Die Glasfaser – Tech-Themen

Glasfaserbeleuchtung

Einführung
Glasfasern können zur Übertragung von Licht von einer Quelle an einen entfernten Ort zur Beleuchtung und Kommunikation verwendet werden. Tatsächlich sind Fasern nicht nur dazu bestimmt, Licht zu übertragen, sondern auch entlang der Faser selbst zu leuchten, sodass sie einer Neonlichtröhre ähneln. Es gibt viele Anwendungen für faseroptische Beleuchtung, die im Allgemeinen auf der Nutzung der besonderen Eigenschaften der Faser sowie ihrer einzigartigen Eigenschaften basieren.
 

Warum Glasfaser für die Beleuchtung verwenden?
Die Verwendung von Glasfaser für die Fernbeleuchtung bietet viele Vorteile, von denen einige für spezielle Anwendungen wichtiger sind als andere.
Hitzefreie Beleuchtung: Da die Lichtquelle entfernt ist, überträgt die Faser das Licht, isoliert jedoch die Wärme der Lichtquelle vom Beleuchtungspunkt. Dies ist ein wichtiger Gesichtspunkt bei der Beleuchtung empfindlicher Objekte, z. B. in Museumsausstellungen, die durch Hitze oder intensives Licht beschädigt werden könnten.
Elektrische Sicherheit: Unterwasserbeleuchtung, wie sie beispielsweise in Schwimmbädern und Springbrunnen verwendet wird, oder die Beleuchtung in gefährlichen Atmosphären kann sicher mit Glasfaserbeleuchtung erfolgen, da die Faser nicht leitend ist und der Strom für die Lichtquelle an einem sicheren Ort platziert werden kann. Sogar viele Lichter haben Niederspannung.
Präzise Beleuchtung: Optische Fasern können mit Linsen kombiniert werden, um sorgfältig fokussiertes Licht auf extrem kleine Punkte zu liefern, was bei Museumsausstellungen und Schmuckausstellungen beliebt ist, oder einfach einen bestimmten Bereich präzise auszuleuchten.
Haltbarkeit: Die Verwendung von Glasfasern für die Beleuchtung sorgt für eine wesentlich langlebigere Beleuchtung. Optische Fasern aus Kunststoff oder Glas sind sowohl stark als auch flexibel und viel langlebiger als zerbrechliche Glühbirnen.
Der Look von Neon: Fasern, die entlang ihrer Länge Licht emittieren, allgemein als kantenemittierende Fasern bezeichnet, sehen aus wie Neonröhren für dekorative Beleuchtung und Schilder. Fasern lassen sich einfacher herstellen und sind, da sie aus Kunststoff bestehen, weniger zerbrechlich. Da die Beleuchtung entfernt ist, kann sie an einem oder beiden Enden der Faser platziert werden und die Quellen können sicherer sein, da es sich um Niederspannungsquellen handelt.
Variieren Sie die Farbe: Durch die Verwendung von Farbfiltern mit weißen Lichtquellen kann Glasfaserbeleuchtung viele verschiedene Farben haben und durch die Automatisierung der Filter können die Farben in jeder vorprogrammierten Reihenfolge variiert werden.
Einfachere Installation: Für die Glasfaserbeleuchtung ist es nicht erforderlich, elektrische Kabel zum Lichtsuchgerät zu verlegen und dann vor Ort sperrige Leuchten mit einer oder mehreren Glühbirnen zu installieren. Stattdessen wird eine Faser vor Ort installiert und befestigt, möglicherweise mit einer kleinen Fokussierlinsenhalterung, ein viel einfacherer Vorgang. Oftmals können mehrere Fasern eine einzige Lichtquelle nutzen, was die Installation noch weiter vereinfacht.
Einfache Wartung: Die Beleuchtung in schwer zugänglichen Bereichen wie hohen Decken oder kleinen Räumen kann den Wechsel der Lichtquellen erschweren. Bei Glasfaser kann sich die Quelle an einem leicht zugänglichen Ort und die Glasfaser an einem beliebigen entfernten Ort befinden. Ein Wechsel der Quelle ist kein Problem mehr.


Wie Glasfaserbeleuchtung funktioniert
Bei der Glasfaserbeleuchtung wird Glasfaser als „Lichtleiter“ verwendet, der Licht von einer Quelle durch die Glasfaser an einen entfernten Ort überträgt. Das Licht kann vom Ende der Faser abgestrahlt werden, wodurch ein kleiner Spotlight-Effekt entsteht (auch „Endlicht“ genannt), oder es kann von der Außenseite der Faser entlang ihrer Länge ausgestrahlt werden und wie eine Neon- oder Leuchtstoffröhre aussehen (auch „Seitenlicht“ genannt). ).
Die Lichtquelle wird üblicherweise als „faseroptischer Illuminator“ bezeichnet und besteht aus einer hellen Lichtquelle und häufig einigen Optiken, um das Licht effizient in die Faser zu fokussieren. Da die Lichtquellen hell sein müssen, werden üblicherweise Quarz-Halogen- oder Xenon-Halogen-Metalldampflampen verwendet. Kleinere Fasern können auch LEDs verwenden, die das Licht sehr effizient in die Fasern einkoppeln, aber nicht die Lichtstärken der anderen Lampen erreichen.
Für die Beleuchtung verwendete optische Fasern ähneln Fasern für die Kommunikation, sind jedoch für die Übertragung von Licht und nicht für Hochgeschwindigkeitssignale optimiert. Die Fasern bestehen aus einem Kern, der das Licht überträgt, und einem optischen Mantel, der das Licht im Kern der Faser einfängt. Im Gegensatz zu Kommunikationsfasern, die zur Maximierung der Bandbreite kleine Kerne verwenden, verwenden Beleuchtungsfasern große Kerne mit dünnen Ummantelungen, um die Einkopplung des Lichts vom Illuminator in die Faser zu maximieren. Seitlich emittierende Fasern verfügen über eine raue Schnittstelle zwischen Kern und Mantel, um einen Teil des Lichts aus dem Kern entlang der Faserlänge zu streuen und so ein einheitliches Lichtbild ähnlich wie bei Neonröhren zu erzeugen.
Lichtfasern können wie Kommunikationsfasern aus Glas oder aus Kunststoff bestehen. Wenn die Fasern aus Glas bestehen, haben sie normalerweise einen sehr kleinen Durchmesser und viele sind in einem ummantelten Kabel gebündelt, um eine ausreichende Lichtdurchlässigkeit zu gewährleisten. Es werden auch Kunststofffasern mit größerem Durchmesser verwendet, vielleicht häufiger, weil sie kostengünstiger und einfacher zu installieren sind, aber einen höheren Lichtverlust verursachen und einer so hohen Temperatur nicht standhalten können, was manchmal den Lichteinfall einer Quelle einschränkt.


Arten von Fasern

Endemittierende Faser
Endemittierende Fasern sind im Allgemeinen Stufenindex-Multimode-Fasern mit einem großen transparenten Kern, der das Licht überträgt, und einer dünnen transparenten Ummantelung, die das Licht im Kern in einem optischen Prozess einfängt, der als „totale interne Reflexion“ bezeichnet wird. Der Kern ist im Vergleich zur dünnen Ummantelung groß, da er dadurch das Licht vom Illuminator effizienter einkoppelt. Die Ummantelung lässt kein Licht durch, sodass in die Ummantelung eingekoppeltes Licht nicht von der Faser übertragen wird.
Endemittierende Fasern bestehen im Allgemeinen aus Kunststoff, da dieser in größeren Größen als Glas hergestellt werden kann und kostengünstiger und einfacher zu installieren ist. Kunststoff-Lichtwellenleiter (POF) werden in Größen von 0,1 bis 20 mm Durchmesser hergestellt. Glasfasern werden im Allgemeinen in viel kleineren Größen hergestellt (haardünn, etwa 50-150 Mikrometer oder 0,05 bis 0,15 mm) und zu Kabeln mit größerem Durchmesser gebündelt.
Die Wahl der Kern- und Mantelmaterialien bestimmt den Winkel der von den Quellen aufgenommenen und von der Faser übertragenen Lichtstrahlen (sogenannte Moden), definiert durch eine Spezifikation namens numerische Apertur (NA). Das Licht verlässt die Faser in einem Kegel, der die Größe der NA anzeigt, wobei eine größere NA einen breiteren Ausgangsbeleuchtungskegel hat. Fasern mit höherer NA koppeln auch Licht von Quellen effizienter, da sie das von der Quelle emittierte Licht in höheren Winkeln einfangen. Typische Fasern haben Akzeptanzkegel von {{0}} Grad, was einer NA von 0,3-0,6 entspricht. Wenn Optiken zum Fokussieren des von der Faser emittierten Lichts verwendet werden, muss die NA der Faser bekannt sein, um eine geeignete Optik auszuwählen.
Endemittierende Fasern übertragen Licht gut. Glasfasern sind bei der Übertragung effizienter, da Glas transparenter als Kunststoff ist. Aufgrund der Ineffizienz beim Packen von Fasern in Bündeln führen die Zwischenräume zwischen den Fasern in den Bündeln jedoch dazu, dass ein Großteil des Beleuchtungslichts nicht in die Faserkerne eingekoppelt wird. Allerdings sind Glasfasern möglicherweise toleranter gegenüber der vom Illuminator erzeugten Wärme, was eine höhere Intensität des Illuminators ermöglicht und mehr Licht vom Ende der Faser liefert.

Kantenemittierende Faser

Kantenemittierende Fasern ähneln grundsätzlich den endemittierenden Fasern, mit der Ausnahme, dass die Kern/Mantel-Grenze etwas ineffizient gestaltet ist. Anstatt das gesamte Licht im Kern einzufangen, ist die Grenze rau und ein Teil des Lichts wird in die Hülle gestreut, wo es sichtbar wird. Durch sorgfältiges Design kann die Faser einen sanften Glanz haben, der einer Neonröhre ähnelt. Kleinere kantenemittierende Fasern wurden zu Bändern verwoben, die bandförmig Licht aussenden.
Da ein Großteil des Lichts durch die Kantenemission entlang der Faser verloren geht, weisen kantenemittierende Fasern eine hohe Dämpfung auf. Dies kann die Länge der verwendbaren kantenemittierenden Fasern einschränken. Dies kann gemildert werden, indem die Faser von beiden Enden aus beleuchtet wird, indem zwei Beleuchtungskörper verwendet werden, oder indem die Faser wieder zum gleichen Beleuchtungskörper geführt wird oder indem reflektierende Endkappen verwendet werden, um überschüssiges Licht vom anderen Ende zurück durch die Faser zu leiten.


Beleuchtungskörper, Arten von Quellen

Der Illuminator enthält die Lichtquelle für die Faser sowie Optiken und Filter, die darauf ausgelegt sind, die gewünschte Menge und Art der Beleuchtung zu erzeugen. Während die Menge des in die Faser eingekoppelten Lichts das Hauptkriterium bei der Auswahl eines Beleuchtungsgeräts ist, spielen noch viele andere Faktoren eine Rolle, die dazu geführt haben, dass der Markt viele Arten von Quellen anbietet.
Die in die Faser oder Fasern eingekoppelte Leistung bestimmt im Allgemeinen die Art der verwendeten Lichtquelle, da viele Quellen mehr als eine Faser aufnehmen können. In vielen Beleuchtungsgeräten werden Quarzhalogenlampen verwendet. Diese Quellen, die als Strahler oder Lampen für Projektoren entwickelt wurden, sind sowohl in Nieder- als auch in Wechselspannungsversionen mit einem breiten Leistungsspektrum erhältlich. Quarzhalogenlampen sind in der Regel mit Reflektoren ausgestattet, die das Fokussieren des Lichts in einer Faser einfacher machen. Es wurden neue Xenon-Halogenmetalldampflampen eingeführt, die eine hohe Ausgangsleistung haben, aber Hochspannung benötigen und eine höhere Effizienz bieten.
Systeme mit geringerer Leistung konnten LEDs verwenden, die einen höheren Wirkungsgrad, aber eine begrenzte Leistung haben. Neue LEDs werden immer heller und noch effizienter, was LEDs zu einer brauchbaren Quelle für mehr Systeme macht.
Zu den Beleuchtungsgeräten gehören mehr als nur Lampen oder LEDs. Lampen benötigen möglicherweise Reflektoren, wenn diese nicht in die Lampe eingebaut sind, sowie Linsen, um das Licht in die Faser zu fokussieren. Hochleistungsquellen verfügen möglicherweise über Infrarotfilter (IR), um die Erwärmung der Faser zu reduzieren, und über Ultraviolettfilter (UV), um eine Beschädigung der Fasern bei längerer Einwirkung zu verhindern.
Für die Lampen oder LEDs werden Stromquellen benötigt, auf Wunsch auch mit Dimmfunktion. Da die meisten Lampen viel Wärme erzeugen, sind viele Beleuchtungskörper mit einer Zwangsbelüftung ausgestattet.
Lampen lassen sich leicht filtern, um farbiges Licht in der Faser bereitzustellen. Durch die Verwendung beweglicher Filter, meist in einem Rad, das von einem kleinen Elektromotor angetrieben wird, kann die Farbe des Lichts in einer bestimmten Reihenfolge geändert werden.
Aufgrund der Komplexität von Beleuchtungsgeräten können die meisten Benutzer keine eigenen Beleuchtungsgeräte herstellen. Zahlreiche Hersteller bieten jedoch verschiedene Modelle an, die für verschiedene Fasertypen und Anwendungen optimiert sind. Die Zusammenarbeit mit diesen Herstellern ist der beste Weg, einen geeigneten Illuminator und kompatible Fasern auszuwählen.
Passive Beleuchtung mit Glasfaser erfolgt über auf dem Dach montierte Solarkollektoren, die Sonnenlicht über Glasfaser in Räume in einem Gebäude oder unter Deck von Schiffen liefern.

End-Emitter-Geräte
Normalerweise verlässt Licht eine Endemitterfaser in einem Lichtkegel, der durch die numerische Apertur der Faser definiert ist. In manchen Fällen reicht das für die Beleuchtung aus. Manchmal ist es jedoch wünschenswert, das Licht auf einen kleineren Punkt zu fokussieren, einen geformten beleuchteten Punkt zu erzeugen oder das Licht so zu streuen, dass es einer normalen Glühbirne ähnelt. Es sind Endbefestigungen mit Linsen erhältlich, die das Licht nach Bedarf fokussieren können, müssen jedoch im Hinblick auf die Kompatibilität mit der verwendeten Faser ausgewählt werden.
Es sind auch dekorative Halterungen erhältlich, um eine attraktive Halterung für das Licht zu schaffen, nicht nur das Ende einer Faser. Die Hersteller bieten viele verschiedene Arten dieser Leuchten an, genau wie bei normalen Leuchten.

Beleuchtungsstärken
Da die Ausleuchtung eines Bereichs oder Objekts der Grund für den Einsatz von Glasfasern ist, kommt es vor allem auf die Beleuchtungsstärke an. Aufgrund der zahlreichen verfügbaren Optionen kann es schwierig sein, direkte Vergleiche zwischen verschiedenen Fasern und Beleuchtungskörpern anzustellen. Auch die Farbwahrnehmung des menschlichen Auges spielt eine Rolle.
Endemittierende Fasern sind einfacher zu kalibrieren, da die Ausgangsleistung in geeigneten Abständen vom Ende der Faser leicht mit in Fußkerzen kalibrierten Lichtmessgeräten gemessen werden kann. Kantenemittierende Fasern sind schwieriger zu kalibrieren, da sie in diffusen Mustern emittieren und ihr wahrgenommener Kontrast von der Umgebungsbeleuchtung abhängt.
Es ist anschaulich, die Faktoren zu betrachten, die bei der Ausleuchtung durch die verschiedenen Optionen eine Rolle spielen.

Gekoppelte Leistung
Die in die optische Faser eingekoppelte Leistung ist eine Funktion der Intensität der Lichtquelle, der Effizienz der Fokussierung am Ende der Faser, einschließlich Filtern (IR, UV und/oder Farbe), des Reflexionsgrads der Faserendfläche und des Kreuzes -Querschnittsfläche der Faser. Größere Fasern bringen natürlich mehr Leistung mit sich. Durch die Verdoppelung des Faserdurchmessers vergrößert sich die Querschnittsfläche um das Vierfache (2 zum Quadrat), sodass die eingekoppelte Leistung viermal höher sein sollte. Ebenso erhöht eine höhere Packungsdichte auf Faserbündeln die gekoppelte Leistung. Auch die Sauberkeit der Faserenden ist wichtig, da Staub und Schmutz viel Licht absorbieren.

Faserdämpfung
Verluste in der Faser aufgrund von Streuung und Absorption verringern die Ausgangsleistung, und da die Faserdämpfung wellenlängenabhängig ist, ändert sich die Farbe des emittierten Lichts. Längere Fasern bedeuten, dass das Licht leicht gerötet wird.


Entwurf faseroptischer Beleuchtungssysteme
Bei der Glasfaserbeleuchtung scheinen Industriestandards zu fehlen, sodass jedes Produkt und jede Anwendung proprietär ist.
Da es bei faseroptischen Beleuchtungssystemen eine große Vielfalt gibt, ist es schwierig, allgemeine Aussagen zum Systemdesign zu treffen. Jedes Designprojekt beginnt jedoch mit einigen gemeinsamen Punkten: was beleuchtet wird, welche Art von Licht gewünscht wird (Intensität, Beleuchtungsmuster, Farbe, Vielfalt usw.), wo das Licht präsentiert wird und wo der Illuminator platziert wird . Wenn der Designer neu im Bereich Glasfaserbeleuchtung ist, wird dringend empfohlen, sich an einen erfahrenen Designer und Auftragnehmer zu wenden. Sie können Designs, faseroptische Beleuchtungskomponenten und Hersteller empfehlen. Sie sollten auch in der Lage sein, nicht nur beim Entwurf des Glasfaser-Beleuchtungssystems, sondern auch der Stromversorgung und Steuerung für das System mitzuhelfen.
Wenn kein erfahrener Auftragnehmer verfügbar ist, können Sie auf den Websites von Herstellern und Händlern mehr darüber erfahren, welche Anwendungen möglich sind, welche Komponenten verfügbar sind und welche Komponenten sich für deren Implementierung eignen. Es gibt auch Möglichkeiten, Komponenten zu kaufen und selbst zusammenzubauen oder ein komplettes, einbaufertiges System zu kaufen.

Installation von Glasfaser-Beleuchtungssystemen
Die Installation von faseroptischen Beleuchtungssystemen umfasst die Installation von Kabeln, Beleuchtungskörpern und Vorrichtungen. Die meisten Anwendungen sind kundenspezifisch und viele erfordern spezielle Verfahren in Bezug auf die verwendeten Komponenten. Die Zusammenarbeit mit Herstellern, die nicht nur die Komponenten, sondern auch die Installationsvorrichtungen und -praktiken entwickelt haben, ist der beste Weg, um sicherzustellen, dass die Installation ordnungsgemäß durchgeführt wird. Wenn es sich bei der Anwendung um einen neuen Typ handelt, ist es sehr wichtig, zu experimentieren, um festzustellen, ob sie ordnungsgemäß funktioniert, bevor man sich an die eigentliche Arbeit macht.
Die oben gegebenen Ratschläge zum Entwurf von faseroptischen Beleuchtungssystemen gelten auch hier, da Erfahrung durch nichts zu ersetzen ist. Es scheint, dass jeder kompetente Elektriker, der sich mit der Installation von Beleuchtung auskennt, in der Lage sein sollte, ein Glasfaser-Beleuchtungssystem zu installieren, insbesondere da er Erfahrung mit der Installation von Kabeln, Leuchten sowie Strom und Steuerungen hat.
 

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