Оптоволокно — технические темы

Волоконно-оптическое освещение

Введение
Оптическое волокно можно использовать для передачи света от источника в удаленное место для освещения, а также для связи. Фактически, волокна созданы не только для передачи света, но и для свечения вдоль самого волокна, поэтому оно напоминает неоновую световую трубку. Применений волоконно-оптического освещения множество, и они обычно основаны на использовании особых свойств волокна, а также его уникальных характеристик.
 

Зачем использовать оптоволокно для освещения?
Использование оптоволокна для дистанционного освещения имеет множество преимуществ, некоторые из которых более важны для определенных типов приложений, чем другие.
Безтепловое освещение: поскольку источник света расположен удаленно, волокно передает свет, но изолирует тепло от источника света от точки освещения, что является важным фактором при освещении деликатных объектов, таких как музейные экспозиции, которые могут быть повреждены жарой или ярким светом.
Электробезопасность: Подводное освещение, например, используемое в бассейнах и фонтанах, или освещение в опасных атмосферах можно безопасно реализовать с помощью оптоволоконного освещения, поскольку волокно не проводит ток, а источник света можно разместить в безопасном месте. Даже многие лампы имеют низкое напряжение.
Точное освещение: Оптическое волокно можно комбинировать с линзами, чтобы обеспечить тщательно сфокусированный свет на очень маленьких точках, популярных для музейных экспонатов и ювелирных витрин, или просто точно освещать определенную область.
Долговечность: Использование оптоволокна для освещения обеспечивает гораздо более долговечное освещение. Оптическое волокно, пластиковое или стеклянное, одновременно прочное и гибкое, гораздо более долговечное, чем хрупкие лампочки.
Внешний вид неона: Волокно, излучающее свет по всей длине, обычно называемое волокном с краевым излучением, имеет вид неоновых трубок для декоративного освещения и вывесок. Волокно легче изготовить, и, поскольку оно изготовлено из пластика, оно менее хрупкое. Поскольку освещение является удаленным, его можно разместить на одном или обоих концах волокна, а источники могут быть более безопасными, поскольку они являются источниками низкого напряжения.
Меняйте цвет: Используя цветные фильтры с источниками белого света, оптоволоконное освещение может иметь множество разных цветов, а за счет автоматизации фильтров можно изменять цвета в любой заранее запрограммированной последовательности.
Упрощенная установка: Оптоволоконное освещение не требует прокладки электрических кабелей к локатору светильника и последующей установки на месте громоздких светильников с одной или несколькими лампочками. Вместо этого в нужном месте устанавливается волокно и фиксируется, возможно, с помощью небольшой фокусирующей линзы, что является гораздо более простым процессом. Часто несколько волокон могут использовать один источник света, что еще больше упрощает установку.
Простое обслуживание: Освещение в труднодоступных местах, таких как высокие потолки или небольшие помещения, может затруднить замену источников света. При использовании оптоволокна источник может находиться в легкодоступном месте, а волокно — в любом удаленном месте. Сменить источник больше не проблема.


Как работает оптоволоконное освещение
Оптоволоконное освещение использует оптическое волокно в качестве «световода», передающего свет от источника через оптоволокно в удаленное место. Свет может излучаться из конца волокна, создавая небольшой эффект прожектора (также называемый «конечным свечением»), или излучаться снаружи волокна по его длине, выглядя как неоновая или флуоресцентная трубка (также называемый «боковым свечением»). ).
Источник света обычно называют «волоконно-оптическим осветителем» и состоит из яркого источника света и часто некоторой оптики для эффективной фокусировки света в волокне. Источники должны быть яркими, поэтому обычно используются кварцевые галогенные или ксеноновые металлогалогенные лампы. В волокнах меньшего размера также могут использоваться светодиоды, которые очень эффективно передают свет в волокна, но не достигают уровня освещенности других ламп.
Оптические волокна, используемые для освещения, аналогичны волокнам, используемым в связи, но оптимизированы для передачи света, а не высокоскоростных сигналов. Волокна состоят из сердцевины, которая пропускает свет, и оптической оболочки, которая удерживает свет в сердцевине волокна. В отличие от волокон связи, в которых используются маленькие сердцевины для увеличения пропускной способности, в осветительных волокнах используются большие сердцевины с тонкой оболочкой, чтобы максимизировать проникновение света от осветителя в волокно. Волокна с боковым излучением имеют шероховатую поверхность раздела между сердцевиной и оболочкой, что позволяет рассеивать часть света из сердцевины по длине волокна, создавая равномерный световой эффект, аналогичный неоновым световым трубкам.
Осветительные волокна могут быть изготовлены из стекла, как и волокна связи, или из пластика. Если волокна стеклянные, они обычно имеют очень малый диаметр, и многие из них объединены в один кабель с оболочкой, чтобы обеспечить достаточную светопропускаемость. Также используются пластиковые волокна большего диаметра, возможно, чаще, потому что они недороги и их легче устанавливать, но они имеют более высокие потери света и не могут выдерживать столь высокие температуры, что иногда ограничивает поступление света от источника.


Виды волокна

Концевое волокно
Волокно с конечным излучением обычно представляет собой многомодовое волокно со ступенчатым индексом преломления с большой прозрачной сердцевиной, которая пропускает свет, и тонкой прозрачной оболочкой, которая улавливает свет в сердцевине в результате оптического процесса, называемого «полным внутренним отражением». Сердечник имеет большие размеры по сравнению с тонкой оболочкой, что делает его более эффективным в передаче света от осветителя. Оболочка не пропускает свет, поэтому любой свет, попадающий в оболочку, не будет передаваться по волокну.
Волокна с торцевыми излучателями обычно изготавливаются из пластика, поскольку его размеры могут быть больше, чем у стекла, и он дешевле и проще в установке. Пластиковое оптическое волокно (ПОФ) изготавливается размерами от 0,1 до 20 мм в диаметре. Стеклянные волокна обычно изготавливаются гораздо меньших размеров (тонкие, примерно 50-150 микрон или от 0,05 до 0,15 мм) и связываются вместе для получения кабелей большего диаметра.
Выбор материалов сердцевины и оболочки определяет угол световых лучей, принимаемых от источников и передаваемых волокном (так называемые моды), определяемый спецификацией, называемой числовой апертурой (NA). Свет будет выходить из волокна в конусе, который показывает размер NA, причем больший NA имеет более широкий выходной конус освещения. Волокна с более высокой числовой апертурой также более эффективно передают свет от источников, поскольку они улавливают свет, излучаемый источником под более высокими углами. Типичные волокна имеют приемные конусы {{0}} градусов, что соответствует NA 0.3-0.6. Когда для фокусировки света, излучаемого волокном, используется оптика, для выбора подходящей оптики должна быть известна числовая апертура волокна.
Концевые волокна хорошо пропускают свет. Стеклянные волокна более эффективны при передаче, поскольку стекло более прозрачно, чем пластик, но из-за неэффективности упаковки волокон в пучки промежутки между волокнами в пучках означают, что большая часть света осветителя не попадает в сердцевину волокна. Однако стеклянные волокна могут быть более устойчивыми к теплу, выделяемому осветителем, обеспечивая большую интенсивность осветителя и обеспечивая больше света с конца волокна.

Оптоволокно с краевым излучением

Волокно с краевым излучением в основном похоже на волокно с торцевым излучением, за исключением того, что граница сердцевина/оболочка спроектирована немного неэффективно. Вместо того, чтобы улавливать весь свет в ядре, граница получается шероховатой, и часть света рассеивается в оболочке, где он становится видимым. Благодаря тщательному проектированию волокно может иметь плавное свечение, очень похожее на неоновую световую трубку. Волокна меньшего размера, излучающие по краям, были сплетены в ленты, которые излучают свет в виде полосы.
Поскольку большая часть света теряется из-за краевого излучения вдоль волокна, волокно с краевым излучением имеет высокое затухание. Это может ограничить длину используемого волокна с краевым излучением. Эту проблему можно облегчить, освещая волокно с обоих концов, используя два осветителя, или подключая волокно обратно к одному и тому же осветителю, или используя отражающие торцевые заглушки для направления избыточного света обратно вверх по волокну от дальнего конца.


Осветители , Типы источников

Осветитель содержит источник света для волокна, а также оптику и фильтры, предназначенные для получения желаемого количества и типа освещения. Хотя количество света, попадающего в волокно, является основным фактором при выборе осветителя, на него влияют многие другие факторы, которые побудили рынок предложить множество типов источников.
Мощность, подаваемая в волокно или волокна, поскольку многие источники могут содержать более одного волокна, обычно определяет тип используемого источника света. Кварцево-галогенные лампы используются во многих осветительных приборах. Эти источники, разработанные как прожекторы или лампы для проекторов, выпускаются как в версиях с низким, так и переменным напряжением, с широким диапазоном выходной мощности. Кварцево-галогенные лампы обычно изготавливаются заодно с отражателями, которые упрощают фокусировку света в волокне. Были представлены новые ксеноновые металлогалогенные лампы, которые имеют высокую выходную мощность, но требуют высокого напряжения и обеспечивают большую эффективность.
В системах с меньшим энергопотреблением можно использовать светодиоды, которые имеют более высокую эффективность, но ограниченную мощность. Новые светодиоды становятся ярче и эффективнее, что делает их жизнеспособным источником для большего числа систем.
Осветители включают в себя больше, чем просто лампы или светодиоды. Для ламп могут потребоваться отражатели, если они не встроены в лампу, а также линзы для фокусировки света в волокне. Источники высокой мощности могут иметь инфракрасные (ИК) фильтры для уменьшения нагрева волокна и ультрафиолетовые (УФ) фильтры для предотвращения повреждения волокон при длительном воздействии.
Потребуются источники питания для ламп или светодиодов, включая возможность регулировки яркости, если это необходимо. Поскольку большинство ламп выделяют много тепла, во многих осветителях будет предусмотрена принудительная вентиляция.
Лампы легко фильтруются, чтобы обеспечить цветной свет в волокне. Использование подвижных фильтров, обычно в виде колеса, приводимого в действие небольшим электродвигателем, позволяет изменять цвет света в выбранной последовательности.
Сложность осветителей не позволяет большинству пользователей создавать свои собственные, но многие производители предлагают различные модели, оптимизированные для различных типов волокон и областей применения. Сотрудничество с этими производителями — лучший способ выбрать подходящий осветитель и совместимые волокна.
Пассивное освещение с использованием оптоволокна осуществляется с помощью солнечных коллекторов, установленных на крыше, которые доставляют солнечный свет по оптоволокну в помещения в зданиях или под палубами кораблей.

Светильники с конечным эмиттером
Обычно свет выходит из волокна с концевым излучателем в световом конусе, определяемом числовой апертурой волокна. В некоторых случаях этого будет достаточно для освещения. Однако иногда желательно сфокусировать свет на пятне меньшего размера, создать освещенное пятно определенной формы или рассеять свет, чтобы он напоминал обычную лампочку. Доступны торцевые светильники с линзами, которые могут фокусировать свет по мере необходимости, но их необходимо выбирать с учетом совместимости с используемым волокном.
Также доступны декоративные светильники, позволяющие создать привлекательный светильник, а не только конец волокна. Производители предлагают множество различных типов этих светильников, как и обычных светильников.

Уровни освещенности
Поскольку освещенность территории или объекта является причиной использования оптоволокна, уровни освещенности имеют наибольшее значение. Проведение прямого сравнения различных волокон и осветителей может быть затруднено из-за большого количества доступных опций. Даже восприятие человеческого глаза, очень чувствительного к цвету, является фактором.
Волокна с конечным излучением легче калибровать, поскольку выходную мощность можно легко измерить на соответствующих расстояниях от конца волокна с помощью люксметров, откалиброванных в фут-свечах. Волокна с краевым излучением труднее калибровать, поскольку они излучают рассеянно, а их воспринимаемый контраст зависит от окружающего освещения.
Показательно рассмотреть факторы, влияющие на освещение, обеспечиваемое различными вариантами.

Совмещенная мощность
Мощность, подаваемая в оптическое волокно, является функцией интенсивности источника света, эффективности фокусировки на конце волокна, включенных фильтров (ИК, УФ и/или цветных), отражательной способности торца волокна и поперечного сечения волокна. - площадь сечения волокна. Очевидно, что более крупные волокна дают больше мощности. Удвоение диаметра волокна увеличивает площадь поперечного сечения в четыре раза (2 в квадрате), поэтому связанная мощность должна быть в четыре раза выше. Аналогичным образом, более высокая плотность упаковки пучков волокон увеличит связанную мощность. Даже чистота концов волокна важна, поскольку пыль и грязь поглощают значительное количество света.

Затухание волокна
Потери в волокне из-за рассеяния и поглощения уменьшают выходную мощность, а поскольку затухание в волокне зависит от длины волны, цвет излучаемого света изменится. Более длинные волокна означают, что свет будет слегка покрасневшим.


Проектирование оптоволоконных систем освещения
Похоже, что оптоволоконное освещение не соответствует отраслевым стандартам, поэтому каждый продукт и приложение являются запатентованными.
Поскольку волоконно-оптические системы освещения настолько разнообразны, трудно сделать какие-то общие выводы о проектировании систем. Однако каждый дизайн-проект начинается с некоторых общих пунктов: что освещается, какой свет требуется (интенсивность, схема освещения, цвет, разнообразие и т. д.), где будет представлен свет и где будет размещен осветитель. . Если проектировщик новичок в оптоволоконном освещении, настоятельно рекомендуется проконсультироваться с опытным проектировщиком и подрядчиком. Они смогут порекомендовать конструкции, компоненты оптоволоконного освещения и производителей. Они также должны быть в состоянии помочь спроектировать не только оптоволоконную систему освещения, но также систему питания и контроллер для системы.
Если опытный подрядчик недоступен, можно использовать веб-сайты производителей и дистрибьюторов, чтобы узнать больше о том, какие приложения возможны, какие компоненты доступны и готовы к их внедрению. Также можно увидеть варианты покупки компонентов и их самостоятельной сборки или покупки готовой к установке полной системы.

Монтаж оптоволоконных систем освещения
Монтаж оптоволоконных систем освещения предполагает установку кабелей, осветителей и светильников. Большинство приложений являются пользовательскими, и многие из них потребуют специальных навыков, связанных с используемыми компонентами. Сотрудничество с производителями, которые разработали не только компоненты, но также приспособления и методы установки, — лучший способ обеспечить правильное выполнение установки. Если приложение нового типа, очень важно поэкспериментировать, чтобы определить, будет ли оно работать правильно, прежде чем приступать к фактической работе.
Приведенные выше советы по проектированию оптоволоконных систем освещения применимы и здесь, поскольку ничто не заменит опыт. Похоже, что любой компетентный электрик, занимающийся установкой освещения, должен быть в состоянии установить оптоволоконную систему освещения, тем более, что у него есть опыт установки кабеля, осветительных приборов, электропитания и контроллеров.
 

Мы специализируемся на производстве оптоволоконных кабелей уже почти 10 лет и благодаря долгосрочному партнерству приобрели множество известных клиентов по всему миру. Если вы заинтересованы в нашей продукции, пожалуйста, свяжитесь со мной.