光ファイバー - 技術トピックス

光ファイバー照明

導入
光ファイバーは、照明や通信のために光源から離れた場所に光を伝送するために使用できます。実際、ファイバーは光を透過するだけでなく、ファイバー自体に沿って光るように作られているため、ネオン管に似ています。光ファイバー照明の用途は数多くあり、一般にファイバーの特殊な特性とその固有の特性を利用することに基づいています。
 

照明に光ファイバーを使用する理由
遠隔照明にファイバーを使用すると多くの利点があり、そのうちのいくつかは特殊な種類のアプリケーションにとって他のものよりも重要です。
熱を使わない照明: 光源が離れているため、ファイバーは光を伝達しますが、光源からの熱を照射点から隔離します。これは、美術館の展示物など、熱や強い光によって損傷を受ける可能性のある繊細なオブジェクトを照明する場合に重要な考慮事項です。
電気の安全性: プールや噴水で使用されるような水中照明、または危険な雰囲気での照明は、光ファイバー照明を使用すると安全に行うことができます。これは、ファイバーが非導電性であり、光源の電源を安全な場所に配置できるためです。多くのライトでも低電圧です。
正確なスポットライト: 光ファイバーをレンズと組み合わせて、博物館の展示物や宝石の展示で人気のある非常に小さなスポットに慎重に焦点を合わせた光を提供したり、指定された領域を正確に照明したりすることができます。
耐久性: 照明に光ファイバーを使用することで、より耐久性の高い照明が得られます。プラスチックまたはガラスの光ファイバーは、強度と柔軟性を兼ね備えており、壊れやすい電球よりもはるかに耐久性があります。
ネオンの外観: 一般的に端面発光ファイバーと呼ばれる、長さに沿って光を放射するファイバーは、装飾照明や標識用のネオン管のような外観を持っています。ファイバーは製造が容易で、プラスチックでできているため壊れにくいです。照明は遠隔にあるため、ファイバーの一方または両方の端に配置でき、光源は低電圧源であるためより安全です。
色を変える: 白色光源でカラーフィルターを使用することにより、光ファイバー照明はさまざまな色を持つことができ、フィルターを自動化することで、事前にプログラムされたシーケンスで色を変えることができます。
より簡単な設置: 光ファイバー照明では、照明ロケーターに電気ケーブルを設置したり、1 つ以上の電球を備えた大型の照明器具を現場に設置したりする必要がありません。代わりに、ファイバーがその場所に取り付けられ、おそらく小さな集束レンズ固定具を使用して所定の位置に固定されますが、これははるかに簡単なプロセスです。多くの場合、複数のファイバーで単一の光源を使用できるため、設置がさらに簡素化されます。
簡単なメンテナンス: 高い天井や狭いスペースなど、アクセスしにくい場所の照明では、光源の交換が困難になることがあります。ファイバーを使用すると、ソースを簡単にアクセスできる場所に配置し、ファイバーを遠隔地に配置することができます。ソースを変更しても問題なくなりました。


光ファイバー照明の仕組み
光ファイバー照明は、光ファイバーを「ライトパイプ」として使用し、光源からの光をファイバーを通じて遠隔地に伝送します。光はファイバーの端から放射されて小さなスポットライト効果を生み出したり（「エンドグロー」とも呼ばれます）、ファイバーの外側からその長さに沿って放射され、ネオン管や蛍光管のように見えます（「サイドグロー」とも呼ばれます）。 ）。
光源は通常「光ファイバー照明器」と呼ばれ、明るい光源と、多くの場合光を効率的にファイバーに集束させるためのいくつかの光学部品で構成されます。光源は明るい必要があるため、石英ハロゲンまたはキセノンメタルハライドライトが一般的に使用されます。より小さなファイバーでは、非常に効率的に光をファイバーに結合する LED が使用される場合もありますが、他のランプの光レベルには達しません。
照明に使用される光ファイバーは通信に使用されるファイバーに似ていますが、高速信号ではなく光の伝送に最適化されています。ファイバーは、光を伝送するコアと、ファイバーのコアに光を閉じ込める光学クラッドで構成されます。小さなコアを使用して帯域幅を最大化する通信ファイバーとは異なり、照明ファイバーは、照明装置からファイバーへの光の結合を最大化するために、薄いクラッドを備えた大きなコアを使用します。側面発光ファイバーは、コアとクラッドの間に粗い界面を持ち、ファイバーの長さに沿ってコアから光の一部を散乱させ、ネオン管に似た一貫した照明の外観を作り出します。
照明ファイバーは、通信ファイバーと同様にガラスまたはプラスチックで作ることができます。ファイバーがガラスの場合、ファイバーの直径は通常非常に小さく、十分な光伝送を提供するために多数のファイバーが 1 本のジャケット付きケーブルに束ねられています。安価で設置が簡単なため、直径の大きなプラスチック ファイバーもおそらくより一般的に使用されますが、光損失が高く、高温に耐えられないため、光源からの光入力が制限される場合があります。


繊維の種類

端面発光ファイバー
端面発光ファイバは一般に、光を伝送する大きな透明コアと、「全内部反射」と呼ばれる光学プロセスでコア内に光を閉じ込める薄い透明クラッドを備えたステップインデックス マルチモード ファイバです。コアは、照明器からの光をより効率的に結合するため、薄いクラッディングと比較して大きい。クラッドは光を透過しないため、クラッドに結合された光はファイバを通過しません。
端面発光ファイバーは、ガラスよりも大きなサイズで製造でき、安価で設置が容易であるため、一般にプラスチックで製造されています。プラスチック光ファイバー (POF) は、直径 0.1 ～ 20 mm のサイズで作られます。ガラス繊維は通常、はるかに小さいサイズ (髪の毛のように細く、約 50-150 ミクロンまたは 0.05 ～ 0.15 mm) で作られ、束ねられて直径の大きなケーブルが作成されます。
コアとクラッドの材料の選択により、光源から受け入れられ、ファイバによって伝送される光線の角度 (モードと呼ばれます) が決まり、開口数 (NA) と呼ばれる仕様によって定義されます。光は、NA のサイズを示す円錐形でファイバから出ます。NA が大きいほど、より広い出力円錐状の照明が得られます。また、NA が高いファイバーは、光源から放射された光をより高い角度で捕捉するため、光源からの光をより効率的に結合します。一般的なファイバーには、{{0}} 度の受容円錐があり、NA は 0.3-0.6 に相当します。光学素子を使用してファイバーから放射される光を集束させる場合、適切な光学素子を選択するにはファイバーの NA を知る必要があります。
端面発光ファイバーは光をよく透過します。ガラスはプラスチックよりも透明であるため、ガラスファイバーは伝送効率が高くなりますが、ファイバーを束に詰める効率が低いため、束内のファイバー間にスペースがあり、イルミネーター光の多くがファイバーコアに結合されないことを意味します。ただし、ガラスファイバーはイルミネーターによって発生する熱に対してより耐性があり、イルミネーターの強度を高めることができ、ファイバーの端からより多くの光を提供できます。

端面発光ファイバー

端面発光ファイバは、コアとクラッドの境界がわずかに非効率になるように設計されていることを除いて、基本的に端面発光ファイバと同様です。すべての光をコアに閉じ込めるのではなく、境界が粗く、一部の光がクラッド内に散乱され、そこで見えるようになります。綿密な設計により、ファイバーはネオン管によく似た滑らかな輝きを実現します。より小さな端面発光ファイバーがテープに織り込まれ、帯状に光を放射します。
光の多くはファイバに沿った端面発光によって失われるため、端面発光ファイバは高い減衰を示します。これにより、使用できる端面発光ファイバーの長さが制限される場合があります。この問題は、2 つのイルミネータを使用してファイバの両端から照射するか、ファイバを同じイルミネータにループバックさせるか、反射エンド キャップを使用して余分な光を遠端からファイバに送り返すことで軽減できます。


イルミネーター、光源の種類

イルミネーターには、ファイバー用の光源のほか、必要な量とタイプの照明を生成するように設計された光学部品とフィルターが含まれています。ファイバーに結合される光の量は照明器を選択する際の主な考慮事項ですが、他の多くの要因が関係しており、それが市場で多くの種類の光源を提供するようになっています。
多くの光源が複数のファイバーに対応するため、ファイバーに結合される電力によって、一般的に使用される光源の種類が決まります。石英ハロゲンランプは多くの照明器で使用されています。これらの光源はプロジェクター用のスポットライトまたはランプとして開発され、低電圧バージョンと AC 電圧バージョンの両方があり、幅広い出力範囲を備えています。石英ハロゲンランプは通常、光をファイバーに集中させることを容易にする反射板と一体化して作られています。高出力だが高電圧電力を必要とする新しいキセノンメタルハライドランプが導入され、効率が向上しました。
低電力システムでは、効率は高いが電力が制限されている LED を使用できます。新しい LED はより明るく、より効率的になっており、LED はより多くのシステムにとって実行可能な光源となっています。
イルミネーターには、ランプや LED だけではありません。ランプにリフレクターが組み込まれていない場合は、ファイバーに光を集中させるためのレンズと同様に、ランプが必要になる場合があります。高出力の電源には、ファイバーの加熱を軽減する赤外線 (IR) フィルターと、長期間の暴露によるファイバーの損傷を防ぐ紫外線 (UV) フィルターが搭載されている場合があります。
必要に応じて調光機能も含め、ランプまたは LED 用の電源が必要になります。ほとんどのランプは大量の熱を発生するため、多くの照明器にはファンによる強制換気が設計されています。
ランプは簡単にフィルタリングされ、ファイバー内に色付きの光が提供されます。通常、小型の電気モーターによって駆動されるホイール内にある可動フィルターを使用すると、選択した順序で光の色を変更できます。
イルミネータは複雑であるため、ほとんどのユーザーは独自にイルミネータを作成できませんが、多くのメーカーがさまざまなファイバの種類や用途に最適化されたさまざまなモデルを提供しています。これらのメーカーと協力することが、適切な照明器と互換性のあるファイバーを選択する最良の方法です。
光ファイバーを使用したパッシブ照明は、屋根に取り付けられたソーラーコレクターを使用して行われ、ファイバーを通じて太陽光を建物の部屋や船舶の甲板の下に届けます。

エンドエミッタ固定具
通常、光はファイバーの開口数によって定義される光の円錐形でエンドエミッターファイバーから出ます。場合によっては、照明としてはこれで十分です。ただし、光をより小さいスポットに集中させたり、成形された照明スポットを作成したり、通常の電球に似せるために光を拡散したりすることが望ましい場合があります。必要に応じて光を集束できるレンズ付きのエンドフィクスチャも用意されていますが、使用するファイバとの互換性を考慮して選択する必要があります。
ファイバーの端だけでなく、光の魅力的な器具を作成するための装飾器具も用意されています。通常の照明器具と同様に、メーカーはさまざまなタイプのこれらの器具を提供しています。

照度レベル
光ファイバーを使用する理由はエリアまたはオブジェクトの照明であるため、照明レベルが最も重要です。利用可能なオプションが多数あるため、さまざまなファイバーとイルミネーターを直接比較することは困難な場合があります。色に非常に敏感な人間の目の認識も要因となります。
端面発光ファイバーは、フットキャンドルで校正された露出計によってファイバーの端から適切な距離で出力パワーを簡単に測定できるため、校正が容易です。エッジ発光ファイバーは拡散パターンで発光し、知覚されるコントラストが周囲の照明に依存するため、校正がより困難です。
さまざまなオプションによって提供される照明に関係する要素を確認することは、例示的なものです。

結合電力
光ファイバーに結合されるパワーは、光源の強度、ファイバーの端への集束効率、付属のフィルター (IR、UV、および/または色)、ファイバー端面の反射率、およびクロスの関数です。 - 繊維の断面積。より大きなファイバーは明らかにより多くの電力を結合します。ファイバの直径が 2 倍になると断面積が 4 倍 (2 の 2 乗) 増加するため、結合電力は 4 倍高くなります。同様に、ファイバ束の充填密度が高くなると、結合電力が増加します。ほこりや汚れはかなりの光を吸収するため、ファイバー端の清潔さも重要です。

ファイバーの減衰
散乱や吸収によるファイバ内の損失により出力パワーが低下し、ファイバの減衰は波長に依存するため、放射される光の色が変化します。繊維が長いと、光はわずかに赤くなります。


光ファイバー照明システムの設計
光ファイバー照明には業界標準が欠けているようで、すべての製品とアプリケーションは独自のものです。
光ファイバー照明システムには非常に多様な種類があるため、システムの設計について一般化することは困難です。ただし、すべての設計プロジェクトは、何を照明するか、どのような種類の光が必要か (強度、照明パターン、色、多様性など)、光がどこに照射されるか、照明器がどこに配置されるかなど、いくつかの共通項目から始まります。 。設計者が光ファイバー照明を初めて使用する場合は、経験豊富な設計者や請負業者に相談することを強くお勧めします。彼らは、デザイン、光ファイバー照明コンポーネント、メーカーを推奨することができます。また、光ファイバー照明システムだけでなく、システムの電源やコントローラーの設計にも役立つはずです。
経験豊富な請負業者がいない場合は、メーカーや販売代理店の Web サイトを利用して、どのようなアプリケーションが可能か、どのようなコンポーネントが利用可能で、それらを実装するのに最適であるかについて詳しく知ることができます。また、コンポーネントを購入して自分で組み立てるか、すぐに設置できる完全なシステムを購入するかについてのオプションも確認できます。

光ファイバー照明システムの設置
光ファイバー照明システムの設置には、ケーブル、照明装置、器具の設置が含まれます。ほとんどのアプリケーションはカスタムであり、多くは使用されているコンポーネントに関連する特殊な実践を必要とします。コンポーネントを開発しただけでなく、設置治具や実践方法も開発したメーカーと協力することが、設置を確実に適切に行うための最良の方法です。アプリケーションが新しいタイプの場合、実際の作業に着手する前に、適切に動作するかどうかを実験して判断することが非常に重要です。
経験に代わるものはないため、光ファイバー照明システムの設計に関する上記のアドバイスがここでも当てはまります。照明の設置に慣れている有能な電気技師であれば、特にケーブル、照明器具、電源とコントローラーの設置に経験があるため、光ファイバー照明システムを設置できるはずです。
 

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