.
Optická vlákna používaná pro osvětlení jsou podobná vláknům používaným v komunikaci, ale jsou optimalizována pro přenos světla, nikoli vysokorychlostních signálů. Vlákna se skládají z jádra, které propouští světlo, a optického pláště, který zachycuje světlo v jádru vlákna. Na rozdíl od komunikačních vláken, která používají malá jádra k maximalizaci šířky pásma, světelná vlákna používají velká jádra s tenkým pláštěm k maximalizaci vazby světla z iluminátoru do vlákna. Vlákna s bočním vyzařováním mají drsné rozhraní mezi jádrem a pláštěm, které rozptyluje část světla z jádra po délce vlákna a vytváří konzistentní osvětlený vzhled podobný neonovým světelným trubicím.
Světelná vlákna mohou být vyrobena ze skla, stejně jako komunikační vlákna, nebo z plastu. Pokud jsou vlákna skleněná, mají obvykle velmi malý průměr a mnoho z nich je svázáno do jednoho opláštěného kabelu, aby byla zajištěna dostatečná propustnost světla. Používají se také plastová vlákna o větším průměru, možná častěji, protože jsou levná a snadněji se instalují, ale mají vyšší světelné ztráty a nesnesou tak vysokou teplotu, což někdy omezuje vstup světla ze zdroje.


Druhy vlákniny

Vlákno s koncovým vyzařováním
Vlákno s koncovým vyzařováním je obecně vícevidové vlákno se stupňovitým indexem s velkým průhledným jádrem, které propouští světlo, a tenkým průhledným pláštěm, který zachycuje světlo v jádru v optickém procesu zvaném „totální vnitřní odraz“. Jádro je ve srovnání s tenkým pláštěm velké, protože je efektivnější při spojování světla z iluminátoru. Plášť nepropouští světlo, takže žádné světlo vázané do pláště nebude vláknem propuštěno.
Vlákna s koncovými emisemi jsou obecně vyrobena z plastu, protože mohou být vyrobena ve větších velikostech než sklo a jsou levnější a snadněji se instalují. Plastové optické vlákno (POF) se vyrábí ve velikostech od 0,1 do 20 mm v průměru. Skleněná vlákna se obecně vyrábějí v mnohem menších velikostech (tenké jako vlasy, asi 50-150 mikronů nebo 0,05 až 0,15 mm) a jsou spojeny dohromady, aby se vytvořily kabely s větším průměrem.
Výběr materiálů jádra a pláště určuje úhel světelných paprsků přijímaných ze zdrojů a přenášených vláknem (nazývané mody), definovaný specifikací nazývanou numerická apertura (NA). Světlo bude opouštět vlákno v kuželu, který ukazuje velikost NA, přičemž větší NA má širší výstupní kužel osvětlení. Vlákna s vyšší NA také účinněji spojují světlo ze zdrojů, protože zachycují světlo ve vyšších úhlech vyzařované zdrojem. Typická vlákna mají přijímací kužele {{0}} stupňů, což odpovídá NAs 0.3-0.6. Když se k zaostření světla vyzařovaného z vlákna používá optika, musí být známa NA vlákna, aby se vybrala vhodná optika.
Vlákna s koncovým vyzařováním dobře propouštějí světlo. Skleněná vlákna jsou při přenosu účinnější, protože sklo je průhlednější než plast, ale kvůli neefektivnosti balení vláken do svazků mezery mezi vlákny ve svazcích znamenají, že velká část světla iluminátoru není spojena s jádry vláken. Skleněná vlákna však mohou být tolerantnější k teplu generovanému iluminátorem, což umožňuje vyšší intenzitu iluminátoru a poskytuje více světla z konce vlákna.

Vlákno vyzařující okraj

Vlákno vyzařující okraj je v zásadě podobné vláknu s koncovým vyzařováním kromě toho, že hranice jádra a pláště je navržena tak, aby byla mírně neefektivní. Namísto zachycení veškerého světla v jádru je hranice drsná a část světla je rozptýlena do pláště, kde se stává viditelným. Pečlivým designem může mít vlákno hladkou záři, která vypadá podobně jako neonová trubice. Menší vlákna vyzařující okraje byly vetkány do pásků, které vyzařují světlo v pásu.
Protože velká část světla je ztracena okrajovou emisí podél vlákna, vlákno emitující okraj má vysoký útlum. To může omezit délky vlákna s výstupem na okraj, které lze použít. To lze zmírnit nasvícením vlákna z obou konců použitím dvou iluminátorů nebo smyčkou vlákna zpět ke stejnému iluminátoru, nebo použitím reflexních koncovek, které posílají přebytečné světlo zpět do vlákna ze vzdáleného konce.


Iluminátory, typy zdrojů

Iluminátor obsahuje světelný zdroj pro vlákno, jakož i optiku a filtry navržené tak, aby produkovaly požadované množství a typ osvětlení. Zatímco množství světla vázaného do vlákna je primárním hlediskem při výběru iluminátoru, je zahrnuto mnoho dalších faktorů, které vedly trh k nabídce mnoha typů zdrojů.
Výkon připojený k vláknu nebo vláknům, protože mnoho zdrojů pojme více než jedno vlákno, bude obecně určovat typ použitého světelného zdroje. Křemenné halogenové žárovky se používají v mnoha iluminátorech. Tyto zdroje, vyvinuté jako reflektory nebo lampy pro projektory, se dodávají v nízkonapěťových i střídavých verzích s širokou škálou výstupních výkonů. Křemenné halogenové žárovky jsou obvykle vyrobeny integrálně s reflektory, které usnadňují zaostřování světla do vlákna. Byly představeny nové xenonové halogenidové výbojky, které mají vysoký výkon, ale vyžadují vysokonapěťové napájení, které nabízejí vyšší účinnost.
Systémy s nižší spotřebou byly schopny používat LED, které mají vyšší účinnost, ale omezený výkon. Nové LED diody jsou stále jasnější a ještě účinnější, takže LED diody jsou životaschopným zdrojem pro více systémů.
Iluminátory zahrnují více než jen lampy nebo LED. Lampy mohou potřebovat reflektory, pokud nejsou zabudovány do lampy, stejně jako čočky pro zaostření světla do vlákna. Zdroje vysokého výkonu mohou mít infračervené (IR) filtry pro snížení zahřívání vlákna a ultrafialové (UV) filtry, aby se zabránilo poškození vláken během dlouhodobé expozice.
Budou potřeba zdroje energie pro lampy nebo LED, včetně možnosti stmívání, pokud je to žádoucí. Protože většina lamp generuje velké množství tepla, bude do mnoha iluminátorů navržena ventilace s nuceným oběhem.
Lampy se snadno filtrují a poskytují barevné světlo ve vláknu. Použití pohyblivých filtrů, obvykle v kole poháněném malým elektrickým motorem, umožňuje změnu barvy světla ve zvolené sekvenci.
Složitost iluminátorů brání většině uživatelů, aby si je vyrobili sami, ale řada výrobců nabízí různé modely optimalizované pro různé typy vláken a aplikace. Spolupráce s těmito výrobci je nejlepší způsob, jak vybrat vhodný iluminátor a kompatibilní vlákna.
Pasivní osvětlení pomocí optických vláken se provádí pomocí solárních kolektorů namontovaných na střeše, které dodávají sluneční světlo přes vlákno do místností v budově nebo do podpalubí lodí.

Svítidla koncových emitorů
Normálně světlo opouští vlákno koncového emitoru v kuželu světla definovaném číselnou aperturou vlákna. V některých případech to bude pro osvětlení dostatečné. Někdy je však žádoucí zaměřit světlo na menší bod, vytvořit tvarovaný osvětlený bod nebo světlo rozptýlit tak, aby připomínalo běžnou žárovku. K dispozici jsou koncová svítidla s čočkami, která dokážou zaostřit světlo podle potřeby, ale je třeba je zvolit pro kompatibilitu s použitým vláknem.
K dispozici jsou také dekorativní svítidla, která vytvoří atraktivní svítidlo pro světlo, nejen pro konec vlákna. Výrobci nabízejí mnoho různých typů těchto svítidel, stejně jako u běžných svítidel.

Úrovně osvětlení
Protože osvětlení oblasti nebo objektu je důvodem pro použití vláknové optiky, jsou úrovně osvětlení nejdůležitější. Přímé srovnání mezi různými vlákny a iluminátory může být obtížné kvůli mnoha dostupným možnostem. Dokonce i vnímání lidského oka, vysoce citlivého na barvy, je faktorem.
Vlákna s koncovým vyzařováním se snadněji kalibrují, protože výstupní výkon lze snadno měřit ve vhodných vzdálenostech od konce vlákna pomocí expozimetrů kalibrovaných v nožních svíčkách. Vlákna vyzařující okraje se hůře kalibrují, protože vyzařují v rozptýlených vzorech a jejich vnímaný kontrast závisí na okolním osvětlení.
Je ilustrativní podívat se na faktory podílející se na osvětlení poskytovaném různými možnostmi.

Spřažená síla
Výkon vázaný do optického vlákna je funkcí intenzity světelného zdroje, účinnosti zaostření na konci vlákna, včetně filtrů (IR, UV a/nebo barevných), odrazivosti konce vlákna a kříže. - plocha průřezu vlákna. Větší vlákna samozřejmě spojují více energie. Zdvojnásobení průměru vlákna zvětší plochu průřezu čtyřikrát (2 na druhou), takže vázaný výkon by měl být čtyřikrát vyšší. Podobně vyšší hustota balení na svazcích vláken zvýší vázaný výkon. Dokonce i čistota konců vláken je důležitá, protože prach a nečistoty absorbují značné množství světla.

Útlum vláken
Ztráty ve vláknu v důsledku rozptylu a absorpce sníží výstupní výkon, a protože útlum vlákna je závislý na vlnové délce, změní se barva vyzařovaného světla. Delší vlákna znamenají, že světlo bude mírně načervenalé.


Navrhování osvětlovacích systémů z optických vláken
Zdá se, že osvětlení s optickými vlákny postrádá průmyslové standardy, takže každý produkt a aplikace je vlastní.
Vzhledem k tomu, že existuje tolik rozmanitostí v systémech osvětlení s optickými vlákny, je těžké zobecnit návrhy systémů. Každý designový projekt však začíná některými běžnými položkami: co se osvětluje, jaký druh světla je požadován (intenzita, vzor osvětlení, barva, rozmanitost atd.), kde bude světlo prezentováno a kde bude umístěn iluminátor . Pokud je projektant s osvětlením z optických vláken nový, důrazně se doporučuje konzultace se zkušeným projektantem a dodavatelem. Budou schopni doporučit návrhy, optické komponenty osvětlení a výrobce. Měli by také být schopni pomoci navrhnout nejen systém osvětlení s optickými vlákny, ale také napájení a regulátor systému.
Pokud není k dispozici zkušený dodavatel, lze použít webové stránky výrobce a distributora, které vám pomohou dozvědět se více o tom, jaké aplikace jsou možné, jaké komponenty jsou k dispozici a jak je lze implementovat. Můžete také vidět možnosti nákupu komponent a jejich vlastní montáže nebo nákupu kompletního systému připraveného k instalaci.

Instalace osvětlovacích systémů z optických vláken
Instalace osvětlovacích systémů z optických vláken zahrnuje instalaci kabelů, iluminátorů a svítidel. Většina aplikací je zakázkových a mnoho z nich bude vyžadovat specializované postupy související s používanými komponentami. Spolupráce s výrobci, kteří nejen vyvinuli komponenty, ale také instalační přípravky a postupy, je nejlepší způsob, jak zajistit, aby byla instalace správně provedena. Pokud je aplikace nového typu, je velmi důležité vyzkoušet, zda bude správně fungovat, než se pustíte do skutečné práce.
Výše uvedené rady ohledně navrhování osvětlovacích systémů s optickými vlákny platí i zde, protože zkušenosti nic nenahradí. Zdá se, že každý kompetentní elektrikář používaný k instalaci osvětlení by měl být schopen nainstalovat systém osvětlení z optických vláken, zejména proto, že má zkušenosti s instalací kabelů, svítidel a elektrické energie a ovladačů.
 

Specializujeme se na podnikání s optickými kabely již téměř 10 let a díky dlouhodobému partnerství jsme získali mnoho známých klientů po celém světě. Pokud máte zájem o naše produkty, kontaktujte mě.