La fibra ottica - Argomenti tecnici

Illuminazione a fibre ottiche

Introduzione
La fibra ottica può essere utilizzata per trasmettere la luce da una sorgente a una posizione remota per l'illuminazione e le comunicazioni. In effetti, le fibre sono fatte non solo per trasmettere la luce ma per brillare lungo la fibra stessa, quindi assomiglia a un tubo luminoso al neon. Le applicazioni per l'illuminazione a fibra ottica sono numerose, generalmente basate sull'utilizzo degli attributi speciali della fibra e delle sue caratteristiche uniche.
 

Perché utilizzare le fibre ottiche per l'illuminazione?
L'utilizzo della fibra per l'illuminazione remota presenta numerosi vantaggi, alcuni dei quali sono più importanti di altri per tipi di applicazioni speciali.
Illuminazione senza calore: Poiché la sorgente luminosa è remota, la fibra trasmette la luce ma isola il calore della sorgente luminosa dal punto di illuminazione, considerazione importante per l'illuminazione di oggetti delicati, come nelle esposizioni museali, che potrebbero essere danneggiati dal calore o dalla luce intensa.
Sicurezza elettrica: L'illuminazione subacquea come quella utilizzata in piscine e fontane o l'illuminazione in atmosfere pericolose può essere eseguita in sicurezza con l'illuminazione a fibra ottica, poiché la fibra non è conduttiva e l'alimentazione della sorgente luminosa può essere collocata in un luogo sicuro. Anche molte luci sono a bassa tensione.
Illuminazione precisa: La fibra ottica può essere combinata con lenti per fornire una luce attentamente focalizzata su punti estremamente piccoli, apprezzata per mostre museali e esposizioni di gioielli, o semplicemente per illuminare con precisione un'area specifica.
Durabilità: L'utilizzo della fibra ottica per l'illuminazione garantisce un'illuminazione molto più duratura. La fibra ottica, sia di plastica che di vetro, è resistente e flessibile, molto più durevole delle fragili lampadine.
L'aspetto del neon: La fibra che emette luce lungo la sua lunghezza, generalmente chiamata fibra edge-emittente, ha l'aspetto dei tubi al neon per illuminazione decorativa e segnaletica. La fibra è più facile da fabbricare e, poiché è fatta di plastica, è meno fragile. Poiché l'illuminazione è remota, può essere posizionata su una o entrambe le estremità della fibra e le sorgenti possono essere più sicure poiché sono sorgenti a bassa tensione.
Varia il colore: Utilizzando filtri colorati con sorgenti di luce bianca, l'illuminazione a fibre ottiche può avere molti colori diversi e, automatizzando i filtri, variare i colori in qualsiasi sequenza preprogrammata.
Installazione più semplice: L'illuminazione a fibre ottiche non richiede l'installazione di cavi elettrici al localizzatore di luci e quindi l'installazione di ingombranti corpi illuminanti con una o più lampadine sul posto. Invece, una fibra viene installata nella posizione e fissata sul posto, magari con una piccola lente di messa a fuoco, un processo molto più semplice. Spesso più fibre possono utilizzare un'unica sorgente luminosa, semplificando ancora di più l'installazione.
Manutenzione facile: L'illuminazione in aree di difficile accesso come soffitti alti o spazi piccoli può rendere difficile il cambio delle sorgenti luminose. Con la fibra, la sorgente può trovarsi in un luogo facilmente accessibile e la fibra in qualsiasi luogo remoto. Cambiare la fonte non è più un problema.


Come funziona l'illuminazione a fibra ottica
L'illuminazione a fibra ottica utilizza la fibra ottica come un "tubo luminoso", trasmettendo la luce da una sorgente attraverso la fibra a una posizione remota. La luce può essere emessa dall'estremità della fibra creando un piccolo effetto riflettore (chiamato anche "end Glow") oppure emessa dall'esterno della fibra lungo la sua lunghezza, assomigliando ad un tubo al neon o fluorescente (chiamato anche "side Glow" ).
La sorgente luminosa è solitamente chiamata "illuminatore a fibra ottica" ed è costituita da una sorgente luminosa brillante e spesso da alcune ottiche per focalizzare in modo efficiente la luce nella fibra. Le sorgenti devono essere luminose, quindi vengono comunemente utilizzate luci alogene al quarzo o allo xeno. Le fibre più piccole possono anche utilizzare LED che accoppiano la luce nelle fibre in modo molto efficiente ma non raggiungono i livelli di luce delle altre lampade.
Le fibre ottiche utilizzate per l'illuminazione sono simili alle fibre utilizzate nelle comunicazioni, ma ottimizzate per la trasmissione di segnali luminosi e non ad alta velocità. Le fibre sono costituite da un nucleo che trasmette la luce e un rivestimento ottico che intrappola la luce nel nucleo della fibra. A differenza delle fibre per comunicazioni che utilizzano nuclei piccoli per massimizzare la larghezza di banda, le fibre di illuminazione utilizzano nuclei grandi con rivestimenti sottili per massimizzare l'accoppiamento della luce dall'illuminatore alla fibra. Le fibre a emissione laterale hanno un'interfaccia ruvida tra il nucleo e il rivestimento per disperdere parte della luce fuori dal nucleo lungo la lunghezza della fibra per creare un aspetto illuminato coerente simile ai tubi al neon.
Le fibre di illuminazione possono essere di vetro, proprio come le fibre di comunicazione, o di plastica. Se le fibre sono di vetro, solitamente hanno un diametro molto piccolo e molte sono raggruppate insieme in un unico cavo rivestito per fornire una trasmissione della luce sufficiente. Vengono utilizzate anche fibre di plastica di diametro maggiore, forse più comunemente, perché sono economiche e più facili da installare, ma hanno una maggiore perdita di luce e non possono resistere a temperature elevate, a volte limitando l'ingresso di luce da una sorgente.


Tipi di fibra

Fibra a emissione finale
La fibra a emissione finale è generalmente una fibra multimodale a indice di gradino con un grande nucleo trasparente che trasmette la luce e un sottile rivestimento trasparente che intrappola la luce nel nucleo in un processo ottico chiamato "riflessione interna totale". Il nucleo è grande rispetto al rivestimento sottile in quanto ciò lo rende più efficiente nell'accoppiare la luce proveniente dall'illuminatore. Il rivestimento non trasmette luce, quindi tutta la luce accoppiata al rivestimento non verrà trasmessa dalla fibra.
Le fibre a emissione finale sono generalmente realizzate in plastica poiché può essere realizzata in dimensioni maggiori rispetto al vetro ed è meno costosa e più facile da installare. La fibra ottica in plastica (POF) è prodotta in dimensioni da 0,1 a 20 mm di diametro. Le fibre di vetro sono generalmente realizzate in dimensioni molto più piccole (sottili, circa 50-150 micron o da 0,05 a 0,15 mm) e raggruppate insieme per realizzare cavi di diametro maggiore.
La scelta dei materiali del nucleo e del rivestimento determina l'angolo dei raggi luminosi accettati dalle sorgenti e trasmessi dalla fibra (detti modi), definito da una specifica chiamata apertura numerica (NA). La luce uscirà dalla fibra in un cono che mostra la dimensione della NA con una NA più grande che ha un cono di illuminazione di uscita più ampio. Le fibre con NA più alto accoppiano anche la luce proveniente dalle sorgenti in modo più efficiente, poiché cattureranno la luce emessa dalla sorgente ad angoli più elevati. Le fibre tipiche hanno coni di accettazione di {{0}} gradi, corrispondenti a NA di 0.3-0.6. Quando si utilizza l'ottica per focalizzare la luce emessa dalla fibra, è necessario conoscere la NA della fibra per scegliere l'ottica appropriata.
Le fibre a emissione finale trasmettono bene la luce. Le fibre di vetro sono più efficienti nella trasmissione perché il vetro è più trasparente della plastica, ma a causa delle inefficienze nell'impacchettamento delle fibre in fasci, gli spazi tra le fibre nei fasci fanno sì che gran parte della luce dell'illuminatore non venga accoppiata nei nuclei delle fibre. Tuttavia, le fibre di vetro possono essere più tolleranti al calore generato dall'illuminatore, consentendo una maggiore intensità dell'illuminatore e fornendo più luce dall'estremità della fibra.

Fibra a emissione di bordi

La fibra a emissione laterale è fondamentalmente simile alla fibra a emissione finale, tranne per il fatto che il confine nucleo/rivestimento è progettato per essere leggermente inefficiente. Invece di intrappolare tutta la luce nel nucleo, il confine è irregolare e una parte della luce viene dispersa nel rivestimento dove diventa visibile. Grazie ad un'attenta progettazione, la fibra può avere una luce uniforme che assomiglia molto a un tubo luminoso al neon. Fibre più piccole che emettono bordi sono state intrecciate in nastri che emettono luce in una fascia.
Poiché gran parte della luce viene persa dall'emissione ai bordi lungo la fibra, la fibra a emissione ai bordi ha un'elevata attenuazione. Ciò potrebbe limitare la lunghezza della fibra che emette i bordi che può essere utilizzata. Questo può essere alleviato illuminando la fibra da entrambe le estremità utilizzando due illuminatori o ricollegando la fibra allo stesso illuminatore oppure utilizzando cappucci riflettenti per rimandare la luce in eccesso sulla fibra dall'estremità più lontana.


Illuminatori, Tipi di Sorgenti

L'illuminatore contiene la sorgente luminosa per la fibra, nonché ottiche e filtri progettati per produrre la quantità e il tipo di illuminazione desiderata. Sebbene la quantità di luce accoppiata alla fibra sia la considerazione principale nella scelta di un illuminatore, sono coinvolti molti altri fattori che hanno spinto il mercato a offrire molti tipi di sorgenti.
La potenza accoppiata alla fibra o alle fibre, poiché molte sorgenti ospiteranno più di una fibra, determinerà generalmente il tipo di sorgente luminosa utilizzata. Le lampade alogene al quarzo sono utilizzate in molti illuminatori. Queste sorgenti, sviluppate come faretti o lampade per proiettori, sono disponibili sia in versione a bassa tensione che in corrente alternata, con un'ampia gamma di potenze. Le lampade alogene al quarzo sono solitamente integrate con riflettori che semplificano la focalizzazione della luce in una fibra. Sono state introdotte nuove lampade allo xeno ad alogenuri metallici che hanno un'elevata potenza in uscita ma richiedono alimentazione ad alta tensione che offrono una maggiore efficienza.
I sistemi a basso consumo sono stati in grado di utilizzare LED che hanno un’efficienza maggiore ma una potenza limitata. I nuovi LED stanno diventando più luminosi e ancora più efficienti, rendendoli una fonte valida per più sistemi.
Gli illuminatori includono molto più che semplici lampade o LED. Le lampade potrebbero aver bisogno di riflettori se non sono integrati nella lampada, nonché di lenti per focalizzare la luce nella fibra. Le fonti ad alta potenza possono avere filtri a infrarossi (IR) per ridurre il riscaldamento della fibra e filtri ultravioletti (UV) per evitare danni alle fibre durante l'esposizione a lungo termine.
Saranno necessarie fonti di alimentazione per le lampade o i LED, inclusa la possibilità di attenuazione, se lo si desidera. Poiché la maggior parte delle lampade genera molto calore, in molti illuminatori verrà progettata una ventilazione forzata tramite ventola.
Le lampade vengono facilmente filtrate per fornire luce colorata nella fibra. L'utilizzo di filtri mobili, solitamente in una ruota azionata da un piccolo motore elettrico, consente di modificare il colore della luce nella sequenza scelta.
La complessità degli illuminatori impedisce alla maggior parte degli utenti di crearne di propri, ma numerosi produttori offrono vari modelli ottimizzati per vari tipi di fibra e applicazioni. Lavorare con questi produttori è il modo migliore per scegliere un illuminatore appropriato e fibre compatibili.
L'illuminazione passiva tramite fibra ottica viene effettuata utilizzando collettori solari montati sul tetto che forniscono luce solare tramite fibra alle stanze di un edificio o sottocoperta per le navi.

Dispositivi dell'emettitore finale
Normalmente, la luce esce da una fibra dell'emettitore finale in un cono di luce definito dall'apertura numerica della fibra. In alcuni casi, sarà sufficiente per l'illuminazione. Tuttavia, a volte è preferibile focalizzare la luce su un punto più piccolo, creare un punto luminoso sagomato o diffondere la luce in modo da assomigliare ad una normale lampadina. Sono disponibili apparecchi terminali con lenti in grado di focalizzare la luce secondo necessità, ma devono essere scelti per compatibilità con la fibra utilizzata.
Sono disponibili anche dispositivi decorativi per creare un dispositivo attraente per la luce, non solo l'estremità di una fibra. I produttori offrono molti tipi diversi di questi apparecchi, proprio come i normali apparecchi di illuminazione.

Livelli di illuminazione
Poiché l'illuminazione di un'area o di un oggetto è la ragione per l'utilizzo delle fibre ottiche, i livelli di illuminazione sono molto importanti. Fare confronti diretti tra varie fibre e illuminatori può essere difficile a causa delle numerose opzioni disponibili. Anche la percezione dell'occhio umano, altamente sensibile ai colori, è un fattore determinante.
Le fibre che emettono estremità sono più facili da calibrare poiché la potenza di uscita può essere facilmente misurata alle distanze appropriate dall'estremità della fibra mediante misuratori di luce calibrati in foot-candele. Le fibre che emettono bordi sono più difficili da calibrare, poiché emettono in schemi diffusi e il loro contrasto percepito dipende dall'illuminazione ambientale.
È illustrativo esaminare i fattori coinvolti nell'illuminazione fornita dalle varie opzioni.

Potenza accoppiata
La potenza accoppiata alla fibra ottica è funzione dell'intensità della sorgente luminosa, dell'efficienza della focalizzazione sull'estremità della fibra, compresi i filtri (IR, UV e/o colore), della riflettanza dell'estremità della fibra e della croce -area della sezione della fibra. Le fibre più grandi, ovviamente, accoppiano più potenza. Raddoppiando il diametro della fibra si aumenta l'area della sezione trasversale di quattro volte (2 al quadrato), quindi la potenza accoppiata dovrebbe essere quattro volte superiore. Allo stesso modo, una maggiore densità di impaccamento sui fasci di fibre aumenterà la potenza accoppiata. Anche la pulizia delle estremità delle fibre è importante poiché la polvere e lo sporco assorbono una notevole quantità di luce.

Attenuazione della fibra
Le perdite nella fibra dovute alla diffusione e all'assorbimento ridurranno la potenza di uscita e, poiché l'attenuazione della fibra dipende dalla lunghezza d'onda, il colore della luce emessa cambierà. Le fibre più lunghe significano che la luce sarà leggermente arrossata.


Progettazione di sistemi di illuminazione a fibra ottica
Sembra che l'illuminazione a fibre ottiche non rispetti gli standard di settore, quindi ogni prodotto e applicazione è proprietario.
Data la grande varietà di sistemi di illuminazione a fibra ottica, è difficile generalizzare sulla progettazione dei sistemi. Tuttavia, ogni progetto di design inizierà con alcuni elementi comuni: cosa viene illuminato, che tipo di luce si desidera (intensità, schema di illuminazione, colore, varietà, ecc.), dove verrà presentata la luce e dove verrà posizionato l'illuminatore. . Se il progettista è nuovo all'illuminazione a fibre ottiche, si consiglia vivamente di consultare un progettista e un appaltatore esperto. Saranno in grado di consigliare progetti, componenti di illuminazione a fibra ottica e produttori. Dovrebbero anche essere in grado di aiutare a progettare non solo il sistema di illuminazione a fibra ottica, ma anche l'alimentazione e il controller del sistema.
Se non è disponibile un appaltatore esperto, è possibile utilizzare i siti Web di produttori e distributori per ottenere maggiori informazioni su quali applicazioni sono possibili, quali componenti sono disponibili e come implementarle. Si possono anche vedere le opzioni riguardanti l'acquisto di componenti e il loro assemblaggio da soli o l'acquisto di un sistema completo pronto per l'installazione.

Installazione di sistemi di illuminazione a fibra ottica
L'installazione di sistemi di illuminazione a fibra ottica prevede l'installazione di cavi, illuminatori e apparecchi. La maggior parte delle applicazioni sono personalizzate e molte richiedono pratiche specializzate relative ai componenti utilizzati. Lavorare con produttori che non solo hanno sviluppato i componenti ma anche i dispositivi e le pratiche di installazione è il modo migliore per garantire che l'installazione venga eseguita correttamente. Se l'applicazione è di un nuovo tipo, è molto importante sperimentare per determinare se funzionerà correttamente prima di impegnarsi nel lavoro vero e proprio.
Anche in questo caso valgono i consigli sopra riportati sulla progettazione di sistemi di illuminazione a fibre ottiche, poiché nulla può sostituire l’esperienza. Sembra che qualsiasi elettricista competente abituato a installare l'illuminazione dovrebbe essere in grado di installare un sistema di illuminazione a fibra ottica, soprattutto perché ha esperienza nell'installazione di cavi, apparecchi di illuminazione, alimentazione elettrica e controller.
 

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