Osvětlení pro 21. století

Osvětlení pro 21. století

1. Úvod
Světelná a osvětlovací technika jsou samy o sobě náročné obory, které spojují estetická, technická a bezpečnostní kritéria v jeden celek, jenž působí na zrak člověka či jiného živého tvora. Světelná technika je rozvíjena již po mnohá desetiletí a dosáhla mnohostranné variability. Přesto nacházíme aplikace, ve kterých jen ztěží a komplikovaným způsobem lze řešit speciální světelné požadavky klasickými metodami.

V tomto článku se zaměříme na progresivní moderní technologii osvětlování – optické vláknové světelné systémy (OVSS).

Žádná myšlenka by neměla nárok na dlouhou existenci, kdyby nepřinesla kvalitativní skok ve svém oboru nebo ho podstatně neobohatila. Avšak pouze existence optických vláken není postačující podmínkou úspěšného zavedení tohoto produktu v praxi. Teprve technologické zvládnutí komerční výroby vysoce čistých plastových či skleněných vláken ve spojení s výkonnými světelnými zdroji, schopnými koncentrovat světelnou energii do vstupní apertury (průměr asi 25 mm) společného konce (optického portu) vláken při zachování dostatečně dlouhé doby života světelného zdroje, přináší onen kvalitativní skok.

A právě OVSS poskytují skutečně nový pohled na možnosti funkčního i dekorativního osvětlení.

Jsou optická vlákna vhodná pouze pro dekoraci, nebo jsou určena i pro funkční osvětlení? Lze osvětlovat mrazicí box či saunu? Je možné vytvořit hvězdné nebe s tisíci zářícími hvězdami? Jsou optická vlákna vhodná jen pro dekorativní svítidla, nebo lze světlo pomocí vláken rozvést po celém městě? Doufám, že tento článek i předpokládané další budou čtenářům nápomocny k detailnímu porozumění této technologii osvětlování.

2. Historie vývoje
Dříve než se postupně seznámíme se současným stavem technologie a vyhlídkou do nejbližší budoucnosti, podívejme se krátce na předcházející vývoj z hlediska teoretických základů, které umožnily následné materiální zhmotnění těchto idejí.

2.1 Vývoj teorie šíření světla
Za dominantní mezníky teoretických základů můžeme považovat:

• r. 1621 – Willebrod Snell – objevil a zformuloval zákony odrazu a lomu, včetně totálního odrazu,
• r. 1678 – Christian Huygens – objevil vlnové vlastnosti světla,
• r. 1860 – James Clerk Maxwell – vybudoval teorii elektromagnetismu, která jednotně popsala jevy klasické elektrodynamiky, fyzikální optiky i tepelného záření,
• r. 1870 – John Tyndall – demonstroval vedení světla v zakřiveném tryskajícím proudu vody,
• r. 1880 – William Wheeler – vyslovil myšlenku rozvodu světla tubusy s odraznými vnitřními stěnami z centrálního zdroje do několika vzdálených míst,
• r. 1930 až 1940 – řada studií a aplikačních produktů s planárními vlnovodnými strukturami, první pokusy s plexisklem,
• r. 1950 – idea dvouvrstvého funkčního vlákna – poslední principiální idea umožňující úspěšnou výrobu optických vláken současného typu.

2.2 Vývoj a výroba optického skla a optických plastů
Pomineme-li doby, kdy staří Egypťané, Féničané a Babyloňané používali sklo spíše průsvitné než průhledné, ocitneme se v italské Jeně 19. století. Od této doby se datuje skutečná výroba opticky čistého skla. Z našeho pohledu můžeme toto období brát jako základ pro výrobu pouze celoskleněných vláken. Vývoj a výroba čistých optických plastů přišly na řadu až o několik desetiletí později. Z historického hlediska však téměř okamžitě dohnaly celoskleněná vlákna.

Počátky výroby vlastního vlákna, splňujícího podmínky vlnovodného efektu, musely čekat až na onu šťastnou myšlenku „dvouvrstvého válce“.

Tedy:

• r. 1950 – první laboratorní vzorky optických celoskleněných vláken,
• r. 1968 – vlákna s útlumem 1 000 dB/km v infračervené oblasti,
• r. 1970 – Corning Glass Co. – vyrobila několik metrů vlákna s útlumem 20 dB/km,
• r. 1975 – Corning Glass Co. – komerčně vyráběná vlákna s útlumem 20 dB/km,
• r. 1978 – DuPont – první vlákna PMMA (polymethyl metacrylate) malého průměru,
• r. 1978 – první optické skleněné svazky pro osvětlovací účely,
• r. 1980 – Fiberstars – první optické svazky PMMA pro osvětlování se stranovým zářením (obr. 1),
• r. 1986 – Lumenyte – velkoprůměrová plastová monovlákna – LCPOF (Large Core Plastic Optical Fiber),
• r. 2000 – celoskleněná vlákna z chemicky čistého syntetického křemene (SiO2) pro přenos dat s útlumem 0,15 dB/km (pro l = 1 550 nm),
• r. 2000 – celoskleněná olovnato-křemičitá vlákna pro osvětlování s útlumem 0,20 dB/m a celoplastová vlákna PMMA pro osvětlování s útlumem 0,14 dB/m (pro bílé světlo).

V současné době dosahují celoplastová vlákna lepších přenosových parametrů pro viditelné spektrum záření než obdobné produkty v celoskleněném provedení!

Vlákna pro datové přenosy dosahují již teoretické meze útlumu, tj. asi 0,15 dB/km, avšak pro vlnovou délku 1 550 nm (útlumové vlastnosti vláken jsou závislé na vlnové délce záření) a navíc v konstrukci naprosto nevhodné pro osvětlovací účely. Jejich cena je přibližně o dva řády vyšší než u olovnato-křemičitých vláken. Rozdíly si podrobněji ukážeme v některém z dalších příspěvků.

3. Základní vlastnosti a aplikace OVSS
Co nového tedy přinášejí optická vlákna ve světelné technice? Jsou to především tyto unikátní vlastnosti:

3.1 Naprostá bezpečnost
Podél optických kabelů se nepřenáší žádný elektrický proud ani se nevyskytuje rozdíl potenciálů, proto lze

• optická vlákna bez jakýchkoli dodatečných krytí použít pro dekorativní i přímé osvětlování v soukromých i veřejných bazénech, sprchových koutech, a to i v přímém dosahu člověka (obr. 2),
• skleněné svazky bez jakýchkoli problémů použít pro vnitřní osvětlení potních místností parních i suchých saun (obr. 3),
• optická vlákna rovněž použít v prostředích s nebezpečím výbuchu.

3.2 Potlačení UV a IR složek záření
Optická vlákna silně potlačují šíření tepelného i ultrafialového záření:

• působí jako frekvenční propust viditelnému spektru, postranní složky záření (UV – ultrafialové, IR – infračervené) jsou potlačeny,
• jsou velmi vhodným prostředkem pro dlouhodobě osvětlované uzavřené vitríny (obr. 4) nebo výtahové kabiny,
• jsou ideálním prostředkem v osvětlování exponátů citlivých na UV a IR složky záření (obr. 5) v muzeích, v galeriích či soukromých sbírkách.

3.3 Odolnost k elektromagnetické interferenci
Záření z optických vláken neruší ani není rušeno jiným zdrojem záření, protože podél vláken se nepřenáší elektrický proud ani se nevytváří doprovodné magnetické pole (zvlášť důležité např. u citlivých lékařských přístrojů).

Mezi další významné vlastnosti optických vláken můžeme zařadit:

3.4 Trvanlivost

• optická vlákna vykazují své charakteristické vlastnosti po desetiletí, u celoskleněných vláken se uvádí život delší než 30 let, u vláken PMMA 15 až 20 let (v závislosti na okolní teplotě a expozici UV složek záření),
• optické kabelové rozvody tedy mohou být i „zazděny“ ve stavbě,
• životem se rozumí doba, za kterou výstupní světelný tok poklesne o 3 dB vzhledem ke své původní hodnotě v době instalace (tzn. pokles o 50 %), popř. nastane znatelný barevný posun výstupního záření (závislé na charakteru aplikace a požadavcích na R_a – indexu podání barev).

3.5 Odolnost

• optické vláknové kabely lze přímo použít do venkovního prostředí,
• pláště – především pro kabely se stranovým vyzařováním – jsou stabilizovány proti UV záření a chemicky ošetřeny tak, aby mohly být trvale v kontaktu s chemicky upravenou zejména chlorovanou vodou (např. osvětlení vnitřních bazénových schodů),
• vlákna PMMA snesou teplotu +75 °C, krátkodobě až +85 °C; již nyní existují typy vláken krátkodobě odolávající i 120 °C,
• upravené konce celoskleněných vláken včetně koncovky odolávají teplotám až 200 °C (teplotní odolnost dostatečná i pro vnitřní prostory saun).

3.6 Přizpůsobivost

• optické celoskleněné, resp. plastové svazkové kabely jsou tvořeny základními vlákny o průměru 50 µm, resp. 750 µm, které jim dávají potřebnou ohebnost. Zjednodušeně se uvádí minimální permanentní poloměr ohybu optického kabelu jako čtyřnásobek jeho celkového průměru, popř. jako osminásobek aktivního (svítícího) průměru svazku,
• kabely z celoskleněných či z celoplastových vláken PMMA nejsou křehké, většina aplikací odolává vandalismu,
• miniaturní rozměry a vysoký světelný tok umožňují realizovat osvětlení z míst, kde konvenční řešení selhává,
• široká škála svazků s různým počtem vláken dovoluje světelnou přizpůsobivost požadavkům uživatele či dané aplikace (dvojnásobný počet vláken přináší také dvojnásobný světelný tok).

3.7 Snadná instalace celoplastových kabelů

• plastové svazky PMMA je možné snadno instalovat – nevyžadují drahé instalační pomůcky, lze je instalovat přímo na místě určení,
• celoskleněné optické vláknové členy jsou naproti tomu dodávány většinou jako komplet; k zapravení (řezání, broušení a leštění) jednotlivých konců ramen a zejména k úpravě společného konce v optickém portu je nutné mít náročnější vybavení, tzn. nelze instalovat ze surového stavu (kabel z cívky) v místě aplikace.

3.8 Ekonomičnost a hospodárnost provozu

• optická vlákna jsou bezúdržbová,
• podstatné snížení nároků na přístupnost k aktivním zdrojům záření, projektor je umístěn mimo osvětlovanou scénu,
• vysoký počet zářících bodů – velmi důležitá a silná vlastnost optických vláken, která jsou schopna rozvést světelnou energii do mnoha míst, popř. osvětlovat předmět z mnoha úhlů, tzn. bez tvorby stínů a nerovnoměrně osvětlených ploch,
• lze vytvářet dvojrozměrné grafické panely skládající se z několika tisíc bodů,
• ideální prostředek pro tvorbu tzv. hvězdného nebe, ať už s holými vlákny, s plastovými či křišťálovými koncovkami,
• nízké provozní náklady – až třináct svítících bodů srovnatelných s intenzitou osvětlení produkovanou 50W halogenovou úzkoúhlou žárovkou (projektor osazen 150W halogenidovou výbojkou).

3.9 Vysoce estetické a velmi dobré užitné vlastnosti

• každé použití optických vláken pro funkční osvětlení současně nese stopy působivé dekorace a naopak,
• zcela ojedinělého efektu se dosahuje použitím stranově zářícího kabelu, tzv. semineonu,
• velmi důležitou vlastností optických vláken je schopnost z malého průměru konce svazku produkovat silný světelný tok.

3.10 Možnost řídit chromatičnost a intenzitu světla

• jednou z nejžádanějších a nejpůsobivějších vlastností dekorativních aplikací OVSS je dosažení plynulé změny chromatičnosti záření (aplikace nejen v reklamních poutačích),
• tento efekt může být nahrazen nebo doplněn náhodně pohasínajícími konci vláken.

3.11 Velká překlenutelná vzdálenost

• malý útlum světelného záření (u celoskleněných světlovodů: –0,20 dB/m, u PMMA: –0,14 dB/m) umožňuje z jednoho místa obsáhnout prostor o poloměru až 30 m,
• pro delší vzdálenosti, zejména při použití stranově zářícího kabelu, je možné paralelní či sériové uspořádání projektorů.

4. Složení optických vláknových světelných soustav
Složení OVSS je patrné z celkového schématu na obr. 6.

Prvořadým předpokladem je existence vlastního světelného zdroje. K maximálnímu využití celkového světelného toku zdroje je nutné použít parabolický reflektor, který je schopen soustředit záření do vstupní apertury optického portu. Na vlastnostech tohoto reflektoru a rozměrech aktivního svítícího prvku, umístěného v jeho ohnisku (čím menší, tím přesnější koncentrace), závisí z velké části celková světelná účinnost celého systému. Nejčastěji používanými typy světelných zdrojů jsou halogenové žárovky a halogenidové výbojky. Vzhledem k podstatně vyššímu měrnému světelnému výkonu výbojových zdrojů lze počítat s až třikrát větším světelným tokem ve vstupní apertuře optického portu než při použití halogenových zdrojů stejného elektrického příkonu.

Těsně před navázáním záření do optických vláken se upravuje spektrum či intenzita záření přídavnými filtry. IR/UV filtr je nezbytný při použití vláken PMMA. „Šedý“ a barevný filtr (většinou kruhového tvaru a složený z několika částí o různé propustnosti, resp. barvě, umístěný na hřídelce motorku) je přidáván v případě potřeby řízení intenzity (u výbojek lze měnit svítivost stmíváním jen obtížně a v omezeném rozsahu) či chromatičnosti záření. Kompletní systém obsahující světelný zdroj, reflektor, filtry, příslušnou elektroniku, ventilační jednotku a pouzdro pro uchycení optického portu označujeme jako projektor.

Hlavním a charakteristickým prvkem všech OVSS však je jeho vláknový člen. Skladba tohoto členu může být velmi pestrá. V případě celoplastových systémů může jít o samostatná vlákna (nejčastěji o průměru 0,75 mm) nebo o optické svazky s koncovým, popř. stranovým zářením. Je možná jakákoliv kombinace těchto základních typů. U celoskleněných systémů jde však vždy o homogenní strukturu svazků buď s koncovým (v drtivé většině aplikací), nebo stranovým zářením (velmi omezeně). Samostatná vlákna v celoskleněných vláknových členech se neužívají, protože jsou bez dalších sekundárních ochran velmi křehká. Každý vláknový člen musí mít společné zakončení, kterému říkáme optický port. Tento port má několik funkcí. Na jedné straně mechanicky drží všechny svazky pohromadě. Na straně druhé umožňuje zapravení (zatavení, broušení a leštění) holých vláken pro optimální navázání světelného záření do vlnovodné struktury vláken. V neposlední řadě optický port zastává ochlazovací funkci, proto často má robustnější konstrukci z kovových materiálů. Nepsaným standardem se stává průměr hlavy portu – 30 mm. Tento rozměr také koresponduje se schopností soustředění záření reflektorem do plochy o průměru 15 až 25 mm. Při použití běžných halogenových žárovek opatřených reflektorem lze dosáhnout osvětlení o vstupním průměru až několik centimetrů. V takovém případě však nejde o aplikaci funkčního osvětlení ani o použití stranově zářících svazků, které vyžadují maximální světelné výkony na vstupu do optického portu, ale o jednoduché dekorativní aplikace.

Posledním, ne avšak nezbytným prvkem OVSS jsou tvarovky na vzdálených koncích jednotlivých ramen. Je-li požadován jiný úhel světelného svazku než přibližně 60° (charakteristická hodnota směrových vlastností optických vláken ), jsou konce svazků osazovány tvarovkami, které tento úhel zvětšují pro zviditelnění bodu z celého poloprostoru (2p steradiánů) nebo zmenšují pro zvýšení hustoty světelného toku, resp. dosažení potřebné intenzity osvětlení v daném místě.

Při návrhu jednotlivých aplikací existuje vždy několik způsobů řešení. Výsledný efekt je dán souhrnným působením více faktorů ve srovnání s běžnými postupy návrhu osvětlení, jakými jsou:

• výběr projektoru, popř. určení počtu projektorů,
• výběr průměrů použitých svazků, resp. počtu vláken ve svazku,
• určení délky ramen,
• určení počtu ramen,
• volba vhodné koncovky,
• optimalizace návrhu.

Tato tvárnost a variabilita celého systému dává možnost vytvořit světelnou scénu podle specifických potřeb dané aplikace.

5. Závěr
V tomto článku o OVSS byla věnována pozornost obecným vlastnostem a možnostem světelných soustav využívajících optická vlákna. Šíře použitelnosti tohoto progresivního média vedení světelného záření dává předpoklad náhledu na optická vlákna jako na základní stavební kámen unikátních, bezpečných světelných soustav. V navazujících článcích budou zevrubně diskutovány všechny vlastnosti a typy optických vláken používané v osvětlovací technice s ohledem na současný stav technologie výroby.