Принцип работы и сферы применения световодного освещения

Плюсы системы освещения

По сравнению с традиционно используемым освещением на базе лампочки накала и других аналогичных систем освещения оптоволоконная подсветка имеет ряд преимуществ:

  1. Абсолютная пожаро- и электробезопасность. Если проектор (источник света) вынесен за область экстремальных температур и атмосферной влажности, помещение бани будет безопасно и сохранено от возможности короткого замыкания в системе освещения. Светящиеся элементы не производят тепла и могут устанавливаться даже под обшивку из горючих материалов.
  2. Низкое энергопотребление.
  3. Стойкость оптоволоконного кабеля к нагреву вплоть до двухсот градусов. Поэтому такие светильниками можно монтировать даже на потолке в парилке.
  4. Небольшие размеры позволяют прятать оптоволоконный провод и прочие компоненты освещения даже под тесную обшивку.
  5. Легкий монтаж. Установить оборудование не сложнее, чем провести обычную электрожилу.
  6. Долговечность. Оптоволоконный материал практически не стареет, а источник света (особенно если выбран лед-элемент) может функционировать до 100 тыс. часов.
  7. Визуальный комфорт восприятия. Освещение не вызывает раздражения зрения даже при большой яркости.
  8. Отсутствие в составе компонентов каких-либо вредных веществ.
  9. Возможность воплощения различных дизайнерских задумок. Большое разнообразие цветового, светового и фигурного оформления.

Пожалуй, единственным недостатком оптоволоконной системы освещения является его высокая цена. Однако если соразмерить все положительные эффекты, то он сразу потеряется на их фоне.

Гибкий световод

Гибкие световоды со стабильными значениями коэффициента светопропускания, соответствующими заданной длине световода, находят широкое применение в вычислительной технике, в частности для усовершенствования устройств обработки информации с целью увеличения надежности их работы, уменьшения габаритов, а главное повышения числа элементов информации, которые могут быть зарегистрированы в единицу времени.  

Гибкие световоды должны иметь малые потери, достаточную гибкость и прочность, а кроме того, не снижать степень когерентности в результате вибраций, перемещения световодов и температурных изменений.  

Схема и устройство оптического узла сканирующего радиометра.  

Применение гибких световодов в пирометрах позволяет, например, осуществлять контроль воспламенения воздушно-топливной смеси в двигателях внутреннего сгорания. Для этого входные концы стекловолоконных жгутов устанавливаются в различных цилиндрах контролируемого объекта. Выходные торцы жгутов сформированы в виде одного кадра, что позволяет одновременно снимать на пленку процесс горения во всех контролируемых точках. При необходимости на ту же пленку может регистрироваться излучение эталонного источника, поданное по отдельному жгуту.  

Применение гибких световодов в пирометрах позволяет, например, осуществлять контроль воспламенения воздушно-топливной смеси в двигателях внутреннего сгорания. Для этого входные концы стекловолокон-ных жгутов устанавливаются в различных цилиндрах контролируемого объекта. Выходные торцы жгутов сформированы в виде одного кадра, что позволяет одновременно снимать на пленку процесс горения во всех контролируемых точках. При необходимости на ту же пленку может регистрироваться излучение эталонного источника, поданное по отдельному жгуту.  

В длинных гибких световодах не применяют вторую экранирующую оболочку, так как свет, проникающий через боковую поверхность оболочки, рассеивается на участках неплотной укладки волокон, не достигая поверхности изображения.  

Зависимость прочности.| Дилатометрические кривые стеклянных волокон из стекла ТК-16. / — для волокон, выработанных из расплава стекла. 2 — для волокон при повторном их нагревании.  

С помощью гибкого световода, оснащенного линзой, можно передавать изображения из отдельных участков пространства в неподвижно укрепленную фото -, кино — или телекамеру. Такое использование световодов, связанное с необходимостью их многократных изгибов, вибрации, выдерживания определенных ударных нагрузок, не приводит к существенному снижению их оптических характеристик вследствие полома отдельных оптических волокон.  

Волоконные элементы в виде гибких световодов могут обеспечить практически безынерционную передачу светового сигнала по сравнению с передачей электрического сигнала по проводам.  

В связи с более широким применением гибких световодов в конструкциях эндоскопов возможно их размещение в охватывающей детали для обнаружения трещин в резьбе шпильки. Применение обзорно-поискового волоконно-оптического устройства может позволить осуществить измерение параметров изображения.  

Явление полного внутреннего отражения используется в гибких световодах. Если свет направить на конец тонкого стеклянного стержня ( волокна), то углы, под которыми лучи падают на стенки стержня, превысят предельный угол.  

На рис. 7 приведены экспериментальные кривые зависимости коэффициента светопропускания гибких световодов от их длины.  

Недавно Риглер и др. , пропуская импульс неодимэвого лазера с модулированной добротностью через гибкий световод, расположенный на краю ячейки, получили скачок температуры 0 07 С в круглой ячейке диаметром 2 мм и высотой 1 5 мм.  

В другом варианте фотоумножитель и усилитель вынесены за пределы корпуса пера и соединены с ним гибким световодом из стекловолокна.  

Способ укладки волокна намоткой предполагает укладку волокна на бобину в один слой, закрепление волокон в слое исключающее возможность их смещения друг относительно друга, и затем укладка этих одинарных слоев один над другим в форму до получения необходимого сечения оптического волоконного элемента, в частности гибкого световода. Длина световода определяется диаметром бобины. Интересна рекомендация наносить первую оболочку с меньшим показателем преломления путем осаждения ее на волокно из раствора.  

Установка и монтаж

Рассмотрим на примере, как своими руками сделать оптоволоконное боковое и торцевое освещение для бани.

Монтаж бокового освещения

Алгоритм установочных работ сводится к следующим действиям:

  1. В предбаннике или раздевалке рядом с перегородкой в парную неподвижно закрепляется проектор.
  2. В самой бане монтируется оптоволоконный кабель согласно дизайн-проекту.
  3. Через отверстие в стене кабель выводится в помещение к проектору и соединяется с ним.
  4. Оборудование подключается в сеть и проверяется на работоспособность.


Установка торцевого освещения

В отличие от вышеописанного способа монтажа оптоволоконного освещения установка торцевой подсветки осложняется тем, что для каждой точки выхода требуется отдельное крепление – соответствующее заранее спланированному проекту оформления. Световой поток от светильников прежде всего должен быть направлен на двери, полки, емкости под воду и источник нагрева. Во многих случаях сначала крепится оборудование, а затем материалы отделки и элементы интерьера. Поэтому все работы нужно вести аккуратно, чтобы не повредить осветительные компоненты.

Для установки оборудования и кабелей оптоволоконного освещения требуется применять различные крепежные элементы. Их монтаж сопряжен с определенными трудностями и необходимостью гармоничного сочетания с интерьером и системой внутренней отделки. Поэтому чтобы не пострадало оформление помещения и при этом соблюдалась равномерность подсветки, необходимо заранее продумать все ступени работ и учесть особенности применяемой светотехники, не забывая о правилах электробезопасности.

Применение

Волоконно-оптическая связь

Основная статья: Волоконно-оптическая связь

Волоконно-оптический кабель

Основное применение оптические волокна находят в качестве среды для передачи информации в волоконно-оптических телекоммуникационных сетях различных уровней: от межконтинентальных магистралей до домашних компьютерных сетей. Применение оптических волокон для линий связи обусловлено тем, что оптическое волокно обеспечивает высокую защищённость от несанкционированного доступа, низкое затухание сигнала при передаче информации на большие расстояния, возможность оперировать с чрезвычайно высокими скоростями передачи и пропускной способностью даже при том, что скорость распространения сигнала в волокнах может быть до 30 % ниже, чем в медных проводах и до 40 % ниже скорости распространения радиоволн. Уже к 2006 году была достигнута частота модуляции 111 ГГц, в то время как скорости 10 и 40 Гбит/с стали уже стандартными скоростями передачи по одному каналу оптического волокна. При этом каждое волокно, используя технологию спектрального уплотнения каналов может передавать до нескольких сотен каналов одновременно, обеспечивая общую скорость передачи информации, исчисляемую терабитами в секунду. Так, к 2008 году была достигнута скорость 10,72 Тбит/с, а к 2012 — 20 Тбит/с. Последний рекорд скорости — 255 Тбит/с.

С 2017 года специалисты говорят о достижении практического предела существующих технологий оптоволоконных линий связи и о необходимости кардинальных изменений в отрасли.

Волоконно-оптический датчик

Оптическое волокно может быть использовано как датчик для измерения напряжения, температуры, давления и других параметров. Малый размер и фактическое отсутствие необходимости в электрической энергии дают волоконно-оптическим датчикам преимущество перед традиционными электрическими в определённых областях.

Оптическое волокно используется в гидрофонах в сейсмических или гидролокационных приборах. Созданы системы с гидрофонами, в которых на волоконный кабель приходится более 100 датчиков. Системы с гидрофоновым датчиком используются в нефтедобывающей промышленности, а также флотом некоторых стран. Немецкая компания Sennheiser разработала лазерный микрофон, основными элементами которого являются лазерный излучатель, отражающая мембрана и оптическое волокно.

Волоконно-оптические датчики, измеряющие температуры и давления, разработаны для измерений в нефтяных скважинах. Они хорошо подходят для такой среды, работая при температурах, слишком высоких для полупроводниковых датчиков.

С использованием полимерных оптических волокон создаются новые химические датчики (сенсоры), которые нашли широкое применение в экологии, например, для детектирования аммония в водных средах.

Разработаны устройства дуговой защиты с волоконно-оптическими датчиками, основными преимуществами которых перед традиционными устройствами дуговой защиты являются: высокое быстродействие, нечувствительность к электромагнитным помехам, гибкость и лёгкость монтажа, диэлектрические свойства.

Оптическое волокно применяется в лазерном гироскопе, используемом в Boeing 767[источник не указан 2622 дня] и в некоторых моделях машин (для навигации). Волоконно-оптические гироскопы применяются в космических кораблях «Союз». Специальные оптические волокна используются в интерферометрических датчиках магнитного поля и электрического тока. Это волокна, полученные при вращении заготовки с сильным встроенным двойным лучепреломлением.

Другие применения

Диск фрисби, освещённый оптическим волокном

Оптические волокна широко используются для освещения. Они используются как световоды в медицинских и других целях, где яркий свет необходимо доставить в труднодоступную зону. В некоторых зданиях оптические волокна направляют солнечный свет с крыши в какую-нибудь часть здания. Также в автомобильной светотехнике (индикация на приборной панели).

Волоконно-оптическое освещение также используется в декоративных целях, включая коммерческую рекламу, искусство и искусственные рождественские ёлки.

Оптическое волокно также используется для формирования изображения. Пучок света, передаваемый оптическим волокном, иногда используется совместно с линзами — например, в эндоскопе, который используется для просмотра объектов через маленькое отверстие.

Оптическое волокно используется при конструировании волоконного лазера.

Шаг 1: Оборудование и инструменты

  • Листы черного плексигласа размерами 50*50 см и толщиной 4-6 мм .
  • 200 стеклянных шариков диаметром 1,7см ;

  • 3 Вт RGB светодиоды с дистанционным управлением;
  • Пластиковый контейнер;
  • Термоусадочные трубки;
  • ИК-приемник;
  • Эпоксидный клей;

  • Цепь;
  • Переходной патрубок;
  • 120 м волоконно-оптического кабеля;
  • Провода;
  • Клейкая лента;
  • Чёрная краска;

  • Винты;
  • Трёх контактная электрическая вилка/розетка;
  • Цоколь от лампы.

Инструменты :

  • Шлифовальный диск;
  • Дрель и свёрла;
  • Горячий клеевой пистолет;
  • Гравёр с насадкой;
  • Пила;
  • Электролобзик;
  • Лак и кисти для краски;
  • Ножовка;
  • Рубанок;
  • Циркуль;
  • Тиски;
  • Пластилин;

Определение слова «Световод» по БСЭ:

Световод — светопровод, световой волновод, устройство для направленной передачи световой энергии. Использование для этой цели открытых световых пучков в воздушной среде часто неэффективно или невозможно. передачу на значительные расстояния затрудняет главным образом наличие в атмосфере случайно распределённых неоднородностей, приводящих к отклонению и расхождению пучка. Поэтому применяют С. различных типов. Одним из типов С. является линзовый волновод — система заключённых в трубу и расположенных на определённых расстояниях (обычно через 50-100 м) стеклянных линз, которые служат для периодической коррекции волнового фронта светового пучка. В качестве корректоров могут также применяться газовые линзы или зеркала определённой формы. Наиболее перспективный тип С. — стеклянный волоконный С. Он представляет собой тонкую нить, состоящую из сердцевины радиуса a1 с преломления показателем (ПП) n1, окруженную оболочкой с внешним радиусом a2, ПП которой n21 (рис.). При прохождении света по волокну лучи испытывают Полное внутреннее отражение на поверхности раздела сердцевины и оболочки и распространяются только по сердце вине, хотя и сердцевина, и оболочка изготовляются из оптически прозрачного материала.В зависимости от назначения С. диаметр 2а1 составляет от нескольких мкм до нескольких десятков мкм, a 2a2 — от нескольких десятков до нескольких сотен мкм. Величины 2a1 и n1/n2 определяют число типов волн (мод), которые могут распространяться по С. при заданной длине волны света. Выбирая 2a1 достаточно малым, а отношение n1/n2 достаточно близким к 1, можно добиться, чтобы С. работал в одномодовом режиме.Волоконные С. нашли широкое применение в технике (см. Волоконная оптика). В ближайшей перспективе открывается возможность, применяя такие С. в системах оптической связи, резко увеличить пропускную способность этих систем, которая может быть выше, чем у любых др. известных систем связи. в качестве источников света при этом должны использоваться лазеры. Важнейшей характеристикой С., предназначенных для подобных систем, являются оптические потери, обусловленные поглощением и рассеянием света в С. К 70-м гг. 20 в. созданы волоконные С. с малыми потерями: на длине в 1 км коэффициент пропускания составляет 50%. Материалом для таких С. служит кварцевое стекло. различия ПП сердцевины и оболочки достигают легированием этого стекла (например, бором, титаном или германием).Волоконные С. с самыми низкими потерями изготовляют следующим образом. Материал оболочки и сердцевины (чистое кварцевое стекло и легированное кварцевое стекло) получают окислением газообразных соединений кремния и легирующего элемента (например, SiCl4 и SiCl4+BCl3) и осаждением их из газовой фазы в определённой последовательности (с одновременным плавлением) на внутреннюю поверхность кварцевой трубки. Затем кварцевую трубку сжимают и из полученной т. о. заготовки вытягивают волокно.Разработаны весьма перспективные волоконные С. более сложной конфигурации, например многослойные С. и С. с непрерывным изменением ПП по сечению волокна. С. с распределением ПП по квадратичному закону получили название селфоков.Лит.: Маркузе Д., Оптические волноводы, пер. с англ., М., 1974. Кучикян Л. М., Световоды, М., 1973. Миллер, Маркатили, Тинг Ли, Исследование световодных систем связи, «Тр. института инженеров по электротехнике и радиоэлектронике», 1973, т. 61, №12. French W. G., , Optical waveguides with very low losses,«Bell System Technical Journal», 1974, v. 53, № 5.Е. М. Дианов.Поперечное сечение круглого оптического волокна в оболочке.

Применение световодов при освещении загородного дома

Освещение кухни

Кухня в любом доме занимает особое место, так как на ней готовится пища и вся семья собирается в полном сборе

Поэтому очень важно, чтобы всем членам семьи здесь было удобно и комфортно, а приему пищи способствовала положительная и благоприятная атмосфера

Световоды заметно улучшает качество освещение. Солнечное освещение становится более равномерным. Ни окно ни лампа не даст таких результатов.


Как правило, люстра в кухне принимает на себя роль основного (центрального) освещения, при этом не полностью не справляется с поставленной задачей. Световод с задачей освещения куда более умело чем просто обычный светильник в дневное время суток. Также вместо  одной люстры для кухни можно использовать несколько источников света меньшей интенсивности. Во-первых, это позволит оформить более мягкое освещение, которое будет мягче восприниматься глазом. А во-вторых, комплексное освещение позволит вам более комфортно работать на кухне.

Освещение ванной комнаты

По структуре освещения ванная комната похожа на прихожую. Но к светильникам в ванной выдвигаются и свои, особые требования, первое из которых – безопасность. Все светильники в ванной комнате должны быть влагозащитными, все провода – закрыты от попадания влаги. Исходя из требований безопасности, общее освещение ванной лучше организовать с помощью световодов Solarway SW200.

Но все же, как бы ни было важно общее освещение ванной комнаты, главнейшим в нем будет локальное. У зеркала мужчины бреются, а женщины свершают таинство макияжа и косметических процедур

Поэтому зеркало должно быть освещено особо. Важно, чтобы общий свет ванной не отражался в зеркале в глаза стоящему перед ним человеку, а, значит, однозначно исключаются лампы с прямым потоком света. Самое главное не одна электрическая лампочка не заменит естественный спектр дневного света.

Чтобы до конца понять, как это выглядит на практике, давайте взглянем на фотопримеры ванной комнаты.

Освещение комнаты

Очень часто главным помещением в квартире оказывается именно кухня, где крутятся дети, готовит ужин жена и болтает с другом муж. Ведь здесь расположено и рабочее место хозяйки, и стол, за которым собирается вся семья. Если кухня в вашем доме небольшая, то вы вполне можете обойтись световодами Solarway SW200, осветив лишь обеденную зону (зону столовой) и рабочую поверхность. Если вы обладатель просторной кухни, то вам потребуется световод большего диаметра Solarway SW400. На кухне должен присутствовать здоровый естественный свет. Реализовать его можно с помощью световодов Solarway SW200 и Solarway SW400, в темное время суток вам не понадобится дополнительный свет, так как в световодах уже встроена система освещения из светодиодной ленты. При этом обеденную зону стоит подсветить отдельно. Отличным решением будет световод с полусферическим плафоном который максимально рассеивает натуральный свет неба.

Рабочую поверхность для приготовления пищи, следует подсветить отдельно. При этом еще раз подчеркнем, что необходимо избегать светильников с прямым, направленным светораспределением, т.к. он создает резкие тени, значительно снижающие удобство работы. Идеальным для подсветки рабочей поверхности являются световоды Solarway SW200. Для наглядности всего сказанного снова перейдем к фотопримеру.

Освещение гостинной

Гостиная – самая многофункциональная комната любого дома. Как правило, именно здесь вы принимаете гостей, проводите семейные торжества или шумные вечеринки, общаетесь и смотрите телевизор. И в любой ситуации вам необходимо хорошее освещение.


Система, в которой кроме зонирующего пространства освещения есть еще и верхний, общий свет, называется европейской системой освещения. Другая система освещения называется американской, в которой предполагается использование только локальное освещение каждой зоны гостиной. При такой системе существенно экономится электроэнергия, а каждый член семьи имеет свой обособленный уголок. Но психологи утверждают, что это ведет к отдалению друг от друга членов семьи. Каждый из них находится в одиночестве, будучи при этом рядом с другими членами семьи. Поэтому психологи ратуют за наличие в доме еще и общего источника света.

Установка такого прибора как диммер (светорегулятор) позволит вам изменять интенсивность общего света в гостиной. Отличную реализацию освещения в гостиной вы можете видеть на фото.

1.2.4. Геометрические параметры световода

Формальные выкладки удобнее производить для ступенчатого световода, в котором показатель преломления сердцевины является постоянной величиной (n1=const). На рисунке 1.6 показан ход лучей в таком световоде.

  1. Относительная разность показателей преломления. Будем обозначать через n1 и n2 показатели преломления сердцевины и оболочки, соответственно. Один из важных параметров, который характеризует световод, это – относительная разность показателей преломления Δ :
    Δ=(n1-n2)/n1 (1.1)
  2. Критический угол падения. Распространение света по световоду можно объяснить на основе закона полного внутреннего отражения, вытекающего из закона преломления света, установленного в 1621г. нидерландским астрономом и математиком Виллебрордом Снеллиусом:

    n1sinθ1=n2sinθ2, (1.2)
    где n1 – показатель преломления среды 1;θ1 – угол падения;n2 – показатель преломления среды 2;θ2– угол преломления. Рассмотрим три случая: а) Так как сердцевина является оптически более плотной средой по отношению к оболочке (n1>n2), то существует критический угол падения θ1kp – внутренний угол падения на границу, при котором преломлённый луч (луч1) идёт вдоль границы сред (θ2=90o). Из закона Снеллиуса легко найти этот критический угол падения:
    n1sinθkp=n2, θkp=arcsin(n2/n1). (1.3)
    б) Если угол падения на границу раздела меньше критического угла падения θ1kp, то при каждом внутреннем отражении часть энергии выходит наружу в виде преломлённого луча, что приводит в конечном итоге к затуханию света (луч 2). в) Если же угол падения больше критического угла θ1kp, то при каждом отражении от границы вся энергия возвращается обратно в сердцевину благодаря полному внутреннему отражению (луч 3).
  3. Числовая апертура. Режим полного внутреннего отражения предопределяет условия ввода света на входной торец волоконного световода. Из рисунка 1.6 видно, что световод удерживает лишь свет, заключённый в пределах некоторого телесного угла θA, величина которого обусловлена углом полного внутреннего отраженияθkp. При угле падения, равном критическому ( θ1kp).

    nsinθA=n1sin(90o-θkp)=n1cosθkp. (1.4)
    где n – показатель преломления вакуума.

    Воспользуемся выражением n1sinθkp=n2 и выразим sinθA через показатель преломления сердцевины и оболочки, полагая n=1:

    n1sinθkp=n2,  cos2θkp=1-sin2θkp=(n12-n22)/n12,sinθA=n1cosθkp=√(n12-n22).

    Чем больше угол θA , тем большая часть падающего на торец световода света может быть введена в световод и будет в нём распространяться за счёт полного внутреннего отражения. Величину

    NA=sinθA (n=1) (1.5)

    называют числовой апертурой (NA — numerical aperture) световода (по аналогии с термином, используемым в оптике для определения способности микрообъективов собирать свет). Числовая апертура – характеристика предельного угла θ, при котором входящие в ВС лучи испытывают полное внутренне отражение и ещё сохраняют возможность распространяться по сердцевине волокна. Отметим, что NA является безразмерной величиной. Для ВС со ступенчатым профилем показателя преломления (ППП) числовая апертура обычно равна 0,18–0,23, а с градиентным – 0,13–0,18. Фирмы-изготовители волокна указывают соответствующее значение числовой апертуры. Для волокна со ступенчатым ППП, как получено выше, значение числовой апертуры, выражается через показатели преломления:

    NA=√(n12-n22). (1.6)

    Для градиентного волокна используется понятие локальной числовой апертуры

    NA(r)=√(n12(r)-n22). (1.7)

    значение которой максимально на оси и падает до 0 на границе сердцевины и оболочки. Для градиентного волокна с параболическим ППП используется понятие эффективной числовой апертуры:

    NAэфф=[√(n12(0)-n22)]/√ 2. (1.8)
    где n1(0) – максимальное значение показателя преломления.
  4. Нормированная частота. частотойОказывается целесообразным ввести нормированную частоту ν, которая объединяет структурные параметры ВС и длину волны излучения:

    ν=π dcNA/λ, (1.9)

    где dc – диаметр сердцевины ВС;λ – длина волны излучения;NA – числовая апертура ВС.

Предыдущая Оглавление Следующая

С этим читают