광섬유 - 기술 주제

Sep 14, 2024

광섬유 조명

소개
광섬유는 조명 및 통신을 위해 광원에서 원격 위치로 빛을 전송하는 데 사용될 수 있습니다. 실제로 섬유는 빛을 투과시킬 뿐만 아니라 섬유 자체를 따라 빛을 내도록 만들어져 있어 네온사인관과 비슷하다. 광섬유 조명의 응용 분야는 다양하며 일반적으로 광섬유의 고유한 특성뿐만 아니라 특수한 특성을 활용하는 데 기반을 둡니다.

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조명에 광섬유를 사용하는 이유는 무엇입니까?
원격 조명에 광섬유를 사용하면 많은 이점이 있으며 그 중 일부는 다른 것보다 특수한 유형의 응용 분야에 더 중요합니다.
무열 조명: 광원이 멀리 떨어져 있기 때문에 광섬유는 빛을 전달하지만 조명점에서 광원의 열을 격리합니다. 이는 박물관 디스플레이와 같이 열이나 강렬한 빛에 의해 손상될 수 있는 섬세한 물체를 조명하는 데 중요한 고려 사항입니다.
전기 안전: 광섬유 조명은 광섬유가 비전도성이고 광원의 전원을 안전한 위치에 배치할 수 있어 수영장, 분수 등 수중 조명이나 위험한 대기에서의 조명을 안전하게 할 수 있습니다. 많은 조명조차도 전압이 낮습니다.
정확한 스포트라이트: 광섬유와 렌즈를 결합하면 매우 작은 지점에 세심하게 초점을 맞춘 빛을 제공할 수 있으며, 이는 박물관 전시 및 보석 전시에 널리 사용되며, 단순히 특정 영역을 정밀하게 비출 수도 있습니다.
내구성: 조명에 광섬유를 사용하여 더욱 내구성이 뛰어난 조명이 됩니다. 플라스틱이든 유리이든 광섬유는 강하고 유연하며 깨지기 쉬운 전구보다 내구성이 훨씬 뛰어납니다.
네온의 모습: 길이 방향으로 빛을 발산하는 섬유로 일반적으로 Edge Emitting Fiber라고 불리며, 네온관 모양을 하고 있어 장식용 조명 및 간판용으로 사용됩니다. 섬유는 가공하기 쉽고 플라스틱으로 만들어졌기 때문에 깨지기 쉽습니다. 조명은 원격이므로 광섬유의 한쪽 또는 양쪽 끝에 배치할 수 있으며 소스는 저전압 소스이므로 더 안전할 수 있습니다.
색상을 다양하게: 백색 광원과 함께 컬러 필터를 사용하면 광섬유 조명이 다양한 색상을 가질 수 있으며, 필터를 자동화하면 사전 프로그래밍된 순서에 따라 색상이 다양해집니다.
더 간단한 설치: 광섬유 조명은 조명 탐지기에 전기 케이블을 설치한 다음 하나 이상의 전구가 있는 부피가 큰 조명 기구를 해당 위치에 설치할 필요가 없습니다. 대신, 광섬유를 해당 위치에 설치하고 작은 초점 렌즈 고정 장치를 사용하여 제자리에 고정하는 과정이 훨씬 간단합니다. 종종 여러 개의 광섬유가 단일 광원을 사용하여 설치를 더욱 단순화할 수 있습니다.
쉬운 유지보수: 높은 천장이나 좁은 공간 등 접근하기 어려운 공간의 조명은 광원 변경을 어렵게 만들 수 있습니다. 광섬유를 사용하면 소스는 쉽게 접근할 수 있는 위치에 있고 광섬유는 원격 위치에 있을 수 있습니다. 소스를 변경하는 것은 더 이상 문제가 되지 않습니다.

광섬유 조명의 작동 방식 fiber optic lighting systems
광섬유 조명은 광섬유를 "광 파이프"로 사용하여 소스의 빛을 광섬유를 통해 원격 위치로 전송합니다. 빛은 섬유 끝에서 방출되어 작은 스포트라이트 효과("끝 광선"이라고도 함)를 생성하거나 섬유 길이를 따라 섬유 외부에서 방출되어 네온이나 형광등처럼 보일 수 있습니다("측면 광선"이라고도 함). ).
광원은 일반적으로 "광섬유 조명기"라고 불리며 밝은 광원과 빛을 광섬유에 효율적으로 집중시키는 일부 광학 장치로 구성됩니다. 광원은 밝아야 하므로 석영 할로겐 또는 크세논 메탈 할라이드 조명이 일반적으로 사용됩니다. 더 작은 섬유는 빛을 섬유에 매우 효율적으로 결합하지만 다른 램프의 광 수준을 달성하지 못하는 LED를 사용할 수도 있습니다.
조명에 사용되는 광섬유는 통신에 사용되는 광섬유와 유사하지만 고속 신호가 아닌 빛을 전송하는 데 최적화되어 있습니다. 광섬유는 빛을 전달하는 코어와 광섬유 코어에 빛을 가두는 광학 클래딩으로 구성됩니다. 대역폭을 최대화하기 위해 작은 코어를 사용하는 통신 광섬유와 달리 조명 광섬유는 조명기에서 광섬유로의 빛의 결합을 최대화하기 위해 얇은 클래딩이 있는 큰 코어를 사용합니다. 측면 방출 섬유는 코어와 클래딩 사이에 거친 경계면이 있어 섬유의 길이를 따라 코어에서 일부 빛을 분산시켜 네온 조명 튜브와 유사한 일관된 조명 모양을 만듭니다.
조명 섬유는 통신 섬유와 마찬가지로 유리나 플라스틱으로 만들 수 있습니다. 섬유가 유리인 경우 일반적으로 직경이 매우 작으며 충분한 광 전송을 제공하기 위해 다수가 하나의 재킷 케이블로 함께 묶여 있습니다. 직경이 더 큰 플라스틱 섬유도 저렴하고 설치가 쉽기 때문에 아마도 더 일반적으로 사용되지만, 광 손실이 더 크고 뜨거운 온도를 견딜 수 없어 광원으로부터의 광 입력이 제한되는 경우도 있습니다.

섬유의 종류

fiber types

최종 방출 섬유
엔드 방출 광섬유는 일반적으로 빛을 전달하는 대형 투명 코어와 "내부 전반사"라는 광학 프로세스에서 코어에 빛을 가두는 얇은 투명 클래딩을 갖춘 계단식 다중 모드 광섬유입니다. 코어는 얇은 클래딩에 비해 크기 때문에 조명기의 빛을 더 효율적으로 결합할 수 있습니다. 클래딩은 빛을 전송하지 않으므로 클래딩에 결합된 빛은 광섬유를 통해 전송되지 않습니다.
끝 방출 섬유는 일반적으로 유리보다 더 큰 크기로 만들 수 있고 가격이 저렴하고 설치가 쉽기 때문에 플라스틱으로 만들어집니다. 플라스틱 광섬유(POF)는 직경이 0.1~20mm인 크기로 만들어집니다. 유리 섬유는 일반적으로 훨씬 작은 크기(털이 얇음, 약 50-150미크론 또는 0.05~0.15mm)로 만들어지며 함께 묶어 더 큰 직경의 케이블을 만듭니다.
코어 및 클래딩 재료의 선택은 NA(개구수)라는 사양으로 정의되는 소스에서 받아들이고 섬유에 의해 전달되는 광선의 각도(모드라고 함)를 결정합니다. 빛은 더 넓은 조명 출력 원뿔을 갖는 더 큰 NA와 함께 NA의 크기를 보여주는 원뿔 형태로 광섬유를 빠져나갑니다. NA가 높은 섬유는 광원에서 방출되는 더 높은 각도의 빛을 포착하므로 광원의 빛을 보다 효율적으로 결합합니다. 일반적인 섬유는 NA 0.3-0.6에 해당하는 {{0}도의 수용 원뿔을 갖습니다. 광섬유에서 방출되는 빛의 초점을 맞추기 위해 광학 장치를 사용할 경우 적절한 광학 장치를 선택하려면 광섬유의 NA를 알아야 합니다.
끝 방출 섬유는 빛을 잘 전달합니다. 유리는 플라스틱보다 투명하기 때문에 유리 섬유는 투과율이 더 효율적입니다. 그러나 섬유를 다발로 포장하는 것의 비효율성으로 인해 다발의 섬유 사이에 공간이 있으면 조명기 빛의 대부분이 섬유 코어에 결합되지 않습니다. 그러나 유리 섬유는 조명기에서 발생하는 열에 더 잘 견딜 수 있으므로 조명기 강도를 높이고 섬유 끝에서 더 많은 빛을 제공할 수 있습니다.

가장자리 방출 섬유

Edge-Emitting Fiber는 코어/클래딩 경계가 약간 비효율적으로 설계되었다는 점을 제외하면 기본적으로 End-Emitting Fiber와 유사합니다. 코어에 모든 빛을 가두는 대신 경계가 거칠고 일부 빛이 클래딩으로 산란되어 눈에 띄게 됩니다. 세심한 디자인으로 섬유는 네온등 튜브처럼 보이는 부드러운 빛을 낼 수 있습니다. 더 작은 가장자리 방출 섬유는 띠 형태로 빛을 방출하는 테이프로 짜여져 있습니다.
많은 양의 빛이 광섬유를 따라 가장자리 방출에 의해 손실되므로 가장자리 방출 섬유는 감쇠가 높습니다. 이로 인해 사용할 수 있는 가장자리 방출 섬유의 길이가 제한될 수 있습니다. 이는 두 개의 조명기를 사용하거나 광섬유를 동일한 조명기에 다시 연결하여 양쪽 끝에서 광섬유를 조명하거나 반사 엔드 캡을 사용하여 맨 끝에서 광섬유 위로 과도한 빛을 보내면 완화될 수 있습니다.

조명기, 광원 유형

조명기에는 원하는 조명의 양과 유형을 생성하도록 설계된 광학 장치와 필터뿐만 아니라 광섬유용 광원도 포함되어 있습니다. 조명 장치를 선택할 때 광섬유에 결합된 빛의 양이 주요 고려 사항이지만, 다른 많은 요소도 관련되어 있어 시장에서는 다양한 유형의 광원을 제공하게 되었습니다.
많은 소스가 하나 이상의 광섬유를 수용하므로 광섬유에 결합된 전력에 따라 일반적으로 사용되는 광원의 유형이 결정됩니다. 석영 할로겐 램프는 많은 조명기에 사용됩니다. 프로젝터용 스포트라이트 또는 램프로 개발된 이러한 소스는 저전압 및 AC 전압 버전으로 제공되며 다양한 전력 출력을 제공합니다. 석영 할로겐 램프는 일반적으로 빛을 섬유에 더 쉽게 집중시키는 반사경과 일체형으로 만들어집니다. 고출력이지만 고전압 전력이 필요한 새로운 제논 메탈 할라이드 램프가 출시되어 더 높은 효율을 제공합니다.
저전력 시스템에서는 효율은 높지만 전력은 제한된 LED를 사용할 수 있습니다. 새로운 LED는 더욱 밝아지고 더욱 효율적이 되어 LED를 더 많은 시스템에 사용할 수 있는 소스로 만들고 있습니다.
조명기에는 램프나 LED 이상의 것이 포함됩니다. 램프가 램프에 내장되어 있지 않은 경우 반사경이 필요할 수 있으며, 빛을 광섬유에 집중시키기 위한 렌즈도 필요할 수 있습니다. 고전력 소스에는 광섬유의 가열을 줄이기 위한 적외선(IR) 필터와 장기간 노출 시 광섬유의 손상을 방지하기 위한 자외선(UV) 필터가 있을 수 있습니다.
원하는 경우 디밍 기능을 포함하여 램프 또는 LED용 전원이 필요합니다. 대부분의 램프는 많은 열을 발생시키므로 많은 조명 장치에 팬 강제 환기 장치가 설계됩니다.
램프는 쉽게 필터링되어 광섬유에 유색광을 제공합니다. 일반적으로 소형 전기 모터로 구동되는 바퀴에 이동식 필터를 사용하면 조명의 색상이 선택한 순서에 따라 변경될 수 있습니다.
조명기는 복잡하기 때문에 대부분의 사용자가 직접 조명기를 만드는 것은 불가능하지만, 많은 제조업체에서는 다양한 섬유 유형 및 응용 분야에 최적화된 다양한 모델을 제공합니다. 이러한 제조업체와 협력하는 것이 적절한 조명기와 호환 가능한 광섬유를 선택하는 가장 좋은 방법입니다.
광섬유를 사용하는 수동 조명은 건물의 방이나 선박의 갑판 아래에 섬유를 통해 햇빛을 전달하는 지붕 장착형 태양열 집열기를 사용하여 수행됩니다.

엔드 이미터 고정 장치
일반적으로 빛은 섬유의 개구수에 의해 정의된 빛의 원추형에서 끝 방출기 섬유를 빠져나갑니다. 어떤 경우에는 조명에 적합할 수도 있습니다. 그러나 때로는 더 작은 지점에 빛의 초점을 맞추거나, 조명된 모양의 지점을 만들거나, 빛을 확산시켜 일반 전구와 비슷하게 만드는 것이 바람직할 때도 있습니다. 필요에 따라 빛의 초점을 맞출 수 있는 렌즈가 있는 끝 고정 장치를 사용할 수 있지만 사용되는 광섬유와의 호환성을 위해 선택해야 합니다.
섬유의 끝뿐만 아니라 조명을 위한 매력적인 고정 장치를 만들기 위해 장식 고정 장치도 사용할 수 있습니다. 제조업체는 일반 조명 기구와 마찬가지로 다양한 유형의 이러한 기구를 제공합니다.

조명 수준
광섬유를 사용하는 이유는 영역이나 물체의 조명이므로 조명 수준이 가장 중요합니다. 다양한 옵션이 제공되므로 다양한 파이버와 조명 장치를 직접 비교하는 것이 어려울 수 있습니다. 색상에 매우 민감한 인간 눈의 인식도 하나의 요인입니다.
출력 전력은 풋 캔들(foot-candles)로 보정된 광도계를 통해 광섬유 끝에서 적절한 거리에서 쉽게 측정될 수 있으므로 최종 방출 광섬유는 보정하기가 더 쉽습니다. 가장자리 방출 섬유는 확산 패턴으로 방출되고 인식되는 대비가 주변 조명에 따라 달라지므로 보정하기가 더 어렵습니다.
다양한 옵션이 제공하는 조명과 관련된 요소를 살펴보는 것이 예시입니다.

결합된 전력
광섬유에 결합된 전력은 광원의 강도, 광섬유 끝에 초점을 맞추는 효율, 포함된 필터(IR, UV 및/또는 색상), 광섬유 종단면의 반사율 및 교차점의 함수입니다. - 섬유의 단면적. 더 큰 섬유는 분명히 더 많은 전력을 결합합니다. 섬유 직경을 두 배로 늘리면 단면적이 4배(2제곱) 증가하므로 결합 전력은 4배 더 높아야 합니다. 마찬가지로, 섬유 다발의 패킹 밀도가 높을수록 결합력이 증가합니다. 먼지와 먼지가 상당한 양의 빛을 흡수하므로 광케이블 끝부분의 청결도 중요합니다.

섬유 감쇠
산란 및 흡수로 인한 섬유 손실로 인해 출력 전력이 감소하고, 섬유 감쇠가 파장에 따라 달라지므로 방출되는 빛의 색상이 변경됩니다. 섬유가 길수록 빛이 약간 붉어집니다.

광섬유 조명 시스템 설계
광섬유 조명은 산업 표준이 누락된 것으로 보이므로 모든 제품과 응용 프로그램은 독점적입니다.
광섬유 조명 시스템은 매우 다양하기 때문에 시스템 설계를 일반화하기는 어렵습니다. 그러나 모든 디자인 프로젝트는 조명 대상, 원하는 조명 종류(강도, 조명 패턴, 색상, 다양성 등), 조명을 표시할 위치 및 조명 장치를 배치할 위치 등 몇 가지 공통 항목으로 시작됩니다. . 설계자가 광섬유 조명을 처음 사용하는 경우 숙련된 설계자 및 계약자와 상담하는 것이 좋습니다. 그들은 디자인, 광섬유 조명 부품 및 제조업체를 추천할 수 있습니다. 또한 광섬유 조명 시스템뿐만 아니라 시스템의 전원 및 컨트롤러를 설계하는 데 도움을 줄 수 있어야 합니다.
숙련된 계약자가 없는 경우 제조업체 및 유통업체 웹사이트를 통해 어떤 응용 프로그램이 가능한지, 어떤 구성 요소를 사용할 수 있는지, 구현에 적합한 요소가 무엇인지 자세히 알아볼 수 있습니다. 또한 구성 요소를 구매하고 직접 조립하거나 설치 준비가 완료된 전체 시스템을 구매하는 것과 관련된 옵션도 볼 수 있습니다.

광섬유 조명 시스템 설치
광섬유 조명 시스템 설치에는 케이블, 조명 장치 및 고정 장치 설치가 포함됩니다. 대부분의 응용 프로그램은 맞춤형이며 많은 응용 프로그램에는 사용되는 구성 요소와 관련된 전문적인 방법이 필요합니다. 구성 요소를 개발했을 뿐만 아니라 설치 고정 장치 및 방법도 개발한 제조업체와 협력하는 것이 설치가 제대로 완료되었는지 확인하는 가장 좋은 방법입니다. 애플리케이션이 새로운 유형이라면 실제 작업에 착수하기 전에 제대로 작동하는지 실험해 보는 것이 매우 중요합니다.
광섬유 조명 시스템 설계에 관해 위에 제공된 조언은 경험을 대체할 수 없기 때문에 여기에도 적용됩니다. 조명 설치에 익숙한 유능한 전기 기술자는 특히 케이블, 조명 기구, 전력 및 컨트롤러 설치 경험이 있으므로 광섬유 조명 시스템을 설치할 수 있어야 합니다.